JP2010077011A - Method for producing ceramic powder, method for producing ceramic film, method for producing piezoelectric element, and method for manufacturing liquid droplet spraying device - Google Patents

Method for producing ceramic powder, method for producing ceramic film, method for producing piezoelectric element, and method for manufacturing liquid droplet spraying device Download PDF

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健 木島
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a production method of ceramic powder at lower temperature as compared with the traditional solid phase method; and a method for producing a ceramic film by using such production method. <P>SOLUTION: The production method of ceramic powder comprises a step of preparing a raw material solution containing a metal compound, and a step of forming powder by spray-drying the raw material solution, where the metal compound includes at least one of a hydrolyzable metal compound and a pyrolyzable organometallic compound. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、セラミックス粉体の製造方法、セラミックスの製造方法、圧電素子の製造方法および液滴噴射装置の製造方法に関する。   The present invention relates to a ceramic powder manufacturing method, a ceramic manufacturing method, a piezoelectric element manufacturing method, and a droplet jetting device manufacturing method.

チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)をはじめとする複合金属酸化物は、強誘電体メモリ、圧電素子、赤外センサ、SAWデバイスなどの各種用途に用いられ、その研究開発が盛んに行われている。   Composite metal oxides such as lead zirconate titanate (PZT) are used in various applications such as ferroelectric memories, piezoelectric elements, infrared sensors, and SAW devices, and their research and development are actively conducted. .

複合金属酸化物を形成する方法の代表的なものとして、ゾルゲル法などの化学溶液法(CSD:Chemical Solution Deposition Method)に代表される液相法ならびに固相法が
ある。
As a typical method for forming a composite metal oxide, there are a liquid phase method represented by a chemical solution method (CSD) such as a sol-gel method and a solid phase method.

ゾルゲル法では、金属アルコキシド等の化合物を加水分解および重縮合(これを「加水分解・縮合」ともいう)することによって高分子化した前駆体の溶液を用いる。かかるゾルゲル法では、金属アルコキシド溶液の組成を制御することにより、得られる複合金属酸化物の組成制御性が良いという利点を有する。   In the sol-gel method, a precursor solution obtained by polymerizing a compound such as a metal alkoxide by hydrolysis and polycondensation (also referred to as “hydrolysis / condensation”) is used. Such a sol-gel method has an advantage that the composition controllability of the resulting composite metal oxide is good by controlling the composition of the metal alkoxide solution.

一方、固相法は、複合金属酸化物の金属元素の酸化物原料を粉体にし、化学量論組成を考慮してこれらの酸化物原料を混合した後、これを高温で焼結して得られる。   On the other hand, the solid-phase method is obtained by making a metal element oxide raw material of a composite metal oxide into powder, mixing these oxide raw materials in consideration of the stoichiometric composition, and then sintering this at a high temperature. It is done.

本発明にかかる態様の1つは、従来の固相法に比べて低温でセラミックス粉体を得ることができる製造方法、およびかかる製造方法を用いたセラミックス膜の製造方法を提供することにある。   One of the aspects according to the present invention is to provide a production method capable of obtaining ceramic powder at a lower temperature than a conventional solid phase method, and a production method of a ceramic film using the production method.

本発明にかかる態様の1つは、本発明にかかるセラミックス粉体の製造方法を用いた圧電素子の製造方法ならびに液滴噴射装置の製造方法を提供することにある。   One aspect of the present invention is to provide a method of manufacturing a piezoelectric element and a method of manufacturing a droplet ejecting apparatus using the method for manufacturing a ceramic powder according to the present invention.

本発明の態様の1つにかかるセラミックス粉体の製造方法は、
金属化合物を含む溶液を準備する工程と、
前記溶液から粉体を形成する工程と、を含み、
前記金属化合物は、加水分解性金属化合物および熱分解性有機金属化合物の少なくとも1種を含む。
A method for producing a ceramic powder according to one aspect of the present invention includes:
Preparing a solution containing a metal compound;
Forming a powder from the solution,
The metal compound includes at least one of a hydrolyzable metal compound and a thermally decomposable organometallic compound.

かかるセラミックス粉体の製造方法によれば、組成制御性に優れたセラミックス粉体を従来の固相法に比べて低温でかつ簡易な方法によって得ることができる。   According to such a method for producing a ceramic powder, a ceramic powder excellent in composition controllability can be obtained by a simple method at a lower temperature than the conventional solid phase method.

前記金属化合物は、Pbを含む第1金属化合物と、Zrを含む第2金属化合物と、Tiを含む第3金属化合物と、Nbを含む第4金属化合物と、を含むことができる。   The metal compound may include a first metal compound containing Pb, a second metal compound containing Zr, a third metal compound containing Ti, and a fourth metal compound containing Nb.

前記第1金属化合物は、酢酸鉛またはオクチル酸鉛であり、
前記第2金属化合物は、Tiのアルコキシド、Tiの酢酸塩またはTiのオクチル酸塩であり、
前記第3金属化合物は、オクチル酸ニオブまたはオクチル酸鉛ニオブであることができる。
The first metal compound is lead acetate or lead octylate,
The second metal compound is Ti alkoxide, Ti acetate or Ti octylate,
The third metal compound may be niobium octylate or lead niobium octylate.

前記粉体を形成する工程は、スプレードライ法またはフリーズドライ法を用いて行われることができる。   The step of forming the powder can be performed using a spray drying method or a freeze drying method.

さらに、前記溶液は、シリコンを含むことができる。   Further, the solution can include silicon.

本発明の態様の1つにかかるセラミックス膜の製造方法は、
上記セラミックス粉体の製造方法により製造されたセラミックス粉体からスラリーを形成する工程と、
前記スラリーを用いて膜を形成する工程と、
前記膜を焼成する工程と、を含む。
A method for producing a ceramic film according to one aspect of the present invention includes:
Forming a slurry from the ceramic powder produced by the ceramic powder production method;
Forming a film using the slurry;
Firing the film.

本発明の態様の1つにかかる圧電素子の製造方法は、上記セラミックス膜の製造方法を用いる。   A method for manufacturing a piezoelectric element according to one aspect of the present invention uses the above-described method for manufacturing a ceramic film.

本発明の態様の1つにかかる液滴噴射装置の製造方法は、上記圧電素子の製造方法を用いる。   A method for manufacturing a droplet ejecting apparatus according to one aspect of the present invention uses the method for manufacturing a piezoelectric element described above.

本発明の態様の1つにかかるセラミックス膜の製造方法は、
金属化合物を含む溶液を準備する工程と、
前記溶液から、スプレードライ法またはフリーズドライ法を用いて、第1粉体を形成する工程と、
前記第1粉体を撹拌しながら加熱することにより、第2粉体を形成する工程と、
前記第2粉体を粉砕することにより、第3粉体を形成する工程と、
前記第3粉体を成形し焼成することにより、または前記第3粉体からスラリーを形成し成膜し焼成することにより、第1セラミックス体を形成する工程と、
前記第1セラミックス体を粉砕することにより、第4粉体を形成する工程と、
前記第4粉体を成形および焼成する、または前記第4粉体からスラリーを形成し成膜し焼成する工程と、を含む。
A method for producing a ceramic film according to one aspect of the present invention includes:
Preparing a solution containing a metal compound;
Forming a first powder from the solution using a spray drying method or a freeze drying method;
Heating the first powder while stirring to form a second powder;
Pulverizing the second powder to form a third powder;
Forming the first ceramic body by forming and firing the third powder, or forming a slurry from the third powder, and forming and firing;
Crushing the first ceramic body to form a fourth powder;
Forming and firing the fourth powder, or forming a slurry from the fourth powder, forming a film, and firing.

本発明の態様の1つにかかる圧電素子の製造方法は、上記セラミックス膜の製造方法を用いる。   A method for manufacturing a piezoelectric element according to one aspect of the present invention uses the above-described method for manufacturing a ceramic film.

本発明の態様の1つにかかる液滴噴射装置の製造方法は、上記圧電素子の製造方法を用いる。   A method for manufacturing a droplet ejecting apparatus according to one aspect of the present invention uses the method for manufacturing a piezoelectric element described above.

実施形態にかかるセラミックス粉体の製造方法を示すフローチャート図。The flowchart figure which shows the manufacturing method of the ceramic powder concerning embodiment. 実施形態にかかる圧電素子の製造方法を模式的に示す斜視図。The perspective view which shows typically the manufacturing method of the piezoelectric element concerning embodiment. 実施形態にかかる圧電素子の断面を模式的に示す図。The figure which shows typically the cross section of the piezoelectric element concerning embodiment. 実施形態にかかる液滴噴射装置を模式的に示す斜視図。1 is a perspective view schematically showing a droplet ejecting apparatus according to an embodiment. 実施例のPZTN粉体を用いた熱重量分析の結果を示す図。The figure which shows the result of the thermogravimetric analysis using the PZTN powder of an Example. 実施例のPZTN粉体を用いたXRDの結果を示す図。The figure which shows the result of XRD using the PZTN powder of an Example. 実施例の原料液およびPZTN粉体の組成を示す図。The figure which shows the composition of the raw material liquid of an Example, and PZTN powder. 比較例2の粉体を用いたXRDの結果を示す図。The figure which shows the result of XRD using the powder of the comparative example 2.

以下、本発明の実施形態の一例について詳細に説明する。   Hereinafter, an example of an embodiment of the present invention will be described in detail.

1.セラミックス粉体の製造方法
本実施形態にかかるセラミックス粉体の製造方法は、金属化合物を含む原料液を準備する工程と、前記原料液を噴霧・乾燥して粉体を形成する工程と、を含む。以下、図1を参照しながらセラミックス粉体の製造方法について説明する。図1は、本実施形態に係るセラミックス粉体の製造方法を示すフローチャートである。以下の記載において、セラミックスを「複合金属酸化物」ともいう。
1. Manufacturing method of ceramic powder The manufacturing method of the ceramic powder concerning this embodiment includes the process of preparing the raw material liquid containing a metal compound, and the process of spraying and drying the said raw material liquid and forming powder. . Hereinafter, a method for producing ceramic powder will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a flowchart showing a method for producing a ceramic powder according to the present embodiment. In the following description, ceramics is also referred to as “complex metal oxide”.

1.1.原料液を準備する工程
まず、原料液を調製して準備する(ステップS1)。本実施形態で用いられる原料液は、金属化合物を含む。金属化合物は得ようとするセラミックスに応じて選択される。当該セラミックスとしては、圧電体、強誘電体などの特性を有することができる。かかるセラミックスとしては、ペロブスカイト型酸化物、ビスマス層状構造型酸化物、タングステンブロンズ構造型酸化物などを挙げることができる。また、圧電体、強誘電体などの特性を有するセラミックスとしては、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、チタン酸バリウム、ニオブ酸カリウム(KN)、BiFeO、{Bi(Na、K)}TiO、{Bi(Na、K)}Ti、NbO、あるいはこれらの酸化物を構成する金属の一部が他の金属によって置換された酸化物を挙げることができる。酸化物を構成する金属の一部が他の金属によって置換された酸化物としては、チタン酸ジルコン酸鉛のBサイトの一部がニオブによって置換されたもの(以下、「PZTN」ともいう)などを挙げることができる。
1.1. Step of preparing raw material solution First, a raw material solution is prepared and prepared (step S1). The raw material liquid used in the present embodiment includes a metal compound. The metal compound is selected according to the ceramic to be obtained. The ceramic can have characteristics such as a piezoelectric material and a ferroelectric material. Examples of such ceramics include perovskite oxides, bismuth layered structure oxides, tungsten bronze structure oxides, and the like. Also, ceramics having characteristics such as piezoelectric and ferroelectric materials include lead zirconate titanate (PZT), barium titanate, potassium niobate (KN), BiFeO 3 , {Bi (Na, K)} TiO 3. , {Bi (Na, K)} Ti, NbO 3 , or an oxide in which a part of the metal constituting these oxides is substituted with another metal. Examples of the oxide in which a part of the metal constituting the oxide is substituted with another metal include those in which a part of the B site of lead zirconate titanate is substituted with niobium (hereinafter also referred to as “PZTN”). Can be mentioned.

本実施形態に係るセラミックス粉体の製造方法は、固相法によって良好な特性が得られにくいセラミックス、例えばPZTN、すなわち、Pb(Zr,Ti)1−xNb(0.1≦x≦0.3)で示されるセラミックスに好適に適用される。 The method for producing a ceramic powder according to the present embodiment is a ceramic in which good characteristics are difficult to obtain by a solid phase method, such as PZTN, that is, Pb (Zr, Ti) 1-x Nb x (0.1 ≦ x ≦ 0). .3) is suitably applied to the ceramics shown.

本実施形態において、金属化合物は、いわゆるゾルゲル原料といわれる、金属アルコキシドのような加水分解性金属化合物を含むことができる。金属化合物としては、さらに、有機金属錯体および有機酸塩などの熱分解性有機金属化合物を含むことができる。   In the present embodiment, the metal compound can include a hydrolyzable metal compound such as a metal alkoxide, which is referred to as a so-called sol-gel raw material. The metal compound can further include a thermally decomposable organometallic compound such as an organometallic complex and an organic acid salt.

以下に、圧電体素子に好適に用いられるセラミックスの一例として、式AB1−x(ここで、例えば0.1≦x≦0.3)で示され、A元素は少なくともPbからなり、B元素はZrおよびTiからなり、C元素は、NbまたはTaからなる複合金属酸化物の原料液について述べる。かかる複合金属酸化物の原料液は、特願2005-344700号の明細書に詳細に記載されている。また、当該出願の明細書には、前記原料液を塗布した後に熱処理(乾燥、脱脂、焼成)することで得られる、前記式で表されるセラミックス膜が非常に良好な特性を有することが記載されている。 Hereinafter, as an example of ceramics suitably used for the piezoelectric element, it is represented by the formula AB 1-x C x O 3 (where, for example, 0.1 ≦ x ≦ 0.3), and the A element is at least from Pb. A mixed metal oxide raw material solution in which the B element is composed of Zr and Ti and the C element is composed of Nb or Ta will be described. The raw material liquid of such a composite metal oxide is described in detail in the specification of Japanese Patent Application No. 2005-344700. Further, the specification of the application describes that the ceramic film represented by the above formula obtained by applying heat treatment (drying, degreasing, firing) after applying the raw material solution has very good characteristics. Has been.

前記原料液は、(a)前記A元素、前記B元素または前記C元素を含む熱分解性有機金属化合物、(b)前記A元素、前記B元素または前記C元素を含む加水分解性有機金属化合物、および(c)前記(b)の部分加水分解物および/または重縮合物、から選択される少なくとも1種と、ポリカルボン酸およびポリカルボン酸エステルの少なくとも1種、(好ましくはポリカルボン酸エステル)と、有機溶媒と、を含む。   The raw material liquid is (a) a thermally decomposable organometallic compound containing the A element, the B element or the C element, and (b) a hydrolyzable organometallic compound containing the A element, the B element or the C element. And (c) at least one selected from the partial hydrolyzate and / or polycondensate of (b), and at least one of polycarboxylic acid and polycarboxylic acid ester (preferably polycarboxylic acid ester) ) And an organic solvent.

原料液は、通常のゾルゲル原料に比べて濃度が高いことが好ましい。原料液における金属化合物の濃度は、モル濃度で、0.5モル/リットル以上、2モル/リットル以下であることが好ましい。その理由については、後述する。   The concentration of the raw material liquid is preferably higher than that of a normal sol-gel raw material. The concentration of the metal compound in the raw material liquid is preferably from 0.5 mol / liter to 2 mol / liter in terms of molar concentration. The reason will be described later.

原料液は、複合金属酸化物となる材料の構成金属をそれぞれ含んでなる金属化合物、あるいはその部分加水分解物および/または重縮合物を各金属が所望のモル比となるように混合され、さらにアルコールなどの有機溶媒を用いてこれらを溶解、または分散させることにより作製することができる。金属化合物は、溶液状態で安定なものを用いることが好ましい。   The raw material liquid is prepared by mixing a metal compound each containing a constituent metal of a material to be a composite metal oxide, or a partial hydrolyzate and / or polycondensate thereof so that each metal has a desired molar ratio, These can be prepared by dissolving or dispersing them using an organic solvent such as alcohol. It is preferable to use a metal compound that is stable in a solution state.

本実施形態において、使用可能な金属化合物としては、加水分解または酸化されることにより、その金属有機化合物に由来する金属酸化物を生成し得るものであり、各金属のアルコキシド、有機金属錯体、および有機酸塩などから選ばれる。   In the present embodiment, usable metal compounds are those that can be hydrolyzed or oxidized to form metal oxides derived from the metal organic compounds, and each metal alkoxide, organometallic complex, and Selected from organic acid salts.

複合金属酸化物の構成金属をそれぞれ含む熱分解性金属化合物としては、例えば、金属アルコキシド、有機酸塩、βジケトン錯体などの金属化合物を用いることができる。複合金属酸化物の構成金属をそれぞれ含む加水分解性金属化合物としては、金属アルコキシドなどの金属化合物を用いることができる。金属化合物の例として以下のものが挙げられる。   As the thermally decomposable metal compound containing each of the constituent metals of the composite metal oxide, for example, a metal compound such as a metal alkoxide, an organic acid salt, or a β-diketone complex can be used. A metal compound such as a metal alkoxide can be used as the hydrolyzable metal compound containing each of the constituent metals of the composite metal oxide. The following are mentioned as an example of a metal compound.

B元素である、ZrおよびTiを含む金属化合物としては、これらのアルコキシド(チタニウムテトラ−N−ブトキシド、ジルコニウムテトラ−N−ブトキシド等)、酢酸塩、オクチル酸塩などを例示できる。   Examples of the metal compound containing Zr and Ti which are B elements include these alkoxides (titanium tetra-N-butoxide, zirconium tetra-N-butoxide, etc.), acetates, octylates and the like.

A元素であるPbを含む金属化合物としては、酢酸鉛、オクチル酸鉛を例示できる。   Examples of the metal compound containing Pb which is an A element include lead acetate and lead octylate.

C元素であるNbを含む金属化合物としては、オクチル酸ニオブ、オクチル酸鉛ニオブ、を例示できる。オクチル酸ニオブは、Nbが2原子共有結合して、その他の部分にオクチル基が存在する構造である。C元素であるTaを含む金属化合物としてはオクチル酸タンタルを例示することができる。   Examples of the metal compound containing Nb which is C element include niobium octylate and lead niobium octylate. Niobium octylate has a structure in which Nb is covalently bonded to two atoms and an octyl group is present in the other part. An example of the metal compound containing Ta which is C element is tantalum octylate.

本実施形態の原料液において、有機溶媒としては、アルコールを用いることができる。溶媒としてアルコールを用いると、金属化合物とポリカルボン酸またはポリカルボン酸エステルの両者を良好に溶解することができる。アルコールとしては、特に限定されないが、スプレードライ法を用いた場合に乾燥性をよくするために、140℃以下の沸点を有するものを用いることが好ましい。   In the raw material liquid of the present embodiment, alcohol can be used as the organic solvent. When alcohol is used as the solvent, both the metal compound and the polycarboxylic acid or polycarboxylic acid ester can be dissolved well. Although it does not specifically limit as alcohol, In order to improve drying property, when using a spray-drying method, it is preferable to use what has a boiling point of 140 degrees C or less.

かかるアルコールとしては、例えば、ブタノール、メタノール、エタノール、プロパノールなどの1価のアルコールを例示できる。アルコールの具体例としては、例えば以下のものをあげることができる。   Examples of such alcohols include monohydric alcohols such as butanol, methanol, ethanol, and propanol. Specific examples of the alcohol include the following.

1価のアルコール類;
プロパノール(プロピルアルコール)として、1−プロパノール(沸点97.4℃)、2−プロパノール(沸点82.7℃)、
ブタノール(ブチルアルコール)として、1−ブタノール(沸点117℃)、2−ブタノール(沸点100℃)、2−メチル−1−プロパノール(沸点108℃)、2−メチル−2−プロパノール(融点25.4℃,沸点83℃)、
ペンタノール(アミルアルコール)として、1−ペンタノール(沸点137℃)、3−メチル−1−ブタノール(沸点131℃)、2−メチル−1−ブタノール(沸点128℃)、2,2ジメチル−1−プロパノール(沸点113℃)、2−ペンタノール(沸点119℃)、3−メチル−2−ブタノール(沸点112.5℃)、3−ペンタノール(沸点117℃)、2−メチル−2−ブタノール(沸点102℃)。
Monohydric alcohols;
As propanol (propyl alcohol), 1-propanol (boiling point 97.4 ° C), 2-propanol (boiling point 82.7 ° C),
As butanol (butyl alcohol), 1-butanol (boiling point 117 ° C.), 2-butanol (boiling point 100 ° C.), 2-methyl-1-propanol (boiling point 108 ° C.), 2-methyl-2-propanol (melting point 25.4) ℃, boiling point 83 ℃),
As pentanol (amyl alcohol), 1-pentanol (boiling point 137 ° C.), 3-methyl-1-butanol (boiling point 131 ° C.), 2-methyl-1-butanol (boiling point 128 ° C.), 2,2 dimethyl-1 -Propanol (boiling point 113 ° C), 2-pentanol (boiling point 119 ° C), 3-methyl-2-butanol (boiling point 112.5 ° C), 3-pentanol (boiling point 117 ° C), 2-methyl-2-butanol (Boiling point 102 ° C.).

原料液において、ポリカルボン酸またはポリカルボン酸エステルは、2価以上であることができる。本発明に用いるポリカルボン酸としては、以下のものを例示できる。3価のカルボン酸としては、Trans−アコニット酸、トリメシン酸、4価のカルボン酸としては、ピロメリット酸、1,2,3,4−シクロペンタンテトラカルボン酸等が挙げられる。また、ポリカルボン酸エステルとしては、2価のコハク酸ジメチル、コハク酸ジエチル、シュウ酸ジブチル、マロン酸ジメチル、アジピン酸ジメチル、マレイン酸ジメチル、フマル酸ジエチル、3価のクエン酸トリブチル、1,1,2−エタントリカルボン酸トリエチル、4価の1,1,2,2−エタンテトラカルボン酸テトラエチル、1,2,4−ベンゼントリカルボン酸トリメチル等が挙げられる。   In the raw material liquid, the polycarboxylic acid or the polycarboxylic acid ester can be divalent or higher. The following can be illustrated as polycarboxylic acid used for this invention. Examples of the trivalent carboxylic acid include Trans-aconitic acid, trimesic acid, and examples of the tetravalent carboxylic acid include pyromellitic acid and 1,2,3,4-cyclopentanetetracarboxylic acid. Polycarboxylic acid esters include divalent dimethyl succinate, diethyl succinate, dibutyl oxalate, dimethyl malonate, dimethyl adipate, dimethyl maleate, diethyl fumarate, trivalent tributyl citrate, 1,1 , 2-ethanetricarboxylic acid triethyl, tetravalent 1,1,2,2-ethanetetracarboxylic acid tetraethyl, 1,2,4-benzenetricarboxylic acid trimethyl and the like.

原料液において、2価のカルボン酸エステルとしては、好ましくは、コハク酸エステル、マレイン酸エステルおよびマロン酸エステルから選択される少なくとも1種であることができる。これらのエステルの具体例としては、コハク酸ジメチル、マレイン酸ジメチル、マロン酸ジメチルをあげることができる。   In the raw material liquid, the divalent carboxylic acid ester can be preferably at least one selected from succinic acid esters, maleic acid esters and malonic acid esters. Specific examples of these esters include dimethyl succinate, dimethyl maleate, and dimethyl malonate.

ポリカルボン酸またはポリカルボン酸エステルは、有機溶媒より高い沸点を有することができる。ポリカルボン酸またはポリカルボン酸エステルの沸点が有機溶媒より高いことにより、後述するように、原料液の反応をより速やかに行うことができる。   The polycarboxylic acid or polycarboxylic acid ester can have a higher boiling point than the organic solvent. Since the boiling point of the polycarboxylic acid or the polycarboxylic acid ester is higher than that of the organic solvent, the reaction of the raw material liquid can be performed more rapidly as described later.

前記ポリカルボン酸エステルの分子量は、150以下であることができる。ポリカルボン酸エステルの分子量が大きすぎると、熱処理時においてエステルが揮発する際に膜にダメージを与えやすく、緻密な膜を得られないことがある。   The molecular weight of the polycarboxylic acid ester may be 150 or less. If the molecular weight of the polycarboxylic acid ester is too large, the film tends to be damaged when the ester volatilizes during heat treatment, and a dense film may not be obtained.

前記ポリカルボン酸エステルは、室温において液体であることができる。ポリカルボン酸エステルが室温で固体であると、液がゲル化することがある。   The polycarboxylic acid ester may be a liquid at room temperature. If the polycarboxylic acid ester is solid at room temperature, the liquid may gel.

本実施形態の原料液によって得られるPZTNは、好ましくは0.1≦x≦0.3の範囲でNbを含むことができる。また、前記複合金属酸化物は、好ましくは0.5モル%以上、より好ましくは0.5モル%以上、5モル%以下のSi、あるいはSiおよびGeを含むことができる。   PZTN obtained by the raw material liquid of the present embodiment can preferably contain Nb in the range of 0.1 ≦ x ≦ 0.3. The composite metal oxide may contain 0.5 mol% or more, more preferably 0.5 mol% or more and 5 mol% or less of Si, or Si and Ge.

Nbは、Tiとサイズ(イオン半径が近く、原子半径は同一である)がほぼ同じで、重さが2倍あり、格子振動による原子間の衝突によっても格子から原子が抜けにくい。また原子価は、+5価で安定であり、たとえPbが抜けても、Nb5+によりPb抜けの価数を補うことができる。また結晶化時に、Pb抜けが発生したとしても、サイズの大きなOが抜けるより、サイズの小さなNbが入る方が容易である。 Nb is substantially the same size as Ti (the ionic radius is the same, and the atomic radius is the same), is twice as heavy, and it is difficult for atoms to escape from the lattice by collisions between atoms due to lattice vibration. The valence is +5, which is stable valence, even if Pb is released, it is possible to compensate for the valence of Pb loss by Nb 5+. Further, even if Pb loss occurs during crystallization, it is easier to enter small Nb than large O loss.

また、Nbは+4価も存在するため、Ti4+の代わりは十分に行うことが可能である。更に、実際にはNbは共有結合性が非常に強く、Pbも抜け難くなっていると考えられる(H.Miyazawa,E.Natori,S.Miyashita;Jpn.J.Appl.Phys.39(2000)5679)。 In addition, since Nb also has a +4 valence, Ti 4+ can be sufficiently replaced. Furthermore, in fact, Nb has a very strong covalent bond, and Pb is considered to be difficult to escape (H. Miyazawa, E. Natori, S. Miyashita; Jpn. J. Appl. Phys. 39 (2000). 5679).

本実施形態の原料液によって得られる複合金属酸化物、特にPZTNによれば、Nbを特定の割合で含むことにより、Pbの欠損による悪影響を解消し、優れた組成制御性を有する。その結果、PZTNは、通常のPZTに比べて極めて良好なヒステリシス特性、リーク特性、耐還元性、圧電性および絶縁性などを有する。   According to the composite metal oxide obtained by the raw material liquid of the present embodiment, particularly PZTN, by containing Nb at a specific ratio, an adverse effect due to Pb deficiency is eliminated and excellent composition controllability is obtained. As a result, PZTN has extremely good hysteresis characteristics, leakage characteristics, reduction resistance, piezoelectricity, insulation, and the like compared to normal PZT.

本実施形態においては、複合金属酸化物に、Si、あるいはSiとGeとを、例えば、0.5モル%以上、5モル%以下の割合で含むことにより、PZTNの結晶化エネルギーを低減させることができる。すなわち、複合金属酸化物の材料としてPZTNを用いる場合、Nb添加とともに、Si、あるいはiおよびGeを添加することでPZTNの結晶化温度の低減を図ることができる。本願発明者らは、Siが、焼結剤として働いた後、Aサイトイオンとして、結晶の一部を構成していることをラマン振動モードによって確認した。   In the present embodiment, the crystallization energy of PZTN is reduced by including, in the composite metal oxide, Si or Si and Ge at a ratio of, for example, 0.5 mol% or more and 5 mol% or less. Can do. That is, when PZTN is used as the material of the composite metal oxide, the crystallization temperature of PZTN can be reduced by adding Si or i and Ge together with Nb. The inventors of the present application have confirmed by Raman vibration mode that Si forms a part of the crystal as A site ions after acting as a sintering agent.

本実施形態においては、Nbの代わりに、あるいはNbと共に、Taを用いることもできる。Taを用いた場合にも、上述したNbと同様の傾向がある。   In the present embodiment, Ta can be used instead of Nb or together with Nb. Even when Ta is used, there is a tendency similar to that of Nb described above.

ポリカルボン酸またはポリカルボン酸エステルの使用量は、複合金属酸化物の組成に依存する。たとえば複合金属酸化物を形成するための金属の合計モルイオン濃度とポリカルボン酸(エステル)のモルイオン濃度は、好ましくは1≧(ポリカルボン酸(エステル)のモルイオン濃度)/(原料溶液の金属の総モルイオン濃度)とすることができる。   The amount of polycarboxylic acid or polycarboxylic acid ester used depends on the composition of the composite metal oxide. For example, the total molar ion concentration of the metal and the molar ion concentration of the polycarboxylic acid (ester) for forming the composite metal oxide are preferably 1 ≧ (the molar ion concentration of the polycarboxylic acid (ester)) / (total of the metals in the raw material solution). Molar ion concentration).

ここで、ポリカルボン酸またはポリカルボン酸エステルのモル数とは、価数のことである。つまり、2価のポリカルボン酸またはポリカルボン酸エステルであれば、1分子のポリカルボン酸またはポリカルボン酸エステルが、原料溶液の金属1モルに対して、ポリカルボン酸またはポリカルボン酸エステル0.5モルで1:1ということになる。   Here, the number of moles of polycarboxylic acid or polycarboxylic acid ester is a valence. That is, in the case of a divalent polycarboxylic acid or polycarboxylic acid ester, one molecule of the polycarboxylic acid or polycarboxylic acid ester corresponds to 0.1 mol of the polycarboxylic acid or polycarboxylic acid ester per 1 mol of the metal in the raw material solution. 5 moles is 1: 1.

1.2.粉体を形成する工程
本実施形態に係るセラミックス粉体の製造方法は、原料液を噴霧して液滴を形成すると共に、前記液滴を乾燥して粉体を形成する工程を含む。
1.2. Step of Forming Powder The method for producing ceramic powder according to the present embodiment includes a step of spraying the raw material liquid to form droplets and drying the droplets to form powder.

本実施形態では、まず、ステップS1で調製された原料液を噴霧・乾燥することにより第1粉体を形成する(ステップS2)。かかる第1粉体を形成する工程は、スプレードライ法またはフリーズドライ法を用いて行なうことができる。スプレードライ法およびフリーズドライ法は、原料液を液滴にすると共に乾燥することができれば特に限定されず、公知のスプレードライ装置およびフリーズドライ装置を用いることができる。この工程で得られる第1粉体の粒径は、原料液、装置の種類などによって異なるが、例えば平均粒径が1μm以上、3μm以下である。   In the present embodiment, first, the first powder is formed by spraying and drying the raw material liquid prepared in step S1 (step S2). The step of forming the first powder can be performed using a spray drying method or a freeze drying method. The spray drying method and the freeze drying method are not particularly limited as long as the raw material liquid can be made into droplets and dried, and known spray drying devices and freeze drying devices can be used. The particle size of the first powder obtained in this step varies depending on the raw material liquid, the type of apparatus, etc., but the average particle size is, for example, 1 μm or more and 3 μm or less.

スプレードライ装置では、圧力ノズルによる加圧噴霧を用いることが好ましい。加圧噴霧は、回転円盤を用いた遠心噴霧に比べて粒径の小さい粒子を得ることができ、乾燥性がよい。また、スプレードライ法を用いた場合、150℃以下の雰囲気温度(乾燥温度)で乾燥することが好ましい。   In the spray drying apparatus, it is preferable to use pressurized spraying by a pressure nozzle. Pressurized spraying can obtain particles having a smaller particle size compared to centrifugal spraying using a rotating disk and has good drying properties. When spray drying is used, drying is preferably performed at an atmospheric temperature (drying temperature) of 150 ° C. or lower.

また、原料液は、上述したように、得ようとするセラミックスのための原料を含む。かかる原料としては、ゾルゲル原料およびMOD(Metal Organic Decomposition
Method)原料などの液相法の原料を含むことができる。原料液は、一般的なゾルゲル法で用いられる溶液に含まれるゾルゲル原料より高い濃度を有することができる。具体的には、原料液は、02モル/リットル以上、2モル/リットル以下の金属化合物を含むことができる。金属化合物の濃度がこの範囲にあると、溶媒の除去が容易となって、噴霧・乾燥工程における原料粉末の生成効率が向上する利点がある。
Moreover, the raw material liquid contains the raw material for the ceramic to be obtained as described above. Such raw materials include sol-gel raw materials and MOD (Metal Organic Decomposition).
Method) It can contain liquid phase raw materials such as raw materials. The raw material liquid can have a higher concentration than the sol-gel raw material contained in the solution used in a general sol-gel method. Specifically, the raw material liquid can contain a metal compound of 02 mol / liter or more and 2 mol / liter or less. When the concentration of the metal compound is within this range, it is easy to remove the solvent, and there is an advantage that the generation efficiency of the raw material powder in the spraying / drying process is improved.

ついで、ステップS2で得られた第1粉体を攪拌しながら加熱する工程を有することができる(ステップS3)。この工程では、例えばボールミル装置、ポットミル装置、ミキサー装置を用いて第1粉体を攪拌しながら加熱することにより、第1粉体に残留する原料液の溶媒や水分がさらに除去された第2粉体を得ることができる。第1粉体を加熱する温度は、溶媒の種類、粉体の粒径などに依存するが、例えば120℃以上、250℃以下とすることができる。なお、ステップS2の工程で得られる第1粉体が充分に乾燥されている場合には、この攪拌・加熱工程を省略できる。   Next, it is possible to have a step of heating the first powder obtained in step S2 while stirring (step S3). In this step, for example, the second powder from which the solvent and moisture of the raw material liquid remaining in the first powder are further removed by heating the first powder while stirring using a ball mill device, a pot mill device, or a mixer device. You can get a body. Although the temperature which heats 1st powder depends on the kind of solvent, the particle size of powder, etc., it can be 120 degreeC or more and 250 degrees C or less, for example. In addition, when the 1st powder obtained at the process of step S2 is fully dried, this stirring and heating process can be skipped.

ついで、ステップ3で得られた第2粉体を粉砕して第3粉体を得る(ステップS4)。この工程では、第2粉体の粒径をより小さくすると共に粒径をそろえることができる。この工程では、例えば遊星ボールミル装置、ビーズミル装置を用いることができる。第3粉体の粒径は特に限定されないが、次の仮成形・焼成に適したものとすることができる。第3粉体の粒径としては、例えば平均粒径を1μm以上、3μm以下とすることができる。このように第1もしくは第2粉体を粉砕処理することにより、セラミックス粉体の粒径をそろえることができ、セラミックスの成形、焼成をより良好に行うことができる。なお、ステップS2で得られた第1粉体をそのまま用いてセラミックスを形成することもできる。   Next, the second powder obtained in step 3 is pulverized to obtain a third powder (step S4). In this step, the particle size of the second powder can be made smaller and the particle size can be made uniform. In this step, for example, a planetary ball mill device or a bead mill device can be used. The particle size of the third powder is not particularly limited, but may be suitable for the next temporary molding / firing. As the particle size of the third powder, for example, the average particle size can be 1 μm or more and 3 μm or less. Thus, by pulverizing the first or second powder, the particle size of the ceramic powder can be made uniform, and the ceramic can be molded and fired more satisfactorily. In addition, ceramics can also be formed using the 1st powder obtained by step S2 as it is.

以上の工程により、本実施形態に係るセラミックス粉体を得ることができる。かかるセラミックス粉体の製造方法によれば、組成制御性に優れたセラミックス粉体を従来の固相法に比べて低温でかつ簡易な方法によって得ることができる。   The ceramic powder according to this embodiment can be obtained through the above steps. According to such a method for producing a ceramic powder, a ceramic powder excellent in composition controllability can be obtained by a simple method at a lower temperature than the conventional solid phase method.

2.セラミックスの製造方法
上記1.で記載した方法によって得られたセラミックス粉体を用いてセラミックスを得ることができる。セラミックスの製造方法については、特に限定されず、セラミックス粉体を成形、焼成していわゆるバルク状セラミックスを形成する方法、セラミックス粉体をスラリーにして成膜、焼成する方法などを用いることができる。
2. Manufacturing method of ceramics Ceramics can be obtained using the ceramic powder obtained by the method described in 1. above. The method for producing the ceramic is not particularly limited, and a method of forming and firing ceramic powder to form a so-called bulk ceramic, a method of forming and firing ceramic powder as a slurry, and the like can be used.

以下に、図1および図2を参照しながら、セラミックスの製造方法の一例について説明する。   Hereinafter, an example of a method for producing ceramics will be described with reference to FIGS. 1 and 2.

すなわち、図1に示すように、ステップS2ないしステップS4で得られた粉体、好ましくは第4ステップS4で得られた第3粉体をペレット状などの形状に成形(仮成形)し、かつ焼成(仮焼成)してセラミックス体を形成する(ステップS5)。仮成形および仮焼成は、セラミックスの種類などによって異なるが、例えば1t/10mmφ以上、2t/10mmφ以下で加圧しながら、600℃以上、800℃以下で、1時間以上、2時間以下で行なうことができる。ついで、ステップS5で得られたセラミックス体を粉砕してセラミックス粉体を形成する(ステップS6)。この粉砕工程では、ジェットミル装置などの粉砕装置を用いて、セラミックス粉体の平均粒径を例えばサブミクロン(02μm以下、005μm以上)にすることができる。このようにして得られたセラミックス粉体は、粒径を小さく、かつ揃えることができる。このセラミックス粉体を用いて成形し、かつ焼成することによってセラミックスを製造することができる。   That is, as shown in FIG. 1, the powder obtained in steps S2 to S4, preferably the third powder obtained in the fourth step S4, is formed into a shape such as a pellet (temporary molding), and A ceramic body is formed by firing (temporary firing) (step S5). Temporary forming and pre-firing vary depending on the type of ceramics, but may be performed at 600 ° C. or more and 800 ° C. or less for 1 hour or more and 2 hours or less while pressing at 1t / 10 mmφ or more and 2t / 10 mmφ or less, for example. it can. Next, the ceramic body obtained in step S5 is pulverized to form a ceramic powder (step S6). In this pulverization step, the average particle size of the ceramic powder can be reduced to, for example, submicron (02 μm or less, 005 μm or more) using a pulverizer such as a jet mill. The ceramic powder thus obtained has a small particle size and can be made uniform. Ceramics can be produced by molding and firing the ceramic powder.

セラミックスの製造方法については、特に限定されず、セラミックス粉体を成形、焼成していわゆるバルク状セラミックスを形成する方法、セラミックス粉体をスラリーにして成膜、焼成することにより膜状セラミックスを形成する方法などを用いることができる。   The method for producing the ceramic is not particularly limited, and a method for forming a so-called bulk ceramic by forming and firing ceramic powder, or forming a film ceramic by forming a film from ceramic powder as a slurry, followed by firing. A method or the like can be used.

3.圧電素子の製造方法
以下に、スラリーを用いた圧電素子の製造方法について説明する。
3. Method for Manufacturing Piezoelectric Element A method for manufacturing a piezoelectric element using slurry will be described below.

この方法では、
(1)上述した製造方法によって得られたセラミックス粉体を用いて仮成形し、かつ仮焼成してセラミックス体を形成する工程と、
(2)セラミックス体を粉砕してセラミックス粉体を形成する工程と、
(3)セラミックス粉体を含むスラリーを形成する工程と、
(4)基材(キャリアテープ)上にスラリーを塗布して乾燥させて膜(以下、「グリーンシート」ともいう)を形成する工程と、
(5)前記グリーンシートの上に電極膜を形成する工程と、
(6)電極膜が形成されたグリーンシートを、複数積層した積層体を形成する工程と、
(7)前記積層体を圧縮・焼成してセラミックス積層体を形成する工程と、を含む。
in this way,
(1) a step of temporarily forming the ceramic powder obtained by the manufacturing method described above, and pre-firing to form a ceramic body;
(2) crushing the ceramic body to form a ceramic powder;
(3) forming a slurry containing ceramic powder;
(4) applying a slurry on a substrate (carrier tape) and drying to form a film (hereinafter also referred to as “green sheet”);
(5) forming an electrode film on the green sheet;
(6) forming a laminate in which a plurality of green sheets on which electrode films are formed are laminated;
(7) compressing and firing the laminate to form a ceramic laminate.

以下、各工程について詳細に説明する。   Hereinafter, each step will be described in detail.

工程(1)および(2)については、既に述べたので詳細を省略する(図1のステップS5,S6)。圧電素子に適したセラミックスとしては、圧電特性の優れたPZT、PZTN、チタン酸バリウム、ニオブ酸カリウム、BiFeO3、{Bi(Na、K)}TiO3などを挙げることができる。   Since steps (1) and (2) have already been described, the details are omitted (steps S5 and S6 in FIG. 1). Examples of ceramics suitable for the piezoelectric element include PZT, PZTN, barium titanate, potassium niobate, BiFeO3, and {Bi (Na, K)} TiO3 having excellent piezoelectric characteristics.

工程(3)では、スラリーは、以下のように調製される。すなわち、工程(1)、(2)を経て得られたセラミックス粉体と、有機溶剤と、バインダーと、可塑剤と、分散剤などを混合してスラリーを得る。   In step (3), the slurry is prepared as follows. That is, the ceramic powder obtained through steps (1) and (2), an organic solvent, a binder, a plasticizer, a dispersant, and the like are mixed to obtain a slurry.

有機溶剤は、セラミックス混合物のスラリー状態でアクリル系樹脂、可塑剤を均一分散させ、スラリーの粘度安定性を向上させ、キャリアテープに薄く塗布するために必要なものである。かかる溶剤としては、スラリー状態からグリーンシートへの乾燥工程で速やかに除去させる必要があるために、沸点は150℃以下で、ケトン系、アルコール系、炭化水素系などが好ましい。ケトン系としては、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン等である。アルコール系としては、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、n−ブチルアルコール、イソブチルアルコール、ter−ブチルアルコール等がある。炭化水素系としては、トルエン、キシレン等がある。   The organic solvent is necessary to uniformly disperse the acrylic resin and the plasticizer in the slurry state of the ceramic mixture, improve the viscosity stability of the slurry, and apply thinly to the carrier tape. As such a solvent, a boiling point is 150 ° C. or less, and a ketone, alcohol, or hydrocarbon is preferable because it needs to be quickly removed in a drying process from a slurry state to a green sheet. Examples of ketones include acetone, methyl ethyl ketone, and methyl isobutyl ketone. Examples of alcohols include methanol, ethanol, isopropyl alcohol, n-butyl alcohol, isobutyl alcohol, and ter-butyl alcohol. Examples of hydrocarbons include toluene and xylene.

バインダーとしては、特に限定されないが、例えば、ポリビニルブチラール、ポリビニルアルコール等を挙げることができる。   Although it does not specifically limit as a binder, For example, polyvinyl butyral, polyvinyl alcohol, etc. can be mentioned.

可塑剤は、セラミックス混合物がスラリー状態で均一に混合されやすく、スラリー粘度を安定的に低下させる機能を有する。これらの機能を有することにより、グリーンシートを形成しやすくなる。また、弾性率が大きく且つ強度の大きい、いわゆる腰のあるグリーンシートを形成することができる。かかる可塑剤としては、特に限定されないが、例えば、イソフタル酸、テレフタル酸、トリメリット酸、炭素数4〜18のアルコールからなるアルキルエステルであり、好ましくはn−ブチル、イソブチル、n−ヘキシル、シクロヘキシル、n−オクチル、2−エチルヘキシル、イソノニル、ドデシル、イソデシル、オレイルアルコール、アミノアルコールからなるジエステルまたはトリエステルを挙げることができる。   The plasticizer has a function of stably mixing the ceramic mixture in a slurry state and stably reducing the slurry viscosity. By having these functions, it becomes easy to form a green sheet. In addition, a so-called waisted green sheet having a large elastic modulus and high strength can be formed. The plasticizer is not particularly limited, and examples thereof include alkyl esters composed of isophthalic acid, terephthalic acid, trimellitic acid, and alcohol having 4 to 18 carbon atoms, preferably n-butyl, isobutyl, n-hexyl, cyclohexyl. , N-octyl, 2-ethylhexyl, isononyl, dodecyl, isodecyl, oleyl alcohol, aminoester, and diester or triester.

必要に応じて少量の分散剤を添加することが好ましい。分散剤は、スラリーの均一分散性を向上させる機能を有する。かかる分散剤は、特に限定されないが、例えば、ジオクチル、グリセリンモノオレエート等のグリセリンエステル、大豆油やパーム油、魚油等の動植物油脂、合成界面活性剤等を挙げることができる。   It is preferable to add a small amount of a dispersant as required. The dispersant has a function of improving the uniform dispersibility of the slurry. Such a dispersant is not particularly limited, and examples thereof include glycerin esters such as dioctyl and glycerin monooleate, animal and vegetable oils and fats such as soybean oil, palm oil, and fish oil, and synthetic surfactants.

工程(4)、(5)、(6)では、工程(3)で得られたスラリーを用いていわゆるグリーンシートと呼ばれるシートを形成する。グリーンシートは、基材の上にスラリーを塗布・乾燥して、形成される。スラリーの塗布方法としては、ドクターブレード法、押出法などの公知の方法を用いることができる。ついで、グリーンシート上に、スクリーン印刷法などで電極膜を形成する。工程(7)では、このようにして電極膜が形成されたグリーンシートを複数積層して、積層体を形成する。ついで、この積層体を圧縮・焼成してセラミックス積層体を形成する。焼成温度は、例えば900℃以上、1300℃以下とすることができる。   In steps (4), (5), and (6), a so-called green sheet is formed using the slurry obtained in step (3). The green sheet is formed by applying and drying a slurry on a substrate. As a method for applying the slurry, a known method such as a doctor blade method or an extrusion method can be used. Next, an electrode film is formed on the green sheet by a screen printing method or the like. In the step (7), a plurality of green sheets on which the electrode films are thus formed are stacked to form a stacked body. Next, this laminate is compressed and fired to form a ceramic laminate. The firing temperature can be, for example, 900 ° C. or higher and 1300 ° C. or lower.

このようにして得られたセラミックス積層体を所定の形状に切断して積層体セラミックスチップを形成する。積層体セラミックスチップは、図2に示すように、セラミックス膜32と、当該セラミックス膜32上に形成された第1電極34と、セラミックス膜32と、当該セラミックス膜32上に形成された第2電極36と、を有する。ついで、図3に示すように、積層体セラミックスチップの外周に、第1電極34と接続される第1外部電極38と、第2電極36と接続される第2外部電極40を形成して、圧電素子30が得られる。なお、図示の例では、セラミックス膜が5層であるが、セラミックス膜の数は、圧電素子によって適宜選択できる。   The ceramic laminate thus obtained is cut into a predetermined shape to form a laminate ceramic chip. As shown in FIG. 2, the multilayer ceramic chip includes a ceramic film 32, a first electrode 34 formed on the ceramic film 32, a ceramic film 32, and a second electrode formed on the ceramic film 32. 36. Next, as shown in FIG. 3, a first external electrode 38 connected to the first electrode 34 and a second external electrode 40 connected to the second electrode 36 are formed on the outer periphery of the multilayer ceramic chip. The piezoelectric element 30 is obtained. In the illustrated example, the ceramic film has five layers, but the number of ceramic films can be appropriately selected depending on the piezoelectric element.

4.液滴噴射装置の製造方法
本実施形態に係る液滴噴射装置の製造方法は、上述した圧電素子の製造方法を用いて行われる。以下、本実施形態の製造方法を適用して製造された液滴噴射装置について、図4を参照して説明する。
4). Manufacturing method of droplet ejecting apparatus The manufacturing method of the droplet ejecting apparatus according to the present embodiment is performed by using the above-described manufacturing method of the piezoelectric element. Hereinafter, a droplet ejecting apparatus manufactured by applying the manufacturing method of the present embodiment will be described with reference to FIG.

液滴噴射装置100においては、インクなどの液体は、リザーバ14から圧力室12へ供給される。圧力室12は、振動板50の変形により容積可変になっているので、積層型の圧電素子30に電圧を印加することにより、圧力室12の容積を変化させて、ノズル孔22から液体を吐出することができる。なお、図4中、符号16で示す部材は、圧力室12への液体の流入量を制御するためのせき止め部である。   In the droplet ejecting apparatus 100, a liquid such as ink is supplied from the reservoir 14 to the pressure chamber 12. Since the volume of the pressure chamber 12 is variable by the deformation of the diaphragm 50, the volume of the pressure chamber 12 is changed by applying a voltage to the stacked piezoelectric element 30, and the liquid is discharged from the nozzle hole 22. can do. In FIG. 4, a member denoted by reference numeral 16 is a damming portion for controlling the amount of liquid flowing into the pressure chamber 12.

液滴噴射装置100の製造方法としては、例えば、以下の方法を採用できる。   As a manufacturing method of the droplet ejecting apparatus 100, for example, the following method can be adopted.

ノズル板20,基板10および振動板50を接着剤などによって接合する。ついで、振動板50上に、本実施形態の製造方法で得られた圧電素子30を圧力室12の上方に位置する振動板50の突起部52上に配置する。圧電素子30は、例えば保持部材70に固定されたスペーサ60に接着などの手段により固定されることができる。ついで、外部電極38,40に図示しないフレキシブル配線基板などを接続する。   The nozzle plate 20, the substrate 10 and the vibration plate 50 are joined with an adhesive or the like. Next, the piezoelectric element 30 obtained by the manufacturing method of the present embodiment is disposed on the vibration plate 50 on the protrusion 52 of the vibration plate 50 positioned above the pressure chamber 12. The piezoelectric element 30 can be fixed to the spacer 60 fixed to the holding member 70 by means such as adhesion. Next, a flexible wiring board (not shown) is connected to the external electrodes 38 and 40.

液滴噴射装置100は、インクジェットプリンタのみならず、工業的な液体吐出装置として用いられることもできる。この場合に吐出される液体(液状材料)としては、各種の機能性材料を溶媒や分散媒によって適当な粘度に調整したものなどを用いることができる。   The droplet ejecting apparatus 100 can be used not only as an ink jet printer but also as an industrial liquid ejecting apparatus. As the liquid (liquid material) discharged in this case, various functional materials adjusted to an appropriate viscosity with a solvent or a dispersion medium can be used.

5.実施例
5.1.実施例1(セラミックス粉体の製造方法)
まず、金属化合物を含む原料液を以下の方法で調整した。本実施例では、PZTN複合金属酸化物の原料液を調製した。金属化合物としては、Pb、Zr、Ti、およびNbの金属化合物をn−ブタノールに溶解した溶液を用いた。具体的には、酢酸鉛、ジルコニウムアルコキシド、チタンアルコキシドおよびオクチル酸ニオブを用いた。これらと、ポリカルボン酸エステルとしてのコハク酸ジメチルと、有機溶媒としてのn−ブタノールとを混合した。本実施例では、金属化合物は、原料液に対して0.5モル/リットルの割合で含まれている。
5). Example 5.1. Example 1 (Method for producing ceramic powder)
First, the raw material liquid containing a metal compound was prepared by the following method. In this example, a raw material liquid of PZTN composite metal oxide was prepared. As the metal compound, a solution in which a metal compound of Pb, Zr, Ti, and Nb was dissolved in n-butanol was used. Specifically, lead acetate, zirconium alkoxide, titanium alkoxide, and niobium octylate were used. These were mixed with dimethyl succinate as a polycarboxylic acid ester and n-butanol as an organic solvent. In this example, the metal compound is contained at a rate of 0.5 mol / liter with respect to the raw material liquid.

本実施例では、各金属化合物は、PbZr0.2Ti0.6Nb0.2(PZTN)の組成になるように混合された。さらに、複合金属酸化物膜の結晶化温度を低下させる目的で、シリコンアルコキシドを3モル%の割合で上記原料組成物に添加した。原料組成物は、上記金属化合物とコハク酸ジメチルとが1:1の割合(モル比)となるように、これらをn−ブタノールに溶解して得た。 In this example, each metal compound was mixed so as to have a composition of PbZr 0.2 Ti 0.6 Nb 0.2 O 3 (PZTN). Furthermore, for the purpose of lowering the crystallization temperature of the composite metal oxide film, silicon alkoxide was added to the raw material composition at a ratio of 3 mol%. The raw material composition was obtained by dissolving these in n-butanol so that the metal compound and dimethyl succinate had a ratio (molar ratio) of 1: 1.

ついで、スプレードライ装置(「B290」ビュッヒ社製)を用いて、原料液を温度200℃の大気中に噴霧・乾燥して平均粒径が約5μm以上、10μm以下の第1PZTN粉体原料を得た。   Then, using a spray drying apparatus (“B290” manufactured by Büch), the raw material liquid is sprayed and dried in the atmosphere at a temperature of 200 ° C. to obtain a first PZTN powder raw material having an average particle size of about 5 μm to 10 μm. It was.

ついで、得られた第1PZTN粉体原料を400℃で加熱しながら、ボールミルによって攪拌した。その結果、第1PZTN粉体原料は、n−ブタノールがほぼ除去されて乾燥した状態となった。また、このとき、第1PZTN粉体原料の平均粒径は、約1〜3μmであった。   Next, the obtained first PZTN powder raw material was stirred by a ball mill while being heated at 400 ° C. As a result, the first PZTN powder raw material was in a dry state from which n-butanol was almost removed. At this time, the average particle size of the first PZTN powder raw material was about 1 to 3 μm.

ついで、第1PZTN粉体原料をボールミルによってさらに粉砕した。その結果、粒径が約100nm以上、1μm以下の第2PZTN粉体原料を得た。この第2PZTN粉体原料は、第1PZTN粉体原料に比べて粒径が小さいだけでなく、粒径も揃っていた。   Next, the first PZTN powder material was further pulverized by a ball mill. As a result, a second PZTN powder material having a particle size of about 100 nm to 1 μm was obtained. This second PZTN powder material had not only a smaller particle size than the first PZTN powder material, but also had a uniform particle size.

5.2.実施例2(セラミックス膜および圧電素子の製造方法)
実施例1で得られた第2PZTN粉体原料を用いて、以下の方法でPZTN膜および圧電素子を形成した。
5.2. Example 2 (Method for Manufacturing Ceramic Film and Piezoelectric Element)
Using the second PZTN powder raw material obtained in Example 1, a PZTN film and a piezoelectric element were formed by the following method.

まず、第2PZTN粉体原料を8mPa(1t/10mmφ)で加圧すると共に、700℃、2時間で仮焼成してペレット状のPZTNを得た。ついで、当該PZTNペレットをボールミルで粉砕して平均粒径が約1μmのPZTNの粉体を得た。   First, the second PZTN powder material was pressurized at 8 mPa (1 t / 10 mmφ) and pre-baked at 700 ° C. for 2 hours to obtain pellet-shaped PZTN. Next, the PZTN pellets were pulverized by a ball mill to obtain PZTN powder having an average particle diameter of about 1 μm.

ついで、得られたPZTN粉体100gと、有機溶媒(トルエン/ブタノール=29.2ml/10.3ml)と、バインダーとしてのポリビニルブチラール4.8gと、可塑剤としてのジアミン0.6gと、分散剤としてのジオクチル1.8gとをポットミルによって粉砕・攪拌して、粘度が200cpsのスラリーを得た。   Next, 100 g of the obtained PZTN powder, an organic solvent (toluene / butanol = 29.2 ml / 10.3 ml), 4.8 g of polyvinyl butyral as a binder, 0.6 g of diamine as a plasticizer, and a dispersant Then, 1.8 g of dioctyl was pulverized and stirred by a pot mill to obtain a slurry having a viscosity of 200 cps.

ついで、得られたスラリーを用いてグリーンシートを形成した。このグリーンシートと、Ag−Pd合金ペーストを用いて、グリーンシートと電極膜との積層体を得た。本実施例では、シートの積層数を20層とした。電極膜は、スクリーン印刷を用いて形成した。   Next, a green sheet was formed using the obtained slurry. Using this green sheet and an Ag—Pd alloy paste, a laminate of the green sheet and the electrode film was obtained. In this example, the number of stacked sheets was 20 layers. The electrode film was formed using screen printing.

その後、1150℃で焼成してPZTN膜と電極膜との積層体を得た。さらに、外部電極を形成して、圧電素子を得た。   Then, it baked at 1150 degreeC and the laminated body of the PZTN film | membrane and an electrode film was obtained. Furthermore, an external electrode was formed to obtain a piezoelectric element.

得られた圧電素子について圧電常数を求めたところ、d31が270pC/N、d33が550pC/N、キューリー温度(Tc)が約400℃であった。 When the piezoelectric constant of the obtained piezoelectric element was determined, d 31 was 270 pC / N, d 33 was 550 pC / N, and the Curie temperature (Tc) was about 400 ° C.

5.3.比較例1
PZTNの代わりに、市販のゾルゲル原料を用いて得られたバルク状のPZTを粉砕して用いた以外は実施例1および実施例2と同様にして圧電素子を得た。この圧電素子について圧電常数を求めたところ、d31が190pC/N、d33が400pC/N、Tcが約200℃であった。
5.3. Comparative Example 1
A piezoelectric element was obtained in the same manner as in Example 1 and Example 2 except that bulk PZT obtained using a commercially available sol-gel raw material was used instead of PZTN. When the piezoelectric constant of this piezoelectric element was determined, d 31 was 190 pC / N, d 33 was 400 pC / N, and Tc was about 200 ° C.

実施例2と比較例1の圧電素子における圧電常数およびキューリー温度を比較すると、いずれにおいても、実施例2は比較例1より格段に優れていることが確認された。   When the piezoelectric constant and the Curie temperature in the piezoelectric elements of Example 2 and Comparative Example 1 were compared, it was confirmed that Example 2 was significantly better than Comparative Example 1.

5.4.実施例3(セラミックス粉体の製造方法)
まず、金属化合物を含む原料液を以下の方法で調整した。本実施例では、PZTN複合金属酸化物の原料液を調製した。金属化合物としては、Pb、Zr、Ti、およびNbの金属化合物をn−ブタノールに溶解した溶液を用いた。具体的には、オクチル酸鉛、ジルコニウムアルコキシド、チタンアルコキシドおよびオクチル酸ニオブを用いた。これらと、ポリカルボン酸エステルとしてのコハク酸ジメチルと、有機溶媒としてのn−ブタノールとを混合した。本実施例では、金属化合物は、原料液に対して0.5モル/リットルの割合で含まれている。
5.4. Example 3 (Method for producing ceramic powder)
First, the raw material liquid containing a metal compound was prepared by the following method. In this example, a raw material liquid of PZTN composite metal oxide was prepared. As the metal compound, a solution in which a metal compound of Pb, Zr, Ti, and Nb was dissolved in n-butanol was used. Specifically, lead octylate, zirconium alkoxide, titanium alkoxide, and niobium octylate were used. These were mixed with dimethyl succinate as a polycarboxylic acid ester and n-butanol as an organic solvent. In this example, the metal compound is contained at a rate of 0.5 mol / liter with respect to the raw material liquid.

本実施例では、各金属化合物は、およそPbZr0.48Ti0.42Nb0.の組成になるように混合された。さらに、複合金属酸化物膜の結晶化温度を低下させる目的で、シリコンアルコキシドを3モル%の割合で上記原料組成物に添加した。原料組成物は、上記金属化合物とコハク酸ジメチルとが1:1の割合(モル比)となるように、これらをn−ブタノールに溶解して得た。 In this example, each metal compound is approximately PbZr 0.48 Ti 0.42 Nb 0. Were mixed so that the composition of O 3. Furthermore, for the purpose of lowering the crystallization temperature of the composite metal oxide film, silicon alkoxide was added to the raw material composition at a ratio of 3 mol%. The raw material composition was obtained by dissolving these in n-butanol so that the metal compound and dimethyl succinate had a ratio (molar ratio) of 1: 1.

ついで、スプレードライ装置(「B290」ビュッヒ社製)を用いて、原料液を温度130℃の大気中に噴霧・乾燥して平均粒径が約0.1μm以上、5μm以下の第1PZTN粉体原料を得た。得られた粉体原料は、球状の白色粉末であった。この粉体原料をサンプルとして用いた熱重量分析結果を図5に示す。図5から、サンプルは、270℃付近で急激な重量減少を示し、その後ほぼ一定になることがわかった。このことから、サンプルは、化学的に均一な構造を有し、分解が瞬間的に行われることが分かった。   Next, the first PZTN powder raw material having an average particle size of about 0.1 μm or more and 5 μm or less is obtained by spraying and drying the raw material liquid in the atmosphere at a temperature of 130 ° C. using a spray drying apparatus (“B290” manufactured by Büch). Got. The obtained powder raw material was a spherical white powder. The result of thermogravimetric analysis using this powder raw material as a sample is shown in FIG. From FIG. 5, it was found that the sample showed a rapid weight loss at around 270 ° C. and thereafter became almost constant. From this, it was found that the sample had a chemically uniform structure, and the decomposition was instantaneous.

ついで、得られた第1PZTN粉体原料を400℃で加熱しながら、ボールミルによって攪拌した。その結果、第1PZTN粉体原料は、n−ブタノールがほぼ除去されて乾燥した状態となった。また、このとき、第1PZTN粉体原料の平均粒径は、約1μm以上、3μm以下であった。   Next, the obtained first PZTN powder raw material was stirred by a ball mill while being heated at 400 ° C. As a result, the first PZTN powder raw material was in a dry state from which n-butanol was almost removed. At this time, the average particle size of the first PZTN powder raw material was about 1 μm or more and 3 μm or less.

ついで、第1PZTN粉体原料をボールミルによってさらに粉砕した。その結果、粒径が約100nm以上、1μm以下のPZTN粉体原料を得た。さらに、このPZTN粉体を700℃で熱処理(仮焼成)した後、ボールミルによって微粉砕し、さらに、700℃で熱処理(仮焼成)し、第2PZTN粉体原料を得た。この第2PZTN粉体原料は、第1PZTN粉体原料に比べて粒径が小さいだけでなく、粒径も揃っていた。   Next, the first PZTN powder material was further pulverized by a ball mill. As a result, a PZTN powder raw material having a particle size of about 100 nm to 1 μm was obtained. Further, the PZTN powder was heat-treated (pre-baked) at 700 ° C., then finely pulverized by a ball mill, and further heat-treated (pre-fired) at 700 ° C. to obtain a second PZTN powder raw material. This second PZTN powder material had not only a smaller particle size than the first PZTN powder material, but also had a uniform particle size.

第2PZTN粉体のX線解析結果(XRD)を図6に示す。図6から、仮焼成後のPZTN粉体は、ペロブスカイト構造を有することが確認された。   The X-ray analysis result (XRD) of the second PZTN powder is shown in FIG. From FIG. 6, it was confirmed that the PZTN powder after calcination has a perovskite structure.

ついで、ボールミルでさらに微粉砕を行い、平均粒径が約0.5μm以上、2μm以下のPZTN粉体を得た。このPZTN粉体原料100gに対して、バインダーとしてポリビニルアルコールを3g加えて造粒した後、8mPa(1t/10mmφ)で加圧すると共に、1270℃で2時間、熱処理(焼成)してペレット状のPZTNを得た。このペレット状PZTNの密度は、7.7(g/cm)であった。また、焼成後のPZTN粉体のXRDを図6に示す。図6から、焼成後のPZTN粉体も、仮焼成後のPZTN粉体と同様に、ペロブスカイト構造を有することが確認された。 Subsequently, it was further finely pulverized with a ball mill to obtain a PZTN powder having an average particle size of about 0.5 μm or more and 2 μm or less. To 100 g of this PZTN powder raw material, 3 g of polyvinyl alcohol is added as a binder and granulated, and then pressurized at 8 mPa (1 t / 10 mmφ) and heat treated (fired) at 1270 ° C. for 2 hours to form PZTN in the form of pellets Got. The density of the pellet PZTN was 7.7 (g / cm 3 ). Moreover, FIG. 6 shows the XRD of the PZTN powder after firing. From FIG. 6, it was confirmed that the PZTN powder after firing also has a perovskite structure, like the PZTN powder after temporary firing.

さらに、得られたペレット状のPZTNの表面を研磨した後、電極を形成し、圧電素子サンプルを形成した。この圧電素子サンプルをポーリング処理した後、電気的特性を測定した。ポーリング条件は、150℃で3kV/mmであった。   Furthermore, after polishing the surface of the obtained pellet-like PZTN, electrodes were formed to form a piezoelectric element sample. The piezoelectric element sample was subjected to a poling process, and then the electrical characteristics were measured. The polling conditions were 3 kV / mm at 150 ° C.

測定結果は以下のとおりであった。圧電定数d33は、602(pC/N)、比誘電率εrは、2251、誘電損失tanδは、1.9%、リーク電流は、2×10−8(A/cm)、キュリー点Tcは、310℃であった。 The measurement results were as follows. The piezoelectric constant d 33 is 602 (pC / N), the relative dielectric constant εr is 2251, the dielectric loss tan δ is 1.9%, the leakage current is 2 × 10 −8 (A / cm 2 ), and the Curie point Tc. Was 310 ° C.

なお、乾燥温度を200℃とした場合には、圧電定数d33および比誘電率εrは、あまり変化しないものの、誘電損失tanδが8.5%と低下したことを確認した。 When the drying temperature was 200 ° C., it was confirmed that the dielectric loss tan δ was lowered to 8.5%, although the piezoelectric constant d 33 and the relative dielectric constant εr did not change much.

さらに、原料液、スプレードライ後のPZTN粉体、仮焼成後のPZTN粉体、および焼成後のPZTN粉体について、ICP発光分析による組成を図7に示す。図7から、鉛のモル比はやや小さくなるものの、ジルコニウム、チタンおよびニオブについては、原料液の組成比と焼成後のPZTNの組成比とがほぼ一致していることが確認された。   Furthermore, the composition by ICP emission analysis is shown in FIG. 7 for the raw material liquid, the PZTN powder after spray drying, the PZTN powder after calcination, and the PZTN powder after calcination. From FIG. 7, it was confirmed that the composition ratio of the raw material liquid and the composition ratio of PZTN after firing were almost the same for zirconium, titanium, and niobium, although the molar ratio of lead was slightly reduced.

5.5.比較例2
金属の比率が実施例3と同じになるように、固相法によってPZTN粉体を得た。具体的には、PbO,ZrO,TiOおよびNbを、モル比で、106:47:43:5になるように秤量した後、ポットミルにて混合・粉砕した。得られた粉体を乾燥させ、700℃から900℃で熱処理(仮焼成)した。700℃で2時間にわたって熱処理した後の粉体および900℃で2時間にわたって熱処理した後の粉体についてX線解析(XRD)を行った。その結果を図8に示す。図8から、固相法では、700℃から900℃では、原料のピークが残っていて、ペロブスカイト単相のPZTNを得ることができないことが確認された。
5.5. Comparative Example 2
PZTN powder was obtained by the solid phase method so that the metal ratio was the same as in Example 3. Specifically, PbO, ZrO 2 , TiO 2 and Nb 2 O 5 were weighed so as to have a molar ratio of 106: 47: 43: 5, and then mixed and pulverized in a pot mill. The obtained powder was dried and heat-treated (pre-baked) at 700 to 900 ° C. X-ray analysis (XRD) was performed on the powder after heat treatment at 700 ° C. for 2 hours and on the powder after heat treatment at 900 ° C. for 2 hours. The result is shown in FIG. From FIG. 8, it was confirmed that in the solid phase method, the peak of the raw material remained at 700 ° C. to 900 ° C., and it was not possible to obtain perovskite single phase PZTN.

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。たとえば、本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成(たとえば、機能、方法および結果が同一の構成、あるいは目的および効果が同一の構成)を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成または同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made. For example, the present invention includes configurations that are substantially the same as the configurations described in the embodiments (for example, configurations that have the same functions, methods, and results, or configurations that have the same purposes and effects). In addition, the present invention includes a configuration in which a non-essential part of the configuration described in the embodiment is replaced. In addition, the present invention includes a configuration that achieves the same effect as the configuration described in the embodiment or a configuration that can achieve the same object. Further, the invention includes a configuration in which a known technique is added to the configuration described in the embodiment.

30 圧電素子、32 セラミックス膜、34,36 電極、38,40 外部電極 30 Piezoelectric element, 32 Ceramic film, 34, 36 electrode, 38, 40 External electrode

Claims (11)

金属化合物を含む溶液を準備する工程と、
前記溶液から粉体を形成する工程と、を含み、
前記金属化合物は、加水分解性金属化合物および熱分解性有機金属化合物の少なくとも1種を含む、セラミックス粉体の製造方法。
Preparing a solution containing a metal compound;
Forming a powder from the solution,
The said metal compound is a manufacturing method of ceramic powder containing at least 1 sort (s) of a hydrolysable metal compound and a thermally decomposable organometallic compound.
請求項1において、
前記金属化合物は、Pbを含む第1金属化合物と、Zrを含む第2金属化合物と、Tiを含む第3金属化合物と、Nbを含む第4金属化合物と、を含む、セラミックス粉体の製造方法。
In claim 1,
The metal compound includes a first metal compound containing Pb, a second metal compound containing Zr, a third metal compound containing Ti, and a fourth metal compound containing Nb. .
請求項2において、
前記第1金属化合物は、酢酸鉛またはオクチル酸鉛であり、
前記第2金属化合物は、Tiのアルコキシド、Tiの酢酸塩またはTiのオクチル酸塩であり、
前記第3金属化合物は、オクチル酸ニオブまたはオクチル酸鉛ニオブである、セラミックス粉体の製造方法。
In claim 2,
The first metal compound is lead acetate or lead octylate,
The second metal compound is Ti alkoxide, Ti acetate or Ti octylate,
The method for producing a ceramic powder, wherein the third metal compound is niobium octylate or lead niobium octylate.
請求項1ないし3のいずれかにおいて、
前記粉体を形成する工程は、スプレードライ法またはフリーズドライ法を用いて行われる、セラミックス粉体の製造方法。
In any of claims 1 to 3,
The step of forming the powder is a method for producing a ceramic powder, which is performed using a spray drying method or a freeze drying method.
請求項1ないし4のいずれかにおいて、
さらに、前記溶液は、シリコンを含む、セラミックス粉体の製造方法。
In any of claims 1 to 4,
Furthermore, the said solution contains the silicon | silicone, The manufacturing method of the ceramic powder.
請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載のセラミックス粉体の製造方法により製造されたセラミックス粉体からスラリーを形成する工程と、
前記スラリーを用いて膜を形成する工程と、
前記膜を焼成する工程と、を含む、セラミックス膜の製造方法。
Forming a slurry from the ceramic powder produced by the method for producing a ceramic powder according to any one of claims 1 to 5,
Forming a film using the slurry;
And a step of firing the film.
請求項6に記載のセラミックス膜の製造方法を用いる、圧電素子の製造方法。   A method for manufacturing a piezoelectric element, which uses the method for manufacturing a ceramic film according to claim 6. 請求項7に記載の圧電素子の製造方法を用いる、液滴噴射装置の製造方法。   A method for manufacturing a droplet ejecting apparatus using the method for manufacturing a piezoelectric element according to claim 7. 金属化合物を含む溶液を準備する工程と、
前記溶液から、スプレードライ法またはフリーズドライ法を用いて、第1粉体を形成する工程と、
前記第1粉体を撹拌しながら加熱することにより、第2粉体を形成する工程と、
前記第2粉体を粉砕することにより、第3粉体を形成する工程と、
前記第3粉体を成形し焼成することにより、または前記第3粉体からスラリーを形成し成膜し焼成することにより、第1セラミックス体を形成する工程と、
前記第1セラミックス体を粉砕することにより、第4粉体を形成する工程と、
前記第4粉体を成形および焼成する、または前記第4粉体からスラリーを形成し成膜し焼成する工程と、を含む、セラミックス膜の製造方法。
Preparing a solution containing a metal compound;
Forming a first powder from the solution using a spray drying method or a freeze drying method;
Heating the first powder while stirring to form a second powder;
Pulverizing the second powder to form a third powder;
Forming the first ceramic body by forming and firing the third powder, or forming a slurry from the third powder, and forming and firing;
Crushing the first ceramic body to form a fourth powder;
Forming and firing the fourth powder, or forming a slurry from the fourth powder, forming a film, and firing the method.
請求項9に記載のセラミックス膜の製造方法を用いる、圧電素子の製造方法。   The manufacturing method of a piezoelectric element using the manufacturing method of the ceramic film of Claim 9. 請求項10に記載の圧電素子の製造方法を用いる、液滴噴射装置の製造方法。   A method for manufacturing a droplet ejecting apparatus, which uses the method for manufacturing a piezoelectric element according to claim 10.
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