DE4214555C2

DE4214555C2 - Elektrothermischer Tintendruckkopf

Info

Publication number: DE4214555C2
Application number: DE4214555A
Authority: DE
Inventors: Ernst Obermeier; Joachim Heinzl; Peter Krause; Bernhard Hochwind; Alfred Zollner
Original assignee: Eastman Kodak Co
Current assignee: Eastman Kodak Co
Priority date: 1992-04-28
Filing date: 1992-04-28
Publication date: 1996-04-25
Anticipated expiration: 2012-04-29
Also published as: FR2691404A1; GB2267255A; GB9308819D0; GB2267255B; US5502471A; FR2691404B1; JPH0623990A; DE4214555A1

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrothermischen Tinten druckkopf in Schichtbauweise, bei dem die Ausbreitungsrichtung der elektrothermisch erzeugten Dampfblase der Tintenausstoßrichtung entgegengesetzt ist.

Bekannte elektrothermische Tintendruckköpfe (Bubble- Jet-Prinzip) weisen eine Vielzahl von Einzeldüsen auf, aus denen unter Einwirkung einer elektronischen Steuerung Einzeltröpfchen definierter Größe erzeugt und in einem definierten Muster in Richtung eines Aufzeich nungsträgers ausgestoßen werden.

Die zu druckenden Zeichen werden durch jeweils mehrere Tintentröpfchen erzeugt, die matrixförmig aneinander gereiht sind.

Zweckmäßigerweise wird jeweils eine Spalte einer der artigen zeichenbezogenen Matrix gleichzeitig gedruckt, um die Forderungen nach hoher Druckgeschwindigkeit und gleichmäßigem Schriftbild zu erfüllen.

Ein Tintendruckkopf, der sich für das geschilderte Druckverfahren eignet, muß also mehrere (gleiche) Elemente vereinigen, die in der Lage sind, Tintentröpfchen im Bedarfszeitpunkt auszustoßen ("drop-on-demand"-Prinzip). Charakteristisches Merkmal dieser Technologie ist, daß sich in einer mit Aufzeichnungsflüssigkeit, beispielsweise Tinte, gefüllten Kapillaren, und zwar in der Nähe ihrer Öffnung ein als Heizelement ausgebildeter elektrischer Widerstand befindet. Wird diesem Heizelement mittels eines kurzen Stromimpulses eine bestimmte Wärmeenergie zugeführt, entsteht durch äußerst schnelle Wärmeübertragung auf die Tinten flüssigkeit zuerst eine sich rasch expandierende Tinten dampfblase, die dann nach Wegfall der Energiezuführung und Abkühlung durch die Tintenflüssigkeit relativ schnell in sich zusammenfällt. Die durch die Dampfblase im Inneren der Kapillaren entstehende Druckwelle läßt einen Tintentropfen aus der Düsenöffnung auf die Oberfläche eines nahen Aufzeichnungsträgers austreten.

Ein Vorteil dieses Bubble-Jet-Prinzips ist der, daß durch Ausnutzung des Phasenwechsels flüssig-gasförmig-flüssig der Tintenflüssigkeit die zum Tintenausstoß notwendige, relativ große und schnelle Volumenänderung mittels einer sehr kleinen aktiven Wandlerfläche erzeugt wird. Die kleinen Wandlerflächen wiederum erlauben bei Anwendung moderner Herstellungsverfahren, wie hochpräzise fotolithographische Prozesse in Schichttechnik, einen relativ einfachen und kostengünstigen Aufbau von Tintendruckköpfen, die sich durch hohe Schreibspurendichte und geringe Abmessungen auszeichnen.

Das deutsche Gebrauchsmuster DE 90 11 816 U1 offenbart einen Tintendruckkopf mit hohem Wirkungsgrad, bei dem die Strömungsenergie in den Druckkammern vollständig zum Ausstoß von Tintentröpfchen ausgenutzt werden kann. Dazu ist der Drosselkanal als hydraulische Diode aus gebildet. Die hydraulische Diode besteht dabei aus einer im Mündungsbereich der Druckkammer angeordneten Verengungsstelle mit kurzer Kanallänge. Der sich an die Verengungsstelle anschließende Abschnitt des Drosselkanals bis zum Versorgungskanal ist dabei kurz ausgebildet und weist einen großen Querschnitt auf.

Die deutsche Patentschrift DE 39 17 434 C2 beschreibt ein Verfahren zum Erzeugen von mindestens einem Tintenkanal. Die Tintenversorgungskanäle werden als Ausnehmungen einer Substratschicht erzeugt, die von einer Deckschicht abgedeckt sind. Die Deckschicht weist dabei Öffnungen auf, die entsprechend dem Verlauf der Tintenkanäle und/oder der langgestreckten Antriebskammern der Wandlerbereiche angeordnet sind, wobei die Tintenkanäle bzw. die Antriebskammern durch selektives Ätzen der Substratschicht durch die Öffnungen der Deckschicht hindurch erzeugt werden. Bei dieser Ausführungsform werden nach dem Ausätzen der Tintenkanäle die Öffnungen der Deckschicht verschlossen, z. B. mit einem aufgeklebten Deckel oder durch sonstige geeignete Maßnahmen.

Ein Tintendruckkopf und ein Verfahren zu dessen Her stellung ist in der US 50 57 823 offenbart. Der Tinten druckkopf besteht aus einem unteren Substrat und einem oberen Substrat. Im oberen Substrat werden die Strukturen für die Tintenkanäle anisotropisch geätzt. Auf dem unteren Substrat befinden sich die Heizelemente und eine dicke Schicht aus einem polymeren Isolations material, die entsprechend strukturiert ist. Die Substrate werden in die einzelnen Druckköpfe zersägt, wobei die Düsenöffnungen geöffnet werden.

Aus der internationalen Offenlegungsschrift WO 91/17891 ist ein Tintendruckkopf bekannt, der im wesentlichen aus einem Chip und einem Tintenvorratsbehälter besteht, wobei der Chip mittels Montageklammern auf dem Tinten vorratsbehälter mechanisch arretiert ist. Dieser Chip weist dreiseitig geschlossene und zur vierten Seite hin offene Tintenkanäle auf, die durch dünne, im wesentlichen trapezförmige Kanalzwischenwände voneinander getrennt sind. In Tintenausstoßrichtung besteht der Abschluß des jeweiligen Tintenkanals aus einer dünnen Membran, die ihrerseits die Ausstoßdüse des zugehörigen Tintenkanals aufweist. Eine Oberfläche des Tintenvor ratsbehälters bildet den äußeren Abschluß der Tintenkanäle zur chipseitig offenen vierten Seite hin.

Wird ein Heizelement zur Erzeugung eines Tröpfchens angesteuert, führt dessen Erhitzung neben der Dampfblasen bildung zu einem lokalen Überdruck in dem jeweiligen Tintenkanal. Dieser Überdruck führt neben dem beabsich tigten Tröpfchenausstoß dazu, daß eine bestimmte Tintenmenge in Richtung der Versorgungskanäle zurückgedrückt wird. Das bedeutet, daß neben der zum Tröpfchenausstoß benötigten Energiemenge noch eine Verlustenergiemenge aufgebracht werden muß, die unter anderem beim Tintenrücktransport verbraucht wird. Diese Verlustenergiemenge verschlechtert den Gesamtwirkungsgrad des Tintendruckkopfes.

Darüber hinaus führt die rückgestoßene Tintenmenge zu einem lokalen Überdruck in den Versorgungskanälen und damit zur Beeinflussung benachbarter Tintenkanäle. Werden die benachbarten Tintenkanäle eines nicht angesteuerten Tintenkanals angesteuert, so kann es durch die entstehende Drucküberlagerung im nicht angesteuerten Kanal trotzdem zu einem unerwünschten Tröpfchenausstoß kommen.

Je nachdem, ob benachbarte Tintenkanäle angesteuert werden oder nicht, ändern sich die Druckverhältnisse im jeweiligen Tintenkanal und damit die resultierende Tropfenmasse und die Druckqualität.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Tintendruckkopf anzugeben, der die bauartgemäßen Vorteile des in WO 91/17891 beschriebenen Tintendruckkopfes beibehält und dabei einen besseren Wirkungsgrad aufweist und geeignet ist, betriebsartunabhängig eine gleichbleibend hohe Druckqualität zu ermöglichen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß auf der dem Tintenvorratsbehälter zugewandten Seite des Chips eine Ätzmaske vorgesehen ist, welche zur Strukturierung der Tintenkanäle dient und die Ätzmaskenöffnungen aufweist, welche zusammen mit dem Chip Strömungsdrosseln bilden, deren Drosselleistung durch die Anzahl und Größe der Ätzmaskenöffnungen jeder Strömungsdrossel bestimmt wird, wobei jede Strömungsdrossel einen der Tintenkanäle des Tintendruckkopfes mit dem zugeordneten Versorgungskanal verbindet.

Die vorteilhafte Wirkung dieser Anordnung besteht darin, daß langsame Strömungsvorgänge, wie sie beim Befüllen oder Nachfüllen des Tintenkanals ablaufen, nahezu ungehindert vollzogen werden, aber hohen Druckspitzen, wie sie während der Dampfblasenbildung entstehen, ein hoher Widerstand entgegengesetzt ist.

Die durch die Aktivierung der Heizelemente im Tintenkanal hervorgerufene Druckwelle bleibt im wesentlichen auf den jeweiligen Tintenkanal begrenzt und wird in einem höheren Maße in Tropfenausstoßenergie umgesetzt. Damit erhöht sich einerseits der Wirkungsgrad des jeweiligen Tintenkanals wesentlich und andererseits wird vorteilhafterweise die Beeinflussung benachbarter Tintenkanäle reduziert. Dadurch wird die Abhängigkeit der Tropfenmasse und Tropfengeschwindigkeit von der Ansteuerung benachbarter Tintenkanäle minimiert.

Es werden nachstehend Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die dazu erforderlichen Darstellungen zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines für die An wendung der Erfindung besonders geeigneten Tintendruckkopfes,

Fig. 2 eine Schnittdarstellung durch den Chip eines solchen Tintendruckkopfes, und

Fig. 3 eine Darstellung eines Chips mit strukturierter Ätzmaske.

Die Fig. 1 zeigt in perspektivischer Darstellung den Aufbau eines Tintendruckkopfes 24. Dieser besteht im wesentlichen aus nur zwei miteinander zu verbindenden Teilen, nämlich einem Chip 11, der sowohl die Heizelemente, die elektrischen Zuleitungen und die Kontaktstellen 9 für den elektrischen Anschluß als auch die Auslaßöffnungen (Düsen) 10 beinhaltet und als Abschluß auf einem Tintenvorratsbehälter befestigt und kontaktiert wird. Die in diesem Prinzipbild nicht dargestellten Heizelemente, die elektrischen Zuleitungen, die Kontaktstellen 9 und die Auslaßöffnungen 10 können dabei in einem einzigen, vorzugsweise aus Silizium bestehenden Chip 11 durch Nutzen planarer Bearbeitungsschritte erzeugt werden.

Der Tintenvorratsbehälter 12 weist eine quaderförmige Gestalt auf, in das ein mit Tintenflüssigkeit getränktes Medium, z. B. ein Schwamm 13, eingebracht ist. In der dem Chip 11 zugewandten Oberseite des Tintenvorratsbehälters 12 sind mit Filtern 14 versehene Auslaßöffnungen in Form von zwei Versorgungskanälen 15 vorgesehen. Diese Versorgungskanäle 15 verlaufen parallel zueinander in Längsrichtung des Tintenvorratsbehälters 12 derart, daß sie bei einem montierten Chip 11 über die Tintenkanäle 16 in Fließverbindung mit den Auslaßöffnungen 10 stehen. Die Montage des Chips 11 auf dem Tintenvorratsbehälter 12 geschieht auf einfache Weise durch an den Längsseiten des Tintenvorratsbehälters 12 angeordnete Montageklammern 17, die sowohl die mechanische Verbindung als auch über die Kontaktstellen 9 die elektrische Kontaktierung übernehmen.

Die Fig. 2 stellt einen Schnitt durch den Chip 11 gemäß der Schnittlinie I-I in Fig. 1 dar. Insbesondere ist hier die geometrische Ausgestaltung eines Tintenkanals 16 zu erkennen, der parallele Wände mit schrägen Auslaufzonen 30 aufweist.

Wie auch aus Fig. 2 hervorgeht, ist dieser Tintenkanal 16 düsenseitig lediglich durch eine dünne Schicht des Chipsubstratmaterials membranartig abgeschlossen. In dieser Membran 3 ist die Auslaßöffnung 10 vorgesehen. Auf der dem Tintenkanal 16 abgewandten Seite der Membran 3 sind die Heizelemente angeordnet.

In einer Ausgestaltung ist gemäß Fig. 3 der Chip 11 in Vorbereitung auf den Ätzprozeß zur Herstellung der Tintenkanäle 16 mit einer Ätzmaske 18 versehen. Diese ätzmittelresistente Ätzmaske 18 weist Öffnungen 19 auf. Üblicherweise ist für jeden Tintenkanal 16 genau eine Ätzmaskenöffnung 19 vorgesehen, die die Grundrißgeometrie des Tintenkanals 16 aufweist, wobei nach dem Ätzprozeß die Ätzmaske 18 entfernt wird.

Gemäß dieser Ausgestaltung ist für jeden Tintenkanal 16 eine Mehrzahl von Ätzmaskenöffnungen 19 vorgesehen. Die Mechanismen des anisotropen Ätzens in 110-Silizium bewirken, daß die Tintenkanäle 16 trotzdem die gleiche Geometrie aufweisen, wie beim üblichen Ätzverfahren.

Die Ätzmaske 18 verbleibt auf dem Chip 11. Zumindest ein Teil der einem Tintenkanal 16 zugeordneten Ätzmaskenöffnungen 19 ist im Bereich der Tintenversorgung angeordnet.

Es ist die Tintenversorgung durch die Versorgungskanäle 15 im Tintenvorratsbehälter 12 gegeben. Das Maß der Drosselwirkung wird durch die Breite der Versorgungskanäle 15 sowie die Anzahl und Größe der im Bereich der Versorgungskanäle 15 angeordneten Ätzmaskenöffnungen 19 bestimmt.

Bezugszeichenliste

3 Membran
9 Kontaktstellen
10 Auslaßöffnungen
11 Chip
12 Tintenvorratsbehälter
13 Schwamm
14 Filter
15 Versorgungskanäle
16 Tintenkanäle
17 Montageklammern
18 Ätzmaske
19 Ätzmaskenöffnung
24 Tintendruckkopf
30 Schräge Auslaufzonen

Claims

1. Elektrothermischer Tintendruckkopf in Schichtbauweise mit einer Mehrzahl von Tintenkanälen mit Tintenauslaßöffnungen, bei dem die Heizelemente, die elektrischen Zuführleitungen, die Kontaktstellen und die Tintenausstoßöffnungen auf einem einzigen Chip vereinigt sind, bei dem die Ausbreitungsrichtung jeder elektrothermisch erzeugten Dampfblase der Tintenaus stoßrichtung entgegengesetzt ist und der mit einem Tintenvorratsbehälter, dessen Oberseite dem Chip zu gewandt ist, über in der Oberseite des Tintenvorrats behälters ausgebildete Versorgungskanäle verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf der dem Tintenvorratsbehälter (12) zugewandten Seite des Chips (11) eine Ätzmaske (18) vorgesehen ist, welche zur Strukturierung der Tintenkanäle (16) dient und die Ätzmaskenöffnungen (19) aufweist, welche zusammen mit dem Chip (11) Strömungsdrosseln bilden, deren Drosselleistung durch die Anzahl und Größe der Ätzmaskenöffnungen (19) jeder Strömungsdrossel bestimmt wird, wobei jede Strömungsdrossel einen der Tintenkanäle (16) des Tintendruckkopfes (24) mit dem zugeordneten Versorgungskanal (15) verbindet.

2. Elektrothermischer Tintendruckkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Chip (11) aus Silizium besteht, das mit der Ätzmaske (18) zur Strukturierung der Tintenkanäle (16) versehen ist, wobei die Ätzmaske (18) für jeden Tintenkanal (16) eine Mehrzahl von Ätzmaskenöffnungen (19) aufweist, die während des Ätzprozesses den Zugang des Ätzmittels zum Chip (11) freigeben und mindestens ein Teil der zu einem Tintenkanal (16) gehörenden Ätzmaskenöffnungen (19) im Bereich der Tintenversorgung angeordnet ist.