DE69931578T2

DE69931578T2 - Anordnung einer Düsenplatte für eine Mikrospritzvorrichtung und Verfahren zur Herstellung derselben

Info

Publication number: DE69931578T2
Application number: DE69931578T
Authority: DE
Inventors: 624-2002 Byung-sun Ahn; Dunaev Boris Moscow Nikolaevich; Smirnova Valentina Moscow Konstantinovna
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 1998-11-03
Filing date: 1999-11-03
Publication date: 2006-11-02
Anticipated expiration: 2019-11-04
Also published as: US20020086136A1; JP3106136B2; KR100309989B1; EP0999058A2; CN1094425C; DE69931578D1; EP0999058A3; US6402921B1; RU2151066C1; EP0999058B1; KR20000034817A; CN1253039A; JP2000141669A; US6592964B2

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet von Mikrospritzvorrichtungen und Tintenstrahl-Druckköpfen und insbesondere auf eine Düsenplattenanordnung einer Mikrospritzvorrichtung.
Im Allgemeinen benutzt eine Mikrospritzvorrichtung, die konzipiert ist, um einen Gegenstand, wie z. B. ein Druckerpapier, einen menschlichen Körper oder ein Kraftfahrzeug, mit einer bestimmten Menge Flüssigkeit zu versorgen, wie z. B. Tinte, Spritzflüssigkeit oder Petroleum, ein Verfahren, bei dem eine vorgegebene Menge elektrischer oder thermischer Energie der oben erwähnten Flüssigkeit zugeführt wird, um eine Volumenübertragung der Flüssigkeit zu bewirken. Auf diese Weise kann ein bestimmter Gegenstand mit einer vorgegebenen Menge einer derartigen Flüssigkeit versehen werden.
Jüngste Entwicklungen der elektrischen und elektronischen Technologie haben eine zügige Weiterentwicklung dieser Mikrospritzvorrichtungen ermöglicht. Daher finden Mikrospritzvorrichtungen im täglichen Leben eine breite Verwendung. Ein Beispiel von Mikrospritzvorrichtungen im täglichen Gebrauch ist der Tintenstrahldrucker.
Der Tintenstrahldrucker ist eine Art der Mikrospritzvorrichtung, die sich von herkömmlichen Nadeldruckern dadurch unterscheidet, dass sie durch den Gebrauch von Kartuschen Druckaufträge in verschiedenen Farben ausführen kann. Weitere Vorteile von Tintenstrahldruckern gegenüber Nadeldruckern sind geringere Geräusche und verbesserte Druckqualität. Aus diesen Gründen werden Tintenstrahldrucker immer beliebter.
Ein Tintenstrahldrucker weist im Allgemeinen einen Druckkopf auf, der Tinte im flüssigen Zustand in einen Bläschen bildenden Zustand überführt, indem ein von einer externen Vorrichtung aufgebrachtes elektrisches Signal AN oder AUS geschaltet wird. Dann dehnt sich die so Bläschen bildende Tinte aus und wird so ausgestoßen, dass sie einen Druckauftrag auf einem Druckerpapier durchführt.
Beispiele zur Konstruktion und Betriebsweise verschiedener Tintenstrahl-Druckköpfe der herkömmlichen Art sind in den folgenden US-Patenten zu sehen: US-Patent Nr. 4.490.728, für Vaught et al., mit dem Titel „Thermal Ink Jet Printer" beschreibt einen einfachen Druckkopf. US-Patent Nr. 4.809.428 für Aden et al., mit dem Titel "Thin Film Device For An Ink Jet Print Head and Process For Manufacturing Same" und US-Patent Nr. 5.140.345 für Komuro, mit dem Titel „Method Of Manufacturing A Substrate For A Liquid Jet Recording Head And Substrate Manufactured By The Method" beschreibt Fertigungsverfahren für Tintenstrahl-Druckköpfe. US-Patent Nr. 5.274.400 für Johnson et al., mit dem Titel „Ink Path Geometry For Hight Temperature Operation of Ink-Jet Printheads" beschreibt das Verändern der Abmessungen des Tintenstrahl-Zuführkanals, um Strömungswiderstand vorzusehen. US-Patent 5.420.627 für Keefe et al., mit dem Titel „Ink Jet Print Head" zeigt eine bestimmt Druckkopfkonstruktion.
EP 0 490 061 beschreibt ein Verfahren zum Ausbilden von Lochplatten für Tintenstrahldrucker. In dem Verfahren wird ein Formkern, der eine wieder verwendbare Schablone trägt, durch ein Galvanoform-Bad bewegt und auf dem Formkern wird eine Metallschicht in Gestalt der Schablone abgeschieden. Die abgeschiedene Metallschicht (Platte) wird von dem Formkern getrennt und weitere Verfahrensschritte können das Bonden der Platten auf Dünnschichtträger sowie das Trennen der gebundenen Platten und Träger zu einzelnen Druckköpfen umfassen. Der Formkern kann ein Band oder eine Walze sein. Das Band kann ein Polyamid mit einer metallisierten Dünnschicht wie aus Titan oder Titan-Chrom sein.
EP 0 713 929 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Lochplatten unter Verwendung eines „Pegless"-Formkerns. Ein Träger wie Glas, Siliziumscheiben oder polierte Siliziumscheiben wird mit einer 2000 Å bis 5000 Å dicken Schicht von Titan-Wolfram besprüht. Eine lichtunempfindliche Schicht wird aufgebracht und ausgehärtet und eine gemusterte Fotomaske aufgelegt. Die lichtunempfindliche Schicht wird einer fotochemischen Bestrahlung ausgesetzt und entwickelt. Die Titan-Wolfram-Schicht wird geätzt und die lichtempfindliche Schicht wird abgelöst.
Im Allgemeinen umfasst solch ein herkömmlicher Tintenstrahl-Druckkopf eine Düsenplatte, die eine Düse mit winzigem Durchmesser zum Ausstoßen von Tinte besitzt. Während des Ausstoßens dient die Düsenplatte als Strahlendurchlass, um schließlich Tinte auf ein äußeres Druckerpapier zu spritzen, und diese Funktionen sind ein äußerst wichtiger Baustein bei der Bestimmung der Druckqualität. Deshalb müssen die zur Ausbildung der Düsenplatte verwendeten Substanzen sowie die Größe und die Gestalt der Düse unter Berücksichtigung der Tintenmerkmale konzipiert werden.
Gewöhnlich ist in einem solchen Tintenstrahl-Druckkopf die äußere Oberfläche einer Düsenplatte glatt ausgebildet, damit sie eine geringe Rauhigkeit aufweist. Demzufolge steigt die Oberflächenspannung zwischen der Düsenplatte und der Tinte und der Kontaktwinkel zwischen ihnen wird größer, wodurch Kreuzkopplung vermieden wird, bei der Tintentröpfchen, die als Bläschen bereit sind ausgestoßen zu werden, zu einer benachbarten Düse strömen.
An der Außenfläche der Düsenplatte kann das Kreuzkopplungsproblem leicht bereinigt werden, indem die Oberflächenrauhigkeit verringert wird. Wenn jedoch die Rauhigkeit der Innenfläche einer Düsenplatte abnimmt, steigt die Oberflächenspannung zwischen der Innenfläche und der Tinte. Dadurch wird der Kontaktwinkel Düsenplatte und Tinte größer. Folglich bleibt die Tinte, welche in Richtung einer Düse ausgestoßen werden soll, an einer Innenfläche der Düsenplatte kleben, anstatt zu Bläschen zu werden. In diesem Fall schneiden die anklebenden Tintentröpfchen den Tintenzuführungskanal von der Tintenkammer ab, wodurch die gleichmäßige Tintenversorgung gestört wird.
Wenn die Tintenversorgung ungleichmäßig ist und daher die in der Tintenkammer enthaltene Tinte unzureichend ist, wird eine große Menge von Luftbläschen in der Tintenkammer erzeugt, falls ein Druckkopf mit hoher Geschwindigkeit arbeitet. Dann verhindern die erzeugten Luftbläschen, dass Tintentröpfchen durch die Düse hindurch treten, wodurch das Problem entsteht, dass die Tinte nicht auf das Druckerpapier ausgeworfen werden kann. Folglich wird die Druckqualität insgesamt erheblich verschlechtert.
Zur Beseitigung solcher Probleme hat US-Patent Nr. 5.563.640 für Suzuki, mit dem Titel „Droplet Ejecting Device" ein Verfahren offen gelegt, bei dem die Außenfläche einer Düsenplatte aus Substanzen mit geringer Adhäsion zu Tinte ausgebildet ist, wie z. B. Polysulfon, Polyethersulfon oder Polyamid. Wohingegen die Innenfläche der Düsenplatte mit Substanzen beschichtet ist, die eine ausgezeichnete Adhäsion zu Tinte aufweisen, wie z. B. eine SiO₂-Schicht. Somit können unterschiedliche Oberflächenspannungen aufrechterhalten werden, wo die Tinte mit der Außenfläche und der Innenfläche in Kontakt kommt, wodurch die oben beschriebenen Probleme bzgl. Kreuzkopplung und Luftbläschenbildung überwunden werden.
Zusätzlich hat US-Patent Nr. 5.378.504 für Bayard et al., mit dem Titel „Method For Modifying Phase Change Ink Jet Printing Heads To Prevent Degradation Of Ink Contact Angles" ein Verfahren offen gelegt, bei dem eine zusätzliche Beschichtungsmasse mit hoher Dauerhaftigkeit auf der Außenfläche einer Düsenplatte so abgeschieden wird, dass ein herabsetzender Verlust von Oberflächenspannung verhindert und der Zustand der Außenfläche der Düsenplatte erhalten wird.
Um jedoch eine Düse auf einer Düsenplatte auszubilden, ist ein schwieriger Arbeitsablauf erforderlich, der eine teuere Ausrüstung wie z. B. einen Excimerlaser verwendet. Wenn ferner eine SiO₂-Schicht an der Innenfläche der Düsenplatte ausgebildet wird, wird der Durchmesser der Düsen äußerst eng und die SiO₂-Schicht kann nicht gleichmäßig hergestellt werden. Da des Weiteren ein zusätzlicher Beschichtungsvorgang zum Abscheiden der Beschichtungsmasse auf einer Außenfläche der Düsenplatte erforderlich ist, wird der Gesamtprozess äußerst schwierig.
Übersicht über die Erfindung
Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Düsenplatte für eine Mikrospritzvorrichtung zur Verfügung zu stellen.
Die Erfindung sieht vorzugsweise eine Düsenplatte vor, die ein Ankleben der Tinte an der Innenfläche der Düsenplatte vermeidet.
Bevorzugt stellt die Erfindung auch eine Düsenplatte zur Verfügung, die Kreuzkopplung zwischen Düsen an der Außenfläche der Platte verhindert.
Die Erfindung stellt auch bevorzugt eine Düsenplatte zur Verfügung, die das Ausbilden eines Luftbläschens verhindert, das die Tintenversorgung abschneiden würde.
Die Erfindung stellt auch bevorzugt ein verbessertes Verfahren zum Herstellen einer Düsenplatte einer Mikrospritzvorrichtung zur Verfügung.
Die Erfindung stellt auch bevorzugt ein einfacheres Verfahren zum Herstellen einer Düsenplatte einer Mikrospritzvorrichtung zur Verfügung, das auf den Innen- und Außenseiten der Düsenplatte unterschiedliche Oberflächenspannungen erzeugt.
Die Erfindung stellt auch bevorzugt ein preiswertes Verfahren zum Herstellen einer Düsenplatte einer Mikrospritzvorrichtung zur Verfügung.
Um dieses Problem zu behandeln und nach einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung kann ein Galvanoformverfahren eingesetzt werden, das den zusätzlichen Beschichtungsvorgang vermeidet und eine Ausrüstung mit geringeren Investitionskosten erfordert.
Auch wegen der durch den Elektrolyt auferlegten Einschränkungen hat es sich als schwierig herausgestellt, die Rauhigkeit der Innenfläche über 0,016 μm bis 0,025 μm anzuheben, und eine wünschenswerte Oberflächenspannung ist schwer zu erzielen.
Um die vorliegende Erfindung weiterhin zu verbessern, wird vorzugsweise ein Verfahren zur Verfügung gestellt, bei dem eine Schablone, die einen Düsenbereich festlegt, in einen Elektrolyt getaucht wird, in welchem NiH₂·SO₃·H, NiCl₂, H₃BO₃, C₁₂H₂₅SO₄·NaS und entionisiertes Wasser in einem vorgegebenen Verhältnis gemischt sind. Dann werden eine oder mehrere Stromdichten zu bestimmten Zeiten angelegt, um dadurch eine Düsenplatte abzuscheiden, die eine Vielzahl von Düsen auf einer Oberfläche der Schablone aufweist.
Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Düsenplattenanordnung für eine Mikrospritzvorrichtung zur Verfügung gestellt, das die Schritte umfasst:
Ausbilden einer Schablone, die einen Düsenbereich festlegt;
Polieren einer Oberfläche der Schablone;
Galvanoformen einer Düsenplatte auf der Oberfläche der Schablone; und Trennen der Düsenplatte von der Schablone,
dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ferner den Schritt des Ausbildens einer Tintenkammer-Sperrschicht auf der Düsenplatte umfasst, bevor die Düsenplatte von der Schablone getrennt wird.
Der Schritt des Ausbildens einer Schablone kann ferner die Schritte des Ausbildens eines Schutzfilms auf einem Träger, das Ausbilden einer Metallschicht auf der Schutzfilmschicht und das Ätzen der Metallschicht umfassen, um einen Teil des Schutzfilms freizulegen, wodurch der Düsenbereich festgelegt wird.
Der Schritt des Ausbildens der Metallschicht selbst umfasst die aufeinander folgenden Schritte des Ausbildens einer ersten Metallschicht und einer zweiten Metallschicht.
Der Schritt des Polierens einer Oberfläche der Schablone selbst umfasst des Weiteren ein Entfetten der Oberfläche der Metallschicht, eine Wärmebehandlung der Oberfläche der Metallschicht und ein Eintauchen der Schablone in eine Passivierungslösung.
Die Wärmebehandlung kann bei einer Temperatur im Bereich von ungefähr 32 °C bis 37 °C über eine Zeitdauer im Bereich von etwa 10 bis 14 Minuten ausgeführt werden.
Das Eintauchen in Passivierungslösung kann bei einer Temperatur im Bereich von etwa 22 °C bis 27 °C über eine Zeitdauer im Bereich von ungefähr 10 bis 20 Sekunden ausgeführt werden.
Der Schritt des Galvanoformens der Düsenplatte kann in einer wässerigen Lösung durchgeführt werden, die NiH₂·SO₃·H, NiCl₂, H₃BO₃ und C₁₂H₂₅SO₄·NaS enthält.
Die wässrige Lösung kann eine Konzentration von NiH₂·SO₃·H im Bereich von etwa 280 bis 320 g/Liter aufweisen. Die Konzentration von NiCl₂ kann im Bereich von ungefähr 18 bis 22 g/Liter liegen. Die Konzentration von H₃BO₃ kann sich im Bereich von ca. 28 bis 32 g/Liter bewegen. Die Konzentration von C₁₂H₂₅SO₄·NaS kann im Bereich von etwa 0,03 bis 0,08 g/Liter sein. Insbesondere kann die wässrige Lösung eine NiH₂·SO₃·H-Konzentration von ungefähr 300 g/Liter, eine NiCl₂-Konzentration von etwa 20 g/Liter, eine H₃BO₃-Konzentration von etwa 30 g/Liter und eine C₁₂H₂₅SO₄·NaS-Konzentration von etwa 0,05 g/Liter aufweisen.
Der Schritt des Galvanoformens der Düsenplatte kann durch schrittweises Anlegen von Strom an die Düsenplatte und eine Zielsubstanz ausgeführt werden, die beide in einem Elektrolyt so platziert sind, dass sie der Reihe nach entnehmen:
eine Stromdichte von ungefähr 0,1 A/m² über eine Zeitspanne im Bereich von etwa 40 bis 60 Minuten, dann
eine Stromdichte von ungefähr 0,2 A/m² über eine Zeitspanne im Bereich von etwa 25 bis 30 Minuten, dann
eine Stromdichte von ungefähr 0,3 A/m² über eine Zeitspanne im Bereich von etwa 18 bis 22 Minuten, dann
eine Stromdichte von ungefähr 0,4 A/m² über eine Zeitspanne im Bereich von etwa 18 bis 22 Minuten und dann
eine Stromdichte von ungefähr 0,1 A/m² über eine Zeitspanne im Bereich von etwa 8 bis 12 Minuten.
Insbesondere kann der Schritt des Galvanoformens der Düsenplatte durch schrittweises Anlegen von Strom an die Düsenplatte und eine Zielsubstanz ausgeführt werden, die beide in einem Elektrolyt so platziert sind, dass sie entnehmen:
eine Stromdichte von ungefähr 0,1 A/m² über etwa 60 Minuten, dann
eine Stromdichte von ungefähr 0,2 A/m² über etwa 30 Minuten, dann
eine Stromdichte von ungefähr 0,3 A/m² über etwa 20 Minuten, dann
eine Stromdichte von ungefähr 0,4 A/m² über etwa 20 Minuten und dann
eine Stromdichte von ungefähr 0,1 A/m² über etwa 10 Minuten.
Nach dem Schritt des Galvanoformens kann das Verfahren ferner die folgenden Schritte umfassen: Entfernen der Düsenplatte aus dem Elektrolyt; Behandeln der Düsenplatte bei einer Temperatur im Bereich von 20 °C bis 30 °C; und Eintauchen der Düsenplatte in ein entionisiertes Wasser über etwa 5 Minuten.
Vor dem Trennen der Düsenplatte von der Schablone kann das Verfahren der Erfindung ferner den Schritt des Ausbildens einer Tintenkammer-Sperrschicht auf der Düsenplatte umfassen. Der Schritt des Ausbildens einer Tintenkammer-Sperrschicht auf der Düsenplatte kann des Weiteren den Schritt des Abscheidens einer organischen Schicht auf der Düsenplatte umfassen. Die organische Schicht kann ein Polyamidfilm von etwa 30 μm Dicke sein. Das Verfahren kann ferner die Schritte des Abscheidens einer Schutzmaske auf dem organischen Film, des Abscheidens einer lichtunempfindlichen Schicht auf der Schutzmaske, des Fotoätzens der lichtunempfindlichen Schicht zum Festlegen eines Musters einer Tintenkammer-Sperrschicht, des Entfernens der lichtunempfindlichen Schicht, die unter Verwendung der Schutzmaske dem organischen Film ein Muster gibt, und des Entfernens der Schutzmaske umfassen.
Der Schritt des Galvanoformens kann bevorzugt beendet werden, wenn eine gewünschte Dicke der Düsenplatte erreicht ist.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Anordnung zur Verwendung in der Herstellung einer Düsenplatte einer Mikrospritzvorrichtung zur Verfügung gestellt, wobei die Anordnung umfasst:
einen Träger; ein auf dem Träger ausgebildeter Schutzfilm; eine auf dem Schutzfilm ausgebildete polierte Metallschicht, die einen Düsenbereich aufweist, wo der Schutzfilm freigelegt ist; eine auf der polierten Metallschicht ausgebildete Düsenplatte, dadurch gekennzeichnet, dass die polierte Metallschicht eine erste, auf dem Schutzfilm ausgebilde te Metallschicht und eine polierte zweite Metallschicht umfassen kann, die auf der ersten Metallschicht ausgebildet ist.
Die polierte Metallschicht kann bevorzugt eine Oberfläche aufweisen, die auf eine Rauhigkeit poliert ist, die minderwertiger als die Rauhigkeit einer freiliegenden Oberfläche der Düsenplatte ist.
Der quadratische Mittelwert der Rauhigkeit der polierten Metallschicht kann im Bereich von etwa 0,008 bis 0,016 μm liegen. Die freiliegende Oberfläche der Düsenplatte kann einen quadratischen Mittelwert der Rauhigkeit von etwa 1,0 bis 1,5 μm besitzen.
Die Düsenplatte oder Anordnung kann ferner eine auf der gegenüberliegenden Oberfläche ausgebildete Tintenkammer-Sperrschicht haben.
Die erste Metallschicht kann Vanadium umfassen. Die zweite Metallschicht kann Nickel umfassen. Der Schutzfilm kann Siliziumdioxid umfassen.
Die Düsenplatte besitzt bevorzugt eine Dicke von etwa 15 bis 25 μm. Die Düsenplatte ist bevorzugt aus Nickel galvanogeformt.
Die Oberfläche der Schablone wird bevorzugt durch Prozesse der Wärme- und Oberflächenbehandlung poliert. So erhält die Außenfläche der Düsenplatte (welche in Kontakt mit der Oberfläche der Schablone ausgebildet ist) eine äußerst geringe Rauhigkeit. Zusätzlich wird die Innenfläche der schließlich gestalteten Düsenplatte bevorzugt mit einer rauen Oberfläche ausgebildet, indem eine Ionisierung mit einem Elektrolyt durchgeführt wird, der aus NiH₂·SO₃·H, NiCl₂, H₃BO₃ und Natriumlaurylsulfat (C₁₂H₂₅SO₄·NaS) besteht, wodurch eine außerordentlich hohe Rauhigkeit erhalten wird. Folglich wird die Oberflächenspannung der Tinte, die mit einer Innenfläche in Kontakt kommt, kleiner als die der Tinte, welche eine Außenfläche berührt.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Eine umfassendere Einschätzung des Obigen sowie Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlicher durch Bezug zu der folgenden detaillierten Beschreibung bestimmter Ausführungsformen der Erfindung, wenn sie in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen betrachte werden, in denen gleiche Bezugszeichen sich auf gleiche oder ähnliche Bauteile beziehen und in denen gilt:
1 bis 4 sind Ansichten, die einen Herstellvorgang einer Düsenplattenanordnung nach der vorliegenden Erfindung zeigen;
5 stellt eine Ausführungsform einer Düsenplattenanordnung nach der vorliegenden Erfindung dar;
6 ist ein Querschnitt durch I-I in 5, der eine Betriebsweise einer Düsenplattenanordnung nach der vorliegenden Erfindung zeigt.
Detailliert Beschreibung bestimmter Ausführungsformen der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wird nun umfassender beschrieben mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen, in denen bestimmte Ausführungsformen der Erfindung gezeigt werden. Da die in der Patentschrift erwähnten Begriffe auf der Grundlage der Funktion der vorliegenden Erfindung festgelegt sind, und sie sich entsprechend der Absicht der Techniker oder gemäß üblicher Praxis ändern können, sollten diese Begriffe unter Berücksichtigung des Gesamtinhalts der Patentschrift der vorliegenden Erfindung bestimmt werden.
1 veranschaulicht eine Schablone zur Verwendung bei der Herstellung von Düsenplatten nach der Erfindung.
Wie in 1 gezeigt wird eine erste, bevorzugt aus Vanadium hergestellte Metallschicht 203 durch ein chemisches Dampfabscheidungsverfahren auf einem Träger 201 ausgebildet, der bevorzugt aus Silikat besteht, auf dem ein Schutzfilm 202 aus SiO₂ ausgebildet ist. Ferner dient die erste Metallschicht 203 dazu, dass ein zweiter, unten beschriebener Metallfilm 204 sicher auf dem Schutzfilm 202 befestigt werden kann.
Die zweite, bevorzugt aus Nickel gefertigte Metallschicht 204 wird auf der ersten Metallschicht 203 durch ein chemisches Dampfabscheidungsverfahren ausgebildet. Die erste Metallschicht 203 zum Fördern der Adhäsion ist schon auf dem Schutzfilm 202 ausgebildet worden. Deshalb kann die zweite Metallschicht 204 sicherer auf dem Schutzfilm 202 ausgebildet werden. Die zweite Metallschicht 204 wird auf dem Schutzfilm 202 so ausgebildet, dass eine Düsenplattenanordnung 100 (2), die durch ein Beschichtungsverfahren hergestellt wird, von Schablone 200 leicht getrennt werden kann.
Dann wird ein Musterfilm (nicht gezeigt) auf Teilen der ersten und zweiten Metallschicht 203 und 204 ausgebildet, die dann geätzt werden, indem der Musterfilm so als Maske benutzt wird, dass der Schutzfilm teilweise freigelegt wird. Der verbleibende Musterfilm wird dann durch Chemikalien entfernt, wodurch die Schablone 200 zur Festlegung eines Düsenbereichs 10' vervollständigt wird.
Die Oberfläche der zweiten Metallschicht 204 wird dann durch eine Entfettungsflüssigkeit entfettet, die Schablone 200 wird dann in eine Wärmekammer verbracht und bei einer Temperatur von bevorzugt 32 °C bis 37 °C über 10 bis 14 Minuten wärmebehandelt. Nach Beendigung der Wärmebehandlung wird die Schablone 200 so in eine chemische Passivierungsflüssigkeit getaucht, dass auf der Oberfläche ein Vorgang stattfindet. Dementsprechend erhalten die Außenflächen des zweiten Metallfilms 204 einschließlich der höchsten Fläche der Schablone 200 eine geringe Rauhigkeit. Die Behandlung an der Oberfläche der Schablone 200 wird bevorzugt bei einer Temperatur von 22 °C bis 27 °C über 10 bis 20 Sekunden durchgeführt.
Danach wird, wenn die Schablone 200 bei der Gestaltung einer Düsenplattenanordnung 100 der vorliegenden Erfindung benutzt werden soll, die Schablone 200 in einen Elektrolyt eingetaucht, in dem NiH₂·SO₃·H, NiCl₂, H₃BO₃, Natriumlaurylsulfat (C₁₂H₂₅SO₄·NaS) und entionisiertes Wasser in einem vorgegebenen Verhältnis gemischt sind. Auf diese Weise wird die Düsenplatte 8 der vorliegenden Erfindung auf einer Oberfläche der Schablone 200 als Schicht hergestellt.
Der Elektrolyt besteht vorzugsweise aus 280 bis 320 g/Liter NiH₂·SO₃·H, 18 bis 22 g/Liter NiCl₂, 28 bis 32 g/Liter H₃BO₃ und 0,03 bis 0,08 g/Liter C₁₂H₂₅SO₄·NaS und noch bevorzugter aus 300 g/Liter NiH₂·SO₃·H, 20 g/Liter NiCl₂, 30 g/Liter H₃BO₃ und 0,05 g/Liter C₁₂H₂₅SO₄·NaS. In dem Elektrolyt, in den die Schablone 200 eingetaucht wird, ist eine Zielsubstanz zum Beschichten der Düsenplatte 8, z. B. Nickel, vorhanden.
Dann wird die Stromquelle so angeschaltet, dass ein Strom mit einer vorgegebenen Dichte zwischen der Zielsubstanz und der Schablone 200 angelegt wird. Dies wird bevorzugt nach und nach mehrfach durchgeführt. Bevorzugter Weise wird der Strom angelegt 40 bis 60 Minuten mit einer Dichte von 0,1 A/m², dann 25 bis 35 Minuten mit einer Dicht von 0,2 A/m², 18 bis 22 Minuten mit einer Dichte von 0,3 A/m², 18 bis 22 Minuten mit einer Dichte von 0,4 A/m² und 8 bis 12 Minuten mit einer Dichte von 0,1 A/m². Noch bevorzugter wird der Strom angelegt über 60 Minuten mit einer Dichte von 0,1 A/m², 30 Minuten mit einer Dichte von 0,2 A/m², 20 Minuten mit einer Dichte von 0,3 A/m², 20 Minuten mit einer Dichte von 0,4 A/m² und 10 Minuten mit einer Dichte von 0,1 A/m².
Wenn ein derartiger Vorgang des Stromanlegens durchgeführt wird, wird die mit der Anode verbundene Zielsubstanz gelöst und schnell ionisiert, die ionisierte Zielsubstanz wandert durch den Elektrolyt als Medium und scheidet sich an der mit der Schablone 200 verbundenen Kathode ab, wodurch die Düsenplatte 8 ausgebildet wird, die, wie in 2 gezeigt, aus Nickel auf der Schablone 200 hergestellt wird. Die Düsenplatte 8 wird beschichtet, indem der Düsenbereich 10' der Schablone 200 allmählich aufgetragen wird. Nach Beendigung dieses Vorgangs steht eine Innenfläche 13 (4) einer Düsenplatte 8 mit einer extrem hohen Rauhigkeit zur Verfügung.
Dabei kann die Dicke der aufgetragenen Düsenplatte 8 durch folgende Gleichung eingestellt werden.
Darin ist δ eine Dicke der Düsenplatte, P₁ ist das Gewicht der Schablone bevor die Düsenplatte aufgetragen ist, P₂ ist das Gewicht der Schablone nachdem die Düsenplatte aufgetragen ist, S ist die beschichtete Fläche der Düsenplatte und γ ist die relative Dichte der Düsenplatte.
Durch Einsetzen der relevanten Werte in obige Gleichung kann die Dicke der Düsenplatte 8 für ein tatsächliches Produkt bestimmt und eingestellt werden. Die Beschichtungsdicke der Düsenplatte 8 liegt bevorzugt im Bereich von etwa 15 μm bis 25 μm.
Wenn eine Düsenplatte mit der gewünschten Dicke fertig gestellt ist, dreht ein Arbeiter die Stromversorgung ab und beendet den Auftragungsvorgang der Düsenplatte 8. Dann wird die Schablone 200, auf der die Düsenplatte 8 aufgetragen wird, aus dem Elektrolyt entnommen und in einen Glasbehälter gelegt. Die Düsenplatte 8 wird dann wärmebehandelt. Die Düsenplatte 8 wird bevorzugt bei einer Temperatur von 20 °C bis 30 °C wärmebehandelt. Auf diese Weise wird die Düsenplatte 8 mit der passenden mechanischen Festigkeit versehen. Danach wird die Düsenplatte 8 in entionisiertes Wasser getaucht, etwa 5 Minuten gereinigt und getrocknet.
Der oben beschriebene Vorgang zum Ausbilden einer Düsenplatte 8 der vorliegenden Erfindung wurde von einem allgemeinen Galvanoformverfahren angepasst. Ein derartiges Galvanoformverfahren ist als ein Vorgang bekannt, der ohne kostspielige Ausrüstung und schwierige Technik auskommt. Daher kann der gesamte Ertrag des Herstellungsverfahrens signifikant verbessert werden, wenn die Düsenplatte 8 nach der vorliegenden Erfindung gefertigt wird.
Wenn der obige Trocknungsvorgang abgeschlossen ist, beginnt ein Vorgang zum Ausbilden einer Tintenkammer-Sperrschicht 7 (4) auf der Düsenplatte 8. Wie in 4 gezeigt, wird ein organischer Film, z. B. aus einer Polyamidschicht 7', in einer Dicke von 30 μm auf der Düsenplatte 8 abgeschieden. Dann wird auf der Polyamidschicht 7' eine schützende Abdeckschicht 20 aus Aluminium bis zu einer Dicke im Bereich von 0,8 μm bis 1 μm abgeschieden.
Danach wird eine lichtunempfindliche Schicht (nicht gezeigt) auf der schützenden Abdeckschicht 20 aufgetragen, die dann mit einem Muster versehen wird, indem die lichtunempfindliche Schicht als Maske benutzt wird. Weil hier ein Muster der endgültigen Tintenkammer als eine lichtunempfindliche Schicht festgelegt wird, kann das genaue Muster der Tintenkammer auf der schützenden Abdeckschicht 20 erhalten werden, wenn der Vorgang des Musterns zu Ende kommt.
Danach wird die lichtempfindliche Schicht durch Chemikalien entfernt und die Polyamidschicht 7' ist mit Mustern versehen, indem die gemusterte schützende Abdeckmaske 20 als Maske verwendet wurde. Weil hier, wie oben beschrieben, das genaue Muster der Tintenkammer bereits auf der schützenden Abdeckschicht 20 erhalten worden ist, wird aus der Polyamidschicht 7 eine endgültige Tintenkammer-Sperrschicht einschließlich eines Tintenkammerbereichs, wenn der Vorgang der Musterherstellung beendet ist.
Wie in 4 gezeigt, werden die verbleibenden Teile der schützenden Abdeckschicht durch Chemikalien entfernt und die Düsenplatte 8 wird zusammen mit der die Tintenkammern 9 (5) bestimmenden Tintenkammer-Sperrschicht 7 von der Schablone 200 getrennt, indem Chemikalien wie z. B. Wasserstofffluorid benutzt werden. Nach Beendigung dieses Trennungsvorgangs ist die Düsenplattenanordnung 100 fertig, in der eine Vielzahl von Düsen zum Spritzen von Tinte ausgebildet ist. Hier durchdringen die Düsen 10 die Innenfläche 13 der Düsenplatte 8 und sind so zur Außenfläche 14 hin offen.
Wie oben beschrieben wird die Oberfläche der Schablone 200 durch Vorgänge der Wärmebehandlung und der Oberflächenbehandlung poliert. Daher kann die Außenfläche 14 der Düsenplatte 8, die mit der Oberfläche der Schablone 200 in Kantakt kommt und schließlich durch den oben beschriebenen Trennungsvorgang von ihr getrennt wird, eine außergewöhnlich geringe Rauhigkeit erhalten, bevorzugt 0,008 μm bis 0,016 μm. Die Innenfläche 13 der endgültig ausgebildeten Düsenplatte 8 ist rau ausgebildet, wobei ein Elektrolyt mit NiH₂·SO₃·H, NiCl₂, H₃BO₃ und C₁₂H₂₅SO₄·NaS verwendet wird, um dadurch eine äußerst hohe Rauhigkeit, bevorzugt von 1,0 μm bis 1,5 μm zu erhalten.
Wie in 5 gezeigt, wird die Düsenplattenanordnung 100, die die Tintenkammer-Sperrschicht 7 enthält, welche die Tintenkammern 9 begrenzt, so angeordnet, dass sie sich dem Druckerpapier zuwendet, um damit den Aufbau des Tintenstrahl-Druckkopfes zu vervollständigen. An die Tintenkammer 9 angrenzend wird hier ein Tintenzuführkanal 300, der den Zuführweg der Tinte bestimmt, ausgebildet und von einer externen Vorrichtung zugeführte Tinte strömt durch den Tintenzuführkanal 300, wie durch die Pfeile angezeigt wird. Auf diese Weise wird die Tintenkammer 9 mit Tinte gefüllt.
Nun wird die Betriebsweise des Tintenstrahl-Druckkopfes, der die Düsenplattenanordnung 100 der vorliegenden Erfindung verwendet, beschrieben. Wenn, wie in 6 gezeigt, von einer externen Stromquelle ein elektrisches Signal an eine Elektrodenschicht (nicht gezeigt) angelegt wird, wird ein mit der Elektrodenschicht verbundenes Heizelement 11 mit der elektrischen Energie gespeist und schnell auf eine hohe Temperatur wie 500 °C oder höher aufgeheizt. Während dieses Vorgangs wird die elektrische Energie in thermische Energie von etwa 500 °C bis 550 °C umgewandelt.
Die thermische Energie wird dann zur Tintenkammer 4 übertragen, die mit dem Heizelement 11 in Kontakt ist, und in der Kammer 4 befindliche Tinte wird schnell erhitzt und zu Bläschen geformt. Wenn nun die Tintenkammer 4 weiter mit thermischer Energie versorgt wird, werden die Tintenbläschen 400 im Volumen schnell umgewandelt und dehnen sich aus. Demzufolge werden die Tintenbläschen 400 durch die Düse 10 der Düsenplatte 8 ausgestoßen und verspritzt. Die Tinte 400 wird aufgrund des Eigengewichts in ovale (Ellipsoid) und runde (Kugel) Formen umgewandelt und, wie durch Pfeil 405 gezeigt, auf Druckerpapier gespritzt, wodurch ein schnelles Drucken ausgeführt wird.
Wie oben beschrieben, ist die Innenfläche 13 der Düsenplatte 8 rau ausgebildet indem ein Elektrolyt verwendet wird, der aus NiH₂·SO₃·H, NiCl₂, H₃BO₃ und C₁₂H₂₅SO₄·NaS besteht, wodurch eine hohe Rauhigkeit von 1,0 μm bis 1,5 μm erzielt wird. Auf diese Weise kann die Oberflächenspannung zwischen der Innenfläche 13 der Düsenplatte 8 und der Tinte 400 signifikant verringert werden. Folglich kann ein Anhaften der Tinte 400 vermieden werden. Die Tinte kann dann reibungslos von Tintenkanal 300 in die Tintenkammer 9 eingespeist werden. Zusätzlich kann die Tintenkammer 9 hinreichend mit Tinte versorgt werden, wodurch die Bildung von Luftblasen vermieden wird.
Die Außenfläche der Düsenplatte 8 wurde dagegen in Kontakt mit der polierten Oberfläche der Schablone 200 ausgebildet und erhält nach dem endgültigen Trennen von der Oberfläche eine geringe Rauhigkeit im Bereich von ungefähr 0,008 μm bis 0,016 μm. Ferner kann die Oberflächenspannung gegenüber der Tinte 400 deutlich gesteigert werden. Folglich kann eine Kreuzkopplung vermieden werden, die auftreten kann, wenn die Tinte 400 sich verteilt, wie durch Linie 401 in 6 angezeigt.
Nach dem Stand der Technik ist zur Lösung der Probleme wie Kreuzkopplung und Luftblasenbildung ein Arbeitsvorgang zum Ausbilden eines Films erforderlich, bei dem eine komplexe teuere Ausrüstung verwendet wird, und die gesamte Ausbeute ist niedrig. Bei der vorliegenden Erfindung wird die Düsenplatte 8, deren Innenfläche 13 und Außenfläche 14 verschiedene Rauhigkeiten aufweisen, jedoch durch Anpassen eines kostengünstigen Galvanoformverfahrens ausgebildet. Daher können die oben erwähnten Probleme wie Kreuzkopplung und Luftblasenbildung bereinigt werden, ohne, dass ein komplizierter Vorgang wie z. B. Herstellen eines Films erforderlich ist.
Wenn in dem Zustand, wo die Tinte 400 herausgespritzt wird, das von der externen Versorgung angelegte elektrische Signal zeitweise abgeschaltet wird, kühlt sich das Heizelement 11 schnell ab. Dann ziehen sich die in der Tintenkammer 4 verbleibenden Tintebläschen 400 schnell zusammen und erzeugen eine Rückstellkraft, welche die Tinte in ihre ursprüngliche Gestalt zurückführt. Die so erzeugte Rückstellkraft verringert schnell den in der Tintenkammer 9 vorhandenen Druck. So kann die durch den Tintenzuführkanal 300 strömende Tinte die Tintenkammer 9 schnell wieder auffüllen. Dann wiederholt der Tintenstrahl-Druckkopf die oben beschriebenen, durch die elektrischen Signale getriebenen Vorgänge des Spritzens und Auffüllens von Tinte, um dadurch einen Druckauftrag auf Druckerpapier auszuführen.
Wie oben beschrieben wird in der vorliegenden Erfindung eine Düsenplatte ausgebildet, die verschiedene Rauhigkeiten an der Innen- und Außenfläche aufweist, indem ein preiswertes Galvanoformverfahren zum Einsatz kommt. Somit wird die gesamte Ausbeute des Herstellungsvorgangs verbessert und solche Probleme wie Kreuzkopplung und Luftblasenbildung können bereinigt werden.
Wenngleich sich in dieser Patentschrift die Erklärungen hauptsächlich auf einen Tintenstrahl-Druckkopf beziehen, kann die vorliegende Erfindung auch auf eine Mikropumpe für medizinische Anwendungen oder eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung übertragen werden.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Düsenplattenanordnung (100) für eine Mikrospritzvorrichtung, das die Schritte umfasst: Ausbilden einer Schablone (200), die einen Düsenbereich (10) bestimmt; Polieren einer Oberfläche der Schablone; Galvanoformen einer Düsenplatte (8) auf der Oberfläche der Schablone; und Trennen der Düsenplatte von der Schablone dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ferner den Schritt umfasst, auf der Düsenplatte eine Tintenkammer-Sperrschicht auszubilden, bevor die Düsenplatte von der Schablone getrennt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt der Ausbildung der Schablone ferner die folgenden Schritte umfasst: Ausbilden eines Schutzfilms (202) auf einem Träger (201); Ausbilden einer Metallschicht (203, 204) auf der Schutzfilmschicht; und Ätzen der Metallschicht, um einen Teil des Schutzfilm freizulegen und um dadurch den Düsenbereich zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Schritt des Ausbildens der Metallschicht die Schritte des auf einander folgenden Ausbildens einer ersten Metallschicht (203) und einer zweiten Metallschicht (204) umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Schritt des Polierens einer Oberfläche der Schablone selbst ferner umfasst: Entfetten der Oberfläche der Metallschicht; Wärmebehandlung der Oberfläche der Metallschicht; und Eintauchen der Schablone in eine Passivierungslösung.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Wärmebehandlung bei einer Temperatur im Bereich von etwa 32 °C bis 37 °C über einen Zeitraum im Bereich von ungefähr 10 bis 14 Minuten durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 5, wobei das Eintauchen in die Passivierungslösung bei einer Temperatur im Bereich von etwa 22 °C bis 27 °C über eine Zeitspanne im Bereich von ungefähr 10 bis 20 Sekunden durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Galvanoformens der Düsenplatte in einer wässrigen Lösung ausgeführt wird, die NiH₂·SO₃·H, NiCl₂, H₃BO₃ und C₁₂H₂₅SO₄·NaS umfasst.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die wässrige Lösung eine Konzentration von NiH₂·SO₃·H im Bereich von etwa 280 bis 320 g/Liter, eine Konzentration von NiCl₂ im Bereich von ungefähr 18 bis 22 g/Liter, eine Konzentration von H₃BO₃ im Bereich von ca. 28 bis 32 g/Liter und eine Konzentration von C₁₂H₂₅SO₄·NaS im Bereich von etwa 0,03 bis 0,08 g/Liter aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die wässrige Lösung eine NiH₂·SO₃·H-Konzentration von ungefähr 300 g/Liter, eine NiCl₂-Konzentration von etwa 20 g/Liter, eine H₃BO₃-Konzentration von etwa 30 g/Liter und eine C₁₂H₂₅SO₄·NaS-Konzentration von etwa 0,05 g/Liter aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Galvanoformens der Düsenplatte durch schrittweises Anlegen von Strom an der Düsenplatte und einer Zielsubstanz durchgeführt wird, die beide so in einem Elektrolyt platziert sind, dass sie nacheinander entnehmen: eine Stromdichte von ungefähr 0,1 A/m² über eine Zeitspanne im Bereich von etwa 40 bis 60 Minuten, dann eine Stromdichte von ungefähr 0,2 A/m² über eine Zeitspanne im Bereich von etwa 25 bis 30 Minuten, dann eine Stromdichte von ungefähr 0,3 A/m² über eine Zeitspanne im Bereich von etwa 18 bis 22 Minuten, dann eine Stromdichte von ungefähr 0,4 A/m² über eine Zeitspanne im Bereich von etwa 18 bis 22 Minuten und dann eine Stromdichte von ungefähr 0,1 A/m² über eine Zeitspanne im Bereich von etwa 8 bis 12 Minuten.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Schritt des Galvanoformens der Düsenplatte durch schrittweises Anlegen von Strom an der Düsenplatte und einer Zielsubstanz durchgeführt wird, die beide so in einem Elektrolyt platziert sind, dass sie entnehmen: eine Stromdichte von ungefähr 0,1 A/m² über etwa 60 Minuten, dann eine Stromdichte von ungefähr 0,2 A/m² über etwa 30 Minuten, dann eine Stromdichte von ungefähr 0,3 A/m² über etwa 20 Minuten, dann eine Stromdichte von ungefähr 0,4 A/m² über etwa 20 Minuten und dann eine Stromdichte von ungefähr 0,1 A/m² über etwa 10 Minuten.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das nach dem Schritt des Galvanoformens folgende Schritte umfasst: Entfernen der Düsenplatte aus einem Elektrolyt; Behandeln der Düsenplatte bei einer Temperatur im Bereich von 20 °C bis 30 °C; und Eintauchen der Düsenplatte in entionisiertes Wasser für etwa 5 Minuten.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Ausbildens einer Tintenkammer-Sperrschicht auf der Düsenplatte ferner den Schritt des Abscheidens einer organischen Schicht auf der Düsenplatte umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die organische Schicht ein Polyamidfilm mit einer Dicke von etwa 30 μm ist.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, das des Weiteren die Schritte umfasst: Abscheiden einer Schutzmaske auf der organischen Schicht; Abscheiden einer lichtunempfindlichen Schicht auf der Schutzmaske; Fotoätzen der lichtunempfindlichen Schicht, um ein Muster einer Tintenkammer-Sperrschicht zu bestimmen; und Entfernen der lichtunempfindlichen Schicht, die durch Verwendung der Schutzmaske das Muster des organischen Films bildet, und Entfernen der Schutzmaske.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Galvanoformens beendet wird, wenn eine gewünschte Dicke der Düsenplatte erreicht ist.
Anordnung zum Einsatz bei der Herstellung einer Düsenplatte einer Mikrospritzvorrichtung, die umfasst: einen Träger (201): einen auf dem Träger ausgebildeten Schutzfilm (202); eine auf dem Schutzfilm ausgebildete polierte Metallschicht (203, 204), wobei die Metallschicht einen Düsenbereich (10) aufweist, in dem der Schutzfilm frei liegt; und eine auf der polierten Metallschicht ausgebildete Düsenplatte, dadurch gekennzeichnet, dass die polierte Metallschicht eine erste, auf dem Schutzfilm ausgebildete Metallschicht (203) und eine polierte zweite Metallschicht (204) umfasst, die auf der ersten Metallschicht ausgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 17, bei der die polierte Metallschicht eine Oberfläche aufweist, die auf eine Rauhigkeit poliert ist, welche minderwertiger gegenüber der Rauhigkeit einer freiliegenden Oberfläche der Düsenplatte ist.
Anordnung nach Anspruch 18, bei der der quadratische Mittelwert der Rauhigkeit der polierten Metallschicht im Bereich von etwa 0,008 bis 0,016 μm liegt und die freiliegende Oberfläche der Düsenplatte einen quadratischen Mittelwert der Rauhigkeit von etwa 1,0 bis 1,5 μm besitzt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 17 bis 21, die des Weiteren eine Tintenkammer-Sperrschicht besitzt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 16 oder eine Anordnung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei die erste Metallschicht Vanadium enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 16 oder eine Anordnung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei die zweite Metallschicht Nickel enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 16, 21 oder 22 oder eine Anordnung nach einem der Ansprüche 17 bis 22, wobei der Schutzfilm Siliziumdioxid enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16 oder 21 bis 23 oder eine Anordnung nach einem der Ansprüche 17 bis 23, wobei die Düsenplatte ein Dicke von etwa 15 μm bis 25 μm besitzt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16 oder 21 bis 24 oder eine Anordnung nach einem der Ansprüche 17 bis 24, wobei die Düsenplatte aus Nickel galvanisch ausgebildet wird.