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JP2008300679A - Method for manufacturing piezoelectric body, and ink jet recording head using the piezoelectric body - Google Patents

Method for manufacturing piezoelectric body, and ink jet recording head using the piezoelectric body Download PDF

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JP2008300679A
JP2008300679A JP2007145841A JP2007145841A JP2008300679A JP 2008300679 A JP2008300679 A JP 2008300679A JP 2007145841 A JP2007145841 A JP 2007145841A JP 2007145841 A JP2007145841 A JP 2007145841A JP 2008300679 A JP2008300679 A JP 2008300679A
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JP
Japan
Prior art keywords
piezoelectric body
metal
recording head
ink
jet recording
Prior art date
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Pending
Application number
JP2007145841A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Motokazu Kobayashi
本和 小林
Jun Kubota
純 久保田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Canon Inc
Original Assignee
Canon Inc
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Publication date
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Abstract

【課題】結晶化の焼成温度の低温化を図ると共に均一性の高い圧電体の製造方法およびインクジェット式記録ヘッドを提供する。
【解決手段】金属酸化物による圧電体を形成する金属成分および有機成分を含む溶液を乾燥し固形化する工程およびその固形分を結晶化温度以上で加熱する工程により得られる金属酸化物の製造方法において、結晶化温度以上に加熱する工程の前に、超臨界流体に接触させて、有機成分を除去する工程を有する圧電体の製造方法。上記の方法により製造された圧電体を用いた圧電体素子の変位により振動板を振動させてインクを吐出するインク吐出手段を備えているインクジェット式記録ヘッド。
【選択図】図2
A method for manufacturing a piezoelectric body with high uniformity and an ink jet recording head are provided.
A method for producing a metal oxide obtained by drying and solidifying a solution containing a metal component and an organic component that form a piezoelectric body made of metal oxide, and heating the solid content at a crystallization temperature or higher. In the method for producing a piezoelectric body, the method includes a step of contacting the supercritical fluid and removing an organic component before the step of heating to a temperature equal to or higher than the crystallization temperature. An ink jet recording head comprising ink ejection means for ejecting ink by vibrating a diaphragm by displacement of a piezoelectric element using a piezoelectric body manufactured by the above method.
[Selection] Figure 2

Description

本発明は、圧電体デバイスへの応用が期待できる金属酸化物系圧電体の製造方法、並びにその圧電体を用いたインクジェット式記録ヘッドに関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a metal oxide piezoelectric body that can be expected to be applied to a piezoelectric device, and an ink jet recording head using the piezoelectric body.

従来、金属酸化物は種々の産業に広く利用されており、その性質上多種多様な機能性材料、機能性膜として汎用されている。例えば、導電性膜、半導体材料、センサー材料、絶縁膜、圧電体などを挙げることができる。   Conventionally, metal oxides have been widely used in various industries, and are widely used as functional materials and functional films with a wide variety of properties. For example, a conductive film, a semiconductor material, a sensor material, an insulating film, a piezoelectric body, and the like can be given.

特に圧電体は、電気エネルギーを機械エネルギーに変換できる性質を有し、インクジェットプリンター、超音波モーター、燃料インジェクターなどに用いられている。また自発分極や高誘電率の性質を生かした不揮発性メモリへの研究が行われている。   In particular, the piezoelectric body has a property capable of converting electrical energy into mechanical energy, and is used in an inkjet printer, an ultrasonic motor, a fuel injector, and the like. Research into non-volatile memories that take advantage of the properties of spontaneous polarization and high dielectric constant is also underway.

このような圧電体は、金属酸化物の粉末を成型、焼成したり、金属酸化物をスパッタ法により基板に成膜したり、金属アルコキシド、有機化合物、溶媒よりなるゾル−ゲル液または金属有機化合物の溶液を基板上に塗工したり、そのまま乾燥し固形化後に加熱し結晶化することにより得ることができる。   Such a piezoelectric body is formed by molding and baking metal oxide powder, forming a metal oxide film on a substrate by sputtering, or a sol-gel liquid or metal organic compound comprising a metal alkoxide, an organic compound, and a solvent. The above solution can be applied on a substrate or dried as it is and solidified to be heated and crystallized.

上記ゾル−ゲル液、金属化合物の溶液から製造する方法においては、金属の混合、均一化が容易にできるため、複雑な複合酸化物を他の方法に比べて容易に製造することができることで着目されている。   In the method of manufacturing from the sol-gel solution and the metal compound solution, the metal can be easily mixed and homogenized, so that it is possible to manufacture a complex composite oxide more easily than other methods. Has been.

何れの方法においても、焼成前の固形分中には、有機成分としてアルコール、溶媒、可塑剤、酸性物質、アルカリ性物質、高分子化合物、その他金属に配位した有機化合物などが含まれる。   In any method, the solid content before firing includes alcohols, solvents, plasticizers, acidic substances, alkaline substances, polymer compounds, and other organic compounds coordinated to metals as organic components.

これらの有機成分は、結晶化した際には不要なものであり、結晶化の前までの工程において取り除く必要がある。取り除く方法としては、粉末とバインダーの混合物中より超臨界処理によるバインダーを除去する方法が報告されている(特許文献1参照)。   These organic components are unnecessary when crystallized and must be removed in the process before crystallization. As a removal method, a method of removing a binder by supercritical treatment from a mixture of a powder and a binder has been reported (see Patent Document 1).

また、基板上の薄膜に超臨界処理を行う方法が報告されている(特許文献2参照)。
特に結晶化の前までに効率良く取り除かれていると、焼成温度の低温化、短時間化が図られ好ましい。
特開昭61−155265号公報 特開平2−113525号公報
In addition, a method for performing supercritical processing on a thin film on a substrate has been reported (see Patent Document 2).
In particular, if it is removed efficiently before crystallization, the firing temperature can be lowered and the time can be shortened.
JP-A 61-155265 Japanese Patent Laid-Open No. 2-113525

しかしながら上記バインダーを除去する方法においては、粉末とバインダーの混合物からバインダーを除去する方法について記載されているのみで、ゾル−ゲル液または金属有機化合物の溶液から圧電体を製造する際に、そのまま適用することは困難である。   However, the above-mentioned method for removing the binder only describes the method for removing the binder from the mixture of the powder and the binder, and can be applied as it is when the piezoelectric body is produced from the sol-gel solution or the metal organic compound solution. It is difficult to do.

また基板上の薄膜に超臨界処理を行う方法においては、半導体基板上にシリコン酸化薄膜を形成する方法において、超臨界処理を用いる方法が記載されている。溶液法、CVD法によるシリコン酸化薄膜の製造方法について記載されているだけである。   In the method of performing supercritical processing on a thin film on a substrate, a method using supercritical processing is described in the method of forming a silicon oxide thin film on a semiconductor substrate. Only a method for producing a silicon oxide thin film by a solution method or a CVD method is described.

ゾル−ゲル液または金属有機化合物の溶液から乾燥し固形化し、その後に加熱し結晶化することによる成型物や粒子などのバルク体の作製については述べられていない。
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、圧電体を形成するゾル−ゲル液または金属有機化合物の溶液を乾燥し固形化し、その後に加熱し結晶化することによる圧電体のバルク体作製において、金属成分および有機成分を含む前駆体から、結晶化の前までに有機成分を効率よく取り除くことにより、結晶化の焼成温度の低温化、短時間化を図ると共に均一性の高い圧電体を製造する方法を提供するものである。
The production of bulk bodies such as moldings and particles by drying and solidifying from a sol-gel solution or a metal organic compound solution, followed by heating and crystallization is not described.
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention solves the above-described conventional problems. A bulk body of a piezoelectric body is produced by drying and solidifying a sol-gel solution or a metal organic compound solution forming a piezoelectric body, and then heating and crystallizing. In this case, by efficiently removing the organic component from the precursor containing the metal component and the organic component before crystallization, the crystallization firing temperature is lowered and the time is shortened, and a highly uniform piezoelectric body is obtained. A method of manufacturing is provided.

また、本発明は上記の製造方法により得られた均一性の高い圧電体を用いたインクジェット式記録ヘッドを提供するものである。   The present invention also provides an ink jet recording head using a highly uniform piezoelectric body obtained by the above manufacturing method.

上記の課題を解決する金属酸化物の製造方法は、金属酸化物による圧電体を形成する金属成分および有機成分を含む溶液を乾燥し固形化する工程およびその固形分を結晶化温度以上で加熱する工程により得られる金属酸化物の製造方法において、結晶化温度以上に加熱する工程の前に、超臨界流体に接触させて、有機成分を除去する工程を有することを特徴とする。   A method for producing a metal oxide that solves the above problems includes a step of drying and solidifying a solution containing a metal component and an organic component that form a piezoelectric body made of metal oxide, and heating the solid content at a temperature equal to or higher than the crystallization temperature. In the method for producing a metal oxide obtained by the step, the method includes a step of removing an organic component by contacting with a supercritical fluid before the step of heating to a temperature higher than the crystallization temperature.

上記の課題を解決するインクジェット式記録ヘッドは、上記の方法により製造された圧電体を用いた圧電体素子の変位により、振動板を振動させてインクを吐出するインク吐出手段を備えていることを特徴とする。   An ink jet recording head that solves the above problems includes an ink ejection unit that ejects ink by vibrating a vibration plate by displacement of a piezoelectric element using a piezoelectric body manufactured by the above method. Features.

本発明は、圧電体を形成する金属成分および有機成分を含む前駆体から、結晶化の前までに有機成分を効率よく取り除くことにより、結晶化の焼成温度の低温化を図ると共に均一性の高い金属酸化物および圧電体を製造する方法を提供することができる。   The present invention efficiently removes an organic component from a precursor including a metal component and an organic component forming a piezoelectric body before crystallization, thereby lowering the crystallization firing temperature and achieving high uniformity. A method of manufacturing a metal oxide and a piezoelectric body can be provided.

また、本発明は上記の製造方法により得られた均一性の高い圧電体を用いたインクジェット式記録ヘッドを提供することができる。   The present invention can also provide an ink jet recording head using a highly uniform piezoelectric body obtained by the above manufacturing method.

以下、本発明を詳細に説明する。
本発明に係る圧電体の製造方法は、金属酸化物による圧電体を形成する金属成分および有機成分を含む溶液を乾燥し固形化する工程およびその固形分を結晶化温度以上で加熱する工程により得られる金属酸化物の製造方法において、結晶化温度以上に加熱する工程の前に、超臨界流体に接触させて、有機成分を除去する工程を有することを特徴とする。
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
The method for manufacturing a piezoelectric body according to the present invention is obtained by drying and solidifying a solution containing a metal component and an organic component that form a piezoelectric body made of metal oxide, and heating the solid content at a crystallization temperature or higher. The method for producing a metal oxide includes a step of removing an organic component by contacting with a supercritical fluid before the step of heating to a temperature higher than the crystallization temperature.

前記超臨界流体が、超臨界状態にある水または二酸化炭素であることが好ましい。
前記圧電体を形成する金属成分が少なくとも、鉛、ジルコニア、チタン、ビスマス、アルカリ金属、アルカリ土類金属から選ばれる少なくとも1種であることが好ましい。
The supercritical fluid is preferably water or carbon dioxide in a supercritical state.
The metal component forming the piezoelectric body is preferably at least one selected from lead, zirconia, titanium, bismuth, alkali metal, and alkaline earth metal.

以下本発明を実施する圧電体の形態について詳細に説明する。
圧電体は、強誘電性あるいは常誘電性の結晶化した金属酸化物により構成されている。その組成は一般にチタン酸ジルコニウム酸鉛(以下「PZT」という)を主成分とする系、または、PZTにランタン、マンガン、ニオブなどを添加する系が知られている。
Hereinafter, the form of the piezoelectric body embodying the present invention will be described in detail.
The piezoelectric body is made of a crystallized metal oxide of ferroelectric or paraelectric. As a composition, a system mainly composed of lead zirconate titanate (hereinafter referred to as “PZT”) or a system in which lanthanum, manganese, niobium, or the like is added to PZT is known.

また、鉛を使わない系として、カリウム、ナトリウム、ニオブを主成分とする酸化物系、カルシウム、ビスマス、チタンを主成分とする酸化物系、ビスマス、ナトリウム、チタンを主成分とする酸化物系などが挙げられる。   Lead-free systems include oxides based on potassium, sodium and niobium, oxides based on calcium, bismuth and titanium, and oxides based on bismuth, sodium and titanium. Etc.

本発明の圧電体を形成する方法は、圧電体を形成する金属有機化合物の溶液を乾燥し固形化し、その後に加熱し結晶化することによる圧電体の成型物や粒子などを作製する。
金属酸化物の溶液は、原料となる各成分金属の加水分解性の化合物、その部分加水分解物またはその部分重縮合物を含有する溶液からなる。、さらにその金属酸化物の溶液を乾燥、固形化しさらに結晶化温度以上で焼成して結晶化させることにより圧電体を形成する方法である。原料の加水分解性の金属化合物としては、金属アルコキシド、その部分加水分解物または部分重縮合物といった有機化合物が一般に使用されている。
In the method of forming a piezoelectric body of the present invention, a molded product or particles of a piezoelectric body are produced by drying and solidifying a solution of a metal organic compound that forms the piezoelectric body, and then heating and crystallizing the solution.
The metal oxide solution comprises a solution containing a hydrolyzable compound of each component metal as a raw material, a partial hydrolyzate thereof or a partial polycondensate thereof. Further, the piezoelectric body is formed by further drying and solidifying the metal oxide solution, followed by firing at a temperature equal to or higher than the crystallization temperature to cause crystallization. As the raw material hydrolyzable metal compound, an organic compound such as a metal alkoxide, a partial hydrolyzate or a partial polycondensate thereof is generally used.

更に具体的に、圧電体に用いる金属として、Pb(鉛)、La(ランタン)、Zr(ジルコニア)、Ti(チタン)を用いた金属酸化物の溶液の例で説明する。まず溶媒にPb、La、Zr、Ti、などのアルコキシド及び/又は金属塩を溶媒に溶解させた後、水を加え加水分解させることにより得ることができる。   More specifically, an example of a metal oxide solution using Pb (lead), La (lanthanum), Zr (zirconia), and Ti (titanium) as the metal used for the piezoelectric body will be described. First, an alkoxide such as Pb, La, Zr, Ti, and / or a metal salt is dissolved in a solvent, and then water is added to cause hydrolysis.

用いられる溶媒としては、メタノール、エタノール、n−プロパノール、イソプロパノール、n−ブタノール、s−ブタノール、t−ブタノール等のアルコール系溶剤、テトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン等のエーテル系溶剤、2−メトキシエタノール、2―エトキシエタノール、1−メトキシ−2−プロパノール等のセロソルブ系、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテルアセテート等の多価アルコール、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチルピロリドン系などのアミド系溶剤、アセトニトリル等のニトリル系溶剤が挙げられる。これらの中で好ましくはアルコール系溶剤である。用いられる溶媒の量は、金属アルコキシドに対して通常5倍モルから200倍モルであり、好ましくは10倍モルから100倍モルである。溶媒の量が多すぎると金属の凝集、沈殿が発生しやすくなり、少なすぎると加水分解時の発熱が激しくなる。   Solvents used include alcohol solvents such as methanol, ethanol, n-propanol, isopropanol, n-butanol, s-butanol and t-butanol, ether solvents such as tetrahydrofuran and 1,4-dioxane, and 2-methoxyethanol. Cellosolve such as 2-ethoxyethanol, 1-methoxy-2-propanol, polyhydric alcohols such as diethylene glycol monoethyl ether, diethylene glycol monoethyl ether acetate, diethylene glycol monobutyl ether, diethylene glycol monobutyl ether acetate, N, N-dimethylformamide, Examples thereof include amide solvents such as N, N-dimethylacetamide and N-methylpyrrolidone, and nitrile solvents such as acetonitrile. Of these, alcohol solvents are preferred. The amount of the solvent used is usually 5 to 200 times mol, preferably 10 to 100 times mol with respect to the metal alkoxide. If the amount of the solvent is too large, metal aggregation and precipitation are likely to occur, and if it is too small, the heat generated during hydrolysis becomes intense.

またPbのアルコキシド化合物としては鉛2−エトキシエトキシサイト、鉛メトキサイト、鉛エトキサイト、鉛n−プロポキサイト、鉛i−プロポキサイト、鉛n−ブトキシサイト、鉛i−ブトキシサイト、鉛t−ブトキシサイト、などその他各種アルコキシドおよびそのアルキル置換体などが挙げられる。   Pb alkoxide compounds include lead 2-ethoxyethoxysite, lead methoxide, lead ethoxide, lead n-propoxysite, lead i-propoxysite, lead n-butoxysite, lead i-butoxysite, lead t. -Butoxysite, and other various alkoxides and alkyl-substituted products thereof.

またPbの無機塩化合物、具体的には塩化物、硝酸塩、リン酸塩、硫酸塩などまた有機塩化合物は具体的にはギ酸塩、酢酸塩、プロピオン酸塩、シュウ酸塩、クエン酸塩、リンゴ酸塩などの各種カルボン酸塩、ヒドロキシカルボン酸塩、またアセチルアセトナート錯体などを溶媒と混合してアルコキシドを系内で合成して用いても良い。La、Mg、Zr、Ti、Nbも同様のアルコキシド化合物または無機塩を用いることができる。これらのPb、La、Mg、Zr、Ti、Nbのアルコキシド溶液または無機塩を前記溶媒に溶解し、加水分解を行うことにより高分子化し圧電体の溶液を得る。   In addition, inorganic salt compounds of Pb, specifically chloride, nitrate, phosphate, sulfate and the like, and organic salt compounds specifically include formate, acetate, propionate, oxalate, citrate, Various carboxylates such as malates, hydroxycarboxylates, and acetylacetonate complexes may be mixed with a solvent to synthesize alkoxides in the system. For La, Mg, Zr, Ti, and Nb, the same alkoxide compound or inorganic salt can be used. These alkoxide solutions or inorganic salts of Pb, La, Mg, Zr, Ti, and Nb are dissolved in the solvent and hydrolyzed to polymerize to obtain a piezoelectric solution.

上記各金属の仕込み比は、例えばPb、La、Zr、Tiを用いる場合、Pb(1-x)Lax(ZryTi1-y1-x3(式中、0≦x<1、0≦y≦1)でもよいが、焼成過程においてPbの消失がおこるため、あらかじめ塗工液作製時にPbの量を増やしておくことが好ましい。具体的には、Pb(1-x)Lax(ZryTi1-y1-x3(式中、0≦x<1、0≦y≦1)においてPbのモル比を5%以上30%以下の範囲で増やして構わない。 Charge ratio of each metal, for example Pb, La, Zr, when using a Ti, Pb (1-x) La x (Zr y Ti 1-y) 1-x O 3 ( where, 0 ≦ x <1 0 ≦ y ≦ 1), but since Pb disappears during the firing process, the amount of Pb is preferably increased in advance during the preparation of the coating liquid. Specifically, Pb (1-x) La x (Zr y Ti 1-y) 1-x O 3 ( where, 0 ≦ x <1,0 ≦ y ≦ 1) the molar ratio of the Pb 5% It may be increased in the range of 30% or less.

また、金属アルコキシドおよび/または金属塩を含む溶液の加水分解には、例えば金属アルコキシドおよび/または金属塩の0.05モル倍以上8モル倍以下の水が用いられ、より好ましくは0.5モル倍以上4モル倍以下の水が用いられる。この加水分解には、酸触媒および/または塩基触媒を用いるようにしてもよく、好ましくは、金属塩、ハロゲン化物、硫酸、硝酸、塩酸などの鉱酸や酢酸などの有機酸が用いられる。   The hydrolysis of the solution containing the metal alkoxide and / or metal salt uses, for example, 0.05 to 8 moles of water of the metal alkoxide and / or metal salt, more preferably 0.5 moles. Double or more and 4 mol times or less of water is used. For this hydrolysis, an acid catalyst and / or a base catalyst may be used. Preferably, a metal salt, a halide, a mineral acid such as sulfuric acid, nitric acid or hydrochloric acid, or an organic acid such as acetic acid is used.

上記金属組成の溶液を加水分解後、沸点100℃以下の溶媒を完全に除去し、沸点100℃以上の溶媒を50%以上の量を加える。用いられる溶媒としては、1−メトキシ−2−プロパノール、2−エトキシエタノール、3−メトキシ−3−メチルブタノールなどのセロソルブ系、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテルアセテートなどの多価アルコール、テルピネオール、パイン油、ラベンダー油などの香料油が挙げられる。好ましくは、セロソルブ系溶媒である。また、エチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロースなどのセルロース誘導体、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ポリビニルブチラール、ポリメチルメタアクリレート等の高分子樹脂、ロジン、ロジン誘導体などを溶液の安定性向上などの目的で用いても良い。   After hydrolysis of the metal composition solution, the solvent having a boiling point of 100 ° C. or lower is completely removed, and the solvent having a boiling point of 100 ° C. or higher is added in an amount of 50% or higher. As the solvent used, cellosolve such as 1-methoxy-2-propanol, 2-ethoxyethanol, 3-methoxy-3-methylbutanol, diethylene glycol monoethyl ether, diethylene glycol monoethyl ether acetate, diethylene glycol monobutyl ether, diethylene glycol monobutyl ether Examples include polyhydric alcohols such as acetate, and fragrance oils such as terpineol, pine oil, and lavender oil. A cellosolve solvent is preferable. Further, cellulose derivatives such as ethyl cellulose and hydroxypropyl cellulose, polymer resins such as polyvinyl alcohol, polyvinyl pyrrolidone, polyvinyl butyral, polymethyl methacrylate, rosin, rosin derivatives and the like may be used for the purpose of improving the stability of the solution. .

上記溶液は、溶媒を乾燥し固形化する。固形化するには、所望の型に流し込み成型しながら行っても良いし、乾燥後破砕することによって粉末、微粒子にしてもよい。
溶媒の乾燥には、乾燥機、ドライヤー、ホットプレート、管状路、電気炉などを用いることができる。
The above solution is solidified by drying the solvent. Solidification may be performed while casting into a desired mold, or may be made into powder or fine particles by crushing after drying.
For drying the solvent, a dryer, a dryer, a hot plate, a tubular path, an electric furnace, or the like can be used.

続いて、超臨界流体中に上記圧電体の成型品、粉末、微粒子を浸漬しておき、有機成分の除去を行なう。
本発明において有機成分とは、上記溶液を乾燥後に残った有機溶媒や金属塩、ハロゲン化物、硫酸、硝酸、塩酸などの鉱酸や酢酸などの有機酸およびエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロースなどのセルロース誘導体、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ポリビニルブチラール、ポリメチルメタアクリレート等の高分子樹脂、ロジン、ロジン誘導体などの高分子化合物、溶液作製途中の反応において生成した有機物などを指す。
Subsequently, the molded product, powder, and fine particles of the piezoelectric body are immersed in a supercritical fluid to remove organic components.
In the present invention, the organic component is an organic solvent, metal salt, halide, mineral acid such as sulfuric acid, nitric acid and hydrochloric acid, organic acid such as acetic acid, and cellulose derivatives such as ethyl cellulose and hydroxypropyl cellulose. It refers to polymer resins such as polyvinyl alcohol, polyvinyl pyrrolidone, polyvinyl butyral, polymethyl methacrylate, polymer compounds such as rosin and rosin derivatives, and organic substances produced in the reaction during the preparation of the solution.

超臨界状態にある流体について説明する。図1は物質の状態を温度と圧力の関係で示す相図である。図1に示すように物質は、温度、圧力の変化により、気体、液体、固体の3つの状態を取ることができる。気体と液体の境目は蒸気圧曲線であり、気体と固体の境目は昇華曲線、液体と固体の境目は融解曲線である。   A fluid in a supercritical state will be described. FIG. 1 is a phase diagram showing the state of a substance in relation to temperature and pressure. As shown in FIG. 1, a substance can take three states: gas, liquid, and solid depending on changes in temperature and pressure. The boundary between gas and liquid is a vapor pressure curve, the boundary between gas and solid is a sublimation curve, and the boundary between liquid and solid is a melting curve.

物質に固有な臨界点以上では気液の界面が消滅し、液化現象は見られなくなり、高密度のガス状態として存在するようになる。このような状態に存在する物質を超臨界流体という。   Above the critical point inherent to the substance, the gas-liquid interface disappears, the liquefaction phenomenon disappears, and it exists as a high-density gas state. A substance that exists in such a state is called a supercritical fluid.

二酸化炭素は、温度31.0℃以上、圧力7.38×106Pa(72.9気圧)以上で、また水は、温度374.2℃以上、圧力2.21×107Pa(218.3気圧)以上で超臨界流体となる。 Carbon dioxide has a temperature of 31.0 ° C. or higher and a pressure of 7.38 × 10 6 Pa (72.9 atm) or higher, and water has a temperature of 374.2 ° C. or higher and a pressure of 2.21 × 10 7 Pa (218. It becomes a supercritical fluid at 3 atm or higher.

超臨界流体は、気体に近い粘性と液体に近い溶解力を有するため、上記溶液法による圧電体の前駆体からの有機成分の除去に非常に有効である。またこの前駆体の形態は、成型体であっても粉末や微粒子であってもかまわない。   A supercritical fluid has a viscosity close to that of a gas and a dissolving power close to that of a liquid. Therefore, the supercritical fluid is very effective for removing organic components from a precursor of a piezoelectric body by the solution method. The form of the precursor may be a molded body, powder or fine particles.

超臨界流体による有機成分の除去が終了後、更に500℃以上800℃以下の範囲で本焼成を行うことにより圧電体が得られる。
次に、本発明のインクジェット式記録ヘッドについて説明する。
After the removal of the organic component by the supercritical fluid is completed, the main body is further fired in the range of 500 ° C. or higher and 800 ° C. or lower to obtain a piezoelectric body.
Next, the ink jet recording head of the present invention will be described.

本発明のインクジェット式記録ヘッドは、上記の方法により製造された圧電体を用いた圧電体素子の変位により、振動板を振動させてインクを吐出するインク吐出手段を備えていることを特徴とする。   An ink jet recording head according to the present invention is characterized in that it includes an ink ejecting means for ejecting ink by vibrating a vibration plate by displacement of a piezoelectric element using a piezoelectric body manufactured by the above method. .

図2は、本発明のインクジェット式記録ヘッドの一実施形態を示す概略図である。図2においては、圧電体がアクチュエータに用いられたインクジェット式プリンターヘッドの一部を拡大して示す。インク吐出手段の基本構成は、ヘッド基台16と振動板14および圧電体を用いた圧電体素子17とから構成されている。圧電体素子17は、上部電極11、圧電体12、下部電極13よりなる。ヘッド基台16には、インクを吐出する複数のインクノズル15、それぞれのインクノズル15に個別に連通する多数のインク経路(図示せず)、および、それぞれのインク経路に個別に連通する多数のインク室(図示せず)が形成されている。ヘッド基台16の上面全体を覆うように振動板14が取り付けられ、この振動板14によってヘッド基台16の全てのインク室の上面開口が閉塞されている。振動板14上には、それぞれのインク室と個別に対応した位置に、振動板14に振動駆動力を与えるための圧電体素子17が被着形成されている。そして、電源18より所望の選択された圧電体素子17に電圧を印加することにより、圧電体素子17を変位させて、その部分の振動板14を振動させる。これにより、振動板14の振動に対応した部分のインク室の容積が変化して、インク経路を通ってインクノズル15からインクが押し出されて印刷が行われることになる。   FIG. 2 is a schematic view showing an embodiment of the ink jet recording head of the present invention. In FIG. 2, a part of an ink jet printer head in which a piezoelectric body is used as an actuator is shown enlarged. The basic configuration of the ink discharge means is composed of a head base 16, a diaphragm 14, and a piezoelectric element 17 using a piezoelectric body. The piezoelectric element 17 includes an upper electrode 11, a piezoelectric body 12, and a lower electrode 13. The head base 16 includes a plurality of ink nozzles 15 that eject ink, a large number of ink paths (not shown) that individually communicate with the respective ink nozzles 15, and a large number that individually communicate with the respective ink paths. An ink chamber (not shown) is formed. A vibration plate 14 is attached so as to cover the entire upper surface of the head base 16, and the upper surface openings of all ink chambers of the head base 16 are closed by the vibration plate 14. A piezoelectric element 17 for applying a vibration driving force to the vibration plate 14 is formed on the vibration plate 14 at a position corresponding to each ink chamber. Then, a voltage is applied from the power source 18 to the desired piezoelectric element 17 so as to displace the piezoelectric element 17 and vibrate the diaphragm 14 at that portion. As a result, the volume of the ink chamber corresponding to the vibration of the vibration plate 14 changes, and ink is pushed out from the ink nozzles 15 through the ink path to perform printing.

圧電体の製造方法について、Pb(鉛)、La(ランタン)、Zr(ジルコニア)、Ti(チタン)を用いた例で説明したが、この他の金属種の組み合わせにおいても本発明を適用した圧電体の製造は可能である。例えば、Bi(ビスマス)−Na(ナトリウム)−Tiの酸化物系、Ba(バリウム)−Ti(チタン)の酸化物系、K(カリウム)−Na(ナトリウム)−Nb(ニオブ)の酸化物系、Ca(カルシウム)−Bi(ビスマス)−Ti(チタン)の酸化物系でも同様に膜状、塊(バルク)状などの形状を問わず、圧電体を本発明の製造方法を用いて製造することが可能である。   The method for manufacturing the piezoelectric material has been described with an example using Pb (lead), La (lanthanum), Zr (zirconia), and Ti (titanium). However, the piezoelectric material to which the present invention is applied is also applied to combinations of other metal species. The body can be manufactured. For example, Bi (bismuth) -Na (sodium) -Ti oxide system, Ba (barium) -Ti (titanium) oxide system, K (potassium) -Na (sodium) -Nb (niobium) oxide system In the same way, oxides of Ca (calcium) -Bi (bismuth) -Ti (titanium) are also manufactured using the manufacturing method of the present invention regardless of the shape of film, lump (bulk) or the like. It is possible.

以下、本発明をより具体的な実施例を挙げて説明する。
実施例1
ジルコニアテトラn−ブトキシド0.52mol、チタンn―ブトキシド0.48mol、1−メトキシ−2−プロパノール10.0molを混合し、その後、酢酸鉛水和物1.20molおよび酢酸ランタン水和物0.01molを混合し更に加熱し、原料金属化合物を互いに複合化させた。次に、水3mol、酢酸1.0mol、エタノール4.0molを添加し、加水分解反応を行った。その際、オクチル酸1.0molを加えた。その後、沸点100℃以下の溶媒をロータリーエバポレーターで完全に取り除き、1−メトキシ−2−プロパノールを添加して金属酸化物濃度が20wt%になるように調製した。
Hereinafter, the present invention will be described with reference to more specific examples.
Example 1
Zirconia tetra n-butoxide 0.52 mol, titanium n-butoxide 0.48 mol, 1-methoxy-2-propanol 10.0 mol were mixed, and then lead acetate hydrate 1.20 mol and lanthanum acetate hydrate 0.01 mol Were mixed and further heated to compound the raw metal compounds with each other. Next, 3 mol of water, 1.0 mol of acetic acid, and 4.0 mol of ethanol were added to perform a hydrolysis reaction. At that time, 1.0 mol of octylic acid was added. Thereafter, the solvent having a boiling point of 100 ° C. or lower was completely removed by a rotary evaporator, and 1-methoxy-2-propanol was added to prepare a metal oxide concentration of 20 wt%.

この溶液をシャーレに移し25℃の室温下4日間放置し乾燥させた。さらに、100℃のホットプレート上で乾燥し、得られた固形分を粉砕し粒子とした。
この粒子を温度35℃、圧力8.10Pa(80気圧)の二酸化炭素の超臨界流体で5分処理する。
This solution was transferred to a petri dish and left to dry at room temperature of 25 ° C. for 4 days. Furthermore, it dried on a 100 degreeC hotplate, and obtained solid content was grind | pulverized and it was set as particle | grains.
The particles are treated with a supercritical fluid of carbon dioxide at a temperature of 35 ° C. and a pressure of 8.10 Pa (80 atm) for 5 minutes.

超臨界流体で処理した粒子をプレス器で成型し、700℃の電気炉で2時間焼成し本発明の圧電体を得る。   The particles treated with the supercritical fluid are molded with a press and fired in an electric furnace at 700 ° C. for 2 hours to obtain the piezoelectric body of the present invention.

実施例2
実施例1において、超臨界処理した粒子をプレス器で成型することなしに700℃の電気炉で2時間焼成し本発明の圧電体の粒子を得る。
Example 2
In Example 1, the supercritically treated particles are fired in an electric furnace at 700 ° C. for 2 hours without being molded by a press machine to obtain the piezoelectric particles of the present invention.

実施例3
実施例1において、溶液を深さ10mm、幅10mm、長さ20mmの石英ガラスに入れて乾燥させた。
Example 3
In Example 1, the solution was put into quartz glass having a depth of 10 mm, a width of 10 mm, and a length of 20 mm and dried.

乾燥後、固形分(厚み2.5mm、幅10mm、長さ20mm)を石英ガラスから取り出し、温度35℃、圧力8.10Pa(80気圧)の二酸化炭素の超臨界流体で15分処理する。   After drying, the solid content (thickness 2.5 mm, width 10 mm, length 20 mm) is taken out of the quartz glass and treated with a supercritical fluid of carbon dioxide at a temperature of 35 ° C. and a pressure of 8.10 Pa (80 atm) for 15 minutes.

さらに700℃の電気炉で2時間焼成することにより本発明の圧電体を得る。
X線回折パターンの測定より、ペロブスカイト型の結晶が成長していることがわかり、チタンジルコン酸鉛の圧電体を製造することができた。またこの試験片を切断し、中心部に近いところのX線回折パターンを同様に測定したが、表面部の回折パターンと差異は無かった。
Further, the piezoelectric body of the present invention is obtained by firing in an electric furnace at 700 ° C. for 2 hours.
From the measurement of the X-ray diffraction pattern, it was found that perovskite crystals were growing, and a lead titanate zirconate piezoelectric body could be manufactured. The test piece was cut and the X-ray diffraction pattern near the center was measured in the same manner, but there was no difference from the diffraction pattern on the surface.

実施例4
K/Na/Nb=0.55/0.55/1の金属組成に相当するカリウムエトキシドとナトリウムエトキシドとペンタエトキシニオブをエタノールと2−メトキシエタノールの等重量混合溶媒中で混合した。KとNaは、所望する圧電体組成の10%過剰とした。この溶液を125℃で6時間還流してKNN溶液を得た。
Example 4
Potassium ethoxide, sodium ethoxide and pentaethoxyniobium corresponding to a metal composition of K / Na / Nb = 0.55 / 0.55 / 1 were mixed in an equal weight mixed solvent of ethanol and 2-methoxyethanol. K and Na were 10% excess of the desired piezoelectric composition. This solution was refluxed at 125 ° C. for 6 hours to obtain a KNN solution.

この溶液を深さ10mm、幅10mm、長さ20mmの石英ガラスに入れて乾燥させた。
乾燥後、固形分(厚み1.8mm、幅10mm、長さ20mm)を石英ガラスから取り出し、温度400℃、圧力2.33×107Pa(230気圧)の水の超臨界流体で5分処理する。
さらに700℃の電気炉で2時間焼成することにより本発明の圧電体を得る。
This solution was dried in quartz glass having a depth of 10 mm, a width of 10 mm, and a length of 20 mm.
After drying, the solid content (thickness 1.8 mm, width 10 mm, length 20 mm) is taken out of the quartz glass and treated with a supercritical fluid of water at a temperature of 400 ° C. and a pressure of 2.33 × 10 7 Pa (230 atm) for 5 minutes. To do.
Further, the piezoelectric body of the present invention is obtained by firing in an electric furnace at 700 ° C. for 2 hours.

実施例5
インクジェット式記録ヘッドの実施例を示す。
Example 5
An embodiment of an ink jet recording head will be described.

図3は本発明のインクジェット式記録ヘッドの製造方法の一例を示す工程図である。図3(a)に示すような裏面の一部が直径5mmの円形にくり抜かれた(表面側は厚み30μm残す)3cm角、厚み5mmのジルコニア基板1の表面に下部電極2として白金をスパッタにより成膜した。次に、上記実施例3で得られた圧電体3を直径5mmに切断し、くり抜かれた部分の表面に位置が合うように導電性接着剤で接着し、さらに上部電極4を設けて圧電体素子を得た(図3(b))。   FIG. 3 is a process diagram showing an example of a method for producing an ink jet recording head of the present invention. As shown in FIG. 3A, a part of the back surface is hollowed out into a circle having a diameter of 5 mm (the surface side remains 30 μm in thickness). A film was formed. Next, the piezoelectric body 3 obtained in Example 3 is cut into a diameter of 5 mm, and bonded with a conductive adhesive so that the surface of the cut-out portion is aligned, and an upper electrode 4 is provided to provide a piezoelectric body. An element was obtained (FIG. 3B).

この圧電体素子に、図3(c)に示すようなノズル5(オリフィスの直径100μm)を取り付け、さらにインクを導入するための導入管6を設けインクジェット式記録ヘッドを得た。   A nozzle 5 (orifice diameter 100 μm) as shown in FIG. 3C was attached to this piezoelectric element, and an introduction tube 6 for introducing ink was further provided to obtain an ink jet recording head.

インクジェット式記録ヘッドの評価
上記で作製したインクジェット式記録ヘッドに導入管よりインクジェット用インクを導入しインク室を満たした。次に上部電極と下部電極間に1から20kHz、150Vの交流電圧を印加しインクの吐出の様子を顕微鏡で観察した。その結果インク滴が均一性よく吐出することができた。
Evaluation of Inkjet Recording Head Inkjet ink was introduced from the introduction tube into the inkjet recording head produced above to fill the ink chamber. Next, an AC voltage of 1 to 20 kHz and 150 V was applied between the upper electrode and the lower electrode, and the state of ink ejection was observed with a microscope. As a result, ink droplets could be discharged with good uniformity.

また、上記の圧電体素子は、インクジェット式記録ヘッドの圧電体素子だけでなく、超音波モーター、燃料インジェクターなどの装置に用いることが可能である。   In addition, the above-described piezoelectric element can be used not only in the piezoelectric element of the ink jet recording head but also in devices such as an ultrasonic motor and a fuel injector.

比較例1
実施例3において、超臨界処理を行わない他は同様にして圧電体を作製する。
X線回折パターンの測定より、ペロブスカイトだけではなくてパイロクロア型の結晶も成長していることがわかり、圧電体として用いるには十分な性能を有していないことがわかった。特に中心部においてパイロクロアの成長が顕著であった。
Comparative Example 1
In Example 3, a piezoelectric material is manufactured in the same manner except that supercritical processing is not performed.
From the measurement of the X-ray diffraction pattern, it was found that not only the perovskite but also a pyrochlore type crystal was grown, and it did not have sufficient performance for use as a piezoelectric body. In particular, the growth of pyrochlore was remarkable in the center.

この後800℃で2時間焼成することによってパイロクロア型結晶は消失しペロブスカイトになった。   Thereafter, the pyrochlore type crystals disappeared and became perovskite by baking at 800 ° C. for 2 hours.

本発明によれば、圧電体を形成する金属成分および有機成分を含む前駆体において、結晶化の前までに有機成分を効率よく取り除き、焼成温度の低温化を図ると共に均一性の高い金属酸化物、圧電体を提供することが可能となる。   According to the present invention, in a precursor containing a metal component and an organic component that form a piezoelectric body, the organic component is efficiently removed before crystallization, the firing temperature is lowered, and a highly uniform metal oxide is obtained. It becomes possible to provide a piezoelectric body.

またこのような均一性の高い圧電体を用いたインクジェット式記録ヘッドに利用することができる。   Further, it can be used for an ink jet recording head using such a highly uniform piezoelectric body.

物質の状態を温度と圧力の関係で示す相図である。It is a phase diagram which shows the state of a substance by the relationship between temperature and pressure. 本発明のインクジェット式記録ヘッドの一実施形態を示す概略図である。1 is a schematic view showing an embodiment of an ink jet recording head of the present invention. 本発明のインクジェット式記録ヘッドの製造方法の一例を示す工程図である。It is process drawing which shows an example of the manufacturing method of the inkjet recording head of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 基板
2 下部電極
3 圧電体
4 上部電極
5 ノズル
6 インク導入管
11 上部電極
12 圧電体
13 下部電極
14 振動板
15 ノズル
16 ヘッド基台
17 圧電体素子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 2 Lower electrode 3 Piezoelectric body 4 Upper electrode 5 Nozzle 6 Ink introduction tube 11 Upper electrode 12 Piezoelectric body 13 Lower electrode 14 Vibration plate 15 Nozzle 16 Head base 17 Piezoelectric element

Claims (4)

金属酸化物による圧電体を形成する金属成分および有機成分を含む溶液を乾燥し固形化する工程およびその固形分を結晶化温度以上で加熱する工程により得られる金属酸化物の製造方法において、結晶化温度以上に加熱する工程の前に、超臨界流体に接触させて、有機成分を除去する工程を有することを特徴とする圧電体の製造方法。   In a method for producing a metal oxide obtained by drying and solidifying a solution containing a metal component and an organic component that form a piezoelectric body by metal oxide and heating the solid content at a temperature higher than the crystallization temperature, crystallization is performed. A method for manufacturing a piezoelectric body comprising a step of removing an organic component by contacting with a supercritical fluid before the step of heating to a temperature or higher. 前記超臨界流体が、超臨界状態にある水または二酸化炭素であることを特徴とする請求項1に記載の圧電体の製造方法。   The method for manufacturing a piezoelectric body according to claim 1, wherein the supercritical fluid is water or carbon dioxide in a supercritical state. 前記圧電体を形成する金属成分が少なくとも、鉛、ジルコニア、チタン、ビスマス、アルカリ金属、アルカリ土類金属から選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする請求項1または2に記載の圧電体の製造方法。   3. The piezoelectric body according to claim 1, wherein the metal component forming the piezoelectric body is at least one selected from lead, zirconia, titanium, bismuth, alkali metal, and alkaline earth metal. 4. Production method. 請求項1乃至3のいずれかに記載の方法により製造された圧電体を用いた圧電体素子の変位により、振動板を振動させてインクを吐出するインク吐出手段を備えていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。   An ink discharge means for discharging ink by vibrating a vibration plate by displacement of a piezoelectric element using a piezoelectric body manufactured by the method according to claim 1 is provided. Inkjet recording head.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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