DE69432160T2

DE69432160T2 - Tintenstrahldruckkopf

Info

Publication number: DE69432160T2
Application number: DE69432160T
Authority: DE
Inventors: Kazumi Kamoi; Takahiro Katakura; Suwa-Shi Naka Takahiro; Kazunaga Suzuki
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1993-11-05
Filing date: 1994-11-07
Publication date: 2003-07-24
Anticipated expiration: 2014-11-08
Also published as: DE69432161D1; EP0980755A2; EP0652108A2; DE69432161T2; EP0980756B1; SG75129A1; EP0980756A3; EP0980755B1; DE69432136D1; US5723053A; EP0652108A3; EP0652108B1; EP0980757A3; DE69432197D1; EP0980759A3; DE69431315D1; SG75130A1; DE69432197T2; EP0980757A2; EP0980759A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Tintenstrahldruckkopf.
Ein Tintenstrahldruckkopf schleudert Tintentröpfchen auf ein Aufzeichnungsmedium aus, um Punkte darauf zu bilden. Ein Druck extrem hoher Auflösung wird erreicht, wenn die Größe der Tintentröpfchen reduziert wird. Für ein Drucken mit hoher Geschwindigkeit muß die Anzahl von · Düsenöffnungen gesteigert werden. Insbesondere bei dem Druckkopf des Typs, bei dem piezoelektrische, vibrierende Elemente als eine Energiequelle zum Ausstoßen von Tintentröpfchen eingesetzt sind, muß die druckerzeugende Kammer so ausgebildet sein, um so groß wie möglich zu sein, um die Energie des piezoelektrischen vibrierenden Elementes effizient zu nutzen. Diese Anforderung des effizienten Nutzens der Energie ist gegensätzlich zu der gegenwärtigen Tendenz der Größenreduzierung des Druckkopfes.
Eine gegenwärtig vorgenommene Maßnahme für das gegensätzliche Problem ist, die Dicke der Wand, die die benachbarten druckerzeugenden Kammern unterteilt, zu reduzieren und die druckerzeugenden Kammern in der longitudinalen Richtung zu vergrößern.
Um die druckerzeugenden Kammern und die Reservoirs zu bilden, werden Pfadlöcher in einem Abstandhalter, um die Vibratorplatte und die Düsenplatte auf einen festen Abstand voneinander zu setzen, gebildet. Da die Pfadlöcher in Übereinstimmung mit den druckerzeugenden Kammern, die extrem klein und kompliziert geformt sind, gebildet werden müssen, wird gewöhnlich die Ätztechnik eingesetzt.
Ein photoempfindlicher Lackfilm wird gewöhnlich für den Abstandhalter eingesetzt. Der aus photoempfindlichem Lack gefertigte Abstandhalter weist eine geringe mechanische Festigkeit auf. Der Druckkopf, der einen solchen mangelhaften Abstandhalter einsetzt, leidet an Übersprechen ("cross talk"), Ablenkung und dergleichen und ein Versuch, hohe Auflösung zu erreichen, wird begleitet von Verschlechterung der Druckqualität (vgl. z. B. JP 5220955A).
Um dieses Problem zu beheben, gibt es einige Vorschläge wie in US-Patent Nr. 4,312,008 und der geprüften japanischen Patentveröffentlichung Nr. SHO.58-40509 offenbart. In den Vorschlägen ist ein Silizium- Einkristall-Substrat, welches vertikal in (110) orientiert ist, so ausgeschnitten, um eine für den Abstandhalter geeignete Dicke aufzuweisen. Pfadlöcher, die für druckerzeugende Kammern und Tintenzufuhrpfade geformt sind, werden in dem Silizium-Einkristall-Substrat durch einen anisotropen Ätzprozeß gebildet. Der Abstandhalter des Silizium-Einkristall-Substrates weist eine große mechanische Festigkeit auf. Dadurch ist die Ablenkung des gesamten Druckkopfes, die durch Deformation der piezoelektrischen, vibrierenden Elemente ausgelöst ist, minimiert. Die einem Ätzen unterzogenen Wände sind im wesentlichen vertikal zu der Oberfläche des Abstandshalters. Deswegen können die druckerzeugenden Kammern einheitlich gebildet werden.
Dieser Abstandhalter weist jedoch das folgende Problem auf. Die durch Ätzen gebildeten Wände sind in ihren Richtungen durch die Kristallflächenorientierung begrenzt. Deshalb ist es schwierig, die druckerzeugenden Kammern ideal für den Tintenstrahldruckkopf zu formen. Wegen der unzufriedenstellend geformten druckerzeugenden Kammern neigt Tinte dazu, in den druckerzeugenden Kammern zu bleiben und Blasen darin zu erzeugen.
Der aus dem Silizium-Einkristall-Substrat gebildete Abstandhalter, ist vorteilhaft darin, daß die druckerzeugenden Kammern in der Größe reduziert sein können, ist aber unvorteilhaft darin, daß eine mechanische Festigkeit des gesamten Abstandhalters klein ist. Wegen dem empfindlichen Abstandhalter ist es schwierig, die. Abstandhalter beim Zusammenbauen des Tintenstrahldruckkopfes handzuhaben. Desweiteren ist es schwierig, eine Nachgiebigkeit zu sichern, die ausreichend ist für ein effektives Nutzen der durch die piezoelektrischen, vibrierenden Elemente und die Hitze erzeugenden Elemente erzeugten Druckenergie.
Dokument JP 5220955A offenbart einen Tintenstrahldrucker mit drei laminierten Schichten. Die Schichten sind: eine Düsenplatte, ein Abstandhalter mit Pfadlöchern für druckerzeugende Kammern und Tintenzufuhrpfade und eine Vibratorplatte zum Übertragen von Druck. Der in dem Dokument JP 5220955A gezeigte Tintenstrahldruckkopf hat jedoch den Nachteil, dass er unter Übersprechen ·zwischen benachbarten druckerzeugenden Kammern leidet, was aus ungewolltem Koppeln zwischen gleichzeitig und unabhängig angesteuerten benachbarten Aktuatoren resultiert.
Dokument JP 4345856A offenbart einen Tintenstrahldruckkopf vom Kantentyp, welcher wechselseitige Interferenzen zwischen benachbarten Tintnekanälen reduziert. Mit Hilfe von Kanalplattenausnehmungen, welche zwischen Tintenkanälen ausgebildet sind, sind die Tintenkanäle von einander getrennt.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Tintenstrahldruckkopf mit einer laminierten Schichtstruktur bereitzustellen, welcher verbesserte Eigenschaften in Bezug auf das Verhindern von Übersprechen zwischen benachbarten druckerzeugenden Kammern aufweist.
Diese Aufgabe wird durch einen Tintenstrahldruckkopf gemäß Anspruch 1 gelöst.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Tintenstrahldruckkopf mit verbesserten Übersprechungsverhinderungseigenschaften bereitgestellt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Tintenstrahldruckkopf bereitgestellt, welcher einen aus einem Silizium-Einkristall-Substrat gebildeten Abstandhalter einsetzt, so daß glatte Flußpfade von den Tinterizufuhrpfaden (welche als schmale Pfade zu dienen tendieren) zu den druckerzeugenden Kammern gebildet werden können, wodurch eine gleichmäßige Zufuhr von Tinte zu den druckerzeugenden Kammern und ein gleichmäßiges Ausstoßen von Tintenblasen gewährleistet wird.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist, einen neuen- Tintenstrahldruckkopf bereitzustellen, der ermöglicht, daß dessen Abstandhalter aus einem dünnen Silizium-Einkristall-Substrat gebildet ist, welches vorzugsweise ungefähr 200 um dick ist, um einfach handhabbar zu sein.
Noch ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist, einen neuen Tintenstrahlaufzeichnungskopf bereitzustellen, bei dem die druckerzeugenden Kammern reduzierter Größe eine Nachgiebigkeit aufweisen, die groß genug ist, um Tintentröpfchen auszuschleudern.
Noch ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist, ein Verfahren zur Herstellung des Tintenstrahldruckkopfes bereitzustellen, spezieller ein Ätzverfahren zum Bilden eines Abstandhalters durch Ätzen eines Silizium- Einkristall-Substrates.
Gemäß einem speziellen Aspekt wird ein Tintenstrahldruckkopf bereitgestellt, welcher eine Düsenplatte mit einer Gruppierung von Düsenöffnungen, einen Abstandhalter, der Pfadlöcher zum Bilden von druckerzeugenden Kammern, Tintenzufuhrpfaden und Reservoiren umfaßt, eine Vibratorplatte, welche Vibrationen von piezoelektrischen, vibrierenden Elementen empfängt und die piezoelektrischen, vibrierenden Elemente, welche longitudinal gemäß Druckdaten vibrieren, aufweist. Bei dem Tintenstrahldruckkopf umfaßt der Abstandhalter ein Silizium-Einkristall-Substrat, welches vertikal in (110) orientiert ist, daß vorzugsweise durch einen anisotropen Ätzprozeß bearbeitet ist, so daß eine der Wände, welche ein eine druckerzeugende Kammer bildendes Pfadloch definiert kontinuierlich zu einer der Wände, die ein einen Tintenzufuhrpfad bildendes Pfadloch definiert, ist.
Die Tintenzufuhrpfade, wo Tinte normalerweise dazu neigt, sich aufzuhalten, und die druckerzeugenden Kammern sind in einer Ebene gebildet, wodurch ein glatter Fluß von Tinte gewährleistet wird und das Stehenbleiben von Tintenbläschen verhindert wird.
Gemäß einem bevorzugten Aspekt wird ein Tintenstrahldruckkopf bereitgestellt, der einen Abstandhalter, Druckerzeugungsmittel, welche durch zwei den Abstandhalter zwischen sie zwischenlagernde Abdeckplatten gebildet sind, Tintenzufuhrpfade, welche die Düsenöffnungen und die Reservoire, die in Verbindung mit den druckerzeugenden Kammern bereitgestellt sind, miteinander verbinden, aufweist, wobei die druckerzeugenden Kammern mit druckerzeugenden Quellen bereitgestellt sind. Bei dem Tintenstrahldruckkopf ist der Abstandhalter ein Silizium-Einkristall-Substrat, welches vertikal in (110) orientiert ist, daß bevorzugt durch einen anisotropen Ätzprozeß bearbeitet ist, so daß die druckerzeugende Kammer durch ein Pfadloch mit einem Brückenmittel gebildet ist. Das Brückenmittel des Pfadloches kann die Trennwände, welche die druckerzeugenden Kammern begrenzen, vor dem Umfallen bewahren.
Gemäß der Erfindung sind die Trennwände zum Unterteilen der druckerzeugenden Kammern jeweils durch einen Abstand in der Form eines Schlitzes getrennt und die Trennwände werden deformiert, wenn sie einen Druck empfangen, der an die Tinte zum Tintenausstoß angelegt wird.
Durch die Deformation der Wände der druckerzeugenden Kammern zum Zeitpunkt des Ausschleuderns von Tinte wird eine Nachgiebigkeit gewährleistet, die groß genug ist, um Tinte auszuschleudern.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Bearbeiten eines Silizium-Einkristall-Substrates für den Einsatz bei einem Tintenstrahldruckkopf bereitgestellt, bei dem Muster vorteilhafterweise aus Siliziumdioxid gefertigter anisotroper Ätzschutzmuster, die in einer Konfiguration mit Mustern zum Bilden von Pfadlöchern übereinstimmen, gebildet werden, vorzugsweise auf eine Spiegelbildweise auf der Vorder- und Rückseite eines Silizium-Einkristall-Substrates, welches vertikal in (110) orientiert ist und normalerweise eine feste Dicke aufweist, und das Silizium-Einkristall-Substrat mit den darauf gebildeten Mustern wird von der vorder- und der Rückseite durch einen anisotropen Ätzprozeß bearbeitet, wodurch Pfadlöcher gebildet werden; Ätzschutzmuster, die ein schmales, zweites Muster, das zu einem relativ großen, ersten Muster, welches sich in Bereichen befindet, wo das erste Muster und das zweite Muster gebildet werden sollen, verbunden ist, werden aufeinander ausgerichtet und ein klingenähnliches Ätzschutzmuster wird parallel zu einem zweiten Pfadloch gebildet, während es im wesentlichen mit einer zweiten Wand ausgerichtet ist.
Dieses Herstellungsverfahren steuert das Ätzen, so daß es nicht übermäßig wird, in dem es die klingenähnlichen Ätzmuster einsetzt. Daher können feine und präzise Pfadlöcher in dem Silizium-Einkristall-Substrat gebildet werden.
Fig. 1 ist eine einen Tintenstrahldruckkopf zeigende Explosionszeichnung;
Fig. 2 ist eine Aufsicht, welche einen in dem Tintenstrahldruckkopf eingesetzten Abstandhalter zeigt;
Fig. 3 ist eine vergrößerte, perspektivische Ansicht, welche einen Bereich einer Vibratorplatte zeigt, wo sie in Kontakt mit piezoelektrischen, vibrierenden Elementen ist;
Fig. 4A und 4B sind eine perspektivische Ansicht und eine Querschnittsansicht, die jeweils eine piezoelektrische Vibratoreinheit und die Struktur von Elektroden der Vibratoreinheit zeigen;
Fig. 5 ist eine Querschnittsansicht, die einen Teil des Tintenstrahldruckkopfes zeigt;
Fig. 6 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht, die druckerzeugende Kammern und ihre darauf bezogenen Bereiche des Tintenstrahldruckkopfes zeigen;
Fig. 7A und 7B sind vergrößerte Aufsichten, die druckerzeugende Kammern und deren darauf bezogenen Bereiche des Abstandhalters in dem Tintenstrahldruckkopf zeigen, wobei die Illustration eine räumliche Beziehung zwischen Düsenöffnungen, Inseln und piezoelektrischen, vibrierenden Elementen, wenn die Düsenplatte, die Vibratorplatte und das piezoelektrische, vibrierende Element befestigt sind, zeigt;
Fig. 8 ist eine vergrößerte Ansicht, welche die Konfiguration eines Pfadloches, das die druckerzeugende Kammer bildet, zeigt;
Fig. 9A bis 9E sind Diagramme, welche eine Sequenz von Schritten des Herstellens eines Abstandhalters durch Bearbeiten eines Silizium-Einkristall-Substrates, welches vertikal in (110) orientiert ist, durch einen anisotropen Ätzprozeß zeigt;
Fig. 10 ist ein Erklärungsdiagramm zum Erklären eines Ätzzustandes als das Resultat einer Fehlausrichtung von Ätzmustern, welche auf der Vorder- und der Rückseite des Silizium-Einkristall-Substrates gebildet sind und welche zum Ätzen der Oberfläche des Substrates, welches vertikal in (110) orientiert ist, durch einen anisotropen Ätzprozeß eingesetzt werden;
Fig. 11 ist ein Erklärungsdiagramm zum Erklären eines Fortschreitens des Ätzprozesses, wenn das Silizium- Einkristall-Substrat, welches vertikal in (110) orientiert ist, durch einen anisotropen Ätzprozeß geätzt ist;
Fig. 12A und 12B sind Diagramme, die ein Beispiel von Mustern, um einen Abstandhalter durch Ätzen des Silizium- Einkristall-Substrates durch einen anisotropen Ätzprozeß zu bilden und einen Zustand der Struktur direkt bevor der Ätzprozeß endet, zeigen;
Fig. 13 ist eine vergrößerte Aufsicht, die Ätzmuster der Reservoire in der Struktur zum Zuführen von Tinte von einem Reservoir zu zwei druckerzeugenden Kammern zeigt;
Fig. 14A und 14B sind Diagramme, die ein weiteres Muster für das anisotrope Ätzen zeigen, wobei die Veranschaulichung einen Ätzzustand, direkt bevor das Ätzen endet, zeigt;
Fig. 15 ist eine vergrößerte Aufsicht, die ein weiteres Ätzmuster, das Reservoire in einer solchen Struktur zum Zuführen von Tinte von einem Reservoir zu zwei Serien, von druckerzeugenden Kammern umfaßt, zeigt;
Fig. 16 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht, die einen Bereich des Pfadloches, welches die druckerzeugende Kammer bildet, in der Nähe der Düsenöffnung zeigt;
Fig. 17 ist eine Ansicht, die ein weiteres Pfadloch, welches die druckerzeugende Kammer bildet, zeigt;
Fig. 18 ist eine Ansicht, die noch ein weiteres Pfadloch, welches die druckerzeugende Kammer bildet, zeigt;
Fig. 19 ist eine Ansicht, die noch ein weiteres Pfadloch, welches die druckerzeugende Kammer bildet, zeigt;
Fig. 20 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht, welche einen Bereich des Pfadloches, welches die druckerzeugende Kammer bildet, in der Nähe der Düsenöffnung zeigt;
Fig. 21 ist eine Ansicht, die ein weiteres Pfadloch, welches die druckerzeugende Kammer bildet, zeigt;
Fig. 22A ist eine Aufsicht, welche die Struktur eines Abstandhalters zeigt;
Fig. 22B ist eine Aufsicht, die eine räumliche Beziehung der Düsenöffnungen, Inseln und piezoelektrischen, vibrierenden Elemente, wenn die Düsenplatte, die Vibratorplatte und die piezoelektrischen, vibrierenden Elemente auf dem Abstandhalter montiert sind, zeigt;
Fig. 23 ist eine Ansicht, die ein weiteres Pfadloch, welches die druckerzeugende Kammer bildet, zeigt;
Fig. 24 ist eine Querschnittsansicht, die die Querschnittsform einer Brücke zeigt;
Fig. 25 und 26 sind Ansichten von beispielhaften Ätzmustern, welche auf der Vorder- und Rückseite des Silizium-Einkristall-Substrates gebildet sind, um die Pfadlöcher zu bilden;
Fig. 27A bis 27D und 28A bis 28D sind eine Querschnittsansicht und eine Aufsicht, die einen fortschreitenden Zustand des Ätzens, welches unter Einsatz der obigen Ätzmuster ausgeführt ist, zeigen;
Fig. 29 ist eine Aufsicht, die ein weiteres Pfadloch, welches die druckerzeugende Kammer bildet, zeigt;
Fig. 30A und 30B sind Aufsichten, die weitere Abstandshalter, die für den Tintenstrahldruckkopf eingesetzt sind, zeigen;
Fig. 31 ist ein Graph, der eine Kurve zeigt, die die Rate des Auftretens fehlerhafter Entladung gegenüber der Breite W der Trennwand wiedergibt;
Fig. 32 ist eine perspektivische Ansicht, teilweise im Querschnitt, die eine Ausführungsform des Tintenstrahldruckkopfes gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 33 ist eine Querschnittsansicht, die die Düsenplatte, die druckerzeugenden Kammern und die Vibratorplatte nahe der Brücke und der Düsenöffnungen zeigt;
Fig. 34A und 34B sind eine Aufsicht und eine Querschnittsansicht, die einen beispielhaften Abstandhalter zeigen;
Fig. 35 ist ein Diagramm, welches schematisch die Struktur, welche eine druckerzeugende Kammer umfaßt, zeigt, wobei die Veranschaulichung einer Deformation der Kammertrennwände, wenn ein Druck an die Kammer angelegt ist, zeigt;
Fig. 36A und 36B sind eine Aufsicht und eine Querschnittsansicht, die einen weiteren Abstandhalter zeigen;
Fig. 37A und 37B sind Aufsichten, die Muster, welche auf der Vorder- und der Rückseite eines Abstandhalters, welcher aus einem Silizium-Einkristall-Substrat gebildet ist, gebildet sind, wenn der Abstandhalter durch einen anisotropen Ätzprozeß bearbeitet ist, zeigen;
Fig. 38A bis 38F sind Ansichten, die eine Sequenz von Schritten zum Bilden eines Abstandhalters durch einen anisotropen Ätzprozeß zeigt;
Fig. 39A und 39B sind Querschnittsansichten, die Schlitze, die durch einen anisotropen Ätzprozeß gebildet sind, zeigt, wenn sie in der longitudinalen Richtung der druckerzeugenden Kammer betrachtet werden;
Fig. 40A und 40B sind Aufsichten, die einen weiteren Typ von Mustern, die auf der Vorder- und der Rückseite des · Silizium-Einkristall-Substrates gebildet sind, zeigen;
Fig. 41 ist eine Querschnittsansicht, welche einen weiteren Abstandhalter zeigt;
Fig. 42 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht, welche einen Schlüsselbereich eines Tintenstrahldruckkopfes zeigt;
Fig. 43A bis 43D sind Aufsichten, die ein Verfahren zum Herstellen des Abstandhalters des Tintenstrahldruckkopfes zeigt;
Fig. 44 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht, die einen Schlüsselbereich eines Tintenstrahldruckkopfes zeigt; und
Fig. 45 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht, die einen Schlüsselbereich eines Tintenstrahldruckkopfes gemäß einem Vorschlag, welcher nicht der Erfindung entspricht, zeigt.
In Fig. 1 sind lineare Öffnungsgruppierungen 3, welche jeweils aus Düsenöffnungen 2 bestehen, in einer Düsenplatte 1 gebildet. Diese Düsenöffnungen 2 sind linear gruppiert in solchen Abständen, · um eine Druckdichte von 180 dpi zu bilden.
Ein Abstandhalter 4 ist zwischen einer Vibratorplatte 10, welche als eine erste Abdeckplatte (später vorgestellt) dient und die Düsenplatte 1 als eine zweite Abdeckplatte zwischengelagert. Wie in Fig. 2 gezeigt, umfaßt der Abstandhalter 4 druckerzeugende Kammern, Reservoire, einen diese verbindenden Tintenzufuhranschluß und Pfadlöcher 5, 6, 7 und 8 zum Bilden von Flüssigkeitspfaden zum Verteilen von Tinte von einem Tintentank zu den Reservoiren.
Eine Vibratorplatte 10 kooperiert mit dem Abstandhalter 4 und der Düsenplatte 1, um druckerzeugende Kammern zu bilden. Wie in Fig. 3 gezeigt, ist jede der druckerzeugenden Kammern aus einer Insel 11 und einem dünnen Bereich 12 gebildet. Die Insel 11, welche in Kontakt mit dem oberen Bereich eines piezoelektrischen, vibrierenden Elementes 30, welches in einer piezoelektrischen Vibratoreinheit 21 beinhaltet ist, steht, weist eine solche Festigkeit auf, um eine Versetzung des piezoelektrischen, vibrierenden Elementes 30 auf die größtmögliche Fläche zu übertragen. Der dünne Bereich 12 ist im Umgebungsbereich der Insel 11 gebildet. Mit einer solchen Konstruktion kann die druckerzeugende Kammer effizient expandiert und komprimiert werden in Übereinstimmung mit Streckbewegungen des piezoelektrischen, vibrierenden Elementes 30.
Die piezoelektrischen Vibratoreinheiten 21 sind wie in Fig. 4A gezeigt angeordnet. Die piezoelektrischen, vibrierenden Elemente 30 der piezoelektrischen Vibratoreinheiten 21 sind in festen Abständen entlang der Fixierungsplatte 31 in einem Zustand gruppiert, daß die ersten Enden der piezoelektrischen, vibrierenden Elemente 30 an der Fixierungsplatte 31 befestigt sind, während deren zweite Enden frei sind, um den piezoelektrischen, vibrierenden Elementen zu ermöglichen, in einem longitudinalen Vibrationsmodus zu vibrieren.
Jedes piezoelektrische, vibrierende Element 30, ist, wie in Fig. 4B gezeigt, derart konstruiert, daß piezoelektrische, vibrierende Glieder. 32, Steuerungselektroden 33 und gemeinsame Elektroden 34 abwechselnd geschichtet sind. Die rückseitigen Enden der Steuerungselektroden 33, die zur Außenseite freiliegen, sind parallel verbunden durch eine externe Steuerungselektrode 35, welche z. B. durch einen Gasphasendepositionsvorgang gebildet ist. Die gemeinsamen Elektroden 34 reichen bis zum freien Ende des piezoelektrischen, vibrierenden Elementes 30 und sind parallel verbunden durch eine externe, gemeinsame Elektrode 36, die sich auf den Seiten, des piezoelektrischen, vibrierenden Elementes erstreckt.
Die äußere Hauptoberfläche der externen Steuerungselektroden 35 der piezoelektrischen, vibrierenden Elemente 30 sind im wesentlichen bündig mit der Fixierungsplatte 31. Die externen, gemeinsamen Elektroden 36 der piezoelektrischen, vibrierenden Elemente 30 sind elektrisch und physikalisch mit Elektroden 40, welche auf den unteren Endflächen von Dummy-Vibrationselementen 39 gebildet sind, welche sich auf beiden Seiten der Gruppierung der piezoelektrischen, vibrierenden Elemente 30 befinden, mittels eines leitenden Gliedes 38 gekoppelt. Die Elektroden 40 sind wie die externen Steuerungselektrode 35 auf den unteren Endflächen der Dummy-Vibrationselemente 39 gebildet und sollen mit einer Verbindungs-Schaltungsplatte gekoppelt werden.
Zurückkehrend zur Fig. 1 umfaßt ein Druckkopfkörper 42 Einheits-Aufnahmelöcher 43 zum Aufnehmen einer piezoelektrischen Vibratoreinheit 21 in einem Zustand, daß die freien Enden der piezoelektrischen, vibrierenden Elemente 30 nach außen freiliegen und einen Tintenversorgungsanschluß 44 zum Zuführen von Tinte von · einem Tintentank zu den Reservoiren. Eine Anordnung aus der Vibratorplatte 10, des Abstandhalters 4 und der Düsenplatte 1 wird fest an die Oberfläche des Druckkopfkörpers 42 mittels eines Rahmengliedes 45, welches auch als ein elektrostatischer Schutz dient, befestigt. Das Ergebnis ist eine Aufzeichnungskopfanordnung. Fig. 5 ist eine Querschnittsansicht einer derart konstruierten Aufzeichnungskopfanordnung bei Betrachtung in der Richtung vertikal zu der Düsengruppierung. Die piezoelektrischen Vibratoreinheiten 21 sind durch Epoxyharz an den Druckkopfkörper 42 befestigt. Bezugszeichen 46 in Fig. 1 bezeichnet einen Einflußanschluß, welcher zu dem Tintentank verbindet.
In Konstruktion des wie in Fig. 1 gezeigten Aufzeichnungskopfes sind die Pfadlöcher 5 des Abstandhalters wie in Fig. 6 gezeigt, durch die Düsenplatte 1 und die Vibratorplatte 10 geschlossen, wodurch druckerzeugende Kammern, die durch das Bezugszeichen 48 gekennzeichnet sind, gebildet werden. Wenn der dünne Bereich 12 der Vibratorplatte 10 der eine Dehnbewegung des piezoelektrischen, vibrierenden Elementes 30 durch die Insel 11 empfängt, deformiert ist, um die druckerzeugende Kammer 48 zu komprimieren, preßt die druckerzeugende Kammer 48 darin enthaltene Tinte in Form von Tintentröpfchen durch die Düsenöffnung 2 nach außen.
Fig. 7A und 7B sind vergrößerte Aufsichten, die Pfadlöcher 5 zeigen, welche die druckerzeugende Kammern bilden und deren darauf bezogene Bereiche des Abstandhalters 4 in dem Tintenstrahldruckkopf. Pfadlöcher 5, um als druckerzeugende Kammern 48 zu dienen, Pfadlöcher 6, um als Reservoire zu dienen, und Pfadlöcher 7, um als Tintenzufuhranschlüsse zu dienen, sind in einem Silizium-Einkristall-Substrat, welches vertikal in (110) orientiert ist, gebildet. Das Silizium-Einkristall- Substrat weist die für den Abstandhalter notwendige Dicke, z. B. 220 um auf.
Die Pfadlöcher 7, welche als Tintenzufuhranschlüsse dienen, sind jeweils so ausgelegt, daß die Wände 7A und 7B, welche das Pfadloch 7 begrenzen, voneinander in einem solchen Abstand entfernt angeordnet sind, um einen Flußpfadwiderstand zu erhalten, der für den Tintenzufuhrpfad geeignet ist und daß die Wand 7A des Pfadloches 7 mit einer Wand 5A des Pfadloches 5, welches die druckerzeugende Kammer 48 bildet, ausgerichtet ist.
In einem Fall, bei dem die Vibratorplatte 10 an die Düsenplatte 1 durch Adhäsionsmittel gebondet ist, werden Einkerbungen 50 zum Aufnehmen von Adhäsionsmitteln rund um diese Pfadlöcher durch einen anisotropen Ätzprozeß gebildet. Die Einkerbung 50 ist ungefähr 100 um oder kürzer lang in einer ihrer Seiten. Die Tiefe der Einkerbung 50 ist so gewählt, um ein solches Volumen aufzuweisen, um überschüssiges Adhäsionsmittel zu beinhalten.
Eine Öffnungsfläche der Einkerbung 50 ist bevorzugt innerhalb eines Bereichs zwischen 0,001 mm² und 0,01 mm². Wenn sie kleiner als 0,001 mm² ist, kann die Einkerbung 50 das überschüssige Adhäsionsmittel unzureichend aufnehmen. Wenn sie größer als 0,01 mm² ist, ist eine unzureichende Adhäsionsfläche gewährleistet, wodurch die Adhäsion der Vibratorplatte 10 an der Düsenplatte 1 geschwächt wird.
Wenn eine eutektische Verbindungsmethode ohne Einsatz von Adhäsionsmitteln eingesetzt wird, ist es selbstverständlich nicht nötig, diese Einkerbungen 50 einzusetzen.
Fig. 8 veranschaulicht ein Pfadloch, welches eine druckerzeugende Kammer 48 bildet, und ein Pfadloch, welches einen Tintenzufuhrpfad bildet und Winkel der Wände dieser Pfadlöcher. Das Pfadloch 5, welches die druckerzeugende Kammer 48 bildet, umfaßt sieben Wände 5a bis 5e. Die Wände 5b, 5f, 5g und 5a rund um die Düsenöffnung 2 sind unter Winkeln θ3, θ4 und θ5 verbunden. Die Winkel θ3, θ4 und θ5 sind stumpfe Winkel von ungefähr jeweils 152º, 100º und 110º. Die Wände 5c, 5d und 5e des Pfadloches 5, welche sich angrenzend an das Pfadloch 7, das als der Tintenzufuhrpfad dient, befinden, sind so angeordnet, um eine Verbindungsfläche, wo der Tintenzufuhrpfad sich zu der druckerzeugenden Kammer öffnet, graduell zu vergrößern.
Die Wand 7a des Pfadloches 7 für den Tintenzufuhrpfad wird so gebildet, um kontinuierlich zu der Wand 5a des Pfadloches 5 für die druckerzeugende Kammer zu sein. Die Wand 7b des Pfadloches 7 ist von der Wand 7a beabstandet und parallel zu letztgenannter angeordnet. Der Abstand zwischen ihnen ist einem solchen Maße gewählt, um einen Flußpfadwiderstand zu erhalten, der geeignet ist für den Tintenzufuhrpfad. Die Wand 7a des Pfadloches 1, die sich gradlinig von den druckerzeugenden Kammern zu dem Tintenzufuhrpfad erstreckt, ist mit der Wand 6a des Pfadloches 6 für das Reservoir im Wege eines vergrößerten Verbindungsbereiches, der durch die zwei Wände 6b und 6c der Verbindungslöcher begrenzt ist, verbunden. In der Figur ist ein Winkel θ1 30º und ein Winkel θ2 ungefähr 70º.
Zum Zusammenbau wird Adhäsionsmittel auf den derart strukturierten und zwischen die Düsenplatte 1 und die Vibratorplatte 10 zwischengelagerten Abstandhalter 4 aufgebracht, nachdem diese exakt aufeinander positioniert sind, und die Gesamtheit dieser Komponenten wird zusammengepreßt. Adhäsionsmittel, welches nicht zu deren Bonden eingesetzt wird, fließt in die Einkerbungen 50, die sich rund um die Pfadlöcher 5, 6 und 7 jeweils für die druckerzeugenden Kammern, die Tintenzufuhrpfade und die Reservoire befinden. Als Ergebnis wird eine solche nachteilhafte Situation, daß Adhäsionsmittel in die druckerzeugenden Kammern, die Tintenzufuhrpfade und die Reservoire fließt, niemals auftreten. In der resultierenden, nach Abschluß des Bond-Prozesses erzeugten Struktur befindet sich jede Düsenöffnung 2 der Düsenplatte 1 nahe dem Ende einer zentralen Linie des Pfadlochs 5, welches als die druckerzeugende Kammer dient, und jede Insel 11 des Abstandhalters 4 erstreckt sich im wesentlichen über die gesamte Länge der druckerzeugenden Kammer. Wenn das piezoelektrische, vibrierende Element 30 in diesem Zustand angesteuert wird, wird die Verschiebung des Elementes auf die gesamte druckerzeugende Kammer über die Insel 11 übertragen. Daher kann die Verschiebung des piezoelektrischen, vibrierenden Elementes 30 hoch effizient in eine Variation des Volumens der druckerzeugenden Kammer umgewandelt werden.
In Fig. 9A bis E ist eine Sequenz von Schritten zur Herstellung des Abstandhalters 4 dargestellt, wobei beispielsweise ein Silizium-Einkristall-Substrat 60 der kristallographischen Achse (110), welches 220 um dick ist (genügend, um die für den Abstandhalter benötigte Dicke zu erfüllen) erzeugt wird. Ein Siliziumdioxidfilm 61, welcher beispielsweise 1 um dick ist, wird auf der Oberfläche des Silizium-Einkristall-Substrates 60 durch einen thermischen Oxidationsprozeß gebildet. Die Dicke von 1 um reicht aus, damit der Film 61 als ein Schutzfilm gegen anisotrope Ätzflüssigkeiten (Fig. 9A) wirken kann. Ein Fluorwasserstoff-Schutzfilm 62 wird auf der frontseitigen und rückseitigen Seite des Silizium- Einkristall-Substrates 60 mit dem darauf gebildeten Siliziumdioxidfilm 61 durch ein Lithographieverfahren gebildet. Der auf dem Substrat gebildete Schutzfilm 62 umfaßt Öffnungen 63 und 64, die zu den Pfadlöchern 5, 6 und 7 korrespondieren und falls nötig die Auskerbungen 50 (Fig. 9B).
In diesem Zustand wird die Struktur mittels einer Fluorwasserstoffflüssigkeit geätzt, so daß die Bereiche des Siliziumdioxidfilmes 61, die zu den Öffnungen für die Pfadlöcher, 5, 6 und 7 und den Einkerbungen 50 korrespondieren, weggeätzt werden (Fig. 9c). Muster 61a und 61b des auf der Front- und Rückseite des Substrates gebildeten Siliziumdioxids sind leicht unterschiedlich voneinander in der Größe, so daß das Muster 61a auf der Frontseite in diesem Beispiel das Muster 61b auf der Rückseite überdeckt.
Nachfolgend dem Schritt des Bildens der Siliziumdioxidmuster wird die Struktur in einer wässrigen Lösung von Kaliumhydroxid von ungefähr 17% in der Dichte, welche bei einer festen Temperatur, z. B. bei 80ºC, gehalten wird geätzt. In dem Ätzprozeß werden nur die Bereiche des Siliziumdioxidfilmes, die mit den Öffnungen 63 und 64 korrespondieren, bei einer Rate von 2 um pro Minute weggeätzt, wobei die Muster 61a und 61b des Siliziumdioxidfilmes als Schutzfilm dienen. In diesem Fall schreitet der Ätzprozeß von beiden Seiten des Substrates- unter einem Winkel von ungefähr 35º zur Oberfläche des Substrates voran, d. h. in der Richtung vertikal zu der kristallographischen Achse (111).
Wie oben beschrieben, sind die Muster 61a und 61b, die auf der Frontseite und der Rückseite des Silizium- Einkristall-Substrates 60 gebildet sind, so gebildet, daß das Muster 61a das Muster 61b überdeckt. Zu dem Zeitpunkt, wenn der Ätzprozeß abgeschlossen ist, ist ein Pfadloch 65 gebildet, dessen Größe dem Muster 61b, daß das größere Fenster (Fig. 9D) begrenzt, entspricht. Selbst wenn eine leichte Fehlausrichtung der Muster auf der Front- und der Rückseite des Substrates auftritt, kann die Ätzgröße durch Anpassen der Positionen des Musters, welches die größere Öffnung definiert, kontrolliert werden, da wenigstens die Kanten des außerhalb befindlichen Musters die Ätzoberflächen sind.
Es sei nun ein Fall betrachtet, bei dem die Muster 70 und 71 gleicher Größe auf der Front- und der Rückseite eines Substrates 72 wie in Fig. 10 gezeigt, gebildet sind. Wenn diese Muster nicht miteinander in Übereinstimmung gebracht sind, werden in diesem Fall Wände 72a und 72b in Verlängerung der Grenzen der Muster 70a und 71a gebildet, welche sich außerhalb eines zu bildenden Pfadloches 73 innerhalb der sich gegenüberliegenden auf der Front- und der Rückseite des Substrates gebildeten Muster befinden. Die Größe des Pfadloches 73, welches durch diesen Ätzvorgang gebildet ist, ist unterschiedlich von derjenigen eines Pfadloches, welches durch die Muster 70 und 71 definiert ist. Als Ergebnis ist es unmöglich, die Größe der Pfadlöcher und die Positionen der Ätzflächen zu kontrollieren.
Nachdem das Pfadloch 65 gebildet ist, werden die als Maske eingesetzten Siliziumdioxidfilme 61a und 61b mittels Fluorwasserstoff entfernt. Danach wird die Struktur thermisch oxidiert, um einen Siliziumdioxidfilm 66 beispielsweise einer Dicke von 1 um (dieses Maß gibt eine für den Schutzfilm ausreichende Filmdicke an) über deren gesamte freiliegende Oberfläche zu bilden. Der Siliziumdioxidfilm 66 wird als Schutzfilm gegen Tinte eingesetzt (Fig. 9E).
Während des Verlaufes des anisotropen Ätzvorgangs des Silizium-Einkristall-Substrates, welches vertikal in (110) orientiert ist, bis ein angestrebtes Muster gebildet ist, schreitet das Ätzen unter einem Winkel von ungefähr 35º zu der vertikal in (110) orientierten Fläche voran, nämlich entlang der vertikal in (111) orientierten Fläche wie in Fig. 11 gezeigt. Um diese natürliche Eigenschaft aktiv zu nutzen, wird wie in Fig. 12A gezeigt, eine etwa halb so große Region des Pfadloches 5 für die druckerzeugende Kammer, dort wo sie der Düsenöffnung gegenüberliegt, so gebildet, daß eine Begrenzung 80a eines Ätzmusters 80, welches die Wand des Pfadloches begrenzt, gegen dessen Wand 5a abgelenkt ist. Ein klingenähnliches Muster 81, welches sich zu dem Pfadloch 5 erstreckt, ist an der Wand 7b des Pfadloches 7 für den Tintenzufuhrpfad gebildet. Die Wand 7b des Pfadloches 7 liegt dessen Wand 7a, welche auf einer Linie mit der Wand 5a des Pfadloches 5 liegt, gegenüber.
Desweiteren werden klingenähnliche Muster 82 und 83 auf den inneren Seiten des. Pfadloches 6 derart gebildet, daß diese Muster sich jeweils auf einer Linie mit den Wänden 7a und 7b des Tintenzufuhrpfades 7 erstrecken.
Während dem anisotropen Ätzprozeß, der unter Einsatz derart gebildeter Ätzmuster ausgeführt wird, schreitet im Stadium des Bildens des Pfadloches 5 das Ätzen an der Kante 8 Ob des Ätzmusters 80 unter einem vorgegebenen Winkel zu der Wand 5b des Pfadloches fort, weil das Ätzmuster 80 die Kante 80b umfaßt. Das Ätzen schreitet fort, um die der Düsenöffnung zugewandte Region zu erreichen, so daß die Düsenöffnung 2 und die Wände 5a, 5b, 5f und 5g, die der Düsenöffnung zuweisen, und welche unter stumpfen Winkeln gruppiert sind, gebildet werden. An dem Verbindungsbereich zwischen dem Tintenzufuhrpfad und der druckerzeugenden Kammer und einem anderen Verbindungsbereich zwischen dem Tintenzufuhrpfad und dem Reservoir wird das Ätzen gestoppt, wenn diese Verbindungsbereiche in einem solchen Maße ausgedehnt sind, um Tinte am Verweilen am Einlaß oder Auslaß des Tintenzufuhrpfades als einem schmalen Pfad für den Tintenfluß zu hindern. Dadurch wird ein richtiger Flußwiderstand für den Tintenzufuhrpfad gewährleistet.
In dem Stadium des Ätzens des Pfadloches 7 für den Tintenzufuhrpfad werden die klingenähnlichen Muster 81, 82 und 83, deren Enden sich von den Wänden erstrecken, als erstes geätzt (Fig. 12B). Dementsprechend werden im abschließenden Ätzstadium, nämlich einem Ätzstadium, bei dem ein Durchgangsloch durch Ätzen von beiden Seiten gebildet ist und ein angestrebtes Muster gebildet ist, Wände 5d und 5e, welche gegen die Wände 5c und 7b unter einem Winkel von θ1 - 30º verkippt sind, in der Region oder dem Verbindungsbereich des Pfadloches 7, wo es sich zu der druckerzeugenden Kammer hin öffnet, gebildet.
Desweiteren werden Wände 6b und 6c, welche unter dem Winkel von θ2 - 70º zu den Wänden 6a und 7a verkippt sind, in dem Verbindungsbereich des Pfadloches 1, wo es sich zu dem Reservoir wie in Fig. 8 gezeigt, hin öffnet, gebildet. Als Ergebnis sind der Einlaß und der Auslaß des Tintenzufuhrpfades im Durchmesser erweitert. Mit diesen erweiterten Öffnungen fließt Tinte glatt von dem Reservoir in die druckerzeugende Kammer, ohne Tintenblasen zu erzeugen.
Fig. 13 ist eine vergrößerte Aufsicht, welche Ätzmuster der Reservoire in der Struktur der Pfadlöcher 6 für die Reservoirs, in welchen Tinte von einem Reservoir zu zwei Serien von druckerzeugenden Kammern zugeführt wird, darstellt. In dieser Struktur sind die Düsen der Serien von druckerzeugenden Kammern leicht voneinander verschoben. Deshalb überlappen die klingenähnlichen Muster 82, 83, 82' und 83', welche sich von den Pfadlöchern 7 und 7' erstrecken, um als Tintenzufuhrpfade zu den druckerzeugenden Kammern zu dienen, wenig.
Die Fig. 14A und 14B sind Diagramme, die ein weiteres Muster für das anisotrope Ätzen darstellen. In diesem Muster ist ein Verbindungsbereich des Pfadloches 7, welches als ein Tintenzufuhrpfad dienen soll, und das Pfadloch 6, welches als ein Reservoir dienen soll, als ein enges, kontinuierliches Muster 85 gebildet. Ein einziges, klingenähnliches Muster 86 erstreckt sich in der axialen Richtung des Pfadloches 7, welches als der Tintenzufuhrpfad dient.
In diesem Muster ist der Verbindungsbereich des Tintenzufuhrpfades 7 und des Pfadloches 6 für das Reservoir durch das enge, kontinuierliche Muster 85 blockiert. Daher kann ein unnötiges Fortschreiten des Ätzens nur durch ein klingenähnliches Muster 86 gestoppt werden.
In einem Fall, bei dem Tinte von einem Reservoir zu zwei Serien von druckerzeugenden Kammern wie in Fig. 13 zugeführt wird, kann das Objekt durch Bilden enger, kontinuierlicher Muster 85 und 85' nahe den Enden der Pfadlöcher 7 und 7' für die Tintenzufuhrpfade und durch Bilden klingenähnlicher Muster 86 und 86', die sich von den engen, kontinuierlichen Mustern in Ausrichtung mit den Pfadlöchern 7 und 7' erstrecken, wie in Fig. 15 gezeigt, erreicht werden. Daher können die klingenähnlichen Muster 86 und 86' in einer Ebene ausgelegt sein, ohne sich zu überlappen, wenn diese von den Düsenpositionen der Düsenserien verschoben sind.
In dem oben genannten wird der Ätzprozeß gestoppt, wenn die Wand 5f in Kontakt mit der Wand 5g kommt. Wenn der Ätzprozeß jedoch weiter fortgeführt wird, werden zusätzlich zwei Wände 5f1 und 5f2 and der Wand 5f gebildet und die Wand 5f ist in ihrer Form wie in Fig. 16 gezeigt, ausgebuchtet. Als Ergebnis entsteht eine zusätzliche Wand 5h, welche unter einem Winkel θ8 = 152º zu der Wand 5b, welche die druckerzeugende Kammer 48 begrenzt, wie in Fig. 17 gezeigt, geneigt. Ein Winkel θ7 beträgt ungefähr 125º. Ein Winkel θ6 der Wand 5f1 (Wand 5f2) zu der Oberfläche des Abstandhalters 4 ist ungefähr 35º.
Als Ergebnis des Ätzprozesses werden insgesamt sieben Wände rund um die Düsenöffnung 2 gebildet. Von diesen Wänden sind fünf Wände 5a, 5g, 5f, 5h und 5b unter stumpfen Winkeln in einer Ebene angeordnet und stehen unter rechten Winkeln zu der Oberfläche des Silizium- Einkristall-Substrates, und zwei Wände 5f1 und 5f2 sind in der Querschnittsrichtung des Silizium-Einkristall- Substrates betrachtet unter dem Winkel θ6 zu der Wand 5f verbunden. Mit dieser Struktur ist ein glatterer Fluß von Tinte in der Nähe der Düsenöffnung 2 gewährleistet. Dementsprechend tritt kein Verweilen von Blasen auf.
Wie in dem Fall, bei dem die vier Wände rund um die Düsenöffnung 2 gebildet sind, kann ein Pfadloch 92 für einen Tintenzufuhrpfad, welcher ein Pfadloch 90 für die druckerzeugende Kammer mit einem Pfadloch 91 für ein Reservoir verbindet, so geformt sein, daß die Wände 90c und 90d gebildet werden, welche sich schräg von den longitudinalen Wänden 90a und 90b, welche die druckerzeugende Kammer begrenzen, erstrecken und das Pfadloch. 92 befindet sich im wesentlichen ausgerichtet mit der Mittellinie der druckerzeugenden Kammer (Fig. 18). Bei dieser Struktur wird Tinte von dem Reservoir zu der druckerzeugenden Kammer zugeführt über einen Auslaß des Tintenzufuhrpfades, welcher begrenzt ist durch die Wände 90c und 90d, welche sich von Stellen nahe der Mitte des Endes der Kammer in Richtung der druckerzeugenden Kammer ausweiten, und Wände 90e und 90f, welche als zweites entlang der Kristallachse während dem Ätzprozeß gebildet werden. Tinte fließt von dem Reservoir zu der druckerzeugenden Kammer glatter und ohne Verweilen von Tintenblasen.
Nachdem die Wand 5h gebildet ist, wird der Ätzprozeß weiter fortgeführt. Dann schreitet das Ätzen der Wand 5f selektiv fort. Das näher zu der Wand 5b liegende Ende der Wand 5f wächst, so daß die Wand 5g, die in dem vorhergehenden Schritt gebildet wurde, verschwindet. Als Ergebnis werden wie in den Fig. 19 und 20 dargestellt, sechs, Wände 5a, 5g, 5f, 5f1', 5f2' und 5b, welche unter stumpfen Winkeln in einer Ebene angeordnet sind und unter einem rechten Winkel zu der Oberfläche des Silizium- Einkristall-Substrates stehen rund um die Düsenöffnung 2 gebildet. Tinte fließt in der Nähe der Düsenöffnung 2 glatt und Tintenbläschen verweilen dort niemals.
Wie in dem vorhergehenden Fall kann ein Pfadloch 92 für einen Tintenzufuhrpfad, welcher ein Pfadloch 90 für eine druckerzeugende Kammer zu einem Pfadloch 91 für ein Reservoir verbindet, derart gebildet werden, daß Wände 90c und 90d gebildet werden, welche sich schräg von den longitudinalen Wänden 90a und 90b, welche die druckerzeugende Kammer begrenzen, erstrecken und das Pfadloch 92 befindet sich im wesentlichen ausgerichtet mit einer Mittellinie der druckerzeugenden Kammer (Fig. 21). Durch diese Struktur wird Tinte von dem Reservoir zu der druckerzeugenden Kammer über einen Auslaß des Tintenzufuhrpfades, welcher durch die Wände 90c und 90d, die sich nach außen von den Stellen nahe dem Zentrum des Endes der Kammer hin zur druckerzeugenden Kammer erweitern, und den Wänden 90e und 90f, die als zweites während dem Ätzprozeß entlang der Kristallachse gebildet werden, zugeführt. Tinte fließt von dem Reservoir zu der druckerzeugenden Kammer glatter und ohne ein Verweilen von Tintenblasen.
Der obengenannte Abstandhalter hat eine solche Struktur, daß die Pfadlöcher 5 für die druckerzeugenden Kammern, die Pfadlöcher 7 für die Tintenzufuhrpfade und die Pfadlöcher 6 für die Reservoire in dem dünnen Silizium- Einkristall-Substrat, welches ungefähr 220 um dick ist, gebildet sind. In dieser Struktur ist das Substrat an Stellen nahe den Pfadlöchern für die druckerzeugenden Kammern untergliedert. Demgemäß kann die Oberseite des Substrates einfach gegen dessen Unterseite verschoben werden und umgekehrt. Mit dieser Struktur werden die Pfadlöcher 5 und 7 häufig deformiert, wenn der Abstandhalter zwischen die Düsenplatte 1 und die Vibratorplatte 10 eingefügt wird und diese Teile zusammengebondet werden. Mit anderen Worten, die Wände, welche die druckerzeugenden Kammern begrenzen, werden auf eine frei tragende Art ausgeweitet. Wenn der Abstandhalter an andere, darauf bezogene Glieder gebondet wird, werden die Wände leicht verbogen. Wenn die Wände verbogen sind, sind die Pfadlöcher 7 für die Tintenzufuhrpfade deformiert.
Fig. 22A ist eine Aufsicht, welche die Struktur, eines Abstandhalters darstellt, welcher der Deformation der Pfadlöcher für die druckerzeugende Kammer 48 und der Pfadlöcher 7 für die Tintenzufuhrpfade widersteht. Diese nicht deformierbare Struktur wird für die obengenannte Abstandhalterstruktur des Typs, bei dem sieben Wände rund um die Düsenöffnung 2 gebildet sind, eingesetzt. Fig. 22B ist eine Aufsicht, welche relative Positionen der druckerzeugenden Kammer 48, der Düsenöffnung 2 und piezoelektrischer, vibrierender Elemente 30 des Abstandhalters darstellt. Fig. 23 ist eine vergrößerte Ansicht, welche die Konfiguration eines Pfadloches, welches die druckerzeugende Kammer bildet, und seiner darauf bezogenen Bereiche darstellt. Wie gezeigt, werden ein Pfadloch 5, welches eine druckerzeugende Kammer 48 bildet, ein Pfadloch 6, welches ein Reservoir bildet und ein Pfadloch 7, welches einen Tintenzufuhrpfad bildet, in einem Silizium-Einkristall-Substrat, welches vertikal in (110) orientiert ist, dessen Dicke mit beispielsweise 220 um ausreichend für den Abstandhalter ist, gebildet. Eine Brücke 95 ist schräg quer über das Pfadloch 5 an einer dem Pfadloch 7 näher liegenden Stelle gebildet.
Die Brücke 95, die über das Pfadloch gebildet ist, ist unter Winkeln θ9 = 126º und θ10 = 55º zu den Wänden des Pfadloches 5, welche die druckerzeugende Kammer begrenzen, abgewinkelt. Die Querschnittsstruktur der Brücke 95 ist in Fig. 24 gezeigt. Sie ist, wie dargestellt, ein Dreieck, dessen Boden 95c auf der Seite des Substrates liegt, welche in Kontakt mit der Düsenplatte kommt. Eine abgeschrägte Oberfläche 95a der Brücke 95 ist so abgeschrägt, um den Querschnitt der druckerzeugenden Kammer in Richtung der Düsenöffnung 2 zu vergrößern und steht unter einem Winkel θ11 (ungefähr 35º) zu der Oberfläche der Düsenplatte.
Eine weitere abgeschrägte Oberfläche 95b ist in Richtung des Tintenzufuhrpfades 7 unter einem Winkel θ12 (ungefähr 35º) zu der Düsenplatte abgeschrägt.
Der Winkel der Brücke 95 an ihrer Spitze ist ein stumpfer Winkel von ungefähr 110º. Daher verursacht die Brücke 95 keinen Strudel der Tinte in der druckerzeugenden Kammer und behindert somit nicht den Fluß der Tinte darin. Die Höhe h der Brücke 95 ist zu einem solchen Wert ausgewählt, um den Tintenfluß nicht zu behindern und um eine ausreichende Festigkeit der Brücke zu gewährleisten. Die Höhe der Brücke ist bevorzugt 25% der Dicke t des Abstandhalters.
Fig. 25 und 26 sind Ansichten, welche Ätzmuster zeigen, welche zum Bilden der druckerzeugenden Kammern mit den Brücken 95 geeignet sind. Ein Ätzmuster 96, welches den Boden 95c der Brücke 95 definiert, wird an einer Stelle (gegenüber der Düsenöffnung des Pfadloches 5) auf dem Ätzmuster 80, welches die gesamte druckerzeugende Kammer definiert, gebildet. In dem Bereich, der daran als eine abgeschrägte Seite gegenüber der Vibratorplatte 10 dienen soll, werden Muster 99 und 100, welche verglichen mit dem Ätzschutzmuster 96 relativ schmal sind, an Stellen nahe der Mittellinie des Ätzmusters 96 gebildet. Diese schmalen Muster 99 und 100 sind nicht miteinander ausgerichtet.
Ein wie eine Klinge geformtes Ätzschutzmuster 97a erstreckt sich an einer der Begrenzungen des Ätzschutzmusters 96 parallel zu der Wand 5a des Pfadloches 5 für die druckerzeugende Kammer. Ein Ätzschutzmuster 98a, welches wie eine Klinge geformt ist, erstreckt sich von der Wand 5c des Pfadloches 5 in Richtung des Pfadloches 5. Die Wand 5c liegt der Wand 7a des Pfadloches 7 in einer Linie mit der Wand 5a des Pfadloches 5 für die druckerzeugende Kammer gegenüber (die Wand 7a ist eine der Wände, die das Pfadloch 7 für den Tintenzufuhrpfad begrenzt). Ein gerades Muster, welches an seinem Mittelteil zu den Mustern 99 und 100 verbunden ist, erstreckt sich horizontal. Die linke Seite des geraden Musters ist durch das Bezugszeichen 97b gekennzeichnet, während, dessen rechte Seite durch Bezugszeichen 98b bezeichnet wird. Diese, schmalen Muster 97b und 98b, welche als Ätzschutzmuster dienen, befinden sich entsprechend zu den schmalen Ätzschutzmustern 97a und 98a.
Das vertikal in (110) orientierte Silizium-Einkristall- Substrat mit den derart gebildeten Ätzschutzmustern wird durch das anisotrope Ätzverfahren geätzt. Das Ätzen schreitet entlang der (111)-Fläche, welche unter einem Winkel von ungefähr 35º zu der. Front- und der Rückseite des Silizium-Einkristall-Substrates angewinkelt ist, wie oben beschrieben (Fig. 27A), fort. In einem Stadium, in dem das Ätzen, welches von der Front-, und der Rückseite des Substrates beginnt, in dem Substrat fortschreitet, nämlich wenn die Ätztiefe ungefähr die Hälfte der Dicke des Substrates (Fig. 27B) erreicht, wächst die Kante 80b des Ätzschutzmusters 80 in der im wesentlichen vertikal zu der (110)-Fläche des Silizium-Einkristall-Substrates (Fig. 27C) liegenden Richtung.
Daher schreitet das Ätzen vertikal bis zu dem Ende des Ätzschutzmusters 96 an der Düsenplattenseite fort. In anderen Worten schreitet das Ätzen so fort, daß die Oberfläche des Substrates unter dem Winkel von ungefähr 35º verbleibt und schreitet fort, bis es die Ätzmuster 99 und 100 auf der Vibratorplattenseite (Fig. 27D und 28A) schneidet. In Fig. 28 bezeichnet jeder Pfeil eine Neigung der verbleibenden Oberfläche. Insbesondere steigt die verbleibende Oberfläche in der durch die Pfeilspitze bezeichnete Richtung an.
Für die mit den Ätzschutzmustern 97a, 98a, 97b und 98b bedeckten Regionen schreitet das Ätzen in der im wesentlichen vertikal zu der Vorder- und der Rückseite des Silizium-Einkristall-Substrates liegenden Richtung fort, so daß die Regionen verkürzt werden. Mit diesen Mustern erreicht das Ätzen die Grenze des Ätzschutzmusters 96. Dann schreitet das Ätzen fort, so daß die Oberfläche, welche unter einem Winkel von 35º zu der Oberfläche des Silizium-Einkristall-Substrates abgeschrägt ist, wie in dem vorherigen Fall übrig bleibt (Fig. 28B). Das Ätzen erreicht die schmalen Ätzschutzmuster 99 und 100 und schreitet weiter fort. Dann wird das Ätzschutzmuster zweigeteilt in zwei Muster. Mit der Zweiteilung schreitet das Ätzen in Richtung der Wände 5a und 5b fort, während das Ätzen in die selbe Richtung fortschreitet wie diejenige der Ätzmuster 97a, 97b, 98a und 98B (Fig. 28C).
Wie schon gesagt, sind die schmalen Ätzschutzmuster 99 und 100, welche die Spitze der im Querschnitt dreieckigen Brücke bilden, nicht miteinander ausgerichtet. Dementsprechend wird ein Kantenbereich gebildet, an dem sich die (111)-Flächen schneiden, wodurch die Bildung einer vertikalen Wand verhindert wird.
Wenn die Ätzschutzmuster 99 und 100 miteinander ausgerichtet sind, wird eine Wand, deren (111)- Kristallfläche vertikal ist und welche in der Form den Ätzschutzmustern 99 und 100 ähnelt, gebildet. Diese Wand unterteilt die druckerzeugende Kammer in zwei Bereiche.
Nachdem die Ätzschutzmuster 99 und 100, welche auf der Seite der Vibratorplatte gebildet sind, verschwinden, schreitet das Ätzen weiter fort. Dann wird eine Brücke 95 gebildet, bei der sich die abgeschrägten Oberflächen 95a und 95b der (111)-Flächen, welche unter ungefähr 35º abgewinkelt sind, wenn sie im Querschnitt betrachtet werden, schneiden.
Wenn der Ätzprozeß weiter fortgeführt wird, wird die Spitze der Brücke geätzt, um flach zu sein. Der Ätzprozeß wird jedoch gestoppt, wenn die Regionen rund um die Düsenöffnung und den Tintenzufuhrpfad wie angestrebt geformt sind. Dementsprechend sind die Ätzschutzmuster 96, 99 und 100 durch den Zeitpunkt des Stoppens des Ätzprozesses bestimmt.
In dem obigen Beispiel ist die Brücke 95 über das Pfadloch 5, welches die druckerzeugende Kammer 48 sein soll, gebildet. Falls nötig, kann es über das Pfadloch 7, welches der Tintenzufuhrpfad sein soll, wie in Fig. 29 gezeigt, gebildet werden. Wie gezeigt, wird eine Brücke 102 mit dreieckigem Querschnitt über das Pfadloch 7 gebildet. Ein Verfahren, das ähnlich zu dem für die Bildung der Brücke 95 eingesetzten ist, kann für die Bildung der Brücke 102 eingesetzt werden.
Auch in diesem Beispiel werden die Wände 7a und 7b des Pfadloches 7 durch die Brücke 102 gestützt. Aufgrund dieser Struktur kann die Größe der Breite des Pfadloches 5 und des Pfadloches 7 während dem Zusammenbaustadium aufrechterhalten werden.
Der Abstandhalter 4, welcher aus dem Silizium- Einkristall-Substrat gefertigt ist, ist sehr dünn, nämlich ungefähr 220 um dick. Deswegen ist die mechanische Festigkeit des Abstandhalters insbesondere in einem spezifischen Bereich des Abstandhalters schwach. Der Abstandhalter 4 beinhaltet große Räume, wie druckerzeugende Kammern 48 und die Reservoire. In diesem Sinne besteht der Abstandhalter 4 aus einem Hauptbereich 4a und einem Randbereich 4b (Fig. 30). Der Hauptbereich 4a umfaßt eine Mehrzahl der Pfadlöcher 5 für die druckerzeugenden Kammern 48. Der Randbereich 4b umfaßt eine Mehrzahl der Pfadlöcher 6 für die Reservoirs in Verbindung mit den Pfadlöchern 5. In jedem dieser großen Räume sind die Hauptoberflächen des großen Raums, nämlich die oberen oder die unteren Seiten, welche den großen Raum begrenzen, in freitragender Weise gehalten. Daher ist eine Übergangsregion zwischen dem Hauptbereich 4a und dem Randbereich 4b mechanisch empfindlich.
Um hiermit zurecht zu kommen, werden Verstärkungsmittel zum Verstärken dieser empfindlichen Region eingesetzt. Das Verstärkungsmittel ist in der Form einer Trennwand 105 ausgeführt, welche zwischen dem Hauptbereich 4a und dem Randbereich 4b in der Nähe des Tintenzufuhrpfades 104, welcher Tinte von einem externen Tank empfängt, gebildet (Fig. 30A). Die Trennwand 105 ist unter einem Winkel θ (70,5º) in Bezug auf die vertikale Linie in der Zeichnung abgewinkelt. Die Trennwand 105 kann in einer vorhergehenden Weise gebildet werden.
Die Trennwand. 105 überbrückt zwischen den Wänden der Pfadlöcher 6 oder des Tintenzufuhrpfades 104, wobei sie den Tintenzufuhrpfad 104 überquert. Sie wirkt behindernd auf den Tintenfluß von dem Tintentank zu dem Reservoir. Deshalb kann hochwahrscheinlich das Problem eines gestörten Tintenausstosses auftreten, nachdem eine alte Tintenpatrone durch eine neue ausgetauscht wurde. Dieses Problem kann jedoch gelöst werden durch die geeignete Wahl der Breite W der Trennwand 105, wie anhand eines Graphen aus Fig. 31, der eine Kurve zeigt, welche die Rate des Auftretens gestörten Ausstossens im Verhältnis zur Breite der Trennwand wiedergibt, zu sehen ist.
Wie in Fig. 31 zu sehen, steigt die Rate des Auftretens gestörten Ausstosses abrupt an, wenn die Breite W der Trennwand 105 80 um überschreitet. Für den Abstandhalter von 180 bis 200 um kann eine ausreichende, mechanische Festigkeit der Übergangsregion des Abstandhalters gewährleistet werden, wenn die Breite W der Trennwand 105 als ungefähr 20 um gewählt wird, und das Problem gestörten Ausstossens kann gelöst werden.
Dementsprechend ist es ratsam, die Breite W der Trennwand 105 zwischen 20 und 80 um zu wählen.
Das Verstärkungsmittel kann wie in Fig. 30B gezeigt, modifiziert werden. In der Modifikation kreuzt eine weitere Trennwand 105b die Trennwand 105 (welche in diesem Beispiel als 105a gekennzeichnet ist) in einem Zentralbereich des Tintenzufuhrpfades 104. Dieses modifizierte Verstärkungsmittel verhindert ein schwaches Bonden, welches möglicherweise durch ein Verbiegen der Vibratorplatte 10 in einem Bereich nahe dem Tintenzufuhrpfad 104 ausgelöst wird, wenn die Düsenplatte 1, der Abstandhalter 4 und die Vibratorplatte 10 zusammengesetzt und aneinander gebondet werden und an dem. Druckkopfkörper 42 befestigt werden. Dementsprechend sickert keine Tinte in die piezoelektrischen, vibrierenden Glieder 32, und eine normale Arbeitsweise der piezoelektrischen, vibrierenden Glieder 32 ist gesichert. Die Trennwand 105b umfaßt die Oberflächen, welche parallel zu den Wänden 5a und 5b des Pfadloches 5 sind. Die Breite W der Trennwand 105b ist ausgewählt, bevorzugt zwischen 20 und 80 um zu sein, wie in Fig. 31 zu sehen ist. Die Länge L1 der Trennwand 105b, wo sie mit der Vibratorplatte 10 verbunden ist, ist bevorzugt gleich der Dicke des Abstandhalters 4 oder länger.
Mehr als drei Trennwände können in Anbetracht des Problems des gestörten Ausstosses und anderen gebildet werden.
Ein Tintenstrahldruckkopf gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf die Fig. 32 und 33 beschrieben. Wie gezeigt, werden in dem Tintenstrahldruckkopf druckerzeugende Kammern 48 durch einzelne Kammerunterteilungsmittel unterteilt. Die Kammerunterteilungsmittel bestehen aus einem schmalen Raum 110, welcher durch ein Paar sehr dünner Trennwände 111 und 112 begrenzt ist.
Ein für den Tintenstrahldruckkopf eingesetzter Abstandhalter ist in den Fig. 34a und 34b abgebildet. Wie gezeigt, nehmen die schmalen Räume 110, welche die druckerzeugenden Kammern 48 unterteilen, die Form von Schlitzen 114 ein. Jeder Schlitz 114 erstreckt sich von dem Tintenzufuhrpfad 7 bis zu einer Stelle jenseits der Düsenöffnung 2. In der Ausführungsform sind die Trennwände 111 und 112 des Kammerunterteilungsmittels 15 um dick. Die Trennwände 111 und 112 weisen eine solche Dicke auf, um diesen Wänden zu ermöglichen, elastisch deformierbar zu sein, wenn die Wände einem Druck ausgesetzt sind, welcher ausgelöst wird, wenn ein Druck auf die Tinte zum Tintenausstoß ausgeübt wird. Eine schräge Brücke 95 mit einem dreieckigen Querschnitt überquert jede druckerzeugende Kammer 48 auf eine Art, daß sie die Trennwände 111 und 112 benachbarter Kammerunterteilungsmittel wie gezeigt, verbindet. Die Brücke 95 befindet sich in dem Zentralbereich jeder druckerzeugenden Kammer 48, wenn sie in der longitudinalen Richtung der Kammer betrachtet wird.
Die Brücke 95 befindet sich auf der Seite des Abstandhalters 4, welche näher zu der Düsenplatte 1 liegt und ist von der Vibratorplatte 10 mit einem festen Abstand beabstandet. Die Bereitstellung der Brücke 95 behindert den Fluß von Tinte innerhalb der druckerzeugenden Kammer 48 nicht. Die Dicke der Brücke 95 ist zu einem solchen Maße ausgewählt, um die Trennwände 111 und 112 daran zu hindern, in Richtung des engen Raumes 110 oder der druckerzeugenden Kammer 48 zu fallen. In dieser Ausführungsform beträgt die Höhe von der Basis des Dreiecks (des Querschnitts der Brücke 95) zu der Spitze ungefähr 70 um.
In einem derart konstruierten Tintenstrahldruckkopf sind die piezoelektrischen, vibrierenden Elemente 30, welche in einem longitudinalen Vibrationsmodus vibrieren, an den ersten Enden der druckerzeugenden Kammern 48 befestigt und an ihren zweiten Enden an den Inseln 11 der Vibratorplatte 10 angebracht. Auf Druckdaten basierende Steuerungssignale werden an den Druckkopf angelegt. In Antwort auf die Steuerungssignale expandieren die piezoelektrischen, vibrierenden Elemente 30 longitudinal, um die druckerzeugenden Kammern 48 zu komprimieren, um Druck in den Kammern zu erzeugen.
Der erzeugte Druck expandiert die druckerzeugende Kammer 48, wodurch die Trennwände 111 und 112 in Richtung der engen Räume 110 und der Vibratorplatte 10 nach außen verbogen werden und wodurch ein Ausstoßen von Tinte durch die Düsenöffnung 2 ausgelöst wird.
Die engen Räume 110 der Kammerunterteilungsmittel, welche die druckerzeugenden Kammern 48 unterteilen, absorbieren die Deformation der Trennwände 111 und 112, welche die engen Räume 110 begrenzen, wodurch sie die Übertragung der Verschiebung der Trennwände 111 und 112 auf die benachbarten druckerzeugenden Kammern 48 blockieren. Die Bereitstellung der engen Räume 110 verhindert effizient das Übersprechen.
In den Fig. 36A und 36B wird ein weiterer Abstandhalter gezeigt, welcher für die zweite Ausführungsform des Tintenstrahldruckkopfes angepaßt werden kann. Wie gezeigt, ist in diesem Abstandhalter ein zweiter Schlitz 115 ausgebildet, der sich in der Richtung der Gruppierung der Düsenöffnungen 2 erstreckt. Der zweite Schlitz 115 verläuft kontinuierlich zu den als enge Räume 110 dienenden Schlitzen 114 und ist an der Öffnung 115a zur Luft hin geöffnet.
Mit dieser Struktur sind die engen Räume 110 nicht durch die Düsenplatte 1 und die Vibratorplatte 10 abgeschlossen. Dementsprechend sind die Trennwände 111 und 112 durch eine Umgebungstemperaturveränderung nicht deformierbar.
In diesem Beispiel der Ausführungsform sind die engen Räume 110, welche durch die Trennwände 111 und 112 begrenzt sind, zu dem zweiten Schlitz 115, der sich an einem Ende des Abstandhalters 4 befindet, verbunden. Falls nötig, können diese engen Räume 110 oder die Schlitze 114 direkt zur Luft an beiden Enden des Abstandhalters einzeln geöffnet sein.
Fig. 37A und 37B sind Aufsichten, welche ein Ätzmuster zur Herstellung eines wie oben beschrieben strukturierten Abstandhalters 4 durch Ätzen eines Silizium-Einkristall- Substrates der kristallographischen Achsen (110) durch ein anisotropes Ätzverfahren zeigen. Fig. 37A zeigt ein Ätzmuster auf der Seite des Silizium-Einkristall- Substrates, auf der die Brücke 95 gebildet ist, und Fig. 37B zeigt ein Ätzmuster auf dessen Seite an der ein Abtand oberhalb der Brücke 95 bereitgestellt ist, um den freien Fluß von Tinte in der druckerzeugenden Kammer 48 zu gewährleisten. In den Fig. 37A und 37B bezeichnen die schraffierten Bereiche Ätzschutzfilme.
In Fig. 37A bezeichnen die Bezugszeichen 120a und 120b Öffnungen zur Definition von Ätzbereichen, um Räume für die druckerzeugenden Kammern 48 auf einer Seite des Silizium-Einkristall-Substrates zu gewährleisten. In Fig. 37B bezeichnen die Bezugszeichen 120c und 120d auch Öffnungen zum Definieren von Ätzbereichen, um Räume für die druckerzeugenden Kammern 48 auf der anderen Seite des Silizium-Einkristall-Substrates zu gewährleisten. Ein Schutzfilm 121a zum Schützen eines Bereiches, welcher der Brücke 95 entspricht, gegen das Ätzen, ist zwischen den Öffnungen 120a und 120b ausgebildet. Ein kleiner Schutzfilm 121b, um dem Ätzen bis zu einem gewissen Grad zu widerstehen, ist in dem Ätzmuster auf der anderen Seite des Silizium-Einkristall-Substrates ausgebildet.
Schmale Öffnungen 122a und 122b sind in dem Ätzschutzmuster auf der Seite der Düsenöffnung des Silizium-Einkristall-Substrates ausgebildet (Fig. 37A). Die schmalen Öffnungen 122a und 122b befinden sich zwischen den Öffnungen 120a und 120b, um die Schlitze 114 zu bilden, die jeweils durch die Trennwände 111 und 112 begrenzt sind.
Öffnungen 123a und 123b für die Pfadlöcher 6 der Reservoire sind näher zu den Tintenzufuhrpfaden zu den druckerzeugenden Kammern ausgebildet. Die Öffnungen 123a und 123b sind zu den Öffnungen 120b und 120d zur Bildung der druckerzeugenden Kammern 48 jeweils durch enge Öffnungen 124a und 124b verbunden. Diese engen Öffnungen 124a und 124b dienen zum Ätzen der Pfadlöcher 7 für die Tintenzufuhrpfade. Ätzschutzmuster 125 sind zum Überprüfen des Fortschreitens eines exzessiven Ätzens in relativ schmale Räume, welches durch den Kanteneffekt im anisotropen Ätzprozeß ausgelöst ist, eingesetzt.
Von diesen Öffnungen 120a bis 120d für die druckerzeugenden Kammern sind die Öffnungen 120a und 120b auf einer Seite des Silizium-Einkristall-Substrates (Fig. 37A) größer als die Öffnungen 120c und 120d auf der anderen Seite (Fig. 37B) oder umgekehrt. Das gleiche ist entsprechend angewandt für die Öffnungen 124a und 124b.
Genauer sind die Öffnungen 120a, 120b und 124a auf einer Seite des Substrates um ungefähr 5 um größer als die entsprechenden Öffnungen 120c, 120d und 124b auf dessen anderer Seite, so daß die ersteren Öffnungen die letzteren überdecken, wenn diese Öffnungen im Stadium des Drückens der Ätzschutzmuster fehlerhaft positioniert werden.
Ein anisotroper Ätzprozeß wird beschrieben.
Ein Silizium-Einkristall-Substrat 130 der kristallographischen Achse (110), welches z. B. 220 um dick ist (genügend, um der für den Abstandhalter benötigten Dicke zu genügen), wird vorbereitet. Ein Siliziumdioxidfilm 131 von beispielsweise 1 um Dicke wird auf der gesamten Oberfläche des Silizium-Einkristall- Substrates 130 durch einen thermischen Oxidationsprozeß gebildet. Der 1 um dicke Film 131 ist ausreichend, damit der Film 131 als Schutzfilm gegen eine anisotrope Ätzflüssigkeit dient (Fig. 38A).
Foto-setzende fotoempfindliche Lagen sind auf dem Siliziumdioxidfilm 131 auf der Vorder- und der Rückseite des Silizium-Einkristall-Substrates 130 gebildet. Nachdem die Muster (Fig. 37A) auf einer Seite des Substrates positioniert sind und die Muster (Fig. 37C) auf dessen anderer Seite positioniert sind, wird die Struktur dann Licht ausgesetzt. Anschließend wird die Struktur in Photolithographieflüssigkeit eingetaucht. Die lichtausgesetzten Bereiche, d. h. die Bereiche, in denen Pfadlöcher gebildet werden sollen, auf dem Substrat werden aufgelöst, um die Öffnungen 133 und 134 zu bilden, da diese Bereiche nicht ausgehärtet sind (Fig. 38B).
In diesem Zustand wird die Struktur mittels einer Fluorwasserstofflösung geätzt. Die Siliziumdioxidfilme 131 innerhalb der Öffnungen 133 und 134 werden entfernt.
Wie oben beschrieben, überdeckt das Siliziumdioxidmuster 131a, welches auf einer Seite des Substrates gebildet ist, das Siliziumdioxidmuster 131b auf dessen anderer Seite (Fig. 38C).
Die Struktur wird in einer wässrigen. Lösung von Kaliumhydroxid von ungefähr 17% Dichte, welche bei einer festen Temperatur, z. B. 80ºC, gehalten wird, geätzt. In dem Ätzprozeß werden nur die Bereiche des Siliziumdioxidfilmes, die den Öffnungen 133 und 134 entsprechen, bei einer Rate von 2 um pro Minute weggeätzt, wobei die Muster 131a und 131b des Siliziumdioxidfilmes als Schutzfilme dienen. In diesem Fall schreitet das Ätzen von beiden Seiten des Substrates unter einem Winkel von ungefähr 35º zur Oberfläche des Substrates, nämlich in der Richtung vertikal zu der kristallographischen (111)-Achse, fort.
Die Muster 131a und 131b, welche auf der Vorder- und der Rückseite des Silizium-Einkristall-Substrates 130 gebildet sind, weisen eine solche Größe auf, daß ein Muster das andere überdeckt, nämlich die Grenze des Ätzschutzmusters, welches eine Position der Wand begrenzt, ist an einer Stelle außerhalb der Grenze des Ätzschutzmusters, das gegenüber dem ersteren Ätzschutzmuster in spiegelbildlicher Weise angeordnet ist, angeordnet. Dementsprechend ist nach Beendigung des Ätzprozesses die Wand eines gebildeten Pfadloches 135 durch das Muster 131b begrenzt, dessen Grenze außerhalb positioniert ist (Fig. 38D).
Aus diesem Grund wird sogar, wenn die Ausrichtung der Muster auf der Vorder- und der Rückseite des Substrates nicht exakt ist, das Ätzen durchgeführt, während es durch die größere Öffnung 134 begrenzt ist.
Wenn ein anisotroper Ätzprozeß mit einem Muster mit nur einer Öffnung 136 (Fig. 38E) durchgeführt wird, schreitet das Ätzen entlang einer spezifischen Kristallachse voran. Als Ergebnis schreitet das Ätzen voran, während es durch die Öffnung 136 begrenzt ist, wodurch eine Konkavität 138 trapezförmigen Querschnittes auf der Seite der Struktur, auf der die Aussparung gebildet ist, gebildet wird (Fig. 38F).
Wenn die Schlitze derart durch einen anisotropen Ätzprozeß mittels der Öffnung 136, die auf nur einer der Seiten des Substrates, insbesondere nur dessen Seite, die an der Düsenplatte 1 befestigt werden soll, gebildet ist, gebildet sind, ist jeder der resultierenden Schlitze wie in Fig. 39A gezeigt, mit einem trapezförmigen Querschnitt geformt. Wie in der Figur zu sehen, ist die Öffnungsfläche des Schlitzes, die der Vibratorplatte 10 gegenüberliegt, klein. Daher ist eine große Kontaktfläche zwischen dem Abstandhalter und der Vibratorplatte 10, welche eine Kraft von den piezoelektrischen, vibrierenden Gliedern zum Zeitpunkt des Tintenausstosses aufnimmt, gewährleistet. Weiterhin ist die mechanische Festigkeit der Trennwände 111 und 112 auf der Seite der Struktur, welche keine Brücken 95 aufweist und welche an der Vibratorplatte 10 befestigt wird, gesteigert.
In der obengenannten Ausführungsform ist der Schlitz lang genug, um die volle Höhe der druckerzeugenden Kammer abzudecken. Die Länge des Schlitzes kann jedoch in Übereinstimmung mit der Nachgiebigkeit, welche für die druckerzeugende Kammer benötigt wird, angepaßt, werden. Wenn die Länge der druckerzeugenden Kammer so ausgewählt ist, kann die für den Tintenaussstoß optimale Nachgiebigkeit erzielt werden.
In der obengenannten Ausführungsform sind die Schlitze 114 von nur einer Seite des Abstandhalters oder des Substrates durch einen Ätzprozeß gebildet. Falls nötig, werden wie in den Fig. 40A und 40B gezeigt, schmale Aussparungen 122a und 122b und 122c und 122d zum Bilden der Schlitze auf den Mustern auf beiden Seiten des Silizium-Einkristall-Substrates gebildet. Die Schlitze werden gebildet durch Ätzen des Silizium-Einkristall- Substrates von dessen beiden Seiten mittels der Aussparungen. In diesem Fall sind die Öffnungsbereiche des oberen und des unteren Endes jeden Schlitzes wie in Fig. 39B gezeigt, gleich zueinander.
Wenn dieses Schlitzbildungsverfahren durch Bearbeiten des Substrates von dessen beiden Seiten durch einen anisotropen Ätzprozeß für einen Fall angewendet wird, in dem die Düsenöffnungen unter relativ großen Abständen gruppiert sind, ist es einfach, die angestrebte Nachgiebigkeit zu erzielen.
In der obengenannten Ausführungsform sind die Trennwände, welche die druckerzeugende Kammer horizontal begrenzen, von einheitlicher Dicke. Die engen Räume 110 können jedoch wie in Fig. 41 gezeigt, verschoben zu einer druckerzeugenden Kammer konstruiert sein. In diesem Fall übernimmt von den Wänden 111 und 112, welche die druckerzeugende Kammer horizontal begrenzen, die Wand 111 die Aufgabe der Nachgiebigkeit.
In den obengenannten Ausführungsformen wurde der sogenannte Flächen-Tintenstrahldruckkopf, bei dem die Düsenplatte, der Abstandhalter und die Vibratorplatte übereinander gestapelt sind, diskutiert.
Der aus Silizium hergestellte Abstandhalter, bei dem die druckerzeugenden Kammern, der Abstandhalter und die Reservoire durch die Pfadlöcher gebildet sind, wurde beschrieben. Ein weiterer Typ des Abstandhalters wird beschrieben werden.
Fig. 42 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht, welche einen Schlüsselbereich eines Tintenstrahldruckkopfes zeigt.
In Fig. 42 sind eine Düsenplatte mit Düsenöffnungen 210a, ein Abstandhalter 200 und eine Vibratorplatte 211 übereinander gestapelt, um Tintenflußpfade zu bilden. Der Abstandhalter 200 ist aus einem Siliziumeinkristall gefertigt, welcher eine vertikal in (110) orientierte Kristalloberfläche aufweist. Zwischenräume, welche im wesentlichen die Volumina der Tintenflußpfade der druckerzeugenden Kammern 201, Tintenzufuhrpfade 202 und des Reservoirs 203 bestimmen, werden durch den genannten anisotropen Ätzprozeß mittels einer Ätzflüssigkeit gebildet, bei dem eine Ätzrate von der Kristallorientierung abhängt. Die Oberfläche jeden Tintenpfades ist durch einen Schutzfilm (nicht gezeigt) getempert, in dem Verunreinigungsatome Silizium durch thermisches Eindiffundieren von Sauerstoffatomen zugesetzt sind, wodurch die Widerstandseigenschaften des Tintenpfades gegen Tinte und deren Affinität mit Tinte verbessert werden. Der Schutzfilm ist nicht notwendig. Wenn eingesetzte Tinte richtig ausgewählt und angepaßt ist, besteht kein Bedarf des Einsatzes des Schutzfilmes.
Der Tintenzufuhrpfad 202 weist einen dreieckigen Querschnitt auf (geformt wie ein V) und sein Volumen ist kleiner als dasjenige der druckerzeugenden Kammer 201, welche rechteckig berandet ist. Ein Flußwiderstand des Tintenzufuhrpfades 202 ist größer als derjenige der druckerzeugenden Kammer 201, wodurch die Effizienz des zwangsweisen Ausstosses von Tintentröpfchen, verbessert wird. Zum Zeitpunkt des Ausstossens wird die Menge von Tinte, welche in die Düse 210 fließt, vergrößert, während zur gleichen Zeit die Menge von Tinte, die in das Reservoir 203 von dem Tintenzufuhrpfad 202 fließt, verkleinert wird. Der Raum, der die druckerzeugende Kammer 201 sein soll, der parallelogrammförmig berandet ist, ist durch die (111)-Flächen parallel zur der Kristallachse < 211> eingeschlossen. Der Raum, der der Tintenzufuhrpfad 202 sein soll, ist durch die (111)- Flächen, welche parallel zu der < 110> -Achse "geneigt ist, begrenzt. Der Raum für den Tintenzufuhrpfad 202 befindet sich an der spitzwinkligen Ecke des Parallelogramms der druckerzeugenden Kammer 201, um einen glatten Fluß von Tinte und ein glattes Ausstoßen von Tintenblasen zu gewährleisten.
Ein Verfahren zum Herstellen des derart strukturierten Tintenstrahldruckkopfes wird jetzt beschrieben werden.
Fig. 43A bis 43D zeigen ein Set von Diagrammen, welche eine Sequenz von Schritten zur Herstellung des Tintenstrahldruckkopfes zeigen.
Ein Silizium-Einkristall-Substrat 200, bei dem die Kristallfläche der Oberfläche des Substrates vertikal in (110) orientiert ist, wird auf 900 bis 1100ºC erhitzt und in ein Hochtemperaturgas eines Oxidationsmittels wie Sauerstoff oder Wasserdampf plaziert, um dadurch Sauerstoffatome in die Oberflächenregion des Substrates einzudiffundieren. In dieser Ausführungsform wird durch den thermischen Oxidationsvorgang ein aus Siliziumoxid bestehender, 1,7 um dicker Film 230 gebildet. Der Siliziumdioxidfilm 230 wird als eine Maske in dem Schritt des anisotropen Ätzprozesses, der später vorgestellt werden wird, eingesetzt. Jedes andere Verfahren als der thermische Oxidationsprozeß wie z. B. CVD (chemical vapor deposition, chemische Gasphasenabscheidung) Verfahren, ein Ionenimplantationsverfahren und ein Anodenoxidverfahren kann zur Bildung des Filmes 230 eingesetzt werden. Der Siliziumsubstratfilm kann durch einen Siliziumnitridfilm, einen sogenannten p-Typ-Siliziumfilm, dem Bor- oder Galliumatome zugesetzt sind, oder einen sogenannten n-Typ-Siliziumfilm, dem. Arsen- oder Antimonatome zugesetzt sind, ersetzt werden.
Die Dicke des Silizium-Einkristall-Substrates ist vorzugsweise 0,1 bis 0,5 mm, stärker bevorzugt 0,15 bis 0,3 mm. In dem vorliegenden Fall wurde das Silizium- Einkristall-Substrat 200 einer Dicke von 0,18 mm eingesetzt.
Harzlack wird auf dem Silizium-Einkristall-Substrat angewandt, um dadurch, ein Muster darauf zu bilden. Der Siliziumoxidfilm 230 wird selektiv weggeätzt mittels einer sauren Ätzlösung wie einer wässrigen Lösung von Fluoroxid.
Nachdem der Harzlack entfernt ist, erscheint ein Maskiermuster des Siliziumoxidfilmes 230, welches in dem vorhergehenden Prozeßschritt angelegt wurde, wie in Fig. 43A gezeigt, auf dem Substrat. Eine Öffnung 231 ist eine Stelle für die druckerzeugende Kammer 201. Eine Öffnung 232 ist eine Stelle für den Tintenzufuhrpfad 202. Eine Öffnung 233 ist eine Stelle für das Reservoir 203.
Das Silizium-Einkristall-Substrat 200 wird durch einen anisotropen Ätzprozeß mittels einer Ätzlösung, bei der die Ätzrate abhängig von der Kristallfächenorientierung variiert, sowie eine wässrige Lösung von Natriumhydroxid oder eine wässrige Lösung von Kaliumhydroxid geätzt. Der anisotrope Ätzvorgang · endet über einen in Fig. 43B gezeigten Zustand in einem in Fig. 43C gezeigten Zustand. Speziell erscheint die (111)-Fläche, welche vertikal zu der (110)-Fläche der Oberfläche des Silizium-Einkristall- Substrates 200 liegt, und die (111)-Fläche, die geneigt zu derselben liegt, in der Öffnung 231, nachdem sie dem anisotropen Ätzprozeß unterzogen wurde. Eine geneigte (111)-Fläche erscheint ebenfalls in der Öffnung. Der anisotrope Ätzprozeß wird weiter fortgesetzt. Dann verschwindet die geneigte (111)-Fläche und eine vertikale (111)-Fläche erscheint. Durch die obigen Prozeßschritte werden Räume 201a, welche jeder im wesentlichen der Volumen der druckerzeugenden Kammer 101 bestimmen, Räume 202a, welche jeder im wesentlichen das Volumen des Tintenzufuhrpfades 202 bestimmen, und ein Raum 203a, welcher im wesentlichen das Volumen des. Reservoirs 203 bestimmt, gebildet, während sie durch vertikale (111)- Flächen 234 unterteilt sind.
In dem vorliegenden Fall wurde das Silizium-Einkristall- Substrat 200 für das anisotrope Ätzen für ungefähr 90 Minuten in einer wässrigen Lösung, welche 2,0 Gew.-% Natriumhydroxid umfaßt und bei 80ºC gehalten wird, getaucht. Die resultierende Struktur war wie in Fig. 43C gezeigt.
Eine Trennwand 234a, welche von den vertikalen (111)- Flächen abhängt, zum Unterteilen der Räume 201a, welche die druckerzeugenden Kammern 201 sein sollen, und den Räumen 202a, welche die Tintenzufuhrpfade sein sollen, und eine Trennwand 234b zum Unterteilen der Räume 202a, welche die Tintenzufuhrpfade sein sollen, und des Raumes 203a, welcher das Reservoir sein soll, werden durch eine isotrope Ätzlösung, wie etwa eine wässrige Lösung von Fluoroxid, entfernt. Der Siliziumoxidfilm 230 wird ebenfalls in dem Ätzvorgang mittels der isotropen Ätzlösung entfernt. Die Ätzrate in diesem Ätzvorgang ist im wesentlichen gleich zu derjenigen in dem Ätzprozeß für das Silizium-Einkristall-Substrat 200. Dementsprechend ist die Dicke der Trennwände 234 gleich derjenigen des Siliziumoxidfilmes 230 auf 1,7 um gesetzt. Der Einfluß von Ultraschallvibration anstatt der isotropen Ätzlösung kann zum Entfernen der Trennwände 234 eingesetzt werden.
Dann wird ein Schutzfilm (nicht gezeigt) gebildet, um gewünschte Widerstandseigenschaften des Tintenpfades gegen Tinte und eine gewünschte Affinität desselben mit Tinte zu erreichen. Der Typ des zu bildenden Schutzfilmes und die Mittel zum Bilden des Schutzfilmes sind die gleichen wie diejenigen in dem Schritt zum Bilden des Maskierungsmusters 230. Es kann vorgeschlagen werden, einen Siliziumoxidfilm durch den thermischen Oxidationsprozeß zu bilden.
Durch Bereitstellung der Trennwände 234 (234a und 234b) zum Unterteilen der Räume 201a und 202a wird ein exzessives Ätzen an der spitzwinkligen Ecke des Parallelogramms, welches als zweites in dem anisotropen Ätzprozeß auftritt, eliminiert. Als Ergebnis können die Räume 201a und 202a wie gewünscht, geformt werden.
Es wird angemerkt, daß die Tintenzufuhrpfade 202 und die druckerzeugenden Kammern 201 in ein einziges Teil (Silizium-Einkristall-Substrat 200) integriert sind. Mit dieser Struktur wird die präzise Formgebung als eine der vorteilhaften Eigenschaften von Silizium dafür eingesetzt, einheitliche Ausstoßcharakteristiken der Tintenpfade und eine geringere Variation der Produktcharakteristiken von Herstellungsmengen bereitzustellen. Nur die (111)-Flächen, bei denen die Ätzräte verglichen zu anderen Kristallflächen gering ist, bleiben übrig. Dementsprechend ist ein tolerierbarer Bereich, innerhalb dessen die Ätzkonditionen in dem anisotropen Ätzprozeß variiert werden können, breit. Extrem stabile Produkte können hergestellt werden.
Fig. 44 ist eine perspektivische Ansicht, welche einen Schlüsselbereich eines Tintenstrahldruckkopfes gemäß noch eines weiteren Tintenstrahldruckkopfes zeigt. In diesem Fäll ist jede druckerzeugende Kammer 201 mit einer Mehrzahl (zwei in diesem Fall) von Tintenzufuhrpfaden 202 ausgestattet. Räume 202a, welche die Tintenzufuhrpfade 202 sein sollen, sind jeweils an den spitz- und stumpfwinkligen Ecken des Parallelogramms des Raumes 201a, welcher die druckerzeugende Kammer 201 sein soll, angeordnet. Dadurch ist ein glatter Fluß von Tinte und eine glatte Entladung von Tintenblasen gewährleistet.
Fig. 45 ist eine perspektivische Ansicht, welche einen Schlüsselbereich eines Tintenstrahldruckkopfs entsprechend eines Vorschlages, welcher nicht der vorliegenden Erfindung entspricht, darstellt. Räume 204a, welche im wesentlichen die Volumina der Düsenöffnungen bestimmen, werden auch gebildet wie die Räume 202a der Tintenzufuhrpfade 202. Die Düsenöffnungen 204 befinden sich an einer äußeren Kante des Silizium-Einkristall- Substrates 200. Der Tintenstrahldruckkopf dieses Vorschlages ist ein sogenannter Kanten- Tintenstrahldruckkopf. Da eine Mehrzahl von Düsenöffnungen 204 auf einer Seitenfläche des Silizium- Einkristall-Substrates 200 gruppiert sind, wird die äußere Kante 200a durch Schneidemittel, wie einen Rotationsschleifer, poliert, um glatt zu sein.
Wie oben beschrieben, kann die Mehrzahl von Tintenzufuhrpfaden 202 stabil hergestellt werden, um einen gewünschten Flußwiderstand aufzuweisen. Diese Tintenzufuhrpfade können zusammen mit den druckerzeugenden Kammern 201 in dem Silizium-Einkristall- Substrat 200 gebildet werden. Jeder Tintenzufuhrpfad 202 ist an beiden Enden durch die Tintenzufuhrpfade 202 an beiden seiner Seiten gehalten und in ähnlicher Weise ist jede druckerzeugende Kammer 201 an beiden Enden durch die druckerzeugenden Kammern 201 an beiden Seiten gehalten. Daher ist ein einfaches Handhaben des Silizium- Einkristall-Substrates 200, nachdem die Tintenzufuhrpfade 202 und die druckerzeugenden Kammern 201 darin gebildet sind, realisiert, obwohl das Silizium des Silizium- Einkristall-Substrates 200 empfindlich ist.

Claims

1. Tintenstrahldruckkopf, umfassend:

einen Abstandhalter (4, 200), welcher Pfadlöcher (5, 90), welche Durchgangslöcher zum Bilden von druckerzeugenden Kammern (48, 201) sind. Tintenzufuhrpfade (104, 202) und Reservoire (203) umfasst, wobei die druckerzeugenden Kammern (48, 201) mit Düsenöffnungen (2, 210a, 204) kommunizieren;

ein Abdeckglied (1, 210) zum abdichtenden Abdecken der druckerzeugenden Kammern (48, 201), wobei das Abdeckglied (1, 210) die Düsenöffnungen (2, 210a, 204) umfasst;

Druckerzeugungsmittel (30), um Druck in Übereinstimmung mit Druckdaten zu erzeugen;

eine Vibratorplatte (10) zum Übertragen des durch die Druckerzeugungsmittel (30) erzeugten Druckes auf die druckerzeugenden Kammern (48, 201);

wobei der Abstandhalter (4, 200)zwischen das Abdeckglied (1, 210) und die Vibratorplatte (10) zwischengelagert ist, um eine laminierte Struktur aus dem Abstandhalter (4, 200), dem Abdeckglied (1, 210) und der Vibratorplatte (10) zu bilden;

dadurch gekennzeichnet, dass

Trennwände (111, 112) zum Unterteilen benachbarter druckerzeugender Kammern (48, 201) bereitgestellt sind, wobei Unterteilungsräume (110) in der Form von Schlitzen (114) zwischen den Trennwänden (111, 112) bereitgestellt sind und wobei jede der Trennwände (111, 112) eine solche Dicke aufweist, dass sie elastisch deformierbar ist, wenn ein Druck zum Tintenausstoss ausgeübt wird.

2. Tintenstrahldruckkopf gemäß Anspruch 1, wobei die Schlitze (114) von einer Seite eines Silizium- Einkristall-Substrates (60, 72, 130) durch einen anisotropen Ätzprozess gebildet sind.

3. Tintenstrahldruckkopf gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Querschnitt eines jeden der Schlitze (114) eine trapezförmige Form aufweist.

4. Tintenstrahldruckkopf gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei jeder der Schlitze (114) zwischen benachbarten druckerzeugenden Kammern (48, 201) gebildet ist.

5. Tintenstrahldruckkopf gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Schlitze (114, 115) zur Luft hin geöffnet sind.

6. Tintenstrahldruckkopf gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei gegenüberliegende Wände (111, 112) einer jeder der druckerzeugenden Kammern (48, 201) durch ein Brückenmittel (95) verbunden sind, welches an einem Teil des Pfadloches (5, 90), welches die druckerzeugende Kammer (48, 201) bildet, gebildet ist.

7. Tintenstrahldruckkopf gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Abstandhalter (4, 200) einen Hauptbereich (4a), welcher die Pfadlöcher (5, 7) zum Bilden der druckerzeugenden Kammern (48, 201) und der Tintenzufuhrpfade (202) umfasst, und einen Randbereich (4b) umfasst, welcher die Pfadlöcher (6) für die Reservoire (203) und eine Trennwand (105) umfasst, welche gebildet ist, um einen Tintenzufuhrpfad (104), um extern Tinte aufzunehmen, zu überqueren.