JP2002220281A - 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、また長期間にわたり、安定し
たインク滴の吐出が可能な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、（Ｚｒ Ｔｉ）の一部を、（Ｚｎ_1/3 Ｓ
ｂ_2/3）、（Ｚｎ_1/3Ｎｂ_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
物を主体とし、他にＦｅをＦｅ₂Ｏ₃換算で０．０１〜
０．３重量％、ＡｌをＡｌ₂Ｏ₃換算で０．０１〜０．０
４重量％、ＳｉをＳｉＯ₂換算で０．０１〜０．０４重
量％含有し、上記化合物の平均結晶粒子径が０．６〜７
μｍで、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圧電
磁器組成物は研削加工を施すと、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以上の薄肉壁であるため、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２
１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０．０１〜０．３
重量％、ＡｌをＡｌ₂Ｏ₃に換算して０．０１〜０．０４
重量％、ＳｉをＳｉＯ ₂に換算して０．０１〜０．０４
重量％含有し、残部が実質的に、Ｐｂ（ＺｒＴｉ）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０．０１〜０．３重量％、Ａ
ｌをＡｌ₂Ｏ₃に換算して０．０１〜０．０４重量％、Ｓ
ｉをＳｉＯ₂に換算して０．０１〜０．０４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、Ａｌ、Ｓｉ
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、Ａｌ、Ｓｉ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、Ａｌ、Ｓｉ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、Ａ
ｌ、Ｓｉ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】即ち、副成分として含有するＡｌとＳｉ
は、焼結段階において粒界に液相を生成し易く、焼結終
了後において、焼結体の粒界にＰｂＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂
Ｏ₃を主体とするガラス相を形成するため、少量のＡｌ
とＳｉの含有によって、これらの副成分を含まない圧電
磁器組成物に比べて低い温度で焼結体を緻密化すること
ができるとともに、上記ペロブスカイト型化合物から成
る結晶を粒成長させることができる。このため研削加工
時に、研削面に作用する応力を低減することができる。

【００１９】また、上記ＰｂＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃を
主体とするガラス相は、上記ペロブスカイト型化合物よ
りも破壊靱性値が大きいため、焼結体の破壊靱性値を高
めることができる。

【００２０】その為、本発明の圧電磁器組成物は、破壊
靱性値の向上と、ダイヤモンドホイールとの接触面積の
低減効果により、研削加工時に割れやチッピング（欠
け）が少なく、研削性を大幅に向上させることができる
とともに、低温での焼成が可能であることから、特殊な
焼成炉は必要なく、一般的に使用される焼成炉を用いる
ことができ、安価に製造することができる。

【００２１】そして、Ａｌ及びＳｉの含有量をそれぞれ
Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂に換算して０．０１〜０．０４重量
％としたのは、Ａｌ及びＳｉの含有量がそれぞれＡｌ₂
Ｏ₃、ＳｉＯ₂に換算して０．０１重量％未満であると、
研削加工時に作用する応力を低減することができず、折
れやチッピング（欠け）等の欠陥を低減することができ
ないからであり、逆にＡｌ及びＳｉの含有量がそれぞれ
Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂に換算して０．０４重量％を超える
と、結晶粒子の成長にともなってボイド等の欠陥が大き
くなり、圧電磁器の強度が低下するため、研削加工時に
折れやチッピング（欠け）等の欠陥が発生し易くなると
共に、圧電磁器組成物の圧電定数ｄが大きく低下するか
らである。

【００２２】また、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、以下のようなメカ
ニズムによるものと考えられる。

【００２３】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⁺、Ｔｉ⁴⁺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Ｅｃを向
上させることができるものと思われる。

【００２４】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。

【００２５】そして、Ｆｅの含有量をＦｅ₂Ｏ₃に換算し
て０．０１〜０．３重量％としたのは、ＦｅがＦｅ₂Ｏ₃
に換算して０．０１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Ｆ
ｅ₂Ｏ₃に換算して０．３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０．０１〜０．２重量％の範
囲で含有することが良い。

【００２６】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。

【００２７】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。

【００２８】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。

【００２９】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_1/2Ｔｅ_1/2）_cＺｒ_dＴｉ_1-a-b-c-d
Ｏ₃ 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。

【００３０】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。

【００３１】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。

【００３２】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。

【００３３】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。

【００３４】また、本発明の圧電磁器組成物は、Ｆｅ、
Ａｌ、Ｓｉ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、Ａｌ、Ｓｉ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。

【００３５】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。

【００３６】まず、出発原料として、基本成分のＰｂ₃
Ｏ₄、ＺｒＯ₂、ＴｉＯ₂と、ＳｒＣＯ ₃及び／又はＢａＣ
Ｏ₃に、さらにＺｎＯ、Ｓｂ₂Ｏ₃、ＮｉＯ、ＴｅＯ₂、Ｎ
ｂ₂Ｏ ₅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、Ａｌ、Ｓｉを含有している
が、できるだけＦｅ、Ａｌ、Ｓｉの含有が少ない粉末を
用いることが好ましい。

【００３７】次に、得られた仮焼粉体に対し、焼結後に
おいて含有量が０．０１〜０．３重量％となるようにＦ
ｅ₂Ｏ₃を、０．０１〜０．０４重量％となるようにＡｌ
₂Ｏ₃及びＳｉＯ₂をそれぞれ添加し、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。

【００３８】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、Ａｌ、Ｓｉ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Ｆ
ｅ、Ａｌ、Ｓｉ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。

【００３９】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。

【００４０】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。

【００４１】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、Ａｌ、Ｓｉ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０．０１〜０．
３重量％、Ａｌ及びＳｉの含有量がそれぞれＡｌ₂Ｏ₃、
ＳｉＯ₂に換算して０．０１〜０．０４重量％とするこ
とができれば、積極的にＦｅ₂Ｏ₃、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂
を添加せず、不純物としてＦｅ、Ａｌ、Ｓｉ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。

【００４２】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
用いて明する。

【００４３】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を仕切る壁を隔壁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。

【００４４】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０．０１〜０．３重
量％、Ａｌ及びＳｉをそれぞれＡｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂換算
で０．０１〜０．０４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）、（Ｚ
ｎ_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０．６〜７
μｍであるとともに、４点曲げ強度が７０ＭＰａ以上、
破壊靱性値が０．７ＭＰａｍ^1/2以上で、かつ抗電界Ｅ
ｃ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。

【００４５】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。

【００４６】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。

【００４７】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。

【００４８】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からインク滴を安定して吐出
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。

【００４９】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。また、本発明の圧電磁器組成物は、インクジェット
記録ヘッドに限らず、超音波応用振動子や超音波モータ
等の他の圧電アクチュエータにも用いることができる。

【００５０】

【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、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂を添加し、これらの添加
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。

【００５１】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。

【００５２】次に、得られた仮焼粉体に、表１の範囲で
Ｆｅ₂Ｏ₃、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂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あと乾燥させて造粒粉を作製
し、１．５×１０⁸Ｎ／ｍ²の成形圧で１００ｍｍ×１０
０ｍｍ、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。

【００５３】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。

【００５４】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。

【００５５】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
体表面又は断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によりＳ
ＥＭ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。

【００５６】また、４点曲げ強度はＪＩＳ Ｒ １６０
１に準拠して測定し、破壊靱性値はＪＩＳ Ｒ １６０
７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。

【００５７】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、Ａｌ
₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂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。

【００５８】

【表１】

【００５９】この結果、表１より試料Ｎｏ．１７ではＡ
ｌ、Ｓｉが含有されておらず、試料Ｎｏ．１８ではＦｅ
が含有されていないため、圧電磁器組成物を形成するペ
ロブスカイト型化合物の平均結晶粒子径が０．５μｍと
小さく、溝加工による隔壁の折れが発生した。

【００６０】また、試料Ｎｏ．７，１５ではＦｅの含有
量がＦｅ₂Ｏ₃に換算して０．３重量％より多く、試料Ｎ
ｏ．１２，２３ではＡｌ、Ｓｉの含有量がそれぞれＡｌ
₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂に換算して０．０４重量％より多いた
め、４点曲げ強度が７０ＭＰａ以下と低く、隔壁の折れ
が発生し、チッピングサイズも１５μｍを超える大きな
ものになった。しかも、試料Ｎｏ．７，１５は、抗電界
Ｅｃが基準となる試料Ｎｏ．１，９に示す従来の圧電磁
器組成物よりも低い値であった。

【００６１】さらに、試料Ｎｏ．８，２５ではＦｅの含
有量がＦｅ₂Ｏ₃に換算して０．３重量％より多く、Ａｌ
及びＳｉの含有量がＡｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂に換算してそれ
ぞれ０．０４重量％より多いため、４点曲げ強度が７０
ＭＰａ以下と低く、隔壁の折れが発生し、圧電定数ｄ及
び抗電界Ｅｃも基準となる試料Ｎｏ．１，１６に示す従
来の圧電磁器組成物よりも低い値であった。

【００６２】また、試料Ｎｏ．１４ではペロブスカイト
化合物の平均結晶粒子径が８μｍと大きく、試料Ｎｏ．
１９ではペロブスカイト化合物の平均結晶粒子径が０．
５μｍと小さく、試料Ｎｏ．２４では圧電磁器組成物の
４点曲げ強度が低いため、各試料共に隔壁の折れが発生
した。

【００６３】これに対し、試料Ｎｏ．２〜６，１０，１
１，１３及び２０〜２２のように、Ｆｅの含有量が０．
０１〜０．３重量％、ＡｌおよびＳｉの含有量が０．０
１〜０．０４重量％、平均結晶粒子径が０．６〜７μ
ｍ、４点曲げ強度が７０ＭＰａ以上の範囲にあるもの
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．１，９，１６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。

【００６４】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０．０１〜０．３重量％、ＡｌをＡｌ₂Ｏ₃に
換算して０．０１〜０．０４重量％、ＳｉをＳｉＯ₂に
換算して０．０１〜０．０４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．５，８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１０をそれぞれ製作した。なお、本発明
範囲外である試料Ｎｏ．８の圧電磁器組成物により形成
したものは、流路部材７の隔壁１に折れが無い部分を選
別してヘッド１０を製作した。

【００６５】そして、各ヘッド１０の流路２内にインク
を充填し、駆動用電極３に２０Ｖの電圧を１００Ｈｒ印
加してインク吐出孔５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。

【００６６】この結果、試料Ｎｏ．８の流路部材７を用
いて形成した従来のヘッド１０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５のうち、３０個のインク吐出孔５からイン
ク滴が吐出されなくなった。

【００６７】これに対し、試料Ｎｏ．５の流路部材７を
用いて形成した本発明のヘッド１０は、１００Ｈｒ経過
後も、１００個のインク吐出孔５の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。

【００６８】

【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０．０１〜０．３重量％、ＡｌをＡ
ｌ₂Ｏ₃に換算して０．０１〜０．０４重量％、ＳｉをＳ
ｉＯ₂に換算して０．０１〜０．０４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を長
期間にわたって安定して維持することが要求される圧電
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。

【００６９】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 2/055 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０．０１〜０．
   ３重量％、ＡｌをＡｌ ₂Ｏ₃に換算して０．０１〜０．０
   ４重量％、ＳｉをＳｉＯ₂に換算して０．０１〜０．０
   ４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０．０１〜０．３重量
   ％、ＡｌをＡｌ₂Ｏ₃に換算して０．０１〜０．０４重量
   ％、ＳｉをＳｉＯ₂に換算して０．０１〜０．０４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、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
   焼結体により形成したことを特徴とするインクジェット
   記録ヘッド。