DE3725499A1

DE3725499A1 - Piezoelektrischer tintendruckkopf und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE3725499A1
Application number: DE19873725499
Authority: DE
Inventors: Karl Dr Lubitz; Jutta Mohaupt; Wolfram Dipl Phys Wersing
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1987-07-31
Filing date: 1987-07-31
Publication date: 1989-02-09
Also published as: EP0362291B1; DE3877575D1; WO1989000921A1; EP0362291A1

Description

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Tintendruckkopf mit einer Düsenfront mit mindestens einer Düse, mindestens einem tinteführenden Kanal, der in die Düse mündet und min destens einem piezoelektrischen Antriebselement, das so auf die Tinte in einem Kanal einwirkt, daß es bei piezoelektrischer Einschnürung einen tropfenförmigen Ausstoß von Tinte bewirkt.

Ein Tintendruckkopf mit tinteführenden Kanälen, auf die piezo elektrische Antriebselemente einwirken, ist aus der deutschen Patentschrift 25 43 451 bekannt. Dabei wird jeweils ein Ab schnitt der Kanäle von einem piezoelektrischen Antriebselement zylindrisch umfaßt. Bei diesem Tintendruckkopf ist die Länge der von den Antriebselementen nicht umfaßten, zwischen den Austrittsöffnungen der Tintenkanäle und den Antriebselementen liegenden Abschnitte der Tintenkanäle so bemessen, daß die Tintenkanäle mit den piezoelektrischen Antriebselementen von der Abdruckstelle her strahlenförmig knickfrei wegfluchtend verlaufend anordbar sind. Dieser Tintendruckkopf hat also im Bereich der piezoelektrischen Antriebselemente wesentlich größere Abmessungen als es dem Druckraster entspricht. Für einen modularen Aufbau einer Schreibeinrichtung mit mehreren Tintendruckköpfen ist dieser Tintendruckkopf daher weniger geeignet. Eine vollständige Druckzeile kann nur realisiert werden, wenn der Tintendruckkopf in Zeilenrichtung bewegt wird. Damit ist aber die Druckgeschwindigkeit und die Auflösung begrenzt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen piezoelektrischen Tinten druckkopf und ein Verfahren zu seiner Herstellung anzugeben, der sehr kleine Abmessungen aufweist und Druckpunkte mit sehr hoher Druckpunktdichte liefert.

Diese Aufgabe wird bei einem piezoelektrischen Tintendruckkopf der eingangs genannten Art gelöst durch folgende kennzeichnende Merkmale:

a) das Antriebselement weist auf
- a1) ein Piezokeramikteil, in dem ein Graben vorgesehen ist,
- a2) eine erste Elektrode, die so angeordnet ist, daß sie den Graben zur Bildung eines Kanals verschließt und
- a3) eine zweite Elektrode, die isoliert zur ersten Elektrode auf dem Piezokeramikteil angeordnet ist,
b) die Düsenfront ist direkt mit den Piezokeramikteilen verbunden.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform ist dadurch ge kennzeichnet, daß

a) die Kanäle parallel zueinander verlaufen,
b) die Antriebselemente einzeln ansteuerbar sind,
c) die Gräben mit einer gemeinsamen ersten Elektrode zu Kanälen geschlossen sind
d) die Piezokeramikteile mindestens auf der Länge der elektrisch kontaktierten Bereiche voneinander separiert sind und
e) jeder Kanal in eine Düse mündet.

Ein Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Tinten druckkopfes ist dadurch gekennzeichnet, daß

a) in einer polarisierten Piezokeramikscheibe mindestens ein Graben erzeugt wird,
b) die gemeinsame erste Elektrode auf der Grabenseite der Piezo keramikscheibe aufgebracht wird, so daß die Gräben geschlossen werden und damit Kanäle entstehen,
c) die zweiten Elektroden auf der, den Gräben gegenüberlie genden Oberfläche der Piezokeramikscheibe aufgebracht werden, so daß sie jeweils den Kanälen gegenüberliegen und einander nicht berühren,
d) die Antriebselemente durch Zerteilen der Piezokeramikscheibe zwischen den zweiten Elektroden mindestens auf der Länge der elektrisch kontaktierten Bereiche voneinander separiert werden und
e) auf der Frontseite der Piezokeramikscheibe (41) die mit den Kanälen (5) verbundene Düsenfront (21) hergestellt wird.

Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen, so wie nachfolgend aus der anhand eines Ausführungsbeispiels mit Fig. 1-3 gegebenen Beschreibung hervor.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung einen Schnitt durch einen piezoelektrischen Tintendruckkopf.

Fig. 2 zeigt schematisch den Tintendruckkopf in Draufsicht.

Fig. 3 zeigt schematisch den Verlauf der Herstellung des piezo elektrischen Tintendruckkopfs anhand aufeinanderfolgender Verfahrensschritte mit den Bezugszeichen 301, 303 bis 309, 303 a, 303 b, 307 b bis 309 b, 309 a und 311 a.

Bei den Verfahrensschritten, deren Bezugszeichen mit a oder b versehen sind, ist der piezoelektrische Tintendruckkopf in Draufsicht gezeigt.

Fig. 1: Auf einer Trägerschicht 6 befinden sich mehrere parallel nebeneinander liegende Antriebselemente 1. Jedes Antriebs element 1 besteht aus einem Piezokeramikteil 2, einer zweiten Elektrode 4 und einem Teil einer gemeinsamen ersten Elektrode 3. Die Piezokeramikteile 2 bilden zusammen mit der gemein samen ersten Elektrode 3 Kanäle 5. Dabei schließt die ge meinsame erste Elektrode 3 die Gräben 44, die sich in den Piezokeramikteilen 2 befinden zu Kanälen 5 ab.

Fig. 2: An der Stirnseite des piezoelektrischen Tintendruckkopfs befindet sich die Düsenfront 21 mit Düsen 22. Die Düsenfront 21 ist direkt mit den Piezokeramikteilen 2 verbunden und jeder Kanal 5 mündet in einer Düse 22. Die Piezokeramikteile 2 be rühren sich auf der Länge der elektrisch kontaktierten Bereiche nicht. Die Düsenfront 22 kann aus Metall oder Piezo keramik bestehen. Die Düsen 22 sind zur Tröpfchenausbildung beim Betrieb des piezoelektrischen Tintendruckkopfs wichtig.

FIG 3:

Verfahrensschritt 301: Eine Piezokeramikscheibe 41 mit einer Dicke von 100 bis 200 µm wird beidseitig mit einer Metall schicht 42 und 43 versehen. Die Piezokeramikscheibe 41 ist aus einer Piezokeramikmasse hergestellt, die eine definiert hohe Enddichte, z. B. 99%, erreicht. Sie kann aus einer Piezokera mikfolie durch Schneiden oder aus einem Keramikblock durch Sägen und Schleifen hergestellt sein. Nach dem Aufbringen der Metallschichten 42 und 43 wird die Piezokeramikscheibe 41 durch Anlegen einer Spannung zwischen den Metallschichten 42 und 43, mit einer für die Keramik gebräuchlichen Feldstärke bei einer erhöhten Temperatur von ca. 100-150°C polarisiert.

Verfahrensschritt 303: Durch Laserätzen werden parallel neben einander liegende Gräben 44 auf der Seite der unteren Metall schicht 43 erzeugt.

Verfahrensschritt 303b: Wenn die Düsenfront 21 aus Metall her gestellt werden soll, werden die Gräben 44 auf der Piezokera mikscheibe 41 durchgehend erzeugt. Durchgehende Gräben 44 können auch mit den bekannten Sägetechniken hergestellt werden.

Verfahrensschritt 303a: Bei Herstellung der Gräben 44 durch Laserätzen ist es möglich die Gräben 44 sackprofilartig zu er zeugen. Der nichtstrukturierte Teil der Piezokeramikscheibe 41 kann hier zur Herstellung der Düsenfront 21 verwendet werden. Dabei ist es erforderlich, daß die obere Metallschicht 42, aus der im weiteren Herstellungsverlauf die zweiten Elektroden 4 entstehen, nur in dem Bereich der Piezokeramikscheibe 41 aufge bracht wird, in dem Gräben 44 hergestellt werden.

Verfahrensschritt 304: Die Gräben 44 werden mit Kunststoff 45 vergossen.

Verfahrensschritt 305: Die mit Kunststoff 45 vergossene Seite der Piezokeramikscheibe 41 wird so mechanisch bearbeitet, z. B. Schleifen, Läppen, daß die Piezokeramik freigelegt ist.

Verfahrensschritt 306: Die gemeinsame erste Elektrode 3 wird durch Aufsputtern einer Metallschicht aufgebracht.

Verfahrensschritt 307: Auf die gemeinsame erste Elektrode 3 kann an dieser Stelle des Herstellungsverfahrens eine Träger schicht 6 galvanisch aufgebracht werden. Die Trägerschicht 6 kann aus einer 50 bis 100 µm dicken Metallschicht bestehen.

Verfahrensschritt 308: Der Kunststoff 45 wird aus den Kanälen 5 entfernt, z.B. ausgebrannt. Die Metallschicht 42 auf der Oberseite der Piezokeramikscheibe 41 wird durch Ätz- oder Abhebeverfahren so strukturiert, daß daraus die zweiten Elek troden 4 entstehen, die mittig und parallel über den Kanälen 5 verlaufen und einander nicht berühren.

Eine weitere Möglichkeit zur Strukturierung der Metallschicht 42 für das Erzeugen der zweiten Elektroden 4 ist das Laserätzen. Dabei kann das Strukturieren der Metallschicht 42 zusammen mit dem Zerteilen der Piezokeramikteile 2 erfolgen, das im nächsten Verfahrensschritt (309) beschrieben ist.

Verfahrensschritt 309: Die Piezokeramikteile 2 werden durch Laserätzen so voneinander getrennt, daß sie sich mindestens auf der Länge der elektrisch kontaktierten Bereiche nicht berühren, wobei keilförmige Furchen 48 aus der Piezokeramikscheibe 41 herausgeschnitten werden.

Verfahrensschritt 307b: Zur Herstellung einer Düsenfront 21 aus Metall wird nach dem Erzeugen der gemeinsamen ersten Elektrode 3 und vor dem Entfernen des Kunststoffs 45 aus den Kanälen 5 eine metallische Sputterschicht 46 an der Frontseite der Piezo keramikscheibe 41 aufgebracht.

Verfahrensschritt 308b: Auf die Sputterschicht 46 wird die metallische Düsenfront 21 galvanisch aufgebracht. Die Düsen front 21 kann z. B. aus Nickel bestehen. Zweckmäßigerweise wird die Düsenfront 21 gleichzeitig mit der Trägerschicht 6 gal vanisch aufgebracht.

Verfahrensschritt 309b: Die Düsen 22 werden so in die Düsenfront 21 gebohrt, daß sie mittig auf die Kanäle 5 stoßen.

Verfahrensschritt 309a: Bei der Herstellung der Düsenfront 21 aus Piezokeramik werden die Düsen durch Laserätzen hergestellt. Dazu wird die Piezokeramik an der Frontseite fein geschliffen und poliert.

Verfahrensschritt 311a: Durch Laserätzen werden die Düsen 22 so erzeugt, daß sie mittig auf die Kanäle 5 treffen.

Durch die Trennung der einzelnen Piezokeramikteile 2 vonein ander ist ein Übersprechen zwischen den einzelnen Antriebs elementen 1 unterbunden. Dadurch wird das unerwünschte Neben sprechen, d. h. ein Ausstoß von Tintentröpfchen aus dem Kanal eines nicht angeregten Antriebselements, unterbunden. Die keil förmige Trennfuge 48 unterbindet das Auftreten von interferenz bildenden Schallwellen im Tintendruckkopf.

In der deutschen Patentanmeldung P 37 18 323 ist ein Verfahren beschrieben, mit dem die Bearbeitung von Keramikwerkstoffen ohne das Entstehen von Damageschichten möglich ist. Dabei wird eine Laserstrahlung mit einer (Luft)wellenlänge kleiner als etwa 350 nm verwendet, die Beaufschlagung mit Laserstrahlung nur impulsweise durchgeführt und die Impulsdauer, die Pulswieder holungsrate und die Pulsenergie derart aufeinander abgestimmt bemessen, daß in dem bearbeiteten Werkstoff ein wesentlicher Wärmestau vermieden wird. Vorteilhaft ist der Einsatz eines Excimerlasers.

Durch Anwendung dieses Laserätzverfahrens beim Verfahren zur Herstellung des piezoelektrischen Tintendruckkopf kann das Erzeugen der Düsen, der Gräben und das Zerteilen der Piezokeramikscheibe sehr genau erfolgen, ohne daß störende Damageschichten an den Rändern der bearbeiteten Bereiche entstehen. Damit kann die Ausbeute bei der Herstellung und die Funktionsgenauigkeit der piezoelektrischen Tintendruck köpfe erhöht werden.

Als Elektrodenmaterial eignen sich besonders Verbindungen mit Chrom-Platin-Gold und Titan-Nickel-Gold. Für die gal vanisch abgeschiedenen Schichten ist Nickel besonders geeignet.

Die Druckpunktdichte, die mit dem beschriebenen Tintendruck kopf erreicht werden kann, beträgt ca. 4 Punkte pro Millimeter. Der Tintendruckkopf ist für höchste Druckgeschwindigkeiten geeignet. Das Verfahren gestattet die Herstellung eines Tinten druckkopfes höchster Auflösung sozusagen in einem Stück, ohne daß aufwendige mechanische Bearbeitungs- und Verbindungsver fahren, z. B. Schweißen, notwendig sind.

Da die Bauhöhe dieses Tintendruckkopfs sehr gering ist, ein schließlich einer möglichen Kunststoffbeschichtung kleiner als 0,3 mm, können mehrere Tintendruckköpfe leicht gestapelt und gemeinsam in ein Gehäuse eingebaut werden. Das Gehäuse kann dabei als Tintenkammer dienen. In dieser Weise können auch Tintendruckköpfe für eine ganze Druckzeile aufgebaut werden. Eine Verbindungstechnik für den Zusammenbau einzelner Druck köpfe ist das Kleben.

Mit dem beschriebenen Herstellungsverfahren ist es möglich, Tintendruckköpfe großer Breite (ca. 100 mm) herzustellen. Da selbst zusammengesetzte Druckköpfe noch eine sehr geringe Bauhöhe aufweisen, ist eine weitere Stapelung solcher Druck köpfe für Mehrfarbendruck möglich.

Claims

1. Piezoelektrischer Tintendruckkopf mit einer Düsenfront mit mindestens einer Düse, mindestens einem Tinte führenden Kanal, der in die Düse mündet und mindestens einem piezoelektrischen Antriebselement, das so auf die Tinte in dem Kanal einwirkt, daß es bei piezoelektrischer Einschnürung einen tropfenförmi gen Ausstoß von Tinte bewirkt, gekennzeich net durch folgende Merkmale

a) das Antriebselement (1) weist auf
- a1) ein Piezokeramikteil (2), in dem ein Graben (44) vorge sehen ist,
- a2) eine erste Elektrode (3), die so angeordnet ist, daß sie den Graben (44) zur Bildung eines Kanals (5) verschließt und
- a3) eine zweite Elektrode (4), die isoliert zur ersten Elektrode (3) auf dem Piezokeramikteil (2) angeordnet ist,
b) die Düsenfront (21) ist direkt mit den Piezokeramikteilen (2) verbunden.

2. Piezoelektrischer Tintendruckkopf nach Anspruch 1 mit mehre ren Antriebselementen, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Kanäle (5) parallel zueinander verlaufen,
b) die Antriebselemente (1) einzeln ansteuerbar sind,
c) die Gräben (44) mit einer gemeinsamen ersten Eletrode (3) zu Kanälen (5) geschlossen sind und
d) die Piezokeramikteile (2) mindestens auf der Länge der elektrisch kontaktierten Bereiche voneinander separiert sind und
e) jeder Kanal (5) in eine Düse (22) mündet.

3. Piezoelektrischer Tintendruckkopf nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezokeramikteile (2) eine Materialdichte von größer 98% aufweisen.

4. Piezoelektrischer Tintendruckkopf nach einem der An sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenfront (21) aus Metall besteht.

5. Piezoelektrischer Tintendruckkopf nach einem der An sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenfront (21) aus Piezokeramik besteht.

6. Piezoelektrischer Tintendruckkopf nach einem der An sprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Trägerschicht (6) aus Metall auf der gemeinsamen ersten Elektrode (3) vorgesehen ist.

7. Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Tinten druckkopfes nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, daß

a) in einer polarisierten Piezokeramikscheibe (41) mindestens ein Graben (44) erzeugt wird,
b) die gemeinsame erste Elektrode (3) auf der Grabenseite der Piezokeramikscheibe (41) aufgebracht wird, so daß die Gräben (44) geschlossen werden und damit Kanäle (5) entstehen,
c) die zweiten Elektroden (4) auf der, den Gräben (44) gegen überliegenden Oberfläche der Piezokeramikscheibe (41) aufge bracht werden, so daß sie mittig und parallel über den Kanälen (5) verlaufen und einander nicht berühren,
d) die Antriebselemente (1) durch Zerteilen der Piezokeramik scheibe (41) zwischen den zweiten Elektroden (4) mindestens auf der Länge der elektrisch kontaktierten Bereiche von einander separiert werden und
e) auf der Frontseite der Piezokeramikscheibe (41) die mit den Kanälen (5) verbundene Düsenfront (21) hergestellt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich net, daß die Gräben (44) durch Sägen hergestellt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich net, daß die Gräben (44) durch Laserätzen geschaffen werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufbringen der gemein samen Elektrode (3) dadurch erfolgt, das nach Erzeugen der Gräben (44)

a) die Gräben (44) mit Kunststoff (45) aufgefüllt werden,
b) die gemeinsame erste Elektrode (3) durch Aufsputtern einer Metallschicht aufgebracht wird und
c) der Kunststoff (45) anschließend entfernt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebselemente (1) nach dem Aufbringen der zweiten Elektrodenn (4) durch Laser ätzen voneinander getrennt werden, wobei keilförmige Furchen (48) aus der Piezokeramikscheibe (41) herausgeschnitten werden.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch ge kennzeichnet, daß das Aufbringen der zweiten Elektroden (4) dadurch erfolgt, daß

a) auf der den Gräben (44) gegenüberliegenden Oberfläche der Piezokeramikscheibe (41) eine obere Metallschicht (42) aufgebracht wird und
b) die obere Metallschicht (42) so strukturiert wird, daß die zweiten Elektroden (4) entstehen, die den Kanälen (5) gegen überliegen und einander nicht berühren.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenfront (21) aus Metall hergestellt wird, nachdem die Antriebselemente (1) von einander getrennt werden durch Zerteilen der Piezokeramik scheibe (41) auf ihrer gesamten Länge und bevor der in die Gräben (44) eingebrachte Kunststoff (45) entfernt wird, indem die Piezokeramikscheibe (41) an der Frontseite

a) geschliffen und poliert wird,
b) eine metallische Sputterschicht (46) aufgebracht wird,
c) auf die Sputterschicht (46) die metallische Düsenfront (21) galvanisch aufgebracht und
d) die Düsen (22) mittig auf die Kanäle (5) stoßend erzeugt werden.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenfront (21) aus Piezokeramik hergestellt wird, nachdem die Antriebselemente (1) durch Zerteilen der Piezokeramikscheibe (41) so voneinander getrennt werden, daß die Piezokeramikscheibe (41) im Frontbe reich unzerteilt bleibt, indem

a) die Frontseite der Keramikscheibe (41) geschliffen und poliert wird,
b) durch Laserätzen die Düsen (22) mittig auf die Kanäle (5) stoßend erzeugt werden.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitung der Piezokeramikscheibe durch Laserätzen mit einem Verfahren durchgeführt wird, das die folgenden Merkmale aufweist

a) es wird eine Laserstrahlung mit einer (Luft)wellenlänge kleiner als etwa 350 nm verwendet,
b) die Beaufschlagung mit Laserstrahlung wird nur impuls weise durchgeführt und
c) die Impulsdauer, die Pulswiederholungsrate und die Puls energie wird derart aufeinander abgestimmt bemessen, daß in der Piezokeramikscheibe (41) ein wesentlicher Wärmestau ver mieden wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Aufbringen der ge meinsamen ersten Elektrode (3) eine Trägerschicht (6) aus Me tall galvanisch darauf aufgebracht wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß eine Piezokeramikscheibe (41) verwendet wird, die eine Materialdichte von größer 98% aufweist.