DE4443245C2 - Modul für einen Tintendruckkopf - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Modul für einen Tintendruckkopf, der aus mehre­ ren derartigen Modulen in Stapelbauweise 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 vor­ gesehen, die wiederum Bestandteil von modernen Maschinen zum Fran­ kieren von Postgut oder zum Drucken von Adressen sind. Ein derartiger Drucker ist auch als Produktbeschriftungsgerät geeignet.

Im Unterschied zum üblichen Bürodrucker mit zeilenweisem Abdruck er­ folgt der Druck als einmaliger Frankierabdruck in einem Durchlauf des Postgutes. Entsprechend dieser wesentlich größeren Druckbreite - unge­ fähr ein Inch - ist die Anzahl untereinander anzuordnender Tintendüsen und damit auch die Anzahl der Piezoaktoren in einem Tintendruckkopf erheblich größer als bei Tintendruckköpfen für Bürodrucker.

Um den modernen Komfort - Klischees mit Wort- und Bildzeichen - für Frankiermaschinen mit guter Druckqualität zu erfüllen, sind Druckauflösun­ gen von annähernd 200 dpi erforderlich, das bedeutet Tintendruckköpfe mit derselben Düsen- und Piezoaktorenzahl bei einer Druckbreite von einem Inch. Die üblichen Düsenöffnungen liegen zwischen 40 bis 50 µm Breite. Bei einer Klischeebreite von einem Inch und einer Auflösung von 200 dpi müssen hier die Justagefehler unter 10 µm gehalten werden. Zwangsläufig werden derartige Tintendruckköpfe in Planar- beziehungs­ weise Stapelbauweise ausgeführt, einerseits aus Gründen der zulässigen Dimensionen und der damit zu erzielenden Packungsdichte und anderer­ seits aus Gründen einer ökonomischen Fertigung, siehe DE 42 25 799 A1. Üblicherweise werden hierbei als Piezoaktoren Flächenschwinger einge­ setzt, bei denen zwischen zwei Metallelektroden ein piezoelektrisches Ma­ terial, zum Beispiel Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), angeordnet ist. Die Träger­ platte - 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 Druck­ dichte von 200 dpi zu erzielen, und der Kontaktierung der Piezoaktoren ist dabei ein wesentliches Problem.

Es ist ein Tintenstrahldruckkopf bekannt, siehe EP 0 615 844 A1, der in Stapelbauweise aus mehreren Modulen zusammengesetzt ist, die nach dem Edge-Shooter-Prinzip arbeiten. Beiderseits der Module sind platten­ förmige Piezoaktoren auf Membranplatten über Tintendruckkammern auf­ gebracht. Die zugehörigen elektrischen Leiterbahnen befinden sich gleich­ falls auf den Membranplatten. Ein zu den Piezoaktoren nach hinten ver­ setztes, plattenförmiges Anschlußstück dient zur Verbindung der Leiter­ bahnen mit einer außerhalb des Tintendruckmoduls befindlichen Treiber­ leiterplatte mit Steckverbinder.

Es ist andererseits ein Tintendruckkopf der eingangs beschriebenen Art bekannt, der aus mehreren unterschiedlichen Modulen besteht, von denen nur ein außenliegender oder in der Mitte liegender Modul an seiner Stirn­ seite die gemeinsame Düsenreihe trägt, siehe DE 42 25 799 A1.

Jeder Modul besteht aus einer Mittelplatte und beiderseits zu dieser an­ geordneten Membranplatten. Zwischen den Membranplatten und der Mit­ telplatte liegen die Tintendruckkammern. Alle Module weisen von Piezoak­ toren antreibbare Tintendruckkammern für den Tintenausstoß auf, die über entsprechend geführte Kanäle mit den zugeordneten Düsen ver­ bunden sind. Die Verbindungskanäle von Modul zu Modul verlaufen zwangsläufig orthogonal zu den Druckkammern.

Zwischen den Modulen sind Abstandsteile angeordnet, die eine Tintenzu­ führungsöffnung und Tintendurchführungsöffnungen sowie eine Ausspa­ rung für die Piezoaktoren aufweisen. Die Abstandsteile können einteilig oder zweiteilig sein und bestehen aus demselben Material wie die Piezo­ aktoren, die auf der Außenwand der Tintendruckkammern angeordnet und mit dort verlaufenden Leiterbahnen kontaktiert sind.

Obwohl der Vorteil nur einer einzigen Düsenreihe unstreitig ist, ist der technologische Aufwand zur Herstellung der zueinander unterschiedlichen Module noch beträchtlich.

Für die durch mehrere Module verlaufenden Verbindungskanäle 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 Module auf ihre Funk­ tion; erst der zusammengefügte Tintenruckkopf ist prüfbar.

Sind einzelne Module defekt, so ist auf Grund der komplizierten Montage und Justage ein Austausch derselben ausgeschlossen und es ist demzu­ folge eine Auswechslung des vollständigen Tintendruckkopfes erforder­ lich. Auf Grund der großen Düsenzahl sind diese Tintendruckköpfe wesen­ tlich teurer als Tintendruckköpfe für übliche Bürodrucker.

Es ist weiterhin ein piezoelektrischer Tintendruckkopf mit einem monolithi­ schen Piezokeramikkörper bekannt, siehe DE 38 05 279 A1, der parallel nebeneinander angeordnete Wandler hat, wobei jeder Wandler ein plana­ res, piezoelektrisches Antriebselement, eine Druckkammer, einen Tinten­ kanal 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 Piezokeramikschicht auf. Die Antriebselemente sind durch Einschnitte in der aktiven Piezokera­ mikschicht piezoelektrisch voneinander separiert. Die inneren Elektroden der Wandler sind elektrisch miteinander verbunden. Der elektrische An­ schluß der äußeren und der inneren Elektroden erfolgt über ein An­ schlußband beziehungsweise einen Bandleiter. Ein Anschluß geht an die miteinander 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. Tintenan­ schlußstutzen und das Anschlußband sind durch Öffnungen im Halterah­ men hindurchgeführt. Durch Schrägeinbau des Halterahmens in einem Gehäuse ist die Düsenreihe zur Bewegungsrichtung des Aufzeichnungs­ trägers geneigt und infolgedessen wird die Schreibdichte des Tintendruck­ kopfes erhöht, vergleiche hierzu auch GB 2 264 086 A, Fig. 3.

Es können auch mehrere Halterahmen beziehungsweise Tintendruck­ köpfe übereinander gestapelt und gemeinsam in ein Gehäuse eingesetzt werden. Damit die Düsenreihen auf Lücke gegeneinander versetzt sind, müßten entweder die Halterahmen unterschiedlich angepaßt sein, oder das Gehäuse 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 je­ doch erheblich.

Bei einem anderen bekannten Tintendruckkopf mit Piezoaktoren, siehe DE 37 25 159 A1, der aus mehreren übereinanderliegend zusammenge­ haltenen Platten zusammengesetzt ist, ist eine gedruckte Schalttafel vor­ gesehen, auf der eine IC-Treiberschaltung befestigt ist, die zur Ansteue­ rung der Piezoaktoren dient. Die Signale für die Piezoaktoren werden den­ selben durch ein diese überdeckendes ebenes anisotropisches Verbin­ dungsteil zugeführt, das nur in einer Querrichtung leitfähig ist. Der Tinten­ druckkopf enthält außerdem ein Heizband zur Erwärmung der Tinte, um die Viskosität auf einen gewünschten Wert zu halten. Das Heizband ist auf eine flexible Folienschicht aufgelegt.

Ein Tintendruckkopf gemäß JP 55-156 072 A ist mit zylindrischen Piezo­ aktoren ausgestattet, denen die Ansteuersignale über Kontakte zugeführt werden, die federnd an den Elektroden der Piezoaktoren anliegen.

Schließlich ist noch ein Tintendruckkopf bekannt, siehe US 4,703,333, bei dem mehrere Tintendruckmodule, die nach dem Sideshooter-Prinzip ar­ beiten, so geneigt hintereinander gestapelt sind, daß einerseits der Dü­ senbereich und andererseits der Tintenversorgungsbereich frei ist.

Angepaßt an diese schuppenartige Anordnung, ist ein Aufnahmerahmen mit schrägen Stufen vorgesehen. 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 Tin­ tenkanalplatte, einer Druckkammerplatte, einer Membranplatte mit Piezo­ aktoren und einer Deckplatte mit einer Ausnehmung für einen Bandleiter zur Kontaktierung der Piezoaktoren.

In die Deckplatte ist ein Tintenzuführungskanal mit zwei Tintenanschluß­ buchsen eingearbeitet. Von den Tintenanschlußbuchsen verlaufen Tinten­ versorgungskanäle durch die Deckplatte bis zu den Tintendruckkammern in der Druckkammerplatte. Die Deckplatte ist demzufolge notwendiger integraler Bestandteil des Tintendruckmoduls. In der Deckplatte ist ein Fenster vorgesehen, das zur Durchführung des Bandkabels zu den Piezoak­ toren dient.

Eine Auswechslung und Vorprüfung einzelner Tintendruckmodule ist zwar möglich, aber nur durch Auslöten des Bandleiters. Wie aus der Beschrei­ bung ersichtlich ist, ist die Anzahl der Einzelteile und der Justieraufwand beträchtlich. Eine an diesen Tintendruckkopf angepaßte Reinigungs- und Dichtstation wird auf Grund der Stufung sehr kompliziert aufgebaut sein.

Zweck der Erfindung ist eine Vereinfachung des Tintendruckkopfaufbaus und eine Verbesserung der Serviceeigenschaften.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Modul für einen Tinten­ druckkopf aus mehreren derartigen identischen Modulen zu schaffen, der als selbständig funktionsfähige Einheit aufgebaut ist, demzufolge leicht auswechselbar und aus möglichst wenigen, einzeln herstell- und prüfbaren Baugruppen aufgebaut ist, wobei er einen raumsparenden Aufbau auf­ weist, der auch eine effiziente Modulbeheizung ermöglicht. Bei der Ferti­ gung des Moduls sollen ferner Ausfallraten minimierbar sein.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gemäß den Patentansprüchen ge­ löst.

Auf Grund der vorgeschlagenen Lösung ergeben sich eine Reihe von Vor­ teilen.

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 ge­ samten 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 Reparatu­ ren zu wesentlichen Einsparungen.

Obwohl der Integrationsgrad gegenüber den bekannten Lösungen be­ achtlich gesteigert und der Einzelmodul auf Grund der hohen Düsenzahl nach wie vor teurer ist, werden trotzdem eine Erhöhung der Ausbeutungs­ rate und ein besserer und kostengünstigerer Service erreicht.

Der einzelne Schaltungsmodul kann vorteilhaft in Hybrid-Schaltkreis-Tech­ nik auf Keramik hergestellt werden. Durch Auftrag der unterschiedlichen Layer- und Dickfilmpasten können sowohl Leiterbahnen als auch Wider­ stände, als auch Kondensatoren ebenso wie Sensoren realisiert werden. Die große Wärmekapazität des Keramiksubstrats ermöglicht eine gute Wärmeversorgung des Tintendruckmoduls, zumal es auch möglich ist, die Heizwiderstände 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 mit ausgenutzt werden, wodurch die Verlustleistung des gesamten Tintendruckkopfes wiederum merklich ver­ ringert wird. Das ist ein synergetischer Effekt.

Die Montage und Kontaktierung der Piezoaktoren wird auf Grund der ein­ stückigen, kammartigen Ausführung und der Erstreckung aller Elektroden in eine Ebene vereinfacht. Die Kontaktierung kann mittels eines niedrig schmelzenden Lotes, wie Indium, oder mittels Bonden erfolgen.

Bei Zusammenfassung mehrerer Module zu einem Tintendruckkopf kön­ nen die Schaltungsmodule zugleich als Distanz- und Justierstücke ausge­ staltet werden.

Es wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Die Figur zeigt eine Explosivdarstellung des ausführungsgemäßen Mo­ duls. Zwecks besserem Verständnis ist die Darstellung schematisiert.

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

Der Schaltungsmodul 1 besteht aus einer Trägerplatte 11, auf der Leiter­ bahnen 13 mit Kontaktfahnen 12, Heizwiderstände 16 zur Kopfheizung, Sensoren 17 zur Temperaturmessung und -übermrachung, ein Schaltkreis­ modul 14 und ein Steckverbinder 15 angeordnet sind. Die Kontaktfahnen 12 dienen zur Kontaktierung der Piezoaktoren 21. In die Ausnehmung 111 der Trägerplatte 11 ragen in montiertem Zustand die Piezoaktoren 21 hin­ ein. Der Schaltkreismodul 14 enthält die Treiberschaltungen zur Ansteue­ rung der Piezoaktoren 21.

Der Tintendruckmodul 2 besteht aus einer ersten Deckplatte 22, einer Mit­ telplatte 23 und einer zweiten Deckplatte 24.

Auf der ersten Deckplatte 22 sind die Piezoaktoren 21 in Bereichen ange­ ordnet, unter denen in die Deckplatte 22 Tintendruckkammern eingeformt sind. Die Deckplatte 22 wirkt in diesem Bereich zugleich als Membranplat­ te. Weiterhin ist die Deckplatte 22 mit Ausnehmungen 221 versehen, die bis an die Mittelplatte 23 reichen und zur späteren positionsgenauen Befe­ stigung des Moduls in einem Tintendruckgehäuse dienen.

In die Mittelplatte 23 sind in die der ersten Deckplatte 22 zugewandten Flä­ che Düsenöffnungen 231 und Düsenkanäle eingeformt. Alle Düsenöffnun­ gen 231 liegen in einer Ebene.

Auf der zweiten Deckplatte 24 sind in nicht näher gezeigter Weise Piezo­ aktoren 25 gleichfalls in Bereichen angeordnet, unter denen in die Deck­ platte 24 Tintendruckkammern eingeformt sind. Auch hier dient die Deck­ platte 24 partiell zugleich als Membranplatte.

Der Schaltungsmodul 3 ist im Vergleich zum Schaltungsmodul 1 identisch aufgebaut und lediglich über eine Seitenkante um 180 Grad gedreht zum Tintendruckmodul 2 angeordnet.

Entsprechend besteht der Schaltungsmodul 3 aus einer Trägerplatte 31, auf der Leitenbahnen 33 mit Kontaktfahnen 32, Heizwiderstände 36, Sen­ soren 37, ein Schaltkreismodul 34 und ein Steckverbinder 35 angeordnet 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. Dabei ist eine Elektrode 212, 252 über eine Stirnseite der Piezoaktoren 21, 25 in deren inaktiven Bereich erstreckt und stellt zugleich deren gemeinsame Elektrode dar. Die Ansteuerung erfolgt über die Einzelelektroden 211, 251.

Verwendete Bezugszeichen

1

erster Schaltungsmodul

11

Trägerplatte

111

Ausnehmung in der Trägerplatte

11

für Piezoakten

21

12

Kontaktfahne/n

13

Leiterbahnen

14

Schaltkreismodul

15

Steckverbinder

16

Heizwiderstand

17

Sensor

2

Tintendruckmodul

21

Piezoaktor/en an der Oberseite des Tintendruckmoduls

2

211

Einzelelektroden der Piezoaktoren

21

212

gemeinsame Elektrode der Piezoaktoren

21

213

Piezoschicht der Piezoaktoren

21

22

erste Deckplatte des Tintendruckmoduls

2

221

Ausnehmung in der Deckplatte

22

23

Mittelplatte

231

Düsenöffnungen in der Mittelplatte

23

24

zweite Deckplatte des Tintendruckmoduls

2

25

Piezoaktor/en an der Unterseite des Tintendruckmoduls

2

251

Einzelelektroden 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

Leiterbahnen

34

Schaltkreismodul

35

Steckverbinder

36

Heizwiderstand

37

Sensor

Claims (5)

1. Modul für einen Tintendruckkopf, der aus mehreren derartigen Modu­ len in Stapelbauweise zusammengesetzt ist, die nach dem Edge-Shooter- Prinzip arbeiten und bei denen plattenförmige, beidseitig mit Elektroden (211, 212, 251, 252) belegte Piezoaktoren (21, 25) auf Deckplatten (22, 24) über Tintendruckkammern aufgebracht sind, wobei

• - der Modul aus zwei kompakten, jeweils einstückigen Schaltungsmo­ dulen (1, 3) und einem zwischen beiden angeordneten Tintendruck­ modul (2) besteht, das durch die Schaltungsmodule (1, 3) weitgehend bedeckt wird,
• - der Tintendruckmodul (2) aus einer ersten Deckplatte (22), einer Mittel­ platte (23) und einer zweiten Deckplatte (24) sowie den auf den Deckplatten (22, 24) angeordneten Piezoaktoren (21, 25) besteht,
• - und wobei jeder kompakte, einstückige Schaltungsmodul (1, 3) aus einer Trägerplatte (11, 31) besteht, auf der Leiterbahnen (13, 33) mit Kontaktfahnen (12, 32) zur Kontaktierung der Piezoaktoren (21, 25), Heizwiderstände (16, 36) zur Modulbeheizung, Sensoren (17, 37) zur Temperaturmessung, ein Schaltkreismodul (14, 34) mit Treiberschal­ tungen zur Ansteuerung der Piezoaktoren (21, 25) und ein Steckver­ binder (15, 35) angeordnet sind und die Ausnehmungen (111, 311) für die Piezoaktoren (21, 25) aufweist.

2. Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezoaktoren (21, 25) einen aktiven und einen inaktiven Bereich aufweisen, wobei letzterer mit einer Elektrode (212, 252) belegt ist, die über eine Stirnseite der Piezoaktoren (21, 25) herumgezogen ist und zugleich als gemeinsame Elektrode dient.

3. Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Deckplatten (22, 24) Tintendruckkammern und in die Mittel­ platte (23) Düsenöffnungen (231) mit Düsenkanälen eingeformt sind, wobei alle Düsenöffnungen (231) in einer Ebene liegen.

4. Modul nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der den Düsenöffnungen (231) benachbarten Deckplatte (22) Aus­ nehmungen (221) bis zur Mittelplatte (23) zur positionsgerechten Anord­ nung des Moduls in einem Tintendruckkopfgehäuse vorgesehen sind.

5. Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsmodule (1, 3) identisch aufgebaut sind.