Titel : FluidausgabevorrichtungTitle: Fluid Dispenser
Beschreibungdescription
Die vorliegende Erfindung betrifft das oberbegrifflich Beanspruchte und befasst sich somit mit der Erzeugung von Tröpfchen von Fluiden insbesondere in einer Heißfluiddruckvorrich- tung und dergleichen.The present invention relates to the preamble and thus deals with the generation of droplets of fluids, in particular in a hot fluid pressure device and the like.
Es gibt eine Vielzahl von Anwendungen, bei denen feine Tröpfchen gesteuert erzeugt werden. Hierzu zählen beispielsweise Tintendrucker, bei denen Tinte aus einem Vorrat auf ein Papier oder dergleichen gespritzt wird, um Texte, Graphiken usw. zu drucken. Dabei sind eine Reihe von Techniken bekannt, um ein präziseres Druckbild zu erreichen.There are a large number of applications in which fine droplets are generated in a controlled manner. These include, for example, ink printers in which ink is sprayed from a supply onto a paper or the like in order to print texts, graphics, etc. A number of techniques are known to achieve a more precise printed image.
Es ist auch schon vorgeschlagen worden, heiße Fluide wie insbesondere Metalllot oder dergleichen aus einem Heißfluidvor- rat tröpfchenweise auszugeben, um aus dem heißen Fluid erforderliche Strukturen aufzubauen. Eine Anwendung findet sich etwa in der Erzeugung von Lot-Bumps, die zur Kontaktierung von Halbleiter-Chips wie Prozessoren und dergleichen eine Verbindung zwischen dem entsprechenden Kontaktbereich auf dem den Prozessor bildenden Siliziumstück und einem weiteren Chip bzw. einer Halterung oder dergleichen bilden kann, in welcher der Chip etwa eingegossen oder auf andere Weise fixiert wird.It has also already been proposed to dispense hot fluids, in particular metal solder or the like, drop by drop from a hot fluid supply in order to build up the structures required from the hot fluid. One application is found, for example, in the production of solder bumps, which can form a connection between the corresponding contact area on the silicon piece forming the processor and a further chip or a holder or the like for contacting semiconductor chips such as processors and the like which the chip is cast in or fixed in some other way.
Problematisch ist nun, dass gerade für die erwähnten Anwen- düngen eine sehr hohe Präzision und Akkuranz der Lage undThe problem now is that, especially for the applications mentioned, a very high level of precision and accuracy of the position and
Größe der auszugebenden Tröpfchen erforderlich ist. Dem stehen Probleme dadurch entgegen, dass das heiße Fluid nur in
erwärmtem Zustand ausgegeben werden kann, was bedeutet, dass die gesamte, für die Ausgabe erforderliche Anordnung auf eine entsprechend hohe Betriebstemperatur gebracht werden muss. Da für einzelne Teile der Vorrichtung, aus welcher das heiße 5 Fluid ausgegeben wird, unterschiedliche Materialien erforderlich sind, treten sehr oft thermische Spannungen und Dehnungen auf. Diese verringern die gewünschte Präzision, wenn, wie typisch, Heißfluidtröpfchen aus einem Heißfluidvorrat in einer Heißfluidvorratskammer ausgegeben werden, welche eineSize of droplets to be dispensed is required. This is countered by problems in that the hot fluid is only in heated state can be output, which means that the entire arrangement required for the output must be brought to a correspondingly high operating temperature. Since different materials are required for individual parts of the device from which the hot fluid is dispensed, thermal stresses and strains very often occur. These reduce the desired precision when, as is typical, hot fluid droplets are dispensed from a hot fluid supply in a hot fluid supply chamber, which is a
10 membranartige dünne Wandung besitzt und auf welche wiederum ein Aktor einwirkt. Während der Aktor auf die Membran drückt, wird heißes Fluid aus einer Ausgabeöffnung gepresst. Es ist nun einsichtig, dass unterschiedliche Ausdehnungen usw. der verschiedenen Teile der Heißfluidausgabevorrichtung dazu füh-Has 10 membrane-like thin walls and which in turn acts on an actuator. While the actuator presses on the membrane, hot fluid is pressed out of an outlet. It is now understood that different dimensions, etc., of the different parts of the hot fluid dispenser result in
15 ren können oder müssen, dass ein per se erforderlicher Aktorweg bzw. Kraftverlauf nicht, jedenfalls nicht in der oftmals erforderlichen exakten Reproduzierbarkeit erzeugt werden kann.15 can, or must, that an actuator path or force curve that is required per se cannot be generated, at least not in the often required exact reproducibility.
20 Um Heißfluidtröpfchenausgabevorrichtungen einer breiteren Anwendung zuzuführen, ist überdies wünschenswert, eine preiswerte Ausgestaltung zu ermöglichen, eine problemfreie An- steuerung und/oder eine sich schnell wiederholende Ausgabe von Heißfluidtröpfchen. Es wäre wünschenswert, zumindest ei-20 In order to supply hot fluid droplet dispensers to a broader application, it is also desirable to enable inexpensive design, problem-free control and / or rapid repetitive dispensing of hot fluid droplets. It would be desirable to at least
25 nige dieser Problembereiche zumindest ansatzweise einer wenigstens partiellen Lösung zuzuführen. Daneben ist einsichtig, dass neben Möglichkeiten, mit denen Heißfluidtröpfchen ausgegeben werden sollen, auch neue Ausgabemöglichkeiten für nicht heiße Fluide wünschenswert sind.25 some of these problem areas at least partially to provide an at least partial solution. In addition, it is clear that, in addition to options for dispensing hot fluid droplets, new dispensing options for non-hot fluids are also desirable.
,30 Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Neues für die gewerbliche Anwendung bereitzustellen.
Die Lösung dieser Aufgabe wird in unabhängiger Form beansprucht. Bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den Unteransprüchen., 30 The object of the present invention is to provide something new for commercial use. The solution to this problem is claimed in an independent form. Preferred embodiments can be found in the subclaims.
Die vorliegende Erfindung schlägt somit in einem erstenThe present invention thus proposes a first
Grundgedanken eine Fluidtröpfchenausgabevorrichtung mit einem zum Heißfluidtröpfchenausgeben geöffneten Fluidvorrat und mit einem Aktor zur das Fluidausgeben bewirkenden Fluiddruckbeaufschlagung vor, bei welcher der Aktor zur Beaufschlagung des Fluidvorrates mit aktorschallwelleninduzierten Wechseldruckimpulsen ausgebildet ist.The basic idea is to provide a fluid droplet dispenser with a fluid supply opened for dispensing hot fluid droplets and with an actuator for applying fluid pressure to effect fluid dispensing, in which the actuator is designed to apply alternating pressure pulses induced by actuator sound waves.
Ein erster wesentlicher Grundgedanke der Erfindung besteht somit in der Erkenntnis, das Heißfluidtröpfchen wesentlich präziser ausgegeben werden können, wenn der Vorrat, aus welchem sie durch Druckimpulse aus Ausgabeöffnungen herausge- presst werden, mit Wechseldruckimpulsen beaufschlagt wird, also sowohl Überdruck als auch Unterdruck in impulsartiger Form auf den Fluidvorrat ausgeübt wird. Dies ist bevorzugt gegenüber einer monopolaren Druckbeaufschlagung, bei welcher lediglich ein Überdruckimpuls angelegt wird und gegebenenfalls noch ein geringes, langsames Unterschwingen bei Rückstellen des Aktors auftreten kann. Es ist dabei beachtenswert, dass nicht nur die Durchführbarkeit einer Wechseldruck- impulsbeaufschlagung, wie sie prinzipiell von Tintendruckern bekannt war, auch für andere Fluidausgabevorrichtungen erkannt werden mußte, was für allgemeine Fluide wegen der oft typisch vollständig anderen Tröpfchenparameter etwa bezüglich der Tropfendichte, Masse, Viskosität usw. nicht zu erwarten war, sondern dass überdies auch eine besondere Art der Wechseldruckimpulserzeugung gelehrt wird, nämlich durch Schallwellen, die in einem Festkörper aktorinduziert, also durch \
diesen erzeugt, werden. Diese Art der Schallwellenerzeugung in einem Festkörper und das Einkoppeln der Festkörper in das Fluid sind dabei streng zu unterscheiden von der bekannten Erzeugung von Schallwellen im Fluid selbst. Die vorliegende Erfindung erlaubt nämlich durch die entfernt vom Fluid erfolgende Schallwellengeneration im Festkörper, auch Fluide mit hohen oder gegebenenfalls sehr niederen Temperaturen ohne Aktorbeeinträchtigung auszuspritzen. Der Festkörper kann dabei typisch mit dem Aktor identisch sein; dann laufen die Schall- wellen durch den Aktor, der zu deren Erzeugung erregt wird, und treffen schließlich auf das Fluid.A first essential basic idea of the invention thus consists in the knowledge that hot fluid droplets can be dispensed much more precisely if the supply, from which they are pressed out of dispensing openings by pressure impulses, is acted upon by alternating pressure impulses, that is to say both overpressure and underpressure in pulse-like form is exercised on the fluid supply. This is preferred to a monopolar pressurization, in which only an overpressure pulse is applied and, if necessary, a slight, slow undershoot can occur when the actuator is reset. It is noteworthy that not only the feasibility of applying alternating pressure impulses, as was known in principle from ink printers, also had to be recognized for other fluid output devices, which is the case for general fluids because of the often typically completely different droplet parameters, for example with regard to droplet density, mass, viscosity etc. was not to be expected, but that, moreover, a special type of alternating pressure pulse generation is also taught, namely by sound waves that actuator-induced in a solid, that is, by \ generated. This type of sound wave generation in a solid and the coupling of the solid into the fluid are to be strictly differentiated from the known generation of sound waves in the fluid itself. The present invention, because of the sound wave generation in the solid which is remote from the fluid, also allows fluids with high or if necessary, spray out very low temperatures without affecting the actuator. The solid body can typically be identical to the actuator; then the sound waves pass through the actuator, which is excited to generate them, and finally hit the fluid.
In einer bevorzugten Variante wird das Fluid ein Heißfluid sein und bevorzugt wenigstens eine Temperatur von 150 °C auf- weisen; bevorzugt liegen die Temperaturen noch darüber.In a preferred variant, the fluid will be a hot fluid and preferably will have a temperature of at least 150 ° C .; the temperatures are preferably still above.
Sie können um 350 °C liegen oder noch weiter angehoben werden, wobei kritisch die sich ergebende Temperatur des Aktors ist, etwa wenn dieser wie bevorzugt möglich als piezoelektrischer Aktor gebildet ist, dessen Curie-Temperatur die maximal zulässige Betriebstemperatur begrenzt. Dies ist möglich, weil das Fluid entfernt vom Ort liegen kann, an welchem der Aktor Schallwellen erzeugt; die Strecke zwischen Fluid und aktivem Aktorbereich isoliert dann thermisch.They can be around 350 ° C. or be raised further, the resulting temperature of the actuator being critical, for example if it is formed as preferably as possible as a piezoelectric actuator whose Curie temperature limits the maximum permissible operating temperature. This is possible because the fluid can be located away from the location at which the actuator generates sound waves; the distance between the fluid and the active actuator area is then thermally insulated.
Als Heißfluid wird typisch ein geschmolzenes Metall verwendet. Bei diesem Metall kann es sich insbesondere um ein Lot bzw. eine Lotlegierung handeln, so dass die Heißfluidtröpf- chenausgabevorrichtung irisbesondere Teil eines Lotdruckkopfes sein kann, wie er etwa für die Kontaktierungen von Halblei- ter-Chips einsetzbar ist.
In einer bevorzugten Variante ist der (Heiß-) Fluidvorrat als Kammer gebildet, die insbesondere von einer Seite her geheizt werden kann, um das Fluid auf die gewünschte Temperatur zu erwärmen oder dort zu halten, und welche von der anderen Sei- te her insbesondere an einer Membranwand vom Aktor mit Wechseldruckimpulsen beaufschlagt werden kann.A molten metal is typically used as the hot fluid. This metal can in particular be a solder or a solder alloy, so that the hot fluid droplet dispenser can in particular be part of a solder printhead, such as can be used for the contacting of semiconductor chips. In a preferred variant, the (hot) fluid supply is formed as a chamber, which can be heated in particular from one side in order to heat or maintain the fluid to the desired temperature, and which from the other side in particular alternating pressure pulses can be applied to a membrane wall by the actuator.
Eine bevorzugte Variante wird erhalten, wenn die Kammer mit Ausgabeöffnungen versehen wird, die als Kapillaröffnungen mit einem Durchmesser zwischen insbesondere 20 bis 150 μm versehen sind. In einer praktischen Ausführungsform wurde eine 'Kapillaröffnung von um 70 μm verwendet. Es ist aber einsichtig, dass, insbesondere dann, wenn Halbleiterstrukturen kleiner werden, eine Anpassung auch der Kontaktflächen erwünscht ist und somit die Tröpfchengrößen von dafür vorgesehenen Lottröpfchen verringert werden sollen, was durch Anpassung der Ausgabeöffnungsgrößen möglich ist. Überdies ist einsichtig, dass, wenn von einem Ausgabeöffnungsdurchmesser die Rede ist, sich diese Größe auf eine äquivalente Fläche bezieht, ohne dass zwingend eine kreisrunde Ausgabeöffnung vorhanden sein muss. Insbesondere sei darauf hingewiesen, dass an Stelle von runden Öffnungen auch Ausgabeöffnungen mit viereckigem Querschnitt etwa durch Ätzen der Öffnungen in Siliziumstrukturen und/oder mit hochenergetischen Laserstrahlen erhalten werden können.A preferred variant is obtained if the chamber is provided with discharge openings which are provided as capillary openings with a diameter between in particular 20 to 150 μm. In a practical embodiment, a capillary opening of around 70 μm was used. However, it is clear that, especially when semiconductor structures become smaller, an adaptation of the contact areas is also desired, and thus the droplet sizes of solder droplets provided for this purpose are to be reduced, which is possible by adapting the output opening sizes. Furthermore, it is clear that when we speak of a discharge opening diameter, this size refers to an equivalent area, without the need for a circular discharge opening. In particular, it should be pointed out that instead of round openings, output openings with a square cross section can also be obtained, for example, by etching the openings in silicon structures and / or using high-energy laser beams.
Der Aktor wird typisch als piezoelektrischer Aktor gebildet sein. Dabei kann er Lamellenstrukturen aufweisen, wie sie per se etwa aus der DE 199 31 110 AI bekannt sind. In diesen pie- zoelektrischen Aktoren sind Schallwellen wie erforderlich erzeugbar. Es sei hierbei im übrigen darauf hingewiesen, dass die sich mit Heißfluidtröpfchenerzeugung allgemein befassen-
den früheren Schutzrechtsanmeldungen der vorliegenden Erfinder zu Offenbarungszwecken vollumfänglich in die vorliegende Anmeldung-' eingegliedert sind.The actuator will typically be designed as a piezoelectric actuator. It can have lamellar structures such as are known per se, for example, from DE 199 31 110 AI. In these piezoelectric actuators, sound waves can be generated as required. It should also be pointed out here that they are generally concerned with hot fluid droplet production. the earlier patent applications of the present inventor are incorporated in its entirety for purposes of disclosure, the present Anmeldung- '.
Der Aktor ist in einer bevorzugten Variante so gebildet, dass er wenigstens einen aktiven und wenigstens einen inaktiven Bereich aufweist, der von dem Wirkende, an welchem der Aktor auf die insbesondere membranartige Umgrenzung des Fluidvorra- tes einwirkt, verschieden ist.In a preferred variant, the actuator is formed in such a way that it has at least one active and at least one inactive region, which is different from the end of action at which the actuator acts on the particular membrane-like delimitation of the fluid supply.
Alternativ zum Vorsehen eines aktiven und eines inaktiven Bereiches wäre es möglich, einen durchgehend aktiven Aktor vorzusehen, der aber in unterschiedlicher Weise erregt wird, was bei einem piezoelektrischen Aktor mit Lamellenstruktur etwa dadurch geschehen könnte, dass zeitlich versetzte und/oder in unterschiedliche Richtungen verlaufende elektrische Impulse an diesen angelegt werden, obgleich die Verwendung unipolarer elektrischer Impulse stark bevorzugt ist.As an alternative to providing an active and an inactive area, it would be possible to provide a continuously active actuator which is excited in different ways, which could happen in the case of a piezoelectric actuator with a lamellar structure, for example by the fact that electrical electrodes are offset in time and / or in different directions Pulses are applied to it, although the use of unipolar electrical pulses is highly preferred.
Es ist möglich, dass der Aktor mehrere aktive Bereiche aufweist, was vorteilhaft sein kann, wenn sehr starke Impulse und/oder sehr kurz hintereinander laufende Impulse bzw. jeweils Wechselimpulse erzeugt werden sollen. Der Aktor selbst kann monolithisch gebildet sein, wie per se für Aktoren be- kannt.It is possible for the actuator to have a plurality of active areas, which can be advantageous if very strong pulses and / or pulses running in quick succession or alternating pulses are to be generated. The actuator itself can be monolithic, as is known per se for actuators.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der aktive Bereich oder zumindest ein aktiver Bereich beabstandet von einer oder der Aktorendseite, die vom Fluidvorrat abgewandt sind. Die Aktorendseite kann daher zur Reflektion einer in dem Aktor verlaufenden Stoß- bzw. Schallwelle ausgebildet sein. Mit anderen Worten wird im Aktor in einer bevorzugten
Variante in einem aktiven Bereich eine Longitudinal-Welle erzeugt, diese am Aktorende reflektiert und sodann insbesondere durch Überlagerung weiterer Pulse aus dem aktiven Bereich eine durch den Aktor verlaufende Stoßwellenform erreicht, die die gewünschte Wechseldruckbeaufschlagung ergibt. Während es prinzipiell möglich ist, einen Aktor so auszubilden, dass er sowohl einen Über- als auch einen Unterdruckimpuls in einem (Heiß-) Fluidvorrat erzeugt, auch ohne auf einen piezoelektrischen Aktor Rückgriff zu nehmen, ist die als bevorzugt be- schriebene Anordnung, bei welcher im Aktor piezoelektrisch Stoß- bzw. Schallwellen erzeugt werden, aus denen die erforderlichen Wechseldruckimpulse durch Überlagerung mehrerer Aktorerregungen erhalten werden, deshalb besonders bevorzugt, weil sie eine baulich und 'ansteuerungsmäßig sehr einfache Ausbildung der Heißfluidtröpfchenausgabevorrichtung erlauben.In a particularly preferred embodiment, the active area or at least one active area is spaced from one or the end of the actuator, which faces away from the fluid supply. The actuator end side can therefore be designed to reflect a shock wave or sound wave extending in the actuator. In other words, the actuator is preferred Variant generates a longitudinal wave in an active area, this is reflected at the end of the actuator and then, in particular by superimposing further pulses from the active area, a shock wave shape running through the actuator is achieved, which results in the desired alternating pressure application. While it is possible in principle to design an actuator in such a way that it generates both an overpressure and a vacuum pulse in a (hot) fluid supply, even without resorting to a piezoelectric actuator, the arrangement described as preferred is shown in which are generated in the actuator by piezoelectric shock or sound waves, from which the required alternating pressure pulses are obtained by superimposing several actuator excitations, particularly preferred because they allow the hot fluid droplet dispensing device to be designed in a structurally and very simple manner.
In einer bevorzugten Variante wird die Stoß- und/oder Schall- wellenreflektion durch insbesondere am vom Fluidvorrat abgewandten Ende angebrachte zusätzliche Massen, wie hammerförmi- ge Verdickungen oder dergleichen, erreicht und/oder dadurch, dass der Aktor sich zumindest nahezu ungehindert dehnen und/oder kürzen kann, also nicht fest angebracht, einstückig mit einer rückwärtigen Abstützung oder z. B. nur durch eine Gleitführung in seiner Lage bestimmt ist. Diese Anordnung führt einerseits zu der gewünschten Reflektion am Aktorende mit oder ohne Phasenumkehr von im Aktorinneren laufenden Stoß- und/oder Schallwellen und reduziert zudem das Auftreten von thermischen Spannungen in den Aktoren, wobei durch die Verringerung thermischer Spannungen und dergleichen wiederum eine Verbesserung der Präzision und/oder Akkuranz der Tröpfchenausgabe erreicht wird.
Es ist einsichtig, dass bei Fehlanpassungen der Schallimpedanz zum Fluidvorrat bzw. zur Fluidvorratswandung auch dort ein Impedanzsprung für die Schallimpedanz auftreten könnte. Typisch werden aber konstruktive Maßnahmen, etwa zur Impe- danzangleichung von Aktor und Übergangsstelle zum Heiß- fluidsystem ergriffen, um hier eine weitgehende Einkopplung der Schallenergie in den Heißfluidvorrat zu bewirken. An dem der Fluidseite abgewandten Ende des Aktors wird dagegen typisch besonders ein starker Impedanzübergang vorgesehen, um dorthin laufende Stoß- und/oder Schallwellen reflektieren zu lassen. Es ist einerseits prinzipiell eine Sprungstelle zu großen Impedanzen möglich, bei der Schallwellen ohne Phasenwechsel reflektiert werden; ein derartiger Impedanzsprung kann etwa durch eine endseitig angebrachte Zusatzmasse be- wirkt werden. Eine Sprungstelle zu sehr kleinen Impedanzen lässt Stoß- und/oder Schallwellen hingegen zwar ebenfalls reflektieren, allerdings mit dem Unterschied, dass sich dabei die Phase der Welle um 180°' ändert. Ein derartiger Impedanzsprung ist konstruktiv besonders einfach dadurch zu erzielen, dass das Aktorende unbefestigt an Luft grenzt. Dabei muss der Schallimpedanzsprung nicht genau so groß sein, wie er sich bei einem in Luft frei beweglichen Aktor ergibt, weil etwa Kühlfluide vorgesehen sein könnten, die den Aktor kühlen und es ist, wie unmittelbar einsichtig sein wird, möglich, auch am vorderen Ende die Schallimpedanzen nicht exakt auf jene der Heißfluidvorratswandmembran anzupassen. Die größere Änderung am vom Heißfluidvorrat abgewandten Ende sorgt jedoch dafür, dass zumindest ein überwiegender Teil der Druckimpulse in den Heißfluidvorrat hinein beaufschlagend wirken, während sie auf der anderen Seite weitgehend reflektiert werden.
Der Aktor wird mit der (Heiß-) Fluidkammerwand typisch in druck- und/oder zugfester Verbindung stehen, d. h. derart damit in Eingriff befindlich sein, dass sowohl Über- als auch Unterdruckimpulse übertragen werden können. Es werden im all- gemeinen bei den typisch stets offenen, ventilfreien Drop-on- Demand-Systemen lediglich pulsartige Druckimpulse, nicht aber statische oder quasistatische Drücke erzeugt. Es sei aber erwähnt, dass von Über- bzw. Unterdruckimpulsen auch dann die Rede ist, wenn der Aktor per se schon im Mittel einen gerin- gen Überdruck ausübt, der bei Unterdruckimpulsen lediglich verringert wird. Eine solche Ausbildung könnte vorteilhaft sein, wenn lediglich erreicht werden soll, dass das Heißfluid sich vor dem eigentlichen Ausstoß etwas aus einer Kapillaröffnung zurückzieht, aber ein sehr hoher Druck zum Auspressen aus der Heißfluidkammerwand erforderlich ist.In a preferred variant, the shock and / or sound wave reflection is achieved by additional masses, in particular at the end facing away from the fluid supply, such as hammer-shaped thickenings or the like, and / or by the actuator stretching at least almost unhindered and / or can shorten, so not firmly attached, in one piece with a rear support or z. B. is determined in its position only by a sliding guide. This arrangement leads on the one hand to the desired reflection at the end of the actuator with or without phase reversal of shock and / or sound waves running in the interior of the actuator and also reduces the occurrence of thermal stresses in the actuators, the thermal stresses and the like in turn improving the precision and / or droplet output accuracy is achieved. It is clear that if the acoustic impedance to the fluid supply or the fluid supply wall is mismatched, an impedance jump for the acoustic impedance could also occur there. Typically, however, constructive measures are taken, for example to adjust the impedance of the actuator and the transition point to the hot fluid system, in order to bring about an extensive coupling of the sound energy into the hot fluid supply. At the end of the actuator facing away from the fluid side, on the other hand, a strong impedance transition is typically provided in particular in order to allow shock and / or sound waves running there to be reflected. On the one hand, a jump point to large impedances is possible in principle, at which sound waves are reflected without a phase change; Such an impedance jump can be brought about by an additional mass attached at the end. A jump point to very small impedances can shock and / or sound waves, however, likewise reflect, with the difference, the phase of the wave by 180 ° that this' change. Such an impedance jump is structurally particularly easy to achieve in that the actuator end is attached to air and is not fastened. The jump in sound impedance does not have to be exactly as large as it results in an actuator that is freely movable in air, because cooling fluids could be provided that cool the actuator and, as will be immediately clear, it is possible, even at the front end, that Sound impedances cannot be matched exactly to those of the hot fluid supply wall membrane. However, the larger change at the end facing away from the hot fluid supply ensures that at least a predominant part of the pressure impulses act on the hot fluid supply while being largely reflected on the other side. The actuator will typically be in pressure and / or tensile connection with the (hot) fluid chamber wall, ie be in engagement with it in such a way that both overpressure and underpressure pulses can be transmitted. In the case of the typically always open, valve-free drop-on-demand systems, only pulse-like pressure pulses are generated, but not static or quasi-static pressures. However, it should be mentioned that overpressure or underpressure pulses are also mentioned if the actuator per se already exerts a slight overpressure on average, which is only reduced in the case of underpressure pulses. Such a design could be advantageous if it is only to be achieved that the hot fluid withdraws somewhat from a capillary opening before the actual ejection, but a very high pressure is required for squeezing out of the hot fluid chamber wall.
Die Kammerwand wird, in bevorzugten Varianten insbesondere für Lotdruckköpfe, aus Siliziummaterial bestehen, das sich besonders gut strukturieren lässt und überdies hinreichend temperaturbeständig ist. Die Verwendung anderer Materialien sei aber als möglich gleichfalls erwähnt.The chamber wall, in preferred variants, in particular for solder printheads, will consist of silicon material which can be structured particularly well and, moreover, is sufficiently temperature-resistant. The use of other materials should also be mentioned as possible.
In einer bevorzugten Variante ist der Aktor thermisch zumindest weitgehend vom Heißfluidvorrat entkoppelt. Dies kann et- wa durch eine spitzenartige Verjüngung des auf die Heißfluid- vorratswandung wirkenden Aktorendes geschehen und/oder durch thermisch isolierende Beläge auf der Heißfluidsvorratswandung und/oder der Aktorspitze. Es ist einsichtig, dass ungeachtet der thermischen Entkopplung, die gewünscht wird, für eine ausreichende Anpassung der Schallimpedanz Sorge zu tragen ist.
Die Spannungsversorgung, mit welcher piezoelektrische Aktoren erregt werden, kann insbesondere ausschließlich unipolare beziehungsweise, bei etwa geringem Unterschwingen, zumindest weitgehend unipolare Impulse erzeugen. Dies erlaubt eine besonders kostengünstige Ausgestaltung der Spannungsversorgung, die lediglich in der Lage sein muss, hinreichend kurze und/oder starke und in der erforderlichen zeitlichen Reihenfolge ausgegebene Spannungsimpulse an den Aktor bzw. den oder die aktiven Aktorbereiche auszugeben.In a preferred variant, the actuator is at least largely thermally decoupled from the hot fluid supply. This can be done, for example, by a tip-like tapering of the actuator end acting on the hot fluid supply wall and / or by thermally insulating coatings on the hot fluid supply wall and / or the actuator tip. It is clear that regardless of the thermal decoupling that is desired, adequate adjustment of the sound impedance must be ensured. The voltage supply with which piezoelectric actuators are excited can, in particular, exclusively generate unipolar or, at least slightly undershoot, at least largely unipolar pulses. This allows a particularly cost-effective configuration of the voltage supply, which only has to be able to output sufficiently short and / or strong voltage pulses that are output in the required chronological order to the actuator or the active actuator area or areas.
Schutz wird auch beansprucht für ein Verfahren zur (Heiß')'- Fluidtröpfchenausgabe, bei welchem der (Heiß-) Fluidvorrat mit Wechselimpulsen beaufschlagt wird.Protection is also claimed for a method for (hot ') ' fluid droplet delivery, in which the (hot) fluid supply is subjected to alternating pulses.
Die Erfindung wird im Folgenden nur beispielsweise an Hand der Zeichnungen beschrieben. In dieser ist gezeigt durch:The invention is described below only by way of example with reference to the drawings. This is shown by:
Fig. 1: eine Heißfluidtröpfchenausgabevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung; Fig. 2: eine Veranschaulichung des Druckwellenverlaufes im Aktor; Fig. 3: der sich am Heißfluidvorrat einstellende Wechseldruckimpulsverlauf; Fig. 4: Varianten der Aktorausgestaltung.1: a hot fluid droplet dispenser according to the present invention; 2: an illustration of the pressure wave course in the actuator; 3: the alternating pressure pulse curve occurring at the hot fluid supply; Fig. 4: Variants of the actuator design.
Nach Fig. 1 umfasst eine allgemein mit 1 bezeichnete Heiß- i fluidtröpfchenausgabe mit einem an einer Öffnung 2 zum Heiß- fluidtröpfchenausgeben geöffneten Heißfluidvorrat 3 einen Aktor 4, der zum Beaufschlagen des Heißfluidvorrates mit von diesem Aktor erzeugten, schallenwelleninduzierten Wechseldruckimpulsen ausgebildet ist.
Die Heißfluidtröpfchenausgabevorrichtung 1 dient im vorliegenden Fall zur Ausgabe von Lotlegierungströpfchen mit hoher Wiederholfrequenz und hoher Akkuranz. Sie ist in einer geeigneten Halterung, die als Gleitführung dient, beweglich ange- ordnet (nicht gezeigt) .According to FIG. 1, a hot fluid droplet dispenser, generally designated by 1, with an hot fluid supply 3 opened at an opening 2 for dispensing hot fluid droplets, comprises an actuator 4, which is designed to act on the hot fluid reservoir with sound wave-induced alternating pressure pulses generated by this actuator. In the present case, the hot fluid droplet dispenser 1 serves to dispense solder alloy droplets with a high repetition frequency and high accuracy. It is movably arranged in a suitable holder, which serves as a sliding guide (not shown).
Die Öffnung 2 ist als Kapillaröffnung in einem strukturierten Siliziumelement gebildet, wie es per se im Stand der Technik bekannt ist, und hier zur Ausgabe von Heißfluidtröpfchen mit einem Durchmesser von 70 μm bemaßt. Die Öffnung ist zum Heiß- fluidausstoß quer zur Aktorlängsrichtung angeordnet.The opening 2 is formed as a capillary opening in a structured silicon element, as is known per se in the prior art, and is dimensioned here for dispensing hot fluid droplets with a diameter of 70 μm. The opening is arranged transversely to the longitudinal direction of the actuator for hot fluid ejection.
Der Heißfluidvorrat 3 ist in einer Siliziumkammer 3a angeor- dent, die zum Aktor 4 hin eine Siliziummembran 3b besitzt und welche mit einem größeren Heißfluidvorrat (nicht gezeigt) durch eine langgestreckte Drosselöffnung kommuniziert. Die Heißfluidkammer 3a ist auf einem Träger angeordnet, der hier aus Pyrex-Glas 3c gebildet ist und von der aktorabgewandten Seite 3d mit einem Heizelement 3e auf die gewünschte Be- triebstemperatur von z. B. 350 °C gebracht wird.The hot fluid supply 3 is arranged in a silicon chamber 3a, which has a silicon membrane 3b toward the actuator 4 and which communicates with a larger hot fluid supply (not shown) through an elongated throttle opening. The hot fluid chamber 3a is arranged on a carrier which is formed here from Pyrex glass 3c and which is heated from the side facing away from the actuator 3d to the desired operating temperature of z. B. 350 ° C is brought.
Der Aktor 4 ist als piezoelektrischer Lamellenaktor monolithisch wie per se bekannt aufgebaut und weist somit auch eine hier schallimpedanzanpassende Spitze 4a auf, in welcher der zug- und druckfeste Übergang zur Membranwand 3b erfolgt. Abweichend von bekannten Aktoren wird aber lediglich ein Teilbereich 4b des Aktors, der in Fig. 1 hell dargestellt ist, mit einer unipolaren Spannung beaufschlagt, wie durch Pfeil 5 dargestellt. Dieser nach Fig. 1 einzelne aktive Be- reich ist vom Ende 4c des Aktors, welches dem Heißfluidvorrat abgewandt ist, und von der Wirkspitze 4a beabstandet. Beispiele für praktische Realisierungen der Breite eines einzel-
nen aktiven Bereiches 4b, der Aktorspitze 4a, des Bereiches dazwischen 4e und des Abstandes des aktiven Bereiches 4b zum Ende 4c sind durch die Pfeile a, b, c, d in Fig. 2 wiedergegeben. Es sei darauf hingewiesen, dass über die Dimensionie- rung dieser Elemente die Pulslaufzeiten und die sich einstellenden Kraftverläufe verändert werden können.The actuator 4 is constructed as a piezoelectric lamella actuator in a monolithic manner, as is known per se, and thus also has a tip 4a which adjusts the sound impedance here and in which the tensile and pressure-resistant transition to the membrane wall 3b takes place. In a departure from known actuators, however, only a partial area 4b of the actuator, which is shown bright in FIG. 1, is acted upon by a unipolar voltage, as shown by arrow 5. This individual active area according to FIG. 1 is spaced from the end 4c of the actuator, which faces away from the hot fluid supply, and from the active tip 4a. Examples of practical realizations of the breadth of a single An active area 4b, the actuator tip 4a, the area in between 4e and the distance between the active area 4b and the end 4c are shown by the arrows a, b, c, d in FIG. 2. It should be pointed out that the dimensioning of these elements can be used to change the pulse running times and the force curves that arise.
Der Aktor 4 ist im hinteren Bereich durch eine Gleitführung β gehalten, die den Aktor ohne signifikante Beeinträchtigung seiner Beweglichkeit so führt, dass auf die Verbindungsstelle zwischen dem Aktor...4 und der Membranwand 3b kein belastendes Moment wirken kann, indem Gleitführung 6 vertikale Bewegungen verhindert, jedoch Stoß- und/oder Schallwellen, die durch den Aktor 4 nach vorne oder hinten laufen, ungehindert und unbe- dämpft passieren lässt.The actuator 4 is held in the rear area β by a sliding guide that guides the actuator without significant impairment of its mobility, that the joint between the actuator ... 4 and the diaphragm wall 3b cannot act as a stressful moment, since the sliding guide 6 prevents vertical movements, but allows shock and / or sound waves that run through the actuator 4 forwards or backwards to pass unhindered and undamped.
Die Anordnung wird verwendet wie folgt:The arrangement is used as follows:
Es wird zunächst das Fluid in gewohnter Weise auf die erfor- derliehe Temperatur erwärmt. Dann wird eine Spannung U für eine Zeit t = to bis t2 (vergleiche Fig. 2) an den aktiven Bereich 4b angelegt. Dieser kontrahiert sich beim Anlegen des Spannungsimpulses und es entsteht eine durch den Aktor laufende Kontraktionswelle, die zum einen in Richtung auf die vordere Spitze 4a läuft und zum anderen in Richtung auf das rückwärtige Ende. Am rückwärtigen Ende tritt auf Grund der sprungartigen Impedanzverminderung eine Reflektion mit Phasenumkehr auf. Dabei wird die Kontraktionswelle in eine Druckwelle umgewandelt, d. h. an Stelle der vorherigen Kon- traktion folgt nun eine Expansion des Materials. Während der reflektierte Impuls zur Zeit t2 durch den aktiven Bereich als Expansionswelle läuft, wird die Spannung am Aktor wieder ab-
geschaltet. Dies führt dazu, dass sich der Aktorbereich 4b wiederum dehnt und eine Überhöhung der Expansionswelle, die in Richtung der Aktorspitze läuft, auftritt. Es ist einsichtig, dass aus den Laufzeiten der Schallwelle durch den Aktor, der Ausdehnung des aktiven Bereiches sowie der Entfernung d ' des aktiven Bereiches zum freien Ende 4c des Aktors die erforderliche Pulsdauer des Spannungsimpulses U bestimmt werden kann, und es ist weiter einsichtig, dass nicht ausschließlich ein dauerhafter Puls angelegt werden muss. Vielmehr wäre eventuell ein Puls mit anderer Flankenform anzulegen und/oder ein' Pulszug zur Erregung, falls dies gewünscht wäre, wobei auch ein bestimmter Pulsverlauf vorgegeben werden könnte.The fluid is first heated up to the required temperature in the usual way. A voltage U is then applied to the active region 4b for a time t = to to t 2 (cf. FIG. 2). This contracts when the voltage pulse is applied and there is a contraction wave running through the actuator, which on the one hand runs in the direction of the front tip 4a and on the other hand in the direction of the rear end. At the rear end, a reflection with phase reversal occurs due to the sudden reduction in impedance. The contraction wave is converted into a pressure wave, ie the material is expanded instead of the previous contraction. While the reflected pulse runs through the active area as an expansion wave at time t 2 , the voltage at the actuator is reduced again. connected. As a result, the actuator area 4b expands again and the expansion wave, which runs in the direction of the actuator tip, is raised. It is obvious that the required pulse duration of the voltage pulse U can be determined from the propagation times of the sound wave through the actuator, the extension of the active area and the distance d 'of the active area to the free end 4c of the actuator, and it is also clear that a permanent pulse does not have to be applied exclusively. Rather, possibly a pulse would be applied to the other flank form and / or a 'train of pulses to excite, if this would be desired, with a certain pulse development could be given.
Zum Zeitpunkt t3 ist jetzt die Kontraktionswelle aus dem Ein- schalten des Spannungsimpulses zur Zeit t0 fast bis zur Aktorspitze gelaufen, die am hinteren Aktorende reflektierte Welle ist mit der entspannungserzeugten Druckwelle überlagert und hat den aktiven Bereich in Richtung auf die Aktorspitze verlassen, während die entspannungserzeugte Welle, die durch den Aktor in Richtung auf das freie Aktorende 4c läuft, gerade an diesem freien Aktorende 4c reflektiert wird, was durch den Phasensprung wiederum zu einer Unterdruckwelle im Aktor führt. Wenn diese Schallwellenpakete nun in Richtung auf die Aktorspitze weiter zulaufen, wie auf den Teilbildern t, ts, t6, t7, ts in Fig. 2 angedeutet, ergibt sich auf der Aktorspitze bzw. der Heißfluidmembran 3b zunächst ein Unterdruck, dann, kurze Zeit später, ein wesentlich größerer Überdruck, und dann, einige Zeit später, wieder ein Unterdruck.At time t 3 , the contraction wave from switching on the voltage pulse at time t 0 almost ran to the actuator tip, the wave reflected at the rear end of the actuator is overlaid with the relaxation-generated pressure wave and has left the active area in the direction of the actuator tip while the relaxation-generated wave that runs through the actuator in the direction of the free actuator end 4c is reflected at this free actuator end 4c, which in turn leads to a vacuum wave in the actuator due to the phase jump. If these sound wave packets now run in the direction of the actuator tip, as indicated in the partial images t, ts, t 6 , t 7 , ts in FIG. 2, an underpressure initially results on the actuator tip or the hot fluid membrane 3b, then, briefly Time later, a much greater overpressure, and then, some time later, another underpressure.
Dieser akustische Druckverlauf führt dazu, dass das in derThis acoustic pressure curve leads to that in the
Düse kapillarisch gehaltene Fluidmaterial etwas zurückgezogen wird, dann das Fluid aus der so quasi vordefinierten Lage mit
hohem Druck ausgestoßen wird und dann, quasi sofort danach, eventuell noch in der Kapillaröffnung vorhandenes Heißfluid wieder zurückgezogen wird. Dies trägt zu einer sehr exakten Wiederholbarkeit bei, ungeachtet von Kapillareffekten, Aus- dehnungen usw. und erlaubt hohe Ausstoßfrequenzen.When the nozzle capillary fluid material is withdrawn somewhat, the fluid is then drawn out of the quasi-predefined position high pressure is ejected and then, almost immediately afterwards, any hot fluid still present in the capillary opening is withdrawn again. This contributes to a very exact repeatability, regardless of capillary effects, expansions etc. and allows high output frequencies.
In der Zeit bis zum nächsten Stoß strömt gedrosselt Material aus dem Vorrat in die Heißfluidkammer nach.In the time until the next shock, material flows from the supply into the hot fluid chamber.
Es ist einsichtig, dass durch geeignete Impulsformen und/oder Aktorbereichsanordnungen andere Pulsverläufe erhalten werden können, falls dies gewünscht wird. Die Art und Weise, wie dies mit einfachen Mitteln möglich ist, wird auch aus dem Vorstehenden ersichtlich sein. Eine erste Variante der Akto- ranordnung ist in Fig. 4a gezeigt, wonach der aktive Bereich 4b 'größer gewählt ist und zudem am freien Aktorende 4c' eine trägheiterhöhende Verdickung 4c 'vorgesehen ist. Fig. 4b zeigt, dass mehrere aktive Bereiche 4b 'getrennt von inaktiven Bereichen 4e'' vorgesehen sein können.
It is obvious that other pulse shapes can be obtained by suitable pulse shapes and / or actuator area arrangements, if this is desired. The manner in which this can be done with simple means will also be evident from the foregoing. A first variant of the actuator arrangement is shown in FIG. 4a, according to which the active area 4b 'is chosen to be larger and, in addition, an inertia-increasing thickening 4c' is provided at the free actuator end 4c '. 4b shows that a plurality of active areas 4b 'can be provided separately from inactive areas 4e' '.