JP4836307B2 - Piezoelectric ceramic composition and ink jet recording head using the same - Google Patents

Piezoelectric ceramic composition and ink jet recording head using the same Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電定数dを劣化させることなく、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る。
【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(Mg1/3 Nb2/3)O3、Pb(Ni1/3 Nb2/3)O3、Pb(Zn1/3 Nb2/3)O3の少なくとも1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。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、Bi23、WO3の少なくとも1種を0.01〜3mol%の範囲で含有して成る圧電磁器組成物が開示されている。
【0005】
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。
【0006】
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を構成する壁を隔壁21とした流路部材28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29と、上記流路部材28の開放端部に接着にて接合されたノズル板27とから成り、上記ノズル板27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26が形成され、上記蓋板29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穴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。
【0007】
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6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28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。
【0008】
【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Pb(Zn1/3 Sb2/3)O3、Pb(Zn1/3 Nb2/3)O3、Pb(Ni1/2 Te1/2)O3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く、加工精度が悪いといった課題があった。
【0009】
この理由は明らかではないが、本件発明者の研究によれば、上記圧電磁器組成物中におけるペロブスカイト型化合物の平均粒子径が小さく緻密であるため、ダイヤモンドホイールによる研削加工を施すと、ダイヤモンドホイールが圧電磁器組成物の研削面と接触する割合が大きく、研削面に大きな応力が加わることから、この応力によって研削面にクラックが発生し、割れやチッピング(欠け)等の欠陥が発生するものと思われる。
【0010】
また、上記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28が上記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に割れやチッピング(欠け)等の欠陥が多く、歩留りが悪いといった課題があった。しかも、仮に研削後に欠陥が目に見えず、そのままヘッド20を製作しても、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を屈曲変位させると、隔壁21には目に見えない欠陥が存在するため、使用中に隔壁21が破損し、インク滴を安定して吐出させることができなくなるといった課題があった。
【0011】
【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、Al23を0.01〜0.06量%、SiO2を0.01〜0.06量%含有し、残部が組成式Pb1-x-ySrxBay(Zn1/3 Sb2/3a(Zn1/3 Nb2/3b(Ni1/2 Te1/2cZrdTi1−a−b−c−d3、ただし、0≦x≦0.10,0≦y≦0.10,0<x+y,0≦a≦0.08,0≦b≦0.04,0≦c≦0.01,0.15<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0.7MPam1/2以上である焼結体により圧電磁器組成物を構成したものである。
【0012】
また、本願発明は、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ものである。
【0013】
【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。
【0014】
本発明の圧電磁器組成物は、副成分としてAl23とSiO2とを含有し、残部が組成式Pb1-x-ySrxBay(Zn1/3 Sb2/3a(Zn1/3 Nb2/3b(Ni1/2 Te1/2cZrdTi1−a−b−c−d3、ただし、0≦x≦0.10,0≦y≦0.10,0<x+y,0≦a≦0.08,0≦b≦0.04,0≦c≦0.01,0.15<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、このペロブスカイト型化合物の平均結晶粒子径が0.6〜7μmであることを特徴とする。
【0015】
副成分として含有するAl23とSiO2 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−Al23を主体とするガラス相を形成するため、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ため、ダイヤモンドホール等による研削加工時に、ダイヤモンドホイ―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することができる。
【0016】
また、上記PbO−SiO2−Al23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強度が大きいため、焼結体の破壊靱性値を高めることができる。
【0017】
そのため、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。
【0018】
ところで、このような効果を得るには、副成分としてAl23とSiO2の両成分を含有させるとともに、Al23を0.01〜0.06量%の範囲で含有し、かつSiO2を0.01〜0.06量%の範囲で含有することが重要である。
【0019】
即ち、副成分がAl23単独では、粒界相の強度がペロブスカイト型化合物よりも大きすぎ、破壊メカニズムが粒界破壊よりも粒内破壊が優先する結果、研削加工時の割れやチッピング(欠け)を低減することができないからであり、また、副成分がSiO2単独では、焼結体の曲げ強度が低く、研削加工時の割れやチッピング(欠け)を低減することができないからである。なお、粒内破壊とは、ペロブスカイト型化合物から成る結晶粒子の内部を破壊が進展することであり、粒界破壊とは焼結体の粒界に沿って破壊が進展すること言う。
【0020】
また、Al23及びSiO2の含有量をそれぞれ0.01〜0.06量%としたのは、Al23又はSiO2の含有量が0.01量%未満であると、ペロブスカイト型化合物の結晶を粒成長させる効果が小さく、研削加工時におけるダイヤモンドホイールとの接触面積が大きいため、研削加工時に作用する応力を低減することができず、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り、逆にAl23又はSiO2の含有量が0.06量%を超えると、ガラス相から成る粒界相の強度が、ペロブスカイト型化合物の強度より大きくなるため、研削面では粒界破壊よりも粒内破壊が支配的となり、研削加工時に割れやチッピング(欠け)等の欠陥を低減することができず、さらに、Al23及びSiO2の含有量がそれぞれ0.06量%を超えると、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。
【0021】
なお、好ましくは、Al23及びSiO2をそれぞれ0.01〜0.04量%の範囲で含有することが良い。
【0022】
また、研削加工時に作用する応力を低減するためには、ペロブスカイト型化合物の平均結晶粒子径が0.6〜7μmの範囲にあることが必要である。
【0023】
即ち、副成分であるAl23及びSiO2を前記範囲で含有したとしても、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、研削時に作用する応力を低減できないからであり、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、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すぎるためである。
【0024】
なお、好ましくは、ペロブスカイト型化合物の平均結晶粒子径を0.6〜5μmとすることが良い。
【0025】
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以上でかつ破壊靱性値が0.7MPam1/2以上であることを特徴とする。
【0026】
ここで、4点曲げ強度を70MPa以上、破壊靱性値を0.7MPam1/2以上としたのは、副成分の含有量及びペロブスカイト型化合物の平均結晶粒子径が、前述した範囲内であっても、焼結体の4点曲げ強度が70MPa未満であったり、破壊靱性値が0.7MPam1/2未満であると、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0.75MPam1/2以上とすることが良い。
【0027】
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、化1の組成式で表されるものが重要である。
【化1】

Figure 0004836307
ここで、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。
【0028】
また、(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としたのは、(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。
【0029】
さらに、(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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
また、本発明の圧電磁器組成物は、Al23及びSiO2から成る副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Fe23やHfO2は0.01量%未満の範囲であれば含んでいても構わない。
【0033】
なお、好ましいペロブスカイト型化合物の含有量としては、99.87量%以上、さらには99.9量%以上、望ましくは99.93〜99.98量%であることが良い。
【0034】
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。
【0035】
まず、出発原料として、基本成分のPb34、ZrO2、TiO2に、SrCO3及び/又はBaCO3と、ZnO、Sb23、NiO、TeO2、Nb24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製作する。次に、この仮焼粉体にそれぞれAl23とSiO2を0.01〜0.06量%の範囲で添加し、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。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。
【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】
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を基に説明する。
【0039】
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8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なる駆動用電極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9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8の開放端部に接着にて接合されたノズル板7とから成り、上記ノズル板7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6を、上記蓋板9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穴4をそれぞれ形成してある。
【0040】
そして、上記流路部材8を形成する圧電磁器組成物を、Al23を0.01〜0.06量%、SiO2を0.01〜0.06量%含有し、残部が組成式Pb1-x-ySrxBay(Zn1/3 Sb2/3a(Zn1/3 Nb2/3b(Ni1/2 Te1/2cZrdTi1−a−b−c−d3、ただし、0≦x≦0.10,0≦y≦0.10,0<x+y,0≦a≦0.08,0≦b≦0.04,0≦c≦0.01,0.15<a+b,0.43≦d≦0.55で示される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0.7MPam1/2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。
【0041】
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6からインク滴を吐出するようになっている。
【0042】
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にそれぞれ負極の電圧を、駆動用電極3a,3d,3g,3jに正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6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なわれ、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。
【0043】
そして、本発明によれば、流路部材8を形成する圧電磁器組成物を前述した焼結体により形成してあるため、隔壁1及び流路2の形成にあたり、ダイヤモンドホイールを用いた研削加工を施しても、研削面である隔壁1の側面に割れやチッピング(欠け)等の欠陥が少ないため、幅100μm以下、高さ150μm〜500μm程度という薄肉の隔壁1を精度良く形成することができ、上記欠陥によって流路2内におけるインクの流れが阻害されることを防止できるため、全てのインク吐出孔からインクを安定して吐出されることができるとともに、隔壁1の屈曲変位によって割れや欠け等が発生することを防止でき、信頼性を高めることができる。
【0044】
なお、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。
【0045】
【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Al23及び/又はSiO2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製作し、その曲げ強度、破壊靱性値、圧電定数dの変化、割れやチッピングの有無を調べる実験を行った。
【0046】
まず、圧電磁器組成物の原料粉末として、Pb34、ZrO2、TiO2、SrCO3、BaCO3と、ZnO、Sb23、NiO、TeO2、Nb25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。
【0047】
次に、得られた仮焼粉体に、表1の範囲でAl23及び/又は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。
【0048】
なお、得られた各圧電磁器組成物の組成を、XRF蛍光分析やICP発光分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。
【0049】
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ホイールは、砥粒粒度#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。
【0050】
その後、隔壁の割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、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d(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た。
【0051】
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は、Al23及びSiO2を添加していない試料の圧電定数d(d15)を100とした場合の相対値で示した。
【0052】
【表1】
Figure 0004836307
【0053】
この結果、表1に見られるように、組成式Pb1-x-ySrxBay(Zn1/3 Sb2/3a(Zn1/3 Nb2/3b(Ni1/2 Te1/2cZrdTi1−a−b−c−d3、ただし、0≦x≦0.10,0≦y≦0.10,0<x+y,0≦a≦0.08,0≦b≦0.04,0≦c≦0.01,0.15<a+b,0.43≦d≦0.55で示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Al23を0.01〜0.06量%、SiO2を0.01〜0.06量%含有して成り、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以上で、かつ破壊靱性値が0.7MPam1/2以上である圧電磁器組成物であれば、Al23及びSiO2の副成分を含有していない従来の圧電磁器組成物と同等あるいはそれ以上の圧電定数dが得られるとともに、研削加工を施しても隔壁に割れがなくかつ大きなチッピングを生じることもなく、研削性に優れることが判る。
(実施例2)次に、表1のうち、試料No.5、9、12、25、35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部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、本発明範囲外のものは、流路部材の隔壁に割れが無いものを用意してヘッドを製作した。
【0054】
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。
【0055】
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は、100Hr経過後、100個のインク吐出孔のうち26個のインク吐出孔からインク滴が吐出されなくなり、試料No.12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、100Hr経過後、100個のインク吐出孔のうち15個のインク吐出孔からインク滴が吐出されなくなった。そこで、試料No.9,12の圧電磁器組成物から成る流路部材を用いたヘッドを切断して隔壁の状況を確認したところ、インク滴が吐出されなかったインク吐出孔と連通する流路を構成する隔壁にクラックや欠け等が見られた。
【0056】
これに対し、試料No.5,25,35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、また、各ヘッドを切断して隔壁の状況を確認したところ、隔壁に欠陥は見られなかった。
【0057】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、Al23を0.01〜0.06量%、SiO2を0.01〜0.06量%含有し、残部が組成式Pb1-x-ySrxBay(Zn1/3 Sb2/3a(Zn1/3 Nb2/3b(Ni1/2 Te1/2cZrdTi1−a−b−c−d3、ただし、0≦x≦0.10,0≦y≦0.10,0<x+y,0≦a≦0.08,0≦b≦0.04,0≦c≦0.01,0.15<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0.7MPam1/2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から、上記ペロブスカイト型化合物から成る従来の圧電磁器組成物と同等又はそれ以上の圧電定数dが得られ、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割れやチッピング(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。
【0058】
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から、隔壁に割れやチッピング(欠け)等の欠陥がなく、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させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の圧電磁器組成物を用いた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するための断面図である。
【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
10,30・・・インクジェット記録ヘッド[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a lead zirconate titanate piezoelectric ceramic composition excellent in grindability without deteriorating a piezoelectric constant d, and an ink jet recording head using the same.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, there are ultrasonic applied vibrators, ultrasonic motors, piezoelectric actuators, and the like that use displacement generated by the piezoelectric effect as a mechanical drive source, and are attracting attention as the mechatronics field advances.
[0003]
For example, the piezoelectric actuator has excellent power consumption and heat generation, excellent response speed, large displacement, small dimensions and weight compared to a conventional electromagnetic actuator in which a coil is wound around a magnetic material. It has the characteristics. As a piezoelectric material constituting these piezoelectric actuators, etc., PbZrOThree-PbTiOThree(Hereafter, Pb (Zr Ti) OThreeThe composition type piezoelectric ceramic composition is used, and it is required that a larger mechanical displacement be obtained. For this purpose, a piezoelectric ceramic composition having a large piezoelectric constant d is desired.
[0004]
As a piezoelectric ceramic composition meeting such a purpose, for example, Pb (ZrTi) OThreeAs a third component, Pb (Mg1/3  Nb2/3) OThree, Pb (Ni1/3  Nb2/3) OThree, Pb (Zn1/3  Nb2/3) OThreeA sintered body made of a perovskite type compound in which at least one of these is dissolved is put into practical use. Japanese Patent Laid-Open No. 5-58729 discloses that the perovskite type compound is a main component and subcomponents are NiO, CuO, Bi for the purpose of improving heat resistance and sintering properties in addition to piezoelectric characteristics.2OThree, WOThreeA piezoelectric ceramic composition containing at least one of the above in a range of 0.01 to 3 mol% is disclosed.
[0005]
On the other hand, in recent years, an ink jet recording apparatus has been used as a recording apparatus that prints color images, character information, and the like at a low running cost, and a piezoelectric actuator is used in an ink jet recording head mounted on the recording apparatus. .
[0006]
As shown in FIG. 3 as an example of a conventional ink jet recording head, the ink jet recording head 20 (hereinafter simply referred to as a head) has a plurality of grooves whose one ends are closed by grinding with a diamond wheel in a piezoelectric ceramic composition. A flow path member 28 in which the grooves are used as the ink flow paths 22 and the walls constituting the flow paths 22 are the partition walls 21, and the driving electrodes formed on the upper halves on both side surfaces of the partition walls 21. 23, a lid plate 29 that is bonded to the top of each partition wall 21 and covers each flow path 22, and a nozzle plate 27 that is bonded to the open end of the flow path member 28. The nozzle plate 27 is formed with an ink discharge hole 26 that communicates with each flow path 22 and discharges ink in the flow path 22, and the lid plate 29 communicates with each flow path 22 and within the flow path 22. Ink supply hole 2 for introducing ink into There were those formed. The arrow indicates the polarization direction of the piezoelectric ceramic composition forming the partition wall 21.
[0007]
In order to eject ink droplets from the head 20, ink is introduced into the flow paths 22 from the ink supply holes 24, and the partition walls 21 are bent and displaced by energizing the drive electrodes 23 provided on the partition walls 21. In order to enhance the ink droplet ejection performance, the ink in the flow path 22 partitioned between the partition walls 21 is pressurized and ink droplets are ejected from the ink ejection holes 6 communicating with the flow path 22. Since it is necessary to increase the mechanical displacement of the partition wall 21, Pb (Zr Ti) O is used as a piezoelectric ceramic composition for forming the flow path member 28.ThreeA composition-type piezoelectric ceramic composition was used.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, in order to obtain a high piezoelectric constant d, Pb (Zr Ti) OThreeFor the composition system, a part of (Zr Ti) is replaced with Pb (Zn1/3  Sb2/3) OThree, Pb (Zn1/3  Nb2/3) OThree, Pb (Ni1/2  Te1/2) OThreeWhen a piezoelectric ceramic composition composed of a perovskite type compound substituted with one or more components among them is subjected to grinding, there is a problem that defects due to bending or chipping (chips) are likely to occur and the processing accuracy is poor.
[0009]
The reason for this is not clear. Since the ratio of the piezoelectric ceramic composition in contact with the ground surface is large and a large stress is applied to the ground surface, this stress will cause cracks in the ground surface, which may cause defects such as cracking and chipping. It is.
[0010]
Further, since the partition wall 21 that partitions the flow path 22 of the ink jet recording head 20 is thin with a width of 100 μm or less and a height of 150 μm or more, the flow path member 28 is a piezoelectric ceramic composition made of the perovskite compound. When the partition wall 21 and the flow path 22 are formed by grinding using a diamond wheel, there is a problem that the partition wall 21 has many defects such as cracks and chipping (chips), resulting in poor yield. Moreover, even if the head 20 is manufactured as it is after grinding, defects are not visible after grinding, and if the partition wall 21 is bent and displaced by energizing the driving electrode 23 to eject ink droplets, Since there is an invisible defect, there is a problem that the partition wall 21 is damaged during use, and ink droplets cannot be ejected stably.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
  Therefore, in view of the above problems, the present invention provides Al.2OThree0.01 to 0.06quality%, SiO20.01 to 0.06quality% By weight, the balance being the composition formula Pb1-xySrxBay(Zn1/3  Sb2/3)a(Zn1/3  Nb2/3)b(Ni1/2  Te1/2)cZrdTi1−a−b−c−dOThreeHowever, 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, consisting of a perovskite compound represented by 0.43 ≦ d ≦ 0.55, the average crystal particle diameter of the perovskite compound is 0.6 to 7 μm, and the four-point bending strength is 70 MPa or more. Toughness value is 0.7 MPam1/2A piezoelectric ceramic composition is constituted by the sintered body described above.
[0012]
In the present invention, a plurality of partition walls, at least a part of which are made of the piezoelectric ceramic composition, are provided side by side, and are formed on both side surfaces of the partition wall, each of which forms an ink channel between the partition walls. An ink jet recording head is composed of a driving electrode, a lid plate joined to the top surface of the partition wall and covering the flow path, and ink discharge holes communicating with the flow paths.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
[0014]
  The piezoelectric ceramic composition of the present invention contains Al as a secondary component.2OThreeAnd SiO2With the balance being the composition formula Pb1-xySrxBay(Zn1/3  Sb2/3)a(Zn1/3  Nb2/3)b(Ni1/2  Te1/2)cZrdTi1−a−b−c−dOThreeHowever, 0 ≦ x ≦ 0.10, 0 ≦ y ≦ 0.10, 0 <x + y, 0 ≦ a ≦ 0.08, 0 ≦ b ≦ 0.04, 0 ≦ c ≦ 0.01, 0.0A sintered body made of a perovskite compound represented by 15 <a + b, 0.43 ≦ d ≦ 0.55, wherein the average crystal particle diameter of the perovskite compound is 0.6 to 7 μm .
[0015]
  Al contained as an accessory component2OThreeAnd SiO2 WhenIs easy to generate a liquid phase at the grain boundary in the sintering stage, and after the sintering is finished, PbO-SiO2-Al2OThreeIn order to form a glass phase mainly composed of the above, it is possible to densify the sintered body at a lower temperature than a piezoelectric ceramic composition not containing these subcomponents, and to grow crystals of the perovskite type compound. Therefore, the contact area between the diamond wheel and the ground surface of the piezoelectric ceramic composition can be reduced during grinding with a diamond hole or the like, and the stress acting on the ground surface can be reduced.
[0016]
In addition, the PbO-SiO2-Al2OThreeSince the glass phase mainly composed of is stronger than the perovskite type compound, the fracture toughness value of the sintered body can be increased.
[0017]
  ThatForThe piezoelectric ceramic composition of the present invention can greatly improve the grindability by improving the fracture toughness value and reducing the contact area with the diamond hole with less cracking and chipping (chipping) during grinding. At the same time, since firing at a low temperature is possible, a special firing furnace is not necessary, and a commonly used firing furnace can be used, which can be manufactured at low cost.
[0018]
  By the way, in order to obtain such an effect, as a secondary component, Al2OThreeAnd SiO2In addition to containing both components, Al2OThree0.01 to 0.06qualityIn a range of% by weight and SiO20.01 to 0.06qualityIt is important to contain in the range of the amount%.
[0019]
That is, the secondary component is Al2OThreeBy itself, the strength of the grain boundary phase is too large compared to the perovskite type compound, and the fracture mechanism gives priority to intragranular fracture over intergranular fracture, so it is not possible to reduce cracking and chipping during chipping And the subcomponent is SiO.2By itself, the bending strength of the sintered body is low, and cracks and chipping (chips) during grinding cannot be reduced. Note that the intragranular fracture means that the fracture progresses inside the crystal grains made of the perovskite type compound, and the intergranular fracture means that the fracture progresses along the grain boundary of the sintered body.
[0020]
  Al2OThreeAnd SiO2Content of 0.01 to 0.06 respectivelyqualityThe amount% is Al2OThreeOr SiO2The content of 0.01qualityIf the amount is less than%, the effect of growing perovskite type compound crystals is small and the contact area with the diamond wheel during grinding is large, so the stress acting during grinding cannot be reduced, and cracks and This is because defects such as chipping (chips) cannot be reduced.2OThreeOr SiO2Content of 0.06qualityIf the amount exceeds 50%, the strength of the grain boundary phase composed of the glass phase becomes greater than the strength of the perovskite type compound, so that the intragranular fracture is more dominant than the grain boundary fracture on the ground surface. Defects such as chipping) cannot be reduced, and Al2OThreeAnd SiO2Content of 0.06 eachqualityThis is because the piezoelectric constant d of the piezoelectric ceramic composition is greatly reduced when the amount is more than%.
[0021]
  Preferably, Al2OThreeAnd SiO20.01 to 0.04 respectivelyqualityIt is good to contain in the range of the amount%.
[0022]
Moreover, in order to reduce the stress which acts at the time of grinding, it is necessary for the average crystal particle diameter of a perovskite type compound to exist in the range of 0.6-7 micrometers.
[0023]
That is, Al which is a subsidiary component2OThreeAnd SiO2Even if the average particle size of the perovskite type compound is less than 0.6 μm, the contact area with the diamond wheel is large during grinding, and the stress acting during grinding cannot be reduced. Conversely, if the average crystal particle size of the perovskite type compound exceeds 7 μm, the chipping size when chipping (chip) occurs is too large.
[0024]
Preferably, the average crystal particle diameter of the perovskite type compound is 0.6 to 5 μm.
[0025]
Furthermore, the piezoelectric ceramic composition of the present invention has a sintered body having a four-point bending strength of 70 MPa or more and a fracture toughness value of 0.7 MPam.1/2It is the above.
[0026]
Here, the 4-point bending strength is 70 MPa or more, and the fracture toughness value is 0.7 MPam.1/2Even if the content of the subcomponent and the average crystal particle diameter of the perovskite type compound are within the above-mentioned range, the four-point bending strength of the sintered body is less than 70 MPa, or the fracture toughness value is 0.7 MPam1/2If it is less than the above, defects such as cracks and chipping (chips) during grinding cannot be reduced, and preferably the 4-point bending strength is 75 MPa or more and the fracture toughness value is 0.75 MPam.1/2It is good to be above.
[0027]
  By the way, it is important that the perovskite type compound constituting the main component of the piezoelectric ceramic composition of the present invention is represented by the composition formula (1).
[Chemical 1]
Figure 0004836307
Here, when the substitution ratio x of Sr and the substitution ratio y of Ba are each larger than 0.10, the heat resistance is drastically reduced, and 0 <x + y is set to either Sr or Ba. This is because the piezoelectric constant d cannot be increased without replacing.
[0028]
  Also, (Zn1/3  Sb2/3) Substitution ratio a exceeds 0.08, or (Zn1/3  Nb2/3This is because when the substitution ratio b of () exceeds 0.04, the heat resistance decreases, and 0.015 <a + b is set to (Zn1/3  Sb2/3) Or (Zn1/3  Nb2/3This is because the piezoelectric constant d cannot be increased unless 0.015 or more is substituted.
[0029]
  further, (Ni1/2  Te1/2This is because the deterioration of the piezoelectric characteristics due to aging at 150 ° C. is significantly increased when the substitution ratio c of () exceeds 0.01.
[0030]
  Pb (Zr Ti) OThreeIn the composition-type piezoelectric ceramic composition, there is MPB (composition phase boundary) indicating the maximum value of the piezoelectric constant d, and Pb (Zr Ti) OThreeOf PbZrOThreeAnd PbTiOThree WhenFor example, when used for a piezoelectric actuator, it is preferable to use a composition value in the vicinity of the MPB, and this MPB depends on the amounts of x, a, b, and c. Therefore, by setting the substitution ratio d to 0.43 ≦ d ≦ 0.55, MPB can be captured within the composition range of x, a, b, and c described above.
[0031]
Thus, by using the perovskite type compound represented by Chemical Formula 1, it is possible not only to improve the piezoelectric constant d, but also to obtain a piezoelectric ceramic composition excellent in heat resistance and durability.
[0032]
  Moreover, the piezoelectric ceramic composition of the present invention contains Al.2OThreeAnd SiO2The remainder other than the subcomponent consisting of is a sintered body substantially composed of a perovskite type compound, but here, the remainder consists essentially of a perovskite type compound, there is no other positively contained, Except for impurities, it means only perovskite type compounds, and Fe contained as impurities2OThreeAnd HfO2Is 0.01qualityIt may be included as long as it is less than the amount%.
[0033]
  The preferable perovskite type compound content is 99.87.quality% Or more, and further 99.9quality% Or more, preferably 99.93 to 99.98qualityIt is good that the amount is%.
[0034]
Next, the manufacturing method of the piezoelectric ceramic composition of this invention is demonstrated.
[0035]
  First, as a starting material, the basic component PbThreeOFour, ZrO2TiO2And SrCOThreeAnd / or BaCOThreeZnO, Sb2OThree, NiO, TeO2, Nb2OFourNext, after dehydrating and drying this mixture, the mixture was calcined at a temperature of 850 to 900 ° C. for 1 to 3 hours to obtain a calcined powder of a perovskite type compound represented by the chemical formula 1 Is produced. Next, each of the calcined powders is made of Al.2OThreeAnd SiO20.01 to 0.06qualityAdd in the range of% by weight, mix and grind with a ball mill or the like. Thereafter, an organic binder (PVA, mobile vinyl, etc.) is added to this pulverized product and kneaded and dried to form granulated powder, and the obtained granulated powder is molded to produce a molded body. At this time, in order to prevent the sintered piezoelectric ceramic composition from being densified and to increase the diameter of voids existing on the surface, the molding pressure is 1 × 10.8N / m2It is good to be above.
[0036]
Thereafter, the obtained molded body is fired in a lead atmosphere for about 1 to 3 hours. At this time, if the firing temperature is less than 1100 ° C., densification is insufficient. The mechanical properties (bending strength and fracture toughness value) of the porcelain composition cannot be in the desired ranges, and if it exceeds 1300 ° C., the average particle size of the perovskite type compound in the piezoelectric ceramic composition is desired. It will be out of range.
[0037]
Therefore, it is preferable to fire in the range of 1100 to 1300 ° C. The piezoelectric ceramic composition of the present invention can be obtained by manufacturing in this way.
[0038]
Next, an ink jet recording head as an application example using the piezoelectric ceramic composition of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0039]
This ink jet recording head 10 includes a plurality of grooves whose ends are closed by grinding with a diamond wheel in a piezoelectric ceramic composition, and each groove serves as an ink flow path 2 and constitutes the flow path 2. Platinum, gold, palladium, rhodium, nickel, formed by film forming means such as a vapor deposition method, a sputtering method, or plating on the flow path member 8 with the wall as the partition wall 1 and the upper half on both sides of each partition wall 1 It consists of a drive electrode 3 made of a metal such as aluminum or an alloy such as platinum-gold, palladium-silver, platinum-palladium, and an insulating material such as ceramics, glass, silicon, etc., and is bonded to the top of each partition wall 1 by adhesion. And a cover plate 9 covering each flow path 2 and a nose made of ceramics, glass, silicon, resin (polyimide resin, etc.), etc., and bonded to the open end of the flow path member 8 by bonding. The nozzle plate 7 communicates with each flow path 2, and ink discharge holes 6 for discharging ink in the flow path 2. The lid plate 9 communicates with each flow path 2. Ink supply holes 4 for introducing ink into the flow path 2 are formed.
[0040]
  And the piezoelectric ceramic composition forming the flow path member 8 is made of Al.2OThree0.01 to 0.06quality%, SiO20.01 to 0.06quality% By weight, the balance being the composition formula Pb1-xySrxBay(Zn1/3  Sb2/3)a(Zn1/3  Nb2/3)b(Ni1/2  Te1/2)cZrdTi1−a−b−c−dOThreeHowever, 0 ≦ x ≦ 0.10, 0 ≦ y ≦ 0.10, 0 <x + y, 0 ≦ a ≦ 0.08, 0 ≦ b ≦ 0.04, 0 ≦ c ≦ 0.01, 0.0The average crystal particle diameter of the perovskite type compound represented by 15 <a + b, 0.43 ≦ d ≦ 0.55 is 0.6 to 7 μm, the four-point bending strength is 70 MPa or more, and the fracture toughness value is 0.7 MPam.1/2The sintered body is formed as described above. The arrow indicates the polarization direction of the piezoelectric ceramic composition forming the partition wall 1.
[0041]
In order to eject ink droplets from the head 10, an ink such as pigment-type oil-based ink, water-based dye ink, or ultraviolet curable ink is introduced into each flow path 2 from the ink supply hole 4, and is formed in the partition wall 1. Ink droplets are ejected from the ink ejection holes 6 by applying a voltage to the driving electrode 3 to bend and displace the partition wall 1 and pressurize the ink in the flow path 2.
[0042]
That is, as shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b), for example, the driving electrodes 3b, 3c and the driving electrodes 3h, 3i are respectively supplied with negative voltages and the driving electrodes 3a, 3d, 3g, 3j. When a positive voltage is applied to the electrode and an electric field is applied in a direction perpendicular to the polarization direction, the partition wall 1 undergoes sliding vibration in a shear mode, and the partition wall 1a and the partition wall 1b are flow channels as shown in FIG. Since the partition walls 1d and 1e are bent and displaced toward the flow path 2d while being bent and displaced toward the 2a side, the ink filled in the flow paths 2a and 2d is pressurized and ink droplets are ejected from the ink ejection holes 6. After that, when the energization to each of the driving electrodes 3a to 3d and 3g to 3j is cut off, the partition walls 1a, 1b, 1d, and 1e that have been bent and displaced return to their original shapes by elastic action, and the flow path 2a , 2d is depressurized, resulting in ink When ink is supplied from the supply hole 4 and a voltage is applied to the driving electrodes 3a to 3d and 3g to 3j with the polarity reversed, the partition walls 1a and 1b flow as shown in FIG. Since the partition walls 1d and 1e are bent and displaced outward with respect to the path 2a, the channels 2a and 2d are further depressurized and filled with ink. When the drive electrodes 3a to 3d and 3g to 3j are de-energized, the partition walls 1a, 1b, 1d, and 1e that have been bent and displaced return to their original shapes due to the elastic action and enter the ejection stage of the next ink droplet. Thus, the ink droplets can be ejected continuously by repeating these operations sequentially.
[0043]
And according to this invention, since the piezoelectric ceramic composition which forms the flow-path member 8 is formed with the sintered compact mentioned above, in the formation of the partition 1 and the flow path 2, the grinding process using a diamond wheel is carried out. Even if applied, since there are few defects such as cracks and chipping (chips) on the side surface of the partition wall 1 which is a grinding surface, the thin partition wall 1 having a width of 100 μm or less and a height of about 150 μm to 500 μm can be accurately formed. Since the ink flow in the flow path 2 can be prevented from being obstructed by the defects, the ink can be stably ejected from all the ink ejection holes, and cracks, chips, etc. are caused by the bending displacement of the partition wall 1. Can be prevented and reliability can be improved.
[0044]
Needless to say, the head 10 according to the present invention is not limited to the structure shown in FIG. 1 and can be changed or improved without departing from the gist of the present invention.
[0045]
【Example】
Example 1
Here, the main component is a perovskite compound represented by the chemical formula of Chemical Formula 1, and Al is used as a subcomponent.2OThreeAnd / or SiO2And a conventional piezoelectric ceramic composition that does not contain the above-mentioned auxiliary components, and its bending strength, fracture toughness value, change in piezoelectric constant d, cracking An experiment was conducted to check the presence or absence of chipping.
[0046]
First, as a raw material powder of a piezoelectric ceramic composition, PbThreeOFour, ZrO2TiO2, SrCOThree, BaCOThreeZnO, Sb2OThree, NiO, TeO2, Nb2OFiveWas prepared, and water was added as a solvent to those weighed so that the molar ratios of the respective metal elements were as shown in Table 1, followed by wet mixing in a ball mill for 20 hours. Next, this mixture was dried and heat treated at 900 ° C. for 3 hours to obtain a calcined powder.
[0047]
Next, the obtained calcined powder was mixed with Al within the range shown in Table 1.2OThreeAnd / or SiO2Is added, water is added as a solvent, and ZrO is added.2Wet and pulverize with a ball mill for 20 hours using a ball made of the product, and then knead the slurry with an organic binder of vinyl and dry it to produce granulated powder, 1.5 × 108N / m2A piezoelectric ceramic composition shown in Table 1 is obtained by forming a plate-like molded body having a size of 100 mm × 100 mm and a thickness of 1.0 mm, degreasing treatment, and firing at a temperature of about 1250 ° C. It was.
[0048]
In addition, when the composition of each obtained piezoelectric ceramic composition was measured by XRF fluorescence analysis or ICP emission spectroscopic analysis, it was composed of the composition ratios shown in Table 1, and there was no composition shift due to firing.
[0049]
Then, gold electrodes were deposited on the upper and lower surfaces of the obtained piezoelectric ceramic composition by vapor deposition, and a DC voltage was applied in the thickness direction of the piezoelectric ceramic composition in 80 ° C. silicon oil for 3 minutes. Polarization treatment was performed in an electric field of 5 kV / mm. Thereafter, using a dicing apparatus, a groove having a groove width of 70 μm, a groove depth of 400 μm, and a pitch of 140 μm is provided. A member was produced. The diamond wheel used for processing was abrasive grain size # 2000 (4 to 8 μm), and grinding was performed under the conditions of a rotational speed of 25000 rpm and a feed rate of 20 mm / second.
[0050]
Thereafter, the presence or absence of cracks or chipping of the partition walls was observed with a binocular microscope, and the average crystal particle diameter of each perovskite type compound forming the piezoelectric ceramic composition was determined by measuring the surface or cross section of the sintered body with an SEM (electron microscope). A photograph is taken, the average crystal grain size is measured by the intercept method, the four-point bending strength is measured according to JIS R1601, the fracture toughness value is measured according to JIS R1607, and the piezoelectric constant d (d15), A strip-shaped sample having a thickness of 0.25 mm, a width of 2.5 mm, and a length of 10 mm was measured by a measuring method based on the standards of the Electronic Industries Association (EMAS).
[0051]
Each result is as shown in Table 1. The piezoelectric constant d15Al2OThreeAnd SiO2The piezoelectric constant d (d15) Is shown as a relative value when 100 is assumed.
[0052]
[Table 1]
Figure 0004836307
[0053]
  As a result, as shown in Table 1, the composition formula Pb1-xySrxBay(Zn1/3  Sb2/3)a(Zn1/3  Nb2/3)b(Ni1/2  Te1/2)cZrdTi1−a−b−c−dOThreeHowever, 0 ≦ x ≦ 0.10, 0 ≦ y ≦ 0.10, 0 <x + y, 0 ≦ a ≦ 0.08, 0 ≦ b ≦ 0.04, 0 ≦ c ≦ 0.01, 0.0The main component is a perovskite compound represented by 15 <a + b, 0.43 ≦ d ≦ 0.55, and Al is used as a subcomponent.2OThree0.01 to 0.06quality%, SiO20.01 to 0.06qualityThe perovskite type compound has an average crystal particle diameter of 0.6 to 7 μm, a four-point bending strength of 70 MPa or more, and a fracture toughness value of 0.7 MPam.1/2If the piezoelectric ceramic composition is the above, Al2OThreeAnd SiO2A piezoelectric constant d equal to or higher than that of a conventional piezoelectric ceramic composition that does not contain the above-mentioned subcomponents can be obtained, and even if grinding is performed, the partition wall is not cracked and large chipping does not occur. It is understood that it is excellent.
(Example 2) Next, in Table 1, sample No. 5, 9, 12, 25, and 35 channel members are used, and driving electrodes made of platinum are formed by sputtering on the upper half of both side surfaces of the partition walls of each channel member, and then ink supply holes are provided. The alumina ceramic lid plate is adhered to the top of the partition wall with an epoxy-based resin so as to block each flow path of the flow path member, and the ink discharge hole communicating with each flow path at the open end of the flow path member A nozzle plate made of polyimide resin provided with was bonded with an epoxy resin to produce a head shown in FIG. In addition, the thing outside the range of this invention prepared the thing without a crack in the partition of a flow-path member, and manufactured the head.
[0054]
Then, ink is filled in the flow path of each head, a voltage of 20 V is applied to the driving electrode for 100 hours to eject ink droplets from the ink ejection holes, and the flying state of the ink droplets at this time is determined using the discharge tube as a light source. Observations were made with a high-speed photography device that was recorded on film.
[0055]
As a result, sample no. In the head outside the range of the present invention formed using the flow path member of No. 9, ink droplets are not ejected from 26 of the 100 ink ejection holes after 100 hours have passed. In a head outside the range of the present invention formed using 12 flow path members, ink droplets were not discharged from 15 of the 100 ink discharge holes after 100 hours had elapsed. Therefore, sample no. When the head using the channel member composed of the piezoelectric ceramic composition of Nos. 9 and 12 was cut and the condition of the partition wall was confirmed, the partition wall constituting the channel communicating with the ink discharge hole where the ink droplet was not discharged cracked. And chipping were observed.
[0056]
In contrast, sample no. The head of the present invention formed using 5, 25, and 35 flow path members can stably eject ink droplets from all 100 ink ejection holes even after 100 hours have passed. When the state of the partition walls was confirmed by cutting, no defects were found in the partition walls.
[0057]
【The invention's effect】
  As described above, according to the present invention, Al2OThree0.01 to 0.06quality%, SiO20.01 to 0.06quality% By weight, the balance being the composition formula Pb1-xySrxBay(Zn1/3  Sb2/3)a(Zn1/3  Nb2/3)b(Ni1/2  Te1/2)cZrdTi1−a−b−c−dOThreeHowever, 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, consisting of a perovskite compound represented by 0.43 ≦ d ≦ 0.55, the average crystal particle diameter of the perovskite compound is 0.6 to 7 μm, and the four-point bending strength is 70 MPa or more. Toughness value is 0.7 MPam1/2Since the piezoelectric ceramic composition is composed of the above sintered body, a piezoelectric constant d equal to or higher than that of the conventional piezoelectric ceramic composition made of the perovskite type compound can be obtained, and a large mechanical displacement is required. In addition, it can be suitably used for a piezoelectric actuator, and even if a grinding process using a diamond wheel is performed, there is no defect such as cracking or chipping, and the grindability can be greatly improved.
[0058]
Also, a plurality of partition walls, at least part of which are made of the piezoelectric ceramic composition, are arranged side by side, and a flow path member is formed between each partition wall as an ink flow path, and driving electrodes respectively formed on both side surfaces of the partition wall. Since the ink jet recording head is composed of a lid plate that is bonded to the top surface of the partition wall and covers the flow path, and an ink discharge hole that communicates with the flow path, the partition wall may be cracked or chipped. Since there is no defect and it is less likely to be damaged by the bending displacement of the partition wall, the ink droplet ejection performance can be improved and the ink droplets can be ejected stably over a long period of time.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partially broken perspective view showing an example of an ink jet recording head using a piezoelectric ceramic composition of the present invention.
2A and 2B are cross-sectional views for explaining the driving principle of the ink jet recording head of the present invention.
FIG. 3 is a partially broken perspective view showing an example of a conventional ink jet recording head.
[Explanation of symbols]
1, 21 ... partition wall 2, 22 ... flow path 3, 23 ... drive electrode
4, 24 ... Ink supply holes 5, 25 ... Ink discharge holes
6, 26 ... Nozzle plate 7, 27 ... Channel member 8, 28 ... Lid plate
10, 30 ... Inkjet recording head

Claims (2)

Al23を0.01〜0.06量%、SiO2を0.01〜0.06量%含有し、残部が組成式Pb1-x-ySrxBay(Zn1/3 Sb2/3a(Zn1/3 Nb2/3b(Ni1/2 Te1/2cZrdTi1−a−b−c−d3、ただし、0≦x≦0.10,0≦y≦0.10,0<x+y,0≦a≦0.08,0≦b≦0.04,0≦c≦0.01,0.15<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0.6〜7μmで、かつ上記焼結体の4点曲げ強度が70MPa以上、破壊靱性値が0.7MPam1/2以上であることを特徴とする圧電磁器組成物。Al 2 O 3 and 0.01 to 0.06 mass%, the SiO 2 containing 0.01 to 0.06 mass%, the balance composition formula Pb 1-xy 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 , provided that 0 ≦ x ≦ 0. 10, 0 ≦ y ≦ 0.10, 0 <x + y, 0 ≦ a ≦ 0.08, 0 ≦ b ≦ 0.04, 0 ≦ c ≦ 0.01,0. A sintered body made of a perovskite compound represented by 015 <a + b, 0.43 ≦ d ≦ 0.55, wherein the perovskite compound has an average crystal particle size of 0.6 to 7 μm and the sintered material A piezoelectric ceramic composition characterized in that a four-point bending strength of a body is 70 MPa or more and a fracture toughness value is 0.7 MPam 1/2 or more. 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、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成るインクジェット記録ヘッドにおいて、記圧電磁器組成物を、Al23を0.01〜0.06量%、SiO2を0.01〜0.06量%含有し、残部が組成式Pb1-x-ySrxBay(Zn1/3 Sb2/3a(Zn1/3 Nb2/3b(Ni1/2 Te1/2cZrdTi1−a−b−c−d3、ただし、0≦x≦0.10,0≦y≦0.10,0<x+y,0≦a≦0.08,0≦b≦0.04,0≦c≦0.01,0.15<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0.6〜7μmで、かつ4点曲げ強度が70MPa以上、破壊靱性値が0.7MPam1/2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。It juxtaposed a plurality of partition walls at least partially formed of a piezoelectric ceramic composition, between the partition wall and the flow path member comprising a flow path of ink, and driving electrodes formed on both sides of the partition, the upper Symbol It is bonded to the top surface of the partition wall, and a cover plate covering the channel, in the ink jet recording head consisting of the respective flow paths communicating with ink discharge hole, the upper Symbol piezoelectric ceramic composition, the Al 2 O 3 0. 01 to 0.06 mass%, the SiO 2 containing 0.01 to 0.06 mass%, the balance composition formula Pb 1-xy 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 , where 0 ≦ x ≦ 0.10, 0 ≦ y ≦ 0 10, 0 <x + y, 0 ≦ a ≦ 0.08, 0 ≦ b ≦ 0.04, 0 ≦ c ≦ 0.01, 0. It consists of a perovskite type compound represented by 015 <a + b, 0.43 ≦ d ≦ 0.55, the average crystal particle diameter of the perovskite type compound is 0.6 to 7 μm, and the four-point bending strength is 70 MPa or more. An ink jet recording head formed of a sintered body having a toughness value of 0.7 MPam 1/2 or more.
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