CN107464875B - 压电元件以及使用其的压电构件、液体喷出头和记录装置 - Google Patents

压电元件以及使用其的压电构件、液体喷出头和记录装置 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于提供一种经时性特性变动较小的压电元件、以及使用了该压电元件的液体喷出头、以及记录装置。本发明的压电元件(30)是包含以铌酸钾钠组合物为主要成分的压电体(压电陶瓷层(21b))的压电元件(30)，该压电体在平面方向上扩展，并且在该平面方向上施加有压缩应力，并且正方晶与斜方晶之间的相变点为‑20℃以下。

Description

压电元件以及使用其的压电构件、液体喷出头和记录装置
本申请是申请号为“201480064703.9”，申请日为2014年11月28日，发明名称为“压电元件以及使用其的压电构件、液体喷出头和记录装置”之申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及压电元件以及使用该压电元件的压电构件、液体喷出头和记录装置。
背景技术
以往，作为液体喷出头，例如已知一种液体喷出头，通过将液体喷出到记录介质上，来进行各种印刷。液体喷出头例如使用铌酸钾钠(KNN)系的压电元件对加压室内的液体施加压力，使液体喷出(例如参照专利文献1)。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第02/073710号小册子
发明内容
发明要解决的课题
在将平板状的压电致动器基板与平板状的流路构件进行层叠来构成液体喷出头的情况下，由于需要针对所喷出的液体的耐性等理由，因而有时会使用热固化性的粘接剂。此外，作为流路构件由于多数情况使用金属制的构件，并且热膨胀系数大于压电致动器基板的热膨胀系数，因此通过经过热固化的粘接工序，从而压电致动器基板成为压缩应力施加于平面方向的状态。在锆钛酸铅(PZT)系的压电材料中，通过设为施加有压缩应力的状态，从而能够减少反复驱动作为压电元件的位移元件时的位移量的下降，但对于KNN系的压电材料而言，存在无法充分获得该效果这样的问题。
更为一般的说，若以施加了压缩应力的状态使用KNN系的压电材料，则存在经时性的特性变动增大这样的问题。
用于解决课题的手段
本发明的压电元件是包含以铌酸钾钠组合物为主要成分的压电体的压电元件，其特征在于，该压电体在平面方向上扩展，并且在该平面方向上施加了压缩应力，并且正方晶与斜方晶之间的相变点为-20℃以下。
此外，本发明的压电构件的特征在于，包含所述压电元件和与所述压电体接合的热膨胀系数比该压电体大的支撑体。
此外，本发明的液体喷出头具备：流路构件，其具有多个喷出孔以及与该多个喷出孔分别相连的多个加压室；和压电致动器基板，其与该流路构件接合，具有对所述多个加压室内的液体分别进行加压的多个所述压电元件，所述液体喷出头的特征在于，所述压电体遍及所述多个加压室而延伸。
此外，本发明的记录装置的特征在于，具备所述液体喷出头、向所述液体喷出头输送记录介质的输送部、和控制所述液体喷出头的控制部。
发明效果
根据本发明的压电元件，通过使相变点低于-20℃和使用温度，从而即使在对压电体施加有压缩应力的状态下进行使用，也能够减小特性的变动。
附图说明
图1(a)是包含本发明的一实施方式所涉及的液体喷出头的记录装置的侧视图，(b)是俯视图。
图2是作为图1的液体喷出头的主要部分的头主体的俯视图。
图3是图2(a)的单点划线所包围的区域的放大图，是为了说明而省略了一部分的流路的图。
图4是图2(a)的单点划线所包围的区域的放大图，是为了说明而省略了一部分的流路的图。
图5是沿着图3的V-V线的纵剖面图。
图6是表示相变点与温度循环试验后的d31的变化率的关系的曲线图。
符号说明
1···彩色喷墨打印机
2···液体喷出头
2a···头主体
4···流路构件(支撑体)
4a～1···(流路构件的)板
4-1···喷出孔面
4-2···加压室面
5···歧管
5a···(歧管的)开口
5b···副歧管
6···节流孔
8···喷出孔
9···喷出孔行
10···加压室
11···加压室行
12···单独流路
14···单独供给流路
15···隔板
16···虚设加压室
21···压电致动器基板
21a···压电陶瓷层(振动板)
21b···压电陶瓷层
24···公共电极
25···独立电极
25a···独立电极主体
25b···引出电极
26···连接电极
28···公共电极用表面电极
30···位移元件(压电元件)
60···信号传递部
70···头搭载框架
72···头组
80a···供纸辊
80b···回收辊
82a···导向辊
82b···输送辊
88···控制部
P···印刷纸张
具体实施方式
图1(a)是作为包含本发明的一实施方式所涉及的液体喷出头2的记录装置的彩色喷墨打印机1(以下有时简称为打印机)的概略的侧视图，图1(b)是概略的俯视图。打印机1通过从输送辊80a向输送辊80b输送作为记录介质的印刷纸张P，从而使印刷纸张P相对于液体喷出头2而相对移动。控制部88基于图像、文字的数据，控制液体喷出头2，使其朝向记录介质P喷出液体，使液滴命中印刷纸张P，在印刷纸张P上进行印刷等记录。
在本实施方式中，液体喷出头2相对于打印机1固定，打印机1为所谓的行式打印机。作为本发明的记录装置的其他实施方式，可以列举如下所谓的串行打印机：交替地进行使液体喷出头2在与印刷纸张P的输送方向交叉的方向例如大致正交的方向上进行往复运动等而移动的动作、和印刷纸张P的输送。
在打印机1中，固定有平板状的头搭载框架70(以下有时简称为框架)使得与印刷纸张P大致平行。在框架70上，设置有未图示的20个孔，20个液体喷出头2搭载于各个孔的部分，液体喷出头2的喷出液体的部位面向印刷纸张P。液体喷出头2与印刷纸张P之间的距离例如设为0.5～20mm程度。5个液体喷出头2构成1个头组72，打印机1具有4个头组72。
液体喷出头2具有在从图1(a)的近前朝向内部的方向即图1(b)的上下方向上细长的长条形状。有时将该较长的方向称作长边方向。在1个头组72内，3个液体喷出头2沿着与印刷纸张P的输送方向交叉的方向、例如大致正交的方向排列，其他2个液体喷出头2在沿着输送方向错开的位置，在3个液体喷出头2之间分别逐一排列。液体喷出头2配置为由各液体喷出头2能够印刷的范围在印刷纸张P的宽度方向上(在与印刷纸张P的输送方向交叉的方向上)相连或者端缘重叠，能够实现在印刷纸张P的宽度方向上无间隙的印刷。
4个头组72沿着记录纸张P的输送方向而配置。从未图示的液体盒向各液体喷出头2供给液体，例如墨水。属于1个头组72的液体喷出头2会被供给相同颜色的墨水，由4个头组能够印刷4色的墨水。从各头组72喷出的墨水的颜色例如是品红色(M)、黄色(Y)、青色(C)以及黑色(K)。只要由控制部88对这样的墨水进行控制来进行印刷，便能够印刷彩色图像。
若是以单色对由1个液体喷出头2能够印刷的范围进行印刷，则搭载于打印机1的液体喷出头2的个数可以是1个。头组72所包含的液体喷出头2的个数、头组72的个数能够根据所印刷的对象、印刷条件适当变更。例如，为了进行更多色的印刷，也可以增加头组72的个数。此外，若配置多个以同色进行印刷的头组72，在输送方向上交替地印刷，则即使使用相同性能的液体喷出头2也能够加快输送速度。由此，能够增大每单位时间的印刷面积。此外，也可以准备多个以同色进行印刷的头组72，在与输送方向交叉的方向上错开配置，来提高印刷纸张P的宽度方向的分辨率。
进而，除了印刷带颜色的墨水以外，也可以为了进行印刷纸张P的表面处理，印刷涂布剂等液体。
打印机1在作为记录介质的印刷纸张P上进行印刷。印刷纸张P处于卷绕于供纸辊80a的状态，通过2个导向辊82a之间后，通过搭载于框架70的液体喷出头2的下侧，然后通过2个输送辊82b之间，最终被回收至回收辊80b。在进行印刷时，通过使输送辊82b旋转，从而印刷纸张P以固定速度被输送，由液体喷出头2进行印刷。回收辊80b对从输送辊82b送出的印刷纸张P进行卷绕。输送速度例如设为75m/分钟。各辊既可以通过控制部88来控制，也可以由人来手动操作。
记录介质除了印刷纸张P以外，也可以是卷筒状的布等。此外，打印机1也可以取代直接输送印刷纸张P而直接输送输送带，将记录介质置于输送带来进行输送。如此一来，能够将单片纸、裁断的布、木材、砖等设为记录介质。进而，也可以使得从液体喷出头2喷出包含导电性的粒子的液体，印刷电子设备的布线图案等。此外，还可以使得从液体喷出头2朝向反应容器等喷出给定量的液体的化学药剂或包含化学药剂的液体，使其发生反应等，来制作化学药品。
此外，也可以在打印机1中，安装位置传感器、速度传感器、温度传感器等，由控制部88基于根据来自各传感器的信息而获知的打印机1各部的状态，来控制打印机1的各部。例如，在液体喷出头2的温度、液体盒的液体的温度，液体盒的液体给液体喷出头2施加的压力等对所喷出的液体的喷出特性(喷出量、喷出速度等)造成了影响的情况等下，也可以根据这些信息，改变使液体喷出头2喷出液体的驱动信号。
接着，对本发明的一实施方式的液体喷出头2进行说明。图2是表示作为图1所示的液体喷出头2的主要部分的头主体2a的俯视图。图3是图2的单点划线所包围的区域的放大俯视图，是头主体2a的一部分。在图3中，为了说明而省略了一部分的流路来进行了描绘。图4是与图3相同位置的放大俯视图，省略了与图3不同的一部分的流路来进行了描绘。另外，在图3以及图4中，为了使附图容易理解，将位于压电致动器基板21的下方而应用虚线描绘的加压室10、节流孔6以及喷出孔8等用实线来进行了描绘。图5是沿着图3的V-V线的纵剖面图。
液体喷出头2除了包含头主体2a以外，还可以包含向头主体2a供给液体的贮液器、金属制的箱体。此外，头主体2a包含作为支撑体的流路构件4、和嵌入了作为压电元件的位移元件30的压电致动器基板21。
构成头主体2a的流路构件4具备作为公共流路的歧管5、与歧管5相连的多个加压室10、和与多个加压室10分别相连的多个喷出孔8。加压室10在流路构件4的上表面开口，流路构件4的上表面成为加压室面4-2。此外，流路构件4的上表面具有与歧管5相连的开口5a，从该开口5a供给液体。
此外，在流路构件4的上表面，接合包含位移元件30的压电致动器基板21，并配置为各位移元件30位于加压室10上。此外，在压电致动器基板21，连接了用于向各位移元件30供给信号的FPC(Flexible Printed Circuit，柔性印刷电路)等信号传递部60。在图2中，用点线示出了信号传递部60的与压电致动器基板21连接的附近的外形，以了解2个信号传递部60与压电致动器基板21连接的状态。与压电致动器基板21电连接的形成于信号传递部60的电极在信号传递部60的端部，配置为矩形。2个信号传递部60连接为各自的端缘来到压电致动器基板21的短边方向的中央部。2个信号传递部60从中央部朝向压电致动器基板21的长边延伸。
头主体2a具有一个平板状的流路构件4和接合在流路构件4上的包含位移元件30的压电致动器基板21。压电致动器基板21的平面形状为长方形，配置在流路构件4的上表面使得该长方形的长边沿着流路构件4的长边方向。
在流路构件4的内部，形成了2个歧管5。歧管5具有从流路构件4的长边方向的一端部侧向另一端部侧延伸的细长的形状，在该两端部，形成了在流路构件4的上表面开口的歧管5的开口5a。
此外，歧管5至少在作为与加压室10相连的区域的长边方向上的中央部分，由沿短边方向空开间隔设置的隔板15隔开。隔板15在作为与加压室10相连的区域的长边方向的中央部分，具有与歧管5相同的高度，将歧管5完全隔开为多个副歧管5b。通过这样，从而能够设置喷出孔8以及从喷出孔8连到加压室10的流路，使得在俯视时与隔板15重叠。
流路构件4二维扩展而形成了多个加压室10。加压室10是具有对角部实施了曲面加工的大致菱形或者椭圆形的平面形状的中空的区域。
加压室10经由单独供给流路14与1个副歧管5b相连。作为沿着1个副歧管5b并与该副歧管5b相连的加压室10的行的加压室行11，在副歧管5b的两侧各设置了1行，合计设置了2行。因此，针对1个歧管5，设置了16行的加压室11，在整个头主体2a中，设置了32行的加压室行11。各加压室行11中的加压室10的长边方向的间隔相同，例如为37.5dpi的间隔。
与1个歧管5相连的加压室10配置为形成沿着矩形的压电致动器基板21的各外边的行以及列的格子状。由此，从压电致动器基板21的外边起，等距离地配置形成在加压室10上的独立电极25，因此在形成独立电极25时，能够在压电致动器基板21不易发生变形。在对压电致动器基板21与流路构件4进行接合时，若该变形较大则应力施加于靠近外边的位移元件30，在位移特性上有可能产生偏差，但通过减小变形，从而能够降低该偏差。此外，由于在最靠近外边的加压室行11的外侧设置了虚设加压室16的虚设加压室行，因此能够更不易受到变形的影响。属于加压室行11的加压室10等间隔地配置，与加压室行11对应的独立电极25也等间隔地配置。加压室行11在短边方向上等间隔地配置，与加压室行11对应的独立电极25的行也在短边方向上等间隔地配置。由此，特别能够消除串扰的影响增大的部位。
在本实施方式中，加压室10配置为格子状，但也可以配置为锯齿状使得相邻的压室列11的加压室10位于彼此之间。这样一来，属于相邻加压室行11的加压室10之间的距离变得更长，因此能够进一步抑制串扰。
不管如何排列加压室行11，通过配置为在俯视流路构件4时，属于1个加压室行11的加压室10与属于相邻的加压室行11的加压室10在液体喷出头2的长边方向上不重叠，从而能够抑制串扰。另一方面，若增大加压室行11之间的距离，则液体喷出头2的宽度变大，因此液体喷出头2相对于打印机1的设置角度的精度、使用多个液体喷出头2时的液体喷出头2的相对位置的精度给印刷结果带来的影响变大。因此，通过将隔板15的宽度设为比副歧管5b小，从而能够减小这些精度给印刷结果带来的影响。
与1个副歧管5b相连的加压室10形成了2列的加压室行11，与属于1个加压室行11的加压室10相连的喷出孔8形成了1个喷出孔行9。与属于2行的加压室行11的加压室10相连的喷出孔8分别在副歧管5b的不同侧开口。在图4中在隔板15上，设置了2行的喷出孔行9，但属于各喷出孔行9的喷出孔8经由加压室10与靠近喷出孔8的一侧的副歧管5b相连。若配置为和经由加压室行11与相邻的副歧管5b相连的喷出孔8在液体喷出头2的长边方向上不重叠，则能够抑制将加压室10与喷出孔8相连的流路间的串扰，因此能够进一步减少串扰。若将连接加压室10与喷出孔8的流路整体配置为在液体喷出头2的长边方向上不重叠，则能够进一步减少串扰。
由与1个歧管5相连的多个加压室10构成加压室组(是与位移元件组31相同的范围)，由于歧管5有2个，因此加压室组有2个。各加压室组内的与喷出相关的加压室10的配置相同，配置于在短边方向上进行了平行移动的位置。这些加压室10在流路构件4的上表面的与压电致动器基板21对置的区域，存在加压室组间等间隔稍大的部分，但大致遍及整个表面进行了排列。即，由这些加压室10所形成的加压室组占据了与压电致动器基板21大致相同的形状的区域。此外，各加压室10的开口通过将压电致动器基板21接合于流路构件4的上表面而被堵塞。
从加压室10的与单独供给流路14所连接的角部对置的角部起，延伸出与在流路构件4的下表面的喷出孔面4-1开口的喷出孔8相连的流路。该流路在俯视时，向远离加压室10的方向延伸。更具体来说，一边在沿着加压室10的长对角线的方向上离开，一边相对于该方向左右偏离并延伸。由此，加压室10能够配置为各加压室行11内的间隔成为37.5dpi的格子状，并且喷出孔8能够整体以1200dpi的间隔而配置。
换言之，若对喷出孔8进行投影使得相对于与流路构件4的长边方向平行的虚拟直线正交，则在图4所示的虚拟直线的R的范围内，与各歧管5相连的16个喷出孔8、一共是32个喷出孔8成为1200dpi的等间隔。由此，通过向所有的歧管5供给相同颜色的墨水，从而作为整体能够在长边方向上以1200dpi的分辨率形成图像。此外，与1个歧管5相连的16个喷出孔8在虚拟直线的R的范围内成为600dpi的等间隔。由此，通过向各歧管5供给不同颜色的墨水，从而作为整体能够在长边方向上以600dpi的分辨率形成2色的图像。在该情况下，若使用2个液体喷出头2，则能够以600dpi的分辨率形成4色的图像，与使用能够以600dpi印刷的液体喷出头的情况相比，印刷精度增高，还能够使印刷的设定(setting)变得简单。另外，由从属于沿头主体2a的短边方向排列的1列加压室列的加压室10连接出的喷出孔8，覆盖了虚拟直线的R的范围。
在压电致动器基板21的上表面的与各加压室10对置的位置，分别形成了独立电极25。独立电极25包含比加压室10小一圈并具有与加压室10大致相似的形状的独立电极主体25a、和从独立电极主体25a引出的引出电极25b，独立电极25与加压室10相同地，构成了独立电极列以及独立电极组。此外，在压电致动器基板21的上表面，形成了经由通孔而与公共电极24电连接的公共电极用表面电极28。公共电极用表面电极28在压电致动器基板21的短边方向的中央部，沿着长边方向形成2行，此外，在长边方向的端缘附近沿着短边方向形成了1列。图示的公共电极用表面电极28在直线上断续地形成，也可以在直线上连续地形成。公共电极用表面电极28和公共电极24通过配置于压电陶瓷层21b的未图示的通孔内的导体而电连接。
在压电致动器基板21，配置并接合2个信号传递部60，使得从压电致动器基板21的2个长边侧分别朝向中央。此时，通过在压电致动器基板21的引出电极25b以及公共电极用表面电极28上，分别形成并连接连接电极26以及公共电极用连接电极，从而连接变得容易。此外，此时，若将公共电极用表面电极28以及公共电极用连接电极的面积设为大于连接电极26的面积，则通过公共电极用表面电极28上的连接从而能够增强信号传递部60的端部(前端以及压电致动器基板21的长边方向的端缘)的连接，因此能够使信号传递部60不易从端缘剥落。
此外，喷出孔8配置于避开了与配置在流路构件4的下表面侧的歧管5对置的区域的位置。进而，喷出孔8配置在流路构件4的下表面侧的与压电致动器基板21对置的区域内。这些喷出孔8作为1个组而占据了与压电致动器基板21大致相同的形状的区域，通过使相对应的压电致动器基板21的位移元件30产生位移从而能够从喷出孔8喷出液滴。
头主体2a中包含的流路构件4具有层叠了多个板的层叠结构。这些板从流路构件4的上表面起依次是空腔板4a、底板(base plate)4b、孔(节流孔)板4c、供给板4d、歧管板4e～j、盖板4k以及喷嘴板41。在这些板上形成了许多孔。各板的厚度为10～300μm程度，由此能够提高所形成的孔的形成精度。流路构件4的厚度为500μm～2mm程度。将各板对准位置进行层叠以使得这些孔彼此连通而构成单独流路12以及歧管5。头主体2a具有如下构成：加压室10位于流路构件4的上表面，歧管5位于内部的下表面侧，喷出孔8位于下表面，构成单独流路12的各部分彼此接近地配设在不同的位置，歧管5和喷出孔8经由加压室10相连。
关于形成于各板的孔进行说明。在这些孔中，存在如下的孔。第1是形成于空腔板4a的加压室10。第2是构成从加压室10的一端连接到歧管5的单独供给流路14的连通孔。该连通孔形成于从底板4b(详细来说是加压室10的入口)到供给板4c(详细来说是歧管5的出口)的各板。另外，在该单独供给流路14中，包含形成于孔板4c的流路的剖面积变小的部位即节流孔6。
第3是构成从加压室10的与单独供给路14所连接的一端相反的另一端向喷出孔8连通的流路的连通孔。该连通孔在以下记载中有时被称作下行路(descender)(部分流路)。下行路形成于从底板4b(详细来说是加压室10的出口)到喷嘴板41(详细来说是喷出孔8)的各板。
第4是构成副歧管5a的连通孔。该连通孔形成于歧管板4e～j。在歧管板4e～j上，形成了孔使得成为隔板15的分隔部残留以构成副歧管5b。各歧管板4e～j上的分隔部处于由半蚀刻得到的支撑部(图中省略)与各歧管板4e～j相连的状态。
第1～4的连通孔彼此相连，构成了从来自歧管5的液体的流入口(歧管5的出口)到喷出孔8的单独流路12。供给到歧管5的液体通过以下路径从喷出孔8喷出。首先，从歧管5朝向上方，进入到单独供给流路14，到达节流孔6的一端部。接着，沿着节流孔6的延伸方向水平前进，到达节流孔6的另一端部。从该处朝向上方，到达加压室10的一端部。进而，沿着加压室10的延伸方向水平前进，到达加压室10的另一端部。从加压室10进入到下行路的液体一边也沿水平方向移动，一边主要朝向下方前进，到达在下表面开口的喷出孔8，向外部喷出。
压电致动器基板21具有由作为压电体的2片压电陶瓷层21a、21b构成的层叠结构。这些压电陶瓷层21a、21b分别具有20μm程度的厚度。从压电致动器基板21的压电陶瓷层21a的下表面到压电陶瓷层21b的上表面的厚度为40μm程度。压电陶瓷层21a、21b的任意一层都跨越多个加压室10地延伸。这些压电陶瓷层21a、21b由以铌酸钾钠(KNN)为主要成分的陶瓷材料构成。另外，压电陶瓷层21a作为振动板而工作，不必一定是压电体，作为替代，也可以使用非压电体的其他陶瓷层、金属板。
压电致动器基板21具有由Ag-Pd系等金属材料构成的公共电极24以及由Au系等金属材料构成的独立电极25。如上所述，独立电极25包含：配置在压电致动器基板21的上表面的与加压室10对置的位置的独立电极主体25a；和从此引出的引出电极25b。在引出电极25b的一端的被引出到与加压室10对置的区域外的部分，形成了连接电极26。连接电极26例如由包含玻璃粉的银-钯构成，厚度为15μm程度且形成为凸状。此外，连接电极26与设置于信号传递部60的电极电接合。详细内容在后面叙述，但从控制部88通过信号传递部60向独立电极25供给驱动信号。驱动信号与印刷介质P的输送速度同步而以固定周期供给。
公共电极24在压电陶瓷层21a与压电陶瓷层21b之间的区域遍布面方向的大致整个面而形成。即，公共电极24延伸为覆盖与压电致动器基板21对置的区域内的所有的加压室10。公共电极24的厚度为2μm程度。公共电极24与在压电陶瓷层21a上形成在避开由独立电极25构成的电极组的位置的公共电极用表面电极28，经由贯通压电陶瓷层21a形成的通孔而相连，并被接地，保持为接地电位。公共电极用表面电极28与大多的独立电极25同样地，与控制部88直接或者间接地连接。
压电陶瓷层21a的独立电极25与公共电极24所夹的部分在厚度方向上被极化，成为若对独立电极25施加电压则产生位移的单压电晶片(unimorph)结构的位移元件30。更具体来说，将独立电极25设为与公共电极24不同的电位而对压电陶瓷层21a在其极化方向上施加了电场时，被施加了该电场的部分作为由于压电效应而变形的活性部来工作。在该构成中，若由控制部88将独立电极25相对于公共电极24设为正或负的给定电位以使得电场和极化为相同方向，则压电陶瓷层21a的电极所夹的部分(活性部)在面方向上收缩。另一方面，由于非活性层的压电陶瓷层21b不受电场的影响，因此其不会主动地收缩，而试图限制活性部的变形。结果，在压电陶瓷层21a与压电陶瓷层21b之间在向极化方向的变形上产生差异，压电陶瓷层21b发生变形(单压电晶片变形)使得向加压室10侧凸出。
接下来，说明液体的喷出动作。通过在来自控制部88的控制下经由驱动器IC等而供给到独立电极25的驱动信号，从而使位移元件30驱动(位移)。在本实施方式中，能够通过各种各样的驱动信号来使液体喷出，但在此，对所谓的推拉驱动方法进行说明。
预先将独立电极25设为比公共电极24高的电位(以下称作高电位)，每当有喷出请求时将独立电极2暂时设为与公共电极24相同的电位(以下称作低电位)，然后在给定的定时再次设为高电位。由此，在独立电极25成为低电位的定时，压电陶瓷层21a、21b(开始)返回至原来的(平坦的)形状，加压室10的容积相比于初始状态(两电极的电位不同的状态)而增加。由此，向加压室10内的液体给予负压。这样一来，加压室10内的液体按照固有振动周期开始振动。具体来说，最初，加压室10的体积开始增加，负压逐渐减小。接着加压室10的体积达到最大，压力大致为零。接着加压室10的体积开始减少，压力渐渐升高。然后，在压力达到大致最大的定时，将独立电极25设为高电位。这样一来，最初施加的振动与接着施加的振动重叠，更大的压力施加给液体。该压力在下行路内传播，使液体从喷出孔8喷出。
即，通过以高电位为基准，向独立电极25供给设为一定期间低电位的脉冲的驱动信号，从而能够喷出液滴。若该脉冲宽度设为作为压力室10的液体的固有振动周期的一半时间的AL(Acoustic Length)，则在原理上，能够使液体的喷出速度以及喷出量成为最大。压力室10的液体的固有振动周期受液体的物性、压力室10的形状的影响较大，但除此以外，还会受到来自压电致动器基板21的物性、与加压室10相连的流路的特性的影响。
另外，由于还存在使所喷出的液滴汇成1个等其他加以考虑的主要因素，因此实际上，脉冲宽度被设为0.5AL～1.5AL程度的值。此外，脉冲宽度通过设为AL以外的值，从而能够减少喷出量，因此为了减少喷出量而设为AL以外的值。
压电致动器基板21和流路构件4由热固化性的粘接剂来接合。理由之一在于，在喷出各种各样的墨水等液体时需要对液体的耐性，而热固化性的粘接剂与常温固化的粘接剂相比耐性更高。
此外，若针对位移元件30反复非常多次的驱动，则位移量有时会下降。这其中有各种各样的主要原因，其中之一在于，位移元件30内的独立电极25和公共电极24对置的范围外的压电陶瓷层21b虽是不直接被压电驱动的部分，但该部分受到来自被压电驱动的部分的应力而会逐渐发生变形。在PZT系的压电材料中，已知为了降低该变形而在压电陶瓷层21b的平面方向上预先施加压缩应力为宜。作为流路构件4，若使用与压电致动器基板21相比热膨胀系数较大的材料来进行加热接合，则在降温过程中能够成为对压电致动器基板21施加有压缩应力的状态。
作为流路构件4，由于耐蚀性较高，因此大多情况都使用不锈钢。例如，可以使用作为Fe-Cr系的SUS410(马氏体系：热膨胀系数11.0ppm/℃)、SUS430(铁氧体系：热膨胀系数10.4ppm/℃)、作为Fe-Cr-Ni系的SUS304(奥氏体系：热膨胀系数17.3ppm/℃)、SUS329(复合奥氏体系：12.8ppm/℃)。由于大多情况任何一个都具有比压电材料高的热膨胀系数，因此在热固化后会对压电致动器基板21施加压缩应力。
在使用了铌酸钾钠作为压电陶瓷基板21的情况下，由于热膨胀系数为3～5ppm/℃程度，因此成为施加有压缩应力的状态，并且与上述情况同样地，能够期待有关驱动耐久的提高。另外，为了提高驱动耐久，压缩应力优选为施加30MPa以上的状态。但是，铌酸钾钠虽然根据组成比例、添加物等而存在差异，但在比较接近于室温的温度，存在正方晶与斜方晶之间的相变点。在施加有压缩应力的状态下，在上述的粘接的降温过程、使用环境中，若发生跨越该相变点那样的温度变化，则压电特性的经时性变化会变大。
为了减少该压电特性的变化，只要通过调节组成等，使相变点成为-20℃以下即可。通过这样处理，即使施加有压缩应力，也能够抑制压电特性的经时性变化变大。
在粘接之后的降温过程中超过相变点的情况下，在铌酸钾钠从正方晶向斜方晶发生变化时，由于发生体积变化，因此在返回到室温时会产生残余应力。由于该残余应力(压缩应力)，从而压电体的一部分去极化。此外，如考虑到-20℃为止的范围作为使用环境，则在该范围内存在相变点的情况下，在受到跨越相变点的温度变化时，晶体结构会发生变化，此时，由于流路构件4与压电致动器基板21之间的热膨胀差，压电体受到压缩应力而会发生结构变化，因此相比于保持相同晶体结构不变而受到压缩应力的情况影响变大。若使相变点成为-20℃以下，则能够减小上述主要原因的影响，因此即使受到了压缩应力，也能够减小压电特性的变化。
另外，若正方晶中的晶轴比c/a为1.01以上，则能够减小压电特性的变动。在压缩应力大至80MPa以上的情况下，由于与晶轴比c/a相比相变点的影响起支配作用，因此在这样的条件下，尤其需要相变点为-20以下。
能够这样使用的铌酸钾钠组合物，是指作为纯的铌酸钾钠的由组成式(K1-aNaa)NbO3所表示的组合物、或者将其各元素置换为等价的元素等直到20原子％程度为止的组合物。所谓的压电陶瓷层21a、b以铌酸钾钠组合物为主要成分，是指纯的铌酸钾钠或者以下所示的铌酸钾钠组合物为80质量％，进而为90质量％，特别是95质量％以上。
铌酸钾钠组合物除了包含K、Na、Nb以外，还至少包含Li和Ta。进而，优选包含由Mg、Cu以及Zn构成的元素组之中的至少任意1种、和由Bi、Ca、Ba以及Sr构成的元素组之中的至少任意1种。进而，也可以包含Sb。
更具体的铌酸钾钠组合物的组成在由组成式(1-x){(K1-aNaa)1-bLib}c(Nb1-d- eTadSbe)O2.5+C/2+xB1α(A11-βA2β)O3表示时，处于0.0024≤x≤0.008、0.66≤a+3×b≤0.74、0.02≤b≤0.10、0.980≤c≤1.000、0.04≤d≤0.10、0≤e≤0.08、2/3≤α≤1、1/3≤β≤2/3的范围，A1是由Mg、Cu以及Zn构成的元素组之中的至少任意1种，A2是由Nb、Ta、Sb、Ti、Zr、Hf、Ge、Sn以及Ce构成的元素组之中的至少任意1种，B1设为由Bi、Ca、Ba以及Sr构成的元素组之中的至少任意1种，由此能够提高压电特性。A1烧结性良好，并且压电特性也特别高，故特别优选Zn。A2压电特性特别高，并且绝缘性也较高，故特别优选Sn。
此外，若是0.66≤a+3×b≤0.74，则会用Na来置换K的一部分，因此能够提高压电常数，并且使晶体结构正方晶性化。若将b设为0.02以上，则Li会被导入至A位，因此能够提高压电磁器的烧结性，通过将b设为0.02≤b≤0.10的范围，从而能够提高压电特性、或者使晶体结构正方晶性化。c设为0.980≤c≤1.000的范围。这是由于，若钙钛矿结构的A位原子相对于B位原子而过量包含超过1.000，则绝缘性以及压电特性会下降，若小于0.980则压电特性有可能会急剧下降。
若是0.04≤d≤0.10，则会用Ta来置换Nb的一部分，因此能够提高压电特性。另外，若d超过0.10则压电特性会下降，进而居里温度有可能降低。将e设为0≤e≤0.08的范围是由于通过根据需要用Sb来置换Nb的一部分从而能够提高烧结性。另外，若e超过0.08则烧结性有可能下降。
上述组成式中的B1α(A11-βA2β)O3单独具有复合钙钛矿结构。由于Bi具有6s2孤立电子对，因此由于Bi的存在，而在晶体结构产生较大的畸变。Ca、Ba、Sr也具有同样效果。通过将这些复合氧化物向{(K1-aNaa)1-bLib}c(Nb1-d-eTadSbe)O2.5+C/2组成中导入给定量，从而在铌酸钾钠的晶体结构中导入畸变而极化变大，压电特性得到提高。此外，同时能够减小压电特性的温度依赖性。特别是为了提高压电特性，B1优选为Ba。另外，由于含有Bi的化合物在比较低的温度下生成液相，因此通过导入Bi复合氧化物，还能够获得压电磁器的烧成温度下降这样的效果。
在此，α处于2/3≤α≤1的范围。通过将α设为这样的范围，从而能够在铌酸钾钠中不多不少地掺入复合钙钛矿组成的氧化物。另外，若α小于2/3，则压电特性有可能下降，若α大于1，则由于剩余的B1会存在于晶界部，因此有可能发生压电特性的下降、压电磁器的绝缘性的劣化。
在铌酸钾钠的钙钛矿结构中，若是Nb的相对量稍多的程度，则可以认为多余量的Nb会被配置到A位，但若Nb进一步增加，则可以认为会配置到晶格间。由于进入到该晶格间的Nb作为输送电荷的载体而工作，有可能会使绝缘性发生劣化，因此优选抑制像这样进行配置。通过将离子半径比Bi大的Ca、Ba、Sr等碱土金属置换到钙钛矿结构的一部分，从而能够抑制Nb被配置到晶格间的情况。Bi、Ca、Ba、Sr的离子由于不作为输送电荷的载体而工作，因此不易使绝缘性下降。
若对作为B1的Bi与碱土元素进行比较，则Bi在烧成温度较低这一点上优选。碱土元素在与Bi的情况相比压电常数较高这一点上优选。
此外，若对碱土元素的比率较高的情况与Bi的比率较高的情况进行比较，则碱土元素的比率较高的情况下的相变点比较低，因此在将相变点设为-20℃以下这样的条件下，能够调整其他组成的比率的范围较广，自由度较高，故优选。为了降低相变点，在碱土元素的比率较高的情况下，优选碱土元素的合量设为B1整体的75％以上。在Bi的比率较高的情况下，B1优选大致仅为Bi。进而，在将压电磁器与导体同时进行烧成的情况下，由于Bi反应性较高，例如与银等发生反应，产生外观不良的压电磁器的比例有可能增加，因此在不易成为这种状况这一点上优选碱土元素。
A1是由Mg、Cu以及Zn构成的元素组之中的至少任意1种，A2是由Nb、Ta、Sb、Ti、Zr、Hf、Ge、Sn以及Ce构成的元素组之中的至少任意1种。这些元素在与氧的6配位状态下，具有与Nb相同程度的离子半径。
β处于1/3≤β≤2/3的范围。通过将β设为这样的范围，从而能够使A1与A2的比率处在化学计量比的范围内。另外，若A1与A2的比率明显偏离化学计量比，则会形成氧空位，压电特性有可能下降。
另外，在A2是成为5价的离子的元素即Nb、Ta以及Sb之中的至少任意1种元素的情况下，通过将α+β设为4/3，从而能够使A1与A2处在化学计量比的范围内，优选。此外，在A2是成为4价的离子的元素即Ti、Zr、Hf、Ge、Sn以及Ce之中的至少任意1种的情况下，通过将β设为1/2，从而能够使A1与A2处在化学计量比的范围内，优选。另外，根据各系数的值，存在B1α(A11-βA2β)O3的价数的合计不为0的情况，但作为实际的压电体的组成，由于“O3”部分的3的值偏离3，从而价数的合计能够保持为0。
此外，在压电陶瓷层21a、b中，除了包含铌酸钾钠组合物即纯的铌酸钾钠或将其一部分元素进行置换而得到的组合物、以及含有上述的钙钛矿成分的物质以外，也可以包含烧结助剂等添加成分。例如，作为烧结助剂，相对于铌酸钾钠组合物100质量份，将Mn按MnO2换算添加0.1～0.5质量份或者将Cr按Cr2O3换算添加0.2～1.0质量份即可。
以上那样的液体喷出头2例如按如下方式进行制作。通过辊涂法、狭缝涂布法等一般的流延成型法，来进行由KNN系压电陶瓷原料粉末与有机组合物构成的带的成型，在烧成后制作成为压电陶瓷层21a、21b的多个生片。在一部分的生片，在其表面通过印刷法等来形成成为公共电极24的Ag-Pd膏剂。此外，根据需要在生片的一部分形成将公共电极24与公共电极用表面电极28相连的通孔。
接着，将各生片进行层叠来制作层叠体，并进行加压密接。将加压密接后的层叠体在高浓度氧气氛下进行烧成，得到烧成体。然后，在烧成体表面使用有机金膏剂来印刷独立电极25，并进行烧成。进而，使用Ag膏剂来印刷连接电极26以及公共电极用表面电极28，并进行烧成。Ag膏剂在印刷时，会进入到开于生片的通孔，与公共电极24连接，因此烧成后，公共电极用表面电极28与公共电极24被电连接。
接着，对于流路构件4，在经由粘接层对通过压延法等而得到的板4a～1进行层叠而制作的板4a～1中，通过蚀刻而将成为歧管5、单独供给流路14、加压室10以及下行路等的孔加工成给定形状。这些板4a～1期望由从Fe-Cr系、Fe-Ni系、WC-TiC系的组中选择的至少1种金属形成，特别是在使用墨水作为液体的情况下，期望由对墨水的耐蚀性优异的材质构成，因此更优选Fe-Cr系。
压电致动器基板21和流路构件4例如能够经由热固化性的粘接层来进行层叠粘接。作为粘接层，能够使用周知的粘接剂，但为了不给压电致动器基板21、流路构件4带来影响，使用从热固化温度为100～150℃的环氧树脂、酚醛树脂、聚苯醚树脂的组中选择的至少1种粘接剂为宜。通过使用这样的粘接层加热到热固化温度，从而能够对压电致动器基板21与流路构件4进行加热接合。
然后，通过在独立电极25与公共电极24之间施加电压，使夹在他们之间的部位的压电陶瓷层21b发生极化，从而能够得到液体喷出头2。
以上，使用液体喷出头2来进行了说明，但在其他的压电元件中也是同样的。即，在压电元件的压电体在平面方向上扩展并且在该平面方向上施加有压缩应力的情况下，若压电体为铌酸钾钠、且正方晶与斜方晶之间的相变点为-20℃以下，则能够减小压电特性的变动。通过这样的压电元件，能够构成用于液体喷出头以外的致动器，例如扬声器或蜂鸣器、传感器、构成电路的滤波器等。
扬声器或蜂鸣器例如通过在成为发音的面的振动板使用金属等高热膨胀的构件，对压电元件与振动板进行加热接合来制作，从而能够成为在压电体施加有压缩应力的压电构件。传感器或滤波器例如通过对机械保持压电体的支撑体使用金属等高热膨胀的构件，对压电元件与支撑体进行加热接合来制作，从而能够成为在压电体施加有压缩应力的压电构件。
【实施例】
制作评价用的压电致动器基板21，进行了评价。用于压电陶瓷层21a、21b的压电材料对K2CO3、Na2CO3、Li2CO3、Nb2O5、Ta2O5、Sb2O3、Bi2O3、MgCO3、CaCO3、SrCO3、BaCO3、CuO、TiO2、ZrO2、HfO2、GeO2、SnO2、CeO2的各粉末进行了调配，使得组成式(1-x){(K1-aNaa)1-bLib}c(Nb1-d-eTadSbe)O2.5+C/2+xB1α(A11-βA2β)O3的各参数成为表1的值。进而，针对所述组成式100质量份，加入了表1～3中记载的质量份的MnO2或者Cr2O3的粉末作为烧结助剂，以此作为原料。
调配后的原料与水或者异丙醇以及氧化锆球一起放入容器(pot)中进行了混合。混合后的原料暂时进行干燥后，以900℃进行焙烧。焙烧后的原料与水或者异丙醇以及氧化锆球一起放入容器中进行了粉碎。使用该粉末来制作浆料，由该浆料，采用辊涂法作为成型方法，制作了生片。
接着，通过使用了包含Ag-Pd合金的导体膏剂的丝网印刷法，在生片的表面，形成了成为公共电极34的电极图案。接着，在该生片层叠了未进行印刷的生片之后，以1050℃的温度进行了烧成。烧成后，用Ag膏剂来印刷独立电极25并进行烧成，由此制作了压电致动器基板21。
所制作的压电致动器基板21如图2～5所示。针对各试样，压电致动器基板21准备2个，1个不与支撑体(流路构件4)接合而进行了评价，另1个与支撑体进行加热接合之后进行了评价。作为支撑体而使用了SUS430，加热接合是在支撑体与压电致动器基板21之间涂敷环氧系树脂后在120℃下进行的。表1～3中，示出了未与支撑体接合的压电致动器基板21的压电常数d31的值、和斜方晶与正方晶之间的相变点的温度。在此观察的斜方晶以及正方晶是铌酸钾钠组合物的晶体结构，通过X射线衍射，能够观测到从纯的铌酸钾钠略微移位的状态的物质。
进行了针对与支撑体进行了接合的压电致动器基板21以及未与支撑体进行接合的压电致动器基板21的温度循环试验。将80℃(30分钟)～-20℃(30分钟)的温度循环试验进行了10次循环之后，测量压电常数d31，表1～3中示出了从试验前到试验后的变化率。而且，表1～3中示出了基于有无接合即是否在压电体施加了压缩应力的变化率之差。此外，图6是按照有无接合区分示出了相变点与基于温度循环试验的压电常数d31的下降率的关系的曲线图。
【表1】
Figure BDA0001368171410000211
【表2】
Figure BDA0001368171410000221
【表3】
Figure BDA0001368171410000231
如图6所示可知，在相变点高于-20℃的情况下，相对于未施加基于接合的压缩应力的压电致动器基板21，通过接合施加了压缩应力的压电致动器基板21的温度循环后的下降率增大1％以上，在施加有压缩应力的状态下，压电常数d31的变动增大。相对于此，可知对于相变点在-20℃以下的试样而言，压电常数d31的变动几乎没有因压缩应力的差别而发生变化(测定误差程度的±0.1％程度)，压电常数d31的变动变小。
此外，在上述的组成式中，处于0.0024≤x≤0.008、0.66≤a+3×b≤0.74、0.02≤b≤0.10、0.980≤c≤1.000、0.04≤d≤0.10、0≤e≤0.08、2/3≤α≤1、1/3≤β≤2/3的范围内的试样，其压电常数d31高至90pm/V以上。
此外，针对一部分的试样，使用SUS304作为支撑体来进行了同样的试验，在表4中示出了其结果。与SUS304进行了接合的情况下也是相变点为-20℃以下的压电致动器基板21的压电常数d31的变动变小。
【表4】
Figure BDA0001368171410000251
*表示本发明的范围外的试样。
此外，进而针对一部分的试样，测量了铌酸钾钠组合物处于正方晶的状态下的晶轴比与压缩应力，在表5中示出了其结果。【表5】
Figure BDA0001368171410000261
*表示本发明的范围外的试样。

Claims (5)

1.一种压电元件，包含以铌酸钾钠组合物为主要成分的压电体，所述压电元件的特征在于，
该压电体具有在平面方向上扩展的平板形状，并且在所述平面方向上施加有压缩应力，并且正方晶与斜方晶之间的相变点为-20℃以下，
所述铌酸钾钠组合物的、正方晶中的晶轴比c/a为1.01以上。
2.一种压电构件，其特征在于，包含：
权利要求1所述的压电元件；和
与所述压电体接合的、热膨胀系数比该压电体大的支撑体。
3.一种液体喷出头，具备：
流路构件，其具有多个喷出孔以及与该多个喷出孔分别相连的多个加压室；和
压电致动器基板，其与该流路构件接合，具有对所述多个加压室内的液体分别进行加压的多个权利要求1所述的压电元件，
所述液体喷出头的特征在于，
所述压电体遍及所述多个加压室而延伸。
4.根据权利要求3所述的液体喷出头，其特征在于，
所述流路构件的热膨胀系数大于所述压电致动器基板的热膨胀系数，将所述压电致动器基板与所述流路构件进行了接合。
5.一种记录装置，其特征在于，具备：
权利要求3或4所述的液体喷出头；
输送部，其向所述液体喷出头输送记录介质；和
控制部，其对所述液体喷出头进行控制。
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