EP0179452B1 - Verfahren zur Herstellung von Druckköpfen für eine Tintenschreibeinrichtung - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a method for producing a printhead according to the preamble of patent claim 1.
- a preassembled unit which consists of shaped needles and the drive elements for droplet ejection and the contacting devices for the drive elements, is placed in an injection or casting mold and cast. After removing the shaping needles, the ink channels are formed in the head part. This procedure requires a very precise pre-assembly, which has to be carried out largely manually. In order to ensure a desired completely smooth surface inside the ink channels, the removal of the shaping needles must be carried out with great care.
- the advantages associated with the method according to the invention consist essentially in an improvement in the formation of ink channels with regard to their fine structure.
- the method opens up the possibility of low manufacturing costs, e.g. to also form ink channels with a changing cross section, that is to say, for example, to create an ink print head in which the ink channels taper in the direction of the outlet opening.
- a thin plastic coating 2 is applied to a carrier 1, which serves essentially as a protective layer and as an adhesive between the carrier material and the ink contained in the interior of the ink print head (FIG. 1a).
- the carrier 1 consists of metal or plastic, for example a polybutylene compound.
- Favorable results are achieved with a carrier which has a thickness of approximately 0.2 to 1 mm and an area of approximately 5 ⁇ 10 cm.
- a layer in the form of a photoplastic film 3 is then applied to the carrier 1 in a first lamination process. This is covered with a mask 4 and irradiated with UV light.
- the mask 4 has a translucent area 5 of a certain contour (FIG. 1 b).
- chemically detachable film segments are formed in the areas 6 of the photoplastic film 3 determined by the area 5 of the mask 4 (FIG. 1c).
- the free surface of the photoplastic film 3 is passivated, which is done, for example, by means of a light-absorbing fat substance solution or toner powder.
- the passivation can also be restricted to a part of the free area by a suitable covering. The passivation prevents a later double exposure of the already treated photoplastic film 3.
- a second photoplastic film 7 is then applied in a further lamination process, covered with a mask 8 and exposed (FIG. 1d).
- the mask 8 in turn has a translucent area 9 of a certain contour, through which a certain segment 10 of the photoplastic film 7 corresponding to this contour is exposed.
- an area is created in the second photoplastic film 7, namely the film segment 10, which can be removed by chemical treatment.
- the area 9 of the mask 8 (FIG. 1d) and thus also the film segment 10 (FIG. 1e) is both in terms of its length and in terms of its width from the area 5 of the mask 4 (FIG. 1b) or the film segment 6 in the photoplastic film 3 (Fig. 1 c) different.
- the construction of a three-dimensional structure of an ink channel is thus possible.
- the exposed free surface of the photoplastic film 7 is then passivated again after the mask 8 has been removed.
- Photochemical treatment of the exposed photoplastic films can take place either after each lamination process or after a number of successive lamination processes. In the schematic example shown in FIG. 1, the photochemical treatment takes place after the second lamination process.
- the detachable film segments of the photoplastic films 3 and 7 are developed (FIG. 1f). It is a known photolithographic process. The described lamination, masking, exposure and passivation processes are then repeated several times, with development and thus exposure of the detachable film segments of the individual photoplastic films taking place after each or after several of these processes.
- an ink channel of an ink print head constructed according to the described method is shown.
- 2 shows the area 12 provided as an ink chamber, the ink channel 13 and the outlet opening 14.
- the areas 12, 13 and 14 are filled with ink during the operation of an ink print head.
- the ink print head works according to the so-called vacuum process. This means that what is shown here is the ink supply from an ink reservoir, which is arranged at a lower level than the outlet openings of the ink channels.
- a pulse-controllable converter 15 which e.g.
- a piezo tube or as a piezo plate pressure waves are known to be generated in the interior of the ink chamber 12, which spread out at both sides at the speed of sound and cause the ejection of a small amount of ink in the form of an ink droplet at the nozzle outlet opening 14.
- the ink channel 13, which tapers in the direction of the outlet opening 14, and the outlet opening 14 are formed in accordance with the method according to the invention by the lamination processes described. It can be seen from FIG. 2, which shows the arrangement in a sectional view, that the ink channel 13 narrows in height. 3, which shows the arrangement in top view, it can be seen that at the same time the width of the ink channel 13 is increasingly decreasing.
- a cover film 16 is provided, which can be provided with a protective layer 17 to protect against direct ink contact.
- the structure of the regions 12, 13 and 14 is formed by eight photoplastic films 18 to 25. Since photoplastic films are available in a thickness of approximately 10 11 to 50 .mu.m, an ink channel of up to 400 .mu.m thick can be produced when using 8 photoplastic films.
- a writing head with a double row of ink channels can be produced by joining two writing head units.
- the supply of the ink channels in the two print head units can be e.g. through an opening in the cover film.
- the cover and the vacuum process ensure that the entire print head is sealed. If necessary, what is not shown in detail here, an additional one can also be provided to cover the outlet openings, e.g. Prevents ink from spilling during transportation.
- the edges of the write head can also be shaped in the manner described. This is particularly advantageous if the exit openings are very thin capillaries and / or if a write head with several rows of exit openings is created. This avoids the roughness associated with a simple cutting process in the area of the outlet openings.
- FIGS. 2 and 3 The embodiment shown in FIGS. 2 and 3 is based on the use of eight photoplastic films, each with the same thickness.
- the method according to the invention makes it easy to use a larger or a smaller number of photoplastic films than that provided in the exemplary embodiment.
- the photoplastic films can also have individually different thicknesses.
- This and the use of appropriately designed masks make it possible to produce a very precise and very finely graduated three-dimensional structure of the ink channels and the outlet openings. The effort required for this is not significant since the method according to the invention enables a very high degree of automation. Since the method according to the invention can be used to build and form a large number of such structures in one operation on a carrier, the method is particularly suitable for the production of multi-nozzle writing heads. In this case, the precision with which the desired structures can be produced has a particularly advantageous effect.
- An exemplary embodiment is shown in FIG.
- the part of a print head shown there is constructed from eight photoplastic films 18 to 25, which are laminated in succession in the manner described.
- the invention is not limited to the formation of the ink channels and the outlet openings of a write head. Rather, the ink chamber and the ink supply part with which the ink chamber is connected at the end opposite the outlet openings can also be formed.
- the invention is also not limited to the fact that the photolithographic processes with which the exposed film segments are removed are carried out using the so-called positive technique, as has been described with reference to the exemplary embodiments. Rather, the so-called negative technique can be used with the same advantages. In this case, it is only necessary to use photoplastic films which form so-called cross-linked film segments when exposed, that is, in which the exposed film segments become insoluble. With appropriately designed masks, the method can also be carried out in the manner described in this case.
- the ink chamber 12 and part of the ink channels 13 are produced in a manner known per se using the injection molding process. Only the parts of the ink channels 13 to which particularly high demands are made and the outlet openings 14 are produced according to the method according to the invention.
- several photoplastic films, in the example the photoplastic films 27 and 28 are applied to the injection molded plastic part 26 one after the other and treated in the manner described. The arrangement is in turn covered at the top by the coated metal foil 16, 17.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Druckkopfes gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
- Sowohl für die Funktionssicherheit im praktischen Betrieb von Tintenschreibeinrichtungen als aber auch im Hinblick auf die Fertigung werden an einen Tintendruckkopf besondere Anforderungen gestellt. Einer der dafür wesentlichen Gründe ist, dass die im Tintendruckkopf zusammengefassten einzelnen Tintenkanäle, die einerseits mit einem Tintenversorgungssystem in Verbindung stehen, andererseits mit ihren Austrittsöffnungen wesentlich für den Tröpfchenausstoss sind, sehr exakt dimensioniert und zugleich äusserst sauber ausgeführt sein müssen. Bereits kleinste Unregelmässigkeiten führen zu einer Veränderung bzw. zu einem Ausfall einzelner Düsen. Diese Probleme nehmen mit der Erhöhung der Anzahl von Düsen erheblich zu, was insbesondere bei Tintendruckköpfen für hochauflösende Schreibeinrichtungen von Bedeutung ist.
- Nach einem bekannten Verfahren (DE-OS 2 543 451 ) wird eine vormontierte Einheit, die aus Formnadeln und den Antriebselementen für den Tröpfchenausstoss sowie aus den Kontaktierungseinrichtungen für die Antriebselemente besteht, in eine Spritz- oder Giessform eingelegt und vergossen. Nach dem Entfernen der Formnadeln sind in dem Kopfteil die Tintenkanäle ausgeformt. Dieses Verfahren erfordert eine sehr exakte Vormontage, die weitgehend manuell durchgeführt werden muss. Um eine gewünschte völlig glatte Oberfläche in Inneren der Tintenkanäle zu gewährleisten, muss das Entfernen der Formnadeln mit grosser Sorgfalt erfolgen.
- Es ist auch bereits angegeben worden (DE-OS 3 108 206), einen Tintendruckkopf in der Weise herzustellen, dass die Tintenkanäle und eine Tintenzuführkammer als Ausnehmungen in einer einzigen fotoempfindlichen Schicht gebildet werden. Dabei wird die auf ein Substrat aufgebrachte fotoempfindliche Schicht mit einer Fotomaske bedeckt, die entsprechend den Tintenkanälen und der Tintenzuführkammer lichtundurchlässige Bereiche aufweist. Durch Belichtung und durch eine Behandlung mit einem Lösungsmittel werden dann die gewünschten Ausnehmungen gebildet. Eine Abdeckplatte vervollständigt die gesamte Anordnung. Mit diesem Verfahren können jedoch nur relativ einfache Strukturen ausgebildet werden. Häufig werden jedoch an die Form der Tintenkanäle besonders hohe Anforderungen gestellt, die mit diesem Verfahren nicht erfüllt werden können.
- Ferner ist aus der US-A-4 392 145 ein Tintendruckkopf aus einer Vielzahl von laminierten Schichten aus z.B. Stahl bekannt, in welche die Tintenkanäle mit Hilfe der sog. Photoätztechnik (Sp. 7, Z. 9-11 dieses Dokumentes) eingeätzt werden.
- Aufgabe der Erfindung ist es, ausgehend von der DE-OS 3 108 206, ein Verfahren zur Herstellung von Tintendruckköpfen anzugeben, das eine Ausbildung der Tintenkanäle in beliebiger dreidimensionaler Form gestattet. Weiterhin soll das Verfahren eine aufwandsarme und automatisierbare Herstellungsweise ermöglichen.
- Diese Aufgabe wird gemäss den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
- Die mit dem erfindungsgemässen Verfahren verbundenen Vorteile bestehen im wesentlichen in einer Verbesserung der Ausbildung von Tintenkanälen hinsichtlich deren Feinstruktur. Das Verfahren eröffnet die Möglichkeit, mit geringem Fertigungsaufwand, z.B. auch Tintenkanäle mit sich änderndem Querschnitt auszubilden, also beispielsweise einen Tintendruckkopf zu schaffen, bei dem sich die Tintenkanäle in Richtung zur Austrittsöffnung hin verjüngen.
- Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
- Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dort zeigen
- Fig. 1 bis 1 schematisch die einzelnen Schritte zur Herstellung eines Tintendruckkopfes bei Verfolgung des erfindungsgemässen Verfahrens,
- Fig. 2 ein nach diesem Verfahren hergestellter Kopfteil eines Tintendruckkopfes in einer Schnittdarstellung,
- Fig. 3 den Kopfteil nach Figur 2 in Aufsicht,
- Fig. 4 ein Beispiel für einen Mehrdüsenschreibkopf und
- Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel bei dem nur die im Bereich der Austrittsdüsen liegenden Teile nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellt werden.
- In den Fig. 1a bis 1 f sind schematisch die zum Verständnis der Erfindung wesentlichen Schritte des Verfahrens dargestellt. Zunächst wird auf einem Träger 1 eine dünne Plastbeschichtung 2 aufgebracht, die im wesentlichen als Schutzschicht und als Kleber zwischen dem Trägermaterial und der im Inneren des Tintendruckkopfes enthaltenen Tinte dient (Fig. 1a). Der Träger 1 besteht aus Metall oder aus Kunststoff, z.B. aus einer Polybuthylenverbindung. Günstige Ergebnisse werden mit einem Träger erreicht, der eine Dicke von etwa 0,2 bis 1 mm und eine Fläche von etwa 5 x 10 cm aufweist. Auf dem Träger 1 wird dann in einem ersten Laminierungsvorgang eine Schicht in Form einer Fotoplastfolie 3 aufgebracht. Diese wird mit einer Maske 4 abgedeckt und mit UV-Licht bestrahlt. Die Maske 4 weist im Beispiel einen lichtdurchlässigen Bereich 5 bestimmter Kontur auf (Fig. 1 b). Dadurch werden in den durch den Bereich 5 der Maske 4 bestimmten Bereichen 6 der Fotoplastfolie 3 chemisch lösbare Foliensegmente gebildet (Fig. 1c). Nach Entfernen der Maske 4 wird die freie Oberfläche der Fotoplastfolie 3 passiviert, was z.B. mittels einer lichtabsorbierenden Fatbstofflösung oder Tonerpulver geschieht. Durch eine geeignete Abdekkung kann die Passivierung auch auf einen Teil der freien Fläche beschränkt werden. Mit der Passivierung wird eine spätere Doppelbelichtung der bereits behandelten Fotoplastfolie 3 verhindert. Auf die derart behandelte erste Fotoplastfolie 3 wird nun in einem weiteren Laminierungsvorgang eine zweite Fotoplastfolie 7 aufgebracht, mit einer Maske 8 abgedeckt und belichtet (Fig. 1d). Die Maske 8 weist wiederum einen lichtdurchlässigen Bereich 9 bestimmter Kontur auf, durch den ein bestimmtes und dieser Kontur entsprechendes Segment 10 der Fotoplastfolie 7 belichtet wird. Auf diese Weise entsteht in der zweiten Fotoplastfolie 7 wiederum ein Bereich, nämlich das Foliensegment 10, das durch eine chemische Behandlung herausgelöst werden kann. Der Bereich 9 der Maske 8 (Fig. 1 d) und damit auch das Foliensegment 10 (Fig. 1e) ist sowohl hinsichtlich seiner Länge als auch hinsichtlich seiner Breite von dem Bereich 5 der Maske 4 (Fig. 1b) bzw. des Foliensegments 6 in der Fotoplastfolie 3 (Fig. 1 c) verschieden. Wie später anhand der Fig. 2 und 3 beschrieben wird, ist damit der Aufbau einer dreidimensionalen Struktur eines Tintenkanals möglich. Die belichtete freie Oberfläche der Fotoplastfolie 7 wird dann wiederum, nachdem die Maske 8 entfernt wurde, passiviert. Eine fotochemische Behandlung der belichteten Fotoplastfolien kann entweder nach jedem Laminierungsvorgang oder nach einigen aufeinander folgenden Laminierungsvorgängen geschehen. Bei dem in Fig. 1 dargestellten schematischem Beispiel erfolgt die fotochemische Behandlung nach dem zweiten Laminierungsvorgang.
- Mit diesem Schritt werden die lösbaren Foliensegmente der Fotoplastfolien 3 und 7 heraus entwickelt (Fig. 1f). Es handelt sich dabei um ein an sich bekanntes fotolithographisches Verfahren. Die beschriebenen Laminierungs-, Maskierungs-, Belichtungs- und Passivierungsvorgänge werden dann mehrfach wiederholt, wobei jeweils nach jedem oder nach mehreren dieser Vorgänge eine Entwicklung und damit eine Freilegung der lösbaren Foliensegmente der einzelnen Fotoplastfolien stattfinden. Die durch diesen schichtweisen Aufbau und durch die Verwendung einer der Anzahl der Laminierungsvorgänge entsprechenden Anzahl von Masken, deren lichtdurchlässige Bereiche jeweils unterschiedliche Konturen aufweisen können, entstehenden Hohlräume bilden eine gewünschte dreidimensionale Kanal- und Düsenstruktur.
- In den Fig. 2 und 3 ist ein nach dem beschriebenen Verfahren aufgebauter Tintenkanal eines Tintendruckkopfes dargestellt. Fig. 2 zeigt den als Tintenkammer vorgesehenen Bereich 12, den Tintenkanal 13 und die Austrittsöffnung 14. Die Bereiche 12, 13 und 14 sind im Betrieb eines Tintendruckkopfes mit Tinte gefüllt. Der Tintendruckkopf arbeitet nach dem sogenannten Unterdruckverfahren. Das bedeutet, dass, was hier dargestellt ist, die Tintenzufuhr aus einem Tintenreservoir, erfolgt, das auf einem tieferen Niveau angeordnet ist als die Austrittsöffnungen der Tintenkanäle. Unter der Einwirkung eines impulsweise ansteuerbaren Wandlers 15, der z.B. als Piezoröhrchen oder als Piezoplättchen ausgebildet sein kann, werden bekanntlich im Inneren der Tintenkammer 12 Druckwellen erzeugt, die sich nach beiden Seiten hin mit Schallgeschwindigkeit ausbreiten und an der Düsenaustrittsöffnung 14 den Ausstoss einer kleinen Tintenmenge in Form eines Tintentröpfchens bewirken. Der sich in Richtung zur Austrittsöffnung 14 verjüngende Tintenkanal 13 sowie die Austrittsöffnung 14 sind gemäss dem erfindungsgemässen Verfahren durch die beschriebenen Laminierungsvorgänge ausgebildet. Man erkennt anhand von Fig. 2, die die Anordnung in einer Schnittdarstellung zeigt, dass sich der Tintenkanal 13 zunehmend in der Höhe verengt. Anhand von Fig. 3, die die Anordnung in Aufsicht zeigt, erkennt man, dass zugleich die Breite des Tintenkanals 13 zunehmend abnimmt. Zur Abdeckung der jeweils obersten Fotoplastfolie, durch die die Austrittsöffnung 14 gebildet wird, ist eine Abdeckfolie 16 vorgesehen, die zum Schutz gegen eine unmittelbare Tintenberührung mit einer Schutzschicht 17 versehen sein kann.
- In dem anhand von Fig. 2 und Fig. 3 beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die Struktur der Bereiche 12, 13 und 14 durch acht Fotoplastfolien 18 bis 25 gebildet. Da Fotoplastfolien in einer Dicke von etwa 10 11 bis 50 µ zur Verfügung stehen, kann bei Verwendung von 8 Fotoplastfolien ein Tintenkanal bis zu 400 p, Dicke hergestellt werden.
- Wird als Abdeckung eine Selbstklebefolie verwendet, so kann durch eine Zusammenfügung von zwei Schreibkopfeinheiten ein Schreibkopf mit einer Doppelreihe von Tintenkanälen hergestellt werden. Die Versorgung der Tintenkanäle in den beiden Schreibkopfeinheiten kann dabei z.B. über eine Durchbrechung der Abdeckfolie erfolgen. Die Abdichtung des gesamten Schreibkopfes ist durch die Abdeckung und durch das Unterdruckverfahren gewährleistet. Bedarfsweise kann, was im einzelnen hier nicht dargestellt ist, auch ein zusätzliches zur Abdeckung der Austrittsöffnungen vorgesehen sein, das z.B. während des Transports oder ein Auslaufen von Tinte verhindert.
- In Ausgestaltung der Erfindung können auch die Kanten des Schreibkopfes in der beschriebenen Weise geformt werden. Das hat insbesondere dann Vorteile, wenn es sich bei den Austrittsöffnungen um sehr dünne Kapillaren handelt und/ oder wenn ein Schreibkopf mit mehreren Reihen von Austrittsöffnungen erstellt wird. Man vermeidet darauf die mit einem einfachen Abschneidevorgang verbundene Rauhigkeit im Bereich der Austrittsöffnungen.
- Das in den Fig. 2 und 3 dargestellte Ausführungsbeispiel geht von der Verwendung von acht Fotoplastfolien mit jeweils gleicher Dicke aus. Das erfindungsgemässe Verfahren gestattet es ohne weiteres, eine grössere oder eine kleinere Anzahl von Fotoplastfolien als im Ausführungsbeispiel vorgesehen, zu verwenden. Darüber hinaus können die Fotoplastfolien auch individuell verschiedene Dicke besitzen. Dadurch und durch die Verwendung entsprechend gestalteter Masken ist es möglich, eine sehr genaue und sehr fein abgestufte dreidimensionale Struktur der Tintenkanäle und der Austrittsöffnungen zu erzeugen. Der dafür erforderliche Aufwand fällt nicht stark ins Gewicht, da das erfindungsgemässe Verfahren einen sehr hohen Automatisierungsgrad ermöglicht. Da mit dem erfindungsgemässen Verfahren in einem Arbeitsgang auf einem Träger jeweils eine Vielzahl von derartigen Strukturen aufgebaut und ausgebildet werden können, eignet sich das Verfahren besonders für die Herstellung von Mehrdüsenschreibköpfen. Für diesen Fall wirken sich die Präzision, mit der die gewünschten Strukturen hergestellt werden können, besonders vorteilhaft aus. Ein Ausführungsbeispiel zeigt Fig.
- 4. Der dort dargestellte Teil eines Druckkopfes ist aus acht Fotoplastfolien 18 bis 25 aufgebaut, die in der beschriebenen Weise aufeinanderfolgend laminiert werden.
- Die Erfindung ist nicht auf die Ausbildung der Tintenkanäle und der Austrittsöffnungen eines Schreibkopfes beschränkt. Vielmehr kann damit auch die Tintenkammer und der Tintenversorgungsteil, mit dem die Tintenkammer an den Austrittsöffnungen entgegengesetzten Ende in Verbindung steht, ausgebildet werden.
- Ebensowenig ist die Erfindung darauf beschränkt, dass die fotolithographischen Vorgänge, mit denen die belichtetenFoliensegmente entfernt werden, anhand der sogenannten Positivtechnik erfolgt, wie anhand der Ausführungsbeispiele beschrieben wurde. Mit den gleichen Vorteilen kann vielmehr auch die sogenannte Negativtechnik angewendet werden. In diesem Falle ist es lediglich erforderlich, Fotoplastfolien zu verwenden, die bei Belichtung sogenannte vernetzte Foliensegmente bilden, das heisst, bei denen die belichteten Foliensegmente unlösbar werden. Mit entsprechend gestalteten Masken ist auch in diesem Falle das Verfahren in der beschriebenen Weise durchführbar.
- Im Rahmen der Erfindung ist es weiterhin möglich, nicht die gesamte Struktur der Tintenkanäle des Tintendruckkopfes nach dem erfindungsgemässen Verfahren auszubilden. Das Verfahren lässt sich vielmehr auch mit einer an sich bekannten Spritzgusstechnik kombinieren. Diese Ausgestaltung ist deshalb vorteilhaft, weil damit die Anzahl der aufzubringenden Schichten reduziert werden kann. Ein Beispiel für diese Ausgestaltung zeigt Fig. 5.
- Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 ist die Tintenkammer 12 und ein Teil der Tintenkanäle 13 in an sich bekannter Weise im Spritzgussverfahren hergestellt. Lediglich die Teile der Tintenkanäle 13, an die besonders hohe Anforderungen gestellt werden sowie die Austrittsöffnungen 14 werden gemäss dem Verfahren nach der Erfindung hergestellt. Dazu werden mehrere Fotoplastfolien, im Beispiel die Fotoplastfolien 27 und 28 auf dem gespritzten Kunststoffteil 26 nacheinander aufgebracht und in der beschriebenen Weise behandelt. Nach oben ist die Anordnung wiederum durch die beschichtete Metallfolie 16, 17 abgedeckt.
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