JP4688301B2 - 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
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Description
【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−ＰｂＴｉＯ3（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（Ｚｎ1/3 Ｓｂ2/3）Ｏ3、Ｐｂ（Ｚｎ1/3 Ｎｂ2/3）Ｏ3、Ｐｂ（Ｎｉ1/2 Ｔｅ1/2）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２７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（Ｚｎ1/3 Ｓｂ2/3）、（Ｚｎ1/3 Ｎｂ2/3）、（Ｎｉ1/2 Ｔｅ1/2）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０．０１〜０．１０質量％、ＡｌをＡｌ2Ｏ3に換算して０．０１〜０．０４質量％、ＳｉをＳｉＯ2に換算して０．０１〜０．０４質量％、さらに、上記ＦｅをＦｅ 2 Ｏ 3 に、上記ＡｌをＡｌ 2 Ｏ 3 に、上記ＳｉをＳｉＯ 2 に、各々を換算した合計が０．０５〜０．１６質量％の範囲で含有し、残部が組成式Ｐｂ 1-x-y Ｓｒ x Ｂａ y （Ｚｎ 1/3 Ｓｂ 2/3 ） a （Ｚｎ 1/3 Ｎｂ 2/3 ） b （Ｎｉ 1/2 Ｔｅ 1/2 ） c Ｚｒ d Ｔｉ 1-a-b-c-d Ｏ 3 ただし、０≦ｘ≦０．１０ ０≦ｙ≦０．１０ ０＜ｘ＋ｙ ０≦ａ≦０．０８ ０≦ｂ≦０．０４ ０≦ｃ≦０．０１ ０．０１５＜ａ＋ｂ ０．４３≦ｄ≦０．５５で示される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３〜５μｍであるとともに、４点曲げ強度が７５ＭＰａ以上、破壊靱性値が０．７８ＭＰａｍ1/2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０．０１〜０．１０質量％、ＡｌをＡｌ2Ｏ3に換算して０．０１〜０．０４質量％、ＳｉをＳｉＯ2に換算して０．０１〜０．０４質量％、さらに、上記ＦｅをＦｅ 2 Ｏ 3 に、上記ＡｌをＡｌ 2 Ｏ 3 に、上記ＳｉをＳｉＯ 2 に、各々を換算した合計が０．０５〜０．１６質量％の範囲で含有し、残部が組成式Ｐｂ 1-x-y Ｓｒ x Ｂａ y （Ｚｎ 1/3 Ｓｂ 2/3 ） a （Ｚｎ 1/3 Ｎｂ 2/3 ） b （Ｎｉ 1/2 Ｔｅ 1/2 ） c Ｚｒ d Ｔｉ 1-a-b-c-d Ｏ 3 ただし、０≦ｘ≦０．１０ ０≦ｙ≦０．１０ ０＜ｘ＋ｙ ０≦ａ≦０．０８ ０≦ｂ≦０．０４ ０≦ｃ≦０．０１ ０．０１５＜ａ＋ｂ ０．４３≦ｄ≦０．５５で示される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３〜５μｍ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、Ａｌ、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−Ａｌ2Ｏ3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質量％としたのは、Ａｌ及びＳｉの含有量がそれぞれＡｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2に換算して０．０１質量％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質量％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０．０１〜０．１０質量％としたのは、ＦｅがＦｅ2Ｏ3に換算して０．０１質量％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３μｍ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０．１０質量％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５μｍ以下とすることが難しいからである。
【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３μｍ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５μｍ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７５ＭＰａ以上、破壊靱性値が０．７８ＭＰａｍ1/2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７５ＭＰａ以上、破壊靱性値を０．７８ＭＰａｍ1/2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ある。
【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、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、（Ｚｎ1/3 Ｓｂ2/3）、（Ｚｎ1/3 Ｎｂ2/3）、（Ｎｉ1/2 Ｔｅ1/2）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）
Ｐｂ1-x-yＳｒxＢａy（Ｚｎ1/3 Ｓｂ2/3）a（Ｚｎ1/3 Ｎｂ2/3）b（Ｎｉ1/2Ｔｅ1/2）cＺｒdＴｉ1-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≦０．０１
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、（Ｚｎ1/3 Ｓｂ2/3）や（Ｚｎ1/3 Ｎｂ2/3）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、（Ｚｎ1/3 Ｓｂ2/3）の置換比率ａが０．０８を超えたり、（Ｚｎ1/3 Ｎｂ2/3）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、（Ｚｎ1/3 Ｓｂ2/3）又は（Ｚｎ1/3 Ｎｂ2/3）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、（Ｎｉ1/2Ｔｅ1/2）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、（Ｎｉ1/2 Ｔｅ1/2）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質量％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Ｐｂ3Ｏ4、ＺｒＯ2、ＴｉＯ2と、ＳｒＣＯ3及び／又はＢａＣＯ3に、さらに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、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０．０１〜０．１０質量％となるようにＦｅ2Ｏ3を、０．０１〜０．０４質量％となるようにＡｌ2Ｏ3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Ｆｅ、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０．０１〜０．１０質量％、Ａｌ及びＳｉの含有量がそれぞれＡｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2に換算して０．０１〜０．０４質量％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を用いて明示する。
【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０．０１〜０．１０質量％、Ａｌ及びＳｉをそれぞれＡｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2換算で０．０１〜０．０４質量％、さらに、上記ＦｅをＦｅ 2 Ｏ 3 に、上記ＡｌをＡｌ 2 Ｏ 3 に、上記ＳｉをＳｉＯ 2 に、各々を換算した合計が０．０５〜０．１６質量％の範囲で含有し、残部が組成式Ｐｂ 1-x-y Ｓｒ x Ｂａ y （Ｚｎ 1/3 Ｓｂ 2/3 ） a （Ｚｎ 1/3 Ｎｂ 2/3 ） b （Ｎｉ 1/2 Ｔｅ 1/2 ） c Ｚｒ d Ｔｉ 1-a-b-c-d Ｏ 3 ただし、０≦ｘ≦０．１０ ０≦ｙ≦０．１０ ０＜ｘ＋ｙ ０≦ａ≦０．０８ ０≦ｂ≦０．０４ ０≦ｃ≦０．０１ ０．０１５＜ａ＋ｂ ０．４３≦ｄ≦０．５５で示される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３〜５μｍであるとともに、４点曲げ強度が７５ＭＰａ以上、破壊靱性値が０．７８ＭＰａｍ1/2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。
【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３ａ，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，１ｅ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，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２０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×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。
【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＃２０００（４〜８μｍ）であり、回転数２５０００ｒｐｍ、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ＳＥＭ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 １６０１に準拠して測定し、破壊靱性値はＪＩＳ Ｒ １６０７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、Ａｌ2Ｏ3、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Ａｌ、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．６，７ではＦｅの含有量がＦｅ2Ｏ3に換算して０．１０質量％より多く、試料Ｎｏ．１２，２３ではＡｌ、Ｓｉの含有量がそれぞれＡｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2に換算して０．０４質量％より多いため、４点曲げ強度が７５ＭＰａ未満と低く、隔壁の折れが発生し、チッピングサイズも１２μｍを超える大きなものになった。しかも、試料Ｎｏ．７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。
【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．３〜５，１０，１１及び２０，２１のように、Ｆｅの含有量が０．０１〜０．１０質量％、ＡｌおよびＳｉの含有量が０．０１〜０．０４質量％、さらに、上記ＦｅをＦｅ 2 Ｏ 3 に、上記ＡｌをＡｌ 2 Ｏ 3 に、上記ＳｉをＳｉＯ 2 に、各々を換算した合計が０．０５〜０．１６質量％の範囲で、平均結晶粒子径が３〜５μｍ、４点曲げ強度が７５ＭＰａ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、（Ｚｎ1/3 Ｓｂ2/3）、（Ｚｎ1/3 Ｎｂ2/3）、（Ｎｉ1/2 Ｔｅ1/2）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０．０１〜０．１０質量％、ＡｌをＡｌ2Ｏ3に換算して０．０１〜０．０４質量％、ＳｉをＳｉＯ2に換算して０．０１〜０．０４質量％、さらに、上記ＦｅをＦｅ 2 Ｏ 3 に、上記ＡｌをＡｌ 2 Ｏ 3 に、上記ＳｉをＳｉＯ 2 に、各々を換算した合計が０．０５〜０．１６質量％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３〜５μｍであるとともに、４点曲げ強度が７５ＭＰａ以上で、かつ破壊靱性値が０．７８ＭＰａｍ1/2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。
【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０．０１〜０．１０質量％、ＡｌをＡｌ2Ｏ3に換算して０．０１〜０．０４質量％、ＳｉをＳｉＯ2に換算して０．０１〜０．０４質量％、さらに、上記ＦｅをＦｅ 2 Ｏ 3 に、上記ＡｌをＡｌ 2 Ｏ 3 に、上記ＳｉをＳｉＯ 2 に、各々を換算した合計が０．０５〜０．１６質量％含有し、残部が組成式Ｐｂ 1-x-y Ｓｒ x Ｂａ y （Ｚｎ 1/3 Ｓｂ 2/3 ） a （Ｚｎ 1/3 Ｎｂ 2/3 ） b （Ｎｉ 1/2 Ｔｅ 1/2 ） c Ｚｒ d Ｔｉ 1-a-b-c-d Ｏ 3 ただし、０≦ｘ≦０．１０ ０≦ｙ≦０．１０ ０＜ｘ＋ｙ ０≦ａ≦０．０８ ０≦ｂ≦０．０４ ０≦ｃ≦０．０１ ０．０１５＜ａ＋ｂ ０．４３≦ｄ≦０．５５で示される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３〜５μｍであるとともに、４点曲げ強度が７５ＭＰａ以上、破壊靱性値が０．７８ＭＰａｍ1/2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
【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−ＰｂＴｉＯ3（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（Ｚｎ1/3 Ｓｂ2/3）Ｏ3、Ｐｂ（Ｚｎ1/3 Ｎｂ2/3）Ｏ3、Ｐｂ（Ｎｉ1/2 Ｔｅ1/2）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２７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（Ｚｎ1/3 Ｓｂ2/3）、（Ｚｎ1/3 Ｎｂ2/3）、（Ｎｉ1/2 Ｔｅ1/2）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０．０１〜０．１０質量％、ＡｌをＡｌ2Ｏ3に換算して０．０１〜０．０４質量％、ＳｉをＳｉＯ2に換算して０．０１〜０．０４質量％、さらに、上記ＦｅをＦｅ 2 Ｏ 3 に、上記ＡｌをＡｌ 2 Ｏ 3 に、上記ＳｉをＳｉＯ 2 に、各々を換算した合計が０．０５〜０．１６質量％の範囲で含有し、残部が組成式Ｐｂ 1-x-y Ｓｒ x Ｂａ y （Ｚｎ 1/3 Ｓｂ 2/3 ） a （Ｚｎ 1/3 Ｎｂ 2/3 ） b （Ｎｉ 1/2 Ｔｅ 1/2 ） c Ｚｒ d Ｔｉ 1-a-b-c-d Ｏ 3 ただし、０≦ｘ≦０．１０ ０≦ｙ≦０．１０ ０＜ｘ＋ｙ ０≦ａ≦０．０８ ０≦ｂ≦０．０４ ０≦ｃ≦０．０１ ０．０１５＜ａ＋ｂ ０．４３≦ｄ≦０．５５で示される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３〜５μｍであるとともに、４点曲げ強度が７５ＭＰａ以上、破壊靱性値が０．７８ＭＰａｍ1/2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０．０１〜０．１０質量％、ＡｌをＡｌ2Ｏ3に換算して０．０１〜０．０４質量％、ＳｉをＳｉＯ2に換算して０．０１〜０．０４質量％、さらに、上記ＦｅをＦｅ 2 Ｏ 3 に、上記ＡｌをＡｌ 2 Ｏ 3 に、上記ＳｉをＳｉＯ 2 に、各々を換算した合計が０．０５〜０．１６質量％の範囲で含有し、残部が組成式Ｐｂ 1-x-y Ｓｒ x Ｂａ y （Ｚｎ 1/3 Ｓｂ 2/3 ） a （Ｚｎ 1/3 Ｎｂ 2/3 ） b （Ｎｉ 1/2 Ｔｅ 1/2 ） c Ｚｒ d Ｔｉ 1-a-b-c-d Ｏ 3 ただし、０≦ｘ≦０．１０ ０≦ｙ≦０．１０ ０＜ｘ＋ｙ ０≦ａ≦０．０８ ０≦ｂ≦０．０４ ０≦ｃ≦０．０１ ０．０１５＜ａ＋ｂ ０．４３≦ｄ≦０．５５で示される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３〜５μｍ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、Ａｌ、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−Ａｌ2Ｏ3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質量％としたのは、Ａｌ及びＳｉの含有量がそれぞれＡｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2に換算して０．０１質量％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質量％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０．０１〜０．１０質量％としたのは、ＦｅがＦｅ2Ｏ3に換算して０．０１質量％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３μｍ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０．１０質量％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５μｍ以下とすることが難しいからである。
【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３μｍ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５μｍ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７５ＭＰａ以上、破壊靱性値が０．７８ＭＰａｍ1/2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７５ＭＰａ以上、破壊靱性値を０．７８ＭＰａｍ1/2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ある。
【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、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、（Ｚｎ1/3 Ｓｂ2/3）、（Ｚｎ1/3 Ｎｂ2/3）、（Ｎｉ1/2 Ｔｅ1/2）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）
Ｐｂ1-x-yＳｒxＢａy（Ｚｎ1/3 Ｓｂ2/3）a（Ｚｎ1/3 Ｎｂ2/3）b（Ｎｉ1/2Ｔｅ1/2）cＺｒdＴｉ1-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≦０．０１
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、（Ｚｎ1/3 Ｓｂ2/3）や（Ｚｎ1/3 Ｎｂ2/3）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、（Ｚｎ1/3 Ｓｂ2/3）の置換比率ａが０．０８を超えたり、（Ｚｎ1/3 Ｎｂ2/3）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、（Ｚｎ1/3 Ｓｂ2/3）又は（Ｚｎ1/3 Ｎｂ2/3）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、（Ｎｉ1/2Ｔｅ1/2）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、（Ｎｉ1/2 Ｔｅ1/2）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質量％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Ｐｂ3Ｏ4、ＺｒＯ2、ＴｉＯ2と、ＳｒＣＯ3及び／又はＢａＣＯ3に、さらに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、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０．０１〜０．１０質量％となるようにＦｅ2Ｏ3を、０．０１〜０．０４質量％となるようにＡｌ2Ｏ3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Ｆｅ、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０．０１〜０．１０質量％、Ａｌ及びＳｉの含有量がそれぞれＡｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2に換算して０．０１〜０．０４質量％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を用いて明示する。
【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０．０１〜０．１０質量％、Ａｌ及びＳｉをそれぞれＡｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2換算で０．０１〜０．０４質量％、さらに、上記ＦｅをＦｅ 2 Ｏ 3 に、上記ＡｌをＡｌ 2 Ｏ 3 に、上記ＳｉをＳｉＯ 2 に、各々を換算した合計が０．０５〜０．１６質量％の範囲で含有し、残部が組成式Ｐｂ 1-x-y Ｓｒ x Ｂａ y （Ｚｎ 1/3 Ｓｂ 2/3 ） a （Ｚｎ 1/3 Ｎｂ 2/3 ） b （Ｎｉ 1/2 Ｔｅ 1/2 ） c Ｚｒ d Ｔｉ 1-a-b-c-d Ｏ 3 ただし、０≦ｘ≦０．１０ ０≦ｙ≦０．１０ ０＜ｘ＋ｙ ０≦ａ≦０．０８ ０≦ｂ≦０．０４ ０≦ｃ≦０．０１ ０．０１５＜ａ＋ｂ ０．４３≦ｄ≦０．５５で示される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３〜５μｍであるとともに、４点曲げ強度が７５ＭＰａ以上、破壊靱性値が０．７８ＭＰａｍ1/2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。
【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３ａ，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，１ｅ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，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２０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×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。
【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＃２０００（４〜８μｍ）であり、回転数２５０００ｒｐｍ、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ＳＥＭ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 １６０１に準拠して測定し、破壊靱性値はＪＩＳ Ｒ １６０７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、Ａｌ2Ｏ3、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】
この結果、表１より試料Ｎｏ．１７ではＡｌ、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．６，７ではＦｅの含有量がＦｅ2Ｏ3に換算して０．１０質量％より多く、試料Ｎｏ．１２，２３ではＡｌ、Ｓｉの含有量がそれぞれＡｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2に換算して０．０４質量％より多いため、４点曲げ強度が７５ＭＰａ未満と低く、隔壁の折れが発生し、チッピングサイズも１２μｍを超える大きなものになった。しかも、試料Ｎｏ．７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。
【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．３〜５，１０，１１及び２０，２１のように、Ｆｅの含有量が０．０１〜０．１０質量％、ＡｌおよびＳｉの含有量が０．０１〜０．０４質量％、さらに、上記ＦｅをＦｅ 2 Ｏ 3 に、上記ＡｌをＡｌ 2 Ｏ 3 に、上記ＳｉをＳｉＯ 2 に、各々を換算した合計が０．０５〜０．１６質量％の範囲で、平均結晶粒子径が３〜５μｍ、４点曲げ強度が７５ＭＰａ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、（Ｚｎ1/3 Ｓｂ2/3）、（Ｚｎ1/3 Ｎｂ2/3）、（Ｎｉ1/2 Ｔｅ1/2）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０．０１〜０．１０質量％、ＡｌをＡｌ2Ｏ3に換算して０．０１〜０．０４質量％、ＳｉをＳｉＯ2に換算して０．０１〜０．０４質量％、さらに、上記ＦｅをＦｅ 2 Ｏ 3 に、上記ＡｌをＡｌ 2 Ｏ 3 に、上記ＳｉをＳｉＯ 2 に、各々を換算した合計が０．０５〜０．１６質量％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３〜５μｍであるとともに、４点曲げ強度が７５ＭＰａ以上で、かつ破壊靱性値が０．７８ＭＰａｍ1/2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。
【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０．０１〜０．１０質量％、ＡｌをＡｌ2Ｏ3に換算して０．０１〜０．０４質量％、ＳｉをＳｉＯ2に換算して０．０１〜０．０４質量％、さらに、上記ＦｅをＦｅ 2 Ｏ 3 に、上記ＡｌをＡｌ 2 Ｏ 3 に、上記ＳｉをＳｉＯ 2 に、各々を換算した合計が０．０５〜０．１６質量％含有し、残部が組成式Ｐｂ 1-x-y Ｓｒ x Ｂａ y （Ｚｎ 1/3 Ｓｂ 2/3 ） a （Ｚｎ 1/3 Ｎｂ 2/3 ） b （Ｎｉ 1/2 Ｔｅ 1/2 ） c Ｚｒ d Ｔｉ 1-a-b-c-d Ｏ 3 ただし、０≦ｘ≦０．１０ ０≦ｙ≦０．１０ ０＜ｘ＋ｙ ０≦ａ≦０．０８ ０≦ｂ≦０．０４ ０≦ｃ≦０．０１ ０．０１５＜ａ＋ｂ ０．４３≦ｄ≦０．５５で示される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３〜５μｍであるとともに、４点曲げ強度が７５ＭＰａ以上、破壊靱性値が０．７８ＭＰａｍ1/2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
Claims (2)
- ＦｅをＦｅ2Ｏ3に換算して０．０１〜０．１０質量％、ＡｌをＡｌ2Ｏ3に換算して０．０１〜０．０４質量％、ＳｉをＳｉＯ2に換算して０．０１〜０．０４質量％、さらに、上記ＦｅをＦｅ 2 Ｏ 3 に、上記ＡｌをＡｌ 2 Ｏ 3 に、上記ＳｉをＳｉＯ 2 に、各々を換算した合計が０．０５〜０．１６質量％の範囲で含有し、残部が組成式Ｐｂ 1-x-y Ｓｒ x Ｂａ y （Ｚｎ 1/3 Ｓｂ 2/3 ） a （Ｚｎ 1/3 Ｎｂ 2/3 ） b （Ｎｉ 1/2 Ｔｅ 1/2 ） c Ｚｒ d Ｔｉ 1-a-b-c-d Ｏ 3 ただし、０≦ｘ≦０．１０ ０≦ｙ≦０．１０ ０＜ｘ＋ｙ ０≦ａ≦０．０８ ０≦ｂ≦０．０４ ０≦ｃ≦０．０１ ０．０１５＜ａ＋ｂ ０．４３≦ｄ≦０．５５で示される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３〜５μｍ、上記焼結体の４点曲げ強度が７５ＭＰａ以上、破壊靱性値が０．７８ＭＰａｍ1/2以上であることを特徴とする圧電磁器組成物。
- 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０．０１〜０．１０質量％、ＡｌをＡｌ2Ｏ3に換算して０．０１〜０．０４質量％、ＳｉをＳｉＯ2に換算して０．０１〜０．０４質量％、さらに、上記ＦｅをＦｅ 2 Ｏ 3 に、上記ＡｌをＡｌ 2 Ｏ 3 に、上記ＳｉをＳｉＯ 2 に、各々を換算した合計が０．０５〜０．１６質量％の範囲で含有し、残部が組成式Ｐｂ 1-x-y Ｓｒ x Ｂａ y （Ｚｎ 1/3 Ｓｂ 2/3 ） a （Ｚｎ 1/3 Ｎｂ 2/3 ） b （Ｎｉ 1/2 Ｔｅ 1/2 ） c Ｚｒ d Ｔｉ 1-a-b-c-d Ｏ 3 ただし、０≦ｘ≦０．１０ ０≦ｙ≦０．１０ ０＜ｘ＋ｙ ０≦ａ≦０．０８ ０≦ｂ≦０．０４ ０≦ｃ≦０．０１ ０．０１５＜ａ＋ｂ ０．４３≦ｄ≦０．５５で示される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３〜５μｍで、４点曲げ強度が７５ＭＰａ以上、破壊靱性値が０．７８ＭＰａｍ1/2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。
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