DE69203934T2

DE69203934T2 - Thermischer Tintenstrahldruckkopf welcher sich über die Breite des Blattes erstreckt.

Info

Publication number: DE69203934T2
Application number: DE69203934T
Authority: DE
Inventors: Donald J Drake
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1991-05-10
Filing date: 1992-05-06
Publication date: 1996-03-21
Anticipated expiration: 2012-05-07
Also published as: DE69203934D1; US5160945A; EP0512799A3; EP0512799B1; JP2752843B2; EP0512799A2; JPH05138885A

Description

Diese Erfindung betrifft thermisches Tintenstrahldrucken auf Anforderung und insbesondere thermische Tintenstrahldruckköpfe in Blattbreite.
Es gibt zwei allgemeine Ausgestaltungen bei thermischen Tintenstrahldruckköpfen mit Tröpfchen auf Anforderung. Bei einer Ausgestaltung werden Tröpfchen von Düsen in einer Richtung parallel zu dem Tintenfluß in Tintenkanälen und parallel zu der Oberfläche der blasenerzeugenden Heizelemente des Druckkopfs vorwärtsbewegt, wie beispielsweise die Druckkopfausgestaltung, die in dem erneut ausgegebenen US Patent RE 32,572 von Hawkins u. a. geoffenbart und schematisch in Fig. 1 gezeigt ist. Diese Ausgestaltung wird manchmal als eine Kanten- oder Seitenausstoßvorrichtung bezeichnet. Die andere thermische Tintenstrahlkonfiguration bewegt Tröpfchen von Düsen in einer Richtung normal zu oder Oberfläche der blasenerzeugenden Heizelemente, wie beispielsweise der Druckkopf, der in dem US Patent 4,568,953 von Aoki u. a. geoffenbart ist. Diese letztgenannte Ausgestaltung wird manchmal als eine Aufwärtsausstoßeinrichtung bezeichnet und ist schematisch in Fig. 2 dargestellt. Man kannn sehen, daß ein grundsätzlicher Unterschied in der Richtung des Tröpfchenausstoßes liegt. Die Seitenausstoßkonfiguration stößt Tröpfchen in der Ebene des Substrats aus, das die Heizelemente aufweist, während die Aufwärtsausstoßeinrichtung Tröpfchen aus der Ebene des Substrats heraus, das die Heizelemente aufweist, und in einer dazu normalen Richtung ausstößt.
Das erneut ausgegebene US Patent Nr. RE 32,572 von Hawkins u. a. offenbart eine Seitenausstoßkonfiguration für einen thermischen Tintenstrahldruckkopf und verschiedene Herstellungsverfahren für diesen. Jeder Druckkopf ist aus zwei Teilen zusammengesetzt, die zueinander ausgerichtet und miteinander verbunden sind. Ein Teil ist im wesentlichen ein flaches Substrat, das auf seiner Oberfläche eine lineare Mehrfachanordnung von Heizelementen und Adreßelektroden enthält, und der zweite Teil ist ein Substrat, das wenigstens eine Ausnehmung aufweist, die anisotrop darin geätzt ist, um als eine Tintenvorratsverzweigung zu dienen, wenn die zwei Teile miteinander verbunden sind. Eine lineare Mehrfachanordnung von parallelen Nuten ist auch in dem zweiten Teil so geformt, daß ein Ende von jeder der Nuten mit der Verzweigungsausnehmung in Verbindung steht, und daß das andere Ende zur Verwendung als eine ein Tintentröpfchen ausstoßende Düse offen ist. Viele Druckköpfe können gleichzeitig gemacht werden, indem eine Vielzahl von Gruppen von Heizelementmehrfachanordnungen mit ihren Adreßelektroden auf einem Siliciumwafer erzeugt werden. Eine entsprechende Vielzahl von Gruppen von Kanälen und verbundenen Verzweigungen werden in einem zweiten Siliciumwafer erzeugt. Die zwei Wafer werden zueinander ausgerichtet und miteinander verbunden und dann in viele getrennte Druckköpfe gespalten. Die Druckköpfe können bei Druckern vom Wagentyp verwendet werden, um Informationsstreifen zu drucken und dann das Aufzeichnungsmedium um einen Streifen weiter zu schalten und fortzufahren, benachbarte Informationsstreifen zu drucken, bis eine volle Seite mit Informationen gedruckt ist. Alternativ können die Druckköpfe als Untereinheiten eines blattweiten Druckkopfes betrachtet und konstruktionsmäßig auf einer Bilderzeugungsstange zum blattweiten Drucken angeordnet werden. Beim Drucken in Blattweite können die Druckköpfe zusammengebaut werden, indem eine Vielzahl von Druckkopfuntereinheiten endseitig auf der Bilderzeugungsstange aneinander anstoßen oder indem sie auf zwei getrennten Bilderzeugungsstangen versetzt werden oder auf entgegengesetzten Seiten derselben Bilderzeugungsstange.
Das US Patent Nr. 4,568,953 von Aoki u. a. offenbart einen thermischen Tintenstrahldruckkopf, bei dem Tröpfchen auf Anforderung durch Düsen ausgestoßen werden, die oberhalb und parallel zu den Heizelementen ausgerichtet sind, so daß die Tröpfchenbahnen normal zu den Heizelementen sind. Um ein Verstopfen der Düse zu verhindern, läßt man die Tinte durch den Druckkopf und durch innere Durchlässe umlaufen, deren Strömungsquerschnittsflächen größer als die Düsen sind. Dies ermöglicht, daß teilchenförmiges Material, das größer als die Düsen ist, hindurchgehen kann und von der umlaufenden Tinte mitgespült zu wird, die in den Druckkopf durch Einlaß- und Auslaßröhren eintritt und ihn verläßt.
Das US Patent Nr. 4,789,425 von Drake u. a. offenbart einen thermischen Tintenstrahlkopf vom Aufwärtsausstoßtyp, wobei jeder Druckkopf eine Siliciumheizplatte und ein ein Fluid lenkendes Bauteil umfaßt. Die Heizplatte weist eine lineare Vielfachanordnung von Heizelementen auf, verbundene Adreßelektroden und ein längliches, mit Tinte gefülltes Loch parallel zu der Heizelementvielfachanordnung. Das Bauteil enthält wenigstens einen ausgenommenen Hohlraum, eine Vielzahl von Düsen und eine Vielzahl von parallelen Wänden innerhalb des ausgenommenen Hohlraumes, die einzelne Tintenkanäle begrenzen, um die Tinte zu den Düsen zu lenken. Der ausgenommene Hohlraum und das Fülloch stehen miteinander in Verbindung und bilden den Tintenbehälter innerhalb des Druckkopfes. Das Tintenhaltevermögen der Füllöcher ist größer als daß des ausgenommenen Hohlraumes. Das Fülloch ist genau geformt und in der Heizplatte durch anisotropes Ätzen positioniert. Das Bauteil kann entweder aus zwei Schichten von Fotoresist, einer zweistufigen, flachen, Nickelgalvanoform oder einer einzelnen Fotoresistschicht und einer einstufigen, flachen Nickelgalvanoform hergestellt werden.
Das US Patent Nr. 4,829,324 von Drake u. a. offenbart einen Tintenstrahldruckkopf mit einer großen Vielfachanordnung, der zwei Grundteile aufweist, von denen einer eine Vielzahl von Heizelementen und Adreßelektroden auf einer Oberfläche aufweist, und der andere das Zuführsystem für die flüssige Tinte enthält. Zumindest der Teil, der das Zuführsystem für die Tinte enthält, ist aus Silicium und ist aus allgemein identischen Untereinheiten zusammengebaut, die nebeneinander ausgerichtet und miteinander auf der Oberfläche des Teils verbunden sind, das die Heizelementvielfachanordnung aufweist. Bei einer Ausführungsform ist eine Mehrzahl von Kanalplattenuntereinheiten anisotrop in einen Siliciumwafer geätzt, und eine Mehrzahl von Heizelementuntereinheiten ist auf einem anderen Siliciumwafer gebildet. Der Heizelementwafer ist auch anisotrop mit länglichen Schlitzen geätzt. Die Wafer werden zueinander ausgerichtet und miteinander verbunden, dann in vollständige Druckkopfuntereinheiten gespalten, die aneinander anstoßende Seitenoberflächen haben, die {111} Ebenen zum genauen Zusammenbau nebeneinander sind.
Das US Patent Nr. 4,851,371 von Fisher u. a. und das US Patent Nr. 4,935,750 von Hawkins offenbaren ein kostenwirksames Verfahren zum Herstellen einer großen Mehrfachanordnung oder blattweiten Siliciumeinrichtung, die eine hohe Auflösung aufweist. Die blattweite Einrichtung wird zusammengebaut, indem Siliciumeinrichtungsuntereinheiten aneinanderstoßen, wie Bildsensoren oder thermische Tintenstrahldruckköpfe. Für Druckköpfe sind die Untereinheiten voll funktionsfähige, kleine Druckköpfe, die eine den Tintenfluß lenkende Kanalplatte und eine Heizelementplatte umfassen, die miteinander verbunden sind. Eine Mehrzahl von einzelnen Druckkopfuntereinheiten wird erhalten, indem zueinander ausgerichtete und miteinander verbundene Kanalwafer und Heizelementwafer gespalten werden. Die aneinander anstoßenden Seiten der Druckkopfuntereinheiten werden derart gespalten, daß die sich ergebenden Kerbschnitte vertikale nach innen gerichtete Seiten haben, die ein lineares Anstoßen von benachbarten Untereinheiten mit hoher Toleranz ermöglichen. US Patent 4,935,750 zeigt einen blattweiten, thermischen Tintenstrahldruckkopf gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und offenbart, wie ein blattweiter Druckkopf weiter stabilisiert und durch Zusammenbau von Druckkopfuntereinheiten auf einem flachen, Bauelement fester gemacht werden kann. Der Zusammenbau des blattweiten Druckkopfes ist vollständig, wenn eine längliche, hohle Leitungseinrichtung, die eine Mehrzahl von Auslässen aufweist, über den Untereinheiten angebracht ist, wobei jeder Auslaß zu einem der Einlässe der Druckkopfuntereinheiten ausgerichtet ist. Dichtungen sind dicht an den Auslässen der Leitungseinrichtung durch beispielsweise ein Klebemittel abgedichtet, das vorher auf die Dichtung siebgedruckt worden ist. Die Dichtung umgibt den Einlaß und Auslaß der Druckkopfuntereinheit für die Leitungseinrichtung und verhindert, daß Tinte, die den Druckkopfuntereinheiten über die Leitungseinrichtung zugeführt worden ist, an der Grenzfläche zwischen ihnen leckt.
US Patent Nr. 4,985,710 von Drake u. a. offenbart einen blattweiten "Aufwärtsausstoß"-Druckkopf zur Verwendung bei einer thermischen Tintenstrahldruckeinrichtung, die aus einer Mehrzahl von Untereinheiten hergestellt ist, wobei jede erzeugt wird, indem ein Heizsubstrat, das eine Architektur einschließlich einer Mehrfachanordnung von Heizelementen und von geätzten Tintenzuführschlitzen aufweist, mit einem sekundären Substrat verbunden wird, das eine Reihe von beabstandeten Zuführlochöffnungen aufweist, um ein kombiniertes Substrat zu bilden, in dem die Reihe von beabstandeten Zuführlochöffnungen mit dem Tintenzuführschlitz in Verbindung steht, und in dem die kombinierten Substrate durch den Tintenzuführschlitz hindurch gespalten werden, um eine Untereinheit zu bilden. Eine Mehrfachanordnung von aneinanderstoßenden Untereinheiten, die eine Länge gleich einer Blattweite haben, wird gebildet, indem eine der Untereinheiten gegen eine benachbarte Untereinheit angestoßen wird. Die Mehrfachanordnung von aneinander anstoßenden Untereinheiten wird mit einem blattweiten Stützsubstrat verbunden. Das sekundäre Substrat liefert eine integrale Haltestruktur, um die Ausrichtung der Heizplatte aufrechtzuerhalten die, wenn sie durch das Zuführloch ohne das sekundäre Substrat gespalten wird, in einzelne Teile zerfiele, wodurch die Ausrichtung und der Zusammenbauvorgang verkompliziert würden.
Es ist die Zielsetzung der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten, blattweiten, thermischen Tintenstrahldruckkopf zu schaffen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung, wie sie im Anspruch 1 beansprucht ist, wird ein blattweiter, thermischer Tintenstrahldurckkopf für einen Tintenstrahldrucker aus vollständig funktionierenden Druckkopfuntereinheiten vom Aufwärtsausstoßtyp zusammengebaut, die fest auf der Oberfläche einer Seite einer Konstruktionsstange angebracht werden. Ein Durchgang ist in der Stange und nahe der Seitenoberfläche der Stange gebildet, die die Druckkopfuntereinheiten enthält, wobei Öffnungen zwischen dem Durchgang und den Tinteneinlässen der Druckkopfuntereinheiten vorgesehen sind, die daran angebracht sind, so daß Tinte, die dem Durchgang in der Stange zugeführt wird, die einzelnen Untereinheiten voll mit Tinte aufrechterhalten. Die Dicke der Konstruktionsstange ermöglicht, daß die Stange massiv genug ist, ein Verziehen wegen der Betriebstemperaturen des Druckkopfes zu verhindern.
Genauer gesagt schafft die vorliegende Erfindung einen blattweiten, thermischen Tintenstrahldruckkopf, wie er in irgendeinem der beigefügten abhängigen Ansprüchen festgelegt ist.
Zum Farbdrucken, wo eine Mehrzahl von blattweiten Druckköpfen gemäß der Erfindung verwendet werden, kann die Größe des Druckbereiches minimiert werden, weil die Aufwärtsausstoß- Druckkopfuntereinheiten auf einer Seite der Konstruktionsstange angebracht sind und übereinander ohne die Notwendigkeit aufgestapelt werden können, einen Raum für die Druckkopfuntereinheiten und/oder Tintenzuführverzweigungen oder Leitungen vorzusehen.
Nur in beispielhafter Weise werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen
Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht eines typischen thermischen, Tintenstrahldruckkopfes vom Seitenausstoßtyp nach dem Stand der Technik ist.
Fig. 2 eine schematische Querschnittsansicht eines typischen, thermischen, Tintenstrahldruckkopfes vom Aufwärtsausstoßtyp nach dem Stand der Technik ist.
Fig. 3A eine Vorderansicht eines typischen, blattweiten Druckkopfes nach dem Stand der Technik ist, der durch versetzte Seitenausstoß-Druckkopfuntereinheiten auf zwei getrennten Konstruktionsstangen gebildet ist.
Fig. 3B eine Vorderansicht eines typischen, blattweiten, Druckkopfes nach dem Stand der Technik ist, der durch Seitenausstoß-Druckkopfuntereinheiten in einer versetzten Mehrfachanordnung auf gegenüberliegenden Seiten einer einzigen Konstruktionsstange gebildet ist.
Fig. 4 eine isometrische Teilansicht des blattweiten Druckkopfes nach dem Stand der Technik ist, der in Fig. 3A gezeigt ist.
Fig. 5 eine vergrößerte, teilweise gezeigte Vorderansicht eines typischen, blattweiten Druckkopfes nach dem Stand der Technik ist, der durch das Anstoßen kleinerer, Seitenausstoß-Druckkopfuntereinheiten gebildet ist, der durch das Anstoßen der Untereinheiten auf einer einzelnen Konstruktionsstange erzeugt ist.
Fig. 6 eine isometrische Teilansicht eines blattweiten Druckkopfes gemäß der vorliegenden Erfindung ist, der durch versetzte Aufwärtsausstoß-Druckkopfuntereinheiten auf einer einzigen Konstruktionsstange gebildet ist.
Fig. 7 schematisch das Verziehen der in Fig. 3A verwendeten Konstruktionsstange zeigt.
Fig. 8 eine Vorderansicht eines mehrfarbigen, blattweiten, thermischen Tintenstrahldruckkopfes ist, der aus einer Mehrzahl der in Fig. 6 gezeigten Druckköpfe konstruiert ist.
Fig. 9 eine Vorderansicht eines mehrfarbigen, blattweiten Druckkopfes ist, der aus einer Mehrzahl der in Fig. 5 gezeigten blattweiten Druckköpfe gebildet ist.
In Fig. 1 ist ein typischer, thermischer Tintenstrahldruckkopf 10 vom Seitenausstoß- oder Kantenausstoßtyp schematisch in Querschnittsansicht gezeigt, wobei der kapillargefüllte Kanal 10 mit einer Düse 14 an der Kante oder der Seite 13 des Druckkopfes endet. Das andere Ende des Kanals steht mit dem Behälter 17 in Verbindung, der anisotrop in die Siliciumkanalplatte 11 geätzt ist. Gleichzeitig mit dem Behälter oder bei einem getrennten Ätzschritt werden die Kanäle 12 in die Kanalplatte 11 geätzt, wie es in der erneut ausgegebenen US 32,572 von Hawkins u. a. und dem US Patent 4,935,750 von Hawkins geoffenbart ist. Die Heizplatte 16 enthält die Heizelemente 20 und passivierte Adreßelektroden 21 und eine gemeinsame Rückleitung 22 (die Passivierungsschicht ist nicht gezeigt) über der die Dickfilmschicht 23 laminiert und gemustert ist, um einzelne Ausnehmungen über jedem Heizelement zu schaffen, um Vertiefungen 24 zu bilden. Die Behälter 17 werden durch Ätzen geformt, die einen Einlaß 25 zum Eintritt von Tinte 32 durch das Filter 18 bereitstellen, das über dem Einlaß angeordnet ist. Wie es auf dem Gebiet gut bekannt ist, verdampft ein elektrischer Impuls, der an das Heizelement angelegt wird, momentan die Tinte und bildet eine Blase 19, die das Tröpfchen 15 aus der Düse 14 ausstößt. Die Tinte in dem Kanal wird durch Kapillarwirkung von dem Behälter 17 zugeführt, wie es durch den Pfeil 31 gezeigt ist.
Ein typischer, thermischer Tintenstrahldruckkopf vom Aufwärtsausstoßtyp ist in Fig. 2 gezeigt. Bei dieser Ausgestaltung hat die Siliciumheizplatte 27 einen Behälter oder Zuführschlitz 30, der durch sie hindurch geätzt worden ist. Der Einlaß 25 ist mit dem Filter 18 überdeckt. Eine Mehrfachanordnung von Heizelementen 20 sind als Muster auf einer Heizplattenoberfläche 33 nahe dem offenen Boden des Behälters 30. Die Heizelemente werden selektiv über passivierte Adreßelektroden 21 und eine gemeinsame Rückleitung 22 (die passivierte Schicht ist nicht gezeigt) adressiert. Eine Strömungslenkschicht 29 ist als Muster ausgebildet, um Strömungswege für die Tinte von dem Behälter zu einer Stelle oberhalb der Heizelemente zu bilden, wie es durch den Pfeil 31 gezeigt ist. Eine Düsenplatte 28, die die Düsen 14 enthält, ist zu der Strömungslenkschicht 29 ausgerichtet und mit ihr verbunden, so daß die Düsen unmittelbar oberhalb der Heizelemente sind. Elektrische Signale, die vorübergehend an das Heizelement angelegt werden, verdampfen die Tinte und bilden Tröpfchen ausstoßende Blasen 19, die Tröpfchen 15 in einer zu dem Heizelement normalen Richtung ausstoßen.
Figur 3A zeigt eine Ausführungsform nach dem Stand der Technik eines blattweiten, thermischen Tintenstrahlkopfes, bei dem vollfunktionsfähige Druckkopfuntereinheiten vom Seitenausstoßtyp auf einer Konstruktionsstange 38 in gleich beabstandeter Weise angebracht sind. Die Konstruktionsstangen mit den Seitenausstoß-Druckköpfen 10 sind ähnlich wie jene, die in Fig. 1 gezeigt sind, zusammen durch Stangenverbindungen 39 befestigt, die Befestigungsflansche 40 haben. Die Druckköpfe von jeder Konstruktionsstange werden mit Tinte von einer Verzweigung 37 versorgt, die Öffnungen hat - (nicht gezeigt), die zu den Einlässen der Druckkopfuntereinheiten ausgerichtet und an ihnen abgedichtet sind. Die Stangenverbindungen liefern den geeigneten Abstand zwischen den Stangen, um einen Zwischenraum für die Tintenverzweigungen sowie die Druckkopfuntereinheiten vorzusehen. Die Konstruktionsstangen und die Verbindungen sind aneinander durch beispielsweise Bolzen 41 fest befestigt. Die Druckkopfuntereinheiten an einer der Konstruktionsstangen sind gegen die Druckkopfuntereinheiten der anderen Konstruktionsstange versetzt, um eine blattweite Überdeckung durch die Tröpfchen zu schaffen, die von den Düsen aus all den Druckkopfuntereinheiten ausgestoßen werden. Zur Erleichterung des Verständnisses der Ausrichtung des blattweiten Druckkopfes sind die X, Y und Z Koordinaten in Fig. 3A gezeigt, wobei die Z Richtung die Richtung ist, wie sich die Tröpfchen von den Druckkopfdüsen zu dem Aufzeichnungsmedium bewegen. Die X Richtung ist in einer Ebene parallel zu dem Aufzeichnungsmedium, und die Y Richtung zeigt die Bewegungsrichtung des Aufzeichnungsmediums an dem blattweiten Druckkopf vorbei an. In Anbetracht dessen würden sich somit die Tröpfchen von den Düsen in der Papierebene in einer von ihr senkrechten Richtung zu dem Betrachter bewegen. Ein alternativer blattweiter Druckkopf nach dem Stand der Technik, der Seitenausstoß- Druckkopfuntereinheiten verwendet, ist in Fig. 3B gezeigt, wo eine einzige Konstruktionsstange 38 mit Stangenflanschen 40 zur Befestigung an beiden Seiten verwendet wird, und wobei die thermischen Seitenausstoß-Tintenstrahldruckkopfuntereinheiten in einer versetzten Weise auf gegenüberliegenden Seiten davon befestigt sind. Die Druckkopfuntereinheiten auf jeder Seite der Stange haben eine Tintenverzweigung 37 mit Öffnungen (nicht gezeigt), die zu den Einlässen der Druckkopfuntereinheiten ausgerichtet und an ihnen abgedichtet sind, um das Auslecken von Tinte von ihnen zu verhindern.
Bezug nehmend auf die Fig. 4 ist ein Teil des blattweiten Druckkopfes der Fig. 3A in isometrischer Darstellung gezeigt, wobei die Tintenzuführverzweigungen 37 teilweise mit unterbrochener Linie gezeigt sind. Die X, Y und Z Koordinaten zeigen die Ausrichtung der Druckkopfuntereinheiten 10 relativ zu dem Aufzeichnungsmedium (nicht gezeigt). In dieser Figur sind die Untereinheiten mit den Signalzuführleitungen 43 gezeigt, die über Drahtverbindungen 42 an den Druckkopfelektroden 21 angebracht sind.
Eine andersartige Ausführungsform eines blattweiten Druckkopfes nach dem Stand der Technik ist in Fig. 5 gezeigt. Bei dieser Ausgestaltung ist eine vergrößerte, teilweise gezeigte Vorderansicht eines blattweiten Tintenstrahldruckkopfes 48 von der Art gezeigt, die aus endseitig aneinander anstoßenden Seitenausstoß-Druckkopfuntereinheiten 10A zusammengebaut ist. Die Länge ist die Weite einer Seite oder ungefähr 8,5 Zoll (21,6 cm) bis 11 Zoll (28 cm), und die Höhe W der Vorderseite des Druckkopfes und die Tintenzuführverzweigung ist ungefähr 0,50 bis 1,0 Zoll (1,25 bis 2,5 cm). Schematisch dargestellte Heizelemente 20 sind in jedem Kanal 12 durch Düsen 14 hindurch gezeigt. Bei dieser blattweiten Ausführungsform ist eine sehr kleine V-Nute 59 in die Oberfläche des Heizplattenwafers parallel zu und auf gegenüberliegenden Seiten von jedem Satz von Heizelementen wahlweise anisotrop geätzt, so daß das etwas abgeschrägte Spalten, das verwendet wird, abgeschrägte Wände 49 zu erzeugen, nicht durch die Oberfläche 50 hindurchschneidet, die die Heizelemente und Halteelektroden und Schaltung (nicht gezeigt) enthält. Dies schließt alle Mikrosprünge aus, weil die Spaltklinge nur außerhalb der {111} Ebene der sehr kleinen V-Nut 59 schneidet. Die gegenüberliegenden Wände 49 der Heizplatte 16a wurden vorzugsweise mit einer etwas abgeschrägten Spaltklinge hergestellt, um das Aneinanderstoßen der Druckkopfuntereinheiten 10a mit geringer Toleranz zu ermöglichen. Die entgegengesetzt geneigten Wände 49 erzeugen Zwischenräume 53, weil die untere Oberfläche der Heizplatten 16A kleiner als die obere Oberfläche 50 ist, wenn der Spaltschnitt mit den abgeschrägten Spaltklingen gemacht wird, die in gleichen aber entgegengesetzten Richtungen geneigt sind. Um den blattweiten Druckkopf 48 zu verstärken, werden die Zwischenräume 53 zwischen den Heizplatten 16A, die besonders durch abgeschrägte Kerben erzeugt worden sind, die geneigte oder abgeschrägte Wände 49 erzeugen, wahlweise mit einem fließbaren Epoxy oder anderem geeigneten Klebemittel (nicht gezeigt) gefüllt. Der blattweite Druckkopf 48 kann ferner durch den Zusammenbau der Druckkopfuntereinheiten 10A auf einem flachen Konstruktionselement 38 stabilisiert und verstärkt werden. Der blattweite Druckkopf 48 wird durch eine längliche, hohle Verzweigung 37 vervollständigt, die Auslässe 34 hat, von denen jeder zu Einlässen der Druckkopfuntereinheiten 10A ausgerichtet ist. Dichtungen 35 sind an der Verzweigung 37 mit einem geeigneten Klebemittel dicht angebracht. Die Dichtung umgibt die Einlässe und Auslässe der Verzweigung der Druckkopfuntereinheit dichtend und verhindert, daß den Druckkopfuntereinheiten über die Verzweigung zugeführte Tinte an der Grenzfläche zwischen ihnen leckt. Wegen einer mehr ins einzelne gehende Beschreibung dieses Standes der Technik eines blattweiten Druckkopfes wird auf US Patent 4,935,750 von Hawkins verwiesen. Die X, Y, Z Koordinaten sind für diese Figur auch gezeigt; somit werden die Tröpfchen aus der Blattebene, die die Fig. 5 enthält, und in einer zu dieser normalen Richtung und in einer Richtung zu dem Betrachter ausgestoßen.
Bezug nehmend auf Fig. 6 ist ein blattweiter, thermischer Tintenstrahldruckkopf 60 gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt, der Druckkopfuntereinheiten 26A vom Aufwärtsausstoßtyp verwendet. Die Druckkopfuntereinheiten, von denen jede eine ähnliche Konstruktion aufweist, wie die in Fig. 2 gezeigte, sind an der Seite 67 der Konstruktionsstange 72 in zwei Reihen in einer versetzten Weise angebracht. Jeder Einlaß der Druckkopfuntereinheit ist zu Öffnungen 65 in der Stange 62 ausgerichtet, die die Behälter 30 der Druckkopfuntereinheiten (siehe Fig. 2) in Verbindung mit einem Tintenzuführdurchlaß 64 bringen, der in der Stange nahe der Stangenkante 67 gebildet ist. Flexible Kabel 46 mit Signalleitungen 43 darin sind auf der Oberfläche 68 der Konstruktionsstange 62 angebracht und mit Elektroden 21 (Fig. 2) der Druckkopfuntereinheiten durch beispielsweise Drahtverbinden (nicht gezeigt) verbunden. Befestigungsflansche 66 sind an jedem Ende der Konstruktionsstange angebracht, um ein Mittel zum Befestigen des blattweiten Druckkopfes in einem Drucker vorzusehen. Jede Druckkopfuntereinheit 26A enthält zwei Reihen von Düsen, die gegeneinander versetzt sind, und eine Querschnittsansicht durch eine Düse ist in Fig. 2 dargestellt. Um einfach einen Durchgang für die Tinte vorzusehen, umfaßt die Konstruktionsstange zwei Teile, der Hauptteil hat eine Nut 64, die durch eine Seite von ihr gefräst ist, und der andere Teil ist eine Abdeckung 63, die über der Nut verbunden ist und die Öffnungen 65 durch sie hindurch enthält. Die Länge der blattweiten Stange ist mit der Abmessung L bezeichnet, die mindestens die Länge über die Weite des Aufzeichnungsmediums ist, auf das in dem Druckbereich des Druckers gedruckt werden soll. Die Weite der Konstruktionsstange ist bemessen, zwei Druckkopfuntereinheiten aufzunehmen und ist mit der Abmessung W angegeben. Die Dicke oder die Tiefe der Stange ist als Abmessung T gezeigt. Eine äußere Tintenzufuhr (nicht gezeigt) befindet sich an einer von dem blattweiten Druckkopf beabstandeten Stelle und liefert Tinte durch Schläuche (nicht gezeigt) zu dem Durchgang 64 in der Konstruktionsstange. Die Enden des Schlauches sind abdichtend an den Durchgang 64 durch bekannte Verbindungseinrichtungen angebracht.
Wie es bereits erwähnt worden ist, gibt es zwei grundsätzliche Druckkopfarchitekturen für thermische Tintenstrahldruckköpfe. Eine ist der Kantenausstoß- oder Seitenausstoßdruckkopf, der in Fig. 1 gezeigt ist. Die andere ist der Aufwärtsausstoß-Druckkopf, der in Fig. 2 gezeigt ist. Man kann sehen, daß ein grundsätzlicher Unterschied in der Richtung des Tropfenausstoßes liegt. Bei der Seitenausstoß- Ausgestaltung werden Tröpfchen in einer Ebene parallel zu den Oberflächen der Heizelemente auf der Heizplatte ausgestoßen, während bei der Aufwärtsausstoß-Konfiguration die Tröpfchen in einer Richtung normal zu der Oberfläche des Heizelements ausgestoßen werden.
Bei der Konstruktion einer blattweiten Mehrfachanordnung von thermischen Tintenstrahldruckkopfuntereinheiten, um eine blattweite, thermische Tintenstrahldruckstange herzustellen, gibt es beträchtliche Unterschiede bei den Architekturen der Druckstange in Abhängigkeit davon, welche Architektur für die Druckkopfuntereinheit verwendet wird. Die Fig. 3A und 3B zeigen blattweite Druckstangen mit versetzten Untereinheiten, wobei Seitenausstoß-Druckköpfe verwendet werden, während die Fig. 6 eine blattweite Druckstange mit versetzten Untereinheiten zeigt, wobei Aufwärtsausstoß-Druckköpfe verwendet werden. Die blattweiten Druckköpfe der Fig. 3A und 3B verwenden die gegeneinander versetzte Konfiguration von Seitenausstoß-Druckkopfuntereinheiten, während der blattweite Druckkopf der Fig. 5 für einen blattweiten Druckkopfuntereinheiten in einer endweise aneinanderanstoßenden Anordnung verwendet.
Die blattweite Druckstange der Fig. 6 verwendet abwechselnd versetzte Aufwärtsausstoß-Druckkopfuntereinheiten, wobei jede Untereinheit zwei Reihen von versetzten Düsen hat, eine auf jeder Seite des Tintenbehälters oder des Zuführschlitzes in der Heizplatte, obgleich eine einzige Reihe von Düsen verwendet werden könnte, wie es in Fig. 2 gezeigt und in US 4,789,425 von Drake u. a. geoffenbart ist. Die Verwendung von zwei gegeneinander versetzten Reihen von Aufwärtsausstoß-Druckkopfuntereinheiten vermeidet die technischen Gegebenheiten, die mit aneinanderstoßenden, kollinearen Untereinheiten verbunden sind, wie es in Fig. 5 gezeigt ist, während der Abstand benachbarter Düsen über die Blattweite des Druckkopfes bewahrt wird. Jedoch kann die Mehrfachanordnung von Untereinheiten auch aus einer einzelnen Reihe von aneinanderanstoßenden Untereinheiten bestehen wie die, die in US 4,985,710 von Drake u. a. beschrieben ist. Während sie technisch wegen der verlangten Genauigkeit beim Spalten schwieriger ist, hat eine solche kollineare Mehrfachanordnung den Vorteil, weniger Raum in der Y oder Papierwegrichtung einzunehmen. Wie es oben unter Bezugnahme auf die Fig. 2 erörtert worden ist, wird den Aufwärtsausstoß-Druckkopfuntereinheiten Tinte über einen Behälter oder einen Schlitz in dem Befestigungsträger der Druckstange zugeführt. Die Abdichtung zwischen der Heizplatte der Untereinheit und dem Träger kann einfach ein Verbindungsklebemittel für den Druckkopf sein, das normalerweise verwendet wird, Druckkopfuntereinheiten an einem Träger zu befestigen. Diese Abdichtung hat keine Präzisionstoleranzen und verwendet handelsübliche Techniken und Materialien.
Bei dem Verfahren der Präzisionsanordnung der Druckkopfuntereinheiten gibt es einen bemerkenswerten Unterschied bei den Architekturen der blattweiten Aufwärtsausstoß- und Seitenausstoß-Druckstange. Enge Toleranzen sind kritisch bei der X und Y Achse für die Punktanordnung. Die X und die Y Achse sind in der Ebene des Druckkopfes bei den Aufwärtsausstoßtypen, wie es in Fig. 6 zu sehen ist, während bei den Seitenausstoßtypen die X und die Z Achse in der Ebene des Druckkopfes sind, aber die Y Achse außerhalb der Ebene des Druckkopfes ist. Die Bedeutung hiervon ist doppelt. Erstens können Aufwärtsausstoß-Druckköpfe ohne die bemerkenswerten Folgen bei Änderungen der Siliciumchipdicke oder des Verziehens der Konstruktionsträgerstange ausgerichtet werden, auf der sie angebracht sind. Diese zweidimensionalen Änderungen beeinflussen die Abmessung auf der Z Achse, die viel weniger kritisch für die Punktanordnung ist. Bei der Seitenausstoß-Konfiguration beeinflussen diese zwei Größen beträchtlich die kritische Abmessung auf der Y Achse, wodurch Anordnungsfehler von benachbarten Bildelementpunkten eingeführt werden. Beispielsweise mögen wegen der Dickenänderungen von Druckkopfuntereinheiten von Wafer zu Wafer (normalerweise ± 13 Mikrometern) die Seitenausstoß-Druckkopfuntereinheiten für eine gegebene Druckstange von demselben Wafer genommen werden, um eine Dickengleichförmigkeit sicherzustellen, während die Aufwärtsausstoß-Festkörperuntereinheiten von irgendeinem Wafer genommen werden können, weil die Dickneänderung in der nichtkritischen Z-Achse auftritt. Zweitens wird das Ausrichten von Druckkopfuntereinheiten in ihrer natürlichen Ebene, das ist die Ebene des Wafers, wie es für Aufwärtsausstoß-Druckköpfe vorgenommen wird, bereits kommerziell für eine Anzahl von Mehrfachanordnungen von Siliciumwandlertechnologien voller Weite durchgeführt, und deshalb besteht für eine solche Ausrichtung eine gewerblich verfügbare Ausrüstung.
Ein anderer Vorteil der Architektur für eine blattweite, thermische Tintenstrahl-Aufwärtsausstoß-Druckstange liegt in ihrer Stabilität gegenüber thermischen Bewegungen. Fig. 7 zeigt das Problem einer blattweiten Seitenausstoß-Architektur. Da sich die Seite der Stange mit den verbundenen Druckköpfen auf einer höheren Temperatur als die gegenüberliegende Seite befindet, bewirkt die Wärmeausdehnung der wärmeren Seite eine Biegung in der Stange. Fig. 7 gibt eine mechanische Analyse dieser Situation. Nimmt man beispielhafte Materialbeschränkungen und Abmessungen an, so gibt es bei einer Druckstange von elf Zoll einen Bogen, der für jeden Gradienten von einem Grad Celsius von oben nach unten der Konstruktionsstange 12 Mikrometern entspricht, selbst für ein Material mit äußerst geringer Ausdehnung, wie Graphit. Ferner beeinträchtigt dieser Bogen die Punktanordnung in der kritischen Y Richtung für einen Seitenausstoßtyp. Wie man aus Fig. 7 sehen kann, ist die kritische Abmessung die Stangendicke t, die eine Beziehung dritter Potenz relativ zu der Steifigkeit der Druckstange (das heißt, den Verziehungswiderstand ist) aufweist. Die Kraft F = α ΔT AE, worin α = die Wärmeausdehnungskonstante, A = die Querschnittsfläche, ΔT der Wärmegradient, E = der Elastizitätsmodul, T = die Stangendicke sind. Das Biegemoment M = Ft/2 und der Krümmungsradius R = EI/M, worin I das Trägheitsmoment ist, das gleich der Dicke der Konstruktionsstange t x der Höhe hoch drei ist, ist ungefähr 12. Wenn beispielsweise die Konstruktionsstange Graphit mit ΔT=1ºC, die Dicke = 0,25 Zoll und die Tiefe = 2 Zoll ist, ist die Wärmeausdehnungskonstante aus Graphit gleich 2,5 cm/cm/ºC. Der Elastizitätsmodul für Graphit ist gleich 1,5 x 10&sup6; psi. Die Kraft ist gleich 2,5 Pfund, der Krümmungsradius = 24.000 Zoll und dies ergibt einen Bogen oder eine Änderung in der Y Richtung von 12 Mikrometer pro Grad Celsius.
Bei dem blattweiten Druckkopf, der Aufwärtsausstoß-Druckkopfuntereinheiten verwendet, wie in Fig. 6 gezeigt ist, kann man sehen, daß die Richtung der thermisch induzierten Konstruktionsstangenverziehung in der weniger kritischen Richtung der Z Achse ist, und daß die kritische Abmessung T sehr groß gemacht werden kann. Als ein Beispiel typischer Werte kann T 0,25 Zoll für eine Seitenausstoß- und 2,5 Zoll für eine Aufwärtsausstoß-Druckstange sein. Ein Grund, daß die T Abmessung für die Aufwärtsausstoß-Druckstange groß sein kann, ist, weil sie keinen Papierwegraum verbraucht. Die Wirkung auf die mechanische Stabilität der Druckstangen scheint 1000 x steifer als die Seitenausstoß-Druckstange zu sein. In Größen des Tintenverteilungssystems verlangt die blattweite Aufwärtsausstoß-Druckstange keine besondere Tintenverzweigung, da sie Tinte von einem Behälter innerhalb des Druckstangenträgers bis zu dem Schlitz in der Siliciumheizplatte zuführen kann. Dies spart nicht nur die Kosten fur eine Verzweigung und den kritischen Schritt des Abdichtens des Druckkopfes gegen die Tintenverzweigung sondern erlaubt auch, daß der Druckkopf und der Druckstangenträger ihre Wärme auf die Tinte übertragen, die dann während des Druckens ausgestoßen wird. Somit hätte die blattweite Aufwärtsausstoß-Druckstange einen Vorteil in bezug auf die thermischen Verhältnisse. Auch ermöglicht eine blattweite, thermische Tintenstrahldruckstange, die Druckkopfuntereinheiten vom Aufwärtsausstoßtyp verwendet, die Verwendung eines Druckstangenträgers mit Abmessungen, um die Abmessungstoleranzen der Y Achse zu minimieren und eine größere Abmessung in der Z Achse zu schaffen, die der Druckstange Steifigkeit und Verbiegungsfestigkeit verleiht. Ein Druckstangenträger für einen blattweiten Aufwärtsausstoß-Druckkopf kann das Tintenverteilungssystem innen verkörpern, so daß zusätzliche Tintenverteilungsbauteile ausgeschlossen werden. Zusätzlich ist diese Konstruktion thermisch von Vorteil dahingehend, daß die Wärme von den Siliciumuntereinheiten auf den Konstruktionsträger und die Tinte übertragen wird, wo sie leichter das Tintendrucksystem verlassen kann.
Bei mehrfarbigen Tintenstrahldrucksystemen müssen mehrere blattweite Druckköpfe verwendet werden, einer für jede Farbe. Im allgemeinen werden vier Druckköpfe verwendet, einer für Schwarz und einer jeweils für Magenta, Gelb und Zyan. Um zu verhindern, daß die Tinte in das Aufzeichnungsmedium, üblicherweise Papier, einzieht, ist es von Bedeutung, die Fläche des Druckbereiches zu minimieren, so daß die Tinte schnell trocknen kann. Eine Vorderansicht eines mehrfarbigen, thermischen Tintenstrahldruckkopfes ist in Fig. 8 gezeigt, wobei blattweite Druckköpfe vom Aufwärtsausstoßtyp von der in Fig. 6 gezeigten Art verwendet werden. Da die Druckkopfuntereinheiten mit der Seite der Konstruktionsstange verbunden sind, die in die Z Richtung weist, können die blattweiten Druckköpfe übereinander, nur durch die flexiblen Elektroden, die eine Dicke von ungefähr 0,1 bis 0,2 cm haben, gestapelt werden, so daß sich jeweils eine Druckfläche ergibt, die durch die Länge des blattweiten Druckkopfes und die Strecke festgelegt ist, die durch die Dicke der vier Konstruktionsstangen definiert ist, wie es in Fig. 8 als L bzw. P&sub1; gezeigt ist. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist L zwischen 8,5 Zoll (21,6 cm) und 11 Zoll (28 cm) und W (Fig. 6) ist zwischen 0,25 Zoll (0,64 cm) und 0,5 Zoll (1,3 cm), so daß P&sub1; zwischen ungefähr 1,5 Zoll (3,8 cm) bis 2,25 Zoll (5,7 cm) ist. Eine ähnliche Vorderansicht eines mehrfarbigen, blattweiten Druckers, der Seitenausstoß-Druckkopfuntereinheiten verwendet, ist in Fig. 9 gezeigt. Jeder der blattweiten Druckköpfe verwendet ein endweises Anstoßen der Druckkopfuntereinheiten, wie es in Fig. 5 gezeigt ist. Die Druckfläche ist durch die Länge L des Druckbereiches der blattweiten Druckköpfe und die Höhe der vier Druckköpfe mit den Tintenzuführverzweigungen 37 für jeden der Druckköpfe definiert, so daß die Strecke P&sub2; der aufgestapelten, blattweiten Druckköpfe ungefähr 3 Zoll (7,6 cm) bis 4 Zoll (10 cm) ist, was größer als diejenige der Druckstange vom Aufwärtsausstoßtyp ist. Jegliche Y Strecke für einen Druckbereich, die größer als 2,5 Zoll für den Druckbereich ist, wird als schädlich betrachtet, da sie der nassen Tinte zuviel Zeit gestattet, in das Papier einzuziehen, bevor eine Einrichtung zum Trocknen angewendet werden kann, wodurch sich das Papier kräuseln oder falten kann. Obgleich ein blattweiter Druckkopf vom Seitenausstoßtyp, der Untereinheiten verwendet, wie es in Fig. 5 gezeigt ist, in Fig. 9 verwendet worden war, würden im wesentlichen der gleiche oder ein größerer Druckbereich für einen mehrfarbigen Tintenstrahldrucker benötigt werden, der eine Mehrzahl von blattweiten Druckköpfen verwendet, die in den Fig. 3A und 3B dargestellt sind. Deshalb würde das gleiche unzufriedenstellende Farbdrucken wie mit der Druckkopfausgestaltung erreicht werden, die in Fig. 9 gezeigt.
Der in Fig. 6 dargestellte und oben beschriebene Druckkopf hat in der Bewegungsrichtung des Aufzeichnungsmediums relativ zu dem Druckkopf eine minimale Abmessung. Zusätzlich hat er vergleichsweise große Abmessungen in der Richtung senkrecht zu dem Aufzeichnungsmedium und dem Druckkopf, um dem Druckkopf Steifigkeit und Verziehungsfestigkeit zu verleihen. Die Druckstange schließt innen das Tintenverteilungs- System ein, wodurch zusätzliche Tintenverteilungsbauteile ausgeschlossen werden und sich die Möglichkeit ergibt, druckweite Druckköpfe zu Mehrfachdrucken räumlich dichter zu machen.

Claims

1. Ein blattweiter, thermischer Tintenstrahldruckkopf zur Verwendung in einem Tintenstrahldrucker, wobei der Druckkopf umfaßt:

eine Konstruktionsstange (62), die eine Seitenoberfläche (67) aufweist, die dem Weg des Aufzeichnungsmediums gegenüberliegt, wenn die Stange in dem Drucker angebracht ist;

eine Mehrzahl von thermischen Tintenstrahldruckkkopfuntereinheiten (26A), die an der Konstruktionsstange angebracht sind, wobei jede Untereinheit eine Mehrfachanordnung von Tröpfchen aussendenden Düsen (14) und eine Mehrzahl von Heizelementen (20) aufweist, wobei die Düsen der Mehrzahl von Untereinheiten einen Druckbereich festlegen, der die Länge (L) von wenigstens der Weite eines Blattes hat; und

eine Einrichtung (46) zum selektiven Anlegen von elektrischen Signalen an die Heizelemente der Untereinheiten, damit Tintentröpfchen aus den Düsen ausgestoßen werden,

dadurch gekennzeichnet, daß

ein Durchgang (64) innerhalb der Stange vorgesehen ist; eine Einrichtung zum Zuführen von Tinte zu dem Stangendurchgang von einem Tintenvorrat vorgesehen ist;

eine Mehrzahl von Öffnungen (65) die genannte Seitenoberfläche durchdringen und mit dem Durchgang in Verbindung stehen;

die Druckkopfuntereinheiten (26A) vom Aufwärtsausstoßtyp sind, die auf der Oberfläche der Stangenkante angebracht sind, wobei jede Untereinheit einen Tinteneinlaß (25) aufweist, der in bezug auf eine der Öffnungen in der genannten Oberfläche der Stangenkante ausgerichtet ist, und jedes Heizelement (20) mit einer entsprechenden der Düsen der Untereinheit zum Ausstoßen von Tintentröpfchen in einer Richtung normal zu den Heizelementen und zu der genannten Seitenoberfläche ausgerichtet ist;

die genannte Seitenoberfläche (67) der Konstruktionsstange eine Länge von mindestens gleich derjenigen des Druckbereiches hat, und eine Weite (W) in dieser Richtung gleich der Abmessung von einer bis zwei Druckkopfuntereinheiten, die an der Seitenoberfläche angebracht sind; und

die Konstruktionsstange eine Dicke (T) in einer Richtung normal zu der Seitenoberfläche hat, die größer als die Weite (W) der Seitenoberfläche ist und die ausreicht, ein Verziehen der Stange bei Druckkopfbetriebstemperaturen zu verhindern.

2. Ein blattweiter Druckkopf, wie in Anspruch 1 beansprucht, in dem die Aufwärtsausstoß-Druckkopfuntereinheiten auf der Seitenoberfläche der Stange in zwei Reihen in einer zueinander versetzten Anordnung angebracht sind.

3. Ein blattweiter Druckkopf, wie in Anspruch 1 oder Anspruch 2 beansprucht, in dem jede Druckkopfuntereinheit zwei Düsenreihen hat.

4. Ein blattweiter Druckkopf, wie in Anspruch 1 beansprucht, in dem die Aufwärtsausstoß-Druckkopfuntereinheiten auf der Seitenoberfläche der Stange in einer einzigen, aneinanderstoßenden, kollinearen Reihe von Untereinheiten angebracht sind.

5. Ein blattweiter Druckkopf, wie in irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche beansprucht, in dem die Konstruktionsstange einen Hauptteil mit einer Nut in einer Oberfläche von ihr und eine Abdeckung (63) umfaßt, die auf der genannten Oberfläche des genannten Hauptteils und über der Nut darin angebracht ist, um den Durchgang in der genannten Stange zu bilden, wobei die Mehrzahl von Öffnungen in der genannten Abdeckung sind, so daß die genannte Seitenoberfläche der Stange, auf der die Untereinheiten angebracht sind, die äußere Oberfläche der Abdeckung ist.

6. Ein mehrfarbiger Drucker umfassend eine Mehrzahl von blattweiten Druckköpfen, von denen jeder wie in irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche beansprucht ist, wobei die Druckköpfe mit ihren entsprechenden Untere inheiten dem Druckbereich des Druckers gegenüberliegend aufgestapelt sind, sowie eine unterschiedliche Farbtintenzufuhr für jeden blattenweiten Druckkopf.