DE3427850A1

DE3427850A1 - Farbstrahlkopf

Info

Publication number: DE3427850A1
Application number: DE19843427850
Authority: DE
Inventors: Kyuhachiro Fujisawa Kanagawa Iwasaki; Tetsuo Tokio/Tokyo Yamamuro
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1983-07-27
Filing date: 1984-07-27
Publication date: 1985-02-28
Also published as: US4588998A; US4700203A; DE3427850C2

Description

Anwaltsakte: 33 6 27

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Farbstrahlkopf/ der an einer Farbstrahl-Aufzeichnungseinrichtung zum Ausstoßen von Farbtröpfchen angebracht ist, und betrifft insbesondere einen Farbstrahlkopf der Art, bei welchem ein piezoelektrisches hochmolekulares Material verwendet wird, um ein Element zum Verdichten von Farbe in einer Farbkammer zu bilden.

Es sind bereits verschiedene Arten von Farbstrahlköpfen für eine Verwendung in Verbindung mit einer Farbstrahl-Auf zeichnungseinrichtung vorgeschlagen worden. Bei einem üblichen Farb"strahlkopf wird ein piezoelektrisches Keramikelement als Element zum Verdichtenvon Farbe in einer Farbkammer verwendet. Die Schwierigkeit bei dieser Art Farbstrahlkopf besteht darin, daß das piezoelektrische Element und somit ein Farbverdichtungsabschnitt, in welchem das piezoelektrische Element angeordnet ist, eine beträchtliche Fläche belegt, wodurch die Ausführung eines Mehrdüsen-Kopfes behindert wird. Bei anderen bisher vorgeschlagenen Farbstrahlköpfen wird die Wirkung eines elektrischen oder eines magnetischen Feldes oder auch die Wirkung von Blasen ausgenutzt. Der mit einem elektrischen oder einem Magnetfeld arbeitende Farbstrahlkopf erfordert jedoch für den Betrieb eine verhältnismäßig hohe Ansteuerspannung, und folglich kann die hierfür zugeordnete Ansteuersschaltung in ihrer Größe nicht unter einem bestimmten Grenzwert verkleinert werden. Die Farbstrahlköpfe, bei welchen die Wirkung von Blasen ausgenutzt wird, weisen dagegen eine geringe Lebensdauer auf, da Blasen durch thermische Impulse wiederholt erzeugt werden müssen.

Im allgemeinen werden mittels eines Farbstrahlkopfes Farbtröpfchen dadurch ausgestoßen, daß das Volumen einer Farbkammer entsprechend Drucksignalen verringert wird, d.h. daß

Farbe in der Farbkammer verdichtet wird. In jüngster Zeit ist ein Versuch mit einem piezoelektrischen hochmolekularen Material gemacht worden, um eine Farbverdichtungskammer für einen Farbstrahlkopf auszubilden. Das piezoelektrische hochmolekulare Material wird oft aus Kopolymeren wie Polyvinyliden-Fluorid , Polyvinylfluorid, Polyvinylchlorid, Vinyliden-Fluorid und Ethylen-Trifluorid ( Poly - VDF ' TrFE), aus hochmolekularen piezoelektrischen Verbindungen, wie PVDF/PZT, Kautschuk/PZT, Polyacetal/Kautschuk/PZT und Epoxy/PZT, usw.

ausgewählt. Diese piezoelektrischen hochmolekularen Substanzen sind infolge ihrer vorteilhaften physikalischen Eigenschaften, wie Biegsamkeit, eine erwünschte Anpassung an eine gewölbte Ausführungsform, ein leichtes Formen zu einer dünnen Folie, eine Vergrößerung und ein' leichte.s Gewicht wirksam als ein Material für ein Farbverdichtungselement eines Farbstrahlkopfes verwendbar. Im Unterschied hierzu sind anorganische piezoelektrische Elemente hart und ziemlich empfindlich bezüglich dynamischen Änderungen.

Gemäß der Erfindung soll daher eine kleindimensionierte Mehrkopfausführung eines Farbstrahlkopfes durch Verwendung eines piezoelektrischen, hochmolekularen Materials geschaffen werden, um ein Teil zu bilden, das für oder in einer Farbverdichtungskammer verwendbar ist. Ferner soll gemäß der Erfindung ein Farbstrahlkopf geschaffen werden, welcher sich für eine Massenproduktion eignet. Ferner soll ein Farbstrahlkopf geschaffen werden, welcher mit verhältnismäßig niedrigen Spannungen betriebbar ist und zumindest empfindlich bezüglich eines (dielektrischen) Durchbruchs ist. Ferner soll gemäß der Erfindung ein Farbstrahlkopf geschaffen werden, bei welchem eine minimale Belastung auf ein Substrat zugelassen wird, welches dazu verwendet wird, eine Farbverdichtungseinrichtung aus einem piezoelektrischen, hochmolekularen Material bzw. einer entsprechenden Substanz zu tragen, wenn die Farbverdichtungseinrichtung für einen Farbausstoß verschoben wird.

Gemäß der Erfindung ist dies bei einem Farbstrahlkopf nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 erreicht. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Durch die Erfindung ist somit ein insgesamt verbesserter Farbstrahlkopf geschaffen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist ein Mehrdüsen-Farbstrahlkopf gemäß der Erfindung zum Verdichten von Farbe, um Farbtröpfchen auszustoßen, ein Gehäuse, eine Anzahl in dem Gehäuse festgelegter Farbkammern, eine Anzahl Düsen, die in dem Gehäuse in einer vorbestimmten Kammer festgelegt und angeordnet sind und mit den zugeordneten Farbkammern in einem Verhältnis von eins-zu-eins in Verbindung stehen, und Farbverdichtungselemente auf, die jeweils den Farbkammern zugeordnet sind, um Farbe in den Farbkammern entsprechend einer angelegten Spannung durch Ausdehnen und Zusammenziehen zu verdichten. Die Farbverdichtungselemente sind aus einem piezoelektrischen hoch-²^ molekularen Material oder einer entsprechenden Substanz hergestellt.

Gemäß der Erfindung ist ein Farbstrahlkopf zum Verdichten von Farbe in einer Farbkammer vorgesehen, um einen Farbtropfen aus einer Düse auszustoßen. Eine Farbverdichtungseinrichtung, um entsprechend einer angelegten Spannung die Farbe in der Farbkammer durch Ausdehnen und Zusammenziehen zu verdichten, ist aus einer piezoelektrischen hochmolekularen Substanz hergestellt. Die Farbverdichtungseinrichtung weist eine einzige dünne Folie aus Pölyvinyliden-Fluorid (PVDF) oder aus zwei PVDF-Folien auf, die zu einem Zweielementenaufbau verbunden sind. In einer vorbestimmten Richtung sind eine Anzahl Düsen angeordnet. Die PVDF-Folie dehnt sich in einer Richtung aus und zieht sich wieder zusammen, welche parallel zu der Anordnungsrichtung der Vielfachdüsen verläuft.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Teil einer Schnittansicht eines Farbstrahlkopfes gemäß der Erfindung, bei welchem eine Folie aus piezoelektrischem/ hochmolekularem Material als ein Farbverdichtungselement verwendet ist;
10

Fig. 2 und 3 Diagramme, in welchen das Prinzip der Arbeitsweise der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform wiedergegeben ist;

Fig. 4 bis 8 Kurvendarstellungen, wobei eine Beziehung

zwischen einer Länge der in Fig. 1 bis 3 dargestellten, piezoelektrischen hochmolekularen Folie und einem Produkt aus einem effektivem Wirkungsgrad und einer Länge einer hochmolekularen Folie bezüglich verschiedener

an das Farbverdichtungselement angelegter Spannungen wiedergegeben ist;

Fig. 9 eine Teilansicht einer Ausführungsform eines Mehrdüsen-Farbstrahlkopfs gemäß der Erfin

dung, bei welchem eine piezoelektrische, hochmolekulare Folie als ein Farbverdichtungselement verwendet ist;

Fig. 10A und 10B Diagramme, in welchen Expansions- und

Kontraktionsrichtungen der piezoelektrischen hochmolekularen Folie dargestellt sind, welche durchgebogen wird, wie in Fig. 9 dargestellt ist;
35

Fig. 11A und 11B Schnitte, welche vertikale Verschiebungen

der piezoelektrischen, hochmolekularen,

- 10 -

in Fig. 10A bzw. 10B dargestellten Folien

wiedergeben;

Fig. 12 einen Teil einer perspektivischen Ansicht/ in welcher ein Verfahren zum Herstellen eines

Farbstrahlkopfes gemäß der Erfindung dargestellt ist;

Fig. 13 eine ins einzelne gehende Ansicht eines in Fig. 12 dargestellten Teils D;

Fig. 14A und 14BAnsichten, in welchen ein Verfahren zum Herstellen eines Färbstrahlkopfes gemäß der Erfindung dargestellt ist; 15

Fig. 15 einen Teilschnitt durch eine Ausführungsform eines Farbstrahlkopfes, in welchem eine bimorphe/ piezoelektrische, hochmolekulare Folie als Farbverdichtungselement verwendet ist;

Fig. 16 und 17 Diagramme, anhand welcher das Grundprinzip

der in Fig. 15 dargestellten Ausführungsform gezeigt ist;
25

Fig. 18 bis 21 Kurvendarstellungen, in welchen eine Bezie-

hund zwischen einer Länge einer neutralen bzw. Null-Linie der in Fig. 15 bis 17 dargestellten, bimorphen Folie und ein Produkt aus einem Wirkungsgrad und einer Länge einer

hochmolekularen Folie bezüglich verschiedener Spannungen wiedergegeben ist;

Fig. 22 eine Teilansicht einer Ausführungsform eines Mehrdüsen-Farbstrahlkopfes gemäß der Erfindung,

bei welchem eine bimorphe, piezoelektrische

- 11 -

P A Λ fr A Λ

hochmolekulare Folie als ein Farbverdich-

tungselement verwendet ist;

Fig. 23 eine ins einzelne gehende Darstellung eines in Fig. 22 dargestellten Teils D;

Fig. 24A bis 25B Darstellungen von verschiedenen Verfahren

zum Herstellen von Farbstrahlköpfen gemäß der Erfindung, und
10

Fig. 26 bis 31 Darstellungen von verschiedenen verbesserten Abwandlungen der Ausführungsformen gemäß der Erfindung.

Anhand von Fig. 1 wird^zuerst die grundsätzliche Arbeitsweise eines Farbstrahlkopfes der Art beschrieben, bei welcher eine piezoelektrische, hochmulekulare Substanz bzw. ein entsprechendes Material für die Farbverdichtungseinrichtung verwendet ist. Wie inFig. 1 dargestellt, weist ein Farbstrahlkopf 10 ein Gehäuse 16 mit einer Düse 14 zum Ausstoßen eines Farbtröpfchens 12 auf. Das Gehäuse 16 weist im Inneren eine Farbkammer 18 " auf. Ein Farbverdichtungselement 20 bildet einen Teil der Wandung des Gehäuses 16 und weist eine Folie aus einer piezoelektrisehen, hochmolekularen Substanz, wie beispielsweise Polyvinyliden-Fluorid (PVDF) auf. Damit Farbe in der Farbkammer 18 verdichtet werden kann, um den Tropfen 12 auszustoßen, muß die wirksame Verschiebung im wesentlichen gleich dem Volumen des Tropfens 12 sein. Wenn beispielsweise der Farbtropfen 12 aus einer Düse ausgestoßen werden soll, die etwa 50um χ 50μπι bemessen ist, muß eine wirksame Verschiebung betragen:

wobei Vo das Volumen des Tropfens 12 ist. P.ies wird im einzelnen nachstehend noch beschrieben). Folglich wird in dem Farbstrahlkopf 10 ein wirksamer Farbausstoß ent-

- 12 -

sprechend der Größe einer wirksamen Verschiebung erreicht, wie nachstehend noch beschrieben wird.

In Fig. 1 ist der Krümmungsmittelpunkt/ der festgelegt ist, wenn die PVDF-Folie 20 durchgebogen ist/ mit O bezeichnet, während der Krümmungsradius mit OA = OB (= R) und die Sehne durch AB (=a) bezeichnet ist. Die Abbildung einer vertikalen Linie, die von dem Mittelpunkt O zu der Sehne AB verläuft, ist an ihrem unteren Ende mit H bezeichnet, und die Verbindung der Verlängerung der Linie OH über die Sehne AB hinaus ist mit P bezeichnet. Die Dicke der gewölbten PVDF-Folie 20 ist mit t bezeichnet. Wenn eine Spannung V an die PVDF-Folie 20 angelegt wird, kann die Querwirkung, d.h. die Wirkung der piezoelektrischen Konstante d₃₁ in eine vertikale oder dickenmäßige Verschiebung umgesetzt werden. Das heißt, der Punkt P in dem mittleren Teil der Wölbung der Folie 20 wird zu einem Punkt Q verschoben. Die Verschiebung PQ des mittleren Teils der Wölbung soll Δ R sein, und die Form vor der Verschiebung soll ein Kreisbogen mit einem Radius R sein und geht nach der Verschiebung bzw. Versetzung in eine Kurve zweiten Grades über. Die Verschiebung oder Versetzung 4 R ist danr_£gegeben durch

3 V

AR = R dsi · -

2 t (D

Aufgrund der durch das Anlegen einer Spannung hervorgerufenen Verschiebung oder Versetzung δ R wird bei der Erfindung Farbe in der Kammer 18 verdichtet, um den Farbtropfen 12 auszustoßen.

Die Gl. (1) gilt, wenn 9,75°< α < 90° ist, wobei α der Winkel ist, welcher dem Kreisbogen APQ entspricht. Wenn d .. = 40PC/N ist und wenn eine PVDF-Folie verwendet wird, welche t = 20um dick ist, wird die folgende Gleichung erhalten:

AR Um) = 3X10" R (^m) -V (Volt) ^₂) ^ _

Aus der Gl. (2)1st zu ersehen, daß für eine größere Verschiebung ^R eine Wölbung mit einem größeren Krümmungsradius erwünscht ist. Da der Krümmungsradius R = (a/2) /sin(d /2) ist, ist der Maximalwert von R, wenn a=9,75° ist

R = (a/2) / sin 4,875° (3)

Wenn die effektive Verschiebung Veff ist, kann dies als ein Produkt einer Verschiebungsfläche /J S, welche in Fig.1 durch AQBPA festgelegt ist, und der Länge 1 der PVDF-Folie 20 ausgedrückt werden, welche, wie in Fig.2 dargestellt, in einer zu der Sehne AP senkrechten Richtung durchgebogen ist, d.h. /^ Veff = η . _4 S . 1. Hieraus folgt, daß Farbe ausgestoßen wird, wenn die vorher angegebene Beziehung realisiert ist, d.h.:

⁴ ,⁷⁰N. f 3 ϊ

Δ Veff = 77-AS- A = «X( )' (/*" )

3 2 (4)

Um die wirksame Verschiebung Veff zu berechnen, muß zuerst die Verschiebungsfläche ^ S berechnet werden. Zum leichteren Verständnis dieser Rechnungen werden Koordinaten (X, Y) angenommen, deren Ursprung durch den Krümmungsmittelpunkt O festgelegt ist, wie in Fig.3 dargestellt ist. Die Kurve zweiten Grades AQB und der Kreisbogen APB werden aus den Koordinaten erhalten, und aus der Kurve AQB und dem Bogen APB wird die Verschiebungsfläche J^ S erhalten. Wenn der Abstand zwischen der Mitte der Sehne AB und der Mitte des Bogens APQ

b ist, ist die Verschiebungsfläche Λ S gegeben durch: 30

AS = — (3R+2AR-b)
3

-R² { + — /l-

2 2rV

{/l(NcOSH -2 2rV 2R 2R

(5)

In Fig.1 gilt bezüglich der Größen a, b und R eine Beziehung

- 14 -

b(2R-b) = (a/2)², d.h. b = R 41 - <J\ - (a/2R)"^aV (0<b<R) . Durch Einsetzen der Beziehung für b in die Gl.(5) ergibt sich:

6 ^w 2R (6)

2 2R

Die Werte a., R und ^ R sind notwendig, um^ S zu erhalten. Wenn die Länge a der Sehne bekannt ist., ergibt sich aus Gl. (2) die Größe R, so daß die Gl. (2) /J R als eine Funktion der Spannung liefert. Auf diese Weise kann durch Ersetzen gegebener Werte für a, R und J^ R für die Werte in Gl. (6) , ^S zu erhalten, und durch deren Ersetzen für die Größen in der Gl.(4) der Zustand für Farbe, die bei einer Verdichtung über die spezifische Länge a einer Sehne auszustoßen ist, in Form einer Beziehung zwischen V, η und 1 bestimmt werden.

Beispiel

Wenn die Länge a der Sehne AB 170|im ist, dann wird aus Gl. (3) erhalten:

R = (170/2) / sin 4,875° = 1000.210μπι und aus Gl.(2) wird erhalten:
/\ R (um) = 3,00063 χ 10~³V (Volt) Durch Einsetzen in Gl.(6) ergibt sich:

/^S= (3,401 x 10"¹V - 0,198) um² .

Durch Einsetzen in die Gl.(4) ergibt sich für den Farbausstoßzustand zum Zeitpunkt einer Farbverdichtung 1)1 (3,401 χ 10"¹V - 0,198) = 179600 (μπι³)

Wenn die angelegte Spannung V 50 Volt ist, dann ist ηΐ = 10,69mm. Die Beziehung zwischen dem effektiven Wirkungsgrad Ij und der Länge 1 ist in Tabelle 1 dargestellt. In Tabelle 1 sind a gleich 170 μπι, V gleich 50 Volt, d₃₁ gleich 40PC/N und t gleich 10 um. In diesem Fall ist der anfängliche Krümmungsradius 1,00 mm. die Verschiebung /J R des mittleren

- 15 -

»Aft

Teils beträgt 0,150 μπι, wenn die angelegte Spannung 50 Volt ist.

Tabelle 1

	& (mo)
*n(%)*	1 0.7
1 0 0	2 1.4
50	4 2.7
25

In Fig. 4 bis 8 sind Kurven dargestellt, welche eine Beziehung zwischen dem Produkt aus dem effektiven Wirkungsgrad ij und der Länge 1 und der Länge a der Sehne AB bezüglich verschiedener Spannungen wiedergeben. In all diesen Kurven ist d_. gleich. 40 PC/N und t gleich 20 μπι. Tabelle 2 zeigt die Verschiebung /^ R des mittleren Teils und das Produkt aus dem effektiven Wirkungsgrad η und der Länge 1 bezüglich verschiedener Werte der Länge a der Sehne AB, des Krümmungsradius R, des Abstands b zwischen der Mitte der Sehne AB und der Mitte des Bogens ABQ und der angelegten Spannung V. Durch ein solches Ansteuern der durchgebogenen PVDF-Folie 20 durch Anlegen einer Spannung ist es möglich, Farbe zu verdichten, um dadurch einen Tropfen auszustoßen. Durch Verringern der Dicke t der Folie 20 kann die Spannung V proportional erniedrigt werden.

- 16 -

- 16 Tabelle

	I ·	ι	R (mn)	I b(Am)	V(VoIt]	> 1!AR(Am)	I H I
	70 #m	0.41	1.49	200	0.25	15.Sun
				"100	0.12	31.3nm
	170 Am	1.00	3.62	100	0.30	5.3 ns
				50	0.15	10.7m
	230Am	1.35	4.90	75	0.30	3.9no
				50	H 0.20	5. 8dtd
	340Am	2.00	7.24 .	30	Ο 0.18	4.5mm
				20	0.12	6.7nn
				10	Q, 06	13.9nn
	400 Am	2.35	8.51	30	0.21	3. 2DD
				20	0.14	4.9mo
				10	0.07	lO.Omra
	500Am	2.94	10.6	30	0.26	2.1mm
				20	0.18	3. Inn
				10	D 0.09	6. 4DID
	1.0 no	5.88	21.3	20	0.35	0.78m
				10	0.18	1.6nn
				5	0.09	«J. οΠΠ
	5.0 mn	29.4	106	•20	1.77	31 μ m
				10	0.88	64 μ m
				5	0.44	134 μ m
	7.5 Do	44.1	160	10	1.32	28 μ m
				5	0.66	59 μ m
1	0.0 mn	58.8	213	10	1.77	16μ m
				5	0.88	33 μ m
	0.0 no	118	426	10	3.53	4μ m
		' ⁵ I	1.77	8μ m

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In Fig.9 ist eine Ausführungsform eines Mehrdüsen-Farbstrahlkopfes gemäß der Erfindung dargestellt, bei welchem eine PVDF-Folie verwendet ist. Wie dargestellt, ist der Farbstrahlkopf so ausgeführt, daß Mehrfachdüsen nebeneinander entlang der Querschwingungsrichtung der PVDF-Folie 20, d.h. in Richtung der in Fig.2 dargestellten Linie AB angeordnet sind.

Im allgemeinen ist es in einem Mehrdüsen-Farbstrahlkopf der für Drucken mit hohem Auflösungsvermögen ausgelegt ist, nicht möglich, eine Farbkammer großer Breite in einer Richtung senkrecht zu der Farbströmungsrichtung vorzusehen. Beispielsweise kann bei einem Farbstrahlkopf mit einem Auflösungsvermögen von 8 Punkten/mm die Breite im Fall einer eindimensionalen Mehrfachdüsenanordnung nicht größer als 70μΐη sein, oder im Falle einer versetzten Mehrfachdüsenanordnung etwa 170μΐη oder im Falle einer vierlagigen Mehrfachdüsenanordnung etwa 400μπι sein. In den Farbkammern, welche eine derart genaue Ausbildung erfordern, sind die piezoelektrischen, hochmolekularen Folien so auszurichten, daß sie in derselben Richtung oder parallel zu der Anordnungsrichtung der Düsen expandieren und kontrahieren, wie in Fig.9 dargestellt ist. Wenn jede der Mehrfachdüsen etwa 400μπι breit ist, wird ein Fall, bei welchem die Expansions- und Kontraktionsrichtung der gewölbten, piezoelektrischen, hochmolekularen Folie parallel zu der Anordnung der Düsen, und ein Fall, in welchem diese Richtung senkrecht zu der Folie verläuft, wird nunmehr im Gegensatz zu dem Standpunkt eines Verschiebungswirkungsgrads besprochen, welcher für das Ausstoßen von Farbtropfen notwendig ist.

In Fig.1OA ist der Fall dargestellt, bei welchem die Expansion und Kontraktion der Folie 20 in einer Richtung parallel zu der Anordnung der Düsen auftritt, während in Fig.10B der andere Fall dargestellt ist, bei welchem dies in einer Richtung senkrecht zu der Anordnung der Düsen eintritt. Bezüglich der Zahlenangaben in diesen Figuren ist zu sagen, daß

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die piezoelektrische hochmolekulare Folie 20 oder 22 eine PVDF-Folie mit einer Dicke von 20μΐη und einem piezoelektrischen Modul d_₁ von 40PC/N aufweist, und daß die Ausführungswerte aus der Tabelle 2 in der Weise ausgewertet sind, um einer Verschiebung oder Versetzung zu genügen, die für ein Ausstoßen von Farbtröpfchen erforderlich ist. Mit dem Bezugszeichen 24 ist eine Farbzufuhrbahn bezeichnet.

Wenn die Expansion und Kontraktion der PVDF-Folie in einer Richtung parallel zu der Düsenanordnung erfolgt, beträgt der Abstand PH für eine Spannung von 30 V 8,5μΐη, und der Wirkungsgrad etwa 16%. Wenn dies dagegen in einer Richtung senkrecht zu der Düsenanordnungsrichtung erfolgt, beträgt der Abstand PH für eine Spannung von 10 V 106μπι und der Wirkungsgrad etwa 16%. Während in dem zuerst erwähnten Fall die Länge AA' der PVDF-Folie senkrecht zu der Expansions-Kontraktionsrichtung offen zu wählen ist, wird sie in dem an zweiter Stelle erwähnten Fall ausschließlich durch die Breite der Farbverdichtungskammer 16 bestimmt. Wenn eine Spannung an die PVDF-Folie 20 und 22 angelegt wird, welche in Fig.10A und 10B dargestellt sind, um vertikale Verschiebungen (A R) durch eine Quervibrationswirkung (d.,..) hervorzurufen, erfahren die Folien 20 und 22 vertikale Verschiebungen, wie in Fig.11A bzw. 11B dargestellt ist. Da insbesondere bei der in Fig.10A dargestellten Ausführung die Linie A A' ausreichend lang ausgelegt ist, ist eine ausreichende Länge für die vertikale Verschiebung (/} R) sichergestellt, wie in Fig.11A dargestellt ist. Im Unterschied dazu ist die Linie AA' und somit die vertikale Verschiebung bei der in Fig.10B dargestellten Ausführung sehr kurz, wodurch sich eine Verschlechterung der Verschiebungswirkung ergibt. Dies wird insbesondere im Falle einer versetzten Mehrfachdüsen-Anordnung schwierig, da jede Farbkammer etwa 170μΐη breit ist, und wird auch bei einer eindimensionalen Mehrfachdüsenanordnung schwierig, da eine Farbkammeretwa 70μπι breit ist.

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Aus den vorstehend angeführten Gründen ist in einem Farbstrahlkopf mit hoher Auflösung, in welchem die zulässige Breite einer Farbkammer ziemlich gering ist, eine Voraussetzung die, daß die durchgebogene, piezoelektrische Folie in einer solchen Weise auszurichten ist, daß sie in einer Richtung parallel zu der Düsenanordnung expandieren und kontrahieren kann. Ein Beispiel eines Verfahrens zupi Herstellen eines Farbstrahlkopfes der oben beschriebenen Art ist in Fig.12 dargestellt. Einzelheiten eines mit D bezeichneten Teils des Farbstrahlkopfes der Fig.12 sind in Fig.13 dargestellt. Wie dargestellt, weist der Farbstrahlkopf eine Unterlage 26 mit einem gewölbten Teil 26a auf. Eine leitende Schicht 28 ist auf dem gewölbten Unterlagenteil 26a aufgebracht, während eine dünne PVDF-Folie oder -Schicht 30 auf der leitenden Schicht 28 un-d der Unterlage 26 und nicht unmittelbar auf dem gewölbten Teil 26a ausgebildet ist. Ferner sind eine leitende Schicht 32 und eine schützende Deckschicht 34 übereinanderliegend auf der PVDF-Folie oder -Schicht 30 aufgebracht. Ein derartiger Farbstrahlkopf kann iⁿ folgenden Schritten hergestellt werden:

(1) Die Unterlage 30 ist aus Glas, Harz oder einem ähnlichen nichtleitenden Material gebildet;

(2) eine Photolackabdeckung u.a. wird auf der Unterlage 26 außer in den Bereichen aufgebracht, wo Elektroden und Leitungen vorgesehen sind.

(3) Ein leitendes Material, wie Aluminium (Al) wird auf die Unterlage 26 aufgedampft, um Elektroden (leitende Schichten) und Leitungen auszubilden (was nicht dargestellt ist).

(4) Eine piezoelektrische PVDF-Folie oder -Schicht die durch ein einaxiales Dehnen bei niedriger Temperatur und durch eine Polarisation aufbereitet ist, wird aufgeklebt, um die piezoelektrische PVDF-Schicht 30 zu bilden.

(5) Ein leitendes Material, wie Al, wird durch Verdampfen aufgebracht, um die leitende Schicht 32 zu bilden.

(6) Die schützende Deckschicht 34 wird durch einen CVD-Prozeß oder ein ähnliches Verfahren unter Verwendung von SiO,,, Si^N- oder einer anderen geeigneten farbresistenten Substanz

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1 aufgebracht.

(7) Schließlich wird das Gehäuse 16, das durch Ätzen von photoempfindlichem Glas vorbereitet worden ist, um die Düsen 14, die Farbkammer 18, den Farbzuführabschnitt 24 usw. aus-

5zubilden, durch mechanische Mittel oder durch chemische Mittel, wie Aufkleben, fest mit der schützenden Deckschicht verbunden, so daß die Farbkammern 18 den leitenden Schichten 28 in einem Verhältnis von eins-zu-eins gegenüberliegen.

lOEin weiteres mögliches Verfahren, den betreffenden Farbstrahlkopf herzustellen, ist in Fig.14A und 14B dargestellt, wobei Fig.14A eine in Einzelheiten aufgelöste Ansicht und Fig.14Beine Ansicht ist, in welcher die Aufbauschritte dargestellt sind. Das Verfahren läuft folgendermaßen ab:

15(1) Ein Substrat oder eine tragende Unterlage 36 mit Luftdurchgängen wird aus einem nichtleitenden Material, wie Glas oder Harz, gebildet.

(2) Al oder ein ähnliches leitendes Material werden auf eine einheitliche Oberfläche einer piezoelektrischen PVDF-Schicht 38 aufgebracht, welche durch einachsiges Dehnen bei niedriger Temperatur und einer Polarisation ausgesetzt worden ist, um dadurch eine leitende Schicht 40 auszubilden.

(3) SiO₂/ ^S;i-2^N3 ^oder irgend ein anderes geeignetes farbbeständiges Material wird durch den CVD-Prozeß auf eine leiten-

25de Schicht 40 aufgebracht, um eine Schicht 42 auszubilden, wodurch dann eine schützende Deckschicht 44 geschaffen ist.

(4) Die Deckschicht 44 ist nahe bei einer ebenen tragenden Unterlage 46 gelegen.

(5) Die schützende Deckschicht 44 wird an das Gehäuse 16 ge-30klebt, welches durch Ätzen eines photoempfindlichen Glases geschaffen worden ist, um so die Düsen, die Farbkammern 18, den Farbzuführabschnitt 24 usw. zu formen.

(6) Die flache tragende Unterlage 46 wird von der Schutzschicht 44 entfernt, indem beispielsweise eine Metallmaske

35auf die Oberfläche der PVDF-Schicht 38 gegenüber der leitenden Schicht oder der Elektrodenschicht 40 außer in den Bereichen verwendet wird, wo Elektroden und Leitungen vorge-

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sehen sind.

(7) Al oder ähnliches leitendes Material wird durch Aufdampfen aufgebracht, um Elektroden (leitende Schichten 48) und Leitungen auszubilden (was nicht dargestellt ist). (8) Schließlich wird die Unterlage 36 so angeordnet, daß ihre gewölbten Teile in einem Verhältnis von eins-zu-eins den entsprechenden Elektrodenschichten (entsprechend den jeweiligen Farbkammern 18) entsprechen, und dann werden die leitenden Schichten der Folie 38 und die gewölbten Tei-Ie der Unterlage 36 durch mechanische Mittel oder durch chemische Mittel, wie Verkleben, fest aneinander angebracht .

Auf diese Weise kann der oben beschriebene Farbstrahlkopf auf einer Massenproduktionsbasis hergestellt werden, da die Elektrodenschicht, die PVDF-Schicht, die Elektrodenschicht und die Schutzschicht als fest miteinander verbunden behandelt werden können.

Als nächstes wird eine Ausführungsform eines Farbstrahlkopfes gemäß der Erfindung anhand der Fig.15 bis 21 beschrieben. In Fig.15 ist ein FärbStrahlkopf 50 dargestellt, um einen Farbtropfen 12 auszustoßen, indem Farbe in einer Farbkammer 18 verdichtet wird. Wie in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform weist ein Farbverdichtungselement des Farbstrahlkopfes 50 ein piezoelektrisches, hochmolekulares Material, wie PVDF auf, wobei die PVDF-Folie oder Schicht eine bimorphe Struktur hat. Im allgemeinen expandiert und kontrahiert eine piezoelektrische, hochmolekulare Folie in einer Richtung in einer Ebene, wenn ein elektrisches Feld senkrecht zu der Folienoberfläche angelegt wird. Die Expansions- und Kontraktionsamplitude kann, obwohl sie ursprünglich klein ist, in der Größenordnung von

4
dem 10 -fachen verstärkt werden, indem eine bimorphe Struktür verwendet wird. Ein charakteristisches Merkmal dieser Ausführungsform besteht darin, daß an einen Farbstrahlkopf eine beachtliche Amplitude angelegt wird, die mit Hilfe

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einer piezoelektrischen hochmolekularen Folie mit einer bimorphen Struktur erreichbar ist.

Zuerst wird nunmehr anhand von Fig.15 die grundsätzliche Arbeitsweise des Farbstrahlkopfes 50 mit der vorstehend beschriebenen, bimorphen Struktur beschrieben. In Fig.15 ist ein Farbverdichtungselement 52, das verwendet worden ist, um Farbe in der Farbverdichtungskamir.er 18 zu verdichten, aus einem piezoelektrischen hochmolekularen Material hergestellt, welches wie in der vorherigen Ausführungsform PVDF sein kann und es besteht aus zwei PVDF-Schichten 52a und 52b, die miteinander zu einer bimorphen Struktur verklebt sind. Wie bereits bezüglich der ersten Ausführungsform ausgeführt ist, besteht das Haupterfordernis bezüg- lieh der Farbe in der Kammer 18, welche zu verdic_hten ist, um einen Tropfen auszubilden, darin, daß die wirksame Verschiebung des Elements 52, wenn die Farbe verdichtet worden ist, im wesentlichen gleich dem Volumen (VO) des Farbtropfens 12 ist. Bei einer auf 50μπι χ 50μΐη dimensionierten Düse wird eine wirksame Verschiebung gefordert, welche im wesentlichen gleich

4 7 0 3

V ο - — ic X C ) C n m * )

3 2

In Fig.15 soll der bimorphe Aufbau 52 aus den PVDF-Schichten 52a und 52b einen Krümmungsmittelpunkt 0, einen Krümmungsradius OA = OB (= R) und eine Sehne AP (= a) haben, wenn sie durchgebogen wird. Bei einem Abbilden einer Linie, die vertikal von der Mitte 0 zu der Sehne AB verläuft, soll das untere Ende der Linie mit H bezeichnet sein, und die Linie OH soll die Sehne AB im Punkt P schneiden. Wenn eine Spannung angelegt wird, bewirkt die bimorphe Struktur 52, daß eine (52a) der Schichten kontrahiert und die andere 52b expandiert. Im vorliegenden Fall ist der Bogen APB eine Linie, welche nicht expandiert oder kontrahiert, d.h. es ist eine neutrale Nullinie. Jede der PVDF-Schichten 52a und 52b soll beispielsweise 9μπι dick sein. Eine Epoxy-

- 23 -

Schicht zum Verbinden der beiden Schichten kann weniger als 1μΐη dick sein. Bei Anlegen einer Spannung an die bimorphe Struktur 52 wird eine der Schichten 52a und 52b kontrahieren und die andere extrahieren, und somit kann ein Ende der bimorphen Struktur 52 mit dessen anderen Ende befestigt werden, um infolge einer Durchbiegung verschoben bzw. versetzt zu werden. Der reziproke Wert des Krümmungsradius R und die angelegte Spannung V haben, vorausgesetzt, daß die Anfangskrümmung, wenn V= 0 ist, unendlich ist (vollständig horizontal verlauft}· folgende Beziehung:

— (cm -' ) =5 . 87X1 0 ~³ V (Vo It) H

(7)

Wie bis jetzt beschrieben, kann bei dieser speziellen Ausführungsform Farbe verdichtet werden, um einen Farbtropfen 12 auszustoßen, indem eine Krümmungsänderung ausgenutzt wird, welche durch das Anlegen einer Spannung an die bimorphe Struktur 52 hervorgerufen worden ist. Der effektive Wirkungsgrad /^ Veff kann als ein Produkt einer durch APBHA festgelegten Verschiebungsfläche /J₁ S, eine Länge 1. der PVDF-Folien 52a und 52b, die in einer Richtung senkrecht zu der Sehne AB gemessen sind, wenn diese durchgebogen worden ist, wie in Fig.16 dargestellt ist, und eines wirksamen Wirkungsgrads ij zum Zeitpunkt eines Farbausstoßes gemessen werden, d.h. ^ Veff = η . /\S.l. Folglich kann Farbe ausgestoßen werden, wenn die folgende Beziehung gegeben ist:

! L

(8)

Die erste erforderliche Operation zum Berechnen der wirksamen Verschiebung /[ Veff besteht darin, die Verschiebungsfläche ^ S zu berechnen, und dies wird nunmehr zuerst

- 24 -

beschrieben. Zum besseren Verständnis werden wieder Koordinaten (X, Y) angenommen, deren Ursprung der Krümmungsmittelpunkt O ist, wie in Fig.17 dargestellt ist. Die Länge des Bogens APB, welche die neutrale Nullinie der bimorphen Struktur 52 ist, soll c, die Länge der Sehne AB soll a und die Länge der Verschiebung PH des mittleren Teils der Krümmung soll b sein. Dann gilt:

te a

2 Fr

1 - C ) ² - c

ο s

- ι

2 R

(9!

wobei dann ist:

a = .2 R s i n C-)

2 K

(0<b<R)

(10)

Mit Hilfe der Gl'en (7), (9) und (10) kann die Länge a der Sehne AB und die Verschiebung /[ S erhalten werden, indem eine Ansteuerspannung V an die bimorphe Struktur 52 angelegt wird, welche eine vorbestimmte Länge c der Nullinie hat. Durch Ersetzen von /J S in der Gl. (8) kann eine Farbausstoßbedingung zum Zeitpunkt einer Farbverdichtung für eine ganz bestimmte Länge c der Nullinie und für eine Ansteuerspannung V im Sinne einer Beziehung zwischen rj und 1 bestimmt werden.

- 25 -

- 25 Beispiel

Wenn beispielsweise c = 170μΐη und V = 100 Volt sind, besteht zwischen dem Wirkungsgrad ij und der Länge 1 eine Beziehung, wie in Tabelle 3 dargestellt ist. In diesem Fall hat, wenn eine Versetzung stattfindet, die Sehne AB der bimorphen Struktur 52 eine Länge a von 169,999μΐη, was 0,001 μπι kürzer ist als die Länge der Nullinie, welche 17Όμπι beträgt; dies bedeutet, daß die Enden A und B fest angebracht werden können. Die Verschiebung oder Versetzung PH des mittleren Teils der bimorphen Struktur 52 ist b = 0,21μπΓ.

Tabelle 3

	JH (mm)
10 0 5 0 3 0	7.47 . 14.9 2 4.9

In Fig.18 bis 21 sind Kurven dargestellt, welche eine Beziehung zwischen der Länge c der neutralen Nullinie einer bimorphen Struktur, welche aus zwei 9μΐη dicken PVDF-Schichten und dem Produkt aus dem Wirkungsgrad η und der Länge bezüglich der verschiedenen an die bimorphe Struktur angelegten Spannungen wiedergeben. In Tabelle 4 ist darüber hinaus der Krümmungsradius R, eine Verschiebung des mittleren Teils, eine Länge a der Sehne und das Produkt aus dem Wirkungsgrad η und der Länge 1 angeführt, welche der Länge c der neutralen Nullinie und der angelegten Spannung ν zugeordnet ist. Aus Tabelle 4 ist auch zu ersehen, daß die Längen c und a sich etwas voneinander unterscheiden und daher ist es zulässig, beide Enden der bimorphen Struktur fest anzubringen.

- 26 -

- 26 -Tabelle 4

/ti

/ti

/ti

μ-a

/ti

/to

1.0m

2.0ΒΒ

2.2αο

2.5ββ

V (το It)

R (■)

200

200 100

100 50

100 75 50

75 50

50 20 10

50

10 5

10 5

8.52

0.07

68.9998 /ti

8.52

a. 52

0.12

0.21-

89.9996 /ti

119.9990 ß.m

8.52
17.0

17.0 34.1

0.29 0.14

17.0 22.7 34.1

22.7 34.1

0.21 0.11

139.9984 /ti 139.9996 /ti

0.26 0.20 0.Γ3

169.9983 um 169.8888. μ.*

34.1 85.1 170

34.1 170 341

0.22 0.15

0.59 0.23 0.12

189.9990 /ta 189.9995 /ti 189.9998

199.9994 193.8898 μ.α

170 341

0.92 0.18 0.09

399.9977 /ti 399.99963 /ta 399.99881 /ti

0.73 0.36

2.93 1.47

3.55 1.77

499.9955 μ,α 499.9938 μ.η 499.99995 /ta

999.9386 μ-a 993.8336 μ-m

■öS.

53.5 ία

25.2 u

10.6 BB

6.7 ata 13.3 μ

7.5 η 14.9 u

5.4 an 7.1 bo

10.7 BB

6.1 an S.I bib

1.15BB

2.87BB 5.73ΐππ

0.59BB 2.9 mm 5.9 bo

367 μ. u 734

1.99888 is 1.999387 ie

4.59 2.29

2.199985 IB 2.199996 BB

2.499978 2.499394

46 M-B

92 M-B

34 69

23 μ-π 47 M-ffl

- 27 -

In Fig.22 ist eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei welcher eine bimorphe, piezoelektrische, hochmolekulare Schicht verwendet ist. Hierbei ist die piezoelektrische, hochmolekulare Schicht 52, welche in Fig.22 dargestellt ist, so ausgerichtet, daß die Richtung ihrer Quervibration, d.h. die in Fig.23 dargestellte Richtung AB parallel zu der Anordnung einer Vielzahl Düsen verläuft. Warum eine solche spezielle Ausrichtung einer bimorphen, piezoelektrischen, hochmolekularen Schicht erwünscht ist, ist bereits beschrieben worden und brauch daher der Einfachheit halber nicht nochmal besprochen zu werden.

Ein Beispiel eines Verfahrens zum Herstellen des vorstehend beschriebenen bimorphen Farbstrahlkopfes ist in. Fig.24a und 24b dargestellt. Der Farbstrahlkopf ist in Fig.24a in einem in Einzelheiten aufgelösten Zustand und in Fig.24b in einem zusammengebauten Zustand dargestellt. Die Verfahrensschritte sind folgende:

(1) Eine leitende Schicht 56 wird auf Glas, Harz oder einem ähnlichen nichtleitenden Material ausgebildet.

(2) Al oder ein anderes geeignetes, leitendes Material wird beispielsweise auf die leitende Schicht 56 aufgedampft.

(3) Eine PVDF-piezoelektrische Schicht, die einer einachsigen Dehnung bei niedriger Temperatur und einer Polarisierung unterzogen worden ist, wird verbunden, um eine PVDF-Schicht 58 auszubilden.

(4) Eine Metallmaske wird beispielsweise auf die PVDF-Schicht 58 außer in den Bereichen aufgebracht, welche Elektroden und Leitungen zugeordnet sind.

(5) Al oder ein ähnliches leitendes Material wird durch Verdampfen aufgebracht, um Elektroden (Elektrodenschichten) 60 und (nicht dargestellte) Leitungen auszubilden, wodurch eine Schicht 62 geschaffen ist.

(6) Al oder ein ähnlich leitendes Material wird durch Verdampfen über einer Fläche der PVDF-Schicht 58 aufgedampft, um so eine leitende Schicht 64 zu bilden.

(7) Eine farbbeständige Substanz, wie SiO₂ oder Si₃N₃ wird

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beispielsweise durch den PVD-Prozeß auf die leitende Schicht 64 aufgebracht, um so eine Schicht 66 zu bilden, wodurch eine schützende Deckschicht 68 geschaffen ist.

(8) Die Deckschicht 68 wird mit einem Gehäuse 16 verklebt, welches aus Glas besteht und geätzt ist, um Düsen 14, Farbkammern 18 usw. auszubilden.

(9) Der sich ergebende Teilaufbau wird fest mit einem anderen Teilaufbau, welcher die Unterlage 54 enthält, durch mechanische Mittel oder chemische Mittel so verbudnen, daß

IQ die Farbkammern 18 jeweils den leitenden Schichten 60 gegenüberliegen .

Ein anderes Herstellungsverfahren ist in Fig.25A und 25B dargestellt. Die Verfahrensschritte sind hierbei folgende:

I^ (1)<A1 oder irgend ein anderes geeignetes, leitendes Material wird auf eine ganze Oberfläche einer piezoelektrischen PVDF-Folie 70 aufgebracht, welche bei niedriger Temperatur einer einachsigen Dehnung und einer Polarisierung unterzogen worden ist, um dadurch eine leitende Schicht 72 zu bilden, wodurch eine Lage 74 geeschaffen ist.

(2) Al oder ein ähnliches leitendes Material wird auf eine ganze Oberfläche der PVDF-Folie 70 aufgedampft, um so eine leitende Schicht 76 zu bilden. Dann wird mittels des CVD-Prozesses eine schützende Deckschicht 78 aus SiO₂, Si₂N-u.a. auf die leitende Schicht 76 aufgebracht, wodurch eine Schutzschicht 80 geschaffen ist.

(3) Ein Gehäuse 16 mit Düsen, Farbkammern, einem Farbzufuhrabschnitt u.a. wird vorbereitet, indem ein photoempfindliches Glas geätzt wird. Die Schutzschicht 80 wird

gO dann mit dem Gehäuse 16 verklebt.

(4) Eine Maske wird bei der Elektrodenschicht 76 der Schutzschicht 60 und der PVDF-Schicht aufgebracht, welche der Elektrodenschicht 76 gegenüberliegt, wobei beispielsweise ein Metall verwendet wird, während Elektrodenbereiche, wel-

gg ehe den Farbkammern gegenüberliegen und Leitungsbereiche ungeschützt belassen werden.

(5) Durch Aufdampfen von Al oder einem ähnlichen leitenden

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Material werden Elektroden (Elektrodenschichten) 82 und (nicht dargestellte) Leitungen ausgebildet. (6) Schließlich wird die Lage 74 mittels Epikote oder einem ähnlichen Harz mit der schützenden Deckschicht 80 verklebt, wodurch eine bimorphe Struktur geschaffen ist.

Bei den verschiedenen, bis jetzt beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung würden diejenigen, bei welchen Elektroden durch Verdampfen auf Unterlagen oder Substrate aufgebracht sind, beachtlichen Belastungsgrößen begegnen, wenn deren piezoelektrische Elemente durch Anlegen einer Spannung verschoben oder versetzt werden.

Nachstehend werden daher einige weitere Ausführungsformen beschrieben, welche das Belastungsproblem mildern helfen. Selbstverständlich können einige der Ausführungen, welche beschrieben werden, auch bei den vorherigen Ausführungsformen angewendet werden.

In Fig.26 ist eine erste mögliche Ausführungsform dargestellt, während in Fig.27 im einzelnen ein in Fig.26 mit D bezeichneter Teil der Ausführungsform wiedergegeben ist. Bei der dargestellten Ausführungsform weist dieser Teil einer Unterlage oder eines Substrats, die bzw. das einer leitenden Schicht 84 entspricht, einen dünner gemachten Teil 86 auf, so daß die Belastung, die sich aus der vertikalen Schwingung einer PVDF-Schicht 88 ergibt, verringert werden kann. Diese Art einer Ausbildung ist vorteilhaft, da (1) der Verschiebungswirkungsgrad größer wird und somit

(2) die Fläche des schwingenden Teils kleiner wird um dadurch eine hochdichte Anordnung zu verbessern, und da, wo die Fläche angebracht ist, (3) die Ansteuerspannung erniedrigt werden kann, wodurch dann die Abmessungen der Ansteuerschaltung kleiner werden.

Ein Herstellungsverfahren für den in Fig.26 und 27 dargestellten Farbstrahlkopf weist beispielsweise die folgenden

- 30 -

Schritte auf:

(1) Eine Unterlage oder ein Substrat 90 wird aus Glas, Harz oder einem ähnlichen nichtleitenden Material gebildet.

(2) eine Maske aus Photolack u.a. wird auf der Unterlage außer in den Bereichen aufgebracht, wo Elektroden und Leitungen vorgesehen werden.

(3) Al oder ein ähnliches leitendes Material wird aufgedampft, um Elektroden (leitende Schichten) 84 und (nicht dargestellte) Leitungen zu bilden.

(4) Eine piezoelektrische PVDF-Folie, die durch einachsiges Dehnen bei niedriger Temperatur und durch ein Polarisieren geschaffen ist, ist verbunden, um eine piezoelektrische PVDF-Schicht 88 zu schaffen.

(5) Al oder ein ähnliches leitendes Material wird auf eine leitende Schicht 92 durch Verdampfen oder ein anderes entsprechendes Verfahren aufgebracht.

(6) Eine schützende Deckschicht 84 wird mit Hilfe eines farbbeständigen Materials, wie SiO₂ oderSilsL· ausgebildet; ein derartiges Verfahren ist beispielsweise das CVD-Verfahren.

(7) Die Unterlage 90 wird mit einem Muster versehen, das den jeweiligen leitenden Schichten entspricht und wird dann geätzt, um die dünneren Substratteile 86 auszubilden (die Dicke der dünneren Substratteile 86 wird durch die Ätzzeit festgelegt.)

(8) Ein Gehäuse 16, welches ein geätztes, photoempfindliches Glas aufweist, um Düsen, Farbverdichtungskammern, einen Farbzufuhrabschnitt, usw. auszubilden, wird entweder mechanisch oder chemisch starr mit der schützenden Deckschicht 94 verbunden.

Bei einer weiteren in Fig.28 und 29 dargestellten Ausführungsform ist ein Teil des Substrats 90, welcher der leitenden Schicht 84 entspricht, örtlich mit einer Bohrung 96 versehen. In einer anderen, in Fig.30 und 31 dargestellten Ausführungsform ist der ganze Teil des Substrats 90, welcher der leitenden Schicht 84 entspricht, hohl ausgebildet

- 31 -

wie bei 98 dargestellte ist. Durch eine dieser Ausführungen wird die Belastung verringert, wenn die PVDF-Schicht 88 auf- und abschwingt, um dadurch den Verschiebungswirkungsgrad zu erhöhen. Hierdurch wird, wie vorstehend ausgeführt,

(1) die Fläche des Schwingungsabschnitts verkleinert, um dadurch eine hochdichte Anordnung zu schaffen, und (2) wenn die Fläche fest angebracht ist, kann die Ansteuerspannung erniedrigt werden, wodurch die Abmessungen der Ansteuerschaltung kleiner ausgebildet werden können. 10

Der in Fig.30 und 31 dargestellte Farbstrahlkopf kann beispielsweise auf folgende Weise hergestellt werden: (1) Das Substrat 90 ist aus Glas, Harz oder einem ähnlichen nichtleitenden Material gebildet.

""15 (2) Eine Abdeckung wird auf das Substrat 90 mit Hilfe beispielsweise eines Photolacks außer in den Bereichen aufgebracht, wo Elektroden und Leitungen vorgesehen sind.

(3) Ein leitendes Material, z.B. Al, wird aufgedampft, um die Elektroden (leitenden Schichten) 84 und (nicht dargestellte ) Leitungen auszubilden.

(4) Eine piezoelektrische PVDF-Schicht, die durch einachsiges Dehnen bei niedriger Temperatur und durch ein Polarisieren aufbereitet worden ist, wird verbunden, um dadurch eine piezoelektrische PVDF-Schicht 88 zu schaffen.

(5) Al oder ein ähnliches leitendes Material werden durch Verdampfen aufgebracht, um dadurch eine leitende Schicht 9 2 auszubilden.

(6) Ein farbbeständiges Material, wie SiO- oder SiN_ wird nach dem CVD-Verfahren u.a. aufgebracht, um dadurch die schützende Deckschicht 94 auszubilden.

(7) Ein Muster, das den teilweisen oder vollständigen Bohrungen zugeordnet ist, welche den leitenden Schichten 84 entsprechen, wird auf das Substrat 90 aufgebracht. Hierauf wird geätzt, um die Teilbohrungen (Luftdurchlässe) 96 oder die vollständigen Bohrungen 98 auszubilden. In jedem Fall werden die Materialien des Substrats und der leitenden Schichten so ausgewählt, daß hierfür verschiedene Ätzflüs-

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sigkeiten verwendet werden, wobei dann das Ätzen beendet ist, wenn die leitenden Schichten erreicht sind, um so die Teilbohrungen 96 oder die vollständigen Bohrungen 98 zurückzulassen .

(8) Ein Gehäuse 16, ein photoempfindliches Glas, das geätzt worden ist, um Düsen, Farbkammern, einen Parbzuführabschnitt usw. auszubilden, wird entweder mechanisch oder chemisch mit der schützenden Deckschicht 94 verbunden, so daß die Farbkammern jeweils den Elektrodenschichten 84 gegenüberliegen.

Da, wie oben beschrieben, alle Elektrodenschichten, die piezoelektrische, hochmolekulare (PVDF-)Schicht, die Elektrodenschicht und die schützende Deckschicht einer Feinbehandlung unterzogen werden können, eignet sich der Farbstrahlkopf für eine Massenherstellung und ist mit einem hohen Integrationsgrad ausführbar, so daß die erforderliche Ansteuerspannung erniedrigt werden kann. Außerdem braucht die schützende Deckschicht nur auf einer Fläche der PVDF-Schicht ausgebildet zu werden, wodurch proportional die Herstellungsschritte abnehmen.

Gemäß der Erfindung ist somit ein Farbstrahlkopf geschaffen, welcher in einer kleinen Größe und einer Mehrdüsenausführung leicht hergestellt werden kann, und bei welchem eine Behandlung angewendet werden kann, um dadurch eine Massenherstellung zu steigern.

Ende der Beschreibung
30

Claims

BERG · STAPF · SCWWASB.· .SAMPMAIR

MAUERKIRCHERSTRASSE 45 8000 MÜNCHEN 80 <«i /«">»>» O E^- A

o42 /öbu

Anwaltsakte: 33 627

Ricoh Company_/ Ltd, Tokyo / Japan

Farbstrahlkopf

Patentansprüche

1 J Farbstrahlkopf zum Verdichten von Farbe, um einen Tropren der Farbe auszustoßen, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (16) , eine Farbkammer (18) , die in dem Gehäuse (16) festgelegt ist, eine Düse (14), die in dem Gehäuse (16) festgelegt ist und mit der Farbkammer (18) in Verbindung steht, und eine Farbverdichtungseinrichtung (20) zum Verdichten von Farbe, die mit der Farbkammer (18) in Verbindung steht, wobei die Farbverdichtungseinrichtung (20) aus einem piezoelektrischen hochmolekularen Material hergestellt ist.
2. Färbstrahlkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Farbverdichtungseinrichtung (20) eine einzige piezoelektrische, hochmolekulare Schicht oder Folie aufweist, welche durchgebogen wird, damit sie in Richtung der Farbkammer (18) vorsteht.

VII/XX/Ktz - 2 -

* (089) 98 82 72 - 74 Telex: 5 24 560 BERG d Bankkonten: Bayer. Vereinsbank München 453100 (BLZ 700 202 70)

Telegramme (cable): Telekoplerer: (089) 983049 Hypo-Bank München 4410122850 (BLZ 700 2001η Swift Code: HYPO DE MN

BERGSTAPFPATENT München KaIIe Inlotec 6350 Gr. ll + lll Postscheck München 65343-808 (BLZ 70010080)
3. Farbstrahlkopf nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die Farbverdichtungseinrichtung eine Unterlage oder ein Substrat (26) aus einem nichtleitenden Material, eine Anzahl erster leitender Schichten (28), welche auf dem Substrat (26) ausgebildet sind, eine piezoelektrische, hochmolekulare Schicht (3D) ., die aufgebracht ist, um das Substrat (26) und die ersten leitenden Schichten (28) zu bedecken, eine zweite leitende Schicht (32), die aufgebracht ist, um die piezoelektrisehe, hochmolekulare Schicht (38) abzudecken, und eine schützende Deckschicht (34) aufweist, die aufgebracht ist, um die zweite leitende Schicht (32) abzudecken.
4. Farbstrahlkopf nach Anspruch 3, dadurch g e k e η η zeichnet, daß das Substrat einen Teil des Gehäuses

(16) bildet.
5. Farbstrahlkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite leitende Schicht (32) als gemeinsame Elektrode fungiert, wobei an die ersten leitenden Schichten unabhängig voneinander jeweils ein elektrisches Signal angelegt wird.
6. Farbstrahlkopf nach Anspruch 3, dadurch g e k e η η ζ e ic h η e t, daß das Substrat (90) in den Teilen verdünnt ausgebildet ist, welche in ihrer Lage den ersten leitenden Schichten (84, 92) entsprechen.
7. Farbstrahlkopf nach Anspruch 3, dadurch g e k e η η zeichnet, daß das Substrat (90) mit mindestens einer Teilbohrung (26) und vollständig durchgehenden Bohrung (98) in denjenigen Teilen versehen ist, welche in ihrer Lage den ersten leitenden Schichten entsprechen.
8. Farbstrahlkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Farbverdichtungseinrichtung eine piezoelektrische, hochmolekulare Folie mit einer

bimorphen Struktur (92) aufweist und gekrümmt wird, um in Richtung der Farbkammer (18) vorzustehen.
9. Farbstrahlkopf nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die Farbverdichtungseinrichtung ein Substrat aus einem nichtleitenden Material, eine erste leitende Schicht, welche auf dem Substrat aufgebracht ist, eine erste piezoelektrische, hochmolekulare Schicht, welche aufgebracht ist, um die erste leitende Schicht abzudecken, eine Anzahl erster leitender Schichten, welche auf der ersten piezoelektrischen, hochmolekularen Schicht ausgebildet sind, eine zweite piezoelektrische, hochmolekulare Schicht, die aufgebracht ist, _Num die erste piezoelektrische , hochmolekulare Schicht und die ersten leitenden Schichten zu überdecken, eine -zweite leitende Schicht, die aufgebracht ist, um die zweite piezoelektrische, hochmolekulare Schicht zu bedecken, und eine schützende Deckschicht aufweist, die aufgebracht ist, um die zweite leitende Schicht zu bedecken.
10. Färbstrahlkopf nach Anspruch 9, dadurch g e kenn zeichnet, daß das Substrat ein Teil des Gehäuses (16) ist.
11. Färbstrahlkopf nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite leitende Schicht als gemeinsame Elektrode fungiert, wobei an die ersten leitenden Schichten unabhängig voneinander ein elektrisches Signal angelegt wird.
12. Farbstrahlkopf nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat in den Teilen verdünnt ausgebildet ist, welche in ihrer Lage den ersten leitenden Schichten entsprechen.
13. Farbstrahlkopf nach Anspruch 9, dadurch g e kenn zeichnet, daß das Substrat zumindest mit einer Teilbohrung und vollständig durchgehenden Bohrungen in den Teilen ausgebildet ist, welche den ersten leitenden Schichten entsprechen.
14. Farbstrahlkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische, hochmolekulare Substanz Polyvinyliden-Fluorid aufweist.
15. Farbstrahlkopf mit einer Anzahl Düsen zum Verdichten von Farben/ um einen Tropfen der Farbe auszustoßen, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (16) , eine Anzahl Farbkammern (18), die in dem Gehäuse (16) festgelegt sind, einre Anzahl Düsen (14) , die in dem Gehäuse in einer vorbestimmten Richtung festgelegt und angeordnet sind und mit den Farbkammern (18) in Verbindung stehen, welche in einem Verhältnis von eins-zu-eins zugeordnet sind, und Farbverdichtungselemente (20) , welche den Farbkammern (18) jeweils zugeordnet sind, um Farbe in den Farbkammern durch Expandieren und Kontrahieren entsprechend einer angelegten Spannung zu verdichten, wobei die Verdichtungselemente (20) aus einer piezoelektrischen, hochmolekularen Substanz hergestellt sind.
16. Farbstrahlkopf nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Farbverdichtungselemente eine einzelne, piezoelektrische, hochmolekulare Folie (20) aufweist, welche durchgebogen wird, damit sie in Richtung der Farbkammer (18) vorsteht, welche dem entsprechenden Farbverdichtungselement (20) zugeordnet ist.
17. Farbstrahlkopf nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Farbverdichtungselemente (20) eine einzige, piezoelektrische, hochmole-

I * ί» Λ

kulare Folie mit einer bimorphen Struktur aufweist und durchgebogen wird, um zu der Farbkammer (18) vorzustehen, welche dem jeweiligen Farbverdichtungselement (20) zugeordnet ist.
18. Farbstrahlkopf nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische, hochmolekulare Substanz Polyvinyliden-Fluorid (PVDF) aufweist.
19. Farbstrahlkopf nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Farbverdichtungselemente (20) in einer Richtung parallel zu der Anordnungsrichtung der Düsen (14) expandiert und kontrahiert.