DE4443245C2 - Modul für einen Tintendruckkopf - Google Patents
Modul für einen TintendruckkopfInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Modul für einen Tintendruckkopf, der aus mehre
ren derartigen Modulen in Stapelbauweise zusammengesetzt ist, wobei
die Module nach dem Edge-Shooter-Prinzip arbeiten und mit plattenförmi
gen piezoelektrischen Aktoren ausgerüstet sind.
Der Tintendruckkopf ist für den Einsatz in kleinen schnellen Druckern vor
gesehen, die wiederum Bestandteil von modernen Maschinen zum Fran
kieren von Postgut oder zum Drucken von Adressen sind. Ein derartiger
Drucker ist auch als Produktbeschriftungsgerät geeignet.
Im Unterschied zum üblichen Bürodrucker mit zeilenweisem Abdruck er
folgt der Druck als einmaliger Frankierabdruck in einem Durchlauf des
Postgutes. Entsprechend dieser wesentlich größeren Druckbreite - unge
fähr ein Inch - ist die Anzahl untereinander anzuordnender Tintendüsen
und damit auch die Anzahl der Piezoaktoren in einem Tintendruckkopf
erheblich größer als bei Tintendruckköpfen für Bürodrucker.
Um den modernen Komfort - Klischees mit Wort- und Bildzeichen - für
Frankiermaschinen mit guter Druckqualität zu erfüllen, sind Druckauflösun
gen von annähernd 200 dpi erforderlich, das bedeutet Tintendruckköpfe
mit derselben Düsen- und Piezoaktorenzahl bei einer Druckbreite von
einem Inch. Die üblichen Düsenöffnungen liegen zwischen 40 bis 50 µm
Breite. Bei einer Klischeebreite von einem Inch und einer Auflösung von
200 dpi müssen hier die Justagefehler unter 10 µm gehalten werden.
Zwangsläufig werden derartige Tintendruckköpfe in Planar- beziehungs
weise Stapelbauweise ausgeführt, einerseits aus Gründen der zulässigen
Dimensionen und der damit zu erzielenden Packungsdichte und anderer
seits aus Gründen einer ökonomischen Fertigung, siehe DE 42 25 799 A1.
Üblicherweise werden hierbei als Piezoaktoren Flächenschwinger einge
setzt, bei denen zwischen zwei Metallelektroden ein piezoelektrisches Ma
terial, zum Beispiel Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), angeordnet ist. Die Träger
platte - zugleich Membranplatte über den Tintendruckkammern - für die
Piezoaktoren kann aus Glas, Keramik, Plast oder Metall bestehen.
Die Art und Weise der Anordnung der Module zueinander, um eine Druck
dichte von 200 dpi zu erzielen, und der Kontaktierung der Piezoaktoren ist
dabei ein wesentliches Problem.
Es ist ein Tintenstrahldruckkopf bekannt, siehe EP 0 615 844 A1, der in
Stapelbauweise aus mehreren Modulen zusammengesetzt ist, die nach
dem Edge-Shooter-Prinzip arbeiten. Beiderseits der Module sind platten
förmige Piezoaktoren auf Membranplatten über Tintendruckkammern auf
gebracht. Die zugehörigen elektrischen Leiterbahnen befinden sich gleich
falls auf den Membranplatten. Ein zu den Piezoaktoren nach hinten ver
setztes, plattenförmiges Anschlußstück dient zur Verbindung der Leiter
bahnen mit einer außerhalb des Tintendruckmoduls befindlichen Treiber
leiterplatte mit Steckverbinder.
Es ist andererseits ein Tintendruckkopf der eingangs beschriebenen Art
bekannt, der aus mehreren unterschiedlichen Modulen besteht, von denen
nur ein außenliegender oder in der Mitte liegender Modul an seiner Stirn
seite die gemeinsame Düsenreihe trägt, siehe DE 42 25 799 A1.
Jeder Modul besteht aus einer Mittelplatte und beiderseits zu dieser an
geordneten Membranplatten. Zwischen den Membranplatten und der Mit
telplatte liegen die Tintendruckkammern. Alle Module weisen von Piezoak
toren antreibbare Tintendruckkammern für den Tintenausstoß auf, die
über entsprechend geführte Kanäle mit den zugeordneten Düsen ver
bunden sind. Die Verbindungskanäle von Modul zu Modul verlaufen
zwangsläufig orthogonal zu den Druckkammern.
Zwischen den Modulen sind Abstandsteile angeordnet, die eine Tintenzu
führungsöffnung und Tintendurchführungsöffnungen sowie eine Ausspa
rung für die Piezoaktoren aufweisen. Die Abstandsteile können einteilig
oder zweiteilig sein und bestehen aus demselben Material wie die Piezo
aktoren, die auf der Außenwand der Tintendruckkammern angeordnet und
mit dort verlaufenden Leiterbahnen kontaktiert sind.
Obwohl der Vorteil nur einer einzigen Düsenreihe unstreitig ist, ist der
technologische Aufwand zur Herstellung der zueinander unterschiedlichen
Module noch beträchtlich.
Für die durch mehrere Module verlaufenden Verbindungskanäle sind eine
höhere Genauigkeit als die für die Tintendruckkammern und ein höherer
Justieraufwand erforderlich. Die verschieden langen Verbindungskanäle
bedingen zusätzliche elektronische Steuermaßnahmen.
Dieser Aufbau gestattet keine Vorprüfung einzelner Module auf ihre Funk
tion; erst der zusammengefügte Tintenruckkopf ist prüfbar.
Sind einzelne Module defekt, so ist auf Grund der komplizierten Montage
und Justage ein Austausch derselben ausgeschlossen und es ist demzu
folge eine Auswechslung des vollständigen Tintendruckkopfes erforder
lich. Auf Grund der großen Düsenzahl sind diese Tintendruckköpfe wesen
tlich teurer als Tintendruckköpfe für übliche Bürodrucker.
Es ist weiterhin ein piezoelektrischer Tintendruckkopf mit einem monolithi
schen Piezokeramikkörper bekannt, siehe DE 38 05 279 A1, der parallel
nebeneinander angeordnete Wandler hat, wobei jeder Wandler ein plana
res, piezoelektrisches Antriebselement, eine Druckkammer, einen Tinten
kanal und eine Düse aufweist. Die Druckkammern, die Tintenkanäle und
die Düsen sind als Hohlräume im Piezokeramikkörper ausgebildet. Jedes
Antriebselement weist eine äußere Elektrode, eine innere Elektrode und
eine zwischen den Elektroden angeordnete aktive Piezokeramikschicht
auf. Die Antriebselemente sind durch Einschnitte in der aktiven Piezokera
mikschicht piezoelektrisch voneinander separiert. Die inneren Elektroden
der Wandler sind elektrisch miteinander verbunden. Der elektrische An
schluß der äußeren und der inneren Elektroden erfolgt über ein An
schlußband beziehungsweise einen Bandleiter. Ein Anschluß geht an die
miteinander verbundenen inneren Elektroden. Die äußeren Elektroden
werden getrennt mit Anschlüssen kontaktiert.
Der Piezokeramikkörper ist mit seiner Unterseite und der der Düsenfront
gegenüberliegenden Seite auf einem Halterahmen befestigt. Tintenan
schlußstutzen und das Anschlußband sind durch Öffnungen im Halterah
men hindurchgeführt. Durch Schrägeinbau des Halterahmens in einem
Gehäuse ist die Düsenreihe zur Bewegungsrichtung des Aufzeichnungs
trägers geneigt und infolgedessen wird die Schreibdichte des Tintendruck
kopfes erhöht, vergleiche hierzu auch GB 2 264 086 A, Fig. 3.
Es können auch mehrere Halterahmen beziehungsweise Tintendruck
köpfe übereinander gestapelt und gemeinsam in ein Gehäuse eingesetzt
werden. Damit die Düsenreihen auf Lücke gegeneinander versetzt sind,
müßten entweder die Halterahmen unterschiedlich angepaßt sein, oder
das Gehäuse entsprechende Stufungen aufweisen.
Das Gehäuse weist einen Tintenanschlußstutzen und elektrische An
schlüsse auf.
Mit diesem Tintendruckkopf wird zwar eine hohe Auflösung erreicht aber
der technologische Aufwand einschließlich Justieraufwand ist hierbei je
doch erheblich.
Bei einem anderen bekannten Tintendruckkopf mit Piezoaktoren, siehe
DE 37 25 159 A1, der aus mehreren übereinanderliegend zusammenge
haltenen Platten zusammengesetzt ist, ist eine gedruckte Schalttafel vor
gesehen, auf der eine IC-Treiberschaltung befestigt ist, die zur Ansteue
rung der Piezoaktoren dient. Die Signale für die Piezoaktoren werden den
selben durch ein diese überdeckendes ebenes anisotropisches Verbin
dungsteil zugeführt, das nur in einer Querrichtung leitfähig ist. Der Tinten
druckkopf enthält außerdem ein Heizband zur Erwärmung der Tinte, um
die Viskosität auf einen gewünschten Wert zu halten. Das Heizband ist auf
eine flexible Folienschicht aufgelegt.
Ein Tintendruckkopf gemäß JP 55-156 072 A ist mit zylindrischen Piezo
aktoren ausgestattet, denen die Ansteuersignale über Kontakte zugeführt
werden, die federnd an den Elektroden der Piezoaktoren anliegen.
Schließlich ist noch ein Tintendruckkopf bekannt, siehe US 4,703,333, bei
dem mehrere Tintendruckmodule, die nach dem Sideshooter-Prinzip ar
beiten, so geneigt hintereinander gestapelt sind, daß einerseits der Dü
senbereich und andererseits der Tintenversorgungsbereich frei ist.
Angepaßt an diese schuppenartige Anordnung, ist ein Aufnahmerahmen
mit schrägen Stufen vorgesehen. Um den seitlichen Versatz der Düsen
zueinander zu realisieren, sind die Tintendruckmodule mit Langlöchern
versehen, durch die Schrauben geführt sind, die in Gewindelöchern der
Stufen eingreifen. Die Module müssen mit einer Lehre justiert und dann
mittels der Schrauben arretiert werden.
Das einzelne Tintendruckmodul besteht aus einer Düsenplatte, einer Tin
tenkanalplatte, einer Druckkammerplatte, einer Membranplatte mit Piezo
aktoren und einer Deckplatte mit einer Ausnehmung für einen Bandleiter
zur Kontaktierung der Piezoaktoren.
In die Deckplatte ist ein Tintenzuführungskanal mit zwei Tintenanschluß
buchsen eingearbeitet. Von den Tintenanschlußbuchsen verlaufen Tinten
versorgungskanäle durch die Deckplatte bis zu den Tintendruckkammern
in der Druckkammerplatte. Die Deckplatte ist demzufolge notwendiger
integraler Bestandteil des Tintendruckmoduls. In der Deckplatte ist ein
Fenster vorgesehen, das zur Durchführung des Bandkabels zu den Piezoak
toren dient.
Eine Auswechslung und Vorprüfung einzelner Tintendruckmodule ist zwar
möglich, aber nur durch Auslöten des Bandleiters. Wie aus der Beschrei
bung ersichtlich ist, ist die Anzahl der Einzelteile und der Justieraufwand
beträchtlich. Eine an diesen Tintendruckkopf angepaßte Reinigungs- und
Dichtstation wird auf Grund der Stufung sehr kompliziert aufgebaut sein.
Zweck der Erfindung ist eine Vereinfachung des Tintendruckkopfaufbaus
und eine Verbesserung der Serviceeigenschaften.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Modul für einen Tinten
druckkopf aus mehreren derartigen identischen Modulen zu schaffen, der
als selbständig funktionsfähige Einheit aufgebaut ist, demzufolge leicht
auswechselbar und aus möglichst wenigen, einzeln herstell- und prüfbaren
Baugruppen aufgebaut ist, wobei er einen raumsparenden Aufbau auf
weist, der auch eine effiziente Modulbeheizung ermöglicht. Bei der Ferti
gung des Moduls sollen ferner Ausfallraten minimierbar sein.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gemäß den Patentansprüchen ge
löst.
Auf Grund der vorgeschlagenen Lösung ergeben sich eine Reihe von Vor
teilen.
Die Aufteilung des Moduls in drei Baugruppen - von denen zwei außerdem
noch identisch sind - ermöglicht unter Einbeziehung entsprechender
Adapter eine Einzelprüfung jeder Baugruppe sowie eine Prüfung des ge
samten Moduls. Dadurch können mögliche Fehler schnell eingegrenzt und
ermittelt werden. Bei Defekten braucht in der Regel nur eine Baugruppe
ausgewechselt zu werden; das führt bei der Fertigung und bei Reparatu
ren zu wesentlichen Einsparungen.
Obwohl der Integrationsgrad gegenüber den bekannten Lösungen be
achtlich gesteigert und der Einzelmodul auf Grund der hohen Düsenzahl
nach wie vor teurer ist, werden trotzdem eine Erhöhung der Ausbeutungs
rate und ein besserer und kostengünstigerer Service erreicht.
Der einzelne Schaltungsmodul kann vorteilhaft in Hybrid-Schaltkreis-Tech
nik auf Keramik hergestellt werden. Durch Auftrag der unterschiedlichen
Layer- und Dickfilmpasten können sowohl Leiterbahnen als auch Wider
stände, als auch Kondensatoren ebenso wie Sensoren realisiert werden.
Die große Wärmekapazität des Keramiksubstrats ermöglicht eine gute
Wärmeversorgung des Tintendruckmoduls, zumal es auch möglich ist, die
Heizwiderstände auf der dem Tintendruckmodul zugewandten Fläche des
Schaltungsmoduls anzuordnen. So kann die in den Treiberschaltkreisen
erzeugte Verlustwärme zugleich zur Tintenkopfheizung beziehungsweise
zur Heizung des Tintendruckmoduls mit ausgenutzt werden, wodurch die
Verlustleistung des gesamten Tintendruckkopfes wiederum merklich ver
ringert wird. Das ist ein synergetischer Effekt.
Die Montage und Kontaktierung der Piezoaktoren wird auf Grund der ein
stückigen, kammartigen Ausführung und der Erstreckung aller Elektroden
in eine Ebene vereinfacht. Die Kontaktierung kann mittels eines niedrig
schmelzenden Lotes, wie Indium, oder mittels Bonden erfolgen.
Bei Zusammenfassung mehrerer Module zu einem Tintendruckkopf kön
nen die Schaltungsmodule zugleich als Distanz- und Justierstücke ausge
staltet werden.
Es wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Die Figur zeigt eine Explosivdarstellung des ausführungsgemäßen Mo
duls. Zwecks besserem Verständnis ist die Darstellung schematisiert.
Der Modul besteht aus zwei identischen Schaltungsmodulen 1, 3 und
einem zwischen beiden angeordneten Tintendruckmodul 2.
Der Schaltungsmodul 1 besteht aus einer Trägerplatte 11, auf der Leiter
bahnen 13 mit Kontaktfahnen 12, Heizwiderstände 16 zur Kopfheizung,
Sensoren 17 zur Temperaturmessung und -übermrachung, ein Schaltkreis
modul 14 und ein Steckverbinder 15 angeordnet sind. Die Kontaktfahnen
12 dienen zur Kontaktierung der Piezoaktoren 21. In die Ausnehmung 111
der Trägerplatte 11 ragen in montiertem Zustand die Piezoaktoren 21 hin
ein. Der Schaltkreismodul 14 enthält die Treiberschaltungen zur Ansteue
rung der Piezoaktoren 21.
Der Tintendruckmodul 2 besteht aus einer ersten Deckplatte 22, einer Mit
telplatte 23 und einer zweiten Deckplatte 24.
Auf der ersten Deckplatte 22 sind die Piezoaktoren 21 in Bereichen ange
ordnet, unter denen in die Deckplatte 22 Tintendruckkammern eingeformt
sind. Die Deckplatte 22 wirkt in diesem Bereich zugleich als Membranplat
te. Weiterhin ist die Deckplatte 22 mit Ausnehmungen 221 versehen, die
bis an die Mittelplatte 23 reichen und zur späteren positionsgenauen Befe
stigung des Moduls in einem Tintendruckgehäuse dienen.
In die Mittelplatte 23 sind in die der ersten Deckplatte 22 zugewandten Flä
che Düsenöffnungen 231 und Düsenkanäle eingeformt. Alle Düsenöffnun
gen 231 liegen in einer Ebene.
Auf der zweiten Deckplatte 24 sind in nicht näher gezeigter Weise Piezo
aktoren 25 gleichfalls in Bereichen angeordnet, unter denen in die Deck
platte 24 Tintendruckkammern eingeformt sind. Auch hier dient die Deck
platte 24 partiell zugleich als Membranplatte.
Der Schaltungsmodul 3 ist im Vergleich zum Schaltungsmodul 1 identisch
aufgebaut und lediglich über eine Seitenkante um 180 Grad gedreht zum
Tintendruckmodul 2 angeordnet.
Entsprechend besteht der Schaltungsmodul 3 aus einer Trägerplatte 31,
auf der Leitenbahnen 33 mit Kontaktfahnen 32, Heizwiderstände 36, Sen
soren 37, ein Schaltkreismodul 34 und ein Steckverbinder 35 angeordnet
sind.
Die Kontaktfahnen 32 werden mit den Piezoaktoren 25 kontaktiert.
Für die Piezoaktoren 25 ist die Ausnehmung 311 in der Trägerplatte 31
vorgesehen.
Die Piezoaktoren 21, 25 weisen einen aktiven
sowie einen inaktiven
Bereich
auf. Dabei ist eine Elektrode 212, 252 über eine Stirnseite
der Piezoaktoren 21, 25 in deren inaktiven Bereich erstreckt und stellt
zugleich deren gemeinsame Elektrode dar. Die Ansteuerung erfolgt über
die Einzelelektroden 211, 251.
1
erster Schaltungsmodul
11
Trägerplatte
111
Ausnehmung in der Trägerplatte
11
für Piezoakten
21
12
Kontaktfahne/n
13
Leiterbahnen
14
Schaltkreismodul
15
Steckverbinder
16
Heizwiderstand
17
Sensor
2
Tintendruckmodul
21
Piezoaktor/en an der Oberseite des Tintendruckmoduls
2
211
Einzelelektroden der Piezoaktoren
21
212
gemeinsame Elektrode der Piezoaktoren
21
213
Piezoschicht der Piezoaktoren
21
22
erste Deckplatte des Tintendruckmoduls
2
221
Ausnehmung in der Deckplatte
22
23
Mittelplatte
231
Düsenöffnungen in der Mittelplatte
23
24
zweite Deckplatte des Tintendruckmoduls
2
25
Piezoaktor/en an der Unterseite des Tintendruckmoduls
2
251
Einzelelektroden bzw. Ansteuerelektrode/n
252
gemeinsame Elektrode der Piezoaktoren
25
253
Piezoschicht der Piezoaktoren
25
3
zweiter Schaltungsmodul
31
Trägerplatte
311
Ausnehmung in der Trägerplatte
31
für Piezoaktoren
25
32
Kontaktfahne/n
33
Leiterbahnen
34
Schaltkreismodul
35
Steckverbinder
36
Heizwiderstand
37
Sensor
Claims (5)
1. Modul für einen Tintendruckkopf, der aus mehreren derartigen Modu
len in Stapelbauweise zusammengesetzt ist, die nach dem Edge-Shooter-
Prinzip arbeiten und bei denen plattenförmige, beidseitig mit Elektroden
(211, 212, 251, 252) belegte Piezoaktoren (21, 25) auf Deckplatten (22,
24) über Tintendruckkammern aufgebracht sind, wobei
- - der Modul aus zwei kompakten, jeweils einstückigen Schaltungsmo dulen (1, 3) und einem zwischen beiden angeordneten Tintendruck modul (2) besteht, das durch die Schaltungsmodule (1, 3) weitgehend bedeckt wird,
- - der Tintendruckmodul (2) aus einer ersten Deckplatte (22), einer Mittel platte (23) und einer zweiten Deckplatte (24) sowie den auf den Deckplatten (22, 24) angeordneten Piezoaktoren (21, 25) besteht,
- - und wobei jeder kompakte, einstückige Schaltungsmodul (1, 3) aus einer Trägerplatte (11, 31) besteht, auf der Leiterbahnen (13, 33) mit Kontaktfahnen (12, 32) zur Kontaktierung der Piezoaktoren (21, 25), Heizwiderstände (16, 36) zur Modulbeheizung, Sensoren (17, 37) zur Temperaturmessung, ein Schaltkreismodul (14, 34) mit Treiberschal tungen zur Ansteuerung der Piezoaktoren (21, 25) und ein Steckver binder (15, 35) angeordnet sind und die Ausnehmungen (111, 311) für die Piezoaktoren (21, 25) aufweist.
2. Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Piezoaktoren (21, 25) einen aktiven
und einen inaktiven
Bereich aufweisen, wobei letzterer mit einer
Elektrode (212, 252) belegt ist, die über eine Stirnseite der
Piezoaktoren (21, 25) herumgezogen ist und zugleich als gemeinsame
Elektrode dient.
3. Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß in die Deckplatten (22, 24) Tintendruckkammern und in die Mittel
platte (23) Düsenöffnungen (231) mit Düsenkanälen eingeformt sind,
wobei alle Düsenöffnungen (231) in einer Ebene liegen.
4. Modul nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet,
daß in der den Düsenöffnungen (231) benachbarten Deckplatte (22) Aus
nehmungen (221) bis zur Mittelplatte (23) zur positionsgerechten Anord
nung des Moduls in einem Tintendruckkopfgehäuse vorgesehen sind.
5. Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schaltungsmodule (1, 3) identisch aufgebaut sind.
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