压电元件、致动器及液滴排出头

摘要

压电元件具备下部电极、上部电极、以及配置在下部电极与上部电极之间的压电体层。压电体层由(铌·锰)添加锆钛酸铅构成。(铌·锰)添加锆钛酸铅中的铌的摩尔数相对于铌、锰、锆、钛的摩尔数的总和的比例为10％以上且25％以下。锰的摩尔数相对于铌、锰、锆、钛的摩尔数的总和的比例为0.3％以上且1.2％以下。该压电元件能够降低内部电场。

权利要求

1.一种压电元件，具备：下部电极；

上部电极；以及

配置在所述下部电极与所述上部电极之间的压电体层，所述压电体层由铌和锰添加锆钛酸铅构成，所述铌和锰添加锆钛酸铅中的所述铌的摩尔数相对于铌、锰、锆和钛的摩尔数的总和的比例为10%以上且25%以下，所述锰的摩尔数相对于所述铌、锰、锆和钛的所述摩尔数的所述总和的比例为0.3%以上且1.2%以下。

2.根据权利要求1所述的压电元件，其中，所述锰的摩尔数相对于所述铌、锰、锆和钛的所述摩尔数的所述总和的比例为0.5%以上。

3.一种致动器，具备：基板；以及

配置在基板上的压电元件，所述压电元件具备：

下部电极；

上部电极；以及

配置在所述下部电极与所述上部电极之间的压电体层，所述压电体层由铌和锰添加锆钛酸铅构成，所述铌和锰添加锆钛酸铅中的所述铌的摩尔数相对于铌、锰、锆和钛的摩尔数的总和的比例为10%以上且25%以下，所述锰的摩尔数相对于所述铌、锰、锆和钛的所述摩尔数的所述总和的比例为0.3%以上且1.2%以下。

4.一种液滴排出头，具备：流路；

与所述流路连接的压力室；以及与所述压力室连接的喷嘴，所述压力室具有对所述压力室内的压力进行控制的致动器，所述致动器具有：

基板；以及

配置在基板上的压电元件，所述压电元件具有：

下部电极；

上部电极；以及

配置在所述下部电极与所述上部电极之间的压电体层，所述压电体层由铌和锰添加锆钛酸铅构成，所述铌和锰添加锆钛酸铅中的所述铌的摩尔数相对于铌、锰、锆和钛的摩尔数的总和的比例为10%以上且25%以下，所述锰的摩尔数相对于所述铌、锰、锆和钛的所述摩尔数的所述总和的比例为0.3%以上且1.2%以下。

说明书

压电元件、致动器及液滴排出头

技术领域

[0001] 本公开涉及压电元件、使用了该压电元件的致动器以及使用了该致动器的液滴排出头。

背景技术

[0002] 近年来，针对封装、纺织品、产品装饰等的印刷需要正在扩大。喷墨方式与有版印刷方式相比，具有能够应对小批量且交货时间(lead time)短这样的优点。于是，作为针对封装、纺织品、产品装饰等的印刷方法，研究了喷墨方式。

[0003] 喷墨方式的液滴排出头具有用于排出墨液的致动器。致动器使用了在以锆钛酸铅为主成分的压电膜的两个主面配置有电极的压电元件作为驱动单元。

[0004] 封装、纺织品、产品装饰等印刷对象与打印纸等印刷对象相比，印刷面不平坦。另外，在封装、纺织品、产品装饰等印刷对象中，与打印纸等印刷对象相比，使用各种类型的墨液。

[0005] 因此，为了向印刷面不平坦的印刷对象高速且高精细地印刷各种类型的墨液，对压电元件要求更高的压电性能。以往，作为提高锆钛酸铅的压电常量的方法，已知如下方法：将压电膜设为(001)优先取向，并且向锆钛酸铅添加10摩尔％以上且40摩尔％以下的铌。

[0006] 例如在专利文献1～6公开了与上述压电元件关联的以往的压电元件。

[0007] 在向锆钛酸铅添加了铌的情况下，存在在压电元件产生内部电场的情况。

[0008] 驱动单元在将基板、下部电极、压电膜以及上部电极依次层叠而成的致动器的方式中使用。在将该致动器的压电层膜设为铌添加锆钛酸铅的情况下，在从下部电极朝向上部电极的方向上产生内部电场。例如，专利文献4的图7中公开的从极化‑电场曲线(P‑E曲线)读取的内部电场的值为18kV/cm。

[0009] 在非专利文献1中记载有如下内容：具有10kV/cm～15kV/cm的内部电场的试料与不具有内部电场的试料相比，提前产生连续驱动时的极化劣化。

[0010] 在专利文献4、专利文献5中公开了如下方法：通过用铋离子置换铅离子，从而降低压电膜的内部电场。

[0011] 在专利文献6中公开了铅相对于铅以外的阳离子的摩尔比为1.03以下的压电膜。

[0012] 在先技术文献

[0013] 专利文献

[0014] 专利文献1：日本特许第4142705号公报

[0015] 专利文献2：日本特许第4142706号公报

[0016] 专利文献3：日本特许第4246227号公报

[0017] 专利文献4：日本特许第5367242号公报

[0018] 专利文献5：日本特许第4505492号公报

[0019] 专利文献6：日本特许第4452752号公报

[0020] 非专利文献

[0021] 非专利文献1：R.Ramesh，Appl.Phys.Lett.(1993)Vol.63，No.1 p.27‑29发明内容

[0022] 压电元件具备下部电极、上部电极以及配置在下部电极与上部电极之间的压电体层。压电体层由(铌·锰)添加锆钛酸铅构成。(铌·锰)添加锆钛酸铅中的铌的摩尔数相对于铌、锰、锆、钛的摩尔数的总和的比例为10％以上且25％以下。锰的摩尔数相对于铌、锰、锆、钛的摩尔数的总和的比例为0.3％以上且1.2％以下。

[0023] 该压电元件能够降低内部电场。

附图说明

[0024] 图1是具备实施方式中的压电元件的致动器的剖视图。

[0025] 图2是使用了实施方式中的致动器的液滴排出头的剖视图。

[0026] 图3是示出试料1～7的Mn的添加比例、Nb的添加比例以及内部电场的图。

[0027] 图4是示出实施方式中的压电元件的试料的磁滞曲线的图。

[0028] 图5是示出实施方式中的压电元件的试料的磁滞曲线的图。

[0029] 图6是示出实施方式中的压电元件的试料的磁滞曲线的图。

[0030] 图7是示出实施方式中的压电元件的试料的磁滞曲线的图。

[0031] 图8是示出实施方式中的压电元件的试料的磁滞曲线的图。

[0032] 图9是示出实施方式中的压电元件的试料的磁滞曲线的图。

[0033] 图10是示出实施方式中的压电元件的试料的磁滞曲线的图。

[0034] 图11是示出实施方式中的压电元件的试料的磁滞曲线的图。

具体实施方式

[0035] 以下，使用附图对具备本公开的实施方式的压电元件的致动器进行说明。需要说明的是，以下说明的实施方式均示出本公开的优选的一具体例。因此，以下的实施方式所示的形状、构成要素、构成要素的配置及连接方式等是一例，并非意在限定本公开。因此，关于以下的实施方式的构成要素中的未记载于示出本发明的最上位概念的独立权利要求中的构成要素，作为任意的构成要素来说明。

[0036] 另外，各图是示意图，并不一定是严格地图示。在各图中，针对实质上相同的构造标注相同的标记，省略或简化重复的说明。

[0037] 图1是致动器10的剖视图。致动器10具有振动板1和压电元件2。压电元件2配置在振动板1上。压电元件2具有下部电极5、压电体层6以及上部电极7。

[0038] 振动板1也能够形成为在硅基板3的表面配置有由二氧化硅构成的绝缘体膜4的多层基板。

[0039] 下部电极5配置在绝缘体膜4上。下部电极5由铂或铱等金属构成。在绝缘体膜4与下部电极5之间也可以配置紧贴层。紧贴层能够由钛、铬形成。下部电极5及紧贴层能够通过溅射法、真空蒸镀法、化学气相生长法(CVD)、化学溶液沉积法(CSD)等通常已知的成膜方法来形成。

[0040] 压电体层6由添加了铌和锰的锆钛酸铅即(铌·锰)添加锆钛酸铅(以下称为Nb/Mn添加PZT)构成。压电体层6是(001)优先取向。也可以在下部电极5与压电体层6之间配置取向控制层。取向控制层能够由钛酸铅、镧添加钛酸铅、镍酸镧等的晶格常数与压电体层6接近的钙钛矿型氧化物形成。压电体层6、取向控制层能够通过溅射法、CVD、CSD、PLD等通常已知的成膜方法来成形。例如，在通过溅射法形成压电体层6的情况下，靶的组成，以锆钛酸铅为主成分，能够采用添加了氧化铌、氧化锰、氧化铅的组成，使得压电体层6的组成成为所希望的组成。另外，关于压电体层6中的Zr与Ti的摩尔比，优选通常已知压电特性高的准同型相界(MPB)的组成为Zr/Ti＝40/60～60/40的范围。

[0041] Nb/Mn添加PZT中的Nb的添加比例优选为10％以上且25％以下。通过将Nb的添加比例设为10％以上且25％以下的范围，作为压电元件2能够得到较高的压电特性。需要说明的是，Nb的添加比例是指，构成(Nb/Mn)添加PZT的Mn的摩尔数相对于Nb、Mn、Zr、Ti的摩尔数的总和的比例。

[0042] Nb/Mn添加PZT中的Mn的添加比例优选为0.3％以上且1.2％以下。通过将Mn的添加比例设为0.3％以上且1.2％以下的范围，能够抑制压电元件2中的内部电场。另外，通过降低压电元件2的内部电场，抑制了致动器10中的连续驱动时的压电性能的劣化。需要说明的是，Mn的添加比例是指，构成(Nb/Mn)添加PZT的Mn的摩尔数相对于Nb、Mn、Zr、Ti的摩尔数的总和的比例。

[0043] 上部电极7配置在压电体层6上。上部电极7由铂或金等金属构成。在上部电极7与压电体层6之间也可以配置紧贴层。上部电极7及紧贴层能够通过溅射法、真空蒸镀法、CVD、CSD等通常已知的成膜方法来形成。

[0044] 接下来，对致动器10的驱动进行说明。在致动器10中，通过在上部电极7与下部电极5之间施加控制电压，能够使振动板1振动。当向上部电极7与下部电极5施加控制电压时，由于压电体层6的逆压电效应，激励了压电元件2的厚度方向即上部电极7、压电体层6以及下部电极5所层叠的方向的振动。

[0045] 需要说明的是，如上所述，在利用压电元件2对致动器10进行驱动的情况下，向压电元件2施加的驱动电压变大，因此，因内部电场的降低而引起的效果变大。另外，通过将致动器10用作打印机的墨液的排出装置，能够更加显著地得到因内部电场的降低而引起的效果。

[0046] 针对将本公开中的致动器10用于液滴排出头时的作用效果进行叙述。液滴排出头是打印机的排出装置。图2示出液滴排出头20的结构。液滴排出头20具备排出墨液的喷嘴21、对用于使墨液排出的压力进行控制的压力室22、以及向压力室22导入墨液的流路23。压力室22具有本公开中的致动器10。致动器10由振动板1和压电元件2构成。致动器10的振动板1形成压力室22的顶板。通过向致动器10施加驱动信号，与振动板1的位移相应地向压力室22的内部的墨液赋予排出压力，经由喷嘴21将墨液排出。即，致动器10需要必须向粘性高的墨液赋予排出压力而更大地发生变形这样的压电特性。即，更加显著地显现出本公开中的因内部电场的降低而引起的效果。

[0047] 以下，针对在(Nb/Mn)添加PZT中调查了Nb的添加比例、Mn的添加比例以及内部电场的关系的实验进行说明。在实验中，将在振动板1上配置了压电元件2的致动器10作成为试料，测定各试料的内部电场并进行了评价。

[0048] 各试料中的致动器10的构造相同，使(Nb/Mn)添加PZT中的Mn的添加比例与Nb的添加比例的组合不同。需要说明的是，(Nb/Mn)添加PZT的组成能够通过X射线光电子能谱法(XPS)、能量分散型X射线光谱法(SEM‑EDX)及高频感应耦合等离子体发射光谱分析法(ICP)等来确认。

[0049] 在各试料的致动器10中，振动板1由在硅基板3上配置了由二氧化硅构成的绝缘体膜4的双层基板构成。硅基板3的厚度为525μm，绝缘体膜4的厚度为70nm。下部电极5由铂金构成，厚度为0.4μm。压电体层6由Nb/Mn添加PZT构成。压电体层6的厚度为3.5μm。上部电极7由金构成，厚度为0.3μm。

[0050] 图3示出试料1～7的Mn的添加比例和Nb的添加比例。

[0051] 试料1中，Nb的添加比例为10％，Mn的添加比例为0％。即，在试料1中的压电体层6未添加Mn。图4示出试料1的磁滞曲线。试料2中，Nb的添加比例为10％，Mn的添加比例为0.3％。图5示出试料2的磁滞曲线。试料3中，Nb的添加比例为10％，Mn的添加比例为0.6％。
图6示出试料3的磁滞曲线。试料4中，Nb的添加比例为10％，Mn的添加比例为1.2％。图7示出试料4的磁滞曲线。试料5中，Nb的添加比例为10％，Mn的添加比例为2％。图8示出试料5的磁滞曲线。试料6中，Nb的添加比例为20％，Mn的添加比例为0％。即，在试料6中的压电体层6未添加Mn。图9示出试料6的磁滞曲线。试料7中，Nb的添加比例为20％，Mn的添加比例为0.6％。
图10示出试料7的磁滞曲线。

[0052] 图11示出Nb的添加比例相等的试料1～5中的Mn的添加比例与内部电场的关系。在图11中，横轴示出Mn的添加比例(mol％)，纵轴示出内部电场的值(kV/cm)。曲线是以绘制了试料1～5的测定值的点为基础的近似曲线。需要说明的是，在致动器10中，内部电场优选为10kV/cm以下。更优选的是，内部电场为5kV/cm以下。图3示出试料1～7的内部电场的评价，“F”示出优选的内部电场，“G”示出更优选的内部电场，“NG”示出不优选的内部电场。根据图
3和图11，试料2、3、4的内部电场处于作为致动器10而优选的10kV/cm以下的范围。近似曲线是朝下突出的二次曲线，因此，在Mn的添加比例为0.3％以上且1.2％以下的范围内，内部电场成为10kV/cm以下。需要说明的是，试料3、4的内部电场处于作为致动器10而更优选的
5kV/cm以下的范围，在Mn的添加比例为0.5％以上且1.2％以下的范围内，内部电场成为
5kV/cm以下。

[0053] 需要说明的是，试料6的Mn的添加比例为0％，未落入上述的0.3％以上且1.2％以下的范围，内部电场的值大于10kV/cm而不优选。另外，试料7的Mn的添加比例为0.6％，落入上述的0.3％以上且1.2％以下的范围，内部电场的值小于10kV/cm而优选。

[0054] 在专利文献1所公开的锆钛酸铅这样的具有铁电性的压电膜中，极化与压电性能具有关联。因此，认为将压电膜作为铌添加锆钛酸铅的致动器在连续驱动时，提前产生压电膜的压电性能的劣化。

[0055] 另一方面，在专利文献4、5所公开的、通过用铋离子置换铅离子而降低压电膜的内部电场的方法中，压电膜中的添加物的量增加，压电膜的组成控制变得复杂，因此，从量产的观点出发是不期望的。

[0056] 另外，在专利文献6所公开的、铅相对于铅以外的阳离子的摩尔比为1.03以下的压电膜中，同时导致铁电性的下降，因此是不优选的。

[0057] 在实施方式的压电元件2中，在将Nb/Mn添加PZT作为压电体层6的压电元件2中，确认出通过调节Mn的添加比例，能够与Nb的添加比例无关地调整内部电场的大小。

[0058] 在实施方式中，“上部电极”、“下部电极”等表示方向的用语表示仅由压电元件的构成构件的相对位置关系决定的相对方向，并不是表示铅垂方向等绝对方向。

[0059] 产业上的可利用性

[0060] 本公开尤其在需要大压电常量的致动器的用途中是有效的。

[0061] 附图标记说明：

[0062] 1   振动板；

[0063] 2   压电元件；

[0064] 5   下部电极；

[0065] 6   压电体层；

[0066] 7   上部电极；

[0067] 21  喷嘴；

[0068] 22  压力室；

[0069] 23  流路；

[0070] 10  致动器；

[0071] 20  液滴排出头。