DE69937134T2

DE69937134T2 - Akustischer Druckkopf und Photosätze von akustischen Linsen für den Tintendruck

Info

Publication number: DE69937134T2
Application number: DE69937134T
Authority: DE
Inventors: David K. Portola Valley Biegelsen; Scott. A. La Honda Elrod; Raj B. Palo Alto Apte; Donald Palo Alto Smith
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1998-11-02
Filing date: 1999-10-28
Publication date: 2008-01-10
Anticipated expiration: 2019-10-29
Also published as: EP0999049B1; JP2000141634A; US6136210A; EP0999049A2; EP0999049A3; DE69937134D1; CA2283551C; CA2283551A1

Description

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf akustisches Tintendrucken (acoustic ink printing: AIP) und insbesondere auf eine verbesserte akustische Linse für AIP. Weiterhin ist die vorliegende Erfindung auf einen verbesserten Herstellprozess von akustischen Linsen und auf Linsen für eine Vielzahl von Anwendungen gerichtet.
AIP ist ein Verfahren zur Übertragung von Tinte unmittelbar auf ein Aufzeichnungsmedium, das verschiedene Vorteile gegenüber anderen direkt druckenden Methoden aufweist. Ein wichtiger Vorteil besteht darin, dass dieses keine Düsen und Auswurföffnungen benötigt, die viele Zuverlässigkeitsprobleme (z.B. Verstopfung) und Genauigkeitsprobleme der Bildelementanordnung (d.h. Pixel) verursachen, die herkömmliche Tintenstrahldrucker für Tropfen auf Anforderung und kontinuierlichen Strom aufweisen. Da AIP das Verstopfen und Herstellprobleme vermeidet, die mit Düsen verbunden sind, die mit Tropfen auf Anforderung basierend auf Tintenstrahldrucken verbunden sind, stellt dieses eine vielversprechende, direkt markierende Technologie dar. Im Allgemeinen ist dieser Prozess allgemein gerichtet auf die Verwendung von Stößen von fokussierter akustischer Energie, um Tropfen von einer freien Oberfläche einer Flüssigkeit auf ein Aufzeichnungsmedium auszustoßen.
Um mit anderen Druckertypen konkurrenzfähig zu sein, müssen akustische Tintendrucker Bilder von hoher Qualität bei geringen Kosten erzeugen. Um derartige Anforderungen zu erfüllen, ist es vorteilhaft, Druckköpfe mit einer großen Anzahl von individuellen Tropfenemittern herzustellen. Während bestimmte AIP Implementierungen variieren können und wenngleich zusätzliche Komponenten verwendet werden können, wird jeder Tropfenemitter einen Ultraschallwandler (an eine Oberfläche eines Körpers angebracht), einen Aktivator zum Ein- und Ausschalten des Tropfenemitters, eine akustische Linse, und einen Hohlraum einschließen, der Tinte derart hält, dass die freie Oberfläche der Tinte sich nahe dem akustischen Fokalgebiet der akustischen Linse befindet. Der individuelle Tropfenemitter wird durch geeignete Auswahl der zugeordneten Zeile und Spalte des Feldes aktiviert.
Herkömmlicherweise wurde eine Fresnellinse in dem AIP-Prozess verwendet. Wenngleich Fresnellinsen sich im Allgemeinen als zufriedenstellend erwiesen haben, wäre eine verbesserte akustische Linse, die einer perfekteren, halbsphärischen Form genähert ist, und selbstverständlich, ein Prozess für deren Herstellung wünschenswert.
EP0495623 beschreibt akustische Tintendruckerköpfe. Ein akustischer Tintendruckkopf mit einer integrierten Schicht zur Flüssigkeitsniveausteuerung weist eine Abstandsschicht auf, die an einem Substrat befestigt ist. In der Abstandsschicht werden Öffnungen geschaffen, die daraufhin als eine Maske verwendet wird, um akustische Linsen und Tintenversorgungskanäle in dem Substrat festzulegen. Die Öffnungen in der Abstandsschicht legen selbstausgerichtete akustische Linsen fest und bilden Hohlräume aus, um Tintenbehälter für jeden Injektor zu halten. Die Dicke der Abstandsschicht wird so eingestellt, dass akustische Wellen von der darunterliegenden akustischen Linse an der freien Oberfläche der Tinte fokussiert werden, die ihr Niveau an der Deckfläche der Abstandsschicht durch Kapillarwirkung beibehält.
Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung eine akustische Linse für akustisches Tintendrucken und ein Verfahren zur Herstellung derselben zu verbessern. Dieses Ziel wird durch Bereitstellung eines akustischen Tintendruckkopfs gemäß Anspruch 1 und eines Verfahrens zur Herstellung einer Linse gemäß Anspruch 2 erreicht. Ausführungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen niedergelegt.
Diese Erfindung bezieht sich auf akustische Linsen, die eine erste Schicht von lichtlöslichem Material aufweisen, die eine allgemein konkave, parabolische Vertiefung, ein Element zur Erzeugung akustischer Wellen, und eine Quelle einschließen, die das wellenerzeugende Element aktiviert. Weiterhin ist die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung der Linse gerichtet, was Lichtätzung einer Materialschicht umfasst. Vorteilhafterweise kann der Lichtätzprozess inkohärentes oder Laserlicht verwenden. Das Licht kann intensitätsmoduliert oder intensitätsmodifiziert werden. In ähnlicher Weise können die Ätzmaterialien trocken, nass oder flüssig sein. In diesem Zusammenhang bezieht sich "trockenes" Ätzen allgemein auf eine Gasphase, wobei ein Benässen des Lichtätzmaterials nicht stattfindet, während "nasses" Ätzen sich auf eine flüssige oder dampfförmige Phase bezieht, wobei mindestens eine molekulare Schicht des Photoätzmaterials vorhanden ist. Wenn inkohärentes Licht verwendet wird, wird die Erfindung vorteilhafterweise eine Deckschicht oder Maske verwenden, um den Ätzprozess zu steuern. Die Erfindung ist sowohl für vorderseitige oder rückseitige Belichtung anwendbar. In einer bestimmten, bevorzugten Form der Erfindung wird ein Rückflussschritt verwendet, um die geätzten, parabolischen Vertiefungen zu glätten.
Die beiliegenden Zeichnungen, die der Beschreibung zugefügt sind und einen Teil derselben bilden, veranschaulichen eine Ausführung der Erfindung und dienen, zusammen mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erklären.
1 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ätzbearbeitung;
2 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Druckkopfs, der die Linse gemäß der vorliegenden Erfindung einschließt; und
3 ist eine vergrößerte Seitenansicht einer Linse, teilweise im Querschnitt.
Mit Bezug auf 1 wird der allgemeine, erfinderische Arbeitsprozess demonstriert, wobei ein Substrat 10 bereitgestellt wird, und die geformten, allgemein parabolischen Linsenvertiefungen 11 in dasselbe geätzt werden. Insbesondere wird eine Ätzlösung 13 oberhalb des Substrats 10 bereitgestellt und durch ein gemustertes Licht 15 belichtet, das mit der Maske 17 aus der kollimierten Lichtquelle gebildet wird. Allgemein wird die Maske aus Chrom auf Glas ausgebildet, der Fachmann wird jedoch viele passende Kombinationen wissen. Bei fehlendem Licht ist die Ätzrate vernachlässigbar verglichen mit der Rate bei vorhandenem Licht. Auf diese Weise kann ein fertiges Substrat, das Zeilen und Spalten von ausgerichteten Linsen einschließt, ausgebildet werden.
Mit Bezug auf 2 wird jede Linse mit einer individuellen akustischen Erzeugungseinrichtung für den Zusammenbau in einem AIP-Druckkopf 21 versehen. Eine besonders bevorzugte akustische Erzeugungseinrichtung schließt einen piezoelektrischen dünnen Filmwandler 23 ein, der in elektrischer Verbindung mit einer RF-Treiberspannung steht (Quelle nicht gezeigt). Im Betrieb sendet die Linse 11 einen konvergierenden akustischen Strahl 25 in ein Reservoir von Tinte 27 aus. Die Brennweite der Linse 11 ist derart ausgelegt, dass der Strahl 25 den Brennpunkt auf oder nahe der freien Oberfläche 29 des Reservoirs 27 erreicht, wodurch ein Tintentropfen 31 auf Anforderung ausgestoßen wird.
In einer besonders bevorzugten Ausführung besteht das Substrat 10 aus einem lichtlöslichen Glas, einem Metalloxid-dotiertem Silizium wie etwa Corning 1737, einem Metalloxid, einem Kunststoff oder irgendeinem anderen Material, das dem Fachmann bekannt ist. Die zwei Hauptanforderungen bestehen darin, dass das Material (i) eine Schallgeschwindigkeit aufweist, die ungefähr 5 mal größer als die Flüssigkeit des Reservoirs ist, und (ii) lichtätzbar ist. Wenn parabolisch geformte Linsen verwendet werden, besteht ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung darin, dass die nicht kugelförmigen Formen es ermöglichen, dass kleinere Geschwindigkeitsverhältnisse, z.B. 2 mal verwendet werden.
Die Erfindung ist insbesondere nicht in Bezug auf den Typ des verwendeten Lichtätzsystems begrenzt. Genauer gesagt, ist die Erfindung für die Verwendung mit kohärentem oder inkohärentem Licht und kollimiertem oder fokussiertem Licht geeignet. In dieser Beziehung kann die Bearbeitung mit einem inkohärenten, breiten Strahl von kollimiertem Licht in Kombination mit einer Maske, oder, in Abwesenheit einer Maske, durch Verwendung eines räumlich abgetasteten, intensitätsmodulierten Laser durchgeführt werden. Weiterhin kann die Belichtung mit UV-Strahlung von einer Vorderseite des Substrats oder von der Rückseite des Substrats durchgeführt werden, wenn das Substrat für das UV durchlässig ist.
In Bezug auf das Ätzsystem kann Gas, Dampf oder Flüssigkeitsätzung verwendet werden. Eine kontinuierliche Gasströmung mit Gas/Dampf wird bevorzugt, und, wenn Flüssigkeit gewählt wird, kann geringfügige Vibration auf das Substrat aufgebracht werden, um größere Gleichmäßigkeit für das Ätzen bereitzustellen. Es ist existiert eine Vielzahl von hervorragenden Beispielen von Ätzsystemen, die für die vorliegende Erfindung geeignet sind. In dieser Vorrichtung wird ein Gehäuse bereitgestellt, das eine Vakuumkammer einschließt, die das zu ätzende Substrat aufnimmt. Es wird eine Vakuumpumpe verwendet, um Vakuum in der Kammer zu erzeugen und es wird ein halogenbasierendes Gas in die Kammer eingeführt. Dieses halogenbasierende Gas ist in der Lage, eine glasätzende Spezies auszubilden, wenn dieses durch Licht aktiviert wird. Eine Lichtquelle zur Übertragung eines Lichtstrahls einer vorbestimmten Wellenlänge und Intensität durch das Gas wird ebenso bereitgestellt. Eine Maske wird optisch mit der Lichtquelle verbunden zur Musterung des Lichtstrahls, um die gewünschte Anregung des halogenätzenden Gases auf dem Substrat bereitzustellen. Das bevorzugte Ätzgas ist Xenondifluorid. Die Lichtquelle ist entweder ein CO₂-Laser oder ein Excimer-Laser. Selbstverständlich kann das System durch Verwendung einer berührenden Maske (d.h. eine, die in der Nähe des zu ätzenden Substrats ausgebildet ist), oder anderer, dem Fachmann bekannter Einrichtungen, modifiziert werden.
Ein weiteres System, das für die Verwendung mit der vorliegenden Erfindung geeignet ist, ist eine Vakuumkammer innerhalb der ein zu ätzendes Substrat aufgenommen wird. Es wird ein Vakuum hergestellt und ein Plasma eingeführt, das eine reagierende Ione nätzspezies wie O₂, F₂, oder stabile, organische Halogenide wie etwa CF₄ enthält. In diesem System erzeugt eine repetitive Entladungsquelle ein ultraviolettes Licht, das einen kontinuierlichen Wellenlängenbereich von 600 bis 1000 Angström aufweist, wird bereitgestellt.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist das Substrat ein lichtätzbares Glas. Lichtätzbares Glas ist vorzugsweise ein lichtempfindlicher, amorpher Glastyp, der durch Hinzufügen eines Metallions und eines Sensibilisators zu einem Silikatglas ausgebildet wird. Ein derartiges Glas erzeugt ein Metallkolloid mit kristallinen Zellkernen, wenn dieses mit Ultraviolettlicht belichtet wird und wärmebehandelt wird. Die Kristallstruktur ist extrem fein, wodurch das Gas leicht lösbar in einer Säure wird. Dies folgt ebenso für das Ätzen auf endgültig festgelegte Strukturen. Beispiele für derartiges Glas sind Corning 1737, FOTURAN, hergestellt durch den optischen Zweig der Schott Glaswerke in Mainz, Deutschland, und PEG 3, hergestellt durch den optischen Zweig von Hoya Corporation in Tokyo, Japan.
Es ist anzumerken, dass der Fachmann erkennen wird, dass der Ätzprozess stark kontrolliert wird durch Temperatur und Druck. Dementsprechend wird die Variation dieser Systemparameter dem Praktiker erlauben, den Prozess anzupassen, um die gewünschte Ätzrate und daher die Linsenform zu erreichen.
Dementsprechend kann die vorliegende Erfindung mit den folgenden Basissystemen und Abwandlungen derselben ausgeführt werden:

1) Vorderseitig oder rückseitig fokussierter und eng modulierter Laser (keine Maske);
2) Vorderseitige oder rückseitige Lampe oder defokussierter Laser mit Kontaktmaske;
3) Vorderseitige oder rückseitige Lampe oder defokussierter Laser mit abgelöster Maske;
4) Systeme eins, zwei oder drei mit Gas/Dampfätzung; oder
5) Systeme eins, zwei oder drei mit Flüssigätzung.

Der bevorzugte Prozess wird eine Platte von akustischen Linsen über eine Lichtätzung in Gasphase mit rückseitiger UV-Strahlung von einem räumlich abgetasteten, intensi tätsmodulierten Laser, geeignet für die Verwendung in einem AIP-Prozess, ausbilden. Die bevorzugte Form der geätzten Linse wird, mit weiterem Bezug auf die 1, durch ein Muster von intensitätsmodifiziertem Laserlicht erreicht, das die höchste Intensität an dem gewünschten tiefsten Abschnitt der Linse aufweist und fortlaufend nach außen zu den Rändern von jeder individuellen akustischen Linse von abnehmender Intensität aufweist. Auf diese Weise ist die Ätzung in dem mittigen Abschnitt starker ausgeprägt, um die gewünschte konkave, parabolische, sphärische oder andere Form zu erreichen.
Mit Bezug auf die 3 schließt die bevorzugte Linsenform einen Winkel von ungefähr 80 bis 150 ein, festgelegt durch den Winkel α. In einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung wird die akustische Linse, die durch den Ätzprozess ausgebildet wird, weiterhin modifiziert, um die Oberflächenrauheit derselben zu verbessern. In dieser Beziehung führt der vorstehend beschriebene Lichtätzprozess nicht notwendigerweise zu einer perfekt glatten inneren Oberfläche. Beispielsweise kann eine Oberfläche 33 von einer ersten Lichtätzung ausgebildet werden. Dementsprechend kann eine Rückflussprozedur angewandt werden, um die Oberflächenrauheit zu verbessern. Insbesondere kann eine lokalisierte Wärmebehandlung-/Ätzprozedur verwendet werden, um die Oberfläche der ausgebildeten Linse wieder aufzuschmelzen/zurückzufließen, und eine Rauhigkeit der Linse geringer als ein Zehntel der akustischen Wellenlänge in der Flüssigkeit zu erzielen. In ähnlicher Weise könnte die Linse mit einer dünnen Schicht 35 aus einem Glas oder Kunststoff mit niedrigem Schmelzpunkt beschichtet und erwärmt werden, um einen Rückfluss von zusätzlichem Material zu erzielen. Das Material sollte so ausgewählt werden, dass dieses eine akustische Impedanz, ρv (wobei ρ die Materialdichte und v die akustische Geschwindigkeit ist) aufweist, die derjenigen des Substratmaterials nah angeglichen ist. Vorzugsweise könnte das hinzugefügte Material eine geringere Schmelztemperatur aufweisen als das Basissubstratmaterial. Oberflächenspannung verursacht eine Miniaturisierung des freien Flächengebiets und eine damit verbundene Verringerung in der Oberflächenrauhigkeit.
In einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung wird eine überliegende Schicht bereitgestellt, die als eine akustische, antireflektive Anpassungsschicht wirkt, um unerwünschte Reflexionen zu unterdrücken. Insbesondere kann eine Schicht von Impedanzanpassungsmaterial 37 von einer Dicke von ungefähr λ/4 (wobei λ eine akustische Wellenlänge ist) auf der konkaven Fläche der Linse 12 aufgeschichtet werden. Die akustische Impedanz ρv der Anpassungsschicht sollte die Quadratwurzel des Produktes der Impedanzen des Substratmaterials und der Flüssigkeit annähern. In ähnlicher Weise kann eine überliegende Deckung (nicht gezeigt) auf der konkaven Oberfläche abgelagert werden, um den Druckkopf einzuebnen, wobei die überliegende Abdeckung eine akustische Impedanz und eine akustische Geschwindigkeit aufweist, die zwischen denjenigen der Tinte und des Substrats liegt. Vorzugsweise wird diese überliegende Abdeckung aus der Gruppe ausgewählt, die Parylen oder andere, anschmiegsam abgelagerte Materialien einschließt.
Eine weitere bevorzugte Ausführung der Erfindung besteht in der Verwendung von Rückseitenbeleuchtung und einer Maske oder einer Lasermodulation, die eine Ausbildung von Ausrichtungsmarken (32; 3) auf der Rückseite des Substrats erreicht. In dieser Beziehung können die Ausrichtungsmarken für das richtige Anordnen der Wandler, die allgemein aus Zinkoxid ausgebildet sind, an geeigneten Stellen benachbart zu jeder der Linsen verwendet werden. Daher kann der Zusammenbau des AIP-Druckkopfs leichter bewerkstelligt werden.
Es ist abschließend anzumerken, dass die vorliegende Erfindung nicht nur auf die Erzeugung akustischer Linsen beschränkt ist. Genauer gesagt kann ein Feld von Linsen zur Fokussierung von Licht mit den vorstehend beschriebenen Techniken hergestellt werden. Selbstverständlich wäre eine lichtfokussierende Linse üblicherweise in ihrer Ausbildung konvex. Nichtsdestoweniger könnte ein derartiges Ergebnis einfach über die Verwendung einer Prozedur erreicht werden, wie vorstehend beschrieben.

Claims

Ein akustischer Druckkopf (21) zum Auswerfen von individuellen Tropfen (31) aus Flüssigkeit auf Anforderung von einer freien Oberfläche (29) eines Vorrats von Flüssigkeit (27); wobei der Druckkopf umfasst: eine Platte (10) aus lichtlöslichem Glas, Quarz, Metalloxid, oder Kunststoff, die eine untere Oberfläche und eine obere Oberfläche mit einer Vielzahl von Vertiefungen (11) aufweist, die Linsen (11) in derselben ausbilden; eine Vielzahl von Elementen (23), die akustische Wellen erzeugen und die an die untere Oberfläche der Platte (10) angebracht und derart angeordnet sind, dass akustische Wellen von den erzeugenden Elementen (23) selektiv auf die Linsen (11) stoßen, wodurch konvergierende akustische Strahlen (25) in die Flüssigkeit (27) hinein bewirkt werden, wobei die Brennweiten der Linsen (11) bewirken, dass die Strahlen (25) einen Brennpunkt an beabstandeten Punkten ungefähr an der freien Oberfläche (29) der Flüssigkeit (27) bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen von parabolischer Form sind.
Ein Verfahren zur Herstellung einer Linse (11), die Schritte umfassend: Bereitstellen eines lichtlöslichen Substrats (10), das gegenüberliegende erste und zweite Oberflächen aufweist; Aussetzen von einer der Oberflächen des Substrats (10) einem lichtaktiven Ätzmittel (13); gekennzeichnet durch Belichten des Ätzmittels (13) mit spezifisch gemustertem Licht (15) derart, dass eine kontrollierte konvexe oder konkave, allgemein halbkugelförmige Wölbung oder Vertiefung (11) in dem Substrat (10) ausgebildet wird; und wobei der Schritt der Belichtung mit gemustertem Licht umfasst, das gemusterte Licht bereitzustellen, das intensitätsmoduliertes Laserlicht umfasst, das eine größte Intensität bei einem gewünschten tiefsten Abschnitt der Linse aufweist und eine nach außen zu dem Rand der Linse fortlaufend sich verringernde Intensität aufweist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 2, weiterhin umfassend, einen Überzug von Impedanzanpassungsmaterial auf die Wölbung oder die Vertiefung anzuwenden.