DE3321866C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Tintenstrahl-Aufzeichnungs­ kopf und insbesondere einen Tintenstrahl-Aufzeichnungs­ kopf zur Erzeugung von kleinen Tintentröpfchen, die für ein Tintenstrahl-Aufzeichnungssystem verwendet werden sollen.

Tintenstrahl-Aufzeichnungsköpfe, die für Tintenstrahl- Aufzeichnungssysteme angewandt werden sollen, sind im allgemeinen mit sehr fein gestalteten Tintenausstoß- Öffnungen, Tintenkanälen und einem Teil zum Erzeugen eines Tintenausstoßdrucks versehen, der auf einem Teil des Tintenkanals vorgesehen ist.

Nach einem bekannten Verfahren zur Herstellung solcher Tintenstrahl-Aufzeichnungsköpfe (DE-OS 30 11 919) werden sehr kleine Nuten auf einer Platte aus Glas oder Metall durch Einschneiden oder Ätzen gebildet, und dann wird die Platte mit den Nuten mit einer entsprechenden Platte zur Bildung der Tintenkanäle verbunden.

Bei dem nach einem solchen bekannten Verfahren herge­ stellten Kopf kann jedoch eine zu hohe Rauhigkeit der Innenwände der durch Schneiden hergestellten Tintenkanäle gebildet werden oder es können Verzeichnungen infolge des Unterschiedes im Ätzungsausmaß gebildet werden, wo­ durch Tintenkanäle mit guter Genauigkeit kaum erhalten werden können und die Tintenausstoß-Eigenschaften der so hergestellten Tintenstrahl-Aufzeichnungsköpfe unter­ liegen Schwankungen. Auch kann ein Absplittern oder eine Rißbildung der Platte während der Schneidarbeit leicht erfolgen, was zu einer nachteilig schlechten Produktions­ ausbeute führt. Die Ätzarbeit umfaßt eine Reihe von Pro­ duktionsstufen, was zu einem nachteiligen Kostenanstieg führt. Der bei den vorstehend erwähnten bekannten Her­ stellungsmethoden übliche Nachteil während der Schicht­ bildung einer eingravierten Platte mit ausgebildeten Tintenkanal-Nuten und einer Deckplatte mit Antriebsele­ menten, etwa piezoelektrischen Elementen und Heizelemen­ ten zur Erzeugung von Energie für den Tintenstrahl liegt darin, daß eine genaue Einstellung der gegenseitigen Lage schwierig ist, so daß eine Massenproduktion bisher nicht möglich war.

In jüngerer Zeit ist ein Verfahren zur Herstellung eines Tintenstrahl-Aufzeichnungskopfes bekanntgeworden, das diese Nachteile überwinden kann, bei dem die Tintenkanal- Wände aus einem gehärteten Film eines fotoempfindlichen Harzes auf einem Substrat gebildet werden, das mit Ele­ menten zum Erzeugen des Tintenausstoßdrucks versehen ist, wobei eine Abdeckung über den Tintenkanälen vorge­ sehen ist (vergl. japanische Offenlegungsschrift Nr. 43 876/1982 DE-OS 31 08 206).

Der mit dem gehärteten Film aus einem fotoempfindlichen Harz hergestellte Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf ist insoweit gut, als er die Nachteile des bekannten Tinten­ strahl-Aufzeichnungskopfes, nämlich unzureichende Präzi­ sion der gefertigten Tintenkanäle, komplizierte Produk­ tionsstufen und niedrige Produktionsausbeute vermeidet. Infolge der geringen Bindefestigkeit zwischen dem Sub­ strat, das mit Elementen zum Erzeugen des Tintenausstoß­ drucks darauf versehen ist, und den aus einem gehärteten Film eines fotoempfindlichen Harzes hergestellten Tinten­ kanalwänden, schrumpft die aus dem fotoempfindlichen Harz hergestellte Abdeckung beim Härten, wenn ein foto­ empfindlicher Harzfilm als Abdeckung über den Tinten­ kanalwänden vorgesehen ist, wodurch die Tintenkanalwände in Richtung der Schrumpfung der Abdeckung gezogen werden, bis sie von dem Substrat abgelöst werden. Selbst wenn die Verbindungskraft zwischen den Tintenkanalwänden und dem Substrat ausreichend ist, kann noch der Nachteil eintreten, daß die Tintenkanalwände in Schrumpfrichtung der Abdeckung gezogen werden, wodurch keine gewünschte Gestalt des Tintenkanals erreicht wird. Wenn ferner ein kalthärtender Klebstoff, ein warmhärtender Klebstoff oder ein fotohärtender Klebstoff angewandt wird, um eine Abdeckung über den Tintenkanalwänden vorzusehen, kann neben dem Nachteil, daß der Klebstoff in die Tintenkanä­ le unter Verstopfung fließen kann, so daß die Produk­ tionsausbeute in herkömmlicher Weise erniedrigt wird, ein weiterer Nachteil infolge des Unterschieds zwischen der Benetzbarkeit des Tintenkanals und derjenigen der Abdeckung auftreten; solche Klebstoffe haben Einfluß auf die Genauigkeit der Auftreffpunkte der Tintentröpf­ chen oder auf die Ansprechfrequenz.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Tinten­ strahl-Aufzeichnungskopf und dessen Tintenkanäle mit hoher Präzision herzustellen, wobei ein Abschälen zwischen dem Substrat und den Kanalwänden vermieden werden soll.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteran­ sprüchen aufgeführt.

Erfindungsgemäß besteht der Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf aus einem Substrat, einem gehärteten Film aus einem fotoempfindlichen Harz, der Tintenkanäle abgrenzt, und einer über den Tintenkanälen befindlichen Abdeckung, wobei die Abdeckung eine Platte (6) aus einem für UV-Licht durchlässigen Material ist, auf deren Oberflächen jeweils ein gehärteter Film aus fotoempfindlichem Harz haftet.

Die Vorteile der Erfindung können wie folgt zusammengefaßt werden:

• 1. Die Hauptstufe zur Herstellung des Tintenstrahl- Aufzeichnungskopfes verwendet die sogenannte fotolitho­ grafische Technik, wodurch ein sehr fein gestalteter Kopf­ bereich mit einem gewünschten Muster in sehr einfacher Weise gebildet werden kann. Ferner kann eine Reihe von Köpfen mit dem gleichen Aufbau und der gleichen Leistung gleichzeitig hergestellt werden.
• 2. Da kein Klebstoff zwischen dem Substrat und den Tintenkanalwänden und zwischen den Tintenkanalwänden und seiner Abdeckung verwendet wird, wird keinerlei Unannehm­ lichkeit, etwa eine Funktionsstörung durch Verstopfen der Tintenkanäle durch den Klebstoff oder durch Haften der Tinte an dem Ausstoßdruck-Erzeugungselement verursacht.
• 3. Das Ausgleichen der Schrumpfungskräfte bei der Härtung der beiden fotoempfindlichen Harzfilme auf der Platte beseitigt die Innenbeanspruchung innerhalb des Kopfes, so daß keinerlei Abschälung, Deformation oder Versetzen der Bauelemente erfolgt, was zu einem sehr halt­ baren Tintenstrahlkopf mit langer Lebensdauer führt.
• 4. Da die Platte und die fotoempfindlichen Harzfilme für die Abdeckung über den Fließkanälen lichtdurchlässig sind, kann der Tintenfluß innerhalb des Tintenstrahlkopfes visuell beobachtet werden, was eine leichte Wartung des Kopfes gewährleistet.

Die 1 bis 7 erläutern die Herstellung des erfindungsgemäßen Tintenstrahl- Aufzeichnungskopfes.

Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen werden erfindungs­ gemäße Ausführungen näher erläutert.

In der in Fig. 1 gezeigten Stufe werden Elemente 2 zum Er­ zeugen eines Tintenausstoßdrucks, etwa wärmeerzeugende Elemente oder Piezoelemente in einer gewünschten Zahl auf einem Substrat 1, etwa aus Glas, Keramik, Kunststoff oder Metall angeordnet. Zur Verbesserung der Tintenbeständig­ keit oder der elektrischen Isolation kann ferner gewünschtenfalls ein Dünnfilm 3, etwa aus SiO₂, Ta₂O₅ oder Glas aufgetragen werden. Die Elemente 2 zum Erzeugen des Tintenausstoßdrucks werden durch Elektroden für den Eingang von Signalen verbunden, obwohl dies nicht in der Zeichnung gezeigt ist.

In der in Fig. 2 gezeigten nachfolgenden Stufe wird die Oberfläche des Dünnfilmes 3 auf dem Substrat 1, die gemäß der in Fig. 1 gezeigten Stufe erhalten worden ist, gerei­ nigt und getrocknet und anschließend mit einem auf etwa 80 bis 105°C erhitzten Trockenfilm-Fotolack 4 (Filmdicke: etwa 25 bis 100 µm) beschichtet, wobei das Aufschichten auf die Dünnfilmschicht 3 bei einer Geschwindigkeit von 0,15 bis 1,22 m/min unter einem Druck von 1 bis 3 kg/cm² erfolgt. Bei einer solchen Verfahrensweise wird der Troc­ kenfilm-Fotolack 4 mit der Dünnfilmschicht 3 verschmol­ zen. Nachdem eine Fotomaske 5 mit einem gewünschten Mu­ ster auf dem Trockenfilm-Fotolack 4, der auf der Sub­ stratoberfläche vorgesehen ist, aufgelegt worden ist, wird in der nächsten Stufe der Fotolack durch die Foto­ maske 5, wie in der Fig. 2 gezeigt ist, bildmäßig be­ lichtet. In dieser Stufe muß die Lage des Tintenausstoßdruck- Erzeugungselementes 2 genau entsprechend der Lage des obigen Musters in einer üblichen Weise eingestellt wer­ den.

In Fig. 3 ist zur Verdeutlichung diejenige Stufe gezeigt, bei der der unbelichtete Teil des vorstehend belichteten Trockenfilm-Fotolackes 4 durch Auflösung mit einem Ent­ wickler (wozu bestimmte organische Lösungsmittel, etwa Trichloräthan gehören) entfernt ist. Zur Verbesserung der Tintenbeständigkeit des belichteten Teils 4 P des Trockenfilm-Fotolacks, der auf dem Substrat 1 zurück­ bleibt, wird dann eine Hitzehärtungsbehandlung (beispiels­ weise durch Erhitzen bei 150 bis 250°C, 30 Min. bis 6 Stunden lang) oder eine Bestrahlung mit UV-Strahlen (bei­ spielsweise bei einer UV-Strahlen-Intensität von 50 bis 200 mW/cm² oder höher) darauf vorgenommen, um die Här­ tungsreaktion ausreichend fortschreiten zu lassen. Sowohl die Anwendung einer Härtung mittels Wärme als auch mit­ tels UV-Strahlen ist wirksam.

In Fig. 4 wird eine Platte 6 aus einem für UV-Strahlen durchlässigen Material (beispielsweise Glas), deren Oberflächen jeweils mit fotoempfindlichen Harzfilmen (Trockenfil­ me) 7 beschichtet bzw. laminiert sind, auf die Kanal­ wände 4 P als Abdeckung über die Tintenkanäle auf dem Substrat 1 aufgeklebt, so daß Nuten 8 für Tintenkanäle entstehen, die durch den Trockenfilm-Fotolack 4 P gebildet werden, der vollständig polymerisiert und gehärtet worden ist. Danach werden die auf der Platte 6 aufgeschich­ teten Trockenfilme 7 einer UV-Bestrahlung (beispielsweise bei einer UV-Strahlungsintensität von 50 bis 200 mW/cm² oder höher) unterzogen, um die Trockenfilme 7 ausreichend zu härten. Ferner kann eine zusätzliche Hitzehärtung (beispielsweise bei 130 bis 250°C, 30 Min. bis 6 Stunden lang) in wirksamer Weise durchgeführt werden.

Als Material für die Platte 6 als Abdeckung über den Tintenkanälen können irgendwelche Materialien verwen­ det werden, die gegenüber UV-Strahlen bei einer zur Foto­ polymerisation eines fotoempfindlichen Harzes zur Bildung der Tintenkanalwände wirksamen Wellenlänge durchlässig sind, und die nicht durch Schrumpfbeanspruchung des foto­ empfindlichen Harzes leicht verformt werden. Für eine zweckmäßige Produktion und aus wirtschaftlichen Gründen sind jedoch Glas, Epoxyharze, Acrylharze oder Vinylharze bevorzugt.

Die Trockenfilme 7 müssen an beiden Ober­ flächen der Platte 6 kleben. Falls nur eine Oberfläche der Platte 6 mit dem Trockenfilm nahe in Berührung gebracht wird, insbesondere auf der Seite der Tintenkanalwände, kann die Haftung zwischen der Abdec­ kung und den Tintenkanalwänden erhöht werden, jedoch wirkt die Schrumpfbeanspruchung, die aus der Polymerisa­ tionsverfestigung des Trockenfilms resultiert, auf die Platte unter Erzeugung einer Spannung, die eine Verwerfung der gesamten Abdeckung bewirkt, was zu einem Abschälen der Tintenkanalwände von dem Substrat führt. Es ist daher notwendig, daß der Trockenfilm 7 auch mit der gegenüberliegenden Oberfläche der Platte 6 nahe in Berührung steht, so daß sich die Schrumpfkraft gegenseitig aufhebt. Der Fotopolymerisationsgrad des Trockenfilms durch UV-Strahlung an der Deckoberfläche und an der Unterseiten-Oberfläche wird sich im allgemei­ nen voneinander unterscheiden und daher ist es erwünscht, die Stärke und die Materialien dieser beiden Trockenfilme so auszuwählen, daß sich diese beiden Schrumpfkräfte in vorteilhafter Weise aufheben.

In Fig. 5 ist eine schematische, perspektivische Ansicht der Kopfgestaltung nach Vollendung der in Fig. 4 gezeig­ ten Stufe verdeutlicht. In Fig. 5 bedeutet 8-1 eine Tin­ tenzufuhrkammer, 8-2 enge Tintenfließkanäle und 9 Durch­ gangsöffnungen für die Verbindung der in der Figur nicht gezeigten Tintenzufuhrröhrchen zur Tintenzufuhr­ kammer 8-1.

Wie vorstehend beschrieben, wird nach Vollendung der Verbindung zwischen dem Nuten aufweisenden Substrat und der Platte der Frontteil des resultierenden Kop­ fes entlang der in Fig. 5 gezeigten Linie C-C′ abgeschnit­ ten. Auf diese Weise kann der Abstand zwischen dem Ele­ ment 2 zur Erzeugung des Tintenausstoßdrucks und dem Tintenausstoß-Ausgang 8-3 in den engen Tintenfließkanälen 8-2 optimal gemacht werden und der abzuschneidende Be­ reich kann gewünschtenfalls in zweckmäßiger Weise be­ stimmt werden. Für dieses Abschneiden kann das in der Halbleiterindustrie üblicherweise verwendete Würfelab­ schneide-Verfahren angewandt werden.

In Fig. 6 ist eine Querschnittsansicht längs der Linie Z-Z′ in Fig. 5 gezeigt. Die Schnittfläche wird glatt poliert und die Tintenzufuhrröhrchen werden auf die Öff­ nungen 9 montiert, um den Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf fertigzustellen (Fig. 7).

Bei Ausführungsformen, wie sie in den vorstehend be­ schriebenen Figuren gezeigt sind, wurde als fotoempfind­ liche Masse (Fotolack) zur Herstellung der Nuten und der Filme auf der Abdeckung der Tintenkanäle Massen vom Trockenfilmtyp, nämlich ein Feststoff angewandt, worauf die vorliegende Erfindung jedoch nicht begrenzt ist, sondern es kann auch eine flüssige fotoempfindliche Masse eingesetzt werden.

Zur Bildung des Beschichtungsfilms aus dieser fotoemp­ findlichen Masse kann im Falle einer flüssigen, fotoemp­ findlichen Masse ein Verfahren angewandt werden, bei dem ein bei der Herstellung von einem Reliefbild verwen­ deter Gummiquetscher ausgenutzt wird, nämlich ein Verfah­ ren, bei dem eine Wand mit einer Höhe entsprechend der gewünschten Filmdicke der fotoempfindlichen Masse um das Substrat angeordnet wird und der Überschuß der Masse mittels eines Gummiquetschers entfernt wird. Hier kann die fotoempfindliche Masse vorzugsweise eine Viskosität von 0,1 bis 0,3 Pa · s aufweisen. Die Höhe der Wand, die um das Substrat angeordnet werden soll, wird unter Be­ rücksichtigung der Verdampfung der Lösungsmittelkomponen­ te der fotoempfindlichen Masse bestimmt.

Im Falle einer festen fotoempfindlichen Masse erfolgt ande­ rerseits das Beschichten des Substrats durch Heißpressen. Erfindungsgemäß ist es vorteilhaft, eine fotoempfindliche Masse vom Festfilmtyp einzusetzen, da die Herstellung der Nuten oder die Haftung an einem Substrat unter dem Gesichtspunkt der Handhabung vorteilhaft ist und weil eine leichte und genaue Steuerung der Filmdicke möglich ist. Daneben können als fotoempfindliche Masse eine Reihe von fotoempfindlichen Massen eingesetzt werden, die allgemein in der Fotolithografie­ technik angewandt werden, etwa fotoempfindliche Harze oder Fotolacke. Diese fotoempfindlichen Massen können beispielsweise enthalten: Diazoharze, p-Diazochinone und weitere Materialien vom Fotopolymerisationstyp, etwa solche, die Vinylmonomere und Polymerisationsinitiatoren anwenden, Fotopolymere vom Dimerisationstyp, die Polyvi­ nylcinnamat mit Sensibilatoren anwenden, Mischungen von o-Naphthochinon-diazid und Phenolharzen vom Novolak­ typ, Mischungen vom Polyvinylalkohol und Diazoharzen, Fotopolymere vom Polyethertyp, die durch Copolymerisation von 4-Glycidylethylenoxid mit Benzophenon erhalten wurden oder Glycidylcalcone, ein Copolymer von N,N-Dimethylmeth­ acrylamid mit Benzophenon, fotoempfindliche Harze vom ungesättigten Polyestertyp, fotoemp­ findliche Harze vom ungesättigten Urethanoligomertyp, fotoempfindliche Massen aus Mischungen von bifunktionel­ len Alkylmonomeren mit Fotopolymerisationsinitiatoren und Polymeren, Fotolacke vom Dichromattyp, wasserlösliche Fotolacke vom nicht-Chromtyp, Fotolacke vom Polyvinylcin­ namattyp, Fotolacke vom cyclisierten Kautschuk-Azid-Typ usw.

Das fotoempfindliche Material für die Tintenkanalabdec­ kung und die Tintenkanäle sollte vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise das gleiche sein.

Claims (5)

1. Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf mit einem Substrat, einem gehärteten Film aus einem fotoempfindlichen Harz, der Tintenkanäle abgrenzt, und einer über den Tinten­ kanälen befindlichen Abdeckung, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckung eine Platte (6) aus einem für UV-Licht durchlässigen Material ist, auf deren Oberflächen je­ weils ein gehärteter Film (7) aus fotoempfindlichem Harz haftet.

2. Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gehärteten Filme (7) der Abdeckung aus fotoempfindlichem Harz vom Trockenfilm­ typ bestehen.

3. Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen gehärteten Filme (7) der Abdeckung voneinander verschiedene Dicke haben.

4. Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gehärteten Filme (7) der Abdeckung aus voneinander verschiedenen fotoempfind­ lichen Harzen bestehen.

5. Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gehärteten Filme (7) der Abdeckung aus demselben fotoempfindlichen Harz be­ stehen.