Brevet FR2691403A1 — publié le 19931126

i La présente invention concerne une tête d'impression à encre électrothermique à plusieurs couches, dans laquelle la direction d'extension de la bulle de vapeur engendrée électrothermiquement est opposée à la direction d'éjection de l'encre. Des têtes d'impression à encre électrothermiques connues (principe du jet de bulles) présentent une pluralité de buses individuelles, desquelles, sous l'action d'une com- mande électronique, des gouttelettes individuelles de taille définie sont engendrées et éjectées selon un modèle défini en direction d'un support d'enregistrement. Les signes à imprimer sont créés, chacun, par plusieurs gouttelettes d'encre, qui sont rangées les unes par rapport aux autres sous forme d'une matrice. De façon appropriée, une colonne d'une telle matrice spéci- fique aux signes est à chaque fois simultanément imprimée pour remplir les exigences d'une vitesse d'impression élevée et d'une image imprimée uniforme. Une tête d'impression à encre qui est appropriée pour le procédé d'impression indiqué, doit ainsi réunir plusieurs éléments (identiques), qui peuvent éjecter des gouttelettes d'encre au moment nécessaire (principe "à la demande") Une caractéristique de cette technologie consiste en ce qu'une résistance électrique, réalisée en tant qu'élément chauffant, se trouve dans un capillaire rempli d'un liquide d'enregistrement, par exemple de l'encre, et, en vérité, à proximité de son ouverture Si une énergie thermique déter- minée est amenée, selon le besoin, à cet élément chauffant au moyen d'une courte impulsion de courant, il se crée tout d'abord, par un transfert thermique très rapide au liquide d'encrage, une bulle de vapeur d'encre en expansion rapide qui, ensuite, se rétracte très rapidement après que l'amenée d'énergie a été stoppée et après que le liquide d'encrage s'est refroidi L'onde de pression créée à l'intérieur du capillaire par la bulle de vapeur fait sortir de l'ouverture5 de la buse une goutte d'encre de masse limitée sur la surface d'un support d'enregistrement proche. Un avantage de ce principe à jet de bulles consiste en ce que, en exploitant le changement de phase liquide-gaz- liquide de l'encre, la modification de volume relativement10 importante et rapide, nécessaire pour l'éjection de l'encre, est produite à partir d'une très petite surface active transductrice Les petites surfaces transductrices, à leur tour, permettent, lors de l'utilisation de procédés de fabrication modernes, comme des procédés photolithogra-15 phiques de précision élevée dans la technique par couches, une construction relativement simple et économique de têtes d'impression à encre qui se caractérisent par une densité d'écriture élevée et de faibles dimensions. Par la demande internationale PCT/DE 91/00364, on connaît une tête d'impression à encre qui est constituée, essen- tiellement, d'une plaquette et d'un réservoir d'encre, la plaquette étant fixée mécaniquement sur le réservoir d'encre au moyen de pinces de montage Cette plaquette présente des canaux d'encre fermés sur trois côtés et ouverts sur le25 quatrième côté, qui sont séparés les uns des autres par des parois intermédiaires minces, de forme générale trapézoï- dale Dans la direction d'éjection de l'encre, la fermeture du canal d'encre respectif est constituée d'une membrane mince qui, de son côté, présente la buse d'éjection du canal30 d'encre correspondant et sur laquelle sont agencés, à l'extérieur, les éléments chauffants. En tant que matériau de substrat, on utilise -du silicium La structure creuse pour les canaux d'encre est formée par décapage anisotrope Pour cela, une surface de la plaquette est dopée, sur une couche mince, de sorte que le processus de décapage est arrêté en atteignant la zone dopée Ainsi, dans la direction d'éjection de l'encre, une couche mince de5 matériau de substrat demeure en tant que membrane qui forme une paroi du canal d'encre Sur le côté externe, les éléments chauffants sont réalisés en formant des couches de matière résistante et de matière conductrice. Les éléments chauffants sont commandés, par impulsions, de façon dépendant du modèle d'impression De plus, de la chaleur est engendrée, qui, tout d'abord, réchauffe lo- calement la membrane Lorsqu'un réchauffement suffisant de la membrane est atteint, une bulle de vapeur d'encre est engendrée dans le canal d'encre, qui entraîne l'éjection d'une gouttelette d'encre Du fait de ce type de chauffage indirect, le degré d'efficacité thermique est influencé de façon défavorable. On doit amener bien plus d'énergie que cela est nécessaire pour engendrer les gouttelettes Cela entraîne un échauffe- ment indésirable, qui croît dans le temps, de la tête d'impression à encre dans son ensemble Pour une puissance d'impression élevée, des pauses d'impression indésirables doivent être de même alors prévues pour refroidir la tête d'impression à encre, pauses qui diminuent la puissance25 d'impression. Relativement à l'épaisseur de la membrane, il existe les exigences suivantes en contradiction les unes avec les autres. D'une part, la membrane doit être la plus mince possible pour que le transfert thermique de l'élément chauffant à l'encre s'effectue sans perte Une faible épaisseur de matière impose cependant des limites étroites à la capacité de charge mécanique, qui sont atteintes, en particulier, pour les charges d'impression par impulsions, inhérentes à ce procédé de création des gouttelettes. D'autre part, dans le cas d'une membrane épaisse, la goutte d'encre éjectée éprouve, en raison de son guidage plus long, un meilleur effet d'orientation sur le support d'enregis- trement, et la membrane est appropriée à résister à de fortes sollicitations mécaniques. En conséquence, l'invention a pour objet de fournir une tête d'impression à encre qui permet aussi bien un transfert thermique, le plus possible sans perte, des éléments chauffants à l'encre, qu'également une trajectoire précise de la goutte d'encre éjectée et, de plus, présente une résistance mécanique suffisante. A cet effet, la tête d'impression à encre électrothermique à plusieurs couches, comportant une pluralité de canaux d'encre présentant des ouvertures de sortie de l'encre, dans laquelle les éléments chauffants, les liaisons électriques, les points de contact, et les ouvertures de sortie de20 l'encre sont réunis sur une plaquette unique, la direction d'extension de chaque bulle de vapeur engendrée électrother- miquement étant opposée à la direction d'éjection de l'en- cre, et qui est reliée de façon amovible à un réservoir d'encre par l'intermédiaire de canaux d'alimentation, est25 remarquable, selon l'invention, en ce que les canaux d'en- cre, dans la direction d'éjection de l'encre, sont fermés par une membrane qui est constituée, à partir de la pla- quette dans la direction d'éjection de l'encre, d'au moins une couche anti- corrosion, d'une couche de résistance30 sélective, d'une couche de métallisation sélective, et d'une couche formant membrane, dans la succession indiquée. A partir de la couche de résistance, sont structurés les éléments chauffants qui sont en contact avec la couche de métallisation se trouvant au-dessus Avantageusement, ces éléments chauffants sont couplés directement thermiquement à l'encre, lorsque l'on néglige les couches de protection nécessaires, de sorte que la quantité de chaleur engendrée est transmise, sans perte et sans retard, à l'encre Ainsi, le degré d'efficacité thermique est amélioré et, par ail- leurs, la formation des gouttes d'encre est accélérée On obtient des temps de chauffage plus courts, grâce à quoi le réchauffement de la tête d'impression à encre peut être diminué Des pauses d'impression nécessaires à cause de la surchauffe de la tête d'impression à encre sont évitées. Un autre avantage de la tête d'impression à encre selon l'invention consiste en ce que le comportement thermique de la tête d'impression à encre est indépendant de l'épaisseur de la membrane, c'est-à-dire que la membrane peut être dimensionnée, exclusivement, de façon correspondant aux exigences de la résistance mécanique et de la longueur des buses. De plus, la couche anti-corrosion appliquée pour le décapage anisotrope des canaux est technologiquement mieux contrôla- ble, plus précise et plus fiable pour un choix de matériaux plus vaste. Grâce à la longueur des buses, qui peut être dimensionnée de façon largement libre dans la direction d'éjection de l'encre, et à leur effet de capillarité propre, l'entrée d'air indésirable dans le canal d'encre après l'éjection des gouttelettes peut être évitée de façon sûre. Selon une autre caractéristique de l'invention, entre la couche de métallisation et la couche formant membrane, est prévue une couche d'isolation thermique et électrique. Avantageusement, sur la couche formant membrane, est prévue une couche de déréticulation. De préférence, la couche de résistance est constituée partiellement d'une matière résistante différente pour les5 éléments chauffants et pour des capteurs de température. En particulier, la matière résistante pour les capteurs de température peut se trouver au-dessus des parois intermé- diaires des canaux. Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 est une représentation de principe d'une tête d'impression à encre particulièrement appropriée pour l'utilisation de l'invention. La figure 2 est une vue en coupe de la plaquette d'une telle tête d'impression à encre. La figure 3 est une vue en coupe agrandie du détail A de la tête d'impression à encre connue. La figure 4 est une vue en coupe agrandie du détail A de la tête d'impression à encre selon l'invention. La figure 1 montre, en perspective, la construction d'une tête d'impression à encre 24 Celle-ci est constituée essentiellement de seulement deux pièces à relier l'une avec l'autre, c'est-à-dire une plaquette 11, qui contient aussi bien les éléments chauffants, les liaisons électriques, et les points de contact pour le raccordement électrique, que les ouvertures de sortie (buses), et qui est fixée et contactée, en tant que fermeture, sur un réservoir d'encre 12 Les éléments chauffants, non représentés dans cette vue de principe, les liaisons électriques, les points de contact 9, et les ouvertures de sortie 10 peuvent être de plus formés, avantageusement, dans une plaquette unique 11 constituée de préférence de silicium, par des étapes5 d'usinage planaires. Le réservoir d'encre 12 présente une structure de forme quadratique dans laquelle est disposé un milieu imprégné de liquide d'encrage, par exemple une éponge 13 Sur la face supérieure, en regard de la plaquette 11, du réservoir10 d'encre 12, sont prévues des ouvertures de sortie, munies de filtres 14, sous forme de deux canaux d'alimentation 15 Ces canaux d'alimentation 15 s'étendent parallèlement l'un à l'autre dans la direction longitudinale du réservoir d'encre 12, de sorte qu'ils sont reliés aux ouvertures de sortie 13, par l'intermédiaire des canaux d'encre 16, lorsque la plaquette 11 est montée Le montage de la plaquette 11 sur le réservoir d'encre 12 est effectué, de façon simple, par des pinces de montage 17 agencées sur les côtés longitudi- naux du réservoir d'encre 12, pinces qui permettent d'obte-20 nir aussi bien la liaison mécanique que le contact électri- que par l'intermédiaire des points de contact 9. La figure 2 est une coupe de la plaquette selon la ligne I-I de la figure 1 En particulier, on voit dans ce cas la réalisation géométrique d'un canal d'encre 16 qui présente25 des parois parallèles comportant des zones de sortie in- clinées. Comme cela apparaît sur la figure 2, ce canal d'encre 16 est fermé, du côté des buses, simplement par une couche mince du type membrane Dans cette membrane 3, est prévue l'ouverture30 de sortie 10. Pour mieux comprendre l'objet de l'invention, on a repré- senté, sur les figures 3 et 4, des détails agrandis de la tête d'impression à encre connue et de la tête d'impression à encre selon l'invention, correspondant au détail A de la figure 2. Selon la figure 3, le canal d'encre 16 de la tête d'impres- sion à encre connue 24 est fermé, dans la direction d'éjec- tion de l'encre, par une membrane 3 constituée d'un matériau de substrat 25, sur le dos de laquelle est agencée, tout d'abord, une couche d'isolation 29, par exemple en nitrure de silicium Sur la couche d'isolation 29, se trouve une couche de résistance 27, par exemple en diborure de hafnium, qui est en contact avec une piste conductrice en aluminium 28 Comme fermeture externe, est prévue une couche de déréticulation 31 pour éviter des fuites d'encre sur la surface de la tête d'impression à encre 24 Le matériau de substrat 25 et les couches sus-jacentes ne sont ouverts que dans la zone de l'ouverture de sortie 10. Selon l'invention, le matériau de substrat 25, pour struc- turer les canaux d'encre 16, est totalement éliminé, selon la figure 4, aussi bien dans la zone de l'ouverture de sortie 10 que dans la zone de la membrane 3, par décapage anisotrope La membrane 3 est constituée, exclusivement, des couches 26, 27, 28, 30 et 31 agencées sur le matériau de substrat 25. Au plus près du canal d'encre 16, est appliquée une couche anti- corrosion mince 26 qui sert à protéger les couches suivantes pendant le décapage anisotrope des canaux d'encre 16 La couche anti-corrosion 26 est constituée de nitrure de silicium et présente une épaisseur d'environ 150 nm. Sur la couche anti-corrosion 26, est appliquée une couche de résistance 27 Pour les éléments chauffants, la couche de résistance 27 est constituée de diborure 'de hafnium et présente une épaisseur d'environ 100 nm, selon le dimensionnement latéral. Par ailleurs, la couche de résistance 27 est subdivisée, latéralement, en zones comportant une matière résistante 5 différente Dans la zone du canal d'encre 16, de la matière résistante pour les éléments chauffants 4 est prévue et, dans la zone de la paroi intermédiaire du canal, de la matière résistante ayant un coefficient de température élevé Les zones ayant des coefficients de température élevés sont contactées de façon séparée et servent de capteurs de température pour la surveillance et la sécurité de fonctionnement de la tête d'impression à encre 24. Sur la couche de résistance 27, est prévue, pour chaque canal d'encre 16, de façon sélective, une couche de métal-15 lisation 28 qui sert pour contacter les éléments chauffants 4 Pour la couche de métallisation 28, de l'aluminium à une épaisseur d'environ 1000 nm est pulvérisé. Avantageusement, sur la couche de métallisation 28, est appliquée une couche d'isolation 29 qui est constituée de20 dioxyde de silicium ou de nitrure de silicium et présente une épaisseur d'au moins 200 nm La couche d'isolation 29 présente aussi bien des propriétés d'isolation thermiques que des propriétés d'isolation électriques, de sorte que, d'une part, les pertes thermiques dans les couches suivantes25 sont minimisées et que, d'autre part, un matériau conducteur peut être également utilisé pour la couche suivante. Sur la couche d'isolation 29, est appliquée une couche formant membrane 30 Cette couche formant membrane 30 est la couche porteuse qui fournit, à la membrane 3, la stabilité30 mécanique et, en même temps, évacue la chaleur en excès. L'épaisseur de la couche formant membrane dépend de la résistance mécanique du matériau utilisé Cependant, la trajectoire de la gouttelette d'encre éjectée est également influencée par l'épaisseur de la couche formant membrane 30. Plus la couche formant membrane 30 est épaisse, plus l'ou- verture de sortie 10 dans la direction d'éjection de l'encre est longue et plus la trajectoire de la gouttelette d'encre est précise. La fermeture externe est formée par une couche de déréticu- lation 31 qui est appliquée sur la couche formant membrane 30. On peut se passer d'une couche d'isolation séparée 29 quand la matière, qui est utilisée pour la couche formant membrane , possède elle-même des propriétés d'isolation électriques et thermiques. On peut se passer d'une couche de déréticulation 31, quand la matière de la couche formant membrane 30 peut jouer ce rôle. En tant que matière pour la couche formant membrane 30, une feuille de matière synthétique est également appropriée, laquelle est appliquée, par stratification, sur la plaquette 11. il REVENDICATIONS 1 Tête d'impression à encre électrothermique à plusieurs couches, comportant une pluralité de canaux d'encre pré- sentant des ouvertures de sortie de l'encre, dans laquelle les éléments chauffants, les liaisons électriques, les points de contact, et les ouvertures de sortie de l'encre sont réunis sur une plaquette unique, la direction d'exten- sion de chaque bulle de vapeur engendrée électro- thermiquement étant opposée à la direction d'éjection de l'encre, et qui est reliée de façon amovible à un réservoir d'encre par l'intermédiaire de canaux d'alimentation, caractérisée en ce que les canaux d'encre ( 16), dans la direction d'éjection de l'encre, sont fermés par une mem- brane ( 3) qui est constituée, à partir de la plaquette ( 11) dans la direction d'éjection de l'encre, d'au moins une couche anti-corrosion ( 26), d'une couche de résistance sélective ( 27), d'une couche de métallisation sélective ( 28), et d'une couche formant membrane ( 30), dans la suc- cession indiquée. 2 Tête d'impression à encre électrothermique à plusieurs couches selon la revendication 1, caractérisée en ce que, entre la couche de métallisation ( 28) et la couche formant membrane ( 30), est prévue une couche d'isolation thermique et électrique ( 29). 3 Tête d'impression à encre électrothermique à plusieurs couches selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée en ce que, sur la couche formant membrane ( 30), est prévue une couche de déréticulation ( 31). 4 Tête d'impression à encre électrothermique à plusieurs couches selon une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la couche de résistance ( 27) est constituée partiellement d'une matière résistante différente pour les éléments chauffants ( 4) et pour des capteurs de température. Tête d'impression à encre électrothermique à plusieurs couches selon la revendication 4, caractérisée en ce que la matière résistante pour les capteurs de température se trouve au-dessus des parois intermédiaires des canaux.