具有发热电阻器的喷墨头基板和喷墨头以及利用这些装置的记录方法

文档序号:2488528
专利名称:具有发热电阻器的喷墨头基板和喷墨头以及利用这些装置的记录方法
技术领域
本发明涉及一种喷墨头所用的基板,所述喷墨头利用热能,响应于记录信号而喷射墨滴,从而在记录介质上形成图象。本发明还涉及一种喷墨头、一种喷墨装置和一种喷墨记录方法。
目前已提出了多种喷墨记录方法。在这些喷墨记录方法中,其中的主要方法是通过将由发热电阻器产生的热量作用于记录头墨腔中的油墨上,然后根据记录信号而喷射墨滴,从而记录图象。作为这种喷墨记录方法的一个例子,在未审查的日本专利公开号59,936/1979中披露了一种喷墨记录方法,根据该文献中披露的方法,将热能施加到油墨中而在油墨中产生气泡,然后利用气泡来喷射油墨。这种类型的喷墨记录方法在本发明的喷墨记录领域内已成为主要的记录方法之一,因为,根据这种方法,喷射油墨的开口(在下文中将开口称为孔)可较容易地以高密度来布置。
现在已知道在一种记录方法中,通过利用发热电阻器向油墨中施加热能,相应于记录信号而从孔中喷射油墨,从而记录图象。所喷射的墨滴的大小就依赖于装置的工作条件如施加到油墨中的热能或压力的量及油墨的物理特性如油墨的比热、导热率、热膨胀系数或粘度。这样,为了始终如一地喷射油墨,已提出了许多方法来控制上述的这些因素。例如,未审查的日本专利公开号132,253/1980着重提出了一种控制施加到发热元件上的电压的升高和降低的方法,另外,该文献还披露了这样一个情况,即发热电阻器的温度相应于脉冲的宽度和脉冲振幅的改变而改变,因此,气泡的体积也随着脉冲宽度和脉冲振幅的改变而改变。这样,上述的文献中就披露了一种通过控制脉冲的宽度和脉冲的振幅而始终如一地喷射油墨的喷墨记录方法。现今的喷墨头的特点完全能够满足这种技术标准。但是,如果油墨中所含的物质受热时其物理特性发生了改变,其中的夹杂物质(下文中将夹杂物质称为烧结沉积物(burnt deposit))有时会产生沉淀。如果上述夹杂物质不断地进行大量沉淀,它们就会逐步地沉积在保护膜的表面上,这样有时就会导致热量向油墨中传导的效率降低,这样就导致了气泡产生的不一致。因此,就不能满意地形成喷墨所需的气泡,从而油墨就不能以正常记录所需的量喷射出或根本就不能喷出油墨,换句话说,这样就降低了油墨喷射的一致性。近年来,记录头的尺寸大小已明显减小,其运行精度也已明显提高,随着上述的进步,通过一个喷射周期而喷射的油墨的量减小了。因此,由发热电阻器必须施加到油墨中的能量也变少了。在这种情况下,由于上述的原因,粘附到保护膜表面上的烧结沉积物的量也较少,粘附到保护膜上的烧结沉积物的影响随着从发热元件中产生的热量被阻止传向油墨的比率的增大而增大,有时还会改变喷射的油墨的量,这样就破坏性地影响了高精确度图象的记录效果。因此,必须严格控制烧结沉积物的产生。
在过去技术中,上述的烧结油墨成分(burnt ink ingredients)的沉淀是通过改变油墨的成分来处理的。
已知烧结沉积物中包含有无机成分如Fe及有机成分。
对于无机成分来说,无机成分所涉及的问题可通过向油墨中添加螯合剂来解决,因为所添加的螯合剂可通过与无机成分配位而使油墨稳定。对于有机成分来说,有机成分所涉及的问题也可通过向油墨中添加螯合剂来解决,因为螯合剂可阻止有机成分在热阻层(exothermic resistant layer)上产生结晶。换句话说,向油墨中添加的螯合剂可阻止碳化沉积物在热阻层上进行积聚。此外,未审查的日本专利公开号160,070/1991和80,664/1996中也披露了解决烧结沉积物问题的方法。根据前面所述的专利文献,将 阴离子添加到油墨中而控制烧结油墨成分的沉淀,根据后面描述的专利文献,将肌醇六磷酸或肌醇六磷酸盐添加到油墨中而控制烧结油墨成分的沉淀。
在上述的喷墨头中,保护膜的表面在与油墨接触的一侧上覆盖有一层主要由钽(Ta)形成的防气蚀膜。现在已知钽(Ta)不仅具有高度的机械防震性能,而且它具有较高的耐腐蚀性。
考虑到这样一个事实,即防气蚀膜越薄,从发热元件传向油墨的热量就越多,因此希望将防气蚀膜做的尽量薄。近年来,为进行高质量的记录就增加了记录头中的发热元件的数量。因此,从储存能量的角度来说,防气蚀膜的厚度应减小至不大于0.3μm。在热阻层上布置这样薄的防气蚀膜并利用上述的油墨就会导致烧结油墨成分的沉淀量的改进。但是,这些措施明显地产生了一些新问题。也就是说,在喷墨头连续运行之后对钽(Ta)膜进行检测,可发现钽(Ta)膜已被腐蚀。钽(Ta)防气蚀膜上的腐蚀是通过两个机理产生的。一个机理就是在防气蚀膜中的晶粒界面上产生破裂,另一种机理就是钽(Ta)自身与油墨包含的螯合剂及类似物产生化学反应。换句话说,如果将螯合剂(如EDTA)添加到油墨中,即如果螯合剂的量增加,螯合剂就与用作保护膜的防气蚀膜部分的材料的钽(Ta)配位,这样就会引起保护膜的腐蚀。这样有时也会减小热阻层的耐久性。特别地,当记录头为高度度制的情况下,保护膜也为高度精制的或其厚度大量减小。因此,即使与油墨接触的保护膜的表面仅受到轻微的腐蚀,在保护膜上也会发生破裂,所述的破裂容易达到热阻层而破坏热阻层。为了这个原因,必须调节添加到油墨中的螯合剂的量。因此,添加螯合剂看起来在某种程度上提高了发热元件的耐久性及解决了烧结沉积物的问题,但它未从根本上解决上述的问题。
因此,本发明的发明人详细分析了产生上述问题的因素,即烧结油墨成分的沉淀、油墨喷射的不一致及发热元件的耐久性的降低等因素。最终发现了一种全面解决上述问题的方法。
在过去的技术中,假设上述问题与油墨的物理特性、运行条件及其他因素紧密相关,因此,没有解决上述问题的简单方法。但是,本发明的发明人对烧结油墨成分的沉淀的原因和发热元件的破坏原因进行了研究,同时对烧结油墨成分沉淀的表面进行了研究,认识到产生的烧结沉积物的量依赖于与油墨相接触的保护膜的表面所达到的最高温度。此外,对最高温度设定的标准的研究发现了下面所述的内容。当最高温度设定在600℃或700℃时,即以通用的方法设定温度,可观察到烧结油墨成分产生沉淀和/或发热元件的线路由于烧结油墨成分的沉淀和/或保护层熔化而断开。但是,降低最高温度就可产生良好的效果;可观察到,当将足够的热能施加到油墨中而将上述表面的温度保持在不高于560℃时,油墨始终如一地喷射而烧结油墨成分的沉淀得到了满意的控制。换句话说,发现将上述保护层的表面的最高温度保持在不高于一个预定的温度水平,不仅可控制烧结油墨成分的沉淀,而且可阻止对保护膜的腐蚀,这样就可提供在各个项目上均较优秀的一种喷墨头基板、一种喷墨头和一种喷墨记录方法。
此外,由本发明的发明人所做的研究揭示了为使上述保护层表面的温度保持不超过560℃,应控制保护膜的不同层的厚度和热传导率及作用驱动热阻层的脉冲的电压和宽度;特别地,当保护膜很薄且热传导性较好时,控制驱动脉冲的宽度和电压是解决上述问题的主要解决方法之一。这样,本发明的发明人根据一种实际应用的发热头结构和模拟的打印操作建立了一个数学模型,其中在变化驱动脉冲而的同时精确地得到上述表面达到的最高温度。由此完成了本发明,本发明可提供一种喷墨头基板、一种喷墨头和一种喷墨记录方法,这样就可保证上述的最高温度不超过560℃。
如上所述,本发明的主要目的是提供一种喷墨头基板、一种喷墨头和一种喷墨记录方法,这样可综合性地解决上述的问题即烧结油墨成分的沉淀、油墨喷射的不一致性及发热元件的寿命和耐久性的减小。
根据本发明的一个方面,本发明提供了一种利用喷墨头基板而喷射油墨的喷墨记录方法,所述喷墨头基板具有一个发热电阻器,所述发热电阻器覆盖有一层保护膜,其中,将热能通过保护膜而施加到油墨中而使油墨薄膜沸腾,其所形成的气泡产生的压力迫使油墨喷出,所述的热能由所述发热电阻器运行产生,其中的改进之处在于提供了一种记录模式,在这种记录模式中,油墨在与油墨相接触的所述保护膜的表面最高温度不高于560℃的情况下喷出。
根据本发明的另一个方面,本发明提供了一种包括喷墨头基板的喷墨头,所述喷墨头基板包括一个发热电阻器和一个保护膜,所述发热电阻器上覆盖所述的保护膜,其中将由所述发热电阻器产生的热量通过所述保护膜而施加到油墨中,从而在油墨中产生气泡,然后由气泡产生的压力迫使油墨喷射,其中的改进之处在于在所述发热电阻器运行期间,与油墨相接触的所述保护膜的表面上的最高温度不高于560℃。
根据本发明的另一个方面,本发明提供了一种喷墨装置,该装置包括一个喷墨头,所述喷墨头包括一个喷墨头基板,所述喷墨头基板包括一个发热电阻器和一个保护膜,所述发热电阻器上覆盖所述的保护膜,其中将由所述发热电阻器产生的热量通过所述保护膜作用于油墨而在油墨中产生气泡,这样由气泡产生的压力迫使油墨进行喷射,其中的改进之处在于本发明提供了一种驱动信号控制装置,在所述的发热电阻器运行过程中,该装置使与油墨相接触的所述保护膜的表面上的最高温度不超过560℃。
根据本发明,保护膜表面所允许的最高温度设定为不高于560℃,这样不但阻止了油墨的成分在发热元件表面(热量传送表面)上产生沉淀如烧结沉积,而且还阻止保护膜的消减。因此,即使在热阻层的厚度和尺寸被进一步减小,且由热阻层产生的热能变小时,也能使烧结油墨成分积聚所产生的热能不能被有效传递的问题得到控制,从而产生高质量的高精确度图象,本发明还提供一种喷墨头基板和一种喷墨头,所述喷墨头基板和喷墨头具有良好的喷墨一致性和耐久性。
利用本发明,只要与油墨相接触的保护膜的表面的最高温度保持在不高于560℃,即使向油墨中添加螯合剂,也可控制烧结油墨成分的沉淀及阻止保护膜的腐蚀。
顺便说一下,当向油墨中添加螯合剂时,如果向油墨中添加的螯合剂的量大于一定的值,由于螯合剂的溶解度而使螯合剂有时会产生沉淀,但是,如果添加的螯合剂的量小于一定的值,螯合剂就不会产生这种效果。因此,所添加的螯合剂量按重量计不小于50ppm且其占油墨总重量的重量百分率不超过20%,优选的情况为螯合剂量不小于80ppm且其占油墨总重量的重量百分率不超过10%。
本发明对抗腐蚀的防气蚀膜所提供的保护程度远大于由传统的方法所提供的保护程度。但是,为了进一步提高保护膜的抗腐蚀保护程度,即为了在更多种不同的油墨中保护保护膜,上面提到的与油墨接触的保护膜层也就是防气蚀膜可利用含有钽(Ta)的无定形合金来制成。此外,制作防气蚀膜所用的无定形合金除了包含Ta外,还包括Fe、Cr、Ni中的至少一种。顺便说一下,上面所述的无定形合金由Ta、Fe、Cr和Ni构成,当其中所含的Ta的量相对于无定形合金的总重量不大于30%时,无定形合金是比较有效的。
在由上述包含有Ta的无定形合金形成的防气蚀膜中没有晶粒界面。因此,防气蚀膜就不会发生在其他情况下可能发生的破裂。此外,包含有Ta的无定形合金的表面通过氧化可变得不活泼,这种不活泼的状态可阻止防气蚀膜与油墨的成分进行反应。由于以上给出的原因,由包含Ta的无定形合金形成的防气蚀膜与传统的防气蚀膜相比可更好地阻止由油墨产生的腐蚀。根据本发明,与油墨接触的保护膜的表面的最高温度保持不超过560℃,这种单独的条件可在控制下有效地阻止对防气蚀膜的腐蚀。但是,本发明中采取了一种附加的措施,即利用含有Ta的无定形合金来形成防气蚀膜,这样,由于较低的温度和利用含有Ta的无定形合金的协同效果可更好地控制对防气蚀膜的腐蚀。
作为防气蚀膜的材料的无定形合金可利用除Ta之外的Fe、Cr、Re、Ge和Ni中的至少一种金属来生产。此外,利用Ta、Fe、Cr和Ni四种金属材料作为防气蚀膜的生产材料,其中所含的Ta的重量与制成的合金的总重量的比率不多于30%,可改进含Ta合金的上述有益特征,这样可更好地控制防气蚀膜的腐蚀,还可延长发热元件的使用寿命。
换句话说,这样就可在一定程度上延长记录头的服务期限而使其实质上与喷墨记录装置的服务期限相匹配,从而排除了更换记录头的需要。
结合附图,通过下面对本发明的优选实施例的描述,本发明的这些目的和其他目的、特征和优点将会变得更加明确。


图1所示为根据本发明的一个记录头的基板的线路构造的平面图。
图2所示为根据本发明的一个记录头的线路元件的一个截面视图。
图3所示为根据本发明的一个记录头的线路原件的平面图。
图4所示为根据本发明的一个发热头的截面视图。
图5所示为具有多个发热头的记录头的示意性透视图,图中显示的为记录头总体构造。
图6所示为根据本发明的喷墨记录装置的一个实施例的示意性透视图。
图7所示为根据本发明的油墨筒的一个实施例的垂直截面视图。
图8所示为根据本发明的一个记录单元的实施例的示意性透视图。
图9所示为具有四个油墨筒的记录头的示意性透视图。
图10所示为布置在记录头上的四个油墨筒和一个发热头的示意性透视图。
图11所示为根据本发明的一个发热头的实施例的截面视图。
图12所示为根据本发明的记录头的一个示意性透视图。
图13所示为根据本发明的一个喷墨记录装置的示意图。
图14所示为一个曲线图,图中显示了防气蚀膜的剩余部分比率和防气蚀膜的表面所达到的最高温度二者之间的关系。
图15所示为一个曲线图,图中显示了在本发明的一个实施例中用来调节喷射量的记录头的驱动脉冲。
图16所示为一个曲线图,图中显示了图15中所示的驱动脉冲宽度和喷射的油墨量之间的关系。
在下面的内容中将详细描述本发明的优选实施例。本发明的实施例并不仅限于下面将描述的内容。将本发明以本发明下面的实施例所示的方式应用到喷墨记录方法中可提高已有的喷墨记录方法的优良特征。
(温度的上限)首先,下面将描述在执行本发明的模拟打印运行过程中,保护膜和油墨之间的界面所能达到的最高温度。每单位时间由热阻层所释放的热能的量P满足下面的数学公式P=V2/(R+r)×Pw×N………………(1)其中V驱动电压[V]R热阻层的电阻值[Ω]r与热阻层电连接的电线的电阻值[Ω]Pw驱动脉冲的宽度[μsec]N热阻层中的次层总数。
热阻层的电阻值可由下面的公式进行计算R=ps×LH/WH……(2)其中ps热阻层的电阻值[Ω/口]LH热阻层的长度[μm]WH热阻层的宽度[μm]热阻层在每单位面积和单位时间内消耗的电能的最大值W可由下式来表示W=P/LH/WH………(3)热阻层中产生的热能的量可根据热阻层的实际尺寸大小及上面的公式(1)至(3)的关系来调整。
此外,在产生热能时,保护膜的表面和油墨之间的界面上的温度T可通过差分算法解下面的线性方程(4)来得到
pC(∂]]>t/∂]]>t)=k(x)(∂]]>2T/∂]]>2t)+P………(4)其中p保护膜的平均密度[kg/m3]C平均比热容[J/(kg·C)]k(x)保护膜在点x处的热传导率[w/(μm·C)]t时间(μsec)x在保护膜的次层累积的方向上,从参考点(x=0)开始的距离,或保护膜的底表面位置[μm]P热能[W]在预定的初始条件下,利用数值方法求解方程(4)来模拟温度T的变化。可发现通过为缩短传热时间而使保护膜变薄或使等式(1)中的驱动脉冲宽度变窄均可将温度T保持不高于560℃。
这些方法可独立实施或联合实施或与附加的参数(如驱动电压)联合实施。
但是,不希望将保护膜变薄而超过一定的厚度,因为这样会减小保护膜的耐久性。考虑到上面所述的内容,保护膜的厚度希望不小于0.1μm且不超过2.0μm,最好不小于0.3μm而不超过1.0μm,这样,在供应足够热能的情况下可将温度T保持不超过560℃。
此外,本发明的发明人还发现在驱动电压在一个范围内,即在从电压水平等于可使油墨汽化的阈电压至1.25倍阈电压的范围内的条件下,通过使驱动脉冲的宽度不超过5μsec,优选不超过3μsec,可供应足够的热能且能将温度T保持不高于560℃。
(记录头)该实施例中的记录头包括多个发热头;多个与记录头一一相连的油墨通道和一个或多个向油墨通道供应油墨的墨腔。每个发热头包括一个在基片上形成的热阻层,一个与热阻层区域一一对应而驱动热阻层的驱动器和保护膜。记录头还包括一个记录头基板,所述的记录头基板包括多个喷射油墨穿过的孔;一个具有包括发热头在内的多个油墨通道的油墨喷射部分,即热能施加到油墨上的区域;多个用来产生热能的热阻层区域。
对于记录头线路来说,现在已发展了多种不同的线路。一些记录头线路是在一个基片上形成的,所述记录头线路整体包括多个以预定的方式排列的热阻层区域;多个驱动器,所述驱动器与多个热阻层区域一一对应,从而根据图象形成数据将其驱动;一个移位寄存器,所述寄存器的点数等于热阻层区域的数目,所述寄存器将串行输入的图象形成数据并行输出到多个驱动器中;一个闩锁电路,所述闩锁电路用来暂时储存移位寄存器输出的数据。
图1显示了上面描述的位于记录头基片上的一种记录头线路。在图1中,标号101指示的是成直线性排列的每个热阻层区域。标号102代表每个功率晶体管,标号103代表一个闩锁电路。标号104代表一个移位寄存器,标号105代表一个用来激活移位寄存器104的计时器。标号106和标号107分别代表图象形成数据输入部分和一个用来外部控制功率晶体管的工作时间的热脉冲宽度输入部分。标号108和109分别代表一个逻辑动力源和一个GND。标号110和111分别指示的是一个热阻层驱动动力源(VH)和一个功率晶体管(Vce)。
在一个具有记录头的打印装置中,记录头线路的结构如上所述,图象形成数据就从图象形成数据输入部分106串行输入到移位寄存器104中。输入的数据暂时存储在闩锁电路103中,在上述数据被暂时存储时,输入来自于热脉冲宽度输入部分107的脉冲。在输入脉冲时,功率晶体管102接通而驱动热阻层区域101,与被驱动的热阻层区域101相连的液体通道中的油墨被加热而通过喷射孔喷出;换句话说,就形成了一次打印。
使用上述结构的线路可充分地减小驱动脉冲的宽度,这样可提高驱动电压V而同时保持温度T不超过560℃,这样就可将施加到油墨中的热能保持恒定。因此,油墨就可始终如一地喷射。参考图2和图3,下面将对一个元件的例子进行描述,上述的线路布置在所述的元件中。
图2所示为一个元件的截面视图,图1中所示的线路布置在该元件中。标号201指示的是一个P型硅基片;标号202指示的是一个嵌入式N型集电极;标号203指示的是一个嵌入式P型元件绝缘体区;标号204指示的是一个N型外延区;标号205指示的是一个P型基极区;标号206指示的是一个嵌入式P型元件区;标号207指示的是一个嵌入式N型集电极区;标号208指示的是一个高密度的P型基极区;标号209指示的是一个高密度的P型元件绝缘区;标号210指示的是一个N型发射极区;标号211指示的是一个N型集电极区;标号212指示的是一个集电极;标号213指示的是一个基极;标号214指示的是一个发射极。
图3所示为布置有图1中所示的线路的元件的一个例子的平面图。标号301代表一个电绝缘基片。所述基片301的一个边缘部分具有多个热阻层区域302,所述热阻层区域302沿基片的边缘平行布置。每个热阻层区域302均放置在一个液体通道中且与液体通道的端部或出口相邻。功率晶体管303放置在基片301的大致中心部分,所述功率晶体管303与热阻层区域302一一对应而驱动所述的热阻层区域302,所述功率晶体管303的放置方式为其长边相互平行而其短边在与热阻层区域302的长边相垂直的方向上成直线布置。在该实施例中,功率晶体管303为双极性晶体管,其特征在于它们以单层成一条直线排列,在这种方式下,它们的长边相互平行,它们的短边在与热阻层区域302的长边相垂直的方向上成线性排列。为了驱动热阻层区域,需要的功率晶体管的数目与热阻层区域302的数目相同;每个热阻层区域需要一个功率晶体管。在基片301的另一个边缘部分,即与热阻层区域302布置的一侧相对的边缘部分布置有一个包含有移位寄存器和一个闩锁部分的S/R电路309,以及S/R线路309所用的多个输入信号衰减器,且与上述功率晶体管组303相邻,所述的信号衰减器布置在边缘侧上。标号311代表一个+VII通用线路,所述的+VII通用线路将一个预定的电压施加到热阻层区域302上,标号312代表一个GND。沿平行排列功率晶体管303的方向,在功率晶体管组303的两个纵向端布置有一个用来调整温度的加热器313,在一个加热器313的附近位置处布置有一个副加热器314。此外,在基片301的拐角部分布置有一对温度感应二极管315,所述温度感应二极管与上述的热阻层区域组302的两个纵向端一一对应。
在这个实施例中,这些温度传感器读出基片的温度,由温度传感器得到的温度数据传送到布置在喷墨记录装置中的一个RAM(图中未显示)中。在将数据传送到喷墨记录装置中的RAM(图中未显示)之后,所述数据参考存储在ROM中的温度图表而选择出一个优化的脉冲输入值。将所选择的值作为加热数据(信号)而传送到喷墨头中。应注意到即使将脉冲宽度保持相同,如果基片的温度发生变化,就不能将加热器表面上的最高温度保持为不高于560℃。通常情况下,基片的温度在15℃至80℃的范围内变化,因此其温度差ΔT最大为65℃。
如上所述,用来计算加热器表面所能达到的最高温度(Temp)的图表与输入到加热器中的脉冲有关(假定电压保持恒定),并根据由传感器读出的值(Base)而存储到RAM中。
本发明所能达到的最高温度(Treal)可由下面的方程而得到Treal=Base+Temp………(5)其中,得到的Temp即为上面的方程(4)中的T。
如果Treal超过560℃,就从RAM中发出一个停止信号(Emerg),这样,从记录装置传送到喷墨头的信号(加热、关闭、Idata等)中断。
当对于每个预定时间段从温度感应二极管发出的基片温度数据(Base)的数值减小至Treal不高于560℃的水平时,则重新开始数据的传送。顺便说一下,在一个逐行形成图象的打印机如串行打印机的情况下,即使发出了Emerg,直到这行被打印完才能停止数据的传送。
在这种情况下,加热器的表面温度有时会超过560℃,但这种偶然的情况对整体寿命没有明显的影响。
基片301上布置有4个通孔316和两个通孔317。所述的四个通孔316布置在第二功率晶体管组303的四个拐角处且通孔和拐角一一对应,所述的两个通孔317位于上述二极管315附近且二者一一对应。这些通孔316和317用来与布置在下面的两个线路层相接触。在功率晶体管303的排列方向上,第二功率晶体管组303的纵向端布置有与其一一对应的一对标记符318,所述标记符318在组装过程中用来进行位置检测。
图4所示为根据本发明而配置有发热头的一个记录头的一个例子的截面示意图,该图显示了在垂直平面上将一个孔在轴向上分为相等的两半。该图还显示了第一个截面视图中在平面A-B处的截面视图。记录头13通过将具有多条构成油墨通道的槽14的玻璃、陶瓷或塑料板粘结到发热头15上而形成。发热头15包括多个薄膜层一个由包含有Ta的无定形合金形成的防气蚀膜16-1;一个由氧化硅或氮化硅形成的保护膜层16-2;一个包含有电极17-1和17-2的铝电极层;一个由TaN或类似物形成的发热膜层18;一个热存储膜层19;一个由具有良好热辐射性能的氧化铝或类似物形成的支撑层20,所述的这些层从与油墨相接触的一侧按顺序排列。保护膜层包括两个子层,即防气蚀膜层16-1和保护层16-2。为了保证将足够的热能供应到油墨中同时保持防气蚀膜16-1的表面和油墨的温度不超过560℃,另外也为了保证装置的耐久性,保护膜的整体厚度制作为0.7μm。此外,为使防气蚀膜能足以抵抗腐蚀,所述防气蚀膜利用包含有Ta的无定形合金如Ta18Fe57Ni8Cr17来形成。
油墨21到达喷射孔22而以预定的压力在喷射孔22形成一个弯月形23。当有电信号施加到铝电极17上时,发热头15的一个区域n立即产生热量,油墨21与所述区域n相接触的部分汽化,即产生气泡。这样,弯月形23由气泡的压力作用而向外凸出。最终,一定量的油墨21在气泡的压力作用下以墨滴24的形式从所述孔喷射到一片记录介质25如一张纸上。喷射的墨滴24飞射到记录介质25而粘结到记录介质25的图象形成区域中形成图象的极细微部分。
图5所示为本发明的多发热单元头或一个平行布置多个发热单元的发热头的例子的外部视图。这种多发热单元头是将具有多个槽26的玻璃板27气密地粘结到发热头基片上而形成的。
在本发明中,没有限制孔的尺寸及类似尺寸,因此,为得到高质量的图象,可优化确定孔的尺寸。但是,近年来随着对图象的质量要求的提高,已经研究了进一步减小孔的尺寸的想法。更具体地说,现在已经对减小孔的尺寸作了研究,这样从一个孔中喷射一次所喷射出的油墨量为0.1-40皮升,优选为0.1-30皮升,进一步优选为0.1-25.0皮升。在这种趋势下,通过将在防气蚀膜表面和油墨之间的界面上的温度保持不高于560℃而控制产生的烧结沉积物,这对于始终如一地喷射油墨来说变得特别重要。
(记录头的驱动)图15所示为一个曲线图,图中显示了一个用来驱动记录头的一个分裂式脉冲。在该图中,VOP代表驱动电压水平;P1代表分解为两部分的热脉冲的第一部分(下文中称为“预热脉冲”)的脉冲宽度;P2代表间隔时间;P3代表脉冲的第二部分(下文中称为“主热脉冲”)的脉冲宽度。T1、T2、T3分别是与宽度P1、P2、P3相对应的时间点。驱动电压水平VOP是确定电热转换器所需要的电能量的因素之一,电压作用于所述的电热转换器上而产生热能,所产生的热能施加到由加热器板和记录头的顶板所形成的各油墨通道内的油墨中。驱动电压水平VOP的值是由电热转换器的面积尺寸、电阻值和膜结构及记录头的液体通道的结构确定的。分裂式脉冲宽度调制驱动法顺序地作用于宽度为P1的预热脉冲部分、宽度为P2的间隔部分和宽度为P3的主脉冲部分。所述的预热脉冲部分主要用来控制油墨通道中的油墨的温度及控制喷射的油墨量。设定所述预热脉冲部分的宽度值,这样,由预热脉冲部分向电热转换器施加的热能就不会在油墨中产生气泡。
所述的间隔时间作为一个间隔用来阻止预热脉冲和主热脉冲的相互干涉,也用来使油墨通道内的油墨温度均匀分布。主热脉冲用来产生气泡,从而油墨就从喷射孔中喷射出,其宽度P3是根据电热转换器的面积尺寸、电阻值和膜结构及记录头的油墨通道结构来设定的。
在该实施例中的记录头中,在驱动电压VOP为X(V)(VOP=X)而主热脉冲宽度P3为Y(μSec)(P3=Y)的条件下,如果预热脉冲宽度P1在一给定的范围内变化,则油墨喷射量Vd和预热脉冲宽度P之间的关系如图16所示。
图16所示为一个曲线图,图中显示了依据预热脉冲而喷射的油墨的量。在该曲线图中,V0代表当P1=0(μsec)时所喷射的油墨的量。如图16中的曲线a所示,脉冲宽度P1从0至P1LMT之间变化时,所喷射的油墨的量Vd成线性增加。但是,随着脉冲宽度P1增加至超过P1LMT,当脉冲宽度P1达到P1MAX时,所喷射的油墨的量达到其最大值。
如上面的描述所显示的那样,相对于脉冲宽度P1的变化,所喷射的油墨的量Vd的变化呈线性的脉冲宽度P的范围作为其中通过变化脉冲宽度P1可较容易地控制油墨的喷射量的范围是有效的。
在P1大于P1MAX的脉冲宽度P1范围内,油墨的喷射量Vd小于VMAX。这是因为下述的原因。也就是说,当预热脉冲的脉冲宽度在上述范围内时,在电热转换器上产生微小的气泡(这种状况刚好发生在薄膜沸腾开始之前),所述的气泡在施加主热脉冲之前不会消失。这样,主热脉冲产生气泡的过程受到所述的微小气泡的干扰,从而减小了油墨的喷射量。这种脉冲宽度P1的范围称为预气泡(pre-bubble)产生范围,在该范围中通过预热脉冲很难控制油墨的喷射量。
将表示在P1=0~P1LMT(μsec)的脉冲宽度范围内喷射量和脉冲宽度之间的关系的直线的倾斜度定义为预热脉冲相关系数,其中的关系如下预热脉冲相关系数(KP)=(ΔVdP)/(ΔP1)[ng/μsec·dot]。所述的系数KP不依赖于温度,相反,该系数依赖于记录头的结构、驱动条件及油墨的特性等等。图16中的曲线b和c显示了其它记录头的情况,并且显示出每个记录头与其他记录头具有不同的喷射特性。
在该实施例中,本发明记录头在正常打印模式下驱动的条件是预热脉冲P1=Pa(μsec)及主热脉冲宽度P3=Y(μsec),在预热脉冲P1=Pa(μsec)的情况下,当驱动电压VOP=X(V)时,油墨的喷射量Vd变为Va。在这种驱动条件下,在喷射油墨时,记录头的最高温度不会达到560℃。
在上述的情况下,利用双分裂式脉冲来进行脉冲宽度调节驱动控制。但是,可利用多分裂式脉冲如三分裂式脉冲或更多数目分裂式脉冲。此外,也可利用一种利用非分裂式脉冲而其主脉冲的宽度可调节的脉冲宽度调节驱动方法。换句话说,只要将记录头所达到的最高温度保持不高于560℃,可以利用任何脉冲宽度调节驱动方法。
在特定的打印模式下,例如,当需要较大的记录点时,记录点的尺寸可通过增大预热脉冲宽度P1使其超过Pa(μsec)来进行增大,这样可使图16中的喷射量大于Va。在这种特定模式的打印过程中,记录头达到的最高温度有时会超过560℃。但是,此处最重要的是在正常的记录模式运行过程中,记录头的最高温度应低于560℃。顺便说一下,正常的记录模式是指这种模式不是一种很少应用的特殊模式,所述的特殊模式只为特殊的目的而选择应用,例如,因为记录介质的差别,记录头以一种特定方式进行驱动的模式或者一种超高分辨率模式。
在一些喷墨头中,色调是通过变化从每个孔中喷射出的油墨的体积而控制的。在这些喷墨头中,在每个喷嘴中放置两个或多个加热器,每个加热器与其各自的电极(线路)相连,这样就可将具有特殊驱动电压的特殊脉冲施加到每个加热器上。在执行这种控制时,在每个加热器的表面上的最高温度与其他加热器的表面上的温度是不同的。此外,有些时候为打印较大的点而增加输入脉冲的值,以更精确地控制色调而达到一种特殊的效果。在这些情况下,最高温度有时会超过560℃。但是,在正常的运行模式中,只要每个加热器的表面的最高温度不高于560℃,发生上述的这些情况就没有关系。
假定如果构成每个加热器顶层的防气蚀膜在防气蚀膜和包含在油墨中的螯合剂或类似物之间发生热化学反应过程中不产生腐蚀,基于加热器的喷墨头的使用寿命只由在加热器产生的气泡爆裂及消失时的气蚀情况来决定。基于加热器的喷墨头在其寿命结束之前可产生5×108-3×109次的气泡。即使油墨中包含有螯合剂或类似物,本发明可使热阻层数倍于上述给定次数产生气泡,且可保证基于加热器的喷墨头可靠地使用较长的时间。
本发明中应用的油墨可根据需要包含有着色材料、水溶性有机溶剂、水和/或类似物。着色材料可以是水溶性的或不是水溶性的。所述的水溶性着色材料可以是水溶性阴离子染料、直接染料、酸性染料、活性染料或其他水溶性染料。特别地,包含有TaN或钴的含金染料有限制地应用于利用热能的记录头中,这是因为烧结沉积物的问题,但是根据本发明,它们具有可应用的稳定性。非水溶性着色材料可以是颜料、分散染料或类似物。在使用非水溶性着色材料的情况下,可包含有分散的分散材料图象。
本发明所应用的油墨可根据需要包含水溶性有机溶剂。通过利用下述的水溶性有机溶剂,可提高油墨成分的溶解度,且可较容易地调节油墨粘度。这种水溶性有机溶剂包括一元醇如甲醇、乙醇或异丙醇;酮或酮醇如丙酮或双丙酮醇;醚如四氢呋喃、二噁烷(diosane);氧化乙烯或氧化丙烯加成聚合物如二甘醇、三甘醇、四甘醇、二丙二醇、三丙二醇、聚乙二醇或聚丙二醇;具有包含2-6个碳原子的亚烷基的亚烷基二醇如乙二醇、丙二醇、1,3-丙二醇、丁二醇或己二醇;三元醇如1,2,6-己三醇;硫二甘醇;甘油(glyceline);多元醇的低级烷基醚如乙二醇单甲(或乙)醚,二甘醇单甲(或乙)醚或三甘醇单甲(或乙)醚;多元醇的低级二烷基醚如三甘醇二甲(或乙)醚,四甘醇二甲(或乙)醚;环丁砜,N-甲基-2-吡咯烷酮,2-吡咯烷酮,1,3-二甲基-2-咪唑烷酮。
水溶性有机溶剂占油墨总重量的比率优选不小于1wt%而不超过30wt%,更优选的情况是水溶性有机溶剂占油墨总重量的比率不小于1wt%而不超过25wt%。这样,油墨就具有良好的各种性能。
为使本发明具有良好的效果,添加入油墨中的水优选为离子交换水。当所述的油墨利用离子交换水制造时,着色材料的色彩不受离子的影响,这样,油墨的色调就比较稳定。水在油墨总重量中的百分比优选不小于20wt%而不超过95wt%,更优选的情况是该百分比不小于40wt%而不超过95wt%,进一步优选的情况是该百分比不小于60wt%而不超过95wt%。
本发明中应用的油墨可根据需要而添加螯合剂。如果所述的螯合剂具有配位能力,所用的螯合剂可为任何一种螯合剂,优选磷酸酯型、羧酸型或氨基羧酸型。磷酸酯型螯合剂包括三聚磷酸、1-羟基亚乙基-1,1-二膦酸酯(HEDP)、氨基三亚甲基膦酸(ATMP)等及其盐。羧酸型螯合剂包括柠檬酸等及其盐。氨基羧酸型螯合剂包括乙二胺4乙酸(EDTA)、羟基乙二胺3乙酸(HEDTA)、乙二醇醚二胺4乙酸(GEDTA)、硝基3乙酸(NTA)、羟基亚氨基2乙酸(HIDA)、羟乙基甘氨酸(DHEG)、二亚乙基三胺5乙酸(DTPA)、三亚乙基三胺6乙酸(TTHA)等及其盐。从配位能力的观点来说,磷酸酯型和氨基羧酸型螯合剂优于羧酸型螯合剂。
(喷墨记录装置)图6显示了一种配置有本发明记录头的喷墨记录装置的一个实施例。在图6中,标号61代表一个作为擦拭元件的刮片61,所述的刮片由悬臂梁形式的刮片支撑元件来支撑;所述刮片的一边固定到支撑元件上。所述的刮片61布置在与记录头的记录范围相邻的位置上。在该实施例中,所述的刮片以一定的方式支撑而伸入到记录头的移动路径中。标号62代表的是一个帽,所述的帽布置在与基准位置相邻的位置处,所述的基准位置与所述刮片61的位置相邻。帽62可在与记录头移动方向相垂直的方向上移动,并与带喷射孔的记录头表面相接触。标号63代表一个与刮片61相邻的吸收元件。象刮片61一样,所述的吸收元件63以一定的方式支撑而伸入到记录头的移动路径中。上述的刮片61、帽62和吸收元件63构成了一个喷射回复部分64,该部分可通过刮片61和吸收元件63而将水分、灰尘及类似物从带喷射孔的表面除去。标号65代表一个记录头,所述记录头具有一个产生喷射油墨所需热能同时使发热元件表面上的温度保持不超过560℃的装置,该记录头还通过向记录介质上喷射油墨而将图象记录到与装有喷射孔的记录头表面相对的一张记录介质上。标号66代表一个承载体,所述记录头65装配在承载体66上而进行移动。所述承载体66可滑动地与一根导向轴67相配合,承载体66的一部分与皮带69相连(图中未显示),所述皮带69由马达68驱动。利用上述的布置结构,承载体66就可沿着导向轴67进行移动;换句话说,它可经过记录头65的记录范围和邻近的位置移动。标号51代表进纸部件,该部件用来插入一张或多张记录纸,标号52代表一个纸输送辊子,所述的纸输送辊子由一个未显示的马达驱动。利用上述的结构布置,就可将记录纸输送到使所述记录纸面向带喷射孔的记录头表面的位置上。随着记录的进行,记录纸还可被进一步输送而最终输出到一个配置有出纸输出辊53的输出部件上。
记录头65完成给定的记录操作后回复到基准位置,虽然帽62被保持在记录头65的移动路径之外,但刮片61可伸入到记录头的移动路径中。这样就可擦拭带喷射孔的记录头表面。为了盖住记录头65,即为了与带喷射孔的记录头表面接触,帽62以一定的方式伸入到记录头的移动路径中。
当记录头65从基准位置开始移动到记录起始位置时,与在擦拭记录头的过程一样,帽62和刮片61处于相同的位置。因此,在这个运动过程中就擦拭了带喷射孔的记录头65表面。上述的记录头回复到其基准位置不仅发生在刚好完成给定的记录操作之后或对喷射回复操作,还以预定的间隔发生,在上述的预定的间隔内,记录头跨过其记录范围而移动到下一个记录点,而且在记录头回复到与记录头的记录范围相邻的基准位置的运动过程中,进行了上述对记录头的擦拭动作。
(墨盒)图7显示了一个墨盒,其装有通过一个油墨供应元件如一个管子而供应到记录头中去的油墨。在图7中,标号40代表一个油墨存储部件,例如,墨袋,其中装有将要供应到记录头中去的油墨。墨袋40的端部布置有一个橡胶塞42。通过将一个针状物(图中未显示)穿过橡胶塞402而插入到墨袋40中,从而将墨袋40中的油墨供应到记录头上。标号44代表一个吸收元件,所述吸收元件用来捕捉和吸收多余的油墨。对于油墨存储部件而言,其中与油墨相接触的表面由聚烯烃特别是聚乙烯形成的墨袋是本发明所希望的。根据本发明所选择的用于喷墨记录装置的记录头及墨盒并不仅限于上述的那些,它们相互独立。换句话说,根据所希望的结果,与墨盒成为一体的记录头也可应用到本发明的喷墨记录装置中。
(记录单元)参考图8,标号70代表一个记录单元,油墨存储部件如油墨吸收元件可保存到所述的记录单元中,所述油墨吸收元件中的油墨可以以墨滴的形式从配置有多个孔的头部71中喷射出来。对于油墨吸收元件所用的材料来说,本发明希望使用聚氨酯。标号72代表一个排气孔,所述的排气孔可使记录单元70的内部空间与大气相通。所述的记录单元70可用于取代图4所示的记录头,且可拆卸地固定在承载体66上。
(油墨的选择)
本发明适合于任何色彩的油墨,如黄色、洋红色、蓝绿色、红色、绿色、蓝色或黑色油墨。可单独利用这些油墨形成图象,也可将两种或多种不同的油墨组合在一起形成彩色图象。此外,两种或多种颜色相同而着色材料不同的油墨可用来共同形成层次鲜明的图象。当利用两种或多种色彩不同或着色材料不同的油墨形成图象时,可使用图9中显示的记录装置,在该装置中在承载体上排列有四个记录头。在图9中,标号86、87、88和89分别相应地代表喷射黄色、洋红色、蓝绿色和黑色油墨的记录头。每个记录头均布置在记录装置中而相应于记录信号来喷射油墨。虽然图9显示了应用四个记录头的情况,但本发明并不仅限于这种结构。例如,本发明也可应用于图10中显示的记录头结构,其中,将上述的四个具有不同颜色油墨的墨盒组合到一个记录头上,其中的油墨通道聚集而形成一个彩色的图象。
(实施例)参考根据本发明的一个喷墨记录方法的实施例,下文中将对本发明进行详细的描述。应注意到本发明的应用并不仅限于下面的实施例。
(最高温度的实际测量)图11为该实施例中的喷墨头的基板的剖视图。该实施例中的记录头是通过将具有构成油墨通道的槽的一片玻璃板粘合到喷墨基板上而形成的。喷墨基板包括多个膜层一个由Ta形成的0.2μm厚的防气蚀层10;一个由氮化硅形成的0.2μm厚的保护层11;一个绝缘层8;一个包括电极3和4的铝电极层;一个由TaN或类似物形成的热阻层7;一个储热层6;一个由氧化铝或类似具有良好热辐射性能的材料形成的支撑层20。上述的这些层从与油墨相接触的一侧按顺序排列。对于在防气蚀膜10和油墨之间的界面上的温度来说,与油墨相接触的防气蚀膜的表面可利用一个热观测器(Thermo Viewer)(NipponAvionix Co.,Ltd.的产品)来进行测量,同时在发热元件表面上没有油墨的情况下驱动发热元件。这是因为保护膜表面温度达到最高温度的状态也是在保护膜表面上形成气泡的状态,因此,在这种状态下的保护膜的表面温度可通过测量保护膜表面上没有油墨的保护膜的表面温度而近似得到。
当驱动电压为25V时,这个电压值是使油墨汽化所需要的阈电压的1.5倍,该电压的脉冲宽度为2.0μsec而频率为6kHz,将该电压施加到图11所示的发热头上,就可将油墨按要求汽化且保护膜的表面达到的最高温度为545℃。
另一方面,防气蚀膜10的电阻值R(T)为温度T的函数且可相对于温度T而展开。因此,忽略幂大于3的项,对于温度T可得到R(T)为常数项的二次方程。这样,当温度T在给定的水平下可实际测量防气蚀膜的电阻值R(T),且上述的方程(4)即一个二次方程式可将测量到的电阻值代入到方程(4)中而计算出温度T进行求解。这样可得到保护膜达到的理论最高温度为540℃,该温度基本上等于实际测量到的保护膜表面达到的最高温度。
顺便说一下,在解方程(4)的过程中,直到薄膜沸腾开始时才将水的物理特性值输入,在薄膜沸腾开始之后,输入空气(气体)的物理特性值。由于在加热器表面上的热绝缘效果小于实际的情况,这样就产生了一个较小的值。
(试验1)油墨1是按下面的方法制造的。在将下面的成分(下面列举的成分)混合后,将其搅拌不少于两个小时,利用10%的氢氧化钠水溶液将混合物的PH值调整到6。然后利用孔径为0.2μm的薄膜将混合物过滤,这样就得到油墨1。
C.L.直接蓝重量百分比为3%二甘醇 重量百分比为10%硫二甘醇重量百分比为10%柠檬酸 重量百分比为0.35%水 重量百分比为76.65%这样得到的油墨1可从上述结构的记录头中喷射6×108次,这样从每个孔中每次喷射油墨的量就变为50皮升,在各试验中就通过上面的模拟而达到的最高温度而言驱动条件不相同。在这些检测过程中,检测了烧结油墨成分的沉淀、喷射量的一致性及防气蚀膜的腐蚀情况。检测结果如表1所示。
对于烧结沉积物的情况来说,在喷射油墨6×108次后,每个记录头均要拆卸下来,利用一个光学显微镜对与油墨相接触的防气蚀膜的表面进行视觉检测。
对于喷射量的一致性来说,在喷射6×108次后,可得到每个喷嘴所喷射的油墨的平均量,将这个值与每个喷墨头的最初性能值进行比较,且利用下面所述的三个级别来评价喷墨头的性能。
G与最初的量相比不小于90%F与最初的量相比不小于80%但不超过90%N与最初的量相比不超过80%对于防气蚀膜的腐蚀程度来说,在喷射油墨上述的次数后可得到一个以数值来表示残存的防气蚀膜的比率。具体地说,在上述的喷射次数之前及之后,防气蚀膜的中间部分的元素组成可利用一个电子检测微型分析仪(Shimazu公司的产品)来进行分析,其中的电流为40nA,这样根据上述喷射的次数之前的防气蚀膜中的Ta的跟踪信号的强度相对于根据上述喷射的次数之后的防气蚀膜中的Ta的跟踪信号的强度的比率来计算残存的防气蚀膜所占的比率。当流动的电流为40nA时,不但检测防气蚀膜的元素组成,而且检测防气蚀层下面的保护层中存在的Si。这样,通过将来自于所述喷射次数之前的每层中构成元素的信号强度与来自于所述喷射次数之后的每层中构成元素的信号强度进行比较,就可检测到残存的防气蚀膜的比率(残存率)。
<表1>
试验 最高温度 烧结沉积物 喷射稳定性 分离 残存率1 541(℃) 基本没有 G 不100(%)2 556 基本没有 G 不1003 560 基本没有 G 不1004 570 基本没有 F 不855 591 基本没有 F 不326 607 基本没有 F *1未检测出7623(℃)基本没有 F *2未检测出*1在喷射3.3×108次时发生*2在喷射6.7×108次时发生G良好F一般好此外,残存的防气蚀膜的比率和所达到的最高温度之间的关系如图14所示。
在这些检测数据中,本发明的第一至第三个实施例与第一至第三个检测数据一一对应。
从表1和图14中可得到当达到的最高温度不高于560℃(换句话说,即为第一至第三个实施例中的情况)时,防气蚀膜根本不受腐蚀。如上所述,本试验中所用的记录头的尺寸已明显地减小,因此,它们的防气蚀膜非常薄。这样,保护膜的腐蚀情况如第4-7次检测的结果所示。在第6次检测和第7次检测中,所达到的最高温度分别为607℃和623℃,可看到线路的破裂,这可归因于防气蚀膜的腐蚀。
对于烧结沉积物来说,在上面的任何一次检测中均未看到。可认为加入到油墨中的螯合剂引起了这种结果。
如上所述,通过这些检测,可认识到如果在防气蚀膜的表面和油墨之间的界面上的温度不高于560℃,就可控制烧结油墨成分产生的沉淀及防气蚀膜的腐蚀,这样就可始终如一地喷射油墨。
(第4-10次检测)油墨2-8是通过下述的方式形成的。将下面的成分(下面列举的成分)混合后,将其搅拌不少于两个小时,利用10%的氢氧化钠溶液将混合物调整至预定的PH值。然后,将混合物利用孔径为0.2μm的薄膜进行过滤,就得到油墨2-8。
<表2>
油墨着色剂螯合剂 溶剂 PH(重量百分比) (重量百分比)(重量百分比)2C.I.直接黄86(2) EDTPO(2) 二甘醇(15)5异丙醇(4)水(77)3C.I.食用黑2(3) EDTA(3) 二甘醇(20)8水(74)4C.I.直接黑199EDTPO(1) 三甘醇(10)9(2.5) 水(86.5)5C.I.直接黑154 三聚磷酸(5)硫二甘醇(15) 4(2) 水(78)6C.I.酸性黑52∶1 柠檬酸(0.1) 尿素(5) 10(含铬染料(3) 水(91.9)
7C.I.酸性紫90HEDTA(0.5)三羟甲基丙烷(5)7(含铬染料)(2)水(92.5)8C.I.直接蓝86EDTA(0.01)二甘醇(10) 7(2.5) 水(87.49)将得到的每种油墨从上述记录头均喷射6×108次,所述的记录头具有由Ta形成的0.2μm厚的防气蚀膜及由氮化硅形成的0.5μm厚的保护膜,以这种结构构造的记录头从每个孔中每次喷射所喷出的油墨的量为50皮升,同时还将防气蚀膜表面和油墨之间的界面上的温度保持不超过541℃。然后,按第一次检测的方式根据烧结油墨成分的沉淀、喷射量的一致性及防气蚀膜的腐蚀情况对记录头进行检测。检测结果如表3所示。
&#60表3&#62油墨烧结沉积物喷射稳定性残存率例42 无 G 100%例53 无 G 100%例64 无 G 100%例75 无 G 100%例86 无 G 100%例97 无 G 100%例10 8 无 G 100%G良好从表3可知,不管利用那一种油墨,均未发现烧结油墨成分的沉淀及保护膜的腐蚀。此外,即使在利用从油墨2、3、8的成分中除去螯合剂而形成的油墨时,也未发现形成烧结油墨成分的沉淀及保护膜的腐蚀。
另一方面,在所有的油墨中,当上述的油墨2-8喷射6×108次且将上述的界面上的温度保持不高于607℃时,防气蚀膜已变得足够薄,这样就可能造成发热头的破裂。
当利用通过从油墨2、3、8成分中除去螯合剂而形成的油墨时,未发现保护膜的腐蚀,但在使用某些油墨的情况下,在发热元件的保护膜的表面上发现了烧结油墨成分的沉淀。
从上面的观察可认识到当油墨包含螯合剂时,通过将防气蚀膜的表面和油墨之间的界面上的温度保持不超过560℃而可较好地控制油墨成分的烧结沉淀、防气蚀膜的腐蚀,从而始终如一地喷射油墨。
此外,可认识到甚至当油墨不包含螯合剂时,通过将防气蚀膜的表面和油墨之间的界面上的温度保持不超过560℃而可较好地控制油墨成分的烧结沉淀、防气蚀膜的腐蚀,从而始终如一地喷射油墨。
此外,当从具有由包含Ta的无定形合金形成的防气蚀膜的发热头中喷射油墨时,更具体地说,所述无定形合金为Ta18Fe57Ni8Cr17且以与检测4-9的方式相同,在这种情况下,即使在防气蚀膜的表面和油墨之间的界面上的温度允许达到560℃时,剩余的防气蚀膜所占的比率根本不会下降,换句话说,可认识到可较好地控制油墨成分的烧结沉淀、防气蚀膜的腐蚀,从而始终如一地喷射油墨。
(检测11-14)检测11-14是在下面的条件下进行的。
其中DEG二甘醇TDG硫二甘醇Gly甘油IPA异丙醇防气蚀膜16-1所用的材料
B1Ta(2000_)B2无定型Ta(2000_)保护膜16-2所用的材料C1SiN(5000_)C2SiO2(5000_)C3SiC(5000_)发热元件18所用的材料D1TaN(400_)D2TaSiN(100_)D3TaAl(500_)驱动条件加热器尺寸25μm×100μm施加的电压20[V](恒定)通过在1.0μsec-8.0μsec范围内改变施加的脉冲宽度而调节在上述界面上所达到的最高温度水平。
换句话说,将上面所给出的条件值代入上述的方程(4)就可得到加热器表面上的最高温度水平。
在上面给定条件的不同组合下,检测加热器的耐久性的时间长度,其结果如下表所示。
顺便说一下,热存储层(SiO2)厚度为1.7μm,硅基片厚度为625μm。
*除脉冲宽度外均为常数E在1.0×109次脉冲之后,HTR无变化BHTR在1.0×108-2.0×108次脉冲之间破裂NHTR在小于1.0×108次脉冲时破裂。
这些检测证明即使油墨中没有螯合剂,本发明也是很有效的。此外,从上面的检测结果还可认识到不管油墨是何种类型且不管保护膜和发热电阻器材料为何种类型,本发明均是很有效的。
(打印检测)可利用一个装配有记录头的喷墨记录装置进行实际的打印操作,所述的记录头将在本发明披露的一定条件下而在下文中进行描述。其打印结果良好。
图12所示为一个记录头的示意图,图中显示了记录头的总体结构。所述的记录头包括多个发热头1103、线路1104、油墨通道壁1105和顶板1106,发热头1103、线路1104、油墨通道壁1105这些部件以膜的形式通过半导体生产工艺如蚀刻淀积和溅射法而形成于基片1102上的层中。油墨1112从图中未显示的油墨存储腔经油墨供应管1107而供应到记录头1101的共用墨腔1108中。标号1109代表一个油墨供应管道连接器。在被供应到共用墨腔1108中之后,油墨1112就被毛细管力引导入油墨通道1110中,油墨稳定地保存在通道中,且在每个通道1110中的油墨在油墨通道1110的最外端开口即孔处形成一个弯月形。在这种状态下,能量就被选择性地施加到发热头上。在供应能量时,油墨被突然加热,这样在油墨通道中就产生了气泡。当气泡扩展及收缩时,油墨就以墨滴的形式从喷射口1111喷出。在将能量供应到发热头上时,所述能量是受控的,这样,在发热元件表面和油墨之间的界面上的温度不会高于560℃。
图13所示为应用本发明的一个喷墨记录装置的外部视图。所述的喷墨记录装置包括一个承载体HC,所述承载体的销子(图中未显示)安装在引导螺旋5004的螺旋沟槽5005中,所述引导螺旋5004由传动齿轮5011和5009传递的驱动力驱动旋转,当驱动马达5013向前或反向转动时,所述的传动齿轮5011及5009向前或反向转动。因此,当马达5013向前或反向转动时,所述承载体HC在箭头所示的方向上往复运动。标号5002代表一个压纸盘,所述的压纸盘5002在承载体HC的整个往复运动范围上将纸张压在一个压板5000上。标号5007和5008代表一个光耦合器的两个部分,所述光耦合器构成了一个基准位置检测装置,该装置用来反转驱动马达5013的转动方向;检测在光耦合器的间隙中承载体HC的杆5006的存在与否。标号5016代表一个用来支撑帽元件5022的部件,所述帽元件5022用来盖住记录头的前表面,标号5015代表一个抽吸装置,所述抽吸装置用来抽吸帽元件中存在的物质,通过帽元件的开口5023而抽吸记录头中存在的物质,从而恢复记录头的性能。标号5017代表一个清洁刮片,标号5019代表一个使所述清洁刮片5017前后移动的元件。所述清洁刮片5017和用来移动清洁刮片5017的元件由该装置主体的支撑板5018来支撑。对所述清洁刮片的结构而言,没必要一定是该实施例的结构,很明显,可使用任何已知的清洁刮片。标号5012代表一个用来启动抽吸操作的杆,所述的抽吸操作可恢复记录头的性能,所述杆5012随着与承载体HC相结合的凸轮5020的运动而运动;所述杆5012的运动受到来自于驱动马达的驱动力的控制,所述驱动马达由驱动力传递装置来控制,所述驱动力传递装置包括一个离合器及类似物。
构造的这种喷墨记录装置可使盖装置、清洁装置、抽吸装置在其指定的位置处由引导螺旋5004来启动。但是,本发明并不仅限于这些装置的结构;只要这些装置利用公知的计时方法被启动而执行预定的操作,它们就适用于本发明。上面所述的每一种结构均构成了一种优秀的发明,不管它们是以单独的形式还是与其他结构相结合的形式。该装置具有一个用来驱动喷墨压力产生元件的驱动信号供应装置。
参考所披露的结构,上面对本发明进行了描述,但本发明并不仅限于上面详细描述的内容,本发明还涵盖以改进的目的或在下面的权利要求范围内而对本发明所做的变更或改变。
权利要求
1.一种利用装有发热电阻器的喷墨头基板喷射油墨的喷墨记录方法,所述的发热电阻器覆盖有一层保护膜,其中由气泡产生的压力使油墨喷出,所述气泡是将热能透过保护膜而作用于油墨使油墨产生薄膜沸腾而形成的,所述的热能通过所述发热电阻器的运行而产生,其改进在于提供一种记录模式,其中油墨是在与油墨接触的所述保护膜的表面最高温度不超过560℃的情况下喷出的。
2.根据权利要求1所述的方法,其中所述的最高温度的控制是通过控制作用于发热电阻器上的驱动信号的脉冲宽度而进行的。
3.根据权利要求1所述的方法,其中检测基片的温度,当根据温度和驱动信号辨别出不能控制使最高温度不高于560℃时,发热电阻器的运行就被停止。
4.根据权利要求1所述的方法,其中油墨包含有螯合剂。
5.根据权利要求4所述的方法,其中螯合剂的重量百分比含量不少于50ppm且不超过20%。
6.根据权利要求1所述的方法,其中所述保护膜包括多个层,且可与油墨相接触的层是防气蚀膜,其由包含有Ta的无定形合金制成。
7.根据权利要求6所述的方法,其中所述的无定形合金包括从Fe、Cr、Re、Ge、Ni中选择出的一种或多种金属材料。
8.根据权利要求7所述的方法,其中所述无定形合金包括Ta、Fe、Cr和Ni,所含Ta的重量不超过无定形合金总重量的30%。
9.一种喷墨头基板,其包括一个发热电阻器,所述发热电阻器上覆盖有一层保护膜,其中由发热电阻器产生的热量透过所述保护膜作用于油墨而使油墨喷出,其改进在于在所述发热电阻器的运行过程中,与油墨接触的所述保护膜的表面最高温度不高于560℃。
10.根据权利要求9所述的基板,其中所述保护膜包括多个层,且可与油墨相接触的层是防气蚀膜,其由包含有Ta的无定形合金制成。
11.根据权利要求10所述的基板,其中所述无定形合金包括从Fe、Cr、Re、Ge、Ni中选择出的一种或多种金属材料。
12.根据权利要求11所述的基板,其中所述无定形合金包括Ta、Fe、Cr和Ni,所含Ta的重量不超过无定形合金总重量的30%。
13.一种喷墨头,其包括喷墨头基板,所述喷墨头基板包括一个发热电阻器,所述发热电阻器上覆盖有一层保护膜,其中由所述发热电阻器产生的热量透过所述保护膜作用于油墨而在油墨中产生气泡,并由气泡产生的压力使油墨喷出,其改进在于在所述发热电阻器运行过程中,与油墨相接触的所述保护膜的表面最高温度不高于560℃。
14.根据权利要求13所述的喷墨头,其中油墨包含有螯合剂。
15.根据权利要求14所述的喷墨头,其中螯合剂的重量百分比含量不少于50ppm且不超过20%。
16.根据权利要求13所述的喷墨头,其中所述保护膜包括多个层,且可与油墨相接触的层是防气蚀膜,其由包含有Ta的无定形合金制成。
17.根据权利要求16所述的喷墨头,其中所述无定形合金包括从Fe、Cr、Re、Ge、Ni中选择出的一种或多种金属材料。
18.根据权利要求17所述的喷墨头,其中所述无定形合金包括Ta、Fe、Cr和Ni,所含Ta的重量不超过无定形合金总重量的30%。
19.一种喷墨装置,其包括喷墨头,所述喷墨头包括喷墨头基板,所述喷墨头基板包括一个发热电阻器,所述发热电阻器上覆盖有一层保护膜,其中由所述发热电阻器产生的热量透过所述保护膜作用于油墨而在油墨中产生气泡,并由气泡产生的压力将油墨喷出,其改进在于设置驱动信号控制装置,从而在所述发热电阻器运行过程中使与油墨相接触的所述保护膜的表面最高温度不高于560℃。
20.根据权利要求19所述的装置,其中所述的驱动信号控制装置通过控制作用于所述发热电阻器上的驱动信号的脉冲宽度来控制最高温度。
21.根据权利要求19所述的装置,其中所述喷墨头基板包括一个用来检测所述基板温度的温度检测元件,且其中当根据温度和驱动信号辨别出不能控制使最高温度不高于560℃时,发热电阻器的运行就被停止。
22.根据权利要求21所述的装置,其中油墨包含有螯合剂。
23.根据权利要求22述的装置,其中螯合剂的重量百分比含量不少于50ppm且不超过20%。
24.根据权利要求21所述的装置,其中所述保护膜包括多个层,且可与油墨相接触的层是防气蚀膜,其由包含有Ta的无定形合金制成。
25.根据权利要求24所述的装置,其中所述无定形合金包括从Fe、Cr、Re、Ge、Ni中选择出的一种或多种金属材料。
26.根据权利要求25所述的装置,其中所述无定形合金包括Ta、Fe、Cr和Ni,所含Ta的重量不超过无定形合金总重量的30%。
全文摘要
一种利用装有发热电阻器的喷墨头基板喷射油墨的喷墨记录方法,所述的发热电阻器覆盖有一层保护膜,其中由气泡产生的压力使油墨喷出,所述气泡是将热能透过保护膜而作用于油墨使油墨产生薄膜沸腾而形成的,所述的热能通过所述发热电阻器的运行而产生,其改进在于:提供一种记录模式,其中油墨是在与油墨接触的所述保护膜的表面最高温度不超过560℃的情况下喷出的。
文档编号B41J2/14GK1293112SQ0012818
公开日2001年5月2日 申请日期2000年9月30日 优先权日1999年10月5日
发明者城田衣, 尾崎照夫, 久保田雅彦, 葛城隆司, 神田英彦 申请人:佳能株式会社
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