DE69305477T2

DE69305477T2 - Antriebselement mit keramischem Substrat und Tintenstrahldruckkopf mit Benützung derselben

Info

Publication number: DE69305477T2
Application number: DE69305477T
Authority: DE
Inventors: Hideo Masumori; Nobuo Takahashi; Yukihisa Takeuchi
Original assignee: NGK Insulators Ltd; Seiko Epson Corp
Current assignee: NGK Insulators Ltd; Seiko Epson Corp
Priority date: 1992-12-04
Filing date: 1993-12-03
Publication date: 1997-03-13
Anticipated expiration: 2013-12-04
Also published as: JPH06218929A; US5617127A; SG48872A1; DE69305477D1; JP3106044B2; EP0600743A2; EP0600743A3; EP0600743B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen einen Aktuator und einen Tuitenstrahldruckkopf, der den Aktuator umfaßt, und im spezielleren einen Aktuator, der bei hoher Stabilität verbesserte Betriebseigenschaften aufweist, sowie einen Tintenstrahldruckkopf, bei dem ein solcher Aktuator als Tintenpumpe zum Abgeben eines Tuiten materials aus dem Druckkopf verwendet wird.

Erörterung des Standes der Technik

Als Mittel zum Anheben eines Drucks in einer innerhalb eines Substrats eines Aktuator gebildeten Druckkammer ist seit neuestem ein auf einer die Druckkammer begrenzenden Wand ausgebildetes piezoelektrisches/elektrostriktives Element zum Ändern eines Volumens der Druckkammer durch Verschieben des piezoelektrischen/elektrostriktiven Elements bekannt. Ein solcher Aktuator kann z.B. als Tintenpumpe oder dergleichen eines bei einem Tintenstrahldrucker verwendeten Druckkopfs verwendet werden. Der als Tintenpumpe verwendete Aktuator ist so ausgebildet, daß er einen Druck in der mit einem Tintenmaterial gefüllten Druckkammer unter Nutzung der Verschiebung des piezoelektrischen/elektrostriktiven Elements steigert, sodaß feine Tintenteilchen durch eine nut der Druckkammer kommunizierende Düse ausgestoßen oder abgegeben werden, sodaß Drucken durch den Druckkopf bewirkt wird.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 4 und 5, die ein bekanntes Beispiel für den Tintenstrahldruckkopf wie oben beschrieben zeigen, sind eine metallische Düsenplatte 4 mit einer Vielzahl von Düsen 2, eine metallische Öffnungsplatte 8 mit einer Vielzahl von Öffnungen 6 und eine Kanalplatte 10 übereinander angeordnet, sodaß sich die Kanalplatte 10 zwischen den Platten 4, 8 befindet, und diese Platten 4, 8, 10 sind zu einem Tintendüsenelement 16 verbunden. In diesem Tintendüsenelement 16 ist eine Vielzahl von Tintenabgabekanälen 12, um ein Tintenmaterial zu den jeweiligen Düsen 2 zu leiten oder zu führen, und zumindest ein Tintenzufuhrkanal 14 ausgebildet, um das Tintenmaterial zu den Öffnungen 6 zu leiten oder zuzuführen. Bezugszahl 25 bezeichnet einen Aktuator, der ein Substrat 24, das aus einer Verschlußplatte 18 und einer Abstandshalterplatte 20 besteht, die beide aus Metall oder Kunstharz bestehen sowie eine Vielzahl von an einer Außenfläche der Verschlußplatte 18 ausgebildeten piezoelektrischen/elektrostriktiven Elementen 28 umfaßt. Verschlußplatte 18 und Abstandshalterplatte 20 liegen aufeinander und Substrat 24 ist einstückig daraus gebildet, sodaß im Substrat 24 eine Vielzahl von Hohlräumen 22 ausgebildet ist, die den Düsen 2 und Öffnungen 6 des Tintendüsenelements 16 entsprechen. Die an Verschlußplatte 18 befestigten piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente 28 sind in der Ebene des Substrats 24 gesehen (senkrecht zur Dickenrichtung des Substrats 24) mit den Hohlräumen 22 des Substrats 24 ausgerichtet. Wenn das Tintendüsenelement 16 und der Aktuator 25 übereinander liegen und durch einen geeigneten Kleber 29 miteinander verbunden sind, stellt jede der Hohlräume 26 eine Druckkammer 26 bereit, die hinter der entsprechenden Düse und Öffnung 2, 6 ausgebildet und mit dem Tintenmaterial gefüllt ist. Beim Betrieb werden die piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente 28 selektiv betätigt, sodaß Wände verformt werden, die die entsprechende(n) Druckkammer(n) 26 definieren, wie schematisch in Fig. 6 gezeigt wird, um den Druck der gewählten Druckkammer(n) 26 zu ändern.
Beim Tintenstrahldruckkopf wie oben beschrieben ist das Tintendüsenelement 16 mit dem Aktuator 25, genauer gesagt mit der Oberfläche der Abstandshalterplatte 20, verbunden, auf der die Hohlräume 22 offen sind. Bei dieser Anordnung muß eine fluiddichte Dichtung zwischen dem Tintendüsenelement 16 und dem Aktuator 25 über eine relativ große Fläche befestigt werden, die die Hohlräume 22 umgibt. Bei der Massenproduktion von Druckköpfen des obigen Typs ist es daher schwierig, für die Druckköpfe einen hohen Grad an Dichtungszuverlässigkeit oder Fluiddichtheit und gewünschter Tintenstrahlfähigkeit mit hoher Stabilität zu gewährleisten.
In Anbetracht der obigen Probleme ist von den Erfindern des vorliegenden Anmeldungsgegenstandes in der parallelen US-Patentanmeldung Nr. 08/066.193 und 08/066.195 ein Aktuator, wie schematisch in Fig. 7a gezeigt, vorgeschlagen worden. Dieser Aktuator 40 umfaßt ein Keramiksubstrat 38, in dem eine Vielzahl von Druckkammern 36 und auf dem eine Vielzahl filmartiger piezoelektrischer/elektrostriktiver Elemente 33 ausgebildet sind. Im spezielleren werden grüne Keramiktafeln für eine Abstandshalterplatte 30, eine Verschlußplatte 32 und eine Verbindungsplatte 34 aufeinander laminiert und gemeinsam zu einem Keramiksubstrat 38 gebrannt, sodaß die Verschlußplatte 32 auf einer Oberfläche der Abstandshalterplatte 30 liegt und die Verbindungsplatte 34 mit Durchgangslöchern 35 auf der anderen Oberfläche der Abstandshalterplatte 30 liegt. Die piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente 33 werden nach einem Filmbildungsverfahren an der Außenfläche der Verschlußplatte 32 ausgebildet. Wenn dieser Aktuator 40 durch einen Kleber 46 nut einem Tintendüsenelement 42 verbunden ist, sodaß die Kommunikationslöcher 35 der Verbindungsplatte 34 mit durch das Tintendüsenelement 32 ausgebildeten Düsen 44 ausgerichtet sind, muß nur über eine relativ kleine Fläche in der Umgebung der Durchgangslöcher 35 eine fluiddichte Dichtung vorgesehen sein, wodurch bei Massenproduktion der Druckköpfe leicht verbesserte Dichtungszuverlässigkeit zu gewährleisten ist.
Jedoch hat eine weitere Untersuchung des Aktuators 40 wie oben beschrieben durch die Erfinder des vorliegenden Anmeldungsgegenstandes ergeben, daß die Druckkammern 36 im wesentlichen vollständig vom einstückigen Keramiksubstrat 38 definiert oder umgeben sind, wodurch aufgrund der erhöhten Starrheit des Substrats 38 die Wahrscheinlichkeit geringer ist, daß das Keramiksubstrat 38 verformt oder verschoben wird, sodaß sich der Druck der Druckkammern 36 ändert, wie in Fig. 7b gezeigt Als Folge können die Betriebseigenschaften des Aktuators 40 beeinträchtigt werden, und es ist möglich, daß der Tintenstrahldruckkopf, bei dem der Aktuator 30 als Tintenpumpe verwendet wird, keine gewünschte Tintenstrahlfähigkeit aufweist.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Ein erster Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß ein Aktuator bereitgestellt ist, der eine oder mehrere Druckkammer(n) aufweist, die im wesentlichen vollständig von einem einstückigen Keramiksubstrat definiert ist/sind, worin die Starrheit des Keramiksubstrats ausreichend gesenkt ist, um Druckveränderungen der Druckkammer(n) zu erleichtern, wodurch die gewünschten Betriebseigenschaften des Aktuators gewährleistet werden, während eine verringerte Dichtungsfläche erforderlich ist, über die beim Verbinden des Aktuators mit einem anderen Element eine fluiddichte Dichtung vorgesehen sein sollte.
Ein zweites Merkmal der Erfindung besteht darin, einen Tintenstrahldruckkopt bereitzustellen, der ein Tintendüsenelement und den oben beschriebenen Aktuator als Tintenpumpenelement aufweist und der verbesserte Bindungszuverlässigkeit zwischen dem Tintendüsenelement und dem Aktuator gewährleistet und stabil hervorragende Tintenstrahleigenschaften aufweist.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Aktuator bereitgestellt, der umfaßt: ein Keramiksubstrat, in dem zumindest eine Druckkammer ausgebildet ist wobei das Keramiksubstrat eine Abstandshalterplatte, die zumindest ein Fenster aufweist bzw. vorsieht, durch das die oben angeführte zumindest eine Druckkammer gebildet wird, eine auf einer der gegenüberliegenden Hauptflächen der Abstandshalterplatte liegende Verschlußplatte zum Verschließen einer der gegenüberliegenden Öffnungen eines jeden Fensters und eine auf der anderen Hauptfläche der Abstandshalterplatte liegende Verbindungsplatte, um die andere Öffnung des Festers im wesentlichen zu schließen, umfaßt, wobei die Verbindungsplatte zumindest einen Schlitz aufweist, der einer jeden Druckkanimer entspricht, wobei die Abstandshalterplatte, die Verschlußplatte und die Verbindungsplatte aus jeweiligen grünen Keramiktafeln gebildet sind die aufeinander laminiert und zu einer einstückigen Keramikstruktur als Keramiksubstrat gebrannt werden; und zumindest ein piezoelektrisches/elektrostriktives Element, das/die jeweils an einem Abschnitt der Verschlußplatte, der die entsprechende Druckkammer definiert/begrenzt, angeordnet ist/sind, um den Abschnitt so zu verformen, daß ein Druck der entsprechenden Druckkammer geändert wird, wobei jedes piezoelektrische/elektrostriktive Element ein Paar Elektroden und eine piezoelektrische/elektrostriktive Schicht umfaßt, die nach einem Filmbildungsverfahren an einer Außenfläche der Verschlußplatte des Keramiksubstrats gebildet wird, sodaß sich die piezoelektrische/elektrostriktive Schicht zwischen dem Elektrodenpaar befindet.
Beim wie oben beschrieben konstruierten Aktuator hat das Keramiksubstrat eine relativ kleine Öffnung an jener Fläche, die mit einem/einer anderen Element oder Komponente zu verbinden ist, sodaß es erforderlich ist, eine fluiddichte Dichtung über eine relativ kleine Fläche der Verbindungsfläche des Substrats bereitzustellen. Weist führt das Vorsehen der Schlitze zu einem erhöhten Ausmaß an Biegeverformung der die Druckkammern definierenden Wände (des Keramiksubstrats), und gewährleistet daher hervorragende Betriebseigenschaften des Aktuators.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Tintenstrahldruckkopf bereitgestellt, der umfaßt: ein Tintendüsenelement mit eineer Vielzahl von Düsen, durch die feine Tintenteilchen ausgestoßen werden; und einen Aktuator, der am Tintendüsenelement angeordnet und mit diesem verbunden ist und eine Vielzahl von Druckkammern aufweist, die hinter den jeweiligen Düsen des Tintendüsenelements ausgebildet sind, wobei der Aktuator umfaßt: (a) ein Keramiksubstrat, das eine Abstandshalterplatte mit einer Vielzahl von Fenstern umfaßt, die die Druckkammern darstellen, eine auf einer der gegenüberliegenden Hauptflächen der Abstandshalterplatte liegende Verschlußplatte zum Verschließen einer der gegenüberliegenden Öffnungen eines jeden Fensters, und eine auf der anderen Hauptfläche der Abstandshalterplatte und auf dem Tintendüsenelement liegende Verbindungsplatte, um die andere Öffnung des Fensters im wesentlichen zu verschließen, wobei die Verbindungsplatte zumindest einen Schlitz aufweist, der jeder Druckkammer entspricht, sowie eine Vielzahl von ersten Kommunikationslöchern, die hinter den jeweiligen Düsen des Tintendüsenelements angeordnet sind, um Fluidkommunikation zwischen den entsprechenden Düsen und Druckkammern zuzulassen, wobei die Abstandshalterplatte, die Verschlußplatte und die Verbindungsplatte aus jeweiligen grünen Keramiktafeln gebildet sind die aufeinander laminiert und zu einer einstückigen Keramikstruktur als Keramiksubstrat gebrannt sind, und (b) eine Vielzahl von piezoelektrischen/elektrostriktiven Elementen, die jeweils auf einem Abschnitt der Verschlußplatte, der eine entsprechende der Druckkammern definiert, angeordnet sind, um den Abschnitt zu verformen, sodaß ein Druck der entsprechenden Druckkammer geändert wird, wodurch die Tinte in der Druckkammer durch die entsprechende der Düsen des Tintendüsenelements ausgestoßen wird, wobei jedes piezoelektrische/elektrostriktive Element ein Paar Elektroden und eine piezoelektrische/elektrostriktive Schicht umfaßt, die nach einem Filmbildungsverfahren an einer Außenfläche der Verschlußplatte des Keramiksubstrats ausgebildet sind, sodaß sich die piezoelektrische/elektrostriktive Schicht zwischen dem Elektrodenpaar befindet.
Bei dem Tintenstrahldruckkopf der oben beschriebenen Konstruktion ist die Fluiddich heit eines Tintensträmungskanals, durch den die Tinte durch den Druckkopf fließt, an den Verbindungsflächen des Aktuators und des Tintendüsenelements deutlich verbessert, wodurch hervorragende Betriebeigenschaften des Aktuators und hervorragende Tintenausstoßfähigkeit des Druckkopfs gewährleistet sind. Somit kann der erfindungsgemäße Druckkopf mit hoher Stabilität gedruckte Bilder mit verbesserter Qualität erzeugen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die obigen und wahlweise Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch das Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung besser verstanden werden, wenn diese in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen betrachtet wird, in denen:
Fig. 1 eine Aufrißansicht im vertikalen Querschnitt ist, die eine Ausführungsform eines Tintenstrahldruckkopfs gemäß vorliegender Erfindung zeigt;
Fig. 2 eine Querschnittansicht entlang Linie 2-2 von Fig. 1 ist;
Fig. 3 eine perspektivische Explosionsansicht ist, die die Struktur des Tintenstrahldruckkopfs von Fig. 1 zeigt;
Fig. 4 ein Fig. 1 entsprechender Aufriß im vertikalen Querschnitt ist, der ein Beispiel für bekannte Tintenstrahldruckköpfe zeigt;
Fig. 5 eine Querschnittansicht entlang Linie 5-5 von Fig. 4 ist;
Fig. 6 eine Querschnittansicht entlang Linie 6-6 von Fig. 4 ist, die einen Aktuator des Druckkopfs von Fig. 4 zeigt, wenn er Verschiebung erfährt, um den Druck einer seiner Druckkammern zu ändern;
Fig. 7a eine jener von Fig. 6 entsprechende Querschnittansicht ist, die ein weiteres Beispiel für einen Tintenstrahldruckkopf zeigt, wenn sein Aktuator keine Verschiebung erfährt;
Fig. 7b eine jener von Fig. 6 entsprechende Querschnittansicht ist, die den Tintenstrahldruckkopf von Fig. 7a zeigt, wenn der Aktuator Verschiebung erfährt, um den Druck einer seiner Druckkammern zu ändern;
Fig. 8a eine jener von Fig. 2 entsprechende Querschnittansicht ist, die eine Modifikation des Tintenstrahldruckkopfs von Fig. 1 zeigt, in der die Größe der ersten Kommuiiikationslöcher geändert ist;
Fig. 8b eine jener von Fig. 2 entsprechende Querschnittansicht ist, die eine weitere Modifikation des Tintenstrahldruckkopfs von Fig. 1 zeigt, in der die Größe und Gestalt der zweiten Kommunikationslöcher geändert sind;
Fig. 8c eine jener von Fig. 2 entsprechende Querschnittansicht ist, die eine weitere Modifikation des Tintenstrahldruckkopfs von Fig. 1 zeigt, bei der die ersten und zweiten Kommunikationslöcher in Tränengestalt ausgebildet sind;
Fig. 9 eine Querschnittansicht in Querrichtung ist, die eine weitere Ausführungsform des Aktuators gemäß vorliegender Erfindung zeigt;
Fig. 10 eine Querschnittansicht entlang Linie 10-10 von Fig. 9 ist;
Fig. 11 eine Querschnittansicht in Querrichtung ist, die eine Modifikation des Aktuators von Fig. 9 zeigt, bei der die Gestalt der ersten Kommunikationslöcher geändert ist und zusätzliche Schlitze in ihrem Keramiksubstrat ausgebildet sind;
Fig. 12a eine Querschnittansicht entlang Linie 12-12 von Fig. 11 ist, die schematisch den Aktuator von Fig. 11 zeigt, der keine Verschiebung erfährt; und
Fig. 12b eine Querschnittansicht entlang Linie 12-12 von Fig. 11 ist, die schematisch den Aktuator von Fig. 11 zeigt, der Verschiebung erfährt, um die Druckwerte seiner Druckkammern zu ändern.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Zunächst auf die Fig. 1 und 2 Bezug nehmend, die schematisch einen gemäß vorliegender Erfindung konstruierten Tintenstrahldruckkopf 50 zeigen, sowie auf Fig. 3, die eine perspektivische Explosionsansicht des Druckkopfs so ist, sind ein Tintendüsenelement 52 und ein als Tintenpumpe verwendeter Aktuator verbunden, um eine einstückige Struktur des Druckkopfs 50 zu bilden. Bei diesem Druckkopf 50 wird ein Tintenmaterial einer Vielzahl von im Aktuator 54 ausgebildeten Druckkammern 56 zugeführt und aus einer Vielzahl von durch das Tintendüsenelement 52 ausgebildeten Düsen 64 ausgestoßen oder abgegeben.
Im spezielleren besteht das Tintendüsenelement 52 aus einer Düsenplatte 58 und einer Öffnungsplatte 60, die beide eine relativ geringe Dicke aufweisen, sowie aus einer Kanalplatte 62, die zwischen diesen Platten 58, 60 angeordnet ist. Die Düsenplatte 58 und die Öffnungsplatte 60 sind durch einen Kleber einstückig mit der Kanaiplatte 62 verbunden.
Bei der Düsenplatte 58 sind die oben angeführten Düsen 64 (bei dieser Ausführungsform drei) durch ihre Dicke hindurch ausgebildet, um Strahlen feine, Tintenteilchen zuzulassen, während die Öffnungsplatte 60 und die Kanalplatte 62 jeweilige Durchgangslöcher 66, 67 aufweisen, die durch ihre Dicke hindurch ausgebildet sind. Diese Durchgangslöcher 66, 67 sind mit den jeweiligen Düsen 64 ausgerichtet, wie in der Ebene senkrecht zur Dicke des Tintendüsenelements 52 gesehen, und haben einen Durchmesser, der um einen bestimmten Wert größer als jener der Düsen 64 ist.
Die Öffnungsplatte 60 weist weiters eine Vielzahl von durch sie hindurch ausgebildeten Öffnungen 68 auf (in dieser Ausführungsform drei), um das Strömen der Tinte in die jeweiligen Druckkammern 56 zuzulassen. Die Kanalplatte 62 ist mit einem Fenster 70 ausgebildet, das an seinen gegenüberliegenden Öffnungen mit der Düsenplatte 58 bzw. der Öffnungsplatte 60 geschlossen ist, wodurch ein Tintenzufuhrkanal 72, der mit den Öffnungen 68 kommuniziert, durch Kanalplatte, 62, Düsenplatte 58 und Öffnungsplatte 60 definiert ist. Die Öffnungsplatte 60 weist weiters eine Zufuhröffnung 74 auf, durch die die Tinte von einem Tintenreservoir in den Tintenzufuhrkanal 72 zugeführt wird.
Das Material für die Platten 58, 60, 62 des Tintendüsenelements 52 ist zwar nicht speziell eingeschränkt, aber diese Platten 58, 60 und 62 werden vorzugsweise aus einem Kunststoff oder einem Metall, wie Nickel oder rostfreiem Stahl hergestellt, das eine hochpräzise Ausbildung der Düsen 64 und Öffnungen 68 zuläßt. Jede der Öffnungen 68 ist wünschenswerterweise in verjüngter Gestalt ausgebildet, sodaß der Durchmesser von Öffnung 68 in Strömungsrichtung der Tinte (d.h. in Richtung vom Tintenzufuhrkanal 72 zu den Druckkammern 56) verringert ist, wie in Fig. 1 beispielhaft gezeigt, sodaß sie als Rückschlagventil fungiert, um zu verhindern, daß die Tinte in die Gegenrichtung strömt.
Andererseits umfaßt der Aktuator 54 ein Keramiksubstrat 84, das aus einer Verschlußplatte 76 und einer Verbindungsplatte 78 besteht, die beide eine relativ geringe Dicke aufweisen und aus einem Keramikmaterial ausgebildet sind, sowie aus einer Abstandshalterplatte 82, die ebenfalls aus einem Keramikmaterial gebildet ist. Diese Platten 76, 78, 82 liegen aufeinander und bilden einstückig ein Keramiksubstrat 84 sodaß die Abstandshalterplatte 82 zwischen Verschlußplatte 76 und Verbindungsplatte 78 angeordnet ist. Der Aktuator 54 umfaßt weiters eine Vielzahl von piezoelektrischen/elektrostriktiven Elementen 90, die nach einem Filmbildungsverfahren an der Außenfläche der Verschlußplatte 76 ausgebildet sind. Die piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente 90 sind jeweils mit den innerhalb des Aktuators 54 ausgebildeten oben angeführten Druckkammern 56 ausgerichtet, wie in der Ebene von Substrat 84 gesehen (senkrecht zur Dickenrichtung von Substrat 84).
Im spezielleren sind durch Verbindungsplatte 78 von Keramiksubstrat 84 erste Kommunikationslöcher 86 und zweite Kommunikationslöcher 87 ausgebildet, die jeweils mit den Durchgangslöchern 66 und Öffnungen 68, die in Öffnungsplatte 60 von Tintendüsenelement 52 ausgebildet sind, ausgerichtet sind, wie in der Ebene senkrecht zur Dickenrichtung der Platten 78, 60 gesehen. Der Durchmesser der ersten Kommunikationslöcher 86 ist im wesentlichen gleich groß wie oder etwas größer als jener der Durchgangslöcher 66, und der Durchmesser der zweiten Kommunikationslöcher 87 ist um einen bestimmten Wert größer als jener der Öffnungen 68.
Die Abstandshalterplatte 82 weist eine Vielzahl durch sie hindurch ausgebildeter rechteckiger Fenster 88 (in der vorliegenden Ausführungsform 3) auf. Die Abstandshalterplatte 82 liegt auf der Verbindungsplatte 78, sodaß jedes der Fenster 88 mit dem entsprechenden Paar der ersten und zweiten Kommunikationslöcher 86, 87, die in der Verbindungsplatte 78 ausgebildet sind, kommuniziert. Die Gestalt von Fenster 88 ist nicht notwendigerweise auf eine rechteckige Gestalt beschränkt, wie in Fig. 3 dargestellt, sondern kann aus anderen Gestalten ausgewählt sein, wie z.B. einer allgemein länglichen Gestalt, bei der die gegenüberliegenden kurzen Seiten des reckteckigen Fenster gekrümmt sind.
Verschlußplatte 76 liegt über der Oberfläche von Abstandshalterplatte 82 von Verbindungsplatte 78 entfernt, sodaß die Fenster 88 an ihren gegenüberliegenden Öffnungen mit Verschlußplatte 76 und Verbindungsplatte 78 verschlossen sind. So werden die im Keramiksubstrat 84 ausgebildeten Druckkammern 56 durch die ersten und zweiten Kommunikationslöcher 86, 87 mit dem Außenraum in Kommunikation gehalten.
Verbindungsplatte 78 ist weiters mit einer Vielzahl von Schlitzen 80 ausgebildet, die den jeweiligen Druckkammern 56 entsprechen, mit anderen Worten, jeweils mit den Druckkammern 56 ausgerichtet sind, wie in der Ebene senkrecht zur Dickenrichtung der Platten 78, 82 gesehen. Diese Schlitze 80 werden auf folgende Weise durch die Dicke von Verbindungsplatte 78 ausgebildet. Zunächst wird aus einem Keramikmaterial, einem Bindemittel, einem geeigneten Lösungsmittel und anderen eine Keramikaufschlämmung hergestellt, und aus der so hergestellten Keramikaufschlämmung wird mit einer bekannten Vorrichtung, wie z.B. einer Rakelvorrichtung oder einem gegenläufigen Walzenstreicher eine grüne Tafel gebildet, die die Verbindungsplatte 78 ergibt. Dann werden entweder vor oder nach dem Brennen der grünen Tafel die Schlitze 80, die die ersten und zweiten Kommunikationslöcher 86, 87 verbinden, durch Schneiden unter Verwendung eines Würfelschneiders ("dicer"), einer Schnitzelmaschine ("slicer") oder eines Laserstrahls, oder durch Stanzen oder Durchstechen ausgebildet. Mit den so gebildeten Schlitzen 80 kann die Starrheit des Keramiksubstrats 84 ausreichend verringert werden, um das Verformungsausmaß des Substrats 84 oder der Druckkamern 56 beträchtlich zu erhöhen, wodurch erhöhte Druckänderungen der Druckkammern 56 verursacht werden, die zu verbesserten Betriebseigenschaften von Aktuator 54 führen. Gleichzeitig erfordert Aktuator 54 eine relativ geringe Dichtungsfläche, über die eine fluiddichte Dichtung zwischen Tintendüsenelement 52 und Keramiksubstrat 84 (Aktuator 54) vorgesehen sein muß, wenn Düsenelement 52 mit Substrat 84 verbunden ist.
Keramiksubstrat 84, wie oben beschrieben, ist als einstückig gebrannte Keramikstruktur ausgebildet. Im spezielleren werden grüne Tafeln für Verschlußplatte 76, Verbindungsplatte 79 und Abstandshalterplatte 82 aufeinander laminiert und dann zur einstückigen Struktur gebrannt. Das so gebildete Keramiksubstrat 84 gewährleistet vollständige Abdichtung zwischen den benachbarten Platten 76, 78, 82, ohne daß beispielsweise ein Kleber auf ihre Grenzflächen aufgetragen wird. Weiters weist Keramiksubstrat 84, das Verbindungsplatte 78 umfaßt, verbesserte strukturelle Festigkeit auf, was günstigerweise das Verwinden von Substrat 84 bei dessen Brennen verhindert und auch einfache Handhabung von Substrat 84 zuläßt, während Druckkopf 50 hergestellt wird oder in Verwendung ist.
Es ist im allgemeinen schwierig, eine aus dünnen, flexiblen grünen Tafeln bestehende Laminarstruktur handzuhaben. Beispielsweise ist es wahrscheinlich, daß eine solche Laminarstruktur aufgrund von darauf ausgeübten Belastungen zerbricht oder anormal verformt wird, nachdem sie gebrannt wurde, wenn die Struktur nicht sorgfältig gehalten oder gehandhabt wird, wenn sie in einem Brennofen angeordnet wird. Gemäß vorliegender Erfindung wird jedoch die Starrheit der Laminarstruktur (Keramiksubstrat 84) aufgrund des Vorhandenseins von Verbindungsplatte78 vorteilhaft erhöht, wodurch die Struktur oder Substrat 84 einfacher gehandhabt werden kann und Schäden aufgrund von Handhabungsfehlern weniger wahrscheinlich sind, im Vergleich zu dem Fall, wo die Laminarstruktur keine Verbindungsplatte 78 umfaßt. Wenn die Druckkammern 56 mit hoher Dichte im Aktuator 56 ausgebildet sind, mit anderen Worten, wenn Aktuator 54 eine relativ große Anzahl an Druckkammern 56 pro Fläche aufweist, ist die problemlose Handhabung einer Struktur, die nur aus Verschlußplatte 76 und Abstandshalterplatte 82 besteht, beinahe unmöglich. Auch in diesem Fall ermöglicht das Vorhandensein von Verbindungsplatte 78 in der Laminarstruktur der vorliegenden Ausführungsform problemlos sichere Handhabung von Keramiksubstrat 84.
Das Keramikmaterial zum Ausbilden von Keramiksubstrat 84 unterliegt zwar keinen speziellen Einschränkungen, aber Aluminiumoxid, Zirconiumdioxid oder dergleichen können in Anbetracht ihrer Formbarkeit und anderer Eigenschaften vorteilhaft eingesetzt werden. Weiters werden Verschlußplatte 76, Verbindungsplatte 78 und Abstandshalterplatte 82 wünschenswerterweise aus grünen Tafeln gebildet, die im wesentlichen die gleiche Keramikzusammensetzung und Korngrößenverteilung haben, sodaß gute Sinterfähigkeit und Übereinstimmung der Wärmeausdehnungskoeffizienten der Platten 76, 78, 82 erreicht werden.
Beim Keramiksubstrat 84 wie oben beschrieben beträgt die Dicke von Verschlußplatte 76 vorzugsweise 50 µm oder weniger und liegt mehr bevorzugt im Bereich von etwa 3- 20 µm. Die Dicke von Verbindungsplatte 78 beträgt vorzugsweise 10 µm oder mehr, mehr bevorzugt 50 µm oder mehr. Die Dicke von Abstandshalterplatte 82 beträgt vorzugsweise 50 µm oder mehr, mehr bevorzugt 100 µm oder mehr.
Die piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente 90 sind an der Außenfläche von Keramiksubstrat 84 in Ausrichtung mit den jeweiligen Druckkammern 56 ausgebildet. Jedes dieser Elemente 90 weist eine untere Elektrode 92, eine piezoelektrische/elektrostriktive Schicht 94 und eine obere Elektrode 96 auf, die auf Substrat 84 nach einem Filmbildungsverfahren in dieser Reihenfolge ausgebildet sind. Als piezoelektrisches/elektrostriktives Element 90 der vorliegenden Ausführungsform wird besonders bevorzugt ein piezoelektrisches/elektrostriktives Element eingesetzt, wie in der US-Patentanmeldung Nr. 07/912.920 vorgeschlagen, die demselben Zessionar übertragen wurde wie die vorliegende Patentanmeldung.
Die Konfiguration von Aktuator 54 variiert zwar in Abhängigkeit von verschiedenen Faktoren, die mit seiner Herstellung in Zusammenhang stehen, es ist jedoch wünschenswert, eine ausreichend hohe Glätte oder Ebenheit der Oberfläche von Aktuator 54, die mit Tintendüsenelement 52 verbunden ist, d.h. der Außenfläche von Verbindungsplatte 78, zu gewährleisten. Die Ebenheit der obengenannten Oberfläche von Aktuator 54 wird geeigneterweise so reguliert, daß diese Oberfläche mit einem Rauhigkeitsmeßsystem entlang einer Bezugslänge von 8 mm gemessen eine maximale Welligkeit von nicht mehr als 50 µm aufweist. Wünschenswerterweise ist die maximale Welligkeit der relevanten Oberfläche nicht größer als 25 µm, mehr erwünscht nicht größer als 10 µm. Als Mittel, um das obige Ausmaß an Oberflächenebeliheit zu erreichen kann das einstückige Keramiksubstrat 84, das gebrannt worden ist, maschineller Bearbeitung wie z.B. Läppen oder Planschleifen unterzogen werden.
An der Außenfläche von Verschlußplatte 76 von Keramiksubstrat 84 werden Elektrodenfilme (für die obere und die untere Elektrode 96, 92) und die piezoelektrische/elektrostriktive Schicht 94 nach einem von verschiedenen bekannten Verfahren, darunter Dickfilmbildungsverfahren, wie z.B. Siebdruck, Sprühen, Tauchen und Beschichten, und Dünnfilmbildungsverfahren, wie lonenstrahlverfahren, Vakuumbedampfen, Vakuumdampfabscheidung, Ionenmetallisieren ("ionplating"), CVD und Metallisieren, ausgebildet. Diese Filme und Schicht 92, 94, 96 können entweder vor oder nach dem Brennen von Verschlußplatte 76 (von Keramiksubstrat 84) ausgebildet werden.
Herkömmlicherweise unterliegen die Elemente 90, wenn die Filme 92, 94, 96 der piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente 90 nach dem Brennen von Keramiksubstrat 84 ausgebildet und gebrannt werden, Restspannungen aufgrund ihrer thermischen Kontraktion während eines Abkühlverfahrens nach dem Brennen, da das Keramikmaterial für Substrat 84 und die Materialien für die Elemente 90 unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Als Ergebnis können die Restspannungen die Betriebseigenschaften der Elemente 90 beeinträchtigen. Beim Aktuator 50 gemäß vorliegender Erfindung ist eine Verformung der Druckkammern 56 wahrscheinlicher, weil die Schlitze 80 durch Verbindungsplatte 78 von Keramiksubstrat 84 ausgebildet sind. Daher können die Restspannungen wie oben beschrieben wirksam verringert werden und beeinflussen die Leistung der piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente 90 nicht.
Die auf Verschlußplatte 76 ausgebildeten oberen und unteren Elektrodenfilme 96, 92 und piezoelektrische/elektrostriktive Schicht 94 können entweder in verschiedenen Schritten nach der Bildung der jeweiligen Filme und von Schicht 92, 94, 96 oder in einem Schritt nach der Bildung aller Filme und von Schicht 92,94, 96 wie erforderlich hitzebehandelt werden.
Der obere und der untere Elektrodenfilm 96, 92 eines jeden piezoelektrischen/elektrostriktiven Elements 90 kann aus jedem elektrisch leitenden Material gebildet werden[ das eine Hochtemperatur-Oxidationsatmosphäre aushalten kann, die bei Hitzebehandlung oder beim Brennen wie oben beschrieben erzeugt wird. Beispielsweise können die Elektrodenfilme 96, 92 aus einem einzelnen Metall, einer Legierung, einem Gemisch aus einem Metall oder einer Legierung und einem elektrisch isolierenden Keramikmaterial oder Glas oder einem elektrisch leitenden Keramikmaterial gebildet werden.
Die piezoelektrische/elektrostriktive Schicht 94 eines jeden piezoelektrischen/elektrostriktiven Elements 90 kann aus jedem piezoelektrischen oder elektrostriktiven Material gebildet werden, das aufgrund des reziproken oder umgekehrten piezoelektrischen Effektes oder des elektrostriktiven Effekts ein relativ großes Ausmaß an Verformung oder Verschiebung hervorruft. Das piezoelektrische/elektrostriktive Material kann entweder ein kristallines Material oder ein amorphes Material sein und kann ein Halbleitermaterial oder ein dielektrisches oder ferroelektrisches Keramikmaterial sein. Weiters kann das piezoelektrische/elektrostriktive Material entweder eine Behandlung zur anfänglichen Polarisierung oder Polung erfordern oder eine solche Polarisierungsbehandlung nicht erfordern.
Das wie oben beschrieben konstruierte piezoelektrische/elektrostriktive Element 90 hat im allgemeinen eine Dicke von nicht mehr als 100 µm. Die Dicke eines jeden Elektrodenfilms 96, 92 beträgt im allgemeinen 20 µm oder weniger, vorzugsweise 5 µm oder weniger. Um ein relativ großes Ausmaß an Verschiebung durch Anlegen einer relativ geringen Spannung zu gewährleisten, beträgt die Dicke der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht 94 vorzugsweise 50 µm oder weniger, und liegt mehr bevorzugt im Bereich von 3 µm bis 40 µm.
Die piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente 90, die von Verschlußplatte 76 von Keramiksubstrat 84 getragen werden, weisen eine ausreichend hohe mechanische Festigkeit und Zähigkeit auf, obwohl die Elemente 90 eine ziemlich geringe Dicke haben. Außerdem ermöglicht es das zum Ausbilden der Elektrodenfilme 92, 96 und der piezoelektrischen/elektrostriktiven Schicht 94 verwendete Filmbildungsverfahren, daß eine relativ große Anzahl der piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente 90 auf Verschlußplatte 76 ausgebildet werden. Das heißt, beim Filmbildungsverfahren können die Elemente 90 gleichzeitig und problemlos ausgebildet werden, wobei ein sehr kleiner Zwischenraum zwischen jeweils benachbarten bestehen bleibt, ohne daß ein Kleber oder dergleichen verwendet wird. Weiters kann zwischen den benachbarten piezoelektrischen/elektrostriktiven Schichten 94 wie erforderlich eine isolierende Harzschicht ausgebildet werden, um verbesserte Zuverlässigkeit der Isolation zwischen der oberen und der unteren Elektrode 96, 92 zu gewährleisten.
Die oben beschriebenen piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente 90 sind einstückig auf Keramiksubstrat 84 ausgebildet, sodaß sie den angestrebten Aktuator 54 bilden. Dieser Aktuator 54 und das Tintendüsenelement 52 sind übereinandergelegt und mit einem geeigneten Kleber zu einer einstückigen Struktur des Tintenstrahldruckkopfs 50, wie in Fig. 1 gezeigt, verbuiiden. Beim so gebildeten Tintenstrahldruckkopf 50 wird ein Tintenmaterial, das durch den Tintenzufuhrkanal 72 zugeführt wird, den Druckkammern 56 ausgehend vom Betreib der piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente 90 des Aktuators 54 durch die jeweiligen Öffnungen 68 zugeführt, und wird durch die Durchgangslöcher 66, 67 geschickt und von den Düsen 64 nach außen ausgestoßen. So besteht ein Tintenströmungskanal, durch den die Tinte durch den vorliegenden Tintenstrahldruckkopf 50 fließt, aus Zufuhröffnung 74, Tintenzufuhrkanal 72, den Öffnungen 68, den zweiten Kommunikationslöchern 87, den Druckkammern 56, den ersten Kommunikationslöchern 86, den Durchgangslöchern 66, 67 und den Düsen 64.
Der zum Verbinden des Tintendüsenelements 52 und des Aktuators 54 verwendete Kleber kann aus verschiedenen bekannten Klebern ausgewählt werden, wie jenen vom Vinyl-Typ, Acryl-Typ und Epoxy-Typ oder jenen, die Poylmaid, Phenol, Resorcin, Harnstoff, Melamin, Polyester, Furan, Polyurethan, Silikon, Kautschuk, Polyimid und Polyolefin enthalten, vorausgesetzt, der gewählte Kleber ist gegenüber dem Tintenmaterial resistent.
Im Hinblick auf die Herstellungseffizienz ist es wünschenswert, daß der Kleber in Form einer hochviskosen Paste vorliegt, die durch Auftragen unter Verwendung eines Spenders oder durch Siebdrucken aufgetragen werden kann oder in Form einer Bahn vorliegt, die gestanzt werden kann. Mehr bevorzugt wird ein Kleber vom Heißschmelztyp verwendet, der eine relativ kurze Erhitzungszeit erfordert, oder ein Kleber, der bei Raumtemperatur härtbar ist. Der Kleber in Form einer hochviskosen Paste kann durch Mischen eines Klebermaterials mit einem Füllstoff erhalten werden, um die Viskosität des resultierenden Klebers zu erhöhen. Es ist ebenfalls wünschenswert, einen hochelastischen Kleber zu verwenden, um ein Verformungsausmaß der Druckkammern 56 beim Verschieben der piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente 90 zu erhöhen.
Insbesondere ist es wünschenswert, einen elastischen Epoxykleber oder silikonhältigen Kleber zu verwenden, der durch Siebdrucken aufgetragen werden kann, oder einen bahnartigen Kleber vom Heißschmelztyp, der Polyolefin oder Polyester enthält, was es ermäglicht, ihn zu stanzen. Es ist ebenfalls möglich, verschiedene Kleber, wie oben angeführt, auf verschiedene Abschnitte der Verbindungsfläche(n) von Aktuator 54 und/oder Tintendüsenelement 52 aufzutragen.
Wenn Aktuator 54 und Tintendüsenelement 52 unter Verwendung des obigen Klebers miteinander verbunden sind, werden die Druckkammern 56 von Aktuator 54 in Kommunikation mit den Düsen 64 und Tintenzufuhrkanal 72 gehalten, die im Tintendüsenelement 52 ausgebildet sind, indem die ersten und zweiten Kommunikationslöcher 86, 87 mit den Durchgangslöchern 66 und Öffnungen 68, die durch die Öffnungsplatte 60 von Tintendüsenelement 52 ausgebildet sind, in Kommunikation gehalten werden.
Die Fluiddichtheit des Tintenströmungskanals an den Verbindungsflächen von Aktuator 54 und Tintendüsenelement 52 kann zufriedenstellend erreicht werden, indem Dichtungen über ihren die ersten und zweiten Kommunikationslöcher 86, 87 und die die Löcher 86, 87 verbindenden Schlitze 80 umgebenden Bereichen vorgesehen sind. Somit erfordert der erfindungsgemäße Tintenstrahldruckkopf 50 eine deutlich verringerte Fläche der Verbindungsflächen, die abgdichtet werden muß, um stabil einen hohen Grad an Fluiddichtheit des Tintenströmungskanals zu erreichen. Dieser Vorteil ist leicht zu erkennen, wenn die Konstruktion der vorliegenden Ausführungsform mit jener des bekannten Tintenstrahldruckkopfs, wie in den Fig. 4 und 5 gezeigt, verglichen wird, worin eine fluiddichte Dichtung zwischen Tintendüsenelement 16 und Aktuator 25 um die Öffnungen der relativ großen Hohlräume 22 vorgesehen sein muß.
Bei der vorliegenden Ausführungsform sind insbesondere die Durchmesser der ersten und zweiten Kommunikationsiöcher 86, 87 so eingestellt, daß sie kleiner sind als die Breitenabmessung von Druckkammer 56 (die Breitenabmessung des durch Abstandshalterplatte 82 ausgebildeten Fensters 88). Daher sind die benachbarten der ersten Kommunikationslöcher 86 und jene der zweiten Kommunikationslöcher 87 voneinander um eine ausreichend große Distanz (die in Fig. 2 mit "L" bezeichnet ist) beabstandet. Diese Anordnung gewährleistet eine ausreichend große Verbindungsfläche zwischen Aktuator 54 und Tintendüsenelement 52 um die jeweiligen ersten und zweiten Kommunikationslöcher 86, 87. Demgemäß kann weiter verbesserte Fluiddichtheit zwischen den Verbindungsflächen von Aktuator 54 und Tintendüsenelement 52 erreicht werden, auch wenn diese Elemente 54, 52 aus verschiedenartigen Materialien bestehen. Wenn Aktuator 54 mit einer mit einem Kleber beschichteten Verbindungsfläche auf Tintendüsenelement 52 gelegt wird und gegen Düsenelement 52 gepreßt wird, um gute Bindungsfestigkeit zu erreichen, kann der Kleber in die Öffnungen von Aktuator 54 überlaufen, d.h. in die ersten und zweiten Kommunikationslöcher 86, 87 und Schlitze 80. Bei der vorliegenden Ausführungsform dienen die Schlitze 80 dazu, die Gesamtfläche der Öffnung von Aktuator 54 zu erhöhen, und der Kleber kann in die Schlitze 80 sowie in die Kommunikationslöcher 86, 87 überlaufen, wenn auf Aktuator 54 eine relativ große Kraft angelegt wird, um die Verbindungsfestigkeit zu verbessern. Diese Anordnung verhindert auf günstige Weise, daß die ersten und zweiten Kommunikationslöcher 86, 87 vom Kleber verschlossen werden. Demgemäß kann Tintenstrahldruckkopf 50 nut verbesserter Verbindungseffizienz hergestellt werden, wobei hervorragende Verbindungs- und Dichtungsfestigkeit gewährleistet ist, und zwar aufgrund von Erhöhungen der zulässigen Bereiche des Ausmaßes an auf den Aktuator 54 ausgeübter Kraft und der Dauer der Kraftausübung, um Aktuator 54 und Tintendüsenelement 52 miteinander zu verbinden, ohne die ersten und zweiten Kommunikationslöcher 86, 87 zu schließen.
Je nach der Art des verwendeten Klebers oder dem Verfahren zum Auftragen des Klebers wird die Menge des überlaufenden Klebers so erhöht, daß die ersten und zweiten Kommunikationslöcher 86, 87 geschlossen werden, auch wenn die Schlitze 80 vorhanden sind. In diesem Fall ist es wünschenswert, daß der Durchmesser der ersten oder zweiten Kommunikationslöcher 86, 87 so eingestellt wird, daß er im wesentlichen gleich der Breitenabmessung der entsprechenden Druckkammer 56 ist, wie in den Fig. 8a und 8b gezeigt ist, um das Verschließen der Löcher 86, 87 oder des Tintenströmungskanals zu vermeiden. Es ist auch wünschenswert, eines oder beide der ersten und zweiten Kommunikationslöcher 86, 87 in Tropfenform auszubilden, wie in Fig. 8c gezeigt, oder in Ellipsenform, damit die Tinte ungehindert durch Druckkopf 50 strömen kann.
Beim wie oben beschrieben konstruierten Tintenstrahldruckkopf 50 kann die Fluiddichtheit des Tintenströmungskanals leicht und stabil erreicht werden, und Aktuator 54 weist aufgrund der Ausbildung der Schlitze 80 in Verbindungsplatte 78 verbesserte Betriebseigenschaften auf. Demgemäß gewährleistet der erfindungsgemäße Druckkopf 50 hervorragende Tintenaustoßfähigkeit mit hoher Stabilität.
Es wurde eine Probe von Druckkopf 50 hergestellt, wie in den Fig. 1 bis 3 dargestellt, in der Verbindungsplatte 78 von Aktuator 54 mit den ersten und zweiten Kommuniationslöchern 86, 87 und den Schlitzen 80 ausgebildet war. Wenn eine l)estimmte Spannung an das piezoelektrische/elektrostriktive Element 90 des so hergestellten Druckkopfs 50 angelegt wurde, betrug das Ausmaß an Biegeverformung von Aktuator 54, das mit einer Laser-Doppler-Meßvorrichtung gemessen wurde, 0,29 µm. Bezogen auf ein Vergleichsbeispiel eines Druckkopfs, bei dem nur die ersten und zweiten Kommunikationslöcher (aber nicht die Schlitze) in der Verbindungsplatte ausgebildet waren, betrug das Ausmaß an Biegeverformung des Aktuators 0,21 µm. Was den bekannten Druckkopf der Fig. 4 und 5 betrifft, bei dem der Aktuator keine Verbindungslatte enthält, betrug das Ausmaß an Biegeverformung 0,29 µm. Aus diesen Ergebnissen ist zu erkennen, daß die Ausbildung der Schlitze in der Verbindungsplatte des Aktuators zu einem erhöhten Ausmaß an Biegeverformung und verbesserten Betriebseigenchaften des Aktuators führt.
Als nächstes auf die Fig. 9 und 10 Bezug nehmend wird ein Aktuator 98 als eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. In diesen Figuren werden die gleichen Bezugszahlen wie in der obigen Beschreibung von Aktuator 54 der vorherigen Ausführungsform verwendet, um strukturell und/oder funktionell entsprechende Elemente zu bezeichnen, für die keine detaillierte Erklärung erfolgt.
Dieser Aktuator 98 weist 4 Druckkammern 56 auf, die in Zickzack-Form in Keramiksubstrat 84 ausgebildet sind, wie in Fig. 9 gezeigt. Genauer gesagt sind zwei Reihen (in Fig. 9 links und rechts) angeordnet, die jeweils aus zwei der Druckkammern 56 bestehen, wobei eine der Reihen relativ zur anderen Reihe in Breitenrichtung von Substrat 84, d.h. in Fig. 9 in vertikale Richtung, versetzt ist. Die ersten Kommunikationslöcher 86 sind in den Abschnitten von Verbindungsplatte 78 zwischen der linken und der rechten Reihe der Druckkammern 56 ausgebildet, und die Schlitze 80 erstrecken sich von den jeweiligen Druckkammern 56 zu den entsprechenden ersten Kommunikationslöchern 86. Bei dieser Anordnung können die ersten Kommunikationslöcher 86 mit erhöhter Dichte angeordnet werden, d.h. in einem Abstand, der im wesentlichen gleich groß wie oder kleiner als die Breite von Druckkammer 56 ist. Wenn dieser Aktuator 98 für einen Tintenstrahldruckkopf verwendet wird, kann daher der Abstand der Düsen, die mit den ersten Kommunikationslöchern 86 ausgerichtet sind, beträchtlich verringert werden, wodurch der Druckkopf hochpräzises und qualitativ hochwertiges Drucken durchführen kann. In diesem Fall stellen die Schlitze 80 einen Teil des Tintenströmungskanals bereit durch den die Tinte durch den Druckkopf fließt und der daher eine ausreichend große Breite haben muß.
Weiters auf Fig. 11 Bezug nehmend ist Aktuator 98 hinsichtlich der Gestalt der ersten Kommunikationslöcher 86 modifiziert, sodaß die Löcher 86 mit weiter erhöhter Dichte oder in einem geringeren Abstand angeordnet sind. Aktuator 98 wird auch modifiziert, indem zusätzliche Schlitze 100 an den gegenüberliegenden Seiten der Druckkammern 56 vorgesehen werden, wie in Breitenrichtung der Kammern 56 gesehen, wie in den Fig. 11 und 12a gezeigt, um das Ausmaß an Verschiebung von Aktuator 98 zu erhöhen. Da diese Schlitze 100 im oberen Abschnitt von Abstandshalterplatte 82 ausgebildet sind, um den oberen Abschnitt der Druckkammern 56 dazwischen anzuordnen, kann die Starrheit von Keramiksubstrat 84 vorteilhaft verringert werden, um einfache Verformung der Kammern 56 zuzulassen, sodaß zugelassen wird, daß Aktuator 98 ein effektiv erhöhtes Ausmaß an Verformung erfährt, wie in Fig. 12b gezeigt.
Der gemäß vorliegender Erfindung konstruierte Aktuator kann als Tintenpumpe für Tintenstrahldruckköpfe verwendet werden, die verschiedene andere Strukturen aufweisen, und kann auch für Mikrophone, piezoelektrische Lautsprecher, Sensoren, Vibrationsgeräten oder Resonatoren, Filter und andere Bauteile oder Vorrichtungen verwendet werden.
Die Abmessungen, die Gestalt, die Anzahl und die Position der im Aktuator 54 ausgebildeten Schlitze 80 sind nicht auf die der dargestellten Ausführungsformen beschränkt, sondern können auf geeignete Weise gewählt werden, vorausgesetzt, die Schlitze 80 dienen dazu, das Verformungsausmaß der Druckkammern 56 wirksam zu erhöhen. Das Verhältnis zwischen der Breite der Schlitze 80 und jener der Druckkammern 56 (d.h. der Breite der in Abstandshalterplatte 82 ausgebildeten Fenster 88) beträgt in den dargestellten Ausführungsformen zwar etwa 1:3, die Schlitze können jedoch beinahe ohne Breite ausgebildet werden, indem die Oberfläche von Keramiksubstrat 84 nur eingeschnitten wird, sodaß die oben beschriebenen Wirkungen entstehen. Es ist zwar wünschenswert, daß jeder der Schlitze 80 so ausgebildet ist, daß die entsprechenden ersten und zweiten Kommunikationslöcher 86, 87 wie in den dargestellten Ausführungsformen verbunden werden, aber der Schlitz muß die Löcher 86, 87 nicht notwendigerweise verbinden, sondern kann als eine Vielzahl getrennter Schlitzabschnitte ausgebildet sein, die zwischen den ersten und zweiten Kommunikationslöchern 86, 87 ausgebildet sind. Weiters können sich die Schlitze 80 in andere Richtungen als die der dargestellten Ausführungsformen erstrecken.
Darüberhinaus sind die Konstruktion und das Material des Tintendüsenelements 52 nicht auf jene der dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Beispielsweise kann das gesamte Tintendüsenelement 52 aus einer Teil davon durch Spritzguß unter Verwendung von Kunstharz oder dergleichen oder nach einem anderen Formungsverfahren gebildet werden. Weiters sind die Positionen, die Anzahl und andere Parameter der Düsen 64 und der Öffnungen 68, die im Tintendüsenelement 52 ausgebildet sind, und jene der im Aktuator 54 ausgebildeten Druckkammern 56 keineswegs auf jene der dargestellten Ausführungsformen beschränkt.

Claims

1. Aktuator, umfassend:

ein Keramiksubstrat (84), in dem zumindest eine Druckkammer (56) ausgebildet ist, wobei das Keramiksubstrat eine Abstandshalterplatte (82), die zumindest ein die zumindest eine Druckkammer bildendes Fenster (88) aufweist bzw. vorsieht, eine auf einer der gegenüberliegenden Hauptflächen der Abstandshalterplatte befindliche Verschlußplatte (76) zum Verschließen einer der gegenüberliegenden Öffnungen jedes der zumindest einen Fenster und eine auf der anderen Hauptfläche der Abstandshalterplatte befindliche Verbindungsplatte (78), um die andere Öffnung eines jeden Fensters im wesentlichen zu verschließen, umfaßt, wobei die Abstandshalterplatte, die Verschlußplatte und die Verbindungsplatte jeweils aus grünen Keramiktafeln gebildet sind, die aufeinander auflaminiert und zu einer einstückigen Keramikstruktur als das Keramiksubstrat gebrannt sind; und

zumindest ein piezoelektrisches/elektrostriktives Element (90), das jeweils auf einem Abschnitt der Verschlußplatte angeordnet ist, der eine entsprechende der zumindest einen Druckkammer definiert, um den Abschnitt so zu verformen, daß der Druck der entsprechenden Druckkammer geändert wird, wobei jedes der zumindest einen piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente ein Elektrodenpaar (92, 96) und eine piezoelektrische/elektrostriktive Schicht (94) umfaßt bzw. enthält, die nach einem Filmbildungsverfahren auf einer Außenfläche der Verschlußplatte des Keramiksubstrats ausgebildet sind, sodaß die piezoelektrische/elektrostriktive Schicht zwischen dem Elektrodenpaar angeordnet ist, wobei der Aktuator dadurch gekennzeichnet ist, daß

die Verbindungsplatte des Keramiksubstrats zumindest einen Schlitz (80) aufweist, der jeder der zumindest einen Druckkammern entspricht.

2. Aktuator nach Anspruch 1, worin der zumindest eine Schlitz aus einem Schlitz besteht, der jeder der zumindest einen Druckkammern entspricht.

3. Aktuator nach Anspruch 2, worin durch die Verbindungsplatte weiters zumindest ein Paar von ersten und zweiten Kommunikationslöchern (86, 87) ausgebildet ist, wovon jedes Paar mit einer entsprechenden der zumindest einen Druckkammern kommuniziert, wobei der Schlitz jedes der Paare von ersten und zweiten Kommunikationslöchern miteinander verbindet.

4. Aktuator nach Anspruch 3, worin jedes Paar von ersten und zweiten Kommunikationslöchern, in einer Ebene des Keramiksubstrats gesehen, mit der entsprechenden Druckkammer ausgerichtet ist.

5. Aktuator nach Anspruch 3, worin die zumindest eine Druckkammer aus einer Vielzahl von Druckkammern besteht, die in zwei Reihen angeordnet sind, wobei das erste Kommunikationsloch, das jeder der Druckkammern entspricht, zwischen den beiden Reihen der Druckkammern angeordnet ist.

6. Aktuator nach einem der Ansprüche 2 bis 5, worin der Schlitz eine Breite aufweist, die ein Drittel der entsprechenden Breite der zumindest einen Druckkammer ist.

7. Aktuator nach einem der Ansprüche 2 bis 6, worin sich der Schlitz in eine Längsrichtung der entsprechenden Druckkammer erstreckt.

8. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, worin das Keramiksubstrat zusätzliche Schlitze aufweist, die in der Verschlußplatte und der Abstandshalterplatte ausgebildet sind, sodaß ein oberer Abschnitt jeder der zumindest einen Druckkammern zwischen benachbarten der zusätzlichen Schlitze angeordnet ist.

9. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, worin die Verschlußplatte des Keramiksubstrats eine Dicke von nicht über 50 µm aufweist.

10. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, worin die Verbindungsplatte eine Dicke von nicht unter 10 µm aufweist.

11. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, worin die Abstandshalterplatte eine Dicke von nicht unter 50 µm aufweist.

12. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 11, worin das Keramiksubstrat aus Aluminiumoxid oder Zirkondioxid gebildet ist.

13. Tinten -bzw. Farbstrahldruckkopf, umfassend:

ein Tinten -bzw.Farbdüsenelement (52) mit einer Vielzahl von Düsen (64), durch die feine Tinten -bzw. Farbteilchen ausgestoßen werden; und

den Aktuator nach Anspruch 1, der auf dem Tinten -bzw. Farbdüsenelement angeordnet und mit diesem verbunden ist, sodaß die Verbindungsplatte zwischen der Abstandshalterplatte und dem Tinten -bzw. Farbdüsenelement angeordnet ist, und bei dem die zumindest eine Druckkammer aus einer Vielzahl von Druckkammern besteht, die hinter den jeweiligen Düsen des Tintendüsenelements ausgebildet sind.

14. Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 13, worin die Verbindungsplatte eine Vielzahl von ersten Kommunikationslöchern aufweist, die hinter den jeweiligen Düsen des Tintendüsenelements angeordnet sind, um Fluidkommunikation zwischen den entsprechenden Düsen und Druckkammern zu ermöglichen.

15. Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 13 oder 14, worin eine Außenfläche der Verbindungsplatte, mit der das Tintendüsenelement verbunden ist, gemessen entlang einer Bezugslänge von 8 mm eine maximale Welligkeit von nicht mehr als 50 µm aufweist.

16. Tintenstrahldruckkopf nach einem der Ansprüche 13 bis 15, worin das Tintendüsenelement aus einer Düsenplatte mit der Vielzahl von Düsen, einer Kanalplatte mit einem durch sie hindurch ausgebildeten Fenster und einer Öffnungsplatte mit einer Vielzahl von Öffnungen besteht, wobei die Verbindungsplatte des Aktuators auf der Öffnungsplatte angeordnet ist, wobei das Fenster von der Düsenplatte und der Öffnungsplatte geschlossen ist, um einen Tintenzufuhrkanal zu bilden, durch den die Tinte über die jeweiligen Öffnungen in die Druckkammern fließt, wobei die Verbindungsplatte weiters eine Vielzahl von zweiten Kommunikationslöchern aufweist, um Fluidkommunikation zwischen den entsprechenden Öffnungen und Druckkammern zu ermöglichen.