DE69837297T2 - Inkjet nozzle with electromagnetically activated ink piston - Google Patents

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Description

Gebiet der ErfindungField of the invention

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet von Tintenstrahl-Drucksystemen.The The present invention relates to the field of ink jet printing systems.

Stand der TechnikState of the art

Es sind viele verschiedene Arten des Druckens erfunden worden, von denen eine große Anzahl gegenwärtig im Einsatz sind. Die bekannten Formen des Druckens haben eine Vielzahl von Verfahren, um die Druckträger mit einschlägigen Beschriftungsmedien zu beschriften. Häufig verwendete Formen des Druckens umfassen das Offsetdrucken, Laserdrucken und Kopiergeräte, Punktmatrix-Anschlagdrucker, Thermopapierdrucker, Folienschreiber, thermische Wachsdrucker, Farbstoffsublimationsdrucker und Tintenstrahldrucker, und zwar sowohl in der Bauart mit Drop an Demand (Tropfen auf Anforderung) als auch mit kontinuierlichem Strom. Betrachtet man die Kosten, Geschwindigkeit, Qualität, Zuverlässigkeit, Einfachheit des Aufbaus und der Funktionsweise etc., dann hat jede Art von Drucker ihre eigenen Vorteile und Probleme.It Many different types of printing have been invented, from which is a big one Number present are in use. The known forms of printing have a variety from procedures to the print carrier with relevant Label labeling media. Frequently used forms of the Printing includes offset printing, laser printing and copiers, dot matrix impact printers, Thermal paper printers, film recorders, thermal wax printers, dye sublimation printers and inkjet printers, both in the drop-type design on demand (drop on demand) as well as with continuous stream. Looking at costs, speed, quality, reliability, Simplicity of construction and functioning etc., then each one has Kind of printers have their own advantages and problems.

In den letzten Jahren hat das Gebiet des Tintenstrahldruckens, wobei jedes einzelne Tintenpixel von einer oder mehreren Tintendüsen stammt, in erster Linie wegen seiner kostengünstigen und vielseitigen Natur immer größere Verbreitung gefunden.In In recent years, the field of inkjet printing has been taking each individual ink pixel comes from one or more ink nozzles, primarily because of its cost-effective and versatile nature always wider distribution found.

Es wurden viele verschiedene Techniken des Tintenstrahldruckens erfunden. Für eine Übersicht des Fachgebiets wird Bezug genommen auf einen Artikel von J. Moore, "Non-Impact Printing: Introduction and Historical Perspective", Output Hard Copy Devices, Herausgeber R. Dubeck und S. Sherr, Seiten 207 bis 220 (1988).It Many different techniques of inkjet printing were invented. For an overview in the art, reference is made to an article by J. Moore, "Non-Impact Printing: Introduction and Historical Perspective ", Output Hard Copy Devices, ed R. Dubeck and S. Sherr, pp. 207-220 (1988).

Tintenstrahldrucker selbst sind in vielen verschiedenen Bauarten erhältlich. Der Einsatz eines kontinuierlichen Tintenstroms beim Tintenstrahldrucken scheint mindestens auf das Jahr 1929 zurückzugehen, in welchem durch das US-Patent Nr. 1 941 001 von Hansell eine einfache Form des elektrostatischen Tintenstrahldruckens mit kontinuierlichem Strom offenbart ist.inkjet themselves are available in many different designs. The use of a continuous Ink flow in inkjet printing seems at least on the To go back to 1929 in U.S. Patent No. 1,941,001 to Hansell, a simple Form of electrostatic inkjet printing with continuous Electricity is disclosed.

Das US-Patent 3 596 725 von Sweet offenbart auch einen Prozess eines kontinuierlichen Tintenstrahldruckens, einschließlich des Schritts, bei dem der Tintenstrahlstrom durch ein hochfrequentes elektrostatisches Feld moduliert wird, um so die Tropfenseparation zu verursachen. Diese Technik wird von einigen Herstellern einschließlich Elmjet und Scitex (siehe auch US-Patent Nr. 3 373 437 von Sweet et al.) immer noch verwendet.The Sweet's U.S. Patent 3,596,725 also discloses a process of continuous ink-jet printing, including the step in which the ink jet stream through a high-frequency electrostatic Field is modulated so as to cause the droplet separation. This technique is used by some manufacturers including Elmjet and Scitex (see also U.S. Patent No. 3,373,437 to Sweet et al.). still used.

Piezoelektrische Tintenstrahldrucker stellen auch eine Form von häufig verwendeten Tintenstrahl-Druckvorrichtungen dar. Piezoelektrische Systeme sind von Kyser et al. im US-Patent Nr. 3 946 398 (1970) offenbart, bei dem eine membranunterstützte Funktionsweise eingesetzt wird, von Zolten im US-Patent 3 683 212 (1970), bei dem eine Funktionsweise offenbart ist, die auf einem Auspressen durch einen piezoelektrischen Kristall beruht, Stemme offenbart im US-Patent Nr. 3 747 120 (1972) einen piezoelektrischen Vorgang, der auf Biegung beruht, Howkins zeigt im US-Patent Nr. 4 459 601 eine piezoelektrische Ausstoßaktivierung des Tintenstrahlstroms auf, und Fischbeck offenbart in US 4 584 590 eine auf Scherung beruhende Art eines piezoelektrischen Wanderelements.Piezoelectric ink jet printers are also a form of commonly used ink jet printing devices. Piezoelectric systems are disclosed by Kyser et al. in U.S. Patent No. 3,946,398 (1970), which employs membrane-assisted operation, by Zolten in U.S. Patent 3,683,212 (1970), which discloses an operation based on extrusion through a piezoelectric crystal Stemme, in U.S. Patent No. 3,747,120 (1972), discloses a bending-based piezoelectric process. Howkins in U.S. Patent No. 4,459,601 discloses piezoelectric ejection activation of the ink-jet stream, and Fischbeck discloses in US Pat US 4,584,590 a shear type of piezoelectric traveling element.

Die Druckschrift JP-A-4126255 zeigt einen Tintenstrahldruckkopf mit einer Vielzahl von Düsenanordnungen, wobei jede dieser Anordnungen einen Kolben umfasst, und einer elektrischen Spule, die benachbart zum Kolben angeordnet ist und elektrisch an ein Düsenaktivierungssignal angeschlossen ist, wobei bei Aktivierung des Aktivierungssignals der Kolben von der Spule dazu gebracht wird, sich von einer Tintenladeposition zu einer Tintenausstoßposition zu bewegen, wodurch das Ausstoßen von Tinte von der Tintenausstoßöffnung verursacht wird.The Document JP-A-4126255 discloses an ink jet print head a plurality of nozzle arrangements, wherein each of these arrangements comprises a piston, and an electrical Coil which is disposed adjacent to the piston and electrically a nozzle activation signal is connected, wherein upon activation of the activation signal the piston from the spool is caused to move from an ink charging position to an ink ejecting position to move, causing the ejection caused by ink from the ink ejection port becomes.

In letzter Zeit ist das thermische Tintenstrahldrucken zu einer extrem weit verbreiteten Form des Tintenstrahldruckens geworden. Die Tintenstrahl-Drucktechniken umfassen die von Endo et al. in GB 2 007 162 (1979) und Vaught et al. im US-Patent 4 490 728 offenbarten. Beide in diesen vorstehend erwähnten Referenzen offenbarten Tintenstrahl-Drucktechniken beruhen auf der Aktivierung eines elektrothermischen Aktuators, was zur Erzeugung einer Blase in einem umgrenzten Raum wie etwa einer Düse führt, was wiederum das Ausstoßen von Tinte auf ein einschlägiges Druckmedium aus einem Durchlass verursacht, der mit dem umgrenzten Raum verbunden ist. Druckvorrichtungen, die einen elektrothermischen Aktuator verwenden, werden von Herstellern wie Canon und Hewlett Packard hergestellt.Recently, thermal ink jet printing has become an extremely widespread form of ink jet printing. The ink-jet printing techniques include those of Endo et al. in GB 2 007 162 (1979) and Vaught et al. in U.S. Patent 4,490,728. Both ink-jet printing techniques disclosed in these references above rely on the activation of an electrothermal actuator, which results in the creation of a bubble in a confined space such as a nozzle, which in turn causes ejection of ink onto a pertinent print medium from a passage associated with connected to the bounded space. Printing devices using an electrothermal actuator are used by Produced by manufacturers such as Canon and Hewlett Packard.

Wie aus dem Vorstehenden klar wird, sind viele verschiedene Arten von Drucktechnologien verfügbar. Idealerweise sollte eine Drucktechnologie über eine ganze Reihe von wünschenswerten Eigenschaften verfügen. Diese umfassen eine kostengünstige Konstruktion und einen preiswerten Betrieb, einen Hochgeschwindigkeitsbetrieb, einen sicheren und kontinuierlichen Langzeitbetrieb etc. Jede Technologie mag ihre ganz eigenen Vorteile und Nachteile auf den Gebieten der Kosten, Geschwindigkeit, Qualität, Zuverlässigkeit, des Stromverbrauchs, der Einfachheit der Konstruktion und des Betriebs, der Dauerhaltbarkeit und der Verbrauchsstoffe haben.As From the above, many different types of Printing technologies available. Ideally should have a printing technology over a whole host of desirable ones Features. These include a low cost Construction and inexpensive operation, high-speed operation, a safe and continuous long-term operation, etc. Every technology like their very own advantages and disadvantages in the fields of Cost, speed, quality, Reliability, power consumption, simplicity of design and operation, durability and consumables.

Es sind viele Tintenstrahl-Druckvorrichtungen bekannt. Bedauerlicherweise ist bei technischen Verfahren in der Massenproduktion die Herstellung von Tintenstrahlköpfen ziemlich schwierig. So wird z.B. oftmals die Mündungs- oder Düsenplatte separat von dem Tintenzufuhr- und Tintenausstoßmechanismus aufgebaut, und mit diesem Mechanismus in einem späteren Stadium verbunden (Hewlett-Packard Journal, Band 36, Nr. 5, Seiten 33 bis 37 (1985)). Diese separaten Schritte zur Materialbearbeitung, die beim Umgang mit solchen Präzisionsvorrichtungen erforderlich sind, ergeben bei der Herstellung oftmals eine beträchtliche Ausgabensteigerung.It Many inkjet printing devices are known. regrettably is the production of technical processes in mass production of inkjet heads pretty hard. For example, often the mouth or nozzle plate built separately from the ink supply and ink ejection mechanism, and associated with this mechanism at a later stage (Hewlett-Packard Journal, Vol. 36, No. 5, pp. 33-37 (1985)). These separate Material handling steps involved in handling such precision devices are required, often result in the production of a considerable Increase in expenditure.

Darüber hinausgehend werden oft auch noch Side-Shooting-Tintenstrahltechnologien (US-Patent Nr. 4 899 181) verwendet, wobei aber auch hier bei einer Kapitalinvestition in gegebener Höhe das Ausmaß des durch Massenproduktion erreichbaren Durchsatzes begrenzt ist.Furthermore Often, side-shoot inkjet technologies (US patent No. 4,899,181), but here too capital investment in given amount the extent of through Mass production achievable throughput is limited.

Darüber hinaus werden oft auch noch ausgefeiltere Techniken verwendet. Diese können die Galvanoformung von Nickelphasen (Hewlett-Packard Journal, Band 36, Nr. 5, Seiten 33 bis 37 (1985)), die Elektroerosion, Laserablation (US-Patent Nr. 5 208 604), das Mikrostanzen etc. umfassen.Furthermore often more sophisticated techniques are used. These can be the Electroplating of Nickel Phases (Hewlett-Packard Journal, Vol. 36, No. 5, p 33 to 37 (1985)), electroerosion, laser ablation (US Pat No. 5,208,604) comprising micro-punches, etc.

Der Einsatz der vorstehend genannten Techniken dürfte einen wesentlichen Mehraufwand in die Massenproduktion von Tintenstrahldruckköpfen einbringen und schlägt sich daher stark in deren Endkosten nieder.Of the Use of the above techniques is likely to be a significant overhead in the mass production of inkjet printheads and beats therefore strongly reflected in their final costs.

Von daher wäre es wünschenswert, wenn ein effizientes System für die Massenproduktion von Tintenstrahldruckköpfen entwickelt werden könnte.From therefore would be it desirable if an efficient system for mass production of inkjet printheads could be developed.

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Tintenstrahl-Druckmechanismus mit einer Reihe von Tintenausstoßdüsen bereitzustellen, wobei die Düsen einen internen, selektiven Aktuatormechanismus umfassen, bei dem die Düsen einzeln durch das Anlegen eines Feldes um diese Düsen aktiviert werden. Die Erfindung sieht dementsprechend einen Druckkopf nach Anspruch 1 vor. Vorteilhafte Ausführungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.It An object of the present invention is an ink jet printing mechanism with a series of ink ejection nozzles, wherein the nozzles an internal, selective actuator mechanism, in which the nozzles individually activated by creating a field around these nozzles become. The invention accordingly looks for a printhead Claim 1 before. Advantageous embodiments are specified in the dependent claims.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description of drawings

Ungeachtet jeglicher anderer Formen, die auch innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung fallen können, werden nun bevorzugte Formen der Erfindung lediglich beispielhaft mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.regardless any other forms which are also within the scope of the present Invention can fall Now, preferred forms of the invention are merely exemplary with reference to the accompanying drawings.

1 ist eine auseinander gezogene, perspektivische Ansicht, die den Aufbau einer einzelnen Tintenstrahldüse gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt; 1 Fig. 10 is an exploded perspective view illustrating the structure of a single ink jet nozzle according to an embodiment of the present invention;

2 ist ein Zeitverlaufsdiagramm, das den Betrieb einer Ausführungsform darstellt; 2 Fig. 10 is a timing diagram illustrating the operation of an embodiment;

3 ist eine quergeschnittene Draufsicht einer einzelnen Tintendüse, die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist; 3 Fig. 12 is a cross-sectional top view of a single ink nozzle constructed in accordance with an embodiment of the present invention;

4 stellt eine Legende der in 5 bis 21 angegebenen Materialien zur Verfügung; 4 represents a legend of in 5 to 21 specified materials available;

5 bis 21 stellen Schnittansichten der Herstellungsschritte in einer Form des Aufbaus einer Tintenstrahl-Druckkopfdüse dar. 5 to 21 FIG. 12 illustrates sectional views of the manufacturing steps in a form of construction of an ink-jet printhead nozzle. FIG.

Beschreibung von IJ01 FDescription of IJ01 F

In 1 ist eine auseinander gezogene, perspektivische Ansicht dargestellt, die den Aufbau einer einzelnen Tintenstrahldüse 4 gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung zeigt.In 1 is an exploded perspective view showing the structure of a single ink jet nozzle 4 according to the principles of the present invention.

Die Düse 4 arbeitet nach dem Prinzip der elektromechanischen Energieumwandlung und umfasst eine Magnetspule 11, die an einem ersten Ende 12 elektrisch an eine Magnetplatte 13 angeschlossen ist, welche wiederum mit einer Stromquelle (z.B. 14) verbunden ist, die zur Aktivie rung der Tintendüse 4 verwendet wird. Die Magnetplatte 13 kann aus elektrisch leitendem Eisen aufgebaut sein.The nozzle 4 works on the principle of electromechanical energy conversion and includes a magnetic coil 11 at a first end 12 electrically to a magnetic disk 13 is connected, which in turn with a power source (eg 14 ) connected to the activation of the ink nozzle 4 is used. The magnetic disk 13 can be constructed of electrically conductive iron.

Ferner ist ein zweiter, magnetischer Kolben 15 bereitgestellt, der auch wieder aus weichmagnetischem Eisen aufgebaut ist. Wird die Magnetspule 11 mit Strom versorgt, wird der Kolben 15 zur feststehenden Magnetplatte 13 hin gezogen. Der Kolben drückt dadurch auf die Tinte in der Düse 4, wobei in der Düsenkammer 17 ein Bereich hohen Drucks erzeugt wird. Dies führt zu einer Bewegung der Tinte in der Düsenkammer 17, und in einer ersten Auslegung zu einem darauf folgenden Ausstoßen eines Tintentropfens. Es sind eine Reihe von Durchlässen (z.B. 20) vorgesehen, so dass Tinte im Bereich der Magnetspule 11 aus den Durchlässen 20 an der Oberseite des Kolbens 15 herausgepresst wird, wenn er sich zur unteren Platte 13 hin bewegt. Dies verhindert, dass im Bereich der Magnetspule 11 eingeschlossene Tinte den Druck auf den Kolben 15 erhöht und dadurch die Magnetkräfte erhöht, die zur Bewegung des Kolbens 15 nötig sind.Further, a second, magnetic piston 15 provided, which is also constructed again of soft magnetic iron. Will the solenoid coil 11 energized, the piston becomes 15 to the stationary magnetic disk 13 pulled out. The piston thereby presses on the ink in the nozzle 4 , being in the nozzle chamber 17 a region of high pressure is generated. This leads to a movement of the ink in the nozzle chamber 17 , and in a first design, for subsequent ejection of an ink drop. There are a number of passages (eg 20 ) provided so that ink in the area of the magnetic coil 11 from the passages 20 at the top of the piston 15 when it is pressed out to the lower plate 13 moved. This prevents in the area of the magnetic coil 11 ink trapped the pressure on the piston 15 increases and thereby increases the magnetic forces that cause the movement of the piston 15 are necessary.

In 2 ist bei 30 ein Zeitverlaufsdiagramm des Kolbenstrom-Steuersignals dargestellt. Anfangs wird der Magnetspulenstrom aktiviert 31, um den Kolben zu bewegen und ein Ausstoßen eines Tropfens aus der Tintendüse zu verursachen. Nach ungefähr zwei Mikrosekunden wird der Strom zur Magnetspule unterbrochen. Zum selben Zeitpunkt oder zu einem geringfügig später folgenden Zeitpunkt 32 wird ein Gegenstrom angelegt, der ungefähr halb so groß wie der Vorwärtsstrom ist. Da der Kolben einen Restmagnetismus hat, wird durch den Gegenstrom 32 der Kolben dazu gebracht, sich zurück in seine Ursprungsposition zu bewegen. Eine Reihe von Torsionsfedern 22, 23 (1) unterstützt außerdem die Rückstellung des Kolbens in seine Ursprungsposition. Der Gegenstrom wird unterbrochen, bevor sich der Magnetismus des Kolbens 15 umkehrt, was andernfalls dazu führen würde, dass der Kolben erneut zur feststehenden Platte hin gezogen wird. Mit Bezug auf 1 führt die erzwungene Rückstellung des Kolbens 15 in seine Ruheposition zu einem niedrigen Druck in der Kammer 17. Dadurch kann verursacht werden, dass Tinte von der Auslassdüse 24 nach innen zu strömen beginnt und auch Luft in die Kammer 17 eingelassen wird. Die Vorwärtsgeschwindigkeit des Tropfens und die Rückwärtsgeschwindigkeit der Tinte in die Kammer 17 werden vom Abreißen des Tintentropfens im Bereich um die Düse 24 be stimmt. Unter seinem Eigenimpuls setzt der Tintentropfen dann den Weg in Richtung auf das Aufzeichnungsmedium fort. Wegen der Oberflächenspannung der Tinte an der Düsenspitze 24 füllt sich die Düse wieder auf. Kurz nach dem Zeitpunkt des Tropfenabrisses bildet sich ein Meniskus an der Düsenspitze mit einer ungefähr konkaven halbkugelförmigen Oberfläche. Die Oberflächenspannung übt auf die Tinte eine vorwärts wirkende Nettokraft aus, was zu einem Wiederauffüllen der Düse führt. Die Wiederholungsrate der Düse 4 ist von daher prinzipiell durch die Düsenwiederauffüllzeit bestimmt, die in Abhängigkeit von der Vorrichtungsgeometrie, der Oberflächenspannung der Tinte und dem Volumen des ausgestoßenen Tropfens im Bereich von 100 Mikrosekunden liegt.In 2 is at 30 a timing diagram of the piston flow control signal is shown. Initially, the solenoid current is activated 31 to move the piston and cause ejection of a drop from the ink nozzle. After about two microseconds, the current to the solenoid is interrupted. At the same time or at a later time 32 a countercurrent of about half the forward current is applied. Since the piston has a residual magnetism, is due to the countercurrent 32 the piston is caused to move back to its original position. A set of torsion springs 22 . 23 ( 1 ) also supports the return of the piston to its original position. The countercurrent is interrupted before the magnetism of the piston 15 reversed, which would otherwise cause the piston to be retracted to the fixed plate. Regarding 1 leads the forced return of the piston 15 in its rest position to a low pressure in the chamber 17 , This may cause ink from the outlet nozzle 24 begins to flow inward and also air into the chamber 17 is admitted. The forward speed of the drop and the reverse speed of the ink into the chamber 17 are caused by the tearing off of the ink drop in the area around the nozzle 24 certainly. Under its own pulse, the ink droplet then continues the path toward the recording medium. Because of the surface tension of the ink at the nozzle tip 24 the nozzle fills up again. Shortly after the time of drop break, a meniscus forms on the nozzle tip with an approximately concave hemispherical surface. The surface tension exerts a forward net force on the ink, resulting in refilling of the nozzle. The repetition rate of the nozzle 4 is therefore principally determined by the nozzle refilling time, which is in the range of 100 microseconds, depending on the device geometry, the surface tension of the ink, and the volume of the ejected drop.

Nun wird mit Bezug auf 3 ein wichtiger Aspekt der Funktionsweise der elektromagnetisch angetriebenen Druckdüse beschrieben. Wenn die Magnetspule 11 von einem Strom durchflossen wird, wird die Platte 15 stark zur Platte 13 hin gezogen. Die Platte 15 erfährt eine nach unten gerichtete Kraft und beginnt, sich zur Platte 13 hin zu bewegen. Diese Bewegung gibt der Tinte innerhalb der Düsenkammer 17 einen Kraftimpuls mit. Daraufhin wird die Tinte wie vorstehend beschrieben ausgestoßen. Bedauerlicherweise verursacht die Bewegung der Platte 15 einen Druckaufbau im Bereich 64 zwischen der Platte 15 und der Magnetspule 11. Diese Druckaufbau würde normalerweise zu einer verringerten Wirksamkeit der Platte 15 beim Ausstoßen von Tinte führen.Now, with respect to 3 an important aspect of the operation of the electromagnetically driven pressure nozzle described. When the solenoid 11 A current flows through the plate 15 strong to the plate 13 pulled out. The plate 15 experiences a downward force and begins to move to the plate 13 to move. This movement gives the ink within the nozzle chamber 17 a force impulse with. The ink is then ejected as described above. Unfortunately, the movement causes the plate 15 a pressure build-up in the area 64 between the plate 15 and the magnetic coil 11 , This pressure buildup would normally result in a decreased effectiveness of the plate 15 when ejecting ink.

In einer ersten Auslegung umfasst die Platte 15 jedoch vorzugsweise eine Reihe von Durchlässen (z.B. 20), die einen Rückstrom von Tinte vom Bereich 64 in die Tintenkammer ermöglichen, und dadurch eine Reduzierung des Drucks im Bereich 64 gestatten. Dies führt zu einer gesteigerten Wirksamkeit bei Einsatz der Platte 15.In a first design, the plate comprises 15 however, preferably a series of passages (eg 20 ), which returns a flow of ink from the area 64 into the ink chamber, thereby reducing the pressure in the area 64 allow. This leads to an increased efficiency when using the plate 15 ,

Die Durchlässe 20 haben vorzugsweise eine Tropfenform, wobei sich der Durchmesser mit zunehmendem Radialabstand des Kolbens erhöht. Das Durchlassprofil bietet dadurch eine minimale Störung des Magnetflusses durch den Kolben, während gleichzeitig die Strukturfestigkeit des Kolbens 15 aufrecht erhalten bleibt.The passages 20 preferably have a teardrop shape, wherein the diameter increases with increasing radial distance of the piston. The passage profile thereby provides minimal disturbance of the magnetic flux through the piston while at the same time increasing the structural strength of the piston 15 is maintained.

Nachdem der Kolben 15 seine Endposition erreicht hat, wird der Strom durch die Magnetspule 11 in seiner Richtung umgekehrt, was zu einer Abstoßung der beiden Platten 13, 15 führt. Zusätzlich wirkt die Tor sionsfeder (z.B. 23) so, dass die Platte 15 in ihre Ursprungsposition zurückgestellt wird.After the piston 15 has reached its end position, the current through the solenoid coil 11 reversed in his direction, causing a repulsion of the two plates 13 . 15 leads. In addition, the Tor sion spring acts (eg 23 ) so that the plate 15 is returned to its original position.

Die Verwendung einer Torsionsfeder (z.B. 23), hat eine Reihe substantieller Vorteile, was einen kompakten Aufbau einschließt sowie die Konstruktion der Torsionsfeder aus demselben Material und bei denselben Prozessschritten wie bei der Platte 15.The use of a torsion spring (eg 23 ), has a number of substantial advantages, including a compact design and the construction of the torsion spring of the same material and in the same process steps as in the plate 15 ,

In einer alternativen Auslegung enthält die Oberseite der Platte 15 keine Aufeinanderfolge von Durchlässen. Vielmehr umfasst die innere radiale Fläche 25 der Platte 15 Schlitze von im Wesentlichen konstantem Querschnittsprofil, die in Fluidverbindung zwischen der Düsenkammer 17 und dem Bereich 64 zwischen der Platte 15 und der Magnetspule 11 stehen. Bei Aktivierung der Magnetspule 11 wird die Platte 15 zur Ankerplatte 13 hin gezogen und erfährt eine Kraft, die zur Platte 13 gerichtet ist. Als Ergebnis der Bewegung wird das Fluid im Bereich 64 komprimiert und erfährt einen höheren Druck als seine unmittelbare Umgebung. Im Ergebnis findet eine Strömung von Fluid aus den Schlitzen in der inneren radialen Fläche 25 der Platte 15 in die Düsenkammer 17 statt. Der Strom des Fluids in die Kammer 17 verursacht zusätzlich zur Bewegung der Platte 15 das Ausstoßen von Tinte aus der Tintendüsenöffnung 24. Auch hier werden durch die Bewegung der Platte 15 die Torsionsfedern, z.B. 23, elastisch verformt. Nach Abschluss der Bewegung der Platte 15 wird die Magnetspule 11 deaktiviert und ein geringer Gegenstrom angelegt. Der Gegenstrom wirkt so, dass er die Platte 15 von der Ankerplatte 13 abstößt. Die Torsionsfedern, z.B. 23, wirken als zusätzliches Hilfsmittel zur Rückstellung der Platte 15 in ihre Ursprungs- oder Ruheposition.In an alternative design, the top of the plate contains 15 no succession of passages. Rather, the inner radial surface includes 25 the plate 15 Slots of substantially constant cross-sectional profile, in fluid communication between the nozzle chamber 17 and the area 64 between the plate 15 and the magnetic coil 11 stand. When the solenoid is activated 11 becomes the plate 15 to the anchor plate 13 pulled out and experiences a force leading to the plate 13 is directed. As a result of the movement, the fluid becomes in the range 64 compresses and experiences a higher pressure than its immediate environment. As a result, there is a flow of fluid from the slots in the inner radial surface 25 the plate 15 in the nozzle chamber 17 instead of. The flow of fluid into the chamber 17 causes in addition to the movement of the plate 15 ejecting ink from the ink jet orifice 24 , Again, by the movement of the plate 15 the torsion springs, eg 23 , elastically deformed. After completing the movement of the plate 15 becomes the magnetic coil 11 deactivated and a small countercurrent applied. The countercurrent acts so that it is the plate 15 from the anchor plate 13 repels. The torsion springs, eg 23 , act as an additional aid to the recovery of the plate 15 in their original or resting position.

Herstellungmanufacturing

Unter Rückkehr auf 1 ist die Düsenvorrichtung aus den folgenden Hauptteilen aufgebaut, einschließlich einer Düsenspitze 40, die einen Durchlass 24 aufweist und aus mit Bor dotiertem Silizium aufgebaut sein kann. Der Radius des Durchlasses 24 der Düsenspitze ist ein wichtiger bestimmender Faktor für die Tropfengeschwindigkeit und Tropfengröße.Under return on 1 The nozzle device is constructed of the following main parts, including a nozzle tip 40 that has a passage 24 and may be constructed of silicon doped with boron. The radius of the passage 24 the nozzle tip is an important determinant of drop velocity and drop size.

Als Nächstes ist eine CMOS-Siliziumschicht 42 vorgesehen, auf der die gesamte Datenspeicher- und Steuerschaltung 41 hergestellt wird, die für den Betrieb der Düse 4 notwendig ist. In dieser Schicht ist auch eine Düsenkammer 17 aufgebaut. Die Düsenkammer 17 sollte breit genug sein, damit ein Reibungswiderstand von den Kammerwänden die für den Kolben erforderliche Kraft nicht wesentlich erhöht. Sie sollte auch tief genug sein, so dass jegliche Luft, die bei Rückkehr des Kolbens in seinen Ruhezustand den Weg durch die Düsenöffnung 24 gefunden hat, nicht bis zur Kolbenvorrichtung gelangt. Wenn dies geschieht, kann sich durch die eingetragene Blase eine zylindrische Fläche anstatt einer halbkugelförmigen Fläche bilden, was dazu führt, dass die Düse nicht richtig wiederaufgefüllt wird. Es ist auch eine dielektrische und isolierende CMOS-Schicht 44 vorgesehen, die verschiedene Strompfadteile für die Stromverbindung zur Kolbenvorrichtung enthält.Next is a CMOS silicon layer 42 provided on the the entire data storage and control circuit 41 is made for the operation of the nozzle 4 necessary is. In this layer is also a nozzle chamber 17 built up. The nozzle chamber 17 should be wide enough so that frictional resistance from the chamber walls does not significantly increase the force required for the piston. It should also be deep enough so that any air, when the piston returns to its idle state, makes its way through the nozzle opening 24 has not reached the piston device. When this happens, the introduced bladder can form a cylindrical surface rather than a hemispherical surface, which results in the nozzle not being properly replenished. It is also a dielectric and insulating CMOS layer 44 provided, which contains different current path parts for the power connection to the piston device.

Als Nächstes ist eine feststehende, zwei Teile 13, 46 umfassende Platte aus ferroelektrischem Material vorgesehen. Die zwei Teile 13, 46 sind voneinander elektrisch isoliert.Next is a fixed, two parts 13 . 46 comprehensive plate of ferroelectric material provided. The two parts 13 . 46 are electrically isolated from each other.

Als Nächstes ist eine Magnetspule 11 vorgesehen. Diese kann eine Spiralspule aus abgeschiedenem Kupfer umfassen. Vorzugsweise wird eine einzige spiralförmige Schicht verwendet, um Schwierigkeiten bei der Herstellung zu vermeiden, und Kupfer wird wegen eines niedrigen spezifischen Widerstands und eines hohen Widerstands gegenüber Elektromigration verwendet.Next is a magnetic coil 11 intended. This may include a spiral coil of deposited copper. Preferably, a single spiral layer is used to avoid manufacturing difficulties, and copper is used because of low resistivity and high resistance to electromigration.

Als Nächstes ist ein Kolben 15 aus ferroelektrischem Material vorgesehen, um die erzeugte Magnetkraft zu maximieren. Der Kolben 15 und die feststehende Magnetplatte 13, 46 umgeben die Magnetspule 11 als Torus. So geht nur ein kleiner Teil des Magnetflusses verloren, und er konzentriert sich um den Spalt zwischen dem Kolben 15 und der feststehenden Platte 13, 46.Next is a piston 15 made of ferroelectric material to maximize the generated magnetic force. The piston 15 and the stationary magnetic disk 13 . 46 surround the magnetic coil 11 as a torus. So only a small part of the magnetic flux is lost and it concentrates around the gap between the piston 15 and the fixed plate 13 . 46 ,

Der Spalt zwischen der feststehenden Platte 13, 46 und dem Kolben 15 ist einer der wichtigsten „Bestandteile" der Druckdüse 4. Die Größe des Spalts hat eine starke Auswirkung auf die erzeugte Magnetkraft und begrenzt auch den Hubweg des Kolbens 15. Ein kleiner Spalt ist dahingehend wünschenswert, eine hohe Magnetkraft zu erzielen, und ein großer Spalt ist wünschenswert, um dem Kolben 15 einen längeren Hubweg zu gestatten, wobei mithin dann ein kleinerer Kolbenradius verwendet werden kann.The gap between the fixed plate 13 . 46 and the piston 15 is one of the most important "components" of the pressure nozzle 4 , The size of the gap has a strong effect on the generated magnetic force and also limits the stroke of the piston 15 , A small gap is desirable in order to achieve a high magnetic force, and a large gap is desirable to the piston 15 allow a longer stroke, and then a smaller piston radius can then be used.

Als Nächstes sind die Federn (z.B. 22, 23) zur Rückstellung des Kolbens 15 in seine Ruheposition bereitgestellt, nachdem ein Tropfen ausgestoßen wurde. Die Federn (z.B. 22, 23) können aus demselben Ma terial und auch in denselben Bearbeitungsschritten hergestellt sein, wie es beim Kolben 15 der Fall ist. In ihrer Wechselwirkung mit dem Kolben 15 wirken die Federn (z.B. 22, 23) vorzugsweise als Torsionsfedern.Next are the springs (eg 22 . 23 ) to return the piston 15 provided in its resting position after a drop was ejected. The springs (eg 22 . 23 ) can from the same Ma te rial and also be produced in the same processing steps, as it is the piston 15 the case is. In their interaction with the piston 15 act the springs (eg 22 . 23 ) preferably as torsion springs.

Schließlich werden alle Oberflächen mit Passivierungsschichten überzogen, bei denen es sich um Siliziumnitrid (Si3N4), diamantähnlichen Kohlenstoff (DLC), oder irgend eine andere chemische inerte, hochgradig undurchlässige Schicht handeln kann. Die Passivierungsschichten sind, was die Lebensdauer der Vorrichtung anbelangt, besonders wichtig, da die aktive Vorrichtung in Tinte eingetaucht sein wird.Finally, all surfaces are coated with passivation layers, which may be silicon nitride (Si 3 N 4 ), diamond-like carbon (DLC), or any other chemical inert, highly impermeable layer. The passivation layers are particularly important as far as the life of the device is concerned since the active device will be immersed in ink.

Eine Form eines detailliert angegebenen Herstellungsprozesses, der zur Herstellung von monolithischen Tintenstrahl-Druckköpfen verwendet werden kann, die gemäß den durch die vorliegende Ausführungsform gelehrten Prinzipien arbeiten, kann unter Verwendung folgender Schritte ablaufen:

  • 1. Verwendung eines doppelseitigen, polierten Wafers, Abscheiden von 3 μm epitaxialem Silizium, das stark mit Bor dotiert ist.
  • 2. Abscheiden von 10 μm epitaxialem Silizium, je nach dem verwendeten CMOS-Prozess entweder von der p-Art oder n-Art.
  • 3. Vervollständigung eines 0,5 μm-CMOS-Prozesses mit einer Poly- und zwei Metallschichten. Dieser Schritt ist in 5 gezeigt. Der Klarheit halber sei angemerkt, dass diese Abbildungen nicht ganz maßstabsgetreu sind und auch den Querschnitt durch irgendeine Einzelebene der Düse nicht exakt wiedergeben. 4 ist ein Schlüssel zu Darstellungen von verschiedenen Materialien bei diesen Herstellungsschaubildern, und auch auf solche von anderen Tintenstrahlkonfigurationen, auf die durch Querverweis hingewiesen ist.
  • 4. Herunterätzen der CMOS-Oxidschichten bis auf das Silizium oder Aluminium unter Verwendung einer Maske 1. Diese Maske definiert die Düsenkammer, die Ränder der Druckkopfchips, und die Kontaktlöcher für die Kontakte von den Aluminiumelektroden zu den beiden Hälften der geteilten, feststehenden Magnetplatte.
  • 5. Plasmaätzung des Siliziums bis auf die mit Bor dotierte, vergrabene Schicht, mittels des Oxids von Schritt 4 als Maske. Durch diese Ätzung wird das Aluminium im Wesentlichen nicht angeätzt. Dieser Schritt ist in 6 gezeigt.
  • 6. Abscheiden einer Keimschicht aus einer Kobalt-Nickel-Eisen-Legierung. CoNiFe wird wegen einer hohen Sättigungsflussdichte von zwei Tesla und einer geringen Koerzivität gewählt. [Osaka, Tetsuya et al., A soft magnetic CoNiFe film with high saturation magnetic flux density, Nature 392, 796-798 (1998)].
  • 7. Aufschleudern einer 4 μm dicken Resistschicht, Abdecken mit einer Maske 2 und Entwickeln. Diese Maske legt die geteilte, feststehende Magnetplatte fest, für die der Resist als Galvanisierungsform dient. Dieser Schritt ist in 7 gezeigt.
  • 8. Elektroplattierung von 3 μm CoNiFe. Dieser Schritt ist in 8 gezeigt.
  • 9. Abziehen des Resists und Ätzen der freigelegten Keimschicht. Dieser Schritt ist in 9 gezeigt.
  • 10. Abscheiden von 0,1 μm Siliziumnitrid (Si3N4).
  • 11. Ätzen der Nitridschicht unter Verwendung einer Maske 3. Diese Maske bildet die Kontaktlöcher von jedem Ende der Magnetspule zu den beiden Hälften der geteilten, feststehenden Magnetplatte.
  • 12. Abscheiden einer Keimschicht aus Kupfer. Kupfer wird wegen seines geringen spezifischen Widerstands (was zu einem höheren Wirkungsgrad führt) und seinem hohen Elektromigrationswiderstand verwendet, was die Zuverlässigkeit bei hohen Stromdichten steigert.
  • 13. Aufschleudern von 5 μm Resist, Abdecken mit Maske 4, und Entwickeln. Diese Maske definiert die spiralförmige Magnetspule und die Federstützen, für die der Resist als Galvanisierungsform wirkt. Dieser Schritt ist in 10 gezeigt.
  • 14. Elektroplattierung von 4 μm Kupfer.
  • 15. Abziehen des Resists und Ätzen der freigelegten Kupferkeimschicht. Dieser Schritt ist in 11 gezeigt.
  • 16. Testung des Wafers. An diesem Punkt sind alle elektrischen Verbindungen fertiggestellt, Kontaktanschlussflecken sind zugänglich, und die Chips sind noch nicht voneinander getrennt.
  • 17. Abscheiden von 0,1 μm Siliziumnitrid.
  • 18. Abscheiden von 1 μm Opfermaterial. Diese Schicht bestimmt den Magnetspalt.
  • 19. Ätzen des Opfermaterials mittels einer Maske 5. Diese Maske definiert die Federstützen. Dieser Schritt ist in 12 gezeigt.
  • 20. Abscheiden einer Keimschicht aus CoNiFe.
  • 21. Aufschleudern von 4,5 μm Resist, Abdecken mit Maske 6, und Entwickeln. Diese Maske definiert die Wände des Magnetkolbens plus die Federstützen. Der Resist bildet eine Galvanisierungsform für diese Teile. Dieser Schritt ist in 13 gezeigt.
  • 22. Elektroplattierung von 4 μm CoNiFe. Dieser Schritt ist in 14 gezeigt.
  • 23. Abscheiden einer Keimschicht aus CoNiFe.
  • 24. Aufschleudern von 4 μm Resist, Abdecken mit einer Maske 7, und Entwickeln. Diese Maske definiert das Dach bzw. die Frontseite des Magnetkolbens, die Federn und die Federstützen. Der Resist bildet eine Galvanisierungsform für diese Teile. Dieser Schritt ist in 15 gezeigt.
  • 25. Elektroplattierung von 3 μm CoNiFe. Dieser Schritt ist in 16 gezeigt.
  • 26. Anbringen des Wafers auf einem Glasrohling und Rückätzen des Wafers mit KOH, wobei keine Maske beteiligt ist. Diese Ätzung dünnt den Wafer aus und stoppt an der vergrabenen, mit Bor dotierten Siliziumschicht. Dieser Schritt ist in 17 gezeigt.
  • 27. Eine durch Plasmaätzung erfolgende Rückätzung der mit Bor dotierten Siliziumschicht auf eine Tiefe von (ungefähr) 1 μm unter Verwendung einer Maske 8. Diese Maske definiert den Düsenrand. Dieser Schritt ist in 18 gezeigt.
  • 28. Eine Plasmarückätzung durch die mit Bor dotierte Schicht unter Verwendung einer Maske 9. Diese Maske definiert die Düse und den Rand der Chips. In diesem Stadium sind die Chips voneinander getrennt, aber immer noch auf dem Glasrohling angebracht. Dieser Schritt ist in 19 gezeigt.
  • 29. Ablösen der Chips vom Glasrohling. Abziehen aller Klebe-, Resist-, Opfer- und freigelegten Keimschichten. Dieser Schritt ist in 20 gezeigt.
  • 30. Einsetzen der Druckköpfe in ihre Umhausung, bei der es sich um ein Kunststoffformteil handeln kann, in das vorab Tintenkanäle eingebracht wurden, die verschiedene Tintenfarben an die entsprechenden Bereiche der Vorderfläche des Wafers liefern.
  • 31. Anschließen der Druckköpfe an ihre untereinander verbundenen Systeme.
  • 32. Die Vorderfläche der Druckköpfe hydrophobisieren bzw. wasserabweisend machen.
  • 33. Auffüllen der fertiggestellten Druckköpfe mit Tinte und Testung derselben. Eine gefüllte Düse ist in 21 gezeigt.
One form of detailed manufacturing process that may be used to make monolithic inkjet printheads that operate in accordance with the principles taught by the present embodiment may be accomplished using the following steps:
  • 1. Using a double-sided, polished wafer, depositing 3 μm of epitaxial silicon heavily doped with boron.
  • 2. Deposit 10 μm of epitaxial silicon, depending on the CMOS process used, either of the p-type or n-type.
  • 3. Completion of a 0.5 μm CMOS process with one poly and two metal layers. This step is in 5 shown. For the sake of clarity, it should be noted that these figures are not to scale and do not accurately represent the cross-section through any single plane of the nozzle. 4 is a key to representations of various materials in these manufacturing charts, as well as those of other ink jet configurations referred to by cross-reference.
  • 4. Etch the CMOS oxide layers down to the silicon or aluminum using a mask 1. This mask defines the nozzle chamber, the edges of the printhead chips, and the contact holes for the contacts from the aluminum electrodes to the two halves of the split stationary magnetic disk.
  • 5. plasma etch the silicon down to the boron-doped buried layer using the oxide of step 4 as a mask. By this etching, the aluminum is not etched substantially. This step is in 6 shown.
  • 6. deposition of a seed layer of a cobalt-nickel-iron alloy. CoNiFe is chosen because of its high saturation flux density of two Tesla and low coercivity. [Osaka, Tetsuya et al., A soft magnetic CoNiFe film with high saturation magnetic flux density, Nature 392, 796-798 (1998)].
  • 7. Spin on a 4 μm thick resist layer, cover with a mask 2 and develop. This mask defines the split, stationary magnetic plate for which the resist serves as a galvanizing mold. This step is in 7 shown.
  • 8. Electroplating of 3 μm CoNiFe. This step is in 8th shown.
  • 9. Peel off the resist and etch the exposed seed layer. This step is in 9 shown.
  • 10. Deposit 0.1 μm silicon nitride (Si 3 N 4 ).
  • 11. Etching the nitride layer using a mask 3. This mask forms the contact holes from each end of the magnetic coil to the two halves of the divided stationary magnetic disk.
  • 12. deposition of a seed layer of copper. Copper is used because of its low resistivity (resulting in higher efficiency) and its high electromigration resistance, which increases reliability at high current densities.
  • 13. Spin on 5 μm resist, cover with Mask 4, and develop. This mask defines the spiral magnetic coil and the spring supports for which the resist acts as a galvanizing mold. This step is in 10 shown.
  • 14. Electroplating of 4 μm copper.
  • 15. Peel off the resist and etch the exposed copper seed layer. This step is in 11 shown.
  • 16. Testing the wafer. At this point, all electrical connections are completed, contact pads are accessible, and the chips are not yet separated.
  • 17. Deposit 0.1 μm silicon nitride.
  • 18. Deposition of 1 μm sacrificial material. This layer determines the magnetic gap.
  • 19. Etch the sacrificial material using a mask 5. This mask defines the spring supports. This step is in 12 shown.
  • 20. Separation of a seed layer of CoNiFe.
  • 21. Spin 4.5 μm resist, cover with Mask 6, and develop. This mask defines the walls of the magnetic piston plus the spring supports. The resist forms a galvanizing mold for these parts. This step is in 13 shown.
  • 22. Electroplating of 4 μm CoNiFe. This step is in 14 shown.
  • 23. Separation of a seed layer of CoNiFe.
  • 24. spin on 4 μm resist, cover with a mask 7, and develop. This mask defines the roof or the front of the magnetic piston, the springs and the spring supports. The resist forms a galvanizing mold for these parts. This step is in 15 shown.
  • 25. Electroplating of 3 μm CoNiFe. This step is in 16 shown.
  • 26. Attach the wafer to a glass blank and back etch the wafer with KOH, with no mask involved. This etch thins the wafer and stops at the buried boron-doped silicon layer. This step is in 17 shown.
  • 27. A plasma etched back etch of the boron-doped silicon layer to a depth of (approximately) 1 μm using a mask 8. This mask defines the nozzle edge. This step is in 18 shown.
  • 28. A plasma etch back through the boron doped layer using a mask 9. This mask defines the die and the edge of the chips. At this stage, the chips are separated, but still attached to the glass blank. This step is in 19 shown.
  • 29. Peeling the chips from the glass blank. Removing all adhesive, resist, sacrificial and exposed germ layers. This step is in 20 shown.
  • 30. Insertion of the printheads into their enclosure, which may be a plastic molding, into which ink channels have been introduced in advance, which supply different ink colors to the corresponding areas of the front surface of the wafer.
  • 31. Connect the printheads to their interconnected systems.
  • 32. Make the front surface of the printheads hydrophobic or water repellent.
  • 33. Fill the finished printheads with ink and test them. A filled nozzle is in 21 shown.

IJ – VerwendungszweckeIJ - Uses

Die vorstehend offenbarte Tintenstrahl-Drucktechnologie ist potenziell für ein weites Gebiet von Drucksystemen geeignet, Folgende eingeschlossen: Bürodrucker für Farb- und Monochrombetrieb, Digitaldrucker mit Kurzeinsatzzeit, Hochgeschwindigkeits-Digitaldrucker, Drucker zur Unterstützung von Offset-Druckmaschinen, kostengünstige Scan-Drucker, Hochgeschwindigkeitsdrucker in Seitenbreite, Notebook-Computer mit eingebauten Druckern in Seitenbreite, portable Drucker für Farb- und Monochrombetrieb, Farb- und Schwarzweißkopierer, Farb- und Schwarzweiß-Faxgeräte, kombinierte Druck-, Fax- und Kopiergeräte, Etikettendrucker, Plotter für große Papierformate, Fotokopierer, Drucker für digitale Foto"Minilabs", Videodrucker, Foto-CD-Drucker, portable Drucker für PDAs, Tapetendrucker, Zeichendrucker für den Innenbereich, Plakatwanddrucker, Drucker zum Bedrucken von Gewebe, Kameradrucker und ausfallsichere, gewerbliche Druckeranordnungen.The The above-disclosed ink jet printing technology is potential for a wide range of printing systems, including: office printers for color and monochrome operation, short-term use digital printers, high-speed digital printers, Printer for support from offset printing machines, low-cost scanning printers, high-speed printers in page width, notebook computer with built-in printers in page width, portable printer for Color and monochrome operation, color and black-and-white copiers, color and black-and-white fax machines, combined Printing, faxing and copying machines, Label printer, plotter for size Paper sizes, photocopiers, printers for digital photo "minilabs", video printers, photo CD printers, portable printer for PDAs, wallpaper printers, indoor sign printers, billboard printers, Printer for printing on tissue, camera printers and fail-safe, commercial printer orders.

Tintenstrahltechnologieninkjet technologies

Die Ausführungsformen der Erfindung verwenden eine Vorrichtung in der Bauart eines Tintenstrahldruckers. Natürlich könnten viele verschiedene Vorrichtungen verwendet werden. Gegenwärtig weit verbreitete Tintenstrahl-Drucktechnologien eignen sich voraussichtlich jedoch am meisten.The embodiments of the invention use a device of the type of an ink jet printer. Naturally could many different devices are used. Currently far Common inkjet printing technologies are likely to be suitable but most of all.

Das bedeutsamste Problem bei einem thermischen Tintenstrahl ist der Energieverbrauch. Dieser ist ungefähr 100 Mal so hoch wie der für einen Hochgeschwindigkeitsbetrieb erforderliche und entstammt den Hilfsmitteln beim Tropfenausstoß, die Energie uneffizient einsetzen. Dies betrifft das schnelle Hochsieden von Wasser, um eine Dampfblase zu erzeugen, welche die Tinte austreibt. Wasser hat eine sehr hohe Wärmekapazität und muss bei thermischen Tintenstrahlanwendungen überhitzt werden. Dies führt zu einem Wirkungsgrad von ca. 0,02 % von der eingesetzten elektrischen Energie bis zum ausgehenden Kraftimpuls des Tropfens (und der erhöhten Oberfläche).The The most significant problem with a thermal ink jet is the Power consumption. This is about 100 times as high as the for one High speed operation required and originates from the tools during drop ejection, use the energy inefficiently. This concerns the fast high boiling of water to create a vapor bubble that expels the ink. Water has a very high heat capacity and must overheated in thermal inkjet applications. This leads to a Efficiency of approx. 0.02% of the electrical energy used until the outgoing force pulse of the drop (and the raised surface).

Das bedeutsamste Problem bei einem piezoelektrischen Tintenstrahler besteht hinsichtlich der Größe und der Kosten. Piezoelektrische Kristalle haben eine sehr kleine Auslenkung bei mäßigen Steuerspannungen und benötigen daher für jede Düse eine große Fläche. Auch ist es so, dass jeder piezoelektrische Aktuator mit seiner Steuerschaltung auf einem separaten Substrat verbunden werden muss. Dies ist bei der gegenwärtigen Grenze von ca. 300 Düsen pro Druckkopf kein einschneidendes Problem, stellt jedoch ein Haupthindernis bei der Herstellung von Druckköpfen in Seitenbreite mit 19.200 Düsen dar.The most significant problem with a piezoelectric inkjet exists in terms of size and the Costs. Piezoelectric crystals have a very small deflection at moderate control voltages and need therefore for every nozzle a big Area. Also, it is such that every piezoelectric actuator with its Control circuit must be connected to a separate substrate. This is at the current limit of about 300 nozzles no major problem per printhead, but a major obstacle in the production of printheads in page width with 19,200 nozzles represents.

Idealerweise erfüllen die verwendeten Tintenstrahltechnologien die hohen Anforderungen des kameraintegrierten digitalen Farbdrucks, sowie anderer qualitativ hoch einzustufender Druckanwendungen mit hoher Geschwindigkeit und niedrigen Kosten. Um die Anforderungen bezüglich der Digitalfotografie zu erfüllen, sind neue Tintenstrahltechnologien geschaffen worden. Die Zielmerkmale umfassen:
Geringe Energie (unter 10 Watt)
Hohes Auflösungsvermögen (1.600 dpi oder darüber)
Ausgabe in Fotoqualität
Niedrige Herstellungskosten
Kleine Größe (Seitenbreite mal Minimalquerschnitt)
Hohe Geschwindigkeit (< 2 Sekunden pro Seite).
Ideally, the inkjet technologies used meet the high demands of camera-integrated digital color printing, as well as other high-quality, high-speed, low-cost printing applications. To meet the requirements of digital photography, New inkjet technologies have been created. The target features include:
Low energy (under 10 watts)
High resolution (1600 dpi or above)
Output in photo quality
Low production costs
Small size (page width times minimum cross section)
High speed (<2 seconds per side).

Alle diese Eigenschaften können von den nachstehend beschriebenen Tintenstrahlsystemen mit verschiedenen Schwierigkeitsgraden erzielt oder übererfüllt werden. Von dem Anmelder sind 45 verschiedene Tintenstrahltechnologien entwickelt worden, um für die Großserienherstellung einen weiten Bereich von Auswahlmöglichkeiten bereitzustellen. Diese Technologien bilden einen Teil von separaten, in der nachfolgenden Ta belle aufgeführten Anmeldungen, die auf den vorliegenden Anmelder übertragen wurden.All these properties can from the ink-jet systems described below with various ones Difficulty levels are achieved or exceeded. From the applicant 45 different inkjet technologies have been developed around for the mass production to provide a wide range of choices. These technologies form part of separate tables in the following table listed Applications transferred to the present applicant.

Die hier gezeigten Tintenstrahlauslegungen eignen sich für einen breiten Bereich von digitalen Drucksystemen, von batteriebetriebenen digitalen Kameras für den einmaligen Gebrauch, über Tisch- und Netzwerkdrucker bis hin zu kommerziellen Drucksystemen.The Ink jet designs shown here are suitable for one wide range of digital printing systems, from battery-powered digital cameras for single use, over Desktop and network printers right up to commercial printing systems.

Zur leichteren Herstellung mittels einer standardmäßigen Prozessanlage ist der Druckkopf so ausgelegt, dass er ein monolithischer, 0,5 Mikrometer messender CMOS-Chip mit einer MEMS-Nachbearbeitung ist. Für Farbfotografieanwendungen ist der Druckkopf 100 mm lang und hat eine Breite, die von der Art des Tintenstrahlers abhängt. Der kleinste entwickelte Druckkopf ist der IJ38 mit 0,35 mm Breite bei einer Chipfläche von 35 mm2. Die Druckköpfe enthalten jeweils 19.200 Düsen plus eine Daten- und Steuerungsschaltung.For ease of fabrication using a standard process tool, the printhead is designed to be a monolithic 0.5 micron CMOS chip with MEMS post-processing. For color photography applications, the printhead is 100 mm long and has a width that depends on the type of ink jet. The smallest developed print head is the IJ38 with 0.35 mm width and a chip area of 35 mm 2 . The printheads each contain 19,200 nozzles plus a data and control circuit.

Der Rückseite des Druckkopfs wird Tinte durch spritzgegossene, in Kunststoff ausgeführte Tintenkanäle zugeführt. Der Formvorgang erfordert die Ausbildung von 50 μm messenden Einzelheiten, die unter Verwendung eines auf lithografischem Wege mikrobearbeiteten Einsatzes in einem standardmäßigen Spritzgusswerkzeug erzeugt werden können. Über durch den Wafer geätzte Löcher fließt Tinte zu den Düsenkammern, die an der Vorderfläche des Wafers hergestellt sind. Der Druckkopf ist an die Kameraschaltung durch eine automatisierte Bandkontaktierung angeschlossen.Of the back Ink is supplied to the printhead through injection molded plastic ink channels. Of the Forming process requires the formation of 50 microns measuring details, the using a lithographically micromachined Use in a standard injection molding tool can be generated. Over through etched the wafer holes flows Ink to the nozzle chambers, the on the front surface of the wafer are made. The printhead is attached to the camera circuit connected by an automated ribbon connection.

Querverweis auf andere AnmeldungenCross reference to others Registrations

Die folgende Tabelle ist ein Leitfaden auf mit Querverweis versehene Patentanmeldungen, die gleichzeitig mit der vorliegenden Anmeldung eingereicht wurden und nachstehend mit der Bezugnahme erläutert werden, die in den nachfolgenden Tabellen verwendet wird, wenn auf einen bestimmten Fall Bezug genommen wird:

Figure 00140001
Figure 00150001
Figure 00160001
The following is a guide to cross-referenced patent applications filed concurrently with the present application and explained below with reference to the following tables when referring to a particular case:
Figure 00140001
Figure 00150001
Figure 00160001

Tabellen bezüglich Drop an Demand-TintenstrahlerTables for Drop on demand inkjet

Es wurden 11 entscheidende Eigenschaften des grundlegenden Betriebs von einzelnen Tintenstrahldüsen ausgemacht. Diese Eigenschaften schließen größtenteils einander aus, und können so in Form einer elfdimensionalen Matrix erklärt werden. Die meisten der 11 Achsen dieser Matrix umfassen Einträge, die vom vorliegenden Anmelder entwickelt wurden.It 11 key features of the basic operation from individual inkjet nozzles turned off. These features largely exclude each other, and can be explained in the form of an eleven-dimensional matrix. The most of 11 axes of this matrix include entries made by the present applicant were developed.

Die folgenden Tabellen bilden die Achsen einer elfdimensionalen Tabelle von Tintenstrahler-Bauarten.
Aktuatormechanismus (18 Arten)
Grundlegende Funktionsweise (7 Arten)
Zusatzmechanismus (8 Arten)
Aktuatorverstärkung oder Modifikationsverfahren (17 Arten)
Aktuatorbewegung (19 Arten)
Verfahren zum Wiederauffüllen der Düse (4 Arten)
Verfahren zur Einschränkung des Rückstroms durch den Einlass (10 Arten)
Düsenreinigungsverfahren (9 Arten)
Düsenplattenkonstruktion (9 Arten)
Tropfenausstoßrichtung (5 Arten)
Tintenart (7 Arten)
The following tables form the axes of an eleven-dimensional table of inkjet designs.
Actuator mechanism (18 types)
Basic Operation (7 types)
Additional mechanism (8 types)
Actuator reinforcement or modification process (17 types)
Actuator movement (19 types)
Method for refilling the nozzle (4 types)
Method for restricting the return flow through the inlet (10 types)
Nozzle cleaning process (9 types)
Nozzle plate construction (9 types)
Drop ejection direction (5 types)
Type of ink (7 types)

Die komplette, durch diese Achsen dargestellte elfdimensionale Tabelle enthält 36,9 Milliarden mögliche Konfigurationen einer Tintenstrahldüse. Während nicht alle der möglichen Kombinationen zu einer brauchbaren Tintenstrahltechnologie führen, sind viele Millionen Konfigurationen machbar. Es ist klar ersichtlich, dass nicht alle möglichen Konfigurationen erläutert werden können. Statt dessen wurden bestimmte Tintenstrahlerarten im Einzelnen untersucht. Diese sind vorstehend mit IJ01 bis IJ45 bezeichnet.The complete eleven-dimensional table represented by these axes contains 36.9 billion possible Configurations of an ink jet nozzle. While not all of the possible Combinations lead to a useful inkjet technology are many millions of configurations feasible. It is clear that not all possible Configurations explained can be. Instead, specific types of ink jet have been studied in detail. These are designated above with IJ01 to IJ45.

Aus diesen 45 Beispielen lassen sich ohne Weiteres andere Tintenstrahlerkonfigurationen ableiten, indem man alternative Konfigurationen entlang einer oder mehrerer der 11 Achsen einsetzt. Die meisten der Beispiels IJ01 bis IJ45 können in Tintenstrahldruckköpfe einfließen, die dann Eigenschaften haben, die jeder derzeit erhältlichen Tintenstrahltechnologie überlegen sind.Out These 45 examples are easily other ink jet configurations derive alternative configurations along one or the other several of the 11 axles used. Most of the example IJ01 until IJ45 can in inkjet printheads incorporated, which then have properties that everyone currently available Superior inkjet technology are.

Wo dem Erfinder Beispiele aus dem Stand der Technik bekannt sind, sind ein oder mehrere dieser Beispiele in den Beispielspalten der nachstehenden Tabellen aufgeführt. In den Beispielspalten ist auch die Serie IJ01 bis IJ45 aufgelistet. In einigen Fällen kann ein Drucker mehr als einmal in einer Tabelle genannt sein, und zwar dort, wo er mit mehr als einem Eintrag die Eigenschaften teilt.Where The inventors are aware of examples of prior art one or more of these examples in the example columns of the following Tables listed. The sample columns also list the series IJ01 to IJ45. In some cases can a printer be named more than once in a table, namely where he with more than one entry the properties Splits.

Geeignete Anwendungen umfassen: Homedrucker, Büronetzwerkdrucker, Digitaldrucker für den Kurzzeiteinsatz, kommerzielle Drucksysteme, Drucker zum Bedrucken von Gewebe, Taschen- bzw. Pocketdrucker, Inernet-www-Drucker, Videodrucker, Bilderzeugung auf dem Gebiet der Medizin, Breitformatdrucker, Notebook-PC-Drucker, Faxgeräte, Drucksysteme für Industrieanwendungen, Fotokopierer, Fotografie-Minilabore bzw. -Minilabs etc.suitable Applications include: home printers, office network printers, digital printers for the Short-term use, commercial printing systems, printers for printing fabric, pocket or pocket printer, internet www printer, video printer, Imaging in the field of medicine, wide format printers, notebook PC printers, fax machines, Printing systems for Industrial applications, photocopiers, photography minilabs or minilabs Etc.

Die der vorstehend erwähnten elfdimensionalen Matrix zugehörigen Informationen sind in den folgenden Tabellen dargelegt.

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The information associated with the above-mentioned eleven-dimensional matrix is set forth in the following tables.
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Einem Fachmann wird klar sein, dass zahlreiche Abänderungen und/oder Modifikationen an der vorliegenden Erfindung, wie sie in der spezifischen Ausführungsform gezeigt ist, vorgenommen werden können, ohne von dem ausführlich beschriebenen Umfang der Erfindung abzuweichen. Die vorliegende Ausführungsform sollte von daher in allen Belangen als darstellend und nicht einschränkend angesehen werden.a It will be clear to a person skilled in the art that numerous modifications and / or modifications to the present invention, as in the specific embodiment can be made without being described in detail Deviating scope of the invention. The present embodiment should therefore be considered in all respects as illustrative and not restrictive become.

Claims (6)

Tintenstrahldruckkopf umfassend eine Vielzahl von Düsenanordnungen, wobei jede Düsenanordnung umfasst: (a) eine Düsenkammer mit einer Ausstoßöffnung an einem Ende; (b) einen Kolben aus weichem magnetischen Material hergestellt und zwischen der Düsenkammer und einer Tintenkammer angeordnet, wobei die Tintenkammer die Zufuhr von Tinte zur Düsenkammer ermöglicht; (c) eine elektrische Spule benachbart zum Kolben angeordnet und elektrisch mit einem Düsenaktivierungssignal verbunden, wobei bei Aktivierung des Aktivierungssignals der Kolben durch die Spule von einer Tintenladeposition zu einer Tintenausstoßposition bewegt wird, wodurch der Tintenausstoß von der Tintenausstoßöffnung bewirkt wird.An ink jet printhead comprising a plurality nozzle arrangements, wherein each nozzle assembly comprises: (A) a nozzle chamber with a discharge opening an end; (b) a piston of soft magnetic material made and between the nozzle chamber and an ink chamber, wherein the ink chamber is the supply from ink to the nozzle chamber permits; (C) an electrical coil disposed adjacent to the piston and electrically with a nozzle activation signal connected, wherein upon activation of the activation signal, the piston through the spool from an ink loading position to an ink ejecting position is moved, causing the ink ejection from the ink ejection opening becomes. Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 1 ferner umfassend eine aus weichem magnetischen Material gefertigte Ankerplatte und wobei der Kolben bei der Aktivierung der Spule zur Ankerplatte gezogen wird.The ink-jet printhead of claim 1 further comprising a made of soft magnetic material anchor plate and wherein the piston is pulled to the armature plate upon activation of the coil becomes. Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 1, wobei die elektrische Spule innerhalb eines vom Kolben festgelegten Hohlraums liegt und der Hohlraum in seinen Ausdehnungen als Folge der Bewegung des Kolbens verkleinert ist, der Kolben ferner eine Reihe von Schlitzen für den Flüssigkeitsauslaß in Flüssigverbindung mit dem Hohlraum und der Tintenkammer hat und die Schlitze für den Flüssigkeitsauslaß unter Druck im Hohlraum den Ausstoß von Flüssigkeit ermöglichen.An ink jet print head according to claim 1, wherein said electrical coil within a cavity defined by the piston lies and the cavity in its expansions as a result of the movement of the piston is reduced, the piston also has a series of slots for the Liquid outlet in liquid connection with the cavity and the ink chamber and the slots for the liquid outlet below Pressure in the cavity the ejection of liquid enable. Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 1 ferner umfassend Federmittel zur Hilfe der Rückstellung des Kolbens von der Tintenausstoßposition zur Tintenladeposition nach dem Ausstoß der Tinte aus der Ausstoßöffnung.The ink-jet printhead of claim 1 further comprising Spring means to help the provision of the piston from the ink ejecting position to the ink loading position after the ejection of Ink from the ejection port. Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 4, wobei die Federmittel eine Torsionsfeder umfassen.An ink-jet printhead according to claim 4, wherein said Spring means comprise a torsion spring. Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 5, wobei die Torsionsfeder eine bogenförmige Konstruktion ist, die im Wesentlichen das gleiche Umfangsprofil wie der Kolben hat.An ink-jet printhead according to claim 5, wherein said Torsion spring an arcuate Construction is essentially the same circumferential profile like the piston has.
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