Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Tintendruckkopf mit einer Düsenfront mit mindestens einer Düse, mindestens einem tinteführenden Tintenkanal, der in die Düse mündet, mindestens einem einen Graben aufweisenden piezoelektrischen Antriebselement, das so auf die Tinte in dem Tintenkanal einwirkt, daß es bei piezoelektrischer Anregung einen tropfenförmigen Ausstoß von Tinte bewirkt, und mit jeweils zwei Elektroden zur Ansteuerung eines Antriebselementes.
Ein 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 Abdruckstelle 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.
Aus der GB-A-2 098 134 ist ein Tintendruckkopf bekannt, dessen piezoelektische Antriebselemente zwei Platten aus einem piezoelektrischen, polarisierten Material umfassen. Zumindest eine Platte enthält U-förmige Vertiefungen, die durch Aufkleben der zweiten Platte unter Bildung von Aufnahmeräumen abgedeckt werden. In die Aufnahmeräume ist jeweils ein Röhrchen eingeklebt, das als Tintenkanal dient und in einer Düse mündet. Elektrisch leitende Schichten an den jeweiligen Außenseiten der Platten und an den den jeweiligen Aufnahmeraum begrenzenden Innenseiten der Platten dienen als Ansteuerelektroden. Die piezoelektrischen Antriebselemente dieses bekannten Druckkopfes weisen damit verhältnismäßig viele einzelne Bestandteile auf.
Ein aus der DE-A-36 30 206 bekannter Tintendruckkopf der eingangs genannten Art weist eine Düsenfront mit mindestens einer Düse und mindestens einen tinteführenden, in die Düse mündenden Kanal auf. Der Kanal ist von einem rillenartigen Graben in einer piezoelektrischen Platte und von einer auf der piezoelektrischen Platte durch Verklebung oder Verschweißung befestigten Deckplatte bebildet. Jedem Graben ist ein piezoelektrisches Antriebselement zugeordnet, das aus zwei Elektroden zur Ansteuerung und dem zwischen dem Grabenboden und der Außenseite der piezoelektrischen Platte befindlichen piezoelektrischen Material gebildet ist. Bei Anregung des Antriebselements dehnt sich dieses unter Volumenverminderung des tinteführenden Kanals aus und bewirkt damit einen tropfenförmigen Ausstoß von Tinte. Dieser bekannter Tintendruckkopf weist eine vergleichsweise aufwendig gestaltete Struktur der piezeoelektrischen Platte auf. Er umfaßt mit der Deckplatte ein zusätzliches Bauteil, wodurch insgesamt eine Verringerung der Baugröße des bekannten Tintendruckkopfes erschwert ist. Der DE-A-36 30 206 sind keinerlei Hinweise über die praktische Herstellung des bekannten Tintendruckkopfes entnehmbar.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen piezoelektrischen Tintendruckkopf und ein Verfahren zu seiner Herstellung anzugeben, der sehr kleine Abmessungen aufweist und Druckpunkte mit sehr hoher Druckpunktdichte liefert.
Diese Aufgabe wird bei einem piezoelektrischen Tintendruckkopf der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß
Ein Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Tintendruckkopfes besteht darin, daß
Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen, so wie nachfolgend aus der anhand eines Ausführungsbeispiels mit FIG 1 - 3 gegebenen Beschreibung hervor.
FIG 1 zeigt in schematischer Darstellung einen Schnitt durch einen piezoelektrischen Tintendruckkopf.
FIG 2 zeigt schematisch den Tintendruckkopf in Draufsicht.
FIG 3 zeigt schematisch den Verlauf der Herstellung des piezoelektrischen Tintendruckkopfs anhand aufeinanderfolgender Verfahrensschritte mit den Bezugszeichen 301, 303 bis 309, 303a, 303b, 307b bis 309b, 309a und 311a.
Bei den Verfahrensschritten, deren Bezugszeichen mit a oder b versehen sind, ist der piezoelektrische Tintendruckkopf in Draufsicht gezeigt.
FIG 1: Auf einer Trägerschicht 6 befinden sich mehrere parallel nebeneinander liegende Antriebselemente 1. Jedes Antriebselement 1 besteht aus einem Piezokeramikteil 2, einer zweiten Elektrode 4 und einem Teil einer gemeinsamen ersten Elektrode 3. Die Piezokeramikteile 2 bilden zusammen mit der gemeinsamen ersten Elektrode 3 Kanäle 5. Dabei schließt die gemeinsame erste Elektrode 3 die Gräben 44, die sich in den Piezokeramikteilen 2 befinden zu Kanälen 5 ab.
FIG 2: An der Stirnseite des piezoelektrischen Tintendruckkopfs befindet sich die Düsenfront 21 mit Düsen 22. Die Düsenfront 21 ist direkt mit den Piezokeramiktellen 2 verbunden und jeder Kanal 5 mündet in einer Düse 22. Die Piezokeramikteile 2 berühren sich auf der Länge der elektrisch kontaktierten Bereiche nicht. Die Düsenfront 22 kann aus Metall oder Piezokeramik bestehen. Die Düsen 22 sind zur Tröpfchenausbildung beim Betrieb des piezoelektrischen Tintendruckkopfs wichtig.
FIG 3: Verfahrensschnitt 301: Eine Piezokeramikscheibe 41 mit einer Dicke von 100 bis 200 µm wird beidseitig mit einer Metallschicht 42 und 43 versehen. Die Piezokeramikscheibe 41 ist aus einer Piezokeramikmasse hergestellt, die eine definiert hohe Enddichte, z. B. 99%, erreicht. Sie kann aus einer Piezokeramikfolie durch Schneiden oder aus einem Keramikblock durch Sägen und Schleifen hergestellt sein. Nach dem Aufbringen der Metallschichten 42 und 43 wird die Piezokeramikscheibe 41 durch Anlegen einer Spannung zwischen den Metallschichten 42 und 43, mit einer für die Keramik gebräuchlichen Feldstärke bei einer erhöhten Temperatur von ca. 100-150°C polarisiert.
Verfahrensschritt 303: Durch Laserätzen werden parallel nebeneinander liegende Gräben 44 auf der Seite der unteren Metallschicht 43 erzeugt.
Verfahrensschritt 303b: Wenn die Düsenfront 21 aus Metall hergestellt werden soll, werden die Gräben 44 auf der Piezokeramikscheibe 41 durchgehend erzeugt. Durchgehende Gräben 44 können auch mit den bekannten Sägetechniken hergestellt werden.
Verfahrensschritt 303a: Bei Herstellung der Gräben 44 durch Laserätzen ist es möglich die Gräben 44 sackprofilartig zu erzeugen. Der nichtstrukturierte Teil der Plezokeramikscheibe 41 kann hier zur Herstellung der Düsenfront 21 verwendet werden. Dabei ist es erforderlich, daß die obere Metallschicht 42, aus der im weiteren Herstellungsverlauf die zweiten Elektroden 4 entstehen, nur in dem Bereich der Piezokeramikscheibe 41 aufgebracht wird, in dem Gräben 44 hergestellt werden.
Verfahrensschritt 304: Die Gräben 44 werden mit Kunststoff 45 vergossen.
Verfahrensschritt 305: Die mit Kunststoff 45 vergossene Seite der Piezokeramikscheibe 41 wird so mechanisch bearbeitet, z. B. Schleifen, Läppen, daß die Piezokeramik freigelegt ist.
Verfahrensschritt 306: Die gemeinsame erste Elektrode 3 wird durch Aufsputtern einer Metallschicht aufgebracht.
Verfahrensschritt 307: Auf die gemeinsame erste Elektrode 3 kann an dieser Stelle des Herstellungsverfahrens eine Trägerschicht 6 galvanisch aufgebracht werden. Die Trägerschicht 6 kann aus einer 50 bis 100 µm dicken Metallschicht bestehen.
Verfahrensschritt 308: Der Kunststoff 45 wird aus den Kanälen 5 entfernt, z.B. ausgebrannt. Die Metallschicht 42 auf der Oberseite der Piezokeramikscheibe 41 wird durch Ätz- oder , Abhebeverfahren so strukturiert, daß daraus die zweiten Elektroden 4 entstehen, die mittig und parallel über den Kanälen 5 verlaufen und einander nicht berühren.
Eine weitere Möglichkeit zur Strukturierung der Metallschicht 42 für das Erzeugen der zweiten Elektroden 4 ist das Laserätzen Dabei kann das Strukturieren der Metallschicht 42 zusammen mit dem Zerteilen der Piezokeramikteile 2 erfolgen, das im nächsten Verfahrensschritt (309) beschrieben ist.
Verfahrensschritt 309: Die Piezokeramiktelle 2 werden durch Laserätzen so voneinander getrennt, daß sie sich mindestens auf der Länge der elektrisch kontaktierten Bereiche nicht berühren, wobei keilförmige Furchen 48 aus der Plezokeramikscheibe 41 herausgeschnitten werden.
Verfahrensschritt 307b: Zur Herstellung einer Düsenfront 21 aus Metall wird nach dem Erzeugen der gemeinsamen ersten Elektrode 3 und vor dem Entfernen des Kunststoffs 45 aus den Kanälen 5 eine metallische Sputterschicht 46 an der Frontseite der Piezokeramikscheibe 41 aufgebracht.
Verfahrensschritt 308b: Auf die Sputterschicht 46 wird die metallische Düsenfront 21 galvanisch aufgebracht. Die Düsenfront 21 kann z. B. aus Nickel bestehen. Zweckmäßigerweise wird die Düsenfront 21 gleichzeitig mit der Trägerschicht 6 galvanisch aufgebracht.
Verfahrensschritt 309b: Die Düsen 22 werden so in die Düsenfront 21 gebohrt, daß sie mittig auf die Kanäle 5 stoßen.
Verfahrensschritt 309a: Bei der Herstellung der Düsenfront 21 aus Piezokeramik werden die Düsen durch Laserätzen hergestellt. Dazu wird die Piezokeramik an der Frontseite fein geschliffen und poliert.
Verfahrensschritt 311a: Durch Laserätzen werden die Düsen 22 so erzeugt, daß sie mittig auf die Kanäle 5 treffen.
Durch die Trennung der einzelnen Piezokeramikteile 2 voneinander ist ein übersprechen zwischen den einzelnen Antriebselementen 1 unterbunden. Dadurch wird das unerwünschte Nebensprechen, d. h. ein Ausstoß von Tintentröpfchen aus dem Kanal eines nicht angeregten Antriebselements, unterbunden. Die keilförmige Trennfuge 48 unterbindet das Auftreten von interferenzbildenden Schallwellen im Tintendruckkopf.
In der deutschen Patentanmeldung P 37 18 323 ist ein Verfahren beschrieben, mit dem die Bearbeitung von Keramikwerkstoffen ohne das Entstehen von Damageschichten mögllch ist. Dabei wird eine Laserstrahlung mit einer (Luft)wellenlänge kleiner als etwa 350nm verwendet, die Beaufschlagung mit Laserstrahlung nur Impulswelse 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.
Durch Anwendung dieses Laserätzverfahrens beim Verfahren zur Herstellung des piezoelektrischen Tintendruckkopf kann das Erzeugen der Düsen, der Gräben und das Zerteilen der Piezokeramikscheibe sehr genau erfolgen, ohne daß störende Damageschichten an den Rändern der bearbeiteten Bereiche entstehen. Damit känn die Ausbeute bei der Herstellung und die Funktionsgenauigkeit der piezoelektrischen Tintendruckköpfe erhöht werden.
Als Elektrodenmaterial eignen sich besonders Verbindungen mit Chrom-Platin-Gold und Titan-Nickel-Gold. Für die galvanisch abgeschiedenen Schichten ist Nickel besonders geeignet.
Die Druckpunktdichte, die mit dem beschriebenen Tintendruckkopf erreicht werden kann, beträgt ca. 4 Punkte pro Millimeter. 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 Tintendruckkopfs sehr gering ist, einschließlich einer möglichen Kunststoffbeschichtung kleiner als 0,3 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 Druckköpfe ist das Kleben.
Mit dem beschriebenen Herstellungsverfahren ist es möglich, Tintendruckköpfe großer Breite (ca. 100 mm) herzustellen. Da selbst zusammengesetzte Druckköpfe noch eine sehr geringe Bauhöhe aufweisen, ist eine weitere Stapelung solcher Druckköpfe für Mehrfarbendruck möglich.