DE69819976T2

DE69819976T2 - Flüssigkeitsausstosskopf, Substrat und Herstelllungsverfahren

Info

Publication number: DE69819976T2
Application number: DE69819976T
Authority: DE
Inventors: Hioraki Ohta-ku Mihara; Masahiko Ohta-ku Ogawa; Kazuaki Ohta-ku Masuda; Masami Ohta-ku Ikeda; Ichiro Ohta-ku Saito; Hiroyuki Ohta-ku Ishinaga; Toshio Ohta-ku Kashino; Shuji Ohta-ku Koyama; Tomoyuki Ohta-ku Hiroki; Yoshiyuki Ohta-ku Imanaka; Teruo Ohta-ku Ozaki; Masahiko Ohta-ku Kubota
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1997-08-05
Filing date: 1998-08-04
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2018-08-05
Also published as: EP0895861A1; US6374482B1; EP0895861B1; US20020093553A1; DE69819976D1; US6834943B2

Description

Hintergrund der Erfindung
Technisches Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Flüssigkeitsausstoßkopfes und auf einen Flüssigkeitsausstoßkopf, der eine gewünschte Flüssigkeit ausstößt durch die Bildung von Blasen infolge der Anwendung von thermischer Energie, die auf die Flüssigkeit einwirkt. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen Flüssigkeitsausstoßkopf, der mit einem beweglichen Element, das durch die Ausnutzung der erzeugten Blasen beweglich ist, versehen ist, und auch auf die Methode zu dessen Herstellung. In diesem Zusammenhang bedeutet der Ausdruck "aufnehmen" in der Beschreibung der vorliegenden Erfindung nicht nur die Bereitstellung von Bildern mit Zeichen, Grafik oder anderen sinnvollen Darstellungen auf einem Aufnahmemedium, sondern auch die Bereitstellung solcher Bilder darauf, die keine besondere Bedeutung haben, wie zum Beispiel Muster.
Zugehöriger Stand der Technik
Bekannt ist das sogenannte Blasen-Strahl-Aufnahmeverfahren, welches ein Tintenstrahlaufnahmeverfahren ist, bei dem Bilder auf einem Aufnahmemedium gebildet werden durch den Ausstoß von Tinte aus Ausstoßöffnungen unter Benutzung der einwirkenden Kraft, die ausgeübt wird durch die Zustandsänderung von Tinte, die mit den abrupten Volumenänderungen (Bildung von Blasen) einhergeht, und bei dem Bilder auf einem Aufnahmemedium durch die ausgestoßene Tinte, die daran festhaftet, gebildet werden. In der Aufnahmevorrichtung, die das Blasen-Strahl-Aufnahmeverfahren benutzt, ist es, wie in den Beschreibungen der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 54-059936 und der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 55-027282 offenbart, im allgemeinen gebräuchlich, die Ausstoßöffnungen, welche Tinte ausstoßen, die Tintenwege, die leitend mit den Ausstoßöffnungen verbunden sind, und Wärmeerzeugungselemente (elektrothermische Umwandlungsmittel), die in jedem der Tintenpfade als Mittel zur Erzeugung von Energie zum Ausstoßen von Tinte angeordnet sind, vorzusehen.
Entsprechend solcher Aufnahmeverfahren ist es möglich, Bilder in hoher Qualität bei hohen Geschwindigkeiten mit einem geringeren Ausmaß von Rauschen aufzunehmen. Gleichzeitig ermöglicht es der diese Aufnahmemethode ausführende Kopf, die Ausstoßöffnungen zum Ausstoßen von Tinte in großer Dichte anzuordnen, mit dem exzellenten Vorteil unter vielen anderen, dass Bilder in hoher Auflösung aufnehmbar gemacht werden, und dass Farbbilder durch Benutzung einer kleineren Vorrichtung leicht herstellbar sind. Daher wird in den letzten Jahren das Blasen-Strahl-Aufnahmeverfahren vielfach in Büroausrüstung, wie zum Beispiel einem Drucker, einer Kopiermaschine oder einer Telefaxeinrichtung, angewendet. Desweiteren wird diese Methode für ein industrielles System, wie zum Beispiel ein Textilbedruckungssystem, angewendet.
Unter diesen Umständen haben einige der Erfinder davon eifrige Studien ausgeführt, bei denen sie ihre Aufmerksamkeit wieder auf die Prinzipien von Flüssigkeitsausstößen gerichtet haben, um ein neues Flüssigkeitsausstoßverfahren, das Blasen benutzt, sowie einen für eine solche Methode benutzten Kopf und anderes, was nach dem bekannten Stand der Technik nicht verfügbar war, bereitzustellen, und haben eine Technik entwickelt zum positiven Regeln von Blasen durch die Anordnung der räumlichen Beziehung zwischen dem Auflagepunkt und dem freien Ende eines beweglichen Elementes in einem Flüssigkeitsströmungsweg, sodass die Beziehung derart gestaltet wird, dass das freie Ende auf der Seite der Ausstoßöffnung, insbesondere auf der stromabwärts gelegenen Seite positioniert ist, und auch durch die Anordnung des beweglichen Elementes so, dass es einem Wärmeerzeugungselement oder einer Blasenerzeugungsfläche gegenübersteht.
Mit dem oben genannten neuesten Flüssigkeitsausstoßkopf und anderen, die auf der Grundlage der noch einmal untersuchten Ausstoßprinzipien zur Verfügung gestellt worden sind, wird es möglich, den synergetischen Effekt der erzeugten Blasen und des dadurch versetzten, beweglichen Elementes zu erhalten. Infolge dessen kann Flüssigkeit in der Nähe der Ausstoßöffnungen effizient ausgestoßen werden, um die Ausstoßeffizienz im Vergleich mit den bekannten Ausstoßverfahren und den Köpfen vom Blasen-Strahl-Typ merklich zu verbessern.
In Anbetracht dessen ist, wie oben beschrieben, der bekannte Flüssigkeitsausstoßkopf mit dem beweglichen Element strukturiert bzw. die Basiseinheit davon als einzelner Körper ausgebildet. Danach wird das bewegliche Element auf das ursprüngliche Substrat positioniert. Danach wird das bewegliche Element mit der Basiseinheit durch die Anwendung einer Goldverbindung oder eines Haftwirkstoffs verbunden.
In den letzten Jahren hat es Nachfrage gegeben nach der Verkörperung eines präziseren Flüssigkeitsausstoßkopfes. Dazu wird es notwendig, das Innere eines jeden Flüssigkeitsströmungsweges präziser herzustellen.
Da jedoch das bewegliche Element und seine Basiseinheit für den oben beschriebenen Flüssigkeitsausstoßkopf individuell hergestellt werden, gibt es ein Problem, dass es wegen der räumlichen Beziehung zwischen dem beweglichen Element und seiner Basiseinheit schwierig ist, die präzisere Herstellung eines jeden Flüssigkeitsströmungspfades durchzuführen.
Eine Vorrichtung zur Herstellung eines Flüssigkeitsausstoßkopfes mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 zusammengefassten Merkmalen und eines Flüssigkeitsausstoßkopfes mit den im Oberbegriff der Ansprüche 19 und 20 zusammengefassten Merkmalen sind aus der Schrift US-A-5278585 und der Schrift EP-A-0737582 bekannt. Nach diesen Schriften wird der Flüssigkeitskopf dadurch hergestellt, dass das Substrat und das bewegliche Element getrennt hergestellt werden, so dass es erforderlich wird, diese präzise zu positionieren und zu verbinden.
Die Schrift JP-A-63199972 schlägt ein Herstellungsverfahren für ein bewegliches Ventilelement vor. Dieses bewegliche Ventilelement wird jedoch nicht auf einem Substrat mit Wärmeerzeugungselementen gebildet.
Die Schrift GB-A-2306399 offenbart ein Herstellungsverfahren für ein aktives bewegliches Element für einen Flüssigkeitsausstoßkopf. Das bewegliche Element ist jedoch nicht so angeordnet, dass es den wärmeerzeugenden Elementen auf dem Substrat zugewendet ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ist im Hinblick auf die Lösung der oben diskutierten Probleme der bekannten Verfahren entworfen. Es ist ein Ziel der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Flüssigkeitsausstoßkopfes zur Verfügung zu stellen, wobei das Innere eines jeden Flüssigkeitsströmungspfades feiner und in höherer Präzision gefertigt wird. Des weiteren ist es ein Ziel der Erfindung, verbesserte Flüssigkeitsausstoßköpfe zur Verfügung zu stellen.
Diese Ziele werden durch das Verfahren nach dem Anspruch 1 und die Flüssigkeitsausstoßköpfe nach den Ansprüchen 19 und 20 erreicht.
Vorteilhafte Weiterentwicklungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Flüssigkeitsausstoßköpfe sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
In dem erfindungsgemäßen Aufbau ist der bewegliche Bereich des beweglichen Elementes nach der Bildung des beweglichen Elements auf dem Substrat getrennt von dem Substrat. Danach wird das bewegliche Element in den Flüssigkeitsausstoßkopf eingebaut. Infolgedessen ist es für den Prozess nicht notwendig, das bewegliche Element auf dem Substrat als anderer Körper funktionierende Element zu positionieren, wodurch für jeden Innenraum einer Vielzahl von Flüssigkeitsströmungspfaden die feinere Anordnung mit größerer Genauigkeit verwirklicht wird.
In diesem Zusammenhang werden die Ausdrücke "stromaufwärts" und "stromabwärts", die in der Beschreibung der vorliegenden Erfindung benutzt werden, als Ausdrücke verwendet, die sich auf die Strömungsrichtung der Flüssigkeit von der Flüssigkeitszufuhrquelle durch den blasenerzeugenden Bereich (oder das bewegliche Element) zu der Ausstoßöffnung oder ihre strukturelle Richtung beziehen.
Der sich auf die Blase selbst beziehende Begriff "stromabwärts gelegene Seite" stellt den Teil der Blase auf der Seite der Ausstoßöffnung dar, der hauptsächlich direkt auf den Ausstoß von Tropfen wirkt. Etwas spezifischer ausgedrückt bedeutet der Ausdruck die stromabwärts gelegene Seite der oben genannten Strömungsrichtung oder die strukturelle Richtung in Bezug auf den Mittelpunkt jeder Blase oder der Blase, die in dem Bereich auf der stromabwärts gelegenen Seite des Bereichsmittelpunkts eines Wärmeerzeugungselementes erzeugt werden kann.
Der Ausdruck "Trennwände", der in der Beschreibung der vorliegenden Erfindung benutzt wird, bedeutet in einem weiteren Sinne die Wände (die das bewegliche Element einschließen können), die in einem breiteren Sinne bereit gestellt werden, um den blasenerzeugenden Bereich und den mit einer Ausstoßöffnung direkt verbundene Bereich. Dieser Ausdruck bezieht sich in einem engeren Sinne auf solche, die den Strömungspfad, der die blasenbildenden Bereiche einschließt, trennt von dem mit der Ausstoßöffnung verbundenen Flüssigkeitsströmungspfad, um das Mischen der jeweils in den entsprechenden Bereichen sich befindlichen Flüssigkeiten zu verhindern.
Weiterhin bedeutet der Ausdruck "die Zinken eines Kammes", auf die in der Beschreibung der vorliegenden Erfindung Bezug genommen wird, die Anordnung, bei der der Auflagepunkt des beweglichen Elementes durch ein gemeinsam benutztes Element gebildet wird, wodurch die Vorderseite seines freien Endes in einem losgelösten Zustand ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die 1A, 1B, 1C und 1D sind Aufsichten, die das Ausstoßprinzip eines erfindungsgemäßen Flüssigkeitsausstoßkopfes veranschaulichen.
2 ist eine teilweise aufgebrochene perspektivische Aufsicht, die den in den 1A bis 1D dargestellten Flüssigkeitsausstoßkopf zeigt.
Die 3A und 3B sind Aufsichten, die den mit einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Flüssigkeitsausstoßkopfes hergestellten Flüssigkeitsausstoßkopfes veranschaulichen: 3A ist eine Querschnittsansicht durch eine Flüssigkeitsströmungsrichtung; und 3B ist eine bereichsweise perspektivische Aufsicht.
Die 4A und 4B sind Aufsichten, die einen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Flüssigkeitsausstoßkopfes hergestellten Flüssigkeitsausstoßkopf entsprechend einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulichen: 4A ist eine Querschnittsansicht durch die Flüssigkeitsströmungsrichtung; und 4B ist eine bereichsweise perspektivische Aufsicht.
Die 5A, 5B, 5C, 5D, 5E, 5F, 5G, 5H, 5I und 5J sind Aufsichten, die das in den 3A und 3B dargestellte Verfahren zur Herstellung eines Flüssigkeitsausstoßkopfes entsprechend einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.
Die 6A und 6B sind Querschnittsansichten, die den Aufbau eines nach jedem der in den 5A bis 5J dargestellten Verfahren veranschaulichen: 6A zeigt den Aufbau bevor das bewegliche Element und die Elektrodenschicht getrennt werden; und 6B zeigt den Aufbau nachdem das bewegliche Element von der Elektrodenschicht getrennt wurde.
Die 7A und 7B sind Aufsichten, die in dem von Canon befürworteten Blasen-Strahlverfahren benutzte, zweckmäßige, wesentliche Element vor dem Verbinden veranschaulichen; 7A ist eine Draufsicht; 7B ist eine Querschnittsansicht.
Die 8A und 8B sind Aufsichten, die das zweckmäßige, wesentliche Element nach der Verbindung darstellen; 8A ist eine Draufsicht; 8B ist eine Querschnittsansicht.
Die 9A, 9B, 9C, 9D, 9E, 9F, 9G, 9H, 9I und 9J sind Aufsichten, die ein Verfahren zur Herstellung des in 3A und 3B dargestellten Flüssigkeitsausstoßkopfes entsprechend einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.
Die 10A, 10B, 10C, 10D, 10E, 10F, 10G, 10H, 10I und 10J sind Aufsichten, die ein Verfahren zur Herstellung des in den 3A und 3B dargestellten Flüssigkeitsausstoßkopfes, entsprechend einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, veranschaulichen.
11 ist eine in dem Flüssigkeitsströmungsweg genommene Querschnittsansicht, die einen nach dem Verfahren zur Herstellung eines Flüssigkeitsausstoßkopfes entsprechend einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellten Flüssigkeitsausstoßkopf veranschaulicht.
Die 12A, 12B, 12C, 12D, 12E, 12F, 12G, 12H und 12I sind Aufsichten, die das Verfahren zur Herstellung des in 11 dargestellten Flüssigkeitsausstoßkopfes entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.
Die 13A und 13B sind Aufsichten, die den Aufbau des nach jedem der in den 12A bis 12I dargestellten Verfahren hergestellten Flüssigkeitsausstoßkopf, veranschaulichen; 13A ist eine Draufsicht; 13B ist eine Querschnittsansicht.
Die 14A, 14B, 14C, 14D, 14E, 14F, 14G, 14H und 14I sind Aufsichten, die das Verfahren zur Herstellung des in 11 dargestellten Flüssigkeitsausstoßkopfes entsprechend einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.
Die 15A und 15B sind vertikale Querschnittsansichten, die ein Strukturbeispiel der Flüssigkeitsstrahlvorrichtung erläutern in der der erfindungsgemäße Flüssigkeitsausstoßkopf anwendbar ist; 15A zeigt die Vorrichtung mit einem weiter unten beschriebenen Schutzfilm; und 15B zeigt die Vorrichtung, in der kein Schutzfilm vorgesehen ist.
16 ist eine Aufsicht, die eine Wellenform einer Spannung zeigt, die an die in 15A und 15B gezeigte elektrische Widerstandsschicht angelegt ist.
17 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung, die ein Strukturbeispiel der Flüssigkeitsstrahlvorrichtung, in der der Flüssigkeitsausstoßkopf der vorliegenden Erfindung anwendbar ist, zeigt.
Die 18A und 18B sind Aufsichten, die den Flüssigkeitsausstoßkopf der mit der Methode zur Herstellung von Flüssigkeitsausstoßköpfen entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht; 18A ist eine Querschnittsansicht; und 18B ist eine teilweise aufgebrochene perspektivische Aufsicht.
Die 19A, 19B, 19C, 19D, 19E, 19F, 19G, 19H und 19I sind Aufsichten, die das Verfahren zur Herstellung von Flüssigkeitsausstoßköpfen entsprechend einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.
Die 20A, 20B, 20C, 20D, 20E, 20F, 20G, 20H und 20I sind Aufsichten, die das Verfahren zur Herstellung von Flüssigkeitsausstoßköpfen entsprechend einer siebenten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen.
21 ist eine Querschnittsansicht, die die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Flüssigkeitsausstoßkopfes veranschaulicht.
22 ist eine Querschnittsansicht, die den Aufbau des mit dem in den 20A bis 20I dargestellten Verfahren hergestellten beweglichen Elements veranschaulicht.
Die 23A, 23B, 23C, 23D, 23E, 23F, 23G und 23H sind Aufsichten, die ein Verfahren zur Herstellung eines beweglichen Elementes, für den erfindungsgemäßen Flüssigkeitsausstoßkopf entsprechend einer achten Ausführungsform davon veranschaulicht.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Bevor irgend welche speziellen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben werden, wird der elementarste Aufbau beschrieben, der dazu geeignet ist, die Ausstoßkraft und Ausstoßeffizienz durch Steuerung der Fortpflanzungsrichtung von durch Blasen erzeugtem Druck und der Entwicklungsrichtung von Blasen, wenn Flüssigkeit erfindungsgemäß ausgestoßen wird, zu erhöhen.
Die 1A bis 1D sind Aufsichten, die das Ausstoßprinzip eines erfindungsgemäßen Flüssigkeitsausstoßkopfes veranschaulichen. Weiterhin ist 2 eine teilweise aufgebrochene perspektivische Aufsicht, die den in den 1A bis 1D dargestellten Flüssigkeitsausstoßkopf zeigt.
Entsprechend dem in den 1A bis 1D gezeigten Beispiel ist der Flüssigkeitsausstoßkopf versehen mit einem Wärmeerzeugungselement 2 (im vorliegenden Beispiel ein Wärmeerzeugungswiderstand in einer Form von 40 μm × 105 μm), der es thermischer Energie ermöglicht, auf Flüssigkeit als eine ausstoßenergie-erzeugende Vorrichtung zum Ausstoßen von Flüssigkeit einzuwirken, und der auf dem ursprünglichen Substrat 1 angeordnet ist. Auf dem ursprünglichen Substrat ist der Flüssigkeitsströmungsweg 10 entsprechend dem Wärmeerzeugungselement 2 angeordnet. Der Flüssigkeitsströmungsweg 10 ist gleichzeitig mit der Ausstoßöffnung 18 und mit einer gemeinsamen Flüssigkeitskammer 13, von der aus Flüssigkeit zu einer Vielzahl von Flüssigkeitsströmungspfaden 10 zugeführt wird, verbunden. Jeder der Flüssigkeitsströmungswege 10 erhält Flüssigkeit aus der gemeinsamen Flüssigkeitskammer 13 entsprechend einer Menge, die der Menge der aus der Ausstoßöffnung 18 ausgestoßenen Flüssigkeit entspricht. Auf dem ursprünglichen Substrat, wo der Flüssigkeitsströmungsweg 10 angeordnet ist, ist das aus einem elastischen Metallmaterial oder dergleichen gebildete, und mit einem ebenen Bereich versehene, plattenartige bewegliche Element 31 in einer Cantilever Art angeordnet, um so dem oben beschriebenen Wärmeerzeugungselement 2 gegenüber zu liegen. Ein Ende des beweglichen Elements ist auf einer Unterlage (Trageelement) oder dergleichen, die durch Strukturierung eines Fotolacks oder dergleichen auf den Wänden des Flüssigkeitsströmungspfades 10 oder auf dem ursprünglichen Substrat gebildet ist, fixiert. In dieser Weise wird das bewegliche Element getragen und gleichzeitig wird der Auflagepunkt (Auflagebereich) 33 angeordnet.
Dadurch, dass das bewegliche Element 31 in einer Form von Zinken eines Kammes ausgebildet ist, wird es möglich, das bewegliche Elemente 31 leicht bei niedrigeren Kosten herzustellen. Es wird auch leichter, jedes von ihnen auf dem entsprechenden Untersatz auszurichten.
Das bewegliche Element 31 ist in einer Position angeordnet, um dem Wärmeerzeugungselement 2 mit einem Zwischenraum von ungefähr 15 μm mit dem Wärmeerzeugungselement 2 gegenüber zu liegen, um es auf diese Weise abzudecken und um den Auflagepunkt (Auflagebereich: fixiertes Ende) 33 auf der stromaufwärts gelegenen Seite einer starken Strömung, die durch den Vorgang des Flüssigkeitsausstoßes von der gemeinsamen Flüssigkeitskammer 13 zu der Seite der Ausstoßöffnung 18 durch das bewegliche Element 31 läuft, und das freie Ende (freier Endbereich) 32 auf der stromabwärts gelegenen Seite relativ zu diesem Auflagepunkt 33 zur Verfügung zu stellen. Zwischen dem Wärmeerzeugungselement 2 und dem beweglichen Element 31 befindet sich die Blasenerzeugungsfläche 11.
Wenn das Wärmeerzeugungselement 2 erregt wird, wirkt Wärme auf die Flüssigkeit auf der Flüssigkeitserzeugungsfläche 11 zwischen dem beweglichen Element 31 und dem Wärmeerzeugungselement 2. Dann werden durch den in der Beschreibung des U.S. Patents Nr. 4,723,129 offenbarten Filmsiedeeffekt Blasen erzeugt. Der Druck, der durch die Erzeugung einer Blase erzeugt wird, und die so erzeugte Blase wirken zunächst auf das bewegliche Element ein, und wie in den 1B und 1C oder 2 gezeigt, wird das bewegliche Element 31 versetzt, um es weit auf die Seite der sich mitten auf dem Auflagepunkt 33 befindenden Auslassöffnung 18 zu öffnen. Durch das Verschieben oder die Verschiebungsbedingungen des beweglichen Elementes 31 wird die Fortpflanzung des Druckes, der durch die Erzeugung der Blase und die Entwicklung der Blase selbst ausgeübt wird, auf die Seite der Auslassöffnung 18 hin gelenkt. Desweiteren wird es, weil der Bereich des führenden Endes des freien Endes 32 breit ist, in diesem Fall leichter, das Blasenbildungsvermögen der Blase auf die Seite der Auslassöffnung 18 zu lenken, wodurch die grundlegende Verstärkung der Ausstoßeffizienz, der Ausstoßgeschwindigkeit und anderen erzielt wird.
Jetzt wird im eine Beschreibung der erfindungsgemäßen Ausführungsformen folgenden mit Verweis auf die beigefügten Zeichnungen gegeben.
(Erste Ausführungsform)
Die 3A und 3B sind Aufsichten, die den Flüssigkeitsausstoßkopf, der mit dem Verfahren zur Herstellung von erfindungsgemäßen Ausstoßköpfen entsprechend der ersten Ausführungsform veranschaulichen: 3A ist eine in der Richtung der Flüssigkeitsströmung genommene Querschnittsansicht; und 3B ist eine bereichsweise perspektivische Aufsicht.
Wie in den 3A und 3B gezeigt, umfasst die vorliegende Ausführungsform das Wärmeerzeugungselement 2, welches Blasen durch die Anwendung von Wärme erzeugt; das Substrat 1, auf dem das Wärmeerzeugungselement 2 eingebaut ist; die Ausstoßöffnungen 18 zum Ausstoßen von Flüssigkeit; die Düsenplatte 19 mit den Ausstoßöffnungen 18, die zum Festlegen der Ausstoßrichtung von Flüssigkeit geformt sind; Flüssigkeitsströmungspfade 10 zum Zuführen der Ausstoßflüssigkeit zu jeder der Ausstoßöffnungen 18; das mit Nuten versehene Element 50, welches jeden der Flüssigkeitsströmungswege 10 bildet, das bewegliche Element 31, das mit der Erzeugung von Blasen auf jedem der Wärmeerzeugungselemente 2 beweglich ist; und die Sockelbereiche 7, die das bewegliche Element 31 jeweils tragen. Hierbei sind die Wände der Nuten 52, die eine Vielzahl von Flüssigkeitsströmungswegen voneinander trennen, angeordnet um sich in der Richtung auf die Düsenplatte 19 hin zu erstrecken, und einteilig mit der Düsenplatte 19 gebildet.
Weiterhin sind die 4A und 4B Aufsichten, die den mit der Methode zur Herstellung von Flüssigkeitsausstoßköpfen entsprechend einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellten Flüssigkeitsausstoßkopf veranschaulicht: 4A ist eine in der Flüssigkeitsströmungsrichtung genommene Querschnittsansicht; und 4B ist eine bereichsweise perspektivische Aufsicht.
Wie in den 4A und 4B gezeigt, werden die Düsenplatte 29 und das mit Nuten versehene Element 51 als einzelne erfindungsgemäße Körper vorbereitet. Die mehrere Flüssigkeitsströmungswege 10 voneinander trennenenden Nutenwände 52 sind bereitgestellt, um sich in der Richtung zur Düsenplatte 29 zu erstrecken, und mit der Düsenplatte 29 durch Benutzung eines Haftwirkstoffes oder dergleichen verbunden.
Im folgenden wird das Verfahren zur Herstellung des wie oben beschrieben aufgebauten Flüssigkeitsausstoßkopfes erläutert.
Die 5A bis 5J sind Aufsichten, die das Verfahren zur Herstellung des in den 3A und 3B dargestellten Flüssigkeitsausstoßkopfes entsprechend der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulichen. Der Zustand des Auflaminierens des mit Nuten versehenen Films ist zu Darstellungszwecken vereinfacht dargestellt.
Zuerst wird auf der Oberfläche des Substrats 1 mit dem darauf angeordneten Wärmeerzeugungselement 2 (5A) die durch eine TiW-Schicht oder eine Nickelschicht gebildete Elektrodenschicht 210 mittels eines Sputterverfahrens oder dergleichen angeordnet (5B).
Danach wird die Elektrodenschicht 210 mit einem Fotolack 211 bedeckt. Danach wird der Fotolack 211 entsprechend dem Aufbau der Sockelbereiche 7 strukturiert (5C).
Dann wird unter Benutzung von Gold 212 die Elektroformation auf der Oberfläche des Substrats durchgeführt. Weil der Fotolack 211 auf der Oberfläche des Substrats entsprechend des Aufbaus der Sockelbereiche 7 strukturiert worden ist, wird nur der Bereich, wo der Fotolack 211 durch das Strukturieren entfernt worden ist, elektrogeformt (5D).
Danach wird der Fotolack 211 entfernt, um die aus Gold 211 gebildeten Sockelbereiche 7 herzustellen (5E).
Dann wird auf der Fläche, wo das bewegliche Element 31 angeordnet ist, die Schmelz-(Verdampfungs-) Materialschicht 213 gebildet, um das bewegliche Element 31 und das Substrat 1 zu trennen (5F).
Danach wird die Oberfläche des Substrats 1 mit einem Fotolack 214 bedeckt. Dann wird der Fotolack 214 entsprechend dem Aufbau des beweglichen Elements 31 und dem Sockelbereich 7 strukturiert. Mit anderen Worten wird der Fotolack 214 auf der Fläche des Substrats 1, wo das Gold 212 und die Schmelzsmaterialschicht 213 gebildet sind, entfernt (5G).
Danach wird Nickel 215 auf der Oberfläche des Substrats gebildet. Weil der Fotolack 214 entsprechend des Aufbaus des beweglichen Elementes 31 und dem des Sockelbereiches 7 auf der Oberfläche des Substrats strukturiert worden ist, wird das Nickel 215 nur in den Bereichen, wo der Fotolack 214 durch das Strukturieren entfernt worden ist, gebildet (5H).
Dann wird der Fotolack 214 entfernt, um das bewegliche Element 31 zu bilden, das mit der aus Nickel 215 gebildeten Trageplatte versehen ist (5I).
Danach wird die Schmelzmaterialschicht 213 durch die Anwendung von Wärme geschmolzen, so dass sie verdampft wird und das bewegliche Element 31 und die Elektrodenschicht 210 getrennt werden (5J).
Wenn die oberste Schicht der Oberfläche des Substrats 1 als Elektrode hergestellt worden ist, besteht in dieser Hinsicht keine Notwendigkeit zur Herstellung der Elektrodenschicht 210.
Die 6A und 6B sind Querschnittsansichten, die den Aufbau des mit jedem der in den 5A bis 5J dargestellten Arbeitsgang hergestellten Flüssigkeitsausstoßkopfes: 6A zeigt den Aufbau bevor das bewegliche Element und die Elektrodenschicht getrennt werden; und 6B zeigt den Aufbau nachdem das bewegliche Element von der Elektrodenschicht getrennt wurde.
Wie in den 6A und 6B gezeigt wird, weil auf den Flächen, wo das Wärmeerzeugungselement 2 entsprechend der vorliegenden Ausführungsform angeordnet ist, keine Verdrahtungsschicht 303 gebildet wurde, ist die Dicke des Substrats etwas dünner als in den diese Fläche umgebenden Bereichen ausgebildet. Folglich wird das bewegliche Element 31 in der Nähe des Wärmeerzeugungselements 2 entsprechend gekrümmt, wodurch die Ausstoßeffizienz weiter verbessert wird, wenn Flüssigkeit ausgestoßen wird. Das Referenzzeichen H stellt einen Wärmeerzeugungsbereich dar.
Um den engen Kontakt zwischen dem beweglichen Element 31 und dem Sockelbereich 7 zu verstärken, ist es auch möglich, auf dem beweglichen Element 31 ein Loch zur Herstellung einer Goldverbindung zu bilden.
Die 7A und 7B sind Aufsichten, die die für das von Canon bevorzugte Blasenstrahlverfahren benutzten zweckmäßigen, wesentlichen Elemente vor dem Verbinden veranschaulichen; 7A ist eine Aufsicht; 7B ist eine Querschnittsansicht. Die 8A und 8B sind Aufsichten, die die zweckmäßigen, wesentlichen Elemente nach dem Verbinden veranschaulichen; 8A ist eine Aufsicht; 8B ist eine Querschnittsansicht.
Wie in den 7A und 7B und den 8A und 8B gezeigt, werden auf dem beweglichen Element 31 den Sockelbereich 7 erreichende Stanzlöcher 35 angeordnet, und in die Stanzlöcher 35 wird Gold 212 gefüllt. Ruf diese Weise werden das bewegliche Element 31 und der Sockelbereich 7 fester verbunden.
In diesem Zusammenhang wird Nickel als das Material für das erfindungsgemäße bewegliche Element 31 benutzt. Es ist jedoch auch möglich, Gold oder dergleichen zu benutzen.
Desweiteren werden als Si, Polysulfone, oder dergleichen Materialien für das mit Nuten versehene Element 50 genannt, und Nickel, Polyimide, oder dergleichen als das Material für die Düsenplatte 29.
Nachdem das bewegliche Element 31 und der Sockelbereich 7 auf dem Substrat 1 gebildet worden sind, wird das mit Nuten versehene Element 50 mit dem Substrat 1 durch die Anwendung eines Haftwirkstoffs oder durch die Benutzung einer Feder verbunden.
Dann wird ein Flüssigkeitsausstoßkopf durch jedes der folgenden Verfahren komplettiert: Präge- oder Pressverbindung, TAB-Verbindung, Einbau eines Tintenzuführelements, (Verbindung mit der Düsenplatte), Versiegeln, und (falls Umrahmen falls mehrere Köpfe benutzt werden, zum Einbau des Tanks, wenn der Tank und der Kopf zusammen als ein Körper gebildet werden, oder dergleichen).
Wenn die Substrate 1 und die mit Nuten versehenen Elemente 50 auf einer Si-Scheibe gebildet worden sind, ist es hierbei möglich, sie in der Form der Scheibe zu verbinden und sie dann jeweils in einem Chipmodus zu schneiden.
(Zweite Ausführungsform)
Die 9A bis 9J sind Aufsichten, die ein Verfahren zur Herstellung des in den 3A und 3B dargestellten Flüssigkeitsausstoßkopfes entsprechend einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulichen. Der Zustand des Auflaminierens des mit Nuten versehenen Films ist vereinfacht dargestellt.
Zunächst wird auf der Oberfläche des Substrats 1, auf der die Wärmeerzeugungselemente 2 angeordnet sind (9A), die aus einer TiW-Schicht oder Nickelschicht gebildete Elektrodenschicht 210 durch ein Sputterverfahren oder dergleichen angeordnet (9B).
Dann wird die Elektrodenschicht 210 durch einen Fotolack 211 abgedeckt. Danach wird der Fotolack 211 entsprechend dem Aufbau der Sockelbereiche 7 strukturiert (9C).
Dann wird unter Benutzung von Gold 212 die Elektroformation auf der Oberfläche des Substrats durchgeführt. Weil der Fotolack 211 auf der Oberfläche des Substrats entsprechend des Aufbaus der Sockelbereiche 7 strukturiert worden ist, werden dabei nur die Bereiche elektrogeformt, wo der Fotolack 211 durch das Strukturieren entfernt worden ist (9D).
Danach wird der Fotolack 211 entfernt, um die aus Gold 211 gebildeten Sockelbereiche 7 herzustellen (9E).
Danach wird in den Bereichen, wo das bewegliche Element 31 angeordnet wird, die Abschälschicht 216 gebildet, um das bewegliche Element 31 und das Substrat 1 abzuschälen (9F).
Danach wird die Oberfläche des Substrats 1 mit einem Fotolack 214 abgedeckt. Dann wird der Fotolack 214 entsprechend des Aufbaus des beweglichen Elementes 31 und des Sockelbereiches 7 strukturiert. Mit anderen Worten wird der Fotolack 214 auf den Flächen des Substrats 1, wo das Gold 212 und die Abschälschicht 216 gebildet worden sind, entfernt (9G).
Danach wird die Oberfläche des Substrats unter Benutzung eines Materiales 217 mit einem hohen thermischen Ausdehnungskoeffizient und einem Material 218 mit einem niedrigeren thermischen Ausdehnungskoeffizient elektrogeformt. Weil der Fotolack 214 entsprechend des Aufbaus des beweglichen Elements 31 und des Sockelbereichs 7 auf der Oberfläche des Substrats entfernt worden ist, nur der Bereich, wo der Fotolack 214 durch das Strukturieren entfernt worden ist, elektrogeformt (9H).
Dann wird der Fotolack 214 entfernt um das bewegliche Element 31 zu bilden, das mit der aus dem Material 217 mit dem hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und dem Material 218 mit dem niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten gebildet ist auszubilden 9I).
Danach wird das Material 217 mit dem hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und das Material 218 mit dem niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten durch die Anwendung von Wärme gekrümmt. Auf diese Weise werden das bewegliche Element 31 und die Elektrodenschicht 210 abgeschält (9J).
Wenn die oberste Schicht der Oberfläche des Substrats 1 als Elektrode ausgebildet ist, besteht in diesem Zusammenhang keine Notwendigkeit zur Herstellung der Elektrodenschicht 210.
Entsprechend der vorliegenden Ausführungsform wird das Material 217 mit dem hohen thermischen Ausdehnungskoeffizient und das Material 218 mit dem niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizient, die das bewegliche Element 31 bilden, in Abhängigkeit von der Temperatur in dem Ausstoßstück gekrümmt. Auf diese Weise wird der Zwischenraum zwischen dem beweglichen Element 31 und dem Wärmeerzeugungselement 2 angepaßt. Folglich können die Änderungen der Charakteristik, die durch die Temperatur in dem Ausstoßstück verursacht werden, durch Änderung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der beiden Arten der das bewegliche Element 31 bildenden Materialien eingestellt werden.
(Dritte Ausführungsform)
Die 10A bis 10J sind Aufsichten, die ein Verfahren zur Herstellung des in den 3A und 3B dargestellten Flüssigkeitsausstoßkopfes entsprechend einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulichen. Der Zustand des Auflaminierens des mit Nuten versehenen Films ist vereinfacht dargestellt.
Zunächst wird auf der Oberfläche des Substrats 1, auf der das Wärmeerzeugungselement 2 angeordnet ist (10A), die aus einer TiW-Schicht oder einer Nickelschicht gebildete Elektrodenschicht 210 durch ein Sputterverfahren oder dergleichen (10B).
Dann wird die Elektrodenschicht 210 durch einen Fotolack 211 abgedeckt. Danach wird der Fotolack 211 entsprechend des Aufbaus der Sockelbereiche 7 strukturiert (10C).
Dann wird unter Benutzung von Gold 212 die Elektroformation auf der Oberfläche des Substrats durchgeführt. Weil der Fotolack 211 auf der Oberfläche des Substrats entsprechend des Aufbaus der Sockelbereiche 7 mit strukturiert worden ist, werden dabei nur die Bereiche elektrogeformt, wo der Fotolack 211 durch das Strukturieren entfernt worden ist (10D).
Danach wird der Fotolack 211 entfernt, um die aus Gold 211 gebildeten Sockelbereiche 7 herzustellen (10E).
Dann wird auf der Fläche, wo das bewegliche Element 31 angeordnet wird, die Abschälschicht 216 gebildet, um das bewegliche Element 31 und das Substrat 1 abzuschälen (10F).
Danach wird die Oberfläche des Substrats 1 mit einem Fotolack 214 abgedeckt. Dann wird der Fotolack 214 entsprechend des Aufbaus des beweglichen Elementes 31 und des Sockelbereiches 7 strukturiert. Mit anderen Worten wird der Fotolack 214 auf den Flächen des Substrats 1, wo das Gold 212 und die Abschälschicht 216 gebildet sind, entfernt (10G).
Danach wird die Oberfläche des Substrats unter Benutzung von Nickel 215 elektrogeformt. Weil der Fotolack 214 entsprechend des Aufbaus des beweglichen Elementes 31 und des Sockelbereiches 7 auf der Oberfläche des Substrats struktiriert worden ist, wird dabei nur der Bereich, wo der Fotolack 214 durch das Strukturieren entfernt worden ist, mit Nickel 215 elektrogeformt (10H). Auch wird in diesem Fall der Spannungsmoderator, der in der zum Elektroformen benutzten Lösung enthalten ist, angepasst, so dass die innere Belastung des Nickels eine Zugbelastung wird.
Danach wird der Fotolack 214 entfernt, um das bewegliche Element 31, das mit der aus Nickel gebildeten Trageplatte versehen ist, zu bilden (10I).
Danach werden das bewegliche Element 31 und die Elektrodenschicht 210 durch die Funktionsweise der Abschälschicht 216 und durch die innere Belastung des beweglichen Elementes 31 abgelöst, die Elektrodenschicht 210 und das bewegliche Element 31 werden abgelöst, um den Flüssigkeitsausstoßkopf zu vervollständigen.
Wenn die oberste Schicht der Oberfläche des Substrates 1 als Elektrode hergestellt ist, besteht in diesem Zusammenhang keine Notwendigkeit zur Herstellung der Elektrodenschicht 210.
In der vorliegenden Ausführungsform hat das bewegliche Element 31 die Eigenschaft, dass sein führendes Ende in Bezug auf den Sockelbereich 7 als dessen Auflagepunkt aufwärts gekrümmt ist, nachdem die Elektrodenschicht 210 abgeschält ist. Daher wird es möglich, die flüssigkeitserzeugende Oberfläche stabil zu befestigen, und ferner das bewegliche Element 31 zur Zeit der Blasenbildung blasenbildende effizient zu bewegen.
(Vierte Ausführungsform)
11 ist eine in dem Flüssigkeitsströmungsweg geschnittene Querschnittsansicht, die einen Flüssigkeitsausstoßkopf, der mit dem Verfahren zum Herstellen von Flüssigkeitsausstoßköpfen entsprechend einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt worden ist, zeigt.
Wie in 11 gezeigt, umfasst die vorliegende Ausführungsform das wärmeerzeugende Element 2, das die Blasen durch die Anwendung von Wärme erzeugt; das Substrat 1, auf dem die Wärmeerzeugungselemente 2 eingebaut sind; die Ausstoßöffnungen 18 zum Ausstoßen von Flüssigkeit; die Düsenplatte 29 mit den Ausstoßöffnungen 18, die derart gebildet sind, dass die Ausstoßrichtung der Flüssigkeit festlegt ist; Flüssigkeitsströmungswege 10 zum Zuführen der Ausstoßflüssigkeit zu jeder der Ausstoßöffnungen 18; das mit Nuten versehene Element 51, das jeden der Flüssigkeitsströmungspfade 10 bildet; das bewegliche Element 31, das bei der Bildung von Blasen auf jedem der Wärmeerzeugungselemente 2 beweglich ist; und die Sockelbereiche 7, die die entsprechenden beweglichen Elemente 31 tragen. Hierbei sind die Nutenwände, die eine Vielzahl von Flüssigkeitsströmungswegen 10 voneinander trennen, so angeordnet dass sie sich in der Richtung auf die Düsenplatte 29 hin erstrecken und einteilig mit der Düsenplatte 29 gebildet sind.
Im folgenden wird das Verfahren zur Herstellung der oben als vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschriebenen Flüssigkeitsausstoßköpfe erläutert.
Die 12A bis 12I sind Aufsichten, die das Verfahren zur Herstellung der in 11 dargestellten Flüssigkeitsausstoßköpfe entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.
Zunächst wird auf der Oberfläche des Substrats 1, auf der das Wärmeerzeugungselement 2 sowie die Tantalschicht 219 angeordnet sind (12A), die aus einer TiW-Schicht oder dergleichen gebildete Elektrodenschicht 210 durch ein Sputterverfahren oder dergleichen aufgebracht (12B).
Dann wird Gold 212 auf der Oberfläche der Elektrodenschicht 210 durch ein Sputterverfahren oder dergleichen gebildet (12C).
Danach wird weiterhin Gold 212 auf der Oberfläche des Substrats elektrogeformt (12D). In diesem Fall ist die Dicke des Goldes 212 0.5 bis 10 μm.
Dann wird die Oberfläche des Substrats 1 mit einem Fotolack 214 bedeckt. Danach wird der Fotolack 214 entsprechend der Struktur des beweglichen Elementes 31 und des Sockelbereiches 7 strukturiert (12E).
Dann wird die Oberfläche des Substrats unter Benutzung von Nickel 215 elektrogeformt. Weil der Fotolack 214 auf der Oberfläche des Substrats entsprechend der Struktur des beweglichen Elements 31 und des Sockelbereiches 7 strukturiert worden ist, wird hierbei Nickel nur in dem Bereich elektrogeformt, wo der Fotolack 214 durch das Strukturieren entfernt worden ist (12F). In diesem Zusammenhang ist die Dicke von Nickel 215 0.5 bis 10 μm.
Danach wird der verbleibende Fotolack 214 entfernt (12G).
Dann wird das Gold 212 durch Nassätzen unter Benutzung von Natriumzyanid entfernt. In diesem Fall wird das Ätzen beendet, wenn alles Gold durch Tiefätzen unter dem beweglichen Bereich des beweglichen Elements 31 entfernt worden ist (12H).
Danach wird die Elektrodenschicht 210 durch Ätzen unter Benutzung von Wasserstoffperoxyd entfernt (12I).
Mit der Serie der oben beschriebenen Verfahrensschritten wird ein Flüssigkeitsausstoßkopf, wie in den 13A und 13B gezeigt, vervollständigt.
Die 13A und 13B sind Aufsichten, die den Aufbau des mit jedem der in den 12A bis 12I dargestellten Verfahrensschritte hergestellten Flüssigkeitsausstoßkopf veranschaulichen; 13A ist eine Aufsicht; 13B ist eine Querschnittsansicht.
Wenn die als Oberflächenschicht des Substrats 1 dienende Tantalschicht 219 als Elektrode hergestellt ist, wird in diesem Zusammenhang der Herstellungsschritt der Elektrodenschicht 212 nicht benötigt. Desweiteren besteht, wenn die Elektroformation von Gold direkt auf der Tantalschicht 219 oder der Elektrodenschicht 210 ausgeführt wird, ebenfalls keine Notwendigkeit für das Goldsputterverfahren.
Im Vergleich mit der ersten Ausführungsform macht es die vorliegende Ausführungsform wie oben beschrieben möglich, den Zwischenraum zwischen dem beweglichen Element 31 und dem Wärmeerzeugungselement 2 mittels des Sockelbereiches 7 genauer zu einzustellen.
(Fünfte Ausführungsform)
Die 14A bis 14I sind Aufsichten, die das Verfahren zur Herstellung eines Flüssigkeitsausstoßkopfes entsprechend einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.
Zunächst wird auf der Oberfläche des Substrats, auf dem das Wärmeerzeugungselement 2 sowie die Tantalschicht 219 angeordnet sind (14A), Blei 220 durch ein Sputterverfahren oder dergleichen gebildet (14B).
Dann wird Blei 220 durch Strukturieren entfernt, wobei nur der Bereich, der zum Sockel des beweglichen Elements wird, intakt gelassen wird (14C).
Danach wird die Elektrodenschicht 210 auf der Oberfläche des Substrats durch ein Sputterverfahren oder dergleichen mit TiW gebildet (14D).
Danach wird die Elektrode 210 strukturiert, um die Elektrodenschicht 210 in dem Bereich, der zum Sockel des beweglichen Elements wird, zu entfernen (14E).
Dann wird die Oberfläche des Substrats 1 mit einem Fotolack 214 bedeckt. Danach wird der Fotolack 214 entsprechend des Aufbaus des beweglichen Elements und des Sockelbereiches strukturiert (14F).
Dann wird Nickel 215 auf die Oberfläche des Substrats elektrogeformt. Weil der Fotolack 214 auf der Oberfläche des Substrats entsprechend des Aufbaus des beweglichen Elements und des Sockelbereiches strukturiert worden ist, wird hierbei Nickel nur in dem Bereich elektrogeformt, wo der Fotolack 214 durch das Strukturieren entfernt worden ist (14G).
Danach wird der verbleibende Fotolack 214 entfernt (14H).
Dann wird die Elektrodenschicht 210 in der Nähe des beweglichen Elementes durch Ätzen entfernt (14I).
Mit der Serie der oben beschriebenen Verfahrensschritte wird ein Flüssigkeitsausstoßkopf vervollständig. Entsprechend der vorliegenden Ausführungsform wird jedoch der zurückspringende Bereich 221 in der Nähe des Sockels des beweglichen Elementes gebildet. Dadurch ist der bewegliche Bereich des beweglichen Elementes so strukturiert, dass er leicht beweglich ist, wenn Flüssigkeit ausgestoßen wird.
(Sechste Ausführungsform)
Die 18A und 18B sind Aufsichten, die den Flüssigkeitsausstoßkopf, der mit dem Verfahren zur Herstellung von Flüssigkeitsausstoßköpfen entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt worden ist, veranschaulicht; 18A ist eine Querschnittsansicht; und 18B ist eine teilweise aufgebrochene perspektivische Aufsicht.
Wie in den 18A und 18B gezeigt, umfasst die vorliegende Ausführungsform das Wärmeerzeugungselement 2, das Blasen durch die Anwendung von Wärme erzeugt; das Substrat 1, auf dem die wärmeerzeugenden Elemente 2 eingebaut sind; die Düsenplatte 29 mit den Ausstoßöffnungen 18, die derart gebildet sind, dass sie die Ausstoßrichtung von Flüssigkeit festlegen; Flüssigkeitsströmungswege 10 zum Zuführen von Ausstoßflüssigkeit zu jedem der Ausstoßöffnungen 18; das mit Nuten versehene Element 51, das jeden der Flüssigkeitsströmungspfade 10 bildet; und das bewegliche Element 31, das während der Erzeugung von Blasen auf jedem der Wärmeerzeugungselemente 2 beweglich ist. Hierbei sind die Nutenwände 52, die eine Vielzahl von Flüssigkeitsströmungswegen 10 voneinander trennen, so angeordnet, dass sie sich in der Richtung auf die Düsenplatte 29 hin erstrecken, und mit der Düsenplatte durch Anwendung eines Haftwirkstoffs oder dergleichen verbunden sind. Jetzt wird ein Verfahren zur Herstellung von Flüssigkeitsausstoßköpfen in Zusammenhang mit den 19A bis 19I beschrieben.
Hierbei sind die 19A bis 19I Aufsichten, die das Verfahren zur Herstellung des in den 18A und 18B gezeigten Flüssigkeitsausstoßkopfes veranschaulichen.
Zunächst wird auf der Oberfläche des Substrats 1 mit dem darauf angeordneten Wärmeerzeugungselement 2 (19A) die aus einer TiW-Schicht oder Nickelschicht gebildete Elektrodenschicht 210 durch ein Sputterverfahren oder dergleichen angebracht (19B).
Dann wird die Elektrodenschicht 210 mit einem Fotolack 211 abgedeckt. Danach wird der Fotolack 211 auf der Stelle, die dem beweglichen Bereich des beweglichen Elementes entspricht, strukturiert (19C).
Dann wird auf der oben beschriebenen Stelle ein organischer, leitender Film 222 durch Eintunken oder dergleichen beschichtet, um die Ablösbarkeit zwischen der Elektrodenschicht und dem später galvanisch zu formenden Nickel zu vergrößern (19D).
Danach wird der Fotolack 211 entfernt (19E). Dann wird die Form des beweglichen Elementes und des nicht bewegliches Bereichs des beweglichen Elementes noch einmal mit einem Fotolack strukturiert. In diesem Falle ist die nicht bewegliche Fläche natürlich breiter gemacht als die Fläche, wo der Ablösewirkstoff angewendet worden ist.
Dann wird die Oberfläche des Substrats 1 mit Nickel 215 beschichtet (19G).
Danach wird der Fotolack 214 entfernt, und das bewegliche Element wird mit der aus Nickel 215 hergestellten Unterstützungsplatte gebildet (19H).
Danach wird durch Ausnutzen des Unterschieds des thermischen Ausdehnungskoeffizienten mit dem Substrat 1 das Nickel auf der Fläche, wo der Ablösewirkstoff angewendet worden ist, von dem Substrat 1 durch die Anwendung von Wärme getrennt (19I).
In diesem Zusammenhang sei angemerkt, dass wenn die oberste Schicht der Oberfläche des Substrats 1 als Elektrode hergestellt ist, keine Notwendigkeit zur Herstellung der Elektrodenschicht 210 besteht.
(Siebente Ausführungsform)
Jetzt wird unter Bezugnahme auf die 20A bis 20I die Methode zur Herstellung von Flüssigkeitsausstoßköpfen entsprechend einer siebenten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Die 20A bis 20I sind Aufsichten, die jeden Verfahrensschritt des Verfahrens zur Herstellung von Flüssigkeitsköpfen entsprechend der vorliegenden Ausführungsform veranschaulichen. Es ist angemerkt, dass jeder der in den 20A bis 20I gezeigte Verfahrensschritt jedem der in den 19A bis 19I gezeigten entspricht.
In der vorliegenden Ausführungsform sind all diese bis zu dem in 20I gezeigten Schritt die gleichen, wie die der sechsten Ausführungsform.
Dann wird der Grad der Belichtung im Hinblick auf den Fotolack 214 angepasst, der für die Elektroformation des als das beweglichen Element dienenden Nickels benutzt wird, um die Dicke des Zwischenraums auf der Seite des Substrats 1 in Richtung der Dicke dem Fotolack 214 herzustellen, während sie auf der Seite der Oberfläche breiter hergestellt wird. Auf diese Weise wird die Belichtungsentwicklung durchgeführt (20F).
Danach wird Nickel elektrogeformt (20G). Dann wird der Fotolack 214 entfernt, um die rückwärtige Seite des beweglichen Elements, die größer als seine Oberfläche auf der Seite des wärmeerzeugenden Elementes 2 ist, zu bilden (20H).
Zum Schluss wird das Nickel 215 auf der Fläche, wo der Ablösewirkstoff angewendet worden ist, und das Substrat 1 voneinander getrennt durch Zuführen von Wärme, Ultraschallwellen oder Schwingungen oder Kombinationen aus diesen, zu dem aus Nickel 215 hergestellten beweglichen Element und dem Substrat 1 (20I).
Erfindungsgemäß ist es möglich, eine Spannvorrichtung zum mechanischen Trennen des aus Nickel 215 hergestellten beweglichen Elementes und dem Substrat 1 mit dem beweglichen Element, das wie oben beschrieben strukturiert worden ist, zu benutzen, selbst wenn das bewegliche Element und das Substrat nicht durch Wärmezufuhr, Ultraschallwellen, oder Schwingungen in dem in 20I gezeigten Prozess getrennt werden kann. Daher ist es ermöglicht, den beweglichen Bereich des beweglichen Elementes zuverlässig von dem Substrat 1 zu trennen.
(Achte Ausführungsform)
21 ist eine in der Flüssigkeitsströmungsrichtung genommene Querschnittsansicht, die den grundlegenden Aufbau des erfindungsgemäßen Flüssigkeitsausstoßkopfes darstellt.
Wie in 21 gezeigt, ist der Flüssigkeitssaustoßkopf mit einem ursprünglichen Substrat 301 mit einer Vielzahl von in Serie angeordneten Wärmeerzeugungselementen 302 (in 21 ist nur eines gezeigt), versehen, um thermische Energie zum Erzeugen von Blasen in der Flüssigkeit abzugeben; eine Deckenplatte 303a, die mit dem ursprünglichen Substrat 301 zu verbinden ist; und eine Düsenplatte 304, die an das Frontende des ursprünglichen Substrats 301 und die Deckenplatte 303a verbunden ist.
Für das ursprüngliche Substrat 301 wird ein Siliziumoxydfilm oder Siliziumnitridfilm zum Zwecke der Isolation und Wärmeakkumulation auf dem aus Silizium oder dergleichen hergestellten Substrat gebildet. Dann wird darauf Strukturierung angewendet, um die elektrische Widerstandsschicht und Verdrahtung für die Bildung der wärmeerzeugenden Elemente 302 bereitzustellen. Wenn eine Spannung durch die Verdrahtung an die elektrische Widerstandsschicht angelegt wird, fließt in der elektrischen Widerstandsschicht ein elektrischer Strom und ermöglicht dem wärmeerzeugenden Element 302, Wärme abzugeben.
Die Deckenplatte 303a bildet eine Vielzahl von Flüssigkeitsströmungspfaden 307 entsprechend eines jeden der wärmeerzeugenden Elemente 302 und ebenso die gemeinsame Flüssigkeitskammer 308 zum Zuführen von Flüssigkeit in jeden der Flüssigkeitsströmungswege. Die Seitenwände 309 der Flüssigkeitswege, die sich zwischen den Wärmerzeugungselementen 302 erstrecken, werden integral mit der Deckenplatte geschaffen. Die Deckenplatte 303a wird aus Siliziummaterial gebildet, um es möglich zu machen, dass die Flüssigkeitsströmungswege 307 und die gemeinsame Flüssigkeitskammer 309 durch Ätzen der entsprechenden Struktur gebildet werden oder um sie, nachdem Material, wie z. B. Siliziumnitrit oder Siliumoxyd auf dem Siliziumsubstrat durch die bekannten Filmbildungsmethoden, wie beispielsweise CVD, abgelagert worden ist, durch Ätzen des Bereichs des Flüssigkeitsströmungspfades 307 zu bilden, um daraus so die Seitenwände der Strömungspfade herzustellen.
Auf der Düsenplatte 304 wird eine Vielzahl von Ausstoßöffnungen 305 gebildet, die mit jedem der entsprechenden Flüssigkeitsströmungswege 307 und der gemeinsamen Flüssigkeitskammer 305 durch jeden der entsprechenden Flüssigkeitsströmungswege 307 in Verbindung sind. Die Düsenplatte 304 wird ebenfalls aus Siliziummaterial gebildet. Die Düsenplatte kann z. B. durch Schneiden des Siliziumsubstrats mit den dafür bereits geformten Ausstoßöffnungen 305 in einer Dicke von ungefähr 10 bis 150 μm gebildet werden. Hierin ist die Düsenplatte 304 nicht notwendigerweise der benötigte Bestandteil für den Aufbau der vorliegenden Erfindung. Anstelle der Bereitstellung der Düsenplatten 304 ist es auch möglich, eine Deckenplatte mit Ausstoßöffnungen bereitzustellen, indem wenn die Flüssigkeitsströmungswege 307 auf der Deckenplatte 308a gebildet werden, ein Bereich, der der Dicke der Düsenplatte 304 entspricht, in der Wand des vorderseitigen Endes der Deckenplatte 303a intakt gelassen wird, und dann werden die Auslassöffnungen 305 in diesen bestimmten, derart intakt gelassenen Bereichen gebildet.
Weiterhin wird für die Flüssigkeitsausstoßköpfe ein bewegliches Element vom Cantilevertyp bereitgestellt, welches dem Wärmeerzeugungselement 302 gegenüberliegend angeordnet ist, um die Flüssigkeitsströmungswege 307 in einen ersten Flüssigkeitsströmungsweg 307a und einen zweiten Flüssigkeitsströmungsweg 307b, in denen jedes der Wärmerzeugungselemente 302 angeordnet ist, zu trennen. Das bewegliche Element 306 ist ein aus Siliziummaterial gebildeter, dünner Film, zum Beispiel Siliziumnitrid oder Siliziumoxyd.
Das bewegliche Element 306 ist in einer Position angeordnet, um den Wärmeerzeugungselement 302 mit einem bestimmten, mit ihm gebildeten Zwischenraum gegenüberzuliegen, und um das Wärmeerzeugungselement 302 abzudecken, so dass dieses Element den Auflagepunkt 306a auf der stromaufwärts gelegenen Seite der starken Strömung hat, die durch den Vorgang des Ausstoßens von Flüssigkeit aus der gemeinsamen Flüssigkeitskammer 308 zu der Seite der Ausstoßöffnungen 305 durch das bewegliche Element 306 und auch das freie Ende 306b auf deren in Bezug auf diesen Auflagepunkt 306a stromabwärts gelegenen Seite. Zwischen dem Wärmeerzeugungselement 302 und dem beweglichen Element 306 befindet sich der blasenbildende Bereich 310a.
Wenn das Wärmeerzeugungselement 302 energetisiert wird, wirkt in dem wie oben angeordneten Aufbau Wärme auf die sich in dem Blasenerzeugungsbereich 310a zwischen dem beweglichen Element 306 und dem Wärmeerzeugungselement 302 befindende Flüssigkeit so, dass auf dem Wärmeerzeugungselement 302 durch den Filmsiedeeffekt Blasen erzeugt und entwickelt werden. Der mit der Entwicklung der Blase ausgeübte Druck wirkt zunächst auf das bewegliche Element 306. Dann wird das bewegliche Element 306 wie mit den unterbrochenen Linien in 21 angedeutet, verschoben, um sich mit dem Auflagepunkt 306a als seinem Zentrum weit zu der Seite mit der Auslassöffnung 305 hin zu öffnen. Durch die Verschiebung des beweglichen Elements 306 oder die Verschiebungsbedingungen dafür wird die Fortpflanzung des durch die Bildung von Blasen und die Entwicklung der Blase selbst erzeugten Drucks auf die Seite der Auslassöffnung 305 übertragen. Auf diese Weise wird Flüssigkeit aus der Ausstoßöffnung 305 ausgestoßen.
Mit anderen Worten wird durch das Vorhandensein des beweglichen Elements 306 auf der blasenerzeugenden Fläche 310a, die ihren Aufstützpunkt 306a auf der in stromaufwärts gelegenen Seite (auf der Seite der gemeinsamen Flüssigkeitskammer 308) des Flüssigkeitsstroms in dem Flüssigkeitsströmungsweg 307 und ihr freies Ende 306b auf der in stromabwärts gelegenen Seite (auf der Seite der Ausstoßöffnung 305) hat, die Druckfortpflanzungsrichtung der Blase auf die in stromabwärts gelegene Seite übertragen. Daher trägt der Druck der Blase direkt effizient zu dem Ausstoß von Flüssigkeit bei. Weiterhin wird die Entwicklungsrichtung der Blase selbst entsprechend der Ausweitungsrichtung des Drucks auf die stromabwärts gelegene Seite, gebracht, so dass es möglich wird, dass sich die Blase auf der stromabwärts gelegenen Seite größer als auf der stromaufwärts gelegenen Seite entwickelt. Auf diese Weise ist die Entwicklungsrichtung der Blase selbst sowie die Ausbreitungsrichtung der Blase durch das bewegliche Element kontrolliert. Folglich wird es möglich, die grundlegenden Ausstoßeigenschaften, wie z. B. die Ausstoßeffizienz und die Ausstoßgeschwindigkeiten, merklich zu verbessern.
Wenn andererseits die Blase in den Schwundvorgang eintritt, verschwindet sie schnell aufgrund des synergetischen Effekt mit der Elastizität des beweglichen Elements 306. Dann kehrt das bewegliche Element 306 schließlich in seine in 21 mit durchgezogenen Linien dargestellte, ursprüngliche Position zurück. An diesem Punkt strömt Flüssigkeit von der in Strömungsrichtung aufwärts gelegenen Seite ein, genauer gesagt von der gemeinsamen Flüssigkeitskammer, um das zusammengefallene Volumen der Blase auf der blasenerzeugenden Fläche 310a aufzufüllen bzw. um den Volumenanteil der Flüssigkeit, die ausgestoßen worden ist, aufzufüllen. Auf diese Weise wird Flüssigkeit in den Flüssigkeitsströmungsweg 307 neu eingefüllt. Dieses Nachfüllen von Flüssigkeit wird rationell und mit der zurückkehrenden Wirkung des beweglichen Elements 306 effizient stabil ausgeführt.
Im folgenden wird eine ausführliche Beschreibung von den Materialien, die das für den erfindungsgemäßen Flüssigkeitsausstoßkopf kennzeichnende bewegliche Element bilden, und ebenso für das Verfahren zur Herstellung dafür gegeben.
Zunächst wird auf dem Substrat 201 durch das CVD-Verfahren bei einer Temperatur von 350°C BPSG gebildet (23A). Die Filmdicke dieses BPSG ist schließlich äquivalent zu dem Zwischenraum zwischen dem beweglichen Bereich des beweglichen Elements und dem Wärmeerzeugungselement, und diese Dicke wird eingestellt, so dass sie einen optimalen Wert zwischen 1 μm und 20 μm hat, bei dem das bewegliche Element seinen Effekt hinsichtlich der gesamten Balance des Strömungsweges am stärksten bemerkbar zeigt. Anschließend wird ein Fotolack 203 durch Drehbeschichtung oder dergleichen aufgebracht, um das BPSG zu strukturieren (23B), und danach belichtet und entwickelt (23C), so dass der Fotolack in dem Bereich, der dem festen Bereich des beweglichen Elements entspricht, entfernt wird.
Dann wird das BPSG, das keinen Fotolack auf sich hat, durch Nassätzen mit gepufferter Fluorwasserstoffsäure entfernt. Danach wird der verbleibende Fotolack entfernt, indem darauf Plasma-Veraschung unter Benutzung von Sauerstoffplasma angewendet wird oder durch Eintauchen in eine Lösung zum Entfernen des Fotolacks (23E). Dann wird ein SiN-Film auf dem BPSG in einer Dicke von 1 bis 10 μm (hierbei ist die beste Zusammensetzung des SiN-Films Si₃N₄, es gibt jedoch kein Problem, wenn N in einem Bereich von 1 bis 1,5 in Bezug auf das Si : 1 ist, um den erwarteten Effekt des beweglichen Elements zu erzielen) durch die Ausführung von Plasma-CVD mit Ammonium und Silangas bei einer Temperatur von 400°C gebildet. Der SiN-Film wird im allgemeinen für das Halbleiterverfahren benutzt, und dieser Film ist Alkali-beständig und weist chemische Stabilität auf, und ist weiterhin beständig gegen Tinte.
Mit anderen Worten, weil dieser Film letztendlich das bewegliche Element wird, gibt es keine besondere Einschränkung für das Herstellungsverfahren, mit dem die Zusammensetzung und Struktur zum Erreichen des optimalen Werts des Materials erzielt wird. Zum Beispiel ist es bezüglich des Verfahrens zur Bildung von SiN möglich, nicht nur wie oben beschrieben Plasma-CVD einzusetzen, sondern zu seiner Herstellung auch atmosphärisches CVD, Niedrigdruck-CVD, vorgespanntes ECRCVD, Mikrowellen CVD, oder Sputtern oder Coating zu benutzen. Es ist auch möglich, die Faktoren der Zusammensetzung des SiN-Films Schritt für Schritt zu verändern, um daraus einen Film in mehreren Schichten herzustellen, um auf diese Weise seine innere Belastung, Steifigkeit, Youngs Modul, und andere physikalische Eigenschaften, sowie die Widerstandsfähigkeit gegen Alkali, Säurebeständigkeit und andere chemische Eigenschaften zu verbessern. Der Film kann auch vielschichtig durch schrittweises Hinzufügen von Verunreinigungen hergestellt werden. Es ist auch möglich, Verunreinigungen in einer einzigen Schicht hinzu zufügen. Dann wird durch Drehbeschichtung ein Fotolack aufgebracht, um den SiN-Film zu strukturieren. Nach dem Strukturieren wird die Anordnung des beweglichen Elements durch Trockenätzen, Ätzen mit reaktiven Ionen, oder dergleichen, unter Benutzung von CF₄ Gas, oder dergleichen, geätzt.
Zuletzt wird all das auf dem niedrigeren Teil des beweglichen Bereichs verbleibende BPSG durch das Nassätzen, welches gepufferte Fluorwasserstoffsäure benutzt, entfernt. Dann wird, wie in 23H gezeigt, das bewegliche Element gebildet. Falls BPSG teilweise in den tiefsten Teilen der unteren Teile des beweglichen Bereiches als Restprodukt des Ätzens übrig geblieben sein sollte, wird hierdurch das BPSG durch Alkali, wie zum Beispiel Tinte, leicht geätzt. Folglich kann es möglicherweise auch weggelöst werden wenn Tinte zugeführt wird, und es gibt nicht das sonst leicht auftauchendes Problem, welches die Zuverlässigkeit des Elements direkt beeinflussen würde. Desweiteren sollte es für die Herstellung des für das bewegliche Element benötigten Zwischenraums genügend gut sein, wenn nur das ausgewählte Verhältnis in SiN durch die Anwendung von gepufferter Fluorwasserstoffsäure erzielt werden kann, nicht notwendigerweise wie oben beschrieben durch das BPSG. Daher könnte, neben BPSG, auch der SiO-Film eingesetzt werden, wenn er leicht bei einer niedrigeren Temperatur wie zum Beispiel 400°C oder weniger geätzt werden kann. Es ist auch möglich, PSG zu benutzen, wobei nur P hinzugefügt wird. Neben dem oben Genannten ist es im Hinblick auf ein einfacheres Verfahren auch möglich, ein organisches Material zu benutzen.
In diesem Zusammenhang wird die Dicke des beweglichen Elementes wie oben beschrieben zwischen 1 bis 10 μm eingestellt. Jedoch ist es möglich, denselben Effekt selbst dann zu erhalten, wenn die relative Dicke des SiN 1/2 des Ni des beweglichen Elements gemacht wird, was beispielsweise öffentlich bekannt ist, weil dessen Young-Modul ungefähr zweimal größer ist.
Die obige Beschreibung bezieht sich nur auf das bewegliche Element, aber der tragende Bereich des beweglichen Elementes kann gleichzeitig hergestellt werden, wobei der Effekt der vorliegenden Erfindung jedoch überhaupt nicht beeinflusst wird, selbst wenn der tragende Bereich aus einem anderen Material hergestellt wird, um seinen engen Kontakt zu erzielen oder um das Herstellungsverfahren zu vereinfachen.
(Abgeändertes Beispiel)
Es ist möglich das bewegliche Element mit einem Diamantfilm oder einem amorphen Kohlenstoffhydridfilm zu bilden. Im Einklang mit der vorliegenden Ausführungsform ist es möglich, den Diamantfilm anstelle des SiN-Films zu bilden, wenn Plasma bei einer Substrattemperatur von 450°C unter Benutzung von Mikrowellen (2,45 GHz) mit Methangas, Stickstoff, Sauerstoff als Materialien des Plasma gepumpt wird, oder den amorphen Kohlenstoffhydridfilm (diamantähnlicher Kohlenstoff), welcher leichter als Diamant hergestellt werden kann, mit der Plasma-CVD Methode zu bilden, bei der Plasma durch die RF-Ausrichtung von 13,56 MHz gepumpt wird.
Der so geformte Diamantfilm ist hervorragend in seinen physikalischen Eigenschaften (z. B. sein Young-Modul ist ungefähr dreimal der von SiN, und im Verhältnis dazu kann der gleiche Effekt mit einer Dicke von 1/3 erzielt werden). Seine chemische Stabilität ist ebenfalls hoch, und er hat eine hervorragende Wärmestrahlung. Daher ist dieser Film für das bewegliche Element besser geeignet als SiN-Film. Auch der amorphe Kohlenstoffhydridfilm ist besser als der SiN-Film, obwohl er in seinen physikalischen Eigenschaften schlechter als der Diamantfilm ist. Folglich kann im Hinblick auf das Gleichgewicht von Kosten und Herstellung, d. h. Durchführung und Schwierigkeit seiner Herstellung, der amorphe Kohlenstoffhydridfilm auch anstelle des Diamantfilms oder des SiN-Films benutzt werden.
Der gleiche Effekt kann auch erreicht werden, wenn das bewegliche Element aus SiC gebildet wird. Die beste Zusammensetzung des SiC-Films ist Si : C = 1 : 1. Als Material für das bewegliche Element kann der gleiche Effekt noch erreicht werden, wenn C im Bereich von 0,5 bis 1,5 ist.
Im folgenden wird die Struktur des ursprünglichen Substrats 1 mit dem darauf zur Abgabe von Wärme an die Flüssigkeit angeordneten Wärmeerzeugungselement 2 beschrieben.
Die 15A und 15B sind vertikale Querschnittsansichten, die ein strukturelles Beispiel einer Flüssigkeitsstrahlvorrichtung veranschaulichen, in welcher der erfindungsgemäße Flüssigkeitsausstoßkopf eingesetzt werden kann; 15A zeigt die Vorrichtung mit einem später beschriebenen Schutzfilm; und 15B zeigt die nicht mit einem Schutzfilm versehene Vorrichtung.
In den 15A und 15B ist der in den 1A bis 1D mit dem Referenzzeichen 10 bezeichnete Flüssigkeitsströmungsweg als der erste Strömungsweg 14 bezeichnet. Auch ist der mit dem Referenzzeichen 12 bezeichnete Flüssigkeitszufuhrweg als der zweite Flüssigkeitsströmungsweg 16 bezeichnet. Es ist möglich, in jedem der Flüssigkeitsströmungswege die gleiche Flüssigkeit zuzuführen, aber wenn verschiedene Flüssigkeiten benutzt würden, wird der Auswahlbereich für die Flüssigkeiten, die in dem ersten Flüssigkeitsströmungsweg zugeführt werden, größer, d. h. dieser Bereich wird durch die Auswahl der Ausstoßflüssigkeiten vergrößert.
Wie in den 15A und 15B gezeigt, ist auf dem ursprünglichen Substrat 1 ein mit Nuten versehenes Element 50 mit die den zweiten Flüssigkeitsströmungsweg 16 bildenden Nuten, Trennwänden 30, beweglichem Element 31 und erstem Flüssigkeitsströmungsweg 14 angeordnet.
Auf dem ursprünglichen Substrat 1 ist zum Zwecke der Isolierung und Wärmeansammlung ein Siliziumoxidfilm oder ein Siliziumnitridfilm 106 auf dem Substrat 107 aus Silizium oder dergleichen angeordnet. Auf einem solchen Film werden eine elektrische Widerstandsschicht 105 aus Hafniumborid (HfB₂), Tantalnitrid (TaN), Tantal-Aluminium (TaAl) oder der gleichen, die ein Wärmeerzeugungselement mit einer Dicke von 0,01 bis 0,2 μm bilden, und Verdrahtungselektroden 104 aus Aluminium oder dergleichen mit einer Dicke von 0,2 bis 1,0 μm als Struktur angeordnet. Dann wird von den beiden Verdrahtungselektroden 104 eine Spannung an die elektrische Widerstandsschicht 105 angelegt, um einen elektrischen Strom zur Erzeugung von Wärme fließen zu lassen. Auf der elektrischen Widerstandsschicht 105 und über die Verdrahtungselektroden 104 wird eine Schutzschicht 103 aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder dergleichen mit einer Dicke von 0,1 bis 0,2 μm gebildet. Weiterhin wird darauf eine die Kavitationsbildung verhindernde Schicht 102 aus Tantal oder dergleichen mit einer Dicke von 0,1 bis 0,6 μm gebildet, wodurch die elektrische Widerstandsschicht 105 gegen Tinte oder verschiedene andere Arten von Flüssigkeiten geschützt wird.
Die Druck- und Schockwellen sind besonders stark, besonders wenn jede der Blasen gebildet oder zurückgebildet wird. Die Haltbarkeit des Oxidfilms, der hart aber spröde ist, neigt dazu, merkbar verschlechtert zu werden. Daher werden Tantal (Ta) oder andere metallische Materialien als die Anti-Kavitationsschicht 102 benutzt.
Es ist auch möglich eine Struktur zu verwenden, die überhaupt keine Schutzschicht enthält, wie oben beschrieben schlicht durch Anordnen einer geeigneten Kombination aus der Flüssigkeit, der Struktur der Flüssigkeitsströmung, und dem Widerstandsmaterial. Ein solches Beispiel ist in 15B gezeigt.
Als Material das für die Widerstandsschicht, die keine Schutzschicht benötigt, verwendet wird, kann eine Legierung aus Iridium-Tantal-Aluminium eingesetzt werden. Jetzt wo die vorliegende Erfindung es ermöglicht, die Flüssigkeit zum Blasenbilden von der Ausstoßflüssigkeit zu trennen, zeigt sie ihre besonderen Vorteile, wenn in einem solchen Fall keine Schutzschicht eingesetzt wird.
Wie oben beschrieben kann der Aufbau des Wärmeerzeugungselementes 2, das in der vorliegenden Ausführungsform eingesetzt wird, nur mit der elektrischen Widerstandsschicht 105 (wärmeerzeugender Bereich) über die Verdrahtungselektroden 104 hinweg versehen werden oder kann so vorgesehen werden, dass er eine Schutzschicht zum Schützen der elektrischen Widerstandsschicht beinhaltet.
Entsprechend der vorliegenden Ausführungsform ist weist das hierfür eingesetzte Wärmeerzeugungselement 2 den wärmeerzeugenden Bereich auf, der durch die entsprechend elektrischer Signale Wärme erzeugende Widerstandsschicht gebildet wird. Die vorliegende Erfindung ist nicht notwendigerweise auf eine solche Vorrichtung begrenzt. Es sollte genügen, wenn die Vorrichtung nur jede Blase in der blasenbildenden Flüssigkeit, die genügend geeignet zum Ausstoßen der für die Ausstoßzwecke benutzten Flüssigkeit ist, erzeugen kann. Beispielsweise kann ein Wärmeerzeugungselement mit einer photothermischen Umwandlungseinheit als wärmeerzeugendem Bereich, der Wärme erzeugt, wenn Laser- oder andere Lichtstrahlen empfangen werden, oder mit einem wärmeerzeugenden Bereich, der Wärme erzeugt, wenn Hochfrequenz empfangen wird, versehen sein.
In diesem Zusammenhang können auf dem oben beschriebenen ursprünglichen Substrat 1 funktionelle Vorrichtungen einteilig mittels der Herstellungsprozesse von Halbleitern, wie z. B. Transistoren, Dioden, Halteschaltungen, Schieberegister, die zum selektiven Ansteuern der elektrothermischen Übertragungsvorrichtungen gebraucht werden, eingebaut werden, neben jedem der elektrothermischen Übertragungsvorrichtungen einteilig eingebaut werden, wobei die elektrothermischen Umwandlungsvorrichtungen aus der elektrischen Widerstandsschicht 105, die den wärmeerzeugenden Bereich bildet, und aus den Verdrahtungselektroden 104, die elektrische Signale zu den elektrischen Widerstandsschichten 105 zuführen, aufgebaut sind.
Es ist möglich, den wärmeerzeugenden Bereich einer jeden elektrothermischen Umwandlungsvorrichtung, die wie oben beschrieben auf dem ursprünglichen Substrat 1 angeordnet ist, dadurch anzutreiben, dass rechteckige Pulse durch die Verdrahtungselektroden 104 auf die elektrische Widerstandsschicht 105 angewendet werden, um die Schichten zwischen den Elektroden zu veranlassen, abrupt Wärme zum Ausstoßen von Flüssigkeit zu erzeugen.
16 ist eine Aufsicht, die die Wellenform einer Spannung zeigt, die an die in den 15A und 15B gezeigte elektrische Widerstandsschicht 105 angelegt wird.
In der Flüssigkeitsstrahlvorrichtung der oben beschriebenen Ausführungsform wird das elektrische Signal von 6 kHz bei einer Spannung von 24 V mit einer Pulsbreite von 7 μsec, und bei einem elektrischen Strom von 150 mA angelegt, um jedes wärmeerzeugende Element anzutreiben. Durch die oben beschriebenen Vorgängen wird aus jeder der Ausstoßöffnungen als Flüssigkeit dienende Tinte ausgestoßen. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht notwendigerweise auf diese Bedingungen des Ansteuersignals begrenzt. Es ist auch möglich, die Ansteuersignale unter jedweder Bedingung anzuwenden, wenn solche Signale nur auf die blasenbildenden Flüssigkeit so einwirken, dass angemessene Blasen gebildet werden.
Im folgenden wird das Strukturbeispiel einer mit zwei gemeinsamen Flüssigkeitskammern versehenen Flüssigkeitsstrahlvorrichtung beschrieben, jedoch ist seine Teileanzahl verringert. Hierbei werden in jeder der gemeinsamen Flüssigkeitskammern verschiedene Arten von Flüssigkeiten in gutem Zustand getrennt gestaut, was die merkliche Kostenreduktion ermöglicht.
17 ist eine perspektivische Aufsicht in Explosionsdarstellung, die ein Strukturbeispiel der Flüssigkeitsstrahlvorrichtung zeigt, in der der erfindungsgemäße Flüssigkeitsausstoßkopf einsetzbar ist.
Entsprechend der vorliegenden Ausführungsform ist ein ursprünglichen Substrat 1 auf einem Trageteil 70, welches aus Aluminium oder anderem Metall gefertigt ist, angeordnet. Wie oben beschrieben sind auf dem Substrat eine Vielzahl von elektrothermischen Umwandlungsvorrichtungen angeordnet, die als Wärmeerzeugungselemente 2 zum Erzeugen von Wärme zur Erzeugung von Blasen mittels Filmsieden in blasenbildenden Flüssigkeiten dienen.
Auf dem ursprünglichen Substrat 1 ist eine Vielzahl von durch DF-Trockenfilm gebildeten Nuten, und die zweiten Flüssigkeitsströmungswege 16 bildenden Nuten; ein zurückspringender Bereich der mit der Vielzahl der zweiten Flüssigkeitsströmungswege 16 verbunden ist und der in jedem der zweiten Flüssigkeitsströmungswege 16 eine zweite gemeinsame Flüssigkeitskammer (gemeinsame Kammer für blasenbildende Flüssigkeit) 17 zum Zuführen von blasenbildender Flüssigkeit bildet; und die Trennwände 30 mit den daran wie oben beschrieben befestigten beweglichen Elementen 31 angeordnet.
Das mit Nuten versehene Element 50 ist versehen mit Nuten, die erste Flüssigkeitsströmungswege (Ausstoßflüssigkeitsströmungswege) 14 bilden, wenn es mit den Trennwänden 30 verbunden ist; einem zurückspringenden Bereich, der die erste gemeinsame Flüssigkeitskammer (gemeinsame Ausstoßflüssigkeitskammer) 15 zum Zuführen von Ausstoßflüssigkeit in jeden der ersten Flüssigkeitsströmungswege 14 bildet; der erste Flüssigkeitszufuhrweg (Ausstoßflüssigkeitszufuhrweg) 20 zum Zuführen von Ausstoßflüssigkeit in die erste gemeinsame Flüssigkeitskammer 15; und der zweite Flüssigkeitszufuhrweg (Zufuhrweg für blasenbildende Flüssigkeit) 21 zum Zuführen von blasenbildender Flüssigkeit in die zweite gemeinsame Flüssigkeitskammer 17. Der zweite Flüssigkeitszufuhrweg 21 dringt in die beweglichen Elemente 31 ein, die außerhalb der ersten gemeinsamen Flüssigkeitskammer 15 und der Trennwände 30, die mit dem mit der zweiten gemeinsamen Flüssigkeitskammer 17 verbundenen leitenden Weg zu verbinden sind, angeordnet sind. Durch diesen leitenden Weg wird die blasenbildende Flüssigkeit in die zweite gemeinsame Flüssigkeitskammer 17 zugeführt, ohne mit der Ausstoßflüssigkeit vermischt zu werden.
In diesem Zusammenhang ist die Beziehung der Anordnung zwischen dem ursprünglichen Substrat 1, den beweglichen Elementen 31, den Trennwänden 30 und dem mit Nuten versehenen Element 50 so, dass die beweglichen Elemente 31 entsprechend den wärmeerzeugenden Elementen 2 auf dem ursprünglichen Substrat 1 angeordnet sind, und dann werden die ersten Flüssigkeitsströmungswege 14 entsprechend der beweglichen Elemente 31 angeordnet. Desweiteren wurde in der vorliegenden Ausführungsform das Beispiel beschrieben, in dem der zweite Flüssigkeitszufuhrpfad 21 für ein mit Nuten versehenes Element 50 angeordnet ist, jedoch kann auch eine Vielzahl davon entsprechend der Menge der Flüssigkeitszufuhr vorgesehen werden. Ferner können die Querschnittsflächen des ersten Flüssigkeitszufuhrweges 20 und des zweiten Flüssigkeitszufuhrweges 21 in Abhängigkeit von der Menge der Zufuhr bestimmt werden. Durch Optimalisieren der Querschnittsflächen der Flüssigkeitsströmungswege wird es möglich, dass die Teile, die das mit Nuten versehene Element 50 und andere bilden, weiter zu verkleinern.
Wie oben beschrieben wird der bewegliche Bereich eines jeden beweglichen Elementes erfindungsgemäß von dem Substrat getrennt, nachdem jedes bewegliche Element darauf gebildet worden ist. Auf diese Weise werden die beweglichen Elemente in einem Flüssigkeitsausstoßkopf eingebaut. Folglich besteht keine Notwendigkeit zum Positionieren der beweglichen Elemente auf dem Substrat. Dadurch wird die Einrichtung eines präziseren Inneren eines jeden Flüssigkeitsströmungsweges verwirklicht.
Auf diese Weise wird es möglich, einen Flüssigkeitsausstoßkopf mit größerer Präzision herzustellen. Auch sind die beweglichen Elemente erfindungsgemäß auf dem Substrat, das aus einem Material mit einer Beständigkeit gegenüber Tinte gebildet ist, eingebaut. Daher werden die jedem der blasenerzeugenden Flächen gegenüberliegenden beweglichen Elemente nicht nur zum Ausstoßen von Flüssigkeit durch die Erzeugung von Blasen, die auf den blasenerzeugenden Bereichen effizient gebildet werden, benutzt, sondern die beweglichen Elemente können auch einfach hergestellt werden. Dadurch ist es möglich, einen hochzuverlässigen Flüssigkeitsausstoßkopf und auch das Substrat zum Benutzen eines solchen Flüssigkeitsausstoßkopfes bereit zu stellen.
Es wird ein Verfahren bereit gestellt zur Herstellung von Flüssigkeitsausstoßköpfen mit Ausstoßöffnungen zum Ausstoßen von Flüssigkeit, Flüssigkeitsströmungswegen, die mit den Flüssigkeitsausstoßöffnungen zum Zuführen von Flüssigkeit zu den Ausstoßöffnungen verbunden sind, einem Substrat mit wärmeerzeugenden Elementen zum Erzeugen von Blasen in Flüssigkeit, und bewegliche Elemente, die den wärmeerzeugenden Elementen gegenüberliegen, wobei jedes in jedem Flüssigkeitsströmungsweg angeordnet ist, wobei die beweglichen Elemente das freie Ende auf der Seite der Ausstoßöffnungen mit einem bestimmten Zwischenraum mit dem Wärmeerzeugungselement aufweisen. Dieses Verfahren umfasst die Schritte des Bildens einer Grenzschicht, die dazu dient, einen Zwischenraum zwischen dem beweglichen Element und dem Substrat über dem wärmeerzeugenden Element auf dem Substrat zu bilden; dem Auflaminieren des beweglichen Elements auf der Grenzschicht, um das freie Ende über dem Wärmeerzeugungselement zu positionieren; gleichzeitig mit dem Fixieren des beweglichen Elements auf dem Substrat, und dem Ausbilden des Zwischenraums zwischen dem beweglichen Element und dem Wärmeerzeugungselement durch Benutzung der Grenzschicht. Mit dem so angeordneten Aufbau besteht keine Notwendigkeit für den Schritt des Positionierens des beweglichen Elements auf dem Substrat, und weiterhin ist.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Flüssigkeitsausstoßkopfes, der versehen ist mit: Ausstoßöffnungen (18) zum Ausstoßen von Flüssigkeit; Flüssigkeitsströmungswegen (10), die in Verbindung mit den Ausstoßöffnungen stehen, um den Ausstoßöffnungen Flüssigkeit zuzuführen; einem Substrat (1; 201), das Wärmeerzeugungselemente (2) zum Erzeugen einer Blase in der Flüssigkeit aufweist; und einem in jedem der Flüssigkeitsströmungswege (10) angeordneten bewegbaren Element (31), wobei das bewegbare Element (31) einem zugeordneten der Wärmeerzeugungselemente (2) zugewandt ist und auf der Seite der Ausstoßöffnung ein freies Ende aufweist mit einem bestimmten Zwischenraum zwischen dem bewegbaren Element (31) und dem Substrat (1; 201) oberhalb des zugeordneten Wärmeerzeugungselementes (2), dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Ausbilden einer Grenzschicht (210; 210, 212; 213; 216; 222), die zur Schaffung des Zwischenraumes benutzt wird, auf dem Substrat (1; 201); Auflaminieren des bewegbaren Elementes (31) auf die Grenzschicht (210; 210, 212; 213; 216; 222) so, dass das freie Ende oberhalb des zugeordneten Wärmeerzeugungselementes (2) positioniert ist, und Fixieren des bewegbaren Elementes auf dem Substrat (1; 201); und Ausbilden des Zwischenraumes zwischen dem bewegbaren Element (31) und dem Substrat (1; 201) unter Verwendung der Grenzschicht (210; 210, 212; 213; 216; 222).
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Grenzschicht versehen wird mit einer lösbaren Schicht (216), die kein höheres Haftvermögen mit dem bewegbaren Element (31) hat, und wobei das bewegbare Element (31) von der lösbaren Schicht (216) durch die von dem bewegbaren Element (31) ausgeübte Belastung getrennt wird zur Ausbildung des Zwischenraumes.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Grenzschicht ausgebildet wird mittels Materials (210; 210, 212; 215), das wahlweise entfernbar ist bezüglich des bewegbaren Elementes (31), und wobei der Zwischenraum ausgebildet wird durch Entfernen der Grenzschicht, die sich oberhalb des zugeordneten Wärmeerzeugungselementes (2) befindet.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das bewegbare Element (31) am Substrat (1) fixiert wird mittels eines am Substrat (1) vorgesehenen Sockelabschnittes (7).
Das Verfahren nach Anspruch 4, wobei das bewegbare Element (31) am Substrat (1) fixiert wird durch Binden des bewegbaren Elementes (31) und des Sockelabschnittes (7).
Das Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Grenzschicht ausgebildet wird mittels einer schmelzbaren Materialschicht (213) und wobei die Grenzschicht erwärmt wird bis zum Schmelzen zum Entfernen der Grenzschicht.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das bewegbare Element (31) ausgebildet wird durch Elektroformation auf dem Substrat (1).
Das Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Grenzschicht (210; 210, 212) ausgebildet wird mittels leitfähigen Materials.
Das Verfahren nach Anspruch 4, wobei das bewegbare Element (31) mit dem Substrat (1) über die Grenzschicht (210, 212) verbunden wird und der nach dem Entfernen verbleibende Abschnitt der Grenzschicht zum Sockelabschnitt (7) wird.
Das Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Schritt des Ausbildens des bewegbaren Elementes ausgeführt wird durch Musterbildung, nachdem die zum bewegbaren Element werdende Materialschicht (204) auf das Substrat (201) als Film aufgetragen worden ist.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das bewegbare Element (31) am Substrat (1) fixiert wird durch Auflaminieren des bewegbaren Elementes (31) auf einen Abschnitt des Substrats (1), der von der Grenzschicht (222) freigelassen wird.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das bewegbare Element (31) aus Metall gebildet wird.
Das Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Metall Gold oder Nickel ist.
Das Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Sockelabschnitt (7) aus Metall gebildet wird.
Das Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Metall Blei oder Gold ist.
Das Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Materialschicht (204), die zum bewegbaren Element (31) wird, gebildet wird durch irgendeine der Komponenten aus Siliziumnitrid, Diamant, amorphes Kohlenstoffhydrid und Siliziumcarbid.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Grenzschicht eine lösbare Schicht (222) ist, die kein höheres Haftvermögen mit dem bewegbaren Element (31) hat, und wobei das bewegbare Element (31) von der lösbaren Schicht (222) getrennt wird durch die Anwendung von Wärme, Ultraschallwellen oder Schwingungen oder mehrere davon, um den Zwischenraum auszubilden.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Oberflächenbereich des bewegbaren Elementes auf der Rückseite des bewegbaren Elementes größer ausgebildet wird als der Oberflächenbereich am bewegbaren Element auf der Seite des Wärmeerzeugungselementes.
Flüssigkeitsausstoßkopf, mit: einer Vielzahl von Ausstoßöffnungen (18) zum Ausstoßen von Flüssigkeit; einer Vielzahl von Flüssigkeitsströmungswegen (10), die in Verbindung mit jeder der Ausstoßöffnungen stehen, um jeder der Ausstoßöffnungen Flüssigkeit zuzuführen; einem Substrat (1), das mit Wärmeerzeugungselementen (2) zum Erzeugen einer Blase in der Flüssigkeit versehen ist; einem in jedem der Vielzahl von Flüssigkeitsströmungswegen (10) angeordneten bewegbaren Element (31), wobei das bewegbare Element auf der Seite der Ausstoßöffnung einen freien Endabschnitt (32) aufweist, der einem zugeordneten der Wärmeerzeugungselemente (2) zugewandt ist; und einem Sockelabschnitt (7), der am Substrat zum Tragen des bewegbaren Elementes (31) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine lösbare Schicht (222) auf dem Substrat (1) und zwischen dem freien Endabschnitt (32) des bewegbaren Elementes (31) und dem Substrat angeordnet ist, und dass das bewegbare Element (31) die Eigenschaft hat, dass es durch Wärme so gekrümmt wird, dass der freie Endabschnitt (32) von der lösbaren Schicht (222) unter den im Flüssigkeitsausstoßkopf während seines Betriebes herrschenden Temperaturbedingungen getrennt wird.
Flüssigkeitsausstoßkopf, mit: einer Vielzahl von Ausstoßöffnungen (18) zum Ausstoßen von Flüssigkeit; einer Vielzahl von Flüssigkeitsströmungswegen (10), die in Verbindung mit jeder der Ausstoßöffnungen stehen, um jeder der Ausstoßöffnungen Flüssigkeit zuzuführen; einem Substrat (1), das mit Wärmeerzeugungselementen (2) zum Erzeugen einer Blase in der Flüssigkeit versehen ist; einem in jedem der Vielzahl von Flüssigkeitsströmungswegen (10) angeordneten bewegbaren Element (31), wobei das bewegbare Element auf der Seite der Ausstoßöffnung einen freien Endabschnitt (32) aufweist, der einem zugeordneten der Wärmeerzeugungselemente (2) zugewandt ist; und einem Sockelabschnitt (7), der am Substrat zum Tragen des bewegbaren Elementes (31) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine lösbare Schicht (222) auf dem Substrat (1) und zwischen dem freien Endabschnitt (32) des bewegbaren Elementes (31) und dem Substrat angeordnet ist, und dass das bewegbare Element (31) die Eigenschaft hat, dass es durch innere Belastung des bewegbaren Elementes so gekrümmt wird, dass der freie Endabschnitt (32) von der lösbaren Schicht (216) getrennt wird.
Der Flüssigkeitsausstoßkopf nach Anspruch 19 oder 20, wobei der freie Endabschnitt des bewegbaren Elementes im zum Sockelabschnitt (7) benachbarten Abschnitt mit einer Ausnehmung versehen ist.