DE69007783T2

DE69007783T2 - Tintenstrahldruckkopf nach dem dampfblasenverfahren mit verbesserter mehrfachantriebskonstruktion.

Info

Publication number: DE69007783T2
Application number: DE69007783T
Authority: DE
Inventors: Hilarion Braun
Original assignee: Eastman Kodak Co
Current assignee: Eastman Kodak Co
Priority date: 1989-12-18
Filing date: 1990-12-06
Publication date: 1994-10-20
Anticipated expiration: 2010-12-07
Also published as: JP2991772B2; JPH04503930A; WO1991008899A1; US4999650A; EP0458958B1; EP0458958A1; DE69007783D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf thermisches Drop-on-demand Tintenstrahldrucken (nachfolgend als "Tintenstrahldrucken" bezeichnet) und insbesondere auf verbesserte Druckkopfkonstruktionen zur Erzielung eines Drucks mit hoher Dichte.
In Tintenstrahldruckköpfen befindet sich normalerweise eine Vielzahl von elektrischen Widerstands-Heizelementen auf einem Trägersubstrat, das beispielsweise aus Metall oder Silizium aufgebaut ist und eine Wärmeschutzschicht aufweist, z B. aus SiO&sub2;. Metallelektroden sind so ausgebildet, daß sie Spannungen selektiv über die Heizelemente anlegen, eine Schutzschicht liegt über den Heizelementen und den Elektroden. Die Drucktinte wird zwischen den Heizelementen und den Öffnungen des Druckkopfes gefördert, und die Heizelemente werden selektiv auf eine Temperatur erwärmt, die die benachbarte Tinte schnell verdampfen läßt, so daß eine Stoßwelle das Ausstoßen der Tinte aus der entsprechenden Öffnung bewirkt.
Mit fortschreitender Entwicklung und kommerziellem Einsatz der Tintenstrahltechnik gibt es ein steigendes Interesse an der Erhöhung der Auflösung dieser Systeme. In diesem Zusammenhang kann man sich die Systemauflösung als Anzahl der Pixel-Tropfen vorstellen, die innerhalb eines vorgegebenen Bereichs gedruckt werden (z. B. einer Zeile). Eine Möglichkeit zur Erhöhung der Systemauflösung besteht darin, die Tintentropfen zu überlagern, beispielsweise durch mehrfaches Vorbeiführen gegenüber einer einzelnen Matrix von Öffnungen, oder indem man eine Vielzahl von Abtast-Öffnungsmatrizen bereitstellt. Dieser Ansatz vereinfacht die Konstruktion des bzw. der Druckköpfe, erfordert aber eine genaue Positionierung der Druckköpfe gegenüber dem Druckmittel, um zu gewährleisten, daß die Tropfen aus separaten Durchgängen gut fluchten.
Eine andere Möglichkeit zur Erhöhung der Systemauflösung besteht darin, die Zeilendichte der Tropfenausstoß-Untersysteme (d.h. der Öffnungen und zugehörigen Heizelemente) auf einem einzelnen Druckkopf zu erhöhen. Dies kann mit einer oder mit mehreren linearen Öffnungsmatrizen erfolgen (siehe beispielsweise US-A-4,734,717). Fotografische Herstellungstechniken ermöglichen die Konstruktion derartiger hochdichter Öffnungsplatten- und Heiz-Subsysteme; allerdings ergibt sich derzeit eine Grenze in der Erhöhung der Systemauflösung durch die Schwierigkeit, elektrische Verbindungen zwischen einer großen Zahl von Heizwiderständen auf einem winzigen Chip und der elektrischen Adressierungselektronik des Druckersteuerungssystems herzustellen.
Um das Problem der großen Anzahl der Adressierungsleitungen zu verkleinern, wurden verschiedene Systeme für das Multiplexing der Adressen der Widerstandsheizelemente von Tintenstrahldruckköpfen vorgeschlagen (d.h. die Bereitstellung von Erregungsstrom). Beispielsweise beschreibt US-A- 4,695,853 eine Tintenstrahl-Chip-Konstruktion, bei der eine X-Y-Elektrodenmatrix so aufgebaut ist, daß ein Matrixelektrodenbereich unter einem Widerstands-/Dioden-Muster liegt, während der andere Matrixelektrodenbereich über dem Widerstands-/Dioden-Muster liegt. Die X-Y-Elektrodenbereiche sind durch eine elektrisch isolierende Schicht getrennt, außer an den Widerstands-/Dioden-Bauteilen, wo sie "vertikal" übereinanderliegende Anschlüsse bilden. Zwar erlaubt diese Widerstands-/Dioden-Konstruktion ein Multiplexing (und reduziert damit die Anzahl der für die Adressierung notwendigen Zuleitungen und Anschlüsse), es ergeben sich aber verschiedene Probleme. Erstens kann während des im Patent '853 beschriebenen Multiplexings Diodenreststrom in Rückwärtsrichtung zu der oberen Elektrode eine elektrolytische Aggression verursachen, die die Elektrodenspitzen zerstören kann. Zweitens ist es äußerst schwierig, einen Vorwärtswiderstand in einer Diode auszugleichen und gleichzeitig einen festen Widerstandswert im Widerstandsheizelement aufrechtzuerhalten.
US-A-4,791,440 beschreibt eine andere Lösung des Problems der Bereitstellung eines hochauflösenden Druckkopfes mit einer großen Zahl von Tropfenausstoßstellen. Bei diesem Ansatz liegt eine Matrix von elektrischen Verbindungen zu den Stellen auf der Oberseite des Chip-Substrats und eine andere Matrix von Verbindungen an der Unterseite des Substrats. Eine Vielzahl von Löchern befinden sich im Substrat, um die Ober- und Unterseite der Leitungsmatrizen miteinander zu verbinden. Um das Problem der elektrischen Leitungen weiter zu vereinfachen, stellt dieser Ansatz auch ein Multiplex-Adreß-System bereit, in dem eine Vielzahl von Heizmatrizen zu verschiedenen Phasen durch einen Matrizenauswahl-Spannungsimpuls aktiviert werden, der, soweit mit einem bestimmten Heizstellen-Datenimpuls gekoppelt, ausreichenden Heizstrom bereitstellt, um einen Tintentropfen auszustoßen. Der Ansatz nach Patent '440 ist fertigungstechnisch schwierig umsetzbar, wobei es erforderlich ist, mehrere Löcher durch das Substrat zu führen und auf beiden Seiten des Substrats fotografische Herstellungsarbeiten durchzuführen. In einigen Anwendungen ist die Kopplung an den Drucker über die untere Chip-Fläche nicht möglich. Auch verursacht das Multiplex-System unnötige Teilerregung aller Heizelemente während jeder aktiven Phase der Matrix. Dies kann bewirken, daß aus der Tinte gelöstes Gas zu einem Tintenausstoß führt, der die Ausstoßaktivität oder die Tintennachfüllung blockiert.
Eine wichtige Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Konstruktion für einen Tintenstrahldruckkopf mit hoher Auflösung bereitzustellen, der die zuvor genannten Probleme der Ansätze nach dem Stand der Technik vermeidet. Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die relativ einfache Herstellung eines Tintenstrahldruckkopfes mit einer großen Zahl von Tropfenauswurfstellen in hoher Dichte. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Multiplex-Druckkopfkonstruktion, die zuverlässiger und effizienter als die Ansätze nach dem Stand der Technik arbeiten.
Die Lebensdauer eines Tintenstrahl-Heizmatrixwiderstands hängt ebenso wie die einer Glühbirne sehr stark von der Betriebsspannung ab. Demnach ist es wünschenswert, diese Elemente so nah wie möglich an der Tintenblasenbildungsschwelle zu betreiben. Sie können beispielsweise bei Betrieb von 25% über dem Schwellenwert eine Lebenserwartung von nur wenigen Zyklen ausweisen, bei Betrieb von 10% über dem Schwellenwert allerdings eine Lebenserwartung von mehreren Millionen Zyklen. Da Fertigungstoleranzen bei der Versorgungsspannung, bei den verschiedenen Leitungswiderständen und den Schwellenspannungen vorhanden sind und eine lange Lebenserwartung angestrebt wird (durch Betrieb nahe dem Blasenbildungsschwellenwert), sollten alle Widerstandsschwankungen auf ein Minimum beschränkt bleiben. Da Halbleiterdioden im Gegensatz zu gewöhnlichen Leitern ihren Vorwärtswiderstand bei steigender Temperatur verringern, ergeben sich durch Verwendung von Dioden in einem Tintenheizbereich möglicherweise hohe Widerstandsschwankungen in der gesamten Schaltung oder sogar thermische Instabilität. Die Verwendung von Widerstands-Dioden, wie im Patent '853 beschrieben, ist daher unter dem Aspekt einer langen Gerätelebenserwartung nicht wünschenswert.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet eine verbesserte Konstruktion für einen Drop-on-demand Tintenstrahldrucker mit einer Vielzahl von Öffnungen, einer Dünnfilm-Tropfenausstoßvorrichtung, einschließlich Heizelementen, und Leitungen für die Beförderung der Tinte zu den Heizelementen. Die verbesserte Konstruktion besteht aus einer Tropfenausstoßvorrichtung mit (i) einem Trägersubstrat; (ii) einem ersten Schaltungsabschnitt mit einer Vielzahl von Schaltungsverzweigungen, von denen jede ein Widerstands-Heizelement sowie eine Diode umfaßt, die auf dem Substrat in einem Abstand ausgebildet ist; (iii) eine dielektrische Passivierungsschicht, die außer an den diskreten Anschlußbereichen diesen Schaltungsabschnitt überlagert; (iv) einen zweiten Schaltungsabschnitt mit einer Vielzahl von die dielektrische Passivierungsschicht überlagernder Multiplex-Elektrodenzuleitungen sowie Verbindungsabschnitten, die sich durch die Passivierungsschicht in Berührung mit Anschlußbereichen des ersten Schaltungsabschnitts erstrecken; und (v) eine zweite Passivierungsschicht, die über dem zweiten Schaltungsabschnitt, nicht jedoch über den Widerstands-Heizelementen liegt.
Die Zeichnung zeigt in
Fig. 1 eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht einer Tintenstrahldruckkassettenbaugruppe nach der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine vergrößerte schematische Darstellung der Schaltungsstrukturen der Tropfenausstoßvorrichtung der Druckerbaugruppe aus Fig. 1;
Fig. 3 ist ein vergrößerter Schnitt eines Teils der Schaltungsstruktur aus Fig. 2; und
Fig. 4A bis 4G sind schematische Draufsichten die aufeinanderfolgende Stufen der Fertigung der Schaltungsstrukturbereiche aus Fig. 3 sind.
Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der Tintenstrahldruckkassette der vorliegenden Erfindung, bei der es sich um eine Modifikation der im US-A- 4,734,717 beschriebenen Druckkassette handelt. Im allgemeinen umfaßt die Tintenstrahldruckkassette 10 einen Tintenvorratsteil 11 mit einer Kappe 12 mit filternden Tintenförderöffnungen 13, die die Tinte über die Förderwege 14 zu den Leitungsbereichen 15 befördern. Ein Tropfenausstoß-Chip 16 befindet sich über der Oberkante der Kappe und hat Öffnungen 17, die auf den Leitungsbereich 15 ausgerichtet sind. Eine Öffnungsplatte 18 mit zwei linearen Matrizen von Öffnungen 18a, 18b ist über ein aufgedrucktes selbstklebendes Muster 19 oberhalb der Öffnungen 17 befestigt, und die Widerstands-Heizelemente sind in entsprechenden Matrizen 20a, 20b auf der oberen Fläche des Tropfenauswurfs-Chips ausgebildet. Wie in Fig. 1 allgemein zu sehen ist, weist der Chip 16 auch Gruppenadreßelektroden 22a, 22b und Gruppenauswahlelektroden 23, 24 auf. Ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die verbesserte Konstruktion und Funktion von Chip 16 und seiner Schaltungen, die nachfolgend detalliert beschrieben werden. Um die allgemeine Beschreibung der Druckkassette zu vervollständigen, sollte erläutert werden, daß Tinte, z.B. durch Kapillartätigkeit, aus dem Tintenvorratsbehälter in Bereiche über den Widerstands-Heizelementen gefördert wird. Stromimpulse werden selektiv über Chip-Elektroden durch die Heizelemente geleitet, und zwar in Übereinstimmung mit Informationssignalen, die (nicht gezeigte) Treiberschaltungen ansteuern. Die Stromimpulse heizen die Widerstandselemente, so daß die benachbarte Tinte verdampft, um Tintentropfen aus den entsprechenden Öffnungen auszustoßen.
Mit Bezug auf Fig. 2 wird ein mit der gestrichelten Linie 30 bezeichneter Bereich von Chip 16 in vergrößerter schematischer Draufsicht gezeigt. Im allgemeinen umfaßt das Schaltungssystem einen ersten Schaltungsteil, der auf einem Träger ausgebildet ist und durch Vollinien dargestellt ist, zweite Schaltungsteile (durch bemusterte Bereiche dargestellt) und eine dielektrische Passivierungsschicht (nicht gezeigt) trennen die beiden Schaltungsteile. Insbesondere ist zu erkennen, daß der erste Schaltungsteil eine Vielzahl von Schaltungsverzweigungen 31a-31L umfaßt, die jeweils ein Widerstands-Heizelement 32 und eine Diode 33 beinhalten, die auf dem Substrat in einem Abstand ausgebildet und über Elektrodenzuleitungen 35 verbunden sind (siehe Unterschaltung 31g). Verzweigte Elektrodenzuleitungen für Unterschaltungen 31a-31c und 31g-31i erstrecken sich direkt zu den Anschlüssen 36-A, 36-B, die mit Druckimpulstreiberschaltungen (nicht gezeigt) verbindbar sind.
Der zweite Schaltungsbereich umfaßt sechs Kopplungselektrodenbereiche 37, die die Eingangsanschlüsse 36-A, 36-B mit den entsprechenden Zuleitungen der Unterschaltungen 31c-31d und 31j-31L verbinden und zwei Gruppenauswahlelektroden 38, 39, die jeweils an gegenüberliegenden Seiten von Unterschaltungsleitungen gekoppelt sind, um so die Unterschaltungs-Auswahlgruppe I (31a-31c und 31g-31i) und Gruppe II (31d-31f und 31j-31L) zu bilden. Auswahlelektrode 38 erstreckt sich zu einem Auswahlanschluß 40 der Gruppe I, und Auswahlelektrode 39 erstreckt sich zu einem Auswahlanschluß 41 der Gruppe II. Die schraffierten Bereiche auf der bemusterten zweiten Schaltung bezeichnen Bereiche, in denen die Elektrode sich durch die zwischenliegende dielektrische Passivierungsschicht erstreckt, um mit den Verzweigungen des ersten Schaltungsteils Kontakt zu erhalten. Andernfalls sind die beiden Schaltungsteile elektrisch voneinander durch die dielektrische Passivierungsschicht getrennt.
Fig. 3 zeigt eine Schnittansicht eines Teils einer tatsächlichen Schaltungsstruktur, so wie schematisch innerhalb der Punktlinienbox 50 von Fig. 2 gezeigt. So kann Substrat 51 einen gläsernen oder glasierten Silizium-Chip mit einer Wärmeschutzoberfläche (nicht gezeigt) umfassen, auf der eine Metallwiderstandsschicht 32 (z.B. TaA1 oder HfB&sub2;) ausgebildet ist. Elektrodenzuleitungen 35a, 35b befinden sich auf einer Widerstandsschicht, mit Ausnahme über dem Tintenheizbereich H, so daß Strom von einer Elektrode zur anderen durch die Widerstandsschicht im Heizbereich fließen kann. Die erste Passivierungsschicht 52, z.B. SiO&sub2; wird über den Elektroden und Heizelementen außer an Bereichen 53, 54 ausgebildet. Im Bereich 53 erstreckt sich ein Kopplungsteil von Elektrode 37 in Berührung mit Adreßelektrode 35a und über die Fläche der dielektrischen Passivierungsschicht 52, um sich mit der Verzweigungsschaltung 31d (nicht in Fig. 3 gezeigt) zu verbinden. In Bereich 54 ist zuerst eine Diodenschicht aufgebracht (z. B. aus Silizium und Gold) und anschließend ein Kopplungsteil von der Gruppenauswahlelektrode 38, der sich über Schicht 52 zu Anschluß 40 (nicht in Fig. 3 gezeigt) erstreckt. Eine zweite Passivierungsschicht 60, z.B. Polyamid, wird dann über die Bereiche 53, 54 und über die anderen oberen Flächen des Chips ausgebildet, nicht aber über den Heizbereich H.
Der Bezug auf die Fertigungsschritte des in Fig. 3 gezeigten Bereichs, wie in Fig. 4A bis 4G gezeigt, hilft beim Verständnis der Chip-Konstruktion gemäß der vorliegenden Erfindung. Wie in Fig. 4A gezeigt, wird eine Schicht 32 aus Widerstandsmaterial zuerst auf der Fläche von Substrat 51 in Regionen aufgebracht, die den Wärmeübertragungsbereich umfassen. Als nächstes, wie in Fig. 4B gezeigt, werden Metallelektroden 35a und 35b ausgebildet, deren Enden die Strombahn durch das Widerstandsmaterial am Heizbereich festlegen. Eine Schicht (oder Schichten) von Diodenmaterial 54 wird dann über die Elektroden 35b aufgebracht, siehe Fig. 4C, und eine dielektrische Passivierungsschicht 52 (z.B. SiO&sub2; oder Zr) wird über der Fläche auf gebracht, wie in Fig. 4D gezeigt.
Mit Bezug auf Fig. 4E ist zu sehen, daß die Passivierungsschicht so gemustert ist, daß Teile der Elektrode 35a und Diode 54 offenliegen. An dieser Fertigungsstufe kann, soweit Zr zur Ausbildung von Schicht 52 verwendet wird, eine Oxidation von Zr zur Bildung von ZrO&sub2; erfolgen. Der zweite Schaltungsteil mit Elektroden 37, 38 wird dann aufgebracht und in der in Fig. 4F gezeigten Konfiguration gemustert, abschließend wird die zweite Passivierungsschicht 60 aufgebracht und so gemustert, daß ein Chip mit der in Fig. 4G gezeigten Topografie entsteht. Es ist erwähnenswert, daß Schicht 60 aus Polyamid oder einem vergleichbaren Material bestehen kann, da es die Wärmeübertragungsbahn nicht überlagert, wobei Schicht 52 die Schutzabdeckung für die Widerstands-Heizelemente darstellt.
Mit erneutem Bezug auf Fig. 2 und 3 werden während des Betriebs Erregungsimpulse nacheinander an Anschlüsse 40 und 41 angelegt. Wahrend der Erregung von Elektrode 38 wird Vorwärtsspannung an die Dioden der Verzweigungsschaltungen 31a-31c und 31g-31i angelegt, und wenn Treiberimpulse an die Anschlüsse 36-A, 36-B in Übereinstimmung mit den Informationssignalen angelegt werden, können die Elektroden 35 dieser Schaltungen Strom durch die Widerstands-Heizelemente der Schaltungen leiten, um die darüberliegende Tinte zu erwärmen und das Ausstoßen eines Tintentropfens durch die entsprechende Öffnung in der Öffnungsplatte 18 zu bewirken. Wenn ein Erregungsimpuls an Anschluß 41 anliegt, legt die Elektrode 39 Vorwärtsspannung an den Dioden der Verzweigungsschaltungen 31d-31f und 31j-31L an, so daß die an Anschlüssen 36-A und 36-B angelegten Treiberimpulse an die entsprechenden Verzweigungsschaltungen übertragen werden (über Kopplungselektroden 37), um ebenfalls den Tropfenausstoß in Übereinstimmung mit dem die Treiberschaltungen ansteuernden Informationssignal zu bewirken.
Die zuvor beschriebene Ausführungsform der Schaltungskonstruktion gemäß der vorliegenden Erfindung bietet die Vorteile eines Multiplex- Betriebs, ohne daß es notwendig wäre, beide Seiten eines Tropfenausstoß- Chips zu bemustern. Darüber hinaus sind bei den erfindungsgemäßen Schaltungskonstruktionen die Schaltungsdiodenelemente aus den Bereichen der Wärmeerzeugung heraus verlegt. Wie zuvor erwähnt, ist das insbesondere bei Einrichtungen wichtig, bei denen Dünnfilmbauteile zum Einsatz kommen, die wiederholt unter Zyklen mit hoher Last betrieben werden, so wie die eingangs beschriebenen Tintenstrahldruckeinrichtungen.
Die vorliegende Erfindung bietet industrielle Vorteile durch Bereitstellung einer einfachen Tintenstrahldruckkopf-Konstruktion für zuverlässigen Multiplex-Betrieb zur Erzielung eines Drucks mit hoher Dichte.

Claims

1. Drop-on-demand Tintenstrahldrucker mit einer Vielzahl von Öffnungen und mit einer Dünnfilm-Tropfenausstoßvorrichtung, die eine entsprechende Vielzahl von Heizelementen und Leitungen umfaßt, die Tinte zu den Heizelementen befördern, dadurch gekennzeichnet, daß die Tropfenausstoßvorrichtung

a) ein Trägersubstrat (51) umfaßt,

b) einen ersten Schaltungsabschnitt (31, 35, 36) mit einer Vielzahl von Schaltungsverzweigungen aufweist, von denen jede ein Widerstands-Heizelement (32) sowie eine Diode (33) umfaßt, die auf dem Substrat in einem Abstand ausgebildet und über Elektrodenzuleitungen der ersten Schaltungsverzweigungen in Reihe mit Anschlussbereichen geschaltet ist,

c) eine dielektrische Passivierungsschicht (52) umfaßt, die außer an den diskreten Anschlussbereichen der Schaltungsverzweigungen des ersten Schaltungsabschnitts diesen Schaltungsabschnitt überlagert,

d) einen zweiten Schaltungsabschnitt (37, 38, 39) mit einer Vielzahl von die dielektrische Passivierungsschicht (52) überlagernder Multiplex-Elektrodenzuleitungen aufweist sowie Verbindungsabschnitte umfaßt, die sich durch die Passivierungsschicht (52) in Berührung mit Anschlußbereichen des ersten Schaltungsabschnitts erstrecken, und

e) eine zweite Passivierungsschicht (60) umfaßt, die über dem zweiten Schaltungsabschnitt (37, 38, 39), nicht jedoch über den Widerstands-Heizelementen liegt.

2. Drop-on-demand Tintenstrahldrucker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Schaltungsabschnitt mindestens zwei Schaltungsverzweigungen aufweist und daß der zweite Schaltungsabschnitt

(i) eine Elektrodenzuleitung umfaßt, die die Druckimpulseingänge der Schaltungsverzweigungen an einen gemeinsamen Treiber- Schaltungspunkt anschließt, und

(ii) getrennte Elektrodenzuleitungen aufweist, die die Diodenausgänge der Schaltungsverzweigungen an getrennte Freigabe- Anschlüsse anschließen.