DE3733109A1 - Verfahren zur herstellung eines piezokeramik-elementes fuer einen tintenstrahlschreiber - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines piezokeramik-elementes fuer einen tintenstrahlschreiber

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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines für einen Tintenstrahlschreiber zu ver­ wendenden piezokeramischen Elementes mit zeilenförmiger An­ ordnung einer Anzahl von Tintenstrahlröhrchen.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Tintenstrahlschreiber mit piezoelektrischen Elementen herzustellen. Diese piezo­ elektrischen Elemente, die z.B. aus Piezokeramik bestehen, sind so ausgeführt, daß sie Kapillarröhrchen enthalten, in denen sich für das Tintenstrahlschreiben zu verwendende Tinte be­ findet. Durch piezoelektrisch erregte momentane Kontraktion des piezoelektrischen Materials in der Umgebung eines solchen Tintenstrahlröhrchens wird bewirkt, daß in dem Tintenstrahl­ röhrchen befindliche Tinte als Tröpfchen ausgespritzt wird.
Um entsprechend feines Schriftbild zu erreichen, ist es er­ forderlich, in einem solchen Element die Tintenstrahlröhr­ chen möglichst dicht benachbart anzuordnen und für die einzelnen Röhrchen entsprechend kleinen Durchmesser vorzu­ sehen. Zu diesem Zwecke sind sog. Kammschreiber mit feinen Piezokeramikzinken oder -beugen entwickelt worden, welche vor einer Düsenplatte montiert sind. Solche Kammschreiber sind ein wesentlicher technischer Fortschritt gegenüber dem Zusammenbau eines solchen Elementes aus Einzelkomponenten, aber die techno­ logischen Anforderungen sind sehr aufwendig und auch die Ferti­ gungssicherheit nicht gewährleistet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren anzu­ geben, mit dem mit möglichst geringem technologischen Aufwand und hoher Fertigungssicherheit piezoelektrische Elemente für Tintenstrahlschreiber herzustellen sind.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen den Patentanspruches 1 gelöst und weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Der vorliegenden Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die Tintenstrahlröhrchen in im Ergebnis monolithischem Piezokeramik­ material in entsprechender zeilenförmiger Anordnung vorliegen zu haben. Das piezokeramische Material, z.B. Bleizirkonat- Titanat ist dazu so zu verarbeiten, daß derartige Tintenstrahl­ röhrchen entstehen. Dabei ist zu beachten, daß für die piezo­ elektrische Anregung Elektroden vorhanden sein müssen, an die die Anregungsimpulse anzulegen sind.
Der Erfindung liegt das Prinzip zugrunde, das piezokeramische Element des Tintenstrahlschreibers im Schichtaufbau herzu­ stellen und die Volumina für die Tintenstrahlröhrchen in der Weise zu realisieren, daß man im Sandwich-Aufbau Material verwendet, das piezokeramisches Material verdrängt, das aber (nachträglich) aus dem Monolithen leicht zu entfernen ist.
Für die vorliegende Erfindung wird von Piezokeramik-Rohfolien ausgegangen. Es sind dies Folien, die aus den für das jeweilige Piezokeramikmaterial zu verwendenden Ausgangsstoffen bestehen. Diese Ausgangsstoffe sind miteinander nach den üblichen Her­ stellungsverfahren gemahlen, gemischt und vorzugsweise schon zu z.B. Zirkonat-Titanat umgesetzt worden. Diese Mischung der Ausgangsstoffe bzw. das Umsatzmaterial wird getrocknet und (ggf. nochmals gemahlen) in feinteiligem und gut verteiltem Zustand zu einem Schlicker angerührt. Dieser an sich übliche Keramikschlicker wird zu Folien ausgezogen. Die Folien werden getrocknet und aus den Folien werden die notwendigen Sandwich- Folien herausgeschnitten bzw. -gestanzt. Diese Piezokeramik- Rohfolien haben noch ein für die vorliegende Erfindung aus­ reichendes Maß an Plastizität.
Zur Herstellung der Innenvolumina bzw. Hohlräume der Tinten­ strahlröhrchen werden Fäden aus einem Material verwendet, das bei einem durchzuführenden Preßvorgang noch genügend form­ stabil ist und im Verlauf des nachfolgenden Sinterprozesses (zum Sintern der Keramik) sich verflüchtigt. Zum Beispiel eignen sich hierfür Fasern aus Kohlenstoff, die beim Sintern in Sauerstoffatmosphäre verbrennen und entsprechenden Hohlraum hinterlassen. Die Fäden haben Durchmesser um 0,05 bis 0,1 mm.
Für die Erfindung werden also für ein Element (mit einer Zeile Tintenstrahlröhrchen) zwei wie beschriebene Piezokeramik-Roh­ folien zu einem Sandwich aufeinandergelegt, jedoch zwischen diese Folien den Tintenstrahlröhrchen entsprechend Fäden aus z.B. Kohlefaser ausgelegt.
Beim nachfolgenden Aufeinanderpressen der Piezokeramik-Roh­ folien drücken sich diese Fäden aufgrund ihrer schon oben er­ wähnten Formstabilität in das noch plastische Material der Roh­ folien ein, so daß in den Bereichen neben diesen Fäden das Material der zwei aufeinandergelegten Sandwich-Folien in engste Berührung miteinander kommt.
Es sind für solche Elemente Elektroden erforderlich. Jeweilige Elektroden können außen auf ein solches Element aufgebracht sein. Die Gegenelektrode muß aber so angeordnet sein, daß sie die Innenoberfläche der einzelnen Tintenstrahlröhrchen bedeckt. Zu diesem Zwecke erhalten die zwei aufeinander zu legenden Piezokeramik-Rohfolien, und zwar auf den ihnen gegenüberliegen­ den Seiten, Belegungen aus einem Material, das zumindest im Ergebnis eine Elektrode bildet. Als solches Material, das den Sinterprozeß überstehen muß, eignen sich z.B. Platin und Metalle der Platingruppe. Die aufeinanderliegenden Sandwich- Rohfolien berühren sich also tatsächlich mit der aufgebrachten Elektrodenbeschichtung, z.B. der Platinpaste und diese Platinpaste umgibt im zusammengepreßten Zustand der Folien auch die Fäden aus z.B. Kohlenstoffaser.
Um das Material der Rohfolien in tatsächliche Keramik umzu­ wandeln, bedarf es noch des Sinterprozesses. Das Sintern des Materials erfolgt bei an sich bekannten Temperaturen, z.B. zwischen 1100 und 1300°C, nämlich je nach Materialzusammen­ setzung und erwünschtem Sintergrad. Das Sintern erfolgt auch bei der Erfindung in für Piezokeramik üblicher Weise, und zwar in Sauerstoffatmosphäre. Bei diesen hohen Temperaturen brennt der Kohlenstoff der zwischen den Sandwich-Folien liegenden Fäden aus, und zwar erst dann, wenn das Sintern der Rohfolien bereits einen solchen Status erzielt hat, der die entstehen­ den Hohlräume der Tintenstrahlröhrchen formstabil bestehen läßt.
Man erhält auf diese Weise einen monolithischen Piezokeramik­ körper mit fadenförmigen Hohlräumen (der Tintenstrahlröhrchen), deren Innenflächen metallisiert sind. Diese Hohlräume bilden letztendlich die Kapillaren zur Aufnahme des Druckfarbstoffes bzw. der Tinte. Sie enden am Rande dieses monolithischen Keramikelementes als Tröpfchendüsen für das Ausspritzen.
Die zu einem jeweiligen Tintenstrahlröhrchen gehörige Außen­ elektrode wird außen auf das Element aufgebracht und zwar mit Hilfe üblicher Fotoresist- und Metallisierungsverfahren. Da die Innenmetallisierung aller Tintenstrahlröhrchen (der jeweiligen Zeile solcher Röhrchen) eine gemeinsame Elektrode bildet, ist es erforderlich, für das einzelne Ansteuern der einzelnen Tin­ tenstrahlröhrchen auf der Außenoberfläche für jedes Tintenstrahl­ röhrchen getrennte, streifenförmige, elektrische Elektroden vorzusehen. Dies ist aber problemlos mit an sich bekannten Mitteln durchzuführen.
Im Zusammenhang mit den äußeren Streifenelektroden gibt es zwei Alternativen. Es können die äußeren Elektroden in bezug auf die schon vorhandene Anordnung der Fäden bzw. die ent­ standenen Tintenstrahlröhrchen ausgerichtet werden, und zwar am fertig gesinterten Körper. Es können aber auch schon auf die Rohfolien sinterfeste äußere Streifenelektroden aufgebracht sein und es werden diesen Streifen angepaßt die Fäden zwischen den Sandwich-Rohfolien angeordnet.
Das monolithische Keramikelement wird elektrisch polarisiert, damit die für Piezokeramik übliche permanente Polarisation vorliegt.
Durch Anlegen elektrischer Spannungsimpulse zwischen der Innen­ metallisierung und den Elektrodenstreifen der Außenmetallisie­ rung läßt sich das Piezomaterial der Umgebung eines jeweiligen Tintenstrahlröhrchens piezoelektrisch derart anregen, daß eine entsprechende peristaltische Verengung der Kapillare dieses Röhrchens eintritt und die innen enthaltene Tinte tröpfchen­ förmig aus dem Düsen-Endteil der Kapillare herausgeschleudert wird. Dies ergibt dann den gedruckten Punkt auf entsprechend vorbeigeführtem Papier.
Die vorliegende Erfindung kann auch als mehrzeilige Ausführung hergestellt werden. Dazu ist eine entsprechende Vielzahl von solchen Piezokeramik-Rohfolien mit entsprechender Elektroden­ belegung vorzusehen, aufeinanderzulegen, und dabei mit Fäden zu versehen, und zum Stapel gepreßt zu sintern.
Bevorzugt wird die Anordnung so gewählt, daß alle Kapillaren (einer Farbzugehörigkeit) auf der einen (der Düsenöffnung gegenüberliegenden) Seite in einem gemeinsamen Farbstoff­ reservoir münden, das z.B. in dem mit der Erfindung hergestell­ ten Keramikkörper integriert ist. Ein solches Reservoir kann in der üblichen Hohlraumtechnik für Keramik hergestellt sein.
Eine Maßnahme ein sog. Übersprechen benachbarter Tintenstrahl­ röhrchen zu verhindern ist, die Polarisation des Keramik­ materials der Umgebung des einen Tintenstrahlröhrchens ent­ gegengesetzt auszurichten zur Polaration des Materials, das das benachbarte Tintenstrahlröhrchen umgibt. Ein für ein vorge­ gebenes Tintenstrahlröhrchen bestimmter elektrischer Betriebs­ impuls bewirkt dann Kontraktion nur für dieses eine Tinten­ strahlröhrchen und die benachbarten Tintenstrahlröhrchen erfahren sogar gegensinnige Erweiterung ihrer Kapillare.
Weitere Erläuterungen der Erfindung gehen aus der nachfolgen­ den, anhand der Figuren gegebenen Beschreibung hervor.
Fig. 1 zeigt eine Querschnittsansicht eines monolithischen Piezokeramikelementes mit einer Zeile Tintenstrahlröhrchen mit für die Kontaktierung vorgesehener Innenbelegung und mit Außen­ belegungen.
Fig. 2 zeigt eine Prinzipdarstellung zum Herstellungsverfahren
Fig. 3 zeigt eine Erläuterung zum Impulsbetrieb und
Fig. 4 zeigt das Schema einer mehrzeiligen Anordnung, die nach dem Prinzip der Erfindung herzustellen ist.
In Fig. 1 sind mit 2 und 3 zwei Anteile des gesamten Keramik­ körpers 1 bezeichnet, die zunächst Keramik-Rohfolien waren, und wie aus Fig. 1 ersichtlich aufeinanderliegend sind, wobei hierzu ein Aufeinanderpressen angewandt worden ist. Mit 4 sind die Innenhohlräume der Tintenstrahlröhrchen bezeichnet. Mit 5 ist die Innenelektrode bezeichnet, die wie aus Fig. 1 ersicht­ lich auch eine Belegung der Innenwand der Tintenstrahlröhrchen 4 ist. Mit 6 und 7 sind die bereits erwähnten Einzelelektroden auf der Außenseite des Keramikkörpers 1, nämlich des Piezo­ elements bezeichnet. Der Innendurchmesser eines Tintenstrahl­ röhrchens 4 beträgt z.B. F0,05 bis 0,1 mm. Die beiden Anteile 2 und 3 sind z.B. je 0,2 mm dick. Aus der Fig. 1 ist zu ersehen, wie die Innenvolumina der Tintenstrahlröhrchen in das Material der Rohkeramikfolien 2 und 3 eingepreßt ist.
Fig. 2 erläutert, wie ein Element nach Fig. 1 erfindungsge­ mäß hergestellt wird. Die mit 2 und 3 in Fig. 2 bezeichneten Folien sind Rohkeramikfolien und entsprechen den Anteilen 2 und 3 des Keramikkörpers 1 nach Fig. 1. In der Fig. 2 sind diese Folien 2 und 3 in einem erheblichen Abstand übereinander dar­ gestellt. Zwischen diesen Folien 2 und 3, d.h. auf der Ober­ fläche der Folie 3 aufliegend, sind Fäden bzw. Fasern 41 aus z.B. Kohlenstoff dargestellt. Diese Fäden sind zueinander so angeordnet, daß sie die Tintenstrahlröhrchen 4 des Keramik­ körpers 1 der Fig. 1 ergeben. Sobald die Folien 2 und 3 mit den dazwischen befindlichen Fäden 41 aufeinandergelegt und zusammengepreßt sind, ergibt sich das Bild der Fig. 1. Es sei aber darauf hingewiesen, daß die beiden einander gegenüber­ liegenden Oberflächen 21 und 31 der Folien 2 und 3 (der Fig. 2) noch vor dem Aufeinanderlegen bzw. Zusammenpressen mit der erwähnten Elektrodenbeschichtung aus z.B. Platinpaste be­ schichtet worden sind. Diese Platinpaste ergibt dann die Innen­ elektrode 5 der Fig. 1.
Die Fig. 3 zeigt das elektrische Schaltbild für ein einzelnes Tintenstrahlröhrchen 4. Der Impuls wird zwischen die Elektroden 6 und 7 einerseits und die Elektrode 5 angelegt. Entsprechend der Polarisation P des in der Fig. 3 als Umgebung des Tinten­ strahlröhrchens 4 dargestellten Keramikmaterials und der Polarität des Impulses erfolgt die peristaltische Kapillaren­ verengung, die zu Ausstoß in dem Tintenstrahlröhrchen 4 ent­ haltener Tinte bzw. Druckfarbe führt.
Lediglich schematisch dargestellt ist in Fig. 4 die Ausführung einer mehrzeiligen, nach der Erfindung hergestellten Anordnung wiedergegeben. Eine solche Anordnung läßt sich unter sinnge­ mäßer Anwendung der Erfindung, Verwendung von (Kohlenstoff-) Fäden 41, Elektrodenbelegungen 5 sowie 6 und 7, herstellen. Ein Tintenstrahlröhrchen der unteren Zeile wird durch Anlegen des Impulses an die Elektrode 5 der unteren Zeile einerseits und die dem vorgegebenen Tintenstrahlröhrchen 4 zugeordneten Streifenelektroden 6 und 7 bewirken. Für die Anregung eines Tintenstrahlröhrchens 4 der oberen Zeile wird die elektrische Impulsspannung zwischen der Elektrode 5 der oberen Zeile einer­ seits und die Einzelelektroden 6 und 71 des betreffenden Tintenstrahlröhrchens dieser Zeile angelegt. Die Fig. 4 zeigt fakultativ Elektrodenstreifen 6 auf der Folie 2, nämlich solche Elektroden, die bereits vor dem Sintern angebracht sein können und nach denen dann die Fäden 41 auszurichten sind.

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung eines piezokeramischen Elementes für einen Tintenstrahlschreiber mit zeilenförmiger Anordnung der Tintenstrahlröhrchen, wobei entsprechende Elektroden vorge­ sehen sind, gekennzeichnet dadurch,
daß zwei Rohkeramikfolien (2) und (3) mit auf den einander gegenüberliegenden Oberflächen (21) und (31) dieser Folien (2, 3) vorhandener sinterfester Elektrodenbeschichtung (5) unter Zwischenlage der den vorgesehenen Tintenstrahlröhrchen (4) ent­ sprechend angeordneten Fäden (41) aufeinandergelegt werden,
daß diese Folien (2 und 3) derart aufeinandergepreßt werden, daß das Rohkeramikmaterial dieser Folien (2, 3) zusammen mit der Elektrodenbeschichtung (5) der Oberflächen (21, 31) die Fäden (41) dicht geschlossen umgibt,
daß das aus diesen Folien (2 und 3) bestehende Sandwich-Element (1) in für Piezokeramik üblicherweise gesintert, nachfolgend mit entsprechenden Außenelektroden (6, 7) versehen und elektrisch polarisiert wird,
wobei für die Fäden (41) ein für das Pressen gegenüber dem Material der Rohkeramikfolien (2 und 3) ausreichend formstabiles Material verwendet ist, das die Eigenschaft hat, sich beim Sinterprozeß zu verflüchtigen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch , daß für das Material der Fäden (41) Kohlenstoffasern ver­ wendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch , daß für die Elektrodenbeschichtung (5) der Oberflächen (21, 31) der Rohkeramikfolien (2, 3) eine Paste verwendet wird, die Metall der Platinreihe enthält.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch , daß die Außenelektroden (6, 7) als streifenförmige Elektroden nach fotolithografischem Verfahren hergestellt sind.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch , daß die Polarisation benachbarter Tintenstrahlröhrchen (4) entgegengesetzt gerichtet ist.
6. Anwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Herstellung eines Piezokeramikelementes mit mehreren Zeilen Tintenstrahlröhrchen (4), wobei eine entsprechende Vielzahl von Rohkeramikfolien (2, 3) und die entsprechende Anzahl Lagen von Fäden (41) verwendet sind.
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