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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Die zweiten Elektroden 4 liegen mittig über den Tintenkanälen 5 und verlaufen parallel zu diesen.

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.

Die zweiten Elektroden 4 liegen mittig über den Tintenkanälen 5 und verlaufen parallel zu diesen.

Zur Herstellung einer Düsenfront 21 aus Metall wird eine weitere metallische Sputterschicht 49 an der Frontseite des Piezokeramikstreifens 46 aufgebracht.

Auf die Sputterschicht 49 wird die metallische Düsenfront 21 galvanisch aufgebracht. Die Düsenfront 21 kann z.B. aus Nickel bestehen.

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.

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.

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.