EP0358723B1 - Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Tintendruckkopfs - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Tintendruckkopfs Download PDF

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EP0358723B1
EP0358723B1 EP88905711A EP88905711A EP0358723B1 EP 0358723 B1 EP0358723 B1 EP 0358723B1 EP 88905711 A EP88905711 A EP 88905711A EP 88905711 A EP88905711 A EP 88905711A EP 0358723 B1 EP0358723 B1 EP 0358723B1
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EP
European Patent Office
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piezoceramic
strip
process according
ink
another
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EP88905711A
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Karl Lubitz
Jutta Mohaupt
Wolfram Wersing
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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    • B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01—Ink jet
    • B41J2/135—Nozzles
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    • B41J2/1632—Manufacturing processes machining
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    • B41J2/16—Production of nozzles
    • B41J2/1621—Manufacturing processes
    • B41J2/164—Manufacturing processes thin film formation
    • B41J2/1646—Manufacturing processes thin film formation thin film formation by sputtering

Definitions

  • the invention relates to methods for producing a piezoelectric ink print head, as specified in the preamble of claim 1.
  • FIG. 2 of this document shows an ink print head composed of two parts, of which one part consists of piezoelectric ceramic and the second part is a cover made of any material.
  • the surface of the piezoelectric part has grooves which are introduced into the material and which, in the assembled state, are covered by the cover and form individual cavities for the ink channels.
  • the nozzles used for ink ejection are also incorporated in the piezoelectric material.
  • the bottom of each gutter is provided with a strip-shaped electrode.
  • a second corresponding strip-shaped electrode is arranged opposite each of these first electrodes on the underside of the piezoelectric component. With the aid of the first and the second electrode, an electric field can be generated between the respective electrodes in the piezoelectric material.
  • the ink channel is outside, next to this piezoelectric area.
  • the ink print head as shown in FIG. 2 is to be assembled from two parts, both of which must be reliably mounted in a sealed manner to one another in such a way that no leakage of ink can pass from one channel into an adjacent channel.
  • This seal must be ensured for a dimensioning in which the center distance of adjacent ink channels is a few tenths of a millimeter. That means that only a few tenths of a millimeter thick bars must be sealed against the lid.
  • Piezo ceramic is used as the inexpensive, available material as the piezoelectric material for such ink print heads.
  • the object of the present invention is to implement such measures for the production of a piezoelectric ink print head with, as mentioned above, very small dimensions for the usual high pressure dot density specify according to which such an ink print head can be manufactured economically.
  • this ink print head must have reliable liquid sealing between the individual ink channels and the excitation of an ink channel must not lead to parasitic effects in adjacent ink channels.
  • DE-A-36 19 871 describes a method for producing piezoceramic material with a predeterminable acoustic impedance which has internal cavities.
  • the cavities are produced photolithographically, with an intermediate stage of the process being the production of a stack from piezoceramic raw foils.
  • This method can advantageously be used to generate channel-shaped cavities in piezoceramic film strips, which serve as ink channels.
  • DE-A-37 18 323 describes a method by means of which the processing of ceramic materials is possible without the creation of layers of damage.
  • Laser radiation with an (air) wavelength less than about 350 nm is used, the exposure to laser radiation is carried out only in pulses and the pulse duration, the pulse repetition rate and the pulse energy are dimensioned in such a way that a substantial heat build-up is avoided in the processed material.
  • the use of an excimer laser is advantageous.
  • This laser process can be used in the process for manufacturing the piezoelectric ink print head to produce the nozzles, the trenches and to cut the piezoceramic strips with no annoying layers of Damage on the edges of the processed areas.
  • the yield in the manufacture and the functional accuracy of the piezoelectric ink print heads can thus be increased.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a section through a piezoelectric ink printhead produced by the inventive method.
  • Fig. 2 schematically shows the ink print head in plan view.
  • FIG. 3 schematically shows the course of the manufacture of the piezoelectric ink print head on the basis of successive method steps with the reference symbols 301 to 304, 301a, 301b, 304a, 305a and 304b to 307b.
  • the reference numerals of which are provided with a or b the piezoelectric ink print head is shown in a top view.
  • FIG. 4 schematically shows a device that can be used to produce piezoceramic film strips with channel-shaped cavities.
  • Fig. 5 shows a film that can be used to produce piezoceramic strips with channel-shaped cavities.
  • FIG. 1 is a diagrammatic representation of FIG. 1:
  • Each drive element 1 consists of a piezoceramic part 2, a second electrode 4 and part of a common first electrode 3. There are electrical connection strips 8 on the second electrodes 4.
  • the piezoceramic parts 2 have Ink channels 5 with a rectangular cross section.
  • the carrier layer 6 can consist of plastic or metal.
  • the piezoelectric ink printhead can be cast on the side of the drive elements 1 with plastic 7.
  • FIG. 2 is a diagrammatic representation of FIG. 1
  • the nozzle front 21 with nozzles 22 is located on the front side of the piezoelectric ink print head.
  • the nozzle front 21 is connected directly to the piezoceramic parts 2 and each ink channel 5 opens into a nozzle 22.
  • the piezoelectric ceramic parts 2 do not touch on the length of the electrically contacted regions.
  • the nozzle front 21 can consist of metal or piezoceramic.
  • the nozzles 22 are correct for droplet formation during the operation of the piezoelectric ink print head.
  • Arranged on the side of the piezoelectric ink print head opposite the nozzle front 21 is the electrical connecting strip line 9, the electrical connecting strips 8 of which make electrical contact with the second electrodes 4.
  • FIG. 3 is a diagrammatic representation of FIG. 3
  • Method step 301 A plurality of parallel bar-shaped profiles 43 are applied to an approximately 80 to 150 mm thick strip of a piezoceramic raw foil 41 with a carrier foil 42, from which the ink channels 5 emerge in the further course of the method.
  • the profiles can be applied using the screen printing process.
  • Profiles 43 which have the shape of the desired ink channels 5, are printed from a paste of organic binder with a proportion of carbon.
  • Another possibility for producing the profiles 43 (not shown in the figure) is to provide the piezoceramic raw film strip 41 with a plastic layer and to structure this using the known photoetching techniques.
  • ink channels with a rectangular, elliptical or elongated cross section is particularly advantageous for the manufacturing process, since inaccuracies in the dimensions caused by the shrinkage of the piezoceramic during sintering during the manufacture of the nozzle front 21 can be compensated for by adjusting the nozzles 22.
  • the profiles 43 are not applied continuously to the piezoceramic tube film strip 41.
  • the non-structured part of the piezoceramic raw film strip 41 is later used to produce the nozzle front 21.
  • the profiles 43 are applied continuously to the piezoceramic raw film strip 41. Continuous ink channels 5 then result from this in the further production process.
  • a layer of piezoceramic raw material 45 is applied to the piezoceramic tube film strip 41 in such a way that the profiles 43 are covered and the space between the profiles 43 is filled.
  • the piezoceramic raw material 45 can be applied using the casting and drawing processes which are usually used for the production of piezoceramic raw film.
  • An alternative possibility for coating the profiles 43 with piezoceramic raw material 45 is the application of a further piezoceramic raw film strip and subsequent pressing of the piezoceramic raw film strips, for example in one pass through a heated calender device.
  • the coating of the profiles 43 with piezoceramic raw material 45 by casting and drawing methods is preferable if the distances between the ink channels 5 are to be produced with very little deviations from one another.
  • the coating of the piezoceramic raw film strip 41 with a further piezoceramic raw film strip using a calender process enables a closer tolerance of the thickness, so that deviations in the thickness of less than 10% are possible for the finished ink print head. All piezoceramic raw foils and piezoceramic raw materials used are selected so that they achieve a defined high final density, for example 99%, after sintering.
  • piezoceramic strips with inner profiles 43 and carrier foil 42 is sintered and a piezoceramic strip 46 with ink channels 5 is formed.
  • the common first electrode 3 is applied by sputtering on a metal layer, on the common electrode 3
  • a metallic sputter layer 47 is applied, from which the second electrodes 4 are later produced.
  • a carrier layer 6 is applied to the common first electrode 3, for example by gluing on a plastic film.
  • the piezoceramic parts 2 are separated from one another by laser etching such that they are separated from one another at least along the length of the electrically contacted regions, wedge-shaped furrows 48 being cut out of the sintered piezoceramic 46.
  • the second electrodes 4 also arise from the sputter layer 47. With precise focusing and positioning of the laser beam, the piezoceramic parts 2 can be separated from one another practically continuously up to the first electrode 3 in one operation.
  • wedge-shaped parting lines 48 are cut out of the sintered piezoceramic 46 by laser etching and do not reach the common first electrode 3.
  • the piezoceramic parts 2 can then be completely separated from one another by different methods.
  • the wedge-shaped parting lines 48 are potted with plastic 7 and the ceramic connection points 44 are torn by defined bending of the sintered piezoceramic parts 2. This can be done by gluing a carrier layer 6, both parts being pressed into a device (not shown in the figure) which has a slightly concave shape.
  • the breaking apart of the ceramic connection points 44 results in the finest gaps between the Piezoceramic parts 2.
  • the separation of the individual piezoceramic parts 2 from one another prevents crosstalk between the individual drive elements 1. This prevents unwanted crosstalk, ie ejection of ink droplets from the ink channel of a non-excited drive element.
  • the wedge-shaped furrows 48 prevent the occurrence of interference-forming sound waves in the ink print head.
  • the polarization of the piezoceramic parts 2 must be carried out in such a way that the mechanical stresses that occur are as low and elastic as possible.
  • the polarization field strength should be as large as possible within the piezoceramic parts 2 and for all piezoceramic parts 2.
  • the ink channels 5 are therefore covered with a weakly conductive liquid, e.g. Ink, filled and between the second electrodes 4 and the common first electrode 3, an electric field with a field strength customary for the piezoceramic is applied.
  • the polarization is carried out at elevated temperature (100-150 ° C).
  • Another method for separating the piezoceramic parts 2 offers the introduction of wedge-shaped elongated profiles (not shown in the figure) at the same time as the application of the profiles 43.
  • the wedge-shaped furrows 48 then arise during sintering by burning out the profiles.
  • the second electrodes 4 lie centrally over the ink channels 5 and run parallel to these.
  • the nozzles 22 are produced by laser etching.
  • the ink print head is finely sanded and polished on the front.
  • the nozzles 22 are then produced by laser etching so that they meet the ink channels 5 and are the same Have distances from each other.
  • the second electrodes 4 lie centrally over the ink channels 5 and run parallel to these.
  • a further metallic sputter layer 49 is applied to the front of the piezoceramic strip 46.
  • the metallic nozzle front 21 is applied galvanically to the sputter layer 49.
  • the nozzle front 21 can e.g. are made of nickel.
  • the nozzles 22 are produced by laser etching in such a way that they meet the ink channels 5 in the center and are at equal distances from one another.
  • Electrode material Compounds with chrome-platinum-gold and titanium-nickel-gold are particularly suitable as the electrode material.
  • Nickel is particularly suitable for the electrodeposited layers.
  • FIG. 4 is a diagrammatic representation of FIG. 4
  • the device contains a base body 51, in which a depression 54 is produced. On the outer edges of the base body 51 there are regularly arranged grooves 52 for receiving plastic threads 53. The grooves 52 are arranged such that the plastic threads 53 lie parallel next to one another above the recess 54 when the base body 53 is wrapped. In a casting process, the device can be used to produce a piezoceramic strip which has channel-shaped cavities after sintering.
  • the plastic threads 53 can also be in a pressing process be surrounded with ceramic mass. Since very thin piezoceramic strips are difficult to produce by pressing, it is advisable to produce thicker piezoceramic strips and to grind them to the desired thickness after sintering.
  • the piezoceramic strips produced using this method have continuous ink channels.
  • FIG. 5 is a diagrammatic representation of FIG. 5
  • a film made of burn-out material 61 can be used, which has strip-shaped openings 62.
  • the strip-shaped openings 62 are arranged parallel to one another.
  • the burn-out film 61 is surrounded with a piezoceramic raw material by a casting or pressing process. During sintering, the burn-out film 61 burns and a piezoceramic strip with continuous channel-shaped cavities is created. In this method too, it is advisable to design piezoceramic strips 46 produced by a pressing process somewhat thicker and to grind them to the desired thickness after sintering.
  • the pressure dot density that can be achieved with the ink print head described is at least about 12 dots per mm.
  • the ink printhead is suitable for the highest printing speeds.
  • the method allows the production of an ink print head of the highest resolution, as it were in one piece, without the need for complex mechanical processing and connection processes, for example welding. Since the height of this ink printhead is very small, including a possible plastic coating smaller than 0.2 mm, several ink printheads can be easily stacked and installed together in one housing.
  • the housing can serve as an ink chamber. In this way, ink printheads can be constructed for an entire print line.
  • One connection technique for assembling individual ink printheads is gluing.
  • ink printheads with widths of a few 10 mm. Since even assembled ink printheads still have a very low overall height, further stacking of such ink printheads for multi-color printing is possible.
  • the ink channels 5 For polarizing the piezoceramic strips or parts, it is advisable to fill the ink channels 5 with an electrically weakly conductive liquid and to generate the electrical polarization field between the two electrodes 3, 4 at elevated temperature.
  • piezoceramic with a material density greater than 98%.

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Description

  • Die Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Tintendruckkopfes, wie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegeben.
  • Ein Tintendruckkopf mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1 ist aus der DE-A-36 30 206 bekannt. Die Figur 2 dieser Druckschrift zeigt einen aus zwei Teilen zusammengesetzten Tintendruckkopf, von denen das eine Teil aus piezoelektrischer Keramik besteht und das zweite Teil ein aus beliebigem Material bestehender Deckel ist. Das piezoelektrische Teil weist von seiner einen Oberfläche her in das Material eingebrachte Rinnen auf, die, im montierten Zustand durch den Deckel abgedeckt, einzelne Hohlräume für die Tintenkanäle bilden. Die für das Tintenausspritzen dienenden Düsen sind ebenfalls in das piezoelektrische Material eingebracht. Der Boden einer jeden Rinne ist mit einer streifenförmigen Elektrode versehen. Bezogen auf das Material dieses piezoelektrischen Anteils ist einer jeden dieser ersten Elektroden eine zweite entsprechend streifenförmige Elektrode gegenüberliegend auf der Unterseite des piezoelektrischen Anteils angebracht. Mit Hilfe der ersten und der zweiten Elektrode läßt sich in dem piezoelektrischen Material zwischen jeweils diesen Elektroden ein elektrisches Feld erzeugen. Der Tintenkanal befindet sich außerhalb, neben diesem piezoelektrisch wirksamen Bereich.
  • Der wie in Figur 2 dargestellte Tintendruckkopf ist aus zwei Teilen zusammenzumontieren, die beide miteinander zuverlässig derart abgedichtet montiert sein müssen, daß keinerlei leckweiser Übertritt von Tinte aus dem einen Kanal in einen benachbarten Kanal eintreten kann. Diese Abdichtung muß für eine Dimensionierung sichergestellt werden, bei der der Mittenabstand benachbarter Tintenkanäle in der Größe einiger Zehntel Millimeter liegt. Das heißt, daß nur wenige Zehntel Millimeter dicke Stege gegenüber dem Deckel abzudichten sind.
  • Für einen jeglichen Tintendruckkopf mit benachbarten Tintenkanälen ist sicherzustellen, daß die piezoelektrische Anregung des einen Tintenkanals auf allein diesen Kanal beschränkt ist und sich nicht parasitär in den benachbarten Tintenkanälen auswirkt.
  • Als piezoelektrisches Material für derartige Tintendruckköpfe wird Piezokeramik als preiswertes, zur Verfügung stehendes Material verwendet.
  • Ein weiterer Tintendruckkopf mit tinteführenden Kanälen, auf die piezoelektrische Antriebselemente einwirken, ist aus der deutschen Patentschrift 2 543 451 bekannt. Dabei wird jeweils ein Abschnitt 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 Abdrucksstelle 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 vorliegenden Erfindung ist es, solche Maßnahmen für die Herstellung eines piezoelektrischen Tintendruckkopfes mit, wie oben erwähnten, für die übliche hohe Druckpunktdichte sehr kleinen Abmessungen anzugeben, nach denen ein solcher Tintendruckkopf wirtschaftlich hergestellt werden kann. Insbesondere muß dieser Tintendruckkopf zuverlässige Flüssigkeitsabdichtung zwischen den einzelnen Tintenkanälen haben und die Anregung eines Tintenkanals darf nicht zu parasitärer Auswirkung in benachbarten Tintenkanälen führen.
  • Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
  • Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
  • In der DE-A-36 19 871 ist ein Verfahren zur Herstellung piezokeramischen Materials mit vorgebbarer akustischer Impedanz, das innere Hohlräume besitzt, beschrieben. Die Hohlräume werden fotolithographisch erzeugt, wobei ein Zwischenstadium des Verfahrens die Herstellung eines Stapels aus Piezokeramikrohfolien ist.
  • Dieses Verfahren kann vorteilhaft dazu eingesetzt werden, kanalförmige Hohlräume in Piezokeramikfolienstreifen zu erzeugen, die als Tintenkanäle dienen.
  • In der DE-A- 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 Pulswiederholungsrate und die Pulsenergie derart aufeinander abgestimmt bemessen, daß in dem bearbeiteten Werkstoff ein wesentlicher Wärmestau vermieden wird. Vorteilhaft ist der Einsatz eines Excimerlasers.
  • Dieses Laserverfahren kann beim Verfahren zur Herstellung des piezoelektrischen Tintendruckkopfes zum Erzeugen der Düsen, der Gräben und zum Zerteilen der Piezokeramikstreifen verwendet werden, wobei keine störenden Damageschichten an den Rändern der bearbeiteten Bereiche entstehen. Damit kann die Ausbeute bei der Herstellung und die Funktionsgenauigkeit der piezoelektrischen Tintendruckköpfe erhöht werden.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels mit den Figuren 1 bis 4 weiter erläutert.
  • Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung einen Schnitt durch einen nach erfindungsgemäßem Verfahren hergestellten piezoelektrischen Tintendruckkopf.
  • Fig. 2 zeigt schematisch den Tintendruckkopf in Draufsicht.
  • Fig. 3 zeigt schematisch den Verlauf der Herstellung des piezoelektrischen Tintendruckkopfes anhand aufeinanderfolgender Verfahrensschritte mit den Bezugszeichen 301 bis 304, 301a, 301b, 304a, 305a und 304b bis 307b. Bei den Verfahrensschritten, deren Bezugszeichen mit a oder b versehen sind, ist der piezoelektrische Tintendruckkopf in Draufsicht gezeigt.
  • Fig. 4 zeigt schematisch eine Vorrichtung, die zur Herstellung von Piezokeramikfolienstreifen mit kanalförmigen Hohlräumen verwendet werden kann.
  • Fig. 5 zeigt eine Folie, die zur Herstellung von Piezokeramikstreifen mit kanalförmigen Hohlräumen verwendet werden kann.
    • FIG. 1:
  • Auf einer Trägerschicht 6 befinden sich mehrere paralell nebeneinander liegende Antriebselemente 1. Jedes Antriebselement 1 besteht aus einem Piezokeramikteil 2, einer zweiten Elektrode 4 und einem Teil einer gemeinsamen ersten Elektrode 3. Auf den zweiten Elektroden 4 befinden sich elektrische Anschlußstreifen 8. Die Piezokeramikteile 2 besitzen Tintenkanäle 5 mit rechteckigem Querschnitt. Die Trägerschicht 6 kann aus Kunststoff oder Metall bestehen. Der piezoelektrische Tintendruckkopf kann auf der Seite der Antriebselemente 1 mit Kunststoff 7 vergossen sein.
    • FIG.2:
  • An der Stirnseite des piezoelektrischen Tintendruckkopfes befindet sich die Düsenfront 21 mit Düsen 22. Die Düsenfront 21 ist direkt mit den Piezokeramikteilen 2 verbunden und jeder Tintenkanal 5 mündet in eine Düse 22. Die Piezokeraaikteile 2 berühren sich auf der Länge der elektrisch kontaktierten Bereiche nicht. Die Düsenfront 21 kann aus Metall oder Piezokeramik bestehen. Die Düsen 22 sind zur Tröpfenchenausbildung beim Betrieb des piezoelektrischen Tintendruckkopfes richtig. Auf der der Düsenfront 21 gegenüberliegenden Seite des piezoelektrischen Tintendruckkopfes ist die elektrische Anschlußstreifenleitung 9 angeordnet, deren elektrische Anschlußstreifen 8 zu den zweiten Elektroden 4 einen elektrischen Kontakt herstellen.
    • FIG.3:
  • Verfahrensschritt 301: Auf einem ca. 80 bis 150 mm dicken Streifen einer Piezokeramikrohfolie 41 mit einer Trägerfolie 42 werden mehrere parallele balkenförmige Profile 43 aufgebracht, aus denen im weiteren Verlauf des Verfahrens die Tintenkanäle 5 entstehen. Das Aufbringen der Profile kann im Siebdruckverfahren erfolgen. Dabei werden Profile 43, die die Form der gewünschten Tintenkanäle 5 aufweisen, aus einer Paste aus organischem Bindemittel mit einem Anteil Kohlenstoff aufgedruckt. Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung der Profile 43 (nicht in der Figur dargestellt) ist, den Piezokeramikrohfolienstreifen 41 mit einer Kunststoffschicht zu versehen und diese mit den bekannten Fotoätztechniken zu strukturieren.
  • Für das Herstellungsverfahren ist das Erzeugen von Tintenkanälen mit rechteckigem, ellipsenförmigem oder langlochförmigem Querschnitt besonders vorteilhaft, da durch Materialschwund der Piezokeramik beim Sintern verursachte Ungenauigkeiten in den Abmessungen bei der Herstellung der Düsenfront 21 durch Justierung der Düsen 22 ausgeglichen werden können.
    • Verfahrensschritt 301a
  • Wenn die Düsenfront 21 aus Piezokeramik hergestellt werden soll, werden die Profile 43 nicht durchgehend auf dem Piezokeramikrohrfolienstreifen 41 aufgebracht. Der nicht strukturierte Teil des Piezokeramikrohfolienstreifens 41 wird später zur Herstellung der Düsenfront 21 verwendet.
    • Verfahrensschritt 301b
  • Wenn die Düsenfront 21 aus Metall hergestellt werden soll, werden die Profile 43 durchgehend auf den Piezokeramikrohfolienstreifen 41 aufgebracht. Im weiteren Herstellungsverfahren entstehen dann daraus durchgehende Tintenkanäle 5.
    • Verfahrensschritt 302
  • Auf den Piezokeramikrohrfolienstreifen 41 wird eine Schicht aus Piezokeramikrohmasse 45 so aufgebracht, daß die Profile 43 bedeckt sind und der Raum zwischen den Profilen 43 ausgefüllt ist. Das Aufbringen der Piezokeramikrohmasse 45 kann mit den Gieß- und Ziehverfahren erfolgen, die zur Herstellung von Piezokeramikrohfolie üblicherweise verwendet werden. Eine alternative Möglichkeit zum Beschichten der Profile 43 mit Piezokeramikrohmasse 45 ist das Aufbringen eines weiteren Piezokeramikrohfolienstreifens und anschließendes Verpressen der Piezokeramikrohfolienstreifen, z.B. in einem Durchlauf durch eine beheizte Kalandereinrichtung. Die Beschichtung der Profile 43 mit Piezokeramikrohmasse 45 durch Gieß- und Ziehverfahren ist vorzuziehen, wenn die Abstände der Tintenkanäle 5 voneinander mit sehr geringen Abweichungen hergestellt werden sollen. Die Beschichtung des Piezokeramikrohfolienstreifens 41 mit einem weiteren Piezokeramikrohfolienstreifen unter Anwendung eines Kalanderprozesses ermöglicht eine engere Toleranz der Dicke, so daß für den fertigen Tintendruckkopf Abweichungen in der Dicke von weniger als 10% möglich werden. Alle verwendeten Piezokeramikrohfolien und Piezokeramikrohmassen sind so gewählt, daß sie nach dem Sintern eine definiert hohe Enddichte, z.B. 99% erreichen.
    • Verfahrensschritt 303.
  • Der gesamte Aufbau aus Piezokeramikstreifen mit inneren Profilen 43 und Trägerfolie 42 wird gesintert und es entsteht ein Piezokeramikstreifen 46 mit darin enthaltenen Tintenkanälen 5. Auf einer Seite des Piezokeramikstreifens 46 wird die gemeinsame erste Elektrode 3 durch Aufsputtern einer Metallschicht aufgebracht, Auf der der gemeinsamen Elektrode 3 gegenüberliegenden Seite des Piezokeramikstreifens 46 wird eine metallische Sputterschicht 47 aufgebracht, aus der später die zweiten Elektroden 4 hergestellt werden.
    • Verfahrensschritt 304
  • Auf die gemeinsame erste Elektrode 3 wird eine Trägerschicht 6 aufgebracht, z.B. durch Aufkleben einer Kunststoffolie. Durch Laserätzen werden die Piezokeramikteile 2 so voneinander getrennt, daß sie mindestens auf der länge der elektrisch kontaktierten Bereiche voneinander separiert sind, wobei keilförmige Furchen 48 aus der gesinterten Piezokeramik 46 herausgeschnitten werden. Dabei entstehen auch die zweiten Elektroden 4 aus der Sputterschicht 47, Bei genauer Fokussierung und Positionierung des Laserstrahls kann das voneinander Trennen der Piezokeramikteile 2 in einem Arbeitsgang praktisch durchgehend bis zur ersten Elektrode 3 erfolgen. Weitere Möglichkeiten für das voneinander Trennen der Piezokeramikteile 2 ergeben sich, wenn durch Laserätzen keilförmige Trennfugen 48 aus der gesinterten Piezokeramik 46 herausgeschnitten werden, die nicht bis zur gemeinsamen ersten Elektrode 3 reichen, Das vollständige Trennen der Piezokeramikteile 2 voneinander kann dann durch verschiedene Vefahren erfolgen. Bei dem in der Figur dargestellten piezoelektrischen Tintendruckkopf werden die keilförmigen Trennfugen 48 mit Kunststoff 7 vergossen und durch definiertes Biegen der gesinterten Piezokeramikteile 2 die keramischen Verbindungsstellen 44 zum Reißen gebracht. Das kann beim Aufkleben einer Trägerschicht 6 erfolgen, wobei beide Teile in eine Vorrichtung (nicht in der Figur dargestellt) eingepreßt werden, die eine leicht konkave Form aufweist. Durch das Auseinanderbrechen der keramischen Verbindungsstellen 44 entstehen feinste Spalte zwischen den Piezokeramikteilen 2. Durch die Trennung der einzelnen Piezokeramikteile 2 voneinander ist ein Übersprechen zwischen den einzelnen Antriebselementen 1 unterbunden. Dadurch wird das unerwünschte Übersprechen, d.h. ein Ausstoß von Tintentröpfchen aus dem Tintenkanal eines nicht angeregten Antriebselements unterbunden ist. Die keilförmigen Furchen 48 unterbinden das Auftreten von interferenzbildenden Schallwellen im Tintendruckkopf.
  • Das Polarisieren der Piezokeramikteile 2 muß so durchgeführt werden, daß die dabei auftretenden mechanischen Spannungen möglichst gering und elastisch sind. Oie Polarisierungsfeldstärke soll innerhalb der Piezokeramikteile 2 und für alle Piezokeramikteile 2 möglichst gleich groß sein. Zum Polarisieren werden daher die Tintenkanäle 5 mit einer schwach leitfähigen Flüssigkeit, z.B. Tinte, gefüllt und zwischen die zweiten Elektroden 4 und die gemeinsame erste Elektrode 3 wird ein elektrisches Feld mit einer für die Piezokeramik gebräuchlichen Feldstärke angelegt. Das Polarisieren wird bei erhöhter Temperatur (100-150°C) durchgeführt.
  • Ein weiteres Verfahren für das voneinander Trennen der Piezokeramikteile 2 bietet das Einbringen von keilförmigen langgestreckten Profilen (nicht in der Figur dargestellt) gleichzeitig mit dem Aufbringen der Profile 43. Bei diesem Verfahren entstehen die keilförmigen Furchen 48 dann beim Sintern durch Ausbrennen der Profile.
    • Verfahrensschritt 304a
  • Die zweiten Elektroden 4 liegen mittig über den Tintenkanälen 5 und verlaufen parallel zu diesen.
    • Verfahrensschritt 305a
  • Bei der Herstellung der Düsenfront 21 aus Piezokeramik werden die Düsen 22 durch Laserätzen hergestellt. Dazu wird der Tintendruckkopf an der Frontseite fein geschliffen und poliert. Anschließend werden durch Laserätzen die Düsen 22 so erzeugt, daß sie auf die Tintenkanäle 5 treffen und dabei gleiche Abstände zueinander aufweisen.
    • Verfahrensschritt 304b
  • Die zweiten Elektroden 4 liegen mittig über den Tintenkanälen 5 und verlaufen parallel zu diesen.
    • Verfahrensschritt 305b
  • Zur Herstellung einer Düsenfront 21 aus Metall wird eine weitere metallische Sputterschicht 49 an der Frontseite des Piezokeramikstreifens 46 aufgebracht.
    • Verfahrensschritt 306b
  • Auf die Sputterschicht 49 wird die metallische Düsenfront 21 galvanisch aufgebracht. Die Düsenfront 21 kann z.B. aus Nickel bestehen.
    • Verfahrensschritt 307b
  • Durch Laserätzen werden die Düsen 22 so erzeugt, daß sie mittig auf die Tintenkanäle 5 treffen und dabei gleiche Abstände zueinander aufweisen.
  • Als Elektrodenmaterial eignen sich besonders Verbindungen mit Chrom-Platin-Gold und Titan-Nickel-Gold. Für die galvanisch abgeschiedenen Schichten ist Nickel besonders geeignet.
    • FIG.4:
  • Die Vorrichtung enthält einen Grundkörper 51, in der eine Vertiefung 54 hergestellt ist. An den Außenkanten des Grundkörpers 51 befinden sich regelmäßig angeordnnete Nuten 52 zur Aufnahme von Kunststoffäden 53. Die Nuten 52 sind so angeordnet, daß die Kunststoffäden 53 beim Umwickeln des Grundkörpers 53 parallel nebeneinander über der Vertiefung 54 liegen. Mit der Vorrichtung kann in einem Gießprozeß eine Piezokeramikstreifen hergestellt werden, der nach dem Sintern kanalförmige Hohlräume aufweist.
  • Die Kunststoffäden 53 können auch in einem Preßverfahren mit Keramikmasse umgeben werden. Da sehr dünne Piezokeramikstreifen durch Pressen schwer herstellbar sind, empfiehlt es sich dickere Piezokeramikstreifen herzustellen und diese nach dem Sintern auf die gewünschte Dicke abzuschleifen. Die mit diesem Verfahren hergestellten Piezokeramikstreifen weisen durchgehende Tintenkanäle auf.
    • FIG.5:
  • Zur Herstellung von Piezokeramikstreifen 46 mit kanalförmigen Hohlräumen kann eine Folie aus ausbrennbarem Material 61 verwendet werden, die streifenförmige Durchbrüche 62 aufweist. Die streifenförmigen Durchbrüche 62 sind parallel zueinander angeordnet. Durch einen Gieß- oder Preßprozeß wird die ausbrennbare Folie 61 mit Piezokeramikrohmasse umgeben. Beim Sintern verbrennt die ausbrennbare folie 61 und es entsteht ein Piezokeramikstreifen mit durchgehenden kanalförmigen Hohlräumen. Auch bei diesem Verfahren empfiehlt es sich, durch einen Preßprozeß hergestellte Piezokeramikstreifen 46 etwas dicker zu konzipieren und diese nach dem Sintern auf die gewünschte Dicke abzuschleifen.
  • Die Druckpunktdichte, die mit dem beschriebenen Tintendruckkopf erreicht werden kann, beträgt mindestens ca. 12 Punkte pro mm. Der Tintendruckkopf ist für höchste Druckgeschwindigkeiten geeignet. Das Verfahren gestattet die Herstellung eines Tintendruckkopfes höchster Auflösung, sozusagen in einem Stück, ohne daß aufwendige mechanische Bearbeitungs-und Verbindungsverfahren, z.B. Schweißen, notwendig sind. Da die Bauhöhe dieses Tintendruckkopfes sehr gering ist, einschließlich einer möglichen Kunststoffbeschichtung kleiner als 0,2 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 Tinten druckköpfe ist das Kleben.
  • Mit dem beschriebenen Herstellungsverfahren ist es möglich, Tintendruckköpfe mit Breiten von einigen 10mm herzustellen. Da selbst zusammengesetzte Tintendruckköpfe noch eine sehr geringe Bauhöhe aufweisen, ist eine weitere Stapelung solcher Tintendruckköpfe für Mehrfarbendruck möglich.
  • Zum Polarisieren der Piezokeramikstreifen bzw. -teile empfiehlt es sich die Tintenkanäle 5 mit einer elektrisch schwach leitenden Flüssigkeit aufzufüllen und bei erhöhter Temperatur das elektrische Polarisationsfeld zwischen den beiden Elektroden 3, 4 zu erzeugen.
  • Es empfiehlt sich Piezokeramik mit einer Materialdichte größer als 98% zu verwenden.

Claims (19)

1. Verfahren zur Herstellung von Piezokeramikteilen (2) für einen Tintendruckkopf mit einer Düsenfront (21), mit zueinander parallel verlaufenden Tintenkanälen (5), bie denen piezoelektrisch bewirkte Volumenänderung einen tropfenförmigen Ausstoß an Tinte ergibt, mit ersten und zweiten, voneinander isolierten, einander gegenüberleigenden Elektroden (3, 4) und mit in der Piezokeramik gelegenen Düsen (22) der Düsenfront (21), gekennzeichnet dadurch, daß für den Tintendruckkopf nach einem solchen Verfahren hergestellte Piezokeramikteile (2) mit Tintenkanal (5) und Düse (22) verwendet werden bei dem
a) Piezokeramikstreifen (46) mit vielen darin enthaltenen Tintenkanälen (5) hergestellt werden,
b) erste Elektroden (3) auf den Piezokeramikstreifen (46) aufgebracht werden,
c) die zweiten Elektroden (4) derart auf dem Piezokeramikstreifen (46) aufgebracht werden, daß sich die die ersten Elektroden (3) und die zweiten Elektroden (4) jeweils mittig über den Tintenkanälen (5), parallel zu diesen verlaufend und einander gegenüberliegend befinden,
d) die Piezokeramik des Piezokeramikstreifens polarisiert wird,
e) der Piezokeramikstreifen (46) zwischen des zweiten Elektroden (4) durch Zerteilen desselben in die Piezokeramikteile (2) separiert wird,
f) auf der Frontseite die mit den Tintenkanälen (5) verbundene Düsenfront (21) hergestellt wird und
g) aus den Piezokeramikteilen (2) der piezoelektrische Tintendrukkopf zusammengestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Piezokeramikstreifen (46) mit den darin enthaltenen Tintenkanälen (5) hergestellt wird durch:
a) Aufbringen von parallelen balkenförmigen Profilen (43) aus ausbrennbarem Material auf eine Piezokeramikrohfolie (41),
b) Aufbringen einer Schicht aus Piezokeramikrohmaterial (45) auf die Profile (43), so daß diese bedeckt sind und der Raum zwischen den Profilen (43) aufgefüllt ist und
c) sintern.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufbringen der Profile (43) durch Siebdrucken erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, daß das Aufbringen der Profile (43) erfolgt durch
a) Aufbringen einer Schicht aus fotostrukturierbarem Kunststoff und
b) Strukturieren des Kunststoffs durch Fotoätztechnik .
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufbringen des Piezokeramikrohmaterials (45) durch Aufgießen erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufbringen des Piezokeramikrohmaterials (45) erfolgt durch
a) Aufbringen eines weiteren Piezokeramikrohfolienstrei fens und
b) Verpressen der beiden Rohfolienstreifen zusammen mit den dazwischen enthaltenen Profilen (43).
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Piezokeramikstreifen (46) mit den darin enthaltenen Tintenkanälen (5) hergestellt wird durch :
a) Gießen einer Piezokeramikrohmasse in eine Vorrichtung, die eine Vertiefung aufweist, über der Fäden (53) aus ausbrennbarem Material so gespannt sind, daß sie parallel zueinander verlaufen und
b) sintern.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Piezokeramikstreifen (46) mit den darin enthaltenen Tintenkanälen (5) hergestellt wird durch:
a) beidseitiges Beschichten, insbesondere Vergießen, einer ausbrennbaren Folie (61), in der parallele Durchbrüche (62) vorgesehen sind, deren Abstände voneinander den Maßen der Tintenkanäle (5) entsprechen, mit Piezokeramikrohmasse und
b) sintern.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß das Aufbringen der ersten Elektrode (3) durch Aufsputtern einer Metallschicht erfolgt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet , daß das Aufbringen der zweiten Elektroden (4) und das voneinander Separieren der Antriebselemente (1) dadurch erfolgt, daß
a) auf der der ersten Elektrode (3) gegenüberliegenden Oberfläche des Piezokeramikstreifen (46) eine metallische Sputterschicht (47) aufgebracht wird und
b) keilförmige Furchen (48) aus dem Piezokeramikstreifen (46) herausgeschnitten werden, so daß aus der metallischen Sputterschicht (47) die zweiten Elektroden (4) und gleichzeitig die Antriebselemente (1) voneinander separiert werden.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet , daß das zum Separieren der Antriebselemente (1) folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden,
a) Einbringen keilförmiger langgestreckter Profile zwischen den balkenförmigen Profilen (43) auf den Piezokeramikrohfolienstreifen (41),
b) Aufbringen einer schicht aus Piezokeramikrohmaterial (45) auf die Profile, so daß diese bedeckt sind und deren Raum zwischen den Profilen aufgefüllt ist,
c) Sintern und
d) Durchtrennen der keramischen Verbindungsstellen (44) zwischen den Piezokeramikteilen (2).
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet , daß auf die erste Elektrode (3) eine Trägerschicht (6) aus Metall galvanisch aufgebracht wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet , daß eine Trägerschicht (6) aus Kunststoff auf die erste Elektrode (3) aufgeklebt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet , daß das Polarisieren der Piezokeramikteile (2) erfolgt durch
a) Auffüllen der Tintenkanäle (5) mit einer schwachleitfähigen Flüssigkeit und
b) Anlegen eines elektrischen Feldes zwischen die zweiten Elektroden (4) und die erste Elektrode (3) bei erhöhter Temperatur.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet , daß die Düsenfront (21) aus Metall hergestellt wird, nachdem die Antriebselemente (1) durch Zerteilen des Piezokeramikstreifen (46) auf seiner gesamten Länge voneinander getrennt werden, in dem der Piezokeramikstreifen (46) auf der Frontseile
a) geschliffen und poliert wird,
b) eine weitere metallische Sputterschicht (49) aufgebracht wird,
c) auf die weitere metallische Sputterschicht (49) die metallische Düsenfront (21) galvanisch aufgebracht wird und
d) die Düsen (22) auf die Tintenkanäle (5) stoßend mit gleichen Abstand voneinander erzeugt werden.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet , daß die Düsenfront (21) aus Piezokeramik hergestellt wird, nachdem die Antriebselemente (1) durch Zerteilen des Piezokeramikstreifens (46) so voneinander getrennt werden, daß der Piezokeramikstreifen (46) im Frontbereich unzerteilt bleibt, indem
a) die Frontseite des Piezokeramikstreifens (46) geschliffen und poliert wird und
b) durch Laserätzen die Düse (22) auf die Tintenkanäle (5) stoßend mit gleichen Abstand voneinander erzeugt werden.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet , daß die Bearbeitung des Piezokeramikstreifens (46) 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 impulsweise durchgeführt und
c) die Impulsdauer, die Pulswiederholungsrate und die Pulsenergie wird derart aufeinander abgestimmt bemessen, daß in dem Piezokeramikstreifen (46) ein wesentlicher Wärmestau vermieden wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet , daß ein Piezokeramikstreifen (46) verwendet wird, der eine Materialdichte von größer 98% aufweist.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet , daß die keilförmigen Furchen (48) mit Kunststoff (7) vergoßen werden.
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