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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Tintenstrahlaufzeichnungsgerät zur Bildung eines
Tintenbildes auf einem Medium wie etwa Aufzeichnungspapier oder ähnlichem durch Ausstoßen von
Tintentröpfchen auf das Medium. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung den
Tintenstrahlkopf eines solchen Tintenstrahlaufzeichnungsgerätes.
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Ein Tintenstrahlkopf gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 mit einem Substrat, in dem eine
Vielzahl von Düsen ausgebildet ist, und einem piezoelektrischen Wandler, der Tinte unter Druck
setzt und ausstößt, ist in der US-A-4,072,959 offenbart. Bei diesem bekannten
Tintenstrahlkopf werden den piezoelektrischen Wandler bildende Vibratoren nahezu rechtwinklig zu dem
düsenbildenden Substrat ausgelenkt, so daß der Tintenkanal zu den Düsen kurz ist und die
Abgabeeffizienz und Stabilität der Tintentröpfchen hoch sind. Da weiterhin die Tintenkanäle
zwischen den Düsen über einen kurzen Abstand miteinander in Verbindung stehen, werden
Blasen und Fremdstoffe wie Staub oder ähnliches, die mit der Tinte vermischt sein können, den
normalen Betrieb nicht beeinflussen.
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Die Vibratoren mit freitragendem oder Mittelstabaufbau bieten einen hohen
elektromechanischen Wandlerwirkungsgrad und erlauben, mit einer kleinen Spannung die notwendige
Vibratorauslenkung zu erzielen.
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Andererseits sind mit dem vorgenannten Stand der Technik stabile Charakteristiken kaum zu
erreichen. Die Größe eines Spalts zwischen jedem Vibrator und dem düsenbildenden Substrat
beeinflußt Charakteristiken wie die Ausstoßrate, die Ausstoßmenge und die Ausstoßerholzeit.
Zur Erzielung befriedigender Charakteristiken muß daher die Spaltgröße mit einer sehr geringen
Toleranz eingestellt werden. Zur Erhöhung der Ausstoßrate und der Ausstoßmenge der
Tintentröpfchen ist es nötig, den Spalt zwischen dem düsenbildenden Substrat und dem ihm
gegenüberliegenden Vibrator innerhalb eines infinitesimalen konstanten Bereichs zu halten, um den
Druck der nahe den Düsen vorhandenen Tinte zu erhöhen. In solch einem infinitesimalen Spalt
steht der Vibratorauslenkung ein großer strömungsinduzierter Widerstand infolge einer
Strömung der in dem Spalt zwischen dem Vibrator und dem düsenbildenden Substrat vorhandenen
Tinte entgegen. Auch ist es schwierig, einen geeigneten Dämpfungszustand der Vibratoren
einzustellen, so daß, wenn beispielsweise die Dämpfung zu stark ist, der Maximalwert des
Tintenausstoßdrucks minimal wird und die zum Erreichen des maximalen Ausstoßdrucks erforderliche
Zeit im Vergleich zu dem Fall einer niedrigeren periodischen Dämpfung mit einer langen
Zeitkonstante lang wird, wodurch der Energiewirkungsgrad verschlechtert wird. Ferner wird die
Zufuhr der notwendigen Tinte für die erneute Bildung eines Düsenmeniskus für den nächsten
Tintenausstoß durch den schmalen Spalt zwischen dem Vibrator und dem düsenbildenden
Substrat behindert, so daß die Zeit für die Tintenrückkehr lang wird und die Erholzeit
verschlechtert, so wie eine Erscheinung einer Ausstoßmengenschwankung abhängig von der
Ansteuerfrequenz unvermeidbar macht.
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Die vorliegende Erfindung beabsichtigt, die oben genannten Probleme zu beseitigen und einen
Tintenstrahlkopf mit einem hohen Energiewirkungsgrad und stabilen Charakteristiken zu
schaffen, der gleichzeitig eine gute Ausstoßrate, Ausstoßmenge und Ausstoßerholzeit der
Tintentröpfchen bietet.
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Diese Aufgabe wird mit einem Tintenstrahlkopf der beanspruchten Art gelöst.
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Wenn bei dieser Lösung der Vibrator deformiert und zum Tintenausstoß ausgelenkt wird,
können eine Ausstoßdruckerzeugungscharakteristik und eine periodische Dämpfungscharakteristik
abhängig von dem Strömungswiderstand, der auf die zwischen dem düsenbildenden Substrat
und dem beweglichen Teil des Vibrators vorhandene Tinte einwirkt, unabhängig voneinander
gesteuert werden, was die Realisierung eines Kopfes mit stabilen Charakteristiken erlaubt.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend im einzelnen unter Bezug
auf die Zeichnungen beschrieben, in denen:
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FIG. 1 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Aufzeichnungsgerätes mit
einem Tintenstrahlkopf gemäß der Erfindung ist,
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FIG. 2 eine perspektivische Ansicht ist, die den Aufbau eines piezoelektrischen Wandlers
darstellt, der in einer ersten Ausführungsform des Tintenstrahlkopfes gemäß der
Erfindung verwendet wird,
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FIG. 3(a) und 3(b) eine Vorderansicht, bzw. eine Schnittansicht sind, die die Form eines
düsenbildenden Substrats der ersten Ausführungsform der Erfindung darstellen,
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FIG. 4 eine Teilschnittansicht ist, die den Aufbau des Tintenstrahlkopfes der ersten
Ausführungsform der Erfindung zeigt,
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FIG. 5 eine Zeichnung zur Darstellung des Druckerzeugungsmechanismus ist,
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FIG. 6(a), (b) bis FIG. 9(a), (b) Zeichnungen sind, die verschiedene alternative Formen des
düsenbildenden Substrats zeigen,
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FIG. 10 eine Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform des Tintenstrahlkopfes der
Erfindung ist,
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FIG. 11 eine perspektivische Ansicht ist, die den Aufbau des piezoelektrischen Wandlers der
zweiten Aussführungsform darstellt,
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FIG. 12 eine Teilschnittansicht einer dritten Ausführungsform des Tintenstrahlkopfes der
Erfindung ist,
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FIG. 13 eine Schnittansicht einer vierten Ausführungsform des Tintenstrahlkopfes der Erfindung
ist,
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FIG. 14 eine perspektivische Ansicht ist, die den Aufbau des piezoelektrischen Wandlers
darstellt, der in der vierten Ausführungsform verwendet wird,
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FIG. 15 eine Zeichnung ist, die die Form des für eine fünfte Ausführungsform der Erfindung
benutzten Vibrators zeigt,
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FIG. 16 eine Teilschnittansicht der fünften Ausführungsform des Tintenstrahlkopfes der
Erfindung ist,
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FIG. 17(a), (b) bis FIG. 19.(a), (b) Zeichnungen sind, die verschiedene alternative Formen des
für die fünfte Ausführungsform verwendeten Vibrators zeigen,
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FIG. 20(a) und (b) Zeichnungen sind, die eine sechste Ausführungsform der Erfindung
darstellen, wobei (a) die Form eines düsenbildenden Substrats zeigt und (b) den
Zusammenhang zwischen dem düsenbildenden Substrat und dem Vibrator angibt,
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FIG. 21(a) und (b) Zeichnungen sind, die eine siebte Ausführungsform der Erfindung darstellen,
wobei (a) die Form eines düsenbildenden Substrats zeigt und (b) den
Zusammenhang zwischen dem düsenbildenden Substrat und dem Vibrator angibt, und
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FIG. 22 eine Zeichnung zur Erläuterung eines Verfahrens zur Herstellung des düsenbildenden
Substrats der sechsten Ausführungsform ist.
Beispiel 1
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FIG. 1 stellt eine Ausführungsform eines Aufzeichnungsgerätes mit einem darin montierten
Tintenstrahlkopf gemäß der Erfindung dar. Ein Aufzeichnungsmedium 1 ist unter dem Druck von
Transportrollen 2 und 3 um eine Schreibwalze 4 gewunden und wird während der
Aufzeichnung in der durch einen Pfeil 5 angegeben Richtung transportiert. Ein Tintenstrahlkopf 9 ist auf
einem Wagen 8 montiert, der in der Richtung eines Pfeiles 10 parallel zur Schreibwalze 4 längs
Führungsstangen 6, 7 verschiebar ist. Der Tintenstrahlkopf 9 hat eine Vielzahl von Düsen (nicht
gezeigt in FIG. 1), die unabhängig gesteuert werden können, um Tintentröpfchen auszustoßen.
Der Tintenstrahlkopf 9 wird in die Richtung eines Pfeiles 10 bewegt, während Tintentröpfchen
selektiv von seinen Düsen ausgestoßen werden, und dadurch wird ein Tintenbild auf dem
Aufzeichnungsmedium 1 ausgebildet.
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FIG. 2 ist eine perspektivische Ansicht, die den Aufbau eines piezoelektrischen Wandlers zeigt,
der in dem Tintenstrahlkopf der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Der Wandler
20 umfaßt eine Vielzahl von Vibratoren 21, die durch Einschnitte 23 voneinander getrennt sind,
und einen festen Abschnitt 22. Signalelektroden 25 aus einer Au-Dünnschicht sind auf einer
Seite jeweiliger piezoelektrischer Elemente 24, die aus PZT bestehen, ausgebildet. Eine
Metallplatte, die aus einer Ni-Schicht besteht, ist als eine gemeinsame Elektrode 26 auf der anderen
Seite der piezoelektrischen Elemente 24 ausgebildet. Ein Abstandshalter 27 aus einer Ni-
Schicht ist auf dem festen Abschnitt 22 ausbildet.
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FIG. 3(a) ist eine Vorderansicht, die die Form eines düsenbildenden Substrats der vorliegenden
Erfindung darstellt. FIG. 3(b) ist eine Schnittansicht des düsenbildenden Abschnitts längs der
Linie A-A in FIG. 3(a). Das düsenbildende Substrat 30 ist aus einer dünnen Ni-Platte hergestellt,
die eine Vielzahl von Düsen 31 aufweist, welche durch Galvanoformung ausgebildet sind.
Andere Teile als ein bandartiger Abschnitt, der benachbarte Abschnitte von
Düseneinlaßöffnungen 34 verbindet, sind durch Ätzen entfernt. Dadurch ergibt sich eine Höhendifferenz unter
Bildung eines Bettes 32 in der Nachbarschaft der Düseneinlaßöffnungen 34 des düsenbildenden
Substrats.
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FIG. 4 ist eine Teilschnittansicht, die den Aufbau des Tintenstrahlkopfes 9 gemäß der ersten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Das düsenbildende Substrat 30, der
piezoelektrische Wandler 20 und eine elastische Aufnahme 42 sind zwischen einem Hauptrahmen 40
und einem Hilfsrahmen 41 angeordnet. In dem Hilfsrahmen 41 ist ein Tintenbehälter 43
ausgebildet,
und Tinte (nicht gezeigt) wird von dem Tintenbehälter 43 zu den Düsen 31 geführt. Die
Richtung, in die das piezoelektrische Element 24 polarisiert ist, ist derart, daß die
Kontraktionsrichtung orthogonal zu dem elektrischen Feld ist, das aufgebaut wird, wenn eine Spannung
zwischen der gemeinsamen Elektrode 26 und der Signalelektrode 25 angelegt wird. Da die Ni-
Dünnschicht, die die gemeinsame Elektrode 26 bildet, einen hohen Elastizitätsmodul aufweist,
wird, wenn ein elektrisches Feld an das piezoelektrische Element angelegt wird, ein
Biegemoment zu der Signalelektrode 25 erzeugt, das zu einer entsprechenden Verformung führt. Wenn
daher in einem Bereitschaftszustand eine Spannung angelegt und selektiv entfernt wird, wird
das freie Ende des Vibrators 21 verformt und gegen das düsenbildende Substrat 30 ausgelenkt,
um Tinte durch die Düse 31 auszustoßen. Ein Spalt a zwischen dem Vibrator 21 und der Düse
31 ist mit dem Ziel einer besseren Tintenausstoßcharakteristik bemessen, während ein Spalt (b)
zwischen dem Vibrator 21 und den anderen Abschnitten des Substrats 30 als dem Bett 32 der
Düseneinlaßöffnungen 34 (FIG. 3(a)) so eingestellt ist, daß der Vibrator zur Erzielung einer
stetigen Tintenspeisung in einem geeigneten periodischen Dämpfungsbereich arbeitet.
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Unter Bezugnahme auf FIG. 5 sollen nun der Druckerzeugungsmechanismus und der
Dämpfungsmechanismus detaillierter erläutert werden. Wenn, als einfaches Modell, zwei Scheiben
sich einander mit konstanter Geschwindigkeit annähern, wie in FIG. 5 gezeigt, dann ist der
zwischen den beiden Scheiben aufgebaute Druck annähernd durch die folgende Gleichung
dargestellt:
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wobei n: Viskosität des Fluids
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V: Relativgeschwindigkeit zwischen den Scheiben
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P: Druck
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h: Abstand zwischen den Scheiben
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2a: Durchmesser jeder Scheibe
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X und Z sind Variablen, wie in FIG. 5 definiert.
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Ein Spitzendruck wird nahe der Scheibenmitte erzeugt, während kein Druck am
Außenrandbereich erzeugt wird. Der Wert des Drucks hängt in großem Ausmaß von dem Abstand h
zwischen den Scheiben ab.
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Demgemäß ist es im Fall eines Stabvibrators wie bei der ersten Ausführungsform nötig, den
Spalt zwischen dem düsenbildenden Substrat in der Nachbarschaft der Düsen und dem Vibrator
auf einen geeigneten Wert zu bringen, um einen hohen Druck an dem Düsenabschnitt zu
erreichen
und einen wirkungsvollen Tintenausstoß zu erzielen. Wenn dieser Spalt zu klein ist, nimmt
der Strömungswiderstand der Tinte zu den Düsen zu, so daß die Tinte nicht zufriedenstellend
zugeführt wird. Unter Bezugnahme auf FIG. 4 bedeutet dies, daß das Maß a auf einen
geeigneten Wert eingestellt werden muß. Der Spalt zwischen dem düsenbildenden Substrat und dem
Vibrator (Maß b in FIG. 4) in dem Bereich außerhalb der Nachbarschaft der Düsen beinflußt die
Druckerzeugung nicht. Wenn der Bereich bzw. die Fläche, wo der Spalt das Maß a in FIG. 4
hat, größer als nötig ist, wird der Tintenfluß zu den Düsen beeinträchtigt. Tests sind mit
verschiedenen Größen von Vibratoren und Fluids verschiedener Viskositäten ausgeführt worden,
und die Tintenausstoßcharakteristik ist bewertet worden. Es hat sich gezeigt, daß der Bereich,
innerhalb dessen der Spalt das Maß a aufweist, eine Breite aufweisen sollte, die nicht größer
als die des Vibrators ist. Bezeichnet man die Vibratorbreite mit B (FIG. 2) dann sollte, wenn der
Bereich des das Maß a einhaltenden Spalts (dieser wird nachfolgend als der erste Bereich
bezeichnet) durch einen Radius C von der Düsenmitte ausgedrückt wird, die Beziehung C≤B/2
erfüllt sein. Der Restbereich des Spalts (zweiter Bereich) außerhalb des durch B/2 definierten
ersten Bereichs beinflußt die Druckerzeugung an dem Düsenabschnitt nicht. Vom
Gesichtspunkt der Ausstoßdruckerzeugung kann folglich ein effizienter Ausstoß dadurch realisiert
werden, daß man Hohlräume in der Nachbarschaft der Düsen und außerdem Hohlräume in anderen
Bereichen unabhängig voneinander steuert. Der Spalt in dem zweiten Bereich wird so
eingestellt, daß der Strömungswiderstand und die bei einer Vibratorauslenkung von der
Tintenströmung auf den Vibrator ausgeübte Massenlast gesteuert werden. Dadurch kann eine geeignete
periodische Dämpfungscharakteristik des Vibrators eingestellt werden. Wenn der Spalt größer
als ein geeigneter Wert ist, verhindert eine Restschwingung ein schnelles Ansprechen und
ferner wird eine Vielzahl von Tintentröpfchen aufgrund eines einzigen Antriebssignals (Auslenkung
des Vibrators) ausgestoßen. Wenn der Spalt kleiner als ein geeigneter Wert ist, wird die
Strömungswiderstandslast übermäßig groß, und für die Auslenkung wird eine große Leistung
erforderlich sein. Es wurde experimentell herausgefunden, daß die Srömungswiderstandslast in dem
zweiten Bereich verringert werden muß, wenn die Tintenviskosität über 5 mPas liegt, so daß a
< b vorzuziehen ist. Wenn die Tintenviskosität 5 mPas oder weniger beträgt, ist es günstig,
daß eine geeignete Strömungswiderstandslast in dem zweiten Bereich vorgesehen wird, so daß
a > b vorzuziehen ist.
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Die erste Ausführungsform betrifft den ersteren Fall, wo die Tintenviskosität auf 8 mPas
eingestellt ist, die Vibratorbreite 0,3 mm beträgt, das Spaltmaß a 20 um ist, das Spaltmaß b 40 um
ist und das Maß C der Bettfläche 25 mm.
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Die FIG. 6(a), (b) bis 9(a), (b) sind Vorderansichten, die verschiedene Formen des
düsenbildenden Substrats für den Tintenstrahlkopf gemäß der Erfindung darstellen, bzw. Schnittansichten
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Die FIG. 6(a), (b) bis 9(a), (b) sind Vorderansichten, die verschiedene Formen des
düsenbildenden Substrats für den Tintenstrahlkopf gemäß der Erfindung darstellen, bzw. Schnittansichten
längs den Linien B-B, C-C, D-D und E-E. Die in FIG. 6 gezeigten Formen sind dafür gedacht, die
Tintenspeisung der Düsen dadurch von allen Umfangsrichtungen zu vergrößern, daß dem Bett
32 eines nahe der Einlaßöffnung 34 jeder Düse 31 gelegenen Abschnitts eine kreisförmige
Form gegeben wird verglichen mit dem bandartigen Bett 32, das in FIG. 3(a) gezeigt ist. Die
Anordnungen, die in den FIG. 7 bis 9 gezeigt sind, unterscheiden sich von der in FIG. 6
gezeigten darin, daß Nuten 33 vorgesehen sind, die radial von der Düsenmitte ausgehen, um dadurch
die Tintenzufuhr weiter zu verstärken. Der Boden der Nuten 33 liegt auf derselben Ebene wie
die übrigen Teile außer dem des Betts 32. Die FIG. 7 und 9 sind insbesondere wirkungsvoll zur
Verringerung der gegenseitigen Beeinflussung unter den Düsen, da Nuten 33 nicht in
Abschnitten des Betts 32 vorgesehen sind, die benachbarten Düsen gegenüberliegen.
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Bei dem oben erläuterten Aufbau werden die Dicke des Abstandshalters 27 und die Höhe des
Betts 32 zur Auswahl gewünschter Spaltmaße a und b geeignet eingestellt. Damit die
Vibratoren 21 mit einer geeigneten Dämpfung betrieben werden, wird der Spalt zur Zufuhr der für den
Wiederaufbau eines Düsenmeniskus nach Ausstoß von Tintentröpfchen erforderlichen Tinte von
den Spaltmaß b nahe dem festen Ende der Vibratoren bestimmt. Der zum Ausstoß der
Tintentröpfchen notwendinge Spalt wird von dem Spaltmaß a nahe dem freien Ende der Vibratoren
bestimmt. Dadurch erzielt man einen wirkungsvollen Tintenstrahlkopf, der einen hohen
Energiewirkungsgrad aufweist und verschiedene Charakteristiken wie Ausstoßrate, Ausstoßmenge
und Ausstoßerholzeit gleichzeitig erfüllt.
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Wie oben erläutert, wird bei dieser Ausführungsform eine einstückig mit dem piezoelektrischen
Element ausgebildete dünne metallische Platte als Abstandshalter verwendet. Eine gesonderte
dünne metallische Platte kann jedoch eingesetzt und zwischen dem düsenbildenden Substrat
und dem piezoelektrischen Element als der Abstandshalter fixiert werden. Außerdem wurde ein
freitragender Stabvibrator beschrieben. Ein ähnlicher Aufbau ist aber auch mit einem
Mittelstabvibrator erreichbar.
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Bei der oben beschriebenen Ausführungsform ist die Fläche der Düseneinlaßöffnung weiter als
die der Düsenauslaßöffnung, d.h. die Düse ist im Querschnitt trichterartig. Die Düsenform ist
allerdings nicht speziell auf diese besondere Form beschränkt, sondern es ist ersichtlich, daß
auch andere Formen für die Düse der Erfindung eingesetzt werden können.
Beispiel 2
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FIG. 10. zeigt eine andere Ausführungsform des Tintenstrahlkopfes, der eine Vibratorform
verwendet, die sich von der der vorherigen Ausführungsform unterscheidet. Der grundsätzliche
Aufbau ist ähnlich der vorangehenden Ausführungsform, weshalb sich die folgende
Beschreibung auf die Unterschiede konzentrieren wird.
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In FIG. 10 ist ein Vibrator 52 gegenüber jeder Düse 53 unter Bildung eines infinitesimalen
Spalts nahe seines freien Endes angeordnet. Ein Verdrahtung 55 ist mit den Signalelektroden
54 verbunden, um selektiv eine Spannung an die Vibratoren anzulegen.
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Der Aufbau des piezoelektrischen Wandlers 56 ist in FIG. 11 gezeigt. Bei dieser
Ausführungsform weist jeder Vibrator an einem vorderen Nasenabschnitt eine Schicht 57 zur Einstellung
des Spalts auf.
Beispiel 3
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FIG. 12 zeigt eine Teilschnittansicht einer dritten Ausführungsform des Tintenstrahlkopfes
gemäß der Erfindung. Ein düsenbildendes Substrat 60 umfaßt eine dünne metallische Platte, in
der eine Vielzahl von Düsen 61 ausgebildet ist und bei der ein Abschnitt um die Düse
gegenüber dem freien Ende eines Vibrators 62 dicker ausgebildet ist als andere Abschnitte.
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Ein Vibrator 62 ist gegenüber jeder Düse 61 unter Bildung eines infinitesimalen Spalts nahe
dem freien Ende des Vibrators angeordnet.
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Bei dieser Ausführungsform ist eine Nut 64 in einem Teil des düsenbildenden Substrats 60
gegenüber der Nachbarschaft eines festen Endes des Vibrators 62 ausgebildet. Demzufolge
werden der Spalt b in der Nachbarschaft des festen Endes des Vibrators und der Spalt a in der
Nachbarschaft des freien Endes des Vibrators von der Dicke eines Abstandshalters 65 und der
Dicke der Nut 64 bestimmt. Wiederum wird der Spalt b danach bestimmt, daß eine gewünschte
periodische Dämpfung des Vibrators 62 erreicht wird, und der Spalt a im Hinblick auf den
notwendigen Tintenausstoß.
Beispiel 4
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FIG. 13 ist eine Schnittansicht des Tintenstrahlkopfes gemäß einer vierten Ausführungsform
der Erfindung. Eine düsenbildende Platte 72, ein Abstandshalter 73, ein piezoelektrischer
Wandler 74 und eine elastische Aufnahme 75 sind zwischen einem Hauptrahmen 70 und einem
Hilfsrahmen 71 angeordnet und mit Hilfe von Schrauben 76, 77 aneinander befestigt. Die
düsenbildende Platte 72 umfaßt eine dünne metallische Platte, in der eine Vielzahl von Düsen 78
ausgebildet ist. Eine Heizeinrichtung 79 ist an der Rückseite des Hilfsrahmens 71 montiert und
wird dazu verwendet, den Tintenstrahlkopf auf eine Arbeitstemperatur aufzuheizen und eine
Heißschmelztinte (nicht gezeigt), die in einen Tintenbehälter 80 und um den piezoelektrischen
Wandler 74 gefüllt ist, aufzulösen. Die Tinte hat bei Raumtemperatur einen festen Zustand.
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FIG. 14 ist eine perspektivische Ansicht des piezoelektrischen Wandlers 74. Er umfaßt eine
Vielzahl von Vibratoren 81, die durch Einschnitte getrennt sind, und einen festen Abschnitt 82.
Ein piezoelektrisches Element 83, das aus PZT besteht, hat eine Signalelektrode 84, die aus
einer Au-Dünnschicht besteht, auf einer Seite und eine gemeinsame Elektrode 85, die aus einer
Ni-Dünnschicht besteht, auf der anderen Seite. Das piezoelektrische Element 83 und die
gemeinsame Elektrode 85 sind mittels eines Lots (mit einem Schmelzpunkt von 140ºC) bei
einer Temperatur von 160ºC, die höher ist als die vorgenannte Arbeitstemperatur, miteinander
verbunden. Da der lineare Ausdehnungskoeffizient von Ni, das die gemeinsame Elektrode 85
bildet, größer als der des piezoelektrischen Elements 83 ist, wird bei einer Arbeitstemperatur
von 110ºC ein Biegemoment eines Bimetalleffekts erzeugt und damit eine nach innen
gerichtete Verwerfung einer Krümmung R&supmin;¹ auf der Seite der gemeinsamen Elektrode hervorgerufen
(dieser Zustand ist in FIG. 14 gezeigt). Die linearen Ausdehnungskoeffizienten des
piezoelektrischen Elements und des Ni, die bei dieser Ausführungsform verwendet werden, sind 1,8 x 10&supmin;
&sup6; K&supmin;¹, bzw. 12,8 x 10&supmin;&sup6; K&supmin;¹. Wenn die Spannweite des freitragenden Stabs 3 mm beträgt,
werden eine nach innen gerichtete Verwerfung mit einer Krümmung R&supmin;¹ = 6,0 m&supmin;¹ und einem
Krümmungsradius R = 166,7 mm durch eine Temperaturdifferenz von 50ºC und eine
Verwerfung y = 27 um (FIG. 13) erhalten. In FIG. 13 ist der piezoelektrische Wandler 74 fest auf der
Düsenplatte angebracht, so daß die Tangente des festen Endes des Vibrators 81 parallel zur
Düsenplatte 72 gehalten wird. Das freie Ende des Vibrators 81 ist gegenüber einer
entsprechenden Düse 78 unter Zwischenlage eines infinitesimalen Spalts nahe dem freien Ende
angeordnet, der durch die Verwerfung erzeugt wird. Das feste Ende des Wandlers 74 ist
zwischen dem Hauptrahmen 70 und dem Hilfsrahmen 71 über den Abstandshalter 73 und die
elastische Aufnahme 75 eingeklemmt. Damit bleibt der piezoelektrische Wandler 74 in diesem
Bereich flach, und als Folge davon ergibt sich eine interne Spannung. Der Vibrator ist mit einem
relativ kurzen festen Ende ausgelegt, so daß die interne Spannung nicht einen zulässigen
Bereich überschreitet, so daß eine Beschädigung des Vibrators verhindert wird.
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Eine Verdrahtung 86 ist mit den einzelnen Signalelektroden 84 verbunden, um selektiv die
Vibratoren zu erregen. Die gemeinsamen Elektroden 85 sind auf jedem Vibrator unabhängig
ausgebildet und dadurch elektrisch miteinander verbunden, daß für den Abstandshalter 73 Ni
verwendet wird und für den Hauptrahmen 70 ein Al oder Zn Druckgußteil.
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Die Arbeitsweise dieser Ausführungsform der Erfindung soll als nächstes unter Bezugnahme
auf FIG. 13 erläutert werden. Eine Heißschmelztinte wird von dem Tintenbehälter 80 um die
Düsen herumgeführt. Wie bei der vorangegangenen Ausführungsform wird durch Anlegen einer
Spannung an den Vibrator die Nase des Vibrators ausgelenkt und Tinte von der Düse 78
ausgestoßen.
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Bei dem oben beschriebenen Aufbau wird der Spalt b für die Einstellung einer geeigneten
periodischen Dämpfung des Vibrators 81 von der Dicke des Abstandshalters 73 bestimmt. Eine
Verwerfung oder Wölbung y wird gemäß dem oben erläuterten Bimetalleffekt am freien Ende
des Vibrators 81 erzeugt. Daher wird der Spalt a zwischen der Düse und der Nachbarschaft
des freien Endes des Vibrators, der für das Ausstoßen von Tinte erforderlich ist, dadurch
sichergestellt, daß das feste Ende des Vibrators 81 über den Abstandshalter 73 auf die
düsenbildende Platte 72 geklemmt wird. Wenn dann ein elektrisches Signal dem Vibrator eingeprägt
wird, erreicht er eine Endauslenkung unter einer periodischen Dämpfung einer langen
Zeitkonstante. Damit kann der Tintenausstoßdruck maximiert werden und die Zeit zum Erreichen des
maximalen Ausstoßdrucks kann verkürzt werden. Selbst wenn auf dem Vibrator ein Element
mit einem anderen linearen Ausdehnungskoeffizienten vorgesehen ist, kann, da die
Arbeitstemperatur durch Verwendung einer Heißschmelztinte gesteuert wird, eine Schwankung der
Wölbung gemäß dem Bimetalleffekt infolge einer Änderung der Umgebungstemperatur verhindert
werden.
Beispiel 5
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FIG. 15(a) zeigt einen Teil eines Vibrators 90 des piezoelektrischen Wandlers einer fünften
Ausführungsform der Erfindung. FIG. 15(a) zeigt die Seite eines Vibratorabschnitts, die dem
düsenbildenden Substrat zugewandt ist. FIG. 15(b) ist eine Schnittansicht längs der Linie F-F in
FIG(a). Der piezoelektrische Wandler dieser Ausführungsform umfaßt eine Vielzahl von
Vibratoren 90 und einen festen Abschnitt. Eine Signalelektrode 92 bestehend aus einer
Au-Dünnschicht ist auf einer Seite eines piezoelektrischen Elements 91 ausgebildet, während eine
metallische Platte bestehend aus einer Ni-Schicht und dienend als eine gemeinsame Elektrode
93 auf der anderen Seite des piezoelektrischen Elements 91 ausgebildet ist. Die metallische
Platte weist an dem freien Ende des Vibrators 90 gegenüber einer Düse einen verdickten
Abschnitt auf, der einen kreisförmigen Vorsprung 94 bildet.
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FIG. 16 ist eine Teilschnittansicht, die den Aufbau des Tintenstrahlkopfes gemäß der fünften
Ausführungsform der Erfindung darstellt. Der Spalt a zwischen dem auf dem Vibrator 90
vorgesehenen Vorsprung 94 und einem düsenbildenden Substrat 95 ist so bemessen, daß die
Tintentröpfchenausstoßcharakteristik verbessert wird. Der Spalt b zwischen dem anderen
Abschnitt als dem Vorsprung 94 des Vibrators 90 und dem düsenbildenden Substrat 95 wird
unabhängig von dem Spalt a so eingestellt, daß der Vibrator mit einer geeigneten periodischen
Dämpfung betrieben wird und Tinte stetig von allen Umfangsrichtungen den Düsen zugeführt
wird.
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Die FIG. 17(a), (b) bis FIG. 19(a), (b) sind Zeichnungen entsprechend FIG. 15(a), (b) und zeigen
alternative Konstruktionen des Vibrators. Gemäß den FIG. 17 bis 19 sind Nuten 96 in dem
kreisförmigen Vorsprung 94 vorgesehen, um die Tintenzufuhr weiter zu verbessern. Die Nuten
96 gehen radial von der Düsenmitte aus, und ihr Boden liegt in der gleichen Ebene wie die
anderen Abschnitte als der Vorsprung 94. Insbesondere sind die in den FIG. 17 und 19
gezeigten Alternativen auf beiden, benachbarten Vibratoren zugewandten Seiten nicht mit Nuten 96
versehen, wodurch eine gegenseitige Beeinflussung unter den Düsen verringert wird.
Beispiel 6
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Die FIG. 20(a) und (b) sind eine Vorderansicht bzw. eine Schnittansicht, die die Form des
düsenbildenden Substrats einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen.
Diese Ausführungsform eignet sich für einen Fall, wo die Viskosität der Tinte niedrig ist und die
Beziehung zwischen der Breite a des Spalts im ersten Bereich nahe der Düse und der Breite b
des Spalts im übrigen Bereich auf a > b eingestellt ist. Da der grundsätzliche Aufbau ähnlich
den vorangegangenen Ausführungsformen ist, soll dieser hier nicht weiter beschrieben werden.
Das düsenbildende Substrat 100 ist durch Galvanoformen hergestellt und daher allgemein mit
einer gleichförmigen Dicke aufgebaut.
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Wie in FIG. 22 gezeigt ist eine elektrolytisch plattierte Schicht 203 auf einem Bezugsformstück
mit einem auf einem Isolator 201 ausgebildeten Leitermuster 202 ausgebildet. Die Schicht 203
wird mit einer Resistschicht 204 beschichtet, und eine elektrolytisch plattierte Schicht 205
wird weiter auf Teilen der Schicht 202 ausgebildet, die durch Musterung freigelegt werden.
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Nachdem dann schließlich die Resistschicht 204 entfernt wird, wird durch Galvanoformung
eine Form mit einem gewünschten Düsenloch und einer geeigneten Höhendifferenz erhalten.
Eine elektrolytisch plattierte Schicht wird auf der Form ausgebildet und danach von der Form
entfernt, um das in FIG. 2 gezeigte gestufte düsenbildende Substrat zu erhalten. Nach dem
Zusammenbau führt dieses düsenbildende Substrat zu einem Spalt einer Breite a in einem
ersten Bereich und einem Spalt einer Breite b in dem übrigen zweiten Bereich zwischen dem
düsenbildenden Substrat und dem Vibrator. Was die Ausdehnung des ersten Bereichs angeht,
wird auf die Beschreibung der FIG. 3 bis 5 Bezug genommen.
Beispiel 7
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Die FIG. 21(a), (b) sind eine Vorderansicht bzw. eine Schnittansicht ähnlich den FIG. 20(a), (b),
die die Beziehung zwischen dem Vibrator und dem düsenbildenden Substrat einer siebten
Ausführungsform zeigen. In den FIG. 21(a) und (b) sind dieselben Bezugszahlen wie in den FIG.
20(a), (b) verwendet. Wie die sechste Ausführungsform, dient die siebte Ausführungsform für
den Fall, wo die Viskosität der Tinte gering ist. In einem kreisförmigen ersten Bereich eines
Radius c in der Nachbarschaft der Düse hat das düsenbildende Substrat eine Ausnehmung, die
zu einer Spaltbreite a führt, die größer als die Spaltbreite b in dem übrigen Bereich des Spalts
zwischen dem düsenbildenden Substrat und dem Vibrator ist.
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Wie oben beschrieben, ist der Spalt zwischen dem düsenbildenden Substrat und dem Vibrator
in einen ersten Bereich nahe einer Düseneinlaßöffnung des düsenbildenden Substrats und einen
übrigen zweiten Bereich unterteilt. Die Spaltbreite in dem ersten Bereich ist verschieden von der
in dem zweiten Bereich. Die Breite a des Spalts in dem ersten Bereich hat einen für den
Tintenausstoß nötigen Wert. Die Spaltbreite b in dem zweiten Bereich, der einen Speisekanal für die
Tinte bildet, ist so gewählt, daß nach dem Ausstoß eines Tintentröpfchens eine schnelle
Wiederausbildung eines Düsenmeniskus erlaubt wird. Damit wird die Zeit für die Wiederauffüllung
der Tinte auf einen geeigneten Wert gebracht. Dadurch kann die Erholzeit verkürzt werden,
während die Tintentröpfchenausstoßrate und die Ausstoßmenge auf gewünschten Werten
gehalten werden können. So schafft die vorliegende Erfindung einen Tintenstrahlkopf besserer
Leistung durch gleichzeitige Verbesserung verschiedener Eingenschaften wie der
Tintentröpfchenausstoßrate, der Ausstoßmenge, der Ausstoßerholzeit und der Ausstoßstabilität und
ähnlichem.
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Da ferner der Spalt zwischen dem Vibrator und dem düsenbildenden Substrat in dem zweiten
Bereich auf einen Wert eingestellt werden kann, der es dem Vibrator erlaubt, in einem
geeigneten periodischen Dämpfungsbereich zu arbeiten, wird der Energieverbrauch infolge der
Viskosität
der in dem Spalt zwischen dem Vibrator und dem düsenbildenden Substrat vorhandenen
Tinte verringert, was einen Betrieb mit einer relativ niedrigen Steuerspannung gestattet. Da die
Spaltbreite des ersten Bereichs und die des zweiten Bereichs unabhängig voneinander
eingestellt werden können, ist die Toleranz zur Einstellung der jeweiligen Breite vergrößert, was die
Herstellungsausbeute erhöht.