JP2016027651A - 圧電素子、アクチュエーター装置、液体噴射ヘッド、液体噴射装置及び超音波測定装置 - Google Patents
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Abstract
ることができる圧電素子を提供する。
【解決手段】基板に、第1電極60と、少なくともPb、Nb及びTiを含むペロブスカ
イト構造を有する複合酸化物からなる圧電体層70と、第2電極80と、が順次積層されており、圧電体層70が、正方晶である結晶構造を有するとともに、結晶が基板に{100}配向したものであり、かつ、積層方向に対して垂直な(100)面及び(001)面を有する各領域が結晶格子内に混在してなり、圧電体層70の複合酸化物は、下記の一般式(1)で表されるものである。
xPb(Ni1/3,Nb2/3)O3−yPbZrO3−zPbTiO3
・・・(1)
(10≦x≦40、0<y≦40、50≦z≦90)
【選択図】 図4
Description
[式1]
xPb(Ni1/3,Nb2/3)O3−yPbZrO3−zPbTiO3
・・・(1)
(10≦x≦40、0<y≦40、50≦z≦90)
かかる態様によれば、90°ドメイン回転を利用して変位を生じさせる圧電体層の圧電定数を向上させることができ、圧電特性に優れた圧電素子となる。
図1は、本発明の実施形態1に係る液体噴射装置の一例であるインクジェット式記録装置である。
xPb(M’1/3,Nb2/3)O3−yPbZrO3−zPbTiO3
・・・(1)
xPb1(Ni1/3,Nb2/3)O3−yPbZrO3−zPb1TiO3
・・・(2)
(一般式(1)及び(2)中、10≦x≦40、0<y≦40、50≦z≦90)
Niを含む金属錯体としては、酢酸ニッケル等が挙げられる。Nbを含む金属錯体としては、ペンタ−n−ブトキシニオブ等が挙げられる。Zrを含む金属錯体としては、ジルコニウム(IV)アセチルアセトナート等が挙げられる。Tiを含む金属錯体としては、例えばチタニウムテトライソプロポキシド等が挙げられる。
そして、流路形成基板用ウェハー110の保護基板用ウェハー130とは反対側の面のマスク膜53を除去した後にノズル開口が穿設されたノズルプレートを接合するとともに、保護基板用ウェハー130にコンプライアンス基板を接合し、流路形成基板用ウェハー110等を図2に示すような一つのチップサイズの流路形成基板10等に分割することによって、記録ヘッドとする。
<PZT前駆体溶液(下地層70a用前駆体溶液)の調製>
容器に酢酸及び水を量り取り、次いで酢酸鉛、ジルコニウムテトラ−n−ブトキシド、チタニウムテトライソプロポキシドを量り取って、これらを90℃で加熱撹拌を行うことで前駆体溶液を作製した。
次いで、容器に2−n−ブトキシエタノールと2,2’’イミノジエタノール、ポリエチレングリコールを量り取り混合溶液を作製した。乾燥窒素を充填したグローブボックス中でチタニウムテトライソプロポキシドとペンタ−n−ブトキシニオブと、ジルコニウム(IV)アセチルアセトナートと、を量り取り、上記の混合溶液に混合した。その後、室温にて十分撹拌した後に、大気下で酢酸ニッケル及び酢酸鉛をそれぞれ量り取り、90℃で加熱撹拌を行うことで、PNN−PZT前駆体溶液を作製した。尚、チタニウムテトライソプロポキシド、ペンタ−n−ブトキシニオブ、ジルコニウム(IV)アセチルアセトナート、酢酸ニッケル、及び酢酸鉛は、一般式(2)で表される組成に従い、x、y及びzを表1に示す割合となるように調製した。
6inchシリコン基板を熱酸化することで基板上に二酸化シリコン膜を形成した。次に、スパッター法にてジルコニウム膜を作製し、熱酸化させることで酸化ジルコニウム膜(絶縁体膜52)を作製した。絶縁体膜52上にスパッター法にてチタン、白金、イリジウム、チタンの順番で作製することで、第1電極60を作製した。
実施例1と同様のプロセスにより、一般式(2)で表される組成のx、y及びzを表1に示す割合となるようにして、実施例2〜10の圧電素子300を作製した。また、一般式(2)で表される組成のx、y及びzを表2に示す割合となるようにして、実施例11〜25の圧電素子300も作製した。実施例11〜25の圧電素子300は、上記の一般式(2)中、22≦x≦38、0<y≦22、56≦z≦72であるものである。
一般式(2)で表される組成のx、y及びzを表1に示す割合となるようにして、PbZrO3を含有せしめないようにした以外は、実施例1と同様に作製することで、比較例1〜5の圧電素子を作製した。また、チタン酸ジルコン鉛(PZT)からなる圧電体層を用い、比較例6の圧電素子を作製した。
<走査型電子顕微鏡観察>
実施例2の圧電体層の断面を走査電子顕微鏡(SEM)により観察した。そのSEM画像を図9(a)〜(b)に示す。このうち図9(a)は、電圧印加状態における圧電体層のSEM画像であり、図9(b)は、電圧を印加していない状態における圧電体層のSEM画像である。図示するように、電圧印加時においては、隣接する各ドメインの方向が同一、いわばストライプ状の結晶粒が確認されることが分かる(図9(a))。そして、電圧を印加しない状態においては、隣接する各ドメインの方向が異なる、いわば砂状の結晶粒が確認されることが分かる(図9(b))。実施例2では、所定の電圧印加処理等、ドメインの再配列を目的とする処理を特段に施していないことから、実施例2をはじめとする本実施形態の圧電体層では、このような処理を施さずとも、90°ドメイン回転を利用して好適に変位を生じさせることができることが確かめられた。
実施例1〜25の結晶構造及び配向性を、Bruker AXS社製「D8 Discover」、線源はCuKα、検出器は2次元検出器(GADDS)を使用し、2次元マッピング画像及び回折パターンを測定した。画像として検出できる範囲は装置構成による制限から、(100)ピークが検出される2θ=22.5°相当でφ=±30°、(111)ピークが検出される2θ=40°相当でφ=±26°である。尚、(200)ピークも検出されるが、この(200)面は(100)面と等価なものである。
ここで、XRDの回折パターンの線幅(半値全幅:FWHM)から結晶子径を評価でき
ることが知られている。シェラーの式は、D=Kλ/Bcosθで表される。このうち、Dは結晶子サイズ、Kはシェラー定数、λはX線の波長(CuKα=1.5418Å)、BはFWHMから装置固有の線幅を引いた試料の線幅、θはブラッグ角(回折角2θの半分)である。
圧電体層70における配向制御は下地層70aとの格子整合性が重要であることが知られている。表1及び表2に下地層70aであるPZTの(200)ピークと、圧電体層70であるPNN−PZTの(002)及び(200)ピークの格子不整合率を示す。(002)ピークの格子不整合率は、圧電体層70の複合酸化物のc軸成分と下地層70aであるPZTとの格子不整合率に対応する。(200)ピークの格子不整合率は、圧電体層70の複合酸化物のa軸成分及びb軸成分と下地層70aであるPZTとの格子不整合率に対応する。尚、格子不整合率は、ブラッグの条件である、2dsinθ=nλに基づきd値を求め、そのd値の差分の絶対値として求めた。格子不整合率が小さいほど、格子整合性が良い。
実施例1〜25及び比較例1〜6について、アグザクト社製の変位測定装置(DBLI)を用い、ユニポーラモードで電界誘起歪量−電圧の関係を求めた。測定温度は室温(25℃)、電極パターンはφ=500μm、波形は三角波、周波数は周波数1kHzで測定を行った。
実施例1〜25について、圧電体層70の複合酸化物のc軸とa軸の比(c/a)を、下式(3)に示す正方晶に関するブラッグ角とミラー指数の関連式によって求めた。
以上、本発明の圧電素子や、圧電素子が搭載される液体噴射ヘッド及び液体噴射装置の一実施形態を説明したが、本発明の基本的構成は上記のものに限定されるものではない。
例えば、上記の実施形態1では、流路形成基板10として、シリコン単結晶基板を例示したが、特にこれに限定されず、例えば、SOI基板、ガラス等の材料を用いるようにしてもよい。
Claims (12)
- 基板に、第1電極と、少なくともPb、Nb及びTiを含むペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなる圧電体層と、第2電極と、が順次積層されており、
前記圧電体層が、正方晶である結晶構造を有するとともに、結晶が前記基板に{100}配向したものであり、かつ、前記積層方向に対して垂直な(100)面及び(001)面を有する各領域が結晶格子内に混在してなり、
前記圧電体層の前記複合酸化物は、下記の一般式(1)で表されるものであることを特徴とすることを特徴とする圧電素子。
xPb(Ni1/3,Nb2/3)O3−yPbZrO3−zPbTiO3
・・・(1)
(10≦x≦40、0<y≦40、50≦z≦90) - 前記一般式(1)中、22≦x≦38、0<y≦22、56≦z≦72であることを特徴とする請求項1に記載の圧電素子。
- 前記結晶の結晶子径D(002)が15nm以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の圧電素子。
- 前記結晶における結晶子径D(200)及び結晶子径D(002)の比(D(200)/D(002))が3より大きいことを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載の圧電素子。
- 前記圧電体層は、前記第1電極側に下地層を具備し、前記下地層と前記圧電体層の前記複合酸化物のc軸との格子不整合率は1%未満であり、かつ前記下地層と前記複合酸化物のa軸及びb軸との格子不整合率は1%以上であることを特徴とする請求項1〜4の何れか一項に記載の圧電素子。
- 前記圧電体層の比誘電率が、前記複合酸化物からなる下地層の比誘電率よりも小さいことを特徴とする請求項5に記載の圧電素子。
- 前記圧電体層の前記複合酸化物のc軸とa軸の比(c/a)が1.026〜1.015であることを特徴とする請求項5又は6に記載の圧電素子。
- 前記下地層がPZTであることを特徴とする請求項5〜7の何れか一項に記載の圧電素子。
- 請求項1〜8の何れか一項に記載の圧電素子を具備することを特徴とするアクチュエーター装置。
- 請求項9に記載のアクチュエーター装置を具備することを特徴とする液体噴射ヘッド。
- 請求項10に記載の液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置。
- 請求項1〜8の何れか一項に記載の圧電素子と、
前記圧電素子により発信される超音波、及び前記圧電素子により受信される前記超音波の少なくとも一方に基づく信号を利用して検出対象を測定する制御手段と、を具備することを特徴とする超音波測定装置。
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