專利名稱：壓電體膜、噴墨頭、使用噴墨頭形成圖像的方法、角速度傳感器、使用角速度傳感器測定角 ...的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有壓電體層的壓電體膜。并且，本發(fā)明涉及具有該壓電體膜的噴墨頭和使用該頭形成圖像的方法、具有該壓電體膜的角速度傳感器和使用該傳感器測定角速度的方法以及具有該壓電體膜的壓電發(fā)電元件和使用該元件的發(fā)電方法。
背景技術(shù)：
鋯鈦酸鉛(PZT =Pb(ZrxTih)O3J <x< I)是能夠蓄積大的電荷的代表性的強介電材料。PZT被使用于電容器和薄膜存儲器。PZT具有基于強介電性的焦電性和壓電性。PZT具有高壓電性能。通過組成的調(diào)整或者元素的添加，能夠容易地控制PZT的機械品質(zhì)系數(shù) Qm。這能夠?qū)ZT應(yīng)用于傳感器、致動器、超聲波電機、濾波電路和起振器。但是，PZT含有大量的鉛。近年來，由于來自廢棄物的鉛的溶出，可能對生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境造成嚴重的損害。因此，在國際上也開始限制鉛的使用。所以要求與PZT不同的不含鉛的強介電材料(非鉛強介電材料)。現(xiàn)在正在開發(fā)的非鉛(Iead-free)強介電材料的一個例子是由鉍(Bi)、鈉(Na)、鋇(Ba)和鈦(Ti)構(gòu)成的鈣鈦礦型復(fù)合氧化物((Bia5Naa5) ^Bay) TiO3。專利文獻I和非專利文獻I公開有，鋇量y ( = [Ba/ (Bi+Na+Ba)])為5 10%的準同型相界(MorphotropicPhase Boundary、MPB)附近組成的情況下,該強介電材料具有大致125pC/N的壓電常數(shù)d33,具有高壓電性能。其中，該強介電體材料的壓電性能比PZT的壓電性能低。專利文獻2、非專利文獻2和非專利文獻3公開有在特定的方向上取向的(Bi, Na, Ba)TiO3 層的制作。從專利文獻3和專利文獻4看到的本發(fā)明的創(chuàng)造性在后文述說。先行技術(shù)文獻專利文獻專利文獻I :日本特公平4 一 60073號公報專利文獻2 :日本特開2007-266346號公報專利文獻3 :日本特開2001-261435號公報專利文獻4 :米國專利申請公開第2005/0109263號說明書(特別參照第15頁的Tablel 的 BNT — 087)專利文獻5 :國際公開第2010/047049號專利文獻6 :美國專利申請第7870787號說明書專利文獻7 :中國專利申請公開第101981718號說明書非專利文獻非專利文獻I :T. Takenaka et al. , Japanese Journal of Applied Physics,Vol. 30，No.9B, (1991)，pp.2236-2239
非專利文獻2 :H. W. Cheng et al·，Applied Physics Letters, Vol. 85, (2004),pp. 2319 一 2321非專利文獻3 :Z. H. Zhou et al. , Applied Physics Letters, Vol. 85, (2004),pp. 804 — 80
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供ー種含有非鉛強介電材料、具有低介電損失和與PZT相同的高壓電性能的非鉛壓電體膜及其制造方法。本發(fā)明的另一目的是提供具有該非鉛壓電體膜的噴墨頭、角速度傳感器和壓電發(fā)電元件。本發(fā)明的又一目的是提供使用該噴墨頭形成圖像的方法、使用該角速度傳感器測 定角速度的方法和使用該壓電發(fā)電元件的發(fā)電方法。本發(fā)明的壓電體膜具備具有(I 11)取向的(NaxBiy) TiO0.5x+1.5y+2 — BaTiO3層(O. 30 彡 X 彡 O. 46 且 O. 51 彡 y 彡 O. 62)。


圖IA是示意性地表示本發(fā)明的壓電體膜的ー個例子的截面圖。圖IB是示意性地表示本發(fā)明的壓電體膜的另ー個例子的截面圖。圖IC是示意性地表示本發(fā)明的壓電體膜的又ー個例子的截面圖。圖2是示意性地表示本發(fā)明的噴墨頭的ー個例子的圖，是部分表示該噴墨頭的截面的立體圖。圖3是表示圖2所示的噴墨頭中的、包括壓カ室部件和致動器部的主要部分的截面的分解立體圖。圖4是示意性地表示圖2所示的噴墨頭中的、包括壓カ室部件和致動器部的主要部分的ー個例子的截面圖。圖5是示意性地表示本發(fā)明的角速度傳感器的一個例子的立體圖。圖6是表示圖5所示的角速度傳感器中的截面El的截面圖。圖7是示意性地表示本發(fā)明的壓電發(fā)電元件的一個例子的立體圖。圖8是表示圖7所示的壓電發(fā)電元件中的截面Fl的截面圖。圖9是表示實施例I 8和比較例I 8的壓電體膜的X射線衍射線形。圖10是表示實施例I和比較例I的壓電體膜的P-E磁滯曲線的圖。圖IlA是表示專利文獻6所公開的圖2的圖。圖IlB是表示專利文獻6所公開的圖2的圖。
具體實施例方式以下，說明本發(fā)明的實施方式。以下的說明對于同樣的部件使用同樣的符號。因此，省略重復(fù)的說明。[壓電體膜]圖IA表示本發(fā)明的壓電體膜的ー個方式。圖IA所示的壓電體膜Ia具有層疊結(jié)構(gòu)16a。層疊結(jié)構(gòu)16a依次具備具有(111)取向的第一電極13和具有(111)取向的(NaxBiy)Ti00.5x+i.5y+2 - BaTiO3 (0. 30 彡 x 彡 0· 46 且 0· 51 彡 y 彡 0· 62)層 15。層疊的這些層 13、15相互接觸。該(NaxBiy)TiOa5x+1.5y+2 — BaTiO3 層 I5 為壓電體層。該(NaxBiy)TiOtl.5x+1.5y+2 —BaTiO3層15具有小的漏泄電流并具有高結(jié)晶性和高(111)取向性。因此，壓電體膜Ia盡管不含鉛，具有低介電損失和與PZT相同的高壓電性能。具有(111)取向的第一電極13的例為以下的(I)或(2)。(I)鉬(Pt)、鈀(Pd)、金(Au)之類的金屬層，或者(2)氧化鎳(NiO)、氧化釕(Ru02)、氧化銥(Ir02)、釕酸鍶(SrRuO3)和鎳酸鑭(LaNiO3)之類的氧化物導(dǎo)電體層。另外，2層以上的這些層也能夠使用。
第一電極13典型的是能夠通過濺射法形成。第一電極13也能夠通過脈沖激光沉積法(PLD)，化學(xué)氣相沉積法(CVD)、溶膠-凝膠法和氣溶膠沉積法(AD法)那樣的薄膜形成方法形成。根據(jù)制造壓電體膜的本發(fā)明的方法，利用濺射法形成有具有(111)取向的第一電極13。在第一電極13的上方，利用濺射法形成有(NaxBiy) TiOa 5x+1.5y+2 — BaTiO3層15。具有(111)取向的層15，由(NaxBiy)TiOtl.5x+1.5y+2 — BaTiO3 (O. 30 彡 x 彡 O. 46 且O. 51 彡 y 彡 O. 62)構(gòu)成。(NaxBiy) TiOa5x+1.5y+2 — BaTiO3 層 15 在表面具有(111)的面方位。表示鈦酸鈉鉍的氧量的“O. 5x+l. 5y+2”能夠含有誤差。例如，當χ=0· 41且y=0. 53時，O. 5X0. 41+1. 5X0. 53+2=3。但是，即使在鈉的量為O. 41且鉍的量為O. 53的情況下，鈦酸鈉鉍的氧量也不限于完全與3 —致。(NaxBiy) TiO0.5x+L5y+2 — BaTiO3層15的厚度不作限定。該厚度例如為O. 5 μ m以上、IOym 以下。即使(NaxBiy) TiOtl.5x+1.5y+2 — BaTiO3 層 1δ 薄，該(NaxBiy) TiOtl.5x+1.5y+2 — BaTiO3層15也具有低介電損失和高壓電性能。為了形成具有高結(jié)晶性、高取向性、低介電損失、以及與PZT相同的高壓電性能的壓電體層，基于壓電體層所有的晶格常數(shù)的類似性或者組成的類似性來預(yù)測適合的組成是困難的。其理由是因為，具有構(gòu)成(Bi，Na，Ba)TiO3之類的多元系復(fù)合氧化物的各元素(除氧之外)不同的蒸氣壓，所以通常難以形成具有良好的結(jié)晶性和良好的取向性的、由該復(fù)合氧化物構(gòu)成的薄膜。本發(fā)明者們發(fā)現(xiàn)，即使(NaxBiy)TiOtl.5x+1.5y+2 — BaTiO3M 15不使用緩沖層，也具有向(111)方位的高結(jié)晶性和高取向性。(NaxBiy) TiO0.5x+L5y+2 — BaTiO3層15具有由化學(xué)式ABO3表示的鈣鈦礦型的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。晶格點(site)A和晶格點B,與單獨或者多種元素的配置相應(yīng)地,分別具有2價和4價的平均價數(shù)。晶格點A是Bi、Na和Ba。晶格點B是Ti。(NaxBiy)TiOa5x+1.5y+2 — BaTiO3層15能夠包含微量的雜質(zhì)。該雜質(zhì)典型來講可以是置換晶格點A中的Na的Li和置換K，以及置換Ba的Sr和Ca。該雜質(zhì)典型來講可以是置換晶格點B中的Ti的Zr。其它的該雜質(zhì)例如可以是Mn、Fe、Nb和Ta。若干的雜質(zhì)能夠提高(NaxBiy) TiOa 5x+1.5y+2 — BaTiO3層15的結(jié)晶性和壓電性能。在第一電極13與(NaxBiy) TiOtl.5x+1.5y+2 — BaTiO3層15之間，根據(jù)需要，還能夠夾著
(111)取向?qū)印?111)取向?qū)永缡荓aNiO3層和SrRuO3層。(NaxBiy)TiO0.5x+L5y+2 — BaTiO3 層 15 典型的可以是利用濺射法形成。(NaxBiy)TiOQ.5x+1.5y+2 — 8&1103層15只要具有(111)取向，例如能夠通過PLD法、CVD法、溶膠-凝膠法、AD法那樣的其它的薄膜形成方法形成。圖IB是本發(fā)明的壓電體膜的另一方式。圖IB所示的壓電體膜Ic具有層疊結(jié)構(gòu)16c。在層疊結(jié)構(gòu)16c中，圖IA所示的層疊結(jié)構(gòu)16a還具有第二電極17。該第二電極17形成在(NaxBiy) TiOtl.5x+1.5y+2 — BaTiO3層15上。具體來講，層疊結(jié)構(gòu)16c以如下順序依次具備具有(111)取向的第一電極13、具有(111)取向的(NaxBiy) TiOa 5x+1.5y+2 — BaTiO3層15和第二電極17。層疊的這些層13、15和17相互接觸。在壓電體膜Ic中，在第一電極13與第二電極17之間夾著(NaxBiy)TiOa5x+1.5y+2 —BaTiO3層15。第一電極13與第二電極17能夠作為對作為壓電體層的(NaxBiy) TiOa 5x+1.5y+2 —BaTiO3層15施加電壓的電極層發(fā)揮功能。第二電極17由具有導(dǎo)電性的材料構(gòu)成。該材料的例子是具有低電阻的金屬。該材 料能夠為Ni0、Ru02、Ir03、SrRuO3和LaNiO3之類的氧化物導(dǎo)電體。第二電極17能夠由2種以上的這些材料構(gòu)成。在第二電極17與(NaxBiy)TiOa5x+1.5y+2 — BaTiO3層15之間，可以配置有使兩者的緊貼性提高的緊貼層。緊貼層的材料例如是鈦(Ti)。該材料能夠為鉭(Ta)、鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni )、鉻(Cr)、或者它們的化合物。緊貼層能夠由2種以上的這些材料構(gòu)成。緊貼層根據(jù)第二電極17與(NaxBiy) TiOa5x+1.5y+2 — BaTiO3層15的緊貼性，能夠省略。圖IB所示的壓電體膜lc，能夠通過在第一電極13上依次形成(NaxBiy)Ti00.5x+L5y+2 一 BaTiO3層15和第二電極17而制造。第二電極17例如能夠利用濺射法、PLD法、CVD法、溶膠-凝膠法和AD法之類的薄膜形成方法形成。制造壓電體膜的本發(fā)明的方法還可以包括在(NaxBiy) TiOa 5x+1.5y+2 — BaTiO3層15上形成第二電極17的エ序。通過這樣的方式，能夠制造圖IB所示的壓電體膜lc。本發(fā)明的壓電體膜，如圖IC所示，還可以具有基板11。第一電極13形成在該基板上。在圖IC所示的壓電體膜Ie中，圖IB所示的層疊結(jié)構(gòu)16c形成在基板11上?；?1能夠為氧化鎂(MgO)基板或者硅(Si)基板。優(yōu)選Si單晶基板。在基板11與層疊結(jié)構(gòu)16c之間(更加具體來講，在基板11與第一電極13之間)配置有使兩者的緊貼性提高的緊貼層。其中，緊貼層必需具有導(dǎo)電性。緊貼層的材料例如是Ti。該材料能夠為Ta、Fe、Co、Ni、Cr或者它們的化合物。緊貼層能夠由2種以上的這些材料構(gòu)成。緊貼層根據(jù)基板11與層疊結(jié)構(gòu)16c的緊貼性，能夠省略。圖IC所示的壓電體膜le，能夠在基板11上依次形成第一電極13、(NaxBiy)TiOa 5x+1.5y+2 — BaTi03 層 15 和第二電極 17 而制造。制造壓電體膜的本發(fā)明的方法可以包括在基板11上形成第一電極13的エ序。圖IA和圖IB所示的壓電體膜la、lc能夠使用基底基板制造。具體來講，該壓電體膜la、Ic能夠通過在基底基板上形成層疊結(jié)構(gòu)16a、16c之后,將該基底基板除去而制造。該基底基板能夠利用蝕刻之類的公知的方法除去。圖IC所示的壓電體膜Ie也能夠使用基底基板制造。在具體的ー個方式中，基底基板兼作為基板11。在基底基板上形成層疊結(jié)構(gòu)16c之后，除去該基底基板，進而在另外準備的基板11上配置層疊結(jié)構(gòu)16c，由此能夠制造該壓電體膜le?；谆迥軌驗榫哂蠱gO之類的NaCl型結(jié)構(gòu)的氧化物基板；具有SrTiO3, LaAlO3和NdGaO3之類的鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的氧化物基板；具有Al2O3之類的剛玉型結(jié)構(gòu)的氧化物基板；具有MgAl2O4之類的尖晶石型結(jié)構(gòu)的氧化物基板；具有TiO2之類的金紅石型結(jié)構(gòu)的氧化物基板；和具有(La，Sr) (Al, Ta)O3、氧化釔穩(wěn)定化氧化鋯(YSZ)之類的立方晶系的結(jié)晶結(jié)構(gòu)的氧化物基板。基底基板能夠通過在玻璃基板、氧化鋁之類的陶瓷基板、以及不銹鋼之類的金屬基板的表面層疊具有NaCl型的結(jié)晶結(jié)構(gòu)的氧化物層而形成。在該情況下，能夠在該氧化物層的表面形成第一電極13。氧化物層例是MgO層、氧化鈷NiO層和氧化鈷(CoO)層。制造壓電體膜的本發(fā)明的方法，如上所述，可以包含基底基板上直接或隔著其它的層形成第一電極13的エ序。兼為基板11的基底基板被除去之后，可以配置其它的基板。此時，該其它的基板可以配置為與第一電極13接觸。該其它的基板可以配置為與(NaxBiy) TiO0.5x+L5y+2 一 BaTiO3層15接觸。根據(jù)后者，能夠獲得在該其它的基板上依次層疊有(NaxBiy) TiOa5x+1.5y+2 — BaTiO3 層 15 和第一電極 13 的壓電體膜。以下，對具備上述的壓電體膜的本發(fā)明的噴墨頭、角速度傳感器和壓電發(fā)電元件進行說明。詳細參照專利文獻5。專利文獻6和專利文獻7各自是與專利文獻5對應(yīng)的美國專利公報和中國公開公報。 [噴墨頭]以下，參照圖2 圖4說明本發(fā)明的噴墨頭。圖2表示本發(fā)明的噴墨頭的ー個方式。圖3是表示圖2所示的噴墨頭100中的、包含壓カ室部件和致動器部的主要部分的分解圖。圖2和圖3中的符號A表示壓カ室部件。壓カ室部件A具備在其厚度方向(圖的上下方向)上貫通的貫通孔101。圖3所示的貫通孔101是在壓力室部件A的厚度方向上被切斷的該貫通孔101的一部分。符號B表示具備壓電體膜和振動層的致動器部。符號C表示具備共用液室105和墨水通路107的墨水通路部件C。壓カ室部件A、致動器部B和墨水通路部件C以壓カ室部件A被致動器部B和墨水通路部件C夾著的方式相互接合。在壓力室部件A、致動器部B和墨水通路部件C相互接合的狀態(tài)下，貫通孔101形成收納從共用液室105供給來的墨水的壓カ室102。致動器部B具備的壓電體膜和振動層，俯視下與壓カ室102重疊。圖2和圖3中的符號103表示作為壓電體膜的一部分的個別電極層。如圖2所示，噴墨頭100俯視下，具備鋸齒狀配置的2個以上的個別電極層103即壓電體膜。墨水通路部件C具備俯視下條紋狀配置的2個以上的共用液室105。在圖2和圖3中，各共用液室105俯視下與2個以上的壓カ室102重疊。共用液室105在噴墨頭100中的墨水供給方向(圖2中的箭頭方向)上延伸。墨水通路部件C具備將共用液室105內(nèi)的墨水供給到壓力室102的供給孔106 ;和從噴嘴孔108排出壓カ室102內(nèi)的墨水的墨水通路107。通常，I個供給孔106和I個噴嘴孔108與I個壓カ室102對應(yīng)設(shè)置。噴嘴孔108形成于噴嘴板D。噴嘴板D以與壓力室部件A—起夾著墨水通路部件C的方式，與墨水通路部件C接合。圖2中的符號E表示IC芯片。IC芯片E在致動器部B的表面露出的個別電極層103經(jīng)由焊絲BW電連接。為了使圖2明確，圖2僅表示一部分的焊絲BW。圖3表示包含壓カ室部件A和致動器部B的主要部分的結(jié)構(gòu)。圖4表示壓カ室部件A和致動器部B中的、與墨水供給方向(圖2中的箭頭方向)正交的截面。致動器部B具備具有被第一電極(個別電極層103)和第二電極(共用電極層112)夾著的壓電體層15的壓電體膜104 (104a 104d)。一個個別電極層103與一個壓電體膜104a 104d對應(yīng)設(shè)置。共用電極層112是在壓電體膜104a 104d共用的電極。如圖4中的虛線包圍的方式，上述的壓電體膜104配置于噴墨頭內(nèi)部。該壓電體膜是在題為[壓電體膜]的項目中說明的壓電體膜。[使用噴墨頭的圖像形成方法]形成本發(fā)明的圖像的方法，包括在上述的本發(fā)明的噴墨頭中，經(jīng)由第一和第二電極(即個別電極層和共用電極層)對壓電體層施加電壓，利用壓電效應(yīng)使振動層在該層的膜厚方向上位移、使壓カ室的容積變化的エ序、以及利用該位移使墨水從壓カ室排出的エ序。邊使紙之類的圖像形成對象物與噴墨頭之間的相對位置變化，邊使對壓電體層施加的電壓變化，控制來自噴墨頭的墨水的排出時刻和排出量，由此在對象物的表面形成圖像。在本說明書中所使用的用詞“圖像”包含文字。換而言之，利用形成本發(fā)明的圖像的方法，對紙之類的印刷對象物印刷有文字、畫、圖形等。在該方法中，能夠獲得具有高表現(xiàn)カ的印刷。[角速度傳感器]圖5表示本發(fā)明的角速度傳感器的ー個例子。圖6表示圖5所示的角速度傳感器21a的截面E1。圖5所示的角速度傳感器21a是所謂的音叉型角速度傳感器。這些能夠用于車輛用導(dǎo)航裝置和數(shù)碼相機的抖動修正傳感器。圖5所示的角速度傳感器21a具備具有振動部200b的基板200，和與振動部200b接合的壓電體膜208?；?00具備固定部200a ;和從固定部200a在固定的方向上延伸的ー對臂(振動部200b)。振動部200b所延伸的方向與角速度傳感器21測定的角速度的旋轉(zhuǎn)中心軸L延伸方向相同。具體來講，該方向在圖5中為Y方向。從基板200的厚度方向(圖5中的Z方向)看，基板200具備具有2根的臂(振動部200b)的音叉的形狀。
構(gòu)成基板200的材料不限定。該材料例如是Si、玻璃、陶瓷、金屬。基板200可以為Si單晶基板。基板200的厚度只要能夠顯現(xiàn)作為角速度傳感器21a的功能就不被限定。更具體來講，基板200的厚度是0. Imm以上0. 8mm以下。固定部200a的厚度可以與振動部200b的厚度不同。壓電體膜208與振動部200b接合。該壓電體膜208是在標題為[壓電體膜]的項目中說明的壓電體膜。如圖5和圖6所示，該壓電體膜208具備第一電極13(202)、壓電體層15和第二電極17 (205)。第二電極205具備包含驅(qū)動電極206和傳感電極207的電極組。驅(qū)動電極206對壓電體層15施加使振動部200b振動的驅(qū)動電壓。傳感電極207通過施加在振動部200b的角速度測定在振動部200b產(chǎn)生的變形。振動部200b的振動(發(fā)振)方向通常是其寬度方向(圖5中的X方向)。更具體來講，在圖5所示的角速度傳感器中，ー對驅(qū)動電極206沿振動部200b的長度方向(圖5的Y方向)設(shè)置在振動部200b的寬度方向上的兩個端部。I根驅(qū)動電極206可以設(shè)置在振動部200b的寬度方向上的ー個端部。在圖5所不的角速度傳感器中，傳感電極207沿振動部200b的長度方向設(shè)置,且夾在一對驅(qū)動電極206之間。多個傳感電極207可以設(shè)置振動部200b上。通過傳感電極207測定的振動部200b的變形通常是在其厚度方向(圖5中的Z方向)上的彎曲。在本發(fā)明的角速度傳感器中，從第一電極和第二電極中選擇的一個電極可以由包含驅(qū)動電極和傳感電極的電極組構(gòu)成。在圖5所示的角速度傳感器21a中，第二電極205由該電極組構(gòu)成。與該角速度傳感器不同，第一電極202可以由該電極組構(gòu)成。連接端子202a、206a和207a分別形成在第一電極202的端部、驅(qū)動電極206的端部和傳感電極207的端部。各連接端子的形狀和位置不限定。在圖5中，連接端子設(shè)置在固定部200a上。在圖5所示的角速度傳感器中，壓電體膜208與振動部200b和固定部200a雙方接合。但是，只要壓電體膜208能夠使振動部200b振動，且在振動部200b產(chǎn)生的變形能夠通過壓電體膜208測定，壓電體膜208的接合的狀態(tài)不被限定。例如，壓電體膜208僅與振動部200b接合。
本發(fā)明的角速度傳感器能夠具有2個由ー對振動部200b構(gòu)成的振動部組。這種角速度傳感器能夠測定多個旋轉(zhuǎn)中心軸的角速度，作為2軸或3軸的角速度傳感器發(fā)揮功能。圖5所示的角速度傳感器具有由一對振動部200b構(gòu)成I個振動部組。[角速度傳感器的角速度的測定方法]測定本發(fā)明的角速度的方法包括使用本發(fā)明的角速度傳感器，對壓電體層施加驅(qū)動電壓，使基板的振動部振動的エ序；和通過施加在振動中的振動部的角速度測定在振動部產(chǎn)生的變形，獲得該角速度的值的エ序。對第一電極和第二電極中的不作為驅(qū)動電極和傳感電極發(fā)揮功能的電極(另ー電極)、與驅(qū)動電極之間施加驅(qū)動電壓，對壓電體層施加驅(qū)動電壓。另ー電極和傳感電極通過角速度測定振動中的在振動部產(chǎn)生的變形。以下，對使用圖5所示的角速度傳感器21a的角速度的測定方法進行說明。振動部200b的與固有振動共振的頻率的驅(qū)動電壓，經(jīng)由第一電極202和驅(qū)動電極206被施加到壓電體層15，使振動部200b振動。驅(qū)動電壓例如能夠通過使第一電極202接地、且使驅(qū)動電極206的電位變化而施加(換而言之，驅(qū)動電壓是第一電極202與驅(qū)動電極206之間的電位差)。具有角速度傳感器21a、音叉的形狀配列的一對振動部200b。通常，分別對ー對振動部200b的各自所具有的各驅(qū)動電極206施加正負相互相反的電壓。由此，能夠使各振動部200b以在相互相反方向上進行振動的模式(與圖5所示的旋轉(zhuǎn)中心軸L對稱地振動的模式)振動。在圖5所示的角速度傳感器21a中，振動部200b在其寬度方向(X方向)上振動。通過僅使一對振動部200b的一個振動，也能夠測定角速度。但是，為了進行高精度的測定，優(yōu)選以使兩個振動部200b在相互相反方向上進行振動的模式振動。對振動部200b振動的角速度傳感器21a，施加其旋轉(zhuǎn)中心軸L的角速度ω時，各振動部200b由于科里奧利力在厚度方向(Z方向)上彎曲。在一對振動部200b以在相互相反方向上進行振動的模式振動的情況下，各振動部200b在相互相反朝向上彎曲相同變化量。與該彎曲相應(yīng)地，與振動部200b接合的電體層15也彎曲,在第一電極202與傳感電極207之間，產(chǎn)生與壓電體層15的彎曲相應(yīng)的、即與生成的科里奧利カ對應(yīng)的電位差。通過測定該電位差，能夠測定施加于角速度傳感器21a的角速度ω。在科里奧利力Fe與角速度ω之間，以下的關(guān)系成立Fc=2mv ω在此，V是振動中的振動部200b中的振動方向的速度。m是振動部200b的質(zhì)量。如該式子所示，能夠根據(jù)科里奧利力Fe算出角速度《。[壓電發(fā)電元件]圖7表示本發(fā)明的壓電發(fā)電元件的ー個例子。圖8表示圖7所示的壓電發(fā)電元件22a的截面F1。壓電發(fā)電元件22a是將從外部給予的機械振動轉(zhuǎn)換為電能的元件。壓電發(fā)電元件22a適合用于根據(jù)車輛和機械的動力振動和行駛振動、以及歩行時產(chǎn)生的振動所包含的各種的振動進行發(fā)電的自主的電源裝置。圖7所不的壓電發(fā)電兀件22a具備具有振動部300b的基板300 ;和與振動部300b接合的壓電體膜308。基板300具有固定部300a ;和由從固定部300a在規(guī)定的方向上延伸的梁構(gòu)成的振動部300b。構(gòu)成固定部300a的材料能夠與構(gòu)成振動部300b的材料相同。但是，這些的材料可以相互不同。由相互不同的材料構(gòu)成的固定部300a可以與振動部300b接合。
構(gòu)成基板300的材料不限定。該材料例如是Si、玻璃、陶瓷、金屬?；?00可以為Si單晶基板?；?00具有例如0. Imm以上0.8mm以下的厚度。固定部300a可以具有與振動部300b的厚度不同的厚度。振動部300b的厚度可以進行調(diào)整以使振動部300b的共振頻率變化進行高效的發(fā)電。錘負荷306與振動部300b接合。錘負荷306調(diào)整振動部300b的共振頻率。錘負荷306例如是Ni的蒸鍍薄膜。錘負荷306的材料、形狀和質(zhì)量以及錘負荷306接合的位置，能夠根據(jù)求出的振動部300b的共振頻率進行調(diào)整。錘負荷306可以省略。在振動部300b的共振頻率未調(diào)整的情況下，不需要錘負荷306。壓電體膜308與振動部300b接合。該壓電體膜308是標題為[壓電體膜]的項目中說明的壓電體膜。如圖7和圖8所示，該壓電體膜308具備第一電極13(302)、壓電體層15和第二電極17 (305)。在圖7所不的壓電發(fā)電兀件中，第一電極302的一部分露出。該一部分能夠作為連接端子302a發(fā)揮功能。在圖7所示的壓電發(fā)電元件中，壓電體膜308能夠與振動部300b和固定部300a雙方接合。壓電體I旲308可以僅與振動部300b接合。本發(fā)明的壓電發(fā)電元件中，通過具有多個振動部300b，能夠增大產(chǎn)生的電量。通過使各振動部300b具有的共振頻率變化，能夠與由廣頻率成分構(gòu)成的機械振動對應(yīng)。[使用壓電發(fā)電元件的發(fā)電方法]通過對上述的本發(fā)明的壓電發(fā)電元件給予振動，經(jīng)由第一電極和第二電極能夠獲得電力。當從外部對壓電發(fā)電元件22a給予機械振動時，振動部300b相對固定部300a開始上下彎曲振動。該振動在壓電體層15產(chǎn)生基于壓電效應(yīng)的電動勢。通過這樣的方式，在夾持壓電體層15的第一電極302與第二電極305之間產(chǎn)生電位差。壓電體層15具有的壓電性能越高，在第一與第二電極之間產(chǎn)生的電位差越大。特別是，振動部300b的共振頻率與從外部對元件給予的機械振動的頻率接近的情況下，振動部300b的振幅變大，所以發(fā)電特性提高。因此，優(yōu)選通過錘負荷306進行調(diào)整，以使振動部300b的共振頻率與從外部對元件給予機械振動的頻率接近。以下，使用實施例，更加詳細地說明本發(fā)明。本發(fā)明不限于以下的實施例。
(實施例I)在實施例I中，制作了圖IC所示的壓電體膜。該壓電體膜依次具備基板11、第一電極 13、(NaxBiy)TiO0.5x+L5y+2 — BaTiO3MU=O. 37，y=0. 58)15 和第二電極 17。如下所述方式制作該壓電體膜。在具有(111)的面方位的MgO單晶基板的表面，通過RF磁控濺射，形成具有(111)取向的Pt層(厚度250nm)。該Pt層對應(yīng)第一電極13。作為靶使用金屬Pt，在氬氣(Ar)的氣氛下，在RF輸出15W和基板溫度300°C的成膜條件下形成該Pt層。接著，在第一電極13的表面，通過RF磁控濺射，形成MPB附近組成的(NaxBiy)TiOa 5x+1.5y+2 — BaTiO3層(x=0. 37，y=0. 58)(厚度2.7μπι)。該層是壓電體層。使用具有上述的組成的靶，Ar和氧的混合氣體(流量比Ar/02為50/50)的氣氛下，在RF輸出170W和基板溫度650°C的成膜條件下，形成該層15。 制作出的(NaxBiy)TiOa 5x+1.5y+2 — BaTiO3 層(χ=0· 37，y=0. 58) 15 的組成，通過能量色散X射線分光法(SEM-EDX)進行分析。在使用SEM — EDX的測定中，氧(O)這樣的輕元素的分析精度較差，所以該輕元素的準確的定量比較困難。但是可以確認制作出的(NaxBiy)Ti00.5x+L5y+2 一 BaTiO3 層(χ=0· 37，y=0. 58) 15 所包含的 Na、Bi、Ba 和 Ti 具有與靶相同的組成。通過X 射線衍射解析(NaxBiy) TiOtl.5x+1.5y+2-BaTi03 層(χ=0· 37，y=0. 58)的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。X射線衍射從(NaxBiy) TiOa5x+1.5y+2 — BaTiO3層15的上方入射X射線來進行。圖9表示其結(jié)果。在以后的實施例和比較例中，也使用相同的X射線衍射。圖9表示X射線衍射線形的結(jié)果。除去來自MgO基板和Pt層的反射峰，僅觀察到具有(111)取向的來自(NaxBiy)TiOa5x+1.5y+2 -BaTiO3層15的反射峰。該(111)反射峰的強度是83，208cps，非常強。圖9所示的線形意味著獲得的(NaxBiy) TiOa 5x+1.5y+2 — BaTiO3層15具有非常高的(111)取向性。接著，通過搖擺曲線測定求出該線形中的來自(NaxBiy)TiOa5x+1.5y+2 — BaTiO3層15的(111)反射峰的半峰全寬。所謂搖擺曲線測定是如下測定在所測定的反射峰的衍射角固定為衍射角2Θ的狀態(tài)下，掃描對試料的X射線的入射角。半峰全寬越小，結(jié)晶性越高。其結(jié)果是，獲得的半峰全寬是I. 3°，非常小。這意味著實施例I中所制作的(NaxBiy)TiO0.5x+1.5y+2 一 BaTiO3層15具有非常高的結(jié)晶性。在以后的實施例和比較例中，也應(yīng)用相同的搖擺曲線測定。接著，在(NaxBiy) TiOa 5x+1.5y+2 — BaTiO3層15的表面，通過蒸鍍形成Au層(厚度IOOnm)0該Au層對應(yīng)第二電極17。通過這樣的方式，制作出實施例的壓電體膜。對該壓電體膜的強介電特性和壓電性能進行了評價。圖10表示實施例I的壓電體膜的P-E磁滯曲線。如圖10所示，當增大經(jīng)由Pt層和Au層對壓電體層施加的電壓時，壓電體膜確認顯現(xiàn)表示良好的強介電特性。使用阻抗分析儀測定IkHz的介電損失(tan δ )。該壓電體膜的tanS為5.2%。這意味著該壓電體膜的漏泄電流小。壓電體膜的壓電性能，如以下方式進行評價。將壓電體膜切為寬度2mm，加工為使懸臂狀。接著，在Pt層與Au層之間施加電位差，通過激光位移計測定使懸臂位移獲得的位移量。接著，將測定的位移量轉(zhuǎn)換為壓電常數(shù)d31，利用該壓電常數(shù)d31評價壓電性能。在實施例I中制作的壓電體膜的壓電常數(shù)d31是ー 144pC/N。(實施例2)除了 x=0. 30, y=0. 56之外，與實施例I同樣進行了實驗。實施例2的(111)反射峰的強度是38，021cps，是非常強的值。(實施例3)除了 x=0. 46, y=0. 55之外，與實施例I同樣進行了實驗。實施例3的(111)反射峰的強度是20，769cps，是非常強的值。
(實施例4)除了 x=0. 38, y=0. 51之外，與實施例I同樣進行了實驗。實施例4的(111)反射峰的強度是28，098cps，是非常強的值。(實施例5)除了 x=0. 39，y=0. 62之外，與實施例I同樣進行了實驗。實施例5的(111)反射峰的強度是41，335cps，是非常強的值。(實施例6)除了作為添加物對(NaxBiy) TiO0.5x+1.5y+2 — BaTiO3 層(x=0. 34，y=0. 58)添加0. 2mol%的Mn之外，與實施例I同樣進行了實驗。實施例6的(111)反射峰的強度是65，429cps，是非常強的值。另外，壓電體膜的d31 是一179pC/N。(實施例7)除了使用Si(IOO)單晶基板替代MgO(Ill)單晶基板之外，與實施例I同樣進行了實驗。與實施例I同樣，Pt層具有(111)取向。實施例7的(111)反射峰的強度是7，078cps，是非常強的值。(實施例8)除了替代MgO(Ill)單晶基板，使用不銹鋼制的金屬板之外，與實施例I同樣進行了實驗。與實施例I同樣，Pt層具有(111)取向。實施例8的(111)反射峰的強度是2，148cps，是非常強的值。(比較例I)除了 x=0. 5，y=0. 5之外，與實施例I同樣進行了實驗。在比較例I中，也觀察到具有(111)取向的來自(NaxBiy)TiOtl.5x+1.5y+2 — BaTiO3層的反射峰。但是，(NaxBiy)TiOa5x+1.5y+2 — BaTiO3M中的其它的反射峰也觀察到多個。上述
(111)反射峰的強度是9，839cps，與實施例I中的峰值強度(83，208cps)相比，非常低。這意味著，比較例 I 的(NaxBiy)Ti0Q.5x+1.5y+2-BaTi03 層與實施例的(NaxBiy) TiOtl.5x+1.5y+2_BaTi03層相比具有較差的取向性。上述(111)反射峰的半峰全寬是2. 1°，比實施例的半峰全寬大。這意味著，比較例 I 的(NaxBiy) TiOtl. 5x+L5y+2 — BaTiO3 層與實施例的(NaxBiy) TiOtl. 5x+L5y+2 — BaTiO3 層相比具有較差的取向性。接著，在(NaxBiy) TiOa 5x+1.5y+2 — BaTiO3層的表面，通過蒸鍍形成Au層(厚度lOOnm)。通過這樣的方式，制作出比較例I的壓電體膜。使用壓電體膜所具備的Pt層和Au層，對該壓電體膜的強介電特性和壓電性能進行了評價。但是，壓電體膜中的漏泄電流大，P — E磁滯測定的強介電性能(殘留極化值匕實施例I大幅劣化圖。(參照圖10)。該壓電體膜的tan S為9.2%。比較例I的壓電體膜具有這樣大的漏泄電流，所以壓電常數(shù)d31是ー 59pC/N。(比較例2)除了 x=0. 28, y=0. 58之外，與實施例I同樣進行了實驗。比較例2的(111)反射峰的強度是7，466cps，是非常弱的值。
(比較例3)除了 x=0. 48, y=0. 59之外，與實施例I同樣進行了實驗。比較例3的(111)反射峰的強度是357cps，是非常弱的值。(比較例4)除了 x=0. 36, y=0. 50之外，與實施例I同樣進行了實驗。比較例4的(111)反射峰的強度是4，150cps，是非常弱的值。(比較例5)除了 x=0. 40, y=0. 65之外，與實施例I同樣進行了實驗。比較例5的(111)反射峰的強度是9，756cps，是弱的值。(比較例6)除了 x=0. 29, y=0. 43之外，與實施例I同樣進行了實驗。比較例6的(111)反射峰的強度是6，457cps，是非常弱的值。(比較例7)除了 x=0. 5，y=0. 5之外，與實施例7同樣進行了實驗。比較例7的(111)反射峰的強度是1，986cps，是非常弱的值。(比較例8)除了 x=0. 5，y=0. 5之外，與實施例8同樣進行了實驗。比較例8的(111)反射峰的強度是1，123cps，是非常弱的值。以下的表I摘要表示實施例I 8和比較例I 8的評價結(jié)果。表I
權(quán)利要求
1.一種壓電體膜，其特征在于 具備具有(111)取向的(NaxBiy)TiOtl.5x+1.5y+2 - BaTiO3 層，其中 0. 30 彡 x 彡 0. 46,0. 51 ^ y ^ 0. 62。
2.如權(quán)利要求I所述的壓電體膜，其特征在于 還具備具有(111)取向的第一電極， 所述第一電極和所述(NaxBiy) TiOa 5x+1.5y+2 — BaTiO3層層疊。
3.如權(quán)利要求2所述的壓電體膜，其特征在于 所述第一電極由金屬構(gòu)成。
4.如權(quán)利要求3所述的壓電體膜，其特征在于 所述金屬是鉬、鈀或金。
5.如權(quán)利要求4所述的壓電體膜，其特征在于 所述金屬是鉬。
6.如權(quán)利要求I所述的壓電體膜，其特征在于所述(NaxBiy) TiOa 5x+1.5y+2 — BaTiO3 層含有 Mn。
7.—種噴墨頭，其特征在于，包括 壓電體膜，其具有被第一電極和第二電極夾著的壓電體層； 與所述壓電體膜接合的振動層；和 壓力室部件，其具有收納墨水的壓力室，并且與所述振動層的與所述壓電體膜所接合的面相反一側(cè)的面接合， 所述振動層與所述壓電體膜接合，使得所述振動層響應(yīng)基于壓電效應(yīng)的所述壓電體膜的變形而在該振動層的膜厚方向上位移， 所述振動層和所述壓力室部件相互接合，使得所述壓力室的容積響應(yīng)所述振動層的位移而變化，并且所述壓力室內(nèi)的墨水響應(yīng)所述壓力室的容積的變化而被排出， 所述壓電體層是具有(111)取向的(NaxBiy)TiOtl.5x+1.5y+2 —BaTiO3層，其中X表示0. 30以上0. 46以下，y表示0. 51以上0. 62以下。
8.如權(quán)利要求7所述的噴墨頭，其特征在于 所述第一電極具有(111)取向， 所述第一電極和所述(NaxBiy) TiOa 5x+1.5y+2 — BaTiO3層層疊。
9.如權(quán)利要求8所述的噴墨頭，其特征在于 所述第一電極由金屬構(gòu)成。
10.如權(quán)利要求9所述的噴墨頭，其特征在于 所述金屬是鉬、鈀或金。
11.如權(quán)利要求10所述的噴墨頭，其特征在于 所述金屬是鉬。
12.如權(quán)利要求7所述的噴墨頭，其特征在于所述(NaxBiy) TiOa 5x+1.5y+2 — BaTiO3 層含有 Mn。
13.一種使用噴墨頭形成圖像的方法，其特征在于，包括 準備所述噴墨頭的工序， 其中，所述噴墨頭具有壓電體膜，其具有被第一電極和第二電極夾著的壓電體層； 與所述壓電體膜接合的振動層；和 壓力室部件，其具有收納墨水的壓力室，并且與所述振動層的與所述壓電體膜所接合的面相反一側(cè)的面接合， 所述振動層與所述壓電體膜接合，使得所述振動層響應(yīng)基于壓電效應(yīng)的所述壓電體膜的變形而在該振動層的膜厚方向上位移， 所述振動層和所述壓力室部件相互接合，使得所述壓力室的容積響應(yīng)所述振動層的位移而變化，并且所述壓力室內(nèi)的墨水響應(yīng)所述壓力室的容積的變化而被排出， 所述壓電體層是具有(111)取向的(NaxBiy)TiOtl.5x+1.5y+2 —BaTiO3層，其中X表示O. 30以上O. 46以下，y表示O. 51以上O. 62以下；和 從所述壓力室排出墨水的工序，通過經(jīng)由所述第一電極和第二電極對所述壓電體層施加電壓，基于壓電效應(yīng)，使所述振動層在該層的膜厚方向上位移，以使得所述壓力室的容積變化，利用該位移從所述壓力室排出墨水。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于 所述第一電極具有(111)取向， 所述第一電極和所述(NaxBiy) TiOa 5x+1.5y+2 — BaTiO3層層疊。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于 所述第一電極由金屬構(gòu)成。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于 所述金屬是鉬、鈀或金。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于 所述金屬是鉬。
18.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于所述(NaxBiy) TiOa 5x+1.5y+2 — BaTiO3 層含有 Mn。
19.一種角速度傳感器，其特征在于，包括 具有振動部的基板；和 壓電體膜，其與所述振動部接合，并且具有被第一電極和第二電極夾著的壓電體層，所述壓電體層是具有(111)取向的(NaxBiy)TiOtl.5x+1.5y+2 —BaTiO3層，其中X表示O. 30以上O. 46以下，y表示O. 51以上O. 62以下， 從所述第一電極和第二電極中選擇的一個電極由電極組構(gòu)成，該電極組包括對所述壓電體層施加使所述振動部振動的驅(qū)動電壓的驅(qū)動電極；和用于利用施加在振動中的所述振動部的角速度，來測定在所述振動部發(fā)生的變形的傳感電極。
20.如權(quán)利要求19所述的角速度傳感器，其特征在于 所述第一電極具有(111)取向， 所述第一電極和所述(NaxBiy) TiOa 5x+1.5y+2 — BaTiO3層層疊。
21.如權(quán)利要求20所述的角速度傳感器，其特征在于 所述第一電極由金屬構(gòu)成。
22.如權(quán)利要求21所述的角速度傳感器，其特征在于 所述金屬是鉬、鈀或金。
23.如權(quán)利要求22所述的角速度傳感器，其特征在于 所述金屬是鉬。
24.如權(quán)利要求19所述的角速度傳感器，其特征在于所述(NaxBiy) TiOa 5x+1.5y+2 — BaTiO3 層含有 Mn。
25.一種使用角速度傳感器測定角速度的方法，其特征在于，包括 準備所述角速度傳感器的工序， 其中，所述角速度傳感器包括 具有振動部的基板；和 壓電體膜，其與所述振動部接合，并且具有被第一電極和第二電極夾著的壓電體層，所述壓電體層是具有(111)取向的(NaxBiy)TiOtl.5x+1.5y+2 —BaTiO3層，其中X表示O. 30以上O. 46以下，y表示O. 51以上O. 62以下， 從所述第一電極和第二電極中選擇的一個電極由包含驅(qū)動電極和傳感電極的電極組構(gòu)成； 通過將驅(qū)動電壓經(jīng)由從所述第一電極和第二電極中選擇的另一個電極和所述驅(qū)動電極施加到所述壓電體層，使所述振動部振動的工序；和 經(jīng)由所述另一個電極和所述傳感電極，對因施加在振動中的所述振動部的角速度而在所述振動部產(chǎn)生的變形進行測定，由此獲得所述施加的角速度的值的工序。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于 所述第一電極具有(111)取向， 所述第一電極和所述(NaxBiy) TiOa 5x+1.5y+2 — BaTiO3層層疊。
27.如權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于 所述第一電極由金屬構(gòu)成。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于 所述金屬是鉬、鈀或金。
29.如權(quán)利要求28所述的方法，其特征在于 所述金屬是鉬。
30.如權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于所述(NaxBiy) TiOa 5x+1.5y+2 — BaTiO3 層含有 Mn。
31.一種壓電發(fā)電兀件，其特征在于，具有 具有振動部的基板；和 壓電體膜，其與所述振動部接合，并且具有被第一電極和第二電極夾著的壓電體層，所述壓電體層是具有(111)取向的(NaxBiy)TiOtl.5x+1.5y+2 —BaTiO3層，其中X表示O. 30以上O. 46以下，y表示O. 51以上O. 62以下。
32.如權(quán)利要求31所述的壓電發(fā)電元件，其特征在于 所述第一電極具有(111)取向， 所述第一電極和所述(NaxBiy) TiOa 5x+1.5y+2 — BaTiO3層層疊。
33.如權(quán)利要求32所述的壓電發(fā)電元件，其特征在于 所述第一電極由金屬構(gòu)成。
34.如權(quán)利要求33所述的壓電發(fā)電元件，其特征在于所述金屬是鉬、鈀或金。
35.如權(quán)利要求34所述的壓電發(fā)電元件，其特征在于 所述金屬是鉬。
36.如權(quán)利要求31所述 的壓電發(fā)電元件，其特征在于所述(NaxBiy) TiOa 5x+1.5y+2 — BaTiO3 層含有 Mn。
37.一種使用壓電發(fā)電元件的發(fā)電方法，其特征在于，具備 準備所述壓電發(fā)電元件的工序， 其中，所述壓電發(fā)電元件具有 具有振動部的基板；和 壓電體膜，其與所述振動部接合，并且具有被第一電極和第二電極夾著的壓電體層，所述壓電體層是具有(111)取向的(NaxBiy)TiOtl.5x+1.5y+2 —BaTiO3層，其中X表示O. 30以上O. 46以下，y表示O. 51以上O. 62以下；和 通過對所述振動部給予振動，經(jīng)由所述第一電極和第二電極獲得電力的工序。
38.如權(quán)利要求37所述的方法，其特征在于 所述第一電極具有(111)取向， 所述第一電極和所述(NaxBiy) TiOa 5x+1.5y+2 — BaTiO3層層疊。
39.如權(quán)利要求38所述的方法，其特征在于 所述第一電極由金屬構(gòu)成。
40.如權(quán)利要求39所述的方法，其特征在于 所述金屬是鉬、鈀或金。
41.如權(quán)利要求40所述的方法，其特征在于所述金屬是鉬。
42.如權(quán)利要求37所述的方法，其特征在于所述(NaxBiy) TiOa 5x+1.5y+2 — BaTiO3 層含有 Mn。
全文摘要
本發(fā)明的目的在于提供含有非鉛強介電材料、具有低介電損失和與PZT相同的高壓電性能的壓電體膜及其制造方法。本發(fā)明的壓電體膜具備具有(111)取向的(NaxBiy)TiO0.5x+1.5y+2－BaTiO3層(0.30≤x≤0.46且0.51≤y≤0.62)。
文檔編號G01C19/5607GK102859736SQ20118001916
公開日2013年1月2日 申請日期2011年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月16日
發(fā)明者張?zhí)尜F圣, 田中良明, 足立秀明, 藤井映志 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社