DE4230292C2

DE4230292C2 - Inkjet printhead

Info

Publication number: DE4230292C2
Application number: DE19924230292
Authority: DE
Inventors: Norbert Dr Schwesinger; Thorsten Saendig
Original assignee: Norbert Dr Schwesinger; Thorsten Saendig
Current assignee: METEC INGENIEUR-AKTIENGESELLSCHAFT MEDIZINTECHNIK-
Priority date: 1992-09-10
Filing date: 1992-09-10
Publication date: 1996-09-19
Anticipated expiration: 2012-09-11
Also published as: DE4230292A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Tintenstrahldruckkopf, bei dem Tintentröpfchen aus Düsenöffnungen unter Nutzung des inversen piezoelektrischen Effektes ausgespritzt werden.The invention relates to an inkjet print head, with the ink droplet from the nozzle openings below Use of the inverse piezoelectric effect be sprayed out.

Im Stand der Technik sind Tintenstrahldrucker be kannt, die nach dem Bedarfs-Prinzip Flüssigkeitströpfchen, insbesondere Tinten tröpfchen, aus Düsen auf einen Aufzeich nungsträger spritzen. Sie kommen vorzugs weise in der Informations- und Datentechnik zum Er stellen von Zeichen, Zeichenketten und Grafiken zum Einsatz.Inkjet printers are known in the art knows that according to the demand principle Liquid droplets, especially inks droplets from nozzles on a record Spray the carrier. They are preferred wise in information and data technology to Er provide characters, strings and graphics Commitment.

Aus der DE 31 47 107 A1 ist ein Tintenstrahldruckkopf bekannt, bei den in einen Grundkörper Tintendruckkammern, Tintenzuführungen und Tintenaus laßöffnungen eingeätzt sind. Über den Tintendruckkammern sind elektromechanische Elemente angeordnet, an die eine Spannung angelegt werden kann, wodurch eine mechanische Verformung ausgelöst wird, die einen Druckaufbau in den Tintendruckkammern hervor ruft, der zum Ausstoß von Tintentröpfchen aus den Tintenauslaßöffnungen führt. Um eine hohe Auflö sung auf einem Aufzeichnungsträger zu erreichen, sind eine Vielzahl von Düsenaus laßöffnungen nebeneinander angeordnet. An inkjet printhead is known from DE 31 47 107 A1, at that into a basic body Ink pressure chambers, ink feeders and inks openings are etched. Over the ink pressure chambers are arranged electromechanical elements which can be applied to a voltage, thereby a mechanical deformation is triggered, the a pressure build-up in the ink pressure chambers calls out to eject droplets of ink leads to the ink outlet openings. For a high resolution solution on a record carrier, are a variety of nozzles openings arranged side by side.

Unter optimalen Bedingungen kann ein Tintenstrahldruckkopf mit 24 Düsen oder Tinten auslaßöffnungen in kompakter Bauweise hergestellt werden.Under optimal conditions an ink jet printhead with 24 nozzles or inks outlet openings made in a compact design will.

Der beschriebene Tintenstrahlkopf hat den Nach teil, daß die Tintentröpfchen die Düse in Richtung der Strömungsachse verlassen und auf gerader Flug bahn, die durch die Schwerkraft beeinflußt werden kann, auf den Aufzeichnungsträger treffen. Die Auf lösung auf dem Aufzeichnungsträger, die durch den Punktabstand charakterisiert ist, wird durch die Anzahl, die Größe und den geometrischen Abstand der einzelnen Düsenöffnungen zueinander bestimmt. Um hohe Auflösungen zu erreichen ist es notwendig, derartige Anordnungen mit einer Vielzahl von Düsen öffnungen zu versehen, die in einem möglichst ge ringen Abstand voneinander angeordnet sind, was jedoch sehr problematisch ist.The described inkjet head has the after part that the ink droplets are pointing the nozzle towards leave the flow axis and on straight flight orbit, which are influenced by gravity can hit the record carrier. The on solution on the record carrier by the Dot spacing is characterized by the Number, size and geometric distance of the individual nozzle openings determined to each other. Around to achieve high resolutions it is necessary such arrangements with a plurality of nozzles openings to be provided in a ge as possible wrestle spaced apart what however very problematic is.

In der DE 31 39 322 A1 ist beschrieben, wie die Flugrichtung der Tintentröpfchen beeinflußt werden kann. Dazu werden die Tröpfchen elektrisch aufgela den und mit Hilfe von Ablenkelektroden in einer be stimmten Richtung abgelenkt. Derartige Anordnungen erfordern relativ hohe Spannungen und sind mit kom plizierten Elektrodensystemen bestückt. DE 31 39 322 A1 describes how the Flight direction of the ink droplets can be influenced can. To do this, the droplets are electrically charged the and with the help of deflection electrodes in a be agreed direction distracted. Such arrangements require relatively high voltages and are with com equipped electrode systems.

In der EP 0 047 609 B1 ist beschrieben, daß mit der Ausbildung eines Meniskus vor der Düsenöffnung die Flugrichtung der Tintentröpfchen be einflußt wird. Eine Steuerung der Flugrichtung ist nach dieser Druck schrift nicht vorgesehen.EP 0 047 609 B1 describes that with the formation of a Meniscus in front of the nozzle opening the direction of flight of the ink droplets is influenced. A control of the flight direction is after this pressure font not provided.

Aus der US-PS 4 312 008 ist ein Tintenstrahldruckkopf bekannt, bei dem in ein Silizium-Substrat ein Düsenkanal, eine Druckkammer und ein Tinten zufuhrkanal eingeätzt sind. Bei der gezeigten Anordnung wird die Tinte dem in die Substratplatte eingeätzten Tintenzufuhrkanal über ein senkrecht darüber angeordnetes Röhrchen zugeführt. Damit ist dieser Druck kopf wenig platzsparend aufgebaut und relativ aufwendig in seiner Herstel lung. Eine Änderung der Flugrichtung der auszustoßenden Tintentröpfchen ist bei diesem Druckkopf ebenfalls nicht vorgesehen.An ink jet printhead is known from US Pat. No. 4,312,008 in which in a silicon substrate a nozzle channel, a pressure chamber and an ink feed channel are etched. In the arrangement shown, the ink is the ink supply channel etched into the substrate plate via a vertically above it arranged tube supplied. So that is pressure head constructed in a space-saving manner and relatively complex to manufacture lung. A change in the direction of flight of the ink droplets to be ejected is also not with this printhead intended.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen einfach herstellbaren, kompakten Tinten strahldruckkopf zu schaffen, der über eine geringe Anzahl sehr eng nebeneinander liegender Düsenöff nungen verfügt und bei dem die Tintentröpfchen ohne das Vorhandensein komplizierter Elektrodensysteme in ihrer Flugrichtung beeinflußt werden können.The invention is therefore based on the object an easy to manufacture, compact ink to create jet print head that has a low Number of nozzle openings very close together and the ink droplets without the presence of complicated electrode systems can be influenced in their flight direction.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst.This task is performed according to the characteristics Claim 1 solved.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfin dungsgemäßen Tintenstrahldruckkopfes sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous refinements of the inventions Inkjet printhead according to the invention are in the Subclaims specified.

Die Erfindung soll nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigtThe invention will hereinafter refer to the drawings are explained in more detail. It shows

Fig. 1 eine teilgeschnittene perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispieles des erfindungsgemäßen Tintenstrahl druckkopfes, Fig. 1 is a partially cutaway perspective view of an embodiment of the ink jet according to the invention the print head,

Fig. 2(A) eine Draufsicht auf die Substratplatte eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, Fig. 2 (A) is a plan view of the substrate plate of an embodiment of the invention,

Fig. 2(B) eine Schnittdarstellung entlang der Linie B-B aus Fig. 2(A), Fig. 2 (B) is a sectional view taken along the line BB of Fig. 2 (A),

Fig. 2(C) eine Schnittdarstellung entlang der Linie C-C aus Fig. 2(A), Fig. 2 (C) is a sectional view taken along the line CC of Fig. 2 (A),

Fig. 3(A) ein Ausschnitt des Düsenbereiches des erfindungsgemäßen Tintenstrahldruckkopfes, Fig. 3 (A) A section of the orifice area of the ink jet print head according to the invention,

Fig. 3(B) eine Schnittdarstellung entlang der Linie B-B aus Fig. 3(A), Fig. 3 (B) is a sectional view taken along the line BB in Fig. 3 (A),

Fig. 4 eine Draufsicht einer Deckmembran eines Ausführungsbeispiels, Fig. 4 is a plan view of a cover membrane of an embodiment

Fig. 5 eine Vorderansicht eines Ausführungs beispiels der Erfindung, Fig. 5 is a front view of an execution example of the invention,

Fig. 6 eine Vorderansicht eines weiteren Ausführungsbeispieles der Erfindung, Fig. 6 is a front view of a further embodiment of the invention,

Fig. 7(A) eine Darstellung der Tröpfchenflugbahn für ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung bei den Steuerspannungsimpul sen U1 und V1, Fig. 7 (A) is a representation of the droplet flight path for a first embodiment of the invention in the Steuerspannungsimpul sen U1 and V1,

Fig. 7(B) eine Darstellung der Tröpfchenflugbahn für ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung bei den Steuerspannungsimpul sen U2 und V2, Fig. 7 (B) is a representation of the droplet flight path for a first embodiment of the invention in the Steuerspannungsimpul sen U2 and V2,

Fig. 8(A) eine Darstellung der Tröpfchenflugbahn für ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung beim Steuerspannungsimpuls U1, Fig. 8 (A) is a representation of the droplet flight path for a second embodiment of the invention in the control voltage pulse U1,

Fig. 8(B) eine Darstellung der Tröpfchenflugbahn für ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung beim Steuerspannungsimpuls U2. Fig. 8 (B) is a representation of the droplet flight path for a first embodiment of the invention in the control voltage pulse U2.

In Fig. 1 enthält die Substratplatte mehrere her ausgearbeitete Strukturen in Form von V-förmigen Gräben 2, und rechteckförmigen Vertiefungen 3 auf der Ober- und der Unterseite. Die Substratplatte 1 ist von der Oberseite und der Unterseite mit Deck membranen 4, die zweckmäßigerweise aus Glas sind, abgedeckt. Durch diese Abdeckung werden von der Vorderseite, d. h. an der Mündung der V-förmigen Gräben 2 Düsen gebildet. Die Düsenwandungen ergeben sich aus gleichlangen Wandungen der V-förmigen Grä ben 2 in der Substratplatte 1 und einem Abschnitt der Deckmembranen 4. Auf der der Düsenseite gegen überliegenden Seite des Druckkopfes sind durch die Verbindung der Deckmembranen 4 mit der Substrat platte 1, die an dieser Stelle rechteckförmige Ver tiefungen enthält, Tinteneinlaufkammern 6 ausge bildet. Auf den Deckmembranen 4 befinden sich, ge nau über den rechteckförmigen Vertiefungen 3 der Substratplatte angeordnet, scheibenförmige piezo elektrische Elemente 7 sowie Kontaktzonen 9 und die hier nicht gezeigten Kontaktflächen. Die Substrat platte 1 besteht aus einem einkristallinen Mate rial, vorzugsweise Silizium, das in einem technolo gischen Schritt, vorzugsweise durch naßchemisches, anisotropes Ätzen, von beiden Seiten oder von einer Seite strukturiert wird.In Fig. 1, the substrate plate contains several structures worked out in the form of V-shaped trenches 2 , and rectangular depressions 3 on the top and bottom. The substrate plate 1 is covered from the top and the bottom with cover membranes 4 , which are expediently made of glass. This cover forms 2 nozzles from the front, ie at the mouth of the V-shaped trenches. The nozzle walls result from walls of the same length of the V-shaped trenches 2 in the substrate plate 1 and a section of the cover membranes 4 . On the nozzle side opposite side of the printhead are through the connection of the cover membranes 4 with the substrate plate 1 , which contains rectangular Ver wells at this point, ink inlet chambers 6 forms out. On the cover membranes 4 are, ge arranged precisely over the rectangular recesses 3 of the substrate plate, disk-shaped piezoelectric elements 7 and contact zones 9 and the contact surfaces, not shown here. The substrate plate 1 consists of a single-crystalline material, preferably silicon, which is structured in a technological step, preferably by wet chemical, anisotropic etching, from both sides or from one side.

Wie in Fig. 2(A) gezeigt, sind die rechteckför migen Vertiefungen 3 auf der einen Seite mit V-för migen Gräben 6 verbunden, die ohne Richtungsän derung in die Düsen münden und auf der diagonalen gegenüberliegenden Seite durch V-förmige Gräben 6, die mehrere Knickstellen aufweisen, an die Tinten einlaufkammer 6 angeschlossen.As shown in Fig. 2 (A), the rectangular recesses 3 are connected on one side with V-shaped trenches 6 which open into the nozzles without change in direction and on the diagonal opposite side by V-shaped trenches 6 , which have multiple kinks, connected to the ink inlet chamber 6 .

Die symmetrische Anordnung der V-förmigen Gräben 2 der rechteckförmigen Vertiefungen 3 und der Tin teneinlaufkammern 6 zwischen der Ober- und der Unterseite der Substratplatte 1 ist in der Schnitt darstellung gemäß Fig. 2(B) gezeigt.The symmetrical arrangement of the V-shaped trenches 2 of the rectangular depressions 3 and the tin teneinlaufkammern 6 between the top and bottom of the substrate plate 1 is shown in the sectional view of FIG. 2 (B).

Die Anordnung der Düsen 5 in der Substratplatte 1, gemäß Fig. 2(C) zeigt einen Versatz zwischen der oberen und der unteren Düsenreihe eines ersten Aus führungsbeispieles der Erfindung.The arrangement of the nozzles 5 in the substrate plate 1 , as shown in FIG. 2 (C) shows an offset between the upper and lower row of nozzles from a first exemplary embodiment of the invention.

Gemäß Fig. 3(A) ist im Düsenbereich eine Verrin gerung der Breite der V-förmigen Gräben 2 von E auf e über eine Länge L bis zur Düse vorgesehen.According to Fig. 3 (A) is in the nozzle area Verrin a delay provided from E to E over a length L up to the nozzle the width of the V-shaped grooves 2.

Ebenso ist vorgesehen, gemäß Fig. 3(B), die Höhe der V-förmigen Gräben 2 im Düsenbereich über eine Länge L von H auf h zu verkleinern.It is also provided, according to FIG. 3 (B), to reduce the height of the V-shaped trenches 2 in the nozzle area over a length L from H to h.

Die Anordnung der Kontaktflächen 8 auf der Deckmem bran 4, gemäß Fig. 4, erfolgt so, daß sich un mittelbar senkrecht unter den Kontaktflächen 8 die rechteckförmigen Vertiefungen 3 der Substratplatte 1 befinden. Zur äußeren Kontaktierung sind ent sprechende Kontaktzonen 9 vorgesehen.The arrangement of the contact surfaces 8 on the deck membrane 4 , as shown in FIG. 4, is such that the rectangular depressions 3 of the substrate plate 1 are located directly underneath the contact surfaces 8 . Corresponding contact zones 9 are provided for external contacting.

Der Versatz A der unteren Düsenreihe zur oberen Düsenreihe ist in Fig. 5 dargestellt. Der Abstand der Düsenreihen zueinander ist mit dem Bezugszei chen B versehen. Der Abstand zweier benachbarter Düsen zueinander wird durch das Zeichen C charak terisiert.The offset A of the lower row of nozzles to the upper row of nozzles is shown in FIG. 5. The distance between the rows of nozzles is provided with the reference character B. The distance between two neighboring nozzles is characterized by the character C.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 ist die Substratplatte 1 einseitig strukturiert. Demzufolge befinden sich die Deckmembranen 4 mit den Kontaktflächen 8 und Kontaktzonen 9 sowie den piezoelektrischen Elementen 7 nur auf der struktu rierten, d. h. der mit V-förmigen Gräben 2 und recht-eckförmigen Vertiefungen 3 versehenen Seite der Substratplatte 1. In a second exemplary embodiment according to FIG. 6, the substrate plate 1 is structured on one side. Accordingly, the cover membranes 4 with the contact surfaces 8 and contact zones 9 and the piezoelectric elements 7 are only on the structured, ie the side provided with V-shaped trenches 2 and rectangular-shaped depressions 3 of the substrate plate 1 .

In einem ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbei spiel des Tintenstrahldruckkopfes nach Fig. 7(A) sind die piezoelektrischen Elemente 7 über die Elektroden 10 bzw. 10a und die hier nicht gezeigten Kontaktflächen 8 mit den Spannungsimpulsen U1 und V1 beauflagt. Dadurch ergibt sich die Flugrichtung der einzelnen Tröpfchen zum Aufzeichnungsträger entlang den Linien 12 bzw. 12a senkrecht zur Düsen austrittsfläche und parallel zu den V-förmigen Grä ben 2 des Düsenaustrittsbereiches und einer dazu parallel liegenden waagerechten Raumachse 13.In a first inventive Ausführungsbei of the inkjet printhead game of FIG. 7 (A), the piezoelectric elements 7 via the electrodes 10 and 10 a and the contact surfaces, not shown here 8 with the voltage pulses U1 and V1 are beauflagt. This results in the direction of flight of the individual droplets to the recording medium along the lines 12 and 12 a perpendicular to the nozzle exit area and the V-shaped parallel Countess ben 2 of the nozzle exit area and a parallel to the horizontal spatial axis. 13

Durch Beauflagung der piezoelektrischen Elemente 7 über die Elektroden 10 bzw. 10a und die nicht ge zeigten Kontaktflächen 8 mit den Spannungsimpulsen U2 und V2 gemäß Fig. 7(B) ist die Flugrichtung der einzelnen Tröpfchen zum Aufzeichnungsträger 11 ent lang der Linien 14 bzw. 14a die parallel zur Senkrechten der V-förmigen Gräben 2 im Düsen bereich liegt, wobei zur waagerechten Raumachse 13 ein Winkel α bzw. α′ auftritt.By applying the piezoelectric elements 7 via the electrodes 10 and 10 a and the contact areas 8 not shown with the voltage pulses U2 and V2 according to FIG. 7 (B), the direction of flight of the individual droplets to the recording medium 11 is along the lines 14 and 14 a which is parallel to the vertical of the V-shaped trenches 2 in the nozzle area, with an angle α or α 'occurring to the horizontal spatial axis 13 .

Für ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß Fig. 8(A) ist die Flugrichtung der Tinten tropfen zum Aufzeichnungsträger 11 entlang einer Linie 15, die streng parallel zu einer Raumachse 13 liegt, wenn die piezoelektrischen Elemente über die Elektroden 10 und die nicht gezeigten Kontakt flächen 8 mit einem Spannungsimpuls U1 beauflagt werden.For a second exemplary embodiment of the invention according to FIG. 8 (A), the direction of flight of the ink drops to the recording medium 11 is along a line 15 , which is strictly parallel to a spatial axis 13 , when the piezoelectric elements over the electrodes 10 and the contact, not shown 8 are applied with a voltage pulse U1.

Die Flugrichtung der Tintentröpfchen zum Aufzeich nungsträger 11 ist gemäß Fig. 8(B) entlang einer Linie 16, die parallel zur Senkrechten der V-för migen Gräben 2, jedoch unter einem Winkel β zur waagerechten Raumachse 13 liegt, wenn die piezo elektrischen Elemente 7 über die Kontaktflächen 8 und die Elektroden 10 mit einem Spannungsimpuls U2 beaufschlagt werden.The direction of flight of the ink droplets to Aufzeich drying carrier 11 is shown in FIG. 8 (B) along a line 16 which is parallel to the normal line of the V-för-shaped grooves 2, but β at an angle to the horizontal spatial axis 13 when the piezoelectric elements 7 A voltage pulse U2 is applied via the contact surfaces 8 and the electrodes 10 .

Beispiele einiger Abmessungen des Tintenstrahl druckkopfes sind unter Bezugnahme auf die Fig. 3(A), 3(B) und 5 angegeben. Die Länge L des Düsen bereiches beträgt etwa 200 µm.Examples of some dimensions of the ink jet print head are given with reference to Figs. 3 (A), 3 (B) and 5. The length L of the nozzle area is about 200 microns.

Die Breite E beträgt 80 µm und die Breite e ist etwa 64 µm.The width E is 80 µm and the width e is about 64 µm.

Die Höhe H ist ungefähr 57 µm und h ist etwa 45 µm. Der Abstand C unmittelbar benachbarter Düsen einer Düsenreihe beträgt zirka 200 µm.The height H is approximately 57 µm and h is approximately 45 µm. The distance C of immediately adjacent nozzles The row of nozzles is approximately 200 µm.

Zwischen einer Düsenreihe liegt der Abstand B bei etwa 280 µm. Der Abstand A zwischen unmittelbar be nachbarten Düsen der oberen und der unteren Düsen reihe liegt etwa bei 100 µm.The distance B is between a row of nozzles about 280 µm. The distance A between immediately be neighboring nozzles of the upper and lower nozzles the range is around 100 µm.

Claims

1. Inkjet printhead, in which pressure chambers are etched in a substrate plate ( 1 ), which are also connected to an ink inlet chamber ( 6 ) and nozzle outlet openings ( 5 ) via an etched channels and in which the substrate plate ( 1 ) with a pressure membrane ( 4 ) verse hen is arranged on the piezoelectric elements ( 7 ) above the pressure chambers, characterized in that the substrate plate on one side contains a number of rectangular depressions ( 3 ) which have V-shaped capillaries ( 2 ), which have several kinks, are connected to ink inlet chambers ( 6 ) and are connected to the nozzle outlet openings ( 5 ), which have a cross-sectional area in the form of an isosceles, but by no means equilateral triangle, without kinks and that are used to generate continuous lines in a spatial axis on a recording medium ( 11 ) voltage impulses to the piezoelectric elements of different heights, which increase or decrease continuously.

2. Inkjet printhead according to claim 1, characterized in that the substrate plate ( 1 ) on the sides contains a number of rectangular recesses gene ( 3 ) and is covered on both sides with a cover membrane ( 4 ).

3. Inkjet printhead according to claim 1 or 2, characterized in that the height and width of the V-shaped trenches ( 2 ) are reduced in the nozzle regions of the substrate plate, whereby nozzle openings ( 5 ), formed by the walls of the V-gene Trenches of the substrate plate ( 1 ) and the cover membrane ( 4 ) are designed in such a way that the opening edge formed by the cover membrane ( 4 ) has a different length than the edges of the same length which are formed by the mouth of the V-shaped trenches ( 2 ) of the substrate plate be formed.

4. Inkjet printhead according to one of claims 1 to 3, characterized in that the V-shaped trenches, which connect the ink inlet chamber ( 6 ) with the rectangular depressions, are arranged in the rectangular depressions diagonally opposite the V-shaped trenches of the ink outlet to the nozzles are.

5. Inkjet print head according to one of claims 1 to 4, characterized in that the cover membrane is provided with contact surfaces ( 8 ) which are arranged in their position over the rectangular depressions of the substrate plate.

6. Inkjet printhead according to one of claims 1 to 5, characterized in that piezoelectric elements ( 7 ) are arranged on the contact surfaces of the cover membrane, the materials via suitable conductor materials with the contact zones ( 9 ) are in connection.

7. Inkjet printhead according to one of the claims 1 to 6, characterized in that for the under different voltage impulses the product from chip is always the same.