DE69613882T2

DE69613882T2 - Herstellungsverfahren eines piezoelektrischen Schichtenelementes

Info

Publication number: DE69613882T2
Application number: DE69613882T
Authority: DE
Inventors: Yasuji Chikaoka; Yoshiyuki Ikezaki; Yasuo Okawa; Atsuo Sakaida; Yoshihumi Suzuki
Original assignee: Brother Industries Ltd
Current assignee: Brother Industries Ltd
Priority date: 1995-04-05
Filing date: 1996-04-09
Publication date: 2002-04-04
Anticipated expiration: 2016-04-10
Also published as: US5860202A; EP0736386B1; EP0736386A3; DE69613882D1; EP0736386A2; JPH08279631A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung eines geschichteten piezoelektrischen Elementes, das in einem Tintenstrahldruckkopf vorgesehen ist, der Tintentröpfchen ausstößt, um Diagramme oder Zeichen durch Punkte auf ein Druckmedium zu erzeugen.
Piezoelektrische Elemente zur Erzeugung einer Verdrängung infolge des Anlegens einer Spannung können eine große Verdrängungsmenge erzielen, wenn sie in einer geschichteten Form, abwechselnd mit piezoelektrischem Material und inneren Elektroden, vorgesehen sind.
Die japanische Patentanmeldung (Kokai) Nr. HEI-6-79871 offenbart eine typische Konfiguration eines Tintenstrahldruckkopfes. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, sind vertikal versetzbare, säulenförmige piezoelektrische Keramikelemente 81, die als geschichtete Betätigungselemente dienen, aus einem blockförmigen gesinterten Körper ausgebildet, in dem langgestreckte Nuten mit einer Abstechmaschine oder einem anderen Instrument geöffnet wurden. Die piezoelektrischen Keramikelemente 81 sind aus Stapeln dünner piezoelektrischer Elementeblätter, die sich mit dünnen inneren Elektroden abwechseln, aufgebaut. Diese Konfiguration ermöglicht einen Niederspannungsantrieb der piezoelektrischen Keramikelemente 81. Die inneren Elektroden liegen abwechselnd an gegenüberliegenden Seitenoberflächen der piezoelektrischen Keramikelemente 81 bloß. Die inneren Elektroden sind mittels Drahtbonding oder anderen Mitteln zur Spannungsversorgung für den Antrieb der piezoelektrischen Keramikelemente 81 mit einer Antriebsstromquelle verbunden.
Eine elastische dünne Platte 82 ist an den spitzen Enden der säulenförmigen piezoelektrischen Keramikelemente 81 angeklebt.
Ferner ist eine Düsenplatte 84, die aus einem Kunstharz hergestellt wurde und mit Tintenkanälen 83 und Düsen 83a ausgebildet ist, an der dünnen Platte 82 angeklebt, so daß spitze Enden der piezoelektrischen Keramikelemente 81 über entsprechenden Tintenkanälen 83 positioniert sind. Das Anlegen einer Spannung an die piezoelektrischen Keramikelemente 81 erzeugt einen Versatz, der die dünne Platte 82 deformiert und Tinte aus den Düsen 83a in den Tintenkanal 83 ausstößt. Punktmusterzeichen und andere Bilder können deshalb gedruckt werden.
Jedoch sind die säulenförmigen piezoelektrischen Keramikelemente 81 des Tintenstrahldruckkopfes, der in Fig. 1 gezeigt ist, leicht unter einer Spannung plaziert, während die engen Nuten, die diese trennen, eingestochen werden. Deshalb können die säulenförmigen piezoelektrischen Keramikelemente 81 leicht springen oder brechen, so daß die Erzeugungsausbeute des Tintenstrahldruckkopfes gering ist.
Ferner ist der Tintenstrahldruckkopf unzuverlässig, weil die säulenförmigen piezoelektrischen Keramikelemente 81 leicht brechen können, wenn sie angetrieben werden.
Ferner können nur gerade Nuten unter Verwendung einer Abstichmaschine ausgebildet werden, die Grenzen hinsichtlich der Gestalt setzt, in der die säulenförmigen piezoelektrischen Keramikelemente 81 ausgebildet werden können. Ferner kann eine Abstechmaschine nur eine Nut zu einer Zeit ausbilden. Deshalb ist das Ausbilden einer großen Anzahl säulenförmiger piezoelektrischer Keramikelemente 81 zeitraubend und schwierig.
Die US-Patentanmeldung Nr. 08/579,159 beschreibt, wie Blatterzeugungstechniken verwendet werden können, um das piezoelektrische Material in extrem dünnen Filmen zu erzeugen. Ein Beispiel eines solchen Verfahrens zur Erzeugung eines gestapelten Körpers ähnlich zu dem Verfahren, das in der obigen Anmeldung beschrieben wurde, ist folgendermaßen. Ein piezoelektrisches Material, das hauptsächlich aus Bleizirkontitanat (PZT) besteht, ist in einer vorbestimmten Zusammensetzung vermischt und wird anschließend bei ungefähr 900ºC ausgeglüht. Das resultierende Pulver wird mit Additiven wie beispielsweise einem Bindemitte 1 und einem plastischen Hilfsstoff vermischt, um einen Brei zu bilden. Der Brei wird in einen Spalt zwischen einem PET-Film, der Siliziumverarbeitungsschritten unterworfen wurde, um seine Antihafteigenschaften zu erhöhen, und einer Abstreichklinge zwangseingebracht, um einen Breifilm auf dem PET-Film zu erzeugen. Der resultierende Breifilm wird getrocknet, um ein ungefähr 100 um dickes Grünblatt zu erzeugen. Das Grünblatt wird in vorbestimmten Dimensionen gestanzt und von dem PET-Film abgezogen. Dann wird die Oberfläche des Grünblattes unter Verwendung von Siebdrucktechniken mit einer mehrere um dicken Schicht aus einer Palladium-Paste beschichtet, was das Material ist, das die inneren Elektroden des Kopfes erzeugt. Trocknen bildet innere Elektrodenschichten aus. Mehrere zehn dieser gedruckten Grünblätter werden gestapelt und unter Verwendung einer Wärmepresse zu einem einstückigen Körper gepreßt. Danach wird das Bindemittel durch Erwärmen auf ungefähr 500ºC entfernt. Ein gestapelter Körper wird durch Sintern für ungefähr zwei Stunden bei 1200ºC erhalten.
Diese US-Patentanmeldung beschreibt ein Verfahren zur Erzeugung von Elektroden auf den Grünblättern und anschließendes Stanzen oder Schneiden von fensterförmigen Schlitzen in die Grünblätter. Das Zusammenstapeln mehrerer Grünblätter erzeugt ein geschichtetes piezoelektrisches Element mit Betätigungsabschnitten, die durch Abschnitte erzeugt werden, die durch die Schlitze getrennt sind.
Wenn die Schlitze in den Grünblättern ausgestanzt werden, bevor die Grünblätter gestapelt werden, muß jedes Blatt separat gestanzt werden, was zeitraubend ist. Danach müssen die Blätter genau aufeinander ausgerichtet werden, was schwer präzise auszuführen ist. Nach dem Ausrichten und Stapeln muß der resultierende gestapelte Körper gesintert werden. Der gestapelte Körper wird während der Sintervorgänge schrumpfen, aber nicht immer um den gleichen Grad. Deshalb können die Schlitze während des Sinterprozesses aus der Ausrichtung heraus kommen. Dieses Schrumpfen macht es auch schwer, einen gestapelten Körper zu erzeugen, der Schlitze in einer gleichmäßigen Teilung hat, bei dem alle Betätigungsabschnitte in derselben Breite ausgebildet sind.
Die US 5140773 offenbart eine Ultraschallbearbeitungsvorrichtung, die einen Vibrationsbohrer hat, um Löcher zu erzeugen.
Die EP 0402171A offenbart einen Tintenstrahlkopf, auf den sich die Oberbegriffe der Ansprüche 1 und 17 stützen.
Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Erzeugung eines zuverlässigen starken geschichteten piezoelektrischen Elementes unter Verwendung präziser Bearbeitungstechniken in einer kurzen Produktionszeit bereitzustellen.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Verfügung zur Erzeugung eines geschichteten piezoelektrischen Elementes, das mit wenigstens zwei einzelnen Betätigungsabschnitten ausgebildet ist, aufweisend die Schritte zur Erzeugung eines gestapelten Körpers, bei dem mindestens eine Schicht eines piezoelektrischen Materials und wenigstens zwei Elektrodenschichten aus einem leitfähigen Material abwechselnd in einer ersten Richtung aufgestapelt sind; und das Ausbilden von wenigstens einem Loch in dem gestapelten Körper, wobei jedes des wenigestens einen Loches sich wenigstens in einem Teil des gestapelten Körpers in der ersten Richtung erstreckt, um den gestapelten Körper in wenigstens zwei Betätigungsabschnitte (46a-c) zu unterteilen, die einzeln deformierbar sind, wenn elektrische Felder zwischen den entsprechenden Flächen der wenigstens zwei Elektrodenschichten erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine Loch durch einen Ultraschallwellenschleifpartikelbearbeitungsvorgang gebildet wird, bei dem Partikel verwendet werden, die in einer Flüssigkeit getragen werden.
Der Lochausbildungsprozeß kann die folgenden Schritte enthalten:
Pressen eines Bearbeitungsbohrers gegen den gestapelten Körper, wobei der Bearbeitungsbohrer wenigstens eine Klinge mit einer Gestalt hat, die einer gewünschten Form des wenigstens einen Loches entspricht; und Vibrieren des Bearbeitungsbohrers mit einer Ultraschallschwingung während der Versorgung des Bearbeitungsbohrers mit einem Brei, in dem Schleifpartikel in Wasser suspensiert sind.
Die vorliegende Erfindung stellt ferner ein Verfahren bereit zur Erzeugung eines geschichteten piezoelektrischen Elementes, das wenigstens ein Paar innerer Elektroden hat, von denen wenigstens ein Abschnitt in eine Vielzahl an Betätigungsabschnitten unterteilt ist, die deformierbar sind, wenn sie selektiv angeregt werden, um elektrische Felder zwischen den Elektroden zu entwickeln, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Erzeugen eines gestapelten Körpers durch abwechselndes Zusammenpressen gestapelter piezoelektrischer Schichten aus einem piezoelektrischen Material und Elektrodenschichten aus einem leitfähigen Material; und Ausbilden von Löchern in dem gestapelten Körper bis zu einer Tiefe in einer Richtung, in der die Schichten gestapelt sind, um den gestapelten Körper in Betätigungsabschnitte zu unterteilen, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher unter Verwendung von Ultraschallwellenschleifpartikelbearbeitung ausgebildet werden, wobei Partikel verwendet werden, die in einer Flüssigkeit getragen werden.
Die obigen und andere Ziel, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden durch Lesen der nachfolgenden Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den dazugehörigen Zeichnungen offensichtlich, wobei:
Fig. 1 eine perspektivische Schnittansicht ist, die einen herkömmlichen Tintenstrahldruckkopf zeigt;
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht ist, die wesentliche Abschnitte eines Tintenstrahldruckers zeigt;
Fig. 3 eine Explosionsdarstellung ist, die ein Feld in einem Tintenstrahldruckkopf zeigt, der in dem Tintenstrahldrucker verwendet wird;
Fig. 4 eine Schnittansicht des Feldes ist;
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht ist, die ein geschichtetes piezoelektrisches Element zeigt, das unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugt wurde;
Fig. 6 eine schematische Ansicht ist, die Muster von Siebdruckplatten zeigt, die während des Verfahrens der vorliegenden Erfindung verwendet werden;
Fig. 7 eine perspektivische Ansicht eines gesinterten gestapelten Körpers ist, der während des Verfahrens des vorliegenden Ausführungsbeispiels erzeugt wird;
Fig. 8(A) einen Ultraschallwellenschleifbearbeitungsprozeß darstellt, der eine Ultraschallwellenschleifbearbeitung verwendet, die in dem Verfahren der vorliegenden Erfindung angewendet wird;
Fig. 8(B) Details eines unter Druck gesetzten Abschnittes und eines Schleifpartikelzirkulationssystems zeigt, das in der Ultraschallwellenschleifmaschine aus Fig. 8(A) verwendet wird;
Fig. 8(C) darstellt, wie die Schleifpartikel den gesinterten gestapelten Körper durch den Ultraschallwellenschleifbearbeitungsprozeß schleifen;
Fig. 9 eine schematische Ansicht ist, die elektrische Schaltkreise zeigt, die zum Ansteuern des Feldes vorgesehen sind; und
Fig. 10 eine perspektivische Ansicht einer Abwandlung des geschichteten piezoelektrischen Elementes ist.
Ein Verfahren zur Erzeugung eines geschichteten piezoelektrischen Elementes gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird beschrieben während auf die dazugehörigen Zeichnungen Bezug genommen wird, wobei gleiche Teile und Komponenten durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet werden, um eine doppelte Beschreibung zu vermeiden.
Zunächst wird ein Tintenstrahldrucker unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben, der einen Tintenstrahldruckkopf 15 verwendet, der das geschichtete piezoelektrische Element 38 des vorliegenden Ausführungsbeispiels enthält. Eine Papierwalze 10 zum Zuführen eines Blattes 11 ist durch eine Welle 12 drehbar auf einem Rahmen 13 befestigt. Ein Elektromotor 14 ist zum Antreiben der Papierwalze 10 vorgesehen. Zwei Führungsstangen 20 sind ferner parallel zur Achse der Papierwalze 10 auf dem Rahmen 13 befestigt. Ein Träger 18 ist verschiebbar auf den zwei Führungsstangen 20 gelagert. Der Tintenstrahldruckkopf 15 und eine Tintenversorgung 16 sind so auf dem Träger 18 befestigt, daß sie der Papierwalze 10 gegenüberliegen. Ein Steuerriemen 24, der auf ein Paar Riemenscheiben 22 gewickelt ist, ist an dem Träger 18 befestigt. Es ist ein Elektromotor 23 zum Drehen einer der Riemenscheiben 22 vorgesehen. Das Bewegen des Steuerriemens 24 bewegt den Träger 18 in Ausrichtung mit der Papierwalze 10.
Der Tintenstrahldruckkopf 15 ist aus einer Vielzahl an Feldern 30 zusammengesetzt, von denen jedes nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 3 und 4 beschrieben wird. Jedes Feld 30 hat ein Feld von drei Ausstoßvorrichtungen 70a, 70b und 70c.
Wie in Fig. 3 gezeigt ist, ist das Feld 30 aus einer Basisplatte 33, die aus einem Metall oder einer Keramik mit einem hohen Elastizitätsmodul hergestellt ist, einem geschichteten piezoelektrischen Element 38, das gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung erzeugt wurde, einer Dünnfilmvibrationsplatte 35, einem Kanalhauptkörper 34 und einer Öffnungsplatte 35, die mit Öffnungen 37 ausgebildet ist, aufgebaut. Diese Komponenten des Feldes 30 sind in der in Fig. 3 gezeigten Konfiguration aneinander befestigt. Das heißt, die Basisplatte 33 ist auf einer Seite des geschichteten piezoelektrischen Elementes 38 befestigt und die Dünnfilmvibrationsplatte 35 ist an der anderen Seite des geschichteten piezoelektrischen Elementes 38 angeordnet. Das geschichtete piezoelektrische Element 38 ist über die Dünnfilmvibrationsplatte 35 an einer Seite des Kanalhauptkörpers 34 befestigt und die Öffnungsplatte 36 ist an der anderen Seite des Kanalhauptkörpers 34 befestigt. Der Kanalhauptkörper 34 und die Öffnungsplatte 36 werden durch Einspritzformen aus einem Kunstharzmaterial gebildet.
Das geschichtete piezoelektrische Element 38 hat eine Vielzahl an schlitzförmigen langgestreckten Löchern 52 darin ausgebildet, die in einer Art und Weise geformt sind, die später beschrieben werden, wodurch dazwischen Betätigungsabschnitte 46a, 46b und 46c definiert werden. Der Kanalhauptkörper 34 hat darin Tintenkanäle 32a, 32b und 32c ausgebildet, die sich parallel zu Abschnitten erstrecken, die den Betätigungsabschnitten 46a, 46b und 46c entsprechen. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Tintenkanäle 32a, 32b und 32c in der Längsrichtung länger und in der Breitenrichtung breiter als die entsprechenden Betätigungsabschnitte 46a, 46b und 46c des geschichteten piezoelektrischen Elementes 38 ausgebildet.
Wie in Fig. 4 gesehen werden kann, enthält das Feld 30 des vorliegenden Ausführungsbeispiels drei Ausstoßvorrichtungen 70a, 70b, 70c, die die Betätigungsabschnitte 46a, 46b und 46c und die jeweiligen Tintenkanäle 32a, 32b und 32c enthalten. Mit anderen Worten, die Betätigungsabschnitte 46a, 46b und 46c des geschichteten piezoelektrischen Elementes 38 sind an Hohlräumen angeordnet, die durch die Tintenkanäle 32a, 32b und 32c ausgebildet sind (die sich senkrecht zu der Blattoberfläche in Fig. 4 erstrecken), so daß das geschichtete piezoelektrische Element 38 als piezoelektrische Betätigungseinrichtung für die drei Ausstoßvorrichtungen 70a, 70b und 70c dient.
Das geschichtete piezoelektrische Element 38 ist ein mehrfachgeschichteter Körper, der folgendes enthält: piezoelektrische Keramikschichten 40, die piezoelektrische Eigenschaften besitzen; innere negative Elektrodenschichten 42, die sich über alle Kanäle spannen; und innere positive Elektrodenschichten 44a, 44b und 44c. Die piezoelektrischen Keramikschichten 40 sind aus einem Bleizirkontitanat-(PZT)-Keramikmaterial mit ferroelektrischen Eigenschaften zusammengesetzt. Wie durch die Pfeile an den Betätigungsabschnitten 46a, 46b und 46c in Fig. 4 angezeigt wird, sind die piezoelektrische Keramikschichten 40 in der Richtung polarisiert, in der sie geschichtet sind. Die inneren negativen Elektrodenschichten 42 und die inneren positiven Elektrodenschichten 44a, 44b und 44c sind aus einem Silberpaladiummetallmaterial (Ag-Pd) zusammengesetzt.
Wie in Fig. 5 gesehen werden kann, sind die Betätigungsabschnitte 46a, 46b und 46c in dem Mittelabschnitt des geschichteten piezoelektrischen Elementes 38 ausgebildet und durch die Vielzahl an langgestreckten Löchern 52 unterteilt. Zusätzlich zu den Betätigungsabschnitten 46a, 46b und 46c enthält das geschichtete piezoelektrische Element 38 piezoelektrische inaktive Abschnitte 48 an Kantenabschnitten davon. Die piezoelektrischen inaktiven Abschnitte 48 verbinden Endabschnitte der Betätigungsabschnitte 46a, 46b und 46c miteinander. Die inneren positiven Elektrodenschichten 44a, 44b und 44c sind durch die langgestreckten Löcher 52 in einer Eins-zu-Eins-Entsprechung mit den Tintenkanälen 32a, 32b und 32c unterteilt. Die inneren Elektrodenschichten 42 und 44a, 44b und 44c überlappen sich an Überlappungsbereichen. 46a&sub1;, 46b&sub1; und 46c&sub1; (die durch die gestrichelten Linien in Fig. 5 gezeigt sind), das heißt, an allen Bereichen zwischen den langgestreckten Löchern 52 mit Ausnahme der spitzen Enden 46a&sub2;, 46b&sub2; und 46c&sub2; (die auch durch gestrichelte Linien in Fig. 5 gezeigt sind) eines jeden Betätigungsabschnittes 46a, 46b und 46c. Andererseits überlappen sich innere Elektrodenschichten 42 und 44a, 44b und 44c nicht an den piezoelektrischen inaktiven Abschnitten 48 und nicht an nichtüberlappenden Bereichen 46a&sub2;, 46b&sub2; und 46c&sub2;, das heißt, an den spitzen Enden eines jeden Betätigungsabschnittes 46a, 46b und 46c.
Negative Elektroden 53 zum Erregen der inneren negativen Elektrodenschichten 42 einer jeden Schicht und positive Elektrodenschichten 54a bis 54c zum Erregen entsprechender innerer positiver Elektrodenschichten 44a bis 44c einer jeden Schicht sind an derselben Seitenoberfläche des geschichteten piezoelektrischen Elementes 38 ausgebildet.
Das piezoelektrische Element 38 der geschichteten Bauart, das den oben beschriebenen Aufbau hat, wird durch das folgende Verfahren hergestellt.
Zunächst wird ein Pulver aus einem piezoelektrischen Material, das primär PZT ist, in einer gewünschten Zusammensetzung vermischt. Anschließend wird das Pulver bei 850ºC geglüht. Als nächstes wird dem Pulver ein Antischaummittel, eine winzige Menge an plastischem Material und fünf Gewichtsanteile Bindemittel zugefügt. Das resultierende Gemisch wird in einer organischen Lösung dispergiert, um einen Brei zu erzeugen. Der Brei wird unter Verwendung einer Rakelklinge in einer vorbestimmten Dicke zu Grünblattbasisplatten 40 geformt.
Die Grünblattbasisplatten 40 werden anschließend in vorbestimmten Abmessungen geschnitten. Als nächstes wird eine leitfähige Paste wie beispielsweise eine Silberpaladiumpaste (AgPd) auf die Basisplatten 40 mit Siebdruck aufgebracht, um Grünblätter 50 und 51 mit zwei unterschiedlichen Mustern an inneren Elektroden zu bilden, wie in Fig. 6 gezeigt ist. Das heißt, zuerst werden innere positive Elektrodenschichten 44a, 44b und 44c, deren Anzahl eins-zu-eins der Anzahl an Tintenkanälen 32a, 32b und 32c entspricht, durch Siebdruck auf den obere Oberfläche einer jeden Gruppe von Basisplatten 40 ausgebildet. Anschließend werden Elektrodenanschlußabschnitte 45a, 45b und 45c jeweiliger innerer positiver Elektrodenschichten 44a, 44b und 44c durch Siebdruck auf die gleichen Basisplatten 40 ausgebildet, um eine Gruppe an Grünblättern 50 zu erzeugen. Auf der oberen Oberfläche der verbleibenden Basisplatten 40 wird eine innere negative Elektrodenschicht 42 mit Elektrodenanschlußabschnitten 43 ausgebildet, die sich quer über alle Tintenkanäle 32a, 32b und 32c erstreckt, durch Siebdruck, um Grünblätter 51 zu erzeugen. Der somit verwendete Siebdruckvorgang in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist dadurch vorteilhaft, daß es leicht möglich ist, jegliche gewünschte Muster an Elektrodenschichten zu erzeugen. Mit dem Siebdruck ist es sogar möglich, dünne Elektrodenschichten leicht zu erzeugen.
Es sollte angemerkt werden, daß die inneren Elektrodenschichten 42 und 44a, 44b und 44c ausgebildet werden, wobei deren spitze Endabschnitte von den Enden der entsprechenden Tintenkanäle 32 in der Längsrichtung der Tintenkanäle 32 leicht nach hinten gezogen werden, um sicherzustellen, daß sich dann, wenn die Grünblätter 50, 51 gestapelt sind, die inneren positiven Elektrodenschichten 44 und die inneren negativen Elektrodenschichten 42 in der gestapelten Richtung nur an den Überlappungsbereichen 46a1, 46b1 und 46c1 einander überlappen. Ferner sind die Elektrodenanschlüsse 43, 45a, 45b und 45c so ausgebildet, daß sie an entsprechenden Seitenkanten der Grünblätter 50, 51 bloßliegen.
Als nächstes werden beide Arten an Grünblättern 50, 51 abwechselnd zu insgesamt zehn Blättern aufgestapelt. Wie in Fig. 7 gezeigt ist, ist auf der Oberseite ein Grünblatt 50' gestapelt, ohne einer inneren Elektrodenschicht auf der oberen Oberfläche seiner piezoelektrischen Keramikschicht 40. Die Blätter werden anschließend zu einem integrierten Körper wärmegepreßt. Nach dem Entfetten wird ein Sintern bei annähernd 1200ºC ausgeführt, was zu einem gestapelten Körper 60 führt, der aus piezoelektrischen Elementen hergestellt ist. Somit kann der gestapelte Körper 60 leicht erhalten werden.
Äußere negativen Elektroden 53 und äußere positive Elektroden 54a, 54b, 54c werden anschließend an Stellen befestigt, an denen die Elektrodenanschlußabschnitte 43, 45a, 45b und 45c in dem so ausgebildeten gestapelten Körper 60 bloßliegen.
Als nächstes wird ein Ultraschallwellenschleifpartikelbearbeitungsvorgang durchgeführt, um den gestapelten Körper 60 in die Vielzahl an Betätigungsabschnitte 46 zu unterteilen, wie in Fig. 5 gezeigt ist. Ultraschallwellenschleifpartikelbearbeitung ist ein Bearbeitungsprozeß, um Material von einem Werkstück durch Schleifpartikelbeschuß und Brechen zu entfernen, bei dem ein Werkzeug dazu dient, mit einer Ultraschallschwingung zu vibrieren, während feine Schleifpartikel durch eine Flüssigkeit zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück getragen werden.
Fig. 8 (A) zeigt schematisch eine Ultraschallwellenschleifbearbeitungsvorrichtung 90, die zur Durchführung der Ultraschallschleifbearbeitung des vorliegenden Ausführungsbeispiels verwendet wird. Die Ultraschallwellenschleifbearbeitungsvorrichtung 90 enthält einen Vibrationsabschnitt 91, einen Druckabschnitt 97, der in Fig. 8(B) gezeigt ist, einen Oszillator 96 und ein Schleifpartikelzirkulationssystem 98, das auch in Fig. 8(B) gezeigt ist. Der Vibrationsabschnitt 91 enthält einen Vibrator 92, einen Kegel 93 und einen Trichter 94, die in dieser Reihenfolge verbunden sind. Der Vibrator 92 dient zum Vibrieren gemäß einer Hochfrequenzleistung, die von dem Oszillator 96 geliefert wird, um eine Ultraschalloszillation zu erzeugen. Der Kegel 93 dient zur Verstärkung der Amplitude der Vibration, die von dem Vibrator 92 geliefert wird. Eine obere Stirnfläche des Kegels 98 ist mit dem Vibrator 92 verbunden. Der Kegel 93 hat eine solide Gestalt, wobei sich dessen Querschnitt von seiner oberen Stirnfläche zu seiner unteren Stirnfläche allmählich reduziert. Mit diesem Aufbau kann der Kegel 93 die Amplitude der Vibration vergrößern. Der Trichter 94 dient zur weiteren Vergrößerung der Vibration, die von dem Kegel 93 geliefert wird. Eine Stirnfläche des Trichters 94 ist mit der unteren Stirnfläche des Kegels 93 verbunden. Ein Querschnitt des Trichters 94 reduziert sich von seiner oberen Stirnfläche zu seinem unteren spitzen Ende allmählich. Der Trichter 94 kann deshalb die Vibration, die von dem Kegel 93 geliefert wird, weiter vergrößern. Ein Bearbeitungsbohrer 95 ist mit dem unteren spitzen Ende des Trichters 94 verbunden.
Der Bearbeitungsbohrer 95 ist entsprechend der auszuführenden Bearbeitung geformt. Das heißt, der Bearbeitungsbohrer 95 ist mit mehreren Klingen in einer Teilung vorgesehen und mit einer Klingenbreite, die eingestellt ist, um das Ausbilden von Schlitzen in vorbestimmten Abmessungen zu ermöglichen. Die Anzahl der Klingen ist gleich der Anzahl der in dem Werkstück auszubildenden gewünschten Schlitze. In diesem Beispiel hat der Bearbeitungsbohrer 95 vier dünne Klingen zur Ausbildung der vier dünnen langgestreckten Löcher 52. Die vier Klingen sind in einer vorbestimmten Teilung entsprechend der Teilung, die für die Betätigungsabschnitte 46 gewünscht sind, ausgerichtet. Die Klingenbreiten dieser Klingen sind gleich den Breiten der Löcher 52, von denen gewünscht wird, daß sie ausgebildet werden.
Ein zu bearbeitendes Werkstück, das heißt, der gesinterte gestapelte Körper 60 in diesem Ausführungsbeispiel, ist auf einer Bearbeitungsbühne 65 gegenüber dem Bearbeitungsbohrer 95 plaziert.
Wie in Fig. 8(B) gezeigt ist, dient der Druckabschnitt 97 zur Aufbringung einer gewünschten Druckstärke auf den Bearbeitungsbohrer 95, gegen das Werkstück, das heißt, gegen den gestapelten Körper 60. Der Druckabschnitt enthält ein Gewicht 110, das mit dem Vibratorabschnitt 91 verbunden ist. Unter der Annahme, daß der Vibratorabschnitt 91 ein Gesamtgewicht M hat und daß das Gewicht 110 ein Gewicht m hat, dann bringt der Druckabschnitt 97 einen Bearbeitungsdruck von M-m auf den Bearbeitungsbohrer 95 auf. Durch Ändern des Gewichts 110 kann der Druckabschnitt 91 einen Bearbeitungsdruck auf den Bearbeitungsbohrer 95 aufbringen, der geeignet ist, daß das Werkstück 60 bgearbeitet wird.
Ansonsten kann der Druckabschnitt aus einem Transfersystem zur Verschiebung des Vibratorabschnitts 91 zum Werkstück 60 mit einer gewünschten Geschwindigkeit aufgebaut sein.
Wie ferner in Fig. 8(B) gezeigt ist, dient das Schleifpartikelzirkulationssystem 98 dazu, einen Brei aus Schleifpartikeln kontinuierlich an den Bearbeitungsbohrer 95 zu liefern. In dem Brei sind Schleifpartikel aus Siliziumkarbid (SiC) in Wasser suspensiert. Die Schleifpartikel haben einen Partikeldurchmesser von ungefähr gleich oder weniger als 50 Mikrometer. Vorzugsweise haben die Schleifpartikel einen Partikeldurchmesser von ungefähr 10 Mikrometer. Während des Ultraschallwellenschleifpartikelbearbeitungsprozesses liefert das Schleifpartikelzirkulationssystem 98 kontinuierlich den Brei um den Bohrer 95 herum, wie in Fig. 8(C) gezeigt ist.
Das Schleifpartikelzirkulationssystem 98 enthält: einen Tisch 101, auf dem die Bearbeitungsbühne 65 plaziert ist; einen Breitank 102, der einen Brei aus den Schleifpartikeln speichert; eine Pumpe 100 zum Ansaugen des Breis aus dem Tank 102; und einen Schlauch 99 zum Liefern des Breis um den Bearbeitungsbohrer 95 herum. Ein Boden des Tanks 101 ist fluidisch mit dem Tank 102 in Verbindung, so daß der Brei zirkuliert.
Mit der oben beschriebenen Vorrichtung 90 wird der Ultraschallwellenschleifbearbeitungsprozeß erzielt, wie er nachfolgend detaillierter beschrieben wird.
Zuerst wird der Trichter 94 an der Ultraschallwellenbearbeitungsvorrichtung 90 befestigt. Der Trichter 94 ist mit dem Bearbeitungsbohrer 95 verbunden, der den gewünschten Formen und Anordnungen der Löcher 52 entspricht. Anschließend wird der Bearbeitungsbohrer 95 auf dem gesinterten gestapelten Körper 60, der auf der Bearbeitungsbühne 65 plaziert ist, angeordnet. Anschließend werden die Klingen auf dem Bearbeitungsbohrer 95 mit den Abschnitten des gestapelten Körpers 60 ausgerichtet, von denen gewünscht wird, daß sie geöffnet werden, um die langgestreckten Löcher 52 zu bilden. Flächen zwischen den Klingen auf dem Bearbeitungsbohrer 95 werden an den Abschnitten des gestapelten Körpers 60 ausgerichtet, die mit den inneren Elektrodenschichten 42 und 44 ausgebildet sind, von denen gewünscht wird, daß sie während der Ultraschallschleifbearbeitung unbearbeitet verbleiben, um zu den Betätigungsabschnitten 46a bis 46c zu werden.
Als nächstes wird der Druckabschnitt 97 so eingestellt, daß eine Last von mehreren hundert Gramm auf den Trichter 94 aufgebracht wird, gegen den gestapelten Körper 60. Während das Schleifpartikelzirkulationssystem 98 den Brei kontinuierlich an den Bearbeitungsbereich liefert, das heißt um den Bearbeitungsbohrer 95 herum, wird der Vibratorabschnitt 91 bei einer Frequenz von ungefähr 20 kHz betrieben. Im Ergebnis schleifen die angelieferten Schleifpartikel gegen den gestapelten Körper 60 mit der Vibration des Bearbeitungsbohrers 95, wie in Fig. 8(C) gezeigt ist, so daß die Kontur des Maschinenbohrers 95 auf den gestapelten Körper 60 übertragen wird, wodurch die langgezogenen Löcher 52, die in Fig. 5 gezeigt sind, gebildet werden. Die so ausgebildeten langgezogenen Löcher 52 unterteilen den gestapelten Körper 60 in die drei Betätigungsabschnitte 46, die als piezoelektrische Elemente dienen, die in der Lage sind, unabhängig deformiert zu werden.
Die Ultraschallschleifpartikelbearbeitung erfordert keine Drehung des Bohrers oder eine größere Handhabung einer relativen Bewegung zwischen dem Bohrer und dem Werkstück. Die Ultraschallschleifpartikelbearbeitung besitzt ferner die folgenden Merkmale. (1) Die bearbeiteten Oberflächen des gestapelten Körpers 60 werden unter Verwendung der Schleifpartikel so geschliffen, daß die Betätigungsabschnitte 46 mit gleichmäßigen Oberflächen und präzisen Abmessungen gebildet werden können. (2) Das Ultraschallschleifpartikelbearbeiten ermöglicht eine große Freiheit bei der Bearbeitung unterschiedlicher Formen.
Unterschiedliche Formen können leicht erzeugt werden, indem lediglich die Gestalt der Bohrerspitze 95 ausgetauscht wird. Deshalb können Betätigungsabschnitte in allen Arten von Gestalten ausgebildet werden. Unter Verwendung einer Bohrerspitze mit einer Vielzahl an Klingen wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel kann eine Vielzahl an langgestreckten Löchern 52 gleichzeitig bearbeitet werden, wodurch die Anzahl an Prozessen, die bei der Bearbeitung beteiligt sind, reduziert wird. (3) Das Ultraschallschleifpartikelbearbeiten bringt keine großen Kräfte auf das Werkstück, das heißt auf den gestapelten Körper 60, auf. Das Ultraschallschleifpartikelbearbeiten bringt keine großen Biegekräfte auf den gestapelten Körper 60 auf. Dementsprechend besteht kein Risiko, daß die Betätigungsabschnitte 46 auseinanderbrechen. Im Ergebnis ermöglicht das Ultraschallschleifpartikelbearbeiten eine hochdichte, hochpräzise Bearbeitung bis an die Grenzen, die durch die Gestalt des Bohrers zulässig sind.
Es sollte angemerkt werden, daß die Art der Verwendung der Ultraschallschleifpartikelbearbeitung zur Erzeugung der Löcher 52 nicht auf das oben beschriebene Beispiel begrenzt ist. Verschiedene Prozeßumgebungen des Ausführungsbeispiels sollten in Abhängigkeit von dem Material des gestapelten Körpers 60, der Form, die zu bearbeiten ist, und der gewünschten Präzision und Geschwindigkeit der Bearbeitungsprozesse modifiziert werden.
Beispielsweise kann dieselbe Bearbeitung unter Verwendung von anderen als den Schleifpartikeln, die aus Siliziumcarbid (SiC) hergestellt sind, durchgeführt werden, wie beispielsweise mit Schleifpartikeln, die aus Bornitrit, Aluminium oder einem Gemisch von wenigstens zwei Komponenten aus Siliziumcarbid (SiC), Bornitrit und Aluminium hergestellt sind. Diese Schleifpartikel können leicht gehandhabt werden.
Im allgemeinen haben die Schleifpartikel, die bei der Ultraschallschleifpartikelbearbeitung verwendet werden, einen Partikeldurchmesser von ungefähr 50 Mikrometer. Wenn jedoch eine Betätigungseinrichtung aus einem hochdichten piezoelektrischen Element bearbeitet wird, das in einem Tintenstrahlkopf wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel verwendet wird, ist es wünschenswert, Schleifpartikel mit einem Durchmesser von gleich oder weniger als 50 Mikrometer zu verwenden, um eine hochpräzise Bearbeitung zu erzielen. Es ist vorteilhafter, Schleifpartikel mit einem Partikeldurchmesser von ungefähr 10 Mikrometer zu verwenden.
Ferner werden vorzugsweise Vibrationsfrequenzen von ungefähr 10 bis 20 kHz verwendet. Ferner sollte ein Bearbeitungsdruck zwischen 10 bis 100 g/mm² auf die Oberfläche des gestapelten Körpers 60, der aus piezoelektrischem Material hergestellt ist, aufgebracht werden.
Nachdem die langgestreckten Löcher 52 in dem gestapelten Körper ausgebildet wurden, um ihn in mehrere Betätigungsabschnitte 46 zu unterteilen, wird ein wohlbekannter Polarisationsprozeß ausgeführt, um den gestapelten Körper durch Anlegen eines elektrischen Feldes zu polarisieren.
Der Polarisationsprozeß kann beispielsweise durch Eintauchen des gestapelten Körpers 60 in ein Ölbad (nicht gezeigt), das mit einem elektrischen Isolationsöl gefüllt ist, wie beispielsweise Silikonöl, das auf ungefähr 130ºC erhitzt wurde, ausgeführt werden. Dann wird ein elektrisches Feld von ungefähr 2,5 kV/mm zwischen den äußeren negativen Elektroden 53 und den äußeren positiven Elektroden 54a, 54b und 54c angelegt, um den gestapelten Körper zu polarisieren. Wenn die piezoelektrischen Keramikschichten des gestapelteen Körpers ausreichend dünn sind, beispielsweise umgefähr 50 um, können sie leicht polarisiert werden, ohne eine spezielle Umgebung wie beispielsweise das Ölbad vorzusehen. In diesem Fall wird lediglich eine Spannung von ungefähr 30 V zwischen den äußeren negativen Elektroden 53 und den äußeren positiven Elektroden 54a, 54b und 54c angelegt, nachdem der Tintenstrahldruckkopf 15 zusammengebaut wurde.
Somit wird das piezoelektrische Element der geschichteten Bauart 38, das in Fig. 5 gezeigt ist, durch das oben beschriebene Verfahren erzeugt.
Um das Feld 30 herzustellen, wird der Kanalhauptkörper 34 durch Spritzgießen eines Kunstharzmaterials hergestellt, um drei Tintenkanäle 32a, 32b und 32c zu haben. Auf ähnliche Weise wird die Öffnungsplatte 36 durch Spritzgießen von Kunstharzmaterial erzeugt, um drei Öffnungen 37a, 37b und 37c zu haben. Das piezoelektrische Element der geschichteten Bauart 38, der Kanalhauptkörper 34 und die Öffnungsplatte 36 werden zusammen mit der Basisplatte 33 und der Dünnfilmvibrationsplatte 35 zu einem einzigen Feld 30 zusammengebaut, wie in Fig. 3 gezeigt ist.
Elektrische Schaltkreise, die auf dem Feld 30 vorgesehen sind, sind in Fig. 9 gezeigt.
Die äußeren positiven Elektroden 54a, 54b und 54c des piezoelektrischen Elementes der geschichteten Bauart 38 sind durch öffenbare und schließbare Schalter 62a, 62b und 62c mit der positiven Elektrode einer Antriebsstromquelle 61 verbunden. Die äußeren negativen Elektroden 53 des piezoelektrischen Elementes der geschichteten Bauart 38 und die negative Elektrode der Antriebsstromquelle 61 sind geerdet. Eine Steuerung (nicht gezeigt) öffnet und schließt die Schalter 62a, 62b und 62c, um eine Antriebsspannung von der Antriebsstromquelle 61 zwischen den inneren negativen Elektrodenschichten 42 und den inneren positiven Elektrodenschichten 44 anzulegen, die auf einem ausgewählten Betätigungsabschnitt der Betätigungsabschnitte 46a, 46b oder 46c angeordnet ist.
Um den Druckkopf 15 zu erzeugen, werden eine Vielzahl an Feldern 30 in der gleichen Art und Weise wie oben beschrieben hergestellt und zusammengebaut.
Als nächstes wird die Funktion des Tintenstrahldruckkopfes 15, der die oben beschriebene Konfiguration hat, beschrieben. Zur Vereinfachung der Erläuterung wird angenommen, daß das Feld 30 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel mit drei Tintenkanälen versehen ist.
Entsprechend vorbestimmter Druckdaten schließt die Steuerung beispielsweise den Schalter 62a, so daß eine Spannung zwischen den inneren negativen Elektroden 42 und den inneren positiven Elektroden 44a des Betätigungsabschnitts 46a angelegt wird, woraus ein vorspannungselektrisches Feld resultiert, das in den piezoelektrischen Keramikschichten 40 zwischen diesen inneren Elektrodenschichten entwickelt wird. Eine Abmessungsstörung, die durch die piezoelektrischen Längseffekte hervorgerufen wird, längt den Betätigungsabschnitt 46a in der vertikalen Richtung in Fig. 4, wodurch das Volumen des Tintenkanals 32a reduziert wird. Eine Zunahme des Drucks, die diese Volumenänderung begleitet, stößt Tinte aus der Öffnung 37a in den Tintenkanal 32a als Tröpfchen 39 aus. Darauf folgt, daß der Schalter 6'2a geöffnet wird und das Anlegen der Spannung abgeschaltet wird, wodurch der Betätigungsabschnitt in seine ursprüngliche Form zurückkehrt. Da das Volumen des Tintenkanals 32a zunimmt, wird Tinte in den Tintenkanal 32a aus der Tintenversorgungsvorrichtung 16 über ein separates Ventil (nicht gezeigt) wieder nachgefüllt. Um ein weiteres Beispiel anzugeben, wenn ein anderer Schalter 62b geschlossen wird, wird ein Versatz des Betätigungsabschnitts 46b auftreten, so daß Tinte aus dem Tintenkanal 32b ausgestoßen wird. Weil die piezoelektrischen Keramikschichten 40 in der Richtung polarisiert sind, in der sie gestapelt sind, entwickelt sich ein großer Deformationsbetrag in der gestapelten Richtung, was zu einem hocheffektiven Tintenausstoß führt.
Als nächstes wird eine Deformation detaillierter beschrieben, der das piezoelektrische Element der geschichteten Bauart 38 in der gestapelten Richtung 31 unterzogen wird, wenn eine Spannung daran angelegt wird. Wenn zum Beispiel eine Spannung von 25 V an den Betätigungsabschnitt 46a angelegt wird unterliegt der Überlappungsbereich 46a1 einem signifikanten Versatz von 200 nm oder mehr. Andererseits unterliegt der piezoelektrische inaktive Abschnitt 48 kaum irgendeinem Versatz. Ferner zieht der Versatz an dem Überlappungsbereich 46a1 die sich nicht überlappenden Bereiche 46a2 und erzeugt dort auch etwas Versatz. Weil die Tintenkanäle 32a, 32b und 32c länger in der Längsrichtung als die Betätigungsabschnitte 46a, 46b und 46c ausgebildet sind, kann sich der Betätigungsabschnitt 46a sich wirksam in dem entsprechenden Tintenkanal 32a deformieren. Folglich kann das Tröpfchen 39 effektiv unter Verwendung einer niedrigen Antriebsspannung von lediglich 30 V ausgestoßen werden.
Wie oben beschrieben wurde, werden bei dem Verfahren zur Herstellung des geschichteten piezoelektrischen Elements 38, das aus abwechselnd gestapelten piezoelektrischen Keramikschichten 40 und inneren Elektrodenschichten 42, 44 aufgebaut ist und eine Vielzahl an feinen Betätigungsabschnitten 46 hat, wobei das geschichtete piezoelektrische Element 38 die Betätigungsabschnitte 46 in der Richtung deformiert, in der sie gestapelt sind, schlitzförmige Löcher 52 unter Verwendung einer Ultraschallwellenschleifpartikelbearbeitung nach dem Sintern des gestapelten Körpers aus Grünblättern 50, 51 gebildet. Die Löcher werden als Durchgangslöcher in dem geschichteten piezoelektrischen Element 38 ausgebildet. Die Betätigungsabschnitte 46 sind so ausgebildet, daß sie durch nichtdurchgehende Lochabschnitte 48 an beiden Enden verbunden sind.
In dem Tintenstrahldruckkopf 15 der piezoelektrischen Bauart des vorliegenden Ausführungsbeispiels dient ein einziges piezoelektrisches Element 38 der geschichteten Bauart als piezoelektrische Betätigungseinrichtungen für alle drei Ausstoßvorrichtungen 70a, 70b und 70c. Deshalb können eine Vielzahl an Feldern 30, die zusammengebaut werden, einen Tintenstrahldruckkopf 15 mit einem einfachen Aufbau vorgesehen werden, der unter Verwendung einfacher Verfahren hergestellt werden kann. Deshalb kann die Zahl und Komplexität der Herstellungsprozesse reduziert werden, so daß die Produktionskosten reduziert werden können. Da die piezoelektrischen Betätigungseinrichtungen piezoelektrische Elemente 38 der geschichteten Bauart sind und da die Tintenkanäle 32a, 32b und 32c in der Längsrichtung länger als die entsprechenden Betätigungsabschnitte 46a, 46b und 46c ausgebildet sind, können sich folglich zusätzlich die Betätigungsabschnitte 46a, 46b und 46c wirksam und leicht in die entsprechenden Tintenkanäle 32a, 32b und 32c deformieren, so daß die Antriebsspannung merklich reduziert werden kann.
Da die inneren Elektrodenschichten 42, 44 des piezoelektrischen Elements 38 der geschichteten Bauart durch Siebdruck hergestellt werden, können die Elektroden ferner leicht ausgebildet werden, sogar wenn die Betätigungsabschnitte 46a, 46b und 46c und die langgestreckten Löcher 52 extrem dünn ausgebildet sind. Deshalb kann ein Feld 30, das die Ausstoßvorrichtungen 70a, 70b und 70c enthält, klein gebaut werden, so daß ein Druckkopf erzielt werden kann, der eine hohe Auflösung und einen breiten Druckbereich erlaubt.
Ferner wird jeder der Betätigungsabschnitte 46a, 46b und 46c, die durch die langgestreckten Löcher 52 unterteilt sind, die an ihren beiden Endabschnitten miteinander verbunden sind, durch den piezoelektrischen nichtaktiven Bereich 48 gelagert. Folglich werden sie nicht brechen oder während der Erzeugung des Druckkopfes beschädigt, sogar wenn die Betätigungsabschnitte 46a, 46b und 46c in einer engen Breite ausgebildet sind. Deshalb wird die Ausbeute beim Herstellen des Druckkopfes verbessert. Die Betätigungsabschnitte 46a, 46b und 46c werden ferner nicht brechen wenn sie angesteuert werden, wodurch die Zuverlässigkeit des resultierenden Druckkopfes verbessert wird. Wenn die Betätigungsabschnitte 46a, 46b und 46c dünner ausgebildet werden können, können sie ferner in einer höher integrierten Einheit hergestellt werden, was die Druckqualität des resultierenden Tintenstrahldruckkopfes verbessert.
Darüberhinaus liegen nur die Elektrodenanschlußabschnitte 43, 45 der inneren negativen Elektrodenschichten 42 und die inneren positiven Elektrodenschichten 44 nach außen hin bloß. Deshalb wird eine Verschlechterung der Isolationseigenschaften wie eine Verschlechterung, die durch Silbermigration hervorgerufen wird, beseitigt. Vorteile wie eine höhere Haltbarkeit und Feuchtebeständigkeit werden erzielt. Da die äußeren negativen Elektroden 53 und die äußeren positiven Elektroden 54a, 54b und 54c, die mit den inneren Elektrodenschichten 42, 44a, 44b und 44c verbunden sind, auf derselbe Seitenoberfläche des piezoelektrischen Elements 38 der geschichteten Bauart ausgebildet sind, können die Elektroden ferner leicht aufgenommen und kollektiv elektrisch mit dem Antriebssteuerschaltkreis des Steuerungsantriebs des Druckkopfes verbunden werden. Ferner können die äußeren negativen Elektroden 53 und die äußeren positiven Elektroden 54a, 54b und 54c an einer einzigen Seitenoberfläche des Feldes 30 mit dem elektrischen Schaltkreis verbunden werden, so daß weniger Raum verbraucht wird.
Während die Erfindung unter Bezugnahme auf ein spezifisches Ausführungsbeispiel davon beschrieben wurde, wäre es für Fachleute offensichtlich, verschiedene Änderungen und Modifikationen darin vorzunehmen, ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen, dessen Schutz durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.
Beispielsweise wird in dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel die Vielzahl an Betätigungsabschnitten 46, die in dem geschichteten piezoelektrischen Element 38 ausgebildet sind, an beiden Enden durch die piezoelektrischen inaktiven Abschnitte 48 miteinander verbunden. Jedoch kann, wie in Fig. 10 gezeigt ist, ein geschichtetes piezoelektrisches Element 38' ausgebildet werden, bei dem ein Ende geöffnet ist und das andere Ende durch einen einzigen inaktiven Abschnitt 48 verbunden ist. Da die Betätigungsabschnitte 46' des geschichteten piezoelektrischen Elements 38' an einem Ende verbunden und gelagert werden, besteht keine Gefahr, daß die Betätigungseinrichtungen 46' während der Herstellung oder des Antriebs brechen, sogar wenn sie mit einer engen Breite ausgebildet sind. Da eine Seite offen gelassen wird, werden die Betätigungsabschnitte 46' ferner nicht eingeschränkt, wenn sie angesteuert werden, um sich zu deformieren, so daß eine große Deformation erzielt werden kann.
Ferner sind in dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel die Löcher 52, die das geschichtete piezoelektrische Element 38 in die Betätigungsabschnitte 46 unterteilen, Durchgangslöcher, die sich vollständig durch das piezoelektrische Element 38 erstrecken. Jedoch können stattdessen Vertiefungen, die nicht durch das geschichtete piezoelektrische Element 38 hindurchgehen, verwendet werden, solange eine Kreuzkopplung zwischen benachbarten Betätigungsabschnitten 46 kein Problem wird. Ferner müssen die Löcher 52 nicht in langgezogenen schlitzförmigen Formen gestaltet werden, sondern sie können in verschiedenen anderen Formen ausgebildet werden.
In dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die inneren Elektrodenschichten 42, 44 unter Verwendung verschiedener Muster ausgebildet, die entsprechend den Betätigungsabschnitten 46 isoliert und getrennt sind. Dies muß jedoch nicht der Fall sein, Beispielsweise können während dem Siebdruck nicht nur die innere Elektrodenschicht 42, sondern auch die innere Elektrodenschicht 44 in einer einzelnen Gestalt ausgebildet werden, die alle Betätigungsabschnitte 46 verbindet. Dann können beim Ausbilden der Lochabschnitte 52 unter Verwendung der Ultraschallschleifpartikelbearbeitung die inneren positiven Elektrodenschichten 44 in drei Elektrodenschichten 44a bis 44c unterteilt werden, die mit den drei Elektrodenschichten 45a bis 45c verbunden sind, um dadurch die sich gegenseitig abwechselnden isolierten Betätigungsabschnitte 46 zu bilden.
Obwohl in dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ein piezoelektrisches Element der geschichteten Bauart 38 als piezoelektrische Betätigungseinrichtungen für die drei Ausstoßvorrichtungen 70a, 70b und 70c dient, können jedoch piezoelektrische Betätigungseinrichtungen für zusätzliche Ausstoßvorrichtungen ausgebildet werden, indem das Muster der inneren positiven Elektrodenschichten 44 hinzugefügt oder verändert wird.
Ferner sind in dem obigen Ausführungsbeispiel die inneren positiven Elektrodenschichten 44 eins-zu-eins entsprechend den Tintenkanälen 32a, 32b und 32c unterteilt. Jedoch können die inneren positiven Elektrodenschichten 44 als die gemeinsamen Elektroden ausgebildet werden und die inneren negativen Elektrodenschichten 42 können eins-zu-eins zu den Tintenkanälen 32a, 32b und 32c unterteilt werden. Alternativ können sowohl die inneren positiven Elektrodenschichten 44 als auch die inneren negativen Elektrodenschichten 42 eins-zu-eins entsprechend den Tintenkanälen 32a, 32b und 32c unterteilt werden. Das heißt, es ist zumindest für eine der inneren Elektrodenschichten, entweder die positiven oder die negativen, ausreichend, eins-zu-eins zu den Tintenkanälen 32a, 32b und 32c unterteilt zu sein.
Ferner kann das Feld 30 mit mehr oder weniger als den drei Tintenkanälen, die in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beschrieben wurden, versehen sein.
In dem Ausführungsbeispiel weist der Druckkopf 15 eine Vielzahl an Feldern 30 auf. Jedoch kann der Druckkopf 15 aus einem einzigen Feld 30 hergestellt werden.
Wie oben beschrieben wurde, sind bei dem Verfahren zur Herstellung eines geschichteten piezoelektrischen Elementes gemäß der vorliegenden Erfindung nach dem Ausbilden eines gestapelten Körpers durch Zusammenpressen abwechselnd gestapelter Schichten aus piezoelektrischen Materialschichten und Elektrodenschichten aus Leitfähigem Material Löcher unter Verwendung einer Ultraschallschleifpartikelbearbeitung in dem gestapelten Körper bis zu einer Tiefe in dem gestapelten Körper ausgebildet in einer Richtung, in der die Schichten gestapelt sind. Das geschichtete piezoelektrische Element wird somit durch die Löcher in eine Vielzahl von Betätigungsabschnitten unterteilt. Auf diesem Wege werden nach dem Ausbilden des gestapelten Körpers Löcher unter Verwendung der Ultraschallschleifpartikelbearbeitung ausgebildet. Deshalb können die Betätigungsabschnitte mit einer guten Abmessungspräzision und mit gleichmäßig bearbeiteten Oberflächen ausgebildet werden.
Die Ultraschallschleifpartikelbearbeitung ermöglicht ein leichtes Bearbeiten in beliebiegen Formen durch einfaches Ändern der Gestalt des Bohrers. Im Ergebnis können Betätigungseinrichtungen jeglicher Form ausgebildet werden. Ferner kann die Anzahl an Prozessen hinsichtlich der Bearbeitung durch einfaches Vorbereiten eines Bohrers mit einer Vielzahl an Klingen für das gleichzeitige Erzeugen einer Vielzahl an Löchern reduziert werden.
Ferner werden die Betätigungsabschnitte während der Herstellung nicht auseinanderbrechen, da die Ultraschallschleifpartikelbearbeitung keine großen Kräfte auf die Betätigungsabschnitte aufbringen wird.
Die Betätigungsabschnitte werden abwechselnd an wenigstens einem Ende gelagert, so daß die Betätigungsabschnitte während der Herstellung oder während des Betriebes schwierig zu brechen sind, sogar wenn sie in einer engen Breite ausgebildet sind. Wenn das andere Ende offen ist, wird die Deformation, die während des Antriebs erzeugt wird, nicht eingeschränkt, so daß ein größerer Antrieb erzielt werden kann. Die Betätigungsabschnitte können an beiden Enden gelagert werden, so daß die Betätigungsabschnitte während der Herstellung oder des Antriebs schwierig zu brechen sind, sogar wenn sie in einer engen Breite ausgebildet werden.
Ein Tintenstrahldruckkopf, der dieses geschichtete piezoelektrische Element verwendet, wird eine gute Haltbarkeit und gute Ausstoßeigenschaften in allen Tintenausstoßkammern haben.
Wie aus der obigen Beschreibung klar hervorgeht, ist das Verfahren zur Herstellung eines geschichteten piezoelektrischen Elementes der vorliegenden Erfindung in der Lage, ein kostengünstiges, hochpräzises geschichtetes piezoelektrisches Element mit einer hochzuverlässigen Festigkeit zu schaffen. Insbesondere werden keine großen Kräfte während der Bearbeitungsprozesse auf die piezoelektrische Elemente aufgebracht, da das piezoelektrische Element unter Verwendung der Ultraschallschleifpartikelbearbeitung in eine Vielzahl an Betätigungsabschnitte unterteilt wird. Deshalb besteht keine Gefahr des Auseinanderbrechens der Betätigungsabschnitte während der Herstellung, so daß eine gute Ausbeute erzielt werden kann. Zusätzlich kann ein detailliertes und in der Form freies Bearbeiten ausgeführt werden. Auf dem Werkstück können gleichmäßig bearbeitete Oberflächen ausgebildet werden. Betätigungsabschnitte können in hoher Reihendichte und mit hoher Präzision ausgebildet werden. Wenn das resultierende geschichtete piezoelektrische Element in einem Tintenstrahldruckkopf verwendet wird, kann ein hochkompakter Kopf mit hoher Zuverlässigkeit geschaffen werden, der in der Lage ist, qualitativ hochwertig zu drucken.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines geschichteten piezoelektrischen Elementes (38), das mit wenigstens zwei einzelnen Betätigungsabschnitten (46a-c) ausgebildet ist, das die folgenden Schritte aufweist:

Ausbilden eines gestapelten Körpers (60), wobei wenigstens eine Schicht aus einem piezoelektrischen Material (40) und wenigstens zwei Elektrodenschichten (42, 44) aus einem leitfähigen Material abwechselnd in einer ersten Richtung gestapelt werden; und

Ausbilden von wenigstens einem Loch (52) in dem gestapelten Körper (60), wobei das wenigstens eine Loch (52) sich wenigstens in einem Teil des gestapelten Körpers (60) in der ersten Richtung so erstreckt, daß es den gestapelten Körper in wenigstens zwei Betätigungsabschnitte (46a-c) unterteilt, die individuell deformierbar sind, wenn elektrische Felder zwischen entsprechenden Flächen der wenigstens zwei Elektrodenschichten (42, 44) entwickelt werden, dadurch gekennzeichnet, daß:

das wenigstens eine Loch (52) durch einen Ultraschallwellenschleifpartikelbearbeitungsvorgang ausgebildet wird, der Partikel verwendet, die in einer Flüssigkeit getragen werden.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Lochausbildungsprozeß die folgenden Schritte aufweist:

Pressen eines Bearbeitungsbohrers (95) gegen den gestapelten Körper (60), wobei der Bearbeitungsbohrer (95) wenigstens eine Klinge mit einer Gestalt hat, die einer gewünschten Form des wenigstens einen Loches (52) entspricht; und

Schwingen des Bearbeitungsbohrers (95) mit einer Ultraschallschwingung während dem Versorgen des Bearbeitungsbohrers mit einem Brei, in dem die Schleifpartikel in Wasser suspensiert sind.

3. Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei die Anzahl der wenigstens einen Klinge gleich der Anzahl des wenigstens einen Loches (52) ist, das in dem gestapelten Körper (60) ausgebildet werden soll.

4. Verfahren gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei die Schleifpartikel eine Partikeldurchmesser von gleich oder weniger als ungefähr 50 um haben.

5. Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei die Schleifpartikel Partikeldurchmesser von ungefähr 10 um haben.

6. Verfahren gemäß Anspruch 2, 3, 4 oder 5, wobei der Bearbeitungsbohrer (95) mit einem Druck, der im wesentlichen in einem Bereich von 10 und 100 g/mm² liegt, gegen den gestapelten Körper (60) gepreßt wird.

7. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das wenigstens eine Loch (52) in dem gestapelten Körper (60) ausgebildet wird, indem der gestapelte Körper (60) dem Ultraschallwellenschleifpartikelbearbeitungsprozeß unterzogen wird, wobei die Schleifpartikel aus Siliziumkarbid bestehen.

8. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das wenigstens eine Loch (52) in dem gestapelten Körper (62) ausgebildet wird, indem der gestapelte Körper (60) dem Ultraschallwellenschleifpartikelbearbeitungsprozeß unterzogen wird, wobei die Schleifpartikel aus Bornitrit zusammengesetzt sind.

9. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das wenigstens eine Loch (52) in dem gestapelten Körper (60) ausgebildet wird, indem der gestapelte Körper (60) dem Ultraschallwellenschleifpartikelbearbeitungsprozeß unterzogen wird, wobei die Schleifpartikel Aluminium aufweisen.

10. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das wenigstens eine Loch (52) in dem gestapelten Körper (60) so ausgebildet wird, daß es sich in der ersten Richtung durch den gestapelten Körper (60) hindurch erstreckt.

11. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das wenigstens eine Loch (52) in dem gestapelten Körper (60) so ausgebildet wird, daß es sich wenigstens in einem Teil des gestapelten Körpers (60) in einer zweiten Richtung orthogonal zur ersten Richtung erstreckt.

12. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Herstellungsschritt des gestapelten Körpers (60) die folgenden Schritte umfaßt:

Ausbilden einer Vielzahl an ersten plattenförmigen Blättern (51), von denen jedes aus einem piezoelektrischen Material (40) hergestellt ist und mit einer ersten Elektrodenschicht (42) ausgebildet ist;

Ausbilden einer Vielzahl an zweiten plattenförmigen Blättern (50), von denen jedes aus einem piezoelektrischen Material (40) hergestellt ist und mit einer zweiten Elektrodenschicht (44) ausgebildet ist;

abwechselndes Positionieren der ersten und zweiten plattenförmigen Blätter (50, 51) in der ersten Richtung; und

Zusammenpressen der abwechselnd positionierten plattenförmigen Blätter (50, 51).

13. Verfahren gemäß Anspruch 12, wobei jedes der ersten und zweiten plattenförmigen Blätter (50, 51) durch die folgenden Schritte ausgebildet wird:

Vorbereiten eines plattenförmigen Blattes (50, 51) aus einem piezoelektrischen Material (40); und

Aufbringen einer leitfähigen Paste auf das plattenförmige Blatt durch einen Siebdruckprozeß, um dadurch eine entsprechende Elektrodenschicht (42, 44) auf dem plattenförmigen Blatt (50, 51) auszubilden.

14. Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei die zweite Elektrodenschicht (44) in wenigstens zwei Elektrodenabschnitte (44a-c) unterteilt ist, die elektrisch voneinander isoliert sind, wobei jeder Elektrodenabschnitt (44a-c) zum Entwickeln eines elektrischen Feldes an dem entsprechenden Betätigungsabschnitt (46a-c) dient.

15. Verfahren gemäß Anspruch 12, 13 oder 14, wobei der Herstellungsschritt des gestapelten Körpers ferner den Schritt des Sinterns des gestapelten Körpers (60) umfaßt.

16. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 15, das desweiteren die folgenden Schritte aufweist:

Polarisieren des gestapelten Körpers (60), der mit dem wenigstens einen. Loch (52) ausgebildet ist, in der ersten Richtung; und

Verbinden eines Tintenkanalkörpers (34), der wenigstens zwei Tintenkanäle (32a-c) hat, mit dem gestapelten Körper (60), so daß jeder Tintenkanal (32a-c) mit einem entsprechenden Betätigungsabschnitt (46a-c) verbunden ist.

17. Verfahren zur Herstellung eines geschichteten piezoelektrischen Elementes (38), das wenigstens ein Paar innere Elektroden (42, 44) mit wenigstens einem Abschnitt hat, der in einer Vielzahl von Betätigungsabschnitten (46a-c) unterteilt ist, die deformierbar sind, wenn sie selektiv angeregt werden, um elektrische Felder zwischen den Elektroden (42, 44) zu entwickeln, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

Ausbilden eines gestapelten Körpers (60) durch Zusammenpressen abwechselnd gestapelter piezoelektrischer Schichten (50, 51) aus einem piezoelektrischen Material (40) und Elektrodenschichten (42, 44) aus einem leitfähigen Material; und

Ausbilden von Löchern (52) in dem gestapelten Körper (60) bis zu einer Tiefe in einer Richtung, in der die Schichten (50, 51) gestapelt sind, um den gestapelten Körper (60) in Betätigungsabschnitte (46a-c) zu unterteilen, dadurch gekennzeichnet, daß:

die Löcher (52) unter Verwendung einer Ultraschallwellenschleifpartikelbearbeitung ausgebildet werden, die Partikel verwendet, die in einer Flüssigkeit getragen werden.

18. Verfahren gemäß Anspruch 17, wobei der Schritt zur Erzeugung der Löcher (52) den gestapelten Körper (60) in Betätigungsabschnitte (46a-c) unterteilt, die an einem Ende durch die Löcher (52) geöffnet sind, und die am anderen Ende, das das entgegengesetzte Ende ist, durch einen Nicht- Durchgangslochabschnitt verbunden sind.

19. Verfahren gemäß Anspruch 17, wobei der Schritt zur Erzeugung der Löcher (52) den gestapelten Körper (60) in Betätigungsabschnitte (46a-c) unterteilt, die an gegenüberliegenden Enden durch Nicht-Durchgangslochabschnitte abwechselnd verbunden sind.

20. Verfahren gemäß Anspruch 17, 18 oder 19, wobei die Ultraschallwellenschleifpartikelbearbeitung Schleifpartikel verwendet, die wenigstens entweder Siliziumkarbid, Bornitrit oder Aluminium aufweisen.

21. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17 bis 20, wobei der Schritt zur Ausbildung eines gestapelten Körpers (60) die folgenden Schritte aufweist:

Ausbilden einer ersten Elektrodenschicht (42) auf jedem einer Vielzahl an ersten plattenförmigen Blättern (40), die aus piezoelektrischen Material hergestellt sind, wobei jede erste Elektrodenschicht (42) als gemeinsame Elektrode zum Anregen aller Betätigungsabschnitte (46a-c) dient;

Ausbilden einer Vielzahl an zweiten Elektrodenschichten (44a-c) auf jedem der Vielzahl an zweiten plattenförmigen Blättern (40), die aus piezoelektrischen Material hergestellt sind, wobei jede zweite Elektrodenschicht (44a-c) als Antriebselektrode dient, die einem der Betätigungsabschnitte (46a-c) entspricht; und

Ausbilden des gestapelten Körpers (60) durch Zusammenpressen der ersten und zweiten Blätter (50, 51), die abwechselnd aufeinander gestapelt sind.

22. Verfahren gemäß Anspruch 21, wobei die Schritte zur Ausbildung der ersten Elektrodenschichten (42) und zur Ausbildung der Vielzahl an zweiten Elektrodenschichten (44a-c) unter Verwendung des Siebdruckverfahrens mit einer leitfähigen Paste durchgeführt werden.

23. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, desweiteren aufweisend den Schritt der Verbindung des gestapelten Körpers (60) mit einem Tintenkammerkörper (34), der einzelne Tintenkammern (32a-c) hat, wodurch ein Tintenstrahlkopf der Mehrdüsenbauart vorbereitet wird, wobei die einzelnen Betätigungsabschnitte (46a-c) betätigt werden, um Druckschwankungen in den einzelnen Tintenkammern (32a-c) aufzubringen, um daraus Tinte auszustoßen.