DE4029974A1 - Verfahren zur herstellung von piezoelementen und nach diesem verfahren hergestelltes piezoelement - Google Patents

Description

Für einen in Planartechnik aufgebauten Tintendruckkopf sind Piezoaktoren erforderlich, die als Biegeschwinger durch eine angelegte und gesteuerte Spannung einen Druckimpuls erzeugen und damit einen Tintentropfen durch die zugeordnete Düse aus­ stoßen (DE-A- 34 38 033). Als Piezoaktoren werden dabei runde, plättchenförmige Piezoelemente eingesetzt.

Bei der Herstellung runder Piezoaktoren wird ein Wafer aus Piezokeramik auf einen Glasträger aufgewachst, worauf die einzelnen Aktoren mit Hilfe von Mehrfachwerkzeugen durch Ultraschall-Schwingläppen aus dem Wafer herausgearbeitet werden. Nach dem Ablösen vom Glasträger und einem anschließen­ den Reinigungsvorgang liegen die einzelnen Piezoaktoren als Schüttgut vor.

Bei der Herstellung von runden Piezoaktoren durch Ultraschall- Schwingläppen bereiten die Symmetrieeinhaltung und das Ent­ stehen von Mikroquerrissen Probleme. Außerdem ist die Ausbeute an Piezoaktoren pro Wafer gering.

Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zu­ grunde, mit geringem fertigungstechnischen Aufwand aus einem Wafer aus Piezokeramik eine möglichst hohe Anzahl qualitativ hochwertiger Piezoelemente herzustellen.

Die Herstellung sechseckförmiger Piezoelemente durch Trenn­ schleifen führt einerseits zu einer guten Kantenqualität der aus dem Wafer herausgetrennten Piezoelemente, während anderer­ seits bei kurzer Fertigungszeit eine hohe Ausbeute erzielt wird. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die einzelnen Piezoelemente nach dem Trenn­ schleifen in geordneter Lage auf dem Träger vorliegen und da­ mit eine weitere Verarbeitung nach dem Pick & Place Verfahren ermöglicht wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 und 3 angegeben.

Die Ausgestaltung nach Anspruch 2 ermöglicht einerseits eine sichere Fixierung der Wafer, während andererseits nach dem Vereinzeln durch Trennschleifen das Ablösen der fertigen Piezoelemente nach dem Pick & Place Verfahren keine Probleme bereitet.

Die Ausgestaltung nach Anspruch 3 ermöglicht bei gleichzeitiger Erhöhung der Standzeit des Werkzeugs eine weitere Verbesserung der Kantenqualität der einzelnen Piezoelemente.

Gemäß Anspruch 4 gibt die Erfindung auch ein Piezoelement in Sechseckform an, dessen Geometrie den bislang verwendeten runden Piezoelementen in Näherung angepaßt ist, dabei aber eine wesentlich höhere Ausbeute ermöglicht.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen

Fig. 1 das Prinzip der Herstellung von Piezoelementen in Sechseckform durch Trennschleifen,

Fig. 2 die Anordnung der Schnitte beim Trennschleifen,

Fig. 3 eine Draufsicht auf ein Piezoelement in Sechseckform und

Fig. 4 eine Seitenansicht des Piezoelements gemäß Fig. 3.

Fig. 1 zeigt in stark vereinfachter schematischer Darstellung die Herstellung von Piezoelementen P aus einem Wafer W durch Trennschleifen mit einer Diamantschleifscheibe D. Ausgegangen wird dabei von einem 2′′-Wafer aus Piezokeramik, der eine Stärke von 80 µm aufweist und zur Bildung von späteren Elektroden beidseitig metallisiert ist. Dieser Wafer W wird auf einer selbstklebenden Folie F fixiert, wobei die Folie F auf in Fig. 1 nicht näher erkennbare Weise zwischen zwei konzentrischen Ringen eingespannt ist. Dieses Wafer-Folien- System wird auf in der Zeichnung ebenfalls nicht näher dar­ gestellte Weise auf einer handelsüblichen Präzisionstrenn­ schleifmaschine mittels Vakuum gehalten.

Als Werkzeug wird die bereits erwähnte Diamantschleifscheibe D eingesetzt, mit der bei hoher Schnittgeschwindigkeit Vs aber relativ geringer Vorschubgeschwindigkeit Vw der Wafer W in einzelne, sechseckförmige Piezoelemente P vereinzelt wird. Mit Hilfe einer programmierbaren Steuerung werden drei Scharen von Schnitten S1, S2, S3 derart gelegt, daß sechseckförmige Piezo­ elemente P in der insbesondere aus Fig. 2 ersichtlichen An­ ordnung entstehen. Die einzelnen Scharen von Schnitten S1, S2 und S3 verlaufen um die der Sechseckform entsprechenden Winkel β1, β2 und β3 von 60° geneigt zueinander, während die gleichen Abstände s zwischen den einzelnen Schnitten S1, S2 und S3 dem aus Fig. 3 ersichtlichen korrespondierenden Maß s zwischen zwei parallelen Seiten eines sechseckförmigen Piezoelements P entsprechen.

Bei dem geschilderten Ausführungsbeispiel wurde eine Diamant­ schleifscheibe D mit einem Durchmesser von 55 mm und einer Stärke von 100 µm bei Drehzahlen von 30 000 Umdrehungen/Min. eingesetzt. Die Schnittgeschwindigkeit Vs betrug 90 m/s, während die Vorschubgeschwindigkeit Vw 3-5 mm/s betrug. Aus dem 2′′-Wafer wurde bei einer Fertigungszeit von 2 Sekunden pro Piezoelement P eine Ausbeute von 1200 Piezoelementen P er­ zielt. Das Diagonalmaß e (vgl. Fig. 3) schwankte zwischen 0,95 mm und 1,25 mm. Die Stärke a (vgl. Fig. 4) der Piezoelemente P entsprach der Stärke des Wafers W von 0,08 mm. Die Kantenaus­ brüche der Piezoelemente P waren auf der oberen Seite geringer als 5 µm und auf der unteren Seite geringer als 10 µm.

Nach dem Trennschleifen liegen die einzelnen Piezoelemente P in geordneter Lage auf der Folie F vor, so daß sie mit der Saugpipette bzw. dem Hartmetall-Collet einer nach dem Pick & Place Prinzip arbeitenden Handhabungseinrichtung abgehoben werden können. Die Lösung der Piezoelemente P von der Folie F wird dabei durch eine Nadel ermöglicht, die von unten derart gegen die Folie F drückt, daß das jeweilige Piezoelement an­ gehoben wird. Beim anschließenden gemeinsammen Hochfahren von Nadel und Hartmetall-Collet reißt die Folie F vom Piezo­ element P, so daß dieses über eine freiprogrammierbare Steuerung in eine beliebige Montageposition gefahren werden kann.

Im geschilderten Ausführungsbeispiel wurden die sechseck­ förmigen Piezoelemente P als Piezoaktoren für in Planartechnik aufgebaute Tintendruckköpfe eingesetzt.

Claims (4)

1. Verfahren zur Herstellung von Piezoelementen, insbesondere von Piezoaktoren für Tintendruckköpfe, bei welchem ein Wafer (W) aus Piezokeramik zunächst auf einen Träger aufgebracht wird und dann durch Trennschleifen mit jeweils gleichem Ab­ stand (s) voneinander drei um Winkel (β1, β2, β3) von 60° geneigt zueinander verlaufende Scharen von Schnitten (S1, S2, S3) derart in den Wafer (W) eingebracht werden, daß eine Vielzahl sechseckförmiger Piezoelemente (P) entsteht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wafer (W) auf eine selbstklebende Folie (F) als Träger aufgebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Trennschleifen eine Diamantschleifscheibe (D) ver­ wendet wird.

4. Piezoelement in Sechseckform, das nach einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist.