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Die
Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Aktor für einen
Tintenstrahldruckkopf, mit:
- – einem
Körper
aus einem piezoelektrischen Material, der eine Bodenfläche aufweist, über welche die
mechanische Energie des Aktors auf ein Empfangselement übertragen
wird, wobei der Körper einen
an die Bodenfläche
angrenzenden aktiven Teil sowie einen inaktiven Teil aufweist;
- – einer
geschichteten Struktur aus abwechselnden Signalelektroden und Masseelektroden,
die parallel zu der Bodenfläche
in dem aktiven Teil angeordnet und durch Schichten des piezoelektrischen
Materials getrennt sind;
- – einer
geschichteten Struktur aus abwechselnden Hilfselektroden und Masseelektroden,
die parallel zu der Bodenfläche
in dem inaktiven Teil angeordnet und durch Schichten des piezoelektrischen
Materials getrennt sind;
- – wenigstens
einer Signalleitungselektrode, die an einer ersten Seite des Körpers ausgebildet
ist und die Signalelektroden verbindet;
- – einer
Masseleitungselektrode, die auf einer zweiten, der ersten Seite
entgegengesetzten Seite ausgebildet ist und die Masseelektroden
verbindet; und
- – und
einer Hilfsleitungselektrode, die an einer dritten Seite des Körpers 24 ausgebildet
ist und die Hilfselektroden verbindet.
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JP-09
156 100 A beschreibt einen Aktor dieses Typs, bei dem der aktive
Teil und der inaktive Teil Seite an Seite angeordnet sind und beide
an die Bodenfläche
des Körpers
angrenzen.
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Ein
Aktor dieses Typs dient dazu, flüssige Tinte
in einem Tintenstrahldruckkopf unter Druck zu setzen, so daß Tintentröpfchen aus
Düsen des Druckkopfes
ausgestoßen
werden können.
Typischerweise hat der Druckkopf eine lineare Zeile von Düsen, und
jede Düse
ist mit einem Tintenkanal verbunden, der mit Tinte gefüllt ist.
Die Tintenkanäle
sind parallel zueinander angeordnet und durch ein blattförmiges Empfangselement
abgedeckt, das an der Bodenfläche
des Aktors befestigt ist, so daß es
entsprechend den Expansions- und Kontraktionshüben des Aktors deformiert werden
kann, um die Tinte in den Tintenkanälen unter Druck zu setzen.
Der aktive Teil des piezoelektrischen Körpers ist in eine Vielzahl paralleler
Finger aufgeteilt, die jeweils einem der einzelnen Tintenkanäle zugeordnet
sind und durch Teilungsschnitte voneinander getrennt sind, die in
die Bodenfläche
des Körpers
eingeschnitten sind.
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Der
inaktive Teil des Körpers
bildet eine brückenartige
Struktur, die die Finger auf der der Bodenfläche entgegengesetzten Seite
miteinander verbindet.
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Die
Signalleitungselektroden sind den jeweiligen Fingern einzeln zugeordnet,
so daß ein
Tintentröpfchen
aus einer ausgewählten
Düse erhalten werden
kann, indem eine Spannung zwischen der zugehörigen Signalleitungselektrode
und der Masseleitungselektrode angelegt wird.
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Der
inaktive Brückenteil
des piezoelektrischen Körpers
dient als ein Abstützelement,
das die Reaktionskräfte
der aktiven Aktorfinger aufnimmt und auch den Herstellungsprozeß erleichtert,
indem es die Herstellung einer Vielzahl von Fingern in einer einstückigen Konstruktion
ermöglicht,
einfach durch Ausbildung von Teilungsschnitten in dem piezoelektrischen
Körper.
Die Hilfselektroden in dem inaktiven Teil werden nicht benötigt, wenn
der Druckkopf in Betrieb ist. Diese Hilfselektroden werden nur bei
dem Prozeß der
Herstellung des Aktors benötigt.
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Wie
im Stand der Technik bekannt ist, muß eine piezoelektrische Einrichtung,
die z. B. aus piezoelektrischer Keramik hergestellt ist, während des Herstellungsprozesses
polarisiert werden, damit sie den gewünschten piezoelektrischen Effekt
zeigt. Dieser Polarisationsschritt geht einher mit einer anisotropen
Schrumpfung oder Dehnung des pizeoelektrischen Materials. Wenn nur
der aktive Teil polarisiert würde,
würde sich
deshalb der piezoelektrische Körper
als Ganzes wie ein bimorphes Element verhalten und würde in unerwünschter
Weise verzogen oder sogar zerbrechen. Dies ist der Grund, weshalb
die Hilfselektroden benutzt werden, um auch den inaktiven Teil des
piezoelektrischen Körpers
zu polarisieren.
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4 zeigt
ein Beispiel eines Druckkopfes 10, in dem ein kommerziell
erhältlicher
piezoelektrischer Aktor 12 verwendet wird.
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Der
Druckkopf 10 weist ein Tragelement 14 auf, auf
dem eine Kanalplatte 16 angeordnet ist. In der oberen Oberfläche der
Kanalplatte 16 sind mehrere parallele Tintenkanäle 18 gebildet.
In 4 ist nur einer dieser Tintenkanäle 18 gezeigt.
Ein Ende des Tintenkanals 18 ist als eine Düse 20 ausgebildet, von
der Tintentröpfchen
ausgestoßen
werden sollen. Das rückwärtige Ende
des Tintenkanals ist mit einem Tintenzufuhrsystem (nicht gezeigt)
verbunden, das in dem Tragelement 14 untergebracht ist.
Ein Empfangselement 22 ist als ein dünnes flexibles Blatt ausgebildet
und so auf die Kanalplatte 16 aufgelegt, daß es sämtliche
Tintenkanäle 18 und
Düsen 20 bedeckt.
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Der
Aktor 12 weist einen Körper 24 auf,
der aus piezoelektrischer Keramik hergestellt ist und als ein Quader
geformt ist, mit einer Bodenfläche 26,
die an dem Empfangselement 22 fixiert ist. Der an die Bodenfläche 26 angrenzende
Teil des Körpers 24 ist in
eine Vielzahl von Fingern 28 unterteilt, die parallel zueinander
und zu den Tintenkanälen 18 angeordnet sind.
Jeder Finger 28 ist direkt über einem der Tintenkanäle 18 angeordnet.
In 4 ist jedoch zu sehen, daß der Körper 24 und auch seine
Finger 28 auf der den Düsen 20 entgegengesetzten
Seite über
die Tintenkanäle 18 hinausragen.
Nur der Teil der Finger 28, der über den Tintenkanälen 18 liegt,
ist als ein aktiver Teil 30 des piezoelektrischen Aktors
ausgebildet. Dieser aktive Teil 30 weist eine geschichtete
Struktur auf, mit abwechselnden Signalelektroden 32 und Masseelektroden 34.
Die Masseelektroden 34 erstrecken sich nur über den
aktiven Teil 30, während
sich die Signalelektroden 32 über die gesamte Länge des Körpers 24 erstrecken
und somit auch in einem inaktiven Teil 36 vorhanden sind,
der gegenüber
den Tintenkanälen 18 versetzt
ist.
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Der
Teil des Körpers 24,
der die einzelnen Finger 28 überbrückt und sich oberhalb des aktiven Teils 30 befindet,
bildet einen weiteren inaktiven Teil 38. Dieser inaktive
Teil 38 enthält
eine geschichtete Struktur mit abwechselnden Masselektroden 34 und Hilfselektroden 40.
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All
die Elektroden 32, 34 und 40 werden durch
ebene rechteckige Blätter
aus leitfähigem
Material gebildet, die parallel zu der Bodenfläche 26 des Körpers 24 angeordnet
und durch Schichten aus keramischem Material voneinander getrennt
sind. Die Signalelektroden 32 jedes Fingers 28 sind
miteinander verbunden durch eine Signalleitungselektrode 42,
die an einer hinteren Seitenfläche
des Körpers 24 ausgebildet
ist, d. h., der Seitenfläche,
die von den Düsen 20 abgewandt
ist. Ähnlich
sind all die Masseelektroden 34 in dem aktiven Teil 30 und
dem inaktiven Teil 38 durch eine gemeinsame Masseleitungselektrode 44 verbunden,
die an der vorderen Seitenfläche des
Körpers 24 ausgebildet
ist. Die Hilfselektroden 40 sind durch eine gemeinsame
Hilfsleitungselektrode 46 verbunden, die wieder auf der
hinteren Seitenfläche
des Körpers 24 ausgebildet,
jedoch von den Signalleitungselektroden 42 durch eine Lücke 48 getrennt
ist.
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Die
Signalleitungselektroden 42 und die Masseleitungselektroden 44 sind
mit jeweiligen Kontaktelektroden 50 und 52 verbunden,
die an der Bodenfläche 26 des
Körpers 24 ausgebildet
sind. Die Kontaktelektrode 52 erstreckt sich über die
hinteren Enden der Tintenkanäle 18 hinaus.
All die Kontaktelektroden 50 und 52 sind über elektrische
Leitungen, die auf einem Verbindungsteil 54 ausgebildet
sind, elektrisch mit einer (nicht gezeigten) Steuerschaltung verbunden.
Das Verbindungsteil 54 wird durch eine flexible Folie gebildet,
die sandwichartig zwischen der Bodenfläche 26 des Körpers 24 und
dem Empfangselement 22 unterhalb des inaktiven Teils 36 liegt.
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Wenn
einer der Signalleitungselektroden 42 über die zugehörige Kontaktelektrode 50 und
das Verbindungsteil 54 ein erregendes Signal zugeführt wird,
so führt
der aktive Teil 30 des betreffenden Fingers 28 einen
Expansionshub aus, so daß das
Empfangselement 22 nach unten durchgebogen wird und die
in dem Tintenkanal 18 enthaltene Tinte unter Druck setzt
und dadurch ein Tintentröpfchen
aus der Düse 20 ausstößt. Um Verluste
bei der mechanischen Energie zu vermeiden, die auf das Empfangselement 22 übertragen
wird, ist es bevorzugt, daß das
Verbindungsteil 54 nicht zwischen dem aktiven Teil 30 des
Aktors und dem Empfangselement 22 vorhanden ist, sondern
nur weiter hinten als die Tintenkanäle 18. Der Körper 24 ist
nach hinten über
die Tintenkanäle 18 hinaus
verlängert
worden, damit eine ausreichende Kontaktfläche zwischen den Kontaktelektroden 50 und 52 und
dem Verbindungsteil 54 gebildet wird. Da sich das Empfangselement 22 in
diesem Bereich nicht nach unten durchbiegen kann, weil es durch
die Kanalplatte 16 abgestützt wird, ist der Teil 36 des
Körpers 24 inaktiv
und enthält
keine Masseleketroden 34.
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Es
vesteht sich, daß bei
dem in 4 gezeigten herkömmlichen Aktor 12 das
Verbindungsteil 54 an der Bodenfläche 26 anliegen muß, weil
die vorderen und hinteren Seitenflächen des inaktiven oberen Teils
des Körpers 24 durch
die Masseleitungselektrode 44 und die Hilfsleitungselektrode 46 belegt sind,
die während
des Polarisationsschrittes dazu benötigt werden, die Masseelektroden 34 und
die Hilfselektroden 40 in dem inaktiven Teil 38 anzuschließen.
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EP-A-0
757 939 beschreibt eine Aktor, der in eine Vielzahl von piezoelektrischen
Fingern unterteilt ist, die auf der der Bodenfläche entgegengesetzten Seite
durch einen brückenartigen
Teil verbunden sind. In dem brückenartigen
Teil sind keine Elektroden vorgesehen.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen piezoelektrischen
Aktor zu schaffen, der mehr konstruktive Freiheit bietet, wenn der
Aktor in einem Tintenstrahldruckkopf verwendet wird.
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Diese
Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Die
Erfindung hat den Vorteil, daß die
ersten und zweiten Seitenflächen
des Blockes in ihrer Gesamtheit für den Anschluß der Signalelektroden
und der Masseelektroden benutzt werden können, was mehr Wahlfreiheit
hinsichtlich der Position ermöglicht,
in der ein Verbindungsteil an den piezoelektrischen Block anzuschließen ist.
Insbesondere kann sich das Verbindungsteil in einer von der Bodenfläche entfernten
Position an den Block anschließen,
z. B. auf der der Bodenfläche
entgegengesetzten Oberseite.
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In
einem piezoelektrischen Druckkopf muß der Aktor fest mit dem Empfangselement
verbunden sein, weil der Aktor in der Lage sein muß, nicht
nur Expansionshübe,
sondern auch Kontraktionshübe auszuführen, um
Tinte in den Tintenkanal einzusaugen. Im Hinblick auf die extrem
kleinen Breitenabmessungen der Tintenkanäle und der zugehörigen piezoelektrischen
Finger ist dieser Verbindungsschritt eine ziemlich problematische
Prozedur. Die Verbindung erfolgt normalerweise mit Hilfe eines Klebers,
der bei hohen Temperaturen ausgehärtet werden muß. Wenn
eine dünne
Folie, die als das Verbindungsteil dient, sandwichartig zwischen
dem Aktor und dem Empfangselement angeordnet ist, kann somit dieses
Verbindungsteil durch die bei dem Klebeschritt einwirkende Hitze
zerstört
werden. Dieses Problem läßt sich
durch die Konstruktion gemäß der vorliegenden
Erfindung einfach vermeiden, weil sie es gestattet, das Verbindungsteil
an der Oberseite des piezoelektrischen Körpers anzubringen, nachdem
der Aktor mit dem Empfangselement verbunden worden ist und der Kleber
ausgehärtet
ist. Dies bietet den bemerkenswerten zusätzlichen Vorteil, daß elektronische
Komponenten, die durch hohe Temperaturen zerstört würden, auf dem Verbindungsteil
integriert werden können.
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Wenn
das Verbindungsteil nicht mehr sandwichartig zwischen dem Aktor
und dem Empfangselement angeordnet zu werden braucht, besteht außerdem keine
Notwendigkeit mehr, den piezoelektrischen Körper des Aktors über die
Tintenkanäle
hinaus zu verlängern.
Somit kann der Aktor so verkürzt werden,
daß er
nur oberhalb der Tintenkanäle
liegt, und er braucht keinen inaktiven Teil mehr aufzuweisen, der
an die Bodenfläche
angrenzt. Infolgedessen wird der Aktor kompakter und kostengünstiger.
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Speziellere
wahlfreie Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ein Tintenstrahldruckkopf mit dem erfindungsgemäßen Aktor ist Gegenstand des
Anspruchs 8.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung werden nun anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert, in
denen zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines Tintenstrahldruckkopfes mit einem
piezoelektrischen Aktor gemäß der Erfindung,
wobei Teile zu Illustrationszwecken weggebrochen sind;
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2 eine
perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen Blockes, der weiter
bearbeitet werden muß,
um den Aktor gemäß 1 zu
bilden;
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3 einen
piezoelektrischen Aktor gemäß einer
anderen Ausführungsform
der Erfindung; und
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4 einen
Druckkopf mit einem herkömmlichen
Aktor.
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Der
in 1 gezeigte Tintenstrahldruckkopf 10 hat
den gleichen allgemeinen Aufbau wie der Druckkopf, der bereits im
Zusammenhang mit 4 beschrieben wurde. Gleiche
Teile sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und bezüglich Einzelheiten
der Komponenten, die bereits beschrieben wurden, wird auf den Einleitungsteil
dieser Beschreibung verwiesen.
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Der
hauptsächliche
Unterschied zwischen den in 4 und 1 gezeigten
Druckköpfen
besteht darin, daß in 1 der
erfindungsgemäße piezoelektrische
Aktor 12 verwendet worden ist und daß das Verbindungsteil 54 an
der Oberseite des Körpers 24 des
Aktors angebracht ist. Dementsprechend sind die Kontaktelektroden 50 und 52 auf
der Oberseite des Körpers 24 ausgebildet
und mit den Signalelektroden 32 und den Masseelektroden 34 durch
Signalleitungselektroden 42 bzw. Masseleitungselektroden 44 verbunden,
die sich über
die gesamte Höhe
der hinteren und vorderen Seitenflächen des Blockes 24 erstrecken.
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Die
Hilfselektroden 40 müssen
natürlich elektrisch
von den Signalleitungselektroden 42 und den Masseleitungselektroden 44 isoliert
sein und können
deshalb weder zur hinteren Seitenfläche noch zur vorderen Seitenfläche des
Blockes 24 herausgeführt
sein. Stattdessen sind diese Hilfselektroden 40 zu einer
oder beiden seitlichen Seitenflächen des
Blockes 24 herausgeführt
und elektrisch durch Hilfsleitungselektroden 46 miteinander
verbunden, die an diesen seitlichen Seitenflächen ausgebildet sind, wie
in 2 gezeigt ist. An beiden seitlichen Enden der
Oberseite des Körpers 24 sind
Hilfskontaktelektroden 56 ausgebildet und elektrisch mit
den jeweiligen Hilfsleitungselektroden 46 verbunden. Wenn
der Druckkopf in Betrieb ist und die Hilfselektroden 40 nicht
gebraucht werden, können
diese folglich mit den Masseelektroden 34 kurzgeschlossen werden,
mit Hilfe von Leitungen, die auf dem Verbindungsteil 54 ausgebildet
sind und die Kontaktelektroden 52 und 56 verbinden.
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Es
ist zu erkennen, daß in 2 die
Finger 28 des Aktors noch nicht voneinander getrennt sind. Um
den Aktor fertigzustellen, ist es notwendig, diese Finger zu trennen,
indem Teilungsschnitte in der Bodenfläche des Blockes 24 gebildet
werden. Die Signalleitungselektroden 42 und die Kontaktelektroden 50 für jeden
Finger sind streifenförmig
ausgebildet, so daß sie
auch im oberen Bereich des Körpers 24 von
denen für
die benachbarten Finger elektrisch isoliert sind.
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Weiter
ist in 1 zu erkennen, daß die Länge des Körpers 24 in Längsrichtung
der Tintenkanäle 18 kleiner
ist als in 4 und daß der Aktor ausschließlich oberhalb
der Tintenkanäle 18 angeordnet ist.
Dies ist möglich,
weil sich das Verbindungsteil 54 an die Oberseite des Aktors
anschließt
und nicht sandwichartig zwischen der Bodenfläche des Aktors und dem Empfangselement 22 zu
liegen braucht. Der an die Bodenfläche 26 angrenzende
inaktive Teil 36 des Körpers 24 kann
somit in 1 fortgelassen werden, und der
Aktor gemäß dieser
Ausführungsform der
Erfindung ist nur in einen unteren aktiven Teil 30 angrenzend
an die Bodenfläche 26 und
einen darüberliegenden
inaktiven Teil 38 unterteilt.
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3 zeigt
eine abgewandelte Ausführungsform
des Aktors 12, der Kontaktelektroden 50, 52 sowohl
an der Oberseite als auch an der Bodenfläche aufweist, so daß ein Verbindungsteil
je nach Wunsch sowohl an der Oberseite als auch an der Bodenfläche angebracht
werden kann. Ähnlich
wie der in 4 gezeigte herkömmliche
Aktor hat dieser Aktor einen inaktiven Teil 36, der sich
vertikal über
die gesamte Höhe
des Blockes 24 erstreckt.
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Die
Hilfselektroden 40 im oberen Teil des Blockes 24 sind
durchgehend in beiden inaktiven Teilen 38 und 36 ausgebildet.
Der inaktive Teil 36 enthält zusätzliche Blindelektroden 58,
die mit den Masseelektroden 34 bündig sind. Innerhalb der Finger 28 wechseln
die Blindelektroden 58 mit den Signalelektroden 32 ab,
während
im oberen Bereich des inaktiven Teils 36 diese Blindelektroden
mit den Hilfselektroden 40 abwechseln.
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Ähnlich wie
in 2 sind die Hilfselektroden 40 und die
Blindelektroden 58 mit Hilfsleitungselektroden verbunden,
die an den seitlichen Seitenflächen des
Blockes 24 vorgesehen sind. Wenn der Block 24 gemäß 3 während des
Herstellungsprozesses polarisiert wird, werden die Hilfselektroden 40 und
die Blindelektroden 58 mit den Signalelektroden 32 kurzgeschlossen,
während
die Masseelektroden 34 geerdet werden. Somit wird ein Spannungsabfall
nur zwischen den abwechselnden Elektroden in dem aktiven Teil 30 und
dem inaktiven Teil 38 auftreten, so daß das piezoelektrische Material
in diesen Teilen polarisiert wird. In dem inaktiven Teil 36,
der sich vertikal über
die gesamte Höhe
des Blockes 24 erstreckt, liegen während des Polarisationsschrittes
sowohl die Hilfselektroden 40 als auch die Blindelektroden 58 auf
einem hohen Potential, so daß,
wie bei der herkömmlichen
Konstruktion, kein Spannungsabfall auftritt und das piezoelektrische
Material nicht polarisiert wird. Die Blindelektroden 58 erleichtern
den Herstellungsprozeß dadurch,
daß sie
es erlauben, einen Block 24 mit gleichmäßiger Dicke zu erhalten, indem einfach
Elektrodenlagen und Lagen aus piezoelektrischem Material übereinander
geschichtet werden.
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Es
sollte bemerkt werden, daß die
Dicke der Elektroden in den Zeichnungen zu Illustrationszwecken übertrieben
ist und andererseits die Anzahl der Elektrodenlagen beträchtlich
größer sein
kann als in den Zeichnungen gezeigt ist.
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Obgleich
oben nur spezielle Ausführungsformen
der Erfindung beschrieben wurden, versteht es sich für den Fachmann,
daß verschiedene
Abwandlungen im Rahmen der nachstehenden Ansprüche möglich sind.