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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf– einen
Tröpfchen-Niederschlagapparat
und insbesondere auf Tintenstrahl-Druckköpfe, auf Komponenten davon
und auf Verfahren zur Herstellung dieser Komponenten.
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Eine besonders nützliche Form eines Tintenstrahldruckers
umfasst einen Körper
aus piezoelektrischem Material mit Tintenkanälen, die beispielsweise durch
Scheibenschnitt ausgebildet sind. Auf den dem Kanal zugewandten
Oberflächen
des piezoelektrischen Materials können Elektroden plattiert sein, die
es ermöglichen,
an die zwischen angrenzenden Kanälen
festgelegte piezoelektrische "Wand" ein elektrisches
Feld anzulegen. Bei geeigneter Polung kann bewirkt werden, dass
sich diese Wand in den ausgewählten
Tintenkanal hinein oder aus ihm hinaus bewegt, was einen Druckimpuls
bewirkt, der durch eine geeignete Kanaldüse einen Tintentropfen ausstößt. Eine
solche Konstruktion ist beispielsweise in EP-A-0 364 136 gezeigt.
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Es ist eine häufige Anforderung, über eine verhältnismäßig große Ausdehnung
des Druckkopfs, vielleicht eine gesamte Seitenbreite, eine hohe
Dichte dieser Tintenkanäle
mit einer hohen Lagegenauigkeit zu schaffen.
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Eine Form eines breiten Druckkopfs
ist beschrieben in
EP 0 522 814 .
Dünne Lagen
eines piezoelektrischen Materials sind mit einem Substrat verbunden,
das eine Grundfläche
mit der gleichen Größe besitzt.
Es sind Kanäle
ausgebildet, die sich sowohl durch das piezoelektrische Material
als auch durch das Substrat erstrecken. Die Elektroden werden dadurch
ausgebildet, dass über
der Oberseite des piezoelektrischen Materials und über den
Oberflächen
des Kanals eine elektrisch leitende Schicht abgeschieden wird. Um
eine elektrische Verbindung mit den Elektroden herzustellen, werden
Leitungen zugeführt.
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In
EP
0 839 656 ist ein Druckkopf mit vorgeformten Kanälen und
Elektroden über
Drahtverbindungen an Spuren auf einer Leiterplatte angebracht und
elektrisch mit ihnen verbunden. Es ist ein leitendes Haftmittel
vorgesehen, das eine Masseelektrode elektrisch mit der Leiterplatte
verbindet. Eine weitere Form einer breiten Druckkopfkonstruktion
ist offenbart in WO 98/52763. Sie umfasst die Verwendung einer ebenen
Basisplatte, die das piezoelektrische Material abstützt, sowie
integrierter Schaltungen, die die erforderlichen Verarbeitungs-
und Steuerfunktionen ausführen.
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Eine solche Konstruktion besitzt
insbesondere hinsichtlich der Herstellung mehrere Vorteile. Die Basisplatte
wirkt als "Rückgrat" für den Druckkopf, wobei
sie das piezoelektrische Material und die integrierten Schaltungen
während
der Herstellung abstützt.
Diese Abstützfunktion
ist besonders wichtig während
des Prozesses des Aneinanderfügens
mehrerer Lagen piezoelektrischen Materials, um eine zusammenhängende,
seitenbreite Anordnung von Tintenkanälen auszubilden. Außerdem vereinfacht
die verhältnismäßig große Größe der Basisplatte
die Handhabung.
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Es verbleibt ein Problem der Zuverlässigkeit und
der effizienten Herstellung der elektrischen Verbindung zwischen
den Tintenkanalelektroden und den entsprechenden Anschlussstiften
der integrierten Schaltungen. Wenn die Basisplatte aus einem geeigneten
Material besteht und geeignet fertigbearbeitet ist, können auf
ihr leitende Spuren abgeschieden werden, die in bekannter Weise
mit den IC-Anschlussstiften verbinden. Es verbleibt die Schwierigkeit
der Herstellung von Verbindungen mit den Kanalelektroden.
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Die vorliegende Erfindung soll eine
verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren schaffen,
die dieses Problem behandeln.
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Dementsprechend besteht die vorliegende Erfindung
in einem Aspekt in einem Verfahren zum Herstellen einer Komponente
bzw. eines Bauteils eines Tröpfchen-Niederschlagapparats,
wobei die Komponente einen Körper
piezoelektrischen Materials umfasst, der eine Vielzahl von Kanälen hat,
von denen jeder eine Kanaloberfläche
und eine Basis hat, wobei der Körper
an einer Oberfläche
der Basis angebracht ist, die frei von wesentlichen Diskontinuitäten bzw.
Unterbrechungen ist; wobei das Verfahren die Schritte umfasst, wonach
der Körper
an der Oberfläche
der Basis angebracht wird; und eine Schicht eines leitenden Materials
abgeschieden wird, so dass es sich fortlaufend über wenigstens einen der Kanaloberflächen und
die Oberfläche
der Basis erstreckt, um eine Elektrode auf jeder Kanaloberfläche und
eine leitende Spur auf der Oberfläche der Basis bereitzustellen,
die einstöckig
mit der Elektrode verbunden ist; und wobei die Spur verwendet wird,
um eine Verbindung mit einer oder mehreren integrierten Schaltungen
bereitzustellen.
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Die Anbringung des Körpers an
einer Oberfläche
der Basis und das nachfolgende Abscheiden einer fortlaufenden Schicht
leidenden Materials über der
wenigstens einen Kanaloberfläche
und über
der Basisoberfläche
führt zu
einer effektiven und zuverlässigen
elektrischen Verbindung zwischen den Kanalwandelektroden und den
leitenden Spuren des Substrats. Diese Spuren können dazu verwendet werden,
entweder direkt oder über
andere Spuren und Zwischenverbindungen eine Verbindung mit einer
oder mit mehreren integrierten Schaltungen zu schaffen, die auf
der Basis getragen werden.
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Außerdem besteht die vorliegende
Erfindung in einer Komponente für
einen Tröpfchen-Niederschlagsapparat
mit einem Körper
piezoelektrischen Materials, das mit einer Vielzahl von Kanälen ausgebildet
ist, wobei jeder Kanal eine Kanaloberfläche hat; und einer separaten
Basis, die eine Basisoberfläche
hat, die frei von wesentlichen Ungleichmäßigkeiten bzw. Diskontinuitäten ist;
wobei der Körper
an der Basisoberfläche
angebracht ist und eine Schicht leitenden Materials sich fortlaufend über die
Kanaloberflächen
und die Basisoberfläche
erstreckt, wobei dadurch eine Elektrode, auf jeder Kanaloberfläche und eine
entsprechende leitende Spur festgelegt wird, die damit auf der Basisoberfläche verbunden
ist; wobei die Spur eine Verbindung mit einer oder mehreren integrierten
Schaltungen bereitstellt.
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Die Erfindung wird nun beispielhaft
mit Bezug auf die beigefügte
Zeichnung beschrieben, in der:
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1 eine
Längsschnittansicht
durch einen bekannten Tintenstrahldruckkopf ist;
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2 eine
Querschnittsansicht längs
der Linie AA aus 1 ist;
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3 eine
Explosionsdarstellung einer seitenbreiten Druckkopfanordnung gemäß dem Stand der
Technik ist;
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4 eine
zusammengesetzte Längsschnittansicht
durch den in 3 gezeigten
Druckkopf ist;
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5 eine
zusammengesetzte Schnittansicht ähnlich
der aus 4 eines Druckkopfs
gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung ist;
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6(a) und 6(b) Einzelheits-Schnittansichten
senkrecht und parallel zu der Kanalachse der Vorrichtung aus 5 sind;
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7 eine
perspektivische Einzelheitsansicht der Vorrichtung aus 5 ist;
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8 eine
Querschnittsansicht durch einen Kanal eines Druckkopfs gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung ist;
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9–11 jeweils Schnittansichten
längs des Kanals
der dritten, vierten und fünften
Ausführungsform
der Erfindung sind;
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12 und 13 eine perspektivische Ansicht bzw.
eine perspektivische Einzelheitsansicht der Ausführungsform aus 11 sind;
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14 eine
Einzelheitsansicht des in 6(b) mit
dem Bezugszeichen 194 bezeichneten Bereichs ist;
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15 eine
perspektivische Ansicht ist, die einen Schritt bei der Herstellung
eines Druckkopfs der in 11 gezeigten
Art zeigt; und
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16 eine
Schnittansicht ist, die eine weitere Abwandlung zeigt.
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Es ist hilfreich, zunächst in
gewisser Ausführlichkeit
Beispiele der oben kurz erwähnten
Konstruktionen des Standes der Technik zu beschreiben.
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Somit zeigt 1 einen Tintenstrahldruckkopf 1 des
Standes der Technik der in WO 91/17051 offenbarten Art, der eine
Lage 3 aus piezoelektrischem Material, beispielsweise aus
Bleizirkoniumtitanat (PZT) umfasst, in dessen Oberseite eine Anordnung
oben offener Tintenkanäle 7 ausgebildet
ist. Wie aus 2 ersichtlich
ist, die eine Schnittansicht längs
der Linie AA aus 1 ist,
sind aufeinander folgende Kanäle
in der Anordnung durch die Seitenwände 13 getrennt, die
piezoelektrisches Material enthalten, das (wie durch den Pfeil P
bezeichnet ist) in Dickenrichtung der Lage 3 gepolt ist.
An den gegenüberliegenden
dem Kanal zugewandten Oberflächen 17 sind
Elektroden 15 angeordnet, an die über die Verbindungen 34 Spannungen
angelegt werden können.
Wie z. B. aus EP-A-0 364 136 bekannt ist, führt das Anlegen eines elektrischen
Feldes zwischen den Elektroden beiderseits einer Wand zu einer Scherungsschwingungsablenkung
der Wand in einen der Nachbarkanäle – dies ist
in 2 übertrieben
durch Strichlinien dargestellt – was
seinerseits einen Druckimpuls in diesem Kanal erzeugt.
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Die Kanäle sind durch eine Abdeckung 25 verschlossen,
in der Düsen 27 ausgebildet
sind, die jeweils mit jeweiligen Kanälen in ihren Mittelpunkten in
Verbindung stehen. Wie im Gebiet wohlbekannt ist, findet in Reaktion
auf den obenerwähnten
Druckimpuls ein Tröpfchenausstoß aus den
Düsen statt.
Die Zufuhr von Tröpfchenfluid
zu den Kanälen,
die in 2 durch die Pfeile
S bezeichnet ist, erfolgt über zwei
Durchführungen 33,
die bis in eine solche Tiefe in die Bodenfläche 35 der Lage 3 geschnitten
sind, dass sie jeweils mit den entgegengesetzten Enden der Kanäle 7 in
Verbindung stehen. Eine solche Kanalkonstruktion kann folglich als
doppelendige Seitenschießer-Anordnung
beschrieben werden. Mit der Bodenfläche 35 ist eine Abdeckplatte 37 verbunden, die
die Durchführungen
verschließt.
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Die 3 und 4 sind eine perspektivische Explosionsdarstellung
bzw. eine Schnittansicht eines Druckkopfs, der das Konzept des doppelendigen
Seitenschießers
der 1 und 2 in einer "seitenbreiten" Konfiguration verwendet.
Ein solcher Druckkopf ist beschrieben in WO 98/52763. Es werden
zwei Zeilen von Kanälen
verwendet, die in Medienvorschubrichtung relativ voneinander beabstandet
sind, wobei sich jede Zeile in einer Richtung 'W' quer
zu einer Medienvorschubrichtung P über die Breite einer Seite erstreckt.
Merkmale, die mit der Ausführungsform
der 1 und 2 gemeinsam sind, sind mit
den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, die in den 1 und 2 verwendet
worden sind.
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Wie in 4,
einer Schnittansicht senkrecht zu der Richtung W, gezeigt ist, sind
zwei piezoelektrische Lagen 82a, 82b, die wie
obenbeschrieben jeweils Kanäle
(die anstatt wie in dem vorangehenden Beispiel an ihrer Oberseite
an ihrer Bodenfläche
ausgebildet sind) und Elektroden besitzen, durch eine ebene, verlängerte Basis 86 (wieder
an ihrer Bodenfläche
anstatt an ihrer Oberseite), in der die Öffnungen 96a, 96b für den Tröpfchenausstoß ausgebildet sind,
verschlossen. Die Basis 86 ist außerdem mit (nicht gezeigten)
leitenden Spuren ausgebildet, die z. B. durch Lötmittelverbindungen, wie sie
in WO 92/22429 beschrieben sind und sich bis zum Rand der Basis
erstrecken, wo sich die jeweilige Ansteuerschaltungsanordnung (die
integrierten Schaltungen 84a, 84b) für jede Zeile
der Kanäle
befindet, elektrisch mit den jeweiligen Kanalelektroden verbunden sind.
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Eine solche Konstruktion besitzt
insbesondere hinsichtlich der Herstellung mehrere Vorteile. Zunächst wirkt
die verlängerte
Basis 86 als "Rückgrat" für den Druckkopf,
das die piezoelektrischen Lagen 82a, 82b und die
integrierten Schaltungen 84a, 84b während der
Herstellung abstützt.
Diese Abstützfunktion
ist besonders wichtig während
des Prozesses des Aneinanderfügens
mehrerer Lagen 3, um eine einzige, zusammenhängende,
seitenbreite Anordnung von Kanälen
zu bilden, wie sie in der jeweiligen Ansicht aus 3 mit 82a und 82b bezeichnet ist.
Ein Zugang zum Aneinanderfügen
ist beschrieben in WO 91/17051 und wird hier folglich nicht ausführlicher
beschrieben. Außerdem
vereinfacht die Größe der verlängerten
Abdeckung die Handhabung.
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Ein weiterer Vorteil ergibt sich
aus der Tatsache, dass die Oberfläche der Basis, auf der die
leitenden Spuren ausgebildet werden müssen, eben, d. h. frei von
irgendwelchen wesentlichen Diskontinuitäten, ist. Dies ermöglicht somit,
viele der Herstellungsschritte unter Verwendung bewährter Techniken,
die anderswo in der Elektronikindustrie verwendet werden, z. B.
dem photolithographischen Bemustern für die leitenden Spuren und
dem "Flip-Chip" für die integrierten
Schaltungen, auszuführen.
Insbesondere ist das photolithographische Bemustern ungeeignet, wenn
eine Oberfläche
wegen Problemen im Zusammenhang mit dem Schleuderverfahren, das
zum Auftragen photolithographischer Filme typischerweise verwendet
wird, schnellen Winkeländerungen
unterliegt. Ebene Substrate besitzen außerdem Vorteile unter dem Gesichtspunkt
der Erleichterung der Verarbeitung, des Messens, der Genauigkeit
und der Verfügbarkeit.
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Eine Hauptbetrachtung bei der Auswahl
des Materials für
die Basis ist somit, ob es leicht in einer Form hergestellt werden
kann, in der es eine Oberfläche
besitzt, die frei von wesentlichen Diskontinuitäten ist. Ein zweite Anforderung
ist, dass das Material thermische Ausdehnungseigenschaften für das anderswo
in dem Druckkopf verwendete piezoelektrische Material besitzt. Eine
letzte Anforderung ist, dass das Material ausreichend widerstandsfähig ist, um
die verschiedenen Herstellungsprozesse auszuhalten. Aluminiumnitrid,
Aluminiumoxid, INVAR oder das Spezialglas AF45 sind alle geeignete
Kandidatenmaterialien.
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Die Tröpfchenausstoßöffnungen 96a, 96b können wie
gemäß der Ausführungsform
aus 1 selbst mit einer
konischen Verjüngung
ausgebildet sein, oder die konische Form kann in einer Düsenplatte 98 ausgebildet
sein, die über
der Öffnung
angebracht ist. Eine solche Düsenplatte
kann irgendeines der leicht abzutragenden Materialien wie etwa Polyimid,
Polycarbonat und Polyester enthalten, die herkömmlich für diesen Zweck verwendet werden. Außerdem kann
die Düsenherstellung
unabhängig vom
Zustand der Vollständigkeit
des Rests des Druckkopfs stattfinden: Die Düse kann vor der Montage des
aktiven Körpers 82a auf
der Basis oder auf dem Substrat 86 durch Abtragen von hinten
ausgebildet werden oder kann durch Abtragen von vorn ausgebildet
werden, wenn der aktive Körper
an der richtigen Stelle ist. Beide Techniken sind im Gebiet bekannt.
Das erstere Verfahren besitzt den Vorteil, dass die Düsenplatte
ersetzt oder die gesamte Baueinheit in einer frühen Phase bei der Montage zurückgewiesen
werden kann, was den Wert der zurückgewiesenen Komponenten minimiert.
Das letztere Verfahren erleichtert die Lagegenauigkeit der Düsen mit
den Kanälen
des Körpers,
wenn sie auf dem Substrat zusammengesetzt werden.
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Nach dem Einbau der piezoelektrischen
Lagen 82a, 82b und der Ansteuerchips 84a, 84b auf dem
Substrat 86 und geeigneten Tests, wie sie beispielsweise
in EP-A-0 376 606 beschrieben sind, kann ein Verteilerkörper 80 angebracht
werden. Auch dieser besitzt mehrere Funktionen, von denen die wichtigste
die ist, im Zusammenwirken mit der Basis oder mit dem Substrat 86 zwischen
den und beiderseits der zwei Kanalzeilen 82a, 82b jeweils
die Verteilerkammern 90, 88 und 92 festzulegen.
Ferner ist der Verteilerkörper 80 mit
jeweiligen Röhren
ausgebildet, die mit 90', 88' und 92' bezeichnet
sind und durch die jeder Kammer von außerhalb des Druckkopfs Tinte
zugeführt
wird. Offensichtlich führt
dies zu einer besonders kompakten Konstruktion, in der die Tinte
von dem gemeinsamen Verteiler
90 über die Kanäle in jeden der Körper und über die
Kammern 88 und 92 heraus umgewälzt werden kann (beispielsweise
um eingefangenen Schmutz oder Luftblasen zu entfernen). Der Verteilerkörper 80 stellt
außerdem Oberflächen zur
Anbringung von Mitteln bereit, um den fertigen Druckkopf in einem
Drucker anzuordnen, und legt ferner Kammern 94a, 94b fest,
die gegenüber
den Kammern 88, 90, 92, die Tinte enthalten,
abgedichtet sind und in denen sich integrierte Schaltungen 84a, 84b befinden
können.
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Nunmehr übergehend zu einem Beispiel
der vorliegenden Erfindung wird auf 5 verwiesen. Dies
ist eine Schnittansicht ähnlich
der aus 4, die einen
Druckkopf in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung zeigt. Überall, wo Merkmale mit den
Ausführungsformen
der 1–4 gemeinsam sind, werden
die gleichen Bezugszeichen wie in den 1–4 verwendet.
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Wie bei den vorausgehenden Ausführungsformen
umfasst der Druckkopf aus 5 eine "seitenbreite" Basisplatte oder
ein Substrat 86, auf der zwei Zeilen integrierter Schaltungen 84 angebracht sind.
Dazwischen liegt eine Zeile von Kanälen 82, die in dem
Substrat 86 ausgebildet sind, von denen jeder Kanal zum
Tröpfchenausstoß mit zwei
beabstandeten Düsen 96a, 96b in
Verbindung steht und zur Tintenzufuhr und zur Tintenumwälzung mit
den Verteilern 88, 92 und 90 in Verbindung
steht, die beiderseits und zwischen den Düsen 96a, 96b angeordnet sind.
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Im Gegensatz zu den obendiskutierten
Ausführungsformen
des Druckkopfs ist das piezoelektrische Material für die Kanalwände in eine
Schicht
100 integriert, die zwei Streifen
110a,
110b umfasst.
Wie in der Ausführungsform
aus
4 sind diese Streifen in
der Richtung W der Seitenbreite aneinander gefügt, wobei sich jeder Streifen
etwa 5–10
cm erstreckt (wobei dies die typische Abmessung des Wafers ist, in
dessen Form dieses Material allgemein geliefert wird). Jeder Streifen
wird vor Ausbildung des Kanals mit der kontinuierlichen ebenen Oberfläche
120 des Substrats
86 verbunden,
woraufhin die Kanäle
gesägt
oder auf andere Weise in der Weise ausgebildet werden, dass sie
sich sowohl über
den Streifen als auch über
das Substrat erstrecken. In
6 ist
ein Querschnitt durch einen Kanal, seine zugeordneten Stellwände und
seine Düse
gezeigt. Die Konstruktionen einer solchen Stellgliedwand ist z.
B. aus EP-A-0 505 065 bekannt und wird folglich nicht ausführlicher diskutiert. Ähnlich sind
geeignete Techniken zum Entfernen sowohl der Klebeverbindungen zwischen angrenzenden
aneinander gefügten
Streifen aus piezoelektrischem Material und den Klebemittel-Entlastungskanälen, die
in der Verbindung zwischen jedem piezoelektrischen Streifen und
dem Substrat verwendet werden, aus
US
5.193.256 bzw. aus WO 95/04658 bekannt.
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In Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung wird daraufhin über
den Kanalwänden
und dem Substrat eine kontinuierliche Schicht aus leitendem Material
aufgetragen. Dieses bildet nicht nur die Elektroden 190 zum
Anlegen elektrischer Felder an die piezoelektrischen Wände 13 – wie in 6(a) gezeigt ist – und die
leitenden Spuren 192 auf dem Substrat 86, wie
in 6(b) gezeigt ist,
um Spannungen an diese Elektroden anzulegen, aus, sondern bildet auch – wie bei 194 gezeigt
ist – eine
elektrische Verbindung zwischen diesen zwei Elementen aus.
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Geeignete Elektrodenmaterialien und
Abscheidungsverfahren sind im Gebiet wohlbekannt. Wie im Gebiet
bekannt ist, schaffen Kupfer, Nickel und Gold, die allein oder zusammen
verwendet und vorteilhaft durch autokatalytische Prozesse unter Verwendung
eines Palladium-Katalysators abgeschieden werden, die erforderliche
Integrität,
Haftung an dem piezoelektrischen Material, Korrosionsbeständigkeit
und Grundlage für
die nachfolgende Passivierung z. B. unter Verwendung von Siliciumnitrid.
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Wie z. B. aus der obenerwähnten EP-A-0 364
136 allgemein bekannt ist, müssen
die Elektroden an den gegenüberliegenden
Seiten jeder Stellwand 13 elektrisch voneinander isoliert
sein, damit zwischen ihnen und somit über das piezoelektrische Material
der Stellwand ein elektrisches Feld aufgebaut werden kann. Dies
ist sowohl in der Anordnung des Standes der Technik aus 2 als auch in der in 6(a) gezeigten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die entsprechenden leitenden Spuren,
die jede Elektrode mit einer jeweiligen Spannungsquelle verbinden,
müssen ähnlich isoliert
sein.
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In der vorliegenden Erfindung kann
diese Isolation zum Zeitpunkt der Abscheidung beispielsweise durch
Maskieren jener Bereiche – wie
etwa der Oberseiten der Kanalwände – bei denen
kein leitendes Material erforderlich ist, erreicht werden. Geeignete
Maskie rungstechniken einschließlich
bemusterter Raster und photolithographisch bemusterter Maskenmaterialien
sind z. B. aus WO 98/17477 und aus EP-A-0 397 441 im Gebiet wohlbekannt
und werden nicht ausführlicher
beschrieben.
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Alternativ kann die Isolation nach
der Abscheidung erreicht werden, indem das leitende Material von
jenen Bereichen entfernt wird, wo es nicht erforderlich ist. Obgleich
andere herkömmliche
Entfernungsverfahren – u.
a. Sandstrahlen, Ätzen,
Elektropolieren und Drahterosion – ebenfalls geeignet sein können, hat
sich die lokalisierte Verdampfung von Material mittels Laserstrahl,
wie sie z. B. aus JP-A-09 101 983 bekannt ist, als am besten geeignet
erwiesen, um die geforderte hohe Genauigkeit zu erreichen. 7 zeigt die Materialentfernung,
in diesem Fall über
einem schmalen Band, das sich entlang der Oberseite der Wand erstreckt,
obgleich mehrere Durchgänge
des Laserstrahls (oder ein einzelner Durchgang eines breiteren Laserstrahls)
verwendet werden können,
um das Material von der gesamten Oberseite der Wand zu entfernen
und so den Oberseitenbereich der Wand zu maximieren, der zum Verbinden
mit dem Abdeckelement 130 verfügbar ist.
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Außer dem Entfernen von leitendem
Material von der Oberseite 13' jeder piezoelektrischen Stellwand 13,
um die Elektroden 190', 190'' beiderseits jeder Wand zu trennen,
muss das leitende Material auch von der Oberfläche des Substrats 86 in
der Weise entfernt werden, dass die jeweiligen leitenden Spuren 192', 192'' für jede Elektrode 190', 190'' festgelegt werden. Wie bei 195 gezeigt
ist, ist die Stirnseite des piezoelektrischen Materials 100 am Übergang
zwischen dem piezoelektrischen Material 100 und dem Substrat 86 angewinkelt
oder abgefast. Wie bekannt ist, besitzt dies gegenüber einem
senkrechten Schnitt (der durch eine Strichlinie bei 197 gezeichneten
Art) den Vorteil, zu ermöglichen,
dass der verdampfende Laserstrahl – der im übertragenen Sinn durch den
Pfeil 196 gezeigt ist – in
das leitende Material eindringt und es dadurch entfernt, ohne dass der
Strahl angewinkelt werden muss. Vorzugsweise wird die Abfasung 195,
nachdem die piezoelektrische Schicht 100 an dem Substrat 86 angebracht
worden ist, aber vor Ausbildung der Kanalwände, die, da sie typischerweise 300 um
dick und aus Keramik und Glas ausgebildet sind, anfällig für Beschädigung sind,
durch Fräsen
ausgebildet. Es ist festgestellt worden, dass ein Abfasungswinkel
von 45 Grad geeignet ist.
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Außerdem ist klar, dass die Elektroden
und leitenden Spuren, die den aktiven Abschnitten 140a zugeordnet
sind, gegenüber
jenen isoliert sein müssen,
die 140b zugeordnet sind, damit die Düsenzeilen unabhängig betrieben
werden könnten.
Obgleich dies ebenfalls durch einen Laser-"Schnitt" entlang der Oberfläche des Substrats 86 erreicht
werden könnte,
der sich zwischen zwei piezoelektrischen Streifen erstreckt, wird
es einfacher durch die Verwendung einer physikalischen Maske während des Elektrodenabscheidungsprozesses
oder durch die Verwendung einer elektrischen Erosionsbearbeitung erreicht.
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Wie im Gebiet bekannt ist, kann die
Laserbearbeitung auch in einem nachfolgenden Schritt zum Ausbilden
der Tintenausstoßlöcher 96a, 96b in
der Basis jedes Kanals verwendet werden. Diese Löcher können direkt als Tintenausstoßdüsen dienen.
Alternativ kann mit der Unterseite des Substrats 86 eine (nicht
gezeigte) getrennte Platte verbunden sein, die Düsen besitzt, welche mit den
Löchern 96a, 96b in Verbindung
stehen und eine höhere
Qualität
besitzen, als sie ansonsten mit Düsen möglich sein könnte, die
direkt in der Keramik- oder Glasbasis des Kanals ausgebildet sind.
Geeignete Techniken sind insbesondere aus WO 93/15911, die eine
Technik für
die Ausbildung von Düsen
in situ nach Anbringen der Düsenplatte
offenbart, wodurch die Lagegenauigkeit jeder Düse mit ihrem entsprechenden
Kanal vereinfacht wird, wohlbekannt.
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Die durch den Laser festgelegten
leitenden Spuren 192', 192'' können sich über die gesamte Strecke von
dem Übergangsbereich 195 bis
zu den integrierten Schaltungen 84 erstrecken, die sich
beiderseits des Substrats befinden. Alternativ kann der Laserspur-Definitionsprozess
auf einen Bereich, der direkt an das piezoelektrische Material angrenzt,
beschränkt
sein, wobei zum Festlegen der leitenden Spuren, die die durch den
Laser festgelegten Spuren mit den integrierten Schaltungen 84 verbinden,
ein anderer Prozess- z. B. ein Photolithographie-Prozess- verwendet werden kann.
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Nachdem die elektrischen Verbindungen hergestellt
worden sind, braucht mit der Oberfläche des Substrats 86 (z.
B. unter Verwendung eines Offset-Verfahrens) lediglich ein Abdeckelement 130 haftend
verbunden zu werden. Diese Abdeckung erfüllt mehrere Funktionen: Zunächst schließt sie jeden
Kanal entlang jener Abschnitte 140a, 140b, wo
die Wände
das piezoelektrische Material enthalten, damit das Stellen des Materials
und die resultierende Ablenkung der Wände einen Druckimpuls in den
Kanalabschnitten erzeugen und den Ausstoß eines Tröpfchens durch eine jeweilige Öffnung bewirken
könnten.
Zweitens legen die Abdeckung und das Substrat zwischen sich Durchführungen 150a, 150b und 150c fest,
die sich beiderseits entlang jeder Zeile der aktiven Kanalabschnitte 140a, 140b erstrecken
und durch die Tinte zugeführt
wird. Außerdem
ist die Abdeckung mit Anschlüssen 88, 90, 92 ausgebildet,
die die Durchführungen 150a, 150b und 150c in
den jeweiligen Teilen eines Tintensystems verbinden. Wie im Gebiet
bekannt ist, kann ein solches System außer dem Nachfüllen der
Tinte, die ausgestoßen
worden ist, die Tinte für
Wärme-,
Schmutz- und Blasenentfernungszwecke (wie durch die Pfeile 112 gezeigt ist)
durch die Kanäle
umwälzen.
Eine letzte Funktion der Abdeckung ist das Abdichten des Tinte enthaltenden
Teils des Druckkopfs gegenüber
der Außenwelt und
insbesondere der Elektronik 84. Obgleich zusätzliche
Maßnahmen
wie etwa Klebemittelausrundungen verwendet werden könnten, ist
festgestellt worden, dass dies durch die Haftverbindung zwischen
dem Substrat 86 und der Abdeckrippe 132 ausreichend
erreicht wird. Alternativ kann die Abdeckrippe durch ein geeignet
geformtes Dichtungselement ersetzt sein.
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Umfassend ausgedrückt, umfasst der Druckkopf
aus 5 eine erste Schicht,
die eine kontinuierliche ebene Oberfläche besitzt; eine zweite Schicht
aus piezoelektrischem Material, die mit der kontinuierlichen ebenen
Oberfläche
verbunden ist; wenigstens einen Kanal, der sich durch die verbundene
erste und zweite Schicht erstreckt; wobei die zweite Schicht erste
und zweite Abschnitte besitzt, die entlang der Länge des Kanals beabstandet
sind; und eine dritte Schicht, die dazu dient, an allen Seiten,
die parallel zu der Achse der Kanalabschnitte des durch die ersten
und zweiten Abschnitte der zweiten Schicht festgelegten Kanals liegen,
zu verschließen.
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Es ist klar, dass das Beschränken der
Verwendung des piezoelektrischen Materials auf jene "aktiven" Abschnitte des Kanals,
wo es erforderlich ist, um die Kanalwände zu verschieben, eine effiziente
Art der Verwendung eines verhältnismäßig teuren Materials
ist. Außerdem
wird die dem piezoelektrischen Material zugeordnete Kapazität minimiert,
was die Belastung und somit die Kosten der Ansteuerschaltungsanordnung
verringert.
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Während
der Druckkopf der 5 und 6 Stellwände vom "Ausleger"-Typ verwendet, in denen lediglich ein
Teil der Wand in Reaktion auf das Anlegen eines elektrischen Stellfeldes
verbogen wird, werden die Stellwände
des Druckkopfs der 8 und 9 aktiv über ihre gesamte Höhe zu einer
Chevron-Form verbogen. Wie wohlbekannt und in 8 gezeigt ist, besitzt ein solcher "Chevron"-Steller obere und
untere Wandteile 250, 260, die (wie durch die Pfeile
gezeigt ist) in entgegengesetzten Richtungen gepolt sind, und an
den gegenüberliegenden
Oberflächen
Elektroden 190', 190'' zum Anlegen eines einseitig gerichteten
elektrischen Feldes über
die gesamte Höhe
der Wand. Die angenäherte
verbogene Form der Wand, wenn sie den elektrischen Feldern ausgesetzt
ist, ist auf der rechten Seite von 8 in den
Strichlinien 270 übertrieben
gezeigt.
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Im Gebiet sind z. B. aus EP-A-0 277
703, EP-A-O 326 973 und aus WO 92/09436 verschiedene Verfahren zur
Herstellung solcher "Chevron"-Stellwände bekannt.
Für den
Druckkopf der 9 und 10 werden zuerst zwei Lagen
aus piezoelektrischem Material angeordnet, so dass ihre Polarisationsrichtungen
einander zugewandt sind. Daraufhin wird aus den Lagen ein Schichtstoff
hergestellt, der in Streifen geschnitten und schließlich, wie
bereits anhand von 5 erläutert worden
ist, zu einem inaktiven Substrat 86 verbunden wird.
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Eine Folge dessen, dass die gesamte
Stellwandhöhe
durch piezoelektrisches Material festgelegt ist, besteht darin,
dass es keine Notwendigkeit gibt, in das aktive Substrat 86 Nuten
zu sägen,
die die Wand festlegen. Natürlich
verbleibt die Notwendigkeit, die Länge der Düsen 96a, 96b minimal
zu halten, um Verluste zu minimieren, die andernfalls die Tröpfchenausstoßgeschwindigkeit
verringern könnten.
Zu diesem Zweck kann die Dicke des Substrats entweder lokal, wie
in 9 gezeigt ist, mittels
eines Grabens 300, der vorteilhaft durch Sägen, Schleifen oder
Formen ausgebildet wird, – oder
insgesamt gemäß 10 verringert werden. Beide
Anordnungen müssen
einen freien Durchgang für
einen (graphisch in den Strichlinien bei 320 gezeigten)
Scheibenschneider bereitstellen, der zum Ausbilden der Kanäle in den
piezoelektrischen Streifen verwendet wird.
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Nach der Kanalausbildung und in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung wird daraufhin leitendes Material
abgeschieden und werden Elektroden/leitende Spuren festge legt. In
den gezeigten Beispielen sind die piezoelektrischen Streifen 110a und 100b abgefast,
um wie oben beschrieben die Laserbemusterung zu erleichtern. Außerdem sind an
zwei Punkten entlang jedes Kanals die Düsenlöcher 96a, 96b ausgebildet.
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Schließlich ist mit den Oberseiten
der Kanalwände
ein Abdeckelement 130 verbunden, um die geschlossenen "aktiven" Kanalteilstücke zu erzeugen,
die für
den Tröpfchenausstoß erforderlich
sind. Da zwischen der Unterseite 340 dieses Abdeckelements 130 und
der Oberfläche 345 des
Grabens 300 die Zwischenräume 150a, 150b, 150c festgelegt sind,
die erforderlich sind, um die Tinte entlang der Zeile der Kanäle zu verteilen,
braucht das Abdeckelement in dem Druckkopf aus 9 lediglich ein einzelnes ebenes Element
zu umfassen, das mit den Tintenzufuhranschlüssen 88, 90, 92 ausgebildet
ist. Das Abdichten der Kanäle
wird bei 330 durch die (nicht gezeigte) Haftverbindung
zwischen der Unterseite 340 der Abdeckung 130 und
der Oberseite des Substrats erreicht. Umfassend ausgedrückt, umfasst der
Druckkopf dieser dritten Ausführungsform
der Erfindung eine erste Schicht aus inaktivem Material; eine zweite
Schicht aus piezoelektrischem Material, die erste und zweite Abschnitte
umfasst, die mit Kanälen
ausgebildet und mit der ersten Schicht in einer räumlich beabstandeten
Beziehung verbunden sind; eine dritte Schicht, die dazu dient, die
Kanäle
an allen Seiten, die parallel zu ihren Achsen liegen, zu verschließen; und
Auslässe,
die in der ersten Schicht für den
Tintenausstoß aus
den Kanälen
in den Abschnitten der zweiten Schicht ausgebildet sind.
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In der Ausführungsform aus 10 wird die Einfachheit des Substrats 86,
das ohne den Graben 300 ausgebildet ist, durch die Notwendigkeit
aufgewogen, in der Abdeckung 130 eine Graben-ähnlichen Struktur 350 (die
beispielsweise durch eine vorstehende Rippe 360 festgelegt
ist) auszubilden, um die Tintenzuführungen 150a, 150b, 150c festzulegen.
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Übergehend
zu der Ausführungsform
aus 11, verwendet diese
ebenfalls die Kombination aus einem einfachen Substrat 86 und
einer komplizierteren Abdeckung 130, in diesem Fall einer
zusammengesetzten Struktur, die ein Abstandshalterelement 410 und
ein ebenes Abdeckelement 420 umfasst. Anders als bei den
vorangehenden Ausführungsformen
ist es aber anstelle der Abdeckung das Substrat 86, das
mit den Tintenzuführungsanschlüssen 88, 90, 92 ausgebildet
ist, während
anstelle des Substrats die Abdeckung 130 mit den Löchern
96 zum
Tröpfchenausstoß ausgebildet
ist. In dem gezeigten Beispiel stehen diese Löcher mit Düsen in Verbindung, die in einer
Düsenplatte 430 ausgebildet sind,
die an dem ebenen Abdeckelement 420 angebracht ist.
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12 ist
eine perspektivische Wegschnittansicht des Druckkopfs aus 11, von der Abdeckungsseite
gesehen. Die Streifen 110a, 110b aus einem "Chevron"-gepolten piezoelektrischen
Schichtstoff sind zum Substrat 86 verbunden und nachfolgend
geschnitten worden, um Kanäle
auszubilden. Daraufhin ist in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung über
den Streifen und Teilen des Substrats eine kontinuierliche Schicht
aus leitendem Material abgeschieden worden, auf der Elektroden und leitende
Spuren festgelegt worden sind. Wie anhand der 5 und 6 erläutert worden
ist, sind die Streifen beiderseits (bei 195) abgefast,
um bei der Laserbemusterung in diesem Übergangsgebiet zu helfen.
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13 ist
eine vergrößerte Ansicht,
bei der das Abstandshalterelement 410 entfernt worden ist, um
die leitenden Spuren 192 ausführlicher zu zeigen. Obgleich
dies aus Klarheitsgründen
nicht gezeigt ist, ist klar, dass sich diese wie die Kanäle 7 über die
gesamte Breite des Druckkopfs erstrecken. In dem Bereich des Substrats,
der an jeden Streifen angrenzt (und der hinsichtlich des Streifens 110b mit
dem Pfeil 500 bezeichnet ist), sind die Spuren mit den
(nicht gezeigten) Elektroden auf den einander zugewandten Wänden jedes
Kanals, die in dem gleichen Herstellungsschritt abgeschieden worden
sind, fortlaufend. Dies schafft in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung einen wirksamen elektrischen Kontakt.
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Allerdings können anderswo auf dem Substrat – wie bei 510 gezeigt
ist – herkömmliche
Techniken, beispielsweise Photolithographietechniken, verwendet
werden, um nicht nur die Spuren 192, die sich von den Kanalelektroden
bis zu den integrierten Schaltungen 84 erstrecken, sondern
außerdem
weitere Spuren 520 festzulegen, die Leistung, Daten und andere
Signale zu den integrierten Schaltungen transportieren. Insbesondere
dort, wo die leitenden Spuren um die Tintenzufuhranschlüsse 92 umgeleitet sind,
was ansonsten eine komplexe Positionssteuerung eines Lasers erfordern
würde,
können
diese Techniken kosteneffektiver sein. Vorzugsweise werden sie auf
dem Aluminiumoxidsubstrat ausgebildet, bevor die Tintenzufuhranschlüsse 88, 90, 92 (z.
B. durch einen Laser) gebohrt werden und die piezoelektrischen Streifen 110a, 110b angebracht,
abgefast und gesägt
werden.
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Nach dem Abscheiden von leitendem
Material in dem unmittelbaren Bereich der Streifen kann ein Laser
verwendet werden, um sicherzustellen, dass jede Spur lediglich mit
ihrer jeweiligen Kanalelektrode und mit keiner anderen verbunden
ist.
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Anschließend erfordern beide Elektroden und
Spuren eine Passivierung z. B. unter Verwendung von Siliciumnitrid,
das in Übereinstimmung
mit WO 95/07820 abgeschieden wird. Dies schafft nicht nur einen
Schutz vor Korrosion durch die kombinierten Wirkungen der elektrischen
Felder und der Tinte (es ist klar, dass das gesamte leitende Material,
das in dem durch das Innenprofil 430 des Abstandshalterelements 410 festgelegten
Bereich 420 enthalten ist, der Tinte ausgesetzt ist), sondern
verhindert auch, dass die Elektroden auf den gegenüberliegenden Seiten
jeder Wand durch das ebene Abdeckelement 430 kurzgeschlossen
werden. Sowohl die Abdeckung als auch der Abstandskalter sind vorteilhaft aus
Molybdän
hergestellt, das zusätzlich
dazu, dass es ähnliche
Wärmeausdehnungseigenschaften
wie das ansonsten in dem Druckkopf verwendete Aluminiumoxid enthält, z. B.
durch Ätzen,
Laserschneiden oder Stanzen mit hoher Genauigkeit leicht hergestellt werden
kann. Dies ist besonders wichtig für die Löcher des Tröpfchenausstoßes 96 und
in kleinerem Umfang für
das wellige Innenprofil 430 des Abstandshalterelements 410,
das Einfänge
von Blasen vermeidet. Blaseneinfänge
werden ferner dadurch vermieden, dass die Rinne 440 des
welligen Profils in der Weise positioniert ist, dass sie auf den
Rand des jeweiligen Tintenanschlusses 92 ausgerichtet ist
oder sogar über
ihm liegt. Der Gipfel 450 des welligen Profils ist ähnlich bemessen
(so dass er in einem Abstand – typischerweise
3 mm, etwa das 1,5-fache der Breite jedes Streifens 110a, 110b – vom Rand
des Nachbarstreifens 110a, 110b liegt, um sicherzustellen,
dass Blaseneinfänge
vermieden werden, ohne den Tintenfluss in die Kanäle zu beeinflussen).
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Das Abstandshalterelement 410 ist
im wesentlichen durch eine Haftmittelschicht an der Oberseite des
Substrats 86 befestigt. Außer seiner primären Befestigungsfunktion
schafft diese Schicht außerdem
eine elektrische Sicherheitsisolation zwischen den leitenden Spuren
auf dem Substrat. Um die richtige Ausrichtung sicherzustellen, werden
Lagegenauigkeitsmerkmale wie etwa die Kerbe 440 verwendet.
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Die letzten zwei – entweder getrennt oder nach
dem Zusammensetzen miteinander – haftend anzubringenden
zwei Elemente sind das ebene Abdeckelement 420 und die
Düsenplatte 430.
Um die richtige Lagegenauigkeit zwischen den in der Düsenplatte
ausgebildeten Düsen
und den Kanälen
selbst sicherzustellen, können
optische Mittel verwendet werden. Wie beispielsweise aus WO 93/15911
bekannt ist, können
die Düsen
alternativ ausgebildet werden, wenn die Düsenplatte in situ ist.
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Ein weiteres Merkmal ist in 14 gezeigt, die eine ausführliche
Ansicht des in 6(b) mit
dem Bezugszeichen 194 bezeichneten Bereichs ist. Die Ausrundung 550,
die erzeugt wird, wenn das Haftmittel während des Erzeugens der Verbindung
zwischen der piezoelektrischen Schicht 100 und dem Substrat 86 herausgequetscht
wird, wird vorteilhaft erhalten, wenn an der Endfläche der
Schicht wie obenbeschrieben die Abfasung 195 ausgebildet
wird. Diese Haftmittelausrundung wird nachfolgend freigelegt, wenn
die Baueinheit einem Reinigungsschritt (z. B. Plasmaätzen) vor
dem Plattieren ausgesetzt wird, wobei sie einen guten Schlüssel für das Elektrodenmaterial 190 in
einem Bereich schafft, der ansonsten anfällig für Plattierungsfehler wären.
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Anhand von 15 ist eine weitere Änderung erläutert. Wie bereits oben erläutert wurde,
ist das piezoelektrische Material für die Kanalwände in einer
Schicht 100 enthalten, die zwei Streifen 110a, 110b umfasst,
die jeweils mit anderen Streifen in der Richtung W aneinander gefügt sind,
die für
eine breite Anordnung von Kanälen
erforderlich sind. Je nachdem, ob der Steller vom "Ausleger"- oder vom "Chevron"-Typ ist, wird die
piezoelektrische Schicht in einer oder in zwei (entgegengesetzten)
Richtungen polarisiert, wobei sie im letzteren Fall aus zwei entgegengesetzt
polarisierten Lagen ausgebildet sein kann, aus denen, wie in 15 bei 600 und 610 gezeigt
ist, ein Schichtstoff hergestellt ist. Um die relative Positionierung
zu erleichtern, sind die Streifen 110a, 110b durch
ein Brückenstück 620 miteinander verbunden,
das in dem Abfasungsschritt entfernt wird, der stattfindet, wenn
der Streifen 100 und das Substrat 86 unter Verwendung
von Haftmittel miteinander verbunden worden sind.
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In 16 ist
eine nochmals weitere Änderung
gezeigt. Die integrierte Schaltung 84 ist hier nicht auf
dem Substrat 86, sondern auf einem Hilfssubstrat 700,
das ein Einschicht- oder Mehrschichtsubstrat sein kann, angebracht.
Das Substrat 86 ist geeignet mit dem Hilfssubstrat 700 verbunden,
wobei Drahtkontaktierungen 702 die leitenden Spuren auf dem
Substrat 86 mit den Anschlussstiften der integrierten Schaltung
verbinden. Weitere Drahtverbindungen 704 verbinden daraufhin
die integrierte Schaltung mit den Anschlussflächen 708 auf dem Hilfssubstrat 700.
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Die in der vorliegenden Erfindung
beschriebenen Techniken sind auf Druckköpfe mit veränderlicher Breite und Auflösung anwendbar,
wobei die seitenbreite Doppelzeile lediglich eine von vielen geeigneten
Konfigurationen ist. Beispielsweise werden unter Verwendung von
Spuren, die in mehreren Schichten verwendet werden, wie sie woanders
in der Elektronikindustrie wohlbekannt sind, leicht Druckköpfe mit
mehr als zwei Zeilen realisiert.