DE60207621T2

DE60207621T2 - Tintenstrahlaufzeichnungskopf und Tintenstrahlaufzeichnungsapparat

Info

Publication number: DE60207621T2
Application number: DE60207621T
Authority: DE
Inventors: Shiro Suwa-shi Yazaki
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2001-02-19
Filing date: 2002-02-19
Publication date: 2006-08-10
Anticipated expiration: 2022-02-20
Also published as: ATE311293T1; US6682178B2; US20020175974A1; EP1232865A3; EP1232865B1; KR100498851B1; JP2002316417A; KR20020084678A; DE60207621D1; EP1232865A2; TW522093B; CN1167551C; CN1373042A

Description

Hinterrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Tintenstrahlaufzeichnungskopf, der derart ausgelegt ist, dass eine Vibrationsplatte teilweise eine Druckerzeugungskammer bildet, welche mit einer Düsenöffnung kommuniziert, durch welche ein Tintentropfen ausgestoßen wird, und derart gebildet ist, dass ein piezoelektrisches Element über die Vibrationsplatte derart vorgesehen ist, um einen Tintentropfen durch eine Verschiebebewegung hiervon auszustoßen, sowie auf eine Tintenstrahlaufzeichnungsvorrichtung, die den Kopf einsetzt.
Beschreibung des Standes der Technik
Ein Tintenstrahlaufzeichnungskopf ist derart aufgebaut, dass eine Vibrationsplatte teilweise eine Druckerzeugungskammer bildet, die mit einer Düsenöffnung kommuniziert, durch welche ein Tintentropfen ausgestoßen wird, und derart aufgebaut ist, dass ein piezoelektrisches Element die Vibrationsplatte veranlasst, verformt zu werden, wodurch in der Druckerzeugungskammer enthaltene Tinte mit Druck beaufschlagt wird und ein Tintentropfen durch die Düsenöffnung ausgestoßen wird. Tintenstrahlaufzeichnungsköpfe, die im praktischen Gebrauch umgesetzt werden, werden in die folgenden zwei Arten klassifiziert: ein Tintenstrahlaufzeichnungskopf, der einen piezoelektrischen Aktor einsetzt, welcher in einem Längsoszillationsmodus arbeitet, d.h. sich in der Axialrichtung eines piezoelektrischen Elements ausdehnt und zusammenzieht; und ein Tintenstrahlaufzeichnungskopf, der einen piezoelektrischen Aktor einsetzt, welcher im Biegeoszillationsmodus arbeitet.
Der erstere Aufzeichnungskopf besitzt einen Vorteil dahingehend, dass eine Funktion zum Verändern des Volumens einer Druckerzeugungskammer durch eine Endfläche eines piezoelektrischen Elements, die an einer Vibrationsplatte anliegt, umgesetzt werden kann, wodurch dieser eine gute Eignung zum Drucken mit hoher Dichte aufweist. Allerdings besitzt der erstere Aufzeichnungskopf einen Nachteil dahingehend, dass der Herstellungsvorgang kompliziert ist; genauer gesagt bringt die Herstellung ein schwieriges Verfahren zum Aufteilen der piezoelektrischen Elemente in kammzinkenartige Segmente in Abständen entsprechend denjenigen, in welchen die Düsenöffnungen angeordnet sind, sowie ein Verfahren zum Befestigen der piezoelektrischen Elemente auf solche Weise, um zu den entsprechenden Druckerzeugungskammern ausgerichtet zu sein, mit sich.
Der letztere Aufzeichnungskopf besitzt einen Vorteil dahingehend, dass piezoelektrische Elemente an einer Vibrationsplatte durch ein relativ einfaches Verfahren gebildet werden können; genauer gesagt wird eine Grünschicht aus piezoelektrischem Material auf die Vibrationsplatte auf solche Weise gelegt, um dem Raum und Position einer Druckerzeugungskammer zu entsprechen, gefolgt durch Brennen. Allerdings besitzt der letztere Aufzeichnungskopf einen Nachteil dahingehend, dass ein piezoelektrisches Element einen bestimmten Flächenbetrag einnehmen muss, um die Biegeoszillation zu nutzen, was eine Schwierigkeit beim Anordnen der Druckerzeugungskammern mit hoher Dichte mit sich bringt.
Um den Nachteil des letzteren Aufzeichnungskopfes zu beseitigen, wurde das folgende Verfahren vorgeschlagen, wie beispielsweise in der japanischen Patentoffenlegungsschrift (Kokai) Nr. 5-286131 offenbart. Eine gleichmäßige Schicht aus piezoelektrischem Material wird an der gesamten Oberfläche einer Vibrationsplatte unter Einsatz einer Filmablagerungstechnik gebildet. Mittels Lithographie wird die Schicht aus piezoelektrischem Material auf solche Weise aufgeteilt, um in Form und Position den Druckerzeugungskammern zu entsprechend, wodurch unabhängige piezoelektrische Elemente entsprechend den Druckerzeugungskammern gebildet werden.
In den letzten Jahren werden zum Verwirklichen eines Druckens mit hoher Qualität Tintenstrahlaufzeichnungsköpfe gefordert, bei denen die Düsenöffnungen mit hoher Dichte angeordnet sind.
Allerdings müssen, um Düsenöffnungen mit hoher Dichte anzuordnen, Druckerzeugungskammern mit hoher Dichte angeordnet werden. Eine hochdichte Anordnung von Druckerzeugungskammern führt zu einer Verminderung der Dicke einer Trennwand zwischen den Druckerzeugungskammern, was zu einer unzureichenden Steifigkeit einer Trennwand führt und somit ein Übersprechen ein Übersprechen (crosstalk) zwischen benachbarten Druckerzeugungskammern verursacht.
Ein Tintenstrahlaufzeichnungskopf nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist aus EP-A-0884181 bekannt. Ein Tintenstrahlaufzeichnungskopf mit einer Anzahl von Druckerzeugungskammern von 360 pro inch ist in der Druckschrift JP-A-2000 103062 beschrieben.
Darstellung der Erfindung
Im Hinblick auf das Vorherstehende ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Tintenstrahlaufzeichnungskopf bereitzustellen, der eine hochdichte Anordnung von Druckerzeugungskammern ermöglicht und in der Lage ist ein Übersprechen (crosstalk) zu verhindern, sowie eine Tintenstrahlaufzeichnungsvorrichtung bereitzustellen, die den Kopf einsetzt.
Um diese Aufgabe zu lösen, stellt die vorliegende Erfindung einen Tintenstrahlaufzeichnungsdruckkopf bereit, der die Merkmale nach Anspruch 1 aufweist.
Durch Einsatz der obigen Merkmale kann, selbst wenn die Druckerzeugungskammern mit relativ hoher Dichte angeordnet sind, die Steifigkeit der Trennwände aufrechterhalten werden, wodurch gute Tintenausstoßeigenschaften aufrechterhalten werden können. Die Dicke h des durchgangsbildenden Substrats und die Dicke d der Trennwand können durch eine Beziehung verknüpft sein, die durch (d × 4 ≤ d × 5) dargestellt ist.
Durch Einsatz des obigen Merkmals kann die Steifigkeit der Trennwände aufrechterhalten werden, wodurch gute Tintenausstoßeigenschaften stets aufrechterhalten werden können.
Der Prozentsatz der Nachgiebigkeit der Trennwand zu derjenigen der Druckerzeugungskammer soll nicht größer als 10% sein.
Da der Prozentsatz der Nachgiebigkeit der Trennwand allerdings niedrig ist, kann der Einfluss von ein Übersprechen (crosstalk) auf ein niedriges Niveau vermindert werden.
Die Dicke h des durchgangsbildenden Substrats kann größer sein als die Breite w der Druckerzeugungskammer.
Der Einsatz des obigen Merkmals begrenzt eine Veränderung der Eigenschaften, die andernfalls durch einen Fehler in der Dicke h des durchgangsbildenden Substrats entstehen könnte.
Kristalle der piezoelektrischen Schicht können eine bevorzugte Ausrichtung einnehmen.
Da die piezoelektrische Schicht durch einen Dünnfilmablagerungsvorgang gebettet ist, nehmen Kristalle eine bevorzugte Ausrichtung ein.
Kristalle der piezoelektrischen Schicht können eine bevorzugte Ausrichtung in Bezug auf (100) Ebenen einnehmen.
Wenn die piezoelektrische Schicht durch einen vorbestimmten Dünnfilmablagerungsvorgang gebildet ist, nehmen Kristalle eine bevorzuget Ausrichtung in Bezug auf (100) Ebenen ein.
Kristalle der piezoelektrischen Schicht können rhomohedral sein.
Wenn die piezoelektrische Schicht durch einen vorbestimmten Dünnfilmablagerungsvorgang gebildet wird, werden die Kristalle rhombohedral.
Alternativ können die Kristalle der piezoelektrischen Schicht säulenförmig sein.
Wenn die piezoelektrische Schicht durch einen Dünnfilmablagerungsvorgang gebildet wird, werden die Kristalle säulenförmig.
Die piezoelektrische Schicht kann eine Dichte von 0,5 μm bis 2 μm einnehmen.
Da die Dicke der piezoelektrischen Schicht relativ gering ist, wird ein Muster mit hoher Dichte möglich.
Die Summe der Spannungen der Vibraitonsplatte und der Spannungen der Komponentenschichten jedes piezoelektrischen Elements kann äquivalent zu einer Zugspannung sein.
Durch Einsatz des obigen Merkmals verhindert eine Begrenzung, die an dem vibrationsplattenseitigen Ende jeder Trennwand durch Spannungen der piezoelektrischen Elemente und der Vibrationsplatte induziert wird, ein Übersprechen (crosstalk).
Die Summe der Spannungen der Vibrationsplatte und der Spannung der unteren Elektrode kann äuqivalent zu einer Zugspannung sein.
Durch Einsatz des obigen Merkmals dienen die Spannungen der Vibrationsplatte und der unteren Elektroden dazu, zuverlässiger die Trennwände zu begrenzen, wodurch ein Übersprechen (crosstalk) zuverlässig verhindert wird.
In der piezoelektrischen Schicht kann eine Zugspannung erzeugt werden. Durch Einsatz des obigen Merkmals dient die Spannung der piezoelektrischen Schicht dazu, zuverlässiger die Trennwände zu begrenzen, wodurch ein Übersprechen (crosstalk) zuverlässig verhindert wird.
Die Vibrationsplatte kann eine Kompressionsschicht aufweisen, in der eine Druckspannung auf der Seite erzeugt wird, welche den Druckerzeugungskammern zugewandt ist.
Obgleich die Vibrationsplatte eine Kompressionsschicht aufweist, falls die Spannung der Vibrationsplatte insgesamt eine Zugspannung ist oder falls die Summe der Spannung der Vibrationsplatte und der Spannungen der Komponentenschichten jedes piezoelektrischen Elements äquivalent zu einer Zugspannung ist, kann ein Übersprechen (crosstalk) verhindert werden.
Wenn die Druckerzeugungskammern gebildet werden, können die piezoelektrischen Elemente konvex zu entsprechenden Druckerzeugungskammern verformt werden.
Durch Einsatz des obigen Merkmals dient die Spannung der Vibrationsplatte dazu, zuverlässiger ein Übersprechen (crosstalk) zu verhindern.
Das durchgangsbildende Substrat kann aus einem monokristallinen Siliciumsubstrat gebildet sein und kann mit einer vorbestimmten Dicke gebildet sein, indem die äußere Seite hiervon poliert wird.
Durch Einsatz des obigen Merkmals kann die Dicke des durchgangsbildenden Substrats mittels Polierens auf relativ einfache Weise vermindert werden. Das durchgangsbildende Substrat kann aus einem monokristallinen Siliciumsubstrat gebildet sein und kann mit einer vorbestimmten Dicke durch ein zuvor vorgesehenes Opfersubstrat, das von der anderen Seite hiervon entfernt wird, gebildet sein.
Durch Einsatz des obigen Merkmals kann ein relativ dünnes, durchgangsbildendes Substrat auf relativ einfache Weise gebildet werden.
Die Druckerzeugungskammern können durch anisotropes Ätzen gebildet werden, und die Komponentenschichten der piezoelektrischen Elemente können durch Filmablagerungen und Lithographie gebildet sein.
Der Einsatz der obigen Merkmale ermöglicht die Bildung der Druckerzeugungskammern mit hoher Präzision und hoher Dichte auf relativ einfache Weise.
Die vorliegende Erfindung stellt ebenso eine Tintenstrahlaufzeichnungsvorrichtung bereit, welche den oben beschriebenen Tintenstrahlaufzeichnungskopf aufweist.
Eine Tintenstrahlaufzeichnungsvorrichtung, welche den Tintenstrahlaufzeichnungskopf gemäß der vorliegenden Erfindung einsetzt, kann ein Drucken mit hoher Geschwindigkeit und hoher Qualität erzielen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Perspektivansicht eines Tintenstrahlaufzeichnungskopfes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2A ist eine Draufsicht des Tintenstrahlaufzeichnungskopfes aus 1;
2B ist eine Schnittansicht des Tintenstrahlaufzeichnungskopfes, der entlang einer Linie A-A' in 2A geführt ist;
3 ist eine Schnittansicht des Tintenstrahlaufzeichnungskopfes, der entlang einer Linie B-B' in 2A geführt ist;
4A bis 4D sind Schnittansichten, die ein Verfahren zum Herstellen des Tintenstrahlaufzeichnungskopfes aus 1 zeigen;
5A bis 5D sind Schnittansichten, die ein Verfahren zum Herstellen des Tintenstrahlaufzeichnungskopfes aus 1 zeigen; und
6 ist eine schematische Ansicht einer Tintenstrahlaufzeichnungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
1 bis 3 zeigen einen Tintenstrahlaufzeichnungskopf gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein durchgangsbildendes Substrat 10 ist aus einem monokristallinen Siliciumsubstrat mit einer (110) Ebenenausrichtung gebildet und umfasst einen elastischen Film 50 aus Siliciumdioxid, 1 μm bis 2 μm dick, der zuvor auf einer Seite hiervon durch thermische Oxidation gebildet wurde.
Eine Mehrzahl von Druckerzeugungskammern 12 ist in dem durchgangsbildenden Substrat 10 durch anisotropes Ätzen des monokristallinen Siliciumsubstrats von einer Seite hiervon auf solche Weise gebildet, um voneinander mittels einer Mehrzahl von Trennwänden 11 getrennt zu sein und um entlang der Breitenrichtung des durchgangsbildenden Substrats 10 angeordnet zu sein. Eine Mehrzahl von Kommunikationsabschnitten 13 ist in dem durchgangsbildenden Substrat 10 in einer in Längsrichtung äußeren Position gebildet. Die Kommunikationsabschnitte 13 kommunizieren mit einem Behälter 31 einer Behälterbildenden Platte, die später beschrieben werden wird, durch entsprechende Kommunikationslöcher 51. die Kommunikationsabschnitte 13 kommunizieren mit den entsprechenden Druckerzeugungskammern 12 an Längsendabschnitten der Druckerzeugungskammern 12 über entsprechende Tintenzufuhrpfade 14.
Die druckerzeugenden Kammern 12 sind mit relativ hoher Dichte angeordnet. Beispielsweise mit mehr als 200 Kammern pro inch, und gemäß der vorliegenden Ausführungsform mit 360 Kammern pro inch.
Ein anisotropes Ätzen nutzt die folgenden Eigenschaften eines monokristallinen Siliciumsubstrats: wenn ein monokristallines Siliciumsubstrat in eine Alkalilösung eingetaucht wird, wie eine KOH-Lösung, wird das monokristalline Siliciumsubstrat graduell erodiert, sodass die erste (111) Ebene senkrecht zu der (110) Ebene und die zweite (111) Ebene, die einen Winkeln von etwa 70° zu der ersten (111) und einen Winkel von etwa 35° zu der (110) Ebene bildet entstehen; und die (111) Ebenen werden mit etwa 1/180 einer Rate geätzt, mit welcher die (110) Ebenen geätzt werden. Ein genaues Verfahren kann durch ein solches anisotropes Ätzen auf der Basis eines Tiefenverfahrens in einem Parallelogramm ausgeführt werden, welches durch zwei erste (111) Ebenen und zwei geneigte zweite (111) Ebenen definiert ist, wodurch die Druckerzeugungskammern 12 mit hoher Dichte angeordnet werden können.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform definieren die ersten (111) Ebenen die langen Seiten jeder Druckerzeugungskammer 12, während die zweiten (111) Ebenen die kurzen Seiten jeder Druckerzeugungskammer 12 definieren. Die Druckerzeugungskammern 12 sind durch Ätzen des durchgangsbildenden Substrats 20 entlang im wesentlichen der gesamten Dicke, bis der elastische Film 50 erreicht wird, gebildet. Es ist zu beachten, dass der elastische Film etwas durch eine zum Ätzen eines monokristallinen Siliziumsubstrats verwendeten Alkalilösung erodiert wird. Die Tintenzufuhrpfade 14, die mit den entsprechenden Druckerzeugungskammern 12 an einem Ende der Kammern 12 kommunizieren, werden seichter ausgeformt als die Druckerzeugungskammern 12, um einen konstanten Strömungswiderstand für in die Druckerzeugungskammern 12 strömende Tinte aufrecht zu erhalten. D.h., die Tintenzufuhrpfade werden durch Ätzen des monokristallinen Siliziumsubstrats mit halber Länge (Halbätzen) entlang der Dickenrichtung des Substrats gebildet. Halbätzen wird durch Einstellung der Ätzzeit ausgeführt.
Eine Düsenplatte 20 wird unter Einsatz eines Klebstoffs an der gegenüberliegenden Seite des durchgangsbildenden Substrats 10 derart angehaftet, dass die darin gebildeten Düsenöffnungen 21 mit den entsprechende Druckerzeugungskammern 12 auf den zu den Tintenzufuhrpfaden 14 gegenüberliegenden Seiten kommunizieren. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist die Düsenplatte 20 durch ein monokristallines Siliziumsubstrat gebildet und besitzt eine Mehrzahl von Düsenöffnungen 21, die darin durch Trockenätzen gebildet sind. Jede der Düsenöffnungen 21 umfasst einen Düsenabschnitt 21a, durch welchen ein Tintentropfen ausgestoßen wird, und einen Düsenkommunikationsabschnitt 21b, der einen größeren Durchmesser als der Düsenabschnitt 21a besitzt und eine Kommunikation zwischen dem Düsenabschnitt 21a und der Druckerzeugungskammer 12 herbeiführt.
Da, wie oben erwähnt, die Düsenplatte 20 und das durchgangsbildende Substrat 10 aus demselben Material gebildet sind, zeigen die Düsenplatte 20 und das durchgangsbildende Substrat 10 kein Verziehen oder keine Spannung bei einem Erwärmungsvorgang, der mit einem Anhaften verbunden ist, und bei einem Posterwärmungsvorgang, der mit einer Montage verknüpft ist, sodass sie frei von Rissbildung sind.
Die Abmessungen der Druckerzeugungskammer 12, die dazu ausgelegt sind, einen Tintentropfenausstoßdruck auf die Tinte aufzubringen, und die Abmessungen der Düsenöffnung 21, die dazu ausgelegt sind, Tintentropfen auszustoßen, werden entsprechend der Menge der auszustoßenden Tintentropfen, einer Tintentropfenausstoßgeschwindigkeit und einer Tintentropfenfrequenz optimiert. Wenn beispielsweise 360 Tropfen pro Inch zum Aufzeichnen ausgestoßen werden sollen, müssen die Düsenöffnungen 21 präzise auf einen Durchmesser von mehreren Zehntel μm gebildet werden.
Ein unterer Elektrodenfilm 60, eine piezoelektrische Schicht 70 und ein oberer Elektrodenfilm 80 sind in Schichten durch ein später zu beschreibendes Verfahren an dem elastischen Film 50 gebildet, der an dem durchgangsbildenden Substrat 10 vorgesehen ist, wodurch ein piezoelektrisches Element 300 gebildet wird. Der untere Elektrodenfilm 60 nimmt eine Dicke von beispielsweise etwa 0,2 μm ein; die piezoelektrische Schicht 70 nimmt eine Dicke von beispielsweise etwa 0,5 μm bis 2 μm ein; und der obere Elektrodenfilm 80 nimmt eine Dicke von beispielsweise etwa 0,1 μm ein. Dabei umfasst das piezoelektrische Element 300 den unteren Elektrodenfilm 60, die piezoelektrische Schicht 70 und den oberen Elektrodenfilm 80. Im Allgemeinen nimmt entweder die untere Elektrode oder die obere Elektrode die Form einer gemeinsamen Elektrode zur Nutzung unter den verschiedenen piezoelektrischen Elementen 300 ein, während die andere Elektrode und die piezoelektrische Schicht 70 durch Mustern für jede der Druckerzeugungskammern 12 gebildet werden. In diesem Falle wird der Abschnitt, der durch eine der Elektroden und die piezoelektrische Schicht 70 gebildet ist, an denen ein Mustern ausgeführt wird, und an dem eine piezoelektrische Spannung durch Aufbringung einer Spannung auf beide Elektroden erzeugt wird, auf piezoelektrisch aktiver Abschnitt bezeichnet. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform dient die untere Elektrode 60 als gemeinsame Elektrode zur Nutzung unter den piezoelektrischen Elementen 300, während der obere Elektrodenfilm 80 als individuelle Elektrode zur Nutzung mit einem piezoelektrischen Element 300 dient. Allerdings kann die Konfiguration entsprechend den Notwendigkeiten eines Antriebskreises und einer Verdrahtung umgekehrt werden. In jedem Falle sind piezoelektrisch aktive Abschnitte für individuelle Druckerzeugungskammern gebildet. Dabei bilden ein piezoelektrisches Element 300 und eine Vibrationsplatte, wie durch das piezoelektrische Element 300 angetrieben wird, um hierdurch verformt zu werden, einen piezoelektrischen Aktor. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform dienen der elastische Film 50 und der untere Elektrodenfilm 60 als Vibrationsplatte. Allerdings kann ein unterer Elektrodenfilm ebenso als elastischer Film dienen. Um dafür zu sorgen, dass in der Vibrationsplatte implizierte Spannungen Zugspannungen sind, kann eine Verstärkungsschicht an dem elastischen Film 50 gebildet sein, die beispielsweise aus Zirkoniumoxid (ZrO₂) hergestellt ist.
Bevorzugt erfüllt ein Tintenstrahlaufzeichnungskopf, bei welchem die Anzahl n der Druckerzeugungskammern 12, die pro inch angeordnet sind, mehr als 200 beträgt und zu der Breite w der Druckerzeugungskammer 12 und der Dicke d der Trennwand 11 durch (w + d) = 1 inch/n in Beziehung steht, die folgenden Bedingungen: die Vibrationsplatte erfährt eine Zugspannung; und die Dicke d der Trennwand 11 beträgt mehr als 10 μm und steht mit der Dicke h des durchgangsbildenden Substrats 10 (der Tiefe der Druckerzeugungskammer 12) durch (d × 3) ≤ h ≤ (d × 6), und besonders bevorzugt durch (d × 4) ≤ h ≤ (d × 5) in Beziehung.
Somit wird, selbst wenn die Druckerzeugungskammern 12 mit relativ hoher Dichte angeordnet sind, die Steifigkeit der Trennwände 11 zuverlässig aufrecht erhalten, wodurch das Auftreten von ein Übersprechen (crosstalk) verhindert werden kann. Genauer gesagt wird, wenn die Druckerzeugungskammern 12 mit hoher Dichte angeordnet sind, die Dicke der Trennwände 11 vermindert; allerdings wird die Steifigkeit der Trennwände 11 zuverlässig aufrecht erhalten, indem die oben genannten Anforderungen beim Bestimmen der Breite w der Druckerzeugungskammer, der Dicke d der Trennwand 11 und der Dicke h des durchgangsbildenden Substrats 10 erfüllt werden.
Wenn die Vibrationsplatte durch ein Dünnfilmablagerungsverfahren gebildet wird und Zugspannung erfährt, können Enden der Trennwände 11, die auf der Seite der Vibrationsplatte gelegen sind, nicht als freie Enden, sondern als einfach gelagerte Enden betrachtet werden. In diesem Falle verhindert die Erfüllung der oben genannten Erfordernisse zuverlässig ein Übersprechen (crosstalk).
Gemäß der vorliegenden Erfindung erfährt, da die Vibrationsplatte aus dem elastischen Film 50 und dem unteren Elektrodenfilm 60 zusammengesetzt ist, die Vibrationsplatte eine Zugspannung; d.h. die Summe der Spannung des elastischen Films 50 und der Spannung des unteren Elektrodenfilms 60 entspricht einer Zugspannung. Beispielsweise erfährt gemäß der vorliegenden Ausführungsform der elastische Film 50 eine Kompressionsspannung, und der untere Elektrodenfilm 60 erfährt eine Zugspannung, während die Vibrationsplatte als Ganzes eine Zugspannung erfährt.
Selbst wenn der untere Elektrodenfilm 60 für jedes piezoelektrische Element 300 bemustert wird und daher nicht als eine Vibrationsplatte dient, ist bevorzugt die Summe der Spannung des elastischen Films 50, der als eine Vibrationsplatte dient, und der Spannung des unteren Elektrodenfilms 60 gleich einer Zugspannung, gemessen in Regionen, welche den Druckerzeugungskammern 12 zugewandt sind. Als ein Ergebnis dessen, dass die Vibrationsplatte eine Zugspannung erfährt, wenn die Druckerzeugungskammern 12 gebildet werden, d.h. in dem ursprünglichen Zustand, sind die piezoelektrischen Elemente 300 bevorzugt konvex zu den entsprechenden Druckerzeugungskammern 12 verformt.
Als ein Ergebnis dessen, dass die Vibrationsplatte eine Zugspannung erfährt, induziert die Zugspannung eine Begrenzung, welche einen Endabschnitt jeder Trennwand 11, der auf der Seite der Vibrationsplatte gelegen ist, begrenzt, wodurch ein Übersprechen (crosstalk) verhindert wird.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist die Summe der Spannung des elastischen Films 50, der als Vibrationsplatte dient, und der Spannung des unteren Elektrodenfilms 60 gleich einer Zugspannung, und die Summe der Spannung der Vibrationsplatte und der Spannungen der Komponentenschichten jedes der piezoelektrischen Elemente 300 ist gleich einer Zugspannung, während zumindest die piezoelektrische Schicht 70 des piezoelektrischen Films 300 Zugspannung erfährt. Auf diese Weise erfährt bevorzugt die Vibrationsplatte eine Zugspannung, und die Summe der Spannung der Vibrationsplatte und der Spannungen der Komponentenschichten jedes piezoelektrischen Elements 300 ist gleich einer Zugspannung. Wenn allerdings zumindest die Summe der Spannung der Vibrationsplatte und der Spannungen der Komponentenschichten jedes piezoelektrischen Elements 300 gleich einer Zugspannung ist, dient die Zugspannung dazu, Endabschnitte der Trennwände 11, die auf der Seite der Vibrationsplatte gelegen sind, zu begrenzen, wodurch ein Übersprechen (crosstalk) verhindert wird.
Wenn die Dicke d der Trennwand 11 mehr als 10 μm, bevorzugt mehr als 20 μm und nicht mehr als 30 μm beträgt und zu der Dicke h des durchgangsbildenden Substrats 10 durch h ≤ (d × 6) in Beziehung steht, halten die Trennwände 11 eine vorbestimmte Steifigkeit aufrecht, um hierdurch ein Übersprechen (crosstalk) zuverlässig zu verhindern.
Je geringer die Dicke h des durchgangsbildenden Substrats 10 ist, d.h. je geringer die Höhe der Trennwand 11 ist, umso höher ist die Steifigkeit der Trennwand 11, wodurch ein Übersprechen (crosstalk) zuverlässiger verhindert werden kann. Da allerdings zum Erzielen guter Tintenausstoßeigenschaften der laterale Querschnittsbereich der Druckerzeugungskammer bevorzugt so groß wie möglich ist, steht die Dicke h des durchgangsbildenden Substrats 10 (die Tiefe der Druckerzeugungskammer 12) bevorzugt zu der Dicke d der Trennwand 11 durch h ≥ (d × 3) in Beziehung. Ebenso ist bevorzugt die Breite w der Druckerzeugungskammer 12 so groß wie möglich.
Wenn somit die Dicke d der Trennwand 11 mehr als 10 μm beträgt, und zu der Dicke h des durchgangsbildenden Substrats 10 durch (d × 3) ≤ h ≤ (d × 6) in Beziehung steht, halten die Trennwände 11 ihre Steifigkeit aufrecht, um hierdurch ein Übersprechen (crosstalk) zuverlässig zu verhindern.
Die oben genannten Abmessungsanforderungen zwischen der Dicke d der Trennwand 11 und der Dicke h des durchgangsbildenden Substrats 10 (der Tiefe der Druckerzeugungskammer) basierend auf den nachfolgenden Feststellungen hinsichtlich der Nachgiebigkeit. Wenn der Prozentsatz der Nachgiebigkeit einer Trennwand 11, die zum Trennen der Druckerzeugungskammern 12 voneinander dient, zur Nachgiebigkeit einer Druckerzeugungskammer 12, d.h. die gesamte Nachgiebigkeit der Trennwand 11, der Vibrationsplatte und der in der Druckerzeugungskammer 12 enthaltenen Tinte nicht größer ist als 10%, insbesondere nicht größer ist als 5%, kann das Auftreten von ein Übersprechen (crosstalk) verhindert werden.
Die Länge einer kurzen Seite des lateralen Querschnitts der Druckerzeugungskammer 12 besitzt eine größere Auswertung auf den Strömungswiderstand der Druckerzeugungskammer 12 als die Länge einer langen Seite des lateralen Querschnitts. Die Breite b der Druckerzeugungskammer 12 kann mit höherer Präzision gesteuert werden als die Tiefe der Druckerzeugungskammer 12 (die Dicke h des durchgangsbildenden Substrats 10). Somit ist bevorzugt die kurze Seite, die eine große Auswirkung auf die Tintenausstoßeigenschaften besitzt, die Breite w der Druckerzeugungskammer 12. D.h., die Breite w der Druckerzeugungskammer 12 ist bevorzugt nicht größer als die Dicke h des durchgangsbildenden Substrats 10, wodurch die Druckerzeugungskammern 12 gute, gleichmäßige Tintenausstoßeigenschaften aufweisen können.
Tintenstrahlaufzeichnungsköpfe gemäß den Beispielen 1 bis 4 und Vergleichsbeispielen 1 bis 3 wurden unter den nachfolgend in Tabelle 1 gezeigten Bedingungen hergestellt. Die Tintenstrahlaufzeichnungsköpfe wurden im Hinblick auf den Prozentsatz der Nachgiebigkeit der Trennwand 11 zu derjenigen der Druckerzeugungskammer 12 untersucht. Die Ergebnisse sind ebenso in Tabelle 1 gezeigt.
Wie in Tabelle 1 gezeigt, beträgt in den Beispielen und in den Vergleichsbeispielen die Anzahl n der pro inch angeordneten Druckerzeugungskammern 12 360, die Summe der Breite w der Druckerzeugungskammer 12 und der Dicke d der Trennwand 11 beträgt etwa 70 μm ((w + d) ≌ 70 μm). Da die Breite der Druckerzeugungskammer 12 etwa 55 μm beträgt, beträgt die Dicke d der Trennwand 11 etwa 15 μm.
In den Beispielen 1 bis 4 wurde die Dicke h des durchgangsbildenden Substrats 10 (die Tiefe der Druckerzeugungskammer 12) über den Bereich von 45 μm bis 90 μm variiert, sodass die Dicke d der Trennwand 11 und die Dicke h des durchgangsbildenden Substrats 10 durch (d × 3) ≤ h ≤ (d × 6) in Beziehung stehen.
Die Vergleichsbeispiele 1 bis 3 sind ähnlich zu den Beispielen 1 bis 4, außer dass sie eine Dicke h des durchgangsbildenden Substrats 10 von 30 μm, 105 μm bzw. 120 μm annahmen.
Die Tintenstrahlaufzeichnungsköpfe der Beispiele 1 bis 4, welche die oben beschriebenen Abmessungen besaßen, wiesen einen Prozentsatz der Nachgiebigkeit der Trennwand 11 von 0,6 % bis 7,2 % auf, was geringer ist als 10%. Das Verhältnis zwischen der Breite w der Druckerzeugungskammer 12 und der Tiefe der Druckerzeugungskammer 12 (der Dicke h des durchgangsbildenden Substrats 10), w/h, beträgt 0,6 bis 1,2, was angibt, dass die Breite der Druckerzeugungskammer 12 im wesentlichen gleich zu oder kleiner als die Tiefe der Druckerzeugungskammer 12 ist. Daher weisen die Tintenstrahlaufzeichnungsköpfe keinen ein Übersprechen (crosstalk) und weisen gute Tintenausstoßeigenschaften auf.
Im Gegensatz hierzu besitzt der Tintenstrahlaufzeichnungskopf gemäß Vergleichbeispiel 1 einen sehr geringen Prozentsatz der Nachgiebigkeit der Trennwand 11 von 0,1% und kann somit ein Übersprechen (crosstalk) verhindern. Da allerdings das Verhältnis zwischen der Tiefe und der Breite der Druckerzeugungskammer, w/h, einen sehr großen Wert von 1,8 einnimmt, kann der Tintenstrahlaufzeichnungskopf nicht gleichmäßige Ausstoßeigenschaften aufweisen.
Die Tintenstrahlaufzeichnungsköpfe gemäß Vergleichbeispielen 2 und 3 besitzen einen großen Prozentsatz an Nachgiebigkeit der Trennwand von mehr als 10% und führen daher zu ein Übersprechen (crosstalk), was dazu führt, dass sie keine guten Tintenausstoßeigenschaften aufweisen.
Wie anhand der oben beschriebenen Untersuchungsergebnisse ersichtlich ist, kann wenn die Dicke d der Trennwand 11 und die Dicke h des durchgangsbildenden Substrats 10 anhand von (d × 3) ≤ h ≤ (d × 6), insbesondere anhand von (d × 4) ≤ h ≤ (d × 5) bestimmt werden, crosstak verhindert werden; somit können gute Tintenausstoßeigenschaften erzielt werden.
Ein Verfahren zum Herstellen eines Tintenstrahlaufzeichnungskopfes gemäß der vorliegenden Erfindung wird als nächstes unter Bezugnahme auf 4 und 5 beschrieben. 4 und 5 zeigen eine Reihe von Längsschnittansichten der Druckerzeugungskammer 12. In 4B bis 4D, 5A und 5E ist die Druckerzeugungskammer 12 durch die gestrichelte Linie dargestellt, da die Kammer 12 noch nicht gebildet ist.
Zuerst wird, wie in 4A gezeigt, der elastische Film 50 auf einer Seite des durchgangsbildenden Substrats 10 gebildet. Genauer gesagt wird beispielsweise ein monokristallines Siliziumsubstrat mit einer Dicke von 220 μm, welches das durchgangsbildende Substrat 10 werden wird, thermisch bei etwa 1.100 °C in einen Diffusionsofen oxidiert, wodurch der elastische Film 50 aus Siliziumdioxid auf einer Seite des durchgangsbildenden Substrats 10 gebildet wird.
Als nächstes wird, wie in 4D gezeigt, der untere Elektrodenfilm 60 auf der gesamten Oberfläche des elastischen Films 50 durch Sprühen abgelagert, gefolgt durch Bemustern mit einem vorbestimmten Muster. Platin (Pt) ist ein bevorzugtes Material für den unteren Elektrodenfilm 60 aus dem folgenden Grund: eine piezoelektrische Schicht 70, die durch ein Sprühverfahren oder durch ein Sol-Gel-Verfahren abgelagert werden soll, muss kristallisiert werden, und zwar nach der Ablagerung durch Brennen bei einer Temperatur von etwa 600 °C bis 1.000 °C in der Atmosphäre oder in einer Sauerstoffatmosphäre. D.h., Material für den unteren Elektrodenfilm 60 muss elektrische Leitfähigkeit in einer solchen oxidierenden Hochtemperaturatmosphäre aufrechterhalten. Insbesondere wenn Bleizirkontitan (PZT) als piezoelektrische Schicht 70 dient, besitzt das Material vorzugsweise eine leichte Variation der elektrischen Leitfähigkeit, die durch Diffusion von Bleioxid verursacht wird. Daher wird Platin bevorzugt.
Als nächstes wird, wie in 4C gezeigt, die piezoelektrische Schicht 70 abgelagert. Bevorzugt wird die piezoelektrische Schicht 70 kristallographisch ausgerichtet. Beispielsweise wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform die piezoelektrische Schicht 70 in einem kristallographisch ausgerichteten Zustand unter Einsatz eines Sol-Gel-Verfahrens gebildet. Genauer gesagt wird eine organische Substanz aus Metall in einem Katalysator gelöst und geteilt, um ein sogenanntes Sol zu erhalten. Das Sol wird aufgebracht und getrocknet, um Gel zu erhalten. Das Gel wird einem Brennen bei hoher Temperatur unterworfen, wodurch man die piezoelektrische Schicht 70 erhält, die aus Metalloxid hergestellt ist. Bei der Anwendung auf einen Tintenstrahlaufzeichnungskopf ist Bleizirkontitanmaterial ein bevorzugtes Material für die piezoelektrische Schicht 70. Ein Verfahren zum Ablagern der piezoelektrischen Schicht 70 ist nicht besonders begrenzt. Beispielsweise kann ein Sprühverfahren verwendet werden.
Alternativ wird ein Precursor aus Bleizirkontitan durch ein Sol-Gel-Verfahren oder ein Sprühverfahren gebildet und wird dann veranlasst, ein Kristallwachstum in einer wässrigen Alkalilösung bei einer niedrigen Temperatur unter Einsatz eines Hochtemperaturbehandlungsverfahrens zu durchlaufen.
Im Gegensatz zu einem piezoelektrischen Haufenmaterial nimmt die so abgelagerte piezoelektrische Schicht 70 eine kristallographisch bevorzugte Ausrichtung ein. Beispielsweise nimmt die piezoelektrische Schicht 70 der vorliegenden Ausführungsform eine bevorzugte Ausrichtung in Bezug auf (100) Ebenen ein. Die bevorzugte Ausrichtung bezieht sich auf einen Zustand, in welchem Kristalle sauber ausgerichtet sind, d.h. bestimmte Kristallebenen sind in derselben Richtung gewandt.
In der piezoelektrischen Schicht 70 nehmen Kristalle eine säulenförmige, rhomohedrale Form ein. Ein Dünnfilm aus säulenförmigen Kristallen bezieht sich auf einen Zustand, in welchem im wesentlichen zylindrische Kristalle entlang einer ebenen Richtung gesammelt sind, während Achsen hiervon sich im wesentlichen der Dickenrichtung hiervon erstrecken, um hierdurch einen Dünnfilm zu bilden. Selbstverständlich kann ein Dünnfilm aus körnigen Kristallen mit bevorzugter Ausrichtung gebildet werden. Eine durch einen solchen Dünnfilm Ablagerungsvorgang abgelagerte piezoelektrische Schicht nimmt im allgemeinen eine Dicke von 0,2 μm bis 5 μm ein.
Als nächstes wird, wie in 4D gezeigt, der obere Elektrodenfilm 80 gebildet. Der obere Elektrodenfilm 80 kann aus jeglichem Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit gebildet werden, wie Aluminium, Gold, Nickel, Platin oder ein ähnliches Metall, oder ein elektrisch leitfähiges Oxid. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird Platin durch Sprühen abgelagert.
Als nächstes durchlaufen, wie in 5A gezeigt, die piezoelektrische Schicht 70 und der obere Elektrodenfilm 80 ein Bemustern, um hierdurch die piezoelektrischen Elemente 300 in Regionen zu bilden, welche den Druckerzeugungskammern 12 zugewandt sind.
Als nächstes werden, wie in 5B gezeigt, Leiterelektroden 90 gebildet. Genauer gesagt, wird eine Leiterelektrode 90, die beispielsweise aus Gold (Au) hergestellt ist, an dem durchgangsbildenden Substrat 10 entlang der gesamten Breite des Substrats 10 gebildet und durchläuft dann ein Bemustern, um hierdurch in die einzelnen Leiterelektroden 90 entsprechend den piezoelektrischen Elementen 300 aufgeteilt zu werden.
Nach dem oben beschriebenen Filmablagerungsvorgang wird, wie zuvor beschrieben, das monokristalline Siliziumsubstrat anisotrop unter Einsatz einer Alkalilösung geätzt, wodurch, wie in 5C gezeigt, die Druckerzeugungskammer 12, die Tintenzufuhrpfade 14 und die nicht gezeigten Kommunikationsabschnitte 13 gleichzeitig gebildet werden.
Anschließend wird, wie in 5D gezeigt, die den piezoelektrischen Elementen 300 gegenüberliegende Oberfläche des durchgangsbildenden Substrats 10 poliert, sodass das durchgangsbildende Substrat 10 eine vorbestimmte Dicke von beispielsweise etwa 70 μm in der vorliegenden Ausführungsform einnimmt.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird das durchgangsbildende Substrat 10 poliert, um eine vorbestimmte Dicke einzunehmen. Allerdings kann das durchgangsbildende Substrat 10 von vornherein eine vorbestimmte Dicke einnehmen. In diesem Falle kann, da ein Verfahren zum Bilden der piezoelektrischen Elemente 300 zu Schwierigkeiten beim Handhaben des durchgangsbildenden Substrats 10 führt, beispielsweise ein Opferwafer mit einer Dicke von etwa 200 μm auf einer Seite des durchgangsbildenden Substrats 10 (Siliziumwafer) angehaftet werden, und zu einer bestimmten späteren Phase kann der Opferwafer entfernt werden.
Bei der Herstellung wird eine Anzahl von Chips, die jeweils die piezoelektrischen Elemente 300 und die Druckerzeugungskammern 12 umfassen, gleichzeitig an einem einzelnen Waver durch eine Reihe von Filmablagerungsvorgängen und ein nachfolgendes anisotropes Ätzverfahren gebildet. Dann wird eine Düsenplatte 20 an dem Waver angehaftet. Der so hergestellte Waver wird in durchgangsbildende Substrate 10 mit Chipabmessungen aufgeteilt, wie in 1 gezeigt. Eine behälterbildende Platte 30 und ein nachgiebiges Substrat 40, die später beschrieben werden, werden sequentiell an jedem der durchgangsbildenden Substrate 10 angehaftet. Die entstehende Einheit wird ein Tintenstrahlaufzeichnungskopf.
Wie in 1 bis 3 gezeigt, ist die behälterbildende Platte 30 mit dem Behälter 31, der zum gemeinsamen Gebrauch unter den Druckerzeugungskammern 12 vorgesehen ist, an der Seite der piezoelektrischen Elemente 300 des durchgangsbildenden Substrats 10, welche die Druckerzeugungskammern 12 enthält, angehaftet. In der vorliegenden Ausführungsform wird der Behälter 31 in der behälterbildenden Platte 30 auf solche Weise gebildet, um sich durch die behälterbildende Platte 30 in der Dickenrichtung des Substrats 30 zu erstrecken, während sie sich entlang der Richtung, entlang der die Druckerzeugungskammern 12 angeordnet sind, erstreckt.
Bevorzugt ist die behälterbildende Platte 30 aus einem Material mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten gebildet, der im wesentlichen gleich zu demjenigen des durchgangsbildenden Substrats 10 ist; beispielsweise Glas oder ein Keramikmaterial. In der vorliegenden Ausführungsform sind die behälterbildende Platte 30 und das durchgangsbildende Substrat 10 aus demselben Material gebildet; d.h. einem monokristallinen Siliziumsubstrat. Daher, wie in dem Falle des Anhaftens der Düsenplatte 20 und des durchgangsbildenden Substrats 10, können sie, selbst wenn die behälterbildende Platte 30 und die das durchgangsbildende Substrat 10 bei hoher Temperatur unter Einsatz eines duroplastischen Klebstoffs verbunden werden, zuverlässig verbunden werden. Daher kann ein Herstellungsvorgang vereinfacht werden.
Ferner wird das nachgiebige Substrat 40, welches einen Abdichtfilm 41 und eine Tragplatte 42 aufweist, an der behälterbildenden Platte 30 angehaftet. Der Abdichtfilm 41 ist aus einem Material mit geringer Steifigkeit gebildet, welches Flexibilität (beispielsweise ein Polyphenylsulfit (PPS) Film mit einer Dicke von 6 μm gebildet. Der Abdichtfilm 41 dichtet eine Seite des Behälters 31 ab. Die Tragplatte 42 ist aus einem harten Material wie Metall (beispielsweise eine Platte aus rostfreiem Stahl (SUS) mit einer Dicke von 30 μm gebildet. Eine Region der Tragplatte 43, welche dem Behälter 31 zugewandt ist, ist vollständig in der Dickenrichtung der Tragplatte 42 beseitigt, um hierdurch eine Öffnung 43 zu bilden. Als Ergebnis hieraus ist eine Seite des Behälters 31 lediglich durch den flexiblen Abdichtfilm 41 bedeckt, um hierdurch einen flexiblen Abschnitt 32 zu bilden, der entsprechend einer Veränderung des inneren Drucks des Behälters 31 verformbar ist.
Ein Tinteneinlass 35, durch den Tinte zu dem Behälter 31 zugeführt wird, ist in dem nachgiebigen Substrat 40 gebildet und ist in einem im wesentlichen zentralen Abschnitt in Bezug auf die Längsrichtung des Behälters 31 und außerhalb des Behälters 31 in Bezug auf die Lateralrichtung des Behälters 31 gelegen. Ferner ist ein Tinteneinführkanal 36 zum Herbeiführen einer Kommunikation zwischen dem Tinteneinlass 35 und dem Behälter 31 in der behälterbildenden Platte 30 gebildet, während er sich durch die Seitenwand des Behälters 31 erstreckt.
Haltabschnitt 33 für ein piezoelektrisches Element ist in einer Region der behälterbildenden Platte 30 gebildet, welche den piezoelektrischen Elementen 300 zugewandt ist, und zwar auf solche Weise, um in einem abgedichteten Zustand einen Raum zum ermöglichen einer freien Bewegung der piezoelektrischen Elemente 300 bereitzustellen. Die piezoelektrischen Elemente 300 sind in dem Halteabschnitt 33 für ein piezoelektrisches Element abgedichtet, wodurch die piezoelektrischen Elemente 300 vor einem Brechen geschützt sind, das andernfalls durch Umwelteinflüsse wie Wasser in der Atmosphäre entstehen könnte.
Der so aufgebaute Tintenstrahlaufzeichnungskopf arbeitet auf folgende Weise. Nicht veranschaulichte, externe Tintenzufuhrmittel sind mit dem Tinteneinlass 35 verbunden und führen Tinte zu dem Tintenstrahlaufzeichnungskopf über den Tinteneinlass 35 zu. Die so zugeführte Tinte füllt einen inneren Raum, der sich von dem Behälter 31 zu den Düsenöffnungen 21 erstreckt. Gemäß einem Aufzeichnungssignal von einer nicht veranschaulichten, externen Antriebsschaltung wird eine Spannung zwischen einem oberen Elektrodenfilm 80 und dem unteren Elektrodenfilm 60 angelegt, wodurch der elastische Film 50, der untere Elektrodenfilm 60 und eine entsprechende piezoelektrische Schicht 70 veranlasst werden, sie zu verformen. Als Ergebnis hieraus nimmt der Druck innerhalb einer entsprechenden Druckerzeugungskammer 12 zu, um hierdurch einen Tintentropfen aus einer entsprechenden Düsenöffnung 21 auszustoßen.
Während die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die Ausführungsform beschrieben worden ist, ist die grundlegende Konfiguration eines Tintenstrahlaufzeichnungskopfes nicht auf diejenige der Ausführungsform beschränkt.
Beispielsweise wurde die obige Ausführungsform beschrieben, während ein Tintenstrahlaufzeichnungskopf vom Dünnfilmtyp erwähnt wurde, dessen Herstellung ein Filmablagerungsverfahren und ein Lithographieverfahren einsetzt. Allerdings ist die vorliegende Erfindung nicht hierauf beschränkt. Beispielsweise kann die vorliegende Erfindung auf einen Tintenstrahlaufzeichnungskopf vom Dickfilmtyp anwendbar sein, dessen Herstellung das Anbringen einer Grünschicht einsetzt.
Ebenso wurde die obige Ausführungsform beschrieben, während ein Tintenstrahlaufzeichnungskopf mit piezoelektrischen Elementen vom Verformungstyp erwähnt wurden. Allerdings ist die vorliegende Erfindung nicht hierauf beschränkt. Beispielsweise kann die vorliegende Erfindung auf einen Tintenstrahlaufzeichnungskopf anwendbar sein, der piezoelektrische Elemente aufweist, welche im Längsoszilationsmodus arbeiten, welche piezoelektrischen Elemente jeweils derart aufgebaut sind, dass ein piezoelektrisches Material und ein Elektronenmaterial in einer alternierend geschichteten Struktur angeordnet sind. In jedem Falle muss eine Vibrationsplatte Zugspannungen durchlaufen.
Die vorliegende Erfindung kann auf Tintenstrahlaufzeichnungsköpfe mit verschiedenen Strukturen anwendbar sein, ohne vom Grundgedanken oder Schutzbereich der Erfindung abzuweichen.
Der Tintenstrahlaufzeichnungskopf gemäß der Ausführungsform wie oben beschrieben bildet teilweise eine Aufzeichnungskopfeinheit mit einem Tintenkanal, der mit einem Tintenschlitten oder ähnlichen Vorrichtungen kommuniziert, um hierdurch an einer Tintenstrahlaufzeichnungsvorrichtung montiert zu werden. 6 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer solchen Tintenstrahlaufzeichnungsvorrichtung.
Wie in 6 gezeigt, tragen Aufzeichnungskopfeinheiten 1A und 1B, die jeweils einen Tintenstrahlaufzeichnungskopf aufweisen, entnehmbar Patronen 2A bzw. 2B, die als Tintenzuführmittel dienen. Ein Schlitten 3, der die Aufzeichnungskopfeinheiten 1A und 1B trägt, ist axial beweglich an einer Schlittenwelle 3 montiert, die an einem Vorrichtungskörper 4 angebracht ist. Die Aufzeichnungskopfeinheiten 1A und 1B sind dazu ausgelegt, beispielsweise eine schwarze Tintenzusammensetzung bzw. eine Farbtintenzusammensetzung auszustoßen.
Die Antriebskraft eines Antriebsmotors 6 wird auf den Schlitten 3 über eine Mehrzahl nicht veranschaulichter Zahnräder und einen Steuerriemen 7 übertragen, wodurch der Schlitten 3, der die Aufzeichnungskopfeinheiten 1A und 1B trägt, sich entlang der Schlittenwelle 5 bewegt. Eine Druckplatte 8 ist an dem Vorrichtungskörper 4 auf solche Weise vorgesehen, um sich entlang des Pfades des Schlittens 3 zu erstrecken. Die Druckplatte 8 wird mittels einer Antriebskraft eines nicht veranschaulichten Papierfördermotors rotiert, wodurch ein Aufzeichnungsblatt S, das ein Aufzeichnungsmedium ist, wie mittels von Papierförderwalzen gefördertes Papier, auf dieselbe gefördert wird.

Claims

Tintenstrahldruckkopf mit: einem Kanalsubstrat (10) mit mehreren Druckerzeugungskammern (12), die mit entsprechenden Düsenöffnungen (21) kommunizieren und voneinander durch mehrere Trennwände (11) getrennt sind, und mehreren piezoelektrischen Elementen (300), die auf einer Seite des Kanalsubstrats (10) über eine Vibrationsplatte vorgesehen sind und jedes eine untere Elektrode (60), eine piezoelektrische Schicht (70) und eine obere Elektrode (80) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass in der Vibrationsplatte eine anfängliche positive Zugbeanspruchung vorhanden ist, die bei der Herstellung erzeugt worden ist, die Anzahl n der besagten Druckerzeugungskammern (12), die pro inch (25,4 mm) vorgesehen sind, mehr als 200 beträgt und mit einer Breite w der Druckerzeugungskammer (12) und einer konstanten Dicke d der Trennwand (11) über ihre gesamte Höhe hinweg in Beziehung steht, repräsentiert durch (w + d) = 1 inch/n; und die Dicke d der Trennwand (11) mehr als 10 μm beträgt und mit der Dicke h des Kanalsubstrats (10) in Beziehung steht, repräsentiert durch (d × 3) ≤ h ≤ (d × 6).
Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 1, bei welchem die Dicke h des Kanalsubstrats (10) und die Dicke d der Trennwand (11) so in Beziehung stehen, dass gilt (d × 4) ≤ h ≤ (d × 5).
Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die Nachgiebigkeit der Trennwand (11) bezüglich der Druckerzeugungskammer (12) nicht größer ist als 10%.
Tintenstrahldruckkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem die Dicke h des Kanalsubstrats (10) größer ist als die Breite w der Druckerzeugungskammer (12).
Tintenstrahldruckkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem Kristalle der piezoelektrischen Schicht (70) eine bevorzugte Orientierung einnehmen.
Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 5, bei welchem Kristalle der piezoelektrischen Schicht (70) eine bevorzugte Orientierung mit Bezug auf (100) Ebenen einnehmen.
Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 5 oder 6, bei welchem Kristalle der piezoelektrischen Schicht (70) rhombohedral sind.
Tintenstrahldruckkopf nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei welchem Kristalle der piezoelektrischen Schicht (70) säulenförmig sind.
Tintenstrahldruckkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei welchem die piezoelektrische Schicht (70) eine Dicke von 0,5 μm bis 2 μm einnimmt.
Tintenstrahldruckkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei welchem die Summe der Beanspruchung der Vibrationsplatte und der Beanspruchungen der Schichtkomponenten jedes der piezoelektrischen Elemente (300) äquivalent zu einer Zugbeanspruchung ist.
Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 10, bei welchem die Summe der Beanspruchung der Vibrationsplatte und die Beanspruchung der unteren Elektrode (60) äquivalent zu einer Zugbeanspruchung ist.
Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 10 oder 11, bei welchem eine positive Zugbeanspruchung in der piezoelektrischen Schicht (70) erzeugt ist.
Tintenstrahldruckkopf nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei welchem die Vibrationsplatte eine Kompressionsschicht aufweist, in welcher eine Kompressionsbeanspruchung erzeugt ist, und zwar auf der Seite, die zu den Druckerzeugungskammern (12) hinweist.
Tintenstrahldruckkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei welchem, wenn die Druckerzeugungskammern (12) ausgebildet werden, die piezoelektrischen Elemente (300) konvex in Richtung der jeweiligen Druckerzeugungskammern (12) gewölbt werden.
Tintenstrahldruckkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei welchem das Kanalsubstrat (10) aus einem Einkristall-Siliziumsubstrat gebildet ist und auf eine vorbestimmte Dicke dadurch gebildet ist, dass seine andere Seite poliert ist.
Tintenstrahldruckkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei welchem das Kanalsubstrat (10) aus einem Silizium-Einkristallsubstrat gebildet ist und dadurch auf eine vorbestimmte Dicke gebildet ist, dass ein zuvor vorgesehenes Opfersubstrat von der anderen Seite des Substrats entfernt wird.
Tintenstrahldruckkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei welchem die Druckerzeugungskammern (12) durch anisotropes Ätzen gebildet sind und Schichtkomponenten der piezoelektrischen Elemente (300) durch eine Filmabscheidung und Lithographie gebildet sind.
Tintenstrahl-Aufzeichnungsvorrichtung mit einem Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf nach einem der Ansprüche 1 bis 17.