DE60108139T2

DE60108139T2 - Piezoelektrisches tintenstrahldruckmodul

Info

Publication number: DE60108139T2
Application number: DE60108139T
Authority: DE
Inventors: A. Paul HOISINGTON; M. Marlene MCDONALD; P. Nathan HINE; Ann Jill HANSON; L. Melvin BIGGS; R. Edward MOYNIHAN
Original assignee: Spectra Inc
Current assignee: Fujifilm Dimatix Inc
Priority date: 2000-09-15
Filing date: 2001-09-13
Publication date: 2005-12-08
Anticipated expiration: 2021-09-14
Also published as: DE60108139D1; JP2004509783A; US7168791B2; US20040233256A1; WO2002022364A1; CA2422324A1; JP5322365B2; US6848773B1; JP2013047009A; EP1317338A1; EP1317338B1; CA2422324C

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Tintenstrahldruckmodul.
HINTERGRUND
Ein Tintenstrahldruckmodul stößt Tinte aus einer Öffnung in der Richtung eines Substrats aus. Die Tinte kann als eine Folge von Tröpfchen ausgestoßen werden, die von einem piezoelektrischen Tintenstrahldruckmodul erzeugt werden. Ein spezielles Druckmodul kann 256 Strahlen in vier Gruppen mit jeweils 64 Strahlen aufweisen. Ein piezoelektrisches Tintenstrahldruckmodul enthält einen Modulkörper, ein piezoelektrisches Element und elektrische Kontakte, die das piezoelektrische Element antreiben. Typischerweise ist der Modulkörper ein rechteckiges Element, in dessen Oberflächen eine Reihe von Tintenkanälen maschinell hergestellt ist, die als Pumpkammern für die Tinte dienen. Das piezoelektrische Element kann über der Oberfläche des Körpers angeordnet sein, um die Pumpkammern zum Unterdrucksetzen der Tinte in den Pumpkammern und Ausstoßen der Tinte zu bedecken, siehe z. B. EP-A-0273282.
Die Eigenschaften des piezoelektrischen Elements können die Ausstoßeigenschaften des Druckmoduls beeinflussen. Zum Beispiel kann das Volumen des Tintentropfens, der vom Feuerpuls erzeugt wird, von den Eigenschaften jedes Tintenstrahls im Druckmodul abhängen. Das Tröpfchenvolumen und die Geschwindigkeit der Tröpfchen können die Qualität von Bildern beeinflussen, die von den Tröpfchen erzeugt werden. Durch selektives Ausstoßen von Tintentröpfchen mit einer gewünschten Größe mit einer gewünschten Geschwindigkeit und an gewünschten Orten oder Bildelementen können hochgenaue Bilder erzeugt werden.
ZUSAMMENFASSUNG
Allgemein bietet die Erfindung ein piezoelektrisches Tintenstrahldruckmodul mit einem Halbleitermaterial auf einer Oberfläche eines piezoelektrischen Elements des Moduls. Das Halbleitermaterial kann eine Beschichtung sein. Die halbleitende Art des Materials kann dabei helfen, Ladung, die durch Erwärmen und Kühlen des piezoelektrischen Elements erzeugt wird, vom Element abzuziehen. Dies kann die Stabilität des Moduls während Heiz- und Kühlzyklen verbessern, denen beim Drucken begegnet werden kann. Das Halbleitermaterial erhöht das Ladungsdiffusionsvermögen einer Oberfläche des piezoelektrischen Elements. Durch Erhöhen des Ladungsdiffusionsvermögens im Gebiet nahe einem elektrischen Kontakt kann ausreichend Spannung angelegt werden, um das piezoelektrische Element oder einen Teil davon zu polarisieren oder zu depolarisieren. Die Fähigkeit zum Polarisieren oder Depolarisieren des piezoelektrischen Elements oder eines Teils davon kann die Herstellung des Moduls vereinfachen und ermöglichen, daß die Tröpfchenausstoßeigenschaften für einen einzelnen Strahl modifiziert werden.
Gemäß einem Aspekt liefert die Erfindung ein Tintenstrahldruckmodul, umfassend ein piezoelektrisches Element mit einem Halbleitermaterial auf einer Oberfläche des piezoelektrischen Elements. Das Halbleitermaterial kann pyroelektrische Ladung vom piezoelektrischen Element abziehen. Das Halbleitermaterial kann eine Beschichtung auf dem piezoelektrischen Element sein. Gemäß einem weiteren Aspekt liefert die Erfindung einen Tintenstrahldruckkopf der mehrere Tintenstrahlmodule enthält.
Gemäß einem weiteren Aspekt liefert die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Tintenstrahldruckmoduls. Das Verfahren umfaßt Plazieren eines Halbleitermaterials auf einer Oberfläche eines piezoelektrischen Elements. Plazieren kann Auftragen des Halbleitermaterials auf der Oberfläche des piezoelektrischen Elements umfassen. Das Verfahren kann auch Kontaktieren eines elektrischen Kontakts mit dem piezoelektrischen Element umfassen. Der elektrische Kontakt kann das Halbleitermaterial kontaktieren.
Gemäß einem weiteren Aspekt liefert die Erfindung ein Verfahren zur Reduzierung der Abnahme der Tintengeschwindigkeit in einem Tintenstrahldruckmoduls während eines Wärmezyklus. Das Verfahren umfaßt Plazieren eines Halbleitermaterials auf eine Oberfläche eines piezoelektrischen Elements, das Auftragen des Halbleitermaterials auf die Oberfläche des piezoelektrischen Elements enthalten kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt liefert die Erfindung ein Verfahren zum Polarisieren eines piezoelektrischen Tintenstrahldruckmoduls. Das Polarisationsverfahren umfaßt Zusammenbauen eines piezoelektrischen Tintenstrahldruckmoduls, das ein Halbleitermaterial auf einer Oberfläche eines piezoelektrischen Elements umfaßt. Das piezoelektrische Element weist elektrische Kontakte auf, die mit dem Halbleitermaterial auf der Oberfläche des piezoelektrischen Elements in Kontakt stehen. Die elektrischen Kontakte sind gestaltet, um das piezoelektrische Element zu aktivieren. Eine Polarisationsspannung wird über das Halbleitermaterial und das piezoelektrische Element über eine ausreichende Zeit, um das piezoelektrische Element zu polarisieren, angelegt.
Gemäß einem weiteren Aspekt liefert die Erfindung ein Verfahren zur Modifizierung der Leistung eines Strahls in einem Tintenstrahldruckmodul. Das Verfahren umfaßt Anlegen einer Modifikationsspannung an ein Ausstoßgebiet eines piezoelektrischen Elements des Tintenstrahldruckmoduls mit einem Halbleitermaterial auf einer Oberfläche des piezoelektrischen Elements zum Ändern der Polarisation des piezoelektrischen Elements im Ausstoßgebiet. Das Ausstoßgebiet kann einen elektrischen Kontakt enthalten, der ein Halbleitermaterial auf einer Oberfläche des piezoelektrischen Elements im Ausstoßgebiet kontaktiert. Die Modifikationsspannung kann an den elektrischen Kontakt angelegt werden. Das Modul kann eine Vielzahl von Strahlen enthalten und jeder Strahl weist ein Ausstoßgebiet auf, das einen elektrischen Kontakt enthält, der ein Halbleitermaterial auf einer Oberfläche des piezoelektrischen Materials kontaktiert. Das Verfahren kann Überwachen des Strahls des Moduls hinsichtlich der Tintentropfengröße oder Tintentropfengeschwindigkeit und Auswählen einer Modifikationsspannung, um die Tintentropfengröße oder Tintentropfengeschwindigkeit einzustellen, umfassen.
Das Halbleitermaterial weist eine Leitfähigkeit auf, die größer als die Leitfähigkeit des piezoelektrischen Elements ist. Wenn das Halbleitermaterial eine Beschichtung bildet, um pyroelektrische Depolarisation während eines Wärmezyklus zu verhindern, ist die Beschichtung aus Halbleitermaterial leitfähig genug, um die auf der Oberfläche des piezoelektrischen Materials während der Kühlzeit aufgebaute Ladung zu entladen und beständig genug, um die Auflösung von Feldern, die an jeder Elektrode anliegen, für die Dauer der Feldanlegung aufrechtzuerhalten. Das Halbleitermaterial kann einen spezifischen elektrischen Widerstand von 5000 Megaohm pro Quadrat oder weniger, vorzugsweise 1000 Megaohm pro Quadrat oder weniger, und noch bevorzugter 500 Megaohm pro Quadrat oder weniger aufweisen. Das Halbleitermaterial kann einen spezifischen elektrischen Widerstand von 0,1 Megaohm pro Quadrat oder größer, vorzugsweise 1 Megaohm pro Quadrat oder größer und noch bevorzugter 10 Megaohm pro Quadrat oder größer aufweisen. In bestimmten Ausführungsformen weist das Halbleitermaterial einen spezifischen elektrischen Widerstand von zwischen 11 Megaohm pro Quadrat und 500 Megaohm pro Quadrat auf.
Das Halbleitermaterial kann einen dotierten Isolator enthalten. Der dotierte Isolator kann so ausgewählt sein, daß er einen besonderen spezifischen elektrischen Widerstand aufweist. Vorzugsweise kann das Halbleitermaterial aus Aluminiumoxid, Siliziumnitrid oder Neodynoxid hergeleitet sein. In bestimmten Ausführungsformen ist das Halbleitermaterial aus Siliziumnitrid hergeleitet und ist das piezoelektrische Element Bleizirkoniumtitanat.
Das Tintenstrahldruckmodul kann einen Tintenkanal umfassen. Das piezoelektrische Element kann so positioniert werden, daß es Tinte im Kanal einem Ausstoßdruck aussetzt. Elektrische Kontakte können so gestaltet sein, daß sie das piezoelektrische Element aktivieren. Das Modul kann eine Reihe von Kanälen umfassen. Jeder Kanal kann von einem einzigen piezoelektrischen Element bedeckt sein. In bestimmten Aspekten sind alle Kanäle von einem einzigen piezoelektrischen Element bedeckt. Das Tintenstrahldruckmodul kann Heiz- und Kühldurchgängen unterzogen werden.
Die Details von einer oder mehreren Ausführungsformen der Erfindung sind in den beigefügten Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung dargelegt. Weitere Merkmale, Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden anhand der Beschreibung und Zeichnungen und anhand der Ansprüche ersichtlich werden.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A und 1B zeigen Schemadiagramme, die ein piezoelektrisches Tintenstrahldruckmodul darstellen.
2 zeigt ein Schemadiagramm, das einen Teil des piezoelektrischen Tintenstrahldruckmoduls darstellt.
3 zeigt eine Grafik, die den spezifischen elektrischen Widerstand von Siliziumnitrid darstellt, wenn sich das Molverhältnis von Si zu N ändert.
4 zeigt eine Grafik, die die Temperatur des piezoelektrischen Tintenstrahldruckmoduls während Heiz- und Kühldurchgangen darstellt.
5 zeigt eine Grafik, die die prozentuale Abnahme der Tintentröpfchengeschwindigkeit nach wiederholten Heiz- und Kühldurchgängen für ein piezoelektrisches Tintenstrahldruckmodul und ein piezoelektrisches Tintenstrahldruckmodul mit einer Halbleiterbeschichtung auf dem piezoelektrischen Element darstellt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Das piezoelektrische Tintentstrahldruckmodul umfaßt ein piezoelektrisches Element mit einem Halbleitermaterial auf einer Oberfläche des Elements. Allgemein umfaßt das Modul ein piezoelektrisches Element, das über Ausstoßgebieten eines Körpers positioniert ist. Die Ausstoßgebiete können Abschnitte von Pumpkammern im Körper sein. Ein Polymer, wie zum Beispiel Flex-Print, kann die Pumpkammern abdichten und die elektrischen Kontakte, wie zum Beispiel Elektroden, auf einer Oberfläche des piezoelektrischen Elements positionieren. Das piezoelektrische Element erstreckt sich über jedes Ausstoßgebiet. Wenn eine Spannung an einen elektrischen Kontakt gelegt wird, verändert sich die Gestalt des piezoelektrischen Elements in einem Ausstoßgebiet, wodurch die Tinte in der korrespondierenden Pumpkammer einem Ausstoßdruck ausgesetzt wird. Die Tinte wird aus der Pumpkammer ausgestoßen und auf einem Substrat abgeschieden. Vorzugsweise kontaktieren die elektrischen Kontakte auch das Halbleitermaterial.
Ein Beispiel für ein piezoelektrisches Tintenstrahldruckmodul stellt ein Schermodus-Modul, wie zum Beispiel das in der U.S.-5,640,184 beschriebene Modul, dar. Die elektrischen Kontakte in einem Schermodus-Modul können auf der Seite des piezoelektrischen Elements benachbart zum Tintenkanal angeordnet werden. Unter Bezugnahme auf die 1A, 1B und 2 umfaßt der piezoelektrische Tintenstrahldruckkopf 2 ein oder mehrere Module 4, die in einem Hülsenelement 10 zusammengebaut sind, an dem eine Verteilerplatte 12 angebracht ist, und eine Düsenplatte 14. Tinte wird über das Hülsenelement 10 in das Modul 4 eingeleitet. Das Modul 4 wird zum Ausstoßen von Tinte aus Öffnungen 16 an der Düsenplatte 14 aktiviert. Ein beispielhafter Tintenstrahldruckkopf ist als Modell CCP 256/300 HOT MELT PILG HD (Spectra, Inc., Hanover, New Hampshire) erhältlich.
Das Tintenstrahldruckmodul 4 enthält einen Körper 20, der aus Materialien, wie zum Beispiel gesintertem Kohlenstoff oder einer Keramik, hergestellt sein kann. Eine Vielzahl von Kanälen 22 ist zur Bildung von Pumpkammern herausgearbeitet oder auf andere Weise im Körper 20 hergestellt. Tinte tritt durch einen Tintenfülldurchgang 26, der auch im Körper 20 herausgearbeitet ist, um die Pumpkammern zu füllen. Sich gegenüberliegende Flächen des Körpers 4 sind mit flexiblen Polymerfolien 30 und 30' bedeckt, die eine Reihe von elektrischen Kontakten 31 und 31' umfassen, die gestaltet sind, um über den Pumpkammern im Körper 20 positioniert zu werden. Elektrische Kontakte 31 und 31' sind mit Leitungen verbunden, die wiederum mit Flex-Prints 32 und 32' verbunden werden können, die integrierte Treiber-Schaltungen 33 und 33' umfassen. Die Folien 30 und 30' können Flex-Prints (z.B. KAPTON, von Advanced Circuit Systems, Franklin, New Hampshire, erhältlich) sein. Die Folien 30 und 30' sind durch eine dünne Epoxidschicht am Körper 20 abgedichtet. Die Folie 30 und der Flex-Print 32 können eine einzige Einheit (nicht gezeigt) oder wie gezeigt, zwei Einheiten sein. Die piezoelektrischen Elemente 34 und 34' weisen Halbleiterbeschichtungen 36 und 36' auf mindestens einer Oberfläche jedes Elements auf. Die Halbleiterbeschichtung kann durch Verfahren, wie zum Beispiel Sputtern, Verdampfen oder CVD-Verfahren, auf der Oberfläche der piezoelektrischen Elemente aufgebracht werden.
Unter Bezugnahme auf die 2 paßt das piezoelektrische Element über der Folie 30. Das piezoelektrische Element 34 weist Elektroden 40 auf der Seite des piezoelektrischen Elements 34 auf, die die Folie 30 kontaktiert. Elektroden 40 stimmen mit elektrischen Kontakten 31 auf der Seite 51 der Folie 30 überein, was ermöglicht, daß die Elektroden von einer integrierten Treiber-Schaltung einzeln adressiert werden. Die Elektroden 40 können auf einer Halbleiterbeschichtung 36 auf einer Oberfläche des piezoelektrischen Elements 34 angeordnet sein. Alternativ sind die Elektroden 40 auf einer Oberfläche des piezoelektrischen Elements 34 angeordnet und ist die Halbleiterbeschichtung 36 auf einer gegenüberliegenden Oberfläche angeordnet. Die Elektroden 40 können durch chemisches Wegätzen von leitfähigem Metall ausgebildet werden, das auf die Oberfläche des piezoelektrischen Elements aufgetragen worden ist. Geeignete Verfahren zur Ausbildung von Elektroden sind auch in dem US-Patent Nr. 6,037,707 beschrieben. Die Elektrode kann aus Leitern, wie zum Beispiel Aluminium, Titanwolfram, Nickelchrom oder Gold, gebildet sein. Jede Elektrode 40 ist zur Bildung einer Pumpkammer so plaziert und dimensioniert, daß sie mit einem Kanal 22 in dem Körper 4 übereinstimmt. Jede Elektrode 40 weist ein längliches Gebiet 42 mit einer Länge und Breite auf, die etwas schmaler als die Abmessungen der Pumpkammer sind, so daß ein Spalt 43 zwischen dem Umfang der Elektroden 40 und den Seiten und dem Ende der Pumpkammer besteht. Diese Elektrodengebiete 42, die an den Pumpkammern zentriert sind, sind die Ansteuerelektroden, die ein Ausstoßgebiet des piezoelektrischen Elements 34 bedecken. Eine zweite Elektrode 52 auf dem piezoelektrischen Element 34 stimmt allgemein mit dem Gebiet des Körpers 20 außerhalb des Kanals 22 und dementsprechend außerhalb der Pumpkammer überein. Die Elektrode 52 ist die gemeinsame (Erdungs-)Elektrode. Die Elektrode 52 kann kammförmig (wie gezeigt) sein oder kann einzeln adressierbare Elektrodenstreifen sein. Die Folienelektroden und die Elektroden des piezoelektrischen Elements überlappen sich für einen guten elektrischen Kontakt und leichte Ausrichtung der Folie und des piezoelektrischen Elements ausreichend. Die Folienelektroden erstrecken sich über das piezoelektrische Element hinaus, um eine Lötverbindung mit dem Flex-Print 32 zu ermöglichen, der die Ansteuerungsschaltung enthält.
In einer alternativen Ausführungsform (nicht gezeigt) können die Elektroden 40 direkt auf der Folie 30 aufgebracht werden, die die Halbleiterbeschichtung 36 auf der Oberfläche des piezoelektrischen Elements kontaktiert. Dies kann den effektiven elektrischen Kontakt zwischen den Elektroden und dem piezoelektrischen Element fördern. Dies kann teilweise durch Erhöhung der Leitfähigkeit der Oberfläche durchgeführt werden. Dies kann die Herstellung des Moduls vereinfachen und zulassen, daß eine große Vielzahl von Elektrodenausbildungsverfahren verwendbar sind.
Das piezoelektrische Element kann ein einziges monolithisches Bleizirkoniumtitanat (PZT)-Element sein. Das piezoelektrische Element treibt die Tinte aus den Pumpkammern durch Verschiebung, die durch eine angelegte Spannung induziert wird. Die Verschiebung ist eine Funktion von zum Teil der Polarisation des Materials. Das piezoelektrische Element wird durch das Anlegen eines elektrischen Feldes polarisiert. Ein Polarisationsprozeß ist zum Beispiel im U.S.-Patent Nr. 5,605,659 beschrieben. Der Polarisationsgrad kann von der Stärke und Dauer des angelegten elektrischen Feldes abhängen. Wenn die Polarisationsspannung entfernt wird, bleiben die piezoelektrischen Domänen ausgerichtet.
Nachfolgendes Anlegen eines elektrischen Feldes zum Beispiel während des Ausstoßens kann eine zur Stärke des angelegten elektrischen Feldes proportionale Änderung der Gestalt bewirken. Variationen des angelegten elektrischen Feldes in einer zur Polarisation entgegengesetzten Richtung können die Polarisation kumulativ und kontinuierlich abbauen. Zusätzlich kann Erwärmen des piezoelektrischen Materials auf den Curie-Punkt Depolarisation oder Polarisationsverlust bewirken. Ferner kann Erwärmen des piezoelektrischen Materials bewirken, daß sich pyroelektrische Ladung auf einer Oberfläche des piezoelektrischen Elements aufbaut. Der Aufbau von pyroelektrischer Ladung kann zu Spannung führen, die zum Depolarisieren des piezoelektrischen Elements groß genug ist. Depolarisation kann anfangen, bei Spannungen von lediglich 200 Volt einzutreten. Zum Beispiel kann eine typische Schermodus-PZT-Vorrichtung eine pyroelektrische Spannung von zwischen 6 bis 20 Volt pro Grad Celsius erzeugen, die ausreichend Spannung zum Depolarisieren des piezoelektrischen Elements erzeugen kann. Dementsprechend kann die Ausstoßleistung des Tintenstrahldruckmoduls ungünstig beeinflußt werden.
Eine Halbleiterbeschichtung auf einer Oberfläche des piezoelektrischen Elements, vorzugsweise einer Oberfläche gegenüber dem Ort der Elektroden, kann durch Wärmezyklus erzeugten pyroelektrischen Ladungsaufbau reduzieren oder beseitigen. Die Halbleiterbeschichtung kann die pyroelektrische Ladung vom piezoelektrischen Element abziehen. Die zum Abziehen von pyroelektrischer Ladung vom piezoelektrischen Element verwendete Halbleiterbeschichtung kann sich auf einer einzigen Oberfläche des Elements befinden. Wenn die Beschichtung übermäßig isoliert, wird sie die pyroelektrische Ladung nicht adäquat abziehen. Wenn die Beschichtung übermäßig leitfähig ist, wird sie einen ordnungsgemäßen Betrieb des Moduls zum Beispiel während des Anlegens eines 10 Mikrosekunden-Feuerpulses verhindern. Diese Halbleiterbeschichtung kann den gewünschten spezifischen elektrischen Widerstand bei Temperaturen zwischen 20°C und 150°C aufweisen.
Wenn die Halbleiterbeschichtung auf polarisiertes PZT aufgebracht wird, kann sich die Abscheidetemperatur unterhalb von 200°C befinden. Die Halbleiterbeschichtung kann inert und beständig sein. Zum Beispiel sollte das Halbleitermaterial bei erhöhten Temperaturen, zum Beispiel bis zu 150°C stabil sein und sollte es nicht mit Materialien oder Komponenten, die mit dem Halbleitermaterial in Kontakt stehen, ungünstig reagieren.
Noch genauer gesagt, kann das Ladungsdiffusionsvermögen der Halbleiterbeschichtung zum Abziehen der pyroelektrischen Ladung ausreichen. Das Halbleitermaterial kann ein Diffusionsvermögen von mehr als 0,006 cm²/s, vorzugsweise größer als 0,06 cm²/s und weniger als 100 cm²/s, vorzugsweise weniger als 10 cm²/s aufweisen. Das Diffusionsvermögen, α, kann anhand der Dicke des piezoelektrischen Elements, t, der dielektrischen Konstante des piezoelektrischen Materials, ϵ, und des spezifischen elektrischen Widerstands der Beschichtung, ρ, durch die Formel abgeschätzt werden: α = t/ρϵ.
Für eine PZT-Dicke von 0,25 mm, einen spezifischen elektrischen Widerstand der Beschichtung von 100 Megaohm pro Quadrat und eine dielektrische Konstante des PZT von 1600 × ϵ₀ (wobei ϵ₀ die Permittivitätskonstante ist) beträgt das resultierende Diffusionsvermögen 1,7 cm²/s. Wenn der spezifische elektrische Widerstand der Beschichtung 10 Megaohm pro Quadrat beträgt, beträgt das resultierende Diffusionsvermögen 17 cm²/s. Für ein typisches PZT-basiertes piezoelektrisches Element kann die Beschichtung einen spezifischen elektrischen Widerstand von weniger als 100 Megaohm pro Quadrat aufweisen, um die aufgebaute pyroelektrische Ladung abzuziehen, und kann die Beschichtung einen spezifischen elektrischen Widerstand von mehr als 10 Megaohm pro Quadrat aufweisen, um die Bausteinleistung nicht ungünstig zu beeinflussen.
Geeignete Halbleitermaterialien, die auf einer Oberfläche des piezoelektrischen Elements plaziert werden können, enthalten Materialien auf Aluminiumoxidbasis, Materialien auf Siliziumnitridbasis und Materialien auf Neodymoxidbasis. Der spezifische elektrische Widerstand der Materialien kann durch Hinzufügen von Dotiersubstanzen zum Material eingestellt werden. Zum Beispiel kann der spezifische elektrische Volumenwiderstand von Siliziumnitrid durch Einstellen des Molverhältnisses von Silizium zu Stickstoff, wie in 3 dargestellt, geändert werden. Siehe zum Beispiel H. Dun et al, J. Electrochemical Society 128:1555 (1981) und A.K. Sinha und T.E. Smith J. Applied Physics 49:2756 (1978). Der spezifische elektrische Widerstand der Beschichtung oder der Flächenwiderstand ist der spezifische elektrische Volumenwiderstand geteilt durch die Dicke der Beschichtung. Das Halbleitermaterial kann eine durchgehende Schicht auf einer Oberfläche des piezoelektrischen Elements sein. Die Beschichtung kann eine Dicke zwischen 1000 und 10000 Angström, vorzugsweise zwischen 2000 und 9000 Angström und noch bevorzugter zwischen 2500 und 7500 Angström aufweisen.
Die Halbleiterbeschichtung kann den Kontakt zwischen dem piezoelektrischen Element und Elektroden auf einer die Beschichtung kontaktierenden Polymerfolie verbessern. Strukturieren der Elektroden auf einem PZT-Element kann ein teurer Prozeß sein. Flex-Prints und Leiterplatten können kostengünstiger strukturiert werden. Durch Kleben einer Elektrodenstruktur auf einer Polymerfolie, wie zum Beispiel einen Flex-Print, an ein piezoelektrisches Element kann teures Elektrodenstrukturieren auf der piezoelektrischen Oberfläche vermieden werden. Leitfähige Teilchen können an der Grenzfläche zwischen der piezoelektrischen Oberfläche und den Elektroden zur Verbesserung des elektrischen Kontakts hinzugefügt werden. Ein Prozeß von dieser Art ist zum Beispiel im U.S.-Patent Nr. 6,037,707 beschrieben. Die Beschichtung ist im Vergleich mit der darunterliegenden Oberfläche des piezoelektrischen Elements hochleitfähig. Somit kann der elektrische Kontakt mit Elektroden auf einer Polymerfolie verbessert werden. Die Halbleiterbeschichtung kann den Durchgangswiderstand reduzieren und dabei helfen, die Ladung über der Oberfläche des piezoelektrischen Elements zu verteilen. Für eine PZT-Dicke von 0,25 mm, einen spezifischen elektrischen Widerstand der Beschichtung von 10 Megaohm pro Quadrat und eine dielektrische Konstante von 1600 × ϵ₀ beträgt das Diffusionsvermögen 17 cm²/s. In einer Mikrosekunde würde sich die Ladung über eine Strecke von ungefähr 0,004 cm oder 16 Prozent der PZT-Dicke ausbreiten. Dies ermöglicht, daß der Kontaktpunkt Ladung breiter verteilt, als wenn keine Beschichtung vorhanden wäre. Die zusätzliche Zusatzverlustleistung kann dadurch gelenkt werden, daß verhindert wird, daß der spezifische elektrische Widerstand der Beschichtung zu niedrig ist.
Zusätzlich kann die Halbleiterbeschichtung für ein ausreichendes Ladungsdiffusionsvermögen sorgen, um das piezoelektrische Material in einem zusammengebauten Druckmodul polarisieren zu können. Dies kann ermöglichen, daß ein separater Metallisierungsschritt während der Herstellung vermieden werden kann, was die Herstellkosten senken kann. Da Polarisieren später im Herstellprozeß stattfinden kann, können Herstellprozesse, die früher vermieden wurden, wie zum Beispiel Prozesse, die Temperaturen oberhalb der Curie-Temperatur mit sich bringen, oder Prozesse, die auf andere Weise das piezoelektrische Material depolarisieren könnten, verwendet werden. Die Halbleiterbeschichtung kann ermöglichen, daß sich eine gleichförmige Spannung, die gleichzeitig über alle Elektroden an eine Oberfläche des piezoelektrischen Elements (d.h. die Feuer- und Erdungselektroden gemeinsam) angelegt wird, auf der Seite zur Polarisation aufbaut. Zum Beispiel weist eine Beschichtung mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von 100 Megaohm pro Quadrat auf PZT mit einer Dicke von 0,25 mm und einer dielektrischen Konstante von 1600 × ϵ₀ ein Diffusionsvermögen von 1,7 cm²/s auf. Wenn die Entfernung zwischen der Erdungsebene und der Elektrode 0,025 cm beträgt, kann das Gebiet eine Polarisationsspannung in einem Bruchteil einer Sekunde erreichen.
In einer ähnlichen Weise kann ein einzelner Elektrodenzugang zu einem Ausstoßgebiet ermöglichen, daß eine Polarisationseinstellung an einem einzigen Strahl durchgeführt wird, um die Ausstoßleistung, einschließend Tintentröpfchengeschwindigkeit und -größe, zu verbessern. Zum Beispiel kann durch Anlegen einer Spannung an eine Elektrode für einen bestimmten Strahl die Halbleiterbeschichtung ermöglichen, daß das Gebiet des Strahls polarisiert oder depolarisiert wird, um die Ausstoßparameter des bestimmten Strahls, auf den zugegriffen wird, zu ändern. Das Ausstoßgebiet enthält die Feuerelektrode, die benachbarte Erdungselektrode und den Spalt zwischen den Elektroden. Eine unterschiedliche Spannung könnte an jede Elektrode gelegt werden, um die lokale Polarisationsspannung zu steuern, wodurch die Ausstoßeigenschaften geändert werden. Während der Herstellung können die Strahleigenschaften, wie zum Beispiel Tröpfchenvolumen oder -geschwindigkeit, gemessen werden und kann eine Modifikationsspannung an den bestimmten Strahl angelegt werden, um mehr der Ausstoßleistung der anderen Strahlen zu entsprechen. Auf diese Weise kann die Leistung jedes Strahls des Moduls durch Änderung des Grades der Polarisation in dem Ausstoßgebiet zugeschnitten werden. Das Verfahren kann bei oben beschriebenen Modulen sowie bei Modulen implementiert werden, in denen jeder Strahl seine eigenen Feuer- und Erdungselektroden aufweist, was ermöglicht, daß die die Erdungs- und Feuerelektroden für einen bestimmten Strahl auf demselben Potential zur Polarisation oder Depolarisation angeordnet werden.
Die Abnahme der Tröpfchengeschwindigkeit während eines Wärmezyklus wurde für einen PZT-basierten Druckkopf, der keine Halbleiterbeschichtung aufwies, und einen PZT-basierten Druckkopf gemessen, der eine Halbleiterbeschichtung auf Siliziumnitridbasis auf dem piezoelektrischen Element aufwies. Die Siliziumnitridbeschichtung wurde durch ein plasmaverstärktes CVD-Verfahren aufgetragen, wies ein Si/N-Molverhältnis von ungefähr 2 und eine Dicke von 5000 Angström auf. Die Kohlenstoff-Druckkopfaufbauten jeder Vorrichtung, die eine Masse von ungefähr 200 Gramm aufwiesen, wurden wiederholten Wärmezyklen auf Temperaturen unterzogen, die wesentliche pyroelektrische Ladung auf dem PZT erzeugen können. Genauer gesagt folgten die Wärmezyklen dem in 4 gezeigten Temperaturprofil. Die Druckkopfaufbauten wurden für drei Minuten von Raumtemperatur auf 125°C erwärmt. Die erhöhte Temperatur wurde für eine Verweilzeit bei der Temperatur von drei Minuten beibehalten und die Aufbauten wurden über eine Dauer von neun Minuten unter Verwendung von Gebläseluft gekühlt. Die Tröpfchengeschwindigkeit wurde für jeden Aufbau zu Beginn des Tests und in regelmäßigen Abständen während des Tests gemessen. Die Daten, die die prozentuale Abnahme der Geschwindigkeit (100 × (Testgeschwindigkeit – Anfangsgeschwindigkeit)/Anfangsgeschwindigkeit) für den unbeschichteten Aufbau und den beschichteten Aufbau zeigen, sind in 5 gezeigt. Der beschichtete Aufbau war hinsichtlich des Wärmezyklus stabiler als der unbeschichtete Aufbau.
Es ist eine Anzahl von Ausführungsformen der Erfindung beschrieben worden. Nichtsdestotrotz wird man verstehen, daß zahlreiche Modifikationen vorgenommen werden können, ohne aus dem Schutzbereich der Erfindung zu gelangen. Zum Beispiel kann die Halbleiterbeschichtung aus irgendeinem Halbleitermaterial mit einem geeigneten spezifischen elektrischen Widerstand gebildet werden. Das Halbleitermaterial kann ein anorganisches Material, wie zum Beispiel Siliziumnitrid, wie oben beschrieben, oder ein organisches Material sein. Dementsprechend befinden sich weitere Ausführungsformen innerhalb des Schutzbereiches der folgenden Ansprüche.

Claims

Tintenstrahldruckmodul, umfassend ein piezoelektrisches Element mit einem Halbleitermaterial auf einer Oberfläche des piezoelektrischen Elements.
Tintenstrahldruckkopf, umfassend eine Vielzahl von Tintenstrahldruckmodulen, wobei jedes Tintenstrahldruckmodul ein Tintenstrahlmodul nach Anspruch 1 ist.
Tintenstrahldruckmodul nach einem der Ansprüchen 1–2, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial eine Beschichtung auf der Oberfläche des piezoelektrischen Elements ist.
Tintenstrahldruckmodul nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial einen spezifischen elektrischen Widerstand von 5000 Megaohm pro Quadrat oder weniger aufweist.
Tintenstrahldruckmodul nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial einen spezifischen elektrischen Widerstand von 0,1 Megaohm pro Quadrat oder größer aufweist.
Tintenstrahldruckmodul nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial ein Diffusionsvermögen von zwischen 0,006 und 100 cm²/sec aufweist.
Tintenstrahldruckmodul nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial pyroelektrische Ladung vom piezoelektrischen Element abzieht.
Tintenstrahldruckmodul nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial einen dotierten Isolator enthält.
Tintenstrahldruckmodul nach einem der Ansprüche 1–8, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial aus Aluminiumoxid, Siliziumnitrid, oder Neodymoxid hergeleitet ist.
Tintenstrahldruckmodul nach einem der Ansprüche 1–9, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial aus Siliziumnitrid hergeleitet ist.
Tintenstrahldruckmodul nach einem der Ansprüche 1–10, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial eine Beschichtung mit einer Dicke zwischen 1000 und 10000 Angström ist.
Tintenstrahldruckmodul nach einem der Ansprüche 1–11, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Element Bleizirkoniumtitanat ist.
Tintenstrahldruckmodul nach einem der Ansprüche 1–12, dadurch gekennzeichnet, daß das Modul Heiz- und Kühldurchgängen unterzogen ist.
Tintenstrahldruckmodul nach einem der Ansprüche 1–13, ferner umfassend einen Tintenkanal, wobei das piezoelektrische Element positioniert ist, um Tinte im Kanal Ausstoßdruck auszusetzen, und elektrische Kontakte, die zur Aktivierung des piezoelektrischen Elements gestaltet sind.
Tintenstrahldruckmodul nach Anspruch 14, ferner umfassend eine Reihe von Kanälen.
Tintenstrahldruckmodul nach Anspruch 15 dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kanal von einem einzigen piezoelektrischen Element bedeckt ist.
Verfahren zur Herstellung eines Tintenstrahldruckmoduls nach einem des Ansprüche 1 und 3-16, umfassend Plazieren eines Halbleitermaterials auf einer Oberfläche eines piezoelektrischen Elements.
Verfahren nach Anspruch 17, ferner umfassend Kontaktieren eines elektrischen Kontakts mit dem piezoelektrischen Element.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Kontakte das Halbleitermaterial kontaktieren.
Verfahren zur Reduzierung der Abnahme der Tintengeschwindigkeit in einem Tintenstrahldruckmodul nach einem der Ansprüche 1 und 3–16 während eines Wärmezyklus, umfassend Plazieren eines Halbleitermaterials auf einer Oberfläche eines piezoelektrtschen Elements.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 und 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Plazieren Auftragen des Halbleitermaterials auf das piezoelektrische Element enthält.
Verfahren zum Polarisieren eines piezoelektrischen Tintenstrahldruckmoduls, umfassend: Zusammenbauen eines piezoelektrtschen Tintenstrahldruckmoduls nach einem der Ansprüche 1 und 3–16, wobei das piezoelektrische Element elektrische Kontakte aufweist, die mit dem Halbleitermaterial auf der Oberfläche des piezoelektrischen Elements in Kontakt stehen, wobei die elektrischen Kontakte gestaltet sind, um das piezoelektrische Element zu aktivieren, Anlegen einer Polarisationsspannung über das Halbleitermaterial und das piezoelektrische Element über eine ausreichende Zeit, um das piezoelektrische Element zu polarisieren.
Verfahren zur Modifizierung der Leistung eines Strahls in einem Tintenstrahldruckmodul, umfassend: Anlegen einer Modifikationsspannung an ein Ausstoßgebiet eines piezoelektrischen Elements des Tintenstrahlsdruckmoduls nach einem der Ansprüche 1 und 3–16 zum Ändern der Polarisation des piezoelektrischen Elements im Ausstoßgebiet.
Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausstoßgebiet einen elektrischen Kontakt enthält, der ein Halbleitermaterial auf einer Oberfläche des piezoelektrtschen Elements im Ausstoßgebiet kontaktiert, und die Modifikationsspannung an den elektrischen Kontakt angelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Modul eine Vielzahl von Strahlen enthält und jeder Strahl ein Ausstoßgebiet aufweist, das einen elektrischen Kontakt enthält, der ein Halbleitermaterial auf einer Oberfläche des piezoelektrischen Materials kontaktiert.
Verfahren nach Anspruch 24, ferner umfassend Überwachen des Strahls des Moduls hinsichtlich der Tintentropfengröße oder Tintentropfengeschwindigkeit und Auswählen einer modifizierenden Spannung, um die Tintentropfengröße oder die Tintentropfengeschwindigkeit einzustellen.