DE69627841T2

DE69627841T2 - Matrixtintenstrahlanordnung mit hoher auflösung

Info

Publication number: DE69627841T2
Application number: DE69627841T
Authority: DE
Inventors: A. Hoisington
Original assignee: Spectra Inc
Current assignee: Fujifilm Dimatix Inc
Priority date: 1996-02-01
Filing date: 1996-12-06
Publication date: 2003-11-06
Anticipated expiration: 2016-12-07
Also published as: DE69627841D1; EP0819063A1; KR19980702611A; JPH10508808A; EP0819063A4; EP0819063B1; US5757400A; KR100229689B1; JP3231786B2; WO1997028000A1

Description

Technisches Gebiet

Diese Erfindung bezieht sich auf Hochauflösungs-Tintenstrahlsysteme und insbesondere auf eine Hochauflösungs-Tintenstrahlanordnung, die ein Matrix- Tintenstrahl-Array verwendet.

Hintergrund der Technik

Früher wurden die meisten herkömmlichen Tintenstrahlsysteme mit linearen Arrays von Tintenstrahldüsen zum Projizieren von Tintentropfen auf ein Substrat hergestellt, wenn das Array mit Bezug auf das Substrat bewegt wird, um ein Bild auf dem Substrat zu bilden. Mit gegenwärtig verfügbarer Technologie können die Düsen in einem linearen Array nicht dichter zusammen als ungefähr 0,7 mm (0,025 Zoll) angeordnet sein. Wie es beispielsweise in dem Patent Nr. 4 864 328 von Fishbeck beschrieben ist, wird, um eine höhere Auflösung, d. h. die Bildzeilen sind dichter zusammen, als die Düsenbeabstandung in einem mit einem derartigen linearen Array von Tintenstrahlen hergestellten Tintenstrahlbild zu liefern, das Array um einen relativ kleinen Winkel mit Bezug auf die Richtung der Abtastbewegung des das Array enthaltenen Tintenstrahlkopfs geneigt. Wenn beispielsweise ein lineares Array von Tintenstrahldüsen, die um ungefähr 0,7 mm (0,025 Zoll) beabstandet sind, um einen Winkel von ungefähr 7,50 mit Bezug auf die Richtung der Abtastbewegung geneigt ist, sind die resultierenden benachbarten Zeilen des Tintenstrahlbilds um ungefähr 0,08 mm (0,0033 Zoll) beabstandet, wobei eine Auflösung in der Richtung senkrecht zu der Abtastbewegung von ungefähr 12 Zeilen pro Millimeter (300 Zeilen pro Zoll) bereitgestellt wird.
Obwohl die Bildauflösung in der Richtung der Abtastbewegung eines Tintenstrahlkopfs durch Erhöhen der Rate der Aufbringung der Tintentröpfen während der Abtastbewegung oder durch Verringern der Rate der Abtastbewegung erhöht werden kann, um eine höhere Auflösung in der Richtung senkrecht zu der Abtastbewegung mit einem linearen Tintenstrahl-Array bereitzustellen, muss der Winkel des linearen Arrays mit Bezug auf die Abtastbewegung des Arrays verringert werden, wobei jedoch bei Winkeln kleiner als ungefähr 7,5º kleine Fehler in der Winkelpositionierung des Öffnungs-Arrays bedeutsam werden. Der minimale praktische Winkel, der eine maximale mögliche Auflösung von ungefähr 48 Zeilen pro Millimeter (1200 Zeilen pro Zoll) mit einem linearen Array bereitstellen würde, beträgt ungefähr 2º.
Um die Beabstandung zwischen benachbarten Tintenstrahlen in einem linearen Array zu minimieren, offenbart das Patent mit der Nr. 5 455 615 von Burr u. a. eine Tintenstrahlanordnung, bei der die Druckkammern für benachbarte Tintenstrahlen in einem linearen Array in zwei benachbarten Reihen angeordnet sind, die bei unterschiedlichen Abständen von den Tintenstrahlen beabstandet sind, um eine hexagonale Druckkammer-Konfiguration bereitzustellen. Diese Anordnung verlangt, dass Tinte an die Druckkammer in der Reihe, die näher an dem Tintenstrahl-Array ist, durch Tintenkanäle geliefert wird, die zwischen den Druckkammern in der Reihe weiter weg von den Tintenstrahl-Array geliefert wird. Um Tintenkanäle der gleichen Länge an alle Druckkammern zu liefern, weisen die Tintenkanäle, die zu den Druckkammern in der Reihe weiter weg von dem Tintenstrahl-Array führen, einen gekrümmten Abschnitt auf Dies schließt wirksam die Bereitstellung von zwei der mehr benachbarten parallelen Reihen von Tintenstrahlen in einem Tintenstrahlkopf aus. Folglich besteht ein Bedarf für eine unterschiedliche Anordnung von Tintenstrahlen, um eine höhere Auflösung in der Richtung senkrecht zu der Abtastrichtung in einem Tintenstrahlbild bereitzustellen Wenn Tintenstrahlsysteme, die eine höhere Auflösung als 48 Zeilen pro Millimeter (1200 Zeilen pro Zoll) bereitstellen, erreicht werden können, können zusätzlich zu der verbesserten Bildqualität weiterer Vorteile geliefert werden. Beispielsweise ist, da die von dem Hochauflösungs-Systemen aufgebrachten Tintentropfen kleiner sind, weniger Tinte erforderlich, um eine vollständige Bedeckung eines Substrats zu liefern, obgleich die Tintentropfen dichter zusammen sind, und da die Tintentropfen auf das Substrat mit einer entsprechend höheren Frequenz aufgebracht werden, kann ein größerer Durchsatz erhalten werden.
Die WO 88/02698 offenbart einen Mehrschicht-Tintenstrahldruckkopf, in dem die Tintenkammern, Öffnungsdurchgänge und Versorgungskanäle alle in getrennt erzeugten Platten sind, die überlagert und durch einen Diffusions-Schweißprozess zusammen befestigt sind. Das gleiche gilt bei dem US-Patent 5087930, das ebenfalls eine Mehrfachplatten-Struktur mit Tintenkammern, Öffnungsdurchgängen und Versorgungskanälen zeigt, die in unterschiedlichen Platten ausgebildet sind, die sandwichartig zusammen befestigt sind. Die EP-A 0554907 liefert ebenfalls eine Explosionsdarstellung eines Tintenstrahl-Aufzeichnungskopfes, in dem Tintenkammern und Öffnungsdurchgänge in unterschiedlichen Platten ausgebildet sind.

Offenbarung der Erfindung

Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Hochauflösungs-Tintenstrahlkopf bereitzustellen, für den Tintenstrahl-Arrays zweckmäßigerweise mit relativ niedrigen Kosten hergestellt werden können. Die Erfindung liefert einen Tintenstrahlkopf, wie er in Anspruch 1 der beigefügten Ansprüche definiert ist, und ein Hochauflösungs-Tintenstrahlsystem, wie es in Anspruch 18 der beigefügten Ansprüche definiert ist. Der Tintenstrahlkopf kann ein Array von Tintenstrahlen aufweisen, die in der Form einer Matrix angeordnet und derart beabstandet sind, dass von den Öffnungen ausgestoßene Tintentropfen ein Bild auf einem benachbarten Substrat erzeugen, in dem die Bildzeilen mit mindestens 48 Zeilen pro Millimeter (1200 Zeilen pro Zoll) in der Richtung senkrecht zu der Abtastrichtung beabstandet sind. Für die Kompaktheit des Tintenstrahlkopfes sind die Tintenstrahlen vorzugsweise in einer hexagonalen Konfiguration angeordnet, in der jeder Tintenstrahl, mit der Ausnahme derjenigen an den Rändern der Matrix, von sechs weiteren Tintenstrahlen umgeben und im wesentlichen gleichmäßig von diesen beabstandet ist, um benachbarte Reihen von Tintenstrahlen zu liefern, in denen die Beabstandung zwischen benachbarten Tintenstrahlen in jeder Reihe in der Richtung senkrecht zu der Abtastbewegung gleich der gewünschten Zeilenbeabstandung in dem resultierenden Bild ist, und die Tintenstrahlen in benachbarten Reihen der Matrix um ein ganzzahliges Vielfaches des Abstands beabstandet sind, der gleich dem Reziproken der Bildzeilen-Beabstandung multipliziert mit der Anzahl von Tintenstrahlen in jeder Reihe ist. Eine derartige Anordnung erlaubt einen zweckmäßigen Zugang zwischen benachbarten Spalten von Tintenstrahlen in dem Matrix-Array für Tintenversorgungskanäle angemessener Größe.
Vorzugsweise umfasst ein in der vorstehenden Art und Weise angeordnetes Tintenstrahl-Array eine Pumpenkammerplatte, in der Öffnungsdurchgänge, Nachfülldurchgänge und Pumpenkammern ausgebildet wurden, mit einer an einer Seite der Pumpenkammerplatte angebrachte Öffnungsplatte und einem piezoelektrischen Element an der anderen Seite, das betätigende Elektroden aufweist, die benachbart der Pumpenkammern angeordnet sind. Die Pumpenkammerplatte ist vorzugsweise aus Silizium, das durch photolithographische Techniken verarbeitet werden kann, oder aus Kohlenstoff gebildet.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden durch Lesen der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen offensichtlich, in denen zeigen:
Fig. 1 eine schematische Draufsicht, die die Anordnung einer repräsentativen Ausführungsform eines Tintenstrahlsystems darstellt, das einen Tintenstrahlkopf mit Matrix-Arrays von Tintenstrahlen in Übereinstimmung mit der Erfindung enthält;
Fig. 2 eine diagrammartige Perspektiv-Vorderansicht, die die Anordnung einer Mehrzahl von Matrix-Tintenstrahlmodulen in dem Tintenstrahlkopf von Fig. 1 zeigt;
Fig. 3 eine schematische Draufsicht, die die Anordnung einer repräsentativen Ausführungsform eines Matrix-Tintenstrahl-Arrays in Übereinstimmung mit der Erfindung zeigt; und
Fig. 4 eine Teilschnittansicht, die an der Linie IV-IV von Fig. 3 in der Richtung der Pfeile genommen ist, die die Anordnung einer Pumpenkammer und Tintenversorgungs-Durchgänge in der in Fig. 3 gezeigten Pumpenkammerplatte darstellt.

Beste Betriebsart zum Ausführen der Erfindung

Bei der typischen Ausführungsform der Erfindung, die schematisch in den Fig. 1 bis 4 dargestellt ist, ist ein Tintenstrahlkopf 10 auf einem Wagen 11 zur Hin- und Herbewegung in der durch den Pfeil 12 angegebenen Richtung benachbart einem Substrat 13, wie beispielsweise einem Blatt Papier, angebracht. Das Substrat. 13 wird auf einer Trägerplatte 14 zur Bewegung senkrecht zu der Bewegungsrichtung des Wagens 11 getragen und periodisch oder kontinuierlich auf die gewöhnliche Art und Weise vorgerückt. Eine Antriebsspindel 15, die von einem Motor in Übereinstimmung mit Signalen auf einer Leitung 16 von einem Steuersystem 17 angetrieben wird, treibt den Wagen 11 mittels eines Bandes 18, das um eine Spindel 19 an dem entgegengesetzten Ende der Bewegungsbahn des Wagens läuft. Das Steuersystem 17 überträgt ebenfalls Steuersignale auf einer Leitung 20, um den selektiven Ausstoß von Tintentropfen 21 von unterschiedlichen Farben, wie beispielsweise Schwarz, Gelb, Magenta und Cyan zu dem Substrats 13 hin zu steuern, und steuert ferner die Bewegung des Substrats durch eine Leitung 22 auf die gewöhnliche Art und Weise, um ein Bild auf dem Substrat zu erzeugen.
Wie es am besten in Fig. 2 ersichtlich ist, umfasst der Tintenstrahlkopf 10 vier Matrix-Tintenstrahl-Arrays 23, 24, 25 und 26, die angeordnet sind, um jeweils die unterschiedlichen Farben von Tinte auszustoßen, wobei die Tinten dazu von entsprechenden benachbarten Tintenbehältern 27, 28, 29 und 30 in dem Tintenstrahlkopf 10 geliefert werden. Bei der dargestellten Ausführungsform enthält jedes der vier Matrix-Tintenstrahl-Arrays 23 bis 26 64 Tintenstrahlen, die in acht Reihen von jeweils acht Tintenstrahlen mit abwechselnden Reihen, die um die Hälfte des Abstands zwischen den benachbarten Strahlen in jeder Reihe verschoben sind, angeordnet sind. Außerdem sind alle Reihen der Tintenstrahlen in den Matrix- Arrays mit den entsprechenden Reihen in den anderen Matrizen ausgerichtet, so dass, wenn sich der Kopf 10 in der Richtung des Pfeils 12 hin und her bewegt, die von den entsprechenden Tintenstrahlen ausgestoßenen Tintentropfen in jedem der. Arrays während der gleichen Abtastung auf das gleiche Bildpixel auf dem Substrat 13 aufgebracht werden.
In der vergrößerten Ansicht von Fig. 3 ist das Matrix-Tintenstrahl-Array 23 ausführlicher dargestellt, um die Tintenversorgungs-Anordnung für jede der Tintenstrahl-Öffnungen zu zeigen und die dimensionalen Beziehungen zwischen den Tintenstrahlen in dem Matrix-Array anzugeben. Bei der in Fig. 3 gezeigten typischen Ausführungsform umfasst das Matrix-Array acht parallele Reihen 32 bis 39, die jeweils acht Tintenstrahlen 40 enthalten, wobei die Tintenstrahlen in abwechselnden Reihen um die Hälfte des Abstands zwischen benachbarten Tintenstrahlen in jeder Reihe verschoben sind. Dies liefert ein hexagonales Tintenstrahlmuster mit sechs Tintenstrahlen, das jeden Tintenstrahl ausgenommen entlang der Ränder des Matrix-Arrays umgibt. Die Reihen der Tintenstrahlen sind mit einem Abstand A beabstandet, und die Tintenstrahlen in benachbarten Reihen sind in der Bewegungsrichtung 12 des Arrays mit einem Abstand B beabstandet. Außerdem sind aufeinander folgende Tintenstrahlen 40 in jeder Reihe in der Richtung senkrecht zu der Bewegungsrichtung 12 des Arrays um einen Abstand C beabstandet, und jeder Tintenstrahl weist eine hexagonale Kontur mit einer Dicke D zwischen entgegengesetzten Wänden und mit, einer im wesentlichen gleichmäßigen Beabstandung E zwischen benachbarten Wänden der Tintenstrahlen auf.
Für eine typische Ausführung eines Matrix-Tintenstrahl-Arrays, das ausgestaltet ist, um Tintenstrahlbilder mit einer Auflösung von 96 Zeilen pro Millimeter (2400 Zeilen pro Zoll) zu erzeugen, können die folgenden Abmessungen verwendet werden:

Tabelle 1

A = 0,0423 mm (0,016667 Zoll)
B = 0,0733 mm (0,028868 Zoll)
C = 10,6 um (0,00041667 Zoll)
D = 0,0719 mm (0,0283 Zoll)
E = 0,013 mm (0,005 Zoll)
Ein Tintenstrahl-Matrix-Array mit 64 Tintenstrahlen weist, wie es in Fig. 3 gezeigt ist, mit den in der Tabelle 1 gezeigten Abmessungen eine Länge von nur ungefähr 11,75 mm (0,47 Zoll), eine Breite von nur ungefähr 3,8 mm (0,15 Zoll) und eine Dicke von nur ungefähr 8,9 mm. (0,35 Zoll) auf, wobei kompakte Tintenstrahl- Anordnungen mit entsprechend geringem Gewicht bereitstellt werden. Mit dieser. Anordnung wird das Substrat um einem Abstand von 0,0846 mm (0,00333 Zoll) nach jeder der ersten vier Abtastungen des Kopfes über dem Substrat und dann um 3,39 mm (0,133 Zoll) vorgerückt, um die von der ersten Reihe 32 der Tintenstrahlen erzeugte erste Zeile während der nächsten Abtastung direkt benachbart zu der von der letzten Reihe 39 der Tintenstrahlen während der vorherigen Abtastung erzeugten letzten Zeile zu platzieren, und der gleiche Prozess wird wiederholt, bis das vollständige Bild auf dem Substrat 13 erzeugt wurde.
Mit einem Tintenstrahl-Matrix-Array, das die oben in der Tabelle 1 dargelegten Abmessungen aufweist, wird die Versorgung von Tinte an jeden der Tintenstrahlen 40 von dem entsprechenden Behälter in dem Tintenstrahlkopf zweckmäßigerweise durch zwei Versorgungskanäle 42 und 43 bereitgestellt, die ich über und unter dem Array erstrecken, die jeweils Verzweigungen 44 bzw. 45 aufweisen, die sich senkrecht zwischen benachbarten Tintenstrahlen erstrecken, wie es teilweise in Fig. 3 dargestellt und ausführlich in der vergrößerten Teilansicht von Fig. 4 gezeigt ist. Jedes Matrix-Array von Tintenstrahlen 40 ist in einer gemeinsamen Tintenkammerplatte 47 ausgebildet, in der sich die Tintenversorgungskanäle 44 und. 45 nach innen von einer Oberfläche erstrecken, und flache hexagonale oder kreisförmige Ausnehmungen sind in der entgegengesetzten Oberfläche ausgebildet, um ein Array von Tintenpumpenkammern 48 bereitzustellen, wobei jede dieser durch einen Öffnungsdurchgang 49 mit der Oberfläche kommuniziert, in der die Kanäle 44 und 45 ausgebildet sind.
Eine Öffnungsplatte 50 ist durch ein Klebemittel an der Oberfläche der Tintenkammerplatte 47 befestigt, in der die Kanäle 44 und 45 ausgebildet sind, um eine Wand der Tintenkanäle zu bilden, und an dem Ende jeder der Öffnungsdurchgänge 49 weist die Öffnungsplatte 50 eine Öffnung 51 auf, durch die die Tintentropfen 21 selektiv ausgestoßen werden. Die Kanäle 44 und 45 können beispielsweise Querschnittsabmessungen von 0,38 · 0,38 mm (0,015 · 0,015 Zoll) aufweisen, was ausreichend ist, um einen konstanten Fluss von Tinte an alle Tintenstrahlen 40 mit der maximalen Tintenausstoßrate zu gewährleisten. Wie es am besten in Fig. 3 ersichtlich ist, ist jeder der Kanäle 44 und 45 mit den benachbarten Pumpenkammern durch Nachfüll-Induktoren 52 und entsprechende Durchgänge 53 verbunden, die zu den Pumpenkammern 48 führen, durch die jede Pumpenkammer 48 mit Tinte nach Ausstoßen eines Tropfens 21 nachgefüllt wird. Bei der veranschaulichten Ausführungsform liefert jeder der Kanäle 44 und 45 Tinte an die benachbarten Tintenstrahlen 40 in allen Reihen 32 bis 39 durch entsprechende Durchgänge 53, so dass jede Pumpenkammer 48 Tinte von beiden benachbarten Kanälen 44 und 45 empfängt.
Die Tintenkammerplatte 47, die beispielsweise ungefähr 0,51 mm (0,02 Zoll) dick sein kann, ist vorzugsweise aus Silizium hergestellt, und die Kanäle, Kammern und Durchgänge darin können durch herkömmliche photolithographische Techniken gebildet werden. Alternativ kann die Kammerplatte 47 eine Kohlenstoffplatte mit Kanälen, Kammern und Durchgängen sein, die in der U.S.-Anmeldung mit der Seriennummer 08/406 297 von Moynihan u. a., eingereicht am. 17. März 1995, beschrieben ist (siehe U.S.-Patent 5771052), wobei die Offenbarung derselben hier mit Bezug aufgenommen ist. Die Öffnungsplatte 50 kann in der in der oben erwähnten U.S.-Anmeldung mit der Seriennummer 08/406 297 beschriebenen Art und Weise hergestellt und an der Tintenkammerplatte auf die in dieser Anmeldung beschriebenen Art und Weise befestigt werden.
Um einen selektiven Ausstoß der Tintentropfen 21 zu ermöglichen, wird die mit den Tintenpumpenkammern 48 ausgebildete Seite der Platte 47 mit einer piezoelektrischen Schicht 54 bedeckt, die ihrerseits mit einem Array von betätigenden. Elektroden 55 ausgebildet ist, die entgegengesetzt der Pumpenkammern 48 angeordnet sind, wobei die betätigenden Elektroden ungeordnet sind, wenn sie selektiv betätigt werden, um zu veranlassen, dass der benachbarte. Teil der piezoelektrischen Schicht 53 auf die gewöhnliche Art und Weise mit Bezug auf die entsprechende Kammer 48 abgelenkt wird, um den Tintentropfenausstoß durch die entsprechende Öffnung 51 zu verursachen.
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform der Erfindung, die eine Matrix verwendet, die acht Reihen von Tintenstrahlen und eine Beabstandung zwischen benachbarten Reihen enthält, die das Fünffache der Breite des von jeder Reihe während einer Abtastung erzeugten Bildanteils ist, sind fünf. Abtastungen des Tintenstrahl-Arrays erforderlich, um den von dem Array während jeder Abtastung überstrichenen Bildbereich vollständig zu füllen. Wenn es gewünscht ist, kann ein Matrix-Array mit zwanzig Tintenstrahlen in jeder der acht Reihen mit der gleichen, in Tabelle 1 dargelegten Tintenstrahlbeabstandung, die eine Gesamt-Array-Länge von ungefähr 300 mm (1,6 Zoll) bereitstellt, verwendet werden. Ln diesem Fall sind nur zwei Abtastungen erforderlich, um den von dem Kopf während jeder Abtastung überstrichenen Substratbereich zu füllen, wobei das Substrat um 0,021 mm (0,00833 Zoll) nach der ersten Abtastung und 0,846 mm (0,133 Zoll) nach der zweiten Abtastung vorgerückt wird. Mit dieser Anordnung wird die Fertigstellung eines Bilds schneller bewirkt, was zu einem höheren Durchsatz führt. Außerdem kann die Anzahl von Reihen von Tintenstrahlen in dem Array weiter erhöht werden, was die Gesamtzahl der Abtastungen, die erforderlich sind, um eine volle Seite zu drucken, entsprechend verringert. Wenn die Anzahl von Reihen von Tintenstrahlen erhöht wird, müssen jedoch die Tintenkanäle 44 und 45 eine ausreichende Kapazität aufweisen, um Tinte an alle Tintenstrahlen zu liefern.
Falls es gewünscht ist, kann die Beabstandung zwischen benachbarten Tintenstrahlen in jeder Reihe in der Richtung senkrecht zu der Abtastrichtung, d. h. die Abmessung C in Fig. 3, erhöht werden, um eine niedrigere Bildauflösung zu liefern. Beispielsweise kann die Abmessung auf 21,2 um (0,000833 Zoll) verdoppelt werden, um eine, Auflösung von 48 Zeilen pro Millimeter (1200 Zeilen pro Zoll) zu liefern, oder um die Hälfte auf 15,9 um (0,000625 Zoll) erhöht werden, um eine Auflösung von 72 Zeilen pro Millimeter (1800 Zeilen pro Zoll) bereitzustellen. In jedem Fall sollte die Anzahl von Tintenstrahlen in jeder Reihe und die Anzahl von Abtastungen, die durchgeführt werden, um den von dem Kopf überstrichenen Bildanteil fertigzustellen, entsprechend eingestellt werden.
Beispielsweise können bei einer anderen Ausführungsform Matrix-Arrays, die 16 Reihen von Tintenstrahlen mit 16 Tintenstrahlen in jeder Reihe enthalten, mit der gleichen oben beschriebenen hexagonalen Konfiguration und den gleichen Abmessungen A, B, D und E, die in Tabelle 1 dargelegt sind, jedoch mit einer Abmessung C von 0,0132 mm (0,00054 Zoll) versehen werden, wobei Arrays mit Gesamtabmessungen von ungefähr 23,5 mm (0,94 Zoll) · 7,6 mm (0,3 Zoll) bereitgestellt werden.
Bei dieser Ausführungsform wird eine Auflösung von 79 Zeilen pro Millimeter (1920 Zeilen pro Zoll) erzeugt, und nach der ersten Abtastung wird das Substrat 0,212 mm (0,000834 Zoll) vorgerückt und erneut abgetastet, um die Bedeckung des Anteils des von dem Kopf überstrichenen Substrats fertigzustellen, nachdem das Substrat um 0,846 mm (0,133 Zoll) vorgerückt wird, um die Bedeckung eines weiteren Segments des Substrats zu beginnen. Bei anderen Ausführungsformen können die in Tabelle 1 angegebenen anderen Abmessungen verkleinert werden, um Arrays mit kleinerer Gesamtgröße und geringerem Gewicht, bereitzustellen, wobei jedoch die Tintenkammern 48 groß genug sein müssen, um Tintentropfen der erforderlichen Größe mit der erforderlichen Geschwindigkeit auszustoßen, und die Tintenversorgungskanäle groß genug sein müssen, um eine kontinuierliche Versorgung von Tinte an alle Tintenstrahlen mit der höchsten Tintenausstoßrate zu gewährleisten.
Mit einem Matrix-Tintenstrahl-Array der oben beschriebenen Art wird eine hohe Bildauflösung in der Richtung senkrecht zu der Richtung der Abtastung auf eine zweckmäßige und hochwirksame Art und Weise mit niedrigen Kosten und mit einer minimalen Platz- und Gewichtsanforderung bereitgestellt. Um eine entsprechend hohe Auflösung in der Richtung der Abtastung 12 bereitzustellen, sollte eine selektive Betätigung des piezoelektrischen Elements 53 benachbart zu jeder Tintenkammer 48 mit einer Rate bewirkt werden, die, wenn sie mit der Abtastgeschwindigkeit des Tintenstrahlkopfes betrachtet wird, Tintentropfen entlang jeder Zeilen-zu-Zeilen-Beabstandung aufbringen wird. Um somit beispielsweise eine Auflösung in der Abtastrichtung von 96 Tropfen pro Millimeter (2400 pro Zoll) bereitzustellen, wenn der Tintenstrahlkopf 10 mit einer Rate von 508 mm pro Sekunde (20 Zoll pro Sekunde) abtastet, muss der. Tintenstrahlkopf imstande sein, Tropfen durch jeden Tintenstrahl mit einer Rate von ungefähr 48 kHz auszustoßen, und für eine Auflösung von 48 Tropfen pro Millimeter (1200 Tropfen pro Zoll) muss die Tropfenausstoßrate mit der gleichen Abtastgeschwindigkeit ungefähr 24 kHz sein. Für höhere Kopfabtastgeschwindigkeiten sind entsprechend höhere Tropfausstoßraten erforderlich. Derartige Tropfausstoßraten mit hoher Frequenz können beispielsweise in der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 08/277 101 von Hoisington, eingereicht am 20. Juli 1994, den Offenbarung hier mit Bezug aufgenommen ist (Nr. US-A 5757391), erreicht werden.
Mit Tintenstrahlsystemen derartig hoher Auflösung werden die von den Tintenstrahlkopf aufgebrachten Tintentröpfen auf dem Substrat dichter zusammen platziert, und folglich müssen sie kleiner als Tropfen sein, die bei niedrigeren Auflösungssystemen auf dem Substrat weiter beabstandet sind. Beispielsweise weist mit einer herkömmlichen Auflösung von 12 Zeilen pro Millimeter (300 Zeilen pro Zoll) und der entsprechenden Auflösung in der Abtastrichtung von 12 Punkten pro Millimeter (300 Punkte pro Zoll), jeder Tropfen ein Volumen von 95 Pikoliter und einen Tropfendurchmesser von ungefähr 57 um auf, was eine Tintenschichtdicke von ungefähr 13 um für die komplette Bedeckung liefert. Mit einer Auflösung von 24 Punkten pro Millimeter (600 Punkte pro Zoll), weisen die Tintentropfen ein Volumen von ungefähr 25 Pikoliter und einen Durchmesser von ungefähr 36 um auf, und erzeugen ebenfalls eine ungefähr 13 um dicke Schicht zur vollständigen Bedeckung. Bei einer Auflösung von 48 Punkten pro Millimeter (1200 Punkte pro Zoll) weisen die Tintentropfen ein Volumen von 4 Pikoliter und einen Durchmesser von ungefähr 20 um auf und liefern eine Schichtdicke von ungefähr 10 um für eine vollständige Bedeckung, wohingegen bei einer Auflösung von 96 Punkten pro Millimeter (2440 Punkte pro Zoll), die Tintentropfen ein Volumen von ungefähr 0,5 Pikoliter und einen Durchmesser von ungefähr 10 um aufweisen, wobei eine Schicht einer Dicke von ungefähr 4 um für die vollständige Bedeckung eines Substrats erzeugt wird.
Als Ergebnis der Verringerung der Tintenstrahldicke für hochauflösendes Drucken können ungefähr 3000 Seiten von Text mit der gleichen Menge von Tinte gedruckt werden, mit der 1000 Seiten von Text mit 12 Punkten pro Millimeter (300 Punkte pro Zoll) oder 950 Seiten von Text mit. 24 Punkten pro Millimeter (600 Punkte pro Zoll) gedruckt werden. Aufgrund der dünneren Tintenschicht ist jedoch einen höhere Farbstoffbeladung in der Tinte für Bilder guter Qualität erforderlich. Beispielsweise ist das Zweifache der Farbstoff oder Pigmentkonzentration für ein Drucken von 96 Punkten pro Millimeter (2400 Punkte pro Zoll) als für ein Drucken mit 12 Punkten pro mm (300 Punkte pro Zoll) und mit 24 Punkten pro Millimeter (600 Punkte pro Zoll) erforderlich. Außerdem sollte, um Tintentropfen mit einem Durchmesser von 10 um zu erzeugen, der Durchmesser jeder Tintenstrahlöffnung 52 ungefähr 10 um, die Breite der Pumpenkammer 48 ungefähr 0,025 mm (0,001 Zoll), der Pumpenkammerdurchmesser ungefähr 0,5 mm (0,020 Zoll) und die Dicke der piezoelektrischen Schicht 53 ungefähr 0,127 mm (0,005 Zoll) betragen. Für ein Tintenstrahl-Array, das angeordnet ist, um 48 Zeilen pro Millimeter (1200 Zeilen pro Zoll) mit einer Tropfengröße von 20 um zu drucken, sollte die Öffnung 51 einen Durchmesser von ungefähr 20 um, die Pumpenkammer eine Breite von ungefähr 0,053 mm (0,0021 Zoll) und eine Dicke von ungefähr 1,07 mm (0,042 Zoll) aufweisen, und die Dicke der piezoelektrischen. Schicht 563 sollte ungefähr 0,254 mm (0,01 Zoll) betragen.
Im Gegensatz zu dem Vorstehenden würde, wenn ein Versuch durchgeführt würde, ein Tintenstrahl-Array vom linearen Typ auszugestalten, um Tintentropfen mit einem Durchmesser von 20 um oder 10 um zu erzeugen, es notwendig sein, ein piezoelektrisches Element mit einer Dicke von 43 um (0,0017 Zoll) bereitzustellen, das imstande ist, Tropfen von einer Kammer mit Abmessungen von 0,15 mm (0,006 Zoll) · 0,71 mm (0,028 Zoll) oder eines mit einer Dicke von 86 um (0,0035 Zoll) bereitzustellen, die imstande sind. Tröpfen von einer Kammer mit Abmessungen von 0,3 mm (0,012 Zoll) · 2,1 mm (0,083 Zoll) auszustoßen. Mit der gegenwärtigen piezoelektrischen Fertigungstechnologie würde es nicht notwendig sein, piezoelektrische Elemente zu erzeugen, die eine ausreichende Stärke aufweisen würden, um Tintentropfen von derartigen Kammern mit der gewünschten Rate und Geschwindigkeit auszustoßen, wohingegen piezoelektrische Elemente, die die Abmessungen aufweisen, die oben für ein piezoelektrisches Element des. Tintenstrahl-Matrix-Array spezifiziert wurden, dazu gebracht werden können, Tintentropfen mit der erforderlichen Rate und Geschwindigkeit auszustoßen.
Aufgrund des kleineren Öffnungsdurchmessers und der kleineren Tropfengröße, die für Tintenstrahlsysteme hoher Auflösung des hier beschriebenen Typs erforderlich sind, können zusätzliche Vorsichtmaßnahmen notwendig sein. Beispielsweise kann eine feinere Filtrierung der Tinte notwendig sein, um Teilchen mit einem Durchmesser von 1,5 um bis 3 um zu entfernen, im Gegensatz zu einer Filtrierung von Teilchen von 8 um bis 9 um für Systeme niedrigerer Auflösung. Da außerdem die Tintentropfen mit kleinerem Volumen bei Systemen hoher Auflösung schneller nach dem Ausstoßen abkühlen, muss Sorgfalt aufgewendet werden, um sicherzustellen, dass die Umgebungstemperaturbedingungen in dem Bereich zwischen dem Tintenstrahlkopf und den Substrat imstande sind, zu gewährleisten, dass sich der Tropfen nicht verfestigt, bevor er das Substrat erreicht. Das kleinere Tropfenvolumen erhöht ebenfalls die Verzögerung des Tropfens durch den Luftwiderstand in dem Räum zwischen dem Tintenstrahlkopf und dem Substrat, was Einstellungen in dem Timing des Tropfenausstoßes erfordern kann, um zu bewirken, dass Tropfen an den richtigen Stellen in dem Bild auf dem Substrat ankommen.

Claims

1. Tintenstrahlkopf umfassend eine Tintenkammerplatte (47), die eine Tintenkammerseite und eine Öffnungsseite aufweist, eine Anordnung - von Tintenkammern (48), die in Reihen (32-39) und Spalten angeordnet sind, die in der Tintenkammerseite der Tintenkammerplatte ausgebildet sind, eine Vielzahl von Öffnungsdurchgängen (40), die sich durch die Tintenkammerplatte (47) erstrecken, die jeweils von einer der Tintenkammern (48) zu der Öffnungsseite der Tintenkammerplatte führen, eine Vielzahl von Tintenversorgungskanälen (44, 45), die in der Tintenkammerplatte ausgebildet sind, wobei sich jeder Tintenversorgungskanal (45, 44) zwischen benachbarten Reihen (32-39) der Tintenstrahlen quer zu den benachbarten parallelen Reihen von Tintenstrahlen erstreckt und durch entsprechende Tintendurchgänge mit mindestens zwei Tintenkammern (48) verbunden ist, und eine Vielzahl von Tintendurchgängen (53), die jede der Tintenkammern (48) mit mindestens einem der Tintenversorgungskanäle (44, 45) verbinden.

2. Tintenstrahlkopf gemäß Anspruch 1, bei dem die Tintenversorgungskanäle (44, 45) in der Öffnungsseite der Tintenkammerplatte ausgebildet sind und mit einer an der Öffnungsseite der Tintenkammerplatte (47) befestigten Öffnungsplatte (50), um eine Wand der Tintenversorgungskanäle zu bilden, und eine Anordnung von Öffnungen (51), die jeweils, mit einem der Öffnungsdurchgänge (49) kommunizieren.

3. Tintenstrahlkopf gemäß Anspruch 1 oder 2, mit einem piezoelektrischen Element (54), das an der Tintenkammerseite der Kammerplatte (47) befestigt ist und eine Anordnung von betätigenden Elektroden (55) aufweist, die an Stellen entsprechend den Stellen der Tintenkammern in der Tintenkammerplatte angeordnet sind.

4. Tintenstrahlkopf gemäß einem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Tintenversorgungskanäle (44, 45) und die Tintendurchgänge (43) derart angeordnet sind, dass jede Tintenkammer (48) von beiden ihrer benachbarten Kanäle (44, 45) empfangen kann.

5. Tintenstrahlkopf gemäß einem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Tintenstrahlen (40) in der Anordnung in einer hexagonalen Konfiguration angeordnet sind.

6. Tintenstrahlkopf gemäß Anspruch 1, beidem die Tintenstrahlen (32-39) in jeder Reihe (40) in der Richtung senkrecht zu der Richtung (12) der Abtastbewegung um einen Abstand (C) beabstandet sind, der gleich dem Zeilenabstand eines durch des Tintenstrahlsystems erzeugten Bildes sind.

7. Tintenstrahlkopf gemäß Anspruch 6, bei dem der Abstand (A) zwischen benachbarten Tintenstrahlen ein ganzzahliges Vielfaches des Abstands (C) von benachbarten. Tintenstrahlen in jeder Reihe in der Richtung senkrecht zu der Abtastrichtung multipliziert mit der Anzahl von Tintenstrahlen in jeder Reihe ist.

8. Tintenstrahlkopf gemäß Anspruch 6 oder 7, bei dem der Abstand (C) benachbarter Tintenstrahlen in der Richtung senkrecht zu der Richtung (12) der Abtastbewegung des Tintenstrahlkopfs nicht größer als ungefähr 21,2 um (0,000833 Zoll) ist.

9. Tintenstrahlkopf gemäß einem vorhergehenden Anspruch, bei dem das piezoelektrische Element eine piezoelektrische Schicht mit einer Dicke nicht größer als ungefähr 0,25 mm (0,01 Zoll) ist, und jede Tintenkammer (48) in der Tintenkammerplatte eine maximale Abmessung von nicht mehr als ungefähr 1,25 mm (0,05 Zoll) aufweist.

10. Tintenstrahlkopf gemäß einem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Tintenstrahlplatte (47) aus einem Material hergestellt ist, das in der Lage ist, durch photolithographische Techniken verarbeitet zu werden.

11. Tintenstrahlkopf gemäß einem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Tintenkammerplatte (47) aus Silizium hergestellt ist.

12. Tintenstrahlkopf gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die Tintenkammerplatte (47) aus Kohlenstoff hergestellt ist.

13. Tintenstrahlkopf gemäß einem vorhergehenden Anspruch, bei dem jede Tintenkammer eine hexagonale Umfangsform aufweist.

14. Tintenstrahlkopf gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem jede Tintenkammer eine kreisförmige Umfangsform aufweist.

15. Tintenstrahlkopf gemäß einem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Tintenstrahl-Anordnung mindestens acht Reihen von Tintenstrahlen umfasst, wobei jede Reihe mindestens acht Tintenstrahlen enthält, und die Tintenstrahlen in jeder Reihe in der Abtastrichtung von den Tintenstrahlen in einer benachbarten Reihe um ungefähr die Hälfte des Abstands zwischen benachbarten Tintenstrahlen in jeder Reihe beabstandet sind.

16. Tintenstrahlkopf gemäß einem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Tintenstrahlen in jeder Reihe beabstandet sind, um eine minimale Auflösung in einem gedruckten Bild von mindestens 48 Zeilen pro Millimeter (1200 Zeilen pro Zoll) bereitzustellen.

17. Tintenstrahlkopf gemäß einem vorhergehenden Anspruch, mit einer Vielzahl von Matrix-Tintenstrahl-Anordnungen (23-26) und einer. Vielzahl von Tintenbehältern (27-30) zum Liefern von unterschiedlichen Farben von Tinte an jedes der Anordnungen.

18. Hochauflösungs-Tintenstrahlsystem mit einem Substratträger (14) zum Tragen eines Substrats (13), um von einem Tintenstrahlkopf (10) projizierte Tintentropfen zu empfangen, einem Tintenstrahlkopf (10), Steuermittel (15, 18, 19), um einen Abtastbewegung zwischen dem Tintenstrahlkopf und dem Substrat bereitzustellen, einem Array von Tintenstrahlen in den Tintenstrahlkopf, die in der Form einer Matrix angeordnet sind, die benachbarte parallel Reihen von Tintenstrahlen enthalten, die sich im wesentlichen parallel zu der Richtung der Abtastbewegung erstrecken, wobei der Tintenstrahlkopf (10) gemäß einem vorhergehenden Anspruch ist.

19. System gemäß Anspruch 18, mit Steuermitteln (17) zum Steuern des selektiven Auswurfs der Tintentropfen aus den Tintenstrahlen mit einer Rate von mindestens 24 kHz.