JPH09187931A - 圧電／電歪膜型チップ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ピン孔と圧電／電歪アクチュエータの連通孔
との位置精度の低下を最小限に抑え、インクノズル部材
と位置精度良く接合一体化することができる圧電／電歪
膜型チップの提供。 【解決手段】 少なくとも複数の窓部７５からなる窓部
配置パターン１００を有するスペーサープレート７４
と、窓部７５を覆蓋する薄肉の閉塞プレート７２が一体
となっているセラミック基体７０と、閉塞プレート７２
の外面上で窓部７５の覆蓋部位に膜形成法によって層状
に順次設けた下部電極８１、圧電／電歪層８２及び上部
電極８３より構成される圧電／電歪作動部７１とを備え
た圧電／電歪膜型チップ５０であって、窓部配置パター
ン１００の重心位置もしくはその近傍に位置決めピン孔
５２を設けたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】 本発明は、圧電／電歪膜型
素子の集積体たる圧電／電歪膜型チップに係り、更に詳
しくは、インクジェットプリントヘッドに好適に用いる
ことができる圧電／電歪膜型チップに関する。

【０００２】

【従来の技術】 近年になり、基体内部に形成した加圧
室内の圧力を上昇させる機構の一つとして、加圧室壁に
設けた圧電／電歪作動部の変位によって、当該加圧室の
体積を変化させるようにした圧電／電歪膜型素子が知ら
れている。このような圧電／電歪膜型素子は、例えば、
インクジェットプリンターに使用されるプリントヘッド
のインクポンプなどとして利用されており、インクが供
給され、充填された加圧室内の圧力を圧電／電歪作動部
の変位によって上昇させることにより、加圧室内に連通
するノズル孔からインク微粒を打ち出し、印字するよう
になっている

【０００３】 図４は、従来公知の圧電／電歪膜型素子
をアクチュエータとして用いたインクジェットプリント
ヘッド（一部分）の一例を示すもので、このインクジェ
ットプリントヘッドは、圧電／電歪アクチュエータ２０
の複数個が一体となった圧電／電歪膜型チップ１０と、
その複数の圧電／電歪アクチュエータ２０のそれぞれに
対応する複数個のノズル孔１２の開いたインクノズル部
材１１とが接合一体化されて形成されたものであり、圧
電／電歪アクチュエータ２０内に形成された加圧室３０
に供給されたインクがインクノズル部材１１に設けられ
たノズル孔１２を通じて噴出されるようになっている。

【０００４】 インクノズル部材１１は、複数のノズル
孔１２が設けられた薄肉平板状のノズルプレート１３
と、複数のオリフィス孔１４が設けられた同じく薄肉平
板状のオリフィスプレート１５が、流路プレート１６を
挟んで積層され、接着剤などで一体的に接合された構造
となっている。インクノズル部材１１の内部には、ノズ
ル孔１２にインクを導くインク噴出用流路１７と、オリ
フィス孔１４にインクを導くインク供給用流路１８が形
成されている。なお、これらのインクノズル部材１１は
通常プラスチックや金属により構成される。

【０００５】 圧電／電歪アクチュエータ２０は、セラ
ミックス基体２１と、該セラミックス基体２１に一体的
に形成された圧電／電歪作動部２２とから構成される。
セラミックス基体２１は、それぞれ薄肉平板状の閉塞プ
レート２３と接続プレート２４が、スペーサプレート２
５を挟んで重ね合され、一体的に構成されている。ここ
で、接続プレート２４には、インクノズル部材１１のオ
リフィスプレート１５に形成されたオリフィス孔１４に
対応する位置に第一連通開口部２６および第二連通開口
部２７がそれぞれ形成されている。

【０００６】 スペーサプレート２５には、窓部２８が
複数形成されており、これらの各窓部２８に対して、接
続プレート２４に設けられた第一連通開口部２６および
第二連通開口部２７が開口されるように、スペーサプレ
ート２５と接続プレート２４が重ね合わされている。ま
た、スペーサプレート２５の接続プレート２４が重ね合
わされた側とは反対側の面には、閉塞プレート２３が重
ね合わされており、この閉塞プレート２３により窓部２
８の開口が覆蓋されている。このようにして、セラミッ
クス基体２１の内部には、加圧室３０が形成されてい
る。

【０００７】 そして、セラミックス基体２１には、閉
塞プレート２３の外面上において、各加圧室３０に対応
する部位にそれぞれ圧電／電歪作動部２２が設けられて
いる。ここで、圧電／電歪作動部２２は、下部電極３
１、圧電／電歪層３２および上部電極３３から成ってい
る。

【０００８】 インクジェットプリントヘッドは圧電／
電歪膜型チップ１０と、インクノズル部材１１とが接合
一体化されて形成されるのであるが、この接合一体化の
際、圧電／電歪アクチュエータ２０に設けた第一連通開
口部２６及び第二連通開口部２７などの連通孔と、イン
クノズル部材１１における複数のオリフィス孔１４など
の連通孔とが、正確な位置関係を保持しつつ接合一体化
される必要がある。

【０００９】 このような圧電／電歪膜型チップ１０と
インクノズル部材１１との接合一体化にあたり、従来に
おいては、図５に示すように、圧電／電歪膜型チップ１
０の縁部にピン孔４２を配設し、このピン孔４２に組立
ピン（図示せず）を挿入することにより絶対的位置決め
を行ない、圧電／電歪膜型チップ１０とインクノズル部
材１１とを接合している。なお、４３は補助孔であり、
ここに補助ピン（図示せず）を挿入して圧電／電歪膜型
チップ１０とインクノズル部材１１の回転ズレを防止す
る。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】 しかしながら、近年
においては、インクジェットプリンタの解像度の向上、
印刷速度性能の向上という要請がさらに強くなり、その
結果、圧電／電歪膜型チップ１０の集積度がさらに高め
られるとともに多ノズル化が必要となり、それに伴って
圧電／電歪膜型チップ１０の寸法の大型化がより求めら
れるようになってきた。このように圧電／電歪膜型チッ
プ１０が大型化すると、ピン孔４２が圧電／電歪膜型チ
ップ１０の縁部に配設されている場合、ピン孔４２と最
遠部に位置する圧電／電歪アクチュエータ２０との距離
が長くなり、ピン孔４２と圧電／電歪アクチュエータ２
０の連通孔との位置精度が低下するという問題が生じて
きた。これは、セラミックス基体２１が、セラミックス
グリーンシートの成形、打ち抜き加工、積層および焼成
一体化により製造されているため、セラミックスの約２
０％の焼成収縮率が個体によってばらつき、圧電／電歪
膜型チップ１０が大きくなるにつれてばらつきの絶対値
が大きくなったためである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】 従って、本発明の目的
とするところは、ピン孔と圧電／電歪アクチュエータの
連通孔との位置精度の低下を最小限に抑え、圧電／電歪
膜型チップがインクノズル部材と位置精度良く接合一体
化することができる圧電／電歪膜型チップを提供するこ
とにある。即ち、本発明によれば、少なくとも複数の窓
部からなる窓部配置パターンを有するスペーサープレー
トと、該窓部を覆蓋する薄肉の閉塞プレートが一体とな
っているセラミック基体と、前記閉塞プレートの外面上
で前記窓部の覆蓋部位に膜形成法によって層状に順次設
けた下部電極、圧電／電歪層及び上部電極より構成され
る圧電／電歪作動部とを備えた圧電／電歪膜型チップで
あって、前記窓部配置パターンの重心位置もしくはその
近傍に位置決めピン孔を設けたことを特徴とする圧電／
電歪膜型チップ、が提供される。

【００１２】 また本発明においては、スペーサープレ
ートにおける窓部と、位置決めピン孔との最短距離Ａ
が、 ０．５×ｔ≦Ａ （ｔ；スペーサープレートの板厚） を満たすことが好ましく、その場合には、上記ｔは０．
５ｍｍ以下が好ましい。なお、本発明において、スペー
サープレートとは、グリーンシートではなく、図４に示
す如く、出来上がりの圧電／電歪膜型チップに仮想線を
引いて特定する、仮想部分を指す。

【００１３】

【発明の実施の形態】 以下、本発明に係る圧電／電歪
膜型チップについて、図面を参照しながら詳細に説明す
る。図１は本発明に係る圧電／電歪膜型チップの一実施
例を示す概略平面図、図２はインクジェットプリントヘ
ッドの一ノズル部の一例を示す断面説明図である。圧電
／電歪膜型チップ５０は、圧電／電歪アクチュエータ５
１を多数集積して形成されており、圧電／電歪膜型チッ
プ５０の窓部配置パターンの重心位置若しくはその近傍
に、位置決め用ピン孔５２が設けられている。この位置
決め用ピン孔５２は、図２に示すように、圧電／電歪ア
クチュエータ５１における連通孔である第一連通開口部
５４および第二連通開口部５５と、インクノズル部材５
６における連通孔である複数のオリフィス孔５７とを精
密に位置決めしつつ、圧電／電歪アクチュエータ５１と
インクノズル部材５６とを接合するために配設したもの
であり、具体的には、このピン孔５２に組立ピン５８を
挿入することにより位置決めして接合を行なう。

【００１４】 このように、位置決め用ピン孔５２を圧
電／電歪膜型チップ５０の窓部配置パターンの重心位置
若しくはその近傍に設け、このピン孔５２に組立ピン５
８を挿入することにより位置決めして接合を行なうと、
圧電／電歪膜型チップ５０が大型化しても、ピン孔５２
と最遠部に位置する圧電／電歪アクチュエータ５１との
距離が従来のものに比して短くなるため、ピン孔５２と
圧電／電歪アクチュエータ５１の連通孔である第一連通
開口部５４および第二連通開口部５５と、インクノズル
部材５６における連通孔である複数のオリフィス孔５７
との位置精度の低下が最小限に抑えられ、圧電／電歪ア
クチュエータ５１がインクノズル部材５６と位置精度良
く接合一体化することができる。

【００１５】 インクノズル部材５６は、複数のノズル
孔６０が設けられた薄肉平板状のノズルプレート６１
と、複数のオリフィス孔５７が設けられた同じく薄肉平
板状のオリフィスプレート６２が、流路プレート６３を
挟んで積層され、接着剤などで一体的に接合された構造
となっている。インクノズル部材５６の内部には、ノズ
ル孔６０にインクを導くインク噴出用流路６４と、オリ
フィス孔５７にインクを導くインク供給用流路６５が形
成されている。そして、これらのインクノズル部材５６
は金属、プラスチック等で構成されている。

【００１６】 圧電／電歪アクチュエータ５１は、セラ
ミックス基体７０と、該セラミックス基体７０に一体的
に形成された圧電／電歪作動部７１とから構成されてい
る。セラミックス基体７０は、それぞれ薄肉平板状の閉
塞プレート７２と接続プレート７３が、スペーサプレー
ト７４を挟んで重ね合され、一体的に構成されている。
ここで、接続プレート７３には、図４と同様に、インク
ノズル部材５６のオリフィスプレート６２に形成された
オリフィス孔５７及びインク流路孔５９に対応する位置
に、第一連通開口部５４および第二連通開口部５５がそ
れぞれ形成されている。

【００１７】 スペーサープレート７４には、窓部７５
が複数形成され、これらの各窓部７５に対して、接続プ
レート７３に設けられた第一連通開口部５４および第二
連通開口部５５が開口されるように、スペーサープレー
ト７４と接続プレート７３が重ね合わされている。ま
た、スペーサープレート７４の接続プレート７３が重ね
合わされた側とは反対側の面には、閉塞プレート７２が
重ね合わされており、閉塞プレート７２により窓部７５
の開口が覆蓋されて、セラミックス基体７０の内部に、
加圧室８０が形成されている。

【００１８】 そして、セラミックス基体７０には、閉
塞プレート７２の外面上において、各加圧室８０に対応
する部位に、圧電／電歪作動部７１がそれぞれ設けられ
ている。ここで、圧電／電歪作動部７１は、下部電極８
１、圧電／電歪層８２および上部電極８３から成ってお
り、図１〜２の実施例では、圧電／電歪層８２の両端部
においてガラス層８５が閉塞プレート７２の外面上及び
／又は下部電極８１の外面上を被覆するように設けられ
ている。なお、図１では、下部電極８１は、圧電／電歪
アクチュエータ５１を所定数並置した領域Ｘ、領域Ｙに
おいて、それぞれ共通して設置され、またガラス層８５
も同様に、領域Ｘ、領域Ｙにおいて各圧電／電歪アクチ
ュエータ５１を共通に被覆している。

【００１９】 本発明において、位置決め用ピン孔５２
を圧電／電歪膜型チップ５０の窓部配置パターンの重心
位置若しくはその近傍に設ける場合、図３に示すよう
に、セラミックス基体７０の内部に形成した加圧室８０
（即ち、図２におけるスペーサープレート７４の窓部７
５）とピン孔５２との最短距離Ａが、 ０．５×ｔ≦Ａ （ｔ；スペーサープレート７４の板厚）を満たすような
範囲であることが、圧電／電歪膜型チップ５０の製品欠
陥を防ぐ観点から好ましい。

【００２０】 これは、Ａがこの範囲を超えて小さい
と、位置決め用の組立ピン５８が位置決め用ピン孔５２
に入る際の機械的衝撃がこの最短距離部に直接または間
接的に加わり、そのためにこの最短距離部付近に割れ、
欠け等の欠陥が発生する可能性が急激に上昇するためで
ある。図２に見られる如く、接続プレート７３における
位置決め用ピン孔５２と第二連通開口部５５との最短距
離であるＢの方が上記Ａより小さくなる可能性が設計上
生じる場合があるが、第二連通開口部５５は開口平面形
状が円形であるため、応力バランスが長円である窓部形
状よりも優れているためか、割れ、欠け等の欠陥はＡ＞
Ｂであっても、Ａの上記条件に依存する。

【００２１】 また本発明においても、図５に示すよう
な補助孔４３と同様に、図１、図３に示すごとく、補助
孔８６を設けている。なお、ここで、窓部配置パターン
１００とは、図３に示す如く、スペーサープレート７４
における窓部の平面的配置に関し、スペーサープレート
７４における全窓部を包含する多角形で最少角数のもの
を云う。

【００２２】 また、位置決め用ピン孔が重心位置の近
傍とは、最も好ましいのは重心位置であるが、その位置
が他の重要機能部分で占められている場合、その重要機
能部分から外れて且つ重心位置からできるだけ近い領域
範囲の位置を云う。なお、この場合、スペーサープレー
ト７４の板厚は０．５ｍｍ以下が好ましい。

【００２３】 本発明において、セラミックス基体７０
は、セラミックスの一体焼成品として形成されるもので
ある。具体的には、先ず、セラミックス原料とバインダ
ー並びに溶媒等から調製されるセラミックススラリーか
ら、ドクターブレード装置等の一般的な装置を用いてグ
リーンシートを成形する。次いで、必要に応じて、グリ
ーンシートに切断・切削・打抜き等の加工を施して、窓
部７５や第一連通開口部５４および第二連通開口部５５
等を形成し、各プレート７２、７３、７４の前駆体を形
成する。そして、それら各前駆体を積層、焼成すること
によって、一体的なセラミックス基体７０が得られる。

【００２４】 セラミックス基体７０を構成する材質と
しては、特に限定されるものではないが、成形性等の観
点から、アルミナ、ジルコニアが好適に使用される。ま
た、閉塞プレート７２の板厚は好ましくは５０μｍ以下
であり、接続プレート７３の板厚は好ましくは１０μｍ
以上であり、さらに、スペーサープレート７４の板厚は
好ましくは５０μｍ以上で、かつ上述のように５００μ
ｍ以下である。

【００２５】 また、圧電／電歪作動部７１は、閉塞プ
レート７２上に、下部電極８１、圧電／電歪層８２およ
び上部電極８３から構成され、この圧電／電歪作動部７
１は、通常、膜形成法によって形成される。すなわち、
この閉塞プレート７２の外面上に、下部電極８１、圧電
／電歪層８２および上部電極８３が、公知の各種の膜形
成法、例えば、スクリーン印刷、スプレー等の厚膜形成
方法、イオンビーム、スパッタリング、ＣＶＤ等の薄膜
形成方法によって形成される。

【００２６】 このように形成された各膜（下部電極８
１、圧電／電歪層８２および上部電極８３）は、次いで
熱処理（焼成）に付されるが、かかる熱処理は、それぞ
れの膜の形成の都度行なってもよく、あるいは全部の膜
を形成した後、同時に行なってもよい。圧電／電歪作動
部７１を構成する下部電極８１および上部電極８３の材
料としては、熱処理（焼成）温度程度の高温酸化雰囲気
に耐え得る導体であれば、特に限定はなく、例えば、金
属単体でも合金であってもよい。導電性セラミックスで
あってもよい。具体的には、白金、金、パラジウム等の
高融点貴金属類などを好適なものとして挙げることがで
きる。

【００２７】 また、圧電／電歪作動部７１を構成する
圧電／電歪層８２の材料としては、圧電あるいは電歪効
果等の電界誘起歪を示す材料であれば、何れの材料であ
ってもよい。具体的には、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺ
Ｔ系）を主成分とする材料、マグネシウムニオブ酸鉛
（ＰＭＮ系）を主成分とする材料、ニッケルニオブ酸鉛
（ＰＮＮ系）を主成分とする材料などが好ましく用いら
れる。圧電／電歪作動部７１の厚さは、一般に１００μ
ｍ以下で、下部電極８１、上部電極８３の厚さは一般に
２０μｍ以下、好ましくは５μｍ以下が望ましく、さら
に圧電／電歪層８２の厚さは、低作動電圧で大きな変位
を得るために、好ましくは５０μｍ以下、更に好ましく
は３μｍ以上４０μｍ以下である。

【００２８】 以上、本発明の実施例について詳述して
きたが、本発明はこれらの実施例によって何らの限定を
も受けるものでないことは言うまでもないところであ
る。また、本発明には、上記の実施例の他にも、本発明
の趣旨を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づ
いて種々の変更、修正、改良等を加えうるものであるこ
とが理解されるべきである。

【００２９】

【発明の効果】 以上説明したように、本発明の圧電／
電歪膜型チップによれば、位置決め用ピン孔を圧電／電
歪膜型チップの窓部配置パターンの重心位置若しくはそ
の近傍に設けたので、ピン孔を用いて位置決めし接合を
行なうと、圧電／電歪膜型チップが大型化しても、ピン
孔と最遠部の圧電／電歪アクチュエータとの距離が従来
のものに比して短くなるため、ピン孔と圧電／電歪アク
チュエータの連通孔との位置精度の低下が最小限に抑え
られ、圧電／電歪アクチュエータとインクノズル部材と
を位置精度良く接合一体化することができるという顕著
な効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る圧電／電歪膜型チップの一実施
例を示す概略平面図である。

【図２】 インクジェットプリントヘッドの一ノズル部
の一例を示す断面説明図である。

【図３】 スペーサープレートにおけるピン孔と窓部と
の位置関係を示す説明図である。

【図４】 従来公知の圧電／電歪膜型素子をアクチュエ
ータとして用いたインクジェットプリントヘッド（一部
分）の一例を示す断面図である。

【図５】 従来の圧電／電歪膜型チップを示す平面説明
図である。

【符合の説明】

５０…圧電／電歪膜型チップ、５１…圧電／電歪アクチ
ュエータ、５２…位置決め用ピン孔、５４…第一連通開
口部、５５…第二連通開口部、５６…インクノズル部
材、６０…ノズル孔、６１…ノズルプレート、６２…オ
リフィスプレート、６３…流路プレート、７０…セラミ
ックス基体、７１…圧電／電歪作動部、７２…閉塞プレ
ート、７３…接続プレート、７４…スペーサープレー
ト、７５…窓部、８０…加圧室、８１…下部電極、８２
…圧電／電歪層、８３…上部電極、８５…ガラス層、８
６…補助孔。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 赤羽 富士男 長野県諏訪市大和３丁目３番５号 セイコ ーエプソン株式会社内 (72)発明者 鴨井 和美 長野県諏訪市大和３丁目３番５号 セイコ ーエプソン株式会社内 (72)発明者 品田 聡 長野県諏訪市大和３丁目３番５号 セイコ ーエプソン株式会社内 (72)発明者 武内 幸久 愛知県名古屋市瑞穂区須田町２番56号 日 本碍子株式会社内 (72)発明者 高橋 伸夫 愛知県名古屋市瑞穂区須田町２番56号 日 本碍子株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも複数の窓部からなる窓部配置
   パターンを有するスペーサープレートと、該窓部を覆蓋
   する薄肉の閉塞プレートが一体となっているセラミック
   基体と、 前記閉塞プレートの外面上で前記窓部の覆蓋部位に膜形
   成法によって層状に順次設けた下部電極、圧電／電歪層
   及び上部電極より構成される圧電／電歪作動部とを備え
   た圧電／電歪膜型チップであって、 前記窓部配置パターンの重心位置もしくはその近傍に位
   置決めピン孔を設けたことを特徴とする圧電／電歪膜型
   チップ。
2. 【請求項２】 前記スペーサープレートにおける窓部
   と、前記位置決めピン孔との最短距離Ａが、 ０．５×ｔ≦Ａ （ｔ；スペーサープレートの板厚） を満たすことを特徴とする請求項１記載の圧電／電歪膜
   型チップ。
3. 【請求項３】 前記スペーサープレートの板厚が０．５
   ｍｍ以下である請求項１記載の圧電／電歪膜型チップ。