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
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
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.
Beschreibung von IJ01 FDescription of IJ01 F
In
Die
Düse
Ferner
ist ein zweiter, magnetischer Kolben
In
Nun
wird mit Bezug auf
In
einer ersten Auslegung umfasst die Platte
Die
Durchlässe
Nachdem
der Kolben
Die
Verwendung einer Torsionsfeder (z.B.
In
einer alternativen Auslegung enthält die Oberseite der Platte
Herstellungmanufacturing
Unter
Rückkehr
auf
Als
Nächstes
ist eine CMOS-Siliziumschicht
Als
Nächstes
ist eine feststehende, zwei Teile
Als
Nächstes
ist eine Magnetspule
Als
Nächstes
ist ein Kolben
Der
Spalt zwischen der feststehenden Platte
Als
Nächstes
sind die Federn (z.B.
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.
- 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: 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:
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. The information associated with the above-mentioned eleven-dimensional matrix is set forth in the following tables.
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)
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