DE69427837T2 - Ink jet head and method of making and controlling the same - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Tintenstrahlkopf, der selektiv Tintentropfen auf einem Bildaufzeichnungsmedium anordnet, und Verfahren zur Herstellung und Ansteuerung desselben.The invention relates to an inkjet head that selectively arranges ink drops on an image recording medium, and to methods for manufacturing and controlling the same.
Von Nichtanpralldruckern, die ihren Marktanteil heutzutage stark erhöhen, sind Tintenstrahldrucker im Prinzip am einfachsten, und ebenfalls für Farbdruck geeignet. Von den Tintenstrahldruckern sind sogenannte Tropfen auf Anforderung (DOD)-Typ Tintenstrahldrucker am beliebtesten, die Tintentropfen nur zum Zeitpunkt der Bildung von Punkten ausstoßen.Of non-impact printers, which are rapidly increasing their market share today, inkjet printers are the simplest in principle, and are also suitable for color printing. Of the inkjet printers, the most popular are so-called drop on demand (DOD) type inkjet printers, which eject ink drops only at the time of dot formation.
Als repräsentative Kopfsysteme in Tintenstrahldruckern vom DOD-Typ sei z. B. ein Kaiser- Typ genannt, wie in der japanischen Patentveröffentlichung 53-12138 offenbart, oder ein thermischer Strahltyp, wie in der japanischen Patentveröffentlichung 61-59914 offenbart.As representative head systems in DOD type ink jet printers, for example, a Kaiser type as disclosed in Japanese Patent Publication No. 53-12138 or a thermal jet type as disclosed in Japanese Patent Publication No. 61-59914 may be mentioned.
Jedoch bestehen bei dem Tintenstrahlkopf vom Kaiser-Typ, wie in der japanischen Patentveröffentlichung 53-12138 beschrieben, ziemliche Probleme darin, diesen klein auszubilden, während der Tintenstrahlkopf vom thermischen Strahltyp, wie in der japanischen Patentveröffentlichung 61-59914 beschrieben, Wärme mit hoher Temperatur auf die Tinte anwenden muß, so daß die Tinte austrocknet und am Kopf haftet.However, the Kaiser type ink jet head as described in Japanese Patent Publication 53-12138 has considerable problems in making it small, while the thermal jet type ink jet head as described in Japanese Patent Publication 61-59914 must apply heat of high temperature to the ink, so that the ink dries up and adheres to the head.
Als ein Tintenstrahlkopf, der beide o. g. Nachteile eliminiert, ist einer bekannt, der ein piezoelektrisches Element mit einem piezoelektrischen Spannungskoeffizienten d&sub3;&sub3; (im folgenden als "d&sub3;&sub3;-Modustyp" bezeichnet) verwendet.As an ink jet head which eliminates both of the above-mentioned disadvantages, one which uses a piezoelectric element having a piezoelectric voltage coefficient d33 (hereinafter referred to as "d33 mode type") is known.
Der Tintenstrahlkopf vom d&sub3;&sub3;-Modustyp enthält in seiner schematischen Struktur einen Streifen aus piezoelektrischem Material (piezoelektrisches Element) und Elektroden, die jeweils auf beiden der sich gegenüberliegenden Oberflächen des piezoelektrischen Elements gebildet sind, wobei das piezoelektrische Element in der gleichen Richtung polarisiert ist wie ein elektrisches Feld, das über den Elektroden gebildet ist, um die piezoelektrische Scherkonstante d&sub3;&sub3;-Modustyp zu erhalten. Das piezoelektrische Element wird in Richtung von d&sub3;&sub3; erweitert und kontrahiert, durch das elektrische Feld, das zwischen den Elektroden angelegt ist, um Druck auf eine Tintendruckbeaufschlagungskammer auszuüben.The d33 mode type ink jet head includes in its schematic structure a strip of piezoelectric material (piezoelectric element) and electrodes each formed on both of the opposing surfaces of the piezoelectric element, the piezoelectric element being polarized in the same direction as an electric field formed across the electrodes to obtain the d33 mode type piezoelectric shear constant. The piezoelectric element is expanded and contracted in the direction of d33 by the electric field applied between the electrodes to apply pressure to an ink pressurizing chamber.
Als Tintenstrahlkopf vom d&sub3;&sub3;-Modustyp sind bereits der Kopf vom separaten Flüssigkeitskammertyp bekannt, wie er in der japanischen Patentveröffentlichung 4-52213 offenbart ist, und der Kopf vom Erweiterungs-Flüssigkeitskammertyp, wie in der japanischen Patentveröffentlichung 4-48622 offenbart.As the d33 mode type ink jet head, the separate liquid chamber type head as disclosed in Japanese Patent Publication 4-52213 and the extension liquid chamber type head as disclosed in Japanese Patent Publication 4-48622 are already known.
Von den Tintenstrahlköpfen vom d&sub3;&sub3;-Modustyp ist in Fig. 19 eine Struktur des separaten Flüssigkeitskammertyps gezeigt.Of the d33 mode type ink jet heads, a structure of the separate liquid chamber type is shown in Fig. 19.
Eine Mehrzahl von Druckbeaufschlagungskammern 202, die durch Abdeckung einer oberen Platte 201 aus Polysulfan gebildet sind, auf deren Oberfläche eine Mehrzahl von Gräben für einen Tintenflußweg gebildet sind, mit einer dünnen Membran 203 aus Polysulfan. Eine Mehrzahl von Elektrodenmustern sind auf der Membran 203 gebildet.A plurality of pressurizing chambers 202 formed by covering a top plate 201 made of polysulfane, on the surface of which a plurality of grooves for an ink flow path are formed, with a thin membrane 203 made of polysulfane. A plurality of electrode patterns are formed on the membrane 203.
Andererseits ist eine Mehrzahl von Elektroden 206 auf einem piezoelektrischen Element 204 gebildet, das durch Schlitze 207 unterteilt ist. Das piezoelektrische Element 204 ist benachbart zu den Druckbeaufschlagungskammern 202 derart angeordnet, daß die Elektroden 206 mit ihren entsprechenden Elektrodenmustern 208 auf der Membran 203 verbunden sind.On the other hand, a plurality of electrodes 206 are formed on a piezoelectric element 204 which is divided by slits 207. The piezoelectric element 204 is arranged adjacent to the pressurizing chambers 202 such that the electrodes 206 are connected to their corresponding electrode patterns 208 on the diaphragm 203.
Eine Elektrode 205 ist auf der Oberfläche des piezoelektrischen Elements 204 auf der den Elektroden 206 gegenüberliegenden Seite gebildet. Ein U-förmiges starres Material 209, das eine gemeinsame Elektrode 210 bildet, ist auf einer Oberfläche, die die Elektrode 205 bildet, laminiert. Ferner ist das starre Material 209 mit Randbereichen der oberen Platte 201 verbunden, wo Tintenflußwege nicht durch die Membran 203 gebildet sind.An electrode 205 is formed on the surface of the piezoelectric element 204 on the side opposite to the electrodes 206. A U-shaped rigid material 209 forming a common electrode 210 is formed on a surface forming the electrode 205. laminated. Furthermore, the rigid material 209 is bonded to edge regions of the upper plate 201 where ink flow paths are not formed by the membrane 203.
Jedes der Elektrodenmuster 208, das auf der Membran 203 gebildet ist, ist mit jeder der Elektroden 206 elektrisch verbunden, die an einem Ende des piezoelektrischen Elements 204 bereitgestellt sind, während die gemeinsame Elektrode 210 mit der Elektrode 205 elektrisch verbunden ist, die am anderen Ende des piezoelektrischen Elements 204 bereitgestellt ist.Each of the electrode patterns 208 formed on the diaphragm 203 is electrically connected to each of the electrodes 206 provided at one end of the piezoelectric element 204, while the common electrode 210 is electrically connected to the electrode 205 provided at the other end of the piezoelectric element 204.
Wenn eine Spannung extern zwischen jedem der Elektrodenmuster 208 angelegt wird, die auf der Membran 203 gebildet sind, und der gemeinsamen Elektrode 210, um ein elektrisches Feld in einer gleichen Richtung zu erzeugen, wie die der Polarisierung des piezoelektrischen Elements 204, erweitert sich das piezoelektrische Element 204, das durch die Schlitze 207 unterteilt ist, in Richtung des elektrischen Feldes.When a voltage is externally applied between each of the electrode patterns 208 formed on the diaphragm 203 and the common electrode 210 to generate an electric field in a same direction as that of polarization of the piezoelectric element 204, the piezoelectric element 204 divided by the slits 207 expands in the direction of the electric field.
Falls das starre Material 209 und die obere Platte 201 fest miteinander verbunden sind, und das starre Material 209 starr genug ausgebildet ist, um der Spannung des piezoelektrischen Elements 204 standzuhalten, wölbt das piezoelektrische Element 204 die Membran 203, um Tinte mit Druck zu beaufschlagen, um die Druckbeaufschlagungskammern 202 zu füllen. Als Ergebnis ist es möglich, Tinte über Düsen 211 auszustoßen.If the rigid material 209 and the top plate 201 are firmly bonded together, and the rigid material 209 is made rigid enough to withstand the stress of the piezoelectric element 204, the piezoelectric element 204 bulges the diaphragm 203 to pressurize ink to fill the pressurization chambers 202. As a result, it is possible to eject ink via nozzles 211.
Fig. 20 zeigt einen Tintenstrahlkopf vom d&sub3;&sub3;-Modustyp, gemäß einem anderen Beispiel eines Standes der Technik.Fig. 20 shows a d33 mode type ink jet head according to another example of a prior art.
Der Tintenstrahlkopf, wie in dieser Zeichnung gezeigt, enthält ein laminiertes piezoelektrisches Stellglied 214, das durch abwechselndes Laminieren eines plattengeformten piezoelektrischen Materials 212 und internen Elektroden 213 aus leitfähigem Material gebildet ist, anstelle des piezoelektrischen Elements 204 in dem Tintenstrahlkopf, wie in Fig. 19 gezeigt.The ink jet head as shown in this drawing includes a laminated piezoelectric actuator 214 formed by alternately laminating a plate-shaped piezoelectric material 212 and internal electrodes 213 made of conductive material, in place of the piezoelectric element 204 in the ink jet head as shown in Fig. 19.
Diese Struktur, bei der die Verformung des plattengeformten piezoelektrischen Materials 212 mit der Anzahl der Laminierungen multipliziert ist, kann eine Verformung in Dickenrichtung (d&sub3;&sub3;-Richtung) erhalten, die groß genug ist, um Tintentropfen für das laminierte piezoelektrische Stellglied 214 auszustoßen.This structure, in which the deformation of the plate-shaped piezoelectric material 212 is multiplied by the number of laminations, can achieve a deformation in the thickness direction (d₃₃ direction) large enough to eject ink drops for the laminated piezoelectric actuator 214.
Zu diesem Zeitpunkt ist das laminierte piezoelektrische Stellglied 214 ebenfalls in der Richtung senkrecht zur Polarisierung (d&sub3;&sub1;-Richtung) verformt. Die Verformung in d&sub3;&sub3;- Richtung, in der die Menge der Verformung aufsummiert wird durch die Anzahl von Laminierungen, kann jedoch in den Druckbeaufschlagungskammern 202 einen größeren Druck erzeugen.At this time, the laminated piezoelectric actuator 214 is also deformed in the direction perpendicular to the polarization (d31 direction). However, the deformation in the d33 direction in which the amount of deformation is summed up by the number of laminations can generate a larger pressure in the pressurizing chambers 202.
Fig. 21 zeigt die Struktur eines Tintenstrahlkopfs vom Erweiterungs-Flüssigkeitskammertyp vom d&sub3;&sub3;-Modustyp.Fig. 21 shows the structure of an extension liquid chamber type ink jet head of d₃₃ mode type.
Sie ist aus piezoelektrischen Elementen 222 gebildet, die jeweils als piezoelektrische Materialstreifen ausgebildet sind, wie etwa PZT (Bleizirkoniatitan), wobei die piezoelektrischen Elemente 222 parallel zwischen einer leitfähigen Trägerplatte 221 und einer Isolationsabdeckplatte 223 angeordnet und daran befestigt sind.It is formed from piezoelectric elements 222, each of which is formed as a piezoelectric material strip, such as PZT (lead zirconium titanium), wherein the piezoelectric elements 222 are arranged in parallel between a conductive carrier plate 221 and an insulation cover plate 223 and are attached thereto.
Eine Mehrzahl von schmalen Kanälen ist zwischen den piezoelektrischen Elementen 222 gebildet. Diese Kanäle bestehen aus Tintenflußkanälen 225, die als Tintenkammern/-pfade dienen, und Dummykanälen 226, die als Abstandshalter dienen, wobei die Tintenflußkanäle 225 und die Dummykanäle 226 abwechselnd angeordnet sind.A plurality of narrow channels are formed between the piezoelectric elements 222. These channels consist of ink flow channels 225 serving as ink chambers/paths and dummy channels 226 serving as spacers, with the ink flow channels 225 and the dummy channels 226 being arranged alternately.
Die Tintenflußkanäle 225 sind mit einer gemeinsamen Tintenkammer 227 verbunden, die Tinte an die Tintenflußkanäle 225 an einem Ende davon liefert. Die offenen Enden der Tintenflußkanäle 225 dienen als Druckdüsen.The ink flow channels 225 are connected to a common ink chamber 227 which supplies ink to the ink flow channels 225 at one end thereof. The open ends of the ink flow channels 225 serve as print nozzles.
Die piezoelektrischen Elemente 222 sind in der Richtung senkrecht zur Trägerplatte 221 polarisiert, wie durch einen Pfeil 230 angezeigt, und die Elektroden 224 sind korrespondierend zu den Tintenflußkanälen 225 auf der oberen Oberfläche der piezoelektrischen Elemente 222 auf der Seite der Abdeckplatte 223 bereitgestellt. Jede der Elektroden 224 ist für jedes Paar von piezoelektrischen Elementen bereitgestellt.The piezoelectric elements 222 are polarized in the direction perpendicular to the support plate 221 as indicated by an arrow 230, and the electrodes 224 are provided corresponding to the ink flow channels 225 on the upper surface of the piezoelectric elements 222 on the side of the cover plate 223. Each of the electrodes 224 is provided for each pair of piezoelectric elements.
Wenn eine Spannung zwischen der Elektrode 224 und der leitfähigen Trägerplatte 221 angelegt wird, erweitern sich die piezoelektrischen Elemente 222, die an beiden Seiten eines Tintenflußkanals 225 angeordnet sind, in Richtung der Dicke, und kontrahieren in Richtung der Breite. Als Ergebnis der Verformung wird die Kapazität des Tintenflußkanals 225 erhöht.When a voltage is applied between the electrode 224 and the conductive support plate 221, the piezoelectric elements 222 arranged on both sides of an ink flow channel 225 expand in the thickness direction and contract in the width direction. As a result of the deformation, the capacity of the ink flow channel 225 is increased.
Wenn das Anlegen von Spannung an die Elektrode 224 gestoppt wird, kehren die zwei piezoelektrischen Elemente 222 in ihre ursprüngliche Form zurück, wodurch schlagartig die Kapazität des Tintenflußwegs reduziert wird. Als Ergebnis wird ein Tintentropfen 228 von einer Druckdüse, die am Endbereich des Weges gebildet ist, ausgestoßen.When the application of voltage to the electrode 224 is stopped, the two piezoelectric elements 222 return to their original shape, thereby abruptly reducing the capacity of the ink flow path. As a result, an ink drop 228 is ejected from a print nozzle formed at the end portion of the path.
Zweck der Erfindung ist die Lösung folgender Probleme, die ein Tintenstrahlkopf mit einer Struktur mit sich bringt, bei der Streifen aus piezoelektrischem Material in Richtung des elektrischen Feldes polarisiert sind, um den piezoelektrischen Spannungskoeffizienten d&sub3;&sub3;, wie oben beschrieben, also den Tintenstrahlkopf vom d&sub3;&sub3;-Modustyp zu erhalten.The purpose of the invention is to solve the following problems associated with an ink jet head having a structure in which strips of piezoelectric material are polarized in the direction of the electric field to obtain the piezoelectric voltage coefficient d₃₃ as described above, that is, the d₃₃ mode type ink jet head.
Ein erstes Problem besteht darin, daß der Tintenstrahlkopf vom d&sub3;&sub3;-Modustyp strukturell schwierig zu miniaturisieren ist, indem die Dichte der Anordnung der Druckdüsen und der Grad der Integration derselben erhöht wird.A first problem is that the d33 mode type inkjet head is structurally difficult to miniaturize by increasing the density of the arrangement of the printing nozzles and the degree of integration thereof.
Zum Beispiel, im Falle des Tintenstrahlkopfs vom separaten Flüssigkeitskammertyp, wie in Fig. 19 gezeigt, sind die piezoelektrischen Elemente 204 in einer Linie vor den Schlitzen 207 zwischen diesen angeordnet, um benachbarte piezoelektrische Elemente 204 zu trennen, so daß die Herstellungsgrenze der Schlitze 207 den Abstand der Druckdüsen 211 bestimmt, und folglich ist es unmöglich, den Düsenabstand zu verdichten. Die Grenze der Herstellung der Schlitze unter Verwendung des Drahtsägeelektronenentladungsverfahrens liegt bei ungefähr 150 bis 200 Schlitze pro Inch.For example, in the case of the separate liquid chamber type ink jet head as shown in Fig. 19, the piezoelectric elements 204 are arranged in a line in front of the slits 207 between them to separate adjacent piezoelectric elements 204, so that the manufacturing limit of the slits 207 determines the pitch of the printing nozzles 211, and consequently, it is impossible to condense the nozzle pitch. The limit of manufacturing the slits using the wire saw electron discharge method is about 150 to 200 slits per inch.
Darüber hinaus weist der Tintenstrahlkopf vom Erweiterungs-Flüssigkeitskammertyp, wie in Fig. 21 gezeigt, einen begrenzten Anordnungsabstand der piezoelektrischen Elemente 222 auf, ähnlich wie bei dem Kopf vom separaten Flüssigkeitskammertyp, und benötigt ebenfalls Dummykanäle 226, die keine Tinte ausstoßen, in jeder anderen Reihe, so daß es um so schwieriger ist, Düsen mit hoher Dichte anzuordnen.In addition, as shown in Fig. 21, the extension liquid chamber type ink jet head has a limited arrangement pitch of the piezoelectric elements 222, similar to the separate liquid chamber type head, and also requires Dummy channels 226, which do not eject ink, in every other row, making it more difficult to arrange nozzles at high density.
Ein zweites Problem besteht darin, daß es schwierig ist, die Leistungsversorgungsquelle elektrisch mit den piezoelektrischen Elementen zur Ansteuerung derselben zu verbinden, und daß die Anzahl der Herstellungsschritte erhöht und die Zuverlässigkeit der elektrischen Verbindung verringert wird.A second problem is that it is difficult to electrically connect the power supply source to the piezoelectric elements for driving them, and that the number of manufacturing steps is increased and the reliability of the electrical connection is reduced.
Zum Beispiel, im Falle des separaten Flüssigkeitskammertyps, wie in Fig. 19 gezeigt, müssen die Elektroden 205 und 206 auf der Oberflächenseite des piezoelektrischen Elements 204 der Membran 203 gegenüberliegend und auf der Oberflächenseite dem starren Material 209 gegenüberliegend separat hergestellt werden.For example, in the case of the separate liquid chamber type as shown in Fig. 19, the electrodes 205 and 206 on the surface side of the piezoelectric element 204 opposite to the diaphragm 203 and on the surface side opposite to the rigid material 209 must be separately manufactured.
Ferner erfordert die Ansteuerung der piezoelektrischen Elemente 204 durch diese Elektroden 205 und 206 alleine eine enge Verbindung, die keinen Raum zwischen diesen läßt, was herstellungstechnologisch schwierig war.Furthermore, the control of the piezoelectric elements 204 by these electrodes 205 and 206 alone requires a tight connection that leaves no space between them, which was difficult in terms of manufacturing technology.
Ferner bestand ein Nachteil darin, daß im Falle der Bildung der anderen Elektrode auf dem piezoelektrischen Element 204 die Herstellungskosten erhöht wurden.Furthermore, there was a disadvantage that in case of forming the other electrode on the piezoelectric element 204, the manufacturing cost was increased.
Ferner, wenn externe Signalleitungen mit den Elektroden verbunden werden, ist lästige Arbeit erforderlich, um diese individuell zu verbinden, da die Elektrodenmuster 208 auf der Membran 203 und die gemeinsame Elektrode 210 unterschiedlich angeordnet sind.Furthermore, when external signal lines are connected to the electrodes, troublesome work is required to connect them individually because the electrode patterns 208 on the diaphragm 203 and the common electrode 210 are arranged differently.
Ferner müssen die Elektrodenmuster 208 vorher auf der Membran 203 im Voraus gebildet werden, und ebenso ist das Material der Membran 203 auf ein nicht leitfähiges begrenzt.Further, the electrode patterns 208 must be previously formed on the diaphragm 203 in advance, and also the material of the diaphragm 203 is limited to a non-conductive one.
Ebenfalls im Falle des Erweiterungs-Flüssigkeitskammertyps, wie in Fig. 21 gezeigt, müssen die externen Signalleitungen elektrisch und separat mit den Elektroden 224 und der leitfähigen Trägerplatte 221, die als die gemeinsame Elektrode dient, verbunden werden.Also in the case of the extension liquid chamber type, as shown in Fig. 21, the external signal lines must be electrically and separately connected to the electrodes 224 and the conductive support plate 221 serving as the common electrode.
Ein drittes Problem besteht darin, daß die Düsenlöcher zur Ausstoßung der Tintentropfen anfällig für Verstopfung oder Tintenverlust sind.A third problem is that the nozzle holes used to eject the ink drops are prone to clogging or ink loss.
Da die Düsen zur Tintenausstoßung an den Endbereichen der piezoelektrischen Elemente mit hoher Dichte gebildet sind, sowohl beim separaten Flüssigkeitskammertyp als auch beim Erweiterungs-Flüssigkeitskammertyp, ist es unmöglich, Raum zur Einrichtung eines Verschlußmechanismus zu gewährleisten, um Verdunstung von Feuchtigkeit von Menisci, also den Flüssigkeitsleveln von Tinte in den Düsenlöchern zu verhindern, oder einen Absaugmechanismus, der verwendet wird. Wenn die Düsenlöcher mit Tinte verstopft sind.Since the nozzles for ink ejection are formed at the end portions of the piezoelectric elements with high density in both the separate liquid chamber type and the extension liquid chamber type, it is impossible to ensure space for setting up a shutter mechanism to prevent evaporation of moisture from menisci, the liquid levels of ink in the nozzle holes, or a suction mechanism used when the nozzle holes are clogged with ink.
Selbst wenn der Tintenstrahlkopf eine Düsenplatte mit einem relativ großen Oberflächenbereich enthält, und die Düsenlöcher, die an den Endbereichen der piezoelektrischen Elemente gebildet sind, ist es schwierig, die Düsenplatte zu versiegeln, um ein Lecken von Tinte zu verhindern, da sehr dünne Glieder, wie etwa die Basisplatte, die piezoelektrischen Elemente, die Membran etc. mit der Düsenplatte verbunden werden müssen.Even if the ink jet head includes a nozzle plate having a relatively large surface area and the nozzle holes formed at the end portions of the piezoelectric elements, it is difficult to seal the nozzle plate to prevent ink leakage because very thin members such as the base plate, the piezoelectric elements, the diaphragm, etc. must be bonded to the nozzle plate.
Auch im Falle der Anwendung einer Metalldüsenplatte, da die obere Platte 201 aus Polysulfan und die Membran 203 unterschiedliche Koeffizienten linearer Ausbreitung aufweisen, verursacht eine Temperaturänderung die Verformung von Gliedern, was den Bruch der Struktur zur Folge hat.Also in case of using a metal nozzle plate, since the upper plate 201 made of polysulfane and the membrane 203 have different coefficients of linear expansion, a change in temperature causes the deformation of members, resulting in the breakage of the structure.
Ein viertes Problem besteht darin, daß der Energieverlust oder die Interferenz zwischen Druckbeaufschlagungskammern leicht auftritt, was die unzureichende oder ändernde Tintenausstoßungskraft zur Folge hat, um die Leistungsfähigkeit des Tintenstrahlkopfs zu reduzieren.A fourth problem is that the energy loss or interference between pressurizing chambers easily occurs, resulting in insufficient or changing ink ejection force to reduce the performance of the inkjet head.
Wenn das piezoelektrische Element in Richtung der Dicke (d&sub3;&sub3;-Richtung) vorversetzt wird, tritt die Versetzung in Richtung (d&sub3;&sub1;-Richtung) senkrecht dazu auf.When the piezoelectric element is pre-displaced in the thickness direction (d33 direction), the displacement occurs in the direction (d31 direction) perpendicular to it.
Da das piezoelektrische Element und die Membran oder die Basisplatte über eine Elektrode miteinander verbunden sind, verursacht die d&sub3;&sub1;-Richtungsversetzung des piezoelektrischen Elements eine unimorphe Verformung zwischen der Membran und diesem.Since the piezoelectric element and the diaphragm or the base plate are connected via an electrode, the d31 directional displacement of the piezoelectric element causes a unimorph deformation between the diaphragm and the piezoelectric element.
Im Falle des Tintenstrahlkopfs vom separaten Flüssigkeitskammertyp verursacht entsprechend die unimorphe Verformung die Wölbung der Membran 203. Als Ergebnis tritt ein Verlust in der Dickenrichtungsversetzung des piezoelektrischen Elements 204 auf, so daß zusätzliche Energie zur Ausstoßung von Tinte erforderlich ist.Accordingly, in the case of the separate liquid chamber type ink jet head, the unimorph deformation causes the warpage of the diaphragm 203. As a result, a loss in the thickness direction displacement of the piezoelectric element 204 occurs, so that additional energy is required for ejecting ink.
Im Falle des Tintenstrahlkopfs vom Erweiterungs-Flüssigkeitskammertyp wölbt die unimorphe Verformung die Trägerplatte 221 und die isolierende Abdeckplatte 223, um eine Interferenz zwischen Tintenflußkanälen zu erzeugen.In the case of the extension liquid chamber type ink jet head, the unimorph deformation warps the support plate 221 and the insulating cover plate 223 to generate interference between ink flow channels.
Ein fünftes Problem besteht darin, daß er eine hohe Genauigkeit beim Zusammenbau erfordert und er schwierig herzustellen ist.A fifth problem is that it requires high precision in assembly and is difficult to manufacture.
Im Falle des Tintenstrahlkopfs vom separaten Flüssigkeitskammertyp, wie in Fig. 19 gezeigt, müssen das piezoelektrische Element 204 und das starre Material 209 mit der Membran 203 mit hoher Genauigkeit an Positionierung verbunden werden, was keine Abweichung erlaubt, um geringste Verformung des piezoelektrischen Elements 204 an die Membran 203 zu übertragen.In the case of the separate liquid chamber type ink jet head as shown in Fig. 19, the piezoelectric element 204 and the rigid material 209 must be bonded to the diaphragm 203 with high accuracy in positioning, allowing no deviation, in order to transmit slightest deformation of the piezoelectric element 204 to the diaphragm 203.
Im Falle der herkömmlichen Struktur, bei der die Elektroden 206 an einem Ende des piezoelektrischen Elements 204 gebildet und mit der Membran 203 in Kontakt gebracht sind, ist es jedoch unmöglich, die Bereiche des starren Materials 209 und das piezoelektrische Element 204 zu glätten, die mit der Membran 203 verbunden sind, indem eine Verarbeitung erfolgt, wie etwa ein Oberflächenschleifen. Entsprechend war es schwierig, mit hoher Genauigkeit zu verbinden.However, in the case of the conventional structure in which the electrodes 206 are formed at one end of the piezoelectric element 204 and brought into contact with the diaphragm 203, it is impossible to smooth the portions of the rigid material 209 and the piezoelectric element 204 that are bonded to the diaphragm 203 by performing processing such as surface grinding. Accordingly, it was difficult to bond with high accuracy.
Die JP 3-272856(A) offenbart einen Tintenstrahlkopf gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wobei die Verformung der piezoelektrischen Stellglieder parallel zur Oberfläche der Basisplatte auftritt.JP 3-272856(A) discloses an inkjet head according to the preamble of claim 1, wherein the deformation of the piezoelectric actuators occurs parallel to the surface of the base plate.
Aufgabe der Erfindung ist die Lösung derartiger Probleme im Tintenstrahlkopf vom D&sub3;&sub3;- Modustyp, wie oben beschrieben, und die Bereitstellung eines Tintenstrahlkopfs, der geringen Energieverlust verursacht, und effizient angesteuert und mit geringen Kosten hergestellt werden kann, aufgrund seiner einfachen und kleinen Struktur, und der eine hohe Zuverlässigkeit aufweist und Dichte, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Tintenstrahlkopfs.The object of the invention is to solve such problems in the D₃₃ mode type ink jet head as described above and to provide an ink jet head which causes little energy loss and can be efficiently driven and manufactured at low cost due to its simple and small structure and which has high reliability and density, and a method for manufacturing such an ink jet head.
Diese Aufgabe wird durch einen Tintenstrahlkopf gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 7 jeweils erreicht.This object is achieved by an inkjet head according to claim 1 and a method according to claim 7, respectively.
Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.Further developments of the invention are specified in the subclaims.
Ein Tintenstrahlkopf gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung enthält eine Basisplatte, eine Mehrzahl von Partitionen, die durch Laminierung von plattengeformten piezoelektrischen Materialschichten gebildet sind, die in Richtung der Dicke polarisiert sind, durch leitfähige Materialschichten, die zwischen diesen angeordnet sind, eine Abdeckung und ein Versiegelungsglied, wobei die mehreren Partitionen mit gegebenen Spalten dazwischen auf der Basisplatte angeordnet sind, die Spalte sind mit der Abdeckung am oberen Bereich versiegelt, und durch das Versiegelungsglied an den Randbereichen, um die Druckbeaufschlagungskammern zu bilden, und eine Düsenöffnung ist an einem Bereich jeder der Druckbeaufschlagungskammern gebildet.An ink jet head according to a first aspect of the invention includes a base plate, a plurality of partitions formed by laminating plate-shaped piezoelectric material layers polarized in the thickness direction by conductive material layers interposed therebetween, a cover, and a sealing member, the plurality of partitions being arranged on the base plate with given gaps therebetween, the gaps being sealed with the cover at the upper portion and by the sealing member at the peripheral portions to form the pressurizing chambers, and a nozzle opening being formed at a portion of each of the pressurizing chambers.
Eine derartige Struktur kann einen Tintenstrahlkopf bereitstellen, der mit einer geringen Anzahl von Gliedern hergestellt ist und der eine gute Leistungsfähigkeit bezüglich der Tintenausstoßung aufweist.Such a structure can provide an ink jet head that is made with a small number of members and that has good ink ejection performance.
Darüber hinaus sind bei dem Tintenstrahlkopf gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung die Partitionen als laminierte piezoelektrische Stellglieder ausgebildet, mit dem piezoelektrischen Spannungskoeffizienten d&sub3;&sub3;, die in Richtung der Dicke verformt werden, wenn Spannung an diese angelegt wird.Furthermore, in the ink jet head according to the first aspect of the invention, the partitions are formed as laminated piezoelectric actuators having the piezoelectric stress coefficient d33, which are deformed in the thickness direction when voltage is applied thereto.
Ein Tintenstrahlkopf gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung enthält eine Basisplatte, eine Mehrzahl von Partitionen, die gebildet sind durch abwechselndes Laminieren von plattengeformten piezoelektrischen Materialschichten, die in der Richtung der Dicke polarisiert sind, mit leitfähigen Materialschichten, die dazwischen angeordnet sind, eine Abdeckung und ein Versiegelungsglied, wobei die mehreren Partitionen in einer Matrix mit vorbestimmten Spalten zwischen diesen auf der Basisplatte angeordnet sind, wobei die Spalte mit der Abdeckung am oberen Bereich abgedeckt sind, und durch das Versiegelungsglied an deren Randbereichen, um Druckbeaufschlagungskammern zu bilden, ein Düsenloch für jede Druckbeaufschlagungskammer ist an einem Bereich jeder Druckbeaufschlagungskammer in jeder Basisplatte oder der Abdeckung gebildet, und einen Tintenversorgungsanschluß, der an einem Bereich jeder Druckbeaufschlagungskammer auf der Basisplatte, dem Versiegelungsglied oder der Abdeckung gebildet ist, wobei jede Partition in Richtung der Dicke verformt wird, indem Spannung an die leitfähigen Materialschichten der Partition angelegt wird, um die Kapazität jeder Druckbeaufschlagungskammer zu ändern, die mit Tinte derart gefüllt ist, um Tintentropfen über jedes Düsenloch auszustoßen. Eine derartige Struktur kann ebenfalls einen Tintenstrahlkopf bereitstellen, der einen geringe Anzahl an Glieder aufweist, genauso wie eine gute Tintenausstoßungsleistungsfähigkeit. Im Falle des Tintenstrahlkopfs gemäß dem ersten und zweiten Aspekt der Erfindung können die Spalte, die zwischen den Partitionen gebildet sind, abwechselnd Druckbeaufschlagungskammern zur Lieferung von Tinte in eine Richtung der Lamination und Dummyräume sein, die keine Tinte liefern.An ink jet head according to a second aspect of the invention includes a base plate, a plurality of partitions formed by alternately laminating plate-shaped piezoelectric material layers polarized in the thickness direction with conductive material layers disposed therebetween, a cover and a sealing member, the plurality of partitions being arranged in a matrix with predetermined gaps therebetween on the base plate, the gaps being covered with the cover at the upper portion and by the sealing member at the edge portions thereof to form pressurizing chambers, a nozzle hole for each pressurizing chamber is formed at a portion of each pressurizing chamber in each base plate or the cover, and an ink supply port formed at a portion of each pressurizing chamber on the base plate, the sealing member or the cover, each partition being deformed in the thickness direction by applying stress to the conductive material layers of the Partition is applied to change the capacity of each pressurizing chamber filled with ink so as to eject ink drops via each nozzle hole. Such a structure can also provide an ink jet head having a small number of members as well as good ink ejection performance. In the case of the ink jet head according to the first and second aspects of the invention, the gaps formed between the partitions may alternately be pressurizing chambers for supplying ink in a direction of lamination and dummy spaces that do not supply ink.
Aufgrund der oben genannten Struktur ist es möglich, gleichzeitig über benachbarte Düsen einen Tintentropfen auszustoßen.Due to the above structure, it is possible to eject an ink droplet simultaneously from adjacent nozzles.
Der Tintenstrahlkopf gemäß dem ersten und zweiten Aspekt der Erfindung kann ebenfalls derart aufgebaut sein, daß die Druckbeaufschlagungskammern mit individuellen Abdeckungen bedeckt sind. Als Ergebnis ist es möglich, Interferenzen zwischen den Druckbeaufschlagungskammern zu reduzieren.The ink jet head according to the first and second aspects of the invention may also be constructed such that the pressurizing chambers are covered with individual covers. As a result, it is possible to reduce interference between the pressurizing chambers.
Der Tintenstrahlkopf gemäß dem ersten und zweiten Aspekt der Erfindung kann derart aufgebaut sein, daß die Spalte, die die Dummyräume bilden, in der Breite kleiner sind als diejenigen, die die Druckbeaufschlagungskammern bilden, wodurch der Abstand der Düsenlöcher vergrößert wird.The ink jet head according to the first and second aspects of the invention may be constructed such that the gaps forming the dummy spaces are smaller in width than those forming the pressurizing chambers, thereby increasing the pitch of the nozzle holes.
Der Tintenstrahlkopf gemäß dem ersten und zweiten Aspekt der Erfindung kann derart aufgebaut sein, daß Isolationsabdeckfilme auf den Partitionen auf deren Oberflächen den Druckbeaufschlagungskammern gegenüberliegend bereitgestellt sind, wodurch die wasserlösliche Tinte ermöglicht wird, Isolation kann für Elektroden sichergestellt werden, die aus leitfähigem Material gebildet sind, das auf der Oberfläche der Partitionen freigelegt ist.The ink jet head according to the first and second aspects of the invention may be constructed such that insulation cover films are provided on the partitions on the surfaces thereof facing the pressurizing chambers, thereby enabling the water-soluble ink, insulation can be ensured for electrodes formed of conductive material exposed on the surface of the partitions.
Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht eines Tintenstrahlkopfs von vorne; die dessen Struktur gemäß einem ersten Beispiel zeigt, das zum Verständnis nützlich, jedoch kein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist.Fig. 1 is a front cross-sectional view of an ink jet head showing its structure according to a first example useful for understanding but not an embodiment of the invention.
Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht eines Tintenstrahlkopfs von der Seite, die dessen Struktur gemäß dem ersten Beispiel zeigt.Fig. 2 is a side cross-sectional view of an ink jet head showing its structure according to the first example.
Fig. 3A ist eine perspektivische Ansicht eines laminierten piezoelektrischen Elementblocks, der den Tintenstrahlkopf bildet, die ein Verfahren zur dessen Herstellung gemäß dem ersten Beispiel zeigt.Fig. 3A is a perspective view of a laminated piezoelectric element block constituting the ink jet head, showing a method of manufacturing the same according to the first example.
Fig. 3B ist eine perspektivische Ansicht eines laminierten piezoelektrischen Elementblocks, der den Tintenstrahlkopf bildet, die das Verfahren zur dessen Herstellung zeigt, das der vorangegangenen Zeichnung gemäß dem ersten Beispiel folgt.Fig. 3B is a perspective view of a laminated piezoelectric element block constituting the ink jet head, showing the method of manufacturing the same following the preceding drawing according to the first example.
Fig. 3C ist eine perspektivische Ansicht des laminierten piezoelektrischen Elementblocks, der den Tintenstrahlkopf bildet, die ein Verfahren zur dessen Herstellung zeigt, das der vorangegangenen Zeichnung gemäß dem ersten Beispiel folgt.Fig. 3C is a perspective view of the laminated piezoelectric element block constituting the ink jet head, showing a method of manufacturing the same following the foregoing drawing according to the first example.
Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen Stellglieds, das den Tintenstrahlkopf bildet, die ein Verfahren zur Herstellung desselben gemäß dem ersten Beispiel zeigt.Fig. 4 is a perspective view of a piezoelectric actuator constituting the ink-jet head, showing a method of manufacturing the same according to the first example.
Fig. 5 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines Tintenstrahlkopfs, die dessen Struktur gemäß einem zweiten Beispiel zeigt, das zum Verständnis nützlich, jedoch kein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist.Fig. 5 is an exploded perspective view of an ink jet head showing its structure according to a second example useful for understanding, but not an embodiment of the invention.
Fig. 6 ist eine Querschnittsansicht eines Tintenstrahlkopfs von vorne, die dessen Struktur gemäß dem zweiten Beispiel zeigt.Fig. 6 is a front cross-sectional view of an ink jet head showing its structure according to the second example.
Fig. 7 ist eine perspektivische Ansicht eines laminierten piezoelektrischen-Stellglieds, das den Tintenstrahlkopf bildet, die ein Verfahren zur Herstellung desselben gemäß dem zweiten Beispiel zeigt.Fig. 7 is a perspective view of a laminated piezoelectric actuator constituting the ink jet head, showing a method of manufacturing the same according to the second example.
Fig. 8 ist eine Teilquerschnittsdraufsicht eines Tintenstrahlkopfs gemäß einem dritten Beispiel, das zum Verständnis nützlich, jedoch kein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist.Fig. 8 is a partial cross-sectional plan view of an ink jet head according to a third example useful for understanding but not an embodiment of the invention.
Fig. 9 ist eine Querschnittsansicht eines Tintenstrahlkopfs von vorne, die dessen Struktur gemäß einem vierten Beispiel zeigt, das zum Verständnis nützlich, jedoch kein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist.Fig. 9 is a front cross-sectional view of an ink jet head showing its structure according to a fourth example useful for understanding, but not an embodiment of the invention.
Fig. 10 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht von vorne eines Tintenstrahlkopfs gemäß einem fünften Beispiel, das das zum Verständnis nützlich, jedoch kein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist.Fig. 10 is an enlarged front cross-sectional view of an ink jet head according to a fifth example useful for understanding but not an embodiment of the invention.
Fig. 11 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Tintenstrahlkopfs, die dessen Struktur gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.Fig. 11 is a perspective view of an ink jet head showing its structure according to a first embodiment of the invention.
Fig. 12 ist eine Querschnittsansicht des Tintenstrahlkopfs von vorne, die dessen Struktur gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.Fig. 12 is a front cross-sectional view of the ink jet head showing its structure according to the first embodiment of the invention.
Fig. 13A ist eine perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen Elementblocks des Tintenstrahlkopfs, die das Verfahren zur Herstellung desselben gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.Fig. 13A is a perspective view of a piezoelectric element block of the ink-jet head, showing the method of manufacturing the same according to the first embodiment of the invention.
Fig. 13B ist eine perspektivische Ansicht des piezoelektrischen Elementblocks des Tintenstrahlkopfs, die ein Verfahren zur Bildung desselben zeigt, der vorangegangenen Zeichnung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung folgend.Fig. 13B is a perspective view of the piezoelectric element block of the ink-jet head, showing a method of forming the same, following the foregoing drawing according to the first embodiment of the invention.
Fig. 13C ist eine perspektivische Ansicht des piezoelektrischen Elementblocks des Tintenstrahlkopfs, die das Verfahren zur Bildung desselben zeigt, der vorangegangenen Zeichnung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung folgend.Fig. 13C is a perspective view of the piezoelectric element block of the ink-jet head, showing the process of forming the same, following the foregoing drawing according to the first embodiment of the invention.
Fig. 14 ist eine perspektivische Ansicht des piezoelektrischen Elementblocks des Tintenstrahlkopfs, die das Verfahren zur Bildung desselben zeigt, der vorangegangenen Zeichnung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung folgend.Fig. 14 is a perspective view of the piezoelectric element block of the ink-jet head, showing the process of forming the same, following the foregoing drawing according to the first embodiment of the invention.
Fig. 15 eine perspektivische Ansicht eines laminierten piezoelektrischen Stellglieds des Tintenstrahlkopfs, die ein Verfahren zur Bildung desselben gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.Fig. 15 is a perspective view of a laminated piezoelectric actuator of the ink-jet head, showing a method of forming the same according to the first embodiment of the invention.
Fig. 16 eine perspektivische Ansicht eines Tintenstrahlkopfs, die eine Struktur desselben gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.Fig. 16 is a perspective view of an ink jet head showing a structure thereof according to a second embodiment of the invention.
Fig. 17 eine Querschnittsansicht des Tintenstrahlkopfs von der Seite, die dessen Struktur gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.Fig. 17 is a side cross-sectional view of the ink jet head showing its structure according to the second embodiment of the invention.
Fig. 18 eine Querschnittsansicht des Tintenstrahlkopfs gemäß einem modifizierten Beispiel des ersten und zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung.Fig. 18 is a cross-sectional view of the ink jet head according to a modified example of the first and second embodiments of the invention.
Fig. 19 eine perspektivische Ansicht eines Tintenstrahlkopfs, die dessen Struktur gemäß einem Stand der Technik zeigt.Fig. 19 is a perspective view of an ink jet head showing its structure according to a prior art.
Fig. 20 eine Querschnittsansicht eines Tintenstrahlkopfs, die dessen Struktur gemäß einem anderen Stand der Technik zeigt.Fig. 20 is a cross-sectional view of an ink jet head showing its structure according to another prior art.
Fig. 21 eine perspektivische Ansicht eines Tintenstrahlkopfs, die dessen Struktur gemäß einem noch anderen Stand der Technik zeigt.Fig. 21 is a perspective view of an ink jet head showing its structure according to still another prior art.
Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Tintenstrahlkopf gemäß den Ausführungsbeispielen der Erfindung beschrieben.An ink jet head according to the embodiments of the invention will be described below with reference to the drawings.
Die Fig. 1 und 2 zeigen einen Tintenstrahlkopf gemäß einem ersten Beispiel, das zum Verständnis nützlich, jedoch kein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist, wobei Fig. 1 eine Querschnittsansicht von vorne und Fig. 2 eine Querschnittsansicht von der Seite ist.Figs. 1 and 2 show an ink jet head according to a first example useful for understanding but not an embodiment of the invention, wherein Fig. 1 is a front cross-sectional view and Fig. 2 is a side cross-sectional view.
Wie in Fig. 1 gezeigt, enthält der Tintenstrahlkopf gemäß diesem Beispiel ein Paar von laminierten piezoelektrischen Stellgliedern 111 und 111. Diese Paare von laminierten piezoelektrischen Stellgliedern 111 und 111 sind gebildet, durch abwechselndes Laminieren von plattengeformten piezoelektrischen Materialschichten 130 aus piezoelektrischem Keramik aus einem Verbundmaterial aus Bleizirkonoxid und Bleititan, und leitfähigem Material 130 aus Silberpalladium, um die leitfähigen Materialschichten 131 von deren Endoberflächen freizulegen.As shown in Fig. 1, the ink jet head according to this example includes a pair of laminated piezoelectric actuators 111 and 111. These pairs of laminated piezoelectric actuators 111 and 111 are formed by alternately laminating plate-shaped piezoelectric material layers 130 of piezoelectric ceramic made of a composite material of lead zirconium oxide and lead titanium, and conductive material 130 of silver palladium to expose the conductive material layers 131 from the end surfaces thereof.
Die Paare von laminierten piezoelektrischen Stellgliedern 111 und 111 sind auf einer Basisplatte 110 aus Keramik, etc. in Reihe angeordnet, um so eine matrixlaminierte piezoelektrische Stellgliedeinheit 112 zu bilden, von der eine Mehrzahl von Reihen senkrecht zur Oberfläche des Papiers (s. Fig. 2) ist.The pairs of laminated piezoelectric actuators 111 and 111 are arranged in series on a base plate 110 made of ceramics, etc. so as to form a matrix-laminated piezoelectric actuator unit 112, a plurality of rows of which are perpendicular to the surface of the paper (see Fig. 2).
Ein Elektrodenfilm ist auf der äußeren Endoberfläche jedes laminierten piezoelektrischen Stellglieds 111 gebildet, auf dem die leitfähigen Materialschichten 131 freigelegt sind, wobei der Elektrodenfilm als Ansteuersammelelektrode 113a dient, an die von außen Spannung angelegt werden kann.An electrode film is formed on the outer end surface of each laminated piezoelectric actuator 111 on which the conductive material layers 131 are exposed, the electrode film serving as a drive collecting electrode 113a to which voltage can be applied from the outside.
Auf der anderen Seite, da sich die Zentralbereichsseitenendoberflächen des Paares von laminierten piezoelektrischen Stellgliedern 111 gegenüberliegen, ist der Elektrodenfilm, der kontinuierlich diese Endoberflächen bedeckt, als gemeinsame Sammelelektrode 113b ausgebildet, die als eine gemeinsame Elektrode für die leitfähigen Materialschichten 131 dient, die auf den Endoberflächen freigelegt sind. Die gemeinsame Sammelelektrode 113b, die als gemeinsame Elektrode für die leitfähigen Materialschichten 131 dient, dient folglich als eine gemeinsame Elektrode für das Paar von laminierten piezoelektrischen Stellgliedern 111 (s. Fig. 1).On the other hand, since the central region side end surfaces of the pair of laminated piezoelectric actuators 111 face each other, the electrode film continuously covering these end surfaces is formed as a common collecting electrode 113b serving as a common electrode for the conductive material layers 131 exposed on the end surfaces. The common collecting electrode 113b serving as a common electrode for the conductive material layers 131 thus serves as a common electrode for the pair of laminated piezoelectric actuators 111 (see Fig. 1).
Mit dieser Struktur kann jedes laminierte piezoelektrische Stellglied 111 angesteuert werden, indem eine Spannung zwischen jeder Ansteuersammelelektrode 113a und der gemeinsamen Sammelelektrode 113b, die als gemeinsame Elektrode dient, angelegt wird.With this structure, each laminated piezoelectric actuator 111 can be driven by applying a voltage between each drive collecting electrode 113a and the common collecting electrode 113b serving as a common electrode.
Wie in Fig. 1 gezeigt, können sich die Elektrodenfilme der Ansteuersammelelektroden 113a und die gemeinsame Sammelelektrode 113b auf die Basisplatte 110 erstrecken, um so eine elektrische Verbindung nach außen zu erleichtern.As shown in Fig. 1, the electrode films of the drive collecting electrodes 113a and the common collecting electrode 113b may extend onto the base plate 110 so as to facilitate electrical connection to the outside.
Die Verwendung der gegenüberliegenden Zentralendoberflächen des Paares von laminierten piezoelektrischen Stellgliedern 111 als gemeinsame Elektrode, wie oben beschrieben, kann den Abstand zwischen diesen reduzieren, so daß die laminierten piezoelektrischen Stellglieder 111 mit hoher Dichte montiert werden können. Darüber hinaus hat es ebenfalls den Vorteil, daß die Anzahl von Kontakten für eine elektrische Verbindung nach außen reduziert werden kann.Using the opposite central end surfaces of the pair of laminated piezoelectric actuators 111 as a common electrode as described above can reduce the distance therebetween, so that the laminated piezoelectric actuators 111 can be mounted at high density. In addition, it also has the advantage that the number of contacts for electrical connection to the outside can be reduced.
Eine Metallmembran 115 ist mit der oberen Oberfläche der laminierten piezoelektrischen Stellglieder 111 gebondet. Eine Metallflußwegplatte 118, die eine Mehrzahl von Druckbeaufschlagungskammern 116 und einen gemeinsamen Tintenflußweg 117 enthält, der mit einem nicht gezeigten externen Tintentank in Verbindung steht, der darauf gebildet ist, ist mit der oberen Oberfläche der Metallmembran 115 gebondet.A metal diaphragm 115 is bonded to the upper surface of the laminated piezoelectric actuators 111. A metal flow path plate 118 including a plurality of pressurizing chambers 116 and a common ink flow path 117 communicating with an external ink tank (not shown) formed thereon is bonded to the upper surface of the metal diaphragm 115.
Jede Druckbeaufschlagungskammer 116, die mit Tinte zu füllen ist, ist an der Position benachbart zu ihrem entsprechenden laminierten piezoelektrischen Stellglied 111 durch die dazwischenliegende Membran 115 gebildet.Each pressurizing chamber 116 to be filled with ink is formed at the position adjacent to its corresponding laminated piezoelectric actuator 111 through the diaphragm 115 therebetween.
Die Flußwegplatte 118 und die Metallmembran 115 können als ein integriertes Glied ausgebildet sein, nicht als separate Glieder.The flow path plate 118 and the metal membrane 115 may be formed as an integrated member, not as separate members.
Eine Metalldüsenplatte 120 mit einer Mehrzahl von Düsenlöchern ist mit der oberen Oberfläche der Flußwegplatte 118 gebondet. Jedes Düsenloch 119 ist an der Position angeordnet, wo es mit seiner entsprechenden Druckbeaufschlagungskammer 116 kommuniziert.A metal nozzle plate 120 having a plurality of nozzle holes is bonded to the upper surface of the flow path plate 118. Each nozzle hole 119 is located at the position where it communicates with its corresponding pressurization chamber 116.
Wie in Fig. 2 gezeigt, sind von den mehreren laminierten piezoelektrischen Stellgliedern 111, die auf der Basisplatte 110 angeordnet sind, die laminierten piezoelektrischen Stellglieder 126 und 126, die an vordersten und hintersten Positionen angeordnet sind, inaktive, die nicht angesteuert werden. Diese nicht angesteuerten piezoelektrischen Stellglieder 126 und 126 sichern eine ausreichende Breite verglichen mit den angesteuerten laminierten piezoelektrischen Stellgliedern 111, und weisen eine hohe Steife auf.As shown in Fig. 2, of the plurality of laminated piezoelectric actuators 111 arranged on the base plate 110, the laminated piezoelectric actuators 126 and 126 arranged at frontmost and rearmost positions are inactive ones that are not driven. These non-driven piezoelectric actuators 126 and 126 ensure a sufficient width compared with the driven laminated piezoelectric actuators 111, and have high rigidity.
Die Basisplatte 110 und die Flußwegplatte 118, die die Druckbeaufschlagungskammern 116 enthält, die darauf gebildet sind, sind fest miteinander über die nicht angesteuerten laminierten piezoelektrischen Stellglieder 126 und 126 verbunden.The base plate 110 and the flow path plate 118 containing the pressurizing chambers 116 formed thereon are fixedly connected to each other via the non-driven laminated piezoelectric actuators 126 and 126.
Die Membran 115 ist nicht zwischen den nicht angesteuerten inaktiven laminierten piezoelektrischen Stellgliedern 126 und 126 und der Flußwegplatte 118 angeordnet, so daß die Membran 115 nicht mit diesen laminierten piezoelektrischen Stellgliedern 126 und 126 gebondet ist.The diaphragm 115 is not disposed between the non-driven inactive laminated piezoelectric actuators 126 and 126 and the flow path plate 118, so that the diaphragm 115 is not bonded to these laminated piezoelectric actuators 126 and 126.
Wenn das laminierte piezoelektrische Stellglied 111 angesteuert wird, um die Membran 115 zu seiner entsprechenden Druckbeaufschlagungskammer 116 zu drücken, aufgrund der Verformung des laminierten piezoelektrischen Stellglieds 111, wird die verformte Membran 115 durch die Partitionen 118a der Flußwegplatte 118 getragen. Falls die Partitionen 118a aus einem harten Material gebildet und mit der Metallmembran 115 durch eine Verbindungsoberfläche mit ausreichender Breite gebondet sind, wird die Stützbedingung der Membran 115 als feste Fixierung an beiden Enden eines Balkens angesehen.When the laminated piezoelectric actuator 111 is driven to press the diaphragm 115 towards its corresponding pressurizing chamber 116 due to the deformation of the laminated piezoelectric actuator 111, the deformed diaphragm 115 is supported by the partitions 118a of the flow path plate 118. If the partitions 118a are made of a hard material and bonded to the metal diaphragm 115 through a bonding surface having a sufficient width, the supporting condition of the diaphragm 115 is considered to be firmly fixed to both ends of a beam.
Um diese mit hoher Dichte zu montieren, kann jedoch jede der Partitionen 118a der Flußwegplatte 118 nicht mehr als eine Breite von einigen 10 um sicherstellen, so daß sie nicht genügend Steife aufweisen kann. Entsprechend ist es unvermeidlich, daß die Membran 115 etwas elastisch gestützt wird. Insbesondere, wenn die Flußwegplatte 118 aus einem Material mit geringer Steife, wie etwa Plastik, etc. gebildet ist, ist die Membran 115 elastischer gestützt.However, in order to assemble them at high density, each of the partitions 118a of the flow path plate 118 cannot secure more than a width of several tens of µm, so that it cannot have sufficient rigidity. Accordingly, it is inevitable that the diaphragm 115 is somewhat elastically supported. In particular, when the flow path plate 118 is formed of a material with low rigidity such as plastic, etc., the diaphragm 115 is more elastically supported.
Falls sich die Membran 115 bis zu den nicht angesteuerten laminierten piezoelektrischen Stellgliedern 126 und 126 erstreckt, die genügend Breite sicherstellen und eine hohe Steife aufweisen, um so von den laminierten piezoelektrischen Stellgliedern 126 und 126 und der Flußwegplatte 118 eingeklemmt zu werden, wird die Stützbedingung der Metallmembran 115 an deren beiden Enden fest, bleibt jedoch an ihrem zentralen Bereich elastisch, so daß die Leistungsfähigkeit von Übertragung von Oszillation über die Membran 115 verteilt ungleichmäßig wird.If the diaphragm 115 extends to the non-driven laminated piezoelectric actuators 126 and 126, which ensure sufficient width and high rigidity so as to be clamped by the laminated piezoelectric actuators 126 and 126 and the flow path plate 118, the support condition of the metal diaphragm 115 becomes rigid at both ends thereof but remains elastic at its central portion, so that the performance of transmitting oscillation distributed across the diaphragm 115 becomes uneven.
Als Ergebnis variiert der an den Druckbeaufschlagungskammern 116 angelegte Druck mit der Position, so daß ein Phänomen derart auftritt, daß die Eigenschaft der Ausstoßung von Tintentropfen über den gesamten Tintenstrahlkopf ungleichmäßig wird.As a result, the pressure applied to the pressurizing chambers 116 varies with the position, so that a phenomenon occurs such that the property of ejecting ink drops becomes uneven over the entire ink jet head.
In einem Tintenstrahlkopf mit einer derartigen Struktur, selbst falls die Flußwegplatte 118 aus einem Metallmaterial mit hoher Steife gebildet ist, war ein Unterschied von 10 und verschiedenen Prozent bezüglich der Geschwindigkeit der Ausstoßung von Tintentropfen zwischen einem Düsenloch 119 am Zentralbereich und einem Düsenloch 119 benachbart zu den nicht angesteuerten laminierten piezoelektrischen Stellgliedern 126 und 126 zu beobachten. Darüber hinaus, wenn die Flußwegplatte 118 aus Plastik geformt war, wie etwa PSF, etc., mit hoher Steife, war ein Unterschied von ungefähr 30% bezüglich der Geschwindigkeit von ausgestoßenen Tintentropfen zu beobachten.In an ink jet head having such a structure, even if the flow path plate 118 is formed of a metal material having high rigidity, a difference of 10 and several percent was observed in the speed of ejection of ink drops between a nozzle hole 119 at the central portion and a nozzle hole 119 adjacent to the non-driven laminated piezoelectric actuators 126 and 126. Moreover, when the flow path plate 118 was formed of plastic such as PSF, etc. having high rigidity, a difference of about 30% was observed in the speed of ejection of ink drops.
Wenn die Geschwindigkeit der Ausstoßung von Tintentropfen mit der Position variiert, wie oben beschrieben, tritt im Falle eines sogenannten Seriendruckers, der Zeichen oder Bilder durch Scannen eines Papiers mit einem Druckkopf bildet, eine zeitliche Änderung auf, bis die Tintentropfen das Papier, das als ein Druckmedium dient, erreichen. Als Ergebnis weicht die Position eines Pixels, das durch einen auf dem Papier haftenden Tintentropfen gebildet ist, ab, was die Druckqualität verschlechtert.When the speed of ejection of ink drops varies with position as described above, in the case of a so-called serial printer that forms characters or images by scanning a paper with a print head, a change in time occurs until the ink drops reach the paper serving as a printing medium. As a result, the position of a pixel formed by an ink drop adhering to the paper deviates, deteriorating the print quality.
Andererseits, wenn der Tintenstrahlkopf eine Struktur aufweist, bei der die nicht angesteuerten laminierten piezoelektrischen Stellglieder 126 und 126 und die Membran 115 nicht miteinander gebondet sind, ist die Stützbedingung zwischen der Metallmembran 115 und der Flußwegplatte 118 die gleiche, so daß die Geschwindigkeit der Ausstoßung von Tintentropfen über den gesamten Tintenstrahlkopf gleichförmig ist, wenn ein Tintenstrahl von einer Druckbeaufschlagungskammer 116 ausgestoßen wird, indem ihr entsprechendes laminiertes piezoelektrisches Stellglied 111 angesteuert wird.On the other hand, when the ink jet head has a structure in which the non-driven laminated piezoelectric actuators 126 and 126 and the diaphragm 115 are not bonded to each other, the support condition between the metal diaphragm 115 and the flow path plate 118 is the same, so that the speed of ejection of ink drops is uniform over the entire ink jet head when an ink jet from a pressurization chamber 116 by driving its corresponding laminated piezoelectric actuator 111.
Ferner, falls die Druckbeaufschlagungskammern 116 benachbart zu dem nicht angesteuerten laminierten piezoelektrischen Stellglied 126 Dummykammern sind und Tinte nicht von diesen ausstoßen wird, kann das Problem der ungleichmäßigen Geschwindigkeit von ausgestoßenen Tintentropfen, wie oben beschrieben, fast beseitigt werden. Die Bereitstellung derartiger Dummydruckbeaufschlagungskammern 116 hat jedoch eine Verschwendung von Platz zur Folge, und ist für die Miniaturisierung nicht günstig.Furthermore, if the pressurizing chambers 116 adjacent to the non-driven laminated piezoelectric actuator 126 are dummy chambers and ink is not ejected from them, the problem of uneven speed of ejected ink drops as described above can be almost eliminated. However, the provision of such dummy pressurizing chambers 116 results in a waste of space and is not favorable for miniaturization.
Ein Verfahren zur Herstellung der matrixlaminierten piezoelektrischen Stellgliedeinheit 112 in dem oben genannten Tintenstrahlkopf wird im folgenden beschrieben.A method of manufacturing the matrix-laminated piezoelectric actuator unit 112 in the above-mentioned ink-jet head is described below.
Die Fig. 3A, 3B, 3C und 4 sind jeweils perspektivische Ansichten, die das Verfahren zur Herstellung der matrixlaminierten piezoelektrischen Stellgliedeinheit 112, wie oben beschrieben, zeigen, wobei die Herstellungsschritte der Reihe nach gezeigt sind.3A, 3B, 3C and 4 are perspective views showing the method of manufacturing the matrix-laminated piezoelectric actuator unit 112 as described above, with the manufacturing steps shown in order.
Wie in Fig. 3A gezeigt, ist die erste leitfähige Materialschicht 131 durch das Druckverfahren auf einem ersten Keramikblatt gebildet, das aus piezoelektrischem Keramik gebildet ist, und die plattengeformte piezoelektrische Materialschicht 130 ist. Zu dieser Zeit ist der zentrale Bereich der plattengeformten piezoelektrischen Materialschicht 130 nicht mit der ersten leitfähigen Materialschicht 131 bedeckt, um einen ersten freigelegten Bereich 130a zu bilden.As shown in Fig. 3A, the first conductive material layer 131 is formed by the printing method on a first ceramic sheet made of piezoelectric ceramic and is the plate-shaped piezoelectric material layer 130. At this time, the central region of the plate-shaped piezoelectric material layer 130 is not covered with the first conductive material layer 131 to form a first exposed region 130a.
Wie in Fig. 3B gezeigt, wird ein zweites Keramikblatt, das zur plattengeformten piezoelektrische Materialschicht 140 wird, auf die erste leitfähige Materialschicht 131 laminiert, und dann eine zweite leitfähige Materialschicht 141 mittels Druckverfahren auf der oberen Oberfläche der piezoelektrischen Materialschicht 140 gebildet. Zu dieser Zeit bleiben beide Endoberflächen der plattengeformten piezoelektrischen Materialschicht 140 von der zweiten leitfähigen Materialschicht 141 unbedeckt, um einen zweiten freigelegten Bereich 140a zu bilden.As shown in Fig. 3B, a second ceramic sheet, which becomes the plate-shaped piezoelectric material layer 140, is laminated on the first conductive material layer 131, and then a second conductive material layer 141 is formed by printing on the upper surface of the piezoelectric material layer 140. At this time, both end surfaces of the plate-shaped piezoelectric material layer 140 are left uncovered by the second conductive material layer 141 to form a second exposed region 140a.
Auf diese Weise werden die Keramikblätter, die zu Platten geformten piezoelektrischen Materialschichten gebildet werden, und die leitfähigen Materialschichten aufeinander laminiert, und dann dem Drucksinterprozeß unterzogen, um einen piezoelektrischen Elementblock 150, wie in Fig. 3C gezeigt, zu bilden.In this way, the ceramic sheets, the plate-shaped piezoelectric material layers and the conductive material layers are laminated on each other and then subjected to the pressure sintering process to form a piezoelectric element block 150 as shown in Fig. 3C.
Wie in Fig. 4 gezeigt, wird als nächstes der piezoelektrische Elementblock 150 auf die Basisplatte 110 gebondet, und nacheinander ein erster Spalt 160, der die Basisplatte 110 erreicht, gebildet, indem ein Schneidewerkzeug, wie etwa ein Diamantschneider, etc. verwendet wird.Next, as shown in Fig. 4, the piezoelectric element block 150 is bonded to the base plate 110, and a first gap 160 reaching the base plate 110 is sequentially formed by using a cutting tool such as a diamond cutter, etc.
Anschließend wird ein dünner Gold(Au)-Film auf dem gesamten piezoelektrischen Elementblock 150 und der Basisplatte 110 durch Dünnfilmbildungsmittel wie etwa Vakuumbedampfung und dergleichen, gebildet, wodurch ein Elektrodenfilm 161 auf der oberen Oberfläche der Basisplatte 110, den Endoberflächen des piezoelektrischen Elementblocks 150 und der inneren Oberfläche des ersten Spalts 160 gebildet wird.Subsequently, a gold (Au) thin film is formed on the entire piezoelectric element block 150 and the base plate 110 by thin film forming means such as vacuum deposition and the like, whereby an electrode film 161 is formed on the upper surface of the base plate 110, the end surfaces of the piezoelectric element block 150, and the inner surface of the first gap 160.
Anschließend wird der Elektrodenfilm 161 von der oberen Oberfläche des piezoelektrischen Elementblocks 150 und anderen unnötigen Oberflächen mittels Oberflächenschleifen, etc. entfernt, um einen laminierten piezoelektrischen Stellgliedblock 162, wie in Fig. 4 gezeigt, zu bilden.Subsequently, the electrode film 161 is removed from the upper surface of the piezoelectric element block 150 and other unnecessary surfaces by means of surface grinding, etc. to form a laminated piezoelectric actuator block 162 as shown in Fig. 4.
Die zweiten Schlitze 163, wie in Fig. 2 gezeigt (nicht in Fig. 4 gezeigt), werden in dem folglich gebildeten laminierten piezoelektrischen Stellgliedblock 162 in einer Richtung im wesentlichen senkrecht zum ersten Schlitz 160 mit einem Diamantschneider, etc. gebildet. Die zweiten Schlitze 163 erreichen die Basisplatte 110, sind jedoch schmäler als der erste Schlitz 160. Die aufeinanderfolgende Bildung der zweiten Schlitze 163 bei einem gegebenen Abstand vervollständigt das laminierte piezoelektrische Stellglied 111.The second slots 163, as shown in Fig. 2 (not shown in Fig. 4), are formed in the consequently formed laminated piezoelectric actuator block 162 in a direction substantially perpendicular to the first slot 160 with a diamond cutter, etc. The second slots 163 reach the base plate 110, but are narrower than the first slot 160. The sequential formation of the second slots 163 at a given pitch completes the laminated piezoelectric actuator 111.
Gemäß den oben genannten Herstellungsschritten ist der Elektrodenfilm 161, wie in Fig. 4 gezeigt, in eine Mehrzahl von Mustern unterteilt, um so in der Lage zu sein, jedes laminierte piezoelektrische Stellglied 111 individuell anzusteuern. Die laminierten piezoelektrischen Stellglieder 111 werden dem Polarisierungsprozeß in Richtung der Dicke unterzogen, indem über den Elektrodenfilm 161 an diese eine ausreichende Spannung angelegt wird.According to the above manufacturing steps, the electrode film 161 is divided into a plurality of patterns as shown in Fig. 4 so as to be able to drive each laminated piezoelectric actuator 111 individually. The laminated piezoelectric Actuators 111 are subjected to the polarization process in the thickness direction by applying a sufficient voltage thereto via the electrode film 161.
Der Erfinder der Erfindung verwendete 22 plattengeformte piezoelektrische Materialschichten 130, jeweils mit einer Dicke von 20um, und 21 erste leitfähige Materialschichten 131, um ein laminiertes piezoelektrisches Stellglied 111 mit einer Dicke von ungefähr 0,5mm aufzubauen, indem diese aufeinander laminiert wurden.The inventor of the invention used 22 plate-shaped piezoelectric material layers 130 each having a thickness of 20 µm and 21 first conductive material layers 131 to construct a laminated piezoelectric actuator 111 having a thickness of about 0.5 mm by laminating them on each other.
Da das laminierte piezoelektrische Stellglied 111 0,5mm dick und mit der Basisplatte 110 an deren Bodenbereich mit hoher Steife bei der Verbindung gebondet war, war es nicht wahrscheinlich, daß die laminierten piezoelektrischen Stellglieder 111, die auf der Basisplatte 110 angeordnet waren, aufgrund von Verarbeitung, etc. abfielen. Als Ergebnis konnte der Anordnungsabstand der laminierten piezoelektrischen Stellglieder 111 mehr als 150 pro Inch betragen.Since the laminated piezoelectric actuator 111 was 0.5 mm thick and bonded to the base plate 110 at the bottom portion thereof with high rigidity at the connection, the laminated piezoelectric actuators 111 arranged on the base plate 110 were not likely to fall off due to processing, etc. As a result, the arrangement pitch of the laminated piezoelectric actuators 111 could be more than 150 per inch.
Darüber hinaus kann ein Abstand zwischen dem Paar von gegenüberliegenden laminierten piezoelektrischen Stellgliedern 111 weniger als 0,5mm sein, da eine gemeinsame Elektrode gebildet wird, indem die gegenüberliegenden Seiten der gepaarten laminierten piezoelektrischen Stellglieder 111 am zentralen Bereich der Basisplatte miteinander elektrische verbunden werden, während individuelle Ansteuerelektroden der laminierten piezoelektrischen Stellglieder 111 auf deren äußeren Seiten gebildet sind. Durch die Verwendung eines derartigen einfachen Verarbeitungsverfahrens ist es möglich, ein laminiertes piezoelektrisches Stellglied mit hoher Montagedichte auf einer Ebene aufzubauen.Moreover, a distance between the pair of opposing laminated piezoelectric actuators 111 can be less than 0.5 mm since a common electrode is formed by electrically connecting the opposite sides of the paired laminated piezoelectric actuators 111 to each other at the central portion of the base plate while individual driving electrodes of the laminated piezoelectric actuators 111 are formed on the outer sides thereof. By using such a simple processing method, it is possible to construct a laminated piezoelectric actuator with high mounting density on a plane.
Darüber hinaus, gemäß der Struktur der matrixlaminierten piezoelektrischen Stellgliedeinheit 112 und dem Verfahren zu deren Herstellung, wie oben genannt, wird keine leitfähige Materialschicht 131 auf der oberen Oberfläche der obersten plattengeformten piezoelektrischen Materialschicht 130 des laminierten piezoelektrischen Stellglieds 111 und auf der unteren Oberfläche der untersten plattengeformten piezoelektrischen Materialschicht 130 gebildet. Folglich sind die obersten und untersten plattengeformten piezoelektrischen Materialschichten 130 Dummyschichten, an die keine Spannung angelegt wird.Moreover, according to the structure of the matrix-laminated piezoelectric actuator unit 112 and the method of manufacturing the same as mentioned above, no conductive material layer 131 is formed on the upper surface of the uppermost plate-shaped piezoelectric material layer 130 of the laminated piezoelectric actuator 111 and on the lower surface of the lowermost plate-shaped piezoelectric material layer 130 Consequently, the top and bottom plate-shaped piezoelectric material layers 130 are dummy layers to which no voltage is applied.
Wenn Spannung an ein laminiertes piezoelektrisches Stellglied 111 angelegt wird, das in der Richtung der Dicke polarisiert ist, erweitert es sich in einer Richtung der Dicke (d&sub3;&sub3;- Richtung). Gleichzeitig kontrahieren individuelle plattengeformte piezoelektrische Materialschichten 130 in Längsrichtung (d&sub3;&sub1;-Richtung) senkrecht dazu. Wenn jedoch die oberste und unterste plattengeformte piezoelektrische Materialschicht 130 Dummyschichten sind, wie oben beschrieben, erzeugen sie keine derartige Verformung, so daß sie keine obligatorische Verformungskraft auf die Metallmembran 115 und die Basisplatte 110 ausüben, die mit den oberen und unteren Oberflächen der obersten und untersten plattengeformten piezoelektrischen Materialschichten 130 jeweils verbunden sind.When voltage is applied to a laminated piezoelectric actuator 111 polarized in the thickness direction, it expands in a thickness direction (d33 direction). At the same time, individual plate-shaped piezoelectric material layers 130 contract in a longitudinal direction (d31 direction) perpendicular thereto. However, when the uppermost and lowermost plate-shaped piezoelectric material layers 130 are dummy layers as described above, they do not generate such deformation, so that they do not exert an obligatory deformation force on the metal diaphragm 115 and the base plate 110 which are bonded to the upper and lower surfaces of the uppermost and lowermost plate-shaped piezoelectric material layers 130, respectively.
Wenn die obersten und untersten plattengeformten piezoelektrischen Materialschichten 130 des laminierten piezoelektrischen Stellglieds 111 Dummyschichten sind, kann die Verformung des laminerten piezoelektrischen Stellglieds 111 in dessen Längsrichtung in das laminierte piezoelektrische Stellglied 111 absorbiert werden, das ein relativ weiches Glied ist, um so zu verhindern, daß die Metallmembran 115 und die Basisplatte 110, die damit verbunden sind, verformt werden.When the uppermost and lowermost plate-shaped piezoelectric material layers 130 of the laminated piezoelectric actuator 111 are dummy layers, the deformation of the laminated piezoelectric actuator 111 in the longitudinal direction thereof can be absorbed into the laminated piezoelectric actuator 111 which is a relatively soft member, so as to prevent the metal diaphragm 115 and the base plate 110 connected thereto from being deformed.
Als Ergebnis ist es möglich, Energieverlust aufgrund von Längsrichtungsverformung der Metallmembran 115 und Übersprechen zwischen laminierten piezoelektrischen Stellgliedern 111 aufgrund der Verformung der Basisplatte 110 zu verhindern.As a result, it is possible to prevent energy loss due to longitudinal deformation of the metal diaphragm 115 and crosstalk between laminated piezoelectric actuators 111 due to the deformation of the base plate 110.
Darüber hinaus, gemäß der Struktur der matrixlaminierten piezoelektrischen Stellgliedeinheit 112 und dem Verfahren zur deren Herstellung, wie oben beschrieben, ist es möglich, den Tintenstrahlkopf einfach und mit hoher Genauigkeit herzustellen, indem aufeinanderfolgend die laminierte piezoelektrische Stellgliedeinheit 112, die Metallmembran 115, die Flußwegplatte 118 und die Düsenplatte 120 laminiert und miteinander gebondet werden.Moreover, according to the structure of the matrix-laminated piezoelectric actuator unit 112 and the method of manufacturing the same as described above, it is possible to manufacture the ink-jet head easily and with high accuracy by sequentially laminating and bonding the laminated piezoelectric actuator unit 112, the metal diaphragm 115, the flow path plate 118 and the nozzle plate 120 together.
Und es ist möglich, eine Düsenplatte 120 mit einem großen Oberflächenbereich einfach zu bilden, um ausreichend Platz zur Einrichtung des Verschlußmechanismus bereitzustellen, um die Verdampfung von Feuchtigkeit von Menisci als Tintenlevel in den Düsenlöchern 119 zu verhindern, und um ausreichend Platz für die Einrichtung des Absaugmechanismus sicherzustellen, der verwendet wird, wenn die Düsenlöcher 119 durch Tintentropfen blockiert sind. Darüber hinaus ist es möglich, einfach eine Versiegelung zu bilden, um einen Tintenverlust zu verhindern, da die Düsenplatte 120 und die Flußwegplatte 118 über eine relativ große Oberfläche miteinander gebondet sind.And it is possible to easily form a nozzle plate 120 with a large surface area to provide sufficient space for establishing the shutter mechanism to prevent evaporation of moisture from menisci as ink level in the nozzle holes 119 and to ensure sufficient space for establishing the suction mechanism used when the nozzle holes 119 are blocked by ink drops. Moreover, it is possible to easily form a seal to prevent ink leakage because the nozzle plate 120 and the flow path plate 118 are bonded to each other over a relatively large surface area.
Die Ausstoßoperation des oben genannten Tintenstrahlkopfs wird im folgenden beschrieben.The ejection operation of the above inkjet head is described below.
Bei einem ersten Schritt der Operation wird Spannung zwischen der Ansteuersammelelektrode 113a und der gemeinsamen Sammelelektrode 113b angelegt, um ein elektrisches Feld in den plattengeformten piezoelektrischen Materialschichten 130 in deren polarisierten Richtung zu bilden, wodurch sich das laminierte piezoelektrische Stellglied 111 allmählich in Richtung der Dicke (d&sub3;&sub3;-Richtung) ausdehnt. Diese Aktion des laminierten piezoelektrischen Stellglieds 111 drückt einen Teil der Membran 115 in eine Druckbeaufschlagungskammer 116, um so im Voraus deren Kapazität zu reduzieren. Zu dieser Zeit wird das laminierte piezoelektrische Stellglied 111 langsam genug angesteuert, um zu verhindern, daß Tinte im Inneren der Druckbeaufschlagungskammer 116 über das Düsenloch 119 ausgestoßen wird.In a first step of the operation, voltage is applied between the drive collecting electrode 113a and the common collecting electrode 113b to form an electric field in the plate-shaped piezoelectric material layers 130 in their polarized direction, whereby the laminated piezoelectric actuator 111 gradually expands in the thickness direction (d33 direction). This action of the laminated piezoelectric actuator 111 presses a part of the diaphragm 115 into a pressurizing chamber 116 so as to reduce its capacitance in advance. At this time, the laminated piezoelectric actuator 111 is driven slowly enough to prevent ink inside the pressurizing chamber 116 from being ejected via the nozzle hole 119.
Der Erfinder der Erfindung führte die Ausführungsbeispiele bei der Bedingung durch, daß der piezoelektrischen Spannungskoeffizient d&sub3;&sub3; des laminierten piezoelektrischen Stellglieds 111 bei 450 · 10¹²m/V war, und die Anzahl der plattengeformten piezoelektrischen Materialschichten 130 betrug 20 ohne die Dummyschichten. Wenn eine Spannung von 30 V zwischen der Ansteuersammelelektrode 113a und der gemeinsamen Sammelelektrode 113b angelegt wurde, erweiterte sich die plattengeformte piezoelektrische Materialschicht 130 um etwa 0,014 um pro Schicht in Richtung der Dicke, so daß das laminierte piezoelektrische Stellglied 111 insgesamt bei der Verformung von 20 der plattengeformten piezoelektrischen Materialschichten 130 um 0,27 um erweitert wurde.The inventor of the invention carried out the embodiments under the condition that the piezoelectric stress coefficient d33 of the laminated piezoelectric actuator 111 was 450 x 1012 m/V, and the number of the plate-shaped piezoelectric material layers 130 was 20 without the dummy layers. When a voltage of 30 V was applied between the drive collecting electrode 113a and the common collecting electrode 113b, the plate-shaped piezoelectric material layer 130 expanded by about 0.014 µm per layer in the thickness direction, so that the laminated piezoelectric actuator 111 expanded by 0.27 µm in total upon deformation of 20 of the plate-shaped piezoelectric material layers 130.
Diese Verformung reduziert die Kapazität einer Druckbeaufschlagungskammer 116 um das Maß, im wesentlichen gleich mit dem eines Tintentropfens, der zu einer Zeit ausgestoßen wird.This deformation reduces the capacity of a pressurization chamber 116 by an amount substantially equal to that of one ink drop ejected at a time.
Die Operation fährt dann mit einem zweiten Schritt fort, wobei das elektrische Feld, das in dem vorangegangenen Schritt erzeugt wurde, allmählich abgeschwächt wird, um die Versetzung des laminierten piezoelektrischen Stellglieds 111 zu reduzieren. Als Ergebnis wird die Kapazität der Druckbeaufschlagungskammer 116 erhöht, verglichen mit der beim ersten Schritt der Operation, so daß Tinte über den gemeinsamen Tintenflußweg 117, wie in Fig. 1 gezeigt, der Druckbeaufschlagungskammer 116 zugeführt wird.The operation then proceeds to a second step in which the electric field generated in the previous step is gradually weakened to reduce the displacement of the laminated piezoelectric actuator 111. As a result, the capacity of the pressurizing chamber 116 is increased compared with that in the first step of the operation, so that ink is supplied to the pressurizing chamber 116 via the common ink flow path 117 as shown in Fig. 1.
Bei einem dritten Schritt der Operation wird ein elektrisches Feld schlagartig in der polarisierten Richtung der plattengeformten piezoelektrischen Materialschichten 130 erzeugt, um das laminierte piezoelektrische Stellglied 111 in der Richtung der Dicke (d&sub3;&sub3;-Richtung) auszudehnen. Zu dieser Zeit wird der Druck in der Druckbeaufschlagungskammer 116 schlagartig erhöht, um die Tinte, die die Druckbeaufschlagungskammer 116 füllt, über das Düsenloch 119 auszustoßen.In a third step of the operation, an electric field is abruptly generated in the polarized direction of the plate-shaped piezoelectric material layers 130 to expand the laminated piezoelectric actuator 111 in the direction of thickness (d33 direction). At this time, the pressure in the pressurizing chamber 116 is abruptly increased to eject the ink filling the pressurizing chamber 116 via the nozzle hole 119.
Letztendlich wird bei einem vierten Schritt der Operation eine Spannung mit gleichem Pegel wie beim ersten Schritt an das laminierte piezoelektrische Stellglied 111 angelegt. Der vierte Schritt der Operation kann weggelassen werden, indem die beim ersten Schritt angelegte Spannung, gleich der beim dritten Schritt ist.Finally, in a fourth step of the operation, a voltage of the same level as in the first step is applied to the laminated piezoelectric actuator 111. The fourth step of the operation can be omitted by making the voltage applied in the first step equal to that in the third step.
Gemäß einem derartigen Ansteuerverfahren, da ein elektrisches Feld immer an das laminierte piezoelektrische Stellglied 111 in gleicher Richtung wie die Polarisierung angelegt ist, ist es möglich die Erzeugung einer umgekehrten Polarisierung zu verhindern, die die Polarisierung des laminierten piezoelektrischen Stellglieds 111 abschwächt. Darüber hinaus ist es möglich, die Ausstoßgeschwindigkeit oder den Durchmesser der Tintentropfen gleichmäßig zu gestalten, da die Oszillation der Flüssigkeitsoberflächen (Menisci) in den Düsenlöchern 119, die der Tintenflüssigkeit folgt, die in den Druckbeaufschlagungskammern 116 erzeugt wird, reduziert werden kann, indem Tinte im zweiten Schritt der Operation langsam zugeführt wird.According to such a driving method, since an electric field is always applied to the laminated piezoelectric actuator 111 in the same direction as the polarization, it is possible to prevent the generation of reverse polarization which weakens the polarization of the laminated piezoelectric actuator 111. Moreover, it is possible to make the ejection speed or diameter of the ink drops uniform because the oscillation of the liquid surfaces (menisci) in the nozzle holes 119 following the ink liquid generated in the pressurizing chambers 116 can be reduced by slowly adding ink in the second step of the operation.
Die Fig. 5 und 6 zeigen einen Tintenstrahlkopf gemäß dem zweiten Beispiel, das zum Verständnis nützlich, jedoch nicht ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist, wobei Fig. 5 eine perspektivische Explosionsansicht und Fig. 6 eine Querschnittsansicht von vorne ist. Das zweite Beispiel wird im folgenden unter abwechselnder Bezugnahme auf die Fig. 5 und 6 beschrieben.5 and 6 show an ink jet head according to the second example, which is useful for understanding but not an embodiment of the invention, in which Fig. 5 is an exploded perspective view and Fig. 6 is a cross-sectional front view. The second example will be described below with alternate reference to Figs. 5 and 6.
Wie in den Fig. 5 und 6 gezeigt, ist ein Paar von laminierten piezoelektrischen Stellgliedern 111 in Reihe auf der Basisplatte 110 aus Keramik, etc. angeordnet. Die mehreren Paare von laminierten piezoelektrischen Stellgliedern 111 sind in Längsrichtung angeordnet, wodurch eine matrixlaminierte piezoelektrische Stellgliedeinheit 112 gebildet wird. Das laminierte piezoelektrische Stellglied ist durch abwechselndes Laminieren plattengeformter piezoelektrischer Materialschichten aus piezoelektrischem Keramik gebildet, das aus einem Verbundmaterial aus Bleizirkonoxid und Bleititan hergestellt ist, und den leitfähigen Materialschichten aus Silberpalladium, und indem diese gebacken werden.As shown in Figs. 5 and 6, a pair of laminated piezoelectric actuators 111 are arranged in series on the base plate 110 made of ceramics, etc. The plural pairs of laminated piezoelectric actuators 111 are arranged in the longitudinal direction, thereby forming a matrix-laminated piezoelectric actuator unit 112. The laminated piezoelectric actuator is formed by alternately laminating plate-shaped piezoelectric material layers of piezoelectric ceramic made of a composite material of lead zirconium oxide and lead titanium and the conductive material layers of silver palladium, and baking them.
Wie in Fig. 6 gezeigt, sind die Ansteuersammelelektroden 113a, die durch Dünnfilmbildungsmittel, wie etwa Bedampfung, etc. aus Dünnfilmen aus Gold (Au) gebildet sind, auf den äußeren Endoberflächen der laminierten piezoelektrischen Stellglieder 111 gebildet, und die gemeinsame Sammelelektrode 113b ist an deren anderen Endbereichen gebildet, indem ein ähnliches Mittel verwendet wird.As shown in Fig. 6, the driving collecting electrodes 113a formed of thin films of gold (Au) by thin film forming means such as evaporation, etc. are formed on the outer end surfaces of the laminated piezoelectric actuators 111, and the common collecting electrode 113b is formed at the other end portions thereof by using a similar means.
Wie in den Fig. 5 und 6 gezeigt, sind die Stützen 114a aus Keramik auf beide Endbereiche der Basisplatte 110 gebondet, so daß die oberen Oberflächen der Stützen 114a in der gleichen Ebene wie die oberen Oberflächen der laminierten piezoelektrischen Stellglieder 111 liegen. Ähnlich sind die Stützen 114b aus Keramik ebenfalls zwischen den Paaren von laminierten piezoelektrischen Stellgliedern 111 gebildet.As shown in Figs. 5 and 6, the ceramic supports 114a are bonded to both end portions of the base plate 110 so that the upper surfaces of the supports 114a are in the same plane as the upper surfaces of the laminated piezoelectric actuators 111. Similarly, the ceramic supports 114b are also formed between the pairs of laminated piezoelectric actuators 111.
Die Metallmembran 115 ist auf die oberen Oberflächen der laminierten piezoelektrischen Stellglieder 111 und die Stützen 114a und 114b gebondet.The metal diaphragm 115 is bonded to the upper surfaces of the laminated piezoelectric actuators 111 and the supports 114a and 114b.
Dann wird eine Metallflußwegplatte 118 auf die Membran 115 gebondet. Eine Mehrzahl von Druckbeaufschlagungskammern 116 und ein gemeinsamer Tintenflußweg 117, der mit einem nicht gezeigten externen Tintentank kommuniziert, sind auf der Flußwegplatte 118 gebildet. Jede Druckbeaufschlagungskammer und ihr entsprechendes laminiertes piezoelektrisches Stellglied 111 sind über und unter der Membran 115 jeweils angeordnet, um einander über die Membran 115 gegenüber zu liegen.Then, a metal flow path plate 118 is bonded to the diaphragm 115. A plurality of pressurizing chambers 116 and a common ink flow path 117 communicating with an external ink tank not shown are formed on the flow path plate 118. Each pressurizing chamber and its corresponding laminated piezoelectric actuator 111 are arranged above and below the diaphragm 115, respectively, to face each other across the diaphragm 115.
Die Membran 115 ist durch die Stützen 114a und 114b der matrixlaminierten piezoelektrischen Stellgliedeinheit 112 und die Partitionen 118a der Flußwegplatte 118 festgeklemmt.The diaphragm 115 is clamped by the supports 114a and 114b of the matrix laminated piezoelectric actuator unit 112 and the partitions 118a of the flow path plate 118.
Darüber hinaus ist die Metalldüsenplatte 120 mit den Düsenlöchern 119 mit der oberen Oberfläche der Flußwegplatte 118 gebondet. Jedes Düsenloch 119 kommuniziert mit seiner entsprechenden Druckbeaufschlagungskammer 116.In addition, the metal nozzle plate 120 with the nozzle holes 119 is bonded to the upper surface of the flow path plate 118. Each nozzle hole 119 communicates with its corresponding pressurization chamber 116.
Die Drahtmuster 123 sind auf einem Schaltungssubstrat 121 mit einem Abstand gebildet, der gleich dem Anordnungsabstand der laminierten piezoelektrischen Stellglieder 111 ist. Andererseits sind die Drahtmuster 122, die elektrisch mit den Ansteuersammelelektroden 113a und der gemeinsamen Sammelelektrode 113b verbunden sind, auf der Basisplatte 110 gebildet. Diese Drahtmuster 123 und die Drahtmuster 122 sind durch einen leitfähigen Kleber miteinander gebondet.The wire patterns 123 are formed on a circuit substrate 121 with a pitch equal to the arrangement pitch of the laminated piezoelectric actuators 111. On the other hand, the wire patterns 122 electrically connected to the drive collecting electrodes 113a and the common collecting electrode 113b are formed on the base plate 110. These wire patterns 123 and the wire patterns 122 are bonded to each other by a conductive adhesive.
Ferner sind die Ansteuer-ICs 125 zur Ansteuerung der laminierten piezoelektrischen Stellglieder 111, indem an diese eine Spannung angelegt wird, auf dem Schaltungssubstrat 121 montiert. Die Ansteuer-ICs 125 sind elektrisch mit den Drahtmustern 123 und den Drähten 124 verbunden.Further, the drive ICs 125 for driving the laminated piezoelectric actuators 111 by applying a voltage thereto are mounted on the circuit substrate 121. The drive ICs 125 are electrically connected to the wire patterns 123 and the wires 124.
Wenn ein externes Signal den Drähten 124 zugeführt wird, werden die Ansteuer-ICs 125 betrieben, um Spannung zwischen den Ansteuersammelelektroden 113a des laminierten piezoelektrischen Stellglieds 111 und der gemeinsamen Sammelelektrode 113b über die Drahtungsmuster 123 und die Drahtmuster 122 anzulegen, und um ein elektrisches Feld in dem plattengeformten piezoelektrischen Material des laminierten piezoelektrischen Stellglieds 111 zu erzeugen. Dieses elektrische Feld verformt das plattengeformte piezoelektrische Material in der Richtung der Dicke (d&sub3;&sub3;-Richtung), das plattengeformte piezoelektrische Material ist in Richtung des elektrischen Feldes polarisiert.When an external signal is supplied to the wires 124, the drive ICs 125 are operated to apply voltage between the drive collecting electrodes 113a of the laminated piezoelectric actuator 111 and the common collecting electrode 113b via the wiring patterns 123 and the wire patterns 122, and to generate an electric field in the plate-shaped piezoelectric material of the laminated piezoelectric actuator 111. This electric field deforms the plate-shaped piezoelectric material in the thickness direction (d33 direction), the plate-shaped piezoelectric material is polarized in the direction of the electric field.
Auf diese Weise erweitert sich das laminierte piezoelektrische Stellglied 111 in Richtung der Dicke (d&sub3;&sub3;-Richtung). Gleichzeitig kontrahiert auch das laminierte piezoelektrische Stellglied 111 in der Richtung (d&sub3;&sub1;-Richtung) senkrecht dazu. Folglich werden vorzugsweise kleine Spalte zwischen den laminierten piezoelektrischen Stellgliedern 111 und den Stützen 114a benachbart dazu bereitgestellt, oder mit einem elastischen Bondmaterial zusammengebondet. Eine derartige Struktur verhindert eine Begrenzung des laminierten piezoelektrischen Stellglieds 111 in der Richtung senkrecht zu der Dicke und die Erzeugung von Verformungsverlust in Dickenrichtung.In this way, the laminated piezoelectric actuator 111 expands in the thickness direction (d33 direction). At the same time, the laminated piezoelectric actuator 111 also contracts in the direction (d31 direction) perpendicular thereto. Consequently, small gaps are preferably provided between the laminated piezoelectric actuators 111 and the supports 114a adjacent thereto, or bonded together with an elastic bonding material. Such a structure prevents limitation of the laminated piezoelectric actuator 111 in the direction perpendicular to the thickness and generation of deformation loss in the thickness direction.
Obwohl in der Zeichnung nicht im Detail gezeigt, werden die laminierten piezoelektrischen Stellglieder 126 und 126, die bei den Längsendbereichen der Basisplatte 110, wie in Fig. 5 gezeigt, lokalisiert sind, nicht verwendet, um die Membran 115 anzutreiben, jedoch zur elektrischen Verbindung der gemeinsamen Sammelelektrode 113b, wie in Fig. 1 gezeigt, mit den Drahtmustern 122 auf der Basisplatte 110, so daß eine interne Elektrode, die mit der gemeinsamen Sammelelektrode 113b elektrisch zu verbinden ist, in jedem der laminierten piezoelektrischen Stellglieder 126 gebildet wird.Although not shown in detail in the drawing, the laminated piezoelectric actuators 126 and 126 located at the longitudinal end portions of the base plate 110 as shown in Fig. 5 are not used to drive the diaphragm 115, but to electrically connect the common collecting electrode 113b as shown in Fig. 1 to the wire patterns 122 on the base plate 110, so that an internal electrode to be electrically connected to the common collecting electrode 113b is formed in each of the laminated piezoelectric actuators 126.
Das Material, das jedes Glied bildet, ist nicht auf das oben genannte begrenzt. Die Basisplatte 110, die Stützen 114a und 114b können z. B. aus Glas gebildet sein, falls sie isolierende Glieder sind. Die Membran 115, die Flußwegplatte 118 und die Düsenplatte 120 können aus Plastik, etc. gebildet sein.The material constituting each member is not limited to the above. For example, the base plate 110, the supports 114a and 114b may be formed of glass if they are insulating members. The diaphragm 115, the flow path plate 118 and the nozzle plate 120 may be formed of plastic, etc.
Wie oben beschrieben, können die Materialien zur Bildung der Basisplatte 110, des laminierten piezoelektrischen Stellglieds 111, der Membran 115, der Flußwegplatte 116 und der Düsenplatte 120 willkürlich ausgewählt werden, jedoch können die oben beschriebenen Materialien die Verformung der Glieder minimieren, durch unterschiedliche thermische Expansion zwischen ihnen verursacht wird, da sie im Wesentlichen den gleichen Koeffizienten linearer Expansion aufweisen, wodurch die Leistungsfähigkeit der Ausstoßung des Tintenstrahlkopfs konstant bleibt, selbst wenn sich die Temperatur ändert.As described above, the materials for forming the base plate 110, the laminated piezoelectric actuator 111, the diaphragm 115, the flow path plate 116 and the nozzle plate 120 can be arbitrarily selected, however, the materials described above can minimize the deformation of the members caused by different thermal expansion between them because they have substantially the same coefficient of linear expansion, whereby the ejection performance of the ink jet head remains constant even when the temperature changes.
Darüber hinaus können die Basisplatte 110, die Stützen 114a und 114b integriert gebildet werden, indem ein Teil des piezoelektrischen Materials des laminierten piezoelektrischen Stellglieds verwendet wird.Furthermore, the base plate 110, the supports 114a and 114b can be integrally formed by using a part of the piezoelectric material of the laminated piezoelectric actuator.
Außerdem können die Stützen 114b, die die Funktion der festen Fixierung der Membran 115 und der Flußwegplatte 118 aufweisen, weggelassen werden, falls die Flußwegplatte 118 ausreichend steif ist.In addition, the supports 114b, which have the function of firmly fixing the membrane 115 and the flow path plate 118, may be omitted if the flow path plate 118 is sufficiently rigid.
Die Partitionen 118a, die zwischen benachbarten Druckbeaufschlagungskammern 116 in der Flußwegplatte 118 bereitgestellt sind, werden mit der oberen Oberfläche der Membran 115 gebondet, während die gegenüberliegende Oberfläche (untere Oberfläche) die Gräben kontaktiert, die zwischen den laminierten piezoelektrischen Stellgliedern 111 gebildet sind. Wenn die Membran 115 und die Flußwegplatte 118 entsprechend mit einem Bondmaterial, etc. miteinander gebondet sind, werden vorzugsweise zuerst die Membran 115 und die Flußwegplatte 118 zusammengebondet und dann die gebondete Membran 115 und die Flußwegplatte 118 mit den laminierten piezoelektrischen Stellgliedern 111, den Stützen 114a und 114b gebondet, indem diese aufeinander gedrückt werden. Auf diese Weise ist es möglich, die Membran 115 auf die laminierten piezoelektrischen Stellglieder 111 zu drücken, während die Membran 115 mit einer Vorrichtung gestützt wird, die in den Druckbeaufschlagungskammern 116 eingeführt ist, die durch Bildung von Löchern auf der Flußwegplatte 118 gebildet sind.The partitions 118a provided between adjacent pressurizing chambers 116 in the flow path plate 118 are bonded to the upper surface of the diaphragm 115, while the opposite surface (lower surface) contacts the grooves formed between the laminated piezoelectric actuators 111. When the diaphragm 115 and the flow path plate 118 are bonded to each other with a bonding material, etc., it is preferable to first bond the diaphragm 115 and the flow path plate 118 together, and then bond the bonded diaphragm 115 and the flow path plate 118 to the laminated piezoelectric actuators 111, the supports 114a and 114b by pressing them together. In this way, it is possible to press the diaphragm 115 onto the laminated piezoelectric actuators 111 while supporting the diaphragm 115 with a jig inserted into the pressurizing chambers 116 formed by forming holes on the flow path plate 118.
Außerdem, wenn die Membran 115 durch die Partitionen 118a der Flußwegplatte 118 und die Stützen 114a geklemmt ist, kann sie fest fixiert sein, so daß die Membran 115 stabil als elastischer Körper fungiert. Falls die Flußwegplatte 118 fest mit der Membran 115 gebondet werden kann, um diese stabil zu stützen, können die Stützen 114a und die Flußwegplatte 118 direkt miteinander gebondet werden, ohne die Membran 115 dazwischen anzuordnen.In addition, when the diaphragm 115 is clamped by the partitions 118a of the flow path plate 118 and the supports 114a, it can be firmly fixed so that the diaphragm 115 stably functions as an elastic body. If the flow path plate 118 can be firmly bonded to the diaphragm 115 to stably support it, the supports 114a and the flow path plate 118 can be directly bonded to each other without interposing the diaphragm 115 therebetween.
Da die Struktur des Laminierens der Düsenplatte 120 auf die Flußwegplatte 118 diese mit einem großen Oberflächenbereich zusammenbonden kann, spielt es keine Rolle, selbst wenn das Bondmaterial aus den Düsenlöchern 119 gequetscht wird. Als Ergebnis sind keine strengen Anforderungen bezüglich der Bondqualität erforderlich, um die Herstellung eines Produkts zu ermöglichen.Since the structure of laminating the nozzle plate 120 to the flow path plate 118 can bond them together with a large surface area, it does not matter even if the bonding material is squeezed out of the nozzle holes 119. As a result, no strict requirements on bonding quality are required to enable the manufacture of a product.
Außerdem, da die Düsenplatte 120 einen großen Oberflächenbereich sicherstellen kann, ist es einfach, darauf den Verschlußmechanismus zu montieren, um die Qualität von Menisci, also die Flüssigkeitslevel in den Düsenlöchern 119, sicher zu stellen, und einen Absaugmechanismus, um die Tinte zu entfernen, die die Düsenlöcher 119 blockiert.In addition, since the nozzle plate 120 can ensure a large surface area, it is easy to mount thereon the shutter mechanism to ensure the quality of menisci, i.e., the liquid levels in the nozzle holes 119, and a suction mechanism to remove the ink blocking the nozzle holes 119.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel, mit dem der Erfinder experimentiert hat, war es möglich, ein laminiertes piezoelektrisches Stellglied 111 bereitzustellen, mit 3 mm Länge und 0,5mm Dicke, und mit hoher Steife und hoher Frequenz. Als Ergebnis wurde die kontinuierliche Tintenausstoßleistung verbessert.According to the embodiment experimented by the inventor, it was possible to provide a laminated piezoelectric actuator 111, 3 mm in length and 0.5 mm in thickness, and having high rigidity and high frequency. As a result, the continuous ink ejection performance was improved.
Das laminierte piezoelektrische Stellglied 111 weist eine hohe Steife auf, um weniger leicht zu brechen, und außerdem ermöglicht die Anordnung der gemeinsamen Elektrode am Zentralbereich und der Ansteuerelektroden an äußeren Endflächen die Bereitstellung einer elektrischen Verbindung mit minimalem Platz, um so die Montagedichte des laminierten piezoelektrischen Stellglieds 111 auf einer Ebene zu erhöhen.The laminated piezoelectric actuator 111 has high rigidity to be less likely to break, and furthermore, the arrangement of the common electrode at the central region and the drive electrodes at outer end surfaces enables the provision of electrical connection with a minimum space, thereby increasing the mounting density of the laminated piezoelectric actuator 111 on a plane.
Außerdem, da die Stützen 114a auf den Endoberflächen der laminierten piezoelektrischen Stellglieder 111 angeordnet sind, um die Basisplatte 110 und die Flußwegplatte 118 zu bonden, selbst falls jedes laminierte piezoelektrische Stellglied 111 individuell angesteuert wird, erzeugen dessen reaktive Kraft, und der Druck, der dadurch in seiner entsprechenden Druckbeaufschlagungskammer 116 erzeugt wird, keinen Druckverlust in der Druckbeaufschlagungskammer 116, indem der Abstand zwischen der Basisplatte 110 und der Flußwegplatte 118 geändert wird, oder nicht die Erzeugung von Interferenz zwischen den Druckbeaufschlagungskammern 116 durch Verformung der Basisplatte 110 und der Flußwegplatte 118.In addition, since the supports 114a are arranged on the end surfaces of the laminated piezoelectric actuators 111 to bond the base plate 110 and the flux path plate 118, even if each laminated piezoelectric actuator 111 is individually controlled , its reactive force and the pressure thereby generated in its corresponding pressurizing chamber 116 do not produce pressure loss in the pressurizing chamber 116 by changing the distance between the base plate 110 and the flow path plate 118 or do not produce interference between the pressurizing chambers 116 by deformation of the base plate 110 and the flow path plate 118.
Darüber hinaus, da die Membran 115 fest durch die Stützen 114a und 114b und die Partitionen 118a der Flußwegplatte 118 geklemmt ist, wird das Oszillationssystem der Membran 115 stabil und übermäßige Oszillation wird nicht erzeugt, selbst wenn die Druckbeaufschlagungskammer 116 durch das laminierte piezoelektrische Stellglied 111 gedrückt wird, so daß sie einen hervorragenden Wirkungsgrad aufweist, und es tritt wenig Interferenzen zwischen benachbarten Druckbeaufschlagungskammern 116 auf.Moreover, since the diaphragm 115 is firmly clamped by the supports 114a and 114b and the partitions 118a of the flow path plate 118, the oscillation system of the diaphragm 115 becomes stable and excessive oscillation is not generated even when the pressurizing chamber 116 is pressed by the laminated piezoelectric actuator 111, so that it has excellent efficiency, and little interference occurs between adjacent pressurizing chambers 116.
Obwohl in der oben genannten Struktur nicht im einzelnen beschrieben, ermöglicht die Verwendung der obersten plattengeformten piezoelektrischen Materialschicht des laminierten piezoelektrischen Stellglieds 111 als Dummyschicht, die nicht funktioniert, das Glätten des laminierten piezoelektrischen Stellglieds 111 und der Stützen 114a und 114b mittels Oberflächenschleifens, etc. und folglich die Verbindung mit der Membran 115 mit hoher Genauigkeit und ohne dazwischenliegende Spalte.Although not described in detail in the above structure, the use of the top plate-shaped piezoelectric material layer of the laminated piezoelectric actuator 111 as a dummy layer that does not function enables the laminated piezoelectric actuator 111 and the supports 114a and 114b to be smoothed by means of surface grinding, etc., and thus bonded to the diaphragm 115 with high accuracy and without gaps therebetween.
Außerdem, falls die unterste plattengeformten piezoelektrischen Materialschicht des laminierten piezoelektrischen Stellglieds 1111 aus einer Dummyschicht gebildet ist, die nicht funktioniert, kann selbst wenn das laminierte piezoelektrische Stellglied 111 in d&sub3;&sub1;-Richtung verformt wird, die Dummyschicht die Verformung absorbieren, um die Spannung in der Verbindungsoberfläche zwischen der Basisplatte 110 und dem laminierten piezoelektrischen Stellglied 111 abzubauen.In addition, if the lowermost plate-shaped piezoelectric material layer of the laminated piezoelectric actuator 1111 is formed of a dummy layer that does not function, even if the laminated piezoelectric actuator 111 is deformed in the d31 direction, the dummy layer can absorb the deformation to relieve the stress in the bonding surface between the base plate 110 and the laminated piezoelectric actuator 111.
Die Tintenausstoßoperation des oben genannten Tintenstrahlkopfs wird im folgenden hauptsächlich unter Bezugnahme auf Fig. 6 beschrieben.The ink ejection operation of the above-mentioned ink jet head will be described below mainly with reference to Fig. 6.
Zuerst, bei einem ersten Schritt der Operation, wird Spannung zwischen der Ansteuersammelelektrode 113a und der gemeinsamen Sammelelektrode 113b angelegt, um ein elektrisches Feld in dem plattengeformten piezoelektrischen Material in Richtung der Polarisierung zu erzeugen, und um allmählich das laminierte piezoelektrische Stellglied 111 in Richtung der Dicke (d&sub3;&sub3;-Richtung) auszudehnen.First, in a first step of the operation, voltage is applied between the drive collecting electrode 113a and the common collecting electrode 113b to generate an electric field in the plate-shaped piezoelectric material in the direction of polarization and to gradually expand the laminated piezoelectric actuator 111 in the thickness direction (d33 direction).
Die Kapazität der Druckbeaufschlagungskammer 116 wird im Voraus durch diese Operation des Drückens der Membran 115 in die Druckbeaufschlagungskammer 116 reduziert. Zu dieser Zeit wird das laminierte piezoelektrische Stellglied 111 ausreichend langsam angesteuert, um keine Tinte, im Inneren der Druckbeaufschlagungskammer 116, über das Düsenloch 119 auszustoßen.The capacity of the pressurizing chamber 116 is reduced in advance by this operation of pressing the diaphragm 115 into the pressurizing chamber 116. At this time, the laminated piezoelectric actuator 111 is driven sufficiently slowly so as not to eject ink inside the pressurizing chamber 116 via the nozzle hole 119.
Die Operation fährt dann mit dem zweiten Schritt fort, wobei das elektrische Feld, das bei dem vorangegangenen Schritt erzeugt wurde, allmählich abgeschwächt wird, um die Versetzung des laminierten piezoelektrischen Stellglieds 111 zu reduzieren. Diese Operation erhöht die Kapazität der Druckbeaufschlagungskammer 116, verglichen mit der Operation des ersten Schritts, um Tinte der Druckbeaufschlagungskammer 116 über den gemeinsamen Tintenflußweg 117, wie in Fig. 5 gezeigt, zuzuführen.The operation then proceeds to the second step, wherein the electric field generated in the previous step is gradually weakened to reduce the displacement of the laminated piezoelectric actuator 111. This operation increases the capacity of the pressurizing chamber 116, compared with the operation of the first step, to supply ink to the pressurizing chamber 116 via the common ink flow path 117 as shown in Fig. 5.
Bei einem dritten Schritt der Operation wird nacheinander ein elektrisches Feld schlagartig in dem plattengeformten piezoelektrischen Material in der Richtung der Polarisierung erzeugt, um das laminierte piezoelektrische Stellglied 111 in der Richtung der Dicke stark zu erweitern. Zu dieser Zeit wird der Druck in der Druckbeaufschlagungskammer 116 schlagartig erhöht, um die Tinte, die die Druckbeaufschlagungskammer 116 gefüllt hat, über das Düsenloch 119 auszustoßen.In a third step of the operation, an electric field is sequentially generated in the plate-shaped piezoelectric material in the direction of polarization to greatly expand the laminated piezoelectric actuator 111 in the direction of thickness. At this time, the pressure in the pressurizing chamber 116 is increased abruptly to eject the ink that has filled the pressurizing chamber 116 from the nozzle hole 119.
Letztendlich, bei dem vierten Schritt, wird Spannung, die an das laminierte piezoelektrische Stellglied 111 angelegt ist, reduziert, bis sie den gleichen Pegel aufweist, wie beim ersten Schritt. Der vierte Schritt der Operation kann weggelassen werden, indem die Spannung, die an das laminierte piezoelektrische Stellglied 111 beim ersten Schritt angelegt ist, gleich der beim dritten Schritt ist.Finally, in the fourth step, voltage applied to the laminated piezoelectric actuator 111 is reduced until it has the same level as in the first step. The fourth step of the operation can be omitted by making the voltage applied to the laminated piezoelectric actuator 111 in the first step equal to that in the third step.
Gemäß einem derartigen Ansteuerverfahren, da ein elektrisches Feld konstant an das laminierte piezoelektrische Stellglied 111 in der Richtung der Polarisation angelegt ist, tritt keine umgekehrte Polarisierung auf, die die Polarisierung des laminierten piezoelektrischen Stellglieds 111 abschwächt. Darüber hinaus, da die Oszillation der Flüssigkeitsoberflächen (Menisci) in den Düsenlöchern 119, die der von Tinte folgt, die in den Druckbeaufschlagungskammern 116 erzeugt wird, abgeschwächt werden kann, indem die Tintenversorgung beim zweiten Schritt der Operation allmählich erfolgt, ist es möglich, die Ausstoßgeschwindigkeit oder den Durchmesser der Tintentropfen gleichförmig zu bilden, selbst wenn das laminierte piezoelektrische Stellglied 111 mit verschiedenen Frequenzen angesteuert wird.According to such a driving method, since an electric field is constantly applied to the laminated piezoelectric actuator 111 in the direction of polarization, no reverse polarization occurs which weakens the polarization of the laminated piezoelectric actuator 111. Moreover, since the oscillation of the liquid surfaces (menisci) in the nozzle holes 119 following that of ink generated in the pressurizing chambers 116 can be weakened by gradually supplying the ink at the second step of the operation, it is possible to make the ejection speed or diameter of the ink droplets uniform even when the laminated piezoelectric actuator 111 is driven at different frequencies.
Das Verfahren zur Herstellung der laminierten piezoelektrischen Stellgliedeinheit 112 in dem oben genannten Tintenstrahlkopf, wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Fig. 3A, 3B, 3C und 7 beschrieben.The method of manufacturing the laminated piezoelectric actuator unit 112 in the above-mentioned ink jet head will be described below with reference to Figs. 3A, 3B, 3C and 7.
Das Herstellungsverfahren des in den Fig. 3A bis 3C gezeigten piezoelektrischen Elementsblocks 150 ist im wesentlichen identisch mit dem der laminierten piezoelektrischen Stellgliedeinheit 112, gemäß dem oben beschriebenen ersten Beispiel.The manufacturing process of the piezoelectric element block 150 shown in Figs. 3A to 3C is substantially identical to that of the laminated piezoelectric actuator unit 112 according to the first example described above.
Wie in Fig. 3A gezeigt, ist die erste leitfähige Materialschicht 131 mittels Druckverfahren auf einem ersten Keramikblatt aus piezoelektrischem Keramik gebildet, und ist die plattengeformte piezoelektrische Materialschicht 130. Zu dieser Zeit bleibt der Zentralbereich der plattengeformten piezoelektrischen Materialschicht 130 von der ersten leitfähigen Materialschicht 131 unbedeckt, um so der erste freigelegte Bereich 130a zu sein.As shown in Fig. 3A, the first conductive material layer 131 is formed by printing method on a first ceramic sheet made of piezoelectric ceramic, and is the plate-shaped piezoelectric material layer 130. At this time, the central region of the plate-shaped piezoelectric material layer 130 remains uncovered by the first conductive material layer 131 so as to be the first exposed region 130a.
Dann, wie in Fig. 3B gezeigt, wird ein zweites Keramikblatt als die plattengeformte piezoelektrische Materialschicht 140 auf die erste leitfähige Materialschicht 131 laminiert, und die zweite leitfähige Materialschicht 141 ist mittels Druckverfahren auf der oberen Oberfläche der plattengeformten piezoelektrischen Materialschicht 140 gebildet. Zu dieser Zeit bleiben die beiden Endoberflächen der plattengeformten piezoelektrischen Materialschicht 140 unbedeckt von der zweiten leitfähigen Materialschicht 141, um so den zweite freigelegte Bereich 140a zu bilden.Then, as shown in Fig. 3B, a second ceramic sheet as the plate-shaped piezoelectric material layer 140 is laminated on the first conductive material layer 131, and the second conductive material layer 141 is formed by printing method on the upper surface of the plate-shaped piezoelectric material layer 140. At this time, the both end surfaces of the plate-shaped piezoelectric Material layer 140 uncovered by the second conductive material layer 141 so as to form the second exposed region 140a.
Der piezoelektrische Elementblock 150, wie in Fig. 3C gezeigt, ist durch Laminieren der Keramikblätter aufeinander gebildet, zur Bildung der plattengeformten piezoelektrischen Materialschichten und der leitfähigen Materialschichten, und dann durch Anwenden des Drucksinterprozesses darauf.The piezoelectric element block 150, as shown in Fig. 3C, is formed by laminating the ceramic sheets on each other to form the plate-shaped piezoelectric material layers and the conductive material layers, and then applying the pressure sintering process thereto.
Dann, wie in Fig. 7 gezeigt, wird der piezoelektrische Elementblock 150 mit der Basisplatte 110 gebondet, und aufeinander folgend werden die ersten Schlitze 160a und 160b, die die Basisplatte 110 erreichen, in dem piezoelektrischen Elementblock 150 gebildet, indem ein Schneidewerkzeug, wie etwa ein Diamantschneider, etc. verwendet wird.Then, as shown in Fig. 7, the piezoelectric element block 150 is bonded to the base plate 110, and sequentially, the first slits 160a and 160b reaching the base plate 110 are formed in the piezoelectric element block 150 by using a cutting tool such as a diamond cutter, etc.
Anschließend wird ein dünner Film aus Gold (Au) über dem gesamten dem piezoelektrischen Elementblock 150 und der Basisplatte 110 gebildet, indem Dünnfilmbildungsmittel, wie etwa Vakuumbedampfung, verwendet wird, und der Elektrodenfilm 161 wird auf der oberen Oberfläche der Basisplatte 110 gebildet, auf den Endoberflächen des piezoelektrischen Elementblocks 150 und auf den inneren Oberflächen der ersten Schlitze 160a und 160b.Subsequently, a thin film of gold (Au) is formed over the entire piezoelectric element block 150 and the base plate 110 by using thin film forming means such as vacuum deposition, and the electrode film 161 is formed on the upper surface of the base plate 110, on the end surfaces of the piezoelectric element block 150, and on the inner surfaces of the first slots 160a and 160b.
Dann wird der Elektrodenfilm 161 von der oberen Oberfläche des piezoelektrischen Elementblocks 150 oder von anderen unnötigen Oberflächen durch Oberflächenschleifen, etc. entfernt, um so den laminierten piezoelektrischen Stellgliedblock 162, wie in Fig. 4 gezeigt, zu bilden.Then, the electrode film 161 is removed from the upper surface of the piezoelectric element block 150 or other unnecessary surfaces by surface grinding, etc., so as to form the laminated piezoelectric actuator block 162 as shown in Fig. 4.
Die zweiten Schlitze 163 (nicht gezeigt in Fig. 7) werden auf dem gebildeten laminierten piezoelektrischen Stellgliedblock 162 in der Richtung im wesentlichen senkrecht zu den ersten Schlitzen 160a und 160b gebildet, indem ein Diamantschneider, etc. verwendet wird. Die zweiten Schlitze 163 erreichen die Basisplatte 110, sind jedoch schmäler als die ersten Schlitze 160a und 160b. Aufeinanderfolgende Bildung der zweiten Schlitze 163 bei einem gegebenen Abstand vervollständigt die Herstellung des laminierten piezoelektrischen Stellglieds 111.The second slots 163 (not shown in Fig. 7) are formed on the formed laminated piezoelectric actuator block 162 in the direction substantially perpendicular to the first slots 160a and 160b by using a diamond cutter, etc. The second slots 163 reach the base plate 110, but are narrower than the first slots 160a and 160b. Successive formation of the second slots 163 at a given pitch completes the manufacture of the laminated piezoelectric actuator 111.
Bei dem Herstellungsschritt, wie oben beschrieben, wird der Elektrodenfilm 161, wie in Fig. 7 gezeigt, in eine Mehrzahl von Muster unterteilt, um so individuell jedes laminierte piezoelektrische Stellglied 111 anzusteuern.In the manufacturing step as described above, the electrode film 161 is divided into a plurality of patterns as shown in Fig. 7 so as to individually drive each laminated piezoelectric actuator 111.
Dann, wie in Fig. 5 gezeigt, werden die Stützen 114a auf die Basisplatte 110 und die oberen Oberflächen der laminierten piezoelektrischen Stellglieder 111 gebondet, und die Stützen 114a und 114b werden gleichzeitig einem Oberflächenschleifen unterzogen.Then, as shown in Fig. 5, the supports 114a are bonded to the base plate 110 and the upper surfaces of the laminated piezoelectric actuators 111, and the supports 114a and 114b are simultaneously subjected to surface grinding.
Der Schritt des Oberflächenschleifens und der Schritt zur Bildung der zweiten Schlitze 163, wie oben genannt, können in umgekehrter Reihenfolge erfolgen.The step of surface grinding and the step of forming the second slots 163, as mentioned above, may be performed in the reverse order.
Gemäß der Struktur des Tintenstahlkopfs und des Verfahrens zur Herstellung des laminierten piezoelektrischen Stellglieds 111 ist es möglich, die elektrische Verbindungsstruktur zur Ansteuerung des piezoelektrischen Stellglieds 111 leicht zu bilden, indem das Dünnfilmbildungsmittel und Schleifen verwendet wird.According to the structure of the ink jet head and the method of manufacturing the laminated piezoelectric actuator 111, it is possible to easily form the electrical connection structure for driving the piezoelectric actuator 111 by using the thin film forming means and grinding.
Darüber hinaus, aufgrund seiner Struktur, sind die vorstehenden Bereiche des laminierten piezoelektrischen Stellglieds 111 klein, so daß eine Beschädigung, wie etwa Bruch, kaum auftritt. Ferner, da sie keinen schweren Herstellungsschritt enthält, kann jedes Glied mit hoher Genauigkeit gebildet werden, und es kann einfach zusammengebaut werden, indem die Glieder laminiert und zusammengebondet werden, die Herstellungskosten sind gering.Moreover, due to its structure, the protruding portions of the laminated piezoelectric actuator 111 are small, so that damage such as breakage hardly occurs. Furthermore, since it does not involve a heavy manufacturing step, each member can be formed with high accuracy, and it can be easily assembled by laminating the members and bonding them together, the manufacturing cost is low.
Im folgenden wird ein Tintenstrahlkopf gemäß einem dritten Beispiel, das zum Verständnis nützlich, jedoch kein Ausführungsbeispiel ist, beschrieben.An ink jet head according to a third example, which is useful for understanding but is not an embodiment, will be described below.
Der Tintenstrahlkopf gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel weist eine Struktur auf, bei der die Anordnung der Düsenlöcher 119 und der laminierten piezoelektrischen Stellglieder 111 in dem im ersten und zweiten Ausführungsbeispiel beschriebenen Tintenstrahlkopf geändert ist. Entsprechend sind andere Teile mit Ausnahme der oben beschriebenen, im wesentlichen identisch mit denen der ersten und zweiten Ausführungsbeispiele, so daß eine Beschreibung dieser weggelassen ist.The ink jet head according to the third embodiment has a structure in which the arrangement of the nozzle holes 119 and the laminated piezoelectric actuators 111 in the ink jet head described in the first and second embodiments is changed. Accordingly, other parts except for the above-described substantially identical to those of the first and second embodiments, so that a description thereof is omitted.
Fig. 8 zeigt eine teilweise Querschnittsansicht, die die Düsenplatte 120, die Flußwegplatte 118, die Membran 115 und die laminierte piezoelektrische Stellgliedeinheit 112 zeigt.Fig. 8 is a partial cross-sectional view showing the nozzle plate 120, the flow path plate 118, the diaphragm 115, and the laminated piezoelectric actuator unit 112.
In Fig. 8 sind die Achsen, die mit X1 und X2 gekennzeichnet sind, diejenigen, die die Düsenlöcher 119 kreuzen, die auf der Düsenplatte 120 bereitgestellt sind, und die Anordnungsrichtung der Düsenlöcher 119 zeigen. Die Achsen, die mit Y gekennzeichnet sind, ist eine Achse, die die Achsen X1 und X2 unter rechten Winkeln auf der Düsenplatte 120 kreuzen.In Fig. 8, the axes marked with X1 and X2 are those that cross the nozzle holes 119 provided on the nozzle plate 120 and show the arrangement direction of the nozzle holes 119. The axes marked with Y is an axis that cross the axes X1 and X2 at right angles on the nozzle plate 120.
Gemäß diesem Beispiel sind die Paare von laminierten piezoelektrischen Stellgliedern 111 und 111 in Reihe angeordnet, wobei jedes laminierte piezoelektrische Stellglied 111 entlang einer Achse Z angeordnet ist, θº relativ zur Achse Y.According to this example, the pairs of laminated piezoelectric actuators 111 and 111 are arranged in series, with each laminated piezoelectric actuator 111 arranged along an axis Z, θ° relative to the axis Y.
Darüber hinaus, sind die mehreren Paare von laminierten piezoelektrischen Stellgliedern 111 in Reihe in der Richtung der Achsen X1 und X2 mit Anordnungsintervallen von P1 angeordnet.Moreover, the plural pairs of laminated piezoelectric actuators 111 are arranged in series in the direction of the axes X1 and X2 with arrangement intervals of P1 .
Jede der Mehrzahl von Druckbeaufschlagungskammern 116, die in der Flußwegplatte 118 gebildet sind, ist ebenfalls parallel zur Achse Z angeordnet, um θº relativ zur Achse Y geneigt, die zu jedem laminierten piezoelektrischen Stellglied 111 korrespondiert.Each of the plurality of pressurizing chambers 116 formed in the flow path plate 118 is also arranged parallel to the axis Z, inclined by θ° relative to the axis Y corresponding to each laminated piezoelectric actuator 111.
Die Düsenplatte 120 enthält die Düsenlöcher 119, die jeweils mit ihrer entsprechenden Druckbeaufschlagungskammer 116 kommunizieren.The nozzle plate 120 contains the nozzle holes 119, each of which communicates with its corresponding pressurization chamber 116.
Die Düsenlöcher 119 auf der Achse X1 und die auf der Achse X2 sind jeweils in der Richtung der Achsen mit dem Abstand von P1 angeordnet. Vorausgesetzt, daß die x- Komponente des Abstandes zwischen einem Düsenloch 119 auf der Achse X1 und seinem Nachbardüsenloch 119 auf der Achse X2 gleich P2 ist und der Abstand zwischen den Achsen X1 und X2 gleich S ist, sind die Düsenlöcher 119 angeordnet, um den Ausdruck zu erfüllen:The nozzle holes 119 on the axis X1 and those on the axis X2 are each arranged in the direction of the axes with the distance of P1. Provided that the x-component of the distance between a nozzle hole 119 on the axis X1 and its Neighboring nozzle hole 119 on the axis X2 is P2 and the distance between the axes X1 and X2 is S, the nozzle holes 119 are arranged to satisfy the expression:
P2 = S · tanθ = P1/2P2 = S · tanθ = P1/2
wenn der Tintenstrahlkopf mit einer derartigen Struktur in Y-Achsrichtung in Fig. 8 relativ zu einem Druckmedium, wie etwa Papier, etc. bewegt wird, um Zeichen zu drucken, wird der Anordnungsabstand der Düsenlöcher 119 in der Achse X1(X2)-Richtung 1/2, verglichen mit dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel, so daß gedruckte Pixel doppelte Dichte aufweisen, und ein Bild mit extrem guter Qualität erhalten werden kann.When the ink jet head having such a structure is moved in the Y-axis direction in Fig. 8 relative to a printing medium such as paper, etc. to print characters, the arrangement pitch of the nozzle holes 119 in the X1(X2) axis direction becomes 1/2 compared with the first and second embodiments, so that printed pixels have double density and an image with extremely good quality can be obtained.
Gemäß dem Beispiel, mit dem der Erfinder experimentiert hat, kann der Anordnungsabstand der Düsenlöcher 119 bis auf 300dpi gesetzt werden, indem Gräben auf dem laminierten piezoelektrischen Körper gebildet werden, der mit der Basisplatte 110 mit einem Abstand von 150dpi gebondet ist. Zu dieser Zeit war der Neigungswinkel θ ziemlich klein, in der Größenordnung von 0,03 rad, so daß insbesondere die Form der laminierten piezoelektrischen Stellglieder 111 oder der Druckbeaufschlagungskammer 116 nicht von einer rechtwinkligen Form zu einer Parallelogrammform wie in Fig. 8 gezeigt, abwich.According to the example experimented by the inventor, the arrangement pitch of the nozzle holes 119 can be set to 300 dpi by forming grooves on the laminated piezoelectric body bonded to the base plate 110 at a pitch of 150 dpi. At this time, the inclination angle θ was quite small, on the order of 0.03 rad, so that, in particular, the shape of the laminated piezoelectric actuators 111 or the pressurizing chamber 116 did not deviate from a rectangular shape to a parallelogram shape as shown in Fig. 8.
Ein viertes Beispiel, das zum Verständnis nützlich, jedoch kein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist, wird im folgenden hauptsächlich unter Bezugnahme auf Fig. 9 beschrieben.A fourth example, which is useful for understanding but is not an embodiment of the invention, is described below mainly with reference to Fig. 9.
Die Struktur des Tintenstrahlkopfs gemäß diesem Beispiel ist mit der des zweiten Beispiels, wie oben genannt, identisch, mit Ausnahme einer laminierten piezoelektrischen Stellgliedeinheit 170, die später beschrieben wird.The structure of the ink jet head according to this example is identical to that of the second example as mentioned above, except for a laminated piezoelectric actuator unit 170 which will be described later.
Die laminierte piezoelektrische Stellgliedeinheit 170 wird im folgenden gemäß ihren Herstellungsschritten beschrieben.The laminated piezoelectric actuator unit 170 is described below according to its manufacturing steps.
Ein laminierter piezoelektrischer Körper 171 ist gebildet, indem plattengeformte piezoelektrische Materialschichten und leitfähige Materialschichten aufeinander laminiert werden, und indem die folglich laminierten Materialschichten einem Drucksinterprozeß unterzogen werden, wie beim zweiten Ausführungsbeispiel.A laminated piezoelectric body 171 is formed by laminating plate-shaped piezoelectric material layers and conductive material layers and by subjecting the thus laminated material layers to a pressure sintering process, as in the second embodiment.
Erste Schlitze 172a und 172b sind auf dem Zentralbereich des laminierten piezoelektrischen Körpers 171 gebildet, und die Ansteuersammelelektroden 173a und die gemeinsamen Sammelelektroden 173b sind auf beiden Endoberflächen des laminierten piezoelektrischen Körpers 171 und innerhalb der ersten Schlitze 172a und 172b jeweils gebildet.First slits 172a and 172b are formed on the central portion of the laminated piezoelectric body 171, and the drive collecting electrodes 173a and the common collecting electrodes 173b are formed on both end surfaces of the laminated piezoelectric body 171 and inside the first slits 172a and 172b, respectively.
Die zweiten Schlitze, ähnlich den zweiten Schlitzen 163 (siehe Fig. 5) im zweiten Ausführungsbeispiel, werden in dem folglich gebildeten laminierten piezoelektrischen Körper 171 in der Richtung im wesentlichen senkrecht zu den ersten Schlitzen 172a und 172b mit einem gegebenen Abstand laminiert, wodurch die laminierte piezoelektrische Stellgliedeinheit 170 vervollständigt wird.The second slits, similar to the second slits 163 (see Fig. 5) in the second embodiment, are laminated in the thus formed laminated piezoelectric body 171 in the direction substantially perpendicular to the first slits 172a and 172b at a given pitch, thereby completing the laminated piezoelectric actuator unit 170.
Die Ansteuersammelelektroden 173a werden voneinander getrennt, indem Schlitze mit gleichem Abstand wie die zweiten Schlitze, wie oben genannt, gebildet werden, um als individuelle Ansteuerelektroden zu dienen, korrespondierend zu den jeweiligen laminierten piezoelektrischen Blöcken 171.The drive collecting electrodes 173a are separated from each other by forming slits having the same pitch as the second slits mentioned above to serve as individual drive electrodes corresponding to the respective laminated piezoelectric blocks 171.
Dann werden die Membran 115, die Flußwegplatte 118 und die Düsenplatte 120 laminiert und miteinander gebondet, um einen Tintenstrahlkopf zu bilden, wie beim zweiten Ausführungsbeispiel.Then, the diaphragm 115, the flow path plate 118 and the nozzle plate 120 are laminated and bonded together to form an ink jet head, as in the second embodiment.
Das Merkmal dieses Beispiels liegt in der Bildung der Basisplatte 110 und der Stützen 114a und 114b des Tintenstrahlkopfs des zweiten Ausführungsbeispiels aus dem laminierten piezoelektrischen Stellglied selbst, anstelle der Bildung dieser als andere Glieder.The feature of this example lies in forming the base plate 110 and the supports 114a and 114b of the ink jet head of the second embodiment from the laminated piezoelectric actuator itself, instead of forming them as other members.
Eines der Paare von ersten leitfähigen Materialschichten 131 und zweiten leitfähigen Materialschichten 141, die einander gegenüber liegen, zur Ansteuerung jeder plattengeformten piezoelektrischen Materialschicht 130 und jeder plattengeformten piezoelektrischen Materialschicht 140 existiert nicht auf dem Bodenbereich, den äußeren Endbereichen, und um den Zentralbereich der laminierten piezoelektrischen Blöcke 171 herum. Als Ergebnis verformen sich die Bereiche nicht, selbst wenn Spannung an diese angelegt wird. Somit werden der Bodenbereich und die äußeren Endbereiche und der Zentralbereich der laminierten piezoelektrischen Blöcke 171 jeweils als die Basisplatte und die Stützen verwendet, um die Anzahl der Glieder zu reduzieren.One of the pairs of first conductive material layers 131 and second conductive material layers 141 facing each other for driving each plate-shaped piezoelectric material layer 130 and each plate-shaped piezoelectric material layer 140 does not exist on the bottom portion, the outer end portions, and around the central portion of the laminated piezoelectric blocks 171. As a result, the portions do not deform even when voltage is applied thereto. Thus, the bottom portion and the outer end portions and the central portion of the laminated piezoelectric blocks 171 are used as the base plate and the supports, respectively, to reduce the number of members.
Gemäß dem vierten Beispiel können die Kosten der Glieder und die Anzahl der Herstellungsschritte reduziert werden, so daß der Tintenstrahlkopf einfach hergestellt werden kann.According to the fourth example, the cost of the members and the number of manufacturing steps can be reduced, so that the ink jet head can be easily manufactured.
Das fünfte Beispiel, das zum Verständnis nützlich, jedoch kein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist, wird im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 10 beschrieben.The fifth example, which is useful for understanding but is not an embodiment of the invention, is described below with reference to Fig. 10.
Der Tintenstrahlkopf gemäß diesem Beispiel ist ebenfalls ähnlich denen des ersten bis vierten Beispiels, wie oben genannt, mit Ausnahme einer laminierten piezoelektrischen Stellgliedeinheit 180, die später beschrieben wird.The ink jet head according to this example is also similar to those of the first to fourth examples mentioned above, except for a laminated piezoelectric actuator unit 180 which will be described later.
Der Tintenstrahlkopf dieses Beispiels weist eine Struktur auf, bei der die Verbindungsstruktur der laminierten piezoelektrischen Stellglieder, die Membran und die Flußwegplatte in den oben genannten ersten bis vierten Beispielen, modifiziert ist.The ink jet head of this example has a structure in which the connection structure of the laminated piezoelectric actuators, the diaphragm and the flow path plate in the above-mentioned first to fourth examples is modified.
Wie in Fig. 10 gezeigt, sind eine Mehrzahl von laminierten piezoelektrischen Stellgliedeinheiten 180 in einer Reihe mit einem gegebenen Abstand angeordnet, wobei die Reihen der angesteuerten Stellglieder 183 und die Reihen der nicht angesteuerten Stellglieder 184 abwechselnd angeordnet sind, und die nicht angesteuerten Stellglieder 184 alle anderen Reihen angeordnet sind, die als Stützen verwendet werden.As shown in Fig. 10, a plurality of laminated piezoelectric actuator units 180 are arranged in a row at a given pitch, the rows of the driven actuators 183 and the rows of the non-driven actuators 184 are arranged alternately, and the non-driven actuators 184 are arranged every other rows used as supports.
Eine Membran 181 ist mit den oberen Endoberflächen der angesteuerten Stellglieder 183 und der nicht angesteuerten Stellglieder 184 verbunden, die als Stützen dienen, und ferner ist eine Flußwegplatte 182 mit der oberen Oberfläche der Membran 181 verbunden. Die Membran 181 ist durch die nicht angesteuerten Stellglieder 184 und die Partitionen der Flußwegplatte 182 geklemmt.A diaphragm 181 is connected to the upper end surfaces of the driven actuators 183 and the non-driven actuators 184, which serve as supports, and further a flow path plate 182 is connected to the upper surface of the diaphragm 181. The diaphragm 181 is clamped by the non-controlled actuators 184 and the partitions of the flow path plate 182.
Darüber hinaus ist die Düsenplatte 120 mit der oberen Endoberfläche der Flußwegplatte 182 gebondet.In addition, the nozzle plate 120 is bonded to the upper end surface of the flow path plate 182.
Eine derartige Struktur macht die Stützbedingung der Membran 181 konstant, so daß es möglich ist, die ungleichmäßige Tintenausstoßleistung und Interferenzen zwischen benachbarten Druckbeaufschlagungskammern zu verhindern.Such a structure makes the supporting condition of the diaphragm 181 constant, so that it is possible to prevent the uneven ink ejection performance and interference between adjacent pressurizing chambers.
Ein Tintenstrahlkopf gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Fig. 11 und 12 beschrieben.An ink jet head according to a first embodiment of the invention will be described below with reference to Figs. 11 and 12.
Der Tintenstrahlkopf gemäß dem ersten und späteren Ausführungsbeispiele weist im wesentlichen die gleiche Struktur auf in Bezug auf die laminierte piezoelektrische Stellgliedeinheit, wie der Tintenstrahlkopf gemäß den ersten bis fünften Beispielen, wie oben genannt, jedoch sind die zuerst genannten von den zuletzt genannten in der Struktur der Druckbeaufschlagungskammern und im Prinzip der Tintenausstoßung ziemlich unterschiedlich.The ink jet head according to the first and later embodiments has substantially the same structure with respect to the laminated piezoelectric actuator unit as the ink jet head according to the first to fifth examples mentioned above, but the former are quite different from the latter in the structure of the pressurizing chambers and the principle of ink ejection.
Der Tintenstrahlkopf gemäß den ersten bis fünften Beispielen hat eine Struktur; bei der ein laminiertes piezoelektrisches Stellglied, das außerhalb einer Druckbeaufschlagungskammer bereitgestellt ist, diese drückt, um Tintentropfen von dieser auszustoßen, jedoch ist in dem Tintenstrahlkopf gemäß dem sechsten und späterer Ausführungsbeispiele die Druckbeaufschlagungskammer in dem laminierten piezoelektrischen Stellglied gebildet.The ink jet head according to the first to fifth examples has a structure in which a laminated piezoelectric actuator provided outside a pressurizing chamber presses it to eject ink drops therefrom, but in the ink jet head according to the sixth and later embodiments, the pressurizing chamber is formed in the laminated piezoelectric actuator.
Folglich sind die Glieder mit neuen Bezugsziffern zur Erklärung in den Zeichnungen (Fig. 11 bis 18) gekennzeichnet, wobei das erste und spätere Ausführungsbeispiele gezeigt sind.Consequently, the members are designated with new reference numerals for explanation in the drawings (Figs. 11 to 18) showing the first and later embodiments.
Wie in den Fig. 11 und 12 gezeigt, sind eine erste plattengeformte piezoelektrische Materialschicht 1a und eine zweite plattengeformte piezoelektrische Materialschicht 1b zusammengebondet mit einer dazwischen angeordneten ersten leitfähigen Materialschicht 2a. Ferner sind die zweite plattengeformte piezoelektrische Materialschicht 1b und die dritte plattengeformte piezoelektrische Materialschicht 1c zusammengebondet, mit einer dazwischen angeordneten zweiten leitfähigen Materialschicht 2b.As shown in Figs. 11 and 12, a first plate-shaped piezoelectric material layer 1a and a second plate-shaped piezoelectric material layer 1b bonded together with a first conductive material layer 2a interposed therebetween. Further, the second plate-shaped piezoelectric material layer 1b and the third plate-shaped piezoelectric material layer 1c are bonded together with a second conductive material layer 2b interposed therebetween.
Die erste plattengeformte piezoelektrische Materialschicht 1a ist in die Richtung der Dicke polarisiert, während die zweite plattengeformte piezoelektrische Materialschicht 1b in die Richtung polarisiert ist, die umgekehrt zu der der ersten plattengeformten piezoelektrischen Materialschicht 1a ist. Die dritte plattengeformte piezoelektrische Materialschicht 1c ist die Richtung polarisiert, umgekehrt zu der der zweiten plattengeformten piezoelektrische Materialschicht 1b.The first plate-shaped piezoelectric material layer 1a is polarized in the thickness direction, while the second plate-shaped piezoelectric material layer 1b is polarized in the direction reverse to that of the first plate-shaped piezoelectric material layer 1a. The third plate-shaped piezoelectric material layer 1c is polarized in the direction reverse to that of the second plate-shaped piezoelectric material layer 1b.
Jede der Partitionen 10 ist durch aufeinanderfolgendes Laminieren der notwendigen Anzahl von leitfähigen Materialschichten und der plattengeformten piezoelektrischen Materialschichten in einer ähnlichen Struktur gebildet.Each of the partitions 10 is formed by successively laminating the necessary number of conductive material layers and the plate-shaped piezoelectric material layers in a similar structure.
Eine erste Sammelelektrode 3a aus einem dünnen Gold (Au)-Film, etc., der durch Verwendung von Dünnfilmbildungsmitteln, wie etwa einem Vakuumbedampfungsverfahren, gebildet ist, ist auf der Endoberfläche der Partitionen 10 bereitgestellt. Die erste leitfähige Materialschicht 2a, die dritte leitfähige Materialschicht 2c, etc. sind elektrisch mit der ersten Sammelelektrode 3a verbunden.A first collecting electrode 3a made of a thin gold (Au) film, etc., formed by using thin film forming means such as a vacuum evaporation method, is provided on the end surface of the partitions 10. The first conductive material layer 2a, the third conductive material layer 2c, etc. are electrically connected to the first collecting electrode 3a.
Andererseits, ist die zweite Sammelelektrode 3b auf den anderen Endoberflächen der Partitionen 10 bereitgestellt, indem das Mittel verwendet wird ähnlich wie bei der ersten Sammelelektrode 3a, und die zweite leitfähige Materialschicht 2b, eine vierte leitfähige Materialschicht 2d, etc., sind elektrisch mit der zweiten Sammelelektrode 3b verbunden.On the other hand, the second collecting electrode 3b is provided on the other end surfaces of the partitions 10 by using the means similar to the first collecting electrode 3a, and the second conductive material layer 2b, a fourth conductive material layer 2d, etc., are electrically connected to the second collecting electrode 3b.
Wenn eine Spannung zwischen der ersten Sammelelektrode 3a und der zweiten Sammelelektrode 3b in dem Tintenstrahlkopf mit einer derartigen Struktur angelegt wird, wird eine Potentialdifferenz zwischen den leitfähigen Materialschichten erzeugt, um ein elektrisches Feld in der plattengeformten piezoelektrischen Materialschicht in der Richtung der Dicke zu erzeugen. Als Ergebnis fungieren die Partitionen 10 als piezoelektrische Elementblöcke.When a voltage is applied between the first collecting electrode 3a and the second collecting electrode 3b in the ink jet head having such a structure, a potential difference is generated between the conductive material layers to generate an electric field in the plate-shaped piezoelectric material layer in the direction of thickness. As a result, the partitions 10 function as piezoelectric element blocks.
Eine Mehrzahl dieser Partitionen 10 ist in einer Matrix auf einer Basisplatte 11 angeordnet, auf der ein Tintenversorgungsanschluß 13 eine Öffnung aufweist. Diese Partitionen 10 sind auf die Basisplatte 11 mit einem Bondmittel gebondet, um Längsspalte 20 und 21 und einen Querspalt 29 zwischen die Partitionen 10 zu bilden.A plurality of these partitions 10 are arranged in a matrix on a base plate 11, on which an ink supply port 13 has an opening. These partitions 10 are bonded to the base plate 11 with a bonding agent to form longitudinal gaps 20 and 21 and a transverse gap 29 between the partitions 10.
Darüber hinaus ist ein Versiegelungsglied 22 auf der Basisplatte 11 fixiert, indem ein derartiges Bonden erfolgt, daß es die Längsaußenendoberflächen der Partitionen 10 kontaktiert. Eine Abdeckung 14 bedeckt die Längsspalte 20 und 21 und die obere Oberfläche des Versiegelungsglieds 22, um eine Mehrzahl von Druckbeaufschlagungskammern 15 zu bilden, die von diesen Partitionen 10, dem Versiegelungsglied 22 und der Abdeckung 14 umgeben sind.Furthermore, a sealing member 22 is fixed on the base plate 11 by bonding so as to contact the longitudinal outer end surfaces of the partitions 10. A cover 14 covers the longitudinal gaps 20 and 21 and the upper surface of the sealing member 22 to form a plurality of pressurizing chambers 15 surrounded by these partitions 10, the sealing member 22 and the cover 14.
Eine Mehrzahl von Düsenlöcher 23, die jeweils mit entsprechender Druckbeaufschlagungskammer 15 kommunizieren, sind in der Abdeckung 14 gebildet.A plurality of nozzle holes 23, each communicating with a corresponding pressurizing chamber 15, are formed in the cover 14.
Verdrahtungsmuster 25, die elektrisch mit den Sammelelektroden 3a und 3b der Partitionen 10 verbunden sind, sind auf der oberen Oberfläche der Basisplatte 11 bereitgestellt. Diese Verdrahtungsmuster 25 sind mit flexiblen Verdrahtungsplatten 26 verbunden, und eine externe Ansteuerspannung ist an die Sammelelektroden 3a und 3b der Partitionen 10 über diese flexiblen Verdrahtungsplatten 26 und die Verdrahtungsmuster 25 angelegt.Wiring patterns 25 electrically connected to the collecting electrodes 3a and 3b of the partitions 10 are provided on the upper surface of the base plate 11. These wiring patterns 25 are connected to flexible wiring boards 26, and an external drive voltage is applied to the collecting electrodes 3a and 3b of the partitions 10 via these flexible wiring boards 26 and the wiring patterns 25.
Obwohl nicht in den Fig. 11 und 12 gezeigt, kann Tinte von dem Tintenversorgungsanschluß 13 von einem gemeinsamen Tintentank einer Tintenpatrone zugeführt werden.Although not shown in Figs. 11 and 12, ink may be supplied from the ink supply port 13 from a common ink tank of an ink cartridge.
Obwohl der Tintenversorgungsanschluß 13 auf der Basisplatte 11 gemäß diesem Ausführungsbeispiel gebildet ist, kann er auch in dem Versiegelungsglied 22, der Abdeckung 14 oder dergleichen gebildet sein.Although the ink supply port 13 is formed on the base plate 11 according to this embodiment, it may be formed in the sealing member 22, the cover 14, or the like.
In dem Tintenstrahlkopf, wie oben beschrieben, sind die Partitionen 10 als laminierte piezoelektrische Stellglieder in zwei Reihen angeordnet, so daß die Düsenlöcher 23 in Richtung der Dicke geöffnet werden können, um die hohe Dichte der Montage der Partitionen 10 zu realisieren. Die Partitionen 10 können ebenfalls in einer Reihe in Abhängigkeit von ihrer Verwendung angeordnet sein.In the ink jet head as described above, the partitions 10 as laminated piezoelectric actuators are arranged in two rows so that the nozzle holes 23 can be opened in the thickness direction to realize the high density of mounting of the partitions 10. The partitions 10 may also be arranged in one row depending on their use.
Der Betrieb des Tintenstrahlkopfs gemäß dem oben genannten Ausführungsbeispiel wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Fig. 11 und 12 beschrieben.The operation of the ink jet head according to the above embodiment will be described below with reference to Figs. 11 and 12.
Wenn eine elektrische Leistung an die erste und zweite Sammelelektrode 3a und 3b von den flexiblen Verdrahtungsplatten 26 geliefert wird, die mit diesen durch die Verdrahtungsmuster 25 verbunden sind, wird eine Spannung zwischen den ersten leitfähigen Materialschichten 2a und den zweiten leitfähigen Materialschichten 2b erzeugt. Ein elektrisches Feld wird in der zweiten plattengeformten piezoelektrischen Materialschicht 1b in der Dickenrichtung erzeugt.When electric power is supplied to the first and second collecting electrodes 3a and 3b from the flexible wiring plates 26 connected thereto through the wiring patterns 25, a voltage is generated between the first conductive material layers 2a and the second conductive material layers 2b. An electric field is generated in the second plate-shaped piezoelectric material layer 1b in the thickness direction.
Die zweite plattengeformte piezoelektrische Materialschicht 1b ist im Voraus vorpolarisiert in die Richtung entgegengesetzt zu der des elektrischen Feldes. Als Ergebnis kontrahiert die zweite plattengeformte piezoelektrische Materialschicht 1b in Dickenrichtung (d&sub3;&sub3;-Richtung).The second plate-shaped piezoelectric material layer 1b is pre-polarized in advance in the direction opposite to that of the electric field. As a result, the second plate-shaped piezoelectric material layer 1b contracts in the thickness direction (d33 direction).
Angenommen, daß die Dicke der zweiten plattengeformten piezoelektrischen Materialschicht 1b gleich t ist, die Verformung gleich δt, die daran angelegte Spannung V und der piezoelektrische Spannungskoeffizient in Dickenrichtung gleich d&sub3;&sub3;, kann folgender Ausdruck gebildet werden, da die Spannung proportional zur Stärke des elektrischen Feldes ist:Assuming that the thickness of the second plate-shaped piezoelectric material layer 1b is t, the strain is δt, the voltage applied thereto is V, and the piezoelectric stress coefficient in the thickness direction is d33, the following expression can be formed since the stress is proportional to the strength of the electric field:
δ/t = d&sub3;&sub3;V/tδ/t = d₃₃V/t
δ = d&sub3;&sub3;Vδ = d₃₃V
Der oben genannte Ausdruck bedeutet, daß die Verformung proportional zur Spannung ist, und nicht von der Dicke der piezoelektrischen Materialschicht abhängt.The above expression means that the deformation is proportional to the voltage, and does not depend on the thickness of the piezoelectric material layer.
Jede der laminierten piezoelektrischen Materialschichten wird ähnlich zur zweiten plattengeformten piezoelektrischen Materialschicht 1b verformt, so daß die Gesamtverformung in der Dickenrichtung proportional zur Anzahl m der laminierten piezoelektrischen Materialschichten ist, auf deren beiden Oberflächen Elektroden gebildet sind, um m · δt zu sein, wodurch eine große Verformung, m mal so groß wie bei einer einzelnen Schicht, erhalten wird.Each of the laminated piezoelectric material layers is deformed similarly to the second plate-shaped piezoelectric material layer 1b so that the total deformation in the thickness direction is proportional to the number m of the laminated piezoelectric material layers on both surfaces of which electrodes are formed to be m · δt, thereby obtaining a large deformation m times as large as that of a single layer.
Obwohl kleiner als die Verformung in Dickenrichtung (d&sub3;&sub3;-Richtung), wie oben genannt, erweitern sich die Partitionen 10 aus piezoelektrischem Material ebenfalls in Längsrichtung (d&sub3;&sub1;-Richtung), wodurch die Kapazität der Druckbeaufschlagungskammern 15 reduziert wird.Although smaller than the deformation in the thickness direction (d33 direction) as mentioned above, the piezoelectric material partitions 10 also expand in the longitudinal direction (d31 direction), thereby reducing the capacity of the pressurizing chambers 15.
Die Verformung des laminierten piezoelektrischen Materials in Dickenrichtung (d&sub3;&sub3;- Richtung), wie oben genannt, erzeugt eine starke Kraft, wodurch die Kapazität der Druckbeaufschlagungskammer um S · m · δt reduziert wird, angenommen, daß der Querschnitt der Druckbeaufschlagungskammer 15 gleich S ist. Die Reduktion der Kapazität, also die Änderung des Volumens, erzeugt Druck in der Druckbeaufschlagungskammer 15, der einen Tintentropfen 17 über das Düsenloch 23 ausstoßen kann.The deformation of the laminated piezoelectric material in the thickness direction (d33 direction) as mentioned above generates a strong force, thereby reducing the capacity of the pressurizing chamber by S · m · δt, assuming that the cross-section of the pressurizing chamber 15 is S. The reduction in capacity, i.e., the change in volume, generates pressure in the pressurizing chamber 15, which can eject an ink drop 17 via the nozzle hole 23.
Die Bildung eines Tintentropfens 17 erfordert eine gegebene Änderung dei Kapazität der Druckbeaufschlagungskammer 15, jedoch kann der Tintenstrahlkopf gemäß dem Ausführungsbeispiel, wie oben beschrieben, eine ausreichende Änderung in der Kapazität erhalten, selbst bei einem einzelschichtpiezoelektrischen Elementblock. Als Ergebnis kann ein Tintentropfen 17 mit stabiler Größe gebildet werden.The formation of an ink drop 17 requires a given change in the capacitance of the pressurizing chamber 15, but the ink jet head according to the embodiment as described above can obtain a sufficient change in the capacitance even with a single-layer piezoelectric element block. As a result, an ink drop 17 having a stable size can be formed.
Darüber hinaus kann in dem Tintenstrahlkopf gemäß dem Ausführungsbeispiel, wie oben beschrieben, die Verformung einer Schicht des piezoelektrischen Elementblocks mit m multipliziert werden, so daß es möglich ist, den Querschnitt 5 einer Druckbeaufschlagungskammer mit 1/m des Querschnitts, im Falle des einzelschichtpiezoelektrischen Elementblocks auszubilden, so daß die Druckbeaufschlagungskammer klein ausgebildet werden kann.Moreover, in the ink jet head according to the embodiment, as described above, the deformation of one layer of the piezoelectric element block can be multiplied by m, so that it is possible to form the cross section 5 of a pressurizing chamber to be 1/m of the cross section in the case of the single-layer piezoelectric element block, so that the pressurizing chamber can be made small.
Als Ergebnis ist es möglich, die Länge der Druckbeaufschlagungskammer zu verringern, was bezüglich der Tintenversorgung von Vorteil ist, wie im folgenden beschrieben.As a result, it is possible to reduce the length of the pressurization chamber, which is advantageous in terms of ink supply, as described below.
Zur aufeinanderfolgenden Bildung des Tintentropfens 17 ist es notwendig, Tinte von dem Tintenversorgungsanschluß 13 an die Druckbeaufschlagungskammer 15 so schnell zu liefern, wie der Tintentropfen 17 von dieser ausgestoßen wird. In dem oben genannten Ausführungsbeispiel ist der Tintenversorgungsanschluß 13 an einem Endbereich der Druckbeaufschlagungskammer 15 dem Düsenloch 23 gegenüberliegend bereitgestellt.In order to successively form the ink droplet 17, it is necessary to supply ink from the ink supply port 13 to the pressurizing chamber 15 as quickly as the ink droplet 17 is ejected therefrom. In the above-mentioned embodiment, the ink supply port 13 is provided at an end portion of the pressurizing chamber 15 opposite to the nozzle hole 23.
Entsprechend weist der Tintenflußweg, der in der Druckbeaufschlagungskammer 15 in deren Längsrichtung gebildet ist, vorzugsweise einen geringen Flußwiderstand und eine kleine Länge auf.Accordingly, the ink flow path formed in the pressurizing chamber 15 in the longitudinal direction thereof preferably has a small flow resistance and a small length.
In dem Tintenstrahlkopf gemäß diesem Ausführungsbeispiel hängt die Abmessung der Partitionen 10, jeweils aus laminiertem piezoelektrischem Elementblock in Dickenrichtung gebildet, also die Höhe der Druckbeaufschlagungskammer 15, von der Dicke der plattengeformten piezoelektrischen Materialschicht und der Anzahl von laminierten Schichten ab. Die Höhe der Druckbeaufschlagungskammer 15 kann vergrößert werden, indem die Anzahl der plattengeformten piezoelektrischen Materialschichten erhöht wird, um so die Änderung der Kapazität der Druckbeaufschlagungskammer 15 zu erhöhen.In the ink jet head according to this embodiment, the dimension of the partitions 10 each formed of laminated piezoelectric element blocks in the thickness direction, that is, the height of the pressurizing chamber 15 depends on the thickness of the plate-shaped piezoelectric material layer and the number of laminated layers. The height of the pressurizing chamber 15 can be increased by increasing the number of plate-shaped piezoelectric material layers so as to increase the change in capacity of the pressurizing chamber 15.
Im Grunde ist der erzeugte Druck proportional zu [Änderung der Kapazität]/[Kapazität der Druckbeaufschlagungskammer]. Folglich kann die erhöhte Kapazität kompensiert werden durch die Änderung der Kapazität, so daß die Ausstoßkraft nicht reduziert wird.Basically, the pressure generated is proportional to [change in capacity]/[capacity of pressurizing chamber]. Consequently, the increased capacity can be compensated by the change in capacity so that the ejection force is not reduced.
Der Querschnitt der Druckbeaufschlagungskammer 15 kann erhöht werden, indem die Höhe der Partitionen 10 vergrößert wird. Als Ergebnis kann der Flußwiderstand des Tintenflußweges, der in der Druckbeaufschlagungskammer 15 gebildet ist, gering ausgebildet werden, und darüber hinaus kann der Tintenflußweg kurz ausgebildet werden. Entsprechend ist es möglich, die Tintenversorgungsleistung zu verbessern, um so nacheinander einen Tintentropfen 17 mit stabiler Größe zu bilden, wodurch die Leistungsfähigkeit einer aufeinanderfolgenden Ausstoßung des Tintentropfens 17 verbessert wird.The cross-section of the pressurizing chamber 15 can be increased by increasing the height of the partitions 10. As a result, the flow resistance of the ink flow path formed in the pressurizing chamber 15 can be made small, and furthermore, the ink flow path can be made short. Accordingly, it is possible to improve the ink supply performance so as to successively To form ink droplets 17 having a stable size, thereby improving the efficiency of successive ejection of the ink droplet 17.
Eine ähnliche Struktur, die Partitionen vom Einzelschichttyp verwendet, kann die Änderung der Kapazität der Druckbeaufschlagungskammer nicht ändern, jedoch im Gegenteil die Kapazität der Druckbeaufschlagungskammer erhöhen, der Vergrößerung der Höhe der Druckbeaufschlagungskammer folgend, so daß der darin erzeugte Druck reduziert wird.A similar structure using single-layer type partitions cannot change the change of the capacity of the pressurization chamber, but on the contrary can increase the capacity of the pressurization chamber following the increase of the height of the pressurization chamber, so that the pressure generated therein is reduced.
Um den darin erzeugten Druck zu vergrößern, kann die daran angelegte Spannung vergrößert werden, jedoch ist es nicht praktikabel, daß die Spannung um mehr als 150 V vergrößert wird.To increase the pressure generated in it, the voltage applied to it can be increased, but it is not practical to increase the voltage by more than 150 V.
Darüber hinaus ist in dem Tintenstrahlkopf gemäß dem Ausführungsbeispiel der piezoelektrische Elementblock gebildet, indem eine Mehrzahl von plattengeformten piezoelektrischen Materialschichten laminiert werden, so daß die Verformung der plattengeformten piezoelektrischen Materialschicht proportional mit der Anzahl der Schichten verstärkt werden kann. Als Ergebnis ist es möglich, die angelegte Spannung zu reduzieren, die notwendig ist, um eine bestimmte Verformung zu erhalten, verglichen mit einem einzelgeschichteten plattengeformten piezoelektrischen Material, um so die Ansteuerung des piezoelektrischen Elementblocks mit einer geringen Spannung von weniger als 50 V zu ermöglichen.Furthermore, in the ink jet head according to the embodiment, the piezoelectric element block is formed by laminating a plurality of plate-shaped piezoelectric material layers, so that the deformation of the plate-shaped piezoelectric material layer can be increased in proportion to the number of layers. As a result, it is possible to reduce the applied voltage necessary to obtain a certain deformation compared with a single-layered plate-shaped piezoelectric material, thereby enabling the piezoelectric element block to be driven with a low voltage of less than 50 V.
Ferner besteht das wichtigste Merkmal des Tintenstrahlkopfs gemäß diesem Ausführungsbeispiel darin, daß eine Mehrzahl von Druckbeaufschlagungskammern 15 in einer Matrix auf der Basisplatte 11 angeordnet werden kann, um eine zweidimensionale Anordnung zu realisieren. Als Ergebnis ist es möglich, eine Druckbeaufschlagungskammer 15a und eine Druckbeaufschlagungskammer 15b zu bilden, die voneinander in einem Längsspalt 21, wie in Fig. 11 gezeigt, unabhängig sind.Furthermore, the most important feature of the ink jet head according to this embodiment is that a plurality of pressurizing chambers 15 can be arranged in a matrix on the base plate 11 to realize a two-dimensional arrangement. As a result, it is possible to form a pressurizing chamber 15a and a pressurizing chamber 15b which are independent of each other in a longitudinal gap 21 as shown in Fig. 11.
Auf diese Weise ist es möglich, eine Mehrzahl von Reihen von Düsenlöchern 23 zu bilden, indem unabhängige Druckbeaufschlagungskammern 15 als Matrix auf der Basisplatte 11 angeordnet werden, und indem individuelle Düsenlöcher 23, die jeweils zu jeder der Druckbeaufschlagungskammern 15 korrespondieren, bereitgestellt werden. Als Ergebnis ist es möglich, einen Mehrdüsentintenstrahlkopf zu realisieren.In this way, it is possible to form a plurality of rows of nozzle holes 23 by arranging independent pressurizing chambers 15 as a matrix on the base plate 11 and by forming individual nozzle holes 23 each corresponding to each of the pressurizing chambers 15 corresponding to each other. As a result, it is possible to realize a multi-nozzle inkjet head.
Diese Eigenschaft tritt aufgrund der Ausbildung der Partitionen 10 von laminierten plattengeformten piezoelektrischen Materialschichten auf, und aufgrund der Ansteuerung derselben, um eine große Verformung zu erhalten. Da eine große Verformung erhalten werden kann wird es möglich, jede Druckbeaufschlagungskammer 15 zu miniaturisieren, und folglich eine Mehrzahl von unabhängigen Druckbeaufschlagungskammern 15 als Matrix auf der Basisplatte 11 anzuordnen.This property occurs due to the formation of the partitions 10 from laminated plate-shaped piezoelectric material layers and the driving of the same to obtain a large deformation. Since a large deformation can be obtained, it becomes possible to miniaturize each pressurizing chamber 15 and thus to arrange a plurality of independent pressurizing chambers 15 as a matrix on the base plate 11.
Obwohl Tinte ausgestoßen wird, indem der piezoelektrische Elementblock gemäß den Beispielen und den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen kontrahiert wird, ist es ebenfalls möglich, daß das elektrische Feld in der gleichen Richtung erzeugt wird, wie die Polarisierung der plattengeformten piezoelektrischen Materialschichten, um diese in Dickenrichtung zu erweitern, um die Kapazität der Druckbeaufschlagungskammern 15 zu vergrößern, wodurch das Anlegen der Spannung gestoppt wird, um den piezoelektrischen Elementblock in seinen ursprünglichen Zustand zurückzubringen, wodurch ein Druck zur Ausstoßung von Tinte erzeugt wird.Although ink is ejected by contracting the piezoelectric element block according to the Examples and the embodiments described above, it is also possible that the electric field is generated in the same direction as the polarization of the plate-shaped piezoelectric material layers to expand them in the thickness direction to increase the capacity of the pressurizing chambers 15, thereby stopping the application of the voltage to return the piezoelectric element block to its original state, thereby generating a pressure for ejecting ink.
In Fig. 11 dienen die Längsspalte 20 als Druckbeaufschlagungskammern 15, die mit Tinte gefüllt sind, und die Längsspalte 21 benachbart dazu bilden Dummyräume, die nicht mit Tinte gefüllt sind.In Fig. 11, the longitudinal gaps 20 serve as pressurization chambers 15 filled with ink, and the longitudinal gaps 21 adjacent thereto form dummy spaces not filled with ink.
Es wird möglich, die benachbarten Druckbeaufschlagungskammern 15 separat anzusteuern, die die Längsspalte 20 und 20a bilden, indem dazwischen der Dummyraum gebildet wird, der nicht mit Tinte gefüllt ist.It becomes possible to separately control the adjacent pressurizing chambers 15, which form the longitudinal gaps 20 and 20a, by forming therebetween the dummy space, which is not filled with ink.
Als Ergebnis wird es möglich, die Druckbeaufschlagungskammern 15 unabhängig von der Zeit anzusteuern, z. B. um Tinte im Inneren benachbarter Druckbeaufschlagungskammern 15 gleichzeitig oder mit einer zeitlichen Verzögerung auszustoßen.As a result, it becomes possible to control the pressurization chambers 15 independently of time, e.g. to eject ink inside adjacent pressurization chambers 15 simultaneously or with a time delay.
Für den Fall, daß der Längsspalt 21 nicht als Dummyraum genutzt wird, der nicht mit Tinte gefüllt ist, wird die Partition 10 zwischen den benachbarten Druckbeaufschlagungskammern 15 gemeinsam zu deren Ansteuerung verwendet. Entsprechend ist es notwendig, die Bedingungen derart zu setzen, daß wenn eine der Druckbeaufschlagungskammern 15 angesteuert wird, ein Tintentropfen nicht von der anderen Druckbeaufschlagungskammer ausgestoßen wird.In the case where the longitudinal gap 21 is not used as a dummy space that is not filled with ink, the partition 10 between the adjacent pressurizing chambers 15 is used in common for controlling them. Accordingly, it is necessary to set the conditions such that when one of the pressurizing chambers 15 is controlled, an ink drop is not ejected from the other pressurizing chamber.
Konkret ist ein mühsames Setzen erforderlich, um zu verhindern, daß die Partitionen 10 um mehr als einen gegebenen Wert versetzt sind, indem die Zeit zur Ansteuerung der Partitionen 10 derart ausgewählt wird, daß Tinte nicht synchron mit dem Oszillationslevel des Meniscus in dem Düsenloch, oder dergleichen ausgestoßen wird.Concretely, a laborious setting is required to prevent the partitions 10 from being offset by more than a given value by selecting the timing for driving the partitions 10 so that ink is not ejected in synchronism with the oscillation level of the meniscus in the nozzle hole or the like.
Da der Längsspalt 21, der als ein Dummyraum dient, nur gebildet ist, damit die Partitionen benachbarter Druckbeaufschlagungskammern 15 unabhängig funktionieren, kann er eine ausreichende Breite aufweisen, um zu verhindern, daß benachbarte Partitionen 10 miteinander in Kontakt kommen.Since the longitudinal gap 21 serving as a dummy space is formed only to allow the partitions of adjacent pressurizing chambers 15 to function independently, it may have a sufficient width to prevent adjacent partitions 10 from coming into contact with each other.
Eine Verringerung der Abmessung der Breite des Längsspalts 21, der einen Dummyraum bildet, auf seine Herstellungsgrenze, ist effektiv bei Vergrößerung des Abstandes der Anordnung der Druckbeaufschlagungskammern 15. Entsprechend ist es möglich einen kleinen Kopf zu erhalten mit einem Düsenabstand hoher Dichte.Reducing the dimension of the width of the longitudinal gap 21 forming a dummy space to its manufacturing limit is effective in increasing the pitch of the arrangement of the pressurizing chambers 15. Accordingly, it is possible to obtain a small head with a high density nozzle pitch.
Das Verfahren zur Herstellung des Tintenstrahlkopfs gemäß den oben genannten Ausführungsbeispielen wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Fig. 13A, 13B, 13C, 14 und 15 beschrieben.The method of manufacturing the ink jet head according to the above-mentioned embodiments will be described below with reference to Figs. 13A, 13B, 13C, 14 and 15.
Wie in Fig. 13A gezeigt, wird zuerst die erste leitfähige Materialschicht 2a mittels Druckverfahren auf der oberen Oberfläche eines ersten Keramikblatts aus piezoelektrischem Keramik gebildet, und ist die erste plattengeformte piezoelektrische Materialschicht 1a. Zu dieser Zeit verbleibt der zentrale Oberflächenbereich 41a der ersten plattengeformten piezoelektrischen Materialschicht 1a von der ersten leitfähigen Materialschicht 2a unbedeckt, um in einem freigelegten Zustand zu sein.As shown in Fig. 13A, first, the first conductive material layer 2a is formed by printing method on the upper surface of a first ceramic sheet made of piezoelectric ceramic, and is the first plate-shaped piezoelectric material layer 1a. At this time, the central surface region 41a of the first plate-shaped piezoelectric material layer 1a is uncovered by the first conductive material layer 2a to be in an exposed state.
Wie in Fig. 13B gezeigt, wird als Zweites ein neues zweites Keramikblatt, das die zweite plattengeformte piezoelektrische Materialschicht 1b bildet, auf die erste leitfähige Materialschicht 2a laminiert, und die zweite leitfähige Materialschicht 2b wird auf deren Oberfläche mittels Druckverfahren gebildet. Zu dieser Zeit bleiben beide Randbereiche der zweiten plattengeformten piezoelektrischen Materialschicht 1b von der zweiten leitfähigen Materialschicht 2b unbedeckt, um freigelegt zu sein.Second, as shown in Fig. 13B, a new second ceramic sheet constituting the second plate-shaped piezoelectric material layer 1b is laminated on the first conductive material layer 2a, and the second conductive material layer 2b is formed on the surface thereof by printing. At this time, both edge portions of the second plate-shaped piezoelectric material layer 1b are left uncovered by the second conductive material layer 2b to be exposed.
Auf diese Weise ist es möglich, einen piezoelektrischen Elementblock 60, wie in Fig. 13C gezeigt, zu bilden, indem abwechselnd aufeinander eine gegebene Anzahl von Keramikblättern, die die plattengeformte piezoelektrische Materialschicht sind, und die leitfähige Materialschicht laminiert werden, und anschließend auf diese der Drucksinterprozeß angewendet wird.In this way, it is possible to form a piezoelectric element block 60 as shown in Fig. 13C by alternately laminating a given number of ceramic sheets which are the plate-shaped piezoelectric material layer and the conductive material layer and then applying the pressure sintering process thereto.
Wie in Fig. 14 gezeigt, wird dann der piezoelektrische Elementblock 60 mit der oberen Oberfläche der Basisplatte 11 aus Glasmaterial, etc. gebondet.Then, as shown in Fig. 14, the piezoelectric element block 60 is bonded to the upper surface of the base plate 11 made of glass material, etc.
Anschließend wird ein Bereich des piezoelektrischen Elementblocks 60 und der Basisplatte 11 geschnitten, indem ein Schneidewerkzeug, wie etwa ein Diamantschneider, etc. verwendet wird, um den Querspalt 29 zu bilden.Subsequently, a portion of the piezoelectric element block 60 and the base plate 11 is cut by using a cutting tool such as a diamond cutter, etc. to form the transverse gap 29.
Darüber hinaus wird ein Dünnfilm aus einem leitfähigen Material, wie etwa aus Gold (Au) oder dergleichen, auf dem gesamten piezoelektrischen Elementblock 60 und der Basisplatte 11 gebildet, mittels Vakuumbedampfung, etc. während die obere Oberfläche 61 des piezoelektrischen Elementblocks 60 maskiert wird, um eine Elektrode 70 zu bilden.Moreover, a thin film of a conductive material such as gold (Au) or the like is formed on the entire piezoelectric element block 60 and the base plate 11 by means of vacuum deposition, etc. while masking the upper surface 61 of the piezoelectric element block 60 to form an electrode 70.
Auf diese Weise werden die erste leitfähige Materialschicht 2a, die zweite leitfähige Materialschicht 2b, etc. im piezoelektrischen Elementblock 60 elektrisch mit der Elektrode 70 verbunden, die auf den Seitenoberflächen 70a und 70b gebildet ist.In this way, the first conductive material layer 2a, the second conductive material layer 2b, etc. in the piezoelectric element block 60 are electrically connected to the electrode 70 formed on the side surfaces 70a and 70b.
Wie in Fig. 15 gezeigt, wird nacheinander der piezoelektrische Elementblock 60 und ein Bereich der Basisplatte 11 geschnitten, durch ein Schneidewerkzeug, wie etwa einen Diamanischneider, etc. in eine Richtung senkrecht zum Querspalt 29. Als Ergebnis sind die Partitionen 10, die Längsspalte 20 und die Längsspalte 21 gebildet, um den piezoelektrischen Elementblock 60 und die Elektrode 70 zu teilen.As shown in Fig. 15, the piezoelectric element block 60 and a portion of the base plate 11 are successively cut by a cutting tool such as a diamond cutter, etc. in a direction perpendicular to the transverse gap 29. As a result, the partitions 10, the longitudinal gap 20 and the longitudinal gap 21 are formed to divide the piezoelectric element block 60 and the electrode 70.
Wie in Fig. 11 gezeigt, wird dann das Versiegelungsglied 22 mit den Endbereichen der Partitionen 10 gebondet, und die Abdeckung 14, die aus einem Glasmaterial, etc. gebildet ist, und in der die Düsenlöcher 23 gebildet sind, werden auf die Partitionen 10 gebondet, um die Druckbeaufschlagungskammern 15 zu bilden.Then, as shown in Fig. 11, the sealing member 22 is bonded to the end portions of the partitions 10, and the cover 14 formed of a glass material, etc., and in which the nozzle holes 23 are formed are bonded to the partitions 10 to form the pressurization chambers 15.
Gemäß dem oben genannten Herstellungsverfahren, wie in Fig. 15 gezeigt, können eine erste Sammelelektrode 80a, eine zweite Sammelelektrode 80b und eine dritte Sammelelektrode 80c, mit der jeweils ein leitfähiges Material zur Ansteuerung des piezoelektrischen Elementblocks verbunden ist, leicht an beiden Endbereichen jeder der Partitionen 10 gebildet werden.According to the above-mentioned manufacturing method, as shown in Fig. 15, a first collecting electrode 80a, a second collecting electrode 80b, and a third collecting electrode 80c, each of which has a conductive material for driving the piezoelectric element block connected thereto, can be easily formed at both end portions of each of the partitions 10.
Darüber hinaus, wie in Fig. 15 gezeigt, ist die Bereitstellung der ersten Sammelelektroden 80a und der zweiten Sammelelektroden 80b an beiden Endbereichen der Partitionen 10 in der ersten Reihe, und die Bereitstellung der zweiten Sammelelektrode 80b und der dritten Sammelelektrode 80c an beiden Endbereichen der Partitionen 10 in der zweiten Reihe effektiv, da es die elektrische Verbindung zu externen Ansteuerleitungen ermöglicht.Moreover, as shown in Fig. 15, the provision of the first collecting electrodes 80a and the second collecting electrodes 80b at both end portions of the partitions 10 in the first row, and the provision of the second collecting electrode 80b and the third collecting electrode 80c at both end portions of the partitions 10 in the second row is effective because it enables the electrical connection to external drive lines.
Gemäß dem oben genannten Herstellungsverfahren, wie in Fig. 15 gezeigt, können Verdrahtungsmuster 81 zur Zuführung elektrischer Leistung an die ersten Sammelelektroden 80a auf der Basisplatte 11, die Verdrahtungsmuster 82 zur Zuführung elektrischer Leistung an die zweiten Sammelelektroden 80b, und die Verdrahtungsmuster 83 zur Zuführung elektrischer Leistung an die dritten Sammelelektroden 80c gleichzeitig gebildet werden.According to the above-mentioned manufacturing method, as shown in Fig. 15, wiring patterns 81 for supplying electric power to the first collecting electrodes 80a on the base plate 11, the wiring patterns 82 for supplying electric power to the second collecting electrodes 80b, and the wiring patterns 83 for supplying electric power to the third collecting electrodes 80c can be formed simultaneously.
Die Struktur, bei der die Verdrahtungsmuster 81, 82 und 83 auf der Basisplatte 11, wie in Fig. 15 gezeigt, gebildet sind, hat eine Wirkung, um die elektrische Verbindung mit den flexiblen Verdrahtungsplatten 26, wie in Fig. 11 gezeigt, zu ermöglichen.The structure in which the wiring patterns 81, 82 and 83 are formed on the base plate 11 as shown in Fig. 15 has an effect to enable the electrical connection with the flexible wiring plates 26 as shown in Fig. 11.
Die zweiten Sammelelektroden 80b dienen als gemeinsame Elektroden zur Ansteuerung erster Reihenpartitionen 10a und zweiter Reihenpartitionen 1 Ob. Als Ergebnis, haben alle Partitionen 10 die Verdrahtungsmuster 82 als gemeinsame Elektrode, es ist möglich, die Anzahl der elektrischen Kontakte zwischen den flexiblen Verdrahtungsplatten 26 und den Partitionen 10 zu reduzieren.The second collecting electrodes 80b serve as common electrodes for driving first row partitions 10a and second row partitions 10b. As a result, all partitions 10 have the wiring patterns 82 as a common electrode, it is possible to reduce the number of electrical contacts between the flexible wiring boards 26 and the partitions 10.
Obwohl das Verfahren zur Herstellungen des Tintenstrahlkopfs gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel oben beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf diese Struktur begrenzt.Although the method for manufacturing the ink jet head according to the first embodiment has been described above, the invention is not limited to this structure.
Zum Beispiel ist die Basisplatte 11 nicht auf das Glasmaterial begrenzt, sondern kann auch aus einem Material gebildet werden, wie etwa Keramik, Plastik oder dergleichen.For example, the base plate 11 is not limited to the glass material, but may also be formed of a material such as ceramic, plastic or the like.
Für die Abdeckung 14 sind Keramik, Plastik und Metallmaterialien verwendbar, mit Ausnahme von Glasmaterialien.Ceramic, plastic and metal materials can be used for the cover 14, with the exception of glass materials.
Obwohl piezoelektrisches Keramik als plattengeformtes piezoelektrisches Material verwendet wurde, kann ebenfalls ein organischer makromolekularer piezoelektrischer Film verwendet werden.Although piezoelectric ceramic has been used as a plate-shaped piezoelectric material, an organic macromolecular piezoelectric film can also be used.
Auf der Bondoberfläche zwischen den Partitionen 10 und der Basisplatte 11 sind keine Elektroden gebildet, und auf der Bondoberfläche zwischen den Partitionen 10 und der Abdeckung 14. Jedoch ist das plattengeformte piezoelektrische Material, das auf die Basisplatte oder die Abdeckung gebondet ist, ebenso ansteuerbar, indem leitfähiges Material bereitgestellt wird, um Elektroden auf den Oberflächen des piezoelektrischen Elementblocks 60 zu bilden, wo dieser die Basisplatte oder die Abdeckung kontaktiert.No electrodes are formed on the bonding surface between the partitions 10 and the base plate 11, and on the bonding surface between the partitions 10 and the cover 14. However, the plate-shaped piezoelectric material bonded to the base plate or the cover is also controllable by providing conductive material to form electrodes on the surfaces of the piezoelectric element block 60 where it contacts the base plate or the cover.
Obwohl das Vakuumbedampfungsverfahren verwendet wurde, um die Sammelelektroden zu bilden, ist es auch möglich, die Elektroden an den Endoberflächen des piezoelektrischen Elementblocks zu bilden, indem die leitfähige Beschichtung verwendet wird, um direkt die Sammelelektroden auf dem piezoelektrischen Elementblock mit den flexiblen Verdrahtungsplatten zu verbinden.Although the vacuum deposition method was used to form the collecting electrodes, it is also possible to form the electrodes on the end surfaces of the piezoelectric element block by using the conductive coating to directly connect the collecting electrodes on the piezoelectric element block to the flexible wiring boards.
Ein Tintenstrahlkopf gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Fig. 16 und 17 beschrieben.An ink jet head according to a second embodiment of the invention will be described below with reference to Figs. 16 and 17.
Eine Mehrzahl von Partitionen 10 ist in einer Reihe auf die Basisplatte 11 angeordnet und damit gebondet.A plurality of partitions 10 are arranged in a row on the base plate 11 and bonded thereto.
Die Partitionen 10 sind in der Struktur identisch zu denen des ersten Ausführungsbeispiels. Eine erste plattengeformte piezoelektrische Materialschicht 1a und eine zweite plattengeformte piezoelektrische Materialschicht 1b sind mit einer ersten leitfähigen Materialschicht 2a, die dazwischen angeordnet ist, gebondet, und ferner sind die zweite plattengeformte piezoelektrische Materialschicht 1b und eine dritte plattengeformte piezoelektrische Materialschicht 1c mit einer zweiten leitfähigen Materialschicht 2b, die dazwischen angeordnet ist, gebondet, wodurch ein laminiertes piezoelektrisches Stellglied aufgebaut wird.The partitions 10 are identical in structure to those of the first embodiment. A first plate-shaped piezoelectric material layer 1a and a second plate-shaped piezoelectric material layer 1b are bonded with a first conductive material layer 2a disposed therebetween, and further, the second plate-shaped piezoelectric material layer 1b and a third plate-shaped piezoelectric material layer 1c are bonded with a second conductive material layer 2b disposed therebetween, thereby constructing a laminated piezoelectric actuator.
Die erste plattengeformte piezoelektrische Materialschicht 1a ist in die Richtung der Dicke polarisiert, während die zweite plattengeformte piezoelektrische Materialschicht 1b in die Richtung entgegengesetzt zu der der ersten plattengeformten piezoelektrischen Materialschicht 1a polarisiert ist. Ferner ist die dritte plattengeformte piezoelektrische Materialschicht 1c in die Richtung entgegengesetzt zu der der zweiten plattengeformten piezoelektrischen Materialschicht 1b polarisiert.The first plate-shaped piezoelectric material layer 1a is polarized in the thickness direction, while the second plate-shaped piezoelectric material layer 1b is polarized in the direction opposite to that of the first plate-shaped piezoelectric material layer 1a. Further, the third plate-shaped piezoelectric material layer 1c is polarized in the direction opposite to that of the second plate-shaped piezoelectric material layer 1b.
Die erste Sammelelektrode 3a aus einem dünnen Gold (Au)-Film, etc. ist gebildet, indem die Dünnfilmbildungsmittel, wie etwa Vakuumbedampfung, etc. verwendet wird. Die erste leitfähige Materialschicht 2a, etc. wird elektrisch mit der ersten Sammelelektrode 3a verbunden.The first collecting electrode 3a made of a thin gold (Au) film, etc. is formed by using the thin film forming means such as vacuum evaporation, etc. The first conductive material layer 2a, etc. is electrically connected to the first collecting electrode 3a.
Andererseits, wird die zweite Sammelelektrode 3b an den anderen Endoberflächen der Partitionen 10 bereitgestellt, indem ähnliche Mittel wie bei der ersten Sammelelektrode 3a verwendet werden, und die zweite leitfähige Materialschicht 2b, etc. wird mit der zweiten Sammelelektrode 3b verbunden.On the other hand, the second collecting electrode 3b is provided on the other end surfaces of the partitions 10 by using similar means as the first collecting electrode 3a, and the second conductive material layer 2b, etc. is connected to the second collecting electrode 3b.
Wenn Spannung zwischen der ersten Sammelelektrode 3a und der zweiten Sammelelektrode 3b des Tintenstrahlkopfs mit einer derartigen Struktur angelegt wird, wird eine Spannungsdifferenz zwischen den leitfähigen Materialschichten erzeugt, um ein elektrisches Feld in der plattengeformten piezoelektrischen Materialschicht in der Dickenrichtung zu erzeugen. Als Ergebnis fungieren die Partitionen 10 als laminierte piezoelektrische Stellglieder.When voltage is applied between the first collecting electrode 3a and the second collecting electrode 3b of the ink jet head having such a structure, a voltage difference is generated between the conductive material layers to generate an electric field in the plate-shaped piezoelectric material layer in the thickness direction. As a result, the partitions 10 function as laminated piezoelectric actuators.
Die Längsspalte 20 und 21, die zwischen diesen Partitionen 10 gebildet sind, werden an einer Längsendoberfläche mit dem Versiegelungsglied 22 geschlossen. Eine Düsenplatte 24 mit darin ausgebildeten Düsenlöchern 23 ist an der anderen Endoberfläche bereitgestellt. Die Düsenplatte 24 fungiert ebenfalls als Versiegelungsglied für die Längsspalte 20 und 21.The longitudinal gaps 20 and 21 formed between these partitions 10 are closed at one longitudinal end surface with the sealing member 22. A nozzle plate 24 with nozzle holes 23 formed therein is provided at the other end surface. The nozzle plate 24 also functions as a sealing member for the longitudinal gaps 20 and 21.
Darüber hinaus ist die Abdeckung 14 bereitgestellt, um die oberen Bereiche der Längsspalte 20 und 21 abzudecken. Die Abdeckung 14 ist mit der oberen Oberfläche der Partitionen 10 mittels Bonden fixiert.In addition, the cover 14 is provided to cover the upper portions of the longitudinal gaps 20 and 21. The cover 14 is fixed to the upper surface of the partitions 10 by means of bonding.
Bei der oben beschriebenen Anordnung bilden die Spalte 20 Druckbeaufschlagungskammern 15. Die Spalte 21 sind Dummyräume, an die keine Tinte geliefert wird, ähnlich wie beim ersten Ausführungsbeispiel, wie oben genannt.In the arrangement described above, the gaps 20 form pressurization chambers 15. The gaps 21 are dummy spaces to which no ink is supplied, similarly to the first embodiment mentioned above.
Die Tintenversorgungsanschlüsse 13 sind auf der Abdeckung 14 gebildet, von denen Tinte an die Druckbeaufschlagungskammern 15 geliefert wird.The ink supply ports 13 are formed on the cover 14, from which ink is supplied to the pressurizing chambers 15.
In dem Tintenstrahlkopf gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird Tinte, die zu den Druckbeaufschlagungskammern 15 mit Hilfe der Tintenversorgungsanschlüsse 13 geliefert, in Längsrichtung der Druckbeaufschlagungskammern 15 über die Düsenlöcher 23 ausgestoßen. Auch gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist es möglich, einen Tintentropfen 17 mit stabiler Größe zu bilden, ähnlich wie bei dem oben genannten sechsten Ausführungsbeispiel.In the ink jet head according to this embodiment, ink supplied to the pressurizing chambers 15 by means of the ink supply ports 13 is ejected in the longitudinal direction of the pressurizing chambers 15 via the nozzle holes 23. Also according to this embodiment, it is possible to form an ink droplet 17 having a stable size, similarly to the above-mentioned sixth embodiment.
Fig. 18 ist ein modifiziertes Beispiel der oben genannten ersten und zweiten Ausführungsbeispiele.Fig. 18 is a modified example of the above-mentioned first and second embodiments.
In dem Tintenstrahlkopf gemäß dem genannten ersten und zweiten Ausführungsbeispiel können die Längsspalte 20, die mit Tinte gefüllt sind, ebenfalls mit unabhängigen Abdeckungen 30 bedeckt sein.In the ink jet head according to the above-mentioned first and second embodiments, the longitudinal gaps 20 filled with ink may also be covered with independent caps 30.
In dem Tintenstrahlkopf mit einer derartigen Struktur erreicht mechanischer Einfluß, wie etwa die Versetzung der Partitionen 10 zur Ausstoßung von Tintentropfen oder die Übertragung von Oszillation aufgrund der Verformung der Abdeckungen 30 nicht benachbarte Druckbeaufschlagungskammern 15. Als Ergebnis ist es möglich, Interferenz zwischen den Druckbeaufschlagungskammern 15 vollständig zu vermeiden.In the ink jet head having such a structure, mechanical influence such as the displacement of the partitions 10 for ejecting ink drops or the transmission of oscillation due to the deformation of the caps 30 does not reach adjacent pressurizing chambers 15. As a result, it is possible to completely avoid interference between the pressurizing chambers 15.
Darüber hinaus wird in dem Tintenstrahlkopf gemäß den oben genannten ersten und zweiten Ausführungsbeispielen ein isolierender Abdeckfilm auf der inneren Oberfläche der Druckbeaufschlagungskammern gebildet.Moreover, in the ink jet head according to the above-mentioned first and second embodiments, an insulating cover film is formed on the inner surface of the pressurizing chambers.
Zum Beispiel wird ein Abdeckfilm 40 auf den inneren Oberflächen der Partitionen 10 gebildet, die die Druckbeaufschlagungskammern 15, wie in Fig. 18 gezeigt, bilden, aufgrund der chemischen Verdampfung mit Polyparaxylenharz, etc.For example, a cover film 40 is formed on the inner surfaces of the partitions 10 constituting the pressurization chambers 15 as shown in Fig. 18 due to chemical evaporation with polyparaxylene resin, etc.
Angesteuerte Elektroden, die elektrisch mit leitfähigen Materialschichten verbunden sind, sind auf den inneren Oberflächen der Partitionen 10, die die Druckbeaufschlagungskammern 15 bilden, freigelegt. Entsprechend hat diese Struktur den Nachteil, daß verfügbare Tinte begrenzt ist, z. B. wasserlösliche Tinte, etc. kann nicht ohne zusätzliche Vorrichtungen verwendet werden. Folglich wird der Abdeckfilm 40 mit guten elektrischen Isolationseigenschaften auf den Partitionen 10 innerhalb der Druckbeaufschlagungskammer 15 gebildet, um zu verhindern, daß Tinte die Ansteuerelektrode kontaktiert.Driven electrodes electrically connected to conductive material layers are exposed on the inner surfaces of the partitions 10 forming the pressurization chambers 15. Accordingly, this structure has the disadvantage that available ink limited, e.g., water-soluble ink, etc. cannot be used without additional devices. Consequently, the cover film 40 having good electrical insulation properties is formed on the partitions 10 within the pressurizing chamber 15 to prevent ink from contacting the drive electrode.
Als Ergebnis korrodiert eine chemische Änderung der Tinte nicht die Ansteuerelektrode; und erzeugt kein Gas, so daß sowohl wasserlösliche oder öllösliche (nicht wässrige) Tinte anwendbar ist.As a result, a chemical change in the ink does not corrode the drive electrode; and does not generate gas, so that either water-soluble or oil-soluble (non-aqueous) ink is applicable.
Fall der piezoelektrische Elementblock derart gebildet ist, daß darüber hinaus das leitfähige Material in die Partitionen 10 im Voraus eingebettet ist, die die Druckbeaufschlagungskammern 15 bilden, können verschiedene Arten von Tinte ohne Bildung des Abdeckfilms verwendet werden.In addition, if the piezoelectric element block is formed such that the conductive material is embedded in the partitions 10 forming the pressurizing chambers 15 in advance, various kinds of ink can be used without forming the cover film.
Der Tintenstrahlkopf gemäß der Erfindung kann in verschiedenen Arten von Tintenstrahldruckern verwendet werden.The inkjet head according to the invention can be used in various types of inkjet printers.
Die Erfindung ermöglicht die Bereitstellung eines kleinen und hochauflösenden Tintenstrahlkopfs, der effektiv mit geringem Energieverlust angesteuert werden kann, und der mit geringen Kosten hergestellt werden kann, aufgrund seiner einfachen Struktur, und der hohe Zuverlässigkeit aufweist.The invention makes it possible to provide a small and high-resolution inkjet head that can be effectively driven with little energy loss and that can be manufactured at low cost due to its simple structure and that has high reliability.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
| 8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: CITIZEN WATCH CO., LTD., NISHITOKYO, TOKIO/TOKYO, |
|
| 8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |