WO1989000921A1 - Piezoelectric ink printing head and process for its production - Google Patents

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WO1989000921A1
WO1989000921A1 PCT/DE1988/000445 DE8800445W WO8900921A1 WO 1989000921 A1 WO1989000921 A1 WO 1989000921A1 DE 8800445 W DE8800445 W DE 8800445W WO 8900921 A1 WO8900921 A1 WO 8900921A1
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piezoelectric
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Karl Lubitz
Jutta Mohaupt
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Siemens Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the invention relates to a piezoelectric ink print head with a nozzle front with at least one nozzle, at least one ink-guiding channel which opens into the nozzle and at least one piezoelectric drive element which acts on the ink in a channel in such a way that, when the piezoelectric constriction occurs, it produces a drop-shaped ejection caused by ink.
  • An ink print head with ink-carrying channels, on which piezoelectric drive elements act is known from German patent specification 2 543 451.
  • a section of the channels is cylindrically enclosed by a piezoelectric drive element.
  • the length of the sections of the ink channels, which are not included in the drive elements and lie between the outlet openings of the ink channels and the drive elements is dimensioned such that the ink channels with the piezoelectric drive elements can be aligned with the piezoelectric drive elements in a radially aligned, kink-free manner.
  • This ink print head therefore has significantly larger dimensions in the area of the piezoelectric drive elements than it corresponds to the print screen.
  • This ink printhead is therefore less suitable for a modular construction of a writing device with several ink printheads. A complete print line can only be realized if the ink print head is moved in the line direction. However, this limits the printing speed and the resolution.
  • the object of the invention is to provide a piezoelectric inkjet print head and a method for its production, which have very small dimensions and provide printing dots with a very high printing dot density.
  • This object is achieved in a piezoelectric ink print head of the type mentioned at the outset by the following characteristic features: a) the drive element has a) a piezoceramic part in which a trench is provided, a2) a first electrode which is arranged in such a way that it trenches the trench closes to form a channel and a3) a second electrode which is arranged insulated from the first electrode on the piezoceramic part, b) the nozzle front is connected directly to the piezoceramic parts.
  • a particularly advantageous embodiment is characterized in that a) the channels run parallel to one another, b) the drive elements can be controlled individually, c) the trenches are closed to form channels with a common first electrode d) the piezoceramic parts are at least as long as the electrically contacted areas are separated from each other and e) each channel opens into a nozzle.
  • a method for producing a piezoelectric ink jet print head is characterized in that a) at least one trench is produced in a polarized piezoceramic disc, b) the common first electrode is applied to the trench side of the piezo ceramic disc, so that the trenches are closed and thus Channels are created, c) the second electrodes are applied to the surface of the piezoceramic disk opposite the trenches so that they are opposite the channels and do not touch each other, d) the drive elements by dividing the piezoceramic disk between the second electrodes at least along the length the electrically contacted areas are separated from one another and e) on the front of the piezoceramic disk (41) the nozzle front (21) connected to the channels (5) is produced.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a section through a piezoelectric ink print head.
  • 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 using successive method steps with the reference numerals 301, 303 to 309, 303a, 303b, 307b to 309b, 309a and 311a.
  • the piezoelectric ink print head is shown in a top view.
  • Each drive element 1 On a carrier layer 6 there are a plurality of drive elements 1 lying parallel to one another.
  • Each drive element 1 consists of a piezoceramic part 2, a second electrode 4 and a part of a common first electrode 3.
  • the piezoceramic parts 2 form together with the common one first electrode 3 channels 5.
  • the common first electrode 3 closes the trenches 44, which are located in the piezoceramic parts 2, to form channels 5.
  • FIG. 2 The nozzle front 21 with nozzles 22 is located on the end face of the piezoelectric ink print head.
  • the nozzle front 21 is connected directly to the piezoceramic parts 2 and each channel 5 opens into a nozzle 22.
  • the piezoceramic parts 2 touch the length of the nozzle electrically contacted Areas not.
  • the nozzle front 22 can consist of metal or piezo ceramic. The nozzles 22 are important for droplet formation when operating the piezoelectric ink print head.
  • FIG 3 is a diagrammatic representation of FIG 3
  • Method step 301 A piezoceramic disk 41 with a thickness of 100 to 200 ⁇ m is provided on both sides with a metal layer 42 and 43.
  • the piezoceramic disk 41 is made from a piezoceramic mass which achieves a defined high final density, for example 995. It can be made from a piezoceramic film by cutting or from a ceramic block by sawing and grinding.
  • the piezoceramic disk 41 is polarized by applying a voltage between the metal layers 42 and 43 with a field strength customary for the ceramic at an elevated temperature of approximately 100-150 ° C.
  • Method step 303 Trenches 44 lying parallel to one another on the side of the lower metal layer 43 are produced by laser etching.
  • Method step 303b If the nozzle front 21 is to be produced from metal, the trenches 44 are continuously produced on the piezo ceramic disk 41. Continuous trenches 44 can also be produced using the known sawing techniques.
  • Method step 303a When the trenches 44 are produced by laser etching, it is possible to produce the trenches 44 in the manner of a sack profile.
  • the non-structured part of the piezoceramic disk 41 can be used here to produce the nozzle front 21. It is necessary that the upper metal layer 42, from which the second electrodes 4 arise in the course of the production, is only applied in the area of the piezoceramic disk 41 in which trenches 44 are produced.
  • Method step 304 The trenches 44 are cast with plastic 45.
  • Method step 305 The side of the piezoceramic disk 41 encapsulated with plastic 45 is processed mechanically, e.g. B. grinding, lapping, ⁇ that the piezoceramic is exposed.
  • Method step 306 The common first electrode 3 is applied by sputtering on a metal layer.
  • Method step 307 A carrier layer 6 can be galvanically applied to the common first electrode 3 at this point in the production process.
  • the carrier layer 6 can consist of a 50 to 100 ⁇ m thick metal layer.
  • Method step 308 The plastic 45 is removed from the channels 5, for example burned out.
  • the metal layer 42 on the upper surface of the piezoceramic disc 41 is patterned by ⁇ 'TC or lift-off, that therefrom the second Elek ⁇ trodes 4 are formed, which extend centrally and in parallel above the channels 5 and not touching each other.
  • Another possibility for structuring the metal layer 42 for producing the second electrodes 4 is laser etching.
  • the structuring of the metal layer 42 can take place together with the cutting of the piezoceramic parts 2, which is described in the next method step (309).
  • Method step 309 The piezoceramic parts 2 are separated from one another by laser etching such that they do not touch at least along the length of the electrically contacted regions, wedge-shaped furrows 48 being cut out of the piezoceramic disk 41.
  • Method step 307b To produce a nozzle front 21 made of metal, a metallic sputter layer 46 is applied to the front side of the piezo ceramic disk 41 after the common first electrode 3 has been produced and before the plastic 45 has been removed from the channels 5.
  • Method step 308b The metallic nozzle front 21 is applied galvanically to the sputter layer 46.
  • the Düsen ⁇ front 21 can, for. B. consist of nickel.
  • the nozzle front 21 is expediently applied galvanically at the same time as the carrier layer 6.
  • Method step 309b The nozzles 22 are drilled in the nozzle front 21 in such a way that they abut the channels 5 in the center.
  • Method step 309a When producing the nozzle front 21 from piezoceramic, the nozzles are produced by laser etching. For this purpose, the piezoceramic is finely ground and polished on the front.
  • Method step 311a The nozzles 22 are produced by laser etching so that they meet the channels 5 in the center.
  • the separation of the individual piezoceramic parts 2 from one another prevents crosstalk between the individual drive elements 1.
  • the unwanted side-talk ie H. ejection of ink droplets from the channel of a non-excited drive element is prevented.
  • the wedge-shaped parting line 48 prevents the occurrence of interference-forming sound waves in the ink print head.
  • Electrode material Compounds with chrome-platinum-gold and titanium-nickel-gold are particularly suitable as electrode material.
  • Nickel is particularly suitable for the galvanically deposited layers.
  • the pressure dot density that can be achieved with the ink print head described is approximately 4 dots per millimeter.
  • the ink print head is suitable for the highest printing speeds.
  • the method allows the production of an ink print head of the highest resolution, so to speak, in one piece, without complex mechanical processing and connection processes, eg. B. welding are necessary.
  • this ink print head Since the overall height of this ink print head is very small, including a possible plastic coating of less than 0.3 mm, several ink print heads 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.
  • a connection technique for the assembly of individual printheads is gluing.

Abstract

Piezoelectric ink printing head in which at least one piezoelectric drive unit (1) acts on the ink in a channel (5) in such a way as to cause a drop-shaped jet of ink to be ejected from a nozzle (22) through piezoelectric constriction. The drive element (1) comprises a piezo-ceramic part (2) in which a groove (44) has been made, a first electrode (3) which closes off the groove (44) to form a channel (5) and a second electrode (4) which is arranged on the piezo-ceramic part (2), insulated from the first electrode (3). The nozzle front (21) having at least one nozzle (22) is directly connected to the piezoceramic part (2). The method provides for the piezoelectric ink printing head to be made in one piece from a piezoceramic disc (41) with metallic coatings.

Description

Piezoelektrischer Tintendruckkopf und Verfahren zu seiner Herstellung Piezoelectric ink print head and process for its manufacture
Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Tintendruckkopf mit einer Düsenfront mit mindestens einer Düse, mindestens einem tinteführenden Kanal, der in die Düse mündet und min¬ destens einem piezoelektrischen Antriebselement, das so auf die Tinte in einem Kanal einwirkt, daß es bei piezoelektrischer Einschnürung einen tropfenförmigen Ausstoß von Tinte bewirkt.The invention relates to a piezoelectric ink print head with a nozzle front with at least one nozzle, at least one ink-guiding channel which opens into the nozzle and at least one piezoelectric drive element which acts on the ink in a channel in such a way that, when the piezoelectric constriction occurs, it produces a drop-shaped ejection caused by ink.
Ein Tintendruckkopf mit tinteführenden Kanälen, auf die piezo¬ elektrische Antriebselemente einwirken, ist aus der deutschen Patentschrift 2 543 451 bekannt. Dabei wird jeweils ein Ab¬ schnitt 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 Abdrucksteile 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.An ink print head with ink-carrying channels, on which piezoelectric drive elements act, is known from German patent specification 2 543 451. In each case, a section of the channels is cylindrically enclosed by a piezoelectric drive element. In the case of this ink print head, the length of the sections of the ink channels, which are not included in the drive elements and lie between the outlet openings of the ink channels and the drive elements, is dimensioned such that the ink channels with the piezoelectric drive elements can be aligned with the piezoelectric drive elements in a radially aligned, kink-free manner. This ink print head therefore has significantly larger dimensions in the area of the piezoelectric drive elements than it corresponds to the print screen. This ink printhead is therefore less suitable for a modular construction of a writing device with several ink printheads. A complete print line can only be realized if the ink print head is moved in the line direction. However, this limits the printing speed and the resolution.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen piezoelektrischen Tinten¬ druckkopf 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 gelöst durch folgende kennzeichnende Merkmale: a) das Antriebselement weist auf al) ein Piezokeramikteil, in dem ein Graben vorgesehen ist, a2) eine erste Elektrode, die so angeordnet ist, daß sie den Graben zur Bildung eines Kanals verschließt und a3) eine zweite Elektrode, die isoliert zur ersten Elektrode auf dem Piezokeramikteil angeordnet ist, b) die Düsenfront ist direkt mit den Piezokeramikteilen verbunden.The object of the invention is to provide a piezoelectric inkjet print head and a method for its production, which have very small dimensions and provide printing dots with a very high printing dot density. This object is achieved in a piezoelectric ink print head of the type mentioned at the outset by the following characteristic features: a) the drive element has a) a piezoceramic part in which a trench is provided, a2) a first electrode which is arranged in such a way that it trenches the trench closes to form a channel and a3) a second electrode which is arranged insulated from the first electrode on the piezoceramic part, b) the nozzle front is connected directly to the piezoceramic parts.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform ist dadurch ge¬ kennzeichnet, daß a) die Kanäle parallel zueinander verlaufen, b) die Antriebselemente einzeln ansteuerbar sind, c) die Gräben mit einer gemeinsamen ersten Elektrode zu Kanälen geschlossen sind d) die Piezokera ikteile mindestens auf der Länge der elektrisch kontaktierten Bereiche voneinander separiert sind und e) jeder Kanal in eine Düse mündet.A particularly advantageous embodiment is characterized in that a) the channels run parallel to one another, b) the drive elements can be controlled individually, c) the trenches are closed to form channels with a common first electrode d) the piezoceramic parts are at least as long as the electrically contacted areas are separated from each other and e) each channel opens into a nozzle.
Ein Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Tinten¬ druckkopfes ist dadurch gekennzeichnet, daß a) in einer polarisierten Piezokeramikscheibe mindestens ein Graben erzeugt wird, b) die gemeinsame erste Elektrode auf der Grabenseite der Piezo¬ keramikscheibe aufgebracht wird, so daß die Gräben geschlossen werden und damit Kanäle entstehen, c) die zweiten Elektroden auf der, den Gräben gegenüberlie¬ genden Oberfläche der Piezokeramikscheibe aufgebracht werden, so daß sie jeweils den Kanälen gegenüberliegen und einander nicht berühren, d) die Antriebselemente durch Zerteilen der Piezokeramikscheibe zwischen den zweiten Elektroden mindestens auf der Länge der elektrisch kontaktierten Bereiche voneinander separiert werden und e) auf der Frontseite der Piezokeramikscheibe (41) die mit den Kanälen (5) verbundene Düsenfront (21) hergestellt wird.A method for producing a piezoelectric ink jet print head is characterized in that a) at least one trench is produced in a polarized piezoceramic disc, b) the common first electrode is applied to the trench side of the piezo ceramic disc, so that the trenches are closed and thus Channels are created, c) the second electrodes are applied to the surface of the piezoceramic disk opposite the trenches so that they are opposite the channels and do not touch each other, d) the drive elements by dividing the piezoceramic disk between the second electrodes at least along the length the electrically contacted areas are separated from one another and e) on the front of the piezoceramic disk (41) the nozzle front (21) connected to the channels (5) is produced.
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.Further refinements and developments of the invention emerge from the subclaims, as follows from the description given with reference to an exemplary embodiment with FIGS. 1-3.
FIG 1 zeigt in schematischer Darstellung einen Schnitt durch einen piezoelektrischen Tintendruckkopf.1 shows a schematic representation of a section through a piezoelectric ink print head.
FIG 2 zeigt schematisch den Tintendruckkopf in Draufsicht.2 schematically shows the ink print head in plan view.
FIG 3 zeigt schematisch den Verlauf der Herstellung des piezo¬ elektrischen Tintendruckkopfs anhand aufeinanderfolgender Verfahrensschritte mit den Bezugszeichen 301, 303 bis 309, 303a, 303b, 307b bis 309b, 309a und 311a.3 schematically shows the course of the manufacture of the piezoelectric ink print head using successive method steps with the reference numerals 301, 303 to 309, 303a, 303b, 307b to 309b, 309a and 311a.
Bei den Verfahrensschritten, deren Bezugszeichen mit a oder b versehen sind, ist der piezoelektrische Tintendruckkopf in Draufsicht gezeigt.In the process steps, the reference numerals of which are provided with a or b, the piezoelectric ink print head is shown in a top view.
FIG 1: Auf einer Trägerschicht 6 befinden sich mehrere parallel nebeneinander liegende Antriebselemente 1. Jedes Antriebs¬ element 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 gemein¬ samen ersten Elektrode 3 Kanäle 5. Dabei schließt die ge¬ meinsame erste Elektrode 3 die Gräben 44, die sich in den Piezokeramikteilen 2 befinden zu Kanälen 5 ab.1: On a carrier layer 6 there are a plurality of drive elements 1 lying parallel to one another. Each drive element 1 consists of a piezoceramic part 2, a second electrode 4 and a part of a common first electrode 3. The piezoceramic parts 2 form together with the common one first electrode 3 channels 5. The common first electrode 3 closes the trenches 44, which are located in the piezoceramic parts 2, to form channels 5.
FIG.2: An der Stirnseite des piezoelektrischen Tintendruckkopfs befindet sich die Düsenfront 21 mit Düsen 22. Die Düsenfront 21 ist direkt mit den Piezokeramikteilen 2 verbunden und jeder Kanal 5 mündet in einer Düse 22. Die Piezokeramikteile 2 be¬ rühren sich auf der Länge der elektrisch kontaktierten Bereiche nicht. Die Düsenfront 22 kann aus Metall oder Piezo- keramik bestehen. Die Düsen 22 sind zur Tröpfchenausbildung beim Betrieb des piezoelektrischen Tintendruckkopfs wichtig.FIG. 2: The nozzle front 21 with nozzles 22 is located on the end face of the piezoelectric ink print head. The nozzle front 21 is connected directly to the piezoceramic parts 2 and each channel 5 opens into a nozzle 22. The piezoceramic parts 2 touch the length of the nozzle electrically contacted Areas not. The nozzle front 22 can consist of metal or piezo ceramic. The nozzles 22 are important for droplet formation when operating the piezoelectric ink print head.
FIG 3:FIG 3:
Verfahrensschritt 301: Eine Piezokeramikscheibe 41 mit einer Dicke von 100 bis 200 μm wird beidseitig mit einer Metall¬ schicht 42 und 43 versehen. Die Piezokeramikscheibe 41 ist aus einer Piezokeramikmasse hergestellt, die eine definiert hohe Enddichte, z» B. 995-., erreicht. Sie kann aus einer Piezokera- mikfolie 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.Method step 301: A piezoceramic disk 41 with a thickness of 100 to 200 μm is provided on both sides with a metal layer 42 and 43. The piezoceramic disk 41 is made from a piezoceramic mass which achieves a defined high final density, for example 995. It can be made from a piezoceramic film by cutting or from a ceramic block by sawing and grinding. After the metal layers 42 and 43 have been applied, the piezoceramic disk 41 is polarized by applying a voltage between the metal layers 42 and 43 with a field strength customary for the ceramic at an elevated temperature of approximately 100-150 ° C.
Verfahrensschritt 303: Durch Laserätzen werden parallel neben¬ einander liegende Gräben 44 auf der Seite der unteren Metall¬ schicht 43 erzeugt.Method step 303: Trenches 44 lying parallel to one another on the side of the lower metal layer 43 are produced by laser etching.
Verfahrensschritt 303b: Wenn die Düsenfront 21 aus Metall her¬ gestellt werden soll, werden die Gräben 44 auf der Piezokera¬ mikscheibe 41 durchgehend erzeugt. Durchgehende Gräben 44 können auch mit den bekannten Sägetechniken hergestellt werden.Method step 303b: If the nozzle front 21 is to be produced from metal, the trenches 44 are continuously produced on the piezo ceramic disk 41. Continuous trenches 44 can also be produced using the known sawing techniques.
Verfahrensschritt 303a: Bei Herstellung der Gräben 44 durch Laserätzen ist es möglich die Gräben 44 sackprofilartig zu er¬ zeugen. Der nichtstrukturierte Teil der Piezokeramikscheibe 41 kann hier zur Herstellung der Düsenfront 21 verwendet werden. Dabei ist es erforderlich, daß die obere Metallschicht 42, aus der im weiteren Herstεllungsverlauf die zweiten Elektroden 4 entstehen, nur in dem Bereich der Piezokeramikscheibe 41 aufge¬ bracht wird, in dem Gräben 44 hergestellt werden. Verfahrensschritt 304: Die Gräben 44 werden mit Kunststoff 45 vergossen.Method step 303a: When the trenches 44 are produced by laser etching, it is possible to produce the trenches 44 in the manner of a sack profile. The non-structured part of the piezoceramic disk 41 can be used here to produce the nozzle front 21. It is necessary that the upper metal layer 42, from which the second electrodes 4 arise in the course of the production, is only applied in the area of the piezoceramic disk 41 in which trenches 44 are produced. Method step 304: The trenches 44 are cast with plastic 45.
Verfahrensschritt 305: Die mit Kunststoff 45 vergossene Seite der Piezokeramikscheibe 41 wird so mechanisch bearbeitet, z. B. Schleifen, Läppen,^daß die Piezokeramik freigelegt ist.Method step 305: The side of the piezoceramic disk 41 encapsulated with plastic 45 is processed mechanically, e.g. B. grinding, lapping, ^ that the piezoceramic is exposed.
Verfahrensschritt 306: Die gemeinsame erste Elektrode 3 wird durch Aufsputtern einer Metallschicht aufgebracht.Method step 306: The common first electrode 3 is applied by sputtering on a metal layer.
Verfahrensschritt 307: Auf die gemeinsame erste Elektrode 3 kann an dieser Stelle des Herstellungsverfahrens eine Träger¬ schicht 6 galvanisch aufgebracht werden. Die Trägerschicht 6 kann aus einer 50 bis 100 μm dicken Metallschicht bestehen.Method step 307: A carrier layer 6 can be galvanically applied to the common first electrode 3 at this point in the production process. The carrier layer 6 can consist of a 50 to 100 μm thick metal layer.
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 Ä'tz- oder Abhebeverfahren so strukturiert, daß daraus die zweiten Elek¬ troden 4 entstehen, die mittig und parallel über den Kanälen 5 verlaufen und einander nicht berühren.Method step 308: The plastic 45 is removed from the channels 5, for example burned out. The metal layer 42 on the upper surface of the piezoceramic disc 41 is patterned by Ä 'TC or lift-off, that therefrom the second Elek¬ trodes 4 are formed, which extend centrally and in parallel above the channels 5 and not touching each other.
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.Another possibility for structuring the metal layer 42 for producing the second electrodes 4 is laser etching. The structuring of the metal layer 42 can take place together with the cutting of the piezoceramic parts 2, which is described in the next method step (309).
Verfahrensschritt 309: Die Piezokeramikteile 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 Piezokeramikscheibe 41 herausgeschnitten werden.Method step 309: The piezoceramic parts 2 are separated from one another by laser etching such that they do not touch at least along the length of the electrically contacted regions, wedge-shaped furrows 48 being cut out of the piezoceramic disk 41.
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 Piezo¬ keramikscheibe 41 aufgebracht. Verfahrensschritt 308b: Auf die Sputterschicht 46 wird die metallische Düsenfront 21 galvanisch aufgebracht. Die Düsen¬ front 21 kann z. B. aus Nickel bestehen. Zweckmäßigerweise wird die Düsenfront 21 gleichzeitig mit der Trägerschicht 6 gal¬ vanisch aufgebracht.Method step 307b: To produce a nozzle front 21 made of metal, a metallic sputter layer 46 is applied to the front side of the piezo ceramic disk 41 after the common first electrode 3 has been produced and before the plastic 45 has been removed from the channels 5. Method step 308b: The metallic nozzle front 21 is applied galvanically to the sputter layer 46. The Düsen¬ front 21 can, for. B. consist of nickel. The nozzle front 21 is expediently applied galvanically at the same time as the carrier layer 6.
Verfahrensschritt 309b: Die Düsen 22 werden so in die Düsenfront 21 gebohrt, daß sie mittig auf die Kanäle 5 stoßen.Method step 309b: The nozzles 22 are drilled in the nozzle front 21 in such a way that they abut the channels 5 in the center.
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.Method step 309a: When producing the nozzle front 21 from piezoceramic, the nozzles are produced by laser etching. For this purpose, the piezoceramic is finely ground and polished on the front.
Verfahrensschritt 311a: Durch Laserätzen werden die Düsen 22 so erzeugt, daß sie mittig auf die Kanäle 5 treffen.Method step 311a: The nozzles 22 are produced by laser etching so that they meet the channels 5 in the center.
Durch die Trennung der einzelnen Piezokeramikteile 2 vonein¬ ander ist ein übersprechen zwischen den einzelnen Antriebs¬ elementen 1 unterbunden. Dadurch wird das unerwünschte Neben¬ sprechen, d. h. ein Ausstoß von Tintentröpfchen aus dem Kanal eines nicht angeregten Antriebselements, unterbunden. Die keil¬ förmige Trennfuge 48 unterbindet das Auftreten von interferenz¬ bildenden Schallwellen im Tintendruckkopf.The separation of the individual piezoceramic parts 2 from one another prevents crosstalk between the individual drive elements 1. As a result, the unwanted side-talk, ie H. ejection of ink droplets from the channel of a non-excited drive element is prevented. The wedge-shaped parting line 48 prevents the occurrence of interference-forming sound waves in the ink print head.
In der deutschen Patentanmeldung P 37 18 323 ist ein Verfahren beschrieben, mit dem die Bearbeitung von Keramikwerkstoffen ohne das Entstehen von Da ageschichten möglich ist. Dabei wird eine Laserstrahlung mit einer (Luft)wellenlänge kleiner als etwa 350nm verwendet, die Beaufschlagung mit Laserstrahlung nur impulsweise durchgeführt und die Impulsdauer, die Pulswieder¬ holungsrate und die Pulsenergie derart aufeinander abgestimmt bemessen, daß in dem bearbeiteten Werkstoff ein wesentlicher- Wärmestau vermieden wird. Vorteilhaft ist der Einsatz eines Exci erlasers. 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 kann die Ausbeute bei der Herstellung und die Funktionsgenauigkeit der piezoelektrischen Tintendruck- kδpfe erhöht werden.In the German patent application P 37 18 323 a method is described with which the processing of ceramic materials is possible without the creation of data layers. 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 matched to one another in such a way that a substantial build-up of heat is avoided in the processed material . It is advantageous to use an Exci laser. By using this laser etching process in the process for the production of the piezoelectric ink print head, the creation of the nozzles, the trenches and the cutting of the piezoceramic disk can be carried out very precisely without the occurrence of disruptive damage layers at the edges of the processed areas. The yield in the production and the functional accuracy of the piezoelectric ink printing heads can thus be increased.
Als Elektrodenmaterial eignen sich besonders Verbindungen mit Chrom-Platin-Gold und Titan-Nickel-Gold. Für die gal¬ vanisch abgeschiedenen Schichten ist Nickel besonders geeignet.Compounds with chrome-platinum-gold and titanium-nickel-gold are particularly suitable as electrode material. Nickel is particularly suitable for the galvanically deposited layers.
Die Druckpunktdichte, die mit dem beschriebenen Tintendruck¬ kopf erreicht werden kann, beträgt ca. 4 Punkte pro Millimeter. Der Tintendruckkopf ist für höchste Druckgeschwindigkeiten geeignet. Das Verfahren gestattet die Herstellung eines Tinten¬ druckkopfes höchster Auflösung sozusagen in einem Stück, ohne daß aufwendige mechanische Bearbeitungs- und Verbindungsver¬ fahren, z. B. Schweißen, notwendig sind.The pressure dot density that can be achieved with the ink print head described is approximately 4 dots per millimeter. The ink print head is suitable for the highest printing speeds. The method allows the production of an ink print head of the highest resolution, so to speak, in one piece, without complex mechanical processing and connection processes, eg. B. welding are necessary.
Da die Bauhöhe dieses Tintendruckkopfs sehr gering ist, ein¬ schließlich 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 Druck- kδpfe ist das Kleben.Since the overall height of this ink print head is very small, including a possible plastic coating of less than 0.3 mm, several ink print heads 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. A connection technique for the assembly of individual printheads is gluing.
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 Druck- kδpfe für Mehrfarbendruck möglich. With the manufacturing process described, it is possible to manufacture ink printheads of large width (approx. 100 mm). Since even assembled print heads still have a very low overall height, further stacking of such print heads for multi-color printing is possible.

Claims

Patentansprüche Claims
1. Piezoelektrischer Tintendruckkopf mit einer Düsenfront mit mindestens einer Düse, mindestens einem Tinte führenden Kanal, der in die Düse mündet und mindestens einem piezoelektrischen Äntriebselement, das so auf die Tinte in dem Kanal einwirkt, daß es bei piezoelektrischer Einschnürung einen tropfenförmi¬ gen Ausstoß von Tinte bewirkt, g e k e n n z e i c h n e t durch folgende Merkmale a) das Antriebselement (1) weist auf al) ein Piezokeramikteil (2), in dem ein Graben (44) vorge¬ sehen ist, a2) eine erste Elektrode (3), die so angeordnet ist, daß sie den Graben (44) zur Bildung eines Kanals (5) verschließt und a3) eine zweite Elektrode (4), die isoliert zur ersten Elektrode (3) auf dem Piezokeramikteil (2) angeordnet ist, b) die Düsenfront (21) ist direkt mit den Piezokeramikteilen (2) verbunden.1. Piezoelectric ink print head with a nozzle front with at least one nozzle, at least one channel carrying ink which opens into the nozzle and at least one piezoelectric drive element which acts on the ink in the channel in such a way that, in the case of piezoelectric constriction, it produces a drop-shaped ejection Ink, characterized by the following features a) the drive element (1) has a) a piezoceramic part (2) in which a trench (44) is provided, a2) a first electrode (3) which is arranged in such a way that it closes the trench (44) to form a channel (5) and a3) a second electrode (4) which is arranged insulated from the first electrode (3) on the piezoceramic part (2), b) the nozzle front (21) directly connected to the piezoceramic parts (2).
2. Piezoelektrischer Tintendruckkopf nach Anspruch 1 mit mehre¬ ren Antriebselementen, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß a) die Kanäle (5) parallel zueinander verlaufen, b) die Antriebselemente (1) einzeln ansteuerbar sind, c) die Gräben (44) mit einer gemeinsamen ersten Eletrode (3) zu Kanälen (5) geschlossen sind und d) die Piezokeramikteile (2) mindestens auf der Länge der elektrisch kontaktierten Bereiche voneinander separiert sind und e) jeder Kanal (5) in eine Düse (22) mündet.2. Piezoelectric ink print head according to claim 1 with mehre¬ ren drive elements, characterized in that a) the channels (5) run parallel to each other, b) the drive elements (1) are individually controllable, c) the trenches (44) with a common first The electrode (3) is closed to form channels (5) and d) the piezoceramic parts (2) are separated from one another at least along the length of the electrically contacted areas and e) each channel (5) opens into a nozzle (22).
3. Piezoelektrischer Tintendruckkopf nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Piezokeramikteile (2) eine3. Piezoelectric ink print head according to one of claims 1 or 2, characterized g e k e n n z e i c h n e t that the piezoceramic parts (2) a
Materialdichte von größer 983. aufweisen. Have material density greater than 983th
4. Piezoelektrischer Tintendruckkopf nach einem der An¬ sprüche 1 bis 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Düsenfront (21) aus Metall besteht.4. Piezoelectric ink print head according to one of claims 1 to 3, characterized in that the nozzle front (21) consists of metal.
5. Piezoelektrischer Tintendruckkopf nach einem der An¬ sprüche 1 bis 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Düsenfront (21) aus Piezokeramik besteht.5. Piezoelectric ink print head according to one of claims 1 to 3, characterized in that the nozzle front (21) consists of piezoceramic.
6. Piezoelektrischer Tintendruckkopf nach einem der An¬ sprüche 1 bis 5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß eine Trägerschicht (6) aus Metall auf der gemeinsamen ersten Elektrode (3) vorgesehen ist.6. Piezoelectric ink print head according to one of claims 1 to 5, characterized in that a carrier layer (6) made of metal is provided on the common first electrode (3).
7. Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Tinten¬ druckkopfes nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß a) in einer polarisierten Piezokeramikscheibe (41) mindestens ein Graben (44). erzeugt wird, b) die gemeinsame erste Elektrode (3) auf der Grabenseite der Piezokeramikscheibe (41) aufgebracht wird, so daß die Gräben (44) geschlossen werden und damit Kanäle (5) entstehen, c) die zweiten Elektroden (4) auf der, den Gräben (44) gegen¬ überliegenden Oberfläche der Piezokeramikscheibe (41) aufge¬ bracht werden, so daß sie mittig und parallel über den Kanälen (5) verlaufen und einander nicht berühren, d) die Antriebselemente (1) durch Zerteilen der Piezokeramik¬ scheibe (41) zwischen den zweiten Elektroden (4) mindestens auf der Länge der elektrisch kontaktierten Bereiche von¬ einander separiert werden und e) auf der Frontseite der Piezokeramikscheibe (41) die mit den Kanälen (5) verbundene Düsenfront (21) hergestellt wird.7. A method for producing a piezoelectric inkjet print head according to one of claims 1 to 6, characterized in that a) in a polarized piezoceramic disc (41) at least one trench (44) . is generated, b) the common first electrode (3) is applied to the trench side of the piezoceramic disk (41), so that the trenches (44) are closed and channels (5) are formed, c) the second electrodes (4) on the , the trenches (44) opposite the surface of the piezoceramic disk (41) are applied so that they run centrally and parallel over the channels (5) and do not touch each other, d) the drive elements (1) by dividing the piezoceramic disc (41) between the second electrodes (4) are separated from one another at least along the length of the electrically contacted regions and e) the nozzle front (21) connected to the channels (5) is produced on the front of the piezoceramic disc (41).
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Gräben (44) durch Sägen hergestellt werden. 8. The method according to claim 7, characterized in that the trenches (44) are produced by sawing.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Gräben (44) durch Laserätzen geschaffen werden.9. The method according to claim 7, characterized in that the trenches (44) are created by laser etching.
10. Verfahren nach ^einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß das Aufbringen der gemein¬ samen Elektrode (3) dadurch erfolgt, das nach Erzeugen der Gräben (44) a) die Gräben (44) mit Kunststoff (45) aufgefüllt werden, b) die gemeinsame erste Elektrode (3) durch Aufsputtern einer Metallschicht aufgebracht wird und c) der Kunststoff (45) anschließend entfernt wird.10. The method according to ^ one of claims 7 to 9, characterized in that the application of the common electrode (3) is carried out by filling the trenches (44) with plastic (45) after producing the trenches (44) a) b) the common first electrode (3) is applied by sputtering on a metal layer and c) the plastic (45) is subsequently removed.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Antriebselemente (1) nach dem Aufbringen der zweiten Elektrodenn (4) durch Laser¬ ätzen voneinander getrennt werden, wobei keilförmige Furchen (48) aus der Piezokeramikscheibe (41) herausgeschnitten werden.11. The method according to any one of claims 7 to 10, characterized in that the drive elements (1) are separated from one another by laser etching after the application of the second electrode (4), wedge-shaped furrows (48) being cut out of the piezoceramic disk (41) become.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß das Aufbringen der zweiten Elektroden (4) dadurch erfolgt, daß a) auf der den Gräben (44) gegenüberliegenden Oberfläche der Piezokeramikscheibe (41) eine obere Metallschicht (42) aufgebracht wird und b) die obere Metallschicht (42) so strukturiert wird, daß die zweiten Elektroden (4) entstehen, die den Kanälen (5) gegen¬ überliegen und einander nicht berühren.12. The method according to any one of claims 7 to 11, characterized in that the application of the second electrodes (4) takes place in that a) an upper metal layer (42) is applied to the surface of the piezoceramic disk (41) opposite the trenches (44) and b) the upper metal layer (42) is structured in such a way that the second electrodes (4) are formed which lie opposite the channels (5) and do not touch one another.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Düsenfront (21) aus Metall hergestellt wird, nachdem die Antriebselemente (1) von¬ einander getrennt werden durch Zerteilen der Piezokeramik¬ scheibe (41) auf ihrer gesamten Länge und bevor der in die Gräben (44) eingebrachte Kunststoff (45) entfernt wird, indem die Piezokeramikscheibe (41) an der Frontseite a) geschliffen und poliert wird, b) eine metallische Sputterschicht (46) aufgebracht wird, c) auf die Sputterschicht (46) die metallische Düsenfront (21) galvanisch aufgebrächt und d) die Düsen (22) mittig auf die Kanäle (5) stoßend erzeugt werden.13. The method according to any one of claims 7 to 12, characterized in that the nozzle front (21) is made of metal after the drive elements (1) are separated from each other by dividing the piezoceramic disk (41) over its entire length and before the in the Trenches (44) introduced plastic (45) is removed by grinding and polishing the piezoceramic disc (41) on the front a), b) applying a metallic sputter layer (46), c) the metallic nozzle front on the sputter layer (46) (21) galvanically applied and d) the nozzles (22) are generated in the middle of the channels (5).
14.. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Düsenfront (21) aus Piezokeramik hergestellt wird, nachdem die Antriebselemente (1) durch Zerteilen der Piezokeramikscheibe (41) so voneinander getrennt werden, daß die Piezokeramikscheibe (41) im Frontbe¬ reich unzerteilt bleibt, indem a) die Frontseite der Keramikscheibe (41) geschliffen und poliert wird, b) durch Laserätzen die Düsen (22) mittig auf die Kanäle (5) stoßend erzeugt werden.14 .. The method according to any one of claims 7 to 12, characterized in that the nozzle front (21) is made of piezoceramic after the drive elements (1) by dividing the piezoceramic disc (41) are separated from each other so that the piezoceramic disc (41) remains undivided in the front area by a) grinding and polishing the front of the ceramic disc (41), b) producing the nozzles (22) in the middle, abutting the channels (5) by laser etching.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Bearbeitung der Piezokeramikscheibe durch Laserätzen mit einem Verfahren durchgeführt wird, das die folgenden Merkamle aufweist a) es wird eine Laserstrahlung mit einer (Luft)wellenlänge kleiner als etwa 350 nm verwendet, b.) die Beaufschlagung mit Laserstrahlung wird nur impuls¬ weise durchgeführt und c) die Impulsdauer, die Pulswiederholungsrate und die Puls¬ energie wird derart aufeinander abgestimmt bemessen, daß in der Piezokeramikscheibe (41) ein wesentlicher Wärmestau ver¬ mieden wird. 15. The method according to any one of claims 7 to 14, characterized in that the processing of the piezoceramic disk is carried out by laser etching using a method which has the following features a) a laser radiation with an (air) wavelength less than about 350 nm is used , b.) the exposure to laser radiation is carried out only in pulses, and c) the pulse duration, the pulse repetition rate and the pulse energy are dimensioned in such a way that a substantial build-up of heat is avoided in the piezoceramic disc (41).
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 15, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß nach dem Aufbringen der ge¬ meinsamen ersten Elektrode (3) eine Trägerschicht (6) aus Me¬ tall galvanisch darauf aufgebracht wird.16. The method according to any one of claims 7 to 15, characterized in that after the common first electrode (3) has been applied, a carrier layer (6) made of metal is electroplated thereon.
17. Verfahren nachweinen, der Ansprüche 7 bis 16, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß eine Piezokeramikscheibe (41) verwendet wird, die eine Materialdichte von größer 989» aufweist. 17. The method according w one of claims 7 to 16, characterized in that a piezo-ceramic disk (41) is used having a material density of greater than 989 ».
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