DE60225347T2

DE60225347T2 - Symmetrisch betätigte tintenausstosskomponenten für einen tintenstrahldruckkopfchip

Info

Publication number: DE60225347T2
Application number: DE60225347T
Authority: DE
Inventors: Kia Balmain Silverbrook
Original assignee: Silverbrook Research Pty Ltd
Current assignee: Silverbrook Research Pty Ltd
Priority date: 2002-04-12
Filing date: 2002-08-29
Publication date: 2009-07-30
Anticipated expiration: 2022-08-30
Also published as: CA2482025A1; US6641256B1; US7997685B2; US20030193546A1; ATE387317T1; CA2482025C; US20090066755A1; US20070139473A1; US7753493B2; KR100643657B1; WO2003086765A1; IL164411A0; AU2002325639B2; EP1494865A4; JP2005522357A; US6666544B2; KR20040099405A; US20100271437A1; CN1319738C; US6536874B1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung bezieht sich auf einen Druckkopfchip für einen Tintenstrahldruckkopf. Diese Erfindung betrifft im Spezielleren einen Druckkopfchip, der eine Vielzahl von symmetrisch betätigten, sich bewegenden Düsenanordnungen umfasst.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Der Anmelder hat einen beträchtlichen Umfang an Zeit und Anstrengungen für die Entwicklung von Druckköpfen aufgewendet, die auf mikroelektromechanischen Systemen (MEMS-Systemen) beruhende Komponenten beinhalten, um das Ausstoßen von Tinte zu erzielen, das zum Drucken notwendig ist.
Als Ergebnis der Forschung und Entwicklung seitens des Anmelders konnte der Anmelder Druckköpfe mit einem oder mehreren Druckkopfchips entwickeln, die zusammen bis zu 84.000 Düsenanordnungen beinhalten. Der Anmelder hat auch eine geeignete Prozessortechnologie entwickelt, die den Betrieb solcher Druckköpfe zu steuern in der Lage ist. Die Prozessortechnologie und die Druckköpfe sind insbesondere dazu in der Lage, so zusammenzuarbeiten, dass Auflösungen von 1.600 dpi und in manchen Fällen noch höhere Auflösungen erzeugt werden. Beispiele für eine geeignete Prozessortechnologie sind in den Patentanmeldungen/Patenten bereitgestellt, auf die vorstehend verwiesen wurde.
Der Anmelder hat beträchtliche Schwierigkeiten zur Erreichung des nötigen Tintendurchflusses und der Tintentropfentrennung innerhalb der Tintenstrahldruckköpfe überwunden.
Wie in WO-A-0189839 festgestellt werden kann, umfassen eine Anzahl von durch den Anmelder entwickelten Druckkopfchips eine Struktur, die eine Tintenausstoßöffnung bildet. Die Struktur ist in Bezug auf das Substrat verschiebbar, um Tinte aus einer Düsenkammer auszustoßen. Dies ist ein Ergebnis der Verschiebung der Struktur, bei der ein Volumen der Tinte innerhalb der Düsenkammer verkleinert wird. Eine besondere Schwierigkeit bei so einer Konfiguration liegt in der Erreichung eines ausreichenden Ausmaßes und einer ausreichend hohen Geschwindigkeit der Bewegung der Struktur zur Erzielung des Tintentropfenausstoßes. Im mikroskopischen Maßstab der Düsenanordnungen kann dieses Ausmaß und diese Geschwindigkeit der Bewegung größtenteils erzielt werden, indem sichergestellt wird, dass die Bewegung der Tintenausstoßstruktur so effizient wie möglich ist.
Der Anmelder hat diese Erfindung entwickelt, um eine solche Effizienz der Bewegung zu erzielen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der Erfindung wird ein Druckkopfchip für einen Tintenstrahldruckkopf bereitgestellt, wobei der Druckkopfchip umfasst:
ein Substrat, und
eine Vielzahl von Düsenanordnungen, die auf dem Substrat angeordnet sind, wobei jede Düsenanordnung umfasst:
eine aktive Tintenausstoßstruktur, die auf dem Substrat angeordnet und von diesem beabstandet ist, wobei die aktive Tintenausstoßstruktur einen Dachbereich mit einer darin ausgebildeten Tintenausstoßöffnung hat;
eine auf dem Substrat angeordnete, statische Tintenausstoßstruktur, wobei die aktive Tintenausstoßstruktur und die statische Tintenausstoßstruktur zusammen eine Düsenkammer ausbilden, die in Fluidverbindung mit einem Tintenvorrat steht, wobei die aktive Tintenausstoßstruktur bezüglich der statischen Tintenausstoßstruktur zum Substrat hin und von diesem weg verschoben werden kann, um ein Volumen der Düsenkammer zu verkleinern bzw. zu vergrößern, um einen Tintentropfen aus der Düsenkammer auszustoßen; und
zumindest zwei Betätigungseinheiten, die mit der aktiven Tintenausstoßstruktur in Wirkverbindung stehen, um die aktive Tintenausstoßstruktur in Bezug auf die statische Tintenausstoßstruktur zum Substrat hin und von diesem weg zu verschieben, wobei die Betätigungseinheiten so konfiguriert und mit der aktiven Tintenausstoßstruktur so verbunden sind, dass der aktiven Tintenausstoßstruktur eine im Wesentlichen geradlinige Bewegung erteilt wird.
Die Erfindung wird nun beispielhaft mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Die folgende Beschreibung soll den breiten Umfang der vorstehenden Zusammenfassung nicht einschränken.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine dreidimensionale Ansicht einer Düsenanordnung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Druckkopfchips für einen Tintenstrahldruckkopf;
2 zeigt eine dreidimensionale Schnittansicht der Düsenanordnung von 1;
3 zeigt eine quergeschnittene Schnittansicht einer thermischen Biegebetätigungseinheit der Düsenanordnung von 1;
4 zeigt eine dreidimensionale Schnittansicht der Düsenanordnung von 1 in einem anfänglichen Stadium des Tintentropfenausstoßes;
5 zeigt eine dreidimensionale Schnittansicht der Düsenanordnung von 1 in einem Endstadium des Tintentropfenausstoßes;
6 zeigt eine schematische Ansicht einer Ankopplungsstruktur der Düsenanordnung von 1;
7 zeigt eine schematische Ansicht eines Teils der Ankopplungsstruktur, der an einer aktiven Tintenausstoßstruktur der Düsenanordnung angebracht ist, wenn sich die Düsenanordnung in einem Ruhezustand befindet;
8 zeigt den Teil von 7, wenn die Düsenanordnung in einem Betriebszustand ist;
9 zeigt einen Zwischenschnitt einer Verbindungsplatte der Ankopplungsstruktur, wenn sich die Düsenanordnung in einem Ruhezustand befindet;
10 zeigt den Zwischenschnitt von 9, wenn sich die Düsenanordnung in einem Betriebszustand befindet;
11 zeigt eine schematische Ansicht eines Teils der Ankopplungsstruktur, der an einem Verbindungselement der Düsenanordnung angebracht ist, wenn sich die Düsenanordnung in einem Ruhezustand befindet;
12 zeigt den Teil von 11, wenn sich die Düsenanordnung in einem Betriebszustand befindet; und
13 zeigt eine Draufsicht einer Düsenanordnung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Druckkopfchips für einen Tintenstrahldruckkopf.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In 1 bis 5 ist mit der Bezugszahl 10 allgemein eine Düsenanordnung eines erfindungsgemäßen Druckkopfchips für einen Tintenstrahldruckkopf angegeben.
Die Düsenanordnung 10 ist eine aus einer Vielzahl von solchen Düsenanordnungen, die auf einem Siliziumwafersubstrat 12 gebildet sind, um den Druckkopfchip der Erfindung zu bilden. Wie im technologischen Hintergrund dieser Beschreibung dargelegt ist, kann ein einzelner Druckkopf bis zu 84.000 solcher Düsenanordnungen enthalten. Zum Zwecke der Übersichtlichkeit und Erleichterung der Beschreibung wird nur eine Düsenanordnung beschrieben. Es sollte klar sein, dass ein Durchschnittsfachmann auf diesem Gebiet den Druckkopfchip ohne Weiteres erhalten kann, indem er einfach die Düsenanordnung 10 auf dem Wafersubstrat 12 nachbildet.
Der Druckkopfchip ist das Produkt eines Verfahrens zur Herstellung einer integrierten Schaltung. Jede Düsenanordnung 10 ist insbesondere das Produkt eines auf MEMS beruhenden Herstellungsverfahrens. Wie man weiß, bedingt ein solches Herstellungsverfahren die Abscheidung von funktionellen Schichten und Opferschichten aus Materialien für integrierte Schaltungen. Die funktionellen Schichten werden geätzt, um verschiedene sich bewegende Komponenten zu bilden, und die Opferschichten werden weggeätzt, um die Komponenten freizulegen. Wie bekannt ist, bedingen solche Herstellungsverfahren allgemein die Replikation bzw. Nachbildung einer großen Anzahl gleicher Komponenten auf einem einzelnen Wafer, der daraufhin in einzelne Rohchips zerschnitten wird, um die verschiedenen Komponenten voneinander zu trennen. Dies stützt das Vorbringen, dass ein Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet den Druckkopfchip dieser Erfindung ohne Weiteres erhalten kann, indem er die Düsenanordnung 10 nachbildet.
Auf dem Siliziumwafersubstrat 12 ist eine elektrische Steuerschaltungsschicht 14 angeordnet. Die elektrische Steuerschaltungsschicht 14 umfasst eine CMOS-Ansteuerschaltung. Die besondere Konfiguration der CMOS-Ansteuerschaltung ist für diese Beschreibung nicht wichtig und deshalb in den Zeichnungen nicht in jeder Einzelheit gezeigt. Es genügt, festzustellen, dass sie an einen geeigneten Mikroprozessor angeschlossen ist und bei Empfang eines Aktivierungssignals von dem geeigneten Mikroprozessor die Düsenanordnung 10 mit elektrischem Strom versorgt. Ein Beispiel eines geeigneten Mikroprozessors ist in den Patenten/Patentanmeldungen beschrieben, auf die vorstehend Bezug genommen wurde. Hieraus ergibt sich, dass diese Detailebene in dieser Beschreibung nicht dargelegt werden wird.
Auf der Steuerschaltungsschicht 14 ist eine Tintenpassivierungsschicht 16 angeordnet. Die Tintenpassivierungsschicht 16 kann aus jedem geeigneten Material bestehen, wie zum Beispiel aus Siliziumnitrid.
Die Düsenanordnung 10 umfasst einen Tinteneinlasskanal 18, der einer aus einer Vielzahl von derartigen Tinteneinlasskanälen ist, die im Substrat 12 ausgebildet sind.
Die Düsenanordnung 10 umfasst eine aktive Tintenausstoßstruktur 20. Die aktive Tintenausstoßstruktur 20 hat einen Dachbereich 22 und Seitenwände 24, die vom Dachbereich 22 herabhängen. Im Dachbereich 22 ist eine Tintenausstoßöffnung 26 gebildet.
Die aktive Tintenausstoßstruktur 20 ist mit einem Paar thermischer Biegebetätigungseinheiten 28 mit Ankopplungsstrukturen 30 verbunden und zwischen diese gesetzt, die nachstehend in näherer Einzelheit beschrieben werden. Der Dachbereich 22 ist in der Draufsicht allgemein rechteckig und kann in der Draufsicht insbesondere quadratisch sein. Dies dient einfach nur dazu, die Verbindung der Betätigungseinheiten 28 mit dem Dachbereich 22 zu erleichtern und ist nicht entscheidend. Zum Beispiel für den Fall, dass drei Betätigungseinheiten vorgesehen sind, könnte der Dachbereich 22 allgemein in Draufsicht dreieckig sein. Somit können auch andere Formen existieren, die geeignet sind.
Die aktive Tintenausstoßstruktur 20 ist zwischen den thermischen Biegebetätigungseinheiten 28 so angeschlossen, dass ein freier Rand 32 der Seitenwände 24 von der Tintenpassivierungsschicht 16 beabstandet ist. Es sollte klar sein, dass die Seitenwände 24 einen Bereich zwischen dem Dachbereich 22 und dem Substrat 12 begrenzen.
Der Dachbereich 22 ist allgemein planar, bildet aber eine Düsenumrandung 76, die die Tintenausstoßöffnung 26 begrenzt. Der Dachbereich 22 bildet auch eine Aussparung 78, die um die Düsenumrandung 76 herum angeordnet ist und dazu dient, ein Ausbreiten bzw. Verlaufen von Tinte zu verhindern, wenn Tinte den Bereich über die Düsenumrandung 76 hinaus benetzt.
Die Düsenanordnung 10 umfasst eine statische Tintenausstoßstruktur 34, die vom Substrat 12 zum Dachbereich 22 und in den Bereich hinein verläuft, der durch die Seitenwände 24 begrenzt ist. Die statische Tintenausstoßstruktur 34 und die aktive Tintenausstoßstruktur 20 bilden zusammen eine Düsenkammer 42, die in Fluidverbindung mit einer Öffnung 38 des Tinteneinlasskanals 18 steht. Die statische Tintenausstoßstruktur 34 hat einen Wandabschnitt 36, der eine Öffnung 38 des Tinteneinlasskanals 18 begrenzt. Ein Tintenverdrängungsgebilde 40 ist am Wandabschnitt 36 angeordnet und bildet einen Tintenverdrängungsbereich, der ausreichend groß ist, so dass ein Ausstoßen von Tinte aus der Tintenausstoßöffnung 26 ermöglicht wird, wenn die aktive Tintenausstoßstruktur 20 zum Substrat 12 hin verschoben wird. Die Öffnung 38 befindet sich mit der Tintenausstoßöffnung 26 im Wesentlichen in Ausrichtung.
Die thermischen Biegebetätigungseinheiten 28 sind im Wesentlichen identisch. Vorausgesetzt, dass jeder thermischen Biegebetätigungseinheit 28 das gleiche Ansteuersignal zur Verfügung gestellt wird, folgt hieraus, dass die thermischen Biegebetätigungseinheiten 28 jeweils im Wesentlichen dieselbe Kraft auf die aktive Tintenausstoßstruktur 20 ausüben.
In 3 ist die thermische Biegebetätigungseinheit 28 in näherer Einzelheit gezeigt. Die thermische Biegebetätigungseinheit 28 umfasst einen Arm 44, der einen einteiligen Aufbau hat. Der Arm 44 besteht aus einem elektrisch leitfähigen Material, das einen solchen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, dass eine geeignete Komponente dieses Materials in einem MEMS-Maßstab bei Ausdehnung und Zusammenziehung der Komponente, wenn diese erwärmt wird und daraufhin abkühlt, Arbeit leisten kann. Bei dem Material kann es sich um eines von vielen handeln. Es ist jedoch wünschenswert, dass das Material einen solchen Elastizitätsmodul hat, dass bei Biegung der Komponente durch eine unterschiedliche Erwärmung eine in der Komponente gespeicherte Energie freigesetzt wird, wenn die Komponente sich abkühlt, um eine Rückstellung der Komponente in einen Ausgangszustand zu unterstützen. Der Anmelder hat herausgefunden, dass Titanaluminiumnitrid (TiAlN) ein geeignetes Material ist. Je nach ihren jeweiligen Wärmeausdehnungskoeffizienten und dem jeweiligen Elastizitätsmodul können jedoch auch andere leitfähige Materialien geeignet sein.
Der Arm 44 hat zwei äußere passive Teilbereiche 46 und zwei innere aktive Teilbereiche 48. Die äußeren passiven Teilbereiche 46 haben passive Verankerungen 50, die jeweils an der Tintenpassivierungsschicht 16 über eine Haltestruktur 52 aus aufeinanderfolgenden Schichten aus Titan und Siliziumdioxid oder einem äquivalenten Material befestigt sind.
Die inneren aktiven Teilbereiche 48 haben aktive Verankerungen 54, die jeweils an der Steuerschaltungsschicht 14 befestigt sind und elektrisch an die Steuerschaltungsschicht 14 angeschlossen sind. Auch dies wird mit einer Haltestruktur 56 aus aufeinanderfolgenden Schichten aus Titan und Siliziumdioxid oder einem äquivalenten Material erreicht.
Der Arm 44 hat ein Arbeitsende, das durch einen Brückenabschnitt 58 gebildet ist, welcher die Teilbereiche 46, 48 miteinander verbindet. Wenn die aktiven Verankerungen 54 mit geeigneten elektrischen Kontakten in der Steuerschaltungsschicht 14 verbunden sind, folgt hieraus, dass die inneren aktiven Teilbereiche 48 einen elektrischen Stromkreis bilden.
Die Teilbereiche 46, 48 haben darüber hinaus einen geeigneten elektrischen Widerstand, so dass die inneren aktiven Teilbereiche 48 erwärmt werden, wenn ein Strom von der CMOS-Ansteuerschaltung durch sie hindurchfließt. Es sollte beachtet werden, dass durch die äußeren passiven Teilbereiche 46 im Wesentlichen kein Strom fließt, was dazu führt, dass sich die passiven Teilbereiche viel weniger erwärmen als die inneren aktiven Teilbereiche 48. Folglich dehnen sich die inneren aktiven Teilbereiche 48 mehr aus als die äußeren passiven Teilbereiche 46.
Wie in 3 zu sehen ist, hat jeder äußere passive Teilbereich 46 zwei äußere horizontal verlaufende Abschnitte 60 und einen mittigen horizontal verlaufenden Abschnitt 62. Der mittige Abschnitt 62 ist mit den äußeren Abschnitten 60 über ein Paar vertikal verlaufende Abschnitte 64 verbunden, so dass der mittige Abschnitt 62 zwischen dem Substrat 12 und den äußeren Abschnitten 60 liegt.
Jeder innere aktive Teilbereich 48 hat ein Querprofil, das effektiv ein Gegenstück der äußeren passiven Teilbereiche 46 ist. Somit sind Außenabschnitte 66 der inneren aktiven Teilbereiche 48 allgemein planparallel mit den äußeren Abschnitten 60 der passiven Teilbereiche 46 und sind zwischen Mittenabschnitten 68 der inneren aktiven Teilbereiche 48 und dem Substrat 12 angeordnet. Hieraus geht hervor, dass die inneren aktiven Teilbereiche 48 ein Volumen definieren, das vom Substrat 12 weiter weg liegt als die äußeren passiven Teilbereiche 46. Von daher sollte klar sein, dass die größere Ausdehnung der inneren aktiven Teilbereiche 48 dazu führt, dass sich der Arm 44 zum Substrat 12 hin verbiegt. Diese Bewegung der Arme 44 wird auf die aktive Tintenausstoßstruktur 20 übertragen, um die aktive Tintenausstoßstruktur 20 zum Substrat 12 hin zu verschieben.
Diese Verbiegung der Arme 44 und die darauf folgende Verschiebung der aktiven Tintenausstoßstruktur 20 in Richtung zum Substrat 12 ist in 4 angegeben. Der von der CMOS-Ansteuerschaltung gelieferte Strom ist derart, dass ein Ausmaß und eine Geschwindigkeit der Bewegung der aktiven Tintenausstoßstruktur 20 die Bildung eines Tintentropfens 70 außerhalb der Tintenausstoßöffnung 26 herbeiführt. Wenn der Strom in den inneren aktiven Teilbereichen 48 abgestellt wird, kühlen die inneren aktiven Teilbereiche 48 ab, was dazu führt, dass der Arm 44 zu einer in 1 gezeigten Position zurückkehrt. Wie vorstehend erläutert, ist das Material des Arms 44 derart, dass ein Freiwerden von Energie, die sich in den passiven Teilbereichen 46 aufgebaut hat, die Rückkehr des Arms 44 in seinen Ausgangszustand unterstützt. Der Arm 44 ist insbesondere so konfiguriert, dass er mit einer ausreichenden Geschwindigkeit in seine Ausgangsposition zurückkehrt, um eine Ablösung des Tintentropfens 70 von der Tinte 72 innerhalb der Düsenkammer 42 zu verursachen.
Im makroskopischen Maßstab wäre es nicht eingängig, eine Wärmeausdehnung und Wärmeschrumpfung von Material dazu zu verwenden, eine Bewegung einer funktionellen Komponente zu erzielen. Der Anmelder hat jedoch herausgefunden, dass – in einem mikroskopischen Maßstab – die sich aus der Wärmedehnung ergebende Bewegung schnell genug ist, um eine funktionelle Komponente Arbeit leisten zu lassen. Dies gilt insbesondere, wenn für die funktionelle Komponente geeignete Materialien wie etwa TiAlN ausgewählt werden.
An jedem Brückenabschnitt 58 ist eine Ankopplungsstruktur 30 angebracht. Wie vorstehend dargelegt ist, sind die Ankopplungsstrukturen 30 zwischen jeweiligen thermischen Betätigungseinheiten 28 und dem Dachbereich 22 angeordnet. Es sollte klar sein, dass der Brückenabschnitt 58 jeder thermischen Betätigungseinheit 28 einen bogenförmigen Weg verfolgt, wenn sich der Arm 44 in der vorstehend beschriebenen Art biegt und wieder gerade ausrichtet. Somit haben die Brückenabschnitte 58 der entgegengesetzt ausgerichteten Betätigungseinheiten 28 die Tendenz, sich bei Betätigung voneinander weg zu bewegen, während die aktive Tintenausstoßstruktur 20 einen geradlinigen Weg beibehält. Hieraus folgt, dass die Ankopplungsstrukturen 30 eine Bewegung in zwei Achsen aufnehmen sollten, um effektiv zu funktionieren.
In 6 sind Einzelheiten einer der Ankopplungsstrukturen 30 gezeigt. Es sollte klar sein, dass die andere Ankopplungsstruktur 30 einfach ein Gegenstück der in 6 gezeigten Struktur ist. Hieraus folgt, dass es zweckmäßig ist, nur eine der Ankopplungsstrukturen 30 zu beschreiben.
Die Ankopplungsstruktur 30 umfasst ein Verbindungselement 74, das am Brückenabschnitt 58 der thermischen Betätigungseinheit 28 angeordnet ist. Das Verbindungselement 74 hat eine allgemein planare Oberfläche 80, die zum Dachbereich 22 im Wesentlichen planparallel ist, wenn die Düsenanordnung 10 in einem Ruhezustand ist.
Zwei voneinander beabstandete proximale Zungen 82 sind am Verbindungselement 74 so angeordnet, dass sie sich in Richtung zum Dachbereich 22 erstrecken. Gleichermaßen sind zwei voneinander beabstandete distale Zungen 84 am Dachbereich 22 so angeordnet, dass sie sich in Richtung zum Verbindungselement 74 erstrecken, so dass die Zungen 82, 84 in einer gemeinsamen, zum Substrat 12 parallelen Ebene ineinander greifen. Die Zungen 82 liegen zwischen den Zungen 84.
Von jeder der Zungen 82 erstreckt sich ein Stab 86 zum Substrat 12. Gleichfalls erstreckt sich von jeder der Zungen 84 ein Stab 88 zum Substrat 12. Die Stäbe 86, 88 sind im Wesentlichen identisch. Die Verbindungsstruktur 30 umfasst eine Verbindungsplatte 90. Die Platte 90 liegt zwischen den Zungen 82, 84 und dem Substrat 12. Die Platte 90 verbindet Enden 92 der Stäbe 86, 88 miteinander. Somit sind die Zungen 82, 84 miteinander mit den Stäben 86, 88 und der Verbindungsplatte 90 verbunden.
Während der Herstellung der Düsenanordnung 10 umfassen Materialschichten, die abgeschieden und nachfolgend geätzt werden, Schichten aus TiAlN, Titan und Siliziumdioxid. Somit sind die thermischen Betätigungseinheiten 28, die Verbindungsplatten 90 und die statische Tintenausstoßstruktur 34 aus TuAlN hergestellt. Des Weiteren sind sowohl die Haltestrukturen 52, 56 als auch die Verbindungselemente 74 Verbundteile mit einer Schicht 94 aus Titan und einer Schicht 96 aus Siliziumdioxid, die über der Schicht 74 liegt. Die Schicht 74 ist so geformt, dass sie sich in den Brückenabschnitt 58 der thermischen Betätigungseinheit 28 einpasst. Die Stäbe 86, 88 und die Seitenwände 24 bestehen aus Titan. Die Zungen 82, 84 und der Dachbereich 22 bestehen aus Siliziumdioxid.
Wenn die CMOS-Ansteuerschaltung einen entsprechenden Strom in der thermischen Biegebetätigungseinheit 28 einstellt, wird das Verbindungselement 74 in einer bogenförmigen Bahn angetrieben, wie in 6 mit einem Pfeil 98 angedeutet ist. Dies führt dazu, dass von den Stäben 86 ein Schub auf die Verbindungsplatte 90 ausgeübt wird. Wie vorstehend beschrieben, ist an jeder der beiden entgegengesetzten Seiten 100 des Dachbereichs 22 eine Betätigungseinheit 28 angeordnet. Hieraus ergibt sich, dass der nach unten gerichtete Schub auf den Dachbereich 22 so übertragen wird, dass sich der Dachbereich 22 und die distalen Zungen 84 auf einer geradlinigen Bahn zum Substrat 12 hin bewegen. Der Schub wird auf den Dachbereich 22 mit den Stäben 88 und den Zungen 84 übertragen.
Die Stäbe 86, 88 und die Verbindungsplatte 90 sind so dimensioniert, dass sich die Stäbe 86, 88 und die Verbindungsplatte 90 verwinden können, um eine relative Verschiebung des Dachbereichs 22 und des Verbindungselements 74 aufzunehmen, wenn während des Ausstoßens von Tinte aus der Tintenausstoßöffnung 26 der Dachbereich 22 zum Substrat 12 hin verschoben wird. Das Titan der Stäbe 86, 88 hat einen Elastizitätsmodul, der dahingehend ausreicht, die Stäbe 86, 88 wieder in einen gerade ausgerichteten Zustand zurückkehren zu lassen, wenn sich der Dachbereich 22 von der Tintenausstoßöffnung 26 wegbewegt. Auch das TuAlN der Verbindungsplatte 90 verfügt über einen Elastizitätsmodul, der in dem Sinne ausreichend ist, die Verbindungsplatte 90 in einen Ausgangszustand zurückkehren zu lassen, wenn sich der Dachbereich 22 von der Tintenausstoßöffnung 26 wieder wegbewegt. Die Art und Weise, in der sich die Stäbe 86, 88 und die Verbindungsplatte 90 verwinden, ist in den 7 bis 12 angegeben.
Der Zweckmäßigkeit halber sei angenommen, dass das Substrat 12 horizontal liegt, so dass der Tintentropfenausstoß in einer vertikalen Richtung stattfindet.
Wie in 11 und 12 zu sehen ist, wird, wenn die thermische Biegebetätigungseinheit 28 einen Strom von der CMOS-Ansteuerschaltung erhält, das Verbindungselement 74 wie vorstehend dargelegt in Richtung zum Substrat 12 angetrieben. Dies dient dazu, die Verbindungsplatte 90 zum Substrat 12 hin zu verschieben. Die Verbindungsplatte 90 wiederum zieht den Dachbereich 22 mit den Stäben 88 zum Substrat 12. Wie vorstehend beschrieben, ist die Verschiebung des Dachbereichs 22 geradlinig und von daher vertikal. Hieraus folgt, dass eine Verschiebung der distalen Zungen 84 zwangsläufig auf einer vertikalen Bahn stattfindet. Die Verschiebung der proximalen Zungen 82 ist jedoch bogenförmig und hat sowohl eine vertikale als auch eine horizontale Komponente, wobei die horizontalen Komponenten allgemein vom Dachbereich 22 weg weisen. Die Verwindung der Stäbe 86, 88 und der Verbindungsplatte 90 nimmt daher die horizontale Bewegungskomponente der proximalen Zungen 82 auf.
Insbesondere ist es so, dass sich die Stäbe 86 verbiegen und sich die Verbindungsplatte 90 teilweise dreht, wie in 12 gezeigt ist. In diesem Betriebszustand haben die proximalen Zungen 82 einen Winkel in Bezug auf das Substrat. Dies dient dazu, die Position der proximalen Zungen 82 aufzunehmen. Wie vorstehend dargelegt wurde, verbleiben die distalen Zungen 84 in einer geradlinigen Bahn, wie in 8 durch einen Pfeil 102 angegeben ist. Somit widerstehen die Stäbe 88, die sich wie in 8 gezeigt als Ergebnis eines durch die Platte 90 übertragenen Drehmoments verbiegen, der teilweisen Drehung der Verbindungsplatte 90. Es sollte klar sein, dass ein Zwischenbereich 104 zwischen jedem Stab 86 und seinem benachbarten Stab 88 auch einer teilweisen Drehung unterworfen ist, wenn auch nicht in demselben Ausmaß wie der in 12 gezeigte Teil. Der in 8 gezeigte Teil wird dem geringsten Ausmaß der Drehung unterworfen, und zwar aufgrund der Tatsache, dass der Widerstand gegenüber einer solchen Drehung an den Stäben 88 am größten ist. Hieraus folgt, dass die Verbindungsplatte 90 teilweise entlang ihrer Länge verdreht wird, um die verschiedenen Ausmaße der Drehung aufzunehmen. Dieses teilweise Verdrehen ermöglicht es der Platte 90, als Torsionsfeder zu wirken, wodurch eine Ablösung des Tintentropfens 70 erleichtert wird, wenn sich der Dachbereich 22 vom Substrat 12 wegbewegt.
An diesem Punkt sollte klargestellt werden, dass die Zungen 82, 84, die Stäbe 86, 88 und die Verbindungsplatte 90 alle aneinander so befestigt sind, dass eine Relativbewegung dieser Komponenten nicht durch irgendeine relative Gleitbewegung zwischen diesen Komponenten erreicht wird.
Hieraus folgt, dass sich durch die Verbiegung der Stäbe 86, 88 drei Biegeknoten in jedem der Stäbe 86, 88 ergeben, da eine Schwenkbewe gung der Stäbe 86, 88 relativ zu den Zungen 82, 84 unterbunden ist. Dies erhöht eine Betriebselastizität der Stäbe 86, 88 und erleichtert daher auch eine Ablösung des Tintentropfens 70, wenn sich der Dachbereich 22 vom Substrat 12 wegbewegt.
In 13 ist mit der Bezugszahl 110 allgemein eine Düsenanordnung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Druckkopfchips für einen Tintenstrahldruckkopf angegeben. Mit Bezug auf die 1 bis 12 beziehen sich gleiche Bezugszahlen auf gleiche Teile, solange nichts anderes angegeben ist.
Die Düsenanordnung 110 umfasst vier symmetrisch angeordnete thermische Biegebetätigungseinheiten 28. Jede thermische Biegebetätigungseinheit 28 ist an einer jeweiligen Seite 112 des Dachbereichs 22 angeschlossen. Die thermischen Biegebetätigungseinheiten 28 sind im Wesentlichen identisch, um sicherzustellen, dass der Dachbereich 22 geradlinig verschoben wird.
Die statische Tintenausstoßstruktur 34 hat eine Innenwand 116 und eine Außenwand 118, die zusammen den Wandabschnitt 36 bilden. Eine nach innen gerichtete Leiste 114 ist an der Innenwand 116 angeordnet und erstreckt sich in die Düsenkammer 42.
Ein Abdichtungsgebilde 120 ist an der Außenwand 118 so angeordnet, dass es sich vom Wandabschnitt 38 nach außen erstreckt. Hieraus folgt, dass das Abdichtungsgebilde 120 und die Leiste 114 das Tintenverdrängungsgebilde 40 bilden.
Das Abdichtungsgebilde 120 umfasst einen Wiedereintrittsteilbereich 122, der zum Substrat 12 hin mündet. Eine Lippe 124 ist am Wiedereintrittsteilbereich 122 so angeordnet, dass sie sich horizontal vom Wiedereintrittsteilbereich 122 erstreckt. Das Abdichtungsgebilde 120 und die Seitenwände 24 sind so ausgelegt, dass, wenn sich die Düsenanordnung 110 in einem Ruhezustand befindet, die Lippe 124 und ein freier Rand 126 der Seitenwände 24 sich miteinander in einer horizontalen Ausrichtung befinden. Ein Abstand zwischen der Lippe 124 und dem freien Rand 126 ist derart, dass sich zwischen dem Abdichtungsgebilde 120 und dem freien Rand 126 ein Meniskus bildet, wenn die Düsenkammer 42 mit der Tinte 72 gefüllt ist. Wenn sich die Düsenanordnung 110 in einem Be triebszustand befindet, liegt der freie Rand 126 zwischen der Lippe 124 und dem Substrat 12, und der Meniskus dehnt sich aus, um diese Bewegung aufzunehmen. Hieraus folgt, dass sich zwischen dem Abdichtungsgebilde 120 und dem freien Rand 126 der Seitenwände 24 eine fluidische Dichtung bildet, wenn die Kammer 42 mit der Tinte 72 gefüllt ist.
Der Anmelder geht davon aus, dass durch die Erfindung eine Einrichtung bereitgestellt wird, wodurch eine im Wesentlichen geradlinige Bewegung einer Tinte ausstoßenden Komponente erzielt werden kann. Der Anmelder hat herausgefunden, dass diese Form der Bewegung die Effizienz der Betätigung der Düsenanordnung 10 erhöht. Darüber hinaus ergibt die geradlinige Bewegung der aktiven Tintenausstoßstruktur 20 eine saubere Tropfenbildung und -ablösung, eine Eigenschaft, die das Hauptziel von Tintenstrahldruckkopfherstellern darstellt.

Claims

Druckkopfchip für einen Tintenstrahldruckkopf, wobei der Druckkopfchip umfasst: ein Substrat (12), und eine Vielzahl von Düsenanordnungen (10), die auf dem Substrat angeordnet sind, wobei jede Düsenanordnung umfasst: eine aktive Tintenausstoßstruktur (20), die auf dem Substrat angeordnet und von diesem beabstandet ist, wobei die aktive Tintenausstoßstruktur einen Dachbereich mit einer darin ausgebildeten Tintenausstoßöffnung hat; eine auf dem Substrat angeordnete, statische Tintenausstoßstruktur (34), wobei die aktive Tintenausstoßstruktur und die statische Tintenausstoßstruktur zusammen eine Düsenkammer ausbilden, die in Fluidverbindung mit einem Tintenvorrat steht, wobei die aktive Tintenausstoßstruktur bezüglich der statischen Tintenausstoßstruktur zum Substrat hin und von diesem weg verschoben werden kann, um ein Volumen der Düsenkammer zu verkleinern bzw. zu vergrößern, um einen Tintentropfen aus der Düsenkammer auszustoßen; und gekennzeichnet durch zumindest zwei Betätigungseinheiten, die mit der aktiven Tintenausstoßstruktur in Wirkverbindung stehen, um die aktive Tintenausstoßstruktur in Bezug auf die statische Tintenausstoßstruktur zum Substrat hin und von diesem weg zu verschieben, wobei die Betätigungseinheiten so konfiguriert und mit der aktiven Tintenausstoßstruktur so verbunden sind, dass der aktiven Tintenausstoßstruktur eine im Wesentlichen geradlinige Bewegung erteilt wird.
Druckkopfchip nach Anspruch 1, der das Produkt eines Verfahrens zur Herstellung einer integrierten Schaltung ist.
Druckkopfchip nach Anspruch 2, bei dem das Substrat eine CMOS-Ansteuerschaltung beinhaltet, wobei jede Betätigungseinheit an die CMOS-Ansteuerschaltung angeschlossen ist.
Druckkopfchip nach Anspruch 1, bei dem um die aktive Tintenausstoßstruktur herum eine Anzahl von Betätigungseinheiten in einer im Wesentlichen rotationssymmetrischen Art angeordnet sind.
Druckkopfchip nach Anspruch 4, der ein Paar von im Wesentlichen identischen Betätigungseinheiten umfasst, wobei an jeweils einem Paar entgegengesetzter Seiten der aktiven Tintenausstoßstruktur eine Betätigungseinheit angeordnet ist.
Druckkopfchip nach Anspruch 3, bei dem die aktive Tintenausstoßstruktur Seitenwände umfasst, die vom Dachbereich herabhängen, wobei die Seitenwände so dimensioniert sind, dass sie die statische Tintenausstoßstruktur begrenzen.
Druckkopfchip nach Anspruch 6, bei dem die statische Tintenausstoßstruktur ein Tintenverdrängungsgebilde bildet, das vom Substrat beabstandet und dem Dachbereich der aktiven Tintenausstoßstruktur zugewandt ist, wobei das Tintenverdrängungsgebilde einen Tintenverdrängungsbereich bildet, der so dimensioniert ist, dass er das Ausstoßen von Tinte aus der Tintenausstoßöffnung erleichtert, wenn die aktive Tintenausstoßstruktur zum Substrat hin verschoben wird.
Druckkopfchip nach Anspruch 7, bei dem das Substrat eine Vielzahl von Tinteneinlasskanälen bildet, wobei in jede jeweilige Düsenkammer an einer Tinteneinlassöffnung ein Tinteneinlasskanal mündet.
Druckkopfchip nach Anspruch 8, bei dem der Tinteneinlasskanal jeder Düsenanordnung unter weitgehender Ausrichtung mit der Tintenausstoßöffnung in die Düsenkammer mündet, wobei die statische Tintenausstoßstruktur über der Tinteneinlassöffnung angeordnet ist.
Druckkopfchip nach Anspruch 1, bei dem jede Betätigungseinheit in Form einer thermischen Biegebetätigungseinheit vorliegt, wobei jede thermische Biegebetätigungseinheit am Substrat an einem Ende verankert und in Bezug auf das Substrat an einem entgegengesetzten Ende bewegbar ist, und einen Betätigungsarm hat, der sich biegt, wenn am Betätigungsarm eine unterschiedliche thermische Ausdehnung eingestellt wird, wobei jede thermische Biegebetätigungseinheit so an die CMOS-Ansteuerschaltung angeschlossen ist, dass sie sich zum Substrat hin biegt, wenn die thermische Biegebetätigungseinheit von der CMOS-Ansteuerschaltung ein Ansteuersignal empfängt.
Druckkopfchip nach Anspruch 10, der zumindest zwei Ankopplungsstrukturen umfasst, wobei eine Ankopplungsstruktur zwischen jeder Betätigungseinheit und der aktiven Tintenausstoßstruktur angeordnet ist, und jede Ankopplungsstruktur so konfiguriert ist, dass sie sowohl die bogenförmige Bewegung des entgegengesetzten Endes jeder thermischen Biegebetätigungseinheit aufnimmt als auch die im Wesentlichen geradlinige Bewegung der aktiven Tintenausstoßstruktur.
Druckkopfchip nach Anspruch 1, bei dem das aktive Tintenausstoßelement und das statische Tintenausstoßelement so geformt sind, dass, wenn in der Düsenkammer Tinte enthalten ist, die Tintenausstoßelemente und die Tinte eine fluidische Dichtung bilden, um ein Austreten von Tinte aus der Düsenkammer zwischen den Tintenausstoßelementen zu unterbinden.