EP0713776B1 - Modul für einen Tintendruckkopf - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Modul für einen Tintendruckkopf, der aus mehreren derartigen Modulen in Stapelbauweise zusammengesetzt ist, wobei die Module nach dem Edge-Shooter-Prinzip arbeiten und mit plattenförmigen 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 zeilenweisem Abdruck erfolgt der Druck als einmaliger Frankierabdruck in einem Durchlauf des Postgutes. Entsprechend dieser wesentlich größeren Druckbreite - ungefähr 25,4 mm (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 Druckauflösungen 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 50µm Breite. Bei einer Klischeebreite von einem Inch und einer Auflösung von 200 dpi müssen hier die Justagefehler unter 10µm gehalten werden.

Zwangsläufig werden derartige Tintendruckköpfe in Planar-beziehungsweise Stapelbauweise ausgeführt, einerseits 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), angeordnet 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 wesentliches Problem.

Es ist ein Tintendruckkopf der eingangs beschriebenen Art bekannt, DE 42 25 799 A1, der aus mehreren unterschiedlichen Modulen besteht, von denen nur ein außenliegender oder in der Mitte liegender Modul an seiner Stirnseite die gemeinsame Düsenreihe trägt. Jeder Modul besteht aus einer Mittelplatte und beiderseits zu dieser angeordneten Membranplatten. Zwischen den Membranplatten und der Mittelplatte liegen die Tintendruckkammern. Alle Module weisen von Piezoaktoren antreibbare Tintendruckkammern für den Tintenausstoß auf, die über entsprechend geführte Kanäle mit den zugeordneten 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 Tintendurchführungsöffnungen 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 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 Funktion, 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 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, piezoelektrisches 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 Piezokeramikschicht auf. Die Antriebselemente sind durch Einschnitte in der aktiven Piezokeramikschicht piezoelektrisch voneinander separiert. Die inneren Elektroden der Wandler sind elektrisch miteinander verbunden. Der elektrische Anschluß der äußeren und der inneren Elektroden erfolgt über ein Anschlußband 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. Tintenanschlußstutzen und das Anschlußband sind durch Öffnungen im Halterahmen hindurchgeführt. Durch Schrägeinbau des Halterahmens in einem Gehäuse ist die Düsenreihe zur Bewegungsrichtung des Aufzeichnungsträgers geneigt und infolgedessen wird die Schreibdichte des Tintendruckkopfes erhöht, vergleiche hierzu auch GB 2 264 086 A, Fig. 3. Es können auch mehrere Halterahmen beziehungsweise Tintendruckköpfe 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 Anschlüsse auf. Mit diesem Tintendruckkopf wird zwar eine hohe Auflösung erreicht aber der technologische Aufwand einschließlich Justieraufwand ist hierbei jedoch erheblich.

Schließlich ist noch ein Tintendruckkopf bekannt, US 4,703,333, bei dem mehrere Tintendruckmodule, die nach dem Sideshooter-Prinzip arbeiten, so geneigt hintereinander gestapelt sind, daß einerseits der Düsenbereich 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 Druckkammerplatte, einer Membranplatte mit Piezoaktoren und einer Deckplatte mit einer Ausnehmung für einen Bandleiter zur Kontaktierung der Piezoaktoren. In die Deckplatte ist ein Tintenzuführungskanal mit zwei Tintenanschlußbuchsen eingearbeitet.

Eine Auswechslung und Vorprüfung einzelner Tintendruckmodule ist zwar möglich aber nur durch Auslöten des Bandleiters und wie aus der Beschreibung 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 Tintendruckkopf aus mehreren derartigen identischen Modulen zu schaffen, der als selbständige funktionsfähige Einheit aufgebaut und demzufolge leicht auswechselbar ist. Bei der Fertigung dieses Moduls sollen Ausfallraten minimierbar sein.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gemäß den Patentansprüchen 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 sein können- 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 Einsparungen.

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

Der einzelne Schaltungsmodul kann vorteilhaft in Hybrid-Schaltkreis-Technik auf Keramik hergestellt werden. Durch Auftrag der unterschiedlichen Layer- und Dickfilmpasten können sowohl Leiterbahnen als auch Widerstände, als auch Kondensatoren ebenso wie Sensoren realisiert werden. Die gute Wärmeleitfähigkeit des Keramiksubstrats ermöglicht einen guten Wärmeübergang zum Tintendruckmodul, 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 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 schmelzenden Lotes, wie Indium, oder mittels Bonden erfolgen.

Bei Zusammenfassung mehrerer Module zu einem Tintendruckkopf können die Schaltungsmodule zugleich als Distanz-und Justierstücke ausgestaltet werden. Zwei benachbarte Tintendruckmodule können ein Schaltungsmodul gemeinsam haben. Dadurch ist eine wesentliche Einsparung möglich.

Die Erfindung wird nachfolgend am Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Die Figur zeigt eine Explosivdarstellung eines erfindungsgemäßen Moduls.

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 einem plattenförmigen Träger 11, auf dem Leiterbahnen 13 mit Kontaktelementen 12 in Form von Kontaktfahnen, Heizwiderstände 16 zur Kopfheizung, Sensoren 17 zur Temperaturmessung und - überwachung, ein Schaltkreismodul 14 und ein Steckverbinder 15 angeordnet sind. Die Kontaktelemente 12 dienen zur Kontaktierung der Piezoaktoren 21. In die Ausnehmung 111 des Trägers 11 ragen im montierten Zustand die Piezoaktoren 21 hinein. Der Schaltkreismodul 14 enthält die Treiberschaltungen zur Ansteuerung der Piezoaktoren 21.

Der Tintendruckmodul 2 besteht aus einer ersten Deckplatte 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 positionsgenauen Befestigung des Moduls in einem Tintendruckgehäuse dienen.

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

Auf der zweiten Deckplatte 24 sind in nicht näher gezeigter Weise Piezoaktoren 25 gleichfalls in Bereichen angeordnet, unter denen in die Deckplatte 24 Tintendruckkammern eingeformt sind.

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

Entsprechend besteht der Schaltungsmodul 3 aus einem plattenförmigen Träger 31, auf dem Leitenbahnen 33 mit Kontaktelementen 32, Heizwiderstände 36, Sensoren 37, ein Schaltkreismodul 34 und ein Steckverbinder 35 angeordnet sind.

Die Kontaktelemente 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.

Verwendete Bezugszeichen

1

erster Schaltungsmodul

11

Träger

111

Ausnehmung in der Trägerplatte 11 für Piezoakten 21

12

Kontaktelement/e

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 Tintendruckmoduls 2

221

Ausnehmung in der Deckplatte 22

23

Mittelplatte

231

Düsenöffnung/en in der Mittelplatte 23

24

zweite Deckplatte bzw. Membranplatte des Tintendruckmoduls 2

3

zweiter Schaltungsmodul

31

Träger

311

Ausnehmung in der Trägerplatte 31 für Piezoaktoren 25

32

Kontaktelement/e

Claims (8)

1. Modul für einen Tintendruckkopf, der aus mehreren derartiger Module in Stapelbauweise zusammengesetzt ist, die nach dem Edge-Shooter-Prinzip arbeiten und bei denen plattenförmige, beidseitig mit Elektroden (211, 212) belegte Piezoaktoren (21) außen auf als Membranplatten dienende Deckplatten (22, 24) über zum Tintenausstoß dienende Tintendruckkammern aufgebracht sind,
   dadurch gekennzeichnet,
   daß der Modul aus zwei Schaltungsmodulen (1, 3) mit elektrischen Verbindungs- und Ansteuerelementen und aus einem zwischen beiden angeordneten Tintendruckmodul (2) besteht.
2. Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tintendruckmodul (2) aus einer ersten Deckplatte (22), einer Mittelplatte (23) und einer zweiten Deckplatte (24) sowie aus den Piezoaktoren (21) besteht, die auf den Deckplatten (22, 24) angeordnet sind, und
   daß jeder Schaltungsmodul (1, 3) aus einem plattenförmigen Träger (11, 31) besteht, auf dem Leiterbahnen (13) mit Kontaktelementen (12, 32) zur Kontaktierung der Piezoaktoren (21), Heizwiderstände (16) zur Kopfheizung, Sensoren (17) zur Temperaturmessung, ein Schaltkreismodul (14) mit Treiberschaltungen zur Ansteuerung der Piezoaktoren (21) und ein Steckverbinder (15) angeordnet sind.
3. Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
   daß der Tintendruckmodul (2) aus einer ersten Deckplatte (22), mindestens einer Mittelplatte (23) und einer zweiten Deckplatte (24) sowie aus den Piezoaktoren (21) besteht, die auf den Deckplatten angeordnet sind, und
   daß jeder Schaltungsmodul (1, 3) aus einem plattenförmigen Träger (11, 31) besteht, auf dem Leiterbahnen (13) mit Kontaktelementen (12, 32) zur Kontaktierung der Piezoaktoren (21) und ein Schaltkreismodul (14) mit Treiberschaltungen zur Ansteuerung der Piezoaktoren (21) angeordnet sind.
4. Modul nach Anspruch 2 bis 3 dadurch gekennzeichnet,
   daß in die Deckplatten (22, 24) die Tintendruckkammern und in die Mittelplatte (23) Düsenöffnungen (231) mit Düsenkanälen eingeformt sind, wobei alle Düsenöffnungen (231) in einer Ebene liegenen.
5. Modul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
   daß in der den Düsenöffnungen (231) benachbarten Deckplatte (22) Ausnehmungen (221) bis zur Mittelplatte (23) zur positionsgerechten Anordnung des Moduls in einem Tintendruckkopfgehäuse vorgesehen sind.
6. Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
   daß in den Schaltungsmodulen (1, 3) Ausnehmungen (111, 311) für die Piezoaktoren (21) vorgesehen sind.
7. Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
   daß die Schaltungsmodule (1, 3) identisch aufgebaut sind.
8. Modul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
   daß in die Deckplatten (22, 24) die Tintendruckkammern und Düsenöffnungen mit Düsenkanälen eingeformt sind.

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