DE10332760B3

DE10332760B3 - Fluid dispenser

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.The invention relates to a fluid droplet dispensing device with a fluid supply opened for dispensing fluid droplets and having an actuator for fluid discharge causing fluid pressurization. It is provided that the actuator is designed to act on the supply of fluid with actor sound wave induced alternating pressure pulses.

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.The The present invention relates to the term claimed above and thus deals with the generation of droplets of fluids in particular in a hot fluid pressure device and the same.

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.There are a variety of applications where fine droplets are generated under control. These include, for example, ink printers in which ink from a supply is sprayed onto a paper or the like to print texts, graphics, etc. There are a number of techniques known to achieve a more precise printed image. From the EP 0 219 177 A method for applying small droplet-shaped amounts of adhesive to a workpiece from a dispensing nozzle is already known, which is supplied via a pressure generator adhesive. So that very small adhesive droplets can be applied to a workpiece with a high repetition frequency in a precisely predetermined and reproducible dosage, it is provided that pressure pulses are applied to an adjacent adhesive space of the nozzle opening whose pressure increase duration is less than 8 μsec.

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.It has also been proposed, hot fluids such as in particular Metalllot or the like from a hot fluid reservoir droplets to spend to get out of the hot Fluid required to build structures. An application finds itself in the production of solder bumps, for contacting of semiconductor chips such as processors and the like connect between the corresponding contact area on the processor forming silicon piece and another chip or a holder or the like form can, in which the chip about poured or otherwise is fixed.

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.Problematic now that is just for the mentioned Applications a very high precision and Accuracy of the location and size of the issued droplet is required. The problems stand in that the name is Fluid only in heated State can be spent, which means that the entire, for the Output required arrangement to a correspondingly high operating temperature must be brought. Therefore individual parts of the device from which the hot fluid is spent, different materials are required very often thermal stresses and strains occur. Reduce this the desired Precision, if, as is typical, hot fluid droplets out a hot fluid supply in a hot fluid storage chamber issued, which has a membranous thin wall and on which in turn acts an actor. While the actuator on the membrane suppressed, gets hot Fluid from a dispensing opening pressed. It is now obvious that different dimensions etc. of the various parts of the hot fluid dispensing device may lead to or have to, that a required per se Aktorweg or force curve, at least not in the often required exact reproducibility can be generated.

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.Around Hot droplets of fluid dispensers a broader application, is moreover desirable, to allow a cheap configuration, a problem-free Control and / or a fast repeating output of Hot fluid droplets. It would be desirable, at least some of these problem areas at least partially one at least partial solution supply. In addition, it is obvious that in addition to ways in which hot fluid droplets are spent should, including new output options for not name is Fluids desirable are.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Neues für die gewerbliche Anwendung bereitzustellen.The Object of the present invention is new to the commercial To provide application.

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.The Task is solved according to the invention with a Fluid droplet dispenser with the features of claim 1 and with a method for Hot fluid droplets Edition with the features of claim 25.

Bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den Unteransprüchen.preferred embodiments can be found in the subclaims.

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.The present invention proposes Thus, in a first idea with a Fluidtröpfchenausgabevorrichtung with one to the hot fluid droplet open Fluid supply and with an actuator for the fluid output effecting Fluiddruckbeaufschlagung ago, in which the actuator for acting the fluid supply with aktorschallwelleninduzierten alternating pressure pulses is trained.

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.A first essential basic idea of the invention thus lies in recognizing that hot-fluid droplets can be dispensed much more precisely when alternating pressure pulses are applied to the supply from which they are pressed out of discharge openings by pressure pulses, ie both overpressure and underpressure in pulse-like form Fluid supply is exercised. This is preferred over a monopolar pressurization, in which only an excess pressure pulse is applied and, if appropriate, even a slight, slow undershoot can occur upon resetting of the actuator. It is It is noteworthy that not only the feasibility of an alternating pressure impulse exposure, as was known in principle from ink printers, but also for other fluid dispensing devices had to be recognized, which for general fluids because of the typically completely different droplet parameters such as in terms of drop density, mass, viscosity, etc. not was expected, but that also a special type of alternating pressure pulse generation is taught, namely by sound waves, the Aktorinduziert in a solid, thus generated by this are. This type of sound wave generation in a solid and the coupling of the solid in the fluid are to be strictly distinguished from the known generation of sound waves in the fluid itself. Namely, the present invention allows by taking place away from the fluid sound wave generation in the solid state, even fluids with high or possibly very low temperatures auszuspritzen without Aktorbeeinträchtigung. The solid may typically be identical to the actuator; then the sound waves pass through the actuator, which is excited to produce them, and finally hit the 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.In In a preferred variant, the fluid will be a hot fluid and preferably at least have a temperature of 150 ° C; preferably lie the Temperatures above.

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.she can around 350 ° C lie or be further raised, being critically the resulting temperature of the actuator, such as if preferred possible is formed as a piezoelectric actuator whose Curie temperature the maximum allowable Operating temperature limited. This is possible because the fluid is removed can be from the place where the actuator generates sound waves; the distance between fluid and active actuator area is then isolated thermally.

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.When hot fluid typically a molten metal is used. In this metal it may in particular be a solder or a solder alloy, so that the hot fluid droplet dispenser in particular may be part of a Lotdruckkopfes, such as for the contacts can be used by semiconductor chips.

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.In In a preferred variant, the (hot) fluid reservoir is formed as a chamber, which can be heated in particular from one side to the Fluid to the desired Temperature to warm or to keep there, and in particular from the other side acted on a membrane wall by the actuator with alternating pressure pulses can be.

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.A preferred variant is obtained when the chamber with dispensing openings is provided as capillary openings are provided with a diameter between in particular 20 to 150 microns. In a practical embodiment became a capillary opening of around 70 μm uses. However, it is clear that, especially if semiconductor structures become smaller, an adaptation of the contact surfaces is desired and thus the droplet sizes of meant for Lottröpfchen to be reduced, which is possible by adjusting the output aperture sizes. moreover is clear that when talking about a discharge port diameter is this size to an equivalent area refers without necessarily a circular outlet opening available have to be. In particular, it should be noted that instead of round openings also issue openings with a square cross section, for example by etching the openings in silicon structures and / or can be obtained with high-energy laser beams.

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.The actuator will typically be formed as a piezoelectric actuator. He may have lamellar structures, as per se from about DE 199 31 110 A1 are known. In these piezoelectric actuators, sound waves can be generated as required. It should be noted, moreover, that the earlier patent applications of the present inventors, which deal with hot-fluid droplet production in general, are incorporated in full in the present application for disclosure purposes.

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.Of the Actuator is formed in a preferred variant so that it at least has an active and at least one inactive area, the from the operative end, at which the actuator on the particular membranous Boundary of the fluid supply acts differently.

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.alternative to provide an active and an inactive area it would be possible to have a continuous one provide active actuator, but energized in different ways what happens with a piezoelectric actuator with lamellar structure could happen through this that staggered and / or in different directions extending electrical impulses are applied to this, although the use of unipolar electrical impulses is highly preferred.

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.It is possible, that the actuator has several active areas, which is advantageous can be when very strong impulses and / or very shortly in a row current pulses or each alternating pulses to be generated. The actuator itself can be monolithic, as per se for actuators known.

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 a particularly preferred embodiment, the active region is at least one active area spaced from one or the Aktorendseite, which are remote from the fluid reservoir. The Aktorendseite can therefore be designed to reflect a running in the actuator shock or sound wave. In other words, in a preferred variant, a longitudinal wave is generated in the actuator in an active region, reflected at the actuator end, and then reaches a shock wave form passing through the actuator, in particular by superimposing further pulses from the active region, which results in the desired alternating pressure application. While it is in principle possible to form an actuator in such a way that it produces both an overpressure and a vacuum pulse in a (hot) fluid reservoir, even without resorting to a piezoelectric actuator, the arrangement described as being preferred, in which Actuator piezoelectric shock or sound waves are generated, from which the required alternating pressure pulses are obtained by superimposing several Aktorerregungen, therefore particularly preferred because they allow a structurally and control moderately simple design of the Heißfluidtröpfchenausgabevorrichtung.

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.In A preferred variant is the impact and / or sound wave reflection in particular by the end facing away from the fluid supply end additional Masses, like hammer-shaped Thickenings or the like, achieved and / or by the fact that the Actor can stretch and / or shorten at least almost unhindered, So not firmly attached, one-storey with a rear support or z. B. only by a sliding guide is determined in his position. This arrangement leads on the one hand to the desired Reflection at the actuator end with or without phase inversion from inside the actuator running bump and / or Sound waves and also reduces the occurrence of thermal stresses in the actuators, whereby by reducing thermal stresses and the like, in turn, an improvement in precision and / or Accuracy of the droplet output is reached.

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.It is clear that in case of mismatches of the sound impedance to Fluid supply or Fluidvorratswandung there also an impedance jump for the Sound impedance could occur. Typical but constructive measures, such as impedance matching from actor and transition point to Hot fluid system taken to here a substantial coupling of the sound energy into the hot fluid supply to effect. At the end remote from the fluid side of the actuator on the other hand, typically a strong impedance transition is provided to get there running shock and / or to reflect sound waves. It is on the one hand in principle a jump to large impedances possible, at the sound waves are reflected without phase change; such a Impedance jump can be approximately through an end-mounted additional mass be effected. A jump to very small impedances allows shock and / or On the other hand, sound waves also reflect, but with the difference being that the phase of the wave changes by 180 °. One Such an impedance jump is structurally particularly simple to achieve that the Aktorende borders unpaved air. there the acoustic impedance jump does not have to be exactly as big as it is in a results in air freely moving actuator, because about cooling fluids could be provided which cool the actuator and it is possible, as will be immediately apparent, too at the front end, the acoustic impedances do not exactly match those of the hot fluid storage wall membrane adapt. The bigger change from the hot fluid supply However, the opposite end ensures that at least a predominant Part of the pressure pulses in the hot fluid supply into acting works while they are largely reflected on the other side.

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.Of the Actuator merges with the (hot) fluid chamber wall typically in pressure and / or tensile connection, d. H. so to be engaged in transmitting both positive and negative pressure pulses can be. There are generally in the typical always open, valve-free drop-on-demand systems only pulsed pressure pulses, but not static or quasi-static pressures generated. It should be mentioned, however that of over- resp. Low pressure pulses is also the case when the actuator per se already on average a slight overpressure exerts which is only reduced in vacuum pulses. Such Training could be beneficial be, if only to achieve that the hot fluid itself something before the actual ejection from a capillary opening withdraws but a very high pressure to squeeze out of the hot fluid chamber wall is required.

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.The Chamber wall is, in preferred variants in particular for Lotdruckköpfe off Silicon material that structure very well lets and moreover sufficiently temperature resistant is. The use of other materials as possible is also possible mentioned.

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.In In a preferred variant, the actuator is thermally at least largely decoupled from the hot fluid supply. This can be done by a tip-like taper of the on the Heißfluidvorratswandung Acting actor happen and / or by thermally insulating coverings on the Heißfluidsvorratswandung and / or the actuator tip. It is obvious that regardless of the thermal decoupling, the desired is for a sufficient adjustment of the acoustic impedance has to be taken care of.

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.The power supply, with which piezoelectric actuators are energized, esp dere exclusively unipolar or generate, at about low undershoot, at least largely unipolar pulses. This allows a particularly cost-effective design of the power supply, which only has to be able to output sufficiently short and / or strong voltage pulses, which are output in the required time sequence, to the actuator or active actuator areas.

Schutz wird auch beansprucht für ein Verfahren zur (Heiß)-Fluidtröpfchenausgabe, bei welchem der (Heiß-)Fluidvorrat mit Wechselimpulsen beaufschlagt wird.protection is also claimed for a method for (hot) fluid droplet dispensing, in which the (hot) fluid supply is subjected to alternating pulses.

Die Erfindung wird im Folgenden nur beispielsweise an Hand der Zeichnungen beschrieben. In dieser ist gezeigt durch:The The invention will now be described by way of example only with reference to the drawings described. In this is shown by:

1: eine Heißfluidtröpfchenausgabevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung; 1 a hot fluid droplet dispenser according to the present invention;

2: eine Veranschaulichung des Druckwellenverlaufes im Aktor; 2 : an illustration of the pressure wave curve in the actuator;

3: der sich am Heißfluidvorrat einstellende Wechseldruckimpulsverlauf; 3 : the change in the pressure of the hot fluid supply alternating pressure pulse course;

4: Varianten der Aktorausgestaltung. 4 : Variants of the actuator design.

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.To 1 includes a general with 1 designated hot fluid droplet dispensing with one at an opening 2 hot fluid supply opened for hot fluid droplet discharge 3 an actor 4 which is designed to act on the Heißfluidvorrates with generated by this actuator, sound wave-induced alternating pressure pulses.

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).The hot fluid droplet dispenser 1 serves in the present case to issue Lotlegierungströpfchen with high repetition frequency and high accuracy. It is arranged in a suitable holder, which serves as a sliding guide, movable (not shown).

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.The opening 2 is formed as a capillary opening in a patterned silicon element, as is known per se in the art, and dimensioned here for dispensing hot fluid droplets having a diameter of 70 microns. The opening is arranged for hot fluid ejection transversely to the Aktorlängsrichtung.

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.The hot fluid supply 3 is in a silicon chamber 3a angeordent that to the actor 4 towards a silicon membrane 3b and which communicates with a larger hot fluid supply (not shown) through an elongated throttle opening. The hot fluid chamber 3a is arranged on a support, here made of Pyrex glass 3c is formed and from the aktorabgewandten side 3d with a heating element 3e to the desired operating temperature of z. B. 350 ° C is brought.

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.The actor 4 is designed as a piezoelectric lamellar actuator monolithic known per se and thus also has a here sound impedance matching tip 4a on, in which the tensile and pressure-resistant transition to the membrane wall 3b he follows. Deviating from known actuators but only a partial area 4b of the actor who is in 1 is shown bright, applied with a unipolar voltage, as indicated by arrow 5 shown. This after 1 single active area is from the end 4c the actuator, which faces away from the hot fluid supply, and from the knitting tip 4a spaced. Examples of practical implementations of the width of a single active area 4b , the actor's tip 4a , the area in between 4e and the distance of the active area 4b to the end 4c are indicated by the arrows a, b, c, d in 2 played. It should be noted that the pulse transit times and the resulting force curves can be changed by dimensioning these elements.

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.The actor 4 is in the rear area by a sliding guide 6 held, which causes the actuator without significant impairment of its mobility, so that the junction between the actuator 4 and the membrane wall 3b no stressful moment can act by sliding guide 6 vertical movements prevented, however, shock and / or sound waves passing through the actuator 4 Run forwards or backwards, unhindered and undamped.

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.The arrangement is used as follows: First, the fluid is heated to the required temperature in the usual way. Then, a voltage U for a time t = t ₁ to t ₂ (see 2 ) to the active area 4b created. This contractes when the voltage pulse is applied, resulting in a contraction wave passing through the actuator, which in turn is directed towards the front tip 4a runs and the other towards the rear end. At the rear end, due to the sudden impedance reduction, a phase-reversal reflection occurs. The contraction wave is converted into a pressure wave, ie, instead of the previous contraction, an expansion of the material follows. While the reflected pulse at time t ₂ passes through the active area as an expansion wave, the voltage at the actuator is switched off again. This causes the actuator area 4b again stretches and an increase of the expansion wave, which runs in the direction of the actuator tip, occurs. It is reasonable to understand that from the propagation times of the sound wave through the actuator, the expansion of the active area and the distance d of the active area to the free end 4c the actuator, the required pulse duration of the voltage pulse U can be determined, and it is further understood that not only a permanent pulse must be applied. Rather, a pulse with a different edge shape might be applied and / or a pulse train for excitement, if desired, whereby a specific pulse progression could also be specified.

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.At time t ₃ is now the contraction wave from the switching of the voltage pulse at time t ₀ gone almost to the actuator tip, the reflected on the rear Aktorende wave is superimposed on the relaxation produced pressure wave and has left the active region in the direction of the actuator tip, while the relaxation produced Wave passing through the actuator towards the free actuator end 4c is running, just at this free actor end 4c is reflected, which in turn leads to a negative pressure wave in the actuator by the phase jump. If these sound wave packets now continue to run in the direction of the actuator tip, as on the sub-images t ₄ , t ₅ , t ₆ , t ₄ , t ₀ in 2 indicated, results on the actuator tip or the hot fluid membrane 3b first a vacuum, then, a short time later, a much greater overpressure, and then, some time later, again a negative pressure.

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.This acoustic pressure curve leads to that in the nozzle capillary fluid material is retracted slightly, then the fluid is ejected from the quasi-predefined position with high pressure and then, almost immediately afterwards, any hot fluid still present in the capillary opening withdrawn becomes. This carries to a very exact repeatability, regardless of capillary effects, Extensions, etc. and allows high ejection frequencies.

In der Zeit bis zum nächsten Stoß strömt gedrosselt Material aus dem Vorrat in die Heißfluidkammer nach.In the time to the next Stroke flows throttled Material from the stock in the hot fluid chamber after.

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.It will be understood that other pulse shapes can be obtained by appropriate pulse shapes and / or actuator area arrangements, if desired. The manner in which this is possible by simple means will also be apparent from the foregoing. A first variant of the actuator arrangement is in 4a shown, after which the active area 4b ' is chosen larger and also at the free Aktorende 4c '' an inertia-increasing thickening 4c '' is provided. 4b shows that several active areas 4b ' separated from inactive areas 4e '' can be provided.

Claims

Fluid droplet dispensing device with a fluid droplet for dispensing fluid supply and with an actuator for fluid discharge causing fluid pressurization, characterized in that the actuator is designed to act on the fluid supply with aktorschallwelleninduzierten alternating pressure pulses.

Fluid droplet dispenser according to the preceding claim, characterized in that the Fluid has a temperature of at least 150 ° C, preferably around 350 ° C or above.

Fluid droplet dispenser according to one of the preceding claims, characterized that the hot fluid is a molten metal.

Fluid droplet dispenser according to the preceding claim, characterized in that the hot fluid is a solder or a solder alloy.

Fluid droplet dispenser characterized in that it is part of a Lotdruckkopfes.

Fluid droplet dispenser according to one of the preceding claims, characterized that the hot fluid supply opened for hot fluid droplet discharge as a chamber with capillary openings is formed.

Fluid droplet dispenser according to the preceding claim, characterized in that the Chamber with a larger hot fluid storage area connected is.

Fluid droplet dispenser according to one of the two preceding claims, characterized the chamber has at least one dispensing opening for dispensing of fluid droplets with a diameter of about 20-150 microns, in particular around 70 μm dimensioned is.

Fluid droplet dispenser according to one of the preceding claims, characterized that the actuator is formed as a piezoelectric actuator.

Fluid droplet dispenser according to one of the preceding claims, characterized that the actuator is formed with a lamellar structure.

Fluid droplet dispenser according to one of the preceding claims, characterized that the actuator has at least one active and at least one inactive Has range that is different from the effect end.

Fluid droplet dispenser after egg nem of the preceding claims, characterized in that the actuator has a plurality of active areas.

Fluid droplet dispenser according to one of the preceding claims, characterized that the actuator is monolithic.

Fluid droplet dispenser according to one of the preceding claims, characterized that an active area of an actuator end side facing away from the fluid supply is separated and formed the Aktorendseite for shock and / or sound wave reflection is.

Fluid droplet dispenser according to one of the preceding claims, characterized that in the vicinity of the remote from the fluid supply Aktorendes an area of low acoustic impedance is provided, in particular formed by air, gas or vacuum.

Fluid droplet dispenser according to one of the claims 1-14, characterized in that arranged at the actuator end an additional mass for increasing the sound impedance is.

Fluid droplet dispenser according to one of the preceding claims, characterized that the actuator for generating as tensile and / or pressure wave pulses formed by him alternating pressure pulses.

Fluid droplet dispenser according to one of the preceding claims, characterized that the sound impedance at the end remote from the fluid supply a at least a factor of 2, preferably at least a factor of 5 bigger jump makes as the fluid supply.

Fluid droplet dispenser according to one of the preceding claims, characterized that the actuator in tensile and / or pressure-resistant connection with a especially membrane-like fluid chamber wall is.

Droplets of fluid dispenser according to one of the preceding claims, characterized that the chamber wall consists of silicon.

Fluid droplet dispenser according to one of the preceding claims, characterized that the actuator a sliding guide assigned.

Fluid droplet dispenser according to one of the preceding claims, characterized that the actuator thermally decoupled from the fluid supply at least largely is.

Fluid droplet dispenser according to one of the preceding claims, characterized that a power supply for the Aktorerregung is seen before, which is used to produce unipolar and / or is formed at least substantially unipolar pulses.

Fluid droplet dispenser according to one of the preceding claims, characterized that the power supply is adapted to pulses in one to produce such a sequence that a first, by reflection at the rear end of the actuator generated pressure surge in and / or in the active area with an expansion of a previously contracted one Actuator area obtained superimposed pressure pulse.

A method of dispensing hot fluid droplets from a hot fluid supply by applying a hot fluid supply with alternating pressure pulses, wherein the alternating pressure pulses first a Negative pressure on the hot fluid supply, then an increased pressure and then apply a vacuum to the hot fluid supply again.