ES2197648T3 - Cabeza de impresion de inyeccion de tinta. - Google Patents
Cabeza de impresion de inyeccion de tinta.Info
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Abstract
Cabeza de impresión de inyección de tinta que comprende: - un conjunto (10) de accionamiento que incluye una pastilla (11) de silicio que tiene una cara (20) superior, una cara (21) inferior y un espesor (23); una capa de fotopolímero depositada sobre dicha cara (20) superior de dicha pastilla (11) de silicio; y una placa (12) de toberas que se adhiere a dicha capa de fotopolímero en un lado opuesto al de dicha pastilla (11) de silicio, teniendo dicha placa (12) de toberas al menos un primer grupo (13¿) de toberas y un segundo grupo (13¿) de toberas separados por una distancia (33); y - al menos dos depósitos de tinta fijados a dicha cara (21) inferior de dicha pastilla (11) de silicio, conteniendo un primer depósito de dichos dos depósitos una primera tinta en comunicación fluida con dicho primer grupo (13¿) de toberas a través de un primer conducto realizado en dicho espesor de dicha pastilla (11), y conteniendo un segundo depósito una segunda tinta en contacto fluido con dicho segundo grupo (13¿) de toberas a través de un segundo conducto realizado en dicho espesor de dicha pastilla (11). caracterizado porque dicho primer conducto comprende una primera ranura (15¿) que parte de dicha cara (21) inferior de dicha pastilla (11) y termina en un primer surco (14¿) hecho sobre dicha cara (20) superior de dicha pastilla (11), y porque dicho segundo conducto comprende una segunda ranura (15¿) que parte de dicha cara (21) inferior de dicha pastilla (11) y termina en un segundo surco (14¿) hecho sobre dicha cara (20) superior de dicha pastilla (11), siendo una primera distancia (18), entre dicha primera ranura (15¿) y dicha segunda ranura (15¿) sobre dicha cara (21) inferior de dicha pastilla (11), mayor que una segunda distancia (17) entre dicho primer surco (14¿) y dicho segundo surco (14¿) sobre dicha cara (20) superior de dicha pastilla (11).
Description
Cabeza de impresión de inyección de tinta.
Esta invención se refiere genéricamente a cabezas
de impresión de inyección de tinta y, en particular, aunque no
exclusivamente, a las cabezas de película delgada que emplean la
tecnología de impresión térmica por inyección de tinta, denominadas
``top-shooters'' (disparadores ascendentes), es
decir, aquellas en las que la gota de tinta se emite en una
dirección perpendicular a la cámara de emisión, que aloja la
resistencia que, cuando se calienta, genera la burbuja de vapor que
finalmente tiene como resultado la emisión de la gota.
Las cabezas de impresión de inyección de tinta
del tipo descrito anteriormente, tanto monocromáticas como de
color, son ampliamente conocidas en la técnica del sector y
comprenden un conjunto de accionamiento, que consta normalmente
de:
- un chip de silicio o pastilla, en cuya cara
superior se depositan varias capas empleando técnicas conocidas
para formar las resistencias de emisión y las interconexiones, y
sobre la que se forman componentes electrónicos activos, por
ejemplo, los transistores MOS que accionan las resistencias de
emisión,
- una capa de un fotopolímero, superpuesta en la
cara superior de la pastilla de silicio, en la que se forman las
cámaras de emisión, en correspondencia con las resistencias de
emisión y los conductos de tinta, empleando técnicas
fotolitográficas conocidas; y
- una placa de toberas, superpuesta a la capa de
fotopolímero, en la que se forman las toberas por las que se emiten
las gotas la tinta, en correspondencia con las cámaras de emisión,
empleando técnicas conocidas.
Igualmente, es muy conocido que las cabezas de
impresión de inyección de tinta del tipo descrito anteriormente
comprenden un depósito de tinta, fijado a la cara inferior de la
pastilla de silicio, y que la alimentación de tinta desde el
depósito a los conductos y cámaras de emisión antes mencionados se
efectúa a través de una ranura pasante, formada en el centro de la
pastilla de silicio, por ejemplo, por medio de un corte por chorro
de arena. Normalmente, la pastilla de silicio es de forma
rectangular, y las resistencias de emisión, las cámaras de emisión y
las toberas están dispuestas en dos filas paralelas al lado mayor
del rectángulo y en dos lados opuestos de la ranura central.
Normalmente, la ranura es de forma oblonga y tiene una longitud
total ligeramente inferior a la del lado mayor del rectángulo, a
fin de poder alimentar la tinta uniformemente a todas las cámaras de
emisión.
El hecho de disponer la ranura supone que la
pastilla de silicio es más débil mecánicamente, y esta fragilidad
aumentada es la causa de roturas tanto durante el corte de la ranura
en sí como durante las etapas posteriores de fabricación de las
cabezas, tanto más cuanto mayor sea el número de toberas en la
cabeza y, por consiguiente, cuanto más largo sea el lado mayor de la
pastilla de silicio. Infelizmente, la tecnología actual tiende a
producir cabezas con un número de toberas cada vez mayor, ya que
esto permite la reducción de los tiempos de impresión y la mejora,
en consecuencia, de la producción de la impresora.
Una manera de solventar el problema de satisfacer
estos requisitos contrapuestos es aquella ilustrada en la patente
de los Estados Unidos nº US 5.317.346, en la que la ranura pasante
para alimentar la tinta está dividida en un cierto número de ranuras
pasantes más cortas, todas en una línea paralela al lado mayor de
la pastilla de silicio y en centro de la misma, y que terminan en un
único surco formado en la cara superior de la misma pastilla de
silicio. La forma del surco se refleja simétricamente en una
cavidad análoga formada en el fotopolímero, de la que parten los
canales que llevan la tinta y las cámaras de emisión.
Por consiguiente, la alimentación de la tinta
desde el depósito a las cámaras de emisión se efectúa a través de
un conducto, que consiste en la combinación de una ranura formada en
la pastilla de silicio (por ejemplo, mediante un corte realizado
por chorro de arena), que comienza en la cara inferior de la
última, y de un surco, nuevamente en la pastilla de silicio, formado
mediante un proceso de grabado químico, que comienza en la cara
superior de la pastilla. El último proceso se describe, por
ejemplo, en una segunda patente de los Estados Unidos nº US
5.387.314, concedida al mismo cesionario que el de la anterior y
relacionada con ella, en la que se especifica que el proceso es un
proceso de grabado en seco, conocido por aquellos familiarizados
con la técnica del sector y basado en el empleo de
CF_{4}+O_{2}, SF_{6} o una mezcla de gases nobles y compuestos
fluorocarbonados.
Sin embargo, se ha comprobado en la práctica que
la metodología ilustrada, aunque válida desde un punto de vista
estrictamente teórico, no puede emplearse para la producción a
escala industrial (es decir, con tiempos y costes bajos) de un surco
en la cara superior de la pastilla de silicio que tenga la
profundidad requerida, es decir, 25 \div 100 \mum.
Existe también un segundo problema, además del de
la fragilidad de la pastilla de silicio, que no se resuelve en las
patentes citadas pero que está muy presente en la técnica del
sector: este problema es el de conseguir utilizar óptimamente el
área superficial de la cara superior de la pastilla en el caso de
una cabeza de impresión de color o, por lo menos, de una no
monocromática.
Es bien conocido, de hecho, que las cabezas de
color comprenden normalmente tres grupos distintos de toberas, cada
uno conectado a y alimentado desde un depósito que contiene una
tinta de un color diferente (generalmente, cian, magenta y
amarillo), a través de una ranura pasante separada formada en la
pastilla de silicio habitual; los tres grupos de toberas están
alineados recíprocamente en una dirección paralela al lado mayor
del rectángulo de la pastilla de silicio y, a su vez, las toberas de
cada grupo están dispuestas en dos filas, cada una paralela al lado
mayor de la pastilla rectangular de silicio, tal como en el caso de
las cabezas monocromáticas.
A fin de evitar que las toberas adyacentes que
pertenecen a distintos grupos de color se ``contaminen''
recíprocamente entre sí, y también para permitir una separación
física conveniente entre los distintos depósitos de tinta, los tres
grupos de toberas están separados por una distancia normalmente
igual a aproximadamente 30 intervalos fundamentales de 1/600 de
pulgada (= 1,27 mm; el 300avo y 600avo de pulgada son unidades de
medida ampliamente utilizadas en todo el sector de la técnica), con
el resultado que una región no desdeñable de la pastilla de silicio
permanece desaprovechada y el coste del conjunto de accionamiento
se incrementa.
Mientras que el problema de la ``contaminación''
recíproca entre toberas adyacentes pertenecientes a grupos
distintos de color podría solucionarse separando los tres grupos de
toberas a tan sólo 10 \div 15 intervalos fundamentales de 1/600 de
pulgada (\cong 0,4 \div 0,6 mm), sin embargo, las tolerancias
de la precisión de posición de los elementos de estanqueidad entre
los depósitos supone que debe mantenerse una separación física
entre los distintos depósitos de tinta, de manera que la distancia
entre grupos adyacentes de toberas no puede ser menor que el valor
citado anteriormente de aproximadamente 30 intervalos
fundamentales de 1/600 de pulgada, dejando sin resolver el problema
del uso óptimo del área superficial de la pastilla.
El objeto de esta invención es definir una cabeza
de impresión de inyección de tinta que permita que se haga un uso
óptimo del área superficial de la cara superior de la pastilla de
silicio, incluyendo el caso de una cabeza no monocromática que tenga
numerosos depósitos distintos de tinta. Para cada depósito de
tinta, la cabeza según la invención tiene una ranura pasante que
parte de la cara inferior de la pastilla de silicio y termina en un
surco más amplio formado en la cara superior, formada utilizando
una técnica de incisión de tipo de grabado químico conocida como ICP
(Plasma con Acoplamiento Inductivo), maximizando así la distancia
entre los depósitos de las tintas diferentes y, al mismo tiempo,
minimizando la distancia entre los distintos grupos de toberas en la
cara superior de la pastilla. Una ventaja adicional es que la
cabeza según la invención reduce considerablemente el riesgo de
rotura del sustrato de silicio durante las distintas etapas de
fabricación.
Un objeto adicional de la invención es el de
definir un procedimiento de fabricación de cabezas de impresión de
inyección de tinta que permita la reducción del coste del conjunto
de accionamiento, optimizando el uso del área superficial en la cara
superior de la pastilla de silicio, incluyendo el caso de cabezas
de impresión de color con depósitos de tintas de colores diferentes,
y la reducción del número de artículos defectuosos de fabricación,
debido a roturas de los sustratos de silicio, mediante la
producción de una ranura pasante que comienza en la cara inferior de
la pastilla y que fluye a un surco más amplio realizado en la cara
superior empleando una técnica de incisión del tipo de grabado
químico por ICP.
Los objetos anteriores se obtienen mediante una
cabeza de impresión de inyección de tinta y el procedimiento
relacionado de fabricación, caracterizados tal como se define en
las reivindicaciones independientes.
La figura 1 es una representación esquemática de
una vista parcial en planta, no dibujada a escala, de la cara
superior del conjunto de accionamiento de una cabeza de impresión de
inyección de tinta a color según la invención.
La figura 2 es una representación esquemática de
una vista parcial en planta, no dibujada a escala, de la cara
inferior del conjunto de accionamiento de una cabeza de impresión de
inyección de tinta a color según la invención.
La figura 3 es una representación esquemática de
una vista en corte, no dibujada a escala, de la pastilla de silicio
del conjunto de accionamiento de una cabeza de impresión de
inyección de tinta a color según la invención.
La figura 4 es una representación esquemática del
diagrama de flujo del procedimiento de producción de las ranuras y
surcos en la pastilla de un conjunto de accionamiento de una cabeza
de impresión de inyección de tinta a color según la invención.
La figura 1 es una vista parcial en planta, no
dibujada a escala, de la cara superior de un conjunto 10 de
accionamiento de una cabeza de impresión de inyección de tinta a
color según la invención, en la que una placa 12 de toberas, dotada
con una pluralidad de toberas 13 para la emisión de gotas de tinta,
normalmente contando entre 100 y 500, y dispuestas según un
intervalo 16, por ejemplo, igual a 1/300 de pulgada (\cong 0,085
mm), y una capa subyacente de fotopolímero, no visible en la
figura, dotada con canales de transporte de tinta y cámaras de
emisión, se ha retirado parcialmente para mostrar una cara 20
superior de una pastilla 11 de forma rectangular de silicio que
tiene un lado 29 mayor y un lado 28 menor. Las toberas 13 están
dispuestas en tres grupos, 13', 13'' y 13''' (no mostrado),
separados por una distancia 33.
En la pastilla 11 de silicio se han realizado
tres ranuras 15', 15'' y 15''' distintas, que terminan en tres
surcos 14', 14'' y 14''' correspondientes. Las tres ranuras 15',
15'' y 15''' están dispuestas en el centro de la pastilla 11,
alienadas a lo largo de una dirección paralela al lado 29 mayor del
mismo sustrato 11.
En la figura 2 se ilustra una cara 21 inferior de
la pastilla 11 de silicio; el lado 29 mayor de la pastilla 11 de
silicio tiene una longitud 27 normalmente entre 10 y 30 mm, y el
lado 28 menor tiene una longitud 22 normalmente entre 3 y 5 mm; las
ranuras 15', 15'' y 15''' están dispuestas a una primera distancia
18 relativa entre sí, medida sobre la cara 21 inferior, normalmente
igual a 25 \div 35 intervalos de 1/600 de pulgada (\cong 1,06
\div 1,48 mm), y son de una primera anchura 24 igual, por ejemplo,
a 4/600 de pulgada (\cong 0,34 mm).
Los surcos 14', 14'' y 14''' están dispuestos
concéntricamente respecto a las ranuras 15', 15'' y 15'''
correspondientes, a una segunda distancia 17 relativa entre sí,
medida sobre la cara 20 superior, normalmente de 10 \div 15
intervalos de 1/600 de pulgada (\cong 0,42 \div 0,64 mm), y son
de una segunda anchura 25 igual, por ejemplo, a 5/300 de pulgada
(\cong 0,42 mm).
En la figura 3 se ilustra un corte transversal de
la pastilla 11 a lo largo de la dirección III-III.
La pastilla 11 tiene un espesor normalmente entre 0,4 y 0,8 mm,
preferiblemente igual a 0,625 mm; en el último caso, la ranura
15''' tiene una primera profundidad 19 normalmente entre 300 y 775
\mum, preferiblemente igual a aproximadamente 575 \mum, y el
surco 14''' tiene una segunda profundidad 26 normalmente entre 25 y
100 \mum, preferiblemente igual a aproximadamente 50 \mum.
Con referencia a la figura 4, ahora se describirá
el método para fabricar las ranuras 15', 15'' y 15''' y los surcos
14', 14'' y 14''' que empiezan en la pastilla 11 de silicio, en
cuya cara 20 superior ya se ha realizado, empleando técnicas
conocidas, tanto la deposición de las varias capas que forman las
resistencias de emisión y las interconexiones, como también la
integración de los componentes electrónicos activos, por ejemplo,
los transistores MOS que accionan las resistencias de emisión.
Una primera etapa 30 de procedimiento consiste en
la deposición en la cara 20 superior de la pastilla 11 de silicio
de una máscara de grabado, en forma de un tipo conocido de capa
fotorresistente, que deja libres las zonas de la pastilla 11 que
corresponden a las zonas de los surcos 14', 14'' y 14''', y una
segunda etapa 31 del procedimiento consiste en realizar una incisión
anisotrópica por grabado químico en las zonas de los surcos 14',
14'' y 14''' que no están protegidas por la fotorresistencia, según
una técnica ICP (Plasma por Acoplamiento Inductivo) bien conocida
por aquellos familiarizados con la técnica del sector, cuyos
detalles precisos no se describen en el presente documento ya que se
describen perfectamente en la patente de los Estados Unidos nº
5.501.893; una tercera etapa 32 del procedimiento consiste en
formar las ranuras 15', 15'' y 15''' mediante un corte realizado por
chorro de arena, un tipo conocido de operación que se hace
comenzando por la cara 21 inferior de la pastilla 11.
El conducto así obtenido, que consiste en la
combinación ranura + surco, tiene la doble ventaja de, primero,
dejar una considerable primera distancia 18 relativa en la cara 21
inferior de la pastilla 11 entre los depósitos con las tintas de
colores diferentes, evitando así el problema de una falta de
precisión en el posicionamiento de los elementos de estanqueidad
entre los depósitos, mientras que a la vez confiere una resistencia
mecánica considerable a la pastilla 11, y de, segundo dejar una
segunda distancia 17 relativa, reducida, en la cara 20 superior de
la pastilla 11, de manera que la cantidad de espacio que queda
desocupado entre los grupos adyacentes de toberas 13 se mantiene
dentro de unos límites muy reducidos.
Naturalmente, pueden hacerse cambios a la
invención anteriormente descrita sin apartarse del alcance de la
invención.
Por ejemplo, las ranuras 15', 15'' y 15'''
podrían realizarse en la tercera etapa 32 del procedimiento
mediante una incisión anisotrópica por grabado químico, según la
misma técnica ICP que se ha aplicado a la cara 21 inferior de la
pastilla 11 en la segunda etapa 31, tras la aplicación de una
máscara protectora adecuada de tipo fotorresistente, tal como en la
primera etapa 30, dejando expuestas las zonas destinadas para las
ranuras 15', 15'' y 15''' en sí.
O, de nuevo, en la segunda etapa del
procedimiento descrito anteriormente podrían realizarse ``islas'' o
``postes'' dentro de las zonas de los surcos 14', 14'' y 14''' que
rodean las ranuras 15', 15'' y 15''' correspondientes, que tienen
la función, tal como será conocido por aquellos familiarizados la
técnica del sector, de atrapar cualquier impureza o burbuja de aire
contenidas en la tinta, evitando así que éstas comprometan la
operatividad funcional de las toberas.
Otra posibilidad sería, en vez de hacer las
ranuras 15', 15'' y 15''', hacer una serie de orificios circulares
en su lugar, por ejemplo, con un diámetro de 0,3 mm, alineados en
una dirección paralela al lado 29 mayor de la pastilla 11 de
silicio y dispuestos a una etapa normalmente de entre 1 y 1,5
mm.
Finalmente, antes de la segunda etapa 31 del
procedimiento, podría hacerse porosa una capa propiciatoria de
silicio en la cara 20 superior de una profundidad de, por ejemplo,
50 \mum, en la zona donde se realiza la incisión anisotrópica por
grabado químico, a fin de acelerar la última operación.
Claims (16)
1. Cabeza de impresión de inyección de tinta que
comprende:
- un conjunto (10) de accionamiento que incluye
una pastilla (11) de silicio que tiene una cara (20) superior, una
cara (21) inferior y un espesor (23); una capa de fotopolímero
depositada sobre dicha cara (20) superior de dicha pastilla (11) de
silicio; y una placa (12) de toberas que se adhiere a dicha capa de
fotopolímero en un lado opuesto al de dicha pastilla (11) de
silicio, teniendo dicha placa (12) de toberas al menos un primer
grupo (13') de toberas y un segundo grupo (13'') de toberas
separados por una distancia (33); y
- al menos dos depósitos de tinta fijados a dicha
cara (21) inferior de dicha pastilla (11) de silicio, conteniendo
un primer depósito de dichos dos depósitos una primera tinta en
comunicación fluida con dicho primer grupo (13') de toberas a través
de un primer conducto realizado en dicho espesor de dicha pastilla
(11), y conteniendo un segundo depósito una segunda tinta en
contacto fluido con dicho segundo grupo (13'') de toberas a través
de un segundo conducto realizado en dicho espesor de dicha pastilla
(11).
caracterizado porque dicho primer conducto
comprende una primera ranura (15') que parte de dicha cara (21)
inferior de dicha pastilla (11) y termina en un primer surco (14')
hecho sobre dicha cara (20) superior de dicha pastilla (11), y
porque dicho segundo conducto comprende una segunda ranura (15'')
que parte de dicha cara (21) inferior de dicha pastilla (11) y
termina en un segundo surco (14'') hecho sobre dicha cara (20)
superior de dicha pastilla (11), siendo una primera distancia (18),
entre dicha primera ranura (15') y dicha segunda ranura (15'') sobre
dicha cara (21) inferior de dicha pastilla (11), mayor que una
segunda distancia (17) entre dicho primer surco (14') y dicho
segundo surco (14'') sobre dicha cara (20) superior de dicha
pastilla
(11).
2. Cabeza de impresión según la reivindicación 1,
caracterizada porque dicho primer surco (14') y dicho
segundo surco (14'') se realizan sobre dicha cara (20) superior de
dicha pastilla (11) mediante una incisión anisotrópica por un
grabado químico de tipo de plasma por acoplamiento inductivo.
3. Cabeza de impresión según la reivindicación 2,
caracterizada porque dicha primera ranura (15') y dicha
segunda ranura (15'') se forman en dicho espesor de dicha pastilla
(11) mediante corte realizado por chorro de arena.
4. Cabeza de impresión según la reivindicación 2,
caracterizada porque dicha primera ranura (15') y dicha
segunda ranura (15'') se forman en dicho espesor de dicha pastilla
(11) mediante una incisión anisotrópica por un grabado químico de
tipo de plasma por acoplamiento inductivo.
5. Cabeza de impresión según la reivindicación 1,
en la que dicho primer surco (14') y dicho segundo surco (14'')
tienen una profundidad (26), caracterizada porque dicha
profundidad es de entre 25 y 100 \mum.
6. Cabeza de impresión según la reivindicación 1,
caracterizada porque dicha primera distancia (18) entre
dicha primera ranura (15') y dicha segunda ranura (15'') en dicha
cara (21) inferior de dicha pastilla (11) es de entre 1058 \mum
(25/600 de pulgada) y 1482 \mum (35/600 de pulgada), y dicha
segunda distancia (17) entre dicho primer surco (14') y dicho
segundo surco (14'') en dicha cara (20) superior de dicha pastilla
(11) es de entre 423 \mum (10/600 de pulgada) y 635 \mum
(15/600 de pulgada).
7. Cabeza de impresión según la reivindicación 6,
caracterizada porque dicha distancia (33), que separa dicho
primer grupo (13') de toberas y dicho segundo grupo (13'') de
toberas, es sustancialmente igual a dicha segunda distancia (17)
entre dicho primer surco (14') y dicho segundo surco (14'') en
dicha cara (20) superior de dicha pastilla (11).
8. Cabeza de impresión según la reivindicación 1,
en la que dicha pastilla (11) de silicio es de forma rectangular
con un lado (29) mayor y un lado (28) menor, caracterizada
porque dicho lado (29) mayor tiene una longitud entre 10 y 30 mm, y
dicho lado (28) menor tiene una longitud entre 3 y 5 mm.
9. Cabeza de impresión según la reivindicación 8,
caracterizada porque dicho espesor (23) de dicha pastilla
(11) de silicio es de entre 0,4 y 0,8 mm.
10. Cabeza de impresión según la reivindicación
8, caracterizada porque dicho primer grupo (13') de toberas
y dicho segundo grupo (13'') de toberas están dispuestos en dos
filas paralelas a dicho lado (29) mayor.
11. Cabeza de impresión según la reivindicación
1, caracterizada porque dicha primera tinta difiere de dicha
segunda tinta por su color.
12. Cabeza de impresión según la reivindicación
1, caracterizada porque dicha primera tinta difiere de dicha
segunda tinta por tener una velocidad de secado distinta.
13. Cabeza de impresión según la reivindicación
11, comprendiendo además un tercer grupo (13''') de toberas en
comunicación fluida con un tercer depósito de tinta que contiene
una tercera tinta, caracterizada porque dicha primera tinta
en una tinta de color cian, dicha segunda tinta en una tinta de
color magenta y dicha tercera tinta es una tinta de color
amarillo.
14. Cabeza de impresión según la reivindicación
1, caracterizada porque dicha primera ranura (15') y dicha
segunda ranura (15'') tienen forma rectangular, con un lado (24)
menor que tiene una longitud de 340 \mum (4/300 de pulgada).
15. Cabeza de impresión según la reivindicación
14, caracterizada porque dicho primer surco (14') y dicho
segundo surco (14'') tienen forma rectangular, con un lado (25)
menor de longitud igual a 423 \mum (5/300 de pulgada), y están
dispuestos concéntricamente alrededor de dicha primera ranura (15')
y dicha segunda ranura (15''), respectivamente.
16. Cabeza de impresión según la reivindicación
2, caracterizada porque dicho primer surco (14') y dicho
segundo surco (14'') contienen en su interior al menos una ranura
(15) realizada mediante dicha operación de incisión anisotrópica por
un grabado químico de tipo de plasma por acoplamiento
inductivo.
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