DE4429592A1 - Tintendruckkopf mit integrierter Pumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Tintendruckkopf bestehend aus einer Tintenkammer, die Heizelemente enthält und mit mindestens einer Düsenöffnung in Verbindung steht, einer Pumpenkammer, die über eine Tintenzuführöffnung mit Tinte versorgt wird, die Tintenkammer und die Pumpenkammer sind zwischen einer ersten und einer zweiten Abschlußplatte strukturiert

Die Druckschrift EP-A-0 572 231 offenbart einen Tintendruck­ kopf in kompakter Bauweise, der aus einem Düsenteil und einem Pumpenteil besteht. Der Pumpenteil ist auf dem Düsen­ teil angebracht. Ein piezoelektrisches Bauteil ist an der Außenwand der Tintenkammer (Pumpenteil) angeordnet. Durch Betätigung des piezoelektrischen Elements wird die Außenwand und somit die Tintenkammer deformiert. Dies führt zu einer Druckänderung innerhalb der Tintenkammer. Erhöht sich der Druck, so wird Tinte durch die Düsenöffnungen ausgestoßen, ohne daß für diesen Tintenausstoß (Reinigen des Tintendruck­ kopfes) die Heizelemente bestromt werden müssen. Da das piezoelektrische Bauteil an der Außenwand der Tintenkammer angebracht ist, können Druckänderungen nur durch eine Deformation der Außenwand erreicht werden. Der Aufwand an Deformationsenergie ist in diesem Falle sicherlich hoch, da die zu deformierende Abschlußplatte eine gewisse Stabilität aufweist, die der Deformation entgegenwirkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Tintendruck­ kopf zu schaffen, bei dem der Energieaufwand zur Pumpenbe­ tätigung deutlich reduziert ist. Somit wird das Entlüften und Reinigen eines Tintendruckkopfes, insbesondere eines Tintendruckkopfes nach dem Bubble-Jet Prinzip, sicherge­ stellt. Für die Inbetriebnahme eines Tintendruckkopfes ist es wichtig, daß eventuell im Kopf befindliche Luft auf einfache und kostengünstige Weise entfernt wird, da im all­ gemeinen die Pumpwirkung der Heizelemente und die Kapillar­ wirkung der Düsen nur bei mit Tinte gefüllten Kopf gewähr­ leistet ist.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt darin, einen Tintendruckkopf zu schaffen, der sicherstellt, daß in der Tintenkammer des Druckkopfes immer ausreichend Tinte vor­ handen ist. Wobei der Tintendruckkopf auf einfache, kosten­ günstige und kompakte Weise produzierbar sein soll.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß ein Pumpen­ element innerhalb der im Tintendruckkopf ausgeformten Pumpenkammer integriert ist, und daß in Längsrichtung an beiden Seiten des Pumpenelements Abstandselemente und Ventilelemente angebracht sind.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegen darin, daß bei einem Tintendruckkopf mit integrierter Mikropumpe bei Bedarf Tinte aus einem Tintenbehälter energiesparend an­ gesaugt werden kann. Ferner werden Schmutzpartikel und ein­ getrocknete Tinte im Düsenbereich durch einen, durch die Mikropumpe ausgelösten, Spülvorgang beseitigt.

Hinzu kommt, daß die Pumpenelemente als Mikrostrukturen mit den in der Halbleiterindustrie bekannten Herstellungs­ methoden wie Bonden, galvanisches Beschichten, Lithographie­ verfahren, isotropes- und anisotropes Ätzen hergestellt werden können.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteransprüchen entnommen werden.

Anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungs­ beispiele wird der Gegenstand der Erfindung beschrieben. Die Zeichnung zeigt in der

Fig. 1 einen Querschnitt eines Tintendruckkopfes mit thermisch aktivierbarer Mikropumpe, wobei ein Tintendruckkopf dargestellt ist, der nach dem Edgeshooter-Prinzip arbeitet,

Fig. 2 einen Querschnitt eines Tintendruckkopfes mit elektrostatisch aktivierbarer Mikropumpe, wobei ein Tintendruckkopf dargestellt ist, der nach dem Backshooter-Prinzip arbeitet, und

Fig. 3A-3E die Arbeitsweise eines Tintendruckkopfes mit integrierter Mikropumpe.

Fig. 1 und Fig. 2 zeigen einen erfindungsgemäßen Tinten­ druckkopf 1 im Querschnitt. Der Tintendruckkopf 1 besteht aus einer ersten Abschlußplatte 2, in der eine Tintenzuführ­ öffnung 6 ausgebildet ist, über die Tinte aus einem Vorrats­ behälter (nicht dargestellt) den Tintendruckkopf 1 zugeführt wird. Die Tintenzufuhr erfolgt über eine Siebstruktur 8, die der Tintenzuführöffnung 6 nachgeschaltet ist. Die Sieb­ struktur dient dazu die aus dem Vorratsbehälter kommende Tinte zu filtern. Über eine erste Leitungsstruktur 10 ge­ langt die Tinte in eine Pumpenkammer 12 und über eine zweite Leitungsstruktur 14 zu einer Tintenkammer 16. Die Austritts- Öffnung 18 der ersten Leitungsstruktur 10 ist mittels eines ersten Ventils 20 verschließbar. Die Pumpenkammer 12 bzw. das Pumpvolumen der im Tintendruckkopf 1 integrierten Mikro­ pumpe wird durch das erste Ventil 20, die Pumpenmembran 22 und ein Abstandselement 24 ausgebildet, die über eine zweite Leitungsstruktur 14 mit der Pumpenkammer 12 in Verbindung steht. An die Pumpenkammer 12 anschließend ist die Tinten­ kammer 16 ausgebildet. Die Austrittöffnung 26 der zweiten Leitungsstruktur 14 ist ebenfalls mit einem Ventil 28 ver­ schließbar. Die Tintenkammer 16 des Tintendruckkopfes ist mit mindestens einer Düsenöffnung 30 zum Ausstoß von Tinten­ tropfen 31 verbunden. Innerhalb der Tintenkammer 16 ist mindestens ein Heizelement 32 angebracht, das zum Erzeugen von Dampfblasen dient, die den Tintenausstoß anregen. Die gesamte Tintenkopfstruktur, mit Tintenkammer 16, Pumpen­ kammer 12 Siebstruktur 8 und den Leitungsstrukturen 10, 14, ist mittels einer zweiten Abschlußplatte 4 verschlossen.

Die in Fig. 1 dargestellte, im Tintendruckkopf 1 integrierte Mikropumpe ist thermisch aktivierbar. Dazu ist an der Pumpenmembran 22 eine Bimetallstruktur 34 aufgebracht. Unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten der Bimetall­ struktur bewirken eine Deformation der Pumpenmembran 22. Eine Temperaturänderung der Bimetallstruktur kann z. B. durch ein elektrothermisches Bauteil mit entsprechender elektron­ ischer Verschaltung (nicht dargestellt) hervorgerufen werden.

Die in Fig. 2 dargestellte, im Tintendruckkopf 1 integrierte Mikropumpe ist elektrostatisch aktivierbar. Dazu ist auf der der Pumpenkammer 12 abgewandten Seite der Pumpenmembran 22 eine erste Elektrode 36 angebracht. Gegenüber der ersten Elektrode auf der ersten Abschlußplatte 12 befindet sich eine zweite Elektrode 38 oder Gegenelektrode. Durch elektro­ statische Anziehung oder Abstoßung ist die Pumpenmembran aktivierbar. Die unterschiedlichen Potentiale der ersten und der zweiten Elektrode (36, 38) können durch eine ent­ sprechende elektronische Schaltung (nicht dargestellt) ange­ legt werden.

Wie in Fig. 1 bzw. Fig. 2 dargestellt ist kann der Tinten­ druckkopf sowohl nach dem Edgeshooter- als auch nach dem Sideshooter-Prinzip arbeiten. Die Anwendung des Pumpen­ prinzips ist nicht von der Arbeitsweise des Tintendruck­ kopfes abhängig.

Die Arbeitsweise eines Tintendruckkopfes 1 mit integrierter Mikropumpe ist in Fig. 3A-Fig. 3E dargestellt. Die Be­ schreibung beschränkt sich auf einen Tintendruckkopf mit integrierter, thermisch aktivierbarer Membranpumpe. Es ist selbstverständlich, daß für andere Pumpentypen die Arbeits­ weise ähnlich ist. Fig. 3A zeigt den Tintendruckkopf mit der integrierten Membranpumpe in Ruhestellung. Zusätzlich zu der Tintenzuführöffnung 6 befindet sich in der ersten Abschluß­ platte 2 ebenfalls eine Druckausgleichsöffnung 40, die dazu dient, die durch die Membranbewegungen im Raum zwischen der ersten Abschlußplatte 2 und der Unterseite der Membran ent­ stehenden Druckschwankungen auszugleichen. Die Druckaus­ gleichsöffnung 40 befindet sich unmittelbar gegenüber der Pumpenmembran 22.

In Fig. 3B ist die Pumpenmembran 22 aktiviert. Durch den in der Pumpenkammer 12 entstehenden Überdruck öffnet sich das zweite Ventil 28 an der Austrittsöffnung 26 der zweiten Leitungsstruktur 14. Der Überdruck pflanzt sich in die Tintenkammer 16 fort, und Tinte wird durch die Düsen­ öffnungen 30 ausgestoßen.

Anschließend wird, wie in Fig. 3C dargestellt wird die Pumpenmembran 22 deaktiviert und sie federt aufgrund ihrer elastischen Eigenschaften zurück. Dadurch entsteht im Pumpenraum ein Unterdruck, wodurch das erste Ventil 20 an der Austrittsöffnung 18 der ersten Leitungsstruktur geöffnet und Tinte aus dem Vorratsbehälter (nicht dargestellt) durch die Tintenzuführöffnung 6 nachgesaugt wird.

Fig. 3D beschreibt die Bestromung des Heizelements 32, wodurch eine Dampfblase 42 erzeugt wird, die zum Ausstoß eines Tintentropfens führt. Der durch das Heizelement 32 fließende elektrische Strom erzeugt eine lokale Wärmeent­ wicklung, die zu einer Verdampfung der Tinte über dem Heizelement 32 führt. Die entstandene Dampfblase 42 erzeugt einen Überdruck, der ein Verschließen der Ventile 20, 28 verursacht.

Das in Fig. 3E dargestellte Abkühlen des Heizelements 32 ist mit einem Unterdruck in der Tintenkammer 16 verbunden. Dadurch öffnen sich die Ventile 20, 28, und aufgrund der Kapillarwirkung der Tintendüse wird Tinte zur Wiederbe­ füllung der Tintenkammer 16 nachgesaugt.

Claims (4)

1. Ein Tintendruckkopf (1) bestehend aus einer Tinten­ kammer (16), die mindestens ein Heizelement (32) ent­ hält und mit mindestens einer Düsenöffnung (30) in Ver­ bindung steht, einer Pumpenkammer (12), die über eine Tintenzuführöffnung (6) mit Tinte versorgt wird, die Tintenkammer (16) und die Pumpenkammer (12) sind zwischen einer ersten und einer zweiten Abschlußplatte (2, 4) strukturiert, dadurch gekennzeichnet, daß ein Pumpenelement (22) innerhalb der im Tintendruckkopf (1) ausgeformten Pumpenkammer (12) integriert ist, und daß in Längsrichtung an beiden Seiten des Pumpenelements (22) Abstandselemente (23, 24) und Ventilelemente (20, 28) angebracht sind.

2. Tintendruckkopf nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Pumpenelement (22) in Form einer Membran ausgebildet ist.

3. Tintendruckkopf nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß an der Membran (22) eine Bimetallstruktur (34) angebracht ist, mittels der die Membran (22) thermisch aktivierbar ist.

4. Tintendruckkopf nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß an der Membran (22) eine erste Elektrode (36) und an der ersten Abschlußplatte (2) eine zweite Elektrode (38) derart angebracht ist, daß die beiden Elektroden (36, 38) sich gegenüberliegen, und mittels denen die Membran (22) elektrostatisch aktivierbar ist.