Brevet FR2477472A1 — publié le 19810911

L'invention concerne une tête à jet d'encre, et elle a trait plus particulièrement à une tête à jet d'encre destinée à produire des gouttelettes d'encre utilisées dans un système dit "système d'enregistrement à jets d'encre". La tête à jet d'encre devant être utilisée dans un système ou appareil d'enregistrement à jets d'encre présente généralement un orifice minuscule de décharge de l'encre, un circuit d'écoulement de l'encre et un dispositif produisant une pression de décharge et placé dans une partie du circuit d'encre. Un exemple de procédé connu de fabrication d'une telle tête à jet d'encre consiste à réaliser une ou plusieurs rainures très fines dans une plaque de verre ou de métal, par coupe ou gravure, puis à fixer la plaque présentant la ou les rainures à une plaque appropriée de fermeture afin de former le circuit d'écoulement de l'encre. Cependant, ce mode classique de fabrication de la tête à jet d'encre présente divers inconvénients tels que l'apparition de déformations dans le circuit de l'encre par suite d'une variation de la vitesse de gravure, ce qui rend difficile la réalisation d'un circuit d'écoulement de l'encre opposant une résistance constante à l'écoulement du liquide, de sorte que des variations ou des irrégularités tendent aisément à apparaître dans les caractéristiques de décharge de l'encre présentées par la tête à jet d'encre finie, ou bien la plaque tend aisément à se rompre ou se fissurer lors de la coupe, ce qui entraîne un faible rendement de la fabrication ou, dans le cas d'une gravure, le nombre accru d'étapes de traitement entraîne un accroissement du coût de fabrication. De plus, on peut noter, comme inconvénients communs aux procédés classiques, qu'au moment de la fixation, la plaque présentant les rainures destinées à former les circuits d'écoulement de l'encre est difficile à aligner avec précision sur la plaque de fermeture sur laquelle divers éléments de commande tels que des éléments piézo-électriques, des générateurs de chaleur, etc., destinés à produire de l'énergie agissant sur l'encre, sont montés, de sorte que ces procédés ne permettent pas une productivité élevée en grande série. Il est donc éminemment souhaitable de mettre au point des têtes à jet d'encre ne présentant pas ces inconvénients. L'invention a donc pour objet une tête à jet d'encre ne présentant pas les inconvénients indiqués précédemment. La tête à jet d'encre selon l'invention est de construction précise, peu coûteuse à fabriquer et d'un fonctionnement très sûr. Elle convient à un dispositif du type à têtes multiples, se prêtant bien à une production industrialisée en grande série. L'invention concerne donc une tête à jet d'encre, en particulier un dispositif à jets d'encre du type à têtes multiples, de construction précise, peu coûteux à fabriquer, d'un fonctionnement très sûr et convenant à une production industrialisée en grande série. La tête à jet d'encre selon l'invention présente plusieurs circuits d'encre juxtaposés avec une bonne précision, finement usinés, précis et donnant un bon rendement. La tête à jet d'encre selon l'invention comporte au moins un circuit d'écoulement d'encre dans lequel des gouttelettes d'encre sont produites et qui comprend une rainure définissant ce circuit et définie dans une composition photosensible mûrie. Ce circuit d'écoulement de l'encre est constitué pratiquement en totalité au cours d'une seule et même opération de traitement. L'invention concerne donc une tête à jet d'encre qui comporte au moins un circuit d'écoulement de l'encre dans lequel des gouttelettes d'encre sont produites, et qui comprend un substrat et une couche recouvrant le substrat, ce dernier présentant au moins une rainure destinée à former le circuit d'écoulement de l'encre et obtenue par application d'une couche de composition photosensible sur le substrat, maturation de cette couche pour former des zones mûries suivant une configuration prédéterminée, et élimination de la composition non mûrie de la couche. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'une tête à jet d'encre comportant au moins un circuit d'écoulement d'encre dans lequel des gouttelettes d'encre sont produites, ce procédé consistant à former une couche de composition photosensible sur un substrat, à faire mûrir certaines zones de la couche suivant une configuration prédéterminée, et à éliminer la composition non mûrie de la couche afin de former une rainure constituant chaque circuit d'écoulement d'encre sur la surface du substrat. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels: les figures 1, 2A, 3, 4A et 5 sont des vues partielles en perspective montrant des opérations de fabrication d'une forme préférée de réalisation de la tête à jet d'encre selon l'invention, la figure 2B étant une coupe partielle suivant la ligne X-X' de la figure 2A, la figure 4B étant une coupe partielle suivant la ligne Y-Y' de la figure 4A; et - les figures 6 et 7 sont des côupes partielles suivant la ligne Z-Z' de la figure 5, ces coupes montrant également des étapes du procédé de fabrication-de la tête à jet d'encre selon l'invention. Les figures 1 à 7 sont donc des vues schématiques en perspective et en coupe montrant la structure de la tête à jet d'encre selon l'invention et des étapes du procédé de fabrication de cette tête, conformément à l'invention. Comme représenté sur la figure 1, des éléments 2 produisant une pression de décharge de l'encre, par exemple des éléments chauffants, des éléments piézo-électriques et autres, sont disposés en nombre souhaité sur une plaque de base appropriée (ou substrat) 1 réalisée en verre, en céramique, en matière plastique, en métal ou autre. Dans la forme de réalisation représentée, deux de ces éléments sont utilisés. Lorsque le générateur 2 de pression de décharge de l'encre est constitué d'un élément chauffant, la pression de décharge de l'encre est produite par cet élément qui chauffe l'encre passant à proximité de lui. Lorsqu'on utilise un élément piézo-électrique, la pression de décharge de l'encre est produite par la vibration mécanique de cet élément. Il convient de noter qu'une électrode destinée à appliquer un signal d'entrée est reliée à cet élément 2, bien qu'elle ne soit pas représentée sur les figures. Cette électrode associée à l'élément 2 (non représentée) est généralement disposée sur le substrat 1, à peu près en même temps que l'élément 2 est mis en place, ou bien elle est connectée à l'élément 2 après l'assemblage complet de la tête. On peut se reporter à présent à la figure 2A qui montre la surface lA du substrat 1, sur laquelle le générateur 2 de la pression de décharge de l'encre a été placé, cette surface étant nettoyée et séchée. Ensuite, une réserve photographique sèche 3, formant une pellicule d'une épaisseur d'environ 25 à 100 micromètres et chauffée à une température de 80 à 1050C, est couchée sur la surface lA du substrat portant l'élément 2, à une vitesse de 0,12 à 0,15 m/min et sous une pression de 1 à 3.105 Pa (voir figures 2A et 2B). Ainsi, la réserve photographique et sèche 3 est collée fermement sous pression à la surface lA du substrat et, après avoir été fixée, elle ne se décolle pas de la surface, même lorsqu'elle est soumise à une certaine pression extérieure. Ensuite, un masque photographique 4 portant un dessin prédéterminé 4P qui correspond au circuit d'encre à former dans la tête, est appliqué sur la réserve photo- graphique sèche 3 déposée sur la surface lA du substrat, et ce masque 4 est exposé à la lumière au moyen d'une source lumineuse appropriée 5. Le dessin 4P correspond à une zone devant constituer une chambre d'alimentation en encre, des canaux d'écoulement de l'encre et des orifices de décharge de l'encre à réaliser ensuite. Ce dessin 4P ne laisse pas passer la lumière. Par conséquent, la réserve photographique sèche 3 de la zone recouverte par le dessin 4P n'est pas exposée à la lumière, et elle n'est donc pas amenée à maturation. Dans ce cas, il est nécessaire de placer le générateur 2 de pression de décharge de l'encre en alignement avec le dessin précité 4P par la mise en oeuvre d'un procédé bien connu. En d'autres termes, il faut prendre soin de positionner au moins l'élément 2 dans la partie comprenant le mince circuit d'écoulement de l'encre. Après que la réserve photographique et sèche 3 a été exposée, la partie de cette réserve ayant été sensibilisée par la lumière et située à l'extérieur de la zone du dessin 4P, produit une réaction de polymérisation afin de mûrir et de devenir insoluble dans un solvant, tandis que la partie de la réserve photographique n'ayant pas été exposée ne mûrit pas et reste soluble dans le solvant. Après l'opération précitée d'exposition, la réserve photographique sèche 3 est immergée dans un solvant organique volatil, par exemple du trichloréthane, afin que la partie de cette réserve n'ayant pas réagi (non mûrie) se dissolve et qu'il en rés'ulte la formation d'un évidement, comme montré sur la figure 4A, suivant le dessin 4P, dans la pellicule 3H de réserve photographique mûrie. Ensuite, cette pellicule de réserve photographique mûrie 3H est soumise à un autre traitement de mûrissage destiné à accroître sa résistance aux solvants. Cet autre traitement de mûrissage peut consister en une polymérisation thermique de la pellicule 3H de réserve photographique, à une température de 130 à 1600C, pendant une durée de 10 à 60 minutes, ou bien une irradiation aux ultraviolets, ou une combinaison de ces deux traitements. La portion de la partie évidée, ménagée dans la pellicule 3H de réserve photographique mûrie, indiquée par la référence numérique 6-1, correspond à la chambre d'alimentation en encre de la tête finie à jet d'encre, alors que les parties désignées par les références numériques 6-2 correspondent aux minces circuits d'écoulement de l'encre. Ensuite, comme montré sur la figure 5, une première plaque plane 7 est fixée à la surface de la pellicule 3H de réserve photographique mûrie afin de recouvrir le substrat sur lequel la chambre 6-1 d'alimentation en encre, les minces canaux 6-2 d'écoulement de l'encre et autres ont été réalisés par la mise en oeuvre du procédé de gravure décrit ci-dessus. Cette plaque plane 7 constitue un couvercle de fermeture s'appliquant sur la pellicule de réserve photographique rainurée. La plaque 7 peut être simplement fixée par pression à la pellicule 3H de réserve photographique mûrie, de façon à pouvoir être montée et démontée librement, ou bien elle peut être collée fermement à cette pellicule au moyen d'un adhésif. L'adhésion peut être obtenue de la manière suivante: (1) un adhésif du type époxy est appliqué au moyen d'un élément rotatif, sur une épaisseur de 3 à 4 micromètres, sur la plaque plane constituée de verre, de céramique, de métal, de matière plastique ou autre, puis l'adhésif et la plaque sont soumis à un chauffage préalable afin d'amener l'adhésif dans un état appelé "phase B". La plaque plane ainsi traitée thermiquement et portant l'adhésif est ensuite placée sur la réserve photo- graphique mûrie 3H afin de faire prendre l'adhésif; ou (2) une plaque plane, réalisée en résine thermoplastique telle qu'une résine acrylique, une résine acrylonitrile-butadiène- styrène., un polyéthylène ou autre, est thermosoudée directement sur la réserve photographique mûrie 3H. Il convient de noter que la plaque 7 est traversée de trous 8, comme montré sur les figures, afin de permettre le branchement de tubes d'alimentation en encre (non représentés). Comme indiqué précédemment, après que la plaque de fermeture a été fixée sur le substrat dans lequel les rainures sont formées, l'embout de la tête (c'est-à-dire le côté dans lequel les orifices de décharge de l'encre sont formés) est coupé suivant une ligne C-C' indiquée sur la figure 5. Cette coupe suivant une ligne proche du bord est réalisée afin d'établir une distance optimale entre le générateur 2 de pression de décharge de l'encre et l'orifice 9 de décharge de l'encre, dans le mince canal 6-2 d'écoulement de l'encre. La partie à éliminer par découpage est déterminée arbitrairement conformément à la conception de la tête à jet d'encre. Pour l'opération de coupe, on met en oeuvre un procédé de matriçage adopté généralement dans l'industrie des semi-conducteurs. La figure 6 est une coupe longitudinale suivant la ligne Z-Z' de la figure 5. La surface de coupe est rendue lisse par une opération de polissage et les trous traversants 8 sont reliés à des tubes 10 d'alimentation en encre, comme montré sur la figure 7, ce qui achève la réalisation de la tête à jet d'encre. Dans la forme de réalisation décrite ci-dessus, une réserve photographique sèche est utilisée comme composition photosensible pour la formation des rainures. Il convient cependant de noter que l'invention n'est pas limitée à l'utilisation d'une telle matière solide seule, mais qu'une composition photosensible liquide peut également être utilisée. Une pellicule de la composition photosensible à l'état liquide peut être formée sur le substrat par la mise en oeuvre d'un procédé d'expression utilisé pour la production d'une image en relief, c'est-à-dire un procédé dans lequel une paroi ayant la même hauteur que l'épaisseur souhaitée pour la pellicule de la composition photosensible est placée sur le pourtour du substrat, l'excédent de composition étant éliminé par expression. Dans ce cas, la viscosité de la composition photosensible liquide est de préférence comprise entre 100 et 300.10-3 Pa.s. Il est en outre nécessaire de déterminer la hauteur de la paroi entourant le substrat en tenant compte de la diminution en quantité du solvant sous l'effet de l'évaporation. Dans le cas d'une composition photosensible solide, la pellicule formée par cette composition peut être collée au substrat à chaud et sous pression, comme décrit précédemment. Dans la présente invention, l'utilisation d'une composition photo- sensible solide sous la forme d'une pellicule est avantageuse, car la manipulation d'une telle composition est commode et facile, et il est possible de régler avec précision l'épaisseur de la pellicule. Des exemples de telles compositions photosensibles solides comprennent des pellicules de résines photosensibles produites et commercialisées par la firme DuPont de Nemours and Co., sous les marques commerciales "Permanent Photopolymer Coating RISTON", et des compositions de résines acryliques photosensibles telles que "Solder Mask 730S", "Solder Mask 740S", "Solder Mask 730FR", "Solder Mask 740FR", "Solder Mask SM1" et autres, toutes disponibles dans le commerce. En outre, on peut énumérer divers types de compositions photosensibles utilisés dans le domaine normal de la photolithographie, telles que des résines photosensibles, des réserves photochimiques, etc. On peut citer à titre d'exemples la résine diazoique, la p-diazo-quinone, des photopolymères du type à photopolymérisation utilisant, par exemple, un monomère vinylique et un initiateur de polymérisation, des photopolymères du type à dimérisation utilisant du cinnamate de polyvinyle, etc. et un agent sensibilisateur, un mélange d'onaphtoquinone-diazide et d'une résine phénolique du type Novolaque, un mélange d'alcool polyvinylique et d'une résine diazoique, des photopolymères du type polyéther obtenus par copolymérisa- tion d'oxyde 4-glycidyléthylénique avec de la benzophénone, de la glycidylchalcone ou autre, un copolymère de N,N- diméthylméthacrylamide et, par exemple, d'acrylamide-benzo- phénone, des résines photosensibles du type polyester insaturé telles que "APR" (produit de la firme Asahi Kasei Kogyo K.K., Japon), "TEBISUTA" (produit de la firme Teijin K.K., Japon), "Sonne" (produit de la firme Kansai Paint K.K., Japon) et autres, des résines photosensibles du type renfermant un oligomère d'uréthanne insaturé, des compositions photosensibles comprenant un initiateur de photopolymérisation, un polymère et un monomère d'acryle bifonctionnel, des réserves photographiques du type bi- chromate, des réserves photographiques hydrosolubles du type ne renfermant pas de chrome, des réserves photo- graphiques du type cinnamate de polyvinyle, des réserves photographiques du type azide caoutchouc cyclisé, etc. Lorsque la résolution des compositions photo- sensibles utilisées dans la présente invention est si faible qu'il est impossible d'obtenir les canaux fins et souhaités d'écoulement de l'encre (en particulier des buses) et le diamètre souhaité pour les orifices de décharge de l'encre, ces parties peuvent être seules soumises à une opération de coupe au moyen d'une machine de coupe telle qu'un appareil destiné à couper des tranches de silióium et autres. Les effets de la présente invention telle que décrite en détail ci-dessus peuvent être énumérés de la manière suivante: (1) Etant donné que les opérations principales du procédé de fabrication de la tête à jet d'encre reposent sur une technique dite photographique, des parties délicates et très précises peuvent être formées dans la tête de façon extrêmement simple, par l'utilisation de dessins ou de configurations souhaités. De plus, une grande quantité de têtes de caractéristiques identiques peuvent être produites simultanément. (2) Le nombre relativement faible d'opérations de fabrication résulte en une productivité élevée. (3) Etant donné que l'alignement entre les parties principales-de la structure de la tête peut être effectué aisément et avec précision, il est possible d'obtenir avec un bon rendement une tête à jet d'encre de haute précision dimensionnelle. (4) Des rangées à plusieurs têtes à jet d'encre rapprochées peuvent être fabriquées de manière simple. (5) Etant donné que la profondeur des rainures constituant le circuit d'écoulement de l'encre peut être réglée de façon extrêmement aisée, il est possible de former un circuit d'encre de dimension souhaitée et dépendant de l'épaisseur de la couche de la composition (résine) photo- sensible. (6) Les têtes à jet d'encre peuvent être fabriquées en continu et produites de manière industrialisée, en grande série. (7) Etant donné qu'il est inutile d'utiliser un décapant (acide fort tel que l'acide fluorhydrique ou autre), le procédé est sans danger et propre. (8) Etant donné qu'il est pratiquement inutile d'utiliser un adhésif, aucun risque d'obturation des rainures (circuits d'encre) par suite de coulées d'adhésif dans ces rainures, et aucune altération du fonctionnement du générateur de pression de décharge de l'encre par adhésion de cet adhésif ne risquent de se produire. (9) Etant donné qu'il est possible de donner à la paroi interne des circuits d'encre une surface lisse, l'encre s'écoule en douceur dans ces circuits, sans rencontrer de résistance, avant d'être déchargée par la tête. (10) Le circuit d'écoulement de l'encre peut être formé à peu près en totalité dans la tête par un seul et même traitement, à savoir un traitement constitué essentiellement d'une étape de photo-mûrissage et d'une étape d'élimination des parties non mûries, sans qu'il soit nécessaire de procéder à tout autre traitement. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à la tête à jet d'encre décrite et représentée sans sortir du cadre de l'invention. il REVENDICATIONS 1. Tête à jet d'encre qui comporte au moins un circuit (6-2) d'écoulement de l'encre dans lequel des gouttelettes d'encre sont produites, caractérisé en ce qu'elle présente une rainure constituant le circuit d'écoulement de l'encre et définie dans une composition photosensible mûrie (3H). 2. Tête à jet d'encre comportant au moins un circuit (6-2) d'écoulement de l'encre dans lequel des gouttelettes d'encre sont produites, caractérisée en ce que le circuit d'écoulement de l'encre est formé à peu près en totalité au cours d'un seul et même traitement. 3. Tête selon la revendication 2, caractérisée en ce que le circuit d'écoulement de l'encre est défini dans une pellicule de résine photosensible mûrie. 4. Tête selon la revendication 3, caractérisée en ce que la pellicule de résine photosensible a une épaisseur de 25 à 100 micromètres. 5. Tête à jet d'encre comportant au moins un circuit d'écoulement de l'encre dans lequel des gouttelettes d'encre sont produites, caractérisée en ce qu'elle comporte un substrat (1) et une couche (3) qui recouvre le substrat et qui présente au moins une rainure (6-2) destinée à former le circuit d'écoulement de l'encre et obtenue par application d'une couche de composition photosensible sur le substrat, mûrissage de ladite couche pour former des zones mûries suivant un dessin prédéterminé, et élimination de la partie non mûrie de la composition de ladite couche. 6. Tête selon l'une des revendications 1 et 5, caractérisée en ce que ladite composition est une résine photosensible, cette composition pouvant notamment être une réserve photographique sèche et ladite composition pouvant notamment se présenter sous la forme d'une pellicule de 25 à micromètres d'épaisseur. 7. Tête selon l'une quelconque des revendications 1, 2 et 5, caractérisée en ce qu'un élément (2) de production d'une pression de décharge de l'encre est disposé dans le circuit d'écoulement de l'encre, ledit circuit d'écoulement de l'encre pouvant notamment communiquer avec un orifice de décharge de l'encre, et la tête pouvant comporter, en outre, plusieurs circuits (6-2) d'écoulement de l'encre. 8. Procédé de fabrication d'une tête à jet d'encre comportant au moins un circuit d'écoulement de l'encre dans lequel des gouttelettes d'encre sont produites, caractérisé en ce qu'il consiste à former une couche de composition photosensible sur un substrat, à faire mûrir certaines zones de ladite couche suivant un dessin prédéterminé, et à éliminer les parties de la composition non mûries de ladite couche afin de produire une rainure constituant chaque circuit d'écoulement de l'encre sur la surface du substrat. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la composition est une résine photosensible, la composition pouvant être notamment une réserve photo- graphique sèche et ladite composition pouvant se présenter sous la forme d'une pellicule de 25 à 100 micromètres d'épaisseur. 10. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'un élément produisant une pression de décharge de l'encre est disposé dans le circuit d'écoulement de l'encre, ledit circuit d'écoulement de l'encre pouvant notamment communiquer avec un orifice de décharge de l'encre et ladite tête pouvant comprendre en particulier plusieurs circuits d'écoulement de l'encre.