WO2008029573A1

WO2008029573A1 - Actionneur piézoélectrique en mode cisaillement et tête de délivrance de gouttelettes

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Publication number: WO2008029573A1
Application number: PCT/JP2007/065150
Authority: WO
Inventors: Shingo Uraki
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Priority date: 2006-09-08
Filing date: 2007-08-02
Publication date: 2008-03-13
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Description

明細書

せん断モード型圧電ァクチユエータ及び液滴吐出ヘッド

技術分野

[0001] 本発明は、せん断モード型圧電ァクチユエータ及び液滴吐出ヘッドに関する。

背景技術

[0002] 従来、圧電磁器組成物としては，鉛を含んだ PZT (PbTiO— PbZrO )成分系磁

3 3

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、ァクチユエータ、フィルタ一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ぁ禾 IJ用すること力 Sでさる。

[0003] ところ力前記 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 {Li (K Na ) } (Nb Ta Sb ) 0

X l-Y Y 1-X 1-Z-W Z W 3 で表され、力、つ x〜wカそれぞれ 0≤x≤0. 2、 0≤y≤l , 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)。

[0004] また、特許文献 2には、鉛を含有しないぺ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ァクチユエータを用いた液滴吐出ヘッドが開示されている。プッシュ型圧電ァクチユエータは、積層型圧電ァクチユエータゃバイモルフ型圧電ァクチユエータの d 方向の変位や d 方向の変位を利用するものである。

33 31

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、ニッケノレチタン酸ビスマス、 Ba NaNb〇、 Bi Ti〇などが開示されている

2 5 15 4 3 12

〇

特許文献 1 :特開 2004— 300012号公報

特許文献 2：特開 2005— 246656号公報発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0005] 液滴吐出ヘッドは種々の方式が提案されている力その一つにせん断モード型圧電ァクチユエータを備えた液滴吐出ヘッドがある。

[0006] 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ァクチユエータで構成され、この隔壁の全表面または一部に駆動ノ^レ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ノ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。

[0007] 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ぐこの圧電磁器組成物をせん断モード型圧電ァクチユエータとして用いた場合、以下の課題があった。

[0008] このせん断モード型圧電ァクチユエータでは、圧電ァクチユ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。

[0009] 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ァクチユエータ及び該せん断モード型圧電ァクチユ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。

課題を解決するための手段

[0010] 本発明の上記課題は、以下の構成により達成される。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 lmol%未満の添カロ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せん断モード型圧電ァクチユエータ。

一般式 (1)

{Li (K Na ) } (Nb Ta Sb ) 0

X l-Y Y 1-X 1-Z-W Z W 3

(式中、 0≤x≤0. 2、 0≤y≤l , 0 < z≤0. 4、 0<w≤0. 2)

一般式 (2)

ABO

3

(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.

前記固溶体はぺ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ァクチユエータ。

3.

前記 1または 2に記載のせん断モード型圧電ァクチユ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ァクチユ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。

発明の効果

本発明のせん断モード型圧電ァクチユエータによれば、鉛を含まない圧電磁器組成物である {Li (K Na ) } (Nb Ta Sb ) O (式中、 0≤x≤0. 2、 0≤y≤ 1、

X l-Y Y 1-X 1-Z-W Z W 3

0< z≤0. 4, 0<w≤0. 2)に ABOぺロブスカイト（式中 Aは Biを表し、 Bは Fe, In,

3

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 lmol%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力 S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ァ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ァクチユエータの厚みを薄くできるので、ァクチユ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ァクチユエータの厚みを薄くできるので、変位効率も向上する。 [0012] また、本発明のせん断モード型圧電ァクチユ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ァクチユエ一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ァクチユエータの厚みを薄くできるので、ァクチユ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ァクチユ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ァクチユ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。

図面の簡単な説明

[0013] [図 1]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]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]図 1 ,図 2に示す液滴吐出ヘッドの動作を示す図である。

[図 4]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]図 4に示す液滴吐出ヘッドの斜視図である。

[図 6]図 4,図 5に示す液滴吐出ヘッドの動作を示す図である。

符号の説明

[0014] 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-η インク流路

5, 22- 1 , 22- 2 · · · 22-η 側壁

6 カバープレート

7 インク供給口

8 インクお^出口

9 基板

発明を実施するための最良の形態

[0015] 以下に、本発明に係るせん断モード型圧電ァクチユエータ及び該せん断モード型圧電ァクチユ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。

[0016] 本実施形態におけるせん断モード型圧電ァクチユエータは、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 lmol%未満の添加量で添加されて!/、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)

{Li (K Na ) } (Nb Ta Sb ) 0

X l-Y Y 1-X 1-Z-W Z W 3

(式中、 0≤x≤0. 2、 0≤y≤l , 0 < z≤0. 4、 0<w≤0. 2)

一般式 (2)

ABO

3

(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。

[0017] 以下、各成分について述べる。

[0018] 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!/、おそれがある。

[0019] 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、 Li CO、 Li 0、 UNO、 LiOH等がある。 Naを含有する化合物としては

2 3 2 3

、 Na CO、 NaHCO、 NaNO等がある。 Kを含有する化合物としては、 K CO、 Κ

2 3 3 3 2 3

NO、 KNbO、 KTaO等がある。また、 Nbを含有する化合物としては、 Nb O、 Nb

3 3 3 2 5 2

O、 NbO等がある。また、 Taを含有する化合物としては、 Ta O等がある。また、 Sb

3 2 2 5

を含有する化合物としては、 Sb O、 Sb O、 Sb る。

2 5 2 3 2 o等があ

4

[0020] 主成分は、ぺロブスカイト構造 (AB〇）をとり、 Aサイトの元素構成は、 K， Na, Liに

3

相当し、 Bサイトの元素構成は， Nb, Ta, Sbに相当する。

[0021] ぺ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、完全なぺロブスカイト構造となる力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。 [0022] 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ユアボーノレからのジルコユアの混入を考慮して配合比を調整することができる。

[0023] 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、主成分をぺロブスカイト構造の組成式 ABOにあてはめたと

3

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 {Li (K Na ) } a (Nb Ta Sb ) bOで

X l-Y Y 1-X 1-Z-W Z W 3 表される構成 ίこおレヽて、 0. 95≤a, b≤l . 05、好ましく (ま 0. 97≤a, b≤l . 03であ

[0024] 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力できる。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。

[0025] 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（K Na ) (Nb Ta Sb ) 0で表される。このような主成分を含有する

l-Y Y 1-Z-W Z W 3

圧電磁器組成物は、その原料中に例えば Li COのように、最も軽量な Liを含有して

2 3

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 ε r と比較的大きな圧電定数を実現できる。

[0026] 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であることカ好ましく、 0. 05≤y≤0. 75、さらには 0. 3 5≤y≤0. 65力 Sより好ましい。また、最も好ましくは 0. 42≤y≤0. 60である。

[0027] 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。

[0028] 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。

[0029] 次に、本実施形態における副成分について説明する。

[0030] 本実施形態における副成分は、一般式 ABOであり、 A及び Bが + 3価の金属元素である AB〇型ぺ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） lOOmolに対して lmol未満とする。

[0031] 前記一般式（2)で表される副成分は、 ABO型のぺ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ぐ主成分と混合する工程において ABO型のぺ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 ABO型のぺロブスカイト構造を構成する化合物としては、 BilnO、 BiFeO、 BiScO等が挙げられる。

[0032] また、混合工程にお!/、て ABO型のぺ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、 Bi O、 Inを含有する化合物としては、 In O、 Scを含有する化合物としては、 Sc O、 Feを含有する化合物としては Fe O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!/、。

[0033] また、本実施形態の副成分は ABO型のぺ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。

[0034] さらに、副成分の原料は ABO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ぐ 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。

[0035] 次に、本実施形態の圧電磁器組成物の製造方法につ!/、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。

[0036] 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°C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 5 πι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。

[0037] 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 ΑΒΟ 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。

3

[0038] そして、主成分仮焼粉と副成分混合粉を、一般式 [{Li (K Na ) } (Nb Ta

X 1-Y Y 1-Χ l-z-w Ζ

Sb ) 0 ] (ΑΒΟ ) 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

W 3 1-V 3 V

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。

[0039] そして、得られた混合物を 700〜800°C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。

[0040] このようにして得られた成形体を、 1000〜； 1300°C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°C程度のシリコーンオイル中において l〜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。

[0041] 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、ぺロブスカイト構造をとるような ABO (Aは Bi、 Bは Fe, In, Scの少なく

3

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 Bi O単独で添加

2 3

すると + 5価となり Bサイトに置換されやすいが、ぺロブスカイト構造をとることが知られている ABO (例えば、 BiFeO )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!/、ためであると考えられる。

[0042] 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ァクチユエータによれば、せん断モード型圧電ァクチユエ一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ァクチユエータの厚みを薄くできるので、ァクチユ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ァクチユエータの厚みを薄くできるので、変位効率も向上する。

[0043] 以下、本発明のせん断モード型圧電ァクチユエ一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。

[0044] 以下、上記圧電磁器組成物をせん断モード型圧電ァクチユ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

[0045] 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。

[0046] 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ァクチユエータで構成され、この隔壁の全表面または一部に駆動ノ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ノレ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。

[0047] 図 1〜図 3において、 1は液体チューブ、 2はノズノレ形成部材、 3はノズノレ、 4は液体流路、 5は圧電隔壁（せん断モード型圧電ァクチユエ一タ）、 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。

[0048] 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ァクチユエータ） 5によって区画される。そして、圧電隔壁 5にめつ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。

[0049] 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。

[0050] 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ァクチユエータ） 5Aと 5Bとから構成されて!/、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に駆動ノ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 d 定数） X H XV/ (4T)

15

P= (圧電 d 定数） X H XV/ (2TW (1/B) + (1/S) (dS/dP) )

15

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は駆動ノルス電圧、 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。

[0051] 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。

[0052] 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 l_mol%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)

{Li (K Na ) } (Nb Ta Sb ) 0

X l-Y Y 1-X 1-Z-W Z W 3

(式中、 0≤x≤0. 2、 0≤y≤l , 0 < z≤0. 4、 0<w≤0. 2)

一般式 (2)

ABO

3

(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!/、圧電磁器組成物を圧電隔壁 (せん断モード型圧電ァクチユエータ）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。

[0053] 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力 S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。

[0054] 以下、上記圧電磁器組成物をせん断モード型圧電ァクチユ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。

[0055] 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ァクチユエータで構成し、この圧電ァクチユエ一タの全表面または一部に駆動ノ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ノルスを加えることにより、前記圧電ァクチユ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。

[0056] 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ァクチユエータ、 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 , 2 2— 2は基板 9上に一体の材料で形成されている。

[0057] 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ァクチユエータ 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。

[0058] せん断モード型圧電ァクチユエータ 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ァクチユエータ 21Aと 21Bとから構成されて!/、る。せん断モード型圧電ァクチユエータ 21A , 21Bには、その下面に駆動パルスが印加される電極 10力 S、その上面にアース電極 11が形成されることにより、駆動ノルスによって作動するせん断モード型圧電ァクチユエータ 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ァクチユエータ 21— 1 , 21— 2は変形しない。図 6に示すように電極 10に駆動ノ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ァクチユ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ァクチユエータ 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。

[0059] この液滴吐出ヘッドにおけるせん断モード型圧電ァクチユエータ 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 lmol%未満の添カロ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)

{Li (K Na ) } (Nb Ta Sb ) 0

X l-Y Y 1-X 1-Z-W Z W 3

(式中、 0≤x≤0. 2、 0≤y≤l , 0 < z≤0. 4、 0<w≤0. 2)

一般式 (2)

ABO

3

(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ァ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ァクチユエ一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ァ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ァクチユ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ァクチユエ一タの厚みを薄くできるので、変位効率も向上する。

[0060] 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力 S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。

[0061] 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へッドだけでなく、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、広く禾 IJ用すること力 Sできる。実施例

[0062] 以下、本発明の実施例に力、かる圧電磁器組成物を製造し、その特性を評価した。

[0063] 以下、製造方法について詳細に説明する。

[0064] 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 Li CO

2 3

、 Na C〇、 K C〇、 Nb〇、 Ta〇、 Sb〇を準備した。これらの原料を十分乾燥さ

2 3 2 3 2 5 2 5 2 5

せ、前記一般式 {Li (K Na ) } (Nb Ta Sb ) 0 ίこお！/、て、 x = 0. 04、 y=0

X l-Y Y 1-X l-z-w Z W 3

. 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 {Li (K N

0.04 0.48 a ) } (Nb Ta Sb ) Oとなるような化学量論比にて配合した。

0.52 0.96 0.84 0.1 0.06 3

[0065] 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。

[0066] 次に、この混合物を 750°Cにて 5時間仮焼し、この仮焼後の混合物をボーノて 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。

[0067] 一方、副成分としての純度 99%以上の高純度の Bi O、 Fe O、 Sc O、 In Oを準

2 3 2 3 2 3 2 3 備した。これらの原料を前記一般式 ABO (A=Bi、 B = Fe, Sc, Inのいずれ力、 1つ）

3

となるような化学量論比、即ち前記一般式が BilnO、 BiScO、 BiFeOとなるような

3 3 3

化学量論比にて配合し、副成分混合粉とした。

[0068] 主成分仮焼粉と副成分混合粉を、前記一般式（{Li (K Na ) } (Nb Ta

0.04 0.48 0.52 0.96 0.84 0.1

Sb )〇 ) (ABO ) にお！/、て、 v=0. 002、 0. 004、 0. 006、 0. 01となるような

0.06 3 1-V 3 V

化学量論比にてそれぞれ配合した。

[0069] 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 BilnOが添加されているものを、添加量が 0. 2mol

3

%、 0. 4mol%、 0. 6mol%、 lmol%の J噴に試料 NO. 2、 NO. 3、 NO. 4、 No. 5とした。同様に、副成分として BiScOが添加されているものを、添加量の順に試料 NO

3

. 6〜NO. 9とし、 BiFeOが添加されているものを、添加量の順に試料 NO. 10〜N

3

O. 13とした。

[0070] また、表 2に示すように、前記式 {Li (K Na ) } (Nb Ta Sb ) 0において

0.2 0.5 0.5 0.8 0.84 0.1 0.06 3

、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 BiFe O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

3

記式 {Li (K Na ) } (Nb Ta Sb ) Oにおいて、副成分の添加されていな

0.1 0.5 0.5 0.9 0.64 0.3 0.06 3

いものを試料 No. 19とした。副成分として BiFeOが 0. 6mol%添加されているもの

3

を、試料 NO. 20とした。

[0071] [表 1]

〔〕 D¾¾0072

[0073] 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。

[0074] 次に、この混合物を 700 800°C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。続レ、て、バインダーとしてボリビニールブチラールを添カロし、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 lton/cm²の圧力で再成形した。

[0075] このようにして得られた成形体を 1000〜； 1300°C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°Cの間で最大密度になる温度を選定した。ここで、前記式 {Li (K Na ) } (Nb Ta Sb ) 0において、畐 ij

0.04 0.48 0.52 0.96 0.84 0.1 0.06 3

成分の添加量力 mol%のものは、緻密な焼結体が得られなかった。

[0076] また、得られた焼結体につ!/、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、回折ピークがぺ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。

[0077] 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°Cのシリコーンオイル中にて l〜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。

[0078] 次に、試料 No. l ~No. 20について、圧電 d 定数、抗電界 Ecを測定した。ここで

15

、圧電 d 定数は、インピーダンスアナライザー（Agilent Technologies社製 429

15

4A)を用いて共振一反共振法により測定した。

[0079] 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 lkv、 2k v、 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、分極量がゼ口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。

[0080] 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 d 定数がほぼ変わ

15

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ァクチユエ一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ァクチユエータの厚みを薄くできるので、ァクチユエ一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ァクチユエータの厚みを薄くできるので、変位効率も向上する。

[0081] また、本発明のせん断モード型圧電ァクチユ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ァクチユエ一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ァクチユエータの厚みを薄くできるので、ァクチユ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ァクチユ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ァクチユ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。

[0082] 特に、前記式 {Li (K Na ) } (Nb Ta Sb ) Oにおいて、副成分として

0.04 0.48 0.52 0.96 0.84 0.1 0.06 3

BiFeOを添加した試料 No. 10

3 〜12においては、圧電 d 定数がほぼ変わらず、抗

15

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ァクチユエ一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ァクチユエータの厚みをより薄くできるので、ァクチユ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ァクチユ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。

[0083] また、本発明のせん断モード型圧電ァクチユ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ァクチユエ一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ァクチユエータの厚みをより薄くできるので、ァクチユ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ァクチユ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ァクチユ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。

[0084] また、本実施例においては、主成分として {Li (K Na ) } (Nb Ta Sb

0.04 0.48 0.52 0.96 0.84 0.1 0.0

)〇、 {Li (K Na ) } (Nb Ta Sb ) 0 {Li (K Na ) } (Nb Ta Sb

6 3 0.2 0.5 0.5 0.8 0.84 0.1 0.06 3、 0.1 0.5 0.5 0.9 0.64 0.3

) 0のものを用いた力一般式 {Li (K Na ) } (Nb Ta Sb )〇で表さ

0.06 3 X 1 Y Υ 1 X 1 -Z-W Z W 3 れ、 x〜w力 Sそれぞれ 0≤x≤0. 2, 0≤y≤l , 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

^ o

[0085] 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

請求の範囲

[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 lmol%未満の添カロ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せん断モード型圧電ァクチユエータ。

一般式 (1)

{Li (K Na ) } (Nb Ta Sb ) 0

X l-Y Y 1-X 1-Z-W Z W 3

(式中、 0≤x≤0. 2、 0≤y≤l , 0 < z≤0. 4、 0<w≤0. 2)

一般式 (2)

ABO

3

(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] 前記固溶体はぺロブスカイト構造を有することを特徴とする請求の範囲第 1項に記載のせん断モード型圧電ァクチユエータ。

[3] 請求の範囲第 1項または第 2項に記載のせん断モード型圧電ァクチユ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ァクチユエータで構成されていることを特徴とする請求の範囲第 3項に記載の液滴吐出ヘッド。