EP0726152B1 - Herstellungsverfahren für einen Tintenstrahldruckkopf - Google Patents

Herstellungsverfahren für einen Tintenstrahldruckkopf Download PDF

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EP0726152B1
EP0726152B1 EP96250101A EP96250101A EP0726152B1 EP 0726152 B1 EP0726152 B1 EP 0726152B1 EP 96250101 A EP96250101 A EP 96250101A EP 96250101 A EP96250101 A EP 96250101A EP 0726152 B1 EP0726152 B1 EP 0726152B1
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EP
European Patent Office
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chambers
areas
plate
parts
ink
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EP96250101A
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EP0726152A2 (de
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Wolfgang Dr. Thiel
Stephan Günther
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Francotyp Postalia GmbH
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    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49401—Fluid pattern dispersing device making, e.g., ink jet

Definitions

  • the invention relates to a manufacturing method for an inkjet printhead according to the preamble of claim 1 specified Art.
  • Such an ink jet print head can be small fast printers. Such will be for example for franking machines for franking Postage used.
  • the chambers are no longer with the smaller chamber area, but now with the larger chamber area parallel to each other.
  • DE 34 45 761 A1 describes a process for the production a single plate converter assembly a transducer material known. After coating the lower plate surface with a membrane layer the material is removed from the upper surface, to create separate areas on the Membrane above each pressure chamber (area 25.4 mm * 2.54 mm) are arranged. This eliminates the Need an adhesive connection with adhesive between transducer material and membrane and the uniformity of all distances is improved. The resulting nozzle spacing is, however, relatively large.
  • the through openings are made by etching, but not in a parallel process, i.e. not in all parts (plates) manufactured at the same time.
  • EP 67 653 already discloses UV exposure and Etching of a photosensitive glass plate known. Indeed here, too, the production of individual ones takes place Serial plates head for head, not parallel. This way of working, in which first separated and then each separated plate part individually edited, gives problems with very small Structures. For high accuracy from very small Structures it is known that when annealing everyone Plate part is subject to an approximately 10% shrinkage. The very small structures result from the Requires a very high image resolution in inkjet printing.
  • the one with the face-shooter-ink-jet module with two Groups of. arranged symmetrically to the nozzle line Ink chambers achieved double nozzle density in one So far, series has been used with edge shooter ink jet modules one row of nozzles is not reached. To double the image density to achieve, several rows of nozzles horizontally and vertically offset from each other.
  • Such an offset arrangement of two rows of nozzles is also in an edge shooter module - shown in Figure 2 known (First Annual Ink Jet Printing Workshop, March 26-27, 1992, Royal Sonesta Hotel, Cambridge, Massachusetts).
  • a module exists from a total of only three parts (glass pieces), one Central part with openings and two side parts each with a row of ink chambers and a row of nozzles on the front of the respective side part.
  • the two rows of ink chambers and the rows of nozzles are on the front of each side part offset from each other, which again the ones already mentioned Disadvantages when assembling the module and when controlling it brings with it.
  • the process of making the inkjet printhead starts from the CAD development of a printhead design and a mask production for a photosensitive Glass plate.
  • nozzle channels are specially treated and the cavities (chambers) and the outer edge the module before the printhead contacts and is assembled.
  • the invention assumes that the edge ejection the row of nozzles with a high number of nozzles in one side part of a module can be accommodated. For the first time is a higher nozzle density in the manner according to the invention, completely independent of the dimensions of the ink chambers, reachable.
  • Such an inkjet print head can advantageously be made up of several modules, whereby only one of the modules carries the nozzle row or off consists of a multi-part module. It is still provided that the front edge of the chambers bearing Part that carries the row of nozzles, on the edge or in the Middle of a module is arranged.
  • FIG. 1a shows the known principle of an edge shooter inkjet print head in perspective view shown. It consists of a module on the Front two offset to each other in the y direction There are rows of nozzles. Thereby belongs to the nozzle group 1.1 the first row a first group 101 of ink chambers and a group to the nozzle group 1.2 of the second row 102 on ink chambers.
  • FIG. 1b shows the known principle of a face shooter ink jet ink jet print head in perspective Shown view. It consists of a module in its base two to each other in the z direction offset nozzle groups 1.1 and 1.2 in a row lie. An intake chamber 151 or 152 becomes in each case a group of ink chambers 101 and 102 for the nozzle group 1.1 or for the offset nozzle group 1.2 inked.
  • Figure 1c shows a perspective view of the invention Principle of an edge shooter ink jet in-line print head (ESIJIL). It consists of a module on the end face k ⁇ 2 horizontally to each other offset nozzle groups 1.1, 1.2 etc. in a row lie. Ink flow from chamber groups 101-104 in the volume of the module is on the front edge of the first Chamber-bearing part, which is quasi a side part of the module forms. The chambers of a group 101-104 are staggered in the y direction and theirs associated outgoing ink channels are thus sent to the Print edge led that they form nozzles 1.1 - 1.4, the however, there are very few in a row Distance. This is achieved in FIG.
  • ESIJIL edge shooter ink jet in-line print head
  • Fig. 1c in which the outgoing ink channels a certain have a lateral offset in the z direction.
  • the chambers in another embodiment 101 - 104 even this lateral offset in the z direction exhibit.
  • the sequence of such Orders finally give the desired number Nozzles in a row.
  • Fig. 1c are the overview for the sake of only two such arrangements.
  • the ink drops are made from the Nozzles ejected in the x direction.
  • the axes x, y, z are orthogonal to each other.
  • the addition further chambers 105, 106 etc. in the y direction in principle possible, and only from the effort limited. Its positive effect, namely education only a row of nozzles with minimal nozzle spacing the inventive principle already with 2 chamber groups 101 and 102.
  • the structure of a known - shown in Figure 2 - double row edge shooter ink jet module consists of 3 Ceramic or glass parts.
  • a first part which on carries a first chamber group on its left side over a middle part with a second part, which on on its right side carries a second chamber group, see above connected in the y direction that the chambers on the inside of the middle part fit and side to side (horizontal) are offset.
  • Each chamber is through a first channel with a suction space and with a second channel connected to the front edge of the module. Every second Channels form a nozzle. It is relatively difficult Keep the distance between the two rows of nozzles exactly. Deviations lead but with constant timing of the two rows of nozzles to deviations in Print image, which reduces the print quality.
  • the middle part has a first opening that the Intake spaces of both outer parts with each other and with one Ink supply port connects. There are also openings available for the fasteners.
  • An ink chamber group 101 and the suction space 15 are not on the in Figure 3 visible left side of the first part 2.
  • the second Part 4 contained chambers carries no nozzles but only still the second ink chamber group 102, which over the second openings 14 of the middle part 3 supplied with ink becomes.
  • the associated other nozzles are over the third openings of the middle part 3 with the ink chambers of the second part 4 connected.
  • Parts 2 - 4 are mounted in the direction of the y-axis.
  • the X-ray image of the Top view of ESIJIL printhead modules illustrates the in-line arrangement of the nozzles and the lateral offset of the ink chamber groups 101 des first chamber-bearing part 2 and the group 102 of the second chamber-bearing part 4, shows the location the first opening 18 in the middle part 3 to the Ink supply opening 16 and the suction space 15, the second openings 14, which with the suction chamber 15 in Connect and the third openings 9 that the Feed ink to the nozzles of the second nozzle group 1.2. It is envisaged that the nozzles of the nozzle group 101 with the nozzles of the nozzle group 102 within the Alternate row of nozzles.
  • FIG. 5a A detail of the X-ray image is shown in FIG. 5a the figure 4 shown enlarged.
  • the one in the first part 2 located chambers 11 of the first chamber group 101 Nozzles of the first nozzle group 1.1 in the same part 2 assigned.
  • Chamber 11 becomes suction chamber 15 supplied with ink via one of the channels 13.
  • FIG. 5b On corresponding section on line A-A through the Drawing in Figure 5a is shown in Figure 5b.
  • the chambers 12 of the second located in the second part 4 Chamber group 102 are nozzles of the second nozzle group 1.2 assigned in the other chambers bearing part 2, as from the section B-B shown in Figure 5c is.
  • Figures 6a, b, c and d show a second variant the solution according to the invention.
  • Figure 6a again a top view of a detail as an X-ray image
  • Figure 6d is a front view of a Printhead shown as an X-ray image.
  • the x-ray cuts C-C, D-D and E-E are shown in the view Figure 6d overlaid. This becomes in connection with the 6a shows the position of the ink chamber groups 101, 102, 103 and 104 can be seen.
  • Figure 6b shows one Overlays of sections through lines A-A and A1-A1 of Figures 6a and 6d.
  • Figure 6c shows one Overlays of sections through lines B-B and B1-B1 of Figures 6a and 6d.
  • a second group of nozzles each 1.2 in the first part is related to a chamber 12 of the second chamber group 102 in the second chamber Part facing a chamber 11 of the first Chamber group 101 of the first chamber-bearing part 2 is arranged offset, the second chamber group 102 supplied with ink through openings 14 in the center piece 3 becomes.
  • 3 second openings are in the center piece 14 for supplying the second nozzle group 1.2 with ink available.
  • Opposite the openings 9 in each The centerpiece is openings 10 in each of the first chambers supporting part and a connection of the second chambers supporting part for connecting the chambers of each second chamber group 102 with the nozzle channels of the second Nozzle group 1.2 in the first chambers Item available.
  • each The first chamber-bearing part is supplied of the ink chambers 11, 12 in the first and each second chamber-bearing part.
  • the ink supply to the Intake space 15 takes place via an opening 16 in that Part 2, which is a side part of the printhead forms, and via corresponding openings 18, 22 in respective center piece and further openings 17, 19, 21 in the chambers bearing parts 2, 4, 6 and one Opening 20 in the spacer 5.
  • a - not shown in Figures 1 to 6a - piezoelectric Element 31 serves as a well known Means for expelling ink from a chamber and can be placed on the chamber surface or in the chamber to be a pressure over at his arousal the compliant chamber wall onto the ink liquid in the chamber to exercise, causing an ink jet to escape from the nozzle connected to the chamber leads.
  • the chamber 12 of the element 31 through a thin from the material of the chambers load-bearing part 4 existing layer 30 separately, which is so elastic that the bending energy of the Elements 31 is only slightly damped.
  • Spacer 5 has a corresponding recess 32 for the piezoelectric element 31.
  • openings 9 and 10 are also two rows Can be arranged on lines C-C and D-D.
  • a module is composed of 3 parts each and is provided with piezoelectric elements and contacted.
  • a second module is joined together with the first module via a spacer 5 to form an ESIJIL printhead, the second module with parts 6, 7, 8 not having any nozzles, but only corresponding openings which correspond to the openings provided in parts 2 , 3, 4 of the first module are connected.
  • an ESIJIL print head is made built into a single multi-part module.
  • FIG. 7a is a front view with the in-line nozzle row and in FIG. 7b an X-ray image of the front view or an overlay of the cuts lines C-C and E-E are shown.
  • On this line C-C are all third openings.
  • More openings a line D-D are not provided. It is recognizable that only the nozzle dimensions the maximum Determine the number of nozzles in the row. Exists Need for increased chamber dimensions, should only the volume of the printhead can be increased. Of course, it is also possible if necessary, higher tolerance requirements due to such in the Figures 6 explained measures with third openings to solve on a line D-D.
  • the spacers in two parts consist of the same material as the piezoelectric elements (marked in black). These elements are made from the worked out piezoelectric material, which is arranged on the chamber surface, however the edge is preserved and only in the immediate Surroundings of the elements 31 create cavities 32. in the Border are both ink supply openings as well second and third openings worked out. After this the piezoelectric elements are worked out, these are contacted, with conductor tracks also on the chamber floor and / or outside on the layer 30 can.
  • FIG. 8 shows the individual steps for a manufacturing process of the ESIJIL printhead shown.
  • the process of making the inkjet printhead starts from the CAD development of a printhead design and a mask production for a photosensitive Glass plate.
  • Using masks that reflect the structure of the different parts to be produced is a photosensitive Masked from amorphous glass and UV radiation exposed.
  • the irradiated areas can later etched about 100 times faster than unirradiated ones Areas. After a heat treatment repeated UV radiation.
  • To the parallel processing steps for several Part of a module includes masking and subsequent Etching the through openings.
  • the old one Mask layer by fine grinding the surface of the Chamber parts removed. Then the surface masked in areas that are not deeply etched should. After the ink chambers are etched a fine grinding of the individual parts to final dimensions and a subsequent masking to create the supply channels and the ink nozzle channels, which are less Depth than the chambers should have. The material removal done again by etching. In a special case only the etching sensitivity of the UV-irradiated areas exploited the material and a mask can omitted.
  • the depth accuracy when etching the areas for continuous Holes is smaller than when etching very flat areas for the channels in the parts carrying the chambers and first the through holes, then the Chambers and then the nozzle channels are etched. It is further provided that the thickness of the bottom layer 30th is monitored during the etching of the chambers and that the for Completion of the manufacture of the chambers required Thickness of the bottom layer 30 of the chambers by fine grinding each of the parts carrying the chambers is reached.
  • the individual parts are connected in a module, whereby the individual parts are aligned. After sticking together of the individual parts, a module was created, which is then annealed. When tempering finds a phase transition from amorphous to in the glass material crystalline instead.
  • nozzle channels are specially treated and the cavities (chambers) and the outer edge the module before the printhead contacts and is assembled.
  • the application of the electrical conductor tracks to the Chamber surface, the application of the piezo crystals and the contact is made in a known manner Wise.
  • the piezo crystals can be glued on individually are followed by curing.
  • it can also a layer of piezoelectric material be applied to the surface of the chamber, which is then structured and contacted.
  • the coating can be done by sputtering.
  • the manufacture of chambers and through holes in the individual parts can be in a further variant of the manufacturing process in one step. To do this, it is necessary that the UV exposure is repeated through different masks before the Plate is etched. Another possibility is in UV exposure with different intensities. The plate then points in different areas a different sensitivity when etching. The dividing line between the individual parts is also etched with, which simplifies subsequent separation.
  • the mask to be applied contains recessed areas for the chambers and the bores at the same time. After the etching, fine grinding is carried out to the final dimension, when the thickness of the layer 30 reaches the bottom of the chamber becomes.
  • the manufacture of the ink nozzles and the piezoelectric Elements, as well as the edge production, takes place to the above known way. In this variant is used to contact the bottom of the chamber. Subsequently the plate is divided into individual parts that then be assembled into a module.
  • the back the chamber surface with piezoelectric elements assembled and contacted can be provided with conductor tracks. Thereby can lead from the other layers too the upper layers of the module are cross-free, even if there are a lot of elements to contact.
  • the Module parts are aligned and stapled together and annealed, with a phase transition of amorphous too crystalline. It is contemplated that spacers lie between the modules or additionally arranged are and that the spacers from the plate material or from one to the surface of the plate applied layer of piezoelectric material can be produced, structuring by etching he follows.
  • a printhead can be assembled from several modules be or consists of only one module that follows has externally guided conductor tracks, which makes external contact become.
  • the print head is finally in one Housing housed and can function be tested to remove faulty copies.
  • the invention is not based on the present embodiment limited. Rather is a number of Variants conceivable, which of the solution shown even with fundamentally different types Make use.

Description

Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für einen Tintenstrahldruckkopf gemäß der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.
Ein solcher Tintenstrahldruckkopf kann in kleinen schnellen Druckern eingesetzt werden. Solche werden beispielsweise für Frankiermaschinen zum Frankieren von Postgut verwendet.
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. Auch wurden bereits die Düsenkammern zur Stirnkante hin konzentriert angeordnet. Jedoch ist dieses Prinzip nur bei Tintenstrahlmodulen mit wenigen Düsen in einer Reihe sinnvoll und versagt bei einer hohen Anzahl von Düsen.
Es ist hinlänglich bekannt, daß eine erste Generation von Tintenstrahldruckköpfen nach dem Edge-shooter-Prinzip aus einzelnen Impulsstrahlern aufgebaut waren, die aus einer länglichen Tintenkammer mit rechteckigen Querschnitt und einem darüber angeordneten aufgeklebten Piezokristall bestehen (BIS CAP Ink Jet Printing Conference, Monterey, California, 11-13.November 1991).
Bei einer späteren Generation wurde dann eine Düsenplatte vor einen einstückigen Tintenstrahldruckkopf, der mehrere Kammern aufweist, angeordnet. Die Kammern liegen nicht mehr mit der kleineren Kammerfläche, sondern nunmehr mit der größeren Kammerfläche parallel nebeneinander. Die Piezokristalle bilden dabei die Kammerwände (shared wall concept, Ink Jet Printing Conference, 11-13.November 1991).
Aus der DE 34 45 761 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Wandleranordnung aus einer einzelnen Platte eines Wandlerwerkstoffes bekannt. Nach dem Beschichten der unteren Plattenoberfläche mit einer Membranschicht erfolgt eine Materialentfernung aus der oberen Oberfläche, um getrennte Bereiche zu erzeugen, die auf der Membran oberhalb jeder Druckkammer (Fläche 25,4 mm * 2,54 mm) angeordnet sind. Damit entfällt die Notwendigkeit mittels Klebstoff eine Haftverbindung zwischen Wandlerwerkstoff und Membran herzustellen und die Gleichmäßigkeit aller Abstände wird verbessert. Der resultierende Düsenabstand ist jedoch relativ groß.
Weiterhin ist aus der US 46 80 595 ein Face-shooter mit einer Düsenlinie zwischen zwei Gruppen von Tintenkammern bekannt, der eine verdoppelte Düsendichte aufweist. Jeder rechteckigen Druckkammer sind ein Versorgungskanal und eine Düse sowie eine Schwingplatte mit piezokeramischem Element zugeordnet. Nachteilig ist hierbei jedoch, daß die in der Tintenzuführung und in jeder Kammer auftretenden Druckwellen ein Übersprechen auf weitere Druckkammern bewirken können. Nur durch sehr aufwendige Maßnahmen kann dieses Übersprechen nachträglich beseitigt werden. Ein weiterer Nachteil ist, daß diese Tintenstrahldruckköpfe in einem aufwendigen und teuren Herstellungsprozeß hergestellt werden müssen.
Die durchgehenden Öffnungen werden zwar durch Ätzen, aber nicht in einem parallelen Prozeß, d.h. nicht in allen Teilen (Platten) gleichzeitig hergestellt.
Aus der EP 67 653 ist bereits ein UV-Belichten und Ätzen einer photosensitiven Glasplatte bekannt. Allerdings erfolgt auch hier die Herstellung von einzelnen Platten seriell Kopf für Kopf, also nicht parallel. Diese Arbeitsweise, in welcher zuerst separiert und dann jedes separierte Plattenteil einzeln weiter bearbeitet wird, ergibt Probleme bei sehr kleinen Strukturen. Für eine hohe Genauigkeit von sehr kleinen Strukturen ist es bekannt, daß beim Tempern jeder Plattenteil einer ca. 10 %igen Schrumpfung unterliegt. Die sehr kleinen Strukturen ergeben sich aus dem Erfordernis einer sehr hohen Bildauflösung beim Tintenstrahldrucken.
Aus der US 47 03 333 ist auch bekannt, solche aus schräg übereinander versetzt angeordneten Edge-shooter-Modulen aufgebauten Tintenstrahldruckköpfe für eine geneigte Anordnung zur Oberfläche eines Aufzeichnungsträgers herzustellen. Tintenstrahldruckköpfe mit einer geneigten Anordnung zur Oberfläche eines Aufzeichnungsträgers erzeugen eine gleichmäßigere Aufzeichnung auch bei schwankender Dicke des Aufzeichnungsträgers. Die Herstellung solcher Druckköpfe erfordert jedoch eine Vielzahl von Herstellungsschritten. Es ist schwierig, die erforderliche Genauigkeit bei einem solch aufwendigen Gesamtaufbau jedes Druckkopfes zu garantieren. Ebenfalls aufwendig gestaltet sich auch die beim Betrieb erforderliche elektrische Ansteuerung solcher Druckköpfe mit gegeneinander versetzten Düsenreihen.
Die bereits beim Face-shooter-ink-jet-Modul mit zwei symmetrisch zur Düsenlinie angeordneten Gruppen von Tintenkammern erreichte doppelte Düsendichte in einer Reihe wird bisher bei Edge-shooter-ink-jet-Modulen mit einer Düsenreihe nicht erreicht. Um die doppelte Abbildungsdichte zu erreichen, werden mehrere Düsenreihen zueinander horizontal und vertikal versetzt angeordnet.
Eine solche versetzte Anordnung von zwei Düsenreihen ist auch bei einem - in der Figur 2 gezeigten - Edge-shooter-Modul bekannt (First Annual Ink Jet Printing Workshop, March 26-27, 1992, Royal Sonesta Hotel, Cambridge, Massachusetts). Ein derartiger Modul besteht aus insgesamt nur drei Teilen (Glasstücken), einem Öffnungen aufweisenden Mittelteil und zwei Seitenteilen mit jeweils einer Reihe an Tintenkammern und einer Düsenreihe an der Stirnseite des jeweiligen Seitenteils. Die beiden Reihen an Tintenkammern und die Düsenreihen an der Stirnseite des jeweiligen Seitenteils sind dabei zueinander versetzt, was wieder die bereits genannten Nachteile beim Zusammenfügen des Moduls und bei der Ansteuerung mit sich bringt.
Diese Nachteile verschärfen sich noch zusätzlich, wenn ein Tintendruckkopf aus mehreren solchen Modulen zusammengesetzt ist. So muß der Versatz der einzelnen Düsenreihen exakt gleich sein. Außerdem wäre jeder Modul einzeln jeweils über eine Tintenzuführungsleitung und jeweils einen Filter an einen Tintenvorratsbehälter anzuschließen.
Bei einer gegeneinander versetzten Anordnung von zwei Reihen mit jeweils einer geringen Düsendichte in jeder Reihe sind aufgrund einer erforderlichen Mindestgröße der Tintenkammer die minimalen Abstände zwischen den Düsen nicht weiter reduzierbar.
Herstellungsbedingt ist es unmöglich, für alle Düsen eine gleichbleibende Düsengröße zu erreichen, denn es müssen Kanäle in separate Glasstücke geätzt werden. Bereits geringe Größen- oder Materialunterschiede zwischen den Glasstücken führen zu Abweichungen der Düsenform und Position.
Es ist Aufgabe, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und ein Herstellungsverfahren mit niedrigen Herstellungskosten für einen Ink-jet-Druckkopf mit einer hohen Düsendichte pro Reihe zu schaffen.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Ausgehend von der Zielstellung, Tintenstrahldruckköpfe für eine geneigte Anordnung zur Oberfläche eines Aufzeichnungsträgers herzustellen, um eine gleichmäßigere Aufzeichnung auch bei schwankender Dicke des Aufzeichnungsträgers zu erzeugen, wird ein Ink-jet-Druckkopf, der einen In-Line-Modul mit einem Kantenausstoß aufweist, vorgeschlagen.
Das Verfahren zur Herstellung des Tintenstrahldruckkopfes, geht von der CAD-Entwicklung eines Druckkopfdesigns und einer Maskenherstellung für eine photosensible Glasplatte aus.
Zur Erzeugung der gegen Ätzmittel empfindlichen aus der Glasplatte zu entfernenden Teile werden die maskierten Glasplatten mindestens einmal einer Bestrahlung mit UV-Licht entsprechender Wellenlänge mit anschließender Wärmebehandlung ausgesetzt.
In einem parallelen Bearbeitungsprozeß werden dann die zu entfernenden Bereiche aus der Platte entfernt (herausgeätzt) und danach die Einzelteile für das Mittelteil und die Kammern tragenden Teile separiert.
Anschließend erfolgen gesonderte Herstellungsverfahrensschritte für die Kammern tragenden Teile, um die Tintenkammern und die Düsen herzustellen. Die Dauer des Ätzbades bestimmt dabei die Schichtdicke des entfernten Materials.
Jeweils drei Einzelteile, bestehend aus jeweils zwei Kammern tragenden Teilen und einem Mittelteil, werden ausgerichtet und aneinandergeheftet sowie anschließend getempert.
Zum Abschluß erfolgt eine Sonderbehandlung der Düsenkanäle und der Hohlräume (Kammern) und der Außenkante des Moduls, bevor der Druckkopf kontaktiert und montiert wird.
Die Erfindung geht davon aus, daß beim Kantenausstoß die Düsenreihe mit einer hohen Düsenzahl in einem Seitenteil eines Moduls untergebracht werden kann. Erstmalig ist auf erfindungsgemäße Weise eine höhere Düsendichte, völlig unabhängig von den Abmaßen der Tintenkammern, erreichbar.
Die Abmaße der Tintenkammern können nun sogar vergrößert werden, ohne daß die Düsendichte vermindert wird.
Die weiteren Vorteile neben der erhöhten Düsendichte des Edge-Shooter-Ink-Jet-In-Line-Druckkopfes (ESIJIL-Druckkopf) sind:
  • Durch die in demselben Glasstück angeordneten Düsen, ist es möglich, für alle Düsen eine gleichbleibende Düsengröße und einen gleichen Abstand zu erreichen. Das ist dann der Fall, wenn vor dem Diffusions-Bond-Prozeß entsprechende Kanäle in das das Seitenteil des Moduls bildende Glasstück geätzt werden. Das reduziert auch die Herstellungskosten.
  • Gegenüber der üblichen Konstruktion mit einer horizontalen Ausrichtung von zwei Reihen von Düsen ist ein Überlappen des jeweils zweiten Kammern tragenden Teils mit einer versetzten Kammergruppe mit größerer Toleranz möglich.
  • Die erfindungsgemäße vertikale Ausrichtung des Teils mit den Düsen und eines Kammern tragenden Teils mit einer seitlich versetzten Kammergruppe ist unkritisch, da alle Düsen nur auf einer Seite des Druckkopfes sind. Dies reduziert auch die Kosten.
  • Die Düsenreihe macht es in unaufwendiger Weise möglich, den Druckkopf in einer geneigten Anordnung zum Aufzeichnungsträger anzuordnen.
  • Die elektrische Ansteuerung des Tintenstrahldruckkopfes kann einfacher ausgeführt werden, weil keine Kompensation des Düsenreihenabstandes durch zeitliche Staffelung der Drucksteuersignale erforderlich ist.
In vorteilhafter Weise kann ein solcher Tintenstrahldruckkopf aus mehreren Modulen aufgebaut sein, wobei nur einer der Module die Düsenreihe trägt oder aus einem mehrteiligen Modul besteht. Es ist weiterhin vorgesehen, daß die Stirnkante des Kammern tragenden Teils, das die Düsenreihe trägt, am Rand oder in der Mitte eines Moduls angeordnet ist.
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,
Prinzip eines Edge-Shooter-Ink-Jet-Druckkopfes nach dem Stand der Technik
Figur 1b,
Prinzip eines Face-Shooter-Ink-Jet-Druckkopfes nach dem Stand der Technik
Figur 1c,
Prinzip des erfindungsgemäßen Aufbaues eines Edge-Shooter-Ink-Jet-In-Line-Druckkopfes
Figur 2,
Aufbau eines Edge-Shooter-Ink-Jet-Druckkopfes nach dem Stand der Technik
Figur 3,
Aufbau des ESIJIL-Druckkopfes in einer ersten Variante
Figur 4,
Röntgenbild des ESIJIL-Druckkopfes in Draufsicht,
Figur 5a,
Detail des Röntgenbildes
Figur 5b,
Schnitt durch die Linie A-A
Figur 5c,
Schnitt durch die Linie B-B
Figur 6a,
Detail des Röntgenbildes einer zweiten Variante des ESIJIL-Druckkopfes in Draufsicht,
Figur 6b,
Schnitt durch die Linie A-A
Figur 6c,
Schnitt durch die Linie B-B
Figur 6d,
Röntgenbild der Frontansicht
Figur 7a,
Frontansicht einer dritten Variante des ESIJIL-Druckkopfes,
Figur 7b,
Röntgenbild der Frontansicht nach Figur 7a
Figur 8,
Herstellungsverfahren für den ESIJIL-Druckkopfes,
In der Figur 1a ist das bekannte Prinzip eines Edgeshooter-Tintenstrahldruckkopfes in perspektivischer Ansicht dargestellt. Er besteht aus einem Modul, an dessen Stirnseite zwei zueinander in y-Richtung versetzte Düsenreihen liegen. Dabei gehört zur Düsengruppe 1.1 der ersten Reihe eine erste Gruppe 101 an Tintenkammern und zur Düsengruppe 1.2 der zweiten Reihe eine Gruppe 102 an Tintenkammern.
In der Figur 1b ist das bekannte Prinzip eines Face-Shooter-Ink-Jet-Tintenstrahldruckkopfes in perspektivischer Ansicht dargestellt. Er besteht aus einem Modul, in dessen Grundfläche zwei zueinander in z-Richtung versetzte Düsengruppen 1.1 und 1.2 in einer Reihe liegen. Aus einen Ansaugraum 151 bzw. 152 wird jeweils eine Gruppe an Tintenkammern 101 bzw. 102 für die Düsengruppe 1.1 bzw. für die versetzten Düsengruppe 1.2 mit Tinte versorgt.
Die Figur 1c zeigt in perspektivischer Ansicht das erfindungsgemäße Prinzip eines Edge-Shooter-Ink-Jet-In-Line-Druckkopfes (ESIJIL). Er besteht aus einem Modul, an dessen Stirnseite k≥2 zueinander horizontal versetzte Düsengruppen 1.1, 1.2 usw. in einer Reihe liegen. Der Tintenfluß von den Kammergruppen 101 - 104 im Volumen des Moduls wird an die Stirnkante des ersten Kammern tragenden Teils, welches quasi ein Seitenteil des Moduls bildet, geleitet. Die Kammern einer Gruppe 101 - 104 sind dabei in y-Richtung gestaffelt und deren zugehörige abgehende Tintenkanäle werden so an die Druckkante geführt, daß sie Düsen 1.1 - 1.4 bilden, die in einer Reihe liegen aber dennoch einen sehr geringen Abstand haben. In der Figur 1c ist dies erreicht, in dem die abgehenden Tintenkanäle einen gewissen seitlichen Versatz in z-Richtung aufweisen. Ebenso können in einer anderen Ausführungsvariante die Kammern 101 - 104 selbst diesen seitlichen Versatz in z-Richtung aufweisen. Die Aneinanderreihung derartiger Anordnungen ergibt schließlich die gewünschte Zahl an Düsen in einer Reihe. In Fig. 1c sind der Übersicht halber nur zwei solche Anordnungen gezeichnet. Der seitliche Abstand der Düsen in z-Richtung ist dabei viel kleiner als der seitliche Abstand zweier in z-Richtung benachbarter Kammern 101 und 101 oder 102 und 102 usw. Die Tintentropfen werden aus den Düsen in x-Richtung ausgestoßen. Die Achsen x, y, z stehen jeweils orthogonal zueinander. Das Hinzufügen weiterer Kammern 105, 106 usw. in y-Richtung ist prinzipiell möglich, und lediglich vom Aufwand begrenzt. Seine positive Wirkung, nämlich Bildung nur einer Düsenreihe mit minimalem Düsenabstand, entfaltet das erfinderische Prinzip bereits mit 2 Kammergruppen 101 und 102.
Der Aufbau eines bekannten -in der Figur 2 gezeigten- zweireihigen Edge-Shooter-Ink-Jet-Moduls besteht aus 3 Keramik- oder Glasteilen. Ein erstes Teil, welches auf seiner linken Seite eine erste Kammergruppe trägt, wird über ein Mittelteil mit einem zweiten Teil, welches auf seiner rechten Seite eine zweite Kammergruppe trägt, so in y-Richtung verbunden, daß die Kammern innen am Mittelteil anliegen und zueinander seitlich (horizontal) versetzt sind. Jede Kammer ist über einen ersten Kanal mit einem Ansaugraum und mit einem zweiten Kanal mit der Stirnkante des Moduls verbunden. Jeder der zweiten Kanäle bildet eine Düse. Es ist relativ schwierig, den Abstand der beiden Düsenreihen exakt einzuhalten. Abweichungen führen aber bei konstanter zeitlicher Ansteuerung der beiden Düsenreihen zu Abweichungen im Druckbild, wodurch die Druckqualität gemindert wird. Das Mittelteil weist eine erste Öffnung auf, die die Ansaugräume beider Außenteile miteinander und mit einer Tintenzuführungsöffnung verbindet. Außerdem sind Öffnungen für die Befestigungsmittel vorhanden.
Der in der Figur 3 gezeigte Modul einer ersten Variante eines ESIJIL-Druckkopfes (k=2) besteht ebenfalls aus 3 Teilen, wobei jedoch das erste Kammern enthaltene Teil 2 alle Düsen 1 trägt, wobei das Mittelteil 3 eine Anzahl an zweiten und dritten Öffnungen 14 und 9 zusätzlich zu der ersten Öffnung 18, welche die Tintenzuführungsöffnung 16 mit einem in der Figur 3 nicht dargestellten Ansaugraum 15 verbindet, aufweist. Eine Tintenkammergruppe 101 und der Ansaugraum 15 befinden sich auf der in der Figur 3 nicht sichtbaren linken Seite des ersten Teils 2. Das zweite Kammern enthaltene Teil 4 trägt keine Düsen sondern nur noch die zweite Tintenkammergruppe 102, welche über die zweiten Öffnungen 14 des Mittelteils 3 mit Tinte versorgt wird. Die zugehörigen weiteren Düsen sind über die dritten Öffnungen des Mittelteils 3 mit den Tintenkammern des zweiten Teils 4 verbunden. Die Teile 2 - 4 werden in Richtung der y-Achse montiert.
Das in der Figur 4 gezeigte Röntgenbild des ESIJIL-Druckkopf-Modules in Draufsicht verdeutlicht die In-Line-Anordnung der Düsen und den seitlichen Versatz der Tintenkammergruppen 101 des ersten Kammern tragenden Teiles 2 und der Gruppe 102 des zweiten Kammern tragenden Teiles 4, zeigt die Lage der ersten Öffnung 18 im Mittelteil 3 zu der Tintenzuführungsöffnung 16 und zum Ansaugraum 15, der zweiten Öffnungen 14, die mit dem Ansaugraum 15 in Verbindung stehen und der dritten Öffnungen 9, die die Tinte den Düsen der zweiten Düsengruppe 1.2 zuführen. Es ist vorgesehen, daß die Düsen der Düsengruppe 101 mit den Düsen der Düsengruppe 102 innerhalb der Düsenreihe alternieren.
In der Figur 5a ist ein Detail des Röntgenbildes aus der Figur 4 vergrößert dargestellt. Den im ersten Teil 2 gelegenen Kammern 11 der ersten Kammergruppe 101 sind Düsen der ersten Düsengruppe 1.1 in demselben Teil 2 zugeordnet. Aus einem Ansaugraum 15 wird die Kammer 11 über einen der Kanäle 13 mit Tinte versorgt. Ein entsprechender Schnitt auf der Linie A-A durch die Zeichnung in Figur 5a ist in der Figur 5b dargestellt. Den im zweiten Teil 4 gelegenen Kammern 12 der zweiten Kammergruppe 102 sind Düsen der zweiten Düsengruppe 1.2 im anderen Kammern tragenden Teil 2 zugeordnet, wie aus dem in der Figur 5c gezeigten Schnitt B-B ersichtlich ist. Aus dem im ersten Kammern tragenden Teil 2 gelegenen Ansaugraum 15 gelangt Tinte über einen anderen der Kanäle 13 und über eine der im Mittelteil 3 gelegenen zweiten Öffnungen 14 in die Kammer 12 des zweiten Kammern tragenden Teils 4. Von der Kammer 12 zur entsprechenden in dem ersten Kammern tragenden Teil 2 gelegenen Düse der Düsengruppe 12 besteht eine Verbindung über jeweils eine dritte Öffnung 9 im Mittelteil 3.
Die Figur 6a, b, c und d zeigen eine zweite Variante der erfindungsgemäßen Lösung. In der Figur 6a ist wieder eine Draufsicht auf ein Detail als Röntgenbild und in Figur 6d ist hierzu eine Vorderansicht eines Druckkopfes als Röntgenbild dargestellt. Dem Röntgenbild werden Schnitte C-C, D-D und E-E in der Ansicht Figur 6d überlagert. Daraus wird in Verbindung mit der Figur 6a die Lage der Tintenkammergruppen 101, 102, 103 und 104 ersichtlich. Die Figur 6b zeigt eine Überlagerung von Schnitten durch die Linien A-A und A1-A1 der Figuren 6a und 6d. Die Figur 6c zeigt eine Überlagerung von Schnitten durch die Linien B-B und B1-B1 der Figur 6a und 6d.
Die In-Line-Düsengruppen 1.1 - 1.4 von k=4 Kammergruppen 101,102,103, 104 befinden sich in einem jeweils ersten Teil 2, welches selbst nur eine erste 101 der k=4 Kammergruppen aufweist. Eine jeweils zweite Düsengruppe 1.2 im ersten Teil steht in Verbindung mit einer Kammer 12 der zweiten Kammergruppe 102 im zweiten Kammern tragenden Teil, die gegenüber einer Kammer 11 der ersten Kammergruppe 101 des ersten Kammern tragenden Teils 2 versetzt angeordnet ist, wobei die zweite Kammergruppe 102 durch Öffnungen 14 im Mittelstück 3 mit Tinte versorgt wird.
Erfindungsgemäß sind im Mittelstück 3 zweite Öffnungen 14 zur Versorgung der zweiten Düsengruppe 1.2 mit Tinte vorhanden. Gegenüber den Öffnungen 9 in dem jeweiligen Mittelstück sind Öffnungen 10 im jeweils ersten Kammern tragenden Teil und eine Verbindung des zweiten Kammern tragenden Teils zur Verbindung der Kammern der jeweils zweiten Kammergruppe 102 mit den Düsenkanälen der zweiten Düsengruppe 1.2 im jeweils ersten Kammern tragenden Teil vorhanden.
Aus jeweils einem gemeinsamen Ansaugraum 15 im jeweils ersten Kammern tragenden Teil erfolgt die Versorgung der Tintenkammern 11, 12 im jeweils ersten und jeweils zweiten Kammern tragenden Teil. Die Tintenzuführung zum Ansaugraum 15 geschieht über eine Öffnung 16 in demjenigen Teil 2, welches ein Seitenteil des Druckkopfes bildet, und über entsprechende Öffnungen 18, 22 im jeweiligen Mittelstück und weiteren Öffnungen 17, 19, 21 in den Kammern tragenden Teilen 2, 4, 6 und einer Öffnung 20 im Abstandsteil 5.
Ein - in den Figuren 1 bis 6a nicht gezeigtes - piezoelektrisches Element 31 dient als hinlänglich bekanntes Mittel zum Austreiben von Tinte aus einer Kammer und kann auf der Kammeroberfläche oder in der Kammer angeordnet sein, um bei seiner Erregung einen Druck über die nachgiebige Kammerwand auf die Tintenflüssigkeit in der Kammer auszuüben, was zum Austritt eines Tintenstrahls aus der an die Kammer angeschlossene Düse führt. In den Figuren 6b, 6c und 6d ist ein solches piezoelektrisches Element 31 auf der Kammeroberfläche angeordnet. So ist z.B. die Kammer 12 von dem Element 31 durch eine dünne aus dem Material des Kammern tragenden Teils 4 bestehenden Schicht 30 getrennt, welche so elastisch ist, daß die Biegeenergie des Elements 31 nur unwesentlich gedämpft wird. Ein Abstandsteil 5 weist eine entsprechende Aussparung 32 für das piezoelektrische Element 31 auf.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung des Erfindungsgedankens ist jeweils eine längliche Öffnung in den Kammern tragenden Teilen vorgesehen, die mit einer entsprechend um 90° gedrehten länglichen Öffnung in den Mittelteilen und Abstandsteilen in Verbindung steht. Ein aus derartigen einzelnen Modulen aufgebauter Tintenstrahldruckkopf kennt keine Toleranzprobleme beim Zusammenfügen.
Durch die - in den Figuren 6a, b, c - sichtbaren und angedeuteten rechteckigen Öffnungen ist keine aufwendige Ausrichtung mit- einer sehr hohen Genauigkeit beim Zusammenfügen der Teile mehr nötig, wie sie bisher beim Zusammenfügen von Teilen mit versetzten Düsenreihen erforderlich war. Die Form der Öffnungen kann in einer weiteren Variante oval oder als Langloch ausgebildet sein, wobei der kleine Durchmesser der Öffnungen den Durchlaßquerschnitt für den Tintenstrom bestimmt. Bei einer größeren Abweichung vom runden oder rechteckigen Querschnitt sind die Öffnungen 9 und 10 auch zweireihig auf Linien C-C und D-D anordenbar.
Es ist vorgesehen, daß bei einem Aufbau aus mehreren Modulen ein erster die Düsenreihe tragender Modul aus zwei Kammern tragenden Teilen 2 und 4, deren Kammergruppen 101 und 102 einem Mittelteil 3 zugewandt sind und mindestens ebenso ein zweiter Modul aus zwei Kammern tragenden Teilen 6 und 8 und einem Mittelteil 7 aufgebaut ist, daß jeder Modul einen Ansaugraum 15, 25 aufweist, daß ein Abstandsteil 5 mindestens zwischen den Modulen vorhanden ist, welches eine Tintenzuführungsöffnung 20 und Tintendurchführungsöffnungen 23, 26, die den Kammern des zweiten Moduls zugeordnet sind, sowie eine Aussparung 32 für das Mittel zum Austreiben 31 von Tinte aus einer Kammer aufweist, daß die Öffnungen 23, 24 an den dritten Öffnungen der Kammern tragenden Teile und der Mittelteile angeschlossen sind, um Tinte den Düsen aus den jeweiligen Kammern zuzuleiten, daß die Ansaugräume 15, 25 jedes Moduls über zweite Öffnungen 14, 24 mit den Kammern der Kammergruppen 101, 102, 103,..., 10k verbunden sind, um Tinte zuzuführen und daß in jedem Modul erste Öffnungen 18, 22 vorhanden sind, um die Tintenzuführung zu den Ansaugräumen zu sichern.
Das Herstellungsverfahren geht davon aus, daß ein Modul aus jeweils 3 Teilen zusammengesetzt ist und mit piezoelektrischen Elementen versehen und kontaktiert wird. Ein zweiter Modul wird mit dem ersten Modul über ein Abstandsteil 5 zu einem ESIJIL-Druckkopf zusammengefügt, wobei der zweite Modul mit den Teilen 6, 7, 8 keine Düsen aufweist, sondern nur entsprechende Öffnungen, die mit den dafür vorgesehenen Öffnungen in den Teilen 2, 3, 4 des ersten Moduls in Verbindung stehen.
In einer dritten Variante wird ein ESIJIL-Druckkopf aus einem einzigen mehrteiligen Modul aufgebaut. In der Figur 7a ist eine Frontansicht mit der In-Line-Düsenreihe und in der Figur 7b ein Röntgenbild der Vorderansicht beziehungsweise eine Überlagerung der Schnitte durch die Linien C-C und E-E dargestellt. Auf dieser Linie C-C liegen alle dritten Öffnungen. Weitere Öffnungen auf einer Linie D-D sind nicht vorgesehen. Es ist erkennbar, daß allein die Düsenabmaße die maximale Anzahl an Düsen auf der Reihe bestimmen. Besteht ein Erfordernis nach vergrößerten Kammerabmaßen, müßte lediglich das Volumen des Druckkopfes erhöht werden. Natürlich ist es zusätzlich ebenfalls bei Bedarf möglich, höhere Toleranzanforderungen durch solche in den Figuren 6 erläuterten Maßnahmen mit dritten Öffnungen auf einer Linie D-D zu lösen.
Im Unterschied zu den Abstandsteilen in den Figuren 6 sind hier die Abstandsteile zweiteilig und bestehen aus dem selben Material wie die piezoelektrischen Elementen (schwarz gekennzeichnet). Diese Elemente werden aus dem piezoelektrischen Material herausgearbeitet, welches auf der Kammeroberfläche angeordnet ist, wobei jedoch der Rand erhalten bleibt und nur in der unmittelbaren Umgebung der Elemente 31 Hohlräume 32 entstehen. Im Rand sind sowohl Tintenzuführungsöffnungen als auch zweite und dritte Öffnungen herausgearbeitet. Nachdem die piezoelektrischen Elemente herausgearbeitet sind, werden diese kontaktiert, wobei Leiterbahnen auch auf dem Kammerboden und/oder außen auf der Schicht 30 verlaufen können.
In der Figur 8 sind die einzelnen Schritte für ein Herstellungsverfahren des ESIJIL-Druckkopfes aufgezeigt.
Das Verfahren zur Herstellung des Tintenstrahldruckkopfes, geht von der CAD-Entwicklung eines Druckkopfdesigns und einer Maskenherstellung für eine photosensible Glasplatte aus.
Mittels Masken, welche die Struktur der verschiedenen herzustellenden Teile aufweisen, wird eine photosensible Platte aus amorphem Glas maskiert und einer UV-Bestrahlung ausgesetzt. Die bestrahlten Bereiche können später ca. 100 mal schneller geätzt werden, als unbestrahlte Bereiche. Nach einer Wärmebehandlung erfolgt eine nochmalige UV-Bestrahlung.
Zur Erzeugung der gegen Ätzmittel empfindlichen aus der Glasplatte zu entfernenden Teile werden die maskierten Glasplatten mindestens einmal einer Bestrahlung mit UV-Licht entsprechender Wellenlänge mit anschließender Wärmebehandlung ausgesetzt.
In einem parallelen Bearbeitungsprozeß werden dann die zu entfernenden Bereiche aus der Platte entfernt (herausgeätzt) und danach die Einzelteile für das Mittelteil und die Kammern tragenden Teile separiert.
Zu den parallelen Bearbeitungsschritten für mehrere Teile eines Moduls gehört das Maskieren und anschließende Ätzen der durchgehenden Öffnungen.
Anschließend erfolgen gesonderte Herstellungsverfahrensschritte für die Kammern tragenden Teile, um die Tintenkammern und die Düsen herzustellen. Die Dauer des Ätzbades bestimmt dabei die Schichtdicke des entfernten Materials.
Vor dem Herstellen der Tintenkammern wird die alte Maskenschicht durch Feinschleifen der Oberfläche der Kammerteile entfernt. Anschließend wird die Oberfläche in den Bereichen maskiert, die nicht tiefengeätzt werden sollen. Nach dem Ätzen der Tintenkammern erfolgt ein Feinschleifen der Einzelteile auf Endmaß und ein anschließendes Maskieren zur Herstellung der Versorgungskanäle und der Tintendüsenkanäle, die eine geringere Tiefe als die Kammern aufweisen sollen. Der Materialabtrag erfolgt wieder durch Ätzen. Im Sonderfall wird nur die Ätzempfindlichkeit der UV-bestrahlten Bereiche des Materials ausgenutzt und eine Maske kann entfallen.
Es ist vorgesehen, daß für die drei Bereiche Ätzmittel mit unterschiedlicher Konzentration 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 Kammern tragenden Teilen und wobei zuerst die durchgehenden Bohrungen, dann die Kammern und dann die Düsenkanäle geätzt werden. Es ist weiterhin vorgesehen, daß die Dicke der Bodenschicht 30 beim Ätzen der Kammern überwacht wird und daß die zum Abschluß der Herstellung der Kammern erforderliche Dicke der Bodenschicht 30 der Kammern durch Feinschleifen jeder der Kammern tragenden Teile erreicht wird.
Beim Separieren der Einzelteile werden die fertigen Mittelteile ausgesondert.
Jeweils drei Einzelteile, bestehend aus jeweils zwei Kammern tragenden Teilen und einem Mittelteil, werden ausgerichtet und aneinandergeheftet sowie anschließend getempert.
Die Einzelteile werden in einem Modul verbunden, wobei die Einzelteile ausgerichtet werden. Nach einem Aneinanderheften der Einzelteile ist ein Modul entstanden, welches anschließend getempert wird. Beim Tempern findet im Glasmaterial ein Phasenübergang von amorph zu kristallin statt.
Beim Abschneiden der Düsenspitzen mit einer rotierenden Trennscheibe entsteht eine gerade Stirnkante. Eine ebene Oberfläche wird durch abschließendes Feinschleifen erreicht.
Zum Abschluß erfolgt eine Sonderbehandlung der Düsenkanäle und der Hohlräume (Kammern) und der Außenkante des Moduls, bevor der Druckkopf kontaktiert und montiert wird.
Durch Spülen mit einer ersten geeigneten handelsüblichen Flüssigkeit entsteht eine hydrophile Innenbeschichtung. Durch Behandlung der Stirnkante mit einer zweiten geeigneten Flüssigkeit wird eine hydrophobische Außenbeschichtung erreicht. Nach dem Aushärten der Oberschicht sind die Düsen fertiggestellt.
Die Auftragung der elektrischen Leiterbahnen auf die Kammeroberfläche, das Aufbringen der Piezokristalle und das Kontaktieren erfolgt in einer an sich bekannten Weise. Die Piezokristalle können einzeln aufgeklebt werden mit anschließendem Aushärten. Es kann andererseits auch eine Schicht aus piezoelektrischem Material auf die Kammeroberfläche aufgetragen werden, welches anschließend strukturiert und kontaktiert wird. Das Beschichten kann durch Sputtern erfolgen.
Zum Abschluß erfolgt noch eine Düsenreinigung mittels Druckluft.
Die Herstellung der Kammern und der durchgehenden Bohrungen in den Einzelteilen kann in einer weiteren Variante des Herstellungsverfahrens in einem Schritt erfolgen. Dazu ist es erforderlich, daß die UV-Belichtung durch verschiedene Masken wiederholt wird, bevor die Platte geätzt wird. Eine weitere Möglichkeit besteht in einer UV-Belichtung mit unterschiedlicher Intensität. Die Platte weist dann in unterschiedlichen Bereichen eine unterschiedliche Empfindlichkeit beim Ätzen auf. Auch die Trennlinie zwischen den einzelnen Teilen wird mit angeätzt, was ein nachträgliches Vereinzeln vereinfacht. Die aufzutragende Maske enthält ausgesparte Bereiche für die Kammern und die Bohrungen gleichzeitig. Nach dem Ätzen erfolgt ein Feinschleifen auf Endmaß, wenn die Dicke der Schicht 30 am Kammerboden erreicht wird. Die Herstellung der Tintendüsen und der piezoelektrischen Elemente, sowie die Kantenherstellung, erfolgt auf die o.g. bekannte Weise. In dieser Variante wird zum Kontaktieren der Kammergrund benutzt. Anschließend wird die Platte in Einzelteile zerteilt, die anschließend zu einem Modul montiert werden.
In einer weiteren Variante wird auch oder nur die Rückseite der Kammeroberfläche mit piezoelektrischen Elementen bestückt und kontaktiert. Beim Kontaktieren vor dem Vereinzeln ist es vorteilhaft, daß auch die Mittelteile mit Leiterbahnen versehen werden können. Dadurch kann eine Leitungsführung von den anderen Schichten zu den oberen Schichten des Moduls kreuzungsfrei erfolgen, auch wenn sehr viele Elemente zu kontaktieren sind. Die Moduleinzelteile werden ausgerichtet aufeinandergeheftet und getempert, wobei ein Phasenübergang von amorph zu kristallin erfolgt. Es ist vorgesehen, daß Abstandsteile zwischen den Modulen liegen bzw. zusätzlich angeordnet sind und daß die Abstandsteile aus dem Plattenmaterial oder aus einer auf die Oberfläche der Platte aufgebrachten Schicht aus piezoelektrischem Material hergestellt werden, wobei ein Strukturieren durch Ätzen erfolgt. Ein Druckkopf kann aus mehreren Modulen montiert werden oder besteht nur aus einem Modul, der nach außen geführte Leiterbahnen aufweist, die extern kontaktiert werden. Der Druckkopf wird abschließend in einem Gehäuse untergebracht und kann auf Funktionsfähigkeit getestet werden, um fehlerhafte Exemplare auszusondern. In einer weiteren Ausführungsform besteht das Plattenmaterial oder ein Teil der Einzelteile aus einer photosensiblen Keramik. Glasteile und/oder Keramikteile können untereinander auch durch eine Klebverbindung verbunden werden.
Die Erfindung ist nicht auf die vorliegenden Ausführungsform beschränkt. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch machen.

Claims (21)

  1. Verfahren zur Herstellung von Tintenstrahldruckköpfen, die aus mindestens einem Modul bestehen, wobei das Modul mindestens aus einem Kammern tragenden Teil (2) und einem weiteren Teil (3) gebildet wird, mit den Schritten:
    parallele Plattenbearbeitung photosensitiver Glasplatten bei der Herstellung von durchgehenden Bohrungen in allen Teilen, wobei Masken für den Vorbehandlungsprozeß von Plattenmaterial erstellt werden, um aus dem Plattenmaterial Bereiche für mindestens die Tintenkammern, Düsenkanäle und Zuführungskanäle, für den Ansaugraum und für durchgehende Öffnungen gezielt entfernen zu können, wobei im Vorbehandlungsprozeß Platten über Masken mindestens einmal einer Bestrahlung mit Uv-Licht entsprechender Wellenlänge mit anschließender Wärmebehandlung ausgesetzt werden, wobei in einem parallelen Prozeß die zu entfernenden Bereiche aus der Platte herausgeätzt werden,
    Separieren von Einzelteilen aus den Glasplatten und Herstellen der Tintenkammern in den Kammern tragenden Einzelteilen (2, 4), welches ein Tiefenätzen der nicht maskierten Bereiche einschließt,
    Verbinden der Einzelteile (2, 3 und 4) zu mindestens einem Modul mit anschließendem Tempern,
    Aufbringen und Kontaktieren der piezoelektrischen Elemente mit aufgebrachten Leiterbahnen sowie
    Assemblieren zum Druckkopf.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Vorbehandlungsprozeß der Platten alle zu entfernenden Bereiche mit UV-Licht gleicher Wellenlängen und Intensität ausgesetzt werden, daß vor dem Herausätzen der photosensibilisierten Bereiche der Platte eine erste Maske auf die Platte aufgebracht wird, wodurch erste Bereiche aus der Platte herausgeätzt werden, daß nach dem Herausätzen der ersten Bereiche die erste Maske wieder entfernt und eine zweite Maske auf die Platte aufgebracht wird, um zweite Bereiche aus der Platte herauszuätzen, daß nach dem Herausätzen der zweiten Bereiche die zweite Maske wieder entfernt und daß dritte Bereiche aus der Platte herausgeätzt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Vorbehandlungsprozeß unterschiedliche Masken für das Plattenmaterial in Einsatz kommen, wobei Bereiche der Platte einer öfteren oder stärkeren Bestrahlung mit UV-Licht entsprechender Wellenlängen ausgesetzt sind als andere Bereiche der Platte, wodurch die Bereiche des Plattenmaterials, die unterschiedlich sensibilisiert für das Ätzmittel sind, entstehen, daß im Prozeß der parallelen Plattenbearbeitung eine Maske für unterschiedlich tief zu entfernende Bereiche auf die Platte aufgetragen wird und daß ein Ätzmittel bestimmter Konzentration zum Einsatz kommt.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die drei Bereiche Ätzmittel mit unterschiedlicher Konzentration 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 Kammern tragenden Teilen und wobei zuerst die durchgehenden Bohrungen, dann die Kammern und dann die Düsenkanäle geätzt werden.
  5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Bodenschicht (30) beim Ätzen der Kammern überwacht wird und daß die zum Abschluß der Herstellung der Kammern erforderliche Dicke der Bodenschicht (30) der Kammern durch Feinschleifen jeder der Kammern tragenden Teile erreicht wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammern tragenden Teile nach dem Feinschleifen der Oberfläche maskiert werden, daß durch Tiefenätzen der nicht maskierten Bereiche Hohlräume oder/und Tintenkammern in den Kammern tragenden Teilen erzeugt werden, daß durch Feinschleifen auf Endmaß der einen Oberfläche die Tiefe der Kammern, daß durch Feinschleifen auf Endmaß der anderen Oberfläche die erforderliche Dicke der Bodenschicht (30) am Kammergrund exakt eingestellt und daß durch das Feinschleifen die Maske für das Tiefenätzen entfernt wird sowie daß anschließend ein Ätzen der Tintendüsen erfolgt.
  7. Verfahren nach dem Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß beim Ätzen der Tintendüsen im wesentlichen photosensibilisiertes Plattenmaterial entfernt wird oder daß vor dem Ätzen eine dritte Maske aufgebracht wird.
  8. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 3, 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Herstellung der Hohlräume, Kammern und durchgehenden Bohrungen parallel in einem Schritt erfolgt, nachdem die zu entfernenden Bereiche auf dem Plattenmaterial unterschiedlich photosensibilisiert worden sind, woraus eine unterschiedliche Ätzgeschwindigkeit resultiert, daß nach der Herstellung der erforderlichen Tiefe der Hohlräume und der Kammern und der erforderlichen Dicke der Bodenschicht (30) der Kammern tragenden Teile eine Separierung in Einzelteile vorgenommen wird, daß anschließend die Tintendüsen in die Kammern tragenden Teile geätzt werden.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß im parallelen Plattenbearbeitungsprozeß die Trennlinien zwischen den Einzelteilen auf der Platte mit angeätzt werden, um ein nachfolgendes Separieren zu erleichtern.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach Ätzen der Tintendüsen mindestens vereinzelte Plattenteile, wie Kammern tragende Teile, Mittelteile zu einem Modul zusammengefügt werden, wobei nach einem Ausrichten der Einzelteile ein Aneinanderheften erfolgt, daß die aneinander gehefteten Einzelteile miteinander dauerhaft verbunden werden und anschließend eine gerade Stirnkante durch Abschneiden der Düsenspitzen und durch Feinschleifen eine ebene Oberfläche der Stirnkante entsteht, daß durch Spülen der Hohlräume des Moduls mit einer ersten Spezialflüssigkeit eine hydrophile Innenbeschichtung und durch eine Behandlung der Oberfläche der Stirnkante mit einer zweiten Spezialflüssigkeit eine hydrophobische Außenbeschichtung, welche anschließend ausgehärtet werden, entstehen.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Herstellen der Düsen und der Beschichtung ein Aufbringen der elektrischen Leiterbahnen und der Piezokristalle auf den Kammergrund oder/und auf die Außenoberfläche der Bodenschicht (30) sowie daß ein Kontaktieren erfolgt.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezokristalle aufgeklebt werden und die Klebeverbindung ausgehärtet wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte, aus welcher die Einzelteile hergestellt werden, aus amorphem, photoseniblem Glas besteht, daß die dauerhafte Verbindung der Einzelteile zu einem Modul durch Tempern erfolgt, wobei die Temperatur so gewählt ist, daß ein Phasenübergang von amorph zu kristallin erfolgt.
  14. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufbringen der Leiterbahnen und/oder einer Schicht aus piezoelektrischem Material durch Sputtern erfolgt, daß die piezoelektrische Schicht strukturiert und kontaktiert wird.
  15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne Module über mindestens ein Abstandsteil miteinander verbunden zu einem Tintenstrahldruckkopf assembliert werden oder ein mehrteiliges Modul verwendet wird, und daß ein Einbau des Tintenstrahldruckkopfes in ein Gehäuse und ein Herstellen von elektrischen Verbindungen erfolgt.
  16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandsteile aus dem Plattenmaterial oder aus einer auf die Oberfläche der Platte aufgebrachten Schicht aus piezoelektrischem Material hergestellt werden, wobei ein Strukturieren durch Ätzen erfolgt.
  17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandsteile aus dem Plattenmaterial im parallelen Plattenbearbeitungsprozeß vor dem Separieren strukturiert werden.
  18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Düsenreinigung mittels Druckluft nach Fertigstellung eines jeden Moduls und/oder nach Fertigstellung des Druckkopfes erfolgt.
  19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach Fertigstellung des Druckkopfes dessen Funktionsfähigkeit getestet wird und daß fehlerhafte Exemplare ausgesondert werden.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß während des parallelen Plattenbearbeitungsprozesses oder danach ein Aufbringen von elektrischen Leiterbahnen auf die Mittelteile erfolgt, um eine kreuzungsfreie Leitungsführung zu erzielen.
  21. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Plattenmaterial aus einer photosensiblen Keramik und/oder ein zweites Plattenmaterial aus photosensiblem, amorphem Glas besteht, daß mindestens ein Einzelteil eines Moduls aus Glas- oder Keramikmaterial hergestellt wird und daß zum Verbinden der Einzelteile eine Klebeverbindung eingesetzt wird.
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