DE60008487T2

DE60008487T2 - Kontinuierlich arbeitender tintenstrahl-farbdruckkopf und verfahren für dessen herstellung

Info

Publication number: DE60008487T2
Application number: DE60008487T
Authority: DE
Inventors: John A. Rochester Lebens
Original assignee: Eastman Kodak Co
Current assignee: Eastman Kodak Co
Priority date: 1999-12-17
Filing date: 2000-12-07
Publication date: 2004-12-16
Anticipated expiration: 2020-12-08
Also published as: DE60008487D1; JP2001191559A; US20020001022A1; US6676249B2; EP1108549B1; EP1108549A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Tintenstrahldrucker und ein Verfahren für dessen Herstellung. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Farbdrucker und Verfahren dafür. Ganz besonders bezieht sich die Erfindung auf kontinuierlich arbeitende Tintenstrahl-Druckköpfe, bei denen durch Mischen "im Fluge" von Tinten enthaltenden Flüssigkeiten mit einer Trägerflüssigkeit Farbdrucke mit kontrollierter und variabler Sättigung erzielt werden.
Im modernen Farbdruck kommen in starkem Maße Tintenstrahl-Drucktechniken zum Einsatz. Im Sinne dieser Beschreibung sind unter "Tintenstrahl" alle DOD- oder kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahlsysteme zu verstehen, unter anderem auch dem Fachmann bekannte Thermotintenstrahl-, piezoelektrische und kontinuierlich arbeitende Systeme. Tintenstrahldrucker erzeugen auf einem Empfangsmedium Bilder, indem sie Tintentropfen bildweise auf ein Empfangsmedium, etwa Papier, ausstoßen. Neben der Fähigkeit des Druckers, auf normalem Papier zu drucken, beruht die hohe Akzeptanz von Tintenstrahldruckern im Markt auf ihrer geräuscharmen, energiesparenden und kostengünstigen Arbeitsweise.
Heute wird der Markt von zwei Arten von DOD-Tintenstrahldruckern dominiert. Bei "Thermo"-DOD-Tintenstrahldruckern wird ein kleines Tintenvolumen rasch erhitzt, wodurch die Tinte verdampft und sich ausdehnt, so dass Tinte durch eine Öffnung oder Düse ausgestoßen wird. Die ausgestoßene Tinte landet dann auf ausgewählten Bereichen eines Empfangsmediums. Durch den sequentiellen Betrieb einer sich am Empfangsmedium vorbei bewegenden Anordnungen solcher Öffnungen oder Düsen wird ein Tintenpunkt-Muster in Form eines Textes oder einer Abbildung auf dem Empfangsmedium aufgezeichnet. Normalerweise umfasst der Druckkopf einen Tintenbehälter und Kanäle, die jeweils in dem Bereich, in dem eine Verdampfung stattfindet, Tinte nachfüllen. Eine Anordnung von Thermotintenstrahl-Heizelementen, Tinten kanälen und Düsen wird zum Beispiel in US-A-4 882 595, erteilt am 21. November 1989 an Truebe et al., mit dem Titel "Hydraulisch abgestimmte Kanalarchitektur" beschrieben.
Andererseits wird bei der Funktion piezoelektrischer DOD-Drucker für jede Düse ein eigener piezoelektrischer Wandler eingesetzt, wodurch ein Druckimpuls erzeugt wird, der die Tropfen ausstößt. US-A-3 946 398, erteilt am 23. März 1976 an Kyser et al., mit dem Titel "Verfahren und Vorrichtung zum Aufzeichnen mittels Schreibflüssigkeiten und Tropfenausstoßmittel dafür" beschreibt eine piezoelektrische Druckvorrichtung dieser An. Das an Kyser et al. erteilte Patent beschreibt einen DOD-Tintenstrahldrucker, bei dem an ein piezoelektrisches Kristall eine hohe Spannung angelegt wird, die den Kristall veranlasst, sich zu biegen. Durch das Biegen des Kristalls wird ein Druck ausgeübt, so dass Tropfen aus einem Tintenbehälter nach Bedarf durch die Düse ausgestoßen werden. Bei beiden Druckertypen, d.h. dem Thermodrucker und dem piezoelektrischen Drucker, wird die Farbwiedergabe durch Bereitstellung von wenigen (zum Beispiel typischerweise drei) Behältern mit farbiger Tinte und zugehöriger Düsen und Ausstoßmechanismen bewirkt, wobei die verschiedenfarbigen Punkte auf einem entsprechenden Empfangsmedium überlagert werden.
Kontinuierlich arbeitende Tintenstrahlsysteme erzeugen einen kontinuierlichen Strom von Tintentropfen, der durch periodische Störung der Düse, zum Beispiel mittels eines piezoelektrischen Wandlers, erzeugt wird. Kontinuierlich arbeitende Tintenstrahldrucker arbeiten daher mit elektrostatischen Ladetunnels, die dicht an der Stelle angeordnet werden, an der die Tintentropfen in Form eines Stromes ausgestoßen werden. Dabei werden ausgewählte Tropfen durch die Ladetunnels elektrisch geladen. Die geladenen Tropfen werden stromabwärts durch Ablenkplatten, zwischen ein vorbestimmter elektrischer Potentialunterschied besteht, abgelenkt.
Zum Auffangen der geladenen Tropfen kann eine Rinne verwendet werden, während die nicht geladenen Tropfen frei auf das Empfangsmedium auftreffen können. Tropfen, die nicht zum Drucken verwendet werden, werden in die Rinne gelenkt, von wo aus sie in den Prozess zurückgeführt werden können. Kontinuierlich arbeitende Tintenstrahldrucksysteme dieser An weisen anderen Drucksystemen gegenüber den Vorteil auf, dass sie Tintentropfen mit hoher Frequenz erzeugen. Allerdings erfordern kontinuierlich arbeitende Tintenstrahldrucksysteme komplizierte Elektroden und hohe magnetische Felder und zusätzlich ein aufwändiges und umständliches Tintenrückführsystem für die Rückführung nicht gebrauchter Tinte.
Die vorstehend beschriebenen Drucktechniken leiden unter verschiedenen deutlichen Nachteilen, unter anderem der Schwierigkeit der Halbton-Farbwiedergabe (Grauskalenwiedergabe). Für eine Haltbon-Farbwiedergabe können zwar Dithering-Verfahren eingesetzt werden, diese gehen aber auf Kosten einer geringeren Auflösung. Ein anderes Verfahren für eine Halbton-Farbtonwiedergabe besteht darin, mehrere Tropfen einer Düse auf ein Bildpixel aufzubringen. Dieses Verfahren leidet jedoch daran, dass die exakte Positionierung der gedruckten Pixel nicht sicher ist, weil das Empfangsmedium sich normalerweise während des Druckvorgangs in Bewegung befindet, so dass nicht mehrere Tintentropfen gleichzeitig ausgestoßen werden können.
Die Halbton-Farbwiedergabeverfahren leiden darüber hinaus an häufigen Bildartefakten in den gedruckten Bildern, weil weniger dichte Bildpixel, die geringeren Tintenmengen entsprechen, auf dem Empfangsmedium nicht dieselbe Fläche abdecken wie hochdichte Bildpixel, die größeren Tintenmengen entsprechen. Es ist jedoch bekannt, dass unabhängig von der Bilddichte das Drucken von Pixeln ungleicher Flächenbereiche sichtbare Artefakte in den gedruckten Bildern erzeugt.
Bei einem weiteren Halbton-Farbwiedergabeverfahren werden mehrere Tintendichten verwendet, um eine höhere Anzahl von Intensitäten zur Verfügung zu haben. US-A-5 625 397, erteilt am 29. April 1997 an Allred et al., mit dem Titel "Punkt beim Tintenstrahldruck mit Tinten unterschiedlicher Dichte" beschreibt ein Verfahren zur Verwendung von Tinte mit zwei Dichten sowie das Aufbringen mehrere Tropfen zur Erhöhung der Skala verfügbarer Farbintensitäten. Dieses Verfahren leidet, wenn auch in geringerem Maße, immer noch unter den vorstehend erwähnten Problemen und schafft darüber hinaus eine noch größere Komplexität, indem es noch mehr Tintenbehälter und Düsenanordnungen für jede zusätzliche Tintendichte erfordert.
Bekannt sind noch weitere DOD-Druckverfahren. EPA 96 104 789 beschreibt ein Verfahren zum Steuern der Farbintensität in einem piezoelektrischen DOD-Tintenstrahlsystem. Bei diesem Verfahren sind zwei Kammern miteinander verbunden. In einer Kammer befindliche Tinte wird mit Hilfe eines piezoelektrischen Druckimpulses in eine zweite Kammer ausgestoßen. Danach wird die gemischte Flüssigkeit mit Hilfe eines weiteren piezoelektrischen Druckimpulses aus der zweiten Kammer ausgestoßen. US-A-5 606 351, erteilt am 25. Februar 1997 an Hawkins, mit dem Titel "Veränderung der Farbintensität farbiger Tintenstrahl-Tropfen" beschreibt ein Verfahren zur Steuerung der Farbintensität in einem DOD-Thermotintenstrahlsystem, bei dem eine Kammer, die eine zweite Tinte enthält, Tinte in einer Hauptkammer mischen kann, bevor der Tropfen ausgestoßen wird.
JP 06-191058 beschreibt einen Druckkopf mit einer Düse und zwei Zuführöffnungen. Durch die erste Zuführöffnung wird einem Druckkopf pigmentierte Tinte über ein Ventil zugeführt, während durch die zweite Zuführöffnung dem Druckkopf pigmentfreie Tinte über ein Ventil zugeführt wird. Die Dichte der durch die Düse ausgestoßenen Tinte kann durch Steuerung der dem Druckkopf durch die erste und zweite Tintenöffnung zugeführten Tintenmenge variiert werden. Außerdem beschreibt JP 06-246935 einen Druckkopf mit zwei mit einem Zuführkanal ausgestatteten Tintenkammern und Druckmitteln, die mit einer weiteren, mit einer Düse verbundenen Tintenkammer verbunden sind.
JP 02-310056 beschreibt einen Tintenstrahldrucker mit einem Tintenbehälter und einem Verdünnungsbehälter, die über ein Tintenventil bzw. ein Verdünnungsventil mit einer Mischdüse verbunden sind. Die Tinte und der Verdünner werden in der Düse gemischt, bevor sie durch Schwingungen eines piezoelektrischen Elements als Tintentropfen durch die Düse ausgestoßen werden. Die elektrostatische Ablenkung der aufzuzeichnenden Tintentropfen sorgt dafür, dass diese Tropfen auf dem Aufzeichnungsmedium auftreffen.
Bei allen vorstehend beschriebenen Druckverfahren ist die Anzahl der verfügbaren Farbintensitäten durch die beim Drucken verwendete Anzahl von Tintentropfen oder Tintendichten begrenzt. Außerdem geht leicht Tinte verloren. Systeme, bei denen die Rückführung der Tinte angestrebt wird, erfordern komplizierte elektrostatische Lade-, Lenk- und Rinnensysteme, die teuer und aufwändig auszuführen sind. Auch die bei diesen Systemen eingesetzten Druckköpfe basieren auf komplizierten Druckkopf-Anordnungen, die das Reinigen schwierig und teuer machen. Normalerweise werden für das Ausbringen mehrerer Tropfen auf ein Pixel noch weitere Düsen benötigt.
Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine verbesserte Bildqualität im Halbton-Tintenstrahldruck bereitzustellen, bei der farbige Muster aus Punkten unterschiedlicher Intensität auf ein Empfangsmedium aufgebracht werden können, während die Pixelgröße auf dem Empfangsmedium annähernd konstant gehalten wird, und ein effizientes Verfahren und System für die Druckkopf-Reinigung anzugeben, bei dem eine Trägerflüssigkeit dazu verwendet wird, den Druckkopf ohne unnötigen Verbrauch von Tinte zu reinigen.
Im Hinblick auf die vorstehend beschriebene Aufgabe ist die Erfindung in den beiliegenden Ansprüchen definiert.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist ein kontinuierlich arbeitender Tintenstrahldrucker einen kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahl-Farbdruckkopf auf, der aus einer Düse, druckbeaufschlagten Tintenvorräten und einer Druckkopfoberfläche mit darin ausgebildeten Kanälen besteht, wobei jeder Kanal mit der Düse verbunden ist. Der kontinuierlich arbeitende Tintenstrahl-Farbdruckkopf weist ferner in jedem der Kanäle ein thermisch aktiviertes Mikroventil derart auf, dass jeder Kanal über das thermisch aktivierte Mikroventil mit einem druckbeaufschlagten Tintenvorrat verbunden ist. Bei dieser Ausführungsform kann Tinte aus dem druckbeaufschlagten Tintenvorrat durch den Kanal fließen und dann aus der Düse ausgestoßen werden, wenn der druckbeaufschlagte Tintenvorrat einen bestimmten Schwellendruck erreicht hat.
Der druckbeaufschlagte Tintenvorrat dient als Vorrat der zum Drucken vorgesehenen Tinte. In der Düse wird aus den Flüssigkeiten ein kontinuierlicher Strom hergestellt. Bei dem Mikroventil handelt es sich um ein thermisch aktiviertes Mikroventil, das den Ausstoß von aus Punkten unterschiedlicher Intensität bestehenden farbigen Mustern mit konstanter Geschwindigkeit aus der Düse auf ein Empfangsmedium erlaubt und dadurch eine gleichbleibende Größe der gedruckten Pixel sicherstellt. Durch selektive Steuerung der Zeitdauer, während der das thermisch aktivierte Mikroventil aktiviert bleibt, kann eine Skala farbiger Tinten aus der Düse auf ein Empfangsmedium ausgestoßen werden.
Ein Merkmal der Erfindung ist die Fähigkeit, durch das Mischen von Tinte eine kontinuierliche Farbtonskala für Schwarz/Weiß- und Farbbilder zu erreichen.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung betrifft die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines verbesserten Tintenstrahldruckkopfs mit geringstmöglichen Veränderungen der derzeitigen Fertigungsschritte.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zum Mischen von zwei oder mehr Flüssigkeitskomponenten, die ihren Behältern kontrolliert entnommen werden, um auf diese Weise die kontinuierliche Veränderlichkeit der chemischen Eigenschaften der Mischung innerhalb eines den bekannten Druckkopf-Technologien entsprechenden Bereichs zu erreichen.
Ein Vorteil der Erfindung liegt in der Verbesserung der Farbwiedergabe von Bildern und der Schwarz/Weiß-Wiedergabe von Texten und Bildern, insbesondere in Bildbereichen geringer Farbdichte.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist die Verbesserung der bei einer gegebenen Bildqualität erzielbaren Druckgeschwindigkeit.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung leitet sich aus dem Mischen von Farbstoffen oder Pigmenten im flüssigen Zustand in nur einer Druckkopfdüse her, so dass die Pigmente und Farbstoffe bereits vor dem Aufbringen auf das Empfangsmedium vollständig dispergiert werden.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ergibt sich daraus, dass etwaige chemische Reaktionen der gemischten Flüssigkeiten im Flüssigkeitsstrom und nicht auf dem Empfangsmedium stattfinden, was eine größere Variabilität der gegeneinander austauschbaren Arten und Typen von Empfangsmedien ermöglicht. Außerdem ermöglicht der Umstand, dass chemische Reaktionen der gemischten Flüssigkeiten im Flüssigkeitsstrom stattfinden, auch eine größere Variabilität von Art und Typ der Flüssigkeiten und damit der Modulation der Farbintensität.
Diese und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden dem Fachmann beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung besser verständlich.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:
1 ein vereinfachtes Blockdiagramm einer beispielhaften Druckvorrichtung, in der eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung realisiert werden kann;
2 eine Seitenansicht eines kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahl-Farbdruckkopfs gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
3 eine Draufsicht des in 1 dargestellten kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahl-Farbdruckkopfs gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
4 eine Draufsicht einer alternativen Ausführungsform eines kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahl-Farbdruckkopfs gemäß der Erfindung;
5 eine Seitenansicht der Ausbildung einer ersten Oxidschicht auf einem Siliconsubstrat für einen kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahl-Farbdruckkopf gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
6(a) eine Seitenansicht der Herstellung des Leiterbildes und der Ätzung der ersten Oxidschicht gemäß 5 zur Ausbildung einer modifizierten Oxidschicht auf dem Siliconsubstrat gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
6(b) eine Draufsicht der Herstellung des Leiterbildes und der Ätzung der ersten Oxidschicht gemäß 5 zur Ausbildung einer modifizierten Oxidschicht auf dem Siliconsubstrat gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
7(a) eine Seitenansicht der Aufbringung einer Deckschicht auf einem Siliconsubstrat für einen kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahl-Farbdruckkopf gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
7(b) eine Draufsicht der Aufbringung einer Deckschicht auf einem Siliconsubstrat für einen kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahl-Farbdruckkopf gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
8 eine Seitenansicht des Siliconsubstrats, in der die Deckschicht entfernt und eine entsprechende zweite Schicht aufgebracht ist, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
9 eine Seitenansicht der Aufbringung einer ersten Opferschicht gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
10 eine Ansicht, in der die erste Opferschicht einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung durch chemisch-mechanisches Polieren planarisiert ist;
11(a) eine Seitenansicht des Aufbringens von unteren Betätigungselemente-Schichten und der Herstellung eines Leiterbildes auf dem Silicon-Substrat des kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahl-Farbdruckkopfs gemäß einer bevorzugten Ausführungsform er Erfindung;
11(b) eine Draufsicht des Aufbringens von unteren Betätigungselemente-Schichten und der Herstellung eines Leiterbildes auf dem Silicon-Substrat des kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahl-Farbdruckkopfs gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
12 eine Seitenansicht des Aufbringens und Entfernens einer oberen Betätigungselemente-Schicht in Bereichen über einer planarisierten ersten Opferschicht gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
13 eine Seitenansicht des Aufbringens einer zweiten Opferschicht und der Herstellung eines Leiterbildes auf dem vorstehend genannten Siliconsubstrat gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
14 eine Seitenansicht der Planarisierung einer Wandschicht gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
15 eine Seitenansicht einer geätzten Kammer-Wandschicht auf dem Siliconsubstrat gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
16 eine Seitenansicht der Rückseite des hierin beschriebenen Siliconsubstrats gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wobei die Rückseite bis auf das Leitungsoxid auf den Böden der Zuleitungsschlitze für die Betätigungselemente abgetragen ist; und
17 das Entfernen der ersten Opferschicht und der zweiten Opferschicht durch Plasma-Ätzmittel gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Die nun folgende Beschreibung richtet sich insbesondere auf jene Elemente, die Bestandteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind oder direkter mit ihr zusammenwirken. 1 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm einer bevorzugten Druckvorrichtung, in der eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung realisiert sein kann. In 1 ist ein Tintenübertragungssystem 8 mit einem Druckkopf dargestellt, der Tropfen eines kontrollierten Volumens erzeugen kann. Eine Bildquelle 10 kann aus von einem Scanner oder Computer stammenden Bilddaten oder Umriss-Bilddaten in Form einer Seitenbeschreibungssprache oder anderen Arten einer digitalen Bildwiedergabe bestehen. Diese Bilddaten werden durch eine Bildverarbeitungseinheit 12 in eine Map der thermischen Aktivierung umgewandelt, die erforderlich ist, um für jedes Pixel das richtige Tintenvolumen bereitzustellen. Diese Map wird dann an einen Bildspeicher übertragen.
Steuerschaltungen 14 für Heizelemente lesen die Daten aus dem Bildspeicher aus und legen an ausgewählte Düsen-Heizelemente eines Druckkopfs 16 elektrische Impulse unterschiedlicher Dauer oder Anzahl an. Diese Impulse werden jeweils entsprechend lange an die richtige Düse angelegt, so dass nach Übertragung an die durch die Daten im Bildspeicher definierte Position ausgewählte Tropfen mit kontrollierten Tintenmengen Punkte auf einem Empfangsmedium 18 ausbilden. Das Empfangsmedium 18 wird mittels einer Papiertransportwalze 20 bezüglich des Druckkopfs 16 bewegt, wobei die Papiertransportwalze 20 durch ein Papiertransport-Steuersystem 22, das seinerseits durch eine Mikrosteuerung 24 gesteuert wird, elektronisch gesteuert wird.
Das Empfangsmedium 18 wird an einer Druckwalze 23 gespannt in Anlage gehalten, wobei diese zur Verminderung der Reibung mit dem Empfangsmedium 18 eine hochglanzpolierte und optisch ebene Oberfläche aufweist, und bleibt über den gesamten Druckbereich hinweg präzise positioniert. Zur weiteren Verminderung der Reibung kann die Druckwalze 23 alternativ auch aus zwei oder mehr (nicht dargestellten) Walzen bestehen. Die Walzen können von einem (nicht dargestellten) Band umgeben sein, das die Positionsgenauigkeit des Empfangsmediums gewährleistet.
Durch Beaufschlagung eines Tintenvorrats 28 mit einem durch einen Tintendruckregler 26 gesteuerten Druck kann ein konstanter Druck aufrechterhalten werden. Alternativ kann bei größeren Drucksystemen der Tintendruck dadurch sehr genau hergestellt und gesteuert werden, dass die Oberfläche der Tinte im Behälter 28 entsprechend hoch über dem Druckkopf 16 eingestellt wird. Dieser Tintenstand kann dann durch ein (nicht dargestelltes) einfaches Schwimmerventil geregelt werden.
2 zeigt eine Seitenansicht eines kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahl-Farbdruckkopfs 40 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Der in 2 dargestellte kontinuierlich arbeitende Tintenstrahl-Farbdruckkopf 40 kann in einer Druckvorrichtung, etwa dem in 1 dargestellten Tintenübertragungssystem 8, realisiert sein. Der kontinuierlich arbeitende Tintenstrahl-Farbdruckkopf 40 gemäß 2 entspricht dem Druckkopf 16 in 1 und weist eine Düse 42 und eine Gruppe druckbeaufschlagter Tintenvorräte auf, von denen in 2 zwei als erste und zweite Tintenbehälter 46 bzw. 48 dargestellt sind. Die Düse 42 besteht aus einem ersten Düsenabschnitt 41, einem zweiten Düsenabschnitt 43 und einem dritten Düsenabschnitt 44. Der kontinuierlich arbeitende Tintenstrahl-Farbdruckkopf 40 weist auch eine Druckkopfoberfläche 50 mit darin ausgebildeten Kanälen auf, wobei die Kanäle jeweils mit der Düse in Verbindung stehen. In 2 sind zwei Kanäle 61 und 62 dargestellt. Dagegen sind zwei Kanäle, die rechtwinklig zum ersten Kanal 61 und zum zweiten Kanal 62 verlaufen, in 2 nicht dargestellt. Damit sind insgesamt vier Kanäle auf der Druckkopfoberfläche 50 vorgesehen.
Für den Fachmann ist natürlich ersichtlich, dass bei Ausführung des kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahl-Farbdruckkopfs 40 in Verbindung mit einem Tintenübertragungssystem, etwa dem in 1 dargestellten Tintenübertragungssystem 8, bestimmte Modifikationen am Tintenübertragungssystem erforderlich sein können, etwa der Austausch des Behälters 28 und des Druckkopfs 16 gegen einen kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahl-Farbdruckkopf 40, der vier eigene zugehörige Tintenbehälter aufweist. Wenn dann der kontinuierlich arbeitende Tintenstrahl-Farbdruckkopf 40 in Verbindung mit einem Tintenübertragungssystem, etwa dem in 1 dargestellten System 8, ausgeführt wird, kann der Behälter 28 entfernt und der Druckkopf 16 als kontinuierlich arbeitender Tintenstrahl-Farbdruckkopf 40 ausgeführt werden.
In 1 ist nur ein besonderes Drucksystem dargestellt, in dem die Erfindung realisiert sein kann. Für den Fachmann ist ersichtlich, dass die Realisierung der Erfindung auch in Verbindung mit anderen, hierin nicht beschriebenen Drucksystemen möglich ist. Das in 1 dargestellte beispielhafte Drucksystem soll daher nur der Illustration dienen. Für den Fachmann ist klar, dass verschiedene Veränderungen vorgenommen und den Elementen der bevorzugten Ausführungsformen entsprechende, gleichwertige Elemente gewählt werden können, ohne vom Rahmen der hierin beschriebenen und beanspruchten Erfindung abzuweichen.
Die Mikroventile 52 und 56 sind in den entsprechenden Kanälen 61 bzw. 62 so angeordnet, dass diese jeweils über das Mikroventil mit einem druckbeaufschlagten Tintenvorrat verbunden sind, so dass Tinte aus einem druckbeaufschlagten Tintenvorrat durch den Kanal fließen und dann, wenn der druckbeaufschlagte Tintenvorrat einen bestimmten Schwellendruck erreicht hat, aus der Düse 42 ausgestoßen werden kann. Die Mikroventile werden jeweils thermisch aktiviert. Bei dem in 2 dargestellten Beispiel enthält der zweite Tintenbehälter 48 Tinte einer bestimmten Farbe. Allerdings wird der zweite Tintenbehälter 48 durch das zweite Mikroventil 56 dicht verschlossen. Dagegen ist der erste Tintenbehälter 46 offen, weil das erste Mikroventil 52 sich in einer geöffneten Stellung befindet.
Mindestens ein druckbeaufschlagter Tintenvorrat (d.h. Tintenbehälter) enthält eine Trägerflüssigkeit. Bei dem in 2 dargestellten Beispiel ist es der erste Tintenbehälter 46, der diese Trägerflüssigkeit enthält. Somit wirkt jeder druckbeaufschlagte Tintenvorrat als Tinten- oder Flüssigkeitsbehälter. Die übrigen druckbeaufschlagten Tintenvorräte enthalten Tinten unter schiedlicher Farben. Im zweiten Tintenbehälter 48 kann zum Beispiel eine magentafarbene Tinte enthalten sein. Desgleichen können andere Tintenbehälter Tinten anderer Farben, etwa Cyan oder Gelb, enthalten.
Mit den Mikroventilen 52, 56 kann eine (in 2 nicht dargestellte) Zeitsteuerung verbunden sein. Die Zeitsteuerung ermöglicht es, eine Anzahl farbiger Tinten gesteuert aus der Düse 42 auszustoßen, indem sie die Dauer der Betätigung eines Mikroventils steuert. Das thermisch aktivierte Mikroventil (z.B. das Mikroventil 52 oder 56) ermöglicht es, farbige Muster aus Punkten unterschiedlicher Intensität mit gleichbleibender Geschwindigkeit aus der Düse 42 auf ein Empfangsmedium auszustoßen und dadurch eine gleichbleibende Größe der gedruckten Tintenpixel aufrechtzuerhalten. Wenn einer der vier druckbeaufschlagten Tintenvorräte eine Trägerflüssigkeit enthält (z.B. der erste Tintenbehälter 46) und die übrigen drei druckbeaufschlagten Tintenvorräte Tinten unterschiedlicher Farbe enthalten, werden die Farben vor dem Ausstoß von Tinte aus der Düse 42 auf das Empfangsmedium gemischt. Die Zeitsteuerung kann auch mit einer Mikrosteuerung verbunden oder kombiniert sein, etwa der Mikrosteuerung 24 in 1, die dann ihrerseits zur Steuerung der Zeitdauer der Betätigung des Mikroventils verwendet werden kann.
Die im ersten Tintenbehälter 46 enthaltene Trägerflüssigkeit kann ein Lösungsmittel oder Wasser sein, so dass bei Betätigung des ersten, mit dem ersten Tintenbehälter 46 verbundenen Mikroventils 52 die Tinte aus dem ersten Tintenbehälter 46 durch den Kanal 61 fließt und aus der Düse 42 ausgestoßen wird, wobei sie alle Abschnitte der Düse 42 (d.h. den ersten Düsenabschnitt 41, den zweiten Düsenabschnitt 43 und den dritten Düsenabschnitt 44) passiert. Dabei kann die Trägerflüssigkeit dazu dienen, die Düse 42 zu reinigen.
3 zeigt eine Draufsicht des in 2 dargestellten kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahl-Farbdruckkopfs 42 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Gleiche Teile in 2 und 3 sind dabei mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet. In 3 das ist Vierkanalsystem, auf dem der kontinuierlich arbeitende Tintenstrahl-Farbdruckkopf 42 basiert, besser zu erkennen. Zu den ersten und zweiten Kanälen 61 und 62 im rechten Winkel erstrecken sich dritte und vierte Kanäle 66 und 64. In dem in 2 und 3 dargestellten Beispiel besteht der erste Tintenvorrat 46 aus einer schwarzen oder klaren Flüssigkeit. Wenn der erste Behälter 46 eine klare Flüssigkeit enthält, dient sie der Reinigung der Düse 42.
Der dritte Kanal 66 ist über ein drittes Mikroventil 54 mit dem dritten Tintenbehälter 47 verbunden, der eine gelbe Tinte enthält. Desgleichen ist der vierte Kanal 64 über ein viertes Mikroventil 58 mit einem vierten Tintenbehälter 49 verbunden, der eine cyanfarbige Tinte enthält. Der zweite Kanal 62 ist über ein zweites Mikroventil 56 mit einem zweiten Tintenbehälter 48 verbunden, der eine magentafarbene Tinte enthält. Desgleichen ist der erste Kanal 61 über ein Mikroventil 52 mit dem ersten Tintenbehälter 46 verbunden, der eine Trägerflüssigkeit, etwa Wasser, enthält oder einfach schwarze Tinte, in welchem Fall die Reinigungsfunktion der Trägerflüssigkeit nicht in Verbindung mit dem ersten Tintenbehälter 46 eingesetzt wird. Der kontinuierlich arbeitende Tintenstrahl-Farbdruckkopf 40 weist damit vier Mikroventile, vier Kanäle und vier zugeordnete druckbeaufschlagte Tintenvorräte (d.h. vier Tintenbehälter) auf.
Bei einer klaren Trägerflüssigkeit, etwa Wasser, bietet das in Verbindung mit nur einer Düse 42 verwendete Dreifarbensystem eine Möglichkeit, den kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahl-Farbdruckkopf 40 zu reinigen, ohne unnütz Tinte zu verbrauchen. Die Trägerflüssigkeit mischt sich "im Flug" mit Tinte aus den anderen Behältern und kann damit im Hinblick auf eine Verbesserung des Druckens auf normalem Papier formuliert werden, ohne dass zusätzliche Düsen oder mehrere Tropfen je Pixel benötigt werden. Aus Vorstehendem ist ersichtlich, dass der kontinuierlich arbeitende Tintenstrahl-Farbdruckkopf 40 seiner Art nach monolithisch ist, so dass kein Bedarf für eine komplizierte elektrostatische Ladung und Lenkung und auch kein Bedarf für das Sammeln und Rückführen der Tinte mittels eines Rinnensystems besteht. Die monolithische An des kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahl-Farbdruckkopfs 40 ist darin begründet, dass der Druckkopf nur eine einzige Düse und vier zugehörige Kanäle und Tintenbehälter benötigt, so dass ein einheitlicher integrierter Druckkopf entsteht.
4 zeigt eine Draufsicht einer alternativen Ausführungsform eines – allgemein mit 79 bezeichneten – kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahl-Farbdruckkopfs gemäß der Erfindung. Der kontinuierlich arbeitende Tintenstrahl-Farbdruckkopf 79 gemäß 4 entspricht dem kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahl-Farbdruckkopf 40 gemäß 2 und 3. Insofern kann der kontinuierlich arbeitende Tintenstrahl-Farbdruckkopf 79 in einer Druckvorrichtung, etwa dem Tintenübertragungssystem 8 gemäß 1, und auch in anderen, hier nicht besonders dargestellten oder beschriebenen Systemen realisiert sein. Sofern am Tintenübertragungssystem 8 die entsprechenden Modifikationen vorgenommen werden, kann der kontinuierlich arbeitende Tintenstrahl-Farbdruckkopf 79 anstelle des Druckkopfs 16 gemäß 1 eingesetzt werden. Der kontinuierlich arbeitende Tintenstrahl-Farbdruckkopf 79 weist eine Düse 82 und eine Gruppe druckbeaufschlagter Tintenvorräte auf, von denen in 4 drei als Tintenbehälter 84, 87 und 88 dargestellt sind. Die Düse 82 besteht aus einem ersten Düsenabschnitt 81, einem zweiten Düsenabschnitt 83 und einem dritten Düsenabschnitt 85. Tinte und die anderen Flüssigkeiten fließen durch alle Abschnitte der Düse 82, bevor sie durch die Düse ausgestoßen werden.
Der kontinuierlich arbeitende Tintenstrahl-Farbdruckkopf 79 besteht ebenfalls aus einer mit Kanälen versehenen Druckkopfoberfläche 90, wobei die Kanäle jeweils am dritten Düsenabschnitt 85 mit der Düse 82 verbunden sind. In 2 sind zwei Kanäle 100 und 102 dargestellt. Für den Fachmann ist jedoch aufgrund der 2 und 3 ersichtlich, dass zwei weitere Kanäle sich rechtwinklig zu den Kanälen 100 und 102 erstrecken, in Fig. jedoch nicht dargestellt sind. Somit sind insgesamt vier Kanäle auf der Druckkopfoberfläche 90 vorgesehen. In 4 ist eine planare Ansicht des Tintenbehälters 87 dargestellt, wobei der Tintenbehälter 87 in einem der rechtwinklig zu den Kanälen 100 und 102 verlaufenden Kanäle sitzt.
Im Kanal 100 ist ein Mikroventil 92 derart vorgesehen, dass der Kanal 100 über das Mikroventil 92 mit einem druckbeaufschlagten Tintenvorrat (d.h. dem Tintenbehälter 84) verbunden ist, so dass Tinte aus dem druckbeaufschlagten Tintenvorrat durch den Kanal 100 fließen und danach aus der Düse 82 ausgestoßen werden kann, wenn der druckbeaufschlagte Tintenvorrat einen bestimmten Schwellendruck erreicht hat. Das Mikroventil 92 sowie das Mikroventil 96 und zwei weitere, in 4 nicht dargestellte Mikroventile werden thermisch aktiviert. Die Mikroventile regeln der Strom der Tinten oder sonstigen Flüssigkeiten aus den druckbeaufschlagten Tintenvorräten (d.h. Tintenbehältern) dadurch, dass sie den Zugang zu den druckbeaufschlagten Tintenvorräten öffnen oder verschließen.
Der Tintenvorrat 88 enthält Tinte einer besonderen Farbe (z.B. Magenta). Der Tintenvorrat 88 ist durch das Mikroventil 96 verschlossen. Andererseits ist der Tintenbehälter 84 geöffnet, weil das Mikroventil 92 thermisch in eine geöffnete Stellung bewegt wurde. Der Behälter 84 kann, wie vorstehend beschrieben, eine Trägerflüssigkeit enthalten. Die im Tintenbehälter 87 enthaltene Tinte kann gelbe oder cyanfarbige Tinte sein. Ebenso können andere Tintenbehälter andersfarbige Tinten enthalten.
Mit dem Mikroventil kann eine (in 4 nicht dargestellte) Zeitsteuerung verbunden sein. Die Zeitsteuerung ermöglicht es, eine Anzahl farbiger Tinten gesteuert aus der Düse 82 auszustoßen, indem sie die Dauer der Betätigung eines Mikroventils steuert. Das thermisch aktivierte Mikroventil (z.B. das Mikroventil 92 oder 96) ermöglicht es, farbige Muster aus Punkten unterschiedlicher Intensität mit gleichbleibender Geschwindigkeit aus der Düse 82 auf ein Empfangsmedium auszustoßen und dadurch eine gleichbleibende Größe der gedruckten Tintenpixel aufrechtzuerhalten.
Wenn einer der vier druckbeaufschlagten Tintenvorräte eine Trägerflüssigkeit enthält (z.B. der erste Tintenbehälter 84) und die übrigen drei druckbeaufschlagten Tintenvorräte Tinten unterschiedlicher Farbe enthalten, werden die Farben vor dem Ausstoß von Tinte aus der Düse 82 auf das Empfangsmedium gemischt. Ausgehend davon, dass ein zum Tintenbehälter 87 gehörendes Mikroventil thermisch aktiviert wird, treten Tinten aus den Tintenbehältern 87 und dem offenen Tintenbehälter 84 in die Düse 82 ein und vermischen sich, wie dies durch das sich verändernde Farbtonmuster am dritten Düsenabschnitt 85, zweiten Düsenabschnitt 83 und ersten Düsenabschnitt 81 dargestellt ist. Danach wird die Tinte nach dem vorstehend beschriebenen System aus der Düse 82 ausgestoßen.
Aus Vorstehendem ist ersichtlich, dass die Erfindung einen kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahl-Farbdruckkopf beschreibt, der mit vier Kanälen verbunden ist, deren Flüssigkeitsstrom jeweils durch thermisch aktivierte Mikroventile geregelt wird. Die Kanäle sind jeweils über ein Mikroventil mit einem Tintenbehälter verbunden, der zum Beispiel eine Flüssigkeit in der Farbe Cyan, Magenta, Gelb und eine klare Flüssigkeit enthält, die zum Beispiel aus Wasser oder einem Lösungsmittel bestehen kann. Der Tintenvorrat ist jeweils mit einem ausreichend hohen Druck beaufschlagt, so dass bei Aktivierung des mit dem Tintenvorrat verbundenen Mikroventils die Tinte durch den Kanal fließt und aus der Düse ausgestoßen wird.
Durch Steuerung der Zeitdauer der Aktivierung der einzelnen Mikroventile oder durch gleichzeitige Aktivierung von zwei oder mehr Mikroventilen kann mit der aus der Düse austretenden Flüssigkeit eine steuerbare, kontinuierliche Farbenskala gedruckt werden. Da jede Düse die gesamte Farbskala von Schwarz bis Weiß drucken kann, besteht kein Bedarf an Rinnen und Tintenrückführung, wie dies bei anderen kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahldruckern der Fall ist. Jede Düse ist mit einer klaren Flüssigkeit verbunden, die zum Reinigen der Düse ohne unnützen Verbrauch von Tinte verwendet werden kann. Da die klare Flüssigkeit (d.h. die Trägerflüssigkeit) keine Tinte enthält und sich "im Flug" mit der Tinte aus anderen Behältern mischt, benötigt der kontinuierlich arbeitende Tintenstrahl-Farbdruckkopf keine zusätzlichen Düsen oder mehrere Tropfen je Pixel. Die Trägerflüssigkeit als solche kann so formuliert sein, dass sie den Druck auf Normalpapier verbessert.
Weil sich die Tinte "im Flug" in der Düse mischt, erreicht der hierin beschriebene kontinuierlich arbeitende Tintenstrahl-Farbdruckkopf auch eine Halbtonskala für Schwarz/Weiß- und Farbbilder. Dieses Mischen im Fluge führt wiederum zu Verbesserungen der Farbwiedergabe von Bildern und der Wiedergabe von Schwarz/Weiß-Texten und -Bildern, insbesondere in Bildbereichen mit geringer Farbdichte. Da die Vermischung von Farbstoffen oder Pigmenten im flüssigen Zustand erfolgt, werden die Farbstoffe und Pigmente vor dem Aufbringen auf das Empfangsmaterial oder Empfangsmedium vollständig dispergiert. Etwaige chemische Reaktionen der vermischten Flüssigkeiten erfolgen im Flüssigkeitsstrom und nicht auf dem Empfangsmaterial oder Empfangsmedium selbst, was eine größere Variabilität in Art und Typ der beim Druckprozess austauschbar einzusetzenden Empfangsmedien ermöglicht. Außerdem ergibt sich eine größere Variabilität in Art und Typ der Flüssigkeiten, deren Mischung die Modulation der Farbintensität bewirkt, auch ganz natürlich aus chemischen Reaktionen der gemischten Flüssigkeiten im Flüssigkeitsstrom.
Der kontinuierlich arbeitende Tintenstrahl-Farbdruckkopf ist daher in der Lage, Druckergebnisse hoher fotografischer Qualität zu liefern. Durch Verringerung der Anzahl der erforderlichen Düsen werden darüber hinaus neben Verbesserungen in der Bildqualität auch Verbesserungen in der Druckgeschwindigkeit erzielt. Der in 2 und 3 dargestellte kontinuierlich arbeitende Tintenstrahl-Farbdruckkopf 40 zum Beispiel enthält nur eine einzige Düse. Außerdem erreicht der hierin beschriebene kontinuierlich arbeitende Tintenstrahl-Farbdruckkopf dadurch, dass sich zwei oder mehr aus den Behältern entnommene Flüssigkeiten kontrolliert im Flüssigkeitsstrom mischen, eine kontinuierliche Veränderlichkeit der chemischen Eigenschaften der Tinten- oder Flüssigkeitsmischung in einer Größenordnung, die jener bekannter Druckköpfe entspricht, nämlich in der Größenordnung von Kanälen im Bereich von 20 bis 50 Mikrometer. Der kontinuierlich arbeitende Tintenstrahl-Farbdruckkopf an sich lässt sich mit minimalen Veränderungen der in der eingeführten Druckkopf- und Drucktechnik bereits bekannten Fertigungsschritte herstellen.
In der Seitenansicht gemäß 5 ist die Ausbildung einer ersten Oxidschicht 21 auf einem Siliconsubstrat 11 eines kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahl-Farbdruckkopfs gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Dabei zeigt 5 den ersten Schritt der Herstellung eines kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahl-Farbdruckkopfs. Die erste Oxidschicht 21 wird vorzugsweise mit einer Dicke im Bereich von 0,1 – 1 Mikron auf dem Siliconsubstrat 11 ausgebildet. Die Oxidschicht wird mit einem Leiterbild versehen und geätzt, so dass sich eine modifizierte Oxidschicht 21a mit rechteckigen Öffnungen ergibt, wie sie in 6(a) und 6(b) dargestellt ist. Für den Fachmann ist ersichtlich, dass 5 bis 17 für die Herstellung eines kontinuierlich arbeitenden Druckkopfs, etwa des hierin beschriebenen kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahl-Farbdruckkopfs, einsetzbare Verfahrensschritte darstellen. Außerdem ist für den Fachmann ersichtlich, dass das in 5 bis 17 beschriebene Verfahren für die Herstellung eines kontinuierlich arbeitende Tintenstrahl-Farbdruckkopfs zwar entsprechend der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ausgeführt werden kann, aber auch andere Verfahrensschritte für die Ausbildung des hierin beschriebenen und beanspruchten kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahl-Farbdruckkopfs möglich sind.
In der Seitenansicht der 6(a) ist die Herstellung des Leiterbildes und Ätzung der ersten Oxidschicht 21 gemäß 5 zur Ausbildung einer modifizierten Oxidschicht 21a auf dem Siliconsubstrat 11 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. 6(b) zeigt eine Draufsicht der Herstellung des Leiterbildes und der Ätzung der ersten Oxidschicht gemäß 5 zur Ausbildung einer Oxidschicht 21a auf dem Siliconsubstrat 11 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Für den Fachmann ist ersichtlich, dass in den hierin beschriebenen 5 bis 20 gleiche Teile durch gleiche Bezugsziffern bezeichnet sind.
Nach Ausbildung der ersten Oxidschicht 21 wird – wie in 7(a) und 7(b) dargestellt – eine Deckschicht 30 mittels Spinbeschichtung, einer dem Fachmann bekannten Auftragstechnik, auf das Siliconsubstrat 11 aufgebracht. 7(a) zeigt in einer Seitenansicht die Aufbringung der Deckschicht 30 auf des Siliconsubstrat 11 des kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahl-Farbdruckkopfs gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. 7(b) zeigt in einer Draufsicht die Aufbringung der Deckschicht 30 auf das Siliconsubstrat 11 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Die Deckschicht 30 wird also mittels Spinbeschichtung aufgebracht und auf dem Siliconsubstrat 11 lithografisch mit einem Leiterbild versehen. Dieses Leiterbild wird in das Siliconsubstrat 11 geätzt, wodurch erste bis vierte Zuleitungsschlitze 340, 343, 348 und 350 für Betätigungselemente ausgebildet werden. Die ersten bis vierten Zuleitungsschlitze 340, 343, 348 und 350 für Betätigungselemente werden in Öffnungen der modifizierten Oxidschicht 21a, vorzugsweise in einer Tiefe im Bereich von 25 bis 100 Mikron, ausgebildet.
8 zeigt eine Seitenansicht des Siliconsubstrats 11, in der gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Deckschicht 30 abgetragen und eine entsprechende zweite Oxidschicht 60 aufgebracht ist. Nach der Ausbildung der ersten bis vierten Zuleitungsschlitze 340, 343, 348 und 350 für Betätigungselemente in den Öffnungen der modifizierten Oxidschicht 21a wird die Deckschicht 30 abgetragen und die zweite Oxidschicht 21 darauf aufgebaut.
Danach wird, wie in 9 dargestellt, eine erste Opferschicht 70 aufgebracht. 9 zeigt in einer Seitenansicht die Aufbringung der ersten Opferschicht 70 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Die aufgebrachte Dicke reicht aus, die Zuleitungsschlitze 340, 343, 348 und 350 für die Betätigungselemente sowie die rechteckigen Öffnungen der modifizierten Oxidschicht 21a vollständig auszufüllen. Für den Fachmann ist ersichtlich, dass für die Ausbildung der modifizierten Oxidschicht 21a verschiedene Materialien verwendet werden können. Zum Beispiel kann die modifizierte Oxidschicht 21a aus Polysilicon bestehen. Alternativ kann jedoch auch Polymid zur Ausbildung der modifizierten Oxidschicht 21a verwendet werden.
Anschließend wird die erste Opferschicht 70 mit der modifizierten Oxidschicht 21a planarisiert. 10 zeigt eine Ansicht, in der die erste Opferschicht 70 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung durch chemisch-mechanisch Polieren der modifizierten Oxidschicht planarisiert wurde. Durch die chemisch-mechanische Verarbeitung wird die erste Opferschicht 70 bis auf die modifizierte Oxidschicht 21 geätzt, so dass eine planarisierte erste Opferschicht 70a entsteht.
11(a) zeigt in einer Seitenansicht das Ausbringen von unteren Betätigungselemente-Schichten auf das Siliconsubstrat 11 und das Ausbilden von Leiterbildern gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. 11(b) zeigt in einer Draufsicht die Ausbildung unterer Betätigungselemente-Schichten auf dem Siliconsubstrat 11 und die Herstellung von Leiterbildern gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Wie in 11(a) und 11(b) zu erkennen ist, wird eine dritte Oxidschicht 80 vorzugsweise im Dickenbereich von 0,1 bis 1 Mikron aufgebracht. Diesem Schritt folgt das Aufbringen der unteren Betätigungselemente-Schicht 390, 393, 398 und 400 und die Herstellung der Leiterbilder.
Zu den Kriterien für die unteren Betätigungselemente-Schichten 390, 393, 398 und 400 gehören ein hoher thermischer Dehnungskoeffizient, ein spezifischer Widerstand zwischen 3 und 1000 μΩ-cm, ein hohes Elastizitätsmodul, geringe Massendichte und geringe spezifische Wärme. Metalle wie Aluminium, Kupfer, Nickel, Titan und Tantal sowie Legierungen dieser Metalle erfüllen diese Anforderungen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird gegebenenfalls im Hinblick auf die Erfüllung dieser Anforderungen eine Aluminiumlegierung eingesetzt; für den Fachmann ist jedoch ersichtlich, dass an Stelle der Aluminiumlegierung auch andere Metalle einsetzbar sind.
Anschließend wird, wie in 12 zu erkennen ist, eine obere Betätigungselemente-Schicht 110 aufgebracht und in Bereichen oberhalb der planarisierten ersten Opferschicht 70a entfernt; ausgenommen hiervon ist Material, das sich auf der unteren Betätigungselemente-Schicht 390 und auf einem kleinen Schutzbereich 120 angrenzend an die untere Betätigungselemente-Schicht 390 abgelagert hat. 12 zeigt daher in einer Seitenansicht die Ausbringung und Entfernung der oberen Betätigungselemente-Schicht 110 in Bereichen oberhalb der planarisierten ersten Opferschicht 70 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Auch die dritte Oxidschicht 80 wird in denselben Bereichen entfernt, woraus sich eine modifizierte dritte Oxidschicht 80a ergibt. Zu den Kriterien für die Ausbildung der oberen Betätigungselemente-Schicht 400 gehören ein niedriger thermischer Dehnungskoeffizient und elektrisch isolierende Eigenschaften. Die obere Betätigungselemente-Schicht 400 sollte elektrisch isolierend sein. Dielektrische Materialien wie Oxide und Siliciumnitrid erfüllen diese Anforderungen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das verwendete dielektrische Material ein Oxid. Die untere Betätigungselemente-Schicht 80 wird von dem Schutzbereich 120 zusammen mit der modifizierten dritten Oxidschicht 80a vollständig umschlossen und dadurch vor der Tinte geschützt.
Anschließend wird eine zweite Opferschicht 130 aufgebracht und lithografisch mit einem Leiterbild versehen. 13 zeigt in einer Seitenansicht die Aufbringung und Herstellung des Leiterbildes der zweiten Opferschicht 130 auf dem Siliconsubstrat 11 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die zweite Opferschicht 130 aus einem fotografisch belichtbaren Polymid bestehen. Dieses Material kann mit Düsen aufgebracht und mittels Maskenbelichtungs- und -Entwicklungstechniken mit Leiterbildern versehen werden. Anschließend wird das Material bei 350° C abschließend gehärtet, so dass sich eine Schicht vorzugsweise im Dickenbereich von 2 – 10 Mikron ergibt. Um die Enddicke zu korrigieren und die Oberfläche zu glätten, kann das Material dann leicht in Sauerstoffplasma geätzt werden.
Wie anschließend in 14 zu sehen ist, wird dann eine dicke Kammer-Wandschicht 140 aufgebracht, deren Dicke bevorzugt so gewählt wird, dass alle Regionen zwischen der zweiten Opferschicht 130 aufgefüllt werden und oberhalb der zweiten Opferschicht 130 eine Dicke von über 1 Mikron aufweisen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht die Kammer-Wandschicht 140 aus einer Oxidschicht. Jedoch können auch andere Materialien, etwa Siliziumnitrid oder Oxynitride oder Kombinationen dieser Materialien für die Ausbildung der Kammer-Wandschicht 140 verwendet werden. Die Schicht kann dann durch chemisch-mechanisches Polieren in einer bevorzugten Enddicke oberhalb der zweiten Opferschicht 130 im Bereich von 2 – 20 Mikron planarisiert werden. 14 zeigt in einer Seitenansicht die Planarisierung der Kammer-Wandschicht 140 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Danach ist in 15 zu sehen, dass die Kammer-Wandschicht 140 anschließend mit einem Leiterbild versehen und geätzt wird, um die Düse 150 für den Tintenausstoß auszubilden. Durch das Ätzen werden auch Verbindungslöcher 160 und 170 zu den unteren Betätigungselemente- Schichten 390 bzw. 400 geschaffen, so dass die entsprechenden Kontakte hergestellt werden können. 15 zeigt eine Seitenansicht der geätzten Kammer-Wandschicht 140 auf dem Siliconsubstrat 11 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Die Rückseite des Siliconsubstrats wird danach bis auf die lineare Oxidbeschichtung 60 der Böden der Zuleitungsschlitze 340, 343, 383 und 350 für die Betätigungselemente abgetragen, wie dies in 16 zu erkennen ist. 16 zeigt eine Seitenansicht der Rückseite des Siliconsubstrats 11. Die abgetragene rückseitige Oberfläche wird dann mit einem Leiterbild versehen, und das lineare Oxid 60 auf den Böden der Zuleitungsschlitze 340, 343, 348 und 350 für die Betätigungselemente wird entfernt.
Anschließend werden die erste Opferschicht 70 und die zweite Opferschicht 130 durch Plasma-Ätzmittel entfernt, die die Kammer-Wandschicht 140 nicht angreifen. Für Opferschichten aus Polymid kann ein Sauerstoffplasma eingesetzt werden. Für Opferschichten aus Polysilicon kann XeF₂ oder SF₆ verwendet werden. Wie in 17 dargestellt ist, werden bei diesem Schritt thermische Betätigungselemente 200 und 210 freigelegt. In 17 ist die Entfernung der ersten Opferschicht 70 und der zweiten Opferschicht 370 durch Plasma-Ätzmittel gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dargestellt.

Claims

Kontinuierlich arbeitender Tintenstrahl-Farbdruckkopf für einen elektronischen Drucker, mit (a) einer Düse (42); (b) einer Vielzahl druckbeaufschlagbarer Tintenvorräte (46, 47, 48, 84, 87, 88); (c) einer Druckkopf-Oberfläche mit einer Vielzahl darin ausgebildeter Kanäle (61, 62, 64, 66), von denen jeder Kanal mit der Düse in Verbindung steht; und (d) einem Mikroventil (52, 54, 56, 92, 96), das in jedem der Kanäle vorgesehen ist derart, dass jeder Kanal über das Mikroventil mit mindestens einem druckbeaufschlagbaren Tintenvorrat aus der Vielzahl an druckbeaufschlagbaren Tintenvorräten verbunden ist, wodurch Tinte aus einem druckbeaufschlagbaren Tintenvorrat durch den Kanal fließen und dann aus der Düse ausgestoßen werden kann, wenn der mindestens eine druckbeaufschlagbare Tintenvorrat einen bestimmten Schwellendruck erreicht hat, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikroventil ein thermisch aktiviertes Mikroventil ist.
Kontinuierlich arbeitender Tintenstrahl-Farbdruckkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein druckbeaufschlagbarer Tintenvorrat aus der Vielzahl an druckbeaufschlagbaren Tintenvorräten eine Trägerflüssigkeit enthält.
Kontinuierlich arbeitender Tintenstrahl-Farbdruckkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein druckbeaufschlagbarer Tintenvorrat aus der Vielzahl an druckbeaufschlagbaren Tintenvorräten Tinte einer speziellen Farbe enthält.
Kontinuierlich arbeitender Tintenstrahl-Farbdruckkopf nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen mit dem Mikroventil verbundenen Zeitsteuermechanismus, der auf gesteuerte Weise den Ausstoß von Tinte unterschiedlicher Farbe aus der Düse erlaubt, indem er die Zeitdauer steuert, während der das Mikroventil aktiviert ist.
Kontinuierlich arbeitender Tintenstrahl-Farbdruckkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das thermisch aktivierte Mikroventil ein Mikroventil aufweist, das mit konstanter Geschwindigkeit den Ausstoß farbiger Muster aus Punkten unterschiedlicher Intensität aus der Düse auf ein Empfangsmaterial erlaubt und dadurch eine statische Größe eines gedruckten Tintenpixels beibehält.
Kontinuierlich arbeitender Tintenstrahl-Farbdruckkopf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der kontinuierlich arbeitende Tintenstrahl-Farbdruckkopf einen monolithischen Druckkopf aufweist.
Kontinuierlich arbeitender Tintenstrahl-Farbdruckkopf nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl druckbeaufschlagbarer Tintenvorräte vier druckbeaufschlagbare Tintenvorräte aufweist, von denen einer die Trägerflüssigkeit enthält und drei der vier druckbeaufschlagbaren Tintenvorräte Tinte unterschiedlicher Farbe enthalten, wodurch eine Vermischung von Farben möglich ist, bevor Tinte aus der Düse auf das Empfangsmaterial ausgestoßen wird.
Kontinuierlich arbeitender Tintenstrahl-Farbdruckkopf nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerflüssigkeit ein Lösungsmittel enthält.
Kontinuierlich arbeitender Tintenstrahl-Farbdruckkopf nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerflüssigkeit Wasser enthält.
Verfahren zur Anwendung in einem elektronischen Drucker zum Aufrechterhalten einer kontinuierlichen Strömung von Tinte von einem kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahl-Farbdruckkopf auf ein Empfangsmaterial, gekennzeichnet durch die Schritte: (a) Verbinden einer Düse mit dem kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahl-Farbdruckkopf wobei Tinte aus der Düse ausstoßbar ist; (b) Ausbilden einer Vielzahl von Kanälen in einer Druckkopf-Oberfläche des kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahl-Farbdruckkopfs, wobei jeder der Kanäle mit der Düse in Verbindung steht; und (c) Anordnen eines thermisch aktivierten Mikroventils in jedem der Kanäle derart, dass jeder Kanal über das Mikroventil mit mindestens einem druckbeaufschlagbaren Tintenvorrat aus der Vielzahl druckbeaufschlagbarer Tintenvorräte verbunden ist, wodurch Tinte aus mindestens einem druckbeaufschlagbaren Tintenvorrat durch den Kanal fließt und dann aus der Düse ausgestoßen wird, wenn der mindestens eine druckbeaufschlagbare Tintenvorrat einen bestimmten Schwellendruck erreicht hat.
Verfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch den Schritt des Einbringens einer Trägerflüssigkeit in mindestens einen druckbeaufschlagbaren Tintenvorrat aus der Vielzahl an druckbeaufschlagbaren Tintenvorräten.
Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch den Schritt des Einbringens von Tinte einer speziellen Farbe in mindestens einen druckbeaufschlagbaren Tintenvorrat aus der Vielzahl an druckbeaufschlagbaren Tintenvorräten.
Verfahren nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch den Schritt des selektiven Steuerns der Zeitdauer, in der das Mikroventil aktiviert wird, um auf gesteuerte Weise den Ausstoß von Tinte unterschiedlicher Farbe aus der Düse zu ermöglichen.
Verfahren nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch den Schritt des Ausstoßens farbiger Muster aus Punkten unterschiedlicher Intensität aus der Düse auf ein Empfangsmaterial mit konstanter Geschwindigkeit, wodurch eine statische Größe eines gedruckten Tintenpixels aufrecht erhalten bleibt, in Abhängigkeit von der selektiven Steuerung der Zeitdauer, in der das Mikroventil aktiviert wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Ausbildens einer Vielzahl von Kanälen in einer Druckkopf-Oberfläche des kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahl-Farbdruckkopfs, bei dem jeder der Kanäle mit der Düse in Verbindung steht, den Schritt des Ausbildens der Vielzahl von Kanälen auf einer Druckkopf-Oberfläche des kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahl-Farbdruckkopfs umfasst, derart, dass der kontinuierlich arbeitende Tintenstrahl-Farbdruckkopf einen monolithischen Druckkopf aufweist.
Verfahren nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch den Schritt des Ausbildens der Vielzahl druckbeaufschlagbarer Tintenvorräte als vier druckbeaufschlagbare Tintenvorräte, von denen einer die Trägerflüssigkeit enthält und drei der vier druckbeaufschlagbaren Tintenvorräte Tinte unterschiedlicher Farbe enthalten, wodurch eine Vermischung von Farben möglich ist, bevor Tinte aus der Düse auf das Empfangsmaterial ausgestoßen wird.
Verfahren nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch den Schritt des Ausbildens der Trägerflüssigkeit derart, dass sie ein Lösungsmittel enthält.
Verfahren nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch den Schritt des Ausbildens der Trägerflüssigkeit derart, dass sie Wasser enthält.
Verfahren zum Montieren eines kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahl-Farbdruckkopfs mit einer einzelnen Düse und einer Druckkopf-Oberfläche, gekennzeichnet durch die Schritte: (a) Befestigen der Düse am kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahl-Farbdruckkopf wobei Tinte aus der Düse ausstoßbar ist; (b) Ausbilden einer Vielzahl von Kanälen innerhalb des Druckkopfs, wobei jeder der Kanäle mit der Düse in Verbindung steht; (c) Verbinden eines jeden Kanals mit mindestens einem druckbeaufschlagbaren Tintenvorrat aus der Vielzahl druckbeaufschlagbarer Tintenvorräte; und (d) Anordnen eines thermisch aktivierten Mikroventils in jedem der Kanäle derart, dass jeder Kanal über das Mikroventil mit mindestens einem druckbeaufschlagbaren Tintenvorrat aus der Vielzahl druckbeaufschlagbarer Tintenvorräte verbunden ist, wodurch Tinte aus mindestens einem druckbeaufschlagbaren Tintenvorrat durch den Kanal fließt und dann aus der Düse ausgestoßen wird, wenn der mindestens eine druckbeaufschlagbare Tintenvorrat einen bestimmten Schwellendruck erreicht hat.
Verfahren nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch den Schritt des Einbringens einer Trägerflüssigkeit in mindestens einen druckbeaufschlagbaren Tintenvorrat aus der Vielzahl an druckbeaufschlagbaren Tintenvorräten.
Verfahren nach Anspruch 20, gekennzeichnet durch den Schritt des Einbringens von Tinte einer speziellen Farbe in mindestens einen druckbeaufschlagbaren Tintenvorrat aus der Vielzahl an druckbeaufschlagbaren Tintenvorräten.
Verfahren nach Anspruch 21, gekennzeichnet durch den Schritt des Ausbildens eines Zeitsteuermechanismus, der wahlweise eine Zeitdauer steuert, in der das Mikroventil aktiviert ist, um auf gesteuerte Weise den Ausstoß von Tinte unterschiedlicher Farbe aus der Düse zu erlauben.
Verfahren nach Anspruch 22, gekennzeichnet durch den Schritt des Ausbildens der Düse derart, dass farbige Muster aus Punkten unterschiedlicher Intensität aus der Düse auf ein Empfangsmaterial mit konstanter Geschwindigkeit ausgestoßen werden, wodurch eine statische Größe eines gedruckten Tintenpixels aufrecht erhalten bleibt.
Verfahren nach Anspruch 23, gekennzeichnet durch den Schritt des Ausbildens des kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahl-Farbdruckkopfs als ein monolithischer Druckkopf.
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Ausbildens eines Zeitsteuermechanismus, der wahlweise eine Zeitdauer steuert, in der das Mikroventil aktiviert ist, um auf gesteuerte Weise den Ausstoß von Tinte unterschiedlicher Farbe aus der Düse zu erlauben, zudem den Schritt des Verbindens des Zeitsteuermechanismus mit dem Mikroventil umfasst.
Verfahren nach Anspruch 25, gekennzeichnet durch den Schritt des Ausbildens der Vielzahl druckbeaufschlagbarer Tintenvorräte als vier druckbeaufschlagbare Tintenvorräte, von denen einer die Trägerflüssigkeit enthält und drei der vier druckbeaufschlagbaren Tintenvorräte Tinte unterschiedlicher Farbe enthalten, wodurch eine Vermischung von Farben möglich ist, bevor Tinte aus der Düse auf das Empfangsmaterial ausgestoßen wird.
Verfahren nach Anspruch 26, gekennzeichnet durch den Schritt des Ausbildens der Trägerflüssigkeit derart, dass sie ein Lösungsmittel enthält.
Verfahren nach Anspruch 26, gekennzeichnet durch den Schritt des Ausbildens der Trägerflüssigkeit derart, dass sie Wasser enthält.