DE3403643A1

DE3403643A1 - Fluessigkeitsstrahl-aufzeichnungskopf

Info

Publication number: DE3403643A1
Application number: DE19843403643
Authority: DE
Inventors: Masami Machida Tokio/Tokyo Ikeda; Hiroto Ebina Kanagawa Matsuda; Tatsumi Hiratsuka Kanagawa Shohji; Hiroto Takahashi
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1983-02-05
Filing date: 1984-02-02
Publication date: 1984-08-09
Also published as: JPH0643128B2; DE3403643C2; FR2540435A1; FR2540435B1; US4694306A; JPS59143650A

Description

Flüssigkeitsstrah!-Aufzeichnungskopf

Die Erfindung bezieht sich auf einen Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf, der durch Abstrahlen einer Flüssigkeit zum Bilden fliegender FlUssigkeitströpfchen aufzeichnet.

Flüssigkeitsstrahl- bzw. Tintenstrahl-Aufzeichnungsverfahren haben in der letzten Zeit durch die Vorteile Aufmerksamkeit gefunden, daß das bei dem Aufzeichnen erzeugte Geräusch vernachlässigbar gering ist, daß eine hohe Aufzeichnungsgeschwindigkeit möglich ist und daß ferner auf gewöhnlichem Papier ohne die Erfordernis einer besonderen Behandlung zum Fixieren aufgezeichnet werden kann.

Von diesen Verfahren hat das gemäß DE-OS 28 43 064 (JP-OS 51837/1979) ein von anderen Aufzeichnungsverfahren unterschiedliches besonderes Merkmal insofern, als die Antriebskraft zum Ausstoß von Flüssigkeitströpfchen durch das Einwirken von Wärmeenergie auf die Flüssigkeit gewonnen wird.

A/22

-A- DE 366.4

D.h., nach dem in dieser DE-OS beschriebenen Aufzeichnungsverfahren erfährt die der Einwirkung der Wärmenergie ausgesetzte Flüssigkeit eine von einer plötzlichen Volumenvergrößerung begleitete Zustandsänderung, durch deren Wirkungskraft über eine Düsenöffnung an einem Vorderende eines Aufzeichnungskopfabschnitts Flüssigkeit so ausgestoßen wird, daß sie zu fliegenden Flüssigkeitströpfchen geformt wird, welche auf ein zu beschriftendes Material aufgebracht werden, wodurch an diesem die Aufzeichnung VO herbeigeführt wird.

Insbesondere ist das in der DE-OS 28 43 064 beschriebene Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungsverfahren nicht nur sehr wirkungsvoll als sogenanntes "Tröpfchen auf Abruf-Auf zeichnungsverfahren, anwendbar, sondern auch bei einem Aufzeichnungskopf, der zu einem Vollzeilen-Aufzeichnungskopf mit einer Vielzahl von Düsenöffnungen in hoher Dichte ausgebildet ist, so daß er Bilder hoher Auflösung und hoher Qualität bei hoher Geschwindigkeit liefern kann.

■Der Aufzeichnungskopfabschnitt der Vorrichtung zur Anwendung dieses Verfahrens hat einen Flüssigkeitsausstoßabschnitt mit einer für das Ausstoßen der Flüssigkeit gebildeten DUsenöffnung und einem Flüssigkeitskanal, welcher mit der Düsenöffnung verbunden ist und einen Wärmeeinwirkungsteil hat, an dem auf die Flüssigkeit Wärmeenergie zum Ausstoßen der Flüssigkeitströpfchen einwirkt, und einen elektrothermischen Wandler als Vorrichtung zum Erzeugen der Wärmeenergie.

Der elektrothermische Wandler hat ein Paar von Elektroden und eine Heizwiderstandsschicht, die an diese Elektroden angeschlossen ist und zwischen denselben einen Bereich zur Wärmeerzeugung (Heizteil) hat.

-5- DE 3664

Ein typisches Beispiel, das den Aufbau eines derartigen Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopfs veranschaulicht, ist in den Fig. IA und IB der Zeichnung gezeigt. Die Fig. IA ist eine Vorderansicht eines Flüssigkeitsstrahl-

Aufzeichnungskopfs von der Seite der Düsenöffnung her gesehen, während die Fig. IB eine Teilansicht eines
Schnitts längs einer strichpunktierten Linie X-Y in Fig. IA ist.

Ein Aufzeichnungskopf 101 ist demnach dadurch mit Düsenöffnungen 105 und Flüssigkeitsausstoßabschnitten 106 ausgestaltet, das eine Nutenplatte 104, die mit einer bestimmten Anzahl von Nuten einer bestimmten Breite und Tiefe unter einer vorbestimmten Liniendichte versehen ist, auf ein Substrat 103, das an seiner Oberfläche mit elektrothermischen V/andlern 102 versehen ist, in der Weise aufgeklebt ist, daß die Oberfläche des Substrats 103 überdeckt ist. Der in diesen Figuren dargestellte Aufzeichnungskopf ist mit einer Vielzahl von Düsenöffnungen 105 gezeigt. Der erfindungsgemäße Aufzeichnungskopf ist natürlich nicht auf derartige <Vusführungsformen beschränkt, sondern kann auch ein Aufzeichnungskopf mit einer einzigen Düsenöffnung sein, welcher gleichfalls zur Gattung des erfindungsgemäßen Aufzeichnungskopfs zählt.

Der Flüssigkeitsausstoßabschnitt 106 hat an seinem Abschlußende die Düsenöffnung 105 für das Ausstoßen der Flüssigkeit und eine Wärmeeinwirkungszone 107, welche die Stelle ist, an der die von dem elektrothermischen Wandler 102 erzeugte Wärmeenergie auf die Flüssigkeit derart einwirkt, daß Bläschen erzeugt werden und durch die Ausdehnung und Schrumpfung der Flüssigkeit plötzliche Zustandsänderungen hervorgerufen werden. Die Wärmeeinwirkungszone 107 liegt oberhalb eines Heizteils 108 des

:.Λ::. \.^:.:'.. =-=■ 3"ί 03 6

-6- DE 3664

elektrothermischen Wandlers 102 und hat an ihrer Bodenfläche an dem Heizteil 108 eine Wärmeeinwirkungsfläche 109, die mit der Flüssigkeit in Berührung steht.

Der Heizteil 108 ist aus einer unteren Schicht 110, einer

auf der unteren Schicht 110 angebrachten Heizwiderstandsschicht 111 und einer auf der Heizwiderstandsschicht 111 angebrachten oberen Schicht 112 gebildet. Die Heizwiderstandsschicht 111 ist an ihrer Oberfläche mit Elektro-10

den 113 und 114 für den Stromdurchlaß über die Schicht 111 versehen. Die Elektrode 113 ist für die Heizteile der jeweiligen Flüssigkeitsausstoßbereiche gemeinsam, während die Elektrode 114 eine Wählelektrode zum Anwählen

des Heizteils eines jeweiligen Flüssigkeitsausstoßab-15

Schnitts für die Wärmeerzeugung ist und längs des Flüssigkeitskanals des Flüssigkeitsausstoßabschnitts angebracht ist.

Die obere Schicht 112 hat die Funktion, zum chemischen

und physikalischen Schutz der Heizwiderstandsschicht 111 gegenüber der an dem Heizteil 108 verwendeten Flüssigkeit die Heizwiderstandsschicht 111 von der den Flüssigkeitskanal des Flüssigkeitsausstoßabschnitts füllenden Flüssigkeit zu trennen; ferner hat die Schicht 112 für

die Heizwiderstandsschicht 111 eine Schutzfunktion zum Verhindern eines Kurzschließens durch die Flüssigkeit zwischen den Elektroden 113 und 114 hindurch.

Die obere Schicht 112 dient auch zum Verhindern eines

Leckstroms zwischen benachbarten Elektroden. Insbesondere ist das Verhindern des Leckstroms zwischen den jeweiligen Wählelektroden bzw. das Verhindern elektrischer Korrosion wichtig, die durch den Stromfluß zwischen der Elektrode unterhalb des jeweiligen Flüssigkeitskanals und der Flüssigkeit auftreten könnte, mit welcher aus irgendeinem

-7- DE 3664

Grund ein Kontakt entstehen könnte; zu diesem Zweck ist die obere Schicht 112 mit dieser Schutzfunktion zumindest an der unterhalb des Flüssigkeitskanal liegenden Elektrode vorgesehen.

Ferner ist der an dem jeweiligen Flüssigkeitsausstoßabschnitt gebildete Flüssigkeitskanal stromauf des Flüssigkeitsausstoßabschnitts mit einer gemeinsamen Flüssigkeitskammer zur Aufnahme der dem Flüssigkeitskanal zuzuführenden Flüssigkeit verbunden, während zur Erleichterung der Gestaltung die Elektrode, die an den am jeweiligen Flüssigkeitsausstoßabschnitt vorgesehenen elektrothermischen Wandler angeschlossen ist, im allgemeinen in der Weise angebracht ist, daß sie stromauf der Wärmeeinwirkungszone unter dieser gemeinsamen Flüssigkeitskammer hindurchläuft.

Daher ist es in der Praxis allgemein üblich, auch an diesem Bereich die obere Schicht gemäß der Beschreibung anzubringen, um einen Kontakt zwischen der Elektrode und der Flüssigkeit zu verhindern.

Diese vorstehend genannte obere Schicht 112 muß aber Eigenschaften haben, die in Abhängigkeit von der Stelle unterschiedlich sind, an welcher die Schicht angebracht ist.

Beispielsweise ist es an dem Heizteil 108 erforderlich, daß die Schicht hinsichtlich (1) der Wärmebeständigkeit,

(2) der Flüssigkeitsbeständigkeit, (3) der Eigenschaften zum Verhüten des Durchtretens der Flüssigkeit, (4) der Wärmeleitfähigkeit, (5) der Oxidationsverhütung und (6) der Bruchfestigkeit hervorragend ist, während in den Bereichen außerhalb des Heizteils 108 es erforderlich ist, daß die Schicht hinsichtlich des Verhütens des

-8- DE 3664

Durchtretens der Flüssigkeit, der Flüssigkeitsbeständigkeit und der Bruchfestigkeit ausreichend gut ist, wobei hinsichtlich der thermischen Bedingungen keine besonderen Forderungen gestellt sind.

Heutzutage gibt es aber zum Bilden der oberen Schicht kein Material, das allen vorstehend genannten Eigenschaften' (1) bis (6). nach Wunsch genügt, so daß bei dem gegenwärtigen Zustand für einige der Eigenschaften (1) bis (6) leichtere Forderungen, gestellt werden.

D.h., die Wahl des Materials an dem Heizteil 108 erfolgt unter besonderer Beachtung der Eigenschaften (1), (4) und (5), während an den Teilen außerhalb des Heizteils 108 wie beispielsweise an den Elektrodenabschnitt die Wahl des Materials unter besonderer Beachtung der Eigenschaften (2), (3) und (6) vorgenommen wird, so daß daher an den jeweiligen Flächenbereichen die oberen Schichten unter Verwendung dementsprechender Materialien geformt werden.

Andererseits werden abweichend hiervon im Falle eines Mehrfachdüsen-Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopfes

bei der Herstellung an einem Substrat wiederholt die jeweiligen Schichten gebildet und die gebildeten Schichten teilweise wieder entfernt, um an dem Substrat gleichzeitig eine Vielzahl kleinster elektrothermischer Wandler zu bilden. Bei dem Schritt der Erzeugung der oberen
Schicht ist die Fläche, auf der die obere .Schicht zu bilden ist, in der Form kleinster Vorsprünge und Vertiefungen mit Flachkeil- bzw. Stufenbereichen geformt, so daß daher an diesen Stufenbereichen die Stufenabdeckungs-Eigenschaften der oberen Schicht wichtig werden.

Falls an diesen Stufenbereichen die Stufenabdeckungs-Eigenschaften schlecht sind, könnte an diesen Bereichen

-9- DE 3664

die Flüssigkeit hindurchtreten, wodurch die elektrische Korrosion oder das Durchbrechen der elektrischen Isolierung eingeleitet werden könnte.

Wenn ferner mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit in der oberen Schicht Fehlerstellen auftreten, die während der Herstellungsschritte nicht selten sind, dringt die Flüssigkeit über die Fehlerstellen durch, so daß die Lebensdauer des elektrothermischen Wandlers beträchtlich herabgesetzt wird.

Aus den vorstehend angeführten Gründen ist es erforderlich, daß die obere Schicht gute Stufenabdeckungseigenschaften an den Stufenbereichen hat und die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Nadellöchern in der erzeugten Schicht gering ist bzw. dann, wenn irgendwelche Löcher entstehen, diese in einem vernachlässigbaren Ausmaß klein sind.

In dem Stand der Technik wurde jedoch kein zufriedenstellender Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf vorgeschlagen, der allen diesen Anforderungen genügt und hinsichtlich der gesamten Nutzungsdauerhaftigkeit hervorragend ist.

In Anbetracht der vorstehend genannten verschiedenen Gesichtspunkte liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf zu schaffen, der hinsichtlich der Gesamt-Dauerhaftigkeit bei häufiger wiederholter Benutzung oder einer durchgehenden Benutzung über eine lange Zeitdauer hervorragend ist und bei dem anfängliche gute Eigenschaften hinsichtlich des Bildens der FlUssigkeitströpfchen über eine lange Zeitdauer
gleichmäßig aufrecht erhalten sind.

-10- DE 3664

Ferner soll mit der Erfindung ein Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf geschaffen weden, der hinsichtlich der Herstellungsbearbeitung außerordentlich zuverlässig ist.

Weiterhin soll mit der Erfindung ein Flüssigkeitsstrahl Aufzeichnungskopf geschaffen werden, der bei der Herstellung in MehrfachdUsen-Ausführung eine hohe Ausbeute ergibt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf gelöst, der einen Flüssigkeitsausstoßabschnitt mit einer Düsenöffnung für das Ausstoßen der Flüssigkeit zum Bilden fliegender Flüssigkeitströpfchen und mit einer · mit der Düsenöffnung in Verbindung

15' stehenden Wärmeeinwirkungszone, an der auf die darin enthaltene Flüssigkeit Wärmeenergie zum Bilden der Flüssigkeitströpfchen einwirkt, und einen elektrothermischen Wandler mit mindestens einem Paar einander gegenüberstehender Elektroden aufweist, die elektrisch mit einer an einem Substrat angebrachten Heizwiderstandsschicht verbunden sind, um dadurch zwischen diesen Elektroden einen Heizteil zu bilden, wobei der Aufzeichnungskopf eine Schutzschicht aufweist, die durch eine Umwandlung der Oberflächen dieser Elektroden in ein isolierendes anorganisches Material gebildet ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert .

Fig. IA und B dienen zur Darstellung des Aufbaus eines Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopfs nach dem Stand der Technik, wobei die Fig. IA eine schematische Teilvorderansich+-. ist und die Fig.

IB eine Teilansicht eines Schnitts längs einer

ι ;* ι. ι ι* ι . *..*ΐ ·3 4 υ J 6 4 J

-11- DE 3664
strichpunktierten Linie X-Y in Fig. IA ist.

Fig. 2A B, C und D sind Darstellungen des erfindungsgemäßen Aufzeichnungskopfs gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, wobei die Fig. 2A eine schematische Vorderansicht ist, die Fig. 2B eine Teilansicht eines Schnitts längs einer strichpunktierten Linie A-A¹ in Fig. 2A ist, die Fig. 2C eine Teilansicht eines Schnitts längs einer strichpunktierten Linie B-B¹ in Fig. 2B ist und die Fig. 2D eine schematische Draufsicht auf ein Substrat mit Elektroden und Heizwiderstandsschichten ist.

Fig. 3 ist eine schematische Ansicht, die den Hauptteil des erfindungsgemäßen Aufzeichnungskopfs gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt.

Die Fig. 2A ist eine Teilansicht des Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopfs gemäß einem vorzugsweise gewählten Ausführungsbeispiel in der Sicht von Düsenöffnungen her, und zeigt den Aufbau des Hauptteils des Aufzeichnungskopfs, während die Fig. 2B die Ansicht eines Schnitts längs einer strichpunktierten Linie A-A¹ in Fig. 2A ist. Die Darstellung in Fig. 2A entspricht derjenigen in der vorangehend beschriebenen Fig. IA, während die Darstellung in Fig. 2B'derjenigen in Fig. IB entspricht.

Ein in der Zeichnung gezeigter Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf 200 ist an einem Hauptteil aus einem mit einer gewünschten Anzahl elektrothermischer Wandler 201 versehenen Substrat 202 für die Flüssigkeitsstrahl- bzw. Wärme-Tintenstrahl-Aufzeichnung unter Anwendung von Wärme für den FlUssigkeitsausstoß und einer Nutenplatte 203 mit einer erwünschten Anzahl von Nuten gebildet, die

-12- DE 3664

jeweils den elektrothermischen Wandlern 201 entsprechend ausgebildet sind.

'Das Substrat 202 und die Nutenplatte 203 sind miteinander an vorbestimmten Stellen mittels eines Klebstoffs oder anderer Mittel verbunden, wodurch jeweils durch denjenigen Teil des Substrats 202, an dem der elektrothermische Wandler 201 angebracht ist, und den Nutenteil der Nutenplatte 203 ein Flüssigkeitskanal 204 gebildet ist, weleher als Teil seiner Gestaltung eine Wärmeeinwirkungszone 205 enthält.

Das Substrat 202 hat eine Trägerplatte 206 aus Silicium, Glas, Keramik oder dergleichen, eine auf der Trägerplatte 206 ausgebildete untere Schicht 207 aus SiO₂ oder dergleichen·, eine Heizwiderstandsschicht 208, Elektroden 209 und 210, die längs des Flüssigkeitskanals 204 an beiden Seiten der oberen Fläche der Heizwiderstandsschicht 208 angebracht sind, und eine schützende obere Schicht 211 aus einem anorganischen Material, das den von den Elektroden nicht abgedeckten Teil der Heizwiderstandsschicht und Teile der Elektroden 209 und 210 überdeckt.

Der elektrothermische Wandler 201 hat als Hauptteil einen Heizabschnitt, der aus aufeinanderfolgend von der.Trägerplatte 206 her aufgebrachten Schichten besteht, nämlich der unteren Schicht 207, der Heizwiderstandsschicht 208 und einem Teil der oberen Schicht 211, wobei die Oberfläche der oberen Schicht 211 als Wärmeeinwirkungsfläche 213 direkt mit der in dem Flüssigkeitskanal 204 enthaltenen Flüssigkeit in Berührung ist.

Bei dem in Fig. 2 gezeigten Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf 200 hat die obere Schicht 211 zur weiteren Verbesserung ihrer mechanischen Festigkeit einen Zweischichtenaufbau aus einer Schicht 216 und einer Schicht 217. Die Schicht 216 besteht aus einem anorganischen

-13- DE 3664

Material, welches relativ gesehen hinsichtlich elektrischer Isolierung, Wärmeleitfähigkeit und Wärmebeständigkeit hervorragend ist, wie beispielsweise aus anorganischen Oxiden wie SiO_? oder dergleichen oder anorganischen Nitriden wie Si₃N₄ oder dergleichen, während die Schicht 217 aus einem Material besteht, das zäh bzw. bruchfest ist, relativ gesehen hinsichtlich der mechanischen Festigkeit hervorragend ist und an der Schicht 216 haften kann. Wenn beispielsweise die Schicht 216 aus SiOp gebildet ist, besteht die Schicht 217 aus einem Metall wie Ta.

Auf diese Weise kann durch das Bilden der Oberflächenschicht der oberen Schicht 211 aus einem anorganischen Material wie einem Metall, das verhältnismäßig zäh ist und mechanische Festigkeit hat, die durch die bei dem Flüssigkeitsausstoß hervorgerufene Kavitationswirkung
entstehende Stoßbelastung in ausreichender Weise abgefangen werden, wodurch die Lebensdauer der elektrothermisehen Wandler 201 in großem Ausmaß verlängert wird.

Die als Oberflächenschicht der oberen Schicht 211 vorgesehene äußerste Schicht 217 ist jedoch nicht unbedingt erforderlich.

Ein Merkmal des erfindungsgemäßen Aufzeichnungskopfs besteht darin, daß an den Oberflächen der Elektroden 209 und 210 eine durch Umwandlung der Elektrodenflächen in ein anorganisches Isoliermaterial gebildete Schutzschicht 214 angebracht ist. Die Schutzschicht 214 wird auch zumindest an dem Bodenteil einer stromauf des Flüssigkeitskanals 204 auf der sich von der Elektrode 210 weg erstreckenden Linie vorgesehenen gemeinsamen Flüssigkeitskammer ausgebildet, welche in den Figuren nicht gezeigt ist.

!..-5403643

-14- DE 3664

Die Schutzschicht 214 wird an den Oberflächen der Elektrodenteile gebildet, wobei es ihre Hauptfunktionen sind, das Durchdringen der Flüssigkeit zu verhindern und eine Flüssigkeitsbeständigkeit hervorzurufen. Ferner ist es möglich, durch das Anbringen der Schutzschicht in der Weise, daß sie einen Elektrodenzuleitun^steil hinter der gemeinsamen Flüssigkeitskammer überdeckt, das Entstehen von Fehlerstellen oder Leiterunterbrechungen an dem Elektrodenzuleitungsteil zu verhindern, die während der Herstellung auftreten könnten.

Die Schutzschicht 214 wird aus einem anorganischen isolierenden Material gebildet, so daß sie die vorstehend genannten Funktionen erfüllen kann. Weitere anzustrebende Eigenschaften der Schutzschicht sind: (1) gute Filmbildungseigenschaften, (2) eine dichte Struktur ohne Nadellöcher oder Risse, (37 keine Denaturierung oder Lösung in der verwendeten Tinte bzw. Flüssigkeit, (4) gute Isoliereigenschaften bei der Formung zu einem Film und (5) hohe Wärmebeständigkeit.

Derartige anorganische isolierende Materialien sind beispielsweise Oxide, Carbide, Nitride und Boride von Metallen wie Al, Ta, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Mg, Si, Mo, W, Y, La oder dergleichen und Legierungen derselben. Auch irgendwelche anderen Materialien sind unter der Voraussetzung verwendbar', daß das anorganische isolierende Material auf der Elektrodenoberflache auf dichte Weise ohne die Entstehung von Rissen oder Nadellöchern gebildet werden kann.

Nach einem vorteilhaften Verfahren zum ULlden der Schutzschicht 214 an der Elektrodenoberfläche wird durch anodische Oxidation der Elektrodenabschnitte an den Elektrodenoberflächen eine Schicht aus einem Oxid gebildet,

-15- DE 3664

wie es im nachfolgenden anhand eines Beispiels beschrieben wird. Die nach diesem Verfahren gebildete Oxidschicht des Metalls ergibt eine ideale Überzugsschicht, die den vorstehend beschriebenen, für die Schutzschicht geforderten physikalischen Eigenschaften hat. Eine Oxidschicht kann auch durch Wärmeoxidation in Sauerstoff oder chemische Oxidation mit einem Oxidationsmittel gebildet werden. Die Umformung der Oberflächen ist nicht auf das Bilden einer Oxidschicht beschränkt, so daß alternativ eine Nitridschicht, eine Boridschicht oder eine Carb.idschicht gebildet werden kann.

Als Material zum Bilden der oberen Schicht 211 zählen zusätzlich zu den vorstehend genannten anorganischen Materialien Übergangsmetalloxide wie Titanoxid, Vanadiumoxid, Niobiumoxid, Molybdänoxid, Tantaloxid, Wolframoxid, Chromoxid, Zirkonoxid, Hafniumoxid, Lanthanoxid, Yttriumoxid, Manganoxid oder dergleichen, Metalloxide wie Aluminiumoxid, Calciumoxid, Strontiumoxid, Bariumoxid, SiIiciumoxid und Komplexe hiervon, Hochwiderstands-Nitride wie Siliciumnitrid, Aluminiumnitrid, Bornitrid, Tantalnitrid oder dergleichen und Komplexe dieser Oxide und Nitride sowie ferner Dünnfilm-Materialien wie Halbleiter aus amorphem Silicium, amorphem Selen oder dergleichen, welche als Block niedrigen spezifischen Widerstand haben, aber während der Herstellungsschritte wie beispielsweise nach dem Aufsprühverfahren, dem chemischen Vakuumablagerungsverfahren (CVD), dem Dampfablagerungsverfahren, dem Gasphasen-Reaktionsverfahren, dem Flüssigbeschichtungsverfahren oder dergleichen, einen hohen spezifischen Widerstand erhalten können. Die Schichtdicke soll vorzugsweise 0,1 bis 5 pm und am günstigten 0,2 bis 3 /Jm betragen.

Bei dem in den Fig. 2A und B gezeigten Ausführungsbei-

:.:3 4036A3

-16- DE 3664

spiel sind sowohl die Schutzschicht 214 als auch die obere Schicht 211 vorgesehen. Bei dem erfindungsgemäßen Aufzeichnungskopf muß jedoch die obere Schicht 211 nicht unbedingt aufgebracht werden; vielmehr kann die Aufgabe der Erfindung mit dem Aufzeichnungskopf auch allein dadurch gelöst werden, daß die Elektroden durch die auf den Oberflächen der Elektroden gebildete Schutzschicht 214 gegenüber der Flüssigkeit geschützt werden.

Das in den Fig. 2A und B ist ein vorzugsweise gewähltes Ausführungsbeispiel; die Überzugsschicht aus der Kombination der oberen Schicht mit der Schutzschicht ergibt
zusammen mit den verschiedenartigen Gestaltungen der
anderen Teile gemäß der nachstehenden Beschreibung

einen Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf, der hinsichtlich der Gesamt-Nutzungslebensdauer hervorragend
ist, eine hohe Zuverlässigkeit bei der Herstellung
und Bearbeitung zeigt und auch bei der Gestaltung in
Mehrdüsen-Ausführung eine hohe Produktionsausbeute

ergibt. .

Die untere Schicht 207 ist als eine Schicht vorgesehen, die den zu der Trägerplatte 206 gerichteten Strom der ursprünglich von dem Heizabschnitt 212 erzeugten Wärme steuert. Das Material und die Schichtdicke der unteren Schicht werden so gewählt, daß dann, wenn die Wärmenergie an der Wärmeeinwirkungszone 205 auf die Flüssigkeit einwirken soll, die von dem Heizabschnitt 212 erzeugte Wärme so gesteuert wird, daß ein größerer Anteil zu der Wärmeeinwirkungszone strömt, während- dann, wenn der Strom durch den elektrotherrnischen Wandler 201 abgeschaltet wird, die in dem Heizteil 212 verbliebene Wärme schnell zu der Trägerplatte 206 hin abfließen kann. Beispiele für Materialien zum Bilden der unteren Schicht 207 sind SiO„ gemäß den vorstehenden Ausführungen

»I:.:.34O3643

-17- DE 3664

und anorganische Materialien, und zwar typischerweise Metalloxide wie Tantaloxid, Magnesiumoxid, Aluminiumoxid oder dergleichen.

Als Material zum Bilden der Heizwiderstandsschicht 208 können die meisten der Materialien verwendet werden, welche bei Stromdurchfluß Wärme gemäß den Erfordernissen erzeugen.

im einzelnen zählen zu diesen Materialien beispielsweise Tantalnitrid, Nickelchrom, Silber-Palladium-Legierung, Silicium-Halbleiter oder Metalle wie Hafnium, Lanthan, Zirkon, Titan, Tantal, Wolfram, Molybdän, Niobium, Chrom, Vanadium usw., deren Legierungen und deren Boride als vorzugsweise zu wählende Materialien.

Aus den Materialien zum Bilden der Heizwiderstandsschicht 208 sind insbesondere als hervorragende Materialien die Metallboride zu nennen, von denen vor allem Hafniumborid die besten Eigenschaften hat und nach dieser Verbindung Zirkonborid, Lanthanborid, Vanadiurnborid und Niobiumborid mit in der genannten Aufeinanderfolge besseren Eigenschaften zu nennen sind.

Unter Verwendung der vorstehend genannten Materialien kann die Heizwiderstandsschicht 208 durch Elektrodenstrahl -Dampf ab lage rung oder Aufsprühen gebildet werden.

Zu den Materialien zürn Bilden der Elektroden 209 und 210 zählen elektrisch leitende Materialien, die das Bilden von Schichten aus anorganischem isolierenden Material ermöglichen, welche ohne Nadellöcher an ihren Oberflächen dicht sind, wie beispielsweise Al, Ta, Ti, Mg, Hf, Zr, V, W, Mo, Nb, Si und Legierungen derselben. Unter Verwendung dieser Metalle werden die Elektro-

-18- DE 3664

den nach einem Verfahren wie beispielsweisei durch Dampfablagerung in den erwünschten Abmessungen, Formen und Dicken aufgebracht.

Als Material zum Bilden des Aufbauteils für die stromauf der Nutenplatte 203 und der Wärmeeinwirkungszone 205 angeordnete gemeinsame Flüssigkeitskarnmer sind die meisten Materialien nutzvoll unter der Voraussetzung verwendbar, daß durch die Wärme während der Bearbeitung des Aufzeichnungskopfs oder unter den Umgebungsbedingungen während des Gebrauchs die Form nicht oder im wesentlichen nicht beeinflußt wird, daß eine leichte hochgenaue Bearbeitung möglich ist, bei der leicht die Flächengenauigkeit erreicht werden kann, und daß das Material so bearbeitet werden kann, daß die Flüssigkeit reibungslos durch die bei solchen Arbeitsschritten gebildeten Durchlässe fließen kann.

Die Fig. 2C ist eine Teilansicht eines Schnitts längs einer strichpunktierten Linie B-B'in Fig. 2B.

Bei dem Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf 200 gemäß der Darstellung in Fig. 2B ist die Schutzschicht 214 außer Berührung mit der Wärmeeinwirkungsfläche 213 des Flüssigkeitskanals 204 angebracht, jedoch kann in einer Abwandlung die Schutzschicht 214 in Berührung mit der Wärmeeinwirkungsfläche 213 angebracht sein.

Die Erfindung wird nun anhand eines Beispiels beschrieben.

Beispiel

Ein Si-Plättchen wurde thermisch oxidiert, um es in einen SiO»-Film mit einer Dicke von 5 pm zu formen,

-19- DE 3664

der ein Substrat bildete. Auf dem Substrat wurde durch Aufsprühen bzw. Kathodenzerstäubung eine Heizwiderstandsschicht aus HfB_p mit einer Dicke von 150 nm gebildet, wonach durch Elektronenstrahl-Dampfablagerung aufeinanderfolgend eine Ti-Schicht mit 5 nm Dicke und eine Al-Schicht mit 1 pm Dicke abgelagert wurden.

Mit fotolithografischen Schritten wurde das in Fig. 2D gezeigte Muster gebildet, wobei die Abmessungen der Wärmeeinwirkungsfläche als 30 /am Breite und 150 um Länge ermittelt wurden und wobei der Widerstandswert einschließlich des Widerstands der Al-Elektroden 150 0hm betrug.

In einem nächsten Schritt wurde allein der Al-Elektrodenbereich unter Ausschluß eines Anschlußabnahmebereichs anodisch auf eine Dicke von 500 nm oxidiert. Im folgenden wird die anodische Oxidation der Al-Elektrode beschrieben.

Eine Trägerplatte, auf der die Heizwiderstandsschicht und die Elektroden mit den vorbestimmten Mustern gebildet waren, wurde gewaschen und getrocknet, wonach eine Schleuderbeschichtung mit Fotolack OMR- 83 (von Tokyo Oka Co.) folgte. Nach dem Trocknen wurde das Produkt mit Hilfe eines Maskenausrichtgeräts belichtet und dann einer Entwicklungsbehandlung unterzogen, um ein erwünschtes Muster für die anodische Oxidation zu erhalten.

Danach wurde unter Verwendung einer 10%igen H„PO.-Lösung die anodische Oxidation bei einer Badtemperatur von 10 C und einer Stromdichte von 5 mA/cm mit einer Gegenelektrode aus Platin über 5 Minuten ausgeführt (wobei während der Oxidation die Probe festgelegt war und

-20- DE .'3 G M

das elektrolytische Bad mit einem Rührwerk .·ηι:;γ(> tchend umgerührt wurde). Nach dem Waschen mit Wasser und dem Trocknen wurde der Fotolack mit einer AhstreifLosunj¹, für "OMR" abgelöst, wonach ein gründliches Waschen und Trocknen folgte, wodurch der Schritt zum Bilden der Oxidationsschicht abgeschlossen wurde.

Nach dem Bilden der Anodenoxidationsschicht wurde auf dieser durch eine Hochgeschwindigkeits-Zerstäubung eine SiO_?-AufSprühschicht in einer Dicke von 2,2 um abgelagert, wonach eine weitere Beschichtung mit einer Ta-Schicht i-n einer Dicke von 0,5 ium durch Kathodenzerstäubung von Ta erfolgte. Auf das sich ergebende Aufzeichnungskopf-Substrat wurde planmäßig eine Nutenplatte aus Glas geklebt. Dabei wurde entsprechend der Darstellung in Fig. 2B auf das Substrat zum Bilden des Tintenbzw. Flüssigkeits-Einführungskanals und der Wärmeeinwirkungszone eine mit Nuten versehene Glasplatte aufgeklebt (50 pn χ 50 μιη, Länge 20 mm).

Auf diese Weise wurde ein Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf fertiggestellt.

Wenn an den elektrothermischen Wandler des dermaßen fertiggestellten Aufzeichnungskopfs eine Rechteckwellen-Spannung von 30 V mit einer Frequenz von 800 Hz für 10 us angelegt wurde, wurde die Flüssigkeit entsprechend den angelegten Signalen so ausgestoßen, daß gleichmäßig fliegende Flüssigkeitströpfchen geformt wurden.

Wenn die Bildung solcher Tröpfchen wiederholt wird, kann . bei einem schlecht hergestellten Kopf durch die elektrische Korrosion der Al-Elektroden eine Leiterunterbrechung oder ein Isolationsdurchbruch zwisehen der Ta-Schutzschicht und den Al-Elektroden auftreten,

.:3403642

DE 36M

bis schließlich keine Tinte bzw. Flussigkeit mohr ausgestoßen wird. Die Anzahl dieser Wiederholungen wird hier als "Beständigkeitszahl" bezeichnet.

Die Beständigkeitszahlen und die Produktionsausbeuten wurden für drei Proben ermittelt, nämlich (a) fur einen Aufzeichnungskopf gemäß dem vorstehend beschriebenen Beispiel, (b) für einen Aufzeichnungskopf, der (zur Kontrolle) ohne die Anodenoxidations-Schicht hergestellt wurde, und (c) einen Aufzeichnungskopf gemäß einem der Ausführungsbeispiele, der mit der Ausnahme, daß die Anodenoxidations-Schicht von der Wärmeeinwirkungsschicht abliegend gebildet war, der gleiche wie derjenige gemäß dem vorstehend beschriebenen Beispiel war; dabei wurden die in der nachstehenden Tabelle 1 angeführten Ergebnisse erzielt (wobei die Bewertung für jeweils 1000 Probestücke vorgenommen wurde). Die Produktionsausbeuten stellen Ergebnisse einer Kurzschlußprüfung zwischen der Ta-Schicht und dem Leiterteil dar.

	Ausbeute	Tabelle	1	10⁷-10⁹ 10⁹ oder größer
Probe		Beständigkeitszahl	0,3 % 99,7 % 24 % 1 % 3,4 % 96,6 %
	97 % 55 % 93 %	7 10 oder kleiner	1 gezeigten Ergebnissen
(a) (b) (c)	aus den in	0 % 75 % 0 %
Wie	der Tabelle

ersichtlich ist, kann bei dem erfindungsgemäßen Aufzeich-

q nungskopf gleichmäßig eine Beständigkeitszahl von 10 erreicht werden. Daher ist der Kopf zur Verwendung als Mehrfachkopf geeignet. Bei dem Kopf (b) ist ausge-

prägt die Haltbarkeits-Verschlechterung ersichtlich,

-22- DK 30Γ>4

die auf der elektrischen Korrosion uo.r Λ1-Kl oktrodcn durch das Hindurchtreten der Aufzei.chnunj»:">f lUrssigkeit durch die Nadellöcher in der Auf spriihschicht aus SiO_? und Ta sowie auf dem Durchbruch der Isolation zwischen der Al-Elektrode und der Ta-Schicht beruht. Bei dem Kopf (c) sind sowohl die Ausbeute als auch die Beständigkeitszahl gegenüber denjenigen bei dem Kopf (a) schlechter, was auf den Urnstand zurückzuführen ist, daß viele Durchbrüche an der Grenzfläche zwischen dem Heizwiderstand und dem Leiterteil aufgetreten sind und die Stufenabdeckung durch SiO₂ an diesem Bereich ^unzureichend war. Es ist möglich, die llaltbarkeits-Zuverlässigkeit des Kopfs (c) dadurch auf diejenige des Kopfs (a) zu bringen, daß das Filmmaterial auf den Leiterbereich reduziert wird.

D.h., durch das Bilden der Schutzschicht durch Verändern der Elektrodenoberfläche in ein anorganisches isolierendes Material, wie es bei dem erfindungsgemäßen Aufzeichnungskopf der Fall ist, werden die Zuverlässigkeit und die Ausbeute außerordentlich verbessert. Diese Richtung hinsichtlich der Verbesserung der Zuverlässigkeit ist besonders bei einem Kopf mit einer oberen schützenden Schicht mit guter elektrischer Leitfähigkeit wie Ta als anorganische Schicht ausgeprägt, wobei hier überhaupt' keine Verkürzung der Haltbarkeit durch eine Zerstörung der Isolation zwischen der Al-Leiterelektrode und der elektrisch leitenden Ta-Schutzschicht auftritt.

Bei dem beschriebenen Beispiel wurde die Anodcnoxidations-Schicht durch die Anwendung der elektrochemischen anodischen Oxidation gebildet, jedoch ist us auch mo.i',-lich, eine Oxidationsschicht durch Erwärmungsoxidation unter der Voraussetzung zu bilden, daß keine Beeihflussung anderer Teile auftritt. Alternativ kann die Oxi-

dationsschich t auch unter der Vorauüso tiling, daß keine Probleme hinsichtlich der Filmqualität cnt.s t'.-hon, durch eine chemische Oxidation wie beispielsweise eine. Oberflächenbehandlung mit einem Oxidationsmittel gebildet werden.

Weiterhin besteht hinsichtlich des anorganischen isolierenden Materials für die Schutzschicht 214 keine Einschränkung auf. ein Oxid; vielmehr können auch ein Nitrid, ein Borid oder ein Carbid verwendet werden.

Ferner wird bei dem beschriebenen Beispiel während der anodischen Oxidation die Wärmeeinwirkungsfläche 213 einer Musterformung unterzogen; falls aber die Oxidation der Heizwiderstandsschicht 208 vernachlässigbar ist oder durch die Gestaltung des Substrats wie beispielsweise durch die Verstärkung der Filmdicke der Heizwiderstandsschicht 208 vernachlässigbar gemacht wird, ist keine Musterbildung erforderlich. Die Fig. 3 ist eine Schnittansicht der Wärmeeinwirkungsfläche 213 in dem Fall, daß die anodische Oxidation ohne eine der Fig. 2B entsprechende Musterbildung vorgenommen wurde.

Ferner erfolgt bei dem beschriebenen Beispiel die anodisehe Oxidation unter Verwendung eines Phosphorsäure-Bades. Dieses kann durch irgendein beliebiges elektrolytisches Bad ersetzt werden, das die Bildung eines Schutzfilms mit den vorstehend beschriebenen Eigenschaften ermöglicht, wie beispielsweise ein Bad mit Schwefelsäure, Oxalsäure, Zitrussäure, Weinsäure, Chromsäure, Borsäure oder dergleichen oder ein Mischbad aus diesen Säuren. Hinsichtlich der elektrolytischen Bedingungen besteht keine Einschränkung unter der Voraussetzung, daß in der erzeugten Schutzschicht 214 die vorangehend genannten Eigenschaften erzielt werden können. Ferner ist es

-24- im·: :άλ>λ

auch möglich, eine PorendichtunjV'beh.md 1 uni>, ir/.w. Po runfüllung durch eine zweite Elektrolyse in einem neutralen Bad wie einem solchen mit Borsäure und Nat.r i um Ie tr.-ibornt oder dergleichen anzuwenden, um Nadellöcher zu verkleinern bzw. zu verringern, wodurch ein weiter verbesserter Film erzielbar ist.

Als Verfahren zum Bilden der Schutzschicht bei dem erfindungsgemäßen Aufnahmekopf zählt auch ein Verfahren, bei dem durch Dampfabiagerung, Zerstäubung, chemische Vakuum ab lage rung oder dergleichen auf e Lnetu Leitermaterial, das kaum ein Oxidationsprodukt bildet, wie beispielsweise Au, Pt, Ag oder dergleichen, eine Schicht aus einem Material gebildet wird, das leicht in einen Oxidationsfilm umgeformt werden kann, und danach nur diese Schicht oxidiert wird, um die Schutzschicht zu bilden.

Ein Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf, der einen Flüssigkeitsausstoßabschnitt mit einer Düsenöffnung für den Ausstoß der Flüssigkeit in der Form von Flüssigkeitströ'pfchen und einer mit der Düsenöffnung in Verbindung stehenden Wärmeeinwirkungszone, an der an der Flüssigkeit Wärmeenergie zum Bilden fliegender Flüssigkeitströpfchen einwirkt, und einen elektrothermischen Wandler mit mindestens einem Paar einander "gegenüberstehender Elektroden aufweist, die elektrisch an eine auf einem Substrat gebildete üeizwiderstandsschicht angeschlossen sind, um zwischen diesen Elektroden einen He.izabschnitt zu bilden, hat eine Schutzschicht, die durch Umformung der Oberflächen der Elektroden in ein isolierendes anorganisches Material gebildet ist.

Claims

TlEDTKE - BüHLING - KlNNE Pb1 ι ΜΑΜκι - ßoAMc - Q/oriitr · ' -l '- •..DipC-lng. H.Tiedtke rELLMANN URAMS OTRUlF Dipi.-Chem. G. Bühling Dipl.-Ing. R. Kinne 4 O 3 6 A 3 Dipl.-lng. R Grupe Dipl.-Ing. B. Pellmann Dipl.-Ing. K. Grams Dipl.-Chem. Dr. B. Struif Bavariaring 4, Postfach 20240 8000 München 2 Tel.: 089-539653 Telex: 5-24845 tipat Telecopier: O 89-537377 cable: Germaniapatent Münche 2. Februar 1984 DE 3664 Patentansprüche

1. Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf, der einen FlUssigkeitsausstoßabschnitt mit einer Düsenöffnung für den Ausstoß der Flüssigkeit zum Bilden fliegender Flüssigkeitströpfchen und einem mit der Düsenöffnung verbundenen Wärmeeinwirkungsteil, an dem Wärmeenergie zum Bilden der FlUssigkeitströpfchen auf die Flüssigkeit einwirkt, und einen elektrothermischen Wandler mit mindestens einem Paar aneinander gegenüberstehender Elektroden aufweist, die elektrisch mit einer an einem Substrat angebrachten Heizwiderstandsschicht verbunden sind, um dadurch zwischen den Elektroden einen Heizabschnitt zu bilden, gekennzeichnet durch eine Schutzschicht (214), die durch Umwandlung der Oberfläche der Elektroden (209, 210) in ein isolierendes anorganisches Material gebildet ist.

2. Aufzeichnungskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (214) eine Schicht aus einem Oxid, einem Nitrid, einem Borid oder einem Carbid ist.

A/22

03643 - -2- DE 3664

1

3. Aufzeichnungskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (214) eine Oxidschicht ist.