DE3225578A1

DE3225578A1 - Fluessigkeitsstrahl-aufzeichnungskopf

Info

Publication number: DE3225578A1
Application number: DE19823225578
Authority: DE
Inventors: Masami Machida Tokyo Ikeda; Hiroto Yokohama Kanagawa Matsuda; Hiroshi Machida Tokyo Sugitani
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1981-07-09
Filing date: 1982-07-08
Publication date: 1983-01-20
Anticipated expiration: 2002-07-09
Also published as: GB2104453B; DE3225578C2; US4558333A; GB2104453A; HK32191A

Description

TlEDTKE - BüHLING — KlNNE---; .-"„ .". Vertre\e™eim EPA ty

Gr% /< '- - ^: "-* ■*;:," Dipl.-Ing. H.lic-dlkc: /

RUPE - KeLLMANN - UiRAM-S '"*" ^: Dipl.-Chem. G Buhlmg

Dipl.-Ing R. Kinne Dipl.-Ing. R Grupo

^J Dipl.-Ing B. Pellmann

Dipl.-Ing. K. Grams

Bavariaring 4, Postfach 20 24 C

q O η C C 7 ρ 8000 München 2

0 4.4.D3 /O _Te, . ο 89 - 53 96 53

Telex: 5-24 845 tipat

cable: Germaniapatent Müncln

8. Juli 1982

DE 2292

CANON KABUSHIKI KAISHA
Tokyo, Japan

Flussigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf

Die Erfindung betrifft einen Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf , insbesondere einen Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf zur Erzeugung von kleinen Flüssigkeitströpfchen zum Aufzeichnen (Tinte), der in einem Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungssystem Verwendung finden kann, von dem die Flüssigkeit in Form eines Strahles zum Aufzeichnen abgegeben wird.

Ein derartiger Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf, der für ein Flüssigkeitsstrahl-AufZeichnungssystem geeignet ist, ist üblicherweise mit kleinen Flüssigkeitsabgabeöffnungen, Flüssigkeitskanälen und an einem Teil der Flüssigkeitskanäle mit Abschnitten versehen, auf die man Energie einwirken läßt. Ferner weist der Aufzeichnungskopf Abschnitte zur Erzeugung der Ausstoßenergie für die Flüssigkeit, d.h. zur Tröpfchenbildung, auf/ wobei man diese Energie auf die Flüssigkeit innerhalb der Abschnitte zur Encrgioaufbringung einwirken läßt.

Es wurde vorgeschlagen, einen derartigen Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf beispielsweise ao herzustellen, daß kleine Rillen auf einer Glas- oder Metallplatte durch Einschneiden oder Ätzen hergestellt und danach die mit den Rillen versehene Platte mit einer anderen Platte verbunden wird, die eingeformte Auslaßöffnungen auf-

D· .!'«c *■'.· hd'lk IM.iii;hfnl KIn M"C)(1/0 Clinic)·»·· O.i'* l'.'j'i-hrn) KIo 333ίι{--4 -. Po-"·<< <·■<·. IM.ri."'· Klo f'70 43-P04

weist, so daß auf diese Weise Flüssigkeitskanäle gebildet werden.

Bei einem durch ein derartiges Verfahren hergestellten Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf kann jedoch die Rauhigkeit der Innenwandfläche der durch Einschneiden gebildeten Flüssigkeitskanäle zu groß sein, oder die Flüssigkeitskanäle können infolge eines unterschiedlichen Ätzgrades Verformungen aufweisen, so daß es schwierig ist, Flüssigkeitskanäle mit einem konstanten Widerstand zu erhalten. Dies führt dazu, daß nach der Herstellung des Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopfes die Flüssigkeitsausstoßeigenschaften einen breiten Streubereich aufweisen können. Auch kann beim Schneiden die Platte abspanen oder sogar zerbrechen, was zu einer geringen Produktivität führt. Beim Ätzen ist eine große Anzahl von Vorbereitungsschritten erforderlich, wodurch die Produktionskosten ansteigen. Die Verfahren des Standes der Technik weisen schließlich den gemeinsamen Nachteil auf, daß bei der Laminierung zwischen der mit den Rillen versehenen Platte, die als Flüssigkeitskanäle dienen,und der mit den Energie erzeugenden Elementen, die auf die Aufzeichnungsflüssigkeit einwirken, versehenen Deckplatte Schwierigkeiten in bezug auf die Ausrichtung beider Platten auftreten, wodurch eine Massenproduktion unmöglich gemacht wird. Es besteht daher ein großes Bedürfnis nach einem Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf, mit dem diese Nachteile überwunden werden können.

Diese Schwierigkeiten treten dann noch verstärkt auf, wenn die Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungsköpfe keine geraden, sondern gekrümmte Flüssigkeitskanäle aufweisen.
35

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf zu schaffen, der sehr genau mit hoher Zuverlässigkeit arbeitet und eine gute Haltbarkeit besitzt.
5

Die Erfindung bezweckt ferner die Schaffung eines Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopfes, der fein und mit hoher Präzision ausgebildete Flüssigkeitskanäle aufweist und mit hoher Genauigkeit sowie guter Ausbeute arbeitet.

Darüber hinaus soll ein Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf geschaffen werden, der in bezug auf sein Ausstoßverhalten einen hohen Wirkungsgrad, ein gutes Ansprechverhalten und eine hohe Beständigkeit aufweist sowie eine verlängerte kontinuierliche Betriebsdauer besitzt. Auch soll ein Aufzeichnungskopf zur Verfügung gestellt werdender in der Lage ist, mit hoher Geschwindigkeit zu arbeiten.

Schließlich bezweckt die Erfindung die Schaffung eines zweidimensionalen Aufzeichnungskopfes mit hoher Dichte und mehreren öffnungen, der in einfacher Weise hergestellt werden kann und äußerst praktisch ist.

Nach einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf geschaffen, der eine Ausstoßöffnung zur Ausbildung von "fliegenden" Tröpfchen durch Abgabe einer Flüssigkeit, einen gekrümmten Flüssigkeitskanal, einen Energieaufbringungsabschnitt, der zumindest einen Teil des Flüssigkeitskanales bildet, in dem die den inneren Teil des Kanals füllende Flüssigkeit der Einwirkung von Energie zur Tröpfchenbildung ausgesetzt wird, und ein Element

zur Erzeugung von Tröpfchenbildungsenergie aufweist, die auf die den Energieaufbringungsabschnitt füllende Flüssigkeit übertragen wird,' wobei der Hauptteil der Wandfläche des Flüssigkeitskanales aus einem gehärteten fotosensitiven Harz besteht,.

Nach einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Flüssigkeitsstrahl-Auf ze ichnungskopf geschaffen, der eiue Vielzahl von Ausstoß öffnungen zur Ausbildung von "fliegenden" Tröpfchen zur Abgabe einer Flüssigkeit, eine Flüssigkeitskammer mit mindestens einem Einlaß zur Zuführung der Flüssigkeit, die mit jeder der Ausstoßöffnungen in Verbindung steht, und eine Vielzahl von Heizelementen zur Erzeugung von Wärmeenergie aufweist, welche in der Flüssigkeitskammer für entsprechende Ausstoßöffnungen vorgesehen und so angeordnet sind, daß sie in Richtung auf die entsprechenden Ausstoßöffnungen zeigen, wobei die Tröpfchen durch Einwirkung der von den Heizelementen erzeugen Wärmeenergie auf die Flüssigkeit gebildet werden und dadurch die Flüssigkeitsausstoßkraft erzeugt wird.

Nach einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf geschaffen, der eine Vielzahl von Ausstoßöffnungen zur Ausbildung von "fliegenden" Tröpfchen zur Abgabe einer Flüssigkeit, eine Flüssigkeitskammer mit mindestens einem Einlaß zur Zuführung der Flüssigkeit, die mit jeder Ausstoßöffnung in Verbindung steht, und eine Vielzahl von Energie erzeugenden Eelementen zur Erzeugung von Tröpfchenbildungsenergie aufweist, die in der Flüssigkeitskammer für entsprechende Ausstoßöffnungen vorgesehen und so angeordnet sind, daß sie in Richtung auf die entsprechenden Ausstoßöffnungen zeigen, wobei mindestens ein Teil der Wandfläche der Flüssigr

UO"^": 5*25578

keitskammer aus einem gehärteten fotosensitiven Harz besteht.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungs-r beispielen in Verbindung mit der Zeichnung im einzelnen erläutert. Sämtliche Teile können von erfindungswesentlicher Bedeutung sein. Es zeigen:

Die Figuren
^q 1 bis 7 B schematische Darstellungen des Aufbaues

und der Herstellungsschritte eines erfindungsgemäß ausgebildeten Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopfes, wobei die Figuren im einzelnen darstellen:

Figur 1 eine schematische perspektivische Ansicht

zur Verdeutlichung des ersten Herstellungsschrittes;

2Q Figur 2 A eine schmatische perspektivische Ansicht

zur Verdeutlichung des zweiten Herstellungsschritte SJ

Figur 2 B einen Teilschnitt entlang Linie X ·- X¹ in Figur 2A;

Figur 3 eine schematische perspektivische Ansicht

zur Verdeutlichung des dritten Herstellungsschrittes;

Figur 4 eine schematische perspektivische Ansicht

zur Verdeutlichung des vierten Herstellungs-r Schrittes;

Figur 5 eine schematische perspektivische Ansicht

zur Verdeutlichung des fünften Herstellungsschrittes,

Figur 6

eine schematische perspektivische Ansicht zur Verdeutlichung des sechsten Herstel*- lungsschrittes;

Figur 7 A

Figur 7 B

eine schematische perspektivische Ansicht zur Darstellung des Aufbaues eines fertigen Aufzeichnungskopfes; und

einen Teilschnitt entlang Linie Y-Y¹ in Figur 7A;

die Figuren
bis 10 B

Figur 8

zeigen den Aufbau und die Herstellungsschritte eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäß ausgebildeten Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopfes. Im einzelnen zeigen:

eine schematische perspektivische Ansicht zur Verdeutlichung des ersten Herstellungsschrittes;

Figur 9

Figur 10 A

Figur 10 B

eine schematische perspektivische Ansicht zur Verdeutlichung des zweiten Herstellungsschrittes;

eine schematische perspektivische Ansicht zur Darstellung des dritten Herstellungsschrittes und des Aufbaues eines fertigen Aufzeichnungskopfes; und

einen Teilschnitt entlang Linie X-X¹ in Figur 10A;

Die Figuren
11 bis 15 B

zeigen den Aufbau und die Herstellungsschritte eines dritten Ausführungsbeispiels

Die Figuren 1 und 12 Λ

eines erfindungsgemäß ausgebildeten Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopfes. Im einzelnen zeigen:

schematische perspektivische Ansichten zur Verdeutlichung des ersten und zweiten Herstellungsschrittes ;

Figur 12 B

einen Teilschnitt entlang Linie X-X¹ in Figur 12 A;

die Figuren und 14 A

schematische perspektivische Ansichten zur Verdeutlichung des dritten und vierten Herstellungsschrittes ;

Figur 14 B
Figur 15 A

einen Schnitt entlang Linie Y-Y¹ in Figur 14A;

eine schematische perspektivische Ansicht zur Verdeutlichung des fünften Herstellungsschrittes und des Aufbaues eines fertigen Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopfes, und

Figur 15 B

einen Schnitt entlang Linie Z-Z¹ in Figur 15A.

Die Figuren bis 18 B

sind Darstellungen zur Verdeutlichung des fünften und folgender Herstellungsschritte nach einem anderen Herstellungsverfahren. Es zeigen im einzelnen:

die Figuren 16, 17 und 18A schematische perspektivische Ansichten zur

Verdeutlichung des fünften, sechsten und siebenten Herstellungsschrittes sowie des

fertigen Aufzeichnungskopfes; und

Figur 18B ' einen Schnitt entlang Linie Z-Z¹ in

Figur 18 A.
5

Bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine gewünschte Anzahl (zwei in der Zeichnung) von Energie erzeugenden Elementen 2, wie beispielsweise Piezoelementen etc., für die Ausbildung von "fliegenden" Tröpfchen auf einem geeigneten Substrat 1, beispielsweise aus Glas, Keramik, Kunststoff oder Metall, angeordnet. Durch Unterdrucksetzung der Flüssigkeit in der Nachbarschaft der Energie erzeugenden Elemente 2 wird ein entsprechender Ausstoßdruck für die Flüssigkeit erzeugt. An die Elemente 2 sind Elektroden zur Eingabe von Signalen angeschlossen, die in der Zeichnung nicht dargestellt sind. Die mit den Energie erzeugenden Elementen 2 versehene Oberfläche des Substrates 1 wird als nächstes gesäubert und getrocknet, wonach eine Laminierung mit einer Trocken-Fotctlackschicht bzw. einem Trockenfilm-Fotoresist 3 (Fi lmdicke: etu/a 25 μιη - 1 OC) μπι) iulyl, bei dem es sich um einen fotosensitiven (lichtempfindlichen) Harzfilm handelt, der auf etwa 80 - 150 C° erhitzt ist und einen in Figur 2 gezeigten Querschnitt aufweist.

Der Fotoresist wird auf die Substratoberfläche 1A, die mit den Energie erzeugenden Elementen 2 verschen ist, mit einer Geschwindigkeit von 4 Fuß/min unter einem Druck von 1 bis 3 kg/cm² aufgebracht. Figur 2 B zeigt einen Schnitt entlang Linie X-X' in Figur 2 A. Der Trockenfilm-Fotoresist 3 wird somit unter Druckaufbringung mit der Substratoberfläche 1A verklebt und kann von dieser auch bei Aufbringung eines größeren äußeren Druckes nicht mehr abgezogen werden.

Wie man Figur 3 entnehmen kann, wird danach auf den auf der Substratoberfläche 1A vorgesehenen Trockenfilm-Foto·-

resist 3 eine Fotomaske 4 aufgebracht, die ein gewünschtes Muster 4 P aufweist, über eine über der Fotomaske 4 angeordnete Lichtquelle 7 findet in Richtung der gezeigten Pfeile eine Belichtung statt. Das Muster 4 P kann in ausreichender Weise den Bereich des Energie erzeugenden Elementes 2 auf dem Substrat 1 abdecken und läßt kein Licht durch.

Der Trockenfilm-Fotoresist 3 innerhalb des von dem Muster 4P abgedeckten Bereiches wird daher nicht belichtet.

Während dieses Vorganges ist es erforderlich/ in üblicher Weise die Lage des Energie erzeugenden Elementes 2 und des Musters 4 P entsprechend aufeinander abzustimmen. Das Muster 4P entspricht dem Flüssigkeitskanal und die Anordnung ist dabei so getroffen, daß das Element 2 im Flüssgkeitskanal angeordnet werden soll.

Nachdem in der vorstehend beschriebenen Weise belichtet worden ist, polymerisiert der außerhalb des Bereiches des Musters 4 P angeordnete Teil des Fotoresistes 3, wobei er aushärtet und unlöslich gegenüber Lösungsmitteln wird. Der nicht belichtete Teil des Fotoresistes härtet nicht aus und bleibt löslich gegenüber Lösungsmitteln.

Nach dem Belichtungsvorgang kann der Trockenfilm-Fotoresist 3 in ein flüchtiges organisches Lösungsmittel_y wie beispielsweise Trichloräthan eingetaucht werden, um den nicht polymerisierten (ungehärteten) Fotoresist zu lösen, so daß der ausgehärtete Fotoresist-Film 3H nur in den Bereichen außer dem Flüssigkeitskanal und dem Energie erzeugenden Element verbleibt (Figur 4). Danach wird zur Verbesserung der Lösungmittelwiderstandsfähigkeit des ausgehärteten Fotoresist-Filmes 3H, der auf dem Substrat 1 verbleibt, ein weiterer Här-

tungsvorgang durchgeführt/ vorzugsweise durch eine thermische Polymerisation (durch Erhitzen auf 130 bis 160⁰C über 10 bis 60 min), durch UV-Strahlung oder Kombinationen dieser Verfahren. 5

Das auf diese Weise hergestellte Zwischenprodukt ist in Figur 4 dargestellt. Als nächster Schritt wird die Oberfläche des ausgehärteten Fotoresist-Filmes 3H gesäubert und getrocknet, wonach ähnlich wie bei dem vorangehenden Schritt eine Laminierung mit einem Trockenfilm-Fotoresist 5 (Filmdicke; etwa 25 μπι 100 μΐη) , der auf etwa 80 - 15O⁰C erhitzt wurde, auf der Filmoberfläche 3H mit einer Geschwindigkeit von 0,5-4 f/min unter einem Druck von 0,1 kg/cm² oder weniger erfolgt (Figur 5). Durch diese weitere Laminierung des Trockenfilm-Fotoresistes auf dem ausgehärteten Film 3H soll spezielle Sorge dafür getragen werden, daß der Fotoresist 5 nicht in den Flüssigkeitskanal des energieerzeugenden Elementes 2 durchsacken kann. Da ein derartiges Durchsacken bei dem in Verbindung mit dem vorangehenden Schritt beschriebenen Laminationsdruck auftreten kann, wird dieser Druck auf 0,1 kg/cm² oder weniger eingestellt.

Gemäß einem anderen Verfahren kann das Verkleben unter Druck auch dadurch durchgeführt werden, daß die Druckklebeeinrichtung, beispielsweise ein Walzenpaar,vorher mit einem Abstand versehen wird, der der Dicke des Fotoresist-Filmes 3H entspricht. Der Trockenfilm-Fotoresist kann dadurch durch Druckeinwirkung mit dem ausgehärteten Film 3H verklebt werden. Auch durch Einwirkung von äußeren Drücken ist es danach unmöglich, den Film wieder abzuziehen.

Wie man Figur 6 entnehmen kann, wird nunmehr auf den neu aufgebrachten Trockenfilm-Fotoresist 5 eine Foto-

- 15 -

maske 6 mit einem gewünschten Muster 6 P aufgelegt, wonach eine Belichtung von oberhalb der Fotomaske 6 durchgeführt wird. Das Muster 6 P entspricht dem Bereich, der später die Ausstoßöffnung bildet und ist lichtundurchlässig. Der Trockenfilm-Fotoresist wird daher in dem vom Muster 6P abgedeckten Bereich nicht belichtet. Während dieses Vorganges ist es erforderlich, in üblicher Weise für eine Ausrichtung zwischen der Lage des Energie erzeugenden Elementes (das in den Figuren 5 und 6 weggelassen worden ist) und der Lage des Musters 6 P zu sorgen.

Wenn der Fotolack bzu/. -resist 5 in der vorstehend erläuterten Weise belichtet wird, polymerisiert der außerhalb des Musters 6 P befindliche Teil desselben aus, wobei er aushärtet und gegen Lösungsmittel unlöslich wird. Der nicht belichtete Teil des Fotoresistes 5 härtet nicht aus und bleibt gegenüber Lösungsmitteln löslich.

Nach dem Belichtungsvorgang kann der Trockenfilm-Fotoresist 5 in ein flüchtigtes organisches Lösungsmittel, wie beispielsweise Trichloräthan, eingetaucht werden, um den nicht polymerisierten (nicht ausgehärteten) Teil des Fotoresistes zu lösen. Auf diese Weise wird in dem ausgehärteten Fotoresist-Film 5H ein konkaver Abschnitt ausgebildet, der dem in den Figuren 7A und 7B gezeigten Muster 6 P entspricht (in Figur 7A ist das Energie erzeugende Element 2 weggelassen worden). Danach wird zur Verbesserung des Lösungs- mittelwiderstandes des ausgehärteten Fotoresist-Filmes 511, der auf dem darunter befindlichen Fotorosist-Film 3H verbleibt, ein weiterer Härtungsprozeß durchgeführt, vorzugsweise durch thermische Polymerisation (durch Erhitzen auf 130 bis 16O⁰C über 10 bis 60 min), durch UV-Strahlung oder durch Kombinationen dieser Verfahren.

Die am ausgehärteten Fotoresist-Film 5H ausgebildete Öffnung stellt somit einen Flüssigkeitsausstoß-Auslaß 7 dar. Die Herstellungsschrittö für den Aufzeichnungskopf werden vervollständigt, indem an den Flüssigkeitszuführeinlaß 8 ein Flüssigkeitszuführrohr angeschlossen wird.

Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform findet als Energie erzeugendes Element für die Tröpfchenbildung beispielsweise ein piezoelektrisches Element Verwendung. Dies stellt jedoch keine Begrenzung der Erfindung dar. Beispielsweise kann auch ein Element verwendet werden, das thermische Energie als Tröpfchenbildungsenergie erzeugt, wie es beispielsweise bei einem Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf Verwendung findet, der in den US-PS sen 4 243 994 und 4 251 824 beschrieben ist. Insbesondere in diesem Fall ist die schnelle Ausbildung von mehreren Öffnungen mit hoher Dichte möglich, bei der die erfindungsgemäße Lösung besonders vorteilhaft eingesetzt werden kann.

In Verbindung mit den Figuren 8 bis 1OB wird nunmehr die zweite bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopfes beschrieben.

Wie Figur 8 zeigt, sind Heizelemente 202, wie beispielsweise elektrothermische Wandler, in einer zweidimensionalen 3x3 Matrix auf einem geeigneten Substrat, beispielsweise aus Glas, Kunststoff, Keramik, Silizium oder Metall, angeordnet. Ein derartiges Element 202 erzeugt einen Flüssigkeitsausstoßdruck, indem es die Flüssigkeit in seiner Nähe erhitzt. Obgleich dies nicht in der Zeichnung dargestellt ist, sind Elektroden zur Eingabe von Signalen an die Heizelemente 202 angeschlossen. Für diesen Fall kann als Anschlußverfahren das in neuerer Zeit in der Halbleiterindustrie eingesetzte Mehrschicht-Verdrahtungs-

verfahren verwendet werden, bei dem elektrisch isolierende Filme, wie beispielsweise aus SiO„, Si-,Ν. Polyimid etc.,und elektrisch leitende Filme, beispielsweise aus Al, Au etc. abwechselnd angeordnet werden, um die elektrisch leitenden Filme durch fotolithografische Techniken herzustellen und ein gewünschtes Anschlußmuster zu erreichen.

Wie man Figur 9 entnehmen kann, werden als nächstes Elemente 203 und 205 zur Ausbildung von Flüssigkeitskammern 208 auf dem Substrat 201 angeordnet. Die Elemente 203 und 205 können aus Glas, Kunststoff oder Metall geschnitten und mit einem Kleber aufgebracht werden. Wenn der Kunststoff ein thermoplastisches Harz ist, können die Teile auch unter Hitzeanwendung miteinander verschweißt werden. Die Elemente 203 bilden Barrieren um andere Segmente (durch Wärme wirkende Teile) von der Beeinflussung durch Stoßwellen zu schützen, die erzeugt werden, wenn ein Heizelement 202 auf die Flüssigkeit einwirkt, um diese durch die Ausstoßöffnung 207 abzugeben. Ferner dienen die Elemente zum Tragen der Öffnungsplatte, die im nächsten Schritt aufgebracht wird. Durch Anordnung der Elemente

203 können die Entfernungen zwischen den entsprechenden Heizelementen und den entsprechenden Öffnungen in einfacher Weise gleichmäßig gestaltet werden. Obwohl dies nicht in der Zeichnung dargestellt ist, sind Flüssigkeits (Tinten)-Zuführrohre an die Flüssigkeitseinlässe

204 angeschlossen. Die Flüssigkeitskammer 208 wird durch die Elemente 203 in kleine Einheiten unterteilt, in denen Wärmeaufbringungsabschnitte 208-1 bis 208-9 ausgebildet sind. Jeder Wärmeaufbringungsabschnitt ist mit jeweils einem Heizelement versehen, die unabhängig voneinander betrieben werden. Wie man den Figuren 10A und 10B entnehmen kann, wird als nächstes eine öffnungsplatte 206 mit dem mit den Elementen 203 und 205 versehenen Substrat 201 verbunden. Eine solche Öffnungsplatte 206 ist mit

Öffnungen 207 versehen, die durch Schneiden von Glas, Metall oder Silicium, wonach eine Fotoätzung folgt,oder durch Elektroformeh bei Metall, hergestellt werden. Die einfachste Methode zum Verbinden ist Ver~ kleben mit einem Kleber oder Verkleben unter Druck mit Hilfe von Schrauben. Die erforderliche Ausrichtung zwischen den Öffnungen 207 und den entsprechenden Heizelementen 202 wird in üblicher Weise durchgeführt, so daß sich die entsprechenden Teile gegenüberliegen.

Zusätzlich zu dem vorstehend beschriebenen Herstellungsverfahren des Aufzeichnungskopfes nach der zweiten Ausführungsform ist es auch möglich, Aufzeichnungsköpfe guter Produktivität durch Verwendung von Elementen herzustellen, bei denen die Elemente 203, 205 und die öffnungsplatte 206 nicht als getrennte Teile, wie in den Figuren 9, 10A und 10B gezeigt, ausgebildet sind, sondern eine einstückige Einheit bilden. Als Beispiel für ein derartiges Herstellungsverfahren kann ein Verfahren erwähnt werden, bei dem die gewünschten konkavkonvexen Abschnitte durch Fotoätzung auf einem Substrat, beispielsweise aus Glas, Metall, Silicium etc. vorgesehen werden, um Raum für die Flüssigkeitskammern zu schaffen, wonach die Heizelemente in entsprechende Wärmeeinwirkungsabschnitte eingesetzt werden, die durch Aufteilung der Flüssigkeitskammern hergestellt werden, und wonach eine mit Öffnungen versehene Platte mit dem Substrat verklebt wird.

In den Figuren 11 bis 15B ist der Aufbau eines dritten bevorzugten Ausführungsbeispiels eines Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopfes in Verbindung mit den entsprechenden Herstellungsschritten dargestellt.

Wie man Figur 11 entnehmen kann, wird als erstes eine geeignete Anzahl (in der Zeichnung 9) von Energie er-

zeugenden Elementen 302, wie beispielsweise Heizelementen oder piezoelektrischen Elementen etc., die die für den Flüssigkeitsausstoß erforderliche Energie erzeugen, auf einem geeigneten Substrat 301, beispielsweise aus Glas, Keramik, Kunststoff oder Metall, angeordnet. Wenn beispielsweise Heizelemente als Energie erzeugende Elemente 302 eingesetzt werden, erhitzen diese die Tinte in ihrer Umgebung und erzeugen auf diese Weise die erforderliche Ausstoßenergie in der Form eines Ausstoßdruckes. Wenn auf der anderen Seite piezoelektrische Elemente verwendet werden, wird der Ausstoßdruck durch mechanische Verschiebung der Elemente erzeugt. Obwohl dies in der Zeichnung nicht dargestellt ist, sind an die Heizelemente 302 Elektroden zur Eingabe von Signalen angeschlossen. Als Anschlußverfahren kann man in diesem Fall das in neuerer Zeit in der Halbleiterindustrie eingesetzte Mehrschicht-Verdrahtungsverfahren verwenden, bei dem elektrisch-isolierende Filme, beispielsweise aus SiO₂, Si-N.,Polyimid etc.»Und elektrisch-leitende Filme, beispielsweise aus Al, Au etc.,abwechselnd angeordnet werden, wobei die elektrisch leitenden Filme durch fotolithografische Techniken so bearbeitet werden, daß ein gewünschtes Leitermuster entsteht. Als nächstes wird die mit den Energie erzeugenden Elementen 302 versehene Oberfläche des Substrates 301 gesäubert und getrocknet, wonach auf die Oberfläche ein Trockenfilm-Fotoresist 303 (Filmdicke: etwa 25 μΐπ - 100 μΐη) auflaminiert wird, bei dem es sich um einen lichtempfindlichen Harzfilm handelt, der auf etwa 80 >· 150⁰C erhitzt worden ist und einen in Figur 12 dargestellten Querschnitt aufweist.

Der Film wird auf die mit den Energie erzeugenden Elementen 302 versehene Substratoberfläche 301 A mit einer Geschwindigkeit von 0,5-4 f/min unter einem Druck von 1 -3 kg/cm² aufgebracht (Figuren 12 A und 12 B). Figur 12 B zeigt einen Schnitt durch Figur 12 A entlang der Linie X-X¹.

Der Trocken-Fotolackschicht bzw. der Trockenfilm-Fotoresist 303 wird somit unter Druckaufbringung mit der Substratoberfläche 301A verklebt und kann von dieser Substratoberfläche auch bei Einwirkung von größeren Drücken nicht mehr abgezogen werden.

Wie in Figur 13 dargestellt ist, wird danach auf den auf der Substratoberfläche 301 vorgesehenen Trockenfilm-Fotoresist 303 eine Fotomaske 304 aufgebracht, die ein geeignetes Muster 304 P aufweist. Danach wird mittels einer über der Fotomaske 304 ange-· ordneten Lichtquelle 305 belichtet. Das Muster 30 4 P entspricht dem Bereich zur Ausbildung des Tinteneinlasses, der Tintenkammer und der Energieaufbringungsabschnitte, die nachher durch Aufteilung der Flüssigkeitskammer für die entsprechenden Energie erzeugenden Elemente 302 vorgesehen werden. Das Muster 304 P ist lichtundurchlässig. Der Teil des Trockenfilm-Fotoresistes 30 3, der durch das Muster 304 P abgedeckt wird, wird daher nicht belichtet. Während dieses Vorganges ist es erforderlich, die Positionen der Energie erzeugenden Elemente 30 2 und die des Musters 304 P in üblicher Weise in Übereinstimmung zu bringen. Dabei muß mindestens dafür Sorge getragen werden, daß die Heizelemente 302 innerhalb der Energieaufbringungsabschnitte der Flüssigkeitskammern, die nachher ausgebildet werden, angeordnet werden.

Nachdem mit Hilfe der Lichtquelle 305 eine Belichtung durchgeführt worden ist, polymerisiert der außerhalb des Musters 304 P befindliche Teil des Fotoresistes 303 und härtet aus und wird unlöslich gegenüber Lösungsmitteln. Der nicht belichtete Teil des Fotoresistes 303 härtet nicht aus und bleibt löslich gegenüber Lösungsmitteln.

Nach dem Belichtungsvorgang kann der Trockenfilm-Fotoresist 3 in ein flüchtiges organisches Lösungsmittel, wie beispielsweise Trichloräthan, eingetaucht werden, um den nicht polymerisierten (nicht gehärteten) Teil des Fotoresistes zu lösen, so daß nach dem Muster 304 P konkave Abschnitte (Energieaufbringungsabschnitte) mit Ausnahme des ausgehärteten Fotoresist-Filmes 303H gebildet werden, wie in Figur 14A gezeigt ist. Danach wird zur Verbesserung des Lösungsmittelwiderstandes des ausgehärteten Fotoresist-Filmes 303 H, der auf dem Substrat 301 verbleibt, dieser weiter ausgehärtet, vorzugsweise durch thermische Polymerisation (durch Erhitzen auf 130 bis 160⁰C über 10 bis 60 min), durch UV-Strahlung oder durch Kombinationen dieser Verfahren.

Von den auf diese Weise auf dem ausgehärteten Fotoresist-Film 303 H ausgebildeten konkaven Abschnitten entspricht der Abschnitt 306-1 dem Tinteneinlaß im fertigen Aufzeichnungskopf, während der Abschnitt 306-2 dem Energieaufbringungsabschnitt entspricht. Figur 14B zeigt einen Querschnitt durch Figur 14A entlang Linie Y-Y'.

Nach den vorstehend beschriebenen Schritten wird eine Platte 307, die mit öffnungen 309 versehen ist, auf die Oberfläche des mit den Vertiefungen zur Ausbildung des Tinteneinlasses 306-1 und der Energieaufbringungsabschnitte 306-2 versehenen Substrates 301 auflaminiert, wie in den Figuren 15A und 15B gezeigt. Figur 15B ist ein Teilquerschnitt durch Figur 15A entlang Linie Z-Z¹.

Hierzu können beispielsweise folgende Verfahren Anwendung finden:

(1) Eine flache Platte aus Glas, Keramik/ Metall oder Kunststoff wird mit einem Epoxidharz-Kleber bis zu einer Dicke von 3 ·■ 4 μΐη schleuderbeschichtet/ wonach ein Vorhärtungsvorgang erfolgt, um den Kleber zu dem

sogenannten B-Stadium auszuhärten. Danach.werden durch mechanische Perforation nach dem gleichen Muster wie die Energie erzeugenden Elemente öffnungen (Ausstoßöffnungen) 309 ausgebildet. Die Platte wird auf dem Fotoresist-Film 303 H angeordnet. Dabei werden diese öffnungen so ausgerichtet, daß sie den Energie erzeugenden Elementen entsprechen, wonach der Kleber vollständig ausgehärtet wird.

(2) Wenn eine Öffnungsplatte verwendet wird, die durch Fotoätzung auf Metall, Silicium oder Glas hergestellte Öffnungen aufweist, oder wenn eine insbesondere durch Elektroformen ausgebildete Öffnungsplatte Verwendung findet, kann die Verbindung in ähnlicher Weise wie vorstehend beschrieben durch Aushärten des Klebers in das B-Stadium erfolgen.

(3) Eine flache Platte aus einem thermoplastischem Harz, wie beispielsweise Acrylharz, ABS oder Polyäthylen, kann mit mechanisch ausgebildeten öffnungen versehen und danach unmittelbar durch Verschweißen unter Wärmeeinwirkung auf den Fotoresist-Film 303 H aufgebracht werden.

(4) Das am meisten empfehlenswerte Verfahren zur Ausbildung und Aufbringung der Öffnungsplatte besteht darin, daß der Trockenfilm-Fotoresist in ähnlicher Weise verwendet wird, wie bei der Herstellung der Flüssigkeits-kammer und der Energieaufbringungsabschnitte, die durch Aufteilung der Flüssigkeitskammer hergestellt werden, wie vorstehend beschrieben. Bei diesem Verfahren wird die Oberfläche 303 H des ausgehärteten Fotoresist-Filmes (siehe Figur 14A) gesäubert und getrocknet, wonach ähnlich wie bei dem vorstehenden Schritt ein Trockenfilm-Fotoresist 305 (Filmdicke: etwa 25 - 100 μπι) , der auf etwa 80 - 150⁰C erhitzt ist, auf die Filmoberfläche 303 H

mit einer- Geschwindigkeit von 0,5 - 4 f/min unter einem Druck von 0,1 kg/cm² oder weniger aufgebracht wird. Figur 14 B zeigt einen Querschnitt durch Figur 14 A entlang Linie Y-Y¹. Beim Auflaminieren des Trockenfilm-Fotoresistes 305 auf die Oberfläche 303 H des ausgehärteten Fotoresist-Filmes muß spezielle Sorge dafür getragen u/erden, daß der Fotolack bzu/. Fotoresist. 305 nicht in Richtung auf die Fensteröffnung des Energie erzeugenden Elementes 302 durchsackt. Da ein derartiges Durchsacken bei einem in dem vorangehenden Schritt eingesetzten Laminationsdruck stattfinden kann, wird der Laminationsdruck auf 0,1 kg/cm² oder weniger eingestellt.

Nach einem anderen Verfahren kann das Verkleben unter Druckeinwirkung durchgeführt werden, indem die Druckklebeeinrichtungen, beispielsweise ein Walzenpaar, vorher mit einem Abstand versehen werden, der der Dicke des Fotoresist-Filmes 303H entspricht. Der Trockenfilm-Foto-• resist 305 kann somit unter Druckeinwirkung mit der ausgehärteten Filmoberfläche 303 H verklebt werden, wobei ein nachträgliches Abziehen durch Aufbringung von äußeren Drücken unmöglich gemacht wird.

Wie in Figur 17 gezeigt ist, wird als nächstes auf den aufgebrachten Trockenfilm-Fotoresist 305 eine Fotomaske 306 mit einem geeigneten Muster 306 P aufgebracht, wonach von oberhalb der Fotomaske 30 6 belichtet wird. Das Muster 306P entspricht demjenigen Bereich, der später die Ausstoßöffnung bildet und ist lichtundurchlässxg. Derjenige Teil des Trockenfilm-Fotoresistes 305, der von dem Muster 306 P abgedeckt wird, wird daher nicht belichtet- Während dieses Vorganges ist es erforderlich, die Lage des Energie erzeugenden Elementes 302 und die des Musters 306P zueinander auszurichten, was in üblicher Weise geschehen kann. 35

' - 24 -

Wenn der Fotoresist 305 belichtet wird, polymerisiert der außerhalb des Musters 306 P,befindliche Teil, härtet dabei aus und wird gegen Lösungsmittel unlöslich. Der nicht belichtete Teil des Fotoresistes 305 härtet nicht aus und bleibt in einem löslichen Zustand.

Nach der Belichtung kann der Trockenfilm-Fotoresist 30 in ein flüchtiges organisches Lösungsmittel, wie beispielsweise Trichloräthan eingetaucht werden, um den nicht polymerisierten (nicht ausgehärteten) Teil des Fotoresistes zu lösen, so daß auf diese Weise auf dem ausgehärteten Fotoresist-Film 305 H eine Tintenausstoßöffnung 309 ausgebildet wird, die dem Muster 306 P entspricht, wie in den Figuren 1 8A und 18B gezeigt ist.

Um den Lösungsmittelwiderstand des ausgehärteten Fotoresist-Filmes 305 H, der auf dem Fotoresist-Film 303H verbleibt, zu verbessern, wird dieser einem weiteren Aushär.tungsvorgang unterzogen, vorzugsweise durch thermische Polymerisation (durch Erhitzen auf 130 bis 160⁰C über 10 bis 60 min), durch UV-Strahlung oder durch Kombinationen dieser Verfahren.

Durch Ausbildung der öffnung (Tintenausstoßöffnung) mit dem ausgehärteten Fotoresist-Film 305 H ist somit¹ der Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf vervollständigt.

Zusammengefaßt lassen sich mit dem erfindungsgemäß ausgebildeten Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf die nachfolgenden Vorteile erreichen:
30

1.) Da der Hauptschritt der Herstellung des Kopfes auf fotolithografischen Techniken basiert, kann die Ausbildung von kleinen Teilen des Kopfes in äußerst einfacher Weise mit einem gewünschten Muster erfolgen. Darüber hinaus ist es möglich., eine Anzahl von Aufzeichnungsköpfen·der gleichen Form zur gleichen Zeit herzustellen.

2.) Durch eine relativ geringe Anzahl von Herstellungsschritten kann eine gute'Produktivität erzielt

werden..
5

3,) Die Ausrichtung der Hauptteile zueinander kann in einfacher und sicherer Weise erfolgen, so daß sich Aufzeichnungsköpfe mit einer hohen Dimensionsgenauigkeit mit guter Ausbeute herstellen lassen.

4.) Ein Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf mit mehreren Öffnungen und einer hohen Dichte kann durch ein

einfaches Verfahren hergestellt werden. 15

5,) Es ist eine kontinuierliche Produktion und Massenproduktion möglich.

6.) Da kein Ätzmittel(beispielsweise starke Säuren, wie Fluorwasserstoffsäure) verwendet werden muß, ist das Verfahren äußerst sicher und hygienisch.

7.) Es wird im wesentlichen kein Kleber benötigt, so daß keine Gefahr eines Verstopfens der Rillen durch Ausfließen des Klebers oder Anhaften des Klebers am Energie erzeugenden Element gegeben ist, was die Funktionsweise des Aufzeichnungskopfes beeinträchtigen könnte.

8.) Da die kleinen Hauptteile des Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopfes durch fotolithografische Techniken hergestellt werden, die in einem sauberen Raum durchgeführt werden, wie er normalerweise in der Halbleiterindustrie Verwendung findet, kann das

Eindringen von Staub in die inneren Abschnitte der Tintenkanäle während des Zusammenbaues des Aufzeichnungskopfes minimal gehalten werden.

Erfindungsgemäß wird somit ein Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf geschaffen, der eine Ausstoßöffnung für eine Flüssigkeit zur Ausbildung von Flüssigkeitströpfchen, einen gekrümmten Flüssigkeitskanal, einen Energieaufbringungsabschnitt, der mindestens einen Teil des Flüssigkeitskanales bildet und in dem auf die den Flüssigkeitskanal füllende Flüssigkeit Energie zur Tröpfchenbildung einwirkt,und ein Element zur Erzeugung der Tröpfchenbildungsenergie, die auf die den Energieaufbringungsabschnitt füllende Flüssigkeit übertragen wird, aufweist. Der Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf ist ferner dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptteil der Wandfläche des Flüssigkeitskanales aus einem ausgehärteten lichtempfindlichen Harz besteht.

Claims

TeDTKE - BüHLING - :ΚίΝΝΕ:"V/ .^ -'./-SSSSA JJj,

Gr» /*.*"·*' '·"" ^: " Dipl.-Ing. H.Tiedtke f

RUPE - nELLMANN.- V3RAMS Dipl.-Chem. G. Bühling

Dipl.-Ing. R. Kinne Dipl.-Ing. R Grupe Dipl.-Ing. B. Pellmann 5578 Dipl.-Ing. K. Grams

Bavariaring 4, Postfach 20 24OC 8000 München 2

Tel.:089-539653

Telex: 5-24 845 tipat

cable: Germaniapatent Münchei

8. Juli 1982 DE 2292

Patentansprüche

.AFlüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf, gekenn-

durch eine Ausstoßöffnung zur Bildung von fliegenden Flüssigkeitströpfchen beim Ausstoßen einer Flüssigkeit, einen gekrümmten Flüssigkeitskanal, einen Energieaufbringungsabschnitt, der mindestens einen Teil des Flüssigkeitskanals bildet und in dem die den Flüssigkeitskanal füllende Flüssigkeit der Einwirkung von Energie zur Tröpfchenbildung ausgesetzt ist, und ein Element zur Erzeugung der auf die den Energieaufbringungsabschnitt füllende Flüssigkeit zu übertragenden Tröpfchenbildungsenergie, u/obei der Hauptteil der Wandfläche des Flüssigkeitskanals aus einem ausgehärteten lichtempfindlichen Harz (3H) besteht.

2. Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausstoßöffnung (7) an dem Energieaufbringungsabschnitt vorgesehen ist.

3. Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf nach Anspruch l_t dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Energieaufbringungsabschnitten vorgesehen ist.

4. Fl üi5sigkeitsstrahl-Auf zeichnungskopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausstößöffnungen (7) an den Lnergieaufbringungsabschnitten vorgesehen sind.

Dresdner Bank (München) KIo 3 939 844 Bayer Vereinsbank (München) KIo 506 941 Postscheck (München) KIo. 670-43-804

/ä

5. Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Energie erzeugende Element ein Heizelement (202) ist.

6. Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf nach

Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Energieaufbringungsabschnitt auf dem Weg des Flüssigkeitskanals vorgesehen ist.

7. Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit aus zwei Richtungen dem Energieaufbringungsabschnitt zugeführt u/ird.

8. Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit durch das Durchlaufen des Energieaufbringungsabschnittes in einen strömenden Zustand versetzt u/ird. .

9. Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die entsprechenden Energieaufbringungsabschnitte mit einem gemeinsamen Flüssigkeitszuführkanal in Verbindung stehen.

10. Flüssigkei tsstrahl-Au fz ei c hnungskopf, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Ausstoßöffnungen zur Bildung von fliegenden Flüssigkeitströpfchen beim Ausstoßen einer Flüssigkeit, eine Flüssigkeitskamrner, die

mindestens einen Flussigkeitseinlaß zur Zuführung der 30

Flüssigkeit aufweist und mit jeder Ausstoßöffnung in Verbindung steht, und eine Vielzahl von in der Flütssigkeitskammer für entsprechende Ausstoßöffnungen vorgesehenen zur Erzeugung von Wärmeenergie dienenden Heizelementen (202, 302), die so angeordnet sind, daß sie in Richtung auf die entsprechenden AusstoOöffnungen (7)

weisen, wobei die Flussigkeitstropfehen dadurch gebildet werden, daß die von den Heizelementen (202, 302) erzeugte Wärmeenergie auf die Flüssigkeit einwirkt, so daß eine Flüssigkeitsausstoßkraft erzeugt wird.

11. Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitskainmer (208) zweidimensional in AbtcJ Ie aufgeteiJt ist, deren Anzahl der der Heizelemente (302) entspricht.

12. Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Flüssigkeitskammern (208) vorgesehen ist.

13. Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Ausstoßöffnungen zur Bildung von fliegenden Flüssigkeitströpfchen beim Ausstoßen einer Flüssigkeit, eine Flüssigkeitskammer, die mindestens einen Flüssigkeitseinlaß zur Zuführung der .

Flüssigkeit aufweist und mit jeder Ausstoßöffnung in Verbindung steht, und eine Vielzahl von in der Flüssigkeitskammer für die jeweiligen Ausstoßöffnungen vorgesehenen und zur Erzeugung einer Tröpfchenbildungsenergie

dienenden Elementen (202, 302), die so angeordnet sind, daß 25

sie in Richtung auf die entsprechenden Auss toßö f f nungeri

(7) weisen, wobei mindestens ein Teil der Wandfläche der Flüssigkeitskatnmer (208) aus einem ausgehärteten, lichtempfindlichen Harz besteht..

14. Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitskammer (208) zweidimendiona1 in Abteile aufgeteilt ist, deren Anzahl der der Energie erzeugenden Elemente

op- (302) entspricht.

15. Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf nach Anspruch 13, dadurch gekenn-zeichnet, daß eine Vielzahl von Flüssigkeitskammern (208) vorgesehen ist.