JP2014199937A - 液体噴射ヘッド、液体噴射装置および圧電素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明にかかる液体噴射ヘッド600は、薄膜法により形成された圧電体層30および圧電体層30に電圧を印加する電極10,20を含む圧電アクチュエーター102を備える。液体噴射ヘッド600の圧電体層30は、チタン酸ビスマスナトリウムと、0.2モル%以上8.0モル%以下のマンガンと、を含む固溶体である。
【選択図】図2
Description
本発明にかかる液体噴射ヘッドの一態様は、
薄膜法により形成された圧電体層および前記圧電体層に電圧を印加する電極を含む圧電アクチュエーターを備えた液体噴射ヘッドであって、
前記圧電体層は、チタン酸ビスマスナトリウムと、0.2モル%以上8.0モル%以下のマンガンと、を含む固溶体である。
適用例1において、
前記圧電体層は、0.2モル%以上4.0モル%以下のマンガンを含むことができる。
適用例1または適用例2において、
前記圧電体層は、さらにチタン酸バリウムを含むことができる。
適用例3において、
前記圧電体層は、前記チタン酸ビスマスナトリウム100モル%未満85モル%以上と、前記チタン酸バリウム0モル%超15モル%以下と、を含むことができる。
適用例1ないし適用例3のいずれか一例において、
前記圧電体層は、さらにチタン酸ビスマスカリウムを含むことができる。
適用例5において、
前記圧電体層は、前記チタン酸ビスマスナトリウム100モル%未満67モル%以上と、前記チタン酸ビスマスカリウム0モル%超30モル%以下と、前記チタン酸バリウム0モル%超3モル%以下と、を含むことができる。
本発明にかかる液体噴射装置の一態様は、
適用例1ないし適用例6のいずれか一例に記載の液体噴射ヘッドを備える。
本発明にかかる圧電素子の一態様は、
薄膜法により形成された圧電体層および前記圧電体層に電圧を印加する電極を含む圧電素子であって、
前記圧電体層は、チタン酸ビスマスナトリウムと、0.2モル%以上8.0モル%以下のマンガンと、を含む固溶体である。
図1は、本実施形態にかかる圧電素子100の断面の模式図である。
第1導電層10は、例えば、基板1の上方に形成される。基板1は、例えば、導電体、半導体、絶縁体で形成された平板とすることができる。基板1は、単層であっても、複数
の層が積層された構造であってもよい。また、基板1は、上面が平面的な形状であれば内部の構造は限定されず、例えば、内部に空間等が形成された構造であってもよい。また、例えば、後述する液体噴射ヘッドのように、基板1の下方に圧力室等が形成されているような場合においては、基板1より下方に形成される複数の構成をまとめて一つの基板1とみなしてもよい。
第2導電層20は、第1導電層10に対向して配置される。第2導電層20は、全体が第1導電層10と対向していてもよいし、一部が第1導電層10に対向していてもよい。第2導電層20の形状は、第1導電層10と対向できるかぎり限定されないが、本実施形態では、圧電体層30が、薄膜状に形成されるため、層状あるいは薄膜状の形状が好ましい。第2導電層20の厚みは、例えば、50nm以上300nm以下とすることができる
。また、第2導電層20の平面的な形状についても、第1導電層10に対向して配置されたときに両者の間に圧電体層30を配置できる形状であれば、特に限定されず、例えば、矩形、円形等とすることができる。
圧電体層30は、第1導電層10および第2導電層20の間に配置される。圧電体層30は、第1導電層10および第2導電層20の少なくとも一方に接していてもよい。図1の例では、圧電体層30は、第1導電層20および第2導電層20に接して設けられている。
薄膜法で形成してもリーク電流量が少なくかつ良好なヒステリシスループを示すことができる。本実施形態の圧電体層30と第1の導電体層10との界面が良好であると推測できる。これにより、圧電体層30は、第1導電層10および第2導電層20によって電界が印加されることで変形することができる。この変形によって、例えば基板1をたわませたり振動させたりすることができ、圧電アクチュエーター102を構成することができる。
本実施形態にかかる圧電素子100(圧電アクチュエーター102)は、上述の圧電体層30を含むため、少なくとも、リーク電流量が少なくかつ良好なヒステリシスループを示すという特徴を有する。なお、圧電体層30のヒステリシスループの形状は、P−E測定を行った場合に得られ、圧電特性を示す判断基準として用いることができる。したがって、良好なヒステリシスループを示す圧電体層30は、良好な圧電特性を有していると判断することができる。また、本実施形態にかかる圧電体層30は、非鉛含有化合物であることで環境負荷を小さく抑えることができるとともに、良好な圧電特性を有することができる。
本発明の圧電素子100は、例えば、以下のように製造することができる。
Decomposition)法、PLD(Pulsed Laser Deposition)(レーザーアブレーション)法、ミスト成膜法、およびゾルゲル法の少なくとも一種の方法あるいはこれら複数の方法の組合せにより形成されることができる。圧電体層30の結晶化は、例えば、550℃以上800℃以下において、酸素雰囲気で行うことができる。これにより、圧電体層30を結晶化することができる。圧電体層30を結晶化する熱処理温度は、例えば550℃以上850℃以下とすることができ、さらに600℃以上750℃以下とすることができる。なお、結晶化は、圧電体層30をパターニングした後に行ってもよい。そして、必要に応じて、上記操作を複数回繰り返して、所望の厚みの圧電体層30を得ることができる。
次に、本実施形態にかかる圧電素子(圧電アクチュエーター)の用途の一例として、これらを有する液体噴射ヘッド600について、図面を参照しながら説明する。図2は、液体噴射ヘッド600の要部を模式的に示す断面図である。図3は、液体噴射ヘッド600の分解斜視図であり、通常使用される状態とは上下を逆に示したものである。
624と、供給口626と、圧力室622とを区別して説明するが、これらはいずれも液体の流路であって、このような流路はどのように設計されても構わない。また例えば、供給口626は、図示の例では流路の一部が狭窄された形状を有しているが、設計にしたがって任意に形成することができ、必ずしも必須の構成ではない。リザーバー624、供給口626および圧力室622は、ノズル板610と圧力室基板620と振動板1aとによって区画されている。リザーバー624は、外部(例えばインクカートリッジ)から、振動板1aに設けられた貫通孔628を通じて供給されるインクを一時貯留することができる。リザーバー624内のインクは、供給口626を介して、圧力室622に供給されることができる。圧力室622は、振動板1aの変形により容積が変化する。圧力室622はノズル孔612と連通しており、圧力室622の容積が変化することによって、ノズル孔612からインク等が吐出される。
次に、本実施形態にかかる液体噴射装置について、図面を参照しながら説明する。液体噴射装置は、上述の液体噴射ヘッドを有する。以下では、液体噴射装置が上述の液体噴射ヘッドを有するインクジェットプリンターである場合について説明する。図4は、本実施形態にかかる液体噴射装置700を模式的に示す斜視図である。
ー741の回転を受けて、ヘッドユニット730を往復動させる往復動機構742と、を有する。
ーフィルターの製造に用いられる色材噴射装置、有機ELディスプレイ、FED(面発光ディスプレイ)、電気泳動ディスプレイ等の電極やカラーフィルターの形成に用いられる液体材料噴射装置、バイオチップ製造に用いられる生体有機材料噴射装置としても好適に用いられることができる。
以下に実施例および比較例を示し、本発明をより具体的に説明する。なお、本発明は、以下の実施例によってなんら限定されるものではない。
実施例1ないし実施例6および比較例1ないし比較例5の圧電素子は、以下のように作製した。
5.2.1.リーク電流量の評価
各実施例、各比較例の圧電素子のリーク電流量は、ヒューレット・パッカード社製4140Bを使用し、deley time:0.5sec、hold time:0.5sec、印加電界:200kV/cm、250kV/cm、300kV/cm、400kV/cm、500kV/cm、600kV/cmの評価条件にて測定した各リーク電流値に基づいて評価した。測定結果は、表1ないし表3に示した。なお、ショートしてリーク電流値が計測できなかった場合は、表1ないし表3に「ショート」と記載した。
ヒステリシスの評価は、東陽テクニカ社製、「FCE−1A」を用い、ヒステリシスループを測定し、その形状を評価して行った。測定条件は、測定温度:室温、周波数:1kHz、波形:三角波、印加電界:400kV/cmと630kV/cmであった。ヒステリシスの評価に用いた試料は、各実施例および各比較例ともに、リーク電流量の評価に用いたものと同様とした。図5は、比較例1の圧電素子のヒステリシス曲線であり、図6は、実施例1の圧電素子のヒステリシス曲線であり、図7は、実施例2の圧電素子のヒステリシス曲線であり、図8は、実施例4の圧電素子のヒステリシス曲線であり、図9は、比較例4の圧電素子のヒステリシス曲線であり、図10は、実施例5の圧電素子のヒステリシス曲線であり、図11は、比較例5の圧電素子のヒステリシス曲線であり、図12は、実施例6の圧電素子のヒステリシス曲線である。
表1に示した印加電界200kV/cmと400kV/cmでのリーク電流値を比較すると、マンガンを添加していない比較例1に比べて、マンガンを0.2モル%以上8モル%以下添加した実施例1ないし4はリーク電流値が小さくなっており、マンガンを12モル%添加した比較例3は正負ともにショートした。また、マンガンを添加していない比較例1に比べて、マンガンを0.1モル%添加した比較例2は、400kV/cmでのリーク電流値が小さくなっているが、200kV/cmでのリーク電流値が負側で大きくなった。チタン酸ビスマスナトリウムにマンガンを所定量添加することによってリーク電流値が小さくなることが確認できた。
添加した実施例6のヒステリシスループの方がより良好な形状に改善され、チタン酸バリウム3モル%とチタン酸ビスマスカリウムを30モル%含んだ場合でも、マンガンを1モル%添加することで良好な圧電特性を呈することが判明した。
Claims (8)
- 薄膜法により形成された圧電体層および前記圧電体層に電圧を印加する電極を含む圧電アクチュエーターを備えた液体噴射ヘッドであって、
前記圧電体層は、チタン酸ビスマスナトリウムと、0.2モル%以上8.0モル%以下のマンガンと、を含む固溶体である、液体噴射ヘッド。 - 請求項1において、
前記圧電体層は、0.2モル%以上4.0モル%以下のマンガンを含む、液体噴射ヘッド。 - 請求項1または請求項2において、
前記圧電体層は、さらにチタン酸バリウムを含む、液体噴射ヘッド。 - 請求項3において、
前記圧電体層は、前記チタン酸ビスマスナトリウム100モル%未満85モル%以上と、前記チタン酸バリウム0モル%超15モル%以下と、を含む、液体噴射ヘッド。 - 請求項1ないし請求項3のいずれか一項において、
前記圧電体層は、さらにチタン酸ビスマスカリウムを含む、液体噴射ヘッド。 - 請求項5において、
前記圧電体層は、前記チタン酸ビスマスナトリウム100モル%未満67モル%以上と、前記チタン酸ビスマスカリウム0モル%超30モル%以下と、前記チタン酸バリウム0モル%超3モル%以下と、を含む、液体噴射ヘッド。 - 請求項1ないし請求項6のいずれか一項に記載の液体噴射ヘッドを備えた、液体噴射装置。
- 薄膜法により形成された圧電体層および前記圧電体層に電圧を印加する電極を含む圧電素子であって、
前記圧電体層は、チタン酸ビスマスナトリウムと、0.2モル%以上8.0モル%以下のマンガンと、を含む固溶体である、圧電素子。
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