(57)【要約】  本発明の目的は、高い結晶配向性および高い強誘電特性を有するＮＢＴ−ＢＴ非鉛圧電体膜を提供することである。本発明の圧電体膜は、ＮａｘＭ１−ｘ層、（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層を具備数。（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層は、ＮａｘＭ１−ｘ層上に形成されており、ＭはＰｔ、Ｉｒ、またはＰｔＩｒを表し、ｘは０．００２以上０．０２以下の値を表し、ＮａｘＭ１−ｘ層および（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層のいずれもが、（００１）配向のみ、（１１０）配向のみ、または（１１１）配向のみを有する。
2013132791.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下を具備する圧電体膜：
ＮａｘＭ１−ｘ層、および
（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層、ここで、
前記（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層は、前記ＮａｘＭ１−ｘ層上に形成されており、
ＭはＰｔ、Ｉｒ、またはＰｔＩｒを表し、
ｘは０．００２以上０．０２以下の値を表し、
前記ＮａｘＭ１−ｘ層および前記（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層のいずれもが、（００１）配向のみ、（１１０）配向のみ、または（１１１）配向のみを有する。
【請求項２】
前記（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層は、前記ＮａｘＭ１−ｘ層に接している、
請求項１に記載の圧電体膜。
【請求項３】
前記（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層は、Ｍｎをさらに含有する、
請求項１に記載の圧電体膜。
【請求項４】
インクジェットヘッドであって、
第１電極および第２電極に挟まれた圧電体層を有する圧電体膜と、
前記圧電体膜に接合された振動層と、
インクを収容する圧力室を有するとともに、前記振動層における前記圧電体膜が接合した面とは反対側の面に接合された圧力室部材と、を備え、
前記振動層は、圧電効果に基づく前記圧電体膜の変位に応じて当該振動層の膜厚方向に変位するように、前記圧電体膜に接合され、
前記振動層と前記圧力室部材とは、前記振動層の変位に応じて前記圧力室の容積が変化するとともに、前記圧力室の容積の変化に応じて前記圧力室内のインクが吐出されるように、互いに接合されており、
前記第１電極は、ＮａｘＭ１−ｘ層を具備し、
前記圧電体層は、（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層であり、
前記（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層は、前記ＮａｘＭ１−ｘ層上に形成されており、
ＭはＰｔ、Ｉｒ、またはＰｔＩｒを表し、
ｘは０．００２以上０．０２以下の値を表し、
前記ＮａｘＭ１−ｘ層および前記（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層のいずれもが、（００１）配向のみ、（１１０）配向のみ、または（１１１）配向のみを有する。
【請求項５】
前記（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層は、前記ＮａｘＭ１−ｘ層に接している、
請求項４に記載のインクジェットヘッド。
【請求項６】
前記（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層は、Ｍｎをさらに含有する、
請求項４に記載のインクジェットヘッド。
【請求項７】
インクジェットヘッドを用いて画像を形成する方法であって、以下の工程を具備する：
以下を具備する前記インクジェットヘッドを準備する工程（ａ）、
第１電極および第２電極に挟まれた圧電体層を有する圧電体膜、
前記圧電体膜に接合された振動層、
インクを収容する圧力室を有するとともに、前記振動層における前記圧電体膜が接合した面とは反対側の面に接合された圧力室部材、ここで、
前記振動層は、圧電効果に基づく前記圧電体膜の変位に応じて当該振動層の膜厚方向に変位するように、前記圧電体膜に接合され、
前記振動層と前記圧力室部材とは、前記振動層の変位に応じて前記圧力室の容積が変化するとともに、前記圧力室の容積の変化に応じて前記圧力室内のインクが吐出されるように、互いに接合されており、
前記第１電極は、ＮａｘＭ１−ｘ層を具備し、
前記圧電体層は、（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層であり、
前記（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層は、前記ＮａｘＭ１−ｘ層上に形成されており、
ＭはＰｔ、Ｉｒ、またはＰｔＩｒを表し、
ｘは０．００２以上０．０２以下の値を表し、
前記ＮａｘＭ１−ｘ層および前記（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層のいずれもが、（００１）配向のみ、（１１０）配向のみ、または（１１１）配向のみを有し、
前記第１電極および第２電極を介して前記圧電体層に電圧を印加することにより、圧電効果に基づき、前記圧力室の容積が変化するように前記振動層を当該層の膜厚方向に変位させ、当該変位により前記圧力室からインクを吐出させる工程（ｂ）。
【請求項８】
前記（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層は、前記ＮａｘＭ１−ｘ層に接している、
請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層は、Ｍｎをさらに含有する、
請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
角速度センサであって、
振動部を有する基板と、
前記振動部に接合されるとともに、第１電極および第２電極に挟まれた圧電体層を有する圧電体膜と、を備え、
前記第１電極は、ＮａｘＭ１−ｘ層を具備し、
前記圧電体層は、（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層であり、
前記（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層は、前記ＮａｘＭ１−ｘ層上に形成されており、
ＭはＰｔ、Ｉｒ、またはＰｔＩｒを表し、
ｘは０．００２以上０．０２以下の値を表し、
前記ＮａｘＭ１−ｘ層および前記（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層のいずれもが、（００１）配向のみ、（１１０）配向のみ、または（１１１）配向のみを有し、
前記第１電極および第２電極から選ばれる一方の電極が、前記振動部を発振させる駆動電圧を前記圧電体層に印加する駆動電極と、発振中の前記振動部に加わった角速度によって前記振動部に生じた変位を測定するためのセンス電極とを含む電極群とにより、構成されている、
角速度センサ。
【請求項１１】
前記（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層は、前記ＮａｘＭ１−ｘ層に接している、
請求項１０に記載の角速度センサ。
【請求項１２】
前記（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層は、Ｍｎをさらに含有する、
請求項１０に記載の角速度センサ。
【請求項１３】
角速度センサを用いて角速度を測定する方法であって、以下の工程を具備する：
以下を具備する前記角速度センサを準備する工程（ａ）、ここで
振動部を有する基板、および
前記振動部に接合されるとともに、第１電極および第２電極に挟まれた圧電体層を有する圧電体膜、ここで、
前記第１電極は、ＮａｘＭ１−ｘ層を具備し、
前記圧電体層は、（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層であり、
前記（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層は、前記ＮａｘＭ１−ｘ層上に形成されており、
ＭはＰｔ、Ｉｒ、またはＰｔＩｒを表し、
ｘは０．００２以上０．０２以下の値を表し、
前記ＮａｘＭ１−ｘ層および前記（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層のいずれもが、（００１）配向のみ、（１１０）配向のみ、または（１１１）配向のみを有し、そして
前記第１電極および第２電極から選ばれる一方の電極が、駆動電極とセンス電極とを含む電極群により構成されており、
駆動電圧を、前記第１電極および第２電極から選ばれる他方の電極と前記駆動電極とを介して前記圧電体層に印加することにより、前記振動部を発振させる工程（ｂ）、
発振中の前記振動部に加わった角速度によって前記振動部に生じた変位を、前記他方の電極と前記センス電極とを介して測定することで前記加わった角速度の値を得る工程（ｃ）。
【請求項１４】
前記（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層は、前記ＮａｘＭ１−ｘ層に接している、
請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層は、Ｍｎをさらに含有する、
請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
以下を具備する、圧電発電素子：
振動部を有する基板、
前記振動部に接合されるとともに、第１電極および第２電極に挟まれた圧電体層を有する圧電体膜、ここで、
前記第１電極は、ＮａｘＭ１−ｘ層を具備し、
前記圧電体層は、（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層であり、
前記（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層は、前記ＮａｘＭ１−ｘ層上に形成されており、
ＭはＰｔ、Ｉｒ、またはＰｔＩｒを表し、
ｘは０．００２以上０．０２以下の値を表し、
前記ＮａｘＭ１−ｘ層および前記（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層のいずれもが、（００１）配向のみ、（１１０）配向のみ、または（１１１）配向のみを有する。
【請求項１７】
前記（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層は、前記ＮａｘＭ１−ｘ層に接している、
請求項１６に記載の圧電発電素子。
【請求項１８】
前記（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層は、Ｍｎをさらに含有する、
請求項１６に記載の圧電発電素子。
【請求項１９】
圧電発電素子を用いて電気を発生する方法であって、以下を具備する：
以下を具備する前記圧電発電素子を用意する工程（ａ）、
振動部を有する基板、および
前記振動部に接合されるとともに、第１電極および第２電極に挟まれた圧電体層を有する圧電体膜、ここで、
前記第１電極は、ＮａｘＭ１−ｘ層を具備し、
前記圧電体層は、（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層であり、
前記（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層は、前記ＮａｘＭ１−ｘ層上に形成されており、
ＭはＰｔ、Ｉｒ、またはＰｔＩｒを表し、
ｘは０．００２以上０．０２以下の値を表し、
前記ＮａｘＭ１−ｘ層および前記（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層のいずれもが、（００１）配向のみ、（１１０）配向のみ、または（１１１）配向のみを有し、
前記振動部に振動を与えることにより、前記第１電極および第２電極を介して電力を得る工程（ｂ）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電体層を備える圧電体膜に関する。さらに、本発明は、当該圧電体膜を備えるインクジェットヘッドと当該ヘッドを用いて画像を形成する方法、当該圧電体膜を備える角速度センサと当該センサを用いて角速度を測定する方法ならびに当該圧電体膜を備える圧電発電素子と当該素子を用いた発電方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１および特許文献２に開示されるように、ペロブスカイト型複合酸化物（１−ｙ）（Ｎａ，Ｂｉ）ＴｉＯ３−ｙＢａＴｉＯ３は、現在、非鉛（ｌｅａｄ−ｆｒｅｅ）圧電材料として研究開発されている。この圧電材料は、ＮＢＴ−ＢＴと言われる。ｙの値は、例えば、０．０３以上０．１５以下の範囲に収まる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特公平４−６００７３号公報
【特許文献２】特許第４４５５６７８号公報（米国特許第７,８７０,７８７号明細書に対応）
【特許文献３】国際公開第２０１０／０４７０４９号
【特許文献４】米国特許第７８７０７８７号明細書
【特許文献５】中国特許出願公開第１０１９８１７１８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、高い結晶配向性および高い強誘電特性を有するＮＢＴ−ＢＴ非鉛圧電体膜を提供することである。【０００５】
本発明の他の目的は、上記非鉛圧電体膜を備えるインクジェットヘッド、角速度センサおよび圧電発電素子を提供することである。本発明のさらに他の目的は、上記インクジェットヘッドを用いて画像を形成する方法、上記角速度センサを用いて角速度を測定する方法および上記圧電発電素子を用いた発電方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
Ａ１．本発明は、ＮａｘＭ１−ｘ層１３、および（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５を具備する圧電体膜である。【０００７】
ここで、（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５は、ＮａｘＭ１−ｘ層１３上に形成されており、ＭはＰｔ、Ｉｒ、またはＰｔＩｒを表し、ｘは０．００２以上０．０２以下の値を表す。ＮａｘＭ１−ｘ層１３および（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５のいずれもが、（００１）配向のみ、（１１０）配向のみ、または（１１１）配向のみを有する。【０００８】
Ａ２．Ａ１に記載の圧電体膜であって、（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５は、ＮａｘＭ１−ｘ層１３に接している。【０００９】
Ａ３．Ａ１に記載の圧電体膜であって、（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５は、Ｍｎをさらに含有する。【００１０】
Ａ４．インクジェットヘッドであって、第１電極および第２電極に挟まれた圧電体層を有する圧電体膜と、圧電体膜に接合された振動層と、インクを収容する圧力室を有するとともに、振動層における圧電体膜が接合した面とは反対側の面に接合された圧力室部材と、を備える。【００１１】
振動層は、圧電効果に基づく圧電体膜の変位に応じて当該振動層の膜厚方向に変位するように、圧電体膜に接合され、振動層と圧力室部材とは、振動層の変位に応じて圧力室の容積が変化するとともに、圧力室の容積の変化に応じて圧力室内のインクが吐出されるように、互いに接合されている。第１電極は、ＮａｘＭ１−ｘ層１３を具備し、圧電体層は、（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５であり、（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５は、ＮａｘＭ１−ｘ層１３上に形成されており、ＭはＰｔ、Ｉｒ、またはＰｔＩｒを表し、ｘは０．００２以上０．０２以下の値を表し、ＮａｘＭ１−ｘ層１３および（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５のいずれもが、（００１）配向のみ、（１１０）配向のみ、または（１１１）配向のみを有する。【００１２】
Ａ５．Ａ４に記載のインクジェットヘッドであって、（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５は、ＮａｘＭ１−ｘ層１３に接している。【００１３】
Ａ６．Ａ４に記載のインクジェットヘッドであって、（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５は、Ｍｎをさらに含有する。【００１４】
Ｂ１．インクジェットヘッドを用いて画像を形成する方法であって、以下の工程（ａ）、（ｂ）を具備する：
以下を具備するインクジェットヘッドを準備する工程（ａ）：
第１電極および第２電極に挟まれた圧電体層を有する圧電体膜、圧電体膜に接合された振動層、インクを収容する圧力室を有するとともに、振動層における圧電体膜が接合した面とは反対側の面に接合された圧力室部材。ここで、振動層は、圧電効果に基づく圧電体膜の変位に応じて当該振動層の膜厚方向に変位するように圧電体膜に接合され、振動層と圧力室部材とは、振動層の変位に応じて圧力室の容積が変化するとともに、圧力室の容積の変化に応じて圧力室内のインクが吐出されるように、互いに接合されている。【００１５】
第１電極は、ＮａｘＭ１−ｘ層１３を具備し、圧電体層は、（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５であり、（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５は、ＮａｘＭ１−ｘ層１３上に形成されており、ＭはＰｔ、Ｉｒ、またはＰｔＩｒを表し、ｘは０．００２以上０．０２以下の値を表し、ＮａｘＭ１−ｘ層１３および（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５のいずれもが、（００１）配向のみ、（１１０）配向のみ、または（１１１）配向のみを有する。【００１６】
第１電極および第２電極を介して圧電体層に電圧を印加することにより、圧電効果に基づき、圧力室の容積が変化するように振動層を当該層の膜厚方向に変位させ、当該変位により圧力室からインクを吐出させる工程（ｂ）。【００１７】
Ｂ２．Ｂ１に記載の方法であって、（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５は、ＮａｘＭ１−ｘ層１３に接している。【００１８】
Ｂ３．Ｂ１に記載の方法であって、（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５は、Ｍｎをさらに含有する。【００１９】
Ｃ１．角速度センサであって、振動部を有する基板と、振動部に接合されるとともに、第１電極および第２電極に挟まれた圧電体層を有する圧電体膜とを備える。【００２０】
第１電極は、ＮａｘＭ１−ｘ層１３を具備し、圧電体層は、（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５であり、（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５は、ＮａｘＭ１−ｘ層１３上に形成されており、ＭはＰｔ、Ｉｒ、またはＰｔＩｒを表し、ｘは０．００２以上０．０２以下の値を表す。【００２１】
ＮａｘＭ１−ｘ層１３および（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５のいずれもが、（００１）配向のみ、（１１０）配向のみ、または（１１１）配向のみを有する。【００２２】
第１電極および第２電極から選ばれる一方の電極が、振動部を発振させる駆動電圧を圧電体層に印加する駆動電極と、発振中の振動部に加わった角速度によって振動部に生じた変位を測定するためのセンス電極とを含む電極群とにより、構成されている、角速度センサ。【００２３】
Ｃ２．Ｃ１に記載の角速度センサであって、（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５は、ＮａｘＭ１−ｘ層１３に接している。【００２４】
Ｃ３．Ｃ１に記載の角速度センサであって、（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５は、Ｍｎをさらに含有する。【００２５】
Ｄ１．角速度センサを用いて角速度を測定する方法であって、以下の工程（ａ）、（ｂ）（ｃ）を具備する：
以下を具備する角速度センサを準備する工程（ａ）：
角速度センサーは、振動部を有する基板、および振動部に接合されるとともに、第１電極および第２電極に挟まれた圧電体層を有する圧電体膜を具備する。【００２６】
第１電極は、ＮａｘＭ１−ｘ層１３を具備し、圧電体層は、（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５であり、（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５は、ＮａｘＭ１−ｘ層１３上に形成されており、ＭはＰｔ、Ｉｒ、またはＰｔＩｒを表し、ｘは０．００２以上０．０２以下の値を表す。【００２７】
ＮａｘＭ１−ｘ層１３および（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５のいずれもが、（００１）配向のみ、（１１０）配向のみ、または（１１１）配向のみを有し、そして第１電極および第２電極から選ばれる一方の電極が、駆動電極とセンス電極とを含む電極群により構成されている。【００２８】
駆動電圧を、第１電極および第２電極から選ばれる他方の電極と駆動電極とを介して圧電体層に印加することにより、振動部を発振させる工程（ｂ）。【００２９】
発振中の振動部に加わった角速度によって振動部に生じた変位を、他方の電極とセンス電極とを介して測定することで加わった角速度の値を得る工程（ｃ）。【００３０】
Ｄ２．Ｄ１に記載の方法であって、（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５は、ＮａｘＭ１−ｘ層１３に接している。【００３１】
Ｄ３．Ｄ１に記載の方法であって、（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５は、Ｍｎをさらに含有する。【００３２】
Ｅ１．振動部を有する基板、振動部に接合されるとともに、第１電極および第２電極に挟まれた圧電体層を有する圧電体膜、を具備する圧電発電素子：
ここで第１電極は、ＮａｘＭ１−ｘ層１３を具備し、圧電体層は、（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５であり、（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５は、ＮａｘＭ１−ｘ層１３上に形成されており、ＭはＰｔ、Ｉｒ、またはＰｔＩｒを表し、ｘは０．００２以上０．０２以下の値を表す。【００３３】
ＮａｘＭ１−ｘ層１３および（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５のいずれもが、（００１）配向のみ、（１１０）配向のみ、または（１１１）配向のみを有する。【００３４】
Ｅ２．Ｅ１に記載の圧電発電素子であって、（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５は、ＮａｘＭ１−ｘ層１３に接している。【００３５】
Ｅ３．Ｅ１に記載の圧電発電素子であって、（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５は、Ｍｎをさらに含有する。【００３６】
Ｆ１．圧電発電素子を用いて電気を発生する方法であって、工程（ａ）、（ｂ）を具備する：
以下を具備する圧電発電素子を用意する工程（ａ）：
振動部を有する基板、および振動部に接合されるとともに、第１電極および第２電極に挟まれた圧電体層を有する圧電体膜。ここで、第１電極は、ＮａｘＭ１−ｘ層１３を具備し、
圧電体層は、（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５であり、（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５は、ＮａｘＭ１−ｘ層１３上に形成されており、ＭはＰｔ、Ｉｒ、またはＰｔＩｒを表し、ｘは０．００２以上０．０２以下の値を表す。【００３７】
ＮａｘＭ１−ｘ層１３および（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５のいずれもが、（００１）配向のみ、（１１０）配向のみ、または（１１１）配向のみを有する。【００３８】
振動部に振動を与えることにより、第１電極および第２電極を介して電力を得る工程（ｂ）。
【発明の効果】
【００３９】
本発明は、高い結晶配向性および高い圧電定数を有するＮＢＴ−ＢＴ非鉛圧電体膜を提供する。【００４０】
本発明は、上記非鉛圧電体膜を具備するインクジェットヘッドおよびそれを用いて画像を形成する方法を提供する。【００４１】
本発明は、上記非鉛圧電体膜を具備する角速度センサおよびそれを用いて角速度を測定する方法を提供する。【００４２】
本発明は、上記非鉛圧電体膜を具備する圧電発電素子およびそれを用いて発電する方法を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１Ａ】図１Ａは、実施形態による圧電体膜の断面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、図１Ａに示される圧電体膜の変形例を示す図である。
【図２】図２は、実施例Ａ１〜実施例Ａ４および比較例Ａ１〜比較例Ａ２による圧電体膜のＸ線回折プロファイルを示す。
【図３】図３は、実施例Ａ５〜実施例Ａ９および比較例Ａ３〜比較例Ａ４による圧電体膜のＸ線回折プロファイルを示す。
【図４】図４は、実施例Ｂ１〜実施例Ｂ６および比較例Ｂ１〜比較例Ｂ２による圧電体膜のＸ線回折プロファイルを示す。
【図５】図５は、実施例Ｃ１〜実施例Ｃ６および比較例Ｃ１〜比較例Ｃ２による圧電体膜のＸ線回折プロファイルを示す。
【図６】図６は、本発明のインクジェットヘッドの一例を模式的に示す、部分的に当該インクジェットヘッドの断面が示された斜視図である。
【図７】図７は、図６に示すインクジェットヘッドにおける、圧力室部材およびアクチュエータ部を含む要部を模式的に示す、部分的に当該要部の断面が示された分解斜視図である。
【図８】図８は、図６に示すインクジェットヘッドにおける、圧力室部材およびアクチュエータ部を含む要部の一例を模式的に示す断面図である。
【図９】図９は、本発明の角速度センサの一例を模式的に示す斜視図である。
【図１０】図１０は、図９に示す角速度センサにおける断面Ｅ１を示す断面図である。
【図１１】図１１は、本発明の圧電発電素子の一例を模式的に示す斜視図である。
【図１２】図１２は、図１１に示す圧電発電素子における断面Ｆ１を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
本発明の実施形態が、図面を参照しながら、以下、説明される。以下の説明では、同一の部材に同一の符号が与えられる。これにより、重複する説明が省略され得る。
【００４５】
図１Ａは、実施形態による圧電体膜を示す。図１Ａに示される圧電体膜１ａは、積層構造１６ａを有する。この積層構造１６ａは、ＮａｘＭ１−ｘ層１３および（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５を具備する。ＮａｘＭ１−ｘ層１３は、第１電極層として機能する。積層構造１６ａは、さらに第２電極層１７を具備する。（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５は、第１電極層１３および第２電極層１７の間に挟まれる。第１電極層１３および第２電極層１７は、（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５に電圧を印加するために用いられる。
【００４６】
ＮａｘＭ１−ｘ層１３および（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５のいずれもが、（００１）配向のみ、（１１０）配向のみ、または（１１１）配向のみを有する。より詳細には、ＮａｘＭ１−ｘ層１３は、（００１）配向のみ、（１１０）配向のみ、または（１１１）配向のみを有する。同様に、（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５は、（００１）配向のみ、（１１０）配向のみ、または（１１１）配向のみを有する。さらに、ＮａｘＭ１−ｘ層１３は、（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５と同一の配向を有する。
【００４７】
言い換えれば、ＮａｘＭ１−ｘ層１３が（００１）配向のみを有する場合、（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５もまた、（００１）配向のみを有する。ＮａｘＭ１−ｘ層１３が（００１）配向のみを有する場合、（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５は、（１１０）配向または（１１１）配向のような、他の配向を有さない。後述される実施例Ａを参照せよ。
【００４８】
同様に、ＮａｘＭ１−ｘ層１３が（１１０）配向のみを有する場合、（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５もまた、（１１０）配向のみを有する。ＮａｘＭ１−ｘ層１３が（１１０）配向のみを有する場合、（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５は、（００１）配向または（１１１）配向のような、他の配向を有さない。後述される実施例Ｂを参照せよ。
【００４９】
ＮａｘＭ１−ｘ層１３が（１１１）配向のみを有する場合、（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５もまた、（１１１）配向のみを有する。ＮａｘＭ１−ｘ層１３が（１１１）配向のみを有する場合、（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５は、（００１）配向または（１１０）配向のような、他の配向を有さない。後述される実施例Ｃを参照せよ。
【００５０】
ＮａｘＭ１−ｘ層１３に含有される金属「Ｍ」は、Ｐｔ、Ｉｒ、またはＰｔＩｒを表す。
【００５１】
文字ｘは０．００２以上０．０２以下の値を表す。ｘの値が０．００２未満である場合には、結晶配向性および圧電定数が低い。後述される比較例Ａ１、比較例Ａ３、比較例Ｂ１、および比較例Ｃ１を参照せよ。
【００５２】
ｘの値が０．０２を超えると、結晶配向性および圧電定数が低い。後述される比較例Ａ２、比較例Ａ４、比較例Ｂ２、および比較例Ｃ２を参照せよ。
【００５３】
積層されたこれらの層１３および１５は互いに接することが望ましい。（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５は、圧電体層として機能する。（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５は、鉛を含有しないにも拘わらず、高い結晶配向性および高い圧電定数を有する。（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５は、ＰＺＴ層と同じ圧電性能を有する。
【００５４】
ＮａｘＭ１−ｘ層１３は、典型的にはスパッタリング法により形成され得る。ＮａｘＭ１−ｘ層１３は、パルスレーザー堆積法（ＰＬＤ法）、化学気相成長法（ＣＶＤ法）、ゾルゲル法、またはエアロゾル堆積法（ＡＤ法）のような薄膜形成法によっても形成され得る。
【００５５】
ＮａｘＭ１−ｘ層１３の厚みは限定されない。一例として、ＮａｘＭ１−ｘ層１３の厚みは、約２ナノメートル以上である。
【００５６】
（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５の厚みも限定されない。（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５の厚みは、例えば、０．５マイクロメートル以上１０マイクロメートル以下である。
【００５７】
（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５は、化学式ＡＢＯ３により表されるペロブスカイトの結晶構造を有する。サイトＡはＢｉ、ＮａおよびＢａである。サイトＢはＴｉである。（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５は、微量の不純物を含み得る。当該不純物は、典型的には、サイトＡにおけるＮａを置換するＬｉおよびＫならびにＢａを置換するＳｒおよびＣａであり得る。当該不純物は、典型的には、サイトＢにおけるＴｉを置換するＺｒであり得る。その他の不純物は、例えば、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｂ、およびＴａであり得る。いくつかの不純物は、（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５の結晶性および圧電性能を向上し得る。
【００５８】
（Ｎａ，Ｂｉ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５は、他のペロブスカイト型の結晶を含み得る。この結晶の例は、ＢｉＦｅＯ３、ＢｉＣｏＯ３、Ｂｉ（Ｚｎ，Ｔｉ）Ｏ３、Ｂｉ（Ｍｇ，Ｔｉ）Ｏ３、ＬｉＮｂＯ３、ＮａＮｂＯ３、またはＫＮｂＯ３である。この結晶は、圧電性能を向上させ得る。二種類以上の他のペロブスカイト型の結晶が用いられ得る。
【００５９】
（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５は、典型的にはスパッタリング法により形成され得る。（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５は、例えば、ＰＬＤ法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法、ＡＤ法のような他の薄膜形成手法によっても形成され得る。
【００６０】
第２電極層１７の材料の例は、低い電気抵抗を有する金属である。第２電極層１７の材料の他の例は、ＮｉＯ、ＲｕＯ２、ＩｒＯ３、ＳｒＲｕＯ３、またはＬａＮｉＯ３のような酸化物導電体である。第２電極層１７は、２種以上のこれらの材料により構成され得る。
【００６１】
第２電極層１７および（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５の間に金属層が配置され、両者の密着性を向上させ得る。金属層の材料の例は、チタン、タンタル、鉄、コバルト、ニッケル、またはクロムである。２種類以上の金属が用いられ得る。
【００６２】
図１Ｂは、図１Ａに示される圧電体膜の変形例を示す。図１Ｂに示されるように、積層構造１６ｂは基板１１をさらに備える。ＮａｘＭ１−ｘ層１３は基板１１の上に形成される。
【００６３】
基板１１の例が、以下、記述される：
シリコン基板；
ＭｇＯ基板のようなＮａＣｌ型構造を有する酸化物基板；
ＳｒＴｉＯ３基板、ＬａＡｌＯ３基板、またはＮｄＧａＯ３基板のようなペロブスカイト型構造を有する酸化物基板；
Ａｌ２Ｏ３基板のようなコランダム型構造を有する酸化物基板；
ＭｇＡｌ２Ｏ４基板のようなスピネル型構造を有する酸化物基板；
ＴｉＯ２基板のようなルチル型構造を有する酸化物基板；または、
（Ｌａ，Ｓｒ）（Ａｌ，Ｔａ）Ｏ３またはイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）のような立方晶系の結晶構造を有する酸化物基板。
【００６４】
望ましくは、シリコン単結晶基板またはＭｇＯ単結晶基板が用いられ得る。
【００６５】
基板１１の表面には、エピタキシャル成長法により界面層が形成され得る。界面層の材料の例は、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）である。
【００６６】
界面層の材料の他の例が、以下、記述される：
ＣｅＯ２のようなホタル石型構造を有する材料；
ＭｇＯ、ＢａＯ、ＳｒＯ、ＴｉＮ、またはＺｒＮのようなＮａＣｌ型構造を有する材料；
ＳｒＴｉＯ３、ＬａＡｌＯ３、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ３、または（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ３のようなペロブスカイト型構造を有する材料；または
γ−Ａｌ２Ｏ３またはＭｇＡｌ２Ｏ４のようなスピネル型構造を有する材料；
２種類以上のこれらの材料が用いられる。一例として、基板１１は、ＣｅＯ２／ＹＳＺ／Ｓｉの積層体であり得る。
【００６７】
基板１１およびＮａｘＭ１−ｘ層１３の間に、金属層が配置され、これらの間の密着性を向上させ得る。金属層の材料の例は、Ｔｉ、Ｔａ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、またはＣｒである。Ｔｉが望ましい。
【００６８】
（実施例）
以下の実施例は、本発明をより詳細に説明する。
【００６９】
実施例は、実施例Ａ、実施例Ｂ、および実施例Ｃから構成される。実施例Ａ、実施例Ｂ、および実施例Ｃは、それぞれ、（００１）配向、（１１０）配向、および（１１１）配向に対応する。
【００７０】
実施例Ａは、実施例Ａ１〜実施例Ａ９および比較例Ａ１〜比較例Ａ４から構成される。
【００７１】
実施例Ｂは、実施例Ｂ１〜実施例Ｂ６および比較例Ｂ１〜比較例Ｂ２から構成される。
【００７２】
実施例Ｃは、実施例Ｃ１〜実施例Ｃ６および比較例Ｃ１〜比較例Ｃ２から構成される。
【００７３】
（実施例Ａ１）
図１Ｂに示される圧電体膜が、以下のように作製された。
【００７４】
まず、ＭｇＯ（００１）単結晶基板１１上に、スパッタリング法により（００１）配向のみを有するＮａｘＭ１−ｘ（ｘ＝０．０１、Ｍ＝Ｐｔ）層１３が形成された。ＮａｘＭ１−ｘ（ｘ＝０．０１、Ｍ＝Ｐｔ）層１３は、２５０ナノメートルの厚みを有していた。スパッタリング法の条件は以下の通りであった。
【００７５】
ターゲット：上記と同じ組成
ガス雰囲気：アルゴン
ＲＦパワー：１５Ｗ
基板温度：摂氏３００度
形成されたＮａｘＭ１−ｘ（ｘ＝０．０１、Ｍ＝Ｐｔ）層１３はＸ線回折分析（ＸＲＤ）に供された。その結果、ＮａｘＰｔ１−ｘ層１３は、（００１）配向のみを有することが観察された。
【００７６】
ＮａｘＭ１−ｘ（ｘ＝０．０１、Ｍ＝Ｐｔ）層１３の組成が、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＳＥＭ−ＥＤＸ）により分析された。ＮａｘＰｔ１−ｘ層１３に含有されるＮａおよびＰｔの組成は、ターゲットの組成と同一であることが確認された。
【００７７】
ＮａｘＭ１−ｘ（ｘ＝０．０１、Ｍ＝Ｐｔ）層１３上に、スパッタリング法により、（００１）配向のみを有する（Ｎａ，Ｂｉ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５を形成した。スパッタリング法の条件は以下の通りであった。
【００７８】
ターゲット：上記と同じ組成
ガス流量比：アルゴン／酸素
ＲＦパワー：１７０Ｗ
基板温度：摂氏６５０度
形成された（Ｎａ，Ｂｉ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５は、結晶相境界の近傍組成を有していた。形成された（Ｎａ，Ｂｉ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５は、２．７マイクロメートルの厚みを有していた。
【００７９】
形成された（Ｎａ，Ｂｉ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５の組成が、エネルギー分散型線分光法（ＳＥＭ−ＥＤＸ）により分析された。形成された（Ｎａ，Ｂｉ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５に含有されるＮａ、Ｂｉ、Ｂａ、およびＴｉの組成は、ターゲットの組成と同一であることが確認された。
【００８０】
最後に、１００ナノメートルの厚みを有する金層を、蒸着法によって、（Ｎａ，Ｂｉ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５上に形成した。金層は、第２電極層１７として機能する。このようにして、実施例Ａ１による圧電体膜を得た。
【００８１】
（Ｘ線回折分析）
形成した（Ｎａ，Ｂｉ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５はＸ線回折分析に供され、その結晶構造を分析した。Ｘ線回折分析は、（Ｎａ，Ｂｉ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５にＸ線が照射されることによって行われた。
【００８２】
図２は、Ｘ線回折の結果、すなわち、Ｘ線回折のプロファイルを示す。他の実施例および比較例においても、同一のＸ線回折法が用いられた。図２は、実施例Ａ１のＸ線回折の結果だけでなく、実施例Ａ２〜実施例Ａ４および比較例Ａ１〜Ａ２のＸ線解析の結果も示す。図３は、実施例Ａ５〜実施例Ａ９および比較例Ａ３〜Ａ４のＸ線解析の結果も示す。
【００８３】
図２に示されるように、ＭｇＯ（００１）単結晶基板１１およびＮａｘＭ１−ｘ（ｘ＝０．０１、Ｍ＝Ｐｔ）層１３に由来する反射ピークを除き、（００１）配向を有する（Ｎａ，Ｂｉ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５に由来する反射ピークのみが観察された。この（００１）反射ピークの強度は、１３９，２４７ｃｐｓという非常に高い値であった。図２に示されるプロファイルは、実施例１による（Ｎａ，Ｂｉ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５が極めて高い（００１）結晶配向性を有することを意味する。
【００８４】
（圧電定数ｄ３１の測定）
圧電体膜の圧電性能は、以下のように評価した。圧電体膜を幅２ｍｍに切り出して、カンチレバー状に加工した。次に、第１電極１３および第２電極１７の間に電位差を印加してカンチレバーを変位させて得られた変位量がレーザー変位計により測定された。次に、測定された変位量を圧電定数ｄ３１に変換した。
【００８５】
実施例Ａ１において作製された圧電体膜の圧電定数ｄ３１は−１２８ｐＣ／Ｎであった。実施例Ａ１の圧電体膜は、後述する比較例１〜２の圧電体膜よりも優れた圧電特性を有した。
【００８６】
（実施例Ａ２）
ｘ＝０．００２である他は、実施例Ａ１と同様に実験を行った。
【００８７】
（実施例Ａ３）
ｘ＝０．０２である他は、実施例Ａ１と同様に実験を行った。
【００８８】
（実施例Ａ４）
（Ｎａ，Ｂｉ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５に添加物として０．２ｍｏｌ％の濃度でマンガンが加えられた他は、実施例Ａ１と同様に実験を行った。
【００８９】
（実施例Ａ５）
ＮａｘＭ１−ｘ層１３の金属Ｍとして、Ｐｔに代えてＩｒが用いられたこと以外は、実施例Ａ１と同様の実験が行われた。
【００９０】
（実施例Ａ６）
ＮａｘＭ１−ｘ層１３のＭとして、Ｐｔに代えてＩｒが用いられたこと、およびｘ＝０．００２としたこと以外は、実施例Ａ１と同様の実験が行われた。
【００９１】
（実施例Ａ７）
ＮａｘＭ１−ｘ層１３のＭとして、Ｐｔに代えてＩｒが用いられたこと、およびｘ＝０．０２としたこと以外は、実施例Ａ１と同様の実験が行われた。
【００９２】
（実施例Ａ８）
ＮａｘＭ１−ｘ層１３のＭとして、Ｐｔに代えてＩｒが用いられたこと、および（Ｎａ，Ｂｉ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５に添加物として０．２ｍｏｌ％の濃度でマンガンが加えられたこと以外は、実施例Ａ１と同様の実験が行われた。
【００９３】
（実施例Ａ９）
ＮａｘＭ１−ｘ層１３の金属Ｍとして、Ｐｔに代えてＰｔ０．５Ｉｒ０．５が用いられたこと以外は、実施例Ａ１と同様の実験が行われた。
【００９４】
（比較例Ａ１）
ｘ＝０である他は、実施例Ａ１と同様に実験を行った。
【００９５】
（比較例Ａ２）
ｘ＝０．０５である他は、実施例Ａ１と同様に実験を行った。
【００９６】
（比較例Ａ３）
ＮａｘＭ１−ｘ層１３のＭとして、Ｐｔに代えてＩｒが用いられたこと、およびｘ＝０であったこと以外は、実施例Ａ１と同様の実験が行われた。
【００９７】
（比較例Ａ４）
ＮａｘＭ１−ｘ層１３のＭとして、Ｐｔに代えてＩｒが用いられたこと、およびｘ＝０．０５であったこと以外は、実施例Ａ１と同様の実験が行われた。
【００９８】
表１は、実施例Ａ１〜実施例Ａ９および比較例Ａ１〜比較例Ａ４の結果を示す。
【００９９】
【表１】
2013132791.tif 000003
【０１００】
表１から明らかなように、ｘの値が０．００２以上０．０２以下の範囲に収まる場合に、（Ｎａ，Ｂｉ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５は、高い（００１）結晶配向性および高い圧電定数を有する。
【０１０１】
実施例Ａ２、実施例Ａ６、比較例Ａ１、および比較例Ａ３から明らかなように、ｘの値は０．００２以上であることが必要とされる。
【０１０２】
実施例Ａ３、実施例Ａ７、比較例Ａ２、および比較例Ａ４から明らかなように、ｘの値は０．０２以下であることが必要とされる。
【０１０３】
（実施例Ｂ１）
図１Ｂに示される圧電体膜が、以下のように作製された。
【０１０４】
まず、ＭｇＯ（１１０）単結晶基板１１上に、スパッタリング法により（１１０）配向のみを有するＮａｘＭ１−ｘ（ｘ＝０．０１、Ｍ＝Ｐｔ）層１３が形成された。ＮａｘＭ１−ｘ（ｘ＝０．０１、Ｍ＝Ｐｔ）層１３は、２５０ナノメートルの厚みを有していた。スパッタリング法の条件は以下の通りであった。
【０１０５】
ターゲット：上記と同じ組成
ガス雰囲気：アルゴン
ＲＦパワー：１５Ｗ
基板温度：摂氏３００度
形成されたＮａｘＭ１−ｘ層１３はＸ線回折分析（ＸＲＤ）に供された。その結果、ＮａｘＭ１−ｘ層１３は、（１１０）配向のみを有することが観察された。
【０１０６】
ＮａｘＭ１−ｘ層１３の組成が、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＳＥＭ−ＥＤＸ）により分析された。ＮａｘＭ１−ｘ層１３に含有されるＮａおよびＭの組成は、ターゲットの組成と同一であることが確認された。
【０１０７】
ＮａｘＭ１−ｘ層１３上に、スパッタリング法により、（１１０）配向のみを有する（Ｎａ，Ｂｉ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５を形成した。スパッタリング法の条件は以下の通りであった。
【０１０８】
ターゲット：上記と同じ組成
ガス流量比：アルゴン／酸素
ＲＦパワー：１７０Ｗ
基板温度：摂氏６５０度
形成された（Ｎａ，Ｂｉ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５は、結晶相境界の近傍組成を有していた。形成された（Ｎａ，Ｂｉ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５は、２．７マイクロメートルの厚みを有していた。
【０１０９】
形成された（Ｎａ，Ｂｉ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５の組成が、エネルギー分散型線分光法（ＳＥＭ−ＥＤＸ）により分析された。形成された（Ｎａ，Ｂｉ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５に含有されるＮａ、Ｂｉ、Ｂａ、およびＴｉの組成は、ターゲットの組成と同一であることが確認された。
【０１１０】
最後に、１００ナノメートルの厚みを有する金層を、蒸着法によって、（Ｎａ，Ｂｉ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５上に形成した。金層は、第２電極層１７として機能する。このようにして、実施例Ｂ１による圧電体膜を得た。
【０１１１】
（Ｘ線回折分析）
形成した（Ｎａ，Ｂｉ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５はＸ線回折分析に供され、その結晶構造を分析した。Ｘ線回折分析は、（Ｎａ，Ｂｉ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５にＸ線が照射されることによって行われた。
【０１１２】
図４は、Ｘ線回折の結果、すなわち、Ｘ線回折のプロファイルを示す。他の実施例および他の比較例においても、同一のＸ線回折法が用いられた。図４は、実施例Ｂ１のＸ線回折の結果だけでなく、実施例Ｂ２〜実施例Ｂ６および比較例Ｂ１〜比較例Ｂ２のＸ線解析の結果も示す。
【０１１３】
図４に示されるように、ＭｇＯ（１１０）単結晶基板１１およびＮａｘＭ１−ｘ層１３に由来する反射ピークを除き、（１１０）配向を有する（Ｎａ，Ｂｉ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５に由来する反射ピークのみが観察された。この（１１０）反射ピークの強度は、１，１１０，８１１ｃｐｓという非常に高い値であった。図２に示されるプロファイルは、実施例１による（Ｎａ，Ｂｉ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５が極めて高い（１１０）結晶配向性を有することを意味する。
【０１１４】
（圧電定数ｄ３１の測定）
圧電体膜の圧電性能は、以下のように評価した。圧電体膜を幅２ｍｍに切り出して、カンチレバー状に加工した。次に、第１電極１３および第２電極１７の間に電位差を印加してカンチレバーを変位させて得られた変位量がレーザー変位計により測定された。次に、測定された変位量を圧電定数ｄ３１に変換した。
【０１１５】
実施例Ｂ１において作製された圧電体膜の圧電定数ｄ３１は−１７１ｐＣ／Ｎであった。実施例１の圧電体膜は、後述する比較例Ｂ１〜比較例Ｂ２の圧電体膜よりも優れた圧電特性を有した。
【０１１６】
（実施例Ｂ２）
ｘ＝０．００２である他は、実施例Ｂ１と同様に実験を行った。
【０１１７】
（実施例Ｂ３）
ｘ＝０．０２である他は、実施例Ｂ１と同様に実験を行った。
【０１１８】
（実施例Ｂ４）
（Ｎａ，Ｂｉ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５に添加物として０．２ｍｏｌ％の濃度でマンガンが加えられた他は、実施例Ｂ１と同様に実験を行った。
【０１１９】
（実施例Ｂ５）
ＮａｘＭ１−ｘ層１３の金属ＭがＩｒであること以外は、実施例Ｂ１と同様に実験を行った。
【０１２０】
（実施例Ｂ６）
ＮａｘＭ１−ｘ層１３の金属ＭがＩｒ０．５Ｐｔ０．５であること以外は、実施例Ｂ１と同様に実験を行った。
【０１２１】
（比較例１）
ｘ＝０である他は、実施例１と同様に実験を行った。
【０１２２】
（比較例２）
ｘ＝０．０５である他は、実施例１と同様に実験を行った。
【０１２３】
表２は、実施例Ｂ１〜実施例Ｂ６および比較例Ｂ１〜比較例Ｂ２の結果を示す。
【０１２４】
【表２】
2013132791.tif 000004
【０１２５】
実施例Ａと同様、表２から明らかなように、ｘの値が０．００２以上０．０２以下の範囲に収まる場合に、（Ｎａ，Ｂｉ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５は、高い（１１０）結晶配向性および高い圧電定数を有する。
【０１２６】
（実施例Ｃ）
ＭｇＯ（１１０）単結晶基板１１に代えて、ＭｇＯ（１１１）単結晶基板１１が用いられたこと以外は、実施例Ｂと同様の実験が行なわれた。実施例Ｃでは、ＭｇＯ（１１１）単結晶基板１１上に、（１１１）配向のみを有するＮａｘＭ１−ｘ層１３が形成された。このＮａｘＭ１−ｘ層１３上に、（１１１）配向のみを有する（Ｎａ，Ｂｉ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５が形成された。
【０１２７】
表３は、実施例Ｃ１〜実施例Ｃ６および比較例Ｃ１〜比較例Ｃ２から構成される実施例Ｃの結果を示す。図５は、実施例Ｃ１〜実施例Ｂ６および比較例Ｃ１〜比較例Ｃ２のＸ線解析の結果も示す。
【０１２８】
【表３】
2013132791.tif 000005
【０１２９】
実施例Ａと同様、表３から明らかなように、ｘの値が０．００２以上０．０２以下の範囲に収まる場合に、（Ｎａ，Ｂｉ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５は、高い（１１１）結晶配向性および高い圧電定数を有する。
【０１３０】
以下、上述の圧電体膜を具備する本発明のインクジェットヘッド、角速度センサ、および圧電発電素子を説明する。詳細は、特許文献３を参照されたい。特許文献４および特許文献５は、それぞれ、特許文献３に対応する米国特許公報および中国公開公報である。
【０１３１】
［インクジェットヘッド］
以下、本発明のインクジェットヘッドを、図６〜図８を参照しながら説明する。
【０１３２】
図６は、本発明のインクジェットヘッドの一形態を示す。図７は、図６に示されるインクジェットヘッド１００における、圧力室部材およびアクチュエータ部を含む要部を示す分解図である。
【０１３３】
図６および図７における符号Ａは、圧力室部材を指し示す。圧力室部材Ａは、その厚み方向（図の上下方向）に貫通する貫通孔１０１を具備する。図７に示される貫通孔１０１は、圧力室部材Ａの厚み方向に切断された当該貫通孔１０１の一部である。符号Ｂは、圧電体膜および振動層を具備するアクチュエータ部を指し示す。符号Ｃは、共通液室１０５およびインク流路１０７を具備するインク流路部材Ｃを指し示す。圧力室部材Ａ、アクチュエータ部Ｂ、およびインク流路部材Ｃは、圧力室部材Ａがアクチュエータ部Ｂおよびインク流路部材Ｃに挟まれるように、互いに接合している。圧力室部材Ａ、アクチュエータ部Ｂおよびインク流路部材Ｃが互いに接合した状態で、貫通孔１０１は、共通液室１０５から供給されたインクを収容する圧力室１０２を形成する。
【０１３４】
アクチュエータ部Ｂが具備する圧電体膜および振動層は、平面視において圧力室１０２と重複する。図６および図７における符号１０３は、圧電体膜の一部である個別電極層を指し示す。図６に示されるように、インクジェットヘッド１００は、平面視においてジグザグ状に配置された２以上の個別電極層１０３を、即ち、圧電体膜を、具備する。
【０１３５】
インク流路部材Ｃは、平面視においてストライプ状に配置された２以上の共通液室１０５を具備する。図６および図７において、各共通液室１０５は、平面視において２以上の圧力室１０２と重複する。共通液室１０５は、インクジェットヘッド１００におけるインク供給方向（図６における矢印方向）に伸びている。インク流路部材Ｃは、共通液室１０５内のインクを圧力室１０２に供給する供給口１０６と、圧力室１０２内のインクをノズル孔１０８から吐出するインク流路１０７とを具備する。通常、１つの供給孔１０６および１つのノズル孔１０８が、１つの圧力室１０２に対応付けられている。ノズル孔１０８は、ノズル板Ｄに形成されている。ノズル板Ｄは、圧力室部材Ａとともにインク流路部材Ｃを挟むように、インク流路部材Ｃに接合している。
【０１３６】
図６における符号ＥはＩＣチップを指し示す。ＩＣチップＥは、アクチュエータ部Ｂの表面に露出する個別電極層１０３に、ボンディングワイヤＢＷを介して電気的に接続されている。図６を明瞭にするために、一部のボンディングワイヤＢＷのみが図６に示される。
【０１３７】
図７は、圧力室部材Ａおよびアクチュエータ部Ｂを含む要部の構成を示す。図８は、圧力室部材Ａおよびアクチュエータ部Ｂにおける、インク供給方向（図６における矢印方向）に直交する断面を示す。アクチュエータ部Ｂは、第１電極（個別電極層１０３）および第２電極（共通電極層１１２）に挟まれた圧電体層１５を有する圧電体膜１０４（１０４a−１０４ｄ）を具備する。１つの個別電極層１０３は、１つの圧電体膜１０４ａ〜１０４ｄに対応付けられている。共通電極層１１２は、圧電体膜１０４ａ〜１０４ｄに共通する電極である。
【０１３８】
図８における破線で囲まれているように、上述した圧電体膜１０４がインクジェットヘッド内部に配置される。当該圧電体膜は、［圧電体膜］と題された項目で説明された圧電体膜である。
【０１３９】
［インクジェットヘッドを用いた画像形成方法］
本発明の画像を形成する方法は、上述した本発明のインクジェットヘッドにおいて、第１および第２電極（すなわち、個別電極層および共通電極層）を介して圧電体層に電圧を印加し、圧電効果により振動層を当該層の膜厚方向に変位させて圧力室の容積を変化させる工程、ならびに当該変位により圧力室からインクを吐出させる工程を含有する。
【０１４０】
紙のような画像形成対象物とインクジェットヘッドとの間の相対位置を変化させながら、圧電体層に印加する電圧を変化させてインクジェットヘッドからのインクの吐出タイミングおよび吐出量を制御することによって、対象物の表面に画像が形成される。本明細書において用いられる用語「画像」は、文字を含む。換言すれば、本発明の画像を形成する方法により、紙のような印刷対象物に、文字、絵、図形などが印刷される。当該方法では、高い表現力を有する印刷をなし得る。
【０１４１】
［角速度センサ］
図９は、本発明の角速度センサの一例を示す。図１０は、図９に示される角速度センサ２１ａの断面Ｅ１を示す。図９に示される角速度センサ２１ａは、いわゆる音叉型角速度センサである。これは車両用ナビゲーション装置およびデジタルスチルカメラの手ぶれ補正センサに使用され得る。
【０１４２】
図９に示される角速度センサ２１ａは、振動部２００ｂを有する基板２００と、振動部２００ｂに接合された圧電体膜２０８とを備える。
【０１４３】
基板２００は、固定部２００ａと、固定部２００ａから所定の方向に伸びた一対のアーム（振動部２００ｂ）とを具備する。振動部２００ｂが延びる方向は、角速度センサ２１が測定する角速度の回転中心軸Ｌが延びる方向と同一である。具体的には、当該方向は、図９ではＹ方向である。基板２００の厚み方向（図９におけるＺ方向）から見て、基板２００は２本のアーム（振動部２００ｂ）を有する音叉の形状を有している。
【０１４４】
基板２００を構成する材料は限定されない。当該材料は、例えば、Ｓｉ、ガラス、セラミクス、金属である。基板２００は、Ｓｉ単結晶基板であり得る。基板２００の厚みは、角速度センサ２１ａとしての機能が発現できる限り、限定されない。より具体的には、基板２００の厚みは０．１ｍｍ以上０．８ｍｍ以下である。固定部２００ａの厚みは、振動部２００ｂの厚みと異なり得る。
【０１４５】
圧電体膜２０８は、振動部２００ｂに接合している。当該圧電体膜２０８は、［圧電体膜］と題された項目で説明された圧電体膜である。図９および図１０に示されるように、当該圧電体膜２０８は、第１電極１３（２０２）、圧電体層１５、および第２電極１７（２０５）を具備する。
【０１４６】
第２電極２０５は、駆動電極２０６およびセンス電極２０７を含む電極群を具備する。駆動電極２０６は、振動部２００ｂを発振させる駆動電圧を圧電体層１５に印加する。センス電極２０７は、振動部２００ｂに加わった角速度によって振動部２００ｂに生じた変形を測定する。振動部２００ｂの発振方向は、通常、その幅方向（図９におけるＸ方向）である。より具体的には、図９に示される角速度センサでは、一対の駆動電極２０６が、振動部２００ｂの幅方向に対する両端部に、振動部２００ｂの長さ方向（図９のＹ方向）に沿って設けられている。１本の駆動電極２０６が、振動部２００ｂの幅方向に対する一方の端部に設けられ得る。図９に示される角速度センサでは、センス電極２０７は、振動部２００ｂの長さ方向に沿って設けられており、かつ一対の駆動電極２０６の間に挟まれている。複数のセンス電極２０７が、振動部２００ｂ上に設けられ得る。センス電極２０７によって測定される振動部２００ｂの変形は、通常、その厚み方向（図９におけるＺ方向）の撓みである。
【０１４７】
本発明の角速度センサでは、第１電極および第２電極から選ばれる一方の電極が、駆動電極とセンス電極とを含む電極群により構成され得る。図９に示される角速度センサ２１ａでは、第２電極２０５が当該電極群により構成される。当該角速度センサとは異なり、第１電極２０２が当該電極群により構成され得る。
【０１４８】
接続端子２０２ａ、２０６ａおよび２０７ａが、第１電極２０２の端部、駆動電極２０６の端部およびセンス電極２０７の端部に、それぞれ形成されている。各接続端子の形状および位置は限定されない。図９では、接続端子は固定部２００ａ上に設けられている。
【０１４９】
図９に示される角速度センサでは、圧電体膜２０８は、振動部２００ｂおよび固定部２００ａの双方に接合している。しかし、圧電体膜２０８が振動部２００ｂを発振させることができ、かつ振動部２００ｂに生じた変形が圧電体膜２０８によって測定され得る限り、圧電体膜２０８の接合の状態は限定されない。例えば、圧電体膜２０８は、振動部２００ｂのみに接合され得る。
【０１５０】
本発明の角速度センサは、一対の振動部２００ｂからなる振動部群を２以上有し得る。そのような角速度センサは、複数の回転中心軸に対する角速度を測定し得、２軸あるいは３軸の角速度センサとして機能し得る。図９に示される角速度センサは、一対の振動部２００ｂからなる１つの振動部群を有する。
【０１５１】
［角速度センサによる角速度の測定方法］
本発明の角速度を測定する方法は、本発明の角速度センサを用いて、駆動電圧を圧電体層に印加して、基板の振動部を発振させる工程、および発振中の振動部に加わった角速度によって振動部に生じた変形を測定することによって当該角速度の値を得る工程、を有する。第１電極および第２電極のうち、駆動電極およびセンス電極として機能しない電極（他方の電極）と、駆動電極との間に駆動電圧が印加され、圧電体層に駆動電圧が印加される。他方の電極およびセンス電極が、角速度によって、発振中の振動部に生じた変形を測定する。
【０１５２】
以下、図９に示される角速度センサ２１ａを用いた角速度の測定方法を説明する。振動部２００ｂの固有振動と共振する周波数の駆動電圧が、第１電極２０２および駆動電極２０６を介して圧電体層１５に印加され、振動部２００ｂを発振させる。駆動電圧は、例えば、第１電極２０２を接地し、かつ駆動電極２０６の電位を変化させることで印加され得る（換言すれば、駆動電圧は、第１電極２０２と駆動電極２０６との間の電位差である）。角速度センサ２１ａ、音叉の形状に配列された一対の振動部２００ｂを有する。通常、一対の振動部２００ｂのそれぞれが有する各駆動電極２０６に、正負が互いに逆である電圧をそれぞれ印加する。これにより、各振動部２００ｂを、互いに逆方向に振動するモード（図９に示される回転中心軸Ｌに対して対称的に振動するモード）で発振させることができる。図９に示される角速度センサ２１ａでは、振動部２００ｂはその幅方向（Ｘ方向）に発振する。一対の振動部２００ｂの一方のみを発振させることによっても角速度の測定は可能である。しかし、高精度の測定のためには、両方の振動部２００ｂを互いに逆方向に振動するモードで発振させることが好ましい。
【０１５３】
振動部２００ｂが発振している角速度センサ２１ａに対して、その回転中心軸Ｌに対する角速度ωが加わるとき、各振動部２００ｂは、コリオリ力によって厚み方向（Ｚ方向）に撓む。一対の振動部２００ｂが互いに逆方向に振動するモードで発振している場合、各振動部２００ｂは、互いに逆向きに、同じ変化量だけ撓むことになる。この撓みに応じて、振動部２００ｂに接合した圧電体層１５も撓み、第１電極２０２とセンス電極２０７との間に、圧電体層１５の撓みに応じた、即ち、生じたコリオリ力に対応した電位差が生じる。この電位差の大きさを測定することで、角速度センサ２１ａに加わった角速度ωを測定することができる。
【０１５４】
コリオリ力Ｆｃと角速度ωとの間には以下の関係が成立する：
Ｆｃ＝２ｍｖω
ここで、ｖは、発振中の振動部２００ｂにおける発振方向の速度である。ｍは、振動部２００ｂの質量である。この式に示されているように、コリオリ力Ｆｃから角速度ωを算出し得る。
【０１５５】
［圧電発電素子］
図１１は、本発明の圧電発電素子の一例を示す。図１２は、図１１に示される圧電発電素子２２ａの断面Ｆ１を示す。圧電発電素子２２ａは、外部から与えられた機械的振動を電気エネルギーに変換する素子である。圧電発電素子２２ａは、車両および機械の動力振動および走行振動、ならびに歩行時に生じる振動、に包含される種々の振動から発電する自立的な電源装置に好適に適用される。
【０１５６】
図１１に示される圧電発電素子２２ａは、振動部３００ｂを有する基板３００と、振動部３００ｂに接合された圧電体膜３０８とを具備する。
【０１５７】
基板３００は、固定部３００ａと、固定部３００ａから所定の方向に伸びた梁により構成される振動部３００ｂと、を有する。固定部３００ａを構成する材料は、振動部３００ｂを構成する材料と同一であり得る。しかし、これらの材料は互いに異なり得る。互いに異なる材料により構成された固定部３００ａが、振動部３００ｂに接合され得る。
【０１５８】
基板３００を構成する材料は限定されない。当該材料は、例えば、Ｓｉ、ガラス、セラミクス、金属である。基板３００は、Ｓｉ単結晶基板であり得る。基板３００は、例えば、０．１ｍｍ以上０．８ｍｍ以下の厚みを有する。固定部３００ａは振動部３００ｂの厚みと異なる厚みを有し得る。振動部３００ｂの厚みは、振動部３００ｂの共振周波数を変化させて効率的な発電が行えるように調整され得る。
【０１５９】
錘荷重３０６が振動部３００ｂに接合している。錘荷重３０６は、振動部３００ｂの共振周波数を調整する。錘荷重３０６は、例えば、Ｎｉの蒸着薄膜である。錘荷重３０６の材料、形状および質量ならびに錘荷重３０６が接合される位置は、求められる振動部３００ｂの共振周波数に応じて調整され得る。錘荷重３０６は省略され得る。振動部３００ｂの共振周波数が調整されない場合には、錘荷重３０６は不要である。
【０１６０】
圧電体膜３０８は、振動部３００ｂに接合している。当該圧電体膜３０８は、［圧電体膜］と題された項目で説明された圧電体膜である。図１１および図１２に示されるように、当該圧電体膜３０８は、第１電極１３（３０２）、圧電体層１５、および第２電極１７（３０５）を具備する。
【０１６１】
図１１に示される圧電発電素子では、第１電極３０２の一部分が露出している。当該一部分は接続端子３０２ａとして機能し得る。
【０１６２】
図１１に示される圧電発電素子では、圧電体膜３０８は、振動部３００ｂおよび固定部３００ａの双方に接合し得る。圧電体膜３０８は、振動部３００ｂのみに接合し得る。
【０１６３】
本発明の圧電発電素子では、複数の振動部３００ｂを有することで、発生する電力量を増大し得る。各振動部３００ｂが有する共振周波数を変化させることにより、広い周波数成分からなる機械的振動への対応が可能となる。
【０１６４】
［圧電発電素子を用いた発電方法］
上述した本発明の圧電発電素子に振動を与えることにより、第１電極および第２電極を介して電力が得られる。
【０１６５】
外部から圧電発電素子２２ａに機械的振動が与えられると、振動部３００ｂが、固定部３００ａに対して上下に撓む振動を始める。当該振動が、圧電効果による起電力を圧電体層である１５に生じる。このようにして、圧電体層１５を挟持する第１電極３０２と第２電極３０５との間に電位差が発生する。圧電体層１５が有する圧電性能が高いほど、第１および第２電極間に発生する電位差は大きくなる。特に、振動部３００ｂの共振周波数が、外部から素子に与えられる機械的振動の周波数に近い場合、振動部３００ｂの振幅が大きくなることで発電特性が向上する。そのため、錘荷重３０６によって、振動部３００ｂの共振周波数が外部から素子に与えられる機械的振動の周波数に近くなるように調整されることが好ましい。
【０１６６】
なお、ＮａｘＭ１−ｘ層１３と、基板１１との間に、更に金属電極層を形成し、（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５に電圧を印加する電極層として機能させても良い。
【産業上の利用可能性】
【０１６７】
本発明によるＮＢＴ−ＢＴ圧電体膜は、インクジェットヘッド、角速度センサ、および圧電発電素子に用いられる。
【符号の説明】
【０１６８】
１１    基板
１３    ＮａｘＭ１−ｘ層（第１電極）
１５    （Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３−ＢａＴｉＯ３層１５
１７    導電層（第２電極）
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2013132791.tif 000016
【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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2013132791.tif 000021
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