DE69412915T2 - Tintenstrahlaufzeichnungsgerät - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Tintenstrahlaufzeichnungsgerät mit einem Tintenstrahlkopf des sogenannten Tinte-auf-Anforderung-Typs, der Tintentröpfchen nur dann ausstößt, wenn jeweilige Punkte tatsächlich auf einem Aufzeichnungsmedium aufzuzeichnen sind. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Tintenstrahlaufzeichnungsgerät mit einem elektrostatisch gesteuerten Tintenstrahlkopf.
• Gegenwärtig werden hauptsächlich zwei Arten von Tintenstrahlköpfen des Tinte-auf-Anforderung-Typs verwendet, die sich in der Art und Weise der Erzeugung des für den Tintenausstoß erforderlichen Druckes unterscheiden. Eine Art verwendet piezoelektrische Aktuatoren für diesen Zweck, wie beispielsweise in DE-A-31 47 107 und EP-A-0 337 429 offenbart ist, während die andere Heizelemente zum Erhitzen von Tinte verwendet, um Blasen zu erzeugen, wie beispielsweise in JP-B-59911/1986 beschrieben ist. Jede dieser zwei Arten von Tintenstrahlkopf weist ihre eigenen Vorteile und Nachteile auf. Während der erstgenannte Typ Probleme bei der Herstellung aufweist, wenn eine bestimmte Düsendichte und -präzision erforderlich ist, erfreut er sich einer hohen Zuverlässigkeit und einer langen Betriebsdauer. Auf der anderen Seite weist der Blasen- bzw. Bubble-Tintenstrahlkopf weniger Probleme bei der Herstellung auf, jedoch sind seine Widerstandsheizelemente dafür anfällig, im Lauf der Zeit infolge des wiederholten schnellen Heizens und Abkühlens sowie der durch die kollabierenden Blasen bewirkten Stöße zerstört zu werden, weshalb die praktische Betriebsdauer des Tintenstrahlkopfs entsprechend kurz ist. Somit ist keine dieser zwei Arten von Tintenstrahlköpfen wirklich zufriedenstellend.
• Ein drittes bekanntes Prinzip für die Druckerzeugung in einem Tintenstrahlkopf nützt eine elektrostatische Kraft aus, d. h., es verwendet einen elektrostatischen Aktuator, wie er in JP-A- 289351/1990 und US-A-4,520,375 offenbart ist.
• Die JP-A-289351 /1990 offenbart genauer gesagt einen Tintenstrahlkopf, der ein Siliciumsubstrat aufweist, in dem Tintendurchlässe gebildet sind, von denen jeder mit einer jeweiligen Düse an einem Ende sowie mit einem gemeinsamen Tintenreservoir am anderen Ende verbunden ist. Ein Seitenwandabschnitt des Tintendurchlasses ist aus einer Membran als einer Schwingungsplatte gebildet. An der Außenfläche jeder Membran ist jeweils eine Einzel- oder Düsenelektrode vorgesehen. Den Düsenelektroden gegenüberliegend angeordnet befindet sich, durch einen Spalt getrennt, eine gemeinsame Elektrode. Jede Membran bildet mit ihrer Düsenelektrode und der gegenüberliegenden gemeinsamen Elektrode einen elektrostatischen Aktuator, der einen durch die Düsenelektrode, die gemeinsame Elektrode und einen dazwischen angeordneten Isolator umfaßt. Ein ähnlicher elektrostatischer Aktuator oder Fluidstrahlausstoßer ist in US-A-4,520,375 offenbart. Im letztgenannten Stand der Technik bildet die dünne Siliciummembran selbst durch Ausnutzen ihrer Halbleitereigenschaft eine Elektrode des Kondensators. Das Aufprägen einer zeitlich veränderlichen Spannung auf den Kondensator bewirkt, daß die Membran in mechanische Bewegung versetzt wird und das Fluid als Antwort auf die Membranbewegung austritt.
• Das bei diesem Stand der Technik verwendete elektrostatische Prinzip bietet Vorteile wie Kompaktheit, hohe Dichte und lange Betriebsdauer und scheint deshalb eine vielversprechende Alternative zu sein, mit der die vorgenannten Probleme des Stands der Technik unter Verwendung von entweder piezoelektrischen Aktuatoren oder Heizelementen gelöst werden können.
• Das Dokument EP-A-0 479 441 offenbart ein Tintenstrahlaufzeichnungsgerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Bei diesem Stand der Technik umfaßt eine Treiberanordnung eine Oszillationsschaltung zum alternierenden Erzeugen einer Nullspannung und einer positiven Spannung oder eine Wechselstromquelle zum selektiven Ansteuern der einzelnen Aktuatoren als Antwort auf ein Drucksteuersignal. In einer alternativen Ausführungsform offenbart die EP-A-0 479 441 eine Struktur eines elektrostatischen Aktuators, bei der die Membran selbst nicht eine von zwei Kondensatorelektroden bildet, an die die Treiberspannung angelegt wird. Statt dessen sind zwei separate Elektroden nebeneinander angeordnet. Eine oder beide Elektroden befinden sich gegenüber der Membran, und positive sowie negative Impulse werden alternierend an diese zwei Elektroden angelegt, ein Impuls zum Anziehen der Membran zur Vorbereitung des Ausstoßes eines Tintentröpfchens und der folgende Impuls mit entgegengesetzter Polarität zum Abstoßen der Membran und zum Ausführen des Ausstoßes des Tintentröpfchens.
• Eine praktische Implementierung eines Tintenstrahlkopfs des Tinte-auf-Anforderung-Typs, die derartige elektrostatische Aktuatoren für die Druckerzeugung verwendet und qualitativ hochwertiges Drucken sowie eine konstant hohe Effizienz aufweist, war jedoch bisher noch nicht möglich. Die Verwendung von Halbleitermaterial für zumindest einen Teil eines derartigen Tintenstrahlkopfs mit der Membran ermöglicht die Herstellung komplexer Strukturen mit hoher Präzision, indem wohlbekannte Halbleiterverarbeitungstechnologien eingesetzt werden. Dadurch kann das Erfordernis einer hohen Dichte an Düsen bei relativ niedrigen Herstellungskosten erfüllt werden. Andererseits bestehen Probleme aufgrund der Halbleiternatur des Materials insofern, als es schwierig ist, stabile Betriebseigenschaften zu gewährleisten.
• Deshalb besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Tintenstrahlaufzeichnungsgerät mit einem mittels einer elektrostatischen Kraft angesteuerten Tintenstrahlkopf zu schaffen, bei dem der Tintenstrahlkopf einfach und präzise hergestellt werden kann und eine stabile Tintenzufuhr sowie eine gute Druckqualität gewährleistet ist.
• Diese Aufgabe wird mit einem Aufzeichnungsgerät gemäß Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
• Der Tintenstrahlkopf eines Aufzeichnungsgeräts gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Substrat, das aus einem p-leitenden oder n-leitenden dotierten Halbleitermaterial hergestellt ist und in dem eine oder mehrere Düsen zum Ausstoßen von Tintentröpfchen sowie eine Tintenkammer gebildet sind, die mit einer jeweiligen der Düsen verbunden ist und Teil eines Tintenzufuhrdurchlasses zum Liefern von Tinte an die betreffende Düse ist. Zumindest eine Wand jeder Tintenkammer ist aus einer mit dem Halbleitersubstrat einstückigen Membran gebildet. Gegenüber jeder Membran ist je eine Einzeldüsenelektrode mit einem Spalt dazwischen positioniert, und eine gemeinsame Elektrode ist auf dem Substrat gebildet. Die Membran und die ihr entsprechende Düsenelektrode bilden einen Kondensator, der aufgrund der flexiblen Natur der Membran als ein elektrostatischer Aktuator fungiert. Wenn der Kondensator geladen ist, wölbt eine elektrostatische Kraft die Membran zur Düsenelektrode. Beim Entladen des Kondensators kehrt die Membran aufgrund ihrer Nachgiebigkeit in ihren ursprünglichen Zustand zurück.
• Bei einer derartigen Struktur des Tintenstrahlkopfs kann, wenn eine Spannung an die gemeinsame Elektrode und eine Düsenelektrode angelegt ist, ein Unterschied bei der resultierenden Wölbung der Membran abhängig von der Polarität der Spannung beobachtet werden. Dies ist der zwischen der Düsenelektrode, dem isolierenden Spalt zwischen der Düsenelektrode und der Membran sowie der Membran selbst gebildeten MIS-Struktur zuzuschreiben. Bei dieser Struktur wird eine Raumladungsschicht (auch als "Verarmungsschicht") in dem Halbleitermaterial in der Grenzschicht zum Isolator gebildet. Die Raumladungsschicht weist eine bestimmte Kapazität auf, die in Serie mit dem durch die Membran und die Düsenelektrode gebildeten Kondensator geschaltet ist. Abhängig von der Kapazität der Raumladungsschicht ist ein kleinerer oder größerer Anteil der zwischen der gemeinsamen Elektrode und der Düsenelektrode angelegten Spannung wirksam zur Bildung des elektrostatischen Feldes, das einen Versatz bzw. eine Auslenkung der Membran hervorruft.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Polarität der zwischen der gemeinsamen Elektrode und der Düsenelektrode angelegten Spannung abhängig von der Art des Halbleitermaterials so gewählt, daß der Einfluß einer Raumladungsschicht im wesentlichen unterdrückt wird. Bei einem p-leitenden Halbleitersubstrat wird dies durch Wahl der Polarität der Spannung derart erreicht, daß das Potential der gemeinsamen Elektrode positiv bezüglich demjenigen der Düsenelektroden ist. Bei einem n-leitenden Substrat ist die Polarität der Spannung umgekehrt.
• Bei einem Tintenstrahlaufzeichnungsgerät gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Impulsspannung zwischen die gemeinsame Elektrode und die Düsenelektroden zum Laden der elektrostatischen Aktuatoren angelegt, d. h. zum Erzeugen einer elektrostatischen Kraft, die eine Anziehung zwischen der Membran und der dieser Membran gegenüber positionierten Düsenelektrode bewirkt und die Membran wölbt. Durch anschließendes Entladen des elektrostatischen Aktuators, d. h. durch Entfernen der elektrostatischen Kraft, wird der Druck innerhalb der Tintenkammer aufgrund der Rückstellkraft der Membran erhöht, und Tinte wird aus der Düse ausgestoßen. Durch Wählen der Polarität der an die gemeinsame Elektrode und die Düsenelektroden angelegten Impulsspannung nach Maßgabe des Leitfähigkeitstyps des für das Substrat verwendeten Halbleiters und durch Laden sowie Entladen des elektrostatischen Aktuators wie vorstehend beschrieben, ist es möglich, die Wölbung der Membran als Antwort auf die angelegte Spannung in einem extrem schmalen Bereich zu steuern, wodurch Defekte und Variationen aufgrund der Auslenkung der Membran unterdrückt werden, die Tintenausstoßgeschwindigkeit und -volumen stabilisiert werden und eine extrem gute Druckqualität erhalten wird. Außerdem wird die effektive Betriebsdauer der Membran durch eine stabile Membranansteuerung erhöht, und die Zuverlässigkeit des Tintenausstoßes wird verbessert.
• Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind nachstehend unter Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
• Fig. 1 eine perspektivische Ansicht in teilweiser Explosionsdarstellung des Tintenstrahlkopfs einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
• Fig. 2 ein Seitenquerschnitt des in Fig. 1 gezeigten Tintenstrahlkopfs,
• Fig. 3 eine Schnittansicht längs der Linie A-A in Fig. 2,
• Fig. 4 eine schematische Darstellung, die die Ladungsverteilung in der Anordnung der Membran und der Düsenelektrode zeigt, wenn eine Spannung angelegt ist, deren Polarität gemäß der Erfindung gewählt ist,
• Fig. 5 eine schematische Darstellung, die die Ladungsverteilung in der Membran und der Düsenelektrode zeigt, wenn die Polarität der Treiberspannung der in Fig. 4 verwendeten entgegengesetzt ist,
• Fig. 6 ein schematisches Schaltbild einer Treiberschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung,
• Fig. 7 ein Zeitsteuerdiagramm,
• Fig. 8 den Zustand des Tintenstrahlkopfs während des elektrostatischen Ladens,
• Fig. 9 den Zustand des Tintenstrahlkopfs während des elektrostatischen Entladens, und
• Fig. 10 eine konzeptionelle Darstellung eines Tintenstrahlaufzeichnungsgeräts gemäß der Erfindung.
• Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform des Druckkopfs eines Aufzeichnungsgeräts gemäß der vorliegenden Erfindung teilweise in Explosionsdarstellung und im Querschnitt. Es ist festzuhalten, daß, obwohl diese Ausführungsform als Kopf des Randtyps gezeigt ist, bei dem Tinte aus am Rand eines Substrats vorgesehenen Düsen ausgestoßen wird, die Erfindung auch bei einem Kopf des Flächentyps angewendet werden kann, bei dem die Tinte aus an der oberen Oberfläche des Substrats vorgesehenen Düsen ausgestoßen wird. Fig. 2 ist ein Seitenquerschnitt des zusammengebauten Tintenstrahlkopfs, und Fig. 3 ist eine Schnittansicht längs der Linie A-A in Fig. 2. Der Tintenstrahlkopf 10 dieser Ausführungsform ist aus drei übereinandergeschichteten Substraten 1, 2, 3 aufgebaut und wie nachstehend beschrieben aufgebaut.
• Ein erstes Substrat 1 ist in Zwischenlage zwischen einem zweiten und einem dritten Substrat 2 und 3 angeordnet und aus einem Siliciumwafer gebildet. Mehrere Düsen 4 sind zwischen dem ersten und dem dritten Substrat mittels entsprechenden Düsennuten 11 gebildet, die in der oberen Oberfläche des ersten Substrats 1 so vorgesehen sind, daß sie sich im wesentlichen parallel mit gleichen Abständen von einem Rand des Substrats aus erstrecken. Das dem einen Ende entgegengesetzte Ende jeder Düsennut mündet in eine jeweilige Aussparung 12. Jede Aussparung ist ihrerseits über jeweilige schmale Nuten 13 mit einer Aussparung 14 verbunden. Im zusammengebauten Zustand bildet die Aussparung 14 einen gemeinsamen Tintenbehälter 8, der über durch die schmalen Nuten 13 gebildete Öffnungen 7 und durch die Aussparungen 12 gebildete Tintenkammern 6 mit den Düsen 4 verbunden ist. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist jede Öffnung 7 durch drei parallele Nuten 13 gebildet, hauptsächlich um den Flußwiderstand zu erhöhen, jedoch auch um den Tintenstrahlkopf betriebsfähig zu halten, wenn eine der Nuten verstopft wird. Elektrostatische Aktuatoren sind zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat gebildet. Der Boden jeder Tintenkammer 6 umfaßt eine Membran 5, die einstückig mit dem Substrat 1 ausgebildet ist. Es ist klar, daß die vorstehend genannten Nuten und Aussparungen leicht und präzise durch photolithographisches Ätzen des Halbleitersubstrats gebildet werden können.
• Eine gemeinsame Elektrode 17 ist auf dem ersten Substrat 1 vorgesehen. Die Größe der Austrittsarbeit des das erste Substrat 1 bildenden Halbleiters und des für die gemeinsame Elektrode 17 verwendeten Metalls ist ein wichtiger Faktor, der die Wirkung der Elektrode 17 auf dem ersten Substrat 1 bestimmt. Das in dieser Ausführungsform verwendete Halbleitermaterial weist einen spezifischen Widerstand von 8 bis 12 Qcm auf, und die gemeinsame Elektrode 17 weist tatsächlich einen zweischichtigen Aufbau auf, der aus Platin auf einer Titanbasisschicht oder Gold auf einer Chrombasisschicht gebildet ist. In den Fig. 4 und 5 bezeichnet 17a die obere Schicht (Platin oder Gold), und 17b bezeichnet die untere oder Basisschicht (Titan oder Chrom), wobei letztere hauptsächlich vorgesehen ist, um das Haftvermögen zwischen dem Substrat und der Elektrode zu verbessern. Die vorliegende Erfindung soll jedoch nicht hierauf beschränkt sein, und es können verschiedene andere Materialkombinationen nach Maßgabe der Eigenschaften des Halbleiter- und Elektrodenmaterials verwendet werden.
• Borsilikatglas, wie beispielsweise Pyrex-Glas, wird für das zweite Substrat 2 verwendet, das mit der unteren Oberfläche des ersten Substrats 1 verbunden ist. Düsenelektroden 21 sind auf der Oberfläche des zweiten Substrats 2 durch Sputtern von Gold in einer Dicke von 0,1 um in einem Muster gebildet, das im wesentlichen mit der Form der Membranen 5 übereinstimmt. Jede der Düsenelektroden 21 weist ein Zuleitungselement 22 und ein Anschlußelement 23 auf. Eine 0,2 um dicke Isolierschicht 24 zum Verhindern eines Dielektrikum-Durchbruchs und eines Kurzschlusses während des Tintenstrahlkopftreibens ist aus einem Pyrex-Sputterfilm auf der gesamten Oberfläche des zweiten Substrats 2 mit Ausnahme der Anschlußelemente 23 gebildet.
• Zusätzlich oder als Alternative zur Isolierschicht 24 kann eine Isolierschicht (26 in Fig. 4) auf der den Düsenelektroden zugewandten Seite der Membranen 5 vorgesehen sein. Da die Membranen 5 aus einem Halbleitermaterial bestehen, kann eine derartige Isolierschicht leicht mit einer Dicke von 0,1 um bis 0,2 um durch Oxidieren des Halbleitermaterials gebildet werden. Eine derartige Oxidisolierschicht zeigt exzellente mechanische Widerstandsfähigkeit, Isolationseigenschaft und chemische Stabilität und reduziert die Wahrscheinlichkeit eines Dielektrikum-Durchbruchs im Fall eines Kontakts zwischen der Membran und der Düsenelektrode beträchtlich. Dies ist ein Vorteil der Verwendung des Halbleitermaterials selbst als eine Elektrode des elektrostatischen Aktuators.
• Eine Aussparung 15 zum Unterbringen einer jeweiligen Düsenelektrode 21 ist unterhalb jeder Membran 5 vorgesehen. Die Verbindung des zweiten Substrats 2 mit dem ersten Substrat 1 führt zu Schwingungskammern 9, die an den Positionen der Aussparungen 15 zwischen jeder Membran 5 und der ihr gegenüberliegenden entsprechenden Düsenelektrode 21 gebildet sind. Bei dieser Ausführungsform bilden die in der unteren Oberfläche des ersten Substrats 1 gebildeten Aussparungen 15 Spalte zwischen den Membranen und den jeweiligen Elektroden 21. Die Länge G (vgl. Fig. 2; nachstehend die "Spaltlänge") jedes Spalts ist gleich der Differenz zwischen der Tiefe der Aussparung 15 und der Dicke der Elektrode 21. Es ist festzuhalten, daß diese Aussparung alternativ in der oberen Oberfläche des zweiten Substrats 2 gebildet sein kann. In dieser bevorzugten Ausführungsform beträgt die Tiefe der Aussparung 15 0,6 um, und der Abstand der Düsenkanäle 11 untereinander sowie deren Breite betragen 0,72 mm bzw. 70 um.
• Wie beim zweiten Substrat 2 wird Borsilikatglas für das dritte Substrat 3 verwendet, das mit der oberen Oberfläche des ersten Substrats 1 verbunden ist. Die Verbindung des dritten Substrats 3 mit dem ersten Substrat 1 vervollständigt die Bildung der Düsen 4, der Tintenkammern 6, der Öffnungen 7 und des Tintenbehälters 8. Eine Tinteneinlaßöffnung 31 ist im dritten Substrat 3 derart ausgebildet, daß sie in den Tintenbehälter 8 mündet. Die Tinteneinlaßöffnung 31 ist unter Verwendung einer Anschlußleitung 32 und einer Röhre 33 mit einem Tintentank (nicht gezeigt in der Figur) verbunden.
• Das erste Substrat 1 und das zweite Substrat 2 werden bei 300ºC bis 500ºC durch Anlegen einer Spannung von 500 V bis 800 V anodisch miteinander verbunden, und das erste Substrat sowie das dritte Substrat 3 werden unter den gleichen Bedingungen verbunden, um den in Fig. 2 gezeigten Tintenstrahlkopf zusammenzusetzen. Nach dem Verbinden der Substrate beträgt die Spaltlänge G zwischen den Membranen 5 und den Düsenelektroden 21 bei dieser Ausführungsform 0,5 um. Der Abstand G1 zwischen den Membranen 5 (oder der Isolierschicht 26, falls vorhanden) und der die Düsenelektroden 21 bedeckenden Isolierschicht 24 beträgt 0,3 um.
• Der so zusammengesetzte Tintenstrahl kopf wird mittels einer Treibereinheit 102 getrieben, die über Zuleitungen 101 mit der gemeinsamen Elektrode 17 und den Anschlußelementen 23 der Düsenelektroden 21 verbunden ist. Die Treibereinheit 102 enthält eine Mehrzahl von Treiberschaltungen 40 (vgl. Fig. 2), eine für jeden Aktuator. Tinte 103 wird vom Tintentank (nicht gezeigt in den Figuren) über die Tinteneinlaßöffnung 31 in das erste Substrat 1 geleitet, um den Tintenbehälter 8 und die Tintenkammern 6 zu füllen.
• In Fig. 2 ist außerdem ein während des Tintenstrahlkopftreibens aus der Düse 4 ausgestoßenes Tintentröpfchen 104 und Aufzeichnungspapier 105 gezeigt.
• Die elektrischen Anschlüsse der vorliegenden Ausführungsform sind nachstehend beschrieben.
• Aufgrund der vorgenannten MIS-Struktur kann abhängig von der Polarität der angelegten Spannung aufgrund des Effekts der Raumladungsschicht eine große Differenz im Stromwert bestehen. Wenn der für das Substrat verwendete Halbleiter p-leitendes Silicium ist, wirkt das Substrat als Leiter, wenn bezüglich der Düsenelektroden 21 ein positives Potential an die gemeinsame Elektrode 17 angelegt wird, wenn jedoch ein negatives Potential angelegt wird, wirkt das Substrat nicht als Leiter, und es wird statt dessen eine Raumladungsschicht erzeugt. Diese Eigenschaft wird in der vorliegenden Erfindung verwendet, die nachstehend unter Bezug auf die Fig. 4 bis 10 beschrieben ist.
• Fig. 4 ist eine schematische Ansicht, die die Verteilung der elektrischen Ladungen in der Membran und der Düsenelektrode darstellt, wenn die Polarität der angelegten Spannung gemäß der vorliegenden Erfindung gewählt wird. Bei dieser Ausführungsform wird p-leitendes Silicium für das erste Substrat 1 verwendet, und die Düsenelektroden 21 der elektrostatischen Aktuatoren sind derart mit Treiberschaltungen 40 verbunden, daß zum Laden eines Aktuators eine Impulsspannung angelegt wird, durch die die gemeinsame Elektrode positiv bezüglich der Düsenelektrode 21 wird. Das p-leitende Silicium ist mit Akzeptor-Dotierstoffen wie Bor dotiert und weist so viele Löcher auf wie die Anzahl an Akzeptoratomen. Die Impulsspannung erzeugt ein von der Membran zur Düsenelektrode gerichtetes elektrostatisches Feld. Aufgrund dieses Feldes wandern die Löcher 19 im p-leitenden Silicium zur Isolierschicht 26 und lassen negativ geladene Akzeptorionen zurück. Da Löcher von der gemeinsamen Elektrode 17 injiziert werden, wird die negative Ladung der Akzeptorionen neutralisiert. Deshalb nimmt die Membran eine positive Ladung an, ohne daß eine Raumladungsschicht erzeugt wird, d. h., die Membran oder das erste Substrat wirkt als ein Leiter. Außerdem sammelt sich eine negative Ladung auf der Seite der Düsenelektroden 21 an. Als Ergebnis erzeugt die zwischen einer Membran 5 und ihrer gegenüberliegenden Düsenelektrode 21 angelegte Impulsspannung eine Anziehungskraft aufgrund statischer Elektrizität, die ausreicht, um die Membran 5 zur Düsenelektrode 21 hin auszulenken.
• Fig. 5 ist eine der Fig. 4 ähnliche Ansicht und stellt die Verteilung elektrischer Ladungen in der Membran und der Düsenelektrode dar, wenn die Polarität der angelegten Spannung derjenigen von Fig. 4 entgegengesetzt ist, d. h., das erste Substrat 1 ist negativ bezüglich der Düsenelektroden 21. In diesem Fall wandern, da das elektrostatische Feld von der Düsenelektrode zu der Membran gerichtet ist, Löcher 19 in der p-leitenden Siliciummembran 5 zur gemeinsamen Elektrode 17. Da die Akzeptoratome in den Siliciumkristallen fest sind und sich nicht bewegen können und keine Löcher von der Düsenelektrode in die Membran injiziert werden können, ist das Silicium elektrisch in zwei Schichten unterteilt, eine durch Löcher 19 positiv geladene erste Schicht und eine durch Akzeptorionen negativ geladene zweite Schicht. Deshalb weist das erste Substrat 1 eine Kapazität auf, die durch die Tiefe der Raumladungsschicht 25 und die Elektrizitätskonstante des Siliciums bestimmt ist, und es fungiert deshalb als ein Kondensator. Das erste Substrat 1 fungiert deshalb nicht als Leiter, und die zwischen einer Membran 5 und einer gegenüberliegenden Düsenelektrode 21 erzeugte elektrostatische Anziehungskraft nimmt bezüglich der angelegten Impulsspannung um einen Wert ab, der dem Spannungsabfall über die Kapazität äquivalent ist. Demzufolge wölbt sich die Membran 5 nicht ausreichend, und die Tintenstrahlqualität kann nicht gewährleistet werden. Es gibt auch Fälle, in denen die Wölbung der Membran 5 unmöglich wird, und es ist nicht möglich, den Tintenstrahlkopf zu betreiben, wenn das erste Substrat 1 als die negative Elektrode verwendet wird.
• Wenn ein n-leitender Siliciumhalbleiter für das Substratmaterial verwendet wird, ist die Situation der vorstehend erläuterten entgegengesetzt, d. h., wenn ein negatives Potential an das Substrat 1 angelegt wird, arbeitet das Substrat als Leiter, während das Substrat 1, wenn ein positives Potential an es angelegt wird, kein Leiter wird und eine Kapazität aufgrund der Raumladungsschicht aufweist, in der keine beweglichen Elektronen existieren. Demzufolge kann dieses nleitende Siliciumhalbleitersubstrat identisch wie ein p-leitender Halbleiter betrieben werden, indem eine Spannung mit einer Polarität angelegt wird, die der bei einem p-leitenden Halbleitersubstrat entgegengesetzt ist, und es kann eine gute Tintenstrahlqualität gewährleistet werden.
• Fig. 6 ist ein schematisches Schaltbild einer Treiberschaltung 40 gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein in der Figur gezeigter Kondensator 110 repräsentiert den durch eine Membran 5 und die entsprechende der Elektroden 21 gebildeten Kondensator. 106 und 107 sind ein erstes bzw. ein zweites Schaltelement, die sowohl ein bipolarer Transistor als auch ein MOS-Transistor sein können. Es ist festzuhalten, daß die hier beschriebene Treiberschaltung von einem n- leitenden Substratmaterial ausgeht. Wie aus dem Vorstehenden ersichtlich ist, sind, wenn ein n- leitender Halbleiter für das Substrat 1 verwendet wird, die Konfiguration der Treiberschaltungen 40 und/oder die Verbindungen zwischen den Treiberschaltungen 40 und den Tintenstrahlkopf 10 so, daß die Polarität der an jeden Aktuator angelegten Spannung der im Fall eines p-leitenden Halbleiters angelegten entgegengesetzt ist.
• Fig. 7 ist ein Zeitsteuerdiagramm des elektrostatischen Ladens und Entladens, wobei Fig. 7(A) die Ladezeitsteuerung und Fig. 7(B) die Entladezeitsteuerung zeigen. Das Ladesignal 111, das Entladesignal 112 und die Ladezeit T sind ebenfalls gezeigt.
• Fig. 8 und Fig. 9 zeigen den Zustand des Tintenstrahlkopf während des elektrostatischen Ladens bzw. Entladens bei der vorliegenden Ausführungsform.
• Das Treiberverfahren der vorliegenden Erfindung, die wie vorstehend beschrieben strukturiert und verschaltet ist, wird nachstehend beschrieben.
• Wenn das Tintenausstoßsignal, d. h. das Ladesignal 111, an einem Gatter 121 der Treiberschaltung 40 eingegeben wird, wird der Transistor 108 eingeschaltet, das erste Schaltelement 106 wird eingeschaltet, und der Kondensator 110 wird über einen Widerstand 113 geladen. Die elektrostatische Anziehung bewirkt dann, daß die Membran 5 sich zur Düsenelektrode 21 wölbt, wie in Fig. 8 gezeigt. Die Wölbung der Membran 5 vergrößert das Volumen der Tintenkammer 6 und bewirkt, daß Tinte von dem Tintenbehälter durch die Öffnung 7 eingelassen wird. Nachdem eine vorbestimmte Ladezeit T vergangen ist, veranlaßt die Abfallflanke des Ladesignals den Transistor 108, in einen Sperr-Zustand zurückzukehren, wodurch das erste Schaltelement 106 ausgeschaltet wird und der Ladeweg für den Kondensator 110 unterbrochen wird. Dann wird ein Entladesignal 112 an einem Gatter 122 eingegeben, was bewirkt, daß der Transistor 109 ausgeschaltet und das zweite Schaltelement 107 eingeschaltet wird. Als Antwort darauf fließt Strom in Richtung des Pfeils A (Fig. 6) durch einen Widerstand 114, und die im Kondensator 110 gespeicherte Ladung wird plötzlich entladen. Die Folge ist, daß die durch statische Elektrizität bewirkte, auf die Düsenelektrode 21 und die Membran 5 wirkende Anziehungskraft verschwindet, und die Membran 5 kehrt aufgrund ihrer inhärenten Steifheit in die ursprüngliche Position zurück. Dies bewirkt, daß der Druck innerhalb der Tintenkammer 6 schnell ansteigt, und ein Tintentröpfchen 104 wird aus der Düse 4 auf das Aufzeichnungspapier 105 ausgestoßen (Fig. 9). Durch geeignetes Wählen der Widerstandswerte der Widerstände 113 und 114 können gewünschte Lade/Entladeeigenschaften mit einer relativ langsamen Ladegeschwindigkeit und einer schnellen Entladegeschwindigkeit erhalten werden.
• Fig. 10 zeigt eine Übersicht eines Druckers als ein Beispiel eines Tintenstrahlaufzeichnungsgeräts, das den vorstehend beschriebenen Tintenstrahlkopf enthält. 300 bezeichnet eine Schreibwalze als eine Papiertransportanordnung, die Aufzeichnungspapier 105 zuführt. 301 bezeichnet einen Tintentank, in dem Tinte gespeichert ist und der Tinte durch ein Tintenzufuhrrohr 306 an den Tintenstrahlkopf 10 liefert. Der Tintenstrahlkopf 10 ist auf einem Wagen 302 montiert, der mittels einer Wagenantriebsanordnung (nicht gezeigt) in einer Richtung senkrecht zu der Richtung, in der das Aufzeichnungspapier 105 transportiert wird, bewegbar ist. Synchron mit der Bewegung des Tintenstrahlkopfs werden Tintentröpfchen selektiv aus einer Reihe von Düsen ausgestoßen, um Zeichen und/oder Graphik auf das Aufzeichnungspapier 105 zu drucken. Bei dem Drucker von Fig. 10 ist eine Vorrichtung zum Verhindern des Verstopfens der Tintenstrahlkopfdüsen vorgesehen, ein spezielles Problem von Druckern, die Tintenstrahlköpfe des Auf- Anforderungs-Typs aufweisen. Um das Verstopfen der Düsen zu verhindern, wird der Tintenstrahlkopf an eine Position vor einer Kappe 304 bewegt, wonach mehrmalige Tintenentladungsvorgänge ausgeführt werden, während eine Pumpe 303 dazu verwendet wird, die Tinte durch die Kappe 304 und eine Wiederverwendbarmachungsleitung 308 für verbrauchte Tinte in ein Reservoir 305 für verbrauchte Tinte zu saugen.
• Bei Drucktests unter Verwendung des Treiberverfahrens und des Druckers, die oben beschrieben wurden, wurde der Drucker erfolgreich mit einer Niederspannungsstromversorgung von 50 V betrieben, und Tinte wurde mit guter Druckqualität bis zu 5 kHz bei einem Tintenstrahlvolumen von 0,15 um³ und einer Tintenstrahlausstoßgeschwindigkeit von 10 m/s auf das Papier gebracht. Außerdem wurde bestätigt, daß dieses Tintenstrahlkopftreiberverfahren eine ausgezeichnete Haltbarkeit mit einem Minimum von zwei Milliarden Tintenstrahlausstößen ermöglicht.

Claims (3)

1. Tintenstrahlaufzeichnungsgerät, umfassend

einen Tintenstrahlkopf, bei dem in einem p-leitenden oder n-leitenden Halbleitersubstrat (1) zumindest eine Düse (4), ein mit der Düse verbundener Tintenzufuhrdurchlaß (6, 7) und eine an den Tintenzufuhrdurchlaß angrenzende Membran (5) gebildet sind und der des weiteren eine elektrostatische Aktuatoranordnung aufweist, die eine an dem Substrat befestigte erste Elektrode (17), die Membran (5) und eine zweite Elektrode (21), die der Membran gegenüberliegend mit einem Spalt (G) dazwischen angeordnet ist, umfaßt und

eine Treiberschaltungsanordnung (102) zum selektiven Anlegen einer Treiberspannung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (17, 21), um die Membran derart zu bewegen, daß als Antwort auf eine Membranbewegung Tintentröpfchen aus der Düse ausgestoßen werden,

dadurch gekennzeichnet, daß die Polarität der Treiberspannung so gewählt ist, daß im Fall eines p-leitenden Substrats die erste Elektrode positiv bezüglich der zweiten Elektrode ist, während im Fall eines n-leitenden Substrats die erste Elektrode negativ bezüglich der zweiten Elektrode ist.

2. Gerät nach Anspruch 1, bei dem die Treiberschaltungsanordnung umfaßt

eine Anordnung zum Erzeugen eines Ladeimpulssignals mit einer vorbestimmten Ladeimpulsbreite und eines Entladeimpulssignals mit einer vorbestimmten Entladeimpulsbreite,

eine Anordnung zum Anlegen eines ersten Potentials an die erste Elektrode (17),

eine auf das Ladeimpulssignal ansprechende erste Schaltanordnung (106, 108, 121) zum Anlegen eines zweiten Potentials an die zweite Elektrode während der Ladeimpulsbreite, und

eine auf das Entladeimpulssignal ansprechende zweite Schaltanordnung (107, 109, 122) zum Anlegen des ersten Potentials an die zweite Elektrode während der Entladeimpulsbreite.

3. Gerät nach Anspruch 2, bei dem die Treiberschaltungsanordnung des weiteren eine Anordnung (113) zur Bestimmung der Ladegeschwindigkeit und eine Anordnung (114) zur Bestimmung der Entladegeschwindigkeit des elektrostatischen Aktuators aufweist.