SE522623C2 - Method of manufacturing nozzle plate with miniature nozzles, nozzle plate with miniature nozzles and inkjet type printhead - Google Patents
Method of manufacturing nozzle plate with miniature nozzles, nozzle plate with miniature nozzles and inkjet type printheadInfo
- Publication number
- SE522623C2 SE522623C2 SE0103126A SE0103126A SE522623C2 SE 522623 C2 SE522623 C2 SE 522623C2 SE 0103126 A SE0103126 A SE 0103126A SE 0103126 A SE0103126 A SE 0103126A SE 522623 C2 SE522623 C2 SE 522623C2
- Authority
- SE
- Sweden
- Prior art keywords
- base plate
- nozzle
- stable base
- nozzles
- nozzle plate
- Prior art date
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 12
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 45
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims abstract description 31
- 239000011347 resin Substances 0.000 claims abstract 2
- 229920005989 resin Polymers 0.000 claims abstract 2
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 17
- 238000010276 construction Methods 0.000 claims description 15
- 238000005299 abrasion Methods 0.000 claims description 12
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 11
- 238000005266 casting Methods 0.000 claims description 8
- 238000009713 electroplating Methods 0.000 claims description 7
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 6
- 229910001092 metal group alloy Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 238000003780 insertion Methods 0.000 claims 3
- 230000037431 insertion Effects 0.000 claims 3
- 229910001030 Iron–nickel alloy Inorganic materials 0.000 claims 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Substances [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 238000007639 printing Methods 0.000 description 7
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 6
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 5
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000011161 development Methods 0.000 description 3
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 3
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 2
- 229910001369 Brass Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 1
- 239000004593 Epoxy Substances 0.000 description 1
- 229910000760 Hardened steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001374 Invar Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000990 Ni alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004677 Nylon Substances 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 239000010951 brass Substances 0.000 description 1
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 1
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 150000002009 diols Chemical class 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 1
- 230000001771 impaired effect Effects 0.000 description 1
- 238000000608 laser ablation Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000012778 molding material Substances 0.000 description 1
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 1
- 229920001778 nylon Polymers 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009736 wetting Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
- B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
- B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
- B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
- B41J2/01—Ink jet
- B41J2/135—Nozzles
- B41J2/16—Production of nozzles
- B41J2/1621—Manufacturing processes
- B41J2/1637—Manufacturing processes molding
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
- B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
- B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
- B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
- B41J2/01—Ink jet
- B41J2/135—Nozzles
- B41J2/14—Structure thereof only for on-demand ink jet heads
- B41J2/1433—Structure of nozzle plates
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
- B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
- B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
- B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
- B41J2/01—Ink jet
- B41J2/135—Nozzles
- B41J2/16—Production of nozzles
- B41J2/162—Manufacturing of the nozzle plates
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
- B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
- B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
- B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
- B41J2/01—Ink jet
- B41J2/135—Nozzles
- B41J2/16—Production of nozzles
- B41J2/1621—Manufacturing processes
- B41J2/1626—Manufacturing processes etching
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
- B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
- B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
- B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
- B41J2/01—Ink jet
- B41J2/135—Nozzles
- B41J2/16—Production of nozzles
- B41J2/1621—Manufacturing processes
- B41J2/164—Manufacturing processes thin film formation
- B41J2/1643—Manufacturing processes thin film formation thin film formation by plating
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)
- Nozzles (AREA)
- Fuel-Injection Apparatus (AREA)
Abstract
Description
25 522 623 munstycksplattor i beständiga och mekaniskt och termiskt stabila material såsom metall, men variationerna i munstyckenas storlek kommer att vara för stora för att kunna möta kraven vid till exempel högupplöst utskrift. 522,623 nozzle plates in durable and mechanically and thermally stable materials such as metal, but the variations in the size of the nozzles will be too large to meet the requirements of, for example, high-resolution printing.
Den senaste utvecklingen inom gjutteknikema har gjort det möjligt att i polymerer gjuta komplexa miniatyrkonstruktioner såsom bläckstrålemunstycken med mycket god noggrannhet och precision. Avancerade exempel beskrivs i sökandens egna svenska patentansökan SE- 0003799-4, och av däri förekommande referenser. Gjutna munstycksplattor kan tillverkas med den höga noggrannhet och precision, och till rimlig kostnad, som krävs för bläckstråleskrivartillämpningar. l jämförelse med ovan nämnda metoder har den ytterligare fördelen att tillhandahålla en väsentligen identisk (omvänd) kopia av den positiva gjutforrnen varje gång, medan tidigare metoder producerar ett original varje gång, vilket kan vara försämrat av oförutsägbara variationer. I vissa applikationer, speciellt när stora munstycksplattor är fördelaktiga, kan de i polymer gjutna munstycksplattorna sakna den mekaniska stabilitet som krävs. Ett annat område av vikt är polymerers låga nötningsmotstånd, nötningen orsakad av kontakten med utskriftsmediet.The latest developments in casting techniques have made it possible to cast complex miniature structures in polymers such as ink jet nozzles with very good accuracy and precision. Advanced examples are described in the applicant's own Swedish patent application SE- 0003799-4, and of references therein. Cast nozzle plates can be manufactured with the high accuracy and precision, and at a reasonable cost, required for ink jet printer applications. Compared to the above methods, it has the additional advantage of providing a substantially identical (reverse) copy of the positive mold each time, whereas previous methods produce an original each time, which may be impaired by unpredictable variations. In some applications, especially when large nozzle plates are advantageous, the polymer molded nozzle plates may lack the mechanical stability required. Another area of importance is the low abrasion resistance of polymers, the abrasion caused by contact with the print medium.
US patent 6,23 8,584 beskriver en metod för att utforma munstycksplattor för bläckstrålar, vilken tillämpar en kombination av etsning och bondning av kiselsubstrat. Avancerade och mekaniskt stabila plattor kan konstrueras med denna metod, men det krävs ett stort antal produktionssteg för att åstadkomma samma funktionalitet som hos de gjutna munstyckskonstruktionerna. Eftersom detta måste göras för alla tillverkade munstycken medför det en hög produktionskostnad. Vidare kan endast ett begränsat antal material användas, till exempel kisel.U.S. Patent 6,23,8,584 discloses a method of designing ink jet nozzle plates which applies a combination of etching and bonding of silicon substrates. Advanced and mechanically stable plates can be constructed with this method, but a large number of production steps are required to achieve the same functionality as with the cast nozzle constructions. Since this must be done for all manufactured nozzles, it entails a high production cost. Furthermore, only a limited number of materials can be used, for example silicon.
Det finns ett behov av munstycken och konstruktioner med munstycksplattor med miniatyrmunstycken av hög noggrannhet och precision i kombination med hög mekanisk och termisk stabilitet och beständighet. Vidare måste konstruktionema med munstycksplattor vara möjliga att tillverka på ett sätt som tillser att hög reproducerbarhet uppnås och till en rimlig kostnad per enhet.There is a need for nozzles and constructions with nozzle plates with miniature nozzles of high accuracy and precision in combination with high mechanical and thermal stability and durability. Furthermore, the constructions with nozzle plates must be possible to manufacture in a way that ensures that high reproducibility is achieved and at a reasonable cost per unit.
Ingen av de kända metoderna och hålen gjorda enligt de kända metoderna uppfyller kraven på ett nöjaktigt sätt. 10 15 20 25 522 625 ba Sammanfattning av uppfinningen Det finns således ett behov att framställa mekaniskt och teriniskt stabila munstyckskonstruktioner, som dessutom tillhandahåller väldefinierade miniatyrmunstycken.None of the known methods and the holes made according to the known methods meet the requirements in a satisfactory manner. Summary of the Invention Thus, there is a need to produce mechanically and terinically stable nozzle structures which additionally provide well-defined miniature nozzles.
Munstyckskonstruktionerna ska dessutom vara möjliga att tillverka i stora kvantiteter till rimliga kostnader.The nozzle constructions must also be possible to manufacture in large quantities at reasonable costs.
Syftet med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla en sådan metod. Den innovativa metoden definieras av krav l.The object of the present invention is to provide such a method. The innovative method is defined by requirement l.
En annan aspekt av uppfinningen är att tillhandahålla en munstyckskonstruktion som har de ovan nämnda egenskaperna. En sådan konstruktion definieras av krav 15.Another aspect of the invention is to provide a nozzle structure having the above-mentioned features. Such a construction is defined by claim 15.
En fördel given av föreliggande uppfinning är att det är möjligt att framställa mekaniskt och termiskt stabila munstycksplattor med miniatyrmunstycken med de dimensioner som krävs för högupplöst utskrift.An advantage given by the present invention is that it is possible to produce mechanically and thermally stable nozzle plates with miniature nozzles with the dimensions required for high-resolution printing.
En annan fördel med föreliggande uppfinning är att metoden tillåter att munstycksplattans egenskaper optimeras för den avsedda tillämpningen. l synnerhet kan munstyckplattans mekaniska och termiska egenskaper kontrolleras. Den förstnämnda används för att minska munstycksplattans känslighet för nötning. Den senare används för att matcha munstycksplattans tenniska expansion med den termiska expansionen av till exempel andra delar av skrivarhuvudet.Another advantage of the present invention is that the method allows the properties of the nozzle plate to be optimized for the intended application. In particular, the mechanical and thermal properties of the nozzle plate can be checked. The former is used to reduce the sensitivity of the nozzle plate to abrasion. The latter is used to match the tennis expansion of the nozzle plate with the thermal expansion of, for example, other parts of the printhead.
Ytterligare en fördel med den innovativa metoden är att möjligheten att tillverka ett stort antal väsentligen identiska munstycksplattor, vilket möjliggör en låg kostnad per producerad munstycksplatta.Another advantage of the innovative method is the possibility of manufacturing a large number of substantially identical nozzle plates, which enables a low cost per produced nozzle plate.
Kortfattad figurbeskrivning Uppfinningen kommer att beskrivas i detalj med hänvisning till ritningarna, i vilka Figur l a-d illustrerar gjutprocessen enligt uppfinningen, Figur 2 a-c visar den resulterande konstruktionen med munstycksplattan enligt uppfinningen, och Figur 3 a och b visar konstruktionen med munstycksplattan enligt två utföringsforrner av uppfinningen. 10 15 20 25 Detaljerad beskrivning av utfóringsformerna I samband med föreliggande uppfinning ska termen ”bläckstråleskrivare” (”ink jet printer”) anses innefatta alla utskriftsanordningar som bygger på principen att bläck dispenseras genom ett munstycke ut på ett utskriftsmedium. Sådana utskriftsanordningar är kända under många namn, till exempel BubbleJetTM (Varumärke för Canon K.K.) och hp deskj etTM (Varumärke för Hewlett Packard Company).Brief Description The invention will be described in detail with reference to the drawings, in which Figure 1d illustrates the casting process according to the invention, Figure 2 ac shows the resulting construction with the nozzle plate according to the invention, and Figures 3 a and b show the construction with the nozzle plate according to two embodiments of the invention . Detailed Description of the Embodiments In the context of the present invention, the term "ink jet printer" is intended to include all printing devices based on the principle that ink is dispensed through a nozzle onto a print medium. Such printing devices are known by many names, such as BubbleJetTM (Trademark of Canon K.K.) and hp deskj etTM (Trademark of the Hewlett Packard Company).
Termen ”diametern” av en geometrisk form skall ges en bredare tolkning än den strikt matematiska. l samband med föreliggande uppfinning skall den innebära diametern av den minsta cirkel som kan omskriva formen i fråga.The term "diameter" of a geometric shape should be given a broader interpretation than the strictly mathematical one. In the context of the present invention, it should mean the diameter of the smallest circle that can rewrite the shape in question.
Utveckling av bläckstråleskrivare har varit enastående de senaste åren. Idag är skrivare som ger nästan fotografisk kvalite' tillgängliga till rimliga kostnader. Strävandet efter ännu snabbare utskrift, högre upplösning, tillförlitlighet och lägre kostnad fortgår. Ett nyckelelement i utvecklingen är skrivarhuvudet med en eller flera munstycksplattor.The development of inkjet printers has been outstanding in recent years. Today, printers that provide almost photographic quality are available at reasonable costs. The pursuit of even faster printing, higher resolution, reliability and lower cost continues. A key element in the development is the print head with one or more nozzle plates.
Munstycksplattorna tillhandahåller miniatyröppningarna, munstyckena, från vilka bläcket lämnar skrivarhuvudet som en ström av små droppar för att mottagas på utskriftsmediet, vanligen papper. Munstyckenas storlek och form påverkar direkt kvalitetsmått såsom upplösning och fargreprodulnion. Munstycken med diametrar kring 15 um behövs för högupplösningsskrivare. Dessutom måste variationerna mellan olika munstycken vara liten, företrädesvis mindre än i0.5 um. Detta kan åstadkommas med munstycksplattor som gjuts i polymer. Elektroplätering och laserablation ger som bäst munstycken med diametrar om 15 i2 um.The nozzle plates provide the miniature openings, the nozzles, from which the ink leaves the printhead as a stream of droplets to be received on the print medium, usually paper. The size and shape of the nozzles directly affect quality measures such as resolution and color reproduction. Nozzles with diameters around 15 μm are needed for high-resolution printers. In addition, the variations between different nozzles must be small, preferably less than 0.5 microns. This can be achieved with nozzle plates cast in polymer. Electroplating and laser ablation provide the best nozzles with diameters of 15 i2 μm.
För att höja utskriftshastigheten konstrueras större munstycksplattor med ett stort antal munstycken (ett flertal munstycken tillhandahåller samma färg). Ett stort antal munstycken ger färre slag för skrivarhuvudet över papperet och därigenom snabbare utskrift. En stor rnunstycksplatta skärper kraven på att alla munstycken bör ha väsentligen samma diameter och att munstycksplattan sj älv är mekaniskt och termiskt stabil. Då munstycksplattan kommer att utsättas för nötning av utskriftsmediet, behöver den dessutom vara motständskrafti g mot slitning och nötníng. Ett mått på ett materials motstånd mot nötning är dess hårdhet. I tabell 1 vissas hårdheten för några material som är möjliga att tillverka munstycksplattan av. Från tabell 1 kan slutsatsen dras att en metal eller en metallegering har lämpliga egenskaper för att tillhandahålla en stor munstycksplatta.To increase the printing speed, larger nozzle plates are constructed with a large number of nozzles (several nozzles provide the same color). A large number of nozzles provides fewer strokes for the printhead over the paper and thus faster printing. A large nozzle plate tightens the requirements that all nozzles should have substantially the same diameter and that the nozzle plate itself is mechanically and thermally stable. In addition, since the nozzle plate will be subject to abrasion of the print medium, it will need to be resistant to abrasion and abrasion. A measure of a material's resistance to abrasion is its hardness. Table 1 shows the hardness of some materials from which the nozzle plate can be made. From Table 1, it can be concluded that a metal or a metal alloy has suitable properties to provide a large nozzle plate.
Llv 10 15 522 625 Material Hårdhet [V ickers] Polymer (vanligt) 25 Mässing (vanligt) 15 0 Stål 3 00 Härdat stål 700 Tabell 1 Skrivarhuvudet kommer att upphettas under användning. En del bläckstråletekiiiker, till exempel BubbleJetTM , vänner bläcket och värrnet kommer att spridas till munstycksplattan liksom till andra delar av skrivarhuvudet. En annan källa för värrneprodulction är friktionen mellan delar av skrivarhuvudet och utskriftsmediet. Om inunstycksplattan har en termisk expansion som signifikant skiljer sig från dess hölje, dvs skrivarhuvudet, kommer termiskt inducerad spänning att påverka munstycksplattan och möjligen deformera densamma.Llv 10 15 522 625 Material Hardness [V ickers] Polymer (plain) 25 Brass (plain) 15 0 Steel 3 00 Hardened steel 700 Table 1 The print head will be heated during use. Some ink jet technologies, such as BubbleJetTM, friends ink and shield will be spread to the nozzle plate as well as to other parts of the printhead. Another source of heat production is the friction between parts of the printhead and the print media. If the nozzle plate has a thermal expansion that differs significantly from its housing, ie the printhead, thermally induced voltage will affect the nozzle plate and possibly deform it.
Deforrnationen kan vara av sådan grad att utskriftskvaliten eller skrivarens tillförlitlighet påverkas. Detta problem ökar med ökande storlek på munstycksplattan. För att minska effekterna av den termiska expansionen bör material med låg termisk expansion väljas.The deformation may be such that the print quality or printer reliability is affected. This problem increases with increasing size of the nozzle plate. To reduce the effects of thermal expansion, low thermal expansion materials should be selected.
Dessutom kan de olika material som återfinns i skrivarhuvudet matchas med avseende på den termiska expansionen så att de har samma, eller liknande, termisk expansionskoefficient.In addition, the different materials found in the printhead can be matched with respect to the thermal expansion so that they have the same, or similar, coefficient of thermal expansion.
Tabell 2 visar de termiska expansionskoefficienterna for några material som kan återfinnas i ett skrivarhuvud. 10 15 Expansionskoefficient [l0'6 KJ] Material PZT ceramic 5 Nilo42 (42%Ni, 58%Fe) 150 Stål 12 Nickel 12 Aluminium 24 Epoxy 45-65 Nylon 6.6 70-100 Tabell 2 En föredragen utföringsforin av uppfinningen kommer nu att beskrivas med hänvisning till figur l. l ett första steg (figur la) har en positiv nedre hälft av en gjutforrn 10 tillhandahållits.Table 2 shows the thermal expansion coefficients for some materials that can be found in a printhead. Expansion coefficient [l0'6 KJ] Material PZT ceramic 5 Nilo42 (42% Ni, 58% Fe) 150 Steel 12 Nickel 12 Aluminum 24 Epoxy 45-65 Nylon 6.6 70-100 Table 2 A preferred embodiment of the invention will now be described. Referring to Figure 1. In a first step (Figure 1a), a positive lower half of a mold 10 has been provided.
En gjutforrn med lämpliga dimensioner och med den noggrannhet och precision som krävs kan produceras i en process som involverar litografisk etsning av en kiselwafer. Den etsade kiselstrukturen kan sedan täckas med ett metallager, till exempel av nickel, genom elektroplätering. Nickel har mekaniska egenskaper och ytegenskaper som gör den lämpligt som gjutformsmaterial, men andra material är möjliga. Tillverkning av gjutformar är känt, till exempel vid tillverkning av CD-skivor, och ska inte ses som en del av uppfinningen. Den undre delen av gjutformen 10 är försedd med ett flertal väldefinierade utskott 12, vilka ska komma att definiera munstyckenas forrn och diameter. l figur l visas utskott med en enkel konisk form med väsentligen cirkulärt tvärsnitt. Genom användandet av anisotrop etsning och avancerade litografiska tekniker, till exempel de som beskrivs i den svenska patentansökan SE0003799-4, är mer komplexa geometrier möjliga.A mold with suitable dimensions and with the accuracy and precision required can be produced in a process involving lithographic etching of a silicon wafer. The etched silicon structure can then be covered with a metal layer, for example of nickel, by electroplating. Nickel has mechanical properties and surface properties that make it suitable as a molding material, but other materials are possible. The manufacture of molds is known, for example in the manufacture of CDs, and should not be construed as part of the invention. The lower part of the mold 10 is provided with a number of well-defined projections 12, which will define the shape and diameter of the nozzles. Figure 1 shows projections with a simple conical shape with a substantially circular cross-section. Through the use of anisotropic etching and advanced lithographic techniques, such as those described in the Swedish patent application SE0003799-4, more complex geometries are possible.
I ett andra steg (figur lb) införs en stabil grundplatta 14 in i gjutformen. Inlägget 14 har hål som svarar mot utskotten 12 hos den nedre halvan av gjutforrnen 10. Den stabila grundplattan 10 15 20 14 är noggrant placerad med styrpinnar (ej visade). Styrpinnarna kan, till exempel, vara en integrerad del av den undre delen av gjutformen 10. Hålen i den stabila grundplattan 14 är företrädesvis anordnade så att de är större än utskotten 12 och placerade så att ingen fysisk kontakt sker mellan utskotten 12 och den stabila grundplattan 14. Detta för att i ett senare processteg tillse att den injicerade polymeren fyller alla delar av gjutformen. Den stabila grundplattan 14 kan vara gjord av en rad material, innefattande metaller, polymerer, kolfiber, keramer mfl. Såsom kommer att diskuteras nedan väljs materialet för den stabila grundplattan företrädesvis för att optimera dess mekaniska egenskaper. Såsom indikeras i figuren är den stabila grundplattan 14 placerad så att dess övre yta ligger i de plan som definieras av utskottens övre yta. Detta föredras i många tillämpningar, men det är givetvis även möjligt att placera den stabila grundplattan längre ner i gjutformen om en munstycksplatta med polymer på alla ytor önskas.In a second step (Figure 1b) a stable base plate 14 is inserted into the mold. The insert 14 has holes corresponding to the projections 12 of the lower half of the mold 10. The stable base plate 10 is carefully positioned with guide pins (not shown). The guide pins may, for example, be an integral part of the lower part of the mold 10. The holes in the stable base plate 14 are preferably arranged so that they are larger than the projections 12 and positioned so that no physical contact takes place between the projections 12 and the stable base plate. 14. This is to ensure in a later process step that the injected polymer fills all parts of the mold. The stable base plate 14 may be made of a variety of materials, including metals, polymers, carbon fiber, ceramics, etc. As will be discussed below, the material for the stable base plate is preferably selected to optimize its mechanical properties. As indicated in the figure, the stable base plate 14 is positioned so that its upper surface lies in the planes defined by the upper surface of the projections. This is preferred in many applications, but it is of course also possible to place the stable base plate further down in the mold if a nozzle plate with polymer on all surfaces is desired.
I ett tredje steg, visat i figur lc, stängs gjutformen med ett lock 16 och den instängda volymen evakueras. En härdbar polymer 18 har förts in i gjutformen. Polymeren kan till exempel vara av UV-ljus härdbar typ, av termislct härdbar typ eller en kombination av båda. Företrädesvis väljs en polymer i vilken härdningsprocessen initieras av UV-ljus, men där härdning sker även i områden som inte direkt utsätts för ljus. Hänsyn bör även tas till att polymeren skall ha bra egenskaper i kombination med det bläck som ska användas, det vill säga inte påverkas av lösningsmedel som är vanliga i bläck eller vatten. Polymeren härdas inuti gjutformen, företrädesvis med UV-ljus eller termiskt, eller genom en kombination av båda.In a third step, shown in Figure 1c, the mold is closed with a lid 16 and the trapped volume is evacuated. A curable polymer 18 has been introduced into the mold. The polymer may, for example, be of the UV light curable type, of the thermally curable type or a combination of both. Preferably, a polymer is selected in which the curing process is initiated by UV light, but where curing also takes place in areas which are not directly exposed to light. It should also be taken into account that the polymer must have good properties in combination with the ink to be used, ie not affected by solvents that are common in ink or water. The polymer is cured inside the mold, preferably with UV light or thermally, or by a combination of both.
Efter härdningsprocessen öppnas gjutformen och den gjutna konstruktionen med munstycksplatta avlägsnas. Den resulterande konstruktionen med munstycksplattan ses i figur 2a. Delen som utgörs av polymer och som definierar de individuella munstyckenas storlek och form kommer att benämnas ett gutet munstycke 22. Utskotten har format kanaler 24 som utsträcker sig från munstycksplattans övre till undre yta, och som har väldefinierade öppningar 26 på den övre ytan av det gjutna munstycket. Om så krävs kan polymeren på den undre ytan av den stabila grundplattan 14, det vill säga på den sidan av munstycksplattan som ej är vänd mot utskriftsmediet, avlägsnas mekaniskt eller kemiskt. Därigenom definieras konstruktionens tjocklek av den stabila grundplattan 14. Ett tunt ”skinn” av polymer kan bildas på den övre ytan av den stabila grundplattan 14, orsakad av bristande kontakt mellan inlägget och locket. Detta ”skinn” kan, om så krävs, även det avlägsnas mekaniskt eller kemiskt. Efter det valfria steget av avlägsnande av överflödig polymer kommer 10 20 konstruktionen med munstycksplattan 28 att ha utseendet avbildat i fi gur 2b och i en vy ovanifrån enligt figur 2c.After the curing process, the mold is opened and the molded structure with nozzle plate is removed. The resulting construction with the nozzle plate is seen in Figure 2a. The part which consists of polymer and which defines the size and shape of the individual nozzles will be called a cast nozzle 22. The projections have formed channels 24 which extend from the upper to lower surface of the nozzle plate, and which have well-defined openings 26 on the upper surface of the cast the nozzle. If required, the polymer on the lower surface of the stable base plate 14, i.e. on the side of the nozzle plate which does not face the print medium, can be removed mechanically or chemically. Thereby, the thickness of the structure is defined by the stable base plate 14. A thin "skin" of polymer can be formed on the upper surface of the stable base plate 14, caused by lack of contact between the insert and the lid. This "skin" can, if required, also be removed mechanically or chemically. After the optional step of removing excess polymer, the structure with the nozzle plate 28 will have the appearance depicted in Figure 2b and in a top view according to Figure 2c.
Den tillverkade munstycksplattan kommer i en hög grad att ha sina mekaniska egenskaper definierade av den stabila grundplattan 14, och munstyckets dimensioner, precision och noggrannhet definierade av det gjutna polymermunstycket 22. Detta kan utnyttjas för att optimera prestanda till den avsedda tillämpningen. Den ökade mekaniska stabiliteten, som uppnåtts genom införandet av den stabila grundplattan, förenklar dessutom handhavandet av munstycksplattan i en fortsatt tillverkningsprocess.The manufactured nozzle plate will to a large extent have its mechanical properties defined by the stable base plate 14, and the nozzle dimensions, precision and accuracy defined by the cast polymer nozzle 22. This can be used to optimize performance for the intended application. The increased mechanical stability achieved by the introduction of the stable base plate also simplifies the operation of the nozzle plate in a further manufacturing process.
Den beskrivna metoden enligt uppfinningen gör det möjligt att producera ett stort antal väsentligen identiska munstycksplattor, i kontrast mot en del av den tidigare kända tekniken som ger individuellt olika plattor. Som beskrivits ovan tillverkas den undre delen av gjutformen företrädesvis utgående ifrån en kiselwafer. I de flesta fall finns det plats för mer än en munstycksplatta på Waferns yta. Så mycket som möjligt av ytan ska företrädesvis användas för att gjuta inunstycksplattor, och i de flesta fall kan ett flertal munstycksplattor gjutas samtidigt. l en uttöringsforni av uppfinningen tillhandahålls mer än ett gjutet munstycke i vardera av den stabila grundplattans hål. På detta sätt kan munstyckenas öppningar göras närmare varandra, men samtidigt försämras konstruldionens mekaniska stabilitet något.The described method according to the invention makes it possible to produce a large number of substantially identical nozzle plates, in contrast to a part of the prior art which gives individually different plates. As described above, the lower part of the mold is preferably manufactured from a silicon wafer. In most cases, there is room for more than one nozzle plate on the surface of the wafer. As much of the surface as possible should preferably be used for casting in nozzle plates, and in most cases a plurality of nozzle plates can be cast simultaneously. In one embodiment of the invention, more than one molded nozzle is provided in each of the holes of the stable base plate. In this way, the openings of the nozzles can be made closer to each other, but at the same time the mechanical stability of the construction diol deteriorates somewhat.
En föredragen utföringsform som beaktar valet av material för den stabila grundplattan 14 beskrivs utifrån ett belysande exempel. I ett exempel på en bläckstråletillärnpning är skrivarhuvudets aktuator tillverkad av PZT ceramics. Med hänvisning till tabell 2, påpekas det att den termiska expansionskoefficienten för PZT-ceramics är 5>< l 0-6 Kil (en låg termisk expansion är typisk för keramiska material). Ett stort utbud av metallegeringar med termiska expansionskoefficienter i ett område från 0 (en nickellegering med produktnamnet ”invar”) upp till 50 >< l0'6 KJ finns kommersiellt tillgängliga. l detta exempel väljs en legering med produktnamnet Nilo42, vilken matchar keramens termiska expansionskoefficient (se tabell 2).A preferred embodiment which considers the choice of material for the stable base plate 14 is described on the basis of an illustrative example. In an example of an ink jet approach, the printhead actuator is made of PZT ceramics. Referring to Table 2, it is pointed out that the coefficient of thermal expansion for PZT ceramics is 5> <1 0-6 Kil (a low thermal expansion is typical of ceramic materials). A wide range of metal alloys with thermal expansion coefficients in a range from 0 (a nickel alloy with the product name “invar”) up to 50> <l0'6 KJ are commercially available. In this example, an alloy with the product name Nilo42 is selected, which matches the thermal expansion coefficient of the ceramic (see Table 2).
Legeringen tillhandahåller dessutom den stabilitet och nötningsbeständighet som krävs för en stor munstycksplatt-konstruktion. För att bilda den stabila grundplattan 14 prepareras en folie av legering med lito grafisk etsning för att skapa öppningarna, vilka kommer att inrymma de gjutna munstyckena. Öppningarna i den nietalliska grundplattan kan göras betydligt större än den diameter som krävs av munstyckena, och behöver inte ha exakt samma tvärsnittsgeometri 10 20 25 30 522 625 som de gjutna inunstyckeiia. Etsningsprocesseii ger vanligtvis öppningar med en diameter om 100 :20 um. Eftersom storleken och toleransen på öppningarna inte är kritisk, kan ett antal andra tekniker användas för att producera den metalliska grundplattan, till exempel elektroplätering. Munstycksplattan som resulterar från gjutprocessen kommer i princip att ha metallegeringens mekaniska och terrniska egenskaper, men munstyckena kommer att få storlek och tolerans som ges av gjutprocessen (vanligtvis 15 :2 um). Det torde vara uppenbart för fackmannen att materialvalen kan varieras i stor utsträckning för att möta kraven från olika tillämpningar.The alloy also provides the stability and abrasion resistance required for a large nozzle plate construction. To form the stable base plate 14, a lithographic etching foil is prepared to create the openings which will accommodate the cast nozzles. The openings in the non-metallic base plate can be made considerably larger than the diameter required by the nozzles, and need not have exactly the same cross-sectional geometry as the cast inlet pieces. Etching process usually produces openings with a diameter of 100: 20 μm. Since the size and tolerance of the openings are not critical, a number of other techniques can be used to produce the metallic base plate, such as electroplating. The nozzle plate resulting from the casting process will in principle have the mechanical and thermal properties of the metal alloy, but the nozzles will have the size and tolerance given by the casting process (usually 15: 2 μm). It should be obvious to the person skilled in the art that the material choices can be varied to a large extent to meet the requirements of different applications.
I en ytterligare utföringsform av uppfinningen, illustrerad i figur 3 a-b, är konstruktionen med munstycksplattan, ytterligare optimerad för att motstå nötning orsakad av utskriftsmediet.In a further embodiment of the invention, illustrated in Figure 3 a-b, the construction with the nozzle plate is further optimized to withstand abrasion caused by the print medium.
Eftersom munstyckena är gjorda av relativt mjuk polymer, med relativt lågt nötningsrnotstånd, skulle det för vissa tillämpningar vara fördelaktigt om de gjutna munstyckenas yta var något under den stabila grundplattans 22 yta. Många polymerer minskar sin volym något under härdningsprocessen. Detta kan på ett fördelaktigt sätt utnyttjas genom att polymeren, som utgör det gjutna munstycket 22, vid sin yttre diameter är fast vid metallen och därmed kommer att minska sin volym genom att reducera sin tjocklek. Detta resulterar i en fördjupning 30, vilket indikeras i figur 3a (fördjupningens djup har av illustrationsskäl överdrivits i figuren). Om det så krävs kan ett större avstånd mellan den metalliska grundplattans yta och munstyckenas yta åstadkommas genom att med elektroplätering anordna ett extra metallager 32 på den övre ytan av den metalliska grundplattan.Since the nozzles are made of relatively soft polymer, with relatively low abrasion resistance, it would be advantageous for some applications if the surface of the molded nozzles were slightly below the surface of the stable base plate 22. Many polymers reduce their volume slightly during the curing process. This can be advantageously utilized in that the polymer, which constitutes the cast nozzle 22, at its outer diameter is fixed to the metal and thus will reduce its volume by reducing its thickness. This results in a depression 30, which is indicated in Figure 3a (the depth of the depression has been exaggerated in the figure for illustrative reasons). If required, a greater distance between the surface of the metallic base plate and the surface of the nozzles can be achieved by arranging by electroplating an additional metal layer 32 on the upper surface of the metallic base plate.
Elektroplätering kan bara ske på en ledande yta och därför kan uppbyggnaden av ett extra lager bara ske på ytan av den ledande metalliska grundplattan och inte på ytan av de isolerande gjutna munstyckena. Möjligheten att elektroplätera ytterligare lager av metall på den metalliska grundplattan kan utnyttjas för att vidare anpassa munstyckplattkonstruktionens mekaniska egenskaper. Den övre ytan av de gjutna munstyckena kan alternativt fås att vara i ett plan under den övre ytan av den stabila grundplattan genom förändringar i gjutprocessen.Electroplating can only take place on a conductive surface and therefore the construction of an extra layer can only take place on the surface of the conductive metallic base plate and not on the surface of the insulating cast nozzles. The possibility of electroplating additional layers of metal on the metallic base plate can be used to further adapt the mechanical properties of the nozzle plate structure. The upper surface of the cast nozzles can alternatively be made to be in a plane below the upper surface of the stable base plate by changes in the casting process.
Exempelvis kan locket förses med utskott som passar ihop med hålen i den stabila grundplattan och därigenom bilda fördjupningarna. Alternativt införs offergjutdelar, vilka definierar fördjupningarna, fasta vid locket eller vid den övre ytan av den stabila grundplattan.For example, the lid can be provided with projections which fit together with the holes in the stable base plate and thereby form the depressions. Alternatively, sacrificial moldings are defined which define the recesses fixed to the lid or to the upper surface of the stable base plate.
Proceduren som beskrivits ovan med hänvisning till figur 1 a-c, ger en konstruktion som visas i figur 2 a-c och som karaktäriseras av att den övre ytan utgörs av två olika material. Detta kan, förutom de förbättrade mekaniska egenskaperna, vara fördelaktigt för att kunna 10 522 623 lO kontrollera storleken och formen av en droppe, till exempel en bläckdroppe bildad kring munstyckets öppning. l en exemplifierande utföringsforrn av uppfinningen har inlägget lägre vätningsförrnåga än polymeren, och följaktligen kan droppen fås att bara täcka den delen av den övre ytan som är gjord av polymer.The procedure described above with reference to Figures 1 a-c, gives a construction shown in Figures 2 a-c and which is characterized in that the upper surface consists of two different materials. This can, in addition to the improved mechanical properties, be advantageous for being able to control the size and shape of a drop, for example an ink drop formed around the opening of the nozzle. In an exemplary embodiment of the invention, the insert has a lower wetting ability than the polymer, and consequently the drop can be made to cover only the part of the upper surface which is made of polymer.
Inlägget 14 behöver nödvändigtvis inte införas genom att en konstruktion placeras i en gjutform, utan kan till exempel gjutas i en annan polymer, genom att använda en första undre halva av gjutfonnen. I ett påföljande steg byts den första undre halvan av gjutforinen ut mot en andra undre halva och resten av hålkonstruktionen gjuts i en annan polymer.The insert 14 does not necessarily need to be inserted by placing a structure in a mold, but can, for example, be molded in another polymer, by using a first lower half of the mold. In a subsequent step, the first lower half of the casting liner is replaced with a second lower half and the rest of the hole structure is cast in another polymer.
Upplinj eringen av de individuella munstycksplattoma med ett matningschip för att tillverka exempelvis ett skrivarhuvud är en tidsödande process eftersom den måste göras med stor noggrannhet. Metoden enligt uppfinningen använder en kiselwafer för att skapa den positiva gjutforrnen. Matningschipet kommer vanligen också att baseras på ett kiselwafer och genom att koordinera matningschipsens och munstycksplattornas layout blir det möjligt att i en fas upplinj era en hel batch munstycksplattor med rnatningschipsen.Aligning the individual nozzle plates with a feed chip to make, for example, a printhead is a time consuming process because it must be done with great care. The method of the invention uses a silicon wafer to create the positive mold. The feed chip will usually also be based on a silicon wafer and by coordinating the layout of the feed chips and nozzle plates it will be possible in a phase to align an entire batch of nozzle plates with the feed chips.
Metoden och konstruktionen med munstycksplattan enligt uppfinningen har här beskrivits med hänvisning till en tillämpning vid bläckstråleskrivarhuwd. Fackmannen inser att den uppfunna konstruktionen och metoden kan användas i många andra tillämpningar där en vätska ska dispenseras med hög precision. Sådana tillämpningar innefattar doseringsanordningai' för kemiska och biokemiska analyser.The method and construction of the nozzle plate according to the invention has been described here with reference to an application in ink jet printer maintenance. Those skilled in the art will appreciate that the invented design and method can be used in many other applications where a liquid is to be dispensed with high precision. Such applications include dosing devices for chemical and biochemical analyzes.
Andra tillämpningar som är uppenbara för fackmannen vid läsandet av beskrivningen skall anses ligga inom de efterföljande kravens skyddsomfång.Other applications which will be apparent to those skilled in the art upon reading the specification are intended to fall within the scope of the appended claims.
Claims (1)
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SE0103126A SE522623C2 (en) | 2001-09-19 | 2001-09-19 | Method of manufacturing nozzle plate with miniature nozzles, nozzle plate with miniature nozzles and inkjet type printhead |
PCT/SE2002/001695 WO2003024719A1 (en) | 2001-09-19 | 2002-09-19 | Method of making nozzle plates and structures comprising such nozzle plates |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SE0103126A SE522623C2 (en) | 2001-09-19 | 2001-09-19 | Method of manufacturing nozzle plate with miniature nozzles, nozzle plate with miniature nozzles and inkjet type printhead |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
SE0103126D0 SE0103126D0 (en) | 2001-09-19 |
SE0103126L SE0103126L (en) | 2003-04-01 |
SE522623C2 true SE522623C2 (en) | 2004-02-24 |
Family
ID=20285384
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
SE0103126A SE522623C2 (en) | 2001-09-19 | 2001-09-19 | Method of manufacturing nozzle plate with miniature nozzles, nozzle plate with miniature nozzles and inkjet type printhead |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
SE (1) | SE522623C2 (en) |
WO (1) | WO2003024719A1 (en) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
ITTO20120426A1 (en) | 2012-05-11 | 2013-11-12 | St Microelectronics Srl | PROCESS OF MANUFACTURING A NOZZLE PLATE, NOZZLE PLATE, AND LIQUID EJECTION DEVICE EQUIPPED WITH NOZZLE PLATE |
Family Cites Families (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4169008A (en) * | 1977-06-13 | 1979-09-25 | International Business Machines Corporation | Process for producing uniform nozzle orifices in silicon wafers |
DE3429496A1 (en) * | 1984-08-10 | 1986-02-20 | Philips Patentverwaltung Gmbh, 2000 Hamburg | DEVICE AND METHOD FOR PRODUCING A NOZZLE PLATE FOR INK JET PRINTER |
DE3520739A1 (en) * | 1985-06-10 | 1986-12-11 | Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München | Device for producing ink channels in an ink-jet printing head |
DE4329728A1 (en) * | 1993-09-03 | 1995-03-09 | Microparts Gmbh | Nozzle plate for fluid jet printhead and method for its manufacture |
US5825385A (en) * | 1995-04-12 | 1998-10-20 | Eastman Kodak Company | Constructions and manufacturing processes for thermally activated print heads |
-
2001
- 2001-09-19 SE SE0103126A patent/SE522623C2/en not_active IP Right Cessation
-
2002
- 2002-09-19 WO PCT/SE2002/001695 patent/WO2003024719A1/en not_active Application Discontinuation
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
SE0103126L (en) | 2003-04-01 |
WO2003024719A1 (en) | 2003-03-27 |
SE0103126D0 (en) | 2001-09-19 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR100396559B1 (en) | Method for manufacturing monolithic inkjet printhead | |
US6780001B2 (en) | Forming tool for forming a contoured microelectronic spring mold | |
JP5956353B2 (en) | Printhead fluid path formed by patterning a sacrificial member using additive manufacturing processes | |
JP5814747B2 (en) | Method for manufacturing liquid discharge head | |
JP2011508900A (en) | Spacer element and method for manufacturing spacer element | |
US9090067B2 (en) | Method for manufacturing liquid discharge head | |
US7222944B2 (en) | Method of manufacturing printer head and method of manufacturing electrostatic actuator | |
TWI279326B (en) | High resolution inkjet printer | |
US6773094B2 (en) | Method of using photolithography and etching for forming a nozzle plate of an inkjet print head | |
JPH11207962A (en) | Ink-jet printing apparatus | |
SE522623C2 (en) | Method of manufacturing nozzle plate with miniature nozzles, nozzle plate with miniature nozzles and inkjet type printhead | |
JPH09300617A (en) | Ink-jet head and production of ink-jet head parts | |
JP5328334B2 (en) | Method for manufacturing liquid discharge head | |
TWI306812B (en) | Liquid discharge head and manufacturing method of the same | |
JP2001191540A (en) | Nozzle forming member, method of making the same, ink jet head and ink jet recorder | |
US10005283B2 (en) | Method for manufacturing liquid ejection head | |
Chung et al. | Selection of mold materials for electroforming of monolithic two-layer microstructure | |
Yan et al. | PDMS‐based hot embossing method of fabricating SU‐8 photoresist conical nozzle for inkjet print‐head | |
JP2002011875A (en) | Nozzle forming member, its manufacturing method, and liquid drop discharge head | |
EP1602623B1 (en) | Method of moulding a microfluidic structure and mould | |
JP2006007712A (en) | Manufacturing method of ink-jet recording head | |
CN1408549A (en) | Piezoelectric ink jet printing head and its producing method | |
KR100440957B1 (en) | Fablication method of ink discharge head | |
Shen | Manufacturing of Micro-Nozzle Plates for High Resolution Inkjethead Using LIGA-like Process | |
US20130152390A1 (en) | Process for producing a liquid ejection head |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
NUG | Patent has lapsed |