DE4040713C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Tintenschreibkopf für eine Tintenschreib­ einrichtung 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 sogenannten 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 Tintenschreibkopfes beinhaltet und gleichzeitig als Träger dient. Dieses Siliziumplättchen wird mit einem 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).

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.

Aus der DE-C3-25 43 397 ist ein Tintenschreibkopf mit einer Vor­ richtung zum Dämpfen von Flüssigkeitsschwingungen in Tintenver­ sorgungssystemen bekannt. Der Schreibkopf weist mehrere in einem Kunstharz ausgebildete Schreibdüsen auf, die rückwärtig über eine Drosselplatte mit einem Tintenvorratsraum in Fließver­ bindung stehen. Durch die Drosselplatte und ein elastisches Element in dem Tintenvorratsraum wird eine Rückwirkung der mechanischen Schwingungen während des Schreibbetriebs auf die Tintenversorgungseinrichtung verhindert.

Eine aus der DE-A1-24 60 573 bekannte Vorrichtung zur Versorgung von Schreibdüsen mit Schreibflüssigkeit weist einen keramischen Kapillarfilter auf, der in Tintenflußrichtung gesehen vor einem als Tintenkanal dienenden Röhrchen mit einem Antriebselement in Form eines Piezowandlers angeordnet ist. Der eigentliche Schreib­ kopf ist damit von dem Kapillarfilter getrennt angeordnet.

Aus "Hewlett-Packard Journal", Mai 1985, Seiten 21-27, ist ein Tintenschreibkopf in Bubble-Jet-Technik bekannt, bei dem in einem Gehäuse ein blasenförmiger, elastischer Tintenbehälter, eine Frontplatte, ein Tintenfilter und eine Dünnfilm-Anordnung auf einem gläsernen Substrat angeordnet sind. Das Substrat ist mit einer Unterschicht, einer Dünnfilmwiderstandsschicht zur Bildung einzelner Energieerzeugungselemente, elektrischen Zuleitungen und einer Passivierungsschicht versehen, wobei den gebildeten Energieerzeugungselementen einzelne Ausstoßöffnungen direkt gegenüberliegend zugeordnet sind; die Tintenzufuhr erfolgt durch eine Öffnung im Glas-Substrat.

Aus der DE-A1-30 35 439 ist schließlich ein Tintenschreibkopf der eingangs genannten Art für eine Tintenschreibeinrichtung mit einer Vielzahl von Tintenkanälen bekannt, die mit einem gemein­ samen Tintenvorratsraum in Verbindung stehen und die auf der einem Aufzeichnungsträger zugewandten Seite in Ausstoßöffnungen enden. Jedem Tintenkanal sind individuell ansteuerbare Energieerzeugungselemente zum Ausstoß von Einzeltröpfchen aus den Ausstoßöffnungen zugeordnet. Zumindest die Energieerzeu­ gungselemente und deren Kontaktanschlüsse sind schichtweise auf einem Trägerelement (Grundplatte) aus Aluminiumoxid aufgebracht. Auf der Grundplatte ist eine Platte mit einer Nut zur Bildung einer allen Tintenkanälen gemeinsamen Tintenzufuhrkammer angebracht. Die Herstellung einer präzisen Öffnung in der meist aus hartem und sprödem Material (z. B. Glas) bestehenden Abdeckplatte ist schwierig. Es müssen weiterhin ausreichend dichte Anschluß- und Verbindungsteile sowie ein Filter bereitgestellt und montiert werden, die auch für einen längeren Schreibbetrieb die nötige Sicherheit gewährleisten.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Tintenschreibkopf für eine Tintenschreibeinrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, der bei einfachem und kostengünstigem 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 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 Tintenschreibkopfstrukturen als auch für die Tintenschreibkopfabdeckung und den Tintenfilter ensteht ein Tinten­ schreibkopf, bei dem auf einfache Weise die Funktionen Trägerelement, Abdeckung und Filter vereinigt sind und der auf kostengünstige Weise hergestellt werden kann.

Dabei entsteht ein Schreibkopf in der sog. Sandwichbauweise, bei dem die Tintenschreibkopfstrukturen beidseitig von porösem Keramik­ material eingefaßt sind, durch das die Tintenflüssigkeit gefil­ tert nachströmen kann. Unter Tintenschreibkopfstruktur 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 Tintenschreibkopfstirnfläche erheblich vermindert, da durch die poröse Keramik Tinte nachströmen kann. Die Strukturen des Tintenschreib­ 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 zeigt

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 Tintenschreibdruckkopfes 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 teil. 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 teils erzeugt werden. Auf diesem so vorbehandelten Siliziumteil sind 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 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 Tinten­ schreibkopfstruktur 26 (Tintenkanäle mit ihren Austrittsdüsen, Heiz­ elemente mit den Anschlußleitungen, Abdeckschichten) und für die Tintenschreibkopfabdeckung sowie für das Tintenfilter poröse Keramik­ plättchen 23, 27 vorgesehen. Ein erstes Keramikplättchen 23 dient als Trägermaterial, auf dem die geometrische Struktur 26 des eigentlichen Tintenschreibdruckkopfes 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. Zusätzlich 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 Tintenschreibkopfstruktur 26 von einem zweiten Keramikplättchen 27 derart abgedeckt ist, daß die Tintenschreibkopfstruktur 26 beidseitig von Keramikmaterial eingefaßt ist. Das zweite Keramikplättchen ist dabei in seinen geometrischen Ausmaßen kleiner bemessen als das Keramikplättchen 23, so daß es nicht die komplette Tintenschreibkopf­ struktur 26 abdeckt, sondern einen Anschlußbereich in Form einer Kontaktierungsebene 28 für den Anschluß der einzelnen Energie­ erzeugungselemente freiläßt. Die Energieerzeugungselemente können beispielsweise derart angeordnet sein, daß die Ausstoß­ öffnungen 24 in hoher Dichte in einer einzelnen senkrechten Reihe angeordnet sind (Fig. 3). 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 Tintenschreibkopfes 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 (10), die mit einem ge­ meinsamen Tintenvorratsraum (13) in Verbindung stehen und die auf der einem Aufzeichnungsträger zugewandten Seite in Aus­ stoßöffnungen (9) enden, wobei jedem Tintenkanal (10) indi­ viduell ansteuerbare Energieerzeugungselemente (4) zum Ausstoß von Einzeltröpfchen aus den Ausstoßöffnungen (9) zugeordnet sind und wobei die Energieerzeugungselemente (4) sowie deren Kontaktanschlüsse (5, 6) schichtweise auf einem Trägerelement aufgebaut sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerelement von einer porösen Keramikschicht (23) gebildet ist, die auch die Verbindung zwischen den Tintenkanälen (10) und dem Tintenvorratsraum (13) herstellt und als Tintenfilter dient.

2. Tintenschreibkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tintenkopfstruktur (Tintenkanäle, Energieerzeugungselemente, Kontaktanschlüsse) beidseitig von porösem Keramikmaterial (23, 27) eingefaßt ist.

3. Tintenschreibkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß beide poröse Keramikschichten (23, 27) innerhalb eines abgeschlossenenen Tintenvorratsraumes (31, 32) derart angeordnet sind, daß Tintenflüssigkeit beidseitig durch die Keramiken (23, 27) in die Tintenkanäle nachströmen 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.