DE3503283C2 - Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf - Google Patents

Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf

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Description

Die Erfindung betrifft einen Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf, der Flüssigkeit ausstößt, um fliegende Flüssigkeitströpfchen für eine Aufzeichnung zu erzeugen.
Bei einem Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf, gemäß der DE-OS 32 31 431 wird einer Flüssigkeit Wärmeenergie zugeführt, um eine Triebkraft für das Ausstoßen von Flüssigkeitströpfchen zu erzeugen.
Dabei wird eine plötzliche Zunahme des Volumens der Flüssigkeit bewirkt, so daß die Flüssigkeit aus einer Öffnung an der Vorderseite eines Aufzeichnungskopfes ausgestoßen wird und fliegende Flüssigkeitströpfchen bildet. Die Tröpfchen treffen auf ein Aufzeichnungsempfangsmaterial.
Der Aufzeichnungskopf enthält einen Flüssigkeitsausstoßbereich, der aus einer Öffnung für das Ausstoßen von Flüssigkeit und einer Flüssigkeitsströmungsbahn, die einen Wärmeeinwirkungsbereich, in dem der Flüssigkeit Wärmeenergie für das Ausstoßen von Flüssigkeitströpfchen zugeführt wird, enthält und mit der Öffnung in Verbindung steht, gebildet ist, und einen elektrothermischen Wandler für die Erzeugung von Wärmeenergie.
Der elektrothermische Wandler enthält ein Paar Elektroden, die auf einem Träger ausgebildet sind, und eine mit den Elektroden verbundene Widerstandsheizungsschicht, die zwischen den Elektroden einen wärmeerzeugenden Bereich (Wärmeerzeugungsbereich) aufweist.
Bei dem typischen Aufbau nach der DE-OS 32 31 431 besteht der Wärmeerzeugungsbereich aus einer Widerstandsheizungsschicht, die auf einer auf einem Träger ausgebildeten unteren Schicht vorgesehen ist, und einer auf der Widerstandsheizungsschicht vorgesehenen Schutzschicht. Auf der Oberfläche der Widerstandsheizungsschicht sind Elektroden vorgesehen, damit zu der Widerstandsheizungsschicht elektrischer Strom für die Erzeugung von Wärme fließen kann. Eine Elektrode ist eine Anwählelektrode zum Anwählen des Wärmeerzeugungsbereichs von jedem Flüssigkeitsausstoßbereich, um Wärme zu erzeugen, und ist entlang der Flüssigkeitsströmungsbahn von jedem Flüssigkeitsausstoßbereich vorgesehen, und die andere Elektrode ist eine Elektrode, die den Wärmeerzeugungsbereichen der Flüssigkeitsausstoßbereiche gemeinsam ist.
Die Schutzschicht dient zum chemischen und physikalischen Schutz der Widerstandsheizungsschicht vor der Flüssigkeit an dem Wärmeerzeugungsbereich durch Trennung bzw. Isolierung der Widerstandsheizungsschicht von der Flüssigkeit, die sich in dem Flüssigkeitsausstoßbereich der Flüssigkeitsströmungsbahn befindet, und die Schutzschicht verhindert ferner, daß die Elektroden durch die Flüssigkeit kurzgeschlossen werden. Auf diese Weise dient die Schutzschicht zum Schutz der Widerstandsheizungsschicht. Sie dient auch zur Verhinderung des Entstehens von Kriechstrom zwischen benachbarten Elektroden. Es ist besonders wichtig, einen Kriechstrom zwischen Anwählelektroden und eine elektrochemische Korrosion von Elektroden zu verhindern, die durch elektrischen Strom verursacht wird, der in einer Elektrode fließt und auf eine aus einem bestimmten Grunde vorkommende Berührung einer unter der Flüssigkeitsströmungsbahn befindlichen Elektrode mit der Flüssigkeit zurückzuführen ist. Infolgedessen ist mindestens auf einer Elektrode, die unter einer Flüssigkeitsströmungsbahn angeordnet ist, eine solche Schutzschicht vorgesehen.
Neben der oben bereits erwähnten DE-OS 32 31 431 beschreiben auch die DE-OS 30 11 919 und die DE-OS 34 46 968 eine solche Schutzschicht. Diese Schutzschichten können aus mehreren Schichten aufgebaut sein, wobei die jeweiligen Materialien der Teilschichten ausgewählt sind aus anorganischen, anorganisch isolierenden und organischen Materialien. Ferner kann die aufgebrachte Reihenfolge der einzelnen Teilschichten variiert sein.
Bei einem Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf mit einer Vielzahl von Öffnungen werden die Bildung jeder Schicht auf dem Substrat und die Entfernung eines Teils der gebildeten Schicht wiederholt, weil auf dem Substrat gleichzeitig eine Anzahl von feinen elektrothermischen Wandlern ausgebildet werden, und als Ergebnis wird die Oberfläche, auf der jede Schicht in der Schutzschicht auszubilden ist, eine Oberfläche mit feinen Unebenheiten, die Stufenrandbereiche aufweist, und infolgedessen wird das Stufenbedeckungsvermögen der die Schutzschicht bildenden Schichten in den Stufenrandbereichen wichtig. Mit anderen Worten, wenn das Stufenbedeckungsvermögen in den Stufenrandbereichen schlecht wird, dringt in diesen Bereichen Flüssigkeit ein und verursacht eine elektrochemische Korrosion oder einen dielektrischen Durchschlag. Wenn die gebildete Schutzschicht bei ihrer Fertigung mit einer beträchtlichen Wahrscheinlichkeit Fehler bzw. schadhafte Bereiche bildet, dringt ferner durch den schadhaften Bereich Flüssigkeit ein, was dazu führt, daß die Lebens- bzw. Betriebsdauer des elektrothermischen Wandlers in einem hohen Ausmaß verkürzt wird.
Im Hinblick auf den vorstehend ausgeführten Sachverhalt ist es erforderlich, daß die Schutzschicht am Stufenrand ein gutes Stufenbedeckungsvermögen hat, daß in der gebildeten Schicht nur mit niedriger Wahrscheinlichkeit Fehler wie z. B. Nadellöcher auftreten und daß selbst im Fall der Bildung von Fehlern deren Anzahl vernachlässigbar klein ist.
Um diese Bedingungen zu erfüllen, ist die Schutzschicht bisher dadurch hergestellt worden, daß eine aus einem anorganischen isolierenden Material bestehende erste Schutzschicht und eine aus einem organischen Material bestehende zweite Schutzschicht laminiert bzw. übereinandergeschichtet wird oder daß die erste Schutzschicht aus zwei Schichten, nämlich einer weiter unten befindlichen, aus einem anorganischen isolierenden Material bestehenden Schicht und einer weiter oben befindlichen Schicht, die aus einem anorganischen Material mit hoher Zähfestigkeit und relativ guter mechanischer Festigkeit wie z. B. einem Metall besteht, das gegenüber der weiter unten befindlichen Schicht und gegenüber der zweiten Schutzschicht Adhäsion und Kohäsion zeigt, gebildet wird, oder daß die zweite Schutzschicht von einer aus einem anorganischen Material wie z. B. einem Metall bestehenden dritten Schutzschicht überlagert wird.
Es ist jedoch sehr schwierig, durch das vorstehend erwähnte Verfahren eine Schutzschicht zu bilden, die keine Fehler bzw. keine schadhaften Stellen aufweist. Ein Flüssigkeitsstrahl- Aufzeichnungskopf, der alle Bedingungen erfüllt und eine ganz hervorragende Haltbarkeit für die Anwendung zeigt, ist noch nicht zur Verfügung gestellt worden.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Flüssigkeitsstrahl- Aufzeichnungskopf zur Verfügung zu stellen, bei dem ein elektrischer Durchschlag zwischen den Elektroden in wirksamer Weise verhindert wird, so daß bei häufiger, wiederholter und langzeitiger, kontinuierlicher Anwendung die Haltbarkeit verbessert wird.
Die Aufgabe wird durch einen Flüssigkeitsstrahl- Aufzeichnungskopf mit einem Substrat, das eine Widerstandsheizungsschicht und mindestens ein Paar einander gegenüberliegender Elektroden, die mit der Widerstandsheizungsschicht elektrisch leitend verbunden sind, aufweist, dadurch gelöst, daß mindestens ein Teil von jeder Elektrode des einen Paares von Elektroden mit der Widerstandsheizungsschicht beschichtet ist.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen zum Patentanspruch 1 gekennzeichnet.
Ein erfindungsgemäßer Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben.
Fig. 1A und 1B betreffen einen erfindungsgemäßen Flüssigkeitsstrahl- Aufzeichnungskopf. Fig. 1A zeigt schematisch eine Teilvorderansicht, und Fig. 1B ist eine Teilansicht eines Schnittes entlang der Strichpunktlinie A-A′ in Fig. 1A.
Fig. 2A, 2B und 2C sind Teilansichten von Schnitten entlang der Strichpunktlinie A-A′ in Fig. 1A und zeigen Ausführungsformen der Erfindung.
Fig. 3A, 3B und 3C sind Draufsichten der Substratoberfläche von Ausführungsformen der Erfindung.
Der Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf 200 besteht im wesentlichen aus einem Substrat 202, das mit einer festgelegten Anzahl von elektrothermischen Wandlern für eine Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnung, bei der für das Ausstoßen von Flüssigkeit Wärme angewandt wird, versehen ist, und einer mit Nuten versehenen Platte 203 mit einer festgelegten Anzahl von Nuten, die den vorstehend erwähnten elektrothermischen Wandlern entsprechen. Fig. 1A zeigt ferner Ausstoßöffnungen 204-1, 204-2 und 204-3.
Das Substrat 202 und die mit Nuten versehene Platte 203 sind in festgelegten Bereichen beispielsweise mit Klebstoffen verbunden bzw. verklebt, um eine Flüssigkeitsströmungsbahn 215 zu bilden, die durch den Bereich des Substrats 202, wo der elektrothermische Wandler vorgesehen ist, und durch die Nut der mit Nuten versehenen Platte 203 abgegrenzt wird, und die Flüssigkeitsströmungsbahn 215 weist einen Wärmeeinwirkungsbereich 206 auf.
Das Substrat 202 ist aus einem Träger 214, der z. B. aus Silicium, Glas oder keramischem Werkstoff besteht, einer den Träger 214 überlagernden unteren Schicht 209, die beispielsweise aus SiO₂ besteht, einer gemeinsamen Elektrode 212, einer Anwählelektrode 213, einer beide Elektroden überlagernden Widerstandsheizungsschicht 210 und einer die Widerstandsheizungsschicht 210 überlagernden Schutzschicht 211 gebildet.
Der elektrothermische Wandler enthält als Hauptteil einen Wärmeerzeugungsbereich 207. Der Wärmeerzeugungsbereich 207 besteht aus dem Träger 214, der unteren Schicht 209, der Widerstandsheizungsschicht 210 und der Schutzschicht 211, die aufeinanderfolgend ausgebildet sind. Die Oberfläche der Schutzschicht 211 (die Wärmeeinwirkungsoberfläche 208) kommt direkt mit der in die Flüssigkeitsströmungsbahn 215 eingefüllten Flüssigkeit in Berührung.
Die Schutzschicht 211 besteht aus anorganischen Materialien, die relativ gute elektrische Isoliereigenschaften, eine relativ gute Wärmeleitfähigkeit und eine relativ gute Wärmebeständigkeit haben, beispielsweise aus anorganischen Oxiden wie z. B. SiO₂ oder aus anorganischen Nitriden wie z. B. Si₃N₄.
Wie vorstehend beschrieben wurde, kann die Schutzschicht 211 aus einer Kombination einer ersten Schutzschicht, einer zweiten Schutzschicht und einer dritten Schutzschicht gebildet werden.
Als Materialien, die die erste Schutzschicht bilden, werden vorzugsweise anorganische isolierende Materialien, die eine relativ gute Wärmeleitfähigkeit und eine relativ gute Wärmebeständigkeit haben, verwendet.
Die zweite Schutzschicht besteht aus einem organischen isolierenden Material, das hinsichtlich der Verhinderung des Eindringens von Flüssigkeit und hinsichtlich der Flüssigkeitsbeständigkeit hervorragend ist.
Wenn ein Aufzeichnungskopf mit einer Vielzahl von Öffnungen hoher Dichte hergestellt wird, ist es jedoch abgesehen von den vorstehend erwähnten organischen Materialien erwünscht, als Materialien für die Bildung der zweiten Schutzschicht organische Materialien zu verwenden, die sehr leicht durch eine Fein-Photolithographie bearbeitet werden können.
Als Material, das die Widerstandsheizungsschicht 210 bildet, können die meisten Materialien verwendet werden, die imstande sind, in der gewünschten Weise Wärme zu erzeugen, wenn elektrischer Strom hindurchfließt.
Es ist jedoch erwünscht, daß die Materialien durch die verwendete Tinte bzw. Flüssigkeit nicht chemisch verändert und darin nicht gelöst werden und eine hohe Wärmebeständigkeit haben.
Selbst wenn die Tinte, die sich in der Flüssigkeitsströmungsbahn befindet, durch in der Schutzschicht 211 gebildete Risse und Nadellöcher hindurch mit dem Substrat in Berührung kommt, werden diese Materialien in dem Bereich, der mit der Tinte in Berührung kommt, passiviert, und eine passivierte bzw. reaktionsträge Schicht wird gebildet. Infolgedessen erreicht die Tinte bzw. die Flüssigkeit nicht die Elektrodenschicht, und es tritt keine elektrochemische Korrosion ein. Dadurch wird die Haltbarkeit des Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopfes verbessert.
Unter Verwendung des vorstehend erwähnten Materials kann die Widerstandsheizungsschicht 210 durch ein Verfahren wie z. B. ein Elektronenstrahlverfahren oder ein Zerstäubungsverfahren gebildet werden.
Als Materialien für die Bildung der Elektroden 212 und 213 können die meisten üblichen Elektrodenmaterialien wirksam verwendet werden.
Die Elektroden 212, 213 können beispielsweise durch Aufdampfen an einer festgelegten Stelle mit einer festgelegten Abmessung, Gestalt und Dicke gebildet werden.
Wie es vorstehend beschrieben wurde, kann die Widerstandsheizungsschicht 210 auf der gesamten Oberfläche der Elektroden 212 und 213 gebildet werden, wie es in Fig. 2A gezeigt ist, oder nur auf der unter der Flüssigkeitsströmungsbahn 215 befindlichen Oberfläche der Elektroden 212 und 213, wie es in Fig. 2B gezeigt wird. Alternativ kann in dem Fall, daß eine Auflösung der Elektroden 212, 213 durch eine geeignete Wahl des Materials der Schutzschicht 211 oder durch eine geeignete Struktur derselben, die aus einer ersten Schutzschicht 211-1 und einer zweiten Schutzschicht oder dritten Schutzschicht 211-2 besteht, wie es in Fig. 2C gezeigt wird, fast vollständig verhindert werden kann, eine ausreichende Wirkung erzielt werden, wenn die Widerstandsheizungsschicht 210 nur in einem begrenzten Bereich vorgesehen wird.
Ferner ist die Breite der Widerstandsheizungsschicht 210 vorzugsweise größer als die Breite der Elektroden 212 und 213, wie es in Fig. 3A gezeigt wird. Es ist jedoch nur erforderlich, daß die Oberfläche der Elektroden 212, 213 fast durch die Widerstandsheizungsschicht 210 bedeckt wird, wie es in Fig. 3B gezeigt wird. Alternativ kann die Breite der Widerstandsheizungsschicht 210 in dem Wärmeeinwirkungsbereich 206 schmäler sein als die Breite der die Elektrode 212, 213, bedeckenden Widerstandsheizungsschicht 210, wie es in Fig. 3C gezeigt wird.
Der erfindungsgemäße Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf wird unter Bezugnahme auf das folgende Beispiel näher erläutert.
Beispiel
Erfindungsgemäße Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungsköpfe, wie sie in Fig. 1, Fig. 2A und Fig. 3A gezeigt werden, wurden in der nachstehend gezeigten Weise hergestellt.
Durch thermisches Oxidieren einer Si-Scheibe wurde ein 5 µm dicker SiO₂-Film gebildet. Auf dem SiO₂-Film wurden eine 5,0 nm dicke Ti-Schicht und eine 500,0 nm dicke Al-Schicht aufeinanderfolgend durch Elektronenstrahl-Abscheidung abgeschieden. Durch photolithographische Schritte wurde ein Elektrodenmuster erzeugt, um Elektroden 212 und 213 zu bilden.
Im nächsten Schritt wurde durch Zerstäubung eine aus HfB₂ bestehende Widerstandsheizungsschicht 210 mit einer Dicke von 150,0 nm gebildet, und dann wurde ein der Widerstandsheizungsschicht 210 entsprechender Bereich durch Bildung eines Musters mit einem Photoresist durch photolithographische Schritte gebildet, worauf ein dem Wärmeerzeugungsbereich 207 entsprechender Bereich geätzt wurde, um die Widerstandsheizungsschicht 210 zu bilden. Die Wärmeeinwirkungsoberfläche 208 hatte folgende Abmessungen: Breite: 30 µm; Länge: 150 µm.
Dann wurde durch Zerstäubung mit hoher Geschwindigkeit aus eine aus SiO₂ bestehende Schutzschicht 211 mit einer Dicke von 2,8 µm abgeschieden.
Eine aus Glas bestehende, mit Nuten versehene Platte 203 wurde auf eine festgelegte Stelle des in der vorstehend beschriebenen Weise gefertigten Substrats 202 aufgeklebt. Die Flüssigkeitsströmungsbahn 215 hatte folgende Abmessungen: Breite 50 µm; Höhe: 50 µm. Der erhaltene Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf (B₁) und ein üblicher Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf (A) wurden auf die Ausfallrate (Anzahl der getrennten Drähte bzw. Leitungen/alle Segmente) untersucht, indem ein impulsförmiges Signal von 40 V mit einer Impulsdauer von 10 µs und einer Impulsfolgefrequenz von 5 kHz unter Verwendung einer bei 60°C gehaltenen Tinte (pH: 4 bis 9) angelegt wurde. Die erhaltenen Ergebnisse werden in Tabelle 1 gezeigt. Der erfindungsgemäße Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf hat eine hervorragende Haltbarkeit und kann über eine lange Zeit die guten Anfangseigenschaften hinsichtlich der Tröpfchenbildung beibehalten.
Köpfe B₂ und B₃ wurden in ähnlicher Weise unter Verwendung einer aus TaN₂ oder Ta bestehenden Widerstandsheizungsschicht 210 gefertigt und auf die Ausfallrate untersucht. Wie aus Tabelle 1 ersichtlich ist, zeigen die Ergebnisse, daß die Köpfe B₂ und B₃ eine hervorragende Haltbarkeit haben und über eine lange Zeit die guten Anfangseigenschaften hinsichtlich der Tröpfchenbildung beibehalten können.
Tabelle 1
Die vorstehend erwähnte Widerstandsheizungsschicht 210 kann auf die gesamte Oberfläche der Elektrode 212, 213 oder nur auf einen Bereich, der der Flüssigkeitsströmungsbahn 215 entspricht, oder nur in dem Wärmeeinwirkungsbereich 206 und in dessen Nähe aufgetragen werden. Der Bereich, in dem die Widerstandsheizungsschicht 210 aufgetragen wird, kann in Übereinstimmung mit einer Kombination mit der Schutzschicht 211 festgelegt werden.
Die Breite der die Elektroden 212, 213 überlagernden bzw. über den Elektroden 212, 213 liegenden Widerstandsheizungsschicht 210 ist nicht kritisch, soweit sie die Elektrode 212, 213 fast bedeckt. Die Breite an der Wärmeeinwirkungsoberfläche 208, wo keine Elektrode 212, 213 vorgesehen ist, kann schmaler sein als die Breite in einem die Elektrode 212, 213 überlagernden Bereich. Durch die vorstehend beschriebene Bauweise wird ein Temperaturanstieg an der Grenze zwischen der Elektrode 212, 213 und der Widerstandsheizungsschicht 210 unterdrückt, und es kann ein Aufzeichnungskopf mit einer höheren Zuverlässigkeit erhalten werden.

Claims (9)

1. Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf mit einem Substrat, das eine Widerstandsheizungsschicht und mindestens ein Paar einander gegenüberliegender Elektroden, die mit der Widerstandsheizungsschicht elektrisch leitend verbunden sind, aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil von jeder Elektrode (212, 213) des mindestens einen Paares von Elektroden (212, 213) mit der Widerstandsheizungsschicht (210) beschichtet ist.
2. Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsheizungsschicht (210) die Elektroden (212, 213) vollständig überlagert.
3. Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Breite der Widerstandsheizungsschicht (210) in einem zwischen den Elektroden (212, 213) vorgesehenen Wärmeerzeugungsbereich (207) verengt.
4. Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest auf der Widerstandsheizungsschicht (210) eine Schutzschicht (211) aufgebracht ist.
5. Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (211) aus anorganischen isolierenden Materialien besteht.
6. Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (211) aus anorganischen isolierenden Materialien, organischen Materialien und anorganischen Materialien besteht.
7. Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsheizungsschicht (210) längs einer in Übereinstimmung mit einem aus der Widerstandsheizungsschicht (210) und dem Elektrodenpaar gebildeten elektrothermischen Wandler vorgesehenen Flüssigkeitsströmungsbahn (215) gebildet ist.
8. Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (211) aus einer auf mindestens einem Teil des oberen Bereichs der Elektroden (212, 213) vorgesehenen Schicht, die aus anorganischen isolierenden Materialien und organischen Materialien besteht, und einer auf mindestens einem Teil der Widerstandsheizungsschicht (210) zwischen den Elektroden (212, 213) vorgesehenen Schicht, die aus anorganischen isolierenden Materialien und anorganischen Materialien besteht, gebildet ist.
9. Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (211) mindestens auf einer der Flüssigkeitsströmungsbahn (215) entsprechenden Oberfläche vorgesehen ist.
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