DE69333824T2

DE69333824T2 - Tintenstrahlaufzeichnungskopf mit Schichtstruktur

Info

Publication number: DE69333824T2
Application number: DE69333824T
Authority: DE
Inventors: Kohei Suwa-shi Kitahara
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1992-08-26
Filing date: 1993-08-26
Publication date: 2005-10-27
Anticipated expiration: 2013-08-27
Also published as: SG133440A1; US6290340B1; DE69322884D1; SG119181A1; EP0723867A2; EP0584823A1; DE69329882D1; US6270203B1; EP0839655A3; DE69306198T2; HK1008315A1; SG115367A1; JP3317308B2; DE69333824D1; EP0988972A3; HK1002121A1; EP0839655A2; DE69322884T2; EP0988972B1; EP0584823B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Aufzeichnungskopf vom Tintenstrahltyp mit Schichtstruktur.
Es ist ein Aufzeichnungskopf vom Tintenstrahltyp bekannt, bei welchem piezoelektrische Transducer an Membranen gekoppelt sind, welche Wände entsprechender Tintendruckkammern bilden, wobei die Verschiebung der piezoelektrischen Transducer das Volumen der Druckkammern verändert, um dadurch Tintentröpfchen auszustoßen. Ein solcher Aufzeichnungskopf weist den Vorteil auf, dass die Verschiebung der Membranen durch die piezoelektrischen Transducer über einen verhältnismäßig großen Bereich der Druckkammern stattfindet und somit Tintentröpfchen stabil gebildet werden können.
Der Aufzeichnungskopf weist jedoch nach wie vor den Nachteil auf, dass, da Tintentröpfchen in eine Richtung senkrecht zu der Verschiebungsrichtung der Membran ausgestoßen werden, der Aufzeichnungskopf unvermeidlich große Abmessungen in der Richtung zu der Oberfläche des Aufzeichnungsblatts aufweist, und somit der Schlitten, der den Aufzeichnungskopf trägt und transportiert, und seine zugehörigen Bauelemente ebenso unvermeidlich große Abmessungen in dieser Richtung aufweisen.
Zur Behebung der zuvor beschriebenen Schwierigkeit wurde ein Tintenstrahlaufzeichnungskopf vorgeschlagen, zum Beispiel in der japanischen ungeprüften Patentveröffentlichung Nr. Sho. 62-111758, bei welcher Druckerzeugungsmittel einschließlich Membranen und Tintenströmungspfad-Bildungsmittel in einer geschichteten Konstruktion ausgebildet sind, und Düsenöffnungen vorgesehen sind, die sich parallel zu der Verschiebungsrichtung der Membran erstreckt, um dadurch die Dicke des Aufzeichnungskopfs zu verringern. Das heißt, der Aufzeichnungskopf weist eine schichtenförmige Struktur auf.
Die schichtenförmige Struktur ist insofern vorteilhaft, als der Aufzeichnungskopf miniaturisiert werden kann und unter Verwendung eines einfachen Verfahrens zum Verbinden der durch Pressen oder Ätzen gebildeten Plattenelemente hergestellt werden kann.
Bei dem Herstellungsverfahren zur Erzeugung des Aufzeichnungskopfs wird ein Haftmittel zur Verbindung der Plattenelemente verwendet. Während der Herstellung kann jedoch manchmal das Haftmittel in kleine Löcher fließen, welche in den Plattenelementen Tintenströmungspfade bilden, wodurch deren Tintenströmungswiderstand verändert wird und die Zuverlässigkeit des Betriebs des Aufzeichnungskopfs herabgesetzt wird. Da die piezoelektrischen Transducer an der Membran mit einem Haftmittel oder durch Ätzen oder Laserschweißen befestigt werden müssen, erfordert ferner die Herstellung des Aufzeichnungskopfs viel Zeit und Arbeitskraft.
Zur Behebung der zuvor beschriebenen Schwierigkeiten wurde ein Tintenstrahlaufzeichnungskopf vorgeschlagen, zum Beispiel in der japanischen ungeprüften Patentveröffentlichung Nr. Sho. 63-149159, dessen Herstellung die schichtenförmige Anordnung von abwechselnd keramischen Platten in einem halbfesten Zustand, die den Anforderungen entsprechend zur Bildung von Strömungspfadelementen geformt sind, und piezoelektrischen Transducer und das anschließende Brennen der Struktur umfasst. Das heißt, der Aufzeichnungskopf wird ohne separaten Schritt zum Anbringen der piezoelektrischen Transducer hergestellt. Das Verfahren ist jedoch nach wie vor nachteilig, da keine Verringerung in der Dicke des Aufzeichnungskopfs erzielt wird, da die Düsenöffnungen sich in eine Richtung senkrecht zu der Verschiebungsrichtung der Membran, ähnlich wie bei dem zuvor beschriebenen Aufzeichnungskopf, erstrecken.
Druckschrift US-A-4,680,595 offenbart einen Aufzeichnungskopf vom Tintenstrahltyp mit Schichtstruktur, umfassend: eine Druckerzeugungseinheit, umfassend:

– eine Vibrationsplatte aus Keramik-Material,
– ein Kammerelement aus Keramik-Material mit einer Vielzahl darin gebildeter, Druckkammern bildender Durchgangslöcher, wobei die Düsenöffnungen in Verbindung mit den Druckkammern stehen,
– eine Vielzahl piezoelektrischer Transducer, welche auf einer Oberfläche der Vibrationsplatte angeordnet sind, so dass sie oberhalb der entsprechenden Druckkammern angeordnet sind, und eine Strömungspfadeinheit, umfassend:
– eine Düsenplatte mit Düsenöffnungen;
– ein Kanalelement mit einer darin gebildeten Vielzahl von Durchgangslöchern, welche die Düsenöffnungen mit den Druckkammern verbinden, und einem Reservoir, welches die Druckkammern mit einem Tintentank verbindet, wobei die Strömungspfadeinheit und die Druckerzeugungseinheit in abdichtender Weise an äußeren Flächen des Kammerelements und des Kanalelements mittels eines Verbindungselements verbunden sind, wobei das Verbindungselement Durchgangslöcher aufweist, welche die Druckkammern mit der Vielzahl von Durchgangslöchern des Kanalelements verbinden, und Durchgangslöcher aufweist, welche die Druckkammern mit dem Reservoir verbinden.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Tintenstrahlaufzeichnungskopf bereitzustellen, welcher die zuvor erwähnten Nachteile vermeidet. Diese Aufgabe wird durch den Tintenstrahlaufzeichnungskopf mit Schichtstruktur gemäß dem unabhängigen Patentanspruch gelöst.
Weitere vorteilhafte Merkmale, Aspekte und Einzelheiten der Erfindung gehen aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen hervor.
Ein Tintenstrahlaufzeichnungskopf, bei welchem piezoelektrische Transducer, die in Teilen von Druckkammern vorgesehen sind, die mit Düsenöffnungen in Verbindung stehen, die Druckkammern zur Bildung von Tintentröpfchen zusammenpressen. Der Tintenstrahlaufzeichnungskopf ist insbesondere durch eine Düsenplatte, Druckkammerbildungsmittel und eine Vibrationsplatte, die übereinander angeordnet sind, gebildet.
Bei diesem Tintenstrahlaufzeichnungskopf ist die Genauigkeit des Zusammenbaus in der Herstellung verbessert, ist die Anzahl der zur Verbindung der entsprechenden Elemente erforderlichen Schritte auf ein Minimum herabgesetzt und sind die Düsenöffnungen parallel zur Verschiebungsrichtung der Membranen vorgesehen, um die Dicke des Aufzeichnungskopfs zu verringern.
Ein mehrschichtiger Tintenstrahlaufzeichnungskopf wird folgendermaßen hergestellt: Ein erstes Plattenelement aus Keramik, das ein Vibrationselement mit piezoelektrischen Transducern auf seiner Oberfläche bildet, ein erstes Abstandshalterelement aus Keramik mit einer Mehrzahl von darin ausgebildeten Durchgangslöchern, die Druckkammern bilden, und ein Deckelelement, das Durchgangslöcher aufweist, durch welche die Druckkammern in Verbindung mit einem Reservoir stehen, werden miteinander zur Bildung einer Druckerzeugungseinheit derart verbunden, dass das erste Plattenelement auf einer Oberfläche des ersten Abstandhalterelements angeordnet ist und das Deckelelement auf abdichtende Weise auf der anderen Oberfläche des ersten Abstandhalterelements angeordnet ist. Ein Tintenzufuhrelement, das aus einer Metallplatte hergestellt ist, und durch einen Strömungspfad mit einem Tintenbehälter verbunden ist und Durchgangslöcher aufweist, durch welche die Druckkammern mit Düsenöffnungen in Verbindung stehen und das Reservoir mit den Druckkammern in Verbindung steht, ein zweites Abstandhalterelement mit Durchgangslöchern, durch welche die Druckkammern mit dem Reservoir und den Düsenöffnungen in Verbindung stehen, und ein Düsenplattenelement, in welchem die Düsenöffnungen ausgebildet sind, werden derart zur Bildung einer Strömungspfadeinheit miteinander verbunden, dass das Tintenzufuhrelement an einer Oberfläche des zweiten Abstandhalterelements angeordnet ist und das Düsenplattenelement fest an der anderen Oberfläche des zweiten Abstandhalterelements angeordnet ist. Die äußere Oberfläche des Deckelelements in der Druckerzeugungseinheit ist mit der äußeren Oberfläche des Tintenzufuhrelements in der Strömungspfadeinheit mit einem makromolekularen Haftmittel verbunden.
In der Druckerzeugungseinheit, welche aus Keramik hergestellt ist, sind kleine Durchgangslöcher in dem Abstandhalterelement ausgebildet, wodurch der Herstellungsschritt zum Verbinden des Vibrationselements, des Abstandhalterelements und des Deckelelements vereinfacht wird und ein Austreten von Tinte aus der Einheit, auf welche hoher Druck ausgeübt wird, wirksam verhindert wird. Die Strömungspfadeinheit, die aus Metall hergestellt ist, weist ein verhältnismäßig großes Durchgangsloch zur Bildung des Reservoirs in dem Abstandhalterelement auf, und ihre Abmessungsgenauigkeit ist daher hoch. Die Druckerzeugungseinheit und die Strömungspfadeinheit sind mittels einer makromolekularen Haft mittelschicht miteinander verbunden, so dass der Unterschied in der Wärmeausdehnung zwischen den beiden Einheiten, welche wie zuvor beschrieben aus verschiedenen Materialien bestehen, aufgenommen werden kann.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung hervor, wobei:
1 eine Schnittansicht ist, die einen Aufzeichnungskopf vom Tintenstrahltyp mit Schichtstruktur zeigt, der gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung aufgebaut ist;
2 eine in Einzelteile aufgelöste Ansicht des in 1 dargestellten Aufzeichnungskopfs ist;
3 ein erklärendes Diagramm ist, das die Positionsverhältnisse zwischen den Druckkammern in dem Aufzeichnungskopf zeigt;
4 ein erklärendes Diagramm ist, das die Position eines piezoelektrischen Transducers in dem Aufzeichnungskopf zeigt;
5 eine perspektivische Ansicht ist, welche die Positionsverhältnisse zwischen piezoelektrischen Transducer und Elektroden in dem Aufzeichnungskopf zeigt;
6 eine Schnittansicht entlang der Linie A-A in 5 ist, welche die Struktur des piezoelektrischen Transducers zeigt, der auf einer Membran in dem Aufzeichnungskopf befestigt ist;
7 eine perspektivische Ansicht ist, die den Aufzeichnungskopf darstellt;
8 eine perspektivische Ansicht ist, welche die hintere Struktur des Aufzeichnungskopfs darstellt;
9(a) und 9(b) einen Längsschnitt bzw. einen Querschnitt entlang der Linie B-B in 9(a) darstellen, die den Aufzeichnungskopf beim Ausstoßen eines Tintentröpfchens zeigen;
10(I) bis 10(V) Schnittansichten zur Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines mehrschichtigen Aufzeichnungskopfs vom Tintenstrahltyp gemäß der Erfindung sind;
11 eine in Einzelteile aufgelöste Ansicht zur Darstellung eines Schritts zum Verbinden von Platten zur Bildung einer Strömungspfadeinheit ist; und
12(a) und 12(b) Diagramme sind, die eine Haftmittelschicht zeigen, durch welche die Strömungspfadeinheit mit einer Druckerzeugungseinheit verbunden ist.
Es werden nun bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
1 und 2 stellen eine Querschnittansicht bzw. eine in Einzelteile aufgelöste, perspektivische Ansicht dar, die ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines mehrschichtigen Tintenstrahlaufzeichnungskopfs zeigen, der gemäß der Erfindung aufgebaut ist. In diesen Figuren bezeichnet das Bezugszeichen 1 ein Abstandhalterelement, das aus einer keramischen Platte aus Zirconiumdioxid (ZrO₂) oder dergleichen mit einer Dicke von 150 μm hergestellt ist. Das Abstandhalterelement 1 weist eine Anzahl von länglichen Löchern auf, die in vorgegebenen Abständen darin ausgebildet sind, wodurch Druckkammern 2 gebildet werden. Jedes der länglichen Löcher 2 weist einen Endabschnitt auf, der über einem Reservoir 21 angeordnet ist, wie in 3 dargestellt, wobei der andere Endabschnitt über einer Düsenöffnung 31 angeordnet ist. Eine Membran 4 ist fest an einer Oberfläche des Abstandhalterelements 1 befestigt. Die Membran 4 besteht aus einem Material, das, wenn es gemeinsam mit dem Abstandhalterelement 1 gebrannt wird, mit den Eigenschaften des letztgenannten verträglich ist und einen hohen Elastizitätsmodul aufweist. In diesem Ausführungsbeispiel besteht die Membran 4 aus einer dünnen Zirconiumdioxidplatte mit einer Dicke von 10 μm, ähnlich dem Abstandhalterelement. Wie in 5 dargestellt, sind auf der Oberfläche der Membran 4 Elektroden 5 zum Anlegen von Ansteuersignalen an die piezoelektrischen Transducer 7 in Übereinstimmung mit den Druckkammern 2 vorgesehen, und es sind Außenanschlusselektroden 6 einer gemeinsamen Elektrode (nachfolgend beschrieben) vorgesehen.
Die piezoelektrischen Transducer 7 bedecken die ansteuersignalgebenden Elektroden 5. Genauer gesagt besteht jeder der Transducer 7 aus einer dünnen Platte aus piezoelektrischem Vibrationsmaterial, wie beispielsweise PZT, dessen Länge im Wesentlichen gleich jener der Druckkammer 2 ist, dessen Breite aber geringer als jene der letztgenannten ist, wie in 4 dargestellt. Das heißt, der Transducer 7 ist so konstruiert, dass er sich derart verbiegt, dass er sich in die Richtung der Breite krümmt, wobei die Längsrichtung eine Achse bildet. Wie in 5 und 6 dargestellt, ist die vorerwähnte gemeinsame Elektrode 8 auf den piezoelektrischen Transducer 7 und den Außenanschlusselektroden 6 zum Beispiel durch Sputtern ausgebildet. Das bedeutet, dass die untere Oberfläche (auf der Seite der Membran 4) jedes piezoelektrischen Transducers 7 mit der ansteuersignalgebenden Elektrode 5 verbunden ist und die obere Oberfläche mit der gemeinsamen Elektrode 8 verbunden ist.
Ferner bezeichnet in 1 und 2 das Bezugszeichen 10 ein Deckelelement, welches gemeinsam mit der Membran 4 die Druckkammern 2 bildet. Das Deckelelement 10 besteht aus einem Material, das, wenn es gemeinsam mit dem Abstandhalterelement 1 gebrannt wird, mit den Eigenschaften des letztgenannten verträglich ist. In diesem Ausführungsbeispiel besteht es aus einer dünnen Zirconiumdioxidplatte mit einer Dicke von 150 μm. Das Deckelelement 10 weist Durchgangslöcher 11 auf, durch welche die Düsenöffnungen 31 mit den Druckkammern 2 in Verbindung stehen, und Durchgangslöcher 12, durch welche das Reservoir 21 mit den Druckkammern 2 in Verbindung steht.
Die zuvor beschriebenen Elemente 1, 4 und 10 sind fest miteinander verbunden und bilden so eine Druckerzeugungseinheit 15.
Das Bezugszeichen 20 bezeichnet ein Abstandhalterelement, das eine Strömungspfadeinheit 35 bildet. Das Abstandhalterelement 20 ist aus einer korrosionsbeständigen Platte, wie beispielsweise einer Platte aus rostfreiem Stahl, mit einer Dicke von 150 μm hergestellt, welche zur Bildung von Tintenströmungspfaden geeignet ist. Das Abstandhalterelement 20 weist ein im Wesentlichen V-förmiges Durchgangsloch auf, welches das obengenannte Reservoir 21 bildet, sowie Durchgangslöcher 22, durch welche die Druckkammern 2 mit den Düsenöffnungen 31 in Verbindung stehen. Das Durchgangsloch, welches das Reservoir 21 bildet, erstreckt sich radial zu einem Tintenzufuhreinlasselement 24 und dann parallel zu den Enden der Druckkammern 2. Genauer gesagt enthält in dem Ausführungsbeispiel mit den Düsenöffnungen in zwei Reihen das Durchgangsloch, das das Reservoir 21 bildet, einen V-förmigen Abschnitt, der sich von dem Tintenzufuhreinlasselement 24 radial nach außen erstreckt, und zwei parallele Abschnitte, die von den beiden äußeren Enden des V-förmigen Abschnitts entlang der Enden der Druckkammern 2 verlaufen.
Das Bezugszeichen 26 bezeichnet ein Tintenzufuhrelement, das auf der Oberfläche des oben beschriebenen Abstandhalterelements 20 befestigt ist. Das Tintenzufuhrelement 26 weist Durchgangslöcher 27 auf, durch welche die Druckkammern 2 mit den Düsenöffnungen 31 in Verbindung stehen, und Durchgangslöcher 28, durch welche das Reservoir 21 mit den Druckkammern 2 in Verbindung steht. Das Tintenzufuhrelement 26 weist auf seiner Oberfläche ferner das Tintenzufuhreinlasselement 24 auf, das mit einem Tintenbehälter (nicht dargestellt) verbunden ist.
Das Bezugszeichen 30 bezeichnet eine Düsenplatte, die an der anderen Oberfläche des Abstandhalterelements 20 befestigt ist. Die Düsenplatte 30 ist aus einer Platte aus rostfreiem Stahl mit einer Dicke von 60 μm hergestellt, die zur Bildung von Düsenöffnungen mit 40 μm Durchmesser geeignet ist. Die Düsenöffnungen 31 in der Düsenplatte 30 sind in Übereinstimmung mit den Druckkammern 2 ausgebildet.
Die Elemente 20, 26 und 30 werden übereinandergestapelt und als Einheit unter Verwendung eines Haftmittels oder durch Schweißen unter Nutzung der Diffusion zwischen Metallen aneinander befestigt, wodurch die zuvor genannte Strömungspfadeinheit 35 gebildet wird. Bei diesem Vorgang wird das Stapeln der Elemente unter hohem Druck ausgeführt; sie können jedoch genau ohne Intrusion oder Deformation übereinandergestapelt werden, obwohl sich das große Durchgangsloch zur Bildung des Reservoirs 21 innerhalb des Stapels befindet, da die Elemente, wie zuvor beschrieben, aus Metall hergestellt sind.
Die Druckerzeugungseinheit 15 und die Strömungspfadeinheit 35 werden an ihren gegenüberliegenden Oberflächen, das heißt, den Kontaktflächen des Deckelelements 10 und des Tintenzufuhrelements 26 mittels eines Haftmittels verbunden, wodurch ein Aufzeichnungskopf gebildet wird.
Somit stehen die Druckkammern 2 durch die Durchgangslöcher 12 des Deckelelements 10 und die Durchgangslöcher 28 des Tintenzufuhrelements 26 mit dem Reservoir 21 in Verbindung, und sie stehen ferner durch die Durchgangslöcher 11 des Deckelelements 10, die Durchgangslöcher 27 des Tintenzufuhrelements 26 und die Durchgangslöcher 22 des Abstandhalterelements 20 mit den Düsenöffnungen 31 in Verbindung.
7 und 8 zeigen die vorderen und hinteren Strukturen des mehrschichtigen Tintenstrahlaufzeichnungskopfs mit einer Druckerzeugungseinheit gemäß der Erfindung. Bei der vorderen Struktur sind die Düsenöffnungen in zwei Reihen in vorgegebenen Abständen angeordnet. Bei der hinteren Struktur ist die Druckerzeugungseinheit 15 fest an der Strömungspfadeinheit 35 befestigt, und es sind Kabel 37 zur Abgabe elektrischer Signale an die piezoelektrischen Transducer 7 vorgesehen.
Wenn ein Ansteuersignal an einen der piezoelektrischen Transducer 7 abgegeben wird, wird der entsprechende Transducer 7 in Breitenrichtung mit der Längsrichtung als Achse verbogen, wodurch sich die Membran 4 zu der Druckkammer hin, wie in 9 dargestellt, verformt. Infolgedessen wird das Volumen der entsprechenden Druckkammer 2 verringert; das heißt, es wird Druck auf die Tinte in der Druckkammer ausgeübt. Somit wird die Tinte in der Druckkammer 2 durch das entsprechende Durchgangsloch 11 des Deckelelements 10, das Durchgangsloch 27 des Tintenzufuhrelements 26 und das Durchgangsloch 22 des Abstandhalterelements 20 in der Strömungspfadeinheit 35 in die Düsenöffnung 31 gepresst, aus der es in Form eines Tintentröpfchens ausgestoßen wird.
Die Tintenströmungspfade, die von den Druckkammern 2 zu den Düsenöffnungen 31 verlaufen, sind durch die Durchgangslöcher 11, 27 und 22 definiert, welche in dem Deckelelement 10, dem Tintenzufuhrelement 26 bzw. dem Abstandhalterelement 20 ausgebildet sind. Der Durchmesser der Durchgangslöcher 11, 27 und 22 nimmt in der genannten Reihenfolge ab, was im Wesentlichen verhindert, dass Luft durch den Tintenströmungspfad in die Druckkammer eintritt, selbst wenn der Meniskus der Tinte in der Düse zerstört und zu der Druckkammer hin gezogen wird. Die Tinte in der Druckkammer 2 kann durch die Durchgangslöcher 12 und 28 in das Reservoir 21 strömen; da das Durchgangsloch 28 jedoch eine geringen Durchmesser aufweist, bewirkt dieser Tintenstrom keine starke Druckverringerung; das heißt, er beeinflusst das Ausstoßen des Tintentröpfchens nicht nachteilig.
Wenn das Anlegen des Ansteuersignals unterbrochen wird, das heißt, wenn der piezolelektrische Transducer 7 wieder in seinen nicht angeregten Zustand gebracht wird, wird das Volumen der Druckkammer 2 erhöht, so dass in der Druckkammer 2 ein Unterdruck entsteht. Infolgedessen wird dieselbe Tintenmenge, die zuvor verbraucht wurde, von dem Reservoir 21 durch die Durchgangslöcher 28 und 12 in die Druckkammer 2 geleitet. Der Unterdruck in der Druckkammer 2 wirkt auf die Düsenöffnung 31; der Meniskus in den Düsenöffnungen verhindert jedoch, dass Tinte zu den Druckkammern zurückströmt. Daher bewirkt der Unterdruck ein Ansaugen von Tinte aus dem Reservoir 21.
Die Strömungspfadeinheit 35 ist mit der Druckerzeugungseinheit 15 durch eine dicke Schicht aus makromolekularem Haftmittel mit einer Dicke von etwa 30 μm verbunden. Selbst wenn sich daher die Raumtemperatur ändert, werden die beiden Einheiten 35 und 15 auf Grund eines Unterschieds in der Wärmeausdehnung veranlasst, sich relativ zueinander zu verschieben, wobei die Verschiebung durch die Schicht aus makromolekularem Haftmittel ausgeglichen wird, so dass ein Verkrümmen der Düsenplatte verhindert wird; das heißt, die Schicht aus makromolekularem Haftmittel verhindert die Entstehung von Drucken minderer Qualität.
Es wird nun ein Verfahren zur Herstellung des zuvor beschriebenen Aufzeichnungskopfs unter Bezugnahme auf 10 beschrieben.
Ein keramisches Material mit einer Dicke, die zur Bildung der Druckkammern 2 durch Brennen geeignet ist, wird hergestellt. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird eine dünne Platte aus Zirconiumdioxid mit einer tonartigen Konsistenz, das heißt, eine „Grünschicht" zur Bildung einer ersten Schicht 40 verwendet. Zur Bildung von Durchgangslöchern 41 in der Grünschicht an den Positionen, wo die Druckkammern 2 ausgebildet werden sollen, wird eine Presse verwendet. Auf ähnliche Weise, wie bei der ersten Schicht, wird eine zweite Schicht 42 auf der Presse bearbeitet. Das heißt, Durchgangslöcher 43 und 44, durch welche das Reservoir 21 mit den Düsenöffnungen 31 in Verbindung steht, werden in einer Grünschicht aus Zirconiumdioxid mit einer Dicke gebildet, die zur Bildung des Deckelelements 10 geeignet ist.
Die erste Schicht 40 wird auf die zweite Schicht 42 gelegt, und eine dritte Schicht 45 wird auf der ersten Schicht 40 angeordnet, die aus einer Grünschicht aus Zirconiumdioxid mit einer Dicke besteht, die zur Bildung der Membran 4 geeignet ist. Die drei Schichten 40, 42 und 45 werden unter gleichmäßigem Druck miteinander verbunden und dann getrocknet. In diesem Trocknungsschritt werden die drei Schichten 40, 42 und 45 vorübergehend aneinander gebunden und halb verfestigt. Die Anordnung dieser drei Schichten wird bei einer vorgegebenen Temperatur gebrannt, zum Beispiel bei 1000°C, während die Anordnung in einem solchen Maße unter Druck gesetzt wird, dass ein Verbiegen der Anordnung verhindert wird. Infolgedessen werden die Schichten in keramische Platten transformiert, wobei ihre Grenzflächen durch Brennen vereint werden. Das heißt, sie werden zu einer integralen Einheit ausgebildet.
Wie zuvor beschrieben, werden die Durchgangslöcher 41, welche die Druckkammern bilden, in der ersten Schicht 40 ausgebildet. Die Durchgangslöcher 41 weisen eine extrem geringe Breite auf. Wenn daher die drei Schichten vorübergehend aneinander gebunden werden, werden die zweite und dritte Schicht 42 und 45 (welche das Deckelelement bzw. die Membran bilden) nicht verformt, und der Druck wird in geeigneter Weise an den Durchgangslöchern 41 konzentriert, was dazu beiträgt, die zweite und dritte Schicht 42 und 45 mit der ersten Schicht 40 durch Brennen zu vereinen. Somit kann das Volumen jeder Druckkammer nach Bedarf eingestellt werden.
Die derart gebrannten ersten, zweiten und dritten Schichten 40, 42 und 45 dienen als ein Abstandhalterelement 50, ein Deckelelement 51 bzw. eine Membran 52. In diesem Zustand werden elektrisch leitende Pastenschichten auf der Oberfläche der Membran 52 an den Positionen der Druckkammern 53 und der Außenanschlüsse der gemeinsamen Elektrode durch ein Dickschichtdruckverfahren gebildet. Es werden verhältnismäßig dicke Schichten von piezoelektrischen Materialien mit tonartiger Konsistenz mit einer Maske durch Drucken gebildet, so dass Durchgangslöcher in Übereinstimmung mit den Druckkammern 53 entstehen. Wenn die dicken Schichten in dem Maße getrocknet sind, dass sie zum Brennen der Transducer-bildenden Materialien geeignet sind, wird die gesamte Anordnung bei einer Temperatur erwärmt, die zum Brennen der piezoelektrischen Transducer und der Elektroden geeignet ist, zum Beispiel in einem Bereich von 1000°C bis 1200°C. Somit sind die piezoelektrischen Transducer 54 für die entsprechenden Druckkammern 53 gebildet (siehe 10(II)).
Danach wird eine Schicht aus elektrisch leitendem Material über den Außenanschlüssen der gemeinsamen Elektrode und den piezoelektrischen Transducer 54 mittels eines Dünnschichtbildungsverfahrens, wie beispielsweise ein Sputterverfahren, gebildet. Auf diese Weise wird die Druckerzeugungseinheit gebildet, welche den Eindruck erweckt, als bestünde sie aus einer einzigen Komponente, obwohl sie die Membran, das Abstandhalterelement und das Deckelelement enthält.
Andererseits werden ein Tintenzufuhrelement 60, ein Reservoirbildungselement 66 und ein Düsenplattenelement 69 unter Verwendung von Metallplatten mit entsprechenden, vorgegebenen Dicken hergestellt. Das heißt, das Tintenzufuhrelement 60 wird durch Ausbildung von Durchgangslöchern 61 und 62 in der Metallplatte auf der Presse gebildet, welche den Durchgangslöchern 27 und den Strömungspfadregulierungslöchern 28 entsprechen. Das Reservoirbildungselement 66 wird durch Schneiden von Durchgangslöchern 64 und 65 in der Metallplatte auf der Presse gebildet, welche dem Reservoir 21 und den Durchgangslöchern 22 entsprechen. Das Düsenplattenelement 69 wird ebenso durch Bildung von Durchgangslöchern 68 in der Metallplatte auf der Presse gebildet, welche den Düsenöffnungen 31 entsprechen. Wie in 11 dargestellt, wird ein Verbindungsfilm 75 mit Durchgangslöchern 70 und einem Durchgangsloch 71 zwischen die Elemente 60 und 66 eingesetzt, während ein Verbindungsfilm 76 mit Durchgangslöchern 72 und einem Durchgangsloch 73 zwischen die Elemente 66 und 69 eingesetzt wird. In diesem Zusammenhang ist festzuhalten, dass die Durchgangslöcher 70, 71, 72 und 73 in den Verbindungsfilmen 75 und 76 derart gebildet werden, dass die verbleibenden Abschnitte der Schichten 75 und 76, das heißt, deren Klebebereiche, die Durchgangslö cher 61, 62, 64, 65 und 68 der Elemente 60, 66 und 69 nicht bedecken. Die Elemente 60, 64 und 69 und die Schichten 75 und 76, welche in der zuvor beschriebenen Weise übereinandergestapelt wurden, werden unter Druck zur Bildung der Strömungspfadeinheit warmgehärtet.
Die Druckerzeugungseinheit und die Strömungspfadeinheit werden wie folgt verbunden: Wie in 12(a) dargestellt, wird eine Haftmittelschicht 80 auf der Oberfläche einer der Einheiten gebildet, zum Beispiel der Oberfläche des Tintenzufuhrelements 60, indem diese mit Haftmittel beschichtet oder ein thermischer Schweißfilm verwendet wird (siehe 10(IV)), und das Deckelelement 51 der Druckerzeugereinheit wird derart auf der so gebildeten Haftmittelschicht 80 angeordnet, dass die Durchgangslöcher 56 und 57 sich koaxial zu den Durchgangslöchern 62 und 61 erstrecken (10(V)). Infolgedessen wird eine Haftmittelschicht 81 zwischen der Strömungspfadeinheit und der Druckerzeugungseinheit gebildet, welche als Polsterelement zur Aufnahme des Unterschieds in der Wärmeausdehnung zwischen den beiden Elementen dient. Die Haftmittelschicht 80 verteilt sich nach außen, wenn sie zwischen den beiden Einheiten zusammengepresst wird. Wie in 12 dargestellt, sind Bereiche 82 um die Durchgangslöcher vorgesehen, wo kein Haftmittel vorhanden ist, wodurch verhindert wird, dass Haftmittel in die Durchgangslöcher des Deckelelements 51 und des Tintenzufuhrelements 60 gelangt.
In dem Aufzeichnungskopf der Erfindung ist die Druckerzeugungseinheit aus Keramik hergestellt, welche eine geringere Dichte als Metall aufweist, wodurch Vibrationen, die sich zwischen benachbarten piezoelektrischen Transducer fortpflanzen, deutlich abgeschwächt werden; das heißt, eine Kreuzkopplung wird verhindert. Ferner werden die Elemente, die den Vibrationsabschnitt des Aufzeichnungskopfs der Erfindung bilden, als integrale Einheit ohne Intrusion irgendeines Fremdelements verbunden. Dieses Merkmal behebt wirksam die Schwierigkeit eines Tintenaustritts auf Grund einer unzureichenden Haftung.
Ferner werden bei dem Aufzeichnungskopf der Erfindung die Basis der Druckerzeugungseinheit und die Keramiken, welche die Vibrationserzeugungseinheit bilden, bei dafür geeigneten Temperaturen gebrannt. Somit ist der Betrieb des Aufzeichnungskopfs äußerst zuverlässig.
Wie oben beschrieben umfasst der mehrschichtige Tintenstrahlaufzeichnungskopf der Erfindung eine Druckerzeugungseinheit und eine Strömungspfadeinheit. Die Druckerzeugungseinheit enthält das erste Plattenelement aus Keramik, welches das Vibrationselement mit den piezoelektrischen Transducer auf seiner Oberfläche bildet, das erste Abstandhalterelement aus Keramik mit den Durchgangslöchern, welche die Druckkammern bilden, und das Deckelelement mit den Durchgangslöchern, durch welche die Druckkammern mit dem Reservoir in Verbindung stehen, wobei die Elemente derart verbunden sind, dass das erste Plattenelement auf einer Oberfläche des ersten Abstandhalterelements angeordnet ist und das Deckelelement auf abdichtende Weise auf der anderen Oberfläche des Abstandhalterelements angeordnet ist. Die Strömungspfadeinheit umfasst das Tintenzufuhrelement, das aus einer Metallplatte hergestellt ist, durch den Strömungspfad mit dem Tintenbehälter verbunden ist und Durchgangslöcher aufweist, durch welche die Druckkammern mit den Düsenöffnungen in Verbindung stehen und das Reservoir mit den Druckkammern in Verbindung steht, das zweite Abstandhalterelement mit dem Reservoir und den Durchgangslöchern, durch welche die Druckkammern mit den Düsenöffnungen in Verbindung stehen, und das Düsenplattenelement mit den Düsenöffnungen, wobei diese Elemente derart verbunden sind, dass das Tintenzufuhrelement auf einer Oberfläche des zweiten Abstandhalterelements angeordnet ist und das Düsen plattenelement fest auf der anderen Oberfläche befestigt ist. Die äußere Oberfläche des Deckelelements ist mit der äußeren Oberfläche des Tintenzufuhrelements mit einem makromolekularen Haftmittel verbunden. Das heißt, die Druckerzeugungseinheit zur Erzeugung von Druck zum Ausstoßen von Tintentröpfchen wird durch Brennen der keramischen Elemente gebildet. Daher weist die Druckerzeugungseinheit den Vorteil auf, dass sie eine sehr gute Flüssigkeitsdichtheit besitzt und die signalgebenden Elektroden direkt darauf installiert werden können. Andererseits ist die Strömungspfadeinheit mit einer verhältnismäßig großen Aussparung zur Bildung des Reservoirs aus Metall hergestellt und weist daher eine hohe Festigkeit auf. Zusätzlich sind die keramische Druckerzeugungseinheit und die metallische Strömungspfadeinheit mit einem makromolekularen Haftmittel mit verhältnismäßig hoher Elastizität miteinander verbunden. Somit wird ein Verbiegen dieser Einheiten auf Grund des Unterschieds in der Wärmeausdehnung wirksam verhindert. Infolgedessen kann der Tintenstrahlaufzeichnungskopf der Erfindung mit einer verhältnismäßig geringen Dicke hergestellt werden und ist besonders zuverlässig.

Claims

Tintenstrahlaufzeichnungskopf mit Schichtstruktur, umfassend: eine Druckerzeugungseinheit, umfassend: – eine Vibrationsplatte (4) aus Keramik-Material; – ein Kammerelement (1) aus Keramik-Material mit einer Vielzahl darin gebildeter, Druckkammern (2) bildender Durchgangslöcher, wobei die Düsenöffnungen (31) in Verbindung mit den Druckkammern (2) stehen; – eine Vielzahl erster Elektroden (5), welche so auf einer Oberfläche der Vibrationsplatte (4) angeordnet sind, dass sie gegenüber entsprechenden Druckkammern (2) angeordnet sind, wobei die ersten Elektroden (5) mit einer externen Vorrichtung (37) verbunden sind; – eine Vielzahl piezoelektrischer Transducer (7), welche auf entsprechenden ersten Elektroden (5) angeordnet sind; – eine auf den piezoelektrischen Transducern (7) angeordnete zweite Elektrode (8) zum elektrischen Verbinden derselben miteinander; – eine auf der Oberfläche der Vibrationsplatte (4) angeordnete dritte Elektrode (6), wobei die zweite Elektrode (8) auf der dritten Elektrode (6) angeordnet ist, um damit einen elektrischen Kontakt zu bilden, wobei die zweite Elektrode (8) mit der externen Vorrichtung (37) durch die dritte Elektrode (6) elektrisch verbunden ist; und eine Strömungspfadeinheit, umfassend: – eine Düsenplatte (30) mit Düsenöffnungen (31); – ein Kanalelement (20) mit einer Vielzahl von darin gebildeten Durchgangslöchern (22), welche die Düsenöffnungen (31) mit den Druckkammern (2) verbinden, und ein Reservoir (21), welches die Druckkammern (2) mit einem Tintentank verbindet; wobei die Strömungspfadeinheit und die Druckerzeugungseinheit in abdichtender Weise an äußeren Flächen des Kammerelements und des Kanalelements mittels eines Verbindungselements (10, 26) verbunden sind, wobei das Verbindungselement (10, 26) Durchgangslöcher (11, 27) aufweist, welche die Druckkammern (2) mit der Vielzahl von Durchgangslöchern (22) des Kanalelements (20) verbinden, und Durchgangslöcher (12, 28) aufweist, welche die Druckkammern (2) mit dem Reservoir (21) verbinden.
Tintenstrahlaufzeichnungskopf mit Schichtstruktur gemäß Anspruch 1, wobei die zweite Elektrode (8) die Vibrationsplatte (4) in einem Bereich zwischen benachbarten ersten Elektroden (5) berührt.
Tintenstrahlaufzeichnungskopf mit Schichtstruktur gemäß Anspruch 1, wobei die zweite Elektrode (8) die Vibrationsplatte (4) in einem Bereich zwischen der dritten Elektrode (6) und der ersten Elektrode (5) benachbart zu der dritten Elektrode (6) berührt.