DE3231431C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Flüssigkeitsstrahl-
Aufzeichnungskopf nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
Aus der DE 30 11 919 A1 ist ein Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf
bekannt, bei dem die Flüssigkeitsaufzeichnung
bewirkt wird, indem eine Aufzeichnungsflüssigkeit aus
einer Kammer durch Ausstoßöffnungen in Tröpfchenform abgestrahlt
wird. Zum Aufbringen der Ausstoßenergie ist in
einem Bereich der Kammer bzw. in dem diese mit einer Ausstoßöffnung
verbindenden Flüssigkeitspfad ein elektrothermischer
Wandler vorgesehen; dieser ist aus zumindest
zwei einander gegenüberliegenden Elektroden und einer
mit diesen elektrisch verbundenen wärmeerzeugenden Widerstandsschicht
aufgebaut und im Bereich der Elektroden-
bzw. Widerstandsschicht mit zwei Schutzschichten abgedeckt,
die aus einem organischen oder aus einem anorganischen
Material hergestellt sein können. Die für diese Schichtanordnung
aus oberer und unterer Schutzschicht geforderten
Eigenschaften variieren in Abhängigkeit von der Stelle,
an der die Schichtanordnung ausgebildet ist. Beispielsweise
muß die Schichtanordnung in der Zone des Wärmeerzeugungsabschnittes
eine ausgezeichnete Hitzebeständigkeit, Widerstandsfähigkeit
gegenüber der Flüssigkeit, Flüssigkeitsundurchlässigkeit,
Wärmeleitfähigkeit, Oxydationsbeständigkeit
und Widerstandsfähigkeit gegenüber mechanischen Beschädigungen
besitzen. In den anderen Bereichen muß diese
Schichtanordnung eine ausreichend gute Flüssigkeitsundurchlässigkeit,
Widerstandsfähigkeit gegenüber der Flüssigkeit
und gegenüber mechanischen Beschädigungen aufweisen, während
in bezug auf die thermischen Eigenschaften etwas
geringere Anforderungen gestellt werden. Zum jetzigen
Zeitpunkt existiert kein Material, das alle vorstehend
genannten Erfordernisse zufriedenstellend erfüllt. Deshalb
werden bei der praktischen Anwendung der vorhandenen Materialien
einige Erfordernisse vernachlässigt.
Somit werden für die Schichtanordnung Materialien ausgewählt,
die im Bereich des wärmeerzeugenden Teiles vorzugsweise
die Erfordernisse hinsichtlich Hitzebeständigkeit,
Wärmeleitfähigkeit und Oxidationsbeständigkeit erfüllen.
Für die anderen Bereiche, beispielweise den Elektrodenabschnitt,
werden für die Schichtanordnung solche Materialien
ausgewählt, die vorzugsweise den Erfordernissen hinsichtlich
Widerstandsfähigkeit gegenüber der Flüssigkeit, Flüssigkeitsundurchlässigkeit
und Widerstandsfähigkeit gegenüber
mechanischen Beschädigungen gerecht werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schichtanordnung
zu schaffen, die den gestellten Anforderungen
überall optimal genügt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale
im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
Die durchgehende Ausbildung der oberen Schutzschicht aus
anorganischem Material und die durchgehende Ausbildung
der unteren Schutzschicht aus organischem Material sichert
eine resistente, dichte und gegen mechanische Belastungen
widerstandsfähige Schichtanordnung sowohl über den Elektroden
als auch über der wärmeerzeugenden Widerstandsschicht.
Bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Flüssigkeitsstrahl-
Aufzeichnungskopfes wird beim Abdecken der elektrothermischen
Wandler auf der Basisplatte mit der Schutzschicht
die mit dieser abzudeckenden Oberfläche geringfügig
uneben, d. h. es entstehen auf der Oberfläche Stufenabschnitte
(Niveauunterschiede); demgemäß sind die hervorragenden
Klebeeigenschaften bzw. das Stufenabdeckungsvermögen
der erfindungsgemäßen Schutzschicht in diesen stufigen
Abschnitten von Bedeutung.
Des weiteren entstehen bei der erfindungsgemäßen Schutzschicht
auch in den vorstehend genannten Bereichen keine
fehlerhaften Stellen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich
aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nunmehr anhand von Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit der Zeichnung im einzelnen erläutert.
Es zeigen
Fig. 1A, 1B, 1C und 1D einen erfindungsgemäß ausgebildeten Aufzeichnungskopf,
wobei Fig. 1A eine Teilvorderansicht,
Fig. 1B einen Teilschnitt entlang der strichpunktierten
Linie A-A′ in Fig. 1A, Fig. 1C
eine Teildraufsicht auf eine T/J-Basisplatte und
Fig. 1D einen Teilabschnitt entlang der strichpunktierten
Linie B-B′ in Fig. 2B zeigen; und
Fig. 2 eine Teildraufsicht auf den Hauptteil einer
anderen Ausführungsform des
Aufzeichnungskopfes.
Der in den Fig. 1A und 1B dargestellte Flüssigkeitsstrahl-
Aufzeichnungskopf 200 umfaßt
eine Basisplatte 202 zur Flüssigkeitsstrahlaufzeichnung
unter Verwendung von Wärmeenergie zum Ausstoßen der
Flüssigkeit (diese Art der Aufzeichnung wird als thermische
Tintenstrahl-Aufzeichnung, hiernach T/J abgekürzt,
bezeichnet), die mit einer gewünschten Anzahl
von elektrothermischen Wandlern 201 versehen ist, und
eine Rillenplatte 203, die eine Anzahl von Rillen
aufweist, die der der elektrothermischen Wandler 201 entspricht.
Die T/J-Basisplatte 202 und die Rillenplatte 203 werden
in einer vorgegebenen Lage mit einem Kleber o. ä. aneinander
befestigt, so daß die Lage eines jeden elektrothermischen
Wandlers 201 auf der T/J-Basisplatte 202 mit der
Lage einer jeden Rille der Rillenplatte 203 übereinstimmt.
Auf diese Weise werden Flüssigkeitspfade
204 hergestellt, von denen jeder eine Wärmeeinwirkungszone
215 umfaßt.
Die T/J-Basisplatte 202 ist mit einem Träger 206
aus Silicium, Glas, Keramik o. ä., einer unteren Schicht
207 aus SiO₂ o. ä. darauf, einer wärmeerzeugenden Widerstandsschicht
208, Elektroden 209 und 210 entlang
den Flüssigkeitspfad 204 und an beiden
Seitenflächen (abstromseitig und aufstromseitig) der
wärmeerzeugenden Widerstandsschicht 208 und einer ersten
Schutzschicht 211 (einer ersten oberen Schicht) aus
einem anorganischen Material versehen. Die Schutzschicht 211
deckt die Abschnitte der Elektroden 209 und
210 und diejenigen Abschnitte der wärmeerzeugenden
Widerstandsschicht 208, die nicht mit den Elektroden
bedeckt sind, ab. Der elektrothermische Wandler 201
besteht hauptsächlich aus einem Wärmeerzeugungsteil
212, der sich aus der wärmeerzeugenden Widerstandsschicht
208 und der oberen Schicht 211 zusammensetzt,
die in dieser Reihenfolge auf dem Träger 206 laminiert
sind. Die Oberfläche 213 (wärmeausübende Fläche) der
oberen Schicht 211 steht in direktem Kontakt mit der
den entsprechenden Flüssigkeitspfad 204 füllenden
Flüssigkeit.
Die Hauptoberfläche der Elektrode 210 ist mit einer zweiten
Schutzschicht 214 (einer zweiten oberen Schicht) aus
einem organischen Material versehen. Diese Schutzschicht
214 erstreckt sich mindestens bis zum Boden einer gemeinsamen
Flüssigkeitskammer (nicht gezeigt), die aufstromseitig
des Flüssigkeitspfads 204 angeordnet
ist.
Bei dieser Ausführungsform des Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopfes
200
ist die erste Schutzschicht 211 unmittelbar
auf der Oberfläche der Elektrode 209 ausgebildet.
Die Oberfläche der Elektrode
209 kann jedoch ebenfalls
mit einer Schicht aus einem organischen Material versehen
sein, die der zweiten Schutzschicht 214 der Elektrode 210 ähnlich
ist.
Bei dem Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf 200
ist keine der zweiten
Schutzschicht 214 entsprechende Schicht an der stromabwärts
der wärmeausübenden Fläche 213 im
Flüssigkeitspfad 204 des in Fig. 2C dargestellten
Flüssigkeitsausstoßkanals ausgebildet.
Wie man aus Fig. 1B ersehen kann, wird durch die Ausbildung
der Elektrode 209 ein Niveauunterschied zwischen
der Lage der Oberfläche der ersten Schutzschicht 211
auf der Elektrode 209 und der Lage der wärmeausübenden
Fläche 213 im vorderen und hinteren Teil des Flüssigkeitspfades
204 erzeugt. Dieser Niveauunterschied
ist jedoch bei einer Ausführungsform, bei der keine zweite Schutzschicht 213
auf der Elektrode 209 ausgebildet ist,
nicht so groß. Daher besitzt
der Aufzeichnungskopf
eine ausgezeichnete Stabilität in bezug
auf den Flüssigkeitsausstoß im Vergleich zu einem Aufzeichnungskopf,
bei dem die zweite Schutzschicht 214
auch auf der Elektrode 209
vorgesehen ist. Mit anderen Worten, bei dem Aufzeichnungskopf 200
hat der Boden jedes Flüssigkeitspfades
stromab von der Wärmeaufbringungsfläche
213 keine derart große Unebenheit (Niveauunterschied)
und ist relativ glatt ausgebildet, so daß eine
glatte Strömung der Flüssigkeit und eine stetige
Flüssigkeitströpfchenbildung erreicht wird.
Wenn der Niveauunterschied Δ d zwischen der
Wärmeaufbringungsfläche 213 und der
auf der Elektrode 209 angeordneten ersten
Schutzschicht 211 im Vergleich zu der Strecke d
zwischen der Wärmeaufbringungsfläche 213 und der
Oberwand 215-1, 215-2, 215-3 des Flüssigkeitspfads 204 ver
nachlässigbar klein ist, wird die Stabilität in bezug
auf die Flüssigkeitströpfchenbildung nicht besonders
störend beeinflußt. Wenn daher Δ d innerhalb eines
solchen Bereiches liegt, kann eine der zweiten
Schutzschicht 214 entsprechende Schicht außer der ersten
Schutzschicht 211 auf der Elektrode 209 vorgesehen
werden.
Bei dem Aufzeichnungskopf
200 besteht die erste Schutzschicht 211 aus
zwei Teilschichten 216 und 217, um ihre mechanische
Festigkeit zu erhöhen. Die Teilschicht 216 besteht beispielsweise
aus einem anorganischen Material, z. B.
anorganischem Oxid, wie beispielsweise SiO₂, oder
anorganischem Nitrid, wie beispielsweise Si₃N₄,
und hat einen besseren elektrischen Isolationswiderstand,
eine bessere Wärmeleitfähigkeit und
eine bessere Wärmebeständigkeit, während die
Teilschicht 217 beispielsweise aus einem metallischen
Material besteht, das eine gute Zähigkeit, eine relativ
hohe mechanische Festigkeit sowie eine gute Kontaktfähigkeit
und Haftfähigkeit an der Teilschicht 216.
Die Teilschicht 217 besteht vorzugsweise aus Tantal, wenn
die Teilschicht 216 aus SiO₂ hergestellt wird.
Durch die Herstellung der Oberflächenschicht der
ersten Schutzschicht 211 aus einem relativ zähen
anorganischen Material mit hoher Festigkeit können
Stöße aufgefangen
werden, die durch Kavitation verursacht werden, welche
an der wärmeausübenden Fläche 213 beim Ausstoß der
Flüssigkeit entsteht, um somit die Lebensdauer des
elektrothermischen Wandlers 201
zu verlängern. Die
Teilschicht 217 ist jedoch
nicht immer erforderlich.
Neben den vorstehend erwähnten anorganischen Materialien
können zur Herstellung der ersten Schutzschicht 211
beispielsweise folgende Materialien Verwendung finden:
Übergangsmetalloxide, wie beispielsweise Titanoxid,
Vanadiumoxid, Nioboxid, Molybdänoxid, Tantaloxid,
Wolframoxid, Chromoxid, Zirkonoxid, Hafniumoxid, Lantanoxid,
Yttriumoxid und Manganoxid; Metalloxide, beispielsweise
Aluminiumoxid, Kalziumoxid, Strontiumoxid, Bariumoxid
und Siliciumoxid sowie Komplexe dieser Verbindungen;
Nitride mit hohem elektrischen Widerstand, wie beispielsweise
Siliciumnitrid, Aluminiumnitrid, Bornitrid und
Tantalnitrid; Komplexverbindungen dieser Oxide mit
Nitriden; und Halbleitermaterialien, wie beispielsweise
amorphes Silicium und amorphes Selen. Darüber hinaus
können für diesen Zweck ebenfalls Dünnfilmmaterialien
mit niedrigem elektrischen Widerstand in loser Form
eingesetzt werden, wenn sie durch einen Behandlungsprozeß,
wie beispielsweise Spritzen, CVD, Vakuumbedampfung,
Dampfphasenreaktion oder Flüssigbeschichtung,
stark widerstandsfähig gemacht worden ist. Die Dicke
der ersten Schutzschicht 211 liegt normalerweise in
einem Bereich von 0,1-5 µm, vorzugsweise im Bereich
von 0,2-3 µm.
Die zweite Schutzschicht 214 wird auf
der T/J-Basisplatte 202 ausgebildet, d. h. auf
derjenigen Fläche, die mit der Flüssigkeit in Kontakt
gebracht werden kann, die im Flüssigkeitspfad 204
und in der gemeinsamen Flüssigkeitskammer
vorhanden ist. Die Hauptaufgabe der zweiten
Schutzschicht 214 besteht darin, das Eindringen der
Flüssigkeit zu verhindern und einen Flüssigkeitswiderstand
zu bilden. Dabei kann ihre rückwärtige Verlängerung,
die zur Abdeckung der Elektrodenverdrahtung
dient, das Entstehen von Defekten in der
Elektrodenverdrahtung oder deren Abreißen während des
Herstellungsverfahrens verhindern.
Die zweite Schutzschicht 214 besteht aus einem organischen
Material, das die vorstehenden
Eigenschaften hat.
Es ist wünschenswert, wenn dieses Material die folgenden
Eigenschaften aufweist: gute Filmbildungseigenschaften,
kompakte Struktur mit einer geringen
Anzahl von feinen Löchern, kein Lösungs- oder Quellvermögen
durch die verwendeten Tinten, hoher Isolationswiderstand
nach der Filmbildung und hohe
thermische Beständigkeit. Solche organischen Materialien
sind beispielsweise: Silikonharze, Fluor-enthaltende
Harze, aromatische Polyamide, durch Additionspolymerisation
gewonnene Polyimide, Polybenzimidazole, Metallchelatpolymere,
Titansäureester, Epoxidharze, Phthalatharze,
hitzehärtende Phenolharze, p-Vinylphenolharze, Zylok-Harze
(Handelsname von Kondensationsprodukten von
Aralkyläthern mit Phenolen), Triazinharze und BT-Harze
(Additionspolymerisationsharze von Triazinharz mit
Bismaleimid). Neben diesen Materialien können Polyoxylharze
oder Derivate davon zur Ausbildung der zweiten
Schutzschicht 214 per Vakuumbedampfung aufgebracht
werden.
Darüber hinaus kann die zweite Schutzschicht 214 auch
durch Plasmapolymerisation von verschiedenartigen
organischen Monomeren aufgebracht werden, beispielsweise
von Thioharnstoff, Thioacetamid, Vinylferrocen,
1,3,5-Trichlorbenzol, Chlorbenzol, Styrol, Ferrocen, Pyrrolin,
Naphthalin, Pentamethylbenzol, Nitrotoluol, Acrylnitril,
Diphenylselenid, p-Toluidin, p-Xylol, N,N-dimethyl-p-toluidin,
Toluol, Anilin, Diphenylquecksilber, Hexamethylenbenzol,
Malonitril, Tetracyanoäthylen, Thiophen,
Benzolselenol, Tetrafluoräthylen, Äthylen, N-nitrosodiphenylamin,
Azethylen, 1,2,4-Trichlorbenzol und Propan.
Wenn jedoch Aufzeichnungsköpfe mit mehreren eng angeordneten Ausstoßöffnungen
hergestellt werden sollen, ist es wünschenswert,
ein organisches Material zu verwenden, in dem eine
feine fotolithografische Behandlung zur Ausbildung der
zweiten Schutzschicht 214 äußerst einfach durchgeführt
werden kann. Für diesen Zweck geeignete Materialien
sind beispielsweise:
- (A) Polyimidisoindrochinazolin-dion
- (B) Polyimidharz
- (C) Cyclisches Polybutadien (wärmebeständiger Fotoresist)
Die vorstehend wiedergegebenen Strukturformeln betreffen
die Polymerisate in ausgehärteter Form.
Wenn die zweite Schutzschicht 214 durch die Verwendung
eines derartigen organischen Materials, das in einfacher
Weise mittels Mikrofotolithografie behandelt
werden kann, ausgebildet wird, wird es vorgezogen, die
Verankerungsbeschichtung auf der Oberfläche aufzubringen,
auf der die zweite Schutzschicht 214 ausgebildet wird,
beispielsweise auf der Oberfläche der Elektrode 210, um
das Haftvermögen der zweiten Schutzschicht 214 an
der Elektrode 210 zu vergrößern. Als Verankerungsbeschichtungsmaterial
kann für diesen Zweck ein im
Handel erhältliches Aluminium-Alkoholat-Material, das
besonders geeignet ist für das vorstehend erwähnte
Polymerisat (A), und ein sogenanntes Silan-Kopplungsmittel
verwendet werden.
Von den verschiedenen Arten der im Handel erhältlichen
Silan-Kopplungsmittel sind beispielsweise die folgenden
geeignet:
Vinyltrichlorsilan: CH₂ = CHSiCl₃
Vinyltriäthoxysilan: Ch₂ = CHSi (OC₂H₅)₃
Vinyltris (β-methoxyäthoxy) silan: CH₂ = CHSi (OCH₂CH₂OCH₃)₃
β-(3,4-Epoxycyclohexyl)äthyltrimethoxysilan
Vinyltrichlorsilan: CH₂ = CHSiCl₃
Vinyltriäthoxysilan: Ch₂ = CHSi (OC₂H₅)₃
Vinyltris (β-methoxyäthoxy) silan: CH₂ = CHSi (OCH₂CH₂OCH₃)₃
β-(3,4-Epoxycyclohexyl)äthyltrimethoxysilan
-Glycidoxypropyltrimethoxysilan
-Methacryloxypropyltrimethoxysilan
n-(Dimethoxymethylsilylpropyl)äthylendiamin
n-(Trimethoxysilylpropyl)äthylendiamin
Die untere Schicht 207 dient in erster Linie zum Steuern
des Wärmeflusses von dem Wärmeerzeugungsteil 212 in
Richtung auf den Träger 206. Das Material und die Dicke
dieser Schicht 207 sind so ausgewählt, daß der Wärmeausfluß
in der folgenden Weise gesteuert wird: wenn die
thermische Energie in der Wärmeeinwirkungszone 215 auf
die Flüssigkeit aufgebracht wird, kann ein größerer Teil
der vom Wärmeerzeugungsteil 212 produzierten Wärmeenergie
zur Seite der Wärmeeinwirkungszone 215 strömen;
wenn die Stromversorgung des elektrothermischen Wandlers
201 gestoppt wird, kann die im Wärmeerzeugungsteil 212
verbleibende Wärmeenergie schnell in Richtung auf den
Träger 206 abfließen. Als Materialien zur Herstellung
der unteren Schicht 207 sind neben SiO₃, das vorstehend erwähnt
wurde, anorganische Materialien, wie beispielsweise
Metalloxide, wie Zirkonoxid, Tantaloxid, Magnesiumoxid
und Aluminiumoxid, geeignet.
Zur Herstellung der wärmeerzeugenden Widerstandsschicht
208 sind die meisten Materialien geeignet, die Wärmeenergie
erzeugen, wenn sie von einem elektrischen Strom
durchflossen werden. Solche Materialien sind
beispielsweise Tantalnitrid, Nichrom, Silber-Paladium-
Legierungen, Silicium-Halbleitermaterialien und
Boride der folgenden Metalle: Hafnium, Lantan, Zirkon,
Titan, Tantal, Wolfram, Molybdän, Niob, Chrom und
Vanadium. Von diesen Materialien sind Metallboride
besonders geeignet, wobei Hafniumborid die besten Eigenschaften
aufweist, wonach Zirkonborid, Lantanborid, Tantalborid,
Vanadiumborid und Niobborid in dieser Reihenfolge
folgen.
Die wärmeerzeugende Widerstandsschicht 208 kann aus den
vorstehend genannten Materialien durch Elektronenstrahl-
Vakuumbedampfung oder Spritzen hergestellt werden.
Die Dicke der wärmeerzeugenden Widerstandsschicht 208 ist
so festgelegt, daß sie in Abhängigkeit von ihrer Oberfläche
und Materialqualität, Form und Größe der Wärmeeinwirkungszone,
Energieverbrauch etc. eine gewünschte
Menge an Wärmeenergie pro Zeiteinheit zur Verfügung
stellt. Allgemein gesagt liegt diese Dicke jedoch in
einem Bereich von 0,001-5 µm, vorzugsweise in einem
Bereich von 0,01-1 µm.
Zur Herstellung der Elektroden 209 und 210 sind verschiedene,
normalerweise für diesen Zweck verwendete
Materialien geeignet, beispielsweise Metalle, wie Al,
Ag, Au, Pt und Cu. Mit diesen Materialien lassen sich
Elektroden einer vorgegebenen Größe, Form und Dicke
an vorgegebenen Stellen beispielsweise durch Vakuumbedampfung
o. ä. ausbilden.
Zur Herstellung der Rillenplatte 203 und der Teile, die
die gemeinsame Flüssigkeitskammer stromauf der Wärmeeinwirkungszone
215 bilden, können die meisten Materialien
in wirksamer Weise eingesetzt werden, vorausgesetzt, sie
erfüllen die nachfolgenden Bedingungen: das Material
darf in seiner Form durch die Umgebungswärme während der
Herstellung des Aufzeichnungskopfes und während seiner
Verwendung nicht oder nur geringfügig beeinflußt werden;
mit dem Material muß in einfacher Weise eine genaue
Fabrikation mit einer gewünschten Oberflächenpräzision
möglich sein; und das Material muß so bearbeitet werden
können, daß die Flüssigkeit in der aus der Rillenplatte 203
und den Teilen für die gemeinsame Flüssigkeitskammer
gebildeten Flüssigkeitspfaden in glatter Weise
strömen kann.
Für diesen Zweck sind beispielsweise folgende Materialien
geeignet: Keramik, Glas, Metall, Kunststoff, Siliciumplättchen
etc.
Insbesondere sind Glas und Siliciumplättchen geeignet,
da sie sehr leicht bearbeitet werden können, eine geeignete
Wärmebeständigkeit und Wärmeleitfähigkeit sowie einen
geeigneten Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen. Die
Außenfläche um die Ausstoßöffnung 218 herum wird vorzugsweise
mit einem wasserabstoßenden Stoff endbehandelt, wenn es
sich um eine wässrige Flüssigkeit handelt, oder mit einem
oelabstoßenden Stoff, wenn es sich um keine wäßrige
Flüssigkeit handelt. Damit soll verhindert werden, daß
die Oberfläche mit der Flüssigkeit benetzt wird und
daß die Flüssigkeit zur Außenseite der Ausstoßöffnung hin ausläuft.
Wie man Fig. 1C entnehmen kann, ist bei dem Flüssigkeitsstrahl-
Aufzeichnungskopf 200 die zweite
Schutzschicht 214 nicht im Bereich des Flüssigkeitspfads
204 stromab der wärmeausübenden Fläche 213 ausgebildet,
sondern in einem anderen abstromseitigen Bereich
als der des Flüssigkeitspfads 204. Bei einem
abgeänderten Ausführungsbeispiel kann die zweite Schutzschicht 214
von dem gesamten Bereich stromab der wärmeausübenden
Fläche 213 entfernt sein. Bei einem Beispiel, das mehr
bevorzugt wird, kann jedoch die zweite Schutzschicht
214 den Bereich der Elektrode abdecken, der stromab der
Fläche 213 angeordnet ist und die den
Flüssigkeitspfad 204 nicht einschließt.
Fig. 2 zeigt eine Teildraufsicht auf einen
Aufzeichnungskopf, bei dem der gesamte
Bereich mit Ausnahme der wärmeausübenden Fläche
mit der zweiten Schutzschicht bedeckt ist. Der umgrenzte
Bereich B ist die tatsächliche wärmeausübende Fläche
301. Bei dieser Ausführungsform kann die zweite
Schutzschicht auf dem gesamten Bereich mit Ausnahme der
Fläche 301 innerhalb der Grenze B oder auf
dem gesamten Bereich mit Ausnahme eines Bereiches 303, der
breiter ist als die Fläche 301, wie durch die Umgrenzung
A angegeben, ausgebildet werden. Die zweite Schutzschicht kann ferner
auf dem gesamten Bereich mit Ausnahme einer Zone 302,
die enger ist als die Fläche 301, wie durch die Umgrenzung
C gezeigt, vorgesehen werden.
Ein Stück eines Si-Plättchens wurde zur Verwendung
als Basisplatte thermisch oxydiert, um einen SiO₂-Film
einer Dicke von 5 µm auf der Oberfläche auszubilden.
Auf dieser Basisplatte wurde eine HfB₂-Schicht einer
Dicke von 1500 Å als wärmeerzeugende Widerstandsschicht
durch Spritzen ausgebildet. Auf diese Schicht
wurden wiederum eine Ti-Schicht einer Dicke von
50 Å und eine Al-Schicht einer Dicke von 5000 Å
nacheinander durch Elektronenstrahlbedampfung aufgebracht.
Durch ein fotolithografisches Verfahren wurde
auf der beschichteten Platte ein Muster ausgebildet,
wie in Fig. 2C gezeigt. Die Größe der Wärmeaufbringungsfläche
betrug 30 µm in der Breite und 150 µm in der
Länge, und der elektrische Widerstand einschließlich des
Widerstandes der AL-Elektroden betrug 150 Ohm.
Danach wurde eine PIQ-Schicht (die zweite obere Schicht)
einer Dicke von 2,0 µm in der nachfolgend beschriebenen
Weise aufgebracht, und derjenige Abschnitt der PIQ-Schicht,
der die Wärmeaufbringungsfläche umgab, wurde entfernt,
so daß die PIQ-Schicht in dem in Fig. 2C schraffiert
dargestellten Bereich verbleiben konnte. Die Form des
entfernten Abschnittes entsprach der Darstellung in
Fig. 2C und seine Größe betrug 50 µm mal 250 µm.
Nachfolgend wird die Ausbildung der PIQ-Schicht beschrieben.
Das Substrat, auf dem die wärmeerzeugende Widerstandsschicht
und die Elektroden mit dem vorgegebenen Muster ausgebildet
worden waren, wurde gewaschen, getrocknet und
mit einer PIQ-Lösung durch Einsatz einer Schleuder (500 UpM,
10 Sekungen für den ersten Schritt; 4000 UpM, 40 Sekunden
für den zweiten Schritt) beschichtet. Das beschichtete
Substrat wurde bei 80°C über 10 Minuten getrocknet
und bei 220°C über 60 Minuten gehärtet.
Ein Fotoresistmaterial wurde mit einer Schleuder aufgebracht,
getrocknet, einer Maske ausgesetzt und entwickelt, um
das gewünschte Muster der PIQ-Schicht zu erhalten.
Die PIQ-Schicht wurde bei Raumtemperatur geätzt. Nach
dem Spülen mit Wasser und dem Trocknen wurde der
Fotoresist durch Verwendung einer entsprechenden
Flüssigkeit entfernt. Das Substrat wurde danach bei
350°C über 60 Minuten gehärtet, wonach die Herstellung
des Musters der PIQ-Schicht beendet war.
Die PIQ-Schicht besaß eine Dicke von 200µm in ihrem
auf dem Substrat ausgebildeten Abschnitt, in dem die
wärmeerzeugende Widerstandsschicht oder die Elektrode
nicht vorhanden ist, und eine Dicke von 1,8 µm in ihrem
Abschnitt, der auf der wärmeerzeugenden Widerstandsschicht
und der Elektrode ausgebildet worden war. Das
bedeutet, daß das PIQ-Material gute "stufenabdeckende"
Eigenschaften besitzt.
Danach wurde eine SiO₂-Schicht einer Dicke von 2,2 µm
auf dem beschichteten Material durch Spritzen aufgebracht,
und schließlich wurde durch Spritzen noch eine
TA-Schicht einer Dicke von 0,5 µm vorgesehen.
Mit der auf diese Weise hergestellten T/J-Basisplatte
wurde eine Rillenplatte aus Glas (Rillengröße: 50 µmH
mal 50 µmB mal 2 mmL) verbunden, um den Aufzeichnungskopf
zu vervollständigen. Wie in Fig. 2B dargestellt
ist, wurde auf diese Weise ein Tintenströmungskanal und
eine Wärmeeinwirkungszone hergestellt.
Rechteckförmige Spannungsimpulse von 10µS und
30 V wurden mit einer Frequenz von 800 Hz an den
auf diese Weise hergestellten elektrothermischen
Wandler des Aufzeichnungskopfes angelegt. Die
Flüssigkeit wurde in Abhängigkeit von den Eingangssignalen
ausgestoßen. Zu diesem Zeitpunkt war die
Bildung der "fliegenden" Tröpfchen beständig.
Wenn eine derartige Tröpfchenbildung über eine lange
Zeitdauer wiederholt wird, ist ein Aufzeichnungskopf, der
einige Herstellungsfehler aufweist, nicht mehr in der
Lage, Tinte auszustoßen, was auf eine Unterbrechung
aufgrund der galvanischen Korrosion der AL-Elektrode,
einen Durchschlag zwischen der Ta-Schutzschicht und
der Al-Elektrode o. ä. zurückzuführen ist. Die Anzahl
der Tröpfchenbildungen bis zu diesem Zeitpunkt kann
daher als Maß für die Lebensdauer des Aufzeichnungskopfes
angesehen werden.
Tabelle 1 zeigt Vergleichsergebnisse in bezug auf die
Tröpfchenbildungsanzahl zwischen (a) dem Aufzeichnungskopf
dieses Ausführungsbeispiels, (b) einem Aufzeichnungskopf,
der durch Entfernung der TIQ-Schicht von (a)
hergestellt wurde, und (c) einem Aufzeichungskopf, der
die PIQ-Schichten nur am Bodenabschnitt der gemeinsamen
Flüssigkeitskammer aufwies. Für jeden Fall wurden
1000 Proben untersucht.
Wie aus Tabelle 1 hervorgeht, wurde mit dem erfindungsgemäß
ausgebildeten Aufzeichnungskopf in konstanter
Weise eine Tröpfchenbildungsanzahl von 10⁹ oder mehr
erreicht, so daß dieser Aufzeichnungskopf daher als
Aufzeichnungskopf mit mehreren Öffnungen verwendet
werden kann.
Bei dem Kopf des Beispiels (b) wurde die Verschlechterung
der Haltbarkeit in erster Linie durch galvanische
Korrosion der Al-Elektroden verursacht, da die Aufzeichnungsflüssigkeit
durch feine Löcher in der aufgespritzten
FeO₂-Schicht und der aufgespritzten Ta-Schicht drang.
Ferner war diese Verschlechterung auf einen Durchschlag
zwischen den Al-Elektroden und der Ta-Schicht zurückzuführen.
Bei dem Aufzeichnungskopf des Beispiels (c)
wurde galvanische Korrosion häufig in anderen Bereichen
als der gemeinsame Flüssigkeitskammer beobachtet, so
daß auch seine Zuverlässigkeit beeinträchtigt
wurde. Eine geringe galvanische Korrosion wurde
darüber hinaus im Bereich der PIQ-Schicht festgestellt,
die auf die Bodenfläche der gemeinsame Flüssigkeitskammer
aufgebracht worden war. Dies ist wahrscheinlich
auf einen Fehler in der PIQ-Schicht zurückzuführen, der
während der einzelnen Herstellungsstadien erzeugt wurde,
beispielsweise während des Verbindens mit der Rillenplatte
aus Glas.
Bei dem erfindungsgemäßen Aufzeichnungskopf, dessen Festigkeit
durch Laminieren einer Schicht aus einem anorganischen
Material auf eine Schicht eines organischen
Harzes, die mit hoher Präzision bearbeitet werden
kann, erhöht wird, werden keine Defekte während der einzelnen
Herstellungsstadien erzeugt. Dadurch wird die
Zuverlässigkeit des Aufzeichnungskopfes erhöht. Mit anderen
Worten, durch Abdeckung der Elektroden und der anderen
Bereiche mit Ausnahme des Wärmeeinwirkungsabschnittes mit
Doppelschichten, d. h. einer organischen Schicht und
einer anorganischen Schicht, wird die Betriebssicherheit
des Aufzeichnungskopfes in hohem Maße verbessert. Dies
ist besonders augenscheinlich, wenn eine Schutzschicht,
beispielsweise eine Ta-Schicht, mit einer hohen elektrischen
Leitfähigkeit als erste Schutzschicht verwendet wird. Hierbei
findet keine Verschlechterung der Haltbarkeit durch
einen Durchschlag zwischen der Al-Elektrode und der
Ta-Schutzschicht mit hoher Leitfähigkeit statt.
Claims (12)
1. Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf, bei dem zur
Bewirkung der Aufzeichnung eine in einer Kammer befindliche
Aufzeichnungsflüssigkeit in Tröpfchenform aus zumindest
einer Ausstoßöffnung ausgestoßen wird, wobei zum Ausstoßen
der Tröpfchen in einem Bereich der Kammer ein elektrothermischer
Wandler vorgesehen ist, der aus wenigstens einem
Paar gegenüberliegender Elektroden und einer mit diesen
elektrisch verbundenen wärmeerzeugenden Widerstandsschicht
besteht und im Bereich der Elektroden- bzw. Widerstandsschicht
mit zwei Schutzschichten abgedeckt ist, dadurch
gekennzeichnet, daß im Bereich der Elektrode unter dem
Flüssigkeitspfad auf eine Schicht (zweite Schutzschicht
214) aus organischem Material eine Schicht (erste Schutzschicht
211) aus anorganischem Material aufgebracht ist,
die sich auch über die Widerstandsschicht erstreckt.
2. Aufzeichnungskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das organische Material ein Harz ist.
3. Aufzeichnungskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das organische Material durch mikrophotolitographische
Techniken behandelt werden kann.
4. Aufzeichnungskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß es sich bei der zweiten Schutzschicht (214)
um eine ausgehärtete Polyimidindrochinazolin-dionschicht
handelt.
5. Aufzeichnungskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß es sich bei der zweiten Schutzschicht (214)
um eine ausgehärtete Polyimidharzschicht handelt.
6. Aufzeichnungskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß es sich bei der zweiten Schutzschicht (214)
um eine ausgehärtete Schicht aus zyklischem Polybutadien
handelt.
7. Aufzeichnungskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die zweite Schutzschicht (214) aus Silikonharz,
fluorenthaltendem Harz, aromatischem Polyamid, durch
Additionspolymerisation gewonnenem Polyimid, Polybenzimidazol,
Metallchelatpolymer, Titansäureester, Epoxidharz,
Phthalatharz, hitzehärtendem Phenolharz, p-Vinylphenolharz,
Zylok-Harz (Handelsname von Kondensationsprodukten von
Aralkyläthern mit Phenolen), Triazinharz oder BT-Harz
(Additionspolymerisationsharze von Triazinharz mit Bismaleimid)
besteht.
8. Aufzeichnungskopf nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die zweite Schutzschicht (214) Polyxylolharz
oder Derivate davon enthält.
9. Aufzeichnungskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die zweite Schutzschicht (214) durch Plasmapolymerisation
von Thioharnstoff, Thioacetamid, Vinylferrocen,
1,3,5-Trichlorbenzol, Chlorbenzol, Styrol, Ferrocen,
Pyrrolin, Naphthalin, Pentamethylbenzol, Nitrotoluol,
Acrylnitril, Diphenylselenid, p-Toluidin, p-Xylol, N,N-
dimethyl-p-toluidin, Toluol, Anilin, Diphenylquecksilber,
Hexamethylenbenzol, Malonitril, Tetracyanoäthylen, Thiophen,
Benzolselenol, Tetrafluoräthylen, Äthylen, N-nitrosodiphenylamin,
Azethylen, 1,2,4-Trichlorbenzol oder Propan
hergestellt ist.
10. Aufzeichnungskopf nach einem der Ansprüche 1 bis
9, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schutzschicht
(211) aus Übergangsmetalloxiden, wie beispielsweise Titanoxid,
Vanadiumoxid, Nioboxid, Molybdänoxid, Tantaloxid,
Wolframoxid, Chromoxid, Zirkonoxid, Hafniumoxid, Lantanoxid,
Yttriumoxid und Manganoxid, Metalloxiden, wie beispielsweise
Aluminiumoxid, Kalziumoxid, Strontiumoxid,
Bariumoxid und Siliciumoxid, Komplexen dieser Verbindungen,
Nitriden mit hohem elektrischen Widerstand, wie beispielsweise
Siliciumnitrid, Aluminiumnitrid, Bornitrid und Tantalnitrid,
Komplexverbindungen der Oxide mit Nitriden,
oder Halbleitermaterialien, wie beispielsweise amorphes
Silicium und amorphes Selen, besteht.
11. Aufzeichnungskopf nach einem der Ansprüche 1 bis
10, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeerzeugende Widerstandsschicht
(208) aus Tantalnitrid, Nichrom, Silber-
Paladium-Legierungen, Silicium-Halbleitermaterialien oder
Boriden der Metalle Hafnium, Lantan, Zirkon, Titan, Tantal,
Wolfram, Molybdän, Niob, Chrom und Vanadium, hergestellt
ist.
12. Aufzeichnungskopf nach einem der Ansprüche 1 bis
11, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrothermische
Wandler (201) Wärmeenergie erzeugt, die zum Flüssigkeitsausstoß
verwendet wird.
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