液體噴射頭、液體噴射裝置、壓電元件以及壓電陶瓷的製作方法
2023-06-03 20:06:46
專利名稱：液體噴射頭、液體噴射裝置、壓電元件以及壓電陶瓷的製作方法
技術領域：
本發明涉及液體噴射頭、液體噴射裝置、壓電元件以及壓電陶瓷。
背景技術：
例如，已知用於噴墨印表機等液體噴射裝置的噴墨式記錄頭等液體噴射頭(參照專利文獻I)。作為這種液體噴射頭所具備的壓電元件的壓電材料，已知鋯鈦酸鉛(以組成式Pb (Zr、Ti) O3表示，簡稱為「PZT」的壓電陶瓷)等PZT系壓電材料(參照專利文獻I)。
抑制了鉛含量的壓電陶瓷與PZT系壓電陶瓷相比一般變形量小。然而，近年來從環境問題的觀點出發，期待抑制了鉛含量的鈣鈦礦型氧化物的壓電材料來作為PZT系壓電材料的替代材料。因此，期待具備如下壓電元件的液體噴射頭，即，所述壓電元件是使用抑制了鉛含量且變形量以及可靠性得到了提高的壓電陶瓷而製得的。
現有技術文獻
專利文獻
專利文獻I日本特開2008-211140號公報發明內容
根據本發明的幾個方式中的任一個就能提供具備如下壓電元件的液體噴射頭， 即，所述壓電元件是使用環境負荷小、變形量和可靠性得到了提高的壓電陶瓷而製得的。並且，根據本發明的幾個方式中的任一個就能提供上述壓電陶瓷、上述壓電元件以及具備上述液體噴射頭的液體噴射裝置。
(I)本發明的液體噴射頭，包括
與噴嘴孔連通的壓力產生室，和
壓電元件，其具有壓電體層和對上述壓電體層施加電壓的電極；
上述壓電體層由含有鉍、鋇、鐵和鈦的具有鈣鈦礦型結構的複合氧化物形成，
上述壓電體層的(111)面的取向強度a相對於(100)面的取向強度P的強度比Y(a /@ )為3以上。
根據本發明，可提供具備環境負荷小、變形量和可靠性得到了提高的壓電元件的液體噴射頭。
(2)本發明的液體噴射頭，其中，上述複合氧化物中上述鉍相對於上述鋇的組分比(XBi/Ba)可以是 70/30 ( XBi/Ba ( 80/20。
(3)本發明的液體噴射頭，其中，上述壓電體層可以在(111)面進行單一取向。
由此，可提供具備變形量進一步得到了提高的壓電元件的液體噴射頭。
(4)本發明的液體噴射頭，其中，上述電極包含上述壓力產生室側的第I電極、和夾持上述壓電體層而與上述第I電極對置的第2電極，上述第I電極層疊有多個導電層，上述導電層中最靠近上述壓電體層側的導電層可以是導電性鍶化合物。
(5)本發明的液體噴射頭，其中，上述導電性鍶化合物可以是釕酸鍶。
(6)本發明的液體噴射頭，其中，上述導電性鍶化合物可以是添加有鈮的鈦酸鍶。
(7)本發明的液體噴射頭，其中，上述導電性鍶化合物可以優先在(111)面進行取向。
(8)本發明的液體噴射頭，還具有在上述壓力產生室與上述壓電元件之間設置的基板，上述基板的材質可以是娃基板。
(9)本發明的液體噴射頭，其中，上述複合氧化物可以進一步含有具有錳、鈷、鎳、 鋁、鋅和鈦中的至少一個的添加物。
(10)本發明的液體噴射頭，其中，上述複合氧化物的晶係為假立方晶系。
(11)本發明的液體噴射裝置具有本發明的液體噴射頭。
根據本發明，可提供具備環境負荷小、變形量和可靠性得到了提高的壓電元件的液體噴射裝置。
(12)本發明的壓電元件包含壓電體層和對上述壓電體層施加電壓的電極，上述壓電體層由含有鉍、鋇、鐵和鈦的具有鈣鈦礦型結構的複合氧化物形成，上述壓電體層的 (111)面的取向強度a相對於(100)面的取向強度P的強度比Y (a/P)為3以上。
根據本發明，可提供環境負荷小、變形量和可靠性得到了提高的壓電元件。
(13)本發明的壓電元件，其中，上述複合氧化物中，上述鉍相對於上述鋇的組分比 (XBi/Ba)可以是 70/30 ( XBi/Ba ( 80/20。
(14)本發明的壓電元件，其中，上述壓電體層可以在(111)面進行單一取向。
(15)本發明的壓電元件，其中，作為上述電極，包含第I電極和夾持上述壓電體層與上述第I電極對置的第2電極，上述第I電極層疊有多個導電層，上述導電層中最靠近上述壓電體層側的導電層可以是導電性鍶化合物。
(16)本發明的壓電元件，其中，上述導電性鍶化合物可以是釕酸鍶。
(17)本發明的壓電元件，其中，上述導電性鍶化合物可以是添加有鈮的鈦酸鍶。
(18)本發明的壓電元件，其中，上述導電性鍶化合物可以優先在(111)面進行取向。
(19)本發明的壓電元件，其中，上述複合氧化物可以進一步含有具有錳、鈷、鎳、 鋁、鋅和鈦中的至少一個的添加物。
(20)本發明的壓電元件，其中，上述複合氧化物的晶系可以是假立方晶系。
(21)本發明的壓電陶瓷由具有鈣鈦礦型結構的複合氧化物形成，其中，上述複合氧化物含有鉍、鋇、鐵和鈦，上述複合氧化物中的(111)面的取向強度a相對於(100)面的取向強度3的強度比Y (a/^)為3以上。
根據本發明，可提供環境負荷小、變形量和可靠性得到了提高的壓電陶瓷。
圖
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圖
圖
圖〔0043〕圖6是表示實施例3、4、5的X射線衍射圖譜的坐標圖。
〔0044〕圖7是表示實施例3以及比較例4、5的X射線衍射圖譜的坐標圖。
〔0045〕圖8是表示實施例1以及比較例1的對於施加電壓的變形量的坐標圖。
〔0046〕圖9是表示實施例1的變形量以及滯後現象的施加電壓依賴性的坐標圖。
〔0047〕圖10是表示比較例1的變形量以及滯後現象的施加電壓依賴性的坐標圖。
〔0048〕圖11是表示實施例3的變形量以及滯後現象的施加電壓依賴性的坐標圖。
〔0049〕圖12是表示比較例4的變形量以及滯後現象的施加電壓依賴性的坐標圖。
〔0050〕圖13是表示比較例5的變形量以及滯後現象的施加電壓依賴性的坐標圖。
〔0051〕圖14是表示實施例3、4、5的滯後現象的施加電壓依賴性的坐標圖。
〔0052〕圖15是表示實施例3、4、5的對於施加電壓的變形量的坐標圖。
〔0053〕圖16是表示實施例1、2以及比較例1的耐電壓性的坐標圖。
〔0054〕圖17是表示實施例3、4、5的耐電壓性的坐標圖。
〔0055〕圖18是表示實施例3、6的X射線衍射圖譜的坐標圖。
〔0056〕圖19是表示實施例3以及比較例6的X射線衍射圖譜的坐標圖。
〔0057〕圖20是表示實施例3以及比較例6的X射線衍射圖譜的坐標圖。
〔0058〕圖21是示意性表示本實施方式的液體噴射頭的剖面圖。
〔0059〕圖22是示意性表示本實施方式的液體噴射頭的分解立體圖。
〔0060〕圖23是示意性表示本實施方式的液體噴射裝置的立體圖。
^00613符號說明
〔0062〕1 基板、仏振動板、10第1電極、11 第1導電層、12第2導電層、20壓電 體層、21 活動區域、30 第2電極、100 壓電元件、600 液體噴射頭、610 噴嘴板、612 噴嘴孔、620流路形成基板、622壓力產生室、624貯存部、626供給口、628貫穿孔、 630機箱、700液體噴射裝置、710驅動部、720裝置主體、721託盤、722排出口、730 噴頭單元、731 油墨墨盒、732 滑架、741 滑架馬達、742往復移動機構、743 同步帶、 744滑架導向軸、750給紙部、751 給紙馬達、752給紙輥、7528從動輥、7526驅動 輥、760控制部、770操作板
具體實施例方式
〔0063〕 下面，參照附圖對本發明的優選實施方式進行說明。 〔0〇64〕 1.壓電陶瓷
〔0065〕 首先，說明本實施方式的壓電陶瓷。本實施方式的壓電陶瓷以具有鈣鈦礦型的晶 體結構的複合氧化物為主成分。5卩，壓電陶瓷可以含有在製造工序中不可避免的雜質。本 實施方式的複合氧化物用通式八803表示，八部位的元素的總摩爾數與8部位的元素的總摩 爾數與氧原子的摩爾數之比標準為1 1 3，但只要是在能夠獲得鈣鈦礦結構的範圍內， 則可以偏離1:1:3。
〔0066〕 本實施方式的複合氧化物由鈣鈦礦型結構的複合氧化物形成，作為八部位元素， 包含鉍出丨)以及鋇(徹)，作為8部位元素，包含鐵(狗)以及鈦(打)。本實施方式的複合 氧化物的至少一部分可以是由鉍鐵氧體出讓⑷》和鈦酸鋇出「⑴》的混晶陶瓷形成的固 溶體〈以下也稱為「850-81系陶瓷」〉。
已知本實施方式的複合氧化物例如可通過添加錳(Mn)、鈷(Co)等任意添加物(例如，含有率為IOmol%以下程度)來改善特性。只要是在能夠得到本發明效果的範圍內，則本實施方式的複合氧化物自然可以進一步含有這種添加物。例如，本實施方式的複合氧化物可以含有錳(Mn)作為添加物。作為其他的添加物，可舉出鈷、鉻、鋁、鉀、鋰、鎂、鈣、鍶、 f凡、銀、鉭、鑰、鶴、鎳、鋅、娃、鑭、鋪、鐠、鉕、衫、銪等。
本實施方式的複合氧化物中，將鉍相對於A部位元素總量的比例設為x(0 < X < I)時，X可以在0.7 <x<0. 8的範圍內。並且，本實施方式的複合氧化物中，將鈦相對於B部位元素總量的比例設為y(x+y = l、0<y< I)時，y可以在0.2<y<0.3的範圍內。換言之，將鉍(Bi)相對於鋇(Ba)的組分比設為XBi/Ba時，XBi/Ba可以為70/30 ( XBi/ Ba ^ 80/20 0
S卩，本實施方式的複合氧化物可以是具有用下述通式(I)表示的鈣鈦礦型結構的、0. 7 ^ X ^ 0. 8、0. 2 ^ y ^ 0. 3> x+y = I的複合氧化物。在此,下述通式(I)中，M為錳、鈷等添加物。通式(I)中，添加物以相對於鐵(Fe)元素含有率為5mol%的方式添加。 然而，並不限於此，只要是在能夠得到本發明效果的範圍內，則可以適當調整添加物M的添加量。
(Bix^Bay) (Fe0.95x> M0 05x> Tiy) O3 .(I)
例如，在專利文獻日本特開2010-254560中報導了當BF0-BT系陶瓷 (xBiFe03_yBaTi03)為 0. 7 彡 x 彡 0. 8、0. 2 彡 y 彡 0. 3、x+y = I 的組分比時，BF0-BT 系陶瓷的晶系成為假立方晶系，當為其他的組分比時成為菱形晶系。由此推定屬於BFO系陶瓷的本實施方式的複合氧化物由於在上述通式(I)中組分比為0. 7彡X彡0. 8,0. 2彡y彡0. 3， 因此晶系呈假立方晶系，推測其作為壓電陶瓷的實用性高。因此，本實施方式的複合氧化物的組分比在其晶系能呈假立方晶系的組分比中可含有鉍和鈦。
本實施方式的複合氧化物是在製造工序中取向被控制的壓電陶瓷。將本實施方式的壓電陶瓷的(111)面的取向強度設為a、將(100)面的取向強度設為P時，(111)面的取向強度a相對於(100)面的取向強度@的強度比Y (a/^)為3以上。由此，可提高本實施方式的壓電陶瓷的變形量以及可靠性(在後面詳述)。
並且，壓電陶瓷可以在(111)面進行90%以上的優先取向。或者，壓電陶瓷的強度比Y可以是⑴。換言之，壓電陶瓷可以在(111)面進行單一取向。由此，可進一步提高本實施方式的壓電陶瓷的變形量(在後面詳述)。
2.壓電元件
接著，參照附圖對本實施方式的壓電元件進行說明。圖I是示意性表示本實施方式的壓電元件100的剖面圖。
如圖I所示，壓電元件100包含壓電體層20和對壓電體層20施加電壓的電極(10、 30)。如圖I所示，壓電元件100可以包括第I電極10、壓電體層20和第2電極30。壓電元件100例如形成在基板I的上方。如圖I所示，電極部(10、30)包括基板I (壓力產生室 622、參照圖21)側的第I電極10、和夾持壓電體層20而與第I電極10對置的第2電極30。
基板I例如為由導電體、半導體、絕緣體形成的平板。基板I可以是單層，也可以是層疊有多個層的結構。基板I只要是上表面為平面的形狀則對其內部的結構沒有限定， 例如可以是在內部形成有空間等的結構。基板I可以是具有撓性、通過壓電體層20的動作而能夠發生變形(彎曲)的基板，被稱為振動板。作為基板I的材質，例如可舉出氧化鈦、 氧化鋯、氧化鋁、氧化矽或它們的層疊體。
優選基板I的材質可為矽基板。矽基板的表面可以通過氧化處理而形成氧化矽。 矽基板由於能以相對低價穩定地獲得高品質的基板，所以從商業觀點出發為優選的材質。 因此，通過採用矽基板作為基板I的材質，可提高生產率，穩定地生產。
第I電極10形成在基板I上。第I電極10的形狀例如為層狀或薄膜狀。第I電極10的厚度例如為50nm 400nm。第I電極10的平面形狀只要是在與第2電極30相對地配置時能夠在兩者之間配置壓電體層20的形狀，則無特別限定，例如為矩形、圓形。
如圖I所示，第I電極10層疊多個導電層而形成。例如，第I電極10至少包含第 I導電層11和第2導電層12。第2導電層12是在多個導電層中最靠近壓電體層20側的導電層。例如，在第I導電層11和基板I之間可以進一步含有未圖示的導電層。
第I導電層11的材質只要是具有導電性的物質則沒有特別限定。作為第I導電層11的材質，例如可使用Ni、Ir、Au、Pt、W、Ti、Cr、Ag、Pd、Cu等各種金屬以及這些金屬的合金、它們的導電性氧化物(例如氧化銥等)、Sr與Ru的複合氧化物、La與Ni的複合氧化物等。
第2導電層12的材質為導電性鍶化合物。作為導電性鍶化合物,例如可舉出釕酸鍶(SRO)或鈦酸鍶(STO)。導電性鍶化合物為鈦酸鍶(STO)時可以添加有鈮(Nb)。
第2導電層12為釕酸鍶時，第2導電層的厚度例如可以為40nm 60nm。此時，第 2導電層12能夠在(111)面優先取向。在此，第2導電層12可以在(111)面進行90%以上的優先取向，也可以在(111)面進行單一取向。
並且，第2導電層12為添加有鈮的鈦酸鍶時，第2導電層的厚度例如可以為5nm 15nm。相對於鈦酸銀，例如可以以3% 8%的範圍添加銀。此時，第2導電層12能夠在 (111)面優先取向。在此，第2導電層12可以在(111)面進行90%以上的優先取向，也可以在(111)面進行單一取向。
如此地，通過使最靠近壓電體層20側的導電層即第2導電層12為導電性鍶化合物，能夠形成(111)面的取向強度a相對於(100)面的取向強度@的強度比Y (a/^) 為3以上的壓電陶瓷。在後面詳述。
應予說明，在圖示的例子中，第2導電層12形成在第I導電層11的上表面，但也可以在沒有形成第I導電層11的區域中在基板I上連續地形成。
作為第I電極10的作用之一，可以舉出與第2電極30形成一對，成為用於對壓電體層20施加電壓的一個電極(例如、形成在壓電體層20的下方的下部電極)。
另外，基板I可以不具有振動板，而第I電極10具有作為振動板的作用。即，第I 電極10可以具有如下作用作為用於對壓電體層20施加電壓的一個電極的作用，以及作為通過壓電體層20的動作而能夠發生變形的振動板的作用。
此外，雖然未圖示，但在第I電極10和基板I之間可形成有例如對兩者賦予密合性的層、賦予強度或導電性的層。作為這種層的例子，例如可舉出鈦、鎳、銥、鉬等各種金屬、 它們的氧化物的層。
壓電體層20形成在第I電極10(第2導電層12)上。壓電體層20的形狀例如為層狀或薄膜狀。壓電體層20的厚度例如為300nm 1500nm。壓電體層20可以具有壓電性，通過第I電極10和第2電極30施加電場能夠發生變形(電-機械轉換)。
壓電體層20由上述的「I.壓電陶瓷」項中敘述的壓電陶瓷形成。因此，壓電元件 100環境負荷小且具有變形量和可靠性得到了提高的壓電特性。
在此，如圖I所示，壓電體層20具有被電極部(10、30)夾持的活動區域21。本實施方式的壓電元件100至少在活動部的壓電體層20中，(111)面的取向強度a相對於(100) 面的取向強度@的強度比Y (a/W為3以上即可。並且，壓電體層20可以在(111)面進行90%以上的優先取向。並且，壓電體層20的強度比Y可以是⑴。換言之，壓電體層 20可以在(111)面進行單一取向。
第2電極30形成在壓電體層20上。第2電極30的形狀例如為層狀或薄膜狀。第 2電極30的厚度例如為50nm 300nm。第2電極30的平面形狀沒有特別限定，例如為矩形、圓形。作為第2電極30可以使用作為第I電極10的材質例舉的上述材料。
作為第2電極30的作用之一，可以舉出與第I電極10形成一對，成為用於對壓電體層20施加電壓的另一電極(例如、形成在壓電體層20的上方的上部電極)。
應予說明，在圖示的例子中，第2電極30形成於壓電體層20的上表面，但也可以進一步形成在壓電體層20的側面、基板I的上表面。
如上所述的壓電元件100，例如可作為對壓力產生室內的液體進行加壓的壓電致動器應用於液體噴射頭、使用該液體噴射頭的液體噴射裝置(噴墨印表機)等，也可以用作將壓電體層的變形作為電信號進行檢測的壓電傳感器等其他用途。
3.壓電元件的製造方法
接著，參照附圖對本實施方式的壓電元件的製造方法進行說明。
如圖I所示，在基板I上形成第I電極10。在此，基板I例如可通過在矽基板上層疊氧化矽層，在其上層疊氧化鈦層、氧化鋯層、氧化鋁中的任一種而形成。氧化矽層例如採用熱氧化法來形成。氧化鋯層、氧化鈦層例如採用濺射法等來形成。
對第I電極10的製造方法沒有特別限定，可使用公知的成膜方法。例如，第I 導電層11和第2導電層12採用例如旋塗法、濺射法、真空蒸鍍法、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition,金屬有機化學氣相沉積)法等公知的成膜方法來形成。在形成第I電極10的工序中，可根據需要進行乾燥工序、脫脂工序、用於結晶化的熱處理工序和圖案形成工序。
在此，第2導電層12為釕酸鍶時，通過RF濺射法進行成膜至成為所需的膜厚。在此，RF濺射中的成膜例如可以在690°C 710°C的條件下進行。並且，RF功率可以為50W 100W，濺射氣體壓力可以為IPa 5Pa。由此，可很好地形成在(111)面優先取向(向(111) 面的取向強度比為90%以上)或單一取向(向(111)面的取向強度比實質上為100%)的第2導電層12。
並且，第2導電層12為添加有鈮的鈦酸鍶時，通過旋塗法進行成膜至成為所需的膜厚後，例如在300°C 400°C進行脫脂。第2導電層12為添加有鈮的鈦酸鍶時，不進行用於結晶化的煅燒工序。由此，可形成由非晶質(amorphous)前體膜形成的第2導電層12。
第2導電層12可以是在形成有後述壓電體層20的面上形成的導電層，是用於控制壓電體層20向(111)面取向的晶種(seed)層。對第2導電層12的膜厚沒有特別限定， 但優選為40nm 60nm。CN 102529373 A
接著，在第I電極10上形成由本實施方式的壓電陶瓷形成的壓電體層20。壓電體層20例如通過以濺射法、雷射燒蝕法、MOCVD法、溶膠凝膠法和MOD (Metal Organic Deposition，金屬有機沉積)法等為代表的液相法形成。壓電體層20的結晶化溫度例如為 500。。 850。。。
並且，壓電體層20為了得到所需的膜厚，可以通過重複壓電體層的前體膜的成膜以及乾燥、脫脂而層疊多個壓電體層來形成。例如，可以在形成膜厚為70nm SOnm的第I 前體膜後，進行180°C 360°C溫度範圍的階段性乾燥、脫脂，進行煅燒，從而形成第I壓電體層。
並且，形成壓電體層20的工序可以包含在第I電極10上形成第I壓電體層後， 層疊多個前體膜，進行煅燒(結晶化)的工序。具體而言，可以在形成第I壓電體層後，在與第I前體膜同樣的條件下形成第2前體膜和第3前體膜，在結晶化溫度下進行煅燒，從而形成第2壓電體層、第3壓電體層。第4前體膜和之後的前體膜也可以與第2前體膜和第 3前體膜同樣地，每2層形成前體膜，在結晶化溫度下進行煅燒，層疊多個壓電體層，從而形成具有所需膜厚的壓電體層20。由此，能夠更可靠地控制壓電體層20的取向。
在此，階段性乾燥、脫脂意味著階段性地升溫。例如，可將升溫設為3個階段，第I 溫度為150°C 200°C，第2溫度為210°C 290°C，第3溫度為300°C 360°C。由此，能夠更可靠地控制壓電體層20的取向。
接著，在壓電體層20上形成第2電極30。第2電極30例如通過濺射法、真空蒸鍍法、MOCVD法形成。然後，以所需的形狀對第2電極30和壓電體層20進行圖案形成。應予說明，第2電極30和壓電體層20的圖案形成可以在相同的工序中進行，也可以在不同的工序中進行。
壓電體層20和第2電極30的構成如上所述，在壓電體層20中，成膜於第I電極 10的第2導電層12上的、經結晶化的壓電體層20在第2導電層12的作用下取向被控制， 當將(111)面的取向強度設為a、將(100)面的取向強度設為@時，(111)面的取向強度 a相對於(100)面的取向強度P的強度比Y (a/P)成為3以上。
通過以上的工序可製造環境負荷小、變形量和可靠性得到了提高的壓電元件100。
並且，通過按照以上的工序製造壓電元件100，從而能夠在矽基板上控制壓電陶瓷如上地取向。利用通常的製造方法在矽基板上進行製造時，對BFO-BT系陶瓷控制向(111) 面取向在技術上較為困難，容易在(110)面、(100)面取向。因此，在商業性生產工序中出於生產率的觀點要使用矽基板時，現狀是製造向(111)面取向得到控制的壓電陶瓷在技術上非常困難(在後面進行詳述)。
4.實施例
下面，示出實施例I 6以及比較例I 6，參照附圖對本發明進行更具體的說明。 應予說明，本發明並不受以下的實施例的任何限定。
4. I.實施例
實施例I
首先，通過以下的工序製作基板。通過熱氧化在單晶矽基板上製作二氧化矽層。 通過DC濺射法在該二氧化矽層上形成膜厚為20nm的鈦層，通過進行熱氧化而形成氧化鈦層。進一步通過DC濺射法在該氧化鈦層上形成膜厚為150nm的鉬層，製成第I導電層。在第I導電層上，通過RF濺射法形成50nm的釕酸鍶膜。RF濺射法的實施條件是將溫度設為700°C，將RF功率設為50W，將濺射氣體壓力設為2Pa。
接著，在第I電極(第2導電層)上通過液相法形成壓電體層。其方法如下。
首先，準備上述的壓電體層的原料液，採用旋塗法將該原料液滴落到第I電極上並使基板旋轉(塗布工序)。基板以500rpm旋轉5秒後，以2500rpm旋轉30秒。該原料液使用將合有鉍、鋇、鐵、鈦的元素和作為添加物的錳元素的公知金屬醇鹽或有機酸金屬鹽混合於溶劑(正辛烷)而得的溶液。
接著，在設為150°C的加熱板上載置基板，進行3分鐘乾燥後(乾燥工序)，在設為 350°C的加熱板上載置基板，保持6分鐘進行脫脂(脫脂工序)。將該塗布工序、乾燥工序以及脫脂工序重複進行2次。接著，在氧氣環境中在650°C進行5分鐘退火(結晶化工序)， 形成薄膜的壓電體層(成膜工序)。將上述成膜工序重複進行6次。由此，得到由用下述通式(2)表示的、X = 0. 75、y = 1-x = 0. 25的複合氧化物形成的壓電體層。此時，壓電體層的膜厚為600nm。
(Bix^Bay) (Fe0.95x> Mn0 05x> Tiy) O3 (2)
接著，使用開有直徑500 u m的孔的金屬掩模，通過DC濺射法在壓電體層上形成膜厚IOOnm的鉬層(第2電極)。
實施例2
在實施例2中，作為第2導電層的材料，使用添加有5%的鈮的鈦酸鍶。製作第I 導電層後，在第I導電層上，通過旋塗法使5nm的添加有5%的鈮的鈦酸鍶成膜。使鈦酸鍶成膜後，在設為150°C的加熱板上載置基板，進行3分鐘乾燥後(乾燥工序)，在設為350°C 的加熱板上載置基板，保持6分鐘進行脫脂(脫脂工序)。通過以上操作，製成非晶質的第 2導電層的前體膜。壓電體層形成在該前體膜上。除了上述的第2導電層的製作工序以外， 以與實施例I相同的方法進行了形成。
實施例3
在實施例3中，與實施例I同樣地準備形成有第I電極的基板、和原料液後，以如下的方法形成壓電體層。
首先，通過旋塗法以使前體膜的目標膜厚成為70nm的方式將上述原料液滴落到第I電極上並使基板旋轉(塗布工序)。基板以500rpm旋轉5秒後，以3000rpm旋轉30秒。
接著，在加熱板上載置基板，進行前體膜的階段性乾燥、脫脂工序。在該乾燥、脫脂工序中，第I階段(120秒)的第I溫度為180°C，第2階段(120秒)的第2溫度為250°C， 第3階段(120秒)的第3溫度為350°C。
接著，在氧氣環境中在700°C進行5分鐘退火，形成膜厚為70nm的第I壓電體層。 形成第I壓電體層後，在與上述同樣的條件下將前體膜連續地形成2層後，進行結晶化，層疊壓電體層，將該工序重複6次。由此形成了整體的膜厚為1200nm的壓電體層。
實施例4
在實施例4中，作為原料液，準備煅燒後的壓電體層的複合氧化物成為由上述通式(2)表示的、X = 0. 80、y = 1-x = 0. 20的原料液。除了準備上述的原料液之外，以與實施例3相同的方法進行了形成。
實施例5
在實施例5中，作為原料液，準備煅燒後的壓電體層的複合氧化物成為由上述通式(2)表示的、X = 0. 70、y = 1-x = 0. 30的原料液。除了準備上述的原料液之外，以與實施例3相同的方法進行了形成。
實施例6
在實施例6中，作為原料液，準備煅燒後的壓電體層的複合氧化物成為由下述通式⑶表示的、X = 0. 75、y = 1-x = 0. 25的原料液。
(Bix^Bay) (Fe0 95x> Co0.05x> Tiy) O3 (3)
如通式(3)所示，在本實施例中，將實施例1、3中準備的原料液中作為添加物被添加的錳(Mn)變更為鈷(Co)。除了準備上述的原料液以外，以與實施例3相同的方法進行了形成。
比較例I
在比較例I中，作為第I電極僅製作130nm的由鉬層形成的第I導電層，未製作第 2導電層，在鉬層上製作壓電體層。除了未製作第2導電層以外，以與實施例I相同的方法進行了形成。
比較例2
在比較例2中，與實施例I同樣地使用釕酸鍶製作第2導電層。在比較例2中，在第I導電層上通過RF濺射法使50nm的釕酸鍶成膜。RF濺射法的實施條件是將溫度設為 650°C，將RF功率設為50W，將濺射氣體壓力設為2Pa。除了上述的第2導電層的製作工序以外，以與實施例I相同的方法進行了形成。
比較例3
在比較例3中，與實施例2同樣地使用添加有鈮的鈦酸鍶製作第2導電層。在比較例3中，使鈦酸鍶成膜後，在設為150°C的加熱板上載置基板，進行3分鐘乾燥後(乾燥工序)，在設為350°C的加熱板上載置基板保持6分鐘進行脫脂(脫脂工序)。接著，在氧氣環境中在650°C進行5分鐘退火(結晶化工序)，形成第2導電層(第I電極)。通過如上操作製成第2導電層。壓電體層形成於該第2導電層上。除了上述的第2導電層的製作工序以外，以與實施例2相同的方法進行了形成。
比較例4
在比較例4中，作為第I電極製作40nm的由LNO(LaNiO3)形成的第2導電層，在 LNO上製作壓電體層。壓電體層的製作是以實施例3相同的方法進行了形成。
比較例5
在比較例5中，作為第I電極僅製作130nm的由鉬形成的第I導電層，未製作第2 導電層，在鉬上製作壓電體層。除了未製作第2導電層以外，以與實施例3相同的方法進行了形成。
比較例6
在比較例6中，與實施例I同樣地準備形成有第I電極的基板、和原料液，以同樣的方法形成第I壓電體層。其後，在形成多個前體膜、進行結晶化而層疊壓電體層的工序中，在本比較例中，將前體膜連續地形成3層後進行結晶化而層疊壓電體層，將該工序重複 4次。由此，形成整體的膜厚為1200nm的壓電體層。
4. 2. X射線衍射的評價
X射線衍射圖譜分析是使用Bruker AXS公司制的「D8 Discover」,在室溫下測定的。
圖2和圖3表示實施例1、2以及比較例I的X射線衍射圖譜分析的結果。圖4和圖5表示比較例2、3的X射線衍射圖譜分析的結果。圖6表示實施例3 5的X射線衍射圖譜分析的結果。圖7表示實施例3和比較例4、5的X射線衍射圖譜分析的結果。
根據圖2 圖7中的X射線衍射圖譜的分析結果，將各自的壓電體層的(111)面的取向強度a、(100)面的取向強度(110)面的取向強度、以及強度比Y (a/0)示於表I。
表I
權利要求
1.一種壓電元件，包含壓電體層和對所述壓電體層施加電壓的電極，所述壓電體層由含有鉍、鋇、鐵和鈦的具有鈣鈦礦型結構的複合氧化物形成，所述壓電體層的(111)面的取向強度a相對於(100)面的取向強度P的強度比Y 即a /旦為3以上。
2.根據權利要求I所述的壓電元件，其中，所述複合氧化物中，所述鉍相對於所述鋇的組分比 XBi/Ba 為 70/30 ( XBi/Ba ( 80/20。
3.根據權利要求I所述的壓電元件，其中，所述壓電體層在(111)面進行單一取向。
4.根據權利要求I所述的壓電元件，其中，作為所述電極，包含第I電極和夾持所述壓電體層而與所述第I電極對置的第2電極， 所述第I電極層疊有多個導電層，所述導電層中最靠近所述壓電體層側的導電層為導電性鍶化合物。
5.根據權利要求I所述的壓電元件，其中，所述導電性鍶化合物是釕酸鍶。
6.根據權利要求I所述的壓電元件，其中，所述導電性鍶化合物是添加有鈮的鈦酸鍶。
7.根據權利要求I所述的壓電元件，其中，所述導電性鍶化合物優先在(111)面進行取向。
8.根據權利要求I所述的壓電元件，其中，所述複合氧化物還含有具有錳、鈷、鎳、鋁、 鋅和鈦中的至少一個的添加物。
9.根據權利要求I所述的壓電元件，其中，所述複合氧化物的晶系是假立方晶系。
10.一種液體噴射頭，具有權利要求I 9中任一項所述的壓電兀件。
11.一種液體噴射裝置，具有權利要求10所述的液體噴射頭。
全文摘要
本發明涉及液體噴射頭、液體噴射裝置、壓電元件以及壓電陶瓷。本發明提供具備環境負荷小、變形量和可靠性得到了提高的壓電元件的液體噴射頭等。本發明的液體噴射頭包括與噴嘴孔連通的壓力產生室和壓電元件，所述壓電元件具有壓電體層和對上述壓電體層施加電壓的電極；上述壓電體層由含有鉍、鋇、鐵和鈦的具有鈣鈦礦型結構的複合氧化物形成，上述壓電體層的(111)面的取向強度α相對於(100)面的取向強度β的強度比γ(α/β)為3以上。
文檔編號H01L41/18GK102529373SQ20111040969
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月9日 優先權日2010年12月10日
發明者古林智一, 繩野真久 申請人:精工愛普生株式會社