DE19531740C2

DE19531740C2 - Tintenstrahldruckkopf vom piezoelektrischen Typ

Info

Publication number: DE19531740C2
Application number: DE19531740A
Authority: DE
Inventors: Akio Yano; Akihiko Miyaki; Masahiro Ono
Original assignee: Fujitsu Isotec Ltd; Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Isotec Ltd; Fujitsu Ltd
Priority date: 1995-01-18
Filing date: 1995-08-29
Publication date: 2000-04-06
Anticipated expiration: 2015-08-30
Also published as: JPH08192513A; DE19531740A1; US6007189A

Description

Die Erfindung betrifft einen Tintenstrahldruckkopf vom piezo elektrischen Typ nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Ein derartiger Tintenstrahldruckkopf ist aus US 5 363 131 be kannt. Dieser bekannte Tintenstrahldruckkopf ist als sogenann ter "Randvibrations-Modus-Typ" ausgeführt, bei dem die Volumen veränderung nicht im großräumigen Kammerbereich selbst, sondern in dem kleinräumigen Kammerbereich an der Düse erfolgt. Dadurch können Verhältniswerte von Elektrodenabstand zu Elektrodenbrei te und Piezodicke zu Elektrodenbreite nicht in optimaler Weise eingestellt werden.

Die ungeprüfte Japanische Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 3-272855 offenbart einen Tintenstrahldruckkopf, der ein Basis substrat, eine darauf ausgebildete gemeinsame Elektrode, ein auf dem Substrat ausgebildetes piezoelektrisches Material und auf dem piezoelektrischen Material ausgebildete örtliche Elek troden aufweist. An diese Elektroden wird eine Spannung mit der Resonanzfrequenz angelegt und zwar in der Dicken-Richtung des piezoelektrischen Materials, um die Tinte effektiv unter Druck zu setzen. Die Druckkammer ist nicht unterteilt, ist jedoch für die Düsen gemeinsam vorgesehen.

Da bei diesem Tintenstrahldruckkopf die Druckkammer nicht un terteilt ist, sondern von einer Vielzahl von Düsen gemeinsam verwendet wird, kann die Konstruktion der Druckkammer verein facht werden. Andererseits ist es schwierig die Tintenmenge, die aus den einzelnen Düsen ausgestoßen wird, konstant zu hal ten und es wird daher die Druckqualität vermindert. Auch ist die Richtung des Tintenstrahls auf die Richtung der Verschie bung des piezoelektrischen Materials beschränkt und es ist da her schwierig einen "um die Ecke-Schuss" -Druckkopf-Typ herzu stellen, bei dem die Tinte in einer Richtung senkrecht zu der Verschiebung des piezoelektrischen Materials ausgestoßen wird.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Tinten strahldruckkopf vom piezoelektrischen Typ der eingangs genann ten Art zu schaffen, bei dem bei einfacher und kostengünstiger Konstruktion ein exakter steuerbarer Betrieb realisiert werden kann und insbesondere die durch die jeweiligen Düsen ausgesto ßene Tintenmenge hochgenau steuerbar und genauer konstant halt bar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Tinten strahldruckkopf mit den Merkmalen nach Patentanspruch 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert.

Fig. 1 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines Tin tenstrahldruckkopfes nach der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines Tin tenstrahldruckkopfes mit zwei piezoelektrischen Elementen nach der Erfindung;

Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Tintenstrahldruckkopfes;

Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausfüh rungsform eines Tintenstrahldruckkopfes;

Fig. 5 ist eine perspektivische Ansicht einer noch anderen Aus führungsform eines Tintenstrahldruckkopfes;

Fig. 6, 7 und 8 sind perspektivische Ansichten der Ausführungs form ähnlich denjenigen, die in den Fig. 3, 4 und 5 jeweils ge zeigt sind, jedoch mit zwei piezoelektrischen Elementen;

Fig. 9 zeigt eine perspektivische Ansicht einer abgewandelten Ausführungsform des in Fig. 5 veranschaulichten Tintenstrahl druckkopfes;

Fig. 10 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungs form des Tintenstrahldruckkopfes ähnlich derjenigen von Fig. 9, die jedoch zwei piezoelektrische Elemente aufweist;

Fig. 11 ist eine graphische Darstellung, die eine Treiberwel lenform des Tintenstrahldruckkopfes zeigt;

Fig. 12(a) und 12(b) sind graphische Darstellungen, die Trei berwellenformen des Tintenstrahldruckkopfes mit zwei piezoelek trischen Elementen zeigen;

Fig. 13 zeigt in übertriebener Form einen Zustand des Verschie bungsabschnittes des piezoelektrischen Elements, wo eine örtli che Elektrode eine gemeinsame Elektrode kreuzt, wenn eine elek trische Spannung daran angelegt wird; und

Fig. 14(a), 14(b) und 14(c) veranschaulichen die Beziehung des Spaltes (t) zwischen den örtlichen Elektroden und der gemeinsa men Elektrode, der Weite (w) der örtlichen Elektrode und dem Abstand bzw. Abständen zwischen den benachbarten örtlichen Elektroden.

Gemäß den Zeichnungen zeigen die Fig. 1 und 2 das Prinzip eines Tintenstrahldruckkopfes vom piezoelektrischen Typ nach der Er findung. In Fig. 1 umfaßt der Druckkopf ein piezoelektrisches Element 10, eine Druckkammerplatte 20 und eine Düsenplatte 30. Das piezoelektrische Element 10 umfaßt eine isolierte Platte 11b, die beispielsweise aus Keramik hergestellt ist, eine Elek trode 12 auf gemeinsamer Ebene mit einem relativ großen Be reich, die auf der oberen Fläche der isolierenden Platte 11b ausgebildet ist, eine piezoelektrische Schicht 11a, die aus ei nem Material wie beispielsweise PMN piezoelektrischem Material hergestellt ist und auf der gemeinsamen Elektrode 12 auflami niert ist, und eine streifenförmige örtliche Elektrode 13, die parallel zu und beabstandet von der gemeinsamen Elektrode 12 angeordnet ist.

Genauer gesagt wird, bevor ein Dickfilm-Rohblatt (green sheet) eingebrannt wird, um die oben erwähnte isolierte Platte 11b herzustellen, eine Elektrodenschicht (welche die oben erwähnte gemeinsame Elektrode 12 sein soll) in Form einer leitfähigen Paste durch Filmdruck oder ähnliches auflaminiert und ferner wird ein pastenförmiges piezoelektrisches Material (welches die oben erwähnte piezoelektrische Schicht 11a sein soll) durch Filmdruck oder ähnliches in der gleichen oben erwähnten Weise darauf auflaminiert. Dann wird eine leitfähige Paste (welche die oben erwähnte örtliche Elektrode 13 sein soll) in der glei chen oben erläuterten Weise darauf auflaminiert und der lami nierte Körper wird dann angeheizt. Ein blattförmiger piezoelek trischer Film kann ebenfalls als das Material der piezoelektri schen Schicht 11a zusätzlich zu der leitfähigen Paste, wie oben erwähnt wurde, auflaminiert werden.

Die Druckkammerplatte 20 umfaßt eine Druckkammer 21, die an ei ner der Flächen dieser Druckkammerplatte 20 offen ist, eine Tintenversorgungsöffnung 22, die an einem Ende der Druckkammer platte 20 ausgebildet ist, um Tinte in diese Druckkammer 20 einzuleiten, und eine Tintenauslaßöffnung 23, die an der gegen überliegenden Fläche der Druckkammerplatte 20 mündet, um Tinte aus dieser Druckkammerplatte 20 auszustoßen.

Das piezoelektrische Element 10 und die Druckkammerplatte 20 sind in solcher Weise aneinander angefügt, daß ein Teil des piezoelektrischen Materials 11a (das heißt ein Verschiebungsab schnitt), wo die gemeinsame Elektrode 12 des piezoelektrischen Elements 10 die örtliche Elektrode 13 kreuzt, der Druckkammer 21 entspricht. Auch sind die Druckkammerplatte 20 und die Dü senplatte 30 in solcher Weise aneinandergefügt, daß die Tinten auslaßöffnung 23 der Druckkammerplatte 20 einer Düse 31 der Dü senplatte 30 entspricht. Es wird Tinte in die Druckkammer 21 über die Tintenversorgungsöffnung 22 eingefüllt, so daß keine Luftblasen darin enthalten sind.

Wenn zwischen die gemeinsame Elektrode 12 und die örtliche Elektrode 13 eine elektrische Spannung angelegt wird, wird le diglich der Verschiebungsabschnitt 14, wo die gemeinsame Elek trode 12 die örtliche Elektrode 13 kreuzt, verschoben, was an späterer Stelle beschrieben werden soll, so daß ein Druck auf die Tinte in der Druckkammer 21 ausgeübt wird und die Tinte durch die Tintenauslaßöffnung 23 aus der Düse 31 ausgestoßen wird.

In Fig. 2 umfaßt der Tintenkopf 2 piezoelektrische Elemente 10 und 40 und eine Druckkammerplatte 50 mit einer. Düse 53. In der gleichen Weise wie das piezoelektrische Element 10 umfaßt das piezoelektrische Element 40 eine isolierende Platte 41b, die aus Keramik oder ähnlichem hergestellt ist, eine gemeinsame Elektrode 42, eine piezoelektrische Schicht 41a und eine örtli che Elektrode 43, die auf die isolierende Platte 41b auflami niert ist. Die piezoelektrischen Elemente 10 und 40 sind auf jeder Seite der Druckkammerplatte 50 angeordnet. Somit ist die Druckkammer 51 der Druckkammerplatte 50 an den jeweiligen Ober flächen derselben geöffnet. Die Tintenversorgungsöffnung 52 ist an einem Ende der Druckkammerplatte 50 vorgesehen und die Düse 52 ist an dem anderen Ende derselben vorgesehen.

Die zwei piezoelektrischen Elemente 10 und 40 und die Druckkam merplatte 50 sind in solcher Weise aneinandergefügt, daß die Abschnitte, das heißt die Verschiebungsabschnitte 14, wo die gemeinsamen Elektroden 12 und 42 der piezoelektrischen Elemente 10 und 40 die örtlichen Elektroden 13 und 43 jeweils kreuzen, den jeweiligen Flächen der Druckkammer 51 entsprechen. Es wird Tinte über die Tintenversorgungsöffnung 52 in die Druckkammer 51 ohne Luftblasen eingefüllt.

Wenn zwischen die gemeinsamen Elektroden 12 und 42 und die ört lichen Elektroden 13 und 43 jeweils eine elektrische Spannung angelegt wird, werden nur die Verschiebungsabschnitte 14, wo die gemeinsamen Elektroden 12 und 42 der piezoelektrischen Ele mente 10 und 40 die örtlichen Elektroden 13 und 43 kreuzen, verschoben, wie dies später beschrieben werden soll, so daß auf die Tinte in der Druckkammer 51 Druck ausgeübt wird und die Tinte aus der Düse 53 in einer Richtung senkrecht zu der Ver schiebung der piezoelektrischen Elemente 10 und 40 ausgestoßen wird.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung entsprechend derjenigen von Fig. 1. Entsprechende oder ähnliche Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. In Fig. 3 umfaßt der Druckkopf ein piezoelektrisches Element 10, eine Druckkam merplatte 20 und eine Düsenplatte 30. Das piezoelektrische Ele ment 10 umfaßt, wie oben beschrieben wurde, eine isolierte Platte 11b, die beispielsweise aus Keramik hergestellt ist, ei ne Elektrode 12 gemäß einer gemeinsamen Ebene mit einem relativ großen Bereich, die auf der oberen Fläche der isolierten Platte 11b ausgebildet ist, eine piezoelektrische Schicht 11a, die auf die gemeinsame Elektrode 12 auflaminiert ist, und eine Vielzahl von streifenförmigen örtlichen Elektroden 13, die zueinander parallel verlaufend angeordnet sind und von der gemeinsamen Elektrode 12 beabstandet sind.

Die Druckkammerplatte 20 besitzt eine Vielzahl von Druckkammern 21, von denen jede an einer der Oberflächen der Druckkammer platte 20 geöffnet ist, eine Vielzahl von Tintenversorgungsöff nungen 22, die an einem Ende jeder Druckkammerplatte 20 vorge sehen sind, um Tinte in die jeweiligen Druckkammern 21 einzu leiten, und besitzt eine Vielzahl von Tintenauslaßöffnungen 23, die an der anderen Fläche der Druckkammerplatte 20 geöffnet sind, um Tinte von den jeweiligen Druckkammern 21 einzuleiten. Die Düsenplatte 30 besitzt eine Vielzahl von Düsen 31 für die jeweiligen Tintenversorgungsöffnungen 23, um die Tinte aus den jeweiligen Tintendruckkammern 21 auszustoßen.

Das piezoelektrische Element 10 und die Druckkammerplatte 20 sind in solcher Weise aneinandergefügt, daß die Abschnitte des piezoelektrischen Materials 11a, wo die gemeinsame Elektrode 12 die jeweiligen örtlichen Elektroden 13 kreuzt, den jeweiligen Druckkammern 21 entsprechen. Auch sind die Druckkammerplatte 20 und die Düsenplatte 30 so aneinandergefügt, daß die jeweiligen Tintenauslaßöffnungen 23 der Druckkammerplatte 20 den jeweili gen Düsen 31 der Düsenplatte 30 entsprechen. Tinte wird in die jeweiligen Druckkammern 21 über die jeweiligen Tintenversor gungsöffnungen 22 eingefüllt, so daß keine Blasen in die Tinte eingeführt werden.

Wenn eine elektrische Spannung zwischen die gemeinsamen Elek troden 12 und einer bestimmten örtlichen Elektrode 13 angelegt wird, wird lediglich der Verschiebungsabschnitt des piezoelek trischen Elements 10, wo die gemeinsame Elektrode 12 die be stimmte örtliche Elektrode 13 kreuzt, verschoben oder versetzt, so daß Druck auf die Tinte in der bestimmten Druckkammer 21 ausgeübt wird und die Tinte aus der Düse 31 durch die Tinten auslaßöffnung 23 hindurch ausgestoßen wird.

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform, die ähnlich der Ausführungs form von Fig. 3 ist, mit der Ausnahme, daß das piezoelektrische Element 10 von einem Vielschichten-Typ ist. Das piezoelektri sche Element 10 bei dieser Ausführungsform umfaßt eine isolier te Platte 11b, die beispielsweise aus Keramik hergestellt ist. Auf der oberen Fläche der isolierten Platte 11b ist eine Elek trode 12 gemäß einer gemeinsamen Ebene mit einem relativ großen Bereich, eine piezoelektrische Schicht 11a und eine örtliche Elektrode 13 schichtförmig aufgebracht. Auf der örtlichen Elek trode 13 sind eine piezoelektrische Schicht 11a, eine gemeinsa me Elektrode 12 und eine örtliche Elektrode 13 ihrerseits meh rere Male aufgeschichtet, um dadurch eine vielschichtige lami nierte Struktur zu bilden, die dann zusammenhängend erhitzt wird. Somit sind eine Vielzahl von gemeinsamen Elektroden 12 in der Dicken-Richtung der piezoelektrischen Elemente 10 und durch einen bestimmten Abstand beabstandet angeordnet und eine Viel zahl von örtlichen Elektroden 13 verlaufen parallel zueinander und sind um einen bestimmten Abstand voneinander beabstandet, so daß sie zwischen die benachbarten gemeinsamen Elektroden 12 eingeschoben sind.

Es wird Tinte in die jeweilige Druckkammer 21 über die jeweili gen Tintenversorgungsöffnungen 22 so eingefüllt, daß keine Bla sen in der Tinte enthalten sind. Wenn eine elektrische Spannung zwischen die gemeinsamen Elektroden 12 und die bestimmte örtli che Elektrode 13 angelegt wird, wird lediglich der Verschie bungsabschnitt des piezoelektrischen Elements 10, wo die ge meinsame Elektrode 12 die bestimmte örtliche Elektrode 13 kreuzt, versetzt oder verschoben, so daß ein Druck auf die Tin te in der bestimmten Druckkammer 21 ausgeübt wird und die Tinte aus der Düse 31 über die Tintenauslaßöffnung 23 ausgestoßen wird. In diesem Fall besteht der in der Druckkammer 21 ausgeüb te Druck aus einem angesammelten Druck aufgrund der Verschie bung einer Vielzahl von Schichten.

Fig. 5 zeigt eine Abwandlung gegenüber der in Fig. 3 darge stellten Ausbildung. Das piezoelektrische Element 10 besteht aus einer laminierten Struktur einer isolierten Platte 11b, ei ner gemeinsamen Elektrode 12, einer piezoelektrischen Schicht 11a und einer Vielzahl von örtlichen Elektroden 13 (die iso lierte Platte 11b und die piezoelektrische Schicht 11a sind zu sammenhängend dargestellt). Die örtlichen Elektroden 13 sind auf einer der Seiten der piezoelektrischen Schicht 11a angeord net, die zu der Druckkammerplatte 13 hinweist, und es ist eine Metallplatte 15 an der anderen Seite derselben befestigt. Die anderen Strukturen und Funktionen sind die gleichen wie dieje nigen der Ausführungsform von Fig. 3. Wenn bei dieser Ausfüh rungsform eine elektrische Spannung zwischen die gemeinsamen Elektroden 12 und einer bestimmten örtlichen Elektrode 13 ange legt wird, wird lediglich der Verschiebungsabschnitt 14 der piezoelektrischen Schicht 11a, wo die gemeinsame Elektrode 12 die bestimmte örtliche Elektrode 13 kreuzt, verschoben, so daß ein Druck auf die Tinte in der bestimmten Druckkammer 21 ausge übt wird und die Tinte aus der Düse 31 über die Tintenauslaß öffnung 23 ausgestoßen wird.

Da bei dieser Ausführungsform die Metallplatte 15 an der unte ren Fläche des piezoelektrischen Elements 10 gegenüber der Flä che, an welcher die örtlichen Elektroden 13 ausgebildet sind, befestigt ist, ist die Verschiebung des isolierten Substrats 11b stark eingeschränkt, wenn die piezoelektrische Schicht 11a verschoben wird, so daß die Verschiebung der piezoelektrischen Schicht 11a auf der Seite der Metallplatte 15 vermindert ist und demgegenüber die Verschiebung der piezoelektrischen Schicht 11a auf der Seite der Druckkammer erhöht ist, so daß ein noch größerer Druck auf die Tinte in der bestimmten Druckkammer 21 ausgeübt wird.

Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform, die ähnlich derjenigen von Fig. 3 ist mit der Ausnahme, daß zwei piezoelektrische Elemente 10 und 40 und eine Druckkammerplatte 50 mit einer Vielzahl von Düsen 53 vorgesehen sind. Das piezoelektrische Element 40 (das isolierende Substrat 11b und die piezoelektrische Schicht 11a sind als eine einstückige oder zusammenhängende Einheit ge zeigt) umfaßt in der gleichen Weise wie das piezoelektrische Element 10 bei der Ausführungsform von Fig. 3 eine laminierte Struktur einer isolierten Platte 41b, eine gemeinsame Elektrode 42, eine piezoelektrische Schicht 41a und eine Vielzahl von örtlichen Elektroden 43. Die piezoelektrischen Elemente 10 und 40 sind auf jeder Seite der Druckkammerplatte 50 angeordnet. Somit ist jede der Druckkammern 51 der Druckkammerplatte 50 an den jeweiligen Oberflächen derselben geöffnet. Die jeweiligen Tintenversorgungsöffnungen 52 sind an einem der Enden der Druckkammerplatte 50 vorgesehen und die jeweiligen Düsen 53 sind an dem anderen Ende derselben vorgesehen. Die zwei piezo elektrischen Elemente 10 und 40 und die Druckkammerplatte 50 sind in solcher Weise aneinandergefügt, daß die Abschnitte, das heißt die Verschiebungsabschnitte 14 und 44, wo die gemeinsamen Elektroden 12 und 42 der piezoelektrischen Elemente 10 und 40 die örtlichen Elektroden 13 und 43 jeweils kreuzen, den jewei ligen Flächen der Druckkammern 51 entsprechen. Tinte wird über die jeweiligen Tintenversorgungsöffnungen 52 so in die jeweili gen Druckkammern 51 eingefüllt, daß in dieser keine Luftblasen enthalten sind. Wenn eine elektrische Spannung zwischen die ge meinsamen Elektroden 12 und die bestimmten örtlichen Elektroden 13 angelegt wird, werden lediglich die Verschiebungsabschnitte 14 und 44, wo die gemeinsamen Elektroden 12 und 42 die bestimm ten örtlichen Elektroden 13 und 43 kreuzen, verschoben oder versetzt, so daß Druck auf die Tinte in den bestimmten Druck kammern 21 ausgeübt wird und die Tinte aus der Düse 53 in einer Richtung senkrecht zu der Verschiebung des piezoelektrischen Materials ausgestoßen wird.

Fig. 7 zeigt eine noch andere Ausführungsform, die ähnlich der jenigen von Fig. 4 ist, mit der Ausnahme, daß zwei vielschich tige Typen, das heißt obere und untere piezoelektrische Elemen te 10 und 40 und eine Druckkammerplatte 50 mit einer Vielzahl von Düsen vorgesehen sind. Die zwei piezoelektrischen Elemente 10 und 40 sind auf jeder Seite der Druckkammerplatte 50 vorge sehen. Die Druckkammerplatte 50 besitzt eine Vielzahl von Druckkammern 51, von denen jede an den entsprechenden Seiten derselben geöffnet ist. Die jeweiligen Tintenversorgungsöffnun gen 52 sind an einem der Enden der Druckkammerplatte 50 vorge sehen und die jeweiligen Düsen 53 sind an den anderen Enden derselben vorgesehen. Die zwei piezoelektrischen Elemente 10 und 40 und die Druckkammerplatte 50 sind in solcher Weise an einandergefügt, daß die Abschnitte, das heißt die Verschie bungsabschnitte 14 und 44, wo die gemeinsamen Elektroden 12 und 42 der piezoelektrischen Elemente 10 und 40 die örtlichen Elek troden 13 und 43 jeweils kreuzen, den jeweiligen Flächen der Druckkammern 51 entsprechen. Tinte wird in die jeweiligen Druckkammern 51 über die jeweiligen Tintenversorgungsöffnungen 52 in solcher Weise eingefüllt, daß in dieser keine Luftblasen enthalten sind. Wenn eine elektrische Spannung zwischen die ge meinsamen Elektroden 12 und 42 und die bestimmten örtlichen Elektroden 13 und 43 angelegt wird, werden lediglich die Ver schiebungsabschnitte 14 und 44, wo die gemeinsamen Elektroden 12 und 42 die bestimmten örtlichen Elektroden 13 und 43 kreu zen, verschoben, so daß Druck auf die Tinte in der bestimmten Druckkammer 21 ausgeübt wird und die Tinte aus der Düse 31 aus gestoßen wird.

Fig. 8 zeigt eine weitere Ausführungsform, die ähnlich derjeni gen von Fig. 5 ist, mit der Ausnahme, daß die oberen und unte ren piezoelektrischen Elemente 10 und 40 und eine Druckkammer platte 50 mit einer Vielzahl von Düsen vorgesehen sind. In der gleichen Weise wie bei dem piezoelektrischen Element 10 der Ausführungsform von Fig. 5, besitzt jedes der piezoelektrischen Elemente 10 und 40 eine Metallplatte 15, welches an der Außen fläche derselben befestigt ist. Die piezoelektrischen Elemente 10 und 40 sind auf jeder Seite der Druckkammer 50 angeordnet. Eine Vielzahl von Druckkammern 51 der Druckkammerplatte 50 sind zu den jeweiligen Oberflächen der Druckkammerplatte 50 hin ge öffnet. Die jeweiligen Tintenversorgungsöffnungen 52 sind an einem der Enden der Druckkammerplatte 50 vorgesehen und die je weiligen Düsen 53 sind an den anderen Enden derselben vorgese hen. Die zwei piezoelektrischen Elemente 10 und 40 und die Druckkammerplatte 50 sind in solcher Weise aneinandergefügt, daß die Abschnitte, das heißt die Verschiebungsabschnitte 14 und 44, wo die gemeinsamen Elektroden 12 und 42 der piezoelek trischen Elemente 10 und 40 die örtlichen Elektroden 13 und 43 jeweils kreuzen, den jeweiligen Flächen der Druckkammer 51 ent sprechen. Tinte wird in die jeweiligen Druckkammern 51 über die jeweiligen Tintenversorgungsöffnungen 52 so eingefüllt, daß in dieser keine Luftblasen enthalten sind. Wenn eine elektrische Spannung zwischen die gemeinsamen Elektroden 12 und 42 und die bestimmten örtlichen Elektroden 13 und 43 angelegt wird, werden lediglich die Verschiebungsabschnitte 14 und 44, wo die gemein samen Elektroden 12 und 42 die bestimmten örtlichen Elektroden 13 und 43 kreuzen, verschoben oder versetzt, so daß Druck auf die Tinte in der bestimmten Druckkammer 21 ausgeübt wird und die Tinte aus der Düse 53 ausgestoßen wird.

Fig. 9 zeigt eine modifizierte Ausführungsform von Fig. 5. Das piezoelektrische Element 10 umfaßt eine Vielzahl von örtlichen Elektroden 13, die auf einer Oberfläche desselben, die zu der Druckkammerplatte 20 hinweist, ausgebildet sind, und wobei eine Metallplatte 15 auf der gegenüberliegenden Fläche des piezo elektrischen Elements 10 befestigt ist. Eine Tintenversorgungs öffnung 16 ist an einer Position vorgesehen, wo weder örtliche Elektroden 13 noch gemeinsame Elektroden 12 vorhanden sind. Die Druckkammerplatte 20 ist mit einer Vielzahl von Druckkammern 21 ausgestattet, die zu einer der Oberflächen dieser Druckkammer platte 20 hin geöffnet sind und den jeweiligen örtlichen Elek troden 13 entsprechen.

Zusätzlich ist die Druckkammerplatte 20 mit einer gemeinsamen Tintenkammer 24 ausgestattet, die zu den jeweiligen Oberflächen derselben hin geöffnet ist und mit den jeweiligen Druckkammern 21 über die jeweiligen Tintenversorgungsöffnungen 22 verbunden ist.

Das piezoelektrische Element 10 und die Druckkammerplatte 20 sind in solcher Weise aneinandergefügt, daß die Abschnitte, das heißt die Verschiebungsabschnitte 14, wo die gemeinsame Elek trode 12 des piezoelektrischen Elements 10 die örtlichen Elek troden 13 kreuzt, den jeweiligen Druckkammern 21 entsprechen. Somit ist die Tintenkammer 24 der Druckkammerplatte 20 zwischen dem piezoelektrischen Element 10 und der Düsenplatte 30 abge dichtet eingeschlossen und ist mit der Tinteneinlaßöffnung 16 verbunden. Ein Tintenversorgungsglied 61 ist mit der gegenüber liegenden Seite der Tinteneinlaßöffnung 16 verbunden.

Tinte wird immer über das Tintenversorgungsglied 61 und die Tintenversorgungsöffnung 16 in die Tintenkammer 24 zugeführt. Ferner wird Tinte in die jeweiligen Tintendruckkammern 21 über die jeweiligen Tintenversorgungsöffnungen 22 in solcher Weise eingefüllt, daß in dieser keine Luftblasen enthalten sind. Wenn eine elektrische Spannung zwischen die gemeinsame Elektrode 12 und die bestimmte örtliche Elektrode 13 angelegt wird, wird le diglich der Verschiebungsabschnitt 14, wo die gemeinsame Elek trode 12 die bestimmte örtliche Elektrode 13 kreuzt, verscho ben, so daß Druck auf die Tinte in der bestimmten Druckkammer 21 ausgeübt wird und die Tinte über die Tintenauslaßöffnung 23 und aus der Düse 31 ausgestoßen wird.

Fig. 10 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform, die ähnlich derjenigen von Fig. 9 ist, mit der Ausnahme, daß die oberen und unteren piezoelektrischen Elemente 10 und 40 und eine Druckkam merplatte 50 mit einer Vielzahl von Düsen 53 vorgesehen sind. In der gleichen Weise wie bei der Ausführungsform von Fig. 9, besitzt jedes der piezoelektrischen Elemente 10 und 40 eine Me tallplatte 15, die an der Außenfläche derselben befestigt ist. Das piezoelektrische Element 40 ist mit einer Tinteneinlaßöff nung 46 ausgestattet, die sich in der Dicken-Richtung derselben erstreckt und an einer Position, wo keine Elektroden ausgebil det sind.

Die Druckkammerplatte 50 ist mit einer Vielzahl von Druckkam mern 51 ausgestattet, die an den jeweiligen Oberflächen dersel ben geöffnet sind und den jeweiligen örtlichen Elektroden 13 entsprechen. Zusätzlich ist die Druckkammerplatte 50 mit einer gemeinsamen Tintenkammer 54 ausgestattet, die an den jeweiligen Oberflächen derselben geöffnet ist und mit den jeweiligen Druckkammern 21 über die jeweiligen Tintenversorgungsöffnungen 52 verbunden ist. Die piezoelektrischen Elemente 10 und 40 sind auf jeder Seite der Druckkammerplatte 50 angeordnet und zwar in einer solchen Weise, daß die Abschnitte, das heißt die Ver schiebungsabschnitte 14 und 44, wo die gemeinsamen Elektroden 12 und 42 der piezoelektrischen Elemente 10 und 40 die örtli chen Elektroden 13 und 43 jeweils kreuzen, den oberen und unte ren Flächen der jeweiligen Druckkammern 51 jeweils entsprechen.

Tinte wird immer über das Tinteneinlaßglied 62 und die Tinten versorgungsöffnung 46 in die Tintenkammer 54 eingeleitet. Fer ner wird Tinte in die jeweiligen Tintendruckkammern 51 über die jeweiligen Tintenversorgungsöffnungen 52 eingefüllt, so daß dann, wenn eine elektrische Spannung zwischen die gemeinsamen Elektroden 12 und 42 und den bestimmten örtlichen Elektroden 13 und 43 angelegt wird, lediglich die Verschiebungsabschnitte 14 und 44, wo die gemeinsamen Elektroden die bestimmten örtlichen Elektroden kreuzen, verschoben werden, so daß Druck auf die Tinte in der bestimmten Druckkammer 51 ausgeübt wird und die Tinte aus der Düse 53 ausgestoßen wird.

Fig. 11 zeigt eine Spannungswellenform zum Treiben des Tinten strahlkopfes bei den oben erläuterten Ausführungsformen. Wenn eine elektrische Spannung zwischen die gemeinsamen- und örtli chen Elektroden 12, 13 angelegt wird, um Tinte aus der Düse aus zustoßen, wird die Spannung zunächst reduziert und dann abrupt erhöht, jedoch wird auf halber Strecke die Spannung auf einem bestimmten Wert für eine kurze Zeit H gehalten. Dadurch wird eine ungünstige Vibration, die auf die Tinte ausgeübt wird, eingeschränkt, die Teilchen der Tinte werden feiner und die Dämpfung des Tintenstrahles kann reduziert werden, nachdem die Tinte ausgestoßen ist. Es wird somit die Frequenzcharakteristik verbessert und es kann ein stabiler Tintenstrahlbetrieb er reicht werden.

Die Fig. 12(a) und 12(b) sind graphische Darstellungen, die ei ne Spannungswellenform zum Treiben des Tintenstrahldruckkopfes zeigen, der zwei piezoelektrische Elemente gemäß den Ausfüh rungsformen besitzt, die in den Fig. 2, 6, 7, 8 und 10 gezeigt sind. Die Zeitsteuerung der Spannung V₁, die zwischen die ge meinsamen und örtlichen Elektroden 12, 13 an einem der piezo elektrischen Elemente angelegt wird, wird um eine bestimmte Zeit von der Zeitsteuerung der Spannung V₂ verschoben, die zwi schen den gemeinsamen und den örtlichen Elektroden 42, 43 des anderen piezoelektrischen Elements angelegt wird. Dadurch wer den die Teilchen der Tinte feiner und ein Dämpfen des Tinten strahls, nachdem die Tinte ausgestoßen ist, kann reduziert wer den. Es wird somit eine Frequenzcharakteristik verbessert, und es kann ein stabiler Tintenstrahlbetrieb erreicht werden. Bei den jeweiligen Spannungswellenformen V₁ und V₂ kann die Span nungshaltezeit H1, H2 in der gleichen Weise wie bei Fig. 11 vorgesehen werden. In Fig. 12(a) wird die Zeitsteuerung sowohl während der Spannungsreduzierung als auch Spannungserhöhung verschoben. Jedoch wird in Fig. 12(b) die Zeitsteuerung nur während der Spannungserhöhung verschoben.

Fig. 13 zeigt schematisch und übertrieben einen Zustand des Verschiebungsabschnitts 14 des piezoelektrischen Elements 10, wenn ein elektrischer Strom zwischen die gemeinsame Elektrode 12 und die örtliche Elektrode 13 angelegt ist. Wenn eine elek trische Spannung zwischen eine relativ weite und sich längs er streckte innere oder gemeinsame Elektrode 12 und eine Vielzahl von dünnen und sich quer erstreckenden örtlichen Elektroden 13 angelegt wird (nur eine ist in Fig. 13 veranschaulicht), die auf der oberen Fläche des piezoelektrischen Materials 11 ange ordnet sind und parallel um einen bestimmten Abstand von der gemeinsamen Elektrode 12 beabstandet sind, wird der Abschnitt, das heißt der Verschiebungsabschnitt 14, wo diese Elektroden einander kreuzen, nach oben verschoben, wie dies in der Zeich nung dargestellt ist. Insbesondere verschiebt sich der Ver schiebungsabschnitt 14 in signifikanter Weise an den jeweiligen Enden desselben. Aufgrund eines derartigen Anstieges oder Anhe bung des Verschiebungsabschnitts 14, wird auf die Druckkammer ein Druck ausgeübt, wie oben beschrieben wurde. Als piezoelek trisches Material können PNN Serien, PMN Serien, PZN Serien, PZT Serien oder ähnliche Materialien verwendet werden. Anderer seits kann als Material für die Elektroden eine leitende Paste wie beispielsweise Gold, Silber, Silber-Palladium oder ähnli ches in geeigneter Weise verwendet werden. Als Material für die Druckkammerplatte 20 oder 50 kann ein Harz, wie beispielsweise Polyimid, Polyethylen-Nitrit (PEN), Polysulfon oder ähnliches, ein Metall wie beispielsweise rostfreier Stahl, Aluminium oder ähnliches, oder Keramik in geeigneter Weise verwendet werden.

Die Fig. 14(a), 14(b) und 14(c) veranschaulichen die Beziehung des Spaltes (t) zwischen den örtlichen und den gemeinsamen Elektroden 12, 13, der Breite (w) der örtlichen Elektrode 12 und dem Abstand bzw. Abständen (s) zwischen den benachbarten örtli chen Elektroden 13. Zunächst gibt, wie in Fig. 14(b) gezeigt ist, "t" einen Abstand durch das piezoelektrische Material hin durch zwischen den gemeinsamen und den örtlichen Elektroden an, wenn keine Spannung angelegt ist, "w" gibt eine Breite der streifenförmigen örtlichen Elektrode 13 an, "s" zeigt einen Spalt zwischen den benachbarten örtlichen Elektroden 13 an und "w + s" gibt eine Anordnungsteilung der örtlichen Elektroden 13 an. In Fig. 14(a) ist auf der Abszisse s/w wiedergegeben und auf der Ordinate ist b/a wiedergegeben. Hierbei bedeuten a: eine maximale Verschiebung in der Dicken- (t) Richtung an dem Abschnitt der örtlichen Elektrode, wie in Fig. 14(c) gezeigt ist und b: eine maximale Verschiebung in der Dicken- (t) Rich tung an dem Abschnitt zwischen den benachbarten örtlichen Elek troden 13, wie in Fig. 14(c) gezeigt ist.

Um die Variation in der Geschwindigkeit und dem Volumen der Teilchen der Tinte auf einen praktischen Wert zu reduzieren, ist es wünschenswert, daß b/a auf einen Wert reduziert wird, der kleiner ist als 15% der maximalen Elektrodenverschiebung, das heißt dem Abschnitt, der durch Strichlierung in Fig. 14(a) angezeigt ist. Wenn s/w größer wird, wenn t/w < 0,15, als der außerhalb der Strichlierung gelegene Abschnitt, ist die Ver schiebung des Elements in der negativen Richtung zu groß. Wenn somit zwei oder mehrere örtliche Elektroden 13, die voneinander beabstandet sind (z. B. zwei Elektroden benachbart einer) ange trieben werden, wird der Abschnitt des piezoelektrischen Mate rials in dem Bereich zwischen diesen örtlichen Elektroden 13 unstabil, und daher können diese unmöglich benutzt werden. Es ist daher erforderlich, daß t/w ≧ 0,15 ist. Wenn s/w < 0,5, ist die Verschiebung des Elements in dem Bereich zwischen den Elek troden so groß, daß eine Verwendung unmöglich wird. Im Hinblick auf das Vorangegangene ist es erforderlich, daß t/w ≧ 0,15 und s/w ≧ 0,5 ist. Selbst bei einem piezoelektrischen Element aus irgendeinem anderen Material, wie oben erwähnt wurde, ist die Verschiebung ähnlich und daher kann die Beziehung von t, w und s, wie in Fig. 14(a) gezeigt ist, ebenso angewandt werden.

Claims

1. Tintenstrahldruckkopf vom piezoelektrischen Typ, mit

1. einer mehrere Druckkammern (21, 51) enthaltenden Druckkam merplatte (20, 50)
2. einer in die Druckkammern (21, 51) mündenden Zuführeinrich tung (22, 52) zum Zuführen von Tinte in die Druckkam mern (21, 51),
3. einer Düseneinrichtung (30/31, 53) mit jeweils einer Düse (31, 53) für jede Druckkammer (21, 51),
4. wenigstens einem die Druckkammern (21, 51) der Druckkammer platte (20, 50) abschließenden piezoelektrischen Ele ment (11a, 41a), das auf seiner von der Druckkammer platte (20, 50) abgewandten Fläche eine allen Druckkam mern (21, 51) gemeinsame Elektrode (12, 42) und auf seiner der Druckkammerplatte (20, 50) zugewandten Fläche jeweils eine örtliche Elektrode (13, 43) für jeweils eine Druckkam mer (21, 51) trägt derart, daß die Bereiche des piezoelek trischen Elements (11a, 41a) mit sich kreuzender gemeinsa mer Elektrode (12, 42) und örtlicher Elektrode (13, 43) Ver schiebungsabschnitte (14, 44) bilden, die Wandabschnitte der jeweiligen Druckkammern (21, 51) bilden, wobei ein er ster Verhältniswert (s/w) aus Abstand (s) zwischen zwei örtlichen Elektroden (13, 43) zur Breite (w) einer örtli chen Elektrode (13, 43) s/w = 0.69 sein kann und ein zweiter Verhältniswert (t/w) von Dicke (t) des piezoelektrischen Elements (11a, 41a) zur Breite (w) einer örtlichen Elektrode (13, 43) t/w = 1.33 oder t/w = 4.0 sein kann,

dadurch gekennzeichnet,

1. daß der zweite Verhältniswert (t/w) von Dicke (t) des pie zoelektrischen Elements (11a, 41a) zur Breite (w) einer örtlichen Elektrode (13, 43) einen Mindestwert von t/w = 0.15 hat,
2. daß der erste Verhältniswert (s/w) von Abstand (s) zwi schen zwei örtlichen Elektroden (13, 43) zur Breite (w) ei ner örtlichen Elektrode (13, 43) bei dem Mindestwert des ersten Verhältniswertes (t/w) = 0.15 einen Mindestwert von s/w = 0.5 hat,
3. daß bei seinen Mindestwert von t/w = 0.15 übersteigendem zweiten Verhältniswert (t/w) der Mindestwert des ersten Verhältniswertes (s/w) ansteigt.

2. Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß das piezoelektrische Element (11a, 41a) eine aus ei ner Vielzahl von Schichten laminierte Struktur besitzt, in der gemeinsame Elektroden (12, 42) und eine Vielzahl von ört lichen Elektroden (13, 43) abwechselnd mit dazwischen ange ordnetem piezoelektrischen Material aufgeschichtet sind, und daß die einer Druckkammer (21, 51) zugeordneten örtlichen Elektroden (13, 43) aller Schichten deckungsgleich zu der Druckkammer (21, 51) angeordnet und elektrisch miteinander verbunden sind.

3. Tintenstrahldruckkopf nach einem der Ansprüche 1 oder 2, da durch gekennzeichnet, daß eine isolierende Platte (11b, 41b) auf der von der Druckkammerplatte (20, 50) abgewandten Fläche des piezoelektrischen Elements (11a, 41a) angeordnet ist, die ihrerseits auf ihrer von dem piezoelektrischen Ele ment (11a, 41a) abgewandten Fläche eine Metallplatte (15) trägt.

4. Tintenstrahldruckkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, daß eine elektrische Spannung selektiv zwischen der gemeinsamen Elektrode (12, 42) und den örtlichen Elektroden (13, 43) anlegbar ist, die im Verlauf der Anlege zeit verändert und während einer von der Anlegezeit umfaßten Haltezeit (H1, H2) konstant gehalten wird.

5. Tintenstrahldruckkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, daß das Material des piezoelektrischen Elements (11a, 41a) ausgewählt ist aus
PNN Reihenmaterialien [Pb(Ni_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃],
PMN Reihenmaterialien [Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃],
PZN Reihenmaterialien [Pb(Zn_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃] oder
PZT Reihenmaterialien [PbTiO₃-PbZrO₃]

6. Tintenstrahldruckkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da durch gekennzeichnet, daß die Druckkammerplatte (20) auf ih rer einen Fläche ein piezoelektrisches Element (11a) und auf ihrer von diesem abgewandten Fläche die Düseneinrich tung (30/31) mit einer den Druckkammern (21) der Druckkam merplatte (20) gemeinsamen Düsenplatte (30) mit einer Viel zahl von Düsen (31) enthält.

7. Tintenstrahldruckkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da durch gekennzeichnet, daß die Druckkammerplatte (50) auf ih rer einen Fläche ein piezoelektrisches Element (11a) und auf der von diesem abgewandten Fläche ein weiteres piezoelektri sches Element (41a) trägt und die Druckkammern (51) von bei den piezoelektrischen Elementen (11a, 41a) begrenzt werden derart, daß jeder Druckkammer (51) zwei Verschiebungsab schnitte (14, 44) zugeordnet sind.

8. Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich net, daß die beiden piezoelektrischen Elemente (11a, 41a) durch eine elektrische Spannung mit jeweils einem Treiberim puls aktivierbar sind, wobei die Treiberimpulse für die bei den piezoelektrischen Elemente (11a, 41a) zeitlich gegenein ander versetzt sind.

9. Tintenstrahldruckkopf nach einem der Ansprüche 7 oder 8, da durch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der beiden piezo elektrischen Elemente (11a, 41a) eine aus einer Vielzahl von Schichten laminierte Struktur besitzt, in der gemeinsame Elektroden (12, 42) und eine Vielzahl von örtlichen Elektro den (13, 43) abwechselnd mit dazwischen angeordnetem piezo elektrischen Material aufgeschichtet sind, und daß die einer Druckkammer (21, 51) zugeordneten örtlichen Elektro den (13, 43) aller Schichten deckungsgleich zu der Druckkam mer (21, 51) angeordnet und elektrisch miteinander verbunden sind.