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GEBIET UND
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Tintenstrahldrucker und betrifft
insbesondere Druckkopfausgestaltungen für solche Drucker.
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Impulstintenstrahlsysteme
sind weit verbreitet. Sie lassen sich im allgemeinen in zwei Kategorien unterteilen:
kontinuierliche Systeme und Tropfen-bei-Bedarf Systeme. Kontinuierliche
Tintenstrahlsysteme operieren durch kontinuierliches Ausstossen
von Tintentröpfchen
bei hoher Frequenz, von denen einige durch geeignete Mittel vor
dem Erreichen des Substrates, welches bedruckt wird, abgelenkt werden,
was es den nicht abgelenkten Tröpfchen
erlaubt, das gewünschte
Druckmuster zu bilden. Tropfen-bei-Bedarf Systeme stossen Tropfen
selektiv, je nach Bedarf aus.
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Tropfen-bei-Bedarf-Tintenstrahlsysteme können wiederum
in zwei Hauptkategorien auf der Basis des Prinzips der Tröpfchenausstossung
unterteilt werden. Die meisten heutzutage verwendeten Systeme sind
vom Typ der thermischen Blase, bei dem das Ausstossen von Tintentröpfchen durch
das Sieden der Tinte erreicht wird.
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Ein
thermisches Blasensystem, wie dasjenige, welches in der japanischen
Patentanmeldung Nr. 61-59913 offenbart ist, umfasst thermoelektrische Heizelemente.
Das Betätigen
eines bestimmten Elementes bewirkt ein Sieden der Tinte in diesem
Hohlraum, was wiederum einen abrupten Druckanstieg verursacht, sodass
ein Tintentropfen durch die Düse ausgestossen
wird. Blasenstrahldrucksysteme sind vorteilhaft in der Einfachheit
ihrer Miniaturisierung. Andererseits weisen sie gegenüber piezoelektrischen
Systemen einige Nachteile auf. Ein solcher Nachteil ist das kurze
nutzbare Leben der Heizelemente verursacht durch die hohen Belastungen,
welchen die Widerstandsschutzschicht ausgesetzt ist. Zudem ist es
relativ schwierig das Volumen des Tropfens und seine Richtung genau
zu kontrollieren.
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Ein
weiterer Nachteil ist die tiefe Frequenz der Drucksignale, welche
ständig
am Druckkopf anliegen können.
Ein weiterer Nachteil des thermischen Blasensystems ist, dass es
auf spezielle Tintenzusammensetzungen beschränkt ist, welche der siedenden
Temperatur ohne mechanische oder chemische Verschlechterung widerstehen
können.
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Andere
Tropfen-bei-Bedarf-Tintenstrahlsysteme verwenden piezoelektrische
Kristalle, welche sich deformieren, wenn an sie eine Spannung angelegt
wird, was das Ausstossen eines Tintentropfens von einem angrenzenden
Tintenhohlraum verursacht, wie weiter unten gezeigt wird. Tinte
wird durch eine begrenzte Einlassöffnung in den Hohlraum gleitet
und verlässt
den Hohlraum durch eine Düse.
Der relative Fluidwiderstand der begrenzten Einlassöffnung und
der Düse
ist derartig gewählt,
dass während
des Durchbiegens des Diaphragmas eine geeignete Menge Tinte die
Ausgangsdüse
verlässt.
Das Nachfüllen
des Hohlraumes mit Tinte ist ein Ergebnis der Kapillarwirkung des
Meniskus der Tinte in der Düse
und der Rückbewegung
des Diaphragmas. Die zum Nachfüllen
benötigte
Zeit hängt
vom Fluidwiderstand ab.
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Im
Gegensatz zu thermischen Blasensystemen ist es nicht erforderlich
piezoelektrische Antriebe bei erhöhten Temperaturen zu betreiben,
was ihnen ermöglicht,
eine wesentlich grössere
Auswahl von Tinten zu beherbergen. Darüber hinaus lässt sich die
Form, das Timing und die Dauer des Antriebspulses leichter kontrollieren.
Schliesslich ist die Betriebslebensdauer des piezoelektrischen Kristalls und
somit die des piezoelektrischen Kopfes wesentlich länger.
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Piezoelektrische
Tropfen-bei-Bedarf-Kristalldruckköpfe sind im entsprechenden
Fachgebiet gut bekannt. Einige illustrative Beispiele derartiger
Entwicklungen schliessen die US Patente Nr.
4,730,197 und
5,087,930 ein. Diese Patente offenbaren
einen Aufbau mit einer Serie von Schichten aus rostfreiem Stahl.
Die Schichten weisen unterschiedliche Dicken auf und weisen verschiedene Öffnungen
und Kanäle auf.
Die verschiedenen Schichten sind gestapelt und miteinander verbunden,
um einen geeigneten Fluid-Einlasskanal, eine Druckkammer, einen
Fluid-Auslasskanal und eine Öffnungsplatte
zu bilden.
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Die
in den oben genannten Patenten offenbarten Systeme zeigen die Verwendung
eines Fluid-Einlasskanals aufweisend eine sehr kleine Öffnung,
typischerweise 100 μm
oder weniger. Die Verwendung einer sehr kleinen Öffnung ist durch das Erfordernis
bestimmt, während
dem Ausstossen eines Tropfens den Rückfluss vom Tintenhohlraum
zu begrenzen. Auf der anderen Seite ist die kleine Öffnung jedoch
problematisch, weil diese zu Verstopfung neigt, sowohl während dem
Verbinden der Schichten als auch während dem normalen Betrieb
des Druckkopfes. Zudem erfordern die Techniken, welche zum Ausbilden
der Öffnungen
in der Öffnungsplatte
verwendet werden, und welche typischerweise Lochen, chemisches Ätzen oder
Laserbohrer umfassen, dass die Dicke der Öffnungsplatte gleich oder geringer
als der Öffnungsdurchmesser
ist, welcher wiederum auf Grund von Erwägungen betreffend die Auflösung auf etwa
50 μm begrenzt
ist. Schliesslich können
jegliche Luftblasen oder andere gasförmige Substanzen, die im Flusskanal
gefangen sind, nicht einfach aufgelöst werden und weil Blasen komprimierbar
sind, kann ihre Anwesenheit im System sich nachteilig auf die Systemleistungsfähigkeit
auswirken.
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Piezoelektrische
Elemente werden in Tintenstrahlköpfen
in verschiedenen Konfigurationen verwendet, jedes hat ihre Auswirkung
auf den Aufbau des Hohlraumes. Einige Beispiele hierfür sind:
eine beschichtete Art, wie diese schematisch in der
53 von
US 5,666,141 gezeigt wird,
in welcher sich ein stabförmiges,
beschichtetes Element in Längsrichtung
ausdehnt, als Ergebnis einer Spannung, die an die Elektroden angelegt
wurde, was eine Druckwelle im Tintenhohlraum verursacht. Eine andere übliche Konfiguration,
bekannt als bimorph-freitragende Art, ist schematisch in der
54 von
US 5,666,141 gezeigt.
In diesem Falle sind zwei Elektroden an ein piezoelektrisches Element
anzementiert, unter Ausbildung eines dünnen Blattes. Eine Spannung,
die an die Elektroden angelegt wird, verursacht, dass sich das Blatt
biegt, und dadurch ein Ausstossen eines einzelnen Tropfens bewirkt
wird. In aktuelleren Entwicklungen ist das piezoelektrische Element
typischerweise an eine dünne
Platte zementiert, unter Ausbildung einer Membran, welche über dem
Tintenhohlraum angeordnet ist.
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Zwei
Ansätze
werden verwendet um eine volle Druckabdeckung des gedruckten Substrates
zu erreichen: die übliche
Konstruktion verwendet einen kleinen Druckkopf, welcher eine begrenzte
Anzahl von Hohlräumen
und Düsen
umfasst (manchmal so gering wie eine einzelne Düse), jede Düse druckt eine spezifische
Zeile. Um eine volle Druckabdeckung zu erreichen wird der Druckkopf
hin und her bewegt, während
Tintentröpfchen
ausgestossen werden. Jede Bewegung des Druckkopfes entspricht einem
Streifen gedruckter Linien, typischerweise eine für jede Düse im Kopf.
Das gedruckte Substrat wird auch in Schritten vorgerückt, wobei
die Weite des Schrittes von der Anzahl druckender Düsen abhängt. Dieser
Mechanismus wird üblicherweise
bei Schreibtischdruckern (deskprinters) und Ähnlichen verwendet. Seine Hauptnachteile
sind die begrenzte Druckgeschwindigkeit und der hohe Lärmpegel,
der verursacht wird.
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Der
zweite Ansatz, auf welchen sich die vorliegende Erfindung hauptsächlich bezieht,
ist der volle Matrixansatz. Diesem Ansatz zufolge wird jeder Bildpunkt
entlang einer Dimension des Substrates von einer spezifischen Düse gedeckt.
Obwohl dieser Ansatz eine grosse Anzahl von Düsen benötigt, kann er eine sehr hohe
Druckgeschwindigkeit erreichen und zudem einen ruhigen Betrieb.
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Um
eine hohe Düsendichte über einem
kleinen Gebiet zu erreichen sind herkömmliche Tintenstrahldruckköpfe typischerweise
aus Silikon oder keramischen Wafern geformt, unter Verwendung von Masken-,
oder Ätztechniken.
Die Verwendung solcher Wafer macht die Strukturen zur Ausbildung grosser
zweidimensionaler Matrizen von Hohlräumen unwirtschaftlich.
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Als
Alternative zur Verwendung einer eingeengten Fluid-Einlasskanalöffnung und
den damit verbundenen, oben genannten Problemen, wurde vorgeschlagen,
dass ein geeigneter Tintenströmungswiderstand
kombiniert werden könnte
mit vorteilhaften Filtereigenschaften, indem die Tinte durch eine
poröse
Schicht in die Hohlräume
gelangt. Die Prinzipien dieses Ansatzes werden in der, dieser Anmeldung vorhergehenden,
Anmeldung beschrieben, jetzt für den
gegenwärtigen
Anmelder als US Patent Nr.
5,940,099 erteilt.
Um einen qualitativ hochstehenden einheitlichen Druck zu erreichen
ist es wichtig, dass die Tintenversorgung zur porösen Schicht
bezüglich der
Hohlräume
gleichförmig
bleiben sollte. Das vorhergehende Patent beschreibt keine Details
darüber, wie
Gleichförmigkeit
der Tintenversorgung entlang der porösen Schicht für grosse,
zweidimensionale Düsenmatrizen
erreicht werden könnte.
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Ein
weiterer Aspekt bezüglich
dem Design von Tintenstrahldruckköpfen ist die Wahl des Materials
für die
Frontseite des Druckkopfes. Aufgrund zahlreicher Gründe, unter
anderem auch die mechanischen und chemischen Eigenschaften und die
Einfachheit der Herstellung, werden polyimide Verbindungen häufig vorgezogen.
Es wurde jedoch herausgefunden, dass eine polyimide Frontoberfläche die Tendenz
aufweist, kleine Tintenspritzer und andere Rückstände zu sammeln, was zu einer
minderwertigen Druckqualität
und reduzierter Zuverlässigkeit führt.
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Es
besteht deshalb ein Bedürfnis
nach einem Tintenstrahldruckkopf, welcher eine verbesserte Tintenversorgung
durch eine poröse
Schicht zu einer Mehrzahl von Tintenhohlräumen ermöglicht. Es wäre zudem
sehr vorteilhaft, einen Tintenstrahldruckkopf mit einer auf Polyimid
basierenden Düsenscheiben auszustatten,
welche das Ansammeln von Tinte auf der Frontfläche verhindern würde.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung ist ein Tintenstrahldruckkopf.
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Die
vorliegende Erfindung stellt einen Tintenstrahldruckkopf zur Verfügung, welcher
eine hohe Druckgeschwindigkeit ermöglicht, eine hohe Zuverlässigkeit
aufweist und die Fähigkeit
besitzt, viele verschiedene Tintenzusammensetzungen zu verwenden.
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Diese
Fähigkeiten
werden nebst anderen Eigenschaften durch die Verwendung der Tintenzufuhrschicht,
welche poröses
Material enthält,
erreicht. Vorzugsweise enthält
das poröse
Material gesintertes Material, am meisten bevorzugt gesinterter
rostfreier Stahl.
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Die
Ausstossung eines Tintentropfens wird wie folgt erreicht: ein Druckimpuls
wird zu einem, sich in einem Tintenhohlraum befindlichen Tintenvolumen zugeleitet,
durch die Biegung einer dünnen
Biegeplatte, welche sich oben auf dem Tintenhohlraum befindet. Die
Platte wird durch die Bewegung eines piezoelektrischen Elementes
nach unten abgelenkt, jedes Mal, wenn eine Spannung an seine Elektroden angelegt
wird, wobei eine von diesen in elektrischem Kontakt mit der metallischen
Biegeplatte ist. Der Druckimpuls, welcher durch die Abwärtsbiegung
der Biegeplatte entsteht, treibt die Tinte durch die Düse und verursacht
so die Ausstossung eines Tintentröpfchens mit bestimmter Grösse.
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Wenn
das piezoelektrische Element energielos ist kehrt es in seine Gleichgewichtsposition
zurück,
wodurch der Druck in dem Tintenhohlraum reduziert wird, was verursacht,
dass sich der Meniskus am Ende der Düse zurückzieht. Der zurückgezogene Meniskus
erzeugt eine Kapillarkraft in der Düse, welche bewirkt, dass Tinte
vom porösen
Material in den Hohlraum gezogen wird. Der Auffüllprozess ist zu Ende, sobald
der Meniskus sich wieder in seiner Gleichgewichtslage befindet.
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Ein
Schlüsselelement
in einem Druckkopf gemäss
der vorliegenden Erfindung ist das Vorhandensein von porösem Material,
welches als hydraulische Verbindung zwischen der Tintenhauptversorgung
und den einzelnen Tintenhohlräumen
fungiert. Eine geeignete Auswahl des porösen Materials, der Korngrösse, Porengrösse, Legierungsart
und der Herstellungsprozesse ergibt eine Platte mit geeigneten Strömungswiderstandswerten,
zudem wird derart ein wirkungsvoller Filter hergestellt.
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Es
ist klar, dass, um hohe Tropfenausstossungsraten zu erzielen, die
zum erneuten Befüllen des
Tintenhohlraums nach dem Ausstossen eines Tropfens benötigte Zeit
so kurz wie möglich
sein muss. Die Wiederauffüllzeit
kann durch Reduzieren der Beschränkung
für den
Fluss in den Tintenhohlraum reduziert werden. Die Reduzierung der
Beschränkung
des einströmenden
Flusses neigt jedoch dazu, die nachteiligen Effekte einer Wechselwirkung, das
heisst, die unerwünschten
Wechselwirkungen zwischen den separaten Tintenhohlräumen zu
vergrössern.
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Die
Optimierung des Systems bezüglich
der in Konflikt stehender Erfordernisse von niedriger Wechselwirkung
und hoher Wiederauffüllrate
kann durch die abgewägte
Auswahl eines porösen
Materials mit optimalen Eigenschaften für die angestrebte Anwendung
erreicht werden, unter zusätzlicher
Berücksichtigung
der Viskosität
der Tinte und der Düsengeometrie.
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Wie
oben festgestellt, hängt
die optimale Balance zwischen dem eintretenden Fluss der Tinte in den
Tintenhohlraum und dem austretenden Fluss zu benachbarten Hohlräumen ebenfalls
von der Tintenviskosität
und der Düsenabmessung
ab. Je niedriger die Viskosität
der Tinte ist, desto schneller ist die Wiederauffüllrate des
Tintenhohlraums, aber um so ausgeprägter wird die Wechselwirkung
zwischen getrennten Hohlräumen
sein. Ebenfalls, je kleiner der Auslassdüsendurchmesser ist, desto ausgeprägter ist
die Kapillarwirkung der Düse
und somit desto höher
die Wiederauffüllrate.
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Tintenstrahldruckköpfe sind
im Allgemeinen derart gestaltet, dass die Abmessungen der Tintenkanäle akustische
Impedanzen aufweisen, die für eine
bestimmte Tinte einer gegebenen Viskosität und für einen bestimmten Düsendurchmesser
optimal sind. Falls es erwünscht
ist einen Druckkopf mit einem unterschiedlichen Düsendurchmesser
und/oder mit einer Tinte unterschiedlicher Viskosität zu verwenden,
müssen
konventionelle Druckkopfkanäle abgeändert werden,
um den neuen Düsendurchmesser
und/oder eine unterschiedliche Viskosität aufzunehmen. Im Gegensatz
dazu macht es die Verwendung eines porösen Materials gemäss der vorliegenden
Erfindung möglich,
die gleiche Druckkopfgeometrie und Druckkopfstruktur beizubehalten,
selbst wenn die Tinte eine anderen Viskosität aufweist und/oder wenn eine
andere Düsengeometrie
verwendet wird.
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Die
Optimierung der akustischen Impedanzen der Kanäle kann alleine durch die richtige
Auswahl eines passenden porösen
Materials mit passenden Eigenschaften, wie etwa einer passenden
Mikrometerqualität,
bewirkt werden.
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Neben
der Fähigkeit,
den Druckkopf ohne die Notwendigkeit, die Flusskanäle neu zu
entwerfen, zu optimieren, vermeidet die Verwendung von porösen Materialien
gemäss
der vorliegenden Erfindung die kleinen und leicht verstopfbare Tinteneinlassöffnungen,
welche bei herkömmlichen
Tintenstrahldruckköpfen
dazu benutzt werden, die Tinte in die Hohlräume zu führen.
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Noch
ein weiterer Vorteil, der sich durch die Verwendung des porösen Materials
gemäss
der vorliegenden Erfindung ergibt, ist die Fähigkeit des Materials, als
ein Filter zu wirken, wodurch die Notwendigkeit einer speziellen
Filtration der einfliessenden Tinte reduziert und sogar vollständig vermieden
wird.
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Schliesslich
kann die Herstellung von Druckköpfen
mit porösem
Material gemäss
der vorliegenden Erfindung durch die Verwendung einfacher Herstellungstechniken
ohne die Notwendigkeit für
komplexe und teure Mikroverarbeitung ausgeführt werden.
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Gemäss der Lehre
der vorliegenden Erfindung ist ein Tintenstrahlsdruckkopf vorgesehen,
umfassend: (a) eine Düsenschicht,
die mehrere Ausstossdüsen
definiert; (b) eine Hohlraumschicht mit mehreren Öffnungen,
wobei jede Öffnung
so angeordnet ist, dass sie einer der Ausstossdrüsen entspricht, um mindestens
teilweise einen entsprechenden Tintenhohlraum zu definieren; und
(c) eine Tintenzufuhrschicht mit einer Vorderfläche in Zuordnung zur Düsenschicht
und einer Rückfläche in Zuordnung zur
Hohlraumschicht, wobei die Tintenzufuhrschicht mit mehreren Verbindungsbohrungen
von der Rückseite
zur Vorderfläche
gebildet ist und jede Verbindungsbohrung so ausgerichtet ist, dass
sie zwischen einem entsprechenden der Tintenhohlräume und
einer entsprechenden der Ausstossdüsen verbindet, wobei die Tintenzufuhrschicht
aus einem porösen Material
mit zahlreichen kleinen untereinander verbundenen Poren gebildet
ist, um Tintendurchgang durch sie zu ermöglichen, wobei die Tintenzufuhrschicht
zusätzlich
aufweist: (i) ein Muster aus Tintenverteilungskanälen, die
in der Vorderfläche
gebildet sind, und (ii) mindestens eine Tinteneinlassbohrung, die
von der Rückseite
zur Vorderfläche
verläuft
und so konfiguriert ist, dass sie in direkter Fluidverbindung mit
mindestens einem Teil der Tintenverteilungskanäle steht, wobei das Muster
aus Tintenverteilungskanälen
und die mindestens eine Tinteneinlassbohrung zusammen einen Teil
eines Tintendurchflusswegs bilden, der von der Rückfläche durch die meistens eine
Tinteneinlassbohrung zum Muster aus Tintenverteilungskanälen auf
der Vorderfläche und
durch das poröse
Material zu den mehreren Tintenhohlräumen verläuft.
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Einem
weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung zufolge, ist die zumindest
eine Tinteneinlassbohrung als mehrere Tinteneinlassbohrungen ausgeführt, die
um eine Umfangskante der Tintenzufuhrschicht angeordnet sind.
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Einem
weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung zufolge, ist jede der
Einlassbohrungen so angewinkelt, dass der Schnitt der Tinteneinlassbohrung
mit der Rückfläche der
Tintenzufuhrschicht an einer Position näher zur Umfangskante als der Schnitt
der Tinteneinlassbohrung mit der Vorderfläche der Tintenzufuhrschicht
erfolgt.
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Einem
weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung zufolge, ist auch ein
starres Gehäuse
vorgesehen, das an der Düsenschicht,
der Tintenzufuhrschicht und der Hohlraumschicht starr befestigt
ist, wobei das starre Gehäuse
mit mehreren Tintenleitungen gebildet ist und jede der mehreren
Tintenleitungen so konfiguriert ist, dass sie Tinte zu einer entsprechenden
der mehreren Tinteneinlassbohrungen der Tintenzufuhrschicht führt.
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Einem
weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung zufolge, bilden die
mehreren Verbindungsbohrungen eine Matrix auf der Vorderfläche mit
zwei Zeilenrichtungen, und wobei das Muster aus Tintenverteilungskanälen mehrere
Kanäle
aufweist, die im wesentlichen parallel zu einer der Zeilenrichtungen angeordnet
und zwischen benachbarten Zeilen der Verbindungsbohrungen eingefügt sind.
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Gemäss der Lehre
der vorliegenden Erfindung ist ein Tintenstrahlsdruckkopf vorgesehen,
umfassend eine Schicht, primär
aus Polyimidmaterial gemacht und geformt mit einer Mehrzahl von Öffnungen,
welche eine Mehrzahl von Düsen
definieren, durch welche Tintentropfen ausgestossen werden. Die
Schicht hat eine Frontoberfläche,
wobei die Frontoberfläche
zumindest teilweise mit einer hydrophobischen Schicht beschichtet
ist.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung wird hier nur beispielhaft mit Bezug auf die nachfolgenden
Zeichnungen beschrieben:
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1A und 1B sind
zwei Teile einer isometrischen Explosionszeichnung eines Tintenstrahlsdruckkopfes,
konstruiert und betrieben gemäss
den Lehrern der vorliegenden Erfindung, welche seine verschiedenen
Schichten zeigen;
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1C ist
ein teilweiser, vergrösserter, schematischer
Seitenquerschnitt durch den zusammengesetzten Tintenstrahldruckkopf
von 1A und 1B, welcher
einen Tintenhohlraum zeigt;
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1D ist
eine schematische Darstellung des Kontrollschaltkeises des Tintenstrahldruckkopfes
der 1A und 1B;
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2A ist
eine Aufsicht der Düsenplatte
des Tintenstrahldruckkopfes der 1A und 1B;
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2B ist
ein vergrösserter,
teilweiser Seitenquerschnitt, welcher die bevorzugte Ausbildung einer
Düse der
Düsenplatte
von 2A zeigt;
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2C ist
eine vergrösserte
Ansicht auf einen Teil der 2A, welche
eine bevorzugte versetzte Anordnung von Düsen zeigt;
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3 ist
eine Aufsicht auf eine Klebeschicht, welche zwischen der Düsenplatte
der 2A und einer porösen Platte des Tintenstrahldruckkopfes
der 1A und 1B benutzt
wird;
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4A und 4B sind,
in dieser Reihenfolge, eine Aufsicht und eine Seitenansicht einer
Anordnung der Düsenplatte
der 2A und einer porösen Schicht;
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4C ist
eine Vergrösserung
des in 4B bezeichneten Gebietes;
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5A ist
eine obere Aufsicht der porösen Schichten
des Tintenstrahldruckkopfes der 1A und 1B;
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5B ist
ein vergrösserter
Teilseitenquerschnitt durch die in der 5A bezeichnete
Linie;
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5C ist
eine untere Aufsicht der porösen Schicht
der 5A;
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5D ist
ein vergrösserter,
versetzter Seitenquerschnitt durch die in der 5A bezeichnete Linie;
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5E ist
die Vergrösserung
des in 5C bezeichneten Gebietes;
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6A ist
eine Aufsicht auf eine dreigeteilte Hohlraumschicht des Tintenstahldruckkopfes
der 1A und 1B;
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6B ist
ein vergrösserter
Teilseitenquerschnitt durch die in der 6A bezeichnete
Linie;
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7 ist
eine Aufsicht auf eine Biegeplatte des Tintenstrahldruckkopfes der 1A und 1B;
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8A–8C sind,
in dieser Reihenfolge, eine untere Aufsicht, eine Seitenansicht
und eine obere Aufsicht einer Anordnung der Biegeplatte von 7 mit
den piezoelektrischen Elementen zusammen mit den Schichtelementen
der 2–6;
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8D ist
ein vergrösserter
Teilquerschnitt durch die geschichtete Struktur der 8A–8C;
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8E ist
eine vergrösserte
Ansicht des in 8C bezeichneten Gebietes;
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9A ist
eine Aufsicht einer Kontaktschicht, welche eine Vielzahl leitender
Verbindungselemente des Tintenstrahldruckkopfes der 1A und 1B umfasst;
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9B ist
ein versetzter Seitenquerschnitt durch die in der 9A bezeichneten
Linie;
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9C und 9D sind
Vergrösserungen der
in der 9B ähnlich bezeichneten Gebiete;
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10A und 10B sind
isometrische Ober- und Unteransichten, in dieser Reihenfolge, einer gedruckten
Leiterplatte des Tintenstrahldruckkopfes der 1A und 1B;
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11 ist
eine isometrische Ansicht der elastischen wärmeentziehenden Schicht des
Tintenstrahldruckkopfes der 1A und 1B;
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12A und 12B sind
eine isometrische Ansicht und eine Aufsicht, in dieser Reihenfolge,
der hauptsächlichen
Hitzesenke des Tintenstrahldruckkopfes der 1A und 1B;
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12C ist ein Seitenquerschnitt entlang der in 12B bezeichneten Linie;
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13A und 13B sind
eine isometrische Ober- und Unteransicht, in dieser Reihenfolge, eines
Druckkopfgehäuses
des Tintenstrahldruckkopfes der 1A und 1B;
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13C ist ein Seitenquerschnitt entlang der in der 13B bezeichneten Linie;
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14A ist eine isometrische Ansicht einer Tintensammelleitung
des Tintenstrahldruckkopfes der 1A und 1B;
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14B ist eine Aufsicht der Tintensammelleitung
der 14A;
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14C ist ein Seitenquerschnitt entlang der in 14B bezeichneten Linie;
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15 ist
eine schematische Darstellung des Tintenzufuhrsystems des Tintenstrahldruckkopfes
der 1A und 1B; und
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16 ist
ein teilweiser Explosionsquerschnitt durch den Tintenstrahldruckkopf
der 1A und 1B, welcher
den Tintenflussweg zeigt.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
vorliegende Erfindung ist ein Tintenstrahldruckkopf.
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Die
Prinzipien und die Arbeitsweise von Tintenstrahldruckköpfen gemäss der vorliegenden
Erfindung lassen sich besser verstehen unter Bezugnahme auf die
Zeichnungen und die beiliegende Beschreibung.
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Nunmehr
Bezug nehmend auf die Zeichnungen stellen die 1–15 die
Struktur und die Bestandteile eines Tintenstrahldruckkopfes dar,
hauptsächlich
bezeichnet mit 100, wobei dieser gemäss den Lehren der vorliegenden
Erfindung gebildet und betreibbar ist.
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Allgemein
gesagt weist der Tintenstrahldruckkopf 100 eine Düsenschicht 10 auf,
die mehrere Ausstoßdüsen 102 definiert,
und eine Hohlraumschicht 18 mit mehreren Öffnungen 104,
wobei jede Öffnung
so angeordnet ist, dass sie einer der Ausstoßdüsen 102 entspricht,
um mindestens teilweise einen entsprechenden Tintenhohlraum zu definieren. Der
Tintenstrahldruckkopf 100 hat auch eine Tintenzufuhrschicht 14 mit
einer Vorderfläche 106 in
Zuordnung zur Düsenschicht 10 und
einer Rückfläche 108 in
Zuordnung zur Hohlraumschicht 18. Die Tintenzufuhrschicht 14 ist
mit mehreren Verbindungsbohrungen 56 von der Rückfläche 108 zur
Vorderfläche 106 gebildet,
und jede Verbindungsbohrung 56 ist derart ausgerichtet,
dass sich eine Verbindung zwischen einem entsprechenden Tintenhohlraum
und einer entsprechenden Ausstoßdüse 102 ergibt.
Die Tintenzufuhrschicht 14 ist aus einem porösen Material
gebildet, mit zahlreichen kleinen untereinander verbundenen Poren,
um einen Tintendurchgang durch diese zu ermöglichen.
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Gemäss gewissen
bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung weist die Tintenzufuhrschicht 14 zusätzlich ein
Muster aus Tintenverteilungskanälen 52, 54 auf
(5B–5D), die in der Vorderfläche 106 gebildet
sind, und mindestens eine Tinteneinlassbohrung 50, die
von der Rückfläche 108 zur
Vorderfläche 106 verläuft und
so konfiguriert ist, dass sie in direkter Fluidverbindung mit mindestens
einem Teil der Tintenverteilungskanäle 52, 54 steht.
Das Muster aus Tintenverteilungskanälen 52, 54 und
die mindestens eine Tinteneinlassbohrung 50 bilden zusammen
einen Teil eines Tintenflusspfades, der von der Rückfläche 108 durch
die Tinteneinlassbohrung 50 zu den Tintenverteilungskanälen 52, 54 auf
der Vorderfläche 106 und
durch das poröse
Material der Schicht 14 zu den Tintenhohlräumen verläuft.
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Es
wird klar ersichtlich, dass der Tintenflusspfad, wie er hierin beschrieben
wird, besonders effektiv ist, um eine genügende und generell gleichförmige Tintenversorgung
zu den porösen
Schichten durch eine ganze Matrix von Tintenhohlräumen zur
Verfügung
zu stellen. Insbesondere wird durch die Festlegung eines Tintenflusspfades,
welcher zwischen der Vorderfläche
und der Rückfläche der
porösen Schicht
verläuft,
das Volumen des porösen
Materials effektiv genutzt. Zudem erlaubt die Kombination von Tinteneinlassbohrungen 50 und
Tintenverteilungskanälen 52, 54 eine
Verteilung der Tinte durch die Vorderfläche 106 ausgehend
von einer Tintenversorgung, welche hinter der porösen Schicht
angeordnet ist, wodurch eine Zerstörung oder unnötige Verkomplizierung
der Düsenstruktur
vermieden wird.
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Es
wird auch ersichtlich, dass die Druckkopfstruktur, welche hierin
beschrieben ist, eine praktische Struktur aufweist, welche mit standardisierten Maschinenherstellungsverfahren
hergestellt werden kann, ohne das Erfordernis von Waferproduktionstechniken
wie Maskieren und Ätzen.
Dies ist primär
auf Grund der Tatsache möglich,
dass die Druckkopfstruktur der vorliegenden Erfindung das Erfordernis
einer sehr präzis
ausgelegten Eingangsöffnung
zu jedem Hohlraum vermeidet, wie dies im bekannten Stand der Technik erforderlich
ist. Daher ist es möglich
die Struktur wirtschaftlich auf eine Düsenmatrix auszudehnen, mit
im wesentlichen unbeschränkter
Ausdehnung in jeder der zwei Dimensionen.
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Obwohl
in der gesamten Beschreibung Bezug genommen wird auf Tintendrucksysteme
ist zu erwähnen,
dass die Anwendungen der vorliegenden Erfindung nicht auf das Tintenstrahlsystem
beschränkt
sind, und dass die Systeme und Verfahren gemäss der vorliegenden Erfindung
auch verwendet werden können
zum Ausstossen einer grossen Vielfalt inkompressibler Fluide oder
Flüssigkeiten
in Form eines gesteuerten Musters.
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Bevor
die Merkmale der Erfindung im Detail beschrieben werden ist es hilfreich
gewisse Ausdrücke,
welche in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet werden, klarzustellen.
Zuerst wird Bezug genommen zu „Vorder" und „Rück" der verschiedenen
Komponenten. Ohne anderweitig spezifiziert wird der Ausdruck „Vorder" verwendet zur Bezeichnung
des Teils einer Komponente, welcher, wenn der Druckkopf zusammengesetzt
ist, am nächsten
zum Substrat liegt, auf welches die Tinte abgelagert wird. Dementsprechend
wird der Ausdruck „Rück" verwendet für das Teil,
welches am weitesten entfernt ist vom Substrat, wenn der Druckkopf angeordnet
ist. Die Ausdrücke „Oben" und „Unten" werden andererseits
auf intuitive Weise zur Klarstellung von Teilen verwendet, welche
nach oben oder nach unten gerichtet sind, beziehungsweise in den Ansichten
der 1A, 1B, 1C.
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Die
Vorderfläche 106 und
die Rückfläche 108 werden
beschrieben als seien sie „in
Verbindung mit" der
Düsenschicht 10 und
der Hohlraumschicht 18. Es wird darauf hingewiesen, dass
der Ausdruck „in
Verbindung mit" in
diesem Zusammenhang verwendet wird, um auf die Verbindung hinzuweisen,
ob direkt oder indirekt. Wie aus der nachfolgenden Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsform
klar hervorgehen wird, wird die Befestigung vorzugsweise dadurch
erreicht, dass eine oder mehrere Zwischenschichten aus Klebematerial
zwischen jedem Paar der Elemente verwendet werden. Der Ausdruck
darf nicht derart gelesen werden, dass die Möglichkeit von zusätzlichen
Schichten, welche zwischen den genannten Elementen angeordnet sind,
ausgeschlossen ist.
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Indem
man sich nun den Merkmalen der vorliegenden Erfindung im Detail
zuwendet, wird eine bevorzugte Ausführungsform einer Tintenzufuhrschicht 14 in
den 5A–5E gezeigt. Vorzugsweise wird
die zumindest eine Tinteneinlassbohrung 50 ausgebildet
als eine Mehrzahl von Tinteneinlassbohrungen 50, welche
um eine periphere Kante der Tintenzufuhrschicht 14 angeordnet
sind, wie in 5A dargestellt. In einer bevorzugten Ausführungsform
ist jede Tinteneinlassbohrung 50 wie in 5D dargestellt,
derart angewinkelt, dass ihr Schnitt mit der Rückfläche 108 näher an einer
Position des peripheren Randes der Tintenzufuhrschicht 14 erscheint,
als ihr Schnitt zur Vorderfläche 106.
Dies vereinfacht die periphere Verbindung der Tinteneinlassbohrung 50 zur
vorhergehenden Stufe des Tintenflusspfades, wie dies nachfolgend
unter Bezugnahme auf 16 beschrieben wird.
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Die
Anordnung von Tintenverteilkanälen 52, 54 auf
der Vorderfläche 106 stellt
sicher, dass der Tintenfluss durch das poröse Material der Tintenzufuhrschicht 14 durch
die Gesamtheit der Schicht verläuft.
Es ist ein besonderes Merkmal der am meisten bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, dass die Tintenverteilungskanäle 52, 54 in einem
derartigen Muster über
die Vorderfläche 106 verteilt
sind, dass jede Verbindungsbohrung 56 annähernd die
selbe Distanz von ihrem nahesten Tintenverteilungskanal aufweist.
In einer typischen Anordnung definieren die Verbindungsbohrungen 56 auf der
Vorderfläche 106 eine
Matrix mit zwei Reihenrichtungen, wobei das Muster der Tintenverteilkanäle vorzugsweise
eine Mehrzahl von Kanälen 54 aufweist,
welche im wesentlichen parallel zu einer der Reihenrichtungen verlaufen,
und welche zwischen nebeneinander verlaufenden Reihen von Verbindungsbohrungen 56 angeordnet
sind, wie in 5E dargestellt. Kanäle 52 verbinden
Kanäle 54 um
einen Druckausgleich und eine effektive Verteilung der Tinte über die
Vorderfläche 106 zu
gewährleisten.
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Wie
oben erwähnt
sind die Einlassende der Tinteneinlassbohrungen 50 vorzugsweise
entlang einer peripheren Kante der Tintenzufuhrschicht 14 angeordnet.
Dies vereinfacht eine Anzahl zusätzlicher bevorzugter
Merkmale der vorliegenden Erfindung, gemäss welchen Tinte von Leitungen,
welche innerhalb eines festen Gehäuses des Druckkopfes ausgebildet
sind, zu den Tinteneinlassbohrungen 50 zugeleitet wird.
Dieses Merkmal wird nachfolgend im Detail unter Bezugnahme auf die 4C und 16 diskutiert.
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Es
wird nun die Düsenschicht 10 betrachtet, welche
am besten aus den 1C und 2A–2C ersichtlich
ist. Die Düsenschicht 10 kann
aus einer ganzen Anzahl Materialien hergestellt sein, enthaltend
aber nicht eingeschränkt
auf, rostfreier Stahl (wie beispielsweise AISI 302 oder
AISI 304) und Polyimide. Polyimid wird auf Grund der Einfachheit,
mit welcher es sich durch Laser bearbeiten lässt und auf Grund seiner vorteilhaften
physikalischen und chemischen Eigenschaften besonders bevorzugt.
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Die
Düsenschicht 10 ist
vorzugsweise aus einer dünnen
polyimiden Schicht von näherungsweise 50 μm Dicke hergestellt.
Es besteht die Möglichkeit, dass
die Düsenschicht 10 eine
aufgesprayte oder anderweitig beschichtete Schicht 11 aus
hydrophobischem Material aufweist, beispielsweise XS66-B0704, hergestellt
durch D.E. Bayer Silicones of Holland.
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2B zeigt
eine bevorzugte Form einer einzigen Düse. Es wurde herausgefunden,
dass Düsen
der hier gezeigten Form Tropfen mit gleichmässigem Volumen erzeugen.
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Unter
kurzer Bezugnahme auf
2C ist ersichtlich, dass die
Ausstoßdüsen
102 in
versetzten Reihen angeordnet sind. In einem typischen nicht einschränkenden
Beispiel stellt die vorliegende Erfindung einen Druckkopf zur Verfügung mit
einer 6 Ich breiten Abdeckung und einer Druckauflösung von 600
DPI (Doms per Ich, Punkt pro Ich. Das Basismodul besteht aus 512
Düsen versetzt
angeordnet in einer genauen Anzahl, in einer 32×16 Matrix, wie nachfolgend
diskutiert wird. Die Grösse
des Versatzes zwischen zwei nebeneinander liegenden Reihen ist für ein derartiges
Beispiel typischerweise R = 0.042 mm, für eine erforderliche Auflösung von
600 DPI (25.4 mm/600 = 0.042 mm). Es ist zu bemerken, dass die Kolonnen
dieser Düsen
auch um den selben Betrag versetzt angeordnet sind, in diesem Fall,
S = 0.042 mm, so dass eine zweiachsig versetzte Anordnung von Düsen gebildet
wird. Diese Versatztechnik ist in der U.S. Patentanmeldung Nr. 09/372462
offenbart (publiziert als US/B/6345879) angemeldet am 11. August
1999, betitelt „Bi-Axial
Staggered Array" und
beanspruchend eine Priorität
der israelischen Patentanmeldung Nr.
128512 ,
wobei dieses Patent auf den selben Anmelder wie die vorliegende
Erfindung übertragen
wurde.
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Um
sich nun den restlichen Merkmalen des Tintenstrahlkopfes 100 zuzuwenden,
zeigt 1C die generelle Schichtstruktur
welche einer einzelnen Kavität
zugeordnet ist, sowie das Antriebssystem. Jedes Element kann in
den 1A und 1B in isometrischer
Darstellung gesehen werden. Die Düsenschicht 10 und
die Tintenzufuhrschicht 14 sind über eine Klebeschicht 12 verbunden,
während
die Hohlraumschicht 18 als Sandwich mit zwei Klebeschichten 16 und 20 ausgebildet
ist. Die Klebeschicht 16 verbindet die Tintenzufuhrschicht 14 mit
der Hohlraumschicht 18, während die Klebeschicht 20 mit
einer flachen Biegeplatte 22 verbunden ist, welche den Tintenraum
bedeckt. Die Schichten 10, 12, 14, 16, 18 und 20 weisen
alle koaxiale Bohrungen mit unterschiedlichen Formen und Durchmessern
auf, und definieren gemeinsam einen Hohlraum, welcher wie dargestellt
mit einer Ausgangsdüse
verbunden ist. Die Biegeplatte 22 hat ein piezoelektrisches
Element 24 welches über
einen dünnen
elektrisch leitenden Kleber (nicht gezeigt) in Ausrichtung mit dem
Hohlraum auf die Biegeplatte 22 geklebt ist. Die vorgenannten
Elemente 10 bis 24 können gemeinsam als Tintenlieferungseinheit
erachtet werden, aufweisend eine Vorderfläche mit einer Mehrzahl von
Düsen,
von welchen Tintentröpfchen
selektive ausgestossen werden, und einer Rückfläche mit einer Matrix von elektrischen
Kontakten zum selektiven Aktuieren des Ausstossens der Tintentröpfchen.
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Eine
elektrische Verbindung zum piezoelektrischen Element 24 wird
durch eine Kontaktschicht umfassend eine Isolationsplatte 26 erreicht,
welche mit einem elastischen, elektrisch leitenden Verbindungselement 27,
welches von zwei Fronten der Platte 26 vorsteht, und mit
jedem piezoelektrischen Element 24 und seinem entsprechenden
Aktuierungskontakt (leitende Unterlage 35) auf einer gedruckten
Leiterplatte 30 angeordnet sind. Wenn ein Treiberchip 31 auf
der gedruckten Leiterplatte 30 ausgelöst wird, um einen spezifisches
piezoelektrisches Element zu aktivieren, wird ein Spannungsplus erzeugt,
welcher durch die leitende Unterlage 35 zum leitenden Verbindungselement 27 und
zum piezoelektrischen Element 24 geleitet wird. Das piezoelektrische
Element ist an seiner unteren Oberfläche über eine metallische Biegeplatte 22 geerdet.
Der Spannungspuls, welcher verursacht, dass das piezoelektrische
Element sich nach unten biegt, verursacht, dass die Biegeplatte 22 sich
lokal biegt. Dieses Biegen hat zur Folge, dass das Volumen der Tinte
im Innenraum abnimmt, wodurch ein Tintentropfen durch die Düse ausgestossen
wird. Das Beenden der Spannung der unteren Platte des piezoelektrischen Elementes 24 verursacht,
dass sich das Element in seine Gleichgewichtsposition zurück bewegt
und die Tinte über
die obere Platte der Tintenzufuhrschicht 14 in den Hohlraum
fliesst.
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1D zeigt
schematisch die Tintenausstossung. Die Tintenausstosssteuerung 40 ist über ein Flachkabel 41 und
einen Flachverbinder 43 mit einer gedruckten Leiterplatte
(printed circuit board, PCB) verbunden. Die von der gedruckten Leiterplatte 30 erhaltenen
Daten werden von Treibern 31 verarbeitet und in Aktuierungsspannungen
transformiert, welche auf die individuellen piezoelektrischen Elemente
angewendet werden.
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Unter
Bezugnahme auf 3 ist darin eine Klebeschicht 12 gezeigt,
welche typischerweise von einer Epoxyklebefolie ausgebildet ist.
Die Folie 12 ist gelocht mit einer Lochung, welche dieselbe
Anzahl Löcher
aufweist wie die Düsenschicht 10 und
auch dasselbe Muster. In einem typischen Beispiel beträgt der Durchmesser
der Löcher
etwa 0,5 mm. Die Klebeschicht 12 wird verwendet, um die
Düsenschicht 10 mit
der Tintenzufuhrschicht 14 zu verkleben, und um die Düsen voneinander
zu isolieren.
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Unter
Bezugnahme auf die 4A–4C werden
Düsenschichten 10 gezeigt,
welche mit einer Klebeschicht 12 fest mit einer Tintenzufuhrschicht 14 verbunden
sind. Die typische Endausgestaltung ist in 4C vergrössert dargestellt.
In einer bevorzugten Ausführungsform
ist das Gehäuse 36 aus
gegossenem Epoxywerkstoff gebildet, wobei das unterschnittene Profil,
welches wie dargestellt durch die Kante der Schicht ausgebildet
ist, einen effektiven Verankerungsort für das Gehäuse 36 bildet, um
eine starke und feste Einheit zu bilden. Die Tintenzufuhrschicht 14 wird
als Tintenreservoir für
den Tintenhohlraum verwendet. Sobald ein Tintentropfen von einem
spezifischen Hohlraum ausgestossen wurde, wird die Tinte, welche
in der porösen
Schicht 14 um den genannten Hohlraum enthalten ist, über die
obere Ebene der Schicht wieder aufgefüllt.
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Unter
Bezugnahme auf die 6A und 6B wird
darin eine dreigeteilte Hohlraumanordnung gezeigt, welche durch
Klebeschicht 16, Hohlraumschicht 18 und eine weitere
Klebeschicht 20 gebildet ist. Die drei Schichten sind gemeinsam
gelocht, um die Tintenhohlräume
auszubilden. Zusätzlich
hat die Dreifachschicht zwei Reihen von durchgehenden Bohrungen 58,
welche Tinte von der Tintensammelleitung 38 (oben beschrieben)
zu einer Tintenzufuhrschicht 14 fördern. Die Hohlraumschicht 18 ist
typischerweise aus einer Polyimidfolie gefertigt, obwohl auch viele
andere Materialien geeignet sein können, wie Plastik, rostfreie
Stahlfolie und ähnliches.
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Unter
Bezugnahme auf 7 ist darin eine Biegeplatte 22 gezeigt,
wobei die Darstellung den Zustand nach der ersten Bearbeitung zeigt.
Die Biegeplatte ist typischerweise aus einer rostfreien Stahlfolie,
mit einer Dicke von 0,05 mm hergestellt. Zwei Reihen von Bohrungen 60,
welche entlang der langen Seite der Platte angeordnet sind, werden
zur Tintenversorgung von der Tintensammelleitung 38 (unten
beschrieben) zu der Tintenzufuhrschicht 14 verwendet.
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Unter
Bezugnahme auf die 8A–8E ist darin
das zusammengesetzte Tintenversorgungsmodul gezeigt, versehen mit
piezoelektrischen Elementen 24, welche auf die Biegeplatte 22 gebunden
sind (siehe vergrösserte
Darstellung von 8E). Eine Technik zum Anordnen
der Matrix der piezoelektrischen Elemente 24 auf der Biegeplatte 22 ist
die Verwendung eines Musters zum Abgeben klebender Tropfen auf die
Biegeplatte, und dann das individuelle Anordnen der piezoelektrischen
Elemente unter Verwendung eines „Pick and Place, Nehmen und
Anordnen" Robotermechanismus,
welcher aus dem Stand der Technik gut bekannt ist.
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Unter
Bezugnahme auf die 9A–9D ist eine
Kontaktschicht gezeigt. Diese Schicht wird verwendet um das vom
Treiber 31 produzierte elektrische Signal über die
gedruckte leitende Unterlage 35, welche unten an der gedruckten
Leiterplatte 30 angeordnet ist, zu der oberen Elektrode
des piezoelektrischen Elementes 24 zu leiten. Die Kontaktschicht
ist aus einer Isolationsplatte 26 ausgebildet, welche mit
demselben Muster gelocht ist wie die Tintenhohlräume, wobei die Kontaktschicht
verwendet wird um zwei Arten von Kontakten zu bilden, Signalkontakte 27,
welche Signale zu den piezoelektrischen Elementen 24 leiten
und Massekontakte 28, welche an der Peripherie der Kontaktschicht
angeordnet sind. Typischerweise sind alle Kontakte durch eine spezielle
formulierte Verbindung ausgebildet, welche eine hohe elektrische
Leitfähigkeit
und ebenso einen mechanischen Widerstand aufweist, sodass die Kontakte
einen Kontakt mit der leitenden Unterlage 35 als auch mit
den piezoelektrischen Elementen 24 aufrecht erhalten können. Jeder
Kontakt 27 wird in der Nähe seines Scheitelpunktes gegen
das rechteckige Piezoelement gedrückt, wie in 1 dargestellt.
Diese Ausführungsform
gewährleistet
einen zuverlässigen
Kontakt zwischen dem Kontakt 27 und dem piezoelektrischen
Element 24, selbst wenn eine Biegung auftritt, sodass keine
Interferenz mit der Biegung der Biegeplatte auftritt. Die Kontaktschicht selbst
ist weiter beschrieben in der U.S. Patentanmeldung Nr.09/372,463,
angemeldet am 11. August 1999, und übertragen auf den selben Anmelder
wie die vorliegende Erfindung.
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Unter
Bezugnahme auf die 10A uns 10B ist
darin eine gedruckte Leiterplatte 30 gezeigt. Die elektronische
Tintenausstosssteuerungsvorrichtung 40 (dargestellt in 1D),
welche an sich nicht Teil dieser Erfindung ist, sendet Steuerdaten
zur spezifischen gedruckten Leiterplatte 30. Diese Daten werden über ein
Flachkabel 41 (dargestellt in 1D) über einen
Flachverbinder zu einer Anzahl elektronischer Treiber 31 geleitet,
nachfolgend als Treiber gezeichnet. Die Treiber 31, welche
auf der gedruckten Leiterplatte 30 montiert sind, haben
typischerweise Seriell-zu-Parallel-Wandler für hohe Spannungen, mit einem
logischen Bereich und einem Hochspannungsbereich. Der Datentransfer
die Treiber wird mit einer hohen Rate durchgeführt. Wenn die Treiber ein Triggersignal
erhalten, werden die entsprechenden piezoelektrischen Elementen durch
einen Hochspannungspuls aktiviert, was ein Ausstossen der Tintentropfen
zur Folge hat.
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Die 12A bis 12C zeigen
ein metallisches Hitzesenkelement zum absorbieren unerwünschter
Wärme,
welche durch die Treiber 31 erzeugt wird, wobei das Hitzesenkelement
die Wärme durch
Leitungskonvektion und Abstrahlung abgibt. Die Hitzesenke 34 besteht
typischerweise aus anodisiertem Aluminium. Das Hitzesenkelement 34 wird ebenso
verwendet als eine obere Abdeckung für das Druckkopfgehäuse 36. 11 zeigt
eine elastische Hitzesenkeschicht 32, zur Übertragung
thermischer Energie vom Treiber 31 zu einem Hitzesenkelement 34.
Die elastische wärmeentziehende
Schicht 32 ist hergestellt aus elastischem, wärmeleitendem
Material zum Beispiel „T-FLEX
200" oder „T-FLEX 400" kommerziell erhältlich von
Thermagon, Inc. (USA). Die elastischen Eigenschaften der Schicht 32 erlauben
deren Anliegen oben an den Treibern 31, um einen guten
thermischen Kontakt zu gewährleisten, und
auch einen Druck zu gewährleisten,
welcher zwischen den gedruckten Leiterplattenunterlagen 35, den
Isolationsplatten 26, der Biegeplattenschicht 22 und
den piezoelektrischen Elementen 24 erforderlich ist.
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Bezugnehmend
auf die 13A bis 13C ist
darin ein Gehäuse 36 mit
einer Öffnung zur
Aufnahme der Kontaktschicht und der gedruckten Leiterplatte gezeigt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform, oben mit 4C bezeichnet,
ist das Gehäuse 36 aus
einem Epoxywerkstoff geformt, welches derart ausgebildet ist, dass
die Tintenlieferungseinheit am unteren Ende angeordnet ist. Alternativ
kann das Gehäuse 36 aus
einem anderen Material hergestellt sein, beispielsweise rostfreier
Stahl, Aluminium oder andere metallische Materialien oder Plastikmaterialien,
wobei die Tintenlieferungseinheit mit geeigneten Mitteln daran befestigt
ist. Das Gehäuse 36 ist
ausgebildet mit nach innen ausgerichteten Wiederlagerteilen 37 ausgestaltet
zum Abstützen der
Kanten der gedruckten Leiterplatte 30 um derart eine vollständig eingefügte Lage
derselben zu definieren. Das Gehäuse 36 dient
ebenso dazu mehrere Einheiten korrekt in einer Reihe anordnen zu
können, dem
Druckkopf eine Steifigkeit zu verleihen, und dessen Dichtung zu
gewährleisten.
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Zwei
Reihen Löcher 32 sind,
je nach Erfordernis, durch Bohrung oder Guss ausgebildet, im Gehäuse 36,
entlang der längeren
Seite beabstandet angeordnet. Wie aus der 16 ersichtlich
sind diese mit den peripheren Löchern
der Schichten, welche eine Tintenlieferungseinheit ausbilden, derart
angeordnet, dass Tinte von einem Tintenbehälter 38 (unten beschrieben)
durch die Tintenlieferungseinheit zu einer Tinteneinlassbohrung 50 und
einer Tintenzufuhrschicht 14 geliefert wird.
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Die 14A bis 14C zeigen
eine Tintensammelleitung 38. Die Tintensammelleitung 38 wird
von einer externen Tintenversorgung versorgt durch zumindest eine,
und in diesem Fall zwei Röhren 39,
die mit ihren Enden vorstehen. Die Tinte fliesst durch die beiden
Kanäle
entlang der langen Seiten des Behälters in die Löcher 62 des
Gehäuses 36 hinein.
Die Tintensammelleitung 38 ist oben am Gehäuse 36 befestigt.
Vier Distanzhalter 42 werden verwendet zur Anordnung von
Kontaktbolzen 66, wie in 1B dargestellt.
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15 zeigt
schematisch ein externes Tintenversorgungssystem zur Verwendung
mit der vorliegenden Erfindung. Ein Tintenspeicher 15 ist
typischerweise über
Kunststoffröhren 46 mit
Röhren 39 der
Tintensammelleitung 38 verbunden.
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Bevorzugt
wird das Hitzesenkelement 34 derart zur Verbindung mit
dem Gehäuse 36 in
einer vordefinierten Position ausgestaltet, dass, wenn verbunden,
die Hitzesenke die gedruckte Leiterplatte 30 und die Kontaktschicht
gegen die Tintenlieferungseinheit gepresst, bis die gedruckte Leiterplatte 30 im Widerlagerteil 37 steckt,
wobei eine vordefinierte Kraft angewendet wird, um einen effektiven
elektrischen Kontakt zwischen der Kontaktschicht und den Kontakten
der beiden Tintenlieferungseinheiten und der gedruckten Leiterplatte 30 zu
gewährleisten, ohne
die Komponenten zu beschädigen.
Unter Bezugnahme auf 1B ist die Hitzesenke im dargestellten
Beispiel unter Verwendung von vier Kontaktbolzen 66, vier
Federn 68 und vier Schraubenmuttern 70 am Gehäuse 36 befestigt
(nur eine der vier Verbindungen ist klar dargestellt). Diese Ausführungsform verleiht
der Einheit den erforderlichen, zudem einstellbaren Kontaktdruck
zwischen dem Hitzesenkelement, der wärmeentziehenden Schicht 32 und
den Treibern 31.
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Letztendlich
zu 16 kommen, kann der gesamte Tintenflusspfad, von
der externen Tintenversorgung zu den Tintenhohlräumen des Druckerkopfes, nun
verstanden werden. Die Tinte passiert ausgehend vom externen Tintenreservoir 45 durch flexible
Leitungen 46 zu Einlassleitungen 39 der Tintensammelleitung 38.
Die Tinte fliesst durch zwei Kanäle
entlang der längeren
Seite der Sammelleitung in Löcher 62 des
Gehäuses 36 hinein,
und tritt von dort aus in die ausgerichteten Löcher, welche durch die Ablenkplatte 22 ausgebildet
sind, die Klebeschicht 20, die Hohlraumschicht 18,
und die Klebeschicht 16, um die Tinteneinlassbohrungen 50 der
Tintenzufuhrschicht 14 zu erreichen. Von diesem Punkt aus
passiert die Tinte durch Tinteneinlassbohrungen 50 zu den
Tintenverteilungskanälen 52, 54 an
der Vorderfläche 106,
und durch das poröse
Material der Schicht 14 in den Tintenhohlraum.
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Die
Absicht der obigen Beschreibung besteht nur darin als ein Beispiel
zu dienen, wobei viele andere Ausführungsformen möglich sind,
innerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung.
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- 10
- Düsenschicht
- 12
- Klebeschicht
- 14
- Tintenzufuhrschicht
- 16
- Klebeschicht
- 18
- Hohlraumschicht
- 20
- Klebeschicht
- 22
- Biegeplatte
- 24
- piezoelektrisches
Element
- 26
- Isolationsplatte
- 27
- elastisches
elektrisch leitendes Verbindungselement
- 28
- Massekontakt
- 30
- gedruckte
Leiterplatte
- 31
- Treiberchip
- 32
- elastische
wärmeentziehende
Schicht
- 34
- wärmeentziehendes
Element
- 35
- leitende
Unterlage
- 36
- Gehäuse
- 37
- Widerlagerteile
- 38
- Tintensammelleitung
- 39
- Röhren
- 40
- Tintenausstossungskontrolle
- 41
- Flachkabel
- 42
- Distanzhalter
- 43
- Flachverbinder
- 45
- Tintenspeicher
- 46
- Kunststoffröhren
- 50
- Tinteneinlassbohrung
- 52
- Tintenverteilungskanäle
- 54
- Tintenverteilungskanäle
- 56
- Verbindungsbohrungen
- 58
- Reihen
durchgehender Löcher
- 58
- durchgehende
Bohrungen
- 60
- Reihen
von Bohrlöchern
- 62
- Reihe
von Löchern
- 66
- Kontaktbolzen
- 68
- Federn
- 70
- Schraubenmuttern
- 100
- Tintenstrahldruckkopf
- 102
- Ausstossdüsen
- 104
- Öffnungen
- 106
- Vorderfläche
- 108
- Rückfläche