DE3529021A1 - Verfahren zur herstellung von einseitig frei beweglichen metallstrukturen, insbesondere von metallischen antriebselementen fuer einen tintendruckkopf - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von einseitig frei beweglichen Metallstrukturen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Es ist neuerdings ein Schreibkopf für eine Tintenschreib­ einrichtung bekannt geworden, bei dem der Ausstoß von Einzeltröpfchen nach dem sogenannten elektrodynamischen Prinzip erfolgt (EU-OS 01 35 197). In einem derartigen Schreibkopf sind als Antriebselemente schmale aus leit­ fähigem Material bestehende mit Leiterbahnen vergleichba­ re Streifen vorgesehen, die sich von seitlichen Befesti­ gungen ausgehend pfeilartig in einen Tintenraum hinein erstrecken und dort ein frei bewegliches Mittelteil in Form einer Druckzunge bilden. Jeweils einer solchen Druckzunge ist eine Austrittsöffnung im Tintenraum zu­ geordnet, wobei jeweils eine Druckzunge unmittelbar über einer Ausdrucksöffnung liegt. Die Anzahl der Druckzungen und damit auch die Anzahl der Austrittsöffnungen eines derart aufgebauten Schreibkopfes kann derart sein, daß sich diese über eine gesamte Schreibzeile erstrecken. Über die gesamte Länge des Schreibkopfes erstreckt sich ein Magnetsystem, das beispielsweise durch einen Perma­ nentmagneten realisiert sein kann. Die Feldlinien des Magnetsystems durchdringen die Schenkel oder Stege der streifenförmigen Leiter. Tritt nun in einem solchen Lei­ ter eine Stromflußänderung auf, z. B. durch Einschalten des Stromflusses, so wird auf die beweglichen Druckzungen eine Kraft ausgeübt und die Druckzunge wird in Richtung auf die Austrittsöffnung hin bewegt. Dadurch wird eine geringe Tintenmenge aus der Austrittsöffnung ausgestoßen und als Einzeltröpfchen abgegeben. Wird der Strom durch den Leiter wieder abgeschaltet, so bewegt sich dieser in seine Ruhelage zurück wodurch über ein mit dem Tintenraum verbundenes Tintenversorgungssystem die verbrauchte Tinte nachgesaugt wird. Die Bewegung der beweglichen Druckzun­ gen in die Ausgangslage kann bereits durch die federnde Eigenschaft der Leiter gewährleistet sein. Sie kann aber auch durch eine Umpolung des Stromflusses sichergestellt werden.

Eines der Probleme die mit dem Aufbau eines Schreibkopfes gemäß diesem bekannten Vorschlag verbunden ist besteht darin, daß eine Vielzahl von derartiger Druckzungen in sehr engem Abstand angeordnet werden müssen, wobei an diese ganz bestimmte elastische und mechanische Anforde­ rungen gestellt werden. Das bedeutet, daß die Antriebs­ elemente in einem solchen Schreibkopf außergewöhnlich kleine Abmessungen aufweisen und daß zudem an die Geo­ metrie ihrer Anordnung und an deren Materialeigenschaften sehr hohe Anforderungen gestellt werden. Die Einhaltung der Forderungen an die geometrische Anordnung der Lei­ terelemente sowie an deren elektrische und mechanische Eigenschaften stellen sehr wesentliche Voraussetzungen für die Wirkungsweise eines derart aufgebauten Schreib­ kopfes dar. Es muß dabei sichergestellt werden, daß auf die pfeilartig abgewinkelten und von den magnetischen Feldlinien des Magnetsystems durchdrungenen Leiterele­ mente bei einer Stromflußänderung auch eine ausreichende Kraft ausgeübt wird, um die beweglichen Druckzungen aus­ zulenken. Weiterhin spielen Materialeigenschaften eine große Rolle für die Größe der Auslenkung und für die Rückbewegung der Druckzungen.

Aufgabe der Erfindung ist es, für einen Schreibkopf ge­ mäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 die aus leit­ fähigem Material bestehenden Antriebselemente in einfa­ cher Weise d. h. kostengünstig und ohne großen Fertigungs­ aufwand herzustellen und dabei sowohl hinsichtlich der Form, der Anordnung und der Materialgestaltung eine große Freizügigkeit zu gewährleisten.

Diese Aufgabe wird gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltun­ gen der Erfindung sind in weiteren Unteransprüchen ge­ kennzeichnet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dort zeigen

Fig. 1 ein Beispiel für den schichtweisen Aufbau von zungenförmigen Metallstrukturen auf einem Träger oder Grundkörper und

Fig. 2 in Schnittdarstellung einen Teil eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgebauten Schreib­ kopfes.

Fig. 1 zeigt den Aufbau der zungenförmigen Metallstruk­ turen für einen Schreibkopf in einer schematischen Schnittdarstellung. Zunächst wird auf einem Grundkörper, d. h. auf einem Keramikträger 1, der Austrittsöffnungen 2 aufweist, eine haftfähige Metallisierung 3 aufgebracht. Der gesamte Grundkörper 1 wird anschließend mit einer Photoresistfolie beschichtet. Diese bildet eine erste Schicht 4. Auf der Aufbauseite, im Beispiel nach Fig. 1 also von oben, wird die Photoresistfolie der ersten Schicht 4 entsprechend der Form der ersten Teilstruktur 41 belichtet. Nach Entwicklung der ersten Schicht 4 ent­ steht an den belichteten Stellen eine Vertiefung, die gal­ vanoplastisch mit Metall aufgefüllt wird, so daß in der ersten Schicht 4 die Metallstruktur 41 entsteht. Die Oberfläche der Schicht 4 kann anschließend durch einen Schleifvorgang egalisiert werden. Nunmehr wird eine zwei­ te Schicht 5 durch Aufbringen einer weiteren Photoresist­ folie gebildet, anschließend entsprechend der Form der zweiten Teilstruktur 51 belichtet und entwickelt. Durch galvanoplastisches Auffüllen der dadurch entstehenden Ausnehmungen mit Metall entstehen die Metallstrukturen 51. Diese Vorgänge finden auch beim Aufbringen einer dritten Schicht 6 und der Bildung der Metallstrukturen 61 statt. Die Oberfläche der dritten Schicht 6 wird nunmehr ganzflächig metallisiert, wodurch eine licht­ sperrende Zwischenschicht 7 entsteht. Damit wird er­ reicht, daß bei der Belichtung weiterer Schichten eine Beeinflussung bereits aufgebauter Schichten verhindert wird. Die auf die Zwischenschicht 7 zur Bildung einer vierten Schicht 8 aufgebrachte Photoresistfolie wird nun wiederum entsprechend der Form der gewünschten Teil­ struktur 81 belichtet und entwickelt. Die Zwischenschicht 7 gestattet es, die Teilstruktur 81 derart auszubilden, daß eine pfeilartige zungenförmige Metallstruktur ent­ steht, deren Form in Fig. 2 deutlicher entnehmbar ist. Die nach der Belichtung entstehenden Ausnehmungen werden wiederum galvanoplastisch mit Metall aufgefüllt, wodurch die metallischen Metallstrukturen 81 gebildet wird. Durch Aufbringen weiterer Schichten 9 und 10, durch deren Be­ lichtung, Entwickeln und Auffüllen der beim Entwickeln entstehenden Ausnehmungen entstehen in der beschriebenen Weise die metallischen Teilstrukturen 91 und 101.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 bildet die Schicht 10 die oberste und letzte Schicht des Aufbaues. Durch eine ganzflächige Belichtung und anschließender Entwicklung kann die Photoresistfolie der Schichten 10, 9 und 8 ent­ fernt werden. Die metallische Zwischenschicht 7 wird durch Abätzen entfernt. Die Entfernung der restlichen Photoresistfolien der Schichten 5, 4 und 3 kann durch einen sogenannten Strippvorgang und die ganzflächige Metallisierung des Trägers 1 durch Abätzen geschehen. Eine nach der Erfindung aufgebaute Metallstruktur für einen Schreibkopf zeigt Fig. 2. Dort ist eine Metall­ struktur gezeigt, die das Antriebssystem für einen Tintenschreibkopf bilden, wobei lediglich drei Antriebs­ elemente 11, 12 und 13 dargestellt sind. Der gesamte Aufbau ist gemäß dem anhand von Fig. 1 beschriebenen Verfahren ausgebildet worden. Über die unterste Schicht 4 d. h. über die seitlich nach außen weisenden metallischen Bereiche der Teilstruktur 41 kann eine Kontaktierung und damit eine Einzelansteuerung jedes Antriebselementes er­ folgen. Die Teilstrukturen 81, 91 und 101 bilden diejeni­ gen Teile der Antriebselemente, deren bewegliche Mittel­ teile unmittelbar im Bereich einer Austrittsöffnung 2 des Trägerkörpers 1 liegen. Zur Verbesserung der Elastizität der einzelnen Antriebselemente können diese Einkerbungen besitzen. Im Beispiel weist die oberste Teilstruktur 101 eine solche Einkerbung 14 auf. Derartige Einkerbungen lassen sich in beliebiger Tiefe und Anordnung mit den erfindungsgemäßen Verfahren ohne nennenswerte Schwierig­ keiten ausbilden. Ebenso können an den beweglichen Mit­ telteilen der Antriebselemente jeweils Ansätze 15 aus­ gebildet werden, die beim Betrieb eines Schreibkopfes die sogenannten Nebensprecheinflüsse reduzieren. Über die Gesamtheit der Antriebselemente erstreckt sich das Mag­ netsystem 16 , so daß ein sogenannter elektrodynamisch betriebener Schreibkopf gemäß dem eingangs erwähnten Vorschlag aufgebaut werden kann. Die beweglichen Mittel­ teile sämtlicher Antriebselemente können sich dabei über die Länge einer vollständigen Druckzeile erstrecken.

Die mit den erfindungsgemäßen Verfahren herstellbaren Schichtdicken liegen in der Größenordnung von etwa 15 µm bis 50 µm, so daß sehr feine dreidimensionale Strukturen ausgebildet werden können. Für die dazu verwendete Stützmaske, die durch die aufeinanderfolgenden Schichten aus Photoresistfolien besteht, wird vorzugsweise eine positiv arbeitende Photoresistfolie verwendet. Diese kann durch Belichtung in einen nahezu vollkommen löslichen Zu­ stand versetzt und durch den Entwicklungsvorgang auch aus sehr engen Spalten sicher entfernt werden. Weiterhin erlaubt eine positiv arbeitende Photoresistfolie auch eine Mehrfachbelichtung, wodurch zusätzliche Gestaltungs­ möglichkeiten realisiert werden können.

Zur galvanoplastischen Auffüllung der nach dem Entwick­ lungsvorgang entstehenden Ausnehmungen wird vorzugsweise Kupfer verwendet. Für die Teilstrukturen, die die beweg­ lichen Mittelteile eines Bügels bilden, kann ein Material verwendet werden, dessen Elastizität die gewünschte Be­ weglichkeit der Metallteile begünstigt. Als vorteilhaft hat sich die Verwendung einer Nickel/Palladium-Verbindung erwiesen.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung von einseitig frei bewegli­ chen Metallstrukturen sehr kleiner Abmessungen, insbeson­ dere von metallischen Antriebselementen eines Tinten­ schreibkopfes, die sich pfeilartig in den Tintenraum des Schreibkopfes hinein erstrecken und dort über Aus­ trittsöffnungen des Tintenschreibkopfes freibeweglich sind, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem ganzflächig metallisierten und mit Photoresistfolie beschichteten Keramikträger (1) in aufeinanderfolgenden Schritten Schichten von Photoresistfolien (4 bis 10) auf der Aufbauseite des Keramikträgers (1) aufgebracht wer­ den,
daß jeweils Teilstrukturen (41 bis 101) der Metallstruk­ tur durch eine Belichtung der einzelnen Photoresistfolien (4 bis 10) entsprechend der Form der Teilstrukturen (41 bis 101) durch Entwickeln und durch galvanoplastische Auffüllung der durch den Entwicklungsvorgang freigelegten Ausnehmungen (41 bis 101) mit metallischen Material gebildet werden,
wobei nach jeder Auffüllung eine erneute Beschichtung mit Photoresistfolie stattfindet,
daß vor der Ausbildung der die zungenförmigen beweglichen Teilstrukturen (81, 91, 101) bildende Schichten die ge­ samte Oberfläche der Aufbauseite metallisiert wird (Zwischenschicht 7),
daß nach der Auffüllung der Ausnehmung in der letzten Teilstruktur (101) der gesamte Aufbau ganzflächig be­ lichtet und die Photoresistfolien bis zur Zwischenschicht (7) entwickelt werden,
und daß die restlichen Photoresistfolien durch einen Strippvorgang und die ganzflächige Metallisierung des Trägers (1) durch Abätzen entfernt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (41 bis 101) vorzugsweise mit Kupfer aus­ gefüllt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung bestimmter elastischer Eigenschaften der Me­ tallstrukturen die Ausnehmungen vorzugsweise die Ausneh­ mungen der die beweglichen zungenförmigen Teilstrukturen (81, 91, 101) bildenden Schichten (8, 9, 10) mit einer Nickel/Palladium-Verbindung aufgefüllt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß nach jeder Auffüllung der durch Entwicklung gebildeten Ausneh­ mungen die Oberfläche der Schicht jeweils abgeschliffen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Photoresistfolien zur Bildung der einzelnen Schichten (4 bis 10) positiv arbeitende Photoresistfolien sind.