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Die
Erfindung betrifft einen Druckkopf mit zumindest einer geradlinigen
oder mehreren zueinander versetzten Düsenreihen in einer Druckkomponente,
einem Druckmittelspeicher und ansteuerbaren Piezoelementen zum Ausstoßen von
Tröpfchen
aus den Düsen,
deren Öffnungen
nach oben gerichtet sind, wobei der Druckmittelspeicher tiefer als
die Düsen
angeordnet und mit einem einstellbaren konstanten Druck beaufschlagbar
ist.
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Druckwerke
mit Druckköpfen,
insbesondere Tintenstrahldrucker (Ink-Jet-Drucker) drucken Informationen,
wie beispielsweise ein Druckbildmuster, auf ein Substrat, indem
Tröpfchen
aus den Düsen ausgestoßen werden.
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Bei
den Substraten handelt es sich in erster Linie um plattenförmige elektrische
Leiterplatten, auf die Lack, Ätzpasten,
leitfähige
Tinten, leitfähige
Pasten, Lötstoplacke
und/oder dergleichen als Druckbildmuster strukturiert aufgedruckt
werden. Durch die gezielte lokale Aufbringung von beispielsweise ätzresistentem
Druckmedium bzw. Druckmittel entsprechend einer Leiterbildstruktur
wird gegenüber
einer vollflächigen
Aufbringen von Fotoresist bei herkömmlichen Verfahren die verbrauchte
Menge an Fotoresist – auch
wegen der geringeren Schichtdicke beim Drucken – um ca. 60% abgesenkt. Nach
dem Bedrucken kann das Leiterplattensubstrat sofort geätzt werden.
Gegenüber
den herkömmlichen
Verfahren zur Herstellung von elektrischen Leiterplatten entfällt das
ganzflächige
Laminieren des Substrats mit Ätzresist,
die Herstellung der Filme, das Belichten sowie das Entfernen des überschüssigen Resists.
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Die
in elektronischen Geräten
eingesetzten Leiterplatten, Platinen, Lötschutzmasken, werden in der
Weise hergestellt, dass mittels Tintenstrahldruckern strukturierte
metallische, elektrisch leitfähige Leiterbahnen
mit Hilfe von flüssigen
oder festen Fotoresisten, Ätzpasten,
Lötstoplacken
erzeugt werden.
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In
der JP 62-102539 ist ein Tintenstrahldrucker mit einem Druckkopf
beschrieben, der zwei Düsenreihen
aufweist, die nicht zueinander versetzt sind. Die Düsenöffnungen
sind nach oben gerichtet und ein Druckmittelbehälter ist tiefer als die Düsen angeordnet.
Der Druckmittelbehälter
wird bei Bedarf aus einem weiteren Behälter mit Druckmittel aufgefüllt. Der
Pegel des Druckmittels in dem Druckmittelbehälter ist höher als der Pegel des Druckmittelpegels
in den einzelnen Düsen.
Der Tintenstrahldruckerumfasst eine Außenkammer, eine Innenkammer
und eine Druckkammer, die zusammen den Tintendruckspeicher bilden.
Ein Düsenkanal
verbindet die Innenkammer des Tintendruckspeichers mit dem Druckkopf.
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Die
EP 0 429 434 A2 betrifft
einen Druckeinstellmechanismus für
einen Tintenstrahldrucker, der zwischen einem Druckkopf und einer
Luftquelle angeordnet ist. Die Düsen
des Druckkopfs sind so angeordnet, dass die Tintenstrahlen waagerecht
austreten. Ein Lufteinlass einer Luftkammer führt in das Innere des Behälters für die Tinte.
Die Luftkammer ist mit Druckluft über einen Druckregler beaufschlagt.
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In
der
EP 0 983 857 A1 ist
eine Vorrichtung für
die Druckkontrolle in einem Druckmittelbehälter eines Tintendruckers offenbart,
bei dem in einem Gehäuse
ein Kolben beweglich angeordnet ist. Das Gehäuse und der Kolben legen eine
Kammer mit variablem Volumen fest, die mit dem Druckmittelbehälter verbunden
ist. Der Kolben ist so weit vorgespannt, dass eine Druckdifferenz
zwischen der Außenatmosphäre und der
volumenveränderlichen
Kammer aufrecht erhalten bleibt, wobei der Kolben im Wesentlichen
durch die Schwerkraft vorgespannt ist. Die Düsen des Druckkopfes sind nach
unten gerichtet, wobei die Tinte in den Düsen unter dem statischen Druck
eines darüber
befindlichen Flüssigkeitsvolumens
steht. Ein Lecken der Tinte auf Grund dieses Druckes wird dadurch
vermieden, dass in dem Luftvolumen oberhalb des Flüssigkeitsvolumens
ein geringer Unterdruck herrscht. Der Unterdruck wird mittels der
Kolben-Kammeranordnung oder einer Vakuumpumpe eingestellt.
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Aus
der
EP 0 408 978 A1 ist
ein Druckkopf mit nach oben gerichteten Düsen bekannt. Die Düsenplatte
ist horizontal angeordnet und den Düsenöffnungen liegen Vibrationsplatten
mit ihren freien Enden gegenüber
Die Tinte wird durch Kapillarkraft in einem Spalt zwischen den Vibrationsplatten
und der Düsenplatte
festgehalten und durch Oberflächenspannung
in einem Spalt zwischen einer Anzahl von Platten von einem Tintenbehälter bis
in die Nähe
der Vibrationsplatten befördert.
Da die Tinte durch Kapillarkraft zwischen dem Tintenpegel in dem
Behälter und
den Vibrationsplatten befördert
wird, ist die Tintenversorgung unabhängig von dem Tintenpegel in dem
Behälter
stabil. Die Platten sind in einer Halterung in einem Zylinder angeordnet,
dessen Boden geöffnet
ist und über
einen Filter mit dem Tintenbehälter
in Verbindung steht. Die Halterung wird durch eine Heizung beheizt.
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Die
EP 0 121 895 A2 betrifft
einen Schreibkopf für
eine Tintenschreibeinrichtung, die einen Tintenbehälter aufweist,
der in der Nähe
einer die Schreibdüsenöffnung quer
durchsetzenden Ebene angeordnet ist. Eine flexible Leitung verbindet
den Tintenbehälter
mit dem Schreibkopf. Der Tintenbehälter kann als Zwischenbehälter ausgebildet
sein, der über
eine flexible Leitung von einem stationär untergebrachten Speicherbehälter gespeist
wird. Darüber
hinaus kann der Tintenbehälter
in den Schreibkopf integriert sein.
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Die
DE 38 17 754 A1 betrifft
eine Vorrichtung zum Reinigen und Verschließen der Düsenfläche eines Tintendruckkopfes.
Vor der Düsenfläche des
Tintendruckkopfes ist ein Dichtelement verschwenkbar angeordnet,
das je nach Stellung die Düsenfläche abdeckt
oder die Düsenöffnungen
in der Düsenfläche freigibt.
Das Dichtelement wischt während
seiner Verschenkbewegung mit einer scharfen Kante über die
Düsenfläche und
entfernt dabei Verschmutzungen von der Düsenfläche. An der Vorrichtung ist
ein Flüssigkeitsspeicher
mit einem Lösemittel
derart angeordnet, dass das aus dem Flüssigkeitsspeicher austretende
Lösemittel
das Dichtelement und die Düsenfläche benetzt.
Die aus den Düsen
austretende Tinte zum Spülen
des Tintendruckkopfes wird in eine Auffangrinne geleitet. Ein Sammeltank,
der mit der Auffangrinne verbunden ist, ist nicht vorhanden. Ebenso
wenig umschließt
die Auffangrinne den Druckkopf in seiner Gesamtheit.
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Druckwerke,
die eine Anzahl von Druckköpfen
umfassen, werden zum beidseitigen, deckungsgleichen und gleichzeitigen
Bedrucken von Substrat mit Druckbildmustern eingesetzt. Die wesentlichen Bestandteile
einer Vorrichtung sind ein oberes und ein unteres Druckwerk und
eine Substrattransporteinrichtung, mit deren Hilfe die zu bedruckenden Substrate
zwischen den Druckwerken horizontal hindurchgeführt werden. Dabei wird das
Druckbildmuster-Layout von einem CAD-System in Form einer Datei
ausgegeben, die durch eine bildbearbeitende Software der Vorrichtung
entsprechend den Anforderungen an den Druckvorgang umgesetzt wird.
Die aufgearbeiteten Daten werden durch eine Ansteuerhardware an
die Druckköpfe übertragen.
Die kontinuierlich arbeitende Substrattransporteinrichtung, bei der
die Einlaufrichtung gleich der Auslaufrichtung ist, bewegt die Substrate
in den Wirkbereich der Druckwerke, wobei die Substrate während des
Druckens gehalten und danach aus dem Wirkbereich abtransportiert
werden.
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Im
oberen Druckwerk der Vorrichtung kommen handelsübliche Tintenstrahldrucker
zum Einsatz. Die Düsen
dieser bekannten Druckköpfe
sind nach unten gerichtet, wobei der mit dem Druckmittel gefüllte Vorratstank
bzw. Vorratsbehälter
sich oberhalb der Düsenöffnungen
befindet. Die aus den Düsen
austretenden Tröpfchen
bewegen sich in Richtung der Schwerkraft und es treten keine Probleme bei
der Versorgung der Druckköpfe
aus dem Vorratsbehälter,
der das Druckmedium enthält, über Versorgungsleitungen
auf.
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Ein
derart strukturierter Druckkopf ist jedoch keineswegs für das untere
Druckwerk in der Weise geeignet, dass der Druckkopf nur um 180° gedreht wird.
Der Druckkopf bildet nämlich
mit seinem Vorratsbehälter
bzw. -tank eine feste Einheit, was bedeutet, dass durch eine 180°-Drehung der Vorratsbehälter unterhalb
der Düsenöffnungen
zu liegen käme, wodurch
sich das Problem ergäbe,
dass in Folge der Schwerkraft das Druckmittel aus dem Vorratsbehälter in
die Zuleitung zu dem Vorratsbehälter
fließen würde, da
diese Leitung an der Unterseite des Vorratsbehälters angeschlossen ist. Ein
weiterer Nachteil ergäbe
sich dadurch, dass die üblicherweise
vorgesehene Füllstandskontrolle
für den
Vorratsbehälter unwirksam
wäre.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, einen Druckkopf der eingangs genannten
Art bereit zu stellen, bei dem die Tröpfchen senkrecht nach oben
ausgestoßen
werden und die einwandfreie Versorgung der Düsen aus einem Druckmittelspeicher
auch dann sichergestellt ist, wenn der Druckmittelspeicher tiefer als
die Düsenöffnungen
des Druckkopfes angeordnet ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß in der Weise
gelöst,
dass zwischen dem Druckmittelspeicher und der Druckkomponente eine
Leitplatte angeordnet ist, in der ein Strömungskanal verläuft, dessen unteres
Ende mit einer nahe dem Boden des Druckmittelspeichers befindlichen
Austrittsöffnung
und dessen oberes Ende mit den Düsen
verbunden ist und dass die Leitplatte ein separates Bauteil oder
ein mit dem Druckmittelspeicher und/oder der Druckkomponente integriertes
Bauteil ist.
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In
Ausgestaltung der Erfindung ist der Druckmittelspeicher mit Druckluft
mit einem Überdruck
beaufschlagt.
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In
einer Ausführungsform
ist der Druckmittelspeicher ein Kolbenspeicher und ist der Pegel
und die Größe der Strecke
a zwischen dem Pegel und dem Pegel in der einzelnen Düse über den
Kolbenhub des Kolbenspeichers mechanisch einstellbar.
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Um
eine gleichmäßige Viskosität sicher
zu stellen, beheizt eine Heizung, die in der Leitplatte angeordnet
ist, die Leitplatte.
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Die
weitere Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen
der Patentansprüche
5 bis 11.
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Die
Erfindung wird im Folgenden an Hand der Zeichnungen näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines Druckkopfes nach der Erfindung,
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2 in
Explosionsdarstellung einzelne Bauteile des Druckkopfes nach 1,
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3 einen
Schnitt durch den Druckkopf nach 1 und
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4 eine
weitere Ausführungsform
des Druckkopfes nach der Erfindung.
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Ein
Druckkopf 1 umfasst eine Druckkomponente 2, in
der Düsen 13,
von denen jede ein Piezoelement aufweist, in einer geradlinigen
Reihe angeordnet sind, einen Druckmittelspeicher 3, eine
Leitplatte 4 und eine Abflussrinne 9, welche die
Druckkomponente 2 umgibt. Bei dem Druckkopf 1 handelt es
sich um einen Druckkopf, der in einem sogenannten unteren Druckwerk
Verwendung findet, das ein horizontal durch eine Druckvorrichtung
hindurchlaufendes Substrat auf der Unterseite bedruckt. Dies bedeutet,
dass das Druckmittel bzw. die Drucktinte als Tröpfchen senkrecht nachoben aus
den Düsen 13 ausgestoßen werden,
sobald die Piezoelemente einen entsprechenden Hochspannungsimpuls
erhalten. Das überschüssige Druckmittel
wird in der Abflussrinne 9 aufgefangen und über einen
beheizbaren Zwischentank 10 und eine beheizbare Abflussleitung 11 in
einen Sammeltank 12 geleitet. Der Sammeltank 12 ist
beispielsweise mit den Abflussrinnen von insgesamt sieben Druckköpfen verbunden. Selbstverständlich kann
der Sammeltank 12 auch für eine größere Anzahl von Druckköpfen ausgelegt sein.
Der Sammeltank 12 ist beheizt, um ein Antrocknen und Verklumpen
des Druckmittels zu verhindern. Aus den gleichen Gründen sind
der Zwischentank 10 und die Abflussleitung 11 beheizt.
Wie aus 1 ersichtlich ist, befindet
sich der Druckmittelspeicher 3 unterhalb der Düsen 13,
sodass Vorkehrungen getroffen werden müssen, das Druckmittel aus dem
tieferliegenden Druckmittelspeicher 3 in die Druckkomponente 2 mit
den Düsen 13 zu
fördern.
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Wie
in 2 gezeigt, befindet sich zwischen dem Druckmittelspeicher 3 und
der Druckkomponente 2 die Leitplatte 4, die einen
Strömungskanal 5 enthält. Der
Strömungskanal 5 ist
mit einer nahe dem Boden des Druckmittelspeichers 3 befindlichen
Austrittsöffnung
verbunden und verläuft
zweifach rechtwinklig abgeknickt in der Leitplatte 4. Die
Leitplatte 4 nimmt desweiteren eine Heizung 8,
beispielsweise eine elektrisch beheizte Heizpatrone auf, die parallel zu
und unterhalb eines horizontalen Abschnittes des Strömungskanals 5 angeordnet
ist. Der Strömungskanal 5 umfasst
einen senkrecht verlaufenden Abschnitt, den zuvor erwähnten horizontalen
Abschnitt und davon wieder abknickend einen senkrechten Abschnitt,
dessen Austrittsöffnung
mit der Druckkomponente 2 in Verbindung steht. Die Heizung 8 kann auch
in einer anderen Position als voranstehend angeführt, innerhalb der Leitplatte 4 angebracht
sein. Ebenso ist es möglich,
die Leitplatte 4 mit dem Strömungskanal 5 und der
Heizung 8 integral mit dem Druckmittelspeicher 3 und/oder
mit der Druckkomponente 2 zusammen zu fügen, d. h. diese Teile integral zu
gestalten.
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Auf
der Oberseite des Druckmittelspeichers 3 befinden sich
ein Druckluftanschluss 6 und ein Anschluss 7 für die Druckmittelzufuhr,
wie nachstehend noch näher
beschrieben werden wird.
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Gegenüber einem
Druckkopf, der in einem oberen Druckwerk verwendet wird, d. h. bei
dem Düsen
nach unten gerichtet sind, ergibt sich als Änderung die Drehung der Druckkomponente 2 mit
den Düsen 13,
um 180° gegenüber dem
Druckmittelspeicher 3, der eine räumliche Position einnimmt,
wie sie auch bei einem Druckkopf für ein oberes Druckwerk üblich ist.
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Da
bei dem erfindungsgemäßen Druckkopf 1 die
Druckkomponente 2 mit Düsen 13 oberhalb
des Druckmittelspeichers 3 angeordnet ist, muss das Druckmittel
aus dem Druckmittelspeicher 3 durch den Strömungskanal 5 in
der Leitplatte 4 in die einzelnen Düsen 13 gedrückt werden,
damit sich in den einzelnen Düsen 13 der
Druckkomponente 2 ein stabiler Pegel 14 (s. 3)
ausbilden kann.
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Hierzu
wird auf 3 Bezug genommen, in welcher
ein Pegel 15 im Druckmittelspeicher 3 und der
Pegel 14 in einer Düse 13 gezeigt
ist. Eine Strecke a gibt die Differenz in den Pegelständen der
Pegel 14 und 15 an. Die Differenz bzw. der Unterschied gemäß der Strecke
a in den Pegelständen
wird dadurch erreicht, dass der Druckmittelspeicher 3 mit Druckluft
gleichmäßig beaufschlagt
wird. Die einstellbare konstante Beaufschlagung mit der Druckluft,
die beispielsweise einen Überdruck
von 2 bis 10 mbar hat, erfolgt über
einen Druckluftschlauch, der den Druckluftanschluss 6 mit
einer Druckluftquelle 17, beispielsweise einer Pumpe, verbindet.
Der Druckmittelspeicher 3 ist desweiteren mit einem Druckmittelversorgungstank 18 über eine
Leitung verbunden, die an dem Anschluss 7 für die Druckmittelzufuhr
befestigt ist. Der Anschluss 7 weist ein Absperrelement 21 auf,
das es ermöglicht,
die Verbindung zu dem Druckmittelversorgungstank 18 abzuschließen, wenn eine
Zufuhr von Druckmittel zu dem Druckmittelspeicher nicht erforderlich
ist. Das Absperrelement 21 ist ein Ventil, Schieber oder
Hahn. Jedes dieser Elemente ist beheizbar. Ebenso kann als Absperrelement 21 ein
Halbleiterelement mit Peltier-Effekt verwendet werden. Hierbei führt der
elektrische Stromfluss durch eine Kontaktstelle zwischen zwei unterschiedlichen
Materialien in einer Richtung zu einer Abkühlung der Kontaktstelle, während die
Umpolung des Stromsflusses dagegen zu einer Erwärmung der Kontaktstelle führt. Die
Erwärmung
der Kontaktstelle ist gekoppelt mit der Absperrung durch das Element 21.
Daneben tritt stets auch Joul'sche
Wärme auf,
die ein Verklumpen des Druckmittels sowohl bei offenem als auch
gesperrtem Element 21 verhindert. Der Druckmittelspeicher 3 ist
nahe seinem Boden mit dem unteren Ende des Strömungskanals 5 in der Leitplatte 4 verbunden,
wobei das obere Ende des Strömungskanals 5 direkt
an die Düse 13 anschließt.
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Die
Düsen 13 in
der Druckkomponente 2 sind in einer geradlinigen Reihe
angeordnet, jedoch ist es auch möglich
die Düsen
in zwei oder mehreren zueinander versetzten Reihen anzuordnen. Wie schon
zuvor erwähnt
wurde, umgibt die Abflussrinne 9 die Druckkomponente 2,
wobei die Abflussleitung 11 die Abflussrinne 9 mit
dem Sammeltank 12 verbindet. Die Abflussrinne 9 ist
entweder mittels einer umlaufenden Abdichtung 20 gegenüber den
Außenflächen der
Druckkomponente 2 bzw. der Leitplatte 4 abgedichtet.
Ebenso ist es möglich
die Abflussrinne 9 integral mit den Außenflächen der Druckkomponente 2 und
der Leitplatte 4 zusammenzufügen, sodass die Abdichtung
entfallen kann.
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In 4 ist
eine weitere Ausführungsform des
Druckkopfes 1 dargestellt, bei der ein Druckmittelspeicher 16 in
Form eines Kolbenspeichers ausgebildet ist. Die Leitplatte 4 und
die Druckkomponente 2 sind gegenüber der in den 1 bis 3 dargestellten
Ausführungsform
des Druckkopfes unverändert.
Bei dieser Ausführungsform
entfällt
eine Druckluftquelle, da der Pegel 15 innerhalb des Druckmittelspeichers 16 durch
den Kolbenhub des Kolbens 19 geregelt wird. Durch das mechanische
Hin- und Herverfahren des Kolbens 19 wird ein entsprechender Druck
auf das Druckmittel ausgeübt
und die Höhe des
Pegels 14 in der Düse 13 geregelt
bzw. eingestellt. Nahe dem Boden des Druckmittelspeichers 16 befindet
sich der Anschluss 7, der gleichfalls durch ein Ventil 21 absperrbar
ist, sodass die Leitung zu dem nicht gezeigten Druckmittelversorgungstank dichtend
abgeschlossen werden kann. Die übrigen Bauteile
dieser Ausführungsform
des Druckkopfes sind identisch mit den Bauteilen der in den 1 bis 3 gezeigten
Ausführungform
des Druckkopfes und sind daher auch mit gleichen Bezugszeichen belegt.
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- 1
- Druckkopf
zum Drucken von unten nach oben
- 2
- Druckkomponente
mit Düsen 13 und
Piezoelementen
- 3
- Druckmittelspeicher
- 4
- Leitplatte
(beheizbar)
- 5
- Strömungskanal
in 4
- 6
- Druckluftanschluss
- 7
- Anschluss
für Druckmittelzufuhr
- 8
- Heizung
für Leitplatte 4
- 9
- Abflussrinne
für überschüssiges Druckmittel
- 10
- Zwischentank
für überschüssiges Druckmittel (beheizbar)
- 11
- Abflussleitung
für überschüssiges Druckmittel (beheizbar)
- 12
- Sammeltank
für überschüssiges Druckmittel (beheizbar)
- 13
- Düse mit Piezoelement
in 2
- 14
- Pegel
innerhalb der einzelnen Düse 13
- 15
- Pegel
im Druckmittelspeicher 3
- 16
- Druckmittelspeicher
(= Kolbenspeicher)
- 17
- Druckluftquelle
(Pumpe)
- 18
- Druckmittelversorgungstank
- 19
- Kolben
- 20
- Abdichtung
- 21
- Absperrelement
(beispielsweise Ventil, Schieber, Hahn, jeweils beheizbar, Peltierelement)
- a
- Strecke
(Differenz der Pegel 14 und 15)