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Druckkopf zum Ausspritzen eines heißen flüssigen Mediums
sowie Verfahren zur Inbetriebnahme des Druckkopfes und Verfahren
zur Außerbetriebnahme
des Druckkopfes Die Erfindung betrifft einen Druckkopf zum Ausspritzen
eines heißen
flüssigen
Mediums gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren zur Inbetriebnahme des
Druckkopfes und ein Verfahren zur Außerbetriebnahme des Druckkopfes.
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Aus dem Stand der Technik
DE 199 31 110 A1 ist
ein Druckkopf zum Ausspritzen eines heißen flüssigen Mediums bekannt. Der
Druckkopf weist eine Membran auf, die eine Wandung einer Mediumkammer
bildet. Zudem ist ein mit der Membran in mechanischem Kontakt stehender
Aktor vorhanden, der sich dadurch auszeichnet, dass der Aktor von
der Membran thermisch entkoppelt ist. Bei der Außerbetriebnahme eines derartigen
Druckkopfes erstarrt das noch im Druckkopf befindliche Medium wieder. Dabei
kommt es prinzipbedingt zu einer materialabhängigen starken Schrumpfung
des Mediums. Solange dabei noch Teile des Kanal- und Düsensystems
im Druckkopf flüssiges
Material enthalten, kann dieses im Bereich des schon erstarrten
Materials das Schrumpfvolumen ausgleichen. Dabei kann das Material
oder Fluid aber derart weit aus der Düse zurück in die Druckkammer gesaugt
werden, dass eine spätere
erneute Inbetriebnahme unmöglich
oder zumindest erschwert wird. Im Allgemeinen gelingt dies dann
nur mit zusätzlichen,
aufwendigen und materialvergeudenden Spülprozessen.
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Des weiteren ist aus dem Stand der
Technik
DE 100 32
382 A1 ein Druckchip für
einen nach dem Tintendruckprinzip arbeitenden Druckkopf bekannt. Der
Druckchip weist eine Ausnehmung auf, die eine Mediumkammer bildet.
Zudem ist eine auslenkbare Membran vorgesehen, die eine Wandung
der Mediumkammer bildet. In die Mediumkammer mündet ein Kanal für die Zuführung eines
Mediums, welches durch eine in der Mediumkammer vorhandene Ausspritzöffnung heiß und flüssig ausgespritzt
wird. Der Druckchip ist ausschließlich aus einkristallinem Silizium
hergestellt. Auch diese Ausführungsform
hat jedoch den Nachteil, dass das Material beim Außerbetriebsetzen
derart weit von der Düse
oder Ausspritzöffnung
zurück
in die Druckkammer gesaugt werden kann, dass eine spätere erneute
Inbetriebnahme unmöglich
oder zumindest erheblich erschwert wird.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es
daher, einen Druckkopf zum Ausspritzen eines heißen flüssigen Mediums sowie ein Zerfahren
zur Inbetriebnahme des Druckkopfes und ein Verfahren zur Außerbetriebnahme
des Druckkopfes anzugeben, bei dem der Druckkopf nach einer Außerbetriebnahme
ohne weiteres wieder in Betrieb genommen werden kann.
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Die Aufgabe wird durch einen Druckkopf
zum Ausspritzen eines heißen
flüssigen
Mediums mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
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So weist der erfindungsgemäße Druckkopf zum
Ausspritzen eines heißen
flüssigen
Mediums eine Kammer für
das Medium und ein Heizelement zum Verflüssigen des Mediums in der Kammer
auf. Die Kammer weist eine Kammeröffnung auf, die bedarfsweise
mittels einer Wärmesenke
kühlbar
ist.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung ergeben sich aus den in den abhängigen Patentansprüchen angegebenen
Merkmalen.
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Vorteilhafter Weise weist der Druckkopf
als Wärmesenke
ein wärmeleitfähiges Material
auf.
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In einer Weiterbildung der Erfindung
ist das wärmeleitfähige Material
der Wärmesenke
ein Metall.
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In einer zusätzlichen Weiterbildung der
Erfindung weist die Wärmesenke
eine Auslassöffnung zum
Auslass eines Gasstroms auf.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist eine
Düse, welche
die Auslassöffnung
aufweist, vorgesehen. Mit der Düse
ist ein gerichteter gebündelter Gasstrom
erzeugbar und die Düse
ist dabei so ausgerichtet, dass mit dem Gasstrom die Kammeröffnung kühlbar ist.
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Bei einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist der Abstand der Wärmesenke gegenüber der
Kammeröffnung
veränderlich.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Inbetriebnahme
des Druckkopfes weist folgende Schritte auf. Zuerst wird das Medium
außerhalb
des Bereichs der Kammeröffnung,
und zwar insbesondere in der Kammer, erwärmt. Anschließend wird
das Medium im Bereich der Kammeröffnung
erwärmt.
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Bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Inbetriebnahme des Druckkopfes wird während der Erwärmung des
Mediums außerhalb
des Bereichs der Kammeröffnung
der Bereich der Kammeröffnung
durch die Wärmesenke
gekühlt.
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Bei einer zusätzlichen Weiterbildung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Außerbetriebnahme
des Druckkopfes wird das flüssige
Medium nur im Bereich der Kammeröffnung
bis zur Erstarrung abgekühlt.
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In einer Ausführungsform weist das erfindungsgemäße Verfahren
zur Außerbetriebnahme des
Druckkopfes folgende Schritte auf. Zuerst wird das flüssige Medium
im Bereich der Kammeröffnung bis
zur Erstarrung abgekühlt.
Anschließend
wird das Medium außerhalb
des Bereichs der Kammeröffnung abgekühlt.
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Bei einer zusätzlichen Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Inbetriebnahme oder Außerbetriebnahme
des Druckkopfes wird das Medium im Bereich der Kammeröffnung mittels
der Wärmesenke
abgekühlt.
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Sowohl bei dem Verfahren zur Inbetriebnahme
als auch bei dem Verfahren zur Außerbetriebnahme des Druckkopfes
kann das Medium im Bereich der Kammeröffnung mittels eines Gases
abgekühlt werden.
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Schließlich kann bei den beiden Verfahren die
ein wärmeleitfähiges Material
aufweisende Wärmesenke
in Kontakt mit dem Bereich der Kammeröffnung gebracht werden.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand
von drei Figuren weiter erläutert.
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1 zeigt
den prinzipiellen Aufbau des erfindungsgemäßen Druckkopfes mit abgerückter Wärmesenke
im Querschnitt;
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2 zeigt
den prinzipiellen Aufbau des erfindungsgemäßen Druckkopfes mit anliegender
Wärmesenke
im Querschnitt;
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3 zeigt
den prinzipiellen Aufbau des erfindungsgemäßen Druckkopfes mit einer zweiten Ausführungsform
der Wärmesenke
im Querschnitt.
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Der in 1 dargestellte
Druckkopf 1 ist in Modulweise aufgebaut und umfasst mehrere
Module. Im gezeigten Ausführungsbeispiel
umfasst der Druckkopf drei Module, nämlich einen sogenannten Druckchip 3,
ein Aktormodul 4 und ein Heiz- und/oder Kühlmodul 5,
welches im folgenden lediglich als Heizmodul bezeichnet wird. Diese
drei Module sind separate Bauteile, die durch Zusammensetzen beziehungsweise
Miteinanderverbinden den Druckkopf 1 bilden.
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Der Grundkörper 6 des Druckchips 3 ist
vorzugsweise aus einem Halbleitergrundwerkstoff, beispielsweise
Silizium, hergestellt. Der auch als Substrat bezeichnete Grundkörper 6 bildet
zusammen mit einer Membran 7 zumindest eine Mediumkammer 8 aus.
Die Wandungen der Mediumkammer 8 werden also von dem Substrat 6 und
der Membran 7 gebildet, wobei das Substrat 6 beziehungsweise
der Grundkörper – im Querschnitt
gesehen – im
wesentlichen wannenartig ausgebildet ist und die Membran 7 die Öffnung des
wannenartigen Grundkörpers 6 abdeckt. An
der Innenseite 9 des Substrats 6 können mikromechanische
Strukturen vorgesehen sein, die zur Mediumführung innerhalb der Mediumkammer 8 und zur
Ausbildung mehrerer Teilmediumkammern dienen. Eine weitere mikromechanische
Struktur bildet die Düse 2 der
Mediumkammer 8.
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Bevorzugt ist die Membran 7 aus
Borosilikatglas hergestellt und mit den Wannenrändern des Grundkörpers 6 vorzugsweise
durch anodisches Borden verbunden. Alternativ ist es auch möglich, die Membran 7 aus
Silizium herzustellen und durch das sogenannte Silicon-Fusion-Bonding
mit den Wannenrändern
des Grundkörpers 6 zu
verbinden. Die Membran 7 ist also mit dem Grundkörper 6 fest
verbunden.
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Das auch als Betätigungseinrichtung bezeichnete
Aktormodul 4 besitzt ein Gehäuse 10, welches einen
Aktor 11 umgibt. Vorzugsweise ist das Gehäuse 10 aus
einem elektrisch nicht und thermisch schlecht leitenden Material
hergestellt. Vorzugsweise wird ein Material für das Gehäuse 10 gewählt, das
annähernd
denselben Wärmeausdehnungskoeffizienten
be sitzt wie der Werkstoff für
den Aktor 11. Hierzu kann beispielsweise eine Keramik, insbesondere
Zirkonoxid, vorgesehen sein. Das Gehäuse 10 weist an seiner
der Membran 7 zugewandten Seite keine Gehäusewandung
auf. Die Öffnung des
Gehäuses 10 wird
also von der Membran 7 abgedeckt. Zur Verbindung von Druckchip 3 und
Aktormodul 4 ist vorgesehen, dass die Membran 7 zumindest
im Bereich ihrer Berührstellen
mit dem Gehäuse 10 vergoldet
ist. Diese Vergoldung kann beispielsweise durch Bedampfen oder Sputtern
aufgebracht werden. Gegebenenfalls kann zwischen der Vergoldung
und der Membran zumindest eine sogenannte Haftvermittlerschicht
vorgesehen sein. Die die Öffnung 12 des
Gehäuses 10 umgebenden
Ränder 13 sind
vorzugsweise ebenfalls vergoldet ausgebildet. Dies kann beispielsweise
mit einer goldhaltigen Dickschicht-Einbrennpaste realisiert werden.
Zur Herstellung der eigentlichen Verbindung 14 ist dann
vorgesehen, eine Goldschweiß-
oder Lötverbindung
zwischen Druckchip 3 und Aktormodul 4 herzustellen.
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Wie vorstehend erwähnt, umgibt
das Gehäuse 10 den
Aktor 11. Der Aktor 11 ist als Lamelle, also als
langer dünner
Streifen ausgebildet, der im Querschnitt vorzugsweise rechteckig
vorliegt. Der Aktor 11 ist im Ausführungsbeispiel ein Piezoelement 15, welches
sich von der Gehäuserückseite 16 bis
zur Membran 7 hin erstreckt und diese berührt. Die
Gehäuserückwand 16 des
Gehäuses 10 weist
einen Durchbruch 17 auf, der von einem Ende 18 des
Aktors 11 durchgriffen wird. Mit seinem Ende 18 ist
der Aktor 11 innerhalb des Durchbruchs 17 vorzugsweise durch
eine Klebung festgelegt. Das Gehäuse 10 bildet
so mit ein Stützelement
beziehungsweise einen Tragkörper 19 für den Aktor 11.
Am Ende 18 des Aktors 11 ist vorzugsweise noch
ein Fortsatz 20 vorgesehen, der aus dem Gehäuse 10 herausragt,
also über
die Gehäuserückwand 16 hinaussteht.
Der Fortsatz 20 ist an seiner dem Betrachter zugewandten Seite
mit einem elektrischen Kontaktiermittel 21 versehen. Auch
an der dem Betrachter abgewandten Seite des Fortsatzes 20,
also der Seite, die nicht sichtbar parallel zur Zeichnungsebene
liegt, ist er mit einem weiteren Kontaktiermittel versehen. Jedes Kontaktiermittel
ist elektrisch leitend verbunden mit einer Aktivierungselektrode
für den
Aktor.
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An seinem anderen Ende 23 steht
der Aktor 11 in mechanischer Wirkverbindung mit der Membran 7.
Es ist möglich,
den Aktor 11 beziehungsweise das Piezoelement 15 nur
bereichsweise mit Aktivierungselektroden zu bestücken. Der Aktor 11 bildet dann
in dem Bereich, in dem er einen rechteckigen Querschnitt hat, einen
aktiven Teil 24 und in dem Bereich, in dem er sich verjüngt, einen
passiven Teil 25. Am passiven Teil 25 sind entweder
keine Aktivierungselektroden vorgesehen oder aber am Übergangsbereich
zwischen aktivem und passivem Teil sind die Aktivierungselektroden
unterbrochen, also elektrisch nicht miteinander verbunden. Der aktive Teil 24 des
Aktors 11 ist im Ausführungsbeispiel
wesentlich länger
als der passive Teil 25 ausgebildet. Ausgehend von der
Rückwand 16 erstreckt
sich der Aktor 11 in Richtung zur Membran 7 mit
seinem aktiven Teil 24, an den sich sein passiver Teil 25 anschließt, dessen
Ende 23 an der Membran 7 anliegt. Der passive
Teil 25 bildet ein Wärmesperrelement
26, so
dass an der Membran 7 vorliegende Wärme keinen Einfluss auf den
piezoelektrisch aktiven Teil 24 des Aktors 11 hat.
Mithin ist der Aktor 11 beziehungsweise sein aktiver Teil 24 thermisch
von der Membran 7 entkoppelt. Unter dem Wärmesperrelement 26 wird ein
Element verstanden, das die Wärme
schlecht leitet oder zumindest so ausgebildet ist, dass die an der Membran 7 vorliegende
Wärme abgeschwächt beziehungsweise
vermindert zum aktiven Teil 24 weitergeleitet wird. Um
die schlechte Wärmeleitung
zwischen Membran 7 und Aktor 11 noch zu erhöhen, ist vorzugsweise
vorgesehen, dass der passive Teil 25 des Aktors 11 sich
in Richtung der Membran 7 verjüngt. Somit liegt eine kleine
Berührfläche zwischen Membran 7 und
dem Aktor beziehungsweise dem Wärmesperrelement 26 vor,
so dass eine kleine Wärmeübergangsfläche gegeben
ist.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
ist der Aktor 11 also einstückig ausgebildet, das heißt, dass der
aktive und der passive Teil 24 und 25 aus demselben
Material einstückig
hergestellt sind.
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Bevorzugt ist das Gehäuse 10 von
der Membran 7 thermisch entkoppelt. Somit liegt ein geringer Wärmefluss
von der Membran 7 zum Gehäuse 10 vor, so dass
die an der Membran 7 vorliegende Wärme im wesentlichen nicht bis
zur Gehäuserückwand 16 vordringen
kann, die als Widerlager W für
den Aktor 11 dient. Somit ist auch das Ende 18 des
Aktors thermisch von der Membran entkoppelt, so dass eine Wärmebeeinflussung
des aktiven Teils 24 gering gehalten ist. Zur thermischen
Entkopplung zwischen Membran 7 und Gehäuse 10 ist insbesondere
vorgesehen, dass die Ränder 13 des
Gehäuses 7 geringe Berührflächen mit
der Membran 7 aufweisen. Hierzu sind insbesondere mehrere
Schlitze 27 vorgesehen, die randoffen ausgebildet sind.
Die Schlitze und die dazwischen liegenden Zinken 28 bilden
somit eine Kammstruktur, so dass zwischen Membran 7 und Gehäuse 10 relativ
geringe Wärmeübergangsflächen vorliegen.
Die Schlitze 27 erstrecken sich vorzugsweise an der unteren
Gehäusewandung 31 und
der oberen Gehäusewandung 32 des
Gehäuses 10. Selbstverständlich können auch
an den seitlichen Gehäusewandungen
an dessen Rändern
derartige Schlitze beziehungsweise Kammstrukturen vorgesehen sein.
Die Schlitze 27 erstrecken sich nur bereichsweise in den
Gehäusewandungen,
also nicht bis zur Gehäuserückwand 16.
Der Tragkörper 19 ist also
vorzugsweise so geformt, dass die Schlitze 27 beziehungsweise
Kammstrukturen, der Durchbruch 17 und die Schutzmediumeintrittsöffnung 43 von
vorn oder hinten einbringbar sind, also keine seitlichen Öffnungen
ausgebildet werden müssen.
Hierdurch lässt
sich der Tragkörper 18 sehr
einfach in einer Gussform herstellen.
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Dadurch, dass die Schlitze 27 vorgesehen sind,
besitzt das Gehäuse 10 auch
eine Wärmeausdehnungskompensation.
Obwohl durch die kleinen Berührflächen 30 eine
thermische Entkopplung zwischen Membran 7 und Gehäuse 10 vorliegt,
erwärmt sich
dennoch das Gehäuse 10 in
seinem der Membran benachbart liegenden Bereich. Um ein "Verziehen" des Gehäuses 10 beziehungsweise
des Tragkörpers 19 zu
vermindern beziehungsweise zu vermeiden, dienen die Schlitze 27 der
Wärmeausdehnungskompensation.
Es ist insbeson dere aus 1 ersichtlich,
dass sich die Gehäusewandungen 31, 32 zu
den Rändern 13 hin
verjüngen.
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An seiner der Membran 7 abgewandten
Seite ist am Grundkörper 6 das
Heizmodul 5 vorgesehen. Das Heizmodul 5 befindet
sich auf, der Seite des Wannenbodens 34 des Grundkörpers 6.
Das Heizmodul 5 umfasst eine Wärmequelle 35, die
von einer Lichtquelle 36 gebildet sein kann. Bevorzugt
wird für die
Lichtquelle 36 eine Halogenlampe verwendet. Mittels der
Wärmequelle 35 kann
ein in der Mediumkammer 8 vorliegendes metallisches Medium
derart erhitzt werden, dass es in flüssiger Phase vorliegt, so dass
es durch die Düse 2 aus
dem Druckchip 3 ausgebracht werden kann. Um den Wirkungsgrad
der Wärmequelle 35 zu
erhöhen,
ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Wärmequelle 35 von einer
Einhäusung 37 umgeben
ist, die von dem Wannenboden 34 verschlossen ist. An der
Innenseite der Einhäusung 37 ist
eine Verspiegelung 38 aufgebracht, die die von der Wärmequelle 35 ausgehende
Wärmestrahlung
in Richtung des Wannenbodens 34 reflektiert. Somit kann
die von der Wärmequelle 35 erzeugte
Wärme im
wesentlichen nicht aus der Einhäusung 37 austreten.
Es kann auch vorgesehen sein, dass die Einhäusung 37 aus einem
schlecht wärmeleitenden
Material hergestellt ist. Für
die Anordnung der drei Module 3, 4, 5 ist
eine Reihenanordnung gewählt,
so dass die Wärmequelle 35 nicht
direkt auf den Aktor 11 einwirken kann.
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Für
den Druckkopf 1 ergibt sich folgende Funktionsweise:
Der
Druckkopf 1 wird zum Ausspritzen eines heißen flüssigen Mediums
verwendet, welches zumindest in der Mediumkammer 8 heiß und in
der flüssigen
Phase vorliegt. Durch die Aktivierung des Aktors 11 wird die
Membran 7 in Richtung des Wannenbodens 34 ausgelenkt
beziehungsweise durchgebogen, so dass sich das Volumen der Mediumkammer 8 verringert. Dadurch
wird ein der Volumenverringerung der Mediumkammer 8 proportionaler
Anteil des heißen
flüssigen
Mediums aus der Düse 2 herausgedrückt. Durch eine
anschließende
Deaktivierung des Aktors 11 wird die Membran wieder von
dem Wannenboden 34 zurückgezogen,
wodurch aus der Düse 2 das
heiße flüssige Medium
als Tropfen ausgebracht wird. Die Auslenkung der Membran 7 wird
durch die elektrische Aktivierung des Piezoelements 15 erreicht. Durch
Anlegen einer elektrischen Spannung an die Aktivierungselektroden ändert das
lamellenförmige Piezoelement 15 seine
räumliche
Gestalt. Je nachdem, mit welcher Polarität die Aktivierungselektroden angesteuert
werden, verlängert
oder verkürzt
sich der aktive Teil 24 des Piezoelements. Somit kann die Membran
in Richtung des Wannenbodens 34 durchgebogen oder herausgebogen
beziehungsweise gewölbt
werden. Damit ändert
sich durch die Ansteuerung des Aktors 11 beziehungsweise
des Piezoelements 15 das Volumen in der Mediumkammer 8. Durch
impulsartige Ansteuerung des Aktors 11 können mehrere
Tropfen des heißen
flüssigen
Mediums aus der Düse 2 nacheinander
ausgebracht werden. Je nach Ansteuerungsfrequenz können diese
Tropfen sehr schnell hintereinander aus der Düse 2 ausgespritzt
werden. Je nach Energieeintrag an die Aktivierungselektroden kann
die Stärke
der Auslenkung der Membran 7 beeinflusst werden.
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Um das Volumen der einzeln ausgebrachten Tropfen
im wesentlichen konstant zu halten, ist es wichtig, dass der Aktor 11 von äußeren Einflüssen, beispielsweise
Wärme oder
mechanischer Verformung freigehalten wird, so dass die Membran 7 bei jeder
Ansteuerung beziehungsweise Auslenkung denselben Weg zurücklegt.
Um den Wärmeeinfluss zu
dem Aktor 11 möglichst
gering zu halten, ist – wie vorstehend
erwähnt – das Wärmesperrelement 26 vorgesehen.
Zur Verminderung von mechanischen Einflüssen auf das Piezoelement 15 ist – wie vorstehend
erwähnt – auch das
Gehäuse 10 beziehungsweise
der Tragkörper 19 des
Aktors 11 wärmetechnisch
von der Membran 7 entkoppelt und weist außerdem die
vorstehend beschriebene Wärmeausdehnungskompensation
auf.
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Um die mechanische Stabilität und Ausrichtung
der Aktoren 11 zu erhöhen,
ist innerhalb des Gehäuses 10 eine
sogenannte Justier- und Halteplatte 39 vorgesehen, die
im Querschnitt im Wesentlichen C-förmig ausgebildet
ist. Die Justier- und Halteplatte, die im Folgenden lediglich als
Halteplatte 39 bezeichnet wird, ist durch Schrägen 40 an
der Gehäuseinnenseite
geführt
und somit exakt ausgerichtet. Mit den freien Enden der Schenkel
des C's liegt die
Halteplatte 39 an der dem Gehäuse 10 zugewandten Seite
der Membran 7 an. Etwa mittig in der Basis des C's weist die Halteplatte
einen Durchbruch 41 auf, durch den der Aktor 11 mit
seinem Wärmesperrelement 26 hindurchgreift.
Der Durchbruch 41 ist so dimensioniert, dass der Aktor 11 zwar
geführt
ist, bei seiner Längenveränderung
durch die Ansteuerung der Aktivierungselektroden jedoch nicht beeinträchtigt wird.
Vorzugsweise ist die Halteplatte 39 aus demselben Material
hergestellt wie das Gehäuse 10.
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Bei einem Ausführungsbeispiel weist der Druckkopf 1 eine
Schutzmediumaustrittsöffnung 42 auf,
die so ausgerichtet ist, dass ein aus der Schutzmediumaustrittsöffnung austretendes
Schutzmedium in Richtung der Mündung
der Düse 2 strömt. Als Schutzmedium
wird vorzugsweise ein die Oxidation des aus der Düse 2 austretenden
heißen
flüssigen Mediums
verhinderndes Schutzmedium, insbesondere Inertgas, verwendet. Als
Inertgas kann beispielsweise Stickstoffgas verwendet werden. Dadurch,
dass der beziehungsweise die aus der Düse 2 austretenden
Tropfen mit einer Schutzatmosphäre aus
dem Schutzmedium umgeben werden, wird während des "Fluges" des Tropfens verhindert, dass dieser
oxidiert. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn aus der Mediumkammer 8 als
heißes
flüssiges Medium
ein metallisches Lot auf ein eine Verbindungsstelle aufweisendes
Substrat aufgebracht werden soll. Bevorzugt besitzt das Gehäuse 10 eine Schutzmediumeustrittsöffnung 43,
die beispielsweise an der Gehäuserückwand 16 vorliegen
kann. Durch die Schutzmediumeintrittsöffnung 43 kann das Schutzmedium
in das Gehäuse 10 eingeleitet
werden, um nach Durchströmung
des Gehäuses 10 an der
Schutzmediumaustrittsöffnung 42 wie
vorstehend beschrieben auszutreten. Insbesondere ist vorgesehen,
dass die Schutzmediumeintrittsöffnung 43 und
die Schutzmediumaustrittsöffnung 42 so
am Gehäuse
angeordnet sind, dass der Aktor 11, insbesondere dessen
aktiver Teil 24, im Strömungspfad
des Schutzmediums liegt. Somit dient das Schutzmedium auch als Kühlmedium
für den
Aktor. Be sonders bevorzugt wird als Schutzmediumaustrittsöffnung einer der
Schlitze 27 gewählt.
Besonders bevorzugt wird der Strömungspfad
für das
Schutzmedium innerhalb des Gehäuses 10 so
gewählt,
dass das Schutzmedium an der Schutzmediumeintrittsöffnung 43 an
der Gehäuserückwand 16 eintritt,
den Aktor 11 umströmt, durch
den Durchbruch 41 an der Halteplatte hindurchtritt, durch
Schlitze an den Schenkeln des C's der
Halteplatte hindurchströmt
und so zur Schutzmediumaustrittsöffnung 42 gelangt.
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Selbstverständlich wäre auch ein Strömungspfad
denkbar, bei dem die Schenkel der Halteplatte 39 so ausgebildet
sind, dass in den Führungsschrägen 40 zwischen
Halteplatte 39 und Gehäuse 10 ein
Strömungskanal
vorliegt, der in der Schutzmediumaustrittsöffnung 42 mündet.
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Zudem weist der in 1 gezeigte Druckkopf 1 eine
Wärmesenke 46 auf.
Dabei handelt es sich um ein Element aus einem vorteilhafterweise wärmeleitfähigen Material,
welches gegenüber
der Kammeröffnung 2 verschiebbar
angeordnet ist. In 1 ist
die Wärmesenke 46 gegenüber der
Kammeröffnung 2 beabstandet.
Dadurch wird die Kammeröffnung 2 freigegeben
und das flüssige
Medium kann durch die Kammeröffnung 2 ausgespritzt
werden. Die Wärmesenke 46 befindet
sich im inaktiven Zustand.
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Dadurch, dass die Wärmesenke 46 gegenüber der
Kammeröffnung 2 verschiebbar
angeordnet ist, kann sie bezüglich
ihrer Lage auch den in 2 gezeigten
Zustand annehmen. Dabei berührt
die Wärmesenke 46 die
Kammeröffnung 2,
so dass das flüssige
Medium zuerst im Bereich der Kammeröffnung 2 erstarrt.
Erst im Laufe der Zeit beginnt das flüssige Medium auch im Inneren
der Mediumkammer 8 zu erstarren.
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In einer Ausführungsform der Erfindung weist
die Wärmesenke 46 als
wärmeleitfähiges Material
ein Metal, beispielsweise Aluminium, auf.
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Mittels der Wärmesenke 46 wird vermieden, dass
das flüssige
Medium aus der Düse
oder Kammeröffnung 2 zurück in die
Mediumkammer 8 gesaugt wird. Die Düse 2 kann somit nicht
mehr leer laufen.
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Das Heizmodul 5, der Druckchip 3 und
das Aktormodul 4 des Druckkopfes 1 sind in den 2 und 3 gegenüber den in 1 gezeigten Komponenten unverändert. Daher
wurden zugunsten der Übersichtlichkeit
in den 2 und 3 nicht alle Bezugszeichen
aus 1 übernommen.
Sofern in den 2 und 3 auf bestimmte Komponenten
oder Teile Bezug genommen wird, sind diese mit den entsprechenden Bezugszeichen
versehen.
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Soll der Druckkopf 1 in
Betrieb genommen werden, wird mittels der Wärmequelle 35 das Medium
in der Mediumkammer 8 zuerst erwärmt. Der Erwärmungsvorgang
dauert so lang bis das Medium in der Mediumkammer 8 geschmolzen
ist oder kurz vor dem Schmelzen steht. Erst dann wird die Wärmesenke 46,
wie in 2 gezeigt, von
der Kammeröffnung 2 entfernt,
sodass erst zuletzt das Medium im Bereich der Kammeröffnung 2 zu
Schmelzen beginnt. Auf diese Art und Weise kann der Druckkopf 1 erneut
und wieder holt in Betrieb und außer Betrieb gesetzt werden,
ohne dass ein Spülprozess
erforderlich ist.
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An Stelle der Wärmesenke 46, wie sie
in den 1 und 2 gezeigt ist, kann auch
eine Wärmesenke 46', wie sie in 3 gezeigt ist, zum Einsatz
gelangen. Die Wärmesenke 46' weist eine
Düse 49 mit
einer Auslassöffnung 47 auf.
Durch einen Kanal 50, welcher mit der Düse 49 in Verbindung
steht, strömt im
Bedarfsfall kühlendes
Gas 48 in Richtung der Kammeröffnung 2 und trifft
damit zuerst auf das im Austrittsbereich der Kammeröffnung 2 befindliche Medium.
Die Wärmesenke 46' muss dazu nicht
in Kontakt mit der Kammeröffnung 2 gebracht
werden. Zudem muss die Wärmesenke 46' nicht aus einem wärmeleitfähigen Material
bestehen. Ist eine Kühlung der
Kammeröffnung 2 nicht
erforderlich, wird der Gasfluss durch die Düse 49 der Wärmesenke 46' unterbunden.
Soll der Druckkopf 1 außer Betrieb genommen werden,
wird mittels eines gerichteten gebündelten und auf die Kammeröffnung 2 zielenden Gasstroms
das flüssige
Medium im Bereich der Kammeröffnung 2 zum
Erstarren gebracht. Anschließend kann
auch das noch flüssige
Medium in der Mediumkammer 8 zum Erstarren gebracht werden.
Soll der Druckkopf 1 wieder in Betrieb genommen werden, wird
der Gasstrom während
des Aufheizens des in der Mediumkammer 8 befindlichen Mediums
solange aufrechterhalten, bis das Medium in der Mediumkammer 8 geschmolzen
ist oder kurz vor dem Schmelzen steht. Dadurch wird erreicht, dass
das Medium in der Kammeröffnung 2 zuletzt
schmilzt. Auch bei dieser Ausführungsformen
kann der Druckkopf 1 wiederholt in Betrieb und au ßer Betrieb
gesetzt werden, ohne dass ein Spülprozess
erforderlich ist.
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Anstelle der Lichtquelle 36 können für die Wärmequelle 35 auch
Heizwiderstände,
welche in 1 nicht dargestellt
sind, vorgesehen sein, die an der Außenseite der Mediumkammer 8 an
dem Wannenboden 34 angeordnet sind. Vorzugsweise werden diese
Heizwiderstände
in Dünnschicht-
Technik auf das Substrat beziehungsweise den Grundkörper 6 aufgebracht.
Die Heizwiderstände
umfassen vorzugsweise Hafniumdiborid.
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Um die Mediumtemperatur des in der
Mediumkammer 8 vorliegenden Mediums zu erfassen und zu überwachen,
kann insbesondere an der Membran 7 zumindest ein Temperaturerfassungselement 45 vorgesehen
sein, das zwischen Membran 7 und Halteplatte 39,
also außerhalb
der Mediumkammer 8 vorliegt.
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Die zumindest eine Temperaturerfassungseinrichtung 45 kann
beispielsweise als Temperatursensor ausgebildet sein, der von einem
Thermoelement oder von einem Dünnfilmsensor
gebildet ist.
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Im Folgenden wird ein Verfahren zur
Herstellung einer metallisches Lot umfassenden Verbindungsstelle
beschrieben. Die Verbindungsstelle besitzt eine auch als Kontaktpad
bezeichnete Kontaktierstelle, die mit metallischem Lot benetzt werden soll.
Hierzu wird vorzugsweise der vorstehend beschriebene Druckkopf 1
zum Ausspritzen des flüssigen
Lotes, welches beispielsweise eine Zinn-Blei- oder Zinn-Gold-Legierung sein
kann, verwendet. Selbstver ständlich
können
insbesondere sämtliche aus
der Elektronikfertigung bekannte Weichlote verwendet werden. Das
in der Mediumkammer 8 vorliegende heiße flüssige Lot wird durch die Auslenkung der
Membran 7 tropfenförmig
aus der Düse 2 auf
die Kontaktierstelle der Verbindungsstelle aufgebracht. Hierzu wird
das in der Mediumkammer 8 vorliegende heiße flüssige Lot
als mindestens ein heißer
flüssiger Tropfen
aus dem Druckkopf aus der Düse 2 ausgespritzt.
Um ein Oxidieren des heißen
flüssigen
Lottropfens zu verhindern, wird der Tropfen mit einem Oxidationsschutzmedium,
welches aus der Schutzmediumaustrittsöffnung 2 ausgebracht
wird, umgeben. Um eine optimale Benetzung der Kontaktierstelle der
Verbindungsstelle zu gewährleisten,
wird die Lottemperatur innerhalb der Mediumkammer 8 mittels
der Temperaturerfassungseinrichtung 45 überwacht. Somit kann in Abhängigkeit
von der erfassten Temperatur die Wärmequelle 35 so angesteuert
werden, beispielsweise ein- oder ausgeschaltet werden, dass innerhalb
der Mediumkammer 8 das Lot auf der gewünschten Temperatur gehalten
wird. Insbesondere wird zur Ausspritzung des heißen flüssigen Lots die Temperatur
innerhalb der Mediumkammer auf zirka 400 bis 600°C gehalten.
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Somit ist es auf besonders einfache
und kostengünstige
Art und Weise möglich,
Verbindungstechniken der Mikroelektronik, Mikromechanik beziehungsweise
Mikrosystemtechnik zu vereinfachen. Insbesondere kann das Tape-Automated-Bonding (TAB),
das Chip-Size-Packaging
(CSP) und insbesondere die sogenannte Flip-Chip-Verbindung (FC) vereinfacht
werden. Bei diesen Verbindungstechniken werden als Verbin dungselemente
zwischen Bauelemente und Substrat sogenannte Bumps (Lotdepots) benötigt. Diese
meist höckerförmigen Lotdepots
können
besonders einfach mit dem vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Druckkopf
hergestellt werden.
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Zur Erzeugung dieser Lotdepots können auch
mehrere Tropfen hintereinander aus der Düse 2 ausgebracht werden.
Hierzu ist – wie
vorstehend erwähnt – die impulsartige
Ansteuerung des Aktors 11 vorgesehen, so dass die Membran 7 schnell
hin- und herbewegt werden kann, wodurch die einzelnen Tropfen aus
der Düse 2 ausgebracht
werden können.