WO2015080256A1 - 圧電素子、およびそれを用いた圧電部材、液体吐出ヘッド、ならびに記録装置 - Google Patents

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flow path
liquid
liquid discharge
discharge head
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東別府　誠
周平 田畑
知宣 江口
出 佐藤
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京セラ株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a piezoelectric element, a piezoelectric member using the piezoelectric element, a liquid discharge head, and a recording apparatus.
  • a liquid discharge head for example, a liquid discharge head that performs various types of printing by discharging a liquid onto a recording medium is known.
  • the liquid discharge head applies pressure to the liquid in the pressurizing chamber using, for example, a potassium sodium niobate (KNN) type piezoelectric element, and discharges the liquid (see, for example, Patent Document 1).
  • KNN potassium sodium niobate
  • thermosetting adhesive When a flat piezoelectric actuator substrate and a flat flow path member are laminated to form a liquid discharge head, a thermosetting adhesive is used because resistance to the liquid to be discharged is required. May be.
  • a metal member is used as the flow path member and the thermal expansion coefficient is often larger than that of the piezoelectric actuator substrate, the piezoelectric actuator substrate undergoes a compressive stress in the plane direction through a thermosetting bonding process. Joined state.
  • PZT lead zirconate titanate
  • the piezoelectric element of the present invention is a piezoelectric element including a piezoelectric body mainly composed of a potassium sodium niobate composition, and the piezoelectric body extends in a plane direction and is subjected to a compressive stress in the plane direction. And the phase transition point between tetragonal and orthorhombic is ⁇ 20 ° C. or lower.
  • the piezoelectric member of the present invention is characterized in that it includes the piezoelectric element and a support having a larger thermal expansion coefficient than that of the piezoelectric body, which is bonded to the piezoelectric body.
  • the liquid discharge head of the present invention is joined to the flow path member having a plurality of discharge holes and a plurality of pressurizing chambers connected to the plurality of discharge holes, respectively.
  • a piezoelectric actuator substrate having a plurality of piezoelectric elements that respectively pressurize the liquid in the plurality of pressurizing chambers, wherein the piezoelectric body is placed in the plurality of pressurizing chambers. It is characterized by extending over.
  • the recording apparatus of the present invention includes the liquid discharge head, a transport unit that transports a recording medium to the liquid discharge head, and a control unit that controls the liquid discharge head.
  • the phase transition point is ⁇ 20 ° C., which is lower than the operating temperature, fluctuations in characteristics can be reduced even when the piezoelectric body is used in a state where compressive stress is applied.
  • FIG. 2 is a plan view of a head body that is a main part of the liquid ejection head of FIG. 1.
  • FIG. 3 is an enlarged view of a region surrounded by an alternate long and short dash line in FIG.
  • FIG. 3 is an enlarged view of a region surrounded by an alternate long and short dash line in FIG.
  • FIG. 5 is a longitudinal sectional view taken along line VV in FIG. 3. It is a graph which shows the relationship between a phase transition point and the change rate of d31 after a temperature cycle test.
  • FIG. 1A is a schematic side view of a color inkjet printer 1 (hereinafter sometimes simply referred to as a printer) which is a recording apparatus including a liquid discharge head 2 according to an embodiment of the present invention.
  • (B) is a schematic plan view.
  • the printer 1 moves the printing paper P relative to the liquid ejection head 2 by transporting the printing paper P that is a recording medium from the transporting roller 80 a to the transporting roller 80 b.
  • the control unit 88 controls the liquid ejection head 2 based on image and character data, ejects liquid toward the recording medium P, causes droplets to land on the printing paper P, and prints on the printing paper P. Record such as.
  • the liquid discharge head 2 is fixed to the printer 1, and the printer 1 is a so-called line printer.
  • the operation of moving the liquid ejection head 2 by reciprocating in the direction intersecting the transport direction of the printing paper P, for example, the direction substantially orthogonal, and the printing paper P There is a so-called serial printer that alternately conveys.
  • the printer 1 is fixed with a flat head mounting frame 70 (hereinafter sometimes simply referred to as a frame) so as to be substantially parallel to the printing paper P.
  • the frame 70 is provided with 20 holes (not shown), and the 20 liquid discharge heads 2 are mounted in the respective hole portions, and the portion of the liquid discharge head 2 that discharges the liquid is the printing paper P. It has come to face.
  • the distance between the liquid ejection head 2 and the printing paper P is, for example, about 0.5 to 20 mm.
  • the five liquid ejection heads 2 constitute one head group 72, and the printer 1 has four head groups 72.
  • the liquid discharge head 2 has a long and narrow shape in the direction from the front to the back in FIG. 1A and in the vertical direction in FIG. This long direction is sometimes called the longitudinal direction.
  • the three liquid ejection heads 2 are arranged along a direction that intersects the conveyance direction of the printing paper P, for example, a substantially orthogonal direction, and the other two liquid ejection heads 2 are conveyed.
  • Each of the three liquid ejection heads 2 is arranged at a position shifted along the direction.
  • the liquid discharge heads 2 are arranged so that the printable range of each liquid discharge head 2 is connected in the width direction of the print paper P (in the direction intersecting the conveyance direction of the print paper P) or the ends overlap. Thus, printing without gaps in the width direction of the printing paper P is possible.
  • the four head groups 72 are arranged along the conveyance direction of the recording paper P.
  • a liquid, for example, ink is supplied to each liquid ejection head 2 from a liquid tank (not shown).
  • the liquid ejection heads 2 belonging to one head group 72 are supplied with the same color ink, and four color inks can be printed by the four head groups.
  • the colors of ink ejected from each head group 72 are, for example, magenta (M), yellow (Y), cyan (C), and black (K).
  • a color image can be printed by printing such ink under the control of the control unit 88.
  • the number of liquid discharge heads 2 mounted on the printer 1 may be one if it is a single color and the range that can be printed by one liquid discharge head 2 is printed.
  • the number of the liquid ejection heads 2 included in the head group 72 and the number of the head groups 72 can be appropriately changed according to the printing target and printing conditions. For example, the number of head groups 72 may be increased to perform multicolor printing. Also, if a plurality of head groups 72 that print in the same color are arranged and printed alternately in the transport direction, the transport speed can be increased even if the liquid ejection heads 2 having the same performance are used. Thereby, the printing area per time can be increased. Alternatively, a plurality of head groups 72 for printing in the same color may be prepared and arranged so as to be shifted in a direction crossing the transport direction, so that the resolution in the width direction of the print paper P may be increased.
  • a liquid such as a coating agent may be printed for surface treatment of the printing paper P.
  • the printer 1 performs printing on the printing paper P that is a recording medium.
  • the printing paper P is wound around the paper feed roller 80a, passes between the two guide rollers 82a, passes through the lower side of the liquid ejection head 2 mounted on the frame 70, and thereafter It passes between the two conveying rollers 82b and is finally collected by the collecting roller 80b.
  • the printing paper P is conveyed at a constant speed by rotating the conveyance roller 82 b and printed by the liquid ejection head 2.
  • the collection roller 80b winds up the printing paper P sent out from the conveyance roller 82b.
  • the conveyance speed is, for example, 75 m / min.
  • Each roller may be controlled by the controller 88 or may be manually operated by a person.
  • the recording medium may be a roll-like cloth other than the printing paper P. Further, instead of directly transporting the printing paper P, the printer 1 may transport the transport belt directly and transport the recording medium placed on the transport belt. By doing so, sheets, cut cloth, wood, tiles and the like can be used as the recording medium. Furthermore, a wiring pattern of an electronic device may be printed by discharging a liquid containing conductive particles from the liquid discharge head 2. Still further, the chemical may be produced by discharging a predetermined amount of liquid chemical agent or liquid containing the chemical agent from the liquid discharge head 2 toward the reaction container or the like and reacting.
  • a position sensor, a speed sensor, a temperature sensor, and the like may be attached to the printer 1, and the control unit 88 may control each part of the printer 1 according to the state of each part of the printer 1 that can be understood from information from each sensor.
  • the temperature of the liquid discharge head 2, the temperature of the liquid in the liquid tank, the pressure applied by the liquid in the liquid tank to the liquid discharge head 2, etc. affect the discharge characteristics (discharge amount, discharge speed, etc.) of the discharged liquid.
  • the drive signal for ejecting liquid in the liquid ejection head 2 may be changed according to the information.
  • FIG. 2 is a plan view showing a head main body 2a which is a main part of the liquid ejection head 2 shown in FIG.
  • FIG. 3 is an enlarged plan view of a region surrounded by a one-dot chain line in FIG. 2, and is a part of the head main body 2a.
  • FIG. 4 is an enlarged plan view at the same position as FIG. 3, and a part of the flow path different from FIG. 3 is omitted.
  • FIG. 5 is a longitudinal sectional view taken along line VV in FIG.
  • the liquid discharge head 2 may include, in addition to the head main body 2a, a reservoir for supplying liquid to the head main body 2a and a metal housing.
  • the head body 2a includes a flow path member 4 as a support and a piezoelectric actuator substrate 21 in which a displacement element 30 as a piezoelectric element is formed.
  • the flow path member 4 constituting the head body 2a includes a manifold 5 which is a common flow path, a plurality of pressurizing chambers 10 connected to the manifold 5, and a plurality of discharge holes respectively connected to the plurality of pressurizing chambers 10. 8 and.
  • the pressurizing chamber 10 is opened on the upper surface of the flow path member 4, and the upper surface of the flow path member 4 is a pressurizing chamber surface 4-2.
  • the upper surface of the flow path member 4 has an opening 5a connected to the manifold 5, and liquid is supplied from the opening 5a.
  • a piezoelectric actuator substrate 21 including a displacement element 30 is bonded to the upper surface of the flow path member 4, and each displacement element 30 is disposed on the pressurizing chamber 10.
  • the piezoelectric actuator substrate 21 is connected to a signal transmission unit 60 such as an FPC (Flexible Printed Circuit) for supplying a signal to each displacement element 30.
  • a signal transmission unit 60 such as an FPC (Flexible Printed Circuit) for supplying a signal to each displacement element 30.
  • FIG. 2 the outline of the vicinity of the signal transmission unit 60 connected to the piezoelectric actuator substrate 21 is indicated by a dotted line so that it can be seen that the two signal transmission units 60 are connected to the piezoelectric actuator substrate 21.
  • the electrodes formed on the signal transmission unit 60 that are electrically connected to the piezoelectric actuator substrate 21 are arranged in a rectangular shape at the end of the signal transmission unit 60.
  • the two signal transmission parts 60 are connected so that each end comes to the center part in the short direction of the piezoelectric
  • the head main body 2 a has one piezoelectric actuator substrate 21 including a plate-like flow path member 4 and a displacement element 30 bonded on the flow path member 4.
  • the planar shape of the piezoelectric actuator substrate 21 is rectangular, and is arranged on the upper surface of the flow path member 4 so that the long side of the rectangle is along the longitudinal direction of the flow path member 4.
  • the manifold 5 has an elongated shape extending from one end side in the longitudinal direction of the flow path member 4 to the other end side, and the opening of the manifold 5 that opens to the upper surface of the flow path member 4 at both ends thereof. 5a is formed.
  • the manifold 5 is partitioned by a partition wall 15 provided at an interval in the short direction at least in the central portion in the longitudinal direction, which is an area connected to the pressurizing chamber 10.
  • the partition wall 15 has the same height as the manifold 5 in the central portion in the longitudinal direction, which is a region connected to the pressurizing chamber 10, and completely separates the manifold 5 into a plurality of sub-manifolds 5b. By doing so, it is possible to provide the discharge hole 8 and the flow path connected from the discharge hole 8 to the pressurizing chamber 10 so as to overlap with the partition wall 15 in a plan view.
  • the flow path member 4 is formed by two-dimensionally expanding a plurality of pressurizing chambers 10.
  • the pressurizing chamber 10 is a hollow region having a substantially rhombic or elliptical planar shape with rounded corners.
  • the pressurizing chamber 10 is connected to one sub-manifold 5b via an individual supply channel 14.
  • two pressurizing chamber rows 11, which are rows of pressurizing chambers 10 connected to the sub-manifold 5b, are provided on each side of the sub-manifold 5b, for a total of two rows. Yes.
  • 16 rows of pressurizing chambers 11 are provided for one manifold 5, and 32 heads of pressurizing chambers 11 are provided in the entire head body 2a.
  • the intervals in the longitudinal direction of the pressurizing chambers 10 in the respective pressurizing chamber rows 11 are the same, for example, 37.5 dpi.
  • the pressurizing chambers 10 connected to the single manifold 5 are arranged in a lattice form having rows and columns along each outer side of the rectangular piezoelectric actuator substrate 21.
  • the individual electrodes 25 formed on the pressurizing chamber 10 are arranged at equal distances from the outer side of the piezoelectric actuator substrate 21. Therefore, when forming the individual electrodes 25, the piezoelectric actuator substrate is formed. 21 can be hardly deformed.
  • the piezoelectric actuator substrate 21 and the flow path member 4 are joined, if this deformation is large, stress may be applied to the displacement element 30 near the outer side, resulting in variations in displacement characteristics. However, by reducing the deformation, The variation can be reduced.
  • the dummy pressurizing chamber row of the dummy pressurizing chamber 16 is provided outside the pressurizing chamber row 11 closest to the outer side, the influence of deformation can be made less susceptible.
  • the pressurizing chambers 10 belonging to the pressurizing chamber row 11 are arranged at equal intervals, and the individual electrodes 25 corresponding to the pressurizing chamber rows 11 are also arranged at equal intervals.
  • the pressurizing chamber rows 11 are arranged at equal intervals in the short direction, and the rows of the individual electrodes 25 corresponding to the pressurizing chamber rows 11 are also arranged at equal intervals in the short direction. Thereby, it is possible to eliminate a portion where the influence of the crosstalk becomes particularly large.
  • the pressurizing chambers 10 are arranged in a lattice pattern, but the pressurizing chambers 10 of adjacent pressure chamber rows 11 may be arranged in a staggered manner so as to be positioned between each other. In this way, since the distance between the pressurizing chambers 10 belonging to the adjacent pressurizing chamber row 11 becomes longer, crosstalk can be further suppressed.
  • the pressurizing chamber 10 belonging to one pressurizing chamber row 11 is added to the adjacent pressurizing chamber row 11.
  • the pressure chamber 10 and the liquid discharge head 2 are arranged so as not to overlap in the longitudinal direction, crosstalk can be suppressed.
  • the width of the liquid discharge head 2 is increased, so that the accuracy of the installation angle of the liquid discharge head 2 relative to the printer 1 and the use of a plurality of liquid discharge heads 2 are increased.
  • the influence of the relative position accuracy of the liquid discharge head 2 on the printing result is increased. Therefore, by making the width of the partition wall 15 smaller than that of the sub-manifold 5b, the influence of the accuracy on the printing result can be reduced.
  • the pressurizing chamber 10 connected to one sub-manifold 5b forms two rows of pressurizing chamber rows 11, and the discharge holes 8 connected to the pressurizing chambers 10 belonging to one pressurizing chamber row 11 are: One discharge hole row 9 is formed.
  • the discharge holes 8 connected to the pressurizing chambers 10 belonging to the two pressurizing chamber rows 11 open to different sides of the sub-manifold 5b.
  • two discharge hole rows 9 are provided in the partition wall 15, but the discharge holes 8 belonging to each discharge hole row 9 are connected to the sub-manifold 5 b on the side close to the discharge holes 8 in the pressurizing chamber 10. Are connected through.
  • a plurality of pressurizing chambers 10 connected to one manifold 5 constitute a pressurizing chamber group (which is in the same range as the displacement element group 31). Since there are two manifolds 5, the pressurizing chamber group includes two pressurizing chamber groups. There is one. The arrangement of the pressurizing chambers 10 related to ejection in each pressurizing chamber group is the same, and is arranged at a position translated in the short direction. These pressurizing chambers 10 are arranged over almost the entire surface although there are portions where the gaps between the pressurizing chamber groups are slightly wide in the region facing the piezoelectric actuator substrate 21 on the upper surface of the channel member 4. ing.
  • the pressurizing chamber group formed by these pressurizing chambers 10 occupies a region having almost the same shape as the piezoelectric actuator substrate 21. Further, the opening of each pressurizing chamber 10 is closed by bonding the piezoelectric actuator substrate 21 to the upper surface of the flow path member 4.
  • This flow path extends in a direction away from the pressurizing chamber 10 in a plan view. More specifically, the pressurizing chamber 10 extends away from the direction along the long diagonal line while being shifted to the left and right with respect to that direction.
  • the discharge chambers 8 can be arranged at intervals of 1200 dpi as a whole, while the pressurization chambers 10 are arranged in a lattice pattern in which the intervals within the pressurization chamber rows 11 are 37.5 dpi.
  • each manifold 5 is within the range of R of the virtual straight line shown in FIG. That is, 16 discharge holes 8 connected to, and a total of 32 discharge holes 8 are equally spaced by 1200 dpi.
  • an image can be formed with a resolution of 1200 dpi in the longitudinal direction as a whole.
  • one discharge hole 8 connected to one manifold 5 is equally spaced at 600 dpi within the range of R of the imaginary straight line.
  • Individual electrodes 25 are formed at positions facing the pressurizing chambers 10 on the upper surface of the piezoelectric actuator substrate 21.
  • the individual electrode 25 includes an individual electrode main body 25a that is slightly smaller than the pressurizing chamber 10 and has a shape substantially similar to the pressurizing chamber 10, and an extraction electrode 25b that is extracted from the individual electrode main body 25a.
  • the individual electrode 25 constitutes an individual electrode row and an individual electrode group.
  • a common electrode surface electrode 28 is formed on the upper surface of the piezoelectric actuator substrate 21 and is electrically connected to the common electrode 24 via a via hole.
  • the common electrode surface electrodes 28 are formed in two rows along the longitudinal direction in the central portion of the piezoelectric actuator substrate 21 in the short direction, and are formed in one row along the short direction near the end in the longitudinal direction. ing. Although the illustrated common electrode surface electrode 28 is intermittently formed on a straight line, it may be formed continuously on a straight line.
  • the common electrode surface electrode 28 and the common electrode 24 are electrically connected through a conductor in a via hole (not shown) disposed on the piezoelectric ceramic layer 21b.
  • the two signal transmission parts 60 are arranged and bonded to the piezoelectric actuator substrate 21 from the two long sides of the piezoelectric actuator substrate 21 toward the center. At that time, the connection is facilitated by forming the connection electrode 26 and the common electrode connection electrode on the extraction electrode 25b and the common electrode surface electrode 28 of the piezoelectric actuator substrate 21, respectively. At this time, if the area of the common electrode surface electrode 28 and the common electrode connection electrode is made larger than the area of the connection electrode 26, the end of the signal transmission unit 60 (the end and the end in the longitudinal direction of the piezoelectric actuator substrate 21). ) Can be made stronger by the connection on the common electrode surface electrode 28, so that the signal transmission part 60 can hardly be peeled off from the end.
  • the discharge hole 8 is arranged at a position avoiding the area facing the manifold 5 arranged on the lower surface side of the flow path member 4. Further, the discharge hole 8 is disposed in a region facing the piezoelectric actuator substrate 21 on the lower surface side of the flow path member 4. These discharge holes 8 occupy a region having almost the same shape as the piezoelectric actuator substrate 21 as one group, and a droplet is discharged from the discharge hole 8 by displacing the displacement element 30 of the corresponding piezoelectric actuator substrate 21. Can be discharged.
  • the flow path member 4 included in the head body 2a has a laminated structure in which a plurality of plates are laminated. These plates are a cavity plate 4a, a base plate 4b, an aperture plate 4c, a supply plate 4d, manifold plates 4e to j, a cover plate 4k, and a nozzle plate 4l in order from the upper surface of the flow path member 4. A number of holes are formed in these plates. Since the thickness of each plate is about 10 to 300 ⁇ m, the formation accuracy of the holes to be formed can be increased. The thickness of the flow path member 4 is about 500 ⁇ m to 2 mm. Each plate is aligned and laminated so that these holes communicate with each other to form the individual flow path 12 and the manifold 5.
  • the pressurizing chamber 10 is on the upper surface of the flow path member 4, the manifold 5 is on the inner lower surface side, the discharge holes 8 are on the lower surface, and the respective parts constituting the individual flow path 12 are close to each other.
  • the manifold 5 and the discharge hole 8 are connected via the pressurizing chamber 10.
  • the holes formed in each plate will be described. These holes include the following.
  • the first is the pressurizing chamber 10 formed in the cavity plate 4a.
  • This communication hole is formed in each plate from the base plate 4b (specifically, the inlet of the pressurizing chamber 10) to the supply plate 4c (specifically, the outlet of the manifold 5).
  • the individual supply flow path 14 includes a squeeze 6 that is formed in the aperture plate 4c and is a portion where the cross-sectional area of the flow path is small.
  • This communication hole may be called a descender (partial flow path) in the following description.
  • the descender is formed on each plate from the base plate 4b (specifically, the outlet of the pressurizing chamber 10) to the nozzle plate 4l (specifically, the discharge hole 8).
  • each manifold plate 4e-j is connected to each manifold plate 4e-j by a half-etched support portion (not shown in the figure).
  • the first to fourth communication holes are connected to each other to form an individual flow path 12 from the liquid inlet (manifold 5 outlet) to the discharge hole 8 from the manifold 5.
  • the liquid supplied to the manifold 5 is discharged from the discharge hole 8 through the following path. First, from the manifold 5, it enters the individual supply flow path 14 and reaches one end of the throttle 6. Next, it proceeds horizontally along the extending direction of the restriction 6 and reaches the other end of the restriction 6. From there, it reaches one end of the pressurizing chamber 10 upward. Furthermore, it progresses horizontally along the extending direction of the pressurizing chamber 10 and reaches the other end of the pressurizing chamber 10. The liquid that has entered the descender from the pressurizing chamber 10 moves in the horizontal direction and is mainly directed downward and reaches the discharge hole 8 opened in the lower surface, and is discharged to the outside.
  • the piezoelectric actuator substrate 21 has a laminated structure composed of two piezoelectric ceramic layers 21a and 21b which are piezoelectric bodies. Each of these piezoelectric ceramic layers 21a and 21b has a thickness of about 20 ⁇ m. The thickness from the lower surface of the piezoelectric ceramic layer 21a of the piezoelectric actuator substrate 21 to the upper surface of the piezoelectric ceramic layer 21b is about 40 ⁇ m. Both of the piezoelectric ceramic layers 21 a and 21 b extend so as to straddle the plurality of pressure chambers 10. These piezoelectric ceramic layers 21a and 21b are made of a ceramic material mainly composed of potassium sodium niobate (KNN). The piezoelectric ceramic layer 21a functions as a vibration plate and does not necessarily have to be a piezoelectric body. Instead, other ceramic layers or metal plates that are not piezoelectric bodies may be used.
  • KNN potassium sodium niobate
  • the piezoelectric actuator substrate 21 has a common electrode 24 made of a metal material such as Ag—Pd and an individual electrode 25 made of a metal material such as Au.
  • the individual electrode 25 includes the individual electrode main body 25a disposed at the position facing the pressurizing chamber 10 on the upper surface of the piezoelectric actuator substrate 21, and the extraction electrode 25b extracted therefrom.
  • a connection electrode 26 is formed at a portion of one end of the extraction electrode 25 b that is extracted outside the region facing the pressurizing chamber 10.
  • the connection electrode 26 is made of, for example, silver-palladium containing glass frit, and has a convex shape with a thickness of about 15 ⁇ m. Further, the connection electrode 26 is electrically joined to an electrode provided in the signal transmission unit 60.
  • a drive signal is supplied from the control unit 88 to the individual electrode 25 through the signal transmission unit 60. The drive signal is supplied in a constant cycle in synchronization with the conveyance speed of the print medium P.
  • the common electrode 24 is formed over almost the entire surface in the area between the piezoelectric ceramic layer 21a and the piezoelectric ceramic layer 21b. That is, the common electrode 24 extends so as to cover all the pressurizing chambers 10 in the region facing the piezoelectric actuator substrate 21.
  • the thickness of the common electrode 24 is about 2 ⁇ m.
  • the common electrode 24 is connected to the common electrode surface electrode 28 formed on the piezoelectric ceramic layer 21a so as to avoid the electrode group composed of the individual electrodes 25 through via holes formed through the piezoelectric ceramic layer 21a. Are grounded and held at ground potential.
  • the common electrode surface electrode 28 is directly or indirectly connected to the control unit 88 in the same manner as the large number of individual electrodes 25.
  • a portion sandwiched between the individual electrode 25 and the common electrode 24 of the piezoelectric ceramic layer 21a is polarized in the thickness direction, and becomes a displacement element 30 having a unimorph structure that is displaced when a voltage is applied to the individual electrode 25.
  • a displacement element 30 having a unimorph structure that is displaced when a voltage is applied to the individual electrode 25.
  • the control unit 88 sets the individual electrode 25 to a predetermined positive or negative potential with respect to the common electrode 24 so that the electric field and the polarization are in the same direction, the portion sandwiched between the electrodes of the piezoelectric ceramic layer 21a. (Active part) contracts in the surface direction.
  • the piezoelectric ceramic layer 21b which is an inactive layer, is not affected by an electric field, and therefore does not spontaneously shrink and tries to restrict deformation of the active portion.
  • the displacement element 30 is driven (displaced) by a drive signal supplied to the individual electrode 25 through a driver IC or the like under the control of the control unit 88.
  • liquid can be ejected by various driving signals.
  • strike driving method will be described.
  • the individual electrode 25 is set to a potential higher than the common electrode 24 (hereinafter referred to as a high potential) in advance, and the individual electrode 25 is once set to the same potential as the common electrode 24 (hereinafter referred to as a low potential) each time there is a discharge request, and then a predetermined potential is set. At this timing, the potential is set again. Thereby, the piezoelectric ceramic layers 21a and 21b return to the original (flat) shape at the timing when the individual electrode 25 becomes low potential (beginning), and the volume of the pressurizing chamber 10 is in an initial state (the potentials of both electrodes are different). Increase compared to the state). As a result, a negative pressure is applied to the liquid in the pressurizing chamber 10.
  • the liquid in the pressurizing chamber 10 starts to vibrate with the natural vibration period. Specifically, first, the volume of the pressurizing chamber 10 begins to increase, and the negative pressure gradually decreases. Next, the volume of the pressurizing chamber 10 becomes maximum and the pressure becomes almost zero. Next, the volume of the pressurizing chamber 10 begins to decrease, and the pressure increases. Thereafter, the individual electrode 25 is set to a high potential at a timing at which the pressure becomes substantially maximum. Then, the first applied vibration overlaps with the next applied vibration, and a larger pressure is applied to the liquid. This pressure propagates through the descender and discharges the liquid from the discharge hole 8.
  • a droplet can be ejected by supplying to the individual electrode 25 a pulse driving signal that is set to a low potential for a certain period of time with reference to a high potential.
  • this pulse width is AL (Acoustic Length), which is half the time of the natural vibration period of the liquid in the pressure chamber 10, in principle, the discharge speed and discharge amount of the liquid can be maximized.
  • AL Acoustic Length
  • the natural vibration period of the liquid in the pressure chamber 10 is greatly affected by the physical properties of the liquid and the shape of the pressure chamber 10, but besides that, the physical properties of the piezoelectric actuator substrate 21 and the characteristics of the flow path connected to the pressurizing chamber 10. Also affected by.
  • the pulse width is actually set to a value of about 0.5 AL to 1.5 AL because there are other factors to consider, such as combining the ejected droplets into one. Further, since the discharge amount can be reduced by setting the pulse width to a value outside of AL, the pulse width is set to a value outside of AL in order to reduce the discharge amount.
  • the piezoelectric actuator substrate 21 and the flow path member 4 are joined with a thermosetting adhesive.
  • a thermosetting adhesive One reason is that when liquids such as various inks are ejected, resistance to the liquid is required, and the thermosetting adhesive has higher resistance than the room temperature curing adhesive.
  • the amount of displacement may decrease.
  • the piezoelectric ceramic layer 21b outside the range where the individual electrode 25 and the common electrode 24 in the displacement element 30 face each other is not directly piezoelectrically driven. This part is to be gradually deformed by receiving stress from the piezoelectric driven part.
  • compressive stress should be applied in the plane direction of the piezoelectric ceramic layer 21b in order to reduce this deformation.
  • the piezoelectric actuator substrate 21 can be brought into a state in which a compressive stress is applied during the temperature lowering process.
  • stainless steel is often used because of its high corrosion resistance.
  • SUS410 Martensite system: thermal expansion coefficient 11.0 ppm / ° C.
  • SUS430 ferrite system: thermal expansion coefficient 10.4 ppm / ° C.
  • SUS304 Fe—Cr—Ni system SUS304 ( Austenitic: thermal expansion coefficient: 17.3 ppm / ° C.)
  • SUS329 composite austenitic: 12.8 ppm / ° C.
  • the thermal expansion coefficient is about 3 to 5 ppm / ° C., so that compressive stress is applied, and the driving durability is improved as in the case described above. Can be expected.
  • the compressive stress is applied to 30 MPa or more.
  • potassium sodium niobate has a phase transition point between a tetragonal crystal and an orthorhombic crystal at a temperature relatively close to room temperature, although there are differences depending on the composition ratio and additives. In the state where compressive stress is applied, if there is a temperature change that crosses this phase transition point in the temperature lowering process in the above-described bonding or in the usage environment, the change in piezoelectric characteristics over time increases.
  • the phase transition point may be set to ⁇ 20 ° C. or lower by adjusting the composition. By doing so, even if compressive stress is applied, it is possible to suppress an increase in change in piezoelectric characteristics over time.
  • phase transition point When the phase transition point is exceeded during the temperature lowering process after bonding, a volume change occurs when potassium sodium niobate changes from tetragonal to orthorhombic, and thus residual stress occurs when the temperature is returned to room temperature. A part of the piezoelectric body is depolarized by the residual stress (compressive stress). Also, considering the range up to -20 ° C as the operating environment, if there is a phase transition point within that range, the crystal structure will change when subjected to a temperature change across the phase transition point. In addition, due to the difference in thermal expansion between the flow path member 4 and the piezoelectric actuator substrate 21, the piezoelectric body undergoes a structural change due to a compressive stress. Become. If the phase transition point is set to ⁇ 20 ° C. or less, the influence of the above-described factors can be reduced, so that the change in the piezoelectric characteristics can be reduced even when compressive stress is applied.
  • the crystal axis ratio c / a in the tetragonal crystal is 1.01 or more, the fluctuation of the piezoelectric characteristics can be reduced.
  • the compressive stress is as high as 80 MPa or more, the influence of the phase transition point is more dominant than the crystal axis ratio c / a. Therefore, under such conditions, it is particularly necessary that the phase transition point is ⁇ 20 or less. It is.
  • the potassium sodium niobate composition that can be used in this way is the one represented by the composition formula (K 1-a Na a ) NbO 3 which is pure potassium sodium niobate, A valence element is substituted up to about 20 atomic%.
  • the piezoelectric ceramic layers 21a and 21b are mainly composed of a potassium sodium niobate composition.
  • the pure potassium sodium niobate or the following potassium sodium niobate composition is 80% by mass, more particularly 90% by mass, It means 95% by mass or more.
  • the potassium sodium niobate composition contains at least Li and Ta in addition to K, Na and Nb. Furthermore, it is preferable that at least any one element group consisting of Mg, Cu and Zn and at least any one element group consisting of Bi, Ca, Ba and Sr are included. Furthermore, Sb may be included.
  • composition of the potassium sodium niobate composition is represented by the composition formula (1-x) ⁇ (K 1-a Na a ) 1-b Li b ⁇ c (Nb 1- de Ta d Sb e ) O 2.5 + C / 2 + xB1 ⁇ (A1 1 ⁇ A2 ⁇ ) O 3 , 0.0024 ⁇ x ⁇ 0.008, 0.66 ⁇ a + 3 ⁇ b ⁇ 0.74, 0.02 ⁇ b ⁇ 0.10, 0.980 ⁇ c ⁇ 1.000, 0.04 ⁇ d ⁇ 0.10, 0 ⁇ e ⁇ 0.08, 2/3 ⁇ ⁇ ⁇ 1, 1/3 ⁇ ⁇ ⁇ 2/3
  • A1 is at least one element selected from the group consisting of Mg, Cu and Zn
  • A2 is a group consisting of Nb, Ta, Sb, Ti, Zr, Hf, Ge, Sn and Ce.
  • B1 is a small element in the element group consisting of Bi, Ca, Ba and Sr.
  • the piezoelectric characteristics can be enhanced.
  • A1 is particularly preferable because Zn has good sinterability and particularly high piezoelectric characteristics. Since A2 has particularly high piezoelectric characteristics and high insulating properties, Sn is particularly preferable.
  • a part of K is replaced with Na, so that the piezoelectric constant can be increased and the crystal structure can be made tetragonal.
  • b is 0.02 or more, Li is introduced into the A site, so that the sinterability of the piezoelectric ceramic can be enhanced, and b is in the range of 0.02 ⁇ b ⁇ 0.10. As a result, the piezoelectric characteristics can be enhanced, or the crystal structure can be made tetragonal.
  • c is in the range of 0.980 ⁇ c ⁇ 1.000.
  • B1 ⁇ (A1 1- ⁇ A2 ⁇ ) O 3 in the above composition formula alone has a composite perovskite structure. Since Bi has 6s2 lone electron pairs, the presence of Bi causes a large distortion in the crystal structure. Ca, Ba, and Sr have the same effect.
  • Strain is introduced into the crystal structure of potassium sodium niobate to increase the polarization and improve the piezoelectric characteristics. At the same time, the temperature dependence of the piezoelectric characteristics can be reduced.
  • B1 is preferably Ba.
  • the compound containing Bi produces
  • ⁇ is in the range of 2/3 ⁇ ⁇ ⁇ 1.
  • ⁇ is in the range of 2/3 ⁇ ⁇ ⁇ 1.
  • Bi is preferable in that the firing temperature is lowered.
  • Alkaline earth elements are preferred in that the piezoelectric constant is higher than that of Bi.
  • the ratio of alkaline earth elements is high and the ratio of Bi is high, the higher the ratio of alkaline earth elements, the lower the phase transition point. It is preferable that the range in which the ratio of other compositions can be adjusted is widened and the degree of freedom is increased under the condition of 20 ° C. or lower.
  • the total amount of alkaline earth elements is preferably 75% or more of the entire B1.
  • B1 is substantially only Bi.
  • the piezoelectric ceramic is fired simultaneously with the conductor, Bi is highly reactive, so there is a possibility that the ratio of piezoelectric ceramics with poor appearance will increase due to reaction with, for example, silver. Alkaline earth elements are preferred. *
  • A1 is at least one element selected from the group consisting of Mg, Cu and Zn
  • A2 is at least one selected from the group consisting of Nb, Ta, Sb, Ti, Zr, Hf, Ge, Sn and Ce.
  • Nb is at least one element selected from the group consisting of Mg, Cu and Zn
  • A2 is at least one selected from the group consisting of Nb, Ta, Sb, Ti, Zr, Hf, Ge, Sn and Ce.
  • One type. These have an ionic radius comparable to that of Nb in a six-coordinate state with oxygen.
  • ⁇ is in the range of 1/3 ⁇ ⁇ ⁇ 2/3.
  • the ratio of A1 and A2 can be within the range of the stoichiometric ratio. If the ratio between A1 and A2 deviates significantly from the stoichiometric ratio, oxygen vacancies are formed, and the piezoelectric characteristics may be deteriorated.
  • the stoichiometric ratio of A1 and A2 is set by setting ⁇ + ⁇ to 4/3. It is preferable to be within the range of
  • A2 is an element that becomes a tetravalent ion, that is, at least one of Ti, Zr, Hf, Ge, Sn, and Ce
  • A1 and A2 are reduced by reducing ⁇ to 1/2. It can be within the range of the stoichiometric ratio, and is preferable.
  • the total valence of B1 ⁇ (A1 1 ⁇ A2 ⁇ ) O 3 may not be 0, but the actual composition of the piezoelectric body is that of the “O 3 ” portion. Since the value of 3 deviates from 3, the total valence is kept at 0.
  • the piezoelectric ceramic layers 21a and 21b are sintered in addition to potassium sodium niobate composition, that is, pure potassium sodium niobate, a part of which is substituted, and further containing the above-described perovskite component.
  • An additive component such as an auxiliary agent may be included.
  • Mn is 0.1 to 0.5 parts by mass in terms of MnO 2 or Cr is 0.2 to 0.2 in terms of Cr 2 O 3 with respect to 100 parts by mass of the potassium sodium niobate composition. What is necessary is just to add 1.0 mass part.
  • the liquid discharge head 2 as described above is manufactured as follows, for example.
  • a tape composed of a KNN piezoelectric ceramic raw material powder and an organic composition is formed by a general tape forming method such as a roll coater method or a slit coater method, and a plurality of green sheets that become piezoelectric ceramic layers 21a and 21b after firing are formed. Make it.
  • an Ag—Pd paste to be the common electrode 24 is formed on the surface thereof by a printing method or the like. Further, a via hole connecting the common electrode 24 and the common electrode surface electrode 28 is formed in a part of the green sheet as necessary.
  • each green sheet is laminated to produce a laminated body, and pressure adhesion is performed.
  • the laminated body after pressure contact is fired in a high concentration oxygen atmosphere to obtain a fired body.
  • the individual electrode 25 is printed on the surface of the fired body using an organic gold paste and fired.
  • the connection electrode 26 and the common electrode surface electrode 28 are printed using Ag paste and fired.
  • the Ag paste is printed, it enters the via hole opened in the green sheet and is connected to the common electrode 24. Therefore, after firing, the common electrode surface electrode 28 and the common electrode 24 are electrically connected.
  • the flow path member 4 is prepared by laminating plates 4a to 1l obtained by a rolling method or the like via an adhesive layer, to the plates 4a to 1l, to the manifold 5, the individual supply flow path 14, the pressurizing chamber. 10 and a hole to be a descender or the like are processed into a predetermined shape by etching.
  • These plates 4a to 4l are preferably formed of at least one metal selected from the group of Fe—Cr, Fe—Ni, and WC—TiC, particularly when ink is used as a liquid. Since it is desired to be made of a material having excellent corrosion resistance to ink, Fe—Cr is more preferable.
  • the piezoelectric actuator substrate 21 and the flow path member 4 can be laminated and bonded through, for example, a thermosetting adhesive layer.
  • a thermosetting adhesive layer a well-known layer can be used.
  • at least one adhesive selected from the group of polyphenylene ether resins By heating to the thermosetting temperature using such an adhesive layer, the piezoelectric actuator substrate 21 and the flow path member 4 can be heat-bonded.
  • the liquid ejection head 2 has been described, but the same applies to other piezoelectric elements. That is, when the piezoelectric body of the piezoelectric element spreads in the plane direction and compressive stress is applied in the plane direction, the piezoelectric body is potassium sodium niobate, and a phase between tetragonal and orthorhombic crystals. If the transition point is ⁇ 20 ° C. or lower, the variation in piezoelectric characteristics can be reduced.
  • a piezoelectric element can constitute an actuator used in addition to the liquid ejection head, such as a speaker, a buzzer, a sensor, a filter constituting an electric circuit, or the like.
  • Speakers and buzzers are made by heat-bonding a piezoelectric element and a diaphragm using a member with high thermal expansion, such as a metal, on the diaphragm that becomes the surface that emits sound, thereby applying compressive stress to the piezoelectric body.
  • a piezoelectric member can be obtained.
  • Sensors and filters are made by, for example, using a high thermal expansion member such as metal to a support that mechanically holds the piezoelectric body and heat-bonding the piezoelectric element and the support, thereby compressing the piezoelectric body. It can be set as the piezoelectric member which added.
  • a piezoelectric actuator substrate 21 for evaluation was produced and evaluated.
  • the piezoelectric material used piezoelectric ceramic layers 21a, and 21b, the composition formula (1-x) ⁇ (K 1-a Na a) 1-b Li b ⁇ c (Nb 1-d-e Ta d Sb e) O 2.
  • the prepared raw materials were mixed in a pot together with water or isopropanol and zirconia balls.
  • the mixed raw material was once dried and then calcined at 900 ° C.
  • the calcined raw material was crushed by putting it in a pot together with water or isopropanol and zirconia balls.
  • a slurry was prepared using the powder, and a green sheet was prepared from the slurry by employing a roll coater method as a forming method.
  • an electrode pattern to be the common electrode 34 was formed on the surface of the green sheet by a screen printing method using a conductive paste containing an Ag—Pd alloy.
  • a green sheet not printed on the green sheet was laminated, and then fired at a temperature of 1050 ° C. After firing, the individual electrode 25 was printed with Ag paste and fired to produce the piezoelectric actuator substrate 21.
  • the manufactured piezoelectric actuator substrate 21 is the one shown in FIGS. Two piezoelectric actuator substrates 21 were prepared for each sample, one was evaluated without being bonded to the support (flow path member 4), and the other was evaluated after being thermally bonded to the support. SUS430 was used as the support, and the heat bonding was performed at 120 ° C. by applying an epoxy resin between the support and the piezoelectric actuator substrate 21.
  • Tables 1 to 3 show the value of the piezoelectric constant d31 of the piezoelectric actuator substrate 21 not bonded to the support and the temperature of the phase transition point between the orthorhombic and tetragonal crystals.
  • the orthorhombic and tetragonal crystals observed here are the crystal structure of the potassium sodium niobate composition, and X-ray diffraction shows a state slightly shifted from pure potassium sodium niobate.
  • FIG. 6 is a graph showing the relationship between the phase transition point and the rate of decrease of the piezoelectric constant d31 by the temperature cycle test, divided by the presence or absence of bonding.
  • the piezoelectric actuator substrate 21 to which compressive stress is applied by bonding is different from the piezoelectric actuator substrate 21 to which compressive stress is not applied by bonding.
  • the decrease rate after the temperature cycle is 1% or more, and it can be seen that the fluctuation of the piezoelectric constant d31 increases in the state where the compressive stress is applied.
  • the fluctuation of the piezoelectric constant d31 hardly changes due to the difference in compressive stress (about ⁇ 0.1% of the measurement error), and the fluctuation of the piezoelectric constant d31. Can be seen to be smaller.

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Abstract

　本発明の目的は、継時的な特性変動の小さな圧電素子、およびそれを用いた液体吐出ヘッド、ならびに記録装置を提供することにある。　本発明の圧電素子３０は、ニオブ酸カリウムナトリウム組成物を主成分とする圧電体（圧電セラミック層２１ｂ）を含む圧電素子３０であって、該圧電体は、平面方向に広がっているとともに、該平面方向に圧縮応力が加わっており、かつ正方晶と斜方晶との相転移点が－２０℃以下である。

Description

圧電素子、およびそれを用いた圧電部材、液体吐出ヘッド、ならびに記録装置
　本発明は、圧電素子、およびそれを用いた圧電部材、液体吐出ヘッド、ならびに記録装置に関する。
　従来、液体吐出ヘッドとして、例えば、液体を記録媒体上に吐出することによって、各種の印刷を行なう液体吐出ヘッドが知られている。液体吐出ヘッドは、例えば、ニオブ酸カリウムナトリウム（ＫＮＮ）系の圧電素子を用いて加圧室内の液体に圧力を加えて、液体を吐出させる（例えば、特許文献１を参照。）。
国際公開第０２／０７３７１０号パンフレット
　平板状の圧電アクチュエータ基板と平板状の流路部材とを積層して、液体吐出ヘッドを構成する場合、吐出する液体に対する耐性が必要とされるなどの理由で、熱硬化性の接着剤が用いられることがある。また、流路部材としては金属製のものが用いられ、圧電アクチュエータ基板より熱膨張係数が大きい場合が多いので、熱硬化の接着工程を経ることで、圧電アクチュエータ基板は、平面方向に圧縮応力が加わった状態になる。チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系の圧電材料においては、圧縮応力が加わった状態にされることで、圧電素子である変位素子を繰り返し駆動した際の変位量の低下を少なくできるが、ＫＮＮ系の圧電材料では、この効果が十分得られないという問題があった。
　これはより一般的にいえば、ＫＮＮ系の圧電材料を、圧縮応力を加えた状態で使用すると、経時的な特性変動が大きくなるという問題である。
　本発明の圧電素子は、ニオブ酸カリウムナトリウム組成物を主成分とする圧電体を含む圧電素子であって、該圧電体は、平面方向に広がっているとともに、該平面方向に圧縮応力が加わっており、かつ正方晶と斜方晶との間の相転移点が－２０℃以下であることを特徴とする。
　また、本発明の圧電部材は、前記圧電素子と、前記圧電体と接合されている、該圧電体より熱膨張係数の大きい支持体とを含んでいることを特徴とする。
　また、本発明の液体吐出ヘッドは、複数の吐出孔、および該複数の吐出孔とそれぞれ繋がっている複数の加圧室を有している流路部材と、該流路部材に接合されており、前記複数の加圧室内の液体をそれぞれ加圧する複数の前記圧電素子を有している圧電アクチュエータ基板とを備えている液体吐出ヘッドであって、前記圧電体は、前記複数の加圧室に渡って延在していることを特徴とする。
　また、本発明の記録装置は、前記液体吐出ヘッドと、記録媒体を前記液体吐出ヘッドに対して搬送する搬送部と、前記液体吐出ヘッドを制御する制御部を備えていることを特徴とする。
　本発明の圧電素子によれば、相転移点が－２０℃と使用温度より低いことにより、圧電体に圧縮応力が加わった状態で使用しても、特性の変動を小さくできる。
（ａ）は、本発明の一実施形態に係る液体吐出ヘッドを含む記録装置の側面図であり、（ｂ）は平面図である。 図１の液体吐出ヘッドの要部であるヘッド本体の平面図である。 図２（ａ）の一点鎖線に囲まれた領域の拡大図であり、説明のため一部の流路を省略した図である。 図２（ａ）の一点鎖線に囲まれた領域の拡大図であり、説明のため一部の流路を省略した図である。 図３のＶ－Ｖ線に沿った縦断面図である。 相転移点と、温度サイクル試験後のｄ３１の変化率との関係を示すグラフである。
　図１（ａ）は、本発明の一実施形態に係る液体吐出ヘッド２を含む記録装置であるカラーインクジェットプリンタ１（以下で単にプリンタと言うことがある）の概略の側面図であり、図１（ｂ）は、概略の平面図である。プリンタ１は、記録媒体である印刷用紙Ｐを搬送ローラ８０ａから搬送ローラ８０ｂへと搬送することにより、印刷用紙Ｐを液体吐出ヘッド２に対して相対的に移動させる。制御部８８は、画像や文字のデータに基づいて、液体吐出ヘッド２を制御して、記録媒体Ｐに向けて液体を吐出させ、印刷用紙Ｐに液滴を着弾させて、印刷用紙Ｐに印刷などの記録を行なう。
　本実施形態では、液体吐出ヘッド２はプリンタ１に対して固定されており、プリンタ１はいわゆるラインプリンタとなっている。本発明の記録装置の他の実施形態としては、液体吐出ヘッド２を、印刷用紙Ｐの搬送方向に交差する方向、例えば、ほぼ直交する方向に往復させるなどして移動させる動作と、印刷用紙Ｐの搬送を交互に行なう、いわゆるシリアルプリンタが挙げられる。
　プリンタ１には、印刷用紙Ｐとほぼ平行するように平板状のヘッド搭載フレーム７０（以下で単にフレームということがある）が固定されている。フレーム７０には図示しない２０個の孔が設けられており、２０個の液体吐出ヘッド２がそれぞれの孔の部分に搭載されていて、液体吐出ヘッド２の、液体を吐出する部位が印刷用紙Ｐに面するようになっている。液体吐出ヘッド２と印刷用紙Ｐとの間の距離は、例えば０．５～２０ｍｍ程度とされる。５つの液体吐出ヘッド２は、１つのヘッド群７２を構成しており、プリンタ１は、４つのヘッド群７２を有している。
　液体吐出ヘッド２は、図１（ａ）の手前から奥へ向かう方向、図１（ｂ）の上下方向に細長い長尺形状を有している。この長い方向を長手方向と呼ぶことがある。１つのヘッド群７２内において、３つの液体吐出ヘッド２は、印刷用紙Ｐの搬送方向に交差する方向、例えば、ほぼ直交する方向に沿って並んでおり、他の２つの液体吐出ヘッド２は搬送方向に沿ってずれた位置で、３つ液体吐出ヘッド２の間にそれぞれ一つずつ並んでいる。液体吐出ヘッド２は、各液体吐出ヘッド２で印刷可能な範囲が、印刷用紙Ｐの幅方向に（印刷用紙Ｐの搬送方向に交差する方向に）繋がるように、あるいは端が重複するように配置されており、印刷用紙Ｐの幅方向に隙間のない印刷が可能になっている。
　４つのヘッド群７２は、記録用紙Ｐの搬送方向に沿って配置されている。各液体吐出ヘッド２には、図示しない液体タンクから液体、例えば、インクが供給される。１つのヘッド群７２に属する液体吐出ヘッド２には、同じ色のインクが供給されるようになっており、４つのヘッド群で４色のインクが印刷できる。各ヘッド群７２から吐出されるインクの色は、例えば、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）、シアン（Ｃ）およびブラック（Ｋ）である。このようなインクを、制御部８８で制御して印刷すれば、カラー画像が印刷できる。
　プリンタ１に搭載されている液体吐出ヘッド２の個数は、単色で、１つの液体吐出ヘッド２で印刷可能な範囲を印刷するのなら１つでもよい。ヘッドの群７２に含まれる液体吐出ヘッド２の個数や、ヘッド群７２の個数は、印刷する対象や印刷条件により適宜変更できる。例えば、さらに多色の印刷をするためにヘッドの群７２の個数を増やしてもよい。また、同色で印刷するヘッド群７２を複数配置して、搬送方向に交互に印刷すれば、同じ性能の液体吐出ヘッド２を使用しても搬送速度を速くできる。これにより、時間当たりの印刷面積を大きくすることができる。また、同色で印刷するヘッド群７２を複数準備して、搬送方向と交差する方向にずらして配置して、印刷用紙Ｐの幅方向の解像度を高くしてもよい。
　さらに、色の付いたインクを印刷する以外に、印刷用紙Ｐの表面処理をするために、コーティング剤などの液体を印刷してもよい。
　プリンタ１は、記録媒体である印刷用紙Ｐに印刷を行なう。印刷用紙Ｐは、給紙ローラ８０ａに巻き取られた状態になっており、２つのガイドローラ８２ａの間を通った後、フレーム７０に搭載されている液体吐出ヘッド２の下側を通り、その後２つの搬送ローラ８２ｂの間を通り、最終的に回収ローラ８０ｂに回収される。印刷する際には、搬送ローラ８２ｂを回転させることで印刷用紙Ｐは、一定速度で搬送され、液体吐出ヘッド２によって印刷される。回収ローラ８０ｂは、搬送ローラ８２ｂから送り出された印刷用紙Ｐを巻き取る。搬送速度は、例えば、７５ｍ／分とされる。各ローラは、制御部８８によって制御されてもよいし、人によって手動で操作されてもよい。
　記録媒体は、印刷用紙Ｐ以外に、ロール状の布などでもよい。また、プリンタ１は、印刷用紙Ｐを直接搬送する代わりに、搬送ベルトを直接搬送して、記録媒体を搬送ベルトに置いて搬送してもよい。そのようにすれば、枚葉紙や裁断された布、木材、タイルなどを記録媒体にできる。さらに、液体吐出ヘッド２から導電性の粒子を含む液体を吐出するようにして、電子機器の配線パターンなどを印刷してもよい。またさらに、液体吐出ヘッド２から反応容器などに向けて所定量の液体の化学薬剤や化学薬剤を含んだ液体を吐出させて、反応させるなどして、化学薬品を作製してもよい。
　また、プリンタ１に、位置センサ、速度センサ、温度センサなどを取り付け、制御部８８が、各センサからの情報から分かるプリンタ１各部の状態に応じて、プリンタ１の各部を制御してもよい。例えば、液体吐出ヘッド２の温度や液体タンクの液体の温度、液体タンクの液体が液体吐出ヘッド２に加えている圧力などが、吐出される液体の吐出特性（吐出量や吐出速度など）に影響を与えている場合などに、それらの情報に応じて、液体吐出ヘッド２において液体を吐出させる駆動信号を変えるようにしてもよい。
　次に、本発明の一実施形態の液体吐出ヘッド２について説明する。図２は、図１に示された液体吐出ヘッド２の要部であるヘッド本体２ａを示す平面図である。図３は、図２の一点鎖線で囲まれた領域の拡大平面図であり、ヘッド本体２ａの一部である。図３では、説明のため、一部の流路を省略して描いている。図４は、図３と同じ位置の拡大平面図であり、図３とは別の一部の流路を省略して描いている。なお、図３および図４において、図面を分かり易くするために、圧電アクチュエータ基板２１の下方にあって破線で描くべき加圧室１０、しぼり６および吐出孔８などを実線で描いている。図５は、図３のＶ－Ｖ線に沿った縦断面図である。
　液体吐出ヘッド２は、ヘッド本体２ａ以外に、ヘッド本体２ａに液体を供給するリザーバや、金属製の筐体を含んでいてもよい。また、ヘッド本体２ａは、支持体である流路部材４と、圧電素子である変位素子３０が作り込まれている圧電アクチュエータ基板２１とを含んでいる。
　ヘッド本体２ａを構成する流路部材４は、共通流路であるマニホールド５と、マニホールド５と繋がっている複数の加圧室１０と、複数の加圧室１０とそれぞれ繋がっている複数の吐出孔８とを備えている。加圧室１０は流路部材４の上面に開口しており、流路部材４の上面が加圧室面４－２となっている。また、流路部材４の上面は、マニホールド５と繋がっている開口５ａを有し、この開口５ａより液体が供給されるようになっている。
　また、流路部材４の上面には、変位素子３０を含む圧電アクチュエータ基板２１が接合されており、各変位素子３０が加圧室１０上に位置するように配置されている。また、圧電アクチュエータ基板２１には、各変位素子３０に信号を供給するためのＦＰＣ（Flexible Printed Circuit）などの信号伝達部６０が接続されている。図２には、２つの信号伝達部６０が圧電アクチュエータ基板２１に接続されている状態が分かるように、信号伝達部６０の圧電アクチュエータ基板２１に接続されている付近の外形を点線で示した。圧電アクチュエータ基板２１に電気的に接続されている、信号伝達部６０に形成されている電極は、信号伝達部６０の端部に、矩形状に配置されている。２つの信号伝達部６０は、圧電アクチュエータ基板２１の短手方向の中央部にそれぞれの端がくるように接続されている。２つの信号伝達部６０は、中央部から圧電アクチュエータ基板２１の長辺に向かって伸びている。
　ヘッド本体２ａは、平板状の流路部材４と、流路部材４上に接合された変位素子３０を含む圧電アクチュエータ基板２１を１つ有している。圧電アクチュエータ基板２１の平面形状は長方形状であり、その長方形の長辺が流路部材４の長手方向に沿うように流路部材４の上面に配置されている。
　流路部材４の内部には２つのマニホールド５が形成されている。マニホールド５は流路部材４の長手方向の一端部側から、他端部側に延びる細長い形状を有しており、その両端部において、流路部材４の上面に開口しているマニホールド５の開口５ａが形成されている。
　また、マニホールド５は、少なくとも加圧室１０に繋がっている領域である長手方向における中央部分において、短手方向に間隔を開けて設けられた隔壁１５で仕切られている。隔壁１５は、加圧室１０に繋がっている領域である長手方向の中央部分においては、マニホールド５と同じ高さを有し、マニホールド５を複数の副マニホールド５ｂに完全に仕切っている。このようにすることで、平面視したときに、隔壁１５と重なるように、吐出孔８および吐出孔８から加圧室１０に繋がっている流路を設けることができる。
　流路部材４は、複数の加圧室１０が２次元的に広がって形成されている。加圧室１０は、角部にアールが施されたほぼ菱形あるいは楕円形状の平面形状を有する中空の領域である。
　加圧室１０は１つの副マニホールド５ｂと個別供給流路１４を介して繋がっている。１つの副マニホールド５ｂに沿うようにして、この副マニホールド５ｂに繋がっている加圧室１０の行である加圧室行１１が、副マニホールド５ｂの両側に１行ずつ、合計２行設けられている。したがって、１つのマニホールド５に対して、１６行の加圧室１１が設けられており、ヘッド本体２ａ全体では３２行の加圧室行１１が設けられている。各加圧室行１１における加圧室１０の長手方向の間隔は同じであり、例えば、３７．５ｄｐｉの間隔となっている。
　１つのマニホールド５に繋がっている加圧室１０は、矩形状の圧電アクチュエータ基板２１の各外辺に沿った行および列を成す格子状に配置されている。これにより、圧電アクチュエータ基板２１の外辺から、加圧室１０の上に形成されている個別電極２５が等距離に配置されることになるので、個別電極２５を形成する際に、圧電アクチュエータ基板２１に変形が生じ難くできる。圧電アクチュエータ基板２１と流路部材４とを接合する際に、この変形が大きいと外辺に近い変位素子３０に応力が加わり、変位特性にばらつきが生じるおそれがあるが、変形を少なくすることで、そのばらつきを低減できる。また、最も外辺に近い加圧室行１１の外側にダミー加圧室１６のダミー加圧室行が設けられているために、変形の影響をより受け難くできる。加圧室行１１に属する加圧室１０は等間隔で配置されており、加圧室行１１に対応する個別電極２５も等間隔で配置されている。加圧室行１１は短手方向に等間隔で配置されており、加圧室行１１に対応する個別電極２５の行も短手方向に等間隔で配置されている。これにより、特にクロストークの影響が大きくなる部位をなくすことができる。
　本実施形態では、加圧室１０は格子状に配置したが、隣り合う圧室列１１の加圧室１０が互いの間に位置するように千鳥状に配置してもよい。このようにすると、隣接加圧室行１１に属する加圧室１０の間の距離がより長くなるので、よりクロストークを抑制できる。
　加圧室行１１をどのように並べるかによらず、流路部材４を平面視したとき、１つの加圧室行１１に属する加圧室１０が、隣接する加圧室行１１に属する加圧室１０と、液体吐出ヘッド２の長手方向において、重ならないように配置することにより、クロストークを抑制できる。一方、加圧室行１１の間の距離を離すと、液体吐出ヘッド２の幅が大きくなるので、プリンタ１に対する液体吐出ヘッド２の設置角度の精度や、複数の液体吐出ヘッド２を使用する際の、液体吐出ヘッド２の相対位置の精度が印刷結果に与える影響が大きくなる。そこで、隔壁１５の幅を副マニホールド５ｂよりも小さくすることで、それらの精度が印刷結果に与える影響を少なくできる。
　１つの副マニホールド５ｂに繋がっている加圧室１０は、２列の加圧室行１１をなしており、１つの加圧室行１１に属する加圧室１０から繋がっている吐出孔８は、１つの吐出孔行９をなしている。２行の加圧室行１１に属する加圧室１０に繋がっている吐出孔８はそれぞれ、副マニホールド５ｂの異なる側に開口している。図４では隔壁１５には、２行の吐出孔行９が設けられているが、それぞれの吐出孔行９に属する吐出孔８は、吐出孔８に近い側の副マニホールド５ｂに加圧室１０を介して繋がっている。隣接する副マニホールド５ｂに加圧室行１１を介して繋がっている吐出孔８と液体吐出ヘッド２の長手方向において重ならないように配置されていると、加圧室１０と吐出孔８とを繋ぐ流路間のクロストークが抑制できるので、さらにクロストークを少なくすることができる。加圧室１０と吐出孔８とを繋ぐ流路全体が、液体吐出ヘッド２の長手方向において重ならないように配置されていると、さらにクロストークを少なくすることができる。
　１つのマニホールド５に繋がっている複数の加圧室１０により加圧室群（変位素子群３１と同じ範囲である）が構成されており、マニホールド５が２つあるため、加圧室群は２つある。各加圧室群内における吐出に関わる加圧室１０の配置は同じで、短手方向に平行移動させた位置に配置されている。これらの加圧室１０は、流路部材４の上面における圧電アクチュエータ基板２１に対向する領域に、加圧室群間などの少し間隔が広くなった部分があるものの、ほぼ全面に渡って配列されている。つまり、これらの加圧室１０によって形成された加圧室群は圧電アクチュエータ基板２１とほぼ同一の形状の領域を占有している。また、各加圧室１０の開口は、流路部材４の上面に圧電アクチュエータ基板２１が接合されることで閉塞されている。
　加圧室１０の個別供給流路１４が繋がっている角部と対向する角部からは、流路部材４の下面の吐出孔面４－１に開口している吐出孔８に繋がる流路が伸びている。この流路は、平面視において、加圧室１０から離れる方向に伸びている。より具体的には、加圧室１０の長い対角線に沿う方向に離れつつ、その方向に対して左右にずれながら伸びている。これにより、加圧室１０は各加圧室行１１内での間隔が３７．５ｄｐｉになっている格子状の配置にしつつ、吐出孔８は、全体で１２００ｄｐｉの間隔で配置することができる。
　これは別の言い方をすると、流路部材４の長手方向に平行な仮想直線に対して直交するように吐出孔８を投影すると、図４に示した仮想直線のＲの範囲に、各マニホールド５に繋がっている１６個の吐出孔８、全部で３２個の吐出孔８が、１２００ｄｐｉの等間隔となっているということである。これにより、すべてのマニホールド５に同じ色のインクを供給することで、全体として長手方向に１２００ｄｐｉの解像度で画像が形成可能となる。また、１つのマニホールド５に繋がっている１個の吐出孔８は、仮想直線のＲの範囲で６００ｄｐｉの等間隔になっている。これにより、各マニホールド５に異なる色のインクを供給することで、全体として長手方向に６００ｄｐｉの解像度で２色の画像が形成可能となる。この場合、２つの液体吐出ヘッド２を用いれば、６００ｄｐｉの解像度で４色の画像が形成可能となり、６００ｄｐｉで印刷可能な液体吐出ヘッドを用いるよりも、印刷精度が高くなり、印刷のセッティングも簡単にできる。なお、ヘッド本体２ａの短手方向に並んでいる１列の加圧室列に属する加圧室１０から繋がっている吐出孔８で、仮想直線のＲの範囲がカバーされている。
　圧電アクチュエータ基板２１の上面における各加圧室１０に対向する位置には個別電極２５がそれぞれ形成されている。個別電極２５は、加圧室１０より一回り小さく、加圧室１０とほぼ相似な形状を有している個別電極本体２５ａと、個別電極本体２５ａから引き出されている引出電極２５ｂとを含んでおり、個別電極２５は、加圧室１０と同じように、個別電極列および個別電極群を構成している。また、圧電アクチュエータ基板２１の上面には、共通電極２４とビアホールを介して電気的に接続されている共通電極用表面電極２８が形成されている。共通電極用表面電極２８は、圧電アクチュエータ基板２１の短手方向の中央部に、長手方向に沿うように２行形成され、また、長手方向の端近くで短手方向に沿って１列形成されている。図示した共通電極用表面電極２８は直線上に断続的に形成されたものであるが、直線上に連続的に形成してもよい。共通電極用表面電極２８と共通電極２４とは、圧電セラミック層２１ｂに配置された、図示しないビアホール内の導体を通じて、電気的に接続される。
　圧電アクチュエータ基板２１には、２枚の信号伝達部６０が、圧電アクチュエータ基板２１の２つの長辺側から、それぞれ中央に向かうように配置され、接合される。その際、圧電アクチュエータ基板２１の引出電極２５ｂおよび共通電極用表面電極２８の上に、それぞれ、接続電極２６および共通電極用接続電極を形成して接続することで、接続が容易になる。また、その際、共通電極用表面電極２８および共通電極用接続電極の面積を接続電極２６の面積よりも大きくすれば、信号伝達部６０の端部（先端および圧電アクチュエータ基板２１の長手方向の端）における接続が、共通電極用表面電極２８上の接続により強くできるので、信号伝達部６０が端からはがれ難くできる。
　また、吐出孔８は、流路部材４の下面側に配置されたマニホールド５と対向する領域を避けた位置に配置されている。さらに、吐出孔８は、流路部材４の下面側における圧電アクチュエータ基板２１と対向する領域内に配置されている。これらの吐出孔８は、１つの群として圧電アクチュエータ基板２１とほぼ同一の形状の領域を占有しており、対応する圧電アクチュエータ基板２１の変位素子３０を変位させることにより吐出孔８から液滴が吐出できる。
　ヘッド本体２ａに含まれる流路部材４は、複数のプレートが積層された積層構造を有している。これらのプレートは、流路部材４の上面から順に、キャビティプレート４ａ、ベースプレート４ｂ、アパーチャ（しぼり）プレート４ｃ、サプライプレート４ｄ、マニホールドプレート４ｅ～ｊ、カバープレート４ｋおよびノズルプレート４ｌである。これらのプレートには多数の孔が形成されている。各プレートの厚さは１０～３００μｍ程度であることにより、形成する孔の形成精度を高くできる。流路部材４の厚さは、５００μｍ～２ｍｍ程度である。各プレートは、これらの孔が互いに連通して個別流路１２およびマニホールド５を構成するように、位置合わせして積層されている。ヘッド本体２ａは、加圧室１０は流路部材４の上面に、マニホールド５は内部の下面側に、吐出孔８は下面にと、個別流路１２を構成する各部分が異なる位置に互いに近接して配設され、加圧室１０を介してマニホールド５と吐出孔８とが繋がる構成を有している。
　各プレートに形成された孔について説明する。これらの孔には、次のようなものがある。第１に、キャビティプレート４ａに形成された加圧室１０である。第２に、加圧室１０の一端からマニホールド５へと繋がる個別供給流路１４を構成する連通孔である。この連通孔は、ベースプレート４ｂ（詳細には加圧室１０の入り口）からサプライプレート４ｃ（詳細にはマニホールド５の出口）までの各プレートに形成されている。なお、この個別供給流路１４には、アパーチャプレート４ｃに形成されている、流路の断面積が小さくなっている部位であるしぼり６が含まれている。
　第３に、加圧室１０の個別供給路１４が繋がっている端と反対の他端から吐出孔８へと連通する流路を構成する連通孔である。この連通孔は、以下の記載においてディセンダ（部分流路）と呼称されることがある。ディセンダは、ベースプレート４ｂ（詳細には加圧室１０の出口）からノズルプレート４ｌ（詳細には吐出孔８）までの各プレートに形成されている。
　第４に、副マニホールド５ａを構成する連通孔である。この連通孔は、マニホールドプレート４ｅ～ｊに形成されている。マニホールドプレート４ｅ～ｊには、副マニホールド５ｂを構成するように隔壁１５となる仕切り部が残るように孔が形成されている。各マニホールドプレート４ｅ～ｊにおける仕切り部は、ハーフエッチングした支持部（図では省略してある）で各マニホールドプレート４ｅ～ｊと繋がった状態にされる。
　第１～４の連通孔が相互に繋がり、マニホールド５からの液体の流入口（マニホールド５の出口）から吐出孔８に至る個別流路１２を構成している。マニホールド５に供給された液体は、以下の経路で吐出孔８から吐出される。まず、マニホールド５から上方向に向かって、個別供給流路１４に入り、しぼり６の一端部に至る。次に、しぼり６の延在方向に沿って水平に進み、しぼり６の他端部に至る。そこから上方に向かって、加圧室１０の一端部に至る。さらに、加圧室１０の延在方向に沿って水平に進み、加圧室１０の他端部に至る。加圧室１０からディセンダに入った液体は、水平方向にも移動しつつ、主に下方に向かい、下面に開口した吐出孔８に至って、外部に吐出される。
　圧電アクチュエータ基板２１は、圧電体である２枚の圧電セラミック層２１ａ、２１ｂからなる積層構造を有している。これらの圧電セラミック層２１ａ、２１ｂはそれぞれ２０μｍ程度の厚さを有している。圧電アクチュエータ基板２１の圧電セラミック層２１ａの下面から圧電セラミック層２１ｂの上面までの厚さは４０μｍ程度である。圧電セラミック層２１ａ、２１ｂのいずれの層も複数の加圧室１０を跨ぐように延在している。これらの圧電セラミック層２１ａ、２１ｂは、ニオブ酸カリウムナトリウム（ＫＮＮ）を主成分とするセラミックス材料からなる。なお、圧電セラミック層２１ａは、振動板として働いており、必ずしも圧電体である必要はなく、代わりに、圧電体でない他のセラミック層や金属板を用いてもよい。
　圧電アクチュエータ基板２１は、Ａｇ－Ｐｄ系などの金属材料からなる共通電極２４およびＡｕ系などの金属材料からなる個別電極２５を有している。個別電極２５は上述のように圧電アクチュエータ基板２１の上面における加圧室１０と対向する位置に配置されている個別電極本体２５ａと、そこから引き出された引出電極２５ｂとを含んでいる。引出電極２５ｂの一端の、加圧室１０と対向する領域外に引き出された部分には、接続電極２６が形成されている。接続電極２６は例えばガラスフリットを含む銀－パラジウムからなり、厚さが１５μｍ程度で凸状に形成されている。また、接続電極２６は、信号伝達部６０に設けられた電極と電気的に接合されている。詳細は後述するが、個別電極２５には、制御部８８から信号伝達部６０を通じて駆動信号が供給される。駆動信号は、印刷媒体Ｐの搬送速度と同期して一定の周期で供給される。
　共通電極２４は、圧電セラミック層２１ａと圧電セラミック層２１ｂとの間の領域に面方向のほぼ全面に渡って形成されている。すなわち、共通電極２４は、圧電アクチュエータ基板２１に対向する領域内のすべての加圧室１０を覆うように延在している。共通電極２４の厚さは２μｍ程度である。共通電極２４は、圧電セラミック層２１ａ上に個別電極２５からなる電極群を避ける位置に形成されている共通電極用表面電極２８に、圧電セラミック層２１ａを貫通して形成されたビアホールを介して繋がっていて、接地され、グランド電位に保持されている。共通電極用表面電極２８は、多数の個別電極２５と同様に、制御部８８と直接あるいは間接的に接続されている。
　圧電セラミック層２１ａの個別電極２５と共通電極２４とに挟まれている部分は、厚さ方向に分極されており、個別電極２５に電圧を印加すると変位する、ユニモルフ構造の変位素子３０となっている。より具体的には、個別電極２５を共通電極２４と異なる電位にして圧電セラミック層２１ａに対してその分極方向に電界を印加したとき、この電界が印加された部分が、圧電効果により歪む活性部として働く。この構成において、電界と分極とが同方向となるように、制御部８８により個別電極２５を共通電極２４に対して正または負の所定電位にすると、圧電セラミック層２１ａの電極に挟まれた部分（活性部）が、面方向に収縮する。一方、非活性層の圧電セラミック層２１ｂは電界の影響を受けないため、自発的には縮むことがなく活性部の変形を規制しようとする。この結果、圧電セラミック層２１ａと圧電セラミック層２１ｂとの間で分極方向への歪みに差が生じて、圧電セラミック層２１ｂは加圧室１０側へ凸となるように変形（ユニモルフ変形）する。
　続いて、液体の吐出動作について、説明する。制御部８８からの制御でドライバＩＣなどを介して、個別電極２５に供給される駆動信号により、変位素子３０が駆動（変位）させられる。本実施形態では、様々な駆動信号で液体を吐出させることができるが、ここでは、いわゆる引き打ち駆動方法について説明する。
　あらかじめ個別電極２５を共通電極２４より高い電位（以下高電位と称す）にしておき、吐出要求がある毎に個別電極２５を共通電極２４と一旦同じ電位（以下低電位と称す）とし、その後所定のタイミングで再び高電位とする。これにより、個別電極２５が低電位になるタイミングで、圧電セラミック層２１ａ、２１ｂが元の（平らな）形状に戻り（始め）、加圧室１０の容積が初期状態（両電極の電位が異なる状態）と比較して増加する。これにより、加圧室１０内の液体に負圧が与えられる。そうすると、加圧室１０内の液体が固有振動周期で振動し始める。具体的には、最初、加圧室１０の体積が増加し始め、負圧は徐々に小さくなっていく。次いで加圧室１０の体積は最大になり、圧力はほぼゼロとなる。次いで加圧室１０の体積は減少し始め、圧力は高くなっていく。その後、圧力がほぼ最大になるタイミングで、個別電極２５を高電位にする。そうすると最初に加えた振動と、次に加えた振動とが重なり、より大きい圧力が液体に加わる。この圧力がディセンダ内を伝搬し、吐出孔８から液体を吐出させる。
　つまり、高電位を基準として、一定期間低電位とするパルスの駆動信号を個別電極２５に供給することで、液滴を吐出できる。このパルス幅は、圧力室１０の液体の固有振動周期の半分の時間であるＡＬ（Acoustic Length）とすると、原理的には、液体の吐出速度および吐出量を最大にできる。圧力室１０の液体の固有振動周期は、液体の物性、圧力室１０の形状の影響が大きいが、それ以外に、圧電アクチュエータ基板２１の物性や、加圧室１０に繋がっている流路の特性からの影響も受ける。
　なお、パルス幅は、吐出される液滴を１つにまとめるようにするなど、他に考慮する要因もあるため、実際は、０．５ＡＬ～１．５ＡＬ程度の値にされる。また、パルス幅は、ＡＬから外れた値にすることで、吐出量を少なくすることができるため、吐出量を少なくするためにＡＬから外れた値にされる。
　圧電アクチュエータ基板２１と流路部材４とは、熱硬化性の接着剤で接合される。理由の１つは、様々なインクなどの液体を吐出する際には液体に対する耐性が必要となり、熱硬化性の接着剤の方が、常温硬化の接着剤よりも耐性が高いことにある。
　また、変位素子３０に対して、非常に多くの駆動を繰り返すと、変位量が低下することがある。これには様々は要因があるがその一つは、変位素子３０内の個別電極２５と共通電極２４とが対向している範囲外の圧電セラミック層２１ｂは、直接は圧電駆動されない部分であるが、この部分が圧電駆動される部分からの応力を受けて徐々に変形してしまうことにある。ＰＺＴ系の圧電材料においては、この変形を低減させるために圧電セラミック層２１ｂの平面方向に圧縮応力を加えておくのがよいことが知られている。流路部材４として、圧電アクチュエータ基板２１よりも熱膨張係数の大きな材料を用いて、加熱接合すれば、降温過程で圧電アクチュエータ基板２１に圧縮応力が加わった状態にできる。
　流路部材４としては、耐食性が高いことからステンレス鋼を用いられる場合が多い。例えば、Ｆｅ－Ｃｒ系であるＳＵＳ４１０（マルテンサイト系：熱膨張係数１１．０ｐｐｍ／℃）や、ＳＵＳ４３０（フェライト系：熱膨張係数１０．４ｐｐｍ／℃）、Ｆｅ－Ｃｒ－Ｎｉ系であるＳＵＳ３０４（オーステナイト系：熱膨張係数１７．３ｐｐｍ／℃）や、ＳＵＳ３２９（複合オーステナイト系：１２．８ｐｐｍ／℃）が用いられる。いずれも圧電材料に比べて高い熱膨張係数を有する場合が多いので、熱硬化後に圧電アクチュエータ基板２１には圧縮応力が加わることになる。
　圧電セラミック基板２１としてニオブ酸カリウムナトリウムを用いた場合、熱膨張係数は３～５ｐｐｍ／℃程度であるので圧縮応力が加わった状態になり、上述の場合と同様に、駆動耐久に関しては向上することが期待できる。なお、駆動耐久を高めるためには、圧縮応力は、３０ＭＰａ以上加わった状態にするのが好ましい。しかし、ニオブ酸カリウムナトリウムは、組成割合や添加物等により差はあるものの、比較的室温に近い温度に、正方晶と斜方晶との間の相転移点がある。圧縮応力が加わった状態で、上述の接着における降温過程や、使用環境において、この相転移点を跨ぐような温度変化があると、圧電特性の経時的な変化が大きくなる。
　この圧電特性の変化を少なくするためには、組成を調節することなどによって、相転移点を－２０℃以下にすればよい。そのようにすることで圧縮応力が加わっていても、圧電特性の経時的な変化が大きくなることを抑制できる。
　接着からの降温過程で相転移点を超える場合、ニオブ酸カリウムナトリウムが正方晶から斜方晶へ変化する際に、体積変化が発生するため、室温に戻したときに残留応力が生じる。その残留応力（圧縮応力）によって圧電体の一部が脱分極する。また、使用環境として－２０℃までの範囲を考えると、その範囲内に相転移点がある場合、相転移点を跨ぐ温度変化を受けた際に、結晶構造が変化することになり、この際に、流路部材４と圧電アクチュエータ基板２１との間の熱膨張差により、圧電体は圧縮応力を受けて構造変化することになるので、同じ結晶構造のまま圧縮応力を受けるよりも影響が大きくなる。相転移点を－２０℃以下にすれば、上述の要因の影響を小さくできるので、圧縮応力を受けていても、圧電特性の変化を小さくできる。
　なお、正方晶での結晶軸比ｃ／ａが、１．０１以上であれば、圧電特性の変動を小さくできる。圧縮応力が８０ＭＰａ以上と大きい場合、結晶軸比ｃ／ａよりも相転移点の影響が支配的となるため、そのような条件下では、相転移点が－２０以下であることが、特に必要である。
　このように用いることのできるニオブ酸カリウムナトリウム組成物とは、純粋なニオブ酸カリウムナトリウムである組成式（Ｋ１－ａＮａａ）ＮｂＯ３で表されるもの、もしくは、その各元素を、同価数の元素などに２０原子％程度まで置換したものである。圧電セラミック層２１ａ、ｂが、ニオブ酸カリウムナトリウム組成物を主成分とするとは、純粋なニオブ酸カリウムナトリウム、もしくは、次に示すニオブ酸カリウムナトリウム組成物が８０質量％、さらに９０質量％、特に９５質量％以上であることをいう。
　ニオブ酸カリウムナトリウム組成物は、Ｋ、Ｎａ、Ｎｂ以外に、少なくとも、Ｌｉと、Ｔａとを含むものである。さらに、Ｍｇ、ＣｕおよびＺｎからなる元素群のうち少なくともいずれか１種と、Ｂｉ、Ｃａ、ＢａおよびＳｒからなる元素群のうち少なくともいずれか１種とを含むのが好ましい。さらに、Ｓｂを含んでもよい。
　より具体的なニオブ酸カリウムナトリウム組成物の組成は、組成式（１－ｘ）｛（Ｋ１－ａＮａａ）１－ｂＬｉｂ｝ｃ（Ｎｂ１－ｄ－ｅＴａｄＳｂｅ）Ｏ２．５＋Ｃ／２＋ｘＢ１α（Ａ１１－βＡ２β）Ｏ３で表したとき、０．００２４≦ｘ≦０．００８、０．６６≦ａ＋３×ｂ≦０．７４、０．０２≦ｂ≦０．１０、０．９８０≦ｃ≦１．０００、０．０４≦ｄ≦０．１０、０≦ｅ≦０．０８、２／３≦α≦１、１／３≦β≦２／３の範囲であり、Ａ１が、Ｍｇ、ＣｕおよびＺｎからなる元素群のうち少なくともいずれか１種であり、Ａ２が、Ｎｂ、Ｔａ、Ｓｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｇｅ、ＳｎおよびＣｅからなる元素群のうち少なくともいずれか１種であり、Ｂ１が、Ｂｉ、Ｃａ、ＢａおよびＳｒからなる元素群のうち少なくともいずれか１種とすることで圧電特性を高くすることができる。Ａ１は、焼結性が良くなり、圧電特性も特に高くなるので、Ｚｎが特に好ましい。Ａ２は、圧電特性が特に高くなり、絶縁性も高くなるので、Ｓｎが特に好ましい。
　また、０．６６≦ａ＋３×ｂ≦０．７４であると、Ｋの一部をＮａで置換することになるので、圧電定数を高く、かつ結晶構造を正方晶性化することができる。ｂを０．０２以上とすれば、ＬｉがＡサイトに導入されることになるので、圧電磁器の焼結性を高めることができ、ｂを０．０２≦ｂ≦０．１０の範囲とすることにより、圧電特性を高くする、あるいは、結晶構造を正方晶性化することができる。ｃは、０．９８０≦ｃ≦１．０００の範囲とする。これは、ペロブスカイト構造のＡサイト原子がＢサイト原子に対して１．０００を超えて過剰に含まれると、絶縁性および圧電特性が低下し、０．９８０より小さくなると圧電特性が急激に低下するおそれがあるからである。
　０．０４≦ｄ≦０．１０であると、Ｎｂの一部をＴａで置換することになるので、圧電特性を高くすることができる。なお、ｄが０．１０を超えると圧電特性が低下し、さらにキュリー温度が低くなるおそれがある。ｅを０≦ｅ≦０．０８の範囲としたのは、必要に応じてＮｂの一部をＳｂで置換することにより焼結性を向上することができるためである。なお、ｅが０．０８を超えると焼結性が低下するおそれがある。
　上記組成式中のＢ１α（Ａ１１－βＡ２β）Ｏ３は、単独では複合ペロブスカイト構造を有している。Ｂｉは６ｓ２孤立電子対を持つため、Ｂｉが存在することで、結晶構造に大きな歪が生じる。Ｃａ、Ｂａ、Ｓｒも同様な効果を有する。これらの複合酸化物を、｛（Ｋ１－ａＮａａ）１－ｂＬｉｂ｝ｃ（Ｎｂ１－ｄ－ｅＴａｄＳｂｅ）Ｏ２。５＋Ｃ／２組成に所定量導入することにより、ニオブ酸カリウムナトリウムの結晶構造に歪みが導入されて分極が大きくなり、圧電特性が向上する。また、同時に、圧電特性の温度依存性を小さくすることが可能となる。特に圧電特性を高くするには、Ｂ１は、Ｂａであるのが好ましい。　なお、Ｂｉを含有する化合物は比較的低温で液相を生成するため、Ｂｉ複合酸化物を導入することにより、圧電磁器の焼成温度が低下するという効果も得られる。
　ここで、αは、２／３≦α≦１の範囲である。αをこのような範囲とすることにより、ニオブ酸カリウムナトリウムに複合ペロブスカイト組成の酸化物を過不足なく取り込むことができる。なお、αが２／３よりも小さくなると、圧電特性が低下するおそれがあり、αが１よりも大きくなると、余剰なＢｌが粒界部に存在することとなるため、圧電特性の低下や、圧電磁器の絶縁性が劣化するおそれがある。
　ニオブ酸カリウムナトリウムのペロブスカイト構造では、Ｎｂの相対的な量が少し多い程度であれば、多い分のＮｂはＡサイトに配置されると考えられるが、さらにＮｂが増えると、結晶格子間に配置されることになると考えられる。この結晶格子間に入ったＮｂは電荷を運ぶキャリアとして働き、絶縁性を劣化させるおそれがあるので、そのように配置されるのを抑制した方が好ましい。Ｂｉよりイオン半径の大きいＣａ、Ｂａ、Ｓｒ等のアルカリ土類金属をペロブスカイト構造の一部に置換することでＮｂが結晶格子間に配置されることを抑制できる。Ｂｉ、Ｃａ、Ｂａ、Ｓｒのイオンは電荷を運ぶキャリアとしては働かないので絶縁性を低下させ難い。
　Ｂ１としてのＢｉとアルカリ土類元素とを比較すると、Ｂｉは、焼成温度が低くなる点で好ましい。アルカリ土類元素は、Ｂｉの場合よりも圧電定数が高くなる点で好ましい。
　また、アルカリ土類元素の比率が高い場合と、Ｂｉの比率が高い場合とを比べると、アルカリ土類元素の比率が高い方は、比較的相転移点が低くなるので、相転移点を－２０℃以下にするという条件下で、他の組成の比率を調整できる範囲が広がり、自由度が高くなり好ましい。相転移点を低くするためには、アルカリ土類元素の比率が高い場合は、アルカリ土類元素の合量が、Ｂ１全体の７５％以上とするのが好ましい。Ｂｉの比率が高い場合は、Ｂ１は、ほぼＢｉだけとするのが好ましい。さらに、圧電磁器を導体と同時焼成する場合、Ｂｉは反応性が高いため、例えば銀などと反応して、外観の悪い圧電磁器が発生する割合が増える可能性があり、そのようになり難い点でアルカリ土類元素が好ましい。　　　
　Ａ１はＭｇ、ＣｕおよびＺｎからなる元素群のうち少なくともいずれか１種であり、Ａ２は、Ｎｂ、Ｔａ、Ｓｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｇｅ、ＳｎおよびＣｅからなる元素群のうち少なくともいずれか１種である。これらは、酸素との６配位状態において、Ｎｂと同程度のイオン半径を有している。
　βは１／３≦β≦２／３の範囲である。βをこのような範囲とすることにより、Ａ１とＡ２の比率を化学量論比の範囲内とすることができる。なお、Ａ１とＡ２の比率が化学量論比から著しくずれると、酸素空孔が形成され、圧電特性が低下するおそれがある。
　なお、Ａ２が５価のイオンとなる元素、すなわちＮｂ、ＴａおよびＳｂのうち少なくともいずれか１種の元素である場合は、α＋βを４／３とすることにより、Ａ１とＡ２を化学量論比の範囲内とすることができ、好ましい。また、Ａ２が４価のイオンとなる元素、すなわちＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｇｅ、ＳｎおよびＣｅのうち少なくともいずれか１種である場合は、βを１／２とすることにより、Ａ１とＡ２を化学量論比の範囲内とすることができ、好ましい。なお、各係数の値によっては、Ｂ１α（Ａ１１－βＡ２β）Ｏ３の価数の合計が０でなくなる場合があるが、実際の圧電体の組成としては、「Ｏ３」部分の３の値が３からずれることで、価数の合計は０に保たれる。
　また、圧電セラミック層２１ａ、ｂには、ニオブ酸カリウムナトリウム組成物、すなわち、純粋なニオブ酸カリウムナトリウムや、その一部元素を置換したもの、さらに上述のペロブスカイト成分を含むもの、以外に焼結助剤などの添加成分を含んでもよい。例えば、焼結助剤として、ニオブ酸カリウムナトリウム組成物１００質量部に対して、ＭｎをＭｎＯ２換算で０．１～０．５質量部、あるいはＣｒをＣｒ２Ｏ３換算で０．２～１．０質量部加えればよい。
　以上のような液体吐出ヘッド２は、例えば、以下のようにして作製する。ロールコータ法、スリットコーター法などの一般的なテープ成形法により、ＫＮＮ系圧電セラミック原料粉末と有機組成物からなるテープの成形を行ない、焼成後に圧電セラミック層２１ａ、２１ｂとなる複数のグリーンシートを作製する。一部のグリーンシートには、その表面に共通電極２４となるＡｇ－Ｐｄペーストを印刷法等により形成する。また、必要に応じてグリーンシートの一部に共通電極２４と共通電極用表面電極２８とを繋ぐビアホールを形成する。
　次に、各グリーンシートを積層して積層体を作製し、加圧密着を行なう。加圧密着後の積層体を高濃度酸素雰囲気下で焼成し、焼成体を得る。その後、焼成体表面に有機金ペーストを用いて個別電極２５を印刷して、焼成する。さらに、Ａｇペーストを用いて接続電極２６および共通電極用表面電極２８を印刷し、焼成する。Ａｇペーストは、印刷した際に、グリーンシートに開けたビアホールに入り込み、共通電極２４に接続するので、焼成後、共通電極用表面電極２８と共通電極２４とは電気的に接続される。
　次に、流路部材４を、圧延法等により得られたプレート４ａ～ｌを、接着層を介して積層して作製するプレート４ａ～ｌに、マニホールド５、個別供給流路１４、加圧室１０およびディセンダなどとなる孔を、エッチングにより所定の形状に加工する。　これらプレート４ａ～ｌは、Ｆｅ―Ｃｒ系、Ｆｅ－Ｎｉ系、ＷＣ－ＴｉＣ系の群から選ばれる少なくとも１種の金属によって形成されていることが望ましく、特に液体としてインクを使用する場合にはインクに対する耐食性の優れた材質からなることが望ましため、Ｆｅ－Ｃｒ系がより好ましい。
　圧電アクチュエータ基板２１と流路部材４とは、例えば熱硬化性の接着層を介して積層接着することができる。接着層としては、周知のものを使用することができるが、圧電アクチュエータ基板２１や流路部材４への影響をおよぼさないために、熱硬化温度が１００～１５０℃のエポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂の群から選ばれる少なくとも１種の接着剤を用いるのがよい。このような接着層を用いて熱硬化温度にまで加熱することによって、圧電アクチュエータ基板２１と流路部材４とを加熱接合することができる。
　その後、個別電極２５と共通電極２４との間に電圧を加え、これらの間に挟まれている部位の圧電セラミック層２１ｂを分極することで、液体吐出ヘッド２を得ることができる。
　以上、液体吐出ヘッド２を用いて説明したが、他の圧電素子においても同様である。すなわち、圧電素子の圧電体が、平面方向に広がっているとともに、該平面方向に圧縮応力が加わっている場合、圧電体がニオブ酸カリウムナトリウムであり、正方晶と斜方晶との間の相転移点が－２０℃以下であれば、圧電特性の変動を小さくできる。このような圧電素子により、液体吐出ヘッド以外に用いられるアクチュエータ、例えばスピーカやブザー、センサ、電気的な回路を構成するフィルタなどを構成することができる。
　スピーカやブザーは、例えば、音を発する面となる振動板に金属などの高熱膨張の部材を用いて、圧電素子と振動板とを加熱接合して作成することで、圧電体に圧縮応力が加わった圧電部材とすることができる。センサやフィルタは、例えば、圧電体を機械的に保持する支持体に金属などの高熱膨張の部材を用いて、圧電素子と支持体とを加熱接合して作成することで、圧電体に圧縮応力が加わった圧電部材とすることができる。
　評価用の圧電アクチュエータ基板２１を作製し、評価を行なった。圧電セラミック層２１ａ、２１ｂに用いる圧電材料は、組成式（１－ｘ）｛（Ｋ１－ａＮａａ）１－ｂＬｉｂ｝ｃ（Ｎｂ１－ｄ－ｅＴａｄＳｂｅ）Ｏ２．５＋Ｃ／２＋ｘＢ１α（Ａ１１－βＡ２β）Ｏ３の各パラメーターが表１の値となるように、Ｋ２ＣＯ３、Ｎａ２ＣＯ３、Ｌｉ２ＣＯ３、Ｎｂ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５、Ｓｂ２Ｏ３、Ｂｉ２Ｏ３、ＭｇＣＯ３、ＣａＣＯ３、ＳｒＣＯ３、ＢａＣＯ３、ＣｕＯ、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２、ＧｅＯ２、ＳｎＯ２、ＣｅＯ２の各粉末を調合した。さらに、前記組成式１００質量部に対して、焼結助剤としてＭｎＯ２あるいはＣｒ２Ｏ３の粉末を表１～３に記載の質量部加えたものを原料とした。
　調合した原料は、水もしくはイソプロパノールとジルコニアボールとともにポットに入れて混合した。混合した原料は、一旦乾燥した後、９００℃で仮焼した。仮焼した原料は、水もしくはイソプロパノールとジルコニアボールとともにポットに入れて解砕した。この粉末を用いてスラリーを作成し、このスラリーから、成形方法としてロールコータ法を採用して、グリーンシートを作製した。
　次いで、Ａｇ－Ｐｄ合金を含む導体ペーストを用いたスクリーン印刷法により、グリーンシートの表面に、共通電極３４となる電極パターンを形成した。次いで、このグリーンシートに印刷をしていないグリーンシートを積層した後、１０５０℃の温度で焼成した。焼成後、Ａｇペーストで個別電極２５を印刷し、焼成することで圧電アクチュエータ基板２１を作製した。
　作製した圧電アクチュエータ基板２１は、図２～５で示したものである。各試料について圧電アクチュエータ基板２１は、２つ準備し、１つは支持体（流路部材４）と接合せずに評価し、他の１つは、支持体と加熱接合した後に評価した。支持体としてはＳＵＳ４３０を用い、加熱接合は、支持体と圧電アクチュエータ基板２１との間にエポキシ系樹脂を塗布して１２０℃で行なった。表１～３には、支持体と接合していない圧電アクチュエータ基板２１の圧電定数ｄ３１の値と、斜方晶と正方晶との間の相転移点の温度を示した。ここで観察した斜方晶および正方晶は、ニオブ酸カリウムナトリウム組成物の結晶構造であり、Ｘ線回折で、純粋なニオブ酸カリウムナトリウムから少しシフトした状態のものが観測される。
　支持体と接合した圧電アクチュエータ基板２１および支持体と接合していない圧電アクチュエータ基板２１に対して、の温度サイクル試験を行なった。８０℃（３０分間）～－２０℃（３０分間）の温度サイクル試験を１０サイクル行なった後、圧電定数ｄ３１を測定し、試験前から試験後への変化率を表１～３に示した。そして、接合の有無、すなわち圧電体に圧縮応力が加わっているかどうかによる変化率の差を表１～３に示した。また、図６は、相転移点と、温度サイクル試験による圧電定数ｄ３１の低下率との関係を、接合の有無で分けて示したグラフである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　図６に示されているように、相転移点が－２０℃より高い場合、接合による圧縮応力が加わっていない圧電アクチュエータ基板２１に対して、接合により圧縮応力が加わっている圧電アクチュエータ基板２１は、温度サイクル後の低下率が１％以上大きくなっており、圧縮応力が加わった状態では、圧電定数ｄ３１の変動が大きくなることが分かる。これに対して、相転移点が－２０℃以下の試料では、圧電定数ｄ３１の変動は、圧縮応力の差よってほとんど変わらず（測定誤差程度の±０．１％程度）、圧電定数ｄ３１の変動が小さくなっていることが分かる。
　また。上述の組成式において、０．００２４≦ｘ≦０．００８、０．６６≦ａ＋３×ｂ≦０．７４、０．０２≦ｂ≦０．１０、０．９８０≦ｃ≦１．０００、０．０４≦ｄ≦０．１０、０≦ｅ≦０．０８、２／３≦α≦１、１／３≦β≦２／３の範囲内である試料は、圧電定数ｄ３１が９０ｐｍ／Ｖ以上と高くなった。
　また、一部の試料については、支持体としてＳＵＳ３０４を用いて同様の試験を行ない、その結果を表４に示した。ＳＵＳ３０４と接合した場合も、相転移点が－２０℃以下の圧電アクチュエータ基板２１では、圧電定数ｄ３１の変動が小さくなっている
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　またさらに、一部の試料については、ニオブ酸カリウムナトリウム組成物が正方晶の状態における結晶軸比と圧縮応力を測定し、その結果を表５に示した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
　１・・・カラーインクジェットプリンタ
　２・・・液体吐出ヘッド
　　２ａ・・・ヘッド本体
　４・・・流路部材（支持体）
　　４ａ～ｌ・・・（流路部材の）プレート
　　４－１・・・吐出孔面
　　４－２・・・加圧室面
　５・・・マニホールド
　　５ａ・・・（マニホールドの）開口
　　５ｂ・・・副マニホールド
　６・・・しぼり
　８・・・吐出孔
　９・・・吐出孔行
　１０・・・加圧室
　１１・・・加圧室行
　１２・・・個別流路
　１４・・・個別供給流路
　１５・・・隔壁
　１６・・・ダミー加圧室
　２１・・・圧電アクチュエータ基板
　　２１ａ・・・圧電セラミック層（振動板）
　　２１ｂ・・・圧電セラミック層
　２４・・・共通電極
　２５・・・個別電極
　　２５ａ・・・個別電極本体
　　２５ｂ・・・引出電極
　２６・・・接続電極
　２８・・・共通電極用表面電極
　３０・・・変位素子（圧電素子）
　６０・・・信号伝達部
　７０・・・ヘッド搭載フレーム
　７２・・・ヘッド群
　８０ａ・・・給紙ローラ
　８０ｂ・・・回収ローラ
　８２ａ・・・ガイドローラ
　８２ｂ・・・搬送ローラ
　８８・・・制御部
　Ｐ・・・印刷用紙
 

Claims (7)

  1. 　ニオブ酸カリウムナトリウム組成物を主成分とする圧電体を含む圧電素子であって、該圧電体は、平面方向に広がっているとともに、該平面方向に圧縮応力が加わっており、かつ正方晶と斜方晶との間の相転移点が－２０℃以下であることを特徴とする圧電素子。
  2. 　前記ニオブ酸カリウムナトリウム組成物は、組成式（１－ｘ）｛（Ｋ１－ａＮａａ）１－ｂＬｉｂ｝ｃ（Ｎｂ１－ｄ－ｅＴａｄＳｂｅ）Ｏ２．５＋Ｃ／２＋ｘＢ１α（Ａ１１－βＡ２β）Ｏ３で表したとき、
    　０．００２４≦ｘ≦０．００８、
    　０．６６≦ａ＋３×ｂ≦０．７４、
    　０．０２≦ｂ≦０．１０、
    　０．９８０≦ｃ≦１．０００、
    　０．０４≦ｄ≦０．１０、
    　０≦ｅ≦０．０８、
    　２／３≦α≦１、
    　１／３≦β≦２／３
    　の範囲であり、Ａ１が、Ｍｇ、ＣｕおよびＺｎからなる元素群のうち少なくともいずれか１種であり、Ａ２が、Ｎｂ、Ｔａ、Ｓｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｇｅ、ＳｎおよびＣｅからなる元素群のうち少なくともいずれか１種であり、Ｂ１が、Ｂｉ、Ｃａ、ＢａおよびＳｒからなる元素群のうち少なくともいずれか１種であることを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
  3. 　前記ニオブ酸カリウムナトリウム組成物の、正方晶における結晶軸比ｃ／ａが１．０１以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の圧電素子。
  4. 　請求項１～３のいずれかに記載の圧電素子と、前記圧電体と接合されている、該圧電体より熱膨張係数の大きい支持体とを含んでいることを特徴とする圧電部材。
  5. 　複数の吐出孔、および該複数の吐出孔とそれぞれ繋がっている複数の加圧室を有している流路部材と、該流路部材に接合されており、前記複数の加圧室内の液体をそれぞれ加圧する複数の請求項１～３のいずれかに記載の圧電素子を有している圧電アクチュエータ基板とを備えている液体吐出ヘッドであって、前記圧電体は、前記複数の加圧室に渡って延在していることを特徴とする液体吐出ヘッド。
  6. 　前記流路部材は、前記圧電アクチュエータ基板より熱膨張係数が大きく、前記圧電アクチュエータ基板と前記流路部材とが接合されていることを特徴とする請求項５に記載の液体吐出ヘッド。
  7. 　請求項５または６に記載の液体吐出ヘッドと、記録媒体を前記液体吐出ヘッドに対して搬送する搬送部と、前記液体吐出ヘッドを制御する制御部を備えていることを特徴とする記録装置。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPWO2020184243A1 (ja) * 2019-03-13 2020-09-17

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106588011B (zh) * 2016-12-31 2018-07-10 陕西师范大学 高剩余极化强度和居里温度的铌酸钾钠基无铅透明铁电陶瓷及其制备方法
WO2018234069A1 (en) 2017-06-22 2018-12-27 OCE Holding B.V. METHOD FOR MANUFACTURING INK JET PRINTING HEAD AND INK JET PRINTING HEAD WITH INDUCED CRYSTALLINE PHASE CHANGE ACTUATION
CN107324804B (zh) * 2017-07-12 2020-07-24 歌尔股份有限公司 无铅压电陶瓷及其制备方法
CN111925209A (zh) * 2020-08-10 2020-11-13 国网河南省电力公司电力科学研究院 一种无铅声振压电换能材料及其制备方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2002073710A1 (fr) 2001-03-12 2002-09-19 Ngk Insulators,Ltd. Actionneur a films piezo-electriques/electrostrictifs et son procede de fabrication
JP2004244300A (ja) * 2003-01-23 2004-09-02 Denso Corp 圧電磁器組成物及びその製造方法，並びに圧電素子及び誘電素子
JP2007290374A (ja) * 2006-03-29 2007-11-08 Kyocera Corp 印刷ヘッドの製造方法および印刷ヘッド
JP2010225705A (ja) * 2009-03-20 2010-10-07 Nippon Soken Inc 積層型圧電素子及びその製造方法
JP2011195382A (ja) * 2010-03-19 2011-10-06 Kyocera Corp 圧電磁器およびそれを用いた圧電素子

Family Cites Families (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1382588B9 (en) 2002-07-16 2012-06-27 Denso Corporation Piezoelectric ceramic composition and method of production of same
JP2005041053A (ja) * 2003-07-25 2005-02-17 Kyocera Corp 液体吐出装置
JP4450636B2 (ja) * 2004-02-12 2010-04-14 株式会社豊田中央研究所 圧電セラミックスの製造方法
JP4878133B2 (ja) * 2004-09-13 2012-02-15 株式会社デンソー 圧電アクチュエータ
JP2006105964A (ja) * 2004-09-13 2006-04-20 Denso Corp 圧電センサ
CN101019012A (zh) * 2004-09-13 2007-08-15 株式会社电装 压电传感器
JP4795748B2 (ja) * 2004-09-13 2011-10-19 株式会社デンソー 圧電アクチュエータ
CN100511746C (zh) 2004-09-13 2009-07-08 株式会社电装 压电执行元件
CN1754858A (zh) * 2004-09-29 2006-04-05 日本碍子株式会社 压电/电致伸缩陶瓷组合物及其应用
CN100539228C (zh) * 2005-12-06 2009-09-09 精工爱普生株式会社 压电层压体、表面声波元件、压电谐振器及压电传动装置
ATE545619T1 (de) * 2006-09-08 2012-03-15 Konica Minolta Holdings Inc Tröpfchenausstosskopf
JP4804449B2 (ja) * 2007-12-25 2011-11-02 京セラ株式会社 圧電磁器および圧電素子
JP4724728B2 (ja) * 2008-03-31 2011-07-13 株式会社デンソー 積層型圧電素子の製造方法
JP5525143B2 (ja) * 2008-06-05 2014-06-18 日立金属株式会社 圧電薄膜素子及び圧電薄膜デバイス
CN101333106A (zh) * 2008-07-30 2008-12-31 山东大学 改性钛酸钡基压电陶瓷材料及其应用
GB2469285A (en) * 2009-04-06 2010-10-13 Ntnu Technology Transfer As Ferroelectric niobate materials formed by spray pyrolysis
JP5572998B2 (ja) * 2009-05-22 2014-08-20 Ｔｄｋ株式会社 圧電磁器組成物及び圧電素子
JP2012059770A (ja) * 2010-09-06 2012-03-22 Seiko Epson Corp 圧電素子、液滴噴射ヘッドおよび液滴噴射装置ならびにそれらの製造方法
JP5672443B2 (ja) * 2010-11-10 2015-02-18 セイコーエプソン株式会社 液体噴射ヘッド、液体噴射装置、圧電素子及び圧電素子の製造方法
CN102030529B (zh) * 2010-11-17 2013-06-12 合肥工业大学 含铋复合钙钛矿－锆钛酸铅准三元系压电陶瓷及其制备方法
WO2014002286A1 (ja) * 2012-06-26 2014-01-03 本多電子株式会社 電気機械変換素子及びその製造方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2002073710A1 (fr) 2001-03-12 2002-09-19 Ngk Insulators,Ltd. Actionneur a films piezo-electriques/electrostrictifs et son procede de fabrication
JP2004244300A (ja) * 2003-01-23 2004-09-02 Denso Corp 圧電磁器組成物及びその製造方法，並びに圧電素子及び誘電素子
JP2007290374A (ja) * 2006-03-29 2007-11-08 Kyocera Corp 印刷ヘッドの製造方法および印刷ヘッド
JP2010225705A (ja) * 2009-03-20 2010-10-07 Nippon Soken Inc 積層型圧電素子及びその製造方法
JP2011195382A (ja) * 2010-03-19 2011-10-06 Kyocera Corp 圧電磁器およびそれを用いた圧電素子

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP3075536A4

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPWO2020184243A1 (ja) * 2019-03-13 2020-09-17
WO2020184243A1 (ja) * 2019-03-13 2020-09-17 京セラ株式会社 圧電磁器組成物及び圧電アクチュエータ
CN113557611A (zh) * 2019-03-13 2021-10-26 京瓷株式会社 压电陶瓷组合物及压电致动器
JP7275251B2 (ja) 2019-03-13 2023-05-17 京セラ株式会社 圧電磁器組成物及び圧電アクチュエータ
CN113557611B (zh) * 2019-03-13 2024-02-09 京瓷株式会社 压电陶瓷组合物及压电致动器

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