DE3433536A1

DE3433536A1 - Verfahren zum herstellen eines druckkopfes fuer einen tintenstrahldrucker

Info

Publication number: DE3433536A1
Application number: DE19843433536
Authority: DE
Inventors: Leonhard 8901 Stadtbergen Bader; Ferdinand 8902 Neusäß Hermann; Wilhelm Ruprich; Hermann 8900 Augsburg Winter
Original assignee: NCR Corp
Current assignee: NCR Voyix Corp
Priority date: 1983-09-19
Filing date: 1984-09-12
Publication date: 1985-05-02
Also published as: DE3433536C2; US4493137A

Description

DIPL.-INQ. KVRT KAHLER u zn\ walkertshofen NR.133

PATENTANWALT · TEL. 08239-341

^{3518 GER} 11. September 1984

NCR-Corporation

Beschreibung

Verfahren zum Herstellen eines Druckkopfes für einen Tintenstrahldrucker

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Druckkopfes zur Verwendung in Tintenstrahldruckvorrichtungen einschließlich Mosaikdruckvorrichtungen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die Herstellung von piezoelektrischen· Treibeelementanordnungen. die üblicherweise in derartigen Vorrichtungen verwendet werden.

Beim Tintenstrahldruck werden Tropfen von Druckfarbe auf Papier oder einen anderen Aufzeichnungsträger unter piezoelektrischer Zusammenziehung von Treiberelementen ausgestoßen, die Leitungen bilden oder umgeben, durch die die Druckflüssigkeit fließt. Ein typisches Treiberelement besitzt ein piezokeramisches Röhrchen mit einer äußeren und inneren zylindrischen Mantelfläche. Diese Mantelflächen können mit Metall oder einem anderen leitenden Material beschichtet oder in anderer Weise kombiniert sein, wodurch sich ein Elektrodenpaar zur Erregung des Treiberelements ergibt. Beim Anlegen eines elektrischen Signals oder Impulses an die Elektroden mittels einer bekannten

Zeichengeneratorschaltung wird ein mechanisches Zusammenziehen des piezokeramischen Röhrchens erzielt und dieses Zusammenziehen wird auf die Tinte übertragen, so daß der Ausstoß eines Tintentropfens auf den Aufzeichnungsträger bewirkt wird. Die US-PS 3 298 030 zeigt beispielsweise ein derartiges piezoelektrisches Treiberelement.

Piezoelektrische Treiberelemente sind normalerweise Bestandteile einer Druckkopfanordnung, die gemäß unterschiedlichen Ausbildungen entweder stationär oder beweglich bezüglich der Druckvorrichtung sein kann. Eine Druckkopfanordnung kann ein einziges piezoelektrisches Treiberelement oder Vielfachelemente besitzen. Vielfachelemente können in einer Spalte, in einer Zeile .oder in einer Anordnung aus Spalten und Zeilen angeordnet sein. Beim Drucken mit veränderbaren Farben ist es besonders praktisch, einen beweglichen Druckkopf zu verwenden, der piezoelektrische Vielfachtreiberelemente in zweidimensionaler Anordnung besitzt.

Beispielsweise kann ein Druckkopf mit Vielfachtreiberelementen mit drei Tinten versorgt werden, von denen jede eine andere Primärfarbe besitzt. Mit einem derartigen Druckkopf können alphanumerische Zeichen in sieben verschiedenen Farben in einem Matrixmuster von Tintentropfen gedruckt werden. Die Farbe jedes Punkts und damit die Farbe jedes Zeichens würde bestimmt entweder durch Verwendung einer der drei Tinten oder durch Verwendung einer Kombination zweier oder dreier dieser Tinten Durch Kombinieren dieser Tinten können vier zusätzliche Farben erzeugt werden, mittels aufeinanderfolgender Vorbeiläufe des Tintenstrahldruckkopfes relativ zum Papier oder dem anderen Aufzeichnungsträger.

Für hohe Druckgeschwindigkeiten, ausgedrückt in Zeichen pro Sekunde oder Zeilen pro Minute werden bewegbare Druckköpfe hohen Beschleunigungen und Verzögerungen während des Druckvorgangs unterworfen. Es ist deshalb wünschenswert, die Masse bewegbarer Druckköpfe auf ein Minimum zu verringern, damit die auf den Druckkopf auszuübenden Kräfte für hohe Druckgeschwindigkeiten minimiert werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines Druckkopfes mit mindestens einem piezoelektrischen Treiberelement anzugeben, wobei mit dem Verfahren ein Druckkopf von einfachem und kompaktem Aufbau und geringer Masse erzielt wird.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Herstellen eines Druckkopfs zur Verwendung in einem Tintenstrahldrucker gelöst, wobei der Kopf ein piezoelektrisches Treiberelement mit einem röhrenförmigen Körper und einem Elektrodenpaar darauf aufweist, das gekennzeichnet ist durch die Schritte: Einpassen des Treiberelementes durch eine Öffnung in einer'gedruckten Schaltungsplatte, so daß sich' ein Teil des röhrenförmigen Körpers durch die Öffnung erstreckt, mit einem zwischen gegenüberliegenden Seiten der Schaltungsplatte angeordneten Zwischenraum zwischen den Elektroden auf der Außenfläche des röhrenförmigen Körpers und entsprechendes Verlöten der Elektroden mit elektrischen Leitern, welche entsprechend auf den gegenüberliegenden Seiten angeordnet sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil der einfachen Verbindung der Elektroden des zumindest einen piezoelektrischen Treiberelementes, das in einem Druckkopf eingebaut ist. Die gedruckte Schaltungsplatte, die bei einem derartigen Verfahren verwendet wird, kann auf einfache

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Weise eine elektrische Verbindung mit Anschlüssen bieten, die mit den Elektroden des piezoelektrischen Treiberelementes mittels elektrischer Leiter verbunden sind, die auf der Schaltungsplatte aufgedruckt sind.

Ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, daß die gedruckte Schalungsplatte ein Chassis bildet, auf dem das oder alle piezoelektrischen Treiberelemente genau ausgerichtet und mechanisch befestigt werden können. Auch ermöglicht das Verfahren ein einfaches Testen der Treiberelementanordnung vor dem Einbau in einen Druckkopf.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend unter .Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht eines Teils einer gedruckten Schaltungsplatte mit aufgesetztem röhrenförmigen piezoelektrischen Treiberelement unter Veranschau- ' lichung der elektrischen Verbindungen der Treiberelementelektroden mit Leitern auf der gedruckten Schaltungsplatte,

Fig. 2 eine perspektivische Durchsicht eines Farbtintenstrahldruckkopfes mit neun Tintenkanaldüsen, die in einer Reihe angeordnet sind,unter Verwendung einer piezoelektrischen Treiberelementanordnung gemäß der ■ vorliegenden Erfindung,

Fig. 3 eine perspektivische Durchsicht eines Farbtintenstrahldruckkopfs mit neun Tintenkanaldüsen, die in einer 3x3 Matrix angeordnet sind, unter Verwendung der piezoelektrischen Treiberelementanordnung gemäß Fig. 2 und

Fig. 4 einen Querschnitt eines gegossenen Tintenstrahldruckkopfs gemäß Fig. 3, wobei der Druckkopf einen Entlüftungskanal aufweist.

Gemäß Fig. 1 besitzt eine piezoelektrische Treiberelementanordnung 10 zur Verwendung in einer' Tintenstrahldruckvorrichtung ein zylindrisches piezoelektrisches Treiberelement 12 mit einem röhrenförmigen keramischen Körper 14, dessen gegenüberliegende Enden offen sind. Obwohl eine zylindrische Form veranschaulicht ist, ist die exakte Form für die Zwecke der Erfindung nicht kristisch.

Der röhrenförmige Körper 14 besitzt eine Außenfläche 16 und eine Innenfläche 18, die, wie in Fig. 1 veranschaulicht, zylindrische Flächen sein können. Die Innenfläche 18 ermöglicht einen Aufbau,durch den Druckflüssigkeit oder -tinte mittels piezoelektrischer Zusammenziehung des röhrenförmigen Körpers.14 fließen kann.

Das in Fig. 1.gezeigte Treiberelement 12 besitzt ein Paar von Elektroden 20 und 22, die .durch einen ringförmigen Spalt 24 auf der Außenfläche 16 und durch einen ringförmigen Spalt 26 am unteren Ende (gemäß Fig. 1) des Treiberelements 12 getrennt sind. Die Elektroden 20 und 22 sind somit voneinander elektrisch isoliert.

Die Elektroden 20 und 22 können auf einfache Weise dadurch angeordnet werden, daß zuerst der röhrenförmige Körper 14 vollständig durch Vakuumdampfablagerung mit Metall beschichtet wird. Der röhrenförmige Körper 14 kann somit .unter Verwendung bekannter Verfahren metallisiert werden, damit er mit einer leitenden Schicht versehen ist. Diese Schicht kann beispielswise aus einer

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eingebrannten Silberlackierung (finish) gemischt mit Glaslötmittel bestehen, so daß die Schicht elektrisch leitend und gleichzeitig undurchlässig'für Tinte ist. Durch nachfolgende Schleifvorgänge kann die leitende. Schicht selektiv von dem röhrenförmigen Körper 14 entfernt weden, so daß sich die Spalten 24 und 26 ergeben, die die Elektroden 20 und 22 in Abstand und elektrisch voneinander isoliert halten.

Somit wird eine elektrisch leitende Beschichtung auf die Außen- und Innenfläche 16 bzw. 18 des röhrenförmigen Körpers 14 aufgebracht und die Beschichtung ist diskontinuierlich auf einem Teil -der Außenfläche 16 benachbart zum einen Ende des Körpers 14, so daß hierdurch ein Band um den Umfang des Körpers 14 definiert wird, auf dem sich keine Beschichtung befindet. Die Beschicht bildet somit ein Paar von Elektroden 20 und 22 für das Treiberelement 12 und die elektroden 20 und 22 sind voneinander durch den Spalt 24 getrennt, wie er durch das gerade beschriebene Band definiert ist. Die Elektroden 20 und 22 sind auch durch den Spalt 26 voneinander entfernt, dessen Position für die Zwecke der Erfindung nicht kritisch ist.

Das Treiberelement 12 kann um eine Glasrohre oder um eine tintenundurchlässige, elektrisch leitende Metallröhre· gelegt werden, oder eine derartige Röhre kann auch weggelassen werden, wie dies in den Zeichnungen veranschaulicht ist.

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Gemäß Fig. 1 weist die Anordnung 10 auch eine gedruckte Schaltungsplatte 28 mit einer Öffnung auf, durch die das Treiberelement 12 eingepaßt wird. Die Elektroden 20 und 22 werden entsprechend auf gegenüberliegenden Seiten der gedruckten Schaltungsplatte 28 an Positionen 30 und 32 angelötet. Auf einer Seite der gedruckten Schaltungsplatte 28 befindet sich ein erster elektrischer Leiter 34, der mit'der Elektrode 20 an der Position 30 verlötet ist. Auf der gegenüberliegenden Seite der Schaltungsplatte 28 befindet sich ein zweiter elektrischer Leiter 36, der mit der Elektrode 22 an der Position 32 verlötet ist.

Es zeigt sich somit, daß elektrische Kontakte der Elektroden 20 und 22 mit den elektrischen Leitern 34 und 36 durch leitende Lötpunkte an entsprechenden Po-' sitionen 30 und 32 gebildet werden und daß diese Verbindungen als Mittel zum Befestigen des piezoelektrischen Treiberelements 12 an der gedruckten Schaltungsplatte 28 dienen.

Zur Erläuterung der Verwendung einer piezoelektrischen Treiberelementanordnung, die gemäß einem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, wird nun Bezug genommen auf die Fig. 2 und 3, die entsprechend Tintenstrahldruckköpfe 38 und 40 veranschaulichen, die jeweils zum Drucken von sieben unterschiedlichen Farben mittels neun Tintenkanälen geeignet sind. Die Druckköpfe 38 und 40 sind im wesentlichen identisch mit der Ausnahme der Anordnung der Düsenanordnungen, wie sie dargestellt sind.

Fig. 2 und 3 zeigen eine piezoelektrische Treiberelementanordnung mit neun röhrenförmigen piezoelektrischen Treiberelementen 12, die parallel zueinander an

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einer gedruckten Schaltungsplatte 28 in einer 3x3 Matrixanordnung in einem Druckkopfblock 42 angeordnet sind. Neun getrennte elektrische Leiter 34 sind entsprechend mit den Außenelektroden 20 der neun Treiberelemente 12 verbunden und die elektrischen Leiter 34 enden jeweils auf einem Ende 41 der gedruckten Schaltungskarte 28 für eine Verbindung mit einem nicht gezeigten elektrischen Leiter, wobei das Ende 41 sich aus dem Druckopfblock 42 heraus erstreckt. Ein elektrischer Leiter 36 (gemäß Fig. 1) ist gemeinsam mit allen neun Innenelektroden 22 der neun Treiberelemente 12 mit einem zehnten Anschluß 44 außerhalb des Druckkopfblocks 42 "verbunden. . .

Bei jedem der Druckköpfe 38 und 40 sind die neun Treiberelemente 12 in die gedruckte Schaltungsplatte eingepaßt und die entsprechenden Elektroden 20 und 22 sind ele-ktrisch mit der gedruckten Schaltungsplatte 'in der in Fig. 1 veranschaulichten Art verbunden. Ein elektrischer Verbinder, wie ein Stecker oder eine Steckdose , wird mit der gedruckten Schaltungskarte 28 am Schaltungskartenende 41 verbunden und dann wird die Anordnung elektrisch getestet. Die Testanordnung wird dann in ein Epoxyharz oder ein anderes geeignetes Harz eingeschlossen, das in eine Druckkopfform eingegossen wird, um den Druckkopfblock 42 zu bilden. Die neun Tintenkanäle 46 werden durch Einsetzen geeignet gebogener Nadeln durch die entsprechenden Treiberelemente 12 vor dem Gießvorgang gebildet, wobei die Nadeln an der Stirnseite des Druckkopfs in Position gehalten werden, damit sie mit den Düsen 48 der Düsenplatte 50 (Fig. 2 und 4) zusammenfallen, wobei die Düsen 48 bei der Anordnung gemäß Fig. 2 in einer Geraden angeordnet sind und bei der Anordnung in Fig. 3 in einer 3x3

Matrix. In Fig. 3 ist die Düsenplatte 50 nicht gezeigt, um die konstante Krümmung der Tintenkanäle 46 in Richtung der Stirnseite des Druckkopfs 40 besser zu veranschaulichen. ' Nach Eingießen des Harzes und Härten desselben werden die Nadeln aus dem Druckkopf herausgezogen, so daß sie Kanäle 46 hinterlassen.

Jeder Druckkopf 38 und 40 wird mit einem Tintenverteilungsmodul 52 ausgestattet, das drei Abteilungen 40 für Tinten mit den drei Primärfarben enthält, nämlich purpurrot, gelb und cyanblau. Das Tintenverteilungsmodul 52 wird mittels nicht gezeigter Maschinenschrauben mit dem Druckopfblock 42 verbunden (vgl. Fig. 2 und 3). Die Befestigung ist leckdicht, da die aneinanderliegenden Oberflächen des Druckkopfblocks 42 und des Verteilungsmoduls 52 vor der Montage poliert und geläppt werden. Jede der drei Abteilungen 54 steht mit drei Tintenkanälen jeder vertikalen Spalte von Kanälen 46 in den Druckköpfen 38 und 40 in Verbindung.

Gefärbte Tinten in jedem der drei Verteilungsabteilungen 54 kann sehr einfach mittels Tinte nachgefüllt werden, die durch die flexible Leitung 60 (Fig.4) von einem nicht gezeigten Hauptvorratsbehälter in die Abteilungen 54 fließt.

Fig. 4 veranschaulicht einen Schnitt durch die mittlere Tintenzuführkanalspalte und die zugeordnete Verteilungsabteilung 54 einer Druckkopfausbildung gemäß Fig. 3- Fig. 4 veranschaulicht die Verwendung eines Entlüftungskanals 62, der in den anderen Zeichnungen nicht gezeigt ist, in Zuordnung mit der mittleren Tintenzuführkanalspalte. Die beiden anderen Tintenzuführkanalspalten können in ähnlicher Weise mit einem Ent-

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lüftungskanal 62 in Verbindung stehen, der identisch ist mit' demjenigen der Fig. 4 und dazu dient, die Tinte zu entlüften und einen geringfügigen Unterdruck in jedem Farbtintenzuführungssystem aufrecht zu erhalten'. Entlüftungskanäle sind beispielsweise in der US-PS 4 126 beschrieben. Mittel zum Entlüften und Aufrechterhalten eines geringfügigen Tintenzuführsystemunterdrucks können in ähnlicher Weise in einem Druckkopf mit neun Düsen in einer vertikalen Reihe, wie beim Druckkopf 38,angeordnet werden.

Die veranschaulichten Druckköpfe 38 und 40 sind insbesondere dafür geeignet, durch einen Gießvorgang hergestellt zu werden, was in Druckköpfen mit niedriger Masse resultiert. Die Druckköpfe 38 und 40 können somit vorteilhaft als bewegbare Druckköpfe Verwendung finden, um ■in linearer Weise über ein Blatt Papier oder einen anderen Aufzeichnungsträger mittels eines nicht gezeigten bekannten Mechanismus bewegt zu werden, während sie gleichzeitig in einer zeichenabhängigen Weise mittels eines nicht gezeigten bekannten Zeichengenerators erregt werden.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Herstellen eines Druckkopfes zur Verwendung in einem Tintenstrahldrucker, wobei der Kopf ein piezoelektrisches Treiberelement besitzt, das einen aus piezoelektrischem Material hergestellten röhrenförmigen Körper aufweist, auf dem ein Paar von Elektroden aufgebracht ist, gekennzeichnet durch die Schritte: Einpassen des Treiberelements (12) durch eine Öffnung in einer gedruckten Schalungsplatte (28) derart, daß ein Teil des röhrenförmigen Körpers (14) sich durch die Öffnung erstreckt, mit einem Zwischenraum (24) zwischen den Elektroden (20,22) auf der Außenfläche des röhrenförmigen Körpers, wobei der Zwischenraum zwischen gegenüberliegenden'Seiten der Schaltungsplatte (28) liegt und entsprechendes Verlöten der Elektroden mit elektrischen Leitern (34,36), die ent-

sprechend auf den gegenüberliegenden Seiten angeordnet sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den Schritt: Einschließen der Anordnung des Treiberelements (12) und desjenigen Teils der Schaltungsplatte (28), an dem das Treiberelement durch Löten angebracht ist, in Kunstharz, wobei das Kunstharz in eine Form gegossen wird, um einen Druckkopfblock (42) mit einem Kanal(46) für den Tintenfluß zu erzeugen, der durch den Block und das Treiberelement verläuft und wobei ein Teil (41) der Schaltungsplatte und Teile der Leiter (34,36) sich aus dem Block ■

heraus erstrecken, um elektrische Verbindungen zu den Elektroden (20,22) herzustellen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch den Schritt:' Elektrisches Testen des Treiberelements (12) an Ort und Stelle mit an die gedruckte Schalungsplatte (28) angelöteten Elektroden, wobei das elektrische Testen vor dem Umgeben mit Kunstharz erfolgt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den Schritt: Vorsehen der Elektroden (20,22) in Form einer' leitenden Beschichtung auf der Außen- und Innenfläche (16,18) des röhrenförmigen Körpers (14), wobei sich die leitende Beschichtung über ein Ende des röhrenförmigen Körpers erstreckt und auf der Außenfläche (16) diskontinuierlich ist, um ein den Zwischenraum (24) darstellendes Band um den Umfang des röhrenförmigen Körpers benachbart zu dem Ende zu definieren.

5. Verfahren nach einem der'vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Schritte: Vorsehen einer Vielzahl von piezoelektrischen Treiberelementen (12) gemäß Patentanspruch 1,' Anbringen jedes der Treiberelemente an der Schaltungsplatte (28) in einer .Art gemäß Patentanspruch 1, wobei eine Elektrode (22) jedes Treiberelements (12) ari einem elektrischen Leiter (36) angelötet wird, der allen Treiberelementen gemeinsam ist und auf einer Seite der Schaltungsplatte vorgesehen ist und wobei, die andere Elektrode (20) jedes Treiberelements mit einem entsprechenden einer Vielzahl von elektrischen Leitern (34) verlötet wird, die auf der gegenüberliegenden Seite der Schaltungsplatte angeordnet sind.