DE10011366A1

DE10011366A1 - Tintenstrahlkopf und Tintenstrahldrucker

Info

Publication number: DE10011366A1
Application number: DE10011366A
Authority: DE
Inventors: Tomohisa Shingai; Koichi Oikawa; Shuji Koike; Yoshiaki Sakamoto
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 1999-07-15
Filing date: 2000-03-14
Publication date: 2001-01-25
Also published as: JP2001026106A; US6350019B1

Abstract

Ein Tintenstrahlkopf enthält eine Druckkammer, eine Vibrationsplatte und ein piezoelektrisches Element, das auf der Vibrationsplatte vorgesehen ist und eine Volumenversetzung der Druckkammer verursacht. Das piezoelektrische Element hat eine Dicke von 20 _m oder weniger, und die Druckkammer und das piezoelektrische Element erfüllen eine Beziehung VO/(L2 2 b) > 550 x 10 -6 , wobei VO mF eine Volumenversetzung der Druckkammer bezeichnet, wenn das piezoelektrische Element angetrieben wird, L2 mF eine Breite des piezoelektrischen Elementes bezeichnet und b mF eine Tiefe der Druckkammer bezeichnet.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen Tin tenstrahlköpfe und Tintenstrahldrucker, und im besonderen einen Tintenstrahlkopf, bei dem ein piezoelektrisches Dünn filmelement als Mittel zum Herausspritzen von Tinte verwen det wird, und einen Tintenstrahldrucker, bei dem solch ein Tintenstrahlkopf verwendet wird.

Die meisten preiswerten Farbdrucker sind Tintenstrahl drucker, bei denen der Tintenstrahlkopf verwendet wird, da ein Tintenstrahlkopf kein Geräusch verursacht und der Tin tenstrahldrucker einen Farbendruck im Vergleich zu elektro fotografischen Druckern mit niedrigen Kosten realisieren kann.

In letzter Zeit wird verlangt, eine hohe Auflösung durch den Tintenstrahldrucker zu realisieren, und es wird schnelle Entwicklungsarbeit geleistet, um den Tropfendurch messer der Tinte zu minimieren, die aus dem Tintenstrahlkopf herausgespritzt wird. Ferner soll ein Tintenstrahldrucker mit einer Struktur realisiert werden, die sich zur Massen produktion eignet, während die Forderungen hinsichtlich der Realisierung einer hohen Leistung erfüllt werden.

2. Beschreibung der verwandten Technik

Fig. 1 ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines Tinten strahldruckers zeigt. Ein Tintenstrahldrucker 10, der in Fig. 1 gezeigt ist, enthält einen Tintenstrahlkopf 11, der an eine untere Oberfläche eines Wagens 12 montiert ist. Dieser Tintenstrahlkopf 11 ist zwischen einer Zuführrolle 13 und einer Auswurfrolle 14 positioniert und liegt einer Platte 15 gegenüber. Der Wagen 12 hat einen Tintentank 16 und ist in einer Richtung beweglich, die zu einem Zeichen papier, auf das Fig. 1 gezeichnet ist, senkrecht ist.

Ein Papier 17 wird zwischen einer Klemmrolle 18 und der Zuführrolle 13 eingeklemmt und in einem Zustand, bei dem es zwischen einer Klemmrolle 19 und der Auswurfrolle 14 einge klemmt ist, in eine Richtung A transportiert. Der Tinten strahlkopf 11 bedruckt das Papier 17, wenn der Tintenstrahl kopf 11 arbeitet und sich der Wagen 12 in die Richtung bewegt, die zu dem Zeichenpapier senkrecht ist. Nach dem Drucken wird das Papier 17 in einem Stapelfach 20 unter gebracht.

Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht, die einen wichtigen Teil eines Tintenstrahlkopfes zeigt. Ein Tinten strahlkopf 30, der dem oben beschriebenen Tintenstrahlkopf 11 entspricht, enthält, wie in Fig. 2 gezeigt, eine Düsen platte 33, die mit Düsen 32 gebildet ist, aus denen Tinte herausgespritzt wird, Druckkammern 35 und Tintenkanäle 40, die jeweilig in Entsprechung zu jeder der Düsen 32 gebildet sind, einen Antriebsteil 31, der eine Wand von jeder der Druckkammern 35 bildet, einen gemeinsamen Tintenkanal 39 zum Zuführen der Tinte zu jeder der Druckkammern 35 und einen Hauptkörper 36. Die Druckkammern 35 und der gemeinsame Tintenkanal 39 sind in dem Hauptkörper 36 integral gebildet.

Der Antriebsteil 31 enthält piezoelektrische Elemente 37, die bezüglich jeder der Druckkammern 35 auf einer Vibra tionsplatte 34 vorgesehen sind, die eine Wand von jeder der Druckkammern 35 gemeinsam bildet. Die Vibrationsplatte 34 bildet auch die gemeinsame Elektrode von jedem piezoelektri schen Element 37.

Individuelle Elektroden 38 sind auf der oberen Oberflä che der entsprechenden piezoelektrischen Elemente 37 vorge sehen. Der Antriebsteil 31 bildet durch die piezoelektri schen Elemente 37 und die Vibrationsplatte 34 eine bimorphe Struktur. Wenn ein Antriebssignal von einem Controller auf die individuelle Elektrode 38 angewendet wird, wird das entsprechende piezoelektrische Element 37 verzerrt, um in einer planaren Richtung der Vibrationsplatte 34 kontrahiert zu werden. Daher wird der Antriebsteil 31 hin zu der ent sprechenden Druckkammer 35 deformiert, wie es in Fig. 2 durch eine gestrichelte Linie gezeigt ist, und der Tinten tropfen wird aus der entsprechenden Düse 32 herausgespritzt. Wenn das Antriebssignal nicht mehr auf die individuelle Elektrode 38 angewendet wird, wird bei dem Antriebsteil 31 der flache, nichtdeformierte Zustand wiederhergestellt, wodurch die Tinte aus dem gemeinsamen Tintenkanal 39 der entsprechenden Tintenkammer 35 zugeführt wird.

Gemäß solch einer bimorphen Struktur ist es möglich, eine große Volumenversetzung bezüglich einer kleinen Verzer rung des piezoelektrischen Elementes zu erhalten, ohne daß eine komplexe Struktur zum Befestigen eines Endes des piezo elektrischen Elementes erforderlich ist. Aus diesem Grund ist diese bimorphe Struktur zur Massenproduktion geeignet.

Wenn die bimorphe Struktur gebildet wird, wird eine plattenförmige Basis für piezoelektrische Elemente in eine Vielzahl von schmalen piezoelektrischen Elementen geschnit ten, und die piezoelektrischen Elemente werden durch ein Haftagens oder dergleichen auf der Vibrationsplatte befe stigt. Auf Grund dieser Struktur kann sich aber das piezo elektrische Element von der Vibrationsplatte lösen, wenn das piezoelektrische Element extrem deformiert wird, und es existiert das Problem, daß es schwierig ist, einen Tinten strahlkopf mit einer zufriedenstellenden Druckeffektivität zu bilden. Da es ferner erforderlich ist, einen Prozeß zum Befestigen der mechanisch geschnittenen piezoelektrischen Elemente auf der Vibrationsplatte auszuführen, ist es schwierig, die Druckkammern und die piezoelektrischen Ele mente zu miniaturisieren.

Andererseits kann eine relativ kleine bimorphe Struktur hergestellt werden, indem die piezoelektrischen Elemente unter Verwendung der Drucktechnik gebildet werden. Mit anderen Worten, eine gemeinsame Elektrode wird auf einer Vibrationsplatte gebildet, die aus einem äußerst wärme beständigen Material wie etwa Keramik ist, und eine Faste aus dem Material, das die piezoelektrischen Elemente formt, wird gebildet und unter Verwendung der Siebdrucktechnik auf der Vibrationsplatte gemustert und dann gebacken. Es ist schwierig, die Dichte der piezoelektrischen Elemente, die diese Struktur haben, zu erhöhen, da die piezoelektrischen Elemente unter Einsatz der Drucktechnik gebildet werden, und zusätzlich sind die gebildeten piezoelektrischen Elemente mechanisch und elektrisch zerbrechlich. Als Resultat ergibt sich das Problem, daß das piezoelektrische Element zer bricht, wenn das piezoelektrische Element extrem deformiert wird. Daher ist es erforderlich, den Bereich der Druckkam mern und der piezoelektrischen Elemente so weit wie möglich zu vergrößern, um die kleine tolerierbare Deformierung der piezoelektrischen Elemente zu kompensieren.

Gemäß dem Verfahren, durch das die bimorphe Struktur unter Einsatz der Drucktechnik gebildet wird, ist es jedoch schwierig, die piezoelektrischen Elemente, die eine Dicke von weniger als 15 µm haben, durch Massenproduktion herzu stellen. Aus diesem Grund muß die Druckkammer eine Breite von wenigstens 200 µm haben, um die Tintenstrahlköpfe mit einer zufriedenstellenden Druckeffektivität durch Massenpro duktion herzustellen, und die Teilung der Düsen kann nicht klein sein.

Um andererseits das piezoelektrische Element dünn zu bilden, ist es möglich, die Dünnfilmtechnik wie etwa das Sputtern anstelle der Verwendung der Siebdrucktechnik einzu setzen. Wenn aber die Dünnfilmtechnik zum Einsatz kommt, ist die Dicke des piezoelektrischen Elementes in der Größenord nung von mehreren zehn µm zur Massenproduktion zu dick, weil zu viel Zeit benötigt wird, um durch die Dünnfilmtechnik solch eine dicke Schicht zu bilden. Falls ein Versuch unter nommen wird, ein piezoelektrisches Element zu verwenden, das eine Dicke in der Größenordnung von nur einigen µm hat und durch die Dünnfilmtechnik gebildet werden kann, ist es daher unmöglich, einen ausreichend großen Druck hinsichtlich der Tinte auf Grund der bimorphen Struktur zu erzeugen, falls die Größe der Druckkammer dieselbe wie jene für das dicke piezoelektrische Element ist, das eine Dicke von weniger als 15 µm hat. Als Resultat ist es unmöglich, eine ausreichend große Volumenversetzung unter Verwendung von solch einem dünnen piezoelektrischen Element zu erhalten.

Falls ferner die Größe der Druckkammer bezüglich des dünnen piezoelektrischen Elementes auf dasselbe Verhältnis wie die Größe der Druckkammer bezüglich des dicken piezo elektrischen Elementes reduziert wird, wird die Druckkammer zu klein. Demzufolge wird der Tintentropfen, der durch die Kombination des dünnen piezoelektrischen Elementes und der kleinen Druckkammer herausgespritzt werden kann, extrem klein, das heißt, er liegt nur in der Größenordnung eines Bruchteils von 1 pl oder weniger, wobei 1 pl = 10^-12 l = 10^-15 m³ sind.

Es ist möglich, die Düsen in einer kleinen Teilung an zuordnen, wenn die Druckkammer klein ist, und ein Bild mit hoher Qualität kann gedruckt werden, wenn der Tintentropfen klein ist, wodurch es möglich wird, einen Hochleistungstin tenstrahlkopf zu realisieren. Jedoch muß der Tintentropfen wenigstens 2 pl ausmachen, so daß ein entsprechender ge druckter Punkt durch ein menschliches Auge erkennbar ist, und aus diesem Grund kann die Bildqualität nicht verbessert werden, selbst wenn das Drucken unter Verwendung von Tinten tropfen ausgeführt wird, die kleiner als 2 pl sind.

Zusätzlich kommt es zu verschiedenen Problemen, wenn versucht wird, unter Verwendung der Kombination des dünnen piezoelektrischen Elementes und der kleinen Druckkammer zu drucken, die Tintentropfen zum Beispiel in der Größenordnung von einem Bruchteil von 1 pl herausspritzt. Erstens müssen die Düsen klein sein, um die kleinen Tintentropfen zu erzeu gen, aber solche kleinen Düsen verstopfen leicht. Wenn Düsen verstopft sind, ist es wichtig, die Verstopfung unter Ver wendung einer Hilfseinheit zu entfernen. Wenn der Tinten tropfen klein ist, wird zweitens der Tintentropfen, der aus der Düse herausgespritzt wird, extrem durch Luftreibung beeinflußt, bevor er die Papieroberfläche erreicht, und die Genauigkeit der Landeposition des Tintentropfens wird ver schlechtert. Um drittens eine erforderliche Druckdichte zu erhalten, ist die Menge an Farbstoff oder Farbmaterial, die pro Einheitsbereich erforderlich ist, ungeachtet der Größe des Tintentropfens etwa dieselbe, und aus diesem Grund wird eine extrem lange Zeit benötigt, um das Drucken auszuführen, weil eine enorm große Anzahl von Punkten durch die kleinen Tintentropfen gedruckt werden muß, um eine Druckdichte zu erhalten, die mit der herkömmlichen Druckdichte vergleichbar ist.

Deshalb ist der Tintenstrahlkopf, bei dem die piezo elektrischen Elemente verwendet werden, die durch die Dünn filmtechnik hergestellt werden, zum Realisieren einer hohen Zuverlässigkeit ungeeignet. Daher ist solch ein Tinten strahlkopf zur Verwendung in einem Mehrzweckdrucker nicht geeignet.

Um das Problem der extrem langen Druckzeit zu eliminie ren, ist es zusätzlich möglich, dieses Problem durch Vergrö ßern der Anzahl von Düsen zu beseitigen. Wenn die Anzahl von Düsen jedoch groß wird, werden die Anzahl von Signalleitun gen, die Anzahl von Treiberschaltungen, die die piezoelek trischen Elemente treiben, und die Anzahl von Signallei tungsverbindungen alle groß, wodurch eine hohe Anzahl von Produktionsprozessen notwendig ist. Ferner wird der Einsatz eines Hochleistungsprozessors erforderlich, um eine große Menge an Daten zu verarbeiten, und der Drucker wird unter dem praktischen Gesichtspunkt zu teuer. Wenn ferner die Datenmenge, die zu verarbeiten ist, groß wird, wird eine große Datenmenge von einem Computer gesendet, wodurch ein Hochgeschwindigkeitskanal zum Übertragen der Druckdaten erforderlich ist. Als Resultat kann es unmöglich werden, mit der großen Datenmenge und der erforderlichen Geschwindigkeit unter Verwendung einer Standardschnittstelle zu arbeiten.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Demzufolge ist es eine allgemeine Aufgabe der vorlie genden Erfindung, einen neuen und nützlichen Tintenstrahl kopf und Tintenstrahldrucker vorzusehen, bei denen die oben beschriebenen Probleme eliminiert sind.

Ein anderes und spezifischeres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Tintenstrahlkopf vorzusehen, mit einer Druckkammer, einer Vibrationsplatte und einem piezo elektrischen Element, das auf der Vibrationsplatte vorgese hen ist und eine Volumenversetzung der Druckkammer verur sacht, bei dem das piezoelektrische Element eine Dicke von 20 µm oder weniger hat und die Druckkammer und das piezo elektrische Element eine Beziehung V0/(L2²b) < 550 × 10^-6 erfüllen, wobei V0 [m³] eine Volumenversetzung der Druckkam mer bezeichnet, wenn das piezoelektrische Element angetrie ben wird, L2 [m] eine Breite des piezoelektrischen Elementes bezeichnet und b [m] eine Tiefe der Druckkammer bezeichnet. Gemäß dem Tintenstrahlkopf der vorliegenden Erfindung ist es möglich, Tintenstrahlköpfe, die eine hohe Druckleistung haben, mit hoher Produktivität herzustellen.

Noch ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Tintenstrahlkopf vorzusehen, mit einer Druckkam mer, einer Vibrationsplatte und einem piezoelektrischen Element, das auf der Vibrationsplatte vorgesehen ist und eine Volumenversetzung der Druckkammer verursacht, bei dem das piezoelektrische Element eine Dicke von 20 µm oder weniger hat, die Druckkammer und das piezoelektrische Ele ment eine Beziehung EV0/(L2²b) < 30 × 10⁶ erfüllen, wobei E [Pa] einen Youngschen Elastizitätsmodul des piezoelektri schen Elementes bezeichnet, V0 [m³] eine Volumenversetzung der Druckkammer bezeichnet, wenn das piezoelektrische Ele ment angetrieben wird, L2 [m] eine Breite des piezoelektri schen Elementes bezeichnet und b [m] eine Tiefe der Druck kammer bezeichnet. Gemäß dem Tintenstrahlkopf der vorliegen den Erfindung ist es möglich, Tintenstrahlköpfe, die eine hohe Druckleistung haben, mit hoher Produktivität herzustel len, besonders dann, wenn das piezoelektrische Element durch die Dünnfilmtechnik gebildet wird und der Youngsche Elasti zitätsmodul E groß ist.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Tintenstrahlkopf vorzusehen, mit einer Druckkammer, einer Vibrationsplatte und einem piezoelektrischen Element, das auf der Vibrationsplatte vorgesehen ist und eine Volu menversetzung der Druckkammer verursacht, bei dem das piezo elektrische Element eine Dicke von 20 µm oder weniger hat, die Druckkammer und eine Spannung, die auf das piezoelektri sche Element angewendet wird, eine Beziehung V/h2 < 3,0 × 10⁶ erfüllen, wobei V [V] die Spannung bezeichnet, die auf das piezoelektrische Element angewendet wird, und h2 [m] eine Dicke des piezoelektrischen Elementes bezeichnet. Gemäß dem Tintenstrahlkopf der vorliegenden Erfindung ist es möglich, Tintenstrahlköpfe, die eine hohe Druckleistung haben, mit hoher Produktivität herzustellen.

Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Multidüsentintenstrahlkopf vorzusehen, mit einer Druckkammer, die mit einer Düse verbindet, einer Vibrations platte, die eine obere Wandoberfläche der Druckkammer bil det, und einem piezoelektrischen Dünnfilmelement, das auf der Vibrationsplatte vorgesehen ist und eine Volumenverset zung der Druckkammer verursacht, bei dem das piezoelektri sche Dünnfilmelement einen piezoelektrischen Effekt in einer planaren Richtung von einer Oberfläche der Vibrationsplatte erzeugt, das piezoelektrische Dünnfilmelement und die Vibra tionsplatte eine Gesamtdicke von 10 µm oder weniger haben und die Düse eine Tintenstrahlmenge von 1 pl oder mehr hat, wenn das piezoelektrische Element angetrieben wird, und mit einer Teilung von 150 Punkten/Zoll oder höher angeordnet ist. Gemäß dem Multidüsentintenstrahlkopf der vorliegenden Erfindung ist es möglich, Tintenstrahlköpfe, die eine hohe Druckeffektivität haben, in Massenproduktion herzustellen.

Noch ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Tintenstrahldrucker vorzusehen, der einen Tinten strahlkopf umfaßt, mit einer Druckkammer, einer Vibrations platte und einem piezoelektrischen Element, das auf der Vibrationsplatte vorgesehen ist und eine Volumenversetzung der Druckkammer verursacht, bei dem das piezoelektrische Element eine Dicke von 20 µm oder weniger hat, die Druckkam mer und das piezoelektrische Element eine Beziehung V0/(L2²b) < 550 × 10^-6 erfüllen, wobei V0 [m³] eine Volumen versetzung der Druckkammer bezeichnet, wenn das piezoelek trische Element angetrieben wird, L2 [m] eine Breite des piezoelektrischen Elementes bezeichnet und b [m] eine Tiefe der Druckkammer bezeichnet. Gemäß dem Tintenstrahldrucker der vorliegenden Erfindung ist es möglich, Tintenstrahldruc ker, die eine hohe Druckleistung haben, mit hoher Produkti vität herzustellen.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Tintenstrahldrucker vorzusehen, der einen Tinten strahlkopf umfaßt, mit einer Druckkammer, einer Vibrations platte und einem piezoelektrischen Element, das auf der Vibrationsplatte vorgesehen ist und eine Volumenversetzung der Druckkammer verursacht, bei dem das piezoelektrische Element eine Dicke von 20 µm oder weniger hat, die Druckkam mer und das piezoelektrische Element eine Beziehung EV0/(L2²b) < 30 × 10⁶ erfüllen, wobei E [Pa] einen Young schen Elastizitätsmodul des piezoelektrischen Elementes bezeichnet, V0 [m³] eine Volumenversetzung der Druckkammer bezeichnet, wenn das piezoelektrische Element angetrieben wird, L2 [m] eine Breite des piezoelektrischen Elementes bezeichnet und b [m] eine Tiefe der Druckkammer bezeichnet. Gemäß dem Tintenstrahldrucker der vorliegenden Erfindung ist es möglich, Tintenstrahldrucker, die eine hohe Druckleistung haben, mit hoher Produktivität herzustellen, besonders dann, wenn das piezoelektrische Element durch die Dünnfilmtechnik hergestellt wird und der Youngsche Elastizitätsmodul E groß ist.

Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Tintenstrahldrucker vorzusehen, der einen Tinten strahlkopf umfaßt, mit einer Druckkammer, einer Vibrations platte und einem piezoelektrischen Element, das auf der Vibrationsplatte vorgesehen ist und eine Volumenversetzung der Druckkammer verursacht, bei dem das piezoelektrische Element eine Dicke von 20 µm oder weniger hat, die Druckkam mer und eine Spannung, die auf das piezoelektrische Element angewendet wird, eine Beziehung V/h2 < 3,0 × 10⁶ erfüllen, wobei V [V] die Spannung bezeichnet, die auf das piezoelek trische Element angewendet wird, und h2 [m] eine Dicke des piezoelektrischen Elementes bezeichnet. Gemäß dem Tinten strahldrucker der vorliegenden Erfindung ist es möglich, Tintenstrahldrucker, die eine hohe Druckleistung haben, mit hoher Produktivität herzustellen.

Andere Ziele und weitere Merkmale der vorliegenden Er findung gehen aus der folgenden eingehenden Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen hervor.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines Tinten strahldruckers zeigt;

Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht, die einen wichtigen Teil eines Tintenstrahlkopfes zeigt;

Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Aus führungsform eines Tintenstrahldruckers gemäß der vorliegen den Erfindung zeigt;

Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Aus führungsform eines Tintenstrahlkopfes gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 5A bis 5E sind jeweilig perspektivische Ansichten zum Erläutern von. Produktionsprozessen des Tintenstrahlkop fes;

Fig. 6A bis 6D sind jeweilig perspektivische Ansichten zum Erläutern der Produktionsprozesse des Tintenstrahlkop fes;

Fig. 7A und 7B sind jeweilig perspektivische Ansichten zum Erläutern der Produktionsprozesse des Tintenstrahlkop fes;

Fig. 8A und 8B sind jeweilig Diagramme zum Erläutern der Operation des Tintenstrahlkopfes; und

Fig. 9 ist ein Diagramm zum Erläutern von Leistungen von verschiedenen Tintenstrahlköpfen.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Aus führungsform eines Tintenstrahldruckers gemäß der vorliegen den Erfindung zeigt. Bei dieser Ausführungsform des Tinten strahldruckers wird eine Ausführungsform des Tintenstrahl kopfes gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet.

Wenn ein Raummotor 63 eines Tintenstrahldruckers 60, der in Fig. 3 gezeigt ist, angetrieben wird, wird ein Tin tenstrahlkopf 61 über ein Band 64 angetrieben, um sich in Richtungen X1 und X2 zu bewegen. Wenn ein Zuführmotor 65 angetrieben wird, wird eine Zuführrolle 66 rotiert, um ein Papier 67 in eine Richtung Y1 zu transportieren. Das Drucken wird auf der gesamten Oberfläche des Papiers 67 ausgeführt, das auf diese Weise transportiert wird. Eine Röhre 62 zum Zuführen von Tinte ist in dem Tintenstrahlkopf 61 vorgese hen, so daß die Tinte innerhalb eines Tintentanks 68 kon stant zugeführt werden kann. Eine Hilfseinheit 69 ist vorge sehen, um ein Verstopfen von Düsen zu verhindern, wenn kein Drucken erfolgt. Die Hilfseinheit 69 führt solche Operatio nen wie etwa ein Abdecken eines Düsenabschnittes des Tinten strahlkopfes 61, ein periodisches Reinigen der Düsenoberflä che während des Druckens und ein Absaugen der Tinte aus, um ein Verstopfen der Düsen zu verhindern.

Der Tintenstrahlkopf 61 hat, wie in Fig. 4 gezeigt, eine Vielzahl von piezoelektrischen Elementen 72, die auf einer Vibrationsplatte 70 vorgesehen sind, in Entsprechung zu Druckkammern 71. Eine individuelle Elektrode 74 ist oben auf jedem piezoelektrischen Element 72 vorgesehen. Eine Düse 73 ist an einem vorderen Ende von jeder Druckkammer 71 über einen Tintenkanal zum Befördern der Tinte aus der Druckkam mer 71 zu der Düse 73 und zum Arrangieren des Tintenflusses in einer Richtung vorgesehen. Wenn eine Spannung quer über die individuelle Elektrode 74 und die Vibrationsplatte 70 angewendet wird und das piezoelektrische Element 72 geladen wird, wird die Vibrationsplatte 70 gebogen, um das Volumen der Druckkammer 71 zu reduzieren. Als Resultat wird die Tinte innerhalb der Druckkammer 71 aus der Düse 73 herausge spritzt, da das Volumen der Druckkammer 71 reduziert wird, wodurch der Tintenstrahl des Tintentropfens erzeugt wird. Wenn die Ladung des piezoelektrischen Elementes 72 entladen wird, nimmt die Vibrationsplatte 70 wieder ihren ursprüngli chen flachen, nichtgebogenen Zustand an. Wenn die Vibrati onsplatte 70 zu ihrem ursprünglichen flachen, nichtgebogenen Zustand zurückkehrt, wird die Tinte innerhalb eines gemein samen Tintenkanals 75 der Druckkammer 71 zugeführt.

Zusätzlich ist ein vorderes Ende von jedem von Verdrah tungsmustern 78 einer flexiblen gedruckten Schaltungsplatte 76 mit der entsprechenden der individuellen Elektroden 74 der piezoelektrischen Elemente 72 verbunden. Andererseits ist ein anderes vorderes Ende von jedem der Verdrahtungs muster 78 mit einer Antriebssignalerzeugungsschaltung 77 verbunden.

Fig. 5A bis 5E, 6A bis 6D und 7A und 7B sind jeweilig perspektivische Ansichten zum Erläutern von Produktionspro zessen dieser Ausführungsform des Tintenstrahlkopfes, wobei die piezoelektrischen Elemente, die die bimorphe Struktur haben, unter Einsatz der Dünnfilmtechnik gebildet werden.

Fig. 5A zeigt ein Targetsubstrat 80. Das Targetsubstrat 80 wird in Abhängigkeit von einer Gitterkonstante der piezo elektrischen Elemente selektiert, die zu bilden sind. In dieser Ausführungsform ist das Targetsubstrat 80 aus einem MgO-Einkristallsubstrat, das eine Dicke von 0,3 mm hat. Als nächstes wird eine Elektrodenschicht 81, welche die indivi duellen Elektroden bilden wird, auf dem Targetsubstrat 80 durch Sputtern hergestellt, wie in Fig. 5B gezeigt. In dieser Ausführungsform wird die Elektrodenschicht 81 aus Pt erzeugt. Dann wird, wie in Fig. 5C gezeigt, ein piezoelek trisches Element (PZT) 82 auf der Elektrodenschicht 81 durch Sputtern gebildet.

Ätzmuster 83 werden, wie in Fig. 5D gezeigt, auf dem piezoelektrischen Element 82 durch ein erstes Trockenfilm resist gebildet. Die Ätzmuster 83 werden verwendet, um das piezoelektrische Element 82 und die Elektrodenschicht 81 in piezoelektrische Elemente bzw. individuelle Elektroden zu teilen, die Druckkammern entsprechen. Das erste Trockenfilm resist wird auf Teilen gebildet, wo die Elektrodenschicht 81 und das piezoelektrische Element 82 bleiben sollen. In dieser Ausführungsform wird ein Resist des Alkalityps FI215, hergestellt durch Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd. Japan, als erstes Trockenfilmresist verwendet und zum Beispiel mit einer Dicke von 15 µm gebildet. Im besonderen wird das erste Trockenfilmresist mit einem Liniendruck von 2,5 kgf/cm, einer Rate von 1 m/s und bei einer Temperatur von 115°C laminiert. Als nächstes wird die oben beschriebene Struktur ultraviolettem (UV) Licht bei 120 mJ unter Verwendung einer Glasmaske ausgesetzt, 10 Minuten lang bei 60°C vorgewärmt und dann auf Raumtemperatur abgekühlt. Die Struktur wird dann unter Verwendung einer Na₂CO₃-Lösung von 1 Gew.-% entwickelt. Als Resultat werden die in Fig. 5D gezeigten Ätzmuster 83 gebildet.

Als nächstes wird das Targetsubstrat 80 auf einem Cu- Halter unter Verwendung von Fett mit einer guten Wärmeleit fähigkeit befestigt, und das Ätzen wird bei einem Einstrahl winkel von 15° und 700 V nur unter Verwendung von Ar-Gas ausgeführt. Demzufolge wird ein Ätzteil 84 zum unabhängigen Bilden der Elektrodenschicht 81 und des piezoelektrischen Elementes 82 gebildet, wie in Fig. 5E gezeigt. In dieser Ausführungsform führte das oben beschriebene Ätzen zu einem befriedigenden vertikalen Schnitt mit einem Kegelwinkel von 85° oder mehr in einer Tiefenrichtung.

Die Ätzmuster 83 werden dann entfernt, wie in Fig. 6A gezeigt, und eine Planarisierungsschicht 85 wird auf dem Ätzteil 84 gebildet, wie in Fig. 6B gezeigt. Da das piezo elektrische Element 82 äußerst dünn ist, kann ein Isolator durchschlag zwischen der Elektrodenschicht 81, die die individuellen Elektroden bildet, und der Vibrationsplatte auftreten, die die gemeinsame Elektrode bildet. Die Planari sierungsschicht 85 ist vorgesehen, um solch einen Isolator durchschlag zu verhindern, so daß der Tintenstrahlkopf eine stabile Operation ausführen kann und eine hohe Haltbarkeit erreichen kann. Das Vorsehen dieser Planarisierungsschicht 85 macht es auch möglich, eine Vibrationsplatte 86, die in Fig. 6C gezeigt ist, in flacher Form zu bilden. Die Vibrati onsplatte 86 muß flach gebildet werden, da die Biegeenergie des piezoelektrischen Elementes 82 sonst durch den nicht planarisierten Abschnitt der Vibrationsplatte 86 absorbiert werden würde und die Antriebseffektivität des Tintenstrahl kopfes verschlechtern würde. Die Vibrationsplatte 86 wird durch Sputtern auf der Planarisierungsschicht 85 und dem piezoelektrischen Element 82, die wie oben beschrieben gebildet sind, wie in Fig. 6C hergestellt, um dadurch Betä tigerteile zu bilden, die durch die Schraffierung gekenn zeichnet sind. In dieser Ausführungsform wird die Vibrati onsplatte 86 aus NiCr oder Cr gebildet.

Nach dem Bilden der Betätigerteile werden Druckkammern 87 gebildet. Ein Hauptkörper 36, der die Druckkammern 87 bildet, umfaßt zwei Teile 36a und 36b, die später beschrie ben werden. Zuerst werden die Druckkammern 87 auf der Vibra tionsplatte 86 in Entsprechung zu jedem der geteilten Ab schnitte der Elektrodenschicht 81 und der geteilten Ab schnitte des piezoelektrischen Elementes 82 gebildet, wie in Fig. 6D gezeigt. Der Hauptkörperteil 36a, der die Druckkam mern 87 bildet, wird unter Verwendung eines zweiten Trocken filmresists gebildet. In dieser Ausführungsform wird ein Resist der Reihe PR-100, hergestellt durch Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd. Japan, als zweites Trockenfilmresist verwendet. Im besonderen wird das zweite Trockenfilmresist mit einer Liniendicke von 2,5 kgf/cm, einer Rate von 1 m/s und bei einer Temperatur von 35°C laminiert. Als nächstes wird die oben beschriebene Struktur unter Verwendung von Ausrich tungsmarken positioniert, die während des Ätzens der Elek trodenschicht 81 und des piezoelektrischen Elementes 82 verwendet werden, UV-Licht bei 180 mJ ausgesetzt, 10 Minuten lang bei 60°C vorgewärmt und dann auf Raumtemperatur abge kühlt. Die Struktur wird dann entwickelt und gespült, wobei eine C-3-Lösung bzw. eine F-5-Lösung, hergestellt durch Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd. Japan, verwendet werden. Als Resultat wird der Hauptkörperteil 36a gebildet, der die in Fig. 6D gezeigte Struktur hat.

Andererseits werden der andere Hauptkörperteil 36b und eine Düsenplatte 33, die in Fig. 7A gezeigt sind, durch einen anderen Prozeß gebildet. Der Hauptkörperteil 36b wird ähnlich wie oben gebildet, indem die Laminierungs-, Belich tungs- und Entwicklungsschritte bezüglich des zweiten Troc kenfilmresists vorbestimmte Male ausgeführt werden. Im besonderen werden gerade Düsen 82 mit einem Durchmesser von 20 µm in der Düsenplatte 33 gebildet, die eine Dicke von 20 µm hat. Dann wird der Tintenkanal zum Befördern der Tinte aus den Druckkammern 87 zu den Düsen 32 und zum Arrangieren des Tintenflusses in einer Richtung mit einem Durchmesser von 60 µm und 60 µm tief gebildet. Jede Druckkammer 87 wird über dem Tintenkanal mit einer Breite von 100 µm, einer Tiefe von 1700 µm und 60 µm tief gebildet. Zuerst wird das zweite Trockenfilmresist auf der Düsenplatte 33 laminiert, und die Belichtung erfolgt durch Positionieren des Musters des Tintenkanals an den Ausrichtungsmarken, die im voraus auf der Düsenplatte 33 gebildet wurden. Zusätzlich wird das zweite Trockenfilmresist weiter laminiert, und die Muster der Druckkammern 87 werden ähnlich positioniert und belichtet. Danach wird die erhaltene Struktur 10 Minuten lang bei Raumtemperatur natürlich abgekühlt, 10 Minuten lang bei einer Temperatur von 60°C thermisch gehärtet und durch ein Lösungsmittel entwickelt, um die Abschnitte zu entfer nen, wo der Tintenkanal und die Druckkammern 87 gebildet sind.

Die Hauptkörperteile 36a und 36b, die auf oben be schriebene Weise gebildet sind, werden angeordnet, um einan der gegenüberzuliegen, wie in Fig. 7A gezeigt, und unter Verwendung der auf ihnen gebildeten jeweiligen Ausrichtungs marken positioniert. Nachdem die Hauptkörperteile 36a und 36b mit einer Kraft von 15 kgf/cm² gepreßt und 1 Stunde lang bei einer Temperatur von 80°C vorgewärmt wurden, werden dann die Hauptkörperteile 36a und 36b 14 Stunden lang bei einer Temperatur von 150°C wirklich verbunden und natürlich abgekühlt. Als Resultat wird der Hauptkörper 36 gebildet, der die Hauptkörperteile 36a und 36b integral umfaßt, die an einer Grenzoberfläche 36' akkurat verbunden sind, wie in Fig. 7B gezeigt.

Fig. 7B zeigt den Hauptkörper 36 in einem Zustand, wenn ausgehend von dem in Fig. 7A gezeigten Zustand die obere Seite nach unten gekehrt ist. Durch Ausführen der oben beschriebenen Prozesse sind die Betätigerteile des Tinten strahlkopfes auf dem Targetsubstrat 80 fest angebracht und können nicht deformiert werden. Daher ist es erforderlich, wie in Fig. 7B gezeigt, wenigstens einen Abschnitt des Targetsubstrats 80 zu entfernen, der den geteilten Abschnit ten der Elektrodenschicht 81 und des piezoelektrischen Elementes 82 entspricht. Im besonderen wird eine Öffnung 88 in dem Targetsubstrat 80 durch Ätzen gebildet. Durch Entfer nen des Abschnittes des Targetsubstrats 80 durch Bilden der Öffnung 88, ohne das Targetsubstrat 80 in seiner Gesamtheit zu entfernen, kann das verbleibende Targetsubstrat 80 als Schutzteil zum Schützen der Betätigerteile dienen, um zu verhindern, daß die dünnen Betätigerteile beschädigt werden. Zusätzlich wird durch diese Struktur auch die Produktions zuverlässigkeit des Tintenstrahlkopfes verbessert.

Die Elektrodenschicht 81, das piezoelektrische Element 82 und die Vibrationsplatte 86 werden, wie oben beschrieben, auf dem Targetsubstrat 80 durch die Dünnfilmtechnik sukzes sive gebildet, um die Betätigerteile zu bilden. Aus diesem Grund ist es möglich, dünne Betätigerteile, die dieselbe Form wie die unabhängigen Elektroden haben, mit hoher Präzi sion und hoher Zuverlässigkeit zu bilden.

Die Vibrationsplatte 86 wird nach dem piezoelektrischen Element 82 gebildet, da die Gitterkonstante des Targetsub strats 80 auf den oberen Schichten nicht reflektiert wird und sich die Gitteranpassung verschlechtert, falls die oberen Schichten dick sind. Aus diesem Grund werden bei dieser Ausführungsform die relativ dünne Elektrodenschicht 81, das piezoelektrische Element 82 und die Vibrationsplatte 86 auf dem Targetsubstrat 80 in dieser Reihenfolge sukzes sive gebildet. Ferner wird die Vibrationsplatte 86 auf dem piezoelektrischen Element 82 direkt gestapelt, nachdem das piezoelektrische Element 82 gebildet ist. Mit anderen Wor ten, die Vibrationsplatte 86 wird auf dem piezoelektrischen Element 82 nicht einfach gestapelt, sondern ein dünner Film aus dem Vibrationsplattenmaterial wird durch die Dünnfilm technik wie etwa durch Sputtern direkt auf einem glatten dünnen Film aus dem Material des piezoelektrischen Elementes wie etwa PZT gebildet, der auf ähnliche Weise durch die Dünnfilmtechnik hergestellt wird.

Natürlich sind die Struktur und die Herstellungspro zesse des Tintenstrahlkopfes nicht auf die oben beschriebe nen begrenzt, und verschiedene andere Strukturen und Pro zesse können ungeachtet der Tintenschußtypen von Tinten strahlköpfen wie etwa ein Randschuß oder ein Seitenschuß eingesetzt werden. Die Dünnfilmtechnik, die verwendet wird, ist nicht auf das Sputtern begrenzt, und andere Techniken wie etwa CVD können eingesetzt werden. Ferner ist es auch möglich, die Produktionsprozesse abzuwandeln, so daß zum Beispiel das Targetsubstrat nach dem Bilden der Elektroden schicht, des piezoelektrischen Elementes und der Vibrations platte entfernt wird und die Elektrodenschicht und die piezoelektrische Schicht danach in die jeweiligen geteilten Teile geteilt werden.

Das normale blockförmige piezoelektrische Element oder das piezoelektrische Element, das durch die Dickfilmtechnik wie etwa durch Siebdruck gebildet wird, hat eine niedrige Dichte, weil eine große Anzahl von Korngrenzen und Luft blasen auf Grund des Sinterns erzeugt wird. Wenn anderer seits das piezoelektrische Element durch die Dünnfilmtechnik wie etwa das Sputtern gebildet wird, ist es möglich, ein piezoelektrisches Element, das Kristalleigenschaften hat, die einem Einkristall nahekommen, durch Steuern des Materi als, der Kristallorientierung, der Temperatur und derglei chen des Substrats zu bilden. Das piezoelektrische Element, das durch die Dünnfilmtechnik gebildet wird, hat eine glatte Oberfläche, und die internen Kristalleigenschaften des piezoelektrischen Elementes sind sehr gut.

Im allgemeinen könnte man annehmen, daß die mechanische Festigkeit des piezoelektrischen Elementes, das durch die Dünnfilmtechnik gebildet wird, schlecht wäre. Durch sukzes sives Bilden der Dünnfilme, wie oben beschrieben, zum Bei spiel unter Einsatz des kontinuierlichen Sputterns, so daß die Dünnfilme sorgfältig gebildet werden und die Dünnfilm oberflächen sorgfältig verarbeitet sind, ist es jedoch möglich, die mechanische Festigkeit des piezoelektrischen Elementes spürbar zu verbessern. Gemäß den Experimenten, die durch die jetzigen Erfinder ausgeführt wurden, hat sich bestätigt, daß die piezoelektrischen Elemente des Tinten strahlkopfes, der so wie in Verbindung mit Fig. 5A bis 7B beschrieben hergestellt ist, bezüglich der bimorphen Opera tionen eine ausreichend hohe Haltbarkeit haben.

Der Grund für die verbesserte mechanische Festigkeit der piezoelektrischen Elemente des Tintenstrahlkopfes gemäß der vorliegenden Erfindung kann anhand der folgenden Theorie erklärt werden, die zum Beispiel für die mechanische Festig keit von Glas gilt. Mit anderen Worten, Glas, das ein zer brechlicher fester Stoff ist, zerbricht in den meisten Fällen hinsichtlich einer Zugfestigkeit. Wenn die theoreti sche Festigkeit von Glas gemäß dem Youngschen Koeffizienten und der Oberflächenspannung berechnet wird, wird ein Wert in der Größenordnung von etwa 1 × 10¹⁰ Pa erhalten. Die Festig keit von praktischem Glas liegt jedoch nur in der Größenord nung von 1/100 des obigen Wertes und beträgt etwa 5 × 10⁷ Pa bei einer Glasplatte. Die große Differenz zwischen der theoretischen Festigkeit und der praktischen Festigkeit von Glas ist auf die Tatsache zurückzuführen, daß auf der Glas oberfläche feine Kratzer vorhanden sind und sich die Span nung an den vorderen Enden der Kratzer konzentriert. Falls die reine Oberfläche des Glases unmittelbar nach seiner Bildung sofort mit einer Schutzschicht beschichtet und geschützt wird, so daß die Erzeugung von Kratzern verhindert wird, ist es möglich, eine Festigkeit in der Größenordnung von 3 × 10⁹ Pa bis 4 × 10⁹ Pa zu erhalten.

Aus der oben beschriebenen Theorie geht hervor, daß die praktische Festigkeit des piezoelektrischen Elementes be trächtlich verbessert werden kann, indem das piezoelektri sche Element durch die Dünnfilmtechnik gebildet wird und die Vibrationsplatte direkt auf dem piezoelektrischen Element hergestellt wird. Somit ist es möglich, ein piezoelektri sches Element zu erhalten, das zur Verwendung in dem Tinten strahlkopf der vorliegenden Erfindung und in dem Tinten strahldrucker der vorliegenden Erfindung geeignet ist. Zum Beispiel liegt die praktische Festigkeit des gesinterten piezoelektrischen Elementes nur in der Größenordnung von 6 × 10⁷ Pa, aber die praktische Festigkeit kann auf 5 × 10⁸ Pa oder mehr beträchtlich verbessert werden, indem das piezo elektrische Element zum Beispiel durch Sputtern gebildet wird.

Fig. 8A und 8B sind jeweilig Diagramme zum Erläutern der Operation dieser Ausführungsform des Tintenstrahlkopfes.

Fig. 8A und 8B zeigen jeweilig die Druckkammer, die in der Richtung A von Fig. 4 gezeigt ist. Fig. 8A zeigt die Abmes sungen der verschiedenen Teile, und Fig. 8B zeigt den kon trahierten Zustand des piezoelektrischen Elementes.

Die Größe einer Druckkammer 93, die den oben beschrie benen Druckkammern 71 und 87 entspricht, wird, wie in Fig. 8A gezeigt, durch Wände 94 und eine Vibrationsplatte 92 bestimmt, die die Druckkammer 93 definieren. Die Vibrations platte 92 entspricht den oben beschriebenen Vibrationsplat ten 70 und 86. Der Einfachheit halber wird angenommen, daß die Druckkammer 93 eine Breite L1, eine Höhe h3 und eine Tiefe b hat. Andererseits wird angenommen, daß die Vibrati onsplatte 92 eine Dicke h1 hat und daß eine Breite und eine Tiefe des Antriebsteils dieselben wie bei der Druckkammer 93 sind, das heißt, L1 bzw. b. Ferner wird angenommen, daß ein piezoelektrisches Element 91, das den oben beschriebenen piezoelektrischen Elementen 72 und 82 entspricht, eine Dicke h2, eine Breite L2 und eine Tiefe hat, die die Tiefe b der Druckkammer 93 bedecken kann. Daher hat das piezoelektrische Element 91 im wesentlichen eine Tiefe b.

Wenn eine Spannung auf das piezoelektrische Element 91 angewendet wird, wird das piezoelektrische Element 91 in Richtungen X kontrahiert, wie in Fig. 8B gezeigt. Anderer seits ist die Vibrationsplatte 92 mit dem piezoelektrischen Element 91 verbunden und dient somit zum Verhindern einer Kontraktion des piezoelektrischen Elementes 91. Als Resultat biegt sich die Vibrationsplatte 92 in eine Richtung hin zu der Druckkammer 93, wie in Fig. 8B gezeigt. Wenn sich die Vibrationsplatte 92 biegt, tritt in der Druckkammer 93 eine Volumenversetzung auf und wird die Tinte durch diese Volu menversetzung aus der Düse herausgespritzt. Die Größe des Tintentropfens, der aus der Düse herausgespritzt wird, ist etwa dieser Volumenversetzung gleich. Eine Volumenversetzung V0 [m³] ist als Veränderungsbetrag des Volumens innerhalb der Druckkammer 93 definiert, wenn eine Spannung V [V] auf das piezoelektrische Element 91 angewendet wird, das einen Youngschen Elastizitätsmodul E [Pa] und eine piezoelektri sche Konstante d31 [m/V] in der Richtung X hat, die zu dem elektrischen Feld rechtwinklig ist.

Fig. 9 ist ein Diagramm zum Erläutern von Leistungen von verschiedenen Tintenstrahlköpfen. In Fig. 9 bezeichnet L1 die Breite der Druckkammer, b die Tiefe der Druckkammer, h1 die Dicke der Vibrationsplatte, h2 die Dicke des piezo elektrischen Elementes, L2 die Breite des piezoelektrischen Elementes, E den Youngschen Elastizitätsmodul (oder den vertikalen Elastizitätsmodul), V0 die Volumenversetzung der Druckkammer und V die Spannung, die auf das piezoelektrische Element angewendet wird. Zusätzlich bezeichnet d31 die piezoelektrische Konstante, die bei den Beispielen EX1 bis EX3 -200 × 10^-12 m/V gleich ist und bei Vergleichsbeispielen CX1 und CX2 und den Ausführungsformen EMB1 bis EMB6 -100 × 10^-12 m/V gleich ist. Ferner betrifft ein Term V0/(L22b) die mechanische Verzerrung und wird als mechanischer Verzer rungsindex bezeichnet. Ein Term EV0/(L2²b) betrifft die Spannung und wird als Spannungsindex bezeichnet. Ein Term V/h2 bezeichnet die elektrische Feldstärke.

Die Beispiele EX1 bis EX3 entsprechen Tintenstrahlköp fen nach Stand der Technik. Die Vergleichsbeispiele CX1 und CX2 sind denkbare Beispiele der Tintenstrahlköpfe, die nicht den Stand der Technik darstellen und für Vergleichszwecke gezeigt sind. Die Ausführungsformen EMB1 bis EMB6 sind Ausführungsformen des Tintenstrahlkopfes gemäß der vorlie genden Erfindung.

Bei dem Beispiel EX1 ist das piezoelektrische Element, das in Plattenform gebildet ist (plattenförmiges piezoelek trisches Element), in quadratische Teile geschnitten, um den Tintenstrahlkopf mit der bimorphen Struktur zu bilden.

Bei dem Beispiel EX2 ist das plattenförmige piezoelek trische Element in rechteckige Teile geschnitten, um den Tintenstrahlkopf mit der bimorphen Struktur zu bilden. Die Breite der rechteckigen Teile in der Richtung, in der die Druckkammern angeordnet sind, ist im Vergleich zu dem Bei spiel EX1 verengt.

Bei dem Beispiel EX3 ist der Tintenstrahlkopf durch Bilden der piezoelektrischen Elemente auf der Vibrations platte durch Siebdruck gebildet.

Bei den Vergleichsbeispielen CX1 und CX2 und den Aus führungsformen EMB1 bis EMB6 ist der Tintenstrahlkopf durch Bilden der piezoelektrischen Elemente und der Vibrations platte durch Sputtern gebildet.

In Fig. 9 werden die Werte für die Vergleichsbeispiele CX1 und CX2 und die Ausführungsform EMB1 für die Tinten strahlköpfe erhalten, die in derselben Größe wie der Tinten strahlkopf des Beispiels EX3, aber unter Einsatz des Sput terns als Dünnfilmtechnik gebildet sind. Zum Beispiel lehrt die japanische offengelegte Patentanmeldung Nr. 10-209517 ein Verfahren zum Bilden des piezoelektrischen Elementes durch die Dünnfilmtechnik. Bei dem Vergleichsbeispiel CX1 wird der Tintenstrahlkopf mit derselben elektrischen Feld stärke wie bei dem Beispiel EX3 angetrieben.

Aus Fig. 9 geht hervor, daß die Volumenversetzung V0 bei dem Vergleichsbeispiel CX1 niedriger als bei dem Bei spiel EX3 ist. Selbst wenn der Tintenstrahlkopf, der die selbe Größe wie bei dem Beispiel EX3 hat, durch die Dünn filmtechnik gebildet wird und auf dieselbe Weise betrieben wird, nimmt daher die Tintenstrahlmenge ab, wodurch es unmöglich wird, gemäß dem Vergleichsbeispiel CX1 einen Tintenstrahlkopf mit einer zufriedenstellenden Druckeffekti vität zu erhalten. Die Werte für das Vergleichsbeispiel CX2 werden für den Tintenstrahlkopf erhalten, der mit demselben Spannungsindex EV0/(L2²b) wie bei dem Beispiel EX3 betrieben wird. In diesem Fall ist die Volumenversetzung V0 bei dem Vergleichsbeispiel CX2 auch niedriger als bei dem Beispiel EX3. Wie im Fall des Vergleichsbeispiels CX1 nimmt somit die Tintenstrahlmenge ab, wodurch es unmöglich wird, gemäß dem Vergleichsbeispiel CX2 einen Tintenstrahlkopf mit einer zufriedenstellenden Druckeffektivität zu erhalten.

Andererseits wird das piezoelektrische Element, das bei der Ausführungsform EMB1 betrieben wird, so selektiert und erzeugt, daß der mechanische Verzerrungsindex V0/(L2²b) 1117 × 10^-6, der Spannungsindex EV0/(L2²b) 100,5 × 10⁶ und die elektrische Feldstärke V/h2 15,2 × 10⁶ beträgt. Aus Fig. 9 ist ersichtlich, daß die Volumenversetzung V0 für die Aus führungsform EMB1 etwa das Vierfache jener des Beispiels EX3 beträgt. Durch Erfüllen wenigstens einer der folgenden Beziehungen in der Ausführungsform EMB1 ist es deshalb möglich, eine zufriedenstellende Druckeffektivität zu reali sieren, selbst wenn das piezoelektrische Element, das ver wendet wird, durch die Dünnfilmtechnik gebildet wird. Vor zugsweise werden alle der folgenden Beziehungen gleichzeitig erfüllt.

V0/(L2²b) < 550 × 10^-6

EV0/(L2²b) < 30 × 10⁶

V/h2 < 3,0 × 10⁶

Die Werte für die Ausführungsformen EMB2 bis EMB6 wer den für die Tintenstrahlköpfe erhalten, welche die in Fig. 9 gezeigten Dimensionen haben und durch die Dünnfilmtechnik gebildet sind. Die Tintenstrahlköpfe der Ausführungsformen EMB2 bis EMB4 sind im Vergleich zu denen der Vergleichsbei spiele CX1 und CX2 und der Ausführungsform EMB1 für Hochlei stungsdrucker sogar besser geeignet.

Gemäß den Ausführungsformen EMB2 bis EMB4 beträgt die Dicke des piezoelektrischen Elementes 3 µm und ist damit kleiner als die Dicke von 10 µm, die durch die Dünnfilmtech nik in Massenproduktion hergestellt werden kann. Ferner beträgt die Düsenteilung (dpi) der Ausführungsformen EMB2 bis EMB4 etwa das 2,5fache jener der Vergleichsbeispiele CX1 und CX2 und der Ausführungsform EMB1. Durch Vergrößern der Düsenteilung, das heißt, durch Reduzieren der Teilung, mit der die Düsen vorgesehen sind, um etwa das 2,5fache im Vergleich zu den Vergleichsbeispielen CX1 und CX2 und der Ausführungsform EMB1 wird es möglich, 2,5mal mehr Tinten strahlköpfe auf einmal auf dem Substrat mit derselben Größe zu produzieren, wodurch eine verbesserte Produktivität und reduzierte Kosten ermöglicht werden. Durch Reduzieren der Dicke h2 des piezoelektrischen Elementes um einen Faktor von einer Stelle im Vergleich zu den Vergleichsbeispielen CX1 und CX2 und der Ausführungsform EMB1 wird es zusätzlich möglich, die Produktionszeit, die zum Bilden des piezoelek trischen Elementes durch das Sputtern erforderlich ist, um einen Faktor von einer Stelle zu verringern, mit der Bedeu tung, daß die Anzahl von erzeugten Tintenstrahlköpfen um einen Faktor von einer Stelle erhöht werden kann. Auf Grund der verringerten Größe der Druckkammern der Ausführungsfor men EMB2 bis EMB4 ist es weiterhin möglich, den Tinten strahlkopf mit einer höheren Geschwindigkeit als bei den Vergleichsbeispielen CX1 und CX2 anzutreiben, das heißt, der Tintentropfen kann in kürzeren Perioden herausgespritzt werden. Als Resultat kann die relative Kapazität der Düse (die Menge des herausgespritzten Tintenvolumens für einen Einheitsdruckkammerbereich) im Vergleich zu den Vergleichs beispielen CX1 und CX2 verbessert werden.

In Fig. 9 ist der relative Kapazitätswert um so höher, je größer die relative Kapazität der Düse ist. Zusätzlich bedeutet in Fig. 9 "-" bei dem Bewertungsmittel, daß die Leistung des Tintenstrahlkopfes nicht bewertet werden kann, da sie sehr schlecht ist, "×" bedeutet, daß die Leistung des Tintenstrahlkopfes schlecht ist, "Δ' bedeutet, daß die Leistung des Tintenstrahlkopfes gut und zufriedenstellend ist, und "O" bedeutet, daß die Leistung des Tintenstrahl kopfes extrem gut ist.

Deshalb ist es gemäß den Ausführungsformen EMB2 bis EMB4 möglich, ein ausreichend hohes Tintenstrahlvermögen zu erhalten, auch wenn die Produktivität des Tintenstrahlkopfes verbessert wird. Ferner ist es gemäß der Ausführungsform EMB4 möglich, eine Tintenstrahlmenge zu erhalten, die mit jener des Beispiels EX3 vergleichbar ist, auch wenn die Größen der Druckkammern und der piezoelektrischen Elemente verringert werden.

Die Werte bei den Ausführungsformen EMB5 bis EMB6, die in Fig. 9 gezeigt sind, werden für die Tintenstrahlköpfe erhalten, deren Düsenteilung zweimal so groß wie jene der Ausführungsformen EMB2 bis EMB4 ist. Durch Vergrößern der Düsenteilung, das heißt, durch Verringern der Teilung, mit der die Düsen vorgesehen sind, um etwa das 5fache im Ver gleich zu den Vergleichsbeispielen CX1 und CX2 wird es möglich, 5mal mehr Tintenstrahlköpfe auf einmal auf dem Substrat mit derselben Größe zu erzeugen, wodurch eine verbesserte Produktivität und verringerte Kosten ermöglicht werden. Auf Grund der weiter verkleinerten Druckkammern sind ferner die Tintentropfen, die bei den Ausführungsformen EMB5 und EMB6 herausgespritzt werden, kleiner als jene, die bei den Ausführungsformen EMB2 bis EMB4 herausgespritzt werden. Da jedoch die Tintenstrahlköpfe der Ausführungsformen EMB5 und EMB6 mit noch höherer Geschwindigkeit angetrieben werden können, ist es dennoch möglich, eine Tintenstrahlleistung zu realisieren, die gegenüber den Beispielen EX1 bis EX3 extrem verbessert wird.

Gemäß den Ausführungsformen EMB5 und EMB6 belaufen sich zusätzlich die Volumenversetzungen V0 der Druckkammern auf 1,5 × 10^-15 m³ bzw. 3,5 × 10^-15 m³ und sind somit im Vergleich zu denen der Vergleichsbeispiele CX1 und CX2 und der anderen Ausführungsformen EMB1 bis EMB4 um einen Faktor von einer Stelle kleiner. Wenn für die Tinte jedoch eine Farbstoffdichte von etwa 3% verwendet wird, wie oben beschrieben, liegt die sichtbare Grenze eines isolierten Punktes, der durch das menschliche Auge erkennbar ist, etwa bei 2 pl. Daher liegen die Tintentropfengrößen von etwa 1,5 pl und 3,5 pl, die durch die Volumenversetzungen V0 von 1,5 × 10^-15 m³ bzw. 3,5 × 10^-15 m³ erhalten werden, noch innerhalb des Toleranzbereiches zum Erhalten eines Bildes mit hoher Qualität ohne Verwendung einer hypochromen Tinte. Mit anderen Worten, es ist möglich, eine ausreichend hohe Druckleistung zu erreichen, während das Drucken eines Bildes mit hoher Qualität ermöglicht wird. Weiterhin ist es möglich, den Tintenstrahldrucker mit niedrigen Kosten zu produzieren, da es unnötig ist, die hypochrome Tinte zu verwenden. Das heißt, die Köpfe und die betreffenden Teile, die herkömmlicherweise in Hinblick auf fünf oder sechs Farben vorgesehen wurden, können auf die Köpfe und die betreffenden Teile reduziert werden, die in Hinblick auf drei Farben vorgesehen werden, da die hypochrome Tinte nicht verwendet wird. Als Resultat kann der Tintenstrahldrucker der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu dem herkömmlichen Tintenstrahldrucker mit niedrigen Kosten produziert werden, und die Leistung des Tintenstrahldruckers der vorliegenden Erfindung kann im Vergleich zu jener des herkömmlichen Tintenstrahldruckers erhöht werden.

Bei den Ausführungsformen EMB3 und EMB5 haben die ver wendeten piezoelektrischen Elemente eine maximale Spannung von 150 MPa. Andererseits haben die piezoelektrischen Ele mente, die bei den Ausführungsformen EMB4 und EMB6 verwendet werden, eine maximale Spannung von 350 MPa.

Durch Erfüllen wenigstens einer der folgenden Beziehun gen bei den Ausführungsformen EMB4 bis EMB6 ist es deshalb möglich, eine befriedigende Produktivität und Tintenstrahl leistung zu realisieren, selbst wenn das piezoelektrische Element, das verwendet wird, durch die Dünnfilmtechnik gebildet wird. Vorzugsweise werden die folgenden Bedingungen gleichzeitig erfüllt.

V0/(L2²b) < 2000 × 10^-6

EV0/(L2²b) < 180 × 10⁶

V/h2 < 8,3 × 10⁶

Wie es oben in Verbindung mit den Ausführungsformen EMB3 bis EMB6 bei einer wünschenswerten Anordnung beschrie ben wurde, beträgt deshalb die Gesamtdicke des piezoelektri schen Dünnfilmelementes und der Vibrationsplatte 10 µm oder weniger, wobei die Vibrationsplatte die obere Wandoberfläche der Druckkammer bildet und das piezoelektrische Dünnfilmele ment den piezoelektrischen Effekt in der planaren Richtung von einer Oberfläche der Vibrationsplatte erzeugt. Zusätz lich liegt die Tintenstrahlmenge bei 1 pl oder mehr, und die Düsen des Multidüsentintenstrahlkopfes sind mit einer Tei lung von ungefähr 150 Punkten/Zoll oder höher angeordnet.

Ferner ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen begrenzt, sondern verschiedene Veränderun gen und Abwandlungen können vorgenommen werden, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

Claims

1. Tintenstrahlkopf mit:
einer Druckkammer;
einer Vibrationsplatte; und
einem piezoelektrischen Element, das auf der Vibrati onsplatte vorgesehen ist und eine Volumenversetzung der Druckkammer verursacht,
bei dem das piezoelektrische Element eine Dicke von 20 µm oder weniger hat,
die Druckkammer und das piezoelektrische Element eine Beziehung
V0/(L2²b) < 550 × 10^-6
erfüllen, wobei V0 [m³] eine Volumenversetzung der Druckkam mer bezeichnet, wenn das piezoelektrische Element angetrie ben wird, L2 [m] eine Breite des piezoelektrischen Elementes bezeichnet und b [m] eine Tiefe der Druckkammer bezeichnet.

2. Tintenstrahlkopf nach Anspruch 1, bei dem die Breite L2 des piezoelektrischen Elementes größer als oder gleich 22 µm und kleiner als oder gleich 300 µm ist.

3. Tintenstrahlkopf nach Anspruch 1, bei dem die Vibrationsplatte eine Größe hat, die beschrieben wird durch
1,5 × 10^-6 ≦ h1 + h2 ≦ 30 × 10^-6
28 × 10^-6 ≦ L1 ≦ 330 × 10^-6
wobei h1 [m] eine Dicke der Vibrationsplatte bezeichnet, h2 [m] die Dicke des piezoelektrischen Elementes bezeichnet und L1 [m] eine Breite der Druckkammer bezeichnet.

4. Tintenstrahlkopf mit:
einer Druckkammer;
einer Vibrationsplatte; und
einem piezoelektrischen Element, das auf der Vibrati onsplatte vorgesehen ist und eine Volumenversetzung der Druckkammer verursacht,
bei dem das piezoelektrische Element eine Dicke von 20 µm oder weniger hat,
die Druckkammer und das piezoelektrische Element eine Beziehung
EV0/(L2²b) < 30 × 10⁶
erfüllen, wobei E [Pa] einen Youngschen Elastizitätsmodul des piezoelektrischen Elementes bezeichnet, V0 [m³] eine Volumenversetzung der Druckkammer bezeichnet, wenn das piezoelektrische Element angetrieben wird, L2 [m] eine Breite des piezoelektrischen Elementes bezeichnet und b [in] eine Tiefe der Druckkammer bezeichnet.

5. Tintenstrahlkopf nach Anspruch 4, bei dem die Breite L2 des piezoelektrischen Elementes größer als oder gleich 22 µm und kleiner als oder gleich 300 µm ist.

6. Tintenstrahlkopf nach Anspruch 4, bei dem die Vibrationsplatte eine Größe hat, die beschrieben wird durch
1,5 × 10^-6 ≦ h1 + h2 ≦ 30 × 10^-6
28 × 10^-6 ≦ L1 ≦ 330 × 10^-6
wobei h1 [m] eine Dicke der Vibrationsplatte bezeichnet, h2 [in] die Dicke des piezoelektrischen Elementes bezeichnet und L1 [m] eine Breite der Druckkammer bezeichnet.

7. Tintenstrahlkopf mit:
einer Druckkammer;
einer Vibrationsplatte; und
einem piezoelektrischen Element, das auf der Vibrati onsplatte vorgesehen ist und eine Volumenversetzung der Druckkammer verursacht,
bei dem das piezoelektrische Element eine Dicke von 20 µm oder weniger hat,
die Druckkammer und eine Spannung, die auf das piezo elektrische Element angewendet wird, eine Beziehung
V/h2 < 3,0 × 10⁶
erfüllen, wobei V [V] die Spannung bezeichnet, die auf das piezoelektrische Element angewendet wird, und h2 [m] eine Dicke des piezoelektrischen Elementes bezeichnet.

8. Tintenstrahlkopf nach Anspruch 7, bei dem eine Breite L2 des piezoelektrischen Elementes größer als oder gleich 22 µm und kleiner als oder gleich 300 µm ist.

9. Tintenstrahlkopf nach Anspruch 7, bei dem die Vibrationsplatte eine Größe hat, die beschrieben wird durch
1,5 × 10^-6 ≦ h1 + h2 ≦ 30 × 10^-6
28 × 10^-6 ≦ L1 ≦ 330 × 10^-6
wobei h1 [m] eine Dicke der Vibrationsplatte bezeichnet und L1 [m] eine Breite der Druckkammer bezeichnet.

10. Multidüsentintenstrahlkopf mit:
einer Druckkammer, die mit einer Düse verbindet;
einer Vibrationsplatte, die eine obere Wandoberfläche der Druckkammer bildet; und
einem piezoelektrischen Dünnfilmelement, das auf der Vibrationsplatte vorgesehen ist und eine Volumenversetzung der Druckkammer verursacht,
bei dem das piezoelektrische Dünnfilmelement einen piezoelektrischen Effekt in einer planaren Richtung von einer Oberfläche der Vibrationsplatte erzeugt,
das piezoelektrische Dünnfilmelement und die Vibrati onsplatte eine Gesamtdicke von 10 µm oder weniger haben,
die Düse eine Tintenstrahlmenge von 1 pl oder mehr hat, wenn das piezoelektrische Element angetrieben wird, und mit einer Teilung von 150 Punkten/Zoll oder höher angeordnet ist.

11. Tintenstrahldrucker mit:
einem Tintenstrahlkopf, der eine Druckkammer umfaßt, eine Vibrationsplatte und ein piezoelektrisches Element, das auf der Vibrationsplatte vorgesehen ist und eine Volumenver setzung der Druckkammer verursacht,
bei dem das piezoelektrische Element eine Dicke von 20 µm oder weniger hat,
die Druckkammer und das piezoelektrische Element eine Beziehung
V0/(L2²b) < 550 × 10^-6
erfüllen, wobei V0 [m³] eine Volumenversetzung der Druckkam mer bezeichnet, wenn das piezoelektrische Element angetrie ben wird, L2 [m] eine Breite des piezoelektrischen Elementes bezeichnet und b [m] eine Tiefe der Druckkammer bezeichnet.

12. Tintenstrahldrucker mit:
einem Tintenstrahlkopf, der eine Druckkammer umfaßt, eine Vibrationsplatte und ein piezoelektrisches Element, das auf der Vibrationsplatte vorgesehen ist und eine Volumenver setzung der Druckkammer verursacht,
bei dem das piezoelektrische Element eine Dicke von 20 µm oder weniger hat,
die Druckkammer und das piezoelektrische Element eine Beziehung
EV0/(L2²b) < 30 × 10⁶
erfüllen, wobei E [Pa] einen Youngschen Elastizitätsmodul des piezoelektrischen Elementes bezeichnet, V0 [m³] eine Volumenversetzung der Druckkammer bezeichnet, wenn das piezoelektrische Element angetrieben wird, L2 [m] eine Breite des piezoelektrischen Elementes bezeichnet und b [m] eine Tiefe der Druckkammer bezeichnet.

13. Tintenstrahldrucker mit:
einem Tintenstrahlkopf, der eine Druckkammer umfaßt, eine Vibrationsplatte und ein piezoelektrisches Element, das auf der Vibrationsplatte vorgesehen ist und eine Volumenver setzung der Druckkammer verursacht,
bei dem das piezoelektrische Element eine Dicke von 20 µm oder weniger hat,
die Druckkammer und eine Spannung, die auf das piezo elektrische Element angewendet wird, eine Beziehung
V/h2 < 3,0 × 10⁶
erfüllen, wobei V [V] die Spannung bezeichnet, die auf das piezoelektrische Element angewendet wird, und h2 [m] eine Dicke des piezoelektrischen Elementes bezeichnet.