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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Tröpfchen-Aufzeichnungsvorrichtung,
insbesondere Tintenstrahl-Druckköpfe,
deren Komponenten bzw. Bauelemente sowie ein Verfahren zum Herstellen
solcher Komponenten.
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Eine besonders nützliche Form eines Tintenstrahl-Druckers
umfasst einen Körper
aus einem piezoelektrischen Material mit Tintenkanälen, die
beispielsweise durch Schneiden einer Scheibe ausgebildet werden.
Elektroden können
auf die dem Kanal zugewandten Oberflächen des piezoelektrischen Materials
aufgeschichtet sein, so dass ein elektrisches Feld an die zwischen
benachbarten Kanälen definierte
piezoelektrische "Wand" angelegt werden kann.
Durch geeignetes Polen bzw. Vorspannen kann diese Wand dazu gebracht
werden, sich in den ausgewählten
Tintenkanal hinein oder aus diesem heraus zu bewegen, um einen Druckimpuls
zu bewirken, der ein Tintentröpfchen
durch eine geeignete Kanaldüse
ausstößt. Ein
solcher Aufbau ist beispielsweise in
EP-A-0 364 136 gezeigt.
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US
5,351,375 zeigt einen alternativen Aktuator, bei dem eine
Lage aus einem piezoelektrischen Material auf ein Substrat aufgebracht
ist, wobei eine dicke Schicht aus einem Haft- bzw. Klebematerial verwendet
wird. Die Kanäle
werden durch das piezoelektrische Material gesägt sowie in das Haft- bzw. Klebemittel
hinein, so dass das Haft- bzw. Klebematerial einen Teil des Kanals
bildet.
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Es ist eine häufige Anforderung, dass eine hohe
Dichte solcher Tintenkanäle
mit einer präzisen Ausrichtung über eine
vergleichsweise große
Breite von Tintenstrahlköpfen
bereitgestellt wird, beispielsweise über eine gesamte Seitenbreite.
Ein Aufbau, der zu diesem Zweck nützlich ist, wird in WO 98/52763
offenbart. Dieser beinhaltet die Verwendung einer flachen Grundplatte,
die das piezoelektrische Material sowie integrierte Schaltungen
trägt, welche
die notwendigen Verarbeitungs- und Kontrollfunktionen ausführen.
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Ein solcher Aufbau hat mehrere Vorteile,
insbesondere hinsichtlich der Herstellung. Die Grundplatte dient
als "Rückgrat" für den Tintenkopf
bzw. Tintenstrahlkopf, um das piezoelektrische Material und integrierte
Schaltungen während
einer Herstellung abzustützen.
Diese Abstütz-
bzw. Tragefunktion ist insbesondere während des Prozesses zum miteinander
Verbinden mehrerer Lagen aus einem piezoelektrischen Material wichtig,
um eine fortlaufende, seitenbreite Anordnung von Tintenkanälen auszubilden.
Die vergleichsweise große
Größe der Grundplatte
erleichtert auch deren Handhabung.
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Der galvanische bzw. metallische Überzug, der
zur Verwendung bei einem Tintenstrahl-Drucken erzeugt wird, sowie
insbesondere ein galvanischer bzw. metallischer Überzug, der unter Verwendung von
stromlosen galvanischen Beschichtungsverfahren hergestellt wird,
wird nicht mit Hilfe von chemischen Mitteln an den Druckkopf geklebt,
sondern beruht auf der Oberflächentopografie,
um für
Anbindungspunkte zu sorgen. Die Haft- bzw. Klebemittel, die typischerweise
in einem Tintenstrahl-Drucker verwendet werden, stellen keine gute
Oberfläche
bereit, um eine Elektrode zu halten, weil die Oberfläche der Klebematerialien
normalerweise glatt ist. Dies führt zu
einem schlechten Anhaften zwischen dem Haft- bzw. Klebematerial
und dem Metall der Elektrode und kann in einem Abheben oder in einem
Absplittern des Metalls entweder während der Verwendung oder während weiterer
Herstellungsphasen resultieren. Diese Probleme führen zu einem kürzeren Betrieb und
können
andere Fehler bedingen, beispielsweise elektrische Kurzschlüsse. Die
vorliegende Erfindung trachtet danach, dieses Problem dadurch zu
beheben, dass ein Haft- bzw. Klebemittel verwendet wird, das Partikel
enthält,
die für Verankerungspunkte
sorgen, um für
eine bessere Haft- bzw. Klebestärke
zu sorgen.
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Probleme bleiben noch bestehen, was
die Einrichtung einer zuverlässigen
und effizienten, gleichmäßigen Haft-
bzw. Klebeverbindung zwischen dem Körper aus piezoelektrischem
Material und dem Substrat anbelangt. Insbesondere führt eine
schlecht ausgebildete Klebstoffschicht zu Variationen in der Aktivität der Kanalwände, die
ihrerseits zu Abweichungen der Tröpfchen führen und folglich zu einer schlechteren
Qualität
des Bildes. Sowohl ein elektrisches als auch mechanisches Übersprechen
zwischen benachbarten Kanälen über die
Basis bzw. Grundfläche
des piezoelektrischen Materials stellt ebenfalls ein Problem dar,
das die vorliegende Erfindung zu beheben versucht.
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Weitere Probleme rühren von
dem hohen Grad an Planarität
her, der für
das Substrat erforderlich ist. Ein schlecht vorbereitetes Substrat
kann zu einer Variation in der Aktivität von Kanälen über die Breite des Kopfes führen und
kann die Säge
bzw. das Sägeblatt
beschädigen,
wenn man versucht, Kanäle mit
gleichmäßiger Tiefe
herauszusägen
bzw. herauszuschneiden, weil das Material des Substrats oftmals erheblich
härter
sein kann als das piezoelektrische Material.
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Die vorliegende Erfindung hat zum
Ziel, verbesserte Vorrichtungen und Verfahren bereitzustellen, welche
sich diesen Problemen widmen.
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Gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden
Erfindung wird eine Komponente bzw. ein Bauelement bereitgestellt,
geeignet zur Verwendung in einer Tröpfchen-Aufzeichnungsvorrichtung, mit einem Körper aus
einem piezoelektrischen Material mit einer Oberseite bzw. oberen
Oberfläche
und einer Unterseite bzw. unteren Oberfläche, welche an einer Basis
angebracht ist, wobei der Körper
eine Mehrzahl von oberen Kanälen
aufweist, die sich von der oberen Oberfläche in den piezoelektrischen
Körper
hinein erstrecken, und eine entsprechende Mehrzahl von unte ren Kanälen, welche
sich von der unteren Oberfläche
des Körpers
in den piezoelektrischen Körper
hinein erstrecken; dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle eine
solche Tiefe aufweisen, dass es eine Verbindung zwischen mindestens
einem der oberen Kanäle
und einem korrespondierenden unteren Kanal gibt.
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Ein zweiter Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung
beruht auf einem Verfahren zur Ausbildung einer Komponente bzw.
eines Bauelements zur Verwendung in einer Tröpfchen-Aufzeichnungsvorrichtung,
mit den Schritten: Bereitstellen einer Basis bzw. Grundfläche und
eines Körpers
aus einem piezoelektrischen Material mit einer Oberseite bzw. oberen Oberfläche und
einer Unterseite bzw. einer unteren Oberfläche; Sägen einer Mehrzahl von unteren
Kanälen
in die untere Oberfläche
des Körpers;
Verbinden der unteren Oberfläche
des Körpers
mit der Basis durch ein Haft- bzw. Klebemittel; und anschließendes Sägen einer
Mehrzahl von oberen Kanälen
in die obere Oberfläche
des Körpers;
dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der oberen Kanäle bis zu
einer solchen Tiefe gesägt
wird, dass er sich durch den Körper
erstreckt und mit einem entsprechenden unteren Kanal verbindet.
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Ein dritter Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung
besteht in einem Verfahren zur Ausbildung einer Komponente bzw.
eines Bauelements zur Verwendung in einer Tröpfchen-Aufzeichnungsvorrichtung
mit den Schritten: Bereitstellen einer Basis bzw. Grundfläche und
eines Körpers
aus einem piezoelektrischen Material mit einer Oberseite bzw. oberen Oberfläche und
einer Unterseite bzw. unteren Oberfläche, Sägen von unteren Kanälen in die
untere Oberfläche
des Körpers,
haftendes bzw. klebendes Verbinden der unteren Oberfläche des
Körpers
mit der Basis mittels einer Haft- bzw. Klebeschicht, und anschließendes Sägen von
oberen Kanälen
in die obere Oberfläche
des Körpers,
welche sich in den Körper
hinein erstrecken; dadurch gekennzeichnet, dass die oberen Kanäle sich
durch den Körper
und in die Haft- bzw. Klebeschicht hinein erstrecken.
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Wie aus dem Stand der Technik bekannt
ist, kann der piezoelektrische Körper
aus einem einzelnen Block aus einem piezoelektrischen Material gebildet
sein, das in einer einzigen Richtung polarisiert bzw. gepolt ist,
oder aus einem Laminat aus zwei Blöcken, die in entgegengesetzte
Richtungen polarisiert bzw, gepolt sind. Es ist von der Anmelderin
bemerkt worden, dass Probleme auftreten, wenn Aktuator-Elektroden an die
gesägten
Kanäle
von verklebten piezoelektrischen Laminaten angewendet werden, weil
gelegentlich eine Verbindung nicht über die Haft- bzw. Klebeverbindung
hinweg ausgebildet werden kann.
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Ein Körper aus piezoelektrischem
Material, das aus einem Laminat von zwei oder mehr Lagen mit unterschiedlichen
Polarisations- bzw. Polungsrichtungen ausgebildet ist, wird gemäß dem nachfolgenden
Verfahren gebildet: zwei oder mehr Lagen bzw. Schichten aus einem
piezoelektrischen Material werden bereitgestellt und ein Haft- bzw.
Klebemittel wird auf eine oder mehrere Schichten aus dem piezoelektrischen
Material aufgebracht, die anschließend miteinander verbunden
werden, um das Laminat auszubilden; dadurch gekennzeichnet, dass
das Haft- bzw. Klebemittel Partikel mit einer Steifigkeit aufweist,
die größer ist
als die des Haft- bzw. Klebemittels.
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In einer Ausführungsform sind die piezoelektrischen
Lagen bzw. Schichten in entgegengesetzte Richtungen polarisiert
bzw. gepolt. In einer weiteren Ausführungsform ist die Polarisation
bzw. Polung senkrecht zu der Dicke von zumindest einer Lage bzw.
Schicht. In noch einer weiteren Ausführungsform ist zumindest eine
der Lagen bzw. Schichten polarisiert, während die anderen Lagen bzw.
Schichten ungepolt bzw. nicht polarisiert, entpolt bzw. entpolarisiert
oder aus einem nichtpiezoelektrischen Material ausgebildet sind.
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Ein fünfter Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung
beruht auf einem Verfahren zur Ausbildung einer Komponente bzw.
eines Bauelements zur Verwendung in einer Tröpfchen-Aufzeichnungsvorrichtung
mit den Schritten: Bereitstellen einer Basis bzw. Grundfläche (86)
und eines Körpers
(100) aus einem piezoelektrischen Material mit einer oberen
Oberfläche
und einer unteren Oberfläche;
Sägen einer
Mehrzahl von unteren Kanälen
(630) in die untere Oberfläche des Körpers; Verbinden der unteren
Oberfläche des
Körpers
mit der Basis mit Hilfe eines Haft- bzw. Klebemittels (710); und
anschließendes
Sägen einer Mehrzahl
von oberen Kanälen
(7) in die obere Oberfläche
des Körpers;
dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der oberen Kanäle bis zu
einer solchen Tiefe gesägt
wird, dass dieser sich durch den Körper erstreckt und mit einem
entsprechenden unteren Kanal verbindet.
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Gesichtspunkte der vorliegenden Erfindung beruhen
auch auf Komponenten bzw. Bauelementen, die unter Verwendung der
vorgenannten Verfahren ausgebildet werden. Eine Komponente, die
geeignet zur Verwendung in einer Tröpfchen-Aufzeichnungsvorrichtung ist, umfasst
einen Körper
aus einem piezoelektrischen Material mit einer oberen Oberfläche und
einer unteren Oberfläche,
die an einer Basis bzw. Grundfläche
angebracht ist, wobei der Körper
eine Mehrzahl von oberen Kanälen
aufweist, die sich ausgehend von der oberen Oberfläche in den
piezoelektrischen Körper
hinein erstrecken, sowie eine entsprechende Mehrzahl von unteren
Kanälen,
die sich ausgehend von der unteren Oberfläche des Körpers in den piezoelektrischen
Körper
hinein erstrecken; dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle eine
solche Tiefe aufweisen, dass zumindest einer der oberen Kanäle sich
durch den Körper
hindurch zu einem entsprechenden unteren Kanal erstreckt, so dass zwischen
diesen eine Verbindung ausgebildet ist.
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Die Erfindung wird nun in beispielhafter
Weise unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben
werden, worin:
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1 eine
Längsschnittansicht
durch einen bekannten Tintenstrahl-Druckkopf ist;
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2 eine
Querschnittsansicht entlang der Linie A-A gemäß der 1 ist;
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3 eine
Explosionsansicht einer Druckkopf-Anordnung mit Seitenbreite gemäß dem Stand der
Technik ist;
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4 eine
Längsschnittansicht
durch den in der 3 gezeigten
Druckkopf nach einem Zusammenfügen
ist;
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5 eine
zusammengefügte
Schnittansicht ähnlich
zu der 4 ist;
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6 und 7 vergrößerte Schnittansichten sind,
die senkrecht und parallel zu der Kanalachse der Vorrichtung gemäß der 5 aufgenommen sind;
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8 eine
vergrößerte Perspektivansicht der
Vorrichtung gemäß der 5 ist;
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9 eine
vergrößerte Detailansicht
ist, die ein Problem darlegt, das mit der in der 8 gezeigten Anordnung auftreten kann;
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10 eine
Schnittansicht durch einen Kanal eines Druckkopfes gemäß einer
weiteren Ausführungsform
ist;
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11, 12 und 13 Schnittansichten einer einzelnen "V-förmigen" Wand sind;
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14 eine
Kurve ist, die eine Kanalaktivität quer über einen
Druckkopf darstellt;
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15, 16 und 17 Schnittansichten entlang des Kanals
eines Druckkopfes sind, die bauliche Variationen darstellen;
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18 und 19 eine Perspektivansicht
und eine vergrößerte Perspektivansicht
der Ausführungsform
gemäß der 17 sind;
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20 eine
vergrößerte Ansicht
des in der 7 mit dem
Bezugszeichen 194 bezeichneten Bereichs ist;
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21 eine
Perspektivansicht ist, die einen Schritt bei der Herstellung eines
Druckkopfes von der Art, die in der 17 gezeigt
ist, zeigt;
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22 eine
Ansicht ist, die entlang des Pfeils 660 in der 21 aufgenommen ist.
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23 bis 28 Schnittansichten eines
Druckkopfes gemäß noch weiteren
Gesichtspunkten der vorliegenden Erfindung sind.
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Es wird hilfreich sein, zunächst in
einer gewissen Ausführlichkeit
Beispiele für
Aufbauten gemäß dem Stand
der Technik zu beschreiben, auf die vorstehend kurz Bezug genommen
wurde.
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Somit zeigt die 1 einen Tintenstrahl-Druckkopf 1 gemäß dem Stand
der Technik von der Art, die in WO 91/17051 offenbart ist und eine Schicht 3 aus
einem piezoelektrischen Material umfasst, beispielsweise aus Blei-Zirkon-Titanat
(PZT), die auf ihrer oberen Oberfläche mit einer Anordnung von
nach oben geöffneten
Tintenkanälen 7 ausgebildet
ist. Wie aus der 2 ersichtlich
ist, bei der es sich um eine Schnittansicht entlang der Linie A-A
gemäß der 1 handelt, sind aufeinander
folgende Kanäle
in der regelmäßigen Anordnung
durch Seitenwände 13 getrennt,
die ein piezoelektrisches Material umfassen, das in der Richtung
der Dicke der Schicht 3 gepolt bzw. polarisiert ist (wie
durch den Pfeil P angedeutet).
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Auf gegenüber liegenden, dem Kanal zugewandten
Oberflächen
17 sind
Elektroden
15 angeordnet, an die über Verbindungen
34 Spannungen angelegt
werden können.
Wie beispielsweise aus
EP-A-0
364 136 bekannt ist, resultiert das Anlegen eines elektrischen
Feldes zwischen den Elektroden auf jeder Seite einer Wand in einer
Schermoden-Verbiegung der Wand in einen der angrenzenden Kanäle hinein – was in
der
2 in übertriebener
Weise mit Hilfe von gestrichelten Linien dargestellt ist –, was so in
diesem Kanal einen Druckimpuls erzeugt.
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Die Kanäle sind von einer Abdeckung 25 verschlossen,
in welcher Düsen 27 ausgebildet
sind, die mit jeweiligen Kanälen
an deren Mittelpunkten kommunizieren. Ein Tröpfchenausstoß aus den
Düsen erfolgt
in Antwort auf den vorgenannten Druckimpuls, was aus dem Stand der
Technik bekannt ist. Die Versorgung mit einem Tröpfchenfluid in die Kanäle, was in
der 2 durch Pfeile S
angedeutet ist, erfolgt über
zwei Leitungen 33, die in die untere Oberfläche bzw.
Unterseite 35 der Schicht 3 bis zu einer solchen Tiefe
hineingeschnitten sind, dass diese mit jeweils gegenüber liegenden
Enden der Kanäle 7 kommunizieren.
Ein solcher Kanalaufbau kann folglich als eine Doppelend-Seitenausstoß-Anordnung
(double-ended side-shooter) bezeichnet werden. Eine Abdeckplatte 37 ist
auf die Oberseite bzw. obere Oberfläche 35 geklebt bzw.
verbunden, um die Leitungen zu schließen.
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Die 3 und 4 sind eine perspektivische Explosionsansicht
bzw. eine Schnittansicht eines Druckkopfes, der das Doppelend-Seitenausstoß-Konzept
gemäß den 1 und 2 in einer Konfiguration mit "Seitenbreite" verwendet. Ein solcher Druckkopf
ist in WO 98/52763 beschrieben, deren Inhalt im Wege der Bezugnahme
eingeschlossen sei. Zwei Zeilen von Kanälen, die relativ zueinander
in der Medien-Zuführrichtung
beabstandet sind, werden verwendet, wobei sich jede Zeile entlang
der Breite einer Seite in einer Richtung "W" quer
zu einer Medien-Zuführrichtung
P erstreckt. Merkmale, die wie bei der Ausführungsform gemäß den 1 und 2 beschaffen sind, werden mit denselben
Bezugszeichen bezeichnet, die in den 1 und 2 verwendet werden.
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Wie in der 4 gezeigt, bei der es sich um eine Schnittansicht
handelt, die senkrecht zu der Richtung W aufgenommen ist, sind zwei
piezoelektrische Schichten 82a, 82b, die jeweils
Kanäle
(die in deren unterer Oberfläche
bzw. Unterseite und nicht in deren oberer Oberfläche, wie bei dem vorhergehenden
Beispiel, ausgebildet sind) und Elektroden aufweist, wie vorstehend
beschrieben, mit Hilfe einer flachen, ausgedehnten Basis bzw. Grundfläche 86,
in welcher Öffnungen 96a, 96b für einen
Tröpfchenausstoß ausgebildet
sind, geschlossen (wiederum auf deren unterer Oberfläche anstatt
auf deren oberer Oberfläche).
Die Basis 86 ist auch mit leitfähigen Bahnen (nicht gezeigt)
ausgebildet, die elektrisch mit jeweiligen Kanal-Elektroden verbunden
sind, beispielsweise mittels Lötverbindungen,
wie in WO 92/22429 beschrieben, und die sich bis zu dem Rand der
Basis erstrecken, wo eine jeweilige Treiberschaltung (integrierte
Schaltungen 84a, 84b) für jede Zeile von Kanälen angeordnet
ist.
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Ein solcher Aufbau hat verschiedene
Vorteile, insbesondere was die Herstellung anbelangt. Erstens dient
die ausgedehnte Basis 86 als "Rückgrat" für den Druckkopf,
um die piezoelektrischen Schichten 82a, 82b und
integrierten Schaltungen 84a, 84b während der
Herstellung abzustützen.
Diese Abstützfunktion
ist insbesondere während
des Prozesses zum miteinander Verbinden von mehreren Schichten wichtig,
um eine einzige fortlaufende Anordnung von Kanälen mit einer Seitenbreite
auszubilden, wie in der Perspektivansicht gemäß der 3 bei 82a und 82b angedeutet.
Die Größe der ausgedehnten
Abdeckung vereinfacht ebenfalls die Handhabung.
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Ein anderer Vorteil rührt von
der Tatsache her, dass die Oberfläche der Basis, auf der die
leitfähigen
Bahnen ausgebildet sind, eben bzw. plan ausgebildet sein muss, das
heißt
frei von jeglichen bedeutsamen Diskontinuitäten. Als solche können viele der
Herstellungsschritte unter Verwendung von erprobten Techniken ausgeführt werden,
die anderswo in der Elektronik-Industrie eingesetzt werden, beispielsweise
mittels einer fotolithografischen Bemusterung bzw. Strukturierung
zur Ausbildung der leitfähigen
Bahnen oder mittels "Flipchip"-Technik für die integrierten
Schaltungen. Eine fotolithografische Bemusterung ist insbesondere
dann nicht geeignet, wenn eine Oberfläche raschen Winkeländerungen unterliegt,
die von Problemen herrühren,
die im Zusammenhang mit dem Verfahren zum Aufschleudern stehen,
das typischerweise zum Aufbringen von fotolithografischen Schichten
verwendet wird. Ebene Substrate haben auch im Hinblick auf eine
einfache Verarbeitung, Ausmessung, Genauigkeit und Verfügbarkeit
Vorteile.
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Eine primäre Überlegung bei der Auswahl des
Materials für
die Basis besteht darin, ob dieses in einfacher Weise in einer Form
hergestellt werden kann, in welcher diese eine Oberfläche aufweist,
die frei von wesentlichen Diskontinuitäten ist. Eine zweite Anforderung
besteht darin, dass das Material ein thermisches Ausdehnungsverhalten
vergleichbar zu dem piezoelektrischen Material haben muss, das an anderer
Stelle in dem Druckkopf verwendet wird. Eine letzte Anforderung
besteht darin, dass das Material ausreichend robust sein muss, um
den zahlreichen Herstellungsprozessen standzuhalten. Aluminiumnitrid,
Aluminiumoxid, INVAR-Glas oder Spezialglas AF45 sind geeignete,
in Betracht kommende Materialien.
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Tröpfchenausstoß-Öffnungen 96a, 96b können ihrerseits
konisch bzw. kegelstumpfartig ausgebildet sein, wie bei der Ausführungsform
gemäß der 1, oder die kegelstumpfartige
Form kann in einer Düsenplatte 98 ausgebildet
sein, die über
der Öffnung
angebracht wird. Eine solche Düsenplatte
kann ein beliebiges der einfach abtragbaren Materialien umfassen,
beispielsweise Polyimid, Polycarbonat und Polyester, die herkömmlich zu
diesem Zweck verwendet werden. Außerdem kann die Düsenherstellung
unabhängig
von dem Zustand der Vervollständigung
des Restes des Druckkopfes erfolgen: die Düse kann durch Ablation bzw.
Abtragung von der Rückseite
her ausgebildet werden, bevor der aktive Körper 82a auf die Basis
oder das Substrat 86 montiert bzw. aufgesetzt wird, oder
von der Vorderseite her, sobald der aktive Körper positioniert ist. Beide
Techniken sind aus dem Stand der Technik bekannt. Das erstgenannte
Verfahren hat dahingehend einen Vorteil, dass die Düsenplatte
ausgetauscht oder der gesamte Aufbau in einer frühen Phase der Montage ausgesondert
werden kann, was den Wert der ausgesonderten Komponenten bzw. Bauelemente
minimiert. Das letztgenannte Verfahren erleichtert die Ausrichtung
der Düsen
zu den Kanälen
des Körpers,
wenn dieser auf dem Substrat montiert ist.
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Im Anschluss an die Montage der piezoelektrischen
Schichten
82a,
82b und der Treiberchips
84a,
84b auf
das Substrat
86 und eines geeigneten Austestens, was beispielsweise
in
EP-A-0 376 606 beschrieben
ist, kann ein Körper
80 angebracht
bzw. befestigt werden. Dies dient ebenfalls mehreren Funktionen,
von denen die wichtigste darin besteht, im Zusammenwirken mit der
Basis oder dem Substrat
86 Verzweigungskammern
90,
88 und
92 zwischen
und nach jeder Seite der Kanalzeilen
82a,
82b jeweils
auszubilden. Der Körper
80 ist
außerdem
mit jeweiligen Leitungen ausgebildet, wie bei
90',
88' und
92' angedeutet,
durch die Tinte von der Außenseite des
Druckkopfes her zu jeder Kammer zugeführt wird. Es wird offensichtlich
sein, dass dies zu einem besonders kompakten Aufbau führt, bei
dem Tinte von einer gemeinsamen Verzweigung
90 durch die Kanäle in jedem
der Körper
(beispielsweise zum Entfernen von gefangenem Schmutz oder Luftblasen) und
durch die Kammern
88 und
92 hinaus zir kuliert bzw.
umgewälzt
werden kann. Der Körper
80 stellt auch
Oberflächen
zum Anbringen bzw. Befestigen eines Mittels zum Lokalisieren bzw.
Positionieren des zusammengefügten
Druckkopfes in einem Drucker bereit und legt weitere Kammern
94a,
94b fest,
die von Kammern
88,
90,
92, die Tinte
enthalten, abgedichtet sind, und in denen sich integrierte Schaltungen
84a,
84b befinden.
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Der Druckkopf gemäß der 5 umfasst eine Basisplatte mit "Seitenbreite" bzw. ein Substrat 86,
worauf zwei Zeilen von integrierten Schaltungen 84 angebracht
sind. Dazwischen befindet sich eine Zeile von Kanälen 82,
die in dem Substrat 86 ausgebildet sind, wobei jeder Tröpfchenkanal
von diesem mit zwei beabstandeten Düsen 96a, 96b für einen Tröpfchenausstoß sowie
mit Verzweigungen 88, 92 und 90 kommuniziert,
die jeweils für
eine Tintenversorgung und eine -zirkulation zu jeder Seite hin und zwischen
den Düsen 96a, 96b angeordnet
bzw. ausgelegt sind.
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Das piezoelektrische Material für die Kanalwände ist
in einer Schicht
100 vorgesehen, die aus zwei Streifen
110a,
110b besteht.
Wie bei der Ausführungsform
gemäß der
4, werden diese Streifen
in der Seitenbreiten-Richtung W miteinander verbunden, wobei sich
jeder Streifen etwa 5–10
cm ausdehnt (wobei dies die typische Abmessung des Wafers darstellt
und ein solches Material üblicherweise in
einer solchen Form bereitgestellt wird). Vor der Ausbildung eines
Kanals wird jeder Streifen mit der fortschreitend planaren Oberfläche
120 des
Substrats
86 verbunden, wobei im Anschluss daran Kanäle gesägt oder
in anderer Weise ausgebildet werden, um sich durch den Streifen
und das Substrat hindurch zu erstrecken. Ein Querschnitt durch einen
Kanal, dessen zugeordneten Aktuator-Wände und die Düse sind
in der
6 gezeigt. Ein
solcher Aktuator-Wand-Aufbau ist beispielsweise aus
EP-A-0 505 065 bekannt und
wird folglich nicht in größerer Ausführlichkeit
erörtert
werden. Ähnliche
geeignete Techniken zum Entfernen sowohl der Klebeverbindungen zwischen
benachbarten, miteinander verbundenen Streifen aus piezoelektrischem
Material und Klebstoff-Freisetzungskanälen, die
bei der Klebeverbindung zwischen dem piezoelektrischen Streifen
und dem Substrat verwendet werden, sind aus
US 5,193,256 bzw. WO 95/04658 bekannt.
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Eine durchgehende Schicht aus leitfähigem Material
wird dann über
die Kanalwände
und das Substrat aufgebracht. Dadurch werden nicht nur Elektroden 190 zum
Anlegen von elektrischen Feldern an die piezoelektrischen Wände 13 – wie in
der 6 dargestellt – und an
die leitfähigen
Bahnen 192 auf dem Substrat 86 zum Anlegen von
Spannungen an diese Elektroden, wie in der 7 gezeigt, ausgebildet, sondern dies
bildet auch eine Verbindung zwischen diesen beiden Elementen, wie
bei 194 gezeigt.
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Geeignete Elektroden-Materialien
und Abscheidungsverfahren sind aus dem Stand der Technik wohl bekannt.
Kupfer, Nickel und Gold, die alleine oder in Kombination verwendet
und in vorteilhafter Weise mit Hilfe von stromlosen Prozessen unter
Verwendung eines Palladium-Katalysators abgeschieden werden, werden
für die
notwendige Unversehrtheit, Adhäsion
an dem piezoelektrischen Material, Korrosionsbeständigkeit
und Grundlage für
eine anschließende
Passivierung, beispielsweise unter Verwendung von Siliziumnitrid,
was aus dem Stand der Technik bekannt ist, sorgen. Andere Abscheidungsverfahren,
beispielsweise Sputtern, Elektronenstrahl-Beschichten und dergleichen,
sind aus dem Stand der Technik bekannt und ebenfalls geeignet.
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Wie man allgemein weiß, beispielsweise
aus der vorgenannten
EP-A-0
364 136 , müssen
die Elektroden auf einander gegenüber liegenden Seiten von jeder
Aktuator-Wand
13 elektrisch voneinander isoliert sein,
damit ein elektrisches Feld zwischen diesen und folglich quer zu
dem piezoelektrischen Material der Aktuator-Wand eingerichtet werden
kann. Dies ist in den Anordnungen gemäß der
2 und der
6 gezeigt.
Die entsprechenden leitfähigen
Bahnen, die jede Elektrode mit einer zugehörigen Spannungsquelle verbinden,
müssen
in gleicher Weise isoliert sein.
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Um leitendes Material von der oberen
Oberfläche 13' von jeder piezoelektrischen
Aktuator-Wand 13 zu entfernen, um so die Elektroden 190', 190" auf jeder Seite
von jeder Wand zu trennen, muss außerdem leitendes Material von
der Oberfläche
des Substrats 86 in einer solchen Weise entfernt werden, dass
jeweils leitfähige
Bahnen 197, 192" für jede Elektrode 190', 190" definiert werden.
An dem Übergangsbereich
zwischen dem piezoelektrischen Material 100 und dem Substrat 86 ist
die Stirnseite bzw. das Ende des piezoelektrischen Materials 10 abgeschrägt oder 25 kegelstumpfartig
ausgebildet, wie bei 195 gezeigt. Wie man weiß, hat dies
den Vorteil gegenüber
einem senkrechten Schnitt (von der Art, die bei 197 durch
eine gestrichelte Linie angedeutet ist), dass der verdampfende Laserstrahl – wie bildhaft durch
den Pfeil 196 gezeigt – auftreffen
bzw. einfallen kann und der, typischerweise mit einer Dicke bzw. Strahlbreite
von 300 μm
und aus Keramik und Glas gebildet, anfällig auf Beschädigungen
ist. Ein Neigungswinkel von 45 Grad ist als geeignet befunden worden.
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Man wird – anhand der 5 und 6 – es ebenfalls
schätzen,
dass die Elektroden und leitfähigen
Bahnen, die den aktiven Bereichen 140a zugeordnet sind,
von denjenigen isoliert sein müssen,
die 140b zugeordnet sind, damit die Zeilen von Düsen unabhängig voneinander
betätigt
bzw. betrieben werden können.
Obwohl dies ebenfalls mit Hilfe eines Laser-"Schnitts" entlang der Oberfläche des Substrats 86,
die sich zwischen den beiden piezoelektrischen Streifen erstreckt,
erzielt werden kann, wird dies einfacher durch die Verwendung einer
physikalischen Maske während
des Elektroden-Abscheidungsprozesses
oder durch die Verwendung einer elektrisch entladenden spanlosen
Bearbeitung erzielt.
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Bezugnehmend auf die 9 hat die Anmelderin herausgefunden,
dass der Prozess zum Entfernen des Elektroden-Materials von der
Oberseite der Wände
die Entfernung eines kleinen Abschnittes des PZT hervorruft und
dass dies in der Bildung einer Vertiefung (13") resultiert.
Dies hat einen nachteiligen Einfluss auf die Steifigkeit des PZT
zum Abdecken der Klebeverbindung und reduziert folglich die Aktivität des Druckkopfes
und erhöht
die Spannung, die zum Erzielen desselben Aktivitätsniveaus erforderlich ist.
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Gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden
Erfindung hält
die Verwendung eines Haft- bzw. Klebemittels, das mit Partikeln
mit einer Steifigkeit, die größer ist
als die Steifigkeit des Haft- bzw. Klebemittels, aufgefüllt ist,
eine steife Verbindung zwischen den Wänden und der Abdeckung aufrecht
und gewährleistet
dies, dass die Aktivität
der Wand keinen Kompromissen unterliegt. Bei einem alternativen Verfahren
zum Verbinden des PZT mit einer Abdeckung wird ein aufgefülltes Haft-
bzw. Klebemittel auf die Vertiefungen aufgebracht und kann dieses
vor der Verbindung des PZT mit der Abdeckung mit einem herkömmlichen,
nicht aufgefüllten
Haft- bzw. Klebemittel aushärten.
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Wenn die Abdeckung 130 in
der 6 leitend ist, ist
es eine natürliche
Anforderung, dass ein Kurzschluss zwischen der Elektrode 190" und der Abdeckung
verhindert sein muss. Eine dickere Klebeschicht an der Verbindung
verhindert einen Kurzschluss, hat jedoch den Effekt, dass die Steifigkeit der
Verbindung verringert und die Aktivität der Wand herabgesetzt wird.
In der oben genannten Weise halten die aufgefüllten Haft- bzw. Klebemittel eine steife Verbindung
aufrecht.
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Es ist bei all diesen Anwendungsformen
der aufgefüllten
Haft- bzw. Klebemittel vorteilhaft, dass die Größe der Partikel, die verwendet
werden, streng kontrolliert wird und die optimale Größe der Partikel als
Funktion der Wandhöhe,
des Abdeckungsmaterials, der Steifigkeit und dergleichen kann herausgefunden
werden. Typischerweise wird die Partikelgröße zwischen 1 und 10 μm, vorzugsweiser
zwischen 3 und 7 μm,
liegen. In den bevorzugten Ausführungsformen
beträgt
die mittlere Partikelgröße 5 μm ± 1 μm. Dies stellt
einen schmalen Bereich für
die Partikelgröße dar,
welcher der Haft- bzw. Klebeverbindung eine einheitliche und hohe
Stärke
verleiht.
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Eine Laserbearbeitung kann ebenfalls
in einem nachfolgenden Schritt verwendet werden, um die Tintenausstoß-Öffnungen 96a, 96b in
der Basis von jedem Kanal auszubilden, was aus dem Stand der Technik
bekannt ist. Solche Bohrungen bzw. Öffnungen können unmittelbar als Tintenausstoß-Düsen dienen.
Alternativ kann an die untere Oberfläche des Substrats 86 eine
separate Platte angebunden sein (nicht gezeigt), mit Düsen, die
mit den Öffnungen 96a, 96b kommunizieren
und die eine höhere
Qualität
aufweisen, die ansonsten für
Düsen zur
Verfügung
steht, die unmittelbar in der Keramik- oder Glasbasis des Kanals
ausgebildet sind. Geeignete Techniken sind bekannt, insbesondere
aus WO 93/15911, die eine Technik zur in-situ-Ausbildung von Düsen, nach
einer Befestigung der Düsenplatte
offenbart, um so die Ausrichtung von jeder Düse zu ihrem jeweiligen Kanal
zu erleichtern.
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Die Abdeckung 130 erfüllt mehrere
Funktionen: Erstens schließt
diese jeden Kanal entlang denjenigen Abschnitten 140a, 140b ab,
wo die Wände
piezoelektrisches Material einschließen, so dass eine Betätigung des
Materials und die resultierende Verbiegung der Wände einen Druckimpuls in den
Kanalbereichen erzeugen und den Ausstoß eines Tröpfchens durch eine jeweilige Öffnung hervorrufen
kann. Zweitens definieren die Abdeckung und das Substrat zwischen
sich Leitungen 150a, 150b und 150c, die sich
entlang jeder Seite von jeder Zeile von aktiven Kanalbereichen 140a, 140b erstrecken
und durch die Tinte zugeführt
wird. Die Abdeckung ist auch mit Anschlüssen 88, 90, 92 ausgebildet,
die Leitungen 150a, 150b und 150c mit
jeweiligen Teilen eines Tintensystems verbinden. Um die ausgestoßene Tinte zurückzugewinnen,
kann ein solches System die Tinten auch durch die Kanäle (wie
durch die Pfeile 112 angedeutet) zum Entfernen bzw. Abführen von
Wärme,
Schmutz und Blasen zirkulieren lassen bzw. umwälzen, was aus dem Stand der
Technik bekannt ist. Schließlich
besteht eine Funktion der Abdeckung darin, den die Tinte enthaltenden
Teil des Druckkopfes gegen die Außenwelt abzudichten und insbesondere die
Elektronik 84. Es hat sich herausgestellt, dass dies in
zufrieden stellender Weise erzielt werden kann, wenn das Haft- bzw.
Klebemittel zwischen dem Substrat 86 und der Abdeckungsrippe 182 aufgebracht
ist, obwohl zusätzliche
Maßnahmen
verwendet werden können,
beispielsweise Betätigungsstreifen.
Alternativ kann die Abdeckungsrippe durch ein geeignet geformtes
Abdichtungselement ersetzt werden.
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Weit ausgedrückt, umfasst der Druckkopf
gemäß der 5 eine erste Schicht mit
einer durchgehend planaren Oberfläche; eine zweite Schicht aus piezoelektrischem
Material, die mit der durchgehend planaren Oberfläche verbunden
ist; zumindest einen Kanal, der sich durch die miteinander verbundenen ersten
und zweiten Schichten hindurch erstreckt; wobei die zweite Schicht
erste und zweite Bereiche aufweist, die entlang der Länge des
Kanals zueinander beabstandet sind; und eine dritte Schicht, die
dazu dient, um sämtliche
Seiten, die parallel zu der Achse der Kanalbereiche des Kanals,
der durch die ersten und die zweiten Bereiche der zweiten Schicht
festgelegt wird, liegen, abzuschließen.
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Man wird es zu schätzen wissen,
dass die Beschränkung
der Verwendung des piezoelektrischen Materials auf diese "aktiven" Bereiche des Kanals,
wo es erforderlich ist, die Kanalwände zu verschieben, eine effiziente
Weise darstellt, um dieses vergleichsweise teure Material auszunützen. Die
Kapazität,
die mit dem piezoelektrischen Material einher geht, wird ebenfalls
minimiert, was die Last an die Treiberschaltung verringert und folglich
deren Kosten.
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Während
der Druckkopf gemäß den 5, 6 und 7 Aktuator-Wände von
dem "Federbalken"-Typ (cantilever)
verwendet, wo nur ein Teil der Wand sich in Antwort auf das Anlegen
eines betätigenden
elektrischen Feldes verbiegt, verbiegen bzw. verstellen sich die
Aktuator-Wände
des Druckkopfes gemäß der 10 aktiv über deren
gesamter Höhe
in einer V-förmigen
Form. Ein solcher "V-förmiger" (chevron) Aktuator
weist obere und untere Wandbereiche 250, 260 auf,
die in entgegengesetzte Richtungen gepolt bzw. polarisiert sind
(wie durch die Pfeile angedeutet), sowie Elektroden 190', 190" auf einander
gegenüber liegenden Oberflächen, um über der gesamten Höhe der Wand
ein unidirektionales bzw. gerichtetes elektrisches Feld anzulegen.
Die ungefähre
verzerrte bzw. verbogene Form der Wand, wenn diese elektrischen
Feldern unterliegt, ist mit Hilfe der gestrichelten Linien 270 auf
der rechten Seite der 10 übertrieben
dargestellt.
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Zahlreiche Verfahren zum Herstellen
solcher "V-förmigen" Aktuator-Wände sind
aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus
EP-A-0 277 703 ,
EP-A-0 326 973 und WO 92/09436.
Für den Druckkopf
gemäß den
15 und
16 werden zuerst zwei Schichten aus piezoelektrischem
Material so angeordnet, dass deren Polarisationsrichtungen zueinander
entgegengesetzt verlaufen. Die Schichten werden dann miteinander
laminiert bzw. verbunden, in Streifen geschnitten und schließlich auf
ein inaktives Substrat
86 geklebt bzw. aufgebondet, was
bereits anhand der
5 erklärt wurde.
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Die 11 zeigt
eine "Chevron"-Wand, die aus zwei
Schichten aus piezoelektrischem Material 250, 260 ausgebildet
ist, die über
eine Haft- bzw. Klebemittelschicht 800 miteinander verbunden
sind. Die Wände
wurden einer Plasmareinigung unterzogen, um jegliche Verunreinigungen
zu entfernen, die durch den Sägevorgang
hervorgerufen werden. Man hat herausgefunden, dass es in dem Wesen
des Haft- bzw. Klebemittels liegt, dass eine Plasmareinigung auch
das Haft- bzw. Klebemittel 800 ätzt, so dass es an der Verbindungsstelle
zu einem geringfügigen Überhängen des
piezoelektrischen Materials kommt.
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Um eine maximale Effizienz zu erzielen, müssen für eine "Chevron"-Wand separate Elektroden über der
gesamten Oberfläche
auf beiden Seiten der Wand ausgebildet werden. Man hat herausgefunden,
dass das Ätzen
des Haft- bzw. Klebemittels eine schlechte Elektrodenbildung an
der Verbindungsstelle hervorrufen kann, insbesondere dann, wenn
die Elektroden mit geradlinigen Verfahren ausgebildet werden, beispielsweise
mittels Sputtern oder Elektronenstrahl-Beschichtung. Im schlechtesten
Fall kann das Ergebnis eine vollständige Separation der Elektroden
auf den oberen und unteren Abschnitten des piezoelektrischen Materials
sein, ohne dass Elektrodenmaterial an der Stelle 801 entlang
der gesamten Länge
der Wand abgeschieden ist.
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Es ist manchmal schwierig, ein Anhaften
des Elektrodenmaterials an den verwendeten Haft- bzw. Klebemitteln
zu erzielen, und dies kann zu Mängeln führen, beispielsweise zu
einer Tränenbildung
oder einer anderen Beschädigung,
wenn die Komponente einer weiteren Bearbeitung unterzogen wird,
beispielsweise einem Reinigungs- oder Passivierungsprozess.
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Eine typische Kurve, die die Aktivität des gemäß diesen
herkömmlichen
Techniken herstellten Druckkopfes zeigt, ist in der 14 gezeigt. Die Stelle 802 gibt
die Situation wieder, dass beide Seiten der Wand Elektroden aufweisen,
die von dem Haft- bzw. Klebematerial
zerstört
sind. Weil nur die Hälfte
der Wand betätigt
werden kann, ist die Aktivität
reduziert. Bei der Stelle 803 weist eine Seite einer Wand
eine zerstörte
Elektrode auf, während
die andere Seite der Wand eine vollständig aktive Elektrode aufweist.
An sämtlichen
anderen Stellen auf der Kurve sind die Elektroden auf beiden Seiten
der Wand vollständig ausgebildet.
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Ein anderer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung
behebt das Problem einer schlechten Elektrodenbildung an der Haft-
bzw. Klebeverbindung durch die Verwendung von Haft- bzw. Klebemitteln mit
Füllmaterial
in einer dünnen
Schicht.
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Wie man aus der 13 erkennen kann, bei der es sich um
eine vergrößerte Ansicht
des Bereichs A in der 11 handelt
und bei der das Haft- bzw. Klebemittel 800 Partikel 804 enthält, entfernt
ein Plasmaätzen
nach dem Sägen
das Haft- bzw. Klebemittel 800, um das Füllmaterial 804 zum
Vorschein zu bringen. Dies verbessert die Qualität der Verankerungspunkte für das Elektrodenmaterial
und verringert zusätzlich
den Überhang,
so dass der Überzug sich über die
gesamte Oberfläche
des Laminats erstrecken wird. Die Partikel, die eine Steifigkeit
aufweisen, die größer ist
als die des Haft- bzw. Klebemittels, gewährleistet, dass das Betriebsverhalten
der Wand nicht auf Grund der Verwendung einer dickeren Klebeverbindung
Kompromissen unterliegt. In einer bevorzugten Ausführungsform
weist das Haft- bzw. Klebemittel eine Dicke auf, die vergleichbar
zu der Größe des größten Teilchens
ist, das heißt
es gibt nur eine einzige Schicht von Partikeln, die die oberen und unteren
Lagen des piezoelektrischen Materials trennen. Somit ist durch sorgfältige Kontrolle
der Größe der Partikel,
so dass diese zwischen 5 und 20 μm
und vorzugsweiser zwischen 5 und 15 μm liegt, das Haft- bzw. Klebematerial
im Wesentlichen selbst ausbreitend.
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Das Verfahren zum Hinzufügen der
Partikel zu dem Klebemittel muss sorgfältig kontrolliert werden, um
ein geeignetes Vermischen zu gewährleisten,
insbesondere dann, wenn das Klebemittel ein Kleber mit zwei reaktiven
Komponenten ist, beispielsweise ein Epoxidkleber. Die Keramik erhöht die Viskosität des Klebemittels
und bei einer hohen Belastung kann es schwierig werden, die Partikel über das
gesamte Klebemittel zu verteilen. Man hat herausgefunden, dass ein
Vermischen des Klebemittels mit einem flüchtigen Lösungsmittel die Zeitdauer erhöht, die
für ein
Vermischen zur Verfügung
steht, bevor das Gemisch zu dick wird. Ein geeignetes Lösungsmittel
ist Aceton. Andere Verfahren, um eine geeignete Vermischung zu gewährleisten,
sind das Hinzufügen
der Partikel zu einem Teil der Klebemischung vor dem Hinzufügen des
zweiten Klebemittelteils.
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Weitere Modifikationen beinhalten
die Bereitstellung von Partikeln, die leitend sind. Dies ermöglicht,
dass die Seitenwand-Schermoden-Aktuatoren mit unterschiedlichen
Polungsanordnungen ausgebildet werden können, wobei die Partikel ihrerseits potenziell
als Elektrodenmaterial dienen.
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Nach der Kanalbildung wird dann ein
leitendes Material abgeschieden und werden Elektroden leitende Bahnen
definiert. In dem gezeigten Beispiel sind die piezoelektrischen
Streifen 110a und 110b abgeschrägt, um eine
Laser-Bemusterung zu erleichtern, wie vorstehend beschrieben. Die
Düsenöffnungen 96a, 96b sind
ebenfalls in dem Substrat an zwei Stellen entlang jedem Kanal ausgebildet.
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Schließlich wird ein Abdeckelement 130 auf die
Oberseiten der Kanalwände
geklebt bzw. gebondet, um so die geschlossenen "aktiven" Kanallängen zu erzeugen, die für einen
Tröpfchenausstoß erforderlich
sind. In dem Druckkopf gemäß der 15 braucht das Abdeckelement
nur ein einfaches, planares Element zu umfassen, das mit Tintenversorgungsanschlüssen 88, 90, 92 ausgebildet
ist, weil Spalte 150a, 150b, 150c, die
zum Verteilen der Tinte entlang der Zeile von Kanälen erforderlich
sind, zwischen der unteren Oberfläche 340 des Abdeckelements 130 und
der Oberfläche 345 des
Trogs 300 definiert sind. Ein Abdichten der Kanäle wird
bei 330 mit Hilfe der Klebeverbindung (nicht gezeigt) zwischen der
unteren Oberfläche 340 der
Abdeckung 130 und der oberen Oberfläche des Substrats erzielt.
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In der 16 wird
die Einfachheit des Aufbaus des Substrats 86 mit dem Trog 300 durch
das Erfordernis ausgeglichen, eine trogartige Struktur 350 (beispielsweise
definiert durch eine vorstehende Rippe 360) in der Abdeckung 130 auszubilden,
um so Tintenversorgungsleitungen 150a, 150b, 150c festzulegen.
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Bezugnehmend auf die Ausführungsform
gemäß der 17 verwendet diese ebenfalls
die Kombination aus einem einfachen Substrat 86 und einer komplizierteren
Abdeckung 130, in diesem Fall eine Kompositstruktur, die
aus einem Abstandselement 410 und aus einem planaren Abdeckelement 420 ausgebildet
ist. Anders als bei den vorherigen Ausführungsformen ist jedoch das
Substrat 86 und nicht die Abdeckung mit den Tintenversorgungsanschlüssen 88, 90, 92 ausgebildet
und ist die Abdeckung 130 anstelle des Substrats mit den Öffnungen 96 für den Tröpfchenausstoß ausgebildet.
In dem gezeigten Beispiel kommunizieren diese Öffnungen mit Düsen, die
in einer Düsenplatte 430 ausgebildet
sind, die an dem planaren Abdeckelement 420 angebracht
ist.
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Die 18 ist
eine teilweise aufgebrochene Perspektivansicht des Druckkopfes gemäß der 17, von der Seite der Abdeckung
aus betrachtet. Die Streifen 110a, 110b aus "Chevron"-gepoltem piezoelektrischen
Laminat sind an das Substrat 86 angeklebt und anschließend geschnitten
worden, um Kanäle
auszubilden. Eine durchgehende Schicht aus leitendem Material ist
dann über
den Streifen und Teilen des Substrats abgeschieden worden und Elektroden
und leitende Bahnen sind darauf gemäß der vorliegenden Erfindung
ausgebildet worden. Wie anhand der 7 erklärt wurde,
sind die Streifen auf jeder Seite (an der Stelle 195) abgeschrägt, um in
diesem Übergangsbereich
eine Laserbemusterung zu unterstützen.
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Die 19 ist
eine vergrößerte Ansicht,
bei der das Abstandselement 410 entfernt ist, um die leitenden
Bahnen 192 mehr im Detail zu zeigen. Obwohl dies aus Gründen der Übersichtlichkeit
nicht gezeigt ist, wird man erkennen, dass diese, wie auch die Kanäle 7,
sich über
die gesamte Breite des Druckkopfes erstrecken. In dem Bereich des
Substrats in der Nähe
zu jedem Streifen (durch einen Pfeil 500 in Bezug auf den
Streifen 110b angedeutet) verlaufen die Bahnen durchgehend
gemeinsam mit den Elektroden (nicht gezeigt) auf den gegenüber liegenden
Wänden
von jedem Kanal, die in demselben Herstellungsschritt abgeschieden
worden sind. Dies sorgt für
einen wirksamen elektrischen Kontakt.
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An anderen Stellen auf dem Substrat – wie bei 510 angedeutet – können jedoch üblichere
Techniken, beispielsweise eine Fotolithografie, dazu verwendet werden,
um nicht nur Bahnen 192, die von den Kanalelektroden zu
den integrierten Schaltungen 84 führen, sondern auch weitere
Bahnen 520 zu definieren, um Strom, Daten und andere Signale
zu den integrierten Schaltungen zu transportieren. Solche Techniken
können
kosteneffizienter sein, insbesondere dann, wenn die leitenden Bahnen
um Tintenversorgungsanschlüsse 92 herum
verteilt sind, was ansonsten eine komplizierte Positionskontrolle
eines Lasers erfordern würde.
Diese werden bevorzugt auf dem Aluminiumoxid-Substrat ausgebildet,
bevor Tintenversorgungsanschlüsse 88, 90, 92 gebohrt
werden (beispielsweise mit Hilfe eines Lasers) und bevor die piezoelektrischen
Streifen 110a, 110b angebracht werden, abgeschrägt werden
und gesägt
werden. Nach der Abscheidung eines leitenden Materials in dem Zwischenbereich
der Streifen kann dann ein Laser dazu verwendet werden, um sicherzustellen, dass
jede Bahn nur mit ihrer jeweiligen Kanalelektrode und mit keiner
anderen verbunden ist.
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Danach werden sowohl die Elektroden
als auch die Bahn eine Passivierung erfordern, beispielsweise unter
Verwendung von Siliziumnitrid, das entsprechend WO 95/07820 abgeschieden
wird. Dies sorgt nicht nur für
einen Schutz gegen Korrosion auf Grund der kombinierten Effekte
von elektrischen Feldern und der Tinte (man wird erkennen, dass
das gesamte leitende Material, das innerhalb des Bereichs 420 enthalten
ist, das von dem Innenprofil 430 des Abstandselements 410 definiert
wird, der Tinte ausgesetzt ist), sondern dies verhindert auch, dass die
Elektroden auf einander gegenüber
liegenden Seiten von jeder Wand durch das planare Abdeckelement 430 kurzgeschlossen
werden. Sowohl die Abdeckung als auch das Abstandselement sind vorteilhafterweise
aus Molybdän
oder Nylo (Handelsmarke) hergestellt, was zusätzlich zu der Tatsache, dass
diese ähnliche
thermische Ausdehnungseigenschaften aufweisen, wie das Aluminiumoxid,
das an anderen Bereichen in dem Druckkopf verwendet wird, einfach verarbeitet
werden kann, beispielsweise durch Ätzen, Laserschneiden oder Stanzen,
und zwar mit hoher Genauigkeit (Nylo ist eine Nickellegierung, die von
Reynolds Corp. hergestellt wird). Dies ist besonders wichtig für die Öffnungen
zum Tröpfchenausstoß 96 und
in einem geringeren Maße
für das
wellenförmige
Innenprofil 430 des Abstandselements 410, um einen
Einschluss von Blasen zu vermeiden. Blasenfallen werden außerdem dadurch
vermieden, dass die Vertiefung 440 des wellenförmigen Profils
so positioniert wird, dass diese mit dem Rand des jeweiligen Tintenanschlusses 92 ausgerichtet
ist oder sich sogar über
diesem befindet. Die Erhebung 450 des wellenförmigen Profils
ist vergleichbar dimensioniert (um sich unter einem Abstand – typischerweise
3 mm, etwa 1,5-mal die Breite von jedem Streifen 110a, 110b – zu dem
Rand des benachbarten Streifens 110a, 110b zu
befinden, um zu gewährleisten,
dass Blasenfallen vermieden werden, ohne den Tintenstrom in die
Kanäle
zu beeinflussen.
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Das Abstandselement 410 wird
anschließend
an der oberen Oberfläche
des Substrats 86 mittels einer Klebeschicht befestigt.
Zusätzlich
zu ihrer primären
Sicherungsfunktion sorgt diese Schicht auch für eine als Ersatz dienende
elektrische Isolation zwischen den leitfähigen Bahnen auf dem Substrat.
Ausrichtungsmerkmale, beispielsweise eine Kerbe 440, werden
dazu verwendet, um eine korrekte Ausrichtung zu gewährleisten.
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Die letzten beiden Elemente, die
durch Kleben angebracht werden sollen – entweder separat oder im
Anschluss an das Zusammenfügen – sind das
planare Abdeckelement 420 und die Düsenplatte 430. Optische
Mittel können
dazu verwendet werden, um eine korrekte Ausrichtung zwischen den
Düsen, die
in der Düsenplatte
ausgebildet sind, und den Kanälen
selbst zu gewährleisten.
Alternativ können
die Düsen
ausgebildet werden, sobald die Düsenplatte
in situ fertiggestellt ist, was beispielsweise aus WO 93/15911 bekannt
ist.
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Ein weiteres vorteilhaftes Merkmal
der Verwendung von Klebemitteln mit Füllmaterialien gemäß einem
Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist in der 20 dargestellt, die eine Detailansicht
des in der 7 mit dem
Bezugszeichen 194 bezeichneten Bereichs ist. Das Wulst 550,
das erzeugt wird, wenn das Klebemittel während der Erzeugung der Verbindung
zwischen der piezoelektrischen Schicht 100 und dem Substrat 86 herausgedrückt wird,
wird vorteilhafter Weise zurückgehalten,
wenn die Schräge 195 auf
der Stirnseite bzw. dem Ende der Schicht ausgebildet wird, wie vorstehend
beschrieben. Die Füllstoffe
in diesem Klebemittel-Wulst werden anschließend freigelegt, wenn der Aufbau
einem vor der Beschichtung erfolgenden Reinigungsschritt unterzogen
wird (beispielsweise Plasmaätzen),
und sorgen für
eine gute Verankerung für
das Elektrodenmaterial 190 in einem Bereich, der ansonsten
empfänglich wäre für Beschichtungsfehler,
die durch ein Ätzen des
Klebemittels und durch die Eigenschaften des Klebemittels hervorgerufen
werden, was es nicht erlaubt, eine starke Verbindung mit Elektroden,
die mit gewissen Verfahren hergestellt sind, auszubilden.
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Weitere Gesichtspunkte gemäß der vorliegenden
Erfindung werden nun anhand der 21 bis 26 diskutiert werden. Die 15 zeigt einen Block aus
piezoelektrischem Material 100, der vorbereitet ist und
bereit steht, um an einem Substrat angebracht zu werden. Man kann
erkennen, dass "seitenbreite" Streifen aus piezoelektrischem
Material 110a und 110b aus einer Anzahl von abgeschrägten Elementen
ausgebildet sind. Wie bereits erwähnt worden ist, wird die Gleichmäßigkeit
der Streifen-Substrat- Verbindung
durch die Verwendung von Klebemittelstrom-Freigabekanälen 630 gewährleistet,
die in der unteren Oberfläche
des Streifens 610 an Stellen ausgebildet sind, die den
Tintenkanälen
entsprechen, die in einem nachfolgenden Schritt ausgebildet werden. Ein
weiterer Entspannungskanal wird an der Deckverbindung 650 zwischen
Streifen mit Hilfe von halbbreiten Kanälen 640 ausgebildet,
die in jeweiligen Enden der Streifen ausgebildet sind. Wie in der 22 gezeigt, bei der es sich
um eine Detailansicht handelt, die entlang dem Pfeil 660 in
der 21 aufgenommen ist,
wird vorzugsweise ausreichend Klebemittel 76 angewendet,
um die Entspannungskanäle 630 und 640 aufzufüllen.
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Die Anmelderin hat herausgefunden,
dass unerwartete Vorteile gewährleistet
sind, wenn die Entspannungskanäle
an Positionen gesägt
werden, die den oberen Tintenausstoß-Kanälen
7 entsprechen.
Sobald die Klebeverbindung
670 ausgehärtet ist, werden Tintenkanäle
7 in
der oberen Oberfläche der
piezoelektrischen Schicht ausgebildet. Die
23 zeigt, wie die Kanäle so positioniert und mit einer
solchen Tiefe geschnitten werden, dass diese mit Klebstoff-Entspannungskanälen
630 kommunizieren,
möglicherweise
selbst dann, wenn ein gewisser Teil des Klebemittels in den in der
23 mit den gestrichelten
Linien
681 dargestellten Entspannungskanälen entfernt
wird. In gleicher Weise kommuniziert der Tintenkanal
7', der an der
Schrägverbindung
650 – ein Prinzip,
das aus der vorgenannten
US 5,193,256 bekannt
ist – mit
dem Entspannungskanal, der von Halbkanälen
640 ausgebildet
wird, kommuniziert. Als Folge ist jede der Kanalwände
13 mit
ihren Nachbarn nur über
den Klebstoff
670 verbunden, was das Übersprechen verringert, das
ansonsten über
das piezoelektrische Basismaterial erfolgen würde (dieses Problem wird ausführlicher
in
EP-A-0 364 136 diskutiert).
In vorteilhafter Weise sind der an der Schrägverbindung
650 ausgebildete Kanal
und die Kanäle
an sämtlichen
anderen Stellen entlang der Anordnung im Wesentlichen identisch, was
deren äußere Gestalt
und Aktivität
anbelangt.
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Es hat sich als vorteilhaft erwiesen,
an verschiedenen Stellen in dem Druckkopf ein Haft- bzw. Klebemittel
zu verwenden, das "aufgefüllt" ist, das heißt das Partikel
enthält,
die eine größere Steifigkeit aufweisen
als das Haft- bzw. Klebemittel selbst. Der resultierende Klebstoff
weist somit eine größere Steifigkeit
auf als der nicht aufgefüllte
Klebstoff und folglich als einer, der sich näher bei dem piezoelektrischen
Material befindet. Eine solche Stelle ist die Verbindung zwischen
den Streifen aus piezoelektrischem Material
110a,
110b und
der Oberfläche
des Substrats
86, was eine steifere Verbindung gewährleistet
und insgesamt eine steifere Aktuator-Wand. Dies erhöht seinerseits
die Effizienz des Aktuators – ein
Prinzip, das beispielsweise aus
EP-A-0 277 703 bekannt ist. Keramik-Partikel – beispielsweise
aus Aluminiumoxid, Siliziumcarbid, gemahlenem Silizium bzw. Silizium-Mehl,
das mit 30–50
Gew.-% mit Epoxy-Klebemitteln verwendet wird, beispielsweise mit Epotek
(Handelsmarke) oder Ablebond (Handelsmarke), haben sich als besonders
effektiv entweder alleine oder als Teil einer Mischung erwiesen.
Andere Partikel mit einer Steifigkeit, die größer ist als die des Haft- bzw.
Klebemittels, können
verwendet werden, einschließlich
von metallischen oder solchen aus Kunststoff (polymerisch, thermoplastisch,
wärmehärtend etc.).
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Ein Vorteil dieser Struktur besteht
darin, dass diese das Übersprechen
ohne irgendeine wahrnehmbare Verringerung der Aktivität verringert.
Weil die aufgefüllten
Haft- bzw. Klebemittel eine Steifigkeit aufweisen, die sich der
des piezoelektrischen Materials annähert, gibt es eine geringere
Anforderung, um zu gewährleisten,
dass die oberen Kanäle
genau einem zugehörigen
unteren Kanal entsprechen, und deshalb weicht dies die Toleranzen
auf, die zur Herstellung des Kopfes eingehalten werden müssen.
-
Außerdem gewährleistet diese Technik, dass ein
beliebiger Teil der Kanalwand
13, der sich bis über die
Tiefe des geeigneten Kanals erstreckt, beispielsweise die Bereiche
690 und
691,
die in der
24 gezeigt
sind, auf einer Seite mit Hilfe einer Wulst
680 aus einem
Haft- bzw. Klebemittel abgestützt
sind, das seinerseits eine größere Steifigkeit aufweist,
auf Grund der Verwendung des Keramik-Füllstoffs. Eine sorgfältige Kontrolle
des Klebeschritts gewährleistet,
dass die Steifigkeit der Verbindung an dem Boden der Wand gleichmäßig bleibt
bei der Verbindung zwischen zwei Streifen und an anderen Stellen
in dem Kopf – ein
wichtiger Faktor für
die Gleichmäßigkeit
der Ausstoßgeschwindigkeit
zwischen Kanälen
(es wird diesbezüglich
wiederum auf
EP-A-0
364 136 verwiesen), welche ihrerseits einen gut bekannten
Schlüsselfaktor
darstellt, der die Qualität
des gedruckten Bildes beeinflusst.
-
Andere Vorteile bei der Verwendung
dieses Verfahrens können
erzielt werden, wenn es gewünscht
ist, die Klebstoffbedeckung vollständig zu entfernen. Wie vorstehend
erörtert
wurde, ist die Steifigkeit der Verbindung an dem Boden der Wand
wichtig und dort, wo nicht aufgefüllte Haft- bzw. Klebemittel
aufgefüllt
sind, kann die Klebeverbindung dünn sein,
um die geforderte Steifigkeit zu erzielen. Durch Integrieren von
Füllstoffen
kann dieselbe Steifigkeit unter Verwendung einer dickeren Schicht
aus Haft- bzw. Klebemittel erzielt werden. Wenn das Substrat signifikant
härter
ist als das piezoelektrische Material, ist außerdem eine sorgfältige Kontrolle
der Säge
bzw. des Sägeblatts
erforderlich, so dass diese nicht durch ein zu tiefes Schneiden,
und zwar in das Substrat hinein, beschädigt wird. Die dickere Klebstoffschicht, die
durch das Hinzufügen
der Füllstoffe
ermöglicht ist,
ermöglicht,
dass die Herstellungstoleranzen aufgeweicht werden können, und
führt zu
einer Erhöhung
der Lebensdauer der Sägeblätter.
-
Ein weiteres Merkmal wird anhand
der 21 beschrieben.
Wie bereits vorstehend erläutert
wurde, ist das piezoelektrische Material für die Kanalwände in einer
Schicht 100 integriert, die aus zwei Streifen 110a, 110b besteht,
die jeweils mit anderen Streifen in der Richtung W anliegen, was
für eine
breite Anordnung von Kanälen
notwendig ist. In Abhängigkeit
davon, ob der Aktuator von dem Typ "Federbalken" oder "Chevron" bzw. "V-förmig" ist, wird die piezoelektrische
Schicht in eine oder zwei (entgegengesetzte) Richtungen polarisiert
bzw. gepolt sein, und in dem letztgenannten Fall kann diese aus
zwei entgegengesetzt polarisierten Lagen bzw. Schichten ausgebildet
sein, die miteinander laminiert bzw. verbunden sind, wie bei 600 und 610 in
der 21 gezeigt. Um eine
relative Positionierung zu erleichtern, sind die Streifen 110a, 110b über ein
Brückenstück 620 miteinander
verbunden, das in dem Schritt zum Abschrägen entfernt wird, der ausgeführt wird,
sobald der Streifen 100 und das Substrat 86 unter
Verwendung eines Haft- bzw. Klebemittels miteinander verbunden bzw.
verklebt sind.
-
Die bessere Steifigkeit, die von
der Verwendung von aufgefüllten
Haft- bzw. Klebemitteln herrührt,
hat eine weitere Verwendung und einen weiteren Effekt, der ausführlicher
anhand der 25 und 26 diskutiert wird. Die 25 stellt Kanalwände 13a und 13b dar,
die an einem Substrat 86 befestigt sind, das eine unebene
Oberfläche
(repräsentiert
durch die Steigung 700) aufweist, und zwar mit Hilfe einer Klebstoffschicht 710 mit
konstanter Dicke. Die Kanäle 7 weisen
ebenfalls eine konstante Tiefe d auf, was davon herrührt, dass
die Oberfläche 720 des
piezoelektrischen Streifens vor der Kanalbildung, beispielsweise
durch Sägen
mit einer Frässcheibe,
wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist, planarisiert worden
ist. "d" ist die "aktive Höhe" der Wand, das heißt derjenige
Teil der Wand, der sich verbiegt, wenn dieser einem elektrischen
Feld ausgesetzt wird. Wie man jedoch erkennen wird, wird die Verbindung
an dem Boden der aktiven Höhe
der Wand 13a flexibler sein als an dem Boden der aktiven
Höhe der
Wand 13b, als Folge des Abstandes zwischen dem Boden der
aktiven Höhe
und dem Substrat 86 – mit 730a bezeichnet –, der größer ist
für die
Wand 13a als der entsprechende Abstand 730b für die Wand 13b.
-
Die 26 zeigt
die kontrastierende Situation, wenn die Technik gemäß diesem
Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird. Die Wulst 680 der
Klebstoffschicht 670 erstreckt sich bis zu dem Boden der
aktiven Höhe "d" der Wand, und zwar unabhängig von
dem Profil des Substrats 86. Die Bodenverbindungssteifigkeit
ist deshalb dieselbe für
beide Wände 13a, 13b und
für sämtliche Wände im Druckkopf
allgemein. Die Gleichmäßigkeit
wird deshalb zumindest unter diesem Gesichtspunkt gewährleistet.
-
Ein weiterer Vorteil der Verwendung
einer dickeren Klebstoffschicht ist in der 27 abgebildet. Wie früher erklärt wurde, muss das Material
der Basis- bzw. Grundfläche
sorgfältig
gewählt
werden, um zu dem PZT zu passen. Unter gewissen Umständen bevorzugt
man jedoch die Verwendung eines Materials, das eine Härte aufweist,
die viel größer ist
als die des PZT. Wie erwähnt
wurde, sollte die Verbindung zwischen dem PZT und der Basis steif
sein, und wenn herkömmliche,
nicht gefüllte
Haft- bzw. Klebemittel verwendet werden, wird diese Steifigkeit
unter Verwendung einer dünnen
Schicht aus einem Haft- bzw. Klebemittel 710 erzielt. Wenn
die Kanäle 7 gesägt werden,
ist es oftmals schwierig, einen Schnitt in die Basis hinein zu vermeiden,
wie durch die gestrichelte Linie bei 799 angezeigt. Für den vorgenannten Fall,
dass die Basis aus einem harten Material gebildet ist, resultiert
der Schneidvorgang oftmals in einer Beschädigung des Sägeblatts,
was nicht nur die Lebensdauer des Sägeblatts verringert und die
Reparaturkosten erhöht,
dies kann unter gewissen Umständen
die gerade hergestellte Komponente zerstören.
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Die vorliegende Erfindung versucht,
dieses Problem durch den Einbau der Füllstoff-Partikel zu lösen. Die
Steifigkeit des Haft- bzw. Klebemittels wird auf Grund des Vorhandenseins
der Partikel erhöht und
folglich kann man eine akzeptable Steifigkeit bei Verwendung einer
dickeren Klebemittelschicht erzielen – typischerweise bis zu zehnmal
dicker als die Dicke, die erforderlich ist, um eine äquivalente
Steifigkeit unter Verwendung eines nicht aufgefüllten Haft- bzw. Klebemittels
zu erzielen. Dies bedeutet, dass ein Sägevorgang sich in die Haft-
bzw. Klebeschicht hinein erstrecken kann, so dass die Haft- bzw.
Klebeschicht einen Teil der aktiven Höhe der Wand d und die gesamte
Basis b des Kanals ohne einen signifikanten Aktivitätsverlust
bildet. Die Toleranzen des Sägevorgangs
können
ebenfalls aufgeweicht werden.
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Die vorliegende Erfindung ist anhand
der hierin enthaltenen Figuren beschrieben worden, die erfindungsgemäßen Techniken
können
jedoch auf Druckköpfe
mit verschiedener Breite und Auflösung angewendet werden, wobei
die Doppelreihe mit Seitenbreite nur eine von vielen möglichen
Konfigurationen darstellt. Druckköpfe mit mehr als zwei Reihen kann
man beispielsweise in einfacher Weise unter Verwendung von Bahnen
realisieren, die in Mehrfachschichten verwendet werden, was auf
anderen Gebieten in der Elektronik-Industrie wohl bekannt ist.