DE3342844A1 - Mikroplanarer tintenstrahldruckkopf - Google Patents
Mikroplanarer tintenstrahldruckkopfInfo
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Description
PHILIPS PATENTVERWALTUNG GMBH PHD 83-111
Mikroplanarer Tintenstrahldruckkopf
Die Erfindung betrifft einen Tintenstrahldruckkopf mit einem plattenförmigen Grundkörper, in welchem mehrere
Tintenkanäle verlaufen, die an einer ebenen Seite des Grundkörpers in Düsen und an der gegenüberliegenden Seite
in getrennten Druckkammern münden, welche mit einem Tintenversorgungssystem verbunden sind, mit einer für alle
Druckkammern gemeinsamen Membranplatte, und mit einer mit der Membranplatte verbundenen, einstückigen Piezokeramikplatte,
welche im Bereich jeweils einer Druckkammer eine Erhebung aufweist, wobei die Erhebungen schichtförmige und
mit elektrischen Anschlüssen versehene Elektroden tragen.
Ein derartiger Tintenstrahldruckkopf ist bereits aus der DE-AS 22 56 667 bekannt. Die jeweiligen Erhebungen der
Piezokeramikplatte besitzen dabei ebene Abmessungen, die den Abmessungen der unter ihnen angeordneten Druckkammern
entsprechen. Werden diese Abmessungen verringert, so daß auf diese Weise die Dichte der im Grundkörper vorhandenen
Tintenkanäle bzw. Druckkammern erhöht werden kann, so treten bei der Kontaktierung der Elektrodenschichten
mittels elektrischer Drähte starke Beeinflussungen des
Schwingungsverhaltens der piezokeramischen Erhebungen auf, wenn der Kontaktierungsdraht unmittelbar über der Druckkammer
angeordnet wird, da bei diesen kleinen Dimensionen der Erhebungen der Kontaktdraht eine mit ihnen vergleichbare
Masse hat. Wenn diese Masse im Bereich der Durchbiegung angebracht wird, verändert sich das Resonanzverhalten
der piezokeramischen Erhebungen und somit auch die für die Ausstoßung eines Tropfens notwendige Ansteuerspannung.
- y- PHD 83-111
' 4-
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Tintenstrahl-druckkopf der genannten Art zu schaffen, bei dem das Resonanzverhalten
der piezokeramischen Erhebungen durch Kontaktierungsdrähte auch bei sehr hoher Dichte der Druckkammern
im Grundkörper bzw. bei sehr kleinen ebenen Abmessungen der piezokeramischen Erhebungen unbeeinträchtigt bleibt.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß sich die Erhebungen der Piezokeramikplatte wenigstens
teilweise über den Bereich der Druckkammern hinaus erstrecken, und daß die elektrischen Anschlüsse außerhalb
des Bereichs der Druckkammern mit den Elektroden verbunden sind.
Hierdurch wird erreicht, daß der Kontaktierungspunkt der
Elektrodenfläche außerhalb des eigentlichen Biegebereichs einer piezokeramischen Erhebung zu liegen kommt. Ein an
dieser Stelle mit der Elektrodenfläche verbundener elektrischer Draht hat daher praktisch keinen Einfluß mehr auf
das Schwingungsverhalten des über einer Druckkammer liegenden Teils der Erhebung.
Üblicherweise sind die Druckkammern innerhalb eines Tintenstrahldruckkopfes
konisch oder zylindrisch ausgebildet, so daß sie einen kreisrunden Querschnitt besitzen. Die
über den Druckkammern angeordneten piezokeramischen Erhebungen können ebenfalls diesen Querschnitt aufweisen und
nur an einer Stelle mit einer Lasche versehen sein, die diesen Querschnitt überragt und zur Kontaktierung dient.
Vorzugsweise können die über den Druckkammern liegenden Erhebungen der Piezokeramikplatte aber auch quadratisch
oder rautenförmig ausgebildet sein. Es hat sich gezeigt, daß diese auf Druckkammern mit z.B. kreisförmigem
Querschnitt angeordneten Erhebungen genau das gleiche
- s.
dynamische Verhalten wie kreisrunde Erhebungen zeigen. Bisher wurde davon ausgegangen, daß die Geometrie der
Erhebungen möglichst genau der Geometrie der Druckkammern entsprechen müsse.
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Die genannten quadratischen bzw. rautenförmigen Erhebungen lassen sich in einfacher Weise mit Hilfe von Sägeschnitten
in der piezokeramischen Platte herstellen, wobei die Piezokeramikplatte zu etwa 90 % durchgesägt und die
darunterliegende Membranplatte nicht verletzt wird.
Durch die Quadrate bzw. Parallelogramme werden die darunterliegenden kreisförmigen Druckkammern vollständig
abgedeckt, so daß in den Eckpunkten der Quadrate bzw. Parallelogramme hinreichend Platz fur die Anbringung von
elektrischen Kontaktdrähten zur Verfugung steht.
Nach einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung sind die Druckkammern matrixförmig angeordnet, wobei jeder Druckkammer
auf der anderen Seite des Grundkörpers eine Düse direkt gegenüberliegt.
Die Erfindunq ermöglicht eine relativ kleine Ausbildung
der piezokeramischen Erhebungen und damit auch der unter ihnen angeordneten Druckkammern, so daß diese mit sehr
hoher Dichte innerhalb eines Txntenstrahldruckkopfes angeordnet werden können. Es ist daher möglich, eine Verteilung
von piezokeramischen Erhebungen zu schaffen, die der üblichen Verteilung der Düsen auf der anderen Seite des
Grundkörpers entspricht, d.h. die piezokeramischen Elemente haben untereinander die gleichen mittleren Abstände wie
die Düsen. In diesem Falle verlaufen die Tintenkanäle senkrecht zur ebenen Ausdehnung des Grundkörpers und verbinden
die sich direkt gegenüberliegenden Druckkammern bzw. Düsen. Selbstverständlich können die Tintenkanäle
aber auch zueinander geneigt verlaufen.
Infolge der relativ kurzen Tintenkanäle besitzt ein solcher Tintenstrahldruckkopf eine sehr hohe Resonanzfrequenz
des Flüssigkeitssystems und damit eine sehr große Tropfenrate.
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Die Verwendung der piezokeramischen Erhebungen nach der Erfindung in Verbindung mit den sehr kurzen Druckkanälen
erlaubt darüber hinaus die Konstruktion von wesentlich kleineren Tintenstrahldruckkopfen als bisher.
Nach einer anderen vorteilhaften Ausführung der Erfindung trägt die Keramikplatte weitere mit schichtförmigen Elektroden
versehene Erhebungen, die zwischen den Druckelementen liegen.
Die Kontaktdrähte werden dabei zunächst von den über den Druckkammern angeordneten piezokeramischen Erhebungen zu
den weiteren Elektroden geführt, an die dann weitere Anschlußdrähte angebracht werden können. Diese Maßnahme
dient der zusätzlichen Sicherung der über den Druckkammern angeordneten Erhebungen, da man bei der Kontaktierung der
Anschlußdrähte mit den weiteren Elektroden nicht mehr
darauf zu achten braucht, ob sich diese im schwingenden Bereich der Erhebungen befinden oder nicht,
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung trägt die Piezokeramikplatte auf der den Erhebungen abgewandten
Seite eine galvanisch auf sie aufgebrachte Membranplatte, die beispielsweise aus einer Nickelschicht besteht.
Durch die nach der Erfindung relativ klein herstellbaren piezokeramischen Erhebungen wird es möglich, die Schichtdicke
der Membranplatte so dünn zu wählen, daß sie galvanisch aufgebracht werden kann. Ein Verkleben einer separaten
Membranplatte mit der Piezokeramikplatte kann daher entfallen. Insgesamt läßt sich somit ein Tintenstrahldruckkopf
nach der Erfindung einfacher herstellen.
33428U _Α. PHD83.ni
Die Zeichnungen stellen Ausführungsbeispiele der Erfindung dar. Es zeigen:
Fig. 1 eine Explosionszeichnung eines Tintenstrahldruckkopfes nach der Erfindung mit quadratischen piezokeramischen
Erhebungen,
Fig. 2a, b verschiedene Schnitte durch einen derartigen Tintenstrahldruckkopf, und
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Fig. 3a bis c unterschiedlich geformte piezokeramische Erhebungen.
Die Fig. 1 zeigt einen mikroplanaren Tintenstrahldruckkopf nach der Erfindung. Er besteht aus einem äußeren Haltebügel
1, der zwei seitliche Laschen 2 und 3 besitzt, welche mit nach innen weisenden Ansätzen 4 und 5 versehen
sind. Zwischen diesen Ansätzen 4 und 5 und der oberen Innenseite des Haltebügels 1 werden alle weiteren Bauteile
des Tintenstrahldruckkopfes festgeklemmt und zusätzlich gesichert.
Der Haltebügel 1 besitzt an seiner Oberseite eine elektrische Anschlußleiste 6, die mit einzelnen Steckkontakten
7 ausgerüstet ist, über welche eine elektrische Verbindung zu den elektrisch ansteuerbaren Druckelementen
im Inneren des Tintenstrahldruckkopfes hergestellt werden kann. Ferner ist an der Oberseite des Haltebügels 1 ein
Tintenzulaufstutzen 8 vorgesehen, der über ein Tinten-Versorgungssystem
im Inneren des Tintenstrahldruckkopfes mit den Druckkammern und den Düsen verbunden ist.
Im Inneren des Haltebügels 1 befindet sich zunächst eine bilaminare Kombination aus einer Membranplatte 9 und einer
piezokeramischen Platte 10. Hierbei besteht die Membranplatte 9 beispielsweise aus einer leitenden Metallschicht,
z.B. einer Nickelschicht, und ist auf der Unterseite der Piezokeramikplatte 10 galvanisch aufgebracht. In der Plattenkombination
9, 10 befindet sich eine Öffnung 11, durch die die in den Tinteneinführungsstutzen 8 eingeführte
Tinte in das Tintenversorgungssystem des Tintenstrahldruckkopf es läuft.
Die Piezokeramikplatte 10 besitzt einzelne Erhebungen 12,
die auf dieser matrixförmig, d.h. in Form von Spalten und Zeilen, angeordnet sind. Diese Erhebungen 12 sind beispielsweise
durch Ansägen der Piezokeramikplatte 10 entstanden. Hierbei wird die Platte 10 zu ca. 90 % durchgesägt,
ohne die darunterliegende Platte 9 zu beschädigen. Die Erhebungen 12 können aber auch auf andere Weise
erzeugt werden, beispielsweise durch einen geeigneten Belichtungs- und anschließenden Ätzvorgang.
Auf den Erhebungen 12 sind schichtförmige Elektroden 13
aufgebracht, über die in Verbindung mit der metallischen Membranschicht 9 ein elektrisches Feld an jeweils eine
piezokeramische Erhebung 12 angelegt werden kann. Hierzu sind die Elektrodenschichten 13 mit Anschlußdrähten 14
kontaktiert, die eine elektrische Verbindung zwischen den Elektrodenschichten 13 und weiteren Elektrodenschichten
herstellen, die ebenfalls auf piezokeramischen Erhebungen (weitere Erhebungen 16) angeordnet sind. Diese weiteren
Erhebungen 16 dienen quasi als Stützpunkte für die weiteren Elektrodenschichten 15, von denen dann die elektrischen
Verbindungsleitungen 17 zu den Steckkontakten 7 abgehen.
Die piezokeramischen Erhebungen 13 sind auf der Piezokeramikplatte
10 so angeordnet, daß sie genau über den Druckkammern 18 zu liegen kommen, die innerhalb eines
Grundkörpers 19 angeordnet sind, auf den die Plattenkombination 9, 10 aufgebracht wird. Die Druckkammern 18 sind
dabei konisch ausgebildet und verlaufen beispielsweise
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PHD .3-11,
-a-
senkrecht zur Ebene der Platte 19. Sie besitzen dabei in der Plattenebene einen kreisförmigen Querschnitt. Dieser
ist an der der Membranplatte 9 gegenüberliegenden Seite so groß wie die Kantenlänge einer quadratischen Erhebung 12,
so daß diese die Druckkammer 18 vollständig abdeckt.
Um zu verhindern, daß die Anschlußdrähte 14 die Schwingungseigenschaften der Erhebungen 12 unzulässig
beeinträchtigen, sind diese in den Eckpunkten der Erhebungen 12 mit der jeweiligen Elektrodenschicht 13 elektrisch
verbunden. Ein Anschlußdraht 14 kontaktiert somit eine Elektrodenschicht 13 nur in einem Bereich, der nicht
über einer Druckkammer 18 zu liegen kommt. Derart ausgebildete und kontaktierte Erhebungen 12 verhalten sich in
ihren Schwingungseigenschaften praktisch genauso wie vollständig an den Querschnitt der Druckkammern 18 angepaßte
Erhebungen, also kreisrunde Erhebungen. Diese lassen sich jedoch ab einer bestimmten Größe nicht mehr ohne weiteres
mit Anschlußdrähten kontaktieren, da die Anschlußdrähte dann das Schwingungsverhalten nachteilig beeinflussen.
Die im Grundkörper 19 vorhandenen Druckkammern 18 sind mit einem Tintenversorgungssystem untereinander verbunden,
welches aus einzelnen Tintenleitern 20, 21 besteht. Der Grundkörper 19 kann beispielsweise aus ätzbarem Glas,
Silizium, Stahl oder einem anderen harten Material bestehen.
Dieser Grundkörper 19 läßt sich auch aus zwei getrennten Schichten aufbauen, wobei die eine Schicht nur die
Druckkammern 18 enthält und die zweite Schicht nur das Tintenversorgungssystem. In jedem Fall kann die Dicke des
Grundkörpers 19 klein gehalten werden, so daß sich ein Druckkopf mit äußerst geringer Höhe ergibt.
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PHD
Unterhalb des Grundkörpers 19 befindet sich eine Düsenplatte 22, deren Düsen 23 mit den Druckkammern 18 im
Grundkörper 19 zur Deckung kommen. Diese Düsenplatte kann in herkömmlicher Technologie hergestellt sein und ist
mit Hilfe geeigneter Maßnahmen mit dem Grundkörper 19 fest verbunden. Druckkammern 18 und Düsen 23 bilden einen
Tintenkanal.
Die Fig. 2a zeigt einen diagonalen Schnitt durch eine piezokeramische Erhebung 12 in Richtung des Pfeiles A in
Fig. 1f während die Fig. 2b einen solchen Schnitt in Richtung des Pfeiles B der Fig. 1 darstellt. Hierbei sind
gleiche Elemente mit gleichen Bezugsziffern versehen.
Wie die Fig. 2a deutlich zeigt, ist der Anschlußdraht an einer Stelle der Elektrode 13 angebracht, z.B. angelötet
oder gebondet, die seitlich neben dem Druckkanal liegt, der durch die Druckkammer 18 und die Düse 23 gebildet
wird. Dieser Anschlußdraht 14 ist, wie bereits beschrieben, zu einer weiteren Elektrodenschicht 15
geführt, die auf der weiteren Erhebung 16, die lediglich als Stützpunkt für den Anschlußdraht 14 dient, liegt.
Diese weitere Elektrodenschicht 15 ist beispielsweise geteilt, wie Fig. 1 deutlich zeigt, so daß dadurch auf der
weiteren Erhebung 16 zwei Stützkontakte gebildet werden.
In der Fig. 2b liegt der Anschlußdraht 14 nur scheinbar über dem Düsenkanal. Vielmehr liegt er auch hier tatsächlich
neben der Druckkammer 18, da die piezokeramische Erhebung 12 einen quadratischen Querschnitt und die Druckkammer
18 einen kreisförmigen Querschnitt besitzt.
Wie den Fig. 2a und 2b weiter zu entnehmen ist, münden die Tintenversorgungsleitungen 21 an der oberen Seite der
Druckkammern 18 in diese ein. Sie sind, wie bereits beschrieben, über die Versorgungsleitung 20 mit dem Tintenzulauf
stutzen 8 verbunden. Im Betrieb sind das Tintenversorgungssystem und damit auch die Druckkammern 18.
bzw. die Düsen 23 mit Tinte gefüllt. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung an die piezokeramisehen Erhebungen
12 über die Elektrodenschichten 13 bzw. die leitende Membranplatte 9 werden die Erhebungen 12, die als Druckgeneratoren
arbeiten, zu Schwingungen angeregt, die sich über die Membranplatte 9 auf die Flüssigkeit im Inneren
der Druckkammern 18 übertragen. Diese Schwingungen verursachen ein Austreten der Tinte aus den Druckkammern 18
über die Düsen 23 und die sich daran anschließenden Düsenränder 24. Infolge der relativ geringen Länge der Tintenkanäle,
also der Druckkammern 18 und der Düsen 23, können mit dem beschriebenen Tintenstrahldruckkopf sehr hohe
Tropfenraten von z.B. 10 kHz bei gleichzeitiger hoher Integrationsdichte der Tintenkanäle erreicht werden.
Selbstverständlich können dabei die Druckkammern 18 auch zylindrisch oder in anderer geeigneter Weise ausgebildet
sein. Die Membranplatte 9 besitzt beispielsweise eine Dicke von 50 /um, während die piezokeramische Platte 10
bzw. eine Erhebung 12 100 bis 200 /um dick ist. Selbstverständlich kann die Membranplatte 9 auch durch eine
andere als auf die piezokeramische Platte 10 galvanisch aufgebrachte Platte mit anderen Abmessungen ersetzt sein.
Die ebenen Abmessungen der piezokeramischen Erhebungen liegen etwa im Bereich von 0,4 bis 0,6 mm.
Um die Integrationsdichte eines derartigen Tintenstrahldruckkopf es noch weiter zu erhöhen, kann selbstverständlich
auch auf die weiteren Erhebungen 16 verzichtet werden. In diesem Falle werden die Anschlußdrähte 14 direkt
von den Elektrodenschichten 13 zu den Steckkontakten 7 geführt.
In den Fig. 3a bis c sind verschiedene Ausführungsformen der piezokeramischen Erhebungen der Piezokeramikplatte
dargestellt. Die Fig. 3a zeigt die bereits diskutierte quadratisch ausgebildete Erhebung 12, die über einer
Druckkammer 18 mit kreisförmigem Querschnitt angeordnet ist. Ihr Durchmesser entspricht dabei der Kantenlänge der
quadratischen Erhebung 12. Der Anschlußdraht 14 ist mit der auf der Erhebung 12 aufgebrachten schichtförmigen
Elektrode an einer Stelle verbunden, die außerhalb der Druckkammer 18 liegt.
Die Fig. 3b zeigt eine rautenförmige piezokeramische Erhebung 12a, die ebenfalls über einer Druckkammer 18a mit
kreisförmigem Querschnitt angeordnet ist und diese vollständig bedeckt. Ein Anschlußdraht 14a ist an der Stelle
außerhalb der Druckkammer 18a mit der auf der Erhebung 12a liegenden Elektrode verbunden, die von zwei in spitzem
Winkel zueinander verlaufenden Seiten der Erhebung 12a begrenzt wird.
Schließlich zeigt die Fig. 3c eine ebenfalls mögliche kreisförmige piezokeramische Erhebung 12b, deren Durchmesser
dem Durchmesser der unter ihr angeordneten Druckkammer 18b entspricht, und die mit einer zusätzlichen
Lasche 12c zur Kontaktierung eines Anschlußdrahtes 14b versehen ist.
Der Tintenstrahldruckkopf nach der Erfindung ist in einfächer
Weise massenfertigungstechnisch und preiswert herstellbar und ermöglicht durch seine geringen Abmessungen
sehr hohe Tropfenraten. Die Größe des Druckkopfes liegt nunmehr in der Größenordnung bisheriger Düsenplatten, ist
jedoch dicker als diese.
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Patentansprüche
•η,
- Leerseite -
Claims (7)
- PATENTANSPRÜCHE1 .j Tintenstrahldruckkopf mit einem plattenförmigen ^Srundkörper (19), in welchem mehrere Tintenkanäle verlaufen, die an einer ebenen Seite des Grundkörpers in Düsen (23) und an der gegenüberliegenden Seite in getrennten Druckkammern (18) münden, welche mit einem Tintenversorgungssystem (8, 20, 21) verbunden sind, mit einer für alle Druckkammern (18) gemeinsamen Membranplatte (9), und mit einer mit der Membranplatte verbundenen, einstückigen Piezokeramikplatte (10), welche im Bereich jeweils einer Druckkammer (18) eine Erhebung (12) aufweist, wobei die Erhebungen schichtförmige und mit elektrischen Anschlüssen (14) versehene Elektroden (13) tragen, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Erhebungen (12) der Piezokeramikplatte (10) wenigstens teilweise über den Bereich der Druckkammern (18) hinaus erstrecken, und daß die elektrischen Anschlüsse (14) außerhalb des Bereichs der Druckkammern mit den Elektroden (13) verbunden sind.
- 2. Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die über den Druckkammern (18, 18a) liegenden Erhebungen (12, 12a) der Piezokeramikplatte (10) quadratisch oder rautenförmig ausgebildet sind.
- 3. Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckkammern (18) matrixförmig angeordnet sind, und daß jeder Druckkammer auf der anderen Seite des Grundkörpers (19) eine Düse (23) direkt gegenüberliegt.
- 4. Tintenstrahl-druckkopf nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikplatte (10) weitere mit schichtförmigen Elektroden (15) versehene Erhebungen (16) trägt, die zwischen den Druckkammern (18) liegen.
- 5. Tintenstrahldruckkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4f dadurch gekennzeichnet, daß die Piezokeramikplatte (10) auf der den Erhebungen (12, 16) abgewandten Seite eine galvanisch auf sie aufgebrachte Membranplatte (9) trägt.
- 6. Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranplatte (9) aus einer Nickelschicht besteht.
- 7. Tintenstrahldruckkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsabmessungen der Erhebungen (12, 16) etwa 0,4 mm bis 0,6 mm betragen, während die Membranplatte (9) eine Dicke von ca. 50/um besitzt.
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