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Diese Erfindung bezieht sich allgemein
auf Flüssigtintendruckköpfe und
im Besonderen auf ein Verfahren zur Herstellung einer Düsenplatte
für thermische
Tintenstrahldruckköpfe
durch Elektroabscheiden und thermische Kunststoffpresstechnik.
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Ein typischer Tintenstrahl-Druckkopf
zur Verwendung in einem Tintenstrahldrucker schließt eine Tintenflusssteuerungskomponente
oder Düsenplatte ein,
wie etwa ein geätztes
Siliziumsubstrat, welches eine lineare Anordnung von einseitig offenen
Kanälen
aufweist, die in Verbindung mit einem gemeinsamen Tintenvorrat und
einer Logik und einer thermischen Wandlerkomponente stehen, ebenso
bekannt als eine Erhitzerplatte, welche beispielsweise einschließt eine
lineare Anordnung von individuellen Heizelementen, im Allgemeinen
Widerständen,
monolithisch integrierten Logiktreibern und Steuerschaltung. Die
Düsenplatte
ist ausgerichtet mit und angepasst an die Heizplatte, wobei ein
Widerstand mit jedem Kanal ausgerichtet ist und von dem offenen Ende
des Kanals mit einem vorbestimmten Abstand angeordnet ist. Die offenen
Kanalenden dienen als Tropfenejektoren, Auswurtkanäle oder
Düsen.
Leistungs-MOS-Treiber, welche nahe bei und auf demselben Substrat
integriert sind, wie die Anordnung der Widerstände, werden durch eine ebenso
auf demselben Substrat integrierte Steuerschaltung betrieben, welche
wahlweise die Treiber aktiviert, welche Strompulse auf die Widerstände anwenden.
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Ein bekanntes Verfahren zur Herstellung
von thermischen Tintenstrahldruckköpfen besteht darin, eine Vielzahl
von Tintenflusssteuerungskomponenten und eine Vielzahl von Logik,
Treiber, und Termalwandlerkomponenten auf jeweiligen Siliziumplatten auszubilden
und darauffolgend die Platten zueinander auszurichten und zu kleben,
gefolgt von einem Prozess zur Trennung der Platten in eine Vielzahl
von individuellen Druckköpfen,
wie etwa durch Zertrennen. Die individuellen Druckköpfe werden
in einem gemeinsamen Entwurf von Drucker verwendet, in welchem der
Druckkopf periodisch über
ein Blatt Papier bewegt wird, um ein Druckbild auszubilden, ähnlich wie
bei einer Schreibmaschine. Einzelne Druckköpfe können auch Seite an Seite zusammengefügt werden,
auf einem Stützsubstrat
angeordnet, ausgerichtet und dauerhaft in der Lage fixiert werden,
um einen großen,
feldartigen thermischen Tintenstrahldruckkopf oder einen feldartigen
Druckkopf für
Seitenbreite auszubilden.
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Obwohl Düsenplatten aus Siliziumplatten eine
gute Druckdichte und genaues Drucken von Bildern bereitstellen,
ist Silizium ein teueres Material und muss geätzt werden, um tintentragende
Merkmale, wie etwa Kanäle
und Tintenbehälter,
zu schaffen. Der Ätzprozess
ist ein ziemlich langwieriger Prozess und ist ziemlich teuer, wenn
in Betracht gezogen wird, dass die Kanalplatte keine aktiven Komponenten
aufweist, sondern nur eine physische Struktur bereitstellt, um Tinte
an dem Heizer vorbei zu bewegen, zum Ausstoßen aus den Kanälen. Weiterhin
ist das Ätzen
von Siliziumplatten ein komplizierter Prozess, welcher einschließt, sich
auf die Einbeziehung von Chemikalien zu verlassen, um die tintentragenden Merkmale
auszubilden. Demzufolge sind, obwohl Siliziumdüsenplatten die Anforderung
der Auslegung erfüllen,
preiswertere und zuverlässig
reproduzierbare Düsenplatten
wünschenswert.
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JP-A-62,244,653 offenbart einen Druckkopf für Tintenstrahldrucker
und dessen Herstellung. Dieser Druckkopf verwendet eine Düsenplatte,
welche Düsenöffnungen
und eine Vielzahl von Trennwänden aufweist,
welche die Düsenöffnungen
trennen. Als Basismaterial für
die Düsenplatte
wird eine mit dünne Metallplatte
verwendet. Die Trennwände
werden ausgebildet durch Stanzen der dünnen Metallplatte, und die Öffnungen
werden durch Bohren der dünnen Metallplatte
in den Düsen
zwischen den Trennwänden
ausgebildet.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden
Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Düsenplatte
für einen
Tintenstrahldrucker bereitgestellt. Das Verfahren zur Herstellung
schließt
die Schritte des Pressens eines pressbaren Materials ein, um eine
gepresste Düsenplatte
bereitzustellen und Entfernen eines Abschnitts der gepressten Düsenplatte, um
tintentragende Merkmale derselben zu freizulegen.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend in
der Art eines Beispiels beschrieben mit Bezug auf die beiliegenden
Zeichnungen, in welchen:
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1 eine
schematische Schrägansicht
eines herkömmlichen
Tintenstrahldruckkopfelements zur Verwendung in einem Tintenstrahldrucker
ist.
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2 eine
schematische, ausschnittsweise perspektivische Ansicht eines einzigen
Kanalelementes zur Verwendung in einem Druckkopf ist.
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3 eine
schematische Querschnittsansicht eines Kanalelements entlang der
Linie 3-3 der 2 ist,
wobei das Elektroanscheiden einer ersten Form gezeigt ist.
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4 eine
schematische Seitenansicht einer im Wesentlichen planaren zweiten
Form ist, welcher durch einen Elektroabscheidungsprozess auf einer
Siliziumplatte ausgebildet ist.
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5 ein
ebenes Thermoplast verdeutlicht, welches zwischen der ersten Form
und der zweiten Form fertig zum Pressen angeordnet ist.
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6 eine
schematische Darstellung der Struktur der Thermoplastplatte während des
Pressens zwischen der ersten Form und der zweiten Form verdeutlicht.
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7 eine
Vielzahl von thermoplastischen Düsenplattenelementen
verdeutlicht, welche auf einer großen thermoplastischen Platte
nach dem Pressen angeordnet sind und eine vergrößerte Explosionsansicht von
einem der Düsenplattenelemente.
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8 eine
schematische Seitenansicht eines Entfernungsprozesses zum Entfernen
einer vorbestimmten Materialmenge von einer der Oberflächen der
Düsenplatte
verdeutlicht.
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9 eine
schematische Querschnittsansicht eines Abschnitts eines Heißtintenstrahldruckkopfes
verdeutlicht, wobei ein Kunststoffkanalelement zusammengepasst mit
einem Heizelement verdeutlicht wird.
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Im Falle eines Druckkopfelementes,
welches ein Kanalelement aus Silizium aufweist, werden die tintentragenden
Merkmale, etwa wie die Tintenkanäle
und Tintenreservoire, typischerweise auf der Oberfläche einer
Siliziumplatte mit orientierungsabhängigen Ätzen oder anisotropen Ätzen erzeugt.
Ein derartiges bekanntes Heißtintenstrahldruck kopfelement
ist in 1 verdeutlicht,
in dem ein Tintenstrahldruckkopfelement 10 ein Kanalelement 12 einschließt, welches
eine Vielzahl von Tintenejektoren oder Kanälen 16, die in Düsen 18 enden,
aufweist, welche Seite an Seite entlang der Frontfläche 14 angeordnet sind.
Das Kanalelement 12 schließt ebenso ein Tintenreservoir
oder Tintenfüllloch 20 ein,
welches ermöglicht,
dass Tinte in die Kanäle 16 sich
durch Kapillarwirkung füllt
zur späteren
Ablage auf ein Aufzeichnungsmedium, wie etwa ein Blatt Papier oder ein
Transparent. Zusätzlich
kann das Kanalelement 12 eine Anschlagante 22 aufweisen,
welche die Vorderseite schneidet. In einer Seitenbreitenanordnung würde die
Anschlagkante eine Anschlagkante eines benachbarten Druckkopfelements
berühren.
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Benachbart an und unterhalb dem Kanalelement 12 ist
ein unteres elektrisches Substrat oder Heizerelement 24 angeordnet,
welches eine zweite Vorderseite 26 aufweist, die eine Anschlagkante 28 schneidet.
Das Heizelement 24 schließt eine Vielzahl von einzelnen
Heizern (nicht gezeigt) ein, welche auf dem Siliziumsubstrat Seite
an Seite derartig gemustert sind, dass jeder einzelne Heizer von
der Lage her mit einem der Kanäle 26 in
Beziehung steht, wenn das Heizerelement 24 mit dem Kanalelement 12 zusammengepasst
wird. Das Heizerelement 24 schließt eine elektronische Schaltung
zum Betrieb der einzelnen Heizer ein, welche beispielsweise aus Halbleitertreibern
besteht, die durch eine logische Schaltung gesteuert werden. Die
logische Schaltung ist ihrerseits mit einer Vielzahl von Elektrodenanschlüssen 32 verbunden,
welche Signale von dem elektronischen Untersystem eines Tintenstrahldruckers
empfangen. Eine Dickfilmisolationsschicht 32 ist auf der
Oberseite der Schaltung des Heizerelements 24 aufgebracht.
Die Dickfilmisolationsschicht 32 ist eine Passivierungsschicht,
welche zwischen dem unteren und oberen Substrat eingebracht ist. Die
Passivierungsschicht 32 stellt einen Schutz für die elektronische
Schaltung gegenüber
mobilen Ionen und jedwelchen verschlechternden Wirkungen der Tinten
bereit.
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Das Kanalelement 12 ist
eines von vielen Kanalelementen, welche beispielsweise auf einer
Siliziumplatte ausgebildet werden. Die tintentragenden Merkmale
des Kanalelements 12, welches die Kanäle 16 und das Tintenreservoir 20 einschließt, können auf
einer zweiseitigen (100) Siliziumplatte 39 ausgebildet
werden, von dem ein Ausschnitt in 2 verdeutlicht
ist. Nachdem die Siliziumplatte chemisch gereinigt wurde, wird eine
Siliziumnitritschicht auf beiden Seiten derselben abgelagert. Daraufhin
wird die Kanalplatte fotolithografisch mit einem Muster versehen,
um eine Vielzahl von Kanalvertiefun gen 40 und ein oder
mehrere Fülllöcher 42 auszubilden.
Das einzelne Kanalelement der Siliziumplatte wird nachfolgend von
angrenzenden Kanalelementen getrennt, um das Druckkopfelement 10,
wie in 1 verdeutlicht,
auszubilden.
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Nachdem die Siliziumplatte geeignet
geätzt wurde,
wird jedes der individuellen Kanalelemente von einem angrenzenden
Kanalelement entlang der Trennlinien 44 getrennt. Es ist
ebenso möglich,
einen Trennungsschnitt entlang der Linie 46 in dieser Phase
des Prozesses zu machen, oder in einer späteren Phase des Prozesses,
um dadurch die Kanäle
zu öffnen,
und tintenausstoßende Öffnungen
oder Düsen des
Kanalelements 12 auszubilden.
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Obwohl das Ätzen einer Anzahl von Kanalelementen
auf einer Siliziumplatte eine Großserienproduktion von Kanalelementen
zur Schaffung von Druckkopfelementen liefert, schließt der Prozess
zur Herstellung der Kanalplatten die Verwendung von Chemikalien
und eines Zeitabschnitts für
die Chemikalien ein, um die individuellen Kanäle und die Tintenreservoire
ausreichend auszubilden. Dieser Prozess ist kein einfacher und es
besteht die Möglichkeit von
Fehlern, da der Ätzprozess übereinstimmend und
genau auf die gesamte Siliziumplatte angewandt werden muss. Die
vorliegende Erfindung jedoch ist darauf gerichtet, eine der geätzten Siliziumkanalplatten
zu verwenden, um Kunststoffkanalelemente herzustellen, welche schneller
hergestellt werden können
als die individuell geätzten
Siliziumplatten und welche auch mit erheblich reduzierten Kosten
hergestellt werden können.
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Um das Kunststoffkanalelement der
vorliegenden Erfindung herzustellen, wird eine Meisterform verwendet,
welche durch einen Elektroabscheidungsprozess ausgebildet ist, um
eine Meisterform zu erzeugen. Die Meisterform wird nachfolgend in
einem thermischen Kunststoffpressprozess verwendet, um eine Plastikkanalplatte
herzustellen. Die Plastikkanalplatte ist, nach weiterer Bearbeitung
ein direkter Ersatz für
die geätzte
Siliziumkanalplatte, welche derzeit verwendet wird. Durch das Elektroabscheiden
einer Pressform und durch die Verwendung von thermischen Kunststoftpresstechniken
wird die Herstellung einer Kanalplatte vereinfacht, wodurch Kosten
reduziert werden aufgrund nicht nur der reduzierten Herstellzeit,
sondern auch aufgrund der Tatsache, dass thermal formbare Kunststoffe
ein erheblich billigeres Material sind, als Silizium.
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Die Herstellung des Kunststoffkanalelements
der vorliegenden Erfindung schließt die Verwendung der vorstehend
beschriebenen gemusterten und mit Kanälen und Tintenreservoiren geätzten Siliziumplatten,
wie in 2 verdeutlicht,
ein. Sobald die geätzte
Siliziumplatte geeignet ausgebildet wurde, wird die Oberfläche der
Siliziumplatte, welche die tintentragenden Merkmale beinhaltet,
mit einem Metall beschichtet oder besprüht, wie etwa Gold oder Silber,
bis zu einer Dicke von 100 bis 300 Angström. Auf die beschichtete Siliziumplatte
wird nachfolgend Nickel oder andere bekannte geeignete Metallen elektroabgeschieden.
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Ein Abschnitt 50 der Siliziumplatte 39,
welche den Kanal 40 und das Tintenreservoir 42 trägt, ist in 3 verdeutlicht, und zwar
entlang einer Linie 3-3 der 2.
Das Elektroabscheiden auf das Siliziumsubstrats 50, um eine elektroabgeschiedene Schicht 52 auszubilden,
kann durch jedes bekannte Verfahren ausgeführt werden. Jedes passende
Metall, welches durch Elektroabscheidung aufgebracht werden kann,
kann in dem Prozess der Erfindung verwendet werden. Obwohl Nickel
bevorzugt ist, schließen
andere Metalle, welche elektroabgeschieden werden können, Kupfer,
Kobalt, Eisen, Silber, Gold, Blei, Zink, Aluminium, Zinn, Rubidium,
Uran, Pladium und Ähnliche
ein, und Legierungen derselben, wie etwa Messing und Bronze. Wenn
derartige Metalle angewandt werden, kann die Trennung der Siliziumplatte
von der Form durch Erhitzen der Form oder Kühlen der Siliziumplatte erreicht
werden. Das Elektroabscheiden unter Bedingungen, welche Zugspannung
an der elektroabgeschiedenen Form erzeugen, können ebenso die Trennung unterstützen. Vor
dem Elektroabscheiden kann die Siliziumplatte 50 jedoch
mit einer Trennsubstanz derart behandelt werden, dass sobald die
elektroabgeschiedene Schicht oder Form 52 ausgebildet worden
ist, die elektroabgeschiedene Schicht 52 ebenso leicht
von der Siliziumplatte 50 entfernt werden kann. Wenn eine
elektroabgeschiedene Form aus Nickel hergestellt ist, sollte deren
Dicke ungefähr
von 250 bis 375 um (10 bis 15 mils) betragen und ist vorzugsweise ungefähr 300 um
(12 mils).
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Zusätzlich zu der Ausbildung der
elektroabgeschiedenen Form 52 aus Nickel wird eine zweite Form 54 (siehe 4) auf einer nicht gemusterten Siliziumplatte 56 ausgebildet
unter Verwendung des vorstehend beschriebenen Verfahrens. Die dadurch ausgebildete
zweite Form 54 schließt
mindestens eine im Wesentlichen ebene oder flache Fläche 58 ein.
Andere Verfahren können
ebenso verwendet werden, um die zweite Nickelform 54 auszubilden, wie
etwa Maschinenbearbeitung zu einer im Wesentlichen ebenen Fläche auf
einem blanken Metall. Jedes Verfahren, welches eine im Wesentlichen
ebene Oberfläche
bereitstellt, ohne jede geometrische Formationen oder Strukturen
kann Verwendung finden.
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Nach der Ausbildung von jeder der
elektroabgeschiedenen Formen 52 und 54 aus Nickel
werden die Formen 52 und 54 von den jeweiligen
Siliziumplatten, welche zu deren Herstellung verwendet wurden, entfernt.
Nach Entfernung kann eine Kunststoffkanal/Reservoirplatte erzeugt
werden, wie in 5, 6 und 7 verdeutlicht. In 5 wird ein pressbares Material 60,
wie etwa eine Platte von thermisch verformbarem Harz, zwischen der
Form 52 und der Form 54 zum Pressen angeordnet.
Die thermisch verformbare Harzplatte 60 ist vorzugsweise
hergestellt aus einem thermoplastischen Kunststoff und aus einem
wärmeaushärtenden
Harz, welches Materialien, wie Polyurethan, Polyvinylacetat und
Mylar einschließen
kann. Die thermisch verformbare Harzplatte wird zwischen der Form 52 und
der Form 54 gepresst unter Verwendung eines Pressdruckes
und einer Presstemperatur, welche geeignet ist für das bestimmte thermoplastische
Material, welches Verwendung findet. In einem repräsentativen
Pressprozess wurde ein Pressdruck von 1,38 × 106 N/m2 oder Pa (2000 pounds per square inch) angewendet.
Die Wärme
wurde zugeführt
durch Verwendung von geheizten ersten und zweiten Formeln. Selbstverständlich ist
es möglich,
eine Anzahl von Kombinationen von Druck und Wärme zu verwenden, wobei die
Größe von Hitze
und Druck ausgewählt
wird auf Basis des verwendeten Materialtyps, der Dicke des Rohmaterials,
und anderer Faktoren, die dem Fachmann bekannt sind. In der vorliegenden
Erfindung wurde herausgefunden, dass, wenn eine Form aus Nickel ausgebildet
ist, Geometrien oder tintentragende Merkmale mit einer Toleranz
von ein bis drei Mikrometer erreicht werden können.
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Wie in 6 und 7 verdeutlicht, liefert die
Weiterführung
des Pressprozesses eine Kunststoffkanalplatte 62, welche
zwischen den beiden Formen ausgebildet wurde, und die notwendigen
tintentragenden Merkmale aufweist. Die Dicke T der Kunststoffkanalplatte 62 ist
vorzugsweise etwa 750 um (30 mils).
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Ein einzelnes Kanalelement 64 der
Kunststoffkanalplatte 62 ist in 7 verdeutlicht. Das einzelne Kanalelement 64 legt
eine Vielzahl von tintentragenden Merkmalen fest, welche eine Vielzahl
von Kanälen 66 und
ein Tintenreservoir 68 einschließen, welche den Kanälen 18 und
den Tintenreservoir 20 des Druckkopfs 10 entsprechen.
Das einzelne Kanalelement funktioniert nach weiterer Bearbeitung
wie das Siliziumkanalelement 12 mit Kanälen 18 und dem Tintenreservoir 20 der 1. Wie aus 7 ersichtlich, verhindert ein oberer
Abschnitt 70 der Kunststoffkanalplatte 62 das
tintentragende Reservoir 68 daran, Tinte zu erhalten, weil
das tintentragende Reservoir 68 keine Tintenöffnung einschließt. Um eine
Tintenöffnung
zu schaffen, damit Tinte zu den Kanälen gelangen kann, wird ein
Abtragprozess verwendet, um einen Tintenversorgungsschacht durch
Entfernen des oberen Abschnitts 70 bis zu einer durch die
Linie 72 angegebenen Linie freizulegen.
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Der Abtragprozess, beispielsweise
ein Schleifprozess schließt,
wie in 8 verdeutlicht,
die Verwendung einer Schleif- oder eine Poliervorrichtung 74 ein,
welche in Richtung der Pfeile 76 bewegt wird, bis ein Kontakt
mit der Kunststoffkanalplatte 62 hergestellt ist. Die Schleifvorrichtung 74 schließt ein Schleifrad 78 ein,
welches in der Richtung 80 rotiert und ein zum Abtragen
von Kunststoff geeignetes Schleifmittel auf der Berühroberfläche 82 derselben einschließt. Die
Schleifvorrichtung 74 senkt sich auf die Kunststoff kanalplatte 62 ab
und entfernt den Oberseitenabschnitt 70 bis zu einer Linie 72,
wodurch Tintenversorgungsschächte
freigelegt werden für
jedes Tintenreservoir, welches in jedem der Kanalelemente in der
Plastikkanalplatte 62 vorhanden ist. Es ist vorzuziehen,
dass ungefähr
ein Drittel der gesamten Dicke T der Kunststoffkanalplatte derart entfernt
wird, dass für
die vorliegende Ausführungsform
eine fertige Kunststoffkanalplatte eine Dicke von ungefähr 500 um
(zwanzig mils) aufweisen wird.
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Die fertiggestellte Kunststoffkanalplatte 62 ist
nun im Wesentlichen ähnlich
in Funktion zu der Siliziumkanalplatte nach dem Stand der Technik.
An diesem Punkt der Herstellung können bekannte Verfahren zum
Zerschneiden von Siliziumplatten, um individuelle Kanalelemente
zu schaffen, angewandt werden, um individuelle Kunststoffkanalelemente auszubilden.
Sobald das individuelle Kunststoffkanalelement ausgebildet worden
ist, wird ein Druckkopfelement 84, welches ein Kunststoffkanalelement 86 aufweist
mit einem der vorstehend beschriebenen Heizerelemente 24,
wie in 9 verdeutlicht,
zusammengepasst.
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In der schematischen Querschnittsansicht des
Druckkopfs 84 in 9 ist
der Tintenfluss durch das Druckkopfelement 9 zu sehen.
Tinte wird durch einen Tintenversorgungs schacht 90 zugeführt, welcher
vorher durch den Abtragprozess freigelegt wurde, und verbleibt in
einem Tintenreservoir 92 und einer Tintenvertiefung 94 und
einem Kanal 96 bis ein Druckkommando von einem Heizer 98 empfangen wird.
Der Heizer 98 ist unterhalb einer Heizervertiefung 100 angeordnet,
wo sich ebenso Tinte befindet. Mit dem Beginn des Drucksignals liefert
der Heizer 98 Energie und beginnt, die Tinte zu verdampfen, welche
sich innerhalb und über
der Heizervertiefung 100 befindet. Es wird eine Dampfblase
erzeugt, welche eine bestimmte Menge von Tinte aus der Düse, welche
durch das Kanalelemente 86, wie vorstehend beschrieben,
festgelegt wird, ausgestoßen.
Sobald die Tinte aus dem Kanal 96 ausgestoßen ist,
fließt Tinte
in der Richtung des Pfeiles 102 durch Kapillarwirkung,
wobei der Kanal 96 und die Heizervertiefung 100 für die folgende
Tintenejektion wiedergefüllt
wird.
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Auf diese Weise wurde ein Flüssigtintendruckkopf
mit einer Kanalplatte, welche ein pressbares Material aufweist und
die Herstellung dafür
beschrieben. Das Verfahren zur Herstellung offenbart nicht nur individuelle
Kanalelemente hergestellt aus thermoplastischem Kunststoff für individuelle
Druckköpfe,
sondem auch ein Verfahren zur Schaffung einer Vielzahl von Düsenplatten,
welche aus Kunststoffsubstraten hergestellt sind. Beispielsweise scheint
die Anzahl von Kanälen
pro mm (Inch) nicht begrenzt zu sein durch die materiellen Fähigkeiten des
thermoplastischen Kunststoffs, sondem ist stattdessen wahrscheinlich
begrenzt durch die Material- und Ätzbegrenzungen der Siliziumplatte.
Beispielsweise ist es möglich,
dass eine Dichte von ungefähr 12
Kanälen
pro mm (300 Kanäle
pro Inch), 24 Kanäle pro
mm (600 Kanäle
pro Inch) und sogar größere Dichten
erreicht werden können,
so lange diese Dichten auf einem Siliziumträger geätzt werden können. Die
vorliegende Erfindung schließt
ebenso die Schaffung von größeren Kanalelementen,
als hierin beschrieben, ein. Beispielsweise ist es möglich, dass, anstelle
des Festlegens einer Anzahl von individuellen Siliziumkanalelementen
auf einer Siliziumplatte, von denen jedes getrennt und mit einem
individuellen Heizelement zusammengepasst wird, der Siliziumträger geätzt werden
könnte,
um ein Kanalelement zu schaffen, welches eine größere Länge aufweist, welche mit einer
Vielzahl von Heizelementen, die Seite an Seite angeordnet sind,
zusammenpassen würde.