DE69818531T2

DE69818531T2 - Verfahren zur Herstellung eines Körpers mit ultrafeinen Nuten

Info

Publication number: DE69818531T2
Application number: DE69818531T
Authority: DE
Inventors: Toshikazu Kokubu-shi Kishino; Kazunori Kokubu-shi Soroi; Keisuke Kokubu-shi Itoh; c/o Kagoshimakokubu Factory Shin Okubo
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1997-01-31
Filing date: 1998-01-30
Publication date: 2004-08-05
Anticipated expiration: 2018-01-31
Also published as: EP0858894A3; EP0858894A2; DE69818531D1; US6494566B1; EP0858894B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Elements mit einer ultrafeinen Rille bzw. Nut, die bei einem Verschiebungssteuerelement, einem Motor, einem Relais, einem Schalter, einem Verschluss, einem Druckerkopf, einer Pumpe, einem Gebläse, einem Tintenstrahldrucker und anderem verwendet wird.
In jüngster Zeit ist auf dem Gebiet der Optik und der Präzisionsbearbeitung ein Verschiebungssteuerelement erforderlich, das in der Lage ist, die optische Bahnlänge oder Position im Sub-Mikronbereich einzustellen bzw. anzupassen, und um eine solche Anforderung zu erfüllen, sind verschiedene Aktuatoren entworfen worden, die beispielsweise jene umfassen, die piezoelektrisches Material einsetzen, sowie andere, die statische Elektrizität einsetzen.
Vor kurzem ist insbesondere zur Verwendung bei einem Tintenstrahl-Druckerkopf ein kleindimensionierter Aktuator vorgeschlagen worden, bei dem eine Keramik-Rohlingslage ausgebildet ist, Tintenkammern bildende Belüftungsöffnungenmittels einer Gießform und durch Lamination und Backen ausgebildet sind, wobei ein Teil derselben als Membran verwendet wird, und eine piezoelektrische Antriebssektion auf der Oberfläche gebildet wird (siehe offengelegtes Japanisches Patent Nr. 4-12678).
Der Aufbau dieses Tintenstrahl-Druckerkopfs ist so, wie er in 7 dargestellt ist, wobei eine Düsenplatte 23, die eine Düse 6 bildet, eine Tintenkammern 1 oder Tintendurchgänge bildende Trennwand 22 sowie eine Membran 21 aus einer Keramik-Rohlingslage hergestellt sind und laminiert und integriert werden, wodurch ein Kopfsubstrat 2 mit Tintenkammern 1 und Düsen 6 sowie mit diesen in Verbindung stehenden Tintendurchgängen (nicht dargestellt) erhalten wird, wobei eine Elektrode 4a, ein piezoelektrisches Element 3 und eine Elektrode 4b auf der Membran 21 des Kopfsubstrats 2 ausgebildet sind.
Durch Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden 4a und 4b wird das piezoelektrische Element 3 verformt, und seine Verschiebung bzw. Verformung wird über die Membran 21 auf die Tintenkammern 1 übertragen, so dass die Tinte in den Tintenkammern 1 aus den Düsen 6 ausgestoßen werden kann.
Der Tintenstrahl-Druckerkopf muss eine höhere Dichte und eine höhere Präzision aufweisen, da das Produkt sehr klein ist. Beispielsweise muss die Breite der Trennwand 22, die das Kopfsubstrat 2 bildet, in der Größenordnung von mehreren -zig Mikron hergestellt werden.
Demgegenüber wurden beim Herstellungsprozess des Tintenstrahl-Druckerkopfs gemäß 7 bei der Fertigung der Trennwand 22, die das Kopfsubstrat 2 bildet, durch Stanzen einer Keramik-Rohlingslage durch eine Stanzform die Tintenkammern 1 und die Tintendurchgänge ausgebildet, und folglich war es sehr schwierig, diese bei einer so kleinen Größe mit hoher Dichte und hoher Präzision herzustellen. D. h., dass die Lage beim Stanzen der Rohlingslage durch die Stanzform verzogen wurde oder die Position verschoben wurde, wenn die Düsenplatte 23 und die Membran 21 laminiert wurden, und dass es unmöglich war, die Herstellung mit hoher Dichte und hoher Präzision auszuführen.
Es war auch schwierig und kostspielig, die bei dem Stanzvorgang in kleiner Größe und mit hoher Präzision verwendete Stanzform herzustellen.
Heutzutage ist bei dem Fortschritt der Multimedia die Nachfrage nach Personalcomputern ständig steigend, und der Drucker, der eines der Aufzeichnungsmedien eines Personalcomputers ist, muss eine höhere Dichte und eine höhere Definition seiner Funktionsweise aufweisen. Im einzelnen wurde das Tintenstrahlsystem, das eingeführt wurde, um das bestehende Punktsystem zu ersetzen, so verbessert, dass es ruhiger, mit höherer Auflösung und höherer Dichte druckt, und es nimmt nun bei Druckern die erste Stelle ein.
Das Tintenstrahlsystem wird bei verschiedenen Verfahren vorgeschlagen, wie zum Beispiel dem Verfahren des Ausstoßens von Tintentröpfchen von der Düse unter Verwendung eines piezoelektrischen Materials, und des Verfahrens zur Herstellung von Bläschen in der Tinte durch Hitze und des Austragens der Tintentröpfchen. Bei diesen Verfahren wird die Tinte für gewöhnlich dem Druckerkopf zugeführt, wobei die Tinte durch einen Durchgang zugeführt wird, und die Tinte wird aus der Tintenausstoßöffnung ausgestoßen.
Ein solcher Tintenstrahl-Druckerkopf unter Anwendung des thermischen Verfahrens ist in 8 dargestellt, wobei eine flache Platte 111 mehrere Trennwände 112 aufweist, und ein Substrat bzw. ein Träger 120 auf ein Durchgangselement 110 gebondet ist, welches einen Durchgang 113 zwischen Trennwänden 112 bildet, wodurch jeder Durchgang 113 abgedeckt ist. Ein Ende jedes Durchgangs 113 ist eine Ausstoßöffnung 114, und das andere Ende steht mit einer Tintenkammer 116 mit einem Tintenzuführloch 115 in Verbindung. Außerdem sind an einer Position, die jedem Durchgang 113 des Substrats 120 entspricht, ein Heizelement 121 und eine Elektrode 122 zum Versorgen desselben mit Energie angeordnet.
Außerdem werden gemäß 9 bei mit der Tinte 130 gefülltem Durchgang 113, wenn das Heizelement 21 mit Energie versorgt wird, um Wärme zu erzeugen, Blasen 132 in der Tinte 130 erzeugt, und durch die Expansionskraft des Volumens dieser Blasen 132 werden Tintentröpfchen 131 aus der Ausstoßöffnung 113 ausgestoßen.
Übrigens werden bei Tintenstrahldruckern in letzter Zeit eine höhere Definition und eine höhere Dichte verlangt, wobei gefordert wird, dass in den Durchgangselementen 110, die den Tintenstrahl-Druckerkopf 101 bilden, die Breite der Trennwand 112 und des Durchgangs 113 nicht mehr als einige -zig μm (Mikron) beträgt.
Zur Fertigung des Durchgangselements 110 mit solchen ultrafeinen Durchgängen 113 sind verschiedene Verfahren vorgeschlagen worden, wie zum Beispiel ein Verfahren zum Bilden einer Maske in dem Abschnitt der Trennwand 112 auf der flachen Platte 111 und zum Einarbeiten von Rillen bzw. Nuten als Durchgänge 113 durch Sandstrahlblasen, ein Verfahren zum Ausbilden von Trennwänden 112 durch wiederholten Siebdruck auf der flachen Platte 111 und ein Verfahren zum Aufbringen eines fotoempfindlichen Harzes in dem Abschnitt der Trennwände 112 auf der flachen Platte 111 und zum Ausbilden von Rillen bzw. Nuten als Durchgänge 113 durch Fotolithographie.
Da aber bei dem Sandstrahlverfahren die Durchgänge 113 ausgebildet werden, indem Nuten bzw. Rillen durch Strahlpulver eingegraben werden, ist es notwendig, die Pulverblaskraft und den Winkel konstant zu halten, und es war schwierig, die Innenfläche der Durchgänge 113 mit einer spezifizierten Form und mit hoher Genauigkeit zu bearbeiten. Bei dem Siebdruckverfahren ist es nötig, viele Male zu drucken, und die Trennwände 112 wurden dabei verformt. Bei dem Fotolithographieverfahren wurde ein geringfügiger Unterschied in dem Grad des rechten Winkels und der Tiefe der Trennwände infolge eines Lichtausleuchtwinkels, der Zeit oder einer anderen Bedingung verursacht, und es war schwierig, die Durchgänge 113 mit hoher Genauigkeit zu bilden.
Bei den Durchgangselementen 110, die mittels dieser Herstellungsverfahren erhalten wurden, war aber die Innenfläche der Durchgänge 113 nicht glatt. Somit war es bei jedem Verfahren schwierig, die Durchgänge 113 mit hoher Präzision auszubilden, und es wurde keine glatte Innenfläche erhalten. Infolgedessen wurde der Tintenfluss in den Durchgängen 113 gestört und es kam leicht zu Fluktuationen in dem dritten Austragsvolumen, dem Ausstoßdruck und dem Ansprechverhalten.
Die EP-A-0 600 748 beschreibt ein Verfahren, bei dem ein Element mit mehreren ultrafeinen Nuten bzw. Rillen als Vorläuferteil für einen Tintenstrahl-Druckkopf, das aus piezoelektrischem Keramikstoff geformt wird, durch Spritzgießen in einer Spritzgießmaschine gebildet wird.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein alternatives Verfahren zur Herstellung eines Elements mit mindestens einer ultrafeinen Nut bzw. Rille bereitzustellen, das geeignet ist, in einem Tintenstrahl-Druckkopf oder dergleichen mit hoher Präzision und hoher Dichte verwendet zu werden.
Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt, wie es in Anspruch 1 definiert ist. Bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen definiert. Ferner lehrt die Erfindung im einzelnen den Einsatz eines solchen gemäß diesem Verfahren hergestellten Elements als Vorläuferteil für einen Tintenstrahl-Druckkopf.
Die Erfindung ist daher durch Bonden von Trennwänden, die durch Formen von Pulver aus Keramikstoff, Glas, Silicium oder dergleichen durch eine Form mit einer Ausnehmung auf einer Seite einer flachen Platte aus Keramikstoff, Glas, Silicium oder dergleichen erhalten wird, Integrieren und Zusammensetzen eines Elements mit einer ultrafeinen Nut bzw. Rille gekennzeichnet.
Die Erfindung ist auch gekennzeichnet durch Einbringen eines Pulvergemischs aus Keramikstoffen, Glas, Silicium oder dergleichen und eines Bindemittels, das aus einem Lösemittel und einem organischen Zusatzstoff zusammengesetzt ist, um eine Gießform mit mehreren Ausnehmungen für Trennwände zu füllen, Bonden dieses Gemischs an eine flache Platte aus Keramikstoffen, Glas, Silicium oder dergleichen, Integrieren und Herstellen eines Elements mit einer ultrafeinen Nut bzw. Rille oder einem Durchgang.
Die Erfindung ist ferner gekennzeichnet durch Ausbilden der flachen Platte als Membran mit einem piezoelektrischen Element zum Antrieb dieser Membran und einer Elektrode zum Anlegen einer Spannung an das piezoelektrische Element, und durch Bonden einer Düsenplatte, um die ultrafeine Nut bzw. Rille als Tintenkammer auszubilden, wodurch ein Tintenstrahl-Druckkopf gebildet wird.
D. h., es wird ein Gemisch für ein Trennwandmaterial in eine vorbereitete Gießform mit Ausnehmungen für Trennwände eingebracht, und dieses Gemisch wird auf eine Seite einer flachen Platte gebondet und mit dieser integriert, so dass die Form der Gießform direkt auf die flache Platte übertragen wird. Wenn daher die Gießform mit hoher Dichte und hoher Präzision vorgefertigt wird, können die Trennwände einfach und mit hoher Dichte und hoher Präzision ausgebildet werden.
Das Verfahren des Bondens und Integrierens der Trennwand und der flachen Platte umfasst dabei die Schritte des Hinterfüllens der Gießform, welche die Ausnehmung aufweist, mit einem Gemisch, das dichte Verfestigen auf der flachen Platte und das Trennen und Backen, oder die Schritte des Hinterfüllens der Gießform mit dem Gemisch, des Verfestigens, des Trennens, des In-Kontakt-Bringens mit der flachen Platte und des Backens, oder die Schritte des Hinterfüllens der Gießform mit dem Gemisch, des Verfestigens, des Brennens, des Backens und der Kontaktnahme mit der oder des thermischen Bondens an die flache Platte. Übrigens kann das allgemeine Glas- und Keramikstoff-Verbindungsverfahren angewandt werden.
Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung eines Durchgangselements mit winzigen Durchgängen für Flüssigkeit zur Verwendung in einem Tintenstrahlkopf oder einer kleindimensionierten Pumpe, und auf die Verwendung eines Elements, das mit diesem Verfahren hergestellt ist, in einem Tintenstrahl-Druckkopf, der dieses einsetzt.
Außerdem wird durch ein glattes Ausbilden der Oberfläche der Gießform im voraus die Oberfläche der ausgebildeten Trennwände ebenfalls glatt, und es werden Durchgänge mit glatten Innenflächen erhalten.
Dabei umfasst das Verfahren des Bondens und Integrierens der Trennwände und der flachen Platten die Schritte des Hinterfüllens der Gießform, welche die Ausnehmungen aufweist, mit einem Gemisch, des dichten Verfestigens auf den flachen Platten und des Lostrennens und Backens, oder die Schritte des Hinterfüllens der Gießform mit dem Gemisch, des Verfestigens, des Lostrennens, des In-Kontakt-Bringens mit der flachen Platte und des Backens, oder die Schritte des Hinterfüllens der Gießform mit dem Gemisch, des Verfestigens, des Lostrennens, des Backens und des In-Kontakt-Bringens mit oder des thermischen Bondens an die flache Platte. Übrigens kann das allgemeine Glas- und Keramikstoff-Verbindungsverfahren angewandt werden.
Der Tintenstrahldrucker ist ein Drucker zum Drucken durch Ausstoßen von Tinte aus dem Kopf, und er wird in jüngster Zeit infolge des geringen Lärms und der hohen Druckgeschwindigkeit weitverbreitet eingesetzt.
Die Struktur des Tintenstrahl-Druckkopfs ist so, wie sie in 12 dargestellt ist, wobei ein Kopfsubstrat 202 mehrere Tintenkammern 201 und Ausstoßöffnungen 206 umfasst, und wobei piezoelektrische Elemente 203 an die den Tintenkammern 201 entsprechenden Positionen gebondet sind. Das Kopfsubstrat 202 ist durch gegenseitiges Bonden einer Ausstoßöffnungen 206 bildenden Platte 223, einer Tintenkammer 201 bildenden Platte 222 und einer Membran 221 gebildet, wobei ein piezoelektrisches Element 203 auf diese Membran 221 durch eine untere Elektrode 205 gebondet wird und eine Antriebselektrode 204 darauf ausgebildet wird.
Durch Verformen des piezoelektrischen Elements 203 durch Anlegen einer Spannung zwischen der unteren Elektrode 205 und der Antriebselektrode 204 wird die Membran 221 ausgelenkt und der Druck in den Tintenkammern 201 so erhöht, dass die Tinte aus den Ausstoßöffnungen 206 ausgestoßen werden kann.
Das herkömmliche Kopfsubstrat 202 und andere wurden aus Metallmaterialien gefertigt, kürzlich ist aber vorgeschlagen worden, Keramikstoffe einzusetzen (siehe offengelegtes Japanisches Patent Nr. 6-40030 und offengelegtes Japanisches Patent Nr. 6-218929).
Beispielsweise wird das Kopfsubstrat 202 aus Keramikstoffen gebildet, die hauptsächlich aus Aluminiumoxid, Magnesiumoxid oder Zirkoniumoxid zusammengesetzt sind, und die untere Elektrode 205, das piezoelektrische Element 203 wie zum Beispiel PZT sowie die Antriebselektrode 204 sind auf der Membran 221 ausgebildet, um so den Tintenstrahl-Druckkopf zu bilden, so dass die Zuverlässigkeit über eine lange Einsatzzeit hinweg hoch gehalten werden kann.
Bei der Herstellung eines solchen aus Keramikstoffen gefertigten Tintenstrahl-Druckkopfs werden auf der hauptsächlich mindestens aus Aluminiumoxid, Magnesiumoxid und Zirkoniumoxid gebildeten Rohlingslage Platten 222, 223 durch Stanzen mit einer Stanzform in den den Tintenkammern 201 und Tintendurchgängen entsprechenden Positionen ausgebildet, und sie werden mit einer Rohlingslage als Membran 221 laminiert und durch Thermokompression gebondet, und das Kopfsubstrat bzw. der Kopfträger 202 wird durch Backen bei einer Temperatur von etwa 1400°C, die der Backtemperatur von Keramikstoffen entspricht, gefertigt.
Anschließend wird auf die jeder Tintenkammer 201 entsprechende Membran 221 Metallpaste durch Siebdruck als untere Elektrode 205 aufgebracht, und dann wird beispielsweise ein PZT-Material als piezoelektrisches Element 203 durch eine Ausbildungsmethode eines dicken Films gebildet, der bei etwa 1200°C gebacken wird, und eine Antriebselektrode 204 wird darauf ausgebildet, wodurch ein Tintenstrahl-Druckkopf hergestellt wird, wie in 12 gezeigt ist.
Bei einem solchen aus Keramik gefertigten Tintenstrahl-Druckkopf ist es jedoch nach der Herstellung des Kopfsubstrats 202 durch integrales Backen der Platten 222, 223 der Membran 221 nötig, die untere Elektrode 205, das piezoelektrische Element 203 und die Antriebselektrode 204 individuell auf dem Kopfsubstrat 202 auszubilden und zu backen, und dies erfordert insgesamt drei oder mehr Backvorgangsschritte, wodurch das Herstellungsverfahren kompliziert wird und die Kosten steigen.
Außerdem erfordert eine Einstellung auf die Position der Tintenkammern 201 insgesamt drei Schritte der Positionierung für die untere Elektrode 205, das piezoelektrische Element 203 und die Antriebselektrode 204, 50, eine Positionierung ist schwierig, und wenn diese Positionen von den spezifizierten Positionen abweichen, kann die vorgesehene Leistung nicht erbracht werden.
Da ferner die untere Elektrode 205 zwischen dem piezoelektrischen Element 203 und der Membran 221 angeordnet ist, wird eine Verformung des piezoelektrischen Elements 203 kaum auf die Membran 221 übertragen, was zu einer Minderung der Antriebseffizienz führen kann. Andererseits ist im Fall eines aus Metall gefertigten Tintenstrahl-Druckkopfs nicht nur die Korrosionsbeständigkeit geringer, sondern auch das Ansprechverhalten der Membran auf das piezoelektrische Element unzureichend, da ein Verbindungsmaterial zwischen die Membran und das piezoelektrische Element eingefügt werden muss, um sie zu bonden.
Demzufolge ist es ein Aspekt der Erfindung, einen Tintenstrahl-Druckkopf bereitzustellen, welcher einfach hergestellt werden kann und ausgezeichnete Antriebseigenschaften aufweist.
Ein solcher Tintenstrahl-Druckkopf umfasst mehrere Tintenkammern, mit den Tintenkammer in Verbindung stehende Ausstoßöffnungen und eine Membran zum Aufbringen eines Drucks auf die Tintenkammern, wobei die Membran aus einem anorganischen Spannungs-Widerstandsmaterial gebildet ist, ein piezoelektrisches Element auf die Membran gebondet ist und eine Antriebselektrode auf dem piezoelektrischen Element ausgebildet ist.
Ein Merkmal der Erfindung besteht auch darin, dass das leitende anorganische Material zum Bilden der Membran einen volumenspezifischen Widerstand von 1 × 10^–1 Ω·cm oder weniger aufweist.
Außerdem ist das leitende anorganische Material zum Bilden der Membran aus leitenden Keramikstoffen, aus Keramikstoffen oder Glas mit einem leitenden Mittel oder aus Cermet gebildet.
Bei dem Tintenstrahl-Druckkopf besteht die Membran aus leitendem anorganischem Material, und diese Membran wird auch als untere Elektrode verwendet, so dass die untere Elektrode nicht notwendig ist. D. h., dass durch Anlegen einer Antriebsspannung zwischen der Membran und der Antriebselektrode das piezoelektrische Element verformt werden kann.
Demgemäss kann der Herstellungsprozess der unteren Elektrode wegfallen und das Herstellungsverfahren vereinfacht werden, und außerdem kann die Verformung des piezoelektrischen Elements auf die Membran wirksam übertragen werden.
Darüberhinaus kann durch Bilden der Membran aus anorganischem Material, wie zum Beispiel Keramikstoffen oder Glas, die Korrosionsbeständigkeit verbessert werden und das piezoelektrische Element kann direkt ohne Zurückgreifen auf ein Bindemittel gebondet werden, so dass die Verformung des piezoelektrischen Elements wirksam auf die Membran übertragen werden kann.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es zeigen:
1 eine Schnittansicht zur Darstellung eines Elements mit einer ultrafeinen Rille bzw. Nut gemäß der Erfindung,
2 eine weitere Ausführungsform der Erfindung, wobei (a) eine perspektivische Ansicht ist, und (b) eine Schnittansicht ist,
3 eine Schnittansicht zur Darstellung des Herstellungsverfahrens eines Kopfsubstrats eines Tintenstrahl-Druckkopfs unter Verwendung des gemäß der Erfindung hergestellten Elements mit der ultrafeinen Nut bzw. Rille,
4(a),(b) Schnittansichten zur Darstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung,
5(a),(b) Schnittansichten zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens eines Elements mit einer ultrafeinen Nut bzw. Rille gemäß der Erfindung,
6 eine Schnittansicht zur Darstellung eines Anwendungsbeispiels des Elements mit ultrafeiner Nut bzw. Rille gemäß der Erfindung,
7 eine teilweise weggeschnittene perspektivische Schnittansicht zur Darstellung einer Struktur eines Tintenstrahl-Druckkopfs,
8 eine schematische perspektivische auseinandergezogene Ansicht eines Tintenstrahl-Druckkopfs unter Verwendung eines Durchgangselements, das gemäß der Erfindung hergestellt ist,
9 eine Längsschnittansicht neben der Ausstoßöffnung des Tintenstrahl-Druckkopfs in 8,
10(a),(b) Schnittansichten zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens eines Durchgangselements der Erfindung,
11 eine teilweise weggeschnittene perspektivische Ansicht zur Darstellung eines Tintenstrahl-Druckkopfs mit einem gemäß der Erfindung hergestellten Element, und
12 eine Schnittansicht zur Darstellung eines herkömmlichen Tintenstrahl-Druckkopfs.
AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachstehend werden Ausführungsformen der Erfindung beschrieben.
Ein Element 10 mit einer ultrafeinen Nut bzw. Rille ist in 1 dargestellt, wobei eine Trennwand 12, die aus Glas, Keramikstoffen, Silicium oder anderen Materialien gefertigt ist, an einer Seite einer flachen, aus Glas, Keramikstoffen, Silicium oder anderen Stoffen gefertigten flachen Platte 11 gebondet und mit dieser integriert ist, wobei eine ultrafeine Nut bzw. Rille 15 zwischen Trennwänden 12 ausgebildet ist. In einem Element 10 mit einer ultrafeinen Nut bzw. Rille gemäß 2 sind andererseits mehrere Trennwände 12, die aus Glas, Keramikstoffen, Silicium oder anderen Stoffen gefertigt sind, auf einer Seite einer flachen Platte 11, die aus Glas, Keramikstoffen, Silicium oder anderen Stoffen gefertigt ist, gebondet und integriert, wobei mehrere ultrafeine Nuten bzw. Rillen 15 zwischen den Trennwänden 12 ausgebildet sind. Wie im einzelnen nachstehend beschrieben wird, werden die Trennwände 12 unter Verwendung einer Gießform gebildet und mit der flachen Platte 11 gebondet und integriert und werden damit mit hoher Dichte und hoher Präzision ausgebildet.
Unter Verwendung eines solchen Elements 10 mit einer ultrafeinen Nut bzw. Rille kann ein Kopfsubstrat 2 eines Tintenstrahl-Druckkopfs, wie er in 7 gezeigt ist, hergestellt werden. D. h., dass gemäß 3(a) die flache Platte 11 als Membran 21 ausgebildet wird, die Trennwände 12 als Trennwände 22 ausgebildet werden, und eine separat hergestellte Düsenplatte 23 mit Düsen 6 gebondet wird, und damit werden die ultrafeinen Nuten bzw. Rillen 15 als Tintenkammern 1 ausgebildet und das Kopfsubstrat 2 erhalten.
Oder es wird gemäß 3(b) unter Bildung von Düsen 6 in der flachen Platte 11 eine Düsenplatte 23 gebildet, die Trennwände 12 werden als Trennwände 22 ausgebildet, und eine separat hergestellte Membran 21 wird gebondet, und daher werden ultrafeine Rillen bzw. Nuten 15 als Tintenkammern 1 ausgebildet und das Kopfsubstrat 2 wird erhalten.
Da hierbei die Trennwände 22 (12) mit hoher Dichte und hoher Präzision unter Verwendung dieses Kopfsubstrats 2 ausgebildet werden, kann ein Tintenstrahl-Druckkopf hoher Dichte und hoher Präzision erhalten werden.
Alternativ kann gemäß 3(a), wenn die flache Platte 11 des Elements 10 mit ultrafeiner Rille bzw. Nut als Membran ausgebildet wird, ein piezoelektrisches Element auf der flachen Platte 11 gebildet werden. D. h., dass gemäß 4(a) durch Laminieren der Elektrode 14 und des piezoelektrischen Elements 13 auf die flache Platte 11 entweder in einer einzigen Schicht oder in mehreren Schichten, wenn eine Spannung zwischen den Elektroden 14 angelegt wird, das piezoelektrische Element 13 verformt wird und die flache Platte 11 verschoben wird, so dass sie als Membran wirken kann.
Außerdem können gemäß 4(b) die Elektrode 14 und das piezoelektrische Element 13 auf die Oberseite und Unterseite der flachen Platte 11 entweder in einer einzelnen Schicht oder in mehreren Schichten laminiert werden.
Und obwohl dies in der Zeichnung nicht dargestellt ist, kann eine aus piezoelektrischem Material gebildete Trennwand 12 eine Elektrode an der Oberseite und der Unterseite einer Trennwand 12 oder auf beiden Seiten einer Trennwand 12 umfassen. In diesem Fall wird eine Trennwand 12 durch Anlegen einer Spannung an eine Trennwand 12 über eine Elektrode verschoben, wobei die Trennwand 12 als Membran eingesetzt werden kann.
Wenn die flache Platte 11 mit dem piezoelektrischen Element 13 und der Elektrode 14 versehen ist, oder eine Elektrode 14 mit der aus einem piezoelektrischen Material gebildeten Trennwand 12 versehen ist, wird auf diese Weise das Element 10 mit der ultrafeinen Rille bzw. Nut als Element für einen Aktuator verwendet und ist somit nicht allein auf den Tintenstrahl-Druckkopf beschränkt, sondern kann auch bei einem Verschiebesteuerelement, einem Motor, einem Relais, einem Schalter, einem Verschluss, einem Druckerkopf, einer Pumpe, einem Gebläse etc. eingesetzt werden.
Das Herstellungsverfahren des Elements 10 mit ultrafeiner Rille bzw. Nut gemäß der Erfindung wird nachstehend beschrieben.
Zunächst wird gemäß 5(a) eine Gießform 19 mit einer Ausnehmung 19a, die in der Form den Trennwänden 12 angepasst ist, vorbereitet, und die Ausnehmung 19a der Gießform 19 wird mit einem Gemisch 12' eines Pulvers aus Keramikstoffen, Glas, Silicium oder dergleichen und einem aus Lösemittel und einem organischen Zusatzstoff als Material zur Bildung der Trennwände 12 zusammengesetzten Bindemittel gefüllt.
Andererseits wird eine flache Platte 11, die aus Keramikstoffen, Glas, Silicium oder dergleichen gebildet ist, separat hergestellt, und das Gussteil des Gemischs 12' wird an diese flache Platte 11 gebondet und mit ihr integriert, wodurch die Trennwände 12 gebildet werden, wobei das Herstellungsverfahren im einzelnen wie folgt abläuft.
Die flache Platte 11 wird gepresst und an die Oberfläche des die Gießform 19 füllenden Gemischs 12' geklebt, und das Gemisch 12' wird durch Reaktionsaushärten oder durch Trocknen verfestigt. Anschließend wird gemäß 5(b) durch Lostrennen der Gießform 19 die aus dem Gießvorgang des Gemischs 12' gefertigte Trennwand 12 auf das Substrat 11 übertragen. Schließlich wird von dem gesamten Teil das Bindemittel entfernt, und es wird gleichzeitig gebacken und integriert, so dass das Element 10 mit der ultrafeinen Nut bzw. Rille gemäß 1 und 2 hergestellt wird.
Bei einem anderen Verfahren wird nach dem Verfestigen des die Gießform 19 füllenden Gemischs 12' durch Reaktionsaushärten oder Trocknen dieses aus der Gießform 19 losgelöst, und das Gussstück des Gemischs 12' wird auf die flache Platte 11 aufgebracht. Schließlich wird von dem gesamten Teil das Bindemittel entfernt, und es wird gleichzeitig gebacken und integriert, wodurch das Element 10 mit der ultrafeinen Rille bzw. Nut erhalten wird.
In einem anderen Verfahren wird nach dem Verfestigen des die Gießform 19 füllenden Gemischs 12' durch Reaktionsaushärten oder Trocknen dieses von der Gießform 19 losgelöst und von Bindemittel befreit, und dieses Gussstück wird an der flachen Platte 11 angeklebt.
Schließlich wird das gesamte Teil gleichzeitig gebacken und integriert, wodurch das Element 10 mit der ultrafeinen Nut bzw. Rille erhalten wird.
Alternativ wird nach dem Verfestigen des die Gießform 19 füllenden Gemischs 12' durch Reaktionsaushärten oder Trocknen dieses von der Gießform 19 losgelöst und von Bindemittel befreit und gebacken, und der erhaltene Sinterkörper wird an die flache Platte 11 durch Ankleben, durch thermische Kompression oder gleichzeitiges Backen gebondet, wodurch das Element 10 mit der ultrafeinen Nut bzw. Rille erhalten wird.
D. h., dass das Gussstück des Gemischs 12' in jedem Stadium der beiden Elemente, d. h. im ungebackenen Zustand, in einem vom Bindemittel befreiten Zustand oder im gesinterten Zustand an die flache Platte 11 gebondet werden kann. Gemäß einem solchen Herstellungsverfahren der Erfindung können die Trennwände 12 einfach gebildet werden und somit kann der Herstellungsprozess extrem vereinfacht werden. Da die Trennwände 12 und ihr Zwischenraum aus der Form der Ausnehmung 19a der Gießform 19 übertragen werden, können die spezifizierten Trennwände 12 einfach durch präzises Bearbeiten der Ausnehmung 19a gemäß der spezifizierten Form ausgebildet werden.
Als weiteres Anwendungsbeispiel der Erfindung gemäß 6 wird durch Laminieren, Bonden und Integrieren des Elements 10 mit mehreren ultrafeinen Nuten bzw. Rillen eine Bienenwabenstruktur erhalten, die jeweils ultrafeine Rillen 15 als Durchsetzungsloch aufweist, und sie kann in ein ultrafeines Filter oder dergleichen eingesetzt werden Außerdem kann das Element 10 mit gemäß der Erfindung hergestellten ultrafeinen Nuten bzw. Rillen auf verschiedenen Gebieten eingesetzt werden.
Hierbei umfassen die Keramikstoffpulver, die zum Bilden der flachen Platte 11 und der Trennwand 12 verwendbar sind, Tonerde bzw. Aluminiumoxid (Al₂O₃), Zirkonium (ZrO₂) oder andere oxidartige Keramikstoffe, Siliciumnitrid (Si₃N₄), Aluminiumnitrid (AlN), Siliciumcarbid (SiC) oder andere nicht-oxidartige Keramikstoffe, Apatit (Cas(PO₄)₃(F, C₁, OH)) und andere, wobei diese Keramikstoffpulver mit einer spezifischen Menge verschiedener Sinterhilfen kombiniert werden können.
Die einsetzbaren Sinterhilfen umfassen Silika (SiO₂), Calciumoxid (CaO), Yttria (Y₂O₃), Magnesia (Mg) und andere für Tonerdepulver, Yttria (Y₂O₃), Cerium (Ce), Dysprosium (Dy), Ytterbium (Yb) und andere Oxide seltener Erden für Zirkoniumpulver, Yttria (Y₂O₃), Tonerden bzw. Aluminiumoxide (Al₂O₃) und andere für Siliciumnitridpulver, Oxide von Elementen der Periodentabellengruppe 3a (RE₂O₃) und andere für Aluminiumnitridpulver, und Bor (B), Kohlenstoff (C) und andere für Siliciumcarbidpulver, die individuell in einer spezifizierten Menge hinzugefügt werden können.
Als Glaspulver zum Bilden der flachen Platte 11 und der Trennwand 12 können verschiedene Glasmaterialien, die hauptsächlich aus Silikat zusammengesetzt sind und mindestens Blei (Pb), Schwefel (S), Selen (Se), Alaun und andere verwendet werden. Außerdem können die flache Platte 11 und die Trennwand 12 auch aus Siliciumpulver gebildet werden. Oder die flache Platte 11 und die Trennwand 12 können aus einem Verbundpulver verschiedener Materialien oder einem anderen Pulver mit ähnlichen Eigenschaften wie den oben spezifizierten gefertigt werden.
Die Teilchengröße des Pulvers aus Keramikstoffen, Glas, Silicium und anderen beträgt vorzugsweise -zig Mikron bis Sub-Mikron, und im einzelnen 0,2 bis 10 μm (Mikron) oder vorzugsweise in einem Bereich von 0,2 bis 5 μm (Mikron).
Als organischer Zusatzstoff, der diesen Pulvern aus Keramikstoffen, Glas oder Silicium hinzuzufügen ist, dient beispielsweise Ureaharz, Melaminharz, Phenolharz, Epoxyharz, ungesättigtes Polyesterharz, Alkydharz, Urethanharz, Ebonit, 5ilikatpolysiloxan und andere. Mittel zum Aushärten dieser organischen Zusatzstoffe durch Reaktion können Wärmeaushärten, Aushärten mit ultravioletter Strahlung, Aushärten mit Röntgenstrahlung etc. umfassen. Vom Standpunkt der Arbeitseffizienz und der Ausrüstung her ist ein Wärmeaushärten optimal, und insbesondere das ungesättigte Polyesterharz wird hinsichtlich der Standzeit bzw. Topfzeit bevorzugt.
Der Gehalt des organischen Zusatzstoffs muss kontrolliert werden, so dass die Viskosität nicht zu hoch wird, um die Fließfähigkeit und Gießfähigkeit des Gemischs des Pulvers aus Keramikstoffen, Glas, Silicium oder dergleichen und der Sinterhilfen beizubehalten, wobei beim Aushärten andererseits eine zureichende Formhalteeigenschaft erwünscht ist. Von diesem Standpunkt her beträgt der Gehalt des organischen Zusatzmittels vorzugsweise 0,5 Gewichtsprozent oder mehr pro 100 Gewichtsteilen von Pulver aus Keramikstoffen, Glas, Silicium oder dergleichen, und auch vom Standpunkt der Schrumpfung des Gussstücks durch Aushärten sollte er vorzugsweise 35 Gewichtsteile oder weniger betragen, und insbesondere in Anbetracht der Schrumpfung beim Backvorgang sollte er am bevorzugtesten im Bereich von 1 bis 15 Gewichtsteilen liegen.
Das dem Gemisch 12' hinzuzufügende Lösemittel ist nicht besonders eingeschränkt, sofern es mit den organischen Zusatzstoffen kompatibel ist, wobei einsetzbare Beispiele Toluen, Xylen, Benzen, Esterphtalat und andere aromatische Lösemittel, Hexanol, Octanol, Decanol, Oxylalkohol und andere höhere Alkohole sowie Esteracetat, Glyceride und andere Ester umfassen.
Insbesondere Esterphtalat und Oxylalkohol werden bevorzugt eingesetzt, und es können zwei oder mehrere Arten von Lösemitteln verwendet werden, um die Lösemittel langsam zu verdampfen.
Der Gehalt an Lösemittel muss 0,1 Gewichtsprozent oder mehr pro 100 Gewichtsteilen des Pulvers aus Keramikstoffen, Glas, Silicium oder dergleichen betragen, um die Formhalteeigenschaft des Gussstücks hinsichtlich der Gießleistung beizubehalten, beträgt vorzugsweise 35 Gewichtsanteile oder weniger, um die Viskosität des Gemischs des Pulvers aus Keramikstoffen, Glas, Silicium oder dergleichen und des organischen Zusatzmittels zu senken, und am bevorzugtesten 1 bis 15 Gewichtsanteile im Hinblick auf das Schrumpfen beim Trocknen und Backen.
Die Gießform 19 ist bei der Erfindung nicht speziell hinsichtlich des Materials eingeschränkt, sofern es frei von Problemen beim Aushärten des organischen Zusatzmittels ist, und es können beispielsweise Metall, Harz oder Gummi verwendet werden, und falls nötig kann eine Oberflächenbeschichtung oder eine Oberflächenbehandlung angewandt werden, um das Loslösevermögen zu verbessern oder einen Abrieb zu verhindern.
Die flache Platte 11 ist eine ungebackene Rohlingslage oder ein Sinterkörper aus Keramikstoffen, Glas, Silicium oder dergleichen, und es wird unter Verwendung verschiedener keramischer Rohlingslagen, verschiedener Glassubstrate, Keramiksubstrate oder dergleichen das gleiche Material wie das der Trennwand 12 oder ein im Wärmedehnungskoeffizienten ähnliches Material verwendet. Als Glassubstrat kann beispielsweise Kalknatronglas oder ein relativ billiger, in Glas verteilter anorganischer Füllstoff zum Verbessern seines Verformungspunkts verwendet werden.
Um das Haftvermögen für das Kompressionsbonden des Gemischs 12' und der flachen Platte 11 zu verbessern, können außerdem verschiedene Kopplungsmitte 1. verwendet werden, wie zum Beispiel ein Silan-Kopplungsmittel, ein Titanat-Kopplungsmittel und ein Aluminat-Kopplungsmittel, wobei das Silan-Kopplungsmittel unter diesen besonders bevorzugt ist, da die Reaktivität hoch ist.
Für das Kompressionsbonden des Gemischs 12' und der flachen Platte 11 wird bevorzugt, eine Vorrichtung mit statischem Wasserdruck hinsichtlich der Aufbringung eines gleichmäßigen Drucks zu verwenden, und als Druckbeaufschlagungsbedingung sollte der Druck in einem Bereich liegen, dass die Gießform 19 nicht verformt wird, wobei dieser Druckbereich mit der Festigkeit der Gießform 19 variiert, und wenn beispielsweise die aus Silikongummi gefertigte Gießform 19 verwendet wird, wird vorzugsweise ein Druck von etwa 100 g/cm² aufgebracht.
In dem Gemisch 12' kann dieses, um die Verteilung der Keramikstoffe oder des Glaspulvers zu verbessern, auch beispielsweise mit Polyethylenglycolether, Alkylsulfonat, Polycarbonat, Alkylammoniumsalz und einem anderen oberflächenaktiven Wirkstoff gemischt werden, wobei der Gehalt derselben vorzugsweise 0,05 bis 5 Gewichtsteile pro 100 Gewichtsteile Keramikstoffe oder Glaspulver hinsichtlich der Verbesserung der Verteilung und der Pyrolyse beträgt.
Das Bindemittel in dem Gemisch 12' kann mit einem Aushärtkatalysator gemischt werden, der als Aushärtreaktionsförderer oder als Polymerisations-Initiator bekannt ist. Als Aushärtkatalysator kann organisches Peroxyd oder eine Azo-Komponente verwendet werden, beispielsweise Ketonperoxyd, Diacylperoxyd, Peroxyketal, Peroxyester, Hydroperoxyd, Peroxycarbonat, t-Butylperoxy-2-Ethylhexanoat, bis (4-t-Butylzyclohexyl)Peroxydicarbonat, Dicumylperoxyd, andere organische Peroxyde, Azo bis, Isobutylnitril und andere Azo-Komponenten.
Das piezoelektrische Element 13 ist aus einem Material gebildet, das sich verformt, wenn eine Spannung von der Elektrode 14 angelegt wird, und piezoelektrische Keramikstoffe, die hauptsächlich aus Blei-Titanat-Zirkonat (PCT-Reihe), Blei-Magnesium-Niobat (PMN-Reihe), Blei-Nickel-Niobat (PNN-Reihe), Blei-Mangan-Niobat oder Blei-Titanat gebildet sind, können verwendet werden.
Außerdem sind die Elektroden 14 zum Antrieb, die auf beiden Seiten des piezoelektrischen Elements 13 angeordnet sind, nicht speziell definiert, sofern sie als ein Leiter der Backtemperatur widerstehen, und es kann Metall allein, eine Legierung oder ein Gemisch aus Keramikstoffen oder Glas und eine Legierung mit Metall verwendet werden. Im einzelnen wird die Verwendung mindestens eines der folgenden Stoffe bevorzugt: Platin, Palladium, Rhodium, Silber-Palladium, Silber-Platin, Platin-Palladium, Gold, Silber, Wolfram oder Molybdän.
Ausführungsform 1
Das Element 10 mit der ultrafeinen Nut bzw. Rille, das in 2 gezeigt ist, wurde experimentell gemäß der Erfindung hergestellt.
Das Keramikpulver zum Bilden der Trennwand 12 war hauptsächlich aus Aluminiumoxid (Al₂O₃), Zirkonium (ZrO₂), Siliciumnitrid (Si₃N₄) und Aluminiumnitrid (AlN) mit einer mittleren Teilchengröße von 0,2 bis 5 μm (Mikron) gebildet und wurde mit bekannten, oben genannten Backhilfen nach Bedarf vermischt. In 100 Gewichtsteilen dieser Keramikstoffpulver wurde die Bindemittelzusammensetzung gemäß Tabelle 1 hinzugefügt und vermischt, und die Keramikstoff-Bildungszusammensetzung wurde zubereitet und das Gemisch 12' erhalten. Die Arten der Bindemittelzusammensetzung gemäß Tabelle 1 sind die in Tabelle 2 gezeigten.
[Tabelle 1]
[Tabelle 2]
Nach einer Vakuumentschäumung des so erhaltenen Gemischs 12' wurde dieses eingespritzt, um die Ausnehmung 19a der aus Silikonharz gefertigten Gießform 19 auszufüllen, wie in 5(a) gezeigt ist.
Dann wurde auf die Oberfläche des die Gießform 19 ausfüllenden Gemischs 12' eine flache Platte 11 des gleichen keramischen Sintermaterials wie das Gemisch 12' aufgebracht, und diese flache Platte 11 wurde in einen Heizofen zusammen mit der Gießform 19 eingebracht, während sie mit 100 g/cm² Druck beaufschlagt und erwärmt und ausgehärtet wurde, indem sie 45 Minuten lang auf einer Temperatur von 100°C gehalten wurde.
Nach dem Abschluss des Aushärtens wurde gemäß 5(b) die Trennwand 12, welche mit der flachen Platte 11 in Kontakt steht, aus der Gießform 19 losgelöst, und dieses Gussstück wurde 5 Stunden lang bei 120°C getrocknet und 3 Stunden lang bei 250°C einer Stickstoffatmosphäre ausgesetzt und wurde 12 Stunden lang auf 500°C erwärmt, um das Bindemittel zu entfernen. Anschließend wurde das Teil, das hauptsächlich aus Aluminiumoxid zusammengesetzt war, 2 Stunden lang bei 1600°C der Atmosphäre ausgesetzt, das hauptsächlich aus Siliciumnitrid bestehende Teil wurde 10 Stunden lang bei 1650°C einer Stickstoffatmosphäre ausgesetzt und das hauptsächlich aus Aluminiumnitrid bestehende Teil wurde 3 Stunden lang bei 1800°C einer Stickstoffatmosphäre gehalten, und es wurde das Element 10 mit der ultrafeinen Rille bzw. Nut gemäß 2 durch Backen und Integrieren erhalten.
Als Vergleichsbeispiele wurden eine Keramik-Rohlingslage, die hauptsächlich aus Zirkonium bestand, vorbereitet und durch Ausstanzen der Ausnehmung durch das Formwerkzeug laminiert, gebacken und integriert, und es wurden Elemente 10 mit einer ultrafeinen Nut bzw. Rille ähnlicher Form erstellt. Die Dicke der Keramik-Rohlingslage betrug 100 μm (Mikron) (Nr. 8 in Tabelle 3) und 40 μm (Mikron) (Nr. 9 in Tabelle 3).
Bei diesen Ausführungsformen, die gemäß der Erfindung hergestellt wurden, und den Vergleichsbeispielen sind Beobachtungsergebnisse der Form der Trennwände 12 in Tabelle 3 dargestellt.
Wie aus den Ergebnissen hervorgeht, wurde die Rohlingslage, obwohl ihre Dicke größer ist als die Breite der Trennwand 12 und die Stärke der Trennwand 12 ausreichend ist, durch die Kraft beim Stanzen mit dem Formwerkzeug verformt. Im Vergleichsbeispiel Nr. 9 ist, da die Rohlingslage dünn ist, die Kraft beim Stanzen mit dem Formwerkzeug gering, sie wurde jedoch ebenso wie bei Nr. 8 leicht verformt. Schlimmer noch, bei diesen Vergleichsbeispielen wurde infolge der Positionsabweichung beim Laminieren eine Stufe in der Trennwand 12 gebildet. Übrigens betrug der Grenzwert der Breite der Trennwand 12 70 μm (Mikron), und die Ergiebigkeit war gering.
Demgegenüber traten bei den Nummern 1 bis 7 der Erfindung solche Probleme nicht auf, die Breite der Trennwand 12 konnte mit weniger als 70 μm (Mikron) ausgebildet werden, die Form wurde nicht verformt und die Präzision war hoch.
[Tabelle 3]
In der Ausführungsform wurde die Gießform 19 mit dem Gemisch 12' gefüllt und die flache Platte 11 wurde gepresst, um sich zu erwärmen und auszuhärten, aber statt sie loszulösen und zu backen, nachdem die Gießform 19 mit dem Gemisch 12' gefüllt und erwärmt und ausgehärtet wurde, kann sie an die flache Platte angeklebt und mit dieser integriert werden. Kurz gesagt kann ein Bonden der Trennwand 12 und der flachen Platte 11 entweder beides vor dem Backen oder eines vor dem Backen und das andere nach dem Backen oder beides nach dem Backen vorgenommen werden. Auf jeden Fall liegen die flache Platte 11 und die Trennwand 12 vorzugsweise nahe aneinander in der Backtemperatur und dem Wärmedehnungskoeffizienten.
Das Material für die flache Platte 11 und die Trennwand 12 ist nicht auf die oben erwähnten Keramikstoffe beschränkt, sondern die gleichen Wirkungen ergaben sich bei Verwendung anderer Keramikstoffe, verschiedener Arten von Glas, Silicium etc..
Ausführungsform 2
Bei Auswahl der Nummer 5 aus der Ausführungsform 1 wurde die Elektrode 14 an die obere Oberfläche der flachen Platte 11 des Elements 10 mit der daraus hergestellten ultrafeinen Rille bzw. Nut angelegt, und das piezoelektrische Element 13, das aus PTZ gefertigt war, wurde laminiert und die Elektrode 14 weiter angelegt und mit 1000 bis 1300°C gebacken, wodurch ein Element für einen Aktuator erhalten wurde, der in einem Tintenstrahl-Druckkopf und dergleichen verwendet wird.
Nach dem Polarisierungsprozess wurde eine Spannung zum Antrieb angelegt, wobei die flache Platte 11 verschoben und ein günstiger Antriebszustand erhalten wurde. Außerdem wurden gemäß 4(a) die gleichen Wirkungen durch Laminieren mehrerer piezoelektrischer Elemente 13 gemäß 4(a) erhalten.
Außerdem wurden gemäß 4(b) auf beiden Seiten der flachen Platte 11 des Elements 10 mit der ultrafeinen Rille die Elektrode 14 und das piezoelektrische Element 13 laminiert und gleichzeitig ein Antriebstest ausgeführt, wobei sich ein günstiger Antrieb ergab.
Wie oben erwähnt wurde, kann in einem einfachen Prozess durch Bonden und Integrieren einer Trennwand, die durch Formen von Pulver aus Keramikstoffen, Glas, Silicium oder dergleichen auf eine Seite einer flachen Kammer aus Keramikstoffen, Glas, Silicium oder dergleichen gefertigten flachen Platte unter Verwendung eines Formwerkzeugs mit einer Ausnehmung, das Element mit der ultrafeinen Rille mit hoher Dichte und hoher Präzision in einem einfachen Verfahren erhalten werden.
Ferner wird gemäß der Erfindung durch Herstellen eines Elements mit einer ultrafeinen Ausnehmung anhand des Verfahrens zum Einbringen eines Gemischs aus Pulver von Keramikstoffen, Glas, Silicium oder dergleichen und eines aus einem Lösemittel und einem organischen Zusatzstoff bestehenden Bindemittels in eine Gießform mit einer Ausnehmung für eine Trennwand und Bonden und Integrieren dieses Gemischs an einer bzw. mit einer flachen Platte, wie aus Keramikstoffen, Glas, Silicium oder dergleichen hergestellt ist, die Form der Gießform direkt auf die flache Platte übertragen, und daher kann durch Erstellen der Gießform mit hoher Dichte und hoher Präzision die Trennwand einfach und mit hoher Dichte und hoher Präzision ausgebildet werden.
Daher kann gemäß der Erfindung das Element mit einer ultrafeinen Nut bzw. Rille mit hoher Dichte und hoher Präzision in einem extrem einfachen Verfahren hergestellt werden, und es kann somit vorzugsweise in einer Anwendung für einen Tintenstrahl-Druckkopf oder dergleichen eingesetzt werden.
Nachstehend wird eine Ausführungsform des Einbringens des Durchgangswegelements, das gemäß der Erfindung hergestellt wurde, in den Tintenstrahl-Druckkopf beschrieben.
Wie in 8 gezeigt ist, sind auf einer flachen Platte 111, die aus Glas, Keramikstoffen, Silicium oder anderen Stoffen gefertigt ist, mehrere Trennwände 112, die aus Glas, Keramikstoffen, Silicium oder anderen Stoffen gefertigt ist, gebondet und mit dieser integriert, und Durchgangswegelemente 110 werden gebildet, die Durchgangswege 113 zwischen Trennwänden 112 bilden. In dem Durchgangswegelement 110 wird ein Substrat 120 auf die obere Oberfläche jeder Trennwand 112 gebondet, um den Durchgangsweg 113 abzudecken, und ein Ende jedes Durchgangswegs 113 bildet eine Ausstoßöffnung 114 und das andere Ende steht mit einer Tintenkammer 116 mit einem Tintenzuführloch 115 in Verbindung, wodurch ein Tintenstrahl-Druckkopf 101 gebildet wird. An der jedem Durchgangsweg 113 des Substrats 120 entsprechenden Position ist ein Heizelement 121 und eine Elektrode 122 zur Versorgung desselben mit Energie vorgesehen.
Ferner werden gemäß 9 durch Erzeugen von Wärme durch Anregen des Heizelements 121, wobei der Durchgangsweg 113 mit Tinte 130 über die Tintenkammer 116 gefüllt wird, Blasen 132 in der Tinte 130 erzeugt, und Tintentröpfchen 131 werden von der Ausstoßöffnung 114 durch die Kraft, wenn sich die Blasen 132 im Volumen dehnen, ausgetragen.
Wie im einzelnen nachstehend beschrieben wird, wird nach dem Ausbilden der Trennwand 112 unter Verwendung der Gießform diese an die flache Platte 111 gebondet und mit ihr integriert, und daher kann sie mit hoher Dichte und hoher Präzision ausgebildet werden, und der Tintenstrahl-Druckkopf 101 mit extrem hoher Leistung wird hergestellt.
Nachstehend wird ein Herstellungsverfahren des Durchgangswegelements 110 der Erfindung beschrieben.
Zunächst wird gemäß 10(a) eine Gießform 119 mit einer Ausnehmung 119a, die der Form der Trennwand 112 angepasst ist, erstellt, und die Ausnehmung 119 der Gießform 119 wird mit einem Gemisch 12' aus Pulver von Keramikstoffen, Glas, Silicium oder dergleichen und einem Bindemittel aus Lösemittel und organischem Zusatzstoff als das Material zur Bildung der Trennwand 112 gefüllt.
Andererseits wird eine flache Platte 111, die aus Keramikstoffen, Glas, Silicium oder dergleichen gefertigt ist, separat erstellt, und das Formstück des Gemischs 12' wird an diese flache Platte 111 gebondet und mit ihr integriert, und die Trennwand 112 wird gebildet, die gemäß nachstehender Beschreibung spezifisch hergestellt wird.
An der Oberfläche des die Gießform 109 füllenden Gemischs 112' wird die flache Platte 111 aufgedrückt und angeklebt, und das Gemisch 112' wird durch Reaktionsaushärten oder Trocknen verfestigt. Dann wird, wie von oben nach unten in 10(b) gezeigt ist, durch Loslösen der Gießform 119 die aus dem Gussstück des Gemischs 112' gefertigte Trennwand 112 auf die flache Platte 111 übertragen. Schließlich wird durch Entfernen des Bindemittels aus der gesamten Struktur das Durchgangswegelement 110 durch gleichzeitiges Backen und Integrieren hergestellt, wie in 8 gezeigt ist.
Bei einem anderen Verfahren wird das die Gießform 119 füllende Gemisch 112' durch Reaktionsaushärten oder Trocknen verfestigt und von der Gießform 119 losgetrennt, und das Gussstück aus dem Gemisch 112' wird an der flachen Platte 111 befestigt. Schließlich wird durch Entfernen des Bindemittels aus der gesamten Struktur und gleichzeitiges Backen und Integrieren das Element 110 mit der ultrafeinen Rille erhalten.
In einem anderen Verfahren wird das die Gießform 119 füllende Gemisch 112' durch Reaktionsaushärten oder Trocknen verfestigt und von der Gießform 119 losgetrennt, und nach dem Entfernen des Bindemittels wird das Gussstück an die flache Platte 111 geklebt. Schließlich wird die Gesamtstruktur gleichzeitig gebacken und integriert und das Element 110 mit der ultrafeinen Rille erhalten.
Alternativ wird das die Gießform 119 füllende Gemisch 112' durch Reaktionsaushärten oder Trocknen verfestigt und aus der Gießform 119 losgelöst, das Bindemittel entfernt und ein Backvorgang vorgenommen, und dieser Sinterkörper wird mit der flachen Platte 111 durch Ankleben, thermisches Kompressionsbonden oder gleichzeitiges Backen gebondet, so dass das Element 110 mit der ultrafeinen Rille erhalten wird.
D. h., das Gussstück des Gemischs 112' kann an die flache Platte 111 auf jeder Stufe beider Elemente, und zwar in ungebackenem Zustand, in bindemittellosem Zustand oder in gesintertem Zustand gebondet werden.
Gemäß solchen Herstellungsverfahren der Erfindung kann das Herstellungsverfahren extrem vereinfacht werden, da die Trennwände 112 einfach ausgebildet werden können. Außerdem werden die Trennwände 112 und ihr Freiraum für den Durchgangsweg 113 durch Übertragen der Form der Ausnehmung 119a der Gießform 119 ausgebildet, und daher können die spezifizierten Trennwände 112 einfach nur durch präzises Bearbeiten der Ausnehmung 119a zu einer spezifizierten Form gebildet werden.
Übrigens ist die Oberflächenrauigkeit des Durchgangselements 113, welche auf diese Weise erhalten wurde, genau die gleiche wie die Oberflächenrauigkeit der Gießform 119. Wenn die Oberflächenrauigkeit (R_max) der Gießform 119 vorab gering ist, kann die Oberflächenrauigkeit (R_max) des erhaltenen Durchgangselements 113 0,01 bis 0,8 μm (Mikron) betragen, so dass die Tinte 130 reibungslos zugeführt werden kann. Dabei ist die Oberflächenrauigkeit (R_max) des Durchgangswegelements 113 im Bereich von 0,01 bis 0,8 μm (Mikron) definiert, da es extrem schwierig ist, im Bereich von 0,01 μm (Mikron) zu bearbeiten, und falls 0,8 μm (Mikron) überschritten werden, wird der Fluss der Tinte 130 gestört und die Ausstoßmenge sowie das Ansprechverhalten tendieren zu einer Fluktuation.
Ferner ist in einem Beispiel in 10 die Seitenfläche der Trennwand 112 vertikal zur flachen Platte 111, die Seitenfläche kann aber auch in einer Neigung oder Krümmung ausgebildet sein, so dass sich die Dicke der Trennwand 112 allmählich verringert.
Hierbei kann das Keramikstoffpulver zum Bilden der flachen Platte 111 und der Trennwand 112 Tonerde (Al₂O₃), Zirkonium (ZrO₂), andere oxidartige Keramikstoffe, Siliciumnitrid (Si₃N₄), Aluminiumnitrid (AlN), Siliciumcarbid (SiC), andere, nicht-oxidartige Keramikstoffe, Apatit (Ca₅(PO₄)₃(F, C1, OH)) und andere umfassen, und diese Keramikstoffpulver können mit einer spezifischen Menge verschiedener Sinterhilfen kombiniert werden.
Die einsetzbaren Sinterhilfen umfassen Silika (SiO₂), Calcia (CaO), Yttria (Y₂O₃), Magnesia (MgO) und andere für Tonerdepulver, Yttria (Y₂O₃), Cerium(Ce), Dysprosium (Dy), Ytterbium (Yb) und andere Oxide seltener Erden für Zirkoniumpulver, Yttria (Y₂O₃), Tonerde (Al₂O₃) und andere für Siliciumnitridpulver, Oxide der Elemente der Periodentabellengruppe 3a (RE₂O₃) und andere für Aluminiumnitridpulver sowie Bor (B), Kohlenstoff (C) und andere für Siliciumcarbidpulver, die einzeln in einer spezifizierten Länge hinzugefügt werden können.
Als Glaspulver zum Bilden der flachen Platte 111 und der Trennwand 112 können verschiedene Glasmaterialien, die hauptsächlich aus Silikat bestehen und mindestens Blei (Pb), Schwefel (S), Selen (Se), Alaun und andere aufweisen, eingesetzt werden.
Außerdem können die flache Platte 111 und die Trennwand 112 auch aus dem Siliciumpulver gebildet werden. Oder die flache Platte 111 und die Trennwand 112 können aus einem Verbundpulver verschiedener Materialien gebildet werden oder aus einem anderen Pulver mit ähnlichen Eigenschaften wie die oben spezifizierten.
Die Teilchengröße des Pulvers aus Keramikstoffen, Glas, Silicium und anderen beträgt vorzugsweise mehrere -zig μm (Mikron) bis Sub-μm (Sub-Mikron), und genauer gesagt 0,2 bis 10 Mikron, oder liegt vorzugsweise in einem Bereich von 0,2 bis 5 μm (Mikron).
Als organischer Zusatzstoff, der diesen Pulvern aus Keramikstoffen, Glas oder Silicium hinzuzufügen ist, umfassen Beispiele Ureaharz, Melaminharz, Phenolharz, Epoxyharz, ungesättigtes Polyesterharz, Alkydharz, Urethanharz, Ebonit, Silikatpolysiloxan und andere. Mittel zum Aushärten dieser organischen Zusatzstoffe durch Reaktion können ein Wärmeaushärten, ein Aushärten mit ultravioletter Strahlung, ein Aushärten mit Röntgenstrahlung etc. umfassen. Vom Gesichtspunkt der Arbeitseffizienz und der Ausrüstung ist eine Wärmeaushärtung optimal, und hinsichtlich der Standzeit bzw. der Topfzeit ist ungesättigtes Polyesterharz bevorzugt.
Der Gehalt des organischen Zusatzstoffes muss kontrolliert werden, so dass die Viskosität nicht zu hoch wird, um die Fließfähigkeit und Formbarkeit des Gemischs des Pulvers aus Keramikstoffen, Glas, Silicium oder dergleichen sowie der Sinterhilfen beizubehalten, und beim Aushärten wird andererseits eine zureichende Formhalteeigenschaft erwünscht. Von diesem Standpunkt aus beträgt der Gehalt des organischen Zusatzstoffs vorzugsweise 0,5 Gewichtsteile oder mehr pro 100 Gewichtsteile Pulver aus Keramikstoffen, Glas, Silicium oder dergleichen, und auch vom Gesichtspunkt des Schrumpfens des Gussstücks durch Aushärten sollte er vorzugsweise 35 Gewichtsteile oder weniger betragen, und insbesondere unter Berücksichtigung des Schrumpfvorgangs beim Backen sollte er am bevorzugtesten im Bereich von 1 bis 15 Gewichtsteilen liegen.
Das dem Gemisch 112' hinzuzufügende Lösemittel ist nicht besonders eingeschränkt, sofern es mit den organischen Zusatzstoffen kompatibel ist, wobei einsetzbare Beispiele Toluen, Xylen, Benzen, Esterphtalat und andere aromatische Lösemittel, Hexanol, Octanol, Decanol, Oxyalkohol und andere höhere Alkohole sowie Esteracetate, Glyceride und andere Ester umfassen.
Insbesondere Esterphtalat und Oxylalkohol werden bevorzugt eingesetzt, und es können zwei oder mehr Arten Lösemittel verwendet werden, um die Lösemittel langsam zu verdampfen.
Der Gehalt an Lösemittel muss 0,1 Gewichtsteil oder mehr pro 100 Gewichtsteile des Pulvers aus Keramikstoffen, Glas, Silicium oder dergleichen betragen, um die Formhalteeigenschaft des Gussstücks hinsichtlich der Gießleistung beizubehalten, und beträgt am bevorzugtesten 35 Gewichtsteile oder weniger, um die Viskosität des Gemischs des Pulvers aus Keramikstoffen, Glas, Silicium oder dergleichen und eines organischen Zusatzstoffs zu senken, und beträgt vorzugsweise 1 bis 15 Gewichtsteile im Hinblick auf den Schrumpfvorgang beim Trocknen und Backen.
Die Gießform 119 ist in der Erfindung nicht speziell hinsichtlich des Materials eingeschränkt, sofern sie beim Aushärten des organischen Zusatzstoffs problemfrei ist, und es können beispielsweise Metall, Harz oder Gummi eingesetzt werden, und falls nötig kann eine Oberflächenbeschichtung oder eine Oberflächenbehandlung angewandt werden, um die Lostrennleistung zu verbessern oder einen Abrieb zu verhindern.
Die flache Platte 111 ist eine ungebackene Rohlingslage oder ein Sinterkörper aus Keramikstoffen, Glas, Silicium oder dergleichen, und es wird unter Verwendung verschiedener keramischer Rohlingslagen, verschiedener Glassubstrate, Keramiksubstrate oder dergleichen das gleiche Material wie das der Trennwand 112 oder ein im Wärmedehnungskoeffizienten ähnliches Material verwendet. Als Glassubstrat kann beispielsweise Kalknatronglas oder ein relativ billiger, in Glas verteilter anorganischer Füllstoff zum Verbessern seines Verformungspunkts verwendet werden.
Um das Haftvermögen für das Kompressionsbonden des Gemischs 112' und der flachen Platte 111 zu verbessern, können außerdem verschiedene Kopplungsmittel verwendet werden, wie zum Beispiel ein Silan-Kopplungsmittel, ein Titanat-Kopplungsmittel und ein Aluminat-Kopplungsmittel, wobei das Silan-Kopplungsmittel unter diesen besonders bevorzugt ist, da die Reaktivität hoch ist.
Für das Kompressionsbonden des Gemischs 112' und der flachen Platte 111 wird bevorzugt, eine Vorrichtung mit statischem Wasserdruck hinsichtlich der Aufbringung eines gleichmäßigen Drucks zu verwenden, und als Druckbeaufschlagungsbedingung sollte der Druck in einem Bereich liegen, dass die Gießform 119 nicht verformt wird, wobei dieser Druckbereich mit der Festigkeit der Gießform 119 variiert, und wenn beispielsweise die aus Silikongummi gefertigte Gießform 119 verwendet wird, wird vorzugsweise ein Druck von etwa 100 g/cm² aufgebracht.
In dem Gemisch 112' kann dieses, um die Verteilung der Keramikstoffe oder des Glaspulvers zu verbessern, auch beispielsweise mit Polyethylenglycolether, Alkylsulfonat, Polycarbonat, Alkylammoniumsalz und einem anderen oberflächenaktiven Wirkstoff gemischt werden, wobei der Gehalt derselben vorzugsweise 0,05 bis 5 Gewichtsteile pro 100 Gewichtsteile Keramikstoffe oder Glaspulver hinsichtlich der Verbesserung der Verteilung und der Pyrolyse beträgt.
Das Bindemittel in dem Gemisch 112' kann mit einem Aushärtkatalysator gemischt werden, der als Aushärtreaktionsförderer oder als Polymerisations-Initiator bekannt ist. Als Aushärtkatalysator kann organisches Peroxyd oder eine Azo-Komponente verwendet werden, beispielsweise Ketonperoxyd, Diacylperoxyd, Peroxyketal, Peroxyester, Hydroperoxyd, Peroxycarbonat, t-Butylperoxy-2-Ethylhexanoat, bis (4-t-Butylzyclohexyl)Peroxydicarbonat, Dicumylperoxyd, andere organische Peroxyde, Azo bis, Isobutylnitril und andere Azo-Komponenten.
Das Material für das Substrat 120 zum Bilden des Tintenstrahl-Druckkopfs 101 gemäß 8 ist ebenso wie das Durchgangswegelement 110 Keramikstoff, Glas, Silicium oder dergleichen, und dieses Substrat 120 sowie das Durchgangswegelement 110 werden unter Verwendung von Harz oder Glas mit niedrigem Schmelzpunkt oder durch Hitze gebondet. Die auf dem Substrat 120 ausgebildete Elektrode 122 ist aus Metall gebildet, wie zum Beispiel W, MO, Ag, Ag-Pd, Pd, Au, Ni, Cr, wobei zwei oder mehrere derselben kombiniert werden können. In der Ausführungsform ist das Heizelement 121 auf der Substratseite 120 vorgesehen, das Heizelement 121 kann aber auch auf der Seite des Durchgangselements 110 vorgesehen sein. Oder mehrere Durchgangswegelemente 110 können übereinander angeordnet werden.
In der Ausführungsform mit dem Heizelement 121 im Durchgangsweg 113 ist ein Beispiel der Anwendung des Tintenstrahl-Druckkopfs 101 des Systems zur Erzeugung von Blasen durch Hitze offenbart, das Durchgangswegelement der Erfindung kann aber auch beim Durchgang von Tinte in dem Tintenstrahl-Druckkopf vom piezoelektrischen Typ, beim Durchgang von Tinte in dem Tintenstrahl-Druckkopf vom Verbundtyp eines schaumerzeugenden Typs und eines piezoelektrischen Typs sowie im Durchgangsweg bei anderen Verfahren eingesetzt werden.
Das gemäß der Erfindung hergestellte Durchgangswegelement ist nicht auf den Tintenstrahl-Druckkopf beschränkt, sondern kann in verschiedenen Anwendungen von Vakuum-Saugelementen durch eine kleine Pumpe, Luftpumpe etc., eingesetzt werden.
Ausführungsform 3
Das Durchgangswegelement 110 gemäß der Erfindung, das in 8 gezeigt ist, wurde experimentell hergestellt.
Das Keramikpulver zum Bilden der Trennwand 112 umfasst hauptsächlich Tonerde (Al₂O3), Zirkonium (ZrO₂), Siliciumnitrid (Si₃N₄) und Aluminiumnitrid (AlN) mit einer mittleren Teilchengröße von 0,2 bis 5 μm (Mikron), und bekannte Sinterhilfen wurden nach Bedarf hinzugefügt. In 100 Gewichtsteilen dieser Keramikstoffpulver wurden die in Tabelle 4 gezeigten Bindemittel-Zusammensetzungen hinzugefügt, und Keramikstoff bildende Zusammensetzungen wurden als Gemisch 112' zubereitet. Die Arten der Bindemittel-Zusammensetzungen gemäß Tabelle 4 sind in Tabelle 5 gezeigt.
[Tabelle 4]
[Tabelle 5]
Nach einer Vakuumentschäumung des so erhaltenen Gemischs 112' wurde dieses eingespritzt, um die Ausnehmung 119a der aus Silikonharz gefertigten Gießform 119 auszufüllen, wie in 10(a) gezeigt ist.
Dann wurde auf die Oberfläche des die Gießform 119 ausfüllenden Gemischs 112' eine flache Platte 111 des gleichen keramischen Sintermaterials wie das Gemisch 112' aufgebracht, und diese flache Platte 111 wurde in einen Heizofen zusammen mit der Gießform 119 eingebracht, während sie mit 100 g/cm² Druck beaufschlagt und erwärmt und ausgehärtet wurde, indem sie 45 Minuten lang auf einer Temperatur von 100°C gehalten wurde.
Nach dem Abschluss des Aushärtens wurde gemäß 10(b) die Trennwand 112, welche mit der flachen Platte 111 in Kontakt steht, aus der Gießform 119 losgelöst, und dieses Gussstück wurde 5 Stunden lang bei 120°C getrocknet und 3 Stunden lang bei 250°C einer Stickstoffatmosphäre ausgesetzt und wurde 12 Stunden lang auf 500°C erwärmt, um das Bindemittel zu entfernen. Anschließend wurde das Teil, das hauptsächlich aus Aluminiumoxid zusammengesetzt war, 2 Stunden lang bei 1600°C der Atmosphäre ausgesetzt, das hauptsächlich aus Zirkonium bestehende Teil wurde 2 Stunden lang bei 1450°C der Athmosphäre ausgesetzt, das hauptsächlich aus Siliciumnitrid bestehende Teil 10 Stunden lang bei 1650°C einer Stickstoffatmosphäre ausgesetzt, und das hauptsächlich aus Aluminiumnitrid bestehende Teil wurde 3 Stunden lang bei 1800°C einer Stickstoffatmosphäre ausgesetzt, und es wurde das Element 110 mit der ultrafeinen Rille bzw. Nut gemäß 8 durch Backen und Integrieren erhalten.
Die Breite der Trennwand 112 des Durchgangswegelements 110 betrug 50 Mikron, und die Breite des Durchgangswegs 113 betrug 100 μm (Mikron).
Andererseits wurde das Substrat 120 unter Verwendung des gleichen Materials wie dem des Durchgangswegelements 110 gebildet, und das Heizelement 121 wurde auf das Substrat 120 gegeben und an dem Durchgangswegelement 110 durch Glas gebondet, wodurch ein Tintenstrahl-Druckkopf 101 hergestellt wurde.
Dieser Tintenstrahl-Druckkopf 101 wurde auf einem tatsächlichen Drucker angebracht und getestet, und es stellte sich heraus, dass er zufriedenstellend einsetzbar ist.
Ausführungsform 4
Bei dieser Ausführungsform der Erfindung wurde unter Verwendung des Materials Nr. 3 in Tabelle 4 die Gießform 119 eingesetzt, die sich in der Oberflächenrauhigkeit unterschied, und das Durchgangswegelement 119, das sich in der Oberflächenrauhigkeit unterschied, wurde erstellt.
Als Vergleichsbeispiel bei dem gleichen Material und den gleichen Abmessungen wurden Durchgangswegelemente durch ein Sandstrahlverfahren und ein Siebdruckverfahren erstellt.
Unter Verwendung der so erhaltenen Durchgangswegelemente 110 wurden nach obiger Beschreibung Tintenstrahl-Druckköpfe 101 hergestellt und in tatsächlichen Druckern getestet. Die Tintenausstoßkraft (Tintenflugdistanz), die Gleichmäßigkeit des Tintenvolumens und das Ansprechverhalten wurden ausgewertet.
Die Ergebnisse sind in Tabelle 6 zusammengefasst, in der sich die Eigenschaften als sehr gut erwiesen, wenn die Oberflächenrauhigkeit (R_max) 0,8 μm (Mikron) oder weniger bei den Durchgangswegelementen der Erfindung beträgt.
[Tabelle 6]
Das Material für die flache Platte 111 und die Trennwand 112 ist nicht auf die oben erwähnten Keramikstoffe beschränkt, sondern es wurden die gleichen Wirkungen unter Verwendung anderer Keramikstoffe, verschiedener Typen von Glas oder Silicium erzielt.
Wie oben erwähnt wurde, kann gemäß der Erfindung durch Bonden und Integrieren der Trennwand, die durch Formen von Pulver aus Keramikstoffen, Glas, Silicium oder dergleichen auf der Seite einer flachen Platte, die aus Keramikstoffen, Glas, Silicium oder dergleichen gefertigt ist, durch eine Gießform mit einer Ausnehmung und durch Bilden eines Durchgangswegs zwischen Trennwänden das Durchgangswegelement mit hoher Dichte und hoher Präzision in einem einfachen Verfahren erhalten werden. Ferner kann gemäß der Erfindung durch Herstellen eines Durchgangswegelements mittels des Verfahrens zum Einbringen eines Gemischs aus Pulver von Keramikstoffen, Glas, Silicium oder dergleichen und eines aus Lösemittel und organischem Zusatzstoff gebildeten Bindemittels in eine Gießform mit einer Ausnehmung für eine Trennwand, und durch Bonden und Integrieren dieses Gemischs mit einer flachen Platte, die aus Keramikstoffen, Glas, Silicium oder dergleichen gefertigt ist, die Form der Gießform direkt auf die flache Platte übertragen werden, und daher kann durch Erstellen der Gießform mit hoher Dichte und hoher Präzision die Trennwand einfach mit hoher Dichte und hoher Präzision gebildet werden.
Daher kann gemäß der Erfindung das Durchgangswegelement mit hoher Dichte und hoher Präzision in einem extrem einfachen Verfahren hergestellt werden, und es kann somit vorzugsweise in einer Anwendung auf einen Tintenstrahl-Druckkopf oder dergleichen eingesetzt werden.
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen eine Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
Ein Tintenstrahl-Druckkopf, der ein gemäß der Erfindung hergestelltes Element einsetzt, wird gemäß 11 durch Bonden eines piezoelektrischen Elements 203 auf ein Kopfsubstrat 202 mit mehreren Tintenkammern 201 und einer Ausstoßöffnung 206 gebildet. Das Kopfsubstrat 202 wird durch gegenseitiges Bonden einer Platte 223, die die Ausstoßöffnung 206 bildet, einer Platte 222, welche die mehreren Tintenkammern 201 bildet und einer Membran 221 gebildet, und das piezoelektrische Element 203 wird direkt außen auf die jeder Tintenkammer 201 entsprechende Membran 221 gebondet und eine Antriebselektrode 204 darauf ausgebildet.
Da hier die Membran 221 aus einem leitenden anorganischen Material gebildet ist, kann diese Membran 221 auch als untere Elektrode eingesetzt werden. D. h., durch Anlegen einer konstanten Spannung an die Membran 221 und Anlegen einer Antriebsspannung an die Antriebselektrode 204 jedes piezoelektrischen Elements 203 wird das piezoelektrische Element 203 verformt, um die Membran 221 auszulenken, und der Druck in den Tintenkammern 201 wird gesteigert, wodurch die Tinte aus der Austrittsöffnung 206 ausgestoßen wird.
Da hier das piezoelektrische Element 203 direkt an die Membran 221 gebondet ist, kann dabei die Verformung des piezoelektrischen Elements 3 in günstiger Weise auf die Membran 221 übertragen werden.
Ein Merkmal der Erfindung besteht darin, dass das leitende anorganische Material als Membran 221 verwendet wird, wobei dieses leitende anorganische Material ein Material sein sollte, dessen volumenspezifischer Widerstand 10^–1 Ω·cm oder weniger betragen sollte. Bei einem Material, dessen volumenspezifischer Widerstand 10^–1 Ω·cm übersteigt, wird bei Anlegen einer Spannung Wärme erzeugt, und die Tintenausstoßleistung wird nicht stabilisiert.
Als leitendes anorganisches Material zum Bilden der Membran 221 können leitende Keramikstoffe oder Keramikstoffe, Glas oder Cermet, das ein leitendes Mittel enthält, verwendet werden.
Hierbei sind leitende Keramikstoffe Keramikstoffe mit eigener Leitfähigkeit, und beispielsweise Keramikstoffe mit einer Perovskit-Kristallstruktur, die in der Formel (LaA)(B)³ ausgedrückt ist,
wobei A: Element der Periodentabellengruppe 2a, zum Beispiel Ma, Ca, Sr, Ba
B: ein oder mehrere Elemente, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Elementen wie Mn, Co, Ni besteht, und Elementen der Periodentabellengruppe 3a, 4a, wie zum Beispiel La, Ce, Zr, Y
verwendet werden können. Solche Keramikstoffe, die eine Perovskit-Kristallstruktur aufweisen, werden durch Formen und Backen des Materialpulvers in der obigen Zusammensetzung erhalten, und sie sind leitende Keramikstoffe mit dem volumenspezifischen Widerstand von 10^–1 Ω·cm oder weniger. Im einzelnen können unter Verwendung von Keramikstoffen wie La-Sr-MnO³, La-Ca-MnO³ oder La-Ca-CrO³ beispielsweise Keramikstoffe, die als La_0,2, Ca_0,8, MnO₃, ausgedrückt sind, verwendet werden.
Ein leitendes Mittel enthaltende Keramikstoffe oder Glas sind von sich aus isolierende Keramikstoffe oder Glas, die mit einer Leitfähigkeit versehen sind, indem sie ein leitendes Mittel enthalten. Beispielsweise kann ein Material, das hauptsächlich aus ZrO₂ besteht, und das mindestens ein Metalloxid aus NiO, MnO₂, Fe₂O₃, Cr₂O₃, oder CoO als leitendes Mittel aufweist, eingesetzt werden. Im einzelnen können Keramikstoffe mit 30 bis 60 Gew.% ZrO₂, die ein Stabilisierungsmittel enthalten, und 70 bis 40 Gew.% leitendem Mittel, zum Beispiel NiO, nach dem Backen in einer Oxidationsatmosphäre verwendet werden. Übrigens können Keramikstoffe, die hauptsächlich aus Al₂O₃, SiC, Si₃N₄, etc., bestehen, und ein spezifisches leitendes Mittel enthalten und auf den spezifizierten, volumenspezifischen Widerstand eingestellt sind, verwendet werden. Außerdem kann ein aus amorphem oder kristallinem Glas gefertigtes Material, das 3 bis 50 Gew.% leitendes Mittel, wie zum Beispiel RuO₂ enthält, eingesetzt werden.
Das Cermet ist ein Verbund-Sinterstoff aus einer keramischen Komponente und einer Metallkomponente, und es kann beispielsweise ein Verbund-Sinterstoff verwendet werden, der TiC, TiN oder dergleichen als Keramikkomponente und Fe, Ni, Co oder dergleichen als Metallkomponente enthält, eingesetzt werden.
Wenn übrigens ein anderes Material als amorphes Glas als leitendes anorganisches Material verwendet wird, liegt seine mittlere Kristallteilchengröße vorzugsweise in einem Bereich von 0,8 bis 10 μm (Mikron). Dies liegt daran, dass es bei weniger als 0,8 μm (Mikron) schwer zu backen ist, bis es dicht ist, und eine Degranulation und andere Mängel wahrscheinlich auftreten, wenn es über 10 μm (Mikron) liegt.
Was die Platten 222 und 223 zum Bilden des Kopfsubstrats 202 betrifft, so können verschiedene Materialien eingesetzt werden. Wenn sie beispielsweise aus dem gleichen Material wie die Membran 221 gebildet sind, gibt es keinen Unterschied bei der Wärmedehnung, und ein Zerbrechen im Einsatz kann verhindert werden. Wenn die Platten 222 und 223 andererseits aus isolierenden Keramikstoffen oder Glas gefertigt sind, sind Isoliermaßnahmen notwendig, wenn Metall oder andere leitende Teile um den Kopf angeordnet werden.
Das Material für das piezoelektrische Element 203 besteht hauptsächlich beispielsweise aus Blei-Titan-Zsrkonat (PZT-Reihe), Blei-Magnesium-Niobat (PMN-Reihe), Blei-Nickel-Niobat (PNN-Reihe), Blei-Mangan-Niobat und Blei-Titanat oder ihrem Verbundmaterial.
Außerdem ist die Antriebselektrode 204 beispielsweise aus mindestens einem aus Gold, Silber, Palladium, Platin oder Nickel gebildet.
Bei dem Tintenstrahl-Druckkopf ist es zum Erhalt eines günstigen Ansprechverhaltens der Antriebseinheit mit der Membran 221 erforderlich, die Gestaltung so vorzunehmen, dass die Steifigkeit der Antriebseinheit durch die Struktur der Antriebselektrode 204 und des piezoelektrischen Elements 203 gewährleistet ist, wenn aber die Antriebselektrode 204 oder das piezoelektrische Element 203 extrem dick gemacht werden, kann die Verformung des piezoelektrischen Elements 203 nur schwer in die Auslenkung der Membran 221 umgewandelt werden.
Um unter solchen Einschränkungen eine ausreichende Verformung in der Membran 221 zu erzeugen, während die Starrheit bzw. Steifigkeit der Antriebseinheit beibehalten wird, sollte das Young'sche Modul des leitenden anorganischen Materials zum Bilden der Membran 221 50 bis 300 GPa betragen, und seine Dicke 5 bis 50 μm (Mikron). Ferner beträgt die Dicke des piezoelektrischen Elements 203 vorzugsweise 100 μm (Mikron) oder weniger, und die Dicke der Antriebselektrode 204 auf der Innenseite der Krümmung beim Antrieb 5 μm (Mikron) oder weniger.
Wenn die Membran 221 verformt wird, kann übrigens die Membran 221 infolge Beanspruchung zerbrechen. Um eine freie strukturelle Gestaltung der Membran 221 zu realisieren, während eine Abnahme der Zuverlässigkeit infolge eines Zerbrechens des Kopfs verhindert wird, beträgt die Stärke des leitenden anorganischen Materials zur Bildung der Membran 221 vorzugsweise 80 MPa oder mehr.
Nachstehend wird ein erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren des Tintenstrahl-Druckkopfs beschrieben.
Zunächst wird das gleiche Material wie bei der oben genannten Membran 221 oder eine Rohlingslage, die aus isolierendem Keramikstoff oder Glas gefertigt ist, durch ein Dosierklingenverfahren oder ein Eintauchverfahren gebildet, Abschnitte, die der Ausstoßöffnung 206, den Tintenkammern 201 und den Tintendurchgängen entsprechen, werden unter Verwendung einer Form gestanzt, Lagenformen von Platten 222, 223 werden hergestellt und Rohlingslagen werden als Membran 221 aus den leitenden anorganischen Materialien geschichtet und die Gesamtstruktur komprimiert und gebacken, womit das Kopfsubstrat 202 gebildet wird. Anschließend wird auf der jeder Tintenkammer 201 entsprechenden Membran 221 ein piezoelektrisches Material als piezoelektrisches Element 203 durch ein Dickschicht-Ausbildungsverfahren gebildet und gebacken, und eine leitende Paste für die obere Antriebselektrode 204 wird darauf durch Aufdrucken oder eine weitere Dickschicht-Ausbildungsmethode oder durch Aufdampfen, Sputtern oder eine weitere Dünnschicht-Ausbildungsmethode gebildet.
Als Bildungsverfahren des piezoelektrischen Elements 203 können Rohlingslagen geschichtet werden, oder eine dünne Schicht kann durch CVD oder ein anderes Verfahren gebildet werden. Als Form des piezoelektrischen Elements 203 wird jedes Ende in 11 gekoppelt, es kann aber auch unabhängig ausgebildet werden. Um das piezoelektrische Element 203 in die in 11 gezeigte Form zu bringen, umfasst das Verfahren eine Methode des Aufbringens auf die gesamte Oberfläche, des Maskierens und des Entfernens unnötiger Teile durch Sandstrahlen oder eine Umkehrmethode der Maskierung spezifischer Positionen auf der Membran 221 und des Aufbringens des piezoelektrischen Elements 203 an den anderen Positionen.
Als Material für die Membran 221 oder dergleichen, wenn ein Material, das leitendes Nicht-Oxid wie Cermet enthält, verwendet wird, wird ebenso wie oben erwähnt das Kopfsubstrat 202 hergestellt und in einer reduzierenden Atmosphäre gesintert. Später wird das piezoelektrische Element 203 auf der Membran 221 ausgebildet, und das aus Nicht-Oxid gefertigte Kopfsubstrat 202 wird in einem Niedertemperaturbereich gebacken, so dass es nicht oxidiert wird, und die mit niedriger Temperatur gebackene Antriebselektrode 204 wird darauf durch Siebdruck oder ein anderes Dickschicht-Bildungsverfahren oder durch Aufdampfen, Sputtern oder ein anderes Dünnschicht-Bildungsverfahren ausgebildet.
Um das Kopfsubstrat 202 herzustellen, kann indessen außer dem oben erwähnten Verfahren ein Gussverfahren unter Verwendung eines Harzmusters ebenfalls angewandt werden.
Auf diese Weise wird bei dem Tintenstrahl-Druckkopf, der ein gemäß der Erfindung hergestelltes Element einsetzt, das piezoelektrische Element 203 direkt auf der Membran 221 angeordnet, ohne eine untere Elektrode zu bilden, so dass der Herstellungsprozess vereinfacht werden kann.
Der Tintenstrahl-Druckkopf ist nicht auf die in 11 gezeigte Struktur beschränkt, sondern die Form und Position der Tintenkammern 201 der Ausstoßöffnung 206 können frei verändert werden.
Ausführungsform 5
Durch eine Versuchsproduktion des Tintenstrahl-Druckkopfs gemäß 11 wurde ein Antriebstest durch Variieren des volumenspezifischen Widerstands des Materials zur Bildung der Membran 221 durchgeführt.
Die Membran 221 wurde aus leitenden Keramikstoffen gebildet, die aus Perovskit-Oxid mit verschiedenen volumenspezifischen Widerstandswerten, wie sie unten angegeben sind, bestand, wobei die Menge des der Tintenkammer 201 entsprechenden Abschnitts 1 mm in der Längsrichtung und 0,2 mm in der Breitenrichtung betrug und die Dicke 15 Mikron betrug. Die Dicke des piezoelektrischen Elements 203 betrug 30 μm (Mikron), die Anzahl der Antriebseinheiten war 5, die angelegte Spannung betrug 70 V und die Welle war rechteckig bei 1 kHz.
Unter den obigen Bedingungen wurde durch kontinuierliches Durchschicken eines spezifischen Stroms zu der Membranseite 221 zur Herstellung eines spezifischen Potentials eine Spannung an die Antriebselektrodenseite 204 angelegt und das piezoelektrische Element 203 wurde angetrieben. Falls bei einem kontinuierlichen Antrieb über 5 Minuten der Temperaturanstieg über 10°C beträgt, ist die Tintenausstoßleistung nicht stabil und der Druckerkopf wird nicht bevorzugt. Falls die Fluktuation der Verschiebung unter den Antriebseinheiten über 20% beträgt, wird dies als mangelhafte Antriebsleistung ausgewertet. Die Ergebnisse sind wie folgt:
Bei diesen Ergebnissen war eine starke Fluktuation der Verschiebung unter Antriebseinheiten zu bemerken, wenn der volumenspezifische Widerstand der Membran 221 größer als 1,0 × 10^–1 Ω·cm war, was daran lag, dass eine Potentialdifferenz unter den Einheiten auftritt, wenn Strom in die Membran 221 geschickt wird. Wenn übrigens der Temperaturanstieg der Membran 221 extrem ist, verändert sich die Tintenviskosität durch wärme und die Ausstoßeigenschaft variiert, und die Druckleistung des Druckers ist nicht mehr stabil. Bei kontinuierlichem Antrieb über 5 Minuten betrug der Temperaturanstieg der Membran 10°C oder weniger in allen Proben, und unter Berücksichtigung der Stabilität des Druckers bei längerem kontinuierlichem Einsatz und der Antriebsleistung des Kopfs lag der volumenspezifische Widerstand der Membran 221 vorzugsweise in einem Bereich von 1,0 × 10^–1 Ω·cm oder weniger.
Ausführungsform 6
Ebenso wie oben wurde unter der zusätzlichen Hinzufügung von RuO₂ zu dem Glas als Material für die Membran 221 der Gehalt an RuO₂ und dessen Eignung als das Material für die Membran 221 untersucht.
Wenn der Gehalt an RuO₂ im Bereich von 3 bis 50 Gew.% liegt, ergibt sich als Ergebnis der volumenspezifische Widerstand in einem Bereich von 10^–1 bis 10^–2 Ω·cm, und er stellt sich als ausgezeichnet heraus, wie unten angegeben ist.

RuO₂-Gehalt (Gew.%) Eignung als Membran

weniger als 3% Widerstand ist hoch, daher ungeeignet

3 bis 50% Angemessen

50% oder darüber Materialstärke ist gering, daher ungeeignet
Ausführungsform 7
Ebenso wie oben wurde als das Material für die Membran 221 ein Material eingesetzt, das hauptsächlich aus ZrO₂ bestand und NiO als leitendes Mittel enthielt, und der Gehalt an NiO wurde variiert und der volumenspezifische Widerstand gemessen.
Die Ergebnisse sind wie folgt. Wenn der NiO-Gehalt 40 Gew.% oder mehr betrug, war der volumenspezifische Widerstand 10^–1 Ω·cm oder weniger. Wenn andererseits der NiO-Gehalt 70 Gew.% überstieg, fiel die Materialstärke ab und somit lag der Gehalt an NiO vorzugsweise in einem Bereich von 40 bis 70 Gew.%.
Ausführungsform 8
Die Dicke der Membran 221 und des piezoelektrischen Elements 203 wurden verändert und die Verschiebung der Membran 221 und die maximale erzeugte Beanspruchung wurden durch die finite Elementemethode bestimmt. Die folgenden Proben wurden vorbereitet.

Probe A: Membran 221 mit einer Abmessung in der Längsrichtung von 1 mm, in der Breitenrichtung von 0,2 mm, einer Dicke von 1 bis 20 μ (Mikron), einem piezoelektrischen Element 203 mit einer Dicke von 30 μm (Mikron), angelegte Spannung von 70 V;
Probe B: Membran 221 mit einer Abmessung in der Längsrichtung von 3 mm, in der Breitenrichtung von 0,5 mm, einer Dicke von 15 bis 35 μm (Mikron), einem piezoelektrischen Element 203 mit einer Dicke von 50 μm (Mikron), angelegte Spannung von 100 V;
Probe C: Membran 221 mit einer Abmessung in der Längsrichtung von 5 mm, in der Breitenrichtung von 0,7 mm, einer Dicke von 30 bis 70 μm (Mikron), einem piezoelektrischen Element 203 mit einer Dicke von 100 μm (Mikron), angelegte Spannung von 200 V;

Bei allen Proben betrug das Young'sche Modul des Materials für die Membran 221 150 GPa, und die Antriebselektrode 204 wurde nicht verwendet. Die Ergebnisse sind wie folgt.
Probe A (minimal gestattete Membranverschiebung 0,1 μm (Mikron)
Probe B (minimal gestattete Membranverformung 0,02 μm (Mikron)
Probe C (minimal gestattete Membranverformung 0,01 μm (Mikron)
Bei den Proben A bis C ist die Verformung, wenn die Membran 221 dünner ist, größer, aber die in der Membran 221 auftretende maximale Beanspruchung wird höher und die Membran 221 zerbricht leicht. Demgemäss ist es notwendig, um eine Beschädigung der Membran 221 zu verhindern, während eine spezifische Verformung beibehalten wird, die Dicke in geeigneter Weise festzusetzen, indem die Biegefestigkeit des Materials definiert wird. Hierbei wurde die Biegefestigkeit des Materials 221 auf 80 MPa oder mehr festgelegt, und unter weiterer Berücksichtigung der Zuverlässigkeit der Membran 221 wurde eine geeignete Gestaltung der Membran festgelegt, so dass die erzeugte Beanspruchung bei 120 MPa oder weniger lag.
Bei diesen Proben A bis C ist bei größerer Fläche der Membran 221 die erforderliche Verformung der Membran 221, um eine spezifizierte Tintenmenge auszustoßen, in umgekehrter Proportion kleiner, und somit wurde die Dicke der Membran 221 schrittweise in Abhängigkeit von der Fläche bestimmt. Um eine Beschädigung zu verhindern, während bei jeder Form die Verformung beibehalten wurde, wurde die Dicke der Membran 221 auf Wunsch in einem Bereich von 5 bis 50 μm (Mikron) festgesetzt.
Ausführungsform 9
Ebenso wie bei der Ausführungsform 4 wurde das Young'sche Modul der Membran 221 verglichen. Die folgenden Proben wurden vorbereitet.

Probe D: Membran 221 mit einer Abmessung in der Längsrichtung von 1 mm, in der Breitenrichtung von 0,2 mm, einer Dicke von 15 μm (Mikron), einem piezoelektrischen Element 203 mit einer Dicke von 30 μm (Mikron), angelegte Spannung von 70 V;
Probe E: Membran 221 mit einer Abmessung in der Längsrichtung von 3 mm, in der Breitenrichtung von 0,5 mm, einer Dicke von 25 μm (Mikron), einem piezoelektrischen Element 203 mit einer Dicke von 50 μm (Mikron), angelegte Spannung von 100 V;
Probe F: Membran 221 mit einer Abmessung in der Längsrichtung von 5 mm, in der Breitenrichtung von 0,7 mm, einer Dicke von 50 μm (Mikron), einem piezoelektrischen Element 203 mit einer Dicke von 100 μm (Mikron), angelegte Spannung von 200 V.

Das Young'sche Modul des Materials für die Membran 221 betrug 40, 80, 150, 200 und 250 GPa, und die Antriebselektrode 204 wurde nicht eingesetzt. Die Ergebnisse sind wie folgt.
Probe D (minimal zulässige Membranverformung 0,1 μm (Mikron), Eigenfrequenz 250 kHz oder mehr
Probe E (minimal zulässige Membranverformung 0,02 μm (Mikron), Eigenfrequenz 100 kHz oder mehr
Probe F (minimal zulässige Membranverformung 0,01 μm (Mikron), Eigenfrequenz 100 kHz oder mehr
Wenn die Eigenfrequenz der Membran 221 niedriger wird, fällt das Ansprechverhalten ab und die Anzahl, wie oft Tinte pro Zeiteinheit ausgestoßen wird, nimmt ab, und damit auch die Druckgeschwindigkeit. Hierbei wurde durch Variieren des Young'schen Moduls des Materials für die Membran 221 die Eigenfrequenz der Membran 221 als der Index des Ansprechverhaltens ausgewertet.
Durch Erhöhen des Young'schen Moduls der Membran 221 erhöht sich die Eigenfrequenz, aber die Membran 221 wird weniger wahrscheinlich verformt und eine erforderliche Verformung kann nicht erhalten werden. Bei diesen Ergebnissen wird als geeignet bewertet, wenn sowohl Ansprechverhalten als auch Verformung bei jeder Form der Membran 221 zielt werden, aber im Hinblick auf einen möglichen Korrekturbereich durch eine Gestaltungsänderung beträgt ein angemessener Bereich des Young'schen Moduls der Membran 221 50 bis 300 GPa, vorzugsweise 50 bis 220 GPa.
Ausführungsform 10
Ebenso wie bei der obigen Ausführungsform wurde die Dicke der Antriebselektrode 204 verglichen. Die folgenden Proben wurden vorbereitet.

Probe G: Membran 221 mit einer Abmessung in der Längsrichtung von 1 mm, in der Breitenrichtung von 0,2 mm, einer Dicke von 15 μm (Mikron), einem piezoelektrischen Element 203 mit einer Dicke von 30 μm (Mikron), angelegte Spannung von 70 V;
Probe H: Membran 221 mit einer Abmessung in der Längsrichtung von 3 mm, in der Breitenrichtung von 0,5 mm, einer Dicke von 25 μm (Mikron), einem piezoelektrischen Element 203 mit einer Dicke von 50 μm (Mikron), angelegte Spannung von 100 V;
Probe I: Membran 221 mit einer Abmessung in der Längsrichtung von 5 mm, in der Breitenrichtung von 0,7 mm, einer Dicke von 50 μm (Mikron), einem piezoelektrischen Element 203 mit einer Dicke von 100 μm (Mikron), angelegte Spannung von 200 V.

Das Young'sche Modul des Materials für die Membran 221 betrug 240 GPa, das Young'sche Modul der Antriebselektrode 204 betrug 100 GPa und seine Dicke wurde auf 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 Mikron festgelegt. Die Ergebnisse waren wie folgt.
In den Ergebnissen bedeutet (ungeeignet) eine ungenügende Verformung. Somit wird durch die Starrheit bzw. Steifigkeit der Antriebselektrode 204 eine Biegeverformung der Membran 221 durch das piezoelektrische Element 203 unterdrückt, und dies hat Auswirkungen auf die Tintenausstoßleistung im Kopf, und es bestätigt sich, dass die Antriebseigenschaft um so besser ist, je dünner die Antriebselektrode 204 ist. Insbesondere wenn die Membran 221 selbst dünn ist, ist dieser Effekt bemerkenswert. Übrigens wird, wenn die Gesamtdicke der Membran 221 mit dem piezoelektrischen Element 203 und anderem größer wird, das Verhältnis der Platzeinnahme der Dicke der Antriebselektrode 204 in ihr kleiner, und der Effekt auf die Verformung der Membran 221 wird geringer.
Wie aus diesen Ergebnissen hervorgeht, liegt die Dicke der Antriebselektrode 204, um eine geeignete Verformung jeder Membran 221 beizubehalten, bei 5 μm (Mikron) oder weniger.
Ausführungsform 11
Ebenso wie bei der obigen Ausführungsform wurde die Dicke des piezoelektrischen Elements 203 verglichen. Die folgenden Proben wurden vorbereitet.

Probe J: Membran 221 mit einer Abmessung in der Längsrichtung von 1 mm, in der Breitenrichtung von 0,2 mm, einer Dicke von 1 bis 20 μm (Mikron), einem piezoelektrischen Element 203 mit einer Dicke von 20, 30, 40 μm (Mikron), angelegte Spannung von 70 V;
Probe K: Membran 221 mit einer Abmessung in der Längsrichtung von 3 mm, in der Breitenrichtung von 0,5 mm, einer Dicke von 15 bis 35 μm (Mikron), einem piezoelektrischen Element 203 mit einer Dicke von 40, 50, 60 μm (Mikron), angelegte Spannung von 100 V;
Probe L: Membran 221 mit einer Abmessung in der Längsrichtung von 5 mm, in der Breitenrichtung von 0,7 mm, einer Dicke von 30 bis 70 μm (Mikron), einem piezoelektrischen Element 203 mit einer Dicke von 80, 100, 120 μm (Mikron), angelegte Spannung von 200 V.

Die Ergebnisse sind wie folgt:
Probe J (minimal gestattete Membranverformung 0,1 μm (Mikron)
Probe K (minimal gestattete Membranverformung 0,02 μm (Mikron)
Probe L (minimal gestattete Membranverformung 0,01 μm (Mikron)
Wie sich aus den Ergebnissen ergibt, nimmt die Verformung ab, wenn sich die Dicke des piezoelektrischen Elements 203 erhöht. Dies liegt daran, dass das piezoelektrische Element 203, wenn seine Dicke zunimmt, als Rückhalteelement gegenüber der Verformung der Membran 221 wirkt und das auf das piezoelektrische Element 203 einwirkende elektrische Feld (Spannung/Distanz zwischen Elektrode (d. h. Dicke des piezoelektrischen Elements 203)) geringer wird, so dass die Verformung des piezoelektrischen Elements 203 kleiner wird. Daher ist es bei größerer Dicke des piezoelektrischen Elements 203, um eine notwendige Verformung in der Membran 221 zu erzeugen, notwendig, die angelegte Spannung zu erhöhen, was zu einer Zunahme des Energieverbrauchs und einer Wärmeerzeugung in der Antriebsschaltung führt und bei der Gestaltung nicht bevorzugt wird. In Anbetracht solcher Auswirkungen wird hier die Dicke des piezoelektrischen Elements 203 bevorzugt im Bereich von 100 μm (Mikron) definiert.
Somit ist bei Verwendung eines gemäß der Erfindung hergestellten Elements bei dem Tintenstrahl-Druckkopf mit mehreren Tintenkammern, einer mit den Tintenkammern in Verbindung stehenden Ausstoßöffnung und einer Membran zum. Beaufschlagen eines Drucks auf die Tintenkammern die Membran aus leitendem anorganischem Material gebildet, ein piezoelektrisches Element ist an die Membran gebondet und eine Antriebselektrode ist auf dem piezoelektrischen Element ausgebildet, wobei die untere Elektrode nicht benötigt wird, die Verformung des piezoelektrischen Elements in günstiger Weise auf die Membran übertragen wird und das Herstellungsverfahren vereinfacht wird.
Infolgedessen kann der Kopf mit ausgezeichneten Antriebseigenschaften einfach hergestellt werden.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Elements mit mindestens einer ultrafeinen Rille bzw. Nut, die zwischen gegenüberliegenden Trennwänden (12; 22) festgelegt ist, mit den Schritten: Einbringen eines Gemischs (12') aus Pulver von Keramikstoffen, Glas, Silizium oder dergleichen und einem Bindemittel, das aus einem Lösemittel und einem organischen Zusatz gebildet ist, in eine Gussform (19) mit einer Ausnehmung (19a), die der Form der Trennwände (12; 22) entspricht, Herstellen eines Substrats (11; 21), das aus Keramikstoffen, Glas, Silizium oder dergleichen aufgebaut ist, und Bonden und Integrieren des Gemischs (12') mit dem Substrat (11; 21).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Gemisch (12') an das Substrat (11; 21) gebondet wird, während das Gemisch (12') und/oder das Substrat (11; 21) sich in einem ungebackenen Zustand, in einem bindemittellosen Zustand oder in einem gesinterten Zustand befindet/befinden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, ferner mit dem Schritt des Verfestigens des Gemischs (12') durch Reaktionshärten oder durch Trocknen nach dem Anhaften des Substrats (11; 21) an der Oberfläche des Gemischs (12') in der Gussform, Entfernen des Substrats (11; 21) und des an diesem anhaftenden Gemischs (12') aus der Gussform vor dem Bonden und Integrieren des Gemischs (12') mit dem Substrat (11).
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, ferner mit dem Schritt des Verfestigens des Gemischs (12') durch Reaktionsaushärten oder durch Trocknen, Entfernen des Gemischs (12') aus der Gussform, bevor es an das Substrat (11; 21) angeheftet wird, und Bonden und Integrieren des Gemischs (12') mit dem Substrat (11; 21).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner mit den Schritten des Entfernens des Bindemittels entweder nach oder vor dem Anhaften des Gemischs (12') an das Substrat (11; 21), und Backens des an dem Substrat (11; 21) haftenden Gemischs (12').
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Element mit einer Vielzahl von Rillen bzw. Nuten ausgebildet ist, die als Durchgänge zwischen mehreren gegenüberliegenden, in der gleichen Richtung angeordneten Trennwänden (12; 22) festgelegt sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das. Element mit dem als eine flache Platte oder eine Membran ausgebildeten Substrat (21) ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die als Membran ausgebildete Halterungsplatte (21) aus einem leitenden anorganischen Material gefertigt ist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das leitende anorganische Material einen volumenspezifischen Widerstand von 1 × 10^–1 Ω·cm oder weniger aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei das leitende anorganische Material irgendeines aus leitenden Keramikstoffen, Keramikstoffen, Glass und Cermet, die ein leitendes Mittel enthalten, ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Partikelgröße des Pulvers aus Keramikstoffen, Glas, Silizium oder dergleichen, das für das Gemisch (12') verwendet wird, im Bereich von 0,2 bis 10 μm, vorzugsweise im Bereich von 0,2 bis 5 μm, liegt.
Anwendung eines gemäß dem in einem der Ansprüche 1 bis 11 definierten Verfahren hergestellten Elements als Vorläuferteil für einen Tintenstrahldruckerkopf.