DE69901691T2

DE69901691T2 - Tröpfchenaufzeichnungsgerät und herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE69901691T2
Application number: DE69901691T
Authority: DE
Inventors: Angus Condie; David Di Paton; Stephen Temple
Original assignee: Xaar Technology Ltd
Current assignee: Xaar Technology Ltd
Priority date: 1998-03-11
Filing date: 1999-03-10
Publication date: 2003-01-09
Anticipated expiration: 2019-03-11
Also published as: JP3694652B2; GB9805038D0; EP1062098B1; US6505918B1; WO1999046127A1; DE69901691D1; ES2174593T3; BR9908633A; EP1062098A1; ATE218443T1; AU2738899A; JP2002505972A; CN1299319A; CN1158181C; CA2324290A1; IL138370A0

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Tröpfchenablagerungsapparat, insbesondere Tintenstrahl-Druckköpfe, welche piezoelektrische Betätigungselemente bzw. Aktuatorelemente einschließen, welche erste und zweite Bereiche aufweisen, welche gleichzeitig auslenkbar bzw. ablenkbar sind, um den Ausstoß eines Tröpfchens zu bewirken.
Solche Druckköpfe sind bekannt, so ist z. B. aus der EP-A-0 277 703 bekannt, dass eine Tintenkammer an wenigstens einer Seite durch eine Betätigungswand bzw. Aktuatorwand begrenzt ist, welche aus oberen und unteren Bereichen von piezoelektrischem Material hergestellt bzw. geschaffen ist, welche an ihrer gemeinsamen Oberfläche miteinander verbunden sind und in der Ebene der Betätigungswand bzw. Aktuatorwand in jeweils entgegengesetztem Sinn polarisiert sind. Wenn sie einem zur Richtung der Polarisation senkrechten elektrischen Feld durch an entgegengesetzten Seiten der Betätigungswand bzw. Aktuatorwand angeordnete Elektroden ausgesetzt sind, deformieren sich sowohl die oberen als auch die unteren Bereiche in Scherung zur Tintenkammer hin, wodurch der Ausstoß eines Tröpfchens aus der Tintenkammer über eine Düse verursacht wird. Eine solche Konstruktion einer Betätigungswand bzw. Aktuatorwand erhielt den Namen von "Winkel" ("chevron") von der Form, welche durch die Betätigungswand bzw. Aktuatorwand als Ganzes eingenommen wird, wenn sie elektrischen Betätigungsfeldern ausgesetzt ist.
Die JP O1-232812 befasst sich mit der Herstellung eines Wafers aus Lithiumtantalat mit einer ersten polarisierten Schicht und einer zweiten in der Polarität umgekehrten Schicht. Eine Seite des Wafers ist mit einem in den Wafer zu diffundierenden Metall beschichtet, wobei der Wafer beheizt wird, um eine Metalldiffusionsschicht in dem Wafer zu schaffen, wobei der Wafer umpolarisiert wird, um die erste polarisierte Schicht zu bilden und der Wafer erneut auf eine Temperatur nahe dem Curie-Punkt beheizt wird, um eine zweite in der Polarität umgekehrte Schicht zu bilden.
Bisher waren die Techniken für die Herstellung von Winkel- bzw. Chevronprintköpfen komplex, wobei sie entweder spezielle piezoelektrische Laminate einschließen, in welchen Kanäle mit voller Tiefe gebildet sind (z. B. WO92/09436) oder die knifflige bzw. schwierige Fluchtung von zwei piezoelektrischen Platten, von denen jede mit Tintenkanälen halber Tiefe ausgebildet ist (z. B. in der vorerwähnten EP-A-0 277 703). Die Betätigungswände bzw. Aktuatorwände solcher bekannter Winkel- bzw. Chevrondruckköpfe weisen ferner Diskontinuitäten in der Form von Klebverbindungen und/oder Schichten mit negativem Temperaturkoeffizienten auf.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Schwierigkeiten bzw. Komplexitäten der Herstellung und der konstruktiven Diskontinuitäten von bekannten Winkel- bzw. Chevronkonstruktionen zu vermeiden.
Demgemäß besteht die vorliegende Erfindung in einem Verfahren der Polarisierung eines Bereichs eines monolithischen piezoelektrischen Betätigungs- bzw. Aktuatorelements für die Verwendung in einem Tröpfchenablagerungsapparat, wobei das Element erste und zweite Bereiche aufweist und wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
Anordnen einer ersten leitenden Schicht in Kontakt mit dem ersten Bereich des Elements und Anordnen des ersten Bereichs des Elements bei einem Äquipotenzial, und Erzeugen eines polarisierenden elektrischen Feldes über dem zweiten Bereich zwischen dem besagten ersten Bereich und einer weiteren leitenden Schicht.
Ein solches Verfahren erlaubt es, dass ein Teil des monolithischen piezoelektrischen Elements polarisierenden elektrischen Feldern ausgesetzt wird, während ein anderer Teil des gleichen Elementes frei von Umpolarisierung gehalten wird, indem jener Teil auf einem Äquipotential gehalten wird, und zwar vorteilhafterweise durch teilweises Einschließen durch eine leitende Schicht, welche wirksam jenen Bereich von elektrischen Feldern in der Art und Weise eines wenigstens teilweisen Faraday'schen Käfigs frei hält. In dem besonderen Fall eines Betätigungselements bzw. Aktuatorelements, welches ursprünglich vollständig in einer Richtung polarisiert worden ist, gestattet es, dass ein Teil jenes Elements in einer entgegengesetzten Richtung umpolarisiert wird, wobei das sich ergebende Betätigungselement bzw. ein solcher Aktuator ein winkelförmiges bzw. chevronförmiges Polarisierungsmuster aufweist. Die monolithische - d. h. einstückige, integrale, homogene, gleichförmige - Konstruktion eines solchen Betätigungselements bzw. Aktuators vermeidet die Nachteile von den oben erörterten bekannten Konstruktionen.
Ein entsprechendes Bauteil bzw. eine entsprechende Komponente zur Verwendung in einem Tröpfchenablagerungsapparat, ist in einem anderen Aspekt der Erfindung enthalten und weist auf: eine homogene Platte aus piezoelektrischem Material, welche mit einer Mehrzahl von parallelen oben offenen Kanälen ausgebildet ist, welche gegenseitig in einer Gruppierungs- bzw. Anordnungsrichtung senkrecht zu der Längserstreckung der Kanäle beabstandet sind und jeweils durch einander zugewandte Seitenwände und eine sich zwischen den Seitenwänden erstreckende Bodenfläche definiert sind, wobei wenigstens eine der besagten Seitenwände einen ersten Bereich aufweist, welcher von einer jeweiligen Bodenfläche entfernt ist, und einen zweiten Bereich aufweist, welcher benachbart zu der jeweiligen besagten Bodenfläche ist, wobei der besagte zweite Bereich in einer Richtung senkrecht zu sowohl der Länge der Kanäle als auch der Gruppierungs- bzw. Anordnungsrichtung polarisiert ist, und wobei der besagte erste Bereich entweder unpolarisiert oder in einer anderen Richtung als der ersten Richtung polarisiert ist.
Solch ein Bauteil bzw. solch eine Komponente hat Seitenwände, die gemäß den beiden unterschiedlichen Betriebszuständen polarisiert sind und behält einen homogenen Aufbau mit der zugehörigen Festigkeit und Leichtigkeit der Herstellung, die darin impliziert ist, bei.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden in der Beschreibung und den abhängigen Ansprüchen ausgeführt.
Die Erfindung wird nun mittels Beispielen durch Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen bzw. Diagramme beschrieben, von denen:
die Fig. 1-3 Querschnittsansichten sind, wobei der Schnitt jeweils senkrecht zu einer Tintenkanalachse gelegt ist, welche die herkömmlichen Herstellungsschritte darstellen, welche mit der Realisation einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verbunden sind;
die Fig. 4 und 5 Querschnittsansichten sind, welche das Anlegen von polarisierenden elektrischen Feldern gemäß der vorliegenden Erfindung darstellen;
die Fig. 6(a) die fertiggestellte Betätigungseinrichtung bzw. diesen Aktuator mit Betätigungselektroden darstellt;
die Fig. 6(b) die Verschiebung bzw. Verlagerung einer betätigten Kanalwand darstellt;
die Fig. 7 und 8 Schnittansichten entlang der Tintenkanalachse eines Druckkopfes sind, welcher gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung polarisiert ist;
die Fig. 9-11 Schnittansichten sind, welche die Polarisation eines Druckkopfes einer dritten Ausführungsform der Erfindung darstellen;
die Fig. 12 eine Schnittansicht einer weiteren Druckkopfanordnung ist, welche die vorliegende Erfindung verkörpert.
Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht des Ausgangspunktes für das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung nämlich eine monolithische, homogene, gleichförmige Platte 10 aus Piezomaterial (z. B. Blei-Zirkon-Titanat, PZT), welche in ihrer Dickenrichtung polarisiert ist, wie dies durch Pfeile 12 angegeben ist und welche eine dünne Schicht 14 eines Maskierungsmaterials auf einer Oberfläche 16 trägt.
Es wird nun auf die Querschnittsansicht gemäß Fig. 2 Bezug genommen. Eine Mehrzahl von oben offenen Kanälen 20 sind in der Oberfläche 16 der Platte 10 ausgebildet und definieren dadurch homogene Kanalwände 24 aus Piezomaterial, einander zugewandte Seitenwandflächen 25 und eine Bodenfläche 26, welche sich zwischen den Seitenwandflächen erstreckt. Die sich daraus ergebende Anordnung bzw. Reihe von parallelen Kanälen erstreckt sich in einer Richtung, welche senkrecht zu den Längsachsen der Kanäle liegt.
Jede Wand 24 hat dann eine Elektrode 30 - typischerweise aus Aluminium, Nickel oder Gold - welche an ihrem oberen Bereich 46 ausgebildet ist, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist, so dass sie sich in einer elektrisch kontinuierlichen Weise etwa die halben Wandseiten 25 hinab erstrcekt und über die Maskierungsschicht 16, wodurch sie den oberen Bereich 46 jeder Wand umgibt. Elektroden 30 werden auch über dem Maskierungsmaterial 14 auf der Oberfläche 16 der piezoelektrischen Platte 10 in jenen Bereichen abgelagert, wo keine Kanäle ausgebildet worden sind. Alle Aspekte der oben beschriebenen Anordnung sind aus dem Stand der Technik bekannt, zum Beispiel aus der EP-A-0 364 136, der EP-A-0 309 148 und der EP-A-0 397 441.
Nachfolgend wird auf Fig. 4 Bezug genommen. Eine Potentialdifferenz V wird zwischen jede Elektrode 30 und der Oberfläche 40 auf der zur Oberfläche 16 entgegengesetzten Seite der Platte 10 angelegt, wodurch ein elektrisches Feld erzeugt wird, welches ein entgegengesetztes Vorzeichen zu der ursprünglichen Polarisationsrichtung 12 der Platte parallel zu den Seitenwandflächen 25 und senkrecht zu der Längsachse des Kanals (welche sich aus dem Blatt bzw. der Ebene in der Ansicht von Fig. 4 erstreckt) ist. In der gezeigten Ausführungsform wird dies durch ein oberes leitendes Teil 42 erreicht, welches über den Elektroden 30 angeordnet ist und durch ein leitendes unteres Teil 44, welches gegen die untere Oberfläche 40 gedrückt wird. Das Teil 44 kann selbst eine leitende Beschichtung sein, welche auf die Platte vor der Bildung der Kanäle oder im Verlaufe der Ablagerung der Elektroden 30 aufgebracht sein kann. Alternativ können beide Teile 42 und 44 ein leitendes aber noch federndes Material - zum Beispiel silbergefüllter bzw. -beladener Gummi - aufweisen, so dass es in der Lage ist, sich an die Deformation anzupassen, von welcher bekannt ist, dass sie sich ergibt, wenn Piezomaterial einem polarisierenden bzw. umpolenden elektrischen Feld ausgesetzt ist. Anstelle der Verwendung eines oberen leitenden Teils 42 kann die polarisierende bzw. umpolende Potentialdifferenz V an das Elektrodenmaterial 30 in dem vorerwähnten Bereich der Plattenoberfläche angelegt werden, in welchem keine Kanäle ausgebildet sind (und welcher in elektrischem Kontakt mit den auf den oberen Bereichen der Kanalwände ausgebildeten Elektroden 30 ist).
Die Stärke des elektrischen Felds verändert sich über den Bereich; in dem oberen Wandbereich 46, der von der Bodenfläche 26 des Kanals entfernt ist und teilweise durch die Elektrode 30 eingeschlossen ist, wird kein wesentliches elektrisches Feld als Ergebnis der Gesamtheit der die Wand - und demzufolge den oberen Wandbereich 46 selbst - bedeckenden Elektrode erzeugt, wo ein Äquipotential vorliegt. Die Elektrode 30 kann auch als ein teilweiser Faraday'scher Käfig angesehen werden, welcher den oberen Wandbereich 46, den er umgibt, von den elektrischen Feldern abschirmt bzw. beschützt. Als Ergebnis wird der Zustand der Polarisation des oberen Wandbereichs nicht von demjenigen der originalen Platte, (wie durch den Pfeil 12 angegeben) geändert. Obgleich die Elektrode 30 so dargestellt ist, dass sie sich über die Maskierungsschicht 16 erstreckt, welche auf der Oberseite jeder Kanalwand 24 angeordnet ist, wird selbstverständlich eine ähnliche Wirkung erreicht, wenn der obere Wandbereich 46 durch eine nur auf den Seitenwänden 25 von Kanälen angeordnete Elektrode, die in Sandwichbauweise mit dem piezoelektrischen Material ausgeführt ist, eingeschlossen ist.
Was nun den unteren Wandbereich 48 anbetrifft, welcher benachbart zu der Bodenfläche 26 des Kanals gelegen ist, so ist dort zwischen den unteren Enden der Elektrode 30 und der unteren Oberfläche 40 der Platte 10 ein elektrisches Feld aufgebaut. Zwischen dem unteren Wandbereich 48 und einem Bodenbereich 50, welcher zwischen der Bodenfläche 26 des Kanals und der unteren Oberfläche 40 der Platte liegt, ist ein signifikanter Unterschied bezüglich der Geometrie vorhanden, welcher wiederum Veranlassung für eine signifikant größere Feldstärke EW in dem unteren Wandbereich 48 im Vergleich mit der Feldstärke Eb in dem Bodenbereich ergibt.
Durch geeignete Wahl des Wertes der Potentialdifferenz V kann ein Wert der Feldstärke EW in dem unteren Bereich 48 der Wand aufgebaut werden, welcher ausreicht, um die Richtung der Polarisation des piezoelektrischen Materials in diesem Bereich in eine Richtung - welche durch den Pfeil 52 in Fig. 4 angegeben ist - zu ändern, und zwar entgegengesetzt der Richtung 12, in welcher der obere Bereich 46 der Wand polarisiert ist, wodurch ein monolithischer Wandaufbau von homogenem, gleichförmigem Piezomaterial erreicht wird, der weiterhin in einer "Winkel"-("Chevron"-) Konfiguration polarisiert ist.
Die Feldstärke Eb, welche in dem Bodenbereich 50 erzeugt ist, ist jedoch niedrig genug (ungefähr 0,5 EW in dem Falle, wo die Kanäle und die Kanalwände die gleiche Breite haben), um nicht die Richtung der Polarisation 12 des piezoelektrischen Materials in dem Boden umkehren. Dies ist bereits an sich, wie in der oben erwähnten EP-A-0 364 136 erläutert, bei einer Betätigungseinrichtung bzw. einem Aktuator vorteilhaft, bei welcher bzw. bei welchem der Bodenbereich und die benachbarte Wand in der gleichen Richtung polarisiert sind, wobei elektrische Randfelder Veranlassung zu einer Verformung bzw. Verzerrung des Bodens geben können, die gegen die Bewegung der Wände wirkt, wodurch der in dem Tintenkanal erzeugte Druck und die Geschwindigkeit des Ausstoßes des Tintentröpfchens verringert werden. Im Gegensatz dazu neigt ein Bodenbereich, welcher in der entgegengesetzten Richtung zu der des unteren Bereichs der Wand gemäß Fig. 4 polarisiert ist, dazu, in einer solchen Weise zu wirken, dass der durch die Bewegungen der Wände erzeugte Druck verstärkt wird.
Nichts desto weniger ist es möglich, die Richtung der Polarisation des Bodenbereichs 50 durch Wahl der Potentialdifferenz V mit einer ausreichenden Größe umzukehren, dass nicht nur EW, sondern auch Eb stark genug ist, um eine Umkehrung in der Richtung der Polarisation der Wand bzw. Bodenbereiche der Platte zu verursachen.
Alternativ kann der Bodenbereich der Platte umpolarisiert werden, indem die Anordnung gemäß Fig. 5 verwendet wird, in welcher sich Elektroden 30 - zum Beispiel durch Verwendung des "abgestuften Plattierungsprozesses ("shaded plating"-Prozeß), welcher in ihrer ursprünglichen Ablagerung verwendet wird, benutzt wird - bis hinunter zu der Bodenfläche 26 des Kanals erstreckt sind, so dass sowohl obere als auch untere Wandbereiche 46, 48 eingeschlossen werden. Solche Elektroden sind bei 30' in Fig. 5 gezeigt. Weniger unterscheidende bzw. diskriminierende herkömmliche Techniken, wie etwa chemischer bzw. stromloser Niederschlag bzw. solche Ablagerung oder Zerstäubung bzw. Sputtering können verwendet werden, um eine leitende Schicht aufzubringen, welche sich nicht nur die Wände hinunter, sondern auch über die Bodenfläche 26 des Kanals erstreckt. Eine Potentialdifferenz von genügender Größe, um den Boden in der gewünschten Richtung zu polarisieren, und zwar parallel zur Richtung der Polarisation der oberen und unteren Wandbereiche 46, 48, wird dann zwischen jeder der ausgedehnten, bzw. erstreckten Elektroden 30' und der unteren Fläche 40 der Platte 10 so angelegt, dass ein elektrisches Feld erzeugt wird, welches ausreicht, um den Bodenbereich in der erforderlichen Richtung 54 zu polen. Eine ausgedehnte bzw. erstreckte Elektrode 30' stellt wiederum sicher, dass keine Umpolarisation derjenigen oberen und unteren Wandbereiche 46, 48 stattfindet, welche sie umschließt, wie dies weiter oben in bezug auf Fig. 4 beschrieben worden ist. Selbstverständlich kann diese letztere Technik auch dazu verwendet werden - mit einem elektrischen Feld von der geeigneten Richtung - die ursprüngliche Richtung 12 irgendeines Teils des Bodens umzupolen, der seine Polarisation in dem Laufe früherer Prozessschritte verloren hat.
Selbstverständlich können Elektroden, welche sich über die Seitenwandflächen von sowohl den oberen als auch den unteren Wandbereichen erstrecken für die Betätigung der Betätigungswand bzw. der Aktuatorwand erforderlich sein, und zwar unabhängig davon, ob die gleichen Elektroden auch bei irgendeinem Umpolarisierungsschritt verwendet werden. Um dies zu bewerkstelligen, müssen jedoch die Elektroden in benachbarten Kanälen zuerst elektrisch voneinander isoliert werden. In einem letzten bzw. endgültigen Schritt, welcher den beiden Ausführungsformen von sowohl Fig. 4 als auch Fig. 5 gemeinsam ist, wird dies dadurch erreicht, dass die Maskierungsschicht 16 von der Oberseite der Kanalwände entfernt wird - zum Beispiel mittels eines Lösungsmittels, wie dies dem Stand der Technik bekannt ist - wobei die Maskierungsschicht irgendwelches Elektrodenmaterial mit sich nimmt, das darauf abgelagert ist, so dass die Oberseiten der Wände frei bleiben und die Elektroden in benachbarten Kanälen voneinander elektrisch isoliert sind, wie dies in Fig. 6(a) gezeigt ist. Sollte eine leitende Beschichtung auf die untere Fläche 40 der Platte 10 für Polungszwecke aufgebracht worden sein, kann diese auch entfernt werden, falls erforderlich.
Die Elektroden für jeden Kanal können dann mit einer jeweiligen Treiberschaltung verbunden werden, wie dies bekannt ist, zum Beispiel aus der WO 95/07820. Fig. 6(b) zeigt übertrieben dargestellt, die Ablenkung bzw. Auslenkung einer Kanalwand, die sich ergibt, wenn jeweilige positive und negative Spannungen (schematisch gezeigt aber tatsächlich über Verbindungen an dem Ende von jedem Kanal angelegt, wie unter Bezug auf Fig. 7 erläutert) an die Elektroden 30' der Kanäle 20 an jeder Seite der Wand angelegt werden. Das sich ergebende elektrische Feld, welches senkrecht zur Richtung der Polarisation der oberen und unteren Wandbereiche 46, 48 orientiert ist, verursacht, dass beide Bereiche in entgegengesetzten Richtungen scheren bzw. Scher- bzw. Schubkräften ausgesetzt werden, und zwar gleichzeitig, wobei die Wand als ein ganzes senkrecht zur Richtung der Polarisation und zwar in die vorerwähnte Winkelform bzw. Chevronform abgelenkt bzw. ausgelenkt wird. Der Tröpfchenausstoß gemäß dieser Prinzipien ist aus dem Stand der Technik gut bekannt, wie auch die Anordnung bekannt ist, zum Beispiel aus der EP-A-0 278 590 - von einer Anzahl von Betätigungswänden bzw. Aktuatorwänden, die parallel zueinander sind, so dass sie quasi dazwischen eine Anordnung bzw. Reihe von parallelen Tintenkanälen definieren bzw. bilden, welche sich in einer Anordnungs- bzw. Reihenrichtung senkrecht zur Länge der Kanäle erstrecken. Der Tintenausstoß wird durch Betätigung der Wände auf beiden Seiten eines Kanals erreicht, wobei jede Betätigungs- bzw. Aktuatorwand in entgegengesetzten Richtungen verlagerbar ist, um den Tröpfchenausstoß aus den auf jeder Seite dieser Betätigungseinrichtung bzw. dieses Aktuators angeordneten Kanäle zu bewirken - sogenannter Betrieb mit gemeinsamer Wand ("shared wall"-Betrieb).
Fig. 7 ist eine Schnittansicht, wobei der Schnitt entlang der sich längs des Kanals erstreckenden Achse (durch gestrichelte Linie 65 angegeben) eines Druckkopfes gelegt ist, welcher ein mit Kanälen versehenes piezoelektrisches Bauteil 10 aufweist, welches gemäß der vorliegenden Erfindung gepolt ist. Wie aus dem Stand der Technik bekannt, ist an den Oberseiten der Wände 24 ein Deckelteil 60 angebracht, welches eine Öffnung 62 zur Zufuhr von Tinte aufweist, wodurch der Kanal auf allen Seiten parallel zu der Kanallängsachse über eine sogenannte "aktive" Länge, die mit L bezeichnet ist, geschlossen ist. Eine Düse 64, welche in einer Düsenplatte 66 ausgebildet ist, ist an einem Ende des Kanals angebracht, während bei dem anderen Ende, welches mit C bezeichnet ist, eine Verbindung (zum Beispiel mit einer Drahtkontaktierung 68) von der Kanalelektrode 30 zu der Treiberschaltung (nicht gezeigt) hergestellt ist.
In diesen "nicht aktiven" Bereichen des Kanals (R und N), welche wenigstens an einer Seite für die Verbindung bzw. Kommunikation mit der Öffnung 62 für die Zufuhr von Tinte offen sind, wird eine Beschichtung mit niedriger Dielektrizitätskonstante auf die Kanalwände vor irgendeiner Plattierung aufgebracht, so dass die Kapazität des Druckkopfes insgesamt verringert wird. Eine solche Anordnung ist aus der WO 97/39897 bekannt. Als Ergebnis ist jede nachträglich gemäß der vorliegenden Erfindung abgelagerte leitende Schicht nicht in der Lage, entweder eine Umpolarisierung oder Betätigung in diesen Bereichen des Kanals zu bewirken.
Andere die Kapazität verringernde Maßnahmen, welche zweckmäßig für die Verwendung in den nicht aktiven Bereichen des Kanals sind, schließen die Verwendung eines Materials mit niedriger Dielektrizitätskonstante ein, um die Kanalwände zu bilden, wie dies in der US 5 619 235 beschrieben ist und die Verringerung des Bereichs der Kanalelektrode auf das Minimum, welches für die Leitung von elektrischen Signalen von der Treiberschaltungsverbindung 68 beim rückwärtigen Teil des Druckkopfes (Bereich C) zu den Kanalelektroden mit voller Tiefe in der aktiven Länge L des Kanals mit ein, was in der zuvor erwähnten WO 97/39 897 beschrieben ist.
Fig. 8 stellt eine Anordnung zur Umpolarisierung eines mit Kanälen versehenen piezoelektrischen Bauteils der in Fig. 7 gezeigten Art dar. Trotz der Tatsache, dass Umpolarisierung nur in dem aktiven Bereich des Kanals erforderlich ist, wurden beste Ergebnisse für die Umpolarisierung erreicht werden, indem obere und untere leitende Teile 42, 44 verwendet werden, welche sich über die Länge des Druckkopfes (und die Länge der Platte in diesem Falle, wie in WO 95/18717 beschrieben, wo verschiedene mit Kanälen versehene Bauteile in einer einzigen Platte ausgebildet sind) erstrecken.
Bei einem typischen Druckkopf kann ein Kanal für Tröpfchenflüssigkeit eine aktive Länge (L) von etwa einem mm, eine Gesamtkanallänge (L+N+R) von 8,5 mm, eine Kanalbreite von 75 um, eine Kanalwanddicke von 65 um und eine Höhe der Kanalwand von 300 um aufweisen. Es wurde gefunden, dass eine Potentialdifferenz V von ungefähr 1000 Volt notwendig ist, um die Richtung der Polarisation in dem unteren Wandbereich 48 eines solchen Druckkopfes umzukehren, wenn dieser aus einem vorpolarisierten piezoelektrischen Material, wie etwa HD3203 von Motorola hergestellt ist. Es wurde festgestellt, dass bei einem solchen Material eine Stärke des elektrischen Feldes von wenigstens 1,2 Volt/um erforderlich ist, bevor die Richtung der Vorpolarisation beginnt, sich zu ändern (sogenannte koerzitive Feldstärke), wobei ein Feld von etwa 1,7 Volt/um erforderlich ist, um eine permanente Umpolarisation (sogenanntes Feld zur Umkehr bis zur Sättigung) bei einer Größe von 90% der anfänglichen Größe der Vorpolarisation zu erreichen. Die entsprechende Stärke des elektrischen Feldes in dem Bodenbereich 50 (welcher bei etwa 600 um eine Dicke gleich oder doppelt so groß wie die Höhe des Kanals hat) ist in der Größenordnung von 0,75 V/um und demzufolge unzureichend, um eine permanente Umpolarisation zu bewirken.
Selbstverständlich erfordert der große bzw. hohe Wert der Polungsspannung V, welche über der verhältnismäßig kleinen Dicke der mit Kanälen versehenen piezoelektrischen Platte 10 angelegt ist, die Verwendung einer nicht leitenden Atmosphäre, um Überschlag zu vermeiden. Fluorinert (eine Marke von DuPont) wurde als besonders wirksam in dieser Beziehung gefunden, obgleich darauf hingewiesen werden muss, dass die Polarisation unter Vakuumbedingungen zweckmäßig in der gleichen Kammer wie jeder vorhergehende oder nachfolgende Schritt der Elektrodenablagerung ausgeführt werden kann, was die Herstellungszeit verringert.
Die Fig. 9 und 10 stellen - in Schnittansichten, bei denen der Schnitt parallel und senkrecht zu der jeweiligen Kanalachse gelegt ist - eine alternative Ausführungsform für die Polarisierung eines Bereichs einer piezoelektrischen Betätigungswand bzw. Aktuatorwand dar. Im Gegensatz zu der Anordnung von Fig. 4 ist eine Elektrode 70 so angeordnet, dass sie teilweise auf beiden Seiten den unteren Wandbereich 48, welcher neben der Kanalbodenfläche 26 liegt, einschließt. Dies kann schwierig mit den herkömmlichen Verfahren der "abgestuften Plattierung" ("shaded plating") des Elektrodenniederschlags, auf den weiter oben Bezug genommen wurde, hergestellt werden, obgleich es möglich sein kann, Elektrodenmaterial entlang den Wandoberflächen von sowohl oberen als auch unteren Wandbereichen 46, 48 durch ein solches Verfahren abzulagern und danach die Beschichtung auf der Oberfläche des oberen Wandbereichs 46 durch Laser, Sandstrahlen oder ein ähnliches Verfahren zu entfernen.
Ein bevorzugtes Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ist es, eine ursprüngliche bzw. anfängliche dünne "Keim-" ("seed-") Schicht von leitendem Material auf alle Oberflächen von Kanalwänden aufzubringen, nachfolgend die Keim-(seed-)schicht zu entfernen - zum Beispiel mittels eines Lasers oder Sandstrahlens - von jenen Bereichen der Kanalwände, wo eine Elektrode nicht erforderlich ist und letztlich eine chemische bzw. stromlose Plattierungstechnik zu verwenden, um eine dickere Schicht von Elektrodenmaterial in jenen Bereichen abzulagern, in denen die Keim-(seed-)schicht verbleibt. Ein Material für die Keim-(seed- )schicht wird so gewählt, dass es eine gute Anhaftung an das piezoelektrische Material ergibt, welche in einer Weise, z. B. durch Sputtern bzw. Sprühen abgelagert wird, welche es erlaubt, die gesamte Oberfläche jedes Kanals zu beschichten. In dem vorliegenden Beispiel ist das gewählte Keim-(seed-)material das gleiche wie das für die Elektroden selbst verwendete, nämlich Aluminium.
Wie in Fig. 11 dargestellt, wird eine polarisierende Spannung V nachfolgend zwischen der Elektrode 70 und den leitenden Teilen 74, 76 angelegt, welche auf der obersten Oberfläche 72 der Kanalwand bzw. der unteren Oberfläche 40 des Bodenteils 50 angeordnet sind. Eine Umkehr in der Polarisationsrichtung ergibt sich bei 78 und 80, während der untere Bereich der durch die Elektroden 70 eingeschlossenen Wand 48 unbeeinflusst bleibt. Selbstverständlich erlaubt die Anordnung gemäß Fig. 11, in der die Elektrode 70 in der Mitte der Platte und nicht an deren oberer Fläche angeordnet ist, wie es bei der Elektrode 30 gemäß Fig. 4 der Fall ist, größere Feldstärken für die Umpolarisierung sowohl in dem oberen Wandbereich 46 im Abstand zu der Kanalbodenfläche als auch in dem Bodenbereich 50. Dies wiederum erlaubt es, dass eine reduzierte Polarisationsspannung verwendet wird, mit den begleitenden bzw. zugehörigen Vorteilen in bezug auf die Größe der erforderlichen Spannungsversorgung, die Notwendigkeit von Maßnahmen gegen Durchschlag usw.
Ein letzter bzw. endgültiger Schritt zur Ablagerung einer Elektrode über der gesamten Tiefe jeder Kanalwand erlaubt es dann, dass die Betätigungs- bzw. Aktuatorwände im Winkel- bzw. Chevronmodus betrieben werden.
Die vorliegende Erfindung ist insbesondere für die Verwendung mit piezoelektrischen Platten mit Kanälen geeignet, welche durch Formung gebildet wurden, wie dies allgemein zum Beispiel aus der EP-A-0 600 748 bekannt ist. Anders als bei kommerziell erhältlichem vorpolarisiertem Plattenmaterial, auf welches weiter oben Bezug genommen wurde, erfordert jedoch ein solches Bauteil eine Polarisation in einer einzelnen Richtung durch seine gesamte Dicke und die Anwendung einer Maskierungsschicht an den Oberseiten der Wände vor der Anwendung der oben dargelegten Techniken.
Selbstverständlich wurde die vorliegende Erfindung nur mittels Beispielen beschrieben und eine große Vielzahl von Modifikationen kann ausgeführt werden, ohne dass der Schutzbereich der Erfindung verlassen wird. Zum Beispiel können Kanäle auf mehr als einer Seite einer Platte aus Piezomaterial gebildet werden, aktive Tröpfchen ausstoßende Kanäle können in der Platte alternierend mit inaktiven (sogenannten Blind- bzw. "Dummy"-)Kanälen ausgebildet sein, und die Düse für den Tröpfchenausstoß kann anstelle am Ende des Kanals zwischen den Enden des Kanals angeordnet sein, die sogenannte "Seitenausstoß" ("side-shooter") Konfiguration.
Fig. 12 ist eine Schnittansicht, wobei der Schnitt entlang der Kanalachse eines solchen "Seitenausstoß"-("side-shooter"-) Druckkopfes gelegt ist, welcher zwei Reihen von Düsen 90 und 92 aufweist, welche in einer Düsenplatte 93 gebildet sind. Eine solche Anordnung ist bedeutsam wegen der Tatsache, dass die beiden Reihen von Düsen mit Tinte über jeweilige Reihen von Öffnungen 94, 96 versorgt werden, welche in dem Boden eines einzelnen Kanals 20 ausgebildet sind. In dem gezeigten Beispiel ist die Anordnung bzw. Reihe von parallelen Kanälen in der piezoelektrischen Platte 10 durch Sägen gebildet, wobei der Winkel der Längsachsen der Kanäle in bezug auf die Richtung der Bewegung des Substrats relativ zu dem Druckkopf (durch den Pfeil 98 bezeichnet) so gewählt ist, dass aus der ersten Reihe von Düsen 90 ausgestoßene Tröpfchen auf dem Substrat mit Tröpfchen überlagert bzw. überlappt werden, welche aus der zweiten Reihe von Düsen 92 ausgestoßen werden, wodurch die Druckauflösung verdoppelt wird, wie dies dem Stand der Technik bekannt ist. Die beiden Düsen in jedem gegebenen Kanal sind in der Richtung 98 der Substratbewegung versetzt in bezug auf die beiden Düsen in den Kanälen, welche an jeder Seite des gegebenen Kanals liegen, um so die Zeitverzögerungen bei dem Tröpfchenausstoß zu kompensieren, welche durch die Routine mit dem dreizyklischen Auslösen verbunden sind, welche gemeinhin in Druckköpfen mit gemeinsam genutzten Wänden ("shared wall") verwendet wird. Eine solche Routine und eine damit verbundene Versetzung der Düse ist gut bekannt, zum Beispiel aus der EP-A-0 376 532 und wird deshalb hier nicht mehr im Einzelnen erörtert.
Mit der Ausnahme der Unterbrechung 100, welche die Elektrode in derjenigen Hälfte 102 von der Kanalversorgungsdüse 90 von derjenigen Hälfte 104, welche die Düse 92 versorgt, separiert bzw. trennt, wird dadurch ein unabhängiger Betrieb der beiden Kanalhälften erlaubt, wobei die Konstruktion des Kanals von Fig. 12 die gleiche wie vorher beschrieben ist. Die Elektrode in jeder Kanalhälfte läuft den jeweiligen Kanalauslauf 106, 108 aufwärts zu Plattenrändern 110, 112, wo die Verbindung mit der Treiberschaltung 114, 116 typischerweise in der Form einer integrierten Schaltung (IC) hergestellt wird. Solch ein IC enthält normalerweise Treiber für eine Anzahl (zum Beispiel 66) von benachbarten Kanälen und kann mit ICs verbunden werden, welche andere Gruppen von Kanälen in dem Druckkopf (8 ICs sind bei einem Druckkopf, welcher 500 Kanäle aufweist, erforderlich) treibt, um zu erlauben, dass Daten hindurch kaskadiert werden, wie dies dem Stand der Technik bekannt ist.
Ein besonderer Vorteil der Art eines oben beschriebenen Druckkopfes ist seine Fähigkeit, im "Mehrfachimpuls-Grauskalen"-Modus zu arbeiten. Wie zum Beispiel in der EP-A-0 422 870 beschrieben, schließt dies die Auslösung einer veränderlichen Anzahl von Tintentröpfchen (auf welche als "Paket" Bezug genommen wird) von einem einzelnen Kanal innerhalb einer kurzen Zeit ein, welche im Flug miteinander oder auf dem Substrat verschmelzen bzw. sich vereinigen, um einen entsprechend in seiner Größe veränderlichen Druckpunkt zu erzeugen. Selbstverständlich erlaubt die Verwendung von Druckpunkten mit veränderlicher Größe eine bedeutende Erhöhung der Bildqualität gegenüber dem Drucken mit festgelegter Punktgröße (sogenanntes "binäres" Drucken).
Der Nachteil eines solchen Vorgehens ist es, dass die damit einhergehende Zunahme in der Menge von der Treiberschaltung für jeden Kanal zuzuführenden Daten ansteigt. Zum Beispiel erfordert der Befehl des Ausstoßes von bis zu 15 Tröpfchen pro Paket, was zum Drucken von Bildern in fotografischer Qualität mit einem Druckkopf mit einer 360 Punkte pro Inch- Düsenteilung 16 Datenpegel (15 Punktgrößen plus Null), welche mit vier Bits ausgedrückt werden. Es müssen Maßnahmen dafür implementiert werden, um einen ausreichenden Datenfluss sicherzustellen, insbesondere wenn eine große Anzahl von Düsen vorhanden ist (es können mehr als 4600 in einem 360 dpi Druckkopf mit einer Druckbreite von 12 Inch (ca. 30 cm) vorhanden sein oder, wo die Rate, mit welcher die Tröpfchenpakete ausgestoßen werden, hoch ist (typischerweise 10 kHz). Solche Maßnahmen, die in dem Stand der Technik gut bekannt sind, können eine Herabsetzung der Zahl von ICs einschließen, welche miteinander kaskadiert sind und eine zugehörige Zunahme in der Anzahl von Dateneingängen, die notwendig sind, um jede Gruppe von kaskadierten ICs zu betreiben.
Jedes der Tröpfchen in einem Multiimpuls- bzw. Mehrimpuls-"Paket" erfordert verständlicherweise nur einen Bruchteil des Volumens eines herkömmlichen einzelnen durch einen binären "Druckkopf" ausgestoßenen Tröpfchens. Dies kann durch eine Kombination von reduzierter aktiver Kanallänge und Düsen mit kleinerem Durchmesser erreicht werden - wie dies im Stand der Technik bekannt ist - wobei das erhöhte Risiko der Blockierung der kleineren Düsen in dem Druckkopf von Fig. 12 ausgeglichen wird durch eine Anordnung einer Einlaß-Sammelleitung 118 und einer Auslaß-Sammelleitung 120, 122, die in einer Trageinrichtung 124 ausgebildet sind, was einen konstanten Zufluss von Tinte zu den Düsen sicherstellt, wie dies an sich gut bekannt ist.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Konfiguration mit einer "Winkel"-("Chevron"-) Polarisation beschränkt, und es kann Fälle geben, in denen es wünschenswert ist, von einer Platte aus Piezomaterial auszugehen, welche nicht gepolt oder in eine anderen Richtung gepolt wurde als der Dickenrichtung, in welchem Falle die Anwendung der vorliegenden Erfindung zu einem oberen Wandbereich führt, welcher in ähnlicher Weise unpolarisiert ist oder in eine andere Richtung gepolt ist, als in der Dickenrichtung.

Claims

1. Verfahren des Polarisierens eines Bereichs eines monolithischen piezoelektrischen Betätigungselements (24) für die Verwendung in einem Tröpfchenablagerungsapparat, wobei das Element erste und zweite Bereiche aufweist und wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:

Anordnen einer ersten leitenden Schicht (30) in Kontakt mit dem ersten Bereich (46) des Elements und Anordnen des ersten Bereichs (46) des Elements bei einem Äquipotenzial; und

Erzeugen eines polarisierenden elektrischen Feldes über dem zweiten Bereich (48) zwischen dem besagten ersten Bereich (46) und einer weiteren leitenden Schicht (44).

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der besagte Schritt des Anordnens des ersten Bereichs (46) des Elements (24) bei einem Äquipotenzial die Anordnung der ersten leitenden Schicht (30) so einschließt, dass teilweise der erste Bereich (46) eingeschlossen wird.

3. Verfahren gemäß irgendeinem vorhergehenden Anspruch, wobei der erste Bereich (46) des Elements (24) polarisiert ist.

4. Verfahren gemäß Anspruch 3, welches weiter aufweist den Schritt der Erzeugung eines polarisierenden elektrischen Feldes über den zweiten Bereich (48) in einer solchen Richtung, dass der zweite Bereich (48) in einer Richtung entgegengesetzt der Richtung der Polarisation des ersten Bereichs (46) des Elements (24) polarisiert wird.

5. Verfahren nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, wobei der erste Bereich (46) des Elements in einer Richtung polarisiert wird, welche senkrecht zur Richtung ist, in welcher die besagten Bereiche (46, 48) ablenkbar bzw. auslenkbar sind, um den Ausstoß eines Tröpfchen von dem besagten Tröpfchenablagerungsapparat zu bewirken.

6. Verfahren gemäß irgendeinem vorhergehenden Anspruch, wobei das piezolektrische Betätigungselement (24) zwischen zwei in einer homogenen Platte (10) aus Piezomaterial geformten Kanälen definiert ist, wobei jeder Kanal (20) durch einander zugewandte Flächen (25) von Seitenwänden und einer Bodenfläche (26), welche sich zwischen den Flächen (25) der Seitenwände erstreckt, definiert sind.

7. Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei wenigstens einer der besagten zwei Kanäle angepasst ist, um Tröpfchenflüssigkeit zu enthalten.

8. Verfahren gemäß Anspruch 6 und welches den Schritt der Erzeugung eines polarisierenden elektrischen Feldes in einer Richtung parallel zu den einander zugewandten Flächen (25) von Seitenwänden und senkrecht zu der Längsachse des Kanals (20) aufweist.

9. Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die ersten und zweiten Bereiche (46, 48) entfernt von bzw. benachbart zu einer jeweiligen Kanalbodenfläche (26) liegen.

10. Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die besagten ersten und zweiten Bereiche (46, 48) benachbart zu bzw. entfernt von einer jeweiligen Kanalbodenfläche (26) liegen.

11. Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 6 bis 10, wobei wenigstens einer der besagten zwei Kanäle in einer ersten Oberfläche (16) der genannten Platte (10) ausgebildet ist, wobei ein weiterer Bereich (50) der Platte (10) zwischen der Bodenfläche (26) von dem besagten wenigstens einen der beiden Kanäle und der entgegengesetzten Fläche (40) der Platte (10) zu der ersten Fläche (16) liegt.

12. Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei der besagte weitere Bereich (50) in einer Richtung parallel zu der Richtung der Polarisation des besagten ersten Bereichs (46) ist.

13. Verfahren gemäß Anspruch 11, welches weiter die Schritte der Anordnung einer zweiten leitenden Schicht (30) so aufweist, dass sie wenigstens teilweise die besagten ersten und zweiten Bereiche (46, 48) einschließt, und die Erzeugung eines polarisierenden elektrischen Feldes über dem weiteren Bereich (50) zwischen der zweiten leitenden Schicht (30) und der genannten weiteren leitenden Schicht (44) aufweist.

14. Verfahren gemäß irgendeinem vorhergehenden Anspruch, welches weiter den Schritt der Anordnung von Betätigungselektroden (30) auf den ersten und zweiten Bereichen (46, 48) so aufweist, dass die beiden Bereiche gleichzeitig abgelenkt bzw. ausgelenkt werden können.

15. Verfahren nach Anspruch 14, welches weiterhin den Schritt der Anordnung der besagten Betätigungselektroden (30) so aufweist, dass ein elektrisches Feld in einer Richtung senkrecht zu der Richtung der Polarisation des besagten zweiten Bereichs (48) angelegt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, wiederrum unter Rückbeziehung auf irgendeinen der Ansprüche 6 bis 13 und welches fernerhin den Schritt der Anordnung der besagten Betätigungselektroden (30) auf jeweils einander zugewandten Seitenwandflächen (25) aufweist.

17. Bauteil bzw. Komponente zur Verwendung in einem Tröpfchenablageapparat, welche bzw. welches aufweist:

eine homogene Platte (10) aus piezoelektrischem Material, welche mit einer Mehrzahl von parallelen oben offenen Kanälen (20) ausgebildet ist, welche gegenseitig in einer Gruppierungs- bzw. Anordnungsrichtung senkrecht zu der Längserstreckung der Kanäle beabstandet sind und jeweils durch einander zugewandte Seitenwände (24) und eine sich zwischen den Seitenwänden (24) erstreckende Bodenfläche (26) definiert sind;

wobei wenigstens eine der besagten Seitenwände (24) einen ersten Bereich (46) aufweist, welcher von einer jeweiligen Bodenfläche (26) entfernt ist, und einen zweiten Bereich (48) aufweist, welcher benachbart zu der jeweiligen besagten Bodenfläche (26) ist, wobei der besagte zweite Bereich (48) in einer Richtung senkrecht zu sowohl der Länge der Kanäle als auch der Gruppierungs- bzw. Anordnungsrichtung polarisiert ist, und wobei der besagte erste Bereich (46) entweder unpolarisiert oder in einer anderen Richtung als der ersten Richtung polarisiert ist.

18. Bauteil bzw. Komponente gemäß Anspruch 17, wobei die ersten und zweiten Bereiche (46, 48) in entgegengesetzten Richtungen polarisiert sind, die senkrecht zu sowohl der Länge der Kanäle (20) als auch der Gruppierungs- bzw. Anordnungsrichtung liegen.

19. Bauteil bzw. Komponente gemäß Anspruch 17 oder 18, wobei wenigstens einer der besagten zwei Kanäle in einer ersten Fläche (16) der Platte (10) ausgebildet ist, wobei ein weiterer Bereich (50) der Platte (10) zwischen der Grundfläche (26) von besagtem wenigstens einem der zwei Kanäle und der zu der ersten Fläche (16) entgegengesetzten Fläche (40) der Platte (10) liegt.

20. Bauteil bzw. Komponente gemäß Anspruch 19, wobei der besagte weitere Bereich (50) in einer Richtung parallel zur Richtung der Polarisation des besagten ersten Bereichs (46) polarisiert ist.

21. Bauteil bzw. Komponente gemäß Anspruch 20, wobei der besagte weitere Bereich (50) in einer Richtung entgegengesetzt zu derjenigen des besagten ersten Bereichs (46) polarisiert ist.

22. Bauteil bzw. Komponente gemäß irgendeinem der Ansprüche 17 bis 21, wobei Betätigungselektroden (30) auf den ersten und zweiten Bereichen (46, 48) so angeordnet sind, dass sie in der Lage sind, die beiden Bereiche gleichzeitig abzulenken bzw. auszulenken.

23. Bauteil bzw. Komponente gemäß Anspruch 22, wobei die besagten Betätigungselektroden (20) so angeordnet sind, um ein elektrisches Feld in einer Richtung senkrecht zu der Richtung der Polarisation des besagten zweiten Bereichs (48) anzulegen.

24. Bauteil bzw. Komponente gemäß den Ansprüchen 22 oder 23, wobei die Betätigungselektroden (30) auf jeweiligen einander zugewandten Seitenwänden (24) angeordnet sind.