DE69735729T2

DE69735729T2 - Verfahren und Vorrichtung zum formen von Düsen

Info

Publication number: DE69735729T2
Application number: DE69735729T
Authority: DE
Inventors: Stephen Cambridge Temple; Philip Thomas Long Hanborough RUMSBY
Original assignee: Xaar Technology Ltd
Current assignee: Xaar Technology Ltd
Priority date: 1996-01-18
Filing date: 1997-01-16
Publication date: 2007-01-11
Anticipated expiration: 2017-01-17
Also published as: DE69735729D1; CN100430229C; EP0960029B1; US7473387B2; US20020003320A1; US6228311B1; WO1997026137A1; CN1082450C; JPH11502792A; CN1515412A; EP1151866A1; KR100589986B1; CA2240800C; KR20060028749A; CA2240800A1; GB9601049D0; US20050206041A1; JP3174580B2; KR19990077309A; DE69726316D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zum Ausbilden einer Düse in einer Düsenplatte für einen Tintenstrahl-Druckkopf, wobei die Düse einen Düseneinlass und einen Düsenauslass in entsprechenden gegenüberliegenden Flächen der Düsenplatte besitzt.
WO93/15911 betrifft Verfahren zum Ausbilden von Düsen in einer Düsenplatte für einen Tintenstrahl-Druckkopf unter Verwendung eines Hochenergiestrahls und insbesondere die Abtragung (Ablation) von Düsen in einer Polymer-Düsenplatte unter Verwendung eines Excimerlasers. Mittels einer Maske mit einer einzelnen Blende wird ein Hochenergiestrahl geformt, bevor er durch eine konvergierende Linse auf die Oberfläche einer Düsenplatte gerichtet wird, an der eine Düse ausgebildet wird.
WO93/15911 empfiehlt das Anwachsen der Konvergenz des Strahls, der auf die Blende der Maske auftrifft, durch das Schicken des Strahls durch eine Schicht wie etwa eine geschliffene oder geätzte Oberfläche oder einen Dünnfilm, der ein Medium mit geeigneten lichtstreuenden Eigenschaften enthält, wie etwa ein kolloides oder opalisierendes Material. Eine derartige Schicht kann an der konvergierenden Linse angeordnet sein, die selbst stromaufwärts von der Maske für das Fokussieren des Strahls in die Blende angeordnet ist.
Die Divergenz des Strahls bestimmt den Konuswinkel der Düse. Ferner kann eine zweite Maske verwendet werden, um den Divergenzwinkel in einer Ebene des Strahls relativ zu einer anderen zu verringern (wobei beide Ebenen die Strahlachse enthalten), wodurch eine Düse erhalten wird, die in einer Ebene eine größere Düsenverjüngung aufweist als in einer anderen. Das hat einen Düseneinlass zur Folge, der in einer Richtung größer ist als in einer anderen Richtung, die dazu senkrecht verläuft, wobei WO93/15911 hervorhebt, dass dies vorteilhaft ermöglicht, dass der Düsentinteneinlass mit der (im Allgemeinen rechteckigen) Gestalt eines Tintenkanals in dem Druckkopf, mit dem die Düse in Verbindung steht, übereinstimmt, während möglich ist, dass der Düsenauslass vorzugsweise kreisförmig bleibt.
Die vorliegende Erfindung besitzt als ihre objektiven Verbesserungen gegenüber den in der oben erwähnten Anmeldung WO93/15911 beschriebenen Verfahren insbesondere die Art und Weise, in der die Düsenverjüngung und die Gestalt des Düseneinlasses und -auslasses gesteuert werden.
GB 2.262.253 offenbart ein Verfahren zum Bohren von Luftflussdüsen in Flugzeugflügel, in dem ein Laserstrahl um eine Achse gedreht wird, um eine konische Düse zu bilden.
Gemäß einem ersten Aspekt besteht die vorliegende Erfindung aus einem Verfahren zum Ausbilden einer Düse in einer Düsenplatte für einen Tintenstrahl-Druckkopf, wobei die Düse einen Düseneinlass und einen Düsenauslass in entsprechenden gegenüberliegenden Flächen der Düsenplatte besitzt, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
Richten eines Hochenergiestrahls mit einer ersten Achse, die sich in einer ersten Richtung erstreckt, zu der Düsenplatte;
Richten des Strahls auf eine erste reflektierende Oberfläche, die unter einem Winkel zu der ersten Richtung orientiert ist, wobei die Oberfläche so beschaffen ist, dass sie den Strahl zu einer zweiten reflektierenden Oberfläche und zu einer dritten reflektierenden Oberfläche reflektiert, die so angeordnet sind, dass sie den Strahl sowohl umkehren als auch längs einer Achse ausrichten, die zu der ersten Achse, die sich in einer ersten Richtung erstreckt, kollinear ist; wobei die erste, die zweite und die dritte Oberfläche relativ zueinander fixiert sind, um eine Baugruppe zu bilden; und Drehen der Baugruppe um die erste Achse; wobei der Strahl auf die Düsenplatte auftrifft, wodurch eine Düse gebildet wird.
Wie in der folgenden Beschreibung ausführlicher erläutert wird, führt diese Technik zu einem Hochenergiestrahl mit gleichförmiger Intensität bei einem gegebenen Radius und liefert in Anwendung auf die Herstellung von Düsen Düsenabmessungen, die in engeren Toleranzbereichen liegen, und folglich eine höherwertige Düse.
Bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten den Schritt des Einführens einer Divergenz in den Strahl durch das Teilen des Strahls in zahlreiche Unterstrahlen, wobei jeder Unterstrahl eine Divergenz hat, wobei der Ausgangspunkt der Divergenz eines jeden Unterstrahls in einem Abstand von dem Punkt liegt, an dem der jeweilige Unterstrahl durch Teilen erzeugt wird, wobei die Unterstrahlen danach durch weitere Strahlkonvergierungsmittel geschickt werden, bevor sie rekombiniert werden. Diese Anordnung ermöglicht eine wesentlich genauere Steuerung des Divergenzwinkels des Strahls als diese in Anordnungen des Standes der Technik möglich war; wie erwähnt wurde, schlägt WO93/15911 eine Vergrößerung der Divergenz des Hochenergiestrahls durch Streuen des Lichts unter Verwendung einer geschliffenen oder geätzten Oberfläche oder eines Dünnfilms, der ein Medium mit geeigneten lichtstreuenden Eigenschaften enthält, vor. Es ist in der vorliegenden Erfindung erkannt worden, dass eine Divergenz in einer viel besser gesteuerten Weise erhalten werden kann, indem der Hochenergiestrahl in zahlreiche Unterstrahlen geteilt wird, die anschließend rekombiniert werden. Ferner wird der Strahl so geteilt, dass jeder Unterstrahl eine Divergenz mit einem Ausgangspunkt hat, der weg von dem Punkt liegt, an dem der jeweilige Unterstrahl durch Teilen erzeugt wird. Es ist klar, dass die auf diese Weise erhaltene Divergenz, die unter Verwendung einer Linse zur Erzeugung jedes Unterstrahls erreicht werden kann, wesentlich geringeren Schwankungen unterzogen wird, als das unter Verwendung von Verfahren des Standes der Technik, die auf Streuung basieren, erreicht wurde. Daraus folgt, dass geringere Schwankungen des Divergenzwinkels des kombinierten Strahls geringere Schwankungen des Konuswinkels der hergestellten Düsen zu Folge haben, was wiederum eine bessere Tintenausstoßleistung des fertigen Tintenstrahl-Druckkopfs zur Folge hat.
Ferner wird durch das Leiten des rekombinierten Strahls durch eine einzige Blende einer Maske mit den Abmessungen des Abschnitts des rekombinierten Strahls direkt vor dem Auftreffen auf die Ebene der Maske, die im Wesentlichen gleich den Abmessungen der Blende in der Maske sind, die Divergenz des Hochenergiestrahls, der schließlich auf der Düsenplatte zum Ausbilden einer Düse auftrifft, durch die Maske um keinen wesentlichen Betrag verringert. Demzufolge steht der volle Bereich der Strahldivergenz zur Verfügung, um Düsenbohrungen auszubilden, die einen entsprechenden großen Konuswinkel vom Auslass zum Einlass aufweisen.
Außerdem wird der Hochenergiestrahl mittels erster und zweiter Reflexionsmittel auf die Düsenplatte gerichtet und die optischen Elemente in dem Feld, z. B. Linsen sind so angeordnet, dass alle Unterstrahlen, die auf dem ersten Reflexionsmittel auftreffen, in Richtung auf das zweite Reflexionsmittel und nicht woandershin, z. B. zurück in Richtung auf das Feld der Linsen, gerichtet werden. Diese Maßnahme hat einen geringeren Strahlverlust zur Folge und vermeidet ferner Schäden an anderen Elementen in dem System durch Streulaserlicht. Diese Systemelemente können Linsen, Drehspiegel und sogar den Laser selbst enthalten, der "stromaufwärts" von den ersten und zweiten Reflexionsmitteln angeordnet ist.
Ein besonderes Beispiel der vorliegenden Erfindung hat wiederum Anteil am Konzept des Teilens eines Hochenergiestrahls in Unterstrahlen, die einen Ausgangspunkt der Divergenz haben, der entfernt von der Ebene der Strahlteilung liegt, und des anschließenden Rekombinierens der Unterstrahlen durch Strahlkonvergierungsmittel und umfasst außerdem ein Feld von optischen Elementen, das eine größere Breite in einer ersten Richtung hat als in einer zweiten Richtung, die senkrecht zu der ersten Richtung ist, wodurch in einer einfachen und genauen Weise die Herstellung von Düsen möglich ist, die einen größeren Konuswinkel in einer Richtung haben als in einer anderen Richtung. Das wiederum erzielt einen Düseneinlass, der eine größere Abmessung in einer Richtung hat als in der dazu senkrechten Richtung, wobei eine derartige Konfiguration insbesondere dann erwünscht sein kann, wenn der Tintenzufuhrkanal, an den die Düse angeschlossen ist, ebenfalls nicht achsensymmetrisch ist.
Ein Verfahren zum Ausbilden einer Düse in einer Düsenplatte für einen Tintenstrahl-Druckkopf, wobei die Düse einen Düseneinlass und einen Düsenauslass in entsprechenden gegenüberliegenden Flächen der Düsenplatte besitzt, enthält gemäß einem weiteren Beispiel der Erfindung den Schritt des Richtens eines Hochenergiestrahls auf die Fläche der Düsenplatte, in der der Düsenauslass gebildet werden soll, wodurch die Leistung des Hochenergiestrahls anfangs niedrig gehalten wird und mit zunehmender Tiefe der in der Düsenplatte ausgebildeten Düse erhöht wird. Wie in der folgenden Beschreibung ebenfalls genauer erläutert wird, ergibt diese Technik einen höherwertigen Düsenauslass, eine bessere Innenoberflächenbeschaffenheit und eine genauere Düsenform.
Die vorliegende Erfindung umfasst außerdem eine Vorrichtung zum Ausführen der oben dargestellten Verfahren.
Die Erfindung wird nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die folgenden Darstellungen beschrieben, in denen:
1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Vorrichtung zu Verwendung mit der vorliegenden Erfindung ist, die in einer X-Richtung betrachtet wird;
2 eine Ansicht der Vorrichtung von 1 in einer Richtung Y senkrecht zur Richtung X ist;
3 ein weiteres Beispiel ist;
4a eine perspektivische Ansicht eine nochmals weiteren Beispiels ist; 4b eine Schnittansicht durch die Spiegelanordnung 82, 84 von 4a ist;
5a eine Schnittansicht durch eine Strahlkonditionierungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist; 5b eine schematische Darstellung des Strahlabschnitts nach der Konditionierung ist;
6a und 6b die Funktionsweise der Vorrichtung von 5a bei Drehwinkeln von 0° bzw. 90° veranschaulichen.
1 zeigt eine Ausführungsform der Vorrichtung zur Verwendung beim Ausführen des Verfahrens gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung. Das Bezugszeichen 20 bezeichnet eine Düsenplatte, in der eine Düse ausgebildet werden soll. Die Vorrichtung 10 umfasst eine Quelle eines Hochenergiestrahls wie etwa einen UV-Excimerlaser (nicht gezeigt), der einen Hochenergiestrahl 30 erzeugt, der, nachdem er verschiedenen Strahlkonditionierungsvorgängen unterzogen wurde (z. B. Kollimieren, Formen des Strahls, damit er weiteren optischen Vorrichtungen angepasst ist, die sich "stromabwärts" befinden), auf ein Feld 40 von optischen Elementen gerichtet wird, die in diesem Beispiel zylindrische Linsen 45 sind. Ein derartiges Feld von Linsen ist gewöhnlich als Fliegenauge-Linse bekannt.
Das Feld 40 teilt den Strahl in ein entsprechendes Feld von Unterstrahlen 50, wobei jeder Unterstrahl einen Brennpunkt 52 hat. Wie aus der Figur deutlich wird, ist jeder Unterstrahl nach dem Durchlaufen des Brennpunkts 52 mit einem Divergenzwinkel (Aa, Ab in 1) divergierend und hat einen Ausgangspunkt der Divergenz an dem Brennpunkt 52 der jeweiligen Linse 45 (es wird angemerkt, dass zur Klarheit lediglich Umrisse jener Strahlen gezeigt sind, die von den äußersten Linsen des Felds 40 ausgehen; die Strahlen von den näher zur Mitte des Felds befindlichen Linsen liegen innerhalb dieser Extremwerte). Es ist selbstverständlich, dass der Bereich Aa, Ab der Divergenzwinkel jedes Unterstrahls, der von den Linsen 45 ausgeht, viel enger ist als der Bereich, der bei Techniken des Standes der Technik, die Streuung verwenden, erwartet werden würde. Wie in 1 gezeigt ist, wird das Feld von Unterstrahlen, die von dem Feld 40 ausgehen, durch eine konvergierende Linse 60 geschickt, wodurch die Unterstrahlen am Punkt 56 rekombiniert werden.
Der rekombinierte Strahl wird auf die Blende 72 einer Maske 70 gerichtet und zu diesem Zweck ist die Maske vorzugsweise in einem Abstand von der Linse 60 angeordnet, die gleich der Brennweite der Linse ist.
Obwohl in dem gezeigten Beispiel der Brennpunkt der Unterstrahlen 52 stromabwärts von dem Feld 40 angeordnet ist, ist jede Anordnung ausreichend, bei der der Brennpunkt der Unterstrahlen vor der folgenden Maske 70 angeordnet ist: Die Linsen in dem Feld 40 können z. B. den hereinkommenden Strahl so divergieren, dass der Ausgangspunkt der Divergenz z. B. "stromaufwärts" des Felds 40 angeordnet ist. Die Stärke der folgenden konvergierenden Linse 60 kann so gewählt sein, dass die Unterstrahlen noch rekombinieren.
Wie oben erwähnt wurde und in den 1–3 gezeigt ist, sind die Abmessungen des Abschnitts (Querschnitts) des rekombinierten Strahls direkt von dem Auftreffen auf der Ebene der Maske im Wesentlichen gleich den Abmessungen der Blende in der Maske. Der rekombinierte Strahl, der durch die Blende geschickt wird (und in 1 mit dem Bezugszeichen 74 angegeben ist), wird anschließend mittels einer weiteren konvergierenden Linse 80 auf die Oberfläche 22 der Düsenplatte 20 geleitet, wo er das Material der Düsenplatte abträgt, wodurch eine Düse ausgebildet wird. Die Stärke der Linse 80 und die relativen Positionen der Düsenplatte 20 und der Maske 70 sind so gewählt, dass ein Bild der Maskenblende 72, die durch den Strahl 56 beleuchtet wird, auf die Oberfläche 22 der Düsenplatte projiziert wird. Der Düsenabschnitt auf der Oberfläche 22 und die Maskenblende 72 können durch die Linse 80 als zugeordnet bzw. konjugiert betrachtet werden und demzufolge kann durch Änderung der Größe der Blende 72 die Größe des in der Oberfläche 22 ausgebildeten Lochs (das die Auslassblende der resultierenden Düse bildet) geändert werden.
Wie aus der Figur deutlich ist, treffen die Unterstrahlen 74a, 74b, die den Strahl 74 bilden, auf der Oberfläche 22 der Düsenplatte unter einem Winkel auf, mit dem Ergebnis, dass der Querschnitt des Lochs, der durch die Strahlen abgetragen wird, mit zunehmender Tiefe des abgetragenen Lochs größer wird. Die resultierende Düse ist deswegen konusförmig, wobei der Düsenquerschnitt an der "vorderen" Oberfläche 22 der Düsenplatte 20 durch die Maskenblende 72 bestimmt ist und der Querschnitt an der "hinteren" Oberfläche 24 sowohl durch die Blende 72 als auch durch den Winkel der auftreffenden Strahlen bestimmt ist.
Die Winkel der auftreffenden Strahlen ist sowohl durch die Stärke der Linse 80 als auch durch die Divergenzwinkel bestimmt, die in dem Strahl 74 vorhanden sind, der durch die Blende 72 verläuft. Die Linsenstärke liegt vorzugsweise im Bereich der numerischen Apertur von 0,4 bis 0,65, wobei die beiden Werte eingeschlossen sind (was einer Verstärkung von 25 bzw. 52 entspricht). Der Divergenzwinkel wird durch die Stärke der Linsen in dem Feld 40 und außerdem durch die Geometrie des Felds bestimmt. Wie bereits erwähnt wurde, ermöglichen die Merkmale, durch die in den Strahl eine Divergenz eingeführt wird, indem er in zahlreiche Unterstrahlen geteilt wird, wobei jeder Unterstrahl eine Divergenz hat, dass der Divergenzwinkel des die Düse bildenden Strahls viel besser gesteuert werden kann. Das wiederum ermöglicht eine genaue Steuerung der dreidimensionalen Gestalt der resultierenden Düse, insbesondere ihres Konuswinkels und der Querschnitte am Auslass und Einlass der Düse.
Durch die Sicherstellung, dass die Abmessungen des Querschnitts des rekombinierten Strahls direkt vor dem Auftreffen auf die Ebene der Maske im Wesentlichen gleich den Abmessungen der Blende in der Maske sind, wie oben erwähnt wurde, wird gewährleistet, dass die Energie des Hochenergiestrahls, der schließlich auf der Düsenplatte auftrifft, um eine Düse zu bilden, keine wesentliche Minderung in ihrer Divergenz erfährt, was eine entsprechende Reduzierung der Düsenverjüngung zur Folge haben könnte. In der Praxis besitzt der Querschnitt des rekombinierten Strahls etwas größere Abmessungen als die Maskenblende: Wenn der rekombinierte Strahl kleiner als die Maskenblende wäre, würde die Maske keine Maskierungsfunktion mehr spielen und das auf die Vorderseite der Düsenplatte projizierte Bild wäre nicht das der Blende, sondern das der Fliegenaugen-Linse. Aus 1 wird außerdem deutlich, dass die Übereinstimmung zwischen den Abmessungen der Blende und dem rekombinierten Strahl außerdem bedeutet, dass die Divergenzwinkel (Ba, Bb in 1) der Unterstrahlen 74a, 74b, die den rekombinierten Strahl 74 bilden, an einer stromabwärts von der Maske 70 befindlichen Position den Divergenzwinkeln Aa und Ab der Unterstrahlen 50 stromaufwärts von der Maske entsprechen.
2 ist eine Ansicht in einer Richtung Y senkrecht zu der Betrachtungsrichtung X von 1 und veranschaulicht den Fall, wenn das Feld 40 eine rechteckige Geometrie besitzt, die in der X-Richtung breiter ist als in der Y-Richtung. Es kann erkannt werden, dass der Divergenzwinkel der Strahlen, die die Blende 72 verlassen, dementsprechend größer ist als der in 1 gezeigte Winkel wie auch der Konuswinkel in dieser Richtung und somit auch die Abmessung der Düse an der "hinteren" Oberfläche der Düsenplatte (die in 2 durch x2 angegeben ist und größer ist als die Strecke x1 in 1). Die Gesamtform der Düse an der hinteren Oberfläche ist in Übereinstimmung mit der Geometrie des Felds 40 rechteckig.
Es sollte angemerkt werden, dass die Geometrie des Felds 40 entweder durch Neuanordnung der Stellung der Linsen in dem Feld oder durch Ausblenden einiger der Linsen eines vorhandenen Felds, z. B. mittels einer Maske, die direkt stromaufwärts von dem Feld angeordnet wird, geändert werden kann.
Die einzelnen Linsen, die das Feld 40 bilden, tragen jeweils ein Bündel divergierender Strahlen bei, wobei jedes Bündel in Abhängigkeit davon, ob die optischen Elemente, die das Feld bilden, Linsen oder Prismen sind oder andernfalls eine Achsensymmetrie aufweisen bzw. eine andere Form besitzen, einen Querschnitt hat, der kreisförmig sein kann oder eine andere Form aufweisen kann. Während dieses Merkmal wesentlich ist beim Erreichen der in der vorliegenden Anmeldung beschriebenen Vorteile, hat es trotzdem zur Folge, dass der oben erwähnte Querschnitt der Düse an der "hinteren" Oberfläche 24 einen gewellten Umriss aufweist. Wenn dieser "hintere" Querschnitt kreisförmig sein soll, können die Wellenlinien vermieden werden, indem die Fliegenauge-Linse während des Düsenbildungsvorgangs um ihre polare Achse gedreht wird.
Ein alternatives Verfahren zum Beeinflussen des Winkels des auftreffenden Strahls, um die Düsenverjüngung zu steuern, besteht darin, eine weitere Maske zwischen der Maske 70 und der Linse 80 zwischenzulagern. Eine derartige Anordnung ist in 3 dargestellt, wobei die weitere Maske durch das Bezugszeichen 110 und die entsprechende Blende durch das Bezugszeichen 112 angegeben sind. Es ist klar, dass die Maske 110 jene durch die Blende 72 verlaufenden Strahlen ausblendet, die eine Divergenz besitzen, die größer ist als ein bestimmter Winkel, was eine Düse mit der verringerten Einlassgröße x3 zur Folge hat. Die Abmessungen und die Gestalt der weiteren Blende kann verändert werden, um die Abmessungen und die Gestalt der Düse an der hinteren Oberfläche zu steuern, wie aus der oben erwähnten Anmeldung WO-A-93/15911 bekannt ist.
Eine weitere konvergierende ("Feld-")Linse kann vorteilhaft direkt stromaufwärts von der Maskenblende 72 angeordnet werden, wie durch das Bezugszeichen 76 in 3 angegeben ist. Eine Bewegung dieser Linse in ihrer eigenen Ebene, d. h. parallel zur Maske 70, ermöglicht eine Ausrichtung der kombinierten divergierenden Unterstrahlen auf die Maskenblende. Eine fehlende Ausrichtung hat zur Folge, dass eine Seite des Strahls stärker verdunkelt wird als die andere, was wiederum zur Folge hat, dass eine Seite der Düse einen kleineren Konus aufweist als die andere. Eine derartige Asymmetrie ist bei einer Düse unerwünscht.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung befindet sich stromaufwärts von der Fliegenaugen-Linse eine veränderliche Strahldämpfungseinrichtung (die in den Figuren nicht gezeigt ist). Derartige Vorrichtungen sind in der Technik im Allgemeinen bekannt und deswegen wird ihr Aufbau an dieser Stelle nicht genau erläutert. In der vorliegenden Erfindung wird jedoch eine derartige Vorrichtung vorteilhaft verwendet, um die Leistung des Hochenergiestrahls während des Düsenbildungsvorgangs zu steuern: Am Beginn des Düsenbildungsvorgangs wird die Laserenergie gering gehalten, um Schäden an dem Düsenauslass durch Abgasprodukte des Abtragungsvorgangs minimal zu machen. Die Leistung wird dann erhöht, wenn sich die Tiefe (und der Querschnitt) der gebildeten Düsen vergrößert. Am Ende der Düsenbildung wird eine große Laserleistung verwendet, um der Düse eine gute innere Oberflächenbeschaffenheit zu geben und um eine naturgetreue Wiedergabe der Form des die Düsen bildenden Strahls sicherzustellen. Die anfängliche Rate des Anstiegs der Laserleistung ist vorzugsweise klein und sogar null, wobei sie größer wird, wenn die gebildete Düse eine bestimmte Tiefe erreicht hat. Eine Messung der Tiefe der gebildeten Düse ist nicht erforderlich: Die Leistung des Lasers kann als eine zeitliche Funktion gesteuert werden, wobei die Zeitdauer, die für einen vorgegebenen Vorgang erforderlich ist, um eine bestimmte Tiefe zu erreichen, leicht experimentell ermittelt werden kann.
Es ist selbstverständlich, dass viele Arten von Linsen für die oben angegebenen konvergierenden Linsen 60, 74 und 80 verwendet werden können. Es hat sich jedoch als besonders vorteilhaft herausgestellt, für die Linse 80 eine Linse zu verwenden, die zwei Spiegel des Typs enthält, der allgemein als Cassegrain-Reflexionslinse bekannt ist. Ein Beispiel ist in 4a schematisch gezeigt, wobei die Maske 70 und die konvergierende Linse 60 zur Klarheit weggelassen wurden. 4b zeigt die Spiegel 82, 84 im Querschnitt, woraus klar wird, dass die Spiegel achsensymmetrisch sind und reflektierende Oberflächen aufweisen, die Rotationsflächen sind. Eine derartige Linsenanordnung besitzt eine große Verstärkung (die einem großen Wert der numerischen Apertur gleichwertig ist), wodurch ein hoher Grad der Winkelstreuung der auftreffenden Strahlen relativ zu der Achse der Linse (was mit einem kleineren Auftreffwinkel zwischen dem Strahl und der Oberfläche 22 der Düsenplatte 20 gleichbedeutend ist) und die Bildung von Düsen mit bedeutender Konusform möglich sind. Derartige Linsen weisen außerdem eine geringe Aberration auf, da der Strahl nicht durch Linsenmaterial geschickt wird, sondern einfach von einer Oberfläche zur anderen reflektiert wird. Aus 4 wird schließlich klar, dass die reflektierenden Oberflächen einer derartigen Anordnung im Allgemeinen entfernt von der Oberfläche der Düsenplatte angeordnet sind und deswegen eine geringere Wahrscheinlichkeit der Verunreinigung durch Bruchstücke besteht, die während des Düsenbildungsvorgangs erzeugt werden.
Die Fliegenaugen-Linse kann vorteilhaft so beschaffen sein, dass sie mit einer Linse des oben beschriebenen Typs verwendet werden kann, indem die mittleren Linsen des Felds funktionsunfähig gemacht werden, indem z. B. die Linsen entfernt oder ausgeblendet werden, wie in 4 gezeigt ist. Ein Ausblenden kann mittels einer Maske erreicht werden, die direkt stromaufwärts oder stromabwärts angeordnet wird. Die Unterstrahlen von diesen mittleren Linsen könnten sonst in die optischen Elemente (möglicherweise in den Laser), die stromaufwärts angeordnet sind, zurück reflektiert werden und diese beschädigen. In der gezeigten Ausführungsform, die ein Feld von 6 × 6 Linsen verwendet, sind die mittleren vier Linsen des Felds ausgeblendet.
5a zeigt eine Vorrichtung, die für die Verwendung bei der Herstellung von Düsen für Tintenstrahl-Druckköpfe und insbesondere zur Verwendung mit den oben beschriebenen Anordnungen besonders geeignet ist. Die Vorrichtung 120, die stromaufwärts von der Fliegenaugen-Linse angeordnet ist, umfasst eine Baugruppe aus drei reflektierenden Oberflächen 121, 122, 123, die mittels eines Gehäuses 124 relativ zueinander fixiert gehalten werden, wobei die Baugruppe gemeinsam um eine Achse 125 drehbar ist, z. B. in Lagern 126 mittels eines (nicht gezeigten) Motors. Der hereinkommende Strahl 30 wird längs der Achse 125 geleitet, trifft auf die Oberfläche 121 und wird zur Oberfläche 122 und zurück zur Oberfläche 123 reflektiert, an der er die Vorrichtung wieder längs der Achse 125 verlässt. In dem gezeigten Beispiel sind die Oberflächen 121, 122, 123 dielektrische Spiegel mit hohem Reflexionsvermögen.
Die Wege der oberen und unteren Abschnitte (30u, 30l) des Strahls bei verschiedenen Drehwinkeln der Vorrichtung 120 sind in den 6a und 6b dargestellt. Wenn die Vorrichtung um 0° gedreht ist, wie in 6a gezeigt ist, treffen die Abschnitte 30u und 30l des Strahls an unterschiedlichen Stellen längs der Achse 125 auf die reflektierende Oberfläche 121 mit dem Ergebnis, dass nach weiteren Reflexionen durch die Oberflächen 122 und 123 die ursprünglich oberen und unteren Abschnitte 30u und 30l die Vorrichtung an der Unterseite bzw. an der Oberseite des Strahls verlassen. Ist die Vorrichtung jedoch bei 90° ausgerichtet, wie in 6b gezeigt ist, treffen die unteren oder obere Abschnitte des Strahls an der gleichen axialen Stelle auf die Oberfläche 121 und es erfolgt keine Invertierung der Strahlabschnitte 30u und 30l. Bei einer Drehung der Vorrichtung um 180° (nicht gezeigt) treffen die Abschnitte 30u und 30l wieder an verschiedenen Stellen längs der Strahlachse auf die Oberfläche 121 mit dem Ergebnis, dass eine Invertierung stattfindet.
Es ist deswegen klar, dass die Vorrichtung, die stromabwärts von der oben beschriebenen Drehvorrichtung 120 angeordnet ist, von einem Strahl 30' belichtet wird, der an einem Punkt P bei einem Radius r von der Strahlachse eine Intensität besitzt, die sich bei einer Frequenz ändert, die das Doppelte der Winkelfrequenz des Gehäuses 124 ist (siehe 5b). Wenn der hereinkommende Strahl 30, wenigstens bei einem vorgegebenen Radius r von der Strahlachse, vollkommen homogen wäre, würde der Punkt P keine Änderung der Strahlintensität aufweisen. In der Praxis ist jedoch der vom Laser erzeugte Strahl 30 selbst bei einem vorgegebenen Radius nicht homogen mit dem Ergebnis, dass der Punkt P eine sich periodisch verändernde Strahlintensität aufweist. Eine derartige sich verändernde Intensität besitzt jedoch trotzdem die Wirkung des gleichen mittleren Werts für alle durch den Strahl bestrahlten Punkte, die sich bei einem Radius r von der Strahlachse befinden. Da sich die Strahlintensität an einem Punkt auf die Rate der Materialentfernung an der Düsenplatte überträgt, hat die Verwendung der oben beschriebenen Vorrichtung Düsen zur Folge, die gleichförmiger sind (wenigstens bei einem vorgegebenen Düsenradius), als dies erreicht werden würde, wenn ein Strahl verwendet wird, der keine derartige Konditionierung erfährt.
Die Verwendung von diskreten reflektierenden Oberfläche 121, 122, 123 ist in einer Vorrichtung besonders vorteilhaft, die einen Hochenergiestrahl verwendet: Sie haben den Vorteil der geringen Aberration, wenn sie mit Hochenergiestrahlen verwendet werden, und weisen ebenso geringere Verluste auf und sind robuster als herkömmliche Linsen/Prismen. In dem oben gezeigten Beispiel werden dielektrische Spiegel mit hohem Reflexionsvermögen verwendet.
Es sollte angemerkt werden, dass weitere Typen von Strahl-Homogenisierungseinrichtungen, die in der Technik wohlbekannt sind, an Stelle der eben beschriebenen Strahlkonditionierungsvorrichtung bzw. zusätzlich zu dieser verwendet werden können.
Eine weitere Unvollkommenheit von realen optischen Systemen ist das Vorhandensein von Streustrahlen, die durch Unvollkommenheiten der optischen Elemente, die das System bilden, hervorgerufen werden: Derartige Streustrahlen können, falls zugelassen wird, dass sie auf der Düsenplatte auftreffen, eine von der Idealform abweichende Düse zur Folge haben. Das kann durch die Verwendung eines räumlichen Filters vermieden werden, das beispielhaft in 3 gezeigt ist und eine Maske 130 enthält, die unmittelbar vor der Düsenplatte an dem Punkt angeordnet ist, den die Strahlen vor dem Auftreffen auf der Düsenplatte passieren. Die Blende in der Maske ist so gewählt, dass der Düsenbildungsstrahl hindurchgeht, jedoch alle Streustrahlen, die sich außerhalb des Düsenbildungsstrahls befinden, ausgeblendet werden. Die Genauigkeit der Blende ist deswegen kritisch. Die Blende kann vorteilhaft gebildet werden durch die an der Verwendungsstelle erfolgende Abtragung eines Maskenrohlings unter Verwendung des gleichen Strahls und der gleichen Optik, die nachfolgend für die Düsenabtragung verwendet werden. Das Material des Maskenrohlings sollte natürlich so gewählt werden, dass es im Unterschied zu dem Düsenplattenmaterial unter der Wirkung der Streustrahlen nicht wesentlich abgetragen wird.
Ein weiterer Verfahrensschritt zum Verbessern der Qualität der hergestellten Düsen besteht darin, den Abtragungsvorgang in einer Atmosphäre aus Helium oder Sauerstoff auszuführen. Die Düsenplatte wird demzufolge in einer Kammer angeordnet, die mit dem geeigneten Gas versorgt wird und ein Fenster aufweist, durch das der Strahl übertragen wird. Komponenten wie etwa der räumliche Filter, der sehr nahe an der Düsenplatte liegt, können außerdem in der Kammer enthalten sein. Helium, das in der Kammer verwendet wird, wirkt als Kühlmedium, indem es die Abtragungsprodukte kondensiert, bevor sie die Möglichkeit haben, andere Teile der Düsenplatte zu beschädigen, wohingegen Sauerstoff, der in der Kammer verwendet wird, mit den Abtragungsprodukte reagiert, um sie in Gas zu verwandeln. Beide Verfahren haben ein saubereres Endprodukt zur Folge.
Die vorliegende Erfindung ist hauptsächlich auf Verfahren der Herstellung von Düsen in einer Düsenplatte eines Tintenstrahl-Druckkopfes gerichtet. Obwohl in den Figuren lediglich eine einzige Düse gezeigt ist, besitzen die meisten Druckkopf-Konstruktionen eine bedeutende Anzahl von Düsen, z. B. 64 oder 128. Die Herstellungsdauer kann offensichtlich verringert werden, indem mehrere Düsen gleichzeitig ausgebildet werden, wobei sich diese Düsen entweder im gleichen Druckkopf befinden oder zu separaten Druckköpfen gehören. Für jede gleichzeitig ausgebildete Düse sind jedoch komplette optische Systeme des Typs, der in den 1 und 2 gezeigt ist, nicht erforderlich: Der Strahl von einer einzigen Hochenergiestrahlquelle kann z. B. verwendet werden, um mehrere einzelne optische Systeme zu versorgen. Ferner ist lediglich eine einzelne Strahldämpfungseinrichtung erforderlich, wenn sie verwendet wird, um die Leistung des einzelnen Strahls vor dem Teilen zu steuern. Alternativ kann die Strahlteilungsoptik zwischen die Maske 70 und die konvergierende Linse 80 zwischengelagert sein, wodurch die doppelte Anordnung der konvergierenden Linse 80 und weiterer Elemente (räumliches Filter usw.) vermieden wird, die stromabwärts davon erforderlich sein könnten.
In Bezug auf den eigentlichen Druckkopf ist die Düsenplatte 22 aus einem Material hergestellt, z. B. Polyimid, Polycarbonat, Polyester, Polyetheretherketon oder Acryl, das abgetragen wird, wenn es durch Licht von einem UV-Excimerlaser bestrahlt wird. Obwohl der Vorgang der Abtragung, der im Zusammenhang mit Tintenstrahl-Druckköpfen wohlbekannt ist, da durch ihn genaue Düsen ausgebildet werden können, zu bevorzugen ist, ist es nicht vorgesehen, dass die vorliegende Erfindung auf diesen Typ des Hochenergiestrahls beschränkt sein soll. Strahlung von anderen Lasertypen oder anderen Quellen kann als Hochenergiestrahl verwendet werden.
Aus der vorherigen Beschreibung ist selbstverständlich, dass die vorliegende Erfindung besonders geeignet ist zur Bildung von konusförmigen Düsen. Im Gebrauch dient der breite Querschnitt der konusförmigen Düse als Tinteneinlass der Düse und ist an einen Tintenkanal des Druckkopfes angeschlossen, während der enge Querschnitt der Düse als Tröpfchenausstossauslass dient. Die "vordere" Oberfläche der Düsenplatte, in der der Auslass ausgebildet ist, kann eine nieder-energetische, nicht benetzende Beschichtung aufweisen, um eine Tintenanhaftung um die Düsen herum zu verhindern. Wenn diese Beschichtung auf der Düsen-platte vor der Düsenbildung aufgetragen wird, muss der Strahl diese Beschichtung sowie das Düsenplattenmaterial durchbrechen.
Düsen können in der Düsenplatte entweder vor oder nach der Anbringung der Düsenplatte an dem Druckkopf gebildet werden (wie in der Technik bekannt ist, siehe z. B. die oben erwähnte Anmeldung WO 93/15911). In beiden Fällen ist die Platzierung der Düse relativ zu dem jeweiligen Kanal wichtig und wird durch Mittel zum Manipulieren von Düsenplatte/Druckkopf relativ zu dem optischen System vor der Düsenbildung vereinfacht.

Claims

Verfahren zum Ausbilden einer Düse in einer Düsenplatte für einen Tintenstrahl-Druckkopf, wobei die Düse einen Düseneinlass und einen Düsenauslass in entsprechenden gegenüberliegenden Flächen der Düsenplatte besitzt, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: Richten eines Hochenergiestrahls mit einer ersten Achse, die sich in einer ersten Richtung erstreckt, zu der Düsenplatte; Richten des Strahls auf eine erste reflektierende Oberfläche, die unter einem Winkel zu der ersten Richtung orientiert ist, wobei die Oberfläche so beschaffen ist, dass sie den Strahl zu einer zweiten reflektierenden Oberfläche und zu einer dritten reflektierenden Oberfläche reflektiert, die so angeordnet sind, dass sie den Strahl sowohl umkehren als auch längs einer Achse ausrichten, die zu der ersten Achse, die sich in einer ersten Richtung erstreckt, kollinear ist; wobei die erste, die zweite und die dritte Oberfläche relativ zueinander fixiert sind, um eine Baugruppe zu bilden; und Drehen der Baugruppe um die erste Achse; wobei der Strahl auf die Düsenplatte auftrifft, wodurch eine Düse gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die reflektierenden Oberflächen jeweils ein diskretes Element umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das diskrete Element ein dielektrischer Spiegel mit hohem Reflexionsvermögen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, das ferner die folgenden Schritte umfasst: Einführen einer Divergenz in den Strahl; danach Richten des Strahls auf eine einzige Blende einer Maske, um dadurch den Strahl zu formen; und danach Schicken des Strahls durch Strahlkonvergenzmittel, bevor er auf der Fläche der Düsenplatte auftrifft, in der der Düsenauslass gebildet wird, wodurch eine Düse gebildet wird, wobei der Düsenauslass durch die Strahlkonvergenzmittel der einzigen Blende zugeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der Schritt des Einführens einer Divergenz in den Strahl das Teilen des Strahls in zahlreiche Unterstrahlen umfasst, wobei jeder Unterstrahl eine Divergenz aufweist, wobei der Ausgangspunkt der Divergenz jedes Unterstrahls in einem Abstand von dem Punkt liegt, an dem der jeweilige Unterstrahl durch Teilen erzeugt wird; wobei die Unterstrahlen danach durch weitere Strahlkonvergenzmittel geschickt werden, bevor sie rekombiniert und durch eine einzige Blende einer Maske gelenkt werden, wobei die Abmessungen des Querschnitts des rekombinierten Strahls direkt vor dem Auftreffen auf die Ebene der Maske im Wesentlichen gleich den Abmessungen der Blende in der Maske sind.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem der Schritt des Teilens des Strahls in zahlreiche Unterstrahlen das Schicken des Strahls durch eine Linsenanordnung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Anordnung zylindrische Linsen umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei dem der Ausgangspunkt der Divergenz jedes Unterstrahls vor der Maske liegt.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Ausgangspunkt der Divergenz jedes Unterstrahls zwischen dem Punkt, an dem der jeweilige Unterstrahl durch Teilen erzeugt wird, und der Maske liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, bei dem die Maske sich in einem Abstand von den weiteren Strahlkonvergenzmitteln befindet, der gleich der Brennweite der weiteren Strahlkonvergenzmittel ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Strahl durch seinen Durchgang durch eine Anordnung optischer Elemente geteilt wird, um eine Anordnung von Unterstrahlen zu erzeugen; wobei die Anordnung von Unterstrahlen danach zu der ersten reflektierenden Oberfläche gerichtet wird, wobei die Anordnung der optischen Elemente derart ist, dass alle ankommenden Unterstrahlen durch die erste reflektierende Oberfläche zu der zweiten und der dritten reflektierenden Oberfläche gerichtet werden, um danach auf der Düsenplatte aufzutreffen.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem der Hochenergiestrahl durch seinen Durchgang durch eine Anordnung optischer Elemente geteilt wird, um eine Anordnung von Unterstrahlen zu erzeugen, wobei die Anordnung optischer Elemente in einer ersten Richtung eine größere Breite als in einer zu der ersten Richtung senkrechten zweiten Richtung besitzt, wobei die erste und die zweite Richtung zu der Richtung, in der der Strahl auf der Anordnung auftrifft, senkrecht sind; wodurch eine Düse gebildet wird, die eine Bohrung und einen auf die Düsenachse in einer der ersten Richtung entsprechenden Richtung bezogenen Konuswinkel, der größer als der Konuswinkel der Düsenbohrung in einer der zweiten Richtung entsprechenden Richtung ist, aufweist.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Leistung des Hochenergiestrahls anfangs niedrig gehalten wird und mit zunehmender Tiefe der in der Düsenplatte ausgebildeten Düse erhöht wird.
Vorrichtung für die Verwendung mit dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die umfasst: eine Quelle für einen Hochenergiestrahl, der eine erste Achse besitzt, die sich in einer ersten Richtung erstreckt; eine Baugruppe, die eine erste reflektierende Oberfläche, die unter einem Winkel zu der ersten Richtung orientiert ist, eine zweite reflektierende Oberfläche und eine dritte reflektierende Oberfläche aufweist, wobei die erste, die zweite und die dritte reflektierende Oberfläche relativ zueinander fixiert sind, so dass der Hochenergiestrahl durch die erste reflektierende Oberfläche auf die zweite reflektierende Oberfläche und auf die dritte reflektierende Oberfläche reflektiert wird, wodurch der Strahl sowohl umgekehrt als auch auf eine Achse, die zu der in einer ersten Richtung sich erstreckenden ersten Achse kollinear ist, ausgerichtet wird; wobei die Baugruppe um die erste Achse drehbar ist.
System zum Bilden einer Düse in einer Düsenplatte für einen Tintenstrahl-Druckkopf, wobei das System umfasst: ein Düsenplattensubstrat, eine Baugruppe und eine Quelle für einen Hochenergiestrahl, der eine erste Achse besitzt, die sich in einer ersten Richtung erstreckt; wobei die Baugruppe eine erste reflektierende Oberfläche, die unter einem Winkel zu der ersten Richtung orientiert ist, eine zweite reflektierende Oberfläche und eine dritte reflektierende Oberfläche besitzt, wobei die erste, die zweite und die dritte reflektierende Oberfläche relativ zueinander fixiert sind, derart, dass der Hochenergiestrahl durch die erste reflektierende Oberfläche zu der zweiten reflektierenden Oberfläche und zu der dritten reflektierenden Oberfläche reflektiert wird, wodurch der Strahl sowohl umgekehrt wird als auch entlang einer zweiten Achse, die zu der in der ersten Richtung sich erstreckenden ersten Achse kollinear ist, ausgerichtet wird; wobei die Baugruppe um die erste Achse drehbar ist und wobei das Düsenplattensubstrat teilweise in einem Weg angeordnet ist, der durch die zweite Achse definiert und derart beschaffen ist, dass der Strahl auf jene Fläche des Düsenplattensubstrats, in der ein Düsenauslass gebildet ist, gerichtet wird und als Erstes auf ihr auftrifft, wobei der Düsenauslass eine geringere Größe besitzt als der in einer gegenüberliegenden Fläche des Düsenplattensubstrats ausgebildete Düseneinlass.