DE3733109A1 - Verfahren zur herstellung eines piezokeramik-elementes fuer einen tintenstrahlschreiber - Google Patents
Verfahren zur herstellung eines piezokeramik-elementes fuer einen tintenstrahlschreiberInfo
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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.
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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DE19873733109 Withdrawn DE3733109A1 (de) | 1987-09-30 | 1987-09-30 | Verfahren zur herstellung eines piezokeramik-elementes fuer einen tintenstrahlschreiber |
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