DE60314687T2

DE60314687T2 - Herstellungsverfahren für einen Flüssigkeitsausstosskopf

Info

Publication number: DE60314687T2
Application number: DE60314687T
Authority: DE
Inventors: Masahiko Ohta-ku Kubota; Wataru Ohta-ku Hiyama
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2002-07-10
Filing date: 2003-07-10
Publication date: 2008-04-10
Anticipated expiration: 2023-07-11
Also published as: EP1380424A1; JP2004042398A; US20040027422A1; CN1486848A; TW200402367A; EP1380424B1; TWI241958B; US6942321B2; JP3862625B2; KR20040005666A; DE60314687D1; CN1257060C; KR100499297B1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Flüssigkeitsausstoßkopfes zum Ausstoß eines Flüssigkeitströpfchens wie etwa eines Tintentröpfchens, womit eine Aufzeichnung auf einem Aufzeichnungsmedium gebildet wird, und insbesondere auf ein Verfahren zur Herstellung eines Flüssigkeitsausstoßkopfes zur Tintenstrahlaufzeichnung.
Beschreibung des Technischen Hintergrunds
Das Tintenstrahl-Aufzeichnungsverfahren ist eines der so genannten stoßfreien Aufzeichnungsverfahren. Solche Tintenstrahl-Aufzeichnungsverfahren erzeugen während der Aufzeichnung nur wenig Geräusch bei fast vernachlässigbarem Niveau und sind zu einer hohen Aufzeichnungsgeschwindigkeit in der Lage. Außerdem ist das Tintenstrahl-Aufzeichnungsverfahren zur Aufzeichnung auf verschiedenen Aufzeichnungsmedien in der Lage und erreicht Tintenfixierung selbst auf so genanntem „Normalpapier" (plain paper), um ein hoch definiertes Bild billig bereitzustellen. Aufgrund dieser Vorteile breitet sich das Tintenstrahl-Aufzeichnungsverfahren neuerdings nicht nur bei Druckern als Computer-Peripheriegeräte stark aus, sondern auch als Aufzeichnungseinrichtung für Kopiergeräte, Faxgeräte, Textverarbeitungssysteme usw..
Um Tintenausstoß im üblicherweise benutzen Tintenstrahl-Aufzeichnungsverfahren zu erreichen, sind bekannt ein Verfahren unter Einsatz eines elektrothermischen Wandlerelementes (nachstehend kurz „elektrothermisches Element") wie etwa ein Heizer als Element zur Erzeugung von Ausstoßenergie für den Ausstoß eines Tintentröpfchens, sowie ein Verfahren unter Einsatz eines elektromechanischen Wandlerelementes wie etwa eines Piezoelementes, und in beiden Verfahren kann der Ausstoß des Tintentröpfchens durch ein elektrisches Signal gesteuert werden. Das ein elektrothermisches Element einsetzende Tintenausstoßverfahren basiert darauf, dass eine elektrische Spannung am elektrothermischen Element angelegt wird, wodurch die Tinte in der Nähe des letzteren sofort zum Sieden gebracht und ein Tintentröpfchen mit hoher Geschwindigkeit ausgestoßen wird mittels eines schnellen Wachstums einer durch Phasenänderung in der Tinte beim Sieden erzeugten Blase. Andererseits basiert das ein piezoelektrische Element nutzende Tintenausstoßverfahren darauf, dass eine elektrische Spannung an das piezoelektrische Element angelegt wird, wodurch in diesem eine Versetzung verursacht und ein Tintentröpfchen durch einen solcherart erzeugten Druck ausgestoßen wird.
Das ein elektrothermisches Element nutzende Tintenausstoßverfahren hat die Vorteile, keinen großen Raum zum Bereitstellen des Ausstoßenergie erzeugenden Elementes zu benötigen und eine einfache, die leichte Integration von Düsen ermöglichende Struktur des Flüssigkeitsausstoßkopfes zu besitzen. Andererseits ist ein solches Tintenausstoßverfahren mit arteigenen Nachteilen verknüpft, etwa mit Volumenfluktuationen des fliegenden Tintentrbpfchens aufgrund einer Akkumulierung von im Flüssigkeitsausstoßkopf durch das elektrothermische Element erzeugter Wärme, ferner einem schädlichen Einfluss eines durch Kollabieren der Blase am elektrothermischen Element verursachten Kavitationsphänomens und mit einem schädlichen Einfluss von in der Tinte gelöster Luft, die im Flüssigkeitsausstoßkopf verbleibende Blasen bildet, die die Ausstoßeigenschaften des Tintentröpfchens und die Qualität des erhaltenen Bildes beeinflussen.
Die JP-A-54-161935 , JP-A-61-185455 , JP-A-61-249768 und JP-A-4-10941 offenbaren zur Lösung dieser Probleme ein Tintenstrahl-Aufzeichnungsverfahren und einen Flüssigkeitsausstoßkopf. Das in diesen Quellen offenbarte Tintenstrahl-Aufzeichnungsverfahren hat eine Konfiguration, bei der eine beim Ansteuern eines elektrothermischen Elementes mit einem Aufzeichnungssignal erzeugte Blase mit der Außenluft in Verbindung gebracht wird. Ein solches Tintenstrahl-Aufzeichnungsverfahren ermöglicht es, das Volumen des fliegenden Tintentröpfchens zu stabilisieren, ein Tintentröpfchen mit äußerst kleinem Volumen mit hoher Geschwindigkeit auszustoßen, und die Kavitation beim Kollabieren der Blase zu beseitigen und so die Haltbarkeit des Heizers zu verbessern, womit ein Bild höherer Definition leicht erhalten werden kann. Die oben erwähnten Quellen offenbaren eine Konfiguration, um die Blase mit der Außenluft in Verbindung zu bringen dergestalt, dass die minimale Distanz zwischen einem elektrothermischen Element und einem Ausstoßdurchlass, verglichen mit einer älteren Konfiguration, wesentlich reduziert ist.
US 6303274-B und US 0071006-A offenbaren Verfahren zum Herstellen von Austrittsöffnungsabschnitten eines Tintenstrahldruckkopfs, der hohle Abschnitte verschiedener Höhen in einer Richtung senkrecht zum Substrat umfasst. Hierzu wird eine Negativ-Fotolackschicht strukturiert durch Anwenden örtlich verschiedener Strahlungsintensitäten und entsprechend verschiedener Eindringtiefen sowie nachfolgendem Entfernen der unbelichteten unteren Abschnitte des Negativ-Fotolacks.
Im Folgenden wird ein solcher älterer Flüssigkeitsausstoßkopf erläutert. Der ältere Flüssigkeitsausstoßkopf ist ausgestattet mit einem Elementsubstrat, auf dem ein elektrothermisches Element zum Tintenausstoß vorgesehen ist, sowie mit einem Austrittsöffnungssubstrat zum Bilden eines an das Elementsubstrat angrenzenden Tinten-Strömungswegs. Das Austrittsöffnungssubstrat besitzt mehrere Ausstoßdurchlasse zum Ausstoß von Tinte, mehrere Düsen, durch die die Tinte fließt, und eine Versorgungskammer zum Versorgen der Düsen mit der Tinte. Eine Düse ist gebildet aus einer Blasenerzeugungskammer zum Erzeugen einer Blase in der Tinte darin mit Hilfe eines elektrothermischen Elementes und einem Versorgungsweg zum Versorgen der Blasenerzeugungskammer mit der Tinte. Das Elementsubstrat ist mit einem in der Blasenerzeugungskammer positionierten elektrothermischen Element ausgestattet. Das Elementsubstrat ist auch ausgestattet mit einer Versorgungsöffnung (supply aperture) zum Versorgen der Versorgungskammer mit der Tinte von einer hinteren Fläche gegenüber einer an das Austrittsöffnungssubstrat angrenzenden Hauptebene. Außerdem ist das Austrittsöffnungssubstrat mit einem Ausstoßdurchlass ausgestattet an einer Position gegenüber vom auf dem Elementsubstrat bereitgestellten elektrothermischen Element.
Beim älteren Flüssigkeitsausstoßkopf der oben beschriebenen Konfiguration wird die von der Versorgungsöffnung an die Versorgungskammer gelieferte Tinte entlang jeder Düse geliefert und in die Blasenerzeugungskammer gefüllt. Die in der Blasenerzeugungskammer eingefüllte Tinte wird durch eine Blase, die durch ein durch das elektrothermische Element bewirktes Filmsieden erzeugt wurde, veranlasst, in einer im Wesentlichen zur Hauptebene des Elementsubstrates senkrechten Richtung zu fliegen, und wird vom Ausstoßdurchlass ausgestoßen.
Bei einer mit dem oben erwähnten Flüssigkeitsausstoßkopf ausgestatteten Aufzeichnungsvorrichtung wird eine höhere Aufzeichnungsgeschwindigkeit untersucht, um eine höhere Qualität, Definition und Auflösung beim aufgezeichneten Bild zu erreichen. Um die Aufzeichnungsgeschwindigkeit bei der älteren Aufzeichnungsvorrichtung zu vergrößern, offenbaren US 4.882.595-A und US 6.158.843-A ein Verfahren zum Erhöhen der Ausstoßanzahl fliegender Tintentröpfchen in jeder Düse des Flüssigkeitsausstoßkopfes, nämlich durch Vergrößern einer Ausstoßfrequenz.
Insbesondere US 6.158.843-A beschreibt eine Konfiguration zur Verbesserung des Tintenflusses von der Versorgungsöffnung zum Versorgungsweg durch Vorsehen eines Raumes zum lokalen Einengen des Tinten-Strömungswegs sowie eines vorsprungartigen Fluidwiderstandselementes in der Nähe der Versorgungsöffnung.
Jedoch schiebt dort beim Ausstoß eines Tintentröpfchens die in der Blasenerzeugungskammer erzeugte Blase einen Teil der hier befindlichen Tinte zurück in den Versorgungsweg. Deshalb ist der ältere Flüssigkeitsausstoßkopf mit dem Nachteil verknüpft, dass sich die Ausstoßmenge des Tintentröpfchens aufgrund einer Abnahme im Tintenvolumen in der Blasenerzeugungskammer verringert.
Auch entweicht beim älteren Flüssigkeitsausstoßkopf, wenn ein Teil der in der Blasenerzeugungskammer befindlichen Tinte zurück in den Versorgungsweg geschoben wird, ein Teil des Drucks der wachsenden Blase auf der Seite der Versorgungswegs in den Versorgungsweg, oder es wird ein Druckverlust durch Reibung zwischen einer Innenwand der Blasenerzeugungskammer und der Blase erzeugt. Deshalb ist der ältere Flüssigkeitsausstoßkopf verknüpft mit dem Nachteil einer reduzierten Tintentröpfchen-Ausstoßgeschwindigkeit infolge der Abnahme im Blasendruck.
Weil sich das Volumen der in der Blasenerzeugungskammer eingefüllten sehr kleinen Tintenmenge durch die in der Blasenerzeugungskammer wachsende Blase ändert, hat dies beim älteren Flüssigkeitsausstoßkopf außerdem den Nachteil einer Fluktuation in der Ausstoßmenge der Tintentröpfchen zur Folge.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In Anbetracht des oben Gesagten ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Flüssigkeitsausstoßkopf bereitzustellen, der eine höhere Ausstoßgeschwindigkeit eines Flüssigkeitströpfchens zu erreichen und die Ausstoßmenge des Flüssigkeitströpfchens zu stabilisieren vermag, um so die Ausstoßeffizienz für das Flüssigkeitströpfchen zu verbessern, sowie ein Herstellungsverfahren für den Flüssigkeitsausstoßkopf bereitzustellen.
Das oben erwähnte Ziel kann gemäß der vorliegenden Erfindung durch das Verfahren zur Herstellung eines Flüssigkeitsausstoßkopfes nach Anspruch 1 erreicht werden. Die anderen Ansprüche sind auf Weiterentwicklungen gerichtet.
Der so erhaltene Flüssigkeitsausstoßkopf ist derart konstruiert, dass ein Strömungsweg innerhalb einer Düse in Höhe, Breite oder Querschnitt variiert, und dass ein Tintenvolumen in Richtung vom Substrat zum Ausstoßdurchlass allmählich abnimmt, und die Umgebung des Ausstoßdurchlasses ist so konstruiert, dass ein fliegendes Flüssigkeitströpfchen senkrecht zum Substrat fliegt und ein strömungsberichtigender (rectifying) Effekt realisiert wird. Auch kann beim Ausstoß eines Flüssigkeitströpfchens ein Herausschieben der Flüssigkeit in der Blasenerzeugungskammer durch die darin erzeugte Blase zum Versorgungsweg hin unterdrückt werden. Deshalb kann ein solcher Flüssigkeitsausstoßkopf eine Fluktuation im Ausstoßvolumen des vom Ausstoßdurchlass ausgestoßenen Flüssigkeitströpfchens unterdrücken und damit ein passendes Ausstoßvolumen sichern. Auch kommt bei diesem Flüssigkeitsausstoßkopf beim Ausstoß eines Flüssigkeitströpfchens, wegen des Vorhandenseins eines durch einen Stufendifferenzabschnitt gebildeten Kontrollabschnittes, die in der Blasenerzeugungskammer wachsende Blase in Kontakt mit einer Innenwand des Kontrollabschnittes in der Blasenerzeugungskammer, wodurch ein Druckverlust der Blase unterdrückt werden kann. Deshalb erlaubt ein solcher Flüssigkeitsausstoßkopf ein zufriedenstellendes Wachstum der Blase in der Blasenerzeugungskammer und stellt so einen ausreichenden Druck sicher, wodurch die Ausstoßgeschwindigkeit des Flüssigkeitströpfchens verbessert wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN.
1 ist eine schematische Schrägansicht, die den vollständigen Aufbau eines Flüssigkeitsausstoßkopfes der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ist eine schematische Ansicht, die eine Fluidströmung im Flüssigkeitsausstoßkopf mittels eines Dreiöffnungsmodells zeigt;
3 ist eine schematische Ansicht eines Ersatzschaltbildes eines Flüssigkeitsausstoßkopfes;
4 ist eine teilweise abgeschnittene Schrägansicht, die eine Kombinationsstruktur aus einem Heizer und einer Düse in einer ersten Ausführungsform des Flüssigkeitsausstoßkopfes der vorliegenden Erfindung zeigt;
5 ist eine teilweise abgeschnittene Schrägansicht, die eine Kombinationsstruktur aus mehreren Heizern und mehreren Düsen in einer ersten Ausführungsform des Flüssigkeitsausstoßkopfes der vorliegenden Erfindung zeigt;
6 ist eine seitliche Querschnittsansicht, die eine Kombinationsstruktur aus einem Heizer und einer Düse in einer ersten Ausführungsform des Flüssigkeitsausstoßkopfes der vorliegenden Erfindung zeigt;
7 ist eine horizontale Querschnittsansicht, die eine Kombinationsstruktur aus einem Heizer und einer Düse in einer ersten Ausführungsform des Flüssigkeitsausstoßkopfes der vorliegenden Erfindung zeigt;
8A, 8B, 8C, 8D und 8E sind Schrägansichten, die ein Verfahren zeigen zur Herstellung des Flüssigkeitsausstoßkopfes der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei:
8A ein Elementsubstrat zeigt;
8B einen Zustand zeigt, wo eine untere Harzschicht und eine obere Harzschicht auf dem Elementsubstrat gebildet werden;
8C einen Zustand zeigt, wo eine Harzdeckschicht gebildet wird;
8D. einen Zustand zeigt, wo eine Versorgungsöffnung gebildet wird; und
8E einen Zustand zeigt, wo innere untere und obere Harzschichten herausgelöst werden;
9A, 9B, 9C, 9D und 9E sind erste vertikale Querschnittsansichten, die ein Verfahren zeigen zur Herstellung des Flüssigkeitsausstoßkopfes der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei:
9A ein Elementsubstrat zeigt;
9B einen Zustand zeigt, wo eine untere Harzschicht auf dem Elementsubstrat gebildet wird;
9C einen Zustand zeigt, wo eine obere Harzschicht auf dem Elementsubstrat gebildet wird;
9D einen Zustand zeigt, wo die auf dem Elementsubstrat gebildete obere Harzschicht einer Musterbildung unterworfen wird, um eine Schräge auf einer Seitenfläche zu erhalten; und
9E einen Zustand zeigt, wo die untere Harzschicht einer Musterbildung unterworfen wird;
10A, 10B, 10C, und 10D sind zweite vertikale Querschnittsansichten, die ein Verfahren zeigen zur Herstellung des Flüssigkeitsausstoßkopfes der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei:
10A einen Zustand zeigt, wo eine, ein Öffnungs-Substrat erzeugende, Harzdeckschicht gebildet wird;
10B einen Zustand zeigt, wo ein Ausstoßdurchlassabschnitt gebildet wird;
10C einen Zustand zeigt, wo ein Ausstoßdurchlass gebildet wird; und
10D einen Zustand zeigt, wo innere obere und untere Harzschichten herausgelöst werden, um einen Flüssigkeitsausstoßkopf zu vervollständigen;
11 ist die Formel einer chemischen Reaktion, die chemische Änderungen in der oberen und der unteren Harzschicht durch Elektronstrahl-Bestrahlung zeigt;
12 ist ein Diagramm, das Absorptionsspektren von Materialien der unteren und der oberen Harzschicht in einem Bereich von 210 bis 330 nm zeigt;
13 ist eine teilweise abgeschnittene Schrägansicht, die eine Kombinationsstruktur aus einem Heizer und einer Düse in einer zweiten Ausführungsform des Flüssigkeitsausstoßkopfes der vorliegenden Erfindung zeigt;
14 ist eine seitliche Querschnittsansicht, die eine Kombinationsstruktur aus einem Heizer und einer Düse in einer zweiten Ausführungsform des Flüssigkeitsausstoßkopfes der vorliegenden Erfindung zeigt;
15 ist eine teilweise abgeschnittene Schrägansicht, die eine Kombinationsstruktur aus einem Heizer und einer Düse in einer dritten Ausführungsform des Flüssigkeitsausstoßkopfes der vorliegenden Erfindung zeigt;
16 ist eine seitliche Querschnittsansicht, die eine Kombinationsstruktur aus einem Heizer und einer Düse in einer dritten Ausführungsform des Flüssigkeitsausstoßkopfes der vorliegenden Erfindung zeigt;
17A und 17B sind teilweise abgeschnittene Schrägansichten, die eine Kombinationsstruktur aus einem Heizer und einer Düse in einer vierten Ausführungsform des Flüssigkeitsausstoßkopfes der vorliegenden Erfindung zeigen, wobei:
17A eine Düse in einer ersten Düsenreihe zeigt; und
17B eine Düse in einer zweiten Düsenreihe zeigt;
18A, 18B, 18C, 18D und 18E sind erste vertikale Querschnittsansichten, die ein Verfahren zeigen zur Herstellung des Flüssigkeitsausstoßkopfes der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei:
18A ein Elementsubstrat zeigt;
18B einen Zustand zeigt, wo eine untere Harzschicht auf dem Elementsubstrat gebildet wird;
18C einen Zustand zeigt, wo eine obere Harzschicht auf dem Elementsubstrat gebildet wird;
18D einen Zustand zeigt, wo die auf dem Elementsubstrat gebildete obere Harzschicht einer Musterbildung unterworfen wird, um eine Schräge auf einer Seitenfläche zu erhalten; und
18E einen Zustand zeigt, wo die untere Harzschicht einer Musterbildung unterworfen wird; und
19A, 19B, 19C, und 19D sind zweite vertikale Querschnittsansichten, die ein Verfahren zeigen zur Herstellung des Flüssigkeitsausstoßkopfes der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei:
19A einen Zustand zeigt, wo eine, ein Öffnungs-Substrat erzeugende Harzdeckschicht gebildet wird;
19B einen Zustand zeigt, wo ein Ausstoßdurchlassabschnitt gebildet wird;
19C einen Zustand zeigt, wo ein Ausstoßdurchlass gebildet wird; und
19D einen Zustand zeigt, wo innere obere und untere Harzschichten herausgelöst werden, um einen Flüssigkeitsausstoßkopf zu vervollständigen.
DETAILS DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Folgenden wird der Flüssigkeitsausstoßkopf der vorliegenden Erfindung zum Ausstoß von Tröpfchen einer Flüssigkeit wie Tinte erläutert durch spezifische Ausführungsformen davon unter Bezugnahme auf begleitende Zeichnungen.
Zuerst wird ein die vorliegende Erfindung verkörpernder Flüssigkeitsausstoßkopf umrissen. Der Flüssigkeitsausstoßkopf der vorliegenden Ausführungsform benutzt unter den Tintenstrahl-Aufzeichnungsverfahren ein Verfahren zur Nutzung einer Einrichtung, die Wärmeenergie als die zum Ausstoß der flüssigen Tinte zu nutzende Energie erzeugt, und zum Erzeugen einer Zustandsänderung in der Tinte durch solche Wärmeenergie. Dieses Verfahren erlaubt das Erreichen einer hohen Dichte und Definition bei einem aufzuzeichnenden Buchstaben oder Bild. Insbesondere benutzt die vorliegende Ausführungsform ein Wärme erzeugendes Widerstandselement (nachstehend kurz „Wärme erzeugendes Element") für die Wärmeenergie erzeugende Einrichtung, und führt Tintenausstoß durch unter Nutzung des Drucks einer Blase, die erzeugt wurde beim Herbeiführen von Filmsieden durch Heizen der Tinte mit einem solchen Wärme erzeugenden Element.
(Erste Ausführungsform)
Ein Flüssigkeitsausstoßkopf 1 der ersten Ausführungsform hat, obwohl die Details später erläutert werden, eine Konfiguration wie in 1 gezeigt, bei der sich Trennwände zum individuellen und unabhängigen Formen einer Düse oder eines Tinten-Strömungswegs erstrecken von einem Ausstoßdurchlass bis zur Umgebung einer Versorgungsöffnung für jede der aus den Wärme erzeugenden Elementen gebildeten Mehrzahl Heizer. Ein solcher Flüssigkeitsausstoßkopf besitzt eine Tintenausstoßeinrichtung, die ein in den JP-4-10940 und JP-4-10941 offenbartes Tintenstrahl-Aufzeichnungsverfahren nutzt, wo eine bei einem Tintenausstoß erzeugte Blase mit der Außenluft durch den Ausstoßdurchlass in Verbindung steht.
Der Flüssigkeitsausstoßkopf 1 ist mit einer ersten Düsenreihe 16 einschließlich mehrerer Heizer und mehrerer Düsen ausgestattet, in denen die Längsrichtungen der Düsen parallel zueinander angeordnet sind, sowie mit einer zweiten Düsenreihe 17, die in einer Position gegenüber der ersten Düsenreihe quer über eine Versorgungskammer angeordnet ist. In der ersten Düsenreihe 16 und der zweiten Düsenreihe 17 sind benachbarte Düsen mit einem Gangabstand (pitch) von 600 dpi ausgebildet. Auch sind die Düsen der zweiten Düsenreihe 17 ausgebildet an um 1/2 des Gangabstandes versetzten Positionen bezüglich der Düsen der ersten Düsenreihe 16.
Im Folgenden wird kurz ein Konzept zum Optimieren des Flüssigkeitsausstoßkopfes 1 erläutert, der die erste Düsenreihe 16 und die zweite Düsenreihe 17 besitzt, in denen Mehrzahl Heizer und Mehrzahl Düsen mit hoher Dichte angeordnet sind.
Im Allgemeinen sind von den die Ausstoßeigenschaften eines Flüssigkeitsausstoßkopfes beeinflussenden physikalischen Parametern eine Trägheit (Trägheitskraft) und ein Widerstand (Widerstand durch Viskosität) in der Mehrzahl Düsen bedeutend. Eine Bewegungsgleichung für ein inkompressibles Fluid, das sich entlang eines Strömungswegs beliebiger Gestalt bewegt, ist durch folgende zwei Gleichungen gegeben: ∇·ν = 0(Kontinuitätsgleichung) (1) ∂ν/∂t + (ν·∇)ν = –∇(P/ρ) + (μ/ρ)∇2ν + f (Navier-Stokes-Gleichung) (2)
Durch Approximation der Gleichungen (1) und (2) unter der Annahme, dass der Konvektionsterm und der Viskositätsterm klein genug sind und die externe Kraft fehlt, erhält man dann: ∇2P = 0 (3)womit der Druck durch eine harmonische Funktion dargestellt wird.
Ein Flüssigkeitsausstoßkopf kann durch ein Dreiöffnungsmodells wie in 2 gezeigt und ein Ersatzschaltbild wie in 3 gezeigt dargestellt werden.
Eine Trägheit ist als eine "Schwierigkeit der Bewegung" definiert, wenn ein stillstehendes Fluid plötzlich anfängt sich zu bewegen. Das ist ähnlich zu einer elektrischen Induktivität L, die einer Änderung in einem Strom entgegenarbeitet. In einem mechanischen Feder-Masse-Modell entspricht sie einer Masse.
In einer mathematischen Darstellung ist die Trägheit gegeben durch ein Verhältnis eines Differenzials zweiter Ordnung zur Zeit eines Fluidvolumens V, oder eines Differenzial zur Zeit einer Durchfluss-Menge F(= ΔV/Δt): (Δ2V/Δt2) = (ΔF/Δt) = (1/A) × P (4)wobei A für die Trägheit steht.
Zum Beispiel ist unter der Annahme einen röhrenförmigen Strömungswegs mit einer Dichte ρ, einer Länge L und einer Querschnittsfläche S₀ die Trägheit A₀ eines solchen eindimensionalen Modell-Strömungswegs gegeben durch: A0 = ρ × L/S0 und ist somit proportional zur Länge des Strömungswegs und umgekehrt proportional zum Querschnitt.
Es ist möglich, basierend auf ein Ersatzschaltbild wie in 3 gezeigt, die Ausstoßeigenschaften eines Flüssigkeitsausstoßkopfes schematisch vorherzusagen und zu analysieren.
Im Flüssigkeitsausstoßkopf der vorliegenden Erfindung wird ein Ausstoßphänomen als ein Phänomen des Übergangs von einer Trägheitsströmung zu einer viskosen Strömung betrachtet. Eine Trägheitsströmung herrscht insbesondere in einer Anfangsphase der Blasenerzeugung durch den Heizer in der Blasenerzeugungskammer vor, aber eine viskose Strömung herrscht in einer späteren Ausstoßphase vor (nämlich innerhalb eines Zeitabschnittes vom Anfang einer Bewegung eines am Ausstoßdurchlass gebildeten Meniskus zum Tinten-Strömungsweg hin bis zur Rückkehr des Meniskus durch das Auffüllen der Tinte bis zu einem Öffnungsende des Ausstoßdurchlasses auf Grund eines kapillaren Phänomens). In diesen Vorgängen, liefert die Trägheit, beruhend auf die obigen Gleichungen, in der Anfangsphase der Blasenerzeugung einen großen Beitrag zu den Ausstoßeigenschaften, insbesondere zum Ausstoßvolumen und der Ausstoßgeschwindigkeit, wogegen der Widerstand (Widerstand durch Viskosität) in der späteren Ausstoßphase einen großen Beitrag zu den Ausstoßeigenschaft liefert, insbesondere zur für das Tintennachfüllen notwendigen Zeit (im folgenden Nachfüllzeit genannt).
Der Widerstand (Widerstand durch Viskosität) kann durch die obige Gleichung (1) dargestellt werden sowie durch eine stationäre Stokes-Strömung definiert durch: ΔP = η∇2μ (5)womit ein Viskositätswiderstand B bestimmt werden kann. Auch kann die spätere Phase des Ausstoßes durch ein Zweiöffnungsmodel (eindimensionales Strömungsmodell) approximiert werden, da ein Meniskus in der Nähe des Ausstoßdurchlasses erzeugt wird zum Erreichen eines Tintenflusses durch eine hauptsächlich auf eine Kapillarkraft beruhenden Saugkraft.
Somit kann sie bestimmt werden über ein viskoses Fluid beschreibende Poiseuille-Gleichung (6): (ΔV/Δt) = (1/G) × (1/η){(ΔP/Δx) × S(x)} (6)wobei G ein Gestaltfaktor ist. Auch kann der Viskositätswiderstand B, der in einer Fluidströmung bei einer beliebigen Druckdifferenz erzeugt wird, bestimmt über: B = ∫L0 {(G × η)/S(x)}Δx (7)
Unter der Annahme eines röhrenförmigen Strömungswegs mit einer Dichte ρ, einer Länge L und einer Querschnittsfläche So ist der Widerstand (Viskositätswiderstand) gemäß der obigen Gleichung (7) gegeben durch: B = 8η × L/(π × S20 (8)und ist somit ungefähr proportional zur Länge der Düse und umgekehrt proportional zum Quadrat des Düsenquerschnitts.
Deshalb, um die Ausstoßeigenschaften des Flüssigkeitsausstoßkopfes, insbesondere die Ausstoßgeschwindigkeit, das Ausstoßvolumen des Tintentröpfchens und die Nachfüllzeit zu verbessern, ist es notwendig und ausreichend in Anbetracht der Trägheitsgleichung, die Trägheit von dem Heizer zum Ausstoßdurchlass so weit möglich zu erhöhen verglichen mit der Trägheit von dem Heizer zur Versorgungsöffnung, und den Widerstand in der Düse zu verringern.
Der Flüssigkeitsausstoßkopf der vorliegenden Erfindung kann beide der oben erwähnten Punkte erfüllen sowie ein Ziel, die Mehrzahl Heizer und Mehrzahl Düsen mit hoher Dichte anzuordnen.
Im Folgenden wird eine spezifische Konfiguration des die vorliegende Erfindung verkörpernden Flüssigkeitsausstoßkopfes unter Bezugnahme auf begleitende Zeichnungen erläutert.
Wie in 4 bis 7 gezeigt, ist der Flüssigkeitsausstoßkopf mit einem Elementsubstrat 11 ausgestattet, auf dem mehrere Heizer 20 bereitgestellt sind, die Wärme erzeugende oder Ausstoßenergie erzeugende Elemente bilden, sowie mit einem Austrittsöffnungssubstrat 12, das laminiert ist und an eine Hauptebene des Elementsubstrates 11 angrenzt, um mehrere Tinten-Strömungswege zu bilden.
Das Elementsubstrat 11 ist zum Beispiel aus Glas, Keramik, Harz oder Metall ausgebildet und besteht üblicherweise aus Silizium.
Auf der Hauptebene des Elementsubstrates 11, sind für jeden Tinten-Strömungsweg ausgebildet ein Heizer 20, Elektroden (nicht gezeigt) zum Anlegen einer Spannung an den Heizer 20, und an die Elektroden angeschlossene Verdrahtungen (nicht gezeigt) gemäß einem vorbestimmten Verdrahtungsmuster.
Auch ist auf der Hauptebene des Elementsubstrates 11 ein Isolierfilm 21 zum Beschleunigen der Dissipation der angesammelten Wärme so bereitgestellt, dass die Heizer 20 bedeckt sind (vgl. 8). Außerdem ist auf der Hauptebene des Elementsubstrates 11 ein Schutzfilm 22, um die Hauptebene vor einer beim Kollabieren einer Blase erzeugten Kavitation zu schützen, so bereitgestellt, dass der Isolierfilm 21 bedeckt ist (vgl. 8).
Das Austrittsöffnungssubstrat 12 ist bei einer Dicke von ungefähr 30 μm aus einem harzigen Material ausgebildet. Wie in 4 und 5 gezeigt, ist das Austrittsöffnungssubstrat 12 mit mehreren Ausstoßdurchlassabschnitten 26 zum Ausstoß eines Tintentröpfchens ausgestattet, sowie auch mit mehreren Düsen 27, in denen die Tinte fließt, und einer Versorgungskammer 28 zum Versorgen solcher Düsen 27 mit der Tinte.
Die Düse 27 umfasst einen Ausstoßdurchlassabschnitt 26 mit einem Ausstoßdurchlass 26a zum Ausstoß eines Flüssigkeitströpfchens, eine Blasenerzeugungskammer 31 zum Erzeugen einer Blase in der darin enthaltenen Flüssigkeit durch den Heizer 20, die das Ausstoßenergie erzeugende Element bildet, und einen Versorgungsweg 32 zum Versorgen der Blasenerzeugungskammer 31 mit der Flüssigkeit.
Die Blasenerzeugungskammer 31 ist gebildet aus einer ersten Blasenerzeugungskammer 31a, von der eine untere Fläche gebildet durch die Hauptebene des Elementsubstrates 11 ist, und die mit dem Versorgungsweg 32 in Verbindung steht und zum Erzeugen einer Blase in der in ihr enthaltenen Flüssigkeit durch den Heizer 20 dient, sowie aus einer zweiten Blasenerzeugungskammer 31b, die in Verbindung mit einer oberen Öffnung der ersten Blasenerzeugungskammer 31a bereitgestellt ist parallel zur Hauptebene des Elementsubstrates 11, und in der die in der ersten Blasenerzeugungskammer 31a erzeugte Blase wächst. Der Ausstoßdurchlassabschnitt 26 ist in Verbindung mit einer oberen Öffnung der zweiten Blasenerzeugungskammer 31b bereitgestellt, und eine Stufendifferenz ist zwischen einer Seitenwandfläche des Ausstoßdurchlassabschnittes 26 und einer Seitenwandfläche der zweiten Blasenerzeugungskammer 31b ausgebildet.
Der Ausstoßdurchlass 26a des Ausstoßdurchlassabschnittes 26 ist an einer Position gegenüber dem auf dem Elementsubstrat 11 ausgebildeten Heizer 20 ausgebildet, und ist im vorliegenden Fall in einem kreisförmigen Loch mit einem Durchmesser zum Beispiel ungefähr 15 μm ausgebildet. Außerdem kann der Ausstoßdurchlass 26 in einer im Wesentlichen sternförmigen Gestalt mit radial spitzen Enden gemäß den notwendigen Ausstoßeigenschaften ausgebildet sein.
Die zweite Blasenerzeugungskammer 31b hat eine abgeschnitten-kegelförmige Gestalt mit einer Seitenwand, die zum Ausstoßdurchlass hin verengt ist mit einer 10° bis 45° Neigung bezüglich einer Ebene senkrecht zur Hauptebene des Elementsubstrates, und steht an einer oberen Ebene mit der Öffnung des Ausstoßdurchlassabschnittes 26 mit einer Stufendifferenz dort in Verbindung.
Die erste Blasenerzeugungskammer 31a ist auf einer Verlängerung des Versorgungswegs 32 vorhanden und ist ausgebildet mit einer ungefähr rechteckigen unteren Fläche gegenüber vom Ausstoßdurchlassabschnitt 26.
Die Düse 27 ist so ausgebildet, dass eine kürzeste Entfernung HO zwischen einer parallel zur Hauptebene des Elementsubstrates 11 liegenden Hauptebene des Heizers 20 und dem Ausstoßdurchlass 26a 30 μm oder weniger beträgt.
In der Düse 27 sind eine parallel zur Hauptebene liegende obere Ebene der ersten Blasenerzeugungskammer 31a sowie eine erste obere Ebene 35a, die parallel zur Hauptebene des an die Blasenerzeugungskammer 31 angrenzenden Versorgungswegs 32 liegt, durch dieselbe zusammenhängende Ebene gebildet, die durch eine zur Hauptebene geneigten ersten Stufendifferenz 34a mit einer zweiten oberen Ebene 35b verbunden ist, die höher und parallel zur Hauptebene des Elementsubstrates 11 positioniert und an einer Seite des Versorgungswegs 32 zur Versorgungskammer 28 hin bereitgestellt ist.
Die von der ersten Stufendifferenz 35a zur Öffnung an der unteren Ebene der zweiten Blasenerzeugungskammer 31b reichende erste obere Ebene 35a baut einen Kontrollabschnitt auf, der die aufgrund der Blase in der Blasenerzeugungskammer 31 fließende Tinte kontrolliert. Eine maximale Höhe von der Hauptebene des Elementsubstrates 11 zur oberen Ebene des Versorgungswegs 32 hin ist kleiner als eine Höhe von der Hauptebene des Elementsubstrates 11 zur oberen Ebene der zweiten Blasenerzeugungskammer 31b hin.
Der Versorgungsweg 32 steht mit der Blasenerzeugungskammer 31 an einem Ende und mit der Versorgungskammer 28 am anderen Ende in Verbindung.
In der Düse 27 ist, wie vorher erläutert, wegen des Vorhandenseins des Kontrollabschnittes die erste obere Ebene 35a, die einen Abschnitt bildet von einem an die erste Blasenerzeugungskammer 31a angrenzenden Ende des Versorgungswegs bis zu dieser 31a hin, mit einer kleineren Höhe zur Hauptebene des Elementsubstrates 11 hin ausgebildet als eine Höhe der zweiten oberen Ebene 35 des an der Seite der Versorgungskammer 28 angeschlossenen Versorgungswegs 32. Folglich ist in der Düse 27 wegen des Vorhandenseins des ersten oberen Ebene 35a der Querschnitt des Tinten-Strömungswegs kleiner in einem Abschnitt von einem an die erste Blasenerzeugungskammer 31a angrenzenden Ende des Versorgungswegs bis zu dieser 31a hin als in anderen Abschnitten des Strömungswegs.
Auch wie in 4 und 7 gezeigt, ist die Düse 27 ausgebildet in einer geraden Gestalt mit fast konstanter Breite, senkrecht zu der zur Hauptebene des Elementsubstrates 11 parallelen Tintenflussrichtung, in einem Bereich von der Versorgungskammer 28 zur Blasenerzeugungskammer 31. Außerdem, ist in der Düse 27 jede der Innenwand-Ebenen gegenüber der Hauptebene des Elementsubstrates 11 ausgebildet parallel hierzu in einem Bereich von der Versorgungskammer 28 zur Blasenerzeugungskammer 31.
Im vorliegenden Fall ist die Düse 27 so ausgebildet, dass die erste obere Ebene 35a eine Höhe von zum Beispiel ungefähr 14 μm zur Hauptebene des Elementsubstrates 11 hin hat, und dass das zweite obere Ebene 35b eine Höhe von zum Beispiel ungefähr 20 μm zur Hauptebene des Elementsubstrates 11 hin hat. Die Düse 27 ist auch so ausgebildet, dass das erste obere Ebene 35a eine Länge von zum Beispiel ungefähr 10 μm entlang der Tintenflussrichtung hat.
Das Elementsubstrat 11 ist auch ausgestattet auf einer hinteren Fläche gegenüber von der an das Austrittsöffnungssubstrat angrenzenden Hauptebene mit einer Versorgungsöffnung 36 für Tintenversorgung zur Versorgungskammer 28 von der Seite einer solchen hinteren Fläche.
Auch wie in 4 und 5 gezeigt, ist in der Versorgungskammer 28 ein zylindrischer Düsenfilter 38 zum Entfernen von Fremdteilchen (dusts) aus der Tinte durch Filtrieren derart bereitgestellt für jede Düse 27 und an einer an die Versorgungsöffnung 38 angrenzenden Position, dass das Elementsubstrat 11 und das Austrittsöffnungssubstrat 12 überbrückt sind. Der Düsenfilter 38 ist zum Beispiel an einer ungefähr 20 μm von der Versorgungsöffnung entfernten Position bereitgestellt. Auch haben in der Versorgungskammer 28 die Düsenfilter 38 einen Abstand von ungefähr 10 μm zueinander. Solche Düsenfilter 38 verhindern ein Verstopfen durch Fremdteilchen im Versorgungsweg 32 und im Ausstoßdurchlass 26, wodurch ein zufriedenstellender Ausstoßbetrieb gesichert ist.
Im Folgenden wird ein Ausstoßvorgang eines Tintentröpfchens aus dem Ausstoßdurchlass 26 im Flüssigkeitsausstoßkopf 1 mit der oben beschriebenen Konfiguration erläutert.
Zuerst wird im Flüssigkeitsausstoßkopf 1 die von der Versorgungsöffnung 36 zur Versorgungskammer 28 gelieferte Tinte den Düsen 17 der ersten Düsenreihe 16 und der zweiten Düsenreihe 17 geliefert. Die in jede Düse 27 gelieferte Tinte fließt den Versorgungsweg 32 entlang und füllt die Blasenerzeugungskammer 31. Die in der Blasenerzeugungskammer 31 eingefüllte Tinte wird veranlasst durch den wachsenden Druck einer Blase, die durch ein von dem Heizer 20 bewirktes Filmsieden erzeugt wurde, in eine im Wesentlichen senkrecht zur Hauptebene des Elementsubstrates 11 liegende Richtung zu fliegen, und wird als ein Tintentröpfchen vom Ausstoßdurchlass 26a des Ausstoßdurchlassabschnittes 26 ausstoßen.
Da die zweite Blasenerzeugungskammer 31b ausgebildet ist als ein abgeschnittener Kegel mit einer Seitenwand, die sich zum Ausstoßdurchlass hin verengt mit einer Neigung von 10° zu 45° bezüglich einer Ebene senkrecht zur Hauptebene des Elementsubstrates, und in Verbindung steht bei der oberen Ebene mit der Öffnung des Ausstoßdurchlassabschnittes 26 über eine Stufendifferenz, folgt dass, wenn die Tinte in der ersten Blasenerzeugungskammer 31a durch die zweite Blasenerzeugungskammer 31b hindurch ausgestoßen wird durch den Druck der wachsenden Blase, die durch das von dem Heizer 20 bewirkte Filmsieden erzeugt wurde, der Tintenfluss berichtigt (rectified) wird in einer Richtung vom Elementsubstrat 11 zum Ausstoßdurchlass 26a hin mit einer allmählichen Abnahme im Tintenvolumen, und dass in der Nähe vom Ausstoßdurchlass 26a das Flüssigkeitströpfchen in einer zum Substrat senkrechten Richtung fliegt.
Beim Ausstoß der in Blasenerzeugungskammer 31 eingefüllten Tinte fließt ein Teil der Tinte darin zum Versorgungsweg 32 durch den Druck der in der Blasenerzeugungskammer 31 erzeugten Blase. Im Flüssigkeitsausstoßkopf 1, wenn ein Teil der Tinte in der Blasenerzeugungskammer 31 zur Versorgungskammer 32 fließt, dient der die erste obere Ebene 35a besitzende und den Strömungsweg 32 einengende Kontrollabschnitt als ein Fluidwiderstand gegen die von der Blasenerzeugungskammer 31 durch den Versorgungsweg 32 zur Versorgungskammer 28 fließende Tinte. Folglich unterdrückt im Flüssigkeitsausstoßkopf 1 der Kontrollabschnitt die Tintenfluss von der Blasenerzeugungskammer 31 zum Versorgungsweg 32, womit eine Abnahme der Tinte in der Blasenerzeugungskammer 31 verhindert wird, um das Tintenausstoßvolumen zufriedenstellend zu sichern, und eine Fluktuation im Volumen des vom Ausstoßdurchlass ausgestoßenen Flüssigkeitströpfchens unterdrückt wird, um ein passendes Ausstoßvolumen zu sichern.
In einem solchen Flüssigkeitsausstoßkopf 1 kann ein Energieverteilungsverhältnis η zum Ausstoßdurchlass 26 hin gegeben sein durch: η = (A1/A0) = {A2/(A1 + A2)} (9)worin A₁ eine Trägheit von dem Heizer 20 zum Ausstoßdurchlass 26 ist, A₂ eine Trägheit von dem Heizer 20 zur Versorgungsöffnung 36, und A₀ eine interne Trägheit der gesamten Düse 27. Jede Trägheit kann durch Lösen einer Laplace-Gleichung mit zum Beispiel einem dreidimensionalen Finite-Elemente-Lösungsverfahren bestimmt werden.
Gemäß der obigen Gleichung hat der Flüssigkeitsausstoßkopf 1 ein Energieverteilungsverhältnis von η = 0.59 zum Ausstoßdurchlass 26 hin. Im Flüssigkeitsausstoßkopf 1 können die Ausstoßgeschwindigkeit und das Ausstoßvolumen vergleichbar zu denen in einem älteren Flüssigkeitsausstoßkopf gehalten werden, indem das Energieverteilungsverhältnis η ungefähr gleich zu dem beim älteren Flüssigkeitsausstoßkopf gehalten wird. Auch soll das Energieverteilungsverhältnis η bevorzugt eine Beziehung 0.5 < η < 0.8 erfüllen. Im Flüssigkeitsausstoßkopf 1 kann ein Energieverteilungsverhältnis von η ≤ 0.5 nicht die Ausstoßgeschwindigkeit und das Ausstoßvolumen bei einem zufriedenstellenden Niveau sichern, während ein Energieverteilungsverhältnis von η ≥ 0.8 keinen zufriedenstellenden Tintenfluss erreichen kann, so dass das Nachfüllen nicht erreicht werden kann.
Der Flüssigkeitsausstoßkopf 1 kann, falls zum Beispiel eine auf Farbstoff basierende schwarze Tinte (Oberflächenspannung: 47.8 × 10^–3 N/m, Viskosität: 1.8 cp, pH: 9.8) eingesetzt wird, den Viskositätswiderstand B in der Düse 27 um ungefähr 40% verglichen mit einem älteren Flüssigkeitsausstoßkopf reduzieren. Der Viskositätswiderstand B kann zum Beispiel mit einem dreidimensionalen Finite-Elemente-Lösungsverfahren bestimmt werden, und kann leicht berechnet werden durch Bestimmen von einer Länge und einem Querschnitt der Düse 27.
Folglich kann der Flüssigkeitsausstoßkopf 1 der vorliegenden Ausführungsform die Ausstoßgeschwindigkeit um ungefähr 40% verglichen mit einem älteren Flüssigkeitsausstoßkopf vergrößern, wodurch eine Ausstoßfrequenz von ungefähr 25 bis 30 kHz erreicht wird.
Auch ist die Festigkeit des Austrittsöffnungssubstrates 12 verbessert, da die maximale Höhe von der Hauptebene des Elementsubstrates 11 zur oberen Ebene des Versorgungswegs 32 kleiner gemacht ist.
Im Folgenden wird erläutert ein Verfahren zum Herstellen des Flüssigkeitsausstoßkopfes 1 mit der oben beschriebenen Konfiguration unter Bezugnahme auf 8A bis 10D.
Der Flüssigkeitsausstoßkopf 1 wird hergestellt durch einen das Elementsubstrat 11 bildenden ersten Schritt, einen zweiten Schritt zum Bilden einer oberen 41 und einer unteren Harzschicht 42 auf dem Elementsubstrat 11 zum Bilden eines Tinten-Strömungsweges, einen dritten Schritt zum Bilden eines gewünschten Düsenmusters in der oberen Harzschicht 41, ein vierter Schritt zum Bilden einer Schräge auf einer Seitenfläche der Harzschicht, und einem fünften Schritt zum Bilden eines gewünschten Düsenmusters in der unteren Harzschicht 42.
Dann wird bei diesem Herstellungsverfahren der Flüssigkeitsausstoßkopf 1 hergestellt mittels einem sechsten Schritt zum Bilden einer Harzdeckschicht 43 zum Bilden des Austrittsöffnungssubstrates 12 auf der oberen Harzschicht 41 und der unteren Harzschicht 42, einem siebten Schritt zum Bilden eines Ausstoßdurchlassabschnittes 26 in der Harzdeckschicht 43, einem achten Schritt zum Bilden einer Versorgungsöffnung 36 im Elementsubstrat 11, und einem neunten Schritt zum Herauslösen der unteren Harzschicht 42 und der oberen Harzschicht 41.
Der erste Schritt ist, wie in 8A und 9A gezeigt, ein Substrat bildender Schritt durch Bilden mehrerer Heizer 20 und vorbestimmter Verdrahtungen zum Spannung Anlegen an solche Heizer 20, zum Beispiel durch ein Muster bildendes Verfahren auf einer Hauptebene eines Si-Chips, weiterhin Bilden eines Isolierfilmes 21 zum Abdecken der Heizer 20, um Dissipation der akkumulierten Wärme zu erleichtern, sowie Bilden eines Schutzfilms 22 zum Schutz der Hauptebene vor einer beim Kollabieren der Blase erzeugten Kavitation, wodurch das Elementsubstrat 11 gebildet wird.
Der zweite Schritt ist, wie in 8B, 9B und 9C gezeigt, ein Beschichtungsschritt zum sukzessiven Beschichten mittels des Rotationsbeschichtungsverfahrens (sein coating method) auf dem Elementsubstrat 11 mit einer unteren Harzschicht 42 und einer oberen Harzschicht 41, die einer Zerstörung chemischer Bindungen im Molekül unterliegen und löslich werden bei Bestrahlen mit fernem UV Licht (im folgenden „FUV-Licht") mit einer 300 nm nicht überschreitenden Wellenlänge. Bei diesem Beschichtungsschritt wird ein harziges Material, das durch eine Dehydration-Kondensation-Reaktion thermisch vernetzbar ist, als die untere Harzschicht 42 verwendet, wodurch das gemeinsame Auflösen der unteren Harzschicht 42 und der oberen Harzschicht 41 verhindert werden kann beim Rotationsbeschichten der oberen Harzschicht 41. Als Beispiel für die untere Harzschicht 42 wurde ein Zwei-Komponenten Copolymer eingesetzt, das durch eine Radikalen-Polymerisation von Methylmethacrylat (MMA) und Methacrylsäure (MAA) (P(MMA-MAA) = 90:10) erhalten wurde, und in Cyclohexanon als Lösungsmittel aufgelöst. Und als Beispiel für die obere Harzschicht 41 wurde Polymethylisopropenylketon (PMIPK) in Cyclohexanon als Lösungsmittel aufgelöst eingesetzt. 11 zeigt eine chemische Reaktionsformel zum Bilden eines thermisch vernetzten Films mittels einer Dehydrationskondensation-Reaktion des als die untere Harzschicht 42 eingesetzten Zwei-Komponenten Copolymers (P(MMA-MAA)). Diese Dehydrationskondensation-Reaktion kann einen festen vernetzten Film bilden durch Erwärmen für 30 Minuten bis 2 Stunden bei 180°C bis 200°C. Der vernetzte Film ist in einem Lösungsmittel unlöslich, aber unterliegt, wie in 11 gezeigt, einer Zersetzungsreaktion zu kleineren Molekulargewichten bei Bestrahlen mit einem Elektronenstrahl oder FUV-Licht, und wird nur in so dem bestrahlten Gebiet löslich in einem Lösungsmittel.
Der dritte Schritt ist, wie in 8B und 9D gezeigt, ein Muster bildender Schritt zum Belichten der oberen Harzschicht 41 mit nahen UV-Licht (im Folgenden „NUV-Licht") eines Wellenlängenbereichs von ungefähr 260 bis 330 nm, wobei eine mit FUV-Licht bestrahlende Belichtungsvorrichtung benutzt wird und darauf befestigt wird ein zum Aufhalten von FUV-Licht mit einer Wellenlänge von unter 260 nm ausgelegter Filter als Wellenlänge-Auswahleinrichtung, wodurch Licht mit einer Wellenlänge von 260 nm oder höher durchgelassen wird, sowie dann Entwickeln der Harzschicht und damit Bilden eines gewünschten Düsenmusters in der oberen Harzschicht 41. Als ein Filter zum Aufhalten des FUV-Lichts mit einer Wellenlänge von weniger als 260 nm kann eine Schlitzmaske 105 mit verschiedenen Schlitz-Gangabständen verwendet werden, um die Höhe des Düsenmusters beliebig einzustellen, wodurch die Düsenmuster der zweiten Blasenerzeugungskammer 31b und die zweite obere Ebene 35b gebildet werden können mit zu einander verschiedenen Höhen.
Beim Bilden des Düsenmusters in der oberen Harzschicht in diesem dritten Schritt wird, da die obere Harzschicht 41 und die untere Harzschicht 42 ein Empfindlichkeitsverhältnis von 40:1 oder höher gegenüber NUV-Licht eines Wellenlängenbereichs von 260 bis 330 nm besitzen, die untere Harzschicht 42 durch das Belichten nicht beeinträchtigt und das P(MMA-MAA) darin nicht zersetzt. Auch wird die thermisch vernetzte untere Harzschicht 42 nicht aufgelöst in der Entwicklungslösung für die obere Harzschicht 41. 12 zeigt Absorptionsspektren der Materialien der unteren Harzschicht 42 und der oberen Harzschicht 41 in einem Wellenlängebereich von 210 bis 330 nm.
Der vierte Schritt führt, wie in 8B und 9D gezeigt, ein Erwärmen für 5 bis 20 Minuten bei 140°C durch auf der Musterbildung unterworfenen oberen Harzschicht 41, wodurch eine Schräge mit einem Winkel von 10° zu 45° auf einer Seitenfläche der oberen Harzschicht gebildet wird. Der Neigungswinkel ist korreliert mit einem Volumen (Gestalt und Filmdicke) des oben erwähnten Musters sowie einer Erwärmungstemperatur und -zeit, und kann an einem designierten Wert innerhalb des oben erwähnten Winkelbereichs gehalten werden.
Der fünfte Schritt ist, wie in 8B und 9E gezeigt, ein Muster bildender Schritt zum Belichten und Entwickeln der unteren Harzschicht 42 unter Bestrahlen mit FUV-Licht eines Wellenlängenbereiches von 210 bis 330 nm durch die oben erwähnte Belichtungsvorrichtung mit einer Maske 106, wodurch ein gewünschtes Düsenmuster in der unteren Harzschicht 42 gebildet wird. Das in der unteren Harzschicht 42 verwendete P(MMA-MAA) Material hat eine hohe Auflösung und kann eine Graben-Struktur mit einem Seitenwand-Neigungswinkel von 0° bis 5° bereitstellen selbst bei einer Dicke von ungefähr 5 bis 20 μm.
Außerdem kann nötigenfalls eine zusätzliche Schräge auf der Seitenwand der unteren Harzschicht 42 gebildet werden durch Erwärmen der unteren Harzschicht 42 nach Bemustern bei einer Temperatur von 120°C zu 140°C.
Der sechste Schritt ist, wie in 10A gezeigt, ein Beschichtungsschritt zum Beschichten mit einer transparenten Harzdeckschicht 43 auf der oberen Harzschicht 41 und der unteren Harzschicht 42 zum Bilden des Austrittsöffnungssubstrates 12, in denen die Düsenmuster gebildet werden und die löslich gemacht werden durch die Zerstörung der vernetzenden Bindungen im Molekül durch das FUV-Bestrahlen.
Der siebte Schritt führt, wie in 8C und 10B gezeigt, ein UV-Licht Bestrahlen durch auf der Harzdeckschicht 43 mittels einer Belichtungsvorrichtung, und entfernt einen dem Ausstoßdurchlassabschnitt 26 entsprechenden Abschnitt durch ein Belichten und ein Entwickeln, wodurch das Austrittsöffnungssubstrat 12 gebildet wird. Eine in einem solchen Austrittsöffnungssubstrat 12 gebildete Seitenwand des Ausstoßdurchlassabschnittes 26 wird bevorzugt gebildet mit einem Neigungswinkel von ungefähr 0° gegenüber einer Ebene senkrecht zur Hauptebene des Elementsubstrates. Jedoch verursacht ein Neigungswinkel von ungefähr 0° bis 10° keine größeren Schwierigkeiten in den Ausstoßeigenschaften für das Flüssigkeitströpfchen.
Der achte Schritt führt, wie in 8D und 10C gezeigt, ein chemisches Ätzen oder Ähnliches durch auf der Hinterfläche des Elementsubstrates 11, wodurch die Versorgungsöffnung 36 im Elementsubstrat 11 gebildet wird. Für das chemische Ätzen kann zum Beispiel ein anisotropes Ätzen unter Verwendung einer stark alkalischen Lösung (KOH, NaOH oder TMAH) eingesetzt werden.
Der neunte Schritt führt, wie in 8E und 10D gezeigt, ein Bestrahlen mit FUV Licht einer Wellenlänge von ungefähr 330 nm oder kürzer durch von der Hauptebenenseite des Elementsubstrates 11 her durch die Harzdeckschicht 43, wodurch die obere Harzschicht 41 und die untere Harzschicht 42, an einer Position zwischen dem Elementsubstrat 11 und dem Austrittsöffnungssubstrat 12 und eine Düsenform bildend, herausgelöst werden durch die Versorgungsöffnung 36.
Auf diese Weise erhält man einen Chip ausgestattet mit der Düse 27, die beinhaltet den Ausstoßdurchlass 26a, die Versorgungsöffnung 36 und den Kontrollabschnitt 33, der ausgebildet ist als eine Stufendifferenz im diese Komponenten verbindenden Versorgungsweg 32. Ein Flüssigkeitsausstoßkopf kann dann erhalten werden durch elektrisches Anschließen eines solchen Chips mit einer (nicht gezeigten) Verdrahtungsplatine zum Ansteuern des Heizers 20.
Im vorigen Verfahren werden die Schlitzmasken mit verschiedenen Schlitz-Gangabständen als Filter verwendet, um die Höhe des Düsenmusters innerhalb einer Stufe beliebig einzustellen, aber im oben erwähnten Herstellungsverfahren für den Flüssigkeitsausstoßkopf 1 kann man einen Kontrollabschnitt bilden mit Stufendifferenzen von drei oder mehr Stufen durch Bilden, in Richtung der Dicke des Elementsubstrates 11, von mehr laminaren Strukturen in der oberen Harzschicht 41 und der unteren Harzschicht 42, die durch die Zerstörung der vernetzenden Bindungen im Molekül bei Bestrahlen mit FUV-Lichtes löslich gemacht werden. Zum Beispiel kann eine mehrstufige Düsenstruktur gebildet werden durch Verwenden eines harzigen Materials auf der oberen Harzschicht, das gegenüber Licht mit einer Wellenlänge von 400 nm oder größer empfindlich ist.
Das Herstellungsverfahren für den Flüssigkeitsausstoßkopf 1 der vorliegenden Ausführungsform wird bevorzugt ausgeführt hauptsächlich gemäß eines Herstellungsverfahrens für einen Flüssigkeitsausstoßkopf, der als die Tintenausstoßeinrichtung ein in den JP-A-4-10940 und JP-A-4-10941 offenbartes Tintenstrahl-Aufzeichnungsverfahren einsetzt. Diese Quellen offenbaren ein Tintentröpfchen-Ausstoßverfahren mit einer Konfiguration, in der eine durch einen Heizer erzeugte Blase mit der Außenluft in Verbindung gebracht wird, und machen einen Flüssigkeitsausstoßkopf verfügbar, der ein Tintentröpfchen mit einem äußerst kleinen Volumen von kleiner gleich 50 pl auszustoßen vermag.
In einem solchen Flüssigkeitsausstoßkopf 1 hängt das Volumen des vom Ausstoßdurchlass 26a ausgestoßenen Tintentröpfchens, da die Blase mit der Außenluft in Verbindung steht, deutlich vom Volumen der zwischen dem Heizer 20 und dem Ausstoßdurchlass 26 vorhandenen Tinte ab, nämlich dem in der Blasenerzeugungskammer 31 eingefüllten Tintenvolumen. Anders ausgedrückt, das Volumen des ausgestoßenen Tintentröpfchens wird im Wesentlichen durch eine Struktur der Blasenerzeugungskammer 31 in der Düse 27 des Flüssigkeitsausstoßkopfes 1 bestimmt.
Folglich kann der Flüssigkeitsausstoßkopf 1 ein Bild mit einer hoher Qualität ohne Ungleichmäßigkeit (unevenness) der Tinte bereitstellen. Der Flüssigkeitsausstoßkopf der vorliegenden Erfindung zeigt den größten Effekt bei Anwendung auf einen Flüssigkeitsausstoßkopf, im der kürzeste Abstand zwischen dem Heizer und dem Ausstoßdurchlass mit 30 μm oder weniger gewählt ist, um die Blase mit der Außenluft in Verbindung zu bringen, kann aber auf jeden Flüssigkeitsausstoßkopf wirksam angewandt werden, im das Tintentröpfchen veranlasst wird, in eine Richtung senkrecht zur Hauptebene des den Heizer tragenden Elementsubstrates zu fliegen.
Im Flüssigkeitsausstoßkopf 1 erreicht, wie vorher erläutert, das Vorhandensein der zweiten Blasenerzeugungskammer 31b mit einer abgeschnitten-kegelförmigen Gestalt eine Strömungsberichtigung (rectification) in Richtung vom Elementsubstrat 11 zum Ausstoßdurchlass 26a hin mit einer allmählichen Abnahme des Tintenvolumens, wodurch das Flüssigkeitströpfchen in eine Richtung senkrecht zum Elementsubstrat 11 in der Nähe des Ausstoßdurchlasses 26a fliegt. Auch stabilisiert das Vorhandensein der ersten oberen Ebene 35a zur Kontrolle des Tintenflusses in der Blasenerzeugungskammer 31 das Volumen des ausgestoßenen Tintentröpfchens, und die zur Versorgungskammer hin höher gemachte obere Ebene des Versorgungswegs gestattet eine Vergrößerung der Flüssigkeitsmenge in diesem, wodurch eine Temperaturzunahme in der ausgestoßenen Flüssigkeit unterdrückt wird durch Wärmeleitung von der Flüssigkeit mit der so niedrigeren Temperatur, womit die Temperaturabhängigkeit der Ausstoßmenge und die Ausstoßeffizienz des Tintentröpfchens verbessert werden können.
(Zweite Ausführungsform)
In der ersten Ausführungsform ist die zweite Blasenerzeugungskammer 31b mit einer abgeschnitten-kegelförmigen Form ausgebildet auf der ersten Blasenerzeugungskammer 31a und besitzt eine zum Ausstoßdurchlass 26a hin verengte Seitenwand mit einem Neigungswinkel von 10° bis 45° gegenüber einer Ebene senkrecht zur Hauptebene des Elementsubstrates 11, aber die zweite Ausführungsform stellt einen Flüssigkeitsausstoßkopf 2 bereit mit einer Konfiguration, in der die in die Blasenerzeugungskammer eingefüllte Tinte leichter zum Ausstoßdurchlass fließen kann. Im Flüssigkeitsausstoßkopf 2 sind Komponenten äquivalent zu denen im vorhergehenden Flüssigkeitsausstoßkopf 1 mit denselben Bezugsziffern bezeichnet und werden nicht weiter erläutert.
Im Flüssigkeitsausstoßkopf 2 der zweiten Ausführungsform beinhaltet eine Blasenerzeugungskammer 56 wie in der ersten Ausführungsform eine erste Blasenerzeugungskammer 56a, in der eine Blase durch den Heizer 20 erzeugt wird, sowie eine zwischen der ersten Blasenerzeugungskammer 56a und einem Ausstoßdurchlassabschnitt 53 positionierte zweite Blasenerzeugungskammer 56b, und die Seitenwand der zweiten Blasenerzeugungskammer 56b ist zum Ausstoß durchlassabschnitt 53 hin verengt mit einer Neigung von 10° bis 45° bezüglich einer Ebene senkrecht zur Hauptebene des Elementsubstrates 11.
Außerdem sind in der ersten Blasenerzeugungskammer 56a bereitgestellte Wandflächen zum individuellen Trennen der Mehrzahl in einer Reihe angeordneter erster Blasenerzeugungskammern 56a so geneigt, dass eine Verengung zum Ausstoßdurchlass hin gebildet wird mit einem Neigungswinkel von 0° bis 10° gegenüber einer Ebene senkrecht zur Hauptebene des Elementsubstrates 11, und solche Wandflächen sind im Ausstoßdurchlassabschnitt 53 so geneigt, dass eine Verengung zum Ausstoßdurchlass 53a hin gebildet wird mit einem Neigungswinkel von 0° bis 5° gegenüber einer Ebene senkrecht zur Hauptebene des Elementsubstrates 11.
Wie in 13 und 14 gezeigt, ist ein bei einem Flüssigkeitsausstoßkopf 2 bereitgestelltes Austrittsöffnungssubstrat 52 aus einem harzigem Material ausgebildet mit einer Dicke von ungefähr 30 μm. Wie bereits in Bezug auf 1 erläutert, ist das Austrittsöffnungssubstrat 52 mit mehreren Ausstoßdurchlassen 53a ausgestattet zum Ausstoßen eines Tintentröpfchens, außerdem mit mehreren Düsen 54, in denen die Tinte fließt, und einer Versorgungskammer 55 zum Versorgen jeder solchen Düse 54 mit der Tinte.
Der Ausstoßdurchlass 53a ist an einer Position gegenüber vom auf dem Elementsubstrat 11 ausgebildeten Heizer 20 ausgebildet, und ist in einem kreisförmigen Loch mit einem Durchmesser von zum Beispiel ungefähr 15 μm ausgebildet. Außerdem kann der Ausstoßdurchlass 53 in einer im Wesentlichen sternförmigen Gestalt mit radial spitzen Enden gemäß den erforderlichen Ausstoßeigenschaften ausgebildet sein.
Die Düse 54 beinhaltet einen Ausstoßdurchlassabschnitt 53 mit einem Ausstoßdurchlass 53a zum Ausstoß eines Flüssigkeitströpfchens, eine Blasenerzeugungskammer 56 zum Erzeugen einer Blase in der darin enthaltenen Flüssigkeit mittels des das Ausstoßenergie erzeugende Element bildenden Heizers 20, sowie einen Versorgungsweg 57 zum Versorgen der Blasenerzeugungskammer 56 mit der Flüssigkeit.
Die Blasenerzeugungskammer 56 ist aus einer ersten Blasenerzeugungskammer 56a gebildet, von der eine untere Fläche durch die Hauptebene des Elementsubstrates 11 gebildet wird, und die mit dem Versorgungsweg 32 in Verbindung steht und zum Erzeugen einer Blase in der Flüssigkeit darin mittels des Heizers 20 dient, sowie einer zweiten Blasenerzeugungskammer 56b, die bereitgestellt ist in Verbindung stehend mit einer oberen Öffnung der ersten Blasenerzeugungskammer 31a parallel zur Hauptebene des Elementsubstrates 11, und in der die in der ersten Blasenerzeugungskammer 31a erzeugte Blase wächst. Der Ausstoßdurchlassabschnitt 53 ist bereitgestellt in Verbindung stehend mit einer oberen Öffnung der zweiten Blasenerzeugungskammer 56b, und eine Stufendifferenz ist ausgebildet zwischen einer Seitenwandfläche des Ausstoßdurchlassabschnittes 53 und einer Seitenwandfläche der zweiten Blasenerzeugungskammer 56b.
Die erste Blasenerzeugungskammer 56a ist mit einer ungefähr rechteckigen unteren Fläche gegenüber vom Ausstoßdurchlass 53a ausgebildet. Auch ist die erste Blasenerzeugungskammer 56a so ausgebildet, dass ein kürzester Abstand OH zwischen einer Hauptebene des Heizers 20 parallel zur Hauptebene des Elementsubstrates 11 und dem Ausstoßdurchlass 53a kleiner gleich 30 μm ist. Wie bereits in Bezug auf 1 erläutert, ist der Heizer 20 mit mehreren Einheiten auf dem Elementsubstrat 11 angeordnet, mit einem Gangabstand von ungefähr 42.5 μm im Fall einer Reihendichte (density of array) von 600 dpi. Auch hat im Fall, dass die erste Blasenerzeugungskammer 56a mit einer Breite von 35 μm in Reihenrichtung der Heizer ausgebildet ist, eine die Heizer trennende Düsenwand eine Breite von ungefähr 7.5 μm. Die erste Blasenerzeugungskammer 56a hat eine Höhe von 10 μm über der Oberfläche des Elementsubstrates 11. Die auf der ersten Blasenerzeugungskammer 56a ausgebildete zweite Blasenerzeugungskammer 56b hat eine Höhe von 15 μm, und der auf dem Austrittsöffnungssubstrat 52 ausgebildete Ausstoßdurchlassabschnitt 53 gebildet hat eine Höhe von 5 μm. Der Ausstoßdurchlass 56a hat eine kreisförmige Gestalt mit einem Durchmesser von 15 μm. Die zweite Blasenerzeugungskammer 56b hat eine abgeschnitten kegelförmige Gestalt, und die obere Fläche an der Seite des Ausstoßdurchlassabschnittes 53 hat einen Durchmesser von 19 μm im Fall, dass eine an mit der ersten Blasenerzeugungskammer 56a verbindende Fläche einen Durchmesser von 30 μm hat und die seitliche Wand der zweiten Blasenerzeugungskammer eine Neigung von 20° hat. Sie ist durch eine Stufendifferenz von ungefähr 2 μm verbunden mit dem Ausstoßdurchlassabschnitt 53 mit Durchmesser 15 μm.
Die in der ersten Blasenerzeugungskammer 56a erzeugte Blase wächst zur zweiten Blasenerzeugungskammer 56b und zum Versorgungsweg 57 hin, wodurch die in der Düse 54 eingefüllte Tinte einer Strömungsberichtigung (rectification) im Ausstoßdurchlassabschnitt 53 unterworfen wird und veranlasst wird, aus dem im Austrittsöffnungssubstrat bereitgestellten Ausstoßdurchlass 53a zu fliegen.
Der Versorgungsweg 57 steht an einem Ende mit der Blasenerzeugungskammer 56 in Verbindung und am anderen Ende mit der Versorgungskammer 55.
In der Düse 54 sind eine zur Hauptebene parallele obere Ebene der ersten Blasenerzeugungskammer 56a sowie eine erste obere Ebene 59a parallel zur Hauptebene des an die Blasenerzeugungskammer 56 angrenzenden Versorgungswegs 57 ausgebildet durch dieselbe zusammenhängende Ebene, die durch eine zur Hauptebene geneigte erste Stufendifferenz 58a verbunden ist mit einer zweiten oberen Ebene 59b, die höher und parallel zur Hauptebene des Elementsubstrates 11 positioniert ist und bereitgestellt ist an einer Seite des Versorgungswegs 57 zur Versorgungskammer 55 hin, und die wiederum durch eine zur Hauptebene geneigte zweite Stufendifferenz 58b verbunden ist mit einer dritten oberen Ebene 59c, die höher als die zweite obere Ebene 59b und parallel zur Hauptebene des Elementsubstrates 11 positioniert ist und bereitgestellt ist an einer Seite des Versorgungswegs 57 zur Versorgungskammer 55 hin.
Eine Struktur von der ersten Stufendifferenz 58a zur Öffnung an der unteren Ebene der zweiten Blasenerzeugungskammer 56b bildet einen Kontrollabschnitt, der die auf Grund der Blase in der Blasenerzeugungskammer 56 fließende Tinte kontrolliert.
Im Kontrollabschnitt der Düse 54 ist, wie, im vorhergehenden erläutert, die erste obere Ebene 59a, die einen Abschnitt bildet von einem an die erste Blasenerzeugungskammer 56a angrenzenden Ende des Versorgungswegs bis dieser 56a hin, ausgebildet mit einer kleineren Höhe zur Hauptebene des Elementsubstrates 11 als eine Höhe der zweiten oberen Ebene 59b des an die Seite der Versorgungskammer 55 angrenzenden Versorgungswegs 57, und die Höhe des zweiten oberen Ebene 59b ist kleiner gemacht als die Höhe des dritten oberen Ebene 59c des an die Seite der Versorgungskammer 55 angrenzenden Versorgungswegs 57. Folglich ist in der Düse 54 wegen des Vorhandenseins der ersten oberen Ebene 59a der Querschnitt des Tinten-Strömungswegs kleiner gemacht in einem Abschnitt von einem an die erste Blasenerzeugungskammer 56a angrenzenden Ende des Versorgungswegs 57 bis zu dieser 56a hin als in anderen Abschnitten des Strömungswegs.
Durch Einrichten einer größeren Neigung der Seitenwand der zweiten Blasenerzeugungskammer 56b und auch durch Einrichten einer Neigung bei der ersten Blasenerzeugungskammer 56a kann die in der Düse eingefüllte Tinte effizienter bewegt werden zum Ausstoßdurchlassabschnitt 53 durch die in der ersten Blasenerzeugungskammer 56a erzeugte Blase. Jedoch, obwohl die erste Blasenerzeugungskammer 56a, die zweite Blasenerzeugungskammer 56b und der Ausstoßdurchlassabschnitt 53 mit einem photolithographischen Verfahren gebildet werden, ist vollständiges Bilden ohne jede Abweichung nicht möglich und es kann dort zu einem Ausrichtungsfehler in Submikron-Größe kommen. Deshalb, um einen geraden Tintenflug in einer Richtung senkrecht zur Hauptebene des Elementsubstrates 11 zu erreichen, ist es notwendig die Tintenflugrichtung beim Ausstoßdurchlassabschnitt 53 zu berichtigen (rectify). Zu diesem Zweck ist die Seitenwand des Ausstoßdurchlassabschnittes 53 bevorzugt so parallel wie möglich zur Richtung senkrecht zur Hauptebene des Elementsubstrates 11, nämlich mit einer Neigung so nahe wie möglich bei 0°.
Andererseits sollte die Öffnung des Ausstoßdurchlasses kleiner gemacht werden zum Erhalten eines kleineren fliegenden Tintentröpfchens, und falls die Höhe (Länge) des Ausstoßdurchlassabschnittes 53 so größer wird als die Öffnung, nimmt der Viskositätswiderstand der Tinte in einem solchen Abschnitt deutlich zu, was zu einer Verschlechterung der Tintenausstoßeigenschaften führt. Deshalb hat der Flüssigkeitsausstoßkopf 2 der zweiten Ausführungsform eine solche Konfiguration, dass das Wachstum der in der ersten Blasenerzeugungskammer erzeugten Blase zur zweiten Blasenerzeugungskammer gefördert wird, auch dass das Fließverhalten der in der Düse eingefüllten Tinte in der zweiten Blasenerzeugungskammer verbessert und auch ein berichtigender (rectifying) Effekt auf die Ausstoßrichtung der fliegenden Tinte erzielt wird. Die Höhe der zweiten Blasenerzeugungskammer, obwohl auch anhängig von der Entfernung der Fläche des Elementsubstrates 11 zum Ausstoßdurchlass 53a, beträgt bevorzugt ungefähr 3 bis 25 μm, mehr bevorzugt ungefähr 5 bis 15 μm. Auch beträgt die Länge des Ausstoßdurchlassabschnittes 53 bevorzugt ungefähr 1 bis 10 μm, mehr bevorzugt ungefähr 1 bis 3 μm.
Auch wie in 13 gezeigt, ist die Düse 54 in einer geraden Gestalt ausgebildet mit einer fast konstanten Breite, senkrecht zur Tintenströmungsrichtung und parallel zur Hauptebene des Elementsubstrates 11, in einem Bereich von der Versorgungskammer 55 zur Blasenerzeugungskammer 56. Außerdem sind in der Düse 54 Innenwandebenen gegenüber der Hauptebene des Elementsubstrates 11 ausgebildet parallel dazu in einem Bereich von der Versorgungskammer 55 zur Blasenerzeugungskammer 56.
Im Folgenden wird ein Tintenausstoßvorgang im Flüssigkeitsausstoßkopf 2 mit der oben beschriebenen Konfiguration erläutert.
Zuerst wird im Flüssigkeitsausstoßkopf 2 die von der Versorgungsöffnung 36 zur Versorgungskammer 55 gelieferte Tinte den Düsen 54 der ersten und zweiten Düsenreihe geliefert. Die in jede Düse 54 gelieferte Tinte fließt den Versorgungsweg 57 entlang und füllt die Blasenerzeugungskammer 56. Die in die Blasenerzeugungskammer 56 eingefüllte Tinte wird durch einen wachsenden Druck einer Blase, die durch ein von dem Heizer 20 veranlasstes Filmsieden erzeugt wurde, veranlasst, in eine im Wesentlichen zur Hauptebene des Elementsubstrates 11 senkrechte Richtung zu fliegen, und wird als ein Tintentröpfchen vom Ausstoßdurchlass 53a ausgestoßen.
Beim Ausstoß der in der Blasenerzeugungskammer 56 eingefüllten Tinte fließt ein Teil der Tinte darin durch den Druck der in der Blasenerzeugungskammer 56 erzeugten Blase zum Versorgungsweg 57 hin. Im Flüssigkeitsausstoßkopf 2 wird der Druck der in der ersten Blasenerzeugungskammer 56a erzeugten Blase sofort zur zweiten Blasenerzeugungskammer 56b weitergeleitet, wodurch die in der ersten Blasenerzeugungskammer 56a und zweiten Blasenerzeugungskammer 56b eingefüllte Tinte sich in die zweite Blasenerzeugungskammer 56b bewegt. In diesem Zustand wächst die in der ersten Blasenerzeugungskammer 56a und der zweiten Blasenerzeugungskammer 56b wachsende Blase zufriedenstellend zum Ausstoßdurchlass 53a hin mit wenig Druckverlust in Kontakt mit den Innenwänden wegen deren Neigung. Dann wird die im Ausstoßdurchlassabschnitt 53a berichtigte (rectified) Tinte veranlasst, vom im Austrittsöffnungssubstrat 52 ausgebildeten Ausstoßdurchlass 53a in eine Richtung senkrecht zur Hauptebene des Elementsubstrates 11 zu fliegen. Auch ist dort ein Ausstoßvolumen des Tintentröpfchens hinreichend gesichert. Deshalb kann der Flüssigkeitsausstoßkopf 2 eine höhere Ausstoßgeschwindigkeit des vom Ausstoßdurchlass 53a ausgestoßenen Tintentröpfchens erreichen.
Folglich kann im Vergleich mit einem älteren Flüssigkeitsausstoßkopf der Flüssigkeitsausstoßkopf 2 eine aus der Ausstoßgeschwindigkeit und dem Ausstoßvolumen berechnete kinetische Energie des Tintentröpfchens verbessern und dadurch die Ausstoßeffizienz verbessern. Er kann auch wie im oben erwähnten Flüssigkeitsausstoßkopf 1 eine höhere Ausstoßfrequenz erzielen.
Der Flüssigkeitsausstoßkopf ist mit dem Nachteil verknüpft, dass das Volumen des fliegenden Tintentröpfchens aufgrund einer Ansammlung der durch die Heizer erzeugten Wärme im Flüssigkeitsausstoßkopf fluktuiert, aber die obere Ebene des zur Versorgungskammer hin höher gemachten Versorgungswegs gestattet die Vergrößerung der Flüssigkeitsmenge im Versorgungsweg, wodurch eine Temperaturzunahme in der ausgestoßenen Flüssigkeit durch Wärmeleitung von der Flüssigkeit mit der so niedrigeren Temperatur unterdrückt wird, womit die Temperaturabhängigkeit der Ausstoßmenge verbessert werden kann.
Im Folgenden wird ein Herstellungsverfahren für den Flüssigkeitsausstoßkopf 2 mit der oben beschriebenen Konfiguration kurz erläutert. Da das Herstellungsverfahren für den Flüssigkeitsausstoßkopf 2 dem des Flüssigkeitsausstoßkopfes 1 ähnlich ist, werden dieselben Komponenten werden durch dieselben Bezugsziffern bezeichnet und nicht weiter erläutert.
Das Herstellungsverfahren für den Flüssigkeitsausstoßkopf 2 wird durchgeführt gemäß dem oben erwähnten Verfahren für den Flüssigkeitsausstoßkopf 1.
Ein erster Schritt ist, wie in 8A und 9A gezeigt, ein Substrat bildender Schritt durch Bilden mehrerer Heizer 20 und vorbestimmter Verdrahtungen zum Spannung Anlegen an solche Heizer 20 zum Beispiel mittels eines Muster bildenden Verfahrens auf einem Si Chip, wodurch das Elementsubstrat 11 gebildet wird.
Ein zweiter Schritt ist, wie in 8B, 9B und 9C gezeigt, ein Beschichtungsschritt ein Beschichtungsschritt zum sukzessiven Beschichten mittels des Rotationsbeschichtungsverfahrens auf dem Elementsubstrat 11 mit einer unteren Harzschicht 42 und einer oberen Harzschicht 41, die einer Zerstörung chemischer Bindungen im Molekül unterliegen und löslich werden bei Bestrahlen mit FUV-Licht mit einer 330 nm nicht überschreitenden Wellenlänge. Die untere Harzschicht 42 hat eine Schichtdicke von 10 μm, und die obere Harzschicht 41 hat eine Schichtdicke von 15 μm.
Ein dritter Schritt, ist wie in 8B und 9D gezeigt, ein Muster bildender Schritt zum Belichten der oberen Harzschicht 41, die obere Harzschicht 41 mit NUV-Licht eines Wellenlängenbereichs von ungefähr 260 bis 330 nm, wobei eine mit FUV-Licht bestrahlende Belichtungsvorrichtung benutzt wird und darauf befestigt wird ein zum Aufhalten von FUV-Licht mit einer Wellenlänge von unter 260 nm ausgelegter Filter als Wellenlänge-Auswahleinrichtung, wodurch Licht mit einer Wellenlänge von 260 nm oder höher durchgelassen wird, sowie dann Entwickeln der Harzschicht und damit Bilden eines gewünschten Düsenmusters in der oberen Harzschicht 41. Als ein Filter zum Aufhalten des FUV-Lichts mit einer Wellenlänge von weniger als 260 nm kann eine Schlitzmaske 105 mit verschiedenen Schlitz-Ganghöhen verwendet werden, um die Höhe des Düsenmusters beliebig einzustellen, wodurch die Düsenmuster der zweiten Blasenerzeugungskammer 56b, die zweite obere Ebene 59b, und die dritte obere Ebene 59c gebildet werden können mit zueinander verschiedenen Höhen. Obwohl nicht dargestellt, kann der Schlitz-Gangabstand der Schlitzmaske 105 geändert werden entsprechend der zweiten oberen Ebene 59b und der dritten oberen Ebene 59c, um zueinander verschiedenen Höhen zu erhalten.
Ein vierter Schritt führt, wie in 8B und 9D gezeigt, ein Erwärmen für 10 Minuten bei 140°C durch auf der Musterbildung unterworfenen oberen Harzschicht 41, wodurch eine Schräge mit einem Winkel von 20° auf einer Seitenfläche der oberen Harzschicht gebildet wird.
Ein fünfter Schritt ist, wie in 8B und 9E gezeigt, ein musterbildender Schritt zum Belichten und Entwickeln der unteren Harzschicht 42 unter Bestrahlen mit FUV-Licht eines Wellenlängenbereiches von 210 bis 330 nm durch die oben erwähnte Belichtungsvorrichtung mit einer Maske 106, wodurch ein gewünschtes Düsenmuster in der unteren Harzschicht 42 gebildet wird.
Ein sechster Schritt ist, wie in 10A gezeigt, ein Beschichtungsschritt zum Beschichten mit einer transparenten Harzdeckschicht 43 auf der oberen Harzschicht 41 und der unteren Harzschicht 42 zum Bilden des Austrittsöffnungssubstrates 12, in denen die Düsenmuster gebildet werden und die löslich gemacht werden durch die Zerstörung der vernetzenden Bindungen im Molekül durch das FUV-Bestrahlen. Die Harzdeckschicht 43 hat eine Schichtdicke von 30 μm.
Ein siebter Schritt führt, wie in 8C und 10B gezeigt, ein UV-Licht Bestrahlen durch auf der Harzdeckschicht 43 mittels einer Belichtungsvorrichtung, und entfernt einen dem Ausstoßdurchlassabschnitt 53 entsprechenden Abschnitt durch ein Belichten und ein Entwickeln, wodurch das Austrittsöffnungssubstrat 52 gebildet wird. Der Ausstoßdurchlassabschnitt 53 hat eine Länge von 5 μm.
Ein achter Schritt, führt wie in 8D und 100 gezeigt, ein chemisches Ätzen oder Ähnliches durch auf der Hinterfläche des Elementsubstrates 11, wodurch die Versorgungsöffnung 36 im Elementsubstrat 11 gebildet wird. Für das chemische Ätzen kann zum Beispiel ein anisotropes Ätzen unter Verwendung einer stark alkalischen Lösung (KOH, NaOH oder TMAH) eingesetzt werden.
Ein neunter Schritt führt, wie in 8E und 10D gezeigt, ein Bestrahlen mit FUV Licht einer Wellenlänge von ungefähr 330 nm oder kürzer durch von der Hauptebenenseite des Elementsubstrates 11 her durch die Harzdeckschicht 43, wodurch die obere Harzschicht 41 und die untere Harzschicht 42 herausgelöst werden, an einer Position zwischen dem Elementsubstrat 11 und dem Austrittsöffnungssubstrat 52.
Auf diese Weise erhält man einen Chip ausgestattet mit der Düse 54, die beinhaltet den Ausstoßdurchlass 53a, die Versorgungsöffnung 36 und die oberen Ebenen 58a, 58b, 58c, die ausgebildet sind in Stufenform im diese Komponenten verbindenden Versorgungsweg 57. Ein Flüssigkeitsausstoßkopf 2 kann erhalten werden durch elektrisches Anschließen eines solchen Chips mit einer (nicht gezeigten) Verdrahtungsplatine zum Ansteuern der Heizer 20.
Im Flüssigkeitsausstoßkopf 2 ist, wie im vorhergehenden erläutert, die zweite Blasenerzeugungskammer 56b in einer abgeschnitten-kegelförmigen Form bereitgestellt, und die Wand der ersten Blasenerzeugungskammer 56a ist auch eingerichtet mit einer Neigung, um eine Strömungsberichtigung (rectification) in Richtung vom Elementsubstrat 11 zum Ausstoßdurchlass 53a hin mit einer allmählichen Abnahme des Tintenvolumens zu erreichen, wodurch das Flüssigkeitströpfchen in eine Richtung senkrecht zum Elementsubstrat 11 in der Nähe des Ausstoßdurchlasses 53a fliegt. Auch stabilisiert das Vorhandensein der ersten oberen Ebene 59a zur Kontrolle des Tintenflusses in der Blasenerzeugungskammer 56 das Volumen des ausgestoßenen Tintentröpfchens, wodurch die Tintentröpfchen-Ausstoßeffizienz verbessert wird, und die zur Versorgungskammer hin höher gemachte obere Ebene des Versorgungswegs gestattet eine Vergrößerung der Flüssigkeitsmenge in diesem, wodurch eine Temperaturzunahme in der aus gestoßenen Flüssigkeit unterdrückt wird durch Wärmeleitung von der Flüssigkeit mit der so niedrigeren Temperatur, womit die Temperaturabhängigkeit der Ausstoßmenge verbessert und die Ausstoßeffizienz des Tintentröpfchens erhöht werden kann.
(Dritte Ausführungsform)
Im Folgenden wird kurz unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen ein Flüssigkeitsausstoßkopf 3 einer dritten Ausführungsform erläutert, in dem verglichen mit dem oben erwähnten Flüssigkeitsausstoßkopf 2 die erste Blasenerzeugungskammer weniger hoch und zweite Blasenerzeugungskammer höher gemacht ist. Im Flüssigkeitsausstoßkopf 3 werden Komponenten, die äquivalent sind zu denen im vorhergehenden Flüssigkeitsausstoßkopf 1 oder 2 mit denselben Bezugsziffern bezeichnet und nicht weiter erläutert.
Im Flüssigkeitsausstoßkopf 3 der dritten Ausführungsform beinhaltet eine Blasenerzeugungskammer 66 wie in der ersten Ausführungsform eine erste Blasenerzeugungskammer 66a, in der eine Blase durch den Heizer 20 erzeugt wird, sowie eine zwischen der ersten Blasenerzeugungskammer 66a und einem Ausstoßdurchlassabschnitt 63 positionierte zweite Blasenerzeugungskammer 66b, und die Seitenwand der zweiten Blasenerzeugungskammer 66b ist zum Ausstoßdurchlassabschnitt 63 hin verengt mit einer Neigung von 10° bis 45° bezüglich einer Ebene senkrecht zur Hauptebene des Elementsubstrates 11. Außerdem sind in der ersten Blasenerzeugungskammer 66a bereitgestellte Wandflächen zum individuellen Trennen der Mehrzahl in einer Reihe angeordneter erster Blasenerzeugungskammern 66a so geneigt, dass eine Verengung zum Ausstoßdurchlass hin gebildet wird mit einem Neigungswinkel von 0° bis 10° gegenüber einer Ebene senkrecht zur Hauptebene des Elementsubstrates 11, und solche Wandflächen sind im Ausstoßdurchlassabschnitt 63 so geneigt, dass eine Verengung zum Ausstoßdurchlass 63a hin gebildet wird mit einem Neigungswinkel von 0° zu 5° gegenüber einer Ebene senkrecht zur Hauptebene des Elementsubstrates 11.
Wie in 15 und 16 gezeigt, ist ein bei einem Flüssigkeitsausstoßkopf 3 bereitgestelltes Austrittsöffnungssubstrat 62 aus einem harzigem Material ausgebildet mit einer Dicke von ungefähr 30 μm. Wie bereits in Bezug auf 1 erläutert, ist das Austrittsöffnungssubstrat 62 mit mehreren Ausstoßdurchlassen 63 ausgestattet zum Ausstoßen eines Tintentröpfchens, außerdem mit mehreren Düsen, in denen die Tinte fließt, und einer Versorgungskammer 65 zum Versorgen jeder solchen Düse 64 mit der Tinte.
Der Ausstoßdurchlass 63a ist an einer Position gegenüber vom auf dem Elementsubstrat 11 ausgebildeten Heizer 20 ausgebildet, und ist in einem kreisförmigen Loch mit einem Durchmesser von zum Beispiel ungefähr 15 μm ausgebildet. Außerdem kann der Ausstoßdurchlass 63 in einer im Wesentlichen sternförmigen Gestalt mit radial spitzen Enden gemäß den erforderlichen Ausstoßeigenschaften ausgebildet sein.
Die erste Blasenerzeugungskammer 66a ist mit einer ungefähr rechteckigen unteren Fläche gegenüber vom Ausstoßdurchlass 63a ausgebildet. Auch ist die erste Blasenerzeugungskammer 66a so ausgebildet, dass ein kürzester Abstand OH zwischen einer Hauptebene des Heizers 20 parallel zur Hauptebene des Elementsubstrates 11 und dem Ausstoßdurchlass 63a kleiner gleich 30 μm ist. Die erste Blasenerzeugungskammer 66a hat eine Höhe von zum Beispiel 8 μm über der Oberfläche des Elementsubstrates 11, und die auf der ersten Blasenerzeugungskammer 66a ausgebildete zweite Blasenerzeugungskammer 66b hat eine Höhe von 18 μm. Die zweite Blasenerzeugungskammer 66b hat eine abgeschnittenquadratisch-pyramidenförmige Gestalt mit einer Seitenlänge von 28 μm an einer Seite der ersten Blasenerzeugungskammer 66a mit abgerundeten Ecken mit Radius 2 μm. Seitenwände der zweiten Blasenerzeugungskammer 66b sind um 15° gegenüber einer Ebene senkrecht zur Hauptebene des Elementsubstrates 11 geneigt, um eine Verengung zum Ausstoßdurchlass 63 hin zu bilden. Die obere Ebene der zweiten Blasenerzeugungskammer 66b und der Ausstoßdurchlassabschnitt 63 mit Durchmesser 15 μm sind verbunden über eine Stufendifferenz von ungefähr minimal 1.7 μm.
Der im Austrittsöffnungssubstrat 62 ausgebildete Ausstoßdurchlassabschnitt 63 hat eine Höhe von 4 μm. Der Ausstoßdurchlass 63 ist kreisförmig mit einem Durchmesser von 15 μm.
Die in der ersten Blasenerzeugungskammer 66a erzeugte Blase wächst zur zweiten Blasenerzeugungskammer 66b und zum Versorgungsweg 67 hin, wodurch die in der Düse 64 eingefüllte Tinte einer Strömungsberichtigung (rectification) im Ausstoßdurchlassabschnitt 63 unterworfen wird und veranlasst wird, aus dem im Austrittsöffnungssubstrat bereitgestellten Ausstoßdurchlass 62 zu fliegen.
Der Versorgungsweg 67 steht an einem Ende mit der Blasenerzeugungskammer 66 in Verbindung und am anderen Ende mit der Versorgungskammer 65. In der Düse 64 sind eine zur Hauptebene parallele obere Ebene der ersten Blasenerzeugungskammer 66a sowie eine erste obere Ebene 69a parallel zur Hauptebene des an die Blasenerzeugungskammer 66 angrenzenden Versorgungswegs 67 ausgebildet durch dieselbe zusammenhängende Ebene, die durch eine zur Hauptebene geneigte erste Stufendifferenz 68a verbunden ist mit einer zweiten oberen Ebene 69b, die höher und parallel zur Hauptebene des Elementsubstrates 11 positioniert ist und bereitgestellt ist an einer Seite des Versorgungswegs 67 zur Versorgungskammer 65 hin, und die wiederum durch eine zur Hauptebene geneigte zweite Stufendifferenz 68b verbunden ist mit einer dritten oberen Ebene 69c, die höher als die zweite obere Ebene 69b und parallel zur Hauptebene des Elementsubstrates 11 positioniert ist und bereitgestellt ist an einer Seite des Versorgungswegs 67 zur Versorgungskammer 65 hin.
Die erste Blasenerzeugungskammer 66a ist auf dem Elementsubstrat 11 ausgebildet. Durch Reduzieren ihrer Höhe ist der Querschnitt des Tinten-Strömungswegs kleiner gemacht in einem Abschnitt von einem an die erste Blasenerzeugungskammer 66a angrenzenden Ende des Versorgungswegs 67 bis zu dieser 66a hin, und ist kleiner gemacht als der Querschnitt in der Düse 54 des Flüssigkeitsausstoßkopfes 2 der zweiten Ausführungsform.
Andererseits, durch Vergrößern der Höhe der zweiten Blasenerzeugungskammer 66b wird die in der ersten Blasenerzeugungskammer 66a erzeugte Blase leichter zur zweiten Blasenerzeugungskammer 66b weitergeleitet, aber weniger weitergeleitet zu dem mit der ersten Blasenerzeugungskammer 66a verbundenen Versorgungsweg 67, wodurch schnelle und effiziente Tintenbewegung zum Ausstoßdurchlassabschnitt 63 erreicht werden kann.
Auch ist Düse 64 in einer geraden Gestalt ausgebildet mit einer fast konstanten Breite, senkrecht zur Tintenströmungsrichtung und parallel zur Hauptebene des Elementsubstrates 11, in einem Bereich von der Versorgungskammer 65 zur Blasenerzeugungskammer 66. Außerdem sind in der Düse 64 Innenwandebenen gegenüber der Hauptebene des Elementsubstrates 11 ausgebildet parallel dazu in einem Bereich von der Versorgungskammer 65 zur Blasenerzeugungskammer 66.
Im Folgenden wird ein Tintenausstoßvorgang im Flüssigkeitsausstoßkopf 3 mit der oben beschriebenen Konfiguration erläutert.
Zuerst wird im Flüssigkeitsausstoßkopf 3 die von der Versorgungsöffnung 36 zur Versorgungskammer 65 gelieferte Tinte den Düsen 64 der ersten und zweiten Düsenreihe geliefert. Die in jede Düse 64 gelieferte Tinte fließt den Versorgungsweg 67 entlang und füllt die Blasenerzeugungskammer 66. Die in die Blasenerzeugungskammer 66 eingefüllte Tinte wird durch einen wachsenden Druck einer Blase, die durch ein von dem Heizer 20 veranlasstes Filmsieden erzeugt wurde, veranlasst, in eine im Wesentlichen zur Hauptebene des Elementsubstrates 11 senkrechte Richtung zu fliegen, und wird als ein Tintentröpfchen vom Ausstoßdurchlass 63 ausgestoßen.
Beim Ausstoß der in der Blasenerzeugungskammer 66 eingefüllten Tinte fließt ein Teil der Tinte darin durch den Druck der in der ersten Blasenerzeugungskammer 66a erzeugten Blase zum Versorgungsweg 67 hin. Im Flüssigkeitsausstoßkopf 3 vergrößert, wenn ein Teil der Tinte in der ersten Blasenerzeugungskammer 66a zum Versorgungsweg 67 fließt, die kleinere Höhe der den Strömungsweg im Versorgungsweg 67 verengenden ersten Blasenerzeugungskammer 66a einen Fluidwiderstand darin gegenüber der von der ersten Blasenerzeugungskammer 66a durch den Versorgungsweg 67 zur Versorgungskammer 65 fließenden Tinte. Im Flüssigkeitsausstoßkopf 3 ist aufgrund einer solchen zusätzlichen Unterdrückung des Tintenflusses von der Blasenerzeugungskammer 66 zum Versorgungsweg 67 hin das Blasenwachstum von der ersten Blasenerzeugungskammer 66a zur zweiten Blasenerzeugungskammer 66b hin weiter verbessert, und der Tintenfluss zum Ausstoßdurchlass hin wird weiter gefördert zum Sichern eines mehr zufriedenstellenden Tintenausstoßvolumens.
Auch wird im Flüssigkeitsausstoßkopf 3 der Blasendruck effizienter von der ersten Blasenerzeugungskammer 66a zur zweiten Blasenerzeugungskammer 66b weitergeleitet, und die geneigten Wände der ersten 66a und zweiten Blasenerzeugungskammer 66b unterdrücken einen Druckverlust der in der ersten 66a und der zweiten Blasenerzeugungskammer 66b wachsenden Blase im Kontakt mit einer solchen Wand, wodurch die Blase zufriedenstellend wächst. Deshalb kann der Flüssigkeitsausstoßkopf 3 die Ausstoßgeschwindigkeit der vom Ausstoßdurchlass 63 ausgestoßenen Tinte verbessern.
Im oben beschriebenen Flüssigkeitsausstoßkopf 3 kann die Tintenbewegung in der ersten 66a und zweiten Blasenerzeugungskammer 66b schneller und mit weniger Widerstand durchgeführt werden. Auch gestattet eine reduzierte Länge des Ausstoßdurchlassabschnittes einen schnelleren tintenberichtigenden (rectifying) Effekt verglichen mit Flüssigkeitsausstoßkopf 1 oder 2, wodurch die Ausstoßeffizienz des Tintentröpfchens weiter verbessert wird, und die zur Versorgungskammer hin höher gemachte obere Ebene des Versorgungswegs gestattet eine Vergrößerung der Flüssigkeitsmenge im Versorgungsweg, wodurch eine Temperaturzunahme in der ausgestoßenen Flüssigkeit unterdrückt wird durch Wärmeleitung von der Flüssigkeit mit der niedrigeren Temperatur, womit die Temperaturabhängigkeit der Ausstoßmenge verbessert werden kann.
(Vierte Ausführungsform)
In den vorhergehenden Flüssigkeitsausstoßköpfen 1 bis 3 sind die Düsen in der ersten Düsereihe 16 und in der zweiten Düsenreihe 17 gleich ausgebildet. Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf begleitende Zeichnungen ein Flüssigkeitsausstoßkopf 4 einer vierten Ausführungsform erläutert, in der die erste und die zweite Düsenreihe verschiedene Düsengestalten und Heizungsflächen besitzen.
Wie in 17A und 17B gezeigt, sind auf einem Elementsubstrat 96 im Flüssigkeitsausstoßkopf 4 erste Heizer 98 und zweite Heizer 99 bereitgestellt, die zueinander verschiedene Bereiche parallel zur Hauptebene des Elementsubstrates besitzen.
Auch sind in einem Austrittsöffnungssubstrat 97 des Flüssigkeitsausstoßkopfes 4 Ausstoßdurchlasse 106, 107 für die erste und zweite Düsenreihe mit zueinander verschiedenen Öffnungsflächen und zueinander verschiedenen Düsengestalten ausgebildet. Jeder Ausstoßdurchlass 106 der ersten Düsereihe 101 ist als ein kreisförmiges Loch ausgebildet. Jede Düse in der ersten Düsereihe 101 wird nicht weiter erläutert, da sie eine Konfiguration identisch zu der in dem oben erwähnten Flüssigkeitsausstoßkopf 2 hat, aber eine zweite Blasenerzeugungskammer 109 ist auf der ersten Blasenerzeugungskammer bereitgestellt zum Verbessern des Tintenflusses in der Blasenerzeugungskammer. Auch ist jeder Ausstoßdurchlass 107 der zweiten Düsenreihe 102 ausgebildet in einer im Wesentlichen sternförmigen Gestalt mit sich radial erstreckenden Spitzen. Jede Düse in der zweiten Düsenreihe 102 ist ausgebildet in einer geraden Gestalt ohne Änderung im Querschnitt des Tinten-Strömungswegs von der Blasenerzeugungskammer zum Ausstoßdurchlass.
Im Elementsubstrat 96 ist eine Versorgungsöffnung 104 bereitgestellt zum Liefern der Tinte an die ersten Düsenreihe 101 und die zweite Düsenreihe 102.
Der Tintenfluss in der Düse wird durch ein Volumen Vd des vom Ausstoßdurchlass fliegenden Tintentröpfchens veranlasst, und nach Flug eines Tintentröpfchens wird ein Meniskus rückführender Effekt ausgeführt durch eine der Öffnungsfläche des Ausstoßdurchlasses entsprechenden Kapillarkraft. Die Kapillarkraft p wird dargestellt durch eine Öffnungsfläche So des Ausstoßdurchlasses, eine äußere Peripherie-Länge L₁ der Ausstoßdurchlass-Peripherie, eine Oberflächen spannung γ der Tinte und einen Kontaktwinkel θ der Tinte zur Innenwand der Düse wie folgt: p = γ·cosθ × L1/S0.
Auch besteht unter der Annahme, dass der Meniskus ausschließlich durch das Volumen Vd des fliegenden Tintentröpfchens erzeugt wird und nach einer Zykluszeit t der Ausstoßfrequenz (Nachfüllzeit t) zurückkehrt, eine Beziehung: p = B × (Vd/t).
Der Flüssigkeitsausstoßkopf 4 kann Tintentröpfchen mit verschiedenen Ausstoßvolumina aus einem einzigen Kopf ausstoßen als Resultat von zueinander verschiedenen Flächen des ersten Heizers 98 und des zweiten Heizers 99 und zueinander verschiedenen Öffnungsflächen des Ausstoßdurchlasse 106, 107 in der ersten Düsenreihe 101 und in der zweiten Düsenreihe 102.
Auch besitzen im Flüssigkeitsausstoßkopf 4 die von der ersten Düsenreihe 101 und der zweiten Düsenreihe 102 ausgestoßenen Tinten dieselben physikalischen Eigenschaften wie Oberflächenspannung, Viskosität und pH, und es ist ermöglicht, ungefähr dieselben Ausstoßfrequenz-Antworten in der ersten Düsenreihe 101 und in der zweiten Düsenreihe 102 zu erhalten durch Auswahl der Trägheit A und des Viskositätswiderstands B gemäß der Düsenstruktur in Übereinstimmung mit dem Ausstoßvolumen der von den Ausstoßdurchlassen 106 und 107 ausgestoßenen Tintentröpfchen.
Insbesondere kann im Flüssigkeitsausstoßkopf 4 bei Auswahl einer Tintentröpfchen-Ausstoßmenge von 4.0 (pl) bzw. 1.0 (pl) für die erste 101 und zweite Düsenreihe 102 eine im Wesentlichen gleiche Nachfüllzeit t erhalten werden in den Düsenreihen 101 und 102 durch Auswahl von im Wesentlichen gleichen Werten für das Verhältnis L₁/S₀ zwischen der Öffnungsperipherielänge L₁ und der Öffnungsfläche So des Ausstoßdurchlasses 106 oder 107 und für den Viskositätswiderstand B.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen ein Verfahren erläutert zur Herstellung des Flüssigkeitsausstoßkopfes 4 mit der oben beschriebenen Konfiguration.
Das Herstellungsverfahren für Flüssigkeitsausstoßkopf 4 ist ähnlich zum oben erwähnten Herstellungsverfahren für Flüssigkeitsausstoßkopf 1 oder 2, und die Schritte des Herstellungsverfahren sind dieselben außer Muster bildende Schritte zum Bilden von Düsenmustern in der oberen Harzschicht 41 und der unteren Harzschicht 42. Im Herstellungsverfahren für Flüssigkeitsausstoßkopf 4 werden die Muster bildenden Schritte, wie in 18A, 18B und 18C gezeigt, durchgeführt durch Bilden der oberen Harzschicht 41 und der unteren Harzschicht 42 auf dem Elementsubstrat 96, und, wie in 18D und 18E gezeigt, durch Bilden gewünschter Düsenmuster für die erste Düsenreihe 101 bzw. für die zweite Düsenreihe 102. Insbesondere werden die Düsenmuster der ersten Düsenreihe 101 und der zweiten Düsenreihe 102 asymmetrisch in Bezug zur Versorgungsöffnung 104 gebildet. In einem solchen Herstellungsverfahren kann der Flüssigkeitsausstoßkopf 4 leicht gebildet werden durch nur teilweises Ändern der Düsenmuster-Gestalten in der oberen 41 und unteren Harzschicht 42. Die in 19A bis 19D gezeigten nachfolgenden Schritte sind dieselben wie die in der ersten Ausführungsform Erläuterten und werden nicht weiter erläutert.
In dem im vorhergehenden erläuterten Flüssigkeitsausstoßkopf 4 ist es durch Bilden von zueinander verschiedenen Düsenstrukturen in der ersten 101 und die zweite Düsenreihe 102 ermöglicht, Tintentröpfchen mit zueinander verschiedenen Ausstoßvolumina von der ersten 101 bzw. der zweiten Düsenreihe 102 auszustoßen, und es ist auch leicht möglich, die Tintentröpfchen auf stabile Weise bei einer vergrößerten optimalen Ausstoßfrequenz auszustoßen.
Auch ist es im Flüssigkeitsausstoßkopf 4 durch Anpassen des Gleichgewichtes vom Viskositätswiderstand zur Kapillarkraft ermöglicht, die Tinte gleichförmig und schnell zu saugen in einem Rückgewinnungsvorgang durch einen Rückgewinnungsmechanismus und auch den Rückgewinnungsmechanismus zu vereinfachen, wodurch die Flüssigkeitsausstoßkopf verbessert werden kann in der Zuverlässigkeit der Ausstoßeigenschaften und eine Aufzeichnungsvorrichtung mit verbesserter Zuverlässigkeit im Aufzeichnungsvorgang bereitgestellt werden kann.
Im Flüssigkeitsausstoßkopf der vorliegenden Erfindung kann, wie im vorhergehenden erläutert, durch effizientes Weiterleiten der in der ersten Blasenerzeugungskammer erzeugten Blase zur zweiten Blasenerzeugungskammer die Ausstoßgeschwindigkeit des vom Ausstoßdurchlass ausgestoßenen Flüssigkeitströpfchens vergrößert werden und die Ausstoßmenge des ausgestoßenen Flüssigkeitströpfchens stabilisiert werden. Folglich kann ein solcher Flüssigkeitsausstoßkopf die Ausstoßeffizienz des Flüssigkeitströpfchens verbessern.
Auch kann der Flüssigkeitsausstoßkopf der vorliegenden Erfindung durch Unterdrücken des Druckverlustes in der in der ersten Blasenerzeugungskammer erzeugt Blase, der aus dem Kontakt mit der Innenwand der zweiten Blasenerzeugungskammer resultiert, einen schnelleren und effizienteren Tintenfluss in der Blasenerzeugungskammer erreichen, wodurch eine höhere Ausstoßgeschwindigkeit und eine stabilere Ausstoßmenge des vom Ausstoßdurchlass ausgestoßenen Flüssigkeitströpfchens sowie auch eine schnellere Nachfüllgeschwindigkeit erreicht wird.
Außerdem gestattet die zur Versorgungskammer hin höher positionierte obere Ebene des Versorgungswegs die Flüssigkeitsmenge im Versorgungsweg zu vergrößern und eine Temperaturzunahme in der ausgestoßenen Flüssigkeit zu unterdrücken durch die Wärmeleitung von der Flüssigkeit mit der niedrigeren Temperatur, wodurch die Temperaturabhängigkeit der Ausstoßmenge und die Ausstoßeffizienz des Tintentröpfchens verbessert wird.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Flüssigkeitsausstoßkopfs mit: einem Ausstoßenergie erzeugenden Element (20) zum Erzeugen von Energie zum Ausstoßen eines Flüssigkeitströpfchens; einem Elementsubstrat (11), das auf einer Hauptebene desselben mit dem Ausstoßenergie erzeugenden Element versehen ist; einem Austrittsöffnungssubstrat (12), das seinerseits versehen ist mit einem einen Ausstoßdurchlass aufweisenden Ausstoßdurchlassabschnitt (26) zum Ausstoßen eines Flüssigkeitströpfchens, ferner mit Blasenerzeugungskammerabschnitten (31a, 31b) zum Erzeugen einer Blase in einer darin befindlichen Flüssigkeit durch das Ausstoßenergie erzeugende Element, mit einer Düse einschließlich eines Versorgungswegs (27) zum Versorgen der Blasenerzeugungskammer mit der Flüssigkeit, und schließlich mit einer Versorgungskammer (28) zum Versorgen der Düse mit der Flüssigkeit, sowie angrenzend an die Hauptebene des Elementsubstrates, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Beschichten des Elementsubstrates, welches auf der Hauptebene mit dem Ausstoßenergie erzeugenden Element versehen ist, mit einem lösungsmittellöslichen, thermisch vernetzbaren organischen Harz (42) zum Bilden eines Musters eines ersten Blasenerzeugungskammerabschnittes (31a) und eines ersten Strömungswegabschnittes (35a) sowie Erwärmen des Harzes zur Bildung einer thermisch vernetzten Schicht; Beschichten der thermisch vernetzten Schicht mit einem lösungsmittellöslichen organischen Harz (41) zum Bilden eines Musters eines zweiten Blasenerzeugungskammerabschnittes (31b) und eines zweiten Strömungswegabschnittes (35b); in dem organischen Harz (41) erfolgendes Bilden des zweiten Strömungswegabschnittes (35b), der eine kleinere Höhe als im zweiten Blasenerzeugungskammerabschnitt hat, gleichzeitig mit einem Muster des zweiten Blasenerzeugungskammerabschnittes (31b) unter Anwendung einer lokal unterschiedlichen Expositionsdosis; Laminieren der thermisch vernetzten Schicht und des bemusterten organischen Harzes mit einer negativ arbeitenden organischen Harzschicht (43) und Bilden des Ausstoßdurchlassabschnittes (26) in der letzteren; und Entfernen der thermisch vernetzten Schicht (42) und des bemusterten organischen Harzes (41).
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Muster des zweiten Strömungswegs (35b), der eine kleinere Höhe als im zweiten Blasenerzeugungskammerabschnitt hat, gebildet wird durch Exposition des organischen Harzes unter Benutzung einer Schlitzmaske mit einem Schlitz-Gangabstand (slit pitch) und Entwickeln des organischen Harzes.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das zweite Strömungswegmuster mit zwei oder mehr Schrittunterschieden gebildet wird durch Exposition und Entwicklung des organischen Harzes unter Benutzung einer Maske mit unterschiedlichen Schlitz-Gangabständen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem, nach einem Expositions-Entwicklungs-Schritt durch eine Maske, das Muster des zweiten Blasenerzeugungskammerabschnittes (31b) und des zweiten Strömungswegs (35b) durch Wärmebehandlung unter Ausbildung einer Neigung von 10° bis 45° gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Wärmebehandlung einen Schritt umfasst, wobei das durch Exposition und Entwicklung der Musterbildung ausgesetzte organische Harz erwärmt wird auf eine den Glasübergangspunkt nicht übersteigenden Temperatur, wodurch sich eine Neigung von 10° bis 45° ausbildet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend den Schritt: Belichten und Entwickeln der thermisch vernetzten Schicht unter Benutzung von fernem UV-Licht im Bereich von 200 bis 300 nm.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Laminierschritt einen Schritt wie folgt umfasst: Beschichten, Belichten, Entwickeln und Erwärmen eines negativ arbeitenden organischen Harzes auf dem durch die zweilagige in einem Lösungsmittel löslichen Schicht gebildeten Strömungswegmuster, wodurch das den Ausstoßdurchlassabschnitt beinhaltende Austrittsöffnungssubstrat laminiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Entfernungsschritt einen Schritt wie folgt umfasst: Bestrahlen durch das Austrittsöffnungssubstrat hindurch des darunter liegenden zweilagigen organischen Harzes mit fernem UV-Licht zum Bilden des Strömungswegs, gefolgt von Entfernen mit einem Lösungsmittel zum Erhalt des Austrittsöffnungssubstrat einschließlich des Ausstoßdurchlassabschnittes zum Ausstoßen eines Flüssigkeitströpfchens, der Blasenerzeugungskammer, in der die Blase durch das Ausstoßenergie erzeugende Element erzeugt wird, der Düse mit dem Versorgungsweg zum Versorgen der Blasenerzeugungskammer mit der Flüssigkeit und der Versorgungskammer zum Versorgen der Düse mit der Flüssigkeit, sowie angrenzend an die Hauptebene des Elementsubstrates.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem der erste Strömungsweg auf dem Elementsubstrat gebildet wird mit einer Höhe von 5 bis 20 μm und mit einer Neigung von 0° bis 10° bezüglich einer Ebene senkrecht zur Hauptebene des Elementsubstrates.