DE3917434C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von mindestens einem Tintenkanal in einem mehrschichtig aufgebauten Tinten­ druckkopf.

Tintendruckeinrichtungen mit piezoelektrischen über Heizele­ mente angetriebenen oder nach dem elektrodynamischen Prinzip arbeitenden Antriebselementen sind allgemein bekannt und mit Erfolg zur Anwendung gelangt. So wird in der DE-OS 32 48 087 die Herstellung eines mehrschichtig aufgebauten Tintenstrahldruckkopfes beschrie­ ben, der in Sandwich-Bauweise aufgebaut ist und aus mehreren übereinander angeordneten Platten besteht, die untereinander fest verbunden sind. Der Tintendruckkopf weist weiterhin eine Tintenanschlußöffnung zur Zuführung der Schreibflüssigkeit auf, wobei die Tintenzuführung zu den Antriebselementen von unten her durch eine Substrat-Basisplatte erfolgt. Die Tintenkanäle des Tintendruckkopfes werden durch Ausnehmungen der einzelnen Platten des Tintendruckkopfes gebildet. Begrenzt werden die Tintenkanäle durch die darüber bzw. darunter angeordneten, an­ grenzenden Platten. Die Kanaltiefe der einzelnen Tintenkanäle wird bestimmt durch die Dicke der einzelnen Schichten bzw. Platten, wobei die Ausnehmungen für die Tintenkanäle selbst im galvanoplastischen Verfahren erzeugt werden.

Da zur Erzeugung der gesamten Tintenkanäle eine Vielzahl von Schichten bzw. Platten übereinander angeordnet werden müssen, ist eine Vielzahl von Arbeitsprozessen zur Herstellung notwendig, weiterhin wird dadurch der Tintendruckkopf verhältnismäßig groß.

Aus der DE-OS 26 04 939 ist ein Verfahren zum Herstellen von kleinen Durchgangslöchern, insbesondere Düsen für Tintenstrahldruckern in aus zwei Schichten bestehenden Platten, bei dem die Löcher in den beiden Schichten nacheinander hergestellt werden, bekannt. Dabei besteht die erste Schicht aus einem für eine Strahlung eines bestimmten Wellenbereichs undurchlässigen und in die zweite Schicht aus einem für diese Strahlung durchlässigen Material. Zur Herstellung kegelförmiger Öffnungen in der zweiten Schicht wird die Außenseite der zweiten Schicht an der der ersten Schicht gegenüberliegenden Seite mit Positiv-Photolack überzogen, dieser entwickelt und dann werden über die entsprechenden Zuführungsöffnungen des Photolackes die kegelförmigen Ausnehmungen der zweiten Schicht ausgeätzt. Danach wird der Photolack entfernt.

Aus der DE-OS 28 42 755 ist ein Verfahren der eingangs genannten Art zum Herstellen eines Tintenstrahldruckkopfes bekannt, bei dem eine Substratschicht in Form eines Kopfkörpers auf ihrer Vorderseite von einer Deckschicht in Form einer Düsen enthaltenden Düsenplatte abgedeckt wird. Die Substratschicht weist mindestens einen als Schlitz ausgebildeten, der Deckschicht zugewandten Tintenkanal auf, der mit Einlaß- und Auslaßöffnungen zur Tintenversorgung verbunden ist. Die Düsen sind entlang dem Schlitz ausgerichtet. Der Tintenkanal wird bei dem bekannten Tintenstrahldruckkopf mit einem in der DE-OS 28 42 755 nicht näher erläuterten Verfahren ausgebildet, bevor die Deckschicht aufgebracht wird. Zur Erzeugung eines definierten Tintenkanals ist bei dem bekannten Tintenstrahldruckkopf ein verhältnismäßig hoher fertigungstechnischer Aufwand erforderlich.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Ver­ fahren bereitzustellen, bei dem in ein­ facher Weise Tintenkanäle in einem Substrat eines Tintendruckkopfes galvanoplastisch hergestellt werden können.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs ge­ nannten Art gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 und 11 gelöst.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unter­ ansprüchen gekennzeichnet.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Tinten­ versorgungskanäle als Ausnehmungen einer Substratschicht erzeugt, die von einer Deckschicht abgedeckt sind. Die Deckschicht weist da­ bei Öffnungen auf, die entsprechend dem Verlauf der Tintenka­ näle und/oder von langgestreckten Antriebskammern der Wandlerbereiche angeord­ net sind, wobei die Tintenkanäle bzw. die Antriebskammern durch selektives Ätzen der Substratschicht durch die Öffnungen der Deckschicht hindurch erzeugt werden. Dabei sind die Öffnungen derart dimensioniert, daß nach Füllen der Tintenkanäle mit Tin­ te die Tinte die Öffnungen kapillarisch verschließt. Die Öff­ nungen selbst können durch Ätzen, durch galvanoplastisches Auf­ formen oder z.B. durch Laminieren erzeugt werden.

Bei einer speziellen Ausführungsform der Erfindung werden nach Ausätzen der Tintenkanäle die Öffnungen der Deckschicht ver­ schlossen, z.B. mit einem aufgeklebten Deckel oder durch son­ stige geeignete Maßnahmen.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Kanalstruktur in einfacher und ko­ stengünstiger Weise galvanoplastisch erzeugt, wobei kei­ ne zusätzlichen Schichten bzw. Platten für die Tintenversor­ gungskanäle benötigt werden. Dies vermindert den erforderlichen Platzbedarf für den gesamten Tintendruckkopf. Die Kanaltiefe der Tintenkanäle und deren Breite und damit der Strömungswi­ derstand sowie die Kanallänge der Tintenkanäle läßt sich in einfacher Weise an die geforderte Spritzfrequenz der Antriebs­ elemente des Tintendruckkopfes anpassen.

Da die Öffnungen bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung über die Tinten selbst kapillarisch abgeschlossen werden, ist keine besonders ausgestaltete Abdeckung bzw. kein Deckel erforderlich.

Weiterhin ist der Verlauf der Tintenkanäle im Substrat unter Berücksichtigung des Strömungswiderstandes frei wählbar.

In vorteilhafter Weise wird gemäß der Erfindung die Deckschicht als Düsenplatte mit den Düsen­ austrittsöffnungen gebildet. Damit ist es möglich, die Düsen­ platte galvanoplastisch auf das Substrat aufwachsen zu lassen und dann über die Düsenaustrittsöffnungen durch Ätzen die Tin­ tenzuführungskanäle bzw. die Antriebskammern der Wandlerbe­ reiche zu erzeugen.

Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen darge­ stellt und werden im folgenden beispielsweise näher beschrie­ ben. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Tintenkanales in galvanoplastischem Schichtaufbau mit einer Tintenzuleitung von der Substratrückseite her,

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Tintenkanales der Fig. 1 entlang der Schnittlinie II-II,

Fig. 3 eine schematische Darstellung des Tintenkanales der Fig. 1 entlang der Schnittlinie III-III,

Fig. 4 bis 6 Ausführungsbeispiele der Kapillarspalte mit zugehörigen Schnittdarstellungen zur Erzeugung breiter Tinten­ kanäle,

Fig. 7 eine schematische Darstellung eines in einen Tinten­ vorratsbehälter eingetauchten Tintendruckkopfes,

Fig. 8 eine schematische Schnittdarstellung des Tintendruck­ kopfes der Fig. 7 entlang der Schnittlinie VIII-VIII,

Fig. 9 eine schematische Darstellung eines Tintenkanals mit kurzen unterbrochenen Kapillarspalten in der Deckschicht,

Fig. 10 bis 12 verschiedene Schnittdarstellungen der Tinten­ kanalstruktur der Fig. 9,

Fig. 13 eine schematische Darstellung einer Tintenkanalanord­ nung für einen Mehrfarbendruckkopf,

Fig. 14 eine schematische Darstellung einer Tintenkanalanord­ nung bei Kaskadierung von mehreren Wandlerelementen aufnehmen­ den Substraten,

Fig. 15 eine schematische Darstellung eines Tintendruckkopfes, teilweise in Schnittdarstellung, bei dem die Düsenplatte galva­ noplastisch erzeugt wurde,

Fig. 16 eine schematische Schnittdarstellung eines Tinten­ druckkopfes mit thermischen Antriebselementen und

Fig. 17 eine schematische Schnittdarstellung eines Tinten­ druckkopfes mit Piezoplanarwandlern als Antriebselemente.

In einer hier nicht im einzelnen dargestellten Tintendruckein­ richtung ist ein mehrschichtig aufgebauter Tintendruckkopf an­ geordnet, der gemäß der Fig. 13 als Stütz- und Halteelement eine Substratschicht 10 z.B. aus Glas aufweist, in der Tinten­ versorgungskanäle 11 angeordnet sind. Die Tintenversorgungska­ näle 11 sind abgedeckt mit einer Deckschicht 12, die z.B. aus Metall bestehen kann. Auf der Deckschicht oder unter dem Sub­ strat wiederum sind in einem Wandlerbereich 13 die eigentlichen Antriebselemente des Tintendruckkopfes angeordnet, die z.B. aus piezoelektrischen Antriebselementen oder auch aus elektro­ thermischen Wandlerelementen bestehen können. Die Tintenversor­ gungskanäle 11 dienen dazu, den Wandlerbereich 13 und damit die eigentlichen Antriebselemente des Tintendruckkopfes mit Tinte zu versorgen. Die Wandlerbereiche müssen deswegen in Flußver­ bindung mit den Tintenkanälen stehen. Es ist dabei möglich, den Wandlerbereich auf die Deckschicht 12 aufzusetzen oder aber auch die Antriebselemente unmittelbar auf der Substratschicht 10 in einer entsprechenden Aussparung der Deckschicht 12 anzu­ ordnen oder gemäß den Fig. 16, 17 unter dem Substrat.

Die prinzipielle Erzeugung der Tintenversorgungskanäle 11 wird nun näher anhand der Fig. 1 bis 3 erläutert. Zunächst wird auf einer durchgehenden Substratschicht 10, z.B. aus Glas, z.B. galvanoplastisch die Deckschicht 12 aus Metall aufgebaut, es ist jedoch auch Laminieren, z.B. einer Kunststoffschicht mög­ lich. Dabei wird gleichzeitig in der Metallschicht ein Kapil­ larspalt 14 erzeugt und zwar entsprechend dem vorgesehenen Ver­ lauf des zu erzeugenden Tintenversorgungskanales 11. Es ist jedoch auch möglich, den Kapillarspalt 14 erst nach dem galva­ noplastischen Aufbau der Deckschicht 12 zu erzeugen. Danach wird durch selektives Ätzen des Glassubstrates 10 durch den Kapillarspalt 14 der galvanoplastisch aufgebauten Deckschicht 12 hindurch der Tintenversorgungskanal 11 erzeugt, wobei die Ausdehnung nach Breite und Tiefe des Tintenversorgungskanales von der Menge der zugeführten Ätzflüssigkeit und der zeitlichen Dauer des Ätzvorganges abhängt. Bei dem dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel der Fig. 1 bis 3 entspricht die Ausdehnung des Tintenversorgungskanales in der Breite von der Spaltmitte aus etwa der Kanaltiefe.

Es ist dabei zu beachten, daß die Kanaltiefe so gewählt wird, daß eine ausreichende Tintenversorgung auch bei hoher Spritz­ frequenz gewährleistet ist, d.h. daß der Strömungswiderstand innerhalb des Tintenversorgungskanales nicht zu groß ist.

Vor dem eigentlichen Ätzvorgang kann bereits in der Substrat­ schicht entsprechend der Darstellung der Fig. 2 ein Sackloch 15 zum Anschluß des Tintenversorgungskanales an die Tintenver­ sorgung vorgesehen werden, wobei dann der Ätzvorgang des Tin­ tenversorgungskanales selbst die Verbindung zwischen Tinten­ versorgungskanal 11 und Sackloch 15 erzeugt.

Die Breite des Kapillarspaltes 14 ist nunmehr so bemessen, daß nach Füllen des Tintenversorgungskanales 11 über das Sackloch 15 mit Tinte die Tinte den Kapillarspalt 14 kapillarisch ver­ schließt. Da mit piezoelektrischen oder elektrothermischen An­ triebselementen ausgestaltete Tintendrucksysteme im allgemeinen mit Unterdruck im Tintenversorgungssystem arbeiten, kann einer­ seits die Tinte durch den Kapillarspalt 14 nicht austreten, andererseits verhindert die Kapillarkraft der Tinte im Kapillar­ spalt das Eindringen von Luft von außen. Jedoch auch bei gerin­ gem Überdruck im Tintenversorgungssystem verhindert die Kapil­ larkraft im Spalt 14 ein Austreten von Tinte.

Soll ein derartig hergestellter Tintenversorgungskanal in Tin­ tendruckeinrichtungen mit starkem Überdruck im Tintenversor­ gungssystem verwendet werden, so ist es gegebenenfalls notwen­ dig, nach der Herstellung des Tintenversorgungskanales den Kapillarspalt 14 zu verschließen.

Um das kapillarische Verschließen bewerkstelligen zu können, kann z.B. eine Spaltbreite von 30 µm gewählt werden.

Um auch breitere Tintenversorgungskanäle erzeugen zu können, können entsprechend den Darstellungen der Fig. 4 bis 6 mehrere Kapillarspalte 14/1, 14/2, 14/3 parallel nebeneinander angeordnet werden. Diese Kapillarspalte können z.B. entspre­ chend der Fig. 5 aus langen durchgehenden Spalten bestehen oder auch aus kurzen unterbrochenen Spalten entsprechend der Fig. 4 oder aber auch aus rein kreisförmigen Durchbrüchen in der Deckschicht entsprechend der Fig. 6. Durch die Anordnung von kreisförmigen Durchbrüchen oder kurzen unterbrochenen Spalten wird die Stabilität der Deckschicht, z.B. Metallschicht, über dem erzeugten Tintenversorgungskanal 11 stabiler. Weiter­ hin sind damit sicherer und stabiler breitere Kanäle ausführ­ bar.

Entsprechend der Darstellung der Fig. 9 bis 12 läßt sich so­ mit auf dem Substrat 10 eine Vielzahl von unterschiedlich kon­ figurierten Tintenversorgungskanälen für die Wandlerelemente des Tintendruckkopfes erzeugen. Es ist damit entsprechend der Darstellung der Fig. 9 auch möglich, eine seitliche Zufüh­ rung der Tinte vom Rand des Substrates her zu den Wandlerele­ menten zu erzeugen. Damit ist es entsprechend der Fig. 7 z.B. möglich, den Tintendruckkopf in einem mit Tinte gefüllten Vor­ ratsbehälter 16 anzuordnen und zwar derart, daß das Substrat 10 mit dem darin angeordneten Tintenversorgungskanal 11 in die Tinte des Tintenvorratsbehälters 16 eintaucht. Damit läßt sich unmittelbar der Tintenzuführungskanal 11 aus dem Tintenvorrats­ behälter 16 mit Tinte versorgen.

Damit bei der Bewegung des Tintendruckkopfes im Tintendruck­ system die im Tintenvorratsbehälter befindliche Tinte nicht aufschäumt bzw. schwappt, kann der Tintenvorratsbehälter 16 mit einem saugfähigen Kunststoff-Polyurethanschaum ausgefüllt sein, dessen Poren untereinander in Verbindung stehen, so daß der Tintenkanal 11 durch kapillarische Kräfte Tinte aus dem Schaum entnehmen kann. Anstelle von Polyurethanschaum ist es auch möglich, eine schwammartige Struktur zu verwenden, wobei das Substrat 10 in den elastischen Schwamm eintaucht, so daß sich in der Umgebung der Eintrittsöffnung des Tintenversor­ gungskanales 11 Flüssigkeit ansammelt. Bei Tintendruckköpfen die mit mehreren Farben arbeiten, kann entsprechend der Dar­ stellung der Fig. 13 der Wandlerbereich 13 unterschiedliche Wandlerbereiche 13/1 bis 13/4 aufweisen, die jeweils einer Far­ be zugeordnet sind. Jeder der Wandlerbereiche 13/1 bis 13/4 wird jeweils mit einem Tintenversorgungskanal 11 mit Tinte ver­ sorgt. Die Tintenkanäle 11 führen dabei in der dargestellten Weise zum Substratrand 10, wo sie mit dem Tintenversorgungs­ system der Tintenvorratsbehälter gekoppelt sind.

Weiterhin ist es auch möglich, mehrere Tintendruckköpfe ent­ sprechend der Fig. 14 nebeneinander anzuordnen, wobei jeder Tintendruckkopf (Wandlerelemente 13) auf einem gesonderten Sub­ strat 10 angeordnet ist. In diesem Fall ist es von Vorteil, die Tintenversorgungskanäle 11 an den Stoßstellen der Substratflä­ chen 10 der einzelnen Tintendruckköpfe anzuordnen. Damit ergibt sich eine gemeinsame Tintenzuführung über die so erzeugten Tin­ tenzuführungskanäle, wobei im Bereich der gemeinsamen Zuführung ein höherer Tintendurchsatz mit geringerem Strömungswiderstand möglich wird.

Es ist jedoch auch möglich, entsprechend der Darstellung der Fig. 15 auf einem Substrat 10 die Deckschicht 12 als Düsen­ platte eines Tintendruckkopfes mit Tintenaustrittsöff­ nungen 30 aufwachsen zu lassen. In diesem Fall ist als Material für die Deckschicht Kupfer oder Nickel von Vorteil. Danach werden die Tintenversorgungskanäle 11 durch Ätzen über die Düsenaustrittsöffnungen 30 und über entsprechende weitere Öff­ nungen 14/5 in der Deckschicht erzeugt. Diese Öffnungen 14/5 können die Form von Kapillarspalten haben, entsprechend der Darstellung der Fig. 4 bis 6. Bei diesem Ätzen wird die Ver­ bindung zu dem z.B. bereits vorher hergestellten Zuführungska­ nal im Substrat geschlossen. Die Antriebselemente können dabei im Bereich des Zuführungskanales 15 bzw. seiner Verlängerung angeordnet sein.

Die folgenden Werte sind als beispielhafte Dimensionierung eines Ausführungsbeispiels zu verstehen:

Deckschicht 12 aus Kupfer oder Nickel, Stärke|∼ 50 µm
Kanalradius des Tintenversorgungskanales	∼ 150 µm
lichte Weite des Tintenversorgungskanales	∼ 70 µm
Gesamthöhe (Substrat und Deckschicht)	∼ 600 µm
Substrathöhe (Glas)	∼ 550 µm

Bei einem in der Fig. 16 dargestellten, nach dem Bubble-Jet-Prinzip arbeitenden Tintendruckkopf sind als Antriebselemente für den Tintenausstoß thermische Antriebselemente 17, sogenannte BJ-Heizdots, vorgesehen. Diese befinden sich auf einer Träger­ schicht 18, die z.B. über eine Klebeverbindung 19 unterhalb des Substrates 10 (Glassubstrat mit Kanalstruktur) angeordnet und mit diesem verbunden ist. Das Sackloch 15 dient dabei als Antriebskammer.

Es ist jedoch auch entsprechend dem Ausführungsbeispiel der Fig. 17 möglich, als Antriebselemente Piezoplanarantriebs­ elemente 20 zu verwenden. Diese können dann z.B. ebenfalls auf einer Trägerschicht 18 angeordnet sein. Bei Erregung der An­ triebselemente 20 wird die Trägerschicht 18 im Bereich der An­ triebskammer 15 ausgelenkt und damit über die Tintenaustritts­ öffnungen 30 ein Tintentröpfchen ausgestoßen.

Claims (8)

1. Verfahren zum Erzeugen von mindestens einem Tintenkanal (11) in einem mehrschichtig aufgebauten Tintendruckkopf, bei dem eine Substratschicht (10) von einer Deckschicht (12) abgedeckt wird und bei dem der Tintenkanal (11) mit seiner Längsachse im wesentlichen deckschichtparallel verlaufend als Ausnehmung in der Substratschicht (10) gebildet wird, wobei die Kanaltiefe kleiner als die Höhe der Substratschicht (10) ist, dadurch gekennzeichnet, daß in der Deckschicht (12) Öffnungen (14, 30) entsprechend dem gewünschten Verlauf des Tintenkanals (11) und/oder einer langgestreckten Antriebskammer angeordnet werden und daß der Tintenkanal (11) durch selektives Ätzen der Substratschicht (10) über die Öffnungen (14, 30) erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Öffnungen (14) derart dimensioniert sind, daß nach Füllen der Tintenkanäle (11) mit Tinte die Tinte die Öffnungen (14) kapillarisch verschließt.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, da­ durch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines breiteren Tintenkanals (11) in der Deckschicht (12) mehrere Reihen von Öffnungen (14, 30) parallel zueinander angeordnet werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (14, 30) als Spalte und/oder als kreisförmige Durchbrüche der Deck­ schicht (12) ausgebildet sind.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß zur Versorgung der Tintenkanäle (11) mit Tinte die Tintenkanäle (11) mit Tintenzuführöffnungen am Rand der Substratschicht (10) versehen werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß in einem Tintendruckkopf zum Mehrfarbenbetrieb jeweils Tintenkanäle (11) zu einzelnen Farben zugeordneten Wandlerbereichen (13/1 bis 13/4) ausgebildet werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Öffnungen in der Deckschicht (12) als Tintenaustrittsöffnungen (30) ausgebildet werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 6 oder 7 dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Ätzen in der Substratschicht (10) ein Sackloch (15) erzeugt wird, das dann durch das Ätzen mit dem Tintenkanal (11) verbunden wird.