DE4336416A1 - Face-Shooter-Tintenstrahldruckkopf und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Face-Shooter-Tintenstrahldruckkopf und Verfahren zu seiner Herstellung

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Description

Die Erfindung betrifft einen Face-Shooter-Tintenstrahl­ druckkopf der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebe­ nen Art und ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Ein solcher Tintenstrahldruckkopf kann in kleinen schnellen Druckern eingesetzt werden. Solche werden beispielsweise für Frankiermaschinen zum Frankieren von Postgut verwendet.

Es ist bekannt, daß Tintenstrahldruckköpfe nach dem Edge-shooter- oder nach dem Face-shooter-Prinzip aufgebaut sind (First annual ink jet printing workshop, March 26-27, 1992, Royal Sonesta Hotel, Cambridge, Massachusetts). Bisher wurden Anstrengungen unter­ nommen, die Abmaße der Kammern zu minimieren, um die Düsendichte zu erhöhen. Die dort vorgeschlagenen Maßnahmen sind aber nur bei Tintenstrahlmodulen mit wenigen Düsen in einer Reihe sinnvoll und versagen bei einer hohen Anzahl von Düsen.

Aus der DE 32 48 087 A1 ist ein Face-Shooter- Flüssigkeitsstrahlkopf bekannt, der in einer Variante in einer Düsenlinie liegende Düsengruppen derart aufweist, daß benachbarte Plumbum-Zirkonat-Titanat- Elemente (PZT-Elemente) getrennt mit Flüssigkeit versorgt werden. Jeweils eine kammartige Verzweigung der Tintenkanäle führt vom Zuführkanal zu den Elementen auf jeder Seite. Die Längsachsen der Tintenkammern liegen in Richtung des Tintenstrahlaustritts aus den Face-shooter-Düsen. Durch diese Anordnung ist die Kammergröße unter den PZT-Elementen in der Breite begrenzt und es wird keine hohe Düsendichte erreicht.

Später weiterentwickelte Ink-Jet-Druckköpfe nach dem Face-Shooting-Prinzip, wie es u. a. in den einschlägigen Patenten US 47 30 197, US 47 03 333, US 46 95 854, US 46 35 079, US 46 41 153 sowie US 46 80 595 beschrieben ist, bestehen ebenfalls aus Tintenkammern, die links und rechts einer Linie von Düsenaustrittsöffnungen orthogonal zu den Längsachsen der Tintenkammern angeordnet sind. Die Tintenkammern liegen mit ihrer Längsachse alle in einer Ebene. Auch bei dieser Anord­ nung wird die erreichbare Dichte in der Anordnung der Düsen durch die Breite der Kammer und durch die Dicke der zwischen 2 Kammern liegenden Trennwand bestimmt, die wegen des cross-talk-Effektes ein bestimmtes Mini­ mum nicht unterschreiten kann. Die beidseitig und symmetrisch zur Düsenlinie vorgenommene Anordnung bewirkt nur eine Verdoppelung der Düsendichte. Mit derartigen Anordnungen sind zur Zeit geometrische Auflösungen von 64 dpi erreichbar. Für den Abdruck grafischer Symbole, wie sie z. B. von Labeldruckern oder Frankiermaschinen verlangt werden, reicht diese Auflösung nicht aus.

Insbesondere aus der US 46 80 595 ist ein Herstellungs­ verfahren für einen Face-Shooter-Ink-Jet-Druckkopf mit einer Düsenlinie zwischen zwei Gruppen von Tinten­ kammern bekannt, der eine verdoppelte Düsendichte aufweist. Es wird eine die Kammern in symmetrischer Anordnung zur Düsenlinie tragende Kammerplatte hergestellt, auf der später eine Membranplatte positioniert werden soll. Über der Membranplatte wird eine einzelne PZT-Schicht befestigt und danach durch Materialentfernung in diskrete PZT-Elemente separiert. Anschließend wird die Membranplatte über der Kammerplatte positioniert und befestigt, unter welcher eine Anzahl weiterer Arbeitsplatten angeordnet ist.

Jeder rechteckigen Kammer sind ein Versorgungskanal und eine Düse sowie eine Schwingplatte mit piezokeramischem Element zugeordnet. Nachteilig ist hierbei jedoch, daß die in der Tintenzuführung und in jeder Kammer auftretenden Druckwellen ein Übersprechen auf weitere Druckkammern bewirken können. Nur durch sehr aufwendige Maßnahmen kann dieses Übersprechen nachträglich beseitigt werden, so daß diese Tintenstrahldruckköpfe letztlich aus vielen einzelnen Platten bestehen, die in einem aufwendigen und teuren Herstellungsprozeß hergestellt werden müssen.

Aus der DE 34 45 761 A1 ist ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung einer Wandleranordnung aus einer einzelnen Platte eines Wandlerwerkstoffes bekannt. Nach dem Beschichten der unteren Plattenoberfläche mit einer Membranschicht erfolgt eine Materialentfernung aus der oberen Plattenoberfläche des Wandlerwerkstoffes, um getrennte Bereiche zu erzeugen, die auf der Membran oberhalb jeder Druckkammer (Fläche 25,4 mm * 2,54 mm) angeordnet sind. Damit entfällt die Notwendigkeit mittels Klebstoff eine Haftverbindung zwischen den einzelnen Wandlerelementen und der Membran herzustellen und die Gleichmäßigkeit aller Abstände wird verbessert. Der resultierende Düsenabstand ist jedoch bei einem derart hergestellten Druckkopf weiterhin relativ groß.

Aus der US 47 03 333 ist außerdem bekannt, solche aus schräg übereinander versetzt angeordneten Face-shooter- Modulen aufgebauten Tintenstrahldruckköpfe für eine geneigte Anordnung zur Oberfläche eines Aufzeichnungs­ trägers herzustellen. Tintenstrahldruckköpfe mit einer geneigten Anordnung zur Oberfläche eines Aufzeich­ nungsträgers erzeugen eine gleichmäßigere Aufzeichnung auch bei schwankender Dicke des Aufzeichnungsträgers. Die Herstellung solcher Druckköpfe erfordert jedoch eine Vielzahl von Herstellungsschritten. Es ist schwierig, die erforderliche Genauigkeit bei einem solch aufwendigen Gesamtaufbau jedes Druckkopfes zu garantieren. Ebenfalls aufwendig gestaltet sich auch die beim Betrieb erforderliche elektrische Ansteuerung solcher Druckköpfe mit gegeneinander versetzten Düsenreihen. Auch bei einer gegeneinander versetzten Anordnung von zwei Reihen von Kammern mit Düsen mit jeweils einer geringen Düsendichte in jeder Düsenreihe sind aufgrund einer erforderlichen Mindestgröße der Tintenkammer die minimalen Abstände zwischen den Düsen nicht weiter reduzierbar.

Die bereits beim Face-shooter-ink-jet-Modul mit zwei symmetrisch zur Düsenlinie angeordneten Gruppen von Tintenkammern erreichte doppelte Düsendichte in einer Reihe wird in der in US 4,525,728 genannten Lösung für einen Edge-shooter-ink-jet-Druckmodule mit je einer Düsenreihe pro Kammerplatte auf andere Weise erhöht. Die Abmessungen der Kammer und Kanäle können unter bestimmten Umständen weiter verkleinert werden. Hierbei liegen die Längsachsen der relativ langen Tintenkammern in Richtung des Tintenstrahls, während die Breite der Tintenkammer extrem verringert wird. Problematisch wird aber nun der Herstellungsschritt des Aufbringens der PZT-Elemente. Die einzuhaltenden Toleranzen sind extrem klein.

Um die doppelte Abbildungsdichte zu erreichen, wurde bereits in der schwebenden Anmeldung P 42 25 799.9 vorgeschlagen, mehrere Kammern zueinander horizontal und vertikal versetzt anzuordnen. Jedoch sind hier die zu den Düsen führenden Kanäle von der weit entfernten untersten Ebene länger, als diejenigen Kanäle von der oberen näheren Ebene, was zu einer Phasenverschiebung der einzelnen Tintenstrahlen führt, die elektronisch kompensiert werden muß. Hinzu kommt, daß durch sehr lange Kanäle größere Kräfte durch die Piezokristalle aufgebracht werden müssen, so daß diese eher ausfallen, als andere Piezokristalle. Beim Face-shooter-ink-jet- Druckkopf sind durch eine symmetrische Anordnung aller Tintenkammern in einer Ebene die Kanallängen geringer und im wesentlichen gleich, so daß ein derartiger oben genannter. Nachteil vermieden wird, allerdings auf Kosten der Auflösung.

Die Aufgabe besteht in der Schaffung eines kompakten ink-jet-Druckkopfes mit hoher Auflösung, der die Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist. Es ist weiterhin Aufgabe, dafür ein Herstellungsverfahren mit niedrigen Herstellungskosten zu schaffen. Geringe Größen- oder Materialunterschiede zwischen den Glas­ stücken sollen nicht zu Abweichungen der Düsenform und Position führen. Die Aufgabe wird mit den kenn­ zeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Bisher mußte mit Nachteilen gerechnet werden, wenn mehrere Ebenen übereinander aufgebracht werden. Ein cross-talk-Effekt zwischen den Ebenen konnte zwar theoretisch verringert werden, wenn zwischen den Ebenen eine genügend starke Abstandschicht angeordnet wird. Dann wurden jedoch zwischen den Kammergruppen von relativ weit vertikal entfernten Ebenen Druckunter­ schiede entstehen, die letztlich einen sauberen Abdruck verhindern. Dieses Problem wird durch die erfindungs­ gemäße Anordnung überwunden. Unterhalb einer ersten Ebene, in der eine erste Gruppe von Tintenkammern liegt, wird eine zweite Ebene mit Tintenkammern nunmehr so angeordnet, daß die Tintenkammern der zweiten Ebene zu denen der ersten Ebene sowohl einen Versatz zur Düsenlinie, als auch einen seitlichen Versatz aufweisen.

Die Erfindung geht davon aus, daß aufgrund dieser erfindungsgemäßen Lösung mit horizontal und vertikal versetzt angeordneten Tintenkammern eine höhere Düsendichte, völlig unabhängig von den Abmaßen der Tintenkammern, für einen Face-shooter-ink-jet-Druckkopf erreichbar ist. Dabei wird eine annähernd gleiche Kanallänge durch definierten Versatz der Tintenkammer­ gruppe zur Düsenlinie innerhalb jeder Ebene erreicht, der die, durch vertikalen Versatz der Ebenen bedingte, unterschiedlich ausgebildete Kanallänge kompensiert.

Dieser seitliche Versatz reicht hin, um mittels der in Düsenrichtung verlaufenden Kanäle die jeweils zugeord­ neten Düsen mit Tinte zu versorgen. Kanäle einer ersten Art verbinden die Tintenkammern der ersten Ebene mit der Düsenplatte. Kanäle einer zweiten Art verbinden die Tintenkammern der zweiten Ebene durch die in der ersten Ebene liegende Kammerplatte hindurch mit der Düsen­ platte.

Es sind zum einen Düsen mit Tinte zu versorgen, welche ihrerseits zwischen jenen Düsen, welche von den Tinten­ kammern der ersten Ebene versorgt werden, angeordnet sind und mit diesen eine dichte Linie von äquidistanten Düsen in z-Richtung bildet. Zum anderen müssen Unter­ schiede ausgeglichen werden, die zu einer Druckbildver­ zerrung führen würden.

Die Anordnung der Kammern zur Düsenlinie einerseits und zu einem Ansaugraum andererseits erfolgt deshalb der­ art, daß unterschiedlich lange Tintenkanäle (Düsen- und Einlaßkanäle) vorgesehen sind, wobei die Summe der Tintenkanallängen je Kammer annähernd konstant bleibt.

Die Tintenkammern der ersten Ebene bilden eine erste Kammergruppe, welche über Düsenkanäle mit der zugehöri­ gen Düsengruppe in Verbindung steht. Ebenso bilden die Tintenkammern der zweiten Ebene eine zweite Kammer­ gruppe, welche über Einlaßkanäle mit der zugehörigen Düsengruppe in Verbindung steht. In gleicher Weise können Tintenkammern weiterer Ebenen über Kanäle der zweiten Art mit zugehörigen Düsengruppen in Verbindung gebracht werden.

Es sind in bekannter Weise dritte und/oder vierte Kammergruppen vorgesehen, die zu den ersten und zweiten Kammergruppen der Kammerplatte symmetrisch zur Düsenreihe liegen, die in der Mitte eines Moduls auf der Druckseite angeordnet ist.

In einer Ausführungsform werden zusätzlich zu den oben genannter. Kammergruppen in mindestens der ersten Ebene symmetrisch zur Düsenlinie Kammern einer weiteren Kammergruppe angeordnet, unter welchen zusätzliche Tintenkammern der weiteren Ebene seitlich in z-Richtung und zur Düsenlinie in x-Richtung versetzt liegen.

Durch diese zusätzlichen in der Ebene versetzt angeordneten Kammern sind die Abmaße der einzelnen Tintenkammern nun sogar vergrößerbar, ohne daß die Düsendichte vermindert werden müßte.

Gegenüber der üblichen Konstruktion P.B.-Druckkopf mit in einer Ebene gelegenen Kammern, die symmetrisch beidseitig zur Düsenlinie liegen, ist durch die weitere Ebene und den horizontalen Versatz in x-, z-Richtung in jeder Ebene eine größere Kammerbreite bei höherer Auflösung möglich. Im Grenzfall kann bei gleicher Düsendichte erfindungsgemäß die Kammerbreite verdoppelt werden. Andererseits kann bei gleicher Kammerbreite im anderen Grenzfall erfindungsgemäß die Düsendichte verdoppelt werden.

Es ist in einer bevorzugten Variante vorgesehen, daß der Tintenstrahldruckkopf aus nur einem Modul aufgebaut ist, der in wenigsten einer Kammerplatte Kammern in mehreren Reihen parallel zur Düsenlinie in unterschied­ licher Entfernung angeordnet enthält. Die Entfernungen werden durch Kanäle überbrückt, welche im Volumen des Moduls und dabei teilweise zwischen den Kammern liegen. Jeweils die Düsenkanäle von den Kammern zu den Düsen einerseits, weisen einen definiert gleichen ersten Strömungswiderstand und jeweils die Einlaßkanäle vom Ansaugraum zu den Kammern andererseits, weisen einen definiert gleichen zweiten Strömungswiderstand auf. Das kann dadurch erreicht werden, daß die Kanäle in verti­ kaler Richtung durch mehrere Ebenen zu den Kammern bzw. zu den Düsen führen, wobei alle Kanäle einer Art die gleiche Länge bei gleichem Querschnitt aufweisen. Jeder Düsenkanal besitzt einen definiert geringeren ersten Strömungswiderstand, als jeder Einlaßkanal. Das kann ebenfalls zusätzlich durch wahlweise Querschnitts­ veränderungen und/oder Windungen in horizontaler Richtung erreicht werden.

Es erfolgen parallele Herstellungsverfahrensschritte für alle Modulplatten, um die Tintenkammern, Öffnungen, Bohrungen und um ggf. die Düsenkanäle herzustellen.

Das Verfahren zur Herstellung des Tintenstrahldruck­ kopfes, geht von der CAD-Entwicklung eines Druckkopf­ designs aus. Es wird eine Maske hergestellt, um damit eine photosensible Glasplatte abzudecken.

Es erfolgt eine Vorbehandlung jener später durch Ätzmittel zu entfernender Teile. Zur Phasenwandlung wird die maskierte Glasplatte mindestens einmal einer Bestrahlung mit UV-Licht entsprechender Wellenlänge mit anschließender Wärmebehandlung ausgesetzt.

In einem anschließenden Bearbeitungsprozeß werden dann die zu entfernenden Bereiche aus jeder Platte vorzugsweise herausgeätzt. Die Dauer des Ätzbades bestimmt dabei die Schichtdicke des entfernten Materials. Die Schichtdicke der beim Herausätzen verbleibenden Membran wird überwacht. Bei Erreichen einer vorbestimmten Schichtdicke wird mittels Feinschleifen die Oberfläche behandelt bzw. eine definierte Membrandicke eingestellt.

Die Membranplatte und eine Kammerplatte wird mit Leiterbahnen für die später aufgebrachten PZT-Elemente versehen.

Jeweils drei Einzelteile, bestehend aus jeweils zwei Kammerteilen, und bestehend aus mindestens einer weiteren Platte, gleichzeitig dienend als Abstandsteil, werden ausgerichtet und aneinandergeheftet sowie anschließend getempert bzw. dem Diffusionsbondprozeß zugeführt.

Zum Abschluß erfolgt eine Sonderbehandlung der Dü­ senkanäle und der Hohlräume (Kammern) und der Düsen­ platte des Moduls, bevor der Druckkopf mit Treiber­ schaltkreisen versehen kontaktiert, komplettiert und montiert wird.

In einer bevorzugten Variante wird eine Glasplatte unmittelbar in einzelne Modulplatten separiert. Dabei ist es möglich, daß ein Verbund von mindestens zwei nebeneinander versetzt liegenden Modulplatten gleichen Typs bestehen bleibt. Das hat den Vorteil, daß durch den litographischen Prozeß der Versatz der Modulplatten gegeneinander in z-Richtung um einen halben Düsen­ abstand hochgenau realisiert werden kann. Durch die erhöhte Düsendichte von maximal 128 dpi je Modulplatte einerseits und dem Verbund von zwei Modulplatten andererseits kann eine Auflösung in der Größenordnung bis maximal 256 dpi erreicht werden. Das Prinzip der gleichzeitigen Herstellung mehrerer zueinander ver­ setzter Modulplatten, deren Verbund ungetrennt bestehen bleibt, ist nur begrenzt durch die entsprechend der Prozeßbeherrschung erreichbare Ausbeute.

Ein Vorteil neben der erhöhten Düsendichte des Face- Shooter-Ink-Jet-In-Line-Druckkopfes (FSIJIL-Druckkopf) ist auch, daß alle Düsen in demselben Glasstück angeordnet sind, weil vor dem Diffusions-Bond-Prozeß entsprechende vertikale Düsenkanäle in das die Düsenplatte des Moduls bildende Glasstück geätzt bzw. auf vergleichbare Weise eingebracht werden. Dadurch ist es möglich, für alle Düsen eine gleichbleibende Düsengröße und einen gleichen Abstand und von Düsenlinie zu Düsenlinie einen gleichmäßigen Versatz zu erreichen. Das reduziert die Herstellungskosten.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausfüh­ rung der Erfindung anhand der Figuren näher darge­ stellt. Es zeigt

Fig. 1a, erste Variante eines Face-Shooter-Ink-Jet- In-Line-Druckkopfes in Draufsicht auf die zweite Kammerplatte (Düsenseite)

Fig. 1b, Düsenanordnung in der Düselinie nach der ersten Variante des FSIJIL-Druckkopfes

Fig. 1c, zweite Variante eines Face-Shooter-Ink-Jet- In-Line-Druckkopfes in Draufsicht auf die zweite Kammerplatte (Düsenseite)

Fig. 1d, Düsenanordnung in der Düselinie nach der zweiten Variante des FSIJIL-Druckkopfes

Fig. 2a, Schnitt durch die Linie A-A′ eines Teils des FSIJIL-Druckkopfes nach Variante zwei Fig. 1c

Fig. 2b, Schnitt durch die Linie B-B′ eines Teils des FSIJIL-Druckkopfes nach Variante zwei

Fig. 2c, Schnitt durch die Linie C-C′ eines Teils

Fig. 2d, Schnitt durch die Linie D-D′ eines Teils

Fig. 2e, Schnitt durch die Linie E-E′ eines Teils

Fig. 3a, Schnitt durch die Linie A-A′ eines Teils des FSIJIL-Druckkopfes nach der dritten Variante

Fig. 3b, Schnitt durch die Linie B-B′ eines Teils des FSIJIL-Druckkopfes nach der dritten Variante

Fig. 3c, Schnitt durch die Linie C-C′ eines Teils des FSIJIL-Druckkopfes nach der dritten Variante

Fig. 3d, Schnitt durch die Linie D-D′ eines Teils des FSIJIL-Druckkopfes nach der dritten Variante

Fig. 3e, Schnitt durch die Linie A-A′ eines Teils des FSIJIL-Druckkopfes nach einer weiteren modifizierten dritten Variante

Fig. 4a, Schnitt durch die Linie A-A′eines Teils des FSIJIL-Druckkopfes nach der vierten Variante

Fig. 4b, vierte Variante eines Face-Shooter-Ink-Jet- In-Line-Druckkopfes in Draufsicht auf die zweite Kammerplatte (Düsenseite)

Fig. 4c, Tintenzuführung in perspektivisch Ansicht eines Details des FSIJIL-Druckkopfes

Fig. 5, Leiterbahnführung auf der Düsenseite des FSIJIL-Druckkopfes nach der ersten Variante

Fig. 6, Schnitt durch die Linie A-A′ eines Teils des FSIJIL-Druckkopfes nach der ersten Variante

Fig. 7a, Herstellungsverfahren Variante eins für den erfindungsgemäßen FSIJIL-Druckkopf,

Fig. 7b, Herstellungsverfahren Variante zwei für den erfindungsgemäßen FSIJIL-Druckkopf

Fig. 8, Fünfte Variante des Aufbaues eines Moduls des erfindungsgemäßen FSIJIL-Druckkopf,

Fig. 9, Leiterbahnführung auf der Düsenseite eines FSIJIL-Druckkopfes nach einer sechsten Variante.

Die Fig. 1a und 1b bzw. Fig. 1c und 1d zeigen zwei Varianten, nach denen der erfindungsgemäße FSIJIL- Druckkopf gefertigt werden kann. Die beiden Varianten unterscheiden sich lediglich in der Abfolge der periodischen Anordnung von Düsen, welche Kammern der ersten und der zweiten Ebene bzw. linken und rechten Hälfte des Druckkopfes zugeordnet sind. Jeweils Düsen der Düsengruppe 1.1, 1.2, 1.3 und 1.4 gehören zu einer Kammer der Kammergruppen 101, 102, 103, 104.

In der Fig. 1a ist der Face-Shooter-Ink-Jet-In-Line- Druckkopf in Draufsicht von der Düsenseite auf die erfindungsgemäße zweite Kammerplatte von der Düsenseite her in der ersten Variante dargestellt. Die darunter liegenden Kammern der bekannten ersten Kammerplatte sind gestrichelt gezeichnet, um deren Lage relativ zur erfindungsgemäßen zweiten Kammerplatte zu verdeut­ lichen. Die Überdeckungsfläche F von einer Kammer der Kammergruppe 102 in der zweiten Kammerplatte mit einer Kammer der Kammergruppe 104 in der ersten Kammerplatte ist schraffiert gezeichnet. Beide Kammern weisen einen Versatz der Größe X in x-Richtung und einen Versatz der Größe Z in z-Richtung auf. Die einzelnen Kammergruppen sind gegeneinander in x- und z-Richtung versetzt. Die eine Düsengruppe 1.1, 1.2, 1.3, 1.4 bildenden Düsen sind in einer Richtung z in einer Reihe angeordnet. Die Tintentropfen werden in einer zur x- und z-Richtung orthogonalen y-Richtung ausstoßen. Die zugehörigen Kammergruppen 101, 102 sind in x-Richtung und die Kammergruppen 103, 104 sind in einer zu diesen beiden Richtungen x und z orthogonalen Richtung y versetzt angeordnet. Die Düsengruppen stehen mit den zugehörigen in den Kammerplatten 3 bzw. 2 gelegenen Kammergruppen 101, 102, 103, 104 über Tintenkanäle in Verbindung, um die Tinte zuzuführen. Dabei ist vorgesehen, daß in der Düsenreihe die Düsen der Düsengruppen mit Düsen der anderen Düsengruppen alternieren.

Zur Erläuterung ist in der Fig. 1b die Düsenanordnung in der Düselinie nach der ersten Variante des FSIJIL- Druckkopfes gezeigt.

In der Fig. 1c ist der Face-Shooter-Ink-Jet-In-Line- Druckkopf in Draufsicht auf die erfindungsgemäße zweite Kammerplatte von der Düsenseite her in der zweiten Variante dargestellt. Die darunter liegenden Kammern der bekannten ersten Kammerplatte sind ebenfalls gestrichelt gezeichnet, um deren Lage relativ zur erfindungsgemäßen zweiten Kammerplatte zu verdeutli­ chen. Die Überdeckungsfläche F ist allerdings in vorteilhafter Weise kleiner als bei der Fig. 1a.

Die Fig. 1d zeigt die Düsenanordnung in der Düselinie 1 nach der zweiten Variante des FSIJIL-Druckkopfes.

Die Düsenreihe 1 umfaßt die zu unterschiedlichen Düsengruppen 1.1, 1.2, 1.3, 1.4 gehörigen Düsen welche so alternieren, daß die Überdeckung von Kammergruppen der einen Ebene mit denen der anderen Ebene nur an den Kammerrändern wirksam ist.

Die Überdeckungsfläche F von jeder Kammer der Kammergruppe 101 bzw. 102 in der zweiten Kammerplatte mit Kammern der Kammergruppe 103 bzw. 104 in der ersten Kammerplatte ist durch den Versatz in x- und z-Richtung minimierbar.

Die Schnittdarstellungen in den Fig. 2a bis 2e zeigen den schichtweisen Aufbau des Druckkopfes und den Weg des Tintenflusses nach der bevorzugten Ausführung der Erfindung (zweite Variante, Fig. 1c). Eine erste in einer ersten Ebene liegende Tintenkammern tragende erste Kammerplatte 2 ist mit Mitteln zum Zuführen 151, 110 und Aktuatoren zum Austreiben 10 von Tinte aus jeweils einer Düse zugeordneten Kammer ausgerüstet. In der zweiten Variante nach Fig. 1c besteht der Druckkopf aus nur 3 Platten. In jeder Kammerplatte 2, 3 ist eine Gruppe 101, 102, 103, 104 von Tintenkammern auf der der Düsenplatte 4 zugewandten Seite hineingearbeitet. Der Tintenstrahldruckkopf weist eine Düsenplatte 4 nach dem Face-Shooter-Prinzip auf. Diese umfaßt hineingear­ beitete Bereiche 20, die als Membran ausgebildet sind, auf welchen Mittel zum Austreiben 10 von Tinte (PZT- Elemente) angeordnet werden. Die Düsenplatte 4 fungiert einerseits als Membranplatte für die Tintenkammern der zweiten Ebene. Daneben enthält sie die Düsen und Düsenkanäle 112 in Form von zylinderförmigen die Düsenplatte senkrecht durchlaufenden Durchgangs­ öffnungen. Die Düsenplatte 4 ist auf der erfindungs­ gemäßen die Tintenkammern tragenden zweiten Kammer­ platte angeordnet und trägt eine einzige Düsenreihe 1, die zu k Kammergruppen 101, 102, 103, 104, . . . gehörige Düsengruppen 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, . . . aufweist und welche in der Mitte der Fläche der Düsenplatte 4 angeordnet ist.

Es ist vorgesehen, daß Düsen einer Düsengruppe 1.1, 1.2 über Tintenkanäle 115 mit der in derselben Kammerplatte 3 gelegenen zugehörigen Kammergruppe 101, 102 verbunden sind und daß mindestens Düsen einer weiteren Düsengruppe 1.3, 1.4 über Durchgangsöffnungen 112 und Tintenkanäle 111 in der vorgenannten ersten Kammer­ platte 2 mit den zugehörigen Kammern mindestens einer weiteren Kammergruppe 103, 104 verbunden sind.

In der Fig. 2a ist der Schnitt A-A′ mit Tintenkanalführung von einem Ansaugraum 151 zu einer Tintenkammer 104 der ersten Ebene und von dort zur zugehörigen Düse in der Düsenplatte 4 gezeigt.

Die Fig. 2b zeigt hingegen einen Schnitt B-B′ mit Tintenkanalführung von dem Ansaugraum 151, den Einsaugkanal 110, 113, 114 zu einer Tintenkammer 102 der zweiten Ebene und von dort über die Düsenkanäle 115, 112 zur zugehörigen Düse. Daraus wird auch ersichtlich, daß die Kammerplatte 3 neben der Struktur der Tintenkammern, des Zuflusses (Einsaugkanäle) aus dem Tintenvorrat (Ansaugraum) und dem Düsenkanal auch noch die senkrecht verlaufenden Verbindungskanäle 112 von den Tintenkammern der ersten Kammerplatte 2 zu deren zugehörigen Düsen in der Düsenplatte 4 aufweist.

Die Kammerplatte 2 enthält die Strukturen der Tinten­ kammern und waagerecht verlaufende Tintenkanäle 111 sowie mindestens einen Ansaugraum 151, 152 und waagerechte Verbindungskanäle 110 (Einsaugkanäle) zum Ansaugraum 151, 152.

Der - in der Fig. 2c gezeigte - Schnitt C-C′ ist längs der Düsenlinie 1 und in y-Richtung der Düsenachsen gelegt. Er verdeutlicht, wie durch die Verzahnung der Tintenkanäle der linken und rechten Hälfte der gemäß Fig. 1c dargestellten Draufsicht eine besonders hohe Dichte in der Anordnung der Düsen erreicht ist. Die Düsenkanäle 112 der linken Hälfte sind fett gezeichnet. Die zugehörigen Tintenkammern 101 und 103 sind fett gestrichelt gezeichnet. In der Fig. 2d wird ein Schnitt durch die Linie D-D′ der gemäß Fig. 1c dargestellten Draufsicht für die linke Hälfte gezeigt, wobei der Schnitt durch die Kammern der 1. Ebene geht. In der Fig. 2e ist ein Schnitt durch die Linie E-E′ auf die linke Hälfte der Draufsicht nach Fig. 1c gelegt worden, wobei der Schnitt E-E′ durch alle Kammern der Ebene der linken Hälfte geht.

Die Durchgangsöffnungen können auf verschiedene Weise hergestellt werden, so können sie geätzt werden, mit Laserstrahl durchgebrannt oder mit Spezialwerkzeugen gestanzt werden. Die Auswahl des Verfahrens hängt unter anderem vom verwendeten Material ab.

Da die Düsenplatte 4 nicht nur die Düsen sondern auch die Aktuatoren 10 zur Volumenänderung der Tintenkammern trägt, ist eine homogene Verbindung mit dem Material der darunterliegenden Kammerplatte erforderlich. In der vorzugsweisen Ausführung der Erfindung, wird als Material für alle Platten des Druckkopfes photo­ sensitives Glas verwendet. Die Strukturierung ein­ schließlich der Ausbildung der Düsen wird durch einen photolithografischen Prozeß und Ausätzung der belichteten Teile erreicht. Die homogene und dicht abschließende Verbindung der Platten wird durch thermisches Diffusionsbonden hergestellt.

In den Fig. 3a bis 3c ist die bevorzugte Ausführung der Erfindung (Variante 3) dargestellt, wobei der Versatz, wie prinzipiell in der Fig. 1a zur Variante 1 bereits erläutert, gewählt wurde. In dieser Variante besteht der Druckkopf jedoch aus mehr als 3 Platten, wobei eine Mittelplatte 5 der Dicke H als Abstandsplatte zwischen den Kammerplatten 2 und 3 eingesetzt wird. Dadurch kann bei Beibehaltung des Prinzips einer gleichen Düsenkanallänge auch der Versatz in x-Richtung um die Dicke H vergrößert werden. Das ermöglicht eine weitere Verringerung der Überlappung von Kammern. Die Düsenplatte 4 fungiert als Deckplatte für die Tintenkammern der zweiten Ebene. Daneben enthält sie die Düsen in Form von zylinder­ förmigen die Platte senkrecht durchlaufenden Öffnungen.

Die Fig. 3a zeigt den Schnitt durch die - in der Fig. 1a gezeigte - Linie A-A′ für ein Teil des FSIJIL-Druck­ kopfes nach 3. Variante. Die Fig. 3b zeigt den ent­ sprechenden Schnitt durch die Linie B-B′, die Fig. 3c den Schnitt durch die Linie C-C′ und die Fig. 3d den Schnitt durch die Linie D-D′ für ein Teil des FSIJIL- Druckkopfes nach der dritten Variante.

Es ist weiterhin für Subvarianten des FSIJIL- Druckkopfes nach der dritten Variante vorgesehen, weitere Abstandsplatten einzusetzen, um den Versatz in x-Richtung zu vergrößern. Der Versatz in x-Richtung wird dabei durch die Summe aller Dicken H der zweiten Kammerplatte 3 und der Abstands- bzw. Mittelspalten 7 bzw. 5 bestimmt.

Die Fig. 3e zeigt den Schnitt durch die - in der Fig. 1a gezeigte - Linie A-A′ für ein Teil des FSIJIL- Druckkopfes nach einer derartig modifizierten dritten Variante mit einer weiteren Abstandplatte 7. Die entsprechenden Schnitte durch die Linie B-B′ und C-C′ für einen Teil des FSIJIL-Druckkopfes müssen nicht ausführlich erläutert werden, da sie ähnlich den Schnitten nach der dritten Variante sind.

Eine weitere Ausführung mit mehreren Reihen von Tintenkanalgruppen 101 bis 108 parallel und symmetrisch zur Düsenlinie je Ebene wird anhand der Fig. 4a bis 4c für eine 4. Variante erläutert. Die Düsendichte kann auf diese Weise verdoppelt werden. Die Fig. 4a zeigt einen Schnitt durch die Linie A-A′eines Teils des FSIJIL-Druckkopfes, der in der Fig. 4b gezeigten Draufsicht auf die Düsenseite der vierten Variante. Der Verlauf von nahe angeordneten Tintenkanälen außerhalb der Schnittebene A-A′ ist dabei gestrichelt einge­ zeichnet.

In der Fig. 4b ist die vierte Variante eines Face- Shooter-Ink-Jet-In-Line-Druckkopfes in Draufsicht auf die zweite Kammerplatte 3 (Düsenseite) dargestellt. Die darunter im Volumen liegenden Kammern und Tintenkanäle sind gestrichelt gezeichnet.

Aus den Fig. 4a und 4b wird ersichtlich, daß die Tintenkanäle zwischen den Kammern im Volumen des Moduls liegen. Erfindungsgemäß wird der Abstand zwischen den vorgenannten Reihen von Tintenkanalgruppen innerhalb jeder Ebene soweit erhöht, daß dies zu einer weiteren Minimierung der Überdeckungsfläche führt. Somit kann mit gutem Ergebnis auch der Versatz nach der ersten prinzipiellen Variante Fig. 1a angewandt werden.

Die Fig. 4c verdeutlicht die Tintenführung in perspektivisch Ansicht für ein Detail des FSIJIL- Druckkopfes rechts von der Düsenlinie 1 bezogen auf die Fig. 4a und 4b. Jeder Tintenkanal 111 bzw. 115 weist Abschnitte für die Tintenführung in anderen Ebenen auf und die Tintenkammern der Gruppe 101 und 103 sowie 102 und 104 sind um eine Weglänge näher an der Düsenlinie angeordnet. Umgekehrt sind die Tintenkammern der zusätzlichen Gruppen 105 und 107 sowie 106 und 108 näher an dem Ansaugraum 151, 152 angeordnet und jeder Tinten-Eingangskanal 124 und 120 weist so Schnitte der Tintenführung in anderen Ebenen auf.

Aus den Fig. 5 bzw. 9 ist die Leiterbahnführung zur Kontaktierung der PZT-Elemente auf der Düsenseite ersichtlich. Die Leiterbahnführung auf der Schalt­ kreisseite ist vergleichbar angeordnet.

Allerdings kommen auf der Schaltkreisseite noch die Leitungen von den PZT-Elementen der zweiten Kammer­ platte hinzu. Die Leiterbahnführung auf der Schalt­ kreisseite dieses Moduls ist in einer weiteren noch schwebenden Anmeldung näher dargestellt. Als Treiber­ schaltkeis kommt beispielsweise der Typ HV 04 oder HV 06 in HVCMOS-Technologie der Firma Supertexinc. zum Einsatz. Dieser umfaßt einen 64-bit Serien/Parallel- Schieberegister mit nachfolgenden 64 Latches, das über NAND- und OR-Gatter mit 64 CMOS-Treiberstufen verbunden ist, welche einen Output bis zu Vs = 80 V abgeben können. Die Ansaugräume 151, 152 vereinen sich an der Peripherie des Moduls zu einem Raum 150, von dem ein Durchgang 153 zu einem Dämpfungsglied 154 an der Oberfläche (Schaltkreisseite) des Moduls führt, der über Zuführkanäle 155, 156 mit einer Tintenver­ sorgungsöffnung verbunden ist. Der in der Fig. 5 darge­ stellte Modul 200 weißt Bohrungen 177 zur Befestigung des Moduls und Masseleiterbahnen 180 mit ange­ schlossener Elektrodenfläche 181 auf. Aufletzterer wird später der jeweilige PZT-Kristall angeordnet und kontaktiert. Die andere Elektrode auf der Oberfläche des PZT-Kristalls wird über einen gebondeten Draht mit der zugehörigen Leiterbahn 190 verbunden, welche zum entsprechenden Ausgang des Treiberschaltkreises führt.

Die Fig. 6 zeigt ein in der Linie A-A′ geschnittenes Teilstück des erfindungsgemäßen FSIJIL-Druckkopfes nach einer ersten Variante. Der Schaltkreis 160 und die Aktuatoren 10 sind durch äußere Kunststofformteile 170, 171 gegen Umwelteinflüsse geschützt. Die PZT-Elemente sind über gebondete Drähte 131, 132 mit Leiterbahnen 190, 191 verbunden, welche zum vorgenannten Treib­ schaltkreis 160 führen. Ein Flachkabel 185 stellt die Verbindung zur Ansteuerelektronik, beispielsweise einer Frankiermaschine, her. Zwischen Druckkopf und Postgut­ oberfläche 100 wird ein definierter Abstand einge­ halten.

In der Fig. 7a ist eine bevorzugte Variante eines Verfahrens zur Herstellung von Tintenstrahldruckköpfen aufgezeigt, welches die folgenden Schritte aufweist:

  • - parallele Bearbeitung einer Glasplatte zur Her­ stellung von unterschiedlich strukturierten Modul­ platten, Feinschleifen und Aufbringen von Leiterbahnen,
  • - Separieren und Verbinden der Einzelteile zu mindestens einem Modul mit anschließendem Tempern,
  • - Aufbringen, Bearbeiten und Kontaktieren von piezo­ elektrischen Elementen mit aufgebrachten Leiterbahnen,
  • - Assemblieren zum Druckkopf.

Die Vorteile des definierten Versatzes beruhen darauf, daß einerseits Materialeigenschaften zwischen den einzelnen Wafern und andererseits die einzelnen Prozeß­ parameter untereinander ausgeglichen werden, also da­ durch, daß alle Teile, die für das gleiche Druckmodul hergestellt werden, aus dem gleichen Wafer und dem gleichen Prozeß stammen.

Das Herstellungsverfahren für den erfindungsgemäßen FSIJIL-Druckkopf beruht auf der Verwendung eines Wafers aus photoempfindlichen Glas, auf welche eine Maske aufgelegt wird. Nach dem Belichten mit UV-Licht wird an den belichteten Stellen durch eine Wärmebehandlung eine Phasenumwandlung amorphen Materials in seine kristal­ line Phase bewirkt. Durch Ätzen wird dann kristallines Material schichtweise abgetragen, wie das bereits von IBM in dem US 4 092 166 vorgeschlagen worden war.

Zunächst werden in der Glasplatte alle Modulplatten gleichzeitig bearbeitet. Dabei kommen die bekannten Bearbeitungsschritte Ätzen und Feinschleifen zur Anwendung. Im Unterschied zur Herstellung eines ESIJIL- Druckkopfes, wie es bereits in der schwebenden Anmel­ dung P 42 25 799.9 vorgeschlagen worden war, gibt es keine spezielle Bearbeitung von ausgewählten Kammer­ teilen.

Es ist vorgesehen, daß für die drei Bereiche Ätzmittel mit unterschiedlicher Konzentration und/oder unter­ schiedlichen Einwirkungszeiten zum Einsatz kommen, um die entsprechenden Bereiche mit unterschiedlicher Tiefengenauigkeit entfernen zu können, wobei die Tie­ fengenauigkeit beim Ätzen der Bereiche für durchgehende Bohrungen geringer ist als beim Ätzen sehr flacher Be­ reiche für die Kanäle in den Kammerteilen und wobei zuerst die durchgehenden Bohrungen, dann die Kammern und dann die Düsenkanäle geätzt werden. Es ist weiterhin vorgesehen, daß die Dicke der Bodenschicht beim Ätzen der Kammern überwacht wird und daß die zum Abschluß der Herstellung der Kammern erforderliche Dicke der Bodenschicht (Membran) der Kammern durch Feinschleifen jeder der Kammerteile erreicht wird.

Vor einem Separieren in einzelne Kammerplatten bzw. Düsenplatten, erfolgt ein Aufbringen der Leiterbahnen. Die Leiterbahnen werden vorzugsweise durch Aufsputtern erzeugt jedoch sind auch andere Verfahren, wie übliche Fotoresist- und Metallisierungsverfahren geeignet. Möglichst werden dabei Metalle eingesetzt, die einen nachfolgenden Temperprozeß überstehen. Es ist aus DE OS 37 33 109 bekannt Platin oder Metalle der Platingruppe einzusetzen, die einen Sinterprozeß bis zu 1300°C aushalten.

Die Einzelteile werden in einem Modul verbunden, wobei die Einzelteile ausgerichtet werden. Nach einem An­ einanderheften der Einzelteile ist ein Modul entstan­ den, welches anschließend getempert wird. Beim Tempern findet im Glasmaterial ein Phasenübergang von amorph zu kristallin statt.

Danach erfolgt die Auftragung von weiteren elektrischen Leiterbahnen auf die Kammeroberfläche, das Aufbringen der Piezokristalle und das Kontaktieren in einer an sich bekannten Weise. Die Piezokristalle können einzeln aufgeklebt werden mit anschließendem Aushärten des Klebers. Es kann andererseits auch eine Schicht aus piezoelektrischem Material auf die mit Leiterbahnen versehenen Kammeroberfläche aufgetragen werden, welches später strukturiert und kontaktiert wird. Es ist vorgesehen, daß die PZT-Schicht zunächst in einzelne PZT-Elemente separiert wird. Hierzu wird in vorteil­ hafter Weise eine Laserstrahl-Bearbeitung eingesetzt. Nach dem Aufbringen weiterer Leiterbahnen erfolgt eine Kontaktierung der PZT-Elemente.

Schließlich ist es auch möglich, eine vorbehandelte PZT-Platte zu metallisieren und auf die zweite Kammer­ platte bzw. Düsenplatte aufzubringen. Das Aufbringen kann in vorteilhafter Weise durch Kleben erfolgen. Anschließend werden für jedes Moduls eine Anzahl einzelner PZT-Elemente separiert. Die PZT-Elemente werden ggf. nach dem Aufbringen weiterer Leiterbahnen kontaktiert.

Die Fig. 8 zeigt eine fünfte Variante für den Aufbau eines Tintenstrahldruckkopfes, bei der die Tinten­ kammern der zweiten Kammerplatte von der entgegenge­ setzten Seite strukturiert angeordnet wurden. In dem Fall ist keine zusätzliche Deckplatte erforderlich, welche die Tintenkammern nach unten abschließt. Statt dessen wird zum dichten Abschließen der Tintenkammern eine Mittelplatte eingesetzt.

Es ist erkennbar, daß allein die Düsenabmaße die maxi­ male Anzahl an Düsen auf der Reihe bestimmen. Besteht ein Erfordernis nach vergrößerter Auflösung, müßte ein weiterer Druckmodul angeordnet werden.

Es ist bekannt, daß ein Tintenstrahldruckkopf aus mehreren Modulen blockweise aufgebaut ist. Eine Blockbauweise ist beispielsweise aus US 4 703 333 bekannt. Im Unterschied dazu liegen erfindungsgemäß mindestens zwei gleichartige Kammerplatten in mehreren Ebenen verteilt untereinander und/oder in einer Ebene versetzt nebeneinander.

In erfindungsgemäßer Weise werden die Kammerteile für die unteren Ebenen gleichzeitig mit denen für die obere Ebene und gleichzeitig mit den Abstandsteilen bzw. der Düsenplatte aus einer gemeinsamen Glasplatte herge­ stellt.

Es sind in der sechsten Variante in einer Ebene ver­ setzt nebeneinander liegende Kammerplatten vorgesehen, welche jeweils zu einem andren Block gehören. Es ist nicht erforderlich beide Kammerplatten voneinander ab­ zutrennen.

Im Unterschied dazu ist beispielsweise aus US 47 03 333 eine Blockbauweise mit auseinandernehmbaren Blöcken bekannt, wobei die einzelnen Blöcke genau justiert werden müssen. Dieser Nachteil ist erfindungsgemäß vermeidbar, durch in einer Ebene zusammenhängende Komplexe von gleichartigen Kammerplatten bzw. Düsen­ platten. Der erforderliche Versatz zwischen den Kammerplatten in einer Ebene wird mit höchster Genauigkeit durch den vor dem Ätzen durchgeführten litographischen Prozeß sichergestellt.

In der Fig. 9 ist die Leiterbahnführung auf der Düsenseite eines aufgrund des oben genannten Her­ stellungsverfahrens gemäß sechster Variante gefertigten FSIJIL-Druckkopfes dargestellt.

In der Fig. 7b ist ein Verfahren zur Herstellung von Tintenstrahldruckköpfen in einer weiteren Variante aufgezeigt. Die Fig. 7b zeigt folgende Schritte:

  • - parallele Bearbeitung einer Glasplatte zur Her­ stellung von unterschiedlich strukturierten Modul­ platten. Vor einem Separieren in einer Ebene zusammenhängende Komplexe von gleichartigen Kammer­ platten bzw. Düsenplatten, erfolgt alternierend in mehreren Schritten ein Ätzen und ein Feinschleifen und dann noch ein Aufbringen von Leiterbahnen (durch Sputtern),
  • - Separieren und Verbinden der Einzelteile zu mindes­ tens einem Modul mit anschließendem Tempern,
  • - Aufbringen, Bearbeiten und Kontaktieren der piezo­ elektrischen Elemente mit aufgebrachten Leiterbahnen,
  • - Assemblieren zum Druckkopf.

Im Unterschied zur Variante nach Fig. 7a werden zuerst durchgehende Bohrungen und vertikale Düsenkanäle und nichtdurchgehende Öffnungen und Kammern gleichzeitig hergestellt. Durch mehrfaches Belichten (Durchbe­ lichten) und Wärmebehandlung werden erste Bereiche, z. B. durchgehende Düsenkanäle, zum Ätzen vorbehandelt. Dagegen werden zweite Bereiche, z. B. Kammern, nur bis zu einer vorbestimmten Tiefe belichtet. Ab dieser Tiefe verringert sich in den zweiten Bereichen die Ätzge­ schwindigkeit gegenüber den ersten Bereichen. Vor dem Ätzen horizontaler Tintenkanäle erfolgt eine Vorbehand­ lung der Plattenoberfläche durch Feinschleifen und Belichten mit UV-Licht sowie anschließender Wärmebe­ handlung.

Das Aufbringen von PZT-Elementen kann auffolgende Weise erfolgen:

  • - Eine erste vorbehandelte PZT-Platte wird metallisiert und auf die Membran des Abstandsteils bzw. Düsenplatte aufgebracht. Anschließend werden für jedes Moduls eine Anzahl einzelner PZT-Elemente separiert.

Eine zweite vorbehandelte PZT-Platte wird metallisiert und auf die zweite Kammerplatte aufgebracht. An­ schließend werden für jedes Moduls eine Anzahl einzelner PZT-Elemente separiert.

Danach werden die Einzelteile für die Kammerteile ggf. das Abstandsteil bzw. für die Düsenplatte jedes Moduls separiert.

Das Assemblieren zum Druckkopf kann für alle oben genannten Varianten des Herstellungsverfahrens auf folgende Weise erfolgen:

  • - Düsenreinigung mittels Druckluft.
  • - Behandlung (Reinigen und Spülen) der Kammern und Düsen. Durch Spülen mit einer ersten geeigneten handelsüblichen Flüssigkeit entsteht eine hydrophile Innenbeschichtung.
  • - Durch Behandlung der Düsenplatte auf der Druckseite mit einer zweiten geeigneten Flüssigkeit wird eine hydrophobische Außenbeschichtung erreicht. Nach dem Aushärten der Oberschicht sind die Düsen fertig­ gestellt.
  • - Versehen des Moduls mit den erforderlichen Treiberschaltkreisen auf der zur Druckseite abgewandten Seite des Moduls und mit einem Schutzgehäuse.
  • - Kombination des Moduls mit weiteren zu seinem Betrieb erforderlichen unterschiedlichen Mitteln (elektrische, mechanische und Tintenversorgungsmittel). Zum Abschluß erfolgt noch ein Druckkopftest.

Beim Kontaktieren vor dem Vereinzeln ist es vorteil­ haft, daß auch die Mittelteile mit Leiterbahnen ver­ sehen werden können. Beispielsweise werden die Modul­ platten durch Sputtern mit einem Metall beschichtet. Dadurch kann eine Leitungsführung von den anderen Schichten zu den oberen Schichten des Moduls kreuzungs­ frei erfolgen, insbesondere wenn sehr viele Elemente zu kontaktieren sind. Die Moduleinzelteile werden ausge­ richtet aufeinandergeheftet und getempert, wobei ein Phasenübergang von amorph zu kristallin erfolgt. Es ist vorgesehen, daß Abstandsteile zwischen den Modulen liegen bzw. zusätzlich angeordnet sind und daß die Abstandsteile aus dem Plattenmaterial hergestellt werden, wobei ein Strukturieren durch Ätzen erfolgt.

Der Druckkopf wird abschließend in einem Gehäuse untergebracht, bevor er auf Funktionsfähigkeit getestet wird, um fehlerhafte Exemplare auszusondern.

In der Fig. 7c ist ein weiteres Herstellungsverfahren dargestellt, wobei jeder Wafer nur einen Modulplatten­ typ aufweist und die Wafer übereinander verbunden werden, wobei ein großflächiges Diffusionsbonden ver­ wendet wird. Erst danach wird zu einer Vielzahl von Modulen vereinzelt, die dann getrennt weiterbearbeitet werden. Dies ist vorteilhaft möglich, wenn die einzelnen Modulplatten lediglich über Stege untereinander verbunden sind, welche sich leicht, vorzugsweise durch Sägen, zertrennen lassen. Die Stege werden zuvor beim Ätzen im ersten Verfahrensschritt hergestellt.

Eine weitere Erhöhung der Druckdichte kann durch ein übliches Schrägstellen des Moduls zur Druckrichtung erzielt werden. Die Erfindung ist nicht auf die vor­ liegenden Ausführungsform beschränkt. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der darge­ stellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch machen.

Claims (17)

1. Tintenstrahldruckkopf, der nach dem Face-Shooter- Prinzip in der Fläche einer Düsenplatte eine Düsenreihe in z-Richtung angeordnet enthält, die einen Tinten­ strahl in y-Richtung auszustoßen gestattet, wobei eine Membran auf einer die Tintenkammern tragenden Kammer­ platte angeordnet ist und dem Kammerteil Mittel zum Zuführen und zum Austreiben von Tinte aus jeder Kammer zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß mindestens eine weitere Kammerplatte (3) in einer weiteren Ebene zwischen der Düsenplatte (4) und der ersten Kammerplatte (2) angeordnet ist und daß die Düsenplatte Membranbereiche aufweist, die mit Tinten­ austreibungsmitteln versehen sind,
  • - daß die Düsenreihe (1) in der Düsenplatte (4) mehrere Düsengruppen (1.1, 1.2, 1.3, 1.4) umfaßt, wobei der Tintenstrahldruckkopf mindestens eine Gruppe (101, 102) von Tintenkammern auf der der Düsenplatte (4) zugewandten Seite der zweiten Kammerplatte (3) aufweist, mindestens eine Düsengruppe (1.1, 1.2) mit der in derselben Kammerplatte (3) gelegenen zugehörigen Kammergruppen (101, 102) verbunden ist, und mindestens eine weitere Düsengruppe (1.3, 1.4) über Durchgangs­ öffnungen in der vorgenannten Kammerplatte (3) mit den zugehörigen Kammern mindestens einer weiteren auf einer weiteren Ebene in der Kammerplatte (2) gelegenen Kammergruppe (103, 104) verbunden ist, und daß die einzelnen Kammergruppen (101, 103 bzw. 102, 104) gegeneinander in x- und z-Richtung so versetzt sind, daß eine annähernd gleiche Kanallänge von jeder Tintenkammer zur zugehörigen Düse in der Düsenlinie erreicht wird und die Überdeckung von Kammergruppen der einen Ebene mit denen der anderen Ebene minimal ist.
2. Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Düsenreihe die zu unterschiedlichen Düsengruppen gehö­ rigen Düsen so alternieren, daß die Überdeckung von Kammergruppen der einen Ebene mit denen der anderen Ebene nur an den Kammerrändern wirksam ist.
3. Tintenstrahldruckkopf nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammern zur Düsenlinie 1 einerseits und zu einem Ansaugraum (151, 152) andererseits derart angeordnet sind, daß in jeder Ebene unterschiedlich lange Tinten­ kanäle (Düsen- und Einlaßkanäle) vorgesehen sind, wobei die Summe der Tintenkanallängen je Kammer annähernd konstant bleibt.
4. Tintenstrahldruckkopf nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammern wenigstens einer Kammerplatte symmetrisch zur Düsenreihe liegen, die in der Mitte eines Moduls auf der Druckseite angeordnet ist.
5. Tintenstrahldruckkopf nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in jeder Ebene mehrere Reihen von Tintenkammergruppen parallel und symmetrisch zur Düsenlinie angeordnet sind, wobei unter den Kammer­ gruppen der ersten Ebene in mindestens einer zweiten Ebene symmetrisch zur Düsenlinie Kammern einer weiteren Kammergruppe angeordnet sind, welche seitlich in z-Richtung und zur Düsenlinie in x-Richtung versetzt liegen.
6. Tintenstrahldruckkopf nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der ersten und zweiten Kammerplatte mindestens eine Tintenkanäle aufweisende Abstandsplatte (5, 7) angeordnet ist.
7. Tintenstrahldruckkopf nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine ins Volumen gelegte Tintenführung außerhalb der Ebene, in der sich die Tintenkammer befindet, zwischen den Kanälen und Kammern in weiteren Ebenen der Abstand zwischen den vorgenannten Reihen von Tintenkanalgruppen innerhalb jeder Ebene soweit erhöht wird, daß die Überdeckungsfläche F minimal wird.
8. Tintenstrahldruckkopf nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Düsenreihen in x-Richtung und z- Richtung versetzt sind und daß Düsen mindestens zweier in z-Richtung um höchstens einen halben Düsenabstand versetzt liegenden Düsenreihen in demselben Glasstück angeordnet sind, wobei vor dem Diffusions-Bond-Prozeß entsprechende vertikale Düsenkanäle in das die Düsen­ platte des Moduls bildende Glasstück geätzt bzw. auf vergleichbare Weise eingebracht werden.
9. Tintenstrahldruckkopf nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß auf der zur Düsenseite abgewandten Seite des Moduls mindestens ein Treiberschaltkreis (160) angeordnet ist, welcher über elektrische Leiterbahnen (180, 181, 190) ausgangsseitig mit den PZT-Ebenen und eingangsseitig mit einem Flachbandkabel (185) verbunden ist.
10. Herstellungsverfahren für einen Tintenstrahl­ druckkopf, gekennzeichnet durch die Schritte:
  • - Herstellung von unterschiedlichen Modulplatten durch eine parallele Bearbeitung einer Glasplatte zur Heraus­ bildung mindestens der Bohrungen und vertikalen Düsen­ kanäle und der Öffnungen und Kammern und zur Aufbrin­ gung von Leiterbahnen auf die vorgenannte Glasplatte,
  • - Separieren der Einzelteile aus der Glasplatte und Verbinden der Einzelteile zu einem Modul,
  • - Aufbringen von PZT-Elementen, ggf. Vereinzeln
  • - Assemblieren der Module zu einem Druckkopf.
11. Herstellungsverfahren für einen Tintenstrahl­ druckkopf nach Anspruche 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Herstellungsschritt einer parallele Bearbeitung einer Glasplatte zur Herausbildung mindestens der Bohrungen und vertikalen Düsenkanäle und der Öffnungen und Kammern, daß Herausbilden von horizontalen Düsenkanälen, Trennlinien und Einlaßkanäle mit umfaßt, daß die Herstellung von Kanälen vorbestimmter Tiefe durch Feinschleifen der einen Seite und daß die Herstellung von Membranen vorbestimmter Dicke durch Feinschleifen der anderen Seite der Glasplatte erfolgt.
12. Herstellungsverfahren für einen Tintenstrahl­ druckkopf nach einem der vorgenannten Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Aufbringen von PZT-Elementen und vor dem Assemblieren der Module zu einem Druckkopf ein weiteres Aufbringen der Leiterbahnen auf die Glasplatte erfolgt, wobei vorzugsweise zum Aufbringen der Leiterbahnen ein Sputtern erfolgt.
13. Herstellungsverfahren für einen Tintenstrahl­ druckkopf nach einem der vorgenannten Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Kontaktieren der PZT-Elemente auf der entsprechenden Seite jeder einzelnen Modulplatte erfolgt.
14. Herstellungsverfahren für einen Tintenstrahl­ druckkopf nach einem der vorgenannten Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß beim Ätzen von Öffnungen zwischen den im ersten Herstellungsschritt zu unterschiedlichen Modulen gehörenden Modulplatten gleichen Typs Stege gebildet werden, die sich im Verfahrensschritt vereinzeln leicht durchtrennen lassen.
15. Herstellungsverfahren für einen Tintenstrahl­ druckkopf, gekennzeichnet durch die Schritte:
  • - Herstellung von unterschiedlichen Modulplatten durch eine parallele Bearbeitung einer Glasplatte zur Heraus­ bildung mindestens der Bohrungen und vertikalen Düsen­ kanäle und der Öffnungen und Kammern und zur Aufbrin­ gung von Leiterbahnen auf die vorgenannte Glasplatte,
  • - Feinschleifen der einen Seite und Herstellung von Membranen vorbestimmter Dicke durch Feinschleifen der anderen Seite der Glasplatte,
  • - Herstellen von horizontalen Düsenkanälen, Trennlinien und Einlaßkanälen durch Ätzen und Herstellung von Kanälen vorbestimmter Tiefe durch Feinschleifen der einen Seite der Platte,
  • - Separieren der Einzelteile aus der Glasplatte und Verbinden der Einzelteile zu einem Modul,
  • - Aufbringen von PZT-Elementen, ggf. Vereinzeln
  • - Assemblieren der Module zu einem Druckkopf.
16. Herstellungsverfahren für einen Tintenstrahl­ druckkopf nach Anspruch 18, dadurch ge­ kennzeichnet, daß nach dem Aufbringen von PZT-Elementen und vor dem Assemblieren der Module zu einem Druckkopf ein weiteres Aufbringen der Leiterbahnen auf die Glasplatte erfolgt, wobei vorzugsweise zum Aufbringen der Leiterbahnen ein sputtern erfolgt.
17. Herstellungsverfahren für einen Tintenstrahl­ druckkopf, gekennzeichnet durch die Schritte:
  • - Herstellung von gleichen Modulplatten auf separaten Wafern durch eine parallele Bearbeitung einer Glas­ platte zur Herausbildung mindestens der Bohrungen und vertikalen Düsenkanäle und der Öffnungen und Kammern und zur Aufbringung von Leiterbahnen auf die vorgenannte Glasplatte,
  • - Herstellung von weiteren gleichen Modulplatten auf separaten Wafern,
  • - Verbinden der Wafer zu einem Glasplattenverbund mit einer Vielzahl von Modulen,
  • - Separieren der einzelnen Module aus dem Glasplattenverbund,
  • - Aufbringen von PZT-Elementen, ggf. Vereinzeln,
  • - Assemblieren der Module zu einem Druckkopf.
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