EP0671270B1

EP0671270B1 - Tintenstrahldruckkopf

Info

Publication number: EP0671270B1
Application number: EP95250037A
Authority: EP
Inventors: Wolfgang Dr. Thiel
Original assignee: Francotyp Postalia GmbH
Current assignee: Francotyp Postalia GmbH
Priority date: 1994-03-10
Filing date: 1995-02-13
Publication date: 1998-08-12
Anticipated expiration: 2015-02-13
Also published as: EP0671270A3; US5828390A; DE59503105D1; EP0671270A2; DE9404328U1

Description

Die Erfindung betrifft einen Tintenstrahldruckkopf der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art. Solche Tintenstrahldruckköpfe können in schnellen Druckern eingesetzt werden, wie sie beispielsweise für Frankiermaschinen zum Frankieren von Postgut verwendet werden. Derartige Druckwerke haben zudem die Aufgabe zu lösen, einen vollständigen Druck in nur einer Bewegungsphase auszuführen, was eine entsprechend große Druckbreite von beispielsweise 1 Zoll erfordert.

Es ist bekannt, daß Tintenstrahldruckköpfe nach dem Edge-shooter- oder nach dem Face-shooter-Prinzip aufgebaut sind (First annual ink jet printing workshop, March 26-27, 1992, Royal Sonesta Hotel, Cambridge, Massachusetts). Bisher wurden Anstrengungen unternommen, die Abmaße der Kammern zu minimieren, um die Düsendichte zu erhöhen. Die dort vorgeschlagenen Maßnahmen sind aber nur bei Tintenstrahlmodulen mit wenigen Düsen in einer Reihe sinnvoll und versagen bei einer hohen Anzahl von Düsen. Deshalb muß eine Erhöhung der Düsendichte auf andere Weise erreicht werden.

Aus der DE 36 08 205 A1 und DE 36 09 154 A1 ist eine zwischen zwei spiegelsymmetrischen Druckkopfhälften mittig angeordnete Düsenplatte bekannt, wobei in deren beiden Plattenoberflächen die erforderlichen Düsenkanäle gleichzeitig geätzt werden, damit sie eine gleiche Größe aufweisen. Damit entstehen aber zwei zueinander versetzte Düsenreihen, deren Versatz wieder eine genaue Maskenjustage beim Lithographischen Prozeß voraussetzt. Außerdem erfordert die Kopfherstellung eine genaue Justage aller übereinander gestapelten Platten. Ein weiterer Nachteil ist der relativ lange Tintenweg von den Kammern zu den Düsen.

Aus der DE 38 14 720 A1 ist es bekannt, einen Druckkopf aus einer geätzter Grundplatte und äußeren Membranplatten aufzubauen. Der Grundkörper weist zwei Düsenreihen auf. Die auf beiden Plattenoberflächen versetzt zueinander liegenden Düsenreihen werden gleichzeitig erzeugt. Der Grundkörper wird durch genau zueinander justierte Masken zweiseitig belichtet und danach beidseitig gleichzeitig geätzt. Die Verwendung eines Grundkörpers umgeht zwar eine aufwendige Montage mehrerer Platten übereinander, jedoch ist der Versatz der beiden Düsenreihen zueinander immer noch von einer Justage der Masken vor dem lithografischen Prozeß abhängig. Außerdem ist bei der oben genannten Lösung ein relativ langer Tintenweg von der Kammer bis zur Düse auf jeder Seite der Grundplatte erforderlich.

Ein in Sandwich-Bauweise aufgebauter Düsendrucker für ein Tintenschreibwerk gemäß DE-OS 26 49 970 besteht aus spiegelsymmetrisch gegenüber angeordneten Druckkopfhälften. In den äußeren Aufbauplatten der Druckkopfhälften befinden sich paarweise gegenüberliegend angeordnet die Tintenkammern (Kompressionskammern). Die kurzzeitigen Druckanstiege in diesen Tintenkammern werden durch eine darüber angeordnete Membran mit einem Piezokeramikschwinger (PZT-Elemente) erzeugt. Zwischen den Druckkopfhälfte ist eine Düsenplatte mit einer Ausgleichkammer so angeordnet, daß sie zwischen den Tintenkammern liegt. Damit kann der cross-talk-effekt zwar wirksam unterdrückt werden, jedoch ist eine Vielzahl von Platten erforderlich, welche genau zu einander justiert werden müssen.

Um eine höhere Abbildungsdichte zu erreichen, wurde bereits in DE 42 25 799 A2 vorgeschlagen, mehrere Kammern zueinander horizontal und vertikal versetzt anzuordnen. In einem Kammern tragenden Teil ist eine einzige Düsenreihe für den gesamten Modul ausgebildet. Die hohe Düsendichte in der Düsenreihe resultiert aus einem mehrstöckigen Aufbau. Durch eine Vielzahl von Ebenen führen Tintenkanäle, die einen toleranzunempfindlicnen Querschnit aufweisen. Dennoch erfordert dieser Druckkopf noch einen gewissen Justageaufwand. Auch sind hier die zu den Düsen führenden Kanäle von der weit entfernten unteren Ebene länger, als diejenigen Kanäle von der oberen Ebene, was zu einer Phasenverschiebung der einzelnen Tintenstrahlen führt, die elektronisch kompensiert werden muß. Durch sehr lange Kanäle müssen größere Kräfte durch die Piezokristalle aufgebracht werden, so daß diese eher ausfallen, als andere Piezokristalle. Ein weiterer Nachteil dieser Anordnung besteht darin, daß jede der mindestens benötigten drei Platten in verschiedener Weise zu strukturieren sind.

Alle Fertigungsschritte, Lithographieprozesse, mechanische Bearbeitung und Ätzprozesse erstrecken sich auf drei Platten. Das bedeutete aber, daß drei verschiedene Masken benötigt werden und die Fertigung mit jeweils drei verschiedenen Wafern startet.

Aus der in US 4,525,728 genannten Lösung ist ein Edge-shooter-ink-jet-Druckmodul mit je einer Düsenreihe pro Kammerplatte bekannt. Die Abmessungen der Kammer und Kanäle können unter bestimmten Umständen weiter verkleinert werden. Hierbei liegen die Längsachsen der relativ langen Tintenkammern in Richtung des Tintenstrahls, während die Breite der Tintenkammer extrem verringert wird. Problematisch wird aber nun der Herstellungsschritt des Aufbringens der PZT-Elemente, denn die einzuhaltenden Toleranzen sind extrem klein.

Die Aufgabe besteht in der Schaffung eines kompakten ink-jet-Druckkopfes für einen Druck mit hoher Auflösung, der die Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist und einfach herzustellen ist.

Die Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Zur Lösung der Aufgabe wurde ein einfacheres Design für einen Ink-Jet-Druckkopf entwickelt, bei dem die Anzahl der Fertigungsschritte reduziert ist. In der erfindungsgemäßen Variante wird nur eine Mittelplatte strukturiert, während die beiden Außenplatten unstrukturiert bleiben und erst zum Diffusionsbonden mit der Mittelplatte verbunden werden. Das wird dadurch möglich, daß die Oberseite der Mittelplatte eine Struktur erhält und die Unterseite ebenfalls eine aber davon verschiedene Struktur bekommt und die beiden Strukturen durch senkrecht verlaufende durchgehende Kanäle miteinander verbunden sind, welche nur von einer Seite der Mittelplatte ausgeätzt werden. Die beiden Strukturen weisen Kammergruppen auf, die voneinander in x-, y- und z-Richtung beabstandet sind.

Unterhalb einer ersten Ebene, in der eine erste Gruppe von Tintenkammern in dem Mittelteil liegt, wird durch eine zweite Ebene ein Abstand Y realisiert und in einer dritten Ebene wird eine weitere Gruppe von Tintenkammern nunmehr so angeordnet, daß die Tintenkammern der dritten Ebene zu denen der ersten Ebene sowohl einen vertikalen Abstand Y als auch horizontalen Versatz X zur Düsenlinie aufweisen. Die durch vertikalen Abstand in y-Richtung der Ebenen bedingte, unterschiedlich ausgebildete Tintenweglänge wird somit durch eine definierte Tintenkanallänge in den Ebenen kompensiert.

Es ist vorgesehen, daß die Kammern zur Düsenreihe einerseits und zu einem Ansaugraum andererseits derart angeordnet sind, daß in den Ebenen des Mittelteils unterschiedlich lange Tintenkanäle, insbesondere horizontale Düsenkanäle und/oder Einlaßkanäle und/oder vertikale Durchgangskanäle vorgesehen sind, wobei die Summe der Tintenkanallängen je Kammer annährernd konstant bleibt.

Die Düsenkanäle zur einzigen Düsenreihe sind auf einer der beiden Oberflächen des Mittelteils angeordnet und vorzugsweise in einem Ätzvorgang realisierbar. Dabei werden, von der Oberfläche mit den Düsenkanälen ausgehend, durch die dritte und zweite Ebene weitere vertikale Tintendurchgangskanäle eingearbeitet. Von der anderen Oberfläche wird bis zu einer Tiefe gearbeitet, wo die zweite Ebene beginnt. Somit werden die Tintenkammer und der Ansaugraum über den jeweiligen vertikalen Tintendurchgangskanal eingearbeitet.

Dadurch ergibt sich der entscheidende weitere Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung, nämlich die fehlende Auswirkung von Toleranzen durch die erfindungsgemäße Konstruktion, dadurch daß die einzelnen Ebenen des mehrstöckigen Aufbaues nicht in einzelnen Platten realisiert sind, welche gegeneinander versetzt angeordnet werden müssen. Auch die vor dem lithographischen Prozeß erforderlichen Masken können mit einer gewissen Toleranz zueinander positioniert werden, da die Verbindungskanäle nur auf den relativ breiten Kammerboden treffen müssen.

Die Erfindung geht davon aus, daß aufgrund dieser erfindungsgemäßen Lösung mit horizontal und vertikal versetzt angeordneten Tintenkammern eine höhere Düsenanzahl in einer Reihe und eine relativ kurze Tintenkanallänge, beispielsweise für einen Edge-shooter-ink-jet-In-Line-Druckkopf, erreichbar ist. Es ist ein Kennzeichen des ESIJIL-Druckkopfes, daß eine Düsenanordnung für einen Tintenausstoß in x-Richtung in der dritten Ebene des Mittelteils, die die Düsenkanäle aufweist, vorgesehen ist und daß in der Düsenreihe die zu unterschiedlichen Düsengruppen gehörigen Düsen alternieren. In einer ersten Variante trägt jede Oberfläche des Mittelteils eine Kammergruppe. In einer zweiten Variante trägt eine Oberfläche die Düsenkanäle und eine Kammergruppe und die andere Oberfläche trägt zwei Kammergruppen, d.h., daß die unterschiedliche Struktur auf einer der beiden Oberflächen einse Mittelteils eine zur ersten Kammergruppe zusätzliche Kammergruppe umfaßt, die zu der ersten Kammergruppe in x- und z-Richtung versetzt angeordnet ist. Es ist vorgesehen, daß in einer einzigen Düsenreihe die zu unterschiedlichen Düsengruppen gehörigen Düsen alternieren und daß die Überdeckung von Kammern der Kammerngruppe der einen Ebene mit denen der anderen Ebene vermieden wird oder nur an den Kammerrändern wirksam ist. Damit wird der cross-talk-Effekt wirksam minimiert.

Eine andere Ausbildung des Tintenstrahldruckkopfes mit mehreren in y-Richtung angeordneten Ebenen betrifft einen Face-Shooter-Ink-Jet-In-Line-Druckkopf (FSIJIL-Druckkopf) und weist ebenfalls voneinander in x-, y- und z-Richtung beabstandete unterschiedliche Strukturen auf beiden Oberflächen eines Mittelteils auf, so daß die Überdeckung der Tintenkammern nur an den Kammerrändern wirksam wird. Es ist ein Kennzeichen des FSIJIL-Druckkopfes, daß für eine dritte Ebene des Mittelteils, die die Düsenkanäle aufweist, eine Düsenanordnung für einen Tintenausstoß y-Richtung in einer Membranplatte vorgesehen ist und daß in der Düsenreihe die zu unterschiedlichen Düsengruppen gehörigen Düsen alternieren. Auf einer der beiden Oberflächen des Mittelteils und auf der anliegenden Membranplatte ist somit eine einzige Düsenreihe ausgebildet, welche in z-Richtung verläuft, zu der von zwei Seiten Düsenkanäle führen. In einer Variante weist jede Oberfläche des Mittelteils nur eine Kammergruppe auf. In einer anderen Variante weist die eine Oberfläche des Mittelteils zwei Kammergruppen auf. Es ist vorgesehen, daß unterschiedliche Strukturen auf beiden Oberlfächen in einer ersten und dritten Ebene eines Mittelteils Kammergruppen aufweisen, die voneinander in x-, y- und z-Richtung beabstandet sind und daß die unterschiedliche Struktur der ersten Ebene des Mittelteils zusätzliche Kammergruppen unfaßt, die voneinander in x- und z-Richtung beabstandet sind. Das Mittelteil ist mit vertikalen und horizontalen Tintenkanälen versehen, so daß sich ein relativ kurzer aber gleichlanger Tintenweg von den Kammern zu den Düsen ergibt. Die Anordnung erlaubt einen erhöhten Toleranzbereich bei der Positionierung der Masken bei der photolithographischen Strukturierung der Mittelplatte und damit eine höhere Ausbeute funktionstüchtiger Druckköpfe. Die Düsenöffnungen werden durch Ätzen oder Laserstrahlbearbeiten in die Membranplatte eingearbeitet.

Nach dem Ätzen der Mittelplatte und der Herstellung von Membranplatten durch parallele Glasplattenbearbeitung einschließlich Herausbildung einer definierter Dicke durch Ätzen und Feinschleifen, erfolgt ein Separieren und Verbinden der Einzelteile zu einem Modul, der mit Leiterbahnen und PZT-Elementen versehen wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:

Figur 1a,: Schnitt durch die Linie A-A'eines ESIJIL-Druckkopfes nach Variante eins
Figur 1b,: Schnitt durch die Linie B-B'eines ESIJIL-Druckkopfes nach Variante eins
Figur 1c,: ESIJIL-Druckkopfes nach Variante eins in Draufsicht auf die Mittelplatte (Bestückungsseite) mit Lage der Kammern
Figur 1d,: Ansicht der Düsenseite mit der Düsenlinie des ESIJIL-Druckkopfes nach Variante eins
Figur 2a,: Schnitt durch die Linie A-A' eines FSIJIL-Druckkopfes nach Variante eins
Figur 2b,: Schnitt durch die Linie B-B' eines FSIJIL-Druckkopfes nach Variante eins
Figur 2c,: FSIJIL-Druckkopfes nach Variante eins in Draufsicht auf die Mittelplatte (Bestückungsseite) mit Lage der Kammern
Figur 2d,: Ansicht einer PZT-Platte für einen FSIJIL-Druckkopf nach Variante eins
Figur 3a,: Schnitt durch die Linie A-A'eines ESIJIL-Druckkopfes nach Variante zwei
Figur 3b,: Schnitt durch die Linie B-B'eines ESIJIL-Druckkopfes nach Variante zwei
Figur 3c,: ESIJIL-Druckkopfes nach Variante zwei in Draufsicht auf die Mittelplatte (Bestückungsseite) mit Lage der Kammern
Figur 4a,: Schnitt durch die Linie A-A'eines FSIJIL-Druckkopfes nach Variante zwei
Figur 4b,: Schnitt durch die Linie B-B'eines FSIJIL-Druckkopfes nach Variante zwei
Figur 4c,: FSIJIL-Druckkopfes nach Variante zwei in Draufsicht auf die Mittelplatte (Bestückungsseite) mit Lage der Kammern
Figur 5a,: Anordnung von PZT-Elementen auf einer Membranplatte
Figur 5b,: Ansicht einer PZT-Platte für einen FSIJIL-Druckkopf nach Variante zwei

Die Figuren 1a bis 1d zeigen eine Variante, nach denen der erfindungsgemäße Edge-Shooter-Ink-Jet-In-Line-Druckkopf (ESIJIL-Druckkopf) alternativ zum ESIJIL-Druckkopf, gemäß dem Patent DE 42 25 799, ausgeführt werden kann.

In der Figur 1a ist ein Schnitt des erfindungsgemäßen ESIJIL-Druckkopfes durch eine Linie A-A' dargestellt. Das Mittelteil 3 ist eine zwischen zwei Membranplatten 2 und 4 angeordnete beidseitig strukturierte Mittelplatte. Auf den Membranplatten sind PZT-Elemente 31 befestigt. Auf der Membranplatte 2 sind Leiterbahnen 180 und weitere mechanische und/oder elektrische Bauelemente bzw. integrierte Schaltkreise 160 befestigt. Eine erste Gruppe voneinander in z-Richtung beabstandeter Kammern 101 ist in einer ersten Ebene des Mittelteils 3 angeordnet. Darunter in der in y-Richtung gelegenen dritten Ebene ist eine zweite Gruppe von einander in z-Richtung beabstandeter Kammern 105 angeordnet. In dieser dritten Ebene des Mittelteils 3 liegt eine einzige Düsenreihe 1 für alle Düse.

Die Öffnungen, Kanäle ein Ansaugraum 151 und die Kammern in der ersten Ebene stehen über eine zweite Ebene des Mittelteils mit Kammern oder Düsenkanälen einer dritten Ebene des Mittelteils in Verbindung. Dabei wird das einstückige Mittelteil mit senkrecht durch und in einer Anzahl von Ebenen verlaufenden Tintenkanälen so ausgebildet, daß eine annähernd gleiche Tintenweglänge existiert. Die Kammergruppen sind zueinander in x-, y- und z-Richtung soweit versetzt, daß alle Tintenwege vom Ansaugraum zu den Kammern bzw. von den Kammern zu den Düsen in der Düsenreihe mindestens innerhalb eines Moduls gleich lang ausgebildet ist.

Die Tinte gelangt über in DE 42 25 799 A1 bereits gezeigte Zuführungen und Öffnungen in einen Ansaugraum 151, der über Einlaßkanäle 110 mit den Tintenkammern 101 der ersten Ebene in Verbindung steht. Die Tintenkammern stehen über Tintengangskanäle 112 durch die zweite Ebene und Kanäle 111 mit den Düsen in der Düsengruppe 1.1 in Verbindung, die in der dritten Ebene angeordnet sind. Jeder Tintenkammer ist eine Membran und ein PZT-Element zugeordnet, welches bei Beaufschlagung mit einem elektrischen Impuls die Membran verformt und somit das Volumen der Kammer verändert. Bei einer Expansion des Kammervolumens wird aus dem Ansaugraum 151 Tinte zugeführt. Bei einer Kompression des Kammervolumens einer zur ersten Kammergruppe gehörigen Kammer 101 werden die Tintentropfen durch eine zur Düsengruppe 1.1 zugehörige Düse in x-Richtung ausgestoßen.

Ebenso sind weitere - in der Figur 1a nicht gezeigte - Kanäle, Öffnungen, Kammern usw. im ESIJIL-Druckkopf angeordnet, um die Düsen in der dritten Ebene aus den Kammern in der dritten Enene des Druckkopfes mit Tinte zu versorgen. Die entsprechende Anordnung geht vielmehr aus einem - in der Figur 1b dargestellten Schnitt B-B' hervor.

Die Tintendurchgangskanäle 114 - wie im Schnitt B-B' dargestellt - führen vom Ansaugraum 151 in der ersten Ebene durch die zweite Ebene auf die Einlaßkanäle 113. Die Tinte gelangt über Restriktoren aufweisende Einlaßkanäle 113 in der dritten Ebene zu den Tintenkammern 105 einer weiteren Kammerngruppe und von dort über Düsenkanäle 115 zu den Düsen der Düsengruppe 1.5.

Die zu Düsengruppen 1.1 und 1.5 zugehörigen Düsen sind in z-Richtung in einer Düsenreihe 1 angeordnet. Zur Erläuterung ist in der Figur 1d ein Ausschnitt einer Kante des gesamten ESIJIL-Druckkopfes nach der ersten Variante mit einer entsprechenden Düsenanordnung einer Düsenreihe 1 in Überlagerung der Schnitte C-C', D-D', E-E'und G-G' gezeigt. Die PZT-Elemente sind der Einfachheit halber nicht mit dargestellt.

Es ist vorgesehen, daß in der Düsenreihe die Düsen der Düsengruppen mit Düsen der anderen Düsengruppen alternieren. Jeweils Düsen der Düsengruppe 1.1 und 1.5 gehören zu einer zugehörigen Kammer 101 und 105 der ersten und weiteren Kammerngruppen. Die zu verschiedenen Gruppen gehörigen Kammern 101, 105 sind vertikal in y- und außerdem horizontal in x- und z-Richtung versetzt angeordnet.

In der Figur 1c ist die Lage der Kammern in der ersten Ebene 2 des ESIJIL-Druckkopfes in Draufsicht von der Bestückungsseite gemäß der Anordnung nach der ersten Variante dargestellt. Die darunter liegenden Kammern in der dritten Ebene 4 sind gestrichelt gezeichnet, um deren Lage relativ zur ersten Kammerplatte zu verdeutlichen. Beide Kammergruppen für Kammern 101, 105 weisen einen Versatz der Größe X in x-Richtung und einen Versatz der Größe Z in z-Richtung auf.

Die Düsenreihe 1 umfaßt die zu unterschiedlichen Düsengruppen 1.1, 1.5 gehörigen Düsen, welche in vorteilhafter Weise so alternieren, daß die Überdeckung von Kammerngruppen der einen Ebene mit denen der anderen Ebene nur an den Kammerrändern wirksam ist. Die Überdeckungsfläche F von einer Kammer der Kammergruppe 105 mit einer Kammer der Kammergruppe 101 ist schraffiert gezeichnet. Die Überdeckungsfläche F ist durch den Versatz in x- und z-Richtung minimierbar.

Als Material für alle Platten des Druckkopfes wird in einer bevorzugten Ausführungsform photosensitives Glas verwendet. Die Strukturierung einschließlich der Ausbildung der Düsen wird durch einen photolithographischen Prozeß und Ausätzung der belichteten Teile erreicht.

Als Material kommen auch Metallplatten in Betracht. Die Membranplattendicken müssen entsprechend dem E-Modul gewählt werden. Die Herstellung erfolgt durch:
Belichtung von Photolackoberfläche, Ätzen, thermisches Bonden oder Kleben in an sich bekannter Weise.

Die Vorteile dieses Druckkopfdesigns liegen in der in vielerlei Hinsicht einfacheren und schnelleren Herstellung:

Nur 2 Masken erforderlich, welche mit einer gewissen Toleranzbreite justiert werden könne.
Nur eine von 3 Platten muß strukturiert werden, d.h. Wegfall von 2/3 des Aufwandes für Lithographie- und Ätzprozeß.
Die 2 Deckplatten können identisch sein, d.h. beide können vom gleichen Wafer stammen.
Die Montage der 3 Platten ist völlig unkritisch, da alle fuktionsbestimmenden Strukturen sich auf der Mittelplatte befinden.

Diese gewichtigen Vorteile haben eine drastische Senkung der Herstellungskosten zur Folge.

Das Herstellungsverfahren für den erfindungsgemäßen E/FSIJIL-Druckkopf soll am Beispiel des Materials Glas näher erläutert werden. Auf einen Wafer aus photoempfindlichem Glas wird eine Maske aufgelegt. Nach dem Belichten mit UV-Licht wird an den belichteten Stellen durch eine Wärmebehandlung eine Phasenumwandlung amorphen Marterials in seine kristalline Phase bewirkt. Durch Ätzen wird dann kristallines Material schichtweise abgetragen, wie das bereits von IBM in dem US 4 092 166 vorgeschlagen worden war.

Es wird davon ausgegangen, daß beim photolithographischen Prozeß die Belichtungen (vorzugsweise UV-Licht) hinsichtlich der Intensität und Dauer gesteuert werden. Dabei wird die Tiefe der Materialveränderung beim Erreichen der entsprechenden Ebene gestoppt. Das gleiche gilt natürlich für die rückwärtige Belichtung. Dadurch wird eine Durchbelichtung des Materials vermieden.

Die Belichtungen werden mittels zweier Masken vorgenommen, welche die oberen bzw. unteren Strukturen tragen. Ist eine Durchbelichtung unvermeidbar, kann vor dem Ätzprozeß durch Aufbringen einer Maskierung sichergestellt werden, daß jeweils nur von einer Seite geätzt wird. Die Ätztiefe wird durch die Konzentration und Dauer des Ätzbades bestimmt. Vorteilhafterweise kommt ein Ultraschalltauchbad zur Anwendung. Die unterschiedlichen Ätztiefen können durch mehrstufiges Ätzen erzeugt werden, wobei die flacheren Strukturen durch Maskierung vor dem weiteren Ausätzen geschützt werden. Auf diese Weise sind auch die senkrechten Kanäle als Verbindung zwischen den auf der Unterseite gelegenen Tintenkammern und den auf der Oberseite strukturierten Düsen herstellbar.

Wie aus der Vorderansicht hervorgeht, überlappen sich die Tintenkammern auf der Unterseite mit denen auf der Oberseite, um eine hohe Dichte der Düsenanordnung zu gewährleisten. Es gilt: D = 2a + b + 2s * D (1-2s)* D = 2a + b

Die Selektivität s als das Verhältnis der Ätzraten zwischen dem unbelichteten Teil des sensitiven Materials und dem belichteten, liegt z.B. bei photosensitivem Glas zwischen 2% und 5%.

Die Ausgangsmaterialstärke D der Mittelplatte ist nach Gleichung (3) deshalb so zu wählen, daß sie zweimal der Tiefe a einer Tintenkammer zuzüglich einer min. Wandstärke b zwischen den Böden der beidseitigen Tintenkammern dividiert durch die Differenz aus eins mit dem 2-fachen der Selektivität s des Ätzprozesses entspricht: D = 2a + b1-2s

Die beiden Membranplatten (Ober- und Unterplatte) können vorzugsweise identische Abmessungen erhalten. Ihre Dicken sind so zu wählen, daß auf der Basis des E-Moduls, der Breite und Länge der Tintenkammern und der Biegekraft des PZT eine hinreichende Änderung des Kammervolumens eintritt, die zum Ausstoß eines Tintentropfens führt. Vorzugsweise finden Materialdicken von 0,05 mm bis 0,2 mm Anwendung. Für die Membranplattenherstellung werden handelsübliche Platten eines 5-Zoll-Wafers mit Dicken von ca. 1 mm zunächst vereinzelt und dann die einzelnen Membranplatten des Moduls nach UV-Belichten auf eine Dicke von ca. 0,1 mm geätzt. Nach dem Montieren der Membranplatten 2, 4 mit dem geätzten Mittelteil 3 wird der Modul thermisch gebondet. Danach erfolgt das Aufbringen der übrigen Elemente zum Komplettieren des Moduls zum Druckkopf. Eine andere Herstellungsvariante geht von einer unvereinzelten Mittelplatte und von Membranplatten aus, die auf ca. 0,2 mm lithografisch geätzt werden. Erst nach dem thermischen Bonden wird in einzelne Module vereinzelt. Als Kompressionselemente für die wegen der nun größeren Membrandicke erforderlichen höheren Kraftwirkung werden Stapel-PZT eingesetzt. Die Herstellung solcher Stapel-PZT kann ähnlich, wie in der Figur 3 der EP 443 628 A2 gezeigt, erfolgen.

Die Figuren 2a bis 2c zeigen eine Variante, nach denen ein erfindungsgemäßer Face-Shooter-Ink-Jet-In-Line-Druckkopf (FSIJIL-Druckkopf) ausgeführt werden kann, alternativ zum FSIJIL-Druckkopf, welcher in der schwebenden Patentanmeldung P 43 36 416.0 beschrieben worden ist.

In der Figur 2a ist der Schnitt durch die Linie A-A' und in der Figur 2b der Schnitt durch die Linie B-B' des FSIJIL-Druckkopfes nach einer ersten Variante dargestellt. Die Figuren 2a und 2b verdeutlichen die Tintenführen im FSIJIL-Druckkopf. Wieder sind die Kammern zur Düsenreihe einerseits und zu einem Ansaugraum andererseits derart angeordnet, daß in jeder Ebene unterschiedlich lange Tintenkanäle, insbesondere Düsenkanäle und Einlaßkanäle und Durchgangskanäle vorgesehen sind, wobei die Summe aller Tintenkanallängen in x-, y- und z-Richtung, die jeder Kammer zugeordnet ist, annähernd konstant bleibt.

Der andere in diesen Schnitten nicht dargestellte Teil des erfindungsgemäßen Face-Shooter-Tintenstrahldruckkopfes enthält weitere Gruppen mit Kammern 102 und 106 und einen zweiten Ansaugraum 152 auf der anderen Seite der Düsenreihe. Die Figur 2c verdeutlicht in einer Draufsicht (Bestückungsseite) die Lage der zu verschiedenen Gruppen gehörigen versetzt zueinander liegenden Kammern 101, 102, 105 und 106 in der Nähe der Düsenreihe. Gegenüber einem Edge-Shooter-Tintenstrahldruckkopf wird somit die doppelte Düsendichte erreicht. Die Membranplatte 4 muß nun allerdings gleichzeitig als Düsenplatte ausgebildet werden. Das geschieht in vorteilhafter Weise erst durch eine nachträgliche Laserstrahlbearbeitung. Eine andere Herstellung vor dem thermischen Bonden erfordert eine genaue Justage.

Die Düsen 1 und Durchgangsöffnungen 112, 114 können auf verschiedene Weise hergestellt werden. So können sie geätzt werden, mit Laserstrahl durchgebrannt oder mit Spezialwerkzeugen gestanzt werden. Die Auswahl des Verfahrens hängt unter anderem vom verwendeten Material ab.

Eine entsprechende Prozeßkontrolle ist beim Ätzen der Membranen erforderlich. Es ist weiterhin vorgesehen, daß die Dicke der Membranschicht beim Ätzen überwacht wird und daß die zum Abschluß der Herstellung der Kammern erforderliche Dicke der Membran für die Kammern durch Feinschleifen jeder der Kammerteile erreicht wird.

Es ist vorgesehen, daß für die drei Bereiche Ätzmittel mit unterschiedlicher Konzentration und/oder unterschiedlichen Einwirkungszeiten zum Einsatz kommen, um die entsprechenden Bereiche mit unterschiedlicher Tiefengenauigkeit entfernen zu können, wobei die Tiefengenauigkeit beim Ätzen der Bereiche für durchgehende Bohrungen geringer ist als beim Ätzen sehr flacher Bereiche für die Kanäle in den Kammerebenen und wobei zuerst die durchgehenden Bohrungen, dann die Kammern und dann die Düsenkanäle geätzt werden. Bei entsprechender Maskierung kann auch umgekehrt vorgegangen werden.

Die homogene und dicht abschließende Verbindung der jeweils drei Platten 2, 3 und 4 wird durch thermisches Diffusionsbonden hergestellt. Leiterbahnen werden aufgeklebt oder aufgesputtert.

Die Figur 2d zeigt eine Ansicht einer PZT-Platte 31, welche auf der Membranplatte befestigt wird, wobei der Positionieraufwand gegenüber einzelnen Elementen verringert werden kann. Die einzelnen PZT-Elemente sind fingerartig herausgearbeitet und mit Elektroden 30 versehen.

Das Aufbringen von PZT-Elementen kann erfolgen, indem jeweils eine erste und zweite vorbehandelte PZT-Platte metallisiert und auf die erste und zweite Membranplatte aufgebracht wird. Wenn aus der Platte die PZT-Elemente noch nicht ausreichend herausgearbeitet sind, wird anschließend für jene Seite des Moduls eine Anzahl einzelner PZT-Elemente separiert.

Das Assemblieren im zu einem Druckkopf kann in vorteilhafter Weise im Herstellungsverfahren auf folgende Weise erfolgen:

Düsenreinigung mittels Druckluft
Behandlung (Reinigen und Spülen) der Kammern und Düsen. Durch Spülen mit einer ersten geeigneten handelsüblichen Flüssigkeit entsteht eine hydrophile Innenbeschichtung.
Durch Behandlung der die Düsen aufweisenden Platte auf der Druckseite mit einer zweiten geeigneten Flüssigkeit wird eine hydrophobische Außenbeschichtung erreicht. Nach dem Aushärten der Oberschicht sind die Düsen fertiggestellt.
Versehen des Moduls mit den erforderlichen Treiberschaltkreisen auf den zur Druckseite orthogonalen Seiten des Moduls und ggf. mit einem Schutzgehäuse.
Kombination des Moduls mit weiteren zu seinem Betrieb erforderlichen unterschiedlichen Mitteln (elektrische, mechanische und Tintenversorgungsmittel).
Der Druckkopf wird anschließend in einem Gehäuse untergebracht, bevor er auf Funktionsfähigkeit getestet wird, um fehlerhafte Exemplare auszusondern.
Zum Abschluß erfolg noch ein Test des fertiggestellten Druckkopfes.

Eine zweite Variante für einen ESIJIL-Druckkopf mit einer erhöhten Auflösung ist aus den Figuren 3a bis 3c ersichtlich. In der Figur 3a ist ein Schnitt durch die Linie A-A', in der Figur 3b ist ein Schnitt durch die Linie B-B'und in der Figur 3c ist eine Draufsicht auf die Mittelplatte (Bestückungsseite) des ESIJIL-Druckkopfes nach Variante zwei dargestellt.

Aus der Draufsicht auf die Mittelplatte (Bestückungsseite) in Figur 3c ist die Anordnung der Kammern 103 einer zusätzlichen Kammergruppe zwischen den Kammern 101 der ersten Kammergruppe und der Düsenlinie D-D' zu ersehen. Aus dem Schnitt B-B'in Figur 3b wird deutlich, daß sich wieder ein gleichlanger Tintenweg ergibt, wie bei den Tintenwegen bezüglich der anderen Kammergruppen zugehörigen Kammern 101 oder 105. Diese zusätzliche Kammergruppe wird vorzugsweise aus dem gleichen Ansaugraum 151 gespeist.

Analog läßt sich ein Face-Shooter-Tintenstrahldruckkopf mit hörerer Düsendichte aufbauen. In der Figur 4a ist ein Schnitt durch die Linie A-A'eines solchen FSIJIL-Druckkopfes nach Variante zwei dargestellt. Auf der einen Seite rechts von der Düsenlinie 1 ist die Kammer 101 einer ersten Kammergruppe angeordnet, welche über einen Tintendurchgangskanal 112 und Düsenkanal 111 in der dritten Ebene des Mittelteils mit - gezeigten - der Düsengruppe 1.1. zugehörigen Düse in Verbindung steht.

Auf der anderen Seite links von der Düsenlinie ist nahe der Düsenseite die Kammer 106 einer weiteren Kammergruppe und nahe der Bestückungsseite die Kammer 104 einer zusätzlichen Kammergruppe angeordnet. Die Kammer 104 steht über einen - gestrichelt gezeichneten - Tintendurchgangskanal 112 und Düsenkanälen in der dritten Ebene des Mittelteils mit einer - nicht gezeigten - der Düsengruppe 1.4 zugehörigen Düse in Verbindung, welche jener der Düsengruppe 1.1 zugehörigen Düse benachbart ist.

Im Schnitt durch die Linie B-B' des FSIJIL-Druckkopfes nach Variante zwei ist dagegen nur die zur Düsengruppe 1.5 zugehörige Düse gezeigt, welche aus der Kammer 105 gespeist wird. Dieser Düse sind Düsen benachbart, welche zu den Düsengruppen 1.2 und 1.6 gehören. Die entsprechenden Tintenwege von den Kammern 102 und 106 der links der Düsenlinie liegenden Kammergruppen zu den zugehörigen Düsen sind gestrichelt gezeichnet. Die zur zusätzlichen Kammergruppe gehörige Kammer 103 liegt hier rechts von der Düsenlinie und steht über Kanäle mit der - nicht gezeigten - zur Düsengruppe 1.3 gehörigen Düse in Verbindung.

Aus Figur 4c, in der der FSIJIL-Druckkopf nach Variante zwei in Draufsicht auf die Mittelplatte (Bestückungsseite) gezeigt ist, ist die Lage der zusätzlichen Kammern 103 rechts und 104 links zur Düsenlinie erkennbar. Diese Kammern sind jeweils wieder in Gruppen angeordnet, welche zueinander außerdem einen Versatz in z-Richtung aufweisen. Ebenso, wie innerhalb der Düsenreihe 1 die Düsengruppen 1.1 bis 1.6 zueinander alternieren, weisen alle Kammerngruppen einen Versatz in z-Richtung auf.

Aus der - in der Figur 5a gezeigten - Anordnung von PZT-Elemten auf der Membranplatte 2 geht dieser Versatz hervor, welcher einen gewissen Positionier- und Justageaufwand erfordert.

Dieser Justageaufwand kann erheblich verringert werden, wenn eine vorgefertigte PZT-Platte 311, wie sie in Figur 5b gezeigt ist, zum Einsatz kommt. Die mehrfache Kammstruktur der PZT-Platte erlaubt ein einmaliges Positionieren auf der Membranplatte über den entsprechenden Kammern mit geringem Aufwand. Die PZT-Platte wird nach einem herkömmlichen photolithographischen Verfahren durch Ätzen strukturiert. Die Elektrodenbeschichtung 30 der PZT-Platte 311 wird durch Sputtern aufgebracht und elektrolytisch verstärkt.

Die Ausführungsform für ESIJIL-Druckköpfe gemäß Fig. 3 oder für FSIJIL-Druckköpfe gemäß Fig. 4 kann dadurch modifiziert werden, indem die Kammergruppe 101 bzw. die Kammergruppen 101 und 102 weggelassen werden. Es ist vorgesehen, daß auf einer Oberfläche des Mittelteils eine Gruppe von Düsenkanälen und eine Kammergruppe 105, 106 angeordnet und auf der anderen Oberfläche eine von der Düsenreihe in x- und y-Richtung beabstandete weitere Kammergruppe 103, 104 zwischen der Düsenreihe 1 und einer Reihe angeordnet ist, welche die Kammern mit den Düsenkanälen verbindenden Durchgangskanäle 112 bilden.

Bei einer weiteren Variante kann die Auswirkung eines größeren Versatzes von Tintenkammergruppen gegeneinander auf das Druckbild durch konstruktive (Tintenkanalquerschnitt) und/oder elektronische Maßnahmen kompensiert werden, ohne daß die Tintenweglänge genau gleich lang sein muß. Die unterschiedlichen Strukturen auf den beiden gegenüberliegenden Oberflächen des Mittelteils 3 erlauben eine relativ nahe Lage der Düsenreihe 1 zu einer der beiden Strukturen. Der Tintenweg von den Kammern zu den Düsen bzw. von den Ansaugräumen 151 , 152 zu den Kammern ist dann für die gegenüberliegenden gegeneinander versetzten Strukturen verschieden. Dafür ist ein größerer Versatz der Tintenkammergruppen zueinander in der x-z-Ebene erzielbar, wodurch das Übersprechen stärker unterdrückt wird, als wenn hauptsächlich der Abstand der Strukturen in y-Richtung, d.h. die Dicke der Mittelplatte 3, erhöht würde.

Die Erfindung ist nicht auf die vorliegende Ausführungsform beschränkt. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch machen.

Claims

Tintenstrahldruckkopf mit einer beidseitigen Oberflächenstruktur für Tintenkammern und zugehörigen Düsenkanälen auf einer Mittelplatte (3), äußeren Membranplatten (2, 4) und Mitteln zum Zuführen und Austreiben von Tinte aus jeweils einer Tintenkammer, wobei jeder Tintenkammer Kanäle zum Zu- und Abführen von Tinte sowie ein Aktuator (31) zum Austreiben von Tinte aus jeder Kammer und eine Düse zugeordnet sind,

unterschiedliche Strukturen (101, 110, 151; 105, 111, 113, 115) sind auf den beiden gegenüberliegenden Oberflächen einer Mittelplatte (3) ausgebildet und liegen in einer ersten und dritten x/z-Ebene, wobei jede Struktur der ersten bzw. dritten x/z-Ebene eine Gruppe von Tintenkammern (101 bzw. 105) mit zueinander parallel in z-Richtung um den Versatz (Z) versetzten und mit ihrer Längserstreckung in x-Richtung angeordneten Tintenkammern aufweist und diese Gruppen von Tintenkammern voneinander in y-Richtung beabstandet sind, wobei ein zu einer zweiten x/z-Ebene vertikal ausgebildeter Abstand (Y) realisiert wird und wobei die Richtungen x, y und z zueinander senkrecht stehen, die Mittelplatte (3) weist die zweite x/z-Ebene durchdringende Düsenkanäle (112) auf, die mit Tintenkammern einer Kammergruppe (101) in Verbindung stehen und Düsenkanäle, die sich (111, 112) sowohl in x- als auch y-Richtung erstrecken, wobei auf einer der beiden Oberflächen der Mittelplatte (3) Düsenkanäle (111, 115) ausgebildet sind, welche in Düsen münden, die in einer einzigen sich in z-Richtung erstreckenden Düsenreihe (1) angeordnet sind.
Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammern zur Düsenreihe (1) einerseits und zu einem Ansaugraum (151, 152) andererseits derart angeordnet sind, daß in den Ebenen der Mittelplatte (3) unterschiedlich lange Tintenkanäle, insbesondere horizontale Düsenkanäle (111 oder 115) und/oder Einlaßkanäle (110 oder 113) und /oder vertikale Durchgangskanäle (112, 114) vorgesehen sind, wobei die Summe der Tintenkanallängen je Kammer annähernd konstant bleibt.
Tintenstrahldruckkopf nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelplatte (3) mit in y- und x-Richtung verlaufenden Tintenkanälen und mit unterschiedlichen Strukturen auf den beiden gegenüberliegenden Oberflächen so versehen ist, daß sich ein annähernd gleichlanger Tintenweg von den Tintenkammern zu den Düsen in der Düsenreihe (1) ergibt.
Tintenstrahldruckkopf nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Überdeckungsfläche (F) von einer Kammer der Kammergruppe (105) mit einer Kammer der Kammergruppe (101) existiert, wobei die unterschiedlichen Strukturen auf beiden Oberflächen der Mittelplatte (3) voneinander in x- und z-Richtung derart beabstandet sind, so daß die Überdeckung der Tintenkammern höchstens nur an den Kammerrändern wirksam wird.
Tintenstrahldruckkopf nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur auf einer der beiden Oberflächen einer Mittelplatte (3) eine zur ersten Gruppe von Tintenkammern (101, 102) zusätzliche Gruppe von Tintenkammern (103, 104) umfaßt, die zu der ersten Gruppe von Tintenkammern in x- und z-Richtung versetzt angeordnet ist.
Tintenstrahldruckkopf nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer der beiden Oberflächen der Mittelplatte (3) eine Gruppe von Düsenkanälen (115, 126) und zugehörige Tintenkammern einer Kammergruppe (105, 106) sowie auf der anderen Oberfläche eine von der Düsenreihe in x- und y-Richtung beabstandete weitere Kammergruppe (103, 104) zwischen der Düsenreihe (1) und einer Reihe angeordnet ist, in welcher die Durchgangskanäle (112) ausgebildet sind, die die Kammern mit den Düsenkanälen (111, 123, 122, 124) verbinden.
Tintenstrahldruckkopf nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der einzigen Düsenreihe (1) die zu unterschiedlichen Gruppen von Tintenkammern und die zu unterschiedlichen Düsengruppen gehörenden Düsen alternierend in der Düsenreihe (1) angeordnet sind.
Tintenstrahldruckkopf nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die einzige sich in z-Richtung ertreckende Düsenreihe (1) aus Düsen besteht, welche so oientiert sind, daß sie Tintentropfen in x-Richtung ausstoßen.
Tintenstrahldruckkopf nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die einzige sich in z-Richtung erstreckende Düsenreihe (1) aus Düsen besteht, welche die Tinte durch entsprechende Öffnungen in einer der beiden äußeren Membranplatten (2, 4) in y-Richtung ausstoßen.
Tintenstrahldruckkopf nach den Ansprüchen 1 bis 7 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß unterschiedliche Strukturen auf beiden Oberflächen in einer ersten und dritten Ebene der Mittelplatte (3) Kammergruppen (101 und 105 bzw. 102 und 106) aufweisen, die voneinander in x-, y- und z-Richtung beabstandet sind und daß die unterschiedliche Struktur der ersten Ebene der Mittelplatte (3) zusätzliche Kammergruppen (103, 104) umfaßt, die voneinander in x- und z-Richtung beabstandet sind.