DE3508764C2 - Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf.

Ein Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf, der für ein Tinten­ strahl-Aufzeichnungssystem verwendet werden kann, weist im allgemeinen feine Tintenausstoßöffnungen, Tintendurchgänge und Tintenausstoßenergie-Wandler, die örtlich in den Tintendurchgängen vorgesehen sind, auf.

Bei einem bekannten Verfahren zur Herstellung eines solchen Tintenstrahl-Aufzeichnungskopfes werden zur Bildung von Tintendurchgängen durch spanende Bearbeitung oder Ätzen einer Glas- oder Metallplatte feine Rillen gebildet, und dann werden die mit Rillen versehenen Platten mit einer an­ deren geeigneten Platte verbunden. In dem auf diese Weise hergestellten Aufzeichnungskopf können jedoch die Tinten­ durchgänge im Fall der durch spanende Bearbeitung herge­ stellten Rillen zu rauhe Innenwandoberflächen haben, oder im Fall der durch Ätzen hergestellten Rillen kann der Auf­ zeichnungskopf Verformungen in den Tintendurchgängen auf­ weisen, die auf einen Unterschied im Ätzverhältnis zurückzuführen sind, und es ist schwierig, Tintendurchgänge mit hoher Genauigkeit zu erhalten; d. h., die Tintenausstoß­ eigenschaften des auf diese Weise hergestellten Tinten­ strahl-Aufzeichnungskopfes sind Schwankungen unterworfen. Ferner neigen die Platten bei der spanenden Bearbeitung zum Zerbrechen oder zur Rißbildung, was zu einer schlechten Pro­ duktausbeute führt. Andererseits sind beim Ätzen viele Fer­ tigungsschritte erforderlich, wodurch die Herstellungsko­ sten gesteigert werden. Des weiteren besteht ein Problem, das den bekannten Verfahren gemeinsam ist, darin, daß es im Fall der Verbindung einer mit Rillen versehenen Platte, d. h. einer Platte mit Tintendurchgangsrillen, mit einem Sub­ strat, das Antriebs- bzw. Steuerteile wie z. B. piezoelektri­ sche Einrichtungen als elektromechanische Wandler, die im­ stande sind, eine zur Einwirkung auf die Tinte bzw. Auf­ zeichnungsflüssigkeit dienende Energie zu erzeugen, oder Wärmeer­ zeugungseinrichtungen als elektrothermische Wandler usw. aufweist, schwierig ist, eine genaue Ausrichtung der Platte bezüglich des Substrats zu erzielen, wodurch eine Massenfer­ tigung unmöglich gemacht wird.

Zur Lösung dieser Probleme sind - beispielsweise in der DE 31 08 206 A1 - Verfahren zur Herstellung eines Tinten­ strahl-Aufzeichnungkopfes vorgeschlagen worden, bei denen der Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf hergestellt wird, indem auf einem Substrat, auf dem Tintenausstoßdruck-Erzeugungs­ einrichtungen vorgesehen sind, Tintendurchgangswände gebil­ det werden, die aus gehärteten Filmen aus lichtempfindli­ chem Harz hergestellt werden, und indem dann auf den Tinten­ durchgangswänden eine Abdeckung vorgesehen wird.

Der Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf, der unter Verwendung der gehärteten Filme aus lichtempfindlichem Harz als Tinten­ durchgangswänden hergestellt worden ist, ist dadurch ausge­ zeichnet, daß er die jeweiligen Probleme der bekannten Tin­ tenstrahl-Aufzeichnungsköpfe wie z. B. die mangelhafte Genau­ igkeit bzw. Präzision der fertiggestellten Tintendurchgän­ ge, die komplizierten Fertigungsschritte und die schlechte Produktausbeute löst; er weist jedoch noch ein anderes Pro­ blem auf: Wenn z. B. ein bei Raumtemperatur härtender Kleb­ stoff oder ein wärmehärtbarer Klebstoff verwendet wird, um die Abdeckung auf den Tintendurchgangswänden vorzusehen, kann der Klebstoff während der Härtung in die Tintendurch­ gänge fließen und diese verstopfen, was zu einer beträchtli­ chen Verminderung der Produktausbeute führt.

Zur Überwindung dieses Problems ist in der DE 33 21 866 A1 ein Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf vorgeschlagen worden, der hergestellt wird, indem eine Abdeckung aus Filmen aus lichtempfindlichem Harz, die auf beide Oberflä­ chen eines Trägers, der aus einem für Ultraviolettstrahlen durchlässigen Material hergestellt ist, laminiert sind, mit einem Tintendurchgänge aufweisenden Substrat verbunden und der Film durch Ultraviolettbestrahlung gehärtet wird. Die Tintendurchgangswände haben im allgemeinen eine in geringem Maße ungleichmäßige Höhe, und der Film aus lichtempfindli­ chem Harz, der die Abdeckung bildet, muß auch mit den nied­ rigeren Teilen der Wände verbunden werden, während auf den Film ein Druck ausgeübt wird. Die Bedingungen der Druckaus­ übung hängen jedoch von der Druckverteilung während der Druckausübung, von der Härte des Films aus lichtempfindli­ chem Harz, von der Gestalt der Tintendurchgangswände usw. ab, und das lichtempfindliche Harz kann in die Tintendurch­ gänge fließen, oder die Abdeckung kann mit den Tintendurch­ gangswänden unverbunden bleiben. Folglich besteht bei der Herstellung eines Tintenstrahl-Aufzeichnungskopfes, bei dem die Abdeckung gleichmäßig und vollständig mit den Tinten­ durchgangswänden verbunden ist, ohne daß die Tintendurch­ gänge beeinträchtigt werden, eine Problem.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die Ausstoßeigenschaften eines Tinten­ strahl-Aufzeichnungskopfes zu verbessern und ein Abschälen des Abdeck­ elementes für den Tintendurchgang des Tintenstrahl-Aufzeichnungskopfes zu verhindern.

Die Aufgabe der Erfindung wird bei einem gattungsgemäßen Tintenstrahl- Aufzeichnungskopf mit den im Patent­ anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Besondere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung werden nach­ stehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 bis 8 zeigen schematische Ansichten, in denen die Schritte eines Verfahrens zur Herstellung des Tintenstrahl-Aufzeichnungskopfes erläutert werden.

In dem Schritt von Fig. 1 wird auf einem Substrat 1 aus Glas, Keramik, Kunststoff oder Metall eine gewünschte Anzahl von Tintenausstoßenergie-Wandlern 2 wie z. B. Wär­ meerzeugungseinrichtungen, piezoelektrischen Einrichtungen usw., die imstande sind, die Energie zum Ausstoßen einer Tinte aus Tintenausstoßöffnungen zu erzeugen, ausgebildet und - falls dies notwendig ist - mit einem Film 3 aus SiO₂, Ta₂O₅, Glas usw. bedeckt, um Tintenbeständigkeit und elek­ trische Isolierung zu erhalten. Die Tintenausstoßenergie- Wandler 2 sind mit einer Signaleingabeelek­ trode verbunden, die in der Zeichnung nicht gezeigt ist.

In dem folgenden Schritt (Fig. 2) wird die Oberfläche des auf dem Substrat 1 in dem Schritt von Fig. 1 erhaltenen Films 3 gereinigt und getrocknet, und dann wird auf den Film 3 ein Trockenfilm-Photoresist 4 mit einer Filmdicke von etwa 25 µm bis etwa 100 µm, der auf etwa 80°C bis etwa 105°C erhitzt ist, mit einer Geschwindigkeit von 15 bis 122 cm/min unter einem Druck von 9,8 bis 29,4 N/cm² laminiert, wobei der Trockenfilm-Photoresist 4 unter Schmel­ zen mit dem Film 3 verbunden wird. In der in Fig. 2 gezeigten Weise wird dann eine Photomaske 5 mit einem ge­ wünschten Muster auf den Trockenfilm-Photoresist 4, der sich auf der Substratoberfläche befindet, aufgelegt, worauf von der Oberseite der Photomaske 5 her eine Belichtung durchgeführt wird. In diesem Fall muß die Ausrichtung der Lagen der Tintenausstoßenergie-Wandler 2 be­ züglich der Lage des Musters im voraus durch ein bekanntes Verfahren erfolgen.

Fig. 3 zeigt schematisch einen Schritt der Entfernung unbe­ lichteter Teile des belichteten Trockenfilm-Photoresists 4 mittels Auflösung durch eine Entwicklungslösung, die ein gewünschtes organisches Lösungsmittel wie z. B. Trichlorethan enthält. Um die Tintenbeständigkeit des belichteten Elements 4P des Trockenfilm-Photoresists 4, das auf dem Substrat 1 zu­ rückbleibt, zu verbessern, wird dann eine Wärmehärtung (z. B. durch 30minütiges bis 6stündiges Erhitzen auf 150°C bis 250°C) oder eine Ultraviolettbestrahlung (z. B. durch Ultraviolettstrahlen mit einer Intensität von 50 bis 200 mW/cm² oder mehr) durchgeführt, damit die Polymerisations- Härtungsreaktion bis zur Beendigung fortschreitet. Auch eine gleichzeitige Durchführung der Wärmehärtung und der Härtung durch Ultraviolettbestrahlung ist wirksam.

Fig. 4 zeigt schematisch einen Fall, in dem ein dünner lichtempfindlicher Harzfilm 7, beispielsweise ein durch Ul­ traviolettstrahlung härtbarer Harzfilm, auf die Oberfläche eines flachen Plattenteils 6, das aus einem für elektroma­ gnetische Wellen, z. B. für Ultraviolettstrahlen, durchläs­ sigen Material hergestellt ist, derart laminiert wird, daß das Volumen des Harzfilms 7 nicht mehr als 1/10 des Gesamtvo­ lumens des Tintendurchgangs 8 beträgt, um eine Abdeckung für den Tintendurchgang 8 zu bilden. Die lichtempfindliche Masse für den lichtempfindlichen Harzfilm 7 kann durch Verfahren, z. B. im allgemeinen durch Schleuder- bzw. Zentrifugenbeschichtung, Walzenbeschichtung, Tauchbeschich­ tung, Aufsprühen unter Anwendung eines Schirms bzw. einer Maske oder Bedrucken, laminiert werden, wenn vorausgesetzt ist, daß eine gleichmäßige Filmdicke erhalten werden kann.

Fig. 5 zeigt schematisch einen Fall, in dem für den Tinten­ durchgang 8 durch Verbinden unter Druckausübung eine Abdec­ kung bereitgestellt wird, wobei die Abdeckung durch das Ver­ fahren von Fig. 4 gebildet wurde und aus dem flachen Plat­ tenteil 6 und dem durch Ultraviolettstrahlung härtbaren Harzfilm 7 besteht. Da das Volumen des durch Ultraviolett­ strahlung härtbaren Harzfilms 7, eines Films aus einer lichtempfindlichen Masse, der die Abdeckung bildet, nicht mehr als 1/10 des Gesamtvolumens des Tintendurchgangs be­ trägt, beträgt das Volumen des durch Ultraviolettstrahlung härtbaren Harzes, das in den Tintendurchgang fließen kann, selbst in dem Fall, daß darauf ein weitgehender Druck ausge­ übt wird, höchstens 1/10 des Gesamtvolumens des Tintendurch­ gangs, was zur Folge hat, daß die Ausstoßeigenschaften des Tintenstrahl-Aufzeichnungskopfes wie z. B. die Ansprechfre­ quenz und die Genauigkeit des Auftreffens auf die gewünsch­ ten Zielstellen nicht wesentlich beeinflußt werden. Ferner kann auf die Abdeckung ein weitgehender Druck ausgeübt wer­ den, was dazu führt, daß jeder unverbundene Kontakt zwischen der Abdeckung und dem belichteten Element 4P des Trockenfilm-Photoresists 4 vermieden wird, so daß ein Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf mit hoher Zuverlässigkeit erhalten werden kann.

Dann wird der Harzfilm 7, der auf dem flachen Platten­ teil 6, das aus einem für Ultraviolettstrahlen durchlässi­ gen Material hergestellt ist, laminiert ist, mit Ultravio­ lettstrahlen, die beispielsweise eine Intensität von 50 bis 200 mW oder mehr haben, in einer sauerstofffreien Atmosphä­ re belichtet, um den Harzfilm 7 vollständig zu härten. Auch eine weitere Wärmehärtung des Harzfilms 7, z. B. 30 min bis 6 h bei 130°C bis 250°C, ist wirksam.

Fig. 6 ist eine schematische perspektivische Ansicht, die das Aussehen des Aufzeichnungskopfes nach dem Schritt von Fig. 5 darstellt, und zeigt eine Tintenvorratskammer 8-1, schmale Tintenkanäle 8-2 und Löcher 9 für die Verbindung von in der Fig. 6 nicht gezeigten Tintenzuführungsrohren mit der Tintenvorratskammer 8-1.

Nach der Beendigung des Verbindens des Substrats 1 mit dem Plattenteil 6 wird die er­ haltene Baueinheit entlang der Linie C-C′ in Fig. 6 abge­ schnitten, um den günstigsten Abstand zwischen den Tinten­ ausstoß-Energiewandlern 2 und den Tintenaus­ stoßöffnungen 8-3 in den schmalen Tintenkanälen 8-2 zu erhalten. Der abzuschneidende Bereich kann nach Wunsch ge­ wählt werden. Das Abschneiden wird unter Anwendung einer Plättchenschneidevorrichtung, wie sie üblicherweise in der Halbleiterindustrie angewandt wird, durchgeführt.

Fig. 7 ist eine Senkrechtschnittansicht entlang der Linie Z-Z′ in Fig. 6.

Dann wird die abgeschnittene Oberfläche durch Polieren ge­ glättet, und die Tintenzuführungsrohre 10 werden an den Lö­ chern 9 befestigt, um einen Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf, wie er in Fig. 8 gezeigt ist, fertigzustellen.

Bei den vorstehend erläuterten Ausführungsformen ist für die Tintendurchgangsabdeckung ein lichtempfindliches Harz (Photoresist) des Trockenfilmtyps, d. h. ein festes lichtemp­ findliches Harz, verwendet worden, jedoch ist das lichtemp­ findliche Harz, das verwendbar ist, nicht darauf beschränkt, und es können auch flüssige lichtempfindliche Harzmassen verwendet werden. Ferner ist das lichtempfindliche Harz nicht auf durch Ultraviolett­ strahlung härtbare Harze beschränkt, vielmehr kann jede Harzmasse verwendet werden, solange sie gegenüber elektro­ magnetischen Wellen wie z. B. Infrarotstrahlen, sichtbarem Licht, Röntgenstrahlen, Elektronenstrahlen oder Laserstrah­ len empfindlich ist.

Beispiele für den Trockenfilm-Photoresist, der verwendet werden kann, sind Photoresists, die im Handel als Dauer-Photopolymerüberzüge erhältlich sind. Ferner können im Rahmen der Erfindung als lichtempfindliches Harz viele lichtempfindli­ che Harzmassen, die auf dem Gebiet der üblichen Photolitho­ graphie eingesetzt werden, verwendet werden. Erwähnt werden können beispielsweise Photopolymere des Photopolymerisati­ onstyps aus Diazoharz und p-Diazochinon oder solche, die ferner beispielsweise Vinylmonomer und einen Polymerisati­ onsinitiator enthalten, Photopolymere des Dimertyps, die Polyvinylcinnamat usw. und einen Sensibilisator enthalten, eine Mischung aus o-Naphthochinondiazid und Phenolharz des Novolaktyps, eine Mischung aus Polyvinylalkohol und Diazo­ harz, ein Photopolymer des Polyethertyps aus 4-Glycidylethy­ lenoxid und Benzophenon oder Glycidylchalkon in copolymeri­ sierter Form, ein Copolymer von Di-N,N-dimethylmethacryl­ amid und beispielsweise Acrylamidobenzophenon, lichtempfind­ liche Harze auf Basis von ungesättigtem Polyester, lichtempfindliche Har­ ze auf Basis von ungesättigtem Urethanoligomer, eine licht­ empfindliche Harzmasse, die bifunktionelles Urethanmonomer und einen Photopolymerisationsinitiator enthält, Photoresist auf Dichromatbasis, chromfreier, wasserlöslicher Photore­ sist, Photoresist auf Polyvinylcinnamatbasis und Photoresist auf Basis von oxidiertem Kautschuk/Azid.

Wenn als Material für die Bildung der Tintendurchgangswände ein lichtempfindlicher Trockenfilmresist verwendet wird, wie es bei der vorstehenden Ausführungsform beschrieben wurde, kann es vorteilhafter sein, wenn als lichtempfindli­ che Masse zum Laminieren auf das flache Plattenteil 6 zwecks Herstellung der Tintendurchgangsabdeckung eine Lösung des Trockenfilmresists in einem Lösungsmittel verwendet wird, um die Benetzbarkeit der Tintendurchgangswände und der Tin­ tendurchgangsabdeckung gleichmäßig zu machen.

Das Verfahren zum Laminieren des lichtempfindlichen Harz­ films 7 auf das flache Plattenteil 6 ist nicht auf das vor­ stehend erwähnte Verbinden unter Druckausübung beschränkt, vielmehr kann jedes Verfahren unter der Voraussetzung, daß der lichtempfindliche Harzfilm 7 dadurch gleichmäßig laminiert werden kann, angewandt werden. Beispiele für Verfahren, die angewandt werden können, sind die Schleuder- bzw. Zentrifu­ genbeschichtung, die Tauchbeschichtung, das Aufsprühen, das Aufdrucken und die Walzenbeschichtung. Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wird eine Sauerstoff-Desensi­ bilisierung angewandt, um nur auf der Oberfläche des licht­ empfindlichen Harzfilms 7 eine weiche bzw. geschmeidige Schicht stehenzulassen; es kann jedoch vorteilhafter sein, wenn nur auf der Oberfläche dadurch eine weiche bzw. ge­ schmeidige Schicht stehengelassen wird, daß von der Rücksei­ te des lichtempfindlichen Harzfilms 7 her durch das flache Plattenteil 6, das aus einem für Ultraviolettstrahlen durch­ lässigen Material hergestellt ist, hindurch eine Belichtung durchgeführt wird, während die Belichtungsintensität regu­ liert wird. Das Material für das flache Plattenteil 6, das als Träger für die Tintendurchgangsabdeckung dient, unter­ liegt keiner besonderen Einschränkung, sofern es für elek­ tromagnetische Wellen mit einer Wellenlänge, die wirksam ist, um eine Photopolymerisation des zur Bildung der Tin­ tendurchgangsabdeckung dienenden lichtempfindlichen Harzes hervorzurufen, durchlässig ist und sofern es kaum zu einer Verformung infolge der Schrumpfspannung einiger lichtemp­ findlicher Harze neigt. Im Hinblick auf die Bequemlichkeit und Wirtschaftlichkeit der Fertigung werden Glas, Epoxyharz, Acrylharz und Vinylharz bevorzugt.

Das vorstehend beschriebene Verfahren weist die folgenden Wirkungen auf:

• 1) Wenn ein Substrat mit Tintendurchgängen mit einer Tinten­ durchgangsabdeckung verbunden wird, wird der Tintendurch­ gang selbst dann niemals verstopft, wenn auf die Abdeckung ein weitgehender Druck ausgeübt wird, weil als Abdeckung ein flaches Plattenteil 6 verwendet wird, das mit einem licht­ empfindlichen Harzfilm 7 laminiert ist, und das Volumen des lichtempfindlichen Harzfilms 7 gering ist und nicht mehr als 1/10 des Gesamtvolumens des Tintendurchgangs beträgt.
• 2) Da für das Verbinden der Abdeckung ein lichtempfindli­ ches Harz verwendet wird, kann die Härtung für eine kürzere Zeit durchgeführt werden, ohne daß erwärmt wird und ohne daß das lichtempfindliche Harz fließt. Auf diese Weise kann verhindert werden, daß sich das lichtempfindliche Harz auf den Tintenausstoßenergiewandlern abla­ gert. Ein Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf mit stabilem Aus­ stoßverhalten kann leicht erhalten werden.
• 3) Da die lichtempfindliche Masse beim Verbinden der Abdec­ kung in Form einer dünnen Schicht laminiert ist, ist die Schrumpfspannung geringer, wenn die lichtempfindliche Masse der Photo- bzw. Lichthärtung unterzogen wird, und innerhalb des Aufzeichnungskopfes bleibt keine Spannung zurück, was dazu führt, daß weder ein Abschälen bzw. Ablösen der Bautei­ le noch eine Verformung oder Verschiebung hervorgerufen wird. Der auf diese Weise hergestellte Tintenstrahl-Auf­ zeichnungskopf zeigt eine sehr gute Haltbarkeit.
• 4) Da das flache Plattenteil 6 und der lichtempfindliche Harz­ film 7 als Bestandteile der Tintendurchgangsabdeckung licht­ durchlässig sind, kann der Bewegungszustand der Tintentröpf­ chen, die sich durch den Aufzeichnungskopf bewegen, mit den Augen beobachtet werden, und der Aufzeichnungskopf kann leicht instand gehalten und kontrolliert werden.

Claims (6)

1. Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf mit einem Substrat (1), einem Element (4P), das einen ausgesparten Bereich zur Bil­ dung eines Tintendurchgangs (8) mit Tintenkanälen (8-2) so­ wie mit Tintenausstoßöffnungen (8-3) und einer Tintenvor­ ratskammer (8-1), die jeweils mit den Tintenkanälen (8-2) in Verbindung stehen, aufweist, wobei ein Abdeckelement (flaches Plattenteil (6)) unter Verwendung eines lichtempfindlichen Harzes mit dem Element (4P) mit ausge­ spartem Bereich verbunden ist und wobei das Abdeckelement (flache Plattenteil (6)) und das Element (4P) mit aus­ gespartem Bereich bezüglich ihrer Außenumfangsflächen ein­ ander deckend abschließen, dadurch gekennzeichnet, daß das Harz ausschließlich in Form eines einzigen durchgehenden Harzfilmes (7) zwischen dem Element (4P) mit ausgespartem Bereich und dem Abdeckelement (flachen Plattenteil (6)) an­ geordnet ist und das Gesamtvolumen des Harzfilmes (7) nicht mehr als 1/10 des Gesamtvolumens des Tintendurchgangs (8) beträgt.

2. Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abdeckelement ein flaches Platten­ teil (6) ist.

3. Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Abdeckelement aus einem für bestimmte elektromagnetische Wellen durchlässigen Material hergestellt ist.

4. Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Harzfilm (7) aus einem durch Ultraviolettstrahlung härtbaren Harz gebildet ist.

5. Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den bestimmten elektro­ magnetischen Wellen um mindestens eine Art elektromagne­ tischer Wellen, die aus Ultraviolettstrahlen, Infrarot­ strahlen, sichtbarem Licht, Röntgenstrahlen und Elektronen­ strahlen ausgewählt ist, handelt.

6. Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des flachen Plattenteils (6) aus Glas, Epoxyharz, Acrylharz oder Vinylharz ausge­ wählt ist.