EP0671270B1

EP0671270B1 - Ink jet print head

Info

Publication number: EP0671270B1
Application number: EP95250037A
Authority: EP
Inventors: Wolfgang Dr. Thiel
Original assignee: Francotyp Postalia GmbH
Current assignee: Francotyp Postalia GmbH
Priority date: 1994-03-10
Filing date: 1995-02-13
Publication date: 1998-08-12
Anticipated expiration: 2015-02-13
Also published as: DE9404328U1; EP0671270A3; EP0671270A2; US5828390A; DE59503105D1

Description

Die Erfindung betrifft einen Tintenstrahldruckkopf der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art. Solche Tintenstrahldruckköpfe können in schnellen Druckern eingesetzt werden, wie sie beispielsweise für Frankiermaschinen zum Frankieren von Postgut verwendet werden. Derartige Druckwerke haben zudem die Aufgabe zu lösen, einen vollständigen Druck in nur einer Bewegungsphase auszuführen, was eine entsprechend große Druckbreite von beispielsweise 1 Zoll erfordert. The invention relates to an ink jet print head specified in the preamble of claim 1. Such Inkjet printheads can be used in fast printers are used, such as for franking machines used for franking mail. Such printing units also have the task of solving full pressure in just one movement phase execute what a correspondingly large print width of, for example, 1 inch.

Es ist bekannt, daß Tintenstrahldruckköpfe nach dem Edge-shooter- oder nach dem Face-shooter-Prinzip aufgebaut sind (First annual ink jet printing workshop, March 26-27, 1992, Royal Sonesta Hotel, Cambridge, Massachusetts). Bisher wurden Anstrengungen unternommen, die Abmaße der Kammern zu minimieren, um die Düsendichte zu erhöhen. Die dort vorgeschlagenen Maßnahmen sind aber nur bei Tintenstrahlmodulen mit wenigen Düsen in einer Reihe sinnvoll und versagen bei einer hohen Anzahl von Düsen. Deshalb muß eine Erhöhung der Düsendichte auf andere Weise erreicht werden.It is known that ink jet printheads after Edge shooter or according to the face shooter principle (First annual ink jet printing workshop, March 26-27, 1992, Royal Sonesta Hotel, Cambridge, Massachusetts). Efforts have been made so far to minimize the dimensions of the chambers to the Increase nozzle density. The ones suggested there Measures are only included with inkjet modules few nozzles in a row make sense and fail a large number of nozzles. Therefore an increase must be made the nozzle density can be achieved in other ways.

Aus der DE 36 08 205 A1 und DE 36 09 154 A1 ist eine zwischen zwei spiegelsymmetrischen Druckkopfhälften mittig angeordnete Düsenplatte bekannt, wobei in deren beiden Plattenoberflächen die erforderlichen Düsenkanäle gleichzeitig geätzt werden, damit sie eine gleiche Größe aufweisen. Damit entstehen aber zwei zueinander versetzte Düsenreihen, deren Versatz wieder eine genaue Maskenjustage beim Lithographischen Prozeß voraussetzt. Außerdem erfordert die Kopfherstellung eine genaue Justage aller übereinander gestapelten Platten. Ein weiterer Nachteil ist der relativ lange Tintenweg von den Kammern zu den Düsen.From DE 36 08 205 A1 and DE 36 09 154 A1 is one between two mirror-symmetrical printhead halves centrally arranged nozzle plate known, in which the required nozzle channels on both plate surfaces be etched at the same time so they are the same Have size. But this creates two to each other offset rows of nozzles, the offset of which is again an exact one Mask adjustment required in the lithographic process. In addition, the head manufacturing requires an accurate one Adjustment of all stacked plates. A another disadvantage is the relatively long ink path from the chambers to the nozzles.

Aus der DE 38 14 720 A1 ist es bekannt, einen Druckkopf aus einer geätzter Grundplatte und äußeren Membranplatten aufzubauen. Der Grundkörper weist zwei Düsenreihen auf. Die auf beiden Plattenoberflächen versetzt zueinander liegenden Düsenreihen werden gleichzeitig erzeugt. Der Grundkörper wird durch genau zueinander justierte Masken zweiseitig belichtet und danach beidseitig gleichzeitig geätzt. Die Verwendung eines Grundkörpers umgeht zwar eine aufwendige Montage mehrerer Platten übereinander, jedoch ist der Versatz der beiden Düsenreihen zueinander immer noch von einer Justage der Masken vor dem lithografischen Prozeß abhängig. Außerdem ist bei der oben genannten Lösung ein relativ langer Tintenweg von der Kammer bis zur Düse auf jeder Seite der Grundplatte erforderlich.From DE 38 14 720 A1 it is known a printhead from an etched base plate and outer membrane plates build up. The main body has two rows of nozzles on. The offset on both plate surfaces rows of nozzles lying opposite to each other are simultaneously generated. The basic body is made by exactly to each other adjusted masks exposed on two sides and afterwards etched on both sides at the same time. The use of a Base body avoids complex assembly of several plates on top of each other, however, is the offset of the two rows of nozzles to one another still Adjustment of the masks before the lithographic process dependent. In addition, the above solution a relatively long ink path from the chamber to the Nozzle required on each side of the base plate.

Ein in Sandwich-Bauweise aufgebauter Düsendrucker für ein Tintenschreibwerk gemäß DE-OS 26 49 970 besteht aus spiegelsymmetrisch gegenüber angeordneten Druckkopfhälften. In den äußeren Aufbauplatten der Druckkopfhälften befinden sich paarweise gegenüberliegend angeordnet die Tintenkammern (Kompressionskammern). Die kurzzeitigen Druckanstiege in diesen Tintenkammern werden durch eine darüber angeordnete Membran mit einem Piezokeramikschwinger (PZT-Elemente) erzeugt. Zwischen den Druckkopfhälfte ist eine Düsenplatte mit einer Ausgleichkammer so angeordnet, daß sie zwischen den Tintenkammern liegt. Damit kann der cross-talk-effekt zwar wirksam unterdrückt werden, jedoch ist eine Vielzahl von Platten erforderlich, welche genau zu einander justiert werden müssen.A sandwich-type nozzle printer for an ink pen according to DE-OS 26 49 970 consists of mirror-symmetrically opposite arranged print head halves. In the outer mounting plates of the printhead halves are arranged in pairs opposite each other the ink chambers (compression chambers). The brief increases in pressure in these ink chambers are arranged with a membrane above Piezoceramic transducers (PZT elements) generated. Between the print head half is a nozzle plate with a Compensation chamber arranged so that it between the Ink chambers. So that the cross-talk effect are effectively suppressed, but is a Variety of panels required, which exactly must be adjusted to each other.

Um eine höhere Abbildungsdichte zu erreichen, wurde bereits in DE 42 25 799 A2 vorgeschlagen, mehrere Kammern zueinander horizontal und vertikal versetzt anzuordnen. In einem Kammern tragenden Teil ist eine einzige Düsenreihe für den gesamten Modul ausgebildet. Die hohe Düsendichte in der Düsenreihe resultiert aus einem mehrstöckigen Aufbau. Durch eine Vielzahl von Ebenen führen Tintenkanäle, die einen toleranzunempfindlicnen Querschnit aufweisen. Dennoch erfordert dieser Druckkopf noch einen gewissen Justageaufwand. Auch sind hier die zu den Düsen führenden Kanäle von der weit entfernten unteren Ebene länger, als diejenigen Kanäle von der oberen Ebene, was zu einer Phasenverschiebung der einzelnen Tintenstrahlen führt, die elektronisch kompensiert werden muß. Durch sehr lange Kanäle müssen größere Kräfte durch die Piezokristalle aufgebracht werden, so daß diese eher ausfallen, als andere Piezokristalle. Ein weiterer Nachteil dieser Anordnung besteht darin, daß jede der mindestens benötigten drei Platten in verschiedener Weise zu strukturieren sind. In order to achieve a higher imaging density, already proposed in DE 42 25 799 A2, several chambers to be staggered horizontally and vertically. In a chamber-bearing part there is one Row of nozzles designed for the entire module. The high nozzle density in the nozzle row results from a multi-storey construction. Through a variety of levels lead ink channels that are insensitive to tolerance Have cross-section. Still, this printhead requires some adjustment work. Are here too the channels leading to the nozzles from the far distant lower level longer than those channels from the upper level, resulting in a phase shift of individual ink jets, which leads electronically must be compensated. Through very long channels greater forces are applied by the piezo crystals so that they fall out sooner than other piezo crystals. Another disadvantage of this arrangement is that each of the minimum three required Panels are to be structured in different ways.

Alle Fertigungsschritte, Lithographieprozesse, mechanische Bearbeitung und Ätzprozesse erstrecken sich auf drei Platten. Das bedeutete aber, daß drei verschiedene Masken benötigt werden und die Fertigung mit jeweils drei verschiedenen Wafern startet.All manufacturing steps, lithography processes, mechanical Processing and etching processes extend to three plates. But that meant three different ones Masks are needed and manufacturing with each three different wafers starts.

Aus der in US 4,525,728 genannten Lösung ist ein Edge-shooter-ink-jet-Druckmodul mit je einer Düsenreihe pro Kammerplatte bekannt. Die Abmessungen der Kammer und Kanäle können unter bestimmten Umständen weiter verkleinert werden. Hierbei liegen die Längsachsen der relativ langen Tintenkammern in Richtung des Tintenstrahls, während die Breite der Tintenkammer extrem verringert wird. Problematisch wird aber nun der Herstellungsschritt des Aufbringens der PZT-Elemente, denn die einzuhaltenden Toleranzen sind extrem klein.From the solution mentioned in US 4,525,728 is a Edge shooter ink jet printing module with one row of nozzles each known per chamber plate. The dimensions of the Chamber and channels can be used in certain circumstances can be further reduced. Here are the longitudinal axes the relatively long ink chambers towards the Ink jet while the width of the ink chamber is extremely reduced. But the problem is now Manufacturing step of applying the PZT elements, because the tolerances to be observed are extremely small.

Die Aufgabe besteht in der Schaffung eines kompakten ink-jet-Druckkopfes für einen Druck mit hoher Auflösung, der die Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist und einfach herzustellen ist.The task is to create a compact ink-jet print head for high-resolution printing, which does not have the disadvantages of the prior art and is easy to manufacture.

Die Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.The task is carried out with the characteristic features of the Claim 1 solved.

Zur Lösung der Aufgabe wurde ein einfacheres Design für einen Ink-Jet-Druckkopf entwickelt, bei dem die Anzahl der Fertigungsschritte reduziert ist. In der erfindungsgemäßen Variante wird nur eine Mittelplatte strukturiert, während die beiden Außenplatten unstrukturiert bleiben und erst zum Diffusionsbonden mit der Mittelplatte verbunden werden. Das wird dadurch möglich, daß die Oberseite der Mittelplatte eine Struktur erhält und die Unterseite ebenfalls eine aber davon verschiedene Struktur bekommt und die beiden Strukturen durch senkrecht verlaufende durchgehende Kanäle miteinander verbunden sind, welche nur von einer Seite der Mittelplatte ausgeätzt werden. Die beiden Strukturen weisen Kammergruppen auf, die voneinander in x-, y- und z-Richtung beabstandet sind.A simpler design for developed an ink jet print head in which the number the manufacturing steps are reduced. In the variant according to the invention is only a central plate structured, while the two outer panels are unstructured stay and only for diffusion bonding with the Middle plate are connected. This is possible because that the top of the middle plate has a structure receives and the bottom also one of them gets different structure and the two structures through vertical continuous channels with each other which are connected only from one side of the Middle plate are etched out. The two structures have chamber groups that are in x-, y- and z-direction are spaced.

Unterhalb einer ersten Ebene, in der eine erste Gruppe von Tintenkammern in dem Mittelteil liegt, wird durch eine zweite Ebene ein Abstand Y realisiert und in einer dritten Ebene wird eine weitere Gruppe von Tintenkammern nunmehr so angeordnet, daß die Tintenkammern der dritten Ebene zu denen der ersten Ebene sowohl einen vertikalen Abstand Y als auch horizontalen Versatz X zur Düsenlinie aufweisen. Die durch vertikalen Abstand in y-Richtung der Ebenen bedingte, unterschiedlich ausgebildete Tintenweglänge wird somit durch eine definierte Tintenkanallänge in den Ebenen kompensiert.Below a first level, in which a first group of ink chambers is in the middle part, by a second level realizes a distance Y and in a third level is another group of ink chambers now arranged so that the ink chambers the third level to those of the first level both a vertical distance Y as well as horizontal Show offset X to the nozzle line. By vertical distance in the y direction of the planes, differently designed ink path length is thus through a defined ink channel length in the layers compensated.

Es ist vorgesehen, daß die Kammern zur Düsenreihe einerseits und zu einem Ansaugraum andererseits derart angeordnet sind, daß in den Ebenen des Mittelteils unterschiedlich lange Tintenkanäle, insbesondere horizontale Düsenkanäle und/oder Einlaßkanäle und/oder vertikale Durchgangskanäle vorgesehen sind, wobei die Summe der Tintenkanallängen je Kammer annährernd konstant bleibt.It is envisaged that the chambers to the row of nozzles on the one hand and to an intake chamber on the other hand are arranged that in the levels of the central part Ink channels of different lengths, especially horizontal ones Nozzle channels and / or inlet channels and / or vertical through channels are provided, the Sum of ink channel lengths per chamber approximately constant remains.

Die Düsenkanäle zur einzigen Düsenreihe sind auf einer der beiden Oberflächen des Mittelteils angeordnet und vorzugsweise in einem Ätzvorgang realisierbar. Dabei werden, von der Oberfläche mit den Düsenkanälen ausgehend, durch die dritte und zweite Ebene weitere vertikale Tintendurchgangskanäle eingearbeitet. Von der anderen Oberfläche wird bis zu einer Tiefe gearbeitet, wo die zweite Ebene beginnt. Somit werden die Tintenkammer und der Ansaugraum über den jeweiligen vertikalen Tintendurchgangskanal eingearbeitet.The nozzle channels for the single row of nozzles are on one of the two surfaces of the central part and preferably realized in an etching process. Here from the surface with the nozzle channels proceeding, through the third and second levels further vertical ink channels integrated. Of the other surface is worked to a depth where the second level begins. Thus the Ink chamber and the suction space above each vertical ink channel integrated.

Dadurch ergibt sich der entscheidende weitere Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung, nämlich die fehlende Auswirkung von Toleranzen durch die erfindungsgemäße Konstruktion, dadurch daß die einzelnen Ebenen des mehrstöckigen Aufbaues nicht in einzelnen Platten realisiert sind, welche gegeneinander versetzt angeordnet werden müssen. Auch die vor dem lithographischen Prozeß erforderlichen Masken können mit einer gewissen Toleranz zueinander positioniert werden, da die Verbindungskanäle nur auf den relativ breiten Kammerboden treffen müssen.This results in the decisive further advantage the solution according to the invention, namely the missing one Effect of tolerances by the invention Construction in that the individual levels of the multi-storey structure not in individual panels are realized, which are offset against each other must be arranged. Even those before the lithographic Process required masks can be made with a certain tolerance to each other, since the connection channels only on the relatively wide Chamber floor must meet.

Die Erfindung geht davon aus, daß aufgrund dieser erfindungsgemäßen Lösung mit horizontal und vertikal versetzt angeordneten Tintenkammern eine höhere Düsenanzahl in einer Reihe und eine relativ kurze Tintenkanallänge, beispielsweise für einen Edge-shooter-ink-jet-In-Line-Druckkopf, erreichbar ist. Es ist ein Kennzeichen des ESIJIL-Druckkopfes, daß eine Düsenanordnung für einen Tintenausstoß in x-Richtung in der dritten Ebene des Mittelteils, die die Düsenkanäle aufweist, vorgesehen ist und daß in der Düsenreihe die zu unterschiedlichen Düsengruppen gehörigen Düsen alternieren. In einer ersten Variante trägt jede Oberfläche des Mittelteils eine Kammergruppe. In einer zweiten Variante trägt eine Oberfläche die Düsenkanäle und eine Kammergruppe und die andere Oberfläche trägt zwei Kammergruppen, d.h., daß die unterschiedliche Struktur auf einer der beiden Oberflächen einse Mittelteils eine zur ersten Kammergruppe zusätzliche Kammergruppe umfaßt, die zu der ersten Kammergruppe in x- und z-Richtung versetzt angeordnet ist. Es ist vorgesehen, daß in einer einzigen Düsenreihe die zu unterschiedlichen Düsengruppen gehörigen Düsen alternieren und daß die Überdeckung von Kammern der Kammerngruppe der einen Ebene mit denen der anderen Ebene vermieden wird oder nur an den Kammerrändern wirksam ist. Damit wird der cross-talk-Effekt wirksam minimiert.The invention assumes that due to this solution according to the invention with horizontal and vertical staggered ink chambers a higher number of nozzles in a row and a relatively short ink channel length, for example for an edge shooter ink jet in-line print head, is achievable. It is a hallmark of the ESIJIL printhead that a nozzle arrangement for ink ejection in the x direction in the third Level of the central part, which has the nozzle channels, is provided and that in the row of nozzles nozzles belonging to different nozzle groups alternate. In a first variant, each surface carries a chamber group in the middle. In a second One surface carries the nozzle channels and one Chamber group and the other surface carries two Chamber groups, i.e. that the different structure on one of the two surfaces one middle part includes additional chamber group to the first chamber group, to the first chamber group in the x and z directions is staggered. It is envisaged that in a single row of nozzles to different Nozzle groups belonging to the alternate and that the Coverage of chambers of the chamber group of one Level with those of the other level is avoided or is only effective at the edges of the chamber. With that the Cross-talk effect effectively minimized.

Eine andere Ausbildung des Tintenstrahldruckkopfes mit mehreren in y-Richtung angeordneten Ebenen betrifft einen Face-Shooter-Ink-Jet-In-Line-Druckkopf (FSIJIL-Druckkopf) und weist ebenfalls voneinander in x-, y- und z-Richtung beabstandete unterschiedliche Strukturen auf beiden Oberflächen eines Mittelteils auf, so daß die Überdeckung der Tintenkammern nur an den Kammerrändern wirksam wird. Es ist ein Kennzeichen des FSIJIL-Druckkopfes, daß für eine dritte Ebene des Mittelteils, die die Düsenkanäle aufweist, eine Düsenanordnung für einen Tintenausstoß y-Richtung in einer Membranplatte vorgesehen ist und daß in der Düsenreihe die zu unterschiedlichen Düsengruppen gehörigen Düsen alternieren. Auf einer der beiden Oberflächen des Mittelteils und auf der anliegenden Membranplatte ist somit eine einzige Düsenreihe ausgebildet, welche in z-Richtung verläuft, zu der von zwei Seiten Düsenkanäle führen. In einer Variante weist jede Oberfläche des Mittelteils nur eine Kammergruppe auf. In einer anderen Variante weist die eine Oberfläche des Mittelteils zwei Kammergruppen auf. Es ist vorgesehen, daß unterschiedliche Strukturen auf beiden Oberlfächen in einer ersten und dritten Ebene eines Mittelteils Kammergruppen aufweisen, die voneinander in x-, y- und z-Richtung beabstandet sind und daß die unterschiedliche Struktur der ersten Ebene des Mittelteils zusätzliche Kammergruppen unfaßt, die voneinander in x- und z-Richtung beabstandet sind. Das Mittelteil ist mit vertikalen und horizontalen Tintenkanälen versehen, so daß sich ein relativ kurzer aber gleichlanger Tintenweg von den Kammern zu den Düsen ergibt. Die Anordnung erlaubt einen erhöhten Toleranzbereich bei der Positionierung der Masken bei der photolithographischen Strukturierung der Mittelplatte und damit eine höhere Ausbeute funktionstüchtiger Druckköpfe. Die Düsenöffnungen werden durch Ätzen oder Laserstrahlbearbeiten in die Membranplatte eingearbeitet.Another design of the inkjet printhead with relates to several planes arranged in the y direction a face shooter ink jet in-line print head (FSIJIL print head) and also points from each other in x-, y- and Different structures spaced z-direction on both surfaces of a middle part, so that the coverage of the ink chambers only at the edges of the chamber takes effect. It is a hallmark of the FSIJIL printhead that for a third level of Middle part, which has the nozzle channels, one Nozzle arrangement for ink ejection in the y direction a membrane plate is provided and that in the Row of nozzles belonging to different groups of nozzles Alternate nozzles. On one of the two surfaces of the middle part and on the adjacent membrane plate a single row of nozzles is thus formed, which runs in the z direction, to that of two Guide side nozzle channels. In one variant, each has Surface of the middle part only one chamber group. In another variant, the one surface of the Middle part of two chamber groups. It is intended that different structures on both surfaces in a first and third level of a middle part Have chamber groups that are in x-, y- and z-direction are spaced and that the different Structure of the first level of the middle part additional chamber groups, which are separated from each other in x and z-direction are spaced. The middle part is with vertical and horizontal ink channels provided, so that there is a relatively short but equally long ink path from the chambers to the nozzles. The order allows an increased tolerance range during positioning of the masks in the photolithographic Structuring the middle plate and thus a higher one Yield of functional print heads. The nozzle openings are processed by etching or laser beam worked into the membrane plate.

Nach dem Ätzen der Mittelplatte und der Herstellung von Membranplatten durch parallele Glasplattenbearbeitung einschließlich Herausbildung einer definierter Dicke durch Ätzen und Feinschleifen, erfolgt ein Separieren und Verbinden der Einzelteile zu einem Modul, der mit Leiterbahnen und PZT-Elementen versehen wird.After etching the middle plate and making Membrane plates through parallel glass plate processing including the formation of a defined thickness separation takes place by etching and fine grinding and connecting the individual parts to form a module that is connected to Conductor tracks and PZT elements is provided.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:

Figur 1a,: Schnitt durch die Linie A-A'eines ESIJIL-Druckkopfes nach Variante eins
Figur 1b,: Schnitt durch die Linie B-B'eines ESIJIL-Druckkopfes nach Variante eins
Figur 1c,: ESIJIL-Druckkopfes nach Variante eins in Draufsicht auf die Mittelplatte (Bestückungsseite) mit Lage der Kammern
Figur 1d,: Ansicht der Düsenseite mit der Düsenlinie des ESIJIL-Druckkopfes nach Variante eins
Figur 2a,: Schnitt durch die Linie A-A' eines FSIJIL-Druckkopfes nach Variante eins
Figur 2b,: Schnitt durch die Linie B-B' eines FSIJIL-Druckkopfes nach Variante eins
Figur 2c,: FSIJIL-Druckkopfes nach Variante eins in Draufsicht auf die Mittelplatte (Bestückungsseite) mit Lage der Kammern
Figur 2d,: Ansicht einer PZT-Platte für einen FSIJIL-Druckkopf nach Variante eins
Figur 3a,: Schnitt durch die Linie A-A'eines ESIJIL-Druckkopfes nach Variante zwei
Figur 3b,: Schnitt durch die Linie B-B'eines ESIJIL-Druckkopfes nach Variante zwei
Figur 3c,: ESIJIL-Druckkopfes nach Variante zwei in Draufsicht auf die Mittelplatte (Bestückungsseite) mit Lage der Kammern
Figur 4a,: Schnitt durch die Linie A-A'eines FSIJIL-Druckkopfes nach Variante zwei
Figur 4b,: Schnitt durch die Linie B-B'eines FSIJIL-Druckkopfes nach Variante zwei
Figur 4c,: FSIJIL-Druckkopfes nach Variante zwei in Draufsicht auf die Mittelplatte (Bestückungsseite) mit Lage der Kammern
Figur 5a,: Anordnung von PZT-Elementen auf einer Membranplatte
Figur 5b,: Ansicht einer PZT-Platte für einen FSIJIL-Druckkopf nach Variante zwei

Advantageous developments of the invention are characterized in the subclaims or are shown in more detail below together with the description of the preferred embodiment of the invention with reference to the figures. Show it:

Figure 1a,: Section through the line A-A 'of an ESIJIL print head according to variant one
Figure 1b,: Section through line B-B of an ESIJIL print head according to variant one
Figure 1c,: ESIJIL printhead according to variant one in plan view of the middle plate (component side) with the position of the chambers
Figure 1d,: View of the nozzle side with the nozzle line of the ESIJIL print head according to variant one
Figure 2a,: Section through line AA 'of an FSIJIL printhead according to variant one
Figure 2b,: Section through line BB 'of an FSIJIL print head according to variant one
Figure 2c,: FSIJIL printhead according to variant one in plan view of the middle plate (component side) with the position of the chambers
Figure 2d,: View of a PZT plate for an FSIJIL print head according to variant one
Figure 3a,: Section through the line A-A 'of an ESIJIL print head according to variant two
Figure 3b,: Section through line B-B of an ESIJIL print head according to variant two
Figure 3c,: ESIJIL printhead according to variant two in plan view of the middle plate (component side) with the position of the chambers
Figure 4a,: Section through the line A-A 'of an FSIJIL print head according to variant two
Figure 4b,: Section through line B-B of an FSIJIL print head according to variant two
Figure 4c,: FSIJIL print head according to variant two in plan view of the middle plate (component side) with the position of the chambers
Figure 5a,: Arrangement of PZT elements on a membrane plate
Figure 5b,: View of a PZT plate for an FSIJIL print head according to variant two

Die Figuren 1a bis 1d zeigen eine Variante, nach denen der erfindungsgemäße Edge-Shooter-Ink-Jet-In-Line-Druckkopf (ESIJIL-Druckkopf) alternativ zum ESIJIL-Druckkopf, gemäß dem Patent DE 42 25 799, ausgeführt werden kann.Figures 1a to 1d show a variant according to which the edge shooter ink jet in-line print head according to the invention (ESIJIL printhead) as an alternative to the ESIJIL printhead, according to the patent DE 42 25 799 can be.

In der Figur 1a ist ein Schnitt des erfindungsgemäßen ESIJIL-Druckkopfes durch eine Linie A-A' dargestellt. Das Mittelteil 3 ist eine zwischen zwei Membranplatten 2 und 4 angeordnete beidseitig strukturierte Mittelplatte. Auf den Membranplatten sind PZT-Elemente 31 befestigt. Auf der Membranplatte 2 sind Leiterbahnen 180 und weitere mechanische und/oder elektrische Bauelemente bzw. integrierte Schaltkreise 160 befestigt. Eine erste Gruppe voneinander in z-Richtung beabstandeter Kammern 101 ist in einer ersten Ebene des Mittelteils 3 angeordnet. Darunter in der in y-Richtung gelegenen dritten Ebene ist eine zweite Gruppe von einander in z-Richtung beabstandeter Kammern 105 angeordnet. In dieser dritten Ebene des Mittelteils 3 liegt eine einzige Düsenreihe 1 für alle Düse.In Figure 1a is a section of the invention ESIJIL printhead represented by a line A-A '. The middle part 3 is one between two membrane plates 2 and 4 arranged center plate structured on both sides. PZT elements 31 are on the membrane plates attached. There are conductor tracks on the membrane plate 2 180 and other mechanical and / or electrical Components or integrated circuits 160 attached. A first group of each other in the z direction spaced chambers 101 is in a first plane of the Middle part 3 arranged. Below that in the y-direction located third level is a second group of chambers 105 spaced from one another in the z direction arranged. In this third level of the middle part 3 there is a single row of nozzles 1 for all the nozzles.

Die Öffnungen, Kanäle ein Ansaugraum 151 und die Kammern in der ersten Ebene stehen über eine zweite Ebene des Mittelteils mit Kammern oder Düsenkanälen einer dritten Ebene des Mittelteils in Verbindung. Dabei wird das einstückige Mittelteil mit senkrecht durch und in einer Anzahl von Ebenen verlaufenden Tintenkanälen so ausgebildet, daß eine annähernd gleiche Tintenweglänge existiert. Die Kammergruppen sind zueinander in x-, y- und z-Richtung soweit versetzt, daß alle Tintenwege vom Ansaugraum zu den Kammern bzw. von den Kammern zu den Düsen in der Düsenreihe mindestens innerhalb eines Moduls gleich lang ausgebildet ist.The openings, channels a suction space 151 and the Chambers on the first level are above a second Level of the middle section with chambers or nozzle channels a third level of the middle section. The one-piece middle section becomes vertical through and in a number of levels of ink channels trained so that an approximately the same Ink path length exists. The chamber groups are offset to each other in the x, y and z directions, that all ink paths from the suction chamber to the chambers or from the chambers to the nozzles in the row of nozzles of the same length at least within one module is.

Die Tinte gelangt über in DE 42 25 799 A1 bereits gezeigte Zuführungen und Öffnungen in einen Ansaugraum 151, der über Einlaßkanäle 110 mit den Tintenkammern 101 der ersten Ebene in Verbindung steht. Die Tintenkammern stehen über Tintengangskanäle 112 durch die zweite Ebene und Kanäle 111 mit den Düsen in der Düsengruppe 1.1 in Verbindung, die in der dritten Ebene angeordnet sind. Jeder Tintenkammer ist eine Membran und ein PZT-Element zugeordnet, welches bei Beaufschlagung mit einem elektrischen Impuls die Membran verformt und somit das Volumen der Kammer verändert. Bei einer Expansion des Kammervolumens wird aus dem Ansaugraum 151 Tinte zugeführt. Bei einer Kompression des Kammervolumens einer zur ersten Kammergruppe gehörigen Kammer 101 werden die Tintentropfen durch eine zur Düsengruppe 1.1 zugehörige Düse in x-Richtung ausgestoßen.The ink passes through DE 42 25 799 A1 already shown Inlets and openings in a suction space 151, the inlet channels 110 with the ink chambers 101 of the first level. The Ink chambers protrude through ink passages 112 the second level and channels 111 with the nozzles in the Nozzle group 1.1 connected in the third level are arranged. Each ink chamber is a membrane and assigned a PZT element, which at Application of an electrical impulse Membrane deformed and thus the volume of the chamber changed. When the chamber volume expands Ink is supplied from the suction space 151. At a Compression of the chamber volume one to the first Chamber 101 belonging to the chamber group Ink drops through one belonging to the nozzle group 1.1 The nozzle is ejected in the x direction.

Ebenso sind weitere - in der Figur 1a nicht gezeigte - Kanäle, Öffnungen, Kammern usw. im ESIJIL-Druckkopf angeordnet, um die Düsen in der dritten Ebene aus den Kammern in der dritten Enene des Druckkopfes mit Tinte zu versorgen. Die entsprechende Anordnung geht vielmehr aus einem - in der Figur 1b dargestellten Schnitt B-B' hervor.Likewise, further - not shown in Figure 1a - Channels, openings, chambers etc. in the ESIJIL printhead arranged to the nozzles in the third level from the Chambers in the third level of the printhead with ink to supply. The corresponding arrangement goes rather from a section B-B 'shown in FIG. 1b forth.

Die Tintendurchgangskanäle 114 - wie im Schnitt B-B' dargestellt - führen vom Ansaugraum 151 in der ersten Ebene durch die zweite Ebene auf die Einlaßkanäle 113. Die Tinte gelangt über Restriktoren aufweisende Einlaßkanäle 113 in der dritten Ebene zu den Tintenkammern 105 einer weiteren Kammerngruppe und von dort über Düsenkanäle 115 zu den Düsen der Düsengruppe 1.5.The ink passage channels 114 - as in section B-B ' shown - lead from the suction chamber 151 in the first Level through the second level to the inlet channels 113. The ink passes through restrictors Inlet channels 113 in the third level to the Ink chambers 105 of a further chamber group and of there via nozzle channels 115 to the nozzles of the nozzle group 1.5.

Die zu Düsengruppen 1.1 und 1.5 zugehörigen Düsen sind in z-Richtung in einer Düsenreihe 1 angeordnet. Zur Erläuterung ist in der Figur 1d ein Ausschnitt einer Kante des gesamten ESIJIL-Druckkopfes nach der ersten Variante mit einer entsprechenden Düsenanordnung einer Düsenreihe 1 in Überlagerung der Schnitte C-C', D-D', E-E'und G-G' gezeigt. Die PZT-Elemente sind der Einfachheit halber nicht mit dargestellt.The nozzles belonging to nozzle groups 1.1 and 1.5 are arranged in the z direction in a row of nozzles 1. For Explanation is a section of a in Figure 1d Edge of the entire ESIJIL printhead after the first Variant with a corresponding nozzle arrangement Row of nozzles 1 superimposed on the sections C-C ', D-D', E-E 'and G-G' shown. The PZT elements are the Not shown for the sake of simplicity.

Es ist vorgesehen, daß in der Düsenreihe die Düsen der Düsengruppen mit Düsen der anderen Düsengruppen alternieren. Jeweils Düsen der Düsengruppe 1.1 und 1.5 gehören zu einer zugehörigen Kammer 101 und 105 der ersten und weiteren Kammerngruppen. Die zu verschiedenen Gruppen gehörigen Kammern 101, 105 sind vertikal in y- und außerdem horizontal in x- und z-Richtung versetzt angeordnet.It is envisaged that the nozzles in the row of nozzles Nozzle groups with nozzles from the other nozzle groups alternate. In each case nozzles of the nozzle group 1.1 and 1.5 belong to an associated chamber 101 and 105 of the first and further chamber groups. The too chambers 101, 105 belonging to different groups vertically in the y and also horizontally in the x and z directions staggered.

In der Figur 1c ist die Lage der Kammern in der ersten Ebene 2 des ESIJIL-Druckkopfes in Draufsicht von der Bestückungsseite gemäß der Anordnung nach der ersten Variante dargestellt. Die darunter liegenden Kammern in der dritten Ebene 4 sind gestrichelt gezeichnet, um deren Lage relativ zur ersten Kammerplatte zu verdeutlichen. Beide Kammergruppen für Kammern 101, 105 weisen einen Versatz der Größe X in x-Richtung und einen Versatz der Größe Z in z-Richtung auf.In Figure 1c, the position of the chambers in the first Level 2 of the ESIJIL printhead in top view from the Assembly side according to the arrangement according to the first Variant shown. The chambers below in the third level 4 are drawn in dashed order their position relative to the first chamber plate too clarify. Both chamber groups for chambers 101, 105 have an offset of size X in the x direction and an offset of size Z in the z direction.

Die Düsenreihe 1 umfaßt die zu unterschiedlichen Düsengruppen 1.1, 1.5 gehörigen Düsen, welche in vorteilhafter Weise so alternieren, daß die Überdeckung von Kammerngruppen der einen Ebene mit denen der anderen Ebene nur an den Kammerrändern wirksam ist. Die Überdeckungsfläche F von einer Kammer der Kammergruppe 105 mit einer Kammer der Kammergruppe 101 ist schraffiert gezeichnet. Die Überdeckungsfläche F ist durch den Versatz in x- und z-Richtung minimierbar.The nozzle row 1 includes the different Nozzle groups 1.1, 1.5 belonging nozzles, which in advantageously alternate so that the overlap of chamber groups of one level with those of the other level is only effective at the edges of the chamber. The Coverage area F of one chamber of the chamber group 105 with a chamber of the chamber group 101 is hatched drawn. The coverage area F is through the offset in the x and z directions can be minimized.

Als Material für alle Platten des Druckkopfes wird in einer bevorzugten Ausführungsform photosensitives Glas verwendet. Die Strukturierung einschließlich der Ausbildung der Düsen wird durch einen photolithographischen Prozeß und Ausätzung der belichteten Teile erreicht.The material for all plates of the printhead is in a preferred embodiment photosensitive glass used. The structuring including training the nozzle is replaced by a photolithographic Process and etching of the exposed parts reached.

Als Material kommen auch Metallplatten in Betracht. Die Membranplattendicken müssen entsprechend dem E-Modul gewählt werden. Die Herstellung erfolgt durch:
Belichtung von Photolackoberfläche, Ätzen, thermisches Bonden oder Kleben in an sich bekannter Weise.Metal plates can also be used as the material. The membrane plate thicknesses must be selected according to the modulus of elasticity. It is manufactured by:
Exposure of photoresist surface, etching, thermal bonding or gluing in a manner known per se.

Die Vorteile dieses Druckkopfdesigns liegen in der in vielerlei Hinsicht einfacheren und schnelleren Herstellung:

Nur 2 Masken erforderlich, welche mit einer gewissen Toleranzbreite justiert werden könne.
Nur eine von 3 Platten muß strukturiert werden, d.h. Wegfall von 2/3 des Aufwandes für Lithographie- und Ätzprozeß.
Die 2 Deckplatten können identisch sein, d.h. beide können vom gleichen Wafer stammen.
Die Montage der 3 Platten ist völlig unkritisch, da alle fuktionsbestimmenden Strukturen sich auf der Mittelplatte befinden.

The advantages of this printhead design are that it is easier and faster to manufacture in many ways:

Only 2 masks required, which can be adjusted with a certain tolerance range.
Only one of 3 plates has to be structured, ie 2/3 of the effort for the lithography and etching process is eliminated.
The 2 cover plates can be identical, ie both can come from the same wafer.
The assembly of the 3 panels is completely uncritical, as all function-determining structures are on the middle panel.

Diese gewichtigen Vorteile haben eine drastische Senkung der Herstellungskosten zur Folge.These weighty advantages have a drastic one Lower manufacturing costs.

Das Herstellungsverfahren für den erfindungsgemäßen E/FSIJIL-Druckkopf soll am Beispiel des Materials Glas näher erläutert werden. Auf einen Wafer aus photoempfindlichem Glas wird eine Maske aufgelegt. Nach dem Belichten mit UV-Licht wird an den belichteten Stellen durch eine Wärmebehandlung eine Phasenumwandlung amorphen Marterials in seine kristalline Phase bewirkt. Durch Ätzen wird dann kristallines Material schichtweise abgetragen, wie das bereits von IBM in dem US 4 092 166 vorgeschlagen worden war.The manufacturing process for the invention E / FSIJIL printhead is based on the example of the material glass are explained in more detail. On a wafer made of photosensitive A mask is put on glass. After this Expose with UV light at the exposed areas through a heat treatment a phase change amorphous materials into its crystalline phase. Etching then turns the crystalline material into layers removed, as already by IBM in the US 4,092,166 had been proposed.

Es wird davon ausgegangen, daß beim photolithographischen Prozeß die Belichtungen (vorzugsweise UV-Licht) hinsichtlich der Intensität und Dauer gesteuert werden. Dabei wird die Tiefe der Materialveränderung beim Erreichen der entsprechenden Ebene gestoppt. Das gleiche gilt natürlich für die rückwärtige Belichtung. Dadurch wird eine Durchbelichtung des Materials vermieden.It is assumed that the photolithographic Process the exposures (preferably UV light) controlled in terms of intensity and duration will. The depth of the material change stopped when reaching the corresponding level. The the same applies of course to the rear exposure. This will cause an exposure of the material avoided.

Die Belichtungen werden mittels zweier Masken vorgenommen, welche die oberen bzw. unteren Strukturen tragen. Ist eine Durchbelichtung unvermeidbar, kann vor dem Ätzprozeß durch Aufbringen einer Maskierung sichergestellt werden, daß jeweils nur von einer Seite geätzt wird. Die Ätztiefe wird durch die Konzentration und Dauer des Ätzbades bestimmt. Vorteilhafterweise kommt ein Ultraschalltauchbad zur Anwendung. Die unterschiedlichen Ätztiefen können durch mehrstufiges Ätzen erzeugt werden, wobei die flacheren Strukturen durch Maskierung vor dem weiteren Ausätzen geschützt werden. Auf diese Weise sind auch die senkrechten Kanäle als Verbindung zwischen den auf der Unterseite gelegenen Tintenkammern und den auf der Oberseite strukturierten Düsen herstellbar.The exposures are made using two masks, which carry the upper and lower structures. If exposure is unavoidable, before the Etching process by applying a mask ensure that only one side at a time is etched. The depth of the etching is determined by the concentration and duration of the etching bath. Advantageously an ultrasonic immersion bath is used. The Different etching depths can be achieved through multi-level Etching is created, with the flatter structures protected from further etching by masking will. In this way, the vertical ones are also Channels as a connection between those on the bottom located ink chambers and those on the top structured nozzles can be produced.

Wie aus der Vorderansicht hervorgeht, überlappen sich die Tintenkammern auf der Unterseite mit denen auf der Oberseite, um eine hohe Dichte der Düsenanordnung zu gewährleisten. Es gilt: D = 2a + b + 2s * D (1-2s)* D = 2a + b As can be seen from the front view, the ink chambers on the bottom overlap with those on the top to ensure a high density of the nozzle arrangement. The following applies: D = 2a + b + 2s * D (1-2s) * D = 2a + b

Die Selektivität s als das Verhältnis der Ätzraten zwischen dem unbelichteten Teil des sensitiven Materials und dem belichteten, liegt z.B. bei photosensitivem Glas zwischen 2% und 5%.The selectivity s as the ratio of the etching rates between the unexposed part of the sensitive Material and the exposed, e.g. at Photosensitive glass between 2% and 5%.

Die Ausgangsmaterialstärke D der Mittelplatte ist nach Gleichung (3) deshalb so zu wählen, daß sie zweimal der Tiefe a einer Tintenkammer zuzüglich einer min. Wandstärke b zwischen den Böden der beidseitigen Tintenkammern dividiert durch die Differenz aus eins mit dem 2-fachen der Selektivität s des Ätzprozesses entspricht: D = 2a + b1-2s The starting material thickness D of the middle plate is therefore to be chosen according to equation (3) so that it is twice the depth a of an ink chamber plus a min. Wall thickness b between the bottoms of the two-sided ink chambers divided by the difference of one with twice the selectivity s of the etching process corresponds to: D = 2a + b 1-2s

Die beiden Membranplatten (Ober- und Unterplatte) können vorzugsweise identische Abmessungen erhalten. Ihre Dicken sind so zu wählen, daß auf der Basis des E-Moduls, der Breite und Länge der Tintenkammern und der Biegekraft des PZT eine hinreichende Änderung des Kammervolumens eintritt, die zum Ausstoß eines Tintentropfens führt. Vorzugsweise finden Materialdicken von 0,05 mm bis 0,2 mm Anwendung. Für die Membranplattenherstellung werden handelsübliche Platten eines 5-Zoll-Wafers mit Dicken von ca. 1 mm zunächst vereinzelt und dann die einzelnen Membranplatten des Moduls nach UV-Belichten auf eine Dicke von ca. 0,1 mm geätzt. Nach dem Montieren der Membranplatten 2, 4 mit dem geätzten Mittelteil 3 wird der Modul thermisch gebondet. Danach erfolgt das Aufbringen der übrigen Elemente zum Komplettieren des Moduls zum Druckkopf. Eine andere Herstellungsvariante geht von einer unvereinzelten Mittelplatte und von Membranplatten aus, die auf ca. 0,2 mm lithografisch geätzt werden. Erst nach dem thermischen Bonden wird in einzelne Module vereinzelt. Als Kompressionselemente für die wegen der nun größeren Membrandicke erforderlichen höheren Kraftwirkung werden Stapel-PZT eingesetzt. Die Herstellung solcher Stapel-PZT kann ähnlich, wie in der Figur 3 der EP 443 628 A2 gezeigt, erfolgen.The two membrane plates (top and bottom plate) can preferably have identical dimensions. Their thicknesses should be chosen so that on the basis of the modulus of elasticity, the width and length of the ink chambers and the Bending force of the PZT a sufficient change in the Chamber volume occurs, which leads to the ejection of a Ink drop leads. Material thicknesses are preferred from 0.05 mm to 0.2 mm application. For the Membrane plate production becomes commercially available plates a 5-inch wafer with a thickness of approx. 1 mm initially isolated and then the individual membrane plates of the Module after UV exposure to a thickness of approx. 0.1 mm etched. After assembling the membrane plates 2, 4 with the etched middle part 3, the module is thermal bonded. Then the rest is applied Elements for completing the module for the printhead. Another manufacturing variant starts from one non-isolated middle plate and from membrane plates, which are lithographically etched to approx. 0.2 mm. First After thermal bonding, it is divided into individual modules isolated. As compression elements for the because of now greater membrane thickness required higher force stack PZT are used. The production such a stack PZT can be similar to that in FIG EP 443 628 A2 shown.

Die Figuren 2a bis 2c zeigen eine Variante, nach denen ein erfindungsgemäßer Face-Shooter-Ink-Jet-In-Line-Druckkopf (FSIJIL-Druckkopf) ausgeführt werden kann, alternativ zum FSIJIL-Druckkopf, welcher in der schwebenden Patentanmeldung P 43 36 416.0 beschrieben worden ist.Figures 2a to 2c show a variant according to which an inventive face shooter ink jet in-line print head (FSIJIL printhead) can be executed alternative to the FSIJIL printhead, which is in the pending patent application P 43 36 416.0 has been.

In der Figur 2a ist der Schnitt durch die Linie A-A' und in der Figur 2b der Schnitt durch die Linie B-B' des FSIJIL-Druckkopfes nach einer ersten Variante dargestellt. Die Figuren 2a und 2b verdeutlichen die Tintenführen im FSIJIL-Druckkopf. Wieder sind die Kammern zur Düsenreihe einerseits und zu einem Ansaugraum andererseits derart angeordnet, daß in jeder Ebene unterschiedlich lange Tintenkanäle, insbesondere Düsenkanäle und Einlaßkanäle und Durchgangskanäle vorgesehen sind, wobei die Summe aller Tintenkanallängen in x-, y- und z-Richtung, die jeder Kammer zugeordnet ist, annähernd konstant bleibt.In Figure 2a is the section through the line A-A ' and in FIG. 2b the section through the line B-B ' of the FSIJIL print head according to a first variant shown. Figures 2a and 2b illustrate the Ink routing in the FSIJIL printhead. Again they are Chambers to the row of nozzles on the one hand and to an intake chamber on the other hand, arranged in such a way that in each level ink channels of different lengths, in particular nozzle channels and inlet channels and through channels are provided are, the sum of all ink channel lengths in x, y and z direction assigned to each chamber remains approximately constant.

Der andere in diesen Schnitten nicht dargestellte Teil des erfindungsgemäßen Face-Shooter-Tintenstrahldruckkopfes enthält weitere Gruppen mit Kammern 102 und 106 und einen zweiten Ansaugraum 152 auf der anderen Seite der Düsenreihe. Die Figur 2c verdeutlicht in einer Draufsicht (Bestückungsseite) die Lage der zu verschiedenen Gruppen gehörigen versetzt zueinander liegenden Kammern 101, 102, 105 und 106 in der Nähe der Düsenreihe. Gegenüber einem Edge-Shooter-Tintenstrahldruckkopf wird somit die doppelte Düsendichte erreicht. Die Membranplatte 4 muß nun allerdings gleichzeitig als Düsenplatte ausgebildet werden. Das geschieht in vorteilhafter Weise erst durch eine nachträgliche Laserstrahlbearbeitung. Eine andere Herstellung vor dem thermischen Bonden erfordert eine genaue Justage.The other part, not shown in these sections of the face shooter ink jet print head according to the invention contains further groups with chambers 102 and 106 and a second suction space 152 on the other side the row of nozzles. Figure 2c illustrates in one Top view (component side) the position of the different Groups belong offset to each other Chambers 101, 102, 105 and 106 near the Row of nozzles. Compared to an edge shooter inkjet printhead double nozzle density is achieved. The membrane plate 4 must now, however, at the same time Nozzle plate are formed. This happens in a more advantageous way Only after a subsequent laser beam processing. Another manufacture before thermal bonding requires precise adjustment.

Die Düsen 1 und Durchgangsöffnungen 112, 114 können auf verschiedene Weise hergestellt werden. So können sie geätzt werden, mit Laserstrahl durchgebrannt oder mit Spezialwerkzeugen gestanzt werden. Die Auswahl des Verfahrens hängt unter anderem vom verwendeten Material ab.The nozzles 1 and through openings 112, 114 can open can be made in different ways. So they can be etched, blown with a laser beam or with Special tools are punched. The selection of the The process depends, among other things, on the material used from.

Eine entsprechende Prozeßkontrolle ist beim Ätzen der Membranen erforderlich. Es ist weiterhin vorgesehen, daß die Dicke der Membranschicht beim Ätzen überwacht wird und daß die zum Abschluß der Herstellung der Kammern erforderliche Dicke der Membran für die Kammern durch Feinschleifen jeder der Kammerteile erreicht wird.A corresponding process control is in the etching of the Membranes required. It is also planned that monitors the thickness of the membrane layer during etching will and that to complete the manufacture of the Chambers required membrane thickness for the chambers achieved by fine grinding each of the chamber parts becomes.

Es ist vorgesehen, daß für die drei Bereiche Ätzmittel mit unterschiedlicher Konzentration und/oder unterschiedlichen Einwirkungszeiten zum Einsatz kommen, um die entsprechenden Bereiche mit unterschiedlicher Tiefengenauigkeit entfernen zu können, wobei die Tiefengenauigkeit beim Ätzen der Bereiche für durchgehende Bohrungen geringer ist als beim Ätzen sehr flacher Bereiche für die Kanäle in den Kammerebenen und wobei zuerst die durchgehenden Bohrungen, dann die Kammern und dann die Düsenkanäle geätzt werden. Bei entsprechender Maskierung kann auch umgekehrt vorgegangen werden. It is envisaged that for the three areas etchants with different concentration and / or different Exposure times are used to the corresponding areas with different To be able to remove depth accuracy, the depth accuracy when etching the areas for continuous Holes is smaller than when etching very flat areas for the channels in the chamber levels and where first the through holes, then the chambers and then the nozzle channels are etched. With appropriate Masking can also be reversed will.

Die homogene und dicht abschließende Verbindung der jeweils drei Platten 2, 3 und 4 wird durch thermisches Diffusionsbonden hergestellt. Leiterbahnen werden aufgeklebt oder aufgesputtert.The homogeneous and tightly fitting connection of the three plates 2, 3 and 4 each by thermal Diffusion bonding manufactured. Become traces glued or sputtered on.

Die Figur 2d zeigt eine Ansicht einer PZT-Platte 31, welche auf der Membranplatte befestigt wird, wobei der Positionieraufwand gegenüber einzelnen Elementen verringert werden kann. Die einzelnen PZT-Elemente sind fingerartig herausgearbeitet und mit Elektroden 30 versehen.FIG. 2d shows a view of a PZT plate 31, which is attached to the membrane plate, the Positioning effort compared to individual elements can be reduced. The individual PZT elements are worked out finger-like and with electrodes 30 Mistake.

Das Aufbringen von PZT-Elementen kann erfolgen, indem jeweils eine erste und zweite vorbehandelte PZT-Platte metallisiert und auf die erste und zweite Membranplatte aufgebracht wird. Wenn aus der Platte die PZT-Elemente noch nicht ausreichend herausgearbeitet sind, wird anschließend für jene Seite des Moduls eine Anzahl einzelner PZT-Elemente separiert.PZT elements can be applied by first and second pretreated PZT plates metallized and on the first and second membrane plate is applied. If the PZT elements from the plate are not yet sufficiently worked out then a number for that side of the module individual PZT elements separated.

Das Assemblieren im zu einem Druckkopf kann in vorteilhafter Weise im Herstellungsverfahren auf folgende Weise erfolgen:

Düsenreinigung mittels Druckluft
Behandlung (Reinigen und Spülen) der Kammern und Düsen. Durch Spülen mit einer ersten geeigneten handelsüblichen Flüssigkeit entsteht eine hydrophile Innenbeschichtung.
Durch Behandlung der die Düsen aufweisenden Platte auf der Druckseite mit einer zweiten geeigneten Flüssigkeit wird eine hydrophobische Außenbeschichtung erreicht. Nach dem Aushärten der Oberschicht sind die Düsen fertiggestellt.
Versehen des Moduls mit den erforderlichen Treiberschaltkreisen auf den zur Druckseite orthogonalen Seiten des Moduls und ggf. mit einem Schutzgehäuse.
Kombination des Moduls mit weiteren zu seinem Betrieb erforderlichen unterschiedlichen Mitteln (elektrische, mechanische und Tintenversorgungsmittel).
Der Druckkopf wird anschließend in einem Gehäuse untergebracht, bevor er auf Funktionsfähigkeit getestet wird, um fehlerhafte Exemplare auszusondern.
Zum Abschluß erfolg noch ein Test des fertiggestellten Druckkopfes.

The assembly in a printhead can advantageously take place in the manufacturing process in the following way:

Nozzle cleaning using compressed air
Treatment (cleaning and rinsing) of the chambers and nozzles. Rinsing with a first suitable commercially available liquid creates a hydrophilic inner coating.
By treating the plate having the nozzles on the pressure side with a second suitable liquid, a hydrophobic outer coating is achieved. After the top layer has hardened, the nozzles are finished.
Provide the module with the necessary driver circuits on the sides of the module that are orthogonal to the pressure side and, if necessary, with a protective housing.
Combination of the module with other different means required for its operation (electrical, mechanical and ink supply means).
The printhead is then housed in a housing before being tested for functionality to discard defective copies.
Finally, a test of the finished printhead is carried out.

Eine zweite Variante für einen ESIJIL-Druckkopf mit einer erhöhten Auflösung ist aus den Figuren 3a bis 3c ersichtlich. In der Figur 3a ist ein Schnitt durch die Linie A-A', in der Figur 3b ist ein Schnitt durch die Linie B-B'und in der Figur 3c ist eine Draufsicht auf die Mittelplatte (Bestückungsseite) des ESIJIL-Druckkopfes nach Variante zwei dargestellt.A second variant for an ESIJIL printhead with an increased resolution is shown in FIGS. 3a to 3c evident. In Figure 3a is a section through the Line A-A ', in Figure 3b is a section through the Line B-B 'and in Figure 3c is a top view of FIG the middle plate (component side) of the ESIJIL printhead shown according to variant two.

Aus der Draufsicht auf die Mittelplatte (Bestückungsseite) in Figur 3c ist die Anordnung der Kammern 103 einer zusätzlichen Kammergruppe zwischen den Kammern 101 der ersten Kammergruppe und der Düsenlinie D-D' zu ersehen. Aus dem Schnitt B-B'in Figur 3b wird deutlich, daß sich wieder ein gleichlanger Tintenweg ergibt, wie bei den Tintenwegen bezüglich der anderen Kammergruppen zugehörigen Kammern 101 oder 105. Diese zusätzliche Kammergruppe wird vorzugsweise aus dem gleichen Ansaugraum 151 gespeist.From the top view of the middle plate (component side) 3c shows the arrangement of the chambers 103 an additional chamber group between the chambers 101 of the first chamber group and the nozzle line D-D ' see. From section B-B 'in Figure 3b it is clear that there is an ink path of the same length again, like the ink paths with respect to the others Chamber groups belonging to chambers 101 or 105. These additional chamber group is preferably from the same suction chamber 151 fed.

Analog läßt sich ein Face-Shooter-Tintenstrahldruckkopf mit hörerer Düsendichte aufbauen. In der Figur 4a ist ein Schnitt durch die Linie A-A'eines solchen FSIJIL-Druckkopfes nach Variante zwei dargestellt. Auf der einen Seite rechts von der Düsenlinie 1 ist die Kammer 101 einer ersten Kammergruppe angeordnet, welche über einen Tintendurchgangskanal 112 und Düsenkanal 111 in der dritten Ebene des Mittelteils mit - gezeigten - der Düsengruppe 1.1. zugehörigen Düse in Verbindung steht.A face shooter inkjet printhead can be used in the same way build up with a higher nozzle density. In Figure 4a a section through the line A-A 'of such an FSIJIL printhead shown according to variant two. On the one side to the right of nozzle line 1 is the chamber 101 arranged a first chamber group, which over an ink passage channel 112 and nozzle channel 111 in the third level of the middle part with - shown - the Nozzle group 1.1. associated nozzle is connected.

Auf der anderen Seite links von der Düsenlinie ist nahe der Düsenseite die Kammer 106 einer weiteren Kammergruppe und nahe der Bestückungsseite die Kammer 104 einer zusätzlichen Kammergruppe angeordnet. Die Kammer 104 steht über einen - gestrichelt gezeichneten - Tintendurchgangskanal 112 und Düsenkanälen in der dritten Ebene des Mittelteils mit einer - nicht gezeigten - der Düsengruppe 1.4 zugehörigen Düse in Verbindung, welche jener der Düsengruppe 1.1 zugehörigen Düse benachbart ist.On the other side to the left of the nozzle line is close the chamber 106 of another chamber group on the nozzle side and chamber 104 near the component side arranged an additional chamber group. The chamber 104 stands above a - dotted - Ink passage channel 112 and nozzle channels in the third level of the middle section with one - not shown - the nozzle group 1.4 associated nozzle in Connection which that of the nozzle group 1.1 associated nozzle is adjacent.

Im Schnitt durch die Linie B-B' des FSIJIL-Druckkopfes nach Variante zwei ist dagegen nur die zur Düsengruppe 1.5 zugehörige Düse gezeigt, welche aus der Kammer 105 gespeist wird. Dieser Düse sind Düsen benachbart, welche zu den Düsengruppen 1.2 und 1.6 gehören. Die entsprechenden Tintenwege von den Kammern 102 und 106 der links der Düsenlinie liegenden Kammergruppen zu den zugehörigen Düsen sind gestrichelt gezeichnet. Die zur zusätzlichen Kammergruppe gehörige Kammer 103 liegt hier rechts von der Düsenlinie und steht über Kanäle mit der - nicht gezeigten - zur Düsengruppe 1.3 gehörigen Düse in Verbindung.On average through line B-B 'of the FSIJIL printhead In contrast, variant two is only that of the nozzle group 1.5 associated nozzle shown, which from the chamber 105 is fed. This nozzle is adjacent to nozzles which belong to the nozzle groups 1.2 and 1.6. The corresponding ink paths from chambers 102 and 106 the chamber groups to the left of the nozzle line to the associated nozzles are shown in dashed lines. The for Chamber 103 belonging to additional chamber group here to the right of the nozzle line and stands over channels with the - not shown - to the nozzle group 1.3 associated nozzle in connection.

Aus Figur 4c, in der der FSIJIL-Druckkopf nach Variante zwei in Draufsicht auf die Mittelplatte (Bestückungsseite) gezeigt ist, ist die Lage der zusätzlichen Kammern 103 rechts und 104 links zur Düsenlinie erkennbar. Diese Kammern sind jeweils wieder in Gruppen angeordnet, welche zueinander außerdem einen Versatz in z-Richtung aufweisen. Ebenso, wie innerhalb der Düsenreihe 1 die Düsengruppen 1.1 bis 1.6 zueinander alternieren, weisen alle Kammerngruppen einen Versatz in z-Richtung auf.From Figure 4c, in which the FSIJIL printhead by variant two in plan view of the middle plate (component side) shown is the location of the additional Chambers 103 on the right and 104 on the left to the nozzle line recognizable. These chambers are again in groups arranged, which also offset each other in have z-direction. As well as within the Nozzle row 1, the nozzle groups 1.1 to 1.6 to each other alternate, all chamber groups have an offset in the z direction.

Aus der - in der Figur 5a gezeigten - Anordnung von PZT-Elemten auf der Membranplatte 2 geht dieser Versatz hervor, welcher einen gewissen Positionier- und Justageaufwand erfordert.From the arrangement of - shown in Figure 5a PZT elements on the membrane plate 2 is this offset which has a certain positioning and Adjustment effort required.

Dieser Justageaufwand kann erheblich verringert werden, wenn eine vorgefertigte PZT-Platte 311, wie sie in Figur 5b gezeigt ist, zum Einsatz kommt. Die mehrfache Kammstruktur der PZT-Platte erlaubt ein einmaliges Positionieren auf der Membranplatte über den entsprechenden Kammern mit geringem Aufwand. Die PZT-Platte wird nach einem herkömmlichen photolithographischen Verfahren durch Ätzen strukturiert. Die Elektrodenbeschichtung 30 der PZT-Platte 311 wird durch Sputtern aufgebracht und elektrolytisch verstärkt.This adjustment effort can be significantly reduced if a prefabricated PZT plate 311, as in Figure 5b is shown is used. The multiple Comb structure of the PZT plate allows a unique Position on the membrane plate over the corresponding one Chambers with little effort. The PZT plate is based on a conventional photolithographic Process structured by etching. The electrode coating 30 of the PZT plate 311 is sputtered applied and electrolytically reinforced.

Die Ausführungsform für ESIJIL-Druckköpfe gemäß Fig. 3 oder für FSIJIL-Druckköpfe gemäß Fig. 4 kann dadurch modifiziert werden, indem die Kammergruppe 101 bzw. die Kammergruppen 101 und 102 weggelassen werden. Es ist vorgesehen, daß auf einer Oberfläche des Mittelteils eine Gruppe von Düsenkanälen und eine Kammergruppe 105, 106 angeordnet und auf der anderen Oberfläche eine von der Düsenreihe in x- und y-Richtung beabstandete weitere Kammergruppe 103, 104 zwischen der Düsenreihe 1 und einer Reihe angeordnet ist, welche die Kammern mit den Düsenkanälen verbindenden Durchgangskanäle 112 bilden.The embodiment for ESIJIL print heads according to FIG. 3 or for FSIJIL printheads according to FIG. 4 can thereby be modified by the chamber group 101 or Chamber groups 101 and 102 are omitted. It is provided that on a surface of the central part a group of nozzle channels and a chamber group 105, 106 arranged and on the other surface one of of the row of nozzles spaced in the x and y directions further chamber group 103, 104 between the row of nozzles 1 and a row is arranged which the chambers with through channels 112 connecting the nozzle channels form.

Bei einer weiteren Variante kann die Auswirkung eines größeren Versatzes von Tintenkammergruppen gegeneinander auf das Druckbild durch konstruktive (Tintenkanalquerschnitt) und/oder elektronische Maßnahmen kompensiert werden, ohne daß die Tintenweglänge genau gleich lang sein muß. Die unterschiedlichen Strukturen auf den beiden gegenüberliegenden Oberflächen des Mittelteils 3 erlauben eine relativ nahe Lage der Düsenreihe 1 zu einer der beiden Strukturen. Der Tintenweg von den Kammern zu den Düsen bzw. von den Ansaugräumen 151 , 152 zu den Kammern ist dann für die gegenüberliegenden gegeneinander versetzten Strukturen verschieden. Dafür ist ein größerer Versatz der Tintenkammergruppen zueinander in der x-z-Ebene erzielbar, wodurch das Übersprechen stärker unterdrückt wird, als wenn hauptsächlich der Abstand der Strukturen in y-Richtung, d.h. die Dicke der Mittelplatte 3, erhöht würde. In another variant, the impact of a larger offset of ink chamber groups against each other on the printed image through constructive (ink channel cross section) and / or electronic measures can be compensated for without the ink path length being exact must be the same length. The different structures on the two opposite surfaces of the Middle part 3 allow a relatively close location of the Row of nozzles 1 to one of the two structures. Of the Ink path from the chambers to the nozzles or from the Intake spaces 151, 152 to the chambers is then for the opposite staggered structures different. This is due to a larger offset of the ink chamber groups mutually achievable in the x-z plane, whereby the crosstalk is suppressed more than if mainly the distance of the structures in the y direction, i.e. the thickness of the middle plate 3 increases would.

Die Erfindung ist nicht auf die vorliegende Ausführungsform beschränkt. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch machen.The invention is not based on the present Embodiment limited. Rather is a number of variants conceivable, which of the shown Solution even with fundamentally different types Make use of the remarks.

Claims

All ink-jet print head having a double sided surface structure for ink chambers and the associated nozzle channels on a middle plate (3), outer membrane plates (2, 4) and means for the feeding and expulsion of ink from one ink chamber each, wherein each ink chamber has assigned to it channels for the supply and carrying-off of ink as well as an actuator (31) for the expulsion of ink from each chamber and a nozzle; different structures (101, 110, 151; 105, 111, 113, 115) are formed on the two opposite surfaces of a middle plate (3) and are located on a first and third x/z-plane, wherein each structure of the first or third x/z-plane, respectively, disposes of a group of ink chambers (101 or 105, respectively) with ink chambers that are staggered in parallel to each other in z-direction by the staggering (Z) and are arranged in their longitudinal extension in x-direction and said groups of ink chambers are distanced from each other in y-direction, wherein a vertically arranged distance (Y) from a second x/z-plane is realized and wherein the directions x, y and z are at right angles to each other; the middle plate (3) is provided with nozzle channels (112) that penetrate the second x/y-plane and are connected with the ink chambers of a chamber group (101); and nozzle channels (111, 112) extend in both x- and in y-directions, wherein on one of the two surfaces of the middle plate (3), there are formed nozzle channels (111, 115) running into nozzles that are arranged in a single nozzle line (1) extending in z-direction.
All ink-jet print head according to claim 1, characterized in that the chambers are arranged with regard to the nozzle line (1) on the one hand and to a suction space (151, 152) on the other hand in such way that nozzle channels of different lengths, in particular horizontal nozzle channels (111 or 115), and/or inlet channels (110 or 113) and/or vertical through channels (112, 114) are provided in the planes of the middle plate (3), wherein the sum of the ink channel lengths per chamber is nearly constant.
All ink-jet print head according to claims 1 to 2, characterized in that the middle plate (3) is provided with ink channels running in y- and x-directions and with different structures on the two opposite surfaces in such manner that there result ink paths of approximately equal lengths from the ink chambers to the nozzles in the nozzle line (1).
All ink-jet print head according to claims 1 to 3, characterized in that there exists an overlapping area (F) between one chamber of the chamber group (105) and one chamber of the chamber group (101), wherein the different structures on both surfaces of the middle plate (3) are distanced from each other in x- and z-directions in such way that the overlapping of ink chambers may be effective only near the chamber edges.
All ink-jet print head according to claims 1 to 4, characterized in that the structure on one of the two surfaces of a middle plate (3) comprises, in addition to the first group of ink chambers (101, 102), another group of ink chambers (103, 104) that is staggered in x- and z-directions with regard to the first group of ink chambers.
All ink-jet print head according to claims 1 to 5, characterized in that a group of nozzle channels (115, 126) and the appertaining ink chambers of a chamber group (105, 106) are arranged on one of the two surfaces of the middle plate (3) and a further chamber group (103, 104) that is distanced in x- and y-directions from the nozzle line is arranged on the other surface between the nozzle line (1) and a line comprising the through channels (112) that connect the chambers with the nozzle channels (111, 123, 122, 124).
All ink-jet print head according to any of the above claims 1 to 6, characterized in that in the only nozzle line (1), the nozzles belonging to different groups of ink chambers and to different groups of nozzles are arranged alternatingly in the nozzle line (1).
All ink-jet print head according to claims 1 to 6, characterized in that the only nozzle line (1) extending in z-direction consists of nozzles that are oriented in such manner that they expulse ink drops in x-direction.
All ink-jet print head according to claims 1 to 6, characterized in that the only nozzle line (1) extending in z-direction consists of nozzles that expulse the ink through respective openings in one of the two outer membrane plates (2,4) in y-direction.
All ink-jet print head according to claims 1 to 7 and 9, characterized in that different structures on both surfaces on a first and third plane of the middle plate (3) contain chamber groups (101 and 105 or 102 and 106, respectively) distanced from each other in x-, y- and z-directions and that the different structure of the first plane of the middle plate (3) comprises additional chamber groups (103, 104) distanced from each other in x-and z-directions.