DE4443245A1 - Modul für einen Tintendruckkopf - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Modul für einen Tinten­ druckkopf, der aus mehreren derartigen Modulen in Sta­ pelbauweise zusammengesetzt ist, wobei die Module nach dem Edge-Shooter-Prinzip arbeiten und mit plattenförmi­ gen piezoelektrischen Aktoren ausgerüstet sind. Der Tintendruckkopf ist für den Einsatz in kleinen schnellen Druckern vorgesehen, die wiederum Bestandteil von modernen Maschinen zum Frankieren von Postgut oder zum Drucken von Adressen sind. Ein derartiger Drucker ist auch als Produktbeschriftungsgerät geeignet. Im Unterschied zum üblichen Bürodrucker mit zeilenwei­ sem Abdruck erfolgt der Druck als einmaliger Frankier­ abdruck in einem Durchlauf des Postgutes. Entsprechend dieser wesentlich größeren Druckbreite - ungefähr ein Inch - ist die Anzahl untereinander anzuordnender Tin­ tendüsen und damit auch die Anzahl der Piezoaktoren in einem Tintendruckkopf erheblich größer als bei Tin­ tendruckköpfen für Bürodrucker.

Um den modernen Komfort - Klischees mit Wort- und Bild­ zeichen - für Frankiermaschinen mit guter Druckqualität zu erfüllen, sind Druckauflösungen von annähernd 200 dpi erforderlich, das bedeutet Tintendruckköpfe mit derselben Düsen- und Piezoaktorenzahl bei einer Druck­ breite von einem Inch. Die üblichen Düsenöffnungen lie­ gen zwischen 40 bis 50 µm Breite. Bei einer Klischee­ breite von einem Inch und einer Auflösung von 200 dpi müssen hier die Justagefehler unter 10 µm gehalten wer­ den.

Zwangsläufig werden derartige Tintendruckköpfe in Pla­ nar- beziehungsweise Stapelbauweise ausgeführt, einer­ seits aus Gründen der zulässigen Dimensionen und der damit zu erzielenden Packungsdichte und andererseits aus Gründen einer ökonomischen Fertigung, vergleiche auch DE 42 25 799 A1. Üblicherweise werden hierbei als Piezoaktoren Flächenschwinger eingesetzt, bei denen zwischen zwei Metallelektroden ein piezoelektrisches Material, zum Beispiel Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), an­ geordnet ist. Die Trägerplatte - zugleich Membranplatte über den Tintendruckkammern - für die Piezoaktoren kann aus Glas, Keramik, Plast oder Metall bestehen.

Die Art und Weise der Anordnung der Module zueinander, um eine Druckdichte von 200 dpi zu erzielen, und der Kontaktierung der Piezoaktoren ist dabei ein wesentli­ ches Problem.

Es ist ein Tintendruckkopf der eingangs beschriebenen Art bekannt, DE 42 25 799 A1, der aus mehreren unter­ schiedlichen Modulen besteht, von denen nur ein außen­ liegender oder in der Mitte liegender Modul an seiner Stirnseite die gemeinsame Düsenreihe trägt. Jeder Modul besteht aus einer Mittelplatte und beiderseits zu die­ ser angeordneten Membranplatten. Zwischen den Membran­ platten und der Mittelplatte liegen die Tintendruck­ kammern. Alle Module weisen von Piezoaktoren an­ treibbare Tintendruckkammern für den Tintenausstoß auf, die über entsprechend geführte Kanäle mit den zugeord­ neten Düsen verbunden sind. Die Verbindungskanäle von Modul zu Modul verlaufen zwangsläufig orthogonal zu den Druckkammern.

Zwischen den Modulen sind Abstandsteile angeordnet, die eine Tintenzuführungsöffnung und Tintendurchführungs­ öffnungen sowie eine Aussparung für die Piezoaktoren aufweisen. Die Abstandsteile können einteilig oder zweiteilig sein und bestehen aus demselben Material wie die Piezoaktoren, die auf der Außenwand der Tinten­ druckkammern angeordnet und mit dort verlaufenden Lei­ terbahnen kontaktiert sind.

Obwohl der Vorteil nur einer einzigen Düsenreihe un­ streitig ist, ist der technologische Aufwand zur Her­ stellung der zueinander unterschiedlichen Module noch beträchtlich.

Für die durch mehrere Module verlaufenden Verbin­ dungskanäle sind eine höhere Genauigkeit als die für die Tintendruckkammern und ein höherer Justieraufwand erforderlich. Die verschieden langen Verbindungskanäle bedingen zusätzliche elektronische Steuermaßnahmen.

Dieser Aufbau gestattet keine Vorprüfung einzelner Mo­ dule auf ihre Funktion, erst der zusammengefügte Tin­ tenruckkopf ist prüfbar.

Sind einzelne Module defekt, so ist auf Grund der kom­ plizierten Montage und Justage ein Austausch derselben ausgeschlossen und es ist demzufolge eine Auswechslung des vollständigen Tintendruckkopfes erforderlich. Auf Grund der großen Düsenzahl sind diese Köpfe wesentlich teurer als Tintendruckköpfe für übliche Bürodrucker.

Es ist weiterhin ein piezoelektrischer Tintendruckkopf mit einem monolithischen Piezokeramikkörper bekannt, DE 38 05 279 A1, der parallel nebeneinander angeordnete Wandler hat, wobei jeder Wandler ein planares, piezo­ elektrisches Antriebselement, eine Druckkammer, einen Tintenkanal und eine Düse aufweist. Die Druckkammern, die Tintenkanäle und die Düsen sind als Hohlräume im Piezokeramikkörper ausgebildet. Jedes Antriebselement weist eine äußere Elektrode, eine innere Elektrode und eine zwischen den Elektroden angeordnete aktive Piezo­ keramikschicht auf. Die Antriebselemente sind durch Einschnitte in der aktiven Piezokeramikschicht piezo­ elektrisch voneinander separiert. Die inneren Elektro­ den der Wandler sind elektrisch miteinander verbunden. Der elektrische Anschluß der äußeren und der inneren Elektroden erfolgt über ein Anschlußband beziehungs­ weise einen Bandleiter. Ein Anschluß geht an die mit­ einander verbundenen inneren Elektroden. Die äußeren Elektroden werden getrennt mit Anschlüssen kontaktiert. Der Piezokeramikkörper ist mit seiner Unterseite und der der Düsenfront gegenüberliegenden Seite auf einem Halterahmen befestigt. Tintenanschlußstutzen und das Anschlußband sind durch Öffnungen im Halterahmen hin­ durchgeführt. Durch Schrägeinbau des Halterahmens in einem Gehäuse ist die Düsenreihe zur Bewegungsrichtung des Aufzeichnungsträgers geneigt und infolgedessen wird die Schreibdichte des Tintendruckkopfes erhöht, ver­ gleiche hierzu auch GB 2 264 086 A, Fig. 3. Es können auch mehrere Halterahmen beziehungsweise Tintendruck­ köpfe übereinander gestapelt und gemeinsam in ein Ge­ häuse eingesetzt werden. Damit die Düsenreihen auf Lücke gegeneinander versetzt sind, müßten entweder die Halterahmen unterschiedlich angepaßt sein, oder das Ge­ häuse entsprechende Stufungen aufweisen. Das Gehäuse weist einen Tintenanschlußstutzen und elektrische An­ schlüsse auf. Mit diesem Tintendruckkopf wird zwar eine hohe Auflösung erreicht aber der technologische Aufwand einschließlich Justieraufwand ist hierbei jedoch erheb­ lich.

Schließlich ist noch ein Tintendruckkopf bekannt, US 4,703,333, bei dem mehrere Tintendruckmodule, die nach dem Sideshooter-Prinzip arbeiten, so geneigt hin­ tereinander gestapelt sind, daß einerseits der Düsenbe­ reich und andererseits der Tintenversorgungsbereich frei ist. Angepaßt an diese schuppenartige Anordnung ist ein Aufnahmerahmen mit schrägen Stufen. Um den seitlichen Versatz der Düsen zueinander zu realisieren, sind die Tintendruckmodule mit Langlöchern versehen, durch die Schrauben geführt sind, die in Gewindelöchern der Stufen eingreifen. Die Module müssen mit einer Lehre justiert und dann mittels der Schrauben arretiert werden. Das einzelne Tintendruckmodul besteht aus einer Düsenplatte, einer Tintenkanalplatte, einer Druckkam­ merplatte, einer Membranplatte mit Piezoaktoren und ei­ ner Deckplatte mit einer Ausnehmung für einen Bandlei­ ter zur Kontaktierung der Piezoaktoren. In die Deck­ platte ist ein Tintenzuführungskanal mit zwei Tintenan­ schlußbuchsen eingearbeitet.

Eine Auswechslung und Vorprüfung einzelner Tintendruck­ module ist zwar möglich aber nur durch Auslöten des Bandleiters und wie aus der Beschreibung ersichtlich ist, ist die Anzahl der Einzelteile und der Justierauf­ wand beträchtlich. Eine an diesen Tintendruckkopf ange­ paßte Reinigungs- und Dichtstation wird auf Grund der Stufung sehr kompliziert aufgebaut sein.

Zweck der Erfindung ist eine Vereinfachung des Tinten­ druckkopfaufbaus und eine Verbesserung der Serviceei­ genschaften.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Modul für einen Tintendruckkopf aus mehreren derartigen identi­ schen Modulen zu schaffen, der als selbständige funk­ tionsfähige Einheit aufgebaut und demzufolge leicht auswechselbar ist. Bei der Fertigung dieses Moduls sollen Ausfallraten minimierbar sein.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gemäß den Patentan­ sprüchen gelöst.

Auf Grund der vorgeschlagenen Lösung ergeben sich eine Reihe von Vorteilen.

Die Aufteilung des Moduls in drei Baugruppen - von denen zwei außerdem noch identisch sind - ermöglicht unter Einbeziehung entsprechender Adapter eine Einzelprüfung jeder Baugruppe sowie eine Prüfung des gesamten Moduls. Dadurch können mögliche Fehler schnell eingegrenzt und ermittelt werden. Bei Defekten braucht in der Regel nur eine Baugruppe ausgewechselt zu werden; das führt bei der Fertigung und bei Reparaturen zu wesentlichen Ein­ sparungen.

Obwohl der Integrationsgrad gegenüber den bekannten Lö­ sungen beachtlich gesteigert und der Einzelmodul auf Grund der hohen Düsenzahl nach wie vor teurer ist, wer­ den trotzdem eine Erhöhung der Ausbeutungsrate und ein besserer und kostengünstigerer Service erreicht.

Der einzelne Schaltungsmodul kann vorteilhaft in Hybrid-Schaltkreis-Technik auf Keramik hergestellt wer­ den. Durch Auftrag der unterschiedlichen Layer- und Dickfilmpasten können sowohl Leiterbahnen als auch Wi­ derstände, als auch Kondensatoren ebenso wie Sensoren realisiert werden. Die gute Wärmeleitfähigkeit des Ke­ ramiksubstrats ermöglicht einen guten Wärmeübergang zum Tintendruckmodul, zumal es auch möglich ist, die Heiz­ widerstände auf der dem Tintendruckmodul zugewandten Fläche des Schaltungsmoduls anzuordnen. So kann die in den Treiberschaltkreisen erzeugte Verlustwärme zugleich zur Tintenkopfheizung beziehungsweise zur Heizung des Tintendruckmoduls mitausgenutzt werden, wodurch die Verlustleistung des gesamten Tintendruckkopfes wiederum merklich verringert wird. Das ist ein synergetischer Effekt.

Die Montage und Kontaktierung der Piezoaktoren wird auf Grund der einstückigen kammartigen Ausführung und der Erstreckung aller Elektroden in eine Ebene vereinfacht. Die Kontaktierung kann mittels eines niedrig schmelzen­ den Lotes, wie Indium, oder mittels Bonden erfolgen. Bei Zusammenfassung mehrerer Module zu einem Tinten­ druckkopf können die Schaltungsmodule zugleich als Di­ stanz- und Justierstücke ausgestaltet werden.

Die Erfindung wird nachfolgend am Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Die Figur zeigt eine Explosivdarstellung des erfin­ dungsgemäßen Moduls.

Zwecks besserem Verständnis ist die Darstellung schema­ tisiert.

Der Modul besteht aus zwei identischen Schal­ tungsmodulen 1, 3 und einem zwischen beiden angeordneten Tintendruckmodul 2.

Der Schaltungsmodul 1 besteht aus einer Trägerplatte 11, auf den Leiterbahnen 13 mit Kontaktfahnen 12, Heizwiderstände 16 zur Kopfheizung, Sensoren 17 zur Temperaturmessung und -überwachung, ein Schaltkreismo­ dul 14 und ein Steckverbinder 15 angeordnet sind. Die Kontaktfahnen 12 dienen zur Kontaktierung der Piezoak­ toren 21. In die Ausnehmung 111 der Trägerplatte 11 ra­ gen in montierten Zustand die Piezoaktoren 21 hinein. Der Schaltkreismodul 14 enthält die Treiberschaltungen zur Ansteuerung der Piezoaktoren 21.

Der Tintendruckmodul 2 besteht aus einer ersten Deck­ platte 22, einer Mittelplatte 23 und einer zweiten Deckplatte 24.

Auf der ersten Deckplatte 22 sind die Piezoaktoren 21 in Bereichen angeordnet, unter denen in die Deckplatte 22 Tintendruckkammern eingeformt sind. Die Deckplatte 22 ist mit Ausnehmungen 221 versehen, die bis an die Mittelplatte 23 reichen und zur späteren positions­ genauen Befestigung des Moduls in einem Tintendruck­ gehäuse dienen.

In die Mittelplatte 23 sind in die der erste Deckplatte 22 zugewandten Fläche Düsenöffnungen 231 und Düsen­ kanäle eingeformt. Alle Düsenöffnungen 231 liegen in einer Ebene.

Auf der zweiten Deckplatte 24 sind in nicht näher ge­ zeigter Weise Piezoaktoren 25 gleichfalls in Bereichen angeordnet, unter denen in die Deckplatte 24 Tinten­ druckkammern eingeformt sind.

Der Schaltungsmodul 3 ist gegenüber dem Schaltungsmodul 1 identisch aufgebaut und lediglich über eine Seiten­ kante um 180 Grad gedreht zum Tintendruckmodul 2 angeordnet.

Entsprechend besteht der Schaltungsmodul 3 aus einer Trägerplatte 31, auf der Leitenbahnen 33 mit Kontakt­ fahnen 32, Heizwiderstände 36, Sensoren 37, ein Schaltkreismodul 34 und ein Steckverbinder 35 angeord­ net sind.

Die Kontaktfahnen 32 werden mit den Piezoaktoren 25 kontaktiert.

Für die Piezoaktoren 25 ist die Ausnehmung 311 in der Trägerplatte 31 vorgesehen.

Die Piezoaktoren 21, 25 weisen einen aktiven sowie einen inaktiven Bereich auf. Eine Elektrode 212, 252 ist über eine Stirnseite der Piezoaktoren 21, 25 in deren inaktiven Bereich erstreckt und zugleich deren gemeinsame Elektrode.

Bezugszeichenliste

1 erster Schaltungsmodul
11 Trägerplatte
111 Ausnehmung in der Trägerplatte 11 für Piezoakten 21
12 Kontaktfahne/n
13 Leiterbahn/en
14 Schaltkreismodul
15 Steckverbinder
16 Heizwiderstand
17 Sensor
2 Tintendruckmodul
21 Piezoaktor/en an der Oberseite des Tintendruckmoduls 2
211 Einzelelektrode/n bzw. Ansteuerelektrode/n der Piezoaktoren 21
212 gemeinsame Elektrode der Piezoaktoren 21
213 Piezoschicht der Piezoaktoren 21
22 erste Deckplatte bzw. Membranplatte des Tinten­ druckmoduls 2
221 Ausnehmung in der Deckplatte 22
23 Mittelplatte
231 Düsenöffnung/en in der Mittelplatte 23
24 zweite Deckplatte bzw. Membranplatte des Tintendruckmoduls 2
25 Piezoaktor/en an der Unterseite des Tintendruckmoduls 2
251 Einzelelektrode/n bzw. Ansteuerelektrode/n
252 gemeinsame Elektrode der Piezoaktoren 25
253 Piezoschicht der Piezoaktoren 25
3 zweiter Schaltungsmodul
31 Trägerplatte
311 Ausnehmung in der Trägerplatte 31 für Piezoaktoren 25
32 Kontaktfahne/n
33 Leiterbahn/en
34 Schaltkreismodul
35 Steckverbinder
36 Heizwiderstand
37 Sensor

Claims (6)

1. Modul für einen Tintendruckkopf, der aus mehreren derartiger Module in Stapelbauseise zusammengesetzt ist, die nach dem Edge-Shooter-Prinzip arbeiten und bei denen plattenförmige, beidseitig mit Elektroden belegte Piezoaktoren auf Membranplatten über Tintendruckkammern aufgebracht sind, gekennzeichnet durch folgende Merk­ male:

• - der Modul besteht aus zwei Schaltungsmodulen (1, 3) und einem zwischen beiden angeordneten Tintendruck­ modul (2),
• - der Tintendruckmodul (2) besteht aus einer ersten Deckplatte (22), einer Mittelplatte (23) und einer zweiten Deckplatte (24) sowie aus Piezoaktoren (21, 25), die auf den Deckplatten (22, 24) angeordnet sind,
• - die Schaltungsmodule (1, 3) bestehen aus einer Trä­ gerplatte (11, 31), auf der Leiterbahnen (13, 33) mit Kontaktfahnen (12, 32) zur Kontaktierung der Piezo­ aktoren (21, 25), Heizwiderstände (16, 36) zur Kopf­ heizung, Sensoren (17, 37) zur Temperaturmessung, ein Schaltkreismodul (14,34) mit Treiberschaltungen zur Ansteuerung der Piezoaktoren (21, 25) und ein Steckverbinder (15, 35) angeordnet sind.

2. Modul nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Piezoaktoren (21, 25) einen aktiven sowie einen inaktiven Bereich aufweisen und eine Elektrode (212, 252) über eine Stirnseite der Piezoaktoren (21, 25) in den inaktiven Bereich erstreckt und zugleich deren gemeinsame Elektrode ist.

3. Modul nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in die Deckplatten (22, 24) Tin­ tendruckkammern und in die Mittelplatte (23) Düsenöff­ nungen (231) mit Düsenkanälen eingeformt sind, wobei alle Düsenöffnungen (231) in einer Ebene liegen.

4. Modul nach Anspruch 1 und 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in der den Düsenöffnungen (231) benachbarten Deckplatte (22) Ausnehmungen (221) bis zur Mittelplatte (23) zur positionsgerechten Anordnung des Moduls in einen Tintendruckkopfgehäuse vorgesehen sind.

5. Modul nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in den Schaltungsmodulen (1, 3) Ausnehmungen (111, 311) für die Piezoaktoren (21, 25) vorgesehen sind.

6. Modul nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schaltungsmodule identisch aufgebaut sind.