EP0713773B1 - Tropfenerzeuger für Mikrotropfen, insbesondere für einen Ink-Jet-Printer - Google Patents

Tropfenerzeuger für Mikrotropfen, insbesondere für einen Ink-Jet-Printer Download PDF

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EP0713773B1
EP0713773B1 EP95810667A EP95810667A EP0713773B1 EP 0713773 B1 EP0713773 B1 EP 0713773B1 EP 95810667 A EP95810667 A EP 95810667A EP 95810667 A EP95810667 A EP 95810667A EP 0713773 B1 EP0713773 B1 EP 0713773B1
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EP
European Patent Office
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transducers
generator according
droplet generator
partitions
nozzles
Prior art date
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EP95810667A
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EP0713773A3 (de
EP0713773A2 (de
Inventor
Joachim Heinzl
Wolfgang Schullerus
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Pelikan Produktions AG
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Pelikan Produktions AG
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Publication date
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Publication of EP0713773A3 publication Critical patent/EP0713773A3/de
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    • B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01—Ink jet
    • B41J2/135—Nozzles
    • B41J2/14—Structure thereof only for on-demand ink jet heads
    • B41J2/14201—Structure of print heads with piezoelectric elements
    • B41J2/14282—Structure of print heads with piezoelectric elements of cantilever type
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
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    • B41J2202/01—Embodiments of or processes related to ink-jet heads
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    • B41J2202/01—Embodiments of or processes related to ink-jet heads
    • B41J2202/11—Embodiments of or processes related to ink-jet heads characterised by specific geometrical characteristics

Definitions

  • DE-OS 31 14 192 is a drop generator for microdrops known. Are in an ink-filled chamber of a housing arranged a plurality of piezoelectric bending transducers, each associated with a nozzle leading through a housing wall are. If a converter is actuated, the corresponding one Ejected a droplet of ink. This drop generator is easy to set up. However, the printed image is unsatisfactory sometimes uneven and washed out. Similar drop generators are in DE-OS 31 14 224 and in DE-OS 31 14 259.
  • the piezoelectric transducers are thickness transducers.
  • they and theirs expand End faces generate a pressure wave that ejects droplets causes.
  • thickness transducers is because of the small Face of the transducer the volume displaced with them small for a drop ejection. Therefore the environment of the Face with the speed of sound of the ink and the speed of movement the front surface acoustically matched that the volume moved in the nozzles is increased. Some of them.
  • Embodiments partition walls between the Piezoelectric transducers provided for lateral spread to prevent the build-up of the pressure wave.
  • the present invention has for its object a Drop generator with a variety of piezoelectric bending transducers to be designed in such a way that the printed image is improved. This task is accomplished through the combination of features of the claims solved.
  • the partitions between the individual bending transducers crosstalk between the adjacent transducers completely avoided.
  • the partitions reliably prevent that when actuated one transducer ink from an adjacent one Nozzle can escape, because the flow can no longer up Spread out to the neighboring nozzle.
  • the partitions also bring a significant increase of efficiency. Because the ink is under the activated bending transducer can no longer dodge sideways, is the same Deflection produces a significantly higher pressure at the nozzle. Therefore can on the one hand a much higher and more constant drop flight speed and on the other hand a lower power requirement can be achieved.
  • the drop generator according to FIGS. 1-5 has a housing 1 from a nozzle plate 2, a frame 3 and a cover plate 4, which together form a chamber 5.
  • the nozzle plate 2 has a rectilinear row adjacent to a wall 6 of the frame 3 regularly spaced nozzles 7.
  • the cover plate 4 has an inlet opening 8 opening into the chamber 5 for connecting an ink reservoir, not shown.
  • On one attached to or attached to the nozzle plate 2 molded base 9 arranged opposite the wall 6 a piezoelectric transducer unit 12 attached and cooperating Positioning means positioned e.g. through pens 10, which are inserted into holes in the base 9 and in Engage holes in unit 12.
  • the unit 12 consists of a piezoceramic plate 13, the top with a thin metal foil 14 and the bottom with a thicker metal foil 15 is laminated. From the free end 16 over the nozzles 7 to the base 9 are in this composite plate slots 17 are cut at regular intervals, e.g. With ground a diamond disc, so that the element 12 a comb-like structure with a connecting web 18 over the Has base 9 and tines 19.
  • the film 14 is on the web 18 in Extension of the slots 17 interrupted so that for each tine 19 a film strip is formed.
  • the film 15 is against it continuously on the web 18 and protrudes beyond the plate 13 on the end face. It is with a connecting line 20 for the return conductor connected.
  • Each strip of film 14 is one Connection line 21 connected for the outgoing conductor. Like from figures 3 and 4 can be seen, are on the end face of the nozzle plate 2 partition walls 26 connected to a chamber wall 6, 25 attached, the two tines 19 separate from each other and are narrower than the slots 17.
  • FIGS. 2a to 2d Drop generator shown schematically Figure 2a shows one Prong 19 at rest. There is in the liquid chamber 5 Negative pressure, so that a concave meniscus 28 is located in the nozzle 7 forms its capillary pressure in equilibrium with the negative pressure stands. If a voltage is now applied to connection 21, tries the piezoceramic layer 13 of the prong 19 shorten under the influence of the electric field (cross-effect). This shortening is used by the thicker metal foil 15 stronger resistance to the thinner metal foil 14 so that the tine 19 bends away from the nozzle plate 2 (FIG 2 B).
  • the rate of deformation is determined by a suitable choice the pulse shape at port 21 is selected so that the fluid meniscus 28 withdraws very little in the nozzle 7.
  • the pulse at port 21 drops and the previous drain introduced electrical charge, the tine 19 snaps back in the basic position ( Figure 2c) and from the nozzle 7 is a Drop 29 expelled.
  • Figure 2d briefly adjusts the state represents the drop ejection.
  • the liquid meniscus 28 has withdrawn deeper into the nozzle 7. Liquid flows through the entry opening 8 until the meniscus 28 is again its Has reached equilibrium.
  • coating materials e.g. ORMOCERe (organically modified ceramics), epoxies, acrylates, polyurethanes and thermoplastic Polymers used.
  • the selection depends on the working fluid used because the coating is resistant towards the liquid is required. The liquid but must also wet the coated surfaces well, thus a perfect ventilation of the chamber 5 of the drop generator is possible.
  • the non-conductive coating ensures that too electrically conductive inks, e.g. Water-based inks, which in printing applications are desired in many cases can be.
  • too electrically conductive inks e.g. Water-based inks
  • the state of the art could only be electric non-conductive inks are used. This was the area of application of these devices significantly limited. Also more expensive this property may significantly affect the ink.
  • a bimorph bending transducer element 12 is shown in FIG. It consists of the piezoceramic layer 13, the relative thick, glued metal foil 15, which at the same time the Forms electrode for the return conductor and the electrode 34, which replaces the thinner metal foil 14 according to FIGS. 1-5.
  • generating high field strengths is the same as for the Embodiment according to Figures 1-5 relatively high voltages required.
  • the required ones Tensions lower than in the embodiment according to Figures 1-5.
  • FIG. 7 shows a so-called SS-CMB (single sided ceramic multilayer bender). These converters are in "Actuator 94 Conference Proceedings ", Bremen 1994 by J. Verkerk et al. described in more detail to which reference is made.
  • the element 12 here consists of an active piezoceramic layer 35, a passive piezoceramic layer 36 and a plurality of electrode layers 37, which divide the layer 35 into several layers and alternately with front metallizations 38, 39 and thus connected to the connecting lines 20, 21 are.
  • the layers 40 of the layer 35 are alternately opposite polarized. Because the field direction also has a location alternates to the position, the Layer 35 as a whole is shorter than passive layer 36 or longer depending on the polarity of the applied voltage.
  • FIG 8 is a symmetrical multi-layer bending transducer element 12 shown. It is created by laminating two layers 45, 46 piezoactive materials with the same polarity direction. The connected to one another by the end metallization 38 Outer electrodes 47 are common to all tines the return conductor 20 connected. The center electrode 48 is before laminating the second piezoactive layer 45 in extension the slots 17 are cut. When applying a voltage between the center and outer electrodes there will be each Layer across the electric field according to its direction in change their length, i.e. one layer is shortened, the other expands. Because the layers are firmly bonded together the layer structure bends. With this too Construction can significantly increase the tension required for deflection be reduced because the tine thickness is the same and the same Voltage the field strength is doubled and both layers 45, 46 are active in the bending sense, while in the embodiment 6, the film 15 only acts passively.
  • the partitions 26 must much larger aspect ratios. Suitable techniques for this are available today, e.g. the LIGA process or anisotropic etching of silicon single crystals. These methods are described in W. Menz, P. Bley; Microsystem technology for engineers, Weinheim 1993. Other suitable Methods for the production of the partitions are for Example of the galvanic deposition of metals on the nozzle plate 2, the embossing or injection molding, being in these last In both cases, the molds were produced using the LIGA process can be.
  • the partitions 26 in one piece with the nozzle plate 2, the frame 3, the base 9 and possibly the partition 25 ( Figure 4) are formed.
  • Other suitable procedures to produce the partition walls 26 are the photolithographic Structuring of photoresist lacquers or foils.
  • FIGS. 9-11 show variants in which the housing 1 has a plurality of staggered chambers 5 with one converter element 12 each according to FIGS. 1-3 or according to contains one of the figures 6-8.
  • the axes of the nozzles 7 run at least at the exit end inclined or at right angles to the direction of movement the tine ends 16.
  • the nozzles 7 are against the Outlet cross section narrowed.
  • the nozzles 7 of the different ones Rows are somewhat opposite to each other in the longitudinal direction of the rows transferred.
  • FIG. 9 there are three identical housing elements 55 corresponding to Figure 1 but with a thicker nozzle plate 56 and an additional nozzle plate 56 stacked one on top of the other.
  • the nozzle channel 57 is bent at a right angle.
  • An additional channel 58 connects the inlet opening 8 with a distribution channel 59 in a cover plate 60.
  • the axes of the Nozzles 7 at 45 ° to the direction of movement of the tine ends 16.
  • FIG. 11 there are four rows of nozzles 7 arranged in a continuous nozzle plate 65 and the Tine ends 16 are ground at 45 ° so that their end faces 66 run parallel to the plate 65.
  • the chambers 5 have here side connections, which are connected to the Storage containers can be connected.
  • the connections can but can also be connected to a separate container, the containers containing inks of different colors can, so that the drop generator is also suitable for multi-color printing is suitable.
  • This variant is also in the embodiments according to Figures 9 and 10 possible by the distributor plate 60 is omitted and the channels 58 to separate Container can be connected.

Description

Aus der DE-OS 31 14 192 ist ein Tropfenerzeuger für Mikrotropfen bekannt. In einer mit Tinte gefüllten Kammer eines Gehäuses sind eine Vielzahl von piezoelektrischen Biegewandlern angeordnet, die je einer durch eine Gehäusewand führenden Düse zugeordnet sind. Wird ein Wandler betätigt, so wird aus der betreffenden Düse ein Tintentröpfchen ausgestossen. Dieser Tropfenerzeuger ist einfach aufgebaut. Allerdings ist das Druckbild unbefriedigend, manchmal ungleichmässig und verwaschen. Ähnliche Tropfenerzeuger sind in der DE-OS 31 14 224 und in der DE-OS 31 14 259 beschrieben.
In der EP-A-516 188 sind mehrere Ausführungsformen beschrieben, bei denen die piezoelektrischen Wandler Dickenschwinger sind. Wenn an sie eine Spannung angelegt wird, expandieren sie und ihre Stirnflächen erzeugen eine Druckwelle, die einen Tropfenausstoss bewirkt. Bei solchen Dickenschwingern ist wegen der geringen Stirnfläche der Wandler das mit ihnen verdrängte Volumen zu klein für einen Tropfenausstoss. Deshalb muss die Umgebung der Stirnfläche mit der Schallgeschwindigkeit der Tinte und der Bewegungsgeschwindigkeit der Stirnfläche akustisch so abgestimmt werden, dass das in den Düsen bewegte Volumen vergrössert wird. Dazu sind bei einigen. Ausführungsformen Trennwände zwischen den piezoelektrischen Wandlern vorgesehen, um die seitliche Ausbreitung der sich bildenden Druckwelle zu verhindern.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Tropfenerzeuger mit einer Vielzahl von piezoelektrischen Biegewandlern derart auszubilden, dass das Druckbild verbessert wird. Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination der Ansprüche gelöst.
Durch die Trennwände zwischen den einzelnen Biegewandlern wird ein Übersprechen zwischen den benachbarten Wandlern vollständig vermieden. Die Trennwände verhindern zuverlässig, dass bei Betätigung des einen Wandlers zugleich Tinte aus einer benachbarten Düse austreten kann, denn die Strömung kann sich nicht mehr bis zur benachbarten Düse ausbreiten. Ausserdem wird die viskose Kupplung zwischen benachbarten Wandlern vollständig vermieden. Die Trennwände bringen darüber hinaus eine erhebliche Steigerung des Wirkungsgrades. Weil die Tinte unter dem aktivierten Biegewandler nicht mehr seitlich ausweichen kann, wird bei gleicher Auslenkung ein erheblich höherer Druck an der Düse erzeugt. Daher kann einerseits eine wesentlich höhere und konstantere Tropfenfluggeschwindigkeit und andererseits ein niedrigerer Leistungsbedarf erreicht werden.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. Darin zeigt:
Figur 1
einen Längsschnitt durch einen Tropfenerzeuger,
Figuren 2a bis 2d
den Tropfenerzeuger nach Figur 1 in verschiedenen Betriebszuständen,
Figur 3
eine perspektivische Ansicht eines Teils des Tropfenerzeugers,
Figur 4
eine Draufsicht auf eine Düsenplatte, mit Trennwänden und Rahmen,
Figur 5
eine Draufsicht entsprechend Figur 4 mit eingesetzten Wandlereinheiten,
Figuren 6 bis 8
drei Ausführungsformen des Wandlers, und
Figuren 9 bis 11
drei Ausführungsformen mit mehrlagigen Tropfenerzeugern.
Der Tropfenerzeuger nach Figuren 1-5 hat ein Gehäuse 1 bestehend aus einer Düsenplatte 2, einem Rahmen 3 und einer Abdeckplatte 4, die zusammen eine Kammer 5 bilden. Die Düsenplatte 2 hat benachbart einer Wand 6 des Rahmens 3 eine geradlinige Reihe regelmässig voneinander beabstandeter Düsen 7. Die Abdeckplatte 4 hat eine in die Kammer 5 mündende Eintrittsöffnung 8 zum Anschluss eines nicht dargestellten Tinten-Vorratsbehälters. Auf einem an der Düsenplatte 2 befestigten oder daran angeformten, gegenüber der Wand 6 angeordneten Sockel 9 ist eine piezoelektrische Wandlereinheit 12 befestigt und durch zusammenwirkende Positioniermittel positioniert, z.B. durch Stifte 10, die in Bohrungen des Sockels 9 eingesetzt sind und in Bohrungen der Einheit 12 eingreifen.
Die Einheit 12 besteht aus einer piezokeramischen Platte 13, die oben mit einer dünnen Metallfolie 14 und unten mit einer dickeren Metallfolie 15 kaschiert ist. Vom freien Ende 16 über den Düsen 7 bis zum Sockel 9 sind in diese Verbundplatte in regelmässigen Abständen Schlitze 17 eingeschnitten, z.B. mit einer Diamantscheibe geschliffen, sodass das Element 12 eine kammartige Struktur mit einem Verbindungssteg 18 über dem Sockel 9 und Zinken 19 hat. Die Folie 14 ist auf dem Steg 18 in Verlängerung der Schlitze 17 unterbrochen, sodass für jede Zinke 19 ein Folienstreifen gebildet ist. Die Folie 15 ist dagegen auf dem Steg 18 durchgehend und überragt die Platte 13 stirnseitig. Sie ist mit einer Anschlussleitung 20 für den Rückleiter verbunden. Jeder Streifen der Folie 14 ist mit je einer Anschlussleitung 21 für den Hinleiter verbunden. Wie aus Figuren 3 und 4 ersichtlich ist, sind auf der Düsenplatte 2 stirnseitig an eine Kammerwand 6, 25 angeschlossene Trennwände 26 befestigt, die je zwei Zinken 19 voneinander trennen und schmaler sind als die Schlitze 17.
In Figuren 2a bis 2d ist die Betriebsweise des beschriebenen Tropfenerzeugers schematisch dargestellt Figur 2a zeigt eine Zinke 19 in Ruhelage. In der Flüssigkeitskammer 5 herrscht Unterdruck, sodass sich in der Düse 7 ein konkaver Meniskus 28 bildet, dessen Kapillardruck mit dem Unterdruck im Gleichgewicht steht. Wird nun an den Anschluss 21 eine Spannung angelegt, versucht die Piezokeramikschicht 13 der Zinke 19 sich unter dem Einfluss des elektrischen Feldes (Quereffekt) zu verkürzen. Dieser Verkürzung setzt die dickere Metallfolie 15 einen stärkeren Widerstand entgegen als die dünnere Metallfolie 14, sodass die Zinke 19 von der Düsenplatte 2 wegbiegt (Figur 2b). Die Verformungsgeschwindigkeit wird durch geeignete Wahl der Impulsform am Anschluss 21 so gewählt, dass sich der Flüssigkeitsmeniskus 28 in der Düse 7 nur sehr wenig zurückzieht. Beim Abfall des Impulses am Anschluss 21 und Abfluss der zuvor eingebrachten elektrischen Ladung schnellt die Zinke 19 zurück in die Grundstellung (Figur 2c) und aus der Düse 7 wird ein Tropfen 29 ausgestossen. Figur 2d stellt den Zustand kurz nach dem Tropfenausstoss dar. Der Flüssigkeitsmeniskus 28 hat sich tiefer in die Düse 7 zurückgezogen. Flüssigkeit strömt durch die Eintrittsöffnung 8 nach, bis der Meniskus 28 wieder seine Gleichgewichtslage erreicht hat.
Weil diese Zinkenbewegung zwischen zwei Trennwänden erfolgt, können sich weder Druckimpulse auf benachbarte Düsen 7 fortpflanzen, noch können durch viskose Reibung benachbarte Zinken mitangeregt werden. Dadurch wird die Gefahr des Uebersprechens vermieden. Da die Flüssigkeit nicht seitlich ausweichen kann, wird ein wesentlich besserer Wirkungsgrad erreicht.
Vorzugsweise hat die Wandlereinheit 12 eine elektrisch isolierende Beschichtung. Dafür eignen sich beispielsweise
  • Beschichtung mit flüssigen Reaktionsharzen durch Tauchen oder Aufsprühen mit anschliessendem Abschleudern der überschüssigen Menge und thermischer oder Strahlungshärtung,
  • Beschichtung mit verdünnten Reaktionslacken durch Tauchen oder Aufsprühen mit anschliessendem Ablüften und Härten,
  • Beschichtung mit pulverförmigen Thermoplasten durch Wirbelsintern, dabei Erwärmen des Piezokamms durch hochfrequente Wechselspannung.
Als Beschichtungsstoffe kommen z.B. ORMOCERe (organically modified ceramics), Epoxide, Acrylate, Polyurethane sowie thermoplastische Polymere zum Einsatz. Die Auswahl richtet sich nach der eingesetzten Arbeitsflüssigkeit, da Beständigkeit der Beschichtung gegenüber der Flüssigkeit gefordert ist. Die Flüssigkeit muss aber auch die beschichteten Oberflächen gut benetzen, damit eine einwandfreie Entlüftung der Kammer 5 des Tropfenerzeugers möglich ist.
Durch die nichtleitende Beschichtung wird erreicht, dass auch elektrisch leitende Tinten, z.B. Tinten auf Wasserbasis, welche bei Druckanwendungen in vielen Fällen erwünscht sind, verwendet werden können. Bei den Tropfenerzeugern gemäss dem eingangs genannten Stand der Technik konnten demgegenüber nur elektrisch nichtleitende Tinten verwendet werden. Dadurch war der Einsatzbereich dieser Geräte erheblich beschränkt. Ausserdem verteuerte diese Eigenschaft die Tinte unter Umständen erheblich.
In Figur 6 ist ein bimorphes Biegewandler-Element 12 dargestellt. Es besteht aus der Piezokeramikschicht 13, der relativ dicken, damit verklebten Metallfolie 15, die gleichzeitig die Elektrode für den Rückleiter bildet sowie der Elektrode 34, welche die dünnere Metallfolie 14 nach Figuren 1-5 ersetzt. Zum Erzeugen hoher Feldstärken sind hier allerdings wie bei der Ausführungsform nach Figuren 1-5 relativ hohe Spannungen erforderlich. Wegen der sehr dünnen Elektrode 34 sind jedoch die erforderlichen Spannungen geringer als bei der Ausführungsform nach Figuren 1-5.
In Figur 7 ist ein sogenannter SS-CMB (Single sided ceramic multilayer bender) dargestellt. Diese Wandler sind in "Actuator 94 Conference Proceedings", Bremen 1994 durch J. Verkerk et al. ausführlicher beschrieben, auf welche verwiesen wird. Das Element 12 besteht hier aus einer aktiven Piezokeramikschicht 35, einer passiven Piezokeramikschicht 36 sowie mehreren Elektrodenschichten 37, welche die Schicht 35 in mehrere Lagen unterteilen und abwechslungsweise mit stirnseitigen Metallisierungen 38, 39 und damit mit den Anschlussleitungen 20, 21 verbunden sind. Die Lagen 40 der Schicht 35 sind abwechselnd entgegengesetzt polarisiert. Weil die Feldrichtung ebenfalls von Lage zu Lage abwechselt, wird beim Anlegen einer Spannung die Schicht 35 als Ganzes gegenüber der passiven Schicht 36 kürzer bzw. länger je nach Polarität der angelegten Spannung. Durch die Parallelschaltung vieler dünner Piezokeramik-Lagen (20-100 µm pro Lage) im SS-CMB genügen schon relativ niedrige Spannungen um hohe Feldstärken zu erreichen. Dadurch sinkt die erforderliche Impulsspannung für den Tropfenausstoss - abhängig von der Dicke und Anzahl der Lagen - auf etwa 20-40 V. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass Temparaturschwankungen nur vernachlässigbar geringe Verbiegungen der Zinken bewirken, da bis auf die sehr dünnen Elektrodenschichten (1-2 µm pro Schicht) nur ein einziges Material verwendet wird.
In Figur 8 ist ein symmetrisches Mehrlagen-Biegewandler-Element 12 dargestellt. Es entsteht durch Laminieren zweier Lagen 45, 46 piezoaktiven Materials mit gleicher Polaritätsrichtung. Die durch die stirnseitige Metallisierung 38 miteinander verbundenen äusseren Elektroden 47 sind für alle Zinken gemeinsam an den Rückleiter 20 angeschlossen. Die Mittelelektrode 48 wird vor dem Laminieren der zweiten piezoaktiven Schicht 45 in Verlängerung der Schlitze 17 durchtrennt. Beim Anlegen einer Spannung zwischen der Mitten- und Aussenelektrode wird sich jede Schicht quer zum elektrischen Feld gemäss dessen Richtung in ihrer Länge ändern, d.h. die eine Schicht verkürzt sich, die andere dehnt sich aus. Da die Schichten fest miteinander verbunden sind, verbiegt sich der Schichtaufbau. Auch mit diesem Aufbau kann die zum Auslenken erforderliche Spannung erheblich gesenkt werden, weil bei gleicher Zinkendicke und gleicher Spannung die Feldstärke verdoppelt wird und beide Schichten 45, 46 im ausbiegenden Sinne aktiv sind, während bei der Ausführungsform nach Figur 6 die Folie 15 nur passiv wirkt.
Für heute gebräuchliche Drucksysteme mit einem Druckraster von 300 Punkten pro Zoll (dpi = dots per inch) müssen die Düsen 7 und damit auch die Zinken 19 sehr eng angeordnet werden. Falls die Mindestgrösse der Wandler dies erlaubt, ist eine ein- bis zweireihige Anordnung anzustreben. Bei zweireihigem Aufbau (Figuren 4 und 5) für 300 dpi beträgt die Teilung der Zinken 19 einer Reihe 1/150'' oder ca. 170 µm. Eine 100 µm breite Zinke mit einem umgebenden Spalt von 20 µm Breite erfordert also die Strukturierung von 30 µm dicken Trennwänden. Damit die einzelnen Zinken genügend Bewegungsenergie in die Tinte übertragen können, müssen sie ein Vielfaches dieser Breite hoch sein, z.B. können sie ein Höhen-Zu-Breiten-Verhältnis (Aspektverhältnis) von 5:1 aufweisen. Infolgedessen müssen die Trennwände 26 mit noch wesentlich grösseren Aspektverhältnissen ausgeführt werden. Geeignete Techniken dafür stehen heute zur Vefügung, z.B. das LIGA-Verfahren oder anisotropes Aetzen von Silizium-Einkristallen. Diese Verfahren sind in W. Menz, P. Bley; Mikrosystemtechnik für Ingenieure, Weinheim 1993 beschrieben. Andere geeignete Verfahren für die Herstellung der Trennwände sind zum Beispiel das galvanische Abscheiden von Metallen auf die Düsenplatte 2, das Prägen oder Spritzgiessen, wobei in diesen letzten beiden Fällen die Formen mit dem LIGA-Verfahren hergestellt werden können. Insbesondere bei der Herstellung durch Spritzgiessen können die Trennwände 26 einstückig mit der Düsenplatte 2, dem Rahmen 3, dem Sockel 9 und gegebenenfalls der Zwischenwand 25 (Figur 4) geformt werden. Weitere geeignete Verfahren zur Herstellung der Trennwände 26 sind die photolitographische Strukturierung von Photoresist-Lacken oder -folien.
Zum Anschluss der Leitungen 21, 22 eignet sich z.B. das Tape Automated Bonding-Verfahren.
Die Ausführungsformen nach Figuren 9-11 zeigen Varianten, in welchen das Gehäuse 1 mehrere gestaffelt angeordnete Kammern 5 mit je einem Wandlerelement 12 gemäss Figuren 1-3 oder gemäss einer der Figuren 6-8 enthält. Die Achsen der Düsen 7 verlaufen zumindest am Austrittsende geneigt oder rechtwinklig zur Bewegungsrichtung der Zinkenenden 16. Die Düsen 7 sind gegen den Austrittsquerschnitt verengt. Die Düsen 7 der verschiedenen Reihen sind in Längsrichtung der Reihen etwas gegeneinander versetzt.
Bei der Ausführungsform nach Figur 9 sind drei identische Gehäuse-Elemente 55 entsprechend Figur 1 aber mit dickerer Düsenplatte 56 und eine zusätzliche Düsenplatte 56 übereinandergestapelt. Der Düsenkanal 57 ist rechtwinklig abgeknickt. Ein zusätzlicher Kanal 58 verbindet die Eintrittsöffnung 8 mit einem Verteilerkanal 59 in einer Abdeckplatte 60.
Bei der Ausführungsform nach Figur 10 verlaufen die Achsen der Düsen 7 unter 45° zur Bewegungsrichtung der Zinkenenden 16.
Bei der Ausführungsform nach Figur 11 sind vier Reihen von Düsen 7 in einer durchgehenden Düsenplatte 65 angeordnet und die Zinkenenden 16 sind unter 45° abgeschliffen, sodass ihre Stirnflächen 66 parallel zur Platte 65 verlaufen. Beim Auslenken der Zinken 19 haben daher die Stirnenden 66 eine Bewegungskomponente senkrecht zur Platte 65. Die Kammern 5 haben hier seitliche Anschlüsse, die über einer Verteilerleitung mit dem Vorratsbehälter verbunden werden können. Die Anschlüsse können aber auch an je einen separaten Behälter angeschlossen sein, wobei die Behälter Tinten unterschiedlicher Farben enthalten können, sodass sich der Tropfenerzeuger auch für den Mehrfarbendruck eignet. Diese Variante ist auch bei den Ausführungsformen nach Figuren 9 und 10 möglich, indem die Verteilerplatte 60 weggelassen wird und die Kanäle 58 an separate Behälter angeschlossen werden.
Mit den Ausführungsformen nach Figuren 9-11 können auf engstem Raum sehr viele Düsen 7 untergebracht werden, sodass eine hervorragende Druckqualität ermöglicht wird.

Claims (13)

  1. Tropfenerzeuger für Mikrotropfen, insbesondere für Ink-Jet-Printer, umfassend ein Gehäuse (1) mit einer Kammer (5), einer Vielzahl von piezoelektrischen Biegewandlern (19) in der Kammer (5), deren erstes Ende (18) am Gehäuse (1) befestigt ist, sowie je einer Düse (7) in einer Kammerwand (2) unter dem freien zweiten Ende (16) der Wandler (19), dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (5) mindestens benachbart dem zweiten Ende (16) der Wandler (19) durch Trennwände (26) zwischen diesen Wandlern (19) unterteilt ist.
  2. Tropfenerzeuger nach Anspruch 1, wobei die ersten Enden (18) der Wandler (19) miteinander verbunden sind, sodass die Wandler (19) eine kammartige Wandlereinheit (12) bilden.
  3. Tropfenerzeuger nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Verhältnis der Höhe zur Dicke der Trennwände (26) 10-100 beträgt.
  4. Tropfenerzeuger nach einem der Ansprüche 1-3, wobei die Trennwände (26) durch galvanisches Abscheiden von Metall oder durch anisotropes Aetzen von monokristallinem Silizium oder durch Spritzgiessen oder durch Prägen oder durch photografische Strukturierung von Photoresist-Lacken oder -Folien hergestellt sind.
  5. Tropfenerzeuger nach einem der Ansprüche 1-4, wobei die Trennwände (26) einstückig mit einer Düsenplatte (2) verbunden sind, durch welche sich die Düsen (7) erstrecken.
  6. Tropfenerzeuger nach einem der Ansprüche 1-5, wobei die Stirnflächen der zweiten Enden (16) der Wandler (19) von einer Kammerwand (6) einen Abstand haben, der höchstens das Fünffache des Zwischenraums zwischen Wandlern (19) und Trennwänden (26) beträgt.
  7. Tropfenerzeuger nach einem der Ansprüche 1-6, wobei die Düsen (7) gegen ihren Austritssquerschnitt verengt sind.
  8. Tropfenerzeuger nach einem der Ansprüche 1-7, wobei die Oberflächen der Wandler (19) mit einem elektrisch nichtleitenden Ueberzug versehen sind, der vorzugsweise aus ORMOCER-Material oder aus Epoxidharz oder aus einem Acrylat-Polymer oder aus Polyurethan besteht.
  9. Tropfenerzeuger nach einem der Ansprüche 1-8, wobei die Wandler (19) und das Gehäuse (1) zusammenwirkende Positionierelemente (10) aufweisen.
  10. Tropfenerzeuger nach einem der Ansprüche 1-9, wobei die Wandler (19) als Mehrlagen-Piezokeramik-Wandler mit einer zusätzlichen passiven Piezokeramiklage oder als symmetrische Mehrlagen-Biegewandler ausgebildet sind.
  11. Tropfenerzeuger nach einem der Ansprüche 1-10, wobei die Wandler (19) in ihrer Grundstellung im Bereich ihrer zweiten Enden (16) Abstand von der Düsenplatte (2) haben.
  12. Tropfenerzeuger nach einem der Ansprüche 1-11, wobei im Gehäuse (1) mehrere gestaffelt angeordnete Kammern (5) gebildet sind, die je eine Reihe von Wandlern (19), Trennwänden (26) und Düsen (7) enthalten, wobei die Achsen der Düsen (7) zumindest am Austrittsquerschnitt geneigt oder rechtwinklig zur Auslenkrichtung der zweiten Wandlerenden (16) verlaufen.
  13. Tropfenerzeuger nach einem der Ansprüche 1-12, wobei die Stirnflächen der zweiten Enden (16) der Wandler (19) geneigt zur Längsrichtung der Wandler (19) abgeschnitten sind.
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