JP2004059369A

JP2004059369A - 圧電磁器組成物及びこれを用いたインクジェットヘッド用圧電アクチュエータ

Info

Publication number: JP2004059369A
Application number: JP2002219568A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Mizuno; 水野　茂
Original assignee: Brother Industries Ltd
Current assignee: Brother Industries Ltd
Priority date: 2002-07-29
Filing date: 2002-07-29
Publication date: 2004-02-26
Also published as: US6844661B2; US20040119378A1; EP1400498A2; EP1400498A3

Abstract

【課題】比誘電率を低く抑制しつつ大きな歪量を具現することが可能な圧電磁器組成物及びかかる圧電磁器組成物を使用したインクジェットヘッドの圧電アクチュエータを提供する。
【解決手段】複合ペロブスカイト型化合物のＰｂ（Ｎｉ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３と単純ペロブスカイト型化合物ＰｂＴｉＯ_３及びＰｂＺｒＯ_３とを主成分とする磁器組成物において、Ｐｂ（Ｎｉ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３、ＰｂＴｉＯ_３、ＰｂＺｒＯ_３を頂点とする三角座標中、Ｐｂ（Ｎｉ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３をＸモル％、ＰｂＴｉＯ_３をＹモル％、ＰｂＺｒＯ_３をＺモル％とした場合（但し、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１００とする）、その組成範囲がＡ点（Ｘ＝４０，Ｙ＝３７，Ｚ＝２３）、Ｂ点（Ｘ＝３６，Ｙ＝３７，Ｚ＝２７）、Ｃ点（Ｘ＝３３，Ｙ＝４０，Ｚ＝２７）およびＤ点（Ｘ＝３７，Ｙ＝４０，Ｚ＝２３）の各組成点を結ぶ線上およびこの４点に囲まれた領域とする範囲を主成分とする。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複合ペロブスカイト型化合物のＰｂ（Ｎｉ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３と単純ペロブスカイト型化合物ＰｂＴｉＯ_３及びＰｂＺｒＯ３とを主成分とする磁器組成物に関し、特に、比誘電率を低く抑制しつつ大きな歪量を具現することが可能な圧電磁器組成物及びかかる圧電磁器組成物を使用したインクジェットヘッドの圧電アクチュエータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子機器の小型化やインテリジェント化に伴って、電子機器に使用される固体変位素子としての圧電磁器組成物の重要性がますます増加している。現在圧電磁器組成物としては、ペロブスカイト型化合物であるＰｂＴｉＯ_３（以下、ＰＴと記載することがある）とＰｂＺｒＯ_３（以下、ＰＺと記載することがある）の固溶体であるＰｂＴｉＯ_３−ＰｂＺｒＯ_３固溶体（以下、ＰＺＴと記載することがある。）が主に使用されている。
【０００３】
また、前記固溶体に複合ペロブスカイト型化合物のＰｂ（Ｎｉ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３（以下、ＰＮＮと記載することがある）を固溶させたＰｂ（Ｎｉ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３−ＰｂＴｉＯ_３−ＰｂＺｒＯ_３固溶体（以下、ＰＮＮ−ＰＴ−ＰＺと記載することがある）は、比較的大きな歪を示すことから、次世代のセラミックスアクチュエータ材料として注目されている。
【０００４】
ここに、参考文献（精密制御用ニューアクチュエータ便覧、日本工業技術振興協会　アクチュエータ研究部会編、（株）フジテクノシステム１９９４）によれば、前記ＰＮＮ−ＰＴ−ＰＺ固溶体は、５０モル％ＰＮＮ−３５モル％ＰＴ−１５モル％ＰＺ組成付近において、比較的大きな歪（〜０．１２％）を示し、最大の圧電定数ｄ３３（単位電圧に対する歪量）を示すことが知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、インクジェットプリンタに搭載されるインクジェットヘッドには、インクキャビティの一壁面に圧電アクチュエータを配設するとともに、圧電アクチュエータの通電時に発生する歪を利用してインクキャビティ内のインクをオリフィスから吐出するように構成した圧電タイプのヘッドが存在し、前記ＰＮＮ−ＰＴ−ＰＺ固溶体からなる圧電磁器組成物はインクジェットヘッドの圧電アクチュエータとして使用することが可能なものである。
【０００６】
このとき、圧電アクチュエータに用いる圧電磁器組成物の歪量を大きくすることは、圧電アクチュエータの小型化を実現する上で重要であり、また、圧電磁器組成物の比誘電率を低くすることは、低い電力で圧電アクチュエータを駆動して省エネルギ化を実現する上で重要である。
【０００７】
しかしながら、前記ＰＮＮ−ＰＴ−ＰＺ固溶体は、５０モル％ＰＮＮ−３５モル％ＰＴ−１５モル％ＰＺ組成付近において、比較的大きな歪（〜０．１２％）を示すものではあるが、比誘電率が５９００と大きく、その結果、圧電アクチュエータを高速応答させるための入力電気エネルギも増加することとなる。かかる現象は、圧電アクチュエータの電場に対する歪量が大きい場合でも、ヘッド駆動回路にとって必ずしも好ましいこととはいえず、ヘッド駆動回路が大型化してしまう等の問題がある。
【０００８】
本発明者は、前記従来の問題点を解消すべく鋭意研究を重ねた結果、ＰＮＮ−ＰＴ−ＰＺ固溶体において、低い比誘電率を有し且つ大きな歪のピーク値を示す組成範囲を見出し、本発明をなすに至ったものである。
即ち、本発明は、比誘電率を低く抑制しつつ大きな歪量を具現することが可能な圧電磁器組成物及びかかる圧電磁器組成物を使用したインクジェットヘッドの圧電アクチュエータを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため請求項１に係る圧電磁器組成物は、複合ペロブスカイト型化合物のＰｂ（Ｎｉ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３と単純ペロブスカイト型化合物ＰｂＴｉＯ_３及びＰｂＺｒＯ_３とを主成分とする磁器組成物において、Ｐｂ（Ｎｉ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３、ＰｂＴｉＯ_３、ＰｂＺｒＯ_３を頂点とする三角座標中、Ｐｂ（Ｎｉ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３をＸモル％、ＰｂＴｉＯ_３をＹモル％、ＰｂＺｒＯ_３をＺモル％とした場合（但し、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１００とする）、その組成範囲がＡ点（Ｘ＝４０，Ｙ＝３７，Ｚ＝２３）、Ｂ点（Ｘ＝３６，Ｙ＝３７，Ｚ＝２７）、Ｃ点（Ｘ＝３３，Ｙ＝４０，Ｚ＝２７）およびＤ点（Ｘ＝３７，Ｙ＝４０，Ｚ＝２３）の各組成点を結ぶ線上およびこの４点に囲まれた領域とする範囲を主成分とすることを特徴とする。
【００１０】
また、請求項２に係る圧電磁器組成物は、請求項１に記載の圧電磁器組成物において、前記圧電磁器組成物の分極軸と同一方向に１ｋＶ／ｍｍの直流電界を印加した時の圧電変位ｄ３３が７５０ｐｍ／Ｖ以上となることを特徴とする。
【００１１】
更に、請求項３に係る圧電磁器組成物は、請求項１に記載の圧電磁器組成物において、主成分に対し、ＬａをＬａ_２Ｏ_３で表される酸化物に換算して０〜０．５ｗｔ％（０を除く）の割合で含有することを特徴とする。
【００１２】
また、請求項４に係るインクジェットヘッド用圧電アクチュエータは、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の圧電磁器組成物から形成されたことを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した実施形態に係る圧電磁器組成物について図１を参照しつつ説明する。図１は本実施形態に係る圧電磁器組成物の組成領域を三角座標で表した説明図である。
【００１４】
本実施形態に係る圧電磁器組成物は、図１に示すように、Ａ点（Ｘ＝４０モル％，Ｙ＝３７モル％，Ｚ＝２３モル％）、Ｂ点（Ｘ＝３６モル％，Ｙ＝３７モル％，Ｚ＝２７モル％）、Ｃ点（Ｘ＝３３モル％，Ｙ＝４０モル％，Ｚ＝２７モル％）およびＤ点（Ｘ＝３７モル％，Ｙ＝４０モル％，Ｚ＝２３モル％）の各組成点を結ぶ線上およびこの４点に囲まれた領域とする範囲を主成分としている。
【００１５】
かかる組成を有する本実施形態の圧電磁器組成物においては、その分極軸と同一方向に１ｋＶ／ｍｍの直流電界を印加した時の圧電変位ｄ３３は７５０ｐｍ／Ｖ以上となり、高い歪量を得ることができる。
ここに、前記組成を有する圧電磁器組成物の１ｋＨｚにおける比誘電率は、３５５０〜１７００の範囲に存在しており、比誘電率の値はかなり低い値に維持されている。
【００１６】
また、前記圧電磁器組成物の主成分に対して、ＬａをＬａ_２Ｏ_３で表される酸化物に換算して０〜０．５ｗｔ％（０を除く）の割合で含有させることにより、７５０ｐｍ／Ｖ以上の高い圧電変位ｄ３３を維持し、且つ、比誘電率の値を前記した低い値の範囲に維持しつつ、機械的品質係数（Ｑｍ）を低下させことができる。これにより、かかる圧電磁器組成物からインクジェットヘッド用圧電アクチュエータを形成した場合には、低電圧で駆動することが可能となり、ヘッド駆動回路の小型化を図ることができる。
【００１７】
本実施形態に係る圧電磁器組成物を生成するには、出発原料として酸化鉛（ＰｂＯ）、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、酸化ニオブ（Ｎｂ_２Ｏ_５）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）及び酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）が使用される。これらの材料は酸化鉛のみ過剰に秤量し、他の酸化物については求める組成物の化学量論比にすべく秤量される。添加物については、燒結後の組成物の全量に対して秤量する。これらを混合した後、錠剤、角柱等の適宜の形態に成形して大気中、好適には９５０〜１０５０℃で１〜２時間加熱処理する。
【００１８】
ここに、前記材料の混合方法としては、乾式混合、湿式混合、また、成形方法としては、金型プレス法や湿式プレス法、加熱処理方法としては、大気中での加熱処理が好適なものとして例示されるが、これらに限定されるものではない。
【００１９】
前記のように熱処理した材料は、酸性の水溶液、例えば１Ｎの酢酸水溶液を用いて未反応物を溶解し、濾過操作によって粒子を分離する。次に、得られた粒子を金型プレス機によって成型した後、ＰｂＯ雰囲気または大気中、１２００〜１２６０℃で１〜３時間焼成して燒結体を作製する。燒結手段としては、例えば、普通燒結法、加圧燒結法等が例示されるが、これらに限定されるものではない。
【００２０】
次に、前記圧電磁器組成物につき実施例に基づいて具体的に説明する。
【００２１】
（実施例１）
▲１▼出発原料
出発原料としては、酸化鉛（ＰｂＯ）、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、酸化ニオブ（Ｎｂ_２Ｏ_５）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）および酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）を使用した。尚、これらの材料は酸化鉛のみ過剰に秤量し、他の酸化物については求める組成物の化学量論比にすべく秤量した。
【００２２】
▲２▼混合・加熱処理
前記各材料を混合した後、錠剤の形態に成形して大気中にて１０５０℃で１時間加熱処理した。ここに、材料の混合方法としては、乾式混合ならびに湿式混合を併用し、また、１Ｎの酢酸水溶液を用いて未反応物を溶解し、濾過操作によって粒子を分離乾燥した。
【００２３】
▲３▼成型・焼成
次に、得られた粒子を適量のバインダーと混合造粒した後、金型プレス機によって成型した。この後大気中にて１２２０℃で３時間焼成して燒結体を作製した。
【００２４】
▲４▼研磨・電極形成・分極処理
前記焼結体を厚さ１ｍｍに研磨した後両面に銀電極を焼き付け、シリコン油中、２ｋＶ／ｍｍで３０分分極処理を行った。
【００２５】
▲５▼圧電特性の測定
２４時間後、前記のように得られた焼結体の圧電特性をレーザー変位計を用いて測定した。かかる測定結果が表１に示されている。ここに、表１には、前記のように生成された各種組成を有する試料番号１〜３９のそれぞれについて、その分極軸と同一方向に１ｋＶ／ｍｍの直流電界を印加した時の圧電変位ｄ３３が示されている。尚、図２には、前記試料番号１〜３９のそれぞれに対応する組成を三角座標に示した。
【００２６】
【表１】

【００２７】
表１において、ＰＮＮ−ＰＴ−ＰＺの組成が、ＰＮＮ３８モル％、ＰＴ３８モル％、ＰＺ２４モル％の試料（試料番号１９）で圧電変位ｄ３３のピーク値（１０２０ｐｍ／Ｖ）が得られたことが分かる。また、組成がＰＮＮ３８モル％、ＰＴ３８モル％、ＰＺ２４モル％の周囲近傍に存在する試料についても、得られた圧電変位ｄ３３の値は、比較的高い値を示しており、これを三角座標にて示すと図３のように表される。尚、図３は、図２における主要部分を拡大するとともに、各組成に対応して圧電変位ｄ３３の値を１ｋＶにおける１ｍｍ当たりの変位量（μｍ）の値に換算した値を付加して示す説明図である。
【００２８】
本発明者は、圧電磁器組成物の一般的特性等を考慮しつつ、表１及び図３に示す測定結果について種々検討を重ねた結果、圧電変位ｄ３３の閾値として７５０ｐｍ／Ｖを使用することが妥当であるとの結論に達した。
【００２９】
そこで、表１における各試料について検討してみるに、試料番号１〜８、１０〜１４、１７、２１、２２、３１、３４、３７、３８の組成にて得られた圧電変位ｄ３３の値は、いずれも７５０ｐｍ／Ｖ以下であり、前記閾値以下であることが分かる。一方、図３におけるＡ点（ＰＮＮ４０モル％，ＰＴ３７モル％，ＰＺ２３モル％：試料番号９）、Ｂ点（ＰＮＮ３６モル％，ＰＴ３７モル％，ＰＺ２７モル％：試料番号３０）、Ｃ点（ＰＮＮ３３モル％，ＰＴ４０モル％，ＰＺ２７モル％：試料番号３９）およびＤ点（ＰＮＮ３７モル％，ＰＴ４０モル％，ＰＺ２３モル％：試料番号２３）の各組成点を結ぶ線上およびこの４点に囲まれた領域内では、ＰＮＮ３８モル％、ＰＴ３８モル％、ＰＺ２４モル％の試料（試料番号１９）で得られた圧電変位ｄ３３のピーク値（１０２０ｐｍ／Ｖ）を略中心として、その周囲近傍でいずれの組成においても７５０ｐｍ／Ｖ（閾値）以上の値になることが分かる。
【００３０】
ここに、前記Ａ点、Ｂ点、Ｃ点及びＤ点で囲まれた領域内における各組成の試料について、その誘電特性をインピーダンスアナライザを使用して測定した結果、１ｋＨｚにおける比誘電率は、いずれの組成においても３５５０〜１７００の範囲に存在しており、比誘電率の値はかなり低い値に維持されていることが確認された。
【００３１】
前記したように、実施例１に係る圧電磁器組成物によれば、比誘電率を３５５０〜１７００の範囲で低く抑制しつつ、圧電変位ｄ３３を７５０ｐｍ／Ｖ以上の大きな歪量を実現することができる。
【００３２】
ここで、前記のように生成された圧電磁器組成物からインクジェットヘッド用圧電アクチュエータとして作用する圧電シートを形成し、かかる圧電シートをインクジェットプリンタヘッドに使用した例について図４乃至図７に基づき説明する。図４はインクジェットプリンタヘッドの分解斜視図、図５はインクジェットプリンタヘッドの圧電シートとキャビティプレートとの要部分解斜視図、図６はインクジェットプリンタヘッドのインク圧力室と駆動電極との概略構成を示す図で、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は縦断面図、図７はインクジェットプリンタヘッドの圧電シート上に形成される駆動電極の配置構成を模式的に示す要部拡大斜視図である。
【００３３】
図４乃至図７に示すように、インクジェットプリンタヘッド１は、略長方形に形成された薄い金属板の積層構造からなるキャビティプレート２の上に、平面視略台形状若しくは略平行四辺形状のプレート型の５枚の各圧電シート２０、２０、２０、２０、２０が互いに隣接した状態で積層された構造となっている。また、キャビティプレート２の表面には、ほぼ菱形形状に形成されたインク圧力室１９Ａが要求される印字密度に対応して複数列配列されている。また、この複数列の各インク圧力室１９Ａは、このインク圧力室１９Ａの鋭角部を互いに他の列のインク圧力室１９Ａ間に入り込ませるように高密度に配置されている。
【００３４】
また、キャビティプレート２は、略長方形の金属板の板材を９枚積層した９層構造になっている。具体的には、キャビティプレート２は、図６（Ｂ）に示すように、下層から、ノズルプレート１１、カバープレート１２、第一マニホールドプレート１３、第二マニホールドプレート１４、第三マニホールドプレート１５、サプライプレート１６、アパーチャプレート１７、スペーサプレート１８及びベースプレート１９の９枚の薄い金属板を積層した構造となっている。また、図４に示すように、キャビティプレート２の長手方向の両端縁部には、インクが供給される各フィルタ孔１９Ｂ、１９Ｂが形成され、この各フィルタ孔１９Ｂ、１９Ｂには、インク内のゴミが侵入するのを防ぐための微細な貫通孔が多数形成される各フィルタ２１、２１が積層されている。
【００３５】
また、図６に示すように、ノズルプレート１１には、微小径のインク噴出用のノズル１１Ａが、多数個穿設されている。また、カバープレート１２には、各ノズル１１Ａに対向する位置に該ノズル１１Ａに連通した微小径のインクの通路である貫通孔１２Ａが多数穿設されると共に、各マニホールドプレート１３、１４、１５によって形成される後述のインクマニホールド通路の１つの壁面を構成している。
【００３６】
また、第１マニホールドプレート１３には、前記貫通孔１２Ａに対向する位置に該貫通孔１２Ａに連通した微小径のインクの通路である貫通孔１３Ａが多数穿設されると共に、前記インクマニホールド通路を構成する溝状の孔部１３Ｂが長手方向に沿って延びるように各インク圧力室１９Ａの各列に沿って複数列形成されている。
【００３７】
また、第２マニホールドプレート１４には、前記貫通孔１３Ａに対向する位置に該貫通孔１３Ａに連通した微小径のインクの通路である貫通孔１４Ａが多数穿設されると共に、前記インクマニホールド通路を構成する溝状の孔部１４Ｂが長手方向に沿って延びるように各インク圧力室１９Ａの各列に沿って複数列形成されている。
【００３８】
また、第３マニホールドプレート１５には、前記貫通孔１４Ａに対向する位置に該貫通孔１４Ａに連通した微小径のインクの通路である貫通孔１５Ａが多数穿設されると共に、前記インクマニホールド通路を構成する溝状の孔部１５Ｂが長手方向に沿って延びるように各インク圧力室１９Ａの各列に沿って複数列形成されている。
【００３９】
また、サプライプレート１６には、前記貫通孔１５Ａに対向する位置に該貫通孔１５Ａに連通した微小径のインクの通路である貫通孔１６Ａが多数穿設されている。また、このサプライプレート１６の貫通孔１６Ａに対して上記インク圧力室１９Ａの鋭角部と反対の対角線方向で、かつ、前記孔部１５Ｂの側端縁部の近傍位置（図６（Ｂ）中、右側端縁部の近傍位置）には、インクマニホールド通路に連通してインクの供給通路を形成する貫通孔１６Ｂが多数穿設されている。
【００４０】
ここで、図６（Ｂ）に示すように、カバープレート１２の上面部、溝状の各孔部１３Ｂ、１４Ｂ、１５Ｂ、及びサプライプレート１６の底面部によって構成され、インクを各インク圧力室１９Ａに供給する共通のインク室として働くインクマニホールド通路が長手方向に複数列形成されいてる。
【００４１】
また、アパーチャプレート１７には、前記貫通孔１６Ａに連通した微小径のインクの通路である貫通孔１７Ａが多数穿設されている。また、このアパーチャプレート１７には、各インク圧力室１９Ａのインク供給側の鋭角部の下側の位置に貫通孔１７Ｂが穿設されると共に、該貫通孔１７Ｂの下端部から前記貫通孔１６Ｂに対向する位置まで溝状の凹部であるアパーチャ部１７Ｃが底面部に形成されている。このアパーチャ部１７Ｃは、アパーチャプレート１７の厚みの約半分程度の深さの溝に形成されている。
【００４２】
また、スペーサプレート１８には、前記各貫通孔１７Ａに連通する貫通孔１８Ａが多数穿設されている。また、スペーサプレート１８には、前記各貫通孔１７Ｂに連通する貫通孔１８Ｂが多数穿設されている。
【００４３】
また、ベースプレート１９には、略菱形形状のインク圧力室１９Ａが多数形成されている。また、前記スペーサプレート１８に穿設された各貫通孔１８Ａ、１８Ｂは、インク圧力室１９Ａの各鋭角部に対向するように配置されている。そして、この各インク圧力室１９Ａの上面部は、上側に積層される各圧電シート２０、２０、２０、２０、２０によって塞がれている。
【００４４】
また、圧電シート２０の上面部には、各インク圧力室１９Ａに対応する位置に前記菱形のインク圧力室１９Ａの投影形状よりも少し小さいほぼ相似形の略菱形形状を有する駆動電極２０Ａが形成されている。また、図６（Ａ）に示すように、インク圧力室１９Ａのインク供給側の鋭角部に対応する該駆動電極２０Ａの鋭角部から連続して矢印形状のランドパターン２０Ｂが形成されている。
【００４５】
次に、圧電シート２０の概略構造及び該圧電シート２０と電源回路部（不図示）から延設されるフレキシブルプリント配線板（ＦＰＣ）との電気的な接続構造について図８及び図９に基づいて説明する。図８はインクジェットプリンタヘッド１の圧電シート２０の要部拡大縦断面図、図９はインクジェットプリンタヘッド１の圧電シート２０の内部の電気接続構造を模式的に示す分解斜視図である。図８及び図９に示すように、圧電シート２０は、５枚の第１圧電層２１、第２圧電層２２、第３圧電層２３、第４圧電層２４、及び第５圧電層２５を積層した構造に形成されている。
また、第１圧電層２１の上面部には、上記のように各インク圧力室１９Ａに対応する位置に該インク圧力室１９Ａの投影形状よりも少し小さいほぼ相似形の略菱形の駆動電極２０Ａと、該駆動電極２０Ａの鋭角部から連続して形成される矢印形状のランドパターン２０Ｂが形成されている。また、各ランドパターン２０Ｂの略中央部には、貫通孔２０Ｃが穿設されている。
【００４６】
また、第２圧電層２２は、前記貫通孔２０Ｃに対向する位置に貫通孔２２Ａが多数穿設されている。そして、この第２圧電層２２の上面部には、各貫通孔２２Ａの上端周縁部の近傍位置を除く、ほぼ全面に渡ってコモン電極２２Ｂが形成されている。また、このコモン電極２２Ｂの端部は、第２圧電層２２の側面端部に露出するように形成されている。
【００４７】
また、第３圧電層２３の上面部には、前記各駆動電極２０Ａ及びランドパターン２０Ｂに対応する位置に、該駆動電極２０Ａ及びランドパターン２０Ｂとほぼ同じ形状の内部電極２３Ａが多数形成されている。
【００４８】
また、第４圧電層２４の上面部には、ほぼ全面に渡ってコモン電極２４Ａが形成されている。また、このコモン電極２４Ａの端部は、第４圧電層２４の側面端部に露出するように形成されている。
【００４９】
また、第５圧電層２５の上面部には、電極は形成されていない。
ここで、第１圧電層２１の各貫通孔２０Ｃと第２圧電層２２の各貫通孔２２Ａとは連通して、各スルーホール３０が形成され、該各スルーホール３０内に導電性材料（例えば、タングステンやモリブデン等）が充填されている。これにより、各ランドパターン２０Ｂと各内部電極２３Ａとは、該スルーホール３０を介して電気的に接続されている。
【００５０】
また、図８に示すように、圧電シート２０の上面部には、不図示の電源回路部から延設されるフレキシブルプリント配線板（ＦＰＣ）３２が配設される。このＦＰＣ３２は、各ランドパターン２０Ｂに対向する位置まで配線された銅箔より構成される導体部３３と、これら導体部３３の上面部に接着されるベースフィルム３４と、これら導体部３３の下面部に接着されるカバーフィルム３５とから構成されている。また、このカバーフィルム３５の各ランドパターン２０Ｂに対向する位置、即ち各導体部３３の端縁部には、貫通孔３５Ａが多数穿設されている。そして、導体部３３の各貫通孔３５Ａに対応する部分には、各ランドパターン２０Ｂに接続するための予備半田３６が形成されている。
従って、各予備半田３６を各ランドパターン２０Ｂに重ね合わせて、半田付けすることにより、各導体部３３とランドパターン２０Ｂとが接合されると共に、スルーホール３０を介して各導体部３３と各内部電極２３Ａとが電気的に接続される。
【００５１】
上記のように構成された第１乃至第５圧電層２１、２２、２３、２４、２５の内、ＦＰＣ３２を介して第１圧電層２１の駆動電極２０Ａ及び第３圧電層２３の内部電極２３Ａと、第２圧電層２２のコモン電極２２Ｂ及び第４圧電層２４のコモン電極２４Ａとの間に駆動電圧を印加することにより、第１乃至第５圧電層２１、２２、２３、２４、２５が変形して、キャビティプレート２の対応するインク圧力室１９Ａ内のインクに圧力を加えることができる。
【００５２】
よって、第１乃至第３圧電層２１、２２、２３の駆動電極２０Ａ及び内部電極２３Ａに対応した部分が電圧印可時に撓む活性部を構成することになる。また、第１乃至第５圧電層２１、２２、２３、２４、２５を焼成する場合に、圧電セラミックスと電極を構成する金属材料では焼成した場合の収縮率が異なるので、シート全体が反ったり波打ったりすることがある。第４及び第５圧電層２４、２５は、焼成後に第１乃至第５圧電層２１、２２、２３、２４、２５が反ったり、あるいは波打ったりしてその平面性が損なわれないようにするため、及び、第１乃至第３圧電層２１、２２、２３の活性部がインク圧力室１９Ａ方向へのみ変形するようにするための拘束層として機能する。
【００５３】
次に、上記のように構成されるインクジェットプリンタヘッド１の動作を図６に基づいて説明する。
図６に示すように、カバープレート１２の上面部、溝状の各孔部１３Ｂ、１４Ｂ、１５Ｂ、及びサプライプレート１６の底面部から構成されるインクマニホールド通路から供給されるインクは、貫通孔１６Ｂ、アパーチャ部１７Ｃ、貫通孔１７Ｂ及び貫通孔１８Ｂを経て、インク圧力室１９Ａに流入する。そして、ＦＰＣ３２を介してランドパターン２０Ｂと各コモン電極２２Ｂ、２４Ａとの間に駆動電圧が印可されると、圧電シート２０がインク圧力室１９Ａ側に変形して、インク圧力室１９Ａ内のインクは押し出され、各貫通孔１８Ａ、１７Ａ、１６Ａ、１５Ａ、１４Ａ、１３Ａ、１２Ａを経て、ノズル１１Ａから吐出される。
【００５４】
前記のように構成されたインクジェットプリンタヘッド１に対して、従来のヘッド駆動回路を使用してヘッド駆動を行ったところ、駆動電圧を従来比で３５％程度低下させることができた。これより、前記圧電磁器組成物から形成された圧電シート２０（インクジェットヘッド用圧電アクチュエータ）は、より低電圧で駆動することが可能となり、ヘッド駆動回路の小型化を図ることができ、また、ヘッド駆動回路の設計における自由度を増大させることができるものである。
【００５５】
また、前記圧電磁器組成物から形成した圧電シート２０（インクジェットヘッド用圧電アクチュエータ）を使用した場合には、より低電圧で駆動することが可能となり、ヘッド駆動回路の小型化を図ることができる。特に、前記圧電シート２０を使用すれば駆動電極２０Ａ及び内部電極２３Ａに対応する活性部が狭くなっても必要な変位を得られることから、ヘッド駆動回路をより微細化し且つ高密度化することが可能となる。
【００５６】
また、前記圧電磁器組成物によれば、比誘電率を３５５０〜１７００の範囲で比較的低くすることができることから、入力信号に対する応答特性を向上してより高速駆動が可能となり、無駄な電力消費を抑制してヘッド駆動回路の設計における自由度を増大させることが可能となる。
【００５７】
続いて、圧電磁器組成物の実施例２について、表１及び図１０に基づき説明する。図１０は、圧電磁器組成物に対してＬａ_２Ｏ_３を添加した場合における添加物効果を説明するグラフである。尚、図１０において、縦軸は機械的品質係数Ｑｍ、横軸はＬａ_２Ｏ_３の添加量（ｗｔ％）を示す。
【００５８】
（実施例２）
実施例２に係る圧電磁器組成物は、出発原料としての酸化鉛（ＰｂＯ）、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、酸化ニオブ（Ｎｂ_２Ｏ_５）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）及び酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）に加えて、添加物としてＬａ_２Ｏ_３を焼結後の組成物に対して目的の量となるように秤量して混合し、各材料の焼結時に１２６０℃で３時間焼成した点以外の点については、前記実施例１の場合と同様にして生成された。
【００５９】
尚、実施例２に係る圧電磁器組成物は、表１における試料番号４０〜４３に示されるように、ＰＮＮ−ＰＴ−ＰＺの基本組成として、前記Ａ点、Ｂ点、Ｃ点及びＤ点で囲まれる領域で比較的高い圧電変位ｄ３３が得られた、ＰＮＮ３７モル％、ＰＴ３８モル％、ＰＺ２５モル％（試料番号２５）の組成に対して、Ｌａ_２Ｏ_３をそれぞれ０．１ｗｔ％（試料番号４０）、０．３ｗｔ％（試料番号４１）、０．５ｗｔ％（試料番号４２）、及び、１．０ｗｔ％（試料番号４３）添加したものである。
【００６０】
表１から明らかなように、Ｌａ_２Ｏ_３を０．１ｗｔ％添加した試料４０、Ｌａ_２Ｏ_３を０．３ｗｔ％添加した試料４１、及び、Ｌａ_２Ｏ_３を０．５ｗｔ％添加した試料４２について、前記と同様に測定された圧電変位ｄ３３の値は、いずれも閾値である７５０ｐｍ／Ｖ以上の値が測定された。一方、Ｌａ_２Ｏ_３を１．０ｗｔ％添加した試料４３について測定された圧電変位ｄ３３の値は、７４０ｐｍ／Ｖであり、閾値（７５０ｐｍ／Ｖ）以下の値である。
【００６１】
また、前記実施例１の場合と同様にして、試料４０〜４３について、その誘電特性をインピーダンスアナライザを使用して測定したところ、１ｋＨｚにおける比誘電率は、試料４０〜４２については３１００〜３３００であったが、試料４３については３７００と比較的高い値が測定された。
【００６２】
前記より、試料４０〜４２については、前記実施例１の場合と同様、比誘電率を３１００〜３３００の範囲で低く抑制しつつ、圧電変位ｄ３３を７５０ｐｍ／Ｖ以上の大きな歪量を実現することができるものの、試料４３については圧電変位ｄ３３が閾値（７５０ｐｍ／Ｖ）以下の値しか得られず、また、比誘電率が３７００と比較的高いことから、試料４０〜４２に比して圧電変位ｄ３３、比誘電率の点で若干劣っていることが分かる。
【００６３】
更に、図１０に示すように、各試料４０〜４３について機械的品質係数ＱｍとＬａ_２Ｏ_３の添加量との関係を測定したところ、機械的品質係数Ｑｍは、Ｌａ_２Ｏ_３の添加量が０．１ｗｔ％で若干低下し、Ｌａ_２Ｏ_３の添加量が０．３ｗｔ％まで増加すると急激に低下することが分かる。更に、Ｌａ_２Ｏ_３の添加量が０．３ｗｔ％から０．５ｗｔ％まで増加しても機械的品質係数Ｑｍの低下は極めて小さく、かかる傾向は、Ｌａ_２Ｏ_３の添加量が１．０ｗｔ％まで増加しても殆ど変化しないことが分かる。これより、圧電磁器組成物にＬａ_２Ｏ_３を添加する場合には、その添加量が０．１ｗｔ％〜０．５ｗｔ％の範囲で機械的品質係数Ｑｍを効果的に低下させることができるものである。
【００６４】
前記したように実施例２に係る試料４０〜４２に対応する圧電磁器組成物では、Ｌａ_２Ｏ_３を０．１ｗｔ％〜０．５ｗｔ％添加することにより、比誘電率を３１００〜３３００の範囲で低く抑制するとともに、圧電変位ｄ３３を７５０ｐｍ／Ｖ以上の大きな歪量を維持しつつ、機械的品質係数Ｑｍを効果的に低下させることができる。
【００６５】
前記のように生成された実施例２に係る圧電磁器組成物からインクジェットヘッド用圧電アクチュエータとして作用する圧電シートを形成し、かかる圧電シートを使用して前記実施例１の場合と同様にして作製したインクジェットプリンタヘッドに対して、従来のヘッド駆動回路を使用してヘッド駆動を行ったところ、駆動電圧を従来比で３５％程度低下させることができた。これより、前記圧電磁器組成物から形成された圧電シート２０（インクジェットヘッド用圧電アクチュエータ）は、より低電圧で駆動することが可能となり、ヘッド駆動回路の小型化を図ることができ、また、ヘッド駆動回路の設計における自由度を増大させることができるものである。
【００６６】
また、前記圧電磁器組成物から形成した圧電シート２０（インクジェットヘッド用圧電アクチュエータ）を使用した場合には、より低電圧で駆動することが可能となり、ヘッド駆動回路の小型化を図ることができる。特に、前記圧電シート２０を使用すれば駆動電極２０Ａ及び内部電極２３Ａに対応する活性部が狭くなっても必要な変位を得られることから、ヘッド駆動回路をより微細化し且つ高密度化することが可能となる。
【００６７】
また、前記圧電磁器組成物によれば、比誘電率を３１００〜３３００の範囲で比較的低くすることができることから、入力信号に対する応答特性を向上してより高速駆動が可能となり、無駄な電力消費を抑制してヘッド駆動回路の設計における自由度を増大させることが可能となる。
【００６８】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、比誘電率を低く抑制しつつ大きな歪量を具現することが可能な圧電磁器組成物及びかかる圧電磁器組成物を使用したインクジェットヘッドの圧電アクチュエータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係る圧電磁器組成物の組成領域を三角座標で表した説明図である。
【図２】各試料番号１〜３９のそれぞれに対応する組成を三角座標で示す説明図である。
【図３】図２における主要部分を拡大するとともに、各組成に対応して圧電変位ｄ３３の値を１ｋＶにおける１ｍｍ当たりの変位量（μｍ）の値に換算した値を付加して示す説明図である。
【図４】インクジェットプリンタヘッドの分解斜視図である。
【図５】インクジェットプリンタヘッドの圧電シートとキャビティプレートとの要部分解斜視図である。
【図６】インクジェットプリンタヘッドのインク圧力室と駆動電極との概略構成を示す図で、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は縦断面図である。
【図７】インクジェットプリンタヘッドの圧電シート上に形成される駆動電極の配置構成を模式的に示す要部拡大斜視図である。
【図８】インクジェットプリンタヘッドの圧電シートの要部拡大縦断面図である。
【図９】インクジェットプリンタヘッドの圧電シートの内部の電気接続構造を模式的に示す分解斜視図である。
【図１０】圧電磁器組成物に対してＬａ_２Ｏ_３を添加した場合における添加物効果を説明するグラフである。

Claims

複合ペロブスカイト型化合物のＰｂ（Ｎｉ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３と単純ペロブスカイト型化合物ＰｂＴｉＯ_３及びＰｂＺｒＯ_３とを主成分とする磁器組成物において、
Ｐｂ（Ｎｉ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３、ＰｂＴｉＯ_３、ＰｂＺｒＯ_３を頂点とする三角座標中、Ｐｂ（Ｎｉ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３をＸモル％、ＰｂＴｉＯ_３をＹモル％、ＰｂＺｒＯ_３をＺモル％とした場合（但し、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１００とする）、その組成範囲がＡ点（Ｘ＝４０，Ｙ＝３７，Ｚ＝２３）、Ｂ点（Ｘ＝３６，Ｙ＝３７，Ｚ＝２７）、Ｃ点（Ｘ＝３３，Ｙ＝４０，Ｚ＝２７）およびＤ点（Ｘ＝３７，Ｙ＝４０，Ｚ＝２３）の各組成点を結ぶ線上およびこの４点に囲まれた領域とする範囲を主成分とすることを特徴とする圧電磁器組成物。
請求項１に記載の圧電磁器組成物において、
前記圧電磁器組成物の分極軸と同一方向に１ｋＶ／ｍｍの直流電界を印加した時の圧電変位ｄ３３が７５０ｐｍ／Ｖ以上となることを特徴とする圧電磁器組成物。
請求項１に記載の圧電磁器組成物において、前記主成分に対し、ＬａをＬａ_２Ｏ_３で表される酸化物に換算して０〜０．５ｗｔ％（０を除く）の割合で含有することを特徴とする圧電磁器組成物。
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の圧電磁器組成物から形成されたことを特徴とするインクジェットヘッド用圧電アクチュエータ。