JP3955001B2 - Piezoelectric film forming composition and method for producing piezoelectric film - Google Patents

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Description

本発明は、圧電体膜形成用組成物、圧電体膜の製造方法、圧電体素子及びインクジェット式記録ヘッドに関する。   The present invention relates to a piezoelectric film forming composition, a piezoelectric film manufacturing method, a piezoelectric element, and an ink jet recording head.

圧電体素子は、強誘電性あるいは常誘電性の結晶化した圧電性セラミックスにより構成されている。圧電性セラミックス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)を主成分とする二成分系、またはこの二成分系のPZTに第三成分を加えた三成分系からなる。二成分系PZTを用いた強誘電体が、[非特許文献1]に記載されている。これら金属酸化物型の圧電体薄膜の製法としては、スパッタリング法、MOCVD法、ゾルゲル法などが挙げられる。   The piezoelectric element is made of a crystallized piezoelectric ceramic that is ferroelectric or paraelectric. The composition of the piezoelectric ceramic is generally composed of a two-component system mainly composed of lead zirconate titanate (hereinafter referred to as “PZT”), or a three-component system in which a third component is added to this two-component system PZT. A ferroelectric using a two-component PZT is described in [Non-Patent Document 1]. Examples of methods for producing these metal oxide type piezoelectric thin films include sputtering, MOCVD, and sol-gel.

またゾルゲル法により成膜された圧電体素子を用いたインクジェット式プリンターヘッドが開示されている。たとえば[特許文献1]、[特許文献2]、[特許文献3]などには、ゾルゲル法を利用し、下部電極上に圧電体材料を含むゾルを複数回に分けて塗布し加熱処理を繰り返すことにより、インクジェット式プリンターヘッドに用いられる圧電体素子の圧電体薄膜を形成する方法が開示されている。   An ink jet printer head using a piezoelectric element formed by a sol-gel method is disclosed. For example, in [Patent Document 1], [Patent Document 2], [Patent Document 3], etc., a sol-gel method is used, and a sol containing a piezoelectric material is applied to a lower electrode in several times and heat treatment is repeated. Thus, a method of forming a piezoelectric thin film of a piezoelectric element used in an ink jet printer head is disclosed.

特開平9−92897号公報Japanese Patent Laid-Open No. 9-92897 特開平10−139594号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-139594 特開平10−290035号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-290035 Applied PhysicsLetters 1991.vol58 No11 pp1161-1163Applied PhysicsLetters 1991.vol58 No11 pp1161-1163

しかし、ゾルゲル法による圧電体素子形成用組成物として、通常の金属錯体や有機酸金属塩をそのまま溶剤に溶解して用いるだけでは、有機金属化合物の加水分解速度が違うため、それぞれが単独の金属酸化物を生成することにより、均一な組成になりにくい。また、焼成時には、それらの金属酸化物の固相反応で複合化するが、それぞれの揮発性の違いから、その薄膜の組成を均一に制御することが困難であった。また、成膜時には微細な粉状の膜となり易く、導通を生じ易い等の問題があるなど、目的とする性能の圧電体素子の作製は困難であった。   However, as a composition for forming a piezoelectric element by the sol-gel method, simply dissolving a normal metal complex or an organic acid metal salt in a solvent as it is is different in hydrolysis rate of the organic metal compound. By forming an oxide, it is difficult to obtain a uniform composition. Further, at the time of firing, the metal oxides are compounded by a solid phase reaction, but due to the difference in volatility of each, it is difficult to uniformly control the composition of the thin film. In addition, it is difficult to produce a piezoelectric element having a desired performance, such as a problem that a fine powdery film tends to be formed at the time of film formation and conduction is likely to occur.

これらの問題に関して、急速な加水分解をコントロールするために安定剤を添加することが知られており、塗布液の安定化に寄与し、成膜の安定化につながるとされている。   Regarding these problems, it is known to add a stabilizer to control rapid hydrolysis, which contributes to the stabilization of the coating solution and leads to the stabilization of the film formation.

従来、安定化剤として、β−ジケトン類、ケトン酸類、これらのケトン酸の低級アルキルエステル類、オキシ酸類、これらのオキシ酸の低級アルキルエステル類、オキシケトン類、α−アミノ酸類、アルカノールアミン類等が使用されている。例えば、上記安定化剤は金属アルコキシドおよび/または金属塩をキレート化して安定化し、加水分解反応速度を遅くするものである。例えば、Ti、Zrなどのアルコキシドをアセチルアセトンと反応させ、加水分解反応速度を遅くすることにより、緻密な膜を得ることを目的に添加される。   Conventionally, as stabilizers, β-diketones, ketone acids, lower alkyl esters of these ketone acids, oxyacids, lower alkyl esters of these oxyacids, oxyketones, α-amino acids, alkanolamines, etc. Is used. For example, the stabilizer stabilizes the metal alkoxide and / or metal salt by chelating and slows the hydrolysis reaction rate. For example, it is added for the purpose of obtaining a dense film by reacting an alkoxide such as Ti or Zr with acetylacetone to slow the hydrolysis reaction rate.

しかし、上記の安定化剤を使用しても、焼成時にアルコキシドから酸化物への転化が不完全で、微細な小粒子からなる緻密化の不完全な膜が生成し、より揮発性の金属成分の損失による組成変動や、圧電性にばらつきが起こる原因となるなど、なお満足できる結果が得られていない場合がある。また、上記の安定化剤を使用して成膜すると薄膜形成粒子の粒径が不均一であるという欠点がある。このように表面形態が不均一な薄膜では、圧電性も場所により不均一なものとなる場合がある。   However, even when the above stabilizers are used, the conversion from alkoxide to oxide is incomplete during firing, resulting in an incompletely densified film consisting of fine small particles, and more volatile metal components In some cases, satisfactory results have not yet been obtained, such as compositional fluctuations due to loss of silicon and variations in piezoelectricity. Further, when a film is formed using the above stabilizer, there is a disadvantage that the particle diameter of the thin film-forming particles is not uniform. In such a thin film having a non-uniform surface form, the piezoelectricity may be non-uniform depending on the location.

また、圧電体素子を製造する観点から、形成される一層の膜厚は大きい方が効率がよく、そのための工夫が必要であるとされている。アクチュエータとして使用するためには、膜の表面で圧電体素子としての特性を均一に示し、さらに耐久性の優れた、緻密な膜が求められている。さらに、厚膜を成膜すると、膜内にクラックが発生するといった欠陥も生じ、アクチュエータとしての特性も不十分であった。また、従来の圧電体素子形成用組成物の製造方法では、長期間保存した場合、液中の重合反応等により、沈殿の発生の問題などがあり、長期的に安定して使用することができない場合がある。   Further, from the viewpoint of manufacturing a piezoelectric element, it is said that the larger the thickness of one layer formed, the better the efficiency, and a device for that purpose is required. In order to be used as an actuator, there is a demand for a dense film that uniformly exhibits characteristics as a piezoelectric element on the surface of the film and that has excellent durability. Further, when a thick film is formed, defects such as cracks are generated in the film, and the characteristics as an actuator are insufficient. Further, in the conventional method for producing a piezoelectric element forming composition, when stored for a long period of time, there is a problem of precipitation due to a polymerization reaction in the liquid, and thus it cannot be used stably for a long period of time. There is a case.

本発明は、表面形態の不均一部分が少なく、かつ良好な圧電特性を得られる圧電体素子形成用組成物、圧電体膜の製造方法、圧電体素子及びインクジェット式記録ヘッドを提供することを目的としている。   An object of the present invention is to provide a piezoelectric element-forming composition, a piezoelectric film-forming method, a piezoelectric element, and an ink jet recording head that have few uneven portions of the surface form and can obtain good piezoelectric characteristics. It is said.

本発明は、安定化剤として、1,8-ジアザビシクロ[5.4.0]-7−ウンデセン、1,5-ジアザビシクロ[4.3.0]ノン-5-エン、1,4-ジアザビシクロ[2.2.2]オクタンの内少なくとも1種を用いる。これは、1,8-ジアザビシクロ[5.4.0]-7-ウンデセン、1,5-ジアザビシクロ[4.3.0]ノン-5-エン、1,4-ジアザビシクロ[2.2.2]オクタンからの電子供与により、金属アルコキシドおよび/または金属塩を安定化させるものである。同時に金属アルコキシドおよび/または金属塩の反応性、溶解度を変化させ、ゾル合成時の加水分解、縮重合反応の速度、それによる反応生成物の構造の制御を狙ったものである。これにより、圧電体素子の特性向上、圧電体素子形成用組成物の保存性の改善、インクジェット式記録ヘッドの性能向上が認められることを見出し、本発明に到達した。   The present invention provides 1,8-diazabicyclo [5.4.0] -7-undecene, 1,5-diazabicyclo [4.3.0] non-5-ene, 1,4-diazabicyclo [2.2.2] as stabilizers. At least one of octane is used. This is due to electron donation from 1,8-diazabicyclo [5.4.0] -7-undecene, 1,5-diazabicyclo [4.3.0] non-5-ene, 1,4-diazabicyclo [2.2.2] octane. , To stabilize metal alkoxides and / or metal salts. At the same time, the reactivity and solubility of the metal alkoxide and / or metal salt are changed to control the hydrolysis during the sol synthesis, the rate of the polycondensation reaction, and thereby the structure of the reaction product. As a result, it was found that the characteristics of the piezoelectric element were improved, the storage stability of the piezoelectric element forming composition was improved, and the performance of the ink jet recording head was improved, and the present invention was achieved.

本発明の圧電体素子形成用組成物は、圧電体素子を形成するための有機金属化合物から得られる分散質を含む圧電体素子形成用組成物において、該溶液中に安定化剤として、1,8-ジアザビシクロ[5.4.0]-7-ウンデセン、1,5-ジアザビシクロ[4.3.0]ノン-5-エン、1,4-ジアザビシクロ[2.2.2]オクタンの内少なくとも1種を含有することを特徴とする。   The piezoelectric element forming composition of the present invention is a piezoelectric element forming composition containing a dispersoid obtained from an organometallic compound for forming a piezoelectric element. It contains at least one of 8-diazabicyclo [5.4.0] -7-undecene, 1,5-diazabicyclo [4.3.0] non-5-ene, and 1,4-diazabicyclo [2.2.2] octane. Features.

本発明の圧電体素子形成用組成物は、1,8-ジアザビシクロ[5.4.0]-7-ウンデセン、1,5-ジアザビシクロ[4.3.0]ノン-5-エン、1,4-ジアザビシクロ[2.2.2]オクタンの含有量を、圧電体素子組成物中の総金属原子のモル数に対し、0.005倍モル以上、5.0倍モル以下の含有量であることを特徴とする。   The composition for forming a piezoelectric element of the present invention comprises 1,8-diazabicyclo [5.4.0] -7-undecene, 1,5-diazabicyclo [4.3.0] non-5-ene, 1,4-diazabicyclo [2.2. .2] The octane content is 0.005 times to 5.0 times the number of moles of total metal atoms in the piezoelectric element composition.

本発明の圧電体素子形成用組成物は、Pb及びLa、Zr、Tiの元素から少なくとも1種類以上を構成元素として含むことを特徴とする。   The composition for forming a piezoelectric element of the present invention is characterized in that it contains at least one element selected from the elements Pb and La, Zr, and Ti as a constituent element.

本発明の圧電体素子の製造方法は、前述の圧電体素子形成用組成物を耐熱性基板に塗布し、空気中、酸化雰囲気中又は含水蒸気雰囲気中で加熱する工程を所望の厚さの膜が得られるまで繰り返し、少なくとも最終工程における加熱中或いは加熱後に該膜を結晶化温度以上で焼成することを特徴とする。   The method for manufacturing a piezoelectric element according to the present invention includes a step of applying the above-described composition for forming a piezoelectric element to a heat-resistant substrate and heating it in air, in an oxidizing atmosphere, or in a water-containing atmosphere. The film is fired at a temperature equal to or higher than the crystallization temperature at least during or after heating in the final step.

本発明のインクジェット式記録ヘッドは、前述の圧電体素子の製造方法により製造された圧電体素子を備えたインクジェット式記録ヘッドにおいて、圧力室が形成された圧力室基板と、前記圧力室の一方の面に設けられた振動板と、前記振動板の前記圧力室に対応する位置に設けられ、当該圧力室に体積変化を及ぼすことが可能に構成された前記圧電体素子と、を備えたことを特徴とする。   An ink jet recording head of the present invention is an ink jet recording head including a piezoelectric element manufactured by the above-described piezoelectric element manufacturing method, and a pressure chamber substrate on which a pressure chamber is formed, and one of the pressure chambers. A diaphragm provided on a surface, and the piezoelectric element provided at a position corresponding to the pressure chamber of the diaphragm and configured to be able to change the volume of the pressure chamber. Features.

本発明によれば、厚膜で形成されても、表面形態の不均一部分が少なく、かつ良好な圧電特性を得られる圧電体素子形成用組成物、圧電体膜の製造方法、圧電体素子及びインクジェット式記録ヘッドを提供することができる。   According to the present invention, a piezoelectric element-forming composition, a piezoelectric film-forming method, a piezoelectric element, and a piezoelectric element-forming composition capable of obtaining excellent piezoelectric characteristics with few non-uniform surface shapes even when formed as a thick film An ink jet recording head can be provided.

以下、本発明を実施するための形態について説明する。   Hereinafter, modes for carrying out the present invention will be described.

図1は、本発明の圧電体素子の一実施形態の構成を示す図である。同図において、1は基板である。   FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an embodiment of a piezoelectric element of the present invention. In the figure, reference numeral 1 denotes a substrate.

シリコン(Si)やタングステン(W)などからなる半導体基板が好ましく用いられるが、ジルコニアやアルミナ、シリカなどのセラミックを用いても構わない。また最表面に酸化物層、窒化物層などが形成されていても構わない。   A semiconductor substrate made of silicon (Si), tungsten (W), or the like is preferably used, but ceramics such as zirconia, alumina, and silica may be used. An oxide layer, a nitride layer, or the like may be formed on the outermost surface.

図1において2、4は、それぞれ下部電極、上部電極であり本発明では5〜500nm程度の導電層よりなる。具体的には、Ti、Pt、Ta、Ir、Sr、In、Sn、Au、Al、Fe、Cr、Niなどの金属およびこれらの酸化物が1種あるいは2種以上が積層して用いられる。   In FIG. 1, 2 and 4 are a lower electrode and an upper electrode, respectively, and in the present invention, are made of a conductive layer of about 5 to 500 nm. Specifically, metals such as Ti, Pt, Ta, Ir, Sr, In, Sn, Au, Al, Fe, Cr, and Ni and oxides thereof are used alone or in combination.

これらの金属、酸化物は基板上にゾルゲル法などにより塗工、焼成して形成しても良いし、スパッタ、蒸着などにより形成してもよい。また下部電極、上部電極とも所望の形状にパタンニングして用いても良い。   These metals and oxides may be formed by coating and baking on a substrate by a sol-gel method or the like, or may be formed by sputtering or vapor deposition. Further, both the lower electrode and the upper electrode may be used after being patterned into a desired shape.

図1において3は圧電体薄膜であり、本発明ではPb以外に,La、Zr、Tiの元素から少なくとも1種類以上を構成元素として含むものをゾルゲル法により製造し用いる。即ち溶媒に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た塗工液を基板上に塗工し乾燥、及びその後の熱処理工程による焼成を行うことにより得ることができる。   In FIG. 1, reference numeral 3 denotes a piezoelectric thin film. In the present invention, in addition to Pb, a material containing at least one element from La, Zr, and Ti as a constituent element is manufactured and used by the sol-gel method. That is, after dissolving alkoxide and / or metal salt such as Pb, La, Zr, Ti, etc. in the solvent, water is added and hydrolyzed coating solution is coated on the substrate, dried, and then heat treatment It can be obtained by performing firing by a process.

Pb、La、Zr、Ti以外に微量の元素でドーピングを行っても良い。具体的な例としてはCa,Sr,Ba,Sn,Th,Y,Sm,Ce,Bi,Sb,Nb,Ta,W,Mo,Cr,Co,Ni,Fe,Cu,Si,Ge,Sc,Mg,Mnなどが挙げられる。その含有量は、一般式Pb1-xLax(ZryTi1-y)O3(式中、0≦x<1、0≦y≦1)
における金属原子の原子分率で0.05以下である。
Doping may be performed with a trace amount of elements other than Pb, La, Zr, and Ti. Specific examples include Ca, Sr, Ba, Sn, Th, Y, Sm, Ce, Bi, Sb, Nb, Ta, W, Mo, Cr, Co, Ni, Fe, Cu, Si, Ge, Sc, Mg, Mn, etc. are mentioned. Its content is represented by the general formula Pb 1-x La x (Zr y Ti 1-y ) O 3 (where 0 ≦ x <1, 0 ≦ y ≦ 1)
The atomic fraction of metal atoms in is 0.05 or less.

圧電体薄膜の各成分金属の原料として使用する有機金属化合物を、適当な有機溶剤に一緒に分散して、圧電体材料である複合有機金属酸化物(2以上の金属を含有する酸化物)の前駆体を含有する原料ゾルを調製する。また、ゾルの溶剤は分散性、塗布性を考慮して、公知の各種溶剤から適宜選択される。   An organic metal compound used as a raw material for each component metal of the piezoelectric thin film is dispersed together in an appropriate organic solvent to form a composite organic metal oxide (an oxide containing two or more metals) that is a piezoelectric material. A raw material sol containing a precursor is prepared. The solvent for the sol is appropriately selected from various known solvents in consideration of dispersibility and coating properties.

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。本発明におけるゾルゲル法において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ゲル化が起こりにくくなり、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 in the sol-gel method in the present invention is usually 5 to 200 times mol, preferably 10 to 100 times mol, based on the metal alkoxide. If the amount of the solvent is too large, gelation is difficult 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−エトキシエトキシド、鉛メトキシド、鉛エトキシド、鉛n-プロポキシド、鉛i-プロポキシド、鉛n-ブトキシシド、鉛i-ブトキシシド、鉛t-ブトキシシド、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-ethoxyethoxide, lead methoxide, lead ethoxide, lead n-propoxide, lead i-propoxide, lead n-butoxyside, lead i-butoxyside, lead t-butoxyside, and other various types. Examples thereof include 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insitu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薄膜の塗工液を得る。   In addition, Pb inorganic salt compounds, specifically chloride, nitrate, phosphate, sulfate, etc.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 situ. The same alkoxide compound or inorganic salt can be used for La, Mg, Zr, Ti, and Nb. These alkoxide solutions or inorganic salts of Pb, La, Mg, Zr, Ti, and Nb are dissolved in the solvent and hydrolyzed to be polymerized to obtain a piezoelectric thin film coating solution.

なお、原料の有機金属化合物は、上述したような1種類の金属を含有する化合物の他に、2種以上の成分金属を含有する複合化した有機金属化合物であってもよい。かかる複合化有機金属化合物の例としては、PbO2[Ti(OC3732、PbO2[Zr(OC4932などが挙げられる。なお、本発明で有機金属化合物とは金属と有機基を含有する広義の意味として用いており、炭素−金属結合を有する狭義の意味で用いていているのではない。 The starting organometallic compound may be a complex organometallic compound containing two or more component metals in addition to the compound containing one kind of metal as described above. Examples of such complex organometallic compounds include PbO 2 [Ti (OC 3 H 7 ) 3 ] 2 , PbO 2 [Zr (OC 4 H 9 ) 3 ] 2 and the like. In the present invention, the organometallic compound is used in a broad sense including a metal and an organic group, and is not used in a narrow sense having a carbon-metal bond.

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-y)O3(式中、0≦x<1、0≦y≦1)でもよいが、成膜時の焼成過程において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-y)O3(式中、0≦x<1、0≦y≦1)においてPbのモル比を5%〜30%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 in (1-x) La x ( Zr y Ti 1-y) O 3 ( wherein, 0 ≦ x <1,0 ≦ However, since Pb disappears during the baking process during film formation, it is preferable to increase the amount of Pb at the time of preparing the coating liquid. Specifically, the molar ratio of Pb is 5% to 30% in Pb (1-x) La x (Zr y Ti 1-y ) O 3 (where 0 ≦ x <1, 0 ≦ y ≦ 1). You can increase it within the range.

次に、安定化剤を、上記混合溶液中に添加して安定化する。金属−酸素−金属結合を、全体としてゆるやかに重合させておくものである。なお、安定化剤を多量に供給すると加水分解が適切に行われない場合があり、また溶解度の問題から沈澱が生ずることもある。   Next, a stabilizer is added to the mixed solution and stabilized. The metal-oxygen-metal bond is slowly polymerized as a whole. If a large amount of stabilizer is supplied, hydrolysis may not be performed properly, and precipitation may occur due to solubility problems.

本発明においては、この強誘電体薄膜形成用組成物の有機金属化合物溶液中に、安定化剤として、1,8-ジアザビシクロ[5.4.0]-7-ウンデセン、1,5-ジアザビシクロ[4.3.0]ノン-5-エン、1,4-ジアザビシクロ[2.2.2]オクタンの内少なくとも1種を添加する。有機金属化合物溶液中の上記安定剤の含有量が少な過ぎるとこれらを添加したことによる改善効果が十分に得られず、多過ぎると、粘度が上昇し成膜性が劣るといった問題が生じることから、この含有量は、総金属原子のモル数に対し、0.005倍モル以上、5.0倍モル以下、特に0.05倍モル以上、2.5倍モル以下の濃度であることであることが好ましい。1,8-ジアザビシクロ[5.4.0]-7-ウンデセン、1,5-ジアザビシクロ[4.3.0]ノン-5-エン、1,4-ジアザビシクロ[2.2.2]オクタンは複数種併用して用いても良い。これらは、酸と結合した塩の化合物として用いてもよい。具体的には、ギ酸塩、オクチル酸塩などが知られている。また、他の安定化剤として従来用いられている、β−ジケトン類(例えば、アセチルアセトン、ヘプタフルオロブタノイルピバロイルメタン、ジピバロイルメタン、トリフルオロアセチルアセトン、ベンゾイルアセトン等)、ケトン酸類(例えば、アセト酢酸、プロピオニル酢酸、ベンゾイル酢酸等)、これらのケトン酸のエチル、プロピル、ブチル等の低級アルキルエステル類、オキシ酸類(例えば、乳酸、グリコール酸、α−オキシ酪酸、サリチル酸等)、これらのオキシ酸の低級アルキルエステル類、オキシケトン類(例えば、ジアセトンアルコール、アセトイン等)、α−アミノ酸類(例えば、グリシン、アラニン等)、アルカノールアミン類(例えば、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、モノエタノールアミン)等を併用しても良い。   In the present invention, 1,8-diazabicyclo [5.4.0] -7-undecene, 1,5-diazabicyclo [4.3.] Is used as a stabilizer in the organometallic compound solution of the composition for forming a ferroelectric thin film. [0] Add at least one of non-5-ene and 1,4-diazabicyclo [2.2.2] octane. If the content of the stabilizer in the organometallic compound solution is too small, the improvement effect due to the addition of these cannot be sufficiently obtained, and if too large, the viscosity increases and the film formability is inferior. This content is a concentration of 0.005 times mol or more and 5.0 times mol or less, particularly 0.05 times mol or more and 2.5 times mol or less with respect to the number of moles of total metal atoms. It is preferable. 1,8-diazabicyclo [5.4.0] -7-undecene, 1,5-diazabicyclo [4.3.0] non-5-ene, 1,4-diazabicyclo [2.2.2] octane are used in combination. Also good. These may be used as a salt compound bonded to an acid. Specifically, formate, octylate and the like are known. In addition, β-diketones (for example, acetylacetone, heptafluorobutanoylpivaloylmethane, dipivaloylmethane, trifluoroacetylacetone, benzoylacetone, etc.), ketone acids ( For example, acetoacetic acid, propionylacetic acid, benzoylacetic acid, etc.), lower alkyl esters of these ketone acids such as ethyl, propyl, butyl, etc., oxyacids (eg, lactic acid, glycolic acid, α-oxybutyric acid, salicylic acid, etc.), these Lower alkyl esters of oxyacids, oxyketones (eg, diacetone alcohol, acetoin, etc.), α-amino acids (eg, glycine, alanine, etc.), alkanolamines (eg, diethanolamine, triethanolamine, monoethanolamine) ) Etc. And it may be.

本発明において用いられる安定化剤の量は、1,8-ジアザビシクロ[5.4.0]-7-ウンデセン、1,5-ジアザビシクロ[4.3.0]ノン-5-エン、1,4-ジアザビシクロ[2.2.2]オクタンの内少なくとも1種と、上記の従来用いられている安定化剤を併用した場合、総金属原子のモル数に対し、通常0.05倍モルから5倍モルであり、好ましくは0.1倍モルから1.5倍モルである。   The amount of stabilizer used in the present invention is 1,8-diazabicyclo [5.4.0] -7-undecene, 1,5-diazabicyclo [4.3.0] non-5-ene, 1,4-diazabicyclo [2.2. .2] When at least one of octane and the above-mentioned conventional stabilizer are used in combination, it is usually 0.05 to 5 times the moles of the total metal atoms, preferably The amount is from 0.1 to 1.5 times mol.

その場合の併用する従来の安定剤の添加量は、1,8-ジアザビシクロ[5.4.0]-7-ウンデセン、1,5-ジアザビシクロ[4.3.0]ノン-5-エン、1,4-ジアザビシクロ[2.2.2]オクタンに対して、通常0.01倍モルから20倍モルであり、好ましくは0.05倍モルから10倍モルである。   The amount of the conventional stabilizer used in this case is 1,8-diazabicyclo [5.4.0] -7-undecene, 1,5-diazabicyclo [4.3.0] non-5-ene, 1,4-diazabicyclo. [2.2.2] It is usually 0.01 to 20 times mole, preferably 0.05 to 10 times mole, relative to octane.

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〜30モル倍の水が用いられ、より好ましくは0.5モル倍〜15モル倍の水が用いられる。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い。好ましくは、酸触媒として金属塩、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。また,塩基触媒としては、乾燥、焼成により容易に除去できるアンモニアが用いられることが多い。   For the hydrolysis of the solution containing the metal alkoxide and / or metal salt, for example, 0.05 to 30 moles of water of the metal alkoxide and / or metal salt is used, more preferably 0.5 to 15 moles. Molar 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 as the acid catalyst. As the base catalyst, ammonia that can be easily removed by drying and calcination is often used.

この加水分解反応速度は、金属アルコキシドおよび/または金属塩の種類、溶媒の種類、金属アルコキシドおよび/または金属塩に対する水の濃度、金属アルコキシドおよび/または金属塩の濃度、触媒、金属アルコキシドおよび/または金属塩のキレート化による安定化などにより制御することができる。   The hydrolysis reaction rate is determined depending on the type of metal alkoxide and / or metal salt, the type of solvent, the concentration of water relative to the metal alkoxide and / or metal salt, the concentration of metal alkoxide and / or metal salt, catalyst, metal alkoxide and / or It can be controlled by stabilizing the metal salt by chelation.

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、ポリビニルピロリドン誘導体等の高分子樹脂、ロジン、ロジン誘導体などを塗布性が向上する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. In addition, cellulose derivatives such as ethyl cellulose and hydroxypropyl cellulose, polymer resins such as polyvinyl alcohol, polyvinyl pyrrolidone, and polyvinyl pyrrolidone derivatives, rosin, rosin derivatives, and the like may be used for the purpose of improving coatability.

その後、さらに安定剤を所定量添加することにより、塗布性、表面形態の向上効果を損なうことなく、原料溶液の加水分解速度、重縮合速度等を抑え、その経時変化安定性を改善することができる。   Thereafter, by adding a predetermined amount of stabilizer, the hydrolysis rate, polycondensation rate, etc. of the raw material solution can be suppressed and the aging stability can be improved without impairing the effect of improving the coatability and surface morphology. it can.

上記塗工液は、基板上に形成された下部電極の上に塗工し乾燥させる。塗工方法は、スピンコート、ディップコート、バーコート、スプレーコートなど公知の塗工方法を用いることができる。この際の相対湿度は60%以下が好ましい。60%以上であると基板上の塗工液の加水分解が速く進行してしまい析出物が見られることがあり好ましくない。   The coating solution is applied on the lower electrode formed on the substrate and dried. As a coating method, a known coating method such as spin coating, dip coating, bar coating, spray coating, or the like can be used. In this case, the relative humidity is preferably 60% or less. If it is 60% or more, hydrolysis of the coating solution on the substrate proceeds rapidly and precipitates may be seen, which is not preferable.

乾燥後の1層あたりの膜厚は特に問わないが、0.01μm〜5μmが好ましい。また総膜厚としては1μm〜30μmあたりが好ましい。   The film thickness per layer after drying is not particularly limited, but is preferably 0.01 μm to 5 μm. The total film thickness is preferably around 1 μm to 30 μm.

乾燥は200℃以下の温度で行う。なお、この際には、25℃での相対湿度が10〜70%の気体の存在下で行う。70%以上であると基板上の塗工液の加水分解が速く進行してしまいクラックの原因となり好ましくない。また10%以下であると逆に加水分解が全く進行しなく、後述する焼成時の温度が上昇し好ましくない。この乾燥には、乾燥機、ドライヤー、ホットプレート、管状炉、電気炉などを用いることができる。また25℃での相対湿度が10〜70%の気体は、所望の気体を水中にバブリングさせることにより得られる。また加湿器などを用いて調整した気体を導入しても良い。   Drying is performed at a temperature of 200 ° C. or lower. In this case, it is performed in the presence of a gas having a relative humidity of 10 to 70% at 25 ° C. If it is 70% or more, hydrolysis of the coating solution on the substrate proceeds rapidly, which is not preferable because it causes cracks. On the other hand, if it is 10% or less, hydrolysis does not proceed at all, and the temperature at the time of firing described later rises, which is not preferable. For this drying, a dryer, a dryer, a hot plate, a tubular furnace, an electric furnace or the like can be used. A gas having a relative humidity of 10 to 70% at 25 ° C. can be obtained by bubbling a desired gas into water. Moreover, you may introduce | transduce the gas adjusted using the humidifier etc.

続いて200℃〜500℃の範囲で仮焼成を行う。この際には、25℃での相対湿度が70〜99%の気体の存在下で行う。70%以下では加水分解が進行せず好ましくない。この仮焼成には、乾燥機、ドライヤー、ホットプレート、管状炉、電気炉などを用いることができる。また25℃での相対湿度が70〜99%の気体は、所望の気体を水中にバブリングさせることにより得られる。また加湿器などを用いて調整した気体を導入しても良い。   Subsequently, temporary baking is performed in the range of 200 ° C to 500 ° C. In this case, it is carried out in the presence of a gas having a relative humidity of 70 to 99% at 25 ° C. If it is 70% or less, hydrolysis does not proceed, which is not preferable. A dryer, a drier, a hot plate, a tubular furnace, an electric furnace, or the like can be used for this temporary baking. A gas having a relative humidity of 70 to 99% at 25 ° C. can be obtained by bubbling a desired gas into water. Moreover, you may introduce | transduce the gas adjusted using the humidifier etc.

更に500℃〜800℃の範囲で本焼成を行う。この際には、25℃での相対湿度が70〜99%の気体の存在下で行う。70%以下では加水分解が進行せず好ましくない。この本焼成には、管状炉、電気炉などを用いることができる。また25℃での相対湿度が70〜99%の気体は、所望の気体を水中にバブリングさせることにより得られる。また加湿器などを用いて調整した気体を導入しても良い。   Further, the main baking is performed in the range of 500 ° C to 800 ° C. In this case, it is carried out in the presence of a gas having a relative humidity of 70 to 99% at 25 ° C. If it is 70% or less, hydrolysis does not proceed, which is not preferable. A tube furnace, an electric furnace, etc. can be used for this main baking. A gas having a relative humidity of 70 to 99% at 25 ° C. can be obtained by bubbling a desired gas into water. Moreover, you may introduce | transduce the gas adjusted using the humidifier etc.

前記水分を含有した気体は塗工表面を一定の速度で流れていることが好ましい。滞留してしまうと塗工液の加水分解が滞り好ましくない。基板上の好ましい流速は0.5cm/sec〜50cm/secである。但し基板の面積が微少であり水分を含有した気体が大過剰に存在する場合は滞留していても影響ない。   It is preferable that the gas containing moisture flows on the coating surface at a constant speed. If it stays, the hydrolysis of the coating solution is delayed, which is not preferable. A preferred flow rate on the substrate is 0.5 cm / sec to 50 cm / sec. However, if the area of the substrate is very small and there is a large excess of moisture-containing gas, there is no effect even if it stays.

上記塗工液により形成される1層あたりの焼成後膜厚は特に問わないが0.01μm〜1μm、好ましくは作業性を考慮して0.02μm〜0.9μmの範囲で選択するのがよい。この操作を繰り返すことにより任意の膜圧の圧電体薄膜を得ることができる。乾燥工程は各層ごとに行わなければならないが、仮焼成、本焼成は各層ごとに行っても良いし数層おきにまとめて行っても良い。また本焼成は一番最後に行うだけでも良い。   The film thickness after firing per layer formed by the coating liquid is not particularly limited, but is preferably 0.01 μm to 1 μm, and preferably 0.02 μm to 0.9 μm in view of workability. By repeating this operation, a piezoelectric thin film having an arbitrary film pressure can be obtained. The drying step must be performed for each layer, but the preliminary firing and the main firing may be performed for each layer or may be performed every several layers. Further, the main baking may be performed only at the end.

乾燥工程から本焼成までに基板表面に存在する気体は、酸素含有雰囲気が好ましく、酸素濃度としては20%〜100%の間がよい。20%より少ないと焼結が進まずペロブスカイト構造をとらなくなり所望の性能が現れず好ましくない。   The gas present on the substrate surface from the drying step to the main baking is preferably an oxygen-containing atmosphere, and the oxygen concentration is preferably between 20% and 100%. If it is less than 20%, the sintering does not proceed and the perovskite structure is not taken, and the desired performance does not appear.

また、焼成の際に、段階的な昇温を行うようにしてもよい。このような焼成により、有機成分がほぼ消失して、緻密な横造の圧電体膜が得られる。   Further, a stepwise temperature increase may be performed during firing. By such firing, the organic component is almost lost, and a dense laterally formed piezoelectric film can be obtained.

図2は、本発明の実施形態の1例を示し、圧電体素子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模式的に示す図である。プリンターヘッドの基本構成は、従来と同様であり、ヘッド基台5と振動板7および圧電体素子とから構成されている。ヘッド基台5には、インクを噴射する多数のインクノズル(図示せず)、それぞれのインクノズル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6が形成されており、ヘッド基台5の上面全体を覆うように振動板7が取り付けられ、この振動板7によってヘッド基台5の全てのインク室6の上面開口が閉塞されている。振動板7上には、それぞれのインク室6と個別に対応した位置に、振動板7に振動駆動力を与えるための圧電体素子8が被着形成されている。そして、多数の圧電体素子8を電源9を制御して、所望の選択された圧電体素子8に電圧を印加することにより、圧電体素子8を変位させて、その部分の振動板7を振動させる。これにより、振動板7の振動に対応した部分のインク室6の容積が変化して、インク経路を通ってインクノズル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 an enlarged view schematically showing a part of an ink jet printer head in which a piezoelectric element is used as an actuator, showing an example of an embodiment of the present invention. The basic configuration of the printer head is the same as that of the prior art, and is composed of a head base 5, a diaphragm 7, and a piezoelectric element. The head base 5 has a large number of ink nozzles (not shown) for ejecting ink, a large number of ink paths (not shown) individually communicating with the respective ink nozzles, and an individual communication with each ink path. A large number of ink chambers 6 are formed, and a vibration plate 7 is attached so as to cover the entire upper surface of the head base 5, and the upper surface openings of all the ink chambers 6 of the head base 5 are closed by the vibration plate 7. Has been. On the vibration plate 7, piezoelectric elements 8 for applying a vibration driving force to the vibration plate 7 are attached and formed at positions corresponding to the respective ink chambers 6. A number of piezoelectric elements 8 are controlled by a power source 9 to apply a voltage to a desired selected piezoelectric element 8, thereby displacing the piezoelectric element 8 and vibrating the diaphragm 7 in that portion. Let As a result, the volume of the ink chamber 6 corresponding to the vibration of the vibration plate 7 changes, and ink is pushed out from the ink nozzles through the ink path to perform printing.

以下に実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はその要旨を超えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited to the following examples unless it exceeds the gist.

(塗工液製造例1〜11)
本製造例は、表1に示すように圧電体薄膜用の塗工液として金属組成がPb1+x-yLayZr0.52Ti0.48(式中、0≦x≦0.3、0≦y<1)で表されるの塗工液を以下の通り作製した。
(Coating liquid production examples 1 to 11)
In this production example, as shown in Table 1, the metal composition is Pb 1 + xy La y Zr 0.52 Ti 0.48 (where 0 ≦ x ≦ 0.3, 0 ≦ y <1) as the coating liquid for the piezoelectric thin film. The coating liquid represented by the above was prepared as follows.

酢酸鉛水和物(Pb)および酢酸ランタン水和物(La)を混合し脱水し、1,8-ジアザビシクロ[5.4.0]-7-ウンデセン、1,5-ジアザビシクロ[4.3.0]ノン-5-エン、1,4-ジアザビシクロ[2.2.2]オクタン、1,8-ジアザビシクロ[5.4.0]-7-ウンデセンのギ酸塩、1,8-ジアザビシクロ[5.4.0]-7-ウンデセンのオクチル酸塩より選ばれる1種および1−メトキシ−2−プロパノール(溶剤1)を混合し反応させる。以後、1,8-ジアザビシクロ[5.4.0]-7-ウンデセンをDBU、1,5−ジアザビシクロ[4.3.0]ノン-5-エンをDBN、1,4-ジアザビシクロ[2.2.2]オクタンをDABCOと略記する。その後、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を加えて更に加熱し反応させ、原料金属化合物を互いに複合化させた。次に、水、エタノール(溶剤2)を添加し、加水分解反応を行った。その際、酢酸やアセチルアセトンを加えた。また成膜補助剤としてポリビニルピロリドン K-30(PVP)を加えたもの(製造例5,6,7)も用意した。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、ジエチレングリコールモノエチルエーテル (溶剤3)を添加して上記組成式に換算した金属酸化物濃度が10wt%になるように調製した。   Lead acetate hydrate (Pb) and lanthanum acetate hydrate (La) were mixed and dehydrated, and 1,8-diazabicyclo [5.4.0] -7-undecene, 1,5-diazabicyclo [4.3.0] non- 5-ene, 1,4-diazabicyclo [2.2.2] octane, 1,8-diazabicyclo [5.4.0] -7-undecene formate, 1,8-diazabicyclo [5.4.0] -7-undecene octyl One kind selected from acid salts and 1-methoxy-2-propanol (solvent 1) are mixed and reacted. Thereafter, 1,8-diazabicyclo [5.4.0] -7-undecene is DBU, 1,5-diazabicyclo [4.3.0] non-5-ene is DBN, and 1,4-diazabicyclo [2.2.2] octane is DABCO. Abbreviated. Thereafter, 0.52 mol of zirconia tetra-n-butoxide and 0.48 mol of titanium n-butoxide were added and further heated and reacted to complex the raw metal compounds with each other. Next, water and ethanol (solvent 2) were added to conduct a hydrolysis reaction. At that time, acetic acid and acetylacetone were added. Moreover, what added polyvinylpyrrolidone K-30 (PVP) as a film-forming auxiliary agent (Production Examples 5, 6, 7) was also prepared. Thereafter, the solvent having a boiling point of 100 ° C. or lower was completely removed with a rotary evaporator, and diethylene glycol monoethyl ether (solvent 3) was added to prepare a metal oxide concentration converted to the above composition formula to 10 wt%.

Figure 0003955001
Figure 0003955001

(製造比較例1)
本製造例は、DBUのかわりにジイソプロピルエチルアミンを添加した点を除いて、製造例2と同様にして、圧電体薄膜用の塗工液を作成した。
(Production Comparative Example 1)
In this production example, a coating solution for a piezoelectric thin film was prepared in the same manner as in Production Example 2 except that diisopropylethylamine was added instead of DBU.

(製造比較例2)
本製造例は、酢酸鉛水和物(Pb)および酢酸ランタン水和物(La)を混合し脱水しておいたものに、ジルコニア−イソプロポキシドおよびチタン−イソプロポキシドを加えて反応し、その後DBUのかわりにジアミノエタノールを添加する点を除いて、製造例5と同様にして、圧電体薄膜用の塗工液を作成した。
(Production Comparative Example 2)
In this production example, lead acetate hydrate (Pb) and lanthanum acetate hydrate (La) were mixed and dehydrated, and zirconia-isopropoxide and titanium-isopropoxide were added and reacted. Thereafter, a coating liquid for a piezoelectric thin film was prepared in the same manner as in Production Example 5 except that diaminoethanol was added instead of DBU.

(製造比較例3)
本比較例は、DBUを添加せずに合成した点を除いて、製造例2と同様にして、圧電体薄膜用の塗工液を作成した。この塗工液を放置すると、白色結晶物が析出した。
(Production Comparative Example 3)
In this comparative example, a coating liquid for a piezoelectric thin film was prepared in the same manner as in Production Example 2 except that the synthesis was performed without adding DBU. When this coating solution was allowed to stand, a white crystal was precipitated.

(実施例1〜9)
図3、図4に示すような裏面の一部がくり抜かれたジルコニアの基板(3cm角)の表面に上記塗工液製造例1、3、4、6、7、8,9で得られた塗工液を、スピンコート法によって塗布し、25℃で相対湿度35%の空気を、100℃の温度、空気中において5分間乾燥した(乾燥工程)。その後、直径5cm 長さ100cm(内ヒーター部30cm)の管状炉に25℃で相対湿度80%の酸素30%、窒素70%含有気体を流速20cm/secで流しながら400℃5分(仮焼成工程)、同じ雰囲気下で650℃5分間熱処理した(本焼成工程)。この塗布と加熱を3回繰り返した後、最後に、上記管状炉で25℃で相対湿度75%の酸素30%、窒素70%含有気体雰囲気下、700℃にて40分間焼成し(本焼成工程)、その後同湿度環境下で室温まで冷却し(冷却工程)、本発明の圧電体素子を得た。(図5)圧電体薄膜の中間部の金属組成を分析したところPb1.0Zr0.52Ti0.48であった。
(Examples 1-9)
It was obtained in the above coating liquid production examples 1, 3, 4, 6, 7, 8, and 9 on the surface of a zirconia substrate (3 cm square) in which a part of the back surface was hollowed out as shown in FIGS. The coating liquid was applied by a spin coating method, and air having a relative humidity of 35% was dried at 25 ° C. in air at 100 ° C. for 5 minutes (drying step). Then, 400 ° C for 5 minutes while flowing a gas containing 30% oxygen and 70% nitrogen at a flow rate of 20cm / sec at 25 ° C in a tubular furnace of 5cm in diameter and 100cm in length (inner heater section 30cm) ), 650 ° C. for 5 minutes under the same atmosphere (main firing step). After repeating this coating and heating three times, finally, firing was performed at 700 ° C. for 40 minutes in a tubular furnace at 25 ° C. in a gas atmosphere containing 30% oxygen and 70% nitrogen at a relative humidity of 75% (main firing step). ) And then cooled to room temperature under the same humidity environment (cooling step) to obtain the piezoelectric element of the present invention. (FIG. 5) When the metal composition of the intermediate part of the piezoelectric thin film was analyzed, it was Pb 1.0 Zr 0.52 Ti 0.48 .

3回塗布焼成後の膜厚は次の通りである。   The film thickness after coating and baking three times is as follows.

Figure 0003955001
Figure 0003955001

(実施例10〜11)
実施例1〜4と同様の基板に上記塗工液製造例2、5で得られた塗工液を、スピンコートによって塗布し、25℃で相対湿度50%、100℃、空気中において5分間乾燥した(乾燥工程)。その後、直径5cm 長さ100cm(内ヒーター部30cm)の管状炉に25℃で相対湿度90%、酸素30%窒素70%含有気体雰囲気下で300℃20分間加熱(仮焼成工程)し、この塗布と加熱を3回繰り返した後、最後に薄膜を結晶化させるために上記管状炉に25℃で相対湿度70%の酸素40%、窒素60%含有気体雰囲気下、750℃40分間焼成(本焼成工程)し、その後同湿度環境下で室温まで冷却した(冷却工程)。本発明の圧電体素子を得た。圧電体薄膜の中間部の金属組成を分析したところPb0.99La0.01Zr0.52Ti0.48であった。3回塗布焼成後の膜厚は次の通りである。
(Examples 10 to 11)
The coating liquid obtained in the above coating liquid production examples 2 and 5 was applied to the same substrate as in Examples 1 to 4 by spin coating, and the relative humidity was 50% at 100C and 5 minutes in the air at 25C. Dried (drying process). Then, this was heated in a tube furnace with a diameter of 5cm and a length of 100cm (inner heater section 30cm) at 25 ° C in a gas atmosphere containing 90% relative humidity and 30% oxygen and 70% oxygen (preliminary firing process) at 300 ° C for 20 minutes. And heating three times, and finally, in order to crystallize the thin film, the tube furnace was fired at 750 ° C. for 40 minutes in a gas atmosphere containing 40% oxygen at 60% relative humidity and 60% nitrogen at 25 ° C. Step) and then cooled to room temperature under the same humidity environment (cooling step). A piezoelectric element of the present invention was obtained. Analysis of the metal composition in the middle part of the piezoelectric thin film revealed Pb 0.99 La 0.01 Zr 0.52 Ti 0.48 . The film thickness after coating and baking three times is as follows.

Figure 0003955001
Figure 0003955001

(実施例12)
本実施例は、乾燥時には25℃で相対湿度60%の空気を、150℃での乾燥において5分間用いたこと、その後、25℃で相対湿度80%の空気を、400℃から600℃まで昇温速度2℃/min昇温し、650℃に至ったとき10分間熱処理した際に用いた点を除いて、実施例6と同様にして、本発明の圧電体素子を得た。圧電体薄膜の中間部の金属組成を分析したところPb0.99La0.01Zr0.52Ti0.48であった。10回塗布焼成後の膜厚は2.71μmであった。
(Example 12)
In this example, air having a relative humidity of 60% at 25 ° C. was used for 5 minutes in drying at 150 ° C., and then air having an relative humidity of 80% at 25 ° C. was raised from 400 ° C. to 600 ° C. The piezoelectric element of the present invention was obtained in the same manner as in Example 6 except that the temperature was increased at a rate of 2 ° C./min, and when the temperature reached 650 ° C., the heat treatment was performed for 10 minutes. Analysis of the metal composition in the middle part of the piezoelectric thin film revealed Pb 0.99 La 0.01 Zr 0.52 Ti 0.48 . The film thickness after coating and baking 10 times was 2.71 μm.

(実施例13)
実施例1において基板をジルコニア製からSiウエハーに変更した以外は同様に製造した。(図5)3回塗布焼成後の膜厚は1.22μmであった。
(Example 13)
The substrate was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the substrate was changed from zirconia to Si wafer. (FIG. 5) The film thickness after three times of coating and baking was 1.22 μm.

(比較例1〜2)
製造比較例1、2で得られた塗工液を用いて、実施例5、6と同様にして圧電体素子を得た。
(Comparative Examples 1-2)
Using the coating liquids obtained in Production Comparative Examples 1 and 2, piezoelectric elements were obtained in the same manner as in Examples 5 and 6.

[評価]
実施例1〜13、比較例1、2の圧電体素子を各30個作成し、以下のように評価した。
[Evaluation]
Thirty piezoelectric elements of Examples 1 to 13 and Comparative Examples 1 and 2 were prepared and evaluated as follows.

上部電極と下部電極間に10Vで10kHzを印加した際の変位量をレーザードップラー法により測定した。各30個の素子における初期変位量と720時間動作後変位量の平均値および標準偏差の結果を表4に示す。   The amount of displacement when 10 kHz was applied between the upper electrode and the lower electrode at 10 V was measured by the laser Doppler method. Table 4 shows the results of the average value and the standard deviation of the initial displacement amount and the displacement amount after 720 hours of operation for each of the 30 elements.

表4よりわかるように比較例にくらべ変位量が大きいことがわかりかつ720時間の耐久試験後も良好に動作していることがわかる。なおかつ比較例に比べ、圧電特性の不均一性の小さい素子が得られた。   As can be seen from Table 4, it can be seen that the amount of displacement is larger than that of the comparative example, and that it is operating well after the 720 hour endurance test. In addition, an element with less non-uniform piezoelectric characteristics was obtained compared to the comparative example.

Figure 0003955001
Figure 0003955001

[その他の評価]
実施例1、比較例1で作製した圧電体素子における印加電界に対する分極特性を測定した。測定はRadiants社製HVS−6000を用いて素子に20V印加しヒステリシス曲線を得た。これを図8に示す。
[Other evaluations]
The polarization characteristics with respect to the applied electric field in the piezoelectric elements manufactured in Example 1 and Comparative Example 1 were measured. In the measurement, a hysteresis curve was obtained by applying 20 V to the device using HVS-6000 manufactured by Radiants. This is shown in FIG.

この図より実施例1は比較例1に比べて残留分極が大きいことがわかる。このような顕著なヒステリシス特性は記憶素子となり得るため、複数並べて個別に電圧を印可可能にすることでメモリとして用いることも可能である。即ち記録したい情報にあわせて駆動信号を供給して書き込みを行い、分極方向を検出して読みとりを行うことにより、書き換え可能なメモリとして使用することが可能である。このようなメモリとして用いる場合の圧電体薄膜の膜厚は0.1μm〜2μmが好ましい。   From this figure, it can be seen that Example 1 has a larger remanent polarization than Comparative Example 1. Since such a remarkable hysteresis characteristic can be a memory element, it can be used as a memory by arranging a plurality of voltages individually and applying a voltage individually. That is, it is possible to use as a rewritable memory by supplying a drive signal in accordance with information to be recorded, writing, detecting the polarization direction, and reading. When used as such a memory, the thickness of the piezoelectric thin film is preferably 0.1 μm to 2 μm.

上記のように本発明で製造した圧電体素子は、インクジェット式記録ヘッドの圧電体素子だけでなく、メモリ、コンデンサ、センサ、光変調器などの装置に用いることが可能である。図6、7は、ノズル6aが設けられたノズルプレート10が取り付けられ、さらにインクを導入するための導入路11が設けられたインクジェット記録ヘッドを示す。この様なインクジェット記録ヘッドを用いて、良好な記録を行うことができた。   As described above, the piezoelectric element manufactured according to the present invention can be used not only for the piezoelectric element of the ink jet recording head but also for devices such as a memory, a capacitor, a sensor, and an optical modulator. 6 and 7 show an ink jet recording head to which a nozzle plate 10 provided with nozzles 6a is attached and an introduction path 11 for introducing ink is further provided. Good recording could be performed using such an ink jet recording head.

本発明の圧電体素子の概略を示す断面図。Sectional drawing which shows the outline of the piezoelectric material element of this invention. 本発明の圧電体素子をインクジェット式プリンターヘッドのアクチュエータとした際の概略を示す断面図。Sectional drawing which shows the outline at the time of setting the piezoelectric element of this invention as the actuator of an ink jet type printer head. 実施例1〜13、比較例1〜3で用いた基板の概略を示す斜視図。The perspective view which shows the outline of the board | substrate used in Examples 1-13 and Comparative Examples 1-3. 実施例1〜13、比較例1〜3で用いた基板の概略を示す断面図。Sectional drawing which shows the outline of the board | substrate used in Examples 1-13 and Comparative Examples 1-3. 実施例1〜13、比較例1〜3で作製した圧電体素子の概略を示す断面図。Sectional drawing which shows the outline of the piezoelectric element produced in Examples 1-13 and Comparative Examples 1-3. インクジェット式記録ヘッドの評価で用いたヘッドの概略を示す断面図。Sectional drawing which shows the outline of the head used by evaluation of the ink jet type recording head. インクジェット式記録ヘッドの評価で用いたヘッドの概略を示す斜視図。FIG. 3 is a perspective view showing an outline of a head used in the evaluation of an ink jet recording head. 実施例1、比較例1のヒステリシス曲線。The hysteresis curve of Example 1 and the comparative example 1. FIG.

Claims (5)

金属化合物から得られる分散質を含む圧電体膜形成用組成物において、1,8-ジアザビシクロ[5.4.0]-7-ウンデセン、1,5-ジアザビシクロ[4.3.0]ノン-5-エン、1,4-ジアザビシクロ[2.2.2]オクタンの内少なくとも1種を含有することを特徴とする圧電体膜形成用組成物。   In a composition for forming a piezoelectric film containing a dispersoid obtained from a metal compound, 1,8-diazabicyclo [5.4.0] -7-undecene, 1,5-diazabicyclo [4.3.0] non-5-ene, , 4-diazabicyclo [2.2.2] octane at least one of them, and a piezoelectric film-forming composition. 前記金属化合物が、有機金属化合物であることを特徴とする請求項1記載の圧電体膜形成用組成物。   2. The composition for forming a piezoelectric film according to claim 1, wherein the metal compound is an organometallic compound. 前記少なくとも1種の材料が、圧電体膜組成物中の総金属原子のモル数に対し、0.005倍モル以上、5.0倍モル以下の量含有されていることを特徴とする請求項1または2に記載の圧電体膜形成用組成物。   The at least one material is contained in an amount of not less than 0.005 times and not more than 5.0 times the number of moles of total metal atoms in the piezoelectric film composition. 3. The composition for forming a piezoelectric film according to 1 or 2. 前記圧電体膜形成用組成物が、Pb及びLa、Zr、Tiの元素から少なくとも1種類以上を構成元素として含むことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の圧電体膜形成用組成物。   4. The piezoelectric film forming composition according to claim 1, wherein the composition for forming a piezoelectric film includes at least one of Pb, La, Zr, and Ti as constituent elements. Composition. 金属化合物から得られる分散質を含み、1,8-ジアザビシクロ[5.4.0]-7-ウンデセン、1,5-ジアザビシクロ[4.3.0]ノン-5-エン、1,4-ジアザビシクロ[2.2.2]オクタンの内少なくとも1種を含有する圧電体膜形成用組成物を基板に塗布して塗布膜を形成する工程と、
該塗布膜を乾燥する工程と、
該乾燥した塗布膜を焼成して、圧電体膜を得る工程と、
を有することを特徴とする圧電体膜の製造方法。
1,8-diazabicyclo [5.4.0] -7-undecene, 1,5-diazabicyclo [4.3.0] non-5-ene, 1,4-diazabicyclo [2.2.2] including dispersoids obtained from metal compounds Applying a piezoelectric film-forming composition containing at least one of octane to a substrate to form a coating film;
Drying the coating film;
Firing the dried coating film to obtain a piezoelectric film;
A method for producing a piezoelectric film, comprising:
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