DE19639717A1 - Tintenstrahlkopf und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Tintenstrahlkopf zum Ausführen eines Aufzeich­ nungsvorgangs durch Ausüben von Druck auf in einen Behälter eingefüllte Tinte, um sie zum Versprühen auszustoßen, und sie betrifft auch ein Her­ stellverfahren für einen solchen Tintenstrahlkopf.

Es ist ein Tintenstrahl-Aufzeichnungsverfahren bekannt, bei dem ein Auf­ zeichnungsvorgang dadurch ausgeführt wird, daß eine Aufzeichnungsflüssig­ keit ausgestoßen und versprüht wird. Dieses Verfahren verfügt über ver­ schiedene Vorteile: relativ hohe Druckgeschwindigkeit bei wenig Geräuschen, Miniaturisierung ist möglich, ein Farbaufzeichnungsprozeß kann leicht ausgeführt werden usw.

Was bei einem solchen Verfahren verwendete Tintenstrahlköpfe betrifft, wurden verschiedene Anordnungen vorgeschlagen.

Ein Beispiel derartiger Tintenstrahlköpfe ist ein solcher unter Verwendung eines Blasenstrahlverfahrens. Bei einem solchen Tintenstrahlkopf ist ein Heizer innerhalb des die Tinte aufnehmenden Hohlraums angebracht. Die Tinte wird dadurch zum Sieden gebracht, daß ihr mittels des Heizers schnell Wärme zugeführt wird, wodurch Blasen erzeugt werden. Anders gesagt, vari­ iert die Erzeugung von Blasen den Druck innerhalb des Hohlraums, wodurch Tinte durch die Düse ausgestoßen werden kann.

Darüber hinaus ist ein anderes Beispiel ein Tintenstrahlkopf unter Verwen­ dung eines Druckausübungsverfahrens, wie er im Dokument JP-A-4-355147 (1992) offenbart ist. Bei diesem Tintenstrahlkopf wird Druck innerhalb einer Tintendruckkammer dadurch erzeugt, daß die Verformung eines piezo­ elektrischen Elements verwendet wird, wodurch Tintentröpfchen durch die Düse ausgestoßen werden.

Jedoch bestehen beim vorstehend angegebenen Stand der Technik die folgenden Probleme.

Erstens muß bei einem Tintenstrahlkopf unter Verwendung des Blasenstrahl­ verfahrens die Temperatur des Heizers momentan bis auf ungefähr 1000°C erwärmt werden, um die Tinte zum Sieden zu bringen, so daß Blasen erzeugt werden. Damit geht das Problem einer Beeinträchtigung des Heizers und damit einer kurzen Lebensdauer des Kopfs einher.

Beim Tintenstrahlkopf unter Verwendung des Druckverfahrens besteht kein Problem hinsichtlich der Lebensdauer. Da jedoch ein volumenmäßiges piezo­ elektrisches Element verwendet werden muß, sind zugehörige Bearbeitungs- und Zusammenbauprozesse erforderlich. Daraus ergeben sich die Probleme geringer Produktivität und Schwierigkeiten beim Versuch hohe Integrations­ dichte zu erzielen, weswegen dieses Verfahren nicht für Druck mit hoher Genauigkeit und hoher Geschwindigkeit geeignet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Tintenstrahlkopf, der Druck mit hoher Genauigkeit und hoher Geschwindigkeit ermöglicht und lange Le­ bensdauer aufweist, sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Tin­ tenstrahlkopfs zu schaffen.

Diese Aufgabe ist hinsichtlich des Tintenstrahlkopfs durch die Lehre des beigefügten Anspruchs 1 und hinsichtlich des Verfahrens durch die Lehre des beigefügten Anspruchs 9 gelöst.

Beim erfindungsgemäßen Tintenstrahlkopf stehen die erste und die zweite Platte einander gegenüber, wobei zwischen ihnen die Druckkammer ausgebildet ist, die mit Tinte gefüllt wird. Das piezoelektrische Element ist auf einem flexiblen, an der ersten Platte angebrachten Abschnitt ausgebildet, der verformt wird, wenn das piezoelektrische Element verformt wird. Demgemäß drückt die Verformung der ersten Platte die Druckkammer zusammen, wodurch sich innerhalb der Kammer befindliche Tinte aus ihr ausgestoßen werden kann.

Anders gesagt, verfügt die vorstehend angegebene Anordnung über eine ebene Struktur mit mehreren Platten unter Verwendung eines piezoelektrischen Dünnfilmelements auf der ersten Platte. Dadurch ermöglicht es diese Struk­ tur im Vergleich mit der herkömmlichen Struktur unter Verwendung volumenmä­ ßiger piezoelektrischer Elemente, die Dicke und die Außenabmeßungen des Tintenstrahlkopfs stark zu verringern. So ist es möglich, einen Tinten­ strahlkopf hoher Dichte zu erzeugen, der Druck mit hoher Genauigkeit und hoher Geschwindigkeit ermöglicht. Darüber hinaus ist es möglich, da kein Heizer mehr erforderlich ist, wie beim herkömmlichen Blasenstrahlverfahren, einen Tintenstrahlkopf mit langer Lebensdauer zu erhalten.

Wenn der flexible Abschnitt aus mehreren Keilelementen besteht, von denen jeweils ein Ende am Substrat befestigt ist, wird der flexible Abschnitt in der Umfangsrichtung kaum verformt. Da diese Anordnung die Möglichkeit aus­ schließt, daß durch die Verformung des flexiblen Abschnitts eine unzurei­ chende Druckkraft ausgeübt wird, sind die Tintenausstoßeigenschaften weiter verbessert.

Vorzugsweise ist jedes Keilelement streifenförmig so ausgebildet, daß es sich nach oben hin verengt. Diese Anordnung verkleinert die Breite jedes Keilelements an seiner Unterseite, wodurch die Flexibilität jedes Keilele­ ments verbessert ist. In diesem Fall ist es selbst dann, wenn nur wenige Keilelemente vorliegen, möglich, die Druckkammer ausreichend unter Druck zu setzen, wodurch ausreichende Tintenausstoßeigenschaften erzielt werden können.

Mit dem erfindungsgemäßen Herstellverfahren ist es auf einfache Weise mög­ lich, einen Tintenstrahlkopf mittels Halbleiter-Filmbildungstechniken her­ zustellen, ohne daß komplizierte Bearbeitungs- und Zusammenbauprozesse in herkömmlicher Weise ausgeführt werden müssen. Daher verbessert das Verfah­ ren die Produktivität hinsichtlich Tintenstrahlköpfen und verringert die Herstellkosten.

Ferner ist es aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, einen Kopf unter Verwendung z. B. der Photolithographietechnik fein zu bearbeiten. So wird es möglich, einen Tintenstrahlkopf zu erhalten, der Druck mit hoher Genauigkeit und hoher Geschwindigkeit ermöglicht.

Hierbei wird das piezoelektrische Element vorzugsweise unter Verwendung eines Hydrothermalverfahrens als Film hergestellt, da dieses Verfahren die Filmbildungstemperatur bei der Herstellung des piezoelektrischen Elements erniedrigt, wodurch es möglich ist, Beschädigungen am Element zu verrin­ gern. Ferner ist es möglich, da in diesem Fall das piezoelektrische Element in natürlicher Weise in der Dickenrichtung des Substrats polarisiert ist, einen Polarisierungsprozeß für das piezoelektrische Element wegzulassen.

Für ein vollständigeres Verständnis der Art und der Vorteile der Erfindung ist auf die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den beige­ fügten Zeichnungen Bezug zu nehmen.

Fig. 1 ist eine Draufsicht, die schematisch den Aufbau eines erfindungsge­ mäßen Tintenstrahlkopfs zeigt.

Fig. 2 ist eine Schnittansicht entlang der Linie A-A′ in Fig. 1.

Fig. 3 ist eine Schnittansicht, die einen Zustand zeigt, bei dem eine Span­ nung an ein piezoelektrisches Element des Tintenstrahlkopfs angelegt wird.

Fig. 4(a) bis 4(k) sind Schnittansichten, die Herstellprozesse für eine Druckausübungsplatte im Tintenstrahlkopf zeigen.

Fig. 5 ist eine Draufsicht, die einen anderen Aufbau eines erfindungsgemä­ ßen Tintenstrahlkopfs zeigt.

Fig. 6 ist eine Draufsicht, die noch einen anderen Aufbau eines erfindungs­ gemäßen Tintenstrahlkopfs zeigt.

Die folgende Beschreibung erörtert unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 6 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Wie es in Fig. 2 veranschaulicht ist, verfügt ein Tintenstrahlkopf 1 über eine ebene Struktur mit mehreren Platten, zu denen eine Düsenplatte 2 (zweite Platte) und eine Druckausübungsplatte 3 (dritte Platte) und eine Druckkammer 4 gehören.

Die Düsenplatte 2 besteht z. B. aus einer Glas- oder Kunststofflage oder aus einem metallischen Material wie Nickel. Die Dicke der Düsenplatte 2 ist vorzugsweise auf 0,2 mm oder weniger eingestellt. Die Düsenplatte 2 ist mit einer kegelförmigen Düse 5 versehen, die zum Ausstoßen von Tinte verwendet wird. Diese Düse 5 ist an einer Position, die der Mitte der Druckkammer 4 entspricht, auf solche Weise angebracht, daß sie die Düsenplatte 2 in deren Dickenrichtung durchdringt.

Die Druckausübungsplatte 3 ist so kombiniert, daß sie die Druckkammer 4 zur Düsenplatte 2 hin zusammendrückt, um innerhalb der Druckkammer 4 ent­ haltene Tinte durch die Düse 5 auszustoßen. Die Druckausübungsplatte 3 steht der Düsenplatte 2 praktisch parallel flächig gegenüber, wobei sich ein vorbestimmter Zwischenraum dazwischen befindet. Die Druckausübungsplat­ te 3 besteht aus einem ebenen, quadratischen Substrat 6, einem piezoelek­ trischen Dünnfilmelement 7, das auf einer Seitenfläche des Substrats 6 angebracht ist, und einer Membran 8, die an einer Seitenfläche des Sub­ strats 6 auf solche Weise liegt, daß sie den Bereich abdeckt, in dem das piezoelektrische Element 7 angebracht ist. Hierbei werden die jeweiligen Komponenten durch Halbleiter-Filmbildungstechniken und Bearbeitungstechni­ ken hergestellt, was später beschrieben wird.

Die Druckkammer 4 besteht aus der Düsenplatte 2, der Membran 8 der Druck­ ausübungsplatte 3 und einem zwischen die Platten 2 und 3 eingefügten Ab­ standshalter 11; sie wird mit Tinte gefüllt. Die Innenwand des Abstandshal­ ters 11 verfügt im Querschnitt über runde Form, und seine Außenwand verfügt im Querschnitt über quadratische Form. In einem Bereich der Innenwand des Abstandshalters 11 ist eine Nut 12 auf solche Weise ausgebildet, das sie in radialer Richtung eindringt, und sie dient als Tintenversorgungseinlaß. Hierbei besteht der Abstandshalter 11 vorzugsweise aus einem isolierenden Material wie einem photoempfindlichen Kleber aus Polyimid oder der Acryl­ gruppe.

Das Substrat 6 besteht vorzugsweise aus einem Material wie Silizium oder Glas, und es verfügt über eine Form mit Vertiefung, wobei die Rückseite offen ist. Wie es in Fig. 1 dargestellt ist, ist das Substrat 6 mit vier dünnen, Sektoren bildenden Keilelementen 61 bis 64 (flexible Elemente) versehen, von denen sich jedes vom Umfang zum Zentrum erstreckt. Ferner sind innerhalb eines runden Bereichs um das Zentrum des Substrats 6 herum Trennuten 65 (Schlitze) ausgebildet, bei denen es sich um x-förmige Nutab­ schnitte handelt, die sich im Zentrum schneiden. Auf diese Weise sind die Sektoren, die die runde Platte in vier Teile unterteilen, so konzipiert, daß jede die Form eines einseitig gehaltenen Trägers aufweist, wobei das eine Ende befestigt und das andere nicht befestigt ist. Im Ergebnis kann jedes der Keilelemente 61 bis 64 in der Dickenrichtung flexibel verformt werden.

Das piezoelektrische Element 7 besteht aus Bereichen mit derselben Form wie der der Keilelemente 61 bis 64, und diese sind auf die jeweiligen Obersei­ ten der Keilelemente 61 bis 64 und einen Umfangsrahmenbereich laminiert, der die Ränder dieser Bereiche verbindet. Hierbei verfügt das piezoelektri­ sche Element 7 über einen dreischichtigen Unimorphaufbau mit einem Film 71 des piezoelektrischen Elements, der in der Richtung von der Membran 8 zum Substrat 6 polarisiert ist (durch einen Pfeil in Fig. 2 gekennzeichnet), einem Film 72 in einem unteren Abschnitt (erster Elektrodenfilm), der auf der Rückseite des Films 71 des piezoelektrischen Elements ausgebildet ist, und einem Elektrodenfilm 73 im oberen Abschnitt (zweiter Elektrodenfilm), der auf die Oberfläche des Films 71 des piezoelektrischen Elements auflami­ niert ist. Diese Anordnung ermöglicht es, die Größe des Elements im Ver­ gleich mit der eines piezoelektrischen Elements mit Bimorphaufbau zu ver­ ringern, wodurch Tintenstrahlköpfe hochintegriert hergestellt werden kön­ nen.

Zwischen den unteren Elektrodenfilm 72 und das Substrat 6 ist ein Isolier­ film 74 eingefügt. Ferner ist eine Spannungsquelle 9 über einen Schalter 10 mit dem oberen Elektrodenfilm 73 des piezoelektrischen Elements 7 verbun­ den. Der untere Elektrodenfilm 72 ist dagegen mit Masse verbunden. Anders gesagt, wird von der Spannungsquelle 9 eine Spannung so angelegt, daß ein elektrisches Feld in derselben Richtung wie der Polarisationsrichtung des Films 71 des piezoelektrischen Elements erzeugt wird.

Die Membran 8 besteht vorzugsweise aus einem duktilen Material wie Nickel, und sie ist auf solche Weise mit ihrem Träger verbunden, daß sie einen Bereich bedeckt, in dem das piezoelektrische Element 7 und die Keilelemente 61 bis 64 auf einer Fläche des Substrats 6 liegen. Hierbei ist die Membran 8 nur in ihrem Außenumfangsbereich und ihrem Innenumfangsbereich mit dem oberen Elektrodenfilm 73 des piezoelektrischen Elements 7 verbunden, wäh­ rend die anderen Bereiche nicht mit dem oberen Elektrodenfilm 73 in Kontakt treten dürfen.

Die folgende Beschreibung erörtert die Funktion des Tintenstrahlkopfs 1.

Als erstes wird Tinte über den Tintenversorgungseinlaß, d. h. die Nut 12 im Abstandshalter 11, der Druckkammer 4 zugeführt und in diese eingefüllt. So wird die Membran 8 in Tinte eingetaucht. Danach legt die Spannungsquelle 9 eine Spannung an den oberen Elektrodenfilm 73 der Druckausübungsplatte 3 an. Da das Anlegen der Spannung ein elektrisches Feld in derselben Richtung wie der Polarisationsrichtung des piezoelektrischen Elements 7 erzeugt, kann sich das piezoelektrische Element 7 in der Dickenrichtung ausdehnen und in der Längsrichtung (radiale Richtung) zusammenziehen. So werden das piezoelektrische Element 7 und die vier Keilelemente 61 bis 64 des Sub­ strats 6 flexibel verformt und in einer Richtung gebogen, in der sie sich der Düsenplatte 2 annähern, wie es in Fig. 3 dargestellt ist. Demgemäß dehnt sich die Membran 8 zur Seite der Düsenplatte 2 hin aus, so daß die Druckkammer 4 unter Druck gesetzt wird. Im Ergebnis wird die innerhalb der Druckkammer 4 befindliche Tinte durch die Düse 5 herausgedrückt und in Form von Tintentröpfchen aus ihr ausgestoßen. Die Tintentröpfchen ermöglichen einen Druckvorgang auf der Oberfläche eines zu bedruckenden Blatts. Demge­ genüber kehren das piezoelektrische Element und die vier Keilelemente 61 bis 64 des Substrats 6 in ihren in Fig. 2 dargestellten Ursprungszustand zurück, wenn von der Spannungsquelle 9 keine Spannung mehr angelegt wird.

Anders gesagt, werden die Keilelemente 61 bis 64 durch das Anlegen einer Spannung an das piezoelektrische Element 7 der Druckausübungsplatte 3 fle­ xibel so verformt, daß die Membran 8 zur Seite der Druckkammer 4 ausge­ dehnt wird. Demgemäß wird die Druckkammer 4 unter Druck gesetzt, so daß die innerhalb der Druckkammer 4 befindliche Tinte durch die Düse 5 nach außen ausgestoßen wird.

Bei dieser Anordnung verfügt der Tintenstrahlkopf 1 durch die Verwendung des piezoelektrischen Dünnfilmelements 7 über einen ebenen Aufbau mit meh­ reren Platten; daher ermöglicht es diese Struktur, im Vergleich mit der herkömmlichen Struktur unter Verwendung eines volumenmäßigen piezoelektri­ schen Elements, die Gesamtdicke und die Außenabmessungen des Tintenstrahl­ kopfs stark zu verringern. Ferner kann der Aufbau des Kopfs dadurch minia­ turisiert werden, daß z. B. eine Photolithographietechnik verwendet wird, die Feinverarbeitungsvorgänge ermöglicht. Demgemäß ermöglicht es die vor­ stehend angegebene Anordnung, die Düsen 5 mit hoher Dichte anzuordnen und demgemäß einen Tintenstrahlkopf zu erhalten, der Druck mit hoher Genauig­ keit und Dichte ermöglicht. Darüber hinaus ist es möglich, da kein Heizer mehr erforderlich ist, wie er bei herkömmlichen Blasenstrahlverfahren benö­ tigt wurde, einen Tintenstrahlkopf mit langer Lebensdauer zu erhalten.

Darüber hinaus ist die Membran 8 bei der vorstehend angegebenen Anordnung auf solche Weise ausgebildet, daß sie den Bereich überdeckt, in dem das piezoelektrische Element 7 liegt, wobei der zentrale Bereich der Membran 8 durch die flexible Verformung der Keilelemente 61 bis 64 so herunterge­ drückt wird, daß die Membran 8 zur Seite der Druckkammer 4 hin ausgedehnt wird. Diese Anordnung sorgt für besseres Ansprechverhalten der Membran 8 bei ihrem Expansionsvorgang, wobei das Expansionsausmaß größer wird, und es wird auch der Tintenausstoß schneller und zweckdienlicher.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 4(a) bis 4(k) erörtert die folgende Beschrei­ bung ein Herstellverfahren für die Druckausübungsplatte 3 beim obenangege­ benen Tintenstrahlkopf 1.

Als erstes werden, wie es in Fig. 4(a) dargestellt ist, mittels thermischer Oxidation Filme mit vorbestimmter Dicke (z. B. 1 µm) sowohl an der Ober- als auch der Rückseite des Substrats 6 hergestellt, das aus einem Silizium­ wafer mit Kristallausrichtung (100) besteht; so werden Isolierfilme 74 hergestellt. Dann werden die Isolierfilme 74 durch eine Photolithographie­ technik gemustert. In diesem Fall wird der Isolierfilm 74 auf der Oberflä­ che des Substrats 6 so gemustert, daß er nicht im x-förmigen Bereich aus­ gebildet ist, der später zum Ausbilden der Trennuten 65 (Schlitze) zu verwenden ist. Der Isolierfilm 74 an der Rückseite des Substrats 6 wird dagegen so gemustert, daß er im Zentrum dieser Rückseite eine runde Öff­ nung aufweist. Hierbei wird bei der Photolithographietechnik (dem ersten Prozeß) CHF₃ für den Ätzprozeß verwendet.

Danach wird, wie es in Fig. 4(b) dargestellt ist, das Substrat 6 in eine Kaliumhydroxidlösung getaucht und so geätzt, daß der runde Bereich ohne den Isolierfilm 74 in Dickenrichtung des Substrats an der Rückseite des Substrats 6 dünner wird, während er an der Vorderseite desselben so geätzt wird, daß der x-förmige Bereich ohne den Isolierfilm 74 in Richtung des Substrats dünner wird, um die x-förmigen Trennuten 65′ auszubilden (zwei­ ter Prozeß).

Anschließend wird, wie es in Fig. 4(c) veranschaulicht ist, Polyimid 91 (erste Opferschicht) unter Verwendung von z. B. eines Sputterverfahrens oder eines Schleuderbeschichtungsverfahrens in die Trennuten 65′ des Sub­ strats 6 eingebettet. In diesem Fall wird die Oberseite des Polyimids 91 auf ein Niveau gehoben, das über dem der Öffnung der Trennuten 65′ liegt (dritter Prozeß).

Danach wird, wie es in Fig. 4(d) veranschaulicht ist, Platin mit einer Dicke von z. B. 1 µm durch ein Sputterverfahren oder andere Verfahren an der Oberfläche des Substrats 6 als Film hergestellt. Dann wird das Platin durch eine Photolithographietechnik so gemustert, daß es nur an der Ober­ seite des Isolierfilms 74 auf der Oberfläche des Substrats 6 verbleibt; so wird der untere Elektrodenfilm 72 ausgebildet. Hierbei ist der bei der Photolithographietechnik verwendete Ätzprozeß ein Trockenätzprozeß wie ein Ionenfräsprozeß (vierter Prozeß).

Anschließend wird, wie es in Fig. 4(e) veranschaulicht ist, durch ein Sput­ terverfahren oder andere Verfahren an der Oberfläche des Substrats 6 ein Titankristall 92 hergestellt, der dann durch eine Photolithographietechnik so gemustert wird, daß er nur an der Oberseite des unteren Elektrodenfilms 72 zurückbleibt. Hierbei ist der bei der Photolithographietechnik verwende­ te Ätzprozeß ein Trockenätzprozeß wie ein Ionenfräsprozeß (fünfter Pro­ zeß).

Danach wird, wie es in Fig. 4(f) veranschaulicht ist, das Substrat 6 in eine Kaliumhydridlösung, die Ti⁴⁺-, Pb²⁺- und Zr⁴⁺-Ionen enthält, eingetau­ cht und in einem Autoklaven belassen, der auf den Sättigungsdampfdruck bei 150°C eingestellt ist. Das heißt, daß das sogenannte Hydrothermalverfahren ausgeführt wird, durch das eine PZT-Schicht 93 (Bleizirkonattitanat) abge­ schieden wird, die auf der Oberfläche des Titankristalls 92 aufwächst. Die PZT-Schicht 93 wächst nur auf dem Titankristall 92, der in Verbindung mit dem durch Fig. 4(e) veranschaulichten Prozeß beschrieben wurde; daher ist kein Musterbildungsvorgang erforderlich. Ferner ist auch kein Polarisie­ rungsprozeß erforderlich, da die Kristallausrichtung des Titankristalls 92 in seiner Dickenrichtung ausgerichtet ist und da er ferner in der Richtung zum Substrat 6 hin polarisiert ist. Die PZT-Schicht 93 und der Titankris­ tall 92 bilden den Film 71 des piezoelektrischen Elements. Hierbei wird, da die Kaliumhydridlösung nur geringe Konzentration aufweist, das in den Trennuten 65′ ausgebildete Polyimid 91 nicht geätzt (sechster Prozeß).

Danach wird, wie es in Fig. 4(g) veranschaulicht ist, Platin mit einer Dicke von z. B. 1 µm durch ein Sputterverfahren oder andere Verfahren als Film auf der Oberfläche des Substrats 6 hergestellt. Dann wird das Platin durch eine Photolithographietechnik so gemustert, daß es nur an der Ober­ seite des Films 71 des piezoelektrischen Elements verbleibt, wodurch der obere Elektrodenfilm 73 hergestellt ist. Hierbei ist der bei der Photo­ lithographietechnik verwendete Ätzprozeß ein Trockenätzprozeß wie ein Ionenfräsprozeß (siebter Prozeß).

Danach wird, wie es in Fig. 4(h) veranschaulicht ist, eine Polyimidschicht 94 (zweite Opferschicht) unter Verwendung eines Sputterverfahrens oder eines Schleuderbeschichtungsverfahrens in die x-förmigen Trennuten 65′ eingebettet, in denen weder der untere Elektrodenfilm 72, der Film 71 des piezoelektrischen Elements noch der obere Elektrodenfilm 73, die in Sekto­ ren unterteilt wurden, auf der Oberfläche des Substrats 6 ausgebildet wur­ den (achter Prozeß).

Danach wird, wie es in Fig. 4(i) veranschaulicht ist, Aluminium 95 (dritte Opferschicht) als Film mit einer Dicke von 0,5 qm durch ein Sputterverfah­ ren auf der Oberfläche des Substrats 6 ausgebildet. Dann wird das Aluminium 95 durch eine Photolithographietechnik so gemustert, daß es in einem vor­ bestimmten Bereich an der Oberseite des oberen Elektrodenfilms 73 zurück­ bleibt. Hierbei ist der bei der Photolithographietechnik verwendete Ätzpro­ zeß ein Trockenätzprozeß wie ein Ionenfräsprozeß. Ferner wird der Ab­ stand des kontaktfreien Bereichs zwischen dem oberen Elektrodenfilm 73 und der Membran 8 (siehe Fig. 4(j)) durch die Dicke des Aluminiums 95 bestimmt (neunter Prozeß).

Anschließend werden, wie es in Fig. 4(j) veranschaulicht ist, Tantal mit einer Dicke von 0,01 µm und Nickel mit einer Dicke von 0,1 µm durch ein Sputterverfahren auf der Oberfläche des Substrats 6 hergestellt. Danach wird durch ein elektrolytisches Plattierverfahren unter Verwendung dieser Metallfilme als Elektroden ein Plattierungsfilm mit vorbestimmter Dicke (z. B. 4 µm) hergestellt. Dieser Plattierungsfilm wird durch eine Photo­ lithographietechnik so gemustert, daß die Membran 8 hergestellt wird. Bei diesem elektrolytischen Plattieren kann z. B. eine Nickelplattierung unter Verwendung eines Nickelbads aus Nickelsulfamat verwendet werden. Zum Erhö­ hen der Haftfestigkeit zwischen dem oberen Elektrodenfilm 73 und dem Nickel wird Tantal verwendet (zehnter Prozeß).

Danach wird, wie es in Fig. 4(k) veranschaulicht ist, das Substrat 6 in eine Kaliumhydroxidlösung eingetaucht. Dabei wird der runde Bereich, der geringe Substratdicke aufweist und an der Rückseite des Substrats 6 liegt, weiter so geätzt, daß er dünner wird und die x-förmigen Trennuten 65 im Substrat 6 erreicht. Demgemäß sind die vier Keilelemente 61 bis 64 (siehe Fig. 1) am Substrat 6 ausgebildet. In diesem Fall werden gleichzeitig auch die Polyimid-Schichten 91 und 94, die als erste und zweite Opferschicht dienen, und das Aluminium 95, das als dritte Opferschicht dient, abgeätzt und entfernt. Hierbei wird die Filmdicke der Keilelemente 61 bis 64 durch die Ätzzeit gesteuert, und die Flexibilität der Keilelemente kann mittels der sich ergebenden Filmdicke eingestellt werden (elfter Prozeß).

Ferner werden der Abstandshalter 11 und die Düsenplatte 2 (beide sind in Fig. 2 dargestellt) mit der Membran 8 der Druckausübungsplatte 3 verbunden, die mittels der vorstehend angegebenen Prozesse hergestellt wurde; so wird der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Tintenstrahlkopf 1 fertiggestellt.

Bei dieser Anordnung ist es möglich, die Druckausübungsplatte 3 auf einfa­ che Weise unter Verwendung der vorstehend angegebenen Halbleiter-Filmbil­ dungstechnik zu erhalten, ohne daß herkömmliche komplizierte Bearbeitungs- und Zusammenbauprozesse auszuführen sind. Daher verbessert die vorstehend angegebene Anordnung die Produktivität bei der Herstellung von Tinten­ strahlköpfen, und sie führt zu einer Verringerung der Herstellkosten.

Ferner ist es mittels der vorstehend angegebenen Maßnahmen möglich, einen Kopf mit feiner Struktur mittels Feinbearbeitungsvorgängen unter Verwendung einer Photolithographietechnik zu erhalten. So wird es möglich, einen Tin­ tenstrahlkopf herzustellen, der Druck mit hoher Genauigkeit und hoher Ge­ schwindigkeit ermöglicht.

Was den Prozeß zum Herstellen des piezoelektrischen Elements 7 in der Druckausübungsplatte 3 betrifft, soll die Erfindung nicht auf den vorste­ hend angegebenen Prozeß beschränkt sein. Zum Beispiel kann der obige fünfte Pro­ zeß weggelassen werden, und statt des beim sechsten Prozeß verwendeten Hydrothermalverfahrens kann der Film 71 des piezoelektrischen Elements unter Verwendung anderer Verfahren hergestellt werden wie des Sol-Gel-Verfahrens, des Sputterverfahrens oder des CVD-Verfahrens. In diesen Fällen ist jedoch ein zusätzlicher Polarisierungsprozeß hinsichtlich des herge­ stellten Films 71 des piezoelektrischen Elements erforderlich.

Darüber hinaus hat sich, was die Filmdicken der jeweiligen Komponenten betrifft, herausgestellt, daß bessere Tintenausstoßeigenschaften erzielt werden, wenn jedes der Keilelemente 61 bis 64 des Substrats 6 auf eine Dicke von 30 µm eingestellt wird, der Film 71 des piezoelektrischen Ele­ ments auf eine Dicke von 30 µm eingestellt wird, die Dicke sowohl des obe­ ren Elektrodenfilms 73 als auch des unteren Elektrodenfilms 72 auf 1 µm eingestellt wird und die Dicke der Membran 8 auf 4 um eingestellt wird. Jedoch sollen die Filmdicken der jeweiligen Komponenten nicht speziell auf die vorstehend angegebenen Werte beschränkt sein.

Ferner soll die Erfindung nicht auf das vorstehend angegebene Ausführungs­ beispiel beschränkt sein, da verschiedene Anwendungen und Modifizierungen vorgenommen werden können.

Zum Beispiel ist beim vorliegenden Ausführungsbeispiel jedes der Keilelemente 61 bis 64 am Substrat 6 in der Druckausübungsplatte 3 durch Unterteilen einer runden Platte in vier Sektoren hergestellt; jedoch werden die Anzahl der Unterteilungen und die individuellen Formen nach Wunsch bestimmt. Hierbei werden, wenn die Anzahl der Unterteilungen auf weniger als vier verringert wird, die Keilelemente 61 bis 64 in der Umfangsrichtung leicht verformt, zusätzlich zur Verformung in radialer Richtung. Dies führt zu Schwierigkei­ ten beim Erzielen besserer Tintenausstoßeigenschaften aufgrund unzurei­ chender Niederdrückkraft und anderer Probleme. Demgegenüber ist es möglich, die Tintenausstoßeigenschaften zu verbessern, wenn die Anzahl der Untertei­ lungen auf nicht weniger als vier erhöht wird, da dann die Keilelemente 61 bis 64 in Umfangsrichtung kaum verformt werden.

Anders gesagt, kann, wie es in Fig. 5 veranschaulicht ist, eine runde Plat­ te z. B. in acht Sektoren unterteilt werden, um Keilelemente 61a, 61b, 62a, 62b, 63a, 63b, 64a und 64b zu schaffen. Darüber hinaus kann, wie es in Fig. 6 veranschaulicht ist, z. B. jedes der acht Keilelemente 61a, 61b, 62a, 62b, 63a, 63b, 64a und 64b so konzipiert sein, daß es die Form eines Streifens aufweist, der sich nach oben hin verjüngt. Diese Anordnung ver­ schmälert die Breite der Unterseite jedes Keilelements, wodurch es möglich ist, die Flexibilität jedes der Keilelemente zu erhöhen. Daher ist es selbst bei einer Verringerung der Anzahl der Unterteilungen möglich, aus­ reichende Tintenausstoßeigenschaften zu erzielen.

Claims (10)

1. Tintenstrahlkopf (1), gekennzeichnet durch:

• - eine erste Platte (3);
• - eine zweite Platte (2), die der ersten Platte gegenüber­ stehend angeordnet ist; und
• - eine Druckkammer (4), die zwischen der ersten und der zweiten Platte liegt und mit Tinte befüllbar ist;
• - wobei die erste Platte mit einem flexiblen Abschnitt (6) versehen ist, der sich zur zweiten Platte hin verformen kann, und ein piezoelektrisches Dünnfilmelement (7), das den flexiblen Abschnitt verformt, so auf laminierte Weise auf diesem ausgebildet ist, daß die flexible Verformung der ersten Platte die Druckkammer unter Druck setzt, damit in­ nerhalb ihr befindliche Tinte aus ihr ausgestoßen werden kann.

2. Tintenstrahlkopf nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch:

• - eine Membran (8), die auf solche Weise ausgebildet ist, daß sie den Bereich überdeckt, in dem das piezoelektrische Element (7) liegt;
• - wobei es die flexible Verformung des flexiblen Abschnitts (6) der Membran ermöglicht, sich zur Druckkammer (4) hin auszudehnen, wodurch die Druckkammer so unter Druck gesetzt wird, daß die innerhalb ihr befindliche Tinte aus ihr aus­ gestoßen wird.

3. Tintenstrahlkopf nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der flexible Abschnitt (6) aus mehreren Keilelementen (61-64) besteht, von denen jedes ein an einem Substrat befestigtes Ende aufweist.

4. Tintenstrahlkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß

• - die erste Platte eine Düsenplatte (2) mit einer zum Aus­ stoßen von Tinte verwendeten Düse ist;
• - die zweite Platte eine Druckausübungsplatte (3) ist, die der Düsenplatte mit einem vorbestimmten Intervall gegenüber­ stehend angeordnet ist; und
• - die Druckkammer (4) aus dem Zwischenraum zwischen den zwei Platten besteht;
• - wobei die Druckausübungsplatte mit einem Substrat mit Keilelementen (61-64), von denen jeweils ein Ende am Sub­ strat befestigt ist, einem piezoelektrischen Dünnfilmelement (7), das auf die Keilelemente aufgestapelt ist und das es diesen ermöglicht, sich in der Dickenrichtung zu verformen, und einer Membran (8) versehen ist, die auf solche Weise verbunden ist, daß sie den Bereich überdeckt, in dem das piezoelektrische Element und die Keilelemente liegen, wobei das piezoelektrische Element so konzipiert ist, daß es die Keilelemente so verformt, daß sich die Membran zur Seite der Druckkammer hin ausdehnt, wodurch die Druckkammer unter Druck gesetzt wird und die innerhalb ihr befindliche Tinte aus ihr ausgestoßen wird.

5. Tintenstrahlkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß jedes der Keilelemente (61-64) so konzipiert ist, daß es auf radiale Weise von der Umfangsseite zum Zen­ trum verläuft.

6. Tintenstrahlkopf nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Element (7) Unimorphstruktur aufweist, mit einem ersten Elektroden­ film (72), einem Film (71) des piezoelektrischen Elements, der auf die Oberfläche des ersten Elektrodenfilms aufgesta­ pelt ist, und einem zweiten Elektrodenfilm (73), der auf die Oberfläche des Films des piezoelektrischen Elements aufge­ stapelt ist.

7. Tintenstrahlkopf nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Keilelemente (61-64) da­ durch hergestellt wurden, daß ein runder Bereich im Sub­ strat (6) in nicht weniger als vier Teile unterteilt wurde.

8. Tintenstrahlkopf nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Keilelement (61a-64a, 61b-64b) streifenförmig ausgebildet ist, wobei sich der Streifen zum Zentrum hin verjüngt.

9. Verfahren zum Herstellen eines Tintenstrahlkopfs, ge­ kennzeichnet durch die folgenden Schritte:

• - Herstellen eines ersten Elektrodenfilms (72) auf einem Substrat (6) mit einem Muster, das praktisch mit dem von Keilelementen übereinstimmt, hinsichtlich derer jeweils nur ein Ende mit dem Substrat verbunden ist;
• - Herstellen eines Titankristalls (92) mit einem Muster, das praktisch mit dem des ersten Elektrodenfilms übereinstimmt, auf demselben;
• - Herstellen eines Films (71) eines piezoelektrischen Ele­ ments aus PZT auf der Oberfläche des Titankristalls;
• - Herstellen eines zweiten Elektrodenfilms (73) mit einem Muster, das praktisch mit dem des Films des piezoelektri­ schen Elements übereinstimmt, auf demselben;
• - Auffüllen eines Nutabschnitts (65), in dem weder der erste Elektrodenfilm noch der Film des piezoelektrischen Elements noch der zweite Elektrodenfilm existieren, mit einer Opfer­ schicht (94) auf der Oberflächenseite des Substrats;
• - Herstellen einer Membran (8) auf den Oberflächen des zwei­ ten Elektrodenfilms und der Opferschicht in solcher Weise, daß diese bedeckt sind;
• - Abätzen der Rückseite des Substrats auf den Nutabschnitt und
• - Entfernen der im Nutabschnitt liegenden Opferschicht.

10. Herstellverfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, daß der Film (71) des piezoelektrischen Elements unter Verwendung eines Hydrothermalverfahrens hergestellt wird.