JP5212106B2 - せん断モード型圧電アクチュエータ及び液滴吐出ヘッド - Google Patents
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Description
本発明は、せん断モード型圧電アクチュエータ及び液滴吐出ヘッドに関する。
従来、圧電磁器組成物としては，鉛を含んだＰＺＴ（ＰｂＴｉＯ3−ＰｂＺｒＯ3）成分系磁器が用いられてきた。前記ＰＺＴは、大きな圧電性を示しかつ高い機械的品質係数を有しており、センサ、アクチュエータ、フィルター等の各用途に要求されるさまざまな特性の材料を容易に作製できるからである。また、前記ＰＺＴは高い比誘電率を有するためコンデンサ等としても利用することができる。
ところが、前記ＰＺＴからなる圧電磁器組成物は、優れた特性を有する一方、その構成元素に鉛を含んでいるため、ＰＺＴを含んだ製品の産業廃棄物から有害な鉛が溶出し、環境汚染を引き起こすおそれがあった。そして、近年の環境問題に対する意識の高まりは、ＰＺＴのように環境汚染の原因となりうる製品の製造を困難にしてきた。そのため、組成物中に鉛を含有しない、一般式｛ＬｉX（Ｋ1-YＮａY）1-X｝（Ｎｂ1-Z-WＴａZＳｂW）Ｏ3で表され、かつｘ〜ｗがそれぞれ０≦ｘ≦０．２、０≦ｙ≦１、０＜ｚ≦０．４、０＜ｗ≦０．２の組成範囲にある化合物を主成分とする圧電磁器組成物が開発されている（特許文献１参照）。
また、特許文献２には、鉛を含有しないペロブスカイト型結晶構造を持つ圧電磁器組成物を主成分とするプッシュ型圧電アクチュエータを用いた液滴吐出ヘッドが開示されている。プッシュ型圧電アクチュエータは、積層型圧電アクチュエータやバイモルフ型圧電アクチュエータのｄ33方向の変位やｄ31方向の変位を利用するものである。また、前記主成分としては、チタン酸バリウム、ニオブ酸カリウム、チタン酸ビスマスナトリウム、ニッケルチタン酸ビスマス、Ｂａ2ＮａＮｂ5Ｏ15、Ｂｉ4Ｔｉ3Ｏ12などが開示されている。
特開２００４−３０００１２号公報
特開２００５−２４６６５６号公報
液滴吐出ヘッドは種々の方式が提案されているが、その一つにせん断モード型圧電アクチュエータを備えた液滴吐出ヘッドがある。
この液滴吐出ヘッドでは、各々が液体吐出用のノズルを有する液体流路が隔壁で隔てられて多数配置され、該隔壁の一部また全体がせん断モード型圧電アクチュエータで構成され、この隔壁の全表面または一部に駆動パルスが印加される電極が形成されている。そして前記電極に駆動パルスを加えることにより、前記隔壁がせん断変形を生じ、前記流路内の圧力を変化させて、前記流路の一端に形成された前記ノズルから液滴が吐出される。
しかしながら、特許文献１及び特許文献２に記載の鉛を含有しない圧電磁器組成物は抗電界が低く、この圧電磁器組成物をせん断モード型圧電アクチュエータとして用いた場合、以下の課題があった。
このせん断モード型圧電アクチュエータでは、圧電アクチュエータの分極方向と垂直に電圧を印加するため、抗電界程度の高い電界をかけると脱分極を起こし、変位性能が大幅に低下する。そのため、抗電界が低い圧電磁器組成物を用いる場合は、電界を印加する隔壁の厚みを一定値以上にしなければならず、ノズル密度を向上させることができなかった。また、隔壁の厚みが厚いと共振周波数が低くなり、駆動周波数が低下するという課題もある。また、隔壁の厚みが厚いと変位効率が低下するという課題もある。
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、鉛を含まず、抗電界が高い圧電磁器組成物を用いたせん断モード型圧電アクチュエータ及び該せん断モード型圧電アクチュエータを備えた液滴吐出ヘッドの提供を目的とするものである。
本発明の上記課題は、以下の構成により達成される。
１．
下記一般式（１）で表される主成分と、固溶体全体量に対して１ｍｏｌ％未満の添加量で添加されている下記一般式（２）で表される副成分との固溶体を含有する圧電磁器組成物を用いたせん断モード型圧電アクチュエータであって、
前記圧電磁器組成物の圧電ｄ １５ 定数は、前記副成分を添加しない場合の圧電ｄ １５ 定数と同等以上であることを特徴とするせん断モード型圧電アクチュエータ。
一般式（１）
｛ＬｉＸ（Ｋ１−ＹＮａＹ）１−Ｘ｝（Ｎｂ１−Ｚ−ＷＴａＺＳｂＷ）Ｏ３
（式中、０≦ｘ≦０．２、０≦ｙ≦１、０＜ｚ≦０．４、０＜ｗ≦０．２）
一般式（２）
ＡＢＯ３
（式中ＡはＢｉを表し、ＢはＦｅ，Ｉｎ，Ｓｃの少なくとも１つを表す）
２．
前記固溶体はペロブスカイト構造を有することを特徴とする前記１に記載のせん断モード型圧電アクチュエータ。
３．
前記１または２に記載のせん断モード型圧電アクチュエータを備えたことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
４．
各々が液滴吐出用のノズルを有する液体流路が隔壁で隔てられて複数配置され、該隔壁の一部また全体が前記せん断モード型圧電アクチュエータで構成されていることを特徴とする前記３に記載の液滴吐出ヘッド。
１．
下記一般式（１）で表される主成分と、固溶体全体量に対して１ｍｏｌ％未満の添加量で添加されている下記一般式（２）で表される副成分との固溶体を含有する圧電磁器組成物を用いたせん断モード型圧電アクチュエータであって、
前記圧電磁器組成物の圧電ｄ １５ 定数は、前記副成分を添加しない場合の圧電ｄ １５ 定数と同等以上であることを特徴とするせん断モード型圧電アクチュエータ。
一般式（１）
｛ＬｉＸ（Ｋ１−ＹＮａＹ）１−Ｘ｝（Ｎｂ１−Ｚ−ＷＴａＺＳｂＷ）Ｏ３
（式中、０≦ｘ≦０．２、０≦ｙ≦１、０＜ｚ≦０．４、０＜ｗ≦０．２）
一般式（２）
ＡＢＯ３
（式中ＡはＢｉを表し、ＢはＦｅ，Ｉｎ，Ｓｃの少なくとも１つを表す）
２．
前記固溶体はペロブスカイト構造を有することを特徴とする前記１に記載のせん断モード型圧電アクチュエータ。
３．
前記１または２に記載のせん断モード型圧電アクチュエータを備えたことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
４．
各々が液滴吐出用のノズルを有する液体流路が隔壁で隔てられて複数配置され、該隔壁の一部また全体が前記せん断モード型圧電アクチュエータで構成されていることを特徴とする前記３に記載の液滴吐出ヘッド。
本発明のせん断モード型圧電アクチュエータによれば、鉛を含まない圧電磁器組成物である｛ＬｉX（Ｋ1-YＮａY）1-X｝（Ｎｂ1-Z-WＴａZＳｂW）Ｏ3（式中、０≦ｘ≦０．２、０≦ｙ≦１、０＜ｚ≦０．４、０＜ｗ≦０．２）にＡＢＯ3ペロブスカイト（式中ＡはＢｉを表し、ＢはＦｅ，Ｉｎ，Ｓｃの少なくとも１つを表す）で表される副成分を固溶体全体量に対して１ｍｏｌ％未満の添加量で添加して固溶させることにより、得られる圧電磁器組成物の抗電界を高めることができる。このことにより、該圧電磁器組成物を用いたせん断モード型圧電アクチュエータに印加する駆動電圧を増加させて、最大変位量を大きくできる。また、せん断モード型圧電アクチュエータの厚みを薄くできるので、アクチュエータの共振周波数が高められ、高周波駆動が可能になる。また、同様にせん断モード型圧電アクチュエータの厚みを薄くできるので、変位効率も向上する。
また、本発明のせん断モード型圧電アクチュエータを備えた液滴吐出ヘッドによれば、該せん断モード型圧電アクチュエータに印加する駆動電圧を増加させて、最大変位量を大きくできる。また、せん断モード型圧電アクチュエータの厚みを薄くできるので、アクチュエータの共振周波数が高められ、高周波駆動が可能になる。また、同様にせん断モード型圧電アクチュエータの厚みを薄くできるので、変位効率も向上する。さらに、せん断モード型圧電アクチュエータを液体流路の隔壁として用いた場合、隔壁の厚みを薄くできるので、ノズル密度を向上させることが可能になる。
１ インクチューブ
２ ノズル形成部材
３ ノズル
４，４−１，４−２・・・４−ｎ インク流路
５，２２−１，２２−２・・・２２−ｎ 側壁
６ カバープレート
７ インク供給口
８ インク排出口
９ 基板
２ ノズル形成部材
３ ノズル
４，４−１，４−２・・・４−ｎ インク流路
５，２２−１，２２−２・・・２２−ｎ 側壁
６ カバープレート
７ インク供給口
８ インク排出口
９ 基板
以下に、本発明に係るせん断モード型圧電アクチュエータ及び該せん断モード型圧電アクチュエータを備えた液滴吐出ヘッドの一実施形態について説明する。
本実施形態におけるせん断モード型圧電アクチュエータは、下記一般式（１）で表される主成分と、固溶体全体量に対して１ｍｏｌ％未満の添加量で添加されている下記一般式（２）で表される副成分との固溶体を含有する圧電磁器組成物を用いたことを特徴とする。
一般式（１）
｛ＬｉX（Ｋ1-YＮａY）1-X｝（Ｎｂ1-Z-WＴａZＳｂW）Ｏ3
（式中、０≦ｘ≦０．２、０≦ｙ≦１、０＜ｚ≦０．４、０＜ｗ≦０．２）
一般式（２）
ＡＢＯ3
（式中ＡはＢｉを表し、ＢはＦｅ，Ｉｎ，Ｓｃの少なくとも１つを表す）
まず、以下に、本発明に係る圧電磁器組成物の一実施形態について説明する。
一般式（１）
｛ＬｉX（Ｋ1-YＮａY）1-X｝（Ｎｂ1-Z-WＴａZＳｂW）Ｏ3
（式中、０≦ｘ≦０．２、０≦ｙ≦１、０＜ｚ≦０．４、０＜ｗ≦０．２）
一般式（２）
ＡＢＯ3
（式中ＡはＢｉを表し、ＢはＦｅ，Ｉｎ，Ｓｃの少なくとも１つを表す）
まず、以下に、本発明に係る圧電磁器組成物の一実施形態について説明する。
以下、各成分について述べる。
本実施形態における主成分は、上記一般式（１）で表される。ここで、ｘ＞０．２、ｚ＞０．４、ｗ＞０．２、ｚ＝０、又はｗ＝０の場合には、圧電定数等の圧電特性及び誘電特性が低下し、所望の特性の圧電磁器組成物を得ることができないおそれがある。
このような主成分は、原料として各金属元素を含む原料を準備し、ボールミル等により十分混合して得られるものである。主成分の原料は、一般に、Ｌｉを含有する化合物としては、Ｌｉ2ＣＯ3、Ｌｉ2Ｏ、ＬｉＮＯ3、ＬｉＯＨ等がある。Ｎａを含有する化合物としては、Ｎａ2ＣＯ3、ＮａＨＣＯ3、ＮａＮＯ3等がある。Ｋを含有する化合物としては、Ｋ2ＣＯ3、ＫＮＯ3、ＫＮｂＯ3、ＫＴａＯ3等がある。また、Ｎｂを含有する化合物としては、Ｎｂ2Ｏ5、Ｎｂ2Ｏ3、ＮｂＯ2等がある。また、Ｔａを含有する化合物としては、Ｔａ2Ｏ5等がある。また、Ｓｂを含有する化合物としては、Ｓｂ2Ｏ5、Ｓｂ2Ｏ3、Ｓｂ2Ｏ4等がある。
主成分は、ペロブスカイト構造（ＡＢＯ3）をとり、Ａサイトの元素構成は、Ｋ，Ｎａ，Ｌｉに相当し、Ｂサイトの元素構成は，Ｎｂ，Ｔａ，Ｓｂに相当する。
ペロブスカイト構造の組成式においては、Ａサイトを構成する原子とＢサイトを構成する原子が１：１となる化学量論比のとき、完全なペロブスカイト構造となるが、圧電磁器組成物の場合には、特にＫ，Ｎａ，Ｌｉ，Ｓｂが焼成工程等で数％揮発したり、また全構成元素が混合粉砕や造粒工程等にて数％変動することがある。即ち、製法のバラツキにより、化学量論組成からの変動が起こる場合がある。
このような製造工程上の組成変動への対応として、意図的に配合組成比を変えることにより、焼成後の圧電磁器組成物の組成比を、±数％、より具体的には±３〜５％程度変動させることができる。このことは、例えば従来のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）の場合でも同様であり、焼成時の鉛の蒸発や、粉砕メディアであるジルコニアボールからのジルコニアの混入を考慮して配合比を調整することができる。
本実施形態における主成分を含有する圧電磁器組成物においては、このように意図的に配合組成比を変えても、圧電特性等の電気的特性は大きく変化しない。そこで、本発明においては、主成分をペロブスカイト構造の組成式ＡＢＯ3にあてはめたときに，Ａサイト原子とＢサイト原子の構成比を１：１に対してそれぞれ±５ｍｏｌ％程度までずれた構成比とすることができる。なお、構成される結晶中の格子欠陥をより少なくし、高い電気的特性を得るためには、好ましくは±３％程度までずれた構成比をとる組成がよい。即ち、主成分は、一般式｛ＬｉX（Ｋ1-YＮａY）1-X｝ａ（Ｎｂ1-Z-WＴａZＳｂW）ｂＯ3で表される構成において、０．９５≦ａ，ｂ≦１．０５、好ましくは０．９７≦ａ，ｂ≦１．０３である。
また、前記一般式で表される主成分においては、０＜ｘ≦０．２とすることが好ましい。このことにより、Ｌｉが必須成分となるので、得られる圧電磁器組成物は、その焼成を一層容易に行うことができると共に、圧電特性をより向上させ、キュリー温度Ｔｃを一層高くすることができる。これはＬｉを前記の範囲内において必須成分とすることにより、焼成温度が低下すると共に、Ｌｉが焼成助剤の役割を果たし、空孔の少ない焼成を可能とするからである。
また、前記一般式で表される主成分においては、ｘ＝０とすることもできる。この場合、主成分は（Ｋ1-YＮａY）（Ｎｂ1-Z-WＴａZＳｂW）Ｏ3で表される。このような主成分を含有する圧電磁器組成物は、その原料中に例えばＬｉ２ＣＯ3のように、最も軽量なＬｉを含有してなる化合物を含まないので、原料を混合し前記圧電磁器組成物を作製するときに原料粉の偏析による特性のばらつきを小さくすることができる。また、高い比誘電率εｒと比較的大きな圧電定数を実現できる。
また、得られる圧電磁器組成物の圧電定数及び電気機械結合係数を一層向上させるためには、０≦ｙ≦０．８５であることが好ましく、０．０５≦ｙ≦０．７５、さらには０．３５≦ｙ≦０．６５がより好ましい。また、最も好ましくは０．４２≦ｙ≦０．６０である。
また、前記一般式で表される主成分においては、ｙ＝０とすることができる。この場合、主成分にＮａが含まれず、得られる圧電磁器組成物の誘電損失及び誘電損失の長期安定性を向上させることができる。
また、前記一般式で表される主成分においては、ｚ＋ｗ≦０．３７であることが好ましい。この場合、圧電定数等の圧電特性を一層向上させることができる。
次に、本実施形態における副成分について説明する。
本実施形態における副成分は、一般式ＡＢＯ3であり、Ａ及びＢが＋３価の金属元素であるＡＢＯ3型ペロブスカイト化合物である。また、副成分におけるＡはＢｉ元素であり、
ＢはＦｅ，Ｉｎ，Ｓｃの少なくとも１つの元素を含む。副成分の添加量は、圧電磁器組成物の焼成工程において緻密な焼結体を得るために、添加後の成分全体量（主成分＋副成分）１００ｍｏｌに対して１ｍｏｌ未満とする。
ＢはＦｅ，Ｉｎ，Ｓｃの少なくとも１つの元素を含む。副成分の添加量は、圧電磁器組成物の焼成工程において緻密な焼結体を得るために、添加後の成分全体量（主成分＋副成分）１００ｍｏｌに対して１ｍｏｌ未満とする。
前記一般式（２）で表される副成分は、ＡＢＯ3型のペロブスカイト化合物を構成する化合物を主成分に添加しても良く、主成分と混合する工程においてＡＢＯ3型のペロブスカイト化合物となる原料を組み合わせて添加することとしても良い。予めＡＢＯ3型のペロブスカイト構造を構成する化合物としては、ＢｉＩｎＯ3、ＢｉＦｅＯ3、ＢｉＳｃＯ3等が挙げられる。
また、混合工程においてＡＢＯ3型のペロブスカイト化合物となる原料としては、Ｂｉを含有する化合物としては、Ｂｉ2Ｏ3、Ｉｎを含有する化合物としては、Ｉｎ2Ｏ3、Ｓｃを含有する化合物としては、Ｓｃ2Ｏ3、Ｆｅを含有する化合物としてはＦｅ2Ｏ3が挙げられる。このような原料は、９９％以上の高純度のものが好ましい。
また、本実施形態の副成分はＡＢＯ3型のペロブスカイト化合物であって、Ａサイトを構成する原子がＢｉであり、Ｂサイトを構成する原子はＦｅ，Ｉｎ，Ｓｃの少なくとも１つであり、一種の金属元素に限られず、二種以上の金属元素を組み合わせて構成することとしても良い。
さらに、副成分の原料はＡＢＯ3となるようにＡサイトを構成する原子とＢサイトを構成する原子を１：１の化学量論比で配合しても良く、Ｂｉのような金属元素が焼成工程の際に揮発すること等の製法のバラツキを考慮して数％変動させても良い。
次に、本実施形態の圧電磁器組成物の製造方法について説明する。圧電磁器組成物の製造方法としては、特に制限は無いが、固相熱化学反応による製造方法について説明する。
まず、主成分の原料を準備し、十分に乾燥させる。乾燥後の各原料を化学量論比に基づいて秤量し、ボールミル等により混合、乾燥させる。続いて、この混合物を７００〜１０００℃程度で仮焼し、原料を分解するとともに固相熱化学反応により固溶体化する。得られた仮焼後の混合物を中心粒径５μｍ程度の微粒子に湿式粉砕し、乾燥して主成分仮焼粉とする。
一方、副成分の原料を準備し、十分に乾燥させる。乾燥後の各原料を一般式ＡＢＯ3となるような化学量論比に基づいて秤量し、湿式混合させて副成分混合粉とする。
そして、主成分仮焼粉と副成分混合粉を、一般式［｛ＬｉX（Ｋ1-YＮａY）1-X｝（Ｎｂ1-Z-WＴａZＳｂW）Ｏ3］1-V（ＡＢＯ3）Vにおいて０＜Ｖ＜０．０１となるように配合する。配合したものをボールミル等により十分混合、乾燥して混合物を作製する。
そして、得られた混合物を７００〜８００℃程度にて仮焼した後、仮焼後の混合物を粉砕する。粉砕したものに有機質の粘結剤（バインダー等）を添加し、造粒して加圧成形を行う。加圧成形は、造粒した粉砕物を一軸プレス成形等によりペレット状に成形したものを、さらに冷間等方圧プレス（ＣＩＰ）等により再成形するのが好ましい。
このようにして得られた成形体を、１０００〜１３００℃程度にて焼成し、焼成体を作製する。得られた焼成体を所定のサイズに切断、平行研磨した後、試料の両面にスパッタ法等により電極を形成する。そして、８０〜１５０℃程度のシリコーンオイル中において１〜６ｋＶ／ｍｍの直流電圧を電極間に印加し、厚み方向に分極を施して圧電磁器組成物が作製される。
以上のように、本実施形態の圧電磁器組成物によれば、副成分として二種以上の金属元素を、ペロブスカイト構造をとるようなＡＢＯ3（ＡはＢｉ、ＢはＦｅ，Ｉｎ，Ｓｃの少なくとも１つ）で表される組合せで添加することにより、得られる圧電磁器組成物の抗電界を顕著に高めることができる。抗電界が高くなる理由としては、ＢｉはＢｉ2Ｏ3単独で添加すると＋５価となりＢサイトに置換されやすいが、ペロブスカイト構造をとることが知られているＡＢＯ3（例えば、ＢｉＦｅＯ3）の組合せで添加すると＋３価となりＡサイトに置換されやすいためであると考えられる。
このような圧電磁器組成物を用いたせん断モード型圧電アクチュエータによれば、せん断モード型圧電アクチュエータに印加する駆動電圧を増加させて、最大変位量を大きくできる。また、せん断モード型圧電アクチュエータの厚みを薄くできるので、アクチュエータの共振周波数が高められ、高周波駆動が可能になる。また、同様にせん断モード型圧電アクチュエータの厚みを薄くできるので、変位効率も向上する。
以下、本発明のせん断モード型圧電アクチュエータを液滴吐出ヘッドに適用した場合を例に挙げて説明する。
以下、上記圧電磁器組成物をせん断モード型圧電アクチュエータとして用いた、本発明に係る液滴吐出ヘッドの第１実施形態について図１ないし図３を参照して説明する。なお、図１は、本発明の第１実施形態の液滴吐出ヘッドの構成を示す図である。図２は、本発明の第１実施形態のマルチノズル液滴吐出ヘッドの構成を示す図である。
図３は、図１，図２に示す液滴吐出ヘッドの動作を示す図である。
本実施形態の液滴吐出ヘッドでは、各々が液体吐出用のノズルを有する液体流路が隔壁で隔てられて多数配置され、該隔壁の一部また全体がせん断モード型圧電アクチュエータで構成され、この隔壁の全表面または一部に駆動パルスが印加される電極が形成されている。そして前記電極に駆動パルスを加えることにより、前記隔壁がせん断変形を生じ、前記流路内の圧力を変化させて、前記流路の一端に形成された前記ノズルから液滴が吐出される。
図１〜図３において、１は液体チューブ、２はノズル形成部材、３はノズル、４は液体流路、５は圧電隔壁（せん断モード型圧電アクチュエータ）、６はカバープレート、７は液体供給口、８は共通インク室、９は基板、１０、１１は電極である。そして、液体流路４は圧電隔壁５とカバープレート６及び基板９によって形成されている。
まず、板状に成形して焼成し、厚み方向に分極した前記圧電磁器組成物を２枚用意する。基板９と互いに分極方向が異なるように重ね合わせた２枚の圧電磁器組成物とを接着剤１００を介して上下に貼り合わせ、その上側からダイヤモンドブレード等により溝状の複数の液体流路４が全て同じ形状で平行に切削加工する。これにより隣接する液体流路４は、矢印の方向に分極された圧電隔壁（せん断モード型圧電アクチュエータ）５によって区画される。そして、圧電隔壁５にめっき法あるいは気相堆積法により電極１０，１１を形成した後、上面にカバープレート６を接着し、さらに前面にノズル形成部材２を接着する。
図１には一個の液体流路と一個のノズルを有する液滴吐出ヘッドが示されているが、実際の液滴吐出ヘッドでは、図２（ａ）に示すようにカバープレート６と基板９の間に複数の圧電隔壁５で隔てられた液体流路４が多数並列に形成され、液体流路４の一端はノズル形成部材２に形成されたノズル３につながり、液体流路４の他端の液体供給口７は、共通インク室８を経て、液体チューブ１によって図示されていない液体タンクに接続されている。圧電隔壁５に密着形成された電極１０とアース電極１１の間には駆動パルス電圧が印加される。
図２（ａ）に於いて、圧電隔壁５は矢印で示すように分極方向が異なる２個の圧電隔壁（せん断モード型圧電アクチュエータ）５Ａと５Ｂとから構成されている。図２（ａ）に示すように、この電極１０に駆動パルスが印加されない時は圧電隔壁５Ａ，５Ｂは変形しない。しかし図２（ｂ）、図３に示すように電極１０に駆動パルスが印加されると圧電隔壁の分極方向に直角な方向の電界により、せん断応力が生じ、圧電隔壁５Ａ、５Ｂとも圧電隔壁の接合面にズリ変形を生じ、それにより液体流路４の圧力変化によって液体流路４を満たしている液体を一部ノズル３から吐出する。この時の、圧電隔壁の平均変位量Δ及び発生圧力Ｐは、
Δ＝（圧電ｄ15定数）×Ｈ×Ｖ／（４Ｔ）
Ｐ＝（圧電ｄ15定数）×Ｈ×Ｖ／（２ＴＷ（１／Ｂ）＋（１／Ｓ）（ｄＳ／ｄＰ））
ここで、図３に示すように、Ｈは液体流路４の深さ、Ｗは液体流路４の幅、Ｖは駆動パルス電圧、Ｔは圧電隔壁５の厚さ、Ｂは液体の体積弾性率、Ｓは流体流路４の断面積である。
Δ＝（圧電ｄ15定数）×Ｈ×Ｖ／（４Ｔ）
Ｐ＝（圧電ｄ15定数）×Ｈ×Ｖ／（２ＴＷ（１／Ｂ）＋（１／Ｓ）（ｄＳ／ｄＰ））
ここで、図３に示すように、Ｈは液体流路４の深さ、Ｗは液体流路４の幅、Ｖは駆動パルス電圧、Ｔは圧電隔壁５の厚さ、Ｂは液体の体積弾性率、Ｓは流体流路４の断面積である。
また、液滴吐出後のノズルへの液体供給は、ノズルの毛細管現象による力によって液体タンクから液体供給口と流路４を経てノズルへ供給される。
この液滴吐出ヘッドにおける圧電隔壁５は、下記一般式（１）で表される主成分と、固溶体全体量に対して１ｍｏｌ％未満の添加量で添加されている下記一般式（２）で表される副成分との固溶体を含有する圧電磁器組成物を用いている。
一般式（１）
｛ＬｉX（Ｋ1-YＮａY）1-X｝（Ｎｂ1-Z-WＴａZＳｂW）Ｏ3
（式中、０≦ｘ≦０．２、０≦ｙ≦１、０＜ｚ≦０．４、０＜ｗ≦０．２）
一般式（２）
ＡＢＯ3
（式中ＡはＢｉを表し、ＢはＦｅ，Ｉｎ，Ｓｃの少なくとも１つを表す）
本実施形態のような抗電界が高い圧電磁器組成物を圧電隔壁（せん断モード型圧電アクチュエータ）として用いることにより、該圧電隔壁に印加する駆動電圧を増加させて、最大変位量を大きくできる。また、圧電隔壁の厚みを薄くできるので、圧電隔壁の共振周波数が高められ、高周波駆動が可能になる。また、同様に圧電隔壁の厚みを薄くできるので、前述の圧電隔壁の平均変位量Δの式から明らかなように変位効率も向上する。さらに、圧電隔壁の厚みを薄くできるので、ノズルピッチＰ（図２参照）を狭めることができ、ノズル密度を向上させることが可能になる。
一般式（１）
｛ＬｉX（Ｋ1-YＮａY）1-X｝（Ｎｂ1-Z-WＴａZＳｂW）Ｏ3
（式中、０≦ｘ≦０．２、０≦ｙ≦１、０＜ｚ≦０．４、０＜ｗ≦０．２）
一般式（２）
ＡＢＯ3
（式中ＡはＢｉを表し、ＢはＦｅ，Ｉｎ，Ｓｃの少なくとも１つを表す）
本実施形態のような抗電界が高い圧電磁器組成物を圧電隔壁（せん断モード型圧電アクチュエータ）として用いることにより、該圧電隔壁に印加する駆動電圧を増加させて、最大変位量を大きくできる。また、圧電隔壁の厚みを薄くできるので、圧電隔壁の共振周波数が高められ、高周波駆動が可能になる。また、同様に圧電隔壁の厚みを薄くできるので、前述の圧電隔壁の平均変位量Δの式から明らかなように変位効率も向上する。さらに、圧電隔壁の厚みを薄くできるので、ノズルピッチＰ（図２参照）を狭めることができ、ノズル密度を向上させることが可能になる。
また、その組成中に鉛を含有しないので、廃棄物等から有害な鉛が自然界に流出することが無く、安全性が高い鉛フリーの圧電磁器組成物とすることができる。
以下、上記圧電磁器組成物をせん断モード型圧電アクチュエータとして用いた、本発明に係る液滴吐出ヘッドの第２実施形態について図４ないし図６を参照して説明する。なお、図４は、本発明の第２実施形態の液滴吐出ヘッドの構成を示す図である。図５は、図４に示す液滴吐出ヘッドの斜視図である。図６は、図４，図５に示す液滴吐出ヘッドの動作を示す図である。
本実施形態の液滴吐出ヘッドでは、ノズルを備えた液体流路が隔壁により隔てられて複数設けられた液滴吐出ヘッドにおいて、前記液体流路は二つの前記隔壁と、該二つの隔壁を連結する壁及び前記ノズルが形成された壁により形成され、前記連結する壁の少なくとも一つをせん断モード型圧電アクチュエータで構成し、この圧電アクチュエータの全表面または一部に駆動パルスが印加される電極が形成されている。そして前記電極に駆動パルスを加えることにより、前記圧電アクチュエータがせん断変形を生じ、前記流路内の圧力を変化させて、前記流路の一端に形成された前記ノズルから液滴が吐出される。
図４〜図６において、２１−１，２１−２はカバープレートを兼ねたせん断モード型圧電アクチュエータ、３はノズル、４−１，４−２は液体流路、９は基板、１０は駆動パルスが印加される電極、１１はアース電極、２２−１，２２−２は側壁である。側壁２２−１，２２−２は基板９上に一体の材料で形成されている。
図４には２個の液体流路４−１，４−２が示されているが、実際の液滴吐出ヘッドでは必要な数の液体流路４−１，４−２・・・４−ｎが設けられる。図４に示すように例えば、液体流路４−１は基板９と、側壁２２−１，２２−２と、せん断モード型圧電アクチュエータ２１−１とで形成される。基板９、側壁２２−１等は、セラミック、ガラス等の材料で構成され、エッチング等の工程で液体流路４−１，４−２・・・４−ｎが形成される。
せん断モード型圧電アクチュエータ２１−１，２１−２はそれぞれ矢印で示すように分極方向が異なる、即ち、分極方向が互いに反対な２個のせん断モード型圧電アクチュエータ２１Ａと２１Ｂとから構成されている。せん断モード型圧電アクチュエータ２１Ａ，２１Ｂには、その下面に駆動パルスが印加される電極１０が、その上面にアース電極１１が形成されることにより、駆動パルスによって作動するせん断モード型圧電アクチュエータ２１−１，２１−２が構成される。図４はこの電極１０に駆動パルスを印加しない状態を示しており、せん断モード型圧電アクチュエータ２１−１，２１−２は変形しない。図６に示すように電極１０に駆動パルスを印加すると第１の実施形態と同様にせん断モード型圧電アクチュエータの分極方向に直角な方向の電界により、せん断モード型圧電アクチュエータ２１−１，２１−２ともに接合面にズリ変形を生じ、液体流路４−１，４−２内の液体に圧力が加えられる。液体流路４−１，４−２を満たしている液体を一部ノズル３から吐出する。
この液滴吐出ヘッドにおけるせん断モード型圧電アクチュエータ２１−１，２１−２は、
下記一般式（１）で表される主成分と、固溶体全体量に対して１ｍｏｌ％未満の添加量で添加されている下記一般式（２）で表される副成分との固溶体を含有する圧電磁器組成物を用いている。
一般式（１）
｛ＬｉX（Ｋ1-YＮａY）1-X｝（Ｎｂ1-Z-WＴａZＳｂW）Ｏ3
（式中、０≦ｘ≦０．２、０≦ｙ≦１、０＜ｚ≦０．４、０＜ｗ≦０．２）
一般式（２）
ＡＢＯ3
（式中ＡはＢｉを表し、ＢはＦｅ，Ｉｎ，Ｓｃの少なくとも１つを表す）
本実施形態のような抗電界が高い圧電磁器組成物をせん断モード型圧電アクチュエータとして用いることにより、該せん断モード型圧電アクチュエータに印加する駆動電圧を増加させて、最大変位量を大きくできる。また、せん断モード型圧電アクチュエータの厚みを薄くできるので、せん断モード型圧電アクチュエータの共振周波数が高められ、高周波駆動が可能になる。また、同様にせん断モード型圧電アクチュエータの厚みを薄くできるので、変位効率も向上する。
下記一般式（１）で表される主成分と、固溶体全体量に対して１ｍｏｌ％未満の添加量で添加されている下記一般式（２）で表される副成分との固溶体を含有する圧電磁器組成物を用いている。
一般式（１）
｛ＬｉX（Ｋ1-YＮａY）1-X｝（Ｎｂ1-Z-WＴａZＳｂW）Ｏ3
（式中、０≦ｘ≦０．２、０≦ｙ≦１、０＜ｚ≦０．４、０＜ｗ≦０．２）
一般式（２）
ＡＢＯ3
（式中ＡはＢｉを表し、ＢはＦｅ，Ｉｎ，Ｓｃの少なくとも１つを表す）
本実施形態のような抗電界が高い圧電磁器組成物をせん断モード型圧電アクチュエータとして用いることにより、該せん断モード型圧電アクチュエータに印加する駆動電圧を増加させて、最大変位量を大きくできる。また、せん断モード型圧電アクチュエータの厚みを薄くできるので、せん断モード型圧電アクチュエータの共振周波数が高められ、高周波駆動が可能になる。また、同様にせん断モード型圧電アクチュエータの厚みを薄くできるので、変位効率も向上する。
また、その組成中に鉛を含有しないので、廃棄物等から有害な鉛が自然界に流出することが無く、安全性が高い鉛フリーの圧電磁器組成物とすることができる。
また、本発明の液滴吐出ヘッドは、インクジェットプリンタ等に用いるインクジェットヘッドだけでなく、例えば、電子回路の形成や液晶ディスプレイ用のカラーフィルタの製造、有機ＥＬディスプレイの製造といった工業用途にも、広く利用することができる。
以下、本発明の実施例にかかる圧電磁器組成物を製造し、その特性を評価した。
以下、製造方法について詳細に説明する。
まず、圧電磁器組成物の主成分の原料として、純度９９％以上の高純度のＬｉ2ＣＯ3、Ｎａ2ＣＯ3、Ｋ2ＣＯ3、Ｎｂ2Ｏ5、Ｔａ2Ｏ5、Ｓｂ2Ｏ5を準備した。これらの原料を十分乾燥させ、前記一般式｛ＬｉX（Ｋ1-YＮａY）1-X｝（Ｎｂ1-Z-WＴａZＳｂW）Ｏ3において、ｘ＝０．０４、ｙ＝０．５２、ｚ＝０．１、ｗ＝０．０６となるような化学量論比、即ち前記一般式が｛Ｌｉ0.04（Ｋ0.48Ｎａ0.52）0.96｝（Ｎｂ0.8４Ｔａ0.1Ｓｂ0.06）Ｏ3となるような化学量論比にて配合した。
そして、配合した原料をボールミルにより無水アセトン中で２４時間混合、乾燥して混合物を作製した。
次に、この混合物を７５０℃にて５時間仮焼し、この仮焼後の混合物をボールミルにて２４時間粉砕した。この粉砕した混合物を乾燥し、主成分仮焼粉とした。
一方、副成分としての純度９９％以上の高純度のＢｉ2Ｏ3、Ｆｅ2Ｏ3、Ｓｃ2Ｏ3、Ｉｎ2Ｏ3を準備した。これらの原料を前記一般式ＡＢＯ3（Ａ＝Ｂｉ、Ｂ＝Ｆｅ，Ｓｃ，Ｉｎのいずれか１つ）となるような化学量論比、即ち前記一般式がＢｉＩｎＯ3、ＢｉＳｃＯ3、ＢｉＦｅＯ3となるような化学量論比にて配合し、副成分混合粉とした。
主成分仮焼粉と副成分混合粉を、前記一般式（｛Ｌｉ0.04（Ｋ0.48Ｎａ0.52）0.96｝（Ｎｂ0.8４Ｔａ0.1Ｓｂ0.06）Ｏ3）1-V（ＡＢＯ3）Vにおいて、ｖ＝０．００２、０．００４、０．００６、０．０１となるような化学量論比にてそれぞれ配合した。
表１に示すように、得られた圧電磁器組成物は、副成分の添加されていないものを試料Ｎｏ．１とした。副成分としてＢｉＩｎＯ3が添加されているものを、添加量が０．２ｍｏｌ％、０．４ｍｏｌ％、０．６ｍｏｌ％、１ｍｏｌ％の順に試料ＮＯ．２、ＮＯ．３、ＮＯ．４、Ｎｏ．５とした。同様に、副成分としてＢｉＳｃＯ3が添加されているものを、添加量の順に試料ＮＯ．６〜ＮＯ．９とし、ＢｉＦｅＯ3が添加されているものを、添加量の順に試料ＮＯ．１０〜ＮＯ．１３とした。
また、表２に示すように、前記式｛Ｌｉ0.2（Ｋ0.5Ｎａ0.5）0.8｝（Ｎｂ0.84Ｔａ0.1Ｓｂ0.06）Ｏ3において、副成分の添加されていないものを試料Ｎｏ．１４とした。同様に、副成分としてＢｉＦｅＯ３が添加されているものを、添加量の順に試料ＮＯ．１５〜ＮＯ．１８とした。また、前記式｛Ｌｉ0.1（Ｋ0.5Ｎａ0.5）0.９｝（Ｎｂ0.６4Ｔａ0.３Ｓｂ0.06）Ｏ3において、副成分の添加されていないものを試料Ｎｏ．１９とした。副成分としてＢｉＦｅＯ３が０．６ｍｏｌ％添加されているものを、試料ＮＯ．２０とした。
それぞれ配合した圧電磁器組成物をボールミルにより無水アセトン中で２４時間混合、乾燥して混合物を作製した。
次に、この混合物を７００〜８００℃にて５時間仮焼し、この仮焼後の混合物をボールミルにて２４時間粉砕した。続いて、バインダーとしてポリビニールブチラールを添加し、造粒し加圧成形を行った。加圧成形は、造粒した粉砕物を一軸プレス成形によりペレット状に成形したものを、さらに冷間等方圧プレス（ＣＩＰ）により１ｔｏｎ／ｃｍ2の圧力で再成形した。
このようにして得られた成形体を１０００〜１３００℃にて１時間焼成し、焼成体を作製した。なお、このときの焼成温度は、１０００〜１３００℃の間で最大密度になる温度を選定した。ここで、前記式｛Ｌｉ0.04（Ｋ0.48Ｎａ0.52）0.96｝（Ｎｂ0.8４Ｔａ0.1Ｓｂ0.06）Ｏ3において、副成分の添加量が１ｍｏｌ％のものは、緻密な焼結体が得られなかった。
また、得られた焼結体について粉末Ｘ線解析（ＸＲＤ）により結晶相の同定を行った。本発明の圧電磁気組成物からなる焼結体は、回折ピークがペロブスカイト構造単相であり、かつ、副成分の添加量に伴って連続的にシフトしていたことから固溶体の生成が確認された。
次に、得られた焼成体を所定のサイズに切断し、厚さ０．５ｍｍ程度まで平行研磨した後、試料の両面にスパッタ法により金電極を設けた。そして、８０〜１５０℃のシリコーンオイル中にて１〜６ｋＶ／ｍｍの直流電圧を１０分間、電極間に印加し、厚み方向に分極を施して圧電磁器組成物を作製した。
次に、試料Ｎｏ．１〜Ｎｏ．２０について、圧電ｄ15定数、抗電界Ｅｃを測定した。ここで、圧電ｄ15定数は、インピーダンスアナライザー（Ａｇｉｌｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社製 ４２９４Ａ）を用いて共振−反共振法により測定した。
抗電界Ｅｃは、以下の方法で測定した。Ｐ−Ｅヒステリシスを、強誘電体特性評価システム（Ｒａｄｉａｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社製）を用いて室温で測定した。各試料に１ｋｖ、２ｋｖ、３ｋｖ、４ｋｖ及び５ｋｖの電圧を印加して得られたヒステリシス曲線から、分極量がゼロのときの電界強度を求め、抗電界Ｅｃとした。その結果を表１、表２に示す。
表１、表２からわかるように、本発明の圧電磁器組成物は、圧電ｄ15定数がほぼ変わらず、抗電界Ｅｃが高くなる。このことにより、該圧電磁器組成物を用いたせん断モード型圧電アクチュエータに印加する駆動電圧を増加させて、最大変位量を大きくできる。また、せん断モード型圧電アクチュエータの厚みを薄くできるので、アクチュエータの共振周波数が高められ、高周波駆動が可能になる。また、同様にせん断モード型圧電アクチュエータの厚みを薄くできるので、変位効率も向上する。
また、本発明のせん断モード型圧電アクチュエータを備えた液滴吐出ヘッドによれば、該せん断モード型圧電アクチュエータに印加する駆動電圧を増加させて、最大変位量を大きくできる。また、せん断モード型圧電アクチュエータの厚みを薄くできるので、アクチュエータの共振周波数が高められ、高周波駆動が可能になる。また、同様にせん断モード型圧電アクチュエータの厚みを薄くできるので、変位効率も向上する。さらに、せん断モード型圧電アクチュエータを液体流路の隔壁として用いた場合、隔壁の厚みを薄くできるので、ノズル密度を向上させることが可能になる。
特に、前記式｛Ｌｉ0.04（Ｋ0.48Ｎａ0.52）0.96｝（Ｎｂ0.8４Ｔａ0.1Ｓｂ0.06）Ｏ3において、副成分としてＢｉＦｅＯ3を添加した試料Ｎｏ．１０〜１２においては、圧電ｄ15定数がほぼ変わらず、抗電界Ｅｃがさらに高くなる。このことにより、該圧電磁器組成物を用いたせん断モード型圧電アクチュエータに印加する駆動電圧をより増加させて、最大変位量をより大きくできる。また、せん断モード型圧電アクチュエータの厚みをより薄くできるので、アクチュエータの共振周波数がより高められ、より高周波駆動が可能になる。また、同様にせん断モード型圧電アクチュエータの厚みをより薄くできるので、変位効率もより向上する。
また、本発明のせん断モード型圧電アクチュエータを備えた液滴吐出ヘッドによれば、該せん断モード型圧電アクチュエータに印加する駆動電圧をより増加させて、最大変位量をより大きくできる。また、せん断モード型圧電アクチュエータの厚みをより薄くできるので、アクチュエータの共振周波数がより高められ、より高周波駆動が可能になる。また、同様にせん断モード型圧電アクチュエータの厚みをより薄くできるので、変位効率もより向上する。さらに、せん断モード型圧電アクチュエータを液体流路の隔壁として用いた場合、隔壁の厚みをより薄くできるので、ノズル密度をより向上させることが可能になる。
また、本実施例においては、主成分として｛Ｌｉ0.04（Ｋ0.48Ｎａ0.52）0.96｝（Ｎｂ0.8４Ｔａ0.1Ｓｂ0.06）Ｏ3、｛Ｌｉ0.2（Ｋ0.5Ｎａ0.5）0.8｝（Ｎｂ0.84Ｔａ0.1Ｓｂ0.06）Ｏ3、｛Ｌｉ0.1（Ｋ0.5Ｎａ0.5）0.９｝（Ｎｂ0.６４Ｔａ0.３Ｓｂ0.06）Ｏ3のものを用いたが、一般式｛ＬｉＸ（Ｋ１−ＹＮａＹ）１−Ｘ｝（Ｎｂ１−Ｚ−ＷＴａＺＳｂＷ）Ｏ３で表され、ｘ〜ｗがそれぞれ０≦ｘ≦０．２、０≦ｙ≦１、０＜ｚ≦０．４、０＜ｗ≦０．２の組成範囲にある化合物であれば、主成分として適用可能であり同様の効果を得ることができる。
また、本実施例では副成分を副成分混合粉として添加を行ったが、副成分原料を予め仮焼し副成分仮焼粉として添加を行っても同様な効果を得ることが出来る。
Claims (4)
- 下記一般式（１）で表される主成分と、固溶体全体量に対して１ｍｏｌ％未満の添加量で添加されている下記一般式（２）で表される副成分との固溶体を含有する圧電磁器組成物を用いたせん断モード型圧電アクチュエータであって、
前記圧電磁器組成物の圧電ｄ １５ 定数は、前記副成分を添加しない場合の圧電ｄ １５ 定数と同等以上であることを特徴とするせん断モード型圧電アクチュエータ。
一般式（１）
｛ＬｉＸ（Ｋ１−ＹＮａＹ）１−Ｘ｝（Ｎｂ１−Ｚ−ＷＴａＺＳｂＷ）Ｏ３
（式中、０≦ｘ≦０．２、０≦ｙ≦１、０＜ｚ≦０．４、０＜ｗ≦０．２）
一般式（２）
ＡＢＯ３
（式中ＡはＢｉを表し、ＢはＦｅ，Ｉｎ，Ｓｃの少なくとも１つを表す） - 前記固溶体はペロブスカイト構造を有することを特徴とする請求項１に記載のせん断モード型圧電アクチュエータ。
- 請求項１又は２に記載のせん断モード型圧電アクチュエータを備えたことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
- 各々が液滴吐出用のノズルを有する液体流路が隔壁で隔てられて複数配置され、該隔壁の一部また全体が前記せん断モード型圧電アクチュエータで構成されていることを特徴とする請求項３に記載の液滴吐出ヘッド。
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