DE3414937A1 - Fluessigkeitsstrahlaufzeichnungskopf - Google Patents
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Description
Fl üssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Tintenstrahl aufze
ichnungskopf.
10
Mit einem Tintenstrahlaufzeichnungsverfahren (Flüssigkeitsstrahl
auf ze ichnungsverfahren) ist eine Aufzeichnung mit hoher Geschwindigkeit möglich, da die während der
Aufzeichnung erzeugten Geräusche vernachlässigbar klein
sind. Darüberhinaus kann mit einem solchen Verfahren auf ebenem Papier aufgezeichnet werden, ohne daß eine
Fixierung ode'r eine andere Spezi al behandl ung erforderlich
ist. Das Interesse an einem derartigen Verfahren hat daher in letzter Zeit zugenommen.
Das in der offengelegten Japanischen Patentanmeldung
Nr. 54-51837 und der DE-OS 23 43 064 beschriebene Flüssigkeitsstrahl
auf ze ichnungsverfahren unterscheidet sich von
herkömmlichen Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungsverfahren
dadurch, daß hierbei Wärmeenergie auf die Flüssigkeit einwirkt, um eine Bewegungskraft zur Abstrahlung eines
Flüssigkeitströpfchens zu erzeugen.
Das in diesen Veröffentlichungen beschriebene Verfahren
-:- ■-· ■ " : " ' 34U937
Ist dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit, auf die
die Wärmeenergie einwirkt, eine Phasenänderung erfährt,
die einen raschen Volumenanstieg bewirkt,so daß Flüssigkeit
aus einer öffnung an einem Ende eines Aufzeichnungskopfes
durch eine derartige Phasenänderung abgestrahlt und ein
"fliegendes" Flüssigkeitströpfchen gebildet und auf einem
Aufzeichnungsmedium abgeschieden wird.
Das In der DE-OS 28 43 064 'beschr I ebene FlüssIgkeitsstrahl
aufzelchnungsverfahren Ist nicht nur besonders geeignet für ein sog. Aufzeichnungsverfahren mit
Tröpfchenb11 dung auf Anforderung, sondern ermöglicht
auch die Verwirklichung eines Aufzelchnunqskopfes In
der Form eines VoI1 ze 11entyps mit einer Vielzahl von
öffnungen und hoher Dichte. Es können somit Bilder mit
ausgezeichneter Qualität und hoher Geschwindigkeit aufgezeichnet
werden, die einen hohen Auflösungsgrad besltzen.
Der In einer Vorrichtung für ein derartiges Verfahren verwendete Aufzeichnungskopf besitzt eine Flüssigkeitsstrahleinheit,
die eine öffnung zur Flüssigkeitsabgabe
und einen Flüssigkeitskanal aufweist, der mit der
öffnung In Verbindung steht und eine Wärmeeinwirkungseinheit
bildet, durch die WärmeenergIe auf die Flüssigkeit
aufgebracht wird, um ein Flüssigkeitströpfchen abzustrahlen.
Ferner ist ein elektrothermischer Wandler
zur Erzeugung der Wärmeenergie vorgesehen.
Der elektrothermisehe Wandler umfaßt zwei Elektroden
und eine wärmeerzeugende Widerstandsschicht, die an
die Elektroden angeschlossen Ist und einen wärmeerzeugenden Bereich (wärmeerzeugenden Abschnitt) zwischen
' " ' ** " 34U937
den Elektroden bildet. Der elektrothermlsehe Wandler
und die Elektroden sind üblicherweise in einer oberen
Schicht einer Basis des FlüssIgkeItsstrahlaufzelchnungskopfes
ausgebildet. In den Figuren IA und IB sind bekannte Ausführungsformen einer derartigen Basis dargestellt,
in der der elektrothermisehe Wandler des
FlüssigkeltsstrahlaufzeIchnungskopfes ausgebildet ist.
Figur IA Ist eine Draufsicht auf den elektrothermisehen
Wandler der Basis des FIüssigkeltsstrahlaufzeichnungskopfes,
während Figur IB einen Teilschnitt entlang der strichpunktierten Linie X-Y in Figur IA zeigt.
Die Basis 101 des FlüssIgke1tsstrahlaufzeIchnungskopfes
umfaßt eine untere Schicht 106, eine wärmeerzeugende
Widerstandsschicht 107, Elektroden 103 und 104, eine erste obere Schutzschicht 107, eine zweite obere Schutzschicht
109 und eine dritte obere Schutzschicht 110, die in dieser Reihenfolge auf einer Basis 105 laminiert
sind.
Die wärmeerzeugende Widerstandsschicht 107 und die
Elektroden 103 und 104 sind durch Ätzen In vorgegebenen
Mustern ausgebildet. Sie sind In den anderen Bereichen
als dem des elektrothermlschen Wandlers 102 Im gleichen
Muster angeordnet. Im Bereich dieses Wandlers sind die
Elektroden nicht auf die wärmeerzeugende Widerstandsschicht 107 laminiert, und die wärmeerzeugende Widerstandsschlcht
bildet hler einen wärmeerzeugenden Abschnitt 111. Die erste obere Schutzschicht 108 ,und die
dritte obere Schutzschicht 110 sind auf die gesamte
Oberfläche der Basis 101 laminiert; die zwette obere
Schutzschicht 109 Ist jedoch nicht auf den eiektro-
34H937
thermischen Wandler 102 laminiert.
Die Materlallen zur Ausbildung der oberen Schichten der
Basis stnd In bezug auf solche Eigenschaften, wie Wärme-Widerstandsfähigkeit,
Flüssigkeitswiderstandsfähigkeit,
thermische Leitfähigkeit und Isolationseigenschaften,
ausgewählt, welche für die Bereiche erforderlich sind,
auf denen die oberen Schichten angeordnet sind. Eine Hauptaufgabe der ersten oberen Schutzschicht 108 besteht darin,
eine Isolation zwischen der gemeinsamen Elektrode 108 und der Wahl elektrode 104 aufrechtzuerhalten. Die Hauptaufgabe
der zweiten oberen Schutzschicht 109 besteht darin, das Eindringen von Flüssigkeit zu verhindern und
die entsprechende Flüssigkeitswiderstandsfähigkeit zur
Verfugung zu stellen, während die Hauptaufgabe der dritten
oberen Schutzschicht 110 darin besteht, für eine entr
sprechende Flüssigkeitswiderstandsfähigkeit zu sorgen
und die mechanische Festigkeit zu verbessern.
Wenn bei einem FlüssIgkeItsstrahlaufzeichnungskopf des
Standes der T-echnik, der eine in der vorstehend beschriebenen Weise ausgebildete Basis aufweist, die Basis über
eine lange Zeitdauer während einer wiederholten Benutzung oder über einen langen kontinuierlichen Gebrauch
mit der Flüssigkeit kontinuierlich In Kontakt steht,
blättern die auf der Basis ausgebildeten oberen Schutzschichten
ab, so daß die Isolation verschlochert wird,
die Elektroden oder die elektrothermisehen Wandler zerbrechen
und die Zuführung der Flüssigkeit verhindert wird.
Es kann auch die Flüssigkeitsabgabe durch Verformung des
FlüssIgkeItskanales oder der öffnung blockiert werden.
Ein Grund für eine derartige Verschlechterung der Flüssigkeltswtderstandsfähigkelt
eines derartigen FlussigkeiLs-
. 9"_ " " 34H937
strahlaufzelchnungskopfes nach dem Stand der Technik
bei langem Gebrauch Ist In der nachfolgenden Erklärung
zu finden. Da eine Anzahl von feinen el ektrotherini sehen
Wandlern gleichzeitig auf der Basis ausgebildet wird, besitzt die Oberfläche, auf der die oberen Schutzschichten
ausgebildet werden sollen, feine concav-convexe Stufen. Die Schutzschichten decken daher diese Stufen nicht genau
ab, oder die Schutzschichten weisen Fehler auf, beispielsweise
feine Löcher, durch die die Flüssigkeit drJnyt.
Der Erfindung 1 iegt die Aufgabe zugrunde, einen Flüssigkeitsstrahl
auf ze Ichnungskopf zu schaffen, der eine ausgezeichnete Haltbarkeit bei häufigem wiederholten Einsatz
und kontinuierlichem Gebrauch über eine lange Zeit besitzt
und der über eine längere Zeltdauer in beständiger·
Weise erwünschte FlüssIgkeItströpfchenbI1dungse!genschaften
aufrechterhalten kann.
Die Erfindung bezweckt ferner die Schaffung eines Flüssigkeitsstrahlaufzelchnungskopfes
mit einer hohen Hei— ' stellungszuverlässIgkeIt.
Die vorstehend genannte Aufgabe wird erf indungsqeinäß durch
einen FlüssIgkeitsstrahlaufzeichnungskopf gelöst, der einen
Flüssigkeitsabgabeabschnitt umfaßt, welcher eine
öffnung zur Abgabe eines Flüssigkeitströpfchens zur Ausbildung
eines "fliegenden" FlüssIqkeitstropfchens und
einen Flüssigkeitsströmungskanäl aufweist, der mit der
öffnung· in Verbindung steht und einen Wärmeeinwirkungsabschnitt
zur Einwirkung von thermischer·Energie, auf die
Flüssigkeit zur Ausbildung des Flüssigkeitströpfchens
besitzt. Der Flüssigkeitsabgabeabschnitt umfaßt des
- 10 -
3AU937
- 10 -
wetteren elneri el ektrotherml sc_hen Wandler, der mindestens
ein Paar von gegenüberliegenden Elektroden aufweist, die
elektrisch an,' eine wärmeerzeugende Widerstandsschicht angeschlossen
^Ind, die auf einer Basis ausgebildet ist,
wobei ein wänneerzeugender Abschnitt zwischen den Elektroden
ausgebildet Ist, eine erste obere Schutzschicht aus einem
anorganischen Isolationsmaterial und eine zweite obere
Schutzschicht aus einem organischen Material, die mindestens .auf die Elektroden laminiert sind, wobei die
erste obere Schutzschicht und eine dritte obere Schutzschicht aus einem anorganischen Material, das von dem anorganischen
Material der ersten oberen Schutzschicht verschieden Ist, auf mindestens den wärmeerzeugenden Abschnitt
laminiert sind.
Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes gehen aus den
Unteransprüchen hervor.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbetsplelen
In Verbindung mit der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigen:
Figur IA eine Draufsicht auf einen elektro-
thermischen Wandler auf einer Basis eines FlüssIgkeItsstrahlaufzeichnungskopfes nach
dem Stand der Technik;
Figur· IB einen Schnitt entlang der strichpunktierten
Linie X-Y in Figur IA; ·
die Figuren
2A, 3 und
4 Draufsichten auf einen elektrothermisehen
Wandler auf einer Basis eines erfindungsgemäß ausgebildeten Flüssigkeitsstrahlauf-
- 1 1 -
- -'" -' : "" " . 34U937
zeichnungskopfes;
Figur 2B einen Teilschnitt entlang der strichpunktierten Linie X"- Y" in Figur 2A;
5
Figur 5 eine schematische Ansicht des Innenaufbaus des erfindungsgemäß ausgebildeten
Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopfes;
und
10
10
Figur 6 eine schematische Ansicht einer anderen Ausführungsform eines erfindungsqemäß
ausgeh IIdeten FlüssigkeitsstrahlaufzeIchnungskopfes.
.
Die In den Figuren 2A und 2B dargestellte Basis 201 umfaßt
ein Substrat 205 aus Silizium, Glas oder Keramik, eine Unterlage 206 aus SiO2, die auf dem Substrat 205
ausgebildet 1st, eine wärmeerzeugende Widerstandsschicht
207, eine gemeinsame Elektrode 204 und eine Wahlelektrode 203., die auf der wärmeerzeugenden Widerstandsschicht
207 mit Ausnahme eines wärmeerzeugenden Abschnittes 211 laminiert sind, eine erste obere Schutzschicht
208, die den wärmeerzeugenden Abschnitt 211, die gemeinsame Elektrode 204 und die Wahl elektrode 203
bedeckt, eine zweite obere Schutzschicht 209 und eine
dritte obere Schutzschicht 210, die entsprechend der
Struktur der darunter befindlichen Schicht laminiert s 1 nd.
30
30
Ein Heizabschnitt 202 umfaßt den wärmeerzeugenden Abschnitt
211 als Haupteinheit. In dem wärmeerzeugenden
Abschnitt 211 sind die Unterlage 206, die wärmeerzeugende
Widerstandsschicht 207, die erste obere Schutzschicht
- 12 -
208 und die dritte obere S chutzschlcht 210 in dieser
Reihenfolge auf dem Substrat 205 laminiert, wobei die dritte obere Schutzschicht mindestens die Oberfläche des
Heizabschnittes 202 abdeckt. Somit ist auf dem Reizabschnitt
202 eine doppelte obere Schutzschicht ausgebildet, die die erste obere Schutzschicht 208 und die
dritte obere Schutzschicht 210 umfaßt.
Außerhalb des Heizabschnittes 202 besteht die Basis 201
aus der Unterlage 206, der wärmeerzeugenden Widerstandsschicht 207 und den Elektroden 203 und 204, die in dieser
Reihenfolge auf dem Substrat laminiert sind, wobei die erste obere Schutzschicht 208 und die zweite obere
Schutzschicht 209 mindestens auf den Elektroden 203 und 204 laminiert sind .
In der Basis 201 des in den Figuren 2A und 2B gezeigten
Flüsslgkeitsstrahlaufzelchnungskopfes stehen die zweite
obere Schutzschicht 209 und die dritte obere Schutzschicht
210 nicht miteinander in Kontakt. Alternativ dazu kann, wie In Figur 3 gezeigt, die dritte obere
Schutzschicht 210 die zweite obere Schutzschicht 209
überlagern, um das obere Ende des Halsabschnittes 202
breiter abzudecken, oder die dritte obere Schutzschicht 210 kann, wie in Figur 4 gezeigt, zwischen der
ersten oberen Schutzschicht 208 und der zweiten oberen
Schutzschicht 209 ausgebildet sein, um den Halsabschnitt· 202 breiter abzudecken.
Die Hauptaufgabe der ersten oberen Schutzschicht 208,
die mindestens auf dem Heizabschnitt 202 und den Elektroden
203 und 204 ausgebildet ist, besteht darin, die gemeinsame Elektrode 204 gegenüber der Wahl elektrode 203
zu isolieren. Die erste obere Schutzschicht 208 besteht
- 13 -
aus einem anorganischen IsoiationsmaterIaI, beispielsweise
einem anorganischen Oxid, wie SiO«, oder einem anorganischen
Nitrid, wie Si N., die eine relativ hohe thermische Leitfähigkeit und Wärmewiderstandsfähigkeit
besitzen.
Zusätzlich zu den vorstehend beschriebenen anorganischen
Materialien kann die erste obere Schutzschicht 208 auch
aus DünnfI Immaterialien bestehen, beispielsweise den
Übergangsmetalloxiden, wie Titanoxid, Vanadiumoxid,
Nioboxld, Molybdänoxid, Tantaloxid, Wolframoxid, Chromoxid,
Zirkonoxid, Hafniumoxid, Lanthanoxid, Yttriumoxid, Manganoxid u.a., anderen Metalloxiden, wie beispielsweise
Aluminiumoxid, Kalziumoxid, Strontiumoxid, ßarium-.oxid,
Siliziumoxid u.a., Komplexen aus den vorstehend genannten
Metallen, Nitriden mit hohen Dielektrizitätskonstanten,
wie SI 1IzlumnltrId, Aluminiumnitrid, Bornttrl<3>
Tantalnitrid u.a., Komplexen der vorstehend genannten Oxide und Nitrläe, Halbleitermaterialien, wie
amorphem Silizium, amorphem Selen u.a., die Im großvolumigen
Zustand einen niedrigen Widerstand besitzen, jedoch durch ein Herstellungsverfahren, beispielsweise ein Sprühverfahren,
ein CVD-Verfahren, wie Bedampfen, Dampfphasenreaktionsverfahren
oder FlüsslgkeI tsbeschichtungs-Verfahren,
mit einem hohen Widerstand versehen werden. Die Filmdicke beträgt üblicherweise 0,1 - 5 fjm, vorzugsweise
0,2 - 3 /wm, besonders bevorzugt 0,5 - 3^m.
Die zweite obere Schutzschicht 209 1st auf mindestens
den Elektroden 203 und 204 als obere Schutzschicht für
die-Basis 201 mit Ausnahme des Heizabschnittes 20? ausgebildet
und besitzt einen Bereich, der in direktem Kontakt mit der Flüssigkeit steht. Die Hauptaufgabe dieser
34U937
Schicht besteht darin, ein Eindringen von Flüssigkeit
zu verhindern und die Flüssigkeitswiderstandsfähigkeit
zu erhöhen. Vorzugswelse besitzt diese Schicht ein hohes FIlmbI1dungsvermögen, eine feine Struktur mit einer geringen
Anzahl von feinen Löchern, schwillt durch die verwendete Tinte nicht an und ist In dieser auch nicht löslich,
besitzt als Film ein hohes Isolationsvermögen und
weist eine hohe Wärmefestigkeit auf. Organische Materialien
für diesen Einsatzzweck umfassen Harze, beispielsweise
Silikonharz, fluorenthaltendes Harz, aromatisches
Polyamid, PolyImld-Addltlonspolymere, Polybenzlmidazol,
Polymere von Metallcheiat, Titanatester, Epoxidharz,
Phthalharz, hitzehärtendes Phenolharz, P-Vinylphenol harz,
Zlroxharz, Trladlnharz, BT-Harz (Additionspolymerharz von
Trlazlnharz und Bismalelmld) u.a.. Alternativ dazu kann
die zweite obere Schutzschicht 209 auch durch Bedampfen
mit Polyxylolharz oder eines Derivates davon hergestellt
werden.
Die zweite obere Schutzschicht 209 kann auch durch Plasmapol
ymerI satlonsverfahren aus verschiedenen organischen
Monomeren hergestellt werden, beispielsweise Thioharnstoff,
Thloacetamld, Vinylferrocen, 1,3,5-Trichlorbenzol, Chlorbenzol,
Styrol, Ferrocen, Pyrrol in, Naphtalin, Pentamethylbenzol,
Nitrotoluol, Acrylnitril-, D I phenyl sei en i d,
P-Toluldin, P-Xylol, N,N-DImethy1-p-ToluIdin, Toluol,
Anilin, DIphenylquecksl1ber, Hexamethylbenzol, Malonitrld,
Tetracyanoäthy1 en, Thtophen, Benzol seienol, Tetrafluoräthylen,
Äthylen, N-NItrosodI phenyl amid, Acetylen, 1,2,4-Trichlorbenzol,
Propan u.a..
Bei der Herstellung eines Aufzeichnungskopfes mit einer
Vielzahl von öffnungen hoher Dichte kann die zweite obere Schutzschicht 209 vorzugsweise aus einem organischen
- 15 -
Material hergestellt werden, das sich auf felnfoto-1Ithographlschem
Wege sofort behandeln läßt. Derartige Materlallen umfassen beispielsweise PolyimldoI so Indoloch Inazolindlon
(Warenzeichen: PIQ der Firma Hitachi Kasel, Japan), Polylmldharz (Warenzeichen: PYRALIN von der Firma
DuPont), zyklisches Polybutadien (Warenzeichen: JSR-CBR
von der Firma Japan Synthetic Rubber, Japan), lichtempfindliche
Polylmidhar ze, beispielsweise Photoneece
(von der Firma Toray, Japan),photoreaktive Polyamidsäure
für lithographische Zwecke (Warenzeichen: PAL von der'
Firma Hitachi Kasel, Japan) u.a..
Poly ImI do I so Indoloch InazolIndlon
(Warenzeichen: PIQ von der Firma Hitachi Kasel Co.,
Japan)
Polylmldharz
(Warenzeichen: PYRALIN von der Firma DuPont, USA)
\n
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Zyklisches Polybutadien
(Warenzeichen: JSR-CBR von der Firma Japan Synthetic
Rubber Co., Japan) (Wärmeempfindlicher Fotoresist)
I V
Die Hauptaufgabe der dritten oberen Schutzschicht 210,
die auf der ersten oberen Schutzschicht 208 auf dem Heizabschnitt 202 ausgebildet ist, besteht darin, das Flüssigkeitswiderstandsvermögen
und die mechanische Festigkeit zu erhöhen. Diese dritte obere Schutzschicht 210 besteht
aus metallischem Material, das elastisch ist, eine relativ hohe mechanische Festigkeit besitzt und Kontakt-
und Btndeeigenschaften in bezug auf die erste obere Schutzschicht 208 aufweist, beispielsweise Ta, wenn die
erste obere Schutzschicht 208 aus SIO2 besteht. Durch
Ausbildung der dritten oberen Schutzschicht 210 aus dem
anorganischen Material mit relativ hoher Elastizität
und mechanischer Festigkeit auf der ersten oberen Schutzschicht 208 auf dem Heizabschnitt 202 können Schocks Infolge
von Kavitation, die auftreten, wenn die Flüssigkeit von einer Kontaktebene ( Wärmeeinwirkungsebene, nicht
gezeigt) zwischen dem wärmeerzeugenden Abschnitt 211 und der Flüssigkeit abgegeben wird, vollständig absorbiert
werden, so daß die Wahrscheinlichkeit des Entstehens von Fehlern, beispielsweise von feinen Löchern in der oberen
- 17 -
" Schutzschicht während des Herstellungsvorganges, und
einer Verschlechterung des Abdeckvermögens der oberen Schutzschicht reduziert und die Lebensdauer des Helzababschnlttes
202 beträchtlich verlängert wird.
Das Material der dritten oberen Schutzschicht 210 umfaßt zusätzlich zu Ta ein Element der Gruppe lila des
Periodensystems, beispielsweise Sc oder Y, ein Element
der Gruppe IVa, beispielsweise Tl, Tr oder Hf, ein
Element der Gruppe Va, beispielsweise V oder Nb, ein
Element der Gruppe IVa, beispielsweise Cr, Mo oder W, '
ein Element der Gruppe VIII, beispielsweise Fe, Co
oder Ni, eine Legierung der vorstehend genannten Metalle, beispielsweise aus TI-NI, Ta-W, Ta-Mo-Ni, Ni-Cr, Fe-Co,
Tl-W, Fe-Ti, Fe-Ni, Fe-Cr, Fe-Ni-Cr, ein Borld der vorstehend genannten Metalle, beispielsweise Tl-B, Ta-B,
Hf-B oder W-B, ein Carbid der vorstehend genannten Metalle,
beispielsweise TI-C, Zr-C, V-C, Ta-C, Mo-C
oder Ni-C, und ein SIl leid der vorstehend genannten Metalle,
beispielsweise Mo-Si, W-Si oder Ta-Si, und ein Nitrid der vorstehend genannten Metalle, beispielsweise
Ti-N, Nb-N oäer Ta-N. Die dritte Schicht kann aus diesen Materialien durch Bedampfen, Sprühverfahren, CVD-Vei—
fahren oder andere Verfahren hergestellt werden, und die Fllmdlcke beträgt üblicherweise 0,01 - 5 /jm, vorzugsweise
0,1 - 5 /um, insbesondere 0,2 - 3 /um. Das Material und die Fllmdlcke sind vorzugsweise so ausgebildet, daß
der spezifische Widerstand der Schicht größer Ist als der
spezifische Widerstand der Tinte, der wärmeerzeugenden Widerstandsschicht und der Elektrodenschicht. Beispielsweise
besitzt die Schicht einen spezifischen Widerstand von 1%/l-cm oder weniger. Vorzugswelse wird ein Isolationsmaterial,
wie beispielsweise SI-C,mit guten Eigenschaften
- 18 -
-■ "" '■*' ; ■-" : 34H937
- 18 gegen mechanische Schocks verwendet.
Bet der dritten oberen Schutzschicht 210 kann es sich
um eine einzige Schicht oder um eine zusammengesetzte Schicht aus derartigen Schichten handeln. Darüberhinaus
kann die dritte obere Schutzschicht 210 aus einem kombinierten Material hergestellt werden, das das vorstehend
genannte Material In Verbindung mit dem Material der ersten oberen Schutzschicht 208 umfaßt.
Die Unterlage 206 dient In erster Linie dazu, die Leitung
der von dem wärmeerzeugenden Abschnitt 211 erzeugten Wärme zum Substrat 205 zu steuern. Das Material und die Filmdicke dieser Unterlage 206 sind so ausgewählt, daß die
von dem wärmeerzeugenden Abschnitt 211 erzeugte Wärme
mehr zu dem Wärmeeinwirkungsabschnitt (nicht gezeigt)
geleitet wird, wenn die thermische Energie auf die Flüssigkeit
im Wärmeeinwirkungsabschnitt aufgebracht werden soll,
und daß die im wärmeerzeugenden Abschnitt 211 verbleibende
Wärme mehr zum Substrat 205 geleitet wird, wenn die Wärmeleitung zum Heizabschnitt 202 blockiert ist. Das Material
für die Unterlage 206 umfaßt zusätzlich zu SiO2 anorganische
Materialien, die durch Metalloxide repräsentiert werden,
wie beispielsweise ZIrkonoxid, Tantaloxid, Ma gnesiumoxid
5 und Aluminiumoxid.
Bei dem Material der wärmeerzeugenden Widerstandsschicht
207 kann es sich um Irgendein Material handeln, das Wärme erzeugt, wenn es mit Energie versorgt wird.
Bevorzugte Beispiele von derartigen Materialien sind
Tantalnitrid, Nickel-Chrom-LegIerungen, Si1ber-Palad 1 umLegierungen,
Sl1Izlumhalblelter oder Metall, wie beispiels-
- 19 -
34U937
weise Ha fnlum, Lanthan, Zirkon, Titan, Tantal, Wolfram,
Molybdän, Niob, Chrom, Vanadium etc., und Legierungen
und Boride dieser Metalle.
Von den Materlallen für,die wärmeerzeugende Widerstandsschicht
207 sind die Metallborlde besonders geeignet. Von diesen Borlden wird Hafnium -Borid wegen seiner ausgezeichneten
Eigenschaften bevorzugt, wonach Zirkonborid,
Lanthanbor I d, Tantalborld, .Vanad lumbor i d und Nlobborid
In der vorstehend wiedergegebenen Reihenfolge folgen.
Die wärmeerzeugende Widerstandsschicht 207 kann aus diesen Materialien durch Elektronenstrahl-bedampfen
oder Sprüh/erfahren CSputter-Ätzen) hergestellt werden.
· Die Filmdicke der wärmeerzeugenden Widerstandsschicht
wird In Abhängigkeit von der Fläche, dem Material, der
Form und der Größe des Wärmeeinwirkungsabschnittes und
in Abhängigkeit von dem Stromverbrauch festgelegt, so daß pro Sunde eine gewünschte Wärmemenge erzeugt wird.
Die Dicke bet.rägt normalerweise 0,001 - 5 /um, vorzugsweise
0,01 - 1 /um.
Bei dem Material der Elektroden 203 und 20*+ kann es sich
um irgendein gebräuchliches Elektrodenmaterial handeln,
beispielsweise um Al, Ag, Au, Pt oder Cu. Die Elektroden werden aus diesen Materialien durch Bedampfen an der gewünschten
Stelle In die gewünschte Größe, Form und Dicke gebracht.
30
30
Der FlüssigkeItsstrahlaufzelchnungskopf der vorliegenden
Erfindung wird vervollständigt, Indem eine Vielzahl von
oberen Schichten, die In den Figuren 2A bis k dargestellt
~ 21 -
- 20 -
sind, auf der Basis, auf der die elektrothermlschen
Wandler ausgebildet worden sind, vorgesehen wird. Danach
werden der Strömungskanal 305 und die öffnung 306 für
den wärmeerzeugenden Abschnitt 211, der von den.elektrothermischen Wandlern gebildet worden Ist, ausgebildet.
Die dritte obere Schutzschicht wird vorzugsweise In einem
minimalen erforderlichen Bereich auf dem wärmeerzeugenden Abschnitt ausgebildet.
In Figur 5 Ist In schematI scher Weise der Innenaufbau
des fertigen FlüsslgkeItsstrahlaufzeichnungskopfes dar—
gestellt. Bei der vorliegenden Ausführungsform befindet
sich die öffnung 306 über dem wärmeerzeugenden Abschnitt.
Mit 307·Ist eine TIntenkanalwand, mit 308 eine gemeinsame
Flüssigkeitskammer, mit 309 eine zweite gemeinsame Flüssigkeitskammer, mit 310 eine öffnung, die die gemeinsame
Flüssigkeitskammer 308 mit der zweiten gemeinsamen
Flüssigkeitskammer 309 verbindet, und mit 311 eine obere Platte bezeichnet. Die Verdrahtung des elektrothermischen
Wandlers 'Ist In Figur 5 weggelassen.
In Figur 6 Ist In schemätIscher Welse eine andere Ausführungsform
eines fertigen FlüssIgkeItsstrahlaufzeichnungskopf
es dargestellt. Bei dieser Ausführungsform befindet sich dte öffnung 306 an einem Ende des
Flüsslgkeitsströmungskanales. Mit 312 Ist eine Tintenzuführöffnunq
bezeichnet. Bei diesem Flüssigkeitsstrahlaufzelchnungskopf
sind die auf der Basis befindlichen oberen Schichten aus Materialien hergestellt, die in bezug
auf WärmefestIgkelt, Flüssigkeitswiderstanösvermögen,
thermische Leitfähigkeit und elektrisches Isolationsvermögen ausgewählt worden sind, welche Eigenschaften für
die Bereiche erforderlich sind, auf denen die entsprechenden
- oberen Schichten laminiert sind. Diese oberen Schichten
- 20 -
aus den unterschiedlichen Materialien, die auf der Basis
laminiert sind, weisen gute Kontakteigenschaften und
Bindeeigenschaften auf. Somit weist der Flüssigkeitsstrahlaufzeichnunoskopf
eine ausgezeichnete Haltbarkeit und ein ausgezeichnetes Flüssigkeitswiderstandsvermögen bei
häufig wiederholtem Einsatz und bei kontinuierlichem Langzeiteinsatz
auf und hält gewünschte Flüssigkeitströpfchenbi1
dungsei genschaften über einen verlängerten Zeitraum
aufrecht.
10
10
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand eines
speziellen Ausführungsbeispieles beschrieben.
Ausführungsbeispiel
Es wurde ein Si-Plättchen thermisch oxidiert, um einen
SiO2-FiIm mit einer Dicke von 5 ,um als Basis auszubilden.
Die Basis wurde zur Ausbildung einer HfB_-Schicht
in einer Dicke von 3000 A* besprüht, um die wärmeerzeugende
Widerstandsschicht he'rzustel 1 en, wonach eine Ti-Schicht
von 50 A* und-eine Al-Schicht von 1000 A* nacheinander
durch Elektronenstrahlbedampfen aufgebracht wurden. Die
Elektroden und die wärmeerzeugende Widerstandsschicht
wurden über ein fotolItographisches Verfahren in die
in Figur 2A dargestellte Form gebracht, und es wurde eine vorgegebene Anzahl von elektrothermlsehen Wandlern
(wärmeerzeunender Abschnitt mit einer Breite von 50 yum
und einer Länge von 150 ,um) in den speziellen Positionen
ausgebiIdet.
Eine" S iOp-Sprühschicht wurde durch ein Hochleistungssprühverfahren
auf der mit den elektrothermisehen Wandlern
und den Elektroden versehenen Basis in einer Dicke von 2,8 /um abgeschieden. Danach wurde eine Ta-Sprühschicht
- 22 -
- 22-"" \ : *"' : 34H937
in einer Dicke von 0,5 yüm abgeschieden.
Die Ta-Schicht wurde durch eine fotolithographisches
Verfahren geätzt, so daß nur noch die el ektrotherini sehen
Wandler In einem Muster von 90 yum Breite und 200 yum
Länge verblieben, während der übrige Bereich als dieses Muster auf den el ektrotherini sehen Wandlern mit Photoneece
CToray, Japan) abgedeckt wurde.
Ein Trockenfilm aus einem l·ichtempfindlichen Harz mit
einer Dicke von 50 jum wurde auf der Basis laminiert, ,
durch eine vorgegebene Maske belichtet und entwickelt,
um den Fl üss Igke i tsströmungskanal und die. gemeinsamen
Flüssigkeitskammern auszubilden. Die Deckplatte aus Glas wurde mit Epoxidkleber befestigt, so daß sich der
•In Figur 5 dargestellte Flüsslgkeitsstrahlaufzeichnungskopf
ergab.
Dieser Fl üss Igkei tsstrahlauf zeichnungskopf wurde zur
Durchführung eines Haltbarkeitstests 20 Tage lang
5 χ 10 mal betrieben. Bei diesem Test wurde eine HaIt-
barkeit von 10 Inbetriebnahmen in beständiger Weise
erreicht. Bei einem Flüssigkeitswiderstandstest des
Aufzeichnungskopfes, bei dem dieser einen Monat lang
bei 60 C In die Aufzeichnungsflüssigkeit eingetaucht und
danach für einen üblichen Aufzeichnungsvorgang verwendet
wurde, wurde in den oberen Schichten auf der Basis des Aufzeichnungskopfes kein unnormaler Zustand
bemerkt. Die Drähte des Aufzeichnungskopfes
waren nicht zerbrochen, und es wurden die gleichen Aufzeichnungseigenschaften erreicht wie vor der Durchführung
des Tauchtests. Somit ergab sich eine ausgezeichnete Haltbarkelt..
Bei einem Flüssigkeltsstrahlaufzelchnungskopf, der in
-23-
In der gleichen Welse wie die vorstehend beschriebene
Ausführungsform hergestellt worden war, jedoch eine Basis nach dem Stand der Technik besaß, wurde eine Haltbarkelt
von mehr als 10 Inbetriebnahmen bei kontlnulerlichem
Dauerbetrieb nicht erreicht. Im Flüssigkeitswiderstandstest
blätterten die oberen Schichten von der Basis ab, der FlüssIgkeitsströmungskanal oder die
öffnung verformten sich, die Elektroden lösten sich auf, und die Drähte brachen während des Einsatzes des
Kopfes bei Anlegen einer Spannung.
Erfindungsgemäß wird somit ein FlüssIgkeltsstrahlaufzeichnungskopf
vorgeschlagen, der einen Flüssigkeitsabgabeabschnitt
aufweist, der eine öffnung zur Abgabe einer Flüssigkeit zur Ausbildung eines "fliegenden"
.Flüssigkeitströpfchens und einen Flüssigkeitsströmungskanal
besitzt, der mit der Öffnung in Verbindung steht und einen Wärmeeinwirkungsabschnitt zur Aufbringung
von thermischer Energie auf die Flüssigkeit zur Ausbildung
des Flüssigkeitströpfchens aufweist, und einen
eiektrothermischen Wandler mit mindestens zwei gegenüberllegenden
Elektroden, die elektrisch an eine wärmeerzeugende Widerstandsschicht angeschlossen sind, welche
auf einer Basis ausgebildet ist, und mit einem wärmeerzeugenden Abschnitt, der zwischen den Elektroden ausgebildet
ist. Eine erste obere SchutzschIcht aus einem
anorganischen .Isol at lonsmater IaI und eine zweite obere
Schutzschicht aus einem organischen Material sind auf
mindestens den Elektroden laminiert, und die erste obere Schutzschicht sowie eine dritte obere Schutzschicht
aus einem anorganischen Material, das von dem
der'ersten oberen Schutzschicht verschieden ist, sind
In dieser Reihenfolge auf mindestens dem wärmeerzeugenden
Abschnitt laminiert.
Claims (13)
1.jFlüssigkeItsstrahlaufzeichnungskopf, gekennzeichnet durch:
10
Einen Flüssigkeitsabgabeabschnitt mit einer öffnung
(306) zur Abgabe einer Flüssigkeit zur Ausbildung eines "fliegenden" Flüssigkeitströpfchens und einem
Flüssigkeitsströmungskanal (305), der mit der öffnung (306) in Verbindung steht und einen WärmeeinwirkungsabschnItt
zur Aufbringung von thermischer Energie auf die Flüssigkeit zur Ausbildung des Flüss1gke i tströpfchens aufwe ist;
einen elektrothermisehen Wandler mit mindestens zwei
gegenüberliegenden Elektroden (203, 204), die elektrisch
an eine wärmeerzeugende Widerstandsschicht (207) angeschlossen
sind, welche auf einer Basis (201) ausgebildet ist, und mit einem wärmeerzeugenden Abschnitt
(211), der zwischen den Elektro den (203, 204) angeordnet ist;
eine erste obere Schutzschicht (208) aus einem anorganischen
I sol ationsmatertal und eine zweite obere
:- -" "" · " ' 34U937
Schutzschicht (209) aus einem organischen Material, die auf mindestens, den Elektroden laminiert sind;
wobei die erste obere Schutzschicht (208) und eine
dritte obere Schutzschicht (210) aus einem anorganischen
Material,, das von dem anorganischen Material
der ersten oberen Schutzschicht verschieden Ist, auf mindestens den wärmeerzeugenden Abschnitt
(211) laminiert sind.
10
10
2. Flüssigkeitsstrahl aufzeichnungskopf nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die erste obere Schutzschicht (208) anorganische Oxide oder anorganische Nitride umfaßt.
3. FlüsslgkeltsstrahlaufzeIchnungskopf nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die zweite obere Schutzschicht (209) ein organisches
Material umfaßt, das aus der nachfolgenden Gruppe ausgewählt ist:
Silikonharz, Fluoi—enthaltendes Harz, aromatisches
Polyamid, PolyImid-Additlonspolymer, Polybenzimidazol,
Metal 1chelatpolymer, Titanatester, Epoxidharz,
_ Phthalharz, hitzehärtendes Phenolharz, P-Vinylphenol harz,
Ziroxharz, Triazlnharz, BT-Harz, Pol yxy 1 öl harz, und Desirate von Polyxylöl harz.
4. .FlüsslgkeItsstrahlaufzeIchnungskopf nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daßdic
zweite obere Schutzschicht (209) eine Schicht umfaßt, die nach einem PlasmapolymerI sationsverfahren aus
einem organischen Monomeren hergestellt worden ist.
:- "" *■-* " " ' 34U937
5. FlüssigkeitsstrahlaufzeIchnungskopf nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die zweite obere Schutzschicht (209) ein organisches
Material umfaßt, das aus der nachfolgenden Gruppe ausgewählt ist:
Lichtempfindliches Polyimidharz, zyklisches Polybutadein,
Polyimidharz, Polyimldoisoindolochinazolindion.
6. FiüssIgkeitsstrahlaufzeichnunqskopf nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die dritte obere Schutzschicht (210) ein Metall oder
eine Metal 1 verbindung umfaßt, die aus den Gruppen Ilia, IVa, Va, VIa und V III des Periodensystems
ausgewählt sind.
15
15
7. FIüss1gkeitsstrahlaufzeichnunqskopf nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die dritte obere Schutzschicht (210) eine Legierung
der Metalle umfaßt, die aus den Gruppen Ilia, IVa,
Va, VIa und VIII des PerIodensystems ausgewählt
. s ind.
8. Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die dritte obere Schutzschicht (210) ein Borid von
Metallen umfaßt, die aus d en Gruppenil Ia, IVa,
Va", VIa und VIII des Periodensystems ausgewählt s i nd.
9. Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungskopf nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die dritte obere Schutzschicht (210) ein Karbid
von Metallen umfaßt, die aus d en Gruppenllla, IVa,
- if -
34H937
Va, Via und VIII des Periodensystems ausgewählt
s ind.
10. FIüssIgkeItsstrahlaufzeichnungskopf nach Anspruch
!,dadurch gekennzeichnet,
daß die dritte obere Schutzschicht (210) ein
Silizid von Metallen umfaßt, die aus den Gruppen
Ilia, IVa, Va, VIa und VIII des Periodensystems
ausgewählt sind.
10
10
11. .FI üss igke itsstrahl auf ze ichnungskopf nach
Anspruch 1 , d a d urch gekennz e i c h η e t, daß die dritte obere Schutzschicht
(210) ein Nitrid von Metallen umfaßt, die aus den Gruppen HIa, IVa, Va, VIa und VIII
des Per Iodensystems ausgewählt sind.
12. FlüssjgkeItsstrahlaufzeIchnungskopf nach Anspruch
1,dadurch gekennzeichnet,
daß die dritte obere Schutzschicht (210) ein Metall oder eine Metal 1 verbind ung umfaßt, die aus den
Gruppen Ilia, IVa, V a, VIa und VIII des Periodensystems ausnewählt sind, und anorganische Oxide
oder Nitride.
13. 'FIüssIgkeitsstrahlaufzeichnungskopf nach Anspruch
!,dadurch g e k ο η η ze i c h η et,
daß die dritte obere Schutzschicht (210) eine .zusammengesetzte Schicht umfaßt.
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