DE2648867C2 - Tintenstrahlmatrixdrucker - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Tintenstrahlmatrixdrucker, bei dem jeweils mindestens ein Teil einer Punktzeile, die aus einer Anzahl Druckpunktpositionen auf dem zu bedruckenden Papier besteht, gleichzeitig gedruckt wird, mit einem Düsenfeld, bestehend aus mindestens zwei sowohl untereinander als auch gegenüber der Punktzeile parallelen Reihen von gegeneinander versetzt angeordneten Düsen, deren Tintentröpfchen durch eine Aufladeelektrode wahlweise aufladbar sind, wodurch die aufgeladenen Tintentröpfchen in eine Tintenauffangvorrichtung und die unaufgeladenen auf das zu bedruckende Papier gelangen.

In Tintenstrahldruckern mit je einer Düse für jeden Punkt eines Aufzeichnungsrasters hängt die Druckqualität vom Mittenabstand einander in der Anordnung benachbarter Düsen ab. Gemäß der bisher bekannten Technik in der Herstellung von Düsen für Tintenstrahldrucker war man in der Lage, relativ kleine Mittenabstände in der Größenordnung von etwa 0,076 mm oder 0,1 mm herzustellen. Dabei erhält man aber wegen der engen Nachbarschaft der jeweiligen Düsen eine sehr zerbrechliche Anordnung.

Die Verwendung einer seitlich gegeneinander versetzten, mehrfachen Anordnung von Düsen, wie sie beispielsweise in der DE-OS 23 37 611 offenbart ist, zeigt eine andere Lösungsmöglichkeit bei der Herstellung von Düsen mit geringen Abständen auf, wobei sich wiederum zwei Probleme ergeben.

Das erste Problem besteht darin, daß man zusätzliche, der Taktgabe dienende Netzwerke verwenden muß, damit die versetzte Anordnung gemäß dieser Offenlegungsschrift sich tatsächlich so verhält wie eine längs einer Linie angeordnete Reihe von Düsen. Das bedeutet, daß für eine gestaffelte Anordnung von zwei Reihen von Düsen das der oberen Reihe von Düsen zugeluhrtc Drucksignal in bezug auf das der unteren Reihe von Düsen zugeführte Drucksignal entweder verzögert oder beschleunigt angelegt werden muß, abhängig von der Bewegungsrichtung des Druckträgers, so daß die den beiden Reihen der Düsen entstammenden Tröpfchen nacheinander Zeile für Zeile zur Darstellung einer einzigen Linie auf dem Druckträger abgegeben werden können.

Das zweite Problem liegt in der Konstruktion des Ablaufs und der dafür erforderlichen Ablenkspannungen. Wird nur ein einziger Ablauf verwendet, dann müssen die von beiden Reihen von Düsen ausgehenden, nicht zum Druck verwendeten Tröpfchen nach diesem einzigen Ablauf abgelenkt werden. Dafür benötigt man aber eine höhere Ablenkspannung, als sie für nur eine Reihe von Düsen erforderlich wäre, da es sich hierbei um verschiedene und im wesentlichen parallel verlaufende Tröpfchenbahnen von den beiden Reihen von Düsen handelt. Man kann auch, wie in der obengenannten Offenlegungsschrift angegeben, zwei Abläufe verwenden; aber dadurch wird die Gesamtkonstruklion des Druckers recht kompliziert.

Durch die US-PS 33 73 437 und die DE-OS 23 33 629 sind Schreibköpfe bekannt, deren aus parallelen Reihen von Düsen ausgestoßenen Tintenstrahlen unter einem

Winkel zueinander verlaufen, wobei bei dem Schreibkopfnach dergcnannlen US PS die Flugbahnen der sich längs einer Linie niederschlagenden Tintentröpfchen in einer Ebene verlaufen und beim Schreibkopf nach der genannten OS mehrere unterschiedlich farbige Tintentröpfchen auf den gleichen Punkt des Aufzeichnungsträgers gerichtet sind.

Außerdem ist es durch die US-PS 39 21 916 bekannt, in Siliziumplättchen Düsen herzustellen, deren Eintritts- und Austrittsöffnungen ähnliche polygonale Querschnittsllächen aufweisen.

Es ist die Aufgabe der in Anspruch 1 angegebenen Erfindung, einen Tintenstrahldrucker anzugeben, der trotz einer Anordnung der für den Druck einer einzigen Punktreihe erforderlichen Düsen in mehreren, zueinander versetzten Reihen mit einer einfachen Taktgeberschaltung ohne Verzögerungs- bzw. Beschleunigungsscbaltungen für die einzelnen Düsenreihen auskommt und trotz der genannten Düsenanordnung für das Ablenken der aufgeladenen und für den Druck nicht erforderlichen Tintentröpfchen nur eine einzige Ablenkspannung erfordert.

Weitere Merkmale der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den Figuren veranschaulichten Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 schematisch eine Seitenansicht einer versetzten Anordnung von Düsen zum Drucken einer Linie gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer versetzten Anordnung von Düsen gemäß der vorliegenden Erfindung;

F i g. 3 eine Vorderansicht einer Aufladeelektrode zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 eine Ansicht einer Membran-Siliziumdüse, von hinten nach vorn gesehen;

Fig. 5 und 6 Querschnittsansichten zur Darstellung der Flüssigkeitsströmung in normaler bzw. umgekehrter Richtung durch eine sich verengende Düse;

Fig. 7 eine Querschnittsansicht einer Membran-Siliziumdüse, bei der die Austrittsöffnung der Düse in bezug auf die Längsmittelachse der Eintrittsöffnung der Düse versetzt ist, mit einer Darstellung der aus der Düse austretenden Flüssigkeit;

Fig. 8A-8J eine Folge von Querscnnittsansichten eines Siliciumplättchens zur Darstellung des Herstellungsverfahrens bei der Bildung einer Membran-Siliciumdüse mit einer schiefliegenden Ausgangsöffnung;

Fig. 9 A, B eine Querschnittsansicht und eine Draufsieht einer sich verjüngenden Düse in einem Siliciumplältchen mit einem (lOO)-Kristallschnitt, wobei die Flächennormale des Plättchens mit der (100) ■Kristallachse ausgerichtet ist;

Fig. 10 A, B eine Querschnittsansicht und eine Draufsicht einer sich verjüngenden Düse in einem SiIiciumplättchcn mit einer (lOO)-Kristallorientierung, wobei die Flächennormale des Plättchens mit der (lOO)-Kristallachse einen Winkel bildet;

Fig. 11 die Anordnung trichterförmig ausgestalteter Düsen in einem Siliciumplättchen mit einer (lOO)-Kristallorientierung, bei der die Flächennormale des Plättchcns in bezug auf die (lOO)-Kristallachse eine Schieflage aufweist, mit der Darstellung der austretenden Tröpfchenströme;

Fig. 12A-1211 eine Folge von Schnittansichten eines Siliciumplättchens, das nicht in bezug auf die (10O)-Knslallachsc ausgerichtet ist, in den verschiedenen Bearbeitungsstufen;

Fig. 13 eine Querschnittsansicht eines Tintenstrahldruckers mit versetzt angeordneten Düsen gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 14 eine Vorderansicht einer Membrandüse mit einer kreisförmigen Auftrittsöffnung, die gegen den Mittelpunkt der Membran versetzt ist;

Fig. 15 ein Diagramm, bei dem die Ablenkwinkel über der Schiefläge der Düsenöffnung für eine Membrandüse aufgetragen sind;

Fig. 16 eine schematische Darstellung einer von der Flächennormalen abweichenden, nach dem Ablaufgerichteten Tröpfchenbahn;

Fig. 17 schemalisch eine aus der Flächennormalen hervorgehende, auf den Ablauf gerichtete Tröpfchenbahn;

Fig. 18 schematisch zwei von der Flächennormalen abweichende Tröpfchenbahnen für zwei nach dem Ablauf gerichtete Tröpfchenstrahlen;

Fig. 19 schematisch eine Darstellung von mehreren, aus einer versetzten Anordnung von Düsen ausgehenden Tröpfchenstrahlen;

Fig. 20A-20D Impulsdiagramme zur Darstellung der Zeitpunkte, an denen die Aufladespannungen an Tröpfchen angelegt werden, die an den verschiedenen Reihen von Düsen in der Düsenanordnung gemäß Fig. 19 austreten.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Drucken, Linie für Linie und Zeile Tür Zeile oder mehrere Linien oder Zeilen gleichzeitig mit einer Anordnung von Tintenstrahldüsen offenbart. Die Düsenanordnung kann unter Benutzung üblicher Verfahren aus einem Halbleitermaterial hergestellt werden. Das bevorzugte Halbleitermaterial ist Silicium, obgleich auch andere Halbleitermaterialien wie Germanium, Galliumarsenid oder dergleichen zur Durchführung der Erfindung verwendet werden können. Selbstverständlich können auch andere Materialien anstelle von Halbleitern bei der Verwirklichung der Erfindung eingesetzt werden. Das in der bevorzugten Ausführungsform, mit Silicium, verwendete Verfahren benutzt ein anisotropes chemisches Ätzmittel zur Herstellung von Bohrungen der gewünschten Abmessungen in dem Halbleitermaterial. In der bevorzugten Abmessung verjüngt sich die Bohrung von der Eingangs- zur Ausgangsöffnung.

In einer Ausführungsform weist die Bohrung eine polygonale Eingangsöffnung auf, die sich zu einer polygonalen Ausgangsöffnung verjüngt. In der Praxis können die Ecken der Öffnungen abgerundet sein, um damit eine Konzentration der Beanspruchung nach Möglichkeit kleinzuhalten, die ein Ausfällen oder übermäßige Abnützung einer Düse zur Folge haben könnten. In einer weiteren Ausfuhrungsform hat die Bohrung die Form eines Pyramidenstumpfs mit einer rechteckigen Eingangsöffnung, die sich in einen rechteckigen Querschnitt verjüngt, in dem eine Membrane mit einer kreisförmigen Bohrung vorgesehen ist.

Die ausgezeichneten Betriebseigenschaften der neuartigen Düsenanordnung gehen unmittelbar auf den Einfluß der Kristallsymmetrie und der geometrischen Abmessungen der Düse zurück, woraus sich genau vorherbestimmbare Richtungs- und Geschwindigkeitswerte für den die Düse verlassenden Strahl und ein hoher Wirkungsgrad der Düse ergeben.

Es ist bekannt, daß anisotrope Ätzmittel kristalline Materialien in den verschiedenen kristallographischen Achsen mit unterschiedlichen Ätzeeschwin-

digkeiten angreifen. Für monokristallines Silicium ist eine große Anzahl anisotroper Ätzmittel bekannt, die alkalische Flüssigkeiten oder deren Mischungen enthalten. Als für monokristallines Silicium geeignete anisotrope Ätzmittel seien erwähnt: wäßriges Natriumhydroxid, wäßriges Kaliumhydroxid, wäßriges Hydrazin-Tetranmethyl, Ammoniumhydroxyd, Mischungen von Phenolen und Aminen wie z. B. eine Mischung von Pyrochatechol und Äthylendiamin mit Wasser und Mischungen von Kaliumhydroxid-N-Propanol und Wasser. Diese und andere bevorzugte, für monokristallines Silicium geeignete Ätzmittel können bei der Herstellung von Düsenanordnung gemäß der Erfindung eingesetzt werden.

Im Hinblick auf die drei am häufigsten in monokristallinem Silicium verwendeten Kristallebenen mit kleinem Index ist die anisotrope Ätzgeschwindigkeit für in (lOO)-Richtung ausgerichtetes Silicium am höchsten, in der Richtung (110) etwas geringer und am kleinsten für die Ausrichtung (111). Die zur Herstellung der Düsenanordnungen gemäß der Erfindung verwendeten Verfahren zum Bearbeiten von Silicium werden im folgenden beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine aus Silicium hergestellte Düsenanordnung!, in der die Düsen einer Reihe in bezug auf die Düsen einer anderen Reihe seitlich versetzt angeordnet sind. Das heißt, die Düsenöffnungen in einer Reihe sind gegenseitig in bezug auf die Düsen einer anderen Reihe in einer Richtung senkrecht zur Ebene der Fig. 1 versetzt. Außerdem weisen die Ausgangsöffnungen der Düsen in bestimmten Reihen in bezug auf die Längsmittelachsen der entsprechenden Eingangsöffnungen eine Schiefläge auf, woraus sich eine von der Flächennormalen der Ebene der Düsenplatte abweichende Tröpfchenbahn ergibt. Man sieht, daß die Tröpfchenbahn 10 aus der Düse 8 praktisch senkrecht zur Ebene der Düsenplatte 2 verläuft, so daß der Tröpfchenstrahl 10 das Druckmedium, wie z. B. das Papier 14 an einer vorbestimmten Punktposition in einer Reihe 12 trifft. Wenn daher die von den Düsen 4 und 6 ausgehenden Tröpfchenstrahien andere Punktpositionen in der Reihe 12 treffen sollen, dann müssen die von den Düsen 4 und 6 ausgehenden Tröpfchenbahnen unter einem Winkel gegen die Flächep.norrnale der Ebene der Düsenplatte 2 austreten und ihre Bahnen dürfen nicht in bezug auf die Tröpfchenbahn 10 zu dieser parallel verlaufen. Somit ist also die Größe der axialen Verschiebung der jeweiligen Austrittsöffnungen der Düsen in den Reihen 4 und 6 in der Weise vorbestimmt, daß die diesen Düsen entspringenden Tröpfchenbahnen 16 und 18 an Punktpositionen in der Reihe 12 auftreffen, so daß jedesmal eine ganze Zeile oder Linie gedruckt wird.

Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht der Düsenplatte 2, aus der man deutlich erkennt, wie die aus den Zeilen 4, 6 und 8 austretenden Tröpfchenstrahlen benachbarte Punkte zur Erzeugung einer Linie 12 auf einem Aufzeichnungsträger 14 erzeugen können. Das heißt, daß die aus den Düsen 4 austretenden Tröpfchenstrahlen die nicht benachbarten Punktpositionen 1, 4 und 7, die aus den Düsen 6 hervorgehenden Tröpfchenstrahlen die nicht benachbarten Punktpositionen 2, 5 und 8 und die aus den Düsen 8 hervorgehenden Tröpfchenstrahlen die nicht benachbarten Punktpositionen 3, 6 und 9 markieren.

Fig. 3 zeigt eine Aufladeelektrode 20, wie sie bei der Durchführung der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann. Die Aufladeelektrode 20 kann dabei aus einem Substrat aus keramischem Material bestehen.

das eine Anzahl paralleler Schlitze 22 aufweist, die z. B. eingefräst sein können, so daß Tröpfchenströme in den verschiedenen Bahnen von verschiedenen Reihen von Düsen durchtreten können. Das heißt, daß die Abmessungen der Schlitze derart gewählt sein sollten, daß sowohl aus der ersten als auch aus der zweiten Düsenreihe austretenden Strahlen passieren können. Das Innere der Schlitze oder Nuten ist mit einem leitenden Überzug versehen, so daß an die entsprechenden Schlitze eine Spannung angelegt werden kann, damit die hindurchfliegenden Tröpfchen selektiv aufgeladen werden können, so daß die nicht geladenen Tröpfchen für den Druck benutzt werden, während die aufgeladenen Tröpfchen nach einem gemeinsamen Ablauf abgelenkt werden. Die Lage der Auflageelektrode in einem vollständigen Tintenstrahldrucker ist in Fig. 13 im einzelnen dargestellt.

Wie bereits erwähnt, kann die Düsenanordnung eine Anzahl von in einem Siliciumsubstrat hergestellter Düsen enthalten, wobei die die Düse bildenden Bohrungen die Form eines Pyramidenstumpfes aufweisen, die größere Öffnung die Einlaßöffnung bildet und in dem kleineren rechteckigen Abschnitt der Düse eine Membran mit einer kreisförmigen Bohrung in der Membran vorgesehen ist, die als Auslaßöffnung dient. In einem Siliciumplättchen 24 (Fig. 4) ist eine Bohrung hineingeätzt, deren Einlaßöffnung aus den Seiten 26, 28,30 und 32 besteht und die sich nach einem kleineren rechteckigen Abschnitt verjüngt, der aus den Seiten 34, 36,38 und 40 besteht und durch eine Membran 42 abgeschlossen ist, die eine kreisförmige Bohrung 44 aufweist. In einer derartigen Düsenkonstruktion, bei der sich die Bohrung 44 in der Mitte der Membran 42 befindet, tritt ein die Bohrung 44 verlassender Strahl im wesentlichen senkrecht zur Ebene der Membran 42 aus. Ist die Bohrung 44 jedoch außermittig angeordnet, dann tritt der aus der Bohrung 44 austretende Strahl unter einem Winkel gegen die Flächennormale der Ebene der Membran 42 aus. Wie eine derartige Düse hergestellt wird und wie man den Abstand der Bohrung von der Mitte der Membran bestimmt, um damit eine von der Flächennormalen abweichende Bahn zu erzielen, wird anschließend beschrieben.

F i g. 5 stellt die Flüssigkeitsströmung in Richtung der Normalen durch eine sich verjüngende Düse in einem Siliciumplättchen 45 dar, d. h. die Flüssigkeit strömt von der größeren Öffnung 46 nach der kleineren Öffnung 48. Die Fig. 6 zeigt eine Flüssigkeitsströmung in umgekehrter Richtung, d. h. von der kleineren Öffnung 48 nach der größeren Öffnung 46. Die Flüssigkeitsströmung durch die Düse in Vorwärtsrichtung in Fig. 5 ist durch eine gleichförmige Konvergenz der Strömung in Richtung auf die Öffnung 48 gekennzeichnet, wobei die Geschwindigkeitskomponenten durch die Pfeile 50 bzw. 52 angezeigt sind. Die Flüssigkeitsströmung in der umgekehrten Richtung in Fig. 6 ist durch eine scharfe Änderung in der Richtung der Strömung in der Nähe der Öffnung 48 gekennzeichnet, wobei die Geschwindigkeitskomponenten durch Pfeile 54 und 56 dargestellt sind. Die Strömungsgeschwindigkeit in der Vorwärtsrichtung V₁ ist größer als die Strömungsgeschwindigkeit in der Rückwärtsrichtung, V_n Mit zunehmendem Druck nimmt der Unterschied zwischen V₁ und V_r ab.

Fig. 7 zeigt eine Membrandüse in einem Siliciumplättchen 58 mit einer Einlaßöffnung 60 und einer Auslaßöffnung 62 in einer Membrane 64, wobei die Mittellinie 66 der Auslaßöffnung 62 gegen die Mittelachse 68 der Membrane um die Strecke δ verschoben ist. Die

durch einen Pfeil 72 angedeutete Flüssigkeitsströmung liings der Wand 70 verläuft ähnlich wie die Flüssigkeitsströmung in Vorwärtsrichtung durch die in Fi g. 5 dargestellte Düse, während die Flüssigkeitsströmung längs der Oberfläche 74 der Membran 64, wie durch einen Pfeil 76 angedeutet, ähnlich verläuft wie eine Flüssigkeitsströmung in umgekehrter Richtung durch eine Düse, wie dies in Fig. 6 gezeigt ist. Daher ist die Strömungsgeschwindigkeit in der durch den Pfeil 72 angedeuteten Richtung größer als die Strömungsgeschwindigkeit in der durch den Pfeil 76 angedeuteten Richtung, so daß der aus der Bohrung 62 austretende Strahl 78 unter einem Winkel Θ gegen die Plättchennormale 80 austritt, die üblicherweise mit der Mittellinie 66 zusammenfallt. Die Größe des Abstandes δ von der Mittel- !5 achse ergibt eine entsprechende Ablenkung von der Normalen um einen Winkel Θ.

Fig. 8A bis 8J zeigen eine beispielsweise Folge von Verfahrensschritten zur Herstellung einer Düse oder einer Anzahl von Düsen gemäß der vorliegenden Erfindung. Wie in Fig. 8A gezeigt, wird ein p-oder n-leitendes, in der(100)-Ebene geschnittenes Siliciumplättchen 82 mit einer chemisch-mechanisch polierten Oberfläche zunächst gereinigt. Dann wird, wie in Fig. 8B gezeigt, das Siliciumplättchen 82 zur Bildung eines SiO₂-FiImS 84 mit einer Stärke von etwa 4500 Ä auf der Vorder- und Rückseite des Plättchens in Dampf von clwa 1000⁰C oxidiert, worauf anschließend eine Schicht Tür das Membranmaterial 86 aus hochschmelzendem oder feuerfestem Glas auf der vorderen SiO₂-Schicht 84 niedergeschlagen wird. Als nächstes wird dann gemäß Fig. 8C das Halbleiterplättchen 82 auf seiner Vorder- und Rückseite mit einer Photolackschicht 88 überzogen. Anschließend wird, wie Fig. 8D zeigt, auf der Rückseite des Halbleiterplättchens in der Photolackschicht 88 ein Muster 90 für die Bohrungen belichtet. Als nächstes wird, wie in Fig. 8E dargestellt, die SiO₂-Schicht in der Öffnung 90 durch gepufferte Fluorwasserstoffsäure bis aufdie rückseitige Oberfläche 92 des Plättchcns 82 abgeätzt. Wie in Fig. 8F zu sehen, wird anschließend das Silicium in der Öffnung 90 durch ein anisotropes Ätzmittel, beispielsweise durch eine Äthylendiamin-Pyroehatecol und Wasser enthaltende Lösung bei 110 bis 12O⁰C zur Bildung einer sich verjüngenden Öffnung in dem Plättchen abgeätzt. Die sich verjüngende Öffnung wird durch die Seitenwände 94 und 96 bestimmt. Die Ätzdauer beträgt im allgemeinen zwischen 3 bis 4 Std. bei einer Dicke des Substrats von etwa 0,2 mm. Anschließend wird gemäß Fig. 8G ein Bohrungsmuster 97 auf der vorderen Photolackschicht 88 belichtet und entwickelt, wobei das Muster der einzelnen Bohrungen von der Mittelachse 98 bis zu einer Achse 100 um einen Abstand <5 verschoben ist. Anschließend wird gemäß Fig. SH die Membranschicht 86 bis zu einer Frontoberfläche 102 der SiO₂-Schicht 84 geätzt. Anschließend wird gemäß F i g. 8E die SiO₂-Schicht 84 unmittelbar unter dem Bohrungsmuster 102 abgeätzt, so daß die Austrittsöffnung 104 übrigbleibt. Anschließend wird, wie F i g. 8J zeigt, die Photolackschicht 88 von der Vorder- und Rückseite des Plattchens entfernt und dann kann die Düse zur Verhinderung von Korrosion und dergleichen oxidiert werden.

Fig. 9A zeigt ein Siliciumplättchen 106 mit einer (lOO)-Kristallorientierung, bei dem die Plättchennormale 108 mit der (100)-Kristallachse 110 ausgerichtet ist, die innerhalb des Plättchens 106 durch Punkte 112 angedeutet ist. Das Plättchen 106 weist eine geätzte Öffnung in Form eines Pyramidenstumpfs mit einer polygonalen Eingangsöffnung 114 auf, die sich zu einer polygonalen Auslaßöffnung 116 verjüngt, so daß eine von der Einlaßöffnung nach der Auslaßöffnung 116 strömende Flüssigkeit im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Halbleiterplättchens strömt. Fig. 9B ist eine Endansicht der Öffnung 116. Die aus der Öffnung 116 austretende Flüssigkeit hat unmittelbar bei Austreten aus der Auslaßöffnung einen rechteckigen Querschnitt. Wegen der Oberflächenspannung der Flüssigkeit wird der Querschnitt des Strahls kurz danach kreisförmig.

In Fig. 1OA ist ein Siliciumplättchen 118 mit einer (lOO)-Kristallorientierung dargestellt, bei der die Plättchennormale 120 mit der (lOO)-Kristallachse 122 einen Winkel δ bildet. Die Kristallorientierung ist schematisch durch Punkte 124 innerhalb des Plättchens 118 angedeutet. Auf der Oberfläche 126 des Plättchens 118 wird in dem teilweise durch die Punkte 128 und 130 definierten Bereich ein Ätzmittel zur Einwirkung gebracht. Dieser Bereich definiert eine große Öffnung 131. Die Ätzung schreitet in dem Plättchen längs der Wand 129 schneller fort und langsamer längs der Seitenwand 132, was sich aus der kristallographischen Ausrichtung des Plättchens ergibt, so daß die kleinere Auslaßöffnung 134 in bezug aufdie Einlaßöffnung und die Längsmittelachse 120 der größeren Öffnung 131 außermittig liegt. Fig. 1OB zeigt eine Endansicht der kleineren Auslaßöffnung 134, deren Form nicht rechteckig ist. Man sieht ferner, daß die kleinere Auslaßöffnung 134 außermittig liegt in bezug auf die Längsmittelachse der größeren Einlaßöffnung 131. In diesem Fall fällt die Längsmittelachse der größeren Öffnung mit der Linie 120 zusammen, die die Plättchennormale darstellt. Wenn nun eine Flüssigkeit von der größeren Einlaßöffnung 131 nach der kleineren Auslaßöffnung 134 strömt, dann verläßt der Strahl die Auslaßöffnung 134 unter einem Winkel gegen die Plättchennormale.

Fig. 11 zeigt ein Siliciumplättchen 136 mit einer (lOO)-Kristallorientierung, bei welchem die Plättchennormale 138 in bezug auf die (100)-Kristallachse 140 um einen Winkel δ geneigt ist. In dem Halbleiterplättchen wird durch Ätzen von der Vorderseite 144 nach der Rückseite 146 eine Öffnung 142 hergestellt. Eine weitere Öffnung 148 wird durch Ätzen in umgekehrter Richtung, d. h. von der Rückseite 146 nach der Vorderseite 144 hergestellt. Wenn eine Flüssigkeit von einer nicht gezeigten Quelle auf die Rückseite 146 auftritt, dann ist die durch die Öffnung 142 fließende Strömung genau wie bei einer klassischen Bohrung, da die Flüssigkeit die Seitenwände der Bohrung nicht berührt und die Bahn des Strahls im wesentlichen normal zur Vorderseite 144 des Plättchens verläuft. Da andererseits die durch die Bohrung 148 ausströmende Flüssigkeit die Wände der Bohrung berührt, bildet die Bahn des austretenden Strahls mit der Flächennormalen der Vorderseite 144 des Plättchens 136 einen Winkel. Wie bereits beschrieben, kann man mit Hilfe nichtparalleler Bahnen der Tintenstrahlen Zeile für Zeile auf einem Druckträger zum Abdruck bringen. Wie die in Fig. 11 dargestellten Bohrungen für eine Düsenanordnung hergestellt werden, wird in Zusammenhang mit Fig. 12 beschrieben.

Fig. 12A bis 12H zeigen schematisch eine Folge von Verfahrensschritten zum Herstellen von Bohrungen oder Öffnungen in einem einkristallinen Siliciumplättchen zur Bildung einer Düsenanordnung. Selbstverständlich können die nachfolgenden Verfahrensschritte auch in einer anderen Reihenfolge durchgeführt werden. Weiterhin lassen sich auch andere Schichtmaterialien für die gleichen, noch zu beschreibenden Funktio-

nen einsetzen. Die Bildung von Schichten, ihre Größe und Dicke kann ebenfalls verändert werden.

Die Herstellung einer Anordnung von Düsen in einem Siliciumplättchen, bei dem die Flächennormale des Plättchens mit der (1 OO)-Kristallachse einen Winkel 5 bildet, wie dies in Fig. 10 und 11 erläutert ist, kann wie folgt durchgeführt werden. Wie aus Fig. 12A zu sehen, wird ein p- oder η-leitendes Siliciumplättchen 154 mit (lOO)-Orientierung, das chemisch-mechanisch polierte Oberflächen aufweist, zunächst gereinigt. Anschließend wird gemäß Fig. 12B das Siliciumplättchen 154 in Dampf von etwa 1000⁰C zur Bildung eines SiO₂-FiImS 156 von etwa 4500 Ä Dicke auf der Vorder- und Rückseite des Plättchens oxidiert. Anschließend wird, wie Fig. 12C zeigt, das so oxidierte Plättchen auf der Vorder- und Rückseite mit einem Photolackmaterial 158 überzogen. Dann werden, wie in Fig. 12Dgezeigt, Bohrungen 160 auf der Photolackschicht 158 auf der Vorderseite belichtet und entwickelt und Bohrungen 162 werden auf der Photolackschicht 158 auf der Rückseite des Plättchens belichtet und entwickelt. Anschließend wird gemäß Fig. 12E die in den Bohrungen 160und 162freiliegende SiO_:-Schicht mit gepufferter Fluorwasserstoffsäure abgeätzt, worauf das Photolackmaterial 158 von dem Plättchen abgezogen wird. Wie in Fig. 12Fgezeigt, wird anschließend das Silicium in den Bohrungen 160 und 162 mit einem anisotropen Ätzmittel, beispielsweise mit einer Äthyldiamin-Pyrochatecol und Wasser enthaltenden Lösung bei 110 bis 120⁰C zur Bildung der sich verjüngenden Bohrungen 164 bzw. 166 in dem Plättchen 154 geätzt. Der Ätzvorgang ist dann beendet, wenn die Bohrungen auf der jeweils gegenüberliegenden Seite des Plättchens auftauchen. Die Ätzdauer beträgt für ein Substrat von etwa 0,2 mm Dicke in der Größenordnung zwischen 3 und 4 Std. Wie in Fig. 12G gezeigt, wird anschließend die SiO₂-Schicht 156 von dem Plättchen 154 abgeätzt, so daß man ein Siliciumplättchen mit Bohrungen 164 und 166 erhält. Auf einem solchen Plättchen 154 wird dann durch Oxidieren eine Schicht 168 erzeugt. Die Oxidschicht 168 verhindert eine Korrosion durch die in einem Tintenstrahldrucker verwendeten Tinten. Selbstverständlich können auch andere korrosionsfeste Schichten benutzt werden.

Fig. 13 zeigt im Querschnitt einen Tintenstrahldrukker 170, der eine gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellte Düsenanordnung verwendet. Eine Düssnplatte 172 ist in einem Siliciumplättchen mit zwei Reihen von seitlich gegeneinander versetzten Düsen 174 und 176 hergestellt. Der Mittenabstand zwischen den Düsen einer Reihe und den Düsen der nächsten Reihe liegt in der Größenordnung von etwa 0,4 mm. Die Düsen 174 in der einen Reihe sind dabei so aufgebaut, daß ein daraus austretender Strahl einer Bahn folgt, die gegenüber der Flächennormalen der Austrittsebene der Düse um etwa 1 Grad nach unten geneigt ist. Die Düsen 174 der anderen Reihe sind so aufgebaut, daß ein daraus austretender Strahl gegenüber der Flächennormalen der Austrittsebene der Düse um einen Winkel von angenähert 1 Grad nach oben abweicht. Für eine derartige Düsenanordnung wird man die einzelnen Düsen als Membrandüsen gemäß dem im Zusammenhang mit den Fig. 8Abis8J beschriebenen Verfahren herstellen. Selbstverständlich können auch mehr als zwei Reihen von Düsen benutzt werden, doch sind hier der Einfachheit halber nur zwei Reihen dargestellt. Außerdem könnten die aus den einzelnen Düsen austretenden Strahlen alle nach unten oder alle nach oben gerichtet sein. Andererseits ist es auch durchaus möglich, daß die aus einer Reihe von Düsen austretenden Strahlen in einer Richtung senkrecht zur Austrittsebene der Düse austreten, während alle anderen Düsen Strahlen liefern, deren Bahnen nicht parallel zur Flächennormalc verlaufen. Ferner können Düsen mit polygonalen Austriltsöffnungen, die gemäß dem im Zusammenhang mit Fig. 12 beschriebenen Verfahren hergestellt wurden, anstelle der Membrandüsen in der Düsenanordnung verwendet werden. In einem solchen Fall würden die aus einer Reihe von Düsen austretenden Strahlen senkrecht zur Austrittsebene der Anordnung verlaufen, während die Bahnen der aus der anderen Reihe von Düsen stammenden Strahlen einer von der Normalen abweichenden Bahn folgen würden.

Eine Aufladeelektrode 178 mit einer Seitenabmessung von 1,52 mm ist in einem Abstand von 0,5 mm von der Düsenplatte angeordnet. Die Aufladeelektrode kann beispielsweise so aufgebaut sein wie dies in F i g. 3 gezeigt ist. Eine Ablenk- und Ablaufanordnung 180 mit einer Seitenabmessung von 7,6 mm ist in einem Abstand von 1,3 mm von der Aufladeelektrode 178 angeordnet. Eine Hochspannungs-Ablenkplatte 182 ist an einer Hochspannungsquelle (nicht gezeigt) angeschlossen. Die Hochspannung kann in der Größenordnung von 1 bis 2 kV liegen. Die andere Ablenkelektrode 184 ist mit Erdpotential verbunden. Die Ablenkelektrode 184 kann aus porösem Material bestehen und als Ablauf dienen und an einem Rohr 186, das an einer Vakuumpumpe und einem Tintenvorrat (nicht gezeigt) angeschlossen sein, so daß die in den Ablauf eindringende Tinte durch das poröse Material und das Rohr 186 Tür einen Rücklauf in den Tintenvorrat abgesaugt werden kann. Wie bereits erwähnt, hat die Benutzung von nichtparallelen Strahlbahnen zur Folge, daß die dem Ablauf zugeführten Tröpfchenströme die Ablenkplatte und den Ablauf praktisch am gleichen Punkt treffen, während man wegen der unterschiedlichen Bahnen keine übermäßige Spannungen benötigt. Ein Druckträger ist in einem Abstand von etwa 1,8 mm von der Ablenk- und Ablaufeinheit 180 angeordnet und die nicht dem Ablauf zugeführten, aus den Düsen 174 und 176 stammenden Tröpfchen bilden, Zeile für Zeile, auf dem Druckmedium eine aus miteinander abwechselnden Punktpositionen bestehende Zeile. Der Druckträger 188, der aus Papier bestehen kann, wird nach Abdruck jeder Zeile in Richtung des Pfeils 1.90 bewegt.

In Fig. 14 ist eine Membrandüse gezeigt, bei der die Achse der Bohrung außerhalb der Mitte liegt, wodurch sich eine Bahn eines Strahls ergibt, welche mit der Flächennormalen der Membran einen Winkel von etwa 1 Grad ergibt. In F i g. 15 ist eine Anzahl von Kurven zur Bestimmung des Ablenkwinkels, abhängig vom Abstand der Bohrung von der Mitte und von der Größe der Bohrung dargestellt. In Fig. 14 ist der Membrananteil 192 einer Membran-Siliciumdüse gezeigt, die gemäß Fig. 8 hergestellt ist, bei welcher die Mittelachse 196 der Austrittsbohrung 194 einen Abstand δ von der Mittelachse 198 der Membran aufweist. Die Kurven 200, 202, 204, 206 und 208 in Fig. 15 stellen für einen vorgegebenen Druck die verschiedenen Verhältnisse der Durchmesser von Düse und Membran dar.

Die zur Bestimmung des Ablenkwinkels gegen die Flächennormale der Anordnung von Fig. 15 verwendeten Gleichungen ergeben sich wie folgt:

Durchmesserverhältnis Düse zu Membran = —

Anlage der Düsenbohrung (in %) = — x 100

lur Abmessungen, wobei:

D die Scilenabmessung der quadratischen Membran, d der Durchmesser der Bohrung in der Membran; I)

a - _τ

ö der Abstand der Mittelachse der Membran von der Mittelachse der Bohrung.

Für die in Fig. 14 gegebenen Abmessungen beträgt das Verhältnis Düse zu Membran

d_ D

3,85

- 0,26 und die

Ablage der Bohrung in %

15

20

= JL χ 100 =
a

1,925

= 47%.

Für ein Verhältnis von Düse zu Membran von angenähert 0,26 wird die Kurve 206in Fig. 15 zur Bestimmung des von der Flächennormalen abweichenden Winkels des Strahls benutzt. Wie zuvor gesagt, beträgt die Ablage der Bohrung ungefähr47%, so daß der Punkt 210auf der Kurve 206 in Fig. 15 den Winkel des Strahls gegenüber der Normalen für die Membrandüse in Fig. 14 angibt. Man sieht aus F i g. 15, daß dieser Winkel gegenüber der Normalen bei ungefähr 1 Grad liegt. Für die hier dargestellte Anordnung der Bohrung oberhalb der Mittelachse der Membran würde der austretende Strahl um einen Winkel von 1 Grad nach unten von der Flächennormalen abweichen. Wenn andererseits die Bohrung der Membrandüse unterhalb der Mittelachse der Membran angeordnet wäre, dann würde der Strahl unter einem Winkel von 1 Grad nach oben von der Flächennormale austreten. Für das gezeigte Diagramm sind Ablenkwinkel bis gegen 4 Grad leicht erzielbar.

Wie bereits erläutert, ist es bei der vorliegenden Erfindung möglich, eine einzige Ablauf- und Ablenkeinheit mit den üblichen normalen Ablenkspannungen zu benutzen, wobei die von den verschiedenen Reihen von Düsen dem Ablauf zugeführten Tröpfchen praktisch in der gleichen Position im Ablauf aufgefangen werden. Dies läßt sich noch besser aus den Fig. 16, 17 und 18 erkennen. Fig. 16 zeigt ein Ablenksystem mit einer Hochspannungsablenkplatte 212, einer Ablenkplatte 214 und einen Ablauf 216. Ein Tröpfchenstrom 218 hat eine Geschwindigkeit V_d und verläuft unter einem Winkel 0in bezug auf die Flächennormale der Düsenanordnung, wobei die Tröpfchen an einem Punkt 220 um einen Abstand ε von der Längsmittelachse 120 zwischen den Ablenkplatten entfernt sind. Die folgenden Parameter und Gleichungen definieren die Bahn der einem Ablauf zugeführten Tröpfchen für ein System gemäß Fig. 16, wobei:

60

V₁, = Tröpfchengeschwindigkeit V = Ablenkspannung
S = Plattenabstand
Q₁, = Ladung der Tröpfchen

m,i = Masse der Tröpfchen a = Beschleunigung

ν = Abstand eines Tröpfchens von der .Y-Achse beim Einlaufen zwischen die Ablenkplatten

(1) V_11x . = ^cos 0(Anfangsgeschwindigkeit längs der

JT-Achse)

(2) V₁₁₁. = V₁₁ sin ©(Anfangsgeschwindigkeit längs der

X-Achse)

— V -Vi)

(3) F-_mja=-fQ_d~a=-f -^

5 S

S m,i
(die auf ein Tröpfchen einwirkende Kraft)

(4) x= V_0x t =(K/Cos0)r

(5) y = Λ + V_1n t + j at^:

(6) y = - ε + V₁, sin Θ ι + y at²

/·7\ , Κι si" ö ,' ^χ1

(7) ν= -f H—- ν H a —ϊ i—

^y Vj cos Θ 2 V]₁ cos- Θ

Für ein Tröpfchen eines unteren Strahls (nach oben gerichtet mit einem Abstand mach unten):

1 y²

(8) y,_ = -c+ tan Θα·+ - a —- '

2 V]₁ cost Θ

Für Tröpfchen im oberen Strahl (nicht gezeigt) nach unten gerichtet um f nach oben verschoben:

(9) yu = £ + tan Θ χ + — a

2 V]₁ cos² Θ '

Fig. 17 zeigt eine zunächst der Flächennormalen folgende Bahn eines Strahls, der dem Ablauf 216 zugeleitet wird. Die folgenden Gleichungen beschreiben die Y-Strahlbahn in einem solchen Fall.

(10) y-ja ^
(Ablaufbedingung: X = L, S = -5/2).

Hält man alle Veränderlichen (Geschwindigkeit, Spannungen usw.) konstant, dann vereinigen sich die Bahnen der oberen und unteren Tröpfchenströme, wie sie durch die Gleichungen (8) und (9) beschrieben werden, an ungefähr dem gleichen Ort wie der durch Gleichung (10) beschriebene Tröpfchenstrom, wenn ε = L tan & Da X = L ist, ergibt sich:

(11) y_L=yu =— a —, ,— ^Ä -r-

2 V-, cor Θ 2

da

(12) cos² Θ = 1 - Θ¹ = 1 - Ctjj) = °,'
(für©= 1°).

0,9997

Fig. 18 zeigt die Bahnen von zwei Reihen von Düsen ausgehenden Strahlen, wenn die von der oberen Reihe ausgehenden Strahlen 224 um einen Winkel Θ gegenüber der Flächennormalen der Düsenplatte nach unten abgelenkt und die untere Reihe von Strahlen 226 in einem Winkel Θ in bezug auf die Flächennormale der Düsenplatte nach oben gerichtet ist. Man sieht sofort, daß dies einer der schlimmsten Fälle für nicht parallele Bahnen von Strahlen darstellt, die von verschiedenen Reihen von Düsen ausgehen und in einem einzigen Ab-

13

lauf abgeleitet werden sollen. Für eine Ablenkplatte mit einer Länge von 0,8 mm und einem Winkel θ von 1 ° wird ε = 7,6 : 57,3 = 0,1 mm. Dies sind die Abmessungen für den in Fig. 13 gezeigten Tintenstrahldrucker und man sieht, daß bei diesen Abmessungen die Tinten- s strahlen 224 und 226 dann, wenn ungefähr die gleichen Ablenkspannungen an beiden Tintenstrahlen abgelenk; sind, an praktisch dergleichen Stelle auf dem Ablauf auftreffen.

Fig. 19 zeigt eine Düsenplatte 228 mit Reihen 230, 232,234 und 236 von gegeneinander versetzt angeordneten Düsen, wobei die von den Reihen 230 bzw. 232 ausgehenden Strahlen 238 bzw. 240 in einem Winkel nach unten auf den Druckträger 242 gerichtet sind, während die von den Reihen 234 bzw. 236 ausgehenden Strahlen 244 bzw. 246 in einem Winkel nach oben auf den Druckträger 242 gerichtet sind. Man sieht, daß die Strecke, die die einzelnen Tröpfchen von den Reihen 230 und 236 zurückzulegen haben, praktisch gleich groß sind. Ferner sieht man, daß die Strecke, die die Tröpfchen von den Reihen 230 und 236 zurückzulegen haben, größer ist als die Strecke, die die den Reihen 232 und 234 entstammenden Tröpfchen zurückzulegen haben. Demgemäß muß den von den Reihen 230 und 236 ausgehenden Tröpfchen die Drucksignale um einen Zeitabschnitt A früher zugeführt werden als die den von den Reihen 232 und 234ausgehenden Tröpfchen zuzuführenden Drucksignale. Mit anderen Worten die den von den Reihen 232 und 234 ausgehenden Tröpfchen zugeführten Drucksignale werden gegenüber den von den Reihen 230 und 236 ausgehenden Tröpfchen zugeführten Drucksignalen verzögert. Dies ist noch deutlicher zu sehen in Fig. 20, wobei Fig. 20A und Fig. 20B die den von den Reihen 230 und 236 ausgehenden Tröpfchen zugeführten Drucksignale darstellen, während die in Fig. 2OB und 20C dargestellten Drucksignale den von den Reihen 232 und 234 kommenden Tröpfchen zugeleitet werden. Da die Drucksignale, die den von den Reihen 230 und 236 kommenden Tröpfchen zugeführt werden zur gleichen Zeit auftreten, können sie von einer gemeinsamen Taktimpulsquelle abgeleitet werden. Die an die Tröpfchen der Reihen 232 und 234 angelegten Drucksignale können von einer anderen gemeinsamen Impulsquelle abgeleitet werden. Daher kann man aber für ein System der in Fig. 19 gezeigten Art die Anzahl der Takt- und Verzögerungsnetzwerke gegenüber bekannten, mit seitlicher Versetzung arbeitenden Drucksystemen, die für jede Reihe eine andere Taktfolge erfordern, um den Faktor 2 verringern. Es ist jedoch einleuchtend, daß der tatsächliche Unterschied in den einzelnen von den Tröpfchen zu durchlaufende.i Strecken in Wirklichkeit sehr klein ist, so daß bei vielen Anwendungsgebieten Verzögerungsnetzwerke nicht notwendig sind. Der Abstand zwischen benachbarten Reihen in Fig. 19 beträgt etwa 0,4 mm und der Abstand zwischen der Düsenplatte 228 und dem Druckträger 242 beträgt 12.7 mm, so daß die maximale Bahnlängendifferenz der Tröpfchenstrahlen etwa 0,01 mm beträgt. Für viele Anwendungsgebiete ist der durch diese Bahnlängendifferenz hervorgerufene Fehler im Auftreffpunkt der Tröpfchen vernachlässigbar klein, so daß Verzögerungsnetzwerke nicht erforderlich sind, was die Schaltung wesentlich vereinfacht.

Hierzu 10 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

1. Patentansprüche:

   l.Tintenstrahlmatrixdrucker bei dem jeweils mindestens ein Teil einer Punktzeile, die aus einer Anzahl Druckpunktpositionen auf dem zu bedrukkenden Papier besteht, gleichzeitig gedruckt wird, mit einem Düsenfeld, bestehend aus mindestens zwei sowohl untereinander als auch gegenüber der Punktzeile parallelen Reihen von gegeneinander versetzt angeordneten Düsen, deren Tintentröpfchen durch eine Aufladeelektrode wahlweise aufladbar sind, wodurch die aufgeladenen Tintentröpfchen in eine Tintenauffangvorrichtung und die unaufgeladenen auf das zu bedruckende Papier gelangen, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Düsen einer jeden Reihe (4,6,8) gegenüber den entsprechenden Düsen der jeweils benachbarten Reihe um eine Druckpunktposition, in Richtung der Punktzeile gesehen, versetzt angeordnet sind und einen Teilungsabstand aufweisen, der gleich ist dem Produkt aus den Druckpunktpositionen einer Punktzeile mal der Anzahl von Düsenreihen, und daß die Längsachsen der Düsen einer jeden Düsenspalte derart unterschiedlich geneigt sind gegenüber der Flächennormaien auf die die Düsen aufweisende Platte (2), daß alle die Düsen des Düsenfeldes verlassenden, nicht abgelenkten Tintentröpfchen auf einer gemeinsamen Punktzeile (12) auf dem zu bedruckenden Papier (14) auftreffen.
2. 2. Tintenstrahlmatrixdrucker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachsen von einer Reihe von Düsen (174) solch eine Neigung aufweisen, daß die austretenden Tintentröpfchen unter einem Winkel gegen die Flächennormale der Düsenplatte (172) nach unten gerichtet auf eine erste Gruppe einander nicht benachbarter Druckpunktpositionen in einer Punktieile auf das zu bedruckende Papier (188) gerichtet werden, während die Längsachsen von der zweiten Reihe von Düsen (176) solche eine Neigung aufweisen, daß die austretenden Tintentröpfchen unter einem gegen die Flächennormale der Düsenplatte (172) nach oben gerichteten Winkel auf eine zweite Gruppe von einander nicht benachbarten Druckpunktpositionen in einer Punktzeile auf das zu bedruckende Papier (188) gerichtet werden.
3. 3. Tintenstrahlmatrixdrucker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Düsenplatte ein Siliciumplüttchen (118,136,154) mit einer (lOO)-Kri-Stallorientierung dient, dessen Plattchennormale (120,138)nichtmitder(100)-Kristallachse(122,140) zusammenfällt und daß die darin gebildeten Düsen Eintritts- und Austrittsöffnungen (131, 134) unterschiedliche polygonale Querschnittsflächen aufweisen, wobei die Achse der Austrittsöffnung (134) jeder Düse nicht mit der Längsmittelachse der Eintrittsöffnung (131) der Düse ausgerichtet ist.
4. 4. Tintenstrahlmatrixdrucker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Düsenplatte ein Siliciumplättchen (106) mit einer (lOO)-Kristallorientierung dient, dessen Plättchennormale (108) mit der (lOOj-Kristallachse ausgerichtet ist, daß jede Düse eine Eintrittsöll'nung (114) mit rechteckigem Querschnitt auf einer Oberfläche des Plättchens auf- <i5 weist, die sich nach einer an der anderen Oberfläche des Plättchens liegenden Membrane (42) verjüngt, die eine kreisförmige Bohrung (44) aufweist und daß die Achsen dieser kreisförmigen Bohrungen (44) in mindestens einer Reihe von Düsen gegenüber der Längsmittelachse der entsprechenden HintriUsöffnungen (114) der Düsen versetzt angeordnet sind.