JP4022996B2

JP4022996B2 - セラミック膜の作製方法

Info

Publication number: JP4022996B2
Application number: JP20792398A
Authority: JP
Inventors: 賢治北岡
Original assignee: Konica Minolta Inc
Current assignee: Konica Minolta Inc
Priority date: 1998-07-23
Filing date: 1998-07-23
Publication date: 2007-12-19
Anticipated expiration: 2018-07-23
Also published as: JP2000044392A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インクジェットヘッドのアクチュエータ部等に用いられるセラミック膜の作製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、インクジェットプリンタヘッドのアクチュエータ部となる圧電部材としてＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）が用いられているが、近年、その圧電部材を膜厚１０μｍ程度のＰＺＴ厚膜とすることへの要求がある。このような膜厚のＰＺＴ厚膜は従来のバルク技術や薄膜技術では膜厚をそこまで厚くことができず作製が困難であるため、例えば米国特許第５，５８５，１３６号において提案されるようにゾル−ゲル法による作製を行ってみた。
【０００３】
クラックや剥離のない膜を作製するためには、ＰＺＴセラミックス粉末とゾル−ゲル法により調整したＰＺＴゾルの混合溶液を基板にスピン、ディップ、スプレー、又は印刷等により塗布した後に熱処理を行うことで、有機物の除去と結晶化によって目標のＰＺＴ厚膜を得ることができた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この方法ではセラミックス粉末を用いるため、緻密な膜を得るには熱処理温度が高くなり過ぎるという問題がある。それに加えて、基板材料の高温による劣化、鉛成分の揮発による組織ずれ（鉛雰囲気焼成により組織ずれは防げるが、鉛蒸発により基板が劣化する）、電極材料の酸化による劣化と鉛成分の拡散による劣化等の問題がある。一方、熱処理温度を低くすると、緻密な膜が得られなくなる。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
そこで、上記問題を解決するため本発明のセラミック膜の作製方法は、ゾル−ゲル法により作製した鉛とジルコニウムとチタンを含むアモルファスの粉末を、鉛とジルコニウムとチタンの金属イオンを含むゾルに分散してスラリーを作製し、このスラリーを薄膜状に塗布して熱処理により結晶化するものである。
【０００６】
本発明のセラミック膜の作製方法では、上記アモルファスの粉末を、ゾル−ゲル法によって得られたゲルを水蒸気雰囲気中での暴露によって加水分解することより生成されたものを熱処理して粉砕することにより作製することが好ましい。
また、上記鉛とジルコニウムとチタンの金属イオンを含むゾルは、上記ゾル−ゲル法において調整したゾルであってもよい。
【０００７】
【発明の効果】
本発明のセラミック膜の作製方法によれば、アモルファス状態を経由するため、従来よりも低温の７００〜８００℃程度での結晶成長と緻密化が可能となり、基板材料や電極材料に悪影響を与えることなく良好な膜を作製できる。また、基板材料への悪影響を考慮しなければ、従来と同じ高温の熱処理によってさらに良好な膜を作製できる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。この説明では、本発明の一実施例であるＰＺＴ膜の作製方法を具体的な材料及び数値を挙げて例示する。
まず、以下の手順でＰＺＴゾルを調製した。はじめに、モル比で２メトキシエタノール：酢酸鉛３水和物：ジルコニウムプロポキシド：チタンイソプロポキシド：エタノール：水＝６：１．００：０．４８：０．５２：２０：２を含むゾル溶液を次の手順で調製した。まず、２メトキシエタノールに酢酸鉛３水和物を加えて９０℃に加熱し溶解させた（溶液Ａ）。この溶液Ａとは別に、モル比で全量の半分の量のエタノールに、チタンイソプロポキシド及びジルコニウムプロポキシドを順に加えて混合した（溶液Ｂ）。そして、溶液Ｂに溶液Ａを入れて混合し、この混合溶液を７８℃で２時間還流した後、放置して室温まで温度を低下させた。さらに、残りのエタノールと、水の混合溶媒を滴下し攪拌することで均質なゾル溶液を調製した（溶液Ｃ）。
【０００９】
次に、溶液Ｃをロータリーエバポレータにより、１４０℃で２時間の濃縮を行い、これにより得られたゾルをさらに乾燥させて乾燥ゲルを作製した後に粒径が約０．５ｍｍ以下程度に砕いた。
【００１０】
続いて、乾燥ゲルに図１に示す加圧水蒸気処理装置１０で水蒸気による暴露を行った。乾燥ゲル１２は載置台１４上に置かれた試料皿１６の中に入れられている。試料皿１６は、上部に圧力逃がし弁１８及び圧力計２０を備えた圧力容器２２内にセットされ、さらに圧力容器２２内の載置台１４の周囲には水２４が入れられている。圧力容器２２は、オーブン２６内に収容されており、このオーブン２６で温度を上げることによって圧力容器２２内に水蒸気が発生して内部圧力が高くなる構造になっている。この加圧水蒸気処理装置１０により２００℃、１．５ＭＰａで２時間の水蒸気暴露を行った。これにより、乾燥ゲル１２は加水分解処理されて、含有する有機成分をほとんど除去することができた。
【００１１】
次に、図２に示すように、乾燥ゲル１２について、電気炉３０により３００℃で１時間の水蒸気雰囲気中での熱処理を行った。この電気炉３０では、酸素をキャリアガス３２として温水３４のバブリングによる水蒸気３６が内部に導入されて、水蒸気中での熱処理が行われるようになっている。
【００１２】
続いて、得られた乾燥ゲル１２の試料をビーズミルにより平均粒径が約０．５μｍ程度以下に粉砕した。Ｘ線解析測定と赤外線吸収スペクトル測定の結果より残留有機物がほとんどないアモルファス粉末が得られたことが確認できた。
【００１３】
なお、本実施例では上述したように、ゲルを加圧水蒸気処理することにより金属有機原料をほぼ完全に加水分解でき、その後３００℃程度の熱処理により残留有機物のほとんど存在しないアモルファス粉末を作製できたが、完全に加水分解する別の方法としては、ゾルを調製する際に水の量を多くしたり、硝酸等の酸触媒を加えたり、ゲルを温水に浸漬したりする方法もある。
【００１４】
続いて、次の工程での溶液Ｃとの分散性を良くするために、ビーズミルを用いてアモルファス粉末を平均粒径が０．３μｍになるように粉砕した。そして、重量比でアモルファス粉末：溶液Ｃ＝２：１の割合で混合し、超音波分散を行うことによりスラリーを作製した。このスラリーを白金電極付きシリコン基板にスピンコートにより塗布し、電気炉により大気中４００℃で１０分間の熱処理を行った。このようなコーティングと熱処理を２回繰り返した。最後に、電気炉により大気中で室温から８００℃まで昇温速度２００℃／ｍｉｎで昇温し、８００℃で３０分間保持した後、炉冷することによりＰＺＴ厚膜を得ることができた。
このＰＺＴ厚膜は膜厚１０μｍで、非常に緻密であり、結晶相は正方晶のペロブスカイト相であって、電気機械結合係数はｄ₃₃＝３００（Ｎ／Ｃ）であった。
【００１５】
比較例としてセラミック粉末を用いた場合の膜作製を行った。出発原料としてＰｂＯ、ＺｒＯ₂、ＴｉＯ₂の粉末を粉砕混合した後に電気炉で大気中８００℃で２時間の熱処理を行ってＰＺＴペロブスカイト結晶を析出した。得られた試料をビーズミルにより平均粒径が約０．５μm以下程度に粉砕してセラミックス粉末を作製した。そして、重量比でセラミックス粉末：溶液Ｃ＝２：１の割合で混合し、超音波分散を行うことによりスラリーを作製した。以下、上述したＰＺＴ厚膜作製方法と同様に、コーティングと熱処理を行った。その結果、結晶相は正方相のペロブスカイト相であったが、十分に焼結していなかったため膜強度が弱く、圧電特性も発現しなかった。
【００１６】
このように本実施例のＰＺＴ厚膜の作製方法によれば、アモルファス状態を経由するため、従来よりも低温の７００〜８００℃程度での結晶成長と緻密化が可能となり、基板材料や電極材料に悪影響を与えることなく良好なＰＺＴ厚膜を作製できる。また、基板材料への悪影響を考慮しなければ、従来と同じ高温の熱処理によってさらに良好なＰＺＴ厚膜を作製できる。
【００１７】
なお、本実施例ではＰＺＴ厚膜の作製方法について例示的に説明したが、本発明はＰＺＴ厚膜に限らず他のセラミック膜の作製にも広く適用できることは言うまでもない。
【００１８】
次に、本実施例により作製したＰＺＴ厚膜を用いたインクジェットヘッドについて説明する。図３はインクジェットヘッド４０の部分平面図、図４は図３におけるＡ−Ａ線断面図、図５は図４におけるＢ−Ｂ線断面図である。
【００１９】
インクジェットヘッド４０は、天板４２、隔壁４４、スペーサ４６及び基板４８を備えている。天板４０は例えばシリコンプレートからなり、その下面にエッチング等により複数の溝状凹部が形成されている。隔壁４４は天板４２の凹部形成面に接着されている。これにより、隔壁４４によって覆われた天板４２の各凹部の内部がそれぞれ、インクを収容する複数のインク室５０、各インク室５０に供給されるインクを収容する共通インク室５２、及び各インク室５２と共通インク室５４との間をそれぞれ連通する複数のインクインレット５４になっている。
【００２０】
各インク室５０は、それぞれ平行に細長く延びている。また、天板５２には各インク室５０のインクインレット５４とは反対側の端部近傍に連通するノズル５６がそれぞれ形成されており、これらのノズル５６からインク室５０内のインクが吐出されるようになっている。
【００２１】
スペーサ４６は隔壁４４の下部に固定され、基板４８はスペーサ４６の下部に固定されている。スペーサ４６によって隔壁４４と基板４８との間に空間５８が形成されている。
【００２２】
隔壁４４の空間５８に対向する面には、個別電極６０が各インク室５０に対応して形成されている。各個別電極６０はインク室５０の長手方向に沿って天板４２の外部まで帯状に延びており、スペーサ４６の上部において導電性接着層６２を介してフレキシブル配線６４にそれぞれ接続されている。フレキシブル配線６４はドライバ６６に接続されている。
【００２３】
上記個別電極６０上であってインク室５０に対応する位置には、駆動部となるＰＺＴ厚膜６８が矩形状にパターン形成されている。このＰＺＴ厚膜６８は、上述したＰＺＴ厚膜の作製方法により形成されたものである。各ＰＺＴ厚膜６８の上には共通電極７０が形成されている。各共通電極７０は図示しない接続線により基板４８上の導電層７２にそれぞれ接続されており、この導電層７２を介してアース７４にそれぞれ接続されている。これにより、上記ドライバ６６によって個別電極６０と共通電極７０との間に駆動電圧が印加されるようになっている。
【００２４】
上記構成からなるインクジェットヘッド１０を用いて印字テストを行った。インクには、図６に示す組成のブラック（Ｋ）、イエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、及びシアン（Ｃ）の４種類を用いた。また、記録紙にはミノルタ製ＥＰペーパを用いた。上記インクジェットヘッド１０において、各インク室５０に上記いずれかのインクを充填した状態で、ドライバ６６により印字情報に応じてパルス電圧を各ＰＺＴ厚膜６８に印加したところ、各ＰＺＴ厚膜６８が長手方向に縮んで厚み方向に膨らむように変形し、この変形により隔壁４４が押し上げられてインク室５０内のインクが加圧され、ノズル５６からインク滴が吐出された。このインク滴が記録紙に付着してドットが形成され、これらドットの集合により印字画像が形成された。その結果、印字性能が良好であることが確認できた。
【００２５】
なお、上記説明ではインクジェットヘッドの駆動部を本発明の一実施例であるＰＺＴ厚膜の作製方法にて形成したが、本発明のセラミック膜の作製方法はインクジェットヘッドに限られず、広く他の分野の装置にも適用できることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】乾燥ゲルの加圧水蒸気処理装置の概略構成図。
【図２】乾燥ゲルの熱処理装置の概略構成図。
【図３】インクジェットヘッドの部分平面図。
【図４】図３におけるＡ−Ａ線断面図。
【図５】図４におけるＢ−Ｂ線断面図。
【図６】印字テストで用いたインクの組成を示す図表。
【符号の説明】
１０…加圧水蒸気処理装置、１２…乾燥ゲル、３０…電気炉、４０…インクジェットヘッド、４２…天板、４４…隔壁、４８…基板、５０…インク室、６０…個別電極、６８…ＰＺＴ厚膜、７０…共通電極。

Claims

ゾル−ゲル法により作製した鉛とジルコニウムとチタンを含むアモルファスの粉末を、鉛とジルコニウムとチタンの金属イオンを含むゾルに分散してスラリーを作製し、このスラリーを薄膜状に塗布して熱処理により結晶化することを特徴とするセラミック膜の作製方法。
上記アモルファスの粉末は、ゾル−ゲル法によって得られたゲルを水蒸気雰囲気中での暴露によって加水分解することにより生成されたものを熱処理して粉砕することにより作製されることを特徴とする請求項１に記載のセラミック膜の作製方法。
上記鉛とジルコニウムとチタンの金属イオンを含むゾルは、上記ゾル−ゲル法において調整したゾルであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のセラミック膜の作製方法。