專利名稱：墨滴體積減小的噴墨打印頭的制作方法
本專利申請與1997年8月29日以David Pidwerbecki等人的名義申請、題為“體積縮小了的噴墨打印機的打印頭”的美國專利申請08/920.478有關。此有關的專利申請轉讓給本專利申請的受讓人，這里將其全部包括進來，以供參考。
本發(fā)明涉及噴墨打印機，更具體地說，涉及減小從噴墨打印頭噴出的墨滴的體積。
現(xiàn)有技術中周知的噴墨打印機有好幾種，其中包括Epson、Canon和Hewlett-Packard等廠家出品的噴墨打印機。為提高圖像質(zhì)量，噴墨器件制造廠家不斷試圖增加打印頭在單位面積(通常為平方英寸)噴射的墨滴數(shù)，例如，從每平方英寸300至600點(dpi)的范圍。這一部分是通過減小形成各點所使用的墨滴的體積從而減小各點的大小達到的。噴墨打印頭通常有一個噴墨室或墨槽(以下稱“墨槽”)，借助毛細管作用獲得油墨供應，墨槽的周邊是個蓋板，蓋板上有一個噴射孔板。墨槽附近有一個墨滴噴濺機構，例如加熱式噴墨打印機的加熱元件或機械式噴墨打印機的壓電-電子操作元件。想從墨槽噴射墨滴時，噴濺機構經(jīng)過激勵之后促使墨滴通過噴射孔板噴射出去。
現(xiàn)有技術試圖減小墨滴體積的作法是減小墨槽的容積。若減小墨槽的容積而不改變蓋板的厚度，則墨滴在噴射之前必須走過的行程增加。這個增加的距離需要額外的能量(增加熱量或提高機械壓力等)，從而使制造出來的打印頭能耗大，沒有好處，而且可靠性因操作溫度提高或機械壓力增加等有關的應力而降低。此外，提高操作溫度還可能影響打印的質(zhì)量。
為縮短墨滴噴濺之前必須走過的行程(并減小所需的有關能量)，歷來的作法是試圖減小蓋板的厚度。然而，蓋板的厚度終究受到物理上的限制的，因而不能與其它組成部分成比例地減小。舉例說，目前市面上出售的某些打印頭蓋板，其厚度就已經(jīng)減小到45微米，這大致相當于人頭發(fā)厚度的1/3。用普通的方法將蓋板的厚度減小到比此更小而仍然保持其結構的完整性的因難。
因此，需要有一個無需大幅度增加噴濺所需用的能量即能減小墨槽容積(墨滴體積)而且以基本上完全不依靠蓋板的厚度達到這種效果的噴墨打印頭。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種噴射出的墨滴體積減小了的噴墨打印頭。
本發(fā)明的另一個目的是提供噴墨所需的能量減小了的上述那一種噴墨打印頭。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種噴濺機構靠近墨槽配置的噴墨打印頭。
本發(fā)明還有一個目的，即減小將墨槽與噴濺機構分隔開的鈍化膜或保護膜的厚度。
本發(fā)明的上述和有關目的是通過采用這里即將說明的墨滴體積減小了的噴墨打印頭實現(xiàn)的。
本技術領域的一般技術人員在閱讀下面結合附圖對本發(fā)明所作的詳細說明之后可以更清楚地理解本發(fā)明的上述和有關的優(yōu)點和特點是如何達到的。
圖1是本發(fā)明加熱式噴墨打印頭結構一個實施例的剖視圖。
圖2是本發(fā)明(品紅色油墨的)電鈍化層厚度與激活能(TOE)的關系曲線。
圖3是本發(fā)明(所有顏色油墨的)電鈍化層厚度與激活能(TOE)的關系曲線。
圖4是本發(fā)明小體積加熱式噴墨打印頭結構另一個實施例的剖視圖。
在下面的說明中，本發(fā)明的一個實施例是就加熱式噴墨打印機進行說明的。應該理解的是，本發(fā)明的教導，特別是那些與減小噴濺機構與墨槽之間阻檔層有關的教導，可以應用到采用諸如機械/壓電-電氣機構等之類的其它噴濺機構的噴墨打印機上。
參看圖1，圖中示出了本發(fā)明加熱式噴墨打印頭構件10的一個實施例的剖視圖。構件10的襯底11，最好是半導體或陶瓷材料制成的，上面形成有襯底熱鈍化層12。襯底(或熱鈍化層)上形成有電阻層14，導電層16最好是在電阻層上形成。導電層16和電阻層14上，如圖所示，形成有電鈍化層17，第一和第二氣穴層部分18,19則最好分別在電鈍化層和導電層上形成。第二導電層20含有接觸墊片21，最好在第二氣穴層部分19上形成。
工作時，激勵信號傳送到接觸墊片21，通過第二導電層20、第二氣穴層部分19、導電層16、電阻層14的一部分(以下稱“電阻13”)返回，通過導電層16接地22。虛線A表示激勵電流通過構件10的通路。電流流過電阻13產(chǎn)生的熱通過電鈍化層17和氣穴部分18擴散，將墨槽30中的油墨加熱。墨槽30以氣穴層部分18、油墨阻擋層24、蓋板26和孔板28的輪廓為界。墨槽30中的油墨一直加熱到產(chǎn)生氣泡，從而使一定體積的油墨(墨滴)噴射出去為止。
更仔細地參看構件10。若最佳實施例中的襯底是硅，則襯底熱鈍化層最好為SiO2。電阻層14最好由鉭鋁合金(TaAl)或性能類似的物質(zhì)構成。導電層16和20最好分別為鋁(Al)和金(Au)，或其它能適應有關的熱應力和機械應力的導電材料。電鈍化層17最好是一層上面形成有碳化硅(SiC)層的氮化硅(SiN)層。SiN將油墨與電阻電絕緣起來。SiC起保護導電跡線和電阻跡線的作用，使其不致受油墨液的腐蝕。在最佳實施例中，SiN約為電鈍化層厚度的2/3,SiC約為電鈍化層厚度的1/3。例如，厚3000埃的電鈍化層17，其SiN最好約為2000埃，其SiC最好約為1000埃。氣穴層部分18保護電鈍化層17使其不致因受氣蝕而損壞，且實驗證明，在墨滴體積較大(在穩(wěn)態(tài)下＞50納克干重)的情況下可以提高打印質(zhì)量。適宜用作氣穴層部分18,19的材料有鉭等，這些層部分的形成是本技術領域所周知的。油墨阻擋層是諸如經(jīng)干燥的光致抗蝕劑之類的材料，起界定墨槽高度的作用，且可形成毛細管溝道，這是眾所周知的。蓋板或孔板26最好是用鎳等電鍍過的。題為“噴墨打印機體積縮小了的打印頭”的美國專利申請08/920,478也介紹過一種適用的薄蓋板，該專利為本專利受讓人所擁有，這里也將其包括進來以供參考。下面將更詳細論述電鈍化層17和氣穴層部分18。構件10某些組成部分具代表性的理想尺寸如下孔板28的直徑18微米，孔板26的厚度28.5微米，油墨阻擋層25厚度14微米，電阻13的寬度22微米。這些尺寸只是出于說明的目的舉例提出的，完全沒有限制本發(fā)明的意思。
在本發(fā)明的諸多方面中，其中包括調(diào)整電鈍化層的厚度來減小噴射墨滴所需要的能量?，F(xiàn)有技術減小墨滴體積是側重于減小孔板的厚度(非光刻形成的層面)，本發(fā)明則通過調(diào)整光刻形成的層面來達到所要求的目的。
參看圖2，圖中示出了本發(fā)明(品紅色油墨的)電鈍化層17與激活能(TOE)的關系曲線。從圖中可以看到多個數(shù)據(jù)點和回歸線。激活能是噴射預定大小(體積)墨滴所需要的能量，較理想的墨滴大小為10納克(在穩(wěn)態(tài)下的干重)。激活能用儀表測定，提供給打印頭的能量與相對打印頭溫度降質(zhì)量的簡單關系可用下式表示TOE=mCpΔT，其中m=噴射出的墨滴的質(zhì)量，Cp=油墨(恒壓下的)比熱，ΔT=打印頭加熱到能進行高密度打印的穩(wěn)態(tài)溫度。這里繪制的是品紅色油墨專用的曲線，因為不同顏色油墨的TOE是略為不同的。
按慣例，電鈍化層的厚度是不會小于750納米的。圖2的曲線表明，減小電鈍化層的厚度，會使TOE減少，從而減小電阻13加熱應達到的溫度。舉例說，鈍化層17厚度從750納米到560納米的這個25％的減小，使TOE下降17％(從1.8微焦耳下降到1.5微焦耳)。
參看圖3，圖中示出了本發(fā)明(所有油墨顏色為品紅、青和黃色時)電鈍化層17與激活能(TOE)的關系曲線。圖中繪出了各數(shù)據(jù)點和回歸線。此曲線進一步表明，減小電鈍化層的厚度，其效果是減小了激活能。
參看圖4，圖中示出了本發(fā)明小體積加熱式噴墨打印頭構件100的另一個實施例。此構件與圖1中所示的構件類似，其各組成部分的編號是在圖1相應編號前加1成百位數(shù)字進行的。
隨著墨滴體積的減小，起泡油墨引起的氣蝕損壞減小了。認識到這種現(xiàn)象可以衍生出其它一些氣穴層18(圖1)減小或消除了、電鈍化層17(圖1)可能進一步減小的實施例。圖4示出了氣穴層部分18消除了另一個可供選擇的第一實施例。在此情況下，鈍化層117界定著墨槽底部，若采用SiN/SiC鈍化層，則SiC界定著墨槽底部(即油墨接觸表面)。在另一個可供選擇的第二實施例中，氣穴層18(圖1)等與(上面說過的)鈍化層17受保護不致受墨液腐蝕的部分(例如SiC層)結合起來或代替該部分。這樣就可以得到由電絕緣層和導電防腐層118’組成的鈍化層117，電絕緣層最好是SiN，導電防腐層118’可以含鉭之類的金屬、SiC等之類、或其混合材料。
雖然本發(fā)明是就加熱式噴墨打印機進行說明的，但應該理解的是，本發(fā)明的教導同樣適用于其它噴墨打印機。舉例說，若用壓電-電氣執(zhí)行元件13,113代替電阻13,113，則減少鈍化層17,117和/或減少或取消氣穴層會使機械能更直接地從執(zhí)行元件傳到墨滴上。
上面已結合本發(fā)明的一些具體實施例說明本發(fā)明，但應該理解的是，對上述實施例是可以進一步進行修改的，而本專利申請的范圍包括通常根據(jù)本發(fā)明的原理對本發(fā)明所作的任何修改、應用或改裝，且包括與本公開的內(nèi)容不同但在本發(fā)明技術領域周知的或在慣常作法范圍內(nèi)且可應用到上文提到的主要特點并屬于本發(fā)明范圍和所附權利要求書的限定范圍的內(nèi)容。
權利要求
1．一種噴墨打印頭裝置，包括一個襯底(11,111)；一個墨槽(30,130)，在所述襯底上形成，具有一個孔板，油墨即通過孔板噴射出去；一個墨滴噴濺機構(13,113)，在所述襯底與所述墨槽(30,130)之間形成；和一保護層(17,117或17,117和18,118’)，在所述墨槽與所述噴濺機構之間形成，厚度小于7400埃。
2．如權利要求1所述的噴墨打印頭裝置，其特征在于，所述保護包括具電絕緣材料的電鈍化層(17,117)。
3．如權利要求2所述的噴墨打印頭裝置，其特征在于，所述鈍化層(17,117)含防止液體(油墨)腐蝕的材料。
4．如權利要求1所述的噴墨打印頭裝置，其特征在于，所述噴濺機構(13,113)有一個熱源。
5．如權利要求4所述的噴墨打印頭裝置，其特征在于，所述熱源包括電阻。
6．如權利要求2所述的噴墨打印頭裝置，其特征在于，它還有一個氣穴層(18,118’)在所述保護層(17,117)與所述墨槽(30,130)之間形成，起保護打印頭裝置的作用使其不致受所述墨槽中油墨的氣蝕作用而損壞。
7．如權利要求6所述的噴墨打印頭裝置，其特征在于，所述氣穴層(18,118)直接在所述電絕緣材料上形成。
8．如權利要求2所述的噴墨打印頭裝置，其特征在于，所述墨槽(30,130)直接在所述鈍化層(17,117)上形成。
9．如權利要求1所述的噴墨打印頭裝置，其特征在于，激活大致10納克(穩(wěn)態(tài)下干重)墨滴所需要的能量約為1.7微焦或以下。
10．如權利要求1所述的噴墨打印頭裝置，其特征在于，所述噴濺機構有一個壓電-電氣執(zhí)行元件(13,113)。
全文摘要
一種噴墨打印頭裝置,在其襯底上形成有一個墨槽(30,130)和一個墨滴噴濺機構(13,113)。在墨槽(30,130)與噴濺機構(13,113)之間形成保護層(17,117),其厚度減小,最好在7400埃以下,從而可以減少提供給噴濺機構的能量。保護層(17,117)最好含有具電絕緣材料的電鈍化層。此外還介紹了其它起保護作用使裝置不致受液體的腐蝕、氣蝕和兩者的層面配置方式。
文檔編號B41J2/055GK1232750SQ981260
公開日1999年10月27日 申請日期1998年12月22日 優(yōu)先權日1998年4月22日
發(fā)明者D·皮德維爾貝基 申請人:惠普公司