JP2002167277A - 圧電磁器組成物及びこれを用いたインクジェット記録ヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】研削加工において、隔壁に折れやチッピング
（欠け）等の欠陥がなく、また長期間の駆動による特性
変化の小さい、安定したインク吐出性能を有するインク
ジェット記録ヘッドを提供する。 【解決手段】インクジェット記録ヘッド１０のアクチュ
エータ部をなす隔壁１を、Ｐｂ（Ｚｒ Ｔｉ）Ｏ₃組成
系のＰｂの一部を、Ｂａ、Ｓｒのうち一種以上の元素で
置換し、かつ（Ｚｒ Ｔｉ）の一部を、（Ｚｎ_1/3 Ｓ
ｂ_2/3）、（Ｚｎ_1/3 Ｎｂ_2/3）、（Ｎｉ_1/2 Ｔ
ｅ_1/2）のうち一種以上の成分で置換したペロブスカイ
ト型化合物を主体とし、他の成分としてＦｅをＦｅ₂Ｏ₃
に換算して０．０３〜０．５重量％含有し、上記化合物
の平均結晶粒子径が０．６〜７μｍで、かつ４点曲げ強
度が７０ＭＰａ以上、破壊靱性値が０．７ＭＰａｍ^1/2
以上である焼結体により圧電磁器組成物を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、優れた圧電定数ｄ
と抗電界Ｅｃを有し、かつ研削性に優れたチタン酸ジル
コン酸鉛系の圧電磁器組成物とこれを用いたインクジェ
ット記録ヘッドに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、圧電効果によって発生する変位を
機械的駆動源として利用したものに、超音波応用振動
子、超音波モータ、圧電アクチュエータ等があり、メカ
トロニクスの分野の進展とともに、注目されている。

【０００３】例えば、圧電アクチュエータは、磁性体に
コイルを巻いた従来の電磁式アクチュエータと比較し
て、消費電力や発熱量が少なく、応答速度に優れるとと
もに、変位量が大きく、寸法、重量が小さい等の優れた
特徴を有している。そして、これら圧電アクチュエータ
等を構成する圧電材料としては、ＰｂＺｒＯ₃−ＰｂＴ
ｉＯ₃（以下、Ｐｂ（Ｚｒ Ｔｉ）Ｏ₃という）組成系の
圧電磁器組成物が用いられているが、さらに大きな機械
的変位が得られることが要求されており、そのためには
圧電定数ｄの大きい圧電磁器組成物が望まれていた。

【０００４】このような目的に合致する圧電磁器組成物
として、例えば、Ｐｂ（Ｚｒ Ｔｉ）Ｏ₃の２成分組成
系に、第３成分として、Ｐｂ（Ｚｎ_1/3 Ｓｂ_2/3）
Ｏ₃、Ｐｂ（Ｚｎ_1/3 Ｎｂ_2/3）Ｏ₃、Ｐｂ（Ｎｉ_1/2
Ｔｅ_1/2）Ｏ₃の少なくとも一種を固溶させたペロブスカ
イト型化合物から成る焼結体が実用化されている。

【０００５】また、特開平５−５８７２９号公報には、
圧電特性以外に耐熱性や焼結性等の改善を目的として、
上記ペロブスカイト型化合物を主成分とし、副成分とし
て、ＮｉＯ、ＣｕＯ、Ｂｉ₂Ｏ₃、ＷＯ₃の少なくとも一
種を０．０１〜３ｍｏｌ％の範囲で含有した圧電磁器組
成物が開示されている。

【０００６】一方、近年、低ランニングコストでカラー
画像や文字情報等を印刷する記録装置として、インクジ
ェット方式の記録装置が使用されており、この記録装置
に搭載されるインクジェット記録ヘッドに圧電アクチュ
エータが用いられている。

【０００７】図３に従来のインクジェット記録ヘッドの
一例を示すように、このインクジェット記録ヘッド２０
（以下、単にヘッドという）は、圧電磁器組成物にダイ
ヤモンドホイールによる研削加工にて一端が閉じられた
複数の溝を並設し、各溝をインクの流路２２とするとと
もに、流路２２を仕切る壁を隔壁２１とした流路部材２
７と、上記各隔壁２１の両側面上半分に形成された駆動
用電極２３と、各隔壁２１の頂部に接着にて接合され、
各流路２２を覆う蓋板２８と、上記流路部材２７の開放
端部に接着にて接合されたノズル板２６とから成り、上
記ノズル板２６には、各流路２２と連通し、流路２２内
のインクを吐出するインク吐出孔２５が形成され、上記
蓋板２８には、各流路２２と連通し、流路２２内にイン
クを導入するインク供給孔２４が形成されたものがあっ
た。なお、矢印は隔壁２１を形成する圧電磁器組成物の
分極方向を示す。

【０００８】そして、このヘッド２０よりインク滴を吐
出するには、インク供給孔２４より各流路２２へインク
を導入し、隔壁２１に備える駆動用電極２３に通電して
隔壁２１を形成する圧電磁器組成物の剪断モード変形に
よって隔壁２１を屈曲変位させることにより、隔壁２１
間にて仕切られた流路２２内のインクを加圧し、その流
路２２と連通するインク吐出孔２５よりインク滴を吐出
するようになっており、インク滴の吐出性能を高めるた
めには、隔壁２１の機械的変位量を大きくする必要があ
ることから、上記流路部材２７を形成する圧電磁器組成
物として、Ｐｂ（Ｚｒ Ｔｉ）Ｏ₃組成系の圧電磁器組
成物が用いられていた。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところが、高圧電定数
ｄを得るため、Ｐｂ（Ｚｒ Ｔｉ）Ｏ₃組成系に対し、
（Ｚｒ Ｔｉ）の一部を（Ｚｎ_1/3 Ｓｂ_2/3）、（Ｚｎ
_1/3 Ｎｂ_2/3）、（Ｎｉ _1/2 Ｔｅ_1/2）のうち１種以上
の成分で置換したペロブスカイト型化合物から成る圧電
磁器組成物に研削加工を施すと、折れやチッピング（欠
け）による欠陥が生じ易い等、加工性が悪いという課題
があった。

【００１０】また、上記圧電磁器組成物は抗電界Ｅｃが
低く、分極処理を施した後、分極方向と異なる方向に電
界がかかると容易に分極の方向が変化し、分極度が劣化
するといった課題があった。

【００１１】一方、インクジェット記録ヘッド２０の流
路２２を仕切る隔壁２１は、幅が１００μｍ以下、高さ
が１５０μｍ以上の薄肉であるため、流路部材２７が上
述したペロブスカイト型化合物から成る圧電磁器組成物
であると、隔壁２１及び流路２２の形成において、ダイ
ヤモンドホイールを用いた研削加工を施すと、隔壁２１
が折れたり、隔壁２１にチッピング（欠け）等の欠陥が
多数発生し、安定して流路部材２７を製作することがで
きないといった課題があった。しかも、研削後の欠陥が
多いものを用いてヘッド２０を製作し、インク滴を吐出
させるために駆動用電極２３に通電して隔壁２１を屈曲
変位させようとしても、隔壁２１には欠陥があるために
設計通りの変位量を得ることができず、インク滴の吐出
が不安定であったり、インク滴が吐出されないといった
課題があった。

【００１２】また、隔壁２１を屈曲変位させるには、隔
壁２１の両側面上半分に形成された駆動用電極２３に通
電し、隔壁２１の分極方向と直交する方向に電界をかけ
る必要があるが、この時、隔壁２１を形成する圧電磁器
組成物には分極方向に対して垂直な方向に大きな電界が
かかるため、圧電磁器組成物の分極度が徐々に劣化し、
インク滴を吐出するのに必要な隔壁２１の変位量が得ら
れなくなるといった課題もあった。

【００１３】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明は上記課
題に鑑み、ＦｅをＦｅ₂Ｏ₃に換算して０．０３〜０．５
重量％含有し、残部が実質的に、Ｐｂ（Ｚｒ Ｔｉ）Ｏ
₃組成系のＰｂの一部を、Ｂａ、Ｓｒのうち一種以上の
元素で置換し、かつ（Ｚｒ Ｔｉ）の一部を、（Ｚｎ
_1/3 Ｓｂ_2/3）、（Ｚｎ_1/3 Ｎｂ_2/3）、（Ｎｉ_1/2
Ｔｅ_1/2）のうち一種以上の成分で置換したペロブスカ
イト型化合物から成り、上記ペロブスカイト型化合物の
平均結晶粒子径が０．６〜７μｍであるとともに、４点
曲げ強度が７０ＭＰａ以上、破壊靱性値が０．７ＭＰａ
ｍ^1/2以上である焼結体により圧電磁器組成物を構成し
たことを特徴とする。

【００１４】また、本発明は、少なくとも一部が上記圧
電磁器組成物から成る複数の隔壁を並設し、各隔壁間を
インクの流路とした流路部材と、上記隔壁の両側面にそ
れぞれ形成された駆動用電極と、前記隔壁の頂面に接合
され、上記流路を覆う蓋板と、上記各流路と連通するイ
ンク吐出孔とからインクジェット記録ヘッドを構成した
ことを特徴とする。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
説明する。

【００１６】本発明の圧電磁器組成物は、副成分として
ＦｅをＦｅ₂Ｏ₃に換算して０．０３〜０．５重量％の範
囲で含有し、残部が実質的に、Ｐｂ（Ｚｒ Ｔｉ）Ｏ₃
組成系のＰｂの一部を、Ｂａ、Ｓｒのうち一種以上の元
素で置換し、かつ（Ｚｒ Ｔｉ）の一部を、（Ｚｎ_1/3
Ｓｂ_2/3）、（Ｚｎ_1/3 Ｎｂ_2/3）、（Ｎｉ_1/2 Ｔｅ
_1/2）のうち一種以上の成分で置換したペロブスカイト
型化合物から成る焼結体であって、上記ペロブスカイト
型化合物の平均結晶粒子径が０．６〜７μｍの範囲にあ
ることを特徴とする。

【００１７】副成分として含有するＦｅは、ペロブスカ
イト型化合物からなる結晶を粒成長させる作用があり、
Ｆｅの含有量が多すぎると焼結体の機械的強度を大きく
劣化させるため、従来では圧電磁器組成物中にＦｅが殆
ど含まれないように調整されていたが、本件発明者は、
このＦｅの含有量を上述した範囲内で含有させることに
より、圧電磁器組成物の機械的強度を大きく劣化させる
ことなく、研削加工時における欠けや割れの発生を抑え
ることができるとともに、さらには圧電定数ｄの向上並
びに分極度の劣化を抑える抗電界Ｅｃを向上させること
ができることを見出し、本発明に至った。

【００１８】抗電界Ｅｃを向上させることができる理由
については明らかではないが、以下のメカニズムによる
ものと考えられる。

【００１９】即ち、Ｆｅは、焼結体中において、イオン
半径との関係からＡＢＯ₃で表されるペロブスカイト型
結晶構造を有するＰｂ（Ｚｒ Ｔｉ）Ｏ₃組成系のＢサ
イトに入り、Ｂサイトを構成するＺｒ又はＴｉと置換を
起こすものと考えられる。この時、Ｆｅ³⁺はＺｒ⁴⁺、Ｔ
ｉ⁴⁺よりも価数が小さいため、電気的バランスをとるた
めに結晶格子内に酸素欠陥を生じるのであるが、ペロブ
スカイト型結晶では格子中の酸素間距離が短いため、酸
素欠陥は移動、配列し易く、移動、配列した酸素欠陥は
局部的に内部電界を発生し、圧電磁器組成物の抗電界Ｅ
ｃを向上させることができるものと思われる。

【００２０】また、圧電磁器組成物中に適度な酸素欠陥
を発生させることにより、焼成時に物質の移動が起こり
易くなるため、Ｆｅを含まない従来の圧電磁器組成物に
比べて粒成長を促進させることができる。その為、結晶
の粒子径が適度な大きさを有することから、ダイヤモン
ドホイール等による研削加工時に、ダイヤモンドホイー
ルと圧電磁器組成物の研削面との接触面積を小さくで
き、研削面に作用する応力を低減して割れやチッピング
（欠け）の発生を大幅に低減することができる。

【００２１】ところで、このような効果を奏するために
は、上述したように、ＦｅをＦｅ₂Ｏ₃に換算して０．０
３〜０．５重量％の範囲で含有することが重要である。

【００２２】即ち、Ｆｅの含有量がＦｅ₂Ｏ₃に換算して
０．０３未満であると、Ｆｅの含有量が少ないために抗
電界Ｅｃを高める効果や、ペロブスカイト型化合物から
なる結晶を粒成長させる効果が小さく、ペロブスカイト
型化合物の平均結晶粒子径を０．６μｍ以上とすること
が難しいからであり、逆にＦｅの含有量がＦｅ₂Ｏ₃に換
算して０．５重量％を超えると、ペロブスカイト型化合
物の元素との置換量が多くなり過ぎるため、圧電磁器組
成物の圧電定数ｄが大きく劣化するとともに、ペロブス
カイト型化合物の粒成長が大きくなり、その平均結晶粒
子径を７μｍ以下とすることが難しいからである。な
お、好ましくは０．０３〜０．３重量％の範囲で含有す
ることが良い。

【００２３】また、焼結体中におけるペロブスカイト型
化合物の結晶粒子径も重要な要件であり、ペロブスカイ
ト型化合物の平均結晶粒子径が０．６μｍ未満では、研
削加工時において、ダイヤモンドホイールとの接触面積
が大きくなり、研削加工時に作用する応力を低減するこ
とができないため、この時に生じる応力によって割れや
チッピング（欠け）を生じ易いからであり、逆に、ペロ
ブスカイト型化合物の平均結晶粒子径が７μｍを超える
と、機械的強度が大きく低下するとともに、チッピング
（欠け）が発生した時のチッピングサイズが大きくなり
過ぎるからである。

【００２４】さらに、本発明の圧電磁器組成物は、焼結
体の４点曲げ強度が７０ＭＰａ以上、破壊靱性値が０．
７ＭＰａｍ^1/2以上であることを特徴とする。

【００２５】ここで、焼結体の４点曲げ強度を７０ＭＰ
ａ以上、破壊靱性値を０．７ＭＰａｍ^1/2以上としたの
は、４点曲げ強度又は破壊靱性値のいずれか一方が上述
した範囲を外れると、研削加工時における割れやチッピ
ング（欠け）等の欠陥を低減することができないから
で、好ましくは４点曲げ強度を７５ＭＰａ以上、破壊靱
性値を０．７５ＭＰａｍ^1/2以上とすることが良い。

【００２６】ところで、本発明の圧電磁器組成物の主体
をなすペロブスカイト型化合物は、前述したように、Ｐ
ｂ（Ｚｒ Ｔｉ）Ｏ₃組成系のＰｂの一部を、Ｂａ、Ｓ
ｒのうち一種以上の元素で置換し、かつ（Ｚｒ Ｔｉ）
の一部を、（Ｚｎ_1/3 Ｓｂ_{2 /3}）、（Ｚｎ_1/3 Ｎ
ｂ_2/3）、（Ｎｉ_1/2 Ｔｅ_1/2）のうち一種以上の成分
で置換したものであり、具体的には化１の組成式で表さ
れるものが好ましい。 （化１） Ｐｂ_1-x-yＳｒ_xＢａ_y（Ｚｎ_1/3 Ｓｂ_2/3）ａ（Ｚｎ_1/3
Ｎｂ_2/3）ｂ （Ｎｉ_1/2 Ｔｅ_1/2）_cＺｒ_dＴｉ_1-a-b-c-dＯ₃ ただし、０≦ｘ≦０．１０ ０≦ｙ≦０．１０ ０＜ｘ
＋ｙ ０≦ａ≦０．０８ ０≦ｂ≦０．０４ ０≦ｃ≦０．０
１ ０．０１５＜ａ＋ｂ ０．４３≦ｄ≦０．５５ ここで、Ｐｂ（Ｚｒ Ｔｉ）Ｏ₃組成系のＰｂの一部を
ＳｒやＢａで置換するのは、大きな圧電定数ｄが得られ
るからで、Ｓｒの置換比率ｘとＢａの置換比率ｙがそれ
ぞれ０．１０より大きくなると、耐熱性が急激に低下す
るからであり、また、０＜ｘ＋ｙとしたのは、Ｓｒ又は
Ｂａのどちらかを置換しないと、圧電定数ｄを高めるこ
とができないからである。

【００２７】また、Ｐｂ（Ｚｒ Ｔｉ）Ｏ₃組成系の
（Ｚｒ Ｔｉ）の一部を、（Ｚｎ_1/3Ｓｂ_2/3）や（Ｚｎ
_1/3 Ｎｂ_2/3）で置換するのは、圧電定数ｄを大きくす
ることができるからで、（Ｚｎ_1/3 Ｓｂ_2/3）の置換比
率ａが０．０８を超えたり、（Ｚｎ_1/3 Ｎｂ_2/3）の置
換比率ｂが０．０４を超えると、耐熱性が低下するから
であり、また、０．０１５＜ａ＋ｂとするのは、（Ｚｎ
_1/3 Ｓｂ_2/3）又は（Ｚｎ_1/3 Ｎｂ_2/3）を０．０１５
以上置換しないと、圧電定数ｄを高めることができない
からである。

【００２８】さらに、Ｐｂ（Ｚｒ Ｔｉ）Ｏ₃組成系の
（Ｚｒ Ｔｉ）の一部を、（Ｎｉ_1/2Ｔｅ_1/2）で置換す
るのは、耐久性を高くするのに有効であるからで、（Ｎ
ｉ_{1 /2} Ｔｅ_1/2）の置換比率ｃが０．０１を超えると、
１５０℃のエージングによる圧電特性の劣化が著しく大
きくなるからである。

【００２９】また、Ｐｂ（Ｚｒ Ｔｉ）Ｏ₃組成系の圧
電磁器組成物には、圧電定数ｄの極大値を示すＭＰＢ
（組成相境界）が存在し、Ｐｂ（Ｚｒ Ｔｉ）Ｏ₃を構
成するＰｂＺｒＯ₃とＰｂＴｉＯ₃の固溶比率を変化させ
ることにより調整することができ、例えば圧電アクチュ
エータ用として用いる場合には、ＭＰＢ近傍の組成値を
用いることが良く、このＭＰＢは、ｘ、ａ、ｂ、ｃの量
により変化するため、置換比率ｄを０．４３≦ｄ≦０．
５５とすることにより、前述した、ｘ、ａ、ｂ、ｃの組
成範囲内でＭＰＢを捉えることができる。

【００３０】このように、化１で表されるペロブスカイ
ト型化合物を用いることにより、圧電定数ｄを向上させ
ることができるだけでなく、耐熱性並びに耐久性に優れ
た圧電磁器組成物を得ることができる。

【００３１】また、本発明の圧電磁器組成物は、Ｆｅか
ら成る成分以外の残部は実質的にペロブスカイト型化合
物から成る焼結体であるが、ここで、残部が実質的にペ
ロブスカイト型化合物から成るとは、他に積極的に含有
させるものはなく、不純物以外はペロブスカイト型化合
物だけであることを指し、不純物として含まれる成分
（Ｆｅは除く）は０．０１重量％未満の範囲であれば含
んでいても構わない。

【００３２】次に、本発明の圧電磁器組成物の製造方法
について説明する。

【００３３】まず、出発原料として、基本成分のＰｂ₃
Ｏ₄、ＺｒＯ₂、ＴｉＯ₂、ＳｒＣＯ₃及び／又はＢａＣＯ
₃、ＺｎＯ、Ｓｂ₂Ｏ₃、ＮｉＯ、ＴｅＯ₂、Ｎｂ₂Ｏ₅の各
粉末を秤量し、次いでこの混合物を脱水、乾燥したあ
と、８５０〜９００℃の温度で１〜３時間仮焼して、化
１の組成式で表されるペロブスカイト型化合物の仮焼粉
体を作製する。この時、基本成分となる各粉末中には、
不純物としてＦｅを含有しているが、できるだけＦｅの
含有が少ない粉末を用いることが好ましい。

【００３４】次に、得られた仮焼粉体に対し、焼結後に
おいてその含有量が０．０３〜０．５重量％となるよう
にＦｅ₂Ｏ₃を添加し、ボールミル等にて混合、粉砕す
る。その後、この粉砕物に有機バインダー（ＰＶＡ、モ
ビニール等）を添加して混練乾燥することにより造粒粉
とし、得られた造粒粉を成形して成形体を作製する。

【００３５】この時、焼結された圧電磁器組成物が緻密
化され、表面に存在するボイドの径が大きくならないよ
うにするために、成形圧は１×１０⁸Ｎ／ｍ²以上とする
ことが良い。また、ボールミル等の粉砕ボールや成形時
の型材には、原料中にＦｅが混入し、含有量が変わって
しまうことを防止するため、できるだけＦｅを含まない
ものを用いることが良く、例えば、粉砕ボールにはジル
コニアを用い、ボールミルの内張材には樹脂等を用いる
ことが良い。

【００３６】しかる後、得られた成形体を鉛雰囲気下で
１〜３時間程度焼成するのであるが、この時、焼成温度
が１１００℃未満であると、緻密化が不十分であるた
め、得られた圧電磁器組成物の機械的特性（曲げ強度や
破壊靱性値）を所望の範囲とすることができず、また、
１３００℃を超えると、圧電磁器組成物中のペロブスカ
イト型化合物の平均粒子径が所望の範囲を超えてしま
う。

【００３７】その為、１１００〜１３００℃の範囲で焼
成することが良く、このようにして製作することにより
本発明の圧電磁器組成物を得ることができる。

【００３８】なお、上述した製造方法では、組成の制御
を行い易いことから、化１の組成で表される仮焼粉体に
対してＦｅを添加しているが、焼成後におけるＦｅの含
有量がＦｅ₂Ｏ₃に換算して０．０３〜０．５重量％とす
ることができれば、積極的にＦｅ₂Ｏ₃を添加せず、不純
物としてＦｅを多めに含む出発原料のみを用いて焼成し
ても構わない。

【００３９】次に、本発明の圧電磁器組成物を用いた応
用例であるインクジェット記録ヘッドを図１及び図２を
用いて説明する。

【００４０】このインクジェット記録ヘッド１０は、圧
電磁器組成物にダイヤモンドホイールによる研削加工に
て一端が閉じられた複数の溝を並設し、各溝をインクの
流路２とするとともに、流路２を構成する壁を隔壁１と
した流路部材７と、上記各隔壁１の両側面上半分に、蒸
着法、スパッタリング法、メッキ等の膜形成手段によっ
て形成された、白金、金、パラジウム、ロジウム、ニッ
ケル、アルミニウム等の金属や白金−金、パラジウム−
銀、白金−パラジウム等の合金から成る駆動用電極３
と、セラミックス、ガラス、シリコン等の絶縁材料から
成り、各隔壁１の頂部に接着にて接合され、各流路２を
覆う蓋板８と、セラミックス、ガラス、シリコン、樹脂
（ポリイミド樹脂等）等から成り、上記流路部材７の開
放端部に接着にて接合されたノズル板６とから成り、上
記ノズル板６には各流路２と連通し、流路２内のインク
を吐出するインク吐出孔５を、上記蓋板８には、各流路
２と連通し、流路２内にインクを導入するインク供給孔
４をそれぞれ形成してある。

【００４１】そして、上記流路部材７を形成する圧電磁
器組成物を、ＦｅをＦｅ₂Ｏ₃換算で０．０３〜０．５重
量％の範囲で含有し、残部が実質的に、Ｐｂ（Ｚｒ Ｔ
ｉ）Ｏ₃組成系のＰｂの一部を、Ｂａ、Ｓｒのうち一種
以上の元素で置換し、かつ（Ｚｒ Ｔｉ）の一部を、
（Ｚｎ_1/3 Ｓｂ_2/3）、（Ｚｎ_1/3 Ｎｂ_2/3）、（Ｎｉ
_1/2 Ｔｅ_1/2）のうち一種以上の成分で置換したペロブ
スカイト型化合物からなり、上記ペロブスカイト型化合
物の平均粒子径が０．６〜７μｍであるとともに、４点
曲げ強度が７０ＭＰａ以上、破壊靱性値が０．７ＭＰａ
ｍ^1/2以上で、かつ抗電界Ｅｃが１００以上である焼結
体により形成してある。なお、矢印は隔壁１を形成する
圧電磁器組成物の分極方向を示す。

【００４２】そして、このヘッド１０よりインク滴を吐
出するには、インク供給孔４より各流路２へ顔料タイプ
の油性インクや水性染料インクあるいは紫外線硬化イン
ク等のインクを導入するとともに、隔壁１に形成された
駆動用電極３に電圧を印加して隔壁１を屈曲変位させ、
流路２内のインクを加圧することにより、インク吐出孔
５からインク滴を吐出するようになっている。

【００４３】即ち、図２（ａ）（ｂ）にその駆動原理を
示すように、例えば駆動用電極３ｂ，３ｃ及び駆動用電
極３ｈ，３ｉにそれぞれ正極の電圧を、駆動用電極３
ａ，３ｄ及び駆動用電極３ｇ，３ｊにそれぞれ負極の電
圧を印加して分極方向に対して垂直な方向に電界を加え
ると、隔壁１を形成する圧電磁器組成物が剪断モードに
よるすべり振動を起こし、図２（ａ）に示すように隔壁
１ａ及び隔壁１ｂが流路２ａ側へ屈曲変位するととも
に、隔壁１ｄ，１ｅが流路２ｄ側へ屈曲変位するため、
流路２ａ，２ｄ内に充填されたインクを加圧して、イン
ク吐出孔５よりインク滴を吐出させることができ、この
後、各駆動用電極３ａ〜３ｄ，３ｇ〜３ｊへの通電を遮
断すると、屈曲変位していた隔壁１ａ，１ｂ，１ｄ，１
ｅが弾性作用によって元の形状に戻り、流路２ａ，２ｄ
内が減圧される結果、インク供給孔４からインクの供給
が行われ、さらに前述した駆動用電極３ａ〜３ｄ，３ｇ
〜３ｊへ極性を逆転して電圧を印加すると、図２（ｂ）
に示すように隔壁１ａ，１ｂが流路２ａに対して外側へ
屈曲変位するとともに、隔壁１ｄ，１ｅが流路２ｄに対
して外側へ屈曲変位するため、流路２ａ，２ｄ内がさら
に減圧されてインクが充填され、次に、各駆動用電極３
ａ〜３ｄ，３ｇ〜３ｊへの通電を遮断すると、屈曲変位
していた隔壁１ａ，１ｂ，１ｄ，１ｅが弾性作用によっ
て元の形状に戻り、次のインク滴の吐出段階に入ること
になり、これらの動作を順次繰り返すことでインク滴の
吐出を連続的に行うことができる。

【００４４】そして、本発明によれば、隔壁１を形成す
る圧電磁器組成物を上述したペロブスカイト型化合物か
らなる焼結体により形成してあるため、インク滴を吐出
するのに必要な圧電定数ｄを有するとともに、駆動用電
極３に通電して分極方向と垂直な方向に電界をかけても
分極度の劣化が小さいため、長期にわたってインク滴の
吐出を行っても特性劣化の無いヘッド１０を得ることが
できる。

【００４５】また、流路部材７を形成するにあたり、圧
電磁器組成物をダイヤモンドホイールを用いた研削加工
によって、隔壁１及び流路２を幅１００μｍ以下、高さ
１５０μｍ〜５００μｍ程度の薄肉に加工しても、研削
面である隔壁１の側面に折れやチッピング（欠け）等の
欠陥が少なく、ヘッド１０の製造歩留りを向上させるこ
とができるとともに、隔壁１には割れやチッピング（欠
け）等の欠陥が殆どないことから、隔壁１を変位させれ
ば十分な変位量を得ることができ、隔壁１の安定した屈
曲変位によって全てのインク吐出孔５からインクを安定
して吐出させることが可能な信頼性の高いヘッド１０と
することができる。

【００４６】以上、本発明の圧電磁器組成物を用いた応
用例としてインクジェット記録ヘッド１０を例にとって
説明したが、本発明にかかるヘッド１０は、図１に示し
た構造だけに限定されるものではなく、本発明の要旨を
逸脱しない範囲で変更や改良できることは言うまでもな
い。

【００４７】

【実施例】（実施例１）ここで、化１の組成式で表され
るペロブスカイト型化合物を主成分とし、副成分として
Ｆｅ₂Ｏ₃を添加し、それらの添加量を異ならせた圧電磁
器組成物と、上記副成分を含まない従来の圧電磁器組成
物とを用意し、４点曲げ強度、破壊靱性値、圧電定数
ｄ、抗電界Ｅｃをそれぞれ測定するとともに、各圧電磁
器組成物に研削加工を施した時の折れやチッピングの有
無について測定し、各測定結果について比較する実験を
行った。

【００４８】まず、圧電磁器組成物の原料粉末として、
Ｐｂ₃Ｏ₄、ＺｒＯ₂、ＴｉＯ₂、ＳｒＣＯ₃、ＢａＣＯ₃、
ＺｎＯ、Ｓｂ₂Ｏ₃、ＮｉＯ、ＴｅＯ₂、Ｎｂ₂Ｏ₅を用意
し、それぞれの金属元素のモル比率が表１となるように
秤量したものに溶媒として水を加え、ボールミルにて２
０時間湿式混合した。次にこの混合物を乾燥し、９００
℃の温度で３時間熱処理を加えて仮焼粉体を得た。

【００４９】次に、得られた仮焼粉体に、表１の範囲で
Ｆｅ₂Ｏ₃を添加した後、溶媒として水を加え、ＺｒＯ₂
製のボールを使用しボールミルにて２０時間、湿式混合
粉砕し、さらにスラリーにモビニールの有機バインダー
と混練した後、乾燥させて造粒粉を作製し、１．５×１
０⁸Ｎ／ｍ²の成形圧で１００ｍｍ×１００ｍｍ、厚さ
１．０ｍｍの板状の成形体を形成し、脱脂処理した後、
１２５０℃前後の温度で焼成することにより、表１に示
す圧電磁器組成物を得た。

【００５０】なお、得られた各圧電磁器組成物の組成
を、ＸＲＦ蛍光分析にて測定したところ、表１に示す組
成比から構成されており、焼成による組成ずれがなかっ
た。

【００５１】そして、得られた圧電磁器組成物の上下面
に金の電極を蒸着法により被着し、８０℃のシリコンオ
イル中で圧電磁器組成物の厚み方向に直流電圧を３０分
間印加して、３〜５ｋＶ／ｍｍの電界にて分極処理し
た。その後、ダイシング装置を用いて、溝幅７０μｍ、
溝深さ４００μｍ、ピッチ１４０μｍの溝加工を施し、
この溝加工による複数の溝を流路とするとともに、流路
を仕切る壁を隔壁とした流路部材を製作した。なお、加
工に使用したダイヤモンドホイールは、砥粒粒度が＃２
０００（４〜８μｍ）であり、回転数２５０００ｒｐ
ｍ、送り速度２０ｍｍ／秒の条件にて研削加工を行っ
た。

【００５２】その後、隔壁の折れやチッピングの有無を
双眼顕微鏡にて観察し、また、圧電磁器組成物を形成す
る各ペロブスカイト型化合物の平均結晶粒子径は、焼結
体表面又は断面をＳＥＭ（電子顕微鏡）により写真を撮
影し、インターセプト法により平均結晶粒径を測定し
た。

【００５３】また、４点曲げ強度はＪＩＳ Ｒ１６０１
に準拠して測定し、破壊靱性値はＪＩＳ Ｒ１６０７に
準拠して測定し、圧電定数ｄ₁₅は、分極処理した厚さ
０．２５ｍｍ、幅２．５ｍｍ、長さ１０ｍｍの短冊状の
試料を電子工業会（ＥＭＡＳ）の規格に基づく測定法に
よって測定し、抗電界Ｅｃは、ソーヤタワー回路を用い
て得た電束密度（Ｄ）−電界（Ｅ）ヒステリシス曲線か
ら電束密度Ｄが０となる電界を測定した。

【００５４】それぞれの結果は表１に示す通りである。
なお、圧電定数ｄ₁₅及び抗電界Ｅｃは、Ｆｅ₂Ｏ₃を添加
していない従来の圧電磁器組成物の圧電定数ｄ₁₅及び抗
電界Ｅｃをそれぞれ１００とした場合の相対値で示し
た。

【００５５】

【表１】

【００５６】この結果、表１より試料Ｎｏ．２，１１で
は、Ｆｅの含有量が少なすぎるため、平均結晶粒子径が
０．５μｍと小さく、溝加工による隔壁の折れが発生し
た。

【００５７】また、試料Ｎｏ．８，９では、Ｆｅの含有
量が多すぎるため、４点曲げ強度が６７ＭＰａ、破壊靱
性値が０．６８ＭＰａｍ^1/2と低く、隔壁の折れが発生
し、チッピングサイズも１０μｍを超える大きなものが
あった。しかも、圧電定数ｄと抗電界Ｅｃは試料Ｎｏ．
１に示す従来の圧電磁器組成物よりも低い値であった。

【００５８】さらに、試料Ｎｏ．１５では、平均結晶粒
子径が７μｍ以上と大きく、試料Ｎｏ．１７は、平均結
晶粒子径が０．５μｍと小さいため、両試料共に隔壁の
折れが発生した。

【００５９】これに対し、試料Ｎｏ．３〜７，１２〜１
４及び１８〜２０のように、Ｆｅの含有量が０．０３〜
０．５重量％、平均結晶粒子径が０．６〜７μｍの範囲
にあるものは、隔壁の折れがみられず、また、圧電定数
ｄ及び抗電界Ｅｃを試料Ｎｏ．１，１０，１６に示す従
来の圧電磁器組成物と比較して高い値を得ることができ
た。

【００６０】このように、Ｐｂ（Ｚｒ Ｔｉ）Ｏ₃組成
系のＰｂの一部を、Ｂａ、Ｓｒのうち一種以上の元素で
置換し、かつ（Ｚｒ Ｔｉ）の一部を、（Ｚｎ_1/3 Ｓ
ｂ_2/3）、（Ｚｎ_1/3 Ｎｂ_2/3）、（Ｎｉ_1/2 Ｔ
ｅ_1/2）のうち一種以上の成分で置換したペロブスカイ
ト型化合物を主成分とし、副成分としてＦｅをＦｅ₂Ｏ₃
に換算して０．０３〜０．５重量％の範囲で含有し、上
記ペロブスカイト型化合物の平均結晶粒子径が０．６〜
７μｍであるとともに、４点曲げ強度が７０ＭＰａ以上
で、かつ破壊靱性値が０．７ＭＰａｍ^1/2以上である圧
電磁器組成物であれば、従来の圧電磁器組成物と比較し
て高い圧電定数ｄ及び／又は抗電界Ｅｃを得ることがで
き、さらには研削加工を施しても隔壁に大きなチッピン
グを生じたり破損することがなく、研削性に優れてい
た。 （実施例２）次に、表１のうち、試料Ｎｏ．５，９の流
路部材を用い、各流路部材の隔壁の両側面上半分にスパ
ッタリング法にて白金からなる駆動用電極を形成し、し
かる後、インク供給孔を備えたアルミナセラミック製の
蓋板を、流路部材の各流路を塞ぐように隔壁の頂面にエ
ポキシ系樹脂により接着するとともに、流路部材の開放
端部に、各流路と連通するインク吐出孔を備えたポリイ
ミド樹脂製のノズル板をエポキシ系樹脂にて接着して図
１に示すヘッドを製作した。なお、本発明範囲外である
試料Ｎｏ．９の圧電磁器組成物により形成したものは、
流路部材の隔壁に折れが無い部分を選別してヘッドを製
作した。

【００６１】そして、各ヘッドの流路内にインクを充填
し、駆動用電極に２０Ｖの電圧を１００Ｈｒ印加してイ
ンク吐出孔よりインク滴を吐出させ、この時のインク滴
の飛翔状況を、放電管を光源としフィルム上に記録させ
る高速度写真撮影装置によって観察した。

【００６２】この結果、試料Ｎｏ．９の流路部材を用い
て形成した本発明範囲外のヘッドでは、インクの吐出速
度のバラツキが大きく、１００Ｈｒ経過後、１００個の
インク吐出孔のうち、３０個のインク吐出孔からインク
滴が吐出されなくなった。

【００６３】これに対し、試料Ｎｏ．５の流路部材を用
いて形成した本発明のヘッドは、１００Ｈｒ経過後も、
１００個のインク吐出孔全てから安定してインク滴を吐
出させることができ、信頼性の高いものであった。

【００６４】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、Ｆｅを
Ｆｅ₂Ｏ₃に換算して０．０３〜０．５重量％含有し、残
部が実質的に、Ｐｂ（Ｚｒ Ｔｉ）Ｏ₃組成系のＰｂの
一部を、Ｂａ、Ｓｒのうち一種以上の元素で置換し、か
つ（Ｚｒ Ｔｉ）の一部を、（Ｚｎ_1/3 Ｓｂ_2/3）、
（Ｚｎ_1/3 Ｎｂ_2/3）、（Ｎｉ_1/2 Ｔｅ_1/2）のうち一
種以上の成分で置換したペロブスカイト型化合物から成
り、上記ペロブスカイト型化合物の平均結晶粒子径が
０．６〜７μｍであるとともに、４点曲げ強度が７０Ｍ
Ｐａ以上、破壊靱性値が０．７ＭＰａｍ^1/2以上である
焼結体により圧電磁器組成物を構成したことによって、
従来の圧電磁器組成物と比較して圧電定数ｄ及び抗電界
Ｅｃを向上させることができ、大きな機械的変位量が要
求される圧電アクチュエータ用として好適に用いること
ができるとともに、ダイヤモンドホイールを用いた研削
加工を施したとしても折れやチッピング（欠け）等の欠
陥がなく、研削性を大幅に向上させることができる。

【００６５】また、少なくとも一部が前記圧電磁器組成
物から成る複数の隔壁を並設し、各隔壁間をインクの流
路として成る流路部材と、上記隔壁の両側面にそれぞれ
形成された駆動用電極と、前記隔壁の頂面に接合され、
上記流路を覆う蓋板と、上記各流路と連通するインク吐
出孔とからインクジェット記録ヘッドを構成したことに
よって、隔壁を形成する圧電磁器組成物における分極度
の劣化が少なく、また、隔壁に折れやチッピング（欠
け）等の欠陥がなく、さらには隔壁の屈曲変位によって
破損することも少ないため、インク滴の吐出性能を高め
ることができるとともに、長期間にわたり、安定してイ
ンク滴を吐出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のインクジェット記録ヘッドの一例を示
す一部を破断した斜視図である。

【図２】（ａ）（ｂ）は本発明のインクジェット記録ヘ
ッドの駆動原理を説明した断面図である。

【図３】従来のインクジェット記録ヘッドの一例を示す
一部を破断した斜視図である。

【符号の説明】

１，２１・・・隔壁 ２，２２・・・流路 ３，２３・
・・駆動用電極 ４，２４・・・インク供給孔 ５，２５・・・インク吐
出孔 ６，２６・・・ノズル板 ７，２７・・・流路部材
８，２８・・・蓋板 １０，２０・・・インクジェット記録ヘッド

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｂ４１Ｊ 2/16 Ｈ０１Ｌ 41/08 Ｕ Ｈ０１Ｌ 41/09 41/18 １０１Ｅ 41/187 １０１Ｆ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ＦｅをＦｅ₂Ｏ₃に換算して０．０３〜０．
   ５重量％含有し、残部が実質的に、Ｐｂ（Ｚｒ Ｔｉ）
   Ｏ₃組成系のＰｂの一部を、Ｂａ、Ｓｒのうち一種以上
   の元素で置換し、かつ（Ｚｒ Ｔｉ）の一部を、（Ｚｎ
   _1/3 Ｓｂ_2/3）、（Ｚｎ_1/3 Ｎｂ_2/3）、（Ｎｉ_1/2
   Ｔｅ_1/2）のうち一種以上の成分で置換したペロブスカ
   イト型化合物から成る焼結体であって、上記ペロブスカ
   イト型化合物の平均結晶粒子径が０．６〜７μｍ、上記
   焼結体の４点曲げ強度が７０ＭＰａ以上、破壊靱性値が
   ０．７ＭＰａｍ^1/2以上であることを特徴とする圧電磁
   器組成物。
2. 【請求項２】少なくとも一部が圧電磁器組成物から成る
   複数の隔壁を並設し、各隔壁間をインクの流路とした流
   路部材と、上記隔壁の両側面にそれぞれ形成された駆動
   用電極と、前記隔壁の頂面に接合され、上記流路を覆う
   蓋板と、上記各流路と連通するインク吐出孔とを備えた
   インクジェット記録ヘッドにおいて、上記圧電磁器組成
   物を、ＦｅをＦｅ₂Ｏ₃に換算して０．０３〜０．５重量
   ％含有し、残部が実質的に、Ｐｂ（Ｚｒ Ｔｉ）Ｏ₃組
   成系のＰｂの一部を、Ｂａ、Ｓｒのうち一種以上の元素
   で置換し、かつ（Ｚｒ Ｔｉ）の一部を、（Ｚｎ_1/3
   Ｓｂ_2/3）、（Ｚｎ_1/3 Ｎｂ_2/3）、（Ｎｉ_1/2 Ｔｅ
   _1/2）のうち一種以上の成分で置換したペロブスカイト
   型化合物から成る焼結体であって、上記ペロブスカイト
   型化合物の平均結晶粒子径が０．６〜７μｍ、上記焼結
   体の４点曲げ強度が７０ＭＰａ以上、破壊靱性値が０．
   ７ＭＰａｍ^1/2以上である圧電磁器組成物により形成し
   たことを特徴とするインクジェット記録ヘッド。