DE3712891A1 - Planartintendruckkopf im dual-inline-gehaeuse - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Tintendruckkopf für eine Tinten­ druckeinrichtung und einem Verfahren zu dessen Herstellung ge­ mäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 11.

Tintendruckeinrichtungen mit piezoelektrisch angetriebenen An­ triebselementen sind allgemein bekannt und mit Erfolg zur An­ wendung gelangt. So wird in der DE-OS 32 42 283 ein mehrschich­ tig aufgebauter Tintenstrahldruckkopf beschrieben, der unter anderem eine Kammerleiste aufweist, in der ein Zuführkanal für die Tinte und die Druckkammern der Antriebselemente eingearbei­ tet sind. Weiters weist die Kammerleiste einen Anschlußstutzen für die Tintenversorgung auf. Die Düsenkanäle selbst werden durch einen eigenen Grundkörper des Tintenstrahldruckkopfes ge­ führt und münden am anderen Ende des Grundkörpers in dicht ne­ beneinander angeordnete Düsen einer Düsenplatte. Die Düsenplat­ te selbst wird über eine Spannfeder gegen den Grundkörper ge­ drückt.

Die Seite der Kammerleiste in die die Druckkammern und die Dü­ senkanäle eingestanzt sind, ist durch eine Metallmembran abge­ deckt die über die gesamte Breite der Kammerleiste reicht. Die Metallmembran dient zur Aufnahme der Antriebselemente, die aus Piezoblättchen bestehen.

Die Herstellung der Kammerleiste und die Verbindung mit der Me­ tallmembran geschieht in der Weise, daß in der Kammerleiste zu­ nächst die kegelförmigen Kammern und Drosselkanäle eingeprägt und anschließend die Düsenkanäle gebohrt werden. Verbunden wer­ den die Metallmembran und die Kammerleiste dann durch Diffu­ sionsschweißen.

Durch die Vielzahl der erforderlichen Arbeitsgänge ist ein der­ artig aufgebauter Tintenschreibkopf schwer herzustellen. Außer­ dem wirkt sich die Länge der Düsenkanäle und ihr Verlauf inner­ halb eines klobig aufgebauten Grundkörpers nachteilig auf die Schriftqualität bzw. den Wirkungsgrad der piezoelektrischen An­ triebselemente aus.

Mehrschichtig aufgebaute Tintendruckköpfe in Planartechnik sind weiterhin aus der DE-OS 36 12 846 bekannt. Der Druckkopf selbst besteht dabei aus mehreren plattenförmigen Elementen aus nicht­ rostendem Metall z.B. Stahl oder dergleichen, die miteinander verschweißt sind. Innerhalb des Druckkopfes befinden sich durch Ätzung der einzelnen plattenförmigen Elemente erzeugte Tinten­ kanäle und durch entsprechende Ätzung erzeugte Druckkammern. In der Tintendruckeinrichtung ist der Tintendruckkopf unmittelbar auf einem Wagen montiert.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Tintendruckkopf der ein­ gangs genannten Art so auszugestalten, daß er einerseits in einfacher Weise vollautomatisch hergestellt und kontaktiert werden kann, andererseits eine leichte Befestigung in der Tin­ tendruckeinrichtung möglich ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Tintendruckkopf der eingangs ge­ nannten Art gemäß dem kennzeichnenden Teil des ersten Patentan­ spruches gelöst. Ein Verfahren zum Herstellen des Tintendruck­ kopfes ist durch den Anspruch 11 gekennzeichnet.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unter­ ansprüchen gekennzeichnet.

Gemäß der Erfindung besteht der Tintendruckkopf aus einem Sand­ wich-Tintenkopf aus einzelnen übereinander angeordneten, Tin­ tenkanäle, Antriebselemente, Druckkammern und dergleichen auf­ nehmenden Platten die untereinander fest verbunden sind und ei­ nem den Sandwich-Tintenkopf aufnehmenden als Dual-INLINE-Gehäu­ se ausgebildeten Steckgehäuse mit Anschlußbeinen. Eine Öffnung im Steckgehäuse ermöglicht den Zugang zu dem Sandwich-Tinten­ kopf, um den Sandwich-Tintenkopf elektrisch abgleichen und kon­ taktieren zu können. Diese Kontaktierungs- und Abgleichöffnung wird nach dem Abgleich tintendicht verschlossen. Weiterhin weist der Tintendruckkopf eine Tintenanschlußöffnung zur Zufüh­ rung der Schreibflüssigkeit auf.

Ein so aufgebauter Tintendruckkopf läßt sich automatisch her­ stellen und ermöglicht es außerdem, den Druckkopf über die An­ schlußbeine des Steckgehäuses in einer entsprechenden Steck- oder Löthalterung anzuordnen, die ein leichtes Auswechseln des Druckkopfes im Servicefalle ermöglicht.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist in jedem Antriebselement des Sandwich-Tintenkopfes ein elektri­ sches Abgleichelement zugeordnet, wobei die Abgleichelemente aus laserabgleichfähigen Widerständen bestehen, die im Sand­ wich-Tintenkopf auf einer Platte integriert angeordnet sind. Weiterhin kann der Sandwich-Tintenkopf Elemente zur Tintenhei­ zung aufweisen.

Da die erforderlichen Abgleichwiderstände auf dem Sandwich-Tin­ tenkopf angeordnet sind und automatisch über Laser abgeglichen werden können, ist beim Druckkopfwechsel kein weiterer Abgleich des Tintendruckkopfes über eine besondere Abgleichbaugruppe notwendig.

Der Tintendruckkopf selbst ist dabei so aufgebaut, daß er die notwendige Stabilität hat, um evtl. vor dem Druckkopf angeord­ nete Reinigungs- und Dichtstationen aufzunehmen.

Am Steckgehäuse seitlich angeordnete, das Steckgehäuse überra­ gende Leisten verhindern ein Verschmutzen der Anschlußbeine durch Tinte, außerdem sorgt eine an Oberseite des Steckgehäuses ausgebildete Tropfkanne für eine sichere Ableitung der Über­ schußtinte. Ein federnder Adapteranschluß, der sich beim Einbau des Tintendruckkopfes an die Tintenzuführöffnung legt, sorgt für eine einfache Koppelung des Tintendruckkopfes mit dem Tin­ tenversorgungssystem.

Hergestellt wird der Tintendruckkopf in einfacher Weise da­ durch, daß zunächst der Sandwich-Tintenkopf in Planartechnik hergestellt wird, dann der Sandwich-Tintenkopf in dem Steckge­ häuse selbst in Schweiß- oder Spritztechnik befestigt wird und dann die elektrischen Kontakte zwischen dem Sandwich-Tintenkopf und den Anschlußbeinen über Bondierautomaten geschlossen wer­ den. Nach der mechanischen Herstellung und Füllung des Tinten­ druckkopfes erfolgt während eines Probedruckbetriebes ein elek­ trischer Abgleich der jedem einzelnen Antriebselement zugeord­ neten Vorwiderstände über Laser. Nach Schließen der Kontaktier- und Abgleichöffnung, z.B. durch Ultraschallschweißen oder Kle­ ben ist der Tintendruckkopf betriebsbereit und kann in eine entsprechende Steckerleiste oder einer anderen Aufnahmevorrich­ tung des Druckerwagens befestigt werden.

Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen darge­ stellt und werden im folgenden beispielsweise näher beschrie­ ben. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Aufbaues des Sandwich- Kopfes,

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Tintendruckkopfes in Arbeitslage mit angeschlossenem Tintenadapter,

Fig. 3 eine schematische Darstellung des Tintendruckkopfes mit offenem Gehäuse von unten,

Fig. 4 eine schematische Darstellung des Tintendruckkopfes von oben und

Fig. 5 eine schematische Schnittdarstellung des Tintendruck­ kopfes.

In einer hier nicht im einzelnen dargestellten Tintendruckein­ richtung ist auf einem Schreibwagen ein Tintendruckkopf ange­ ordnet, der im Schreibbetrieb zeilenweise entlang von einem Aufzeichnungsträger geführt wird. Der Tintenschreibkopf enthält einen in Planartechnik aufgebauten Sandwich-Tintenkopf der in dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Fig. 1 aus fünf Me­ tallplatten zusammengesetzt ist. Die eine Begrenzungsseite des Sandwich-Tintenkopfes bildet eine Membranplatte 15 aus Nickel von einer Plattenstärke von 0,03 mm auf der entsprechend der Anzahl der Düsen (in diesem Falle 24) Piezoplättchen 14 von ei­ nem Durchmesser von ca. 1 mm als Antriebselemente für die Druckkammern angeordnet sind.

An die Membranplatte schließt sich eine Druckkammerplatte 16 an, die ebenfalls aus Nickel hergestellt ist und die eine Stär­ ke von 0,2 mm entsprechend der gewünschten Höhe der Druckkam­ mern aufweist. In der Druckkammerplatte 16 befinden sich sämt­ liche Druckkammern 17 des Sandwichkopfes sowie Zuleitungsstruk­ turen 18 für die Tintenversorgung. An die Druckkammerplatte 16 wiederum schließt sich eine Abdeckplatte 19 von einer Stärke von etwa 0,1 mm an, die die Mündungsbereiche des Düsenkanales 20 und des Tintenzuführungskanales 21 jeder Druckkammer 17 ent­ halten, weiters Ausnehmungen 22 die Bestandteile der Tintenzu­ führung sind.

In der folgenden Drosselplatte 23 von einer Stärke von 0,1 mm sind Drosselstrecken 24 mit spaltenförmigem Querschnitt in Form von Schlitzen angeordnet und Ausnehmungen 25 als Bestandteile der Tintenzuführung. Abgeschlossen wird der Sandwich-Tintenkopf durch eine Düsenplatte 26 (Stärke 0,1 mm) die ebenfalls aus Nickel hergestellt ist und auf der die Düsenöffnungen 27 in ei­ ner der gewünschten Auflösung entsprechenden Konfiguration an­ geordnet sind. Damit ergibt sich der durch einen Pfeil 51 ge­ kennzeichnete Tintenfluß im Kopf und zwar ausgehend von der Tintenzuführöffnung 44 bis zur Düsenplatte 26.

Nach dem Herstellen der einzelnen Metallplatten durch Ätzen, Stanzen oder Galvanoplastisch werden die Metallplatten überein­ andergeschichtet und durch Diffusionsschweißen miteinander ver­ bunden. Zu diesem Zwecke werden die Platten aufeinandergedrückt und so unter Schutzgas oder Vakuum einer erhöhten Temperatur ausgesetzt. Temperatur und Haltezeit ist dabei vom jeweiligen Werkstoff der Düsenplatten abhängig.

Das Diffusionsschweißen ist bei der Herstellung von Tinten­ druckköpfen von Vorteil, weil eine flächige metallische Verbin­ dung hergestellt wird und keine Veränderungen der Kanalstruktur durch überschüssiges Lot oder Kleber auftritt. Außerdem ergibt sich damit ein hitzebeständiger Aufbau und für den Kopf kann einheitliches Metall verwendet werden. Um eine leichte Herstel­ lung der Strukturen zu ermöglichen, ist es von Vorteil die Platten aus gut ätzbarem Werkstoff wie Neusilber herzustellen, sie zur Erzielung einer guten Schweißverbindung jedoch zu ver­ silbern und diese versilberten Teile in Verbund mit Nickeltei­ len zu verschweißen.

Diffusionsschweißen ist möglich bei Temperaturen zwischen 40 und 90% der absoluten Schmelztemperatur des Teilewerkstof­ fes. Um eine für Diffusionsschweißen günstige Materialpaarung mit Silber zu erreichen, genügt es unter anderem beim Schicht­ aufbau mindestens jede zweite Platte zu versilbern.

Nach der Herstellung dieses - im folgenden als Sandwich-Tinten­ kopf bezeichneten - Kopfes die vollautomatisch erfolgen kann, werden - wenn nicht schon bereits vorher geschehen - die Piezo­ plättchen 14 auf der Membranplatte 15 aufgeklebt.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Fig. 2 bis 5 weist der Sandwich-Tintenkopf auf der Membranplatte 15 ein Wider­ standsarray 30 auf. Dieses Widerstandsarray 27 besteht aus ei­ ner Vielzahl von integrierten Einzelwiderständen 31, die im eingebauten Zustand in Reihe mit den Piezoplättchen 14 geschal­ tet sind und als Abgleichwiderstände für die Piezoplättchen 14 dienen.

Zusätzlich befindet sich auf der Membranplatte ein Heizelement 32, das dazu dient, den Sandwich-Tintenkopf und damit die Tinte im Sandwich-Tintenkopf auf einer definierten gleichmäßigen Temperatur zu halten. Das Widerstandsarray 30 und das Heizele­ ment 32 kann entweder galvanoplastisch auf der Metallplatte ausgebildet und angeordnet sein oder aber sie werden gesondert hergestellt und auf der Metallplatte aufgeklebt bzw. durch Dif­ fusionsschweißen mit der Metallplatte verbunden. Auf jeden Fall ist das Widerstandsarray so ausgebildet und aus einem derarti­ gen Material aufgebaut, daß es mit Hilfe eines Laserstrahles abgeglichen, d.h. die Einzelwiderstände 31 in ihrem Wert verän­ dert werden können. Dies geschieht im allgemeinen dadurch, daß ein Laserstrahl die einzelnen Widerstände 31 anschneidet und dadurch den Materialquerschnitt und damit den Widerstand verän­ dert.

Der so automatisch hergestellte Sandwich-Tintenkopf einschließ­ lich Widerstandsarray 30 und evtl. Heizelement 32 wird nun in einem sogenannten in den Fig. 2 bis 5 dargestellte Dual-INLINE- Gehäuse vergossen. Als Dual-INLINE-Gehäuse werden Steckgehäuse bezeichnet, die entsprechend DIN 41866 aufgebaut sind und aus Kunststoff bestehen. Sie enthalten eine Anzahl von Anschluß­ beinchen 33, die zwischen einem Ober- und Unterteil des aus Kunststoff gespritzten Steckgehäuses angeordnet sind. Die An­ schlußbeinchen 33 sind dabei in zwei Reihen angeordnet und ste­ hen sich im Gehäuse mit ihren Anschlußfahnen gegenüber. Es ist auch möglich, die Anschlußbeinchen einseitig anzuordnen, so daß der Tintekopf seitlich oder nach unten gesteckt werden kann. Das Steckgehäuse weist an seiner Oberseite eine Aufnahmeöffnung 35 zur Aufnahme des Sandwich-Tintenkopfes auf und eine Kontak­ tierungs- und Abgleichöffnung 36 an seiner Unterseite, die über einen Deckel 37 verschlossen werden kann.

An den Rändern der Oberseite des Steckgehäuses sind Leisten 38 ausgebildet, die den eigentlichen Körper des Steckgehäuses seitlich überragen und die verhindern, daß aus dem Sandwich- Tintenkopf über die Düsen austretende Überschußtinte die An­ schlußbeinchen 33 verschmutzt. Das Oberteil 39 des Steckgehäu­ ses selbst weist an seiner Unterseite eine dreieckig ausgebil­ dete Tropfkante 40 auf, die den Körper 34 des Steckgehäuses überragt und die Überschußtinte 41 einer hier nicht dargestell­ ten Auffangvorrichtung zuleitet.

Hergestellt wird der ganze Tintendruckkopf derart, daß der vor­ gefertigte Sandwich-Tintenkopf in die Aufnahmeöffnung 35 einge­ bracht und dort z.B. durch Ultraschall verschweißt wird.

Es ist jedoch auch möglich, den Sandwich-Tintenkopf unmittelbar in das Steckgehäuse einzuspritzen.

In der in der Fig. 5 dargestellten Einbaulage sind das Wider­ standsarray 30 und die Heizelemente 32 bzw. die Piezoplättchen 15 über die Kontaktierungs- und Abgleichöffnung 36 zugänglich.

Zum Schließen der Kontakte wird der im Steckergehäuse befestig­ te Sandwich-Tintenkopf einer vollautomatischen Bondiereinrich­ tung zugeführt, die in bekannter Weise die Anschlüsse des Sand­ wich-Tintenkopfes einschließlich Heizelementen und Widerstands­ array 30 mit den entsprechenden Anschlüssen der Anschlußbein­ chen 33 mit entsprechenden Bonddrähten 42 verbindet.

Danach wird der Tintendruckkopf in einen hier nicht dargestell­ ten Abgleichautomaten eingebracht, der den Tintendruckkopf mit Tinte füllt und über Laser die Einzelwiderstände 31 derart ab­ gleicht, daß sich eine einheitliche Fluggeschwindigkeit der ausgestoßenen Tintentröpfchen einstellt.

Anschließend werden die Kontaktierungs- und Dichtungsöffnung 36 tintendicht verschlossen und zwar durch Einschweißen (Ultra­ schall) des Deckels 37.

Der so fertiggestellte Tintendruckkopf kann nun in einfacher Weise entsprechend der Darstellung der Fig. 2 in einer auf dem Wagen der Tintendruckeinrichtung angeordneten Haltevorrichtung 43 in Form von z.B. einer Fassung oder einer Leiterplatte mit entsprechenden Öffnungen verrastet oder verlötet werden. Dabei wird gleichzeitig über die Tintenanschlußöffnung 44 der Tinten­ druckkopf mit dem Tintenversorgungssystem der Tintendruckein­ richtung verbunden. Zu diesem Zwecke ist an dem Druckerwagen ein federnder Tintenadapter 45 angeordnet, der aus einem in ei­ nem Befestigungsstück 46 beweglichen Mundstück 47 besteht, da sich unter der Wirkung einer Feder 48 über Dichtungen 49 an die Tintenanschlußöffnung 44 anlegt und diese so abdichtet, daß über den Tintenkanal 50 leckfrei dem Tintendruckkopf Tinte zu­ geführt werden kann.

In der dargestellten senkrechten Einbaulage des Tintendruckkop­ fes leitet die Tropfkante 40 aus dem Sandwich-Tintenkopf aus­ tretende Überschußtinte auf eine hier nicht dargestellte Auf­ fangeinrichtung ab.

Claims (12)

1. Tintendruckkopf für eine Tintendruckeinrichtung, ge­ kennzeichnet durch

• - einen Sandwich-Tintenkopf aus einzelnen, übereinander ange­ ordneten Tintenkanäle, Antriebselemente, Druckkammern und dgl. aufnehmenden Platten (14, 16, 19, 23, 26) die untereinander fest verbunden sind
• - ein den Sandwich-Tintenkopf aufnehmendes, vorzugsweise als Dual-INLINE-Gehäuse ausgebildetes Steckgehäuse mit Anschluß­ beinen (33), wobei das Steckgehäuse an seiner Oberseite eine Aufnahmeöffnung (35) für den Sandwich-Tintenkopf aufweist und eine weitere an der Ober- bzw. Unterseite angeordnete, bedarfs­ weise tintendicht verschließbare Kontaktierungs- und Abgleich­ öffnung (36) sowie eine Tintenanschlußöffnung (44) zur Zufüh­ rung der Schreibflüssigkeit (41).

2. Tintendruckkopf nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß jedem Antriebselement des Sand­ wich-Tintenkopfes ein elektrisches Abgleichelement (31) zuge­ ordnet ist.

3. Tintendruckkopf nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sämtliche Abgleichelemente auf einer im Steckgehäuse angeordneten Abgleichplatte (30) ange­ ordnet sind.

4. Tintendruckkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß Heizelemente (32) für den Sandwich-Tintenkopf vorgesehen sind.

5. Tintendruckkopf nach einem der Ansprüche 2 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Abgleich­ platte (30) und/oder die Heizelemente (32) dem Sandwich-Tin­ tenkopf zugeordnet sind.

6. Tintendruckkopf nach einem der Ansprüche 2 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Abgleich­ elemente als laserabgleichfähige Widerstände (31) ausgebildet sind.

7. Tintendruckkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß das Steckge­ häuse seitlich überragende, die Anschlußbeine (39) abdeckende Leisten (38) vorgesehen sind.

8. Tintendruckkopf nach einem der Anspüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß an der Ober­ seite des Steckgehäuses eine Überschußtinte ableitende Tropf­ kante (40) ausgebildet ist.

9. Tintendruckkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß das Tintenver­ sorgungssystem des Tintendruckers einen mit der Tintenanschluß­ öffnung (44) zusammenwirkenden lösbaren Adapteranschluß (45) aufweist.

10. Tintendruckkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß der Tinten­ druckkopf auswechselbar in einer Haltevorrichtung (43) der Tin­ tendruckeinrichtung angeordnet ist.

11. Verfahren zum Herstellen eines Tintendruckkopfes nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte

• - Herstellen des Sandwich-Tintenkopfes in Planartechnik
• - Befestigen des Sandwich-Tintenkopfes in dem Steckgehäuse in Schweiß- oder Spritztechnik
• - Schließen der elektrischen Kontakte zwischen dem Sandwich- Kopf und den Anschlußbeinen (33)
• - Abgleichen der Abgleichelemente (31)
• - bedarfsweise Verschließen der Kontaktierungs- und Abgleich­ öffnung (36).

12. Verfahren nach Anspruch 11 dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Schließen der elektrischen Kontakte durch Bondierautomaten erfolgt.