[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbau einer fertig kontaktierten Piezobaugruppe
für Tintenschreibköpfe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
[0002] Bekannte Tintenschreibköpfe, die nach dem Prinzip des Einzeltröpfchenausstoßes arbeiten,
enthalten als Antriebselemente aus piezokeramischen Material bestehende Röhrchen,
sogenannte Piezoröhrchen, die den einzelnen im Inneren des Schreibkopfes verlaufenden
Tintenkanälen zugeordnet sind. Jedes Piezoröhrchen, das einen Tintenkanal über einen
Teil seiner Länge umfaßt, ist individuell ansteuerbar. Die Piezoröhrchen sind dazu
mit einer Innen- und einer Außenkontaktschicht zu versehen, die von außen her leicht
zugänglich sein muß. Zum Aufbau eines derartigen Schreibkopfes ist es bekannt, die
mit einer inneren und einer äußeren Kontaktschicht versehenen Piezoröhrchen zusammen
mit den ihnen zugeordneten Tintenkanälen in einer Baugruppe zusammenzufassen (DE-OS
3 234 408). Ein Problem dabei ist nicht nur die aufwendige und einen erheblichen Anteil
an manueller Tätigkeit erfordernde Fertigung, sondern auch die Kontaktierung der
Piezoröhrchen. Diese erfolgt mittels an die Kontaktflächen anliegenden Kontaktelementen,
wie z.B. Kontaktfedern. Das exakte Anbringen derartiger Kontakte vor allem bei einem
Schreibkopf, bei dem eine sehr große Anzahl von Piezoröhrchen kontaktiert werden
muß, ist schwierig. Darüber hinaus besteht dabei auch die Gefahr einer ungenügenden
Kontaktierung und damit die Gefahr einer fehlerhaften Arbeitsweise des fertigen
Produkts. Auch das Aufbringen der Kontaktflächen an den Piezoröhrchen macht in der
Praxis häufig Schwierigkeiten.
[0003] Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dem die Innen- und die
Außenkontaktschicht auf dem piezokeramischen Antriebselement einer Baugruppe aufwandsarm
aufgebracht wird, zugleich auch die Kontaktierung für eine individuelle Ansteuerung
der einzelnen Antriebselemente verbessert wird und mit dem ein erheblich geringerer
Aufwand, vor allem eine weitgehend automatische Fertigung einer vollständig kontaktierten
Baugruppe gewährleistet ist.
[0004] Diese Aufgabe wird gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
[0005] Die wesentlichen mit der Erfindung verbundenen Vorteile bestehen darin, daß die Elektroden
der Antriebselemente zusammen mit den Leiterbahnen und den Kontaktanschlüssen in einem
einzigen, leicht beherrschbaren Verfahren hergestellt werden. Weiterhin erstrecken
sich bei einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Piezobaugruppe die
Elektrode der Antriebselemente lediglich im Bereich zwischen den Halteteilen. Dadurch
ist die Gefahr einer Rißbildung ganz erheblich reduziert, da die Piezokeramik im Bereich
der Befestigung in den Halteteilen nicht oder nur ganz unwesentlich beansprucht wird.
Außerdem kann die Dicke der einzelnen Schichten auch bei sehr geringen Schichtdicken
äußerst exakt eingestellt werden, was für die Erhöhung und die Konstanz der elektrischen
und der mechanischen Eigenschaft der als Wandlerelemente arbeitenden Antriebselemente
von großer Bedeutung ist.
[0006] Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen
im einzelnen folgendes:
Fig. 1 und Fig. 2 zeigen die Grundstruktur für den Aufbau mit den Möglichkeiten zur
Befestigung der Antriebselemente im Halteteil;
in den Fig. 3a bis 3d ist ein erstes Beispiel für das erfindungsgemäße Verfahren dargestellt,
wobei lediglich ein einzelnes Antriebselement gezeigt ist;
die Fig. 4a bis 4c zeigen ein zweites Beispiel für das erfindungsgemäße Verfahren;
Fig. 5 zeigt eine gemäß dem Verfahren nach der Erfindung hergestellte vollständig
kontaktierte Piezobaugruppe für einen Mehrdüsen-Tintenschreibkopf.
[0007] Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und Fig. 2 ist das piezokeramische Antriebselement
in Form eines sogenannten Piezoröhrchens 1 ausgebildet. Dieses bildet zusammen mit
der Halterung 2, in deren Aufnahmeöffnungen das Piezoröhrchen 1 einsteckbar ist, die
Piezobaugruppe. Die spaltenfreie Befestigung kann dadurch geschehen, daß die gesamte
Piezobaugruppe 1, 2 mit einer metallisierbaren Isolierschicht 3, wie in Fig. 1 dargestellt,
überzogen wird. Es ist aber auch möglich, die Piezoröhrchen 1 in den Aufnahmeöffnungen
der Halterung 2 mittels eines metallisierbaren Werkstoffes 4 mit Klebeeigenschaft,
wie in Fig. 2 dargestellt zu verbinden. Dieses Verfahren ist besonders geeignet, wenn
die Halterung 2 aus einem isolierenden, metallisierbaren Kunststoff besteht. In beiden
Fällen ist nicht nur eine mechanisch sichere Befestigung gewährleistet, sondern es
ist auch sichergestellt, daß der Spalt zwischen dem Piezoröhrchen 1 und der Halterung
2 vollständig und spaltenfrei ausgefüllt wird.
[0008] Die weiteren Schritte des Verfahrens nach der Erfindung zeigen anhand eines ersten
Ausführungsbeispieles die Fig. 3a bis 3d. Der Übersichtlichkeit wegen ist nur ein
Piezoröhrchen 1 dargestellt, das zusammen mit der Halterung 2, in deren Öffnungen
das Piezoröhrchen 1 einsteckbar ist, die Piezobaugruppe bildet. Tatsächlich besteht
eine Piezobaugruppe aus einer Vielzahl von Piezoröhrchen, die in entsprechende Öffnungen
der Halterung eingesteckt sind.
[0009] In einem ersten Schritt wird die gesamte Piezobaugruppe 1, 2 mit einer dünnen metallisierbaren
Isolierschicht 3 überzogen. Durch das Aufbringen der Isolierschicht wird sowohl der
Spalt zwischen dem Piezoröhrchen und den Öffnungen in der Halterung 2 dichtend ausgefüllt
als auch das Piezoröhrchen mechanisch sicher befestigt.
[0010] Die gesamte Piezobaugruppe 1, 2, 3 wird anschließend in an sich bekannter Weise chemisch
oder mechanisch aktiviert und mit einer dünnen Metallschicht 5 überzogen. Fig. 3a
zeigt die Piezobaugruppe nach diesen Schritten. Auf der mit der Metallschicht 5 überzogenen
Baugruppe werden dann in einem weiteren Verfahrensschritt die Kontaktflächen zur Kontaktierung
des Piezoröhrchens 1 ausgebildet. Das geschieht dadurch, daß auf der Metallschicht
5 eine Abdeckung aufgebracht wird, deren Konturen dem späteren Verlauf der Leiterbahnen
und der Kontaktanschlüsse entspricht. Das kann nach der sogenannten Positivtechnik
oder nach der sogenannten Negativtechnik geschehen. Bei der Positivtechnik werden
diejenigen Bereiche der Piezobaugruppe abgedeckt, die später leitend sein sollen.
Bei der Negativtechnik werden diejenigen Bereiche abgedeckt, die später isolieren
sollen. Das Abdecken kann durch Bedrucken oder durch einen photochemischen Prozeß
erfolgen. In den Fig. 3b und 3c ist die Abdeckung nach der Negativtechnik dargestellt,
d.h. eine Abdeckung 6 deckt alle Bereiche der Piezobaugruppe ab, die später im Endzustand
isolierende Flächen sind. In den nicht abgedeckten Bereichen wird die Metallschicht
in einem weiteren Verfahrensschritt verstärkt, was z.B. durch einen galvanischen
Prozeß in an sich bekannter Weise geschehen kann. Dadurch entsteht die Metallschicht
7, wie in Fig. 3b dargestellt ist. Anschließend wird die Abdeckung 6 abgelöst und
die gesamte Metallschicht 5, 7 wird z.B. durch einen Abätzvorgang soweit abgelöst
oder abgetragen, daß in den vorher abgedeckten Bereichen die dünne Metallschicht 5
vollständig entfernt ist.
[0011] Wird zur Ausbildung der Kontaktanschlüsse und der Leiterbahnen die sogenannte Positivtechnik
angewendet, d.h. werden diejenigen Bereiche der Piezobaugruppe abgedeckt, die später
im Endzustand Leiterbahnen und Kontaktanschlüsse darstellen, so entspricht die Form
der Abdeckung deren Konturen. Ein Beispiel dafür zeigen die Fig. 3d und 3e. Im Falle
der Anwendung der Positivtechnik wird die Metallschicht 5 bereits vor dem Aufbringen
der Abdeckung verstärkt. Die weitere Metallschicht ist wieder mit 7 bezeichnet.Die
von einer entsprechend geformten Abdeckung 8 nicht bedeckten Bereiche der Piezobaugruppe
werden dann einer weiteren Behandlung unterzogen, mit der die Gesamtmetallschicht
5, 7 in diesen Bereichen entfernt wird. Das kann durch einen Ätzvorgang erfolgen.
Anschließend kann dann auch die Abdeckung entfernt werden.
[0012] Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel wird zur Ausbildung der Leiterbahnen
und der Kontaktanschlüsse die Metallschicht an den Stellen, die später im Endzustand
isolierend sein müssen, mechanisch entfernt. Ein Beispiel dafür zeigt Fig. 4.Dort
weist die Halterung 2 entsprechende Erhöhungen 9 auf, auf deren Oberfläche z.B. durch
einen automatisch durchführbaren Schleifvorgang die Metallschicht 5 abgetragen wird.
Auch für dieses Ausführungsbeispiel ist es vorteilhaft, die Metallschicht 5 vorher
zu verstärken, was durch einen galvanischen Prozeß erfolgen kann.
[0013] In beiden Fällen, sowohl bei Anwendung der Negativtechnik als auch bei Anwendung
der Positivtechnik entsteht nach Entfernen der Abdeckung 6 bzw. 8 eine Piezobaugruppe
mit der inneren und äußeren Elektrode der Piezoröhrchen, wobei zugleich die von außen
kontaktierbaren Kontaktflächen und Kontaktbahnen ausgebildet worden ist.
[0014] Es liegt im Rahmen der Erfindung, zur Ausbildung der Leiterbahnen und der Kontaktanschlüsse
auf der Halterung bestimmte Bereiche vorzusehen, die nicht metallisierbar sind, so
daß eine spätere Metallbeschichtung nur partiell erfolgt. Das kann in der Weise geschehen,
daß eine aus metallisierbarem Kunststoff bestehende Halterung vor der üblichen, einer
Metallbeschichtung vorausgehenden Aktivierung der Oberfläche entsprechend den später
isolierenden Bereichen fotochemisch behandelt oder bedruckt wird, so daß an diesen
Stellen eine spätere Metallbeschichtung unterbleibt. Das kann aber auch derart geschehen,
daß in die Halterung an den Stellen, die später isolieren sollen, nicht metallisierbare
Teile eingebettet sind, so daß an diesen Stellen eine spätere Metallbeschichtung unterbleibt.
[0015] Fig. 5 zeigt eine vollständig fertig kontaktierte Piezobaugruppe für einen Mehrdüsen-Schreibkopf,
der gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde. Die in die Halterung
2 eingesteckten Piezoröhrchen 1 sind an ihrer inneren und äußeren Mantelfläche mit
einer Metallschicht 13,14 versehen, die die Elektroden der Piezoröhrchen 1 bilden.
Auf der jeweils äußeren Fläche der Halterung 2 sind durch das anhand der Fig. 3a bis
3b beschriebenen Verfahren die Leiterbahnen 11, 12 und die Kontaktanschlüsse 10 derart
ausgebildet, daß die Innenelektrode 13 jedes Piezoröhrchens 1 über eine entsprechende
Leiterbahn 11 und einen entsprechenden Kontaktanschluß 10 individuell ansteuerbar
ist, während die äußeren Elektroden 14 der Piezoröhrchen 1 über die Leiterbahn 11
gemeinsam angesteuert werden kann.
[0016] Die gesamte Piezobaugruppe kann bedarfsweise durch das Aufbringen einer weiteren
äußeren Schutzschicht in Form einer weiteren dünnen Isolierschicht, die in flüssiger
oder gelöster Form unter Druck, in einem Ultraschallbad oder durch die Nutzung von
Fliehkräften aufgebracht wird, sowohl gegen äußere Einflüsse als auch gegen die Aggression
bestimmter Tinten geschützt werden. Die gesamte Anordnung kann anschließend vergossen
werden.
1. Verfahren zum Aufbau einer fertig kontaktierten Piezobaugruppe für einen Tintenschreibkopf
mit röhrenförmigen aus piezokeramischem Material bestehenden Antriebselementen,
bei denen die Antriebselemente in Aufnahmeöffnungen einer Halterung einsteckbar sind
und mit diesen die Piezobaugruppe bilden,
dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebselemente (1) in den Aufnahmeöffnungen der Halterung (2) spaltenfrei
befestigt werden,
daß dann auf die gesamte Piezobaugruppe (1, 2) zumindest in den Bereichen, die im
Endzustand leitend sind, eine dünne, elektrisch leitende Schicht (5) aufgebracht wird
und daß anschließend auf der Piezobaugruppe (1, 2, 5) die innere und die äußere Elektrode
der Antriebselemente (1), die Leiterbahnen (11,12) und die Kontaktanschlüsse (10)
zur Kontaktierung der Innen- und der Außenelektrode (13,14) der Antriebselemente (1)
ausgebildet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß zur Befestigung der Antriebselemente (1) in der Halterung (2) die gesamte Piezobaugruppe
(1,2) mit einer dünnen metallisierbaren Isolierschicht (3) überzogen wird, die auch
den Spalt zwischen den Antriebselementen (1) und der Halterung (2) dichtend ausfüllt
und daß die Metallschicht (4) auf die Isolierschicht (3) aufgetragen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Isolierschicht (3) vor einer Metallbeschichtung chemisch und/oder mechanisch
für eine Metallisierung behandelt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,daß zur Befestigung der Antriebselemente (1) im Halteteil (2) im Bereich der Aufnahmeöffnungen
des Halteteils (2) ein metallisierbarer Werkstoff (4) mit Klebeeigenschaften aufgebracht
wird, und daß die Metallschicht (5) unmittelbar auf die Piezobaugruppe (1, 2) aufgebracht
wird.
5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 4,
dadurch gekennzeichnet,daß zur Ausbildung von Kontaktflächen (10, 11, 12, 13, 14 in Fig. 3) die Piezobaugruppe
(1,2,3,5 bzw.1,2,5) mit einer Abdeckung (6) versehen wird, die der Form der später
isolierenden Bereiche entspricht (Negativtechnik),
daß die gesamte Metallschicht (5,7) in den nicht abgedeckten Bereichen verstärkt
wird (7) und daß dann die Abdeckung (6) entfernt und anschließend ein weiterer Ablösevorgang
stattfindet, durch den die Metallschicht (5) in den abgedeckten Bereichen abgelöst
wird.
6. Verfahren nach Anspruch 2 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht (5) durch eine weitere Metallschicht (7) verstärkt wird, daß
dann zur Ausbildung von Kontaktflächen (10,11,12,13,14 in Fig. 3) die Piezobaugruppe
(1,2,3,5 bzw. 1,2,5) mit einer Abdeckung (8) versehen wird, die der Form der später
leitenden Bereiche entspricht (Positivtechnik) und daß die gesamte Metallschicht
(5,7) in den nicht abgedeckten Bereichen entfernt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausbildung von Kontaktanschlüssen und Leiterbahnen (10, 11, 12, in Fig.
3) die Metallschicht (5) bzw. eine durch Verstärkung der Metallschicht (5) gebildete
gesamte Metallschicht (5,7) entsprechend den später isolierenden Bereichen auf der
Piezobaugruppe (1,2) mechanisch entfernt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (2) der Piezobaugruppe (1, 2) Erhöhungen (9) aufweist, die in
ihrer Kontur und hinsichtlich ihrer Lage den später isolierenden Bereichen der Piezobaugruppe
(1, 2) entsprechen,
und daß nach Aufbringen der Metallschicht (5;5,7) diese im Bereich der Erhöhungen
(9) mechanisch entfernt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Halterung (2) aus einem isolierenden metallisierbaren Kunststoff besteht,
auf dem zur Ausbildung der Kontaktflächen (10,11,12) eine der Form der später isolierenden
Bereiche entsprechende Abdeckung (6) aufgebracht wird, die das anschließende Aufbringen
der Metallschicht (5) sowie deren Verstärkung (Schicht 7) verhindert.
10. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichne,t
daß die Halterung (2) aus einem isolierenden, metallisierbaren Werkstoff besteht,
auf dem zur Ausbildung der Kontaktflächen (10,11,12) entsprechend der Form der später
isolierenden Bereiche nichtmetallisierbare Bereiche, vorzugsweise durch Einbettung
nicht metallisierbarer Teile, vorgesehen sind, die das anschließende Aufbringen der
Metallschicht (5) sowie deren Verstärkung (Schicht 7) verhindern.
11. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß zumindest auf den äußeren Einflüssen besonders ausgesetzten Teilen der vormontierten
Piezobaugruppe (1,2) eine dünne Isolierschicht aufgebracht wird, daß die Isolierschicht
durch eine Kunststoffschicht, beispielsweise eine Polystyrol- oder eine Epoxydharzschicht
gebildet wird, die in flüssiger oder gelöster Form unter völliger Benetzung der Piezobaugruppe
unter Druck, in einem Ultraschallbad oder durch Nutzung von Fliehkräften aufgebracht
wird.