DE3618107A1 - Tintenschreibkopf mit piezoelektrisch anregbarer membran - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Tintenschreibkopf und ein Verfahren zum Herstellen eines Tintenschreibkopfes gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 13.

Piezoelektrisch betriebene Antriebselemente in Tinten­ schreibern sind allgemein bekannt. So wird in der DE-OS 21 64 614 eine Anordnung in Schreibwerken zum Schreiben mit farbiger Flüssigkeit auf Papier beschrieben, bei der über ein piezoelektrisch betriebenes Antriebselement eine in einer Tintenkammer befindliche Flüssigkeit aus einer Schreibdüse ausgestoßen wird. Die Volumenveränderung in der Kammer wird durch eine elektrisch angesteuerte Piezo­ keramik bewirkt, die auf einer Metallplatte sitzt und die sich in die Kammer hineinwölbt. Das verwendete Piezoan­ triebselement besteht aus einer durchgehend polarisierten Piezokeramikschicht, die auf einer Metallplatte angeord­ net ist, wobei die Metallplatte als Gegenelektrode dient. Wenn ein geeigneter Spannungsimpuls angelegt wird, zieht sich die Piezokeramik zusammen. Da die Keramik auf einer Metallplatte befestigt ist, wirkt sich auf diese Platte ein Biegemoment aus. Das hat zur Folge, daß sich der Mit­ telteil der Platte in die Flüssigkeitskammer hineinwölbt.

Die Längenänderungen, die man direkt piezoelektrisch er­ zeugen kann, sind verschwindend klein. Sie sind außerdem begrenzt durch die elektrischen Feldstärken, die man an der Keramik anlegen darf, ohne daß dies zu Durch- oder Überschlägen führt. Weiters dürfen die angelegten Feld­ stärken nicht zu einer Umpolarisation führen, sie müssen außerdem über entsprechende Ansteuerschaltkreise schalt­ bar sein.

Es ist deshalb üblich, eine Spannung von ca. 200 V nicht zu überschreiten. Die Feldstärke sollte dabei kleiner sein als ein 1 V/µm in Gegenrichtung zur Polarisation. Die Abstände zwischen Elektroden an Luft sollten außerdem nicht kleiner als 1 µm/V sein. Die direkte Längenände­ rung, die auf diese Weise erzielbar ist, ist damit rund 1‰ oder etwa 0,2 µm bei 200 µm Schichtdichte, vorausge­ setzt die Keramik ist durch und durch aktiv und nicht et­ wa durch eine Brennhaut teilweise inaktiv. Beim Tinten­ druck sind die Wandler, seien es nun Piezoröhrchen oder Piezoplättchen, für eine ganze Reihe von Funktionen not­ wendig. Sie sollen steuerbar kleine Tintenmengen be­ schleunigen, als Tropfen ausstoßen und Tinte aus einem Reservoir nachfördern. Sie sollen aber auch, wenn mög­ lich, die Ausstoßöffnungen verschließen, um das Auslaufen und das Austrocknen der Tinte zu verhindern. Schließlich sollen mit derartigen Elementen die Tintenkanäle und die Austrittsöffnungen gereinigt und entlüftet werden können.

Bei den bekannten Antriebselementen mit akustischer Trop­ fenbildung wird nur ein Teil dieser Funktionen voll er­ füllt. Schallwellen im Tintenkanal können zwar schnell­ fliegende Tropfen formen, aber statischer Druck zur Be­ seitigung von Hindernissen im Kanal kann nicht erzeugt werden. Lufteinschlüsse im Tintenkanal begrenzen die Aus­ breitung der Druckwellen im Kanal und leergelaufene Kanä­ le lassen sich nur durch einen Eingriff von außen wieder füllen. Der Verschluß der Austrittsöffnungen kann bei akustischer Tropfenbildung ebenfalls nur mechanisch von außen erfolgen.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen Tintenkopf der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß er ei­ nerseits einfach im galvanoplastischen Verfahren herge­ stellt werden kann und daß er andererseits einen hohen Wirkungsgrad aufweist.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs ge­ nannten Art gemäß dem kennzeichnenden Teil des ersten Pa­ tentanspruches gelöst.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Dadurch, daß die Membran einen piezoelektrisch anregbaren peripheren Bereich und einen piezoelektrisch anregbaren zentralen Bereich aufweist, die derart angesteuert wer­ den, daß zum Erzeugen einer Membranauslenkung die Membran in ihrem peripheren Bereich durch Querkontraktion ver­ kürzt und in ihrem zentralen Bereich verlängert wird, er­ gibt sich ein besonders großer Hub. Dieser Hub ist das Ergebnis der Ausnutzung von zwei Wirkungen, nämlich der Ausnutzung der Querkontraktion in der Keramik selbst und die Krümmung des Verbundes benachbarter Schichten, die sich unterschiedlich ausdehnen. Durch die Querkontraktion läßt sich der Hub der Membran durch Verringerung der Schichtdicken und Vergrößerung der Längenabmessungen steigern.

Eine besonders vorteilhafte Kraftwirkung ergibt sich, wenn man die Membranbereiche konzentrisch zueinander an­ ordnet, so daß sie sich bei der Anregung warzenartig aus­ wölben. Diese warzenartige Auswölbung stellt die kleinste und kompakteste geometrische Form dar, die von einer ebe­ nen Schicht ausgeht und einen Hohlraum erweitert und schließt. Sie ist rotationssymmetrisch um eine Flächen­ normale und verläßt die Ebene in einer torusförmigen Hohlkehle, die in einen linsenförmigen Kugelabschnitt übergeht. An der Übergangslinie ändert sich der benötigte Krümmungszustand. Entsprechend sind die Elektroden so an­ geordnet bzw. die entsprechenden Membranbereiche so pola­ risiert und über die Elektroden angesteuert, daß sich der periphere Bereich (Kreisring) verkürzt, der zentrale Be­ reich dagegen verlängert. Der Rand der Membran verändert bei Auslenkung seine Neigung nicht, weswegen er fest ein­ gespannt werden kann. Die Biegelinie entspricht im we­ sentlichen einer Auslenkung unter Innendruck. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind mehrere einzeln unabhängig voneinander aktivierbare Mem­ branen auf einer gemeinsamen Substratfläche angeordnet, wobei die Ansteuerleitungen für die einzelnen Membranbe­ reiche über unpolarisierte Bereiche der Substratfläche führen, damit bei der Ansteuerung über diese Ansteuerlei­ tungen keine unerwünschten piezoelektrischen Effekte auf­ treten.

Um den Hub noch weiter zu vergrößern, kann anstelle der Stützschicht eine weitere piezoelektrisch anregbare Schicht angeordnet sein, die jeweils in entgegengesetzter Richtung zur ersten piezoelektrisch anregbaren Schicht polarisiert ist. Damit ergibt sich nahezu eine Verdoppe­ lung des Hubes.

Einen besonders einfachen betriebssicher arbeitenden Tin­ tenschreibkopf kann man dadurch bilden, daß jedem Tinten­ kanal drei über einen Pumpkanal für die Schreibflüssig­ keit miteinander verbundene Membranen zugeordnet sind, die eine statische Pumpe mit zwei steuerbaren Sperrschie­ bern und einen veränderlichen Hohlraum bilden. Die erste Membran steht einerseits über einen Versorgungskanal mit dem Tintenversorgungssystem, andererseits mit dem verän­ derlichen Hohlraum in Verbindung und dient als Einlaßven­ til. Die zweite Membran ist dem veränderlichen Hohlraum zugeordnet und eine dritte Membran ist zwischen dem Hohl­ raum und dem Tintenkanal als Auslaßventil angeordnet. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist der die Membranen verbindende Pumpkanal im Bereich der als Ventile ausgebildeten Membranen Trennstege auf, die mit den Membranen derart zusammenwirken, daß sich der Pumpka­ nal nach Auslenken der Membranen über die Trennstege öff­ net und der Pumpkanal im Bereich der Trennstege über die Membranflächen im nichtausgelenkten Zustand der Membran­ flächen unterbrochen ist.

Die Trennstege können dabei als durchgehende Stege ausge­ bildet sein oder auch als kragenförmige Erhebungen mit dazwischenliegenden Austrittsöffnungen bzw. Einlaßöffnun­ gen.

Da bei dem erfindungsgemäßen Tintenschreibkopf Tinte mit niedriger Viskosität verwendet werden kann, kann die Tin­ te erheblich besser gefiltert werden, womit das Eindrin­ gen von Schmutz in die Tintenkanäle vermieden wird. Zu­ sätzlich ist es möglich, zu Reinigungszwecken den Durch­ laßquerschnitt elektrisch zu erweitern und die Pumprich­ tung umzukehren. Außerdem läßt sich der Trennsteg unmit­ telbar mit Ultraschall reinigen und es lassen sich Verun­ reinigungen an dem Trennsteg zermahlen.

Da die Wandlerelemente die Tintenkanäle verschlossen hal­ ten solange die Wandlerelemente nicht angesteuert werden, ist ein mechanischer Verschluß der Düsen zwischen Schreib­ kopf und Papier nicht notwendig und der Antrieb eines sol­ chen Verschlusses kann entfallen. Damit ist es möglich,­ den Papierabstand sehr stark zu verringern, womit das Schriftbild weniger durch die Streuung der Fluggeschwin­ digkeit und der Flugrichtung der Tropfen beeinträchtigt wird. Da der Druck auf der Düse statisch aufgeprägt wer­ den kann, läßt sich die Fluggeschwindigkeit erhöhen. Ein Übersprechen zwischen den Düsen entfällt, da beim Sprit­ zen keine Fließverbindung besteht.

Die Spritzfrequenz ist nicht durch Reflexionen im Kanal und nicht durch das Übersprechen von Nachbardüsen be­ grenzt sondern nur durch die Eigenwerte der einzelnen Wandlerelemente. Ein individueller Abgleich der Wandler kann entfallen, da die Kopplung des Wandlers an die Tinte viel direkter und gleichmäßiger erfolgt.

Da das erfindungsgemäße Tintenversorgungssystem unabhän­ gig ist von statischem Unterdruck, wird es wesentlich unempfindlicher, womit auch die Beschleunigungsempfind­ lichkeit des Tintenschreibkopfes verschwindet.

Durch statisches Pumpen lassen sich Luftblasen aus dem Tintenkanal entfernen. Leere Kanäle lassen sich elek­ trisch gesteuert füllen.

Das Tintenreservoir kann ohne Schwierigkeiten stationär im Drucker untergebracht werden. Druckwellen aus dem be­ wegten Versorgungsschlauch wirken sich nicht auf die Tropfenbildung aus.

Die Überwachung des Tintenvorrates ist nicht mehr an die engen Grenzen eines statischen Druckers im Vorratsgefäß gebunden.

Der gesamte Schreibkopf läßt sich in besonders einfacher Weise in planaren Techniken herstellen. Der kritische Teil, nämlich die Piezokeramik, kann vor dem eigentlichen Aufbau geprüft werden.

Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden beispielsweise näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Vergleichsdarstellung zwischen der Verformung einer Membranplatte unter Innendruck und einer Membranplatte mit aufgeprägter Wölbung,

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Membran im ausgelenkten Zu­ stand,

Fig. 3 eine erfindungsgemäße Membran im unerregten Zu­ stand,

Fig. 4 eine statische Pumpe aus drei miteinander verbun­ denen Membranen in Draufsicht,

Fig. 5 eine statische Pumpe gemäß Fig. 4 im Querschnitt,

Fig. 6 bis Fig. 10 schematische Darstellungen des Schichtaufbaues des erfindungsgemäßen Tintenschreibkop­ fes,

Fig. 11 eine schematische Schnittdarstellung eines Wand­ lerelementes mit kragenförmigen Trennstegen,

Fig. 12 eine schematische Darstellung des erfindungsgemä­ ßen Tintenschreibkopfes und

Fig. 13 eine schematische Darstellung der Schrägstellung des Tintenschreibkopfes in einer Zeilendruckeinrichtung.

Ein planarer Wandler aus Piezokeramik, wie er in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist, besteht aus einer piezoelek­ trisch anregbaren durchgehend in eine Richtung polari­ sierten Schicht 1 aus Piezokeramik und einer fest mit dieser anregbaren Schicht verbundenen Stützschicht 2, z. B. aus Nickel. Diese so gebildete elektrisch ansteuer­ bare Membran wird über entsprechende Elektroden 3, 4 an­ gesteuert, wobei die Stützschicht 2 als durchgehende Mas­ senelektrode dient und die eigentlichen Ansteuerelektro­ den aus einer peripheren Ansteuerelektrode 3 und einer zentralen Ansteuerelektrode 4 bestehen. Diese eigentli­ chen Ansteuerelektroden 3 und 4 definieren konzentrisch zueinander angeordnete Membranbereiche in Form von Kreis­ flächen bzw. Kreisringflächen. Durch entsprechende An­ steuerung der Elektroden 3 und 4 wölbt sich die Membran in der in der Fig. 2 dargestellten Richtung aus, wenn die Kreisringelektrode 3 mit ihrem erzeugten elektrischen Feld zu einer Kontraktion der Piezokeramikschicht 1 im Bereich der Ringelektrode 3 führt und im Bereich der Elektrode 4 es zu einer Dehnung der Piezokeramikschicht 1 kommt.

Dies wird im folgenden anhand der Fig. 1 näher erläutert.

Die kleinste und kompakteste geometrische Form, die von einer ebenen Schicht ausgeht, nur schwache Krümmungen be­ nötigt, und einen Hohlraum erweitert und schließt, ist eine Warze oder eine domartige Auswölbung. Eine derartige Form ist rotationssymmetrisch um eine Flächennormale und verläßt die Ebene in einer torusförmigen Hohlkehle, die in einen linsenförmigen Kugelabschnitt übergeht.

Eine derartige Idealform kann man nun dadurch erzeugen, daß man eine ebene elastische Membran einem gleichmäßigen Innendruck aussetzt. Damit ergibt sich die auf der linken Seite der Fig. 1a dargestellte Form mit dem in der Fig. 1b dargestellten Neigungsverlauf und einem Krümmungsver­ lauf gemäß Fig. 1c, wobei die Abszisse dem Radius der Membranfläche zugeordnet ist.

Um diese ideale Warzenform zu erreichen, sind nun erfin­ dungsgemäß die Ansteuerelektroden 3 und 4 in Verbindung mit der piezoelektrisch anregbaren Schicht 1 und der Stützschicht 2, die als Masseelektrode dient, so ausge­ bildet, daß sich näherungsweise diese Idealform bei der Auslenkung ergibt.

Zu diesem Zweck ist die kreisförmige Außenelektrode 3 im äußeren Krümmungsbereich der Membran angeordnet und wird mit einem derartigen elektrischen Feld beaufschlagt, daß sich die piezoelektrische Schicht in diesem Krümmungsbe­ reich zusammenzieht. Die konzentrisch dazu angeordnete Innenelektrode 4 wiederum wird mit einem derartigen Feld beaufschlagt, daß sich der zentrale Bereich der Piezo­ keramikschicht 1 ausdehnt. Damit werden zwei Effekte gleichzeitig ausgenutzt, nämlich die Querkontraktion der Keramik selbst und die Krümmung des Verbundes benachbar­ ter Schichten, die sich unterschiedlich ausdehnen. Der Krümmungsradius, bis zu dem sich ebene Schichten derartig verwölben lassen, liegt etwa bei 0,1 m bis 0,4 m, je nachdem wie dünn man die Schichten fertigen kann. Das Verhältnis der Elektrodenflächen zueinander ist nun so dimensioniert, daß sich näherungsweise der gewünschte Verlauf in Fig. 1a ergibt. Dies ergibt eine Neigung ge­ mäß Fig. 1b mit zugehöriger Krümmung Fig. 1c (rechte Sei­ te Fig. 1).

Wie in den Fig. 2 bis 5 dargestellt, läßt sich mit einem derartigen planaren Wandler aus Piezokeramik eine stati­ sche Pumpe mit zwei steuerbaren Sperrschiebern SE und SA und einem veränderlichen Hohlraum H ausbilden. Zu diesem Zwecke sind auf einer durchgehenden Substratfläche 1 die drei Membranen SE, H, SA ausgebildet. In einer das Sub­ strat A mit seiner zugehörigen Stützschicht 2 tragenden Trägerschicht T ist ein Pumpkanal P ausgebildet. Dieser Pumpkanal P steht mit einem Fluidvorrat V (Fig. 4) in Verbindung. In dem Pumpkanal ist im Bereich des Einlaß­ ventiles SE eine Querrippe Q ausgeformt, an die sich im unerregten Zustand die Membran aus Piezokeramik 1 und Stützschicht 2 anlegt und damit den Kanal verschließt. Im angeregten Zustand der Membran entsprechend der Fig. 2 hebt sich die Membran warzenförmig ab und öffnet damit den Kanal P.

Derselbe Aufbau, wie beim Einlaßventil SE mit der Quer­ rippe Q, ergibt sich beim Auslaßventil SA mit der dorti­ gen Querrippe Q. In dem Pumpkanalabschnitt mit in der Mitte erweiterten Hohlraumbereich PH zwischen dem Einlaß­ ventil SE und dem Auslaßventil SA befindet sich die ei­ gentliche als Pumpe dienende Membran H, die entsprechend den Membranen der Einlaßventile SE und SA aufgebaut ist. Eine derartig aufgebaute Pumpe, wie in den Fig. 4 und 5, läßt sich nun in vorteilhafter Weise z. B. über einen Dreiphasendrehstrom ansteuern und zwar dadurch, daß mit einer ersten Phase in einem Pumpschritt zunächst das Ein­ laßventil SE geöffnet wird, daß dann durch die Auslenkung der Membran H (2. Phase) Fluid aus dem Vorrat V angesaugt wird und daß dann nach Schließen des Einlaßventiles SE und nach Öffnen des Auslaßventiles SA (3. Phase) durch Betätigung der eigentlichen Pumpmembran H Fluid aus dem Auslaßbereich A ausgestoßen wird.

Zum Schließen der Sperrschieber SE, SA ist es auch mög­ lich, diese so anzusteuern, daß ihre Membranen unter Vor­ spannung den Kanal P verschließen. Damit wird ein beson­ ders dichter Verschluß erreicht. Außerdem ist bei einer Ansteuerung in Arbeitsrichtung aus dieser Vorspannung heraus ein besonders großer Arbeitshub möglich.

Je nach Verwendungszweck läßt sich der Pumpkanal auch in anderer Weise ausbilden. So ist es auch möglich, anstelle der Querrippe Q in dem Einlaß- und im Auslaßventil SE und SA kragenförmige Öffnungen anzuordnen, wobei der Kragen selbst den Kanal bildet. Die Membran legt sich dann im unerregten Zustand in analoger Weise wie auf die Querrip­ pe auf diesen Kragen auf und verschließt so den Auslaß.

Auf eine derartige statische Pumpe sind nun vielerlei Verwendungen möglich. So kann entsprechend der Fig. 7 da­ mit ein Tintenschreibkopf aufgebaut werden, bei dem auf einer einzigen Substratfläche 1 z. B. neun Schreibdüsen S 1 bis S 9 angeordnet sind. Jede dieser Schreibdüsen be­ steht aus einem Einlaßventil SE, einem veränderlichen Hohlraum H und einem Auslaßventil SA. Die Schreibdüsen S 1 bis S 9 stehen dabei mit dem Vorratsbereich V in Verbin­ dung. Um einen Schreibkopf mit einer größeren Anzahl von Düsen bilden zu können, ist es auch möglich, mehrere Sub­ stratflächen mit darauf angeordneten Schreibdüsen über­ einander zu packen.

Bei einem derartigen Tintenschreibkopf sind die Schreib­ düsen S 1 bis S 9 funktionell vollständig von der Tinten­ versorgung V getrennt. Damit kann ein mechanischer Ver­ schluß der Düsen zwischen Schreibkopf und dem eigentli­ chen vor dem Schreibkopf angeordneten Papier und der An­ trieb dieses Verschlusses entfallen, da die eigentlichen Tintenkanäle durch die Auslaßventile SA geschlossen sind, solange diese Auslaßventile SA nicht angesteuert werden. Ein Übersprechen zwischen den Düsen entfällt, da beim ei­ gentlichen Spritzvorgang keine Fließverbindung besteht. Die Spritzvorgänge werden dabei nicht durch die Reflek­ tion im eigentlichen Spritzkanal und nicht durch das Ubersprechen von Nachbardüsen begrenzt, sondern nur durch die Eigenwerte der Wandlerelemente. Durch statisches Pum­ pen lassen sich Luftblasen aus dem Tintenkanal P entfer­ nen und leere Kanäle lassen sich dabei elektrisch ge­ steuert füllen.

Wie in den Fig. 6 bis 10 dargestellt, läßt sich der er­ findungsgemäße Tintenschreibkopf besonders einfach in planarer Technik herstellen. Zu diesem Zwecke wird gemäß Fig. 6 ein aus Piezokeramik bestehendes Substrat 1 von einer Stärke von etwa 200 µm zunächst polarisiert und ge­ prüft. Dann wird die Stützschicht 2 aus Nickel mit einer Stärke von etwa 100 µm aufgebracht, was galvanisch ge­ schehen kann. Auf der der Stützschicht gegenüberliegenden Seite der Substratfläche 1 wird dann aus Silber oder Gold fotolithografisch galvanisch die konzentrisch zueinander angeordneten peripheren Ansteuerelektroden 3 mit den zen­ tralen Ansteuerelektroden 4 aufgebracht (Fig. 9).

In einem weiteren Schritt wird dann auf der als Masse­ elektrode dienenden Stützschicht 2 im Bereich der Warzen (Membranen) Aluminium (ALU) in einer Stärke von 0,2 µm aufgedampft und zwar in Kreisen von etwa der Größe der Warze. Dieses Aluminium (ALU) wird später zwischen den umgebenden Metallschichten herausgeätzt, damit sich die Warze vom Steg Q zwischen den Kanälen P lösen kann.

Es folgt nun der galvanische Aufbau der Kanalstruktur P, was dadurch geschehen kann, daß zunächst die Kanalstruk­ tur P als Metall- oder Fotoresiststruktur aufgebaut wird und daß dann über diesen aufgebauten Strukturen die Wände W galvanisch ausgeschieden werden. Die Wände können dabei eine Stärke von ca. 50 µm haben und aus Nickel bestehen. Über dieser so abgeschiedenen Schicht W wird dann eine Trägerschicht T aus 100 µm Nickel aufgebaut. Die Metall­ bzw. Fotoresiststrukturen P des Kanals lassen sich danach wieder entfernen.

Es ist aber auch möglich, zunächst auf den dünnen Hilfs­ schichten (ALU) die Wände der Kanalstruktur (W) zu struk­ turieren und in die so gebildeten Kanäle P einen ätzbaren Füllstoff einzufüllen. Nach Aufbringen der Trägerschicht T wird dann der ätzbare Füllstoff entfernt und die ALU- Hilfsschicht (ALU) ebenfalls entfernt, damit sich die Querrippen Q beim Hochwölben des Substrates 1 von der Stützschicht 2 lösen können.

Zur Erleichterung der ätztechnischen Entfernung der Hilfsschichten bzw. der die Kanäle strukturierenden Werk­ stoffen können Öffnungen vorgesehen sein, die später wie­ der geschlossen werden.

Um ein Verlaufen des Verbundes bei Temperaturänderungen zu verhindern, kann außerhalb der Elektroden auf der Rückseite der Keramikschicht 1 eine weitere Stützschicht SS aufgebracht werden. Gleichzeitig ist es möglich, die Leitungen L für die Elektroden 3 und 4 (Fig. 10) auszubil­ den.

Anstelle der beschriebenen Querrippe Q ist es gemäß Fig. 11 auch möglich, die Querrippe kreisförmig auszubilden, womit dann die Auslaßdüse A eine Richtung senkrecht zur Substratfläche 1 aufweist. Es ist also möglich, den Tin­ tenschreibkopf so aufzubauen, daß die Austrittsdüsen A stirnseitig am Substrat angeordnet sind oder derartig, daß sie senkrecht zu der Substratfläche angeordnet sind. Welches die vorteilhaftere Anordnung ist, hängt von dem Verwendungszweck ab. Wie außerdem in der Fig. 13 darge­ stellt, kann zur Erhöhung der Teilungsdichte zwischen der Rasterzeile RZ der Tintenschreibkopf gegen die Rasterzei­ le in einem Winkel geneigt sein.

Claims (19)

1. Tintenschreibkopf mit Tintenausstoßkanälen (P) und den Tintenausstoßkanälen (P) zugeordneten piezoelektrischen Wandlerelementen (3, 4), die über Versorgungsleitungen (V) mit Schreibflüssigkeit versorgt werden, wobei die Wandlerelemente (3, 4) eine elektrisch ansteuerbare Mem­ bran mit einer ersten piezoelektrisch anregbaren Schicht (1) und einer fest mit dieser anregbaren Schicht verbun­ denen Stützschicht (2) enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrisch anregbare Schicht (1) einen periphe­ ren Bereich (3) und einen zentralen Bereich (4) aufwei­ sen, die zum Erzeugen einer zum Schreibbetrieb notwendi­ gen Auslenkung der Membran derart angesteuert werden, daß der Peripheriebereich (3) vorzugsweise durch Querkontrak­ tion verkürzt und der zentrale Bereich (4) verlängert wird.

2. Tintenschreibkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrisch anregbare, durchgehend in eine Richtung polarisierte Schicht (1) auf ihrer einen Seite eine durchgehende Massenelektrode (2) und auf ihrer anderen Seite eine dem Peripheriebereich zugeordnete erste An­ steuerelektrode (3) und eine dem zentralen Bereich zuge­ ordnete zweite Ansteuerelektrode (4) aufweist, wobei der Peripheriebereich und der Zentralbereich zum Ansteuern mit unterschiedlichen elektrischen Feldern beaufschlagt werden.

3. Tintenschreibkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrisch anregbare Schicht auf ihrer einen Seite eine durchgehende Massenelektrode (2) und auf ihrer ande­ ren Seite eine gemeinsame Ansteuerelektrode aufweist, wo­ bei die peripheren Bereiche und der Zentralbereich unter­ schiedlich polarisiert sind.

4. Tintenschreibkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranbereiche (3, 4) einer Membran konzentrisch zuein­ ander angeordnet sind und sich bei Ansteuerung in Ar­ beitsrichtung warzenförmig auswölben.

5. Tintenschreibkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehre­ re einzeln unabhängig voneinander aktivierbare Membranen (3, 4) auf einer gemeinsamen Substratfläche (1) angeord­ net sind.

6. Tintenschreibkopf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerleitungen (L) für die einzelnen Membranbereiche (3, 4) über unpolarisierte Bereiche der Substratfläche (1) führen.

7. Tintenschreibkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an­ stelle der Stützschicht (2) eine weitere piezoelektrisch anregbare Schicht angeordnet ist, die jeweils in entge­ gengesetzter Richtung zur ersten piezoelektrisch anregba­ ren Schicht polarisiert ist.

8. Tintenschreibkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran im nichtaktivierten Zustand die Tintenkanäle me­ chanisch abschließt.

9. Tintenschreibkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Tintenkanal drei über einen Pumpkanal (P) für die Schreib­ flüssigkeit miteinander verbundene Membranen zugeordnet sind, die eine statische Pumpe mit zwei steuerbaren Sperr­ schiebern (SE, SA) und einen veränderlichen Hohlraum (H) bilden, wobei die erste Membran (SE) einerseits über einen Versorgungskanal mit dem Tintenversorgungssystem (V), an­ dererseits mit dem veränderlichen Hohlraum (H) in Verbin­ dung steht und als Einlaßventil zwischen dem Versorgungs­ kanal und dem Hohlraum angeordnet ist, die zweite Membran (PH) dem veränderlichen Hohlraum zugeordnet ist und eine dritte Membran (SA) zwischen dem Hohlraum (PH) und dem Austrittsbereich (A) des Tintenkanals als Auslaßventil angeordnet ist.

10. Tintenschreibkopf nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der die Membranen verbindende Pumpkanal (P) im Bereich der als Ventile ausgebildeten Membranen Trennstege (Q) auf­ weist, die mit den Membranen derart zusammenwirken, daß sich der Pumpkanal nach Auswölben der Membranen über die Trennstege öffnet und der Pumpkanal im Bereich der Trenn­ stege (Q) über die Membranen im nichtausgelenkten bzw. invers erregten Zustand der Membranen unterbrochen ist.

11. Tintenschreibkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß mehre­ re Membranen übereinander im Tintenschreibkopf angeordnet sind.

12. Tintenschreibkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Teilungsdichte zwischen den Rasterzeilen (RZ) der Tintenschreibkopf (TS) gegen die Rasterzeilen geneigt ist.

13. Tintenschreibkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranflächen (3, 4) einer Membran derart angesteuert werden, daß sich die Membran entgegen ihrer Arbeitsrich­ tung auswölbt und so unter Vorspannung anliegt.

14. Verfahren zum Herstellen eines Tintenschreibkopfes nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß als Substrat (1) eine dünne Schicht aus Piezokeramik verwen­ det wird, auf der die erforderliche Struktur des Tinten­ kopfes galvanoplastisch aufgebaut wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezokeramikschicht (1) vor dem galvanoplastischen Aufbau polarisiert wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Piezokeramikschicht auf ihrer einen Seite Ansteuer­ elektroden (3, 4) fotolithografisch-galvanisch struktu­ riert und auf ihrer anderen Seite die Stützschicht (2) galvanisch aufgebracht werden, und daß dann durch Bedamp­ fen oder Sputtern der Stützschicht weitere dünne Hilfs­ schichten (ALU) strukturiert aufgebracht und durch Ablö­ sungsvorgänge zusätzlich geformt werden, so daß die Mem­ branbereiche allein über die Ränder ihrer peripheren Be­ reiche mit der Gesamtstruktur des Kopfes in Verbindung stehen.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß auf den dünnen Hilfsschichten (ALU) die Kanalstrukturen zur Aufnahme der Schreibflüssigkeit als Metall- oder Fotore­ siststrukturen aufgebaut und über diesen Strukturen die Wände (W) galvanisch abgeschieden werden, und daß dann selektiv die Metall- oder Fotoresiststrukturen wieder entfernt werden.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß auf den dünnen Hilfsschichten die Wände (W) der Kanalstruktu­ ren zur Aufnahme der Schreibflüssigkeit strukturiert wer­ den, daß dann die so gebildeten Kanäle (P) mit einem ätz­ baren Füllstoff gefüllt und auf den so gefüllten Kanälen (P) eine Deckschicht (T) aufgebracht wird, und daß dann der Füllstoff entfernt wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 und 18, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erleichterung der ätztechnischen Entfernung der Hilfs­ schichten bzw. der die Kanäle (P) strukturierenden Werk­ stoffe Öffnungen vorgesehen sind.