DE3628346A1

DE3628346A1 - Tintendruckkopf in dickschichttechnik

Info

Publication number: DE3628346A1
Application number: DE19863628346
Authority: DE
Inventors: Karl Buehler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1986-08-21
Filing date: 1986-08-21
Publication date: 1988-02-25

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Tintendruckkopfes gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein Tintendruckkopf, auch als Tintenstrahl-Schreibkopf bezeichnet, dient zur Erzeugung von Tintentropfen auf einem Aufzeichnungsträger in sogenannten Tinten druckwerken. Ein Tintendruckkopf besteht im all gemeinen aus mehreren Tintenkanälen, denen jeweils ein Energieerzeugungselement als Antriebselement zu geordnet ist. Die Tintenkanäle enden an ihren dem Auf zeichnungsträger zugewandten Enden in einer Düsenöffnung; an ihrem anderen Ende stehen sie mit einer Tintenversor gungseinheit, beispielsweise einer Tintenvorratskammer, in Verbindung.

Zur Herstellung eines derartigen Tintendruckkopfes ist es bekannt (DE-OS 35 11 391), in einem Träger aus Glas oder Metall kleine Nuten oder Rinnen durch einen Schneid- oder Ätzvorgang auszubilden und den derart bearbeiteten Träger mit einer Platte abzudecken. Auf diese Weise ent steht eine die Tintenkanäle enthaltende sogenannte Nuten platte. Diese wird dann mit einer Platte verklebt, die mit den Antriebselementen, die jeweils individuell an steuerbar sind, für einen Tintenausstoß versehen ist. Die auf die Tinte einwirkende Energie bewirkt, daß die Tinte aus den Düsenöffnungen ausgestoßen wird und in Form von Einzeltröpfchen auf den Aufzeichnungsträger gespritzt wird.

Als Substrat wird bei diesem bekannten Aufbau Glas, Kera mik, Kunststoff oder Metall verwendet, auf dem die indivi duell ansteuerbaren Energieerzeugungselemente, die auch als Wandler - oder Antriebselemente bezeichnet werden, an geordnet sind. Diese können thermische oder piezoelektri sche Elemente sein. Im Fall von thermischen Wandlerelemen ten wird die im Bereich dieser Elemente befindliche Flüssig keit im Tintenkanal abrupt erhitzt, es kommt zur Ausbildung einer Dampfblase, durch die eine bestimmte Tintenmenge ver drängt und aus den am Ende der Tintenkanäle ausgebildeten Düsenöffnungen als Tröpfchen ausgestoßen wird. Im Fall von piezoelektrischen Wandlerelementen wird die Energie für den Ausstoß der Tinte durch eine Verformung dieser Elemente er zeugt, wodurch im Tintenkanal eine Art Stoßwelle erzeugt wird, die einen Tintenausstoß bewirkt.

Die einzelnen Tintenkanäle stehen mit einer Tintenvorrats kammer in Verbindung, aus der verbrauchte Tinte nachge saugt wird. Zwischen den Tintenkanälen sind sogenannte Kanalwände vorgesehen. Solche Wände können auch aus dün nen, lichtempfindlichen, aushärtenden Harzschichten mit Hilfe der Fotolithografie gebildet sein.

Auch die auf dem Substrat mit den Tintenkanälen und der Tintenvorratskammer aufgebrachte Deckplatte besteht bei diesem Aufbau aus Glas, Keramik, Kunststoff oder Metall, wobei beispielsweise an der verbindenden Fläche der Deck platte eine Schicht aus lichtempfindlichem Harz ausgestal tet wird.

Der Aufbau eines Tintendruckkopfes gemäß diesen bekann ten Maßnahmen erfordert eine sehr sorgfältige und damit aufwendige Fertigungsvorbereitung. Die für ein foto lithografisches Verfahren erforderliche Bereitstellung von Masken, die Belichtung, Entwicklung und Ablösung bestimmter belichteter oder nicht belichteter Teil stehen zwar einer automatisierbaren Fertigung im Grund nicht entgegen, bedingen aber eine Vielzahl von Arbeits schritten. Zudem gehören diese Arbeitsschritte unter schiedlichen Arbeitsgebieten an, wie der Fotografie zum Belichten und Entwickeln, der Chemie zum Ablösen bzw. Ätzen und Herstellen von Klebeverbindungen, und bedarfs weise der Mechanik zum Verschrauben des Tintendruckkopfes. Für dessen Herstellung sind also eine Reihe unterschied lich ausgebildeter Fachleute notwendig und der Fertigungs aufwand ist hoch.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ver fahren zur kostengünstigen Herstellung eines Tinten druckkopfes bei gleichzeitiger Reduzierung des Fer tigungsaufwandes anzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patent anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Dabei zeigen

Fig. 1 und 2 verschiedene Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens,

Fig. 3 ein Beispiel für ein geeignetes Antriebselement,

Fig. 4 den Aufbau eines Tintendruckkopfes in Schnitt darstellung,

Fig. 5 einen fertigen Tintendruckkopf mit Tintenzufluß rohr.

Der an sich bekannte Tintendruckkopf wird durch ein erfindungsgemäßes Verfahren hergestellt. Dabei wird dieser in Dickschichttechnik, d.h. im sogenannten Siebdruck aufgebaut. Als Substrat kann Keramik, wie beispielsweise Aluminiumoxyd, Metall, Glas oder Kunst stoff verwendet werden.

Die Dickschichttechnik ist auch in dem Buch "Hybridschal tungen" von Hans Delfs, 1973, erschienen in der Ber liner Verlag Union GmbH, Stuttgart, beschrieben. Im folgenden wird kurz die Dickschichttechnik erläutert (siehe auf Seite 54 des ebengenannten Buches).

Ein feinmaschiges Sieb, dessen Maschen nur an den Stel len offen sind, wo die Unterlage bedruckt werden soll, steht der zu bedruckenden Unterlage elastisch gespannt in geringem Abstand gegenüber. Mit einer elastischen Leiste, einem sogenannten Rakel, die unter Druck über das Sieb gezogen wird, wird die Druckpaste durch die Öffnungen des Siebes auf die zu bedruckende Oberfläche gepreßt. Sie haftet an der bedruckten Fläche, auch wenn das Sieb sich nach der Rakel wieder abhebt. Die Auftrags dicke wird hierbei durch die Fadenzahl des Siebes, d.h. durch die Menge der im Sieb enthaltenen Druckpaste bestimmt.

Man verwendet in der Dickschichttechnik Siebe aus rost freiem Stahl oder Nylon mit Fadenzahlen zwischen 80 und 325 Fäden pro Zoll. Sie werden in Metallrahmen einge spannt. Zur Strukturierung des Siebes wird auf diesem zunächst ein lichtempfindlicher Kunststoff aufgebracht. Dieser wird mit einer fotografisch erzeugten Marke be lichtet, wodurch auf dem Sieb eine Struktur erzeugt wird. Die nichtbelichteten Stellen des Siebes werden ausgewa schen. So kann man, ausgehend von einem Foto der zu drucken den Struktur, eine Druckschablone herstellen.

Nach jedem Druckvorgang, d.h. nach jedem Aufbringen einer Struktur auf dem Substrat findet ein Trocknungsvorgang statt. Das Einbrennen nach dem Trocknen der letzten Schicht verleiht der Dickschicht-Struktur ihre endgül tigen Eigenschaften.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungs gemäßen Hertellungsverfahrens werden für die Erzeugung von Tintenvorratskammer, Tintenkanäle und Düsenöffnungen, die allgemein aus Kanalwandung und Kanalabdeckung bestehen, in einem ersten Arbeitsgang eine sogenannte Stützschicht gedruckt. Als Materialien für die Stützschicht sind Werk stoffe geeignet, deren Schmelzpunkt jeweils höher liegt als die Trocknungs-und/oder Einbrenntemperatur des ver wendeten Dickschicht-Druckpastensystems und die im Sieb druck verarbeitbar sind. Als Materialien für die Stütz schicht kommen beispielsweise Wachs, Fotoresist, etwa Riston oder ähnliches in Frage. Die Stützschicht wird bei dem Trocknungs- und/oder Einbrennvorgang verbrannt oder danach aus dem Tintendruckkopf herausgeschmolzen oder herausgelöst.

Als Materialien für die Kanalwandung und -abdeckung sind beispielsweise Metall-Keramik Polymerpastensysteme geeig net.

In Fig. 1 sind drei Arbeitsschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Die Darstellung beschränkt sich hier, der Übersichtlichkeit wegen, auf die Herstellung eines einzelnen Tintenkanals. In einem ersten Schritt (a) wird eine Stützschicht 2 auf einem Substrat 1 aufge bracht. In einem zweiten Arbeitsgang (b) wird darüber in einem Siebdruckverfahren eine Schicht 3 aufgebracht, die später eine Kanalwandung 4 und eine Kanalabdeckung 5 bildet. Nach dem Brennen bzw. Trocknen des bedruckten Substrats kann die Stützschicht 2 herausgelöst werden (c), so daß ein Tintenkanal 6 entsteht. Das geschieht z.B. durch Erwärmen über die Schmelztemperatur der Stütz schicht 2, wodurch das Stützmaterial 2 herausfließt. Gegebenenfalls ist auch eine Entschichtung durch Ver wendung von Lösungsmitteln möglich.

Wenn die Kanalstruktur dadurch erzeugt wird, daß die Dickschichtpaste über die Stützschicht gedruckt wird, ist die erzielbare Kanalhöhe begrenzt. Eine größere Kanalhöhe ist im Rahmen der Erfindung durch das sogenann te Komplementär-Druckverfahren möglich.

Anhand von Fig. 2 wird das Prinzip des erfindungsge mäß angewendeten Komplementärdruck-Verfahrens erläutert. Wiederum wird in einem ersten Arbeitsschritt (a) eine Stützschicht 21 auf dem Substrat 1 aufgebracht. In einem zweiten Arbeitsschritt (b) wird die Dickschicht 31 bis zur Höhe der Stützschicht 21 auf dem Substrat 1 auf gebracht. Im dritten Arbeitsschritt (c) wird eine weitere Stützschicht 22 und im vierten Arbeitsschritt (d) wird eine weitere Dickschicht 32 aufgebracht. In einem fünften Arbeitsschritt (e) wird darüber die dritte Dickschicht 33 aufgetragen. In einem sechsten Arbeitsschritt (f) wird die Stützschicht 21, 22 in der beschriebenen Weise herausge löst, so daß die endgültige Struktur des Tintenkanals 6 bestehend aus dem Substrat 1, der Kanalwandung 4 und der Kanalabdeckung 5 entsteht.

Mittels des Komplementärdruckes, d.h. durch abwechselndes Drucken von Stützschicht 21, 22 und Kanalwandung 31, 32 um die Stützschicht 21, 22 herum, kann eine größere Höhe der Kanalwandung 4 erreicht werden. Die Schichthöhe der Kanal wandung 4 bzw. der Kanalabdeckung 5 kann je nach verwende ter Fadenzahl des Siebes variiert werden. Daneben ist durch die Fadenzahl des Siebes auch die Genauigkeit des Druckes bestimmt.

Für eine hohe Auflösung, wie sie beispielsweise im Be reich der Austrittsöffnungen der Tintenkanäle 6 gefordert ist, kann mit einem feineren Sieb gedruckt werden, d.h. beispielsweise mit einem Sieb mit einer sehr hohen Fa denzahl. Durch Nacharbeiten der Düsenöffnungen kann die Tröpfchenbildung verbessert werden.

Auch für die Ausbildung der Kanalabdeckung 5 kann es vorteilhaft sein, ein feinmaschiges Sieb zu verwen den und ggf. auch die Kanalabdeckung 5 in mehreren Schichten zu drucken. Dabei richtet sich die Zahl der Drucke nach der geforderten Steifigkeit der über den Tintenkanal 6 hinter der Düsenöffnung 10 (siehe Fig. 4) als Membrane verwendeten Kanalabdeckung 5, auf der beim fertigen Tintendruckkopf beispielsweise die Antriebs elemente 7 (siehe Fig. 4) angeordnet sind. Ein weiterer Grund für einen wiederholten Druck kann auch die Dich tigkeit sein.

In einem weiteren, in der Zeichnung nicht dargestellten Arbeitsgang, können auf der obersten Schicht der Kanal abdeckung 5 die Leiterbahnen zur Kontaktierung der An triebselemente 7 gedruckt werden. In gleicher Weise kön nen auch Abgleichwiderstände aufgebracht werden. Abgleich widerstände sind vor allem in Mehrdüsenschreibköpfen not wendig, um die Toleranzen der Antriebselemente so weit ab zugleichen, daß eine gleichmäßige Tröpfchengröße der an den Austrittsöffnungen der Tintenkanäle abgegebenen Tinten tropfen sichergestellt ist.

Eine in der beschriebenen Weise aufgebaute Struktur wird schließlich mit einer Passivierungsschicht versehen, die lediglich die Anschlußflächen für die Wandlerelemente über den Tintenkammern und die elektrischen Anschlüsse am Sub stratrand freiläßt. Diese Passivierungsschicht dient als Schutz gegen Feuchte, mechanische Einflüsse und aggressive Medien. Bei nicht ausreichender Tintenbeständigkeit des verwendeten Pastensystems ist eine Passivierung der Tin tenkanäle 6 und der Tintenvorratskammer 11 notwendig.

In Fig. 3 ist als Beispiel für ein Antriebselement ein beidseitig mit einer leitenden Kontaktschicht versehener Piezowandler 71 dargestellt. Die beiden Kontaktschichten bilden Elektroden 8 und 9 des Piezowandlers 71. Die eine Elektrode 8 ist hierbei bis zur gegenüberliegenden Seite des Piezowandlers 71 herumgeführt. Mit dieser Anordnung ist es möglich, den Piezowandler 71 von einer Seite aus zu kontaktieren. Dies kann beispielsweise durch ein Löt schwallbad oder durch Kleben geschehen.

Einen nach den erfindungsgemäßen Maßnahmen hergestellten Tintendruckkopf zeigt Fig. 4. Der dort dargestellte Tin tendruckkopf ist zur Verdeutlichung des konstruktiven Aufbaus teilweise aufgeschnitten. An seiner Längsseite weist er sechs Düsenöffnungen 10 auf. An der gegenüber liegenden Längsseite ist eine Tintenvorratskammer 11 ausgebildet, die über sechs Tintenkanäle 6 mit den Düsenöffnungen 10 verbunden ist.

Zwischen jeweils zwei benachbarten Tintenkanälen 6 kann zur Reduzierung sogenannter Übersprecheffekte zwischen den einzelnen Tintenkanälen 6 ein Zwischenraum 12 vorge sehen sein, der sich fast über die ganze Länge eines Tintenkanales 6 erstreckt. Über jedem der Tintenkanäle 6 ist ein Antriebselement 7, im Beispiel ein Piezowandler 71 angeordnet.

Die Piezowandler 71 sind mit Leiterbahnen 13 kontak tiert, die sich bis zu einer Schmalseite des Tinten druckkopfes erstrecken. Dabei ist jeweils der einen Elek trode 8 jedes Piezowandlers 71 eine einzelne separate Leiterbahn zugeordnet, während den anderen Elektroden 9 aller Piezowandler 71 eine gemeinsame Leiterbahn zuge ordnet ist. Das ermöglichst die induviduelle Ansteu erung der Piezowandler 71.

In Fig. 5 ist ein fertiger Tintendruckkopf dargestellt, bei dem die Tintenzufuhr über ein Anschlußrohr 14 er folgt. Weiter sind die auf dem Tintendruckkopf aufge brachten Piezowandler 71 sowie die einen elektrischen Anschlußkamm 15 bildenden Leiterbahnanschlüsse 13 zu sehen, über die die Piezowandler 71 ansteuerbar sind. Der so ausgestaltete Tintendruckkopf ist durch Aufstecken sowohl elektrisch zu kontaktieren als auch mit dem Tin tenzufluß zu verbinden.

Bei dem in Fig. 5 dargestellten Tintendruckkopf sind die Düsenöffnungen 10 an dessen Schmalseite angeordnet, so daß der Tintenausstoß in Längsrichtung der Piezo wandler 71 erfolgt. Es ist jedoch auch möglich, die Dü senöffnungen 10 im Substrat 1, oder in der Deckfläche des Tintendruckkopfes anzuordnen. Diese beiden Ausgestaltun gen sind hier nicht dargestellt. Bei diesen Ausführungs formen erfolgt der Tintenausstoß dann quer zur Längsrich tung der Piezowandler 71. Wenn die Düsenöffnungen 10 in der Deckfläche des Tintendruckkopfes angeordnet sind, so werden diese durch das Druckverfahren in Dickschichttech nik erzeugt oder mit einem Laser gebohrt. Wenn die Düsen öffnungen 10 im Substrat 1 angeordnet sind, so werden die se beispielsweise mit Hilfe eines Lasers erzeugt.

Die Antriebselemente 7 können auch auf dem Substrat, d.h. auf dem Boden der Tintenkanäle 6 aufgebracht sein.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Tintendruckkopfes mit Tintenvorratskammer (11), Tintenkanälen (6), Düsenöffnungen (10), Energieerzeugungselementen und Verdrahtungsanschlüsse für diese, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand- und Abdeckungsstrukturen zur Bildung der Tintenvorratskammer (11), der Tintenkanäle (6) und der Düsenöffnungen (10) durch ein Siebdruckverfahren der Dickschichttechnik auf einem Substrat (1) erzeugt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume für Tintenvorratskammer (11), die Tintenkanäle (6) und die Düsenöffnungen (10) durch Drucken einer Stützschicht (2, 21, 22) erzeugt werden, wobei der Schmelzpunkt des Stützschichtmaterials über der Trocknungs- bzw. Einbrenntemperatur des für den Dickschicht druck verwendeten Pastenmaterials liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand- und Abdeckungsstrukturen in Überdrucktechnik erzeugt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand- und Abdeckungsstrukturen durch Komplemen tärdrucktechnik erzeugt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch die aufeinanderfolgende Ausführung folgender Verfahrens schritte:

a) auf dem Substrat (1) wird in Siebdrucktechnik zur Bildung der Hohlräume im Tintendruckkopf die Stütz schicht (2) aufgebracht,
b) zur Bildung der Wand und Abdeckungsstrukturen wird im Siebdruck bedarfsweise mehrfach das Pastenmaterial auf das Substrat (1) und die Stützschicht (2) aufgebracht,
c) Leiterbahnen (13) und bedarfsweise Abgleichwiderstän de werden auf der Abdeckung im Siebdruck aufgebracht,
d) eine Passivierungsschicht wird im Siebdruck derart aufgebracht, daß elektrische Anschlußflächen der Leiter bahnen (13) für die externe Verdrahtung und die Antriebs elemente (7) freibleiben, und
e) die Antriebselemente (7) werden mit den Leiterbahnen (13) kontaktiert.

6. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 4, gekennzeichnet durch die aufeinanderfolgende Ausführung folgender Verfahrens schritte:

a) auf dem Substrat (1) wird in Siebdrucktechnik zur Bildung der Hohlräume im Tintendruckkopf die Stütz schicht (2) aufgebracht,
b) zur Bildung der Wandstruktur wird das Pastenmaterial aus dem Substrat (1) bis zur Höhe der Stützschicht (21, 22) im Siebdruck aufgebracht,
c) Verfahrensschritte a) und b) werden ggf. mehrfach wie derholt,
d) Leiterbahnen (13) und bedarfsweise Abgleichwiderstände werden auf der Abdeckung im Siebdruck aufgebracht.
e) eine Passivierungsschicht wird im Siebdruck derart aufgebracht, daß elektrische Anschlußflächen der Leiter bahnen (13) für die externe Verdrahtung und die Antriebs elemente (7) freibleiben,
f) die Antriebselemente (7) werden mit den Leiterbahnen (13) kontaktiert.