DE19742233C2

DE19742233C2 - Tintenstrahlkopf, der ein piezoelektrisches Element verwendet

Info

Publication number: DE19742233C2
Application number: DE19742233A
Authority: DE
Inventors: Koichi Oikawa; Jun Kodama; Akira Iwaishi; Masayuki Kato; Tomohisa Shingai; Yuji Yoshida; Kazuki Ogawa; Ryosuke Yabu; Isao Mizobuchi; Masahiro Nagai
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 1996-12-17
Filing date: 1997-09-25
Publication date: 1999-12-16
Anticipated expiration: 2017-09-26
Also published as: DE19742233A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Tintenstrahlkopf mit piezoelektrischem Antrieb, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Im Falle eines herkömmlichen Tintenstrahlkopfes, bei dem ein piezoelektrisches Element verwendet wird, wird lediglich eine Ausdehnung und Kontraktion in der Richtung der Polarität, verursacht durch den piezoelektrischen Ef fekt des piezoelektrischen Elements, als eine Einrichtung dafür verwendet, um die Tinte unter Druck zu setzen, indem ein Volumen einer Druckkammer geändert wird, oder es wird lediglich eine Expansion und Kontraktion in der senkrechten Richtung verwendet. Alternativ wird bei dem herkömmlichen Tintenstrahlkopf lediglich eine Scher-Deformation des pie zoelektrischen Effektes verwendet. Mit anderen Worten wird lediglich eine Richtung der Deformation, verursacht durch den piezoelektrischen Effekt, als eine Einrichtung dafür verwendet, um die Tinte unter Druck zu setzen.

In Verbindung mit der Deformation eines piezo elektrischen Elements wird die Richtung der Polarisation mit d₃₃ bezeichnet und die Richtung senkrecht zu der Rich tung der Polarisation wird als d₃₁ bezeichnet. In Verbindung mit der Deformation eines piezoelektrischen Elements liegt die piezoelektrische Konstante d₃₃ maximal bei 650×10^-12 m/V. Ungeachtet der Dicke des piezoelektrischen Elements liegt selbst dann, wenn die Spannung auf 100 V eingestellt wird, ein Ausmaß der Expansion bzw. Ausdehnung bei etwa 70 nm. Demzufolge ist, wenn nicht ein Bereich der Wand des piezoelektrischen Elements, um die Druckkammer festzulegen, sehr groß ist, das Kontraktionsvolumen der Pumpe sehr klein. Das heißt, ein Ausmaß der Deformation kann wie folgt beschrieben werden. Wenn die Spannung E dem piezoelektrischen Element in der Richtung der Polarisation aufgedrückt wird und die Dicke des piezoelektrischen Ele ments in dieser Richtung gleich t ist, liegt die elektri sche Feldstärke bei E/t und die Deformation in der Dicken richtung (der Richtung der Polarisation), die dadurch ver ursacht wird, läßt sich durch die folgende Gleichung aus drücken:

(E/t) × d₃₃ × t = Ed₃₃

Wenn jedoch der piezoelektrische Effekt durch ein piezoelektrisches Element hervorgerufen wird, werden eine Ausdehnung und Kontraktion und ein Schervorgang in einer Vielzahl von Richtungen verursacht. Demnach ist es vom Ge sichtspunkt der Erhöhung des Wirkungsgrades der Verwendung von Energie nicht vorteilhaft, daß lediglich eine dieser Deformationen alleine verwendet wird, sondern es ist vor teilhaft, daß die Deformationen verwendet werden, während sie miteinander verkettet sind. Wenn diese Deformationen eines piezoelektrischen Elements verwendet werden, während sie miteinander verkettet sind oder miteinander gemischt sind, ist es selbst für den Fall, daß eine niedrige Span nung aufgedrückt wird, möglich, eine Volumenänderung der Druckkammer zu erzielen, dessen Ausmaß das gleiche ist wie dasjenige des gegenwärtigen Tintenstrahlkopfes, und es kann ferner die Ausgabe, die für eine elektrische Stromversor gung erforderlich ist, um den Tintenstrahlkopf zu treiben, reduziert werden.

Im Hinblick auf die oben geschilderten Umstände ist es möglich, einen Tintenstrahlkopf zusammenzustellen, der eine hohe Energieausbeute besitzt, wenn eine Ausdehnung und Kontraktion in der Richtung von d₃₃ erfolgt, welches ei ne Richtung der Polarität ist, die durch den piezoelektri schen Effekt des piezoelektrischen Elements vorgesehen wird, und zwar verbunden mit einer Ausdehnung und Kontrak tion in der Richtung von d₃₁, welches eine Richtung ist senkrecht zu der Richtung der Polarität, die durch den pie zoelektrischen Effekt vorgesehen wird. Wenn eine Spannung dem piezoelektrischen Element derart aufgedrückt wird, daß sich das piezoelektrische Element in der Richtung von d₃₁ kontrahiert, wird das piezoelektrische Element in der Rich tung von d₃₃ expandiert. Demzufolge wird eines dieser Ver halten, die zueinander entgegengesetzt sind, als Ursache des Zweielement-Effektes (bimorph effect) verwendet, der in einem Verbundteil generiert wird, welches aus dem piezo elektrischen Element und einem Teil zusammengesetzt ist, das aus einem Material verschieden von dem Material des piezoelektrischen Elements hergestellt ist. Das heißt, es wird Tinte unter Druck gesetzt, indem eine Deformation ver ursacht durch den piezoelektrischen Effekt des piezoelek trischen Elements selbst einer Deformation überlagert wird, die durch den Zweielement-Effekt (bimorph effect) verur sacht wird, welcher in dem Verbundteil generiert wird, das aus einem Material verschieden von dem Material des piezo elektrischen Elements hergestellt ist.

Wenn das plattenförmig gestaltete piezoelektrische Element (ak tivierter Abschnitt) so ausgeführt ist, daß der aktivierte Abschnitt an dem nicht aktivierten Abschnitt anhaftet, der aus ei nem Material verschieden von dem Material des piezoelektri schen Elements hergestellt ist, wird das piezoelektrische Element in der Dickenrichtung erweitert bzw. expandiert und zur gleichen Zeit wird es in der Oberflächenrichtung kon trahiert. Es wird demzufolge eine Spannung zwischen dem piezoelektrischen Element und dem nicht aktivierten Ab schnitt bewirkt. Aufgrund der Erzeugung der Spannung wird die Kammer veranlaßt, die Spannung abzubauen.

Die Fig. 1 und 2 sind Darstellungen, welche die ses Konzept veranschaulichen. In den Fig. 1 und 2 bezeich net das Bezugszeichen 1 ein plattenförmig gestaltetes Ver bundteil, das Bezugszeichen 2 bezeichnet einen aktivierten Abschnitt, zusammengesetzt aus einem piezoelektrischen Ele ment, das Bezugszeichen 3 bezeichnet einen nicht-aktivier ten Abschnitt und das Bezugszeichen 4 bezeichnet eine sta tionäre Wand. Der Krümmungsradius ρ der Kammer ist größer auf der Nichtaktivierungsabschnittsseite (Dicke h₁) und ist kleiner auf der Aktivierungsabschnittsseite (Dicke h₂), die im Inneren gelegen ist. Demzufolge ist die Länge des nicht- aktivierten Abschnitts in der Oberflächenrichtung etwas verschieden von der Länge des aktivierten Abschnitts in der Oberflächenrichtung. Aufgrund des vorhergehend gesagten, ändert sich die Spannung δ des piezoelektrischen Elements sehr stark. Dieses Prinzip wurde auf einen Tintenstrahlme chanismus vor einiger Zeit angewandt. Jedoch ist die Anwen dung dieses Prinzips aus den folgenden verschiedenen Grün den eingeschränkt.

1. Um ein Verhältnis der Vergrößerung zu erhö hen, ist es vorteilhaft, ein dünnes piezoelektrisches Ele ment zu verwenden. Es ist jedoch schwierig, ein dünnes pie zoelektrisches Element auszubilden.
2. Wenn die Dicke eines piezoelektrischen Ele ments reduziert wird, ist es möglich, ein Spannungsvolumen auszuweiten. Jedoch wird die Festigkeit abgesenkt und es wird unmöglich, einen hohen Druck zu erzeugen, das heißt, es wird unmöglich, einen ausreichend hohen Tintenausstoß druck zu erzeugen.
3. Es ist erforderlich, einen Aktivierungsbe reich des piezoelektrischen Elements zu erhöhen. Da jedoch eine Einschränkung durch die Konstruktion besteht, wird le diglich eine Fläche des piezoelektrischen Elements ange trieben. Daher weicht das Ausstoßen der Tinte aufgrund ei nes Fehlabgleichs des aktivierten Bereiches des piezoelek trischen Elements ab.

Andererseits ist im Falle eines Ultraschall- Oszillators, bei dem eine Änderung in der Dicke des piezo elektrischen Elements verwendet wird, die Festigkeit hoch, so daß es möglich wird, einen hohen Druck zu erzeugen, je doch ist eine Änderung in dem Volumen gering. Es ist dem nach erforderlich, eine Wand mit großem Bereich bzw. Fläche vorzusehen, die als eine Aktivierungsfläche verwendet wird.

Die US 5,471,231 betrifft einen Tintenstrahlkopf, bei dem die Wände der Druckkammern aus einem piezoelektrischen Ma terial gebildet sind. Aus dieser Druckschrift ist jedoch nicht entnehmbar, inwieweit ein Zweielement-Effekt bei dem vorbekannten Verbundelement vorliegt.

Aus der US 4,471,363 sind ein Verfahren und ein Gerät zum Antreiben einer Tintenstrahldruckkopfes bekannt, bei dem eine Elektrodenschicht auf einer Wand ausgebildet wird, unter Verwendung einer Vakuum- Aufdampftechnik, und wobei ein piezoelektrisches Element an die Elektrodenschicht der Wand an einer Position gebunden wird, die über die Wand zu der Druckkammer hinzeigt. So mit lehrt diese Druckschrift die Verwendung einer bimorphen Struktur, um eine der Wände der Tintenstrahldruckkammer zu bilden.

Aus der EP 0 723 866 A1 ist es bekannt, die Ausdehnung des piezoelektrischen Elements in Richtung der Polarisation d₃₃ auszunutzen.

Es ist demzufolge eine Aufgabe der vorliegenden Erfin dung, einen Tintenstrahlkopf mit hohem Energiewirkungsgrad zu schaffen, der einen ausreichend hohen Tintenausstoßdruck erzeugen kann, wenn eine Expansion und Kontraktion des pie zoelektrischen Elements in einer Richtung der Polarisation d₃₃ durch den piezoelektrischen Effekt bewirkt wird und die ser in geeigneter Weise verbunden wird mit einer Expansion und Kontraktion des piezoelektrischen Elements in einer Richtung d₃₁, die senkrecht zu der Richtung der Polarisation d₃₃ verläuft, unter Ausnutzung des Zweielement-Effekts, der durch ein Verbundteil erhalten wird.

Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Tintenstrahlkopf mit den Merkmalen nach Anspruch 1.

Das Paar der plattenförmig gestalteten Teile wirkt in solcher Weise, daß die Verformung eines plattenförmig ge stalteten Teiles addiert wird zu oder subtrahiert wird von der Verformung des anderen plattenförmigen Teiles. Aufgrund des vorhergehend gesagten, wird die Verformung des piezo elektrischen Elements, die durch die Spannung erzeugt wird, verstärkt, so daß die Kontraktion und die Expansion der Druckkammer verstärkt werden kann.

Um in diesem Zusammenhang den Zweielement-Effekt (bi morph effect) zu realisieren, kann ein Leiter dazu verwen det werden, um eine Spannung dem piezoelektrischen Element aufzudrücken, und zwar als das Material, welches verschie den ist von dem Material des aktivierten Abschnitts, das heißt als Material des nicht aktivierten Abschnitts. Um den Zweielement-Effekt zu erzeugen, läßt sich die Eigenschaft des Materials, welches verschieden ist von dem Material des piezoelektrischen Elements, in der folgenden Weise festle gen:

E₁ ≦ E₂

worin E₁ (N/m²) ein Modul bzw. Umrechnungsfaktor der Longitudinal-Elastizität des piezoelektrischen Elements ist, welches die gekrümmte Wand bildet (den aktivierten Ab schnitt), und worin E₂ (N/m²) ein Modul bzw. Umrechnungsfak tor oder konstanter Koeffizient der longitudinalen Elasti zität des Materials ist (des nicht aktivierten Abschnitts), welches verschieden von dem Material des piezoelektrischen Elements ist.

Die spezifische Konstruktion, um den Zweielement- Effekt zu realisieren, wird wie folgt beschrieben. Es ist ein nicht-aktivierter Abschnitt an einer der Flächen des piezoelektrischen Elements vorgesehen, der ein aktivierter Abschnitt ist, und zwar in der Polaritätsrichtung, welchem eine Spannung aufgedrückt wird. Andererseits ist ein nicht- aktivierter Abschnitt bzw. Schicht vorgesehen, der bzw. die ausreichend dünner ist als der nicht-aktivierte Abschnitt an einer Fläche, die oben beschrieben wurde, oder alterna tiv ist ein nicht-aktivierter Abschnitt vorgesehen. Auf grund der oben erläuterten Konstruktion wird bei der Ver formung in der Richtung von d₃₁, verursacht durch den pie zoelektrischen Effekt des aktivierten Abschnitts, der Ein fluß des dicken nicht aktivierten Abschnitts stärker als der Einfluß des dünnen nicht aktivierten Abschnitts oder alternativ wird der Einfluß des existierenden nicht-akti vierten Abschnitts stärker als der Einfluß des nicht exi stierenden nicht aktivierten Abschnitts. Auf diese Weise läßt sich die Konstruktion des plattenförmig gestalteten Verbundteiles, welches den aktivierten Abschnitt (piezo elektrisches Element) enthält, und auch den nicht-akti vierten Abschnitt enthält, bestimmen.

Da es schwieriger ist, die Kontraktion des nicht-akti vierten Abschnitts zu erzeugen, als die Kontraktion des piezoelektrischen Elements in der Richtung von d₃₁, wenn das piezoelektrische Element in der Richtung von d₃₁ defor miert wird, wird der Zweielement-Effekt (bimorph effect) in dem plattenförmig gestalteten Verbundkörper durch diese zwei Teile verursacht. Wenn demzufolge sowohl der Zweiele ment-Effekt, der durch Deformation bzw. Verformung in der Richtung von d₃₁ verursacht wird, erzeugt durch den piezo elektrischen Effekt des piezoelektrischen Elements, als auch die Deformation des piezoelektrischen Elements in der Dickenrichtung, die durch die Deformation bzw. Verformung in der Richtung von d₃₃ verursacht wird, erzeugt durch den piezoelektrischen Effekt eines piezoelektrischen Elements, auf eine Wandfläche der Druckkammer angewendet werden, wird es möglich, sowohl den piezoelektrischen Effekt als auch den Zweielement-Effekt (bimorph effect) des piezoelektri schen Elements dazu zu verwenden, um die Tinte unter Druck zu setzen.

Wenn in diesem Zusammenhang ein Teil (der nicht-akti vierte Abschnitt) welches aus einem Material verschieden von dem Material des piezoelektrischen Elements (akti vierter Abschnitt) auf das piezoelektrische Element (akti vierter Abschnitt) in der Richtung von d₃₃ gesetzt wird, um dadurch ein plattenförmig gestaltetes Verbundteil zusammen zusetzen, wobei ein Ende des plattenförmig gestalteten Ver bundteils fixiert ist und das andere Ende in einen freien Grenzzustand gebracht wird, läßt sich der Krümmungsradios ρ (m), um die Verformung auszudrücken, die durch den Zweie lement-Effekt im Falle der Fixierung von einem Ende verur sacht wird, durch die folgende Gleichung ausdrücken:

Bei dem zuvor angegebenen Ausdruck bedeutet a einen reziproken Wert h₂/h₁ des Verhältnisses aus der Dicke h₁ (m) des piezoelektrischen Elements zur Dicke h₂ (m) des Teiles, welches aus einem verschiedenen Material hergestellt ist, wie dies zum Realisieren des Zweielement-Effektes erforder lich ist, β bedeutet ein Verhältnis E₁/E₂ des longitudina len Elastizitätsmoduls E₁ (N/m²) des piezoelek trischen Elements zu dem longitudinalen Elastizitätsmodul E₂ (N/m²) des verschiedenen Materials, welches zur Reali sierung des Zweielement-Effektes erforderlich ist, V (V) ist eine Spannung, die dem piezoelektrischen Element aufzu drücken ist, und d₃₁ (m/V) ist eine piezoelektrische Kon stante des piezoelektrischen Elements in der Richtung von d₃₁.

Wenn ein Verhältnis aus der Dicke des nicht-aktivier ten Abschnitts zur Dicke des aktivierten Abschnitts (piezo elektrisches Element) auf einen Wert eingestellt ist, bei dem der Krümmungsradius ρ (m) klein ausgeführt werden kann, wird ein Verschiebungsvolumen durch Krümmen des piezoelek trischen Elements vergrößert, dessen unteres Ende fixiert ist und es kann die Bewegung des oberen Endes desselben eingeschränkt werden. Wenn demzufolge das piezoelektrische Element in einem plattenförmig gestalteten Verbundteil aus gebildet ist, wird der Verschiebungswirkungsgrad des piezo elektrischen Elements erhöht. Wenn ein Wert von h₂/h₁ zum minimal Gestalten des Krümmungsradius ρ (m), der durch die oben angegebenen Gleichung erhalten wird, berechnet wird, und zwar unter Verwendung der physikalischen Eigenschaft eines verwendbaren Materials, kann der folgende Ausdruck erhalten werden.

0,3 ≦ h₂/h₁ ≦ 0,8

Es wird daher eine Beziehung zwischen der Dicke h₁ (m) des piezoelektrischen Elements und der Dicke h₂ (m) des nicht aktivierten Abschnitts, der zum Realisieren des Zweielement-Effektes erforderlich ist, durch den oben ange gebenen Ausdruck bestimmt.

Wenn eine Dauer bzw. Periode, um Tinte auszustoßen, wiedergegeben wird durch x (Hz), basiert die Wellenform der Spannung, welche dem piezoelektrischen Element aufzudrücken ist, auf der Dauer bzw. Periode. Um daher das Auftreten ei nes mechanischen Resonanzzustandes des plattenförmig ge stalteten Verbundteiles zu vermeiden, welches zum Realisie ren des Zweielement-Effektes geschaffen ist, muß die cha rakteristische Frequenz f (Hz) des plattenförmig gestalte ten Verbundteiles selbst, wenigstens dreimal so hoch sein als die Dauer bzw. Periode x (Hz) des Tintenausstoßes. Dem zufolge werden die Abmaße und Werte der physikalischen Ei genschaft des plattenförmig gestalteten Verbundteiles durch die folgenden Ausdrücke bestimmt, um die oben angegebene Beziehung zu befriedigen.

E₁ . h₁ ²/γ1 . L⁴ ≧ 345 . x²

E₂ . h₂ ²/γ2 . L⁴ ≧ 345 . x²

Bei den zuvor angegebenen Ausdrücken ist der longitu dinale Elastizitätsmodul des aktivierten Abschnitts (piezo elektrisches Element) gleich E₁ (N/m²), die Dichte beträgt γ₁(kg/m³), der longitudinale Elastizitätsmodul des nicht- aktivierten Abschnitts ist E₂ (N/m²), die Dichte beträgt γ₂ (kg/m³), die Länge von dem stationären Abschnitt zu dem Verbindungsteil in der Richtung von d₃₁ des piezoelektri schen Elements ist L (m), die Dicke des piezoelektrischen Elements beträgt h₁ (m) und die Dicke des Teiles, welches angefügt werden muß, liegt bei h₂ (m).

Wenn die Dicke der Druckkammer, die zusammengesetzt ist aus dem aktivierten Abschnitt (piezoelektrisches Ele ment) und dem nicht aktivierten Abschnitt, und diese mit h (m) ausgedrückt wird, werden, um eine Aufhebung der Ver schiebung des piezoelektrischen Elements durch den Einfluß eines gewünschten erzeugten Druckes, die Abmaße und die Werte der physikalischen Eigenschaft des piezoelektrischen Elements derart bestimmt, daß der folgende Ausdruck befrie digt wird.

L⁵ . b/h³ ≦ (4 × 10^-18) . E₁

Bei dem oben genannten Ausdruck bedeutet b (m) eine Tiefe des piezoelektrischen Elements in der Richtung senk recht zu sowohl den Richtungen der Länge L (m) als auch der Dicke h (m) des piezoelektrischen Elements.

Bei dieser Konstruktion sind das plattenförmig gestal tete Verbundteil und das Verbindungsteil miteinander ver bunden bzw. aneinandergefügt, und zwar mit Hilfe eines Kle bemittels oder eines Trockenfilm-Resistmaterials. Wenn je doch eine Druckkammer eng an das plattenförmig gestaltete Verbundteil der anderen Druckkammer angefügt ist, die sich benachbart zu der oben genannten Druckkammer befindet, wird der Tintenausstoß von einer Druckkammer durch die Verfor mung des plattenförmig gestalteten Verbundteiles der ande ren Druckkammer beeinflußt, die sich neben der oben genann ten Druckkammer befindet. Um daher die Anschließfestigkeit zwischen der Druckkammer und dem plattenförmig gestalteten Verbundteil benachbart der Druckkammer zu reduzieren, sind ein Abschnitt oder alle Abschnitte des Anschlußteiles, wel ches mit der Druckkammer zu verbinden ist, getrennt. Wenn bei dieser Konstruktion die Einschränkung des piezoelektri schen Elements auf der Seite, die nicht fixiert ist, zu stark oder zu schwach ist, wird der Wirkungsgrad der Ver formung verschlechtert. Es wird daher der longitudinale Elastizitätsmodul E₄ (N/m²) des Klebemittels, welches zum Verbinden einer Vielzahl von plattenförmig gestalteter Ver bundteile (wände) mit dem Verbindungsteil verwendet wird, derart bestimmt, daß der folgende Ausdruck befriedigt wird:

1,0 × 10⁹ ≦ E₄ ≦ 10,0 × 10⁹

Um den Wirkungsgrad zu verstärken, wird die Dicke h₄ (µm) des Teiles, um das piezoelektrische Element an das Verbindungsteil anzufügen, derart bestimmt, daß der folgen de Ausdruck befriedigt wird:

10 ≦ h₄ ≦ 100

Es ist möglich, einen aktivierten Abschnitt des piezo elektrischen Elements auszubilden, welches zusammengesetzt ist aus einem Paar von plattenförmig gestalteten Verbund teilen, und auch möglich, die zuvor erwähnte stationäre Wand dadurch auszubilden, indem Rillen oder Nuten in einem integrierten Block des piezoelektrischen Elements ausgebil det werden.

Es wird dabei die folgende Überlegung angestellt. Es ist erforderlich, daß das piezoelektrische Element den Druck aushalten kann, der erzeugt wird, wenn die Tinte un ter Druck gesetzt wird und es ist auch erforderlich, daß eine vorbestimmte Tintenmenge ausgestoßen werden kann. Es wird ferner die Grenze in Betracht gezogen, die aufgebaut werden muß, wenn die Bearbeitung einer Nutausbildung reali siert wird. Entsprechend der zuvor erwähnten Überlegung wird die Länge L (m) von der stationären Wand zu dem Ver bindungsteil in der Richtung von d₃₁ des aktivierten Ab schnitts (piezoelektrischen Elements) derart bestimmt, daß der folgende Ausdruck befriedigt werden kann:

300 × 10^-6 ≦ L ≦ 700 × 10^-6

Von dem gleichen Gesichtspunkt aus, wie oben erläutert wurde, wird auch die Dicke h₁ (m) des aktivierten Ab schnitts (piezoelektrischen Elements) derart bestimmt, daß der folgende Ausdruck befriedigt werden kann:

20 × 10^-6 ≦ h₁ ≦ 80 × 10^-6

Fig. 1 ist eine Ansicht, welche die Umstände zeigt, bei denen ein piezoelektrisches Element in der Oberflächen richtung kontrahiert wird, so daß das piezoelektrische Ele ment gekrümmt wird, und zwar aufgrund einer Differenz der Spannung zwischen dem piezoelektrischen Element und der dicken Elektrode.

Fig. 2 zeigt eine Ansicht, die einen Zustand veran schaulicht, bei dem das piezoelektrische Element (aktivier ter Abschnitt) und der nicht-aktivierte Abschnitt, der aus einem verschiedenen Material hergestellt ist, aneinanderge fügt sind, um dadurch ein plattenförmig gestaltetes Ver bundteil zu bilden;

Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht, die einen primä ren Abschnitt (Druckkammer) des ersten Beispiels des Tin tenstrahlkopfes der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 4 zeigt eine perspektivische Ansicht, die einen Zustand veranschaulicht, bei dem das Verbindungsteil von dem Tintenstrahlkopf des ersten Beispiels entfernt ist;

Fig. 5 ist eine Querschnittsansicht, die einen primä ren Abschnitt (Druckkammer) des zweiten Beispiels des Tin tenstrahlskopfes der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 6 ist eine Draufsicht des Verbindungsteiles des Tintenstrahlkopfes des zweiten Beispiels;

Fig. 7(a) ist eine Ansicht, welche einen piezoelektri schen Elementblock zeigt;

Fig. 7(b) ist eine Ansicht, die einen Zustand zeigt, bei dem die Druckkammer durch Ausbilden einer Nut ausgebil det wird;

Fig. 8 zeigt eine Graphen, der eine Beziehung zwischen dem Verhältnis der Dicke der Zweielement-Schicht (bimorph layer) und dem Krümmungsradius zeigt;

Fig. 9 zeigt eine schematische Darstellung, die einen Zustand der Kontraktion der Druckkammer zeigt, verursacht durch eine Biegeverformung des piezoelektrischen Elements im Falle der Kontraktion, wenn die Elektrode auf einer Sei te der Wand dick ausgebildet ist;

Fig. 10 ist eine Querschnittsansicht, die ein Beispiel zeigt, bei dem ein Paar von plattenförmig gestalteten Ver bundteilen daran gehindert werden, nach außen vorzudringen, wenn ein Rahmen an dem Öffnungsabschnitt der plattenförmig gestalteten Verbundteile vorgesehen ist.

Fig. 3 zeigt eine Querschnittsansicht, die einen pri mären Abschnitt (Druckkammer) des ersten Beispiels des Tin tenstrahlkopfes der vorliegenden Erfindung wiedergibt.

Wie in Fig. 3 dargestellt ist, ist eine große Zahl von Druckkammern 10 in der Richtung x vorgesehen. Obwohl dies in Fig. 3 nicht dargestellt ist, steht jede Druckkammer 10 mit einer Düse in Strömungsverbindung, über die Tinte aus der Druckkammer 10 ausgestoßen wird und steht auch mit ei ner Tintenzuführöffnung in Strömungsverbindung, über die Tinte in die Druckkammer 10 eingeführt wird. Es ist ein plattenförmig gestaltetes Verbundteil 1 vorgesehen, durch welches eine Wand der Druckkammer 10 festgelegt ist. Das plattenförmig gestaltete Verbundteil 1 ist in solcher Weise zusammengesetzt, daß Leiter (nicht-aktivierte Schichten) 5, 6, die als Elektroden verwendet werden, an beiden Seiten eines piezoelektrischen Elements (aktivierte Schicht) 2 an gefügt sind.

Dieses plattenförmig gestaltete Verbundteil 1 defi niert eine Wand der Druckkammer 10. Die Richtung der Pola risation des piezoelektrischen Elements 1 ist die gleiche wie die Richtung von x. Die Richtung der Polarisation des piezoelektrischen Elements 2 verläuft einheitlich in bezug auf eine Wand. Diese Richtung x der Polarisation verläuft senkrecht zu den Flächen der Elektroden 5, 6. Die Elektrode 5 ist innerhalb der Druckkammer 10 angeordnet und ist dick ausgeführt, und die Elektrode 6 ist außerhalb der Druckkam mer 10 angeordnet und ist dünn ausgebildet. Wenn diese Tei le in dem plattenförmig gestalteten Verbundteil 1 inkorpo riert sind, beherrschen zwei Faktoren des piezoelektrischen Elements (aktivierte Schicht) 2 und die dicke Elektrode 5 den Verformungsmodus.

Wie aus Fig. 3 ersehen werden kann, ist die Druckkam mer 10 als ein Raum definiert, der durch die stationäre Wand 4 begrenzt ist, die sich in der Richtung x erstreckt, wobei sich das plattenförmig gestaltete Verbundteil 1 in der Richtung z senkrecht zu der Richtung x erstreckt, und wobei die nicht-aktivierte gegenüberliegende Wand 8 dem plattenförmig gestalteten Verbundteil 1 gegenüberliegt, und zwar parallel, und ein Verbindungsteil 9 den oberen Öff nungsabschnitt verschließt. Das Verbindungsteil 9 ist an dem plattenförmig gestalteten Verbundteil 1 und der gegen überliegenden Wand 8 durch ein Klebeteil 12 oder ein Klebe mittel befestigt.

Die gegenüberliegende Wand 8 arbeitet auch als ein Wandabschnitt der benachbarten Druckkammer 10. Die benach barte Druckkammer 10 ist auch durch die gegenüberliegende Wand 8 und das benachbarte plattenförmig gestaltete Ver bundteil 1 definiert. In der gleichen Weise, wie oben be schrieben wurde, ist bei diesem benachbarten plattenförmig gestalteten Verbundteil 1 die Elektrode 5, die innerhalb der Druckkammer 10 angeordnet ist, dick ausgebildet und die Elektrode 6, die außerhalb der Druckkammer 10 angeordnet ist, ist dünn ausgebildet.

Fig. 4 zeigt eine perspektivische Ansicht, die einen Abschnitt der Druckkammer 10 des Tintenstrahlkopfes veranschaulicht, der in Fig. 3 gezeigt ist, wobei das Verbindungsteil 9 von der Druckkammer 10 bei dieser Ansicht entfernt ist. Wie in Fig. 4 dargestellt ist, ist eine Düsenplatte 11 vorgesehen, die in solcher Weise angeordnet ist, daß eine Seite einer großen Zahl von Druckkammern 10, die in der x- Richtung angeordnet sind, durch die Düsenplatte 11 ver schlossen ist. Bei dieser Anordnung entspricht jede Düse 11a jeder Druckkammer 10. Die andere Seite der Druckkammer 10 in bezug auf die Düsenplatte 11 ist durch eine Endplatte 13 an der Tintenzuführseite verschlossen. Auf diese End platte 13 sind Tintenzuführöffnungen (nicht gezeigt) ausge bildet, durch die Tinte in die Druckkammern 10 eingeführt wird.

Es soll nun unter Hinweis auf Fig. 3 die Betriebsweise des ersten Beispiels der vorliegenden Erfindung erläutert werden. Wie in Fig. 3 dargestellt ist, ist das plattenför mig gestaltete Verbundteil 1 zusammengesetzt aus einem pie zoelektrischen Element 2, welches einen aktivierten Ab schnitt bildet, und den Elektroden 5, 6, die nicht-akti vierte Abschnitte darstellen. Bei dieser Anordnung wird ei ne Spannung zwischen den Elektroden 5 und 6 angelegt.

Wenn eine Spannung dem piezoelektrischen Element 2 aufgedrückt wird, wird das piezoelektrische Element 2 in der Richtung z in Fig. 3 kontrahiert, das heißt das piezo elektrische Element 2 wird in der Richtung d₃₁ (in der Zeichnung die Richtung (1)) kontrahiert, und zur gleichen Zeit wird das piezoelektrische Element 2 in der Richtung x expandiert, das heißt das piezoelektrische Element 2 wird in der Richtung d₃₃ (in der Zeichnung die Richtung (2)) ex pandiert. Da das piezoelektrische Element 2 in der Richtung d₃₁ kontrahiert wird, wird das plattenförmig gestaltete Ver bundteil 1, welches aus der dicken Elektrode 5 und dem pie zoelektrischen Element 2 besteht, durch den Zweielement- Effekt (bimorph effect) verformt. Diese Verformung addiert sich zu der Verformung, die durch den piezoelektrischen Ef fekt in der Richtung 33 verursacht wird. Daher wird das plattenförmig gestaltete Verbundteil 1 gekrümmt, wie dies durch die unterbrochene Linie in der Zeichnung dargestellt ist.

Aufgrund des vorhergehend Gesagten, wird das Volumen der Druckkammer 10 vermindert, und es kann Tinte aus der Düse 11a ausgestoßen werden. Bei dieser Anordnung sind das plattenförmig gestaltete Verbundteil 1 und die stationäre Wand 4 aus verschiedenen Materialien hergestellt. Diese Ma terialien können die gleichen sein, das heißt es können das plattenförmig gestaltete Verbundteil 1 und die stationäre Wand 4 einstückig aus dem Material des piezoelektrischen Elements 2 hergestellt sein. In diesem Zusammenhang bildet die stationäre Wand 4 einen nicht aktivierten Abschnitt. Die Abmaße von jedem Teil sind so, wie in der Tabelle 1 ge zeigt ist, festgelegt. Die physikalischen Eigenschaften (Elastizitätsmodule) des piezoelektrischen Elements 2, des Leiters, der aus der Elektrode und dem Klebeteil 12 zusam mengesetzt ist, sind so, wie in der Tabelle 2 gezeigt ist, festgelegt. Die Zeitdauer oder Periode x, in welcher Tinte aus der Düse 11a des Tintenstrahlkopfes ausgestoßen wird, liegt bei 7,2 × 10 (Hz), und die Dichte γ₂ des piezoelek trischen Elements 2 liegt bei 8,15 × 10 (kg/m³).

Tabelle 1

Tabelle 2

Wenn die in den Tabellen 1 und 2 aufgeführten Bedin gungen befriedigt werden, lassen sich die folgenden Aus drücke aufstellen:

Wenn der Tintenstrahlkopf in der oben beschriebenen Weise zusammengesetzt ist, ist es möglich, einen Tinten strahlkopf mit hohem Energiewirkungsgrad zu schaffen.

Fig. 5 zeigt eine Querschnittsansicht, die einen pri mären Abschnitt (Druckkammer) des zweiten Beispiels des Tintenstrahlkopfes der vorliegenden Erfindung veranschau licht.

Punkte, die von dem ersten Beispiel, welches in Fig. 3 gezeigt ist, verschieden sind, werden im folgenden erläu tert. Bei der Anordnung des zweiten Beispiels ist nicht nur die Wand auf einer Seite der Druckkammer 10, sondern es sind die Wände auf beiden Seiten derselben durch das plat tenförmig gestaltete Verbundteil 1 zusammengesetzt. Das piezoelektrische Element 2, welches einen aktivierten Ab schnitt des plattenförmig gestalteten Verbundkörpers 1 dar stellt, ist mit der stationären Wand 4 integriert, das heißt die stationäre Wand 4 besteht aus dem piezoelektri schen Element. In der gleichen Weise, wie zuvor beschrieben wurde, ist jedes plattenförmig gestaltete Verbundteil 1 in solch einer Weise zusammengesetzt, daß die Leiter (nicht- aktivierte Schichten) 5, 6, die als Elektroden zu verwenden sind, an beiden Seiten des piezoelektrischen Elements 2 (aktiviertem Abschnitt) angefügt sind. Die Elektrode 5, die innerhalb der Druckkammer 10 angeordnet ist, ist dick aus gebildet und die Elektrode 6, die außerhalb der Druckkammer 10 vorgesehen ist, ist dünn ausgebildet.

Demzufolge ist, wie aus Fig. 5 ersehen werden kann, die Druckkammer 10 als ein Raum definiert, der durch die stationäre Wand 4 begrenzt ist (das piezoelektrische Ele ment 2 und der nicht-aktivierte Abschnitt), die sich in der Richtung x erstreckt, ein Paar der plattenförmig gestalte ten Verbundteile 1 erstreckt sich in der Richtung z senk recht zu der Richtung x, und ein Verbindungsteil 9 verschließt den oberen Öffnungsabschnitt des Paares der plattenförmig gestalteten Verbundteile 1.

Es ist ein Raum 7 zwischen dem plattenförmig gestalte ten Verbundteil 1, welches die Seitenwand der Druckkammer 10 bildet, und dem plattenförmig gestalteten Verbundteil 1 der benachbarten Druckkammer 10 ausgebildet.

Fig. 6 zeigt eine Draufsicht des Verbindungsteiles 9 des zweiten Beispiels, wobei die Ansicht in der Richtung z gewählt ist. Dieses Verbindungsteil 9 besitzt Nuten (Öff nungen) 9a, die an Positionen gelegen sind entsprechend den Räumen 7, die zwischen benachbarten Druckkammern 10 ausge bildet sind. Das heißt, die Düsenseite des Verbindungstei les 9 ist mit der Zuführöffnungsseite des Verbindungsteiles 9 verbunden und das Verbindungsteil 9 ist durch diese Nuten 16 lediglich in Abschnitten getrennt, die den Räumen 7 ent sprechen, welche zwischen den Druckkammern 10 ausgebildet sind. Das Verbindungsteil 9 besitzt ein gitterförmig ge staltetes Profil.

Aufgrund der oben erläuterten Anordnung kann das Aus maß der Kombination, welche durch das Verbindungsteil 9 zwischen den benachbarten Druckkammern 10 erzielt wird, auf einen niedrigen Wert unterdrückt werden. Es kann daher der Treiberzustand der Druckkammer 10 schwierig durch den Trei berzustand der benachbarten Druckkammer 10 beeinflußt wer den. Das Verbindungsteil 9 ist mit Hilfe eines Klebeteiles 12 an das plattenförmig gestaltete Verbundteil 1 angefügt. Die Abmaße und physikalischen Eigenschaften jedes Teiles dieses zweiten Beispiels sind die gleichen wie diejenigen, die in den Tabellen 1 und 2 aufgeführt sind. Aufgrund des vorhergehend gesagten, beträgt dann, wenn eine Spannung von 40 V dem piezoelektrischen Element 2 bei dieser Anordnung aufgedrückt wird, die Volumenverschiebung in der Druckkam mer 10 angenähert 60 (pl). Es ist daher möglich, ein vorbe stimmtes Verschiebungsvolumen durch eine niedrige Spannung zu erhalten.

Als nächstes soll unter Hinweis auf die Fig. 7(a) und 7(b) das Verfahren zur Herstellung des Tintenstrahlkopfes der vorliegenden Erfindung speziell erläutert werden.

In Verbindung mit dem piezoelektrischen Element ist es möglich, ein piezoelektrisches Element, wie beispielsweise H5D zu verwenden. Wenn die Nutausbildung an einer Fläche eingeleitet wird (z. B. der oberen Fläche, die in der Zeich nung gezeigt ist), und zwar von dem piezoelektrischen Ele mentblock 20, der in Fig. 7(b) gezeigt ist, und zwar mit Hilfe einer Schleifmaschine wie einer Würfel-Herstellungs säge, ist es möglich, eine Wand (aktivierter Abschnitt) auszubilden, deren Höhe bei 450 µm liegt und deren Dicke bei 60 µm liegt, wie dies in Fig. 7(a) gezeigt ist. Es ist in dieser Weise möglich, einen Raum zum Festlegen der Druckkammer 10 zwischen den Wänden auszubilden.

Die Elektrode ist in einem spezifischen Abschnitt an jeder Wand ausgebildet. In Verbindung mit dem Verfahren zur Herstellung der Elektrode werden Abschnitte, die einem Plattierungsprozeß nicht unterworfen werden, an früherer Stelle mit einem Resistmaterial bedeckt, und es werden an dere Abschnitte dem Plattierungsprozeß (Au, Ni, Cr und Pt) dem Plattierungsprozeß unterworfen, während die Dicke der Plattierungsschicht in Einklang mit der Plattierungsge schwindigkeit gesteuert wird. Die Ausbildung der Elektrode ist nicht auf das zuvor erläuterte spezifische Verfahren beschränkt, sondern es ist auch möglich, Verfahren gemäß einem Dampfniederschlagen oder Kathodenzerstäubungsprozeß (sputtering) zu verwenden.

Die Druckkammer 10 wird ausgebildet, wenn die oberen Endabschnitte der Wände, die einander benachbart sind, mit dem Verbindungsteil (Dach) 9 verbunden werden, wie dies in den Fig. 5 und 6 veranschaulicht ist. Dieses Verbindungs teil 9 ist aus SUS (rostfreier Stahl) oder Glas herge stellt. Wenn das Verbindungsteil 9 an den oberen Endab schnitt der Wand angeklebt wird, ist es möglich, ein Klebe teil 12 zu verwenden, mit einer hohen antiorganischen Lö sungsmitteleigenschaft, wie beispielsweise einem Klebe- und Thermalschmelzfilm.

Wenn das Verbindungsteil 9 mit jeder Druckkammer 10 verbunden ist, wird es möglich, ein Verfahren anzuwenden, durch welches das Verbindungsteil 9 individuell zum Fest kleben an jeder Druckkammer 10 gebracht wird. Wie jedoch bei dem ersten und dem zweiten Beispiel gezeigt ist, kann ein Stück des Verbindungsteiles 9 dazu gebracht werden, an einer Oberfläche des piezoelektrischen Elements 2 anzukle ben, in welchem die Wände bereits ausgebildet worden sind, und es kann dann das Verbindungsteil 9 in eine vorbestimmte Gestalt geschnitten werden.

Eine Düsenplatte 11 mit Düsenöffnungen 12, die den einzelnen Druckkammern 10 entsprechen, wird an ein Teil (piezoelektrisches Element 2) angefügt, in welchem die Druckkammern ausgebildet sind, wie dies in Fig. 4 veran schaulicht ist. Die Düsenplatte ist in solcher Weise ausge bildet, daß eine Platte aus SUS (rostfreiem Stahl) einer Preßformung, Ni-Elektroschmelzformung oder Harzgußformung unterworfen wird oder alternativ ein Film aus PET, PES oder PEN mit einer hohen antiorganischen Lösungseigenschaft ei ner Laserstrahlbearbeitung unterworfen wird. Wenn die Dü senplatte 11 an das piezoelektrische Element angefügt wird, wird ein Klebemittel-Agens mit einer hohen antiorganischen Lösungseigenschaft, ein Hitzeschmelzfilm oder DFR verwen det.

Es ist möglich, die Druckkammerseite, in die Tinte eingeführt wird, in der gleichen Weise herzustellen, wie diejenige der Düsenplatte 11. Alternativ kann das folgende Verfahren zur Herstellung eines Tintenzuführkanals (nicht gezeigt) realisiert werden. Es werden Nuten auf der Seite des piezoelektrischen Elements 2, an welcher Tinte zuge führt wird, ausgebildet und es wird ein Teil zum dichten Verschließen der Druckkammer 10 angefügt, so daß die Nuten nicht verschlossen werden können.

Wenn ein gemeinsames Tintenzuführkanalteil, welches jeden Tintenzuführkanal begrenzt, zum Ankleben gebracht wird, wird es möglich, Tinte von einem Tintentank (nicht gezeigt) zu jeder Druckkammer 10 zuzuführen.

Die Elektrode von jedem piezoelektrischen Element 2 wird in der folgenden Weise herausgeführt. Es wird eine Nut an der Fläche ausgebildet, auf der die Düsenplatte 11 zum Ankleben gebracht wird, und zwar entsprechend jeder Nut (Druckkammer 10, Raum 7). Danach wird der Plattierungsvor gang eingeleitet. In diesem Fall kann ein Kathodenzerstäu bungsverfahren (sputtering) oder ein Dampfniederschlagsver fahren angewandt werden. Jedoch werden bei den oben erläu terten Umständen die Elektrode, die in der Druckkammer 10 ausgebildet ist, und die Elektrode, die in dem Raum 7 aus gebildet ist, miteinander kurzgeschlossen. Daher wird eine redundante plattierte Schicht mit Hilfe eines Läpp-Vorgan ges entfernt. Aufgrund des vorhergehend gesagten, können die oben erwähnten Elektroden elektrisch voneinander iso liert werden.

Fig. 8 zeigt eine graphische Darstellung, welche eine Beziehung zwischen dem Verhältnis aus der Dicke einer nicht-aktivierten Schicht (piezoelektrischem Element) zu der Dicke einer aktivierten Schicht (Leiter) und den Krüm mungsradius veranschaulichen. Das heißt, bei der graphi schen Darstellung sind ein Wert von 1/(Krümmungsradius) und ein Verhältnis aus der Dicke einer nicht aktivierten Schicht zu der Dicke einer aktivierten Schicht berechnet. In diesem Fall ist der longitudinale Elastizitätsmodul der aktivierten Schicht eingestellt auf 60 × 10¹⁰ (N/m²) und der longitudinale Elastizitätsmodul der nicht aktivierten Schicht ist eingestellt auf 200 × 10¹⁰ (N/m²). Wie oben be schrieben wurde, wird dann, wenn die Druckkammer durch Aus bilden der Nut in dem piezoelektrischen Element 2 herge stellt wird, eine dicke Elektrode an der Wand an der Druck kammerseite vorgesehen, und zwar mit Hilfe eines Plattie rungsprozesses, und es wird eine dünne Elektrode auf der Wand an der gegenüberliegenden Seite hergestellt. Aufgrund der oben erläuterten Anordnung wird eine Differenz der Kon traktion zwischen beiden Seiten des piezoelektrischen Ele ments 2 verursacht. Es wird daher der Zweielement-Effekt (bimorph effect) bewirkt, und es wird die Wand des piezo elektrischen Elements nach innen gekrümmt, so daß ein Aus maß der Kontraktion der Druckkammer 16 erhöht werden kann.

Unter der Bedingung, daß die elektrische Feldstärke konstant ist, steht der Krümmungsradius in einem umgekehr ten Verhältnis zu der piezoelektrischen Konstanten d₃₁ und ist proportional zu der Dicke. Unter der Bedingung, daß die Spannung konstant ist, ist der Krümmungsradius umgekehrt proportional zu der piezoelektrischen Konstanten d₃₁ und ist proportional zum Quadrat der Dicke. Es ist daher möglich, die Konstruktion in solcher Weise auszuführen, daß das Aus maß der Kontraktion um mehrere Male multipliziert wird. Das Ergebnis der Berechnung, die angestellt wurde, um eine Be ziehung zwischen dem reziproken Wert eines Krüm mungsradius und dem Verhältnis der Dicke zu finden (Elek trode/piezoelektrisches Element = nicht-aktivierte Schicht/aktivierte Schicht), ist in der graphischen Dar stellung von Fig. 8 gezeigt, wobei die Elektrode, das heißt die nicht-aktivierte Schicht aus Nickel besteht, der longi tudinale Elastizitätsmodul des piezoelektrischen Elements bei 60 × 10¹⁰ (N/m²) liegt und der longitudinale Elastizi tätsmodul von Nickel gleich 20 × 10¹⁰ (N/m²) beträgt. Wenn das Verhältnis der Dicke 0,05 überschreitet, wird die Kurve bemerkenswert gekrümmt. Daher liegt das geeignetste Ver hältnis bei 0,4 bis 0,55, bei dem die Kurve in der günstig sten Weise gekrümmt ist.

Im Falle der Vorformung, die in Fig. 9 gezeigt ist, ist das Ausmaß der Kontraktion proportional zur dritten Po tenz der Höhe L und der Tiefe b. Demzufolge ist es möglich, wenn die Höhe L lediglich ein bißchen erweitert wird, die Länge zu verkürzen, während das Ausmaß der Kontraktion auf einem vorbestimmten Wert gehalten wird. Wenn der Druck in der Druckkammer 10 erhöht wird, wird die Wand nach rück wärts gestoßen. In diesem Fall ist die Steifigkeit der Wand proportional zu der dritten Potenz der Dicke. Wenn daher die Wanddicke klein ist, wird der Druck abgesenkt. Die Kon struktion wird eingeleitet, während die oben geschilderte Betrachtung bzw. Überlegung angestellt wird. Da jedoch ein Ausmaß der Kontraktion durch den Zweielement-Effekt (bi morph effect) erhöht wird, ist der Freiheitsgrad der Kon struktion erhöht. Als Ergebnis wird es möglich, eine piezo elektrische Pumpe zu schaffen, deren Kontraktionsausmaß bei hohem Druck groß ist.

Es ist möglich, die Wände des piezoelektrischen Ele ments so auszubilden, daß sie auf beiden Seiten der Druck kammer 10 angeordnet sind, und zwar bei der Stufe der Form herstellung vor dem Anlassen des piezoelektrischen Ele ments, es ist jedoch, um feine Wände mit Genauigkeit herzu stellen, zu bevorzugen, die Wände durch Nutausbildung, wie beispielsweise durch Schleifen, herzustellen, welches mit Hilfe einer Würfelerzeugungssäge bewerkstelligt wird, und zwar nach der Vervollständigung des Anlassens des piezo elektrischen Elements 2.

Danach wird die Elektrode dazu gebracht, mit Hilfe ei nes Sprühverfahrens oder Spritzverfahrens anzuhaften. In diesem Fall ist das Verfahren des elektrofreien Plattierens effektiv. Durch eine Vorbehandlung, durch die die oberflä chenaktive Schicht erzeugt wird, ist es möglich, eine Elek trode mit einheitlicher Dicke auf einem nichtmetallenen piezoelektrischen Element 2 auszubilden. In dem Fall, bei dem die Elektrode auf diese Weise hergestellt wird, können die Dicken der Elektroden, die auf beiden Seiten der Wand des piezoelektrischen Elements 2 erzeugt wurden, verschie den voneinander ausgeführt werden, und zwar mit Hilfe der folgenden Verfahren.

1. Es wird ein Plattierungsverfahren durchgeführt, während eine Oberfläche mit einer Maske bedeckt ist.
2. Es wird ein Filmherstellungsverfahren verwendet, welches eine Richtwirkung hat, wie beispielsweise ein Ver fahren gemäß dem Dampfniederschlagen, und eine der Oberflä chen wird dazu gebracht, mit dessen Richtung zu koinzidie ren.
3. Eine der Nutenflächen wird an früherer Stelle ausgebildet und eine dicke plattierte Schicht wird auf der Oberfläche mit Hilfe des Plattierungsverfahrens ausgebil det. Danach werden die anderen der Nutenflächen ausgebil det, so daß eine neue Fläche des piezoelektrischen Elements 2 freigelegt wird und es wird ein sukzessives Plattieren fortgesetzt. Es wird dann die plattierte Schicht auf der Oberfläche, auf welche das Plattieren bereits zuvor durch geführt worden ist, verdoppelt. Es ist jedoch möglich, eine Differenz der Dicke zwischen den zwei plattierten Schichten herzustellen.

Wenn ein hartes Material für das piezoelektrische Ele ment 2 verwendet wird, so wird eine Verformung in der fol genden Weise bewirkt. In diesem Fall sei das harte Material im folgenden beschrieben. Ein niedriges elektrisches Feld wird in der Umkehrrichtung an das piezoelektrische Element 2 angelegt, welches einmal der Polarisation unterworfen worden ist, und es wird eine dicke Elektrode auf der gegen überliegenden Seite von der Druckkammer 10 hergestellt, im Gegensatz zu den Beispielen, die in den Fig. 3 und 5 ge zeigt sind. Aufgrund der zuvor erläuterten Anordnung wird dann, wenn ein elektrisches Feld angelegt wird, die Dicke des piezoelektrischen Elements 2 reduziert, und das Abmaß in einer Richtung senkrecht zu der Polarisation wird ver größert. Es wird demzufolge eine Verformung verursacht, das heißt das piezoelektrische Element 2 wölbt sich nach außen. Aufgrund des vorhergehend gesagten, wird das Volumen der Druckkammer 10 vergrößert. Wenn die Elektroden kurzge schlossen sind, um die elektrische Ladung zu beseitigen, wird die Druckkammer 10 elastisch kontrahiert. In diesem Fall ist die elastische Rückführungskraft bei der Anfangs stufe hoch, so daß dieser Typ vorteilhaft ist, wenn eine hohe Beschleunigung erforderlich ist. Dieser Typ ist gut bekannt als ein Freigabetyp (release type) auf dem Gebiet der elektromagnetischen Antriebsmechanismen.

Fig. 9 zeigt eine schematische Darstellung, die einen Zustand veranschaulicht, bei dem das plattenförmig gestal tete Verbundteil 1, welches beide Seitenwände der Druckkam mer 10 festlegt, durch den Zweielement-Effekt (bimorph ef fect) verformt wird, und zwar bei dem zweiten Beispiel, welches in Fig. 5 veranschaulicht ist.

Wenn das plattenförmig gestaltete Verbundteil 1 durch den Zweielement-Effekt verformt wird, wird die Gesamtober fläche zu einer kugelförmigen Fläche. Jedoch ist eine Flä che (die untere Fläche bei diesem Beispiel) an der statio nären Wand 4 befestigt (in Fig. 5 gezeigt). Daher wird, wie in Fig. 9 dargestellt ist, das Zentrum nach innen zu expan diert, so daß die Druckkammer 10 kontrahiert wird. Jedoch wird im Einklang mit einer Erhöhung des Innendruckes auf die Wand eine Kraft in der nach außen gerichteten Richtung ausgeübt, so daß der Rand nach außen vorgedrückt wird. Da her wird der zuvor erwähnte Effekt der Kontraktion vermin dert. Zur Verhinderung dieses Verlustes ist es wirkungs voll, einen Rahmen 16 vorzusehen, wie dies in Fig. 10 ver anschaulicht ist, so daß der Randabschnitt daran gehindert wird, nach außen vorzuspringen. Es ist zu bevorzugen, daß die Steifigkeit eines Klebemittel-Agens, um diesen Rahmen 16 mit dem plattenförmig gestalteten Verbundteil 1 zu ver binden, angenähert gleich ist der Steifigkeit des piezo elektrischen Elements 2. Jedoch ist im Falle eines organi schen Klebemittel-Agens die Steifigkeit niedrig, das heißt der longitudinale Elastizitätsmodul liegt im Bereich von 1 bis 4 × 10¹⁰ (N/m²). Andererseits ist die Steifigkeit von Metall höher als die Steifigkeit des piezoelektrischen Ele ments 2, wobei der longitudinale Elastizitätsmodul des pie zoelektrischen Elements 2 bei 60 × 10¹⁰ (N/m²) liegt. Bei spielsweise beträgt der longitudinale Elastizitätsmodul von Nickel gleich 20 × 10¹⁰ (N/m²), was dreimal so hoch ist als der longitudinale Elastizitätsmodul des piezoelektrischen Elements 2. Aus den oben erläuterten Gründen wird eine Nic kel-Plattierung weitläufig verwendet und es gibt verschie dene Techniken, um die Nickelplattierung zu erzeugen. Es ist effektiv die Technik der Nickel-Plattierung zu verwen den, so daß der gleiche Effekt wie derjenige des Rahmens 16 durch die Nickel-Plattierung erzeugt werden kann. Wenn die Nickel-Plattierung gewählt wird, ist es möglich, das Ver fahren der elektrofreien Plattierung zu verwenden als auch das Verfahren der elektrolytischen Plattierung anzuwenden. Wenn die gesamte Innenseitenfläche der Druckkammerseite der Plattierung unterworfen wird, ist es möglich, den Rand des Öffnungsabschnitts (Abschnitt C in Fig. 9) daran zu hin dern, nach außen vorzuragen. Es ist daher möglich, nahezu die gesamte Krümmung auszunutzen, die durch den Zweiele ment-Effekt geschaffen wird.

Claims

1. Tintenstrahlkopf mit piezoelektrischem Antrieb, mit

1. einer Vielzahl von jeweils eine Düse (11a) aufweisenden Druckkammern (10), deren Volumen zum Aufnehmen und Abgeben von Tinte veränderbar ist,
2. einem Paar von einander gegenüberliegenden, einen platten förmigen Verbund bildenden planflächigen Verbundtei len (1), die gegenüberliegende Wandungen einer Druckkam mer (10) bilden und deren Grenzflächen zwischen den ein zelnen Teilelementen (2, 5, 6) in zu den der Druckkam mer (10) zugewandten Flächen der Wandungen parallelen Ebe nen liegen, wobei jedes Verbundteil (1) einen aktivierten Abschnitt eines piezoelektrischen Elements (2) umfaßt, das durch Aufbringen einer elektrischen Spannung verformt wird, und einen nicht aktivierten Abschnitt, der aus einem von dem des aktivierten Abschnittes verschiedenen Material gebildet ist und eine Elektrode (5, 6) enthält zum Aufbrin gen der elektrischen Spannung auf das piezoelektrische Element (2), und wobei die Verbundteile (1) eines Paares zur Volumenänderung der Druckkammer (10) in entgegenge setzten Richtungen verformt werden,

dadurch gekennzeichnet,

1. daß ein Verhältnis der Dicke (h₂) des nicht aktivierten Abschnitts zu der Dicke (h₁) des aktivierten Abschnitts des piezoelektrischen Elements (2) in einem Bereich von 0.3 ≦ h₂/h₁ ≦ 0.8 liegt,
2. daß der longitudinale Elastizitätsmodul (E₁) des aktivier ten Abschnitts des piezoelektrischen Elements (2) kleiner ist als der longitudinale Elastizitätsmodul (E₂) des nicht aktivierten Abschnitts,

wobei die Verformung des Verbundteiles (1) als Krümmung aus der planflächigen Gestalt durch einen Bimorph-Effekt zwi schen dem aktivierten Abschnitt des piezoelektrischen Ele ments (2) und dem nicht aktivierten Abschnitt hervorgerufen wird.

2. Tintenstrahlkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen benachbarten Druckkammern (10) ein Hohlraum (7) ausgebildet ist.

3. Tintenstrahlkopf nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei weitere einander gegenüberliegende Wandungen der Druckkammer (10) durch ein Wandelement (4) und einem diesem gegenüberliegenden Verbindungsteil (9) gebildet sind.

4. Tintenstrahlkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß gilt:
min(E₁ . h₁ ²/χ₁ . L⁴, E₂ . h₂ ²/χ₂ . L⁴) ≧ 345 . x²
worin bedeuten,
E₁ = longitudinaler Elastizitätsmodul des aktivierten Abschnitts (N/m²)
E₂= longitudinaler Elastizitätsmodul des nicht-aktivierten Abschnitts (N/m²)
χ₁ = Dichte des aktivierten Abschnitts (kg/m³)
χ₂ = Dichte des nicht aktivierten Abschnitts (kg/m³)
h₁ = Dicke des aktivierten Abschnitts (m)
h₂ = Dicke des nicht aktivierten Abschnitts (m)
L = Länge zwischen dem Wandelement (4) und dem Verbindungsteil (9) in Richtung von d₃₁ des piezoelektrischen Elements (2) (m)
x = Periode des Tintenausstoßes (Hz)

5. Tintenstrahlkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Klebeteil (12), dessen Material von den Materialien der Verbundteile (1) und des Verbindungsteiles (9) verschie den ist, zum Verbinden der Verbundteile (1) und des Verbin dungsteiles (9) vorgesehen ist, und daß gilt.
1.0 . 10⁹ ≦ E₄ ≦ 10.0 . 10⁹
10 ≦ h₄ ≦ 100
worin bedeuten,
E₄ = longitudinaler Elastizitätsmodul des aktivierten Klebeteiles (12) (N/m²)
h₄ = Dicke des Klebeteiles (12) (µm)

6. Tintenstrahlkopf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Klebeteil (12) ein Klebemittel oder ein Trocken film-Resistmaterial verwendet ist.

7. Tintenstrahlkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Druckkammer (10) ein gesondertes Verbindungs teil (9) aufweist, oder daß alternativ die Verbindungs teile (9) benachbarter Druckkammern (10) bereichsweise ver bunden sind.

8. Tintenstrahlkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Wandelement (4) aus dem gleichen piezoelektrischen Element (2) gebildet ist wie dasjenige des aktivierten Ab schnitts.

9. Tintenstrahlkopf nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der aktivierte Abschnitt und das Wandelement (4) ein stückig aus einem piezoelektrischen Block durch Ausbilden einer Nut hergestellt sind.

10. Tintenstrahlkopf nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß gilt:
300 . 10^-6 ≦ L ≦ 700 . 10^-6
worin bedeuten,
L = Länge zwischen dem Wandelement (4) und dem Verbindungsteil (9) in Richtung von d₃₁ des piezoelektrischen Elements (2) (m)

11. Tintenstrahlkopf nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß gilt:
20 . 10^-6 ≦ h₁ ≦ 80 . 10^-6
worin bedeuten,
h₁ = Dicke des aktivierten Abschnitts des piezoelektrischen Elements (2) (m)

12. Tintenstrahlkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (6) durch einen Plattierungsvorgang auf dem piezoelektrischen Element (2) in dem aktivierten Ab schnitt gebildet ist.

13. Tintenstrahlkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (6) durch einen Dampfniederschlagungspro zess auf dem piezoelektrischen Element (2) in dem aktivier ten Abschnitt gebildet ist.

14. Tintenstrahlkopf nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß gilt:
h₂ . E₂/(h₁ . E₁) ≧ 0.05
worin bedeuten,
E₁ = longitudinaler Elastizitätsmodul des aktivierten Abschnitts
E₂ = longitudinaler Elastizitätsmodul des nicht aktivierten Abschnitts
h₁ = Dicke des aktivierten Abschnitts
h₂ = Dicke des nicht aktivierten Abschnitts

15. Tintenstrahlkopf nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Metallfilm (6) auf der einen Seite des akti vierten Abschnitts des piezoelektrischen Elements (2) eine nicht-aktivierte Schicht bildet, daß ein zweiter Metall film (5) mit gegenüber der Dicke des ersten Metallfilms(6) unterschiedlicher Dicke auf der anderen Seite des aktivier ten Abschnitts eine nicht-aktivierte Schicht bildet, wobei ein Bimporph-Effekt zwischen dem aktivierten Abschnitt und dem nicht aktivierten Abschnitt durch die Dickendifferenz zwischen den beiden nicht-aktivierten Schichten erzeugt wird.

16. Tintenstrahlkopf nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des ersten Metallfilms (6), der außerhalb der Druckkammer (10) vorgesehen ist, klein ist, daß die Dicke des zweiten Metallfilms (5), der innerhalb der Druckkam mer (10) vorgesehen ist, groß ist, wobei zur Volumenvermin derung der Druckkammer (10) eine elektrische Ladung zwischen den beiden Metallfilmen (5, 6) injiziert wird.

17. Tintenstrahlkopf nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des ersten Metallfilms (6), der außerhalb der Druckkammer (10) vorgesehen ist, groß ist, daß die Dicke des zwei ten Metallfilms (5), der innerhalb der Druckkammer (10) vorgesehen ist, klein ist, wobei zur Volumenvergrößerung der Druckkammer (10) eine elektrische Ladung zwischen den beiden Metallfilmen (5, 6) injiziert wird.