DE3008487C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Tintenstrahlaufzeich­ nungskopf gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Anschlaglose Aufzeichnungsverfahren haben den Vorteil, daß die Geräuschentwicklung beim Drucken vernachlässigbar klein ist. Ein besonders leistungsfähiges anschlagloses Aufzeich­ nungsverfahren ist das Tintenstrahlaufzeichnungsverfahren. Beim Tintenstrahlaufzeichnungsverfahren ist hohe Druckge­ schwindigkeit möglich. Ferner kann auf normalem Papier auf­ gezeichnet werden, ohne daß eine Fixierbehandlung notwendig ist.

Beim Tintenstrahlaufzeichnungsverfahren werden Tropfen einer Aufzeichnungsflüssigkeit bzw. Tinte auf einen Auf­ zeichnungsträger geschleudert. Die Tintenstrahlaufzeich­ nungsverfahren können in verschiedene Typen je nach der Art der Tropfenerzeugung und der Art der Steuerung der Richtung des Tintenstrahles unterteilt werden.

Als Energiequellen zum Ausstoßen der Aufzeichnungsflüssig­ keit durch eine Öffnung bzw. Düse können durch mechanische Schwingungen verursachte Änderungen des elektrostatischen Anziehungsdruckes, durch Wärmeenergie verursachte Druck­ änderungen und dergleichen benutzt werden.

Bei den in der US-PS 35 96 275 und der US-PS 32 98 030 be­ schriebenen Tintenstrahlaufzeichnungsverfahren wird mit einem kontinuierlichen Tropfenstrahl gearbeitet. Hierbei wird ein Strom von Tintentropfen, die eine bestimmte Ladung tragen, mittels einer Einrichtung zur Erzeugung kontinuier­ licher Schwingungen erzeugt und die Bewegungsbahn der Flüssigkeitstropfen zwischen Ablenkelektroden in einem gleichmäßigen elektrischen Feld so gesteuert, daß die benö­ tigten Flüssigkeitstropfen auf einen Aufzeichnungsträger geschleudert werden, während die übrigen Tröpfchen abgefan­ gen werden. Bei einem weiteren bekannten Tintenstrahlauf­ zeichnungsverfahren wird der Tintenstrahl nur bei Bedarf erzeugt. Hierzu werden z. B. bei dem System gemäß der US-PS 37 47 120 oder der DE-OS 25 32 037 selektiv elektrische Aufzeichnungssignale an einen piezoelektrischen Schwin­ gungserzeuger angelegt, der an einem Aufzeichnungskopf mit einer Tintenausstoßdüse angebracht ist.

Bei dem in der DE-OS 28 43 064 beschriebenen, dem Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1 entsprechenden Tintenstrahl­ aufzeichnungskopf erfolgt die Tröpfchenausstoßung durch Wärmeerzeugung unter Ausbildung von Dampfblasen in den Tin­ tenkanälen. Die Wärme wird hierbei durch Widerstandselemen­ te als Treiberabschnitte erzeugt, die jeweils mit einzelnen Steuerelektroden sowie einer gemeinsamen Gegenelektrode verbunden sind. Hierdurch läßt sich bei relativ einfachem kompaktem Aufbau hohe Tröpfchenfrequenz mit stabiler Tin­ tenausstoßung erreichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Tinten­ strahlaufzeichnungskopf zu schaffen, der einfach und kom­ pakt herstellbar ist und bei hoher Standzeit hohe Aufzeich­ nungsgeschwindigkeiten bei guter Aufzeichnungsqualität er­ reichen läßt, sowie eine Matrixansteuerung der Treiberab­ schnitte ermöglicht.

Diese Aufgabe wird mit den in den Patentansprüchen 1, 4, 6 bzw. 12 angegebenen Merkmalen gelöst.

Mit der Erfindung wird somit eine gezielte Gestaltung bzw. Führung der Speiseleitungen für die Ausstoßelemente angege­ ben, die hohe Strombelastbarkeit erlaubt, ohne Wärmestau­ probleme oder dergleichen hervorzurufen, und bei einfachem Aufbau große Aufzeichnungsgeschwindigkeiten bei sauberem Druckbild und langzeitstabilem Tröpfchenausstoß erreichen läßt. Zudem zeichnet sich das erfindungsgemäße Tinten­ strahlaufzeichnugsgerät durch lange Standzeit- und hohes Auflösungsvermögen sowie durch Matrixansteuerbarkeit aus.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Un­ teransprüchen angegeben.

In "Taschenbuch der Nachrichtenverarbeitung", 1967, Sprin­ ger-Verlag, S. 194 bis 197, sind Grundzüge der Dickfilm­ technik zur Herstellung von Schaltungen beschrieben. Tin­ tenstrahlaufzeichnungsköpfe sind nicht diskutiert.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 schematisch perspektivische Ansichten einer Ausführungsform der Erfindung; und

Fig. 3 bis 11 schematisch Teile von weiteren Ausführungs­ formen der Erfindung.

Im folgenden wird zunächst unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 eine erste Ausführungsform der Erfindung erläutert. In Fig. 1 ist lediglich ein Aufzeichnungskopf zerlegt und getrennt vom übrigen Tintenstrahlaufzeichnungsgerät darge­ stellt, wobei das Zufuhrsystem für die Tinte bzw. Aufzeich­ nungsflüssigkeit und die Steuerschaltungen nicht dargestellt sind, die den Aufzeichnungskopf mit Steuersignalen speisen.

Eine Trägerplatte bzw. ein Substrat 1 ist mit Widerstands­ heizelementen 2 ₁, 2 ₂ bis 2 _n versehen, die als Ausstoßele- mente dienen. Eine Platte 4 weist lange Nuten 3₁ 3₂ bis 3 _n auf, die Räume bzw. Kammern zur Aufnahme der Tinte bilden, wobei die Platte 4 und das Substrat 1 im betriebsfertigen Zu­ stand derart zusammengesetzt sind, daß die Widerstandsheiz­ elemente an einer jeweils zugehörigen langen Nut bzw. Rille angeord­ net sind.

Mit den Widerstandsheizelementen 2₁, 2₂ bis 2 _n sind einzelne Speiseleiter 5₁, 5₂ bis 5 _n , deren Anzahl der Anzahl der Wi­ derstandshelzeiemente entspricht, sowie gemeinsame Speise­ leiter 6₁, 6₂ bis 6 _m verbunden. Jeder gemeinsame Speiselei­ ter ist zugleich mit mehreren Widerstandsheizelementen einer Gruppe von Widerstandsheizelemten verbunden. Die einzelnen Speiseleiter 5₁, 5₂ bis 5 _n sind an eine Matrixschaltung 7 angeschlossen. Zur Matrixschaltung 7 führen ℓ Anschlußleiter 8₁, 8₂ bis 8 _ℓ, wobei ℓ kleiner als n ist. Die gemeinsamen Speiseleiter 6₁, 6₂ bis 6 _m sind an Anschlußleiter 6′₁ bis 6′ _m angeschlossen, die auf der Rückseite des Substrates 1 verlaufen, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist.

Bei der Ausführungsform gemäß den Fig. 1 und 2 wird Tin­ te aus einem nicht dargestellten Tintenzufuhrsystem in die langen Nuten 3₁, 3₂ bis 3 _n geleitet. Über die Anschlußleiter 8₁, 8₂ bis 8 _l und 6′₁ bis 6′ _m werden elektrische Im­ pulse bzw. Signale an die Widerstandsheizelemente 2₁, 2₂ bis 2 _n angelegt. Aufgrund der angelegten elektrischen Impulse er­ zeugen die Widerstandsheizelemente 2₁, 2₂ bis 2 _n Wärmeimpul­ se, die schlagartig eine Zustandsänderung der Tinte, bei­ spielsweise eine Verdampfung oder dergleichen, bewirken, wo­ durch auf die Tinte selber eine Ausstoßkraft ausgeübt wird. Dies hat zur Folge, daß Tinte in Form von kleinen Tropfen 10 durch die Öffnungen ausgestoßen wird, die die Enden der langen Nuten bilden und in einer Öffnungsreihe 9 angeordnet sind, die in den Fig. 1 und 2 durch eine dick ausgezogene Gerade dargestellt ist. Die kleinen Tropfen 10 fliegen mit einer der Ausstoßkraft entsprechenden Geschwindigkeit und blei­ ben an einem Aufzeichnungsträger haften, der vor den Öffnun­ gen angeordnet ist, wodurch die Aufzeichnung bewirkt wird. Die Abmessungen der aus den Öffnungen ausgestoßenen Tintentropfen sind unter­ schiedlich je nach der Menge der elektrischen Energie, die den Widerstandsheizelementen zugeführt wird, dem Energieumwandlungswirkungsgrad der Widerstandsheizelemente, dem Wirkungs­ grad der Übertragung der Wärmeenergie auf die Tin­ te, der Größe der Öffnungen, der Innenabmessungen der Nuten, dem Abstand von den Öffnungen zu den Widerstandsheiz­ elementen, der auf die Tinte ausgeübten Ausstoßkraft, der Tin­ tenmenge, die der Ausstoßkraft ausgesetzt ist, sowie der spezi­ fischen Wärme, der Wärmeleitfähigkeit, dem Siedepunkt und der Verdampfungswärme der Tinte bzw. Aufzeich­ nungsflüssigkeit usw. Durch Änderung einer oder mehrerer der vor­ stehend genannten Einflußgrößen können die Abmessungen der Tropfen 10 auf einfache Weise gesteuert werden, so daß die Aufzeichnung mit geeignet gewählter Tropfengröße bzw. Punkt­ größe erfolgen kann.

Es kommen verschiedene Arten von Widerstandsheizelementen 2 ₁, 2₂ bis 2 _n in Frage, beispielsweise Dickfilmelemente, Dünn­ filmelemente, Halbleiterelemente und dergleichen. Für die Er­ findung ist jede dieser Arten geeignet. Wenn besonderer Wert auf hohe Aufzeichnungsgeschwindigkeit und hohe Auflösung ge­ legt wird, wird vorzugsweise ein Dünnfilm-Widerstandsheiz­ element benutzt.

Die in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Tintenstrahl­ drucker verwendete Tinte kann durch Lösen oder Dispergieren eines Benetzungsmittels wie beispielsweise Ethylenglykol und dergleichen, eines oberflächenaktiven Mittels, verschiedener Farben und dergleichen in einem Lösungsmittel wie beispiels­ weise Wasser, Alkoholen (z. B. Ethanol), Toluol und derglei­ chen hergestellt werden. Die auf diese Weise hergestellte Tinte wird vorzugsweise mittels eines Filters filtriert. Zu­ sätzlich oder alternativ kann vorzugsweise vorgesehen sein, daß die Tintenleitung mit einem Filter versehen ist, das die Tinte während des Gebrauchs filtriert, um dem Verstopfen der Ausstoßöffnungen vorzubeugen. Diese Vorsichtsmaßnahme ist beim erfindungsgemäßen Tintenstrahldrucker ebenso zweckmä­ ßig wie bei herkömmlichen Tintenstrahldruckern.

Beim vorstehend unter Bezugnahme auf die in den Fig. 1 und 2 er­ läuterten Ausführungsbeispiele sind die folgenden zwei Gründe für die Ausbildung und Anordnung der Speiseleiter in der dargestellten Weise maßgeblich.

• 1) Da die sehr kleinen Öffnungen, die in der Regel einen Durchmesser von 5 bis 250 µm haben, nicht gedrosselt werden sollten, ist es praktisch unmöglich, Anschluß­ leiter für die Speiseleiter auf der Seite der Öffnungs­ reihe 9 anzuordnen;
• 2) auf der Seite der Öffnungsreihe 9 ist die Fläche bzw. der Raum zur Anbringung von Speiseleitern, insbesondere von gemeinsamen Speiseleitern, sehr begrenzt. Wenn die gemeinsamen Speiseleiter in diesem begrenzten Bereich an­ geordnet werden, ist es äußerst schwierig, verhält­ nismäßig große Signale, d. h. stärkere elek­ trische Ströme, zu verarbeiten.

Der Abstand zwischen der Öffnungsreihe 9 und der Anordnung der Widerstandsheizelemente 2₁, 2₂ bis 2 _n beeinflußt den Tropfenausstoß erheblich. Je größer dieser Abstand ist, desto häufiger kommt es zu instabilem bzw. unregelmäßigem Ausstoß von Tintentropfen. Daher darf dieser Abstand nicht groß sein; vielmehr muß er klein sein, und es ist schwierig, Raum zur Anordnung der Speiseleiter zu schaffen.

In Anbetracht dessen ist die Art und Weise, wie die Speise­ leiter beim dargestellten Ausführungsbeispiel geführt sind, besonders zweckmäßig, wenn zahlreiche Ausstoßelemente zum Ausstoßen von Tinte sehr dicht auf derselben Oberfläche ei­ nes Substrates angeordnet sind.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf Fig. 3 und 4 eine weitere Ausführungsform der Erfindung erläutert.

In Fig. 3 ist lediglich das Substrat 1 dargestellt, auf dem die Widerstandsheizelemente angebracht sind. Die Ausbildung des nicht dargestellten Aufzeichnungskopfes und das Prinzip des Tintentropfenausstoßens sind im wesentlichen wie bei der Ausführungsform gemäß den Fig. 1 und 2, so daß sich eine erneute Erläuterung erübrigt.

Auf dem Substrat 1 sind n Widerstandsheizelemente 2₁, 2₂ bis 2 _n angeordnet, die mit Hilfe von Speiseleitern 5₁, 5₂ bis 5 _n mit Anschlußleitern 5′₁, 5′₂ bis 5′ _n verbunden sind. Ferner verläuft parallel zur Öffnungsreihe 9 ein Speiseleiter 11, der allen Widerstandsheizelementen 2₁, 2₂ bis 2 _n gemeinsam zugeordnet ist und zu einem Anschlußleiter 12 führt, der an einem Ende des Substrates neben der Widerstandsheizelemente­ anordnung und getrennt von dieser angeordnet ist, da der Ab­ stand zwischen der Öffnungsreihe 9 und der Widerstandsheiz­ elementeanordnung sehr klein ist und es schwierig ist, dort einen Anschlußleiter anzuordnen. Auf dem Substrat 1 wird ei­ ne nicht dargestellte Platte angebracht, die mit n Nuten 3₁, 3₂ bis 3 _n versehen ist, damit mittels der Widerstandsheiz­ elemente 2₁, 2₂ bis 2 _n Tintentropfen ausgestoßen werden können.

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung liegt darin, daß die an die Antriebselemente angelegte Spannung für alle Antriebs­ elemente unabhängig von der Eingangsaufzeichnungsinformation im wesentlichen gleich ist. Dafür zu sorgen ist besonders dann wichtig, wenn der Widerstand der Dünnfilmleiter nicht ver­ nachlässigbar ist und elektrische Impulse bzw. Signale gleichzeitig an zahlreiche Antriebselemente angelegt werden.

Eine wirksame Maßnahme zur Behebung des Problemes ungleich­ mäßiger Spannungen besteht darin, den Widerstand des gemein­ samen Speiseleiters zu verringern, wie dies in Fig. 3 dar­ gestellt ist.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 sind die Speiselei­ ter durch Aufdampfen oder Aufsprühen erzeugt. Der gemein­ same Speiseleiter 11 im Bereich 11 a zwischen der Öffnungs­ reihe 9 und der Anordnung der Widerstandsheizelemente 2₁, 2₂ bis 2 _n ist entweder als dicker Film durch Aufplattieren oder durch Einbetten eines Metallstabes hergestellt, um da­ durch den elektrischen Widerstand des gemeinsamen Speiselei­ ters 11 zu verringern, der in dem engen Bereich 11 a unterge­ bracht werden muß.

Wenn der vorstehend beschriebene Tintenstrahldrucker mittels einer Konstantspannungsquelle betrieben wird, wird die kon­ stante Spannung V zwischen den Anschlußleitern 5′₁, 5′₂ bis 5′ _n und dem gemeinsamen Anschlußleiter 12 angelegt. Wenn zu diesem Zeitpunkt mehrere Widerstandsheizelemente gleichzei­ tig angesteuert werden, schwankt die an die Widerstandsheiz­ elemente angelegte Spannung um so stärker, je größer die An­ zahl der angesteuerten Widerstandsheizelemente ist. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3, bei der der gemeinsame Spei­ seleiter 11 einen niedrigen Widerstand hat, sind jedoch die Schwankungen der an die einzelnen Widerstandsheizelemente 2₁, 2₂ bis 2 _n angelegten Spannung auf einen niedrigen Wert ge­ senkt, so daß gleichmäßiger und stabiler Tintenausstoß si­ chergestellt ist.

Im Falle der Ansteuerung über eine Matrixschaltung ist die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Ausführungsform zweckmäßiger als die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform.

Ein gemeinsames Merkmal der vorstehend beschriebenen Aus­ führungsformen besteht darin, daß zum Zweck der Vergleichmä­ ßigung und Stabilisierung des Tintentropfenausstoßes der Ab­ stand zwischen der Öffnungsreihe und der Reihe, in der die Antriebselemente, beispielsweise die Widerstandsheizelemente, angeordnet sind, dadurch verringert ist, daß die Anschlußlei­ ter für die mit den Antriebselementen verbundenen Speiselei­ ter auf einer Seite konzentriert sind, die bezüglich der An­ triebselemente entgegengesetzt zur Öffnungsreihe liegt.

Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines mit Wi­ derstandsheizelementen versehenen Substrates 1. Der entspre­ chende Aufzeichnungskopf wird vervollständigt durch Anbrin­ gen einer nicht dargestellten, mit Nuten versehenen Platte auf dem Substrat 1, die der Platte 4 gemäß Fig. 1 entspricht.

Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf das Substrat 1, auf dem n Widerstandsheizelemente 13₁, 13₂ bis 13 _n angeordnet sind, die an Speiseleiter 14₁, 14₂ bis 14 _n angeschlossen sind, die auf derselben Oberfläche parallel zu einzelnen Speiselei­ tern 17₁, 17₂ bis 17 _n zurücklaufen. Die zurückgeführten Speiseleiter sind an gemeinsame Speiseleiter 16₁ bis 16 _m auf einer Isolatorschicht 15 angeschlossen, die niedrigen Widerstand haben und ihrerseits an Anschlußleiter 16′₁ bis bis 16′ _m angeschlossen sind, über die die Außenanschlüsse des Substrates 1 hergestellt werden. Die einzelnen Speise­ leiter 17₁, 17₂ bis 17 _n führen über eine Matrixschaltung 18 und Anschlußleiter 19₁, 19₂ bis 19 _l , deren Anzahl kleiner als n ist, zur Außenseite des Substrates 1. In Fig. 4 be­ zeichnet eine dick ausgezogene Gerade die Öffnungsreihe 20.

Der erste Vorteil der in Fig. 4 dargestellten Ausführungs­ form besteht darin, daß der Abstand zwischen der Öffnungs­ reihe 20 und der Anordnung aus den Widerstandsheizelementen 13₁, 13₂ bis 13 _n in gewünschter Weise verkürzt werden kann und daß ferner eine verhältnismäßig lange Fläche der Speiseleiter entlang den Leitungen für die Aufzeichnungs­ flüssigkeit angeordnet werden kann.

Der zweite Vorteil besteht darin, daß die Bearbeitung beim Fotolithographieren oder dergleichen sehr einfach ist, da die Muster sämtlicher Elemente auf derselben Oberfläche aus­ gebildet werden, worin ein Unterschied zu der Ausführungs­ form gemäß den Fig. 1 und 2 besteht.

Ein dritter Vorteil besteht darin, daß keine Gefahr besteht, daß Speiseleiter unterbrochen werden, während die Oberfläche mit den Öffnungen geformt und geschliffen wird, nachdem die in Fig. 4 nicht dargestellte Platte mit den Nuten bzw. Ril­ len auf dem Substrat 1 angebracht worden ist.

Fig. 5 zeigt eine Abwandlung der Ausführungsform gemäß Fig. 4, wobei bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 für jede der nicht dargestellten Tintenkammern zwei Widerstandsheiz­ elemente vorgesehen sind. Jeder der n Tintenkammern ist ein­ Paar aus zwei Widerstandsheizelementen (13₁, 13′₁), (13₂, 13′₂) bis (13 _n , 13′ _n zugeordnet. Für gleiche Teile und Ele­ mente sind bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 gleiche Be­ zugszeichen wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 be­ nutzt. Im Vergleich zur Ausführungsform gemäß Fig. 4 besteht der Vorteil der Ausführungsform gemäß Fig. 5 darin, daß sie einfacher hergestellt werden kann, wobei insbesondere die Erzeugung des Musters durch Ätzen einfacher ist.

Die Ausbildung und Anordnung der Speiseelektroden ist nicht auf die Ausführungsformen gemäß den Fig. 4 und 5 be­ schränkt. Beispielsweise kann ein zurückgeführter Spei­ seleiter für mehrere Tintenkammern vorgesehen sein, wie dies in den Fig. 6 und 7 dargestellt ist.

Im folgenden wird die Herstellung des Ausführungsbeispieles gemäß Fig. 4 ausführlicher erläutert. Auf einem Aluminium­ oxidsubstrat (60 mm × 90 mm) wird eine Schicht aus SiO₂ mit einer Dicke von 4 µm durch HF-Auftragen erzeugt. Wider­ standsheizelemente aus HfB₂ und Speise- und Anschlußleiter aus Aluminium werden erzeugt, indem zunächst kontinuierlich aufgesplittert und dann so geätzt wird, daß sich die Muster gemäß Fig. 4 ergeben. Die Breite jedes der Speiseleiter 13₁, 14₁, 13₂, 14₂, bis 13 _n , 14 _n beträgt 40 µm, während der Mitten­ abstand der Leiter 50 µm beträgt. Jedes Widerstandsheiz­ element hat eine Breite von 40 µm und eine Länge von 300 µm. Der Mittenabstand der Widerstandsheizelemente be­ trägt 100 µm. Der Widerstand jedes Widerstandsheizelemen­ tes beträgt 200 Ohm, und der Widerstand jedes Speiseleiters beträgt 20 Ohm. Jeweils 50 Speiseleiter 14₁, 14₂ bis 14 _n sind an einen der Anschlußleiter 16′₁ bis 16′ _m angeschlossen (sie­ he Fig. 4), so daß in diesem Fall gilt n = 500 und m = 10. Die Isolatorschicht 15 wird als SiO₂-Film mit einer Dicke von 5 µm aufgesprüht, und die Matrixschaltung 18 wird in dem in Fig. 4 dargestellten Abschnitt angeordnet.

Am fertig bearbeiteten Substrat 1 wird eine Glasplatte an­ geklebt, die Nuten mit einer Breite von 40 µm, einer Tiefe von 40 µm und einem Mittenabstand von 100 µm aufweist. Dabei wird die Platte am Substrat 1 in der Weise angebracht, daß jede Nut in der Glasplatte mit jeweils ei­ nem der Widerstandsheizelemente korrespondiert. Danach wird die Oberfläche, in der sich die Öffnungen befinden, so ge­ schliffen, daß die Öffnungsreihe 20 parallel zur Anordnung der Widerstandsheizelemente verläuft. Der fertige Aufzeich­ nungskopf wird mit Tinte gespeist, während Rechteckimpulse von 40 V und 10 µsec mit einer Periode von 500 µsec angelegt werden. Durch die elektrischen Signale werden gleichmäßig Tintentropfen ausgestoßen. Wenn sämtliche 50 Speiselei­ ter mit Strom gespeist werden, ist die Qualität der Aufzeich­ nung nicht anders, als wenn lediglich einem Speiseleiter Strom zugeführt wird.

Im folgenden werden weitere Ausführungsbeispiele der Erfin­ dung unter Bezugnahme auf die Fig. 8 bis 11 erläutert.

Fig. 8 zeigt einen zerlegten Aufzeichnungskopf ei­ nes Tintenstrahldruckers, wobei Einzelheiten des Zufuhr­ systems für die Aufzeichnungsflüssigkeit der Steuerschaltun­ gen für den Aufzeichnungskopf und dergleichen nicht darge­ stellt sind.

Der Aufzeichnungskopf gemäß Fig. 8 umfaßt ein leitfähiges Substrat 101, das mit einer Isolatorschicht 111 versehen ist und Widerstandsheizelemente 102-1, 102-2 bis 102 -n trägt, die als Heizelemente eines elektrothermischen Wandlers dienen. Das Substrat 101 ist mit einer Platte 104 verbunden, die mit einer Anordnung langer Nuten 103-1, 103-2 bis 103 -n versehen ist, die als Flüssigkeitskammern zur Aufnahme von Aufzeich­ nungsflüssigkeit dienen. Die Platte 104 und das Substrat 101 sind so zusammengefügt, daß jedes Widerstandsheizelement je­ weils an einer langen Nut angeordnet ist.

Die Isolatorschicht 111 hat nicht nur den Zweck, elektrisch zu isolieren, sondern dient auch als Wärmespeicherschicht, die die Übertragung der von den Widerstandsheizelementen er­ zeugten Wärme steuert.

Die auf dem Substrat 101 ausgebildeten Widerstandsheizelemen­ te 102-1, 102-2, 102 -i bis 102 -n sind an einzelne Speiselei­ ter 105-1, 105-2, 105 -i bis 105 -n, über die wahlweise an die Widerstandsheizelemente einzeln elektrische Signale angelegt werden, sowie an gemeinsame Speiseleiter 106-1, 106-2, 106 -i bis 106 -m angeschlossen. Sämtliche Widerstandsheizelemente 102-1, 102-2, 102 -i bis 102 -n können an lediglich einen ge­ meinsamen Speiseleiter angeschlossen sein; alternativ können die Widerstandsheizelemente in Gruppen aus jeweils mehreren Widerstandsheizelementen unterteilt sein, wobei dann jede Gruppe an einen gemeinsamen Speiseleiter angeschlossen ist. Das leitfähige Substrat kann selber als Leiter zum Leiten von Strom dienen.

In einem Abschnitt des Substrates 101, der sich entgegenge­ setzt zu demjenigen Abschnitt befindet, an dem die Ausstoß­ öffnungen ausgebildet sind, sind Anschlußleiter 106′-1, 106′-2 bis 106′ -m ausgebildet, über die Strom zugeführt werden kann. Es braucht lediglich ein solcher Anschlußleiter gemeinsam für alle Widerstandsheizelemente vorgesehen sein; alternativ kann ein solcher Anschlußleiter für jede Gruppe von Wider­ standsheizelementen, die aus zahlreichen einzelnen Wider­ standsheizelementen besteht, vorgesehen sein. Die einzelnen Speiseleiter 105-1, 105-2, 105 -i bis 105 -n sind mit einer Ma­ trixschaltung 107 verbunden, die wiederum mit ℓ Anschlußlei­ tern 108-1, 108-2, 108 -i bis 108-l für die einzelnen Speise­ leiter verbunden ist, wobei gilt ℓ<n. Somit liegt zwischen den gemeinsamen Anschlußleitern 106′-1, 106′-2 bis 106′ -m (bzw. dem Substrat 101 selber) zur Speisung mit Strom und den einzelnen Speiseleitern 105-1, 105-2, 105 -i bis 105 -n die Isolatorschicht 111 auf dem Substrat 101. Die vorstehend beschriebene Ausbildung weist somit eine einfachere Struk­ tur der Substratoberfläche als eine Ausbildung auf, bei der zahlreiche Speiseleiter und Anschlußleiter in lediglich ei­ ner Ebene angeordnet sind.

Der Aufzeichnungskopf ist mit einer Leitung 110 versehen, durch die die Aufzeichnungsflüssigkeit, die aus einem Reser­ voir und nicht dargestellten Speiseleitungen zugeführt wird, in den Aufzeichnungskopf eingeleitet wird.

Fig. 9 zeigt eine Schnittdarstellung gemäß X-Y in Fig. 8. Wie aus Fig. 9 erkennbar ist, ist das Widerstandsheizele­ ment 102 -i über dem Substrat 101 angeordnet, wobei die Iso­ latorschicht 111 dazwischen angeordnet ist. Eine leitfähige Schicht als gemeinsamer Speiseleiter, der die Widerstands­ heizelemente mit Strom speist, und eine weitere leitfähige Schicht, die als einzelner Speiseleiter ausgebildet ist, sind in verschiedenen Ebenen angeordnet und bilden einen Mehrschichtleiter mit einer zwischengeordneten Isolator­ schicht.

Fig. 10 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Auf dem in diesem Fall nicht leitfähigen Substrat 101′ ist eine leitfähige Schicht 112 ausgebildet. Das sich ergebende Element dient als leitfähige Schicht zur Speisung mit Strom, d. h. als Speiseleiter.

Als Material für die leitfähige Schicht 112 können Metalle wie beispielsweise Al, Au und dergleichen benutzt werden. Als Material für das Widerstandsheizelement 102 -i können übliche Widerstandsmaterialien wie beispielsweise CrB₂, HfB₂, Ta₂N, W, Ni-Cr, Dickfilmwiderstandsmaterialien wie beispielsweise das Pd-Ag-System, das Ru-System und dergleichen sowie SiO₂ benutzt werden.

Als Substrat 101 (Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 9) können verschiedene Metallsubstrate und kristallines Si-Substrat dienen. Als Substrat 101′ (Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 10) dient vorzugsweise ein keramisches Substrat mit hoher Wärme­ leitfähigkeit.

Die Oberflächen der leitfähigen Schichten (Speiseleiter 106-2, Speiseleiter 105 -i) und der Widerstandsheizelemente (Wider­ standsheizelement 102 -i) sind vorzugsweise mit einer dünnen, isolierenden Schutzschicht versehen, die durch Kontakt mit der Aufzeichnungsflüssigkeit verursachte chemische Reaktionen, Kriechströme, mechanische Reibung und dergleichen verhindert bzw. vermindert. Ferner kann vorzugsweise vorgesehen sein, das Substrat mit einer Kühleinrichtung zu versehen, um die Eignung für längeren ununterbrochenen Aufzeichnungsbe­ trieb zu verbessern.

Bei jeder der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen sind die gemeinsamen Speiseleiter (Sammelleiter) auf der Untersei­ te der Isolatorschicht und die einzelnen Speiseleiter (Ein­ zelleiter) auf der Oberseite der Isolatorschicht angeordnet; die relative Anordnung der einzelnen Speiseleiter und der gemeinsamen Speiseleiter kann jedoch auch umgekehrt sein.

Jeder gemeinsame Speiseleiter und der zugehörige Anschlußlei­ ter können mittels eines Durchgangsloches 113 miteinander ver­ bunden sein, wie dies in Fig. 11 gezeigt ist. Um mehrere einzelne Speiseleiter in einer Ebene mit ausreichendem Raum ausbilden zu können, kann ferner vorgesehen sein, daß mehrere leitfähige Schichten und mehrere isolierende Schichten ab­ wechselnd angeordnet sind.

Im folgenden wird die Funktionsweise des Aufzeichnungskopfes gemäß Fig. 8 kurz erläutert. Aus einem nicht dargestellten Zufuhrsystem für Aufzeichnungsflüssigkeit bzw. Tinte wird Tinte in jede lange Nut 103-1, 103-2, 103 -i bis 103 -n durch die Leitung 110 eingeleitet. Dann werden elektrische Signale, in der Regel in Form von mittels eines Impulswandlers erzeug­ ten Impulsen, wahlweise an die Widerstandsheizelemente 102-1, 102-2, 102 -i bis 102 -n über die Anschlußleiter 108-1, 108-2, 108 -i bis 108-l und 106′-1, 106′-2 bis 106′ -m angelegt. In Abhängigkeit von den angelegten Signalen erzeugen die Wider­ standsheizelemente 102-1, 102-2, 102 -i bis 102 -n Wärmeimpul­ se, durch deren Wärmeenergie die Tinte eine Zustandsänderung, nämlich eine Ausdehnung, Verdampfung und dergleichen, er­ fährt. Die durch die Zustandsänderung verursachte Druckände­ rung pflanzt sich in Richtung zu den Öffnungen fort, die vom vorderen Randabschnitt 109 des Substrates 101 und den Enden der Nuten der Platte 104 begrenzt werden, wobei die Druckän­ derung die Wirkung hat, daß durch die Öffnungen Tinte aus­ tritt und in Form von kleinen Tropfen ausgestoßen wird. Auf diese Weise wird entsprechend den Signalen eine Aufzeichnung bewirkt. Die Abmessungen der kleinen Tropfen können durch Änderung der Stärke der Ausstoßkraft beeinflußt werden. Die Stärke der Ausstoßkraft ist unterschiedlich je nach der Menge der dem elektrischen Widerstandsheizelement zugeführten elek­ trischen Energie, dem Energieumwandlungswirkungsgrad des Widerstandsheizelementes, dem Wirkungsgrad der Übertragung der Wärmeenergie auf die Tinte, der Größe der Öff­ nung, den Innenabmessungen der Nut, dem Abstand von der Öff­ nung zum Widerstandsheizelement, dem Druck der Tinte, der Menge der der Ausstoßkraft ausgesetzten Tinte sowie der spezi­ fischen Wärme, der Wärmeleitfähigkeit, dem Siedepunkt und der Verdampfungswärme der Tinte usw.

Bei einem Aufzeichnungskopf, bei dem Tinte mit Hilfe thermi­ scher Energie ausgestoßen wird und bei dem der Abstand zwi­ schen der Ausstoßöffnung und dem Abschnitt, in dem die Wärme­ energie aufgebracht wird, groß ist, besteht die Gefahr, daß die kleinen Tropfen instabil bzw. ungleichmäßig ausgestoßen werden. Daher ist es nicht zweckmäßig, Speiseleiter und mit den Speiseleitern verbundene Anschlußleiter nahe den Ausstoß­ öffnungen anzuordnen. Beim vorstehend beschriebenen Aus­ führungsbeispiel braucht zur Anordnung von mit den Speise­ leitern verbundenen Anschlußleitern kein Raum in der Nähe der Ausstoßöffnungen vorhanden zu sein, so daß die Ausstoß­ stabilität verbessert ist. Insbesondere wenn eine sehr große Anzahl von Ausstoßöffnungen vorgesehen ist, kann die Struktur der Anschlußleiter, die mit den einzelnen Speiseleitern ver­ bunden sind, vereinfacht werden, und bei praktisch ausgeführ­ ten Aufzeichnungsgeräten werden gute Ergebnisse erzielt.

Im folgenden werden Beispiele beschrieben, die die konkrete Anwendung des vorstehend beschriebenen Tintenstrahldruckers erläutern.

Beispiel 1

Es wurde ein Aufzeichnungskopf unter Verwendung des Substra­ tes mit der Ausbildung gemäß Fig. 9 hergestellt. Das Sub­ strat 101 (Wafer, der durch epitaxiales Aufwachsen von Silizium mit niedrigem Widerstand auf einen Siliziumwafer mit hohem Wi­ derstand erzeugt wurde; 0,6 mm dick), die Isolatorschicht 111 (Sio₂; 5 µm dick), eine Widerstandsmaterialschicht (ZrB₂; 80 nm dick) und eine leitfähige Schicht (Speiseleiter 106-2, 105 -i; Al mit einer Dicke von 100 nm) wurden in der genannten Reihenfolge aufeinander aufgebracht. Dann wurden durch Foto­ ätzen die Widerstandsheizelemente mit einer Breite von 40 µm, einer Dicke von 10 µm und einem Mittenabstand von 120 µm sowie die gemeinsamen Speiseleiter und die ein­ zelnen Speiseleiter nach vorgegebenen Mustern hergestellt.

Die gemeinsamen Speiseleiter wurden derart ausgebildet, daß jeweils 30 Widerstandsheizelemente durch eine Wärmeoxida­ tionsschicht getrennt waren. Zur Fertigstellung des Substra­ tes mit Widerstandsheizelementen wurde eine SiO₂-Schicht mit einer Dicke von 1 µm aufgebracht.

Die Nuten in der Platte wurden mit einer Breite von 40 µm, einer Tiefe von 40 µm und einem Mittenabstand von 120 µm hergestellt. Die mit Nuten versehene Platte wurde mit dem Substrat zusammengebaut, indem die Platte und das Sub­ strat miteinander zum Aufzeichnungskopf verklebt wurden.

Der Aufzeichnungskopf wurde mit Tinte gespeist, während eine Rechteckwelle von 10 µsec und 40 V mit einer Periode von 500 µsec an die Widerstandsheizelemente angelegt wurde. Es wurde gleichmäßiger Ausstoß von Tropfen bewirkt.

Beispiel 2

Ein Substrat, das den Querschnitt gemäß Fig. 9 hatte, wurde auf folgende Weise hergestellt und für einen Aufzeichnungs­ kopf verwendet.

Eine Wärmeoxidationsschicht (SiO₂-Schicht) mit einer Dicke von 5 µm wurde auf einem kristallinen Substrat (5 mm breit, 1,5 cm lang, spezifischer Widerstand 10^-2 Ω·cm) er­ zeugt. Die Wärmeoxidationsschicht wurde allerdings nicht an einem Ende an einer Schmalseite des rechteckigen Substrates aufgebracht, wie dies in Fig. 9 gezeigt ist. Die Wider­ standsheizelemente, die Speiseleiter, die Anschlußleiter und die Schutzschicht wurden im wesentlichen auf gleiche Weise wie bei Beispiel 1 hergestellt.

40 solcher Substratstücke wurden hergestellt und an ihren langen Seiten mittels eines härtbaren Bindemittels (spezifi­ scher Widerstand größer als 10^-9 Ω·cm) miteinander verklebt. Mit dem auf diese Weise zusammengesetzten Substrat mit Wi­ derstandsheizelementen (1200 Öffnungen) wurde eine mit Nuten versehene Platte ähnlich der bei Beispiel 1 verwendeten zu­ sammengebaut. Unter gleichen Bedingungen wie beim Beispiel 1 wurde eine Aufzeichnung auf einem Aufzeichnungspapier im Format A4 vorgenommen, wobei eine qualitativ einwandfreie Aufzeichnung mit hoher Geschwindigkeit hergestellt wurde.

Wenn wie beim vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel die Mittel zur Speisung einer Vorrichtung zur Erzeugung von Ausstoßenergie mit elektrischem Strom (elektrischen Signalen), bei denen es sich beispielsweise um Elektroden, Leiter, An­ schlüsse und dergleichen handelt, aus leit­ fähigen Schichten, die unter Verwendung von dazwischen ange­ ordneten Isolatorschichten auf ein Substrat laminiert sind, gebil­ det werden, müssen diejenigen Abschnitte, in denen die Anschlußleiter an­ geordnet werden, nicht an bestimmten Stellen angeordnet wer­ den; vielmehr können für sie beliebige für das Gerät geeigne­ te Stellen gewählt werden. Wenn Tropfen wahlweise aus einer Anordnung mit zahlreichen Öffnungen ausgestoßen werden sollen, ist es nicht notwendig, viele Anschlußleiter in einem engen Bereich auf dem Substrat anzuordnen. Insbesondere bei einem Schreibkopf, bei dem ein Substrat mit elektrothermischem Wand­ ler mit einer Platte zusammengefügt ist, die mit einer Anord­ nung aus zahlreichen Nuten versehen ist, die als Aufzeich­ nungsflüssigkeitskammern dienen, sind die feinen Ausstoßöff­ nungen und ihre Umgebung nicht gedrosselt oder verbaut. Die Ausstoßstabilität ist verbessert, und ferner kann das prak­ tisch ausgeführte Tintenstrahlaufzeichnungsgerät einfacher ausgebildet werden.

Vorstehend wurde die Erfindung anhand eines Tintenstrahldruckers erläutert, der mit Wärmeenergie arbeitet. Die Er­ findung kann jedoch auch bei einem Tintenstrahldrucker benutzt werden, der mit piezoelektrischen Elementen oder an­ deren Antriebselementen arbeitet, denen elektrische Signale mit Hilfe von Speiseleitern bzw. Elektroden zugeführt werden.

Die vorliegende Erfindung ist besonders geeignet für ein Tin­ tenstrahlaufzeichnungsgerät, bei dem zahlreiche Antriebselemen­ te dicht beieinander vorgesehen sind, beispielsweise 8 bis 16 Düsen je mm. Die zurückgeführten Speiseleiter müssen nicht immer zu einem gemeinsamen Speiseleiter zusammengeführt wer­ den, sondern können mittels jeder Koppelung seitlich aus dem Substrat herausgeleitet werden. Zweckmäßig ist es, die auf dem Substrat ausgebildeten Widerstandsheizelemente und Spei­ seleiter mit einem isolierenden Material bzw. einem schützen­ den Material zu beschichten, um Kriechströme von den Wider­ standsheizelementen und Speiseleitern zu verhindern und fer­ ner zu verhindern, daß die Widerstandsheizelemente und die Speiseleiter direkt in Berührung mit der Aufzeichnungsflüs­ sigkeit kommen.

Wie bereits erwähnt, schafft die Erfindung einen Tin­ tenstrahldrucklaufzeichnungskopf, bei dem zahlreiche Tintenkam­ mern zum Ausstoßen von Tinte sehr dicht angeordnet und mit hoher Genauigkeit ausgebildet sind. Ferner kann der Tinten­ strahlaufzeichnungskopf verhältnismäßig einfach hergestellt werden, und die Qualität der geschriebenen Buchstaben und Zeichen ist sehr hoch.

Claims (12)

1. Tintenstrahlaufzeichnungskopf mit mehreren Öffnun­ gen zum Ausstoßen von Tintentröpfchen, mit mit den Öff­ nungen verbundenen Tintenkammern zum Zuführen von Aufzeich­ nungsflüssigkeit, mit auf dem Trägersubstrat und inner­ halb der einzelnen Tintenkammern angeordneten und mit elek­ trischer Energie betreibbaren Ausstoßelementen, mit deren Hilfe ein Teil der in der Tintenkammer zugeführten Aufzeich­ nungsflüssigkeit zur zugehörigen Öffnung hin verdrängt und als Tintentröpfchen über die Öffnung ausgestoßen wird, und mit auf dem Trägersubstrat ausgebildeten elektrischen Spei­ seleitern zum Zuführen von elektrischer Energie zu den je­ weils zwischen zwei elektrischen Speiseleitern angeordneten Ausstoßelementen, wobei die elektrischen Speiseleiter als für jedes einzelne Ausstoßelement zugeordnete Wählelektrode und für auf dem Trägersubstrat angeordnete Ausstoßelemente gemeinsame Elektrode ausgebildet sind, dadurch gekennzeich­ net, daß die zumindest eine für mehrere Ausstoßelemente (2₁ bis 2 _n ) gemeinsame Elektrode (6₁ bis 6 _m ) ausgehend von dem den Öffnungen (Öffnungsreihe 9) zugewandten Ende der jewei­ ligen Ausstoßelemente (2₁ bis 2 _n ) über die plan mit der Fläche der Öffnungen verlaufende Frontseite des Trägersub­ strats (1) geführt und im weiteren Verlauf auf der Oberflä­ che der Rückseite des Trägersubstrats (1) zurückgeführt ist.

2. Tintenstrahlaufzeichnungskopf nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß jeder elektrische Speiseleiter (5₁ bis 5 _n ; 6₁ bis 6 _m ; 11) aus einer Dünnfilmschicht besteht.

3. Tintenstrahlaufzeichnungskopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest eine gemeinsame Elektrode (6₁ bis 6 _m ; 11) einen Abschnitt aufweist, der dicker ist als jede Wählelektrode.

4. Tintenstrahlaufzeichnungskopf nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Elektrode im Bereich der Ausstoßelemente als Stab (11) ausgebildet ist.

5. Tintenstrahlaufzeichnungskopf nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß jedes Ausstoßelement als Wider­ standsheizelement (2₁, 2₂, 2 _n ) ausgebildet ist.

6. Tintenstrahlaufzeichnungskopf nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest eine gemeinsame Elektrode (16₁ bis 16 _m ) und die Wählelektro­ de (19₁bis 19 _e ) bezüglich des Ausstoßelements (13₁ bis 13 _n ) auf der den Öffnungen gegenüberliegenden Seite der Oberfläche des Trägersubstrats (1) angeordnet sind und die elektrischen Speiseleiter (14₁ bis 14 _n ; 17₁ bis 17 _n ) jedes Ausstoßelements (13₁ bis 13 _n ) im wesentlichen parallel zueinander zu der zumindest einen gemeinsamen Elektrode (16₁ bis 16 _m ) und zur Wählelektrode (19₁ bis 19 _e ) geführt sind.

7. Tintenstrahlaufzeichnungskopf nach Anspruch 6, da­ durch gekennzeichnet, daß jede Tintenkammer mit mehreren voneinander getrennten Ausstoßelementen (13₁ bis 13 _n ; 13′₁ bis 13′ _n ) versehen ist.

8. Tintenstrahlaufzeichnungskopf nach Anspruch 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die elektrischen Speiseleiter (14₁ bis 14 _n ; 17₁ bis 17 _n ) in derselben Ebene wie die Ausstoßele­ mente (13₁ bis 13 _n ; 13′₁ bis 13′ _n ) angeordnet sind.

9. Tintenstrahlaufzeichnungskopf nach einem der An­ sprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeder elektri­ sche Speiseleiter (14₁ bis 14 _n ; 17₁ bis 17 _n ) aus einer Dünn­ filmschicht besteht.

10. Tintenstrahlaufzeichnungskopf nach einem der An­ sprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Ausstoß­ element als Widerstandsheizelement (13₁ bis 13 _n ; 13′₁ bis 13′ _n ) ausgebildet ist.

11. Tintenstrahlaufzeichnungskopf nach einem der An­ sprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die elektri­ schen Speiseleiter (14₁ bis 14 _n ; 17₁ bis 17 _n ) in mehrere Gruppen aufgeteilt sind, wobei die Wählelektroden einer je­ weiligen Gruppe über entsprechende Ausstoßelemente mit je­ weils einer gemeinsamen Elektrode verbunden sind.

12. Tintenstrahlaufzeichnungskopf gemäß dem Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest eine für mehrere Ausstoßelemente (2₁ bis 2 _n ) ge­ meinsame Elektrode (6₁ bis 6 _m ) unterhalb der Wählelektroden auf dem Trägersubstrat (1) zurückgeführt ist.