DE19904858A1 - Piezoelektrisches Betätigungselement und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents
Piezoelektrisches Betätigungselement und Verfahren zu seiner HerstellungInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein piezoelektrisches
Betätigungselement und ein Verfahren zu seiner Herstellung
und insbesondere ein piezoelektrisches Betätigungselement
mit hoher Festigkeit und Zuverlässigkeit, das in einem Auf
zeichnungsgerät der Tintenstrahlbauart in einem Drucker,
Faksimilegerät, einem Kopiergerät u. dgl. eingebaut ist, und
ein Verfahren zu seiner Herstellung.
In einem Tintenstrahldrucker (im Nachfolgenden als Tinten
strahlaufzeichnungsgerät bezeichnet) wird ein piezoelektri
sches Betätigungselement üblicherweise in einem Tinten
strahlkopf verwendet. Ein herkömmliches Betätigungselement
ist in der JP-A-8(1996)-156272 und der JP-A-8(1996)118623
offenbart. Das herkömmliche Betätigungselement wird bezug
nehmend auf die anhängenden Figuren und unter Nennung der
JP-A-8-(1996) 156272 beschrieben.
Die Fig. 1A und 1B zeigen in perspektivischer Darstel
lung die entsprechenden Herstellschritte eines herkömmli
chen piezoelektrischen Betätigungselementes. Um ein her
kömmliches piezoelektrisches Betätigungselement herzustel
len, werden als erstes zwei Piezoelementplatten 28 auf ein
Substrat 14 entlang von Elektrodenstrukturen 26, 27 (siehe
Fig. 1A) bondiert.
Dann werden in Richtung rechtwinklig zur Längsrichtung der
Piezoelementplatten 28 Schlitze mit erforderlichem Raster
maß auf der Piezoelementplatte 28 und der Oberfläche des
Substrats 14 ausgebildet, um Piezoelementreihen 31 zu bil
den, die aus einer Anzahl von Piezoelementen (Treibersäulen
29, 30) bestehen, und um die Elektrodenstrukturen 26, 27 in
Einzelelektroden 33 entsprechend jedes Piezoelements 29 zu
trennen (siehe Fig. 1A).
An den beiden Kantenflächen der Piezoelemente 29, 30 der
jeweiligen Piezoelementreihen 31 werden Kantenelektroden
(äußere Elektroden) hergestellt, indem jede zweite der in
nenliegenden Elektroden verbunden wird. Eine Außenelektrode
der Kantenfläche ist über elektrisch leitfähiges Material
an eine gemeinsame Elektrode angeschlossen, die die innere
Elektrode auf dem Substrat ist, und die andere Kantenelek
trode ist über elektrisch leitfähiges Material an die ein
zelnen Elektroden 33 auf dem Substrat angeschlossen. Ein
Halteelement 34 wird bondiert, das eine Höhe nahezu gleich
der der Piezoelemente 29, 30 auf dem Umfang der Piezoele
mente 29, 30 hat. Die geschichteten Piezoelemente 29, 30
geben mittels des piezoelektrischen Effektes die Verschie
bung in der gleichen Richtung wie die der Schichten aus.
Fig. 2A, 2B und 2C zeigen in perspektivischer Darstellung
in der Draufsicht bzw. in der Seitenansicht den Zustand der
vorstehend beschriebenen Piezoelementplatte 28, jeweils mit
dem Substrat herausgenommen. Herkömmlich sind schlitzartige
Nuten 37 in Richtung rechtwinklig zur Längsrichtung der
Piezoelementplatte ausgebildet, um eine Vielzahl von Piezo
elementen zu bilden. Jedes Piezoelement 29, 30 ist ein lan
ges und schmales Rechteck, so daß dadurch eine Druckkammer
mit langer und schmaler Form gebildet ist. Die Verschie
bungsausgabefläche 36a jedes Piezoelementes 29, 30 hat den
aktiven Bereich 36b, der durch Kreuzung zwischen den
Schichten der gemeinsamen Elektrode und der einzelnen Elek
trode gebildet ist, die die innere Elektrode und die inak
tive Elektrode sind, die sich zur Seitenfläche des piezo
elektrischen Betätigungselementes hin erstreckt, die an die
externe Versorgung angeschlossen ist, und entweder die
gemeinsame Elektrode 32 oder die einzelne Elektrode 33 auf
weist.
Bei der Ausgabeverschiebung, die am aktiven Bereich 36b er
zeugt wird, tritt ein Problem auf, daß die Ausgangsver
schiebung abnimmt oder instabil wird, weil die Verschiebung
durch den inaktiven Bereich 36c eingeschränkt wird. Da die
schlitzartigen Nuten durch einen Schneidvorgang unter Ver
wendung einer dünnen Schneidklinge hergestellt worden sind,
ist die Querschnittsform der Nut nahezu rechteckig, und an
den Ecken des Nutbodens oder der Bodenfläche jedes Piezo
elementes 29, 30 können leicht Risse oder Schnitte infolge
von Verbiegung auftreten. Ein weiteres Problem besteht
darin, daß die Herstellkosten für das piezoelektrische Be
tätigungselement wegen der Nutherstellung steigen und daß
die Ausbildung der externen Elektrode teuer ist.
Angesichts der vorstehend beschriebenen Situation ist es
notwendig, ein piezoelektrisches Betätigungselement für ein
Tintenstrahl-Aufzeichnungsgerät zu schaffen, das mit hoher
Effizienz und Stabilität eine Ausgangsverschiebung erzeugen
kann, indem eine Form verwendet wird, die einen verengten
und einen verjüngten Teil hat, um die Festigkeit und Zuver
lässigkeit einer Treibersäule am Ort der rechteckigen Ver
schiebungsausgangsfläche und ihres rechteckigen Querschnit
tes anzuheben. Es ist außerdem notwendig, ein piezoelektri
sches Betätigungselement mit ausgezeichneter Produktivität
zu schaffen, indem die Herstellkosten der schlitzartigen
Nutentrennung und der Ausbildung des piezoelektrischen Be
tätigungselementes und der externen Elektrode gesenkt wer
den.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein
piezoelektrisches Betätigungselement, das eine hohe Festig
keit und Zuverlässigkeit hat und eine Ausgangsverschiebung
mit hoher Effizienz und Stabilität schaffen kann, um die
Produktivität anzuheben, sowie ein Verfahren zu dessen Her
stellung zu schaffen.
Die vorliegende Erfindung schafft ein piezoelektrisches Be
tätigungselement mit einem Substrat und einer Anzahl von
Treibersäulen, die sich parallel zueinander auf dem Sub
strat erstrecken und durch Nuten getrennt sind, wobei die
Treibersäulen einen aktiven Bereich an einem mittleren Teil
in Richtung der Nut haben, der durch eine Schichtelektro
denstruktur gebildet ist, die aus abwechselnd geschichteten
gemeinsamen Elektrodenschichten und Einzelelektrodenschich
ten gebildet ist, wobei Rohplatten, die aus Piezomaterial
bestehen, verwendet werden, und mit einer Verschiebungsaus
gangsfläche, die nach außen die Verschiebung abgibt, die
durch den Piezoeffekt des aktiven Bereiches an der Ober
seite der Treibersäule gegenüber dem Substrat erzeugt wird,
wobei die Breite jeder Treibersäule in Richtung der Nut
breite sich von der Verschiebungsausgangsfläche zum Sub
strat hin verbreitert.
Die vorliegende Erfindung schafft auch ein Verfahren zum
Herstellen eines piezoelektrischen Betätigungselementes mit
einem Substrat und einer Anzahl von Treibersäulen, die sich
parallel zueinander und durch Nuten voneinander getrennt
auf dem Substrat erstrecken, mit:
einem Schritt des Aufbringens von Elektrodenpaste auf eine Oberfläche einer Rohplatte, das aus einem piezoelektrischen Material hergestellt ist, um eine Innenelektrode zu bilden, Schichten und Pressen einer Anzahl von Rohplatten, die eine Innenelektrode auf dem Substrat haben, und Bilden eines Schichtelektrodenelementes auf dem Substrat durch Sintern, einem Schritt des Ausbildens einer Maske mit einer Anzahl von schlitzartig ausgesparten Mustern auf der oberen Ober fläche des Schichtelektrodenelementes, Ausbilden von schlitzartigen Nuten an dem Schichtelektrodenelement durch Strahlen von Schleifpartikeln von der Maske auf die obere Oberfläche des Schichtelektrodenelementes, um auf dem Sub strat eine Anzahl von Treibersäulen, die eine Schichtelek trodenschicht haben und voneinander mittels Nuten getrennt sind, zu bilden, und einen Schritt des Ausbildens an der Seitenfläche der Treibersäule eine Außenelektrode, die elektrisch mit der Innenelektrode verbunden ist.
einem Schritt des Aufbringens von Elektrodenpaste auf eine Oberfläche einer Rohplatte, das aus einem piezoelektrischen Material hergestellt ist, um eine Innenelektrode zu bilden, Schichten und Pressen einer Anzahl von Rohplatten, die eine Innenelektrode auf dem Substrat haben, und Bilden eines Schichtelektrodenelementes auf dem Substrat durch Sintern, einem Schritt des Ausbildens einer Maske mit einer Anzahl von schlitzartig ausgesparten Mustern auf der oberen Ober fläche des Schichtelektrodenelementes, Ausbilden von schlitzartigen Nuten an dem Schichtelektrodenelement durch Strahlen von Schleifpartikeln von der Maske auf die obere Oberfläche des Schichtelektrodenelementes, um auf dem Sub strat eine Anzahl von Treibersäulen, die eine Schichtelek trodenschicht haben und voneinander mittels Nuten getrennt sind, zu bilden, und einen Schritt des Ausbildens an der Seitenfläche der Treibersäule eine Außenelektrode, die elektrisch mit der Innenelektrode verbunden ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Festigkeit des
Bodens der Treibersäule verglichen mit der bei dem herkömm
lichen piezoelektrischen Betätigungselement, das eine
rechteckige Treibersäulen-Querschnittsform hat, verbessert
werden, und die Gegenschnitt-Festigkeit infolge von Verbie
gen der Treibersäule kann ebenfalls verbessert werden. Das
Streuen der Erzeugungsrichtung der Verschiebung kann ver
ringert werden, wodurch die Ausgangsverschiebung stabili
siert wird.
Fig. 1A und 1B zeigen zwei Herstellschritte eines herkömm
lichen piezoelektrischen Betätigungselementes in perspekti
vischer Darstellung;
Fig. 2A, 2B und 2C zeigen den Zustand der vorstehenden Pie
zoelementplatte, die mit dem Substrat herausgenommen ist,
in perspektivischer Darstellung, in der Draufsicht bzw. ei
ner Seitenansicht;
Fig. 3A und 3B zeigen ein piezoelektrisches Betätigungsele
ment gemäß der vorliegenden Ausführungsform, die bei einem
Tintenstrahlkopf verwendet wird, in einer perspektivischen
Darstellung bzw. einer Draufsicht;
Fig. 4A und 4B zeigen Anwendungsstrukturen, wenn eine ge
meinsame Elektrode bzw. eine individuelle Elektrode gebil
det werden, jeweils in der Draufsicht;
Fig. 5A, 5B und 5C zeigen einen stufenweisen Nutausbil
dungsvorgang gemäß einem Sandstrahlverfahren, jeweils in
der Seitenansicht;
Fig. 6 ist eine Seitenansicht und zeigt den Zustand nach
dem Ausbilden einer externen Elektrode;
Fig. 7 ist ein Graph der Signalform einer Spannung, die
zwischen einer gemeinsamen Elektrode und einer individuel
len Elektrode angelegt ist;
Fig. 8A und 8B zeigen einen Tintenstrahlkopf bzw. eine
Teilansicht im Schnitt entlang der Schnittlinie I-I in Fig. 8A;
Fig. 9A und 9B zeigen ein piezoelektrisches Betätigungsele
ment gemäß der vorliegenden Ausführungsform in perspektivi
scher Darstellung bzw. der Draufsicht;
Fig. 10A und 10B zeigen die Formen einer gemeinsamen Elek
trode und einer individuellen Elektrode eines Schichtele
mentes 150 jeweils in einer Ansicht im Horizontalschnitt;
Fig. 11A und 11B zeigen ein piezoelektrisches Betätigungs
element gemäß einem modifizierten Beispiel in einer per
spektivischen Darstellung bzw. einer Draufsicht;
Fig. 12A und 12B zeigen eine verwendete Struktur des elek
troleitfähigen Materials für eine gemeinsame Elektrode und
eine individuelle Elektrode bei dem modifizierten Beispiel
jeweils in einer Draufsicht;
Fig. 13 ist ein Graph der Verschiebungsänderung eines pie
zoelektrischen Betätigungselementes.
Bei der vorliegenden Erfindung ist eine gemeinsame Elektro
denschicht eine Elektrode, an welche ein gemeinsames Poten
tial angelegt wird und eine individuelle Elektrodenschicht
die Schicht für Elektroden, an welche unterschiedliche Po
tentiale angelegt werden.
Im folgenden wird die vorliegende Erfindung im einzelnen
anhand der begleitenden Figuren beschrieben.
Die vorliegende Ausführungsform ist eine Ausführungsform
eines piezoelektrischen Betätigungselementes und eines Ver
fahrens zum Herstellen desselben gemäß der vorliegenden Er
findung. Die Fig. 3A und 3B zeigen in perspektivischer
Darstellung bzw. Draufsicht ein piezoelektrisches Betäti
gungselement gemäß der vorliegenden Ausführungsform, das
bei einem Tintenstrahlkopf verwendet wird. Die Fig. 4A
und 4B zeigen jeweils in der Draufsicht die verwendeten
Strukturen der elektroleitfähigen Materialien beim Ausbil
den einer gemeinsamen Elektrode und einer individuellen
Elektrode. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird die
Beschreibung desselben Elementes wie das bei dem vorstehend
beschriebenen herkömmlichen piezoelektrischen Betätigungs
element 36 weggelassen, da dieses durch die gleiche Bezugs
ziffer festgelegt ist.
Ein piezoelektrisches Betätigungselement 116 gemäß der vor
liegenden Ausführungsform hat vier lange und schmale Trei
bersäulen 108 parallel zueinander, die sich in vertikaler
Richtung ausdehnen und zusammenziehen, und die eine Ver
schiebungsausgangsfläche 101 an ihren jeweiligen Oberseiten
haben. Die entsprechenden Treibersäulen 108 sind mittels
Nuten 107 parallel zueinander auf einem Substrat 14 posi
tioniert und wirken als ein piezoelektrischer Antriebsme
chanismus. Die Breite (d) der Treibersäule 108 verbreitert
sich graduell ausgehend von der Verschiebungsausgangsfläche
101 zum Boden der Treibersäule 108 hin.
Die Treibersäule 108 hat in ihrem mittleren Bereich des
Treibersäulenquerschnittes in Richtung der Nut einen akti
ven Bereich 106, der durch eine Schichtelektrodenstruktur
gebildet ist, die eine gemeinsame Elektrode 102 und eine
individuelle Elektrode 103 aufweist, die übereinander über
eine Rohplatte 116b, das aus piezoelektrischem Material
hergestellt ist, geschichtet sind. Die Treibersäule 108 hat
weiterhin an der Oberseite der Treibersäule gegenüber dem
Substrat 14 eine Ausgangsfläche 101, die die Verschiebung
mittels des piezoelektrischen Effektes des aktiven Berei
ches 106 nach außen gibt. Die Säulenbreite der jeweiligen
Treibersäulen 108 in Richtung der Nutbreite verbreitert
sich von der Verschiebungsausgangsfläche 101 zum Substrat 4
hin.
Einer der zwei Kantenbereiche der Treibersäule 108 in Nut
richtung ist als eine geschichtete gemeinsame Elektroden
schicht 116f nur durch die gemeinsamen Elektrodenschichten
116g ausgebildet, und der andere Bereich ist als eine ge
schichtete individuelle Elektrodenschicht 116g nur durch
die individuellen Elektrodenschichten gebildet. Die ent
sprechenden Kantenbereiche wirken als ein inaktiver Bereich
105. An der gesamten Außenfläche der geschichteten, gemein
samen Elektrodenschicht 116f ist elektrisch leitfähiges Ma
terial zum Verbinden der entsprechenden gemeinsamen Elek
troden 102 aufgebracht. Der äußere Teil der geschichteten,
individuellen Elektrodenschicht 116g ist als eine Trennflä
che für die externen Elektroden 109 ausgebildet, die eine
externe Elektrode 115 hat (siehe Fig. 6), die an die jewei
ligen individuellen Elektroden der Treibersäulen und ein
FPC-Kabel 125 (siehe Fig. 8A) angeschlossen ist, welches an
die jeweiligen gemeinsamen Elektroden angeschlossen ist.
Die Querschnittsform der Treibersäule 108 ist entlang der
Nut lang und schmal und hat die schmalste Breite an dem
mittleren Teil in der Längsrichtung der Treibersäule 108,
welcher als der aktive Bereich 106 wirkt, und die Kantenbe
reiche der Treibersäulen 108, die als inaktiver Bereich
wirken, setzen den mittleren Teil fort und verbreitern sich
zur Längskante. Die Breite des aktiven Bereiches 106 be
trägt 0,12 mm, und die Länge des aktiven Bereiches 106 be
trägt 1,6 mm, das Rastermaß (pitch) beträgt 0,34 mm und die
Höhe beträgt ungefähr 0,6 mm. Die Querschnittsform des in
aktiven Bereiches 105 ist verjüngt und verbreitert sich
graduell in Richtung auf den äußeren Teil hin.
Das piezoelektrische Betätigungselement 106 hat eine peri
phere Säule 116c parallel zu den Treibersäulen 108 an der
Außenseite der Treibersäulen 108.
Im folgenden wird ein Verfahren zum Herstellen des vorste
hend beschriebenen piezoelektrischen Betätigungselementes
116 beschrieben. Das piezoelektrische Betätigungselement
116 wurde hergestellt durch schichtweises Anordnen einer
Rohplatte, auf welcher die gemeinsame Elektrode 102 aufge
bracht war, die aus einem elektrisch leitfähigen Material
hergestellt war, einer Rohplatte, auf welcher die indi
viduelle Elektrode 103 ausgebildet war, und einer Rohplatte,
bei der auf eine Rohplatte (nicht dargestellt), die aus
piezoelektrischem Material hergestellt war, keine Elektrode
aufgebracht war.
Insgesamt wurden 10 Rohplatten bestehend aus fünf Rohplat
ten, auf welchen die gemeinsame Elektrode 102 aufgebracht
war und fünf Rohplatten, auf welchen die individuelle Elek
trode 103 aufgebracht war, alternierend übereinander ge
schichtet, um 9 aktive Schichten zu bilden, und es wurde
eine Struktur gebildet, in welcher die durch den vertikalen
Piezoeffekt erzeugte Verschiebung in der gleichen Richtung
wie die Schichtrichtung abgenommen werden konnte.
Dann wurden vier Rohplatten, die keine interne Elektrode
104 trugen, und 20 Rohplatten, die keine Elektrode 104
enthielten, auf die oberen und unteren Flächen der Gruppen
der Rohplattenschichten, welche die interne Elektrode 104
enthielten, übereinandergeschichtet.
Die Anzahl der Rohplatten, welche die interne Elektrode 104
enthalten, kann in Abhängigkeit von der gewünschten Dicke
des piezoelektrischen Betätigungselementes 116 und dem Grad
der Ausgangsverschiebung erhöht oder gesenkt werden. Obwohl
bei der vorliegenden Ausführungsform eine Rohplatte verwen
det wurde, die aus auf Bleizirkonat-Titanat basierenden Ke
ramiken als einem piezoelektrischen Material und einem or
ganischen Bindemittel bestand, kann ein gewöhnlich verwen
detes, stark dielektrisches Material und dgl. als piezo
elektrisches Material verwendet werden. Die Rohplatte kann
durch Verwenden eines Abstreichverfahrens mit einer Dicke
von ungefähr 50 µm hergestellt werden, aber die Rohplatten
dicke kann in Abhängigkeit von der gewünschten Ausgangsver
schiebung gesteuert werden. Obwohl die interne Elektrode
104, die auf der Rohplatte aufgebracht war, durch Verwenden
von Silberpalladiumpaste und mittels eines Siebdruckverfah
rens hergestellt worden war, kann diese durch Verwenden ei
nes Dampfabscheideverfahrens od. dgl. unter Verwendung ei
nes anderen elektrisch leitfähigen Metalls hergestellt wer
den.
Als Ergebnis des schichtweisen Anordnens der Rohplatte
wurde der aktive Bereich 106, der durch Überlappen zwischen
der gemeinsamen Elektrode 102 und der individuellen Elek
trode 103 gebildet worden ist, an der Verschiebungsaus
gangsfläche 101 gebildet, gesehen von der Verschiebungsaus
gangsfläche, wie in den Fig. 3 und 4 gezeigt. Der inak
tive Bereich 105, der durch Überlappen zwischen der Ver
schiebungsausgangsfläche und entweder der gemeinsamen Elek
trode 102 oder der individuellen Elektrode 103 gebildet
wurde, erstreckte sich von der Grenze zum aktiven Bereich
106 zur Abnahmefläche 109 der externen Elektrode. Die Sei
tenfläche des inaktiven Bereiches der individuellen Elek
trode ist so ausgebildet, daß sie die Abnahmefläche 109 der
externen Elektrode ist, und die Struktur der gemeinsamen
Elektrode 102 ist so ausgebildet, daß sie "L"-förmig ist,
wie dies in der Fig. 4A gezeigt ist. Ein Teil der gemeinsa
men Elektrode 102 wurde gegenüber der Abnahmefläche 109 der
externen Elektrode freigelegt, und die elektrische Verbin
dung mit der individuellen Elektrode 103 jeder Treibersäule
108 und mit der gemeinsamen Elektrode 102 der Treibersäule
108 insgesamt zum Anlegen der Treiberelektrode an eine
Oberfläche der Abnahmefläche der externen Elektrode wurde
dadurch realisiert.
Nachdem das Schichtelement 116d durch Übereinanderschichten
einer erforderlichen Anzahl von Rohplatten wie vorstehend
angegeben hergestellt war, wurde das Schichtelement 116d
thermisch gebunden und vereinigt. Da in dem Schichtelement
116d eine Menge organisches Bindemittel enthalten war,
wurde als erstes das Bindemittel entfernt, und dann wurde
das Schichtelement bei 1100°C kalziniert. Um das piezoelek
trische Betätigungselement verglichen mit dem kalzinierten
Schichtelement 116d mit einer gewünschten Dicke fertigzu
stellen, wurden die beiden Oberflächen geläppt und der Um
fang wurde durch Verwenden einer Zerschneidsäge zum Erzie
len der gewünschten Abmessungen poliert. Das Umfangspolie
ren wurde zum Zweck des Freilegens der Kantenfläche der in
ternen Elektrode an der Abnahmefläche 109 der externen
Elektrode der Treibersäule 108 durchgeführt, um sicher die
elektrische Verbindung mit der externen Elektrode 115 zu
erzielen.
Dann wurden die Nuten 107 zum Ausbilden der Treibersäulen
108 mit einem Sandstrahlverfahren hergestellt. Die Fig. 5A,
5B und 5C zeigen jeweils in der Seitenansicht im
Schnitt die stufenweise Nutherstellung nach dem Sandstrahl
verfahren.
Als erstes wurde eine Fotomaske mit einem ausgesparten Mu
ster entsprechend der Verstellausgangsfläche 101 herge
stellt.
Dann wurde ein auf Urethan basierendes filmartiges Resist
(nicht dargestellt) mit einer Dicke von 50 µm auf der Ober
fläche der Verschiebungsausgangsfläche 101 des piezoelek
trischen Betätigungselementes 116 unter Verwendung eines
Laminiergerätes fest aufgebracht.
Nachdem die vorstehend beschriebene Fotomaske fest an dem
filmartigen Resist anhaftete und mit Ultraviolettstrahlen
belichtet worden war, wurde sie mit einer schwach basischen
Lösung, die Natriumkarbonat in einer Konzentration von 1%
enthielt, entwickelt, gefolgt von Entfernen der unnötigen
Teile des Resists, um eine Mustermaske 112 (Fig. 5A) zu
bilden.
Nachdem die normale Ofentrocknung der Mustermaske 112 bei
ungefähr 100°C durchgeführt worden war, wurde das mit der
Mustermaske versehene Schichtelement 116d auf dem Sand
strahlgerät montiert und es wurden Siliziumcarbidteilchen
mit einer Siebgröße (mesh) von # 400 nach unten abge
strahlt, um mit diesem zu kollidieren. Der Abstand zwischen
einer Strahldüse für die Schleifteilchen 113 und der Ober
fläche des zu bearbeitenden piezoelektrischen Betätigungs
elementes betrug 100 mm. Die Düse und das zu bearbeitende
Betätigungselement befanden sich in der X-Y-Ebene in Hin- und
Herbewegung, und die relativen Bewegungsgeschwindigkei
ten der Düse bezogen auf das zu bearbeitende Betätigungs
element betrugen 40 mm/min bzw. 1000 min/min in der X- bzw.
Y-Richtung.
Fünf Nuten 107 mit einer oberen Breite des aktiven Berei
ches 106 von 0,12 mm, einer Länge des aktiven Bereiches 106
in Längsrichtung von 1,6 mm, einem Rastermaß (pitch) von
0,34 mm und einer Tiefe von ungefähr 0,6 mm wurden herge
stellt, um vier Treibersäulen 108 zu bilden. Das Rastermaß
und die Anzahl der Treibersäulen 108 können gemäß der ge
wünschten Anzahl gesteuert werden, indem die Mustermaske
112 geändert wird. In der Bearbeitungskammer des Sand
strahlgerätes waren 120 piezoelektrische Betätigungsele
mente angeordnet und die Nuten 107 wurden kollektiv in un
gefähr 50 min hergestellt.
Als Ergebnis wurde die Treibersäule 108 mit einer Breite
(d) hergestellt, die sich graduell in Richtung auf den Bo
den der Nut 107 zu, wie in der Fig. 5C gezeigt, verbrei
terte. Der mittlere Winkel θ einer Abschrägung 117 betrug
ungefähr 5°.
Die Kante der individuellen Elektrode, die die interne
Elektrode entsprechend jeder Treibersäule 108 war, wurde an
der Abnahmefläche 109 der externen Elektrode freigelegt.
Nach dem Herstellen der Nut wurde eine externe Elektrode
115 auf der Abnahmefläche 109 für die externe Elektrode
durch Aufbringen von Silberpaste auf die freigelegte Kante
ausgebildet, um einen Anschluß herzustellen. Die Fig. 6 ist
eine Seitenansicht des Zustandes nach dem Ausbilden der ex
ternen Elektrode.
Danach wurde ein FPC-Kabel 125, das an die gemeinsame Elek
trode 103 elektrisch angeschlossen werden sollte, unter
Wärme und Druckeinwirkung mit der Elektrode 103 verbunden
(siehe Fig. 8A). Das Muster der gemeinsamen Elektrode 102
war "L"-förmig, wie in der Fig. 4A gezeigt, und das FPC-Ka
bel wurde an der Abnahmefläche 109 für die externe Elek
trode angeschlossen. Es ist unnötig, an der Seitenfläche,
an welcher der Kantenteil der gemeinsamen Elektrode freige
legt war und der die Abnahmefläche 109 für die externe
Elektrode gegenüberlag, eine strukturierte externe Elek
trode auszubilden, und es wurde auf die gesamte Fläche eine
Silberpaste aufgetragen.
Gemäß den vorstehend beschriebenen Schritten wurde das pie
zoelektrische Betätigungselement 116, bei dem der aktive
Bereich 106 der Verschiebungsausgangsfläche 101 der Trei
bersäule 108 rechteckig war und der inaktive Bereich 105
eine zugespitzte Form hatte, hergestellt. Die jeweiligen
Spannungen, welche eine gewünschte Signalform haben, wurden
zwischen der individuellen Elektrode 103 jeder Treibersäule
108 und allen gemeinsamen Elektroden 102 über den Verbin
dungsanschluß des FPC-Kabels 125 angelegt, um jede der
Treibersäulen 108 individuell zu treiben.
Bei der vorliegenden Ausführungsform war die Querschnitts
form des inaktiven Bereiches 105 so angeordnet, daß die
Breite des Bereiches 105 sich in Richtung auf die Abnahme
fläche 109 der externen Elektrode hin zu verbreiterte, um
eine breitere frei liegende Fläche der internen Elektrode
104 (individuelle Elektrode 103) der Treibersäule 108
sicherzustellen. Die Silberpaste wurde einfach aufgebracht,
wenn die externe Elektrode 115 ausgebildet wurde, und die
hochzuverlässige Verbindung wurde durchgeführt, wenn das
FPC-Kabel 125 unter Wärme und Druckeinwirkung angeschlossen
worden war. Anstatt der vorstehend beschriebenen Schritte
zum Herstellen der externen Elektrode 115 kann eine
Dampfabscheidung eines elektrisch leitfähigen Metalles ver
wendet werden.
Im folgenden wird die Funktionsweise des elektrischen Betä
tigungselementes, das gemäß der vorliegenden Ausführungs
form hergestellt worden ist, beschrieben.
An jede der Treibersäulen 108 wurde eine Spannung angelegt,
um den aktiven Bereich 106 der Verschiebungsausgangsfläche
101 in Schichtrichtung der Rohplatte zu verschieben, das
heißt in der Richtung rechtwinklig zu der Verschiebungsaus
gangsfläche 101. Fig. 7 ist eine graphische Darstellung der
Signalform einer Spannung, die zwischen der gemeinsamen
Elektrode und der individuellen Elektrode angelegt wird.
Als ein Ergebnis des Anlegens einer Spannung mit der in der
Fig. 7 gezeigten Signalform an eine Treibersäule wurde eine
Verschiebung von ungefähr 0,2 µm beobachtet. Als Ergebnis
des Durchführens ähnlicher Experimente an den anderen Trei
bersäulen wurden die gleichen oder ähnliche Ausgangsver
schiebungen erzielt.
Die Querschnittsform der Treibersäule 108 rechtwinklig zur
Verschiebungsausgangsfläche 101 war eine zugespitzte, die
sich in Richtung auf den Boden der Nut 107 hin verbrei
terte. Wegen dieser Form wurden, verglichen mit dem Fall
eines rechteckigen Querschnittes, Wirkungen bezüglich des
Senkens der Verformung infolge von Verbiegen in Richtung
(Horizontalrichtung in Fig. 6) rechtwinkelig zur Verschie
bungsausgangsfläche 101 der Treibersäule 108 und Vermindern
deren Ablenkung erzielt. Demgemäß konnte die Ausgangsver
schiebung der Rohplatte in der Schichtrichtung mehr stabi
lisiert werden als bei der herkömmlichen Form.
Fig. 8A und 8B zeigen eine Seitenansicht im Schnitt eines
Tintenstrahlkopfes bzw. eine Teilansicht im Schnitt entlang
der Schnittlinie I-I in Fig. 8A.
Der Tintenstrahlkopf besteht aus einem Tintenbehälter 120,
einer Düse 121, einer Druckkammer 22, einer Zuführöffnung
23, einer Vibrationsplatte 24 und dem FPC-Kabel 25, das an
das piezoelektrische Betätigungselement 116 angeschlossen
ist, und wurde unter Verwendung des piezoelektrischen Betä
tigungselementes 116 hergestellt. Das piezoelektrische Be
tätigungselement 116 wurde mittels eines Klebstoffes mit
der Vibrationsplatte 124 verbunden.
Dann wurde eine Spannung mit der Signalform, wie in der
Fig. 7 gezeigt, angelegt, um das Herausströmen des Tinten
tropfens zu bewerten, und als Ergebnis konnten Tintentrop
fen durch alle Düsen 121 herausströmen.
Bei der vorliegenden Ausführungsform konnte die Fläche des
aktiven Bereiches 106 gesenkt werden, um eine elektrostati
sche Kapazität der Treibersäule 108 verglichen mit der her
kömmlichen zu senken, indem die Querschnittsform des inak
tiven Bereiches 105 des piezoelektrischen Betätigungsele
mentes 116 in Richtung auf die Abnahmefläche 109 der exter
nen Elektrode breiter wurde. Als Ergebnis wurde der Strom,
welcher in einer Schaltung durch das FPC-Kabel 125 floß,
verringert, wenn die Verschiebung, die für das Herausströ
men des Tintentropfens erforderlich war, ausgegeben wurde,
um den Stromverbrauch, verglichen mit dem herkömmlichen Ge
rät, zu verringern, das die rechteckige Verschiebungsaus
gangsfläche hat. Infolge der Stabilisierung der Ausgangs
verschiebung konnte die Streuung der Ausstoßcharakteristika
jeder Düse 121 gesenkt werden.
Obwohl eine ähnliche Nut wie die Nut 107 selbst dann ausge
bildet werden könnte, wenn Aluminiumsandteilchen mit einer
Siebgröße von # 400 gestrahlt wurden, trat Abblätterung und
Abnutzung der Mustermaske 112 auf, bevor die Tiefe der Nut
107 den gewünschten Wert erreicht hatte, und die Treiber
säule 108 konnte nicht ausgebildet werden, wenn andere
Sandteilchen als Kalziumcarbonatsandteilchen und runde
sphärische Glasteilchen verwendet wurden. Während die Sieb
größe der Sandstrahlteilchen 113 bei dem Beispiel 1 # 400
(die Sandteilchengröße betrug ungefähr 40 µm) betrug, trat
die Abnutzung und Abblätterung der Mustermaske 112 für den
Fall einer Siebgröße unter # 300 (ungefähr 60 µm) merklich
auf. Für die Bearbeitung der Nut 107 war eine lange Zeit,
wie beispielsweise zwei Stunden, erforderlich, wenn Sand
teilchen, die eine Siebgröße von über # 800 (ungefähr 15 µm)
hatten, verwendet wurden. Diese Ergebnisse bewertend,
ist es verständlich, daß die Sandstrahlteilchen 113 vor
zugsweise Siliziumcarbidteilchen oder Aluminiumoxidteilchen
sind und die Teilchengröße vorzugsweise größer als # 800
und kleiner als # 300 ist.
Es wurde bestätigt, daß der Winkel der Schräge 117 geändert
werden konnte, indem das Material, die Siebgröße und das
Volumen der gestrahlten Sandteilchen 113 verändert wurden.
Gemäß der vorstehend durchgeführten Bewertung war die sta
bile Ausbildung einer Schräge mit einem Winkel von 8° oder
größer oder eines Winkels von 1° oder kleiner unter Verwen
dung des Sandstrahlverfahrens schwierig. Die Auswirkung be
züglich der Erhöhung der Festigkeit der Treibersäule 108
wurde selten erzielt, wenn der mittlere Winkel der Schräge
117 2° oder weniger betrug. Demgemäß ist der Winkel θ der
Schräge 117 vorzugsweise im Bereich zwischen 2 und 8°.
Es wurde eine Festigkeit gegenüber Abscheren infolge von
Biegen der Treibersäule 108 bewertet. Zu Vergleichszwecken
wurde eine Treibersäule mit Rechteckform und mit einer
Breite, einer Länge, einem Rastermaß u. dgl. ähnlich wie bei
der Treibersäule 108 unter Verwendung eines Schneideverfah
rens hergestellt, und es wurde ihre Antischerfestigkeit be
wertet. Als ein Ergebnis war klar zu ersehen, daß die Fe
stigkeit gegenüber Abscheren infolge von Biegen um 50% oder
mehr erhöht werden konnte, indem die Treibersäule 108 gemäß
der Ausführungsform 1 verwendet wurde, die einen Quer
schnitt hat, der sich in Richtung auf den Boden der Nut 107
hin verbreitert. Es war auch klar, daß die Zeit, welche für
das Ausbilden der vier Treibersäulen 108 in einem piezo
elektrischen Betätigungselement 116 mittels des Sandstrahl
verfahrens auf ½ oder weniger verglichen mit dem erfor
derlichen Schneidverfahren reduziert werden kann.
Die Treibersäule 108 mit der sich zum Nutboden hin verbrei
ternden Form, wie in der Ausführungsform 1 beschrieben,
konnte selbst dann erzielt werden, wenn die Nut 107 nach
dem Schneidverfahren hergestellt wurde, wobei eine dünne
Schneidklinge mit einer abgeschrägten äußeren Vorderkante
verwendet wurde. Das Schneidverfahren hatte jedoch Nach
teile, wie daß der Austausch und die Änderung der äußeren
Vorderkantenform der Schneidklinge in Abhängigkeit von der
Abnutzung der Schneidklinge häufig erforderlich war, und
die Kosten für die Bearbeitung betrugen das zwei- oder
mehrfache derjenigen des Sandstrahlverfahrens.
Die vorliegende Ausführungsform ist eine bevorzugte Ausfüh
rungsform der vorliegenden Erfindung. Bei der vorliegenden
Ausführungsform wird die Beschreibung des Elementes gleich
dem bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform 1 weg
gelassen, indem dieses mit der gleichen Bezugsziffer ge
kennzeichnet ist. Die Fig. 9A und 9B zeigen in perspek
tivischer Darstellung bzw. einer Draufsicht ein piezoelek
trisches Betätigungselement gemäß der vorliegenden Ausfüh
rungsform, und die Fig. 10A und 10B zeigen jeweils in
der Draufsicht die Aufbringmuster des elektrisch leitfähi
gen Materials zum Ausbilden einer gemeinsamen Elektrode
bzw. einer individuellen Elektrode.
Ein piezoelektrisches Betätigungselement 140 gemäß der vor
liegenden Ausführungsform hat vier lange und schmale Trei
bersäulen 142 in einer Reihe parallel zueinander. Die Trei
bersäule 142 hat eine Verschiebungsausgangsfläche 141 an
ihrer Oberseite, die sich in vertikaler Richtung ausdehnt
und zusammenzieht, wenn ein elektrisches Feld angelegt
wird. Die Breite der Treibersäule 142 verbreitert sich
ebenfalls wie bei der vorstehend beschriebenen Treibersäule
108 von der Verschiebungsausgangsfläche bis zum unteren
Teil der Treibersäule 142.
Die Verschiebungsausgangsfläche 141 hat einen aktiven Be
reich 146 und einen inaktiven Bereich 145 ähnlich wie bei
der Ausführungsform 1. Die Querschnittsform der Treiber
säule hat einen verengten Teil 149a, 149b an der Grenze
zwischen dem aktiven Bereich 145 und dem inaktiven Bereich
146 (siehe Fig. 11B).
Die Form des piezoelektrischen Betätigungselementes 140 in
der Draufsicht gesehen ist kammartig (siehe Fig. 9C), und
eine geschichtete gemeinsame Elektrodenschicht 140a ähnlich
wie die vorstehend beschriebene geschichtete gemeinsame
Elektrodenschicht 16f, die eine Kante jeder Treibersäule
bildet, ist aufeinanderfolgend in einer Reihe gebildet, und
die entsprechenden Kanten der gemeinsamen Elektroden werden
aufeinanderfolgend an die geschichtete gemeinsame Elektro
denschicht 140a bondiert.
Die Breite des aktiven Bereiches 146 beträgt 0,12 mm, die
Länge des aktiven Bereiches 146 beträgt 1,6 mm, das Raster
maß beträgt 0,34 mm und die Höhe beträgt ungefähr 0,6 mm.
Ein Verfahren zum Herstellen des piezoelektrischen Betäti
gungselementes wird im folgenden beschrieben.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird eine Rohplatte,
bestehend aus auf Blei-Zirkonat-Titanat-basierenden Kerami
ken, einem piezoelektrischen Material, und einem organi
schen Bindemittel mit einer Dicke von 50 µm ähnlich wie bei
der Ausführungsform 1 verwendet. Es wurden fünf Rohplatten
mit der gemeinsamen Elektrode 102, die aus Silberpalladium
paste hergestellt war, und fünf Rohplatten mit der indivi
duellen Elektrode 103 abwechselnd übereinander geschichtet,
und weiterhin wurde eine Rohplatte ohne interne Elektrode
geschichtet, um ein Schichtelement 150 zu erzeugen. Die Fig. 10A
und 10B sind Horizontalschnittdarstellungen, die
die Formen der gemeinsamen Elektrode bzw. der individuellen
Elektrode des Schichtelementes 150 zeigen. Zum Zweck der
klaren Beschreibung sind die Bereiche entsprechend des ak
tiven Bereiches 145 und des inaktiven Bereiches 146 in der
Fig. 10 durch durchgezogene Linien dargestellt. Die gemein
same Elektrode und die individuelle Elektrode haben Muster
formen, wie sie in den Fig. 10A und 10B dargestellt
sind, und der elektrische Anschluß sowohl der individuellen
Elektrode 103 als auch der gemeinsamen Elektrode 102 könnte
an der Abnahmefläche 109 der externen Elektrode durchge
führt werden.
Ähnlich wie bei der Ausführungsform 1 wurde für die Her
stellung der Nut 147 zum Bilden der Treibersäule 42 ein
Sandstrahlverfahren verwendet und es wurde gemäß der fol
genden Beschreibung durchgeführt.
An der Verschiebungsausgangsfläche 141 wurde eine kammar
tige Mustermaske 112 mit engen Teilen 149a, 149b an der
Grenze zwischen dem aktiven Bereich 146 und dem inaktiven
Bereich 145 der Verschiebungsausgangsfläche 141 ausgebil
det, und die Nut 147 wurde entlang der Längsrichtung der
Verschiebungsausgangsfläche 147 ausgehend von der Kante bis
zur Hälfte durchgeführt. Danach wurden ähnlich wie bei den
Schritten gemäß der Ausführungsform 1 und wie in den Fig. 5B
und 5C gezeigt, die vier Treibersäulen 142 durch Her
stellen von fünf Nuten 147 gebildet. Die Breite des aktiven
Bereiches 146 betrug 0,12 mm und die schmalste Breite des
verengten Teiles 149 (siehe Fig. 9B) betrug ungefähr 0,05
mm. Die Nut 147 wurde durch Eindringen derselben in den in
aktiven Bereich 145a um 0,3 mm ausgehend von der Grenze
zwischen dem aktiven Bereich 146 und dem inaktiven Bereich
15a gebildet, und die Nut 147 wurde ebenfalls an der Seite
der individuellen Schichtelektrode ausgebildet.
Die externe Elektrode bei der vorliegenden Ausführungsform
war nur an der Abnahmefläche 109 der externen Elektrode
ausgebildet, an welcher die Kante der individuellen Elek
trode 103 freigelegt war. Die Verschiebungsausgangsfläche
141 hatte eine kammartige Form, die durch die geschichtete
gemeinsame Elektrodenschicht 140a ähnlich wie bei der Aus
führungsform 1 angeschlossen ist, und die Stromzufuhr jeder
Treibersäule 142 an die gemeinsame Elektrode 102 war si
chergestellt. Demgemäß war das Aufbringen von Silberpaste
auf die Außenseitenfläche der geschichteten gemeinsamen
Elektrodenschicht 140a nicht mehr notwendig, wodurch die
Herstellkosten verglichen mit dem Beispiel 1 stark vermin
dert werden konnten.
Das FPC-Kabel 125 wurde unter Wärme und Druckeinwirkung
ähnlich wie bei der Ausführungsform 1 angeschlossen. Wenn
das Betätigungselement mittels einer Spannung betrieben
wurde, deren Signalform in der Fig. 7d gezeigt ist, gaben
alle Treibersäulen 142 eine Verschiebung von ungefähr 0,2 µm
aus. Es wurde ein Tintenstrahlkopf ähnlich wie der gemäß
Fig. 8 hergestellt, der das vorstehend beschriebene Betäti
gungselement enthielt, und wurde in ein Aufzeichnungsgerät
der Tintenstrahlbauart eingebaut. Bei diesem Gerät strahl
ten alle Düsen 121 stabil Tintentropfen ab.
Während bei dem piezoelektrischen Betätigungselement 116
gemäß der Ausführungsform 2 vier Treibersäulen 1142 in ei
ner Reihe angeordnet waren, waren bei diesem modifizierten
Beispiel zwei Reihen Treibersäulen 142 angeordnet. Die Be
schreibung der gleichen Elemente wie jene gemäß der Ausfüh
rungsform 2 wird weggelassen, indem diese durch gleiche Be
zugsziffern gekennzeichnet sind. Das piezoelektrische Betä
tigungselement 154 mit vier Treibersäulen 142 pro Reihe
wurde ähnlich wie bei der Ausführungsform 2 hergestellt und
dann bewertet.
Die Fig. 11A und 11B zeigen in einer perspektivischen
Darstellung bzw. einer Draufsicht das piezoelektrische Be
tägigungselement gemäß dem vorliegenden modifizierten Bei
spiel.
Das piezoelektrische Betätigungselement 154 gemäß dem vor
liegenden modifizierten Beispiel hat eine Treibersäule und
eine periphere Säule mit den gleichen Formen wie die der
Treibersäule 142 bzw. der peripheren Säule 116c an Positio
nen symmetrisch zur Treibersäule 142 und der peripheren
Säule 116c an der Außenseitenfläche des piezoelektrischen
Betätigungselementteils 140a.
Im Fall der Herstellung des piezoelektrischen Betätigungs
elementes 154 gemäß dem vorliegenden modifizierten Beispiel
wurden die externen Elektroden an der Abnahmefläche 109 für
die externe Elektrode ähnlich wie bei der Ausführungsform 2
gebildet, indem die zwei Seitenflächen 156A, 156B recht
winklig zur Treibersäule 142 der Seitenflächen des piezo
elektrischen Betätigungselementes 116c als die Abnahmeflä
che 109 der externen Elektrode wirken, um die zwei Reihen-
Treibersäulen 142 zu bilden. Die Musterform in der Ebene
des elektrisch leitfähigen Materials, welches die gemein
same Elektrode 158 und die individuelle Elektrode 160 bil
det, das auf die Rohplatte aufgebracht wurde, war jedoch
wie in den Fig. 12A und 12B gezeigt und unterschied sich
von der Ausführungsform 2.
Das piezoelektrische Betätigungselement 154 wurde durch
Durchführen der gleichen Schritte wie bei der Ausführungs
form 2 hergestellt, gefolgt von dem Aufbringen der elek
trisch leitfähigen Paste 110 auf eine Seitenfläche 162
(siehe Fig. 11B) der Seitenflächen des Schichtelementes,
parallel zur Treibersäule 142 und elektrischem Verbinden
mit dem elektrisch leitfähigen Material, welches auf die
Rohplatte aufgebracht ist, wenn die gemeinsame Elektrode
158 und die individuelle Elektrode 160 ausgebildet worden
sind. Dann wurden die gemeinsame Elektrode 158 und die in
dividuelle Elektrode 160 jeder Treibersäule mit den jewei
ligen externen Spannungsversorgungen an einer Seitenfläche
der Abnahmefläche 109 für die externe Elektrode verbunden.
Bei der Ausführungsform 2 war der verengte Teil an der
Grenze zwischen dem aktiven Bereich 146 und dem inaktiven
Bereich 145 der Verschiebungsausgangsfläche 141 ausgebil
det. Die graphische Darstellung der Fig. 13 vergleicht die
gemessenen Längsverschiebungsverteilungen zwischen der
Treibersäule 142 der Ausführungsform 2 oder des modifizier
ten Beispiels und der Treibersäule 108 ohne verengten Teil.
Die Beschränkung der Verschiebung insbesondere des Ab
schnittes des aktiven Bereiches um die Grenze (im Nachfol
genden als Grenzabschnitt des aktiven Bereiches) wurde bei
den piezoelektrischen Betätigungselementen 44 mit dem ver
engten Teil 149 erleichtert, so daß die Ausgangsverschie
bung des Grenzabschnittes des aktiven Bereiches sich an die
Ausgangsverschiebung des mittleren aktiven Bereiches wie in
der Fig. 13 gezeigt, annäherte. Ein Maß der Flächenände
rung, die durch Integrieren der Ausgangsverschiebung ent
lang der Längsrichtung der Verschiebungsausgangsfläche 141
erzielt wurde, erhöhte sich um ungefähr 20%, und die Maxi
malspannung (siehe Fig. 7), die für das Ausstoßen des Tin
tentropfens erforderlich war, konnte auf ungefähr 85% ver
ringert werden, verglichen mit dem Aufzeichnungsgerät, bei
dem die Treibersäule 108 ohne verengten Teil 149 verwendet
worden war, so daß der Leistungsverbrauch der piezoelektri
schen Betätigungselemente 40, 54 verringert werden konnte.
Um zwischen der Breite des engsten Abschnittes des vereng
ten Teiles 149 und der Effizienz der Ausgangsverschiebung
eine Relation zu erzielen, wurde ein Versuch durchgeführt.
Als Ergebnis wurde ermittelt, daß für den Fall des Ausbil
dens eines verengten Teiles mit der schmalsten Breite (Fig. 9B)
größer ungefähr 0,09 mm die Wirkung der Verringerung
der Beschränkung des aktiven Bereiches 146 kaum erzielt
wurde. Die stabile Ausbildung des schmalsten Teiles mit ei
ner Breite von 0,03 mm oder kleiner wurde andererseits kaum
unter Verwendung des Sandstrahlverfahrens der Ausführungs
formen 1 und 2 und der modifizierten Beispiele durchge
führt. Angesichts der vorstehenden Ergebnisse ist es zu er
sehen, daß die schmalste Breite des verengten Teiles 149
zwischen 0,03 mm und 0,09 mm und insbesondere zwischen 0,03 mm
und 0,05 mm ausgebildet ist.
Unter Verwendung des vorstehend beschriebenen Betätigungs
elementes 154 wurde ähnlich der Ausführungsform 2 ein Tin
tenstrahlkopf mit zwei Reihen Düsen hergestellt, wobei jede
Reihe vier Düsen hatte, und es wurde an das piezoelektri
sche Betätigungselement 154 über das FPC-Kabel 125 eine
Spannung angelegt. Alle acht Düsen konnten stabil Tinten
tropfen abstrahlen.
Obwohl gemäß den Ausführungsformen 1 und 2 und dem modifi
zierten Beispiel das piezoelektrische Betätigungselement
116 mit 1 oder 2 Reihen und vier Treibersäulen 108 in einer
Reihe hergestellt worden war, kann auf ähnliche Art und
Weise ein anderes piezoelektrisches Betätigungselement mit
einer größeren Anzahl von Treibersäulen pro einer Reihe in
Abhängigkeit von der gewünschten Anzahl der Düsen des Tin
tenstrahlkopfes hergestellt werden.
Da die vorstehenden Ausführungsformen nur als Beispiele be
schrieben worden sind, ist die vorliegende Erfindung nicht
auf die vorstehenden Ausführungsformen begrenzt und ver
schiedene Modifikationen und Änderungen können leicht vom
Fachmann durchgeführt werden, ohne daß vom Schutzumfang der
vorliegenden Erfindung abgewichen wird.
Claims (9)
1. Piezoelektrisches Betätigungselement (116) mit einem
Substrat (114) und einer Anzahl von Treibersäulen (108),
die sich parallel zueinander und durch Nuten (107) vonein
ander getrennt auf diesem Substrat (114) erstrecken,
wobei die Treibersäulen (118) einen aktiven Bereich (106)
an dem mittleren Teil in Richtung dieser Nut (107) aufwei
sen, der durch eine Schichtelektrodenstruktur gebildet ist,
die gemeinsame Elektrodenschichten und individuelle Elek
trodenschichten aufweist, die unter Verwendung von Rohplat
ten (116b), welche aus einem piezoelektrischen Material be
stehen, abwechselnd übereinander geschichtet sind, und eine
Verschiebungsausgangsfläche (101), die nach außen die Ver
schiebung abgibt, welche durch den piezoelektrischen Effekt
des aktiven Bereiches (106) an der Oberfläche der Treiber
säule (108) gegenüber dem Substrat (114) erzeugt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Breite jeder Treibersäule (108) in Richtung der Breite
der Nut (107) sich von der Verschiebungsausgangsfläche
(101) zum Substrat (114) hin verbreitert.
2. Piezoelektrisches Betätigungselement nach Anspruch 1,
wobei einer der Kantenbereiche der Treibersäule (108) in
Richtung der Nut (107) durch eine gemeinsame Elektroden
schicht (116f) gebildet ist, die nur aus den gemeinsamen
Elektroden (102) besteht, während der andere Kantenbereich
durch eine geschichtete individuelle Elektrodenschicht
(116g) gebildet ist, die nur aus individuellen Elektroden
(103) besteht, und jeder der Kantenbereiche als der inak
tive Bereich (105) dient.
3. Piezoelektrisches Betätigungselement nach Anspruch 2,
wobei die Querschnittsform der Treibersäule (108) in Quer
richtung entlang der Nut (107) lang und schmal ist und der
mittlere Teil in dieser Richtung als der aktive Bereich
(106) dient, welcher schmaler als der Kantenbereich ist,
der sich an den mittleren Teil anschließt und als der inak
tive Bereich (106) dient, welcher sich zur Längskante hin
verbreitert.
4. Piezoelektrisches Betätigungselement nach Anspruch 3,
wobei die Querschnittsform in Querrichtung einen verengten
Teil (149a, 149b) an der Grenze zwischen dem aktiven Be
reich (106) und dem inaktiven Bereich (105) aufweist.
5. Piezoelektrisches Betätigungselement nach Anspruch 1,
wobei die gemeinsame Elektrodenschicht (102) und die indi
viduelle Elektrodenschicht (103) der Treibersäule (108) mit
einer externen Spannungsversorgung an einem Kantenteil ent
lang der Nut (107) verbunden sind und die gemeinsame Elek
trodenschicht elektrisch an den anderen Kantenteil ange
schlossen ist.
6. Piezoelektrisches Betätigungselement nach Anspruch 5,
wobei eine Anzahl von Kantenteilen einer Kante jeder Trei
bersäule an eine Verbindungswand in Richtung rechtwinklig
zur Nut (107) bondiert sind und die entsprechenden Kanten
teile der gemeinsamen Elektrode (102) elektrisch miteinan
der in der Treibersäule-Verbindungswand verbunden sind.
7. Piezoelektrisches Betätigungselement nach Anspruch 1,
wobei das piezoelektrische Betätigungselement für einen
Tintenstrahlkopf dient und jede Treibersäule (108) als ein
Antriebsmechanismus zum Ausstoßen von Tinte eines Tinten
strahlkopfes dient.
8. Verfahren zum Herstellen eines piezoelektrischen Betäti
gungselementes (116) mit einem Substrat (114) und einer An
zahl von Treibersäulen (108), die sich parallel zueinander
und durch Nuten (107) voneinander getrennt auf dem Substrat
(114) erstrecken, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren
aufweist:
einen Schritt des Aufbringens von Elektrodenpaste auf eine Oberfläche einer Rohplatte (116b), das aus piezoelektri schem Material hergestellt ist, um eine interne Elektrode (104) zu bilden, Übereinanderschichten und Pressen einer Anzahl von Rohplatten (116b) mit einer internen Elektrode (104) auf dem Substrat (114) und Bilden eines Schichtelek trodenelementes (116d) auf dem Substrat (114) durch Sin tern,
Ausbilden einer Maske (112) mit einer Anzahl von schlitz artigen Musterleerstellen an der Oberseite des Schichtelek trodenelementes (116d), Ausbilden von schlitzartigen Nuten in dem Schichtelektrodenelement (116d) durch Strahlen von Schleifteilchen von der Maske (112) auf die Oberfläche des Schichtelektrodenelementes (116d), um eine Anzahl von Trei bersäulen (118) zu bilden, die geschichtete Elektroden schicht auf dem Substrat (114) haben und voneinander durch die Nut (107) getrennt sind, und
Ausbilden einer externen Elektrode (115) an der Seitenflä che der Treibersäule (108), die elektrisch mit der internen Elektrode (104) verbunden ist.
einen Schritt des Aufbringens von Elektrodenpaste auf eine Oberfläche einer Rohplatte (116b), das aus piezoelektri schem Material hergestellt ist, um eine interne Elektrode (104) zu bilden, Übereinanderschichten und Pressen einer Anzahl von Rohplatten (116b) mit einer internen Elektrode (104) auf dem Substrat (114) und Bilden eines Schichtelek trodenelementes (116d) auf dem Substrat (114) durch Sin tern,
Ausbilden einer Maske (112) mit einer Anzahl von schlitz artigen Musterleerstellen an der Oberseite des Schichtelek trodenelementes (116d), Ausbilden von schlitzartigen Nuten in dem Schichtelektrodenelement (116d) durch Strahlen von Schleifteilchen von der Maske (112) auf die Oberfläche des Schichtelektrodenelementes (116d), um eine Anzahl von Trei bersäulen (118) zu bilden, die geschichtete Elektroden schicht auf dem Substrat (114) haben und voneinander durch die Nut (107) getrennt sind, und
Ausbilden einer externen Elektrode (115) an der Seitenflä che der Treibersäule (108), die elektrisch mit der internen Elektrode (104) verbunden ist.
9. Verfahren nach Anspruch 8,
wobei die externe Elektrode (115) durch Aufbringen einer
elektrisch leitfähigen Paste auf die Seitenfläche der Trei
bersäule (108) ausgebildet wird.
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Legal Events
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