JP7166800B2 - 配向性圧電体膜用塗工液組成物、配向性圧電体膜、並びに、液体吐出ヘッド - Google Patents
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Description
(b)下記一般式(1)で表わされるβ-ケトエステル化合物
を含むことを特徴とする、チタン酸バリウム系塗工液組成物が提供される。
Ba1-xCaxTi1-yZryO3 (0≦x≦0.2、0≦y≦0.2) (2)
からなるペロブスカイト型結晶の結晶軸配向性圧電体膜であり、前記配向性圧電体膜が、(111)配向を有する金属電極上に形成され、前記配向性圧電体膜が擬立方晶表記で(111)配向していることを特徴とする、チタン酸バリウム系焼成膜が提供される。
本発明に係るチタン酸バリウム系塗工液組成物は、(i)バリウムアルコキシド、前記バリウムアルコキシドの加水分解物および前記バリウムアルコキシドの加水分解物の縮合物からなる群から選択される少なくとも1種のバリウム成分を必須成分とする。また、本発明に係るチタン酸バリウム系塗工液組成物は、(ii)チタンアルコキシド、前記チタンアルコキシドの加水分解物および前記チタンアルコキシドの加水分解物の縮合物からなる群から選択される少なくとも1種のチタン成分を必須成分とする。そして、本発明に係るチタン酸バリウム系塗工液組成物は、上記(i)と(ii)とを含むゾル-ゲル原料を含有する。
を含むことを特徴とする。
本発明に係るチタン酸バリウム系焼成膜は、上述のチタン酸バリウム系塗工液組成物の焼成膜であって、下記一般式(2)
Ba1-xCaxTi1-yZryO3 (0≦x≦0.2、0≦y≦0.2) (2)
からなるペロブスカイト型結晶によって構成され、擬立方晶表記で(111)配向していることを特徴とする。
本発明の液体吐出ヘッドは、液体吐出口と、前記液体吐出口に連通する圧力室と、前記圧力室に前記液体吐出口から液体を吐出するための容積変化を生じさせるアクチュエーターとを有する。前記アクチュエーターは、前記圧力室側から順に設けられた振動板と、下部電極と、基板上に形成されているチタン酸バリウム系焼成膜からなる圧電体膜と、上部電極と、を有することを特徴とする。
2-メトキシエタノールと3-メトキシメチルブタノールの混合溶媒に、安定化剤であるアセト酢酸エチルを添加した溶液中に、バリウムジ-i-プロポキシド、チタニウムn-ブトキシド、ジルコニウムn-ブトキシドを溶解させた後、約8時間還流を行うことで塗工液組成物1を調製した。ジルコニウムn-ブトキシドの原料として、85%ジルコニウムn-ブトキシド-1-ブタノール溶液を用いた。溶液のモル比は、2-メトキシエタノール:3-メトキシメチルブタノール:アセト酢酸エチル:バリウムジ-i-プロポキシド:チタニウムn-ブトキシド:ジルコニウムn-ブトキシド=18:12:3:1.0:0.97:0.03とした。
安定化剤として下記一般式(3)および表1に示すものを用いて、実施例1と同様にして、塗工液組成物2~7を調製した。
実施例1で調製した塗工液組成物1を用いて、スピンコート法によりSiO2/Si基板上に塗膜を形成した。ホットプレート上で130℃2分間熱処理、その後さらに450℃5分熱処理した後、赤外線加熱炉中で1000℃にて10分間熱処理した。得られたチタン酸バリウム焼成膜1の膜厚は、約50nmであった。チタン酸バリウム焼成膜1の表面SEM写真を、図2に示す。結晶粒成長が進んでおり、結晶性が高い焼成膜であることがわかる。
実施例1で調製した塗工液組成物1を用いて、予め1000℃でアニール処理した(111)Pt/SiO2/Si基板上に、スピンコート法により塗膜を形成した。仮焼成として、ホットプレート上で130℃2分間熱処理、その後さらに450℃で5分間熱処理を行った。塗布および仮焼成を10回繰り返し、最後に赤外線加熱炉中で1000℃にて10分間の焼成を行った。得られたチタン酸バリウム焼成膜2の膜厚は、約1μmであった。チタン酸バリウム焼成膜2の表面SEM写真を、図3に示す。結晶粒成長が進んでおり、結晶性が高い焼成膜であることがわかる。また、得られた膜の電子線後方散乱回折分析測定により配向カラーマップの観察を行った。得られたカラーマップでは、(111)面を示す青色部がほぼ全面を占めていた。以上のことから、本実施例で得られたチタン酸バリウム焼成膜2は、ほぼ完全に(111)配向していることがわかった。
実施例2で調製した塗工液組成物2を用いて、実施例4と同様の手順にてチタン酸バリウム焼成膜3を作製した。得られたチタン酸バリウム焼成膜3の表面SEM写真を、図4に示す。実施例4で得られたチタン酸バリウム焼成膜1と同様、結晶粒成長が進んでおり、結晶性が高い焼成膜であることがわかる。また、実施例5と同様の手順にて作製したチタン酸バリウム焼成膜は、配向カラーマップの観察結果より、(111)配向していることがわかった。
実施例3で調製した塗工液組成物3を用いて、実施例4と同様の手順にてチタン酸バリウム焼成膜4を作製した。得られたチタン酸バリウム焼成膜4の表面SEM写真を、図5に示す。実施例4で得られたチタン酸バリウム焼成膜1と同様、結晶粒成長が進んでおり、結晶性が高い焼成膜であることがわかる。また、実施例5と同様の手順にて作製したチタン酸バリウム焼成膜は、配向カラーマップの観察結果より、(111)配向していることがわかった。
比較例1で調製した塗工液組成物4を用いて、実施例4と同様にチタン酸バリウム焼成膜5を作製した。得られたチタン酸バリウム焼成膜5の表面SEM写真を、図6に示す。実施例4で得られたチタン酸バリウム焼成膜1とは異なり、結晶粒成長が進んでおらず、結晶性が低い焼成膜であることがわかる。
実施例5と同様の手順により、塗工膜組成物4を用いて、チタン酸バリウム焼成膜6を作製した。得られたチタン酸バリウム焼成膜6の表面SEM写真を、図7に示す。チタン酸バリウム焼成膜5と同様に、結晶粒成長が進んでおらず、結晶性が低い焼成膜であることがわかる。また、電子線後方散乱回折分析測定により得られた配向カラーマップの観察も行った結果、数色の色がまばらに点在していることがわかった。以上のことから、塗工液組成物4を用いて得られたチタン酸バリウム焼成膜6は、ランダムに配向していることがわかった。
比較例2で調製した塗工液組成物5を用いて、実施例4と同様の手順にてチタン酸バリウム焼成膜7を作製した。実施例4で得られたチタン酸バリウム焼成膜1とは異なり、チタン酸バリウム焼成膜7は、表面SEM観察の結果、結晶粒成長が進んでおらず、結晶性が低いことがわかった。また、電子線後方散乱回折分析測定により得られた配向カラーマップの観察の結果、実施例5と同様の手順にて作製したチタン酸バリウム焼成膜は、ランダムに配向していることがわかった。
比較例3で調製した塗工液組成物6を用いて、実施例4と同様の手順にてチタン酸バリウム焼成膜8を作製した。実施例4で得られたチタン酸バリウム焼成膜1とは異なり、チタン酸バリウム焼成膜8は、表面SEM観察の結果、結晶粒成長が進んでおらず、結晶性が低いことがわかった。また、電子線後方散乱回折分析測定により得られた配向カラーマップの観察の結果、実施例5と同様の手順にて作製したチタン酸バリウム焼成膜は、ランダムに配向していることがわかった。
比較例4で調製した塗工液組成物7を用いて、実施例4と同様の手順にてチタン酸バリウム焼成膜9を作製した。実施例4で得られたチタン酸バリウム焼成膜1とは異なり、チタン酸バリウム焼成膜9は、表面SEM観察の結果、結晶粒成長が進んでおらず、結晶性が低いことがわかった。また、配向カラーマップの観察結果より、実施例5と同様の手順にて作製したチタン酸バリウム焼成膜は、ランダムに配向していることがわかった。
2 中間層
3 下部電極
4 配向制御層
5 圧電体膜
21 液体吐出ヘッド用基板
21A 開口部
22 液体吐出口
23 圧力室
24 ノズルプレート
25 アクチュエーター
26 振動板
27 圧電体膜
28 下部電極
29 上部電極
30 圧電体素子
M 液体吐出ヘッド
Claims (14)
- (a)(i)バリウムアルコキシド、前記バリウムアルコキシドの加水分解物および前記バリウムアルコキシドの加水分解物の縮合物からなる群から選択される少なくとも1種のバリウム成分と、
(ii)チタンアルコキシド、前記チタンアルコキシドの加水分解物および前記チタンアルコキシドの加水分解物の縮合物からなる群から選択される少なくとも1種のチタン成分と、
を含むゾル-ゲル原料、および
(b)前記ゾル-ゲル原料中の金属アルコキシドの総モル量に対して、1.5~4.5倍モルである、下記一般式(1)で表わされるβ-ケトエステル化合物と、
(c)前記ゾル-ゲル原料中の金属アルコキシドの総モル量に対して、20~30倍モルである有機溶媒と、
を含むことを特徴とする、チタン酸バリウム系塗工液組成物。 - 前記有機溶媒の種類がアルコールである、請求項1に記載のチタン酸バリウム系塗工液組成物。
- 前記(a)ゾル-ゲル原料が、(iii)カルシウムアルコキシド、前記カルシウムアルコキシドの加水分解物および前記カルシウムアルコキシドの加水分解物の縮合物からなる群から選択される少なくとも1種のカルシウム成分をさらに含むことを特徴とする、請求項1に記載のチタン酸バリウム系塗工液組成物。
- 前記(a)ゾル-ゲル原料が、(iv)ジルコニウムアルコキシド、前記ジルコニウムアルコキシドの加水分解物、および前記ジルコニウムアルコキシドの加水分解物の縮合物からなる群から選択される少なくとも1種のジルコニウム成分をさらに含むことを特徴とする、請求項1または2に記載のチタン酸バリウム系塗工液組成物。
- 前記(a)ゾル-ゲル原料と前記(b)β-ケトエステル化合物の相互作用により形成される、バリウムアルコキシド前駆体およびチタンアルコキシド前駆体からなる群から選択される少なくとも1種の金属アルコキシド前駆体を含むことを特徴とする、請求項1~3のいずれか1項に記載のチタン酸バリウム系塗工液組成物。
- 前記(a)ゾル-ゲル原料と前記(b)β-ケトエステル化合物の相互作用により形成される、カルシウムアルコキシド前駆体を含むことを特徴とする、請求項2に記載のチタン酸バリウム系塗工液組成物。
- 前記(a)ゾル-ゲル原料と前記(b)β-ケトエステル化合物の相互作用により形成される、ジルコニウムアルコキシド前駆体を含むことを特徴とする、請求項3に記載のチタン酸バリウム系塗工液組成物。
- (1)有機溶媒に、下記一般式(1)で表されるβ-ケトエステル化合物を添加する工程と、
(2)前記有機溶媒に、(i)バリウムアルコキシド、前記バリウムアルコキシドの加水分解物および前記バリウムアルコキシドの加水分解物の縮合物からなる群から選択される少なくとも1種のバリウム成分と、(ii)チタンアルコキシド、前記チタンアルコキシドの加水分解物および前記チタンアルコキシドの加水分解物の縮合物からなる群から選択される少なくとも1種のチタン成分と、を含むゾル-ゲル原料を添加する工程と、
(3)前記有機溶媒を、還流する工程と、
を含み、前記工程(2)において、前記ゾル-ゲル原料中の金属アルコキシドの総モル量に対して、前記β-ケトエステル化合物は1.5~4.5倍モルであり、前記有機溶媒は20~30倍モルであることを特徴とする、チタン酸バリウム系塗工液組成物の製造方法。 - 前記工程(2)において、(iii)カルシウムアルコキシド、前記カルシウムアルコキシドの加水分解物、および前記カルシウムアルコキシドの加水分解物の縮合物からなる群から選択される少なくとも1種のカルシウム成分を含むゾル-ゲル原料を、さらに添加する工程を含むことを特徴とする、請求項8に記載のチタン酸バリウム系塗工液組成物の製造方法。
- 前記工程(2)において、(iv)ジルコニウムアルコキシド、前記ジルコニウムアルコキシドの加水分解物、および前記ジルコニウムアルコキシドの加水分解物の縮合物からなる群から選択される少なくとも1種のジルコニウム成分を含むゾル-ゲル原料を、さらに添加する工程を含むことを特徴とする、請求項8または9に記載のチタン酸バリウム系塗工液組成物の製造方法。
- 請求項1~7のいずれか1項に記載のチタン酸バリウム系塗工液組成物の焼成膜であって、下記一般式(2)
Ba1-xCaxTi1-yZryO3(0≦x≦0.2、0≦y≦0.2)(2)
からなるペロブスカイト型結晶によって構成され、
擬立方晶表記で(111)配向していることを特徴とする、チタン酸バリウム系焼成膜。 - 前記焼成膜が、(111)配向を有する金属電極に形成されていることを特徴とする、請求項11に記載のチタン酸バリウム系焼成膜。
- 液体吐出口と、前記液体吐出口に連通する圧力室と、前記圧力室に前記液体吐出口から液体を吐出するための容積変化を生じさせるアクチュエーターと、
を有し、
前記アクチュエーターは、前記圧力室側から順に設けられた振動板と、下部電極と、請求項11または12に記載のチタン酸バリウム系焼成膜からなる圧電体膜と、上部電極と、を有することを特徴とする、液体吐出ヘッド。 - 下記一般式(2)
Ba1-xCaxTi1-yZryO3(0≦x≦0.2、0≦y≦0.2) (2)
からなるペロブスカイト型結晶によって構成され、
擬立方晶表記で(111)配向していることを特徴とするチタン酸バリウム系焼成膜の製造方法であって、
(1)有機溶媒に、下記一般式(1)で表されるβ-ケトエステル化合物を添加する工程と、
(2)前記有機溶媒に、(i)バリウムアルコキシド、前記バリウムアルコキシドの加水分解物および前記バリウムアルコキシドの加水分解物の縮合物からなる群から選択される少なくとも1種のバリウム成分と、(ii)チタンアルコキシド、前記チタンアルコキシドの加水分解物および前記チタンアルコキシドの加水分解物の縮合物からなる群から選択される少なくとも1種のチタン成分と、を含むゾル-ゲル原料を添加する工程と
(3)前記有機溶媒を、還流し、塗工液組成物を形成する構成と、
(4)基板上に前記塗工液組成物を塗布する工程と、
(5)前記塗工液組成物を塗布した基板を乾燥し、焼成して、前記チタン酸バリウム系焼成膜を基板上に成長させる工程と、
を含み、前記工程(2)において、前記ゾル-ゲル原料中の金属アルコキシドの総モル量に対して、前記β-ケトエステル化合物は1.5~4.5倍モルであり、前記有機溶媒は20~30倍モルであることを特徴とする、チタン酸バリウム系焼成膜の製造方法。
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