DE3045204C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Flüssigkeitströpfchen- Aufzeichnungsverfahren gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Seit einigen Jahren finden anschlagfreie Aufzeichnungsverfahren immer mehr Bedeutung, da diese Verfahren nahezu kein Geräusch bei der Aufzeichnung hervorrufen. Unter den anschlagfreien Aufzeichnungsverfahren stellte sich dabei das sog. Tintenstrahl- Aufzeichnungsverfahren bzw. Flüssigkeitströpfchen- Aufzeichnungsverfahren als sehr nützliches Aufzeichnungsverfahren heraus, da bei diesem die Aufzeichnung bei hoher Geschwindigkeit und auf normalem Papier ohne irgendeine besondere Fixierbehandlung erfolgen kann.

Unter den Flüssigkeitströpfchen-Aufzeichnungsverfahren zeichnet sich das in der DE-OS 28 43 064 beschriebene Verfahren, das dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 zugrundeliegt, durch das Merkmal aus, daß Wärmeenergie zum Ausstoßen von Tintentröpfchen an eine Flüssigkeit abgegeben bzw. in dieser erzeugt wird, d. h. also, daß Wärmeenergie als Energiequelle zum Erzeugen von Flüssigkeitströpfchen eingesetzt wird.

Bei dem in der vorstehend genannten DE-OS 28 43 064 beschriebenen Verfahren durchläuft die Flüssigkeit bei ihrer Anregung mit Wärmeenergie einen Phasenwechsel mit einer dabei auftretenden raschen Volumenvergrößerung; die daraus resultierende Antriebskraft dient zum Ausstoßen von Flüssigkeitströpfchen aus einer an einem Ende eines Aufzeichnungskopfs angeordneten Öffnung und die ausgestoßenen Tröpfchen werden auf ein Aufzeichnungsmaterial aufgebracht.

Dieses Flüssigkeitströpfchen-Aufzeichnungsverfahren ist sehr vorteilhaft, da es einerseits im sog. "Tröpfchen-nach-Bedarf-Betrieb" einsetzbar ist und andererseits der Aufzeichnungskopf mit einer Vielzahl sehr dicht angeordneter Öffnungen versehen sein kann. Mit diesem Aufzeichnungsverfahren lassen sich daher Bilder erzielen, die hervorragend in der Auflösung sind und sich durch hohe Qualität auszeichnen.

Dieses Flüssigkeitströpfchen-Aufzeichnungsverfahren besitzt also hervorragende Eigenschaften. Es ist jedoch notwendig, für eine große Lebensdauer des Aufzeichnungskopfes zu sorgen, um für eine große Zeitspanne Bilder mit hervorragender Auflösung und hoher Qualität mit hoher Geschwindigkeit aufzuzeichnen.

Die Lebensdauer des bei dem vorstehend beschriebenen Aufzeichnungsverfahren verwendeten Aufzeichnungskopfes ist hauptsächlich durch die Lebensdauer eines elektrothermischen Heizelementes bestimmt. Ein bei dem vorstehend beschriebenen Aufzeichnungsverfahren eingesetzter Aufzeichnungskopf 101 kann beispielsweise den in den Fig. 1A und 1B gezeigten Aufbau besitzen. Ein elektrothermisches Heizelement 102 steht mit einer in Richtung des Pfeiles A zugeführten Flüssigkeit in einem Wärmeeinwirkungsbereich 107 in Berührung, und es wird die erzeugte Wärmeenergie an die in dem Wärmeeinwirkungsbereich 107 vorhandene Flüssigkeit abgegeben bzw. auf diese übertragen.

Wird zum Aufzeichnen eine Flüssigkeit auf Wasserbasis verwendet, so ist eine Isolierschicht 112 zumindest auf einer Widerstandsheizschicht 111 angeordnet, um einen Kurzschluß zwischen Elektroden 113 und 114 über die Flüssigkeit zu verhindern und die Widerstandsheizschicht 111 vor einem chemischen Angriff durch die Flüssigkeit oder einer thermischen Oxidation zu schützen.

Bei einem einen solchen Aufzeichnungskopf verwendeten Verfahren ist das Prinzip der Flüssigkeitströpfchenerzeugung folgendermaßen: Fließt elektrischer Strom durch das elektrothermische Heizelementt, so wird die dabei entstehende Wärmeenergie im Wärmeeinwirkungsbereich 107 auf die Flüssigkeit übertragen, woraufhin diese eine von einer raschen Volumenzunahme begleitete Phasenumwandlung durchläuft, d. h. eine Umwandlung dahingehend, daß die Flüssigkeit in dem Wärmeerzeugungsbereich 107 in sehr kurzer Zeit in der Größenordnung von weniger als Mikrosekunden in den gasförmigen Zustand umgewandelt wird, wodurch sehr rasch eine Blase entsteht und wächst. Wird der elektrische Strom abgeschaltet, so schrumpft und verschwindet die Blase sehr rasch. Die Geschwindigkeit des Schrumpfens und Verschwindens ist nahezu dieselbe wie oder geringfügig langsamer als die Geschwindigkeit der Entstehung und des Wachsens der Blase.

Wenn nach dem bekannten Verfahren mit hoher Aufzeichnungsgeschwindigkeit und somit kurzen Spannungssignalen vergleichsweise hoher Spannung gearbeitet wird, können Schäden am Heizelement auftreten, die eine Verkürzung der Lebensdauer des Aufzeichnungskopfes zur Folge haben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das gattungsgemäße Flüssigkeitströpfchen-Aufzeichnungsverfahren derart weiterzubilden, daß der verwendete Aufzeichnungskopf während einer möglichst langen Lebensdauer zuverlässig funktionsfähig bleibt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angeführten Mitteln gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungs- bzw. Anwendungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben.

Es zeigt

Fig. 1A schematisch eine ausschnittsweise Vorderansicht der Öffnungsseite eines bei dem Flüssigkeitströpfchen- Aufzeichnungsverfahren verwendbaren Aufzeichnungskopfes,

Fig. 1B schematisch eine Schnittdarstellung gemäß X-Y in Fig. 1A und

Fig. 2 einen Zeitablaufplan des Flüssigkeitströpfchen- Aufzeichnungsverfahrens.

Wird unter Bezugnahme auf die Fig. 1A und 1B zugrundegelegt, daß ein Potential V an eine Oberschicht 109 angelegt wird, die einen Bestandteil der Isolierschicht 112 bildet und an den Wärmeeinwirkungsbereich 107 angrenzt, so wird dieses Potential V während der Flüssigkeitströpfchenausstoßung so gehalten bzw. so gewählt, daß die Beziehung

V = V_A (1 - x) + V_Bx

(mit 0<x<1) erfüllt ist. Dabei ist es wünschenswert, daß x in einem Bereich von 0,2 bis 0,8 und vorzugsweise in einem Bereich von 0,4 bis 0,6 liegt. Hierbei bezeichnen V_A und V_B die Potentiale von Elektroden 113 bzw. 114. Die Potentialdifferenz |V_A-V_B| liegt an einem Bereich der Widerstandsheizschicht 111 an, der unter dem Wärmeeinwirkungsbereich 107 angeordnet ist, der ebenso wie das eine Schichtstruktur 108 aufweisende Heizelement 102 die in Fig. 1B durch zwei gestrichelte Linien angezeigte Breite besitzt.

Die Oberschicht 109 der Isolierschicht 112 ist elektrisch leitfähig, so daß das Potential V in vorstehend beschriebener Weise an die Oberschicht 109 angelegt werden kann. Anders ausgedrückt heißt das, daß die Isolierschicht 112 in nachstehend beschriebener Weise ausgebildet ist. Der innere Bestandteil der Isolierschicht 112, d. h. der Bestandteil, an dem sie die Elektroden 113 und 114 und die Widerstandsheizschicht 111 berührt, ist als elektrisch isolierende Unterschicht ausgebildet, so daß der elektrische Strom über keinen anderen Pfad als den durch die Elektrode 113, die Widerstandsheizschicht 111 und die Elektrode 114 gebildeten Pfad fließen kann oder über andere Pfade nur in einem vernachlässigbaren Ausmaß fließen kann. Die leitfähige Oberschicht 109 ist auf der elektrisch isolierenden Unterschicht unter Verwendung von Metallen oder ähnlichem vorgesehen bzw. aufgebracht.

Fig. 2 zeigt ein Beispiel eines Spannungs- bzw. Potentialimpulssignals, das zum Ausstoßen von Flüssigkeitströpfchen an das Heizelement 102 angelegt wird. V_A bezeichnet das Potential der Elektrode 113, V_B das Potential der Elektrode 114 und V das Potential der Oberschicht 109. Die Lebensdauer des Aufzeichnungskopfes kann in der Weise verlängert werden, daß die Zeitdauer t₁ einer zwischen den Elektroden 113 und 114 anliegenden Signalspannung a gleich oder kleiner als die Zeitdauer t₂ einer an die Oberschicht 109 angelegten Spannung b ist. Dabei kann das Potential V nicht nur in der in Fig. 2 gezeigten Weise impulsartig angelegt werden, sondern auch kontinuierlich anliegen. Die beste Wirkung wird erzielt, wenn das Potential V auf einem Wert von (V_B+V_A)/2 oder einer nahe bei diesem Wert liegenden Spannung gehalten wird.

Das Potential V liegt also zwischen den Potentialen V_A und V_B und wird synchron mit einer an das Heizelement angelegten Signalspannung oder aber kontinuierlich in vorstehend beschriebener Höhe an die Oberschicht 109 angelegt, solange das Heizelement betrieben wird.

Das Potential der Oberschicht der Isolierschicht des Heizelementes wird beim Ausstoßen von Flüssigkeitströpfchen zwischen den Potentialen V_A und V_B an beiden Anschlüssen der Widerstandsheizschicht gehalten, die sich zwischen den beiden mit ihr elektrisch verbundenen Elektroden befindet, wodurch es möglich ist, eine stabile Flüssigkeitströpfchenausstoßung kontinuierlich für eine lange Zeitspanne durchzuführen und wodurch sich die Lebensdauer des Aufzeichnungskopfes zu einem großen Ausmaß auch dann verlängert, wenn die Frequenz der Flüssigkeitströpfchenerzeugung für eine Hochgeschwindigkeitsaufzeichnung erhöht und die Höhe der an das Heizelement angelegten Signalspannung angehoben wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Beispiels noch näher beschrieben.

Beispiel

Auf einem Substrat 103 aus Silicium wurden durch Aufdampfen eine Trägerschicht 110 aus SiO₂ in der Stärke von 4 µm und anschließend eine Widerstandsheizschicht 111 aus HfB₂ in der Stärke von 150 nm durch Aufdampfen ausgebildet. Daraufhin wurde zur Ausbildung der Elektroden eine Aluminiumschicht in der Stärke von 500 nm mittels Elektronenstrahlbedampfung aufgebracht und anschließend durch gezieltes Ätzen das in Fig. 1B gezeigte Muster ausgebildet. Damit besaß die Widerstandsheizschicht eine Breite von 50 µm, eine Länge von 200 µm und einen Widerstandswert von 80 Ohm. Darauf wurde zur Ausbildung der Isolierschicht 112 als Unterschicht ein SiO₂-Film in der Stärke von 1,2 µm aufgebracht und anschließend als schützende Oberschicht 109 eine Ta-Schicht mittels Aufdampfens in der Stärke von 2,0 µm ausgebildet.

Die auf diese Weise hergestellte Schichtstruktur 108 wurde mit einer Glasplatte 104 mit Kanäle 105 bildenden Rillen verbunden, um den in den Fig. 1A und 1B gezeigten Aufzeichnungskopf zu erzeugen. Während der Aufzeichnungskopf mit im wesentlichen aus Wasser bestehender Flüssigkeit bzw. Tinte gespeist wurde, wurden an die Elektroden 113 und 114 Spannungsimpulse a von 28 V mit einer Impulsbreite von 10 µs und einer Periode von 200 µs zum Ausstoßen von Tröpfchen in Abhängigkeit von den Eingangssignalen angelegt. Wurde die an den Aufzeichnungskopf angelegte Spannung erhöht, so brach der Aufzeichnungskopf bei 35 V dielektrisch durch und wurde unbrauchbar.

Wurde an den die Oberschicht bildenden Ta-Film des in vorstehend beschriebener Weise hergestellten Aufzeichnungskopfes kontinuierlich eine Spannung angelegt, die halb so groß wie die an die Widerstandsheizschicht angelegte Spannung ist, so erhöhte sich die Spannung, bei der der dielektrische Durchbruch erfolgte, bis auf 50 V, wobei die Ausstoßspannung 28 V betrug, was der vorstehend genannten Ausstoßspannung entspricht. Gleichermaßen wurden auch gute Resultate erzielt, wenn an die Oberschicht Spannungsimpulse b mit einer Impusbreite von 15 µs, deren Spannungswert halb so groß wie die an die Widerstandsheizschicht angelegte Spannung war, nur dann angelegt wurden, wenn die Signalspannung an die Widerstandsheizschicht angelegt wurde, was der in Fig. 2 gezeigten Betriebsweise entspricht.

Claims (3)

1. Flüssigkeitströpfchen-Aufzeichnungsverfahren, bei dem ein Flüssigkeitströpfchen ausstoßender Aufzeichnungskopf verwendet wird, der einen Kanal mit einer Öffnung zum Ausstoßen der Flüssigkeitströpfchen und mit einem Wärmeeinwirkungsbereich, in dem Wärmeenergie auf die Flüssigkeit zum Ausstoßen der Flüssigkeitströpfchen einwirkt, und angrenzend an den Wärmeeinwirkungsbereich ein Heizelement aufweist, das eine Schichtstruktur aus einer auf einem Substrat angeordneten Trägerschicht, einer Widerstandsheizschicht und einer Isolierschicht sowie zwei mit der Widerstandsheizschicht verbundene Elektroden aufweist, über die eine Signalspannung an die Widerstandsheizschicht angelegt wird, wobei die Schichten in genannter Reihenfolge vom Substrat zum Wärmeeinwirkungsbereich hin gesehen aufeinander geschichtet sind und wobei die Isolierschicht ihrerseits eine an die Widerstandsheizschicht und die Elektroden angrenzende Unterschicht, die elektrisch isolierend ist, sowie eine Oberschicht aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberschicht (109) der Isolierschicht (112) elektrisch leitfähig ist und daß an zumindest einen Bereich der Oberschicht (109) ein Potential (V) zumindest solange angelegt wird, solange die Signalspannung an der Widerstandsheizschicht (111) anliegt, wobei dieses Potential (V) so gewählt ist, daß es zwischen den beim Anliegen der Signalspannung an den beidden Elektroden (113, 114) auftretenden Potentialen (V_A, V_B) liegt.

2. Flüssigkeitströpfchen-Aufzeichnungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das an die Oberschicht (109) angelegte Potential (V) so gewählt ist, daß die Gleichung V = V_A (1 - x) + V_Bxerfüllt ist, wobei 0,2x0,8 gilt.

3. Flüssigkeitströpfchen-Aufzeichnungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitdauer (t₁) des jeweiligen Anlegens der Signalspannung gleich oder kürzer als die Zeitdauer (t₂) des jeweiligen Anlegens des Potentials (V) an die Oberschicht (109) ist.