EP0358723B1 - Procédé de fabrication d'une tête piezoélectrique d'impression à l'encre - Google Patents

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EP0358723B1
EP0358723B1 EP88905711A EP88905711A EP0358723B1 EP 0358723 B1 EP0358723 B1 EP 0358723B1 EP 88905711 A EP88905711 A EP 88905711A EP 88905711 A EP88905711 A EP 88905711A EP 0358723 B1 EP0358723 B1 EP 0358723B1
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EP
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strip
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ink
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Karl Lubitz
Jutta Mohaupt
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Siemens AG
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    • B41J2/1621—Manufacturing processes
    • B41J2/164—Manufacturing processes thin film formation
    • B41J2/1646—Manufacturing processes thin film formation thin film formation by sputtering

Definitions

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

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  • Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)

Abstract

Dans une tête piézoélectrique d'impression à l'ancre, au moins un élément piézoélectrique d'entraînement (1) agit sur l'encre contenue dans un canal (5) de façon à provoquer l'expulsion goutte à goutte de l'encre par un ajutage (22) lors d'une constriction piézoélectrique. L'élément d'entraînement (1) comprend une partie en céramique piézoélectrique (2) dans laquelle est ménagée une rainure (5), une première électrode (3) agencée sur la partie en céramique piézoélectrique (2) et une deuxième électrode (4) agencée sur la partie en céramique piézoélectrique (2) et isolée par rapport à la première électrode (3). La partie frontale (21) contenant au moins un ajutage (22) est directement reliée aux parties en céramique piézoélectrique (2). Selon le procédé de fabrication, la tête piézoélectrique d'impression à l'encre est fabriquée en une seule pièce à partir d'une bande en céramique piézoélectrique (46) contenant des cavités en forme de canaux et des couches métalliques.

Claims (19)

1. Procédé pour fabriquer des pièces piézocéramiques (2) pour une tête d'impression à encre, comprenant une partie frontale (21) à buses, qui comprend des canaux d'adduction d'encre (5) parallèles entre eux et dans lesquels une variation de volume provoquée de façon piézoélectrique conduit à l'éjection d'une goutte d'encre, des première et seconde électrodes (3,4) isolées l'une par rapport à l'autre et situées en vis-à-vis l'une de l'autre, et des buses (22) de la partie avant (21) à buses, disposées dans la piézocéramique, caractérisé par le fait qu'on utilise, pour la tête d'impression à encre, des pièces piézocéramiques (2) comportant un canal d'adduction d'encre (25) et une buse (22) fabriqués; au moyen d'un procédé selon lequel
a) on fabrique des bandes piézocéramiques (46) contenant un grand nombre de canaux d'adduction d'encre (5),
b) on dépose des premières électrodes (3) sur les bandes piézocéramiques (46),
c) on dépose les secondes électrodes (14) sur la bande piézocéramique (46) de manière que les premières électrodes (3) et les secondes électrodes (4) soient situées respectivement dans une position centrée au-dessus des canaux d'adduction d'encre (5) et s'étendent parallèlement à ces canaux tout en étant disposées réciproquement en vis-à-vis,
d) on polarise la piézocéramique de la bande piézocéramique,
e) on sépare la bande piézocéramique (46) située entre les deux électrodes (4) par subdivision de cette bande en les pièces piézocéramiques (2),
f) on forme la partie avant (21) équipée de buses et reliée aux canaux d'adduction d'encre (5), sur la face avant, et
g) on forme la tête piézoélectrique d'impression à encre en réunissant les parties piézocéramiques (2).
2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'on fabrique la bande piézocéramique (46) qui comporte les canaux d'adduction d'encre (5) :
a) en déposant des profilés parallèles en forme de barreaux (43) réalisés en un matériau combustible sur une ébauche en forme de feuille piézocéramique (41),
b) en déposant une couche formée d'un matériau brut piézocéramique (45) sur les profilés (43) de manière à recouvrir ces profilés et à remplir l'espace entre les profilés (43), et
c) en exécutant un frittage.
3. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que le dépôt des profilés (43) est réalisé par sérigraphie.
4. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que le dépôt des profilés (43) est réalisé par
a) dépôt d'une couche formée d'une matière plastique pouvant être structurée par voie photochimique, et
b) structuration de la matière première au moyen d'une technique de corrosion photochimique.
5. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que le dépôt de la matière brute piézocéramique (45) est réalisé par coulée.
6. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que le dépôt de la matière brute piézocéramique (45) s'effectue par
a) dépôt d'une autre bande d'ébauche formant feuille piézocéramique, et
b) serrage, l'une contre l'autre, des deux bandes d'ébauches en forme de feuilles entre lesquelles sont intercalés les profilés (43).
7. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'on fabrique la bande piézocéramique (46) contenant les canaux d'adduction d'encre (5) :
a) en coulant une masse piézocéramique brute dans un dispositif qui possède un renfoncement, au-dessus duquel des fils (53) réalisés en un matériau combustible sont tendus parallèlement entre eux, et
b) en exécutant un frittage.
8. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'on fabrique la bande piézocéramique (46) contenant les canaux d'adduction d'encre (5) :
a) en recouvrant, notamment par coulée, les deux faces d'une feuille combustible (61) dans laquelle sont prévus des passages parallèles (62), dont les distances réciproques correspondent aux cotes des canaux d'adduction d'encre (5), au moyen d'une masse piézocéramique brute, et
b) en exécutant un frittage.
9. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que le dépôt de la première électrode (3) est réalisé au moyen d'un dépôt par pulvérisation d'une couche métallique.
10. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait que le dépôt des secondes électrodes (4) et la séparation réciproque des éléments d'entraînement (1) sont exécutés grâce au fait
a) qu'on dépose par pulvérisation une couche métallique (47) sur la surface de la bande piézocéramique (46), qui est située en vis-à-vis de la première électrode (3), et
b) qu'on forme par découpage des sillons en coin (48) dans la bande piézocéramique (46) de manière à séparer les uns des autres les secondes électrodes (4) et simultanément les éléments d'entraînement (1) à partir de la couche métallique (47) déposée par pulvérisation.
11. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait que, pour séparer les éléments d'entraînement (1), on met en oeuvre les étapes opératoires suivantes :
a) on ménage des profils allongés en forme de coins entre les profilés en forme de barreaux (43) sur la bande d'ébauche en forme de feuille piézocéramique (41),
b) on dépose une couche formée d'une matière piézocéramique brute (45) sur les profilés de manière à recouvrir ces derniers et à remplir l'espace entre les profilés,
c) on exécute un frittage, et
d) on sectionne les éléments céramiques de liaison (44) entre les pièces piézocéramiques (2).
12. Procédé suivant les revendications 1 à 11, caractérisé par le fait qu'on dépose galvaniquement une couche de support métallique (6) sur la première électrode (3).
13. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 11, caractérisé par le fait qu'on colle une couche de support (6) de matière plastique sur la première électrode (3).
14. Procédé suivant l'une de revendications 1 à 13, caractérisé par le fait que la polarisation des pièces piézocéramiques (2) est réalisée par
a) remplissage des canaux d'adduction d'encre (5) avec un liquide faiblement conducteur, et
b) application d'un champ électrique entre les deux électrodes (4) et la première électrode (3), à une température accrue.
15. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 14, caractérisé par le fait qu'on réalise la partie avant (21) à buses en un métal une fois que les éléments d'entraînement (1) ont été séparés les uns des autres par subdivision de la bande piézocéramique (46) sur toute sa longueur, par le fait que
a) on meule et on polit la bande piézocéramique (46) au niveau de sa face avant,
b) on dépose une autre couche métallique (49) par pulvérisation,
c) on dépose galvaniquement la partie avant métallique (21) à buses sur l'autre couche métallique (49) déposée par pulvérisation, et
d) on forme les buses (22) de manière qu'elles soient en aboutement contre des canaux d'adduction d'encre (5), tout en étant équidistantes.
16. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 15, caractérisé par le fait qu'on fabrique la partie avant (21) de la buse en une piézocéramique après avoir séparé les uns des autres les éléments d'entraînement (1) par subdivision de la bande piézocéramique (46) de manière que cette bande (46) reste non subdivisée dans sa partie frontale, par le fait
a) qu'on meule et on polit la face avant de la bande piézocéramique (46), et
b) on forme, par corrosion à l'aide d'un laser, les buses (22) en aboutement contre les canaux d'adduction d'encre (5), dans des positions équidistantes.
17. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait qu'on exécute l'usinage de la bande piézocéramique (46) au moyen d'une corrosion par laser en utilisant un procédé présentant les caractéristiques suivantes :
a) on utilise un rayonnement laser possédant une longueur d'onde (dans l'air) inférieure à environ 350 nm,
b) on applique la charge du rayonnement laser uniquement de façon impulsionnelle, et
c) on accorde entre elles la durée des impulsions, la vitesse de répétition des impulsions et l'énergie des impulsions de manière à éviter une accumulation importante de chaleur dans la bande piézocéramique (46).
18. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 17, caractérisé par le fait qu'on utilise une bande piézocéramique (46), qui possède une densité supérieure à 98 %.
19. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 18, caractérisé par le fait qu'on obture les sillons en coin (48) avec une matière plastique (7).
EP88905711A 1987-07-31 1988-07-18 Procédé de fabrication d'une tête piezoélectrique d'impression à l'encre Expired - Lifetime EP0358723B1 (fr)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
DE3725500A DE3725500A1 (de) 1987-07-31 1987-07-31 Piezoelektrischer tintendruckkopf und verfahren zu seiner herstellung
DE3725500 1987-07-31

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EP0358723A1 EP0358723A1 (fr) 1990-03-21
EP0358723B1 true EP0358723B1 (fr) 1992-01-02

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Application Number Title Priority Date Filing Date
EP88905711A Expired - Lifetime EP0358723B1 (fr) 1987-07-31 1988-07-18 Procédé de fabrication d'une tête piezoélectrique d'impression à l'encre

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