DE19639717C2 - Tintenstrahldruckkopf und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Tintenstrahldruckkopf (im folgenden auch kurz "Tintenstrahlkopf" genannt) nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Tintenstrahlkopfes.

Es ist ein Tintenstrahl-Aufzeichnungsverfahren bekannt, bei dem ein Aufzeichnungsvorgang dadurch ausgeführt wird, daß eine Aufzeichnungsflüssigkeit ausgestoßen und versprüht wird. Dieses Verfahren verfügt über verschiedene Vorteile: relativ hohe Druckgeschwindigkeit bei wenig Geräuschen, mög­ liche Miniaturisierung, leichtes Ausführen eines Farbauf­ zeichnungsprozesses usw.

Was bei einem solchen Verfahren verwendete Tintenstrahlköpfe betrifft, wurden verschiedene Anordnungen vorgeschlagen.

Ein Beispiel derartiger Tintenstrahlköpfe ist ein solcher unter Verwendung eines Blasenstrahlverfahrens. Bei einem solchen Tintenstrahlkopf ist ein Heizelement innerhalb eines die Tinte aufnehmenden Hohlraums angebracht. Die Tinte wird dadurch zum Sieden gebracht, daß ihr mittels des Heizele­ ments schnell Wärme zugeführt wird, wodurch Blasen erzeugt werden. Anders gesagt, die Erzeugung von Blasen variiert den Druck innerhalb des Hohlraums, wodurch Tinte durch die Düse ausgestoßen werden kann.

Darüber hinaus ist aus JP-A-4-355147 (1992) ein anderes Bei­ spiel eines Tintenstrahlkopfes bekannt, bei dem Druck inner­ halb einer Tintendruckkammer durch Verformung eines piezo­ elektrischen Elements erzeugt wird, wodurch Tintentröpfchen durch die Düse ausgestoßen werden.

Jedoch bestehen beim vorstehend angegebenen Stand der Tech­ nik die folgenden Probleme.

Erstens muß bei einem Tintenstrahlkopf unter Verwendung des Blasenstrahlverfahrens die Temperatur des Heizelements momen­ tan bis auf ungefähr 1000°C erwärmt werden, um die Tinte zum Sieden zu bringen, so daß Blasen erzeugt werden. Damit geht das Problem einer Beeinträchtigung des Heizelements und damit einer kurzen Lebensdauer des Tintenstrahlkopfs einher.

Beim Tintenstrahlkopf mit dem piezoelektrischen Element be­ steht kein Problem hinsichtlich der Lebensdauer. Da jedoch ein volumenmäßig relativ großes piezoelektrisches Element verwendet werden muß, sind zugehörige Bearbeitungs- und Zu­ sammenbauprozesse erforderlich. Daraus ergeben sich die Pro­ bleme hinsichtlich einer geringen Produktivität und Schwie­ rigkeiten beim Versuch, eine hohe Integrationsdichte zu er­ zielen, weswegen dieses Verfahren nicht für einen Betrieb mit hoher Genauigkeit und großer Geschwindigkeit geeignet ist.

Aus EP 0 584 823 A1 ist ein Tintenstrahlkopf der eingangs genannten Art bekannt. Bei diesem Tintenstrahlkopf wird Tinte aus einer Düse ausgespritzt, indem die Lage eines piezoelektrischen Wandlers auf die Seite einer Druckkammer zu verändert wird.

Weiterhin ist aus "Patent Abstracts of Japan", M-1283 mit JP 4-99636 A ein Tintenstrahlkopf bekannt, bei dem Tinte aus­ gegeben wird, indem ein druckerzeugendes Element deformiert wird, das aus wenigstens einer piezoelektrischen Schicht und einer elastischen Schicht in seiner Dickenrichtung besteht. Die Dicke dieses druckerzeugenden Elements wird in seinem Mittenteil und seinen beiden Endteilen so verändert, daß seine Wirksamkeit im Hinblick auf das Ausspritzen von Tinte verbessert ist.

Schließlich ist aus der DE 44 29 904 A1 ein Tintenstrahlkopf bekannt, bei dem ein piezoelektrisches Vibrationselement über eine Steuerelektrode an einer Tintendruckkammer an­ liegt. Die Breite des Vibrationselements ist größer als die Breite der Steuerelektrode und kleiner als die Breite der Tintendruckkammer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Tintenstrahl­ kopf, der bei kleiner Bauweise und langer Lebensdauer eine hohe Ausstoßkraft und Ausstoßgeschwindigkeit aufweist, sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Tintenstrahl­ kopf mit den Merkmalen nach Patentanspruch 1 bzw. durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach Patentanspruch 6 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Das erste und das zweite Plattenelement stehen also einander gegenüber, wobei zwischen ihnen die Druckkammer ausgebildet ist, die mit Tinte gefüllt wird. Das piezoelektrische Dünn­ filmelement ist auf einem flexiblen, an dem ersten Platten­ element angebrachten Abschnitt ausgebildet, der verformt wird, wenn das piezoelektrische Dünnfilmelement verformt wird. Demgemäß drückt die Verformung des ersten Plattenele­ ments die Druckkammer zusammen, wodurch sich innerhalb der Druckkammer befindliche Tinte aus ihr ausgestoßen werden kann.

Die vorstehend angegebene Anordnung verfügt also zunächst über eine ebene Struktur mit mehreren Platten unter Verwen­ dung eines piezoelektrischen Dünnfilmelements auf dem ersten Plattenelement. Dadurch können unter Verwendung volumenmäßi­ ger piezoelektrischer Dünnfilmelemente die Dicke und die Außenabmessungen des Tintenstrahlkopfs stark verringert wer­ den, so daß ein Tintenstrahlkopf hoher Dichte erzeugt werden kann, der Druck mit hoher Genauigkeit und großer Geschwindig­ keit zu liefern vermag. Darüber hinaus ist es möglich, da kein Heizelement erforderlich ist, einen Tintenstrahlkopf mit langer Lebensdauer zu erhalten.

Da erfindungsgemäß der flexible Abschnitt aus mehreren Keil­ elementen besteht, von denen jeweils ein Ende am Substrat be­ festigt ist, wird der flexible Abschnitt in der Umfangsrich­ tung kaum verformt. Dadurch wird die Möglichkeit ausgeschlos­ sen, daß durch die Verformung des flexiblen Abschnitts eine unzureichende Druckkraft ausgeübt wird, so daß die Tintenaus­ stoßeigenschaften verbessert wird.

Jedes Keilelement ist vorzugsweise streifenförmig so ausge­ bildet, daß es sich nach oben hin verengt. Diese Anordnung verkleinert die Breite jedes Keilelements an seiner Unter­ seite, wodurch die Flexibilität jedes Keilelements verbes­ sert ist. In diesem Fall ist es selbst dann, wenn nur wenige Keilelemente vorliegen, möglich, die Druckkammer ausreichend unter Druck zu setzen, wodurch ausreichende Tintenausstoß­ eigenschaften erzielt werden können.

Mit dem erfindungsgemäßen Herstellverfahren ist es auf ein­ fache Weise möglich, einen Tintenstrahlkopf mittels Halblei­ ter-Filmbildungstechniken herzustellen, ohne daß komplizier­ te Bearbeitungs- und Zusammenbauprozesse in herkömmlicher Weise ausgeführt werden müssen. Daher verbessert das Verfah­ ren die Produktivität hinsichtlich Tintenstrahlköpfen und verringert die Herstellkosten.

Ferner ist es aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens mög­ lich, einen Tintenstrahlkopf unter Verwendung z. B. der Photo­ lithographietechnik fein zu bearbeiten. So wird es möglich, einen Tintenstrahlkopf zu erhalten, der Druck mit hoher Ge­ nauigkeit und großer Geschwindigkeit ermöglicht.

Hierbei wird das piezoelektrische Element vorzugsweise unter Verwendung eines Hydrothermalverfahrens als Film herge­ stellt, da dieses Verfahren die Filmbildungstemperatur bei der Herstellung des piezoelektrischen Elements erniedrigt, wodurch es möglich ist, Beschädigungen am piezoelektrischen Element zu verringern. Ferner ist es möglich, da in diesem Fall das piezoelektrische Element in natürlicher Weise in der Dickenrichtung des Substrats polarisiert ist, einen Polarisierungsprozeß für das piezoelektrische Element wegzu­ lassen.

Für ein vollständigeres Verständnis der Art und der Vorteile der Erfindung ist auf die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den beige­ fügten Zeichnungen Bezug zu nehmen.

Fig. 1 ist eine Draufsicht, die schematisch den Aufbau eines erfindungsge­ mäßen Tintenstrahlkopfs zeigt.

Fig. 2 ist eine Schnittansicht entlang der Linie A-A′ in Fig. 1.

Fig. 3 ist eine Schnittansicht, die einen Zustand zeigt, bei dem eine Span­ nung an ein piezoelektrisches Element des Tintenstrahlkopfs angelegt wird.

Fig. 4(a) bis 4(k) sind Schnittansichten, die Herstellprozesse für eine Druckausübungsplatte im Tintenstrahlkopf zeigen.

Fig. 5 ist eine Draufsicht, die einen anderen Aufbau eines erfindungsgemä­ ßen Tintenstrahlkopfs zeigt.

Fig. 6 ist eine Draufsicht, die noch einen anderen Aufbau eines erfindungs­ gemäßen Tintenstrahlkopfs zeigt.

Die folgende Beschreibung erörtert unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 6 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Wie es in Fig. 2 veranschaulicht ist, verfügt ein Tintenstrahlkopf 1 über eine ebene Struktur mit mehreren Platten, zu denen eine Düsenplatte 2 (zweite Platte) und eine Druckausübungsplatte 3 (dritte Platte) und eine Druckkammer 4 gehören.

Die Düsenplatte 2 besteht z. B. aus einer Glas- oder Kunststofflage oder aus einem metallischen Material wie Nickel. Die Dicke der Düsenplatte 2 ist vorzugsweise auf 0,2 mm oder weniger eingestellt. Die Düsenplatte 2 ist mit einer kegelförmigen Düse 5 versehen, die zum Ausstoßen von Tinte verwendet wird. Diese Düse 5 ist an einer Position, die der Mitte der Druckkammer 4 entspricht, auf solche Weise angebracht, daß sie die Düsenplatte 2 in deren Dickenrichtung durchdringt.

Die Druckausübungsplatte 3 ist so kombiniert, daß sie die Druckkammer 4 zur Düsenplatte 2 hin zusammendrückt, um innerhalb der Druckkammer 4 ent­ haltene Tinte durch die Düse 5 auszustoßen. Die Druckausübungsplatte 3 steht der Düsenplatte 2 praktisch parallel flächig gegenüber, wobei sich ein vorbestimmter Zwischenraum dazwischen befindet. Die Druckausübungsplat­ te 3 besteht aus einem ebenen, quadratischen Substrat 6, einem piezoelek­ trischen Dünnfilmelement 7, das auf einer Seitenfläche des Substrats 6 angebracht ist, und einer Membran 8, die an einer Seitenfläche des Sub­ strats 6 auf solche Weise liegt, daß sie den Bereich abdeckt, in dem das piezoelektrische Element 7 angebracht ist. Hierbei werden die jeweiligen Komponenten durch Halbleiter-Filmbildungstechniken und Bearbeitungstechni­ ken hergestellt, was später beschrieben wird.

Die Druckkammer 4 besteht aus der Düsenplatte 2, der Membran 8 der Druck­ ausübungsplatte 3 und einem zwischen die Platten 2 und 3 eingefügten Ab­ standshalter 11; sie wird mit Tinte gefüllt. Die Innenwand des Abstandshal­ ters 11 verfügt im Querschnitt über runde Form, und seine Außenwand verfügt im Querschnitt über quadratische Form. In einem Bereich der Innenwand des Abstandshalters 11 ist eine Nut 12 auf solche Weise ausgebildet, das sie in radialer Richtung eindringt, und sie dient als Tintenversorgungseinlaß. Hierbei besteht der Abstandshalter 11 vorzugsweise aus einem isolierenden Material wie einem photoempfindlichen Kleber aus Polyimid oder der Acryl­ gruppe.

Das Substrat 6 besteht vorzugsweise aus einem Material wie Silizium oder Glas, und es verfügt über eine Form mit Vertiefung, wobei die Rückseite offen ist. Wie es in Fig. 1 dargestellt ist, ist das Substrat 6 mit vier dünnen, Sektoren bildenden Keilelementen 61 bis 64 (flexible Elemente) versehen, von denen sich jedes vom Umfang zum Zentrum erstreckt. Ferner sind innerhalb eines runden Bereichs um das Zentrum des Substrats 6 herum Trennuten 65 (Schlitze) ausgebildet, bei denen es sich um x-förmige Nutab­ schnitte handelt, die sich im Zentrum schneiden. Auf diese Weise sind die Sektoren, die die runde Platte in vier Teile unterteilen, so konzipiert, daß jede die Form eines einseitig gehaltenen Trägers aufweist, wobei das eine Ende befestigt und das andere nicht befestigt ist. Im Ergebnis kann jedes der Keilelemente 61 bis 64 in der Dickenrichtung flexibel verformt werden.

Das piezoelektrische Element 7 besteht aus Bereichen mit derselben Form wie der der Keilelemente 61 bis 64, und diese sind auf die jeweiligen Obersei­ ten der Keilelemente 61 bis 64 und einen Umfangsrahmenbereich laminiert, der die Ränder dieser Bereiche verbindet. Hierbei verfügt das piezoelektri­ sche Element 7 über einen dreischichtigen Unimorphaufbau mit einem Film 71 des piezoelektrischen Elements, der in der Richtung von der Membran 8 zum Substrat 6 polarisiert ist (durch einen Pfeil in Fig. 2 gekennzeichnet), einem Film 72 in einem unteren Abschnitt (erster Elektrodenfilm), der auf der Rückseite des Films 71 des piezoelektrischen Elements ausgebildet ist, und einem Elektrodenfilm 73 im oberen Abschnitt (zweiter Elektrodenfilm), der auf die Oberfläche des Films 71 des piezoelektrischen Elements auflami­ niert ist. Diese Anordnung ermöglicht es, die Größe des Elements im Ver­ gleich mit der eines piezoelektrischen Elements mit Bimorphaufbau zu ver­ ringern, wodurch Tintenstrahlköpfe hochintegriert hergestellt werden kön­ nen.

Zwischen den unteren Elektrodenfilm 72 und das Substrat 6 ist ein Isolier­ film 74 eingefügt. Ferner ist eine Spannungsquelle 9 über einen Schalter 10 mit dem oberen Elektrodenfilm 73 des piezoelektrischen Elements 7 verbun­ den. Der untere Elektrodenfilm 72 ist dagegen mit Masse verbunden. Anders gesagt, wird von der Spannungsquelle 9 eine Spannung so angelegt, daß ein elektrisches Feld in derselben Richtung wie der Polarisationsrichtung des Films 71 des piezoelektrischen Elements erzeugt wird.

Die Membran 8 besteht vorzugsweise aus einem duktilen Material wie Nickel, und sie ist auf solche Weise mit ihrem Träger verbunden, daß sie einen Bereich bedeckt, in dem das piezoelektrische Element 7 und die Keilelemente 61 bis 64 auf einer Fläche des Substrats 6 liegen. Hierbei ist die Membran 8 nur in ihrem Außenumfangsbereich und ihrem Innenumfangsbereich mit dem oberen Elektrodenfilm 73 des piezoelektrischen Elements 7 verbunden, wäh­ rend die anderen Bereiche nicht mit dem oberen Elektrodenfilm 73 in Kontakt treten dürfen.

Die folgende Beschreibung erörtert die Funktion des Tintenstrahlkopfs 1.

Als erstes wird Tinte über den Tintenversorgungseinlaß, d. h. die Nut 12 im Abstandshalter 11, der Druckkammer 4 zugeführt und in diese eingefüllt. So wird die Membran 8 in Tinte eingetaucht. Danach legt die Spannungsquelle 9 eine Spannung an den oberen Elektrodenfilm 73 der Druckausübungsplatte 3 an. Da das Anlegen der Spannung ein elektrisches Feld in derselben Richtung wie der Polarisationsrichtung des piezoelektrischen Elements 7 erzeugt, kann sich das piezoelektrische Element 7 in der Dickenrichtung ausdehnen und in der Längsrichtung (radiale Richtung) zusammenziehen. So werden das piezoelektrische Element 7 und die vier Keilelemente 61 bis 64 des Sub­ strats 6 flexibel verformt und in einer Richtung gebogen, in der sie sich der Düsenplatte 2 annähern, wie es in Fig. 3 dargestellt ist. Demgemäß dehnt sich die Membran 8 zur Seite der Düsenplatte 2 hin aus, so daß die Druckkammer 4 unter Druck gesetzt wird. Im Ergebnis wird die innerhalb der Druckkammer 4 befindliche Tinte durch die Düse 5 herausgedrückt und in Form von Tintentröpfchen aus ihr ausgestoßen. Die Tintentröpfchen ermöglichen einen Druckvorgang auf der Oberfläche eines zu bedruckenden Blatts. Demge­ genüber kehren das piezoelektrische Element und die vier Keilelemente 61 bis 64 des Substrats 6 in ihren in Fig. 2 dargestellten Ursprungszustand zurück, wenn von der Spannungsquelle 9 keine Spannung mehr angelegt wird.

Anders gesagt, werden die Keilelemente 61 bis 64 durch das Anlegen einer Spannung an das piezoelektrische Element 7 der Druckausübungsplatte 3 fle­ xibel so verformt, daß die Membran 8 zur Seite der Druckkammer 4 ausge­ dehnt wird. Demgemäß wird die Druckkammer 4 unter Druck gesetzt, so daß die innerhalb der Druckkammer 4 befindliche Tinte durch die Düse 5 nach außen ausgestoßen wird.

Bei dieser Anordnung verfügt der Tintenstrahlkopf 1 durch die Verwendung des piezoelektrischen Dünnfilmelements 7 über einen ebenen Aufbau mit meh­ reren Platten; daher ermöglicht es diese Struktur, im Vergleich mit der herkömmlichen Struktur unter Verwendung eines volumenmäßigen piezoelektri­ schen Elements, die Gesamtdicke und die Außenabmessungen des Tintenstrahl­ kopfs stark zu verringern. Ferner kann der Aufbau des Kopfs dadurch minia­ turisiert werden, daß z. B. eine Photolithographietechnik verwendet wird, die Feinverarbeitungsvorgänge ermöglicht. Demgemäß ermöglicht es die vor­ stehend angegebene Anordnung, die Düsen 5 mit hoher Dichte anzuordnen und demgemäß einen Tintenstrahlkopf zu erhalten, der Druck mit hoher Genauig­ keit und Dichte ermöglicht. Darüber hinaus ist es möglich, da kein Heizer mehr erforderlich ist, wie er bei herkömmlichen Blasenstrahlverfahren benö­ tigt wurde, einen Tintenstrahlkopf mit langer Lebensdauer zu erhalten.

Darüber hinaus ist die Membran 8 bei der vorstehend angegebenen Anordnung auf solche Weise ausgebildet, daß sie den Bereich überdeckt, in dem das piezoelektrische Element 7 liegt, wobei der zentrale Bereich der Membran 8 durch die flexible Verformung der Keilelemente 61 bis 64 so herunterge­ drückt wird, daß die Membran 8 zur Seite der Druckkammer 4 hin ausgedehnt wird. Diese Anordnung sorgt für besseres Ansprechverhalten der Membran 8 bei ihrem Expansionsvorgang, wobei das Expansionsausmaß größer wird, und es wird auch der Tintenausstoß schneller und zweckdienlicher.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 4(a) bis 4(k) erörtert die folgende Beschrei­ bung ein Herstellverfahren für die Druckausübungsplatte 3 beim obenangege­ benen Tintenstrahlkopf 1.

Als erstes werden, wie es in Fig. 4(a) dargestellt ist, mittels thermischer Oxidation Filme mit vorbestimmter Dicke (z. B. 1 µm) sowohl an der Ober- als auch der Rückseite des Substrats 6 hergestellt, das aus einem Silizium­ wafer mit Kristallausrichtung (100) besteht; so werden Isolierfilme 74 hergestellt. Dann werden die Isolierfilme 74 durch eine Photolithographie­ technik gemustert. In diesem Fall wird der Isolierfilm 74 auf der Oberflä­ che des Substrats 6 so gemustert, daß er nicht im x-förmigen Bereich aus­ gebildet ist, der später zum Ausbilden der Trennuten 65 (Schlitze) zu verwenden ist. Der Isolierfilm 74 an der Rückseite des Substrats 6 wird dagegen so gemustert, daß er im Zentrum dieser Rückseite eine runde Öff­ nung aufweist. Hierbei wird bei der Photolithographietechnik (dem ersten Prozeß) CHF₃ für den Ätzprozeß verwendet.

Danach wird, wie es in Fig. 4(b) dargestellt ist, das Substrat 6 in eine Kaliumhydroxidlösung getaucht und so geätzt, daß der runde Bereich ohne den Isolierfilm 74 in Dickenrichtung des Substrats an der Rückseite des Substrats 6 dünner wird, während er an der Vorderseite desselben so geätzt wird, daß der x-förmige Bereich ohne den Isolierfilm 74 in Richtung des Substrats dünner wird, um die x-förmigen Trennuten 65′ auszubilden (zwei­ ter Prozeß).

Anschließend wird, wie es in Fig. 4(c) veranschaulicht ist, Polyimid 91 (erste Opferschicht) unter Verwendung von z. B. eines Sputterverfahrens oder eines Schleuderbeschichtungsverfahrens in die Trennuten 65′ des Sub­ strats 6 eingebettet. In diesem Fall wird die Oberseite des Polyimids 91 auf ein Niveau gehoben, das über dem der Öffnung der Trennuten 65′ liegt (dritter Prozeß).

Danach wird, wie es in Fig. 4(d) veranschaulicht ist, Platin mit einer Dicke von z. B. 1 µm durch ein Sputterverfahren oder andere Verfahren an der Oberfläche des Substrats 6 als Film hergestellt. Dann wird das Platin durch eine Photolithographietechnik so gemustert, daß es nur an der Ober­ seite des Isolierfilms 74 auf der Oberfläche des Substrats 6 verbleibt; so wird der untere Elektrodenfilm 72 ausgebildet. Hierbei ist der bei der Photolithographietechnik verwendete Ätzprozeß ein Trockenätzprozeß wie ein Ionenfräsprozeß (vierter Prozeß).

Anschließend wird, wie es in Fig. 4(e) veranschaulicht ist, durch ein Sput­ terverfahren oder andere Verfahren an der Oberfläche des Substrats 6 ein Titankristall 92 hergestellt, der dann durch eine Photolithographietechnik so gemustert wird, daß er nur an der Oberseite des unteren Elektrodenfilms 72 zurückbleibt. Hierbei ist der bei der Photolithographietechnik verwende­ te Ätzprozeß ein Trockenätzprozeß wie ein Ionenfräsprozeß (fünfter Prozeß).

Danach wird, wie es in Fig. 4(f) veranschaulicht ist, das Substrat 6 in eine Kaliumhydridlösung, die Ti⁴⁺-, Pb²⁺- und Zr⁴⁺-Ionen enthält, eingetaucht und in einem Autoklaven belassen, der auf den Sättigungsdampfdruck bei 150°C eingestellt ist. D.h., daß das sogenannte Hydrothermalverfahren ausgeführt wird, durch das eine PZT-Schicht 93 (Bleizirkonattitanat) abge­ schieden wird, die auf der Oberfläche des Titankristalls 92 aufwächst. Die PZT-Schicht 93 wächst nur auf dem Titankristall 92, der in Verbindung mit dem durch Fig. 4(e) veranschaulichten Prozeß beschrieben wurde; daher ist kein Musterbildungsvorgang erforderlich. Ferner ist auch kein Polarisie­ rungsprozeß erforderlich, da die Kristallausrichtung des Titankristalls 92 in seiner Dickenrichtung ausgerichtet ist und da er ferner in der Richtung zum Substrat 6 hin polarisiert ist. Die PZT-Schicht 93 und der Titankris­ tall 92 bilden den Film 71 des piezoelektrischen Elements. Hierbei wird, da die Kaliumhydridlösung nur geringe Konzentration aufweist, das in den Trennuten 65′ ausgebildete Polyimid 91 nicht geätzt (sechster Prozeß).

Danach wird, wie es in Fig. 4(g) veranschaulicht ist, Platin mit einer Dicke von z. B. 1 µm durch ein Sputterverfahren oder andere Verfahren als Film auf der Oberfläche des Substrats 6 hergestellt. Dann wird das Platin durch eine Photolithographietechnik so gemustert, daß es nur an der Ober­ seite des Films 71 des piezoelektrischen Elements verbleibt, wodurch der obere Elektrodenfilm 73 hergestellt ist. Hierbei ist der bei der Photo­ lithographietechnik verwendete Ätzprozeß ein Trockenätzprozeß wie ein Ionenfräsprozeß (siebter Prozeß).

Danach wird, wie es in Fig. 4(h) veranschaulicht ist, eine Polyimidschicht 94 (zweite Opferschicht) unter Verwendung eines Sputterverfahrens oder eines Schleuderbeschichtungsverfahrens in die x-förmigen Trennuten 65′ eingebettet, in denen weder der untere Elektrodenfilm 72, der Film 71 des piezoelektrischen Elements noch der obere Elektrodenfilm 73, die in Sekto­ ren unterteilt wurden, auf der Oberfläche des Substrats 6 ausgebildet wur­ den (achter Prozeß).

Danach wird, wie es in Fig. 4(i) veranschaulicht ist, Aluminium 95 (dritte Opferschicht) als Film mit einer Dicke von 0,5 µm durch ein Sputterverfah­ ren auf der Oberfläche des Substrats 6 ausgebildet. Dann wird das Aluminium 95 durch eine Photolithographietechnik so gemustert, daß es in einem vor­ bestimmten Bereich an der Oberseite des oberen Elektrodenfilms 73 zurück­ bleibt. Hierbei ist der bei der Photolithographietechnik verwendete Ätzprozeß ein Trockenätzprozeß wie ein Ionenfräsprozeß. Ferner wird der Ab­ stand des kontaktfreien Bereichs zwischen dem oberen Elektrodenfilm 73 und der Membran 8 (siehe Fig. 4(j)) durch die Dicke des Aluminiums 95 bestimmt (neunter Prozeß).

Anschließend werden, wie es in Fig. 4(j) veranschaulicht ist, Tantal mit einer Dicke von 0,01 µm und Nickel mit einer Dicke von 0,1 µm durch ein Sputterverfahren auf der Oberfläche des Substrats 6 hergestellt. Danach wird durch ein elektrolytisches Plattierverfahren unter Verwendung dieser Metallfilme als Elektroden ein Plattierungsfilm mit vorbestimmter Dicke (z. B. 4 µm) hergestellt. Dieser Plattierungsfilm wird durch eine Photo­ lithographietechnik so gemustert, daß die Membran 8 hergestellt wird. Bei diesem elektrolytischen Plattieren kann z. B. eine Nickelplattierung unter Verwendung eines Nickelbads aus Nickelsulfamat verwendet werden. Zum Erhö­ hen der Haftfestigkeit zwischen dem oberen Elektrodenfilm 73 und dem Nickel wird Tantal verwendet (zehnter Prozeß).

Danach wird, wie es in Fig. 4(k) veranschaulicht ist, das Substrat 6 in eine Kaliumhydroxidlösung eingetaucht. Dabei wird der runde Bereich, der geringe Substratdicke aufweist und an der Rückseite des Substrats 6 liegt, weiter so geätzt, daß er dünner wird und die x-förmigen Trennuten 65 im Substrat 6 erreicht. Demgemäß sind die vier Keilelemente 61 bis 64 (siehe Fig. 1) am Substrat 6 ausgebildet. In diesem Fall werden gleichzeitig auch die Polyimid-Schichten 91 und 94, die als erste und zweite Opferschicht dienen, und das Aluminium 95, das als dritte Opferschicht dient, abgeätzt und entfernt. Hierbei wird die Filmdicke der Keilelemente 61 bis 64 durch die Ätzzeit gesteuert, und die Flexibilität der Keilelemente kann mittels der sich ergebenden Filmdicke eingestellt werden (elfter Prozeß).

Ferner werden der Abstandshalter 11 und die Düsenplatte 2 (beide sind in Fig. 2 dargestellt) mit der Membran 8 der Druckausübungsplatte 3 verbunden, die mittels der vorstehend angegebenen Prozesse hergestellt wurde; so wird der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Tintenstrahlkopf 1 fertiggestellt.

Bei dieser Anordnung ist es möglich, die Druckausübungsplatte 3 auf einfa­ che Weise unter Verwendung der vorstehend angegebenen Halbleiter-Filmbil­ dungstechnik zu erhalten, ohne daß herkömmliche komplizierte Bearbeitungs- und Zusammenbauprozesse auszuführen sind. Daher verbessert die vorstehend angegebene Anordnung die Produktivität bei der Herstellung von Tinten­ strahlköpfen, und sie führt zu einer Verringerung der Herstellkosten.

Ferner ist es mittels der vorstehend angegebenen Maßnahmen möglich, einen Kopf mit feiner Struktur mittels Feinbearbeitungsvorgängen unter Verwendung einer Photolithographietechnik zu erhalten. So wird es möglich, einen Tin­ tenstrahlkopf herzustellen, der Druck mit hoher Genauigkeit und hoher Ge­ schwindigkeit ermöglicht.

Was den Prozeß zum Herstellen des piezoelektrischen Elements 7 in der Druckausübungsplatte 3 betrifft, soll die Erfindung nicht auf den vorste­ hend angegebenen Prozeß beschränkt sein. Z.B. kann der obige fünfte Prozeß weggelassen werden, und statt des beim sechsten Prozeß verwendeten Hydrothermalverfahrens kann der Film 71 des piezoelektrischen Elements unter Verwendung anderer Verfahren hergestellt werden wie des Sol-Gel-Ver­ fahrens, des Sputterverfahrens oder des CVD-Verfahrens. In diesen Fällen ist jedoch ein zusätzlicher Polarisierungsprozeß hinsichtlich des herge­ stellten Films 71 des piezoelektrischen Elements erforderlich.

Darüber hinaus hat sich, was die Filmdicken der jeweiligen Komponenten betrifft, herausgestellt, daß bessere Tintenausstoßeigenschaften erzielt werden, wenn jedes der Keilelemente 61 bis 64 des Substrats 6 auf eine Dicke von 30 µm eingestellt wird, der Film 71 des piezoelektrischen Ele­ ments auf eine Dicke von 30 µm eingestellt wird, die Dicke sowohl des obe­ ren Elektrodenfilms 73 als auch des unteren Elektrodenfilms 72 auf 1 µm eingestellt wird und die Dicke der Membran 8 auf 4 µm eingestellt wird. Jedoch sollen die Filmdicken der jeweiligen Komponenten nicht speziell auf die vorstehend angegebenen Werte beschränkt sein.

Ferner soll die Erfindung nicht auf das vorstehend angegebene Ausführungs­ beispiel beschränkt sein, da verschiedene Anwendungen und Modifizierungen vorgenommen werden können.

Z.B. ist beim vorliegenden Ausführungsbeispiel jedes der Keilelemente 61 bis 64 am Substrat 6 in der Druckausübungsplatte 3 durch Unterteilen einer runden Platte in vier Sektoren hergestellt; jedoch werden die Anzahl der Unterteilungen und die individuellen Formen nach Wunsch bestimmt. Hierbei werden, wenn die Anzahl der Unterteilungen auf weniger als vier verringert wird, die Keilelemente 61 bis 64 in der Umfangsrichtung leicht verformt, zusätzlich zur Verformung in radialer Richtung. Dies führt zu Schwierigkei­ ten beim Erzielen besserer Tintenausstoßeigenschaften aufgrund unzurei­ chender Niederdrückkraft und anderer Probleme. Demgegenüber ist es möglich, die Tintenausstoßeigenschaften zu verbessern, wenn die Anzahl der Untertei­ lungen auf nicht weniger als vier erhöht wird, da dann die Keilelemente 61 bis 64 in Umfangsrichtung kaum verformt werden.

Anders gesagt, kann, wie es in Fig. 5 veranschaulicht ist, eine runde Plat­ te z. B. in acht Sektoren unterteilt werden, um Keilelemente 61a, 61b, 62a, 62b, 63a, 63b, 64a und 64b zu schaffen. Darüber hinaus kann, wie es in Fig. 6 veranschaulicht ist, z. B. jedes der acht Keilelemente 61a, 61b, 62a, 62b, 63a, 63b, 64a und 64b so konzipiert sein, daß es die Form eines Streifens aufweist, der sich nach oben hin verjüngt. Diese Anordnung ver­ schmälert die Breite der Unterseite jedes Keilelements, wodurch es möglich ist, die Flexibilität jedes der Keilelemente zu erhöhen. Daher ist es selbst bei einer Verringerung der Anzahl der Unterteilungen möglich, aus­ reichende Tintenausstoßeigenschaften zu erzielen.

Claims (8)

1. Tintenstrahldruckkopf zum Ausstoßen von Tintentröpfchen auf einen Aufzeichnungsträger, mit

• - einer Druckkammer (4), die mit unter Druck zu setzender Tinte befüllt ist,
• - einem ersten Plattenelement (3), welches ein piezoelektri­ sches Dünnfilmelement (7) und eine daran angebrachte Mem­ bran (8) umfaßt und die Druckkammer (4) auf ihrer einen Seite abschließt derart, daß die Membran (8) der Druckkam­ mer (4) zugewandt ist und das piezoelektrische Dünnfilm­ element (7) die der Druckkammer (4) abgewandte Oberfläche der Membran (8) kontaktiert,
• - einem zweiten Plattenelement (2), das dem ersten Plat­ tenelement (3) gegenüberliegend die Druckkammer (4) auf ihrer anderen Seite abschließt und eine Düsenöffnung (5) aufweist,

dadurch gekennzeichnet,

• - daß das erste Plattenelement (3) auf der von der Tinten­ druckkammer (4) abgewandten Seite der Membran (8) als fle­ xible Struktur (6, 72, 74) ausgebildet ist, die einen sich über ihre gesamte Dicke bis an die Membran (8) erstrecken­ den, materialfreien zentralen Bereich um eine gedachte Verlängerung der Längsachse der Düsenöffnung (5) und von diesem zentralen Bereich sich nach außen erstreckende Keilelemente (61-64) aufweist, die an ihrem radial außen liegenden Ende an demselben Substrat (6) befestigt und durch sich radial von dem zentralen Bereich bis kurz vor das befestigte Ende erstreckende Schlitze voneinander ge­ trennt sind, wobei die Scheitel der Keilelemente (61-64) zu dem zentralen Bereich hinweisen und wobei bei Betäti­ gung des piezoelektrischen Dünnfilmelements (7) die Keil­ elemente (61-64) in Richtung auf das Innere der Tinten­ druckkammer (4) zu bewegt werden,
• - daß die Membran (8) in der Umgebung des zentralen Berei­ ches und in der Umgebung der radial außen liegenden Enden der Keilelemente (61-64) an dem piezoelektrischen Dünnfilm­ element (7) befestigt ist und dazwischen freiliegt.

2. Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das erste Plattenelement (3) ein Substrat (6), das piezoelektrische Dünnfilmelement (7) mit einem ersten (72) und einem zweiten (73) Elektrodenfilm und die Membran (8) umfaßt.

3. Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das piezoelektrische Dünnfilmelement (7) Uni­ morphstruktur aufweist, mit dem ersten Elektrodenfilm (72), einem auf dessen Oberfläche aufgebrachten piezoelektrischen Film (71) und einem zweiten Elektrodenfilm (73) auf der Oberfläche des piezoelektrischen Films (71).

4. Tintenstrahldruckkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die flexible Struktur in wenig­ stens vier Keilelemente (61-64) unterteilt ist.

5. Tintenstrahldruckkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß jedes Keilele­ ment (61a-64a, 61b-64b) streifenförmig ausgebildet ist.

6. Verfahren zum Herstellen eines Tintenstrahldruckkopfes, mit den folgenden Schritten:

• - Aufbringen von jeweils einem Isolierfilm (74) auf eine er­ ste und eine der ersten gegenüberliegenden zweiten Ober­ fläche eines Substrats (6),
• - Mustern des Isolierfilms (74) auf der ersten Oberfläche derart, daß von einem zentralen Bereich radial verlau­ fende, bis auf die Oberfläche des Substrats (6) reichende Schlitze gebildet sind, und Mustern des Isolierfilms (74) auf der zweiten Oberfläche des Substrats (6) derart, daß die zweite Oberfläche in einem mittleren Bereich frei­ liegt,
• - Ätzen des Substrats (6) derart, daß das Substrat (6) in dem mittleren Bereich dünner wird und im Verlauf der Schlitze Trennuten (65′) zur Abgrenzung von Keilbereichen in der ersten Oberfläche entstehen,
• - Herstellen eines ersten Elektrodenfilms (72) auf dem Iso­ lierfilm (74) auf den Keilbereichen der ersten Oberfläche des Substrats (6),
• - Herstellen eines Titankristalles (92) mit einem mit dem des ersten Elektrodenfilmes (72) übereinstimmenden Muster,
• - Herstellen eines Filmes (71) aus piezoelektrischem Mate­ rial (PZT) auf der Oberfläche des Titankristalles (92),
• - Herstellen eines zweiten Elektrodenfilms (73) mit einem mit dem des piezoelektrischen Filmes (71) übereinstimmen­ den Muster,
• - Auffüllen eines Nutabschnittes (65) im Verlauf der Trennu­ ten (65′) mit einer Opferschicht (94), in welchem Nutab­ schnitt (65) der erste Elektrodenfilm (72), der piezoelek­ trische Film (71) und der zweite Elektrodenfilm (73) feh­ len,
• - Herstellen einer Membran (8) auf den Oberflächen des zwei­ ten Elektrodenfilmes (73) und der Opferschicht (94) der­ art, daß diese bedeckt sind,
• - Abätzen des mittleren Bereichs auf der zweiten Oberfläche des Substrates (6) bis auf den Nutabschnitt (65),
• - Entfernen der im Nutabschnitt (65) liegenden Opfer­ schicht (94).

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Film (71) unter Verwendung des Hydrother­ malverfahrens hergestellt wird.