DE3618107A1 - Tintenschreibkopf mit piezoelektrisch anregbarer membran - Google Patents
Tintenschreibkopf mit piezoelektrisch anregbarer membranInfo
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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.
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