DE10332760B3

DE10332760B3 - Fluidausgabevorrichtung

Info

Publication number: DE10332760B3
Application number: DE2003132760
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Prof. Dr.-Ing. Wehl; Jörg Prof. Dr.-Ing. Wild
Original assignee: FACHHOCHSCHULE HEILBRONN HOCHS; Fachhochschule Heilbronn Hochschule fur Wirtschaft und Technik
Current assignee: FACHHOCHSCHULE HEILBRONN HOCHS; Fachhochschule Heilbronn Hochschule fur Wirtschaft und Technik
Priority date: 2003-07-17
Filing date: 2003-07-17
Publication date: 2005-02-17
Anticipated expiration: 2023-07-18
Also published as: WO2005009626A1; DE112004000045D2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Fluidtröpfchenausgabevorrichtung mit einem zum Fluidtröpfchenausgeben geöffneten Fluidvorrat und mit einem Aktor zur das Fluidausgeben bewirkenden Fluiddruckbeaufschlagung. Hierbei ist vorgesehen, dass der Aktor zur Beaufschlagung des Fluidvorrates mit aktorschallwelleninduzierten Wechseldruckimpulsen ausgebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das oberbegrifflich Beanspruchte und befasst sich somit mit der Erzeugung von Tröpfchen von Fluiden insbesondere in einer Heißfluiddruckvorrichtung und dergleichen.

Es gibt eine Vielzahl von Anwendungen, bei denen feine Tröpfchen gesteuert erzeugt werden. Hierzu zählen beispielsweise Tintendrucker, bei denen Tinte aus einem Vorrat auf ein Papier oder dergleichen gespritzt wird, um Texte, Graphiken usw. zu drucken. Dabei sind eine Reihe von Techniken bekannt, um ein präziseres Druckbild zu erreichen. Aus der EP 0 219 177 ist bereits ein Verfahren zum Aufbringen kleiner tropfenförmiger Klebstoffmengen auf ein Werkstück aus einer Ausgabedüse bekannt, welcher über einen Druckgenerator Kleber zugeführt wird. Damit sehr kleine Klebertröpfchen mit hoher Folgefrequenz in genau vorgebbarer und reproduzierbarer Dosierung auf ein Werkstück aufbringbar sind, ist vorgesehen, dass ein der Düsenöffnung benachbarter Kleberraum mit Druckimpulsen beaufschlagt wird, deren Druckanstiegsdauer kleiner als 8 μsec ist.

Es ist auch schon vorgeschlagen worden, heiße Fluide wie insbesondere Metalllot oder dergleichen aus einem Heißfluidvorrat tröpfchenweise auszugeben, um aus dem heißen Fluid erforderliche Strukturen aufzubauen. Eine Anwendung findet sich etwa in der Erzeugung von Lot-Bumps, die zur Kontaktierung von Halbleiter-Chips wie Prozessoren und dergleichen eine Verbindung zwischen dem entsprechenden Kontaktbereich auf dem den Prozessor bildenden Siliziumstück und einem weiteren Chip bzw. einer Halterung oder dergleichen bilden kann, in welcher der Chip etwa eingegossen oder auf andere Weise fixiert wird.

Problematisch ist nun, dass gerade für die erwähnten Anwendungen eine sehr hohe Präzision und Akkuranz der Lage und Größe der auszugebenden Tröpfchen erforderlich ist. Dem stehen Probleme dadurch entgegen, dass das heiße Fluid nur in erwärmtem Zustand ausgegeben werden kann, was bedeutet, dass die gesamte, für die Ausgabe erforderliche Anordnung auf eine entsprechend hohe Betriebstemperatur gebracht werden muss. Da für einzelne Teile der Vorrichtung, aus welcher das heiße Fluid ausgegeben wird, unterschiedliche Materialien erforderlich sind, treten sehr oft thermische Spannungen und Dehnungen auf. Diese verringern die gewünschte Präzision, wenn, wie typisch, Heißfluidtröpfchen aus einem Heißfluidvorrat in einer Heißfluidvorratskammer ausgegeben werden, welche eine membranartige dünne Wandung besitzt und auf welche wiederum ein Aktor einwirkt. Während der Aktor auf die Membran drückt, wird heißes Fluid aus einer Ausgabeöffnung gepresst. Es ist nun einsichtig, dass unterschiedliche Ausdehnungen usw. der verschiedenen Teile der Heißfluidausgabevorrichtung dazu führen können oder müssen, dass ein per se erforderlicher Aktorweg bzw. Kraftverlauf nicht, jedenfalls nicht in der oftmals erforderlichen exakten Reproduzierbarkeit erzeugt werden kann.

Um Heißfluidtröpfchenausgabevorrichtungen einer breiteren Anwendung zuzuführen, ist überdies wünschenswert, eine preiswerte Ausgestaltung zu ermöglichen, eine problemfreie Ansteuerung und/oder eine sich schnell wiederholende Ausgabe von Heißfluidtröpfchen. Es wäre wünschenswert, zumindest einige dieser Problembereiche zumindest ansatzweise einer wenigstens partiellen Lösung zuzuführen. Daneben ist einsichtig, dass neben Möglichkeiten, mit denen Heißfluidtröpfchen ausgegeben werden sollen, auch neue Ausgabemöglichkeiten für nicht heiße Fluide wünschenswert sind.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Neues für die gewerbliche Anwendung bereitzustellen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einer Fluidtröpfchenausgabevorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1 sowie mit einem Verfahren zur Heißfluidtröpfchenausgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 25.

Bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den Unteransprüchen.

Die vorliegende Erfindung schlägt somit in einem ersten Grundgedanken eine Fluidtröpfchenausgabevorrichtung mit einem zum Heißfluidtröpfchenausgeben geöffneten Fluidvorrat und mit einem Aktor zur das Fluidausgeben bewirkenden Fluiddruckbeaufschlagung vor, bei welcher der Aktor zur Beaufschlagung des Fluidvorrates mit aktorschallwelleninduzierten Wechseldruckimpulsen ausgebildet ist.

Ein erster wesentlicher Grundgedanke der Erfindung besteht somit in der Erkenntnis, das Heißfluidtröpfchen wesentlich präziser ausgegeben werden können, wenn der Vorrat, aus welchem sie durch Druckimpulse aus Ausgabeöffnungen herausgepresst werden, mit Wechseldruckimpulsen beaufschlagt wird, also sowohl Überdruck als auch Unterdruck in impulsartiger Form auf den Fluidvorrat ausgeübt wird. Dies ist bevorzugt gegenüber einer monopolaren Druckbeaufschlagung, bei welcher lediglich ein Überdruckimpuls angelegt wird und gegebenenfalls noch ein geringes, langsames Unterschwingen bei Rückstellen des Aktors auftreten kann. Es ist dabei beachtenswert, dass nicht nur die Durchführbarkeit einer Wechseldruckimpulsbeaufschlagung, wie sie prinzipiell von Tintendruckern bekannt war, auch für andere Fluidausgabevorrichtungen erkannt werden mußte, was für allgemeine Fluide wegen der oft typisch vollständig anderen Tröpfchenparameter etwa bezüglich der Tropfendichte, Masse, Viskosität usw. nicht zu erwarten war, sondern dass überdies auch eine besondere Art der Wechseldruckimpulserzeugung gelehrt wird, nämlich durch Schallwellen, die in einem Festkörper aktorinduziert, also durch diesen erzeugt, werden. Diese Art der Schallwellenerzeugung in einem Festkörper und das Einkoppeln der Festkörper in das Fluid sind dabei streng zu unterscheiden von der bekannten Erzeugung von Schallwellen im Fluid selbst. Die vorliegende Erfindung erlaubt nämlich durch die entfernt vom Fluid erfolgende Schallwellengeneration im Festkörper, auch Fluide mit hohen oder gegebenenfalls sehr niederen Temperaturen ohne Aktorbeeinträchtigung auszuspritzen. Der Festkörper kann dabei typisch mit dem Aktor identisch sein; dann laufen die Schallwellen durch den Aktor, der zu deren Erzeugung erregt wird, und treffen schließlich auf das Fluid.

In einer bevorzugten Variante wird das Fluid ein Heißfluid sein und bevorzugt wenigstens eine Temperatur von 150°C aufweisen; bevorzugt liegen die Temperaturen noch darüber.

Sie können um 350°C liegen oder noch weiter angehoben werden, wobei kritisch die sich ergebende Temperatur des Aktors ist, etwa wenn dieser wie bevorzugt möglich als piezoelektrischer Aktor gebildet ist, dessen Curie-Temperatur die maximal zulässige Betriebstemperatur begrenzt. Dies ist möglich, weil das Fluid entfernt vom Ort liegen kann, an welchem der Aktor Schallwellen erzeugt; die Strecke zwischen Fluid und aktivem Aktorbereich isoliert dann thermisch.

Als Heißfluid wird typisch ein geschmolzenes Metall verwendet. Bei diesem Metall kann es sich insbesondere um ein Lot bzw. eine Lotlegierung handeln, so dass die Heißfluidtröpfchenausgabevorrichtung insbesondere Teil eines Lotdruckkopfes sein kann, wie er etwa für die Kontaktierungen von Halbleiter-Chips einsetzbar ist.

In einer bevorzugten Variante ist der (Heiß-)Fluidvorrat als Kammer gebildet, die insbesondere von einer Seite her geheizt werden kann, um das Fluid auf die gewünschte Temperatur zu erwärmen oder dort zu halten, und welche von der anderen Seite her insbesondere an einer Membranwand vom Aktor mit Wechseldruckimpulsen beaufschlagt werden kann.

Eine bevorzugte Variante wird erhalten, wenn die Kammer mit Ausgabeöffnungen versehen wird, die als Kapillaröffnungen mit einem Durchmesser zwischen insbesondere 20 bis 150 μm versehen sind. In einer praktischen Ausführungsform wurde eine Kapillaröffnung von um 70 μm verwendet. Es ist aber einsichtig, dass, insbesondere dann, wenn Halbleiterstrukturen kleiner werden, eine Anpassung auch der Kontaktflächen erwünscht ist und somit die Tröpfchengrößen von dafür vorgesehenen Lottröpfchen verringert werden sollen, was durch Anpassung der Ausgabeöffnungsgrößen möglich ist. Überdies ist einsichtig, dass, wenn von einem Ausgabeöffnungsdurchmesser die Rede ist, sich diese Größe auf eine äquivalente Fläche bezieht, ohne dass zwingend eine kreisrunde Ausgabeöffnung vorhanden sein muss. Insbesondere sei darauf hingewiesen, dass an Stelle von runden Öffnungen auch Ausgabeöffnungen mit viereckigem Querschnitt etwa durch Ätzen der Öffnungen in Siliziumstrukturen und/oder mit hochenergetischen Laserstrahlen erhalten werden können.

Der Aktor wird typisch als piezoelektrischer Aktor gebildet sein. Dabei kann er Lamellenstrukturen aufweisen, wie sie per se etwa aus der DE 199 31 110 A1 bekannt sind. In diesen piezoelektrischen Aktoren sind Schallwellen wie erforderlich erzeugbar. Es sei hierbei im übrigen darauf hingewiesen, dass die sich mit Heißfluidtröpfchenerzeugung allgemein befassenden früheren Schutzrechtsanmeldungen der vorliegenden Erfinder zu Offenbarungszwecken vollumfänglich in die vorliegende Anmeldung eingegliedert sind.

Der Aktor ist in einer bevorzugten Variante so gebildet, dass er wenigstens einen aktiven und wenigstens einen inaktiven Bereich aufweist, der von dem Wirkende, an welchem der Aktor auf die insbesondere membranartige Umgrenzung des Fluidvorrates einwirkt, verschieden ist.

Alternativ zum Vorsehen eines aktiven und eines inaktiven Bereiches wäre es möglich, einen durchgehend aktiven Aktor vorzusehen, der aber in unterschiedlicher Weise erregt wird, was bei einem piezoelektrischen Aktor mit Lamellenstruktur etwa dadurch geschehen könnte, dass zeitlich versetzte und/oder in unterschiedliche Richtungen verlaufende elektrische Impulse an diesen angelegt werden, obgleich die Verwendung unipolarer elektrischer Impulse stark bevorzugt ist.

Es ist möglich, dass der Aktor mehrere aktive Bereiche aufweist, was vorteilhaft sein kann, wenn sehr starke Impulse und/oder sehr kurz hintereinander laufende Impulse bzw. jeweils Wechselimpulse erzeugt werden sollen. Der Aktor selbst kann monolithisch gebildet sein, wie per se für Aktoren bekannt.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der aktive Bereich oder zumindest ein aktiver Bereich beabstandet von einer oder der Aktorendseite, die vom Fluidvorrat abgewandt sind. Die Aktorendseite kann daher zur Reflektion einer in dem Aktor verlaufenden Stoß- bzw. Schallwelle ausgebildet sein. Mit anderen Worten wird im Aktor in einer bevorzugten Variante in einem aktiven Bereich eine Longitudinal-Welle erzeugt, diese am Aktorende reflektiert und sodann insbesondere durch Überlagerung weiterer Pulse aus dem aktiven Bereich eine durch den Aktor verlaufende Stoßwellenform erreicht, die die gewünschte Wechseldruckbeaufschlagung ergibt. Während es prinzipiell möglich ist, einen Aktor so auszubilden, dass er sowohl einen Über- als auch einen Unterdruckimpuls in einem (Heiß-)Fluidvorrat erzeugt, auch ohne auf einen piezoelektrischen Aktor Rückgriff zu nehmen, ist die als bevorzugt beschriebene Anordnung, bei welcher im Aktor piezoelektrisch Stoß- bzw. Schallwellen erzeugt werden, aus denen die erforderlichen Wechseldruckimpulse durch Überlagerung mehrerer Aktorerregungen erhalten werden, deshalb besonders bevorzugt, weil sie eine baulich und ansteuerungsmäßig sehr einfache Ausbildung der Heißfluidtröpfchenausgabevorrichtung erlauben.

In einer bevorzugten Variante wird die Stoß- und/oder Schallwellenreflektion durch insbesondere am vom Fluidvorrat abgewandten Ende angebrachte zusätzliche Massen, wie hammerförmige Verdickungen oder dergleichen, erreicht und/oder dadurch, dass der Aktor sich zumindest nahezu ungehindert dehnen und/oder kürzen kann, also nicht fest angebracht, einstöckig mit einer rückwärtigen Abstützung oder z. B. nur durch eine Gleitführung in seiner Lage bestimmt ist. Diese Anordnung führt einerseits zu der gewünschten Reflektion am Aktorende mit oder ohne Phasenumkehr von im Aktorinneren laufenden Stoß- und/oder Schallwellen und reduziert zudem das Auftreten von thermischen Spannungen in den Aktoren, wobei durch die Verringerung thermischer Spannungen und dergleichen wiederum eine Verbesserung der Präzision und/oder Akkuranz der Tröpfchenausgabe erreicht wird.

Es ist einsichtig, dass bei Fehlanpassungen der Schallimpedanz zum Fluidvorrat bzw. zur Fluidvorratswandung auch dort ein Impedanzsprung für die Schallimpedanz auftreten könnte. Typisch werden aber konstruktive Maßnahmen, etwa zur Impedanzangleichung von Aktor und Übergangsstelle zum Heißfluidsystem ergriffen, um hier eine weitgehende Einkopplung der Schallenergie in den Heißfluidvorrat zu bewirken. An dem der Fluidseite abgewandten Ende des Aktors wird dagegen typisch besonders ein starker Impedanzübergang vorgesehen, um dorthin laufende Stoß- und/oder Schallwellen reflektieren zu lassen. Es ist einerseits prinzipiell eine Sprungstelle zu großen Impedanzen möglich, bei der Schallwellen ohne Phasenwechsel reflektiert werden; ein derartiger Impedanzsprung kann etwa durch eine endseitig angebrachte Zusatzmasse bewirkt werden. Eine Sprungstelle zu sehr kleinen Impedanzen lässt Stoß- und/oder Schallwellen hingegen zwar ebenfalls reflektieren, allerdings mit dem Unterschied, dass sich dabei die Phase der Welle um 180° ändert. Ein derartiger Impedanzsprung ist konstruktiv besonders einfach dadurch zu erzielen, dass das Aktorende unbefestigt an Luft grenzt. Dabei muss der Schallimpedanzsprung nicht genau so groß sein, wie er sich bei einem in Luft frei beweglichen Aktor ergibt, weil etwa Kühlfluide vorgesehen sein könnten, die den Aktor kühlen und es ist, wie unmittelbar einsichtig sein wird, möglich, auch am vorderen Ende die Schallimpedanzen nicht exakt auf jene der Heißfluidvorratswandmembran anzupassen. Die größere Änderung am vom Heißfluidvorrat abgewandten Ende sorgt jedoch dafür, dass zumindest ein überwiegender Teil der Druckimpulse in den Heißfluidvorrat hinein beaufschlagend wirkt, während sie auf der anderen Seite weitgehend reflektiert werden.

Der Aktor wird mit der (Heiß-)Fluidkammerwand typisch in druck- und/oder zugfester Verbindung stehen, d. h. derart damit in Eingriff befindlich sein, dass sowohl Über- als auch Unterdruckimpulse übertragen werden können. Es werden im allgemeinen bei den typisch stets offenen, ventilfreien Drop-on-Demand-Systemen lediglich pulsartige Druckimpulse, nicht aber statische oder quasistatische Drücke erzeugt. Es sei aber erwähnt, dass von Über- bzw. Unterdruckimpulsen auch dann die Rede ist, wenn der Aktor per se schon im Mittel einen geringen Überdruck ausübt, der bei Unterdruckimpulsen lediglich verringert wird. Eine solche Ausbildung könnte vorteilhaft sein, wenn lediglich erreicht werden soll, dass das Heißfluid sich vor dem eigentlichen Ausstoß etwas aus einer Kapillar öffnung zurückzieht, aber ein sehr hoher Druck zum Auspressen aus der Heißfluidkammerwand erforderlich ist.

Die Kammerwand wird, in bevorzugten Varianten insbesondere für Lotdruckköpfe, aus Siliziummaterial bestehen, das sich besonders gut strukturieren lässt und überdies hinreichend temperaturbeständig ist. Die Verwendung anderer Materialien sei aber als möglich gleichfalls erwähnt.

In einer bevorzugten Variante ist der Aktor thermisch zumindest weitgehend vom Heißfluidvorrat entkoppelt. Dies kann etwa durch eine spitzenartige Verjüngung des auf die Heißfluidvorratswandung wirkenden Aktorendes geschehen und/oder durch thermisch isolierende Beläge auf der Heißfluidsvorratswandung und/oder der Aktorspitze. Es ist einsichtig, dass ungeachtet der thermischen Entkopplung, die gewünscht wird, für eine ausreichende Anpassung der Schallimpedanz Sorge zu tragen ist.

Die Spannungsversorgung, mit welcher piezoelektrische Aktoren erregt werden, kann insbesondere ausschließlich unipolare beziehungsweise, bei etwa geringem Unterschwingen, zumindest weitgehend unipolare Impulse erzeugen. Dies erlaubt eine besonders kostengünstige Ausgestaltung der Spannungsversorgung, die lediglich in der Lage sein muss, hinreichend kurze und/oder starke und in der erforderlichen zeitlichen Reihenfolge ausgegebene Spannungsimpulse an den Aktor bzw. den oder die aktiven Aktorbereiche auszugeben.

Schutz wird auch beansprucht für ein Verfahren zur (Heiß)-Fluidtröpfchenausgabe, bei welchem der (Heiß-)Fluidvorrat mit Wechselimpulsen beaufschlagt wird.

Die Erfindung wird im Folgenden nur beispielsweise an Hand der Zeichnungen beschrieben. In dieser ist gezeigt durch:
1: eine Heißfluidtröpfchenausgabevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
2: eine Veranschaulichung des Druckwellenverlaufes im Aktor;
3: der sich am Heißfluidvorrat einstellende Wechseldruckimpulsverlauf;
4: Varianten der Aktorausgestaltung.
Nach 1 umfasst eine allgemein mit 1 bezeichnete Heißfluidtröpfchenausgabe mit einem an einer Öffnung 2 zum Heißfluidtröpfchenausgeben geöffneten Heißfluidvorrat 3 einen Aktor 4, der zum Beaufschlagen des Heißfluidvorrates mit von diesem Aktor erzeugten, schallenwelleninduzierten Wechseldruckimpulsen ausgebildet ist.
Die Heißfluidtröpfchenausgabevorrichtung 1 dient im vorliegenden Fall zur Ausgabe von Lotlegierungströpfchen mit hoher Wiederholfrequenz und hoher Akkuranz. Sie ist in einer geeigneten Halterung, die als Gleitführung dient, beweglich angeordnet (nicht gezeigt).
Die Öffnung 2 ist als Kapillaröffnung in einem strukturierten Siliziumelement gebildet, wie es per se im Stand der Technik bekannt ist, und hier zur Ausgabe von Heißfluidtröpfchen mit einem Durchmesser von 70 μm bemaßt. Die Öffnung ist zum Heißfluidausstoß quer zur Aktorlängsrichtung angeordnet.
Der Heißfluidvorrat 3 ist in einer Siliziumkammer 3a angeordent, die zum Aktor 4 hin eine Siliziummembran 3b besitzt und welche mit einem größeren Heißfluidvorrat (nicht gezeigt) durch eine langgestreckte Drosselöffnung kommuniziert. Die Heißfluidkammer 3a ist auf einem Träger angeordnet, der hier aus Pyrex-Glas 3c gebildet ist und von der aktorabgewandten Seite 3d mit einem Heizelement 3e auf die gewünschte Betriebstemperatur von z. B. 350°C gebracht wird.
Der Aktor 4 ist als piezoelektrischer Lamellenaktor monolithisch wie per se bekannt aufgebaut und weist somit auch eine hier schallimpedanzanpassende Spitze 4a auf, in welcher der zug- und druckfeste Übergang zur Membranwand 3b erfolgt. Abweichend von bekannten Aktoren wird aber lediglich ein Teilbereich 4b des Aktors, der in 1 hell dargestellt ist, mit einer unipolaren Spannung beaufschlagt, wie durch Pfeil 5 dargestellt. Dieser nach 1 einzelne aktive Bereich ist vom Ende 4c des Aktors, welches dem Heißfluidvorrat abgewandt ist, und von der Wirkspitze 4a beabstandet. Beispiele für praktische Realisierungen der Breite eines einzelnen aktiven Bereiches 4b, der Aktorspitze 4a, des Bereiches dazwischen 4e und des Abstandes des aktiven Bereiches 4b zum Ende 4c sind durch die Pfeile a, b, c, d in 2 wiedergegeben. Es sei darauf hingewiesen, dass über die Dimensionierung dieser Elemente die Pulslaufzeiten und die sich einstellenden Kraftverläufe verändert werden können.
Der Aktor 4 ist im hinteren Bereich durch eine Gleitführung 6 gehalten, die den Aktor ohne signifikante Beeinträchtigung seiner Beweglichkeit so führt, dass auf die Verbindungsstelle zwischen dem Aktor 4 und der Membranwand 3b kein belastendes Moment wirken kann, indem Gleitführung 6 vertikale Bewegungen verhindert, jedoch Stoß- und/oder Schallwellen, die durch den Aktor 4 nach vorne oder hinten laufen, ungehindert und ungedämpft passieren lässt.
Die Anordnung wird verwendet wie folgt: Es wird zunächst das Fluid in gewohnter Weise auf die erforderliche Temperatur erwärmt. Dann wird eine Spannung U für eine Zeit t = t₁ bis t₂ (vergleiche 2) an den aktiven Bereich 4b angelegt. Dieser kontrahiert sich beim Anlegen des Spannungsimpulses und es entsteht eine durch den Aktor laufende Kontraktionswelle, die zum einen in Richtung auf die vordere Spitze 4a läuft und zum anderen in Richtung auf das rückwärtige Ende. Am rückwärtigen Ende tritt auf Grund der sprungartigen Impedanzverminderung eine Reflektion mit Phasenumkehr auf. Dabei wird die Kontraktionswelle in eine Druckwelle umgewandelt, d. h. an Stelle der vorherigen Kontraktion folgt nun eine Expansion des Materials. Während der reflektierte Impuls zur Zeit t₂ durch den aktiven Bereich als Expansionswelle läuft, wird die Spannung am Aktor wieder abgeschaltet. Dies führt dazu, dass sich der Aktorbereich 4b wiederum dehnt und eine Überhöhung der Expansionswelle, die in Richtung der Aktorspitze läuft, auftritt. Es ist einsichtig, dass aus den Laufzeiten der Schallwelle durch den Aktor, der Ausdehnung des aktiven Bereiches sowie der Entfernung d des aktiven Bereiches zum freien Ende 4c des Aktors die erforderliche Pulsdauer des Spannungsimpulses U bestimmt werden kann, und es ist weiter einsichtig, dass nicht ausschließlich ein dauerhafter Puls angelegt werden muss. Vielmehr wäre eventuell ein Puls mit anderer Flankenform anzulegen und/oder ein Pulszug zur Erregung, falls dies gewünscht wäre, wobei auch ein bestimmter Pulsverlauf vorgegeben werden könnte.
Zum Zeitpunkt t₃ ist jetzt die Kontraktionswelle aus dem Einschalten des Spannungsimpulses zur Zeit t₀ fast bis zur Aktorspitze gelaufen, die am hinteren Aktorende reflektierte Welle ist mit der entspannungserzeugten Druckwelle überlagert und hat den aktiven Bereich in Richtung auf die Aktorspitze verlassen, während die entspannungserzeugte Welle, die durch den Aktor in Richtung auf das freie Aktorende 4c läuft, gerade an diesem freien Aktorende 4c reflektiert wird, was durch den Phasensprung wiederum zu einer Unterdruckwelle im Aktor führt. Wenn diese Schallwellenpakete nun in Richtung auf die Aktorspitze weiter zulaufen, wie auf den Teilbildern t₄, t₅, t₆, t₄, t₀ in 2 angedeutet, ergibt sich auf der Aktorspitze bzw. der Heißfluidmembran 3b zunächst ein Unterdruck, dann, kurze Zeit später, ein wesentlich größerer Überdruck, und dann, einige Zeit später, wieder ein Unterdruck.
Dieser akustische Druckverlauf führt dazu, dass das in der Düse kapillarisch gehaltene Fluidmaterial etwas zurückgezogen wird, dann das Fluid aus der so quasi vordefinierten Lage mit hohem Druck ausgestoßen wird und dann, quasi sofort danach, eventuell noch in der Kapillaröffnung vorhandenes Heißfluid wieder zurückgezogen wird. Dies trägt zu einer sehr exakten Wiederholbarkeit bei, ungeachtet von Kapillareffekten, Ausdehnungen usw. und erlaubt hohe Ausstoßfrequenzen.
In der Zeit bis zum nächsten Stoß strömt gedrosselt Material aus dem Vorrat in die Heißfluidkammer nach.
Es ist einsichtig, dass durch geeignete Impulsformen und/oder Aktorbereichsanordnungen andere Pulsverläufe erhalten werden können, falls dies gewünscht wird. Die Art und Weise, wie dies mit einfachen Mitteln möglich ist, wird auch aus dem Vorstehenden ersichtlich sein. Eine erste Variante der Aktoranordnung ist in 4a gezeigt, wonach der aktive Bereich 4b'' größer gewählt ist und zudem am freien Aktorende 4c'' eine trägheiterhöhende Verdickung 4c'' vorgesehen ist. 4b zeigt, dass mehrere aktive Bereiche 4b' getrennt von inaktiven Bereichen 4e'' vorgesehen sein können.

Claims

Fluidtröpfchenausgabevorrichtung mit einem zum Fluidtröpfchenausgeben geöffneten Fluidvorrat und mit einem Aktor zur das Fluidausgeben bewirkenden Fluiddruckbeaufschlagung, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor zur Beaufschlagung des Fluidvorrates mit aktorschallwelleninduzierten Wechseldruckimpulsen ausgebildet ist.
Fluidtröpfchenausgabevorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid eine Temperatur von wenigstens 150°C, bevorzugt um 350°C oder darüber besitzt.
Fluidtröpfchenausgabevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heißfluid ein geschmolzenes Metall ist.
Fluidtröpfchenausgabevorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Heißfluid ein Lot bzw. eine Lotlegierung ist.
Fluidtröpfchenausgabevorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass sie Teil eines Lotdruckkopfes ist.
Fluidtröpfchenausgabevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zum Heißfluidtröpfchenausgeben geöffnete Heißfluidvorrat als Kammer mit Kapillaröffnungen gebildet ist.
Fluidtröpfchenausgabevorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer mit einem größeren Heißfluidvorratsbereich verbunden ist.
Fluidtröpfchenausgabevorrichtung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer wenigstens eine Ausgabeöffnung aufweist, die zur Ausgabe von Fluidtröpfchen mit einem Durchmesser um ca. 20–150 μm, insbesondere um 70 μm bemaßt ist.
Fluidtröpfchenausgabevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor als piezoelektrischer Aktor gebildet ist.
Fluidtröpfchenausgabevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor mit einer Lamellenstruktur gebildet ist.
Fluidtröpfchenausgabevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor wenigstens einen aktiven und wenigstens einen inaktiven Bereich aufweist, der von dem Wirkende verschieden ist.
Fluidtröpfchenausgabevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor mehrere aktive Bereiche aufweist.
Fluidtröpfchenausgabevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor monolithisch gebildet ist.
Fluidtröpfchenausgabevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein aktiver Bereich von einer vom Fluidvorrat abgewandten Aktorendseite getrennt ist und die Aktorendseite zur Stoß- und/oder Schallwellenreflektion ausgebildet ist.
Fluidtröpfchenausgabevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Umgebung des vom Fluidvorrat abgewandten Aktorendes ein Bereich niedriger Schallimpedanz vorgesehen ist, der insbesondere durch Luft, Gas oder Vakuum gebildet ist.
Fluidtröpfchenausgabevorrichtung nach einem der Ansprüche 1–14, dadurch gekennzeichnet, dass am Aktorende eine Zusatzmassezur Schallimpedanzerhöhung angeordnet ist.
Fluidtröpfchenausgabevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor zur Erzeugung von als Zug- und/oder Druckwellenimpulsen durch ihn laufenden Wechseldruckimpulsen ausgebildet ist.
Fluidtröpfchenausgabevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallimpedanz am vom Fluidvorrat abgewandten Ende einen wenigstens um einen Faktor 2, bevorzugt um wenigstens einen Faktor 5 größeren Sprung macht als am Fluidvorrat.
Fluidtröpfchenausgabevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor in zug- und/oder druckfester Verbindung mit einer insbesondere membranartigen Fluidkammerwand steht.
Fluidtröpfchenausgabevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammerwand aus Silizium besteht.
Fluidtröpfchenausgabevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Aktor eine Gleitführung zugeordnet ist.
Fluidtröpfchenausgabevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor thermisch vom Fluidvorrat zumindest weitgehend entkoppelt ist.
Fluidtröpfchenausgabevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spannungsversorgung für die Aktorerregung vor gesehen ist, die zur Erzeugung unipolarer und/oder zumindest im Wesentlichen unipolarer Impulse ausgebildet ist.
Fluidtröpfchenausgabevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsversorgung dazu ausgebildet ist, Impulse in einer solchen Abfolge zu erzeugen, dass sich ein erster, durch Reflektion an dem rückwärtigen Aktorende erzeugter Druckstoß im und/oder beim aktiven Bereich mit einem durch Rückdehnung eines zuvor kontraktierten Aktorbereiches erhaltenen Druckimpuls überlagert.
Verfahren zur Heißfluidtröpfchenausgabe aus einem Heißfluidvorrat durch Beaufschlagung eines Heißfluidvorrats mit Wechseldruckimpulsen, wobei die Wechseldruckimpulse zunächst einen Unterdruck auf den Heißfluidvorrat, dann einen erhöhten Druck und dann wiederum einen Unterdruck auf den Heißfluidvorrat ausüben.