DE4020303A1 - Tintentroepfchen-aufzeichnungsgeraet - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Tintentröpfchen-Aufzeich­ nungsgerät nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der DE-C2 30 12 552 ist eine Tintentröpfchen-Aufzeichnungs­ einrichtung bekannt, bei welcher der Ausstoß von Tintentröpf­ chen aus Tintenaustragdüsen in Abhängigkeit von der Ausdehnung und Zusammenziehung von Dampfblasen in der Tinte erfolgt. Dabei wird eine auf einer Heizgrundplatte angeordnete Heizvorrichtung von einer Steuereinrichtung mit einem Stromimpuls versorgt und erhitzt. Die entstehende Dampfblase dehnt sich aus. Dadurch wird Tinte durch die Düse ausgetragen und auf das Aufzeichnungs­ material gebracht.

In dieser bekannten Einrichtung ist jedem Kanal nur eine einzi­ ge Heizvorrichtung zugeordnet. Der zugeordnete Kanal ist somit nicht mehr verfügbar, sobald eine Heizvorrichtung ausfällt. Wei­ terhin wird nur ein Teil der von der Heizvorrichtung aufgenom­ menen Leistung in Form von Joule′scher Wärme an die Tinte abge­ geben; der restliche Teil wird als Verlustleistung an das Sub­ strat abgegeben, das die Heizvorrichtung trägt.

Aus "Phys. Bl." 45 (1989), Nr. 10, Seiten 410 und 411 ist ein Verfahren zur Herstellung miniaturisierter Feldemissionskatho­ den und Kathoden-Arrays in Mikrostrukturtechnik bekannt. In einem ersten Verfahrensschritt wird dabei auf einem Silizium­ substrat mit Hilfe der Lithographie ein Array von rechteckigen oder kreisförmigen Masken erzeugt. Im zweiten Schritt werden diese Masken unterätzt, so daß nach dem Ablösen der stehenge­ bliebenen Masken pyramiden- oder kegelförmige Emitter entste­ hen. Im dritten Schritt werden in den Zwischenräumen zwischen diesen Emittern zunächst eine isolierende Schicht und dann eine metallische Elektrode aufgebracht. Zusammen mit einer oberhalb des Arrays angeordneten Gegenelektrode ergibt sich eine zur bekannten Triode analoge Anordnung mit Kathode, Steuergitter und Anode.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Tintentröpf­ chen-Aufzeichnungsgerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu verbessern, insbesondere soll das Gerät so weitergebildet werden, daß Verfügbarkeit und Stabilität verbessert werden und die Abgabe der Heizleistung praktisch verlustfrei erfolgt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den kennzeichnen­ den Merkmalen des Anspruchs 1. Die zur Erzeugung einer Dampf­ blase erforderliche Heizleistung wird durch Stromleitung in die Tintenflüssigkeit eingebracht. Die Tinte selbst bildet somit ein elektrisches Heizelement.

In einer vor der Tintenaustragsdüse befindlichen Düsenkammer stehen zwei voneinander elektrisch isolierte Strukturen in ge­ ringem Abstand einander gegenüber und bilden zwei Elektroden. Beim Anlegen einer entsprechenden Spannung bewirkt das elek­ trische Feld zwischen den beiden Elektroden einen Energiefluß durch die Tinte, beispielsweise in Form eines Durchschlags oder einer Ionenleitung im Fluid. Die in Wärme umgesetzte Leistung wird dabei ohne Verluste direkt an die Tinte abgegeben.

In einer bevorzugten Ausführungsform bestehen die beiden Struk­ turen aus jeweils einem Halbleiter. Ausgangsmaterial können beispielsweise Siliziumwafer sein. Die Ausbildung der Elektro­ den erfolgt vorzugsweise in Mikrostrukturtechnologie, insbeson­ dere durch Ätzen, Sputtern oder Abdampfen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird eine der Elektroden flächenhaft, die gegenüberliegende Elektrode als felderhöhen­ des Element, beispielsweise als kegelförmige Spitze, Nadel, Pyramide, Kante oder Schneide, ausgebildet. Dadurch wird die zur Felderzeugung nötige Spannung verringert. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform werden einer flächenhaften Elek­ trode mehrere felderhöhende Elemente zugeordnet und somit meh­ rere stromführende Bereiche innerhalb einer Düsenkammer gebil­ det. Durch den Parallelbetrieb dieser Vielzahl von stromfüh­ renden Bereichen ist die Tintenaustragung auch bei Ausfall ein­ zelner Spitzen sichergestellt.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform sind eine Vielzahl von Düsenkammern mit Tintenkanälen, Verbindungsöffnun­ gen zum Tintenvorratsbehälter, Düsen sowie Elektroden nebenein­ ander angeordnet und bilden eine Druckerzeile. Diese Druckerzei­ le muß nicht beweglich sein, wenn das Aufzeichnungsmaterial, beispielsweise das Papier, an ihr vorbeigeführt wird und die Breite der Zeile der Druckbreite entspricht. Insbesondere ist es vorteilhaft, die Zeile aus einer oberen und einer unteren Hälfte zusammenzusetzen, wobei eine Hälfte die flächenhaften Elektroden und die Elektronik zum Ansteuern der felderzeugenden Spannung enthalten kann und die andere Hälfte mit den Kanälen für die Tintenführung, den Spitzen, den Düsenkammern sowie den Düsen versehen ist. Dadurch erhält man eine Trennung von elek­ trischen und mechanischen Funktionen. Die Fertigung wird somit entsprechend vereinfacht.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren

Fig. 1 eine Düsenkammer gemäß der Erfindung schematisch im Schnitt dargestellt ist.

Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf die Düsenkammer ebenfalls im Schnitt und in

Fig. 3 ist in einer auseinandergezogenen Darstellung eine vorteilhafte Anordnung von Düsenkammern als Drucker­ zeile veranschaulicht.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Druckerzeile.

In der Ausführungsform eines Tintentröpfchen-Aufzeichnungsge­ rätes gemäß Fig. 1 sind eine Düsenkammer mit 1, ein Substrat mit 4 und ein weiteres Substrat mit 5 sowie eine Tintenaus­ trittsdüse mit 6 und eine Verbindungsöffnung zu einem in der Figur nicht dargestellten Tintenvorratsbehälter mit 8 bezeich­ net. Die Düsenkammer 1 enthält eine Tintenflüssigkeit 7. Das Substrat 4 ist mit mindestens einem felderhöhenden Element versehen, das zur Vereinfachung in der folgenden Beschreibung als Spitze 2 bezeichnet werden soll, obwohl auch andere Aus­ führungsformen, beispielsweise eine Nadel-, Pyramiden-, Kegel- oder Kantenform, möglich sind. Die Höhe s der Spitze 2 beträgt vorzugsweise weniger als die Höhe h der Tintenaustrittsdüse 6. Die Höhe s der Spitze 2 wird wenigstens etwa 0,5 µm betragen und im allgemeinen 100 µm nicht wesentlich überschreiten und kann insbesondere etwa 1 bis 10 µm gewählt werden. Die Sub­ strate 4 und 5 sind durch eine Isolierungsschicht 10 elektrisch voneinander isoliert. Das Substrat 5 ist mit einer flächenhaf­ ten Elektrode 3 versehen, der mindestens eine Spitze 2 gegen­ überliegt.

Der Abstand d der Elektrode 3 von der Spitze 2 ist vorzugsweise größer als die Höhe s und kann vorzugsweise etwa 10 bis 100 µm betragen und insbesondere etwa zwischen 20 und 40 µm gewählt werden. Dem Substrat 5 ist eine Ansteuerelektronik 9 zugeord­ net, die in einer besonderen Ausführungsform auch in dem Sub­ strat 5 enthalten sein kann. Diese Ansteuerelektronik 9 wandelt ein Steuersignal in Spannungspulse für den Aufbau eines elek­ trischen Feldes zwischen der Elektrode 3 und wenigstens einer Spitze 2 um und kann beispielsweise auf der freiliegenden Oberfläche des Substrats 5 angeordnet werden. Sie kann dabei entweder mit den Methoden der Siliziumplanartechnologie in das Substrat 5 integriert oder auch als Hybrid aufgebaut werden. Wird nun durch die Steuerung der Elektronik 9 eine Potential­ differenz zwischen der Elektrode 3 und den Spitzen 2 erzeugt, so entsteht ein inhomogenes elektrisches Feld. Durch Ionen­ leitung oder Durchschlag heizt sich die umgebende Flüssigkeit 7 im Bereich der Spitzen 2 auf, so daß sich jeweils eine Dampf­ blase bildet. Diese Dampfblasen verdrängen ein entsprechendes Flüssigkeitsvolumen und ein Tröpfchen der Tinte 7 wird aus der Tintenaustrittsdüse 6 geschleudert. Nach dem Zusammenziehen der Dampfblasen sorgen Kapillarkräfte für Nachfluß der Tinte 7 über die Verbindungsöffnung 8 in die Düsenkammer 1.

In der Draufsicht auf das Substrat 4 im Schnitt durch die Dü­ senkammer 1 gemäß Fig. 2 sind mehrere Spitzen 2 dargestellt. Die Anordnung dieser Spitzen 2 vor der Tintenaustrittsdüse 6 kann vorzugsweise den fluidmechanischen Anforderungen angepaßt werden. Die Lage der Elektrode 3 über den Spitzen 2 ist in der Figur gestrichelt angedeutet. Durch den Parallelbetrieb meh­ rerer Spitzen 2 ist die Funktion auch bei Ausfall einzelner Spitzen 2 gewährleistet.

In einer bevorzugten Ausführungsform nach Fig. 3 enthält das Substrat 4 eine Vielzahl von Düsenkammern 1, die im Abstand R nebeneinander angeordnet sind. Jede Düsenkammer 1 ist mit min­ destens einer Spitze 2, mindestens einer Verbindungsöffnung 8 zu einem Tintenvorratsbehälter sowie einer Tintenaustrittsdüse 6 mit der Höhe h versehen. Die Form der Düsenöffnung 6 kann je nach Kristallorientierung und angewendeter Ätztechnik rechteck­ förmig, dreieckförmig oder beispielsweise auch halbrund gestal­ tet sein.

Die Verbindungsöffnungen 8 benachbarter Düsenkammern 1 können zu getrennten Tintenvorratsbehältern, beispielsweise mit unter­ schiedlich gefärbter Tinte, führen.

Zur elektrischen Isolierung des Substrats 4 vom Substrat 5 dient eine beispielsweise rahmenförmige Isolierschicht 10. Das Substrat 5 kann vorzugsweise mit einer Vielzahl von flächenhaf­ ten Elektroden 3 in dem Rastermaß R versehen sein, so daß je­ weils die Elektroden 3 den Spitzen 2 gegenüberliegen. Die Elek­ troden 3 werden über die Ansteuerelektronik 9 mit Spannung ver­ sorgt. In Abhängigkeit von der Ansteuerung bildet sich dann in den einzelnen Düsenkammern 1 jeweils eine Dampfblase. Die Anordnung der Fig. 3 bildet eine Druckerzeile, die nicht be­ weglich sein muß, wenn ihre Breite der Breite des zu bedrucken­ den Materials entspricht. Das zu bedruckende Material kann dann einfach an den Tintenaustrittsdüsen 6 vorbeigeführt werden. Mit einem Rastermaß R von beispielsweise 60 µm erhält man eine Auf­ lösung von 400 dpi (dots per inch).

In der Ausführungsform einer Druckerzeile gemäß Fig. 4 enthält das Substrat 4 außer den Düsenkammern 1 noch einen gemeinsamen Raum 11, dessen eine Seitenwand 12 mit mindestens einer Verbin­ dungsöffnung 8 zum Tintenvorratsbehälter versehen ist. Dadurch kann die Zahl der Verbindungsöffnungen 8 begrenzt werden. Ge­ gebenenfalls kann auch jeweils nur einigen benachbarten Düsen­ kammern 1 ein gemeinsamer Raum mit einer Verbindungsöffnung zugeordnet sein, so daß mehrere Räume gebildet werden.

Claims (17)

1. Tintentröpfchen-Aufzeichnungsgerät mit einem Tintenstrahl­ kopf und einem Tintenvorratsbehälter, einer Düse sowie einer Tintenzuführung, die mit Mitteln zur Tintenerwärmung und Bla­ senbildung durch elektrische Heizung versehen ist, da­ durch gekennzeichnet, daß die Tinte (7) als elektrisches Heizelement vorgesehen ist.

2. Tintentröpfchen-Aufzeichnungsgerät nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die Tintenzu­ führung als Düsenkammer (1) gestaltet ist (Fig. 1).

3. Tintentröpfchen-Aufzeichnungsgerät nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß zwei elektrisch voneinander isolierte Substrate (4, 5) so angeordnet sind, daß zwischen ihnen nach Anlegen einer elektrischen Spannung ein elektrisches Feld entsteht.

4. Tintentröpfchen-Aufzeichnungsgerät nach Anspruch 3, da­ durch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der Substrate (4, 5) aus einem Halbleitermaterial besteht.

5. Tintentröpfchen-Aufzeichnungsgerät nach Anspruch 4, da­ durch gekennzeichnet, daß als Halblei­ termaterial Silizium vorgesehen ist.

6. Tintentröpfchen-Aufzeichnungsgerät nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der Substrate (4) mit wenigstens einem als Elektrode dienenden felderhöhenden Element (2) versehen ist.

7. Tintentröpfchen-Aufzeichnungsgerät nach Anspruch 6, da­ durch gekennzeichnet, daß das Substrat (4) mit dem felderhöhenden Element (2) eine Baueinheit in Mikrostrukturtechnik bildet.

8. Tintentröpfchen-Aufzeichnungsgerät nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem an­ deren Substrat (5) eine dem felderhöhenden Element (2) gegen­ überliegende flächenhafte Elektrode (3) ausgebildet ist.

9. Tintentröpfchen-Aufzeichnungsgerät nach Anspruch 8, da­ durch gekennzeichnet, daß dem anderen Substrat (5) eine Elektronik (9) zum Ansteuern der elektrischen Spannung zugeordnet ist.

10. Tintentröpfchen-Aufzeichnungsgerät nach Anspruch 9, da­ durch gekennzeichnet, daß die Elektronik (9) in das Substrat (5) integriert ist.

11. Tintentröpfchen-Aufzeichnungsgerät nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß beide Substrate (4, 5) in Mikrostrukturtechnik vorgesehen sind.

12. Tintentröpfchen-Aufzeichnungsgerät nach Anspruch 2, da­ durch gekennzeichnet, daß mehrere Düsen­ kammern (1) mit einem vorbestimmten Rastermaß R nebeneinander angeordnet sind (Fig. 3).

13. Tintentröpfchen-Aufzeichnungsgerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß den Düsen­ kammern (1) ein gemeinsamer Raum (11) zugeordnet ist, dessen eine Seitenwand (12) mit einer Verbindungsöffnung (8) versehen ist (Fig. 4).

14. Tintentröpfchen-Aufzeichnungsgerät nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß den in jeder der Düsenkammern (1) enthaltenen felderhöhenden Elementen (2) jeweils eine gemeinsame flächenhafte Elektrode (3) zugeordnet ist.

15. Verfahren zum Herstellen eines Tintentröpfchen-Aufzeich­ nungsgeräts nach Anspruch 7 und 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein Substrat (4) an einer seiner Flachseiten in einem gemeinsamen Arbeitsgang durch Ätzen mit einer Vielzahl von Düsenkammern (1) mit den felderhöhenden Elementen (2) und jeweils einer Düsenöffnung (6) sowie jeweils einer Verbindungsöffnung (8) zum Tintenvorratsbehälter versehen wird (Fig. 3).

16. Verfahren zum Herstellen eines Tintentröpfchen-Aufzeich­ nungsgeräts nach Anspruch 7 und 13, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein Substrat (4) an einer seiner Flachseiten in einem gemeinsamen Arbeitsgang durch Ätzen mit einer Vielzahl von Düsenkammern (1) mit den felderhöhenden Elementen (2) und jeweils einer ihnen zugeordneten Düsenöffnung (6) sowie einem gemeinsamen Raum (11) und einer in dessen Wand (12) angeordneten gemeinsamen Verbindungsöffnung (8) zum Tin­ tenvorratsbehälter versehen wird (Fig. 4).

17. Verfahren zum Herstellen eines Tintentröpfchen-Aufzeich­ nungsgeräts nach Anspruch 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Substrat (5) an einer seiner Flachseiten in einem gemeinsamen Arbeitsgang durch Ätzen mit einer Vielzahl von flächenhaften Elektroden (3) versehen wird, die im Rastermaß R nebeneinander angeordnet sind.