DE19639436C2 - Herstellungsverfahren für einen Tintenstrahlkopf - Google Patents
Herstellungsverfahren für einen TintenstrahlkopfInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für einen Tinten
strahlkopf zum Ausführen eines Aufzeichnungsvorgangs durch Ausüben
von Druck auf in einen Behälter eingefüllte Tinte, damit die Tinte
aus dem Behälter ausgestoßen und versprüht werden kann.
Herkömmlicherweise ist ein Tintenstrahl-Aufzeichnungsverfahren be
kannt, bei dem ein Aufzeichnungsvorgang dadurch ausgeführt werden
kann, daß eine Aufzeichnungsflüssigkeit ausgestoßen und versprüht
wird. Dieses Tintenstrahl-Aufzeichnungsverfahren weist mehrere
Vorteile auf: Es kann Ausdrucken mit relativ hoher Geschwindigkeit
bei geringem Geräuschpegel ausgeführt werden, das Druckgerät kann
miniaturisiert werden, Farbaufzeichnungsprozesse werden leicht
ausgeführt usw.
Aus der DE 44 29 904 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen eines
Tintenstrahlkopfes bekannt, bei dem ein piezoelektrisches Vibrati
onselement in eine mehrlagige Schichtenanordnung eingebettet
wird.
Weiterhin ist in der DE 21 66 927 A1 eine Vorrichtung zur Erzeu
gung eines Tröpfchenstrahles beschrieben, bei der in einem Tinten
strahlkopf eine Spannung vorbestimmter Polarität an eine einlagige
Aufbaukomponente angelegt wird, die aus piezoelektrischem Material
mit einer gleichmäßigen. Dicke besteht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Herstellungsverfah
ren für einen Tintenstrahlkopf zu schaffen, der eine große Tinten
ausstoßkraft und eine große Ausstoßgeschwindigkeit liefert, wäh
rend er kompakte Größe aufweist.
Diese Aufgabe ist durch die Lehre von Anspruch 1 gelöst.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird die Aufbaukomponente als
Film auf einem Substrat hergestellt. Dann wird eine Temperaturän
derung vorgenommen, bis die Zugspannungen in der Aufbaukomponente
die Elastizitätsgrenze überschritten haben. Wenn in diesem Fall
das Substrat in einem Zustand geätzt wird, in dem in der Aufbau
komponente interne Druckspannungen bestehen, wird die Aufbaukompo
nente so verformt, daß die internen Druckspannungen aufgehoben
sind. So ermöglicht es das erfindungsgemäße Verfahren, auf einfa
che Weise eine Aufbaukomponente herzustellen, die vorab verformt
wurde.
Bei einem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Tin
tenstrahlkopf unterteilt die aus einem piezoelektrischen Material
bestehende Aufbaukomponente das Innere des Behälters in fluiddich
tem Zustand. Daher wird, wenn die Aufbaukomponente aufgrund einer
durch die Spannungsanlegeeinrichtung angelegten Spannung verformt
wird, die innerhalb des Behälters enthaltene Tinte direkt durch
die Aufbaukomponente unter Druck gesetzt. So ist es, im Unter
schied zu herkömmlichen Anordnungen, möglich, Tinte einfach auszu
stoßen, ohne aufgestapelte piezoelektrische Materialien oder einen
bimorphen piezoelektrischen Aktor zu verwenden, die vergleichswei
se große Abmessungen aufweisen. Daher ermöglicht es die Anordnung,
Tinte sicher auszustoßen, während kleine Abmessungen eines Tinten
strahlkopfs aufrechterhalten bleiben. Ferner ist es möglich, da
die Tinte innerhalb des Behälters durch die Aufbaukomponente di
rekt unter Druck gesetzt wird, die durch die Aufbaukomponente er
zeugte mechanische Energie wirkungsvoll in Ausstoßenergie für Tin
tentröpfchen umzusetzen. Darüber hinaus ist verhindert, da die
Aufbaukomponente das Innere des Behälters fluiddicht unterteilt,
daß im Behälter enthaltene Tinte in andere Räume ausleckt. Daher
ermöglicht es die Anordnung, eine größere Tintenausstoßkraft und
eine größere Tintenausstoßgeschwindigkeit zu erzielen, wenn die
genannte Aufbaukomponente verformt wird.
Ferner kann, wenn die genannte Aufbaukomponente so konzipiert ist,
daß sie mehrere Schichten aufweist und Elektroden, die Spannungen
an es anlegen, so auf jeder Schicht angebracht sind, daß sie diese
einbetten, der Abstand zwischen den Elektroden in jeder Schicht
verkürzt werden. Demgemäß ist es selbst dann, wenn die an jede
Schicht angelegte Spannung erniedrigt wird, möglich, die Aufbau
komponente ausreichend zu verformen und den Energieverbrauch ent
sprechend zu verringern.
Insbesondere dann, wenn die genannte Aufbaukomponente so konzi
piert ist, daß sie elliptische Form aufweist, ist verhindert, daß
die auf sie bei einer Verformung wirkende Belastung in einem spe
ziellen Bereich konzentriert wird. Daher ermöglicht es diese An
ordnung, Ermüdungen der Aufbaukomponente zu verringern und demge
mäß einen Tintenstrahlkopf mit langer Lebensdauer zu schaffen.
Für ein vollständigeres Verständnis der Art und der Vorteile der
Erfindung ist auf die folgende detaillierte Beschreibung in Ver
bindung mit den beigefügten Zeichnungen Bezug zu nehmen:
Fig. 1(a) ist eine Draufsicht, die schematisch den Aufbau eines
Tintenstrahlkopfs zeigt; Fig. 1(b) ist eine Schnittansicht, die
einen Zustand zeigt, bei dem eine Aufbaukomponente noch keiner
Aufwölbverformung im Tintenstrahlkopf unterzogen wurde; und
Fig. 1(c) ist eine Schnittansicht, die einen Zustand zeigt, bei
dem die Aufbaukomponente im Tintenstrahlkopf einer Aufwölbverfor
mung zur Seite der Druckkammer hin unterworfen wurde.
Fig. 2 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines Tinten
strahlkopfs mit Mehrkopfstruktur.
Fig. 3 ist eine perspektivische Explosionsansicht, die detailliert
den Aufbau eines kastenförmigen Körpers im Tintenstrahlkopf zeigt.
Fig. 4 ist eine Draufsicht auf den Tintenstrahlkopf.
Fig. 5 ist eine Schnittansicht entlang der Linie X-X in Fig. 4.
Fig. 6(a) bis 6(g) sind Schnittansichten, die Herstellprozesse für
den kastenförmigen Körper von Fig. 3 veranschaulichen.
Fig. 7(a) bis 7(c) sowie die Fig. 8(a) bis 8(c) sind Ansichten
entsprechend denen der Fig. 1(a) bis 1(c), jedoch für zwei andere
Konstruktionen Tintenstrahlköpfe.
Fig. 9 ist eine Schnittansicht eines Substrats und einer auf die
sem ausgebildeten Aufbaukomponente.
Fig. 10 ist ein Kurvenbild, das die Mechanische-Spannungen-Verfor
mungs-Hysteresekurve einer Aufbaukomponente zeigt, die einer Wär
mebehandlung unterzogen wurde.
Fig. 11 ist eine Schnittansicht einer Aufbaukomponente, die einer
Aufwölbungsverformung unterworfen wurde.
Fig. 12(a) bis 12(c), Fig. 13(a) bis 13(c) sowie Fig. 14(a) bis
14(c) sind Ansichten entsprechend denen der Fig. 1(a) bis 1(c),
jedoch für drei weitere Konstruktionen Tintenstrahlköpfe, wobei
beim Tintenstrahlkopf gemäß Fig. 12 die Aufbaukomponente aus auf
einandergestapelten Schichten besteht, sie beim Kopf gemäß Fig. 13
elliptisch ist und sie beim Kopf gemäß Fig. 14 rund ist.
Die folgende Beschreibung erörtert unter Bezugnahme auf die
Fig. 1(a) bis 1(c) ein Ausführungsbeispiel des Tintenstrahlkopfes.
Dieser Tintenstrahlkopf 10 besteht aus einer Aufbaukomponente 1
(im folgenden kurz als Aufwölbungselement bezeichnet), einem
Behälter 4, Elektroden 9a und 9b zum Anlegen einer Spannung an das
Aufwölbungselement 1, Befestigungselementen 3, die zum Befestigen
des Aufwölbungselements 1 am Behälter 4 verwendet werden, einem
Schalter 8 und einer externen Spannungsquelle 9 (Spannungsanle
geeinrichtung).
Der Behälter 4 besteht aus einem kastenförmigen Körper 5 mit einem
Tintenstrahleinlaß 5a und einer Düsenplatte 7, die die Oberseite
des kastenförmigen Körpers 5 abdeckt und eine Tintenausstoßöffnung
7a aufweist. Die Tintenausstoßöffnung 7a verfügt über sich verjün
gende Form, d. h., daß sie zu ihrer Spitze hin nach außen schmäler
wird.
Das Aufwölbungselement 1 besteht aus einem piezoelektrischen
Material wie z. B. PZT (Feststofflösung aus PbZnO3 und PbTiO3).
Ferner hat das Aufwölbungselement 1 die Form einer Rechteckplatte,
und sie unterteilt das Innere des Behälters 4 in fluiddichtem
Zustand in einen unteren Raum 6b und eine Druckkammer 6a. Darüber
hinaus sind, was die Randkanten derjenigen Fläche des Aufwölbungs
elements 1 betrifft, die der Düsenplatte 7 innerhalb des Behälters
4 gegenüberstehen, mindestens zwei entgegengesetzte Enden in einer
Richtung an den Befestigungselementen 3 befestigt. Demgemäß wird
das Aufwölbungselement 1 auf das Anlegen und Wegnehmen einer Span
nung an Elektroden 9a und 9b, die so angebracht sind, daß sie das
Aufwölbungselement 1 einbetten, Aufwölbungsverformungen unterzo
gen. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel wird, wenn eine Span
nung von der Spannungsquelle 9 angelegt wird, das Aufwölbungsele
ment 1 einer Aufwölbungsverformung zur Seite der Druckkammer 6a
hin unterworfen, so daß Tintentröpfchen 100a aus der Tintenaus
stoßöffnung 7a ausgestoßen werden. Hierbei werden das Anlegen und
Wegnehmen der Spannung durch Ein- und Ausschaltvorgänge des Schalters 8
ausgeführt, wobei die Spannungsversorgung durch die Spannungsquelle 9 er
folgt.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 1(a) bis 1(c) erfolgt nun eine Erläuterung
zum Betrieb des Tintenstrahlkopfs des vorliegenden Ausführungsbeispiels.
Als erstes wird Tinte 100 durch den Tinteneinlass 5a in die Druckkammer 6a
eingefüllt. Als nächstes wird der Schalter 8 so eingeschaltet, dass von der
Spannungsquelle 9 über die Elektroden 9a und 9b an den jeweiligen Enden des
Aufwölbungselements 1 in der Polarisationsrichtung (+ an der Oberseite und
- an der Unterseite) des Aufwölbungselements 1 eine umgekehrte Vorspannung
angelegt wird. Dann versucht sich das Aufwölbungselement 1 aufgrund des
piezoelektrischen Effekts innerhalb seiner Ebenen auszudehnen. Da jedoch
mindestens zwei entgegengesetzte Enden in einer Richtung unter den Randkan
ten des Aufwölbungselements 1 an den Befestigungselementen 3 befestigt
sind, sammeln sich innerhalb des Aufwölbungselements 1 Druckkräfte an. Wenn
die Druckkraft die Aufwölbungsbelastung des Aufwölbungselements 1, die
durch das Material, die Form und die Abmessungen desselben bestimmt ist,
überschreitet, wird das Aufwölbungselement einer großen Aufwölbungsverfor
mung rechtwinklig zu seiner Fläche nach oben unterworfen, d. h. zur Seite
der Druckkammer 6a, wie es in Fig. 1(c) dargestellt ist. Die innerhalb der
fluiddicht abgetrennten Kammer 6a enthaltene Tinte 100 wird durch die Auf
wölbungsverformung des Aufwölbungselements 1 unter Druck gesetzt. Dadurch
wird die Tinte 100 als Tintentröpfchen 100a durch die Tintenausstoßöffnung
7a der Düsenplatte 7 ausgestoßen.
Wenn der Schalter 8 abgeschaltet wird, um das Anlegen der Spannung zu been
den, zieht sich das Aufwölbungselement 1 zusammen und kehrt in seinen Ur
sprungszustand zurück, wie es in Fig. 1(b) dargestellt ist. Derartige wie
derholte Ein- und Ausschaltvorgänge des Schalters 8 ermöglichen es, Tinten
tröpfchen 100a auszustoßen, wodurch ein Ausdrucken auf einen Augzeichnungs
träger möglich ist.
Bei dieser Anordnung erzeugt das Aufwölbungselement 1, dessen Randkanten
teilweise befestigt sind, eine große Verformung in der aus der Ebene her
ausgehenden Richtung, und zwar selbst dann, wenn die Verformung in Richtung
der Ebene klein ist. Daher ist es möglich, Tintentröpfchen 100a selbst
dann, wenn die Abmessungen des Tintenstrahlkopfs 10 klein sind, sicher
auszustoßen. Darüber hinaus ist, da das Aufwölbungselement 1 auch die Funk
tion hat, die Druckkammer 6a in abgedichtetem Zustand zu halten, verhin
dert, dass die Tinte 100 in den unteren Raum 6b ausleckt. Daher liefert
diese Anordnung eine große Tintenausstoßkraft und eine große Tintenausstoß
geschwindigkeit, während die Kompaktheit der Vorrichtung aufrechterhalten
bleibt. Ferner ist es möglich, da das Aufwölbungselement die Tinte 100
direkt unter Druck setzt, die durch das Aufwölbungselement 1 erzeugte me
chanische Energie wirkungsvoll in Ausstoßenergie der Tintentröpfchen 100a
umzusetzen. Ferner ist es möglich, da kein großes piezoelektrisches Mate
rial, wie es bei herkömmlichen Anordnungen benötigt wurde, mehr erforder
lich ist, einen mehrdüsigen Kopf mit integrierten Düsen einfach herzustel
len.
Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ist ein Tintenstrahlkopf 10 veran
schaulicht, der mit einem Aufwölbungselement 1 in Form einer Rechteckplatte
versehen ist; jedoch soll die Form des Aufwölbungselements 1 nicht auf
diese Form beschränkt sein.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 2 bis 5 erörtert die folgende Beschreibung
einen Tintenstrahlkopf 20, in dem Tintenstrahlköpfe 10 gemäß dem Ausfüh
rungsbeispiel 1 integriert sind.
Wie es in Fig. 2 veranschaulicht ist, besteht der Tintenstrahlkopf 20 aus
einem kastenförmigen Körper 15, der untere Räume im Behälter ausbildet,
einem Abstandshalter 16, der mehrere Druckkammern (Tintenspeicherkammern)
im oberen Teil des kastenförmigen Körpers 15 bildet, und einer Düsenplatte
17 mit mehreren Tintenausstoßöffnungen 17a, die einen oberen Teil des Be
hälters bildet. So verfügt der Tintenstrahlkopf 20 über einen Mehrkopfauf
bau.
Wie es in Fig. 3 veranschaulicht ist, besteht der kastenförmige Körper 15
aus einem Substrat 18, das einen wesentlichen Teil desselben bildet, und
aus einem Aufwölbungselement 11, das über Befestigungselemente 13 an der
Oberseite des Substrats 18 angeordnet ist. Ferner ist ein Paar Elektroden
19a und 19b so angebracht, dass sie das Aufwölbungselement 11 einbetten.
Der in Fig. 2 dargestellte Abstandshalter 16 besteht aus einer rostfreien
Kupferplatte mit einer Dicke von z. B. 10 bis 50 µm. Hierbei sind vier
Öffnungen 16a, die eine Druckkammer und einen Tinteneinlass bilden, durch
Stanzen hergestellt, und Trennwände 16b trennen die jeweiligen Öffnungen
16a voneinander. Die Randkanten des Aufwölbungselements 11 sind durch die
Trennwände 16b und die Befestigungselemente 13 befestigt (siehe Fig. 3).
Die aus einem Glasmaterial mit einer Dicke von z. B. 0,2 mm bestehende
Düsenplatte 17 verfügt über vier Tintenausstoßöffnungen 17a, von denen jede
zur Oberseite hin verjüngt ist, d. h., dass jede Kegel- oder Trichterform
aufweist, wie es in Fig. 5 veranschaulicht ist. Jede Tintenausstoßöffnung
17a wird durch Ätzen unter Verwendung von Fluorwasserstoffsäure herge
stellt. Die Düsenplatte 17 wird mittels eines nichtleitenden Klebers über
den. Abstandshalter 16 mit dem kastenförmigen Körper 15 verbunden.
Das Substrat 18 besteht z. B. aus einem einkristallinen Siliziumsubstrat
mit vorgegebener Kristallfläche (100). Wie es in Fig. 3 veranschaulicht ist,
ist das Substrat 18 mit einem sich verjüngenden Lochbereich 18a versehen,
der das Substrat 18 durchdringt. Das Aufwölbungselement 11 besteht aus ei
nem piezoelektrischen Material wie PZT. Ferner bestehen die Elektroden 19a
und 19b aus Platin (Pt) mit elektrischer Leitfähigkeit. Wie es in Fig. 4
veranschaulicht ist, ist die Elektrode 19a über einen Schalter 12 mit dem
positiven Anschluss jeder Spannungsquelle 19 verbunden, und die Elektrode
19b ist mit dem negativen Anschluss jeder Spannungsquelle 19 verbunden.
Demgemäß wird das Anlegen und Wegnehmen von Spannung durch Ein- und Aus
schaltvorgänge des Schalters 12 ausgeführt.
Da der Tintenstrahlkopf 20 auf dieselbe Weise wie der beim Ausführungsbei
spiel 1 betrieben wird, wird hier die zugehörige Erläuterung weggelassen.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 6(a) bis 6(g) erörtert die folgende Beschrei
bung Herstellprozesse für den im Tintenstrahlkopf 20 angebrachten kasten
förmigen Körper 15.
Als erstes werden, wie es in Fig. 6(a) veranschaulicht ist, Siliziumo
xid(SiO2)-Schichten 14, von denen jede eine Dicke von 2 µm aufweist und 6
bis 8% Phosphor (P) enthält (nachfolgend als PSG (Phosphorsilikatglas)-
Schichten 14 bezeichnet), auf der Vorder- und Rückseite des Substrats 18,
das aus einkristallinem Silizium mit vorbestimmter Kristallfläche (100)
besteht, unter Verwendung eines LPCVD (chemische Dampfniederschlagung bei
niedrigem Druck)-Apparats hergestellt.
Danach wird, wie es in Fig. 6(b) veranschaulicht ist, eine Elektrode 19a,
die aus Pt mit einer Dicke von 0,2 µm besteht, als Film auf der Oberfläche
der PSG-Schicht 14 hergestellt und einem Musterungsprozess unterworfen.
Anschließend wird, wie es in Fig. 6(c) veranschaulicht ist, das Aufwöl
bungselement 11, das aus PZT mit einer Dicke von 3 µm besteht, als Film auf
der Elektrode 19a hergestellt.
Danach wird, wie es in Fig. 6(d) veranschaulicht ist, eine Elektrode 19b,
die aus Pt mit einer Dicke von 0,2 µm besteht, als Film auf der Oberfläche
des Aufwölbungselements 11 hergestellt und einem Musterungsprozess unter
worfen. Anschließend wird, wie es in Fig. 6(e) veranschaulicht ist, die
PSG-Schicht 14 an der Rückseite des Substrats 18 einem Musterungsprozess
unterworfen. Dann wird, wie es in Fig. 6(f) veranschaulicht ist, das Sili
ziumsubstrat 18 einem anisotroper Ätzprozess unter Verwendung der gemuster
ten PSG-Schicht 14 als Maske unterworfen, um den das Substrat 18 durchdrin
genden, sich verjüngenden Lochbereich 18a herzustellen.
Schließlich wird, wie es in Fig. 6(g) veranschaulicht ist, die PSG-Schicht
14 unter Verwendung des sich verjüngenden Lochbereichs 18a des geätzten
Substrats 18 als Maske geätzt. So werden durch die verbleibenden. PSG-
Schichten 14 Befestigungselemente 13 gebildet, und es ist ein kastenförmig
er Körper 15 mit gewünschtem Aufbau erhalten.
Bei dieser Anordnung werden der kastenförmige Körper 15, der Abstandshalter
16 und die Düsenplatte 17 einstückig ausgebildet, und gleichzeitig wird
eine Anzahl von Köpfen, die individuell steuerbar sind, hergestellt; da
durch ist es möglich, kompakte Köpfe mit geringen Kosten herzustellen.
Darüber hinaus ermöglicht es eine derartige Mehrkopfanordnung, die Funktio
nen des Tintenstrahlkopfs 20 zu verbessern.
Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ist zum Vereinfachen der Erläuterung
eine Anordnung mit vier Köpfen veranschaulicht. Jedoch soll die Anzahl von
Köpfen nicht auf diese Zahl, wie sie beim Tintenstrahlkopf 20 des vorlie
genden Ausführungsbeispiels vorliegt, beschränkt sein, sondern sie kann bei
erfindungsgemäßen Köpfen nach Wunsch festgelegt werden.
Bei den vorstehend angegebenen Ausführungsbeispielen 1 und 2 wird eine
umgekehrte Vorspannung bezogen auf die Polarisationsrichtung des Aufwöl
bungselements 1 oder 11 angelegt. Bei diesen Anordnungen wird die Polarisa
tionsrichtung umgekehrt, wenn die angelegte Spannung zu hoch ist. Dann kann
sich das Aufwölbungselement 1 oder 11 nicht in seiner Ebene ausdehnen,
wodurch keine Tinte ausgestoßen werden kann. Nun erfolgt für das vorliegen
de Ausführungsbeispiel eine Erläuterung für einen Tintenstrahlkopf 30, bei
dem eine Vorspannung in Vorwärtsrichtung bezogen auf die Polarisationsrich
tung des Aufwölbungselements 1 angelegt wird, um Tinte auszustoßen. Zum
Vereinfachen der Erläuterung sind diejenigen Elemente, die dieselben Funk
tionen wie entsprechende bei den Ausführungsbeispielen 1 und 2 verwendete
Elemente aufweisen, mit denselben Bezugszahlen gekennzeichnet, und hier
wird eine zugehörige Beschreibung weggelassen.
Das vorliegende Ausführungsbeispiel unterscheidet
sich vom Ausführungsbeispiel 1 dadurch, dass eine Vorspannung in Vorwärts
richtung in bezug auf die Polarisationsrichtung des Aufwölbungselements 1
angelegt wird und dass das Aufwölbungselement 1 beim Fehlen einer Spannung
einer Aufwölbungsverformung zur Seite der Druckkammer 6a hin unterworfen
ist. Dann wird das Aufwölbungselement 1 auf das Anlegen und Wegnehmen einer
Spannung über die Elektroden 9a, 9b, die wieder so angebracht sind, dass
sie das Aufwölbungselement 1 einbetten, in der Ebene liegenden Verformungen
unterworfen. Die restliche Anordnung stimmt mit der beim Ausführungsbei
spiel 1 überein.
Der Tintenstrahlkopf 30 des vorliegenden Ausführungsbeispiels wird wie
folgt betrieben: Als erstes wird, wie es in Fig. 7(b) dargestellt ist, eine
Vorspannung in Vorwärtsrichtung bezogen auf die Polarisationsrichtung des
Aufwölbungselements 1 angelegt (- an der Oberseite und + an der Untersei
te), wozu der Schalter 8 eingeschaltet wird. In diesem Fall versucht sich
das Aufwölbungselement 1 aufgrund des piezoelektrischen Effekts in der
Ebene zusammenzuziehen, so dass es, da es zuvor einer Aufwölbungsverformung
zur Seite der Druckkammer 6a hin unterworfen war, nun in einem Zustand
gehalten wird, in dem es dieser Aufwölbungsverformung nicht mehr unter
liegt, wie dies in Fig. 7(b) dargestellt ist.
Anschließend wird, wenn der Schalter 8 abgeschaltet wird, die Kontraktion
des Aufwölbungselements innerhalb seiner Ebene aufgehoben, und es kehrt in
seinen Ursprungszustand zurück. Anders gesagt, wird, wie es in Fig. 7(c)
dargestellt ist, das Aufwölbungselement 1 einer großen Aufwölbungsverfor
mung zur Seite der Druckkammer 6a hin unterworfen. Diese Aufwölbungsverfor
mung setzt Tinte 100, die in fluiddichtem Zustand in der Druckkammer 6a
enthalten ist, unter Druck. So wird die Tinte 100 in Form von Tintentröpf
chen 100a aus der Tintenausstoßöffnung 7a der Düsenplatte 7 ausgestoßen.
Bei dieser Anordnung wird, da eine Vorspannung in Vorwärtsrichtung bezogen
auf die Polarisationsrichtung des Aufwölbungselements 1 angelegt wird, die
Polarisationsrichtung des Aufwölbungselements 1 selbst dann nicht umge
kehrt, wenn eine vergleichsweise hohe Spannung an es angelegt wird. Dadurch
ist es möglich, eine größere Spannung als dann anzulegen, wenn eine Vor
spannung in Rückwärtsrichtung angelegt wird.
Wie beim vorstehend angegebenen Ausführungsbeispiel 3 erfolgt eine Erläute
rung über einen Tintenstrahlkopf 40, bei dem eine Vorspannung in Vorwärts
richtung bezogen auf die Polarisationsrichtung des Aufwölbungselements 1
angelegt wird, um Tinte 100 auszustoßen. Um die Erläuterung zu vereinfa
chen, sind wiederum diejenigen Elemente, die dieselben Funktionen wie bei
den Ausführungsbeispielen 1 bis 3 verwendete Elemente aufweisen, mit den
selben Bezugszeichen gekennzeichnet, und eine zugehörige Beschreibung wird
weggelassen.
Der Tintenstrahlkopf 40 des vorliegenden Ausfüh
rungsbeispiels unterscheidet sich von dem des Ausführungsbeispiels 1 da
durch, dass eine Vorspannung in Vorwärtsrichtung bezogen auf die Polarisa
tionsrichtung des Aufwölbungselements 1 angelegt wird und dass dieses Auf
wölbungselement 1 bei fehlender Spannung einer Aufwölbungsverformung zu der
der Druckkammer 6a entgegengesetzten Seite unterworfen ist. Wenn über die
Elektroden 9a und 9b, die wieder so angebracht sind, dass sie das Aufwöl
bungselement 1 einbetten, das Anlegen und Wegnehmen einer Spannung erfolgt,
wird das Aufwölbungselement 1 Verformungen innerhalb seiner Ebene unterwor
fen. Die restliche Anordnung stimmt mit der beim Ausführungsbeispiel 1
überein.
Der Tintenstrahlkopf 40 des vorliegenden Ausführungsbeispiels wird wie
folgt betrieben: Als erstes ist, wie es in Fig. 8(b) dargestellt ist, das
Aufwölbungselement 1 so konzipiert, dass es dann, wenn der Schalter 8 abge
schaltet ist, einer Aufwölbungsverformung zur von der Druckkammer 6a abge
wandten Seite hin unterworfen ist. Wenn danach der Schalter 8 eingeschaltet
wird, zieht sich das Aufwölbungselement 1 in seiner Ebene zusammen, so dass
es in einen Zustand gelangt, in dem keine Aufwölbungsverformung vorliegt,
wie es in Fig. 8(c) dargestellt ist. Anders gesagt, wird beim vorliegenden
Ausführungsbeispiel die innerhalb der fluiddichten Druckkammer 6a enthalte
ne Tinte durch die Positionsänderung des Aufwölbungselements 1 vom aufge
wölben Zustand (verformter Zustand) in den nicht aufgewölbten Zustand (un
verformter Zustand) unter Druck gesetzt. So wird die Tinte 100 in Form von
Tintentröpfchen 100a aus der Tintenausstoßöffnung 7a der Düsenplatte 7
ausgestoßen.
Da bei dieser Anordnung eine Vorspannung in Vorwärtsrichtung bezogen auf
die Polarisationsrichtung des Aufwölbungselements 1 angelegt wird, wird die
Polarisationsrichtung des Aufwölbungselements 1 selbst dann nicht umge
kehrt, wenn eine vergleichsweise hohe Spannung an es angelegt wird. Daher
ist es möglich, eine größere Spannung als im Fall anzulegen, bei dem eine
Vorspannung in Rückwärtsrichtung verwendet wird.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 9 bis 11 erörtert die folgende Beschreibung
ein Herstellverfahren für das vorstehend angegebene Aufwölbungselement, das
sich bei fehlender Spannung im aufgewölbten Zustand befindet.
Als erstes wird, wie es in Fig. 9 veranschaulicht ist, ein Aufwölbungsele
ment 41 mit der Dicke h1 als Film auf einem Substrat 42 mit der Dicke h2
hergestellt. In diesem Fall muss das Aufwölbungselement 41 wesentlich dün
ner als das Substrat 42 sein. Anders gesagt, muss die Bedingung h1 « h2
erfüllt sein. D. h., dass angenommen wird, dass sich der lineare Expan
sionskoeffizient α1 des Aufwölbungselements 41 vom linearen Expansionskoef
fizienten α2 des Substrats 42 unterscheidet.
Wenn das Substrat 42 einer Wärmebehandlung unterworfen wird, erfährt das
Aufwölbungselement 41 eine Variation entsprechend der Mechanische-Spannung-
Verzerrungs-Hysteresekurve von Fig. 10 und gelangt in einen Zustand, in dem
innere Druckspannungen erzeugt werden. Hierbei werden abhängig von den
Größen der linearen Expansionskoeffizienten α1 und α2 des Aufwölbungsele
ments 41 und des Substrats 42 zwei Wärmebehandlungsverfahren vorgeschlagen.
Danach werden Herstellverfahren für das Aufwölbungselement 41 und zugehöri
ge Prinzipien zugehörig zu den jeweiligen Wärmebehandlungsverfahren erör
tert.
(1) Für diesen Fall sei angenommen, dass der lineare Expansionskoeffizient
α1 des Aufwölbungselements 41 kleiner als der lineare Expansionskoeffizient
α2 des Substrats 42 ist.
Unter dieser Bedingung wird die Temperatur erhöht, bis die im Aufwölbungs
element 41 auftretenden Zugspannungen die Elastizitätsgrenzen überschrei
ten, und dann wird die Temperatur auf die Raumtemperatur zurückgeführt.
Dieses Verfahren wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 10 im einzelnen erläu
tert.
In einem Zustand vor dem Ausführe der Temperaturänderung befindet sich das
Aufwölbungselement 41 hinsichtlich seiner Hysteresekurve auf einem Punkt O,
d. h. in einem unverformten und spannungsfreien Zustand. Dann, wenn die
Temperatur erhöht wird, dehnen sich sowohl das Substrat 42 als auch das
Aufwölbungselement 41 aus. Da jedoch das Substrat 42 einen größeren linea
ren Expansionskoeffizienten aufweist als das Aufwölbungselement 41, erfährt
das letztere eine Zugbelastung vom Substrat 42, mit dem Ergebnis, dass es
eine Zugverformung und Zugspannungen erfährt. Die Beziehung zwischen der
Zugverformung und der Zugspannung ist durch eine praktisch gerade Linie bis
zum Punkt A dargestellt. Wenn die Temperatur weiter erhöht wird, über
schreitet die Zugspannung ihre Elastizitätsgrenze, und es ergibt sich ein
gekrümmter Verlauf bis zu einem Punkt B, wie in Fig. 10 dargestellt. Wenn
dann die Wärmezufuhr beendet wird, hört die Expansion des Substrats 42 auf,
und es versucht in den unverformten Zustand zurückzukehren. In diesem Fall
kehrt das Aufwölbungselement 41 zum unverformten Zustand zurück, wobei es
einer geraden Linie ausgehend vom Punkt B parallel zur geraden Linie OA
folgt; daher wird, wie es in Fig. 10 dargestellt ist, eine interne Druck
spannung σR ausgeübt.
(2) Für diesen Fall sei angenommen, dass der lineare Expansionskoeffizient
α1 des Aufwölbungselements 41 größer als der lineare Expansionskoeffizient
α2 des Substrats 42 ist. Unter diesen Bedingungen wird die Temperatur er
niedrigt, bis die im Aufwölbungselement 41 auftretende Zugspannung die
Elastizitätsgrenze überschreitet, und dann wird die Temperatur auf die
Raumtemperatur zurückgeführt. Was Spannungen und Verformungen betrifft, wie
in Fig. 10 dargestellt, kann dieselbe Erläuterung wie zuvor mit dem Unter
schied erfolgen, dass das Erhöhen und Erniedrigen der Temperatur gegenein
ander vertauscht sind.
Wenn das Substrat 42 geätzt wird, wie in Fig. 11 dargestellt, während nach
dem Ausüben einer der beiden obenangegebenen Wärmebehandlungen noch interne
Druckspannungen im Aufwölbungselement 41 existieren, versucht das Aufwöl
bungselement 41, die interenen Druckspannungen abzubauen, mit dem Ergebnis,
dass es eine Aufwölbungsverformung erfährt, wie es in Fig. 11 dargestellt
ist. So ermöglichen es die vorstehend angegebenen Verfahren, auf einfache
Weise ein Aufwölbungselement 41 herzustellen, das vorab einer Aufwölbungs
verformung unterworfen wurde.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 12(a) bis 12(c) erörtert die folgende Be
schreibung ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Hierbei sind
diejenigen Elemente, die dieselben Funktionen wie bei den Ausführungsbei
spielen 1 bis 4 verwendete Elemente aufweisen, mit denselben Bezugszahlen
gekennzeichnet, und eine zugehörige Erläuterung wird weggelassen.
Ein beim Tintenstrahlkopf 50 des Vorliegenden
Ausführungsbeispiels eingebautes Aufwölbungselement 1 besteht aus mehreren
Schichten. Ein Paar Elektroden 9a und 9b ist so an jeder Schicht ange
bracht, dass sie die Schicht einbetten; daher ist der Abstand zwischen den
Elektroden 9a und 9b verkürzt. So wird das Aufwölbungselement auf das Anle
gen und Wegnehmen einer Spannung über die Elektroden 9a und 9b hin in der
Ebene liegenden Verformungen unterworfen. Die andere Anordnung ist bei
diesem Ausführungsbeispiel dieselbe wie beim Ausführungsbeispiel 1. Darüber
hinaus ist das Ansteuerungsprinzip dasselbe wie beim Ausführungsbeispiel 1.
Hierbei ist, wenn die Länge des piezoelektrischen Materials mit 1 angenom
men wird, das Verformungsausmaß δ des piezoelektrischen Materials innerhalb
seiner Ebene durch die folgende Gleichung repräsentiert:
δ = d31 . V . 1/h,
mit:
d31: Piezoelektrizitätskonstante,
V: Spannung und
h: Dicke des piezoelektrischen Materials.
mit:
d31: Piezoelektrizitätskonstante,
V: Spannung und
h: Dicke des piezoelektrischen Materials.
Die vorstehend angegebene Gleichung zeigt, dass die zum Verformen des pie
zoelektrischen Materials anzulegende Spannung um so kleiner ist, je gering
er die Dicke des piezoelektrischen Materials ist, d. h. je kleiner der
Abstand zwischen den Elektroden 9a und 9b ist. Daher ist es möglich, den
Energieverbrauch zu verringern, wenn das Aufwölbungselement 1 unter Verwen
dung von Schichten piezoelektrischen Materials hergestellt wird, die je
weils als dünne Schicht ausgebildet sind, so dass der Abstand zwischen den
Elektroden 9a und 9b verkürzt ist.
Außerdem kann der beim vorliegenden Ausführungsbeispiel verwendete Schicht
aufbau des Aufwölbungselements 1 auch bei den vorstehend angegebenen Aus
führungsbeispielen 2 bis 4 verwendet werden. Dabei werden dieselben Effekte
erzielt, wie sie zuvor beschrieben wurden.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 13(a) bis 13(c) sowie die Fig. 14(a) bis
14(c) erörtert die folgende Beschreibung weitere Ausführungsbeispiele
Tintenstrahlköpfe 60 bzw. 70. Hierbei sind diejenigen Elemente, die die
selben Funktionen wie die entsprechenden bei den Ausführungsbeispielen 1
bis 5 verwendeten Elemente aufweisen, mit denselben Bezugszahlen versehen,
und eine zugehörige Beschreibung wird weggelassen.
Ein Aufwölbungselement 1, wie es im Tintenstrahlkopf
60 des vorliegenden Ausführungsbeispiels enthalten ist, ist so konzipiert,
dass es elliptische Form aufweist. Ferner wird dieses Aufwölbungselement 1'
beim Anlegen und Wegnehmen einer Spannung über Elektroden 9a und 9b, die
wiederum so angebracht sind, dass sie das Aufwölbungselement 1' einbetten,
Aufwölbungsverformungen unterworfen. Die andere Anordnung und das Ansteue
rungsprinzip stimmen mit dem beim Ausführungsbeispiel 1 überein. Daher
können auch dann, wenn das Aufwölbungselement 1' elliptische Form aufweist,
dieselben Effekte wie beim Ausführungsbeispiel 1 erzielt werden.
Wenn jedoch dieses Aufwölbungselement 1' mit elliptischer Form verwendet
wird, existieren keine Ecken, in denen sich bei Aufwölbungsverformung Span
nungen konzentrieren, was unterschiedlich zum Fall beim Aufwölbungselement
1 mit Rechteckform ist. Daher ermöglicht es diese Anordnung, Ermüdungen im
Aufwölbungselement 1' zu verringern und demgemäß einen Tintenstrahlkopf mit
langer Lebensdauer zu schaffen.
Ferner sorgt, wenn das Aufwölbungselement 1' mit elliptischer Form und das
Aufwölbungselement 1 mit Rechteckform verglichen werden, das erstere bei
gleichem Energieverbrauch für eine größere Ausstoßkraft und eine größere
Ausstoßgeschwindigkeit, da bei Aufwölbungsverformungen keine Spannungskon
zentration in der Nähe von Ecken vorliegt.
Darüber hinaus ist Fig. 14(a) eine Draufsicht auf den Tintenstrahlkopf 70
mit einem Aufwölbungselement 1', dessen Form näher an einer exakt runden
Form liegt, als dies beim vorstehend angegebenen Aufwölbungselement 1' der
Fall ist. Da das Ansteuerungsprinzip dasselbe wie beim vorigen Ausführungs
beispiel ist, wird die zugehörige Beschreibung weggelassen.
Da das Aufwölbungselement 1' rund ist, sind Spannungskonzentrationen bei
Aufwölbungsverformungen sicher verhindert. Daher sind in diesem Fall die
vorstehend angegebenen Wirkungen weiter verbessert. So ist die runde Form
die geeignetste Form für das Aufwölbungselement 1'.
Elliptische oder runde Aufwölbungselemente 1' sind auch bei den Ausfüh
rungsbeispielen 2 bis 5 verwendbar. Auch dann werden dieselben Wirkungen
erzielt, wie sie betreffend das eben angegebene Ausführungsbeispiel be
schrieben sind.
Claims (5)
1. Verfahren zum Herstellen eines Tintenstrahlkopfes zum Aus
stoßen von Tintentröpfchen auf einen Aufzeichnungsträger,
mit folgenden Schritten:
- 1. einem ersten Schritt des Aufbringens einer ein piezoelek trisches Material umfassenden Aufbaukomponente (41) als Film mit einer ersten Dicke auf ein Substrat (42) mit ei ner gegenüber der ersten großen, zweiten Dicke, wobei Auf baukomponente (41) und Substrat (42) unterschiedliche Wär meausdehnungskoeffizienten aufweisen,
- 2. einem zweiten Schritt des Einwirkens einer Wärmeänderung auf den Verbund aus Substrat (42) und Aufbaukompo nente (41) derart, daß die Zugspannungen in der Aufbaukom ponente (41) deren Elastizitätsgrenze überschreiten und die Aufbaukomponente (41) eine plastische Dehnung erfährt, und des Einwirkens einer folgenden Wärmeänderung auf den Verbund aus Substrat (42) und Aufbaukomponente (41) bis zum Erhalt der Umgebungstemperatur,
- 3. einem dritten Schritt des Ätzens des Substrats (42) bei in der Aufbaukomponente (41) herrschenden Druckspannungen derart, daß die Aufbaukomponente (41) in einem Bereich zwischen gegenüberliegenden Enden freiliegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei beim zweiten Schritt die
Temperatur der Aufbaukomponente (41) und des Substrats (42)
derart erhöht wird, daß die Zugspannungen in der Aufbaukom
ponente (41) deren Elastizitätsgrenze überschreiten und die
Aufbaukomponente (41) einer plastischen Verformung unter
liegt, und wobei dann die Temperatur gesenkt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei beim zweiten Schritt die
Temperatur der Aufbaukomponente (41) und des Substrats (42)
derart vermindert wird, daß die Zugspannungen in der Aufbau
komponente (41) deren Elastizitätsgrenze überschreiten und
die Aufbaukomponente (41) einer plastischen Verformung un
terliegt, und wobei dann die Temperatur erhöht wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Wärmeausdehnungskoeffi
zient (α1) der Aufbaukomponente (41) kleiner ist als der
Wärmeausdehnungskoeffizient (α2) des Substrats (42).
5. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Wärmeausdehnungskoeffi
zient (α1) der Aufbaukomponente (41) größer ist als der Wär
meausdehnungskoeffizient (α2) des Substrats (42).
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