DE4025619C2 - Druckelement für einen Druckkopf für das Tintenspritz-Verfahren nach dem Bubble-Jet-Prinzip - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Druckelement für einen Druckkopf für das Tintenspritz-Verfahren nach dem Bubble-Jet-Prinzip entsprechend dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Es ist eine Tintentröpfchen-Aufzeichnungseinrichtung bekannt, bei der der Ausstoß von Tintentröpfchen aus Tintenaustragdüsen abhängig von der Ausdehnung und Zusammenziehung von Dampfblasen in der Tinte erfolgt, vgl. DE-OS 30 12 552. 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 Aufzeichnungsmaterial gebracht. In dieser bekannten Einrichtung wird aber nur ein Teil der von der Heizvorrichtung aufgenommenen Leistung in Form von Joule'scher Wärme an die Tinte abgegeben; der restliche Teil wird als Verlustleistung an das Substrat abgegeben, das die Heizvorrichtung trägt.

Aus der US-PS 48 94 664 ist es bekannt, bei einem Tintendruckkopf die Heizwiderstände auf die Düsenkammern freitragend durchquerenden Trägern anzuordnen. Dabei ist auch ein günstiger Wärmeübergang in die Tinte angesprochen (u. a. Spalte 5, Zeilen 6 bis 11).

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein Druckelement für einen Druckkopf für das Tintenspritz-Verfahren nach dem Bubble-Jet-Prinzip zu schaffen, bei dem die Heizleistung möglichst verlustfrei an die Tinte abgegeben wird. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Druckelement mit den Merkmalen gemäß Hauptanspruch gelöst.

Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Die zur Erzeugung einer Dampfblase erforderliche Heizleistung wird durch die freitragenden, nahezu völlig mit Tinte umgebenen Heizwiderstände in die Tintenflüssigkeit eingebracht.

Das Druckelement ist mit einer Abdeckplatte und einer Düsen­ platte versehen. Die beiden Platten sind jeweils mit wenigstens einer Düsenkammerhälfte versehen, die derart angeordnet sind, daß nach dem Zusammenfügen der Platten aus den einander gegen­ überliegenden Flachseiten der Düsenkammerhälften jeweils wenig­ stens eine gemeinsame Düsenkammer entsteht, welche die Tinten­ flüssigkeit aufnimmt.

Auf einer der Platten, beispielsweise der Düsenplatte, wird jede Düsenkammerhälfte von wenigstens einem Heizwiderstand überspannt. Somit bildet jeder Heizwiderstand nach dem Zu­ sammenfügen der beiden Platten in jeder Düsenkammer eine frei­ tragende Brücke, welche die Heizleistung nach allen Seiten an die Tintenflüssigkeit abgibt. Ferner sind die Düsenkammern je­ weils mit einer Tintenaustrittsdüse versehen, die an der Stirn­ seite einer Platte oder im Boden einer Düsenkammerhälfte ange­ ordnet sein kann.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die beiden Platten verschieden breit, wobei die schmalere der Platten beispiels­ weise als Abdeckplatte ausgestaltet sein kann und mit den Dü­ senkammerhälften sowie tintenführenden Kanälen versehen ist.

Die breitere der Platten kann beispielsweise als Düsenplatte gestaltet sein. In dieser Ausgestaltung ist die Düsenplatte in einem Bereich, der nach dem Zusammenfügen der Düsenplatte mit der Abdeckplatte von dieser nicht bedeckt ist, mit einer Elek­ tronik zum Steuern elektrischer Heizstromimpulse versehen. In dieser Ausführungsform ist die Elektronik von den tintenfüh­ renden Bereichen räumlich getrennt.

In einer weiteren Ausführungsform bestehen die Heizwiderstände aus Metall, beispielsweise aus Titan oder einer Chrom-Nickel- Legierung, und die Abdeckplatte und die Düsenplatte jeweils aus einem Halbleiter. Ausgangsmaterial können beispielsweise Sili­ ziumwafer sein. Die Ausbildung der Abdeck- und der Düsenplatte erfolgt vorzugsweise in Mikrostrukturtechnologie, insbesondere durch Ätzen, Sputtern oder Abdampfen. Mit dieser Technologie erhält man eine hohe Präzision und Ausbeute in der Fertigung.

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

Fig. 1 in einer auseinandergezogenen Darstellung eine Ausfüh­ rungsform des Druckelementes veranschaulicht ist.

Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform des Druckelementes.

In der Fig. 1 sind eine Düsenplatte mit 20, eine Abdeckplatte mit 10, eine erste Düsenkammerhälfte mit 21, eine zweite Düsenkammerhälfte mit 11, Tintenführungskanäle zur Verbindung mit einem in der Figur nicht dargestellten Tin­ tenvorratsbehälter mit 12 sowie Heizwiderstände mit 50 und eine Elektronik zum Steuern der Heizstromimpulse mit 60 bezeichnet.

Die ersten Düsenkammerhälften 21 sind mit Tintenaustrittsdüsen 23 ver­ sehen, die in der Ausführungsform gemäß Fig. 1 an der Stirn­ seite 25 der Düsenplatte 20 im Abstand R voneinander angeordnet sind.

Die ersten Düsenkammerhälften 21 werden jeweils von wenigstens einem Heizwiderstand 50 überspannt. Der Düsenplatte 20 ist die Elek­ tronik 60 zum Ansteuern der Heizwiderstände 50 zugeordnet, die vorzugsweise auf einer Flachseite der Düsenplatte 20 angeordnet sein kann. Stromanschlüsse 52 verbinden die Heizwiderstände 50 mit der Elektronik 60.

Die Ausgestaltung der ersten und zweiten Düsenkammerhälften 21 und 11, der Tinten­ austrittsdüsen 23 sowie der Tintenführungskanäle 12 erfolgt vorzugsweise mit den Methoden der Mikrostrukturtechnologie, beispielsweise durch Verwendung anisotroper und isotroper Ätz­ mittel.

Bei Verwendung anisotroper Ätzmittel auf orientiertem Silizium erhält man für den Querschnitt der Tintenaustritts­ düsen 23 ein gleichschenkliges Dreieck. Dabei wird die Ätz­ tiefe durch die Breite der Öffnung in der Ätzmaske festgelegt, da der Ätzvorgang an den begrenzenden Kristallflächen selbststoppend ist. Die Ätztiefe kann daher innerhalb enger Toleranzen konstant gehalten werden. Die Tintenaustrittsdüsen 23 können aber auch mit Hilfe isotrop wirkender, trocken­ chemischer Atzmittel ausgebildet werden, wobei man einen halb­ runden Querschnitt erhält.

Die Seitenwände der ersten und zweiten Düsenkammerhälften 21 bzw. 11 sind bei Ver­ wendung anisotroper Ätzmittel auf orientiertem Silizium unter 54,7° gegen die Silizium-Oberfläche geneigt, während sie auf orientiertem Silizium senkrecht zur Silizium-Ober­ fläche stehen.

Die Heizwiderstände 50 über den ersten Düsenkammerhälften 21 sind dabei vorteilhaft kristallographisch so orientiert, daß sie durch das Ätzmittel beim Ätzen der ersten Düsenkammerhälften 21 unter­ ätzt werden und diese freitragend überspannen. Durch diese vor­ teilhafte Ausgestaltung erhält man eine nahezu verlustfreie Ab­ gabe der Heizleistung an die den Heizwiderstand 50 umgebende Tinte.

Durch die Ausgestaltung der Abdeckplatte 10 und der Düsenplatte 20 in Mikrostrukturtechnologie erhält man einen sehr kleinen Abstand R, der beispielsweise zwischen 10 und 1000 µm, vorzugs­ weise aber zwischen 60 und 300 µm betragen kann.

Das Zusammenfügen der Abdeckplatte 10 mit der Düsenplatte 20 kann mit den Standardmethoden der Verbindungstechnik, bei­ spielsweise dem "Anodic-Bonding", erfolgen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Breite B der Düsenplatte größer als die Breite b der Abdeckplatte. Die Elektronik 60 zum Ansteuern der Heizwiderstände 50 kann dann auf dem freiliegenden Teil der oberen Flachseite der Düsenplat­ te 20 angeordnet sein.

In einer weiteren Ausführungsform des Druckelementes 30 gemäß Fig. 2 sind die Tintenaustrittsdüsen 23 im Boden 26 der Düsen­ platte 20 angeordnet. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurden dabei in Fig. 2 bei der im Schnitt dargestellten Düsenkammer 40 die Heizwiderstände 50 nicht eingezeichnet.

In weiteren Ausführungsformen können aber auch die Stirnseite oder die obere Flachseite der Abdeckplatte 10 mit Tintenaus­ trittsdüsen 23 versehen sein.

Claims (10)

1. Druckelement für einen Druckkopf für das Tintenspritz-Verfahren nach dem Bubble-Jet-Prinzip mit

• - wenigstens einer Düsenkammer mit jeweils einer Tintenaustrittsdüse sowie einer Anordnung elektrischer Heizwiderstände zur Erwärmung der Tinte und Erzeugung von Blasen, und
• - einer Ansteuerelektronik zum Steuern elektrischer Heizstromimpulse sowie mit Stromanschlüssen zur Verbindung der Heizwiderstände mit der Ansteuerelektronik, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Düsenkammer (40) wenigsten ein Heizwiderstand (50) freitragend angeordnet ist.

2. Druckelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Düsenkammer (40) zwischen einer Abdeckplatte (10) und einer Düsenplatte (20) eingeschlossen ist.

3. Druckelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckplatte (10) und die Düsenplatte (20) aus Halbleitermaterial bestehen.

4. Druckelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleitermaterial Silizium vorgesehen ist.

5. Druckelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenplatte (20) an ihrer Abdeckplatte (10) zugewandten Flachseite mit mindestens einer ersten Düsenkammerhälfte (21), die von wenigstens einem Heizwiderstand (50) überspannt ist, und mit einer Ansteuerelektronik (60) zum Steuern elektrischer Heizstromimpulse sowie mit Stromanschlüssen (52) zur Verbindung der Heizwiderstände (50) mit der Ansteuerelektronik (60) versehen ist, und daß die Abdeckplatte (10) auf ihrer der Düsenplatte (20) zugewandten Flachseite mit mindestens einer der ersten Düsenkammerhälfte (21) zugeordneten zweiten Düsenkammerhälfte (11) versehen ist, die in ihrer geometrischen Abmessung und Anordnung der ersten Düsenkammerhälfte (21) angepaßt ist.

6. Druckelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Düsenkammerhälfte (11) mit in der Abdeckplatte (10) eingeformten Tintenführungskanälen (12) verbunden ist.

7. Druckelement nach einem der Ansprüche 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Tintenaustrittsdüsen (23) der Düsenkammern (40) an einer Stirnseite (25) der Düsenplatte (20) angeordnet sind.

8. Druckelement nach einem der Ansprüche 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Tintenaustrittsdüsen (23) der Düsenkammern (40) im Boden (26) der Düsenplatte (20) angeordnet sind.

9. Druckelement nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckplatte (10) und die Düsenplatte (20) in Mikrostrukturtechnologie ausgebildet ist, vorzugsweise mittels anisotroper Ätzmittel.

10. Druckelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizwiderstände (50) über den ersten Düsenkammerhälften (21) kristallographisch so orientiert sind, daß sie beim Ätzen der ersten Düsenkammerhälften (21) unterschätzt werden und auf diese Weise dann freitragend angeordnet sind.