DE4040713A1 - Tintenschreibkopf fuer tintendruckeinrichtungen - Google Patents
Tintenschreibkopf fuer tintendruckeinrichtungenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Tintenschreibkopf für Tintendruck
einrichtungen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Zur Darstellung von Zeichen und/oder grafischen Mustern sind
Tintenschreibeinrichtungen bekannt, die nach dem sogenannten
Drop-On-Demand-Prinzip arbeiten, d. h. der Aufbau der Zeichen
oder der grafischen Muster erfolgt durch den gesteuerten Aus
stoß einzelner Tintentröpfchen aus den Düsen eines Schreibkopfes,
die bei einer entsprechenden Relativbewegung zwischen einem
Aufzeichnungsträger und dem Schreibkopf die Zeichen oder Muster
rasterförmig aufbauen. Der gezielte Ausstoß wird dadurch ermög
licht, daß die jeder Düse zugeordneten Antriebselemente indi
viduell ansteuerbar sind. Als Antriebselemente kommen vorzugs
weise piezoelektrische oder elektrothermische Wandler in Be
tracht. Die Verwendung von elektrothermischen Wandlerelementen
in Form von Heizwiderständen gestattet den Aufbau eines
Schreibkopfes mit kleinen Abmessungen und geringem Gewicht bei
einer gleichzeitigen hohen Anzahl von Düsen. Da das Prinzip des
Tröpfchenausstoßes in derartigen Schreibköpfen darauf beruht,
daß bei Ansteuerung eines Heizwiderstandes in dem einer Düse
zugeordneten Tintenkanal eine Tintendampfblase entsteht, die den
eigentlichen Tröpfchenausstoß bewirkt, spricht man in diesem
Falle von der sog. Bubble-Jet-Technik.
Die Herstellung solcher Tintenschreibköpfe erfolgt in der Regel
auf einem Siliziumsubstrat (Silizium Wafer), wobei am Ende des
Herstellungsprozesses ein Siliziumplättchen vorliegt, das die
Strukturen des Tintendruckkopfes beinhaltet und gleichzeitig
als Träger des Tintendruckkopfes dient. Dieses Siliziumplättchen
wird mit einem gleichgroßen Glasplättchen abgedeckt, das in
einem besonderen Fertigungsverfahren vorher mit einer Tinten
kammer und einer Öffnung für die Zuführung der Tinte versehen
wird, in die ein Filter zur Fernhaltung von Schmutzpartikelchen
in der Tinte eingeklebt wird.
Der Schreibkopf für eine derartige Tintenschreibeinrichtung
weist demgemäß eine auf dem Substrat aufgebaute Vielzahl von
Tintenkanälen auf, die in Richtung zum Aufzeichnungsträger
Düsenöffnungen bilden und die an ihrem anderen Ende mit einer
gemeinsamen Tintenkammer in Verbindung stehen. Jedem Tinten
kanal sind die Antriebselemente in Form von Heizwiderständen
auf dem Substrat zugeordnet. Auch die Anschlußkontaktierungen
für die Heizwiderstände werden in Form von Leiterbahnen ebenfalls
auf dem Substrat aufgebaut. Die gemeinsame Tintenkammer wird
üblicherweise in einer Abdeckung, z. B. in einer Abdeckplatte aus
geformt, die zugleich auch die Tintenkanäle überdeckt und den
Schreibkopf flüssigkeitsdicht umschließt. Die für einen längeren
Schreibbetrieb erforderliche Tintenmenge wird dem Schreibkopf
aus einem Tintenvorratsbehälter zugeführt. Die Zuführung der
Tinte kann dabei über eine Öffnung in der Abdeckplatte erfolgen
(DE-A-30 35 439). Die Herstellung einer präzisen Öffnung in der
meist aus hartem und spröden Material (z. B. Glas) bestehenden
Abdeckplatte ist schwierig. Es müssen weiterhin ausreichend
dichte Anschluß- und Verbindungsteile sowie ein Filter bereit
gestellt und montiert werden, die auch für einen längeren
Schreibbetrieb die nötige Sicherheit gewährleisten.
Eine andere Möglichkeit der Tintenzufuhr besteht darin, die
Tinte durch eine Öffnung im Substrat zuzuführen (DE-A-32 48 087).
In diesem Falle ist jedoch die für die Führung der
Kontaktanschlüsse erforderliche Fläche auf dem Substrat deutlich
eingeschränkt. Abgesehen davon, daß in manchen Fällen dadurch
auch die Anzahl der ansteuerbaren Widerstände und somit auch die
Anzahl der wirksamen Düsen reduziert ist, können die als Leiter
bahnen auf dem Substrat verlaufenden Kontaktanschlüsse nicht
mehr geradlinig geführt werden. Damit sind Probleme vor allem
hinsichtlich der Fertigung verbunden.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Tintenschreibkopf für eine
Tintendruckeinrichtung der eingangs genannten Art anzugeben,
der bei einfachem und kostengünstigen Aufbau die Zuführung von
Tintenflüssigkeit von einem Tintenvorratsbehälter in die Tinten
kanäle gewährleistet, ohne daß dafür zusätzliche Bearbeitungs
schritte bei der Herstellung des Tintenschreibkopfes erforder
lich sind.
Diese Aufgabe wird gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des
Patentanspruches 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unter
ansprüchen angegeben.
Durch die Verwendung von porösen Keramikplättchen sowohl als
Trägermaterial für die Tintenkopfstrukturen als auch für die
Tintenkopfabdeckung und des Tintenfilter ensteht ein Tinten
schreibkopf, bei dem auf einfache Weise die Funktionen Tinten
kopfträger, Abdeckung und Filter vereinigt sind und der auf
kostengünstige Weise hergestellt werden kann.
Dabei entsteht ein Schreibkopf in der sog. Sandwichbauweise,
bei dem die Tintenkopfstrukturen beidseitig von porösem Keramik
material eingefaßt sind, durch die die Tintenflüssigkeit gefil
tert nachströmen kann. Unter Tintenkopfstruktur sind dabei die
Tintenkanäle mit ihren Austrittsdüsen, die Energieerzeugungs
elemente mit den erforderlichen Anschlußleitungen sowie eventuell
notwendige Abdeckschichten zu verstehen.
Ein solcher Schreibkopfaufbau hat den Vorteil, daß der Tinten
schreibkopf direkt in den Tintenbehälter eingebaut werden kann,
wobei dann die Tintenflüssigkeit von beiden Seiten durch die
poröse Keramik nachströmen kann. Außerdem wird die Gefahr des
Eintrocknens der Tinte an den Tintenaustrittsöffnungen an der
Tintenkopfstirnfläche erheblich vermindert, da durch die poröse
Keramik Tinte nachströmen kann. Die Strukturen des Tintendruck
kopfes lassen sich vereinfachen, da die besondere Tintenkammer
entfällt und die Tinte großflächig direkt in die einzelnen
Tintendüsen gelangen kann. Durch geeignete Wahl der Porengröße
kann die Nachströmgeschwindigkeit der Tinte optimiert werden.
Weil die poröse Keramik auch gleichzeitig als Tintenfilter
wirksam ist, entfällt neben der sonst in einem zusätzlichen
Bearbeitungsschritt aufzubringenden Deckplatte auch das separat
anzubringende Tintenfilter, das entweder in die Deckplatte
eingeklebt oder wenn die Tintenflüssigkeit durch eine Öffnung im
Substrat erfolgt, dort an entsprechender Stelle eingefügt werden
muß.
Durch Verwendung von Keramikmaterial mit hoher Wärmeleitfähig
keit wird darüber hinaus eine schnelle Abführung der überschüssi
gen Wärme erreicht, die im wesentlichen durch das Aktivieren
der als Heizwiderstände ausgebildeten Energieerzeugungselemente
auftritt. Außerdem wird das Übersprechverhalten verbessert, da
die einzelnen Tintenkanäle durch die auch als Filter wirkenden
Keramiken entkoppelt sind. Durch das Übersprechen wird sonst die
Tintentropfengeschwindigkeit und -größe beeinflußt, was sich
wiederum auf die Abbildungsgenauigkeit auf dem Aufzeichnungs
träger negativ auswirken kann.
Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand der
Zeichnungen erläutert. Dort zeigen
Fig. 1 einen Tintenschreibkopf nach dem Stand der Technik,
Fig. 2 eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Tintenschreib
kopfes in Schnittdarstellung und
Fig. 3 eine Vorderansicht dieses Schreibkopfes.
Die perspektivische Teildarstellung gemäß Fig. 1 zeigt den
konstruktiven Aufbau und die wesentlichen Bestandteile eines
Tintendruckkopfes herkömmlichen Aufbaus. Es sind dies im einzel
nen eine üblicherweise aus Aluminium bestehende Grundplatte 1,
auf der ein als Träger dienendes Substrat 2 aufgebracht, zum
Beispiel geklebt ist. Als Substrat 2 dient dabei ein Silizium
wafer. Auf dieses Substrat 2 ist mittels eines chemischen
Prozesses (CVD Chemical Vapour Deposition) eine erste Abdeck
schicht 3 zum Beispiel aus Siliziumdioxid SiO2 als Wärme
barriere und Isolationsschicht abgeschieden. Diese Silizium
dioxidschicht kann auch durch thermische Oxidation des Silizium
wafers erzeugt werden. Auf diesem, so vorbehandelten Wafer ist
eine als elektrothermisches Wandlerelement wirkende Widerstands
schicht 4 und als Leiterbahnen für diese Thermowandler 4
dienende Aluminiumschichten 5, 6 aufgestäubt. Nach der foto
grafischen Strukturierung der Leiterbahnen 5, 6 und der Thermo
wandler 4 folgt ein weiterer CVD-Prozeß mit einer zweiten
Abdeckschicht 7, zum Beispiel aus Siliziumdioxid zur Isolierung
und mechanischen Stabilisierung der Thermowandler 4. Darüber
hinaus ist über den Thermowandlern 4 eine Tantalschicht 14 als
Kavitationsschicht aufgebracht. Eine zusätzlich als Korrosions
schutz auf auf die zweite Abdeckschicht 7 aufgebrachte, beispiels
weise aufgeschleuderte Polyamidschicht 8 bedeckt die Tantal
schicht 14 an ihren Rändern und bildet eine untere Wandung
sowohl für eine Tintenkammer 13 als auch für die Tintenkanäle
10, die von der Tintenkammer 13 ausgehend in eine Austritts
öffnung 9 an einer sog. Düsenplatte münden und durch Kanal
trennwände 18 voneinander räumlich isoliert sind. Dabei ist
jeweils einem Tintenkanal 10 eine Austrittsöffnung 9 und ein
Thermowandler 4 zugeordnet. Nach oben hin wird der Aufbau durch
eine Kleberschicht 11 und eine sich daran anschließende Deck
platte 12, die vorzugsweise aus Glas oder einem ähnlichen
Material besteht, derart abgeschlossen, daß zwischen der
Polyamidschicht 8 und der Kleberschicht 11 eine Reihe von
Tintenkanälen 10 und die allen Tintenkanälen 10 gemeinsame
Tintenkammer 13 ausgebildet sind. Die Tintenzufuhr in die
Tintenkammer 13 erfolgt über eine Öffnung 19, über die die Tinte
von außen zum Beispiel über eine Tintenversorgungsleitung 16,
die mit einem Tintenvorratsbehälter 17 verbunden ist, zugeführt
wird. Hierzu sind zusätzlich an der Deckplatte 12 Verbindungs-
und Abdichteinrichtungen 20 sowie ein Tintenfilter 21 vorge
sehen.
Zusätzlich ist in Fig. 1 in strichlierter Darstellung eine
weitere Möglichkeit für die Zuführung der Tinte gezeigt. Dabei
erfolgt die Zufuhr der Tintenflüssigkeit in der mit dem Pfeil
symbol gekennzeichneten Zuführrichtung 15 durch eine Öffnung 22
im Substrat 2. Damit entfällt zwar die mit einem relativ hohen
Aufwand verbundene Tintenzufuhr durch die Abdeckplatte, wie
anhand der Fig. 1 dargestellt und beschrieben, doch wird die
zur Führung der Leiterbahnen 5, 6 verfügbare Fläche auf dem
Substrat 2 verkleinert. Die Leiterbahnen müssen außerdem um
die Öffnung 22 herumgeführt werden, was nicht nur einen deut
lich höheren Fertigungsaufwand mit sich bringt, sondern auch zu
einer Reduzierung der wirksam ansteuerbaren Heizwiderstände,
Tintenkanäle und Düsen führen kann.
Bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 2 und 3 des erfin
dungsgemäßen Tintenschreibkopfes 25 sind als Träger für die Tin
tenkopfstruktur 26 (Tintenkanäle mit ihren Austrittsdüsen, Heiz
elemente mit den Anschlußleitungen, Abdeckschichten) und für die
Tintenkopfabdeckung sowie für das Tintenfilter poröse Keramik
plättchen 23, 27 vorgesehen. Ein erstes Keramikplättchen 23
dient als Trägermaterial, auf dem die geometrische Struktur 24
des eigentlichen Tintendruckkopfes aufgebaut ist. Insbesondere
trägt dieses Kermamikplättchen 23 das Energieerzeugungselement
für den Ausstoß der Tintentröpfchen, die einzelnen Tintenkanäle
mit den in Richtung zu einem Aufzeichnungsträger hin offenen
Ausstoßöffnungen 24 und die jeweils einem Kanal zugeordneten
Energieerzeugungselemente. Zusätzliche können, soweit erforder
lich, noch diverse Abdeckschichten, wie sie bereits anhand des
Schreibkopfes gemäß der Fig. 1 beschrieben wurden, vorgesehen
sein. Das Verfahren zum Aufbringen der einzelnen Schichten kann
dabei in herkömmlicher Weise durch chemische Prozesse (CVD) und/oder
photolithographische Strukturen erfolgen.
Bei der Schnittdarstellung nach Fig. 2 erkennt man, daß die
Tintenkopfstruktur 26 von einem zweiten Keramikplättchen 27 der
art abgedeckt ist, daß die Tintenkopfstruktur 26 beidseitig von
Keramikmaterial eingefaßt ist. Das zweite Keramikplättchen ist
dabei in seinen geometrischen Ausmaßen kleiner bemessen als das
Keramikplättchen 23, so daß sie nicht die komplette Tintenkopf
struktur 26 abdeckt, sondern ein Anschlußbereich in Form einer
Kontaktierungsebene 28 für den Anschluß der einzelnen Energie
erzeugungselemente freiläßt. Die Energieerzeugungselemente
können beispielsweise derart angeordnet sein, daß die Ausstoß
öffnung 24 in hoher Dichte in einer einzelnen senkrechten Reihe
angeordnet sind (Fig. 2). Mit dem Bezugszeichen 29 ist dabei die
Ebene dieser Ausstoßöffnungen (Tintendüsen) bezeichnet. Die
beiden Keramikplättchen 23, 27 werden von einer tintendichten
Gehäusewandung 30 umschlossen, so daß beidseitig der Keramik
plättchen Tintenvorratskammern 31, 32 gebildet sind. Aus diesen
Vorratskammern kann die Aufzeichnungsflüssigkeit gefiltert von
beiden Seiten durch die porösen Keramikschichten in die Tinten
kanäle des in Sandwich-Bauweise aufgebauten Tintendruckkopfes
nachströmen.
Durch einen solchen Aufbau ist es möglich, den Tintenschreibkopf
direkt innerhalb eines Tintenvorratsbehälters einzubauen,
wodurch auch auf einfache Weise durch geeignete Wahl des
Speichervolumens des Behälters sog. Wegwerfköpfe (disposable
heads) hergestellt werden können. Nach leergeschriebenem Tinten
vorratsbehälter wird die komplette Einheit, bestehend aus Kopf
und Behälter ausgetauscht.
Zur Vereinfachung von herkömmlich aufgebauten Schreibköpfen ist
es in Abwandlung der Erfindung auch möglich, nur ein einziges
poröses Keramikplättchen vorzusehen, und zwar als Ersatz für die
Glasabdeckung (Deckplatte 12 in Fig. 1). Dadurch entfällt das
aufwendige Aufbringen z. B. Kleben dieser Abdeckung und das
separate Tintenfilter. Außerdem kann der Schreibkopf unmittelbar
an den Tintenvorratsbehälter angebaut werden, wobei vom Behälter
durch die poröse Keramik Tintenflüssigkeit in die einzelnen
Tintenkanäle gefiltert nachströmen kann.
Claims (5)
1. Tintenschreibkopf für eine Tintenschreibeinrichtung mit einer
Vielzahl von Tintenkanälen, die mit einem gemeinsamen Tinten
vorratsraum in Verbindung stehen und die auf der einem Aufzeich
nungsträger zugewandten Seite in Ausstoßöffnungen enden, wobei
jedem Tintenkanal individuell ansteuerbare Energieerzeugungsele
mente zum Ausstoß von Einzeltröpfchen aus den Ausstoßöffnungen
zugeordnet sind und die Tintenkanäle, die Energieerzeugungsele
mente sowie deren Kontaktanschlüsse schichtweise aufgebaut sind
und der Tintendruckkopf mit einer tintendichten Abdeckung ver
sehen ist, gekennzeichnet durch mindestens
eine poröse Keramikschicht (23, 27) sowohl als Trägermaterial für
die Tintenkanäle, die Energieerzeugungselemente und die
Anschlußkontaktierungen, als auch für die Tintenzuführung und
für das Tintenfilter.
2. Tintenschreibkopf nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Tintenkopfstruktur (Tinten
kanäle, Energieerzeugungselemente, Kontaktanschlüsse) beidseitig
von porösem Keramikmaterial (23, 27) eingefaßt ist.
3. Tintenschreibkopf nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß beide poröse Keramikschichten
(23, 27) innerhalb eines abgeschlossenenen Tintenvorratsraumes
(31, 32) derart angeordnet sind, daß Tintenflüssigkeit beid
seitig durch die Keramiken (23, 27) in die Tintenkanäle nach
strömen kann.
4. Tintenschreibkopf nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß durch geeignete Wahl der
Porengröße der Keramik (23, 27) die Nachströmgeschwindigkeit
eingestellt wird.
5. Tintenschreibkopf nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß das poröse Keramikmaterial
(23, 27) eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19904040713 DE4040713A1 (de) | 1990-12-19 | 1990-12-19 | Tintenschreibkopf fuer tintendruckeinrichtungen |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19904040713 DE4040713A1 (de) | 1990-12-19 | 1990-12-19 | Tintenschreibkopf fuer tintendruckeinrichtungen |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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DE4040713A1 true DE4040713A1 (de) | 1991-05-16 |
DE4040713C2 DE4040713C2 (de) | 1993-03-25 |
Family
ID=6420757
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19904040713 Granted DE4040713A1 (de) | 1990-12-19 | 1990-12-19 | Tintenschreibkopf fuer tintendruckeinrichtungen |
Country Status (1)
Country | Link |
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Legal Events
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