DE2554085A1 - Spritzkopf fuer einen tintenstrahldrucker mit mehreren duesen - Google Patents

Spritzkopf fuer einen tintenstrahldrucker mit mehreren duesen

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DE2554085A1 DE19752554085 DE2554085A DE2554085A1 DE 2554085 A1 DE2554085 A1 DE 2554085A1 DE 19752554085 DE19752554085 DE 19752554085 DE 2554085 A DE2554085 A DE 2554085A DE 2554085 A1 DE2554085 A1 DE 2554085A1
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Description

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Böblingen, den 28. November 1975 bg/se
Änmelderin: International Business Machines
Corporation, Armonk, N-Y. 10504
Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: SA 974 03o
Spritzkopf für einen Tintenstrahldrucker mit mehreren Düsen
Die Erfindung betrifft einen Spritzkopf für einen Tintenstrahldrucker mit mehreren, in einer Düsenplatte angeordneten Düsen.
Stand der Technik
Bei Tintenstrahldruckern liegt die Hauptrichtung der Entwicklung auf dem Gebiet der abgelenkten Systeme, wie sie z.B. in dem US-Patent 3 596 275 beschrieben sind, bei welchen die Tintentropfen eines Tintenstrahls gesondert aufgeladen werden und durch ein einheitliches Ablenkfeld geleitet werden, damit sie abhängig von der Ladung an verschiedenen Punkten der Aufzeichnungsfläche auftreffen. Auf diese Weise kann durch entsprechende Ladung der Tintentropfen auf der Aufzeichnungsfläche eine vom Menschen lesbare Aufzeichnung erzeugt werden. Diese Art des Tintenstrahldruckens erfordert aus verschiedenen Gründen eine sehr genaue Einhaltung der Ladung jedes Tropfens. So können sich beispielsweise Tropfen, die eine ähnliche Ladung aufweisen und dicht benachbart sind, gegenseitig abstoßen und deshalb an unerwünschten Stellen der Aufzeichnungsfläche auftreffen. Die Schaltungen, die erforderlich sind um diese genaue Steuerung zu bewirken, sind relativ teuer, insbesondere wenn mehrere Köpfe vorgesehen sind, vreil für jeden Strahl je eine
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Schaltung vorzusehen ist.
Eine andere Art von Tintenstrahldrucker wurde entwickelt die neben einer hohen Geschwindigkeit eine qualitativ hochwertige Änderung der Drucktypen zuläßt und die keine teure Präzisionsladesteuerung erfordert. Diese Art des Drucks arbeitet nach dem Binärverfahren und ist in dem US-Patent 3 373 437 beschrieben. In dieser Art von Tintenstrahldrucker werden mehrere Strahlen in einer Reihe oder in mehreren Reihen erzeugt, die Tropfen wahlweise mit einem Ladesignal aufgeladen und dann durch ein konstantes elektrisches Feld in eine Auffangvorrichtung abgelenkt. Die ungeladenen Tropfen fliegen auf dem ursprünglichen Strahl weiter und treffen die Aufzeichnungsfläche. Eine Präzisionssteuerung für die Ladung ist nicht erforderlich, da die aufgeladenen Tropfen in die Auffangvorrichtung gelangen und nicht auf die Aufzeichnungsfläche. Der Hauptnachteil dieser Art von Tintenstrahldrucker ist, daß für jede Druckposition in einer Dimension eine Düse erforderlich ist. Ein Drucker benötigt also eine große Anzahl von Düsen. Solche Mehrfachtintenstrahlköpfe sind beispielsweise in den US-Patentschriften 3 586 907 und 3 701 998 beschrieben. Ein Verfahren zur Herstellung der Öffnungen eines solchen Mehrfachspitzkopfes ist in der US-Patentschrift 3 655 530 beschrieben. Dieses Verfahren besteht darin, daß die Innenseite der vorgebohrten Öffnungen elektroplattiert werden, bis der Öffnungsdurchmesser die gewünschte Größe erreicht hat. Dieses Verfahren ist für extrem dicht beieinanderliegende Öffnungen nicht geeignet.
Ein Druck hoher Qualität setzt voraus, daß die einzelnen Tropfen und die Punkte, die sich aus dem Auf treffen der Tropfen auf der Aufzeichnungsfläche ergeben, hinreichend klein sind und dicht beieinanderliegen, so daß sie nicht mehr als einzelne Tropfen erkennbar aber gut erkennbar als Teil des sich ergebenden Zeichens sind. Um dieses Ergebnis zu erzielen, sind auf die Länge eines Zentimeters 80 Tropfen oder mehr erforderlich, wobei jeder Tropfen weniger als 0,175 mm Durchmesser hat. Ein Druckkopf, der zwei
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nebenexnander und gegeneinander versetzt angeordnete Reihen von Düsen hat, würde öffnungen verlangen, die nicht größer als 0,05 nun im Durchmesser sind und von Lochmitte zu Lochmitte einer Reihe gemessen, nicht weiter als 0,25 mm voneinander entfernt sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dem es möglich ist, mehrere nebeneinanderliegende Düsen sehr kleiner öffnung herzustellen, deren gegenseitiger Abstand extrem klein ist.
Eine besondere Schwierigkeit ergibt sich bei solchen Düsen darin, daß die Tinte oder Flüssigkeit, die den Strahl bildet, mit relativ hoher Geschwindigkeit durch die Öffnungen gepreßt werden muß. Jede Tintenstrahldüse muß deshalb so ausgebildet sein, daß sie solchen hohen Drücken und Geschwindigkeiten lange Zeit ohne merkliche Abnützung oder Brüche Stand hält.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenplatte aus einem einkristallinen Substrat mit Löchern und einer auf das Substrat aufgebrachten Schicht mit Öffnungen besteht, daß Löcher und Öffnungen wenigstens angenähert die gleich Symmetrieachse aufweisen.
Zusammenfassung
Die Mehrfach-Düsenanordnung ist für unter Druck stehende Tintenstrahlen vorgesehen. Die Anordnung besteht aus einer niedergeschlagenen Schicht von relativ einheitlicher Dicke und enthält ein Muster einheitlicher kleiner öffnungen, die Schicht besteht aus anorganischem Material. Die niedergeschlagene Schicht überdeckt ein ebenes Substrat mit einem Muster von Löchern, die ungefähr die gleiche zentrale Achse wie die öffnungen aufweisen, aber einen größeren Durchmesser haben. Das Verfahren zur Herstellung der Mehrfach-Düsenanordnung besteht darin, daß ein einkristallines ebenes Substrat erzeugt wird, dessen (100)-Ebenen parallel zur Oberfläche verlaufen. Die Schicht, bestehend aus SA 974 030
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einem gleichmäßigen überzug eines anorganischen Materials wird dann auf die ebene Oberfläche des Substrats aufgebracht. Das Substrat wird vorzugsweise von der Rückseite her geätzt um ein Muster von Löchern zu bilden, die sich bis zur Schicht erstrekken. Das Ätzmittel hat keine oder nur eine minimale Wirkung auf die Schicht. Die Schicht wird dann an ausgewählten Stellen erodiert um in ihr ein Muster einheitlicher kleiner Öffnungen zu erzeugen, die mit den entsprechenden Löchern im Substrat in Verbindung stehen und ungefähr die gleiche zentrale Achse mit diesen haben. Für die Massenherstellung von Mehrfach-öffnungen in der Schicht bieten sich verschiedene Möglichkeiten an.
Die Düsenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung kann auch in Mehrfachdüsen-Tintenstrahldruckern verwendet werden, in welchen die Tropfen durch ein schaltbares Ablenkfeld statt durch ausgewählte Ladung der Tropfen selektiv abgelenkt werden können. Ein Beispiel für eine solche Anordnung ist in der US-Patentanmeldung mit der Serialnummer 485 409 und dem Titel "Method and Apparatus for Recording Information on a Recording Surface" beschrieben.
Die Düsenanordnung gemäß der Erfindung kann sowohl in Vorwärtsais auch in Rückwärtsrichtung betrieben werden. Beim Betrieb in der Rückwärtsrichtung ist die Anordnung weniger anfällig gegen unebene Düsenflächen, Störungen oder Schmutzreste und ist mechanisch stärker.
Nachstehend soll die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter, vorzugsweiser Ausführungsbeispiele der Erfindung, beschrieben werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Darstellung eines
Teiles der Düsenplatte, gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Fig. 2 zeigt einen Tintenstrahlkopf der die Düsenplatte
gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet.
Fig. 3 erläutert durch verschiedene Querschnitte die
Schritte zur Herstellung der Düsenplatte gemäß Fig. 1.
Beschreibung eines vorzugsweisen Ausführungsbeispiels
Binäre Tintenstrahldrucker mit Mehrfachdüsen bieten den Vorteil, daß die komplizierte und teure Lade- oder Ablenksteuerung wegfällt. Die Hauptschwierigkeit der binären Drucker mit Mehrfachkopf besteht in der schwierigen Düsenplattenstruktur, die aus mehreren Reihen dicht benachbarter kleiner öffnung besteht die gleich sind und bei den auftretenden hohen Drücken nicht brechen und durch die bei hoher Geschwindigkeit durch die öffnungen aufgepreßte Tinte nicht stark abgenutzt werden. Dieses Problem wird mit der Düsenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung, die auch in großen Mengen herzustellen ist, gelöst.
Ein Teil der Düsenplatte, gemäß der vorliegenden Erfindung, ist in Fig. 1 von hinten gesehen, dargestellt. Ein Substrat 20 hat ein Muster von gleichmäßigen Löchern 21, die voneinander gleich weit entfernt sind. Diese Löcher erstrecken sich vollständig durch das Substrat 20 bis zu einer anorganischen Schicht 22. Die Schicht 22 ist mit öffnungen eines einheitlichen Musters von gleichen öffnungen 23 versehen. Die öffnungen 23 sind genau so angeordnet wie die Löcher 21 und jede öffnung liegt wenigstens ungefähr in der Symmetrieachse der entsprechenden Löcher 21.
In einem Ausführungsbeispiel hat das Substrat aus Silizium eine Dicke von ungefähr 0,25 mm und die Schicht 22 eine Dicke von 5 um. Das Loch 21 hat an der Stelle, an der es mit der Schicht 22 zusammenstößt, eine Kantenlänge (Strecken 24) von ungefähr 0,05 mm. Der Durchmesser der öffnung 23 beträgt 10 um oder 12,5 /am. Der Abstand der öffnungen 23 hängt ab von der zu erwartenden Fläche der
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Punkte, die durch die Tintentropfen erzeugt werden und von der Zahl der Reihen der Öffnungen. Die öffnungen in einer einzigen Reihe müssen einen Abstand von 0,125 mm von Mitte zu Mitte aufweisen.
Bei der Verwendung eines Substrats 20 aus einkristallinem Silizium und einer Schicht 22 aus Siliziumdioxid (SiO2) wurde der durchschnittliche Druck in der Düse aus 105 MPa berechnet. Bei einem Verhältnis von 4:1 zwischen der Weite des Loches 21 an der Schichtseite, d.h. der Strecke 24 und dem Durchmesser der öffnung 23 ergibt sich das Längen-Breiten-Verhältnis der öffnung aus dem Verhältnis der Dicke der Schicht 22 gegenüber dem Durchmesser der öffnung 23. In dem dargestellten Beispiel ist das Längen-Breiten-Verhältnis der Öffnung 23 in der Größenordnung von 0,5:1. Wie in der US-Patentschrift 3 823 408 beschrieben, haben sich Längen-Breiten-Verhältnisse von 0,5:1 als sehr vorteilhaft erwiesen.
Die Düsenplatte der Fig. 1 ist in Fig. 2 in Verbindung mit einem Tintenstrahlkopf gezeigt. Mit 25 ist die Düsenplatte der Fig. 1 bezeichnet. Sie ist in ein Gehäuse 26 eingebettet das einen Tintenbehälter darstellt und an der Rückseite des Gehäuses ein Vibrationsmechanismus 28, z.B. ein piezoelektrisches Kristall oder einen magnetöstruktiven Wandler, beherbergt. Die Kammer 27 ist mit einer Versorgungsröhre 29 verbunden, über die die Tinte in die Kammer 27 unter Druck z.B. 560 kPa zugeführt wird. Das Gehäuse 26 weist eine Schulter 30 auf, in die die Düsenplatte 25 eingesetzt wird. Die Befestigung kann durch eine Klebenaht an der Frontkante 31 erfolgen. Die unter Druck stehende Tinte in der Kammer 27 wird durch den Wandler 28 in Schwingungen versetzt so daß sich aus den Tintenstrahlen, die aus den öffnungen 23 austreten, mit gleicher Fx-equenz und vorhersehbarer Phase und Größe synchrone Tropfen entstehen.
Für das Substrat 20 der Düsenplatte 25 hat sich einkristallines Silizium gut bewährt. Die Schicht 22 kann aus mehreren Materialien, wie z.B. Siliziumdioxid (SiO2), glasartigen Materialien, wie z.B. SA 974 030
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"Pyrex", polykristallinen! Silizium, Siliziumnitrid oder anderen geeigneten Materialien bestehen.
In der Anordnung nach Fig. 2 ist die Düsenplatte 25 in Vorwärtsrichtung eingebaut. In bestimmten Fällen, wenn z.B. ein hoher Druck von 840 kPa herrscht, kann es vorteilhaft sein, die Düsenplatte 25 in Rückwärtsrichtung einzubauen. In diesem Fall wird der Tintenstrahl durch Unregelmäßigkeiten, Störungen oder Verschmutzungen hinter der öffnung weniger gestört. Da das einkristalline Silizium mit der Tinte nicht in Berührung kommt, widersteht diese Anordnung außerdem besser der Ätzwirkung der Tinte. Außerdem ist diese Anordnung mechanisch stärker. Andererseits hat das anisotropisch geätzte Substrat keine glatte Oberfläche, auf welcher eine Schaltung, z.B. zur Tropfensynchronisation angebracht werden kann.
Fig. 3 erläutert das Verfahren zur Herstellung der Düsenplatte 25. Das Verfahren zur Herstellung der Düsenplatte 25 beginnt mit einem Substrat 20 aus einkristallinem Material, wie z.B. Silizium, dessen (100)-Ebenen parallel zur Oberfläche verlaufen, wie im Schritt A dargestellt. Eine Schicht 22, bestehend aus einem gleichmäßigen Oberzug eines anorganischen Materials wird auf die ebene Oberfläche des Substrats 20 aufgebracht, wie es im Schritt B dargestellt ist. Die Schritte C und D stellen das anisotrope Ätzen des Substrats von der Rückseite her dar, bei welchem mehrere Löcher gebildet werden, die sich bis zur Schicht 22 erstrecken. In den Schritten E und F wird die Schicht 22 so erodiert, daß sich kleine öffnungen 23 ergeben, deren Symmetrieachse wenigstens angenähert konzentrisch mit der Symmetrieachse der Löcher 21 ist.
Gemäß Schritt A ist ein einkristallines Siliziumsubstrat 20 in Scheibenform vorgesehen, das eine (100) kristallographische Orientierung aufweist. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterscheibe dieser Art sind bekannt und brauchen hier nicht näher erläutert werden.
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B-
Gemäß Schritt B wird die Schicht 22 von ungefähr 5 tun Dicke auf aas Substrat 20 aufgebracht. Verschiedene Materialien, wie die oben erwähnten, können verwendet werden. Wenn als Schichtmaterial Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid von einer Dicke von 2 bis 6 μΐη verwendet wird, wird es vorzugsweise entweder durch chemisches Aufdampfen durch Sputterablagerung aufgebracht oder durch Hitzebehandlung als Oxid entwickelt. Jedes dieser Verfahren ist bekannt und muß hier nicht im einzelnen beschrieben v/erden. Die polykristallin^ Siliziumschicht wird am besten durch chemisches Aufdampfen oder durch Elektronenstrahl-Niederschlagen aufgebracht. Auch diese Verfahren sind bekannt. Die aus "Pyrex" gebildete Schicht 22 v/ird vorzugsweise aufgesplittert.
Die Schritte C und D stellen die Bildung der Löcher 21 in dem einkristallinen Substrat dar. Im Schritt C kann ein Maskenmaterial 35 aufgebracht werden um die Lage und Richtung des Ätzens des Substrats 20 im Schritt D zu bestirsnen. Die Löcher 21 werden vorzugsweise in dem (100)-Einkristall-Silizium mit Hilfe eines Wasser-Amin-Brenzcatechin-Ätzmittels oder anderer basischer Ätzmittel geätzt. Es ist bekannt, daß die (111)-Ebene in einkristallinem Siliziummaterial sich langsam ätzt. Auf diese Weise erzeugt die Ätzung, gemäß Schritt D, ein pyramidenförmiges Loch in dem Substrat, dessen Oberflächen in der (111)-Ebene liegen. Die Pyramide wird zu einem Pyramidenstumpf, nachdem sie die Schicht 22 erreicht hat und das Ätzmittel die Pyramide in seitlicher Richtung erweitert. Dieses Präzisionsätzen von einkristallinen Materialien ist bekannt und wird z.B. ausführlich in ddem US-Patent 3 765 969 beschrieben.
Diese Art des Ät2ens ist außerdem in dem Artikel von Sedgwick, Broers und Agule im Journal of the Electrochemical Society, Vol. 119, Nr. 12, Dezember 1972 unter dem Tinte1 "A Novel Method for Fabrication of Ultrafine Metal Lines by Electron Beams" beschrieben.
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Die Schritte E und F stellen die Bildung der Öffnungen 23 in der Schicht 22 durch chemische Ätzung, Sputtering, Ionen- oder Plasmaätzen mit Hilfe einer Photoresistmaske und/oder einer Metallmaske 36 dar. Anstelle der üblichen Photolithographie, bei der die Bestimmung oder Definition der Öffnungen 23 schwierig wird, kann auch die Elektronenstrahllithographie verwendet werden. Die photolithographische Masken- und Ätztechnik ist bekannt und üblich und braucht hier nicht beschrieben zu werden.
Für die Massenherstellung von Mehrfach-Düsenanordnungen der oben beschriebenen Art, können verschiedene Verfahren verwendet werden. Bei der Massenherstellung werden mehrere Sätze von Düsenplatten auf einem und/oder mehreren Wafern gleichzeitig hergestellt. Beim chemischen Ätzen beispielsweise wird vorzugsweise die Siliziumdioxid-Schicht verwendet. Und für das Plasmaätzen oder das Sputterätzen eignet sich besonders die Siliziumnitrid-Schicht.
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Claims (7)

PATENTANSPRÜCHE
1. Spritzkopf für einen Tintenstrahldrucker mit mehreren, in einer Düsenplatte angeordneten Düsen, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenplatte (25) aus einem einkristallinen Substrat (20) mit Löchern (21) und einer auf das Substrat (20) aufgebrachten Schicht (22) mit öffnungen (23) besteht, daß Löcher (21) und Öffnungen (23) wenigstens angenähert die gleiche Symmetrieachse aufweisen.
2. Spritzkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das einkristalline Substrat (20) aus Silizium besteht, dessen Oberflächen parallel zur (100)-Ebene verlaufen.
3. Spritzkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (22) aus anorganischem Material, insbesondere Siliziumoxid oder Siliziumnitrid besteht.
4. Spritzkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (21) in dem Substrat (20) die Form eines Pyramidenstumpfes und die öffnungen (23) in der Schicht (22) die Form eines Zylinders haben.
5. Spritzkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Länge zu Breite der öffnungen (23) in der Schicht (22) 1:1 oder weniger, vorzugsweise 0,5:1 beträgt.
6. Verfahren zur Herstellung eines Spritzkopfes für einen Tintenstrahldrucker mit mehreren in einer Düsenplatte angeordneten Düsen, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Vorderseite eines einkristallinen Substrats (20) eine Schicht (22) von anorganischem Material aufgebracht wird, daß in das einkristalline Substrat (20) von der Rückseite her Löcher (21) geätzt werden, und daß die Schicht (22) von vorne derart geätzt wird, daß in dieser öffnungen (23) entstehen, deren
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Symmetrieachsen wenigstens angenähert mit den Symmetrieachsen der Löcher (21) übereinstimmen.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zum definierten Ätzen von Substrat (20) und Schicht (22) auf beide Masken (35, 36) aufgebracht werden.
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DE2554085A 1974-12-31 1975-12-02 Verfahren zur Herstellung eines Spritzkopfes für einen Tintenstrahldrucker Expired DE2554085C3 (de)

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