DE3503283C2 - Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf - Google Patents
Flüssigkeitsstrahl-AufzeichnungskopfInfo
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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.
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.
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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