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(qǐng)與1997年8月29日以David Pidwerbecki等人的名義申請(qǐng)、題為“體積縮小了的噴墨打印機(jī)的打印頭”的美國(guó)專利申請(qǐng)08/920.478有關(guān)。此有關(guān)的專利申請(qǐng)轉(zhuǎn)讓給本專利申請(qǐng)的受讓人，這里將其全部包括進(jìn)來(lái)，以供參考。
本發(fā)明涉及噴墨打印機(jī)，更具體地說(shuō)，涉及減小從噴墨打印頭噴出的墨滴的體積。
現(xiàn)有技術(shù)中周知的噴墨打印機(jī)有好幾種，其中包括Epson、Canon和Hewlett-Packard等廠家出品的噴墨打印機(jī)。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(diǎn)(dpi)的范圍。這一部分是通過(guò)減小形成各點(diǎn)所使用的墨滴的體積從而減小各點(diǎn)的大小達(dá)到的。噴墨打印頭通常有一個(gè)噴墨室或墨槽(以下稱“墨槽”)，借助毛細(xì)管作用獲得油墨供應(yīng)，墨槽的周邊是個(gè)蓋板，蓋板上有一個(gè)噴射孔板。墨槽附近有一個(gè)墨滴噴濺機(jī)構(gòu)，例如加熱式噴墨打印機(jī)的加熱元件或機(jī)械式噴墨打印機(jī)的壓電-電子操作元件。想從墨槽噴射墨滴時(shí)，噴濺機(jī)構(gòu)經(jīng)過(guò)激勵(lì)之后促使墨滴通過(guò)噴射孔板噴射出去。
現(xiàn)有技術(shù)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(guò)的行程增加。這個(gè)增加的距離需要額外的能量(增加熱量或提高機(jī)械壓力等)，從而使制造出來(lái)的打印頭能耗大，沒(méi)有好處，而且可靠性因操作溫度提高或機(jī)械壓力增加等有關(guān)的應(yīng)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(guò)的行程(并減小所需的有關(guān)能量)，歷來(lái)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(shuō)，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(dāng)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(jié)構(gòu)的完整性的因難。
因此，需要有一個(gè)無(wú)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(dá)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(gè)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(gè)目的是提供一種噴濺機(jī)構(gòu)靠近墨槽配置的噴墨打印頭。
本發(fā)明還有一個(gè)目的，即減小將墨槽與噴濺機(jī)構(gòu)分隔開(kāi)的鈍化膜或保護(hù)膜的厚度。
本發(fā)明的上述和有關(guān)目的是通過(guò)采用這里即將說(shuō)明的墨滴體積減小了的噴墨打印頭實(shí)現(xiàn)的。
本技術(shù)領(lǐng)域的一般技術(shù)人員在閱讀下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明所作的詳細(xì)說(shuō)明之后可以更清楚地理解本發(fā)明的上述和有關(guān)的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)是如何達(dá)到的。


圖1是本發(fā)明加熱式噴墨打印頭結(jié)構(gòu)一個(gè)實(shí)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(guān)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(guān)系曲線。
圖4是本發(fā)明小體積加熱式噴墨打印頭結(jié)構(gòu)另一個(gè)實(shí)施例的剖視圖。
在下面的說(shuō)明中，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例是就加熱式噴墨打印機(jī)進(jìn)行說(shuō)明的。應(yīng)該理解的是，本發(fā)明的教導(dǎo)，特別是那些與減小噴濺機(jī)構(gòu)與墨槽之間阻檔層有關(guān)的教導(dǎo)，可以應(yīng)用到采用諸如機(jī)械/壓電-電氣機(jī)構(gòu)等之類的其它噴濺機(jī)構(gòu)的噴墨打印機(jī)上。
參看圖1，圖中示出了本發(fā)明加熱式噴墨打印頭構(gòu)件10的一個(gè)實(shí)施例的剖視圖。構(gòu)件10的襯底11，最好是半導(dǎo)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(dǎo)電層16最好是在電阻層上形成。導(dǎo)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(dǎo)電層上形成。第二導(dǎo)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(shí)，激勵(lì)信號(hào)傳送到接觸墊片21，通過(guò)第二導(dǎo)電層20、第二氣穴層部分19、導(dǎo)電層16、電阻層14的一部分(以下稱“電阻13”)返回，通過(guò)導(dǎo)電層16接地22。虛線A表示激勵(lì)電流通過(guò)構(gòu)件10的通路。電流流過(guò)電阻13產(chǎn)生的熱通過(guò)電鈍化層17和氣穴部分18擴(kuò)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(xì)地參看構(gòu)件10。若最佳實(shí)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(gòu)成。導(dǎo)電層16和20最好分別為鋁(Al)和金(Au)，或其它能適應(yīng)有關(guān)的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力的導(dǎo)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(lái)。SiC起保護(hù)導(dǎo)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(shí)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(hù)電鈍化層17使其不致因受氣蝕而損壞，且實(shí)驗(yàn)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(shù)領(lǐng)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(xì)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(guò)的。題為“噴墨打印機(jī)體積縮小了的打印頭”的美國(guó)專利申請(qǐng)08/920,478也介紹過(guò)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(jìn)來(lái)以供參考。下面將更詳細(xì)論述電鈍化層17和氣穴層部分18。構(gòu)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(shuō)明的目的舉例提出的，完全沒(méi)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(lái)減小噴射墨滴所需要的能量。現(xiàn)有技術(shù)減小墨滴體積是側(cè)重于減小孔板的厚度(非光刻形成的層面)，本發(fā)明則通過(guò)調(diào)整光刻形成的層面來(lái)達(dá)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(guān)系曲線。從圖中可以看到多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)和回歸線。激活能是噴射預(yù)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(cè)定，提供給打印頭的能量與相對(duì)打印頭溫度降質(zhì)量的簡(jiǎn)單關(guān)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(jìn)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?yàn)椴煌伾湍腡OE是略為不同的。
按慣例，電鈍化層的厚度是不會(huì)小于750納米的。圖2的曲線表明，減小電鈍化層的厚度，會(huì)使TOE減少，從而減小電阻13加熱應(yīng)達(dá)到的溫度。舉例說(shuō)，鈍化層17厚度從750納米到560納米的這個(gè)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(shí))電鈍化層17與激活能(TOE)的關(guān)系曲線。圖中繪出了各數(shù)據(jù)點(diǎn)和回歸線。此曲線進(jìn)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(gòu)件100的另一個(gè)實(shí)施例。此構(gòu)件與圖1中所示的構(gòu)件類似，其各組成部分的編號(hào)是在圖1相應(yīng)編號(hào)前加1成百位數(shù)字進(jìn)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(rèn)識(shí)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(jìn)一步減小的實(shí)施例。圖4示出了氣穴層部分18消除了另一個(gè)可供選擇的第一實(shí)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(gè)可供選擇的第二實(shí)施例中，氣穴層18(圖1)等與(上面說(shuō)過(guò)的)鈍化層17受保護(hù)不致受墨液腐蝕的部分(例如SiC層)結(jié)合起來(lái)或代替該部分。這樣就可以得到由電絕緣層和導(dǎo)電防腐層118’組成的鈍化層117，電絕緣層最好是SiN，導(dǎo)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(jī)進(jìn)行說(shuō)明的，但應(yīng)該理解的是，本發(fā)明的教導(dǎo)同樣適用于其它噴墨打印機(jī)。舉例說(shuō)，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(huì)使機(jī)械能更直接地從執(zhí)行元件傳到墨滴上。
上面已結(jié)合本發(fā)明的一些具體實(shí)施例說(shuō)明本發(fā)明，但應(yīng)該理解的是，對(duì)上述實(shí)施例是可以進(jìn)一步進(jìn)行修改的，而本專利申請(qǐng)的范圍包括通常根據(jù)本發(fā)明的原理對(duì)本發(fā)明所作的任何修改、應(yīng)用或改裝，且包括與本公開(kāi)的內(nèi)容不同但在本發(fā)明技術(shù)領(lǐng)域周知的或在慣常作法范圍內(nèi)且可應(yīng)用到上文提到的主要特點(diǎn)并屬于本發(fā)明范圍和所附權(quán)利要求書(shū)的限定范圍的內(nèi)容。
權(quán)利要求
1．一種噴墨打印頭裝置，包括一個(gè)襯底(11,111)；一個(gè)墨槽(30,130)，在所述襯底上形成，具有一個(gè)孔板，油墨即通過(guò)孔板噴射出去；一個(gè)墨滴噴濺機(jī)構(gòu)(13,113)，在所述襯底與所述墨槽(30,130)之間形成；和一保護(hù)層(17,117或17,117和18,118’)，在所述墨槽與所述噴濺機(jī)構(gòu)之間形成，厚度小于7400埃。
2．如權(quán)利要求1所述的噴墨打印頭裝置，其特征在于，所述保護(hù)包括具電絕緣材料的電鈍化層(17,117)。
3．如權(quán)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(quán)利要求1所述的噴墨打印頭裝置，其特征在于，所述噴濺機(jī)構(gòu)(13,113)有一個(gè)熱源。
5．如權(quán)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(quán)利要求2所述的噴墨打印頭裝置，其特征在于，它還有一個(gè)氣穴層(18,118’)在所述保護(hù)層(17,117)與所述墨槽(30,130)之間形成，起保護(hù)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(quán)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(quán)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(quán)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(quán)利要求1所述的噴墨打印頭裝置，其特征在于，所述噴濺機(jī)構(gòu)有一個(gè)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(gè)墨槽(30,130)和一個(gè)墨滴噴濺機(jī)構(gòu)(13,113)。在墨槽(30,130)與噴濺機(jī)構(gòu)(13,113)之間形成保護(hù)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(jī)構(gòu)的能量。保護(hù)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(hù)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(hào)B41J2/055GK1232750SQ981260
公開(kāi)日1999年10月27日 申請(qǐng)日期1998年12月22日 優(yōu)先權(quán)日1998年4月22日
發(fā)明者D·皮德維爾貝基 申請(qǐng)人:惠普公司