DE69517720T2 - Ink jet recorder - Google Patents

Ink jet recorder

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DE69517720T2 DE1995617720 DE69517720T DE69517720T2 DE 69517720 T2 DE69517720 T2 DE 69517720T2 DE 1995617720 DE1995617720 DE 1995617720 DE 69517720 T DE69517720 T DE 69517720T DE 69517720 T2 DE69517720 T2 DE 69517720T2
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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Tintenstrahl-Aufzeichnungsgerät und genauer gesagt einen elektrostatisch angetriebenen Tintenstrahlkopf des Aufzeichnungsgerätes.The present invention relates to an ink jet recording apparatus and, more particularly, to an electrostatically driven ink jet head of the recording apparatus.

Tintenstrahl-Aufzeichnungsgeräte mit einem Tintenstrahlkopf zum Ausstoßen von Tintentröpfchen auf ein Aufzeichnungsmedium in Reaktion auf elektrische Antriebspulse sind wohlbekannt und in verbreitetem Verbrauch. Der Tintenstrahlkopf beinhaltet einen Aktuator zum Umwandeln jedes elektrischen Antriebspulses in einen Druckimpuls, wodurch ein Tintentröpfchen aus einer Düse des Tintenstrahlkopfes ausgestoßen wird. Tintenstrahlköpfe, bei denen die elektrostatische Anziehungskraft für den Aktuator genutzt wird, sind z. B. in JP-A-289351/1990, EP-A-0 479 441, EP-A-0 580 283 sowie in EP-A-0 634 272, EP-A-0 629 502 und EP-A-0 629 503 offenbart (wobei die letzteren drei Dokumente Stand der Technik nach Artikel 54(3) EPÜ darstellen). Ein Tintenstrahlkopf gemäß diesem Stand der Technik umfaßt eine oder mehrere Düsen, jeweils einen zu der oder jeder Düse durchgängigen Tintendurchgang, eine Membran, die eine Platte eines Kondensators bildet und an einem Teil des oder jedes Tintenstrahldurchgangs vorgesehen ist, und eine Düsenelektrode, der der Membran gegenüber mit einem Luftspalt dazwischen angeordnet ist. Die Düsenelektrode bildet die andere Platte des Kondensators. Ein elektrischer Impuls wird zwischen der Membran und der Düsenelektrode angelegt, um die Membran mit Hilfe elektrostatischer Kraft zu verformen und dadurch ein Tintentröpfchen aus der Düse auszustoßen. EP-A-0 479 441 offenbart insbesondere ein Tintenstrahl-Aufzeichnungsgerät nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.Ink jet recording apparatus having an ink jet head for ejecting ink droplets onto a recording medium in response to electrical drive pulses are well known and in widespread use. The ink jet head includes an actuator for converting each electrical drive pulse into a pressure pulse, thereby ejecting an ink droplet from a nozzle of the ink jet head. Ink jet heads using electrostatic attraction for the actuator are disclosed, for example, in JP-A-289351/1990, EP-A-0 479 441, EP-A-0 580 283, as well as in EP-A-0 634 272, EP-A-0 629 502 and EP-A-0 629 503 (the latter three documents constituting prior art under Article 54(3) EPC). An ink jet head according to this prior art comprises one or more nozzles, each having an ink passageway leading to the or each nozzle, a diaphragm forming one plate of a capacitor and provided on a part of the or each ink jet passageway, and a nozzle electrode disposed opposite the diaphragm with an air gap therebetween. The nozzle electrode forms the other plate of the capacitor. An electrical pulse is applied between the diaphragm and the nozzle electrode to deform the diaphragm by means of electrostatic force and thereby eject an ink droplet from the nozzle. EP-A-0 479 441 discloses in particular an ink jet recording apparatus according to the preamble of claim 1.

Bei diesen Tintenstrahlköpfen enthält der Aktuator eine zwischen der Membran und der Düsenelektrode gebildete Schwingkammer. Wenn die Schwingkammer der freien Luft ausgesetzt ist, werden Staub und andere Schwebteilchen von der Schwingkammer des Aktuators angezogen, wenn die Membran angetrieben wird. Wie in EP-A-0 580 283 offenbart, kann dieses Problem durch Versiegeln des Aktuators behoben werden. Wenn jedoch der Aktuator versiegelt ist, setzt innerhalb der Schwingkammer eingeschlossene Luft der elektrostatischen Anziehung der Membran Widerstand entgegen und kann eine für normalen Betrieb ausreichende elektrostatische Anziehung verhindern. Wenn die elektrostatische Anziehung der Schwingkammer abnimmt, wird nicht ausreichend Druck erzeugt, um angemessen Tinte auszustoßen, und Druckqualität und Zuverlässigkeit fallen signifikant ab. Die Verringerung der elektrostatischen Anziehung kann durch Heraufsetzen der an den Aktuator angelegten Antriebsspannung kompensiert werden. EP-A-0 580 283 offenbart eine Antriebsspannung von 70 bis 100 Volt. Eine solche hohe Antriebsspannung ist jedoch unerwünscht.In these ink jet heads, the actuator includes an oscillating chamber formed between the diaphragm and the nozzle electrode. When the oscillating chamber is exposed to the open air, dust and other airborne particles are attracted to the oscillating chamber of the actuator when the diaphragm is driven. As disclosed in EP-A-0 580 283, this problem can be remedied by sealing the actuator. However, when the actuator is sealed, air trapped within the oscillating chamber resists the electrostatic attraction of the diaphragm and can prevent sufficient electrostatic attraction for normal operation. If the electrostatic attraction of the oscillating chamber decreases, insufficient pressure is generated to adequately eject ink and print quality and reliability drop significantly. The reduction in electrostatic attraction can be compensated for by increasing the drive voltage applied to the actuator. EP-A-0 580 283 discloses a drive voltage of 70 to 100 volts. However, such a high drive voltage is undesirable.

JP-A-59 115 860 offenbart einen elektrostatischen Drucksensor, der in einem Tintenstrahlkopf, der piezoelektrische Aktuatoren verwendet, enthalten ist. JP-A-2 274 552 offenbart einen Tintenstrahlkopf mit elektrostatischen Aktuatoren, bei dem eine mit einer Düse kommunizierende Druckkammer über eine Membran an eine Steuerkammer anschließt. Die Membran liegt der Düse gegenüber. Zwei senkrecht zu der Membran angeordnete Elektroden umgeben die Druckkammer und die Steuerkammer. Die Steuerkammer ist mit einem Medium gefüllt, dessen Dielektrizitätskonstante wesentlich höher als die der Tinte in der Druckkammer ist. Eine an die Elektroden angelegte Spannung verursacht eine Auslenkung der Membran als Ergebnis der Differenz der Dielektrizitätskonstante zwischen den zwei Medien auf beiden Seiten der Membran. Die Auslenkung wiederum erzeugt einen Druckanstieg, der den Ausstoß von Tinte bewirkt.JP-A-59 115 860 discloses an electrostatic pressure sensor included in an ink jet head using piezoelectric actuators. JP-A-2 274 552 discloses an ink jet head with electrostatic actuators in which a pressure chamber communicating with a nozzle is connected to a control chamber via a membrane. The membrane is located on the nozzle Two electrodes arranged perpendicular to the membrane surround the pressure chamber and the control chamber. The control chamber is filled with a medium whose dielectric constant is much higher than that of the ink in the pressure chamber. A voltage applied to the electrodes causes a deflection of the membrane as a result of the difference in dielectric constant between the two media on either side of the membrane. The deflection in turn creates a pressure increase that causes the ejection of ink.

Deshalb ist Aufgabe der Erfindung, einen Tintenstrahlkopf anzugeben, bei dem eine ausreichende elektrostatische Anziehung auch mit versiegeltem Aktuator und einer Antriebsspannung von nicht höher als ca. 45 Volt erreicht werden kann.Therefore, the object of the invention is to provide an inkjet head in which sufficient electrostatic attraction can be achieved even with a sealed actuator and a drive voltage of no higher than approximately 45 volts.

Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Tintenstrahl-Aufzeichnungsgerät wie in Anspruch 1 beansprucht.This object is achieved with an ink jet recording device as claimed in claim 1.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.Preferred embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.

Bei einem Tintenstrahlkopf nach der vorliegenden Erfindung ist die Schwingkammer im Aktuator eine luftdichte Struktur, wodurch die Möglichkeit beseitigt wird, daß Fremdmaterial wie etwa Schwebteilchen von der Schwingkammer angezogen werden und in sie eindringen, wenn die Membran vibriert.In an ink jet head according to the present invention, the oscillation chamber in the actuator is an airtight structure, thereby eliminating the possibility that foreign matter such as airborne particles are attracted to and enter the oscillation chamber when the diaphragm vibrates.

Die Erfinder fanden heraus, daß in der Praxis die Druckerhöhung innerhalb der Schwingkammer klein genug ist, so daß eine Verformung der Membran durch elektrostatische Anziehung nicht vermieden wird, wenn das Volumen V der versiegelten Schwingkammer (nachfolgend als "Aktuatorvolumen" bezeichnet) zwei oder mehr Male größer als das von der Membranverformung "verschobene" Volumen ΔV ist, das notwendig ist, um einen zuverlässigen Tintenausstoß zu garantieren (nachfolgend als "Verschiebungsvolumen" bezeichnet). Somit kann gemäß der vorliegenden Erfindung eine ausreichende Membranverformung erreicht werden, ohne daß eine unerwünscht hohe Antriebsspannung erforderlich ist.The inventors found that in practice, the pressure increase within the oscillation chamber is small enough so that deformation of the diaphragm by electrostatic attraction is not avoided when the volume V of the sealed oscillation chamber (hereinafter referred to as "actuator volume") is two or more times larger than the volume ΔV "displaced" by the diaphragm deformation necessary to guarantee reliable ink ejection (hereinafter referred to as "displacement volume"). Thus, according to the present invention, sufficient diaphragm deformation can be achieved without requiring an undesirably high drive voltage.

Die obere Grenze für das Verhältnis V/ΔV ist so festgelegt, daß eine unerwünschte Vergrößerung des Tintenstrahlkopfes vermieden wird, um eine hohe Wafer-Ausbeute (die Zahl von aus einem Wafer hergestellten Köpfen) zu erreichen.The upper limit of the ratio V/ΔV is set to avoid undesirable enlargement of the inkjet head to achieve high wafer yield (the number of heads produced from one wafer).

Es ist möglich, das Volumen der Schwingkammer selbst zu minimieren, wenn ein Volumen, das für die Unterbringung eines Verdrahtungselementes vorgesehen ist, das die Düsenelektrode mit einem Anschlußelement verbindet, mit der Schwingkammer kommuniziert und so zum Aktuatorvolumen beiträgt. Auf diese Weise kann ein geeignetes Aktuatorvolumen erreicht werden, ohne daß eine Vergrößerung des Tintenstrahlkopfes erforderlich ist.It is possible to minimize the volume of the oscillation chamber itself if a volume intended for accommodating a wiring member connecting the nozzle electrode to a terminal member communicates with the oscillation chamber and thus contributes to the actuator volume. In this way, an appropriate actuator volume can be achieved without requiring an increase in the size of the ink jet head.

Funkenschlag und Aktuatorbeschädigung durch Funkenschlag können vermieden werden, indem ein inertes Gas, Stickstoffgas oder trockene Luft im Aktuator oder der Schwingkammer dicht eingeschlossen wird.Sparking and actuator damage caused by sparking can be avoided by sealing an inert gas, nitrogen gas or dry air in the actuator or the oscillation chamber.

Die Erfindung wird nachfolgend genauer mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, die lediglich eine bevorzugte Ausgestaltung darstellen, und von denen:The invention is described in more detail below with reference to the drawings, which only show a preferred embodiment, and of which:

Fig. 1 eine teilweise auseinandergezogene Darstellung eines Tintenstrahlkopfes gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist;Fig. 1 is a partially exploded view of an ink jet head according to a preferred embodiment of the present invention;

Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht des Ausschnitts A aus Fig. 1 ist;Fig. 2 is an enlarged view of detail A of Fig. 1;

Fig. 3 ein seitlicher Querschnitt eines vollständigen, zusammengebauten Tintenstrahlkopfes gemäß der bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist;Figure 3 is a side cross-section of a complete, assembled ink jet head according to the preferred embodiment of the present invention;

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht des zusammengebauten Tintenstrahlkopfes ist;Fig. 4 is a perspective view of the assembled ink jet head;

Fig. 5 eine Draufsicht entlang der Linie A-A in Fig. 3 ist; undFig. 5 is a plan view along the line A-A in Fig. 3; and

Fig. 6 gebraucht wird, um den Betrieb der Membran zu beschreiben.Fig. 6 is used to describe the operation of the membrane.

Die nachfolgend beschriebene Ausgestaltung der Erfindung ist ein Tintenstrahlkopf vom Kantentyp, bei dem Tintentröpfchen von an der Kante (Stirnseite) eines Substrats vorgesehenen Düsen ausgestoßen werden. Zu beachten ist, daß die Erfindung auch auf einen Tintenstrahlkopf vom Oberflächentyp anwendbar ist, bei dem die Tinte von an der Oberfläche (Oberseite) des Substrats vorgesehenen Düsen ausgestoßen wird.The embodiment of the invention described below is an edge type ink jet head in which ink droplets are ejected from nozzles provided on the edge (front side) of a substrate. Note that the invention is also applicable to a surface type ink jet head in which ink is ejected from nozzles provided on the surface (top side) of the substrate.

Der Tintenstrahlkopf 10 dieser Ausgestaltung ist aus drei Substraten 1, 2, 3 aufgebaut, die aufeinandergestapelt sind und strukturiert sind wie nachfolgend im Detail beschrieben. Ein erstes Substrat 1 ist zwischen einem zweiten und einem dritten Substrat 2 bzw. 3 eingeschlossen und aus einem Siliziumwafer hergestellt. Mehrere Düsen 4 sind zwischen dem ersten und dritten Substrat durch entsprechende Düsenrillen 11 gebildet, die an der oberen Oberfläche des ersten Substrats 1 so vorgesehen sind, daß sie im wesentlichen parallel in gleichen Abständen von einer Kante des Substrats aus verlaufen. Das der einen Kante gegenüberliegende Ende der Düsenrille mündet jeweils in eine Aussparung 12. Jede Aussparung ist ihrerseits jeweils über eine enge Rille 13 an eine Aussparung 14 angeschlossen. Im zusammengebauten Zustand bildet die Aussparung 14 einen gemeinsamen Tintenhohlraum 8, der mit den Düsen 4 über Öffnungen 7 kommuniziert, die durch die schmalen Rillen 13 und Ausstoßkammern 6 kommuniziert, die durch die Aussparungen 12 gebildet sind. Wie in den Fig. 1 und 3 gezeigt, hat die Aussparung 14 eine Tintenzufuhröffnung an der Rückseite (der von den Düsen abgewandten Seite). Der Boden jeder Ausstoßkammer 6 umfaßt eine integral mit dem Substrat 1 gebildete Membran 5. Wie sich versteht, können die oben angesprochenen Rillen und Aussparungen leicht und genau durch photolithographisches Ätzen des Halbleitersubstrats gebildet werden. Man beachte, daß die Membranen 5 gebildet werden, indem das Substrat 1 erst mit Bor dotiert wird, um einen Ätzstop zu bilden, und anschließend geätzt wird, um die Membranen mit einer geringen, gleichförmigen Dicke zu bilden.The ink jet head 10 of this embodiment is constructed from three substrates 1, 2, 3 which are stacked one on top of the other and structured as described in detail below. A first substrate 1 is enclosed between a second and a third substrate 2 or 3 and is made of a silicon wafer. A plurality of nozzles 4 are formed between the first and third substrates by respective nozzle grooves 11 which are provided on the upper surface of the first substrate 1 so as to run substantially parallel at equal distances from an edge of the substrate. The end of the nozzle groove opposite one edge opens into a recess 12. Each recess is in turn connected to a recess 14 via a narrow groove 13. When assembled, the recess 14 forms a common ink cavity 8 which communicates with the nozzles 4 via openings 7 formed by the narrow grooves 13 and ejection chambers 6 formed by the recesses 12. As shown in Figs. 1 and 3, the recess 14 has an ink supply opening at the rear (the side facing away from the nozzles). The bottom of each ejection chamber 6 includes a diaphragm 5 formed integrally with the substrate 1. As will be understood, the grooves and recesses referred to above can be easily and accurately formed by photolithographic etching of the semiconductor substrate. Note that the diaphragms 5 are formed by first doping the substrate 1 with boron to form an etch stop and then etching to form the diaphragms with a small, uniform thickness.

Elektrostatische Aktuatoren, die jeweils eine Membran und eine zugeordnete Düsenelektrode umfassen, sind zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat ausgebildet. Eine gemeinsame Elektrode 17 der Aktuatoren ist auf dem ersten Substrat 1 vorgesehen. Die Größe der Austrittsarbeit des Halbleiters, der das erste Substrat 1 bildet, und des für die gemeinsame Elektrode 17 verwendeten Metalls sind wichtige Faktoren, die die Wirkung der Elektrode 17 auf dem ersten Substrat 1 bestimmen. Das bei dieser Ausgestaltung verwendete Halbleitermaterial hat einen spezifischen Widerstand von 8 bis 12 Qcm, und die gemeinsame Elektrode 17 hat eine Zweischichtstruktur aus Platin auf einer Titan-Basisschicht oder Gold auf einer Chrom-Basisschicht. Die Basisschicht ist im wesentlichen vorgesehen, um die Bond-Festigkeit zwischen dem Substrat und der Elektrode zu erhöhen. Die vorliegende Erfindung soll dadurch jedoch nicht beschränkt sein, und diverse andere Materialkombinationen können je nach Eigenschaften von Halbleiter- und Elektrodenmaterial verwendet werden.Electrostatic actuators, each comprising a diaphragm and an associated nozzle electrode, are formed between the first and second substrates. A common electrode 17 of the actuators is provided on the first substrate 1. The magnitude of the work function of the semiconductor constituting the first substrate 1 and the metal used for the common electrode 17 are important factors determining the effect of the electrode 17 on the first substrate 1. The semiconductor material used in this embodiment has a specific resistance of 8 to 12 Ωcm, and the common electrode 17 has a two-layer structure of platinum on a titanium base layer or gold on a chromium base layer. The base layer is essentially provided to increase the bond strength between the substrate and the electrode. However, the present invention is not intended to be limited by this, and various other material combinations can be used depending on the properties of the semiconductor and electrode materials.

Wie in Fig. 2 gezeigt, ist eine dünne Oxidschicht 24, ca. 1 um dick, auf der gesamten Oberfläche des ersten Substrats 1 mit Ausnahme der gemeinsamen Elektrode 17 gebildet. Dies ergibt eine Isolationsschicht zum Verhindern eines dielektrischen Durchbruches und Kurzschlusses während des Tintenstrahlkopf-Betriebes.As shown in Fig. 2, a thin oxide film 24, about 1 µm thick, is formed on the entire surface of the first substrate 1 except for the common electrode 17. This provides an insulating layer for preventing dielectric breakdown and short circuit during ink jet head operation.

Für das an die untere Oberfläche des ersten Substrats 1 gebondete zweite Substrat 2 wird Borsilikatglas verwendet. Eine Aussparung 15 für die Unterbringung jeweils einer Düsenelektrode 21 ist an der Oberseite des zweiten Substrats 2 unterhalb jeder Membran 5 gebildet. Wenn das zweite Substrat 2 an das erste Substrat 1 gebondet wird, werden Schwingkammern 9 an den Positionen der Aussparungen 15 zwischen jeder Membran 5 und der gegenüberliegenden Düsenelektrode 21 gebildet. Ein langes, dünnes Trägerelement 35 ist in der Mitte jeder Aussparung 15 angeordnet. Der Zweck des Trägerelementes 35 ist, für eine zusätzliche Unterstützung im Fall von sehr dünnen Membranen zu sorgen. Trägerelemente 35 sind nicht erforderlich, wenn ausreichende Steife (Elastizität) für den Tintenstrahlausstoß dadurch erreicht wird, daß die Membran 5 mit ausreichender Dicke geformt wird. Die Höhe der Trägerelemente 35 kann der Tiefe der Aussparungen entsprechen oder kleiner sein.For the second substrate 2 bonded to the lower surface of the first substrate 1, borosilicate glass is used. A recess 15 for accommodating each nozzle electrode 21 is formed on the upper surface of the second substrate 2 below each diaphragm 5. When the second substrate 2 is bonded to the first substrate 1, oscillation chambers 9 are formed at the positions of the recesses 15 between each diaphragm 5 and the opposing nozzle electrode 21. A long, thin support member 35 is arranged in the center of each recess 15. The purpose of the support member 35 is to provide additional support in the case of very thin diaphragms. Support members 35 are not required if sufficient rigidity (elasticity) for ink jet ejection is achieved by molding the diaphragm 5 with sufficient thickness. The height of the support elements 35 can correspond to the depth of the recesses or be smaller.

Bei dieser Ausgestaltung sorgen an der oberen Oberfläche des zweiten Substrats 2 gebildete Aussparungen 15 für Spalte zwischen den Membranen und den jeweiligen Elektroden 21. Die Länge G (siehe Fig. 3; nachfolgend als "Spaltlänge" bezeichnet) jedes Spaltes ist gleich der Differenz zwischen der Tiefe der Aussparung 15 und der Dicke der Elektrode 21. Man beachte, daß diese Aussparung alternativ an der unteren Oberfläche des ersten Substrats 1 gebildet sein kann. Bei dieser bevorzugten Ausgestaltung ist die Tiefe der Aussparung 15 0,3 um, und der Rasterabstand und die Breite der Düsenrillen 11 beträgt 0,2 mm bzw. 80 um.In this embodiment, recesses 15 formed on the upper surface of the second substrate 2 provide gaps between the membranes and the respective electrodes 21. The length G (see Fig. 3; hereinafter referred to as "gap length") of each gap is equal to the difference between the depth of the recess 15 and the thickness of the electrode 21. Note that this recess may alternatively be formed on the lower surface of the first substrate 1. In this preferred embodiment, the depth of the recess 15 is 0.3 µm, and the pitch and width of the nozzle grooves 11 are 0.2 mm and 80 µm, respectively.

Wie in Fig. 1 gezeigt, umfaßt die an der Oberseite des zweiten Substrats 2 gebildete Verdrahtung die Düsenelektroden 21 und Leitelemente 22, die jede Düsenelektrode mit einem jeweiligen Anschlußelement 23 verbinden. Wie gezeigt, sind die Leitelemente in Rillen 22a angeordnet, die an die Aussparungen 15 anschließen. Die Anschlußelemente 23 sind in einer entsprechenden Aussparung angeordnet, die an einer Kante des zweiten Substrats 2 gebildet ist. Alle Aussparungen und Rillen, die diese Verdrahtung aufnehmen, sind vorzugsweise mit der gleichen Tiefe ausgebildet, obwohl dies nicht immer notwendig sein muß. Die Verdrahtung (Düsenelektroden 21, Leitelemente 22 und Anschlußelemente 23) sind durch Sputtern von Gold auf das zweite Substrat 2 bis auf eine Dicke von 0,1 um gebildet. Die Düsenelektroden 21 sind an Positionen und mit Formen ausgebildet, die jeweils zu den Membranen 5 passen. ITO oder ein anderes leitfähiges Oxidschichtmaterial kann an Stelle von Gold für die Bildung der Elektroden 21, ihrer Leitelemente 22 und der Anschlußelemente 23 verwendet werden.As shown in Fig. 1, the wiring formed on the top of the second substrate 2 comprises the nozzle electrodes 21 and conductive elements 22 which connect each nozzle electrode to a respective terminal element 23. As shown, the conductive elements are arranged in grooves 22a which connect to the recesses 15. The terminal elements 23 are arranged in a corresponding recess formed on an edge of the second substrate 2. All recesses and grooves which accommodate this wiring are preferably of the same depth although this may not always be necessary. The wiring (nozzle electrodes 21, conductive elements 22 and terminal elements 23) are formed by sputtering gold onto the second substrate 2 to a thickness of 0.1 µm. The nozzle electrodes 21 are formed at positions and with shapes that respectively match the diaphragms 5. ITO or other conductive oxide film material may be used instead of gold for forming the electrodes 21, their conductive elements 22 and the terminal elements 23.

Borsilikatglas wird auch für das dritte Substrat 3 verwendet. Düsen 4, Ausstoßkammern 6, Öffnungen 7 und Tintenhohlraum 8 sind gebildet durch Bonden des dritten Substrats 3 an die obere Oberfläche des ersten Substrats 1. Ein Trägerelement 36 im Tintenhohlraum 8 trägt zur Verstärkung bei, um ein Kollabieren von Aussparungen 14 zu verhindern, wenn erstes Substrat 1 und drittes Substrat 3 aneinandergebondet werden.Borosilicate glass is also used for the third substrate 3. Nozzles 4, ejection chambers 6, orifices 7 and ink cavity 8 are formed by bonding the third substrate 3 to the upper surface of the first substrate 1. A support member 36 in the ink cavity 8 contributes to reinforcement to prevent collapse of recesses 14 when the first substrate 1 and third substrate 3 are bonded together.

Das erste Substrat 1 und das zweite Substrat 2 werden bei 270 bis 400ºC durch Anlegen einer 500 bis 800 Volt-Ladung anodisch gebondet, und erstes Substrat 1 und drittes Substrat 3 werden dann unter den gleichen Bedingungen gebondet, um den Tintenstrahlkopf, wie in Fig. 3 gezeigt, zusammenzubauen. Nach dem anodischen Bonden beträgt die Spaltlänge G zwischen der Membran 5 und der Düsenelektrode 21 auf dem zweiten Substrat 2 bei dieser Ausgestaltung 0,2 um.The first substrate 1 and the second substrate 2 are anodically bonded at 270 to 400°C by applying a 500 to 800 volt charge, and the first substrate 1 and the third substrate 3 are then bonded under the same conditions to assemble the ink jet head as shown in Fig. 3. After the anodic bonding, the gap length G between the diaphragm 5 and the nozzle electrode 21 on the second substrate 2 is 0.2 µm in this embodiment.

Nachdem der Tintenstrahlkopf so zusammengebaut worden ist, wird eine Antriebsschaltung 102 durch Anschließen einer flexiblen Leiterplatte (flexible printed circuit, FPC) 101 zwischen gemeinsamer Elektrode 17 und Anschlußelementen 23 der Düsenelektroden 21 angeschlossen, wie in Fig. 3 und 4 gezeigt. Ein anisotroper leitfähiger Film wird bei dieser Ausgestaltung verwendet, um die Anschlüsse 101 an die Elektroden 17 und 23 zu bonden.After the ink jet head is thus assembled, a drive circuit 102 is formed by connecting a flexible printed circuit (FPC) 101 between the common electrode 17 and terminals 23 of the nozzle electrodes 21, as shown in Figs. 3 and 4. An anisotropic conductive film is used in this embodiment to bond the terminals 101 to the electrodes 17 and 23.

Bei der bevorzugten Ausgestaltung wird Stickstoffgas in die Schwingkammern 9 eingespeist, die dann unter Verwendung eines isolierenden Versiegelungsmittels 30 luftdicht versiegelt werden. Die Schwingkammern 9 werden bei dieser Ausgestaltung nahe an den Anschlußelementen 23 versiegelt, wodurch die Schwingkammer 9 und das Volumen der Leitelementrillen in das "Volumen des Aktuators" eingeschlossen werden (dies wird später genauer beschrieben).In the preferred embodiment, nitrogen gas is introduced into the oscillation chambers 9, which are then hermetically sealed using an insulating sealant 30. The oscillation chambers 9 are sealed close to the terminal elements 23 in this embodiment, thereby enclosing the oscillation chamber 9 and the volume of the vane grooves in the "volume of the actuator" (this will be described in more detail later).

Ein Tintenzufuhrrohr 33 und ein Tintenzufuhrgefäß 32 werden extern an die Rückseite des Tintenstrahlkopfes angefügt. Tinte 103 wird von einem (in den Figuren nicht gezeigten) Tintentank in das erste Substrat 1 über das Tintenzufuhrrohr 33, das Gefäß 32 und die Tintenzufuhröffnung an der Rückseite des Tintenhohlraumes 8 zugeführt, um den Tintenhohlraum 8 und die Ausstoßkammern 6 zu füllen. Die Tinte in den Ausstoßkammern 6 wird zu Tintentröpfchen, die von den Düsen 4 ausgestoßen und auf Aufzeichnungspapier 105 gedruckt werden, wenn der Tintenstrahlkopf 10 angetrieben wird, wie in Fig. 3 gezeigt.An ink supply pipe 33 and an ink supply vessel 32 are externally attached to the rear of the ink jet head. Ink 103 is supplied from an ink tank (not shown in the figures) into the first substrate 1 via the ink supply pipe 33, the vessel 32 and the ink supply port at the rear of the ink cavity 8 to fill the ink cavity 8 and the ejection chambers 6. The ink in the ejection chambers 6 becomes ink droplets which are ejected from the nozzles 4 and printed on recording paper 105 when the ink jet head 10 is driven, as shown in Fig. 3.

Die vorliegende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingkammern 9 mit dem Aktuator eingesiegelt sind und das Volumen V des Aktuators so eingestellt ist, daß das Verhältnis zwischen dem Aktuatorvolumen V und dem durch eine Verformung der Membran 5 verschobenen Volumen ΔV im Bereich 2 ≤ V/ΔV ≤ 8 ist.The present invention is characterized in that the oscillation chambers 9 are sealed with the actuator and the volume V of the actuator is set so that the ratio between the actuator volume V and the volume ΔV displaced by a deformation of the membrane 5 is in the range 2 ≤ V/ΔV ≤ 8.

Fig. 6 dient dazu, den Betrieb der Membran 5 zu beschreiben.Fig. 6 serves to describe the operation of the membrane 5.

Wenn eine Antriebsspannung an einen Aktuator angelegt wird, wird der Kondensator, der die Düsenelektrode 21 und die Membran 5 umfaßt, geladen, und die Membran 5 wird von der Elektrode 21 durch elektrostatische Kraft angezogen und verformt, wie in Fig. 6 gezeigt. Diese Auslenkung vergrößert das Volumen der Ausstoßkammer 6 und verringert das Volumen der Schwingkammer 9 um das Verschiebungsvolumen ΔV. Das verringerte Volumen der Schwingkammer bewirkt eine Zunahme des Drucks P&sub0; in der Schwingkammer um ein Druckinkrement ΔP auf einen erhöhten Druck Pi. Wenn die Antriebsspannung entfernt wird und der Kondensator entladen wird, kehrt die Membran 5 in kurzer Zeit in ihren Ursprungszustand (wo die Membran 5 und die Elektrode 21 parallel sind) zurück, und ein Teil des Verschiebungsvolumens ΔV wird zum Tintenausstoß genutzt. Die Verformung der Membran in Reaktion auf die Antriebsspannung ist zwar eine Funktion der Zeit, wenn nicht anders angegeben, werden ΔV und ΔP in dieser Beschreibung jedoch gebraucht, um jeweils den Maximalwert, d. h. unmittelbar vor Entfernung der Antriebsspannung, zu bezeichnen.When a drive voltage is applied to an actuator, the capacitor comprising the nozzle electrode 21 and the diaphragm 5 is charged, and the diaphragm 5 is attracted to the electrode 21 by electrostatic force and deformed as shown in Fig. 6. This displacement increases the volume of the ejection chamber 6 and decreases the volume of the oscillation chamber 9 by the displacement volume ΔV. The reduced volume of the oscillation chamber causes the pressure P₀ in the oscillation chamber to increase by a pressure increment ΔP to an increased pressure Pi. When the drive voltage is removed and the capacitor is discharged, the diaphragm 5 returns to its original state (where the diaphragm 5 and the electrode 21 are parallel) in a short time, and part of the displacement volume ΔV is used for ink ejection. Although the deformation of the membrane in response to the drive voltage is a function of time, unless otherwise stated, ΔV and ΔP are used in this description to denote the maximum value, i.e. immediately before the drive voltage is removed.

Wie man erkennt, zeigt Fig. 6 den Fall ohne Trägerelement. Wenn Trägerelemente 35 vorgesehen sind, könnte man annehmen, daß Fig. 6 nur eine Hälfte der Anordnung (w/2 statt w) zeigt, d. h. zwischen einer Seitenkante der Membran und dem Trägerelement 35, und daß die andere Hälfte zwischen dem Trägerelement und der anderen Seitenkante symmetrisch ist. Bei der folgenden Diskussion wird zwar angenommen, daß keine Trägerelemente verwendet werden, sie gilt aber im wesentlichen in gleicher Weise für den Fall der Verwendung von Trägerelementen.As can be seen, Fig. 6 shows the case without a support element. If support elements 35 are provided, it could be assumed that Fig. 6 shows only one half of the arrangement (w/2 instead of w), i.e. between one side edge of the membrane and the support element 35, and that the other half is symmetrical between the support element and the other side edge. Although the following discussion assumes that no support elements are used, it applies essentially equally to the case where support elements are used.

Wie zuvor erwähnt, gewährleistet die untere Grenze für das Verhältnis V/ΔV, daß das Druckinkrement ΔP in der Schwingkammer niedrig genug ist. Der Grund für die obere Grenze von V/ΔV ist unten beschrieben. Die Werte in Tabelle 1 sind die Entwurfswerte für Tintenstrahlköpfe mit unterschiedlichen Druckauflösungen.As mentioned before, the lower limit of the ratio V/ΔV ensures that the pressure increment ΔP in the oscillation chamber is low enough. The reason for the upper limit of V/ΔV is described below. The values in Table 1 are the design values for inkjet heads with different printing resolutions.

In Tabelle 1 sind die Kopftypen (1) und (2) Tintenstrahlköpfe vom Kantenausstoßtyp, die für das erste Substrat ein Siliziumsubstrat mit (100)-Oberfläche verwenden. Im Kopftyp (1) beinhaltet das Aktuatorvolumen das Volumen der Schwingkammer 9 allein und beinhaltet kein mit der an die Elektrode angeschlossenen Verdrahtung (Leitelemente und Anschlußelemente) zusammenhängendes Volumen. Beim Kopftyp (2) ist der Aktuator nahe an den Elektrodenanschlüssen versiegelt (siehe Fig. 3 und 5), und das Aktuatorvolumen beinhaltet das Volumen des Hohlraumes, der durch die Leitelementrille 22a (die als Dummy-Volumen zur Vergrößerung des Aktuatorvolumens dient) zusätzlich zum Volumen der Schwingkammer 9, wodurch das mit dem Verschiebungsvolumen ΔV zusammenhängende Druckinkrement ΔP in der Schwingkammer reduziert wird. Die Kopftypen (3), (4) und (5) sind Tintenstrahlköpfe vom Oberflächenausstoßtyp, die ein Siliziumsubstrat mit (110)-Oberfläche als erstes Substrat 1 verwenden, wobei das Aktuatorvolumen in ähnlicher Weise durch Verwendung des Dummy-Volumens innerhalb der beschränkten Kopfgröße maximiert ist. Jeder der Kopftypen (1) bis (5) funktioniert ausreichend als Tintenstrahlkopf und ist so konstruiert, daß die Ausbeute von jedem Wafer maximiert ist. Im Fall des Kopftyps (1) ist z. B. das V/ΔV-Verhältnis 2,31, und der erhöhte Druck in der Schwingkammer ist 1,77 kp/cm² (17,3 · 10&sup4; Pa). Wenn in diesem Kopftyp ein Dummy-Volumen geschaffen wird, ohne die Kopfgröße zu verändern, steigt das V/ΔV-Verhältnis auf 4,69, und der erhöhte Druck Pi fällt um ca. 30% auf 1,27 kp/cm² (12,4 · 10&sup4; Pa), wie beim Kopftyp (2) gezeigt.In Table 1, head types (1) and (2) are edge ejection type ink jet heads using a silicon substrate with (100) surface for the first substrate. In head type (1), the actuator volume includes the volume of the oscillation chamber 9 alone and does not include any volume associated with the wiring (leads and terminals) connected to the electrode. In head type (2), the actuator is sealed close to the electrode terminals (see Figs. 3 and 5), and the actuator volume includes the volume of the cavity defined by the lead groove 22a (which serves as a dummy volume for increasing the actuator volume) in addition to the volume of the oscillation chamber 9, thereby reducing the pressure increment ΔP in the oscillation chamber associated with the displacement volume ΔV. The head types (3), (4) and (5) are surface ejection type ink jet heads using a silicon substrate having (110) surface as the first substrate 1, and the actuator volume is similarly maximized by using the dummy volume within the limited head size. Each of the head types (1) to (5) functions sufficiently as an ink jet head and is designed so that the yield of each wafer is maximized. For example, in the case of head type (1), the V/ΔV ratio is 2.31 and the increased pressure in the oscillation chamber is 1.77 kgf/cm² (17.3 x 10⁴ Pa). If a dummy volume is created in this head type without changing the head size, the V/ΔV ratio increases to 4.69 and the increased pressure Pi drops by about 30% to 1.27 kgf/cm² (12.4 x 10⁴ Pa), as shown in head type (2).

Es ist nicht möglich, den erhöhten Druck Pi in der Schwingkammer weiter zu verringern, ohne die Kopfgröße zu erhöhen. Dies würde die Ausbeute pro Wafer herabsetzen und die Kosten pro Einheit erhöhen.It is not possible to further reduce the increased pressure Pi in the oscillation chamber without increasing the head size. This would reduce the yield per wafer and increase the cost per unit.

Wenn die Auflösung erhöht ist, d. h. die Düsen näher aneinander angeordnet sind, nimmt das Verschiebungsvolumen ΔV ab, weil das Volumen jedes ausgestoßenen Tintentröpfchens kleiner ist als im Fall eines Kopfes mit niedriger Auflösung.When the resolution is increased, i.e. the nozzles are arranged closer together, the displacement volume ΔV decreases because the volume of each ejected ink droplet is smaller than in the case of a low resolution head.

Außerdem wird das Dummy-Volumen um so größer, je mehr Düsen der Kopf hat, und das V/ΔV- Verhältnis ist deshalb erhöht, weil die Fläche der Leitelemente 22 relativ zur Gesamtfläche des Kopfes zunimmt.In addition, the more nozzles the head has, the larger the dummy volume becomes, and the V/ΔV ratio is increased because the area of the vanes 22 increases relative to the total area of the head.

Z. B. ist die von Membranen belegte Fläche ca. 40% der Gesamtfläche des Kopf-Chips im Fall der Kopftypen (1) und (2), ist aber ca. 25% bei den Kopftypen (3), (4) und (5). Das V/ΔV- Verhältnis ist ≤ 8, wenn bei diesen hochauflösenden Tintenstrahlköpfen das größte Dummy- Volumen verwendet wird, das möglich ist, ohne die Ausbeute pro Wafer oder die Funktionalität des Tintenstrahlkopfes zu opfern.For example, the area occupied by membranes is about 40% of the total area of the head chip in the case of head types (1) and (2), but is about 25% in head types (3), (4) and (5). The V/ΔV ratio is ≤ 8 when using the largest dummy volume possible in these high resolution inkjet heads without sacrificing yield per wafer or functionality of the inkjet head.

Es ist nicht möglich, ein V/ΔV-Verhältnis von mehr als 8 zu erzielen, ohne die Kopfgröße heraufzusetzen, was die Ausbeute pro Wafer verringern und die Kosten pro Einheit erhöhen würde. Außerdem ist die Verringerung des Druckinkrements ΔP in der Schwingkammer, die mit V/ΔV ≤ 8 erreicht wird, ausreichend, und eine weitere Zunahme des V/ΔV-Verhältnisses ergibt keine signifikante weitere Verringerung des Druckinkrements: z. B. fällt der erhöhte Druck Pi von 1,15 kp/cm² (11,3 · 10&sup4; Pa) auf nur ca. 1 kp/cm² (9,8 · 10&sup4; Pa) ab. Der rationelle Bereich für das V/ΔV-Verhältnis bei Betrachtung von Tintenstrahlköpfen mit unterschiedlichen Auflösungen ist deshalb 2 ≤ V/ΔV ≤ 8.It is not possible to achieve a V/ΔV ratio of more than 8 without increasing the head size, which would reduce the yield per wafer and increase the cost per unit. In addition, the reduction in the pressure increment ΔP in the oscillation chamber achieved with V/ΔV ≤ 8 is sufficient, and a further increase in the V/ΔV ratio does not result in a significant further reduction in the pressure increment: e.g. the increased pressure Pi drops from 1.15 kp/cm² (11.3 x 10⁴ Pa) to only about 1 kp/cm² (9.8 x 10⁴ Pa). The rational range for the V/ΔV ratio when considering inkjet heads with different resolutions is therefore 2 ≤ V/ΔV ≤ 8.

Es sollte ferner beachtet werden, daß bei der oben beschriebenen vorliegenden Erfindung zwar mit Stickstoffgas innen versiegelt ist, das eingesiegelte Gas nach der Erfindung aber nicht darauf beschränkt sein soll, und alternativ (a) ein beliebiges inertes Gas (z. B. Helium, Neon), (b) Stickstoffgas oder (c) trockene Luft sein kann, die chemisch stabil ist und nicht chemisch reagiert, wenn der Tintenstrahlkopf angetrieben wird (während einer elektrischen Entladung), was eine Veränderung der Gaseigenschaften und Korrosion oder Beschädigung der Membran 5 oder der individuellen Elektrode 21 herbeiführen könnte. Die bevorzugte Reihenfolge der Auswahl für diese eingesiegelten Gase ist (a), (b) und (c), unter Betrachtung dieser Leistungsanforderungen, sie ist allerdings (c), (b), (a) unter Berücksichtigung der Kosten. Daraus folgt, daß (b), Stickstoffgas, die insgesamt bevorzugte Auswahl mit Bezug sowohl auf Leistung als auch Kostengesichts punkte ist. Diese eingesiegelten Gase verhindern auch Funkenschlag innerhalb der Schwingkammer 9 und führen zu stabilem Betrieb.It should also be noted that although the present invention is internally sealed with nitrogen gas as described above, the sealed gas according to the invention is not intended to be limited thereto, and may alternatively be (a) any inert gas (e.g., helium, neon), (b) nitrogen gas, or (c) dry air which is chemically stable and does not chemically react when the ink jet head is driven (during electrical discharge) which could cause a change in gas properties and corrosion or damage to the diaphragm 5 or the individual electrode 21. The preferred order of selection for these sealed gases is (a), (b), and (c) considering these performance requirements, but is (c), (b), (a) considering cost. It follows that (b), nitrogen gas, is the overall preferred selection in terms of both performance and cost. points. These sealed gases also prevent sparking within the oscillation chamber 9 and lead to stable operation.

Damit alle Aktuatoren eines Tintenstrahlkopfes mit mehreren Düsen die gleiche Charakteristik haben, ist es bevorzugt, daß die jeweiligen Aktuator-Volumina vereinheitlicht sind. Wie sich aus Fig. 1 versteht, kann zwar das Volumen der Schwingkammern für alle Aktuatoren leicht gleich gemacht werden, die einzelnen Leitelemente 22 haben jedoch unterschiedliche Längen. Wenn das von den Rillen 22a, die die Leitelemente 22 enthalten, geschaffene Dummy-Volumen im Gesamtaktuatorvolumen eingeschlossen ist, sollten deshalb diese Rillen vorzugsweise so bemessen sein, daß trotz ihrer unterschiedlichen Längen jede das gleiche Dummy-Volumen liefert.In order for all actuators of a multi-nozzle inkjet head to have the same characteristics, it is preferable that the respective actuator volumes are unified. As can be understood from Fig. 1, although the volume of the oscillation chambers can easily be made the same for all actuators, the individual guide elements 22 have different lengths. Therefore, if the dummy volume created by the grooves 22a containing the guide elements 22 is included in the total actuator volume, these grooves should preferably be dimensioned so that despite their different lengths, each provides the same dummy volume.

Tabelle 1Table 1

V/ΔV-Verhältnis des TintenstrahlkopfesV/ΔV ratio of the inkjet head

Kopfspalt G = 0,2 um Head gap G = 0.2 um

Claims (4)

1. Tintenstrahl-Aufzeichnungsgerät mit:1. Inkjet recording device with: einem Tintenstrahlkopf (10) mit einer oder mehreren Düsen (4) und für jede Düse:an inkjet head (10) with one or more nozzles (4) and for each nozzle: einem Tintendurchgang (7, 6) in Kommunikation mit der Düse (4), undan ink passage (7, 6) in communication with the nozzle (4), and einem elektrostatischen Aktuator, der eine an einem Teil (6) des Tintendurchgangs vorgesehene Membran (5), eine der Membran (5) mit einem dazwischenliegenden Spalt (G) gegenüberliegend vorgesehene Düsenelektrode (21), wobei die Membran eine und die Düsenelektrode (21) die andere Platte eines Kondensators bildet, und eine Schwingkammer (9) mit ersten und zweiten Wänden umfaßt, von denen die erste Wand durch die Membran (5) gebildet ist, während die Düsenelektrode an der zweiten Wand befestigt ist,an electrostatic actuator comprising a diaphragm (5) provided on a part (6) of the ink passage, a nozzle electrode (21) provided opposite the diaphragm (5) with a gap (G) therebetween, the diaphragm forming one plate and the nozzle electrode (21) forming the other plate of a capacitor, and an oscillation chamber (9) having first and second walls, the first wall of which is formed by the diaphragm (5) while the nozzle electrode is fixed to the second wall, wobei die Vorrichtung ferner Antriebsmittel (102) umfaßt, zum selektiven Laden und Entladen jedes Aktuators, um dessen Membran (5) durch elektrostatische Kraft auszulenken und dadurch Tintenstrahltröpfchen aus der einen oder mehreren Düsen auszustoßen,the device further comprising drive means (102) for selectively charging and discharging each actuator to deflect its diaphragm (5) by electrostatic force and thereby eject ink jet droplets from the one or more nozzles, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingkammer (9) mit einem solchen Volumen V luftdicht abgedichtet ist, daß das Verhältnis zwischen dem Volumen V und dem durch die Membran bei maximaler Auslenkung der Membran verschobenem Volumen ΔV im Bereich 2 ≤ V/ΔV ≤ 8 ist.characterized in that the oscillation chamber (9) is hermetically sealed with a volume V such that the ratio between the volume V and the volume ΔV displaced by the membrane at maximum deflection of the membrane is in the range 2 ≤ V/ΔV ≤ 8. 2. Gerät nach Anspruch 1, bei dem das Volumen V ein Volumen beinhaltet, das durch einen Hohlraum (22a) gebildet ist, der ein an die Elektrode (21) angeschlossenes Verdrahtungselement (22) aufnimmt.2. Device according to claim 1, wherein the volume V includes a volume formed by a cavity (22a) which accommodates a wiring element (22) connected to the electrode (21). 3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, mit mehreren Düsen, wobei jeder der Aktuatoren im wesentlichen das gleiche Volumen V hat.3. Apparatus according to claim 1 or 2, comprising a plurality of nozzles, each of the actuators having substantially the same volume V. 4. Gerät nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem die Schwingkammer (9) oder die Schwingkammer (9) und der Hohlraum (22a) zur Unterbringung des Leitelementes (22) jeweils mit einem inerten Gas, Stickstoffgas oder trockener Luft gefüllt sind.4. Device according to claim 1, 2 or 3, wherein the oscillation chamber (9) or the oscillation chamber (9) and the cavity (22a) for accommodating the guide element (22) are each filled with an inert gas, nitrogen gas or dry air.
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