DE3520703C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie auf ein Verfahren zur Herstellung des Aufzeichnungskopfes.

Bei einem Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungsgerät wird zur Aufzeichnung eine Flüssigkeit wie eine Tinte aus einer Düsenöffnung eines Aufzeichnungskopfes ausgestoßen. Aufzeichnungsgeräte dieser Art zeichnen sich dadurch aus, daß die bei der Aufzeichnung erzeugten Geräusche vernachlässigbar gering sind, eine Aufzeichnung in hoher Geschwindigkeit erzielbar ist und die Aufzeichnung auf gewöhnlichem, nicht besonders behandeltem Papier vorgenommen werden kann.

Im Vergleich mit anderen Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungsverfahren sind u. a. die in der JP-OS 51 875/1979 und der DE-OS 28 43 063 beschriebenen Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungsverfahren insofern vorteilhaft, als der Flüssigkeit Wärmeenergie zugeführt wird, die eine Zustandsänderung mit einer plötzlichen Volumensvergrößerung bewirkt, wobei die durch die Zustandsänderung hervorgerufene Kraft zum Ausstoß eines fliegenden Tröpfchens aus einer Düsenöffnung eines Aufzeichnungskopfs führt. Das in der DE-OS 28 43 064 offenbarte Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungsverfahren stellt ein "Tröpfchen bei Bedarf"-Aufzeichnungsverfahren dar, das den Einsatz eines Vollzeilen-Aufzeichnungskopfs mit vielen Düsenöffnungen in hoher Dichte ermöglicht, so daß eine schnelle Bilderzeugung bei sehr hohem Auflösungsvermögen mit hoher Qualität ermöglicht ist. Bei diesem Aufzeichnungsgerät erstreckt sich die Verdrahtung des Aufzeichnungskopfs an einem Substrat bis zu einem flexiblen Anschlußkabel, das den Aufzeichnungskopf mit einer Treiberschaltung verbindet, die elektrische Signale zur Ansteuerung des elektrothermischen Wandlers im Aufzeichnungskopf abgibt. Die Anschlußflächen des flexiblen Kabels für das Anlegen der elektrischen Signale an den Aufzeichnungskopf werden mit Leiteranschlußflächen des Aufzeichnungskopfs nach einem Anpreß-Kontaktierverfahren, einem Drahtbondeverfahren (zur Herstellung von Mikroverbindungen durch Anpressen von Drähten), einem Lötverfahren oder einem Erwärmungsdruck-Kontaktierverfahren verbunden, wodurch das flexible Kabel an dem Aufzeichnungskopf befestigt wird.

Das Substrat des Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopfs trägt somit ein Leiter- und Heizwiderstandsmuster mit beispielsweise acht Leitungen mit einer Dichte von 2,5 Leitungen/mm bei einem Tischrechner-Drucker oder sechzehn Leitungen in einer Dichte von 4 Leitungen/mm bei einem Faksimile-Gerät.

Bei dem herkömmlichen Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf ist die Verdrahtungs- bzw. Leiterfläche groß, so daß die für einen Kopf benötigte Menge an Substratmaterial groß ist. Da das Substrat aus einem teuren Material wie Si hergestellt wird, führt das Substrat zu einer Erhöhung der Kosten des Aufzeichnungskopfs. Die durch die unnötige Fläche hervorgerufene Vergrößerung des Substrats bewirkt zudem eine Verringerung des Durchsatzes beim Ätzen, Aufsprühen oder Aufdampfen und behindert die Massenproduktion. Da sich die jeweilige Maske von Produkt zu Produkt ändert, wird das Ätzen, Aufsprühen oder Aufdampfen kompliziert, wobei durch Fehlfunktionen die Ausbeute herabgesetzt wird. Auch treten in dem unnötigen Bereich Kurzschlüsse und Überbrückungen der Verdrahtung mit der gleichen Wahrscheinlichkeit wie in dem notwendigen Bereich auf. Daher führt der unnötige Bereich zu einer Verringerung der Ausbeute.

Aus der JP-A 55-1 61 667 ist ein dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 entsprechender Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf bekannt, der mit piezoelektrischen Elementen zur Ausstoßenergieerzeugung arbeitet. Der Aufzeichnungskopf ist als Steckkopf ausgebildet, der über seine Außenelektroden mechanisch gehalten und elektrisch kontaktiert wird.

In der JP-A 55-1 61 666 ist ein Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf gezeigt, dessen Aufzeichnungskopf-Substrat beidseitig mit Elektrodenanschlüssen versehen ist, über die die elektrische Energie zur Erregung piezoelektrischer Elemente für die Tintentröpfchenaustoßung zugeführt wird.

Aus der DE 32 37 883 A1 ist ein Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf bekannt, der durch Übereinanderschichtung mehrerer dünner Platten gebildet ist. Dabei ist auf einer Grundplatte ein Aufzeichnungskopfsubstrat mit Heizwiderstandselementen und Elektroden und ein Deckel aufgebracht, der die Tintenkanal-Seitenwandungen und Deckenbereiche bildet. Die Elektroden des Aufzeichnungskopfssubstrats sind mit einer Elektrodenplatte verbunden, die die elektrische Kontaktierung ermöglicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf und ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben, der zur Massenproduktion auch von Mehrfachdüsen-Aufzeichnungsköpfen bei niedrigen Herstellungkosten geeignet ist.

Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen 1 und 5 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Mit der Erfindung wird ein Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf geschaffen, der preiswert und unter Einsatz einer geringen Menge an teurem Substratmaterial herstellbar ist und zudem hohe Herstellungsausbeute erzielen läßt, wobei bei der Herstellung hohe Zuverlässigkeit erreicht wird. Der erfindungsgemäße Aufzeichnungskopf ist aus Teilelementen zusammengebaut und zur Massenproduktion von Mehrfachdüsen-Aufzeichnungsköpfen geeignet. Weiterhin erlaubt der erfindungsgemäße Aufzeichnungskopf einen großen Spielraum hinsichtlich der Außenanschlüsse des Aufzeichnungskopfs und der Auslegung der Kopfform.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1(a) und 1(b) jeweils Draufsichten auf ein Aufzeichnungskopfsubstrat eines erfindungsgemäßen Aufzeichnungskopfs,

Fig. 2(a) und 2(b) jeweils perspektivische Ansichten einer Aufzeichnungskopfeinheit des erfindungsgemäßen Aufzeichnungskopfs,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Aufzeichnungskopfs,

Fig. 4(a), 4(b), 5(a) und 5(b) jeweils Ansichten eines Schnitts durch weitere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Aufzeichnungskopfs,

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht eines anderen Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Aufzeichnungskopfs.

Nach Fig. 1(a) sind Elektroden gefaltet bzw. zusammengebogen ausgeführt, während nach Fig. 1(b) die Elektroden nicht gefaltet, nämlich gerade ausgeführt sind. Mit 21 ist ein Träger bzw. ein Substrat aus Metall wie Ni, Al, Cu oder Fe oder aus einem Halbleiter Si bezeichnet. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird auf dem Substrat eine Isolierschicht aus einem Oxid wie SiO₂ oder Al₂O₃ gebildet, um Heizelemente elektrisch zu isolieren. Das Substrat kann auch aus einem Oxid wie SiO₂, Glas, Al₂O₃, einem Nitrid wie AlN, Si₃N₄ oder BN oder einem Carbid wie SiC oder FeC gebildet sein.

An dem Substrat 21 werden Heizelemente 23 sowie Elektroden 22 zum Zuführen von Strom zu den Heizelementen gebildet. Ein Heizwiderstand des Heizelements wird aus einem Borid wie HfB₂ oder ZrB₂, einem Nitrid wie TaN, AlN, TiN, HfN oder ZrN, einem Carbid wie SiC, TaC, WC oder TiC oder einem Metall mit hohem Schmelzpunkt wie Ta, W, Mo oder Ti hergestellt. Über die Heizelemente und die Elektroden wird eine Schutzschicht 24 zum Schützen der Elektroden 22 und der Heizelemente 23 gegen die Flüssigkeit aufgeschichtet. Die Schutzschicht kann aus einem Oxid wie SiO₂, Ta₂O₅ oder Al₂O₃, einem Nitrid wie Si₃N₄ oder AlN, einem Carbid wie SiC oder Kohlenstoff in Diamantenstruktur bestehen. Die Elektroden 22 können aus einem elektrisch leitenden Material wie Al, Au, Cu, Ta, W, Mo, Ag oder Fe hergestellt werden. Mit 26 sind Anreißlinien bezeichnet, entlang derer das Substrat aufgeteilt wird. Die Anreißlinien können mittels einer Würfelungs- bzw. Blockteilungssäge, eines Diamentanschneiders, eines Anreißgeräts oder eines Laserstrahls gebildet werden.

Das Leitermuster des Aufzeichnungskopfsubstrats ist ein wiederkehrendes Muster, so daß jeder Abschnitt das gleiche Muster wie die anderen Abschnitte hat. Für Produkte mit einer unterschiedlichen Anzahl von Düsenöffnungen bei gleichem Düsenteilungsabstand können die Leitermuster durch einfaches Ändern der Aufteilungslänge der Substrate der gleichen Herstellungspartie erhalten werden.

Die Fig. 2(a) und 2(b) sind jeweils eine perspektivische Ansicht eines Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopfs mit Düsen und einer an einem Substrat angebrachten Flüssigkeitskammer.

Fig. 2(a) zeigt einen Randstrahler-Aufzeichnungskopf mit einer Ausstoßebene, die an einem Rand des Aufzeichnungskopfs ausgebildet ist, während Fig. 2(b) einen Seitenstrahler-Aufzeichnungskopf mit einer Ausstoßebene zeigt, die an einer Seite bzw. Fläche des Aufzeichnungskopfs ausgebildet ist.

Mit 31 ist eine Aufzeichnungskopfeinheit, mit 32 ein Substrat der Aufzeichnungskopfeinheit und mit 33 eine Flüssigkeitszuführöffnung bezeichnet, an der ein Zuführrohr 34 angebracht ist, über das dem Aufzeichnungskopf Flüssigkeit zugeführt wird. Das Zuführrohr 34 ist an einen (nicht gezeigten) Flüssigkeitsbehälter angeschlossen. Mit 35 ist eine Deckplatte bezeichnet, die zum Einschließen der Aufzeichnungsflüssigkeit dient und in der eine Flüssigkeitskammer 38 für die zeitweilige Aufnahme der Flüssigkeit im Aufzeichnungskopf, Strömungskanäle 37 (Tintenpfad), über die die Flüssigkeit jeweils einem Heizelement zugeführt wird, und Düsenöffnungen 36 ausgebildet sind, über die die Tröpfchen zu einem (nicht gezeigten) Aufzeichnungsmaterial hin ausgestoßen werden.

Die Deckplatte 35 kann aus einem Material hergestellt werden, das durch langzeitiges Eintauchen in die Aufzeichnungsflüssigkeit nicht verändert wird und das leicht zu bearbeiten ist. Beispielsweise werden Glas oder ein Keramikmaterial wie Aluminiumoxid geätzt oder geschliffen. Ein korrosionsfreies Metall wie Au, Cu, SuS oder Ni kann geätzt oder elektrisch bzw. galvanisch geformt werden. Ein organisches Harz kann gegossen oder geätzt werden. Ein fotoempfindliches Harz oder Keramikmaterial kann nach einem fotolithografischen Verfahren geformt werden.

Die Deckplatte 35, das Substrat 32 und das Zuführrohr 34 werden mittels eines Klebstoffs verbunden, um damit die Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopfeinheit zu bilden.

Die Deckplatte 35 muß um so viel kleiner als das Substrat 32 sein, daß ein Elektrodenanschlußbereich 39 freilegt, an dem die Aufzeichnungskopfeinheit außen elektrisch angeschlossen wird. Daher muß bei der Aufteilung des Substrats das Teilsubstrat größer als die Deckplatte 35 zusammen mit dem Elektrodenanschlußbereich 39 sein. Die Flüssigkeitskammer 38 muß an demjenigen Bereich ausgebildet sein, an dem die Elektroden mit dem Schutzfilm abgedeckt sind.

Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht eines Aufzeichnungskopfs 41, bei dem die in Fig. 2(b) gezeigte Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopfeinheit an einem gesonderten Unterlageteil mit einer gesonderten Verdrahtung bzw. Leitungsführung angebracht ist. Bei dem Aufzeichnungskopf 41 ist eine Aufzeichnungskopfeinheit 42 gemäß Fig. 2(b) an einem Unterlagenteil 43 angebracht und elektrisch mittels Elektrodenverbindungsteilen 45 angeschlossen. Mit 46 sind Außenelektroden für den Anschluß an einen Drucker bezeichnet.

Das Unterlagenteil 43 kann aus einem anorganischen isolierenden Substratmaterial wie Aluminiumoxid, Keramikmaterial, SiC oder Glas, einer mit Isoliermaterial beschichteten Metallplatte wie einer Platte DENKA HITT von Denki-Kagaku Kogyo oder einer Tokyo IC IMST-Substratplatte, einer Druckschaltungsplatte oder einem flexiblen Substratmaterial (Polyester, Epoxy-Glas, Polyimid) hergestellt werden.

Elektroden 44 können aus einem gut leitenden Metall wie Au, Cu, Ag, Al oder Fe oder aus einem leitenden Material wie einer Leitpaste hergestellt werden. Die Elektroden können durch Schleuderbeschichtung, Aufdampfung, Plattieren oder Aufpressen bzw. Bonden aufgebracht werden und dann durch Ätzen, Siebdruck oder Abbrennen zu einem gewünschten Leitermuster geformt werden.

Die Elektrodenverbindungsteile 45 für das elektrische Verbinden der Aufzeichnungskopfeinheit mit dem Substrat 43 bestehen aus Al oder Au und werden nach einem Drahtbondeverfahren angebracht.

Auf diese Weise wird ein Aufzeichnungskopf gebildet.

Die Haltbarkeit und Zuverlässigkeit des erfindungsgemäßen Aufzeichnungskopfs wird durch Schützen des Bereichs elektrischer Anschlüsse verbessert. Die Fig. 4 und 5 zeigen Ausführungsbeispiele hierfür.

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Randstrahler-Aufzeichnungskopfs, während die Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel eines Seitenstrahler-Aufzeichnungskopfs zeigt.

Gemäß den Fig. 4(a) und 5(a) wird auf die Oberseite eines Aufzeichnungskopfs 51 mit einem Klebemittel 53 ein Abdichtungselement 52 aufgekittet. Das Abdichtungselement kann aus Kunststoff, Metall oder Keramikmaterial bestehen.

Die Fig. 4(b) und 5(b) zeigen Aufzeichnungsköpfe, bei denen die Drahtverbindungen der Aufzeichnungskopfeinheiten vollständig mit Dichtungsmaterial 54 abgedeckt bzw. eingegossen sind. Die Elektroden der Aufzeichnungskopfeinheit werden direkt nach einem Drahtbondeverfahren mit den Außenelektroden 46 für die Außenanschlüsse verbunden, wonach die ganze Baueinheit mit Kunstharz abgedichtet bzw. abgeschlossen wird. Das zur vollständigen Abdichtung verwendete Dichtungsmaterial kann ein fließfähiges härtbares Isoliermaterial wie Epoxy-Harz, Phenol-Harz oder Silikon-Harz sein.

Die erfindungsgemäße Gestaltung kann nicht nur bei kleinen Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungsköpfen angewandt werden, die in Serialdruckwerken eingesetzt werden, sondern auch bei einem in Fig. 6 gezeigten Vollzeilen-Mehrfach-Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf, der in einem Zeilendrucker eingesetzt wird.

In Fig. 6 ist mit 71 ein Aufzeichnungskopfbaustein mit mehreren Aufzeichnungskopfeinheiten 73 gemäß der Erfindung bezeichnet, die parallel ausgerichtet an einem Unterlagenteil 72 angebracht sind, wobei gemeinsame Elektroden 75 und Einzelelektroden 74 elektrisch mittels Bondedrähten 76 angeschlossen sind. Mit 77 sind Gleichrichter-Anordnungen bezeichnet, mit denen eine bestimmte Richtung der Speiseströme in den Einzelelektroden aufrechterhalten wird. Die Einzelelektroden für die Aufzeichnungskopfeinheiten sind zur kompakten Gestaltung einander überlagert, obgleich dies nicht notwendig sein muß.

Zur kompakten Gestaltung erfolgt die Verdrahtung bzw. das Anschließen mittels einer mehrschichtigen Verdrahtungsplatte. Die Einzelelektroden können jedoch auch gesonderte Teile beispielsweise einer flexiblen Druckschaltungsplatte sein.

Gemäß der vorstehenden Beschreibung werden bei dem erfindungsgemäßen Aufzeichnungskopf die Kosten für das teure Substratmaterial herabgesetzt, wobei bei der Herstellung eines Postens bzw. einer Partie eine Vielzahl von Substraten gebildet werden kann. Infolgedessen können die Einrichtungskosten, wie Materialkosten und die Personalkosten beträchtlich verringert werden, so daß sich ein preiswerter Aufzeichnungskopf ergibt.

Da das einzelne Substrat für verschiedene Arten von Produkten eingesetzt werden kann, kann der Herstellungsprozeß vereinheitlicht und vereinfacht werden, wobei die Massenproduktivität und die Herstellungsausbeute verbessert sind. Da kein unnötiger Verdrahtungsbereich enthalten ist, ist die Zuverlässigkeit des Aufzeichnungskopfs verbessert.

Bei dem beschriebenen Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf ist somit eine Aufzeichnungskopfeinheit für das Bilden fliegender Flüssigkeitströpfchen, die jeweils über eine Düsenöffnung durch an der Flüssigkeit einwirkende Energie aus einem Energieabgabeteil ausgestoßen werden, das an einem Substrat angebracht und an eine Elektrode angeschlossen ist, und für das elektrische und mechanische Verbinden des Aufzeichnungskopfs mit dem Hauptteil einer Aufzeichnungseinheit ein Unterlagenteil mit Elektroden für das Zuführen elektrischer Signale zu dem Energieabgabeteil und mit elektrisch an diese Elektroden angeschlossenen Verbindungsteilen vorhanden, wobei die Elektroden der Aufzeichnungskopfeinheit mit den Elektroden an dem Unterlagenteil elektrisch verbunden sind und die Aufzeichnungskopfeinheit mechanisch mit dem Unterlagenteil verbunden ist.

Claims (5)

1. Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf zum Ausstoßen fliegender Tröpfchen aus zumindest einer Düsenöffnung, die mit einem mit einem Energieerzeugungsabschnitt in Verbindung stehenden Tintenpfad verbunden ist, wobei der zumindest eine Energieerzeugungsabschnitt auf einem Substrat angeordnet und mit Elektroden verbunden ist, die elektrisch mit Außenelektroden gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet,
daß die Elektroden (39, 44) auf dem Substrat (32; 42) bis zu am Substrat (32; 42) angeordneten Elektrodenanschlußbereichen geführt sind,
daß das Substrat (32; 42) auf einem größeren Unterlagenteil (43) mechanisch befestigt ist, das auf seiner Oberfläche Elektrodenbahnen trägt, die elektrisch mit den Elektrodenanschlußbereichen des Substrats (32; 42) verbunden sind, und
daß die Elektrodenbahnen des Unterlagenteils (43) elektrisch mit den Außenelektroden (46) verbunden sind.

2. Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsabschnitte zwischen den Elektroden (39, 44) des Substrats (32; 42) und des Unterlagenteils (43) mittels eines Dichtmaterials (52, 53; 54) abgedichtet sind.

3. Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenbahnen des Unterlagenteils (43) und die Elektroden des Substrats (32; 42) mittels Bonddrähten (45) miteinander verbunden sind.

4. Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Energieerzeugungsabschnitt durch ein elektrothermisches Wandlerelement gebildet ist.

5. Verfahren zur Herstellung eines Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopfs gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst auf einer größeren Substratplatte eine Vielzahl von Energieerzeugungsabschnitten gebildet wird, die Substratplatte dann in einzelne Substrate mit jeweils einer vorbestimmten Anzahl von Energieerzeugungsabschnitten unterteilt wird und dann jeweils ein Substrat auf einem Unterlagenteil mechanisch befestigt und über Bonddrähte elektrisch mit dessen Elektrodenbahnen verbunden wird, und daß die Elektrodenbahnen des Unterlagenteils mit den Außenelektroden elektrisch verbunden werden.