DE3321308C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Tintenstrahlaufzeichnungskopfes, der kleine Tintentropfen erzeugt, die bei einem Tintenstrahlaufzeichnungssystem Verwendung finden sollen.

Derartige für Tintenstrahlaufzeichnungssysteme eingesetzte Aufzeichnungsköpfe sind üblicherweise mit kleinen Tintenabgabeöffnungen, Tintenkanälen und einem Abschnitt zur Erzeugung eines Tintenausstoßdruckes versehen, der sich an einem Teil des Tintenkanales befindet.

In bezug auf die Herstellung von derartigen Tintenstrahlaufzeichnungsköpfen ist beispielsweise ein Verfahren bekannt, bei dem kleine Vertiefungen durch Bohren oder Ätzen auf einer Glas- oder Metallplatte hergestellt werden, wonach die mit den Vertiefungen versehene Platte mit einer geeigneten Platte verbunden wird, um Tintenkanäle auszubilden.

Bei nach einem derartigen Verfahren des Standes der Technik hergestellten Köpfen können jedoch die Innenwände der Tintenkanäle infolge der Bearbeitung oder infolge von Verwerfungen, die auf einen unterschiedlichen Ätzungsgrad zurückgehen, sehr grob ausgebildet sein, so daß Tintenkanäle mit hoher Genauigkeit kaum hergestellt werden können. Derartige Tintenstrahlaufzeichnungsköpfe besitzen daher sehr häufig einen streuenden Tintenausstoß. Auch läßt sich bei der Bearbeitung ein Abplatzen der Platte bzw. die Ausbildung von Rissen nicht vermeiden, so daß eine schlechte Ausbeute erzielbar ist. Zur Durchführung des Ätzens ist eine große Anzahl von Verfahrensschritten erforderlich, die mit einem Anstieg der Kosten verbunden sind. Darüber hinaus haben die Verfahren des Standes der Technik den gemeinsamen Nachteil, daß es bei der Laminierung einer eingravierten Platte, die mit ausgebildeten Tintenkanälen versehen ist, und einer Deckplatte, die Antriebselemente, beispielsweise piezoelektrische Elemente bzw. wärmeerzeugende Elemente zur Erzeugung von auf die Tinte einwirkender Energie aufweist, schwierig ist, eine Ausrichtung der Platten mit hoher Genauigkeit durchzuführen, so daß die Verfahren nicht für eine Massenproduktion geeignet sind.

Zur Überwindung dieser Nachteile wurde ein neuartiges Verfahren zur Herstellung von Tintenstrahlaufzeichnungsköpfen vorgeschlagen. Hierbei werden auf einem Substrat, das mit Elementen zur Erzeugung des Tintenausstoßdruckes versehen ist, Tintenkanalwände ausgebildet, die aus einem ausgehärteten Film eines lichtempfindlichen Harzes bestehen. Danach wird eine Abdeckung auf die Tintenkanäle aufgebracht. Dieses Verfahren ist in der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. 43 876/1982 beschrieben (Patents Abstracts of Japan, M-139, 30. Juni 1982, Vol. 6, Nr. 117).

Mit einem derartigen Tintenstrahlaufzeichnungskopf, der mit Hilfe eines ausgehärteten Filmes eines lichtempfindlichen Harzes hergestellt wird, können die Nachteile der Tintenstrahlaufzeichnungsköpfe des Standes der Technik, nämlich eine geringe Genauigkeit der fertigen Tintenkanäle, komplizierte Verfahrensschritte und eine niedrige Ausbeute, überwunden werden. Infolge der nicht so hohen Haftfestigkeit zwischen dem Substrat, auf dem die Elemente zur Erzeugung des Tintenausstoßdruckes angeordnet sind, und den Tintenkanalwänden, die aus einem ausgehärteten Film eines lichtempfindlichen Harzes bestehen, schrumpft jedoch beim Aufbringen eines lichtempfindlichen Harzfilmes als Abdeckung über die Tintenkanalwände diese Abdeckung beim Aushärten, so daß die Tintenkanalwände in die Schrumpfrichtung der Abdeckung mitgezogen werden, bis sie sich vom Substrat abtrennen. Selbst wenn eine ausreichende Haftfestigkeit zwischen den Tintenkanalwänden und dem Substrat vorhanden ist, besteht der Nachteil, daß die Tintenkanalwände in Schrumpfrichtung der Abdeckung mitgezogen werden, so daß die Tintenkanalwände nicht die gewünschte Form erhalten.

In der DE-OS 31 08 206 wird ein Verfahren zur Herstellung eines Tintenstrahlkopfes beschrieben, das darin besteht, daß auf einem Substrat eine Schicht aus einer fotoempfindlichen Masse gebildet wird, um gemäß einem vorbestimmten Muster in der Schicht ausgehärtete Bereiche zu erzeugen und aus der Schicht die nicht ausgehärtete Masse zu entfernen, um damit jeweils an der Oberfläche des Substrats eine die Tintenströmungsbahn bildende Nut bzw. mehrere derartige Nuten zu bilden, die als Tintenkanäle dienen. Die ausgehärtete mit Nuten versehene Schicht wird im Hinblick auf eine Steigerung seiner Lösungsmittel-Widerstandsfähigkeit danach einer weiteren Aushärtungs-Behandlung unterzogen. Diese weitere Aushärtungs-Behandlung kann dadurch erfolgen, daß die Schicht einer thermischen Polymerisierung, einer UV-Bestrahlung oder einer Kombination aus diesen beiden Behandlungsarten unterzogen wird.

Eine für die Abdeckung der Tintenkanäle vorgesehene ebene Platte 7 kann mittels eines Klebemittels fest an der mit Nuten versehenen Schicht angeklebt werden. Bei Verwendung eines Klebers tritt jedoch nicht nur ein Schrumpfen des Klebers auf, sondern der Kleber kann auch in die Tintenkanäle fließen und diese verstopfen, wodurch die Ausbeute absinkt. Alternativ wird diese ebene Platte, wenn sie aus thermoplastischem Harz wie Acrylharz, ABS-Harz, Polyethylen oder dergl. besteht, in Schmelzverbindung mit der ausgehärteten, mit Nuten versehenen Schicht gebracht. Mit dieser bekannten Verfahrensweise können jedoch Tintenkanäle noch nicht mit ausreichend hoher Genauigkeit und Zuverlässigkeit bei guter Haltbarkeit hergestellt werden, da eine Schmelzverbindung leicht zu einer Verzerrung der Anordnung führt. Beide Verfahrensweisen zum Verbinden der Platte mit der mit Nuten versehenen Schicht sind darüber hinaus zeitaufwendig.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Tintenstrahlaufzeichnungskopfes gemäß Oberbegriff von Anspruch 1 derart zu verbessern, daß sehr kleine Tintenkanäle mit guter Genauigkeit, zuverlässig und in gewünschter Form sowie ausgezeichneter Haltbarkeit in kürzerer Zeit hergestellt werden können.

Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung im einzelnen erläutert. Dabei können sämtliche gezeigten und beschriebenen Teile von erfindungswesentlicher Bedeutung sein. Es zeigt

die Fig. 1 bis 7 in schematischer Weise die einzelnen Verfahrensschritte eines Verfahrens zur Herstellung eines Tintenstrahlaufzeichnungskopfes.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Verfahrensschritt werden Elemente 2 zur Erzeugung eines Tintenausstoßdruckes, beispielsweise wärmeerzeugende Elemente oder piezoelektrische Elemente, in einer gewünschten Anzahl auf einem Substrat 1 aus Glas, Keramik, Kunststoff, Metall o. ä. angeordnet. Falls gewünscht, kann eine Dünnfilmbeschichtung 3, beispielsweise aus SiO₂, Ta₂O₅, Glas etc. aufgebracht werden, um eine elektrische Isolierung vorzusehen bzw. das Widerstandsvermögen zu erhöhen. An die Elemente 2 werden Elektroden zur Eingabe von Signalen angeschlossen, obwohl dies in der Zeichnung nicht dargestellt ist.

In dem darauffolgenden, in Fig. 2 gezeigten Schritt wird die Oberfläche des Dünnfilmes 3 auf dem Substrat 1, der durch den in Fig. 1 dargestellten Schritt erhalten worden ist, gereinigt und getrocknet, wonach ein Trockenfilm/Fotoresist 4 (Filmdicke: etwa 25 µm bis 100 µm), der auf etwa 80 bis 105°C erhitzt wird, mit einer Geschwindigkeit von 0,15-1,22 m/min unter einem Druck von 0,98 bis 2,94 bar auf die Dünnfilmschicht 3 auflaminiert wird. Hierdurch wird der Trockenfilm/Fotoresist 4 mit der Dünnfilmschicht 3 verschmolzen. Nachdem eine Fotomaske 5, die ein gewünschtes Muster aufweist, auf den auf der Substratoberfläche angeordneten Trockenfilm/Fotoresist 4 aufgebracht wurde, wird als nächster Schritt, wie in Fig. 2 gezeigt, von oberhalb der Fotomaske 5 eine Belichtung durchgeführt. Hierbei ist es erforderlich, daß die Position, in der das Element 2 zur Erzeugung des Tintenausstoßdruckes angeordnet werden soll, in Übereinstimmung mit der Lage des vorstehend erwähnten Musters gehalten wird, was auf übliche Weise geschehen kann.

In Fig. 3 ist der Verfahrensschritt gezeigt, bei dem der nicht belichtete Abschnitt des Trockenfilm/Fotoresists 4 durch Auflösung mit Hilfe eines Entwicklers, der ein bestimmtes organisches Lösungsmittel umfaßt, wie beispielsweise Trichloräthan etc., entfernt wird, unter gleichzeitiger Ausbildung der Vertiefungen 7. Der nach diesem Schritt auf dem Substrat verbleibende Trockenfilm/Fotoresist besitzt ein Resthaftungsvermögen, da keine ausreichende Polymerisation durchgeführt worden ist.

In Fig. 4 ist gezeigt, wie der Trockenfilm/Fotoresist 4 P durch Wärmeeinwirkung ausgehärtet wird (d. h. durch Erhitzen auf 130°C bis 250°C über 30 Minuten bis 6 Stunden), während ein Druck auf eine flache Platte 6 aufgebracht wird. Besteht die Platte 6 aus einem UV-Strahlen durchlässigen Material (d. h. Glas), so kann wahlweise zur vorgenannten Wärmeeinwirkung das Material einer UV-Strahlung (d. h. mit einer integrierten Dosierung von 1-20 w/cm²) ausgesetzt werden, um den Polymerisationsvorgang, d. h. das Aushärten des Trockenfilm/Fotoresists (das Hauptaushärten) zu vervollständigen um damit die als Abdeckung dienende flache Platte 6 über den Tintenkanälen 7 zu fixieren.

Als Material für die flache Platte 6, werden transparentes Glas mit hoher UV-Durchlässigkeit, Phenolharz, Acrylharz etc. vorgezogen, da diese Materialien mittels Fotopolymerisation einer Nachaushärtungsbehandlung unterzogen werden können. Wenn jedoch die Tinte selbst eine Zusammensetzung besitzt, die das lichtempfindliche Harz nur wenig beeinflußt (d. h. eine Tinte, die in erster Linie aus Wasser besteht), oder wenn das lichtempfindliche Harz durch thermische Polymerisation nachausgehärtet wird, kann die Nachaushärtungsbehandlung durch Wärmebehandlung auch mit Hilfe von Metallen, Keramikmaterialien etc. als Abdeckung durchgeführt werden. Das Material der Abdeckung ist daher keinen Begrenzungen unterworfen, sondern es können verschiedenartige Materialien Verwendung finden, wobei eine bequeme Herstellung, Wirtschaftlichkeit oder Dimensionsbeständigkeit Berücksichtigung finden können.

Dadurch, daß eine als Abdeckung über den Tintenkanälen dienende flache Platte 6 in Druckkontakt gegen den halbausgehärteten Trockenfilm/Fotoresist gehalten wird, kann die Oberfläche der flachen Platte 6 in wirksamer Weise vorher aufgerauht werden, um die Haftfestigkeit zwischen der flachen Platte und dem Trockenfilm/Fotoresist zu erhöhen. Wenn ein anorganisches Material (d. h. Glas, Quarz etc.) für die als Abdeckung dienende flache Platte verwendet wird, kann die Oberfläche der flachen Platte 6 in wirksamer Weise mit einem Silan-Kopplungsmittel behandelt werden.

Fig. 5 ist eine schematische perspektivische Ansicht des Kopfes, nachdem der in Fig. 4 beschriebene Schritt beendet worden ist. In Fig. 5 sind mit 7-1 eine Tintenzuführkammer, mit 7-2 enge Tintenkanäle und mit 8 Durchgangslöcher zum Anschluß der in der Zeichnung nicht gezeigten Tintenzuführrohre an die Tintenzuführkammer 7-1 bezeichnet.

Nach Beendigung des Haftvorganges zwischen dem mit den Vertiefungen versehenen Substrat und der flachen Platte wird das miteinander verbundene Segment entlang Linie C-C′ zerschnitten, wie in Fig. 5 gezeigt. Dies wird durchgeführt, um eine Optimierung des Intervalls zwischen dem Element 2 zur Erzeugung des Tintenausstoßdruckes und der Tintenausstoßöffnung 7-3 (Fig. 6) in den engen Tintenkanälen 7-2 zu erreichen. Der abzuschneidende Abschnitt kann in geeigneter Weise bestimmt werden. Zur Durchführung dieses Vorganges kann man das in der Halbleiterindustrie bekannte Verfahren zum Zerschneiden in Chips verwenden.

Fig. 6 zeigt einen Schnitt entlang Linie Z-Z′ in Fig. 5. Die Schnittfläche wird poliert, um sie zu glätten, und die Tintenzuführrohre werden an den Durchgangslöchern 8 befestigt, um den Tintenstrahlaufzeichnungskopf zu vervollständigen (Fig. 7).

Bei der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform wurde als lichtempfindliches Material (Fotoresist) zur Herstellung der Vertiefungen ein Trockenfilm, d. h. ein Feststoff, verwendet. Das vorliegende Verfahren ist jedoch nicht auf die Verwendung dieses Materials begrenzt. Es kann auch ein flüssiges lichtempfindliches Material Verwendung finden.

An Stelle des vorstehend beschriebenen Verfahrens zur Herstellung des Filmes aus dem lichtempfindlichen Material kann im Falle des Einsatzes einer Flüssigkeit ein Verfahren Verwendung finden, bei dem eine Gummiwalze zur Herstellung eines Reliefbildes benutzt wird, d. h. ein Verfahren, bei dem eine Wand, die eine einer gewünschten Filmdicke des lichtempfindlichen Materials entsprechende Höhe aufweist, um das Substrat herum angeordnet und das überflüssige Material mit Hilfe einer Gummiwalze entfernt wird. In diesem Fall kann das lichtempfindliche Material eine geeignete Viscosität von 100 cps bis 300 cps aufweisen. Bei der Festlegung der Höhe der um das Substrat herum angeordneten Wand muß die Menge berücksichtigt werden, die durch Verdampfung des Lösungsmittels des lichtempfindlichen Materials verschwindet.

Im Falle der Verwendung eines Feststoffes wird die Lage aus dem lichtempfindlichen Material durch Druckkontakt unter Erhitzen auf das Substrat laminiert. Sowohl in bezug auf die Handhabung als auch eine leichte und genaue Dickensteuerung wird ein Film aus einer Reihe von lichtempfindlichen Materialien Verwendung finden, die allgemein zu fotolithografischen Zwecken eingesetzt werden, beispielsweise lichtempfindliche Harze, Fotoresists etc. Diese Materialien können beispielsweise die folgenden Stoffe umfassen: Diazoharze; p-Diazochinone und weitere fotopolymerisierbare Fotopolymerisate, beispielsweise Vinylmonomere und Polymerisationsinitiatoren; Fotopolymerisate vom Dimerisationstyp, bei denen Polyvinylcinnamat etc. Verwendung findet, und Sensibilisatoren; Gemische von o-Naphthochinonazid und Phenolharzen vom Novolaktyp; Gemische von Polyvinylalkohol und Diazoharzen; Fotopolymerisate vom Polyäthertyp mit copolymerisiertem 4-Glycidyläthylenoxid und Benzophenon oder Glycidylcalcon; Copolymerisate von N,N-Dimethylmethacrylamid mit beispielsweise Benzophenon; lichtempfindliche Harze vom ungesättigten Polyestertyp; lichtempfindliche Harze vom ungesättigten Urethan-Oligomertyp; lichtempfindliche Materialien, die Gemische von bifunktionellen Acrylmonomeren mit Fotopolymerisationsinitiatoren und Polymerisaten umfassen; Fotoresiste auf Bichromsäurebasis; wasserlösliche Fotoresiste, die kein Chrom enthalten; Fotoresiste auf Polycynnaminsäure-Basis; Fotoresiste auf der Basis von zyklisiertem Kautschuk-Azid etc.

Wie vorstehend beschrieben, werden die folgenden Vorteile erreicht:

• 1. Der Hauptschritt zur Herstellung des Kopfes basiert auf der fotolithografischen Technik, so daß in äußerst einfacher Weise der kleine Kopfabschnitt mit einem gewünschten Muster hergestellt werden kann. Ferner kann zur gleichen Zeit eine Vielzahl von Köpfen mit dem gleichen Aufbau und der gleichen Betriebsweise hergestellt werden.
• 2. Da kein Kleber zwischen dem Substrat und den Tintenkanalwänden und zwischen den Tintenkanalwänden und deren Abdeckung verwendet wird, wird in keiner Weise die Funktionsweise des Kopfes dadurch beeinträchtigt, daß die Tintenkanäle durch Einfließen von Kleber oder Haftung von Tinte an dem den Tintenausstoßdruck erzeugenden Element verstopfen.
• 3. Da beim Aushärten der Abdeckung über den Tintenkanälen kein Schrumpfvorgang stattfindet, verbleiben keine inneren Spannungen im Kopf, so daß keine Abtrennung, Verformung oder Verschiebung der den Kopf bildenden Elemente auftritt und der Kopf eine sehr gute Haltbarkeit besitzt.
• 4. Wenn die als Abdeckung über den Tintenkanälen dienende flache Platte lichtdurchlässig ist, kann der Bewegungszustand der Tintentröpfchen innerhalb des Kopfes beobachtet werden, so daß der Kopf in einfacher Weise gewartet werden kann.

Es wird somit ein Verfahren zur Herstellung eines Tintenstrahlkopfes vorgeschlagen, bei dem aus einem lichtempfindlichen Harz gebildete Tintenkanäle auf der Oberfläche eines Substrates vorgesehen werden, eine Abdeckung über die Tintenkanäle laminiert wird, das lichtempfindliche Harz belichtet und der nichtbelichtete Teil des Harzes entfernt wird. Die Abdeckung wird auf das lichtempfindliche Harz gebracht, wonach dieses einem Aushärtungsvorgang unterzogen wird.

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung eines Tintenstrahlaufzeichnungskopfes auf ein Substrat, bei dem mit einem lichtempfindlichen Harz Tintenkanäle auf der Oberfläche des Substrats erzeugt werden, indem das lichtempfindliche Harz in einem gewünschten Muster belichtet und dabei einer ersten Aushärtung unterzogen wird, der nicht belichtete Teil des Harzes entfernt und eine Platte über die ausgebildeten Tintenkanäle aufgebracht und mit dem Harz verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte unter Druck auf das durch die erste Aushärtung halb ausgehärtete Harz aufgebracht wird und während einer zweiten Aushärtung des Harzes mit dem Harz eine Haftverbindung eingeht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte aus einem gegenüber UV-Strahlung durchlässigen Material besteht und die zweite Aushärtung als Fotopolymerisation durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte aus Metall oder keramischem Material besteht und mittels Wärmeeinwirkung ausgehärtet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Aushärtung durch eine Kombination von ultravioletter Bestrahlung und thermischem Aushärten erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte eine aufgerauhte Oberfläche aufweist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte vor dem Aufbringen mit einem Silan-Kopplungsmittel einseitig behandelt wird.