专利名称：液体喷头以及液体喷射装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于喷墨打印机的热液体喷头和包括该液体喷头的诸如喷墨打印机的液体喷射装置，更具体地涉及一种用于冷却液体喷头的方法，即能够减少该液体喷头每单位时间的热变化的方法。
背景技术：
热液体喷头和压电液体喷头是在诸如喷墨打印机的液体喷射装置所用液体喷头的公知实例。热液体喷头利用通过加热产生的气泡的膨胀和收缩，而压电液体喷头利用压电元件的形状和体积的变化。热液体喷头包括位于半导体基板上的加热元件。当加热元件被加热时，所产生的热量使容器中的液体气化以产生气泡，从而将液滴从喷嘴喷出到记录介质上，所述喷嘴位于加热元件的上方。
图17是公知类型的液体喷头或者头1的透视图。虽然在实际结构中喷嘴板17被粘接到阻挡层3上，但在图17中，喷嘴板17与阻挡层3是分开的，并且为方便起见将喷嘴板17和阻挡层3翻转。图18示出了图17所示头1的流动路径的结构。
参见图17和18，多个加热元件12设置在半导体基板11上。阻挡层3和喷嘴板17以该顺序设置在半导体基板11上。头芯片1a包括设置有加热元件12的半导体基板11、设置在半导体基板11上的阻挡层3。头1包括头芯片1a和粘接到头芯片1a上的喷嘴板17。
喷嘴板17包括设置在相应加热元件正上方的喷嘴18。喷嘴18具有喷出墨滴的开口。由于阻挡层3设置在加热元件12和喷嘴18之间，因此在由阻挡层3、加热元件12和喷嘴18包围的空间中形成容器3a。
如图17所示，在从上方观察时，阻挡层3具有梳形形状。因此，每个加热元件12的三个侧面被阻挡层3包围，但其一个侧面是敞开的，从而该开口用作与共用流动路径23连接的单独的流动路径3d。
加热元件12在半导体基板11的一侧附近排列。如图18所示，由于伪芯片(dummy chip)D位于半导体基板11(头芯片1a)的左侧，因此在半导体基板11(头芯片1a)的左侧与伪芯片D的右侧之间形成共用流动路径23。伪芯片D可由任何能与半导体基板11形成共用流动路径23的部件构成。
如图18所示，通道板22位于半导体基板11的侧面上，该侧面与上面设置有加热元件12的侧面相反。通道板22包括入口22a和与入口22a连通的供给流动路径24。而具有矩形横截面的供给流动路径24与共用流动路径23连通。
来自入口22a的墨水穿过供给流动路径24、共用流动路径23和单独的流动路径3d进入容器3a。当加热元件12加热时，在加热元件12上、容器3a中产生气泡。所产生的气泡通过喷嘴18将容器3a中墨水滴喷出。
在图17和18中，尺寸未按比例，并且将一些部件放大以有助于理解。例如，图19所示半导体基板11的实际厚度T大约为600微米至650微米，并且喷嘴板17和阻挡层3的实际厚度为大约10微米至20微米。
图19示出液滴由于设置在如图18所示的头芯片1a上的加热元件12产生热量而被喷出的状态。典型地，从加热元件12中心至面对伪芯片D的头芯片1a的第一侧面的距离Yn大约为100至200微米，而头芯片1a的宽度大约比距离Yn大10倍，即大一个数量级。即，加热元件12靠近头芯片1a的所述第一侧面设置。
在图18和19所示的结构中，当加热元件12加热到高温度时，加热元件12的温度可以即刻是好几百摄氏度。这样产生的热量使加热元件12上的液体沸腾。此时，该热量也通过设置在加热元件12上的半导体基板11传递。为了使该能量损失最小，由诸如二氧化硅的低导热率的材料制成的绝热层设置在加热元件12与半导体基板11之间。
通过半导体基板11传递的热量首先到达半导体基板11的顶面。半导体基板11的顶面与加热元件12的顶面平齐(flash with)并且与液体接触。然后，通过半导体基板11传递的热量到达半导体基板11的第一侧面，即与伪芯片D形成共用流动路径23的表面。
下面将描述在热液体喷头中产生气泡的机理。例如加热元件12的加热器与诸如墨水的液体接触，来自加热器的热能加热该液体。当加热器的温度超过液体的沸点时，液体沸腾。从学术的观点看，“沸腾”代表泡核沸腾。更具体地，加热器的表面具有小裂纹或者凹口，其中存在有被称作气泡核的大量空气。气泡在这些气泡核中产生。
因此，即使加热器与液体接触，气泡的产生还取决于在相同温度下加热器表面的情况。气泡核的数量决定在加热器表面上产生的气泡的数量。比起气泡核数量少的加热器表面，在气泡核多的加热器表面上产生更多的气泡。也就是说，气泡更易在粗糙表面产生，而在光滑表面上难以大量产生。
设置有加热元件12的头芯片1a的表面通过半导体工艺非常精密地抛光而极其光滑。相反，由于头芯片1a的第一侧面通过切割成小块(dicing)，即利用例如回转锯的切割而被加以处理，因此头芯片1a的第一侧面上具有不规则的部分，并且由此在该表面上存在气泡核。图20是放大的显微照相，示出了头1的该表面以及通过切割成小块而被切割的表面。因此，气泡更易于在头芯片1a的第一侧面上的液体中产生。
为了防止在头芯片1a的第一侧面上产生气泡，推荐以下方法。第一种方法是将加热元件12远离头芯片1a的第一侧面排布，从而使加热元件12产生的热量难以到达该第一侧面。以这种方式，到达头芯片1a的第一侧面的热能几乎不使液体沸腾。
第二种方法是将头芯片1a的第一侧面制得光滑，从而消除存在气泡核的不规则部分。第三种方法在公开号为平9-11479的日本未审专利申请中公开，该方法是通过各向异性蚀刻在头芯片1a的中心区域形成墨水入口或者开口，并且将加热元件设置在该墨水入口附近。
利用第一种方法，由于在头芯片1a的第一侧面与所排布的加热元件12之间设置有宽的间隙，因此该间隙使得头1变大，这与头芯片1a的高密度封装相抵触。第二种方法在通过切割成小块而切割头芯片1a之后需要额外的步骤处理头芯片1a的表面，导致成本增加。
利用第三种方法，在头芯片1a上进行各向异性蚀刻并且因此形成有墨水入口的表面极其光滑。因此，气泡不在头芯片1a的这一光滑表面上产生。但不利的是，由于墨水入口设置在头芯片1a的中心区域中，头芯片1a的结构复杂。因此，墨水入口的设置不适合于包括靠近半导体基板11的第一侧面排布的加热元件12的头芯片1a的结构。
下面将描述在头芯片1a的第一侧面上产生气泡的影响。图21是图18所示头芯片1a的横截面图，示出了产生气泡的状态。图21示出了实际使用时的头芯片1a并且因此图18中示出的元件在图21中被翻转。如上所述，在半导体基板11中，如图21所示，气泡在气泡产生区域(起泡区)中温度最高的部分处生成得最多。该部分与墨水接触并且该部分中存在气泡核。该部分是图21中起泡区内最下面的部分。
理论上，在墨水中产生的气泡借助于浮力向上移动。但在实际应用时，墨滴的喷出减少了容器3a中的墨水量。因此，在起泡区中的墨水朝向喷嘴18被拉拽，即朝向容器3a被拉拽，并且气泡也被朝向共用流动路径23和单独的流动路径3d拉拽。
图22是头1的放大照片，该头1包括结构与喷嘴板17相同的透明喷嘴板。在图22中的照片是在液滴喷出之后立即拍摄的，示出了气泡的产生。图22中的白点是气泡，而黑点是喷出墨滴的溅出物。
即使当在单独的流动路径3d和靠近单独流动路径3d的共用流动路径23中产生的气泡的数量非常少，这些气泡也在一定程度上影响墨水的喷射。当所产生的气泡数量多时，小气泡可结合成更大的气泡。在这种情况下，气泡的表面张力减少了供送给狭窄流动路径的墨水量，即单独的流动路径3d的墨水量。而且，墨水在一些情况下根本不能流入单独的流动路径3d。图23是头1的放大照片，示出了由于一些小气泡结合成更大气泡而使墨水供送减少的区域。
由于供送给单独的流动路径3d的墨水量减少，因此不能作为墨滴喷出足够量的墨水。而且有时根本不能从喷嘴喷出墨水。用于串行打印机的串行头通过在打印时轻微移动以多重墨水喷射来打印图像或者字符，从而可使喷出墨水的数量在打印纸上均匀。因此不会注意到墨水喷射故障。在另一方面，用于行式打印机的行式头通过单次墨水喷射来打印图像或者字符。因此当行式头在墨水喷射中出现故障时，所得到的打印结果在对应于有故障的头上部分的位置处具有一条线(白线)。
图24是行式头的放大的照片，示出由于缺少给容器3a的墨水供送而形成的白线，该墨水供送的缺少是由于产生气泡而导致的。在图24中，在64个喷嘴的大约2.7mm的整个宽度中大约4个喷嘴的宽度产生喷射故障。
发明内容
本发明的目的是使图19中的距离Yn最小和使除了加热元件上以外的区域中产生的气泡最少，从而抑制由于在不希望的区域产生气泡而出现白线。
根据本发明的一种液体喷头包括基板；至少一个头芯片，包括位于所述基板表面上的多个加热元件；喷嘴层，具有设置在相应加热元件上方的喷嘴；阻挡层，设置在所述头芯片和所述喷嘴层之间；容器，位于所述加热元件和喷嘴之间，所述容器由部分阻挡层限定；共用流动路径，与所述容器连通，该共用流动路径将液体供送给容器；以及液体存储腔室，位于除了容器所在区域以外的基板表面中的至少一个区域上，该液体存储腔室由部分阻挡层限定，该液体存储腔室与所述共用流动路径和容器连通，该液体存储腔室存储液体使得部分喷嘴层与液体接触。其中，在该液体喷头中，将热能施加给加热元件以在加热元件上产生气泡，所产生的气泡驱使容器中的液体通过喷嘴被喷出。
根据本发明的液体喷头和液体喷射装置，当将液体供送给液体喷头时，不仅容器、而且液体存储腔室也充满液体。液体存储腔室中的液体与喷嘴层接触。因此，在头芯片中由加热元件产生的热量通过液体存储腔室中的液体被传递给喷嘴层。
在根据本发明的液体喷头和液体喷射装置中，头芯片的运行温度低于公知头中的温度。因此，几乎不会出现泡核沸腾，即几乎不产生任何气泡，从而抑制温度的升高。而且，墨水喷射的频率提高，进而加快喷射/填充循环，从而实现高速打印。
当该液体喷头用作行式头时，在该行式头中的所有头芯片的温度近似相等。因此由于温度变化造成的喷出液体量的变化减小，从而抑制在打印中墨水密度的不均匀。
图1是根据第一实施例的液体喷头的分解透视图，该喷头安装在本发明的一液体喷射装置中；图2A是公知类型的头芯片的平面图；图2B是第一实施例的头芯片的平面图；图2C是在图2B中圈出部分的详图；
图3A是公知头的横截面图，示出了热量消散的状态；图3B是第一实施例的头的横截面图，示出了热量消散的状态；图4A和4B是用于彩色行式头的头芯片的四条线的平面图；图5A是根据第二实施例的头芯片的平面图；图5B是在图5A中圈出部分的详图；图6是根据本发明第三实施例的头芯片的平面图；图7概括出公知头和根据本发明的示例1和示例2的头的规格；图8是示意图，示出了在公知头芯片和示例1和2中的头芯片内的有效电路的空间分布；图9是公知头的照片；图10是根据本发明一示例的头的照片；图11是一照片，示出了在温度测量过程中喷嘴板和粘接端子的开口附近的状态；图12示出了包含测得温度的表；图13是在图12中测得温度的曲线图；图14A是公知头的示意图；图14B是头的等效电路；图14C是头的简化等效电路；图15是包含等效电路的元件的表；图16是没使用墨水的头的显微照片；图17是公知液体喷头的透视图；图18是公知头的横截面图，示出了流动路径的结构；图19是公知头的横截面图，示出了在加热元件中产生热量以喷出墨滴的状态；图20是放大的显微照片，示出了头芯片的表面和通过切割成小块而被切割的表面；图21是图18所示头芯片的横截面图，示出了产生气泡的状态；图22是公知头的放大照片，在喷出墨滴之后立即在头中产生气泡；图23是公知头的一部分的放大照片，其中由于缺少墨水供送而产生大气泡；图24是行式头的放大照片，示出了由于产生气泡而导致缺少给容器的墨水供送而形成的白线。
具体实施例方式
现在将参照附图描述根据本发明的实施例。
第一实施例图1是根据本发明第一实施例的液体喷头或者头10的分解透视图。头10要被安装在本发明的液体喷射装置中。图1对应于示出公知类型的头的图17。虽然在实际的头10中，喷嘴板或者喷嘴层17被粘接到阻挡层13上，但图1中的喷嘴板17与阻挡层13是分离的。头芯片10a包括其上具有加热元件12的半导体基板11以及设置在半导体基板11上的阻挡层13。头10包括头芯片10a，喷嘴板17粘接到该头芯片10a上。
图2A是公知类型的头芯片1a的平面图。图2B是第一实施例的头芯片10a的平面图。图2C是在图2B中圈出部分的详图。在图2A、2B和2C中，喷嘴板17未示出，图2B包括排出孔17a。
参见图17，第一实施例的半导体基板11和加热元件12具有与图17所示公知类型的半导体基板11和加热元件12相同的结构。阻挡层13设置在第一实施例的半导体基板11上。容器13a和单独的流动路径13d由阻挡层13限定。容器13a位于相应的加热元件12上。
根据公知类型的头芯片1a，阻挡层3占据半导体11上除了设置有容器3a、单独的流动路径3d以及连接电极区域(未示出)的区域以外的大部分顶面。也就是说，在公知类型的头芯片1a中，容器3a和单独的流动路径3d只占据了约小于半导体基板11顶面的10％。
相反，根据第一实施例的头芯片10a，阻挡层13的一部分具有梳形形状(梳形部分)。容器13a和单独的流动路径3d设置在由该梳形部分限定的空间中。与梳形部分连接的区域是包括大量柱13c的液体存储腔室13b。在阻挡层13被粘接到喷嘴板17上时，这些柱13c将阻挡层13与喷嘴板17连接起来。由于所有所述柱13c具有相同的高度，因此所有容器13a的高度是相同的。
柱13c的高度与限定容器13a和单独的流动路径13d的梳形部分的高度是相同的。每个柱13c在平面图中基本是矩形的，例如为20微米×30微米。柱13c能在任何间距下以任何形式布置。
阻挡层13在半导体基板11上具有三个侧壁。这些侧壁位于半导体基板11除了设置有梳形部分的一侧以外的三个侧面中。连接电极区域19设置在所述侧壁中的一个上。液体存储腔室13b由所述侧壁和阻挡层13的梳形部分包围。
液体存储腔室13b在靠近共用流动路径的一侧上具有开口，从而与该共用流动路径连通。第一实施例的共用流动路径与公知类型的头芯片1a的共用流动路径23相同，并且将液体供送给容器13a。液体存储腔室13b中的开口位于图1中的右前侧，并且位于图2B中的头芯片10a的底部边缘处。由于所述开口与共用流动路径连通，因此液体存储腔室13b通过共用流动路径和单独的流动路径13d与容器13a连接。
参见图2B，排出孔17a穿过喷嘴板17，并且位于下面设置有液体存储腔室13b的区域中。在图2B中示出了5个排出孔17a。排出孔17a远离容器13a和单独的流动路径13d设置。
如上所述，阻挡层13的梳形部分限定出容器13a和单独的流动路径13d。容器13a设置在加热元件12和相应的喷嘴18之间。所述单独的流动路径13d与容器13a连通，并且将液体供送给容器13a。用于存储液体的液体存储腔室13b设置在半导体基板11的除了包括容器13a和单独的流动路径13d的区域以外的表面区域上。液体存储腔室13b由部分阻挡层13限定。液体存储腔室13b与容器13a连通。
从例如墨罐供给的墨水首先流入共用流动路径中，然后穿过单独的流动路径13d以填充容器13a。同时，来自共用流动路径的墨水进入与共用流动路径连通的液体存储腔室13b以填充液体存储腔室13b。
在墨水进入之前，空气填满液体存储腔室13b。因此，当墨水进入液体存储腔室13b时，液体存储腔室13b中的空气通过排出孔17a排出到外部。因此，液体存储腔室13b被墨水填满，而不包含空气。
当液体存储腔室13b充满墨水时，墨水开始与排出孔17a的出口接触，即喷嘴板17的表面。如果排出孔17a具有与喷嘴18相同的面积时，位于排出孔17a和喷嘴18中的孔平面上的表面张力相同。因此，作为墨水仅有的出口的喷嘴18和排出孔17a受到施加于墨水上的压力的影响。但是，根据第一实施例，由于排出孔17a的面积小于喷嘴18的面积，因此当压力施加到墨水上时，墨水不会通过排出孔17a泄漏。
因此，即使头芯片10a的环境诸如在传输过程中改变，对排出孔17a也不需要特殊的照看，而可以作为喷嘴18的一部分对待。
当操作该头10，即供送给容器13a的墨水作为液滴被喷出时，来自共用流动路径的墨水流过所述单独的流动路径13d，从而填充容器13a。此时，几乎没有墨水在液体存储腔室13b中移动。
喷嘴板17的底面被粘接到柱13c的顶面上。液体存储腔室13b中的墨水与喷嘴板17的除了粘接到柱13c的顶面上的部分以外的该底面接触。
根据公知类型的头芯片1a，由加热元件12产生的大部分热量通过阻挡层3传递给喷嘴板17。由于阻挡层3由通过曝光硬化的光阻橡胶或者干膜抗蚀剂制成并且因此具有低导热系数，所以阻挡层3不会很好地传递由加热元件12产生的热量。因此，由加热元件12产生的热量不能从喷嘴板17充分消散。
相反，根据第一实施例的头10，由加热元件12产生的热量被传递给液体存储腔室13b中的墨水。由于液体存储腔室13b中的墨水与喷嘴板17的底面接触，由加热元件12产生的热量易于通过液体存储腔室13b中的墨水传递到喷嘴板17。因此，热量能够从喷嘴板17的顶面消散，从而热量在头芯片10a中得到很好的消散。
在本文中，液体存储腔室13b能被称作热存储液体层/腔室或者热冷凝器层/腔室。第一实施例的头芯片10a中的热容量是恒定的。因此，随着头芯片10a中的热量消散增大，头芯片10a的温度降低。
图3A是头1的横截面图，而图3B是头10的横截面图。这些附图示出了头1和10的热量消散对比。在这些附图中，加热元件12位于半导体基板11的左侧。包括喷嘴18的喷嘴板17位于半导体基板11的上方。在图3A和3B中，加热元件12和喷嘴18未示出。
根据公知类型的头1，由加热元件12产生的热量通过包括容器3a上方区域以及容器3a上方区域的左侧区域的一区域传递。该区域在图3A中由附图标记XX指示。相反，根据第一实施例的头10，由加热元件12产生的热量不仅通过对应于图3A中由附图标记XX指示的包括容器3a上方区域以及容器3a上方区域的左侧区域的一区域传递，而且通过液体存储腔室13b传递。将热量传递给头10中的喷嘴板17的区域在图3B中以附图标记YY指示。
更具体地，根据第一实施例，具有大比热的墨水位于包括加热元件12的头芯片10a与喷嘴板17之间。头芯片10a的温度不会急剧增加。而且，导热系数高于阻挡层13的墨水能将热量传递给喷嘴板17。因此，热量立即被传递给喷嘴板17，热量从喷嘴板17辐射出去以便冷却所述头10。
喷嘴板17可由各种材料制成。当喷嘴板17由金属或主要由金属制成的材料构成时，热量得到有效消散。而且，头10可包括多个头芯片10a。例如，头10用作彩色打印机头，该彩色打印机头包括对应于各颜色的多个头芯片10a，或者用作行式打印机的行式头，该行式头包括沿着共用流动路径设置的多个头芯片10a。在该结构中头10优选地也设置有包括用于所有头芯片10a的单个喷嘴板17。利用这种方式，头10的温度总是保持恒定。
当将头芯片10a用在行式头中时，喷出墨滴的数量，即头芯片10a操作的数量，根据头芯片10a变化。因此，一些头芯片10a辐射出大量热量，而一些几乎不辐射任何热量。因为由例如硅制成的头芯片10a中的半导体基板11具有优良的导热性，因此所有头芯片10a具有基本相同的温度。如果半导体基板11不能有效辐射热量，它易于加热。
但是，通过在所有头芯片10a之间共享单个喷嘴板17，头芯片10a能具有基本相同的温度。由于对应于所有头芯片10a的所有液体存储腔室13b中的墨水提供了大热容，因此头芯片10a的温度逐步增大，从而抑制了头芯片10a温度的增加。因此，这样抑制了头芯片10a中，尤其是单独的流动路径13d与容器13a之间的墨水起泡。
图4A和4B是用于彩色行式头的头芯片10a的四条线的平面图。通过阴影示出加热头芯片10a。在阴影线之间具有更小间隙的头芯片具有更高的温度。
图4A中的喷嘴板17具有低导热性，而图4B中的喷嘴板17具有高导热性。在图4A中的喷嘴板17中，加热头芯片1a的温度显著增加。相反，在图4B中的喷嘴板17中，来自加热头芯片10a的热量在喷嘴板17上方传递，并且因此所有头芯片10a的温度基本相同，即所有头芯片的运行状况基本相同。
根据第一实施例的头10和包括头10的、诸如喷墨打印机的液体喷射装置具有如下优点(1)当从加热元件12的中心至与共用流动路径接触的头芯片10a的左侧表面的距离Yn较大时，防止利用头芯片10a左侧表面上的不规则部分发生的泡核沸腾，即不会产生起泡。而且，利用第一实施例的前述结构，在相同条件下，头芯片10a的运行温度可以低于公知类型的头芯片1a的运行温度。因此，为了保持温度与公知类型头芯片1a的温度相同，头芯片10a的距离Yn可以制成小于公知类型头芯片1a的距离Yn。
(2)即使在头芯片10a中没有缩小该距离Yn，具有前述结构的头芯片10a的运行温度可以减小，并且因此几乎从不发生泡核沸腾。也就是说，第一实施例的头芯片10a对温度增加有宽容度。
(3)根据本发明的第一实施例，由于在头芯片10a的左侧表面上发生泡核沸腾的机会减少，因此喷墨的频率可以增加。因此喷射和填充循环可以缩短，从而头芯片10a能实现高速打印。
(4)当将头10用作包括多行头芯片10a的行式头时，头10中所有头芯片10a的运行温度基本保持相同。因此由于温度变化导致的喷墨量变化变小，从而抑制了打印中墨水密度的不均匀。
第二实施例图5A是根据第二实施例的头芯片10b的平面图，图5B是图5A中圈出部分的详图。头芯片10b与图2B和2C所示头芯片10a的不同之处在于，容器13a与远离共用流动路径的液体存储腔室13b连通。参见图5B，加热元件12以恒定间距沿着一个方向设置。但是，加热元件12未排成一条直线，即在垂直于加热元件12设置方向的方向上、在相邻加热元件12(喷嘴18)的中心之间设置间隙(大于0的实数)。
因此，相邻喷嘴18的中心之间的距离大于加热元件12(喷嘴18)的排布间距。喷嘴18中和喷嘴18附近的墨水几乎不受墨滴喷射造成的压力变化的影响，并且因此可稳定喷出墨滴的数量和喷射方向。这一技术已经在本受让人的公开号为No.2003-383232的日本未审专利申请中公开。
平面图中具有基本矩形形状的阻挡层13沿着加热元件12的布置方向设置在加热元件12的两侧。单独的流动路径13d沿着垂直于加热元件12的布置方向的方向设置在加热元件12两侧上的阻挡层13之间，即在共用流动路径侧和与共用流动路径侧相对的一侧。靠近液体存储腔室13b设置的单独的流动路径13d与液体存储腔室13b连通。
根据第二实施例，虽然单独的流动路径13d直接将容器13a连接到液体存储腔室13b，但墨水除了在容器13a附近以外，基本不在液体存储腔室13b中流动。
第三实施例图6是根据本发明第三实施例的头芯片10c的平面图。头芯片10c用于串行头中。第三实施例与上述实施例的不同之处在于，连接电极区域19沿着纵向设置在头芯片 0c的两侧。根据第三实施例，液体供送槽11a位于头芯片10c的中心区域中。液体供送槽11a可位于头芯片10c的两侧。在该第三实施例中，由于连接电极区域19的位置不同，因此可将液体存储腔室13b设置在高效率的串行头中。虽然在图6中未示出，但根据第三实施例的容器13a和液体存储腔室13b的结构可以是上述的任何一种。
示例现在描述本发明的示例。如图5所示，为了比较，制成包括头芯片1a的公知类型的头1和根据示例1和2的头10，该头10包括第二实施例中的头芯片10b。公知类型的头1和示例1和2的头10具有与图22所示头基本相同的规格。图7示出头1和头10的规格。在头1和10中，喷嘴18布置成相邻喷嘴18的中心沿着垂直于喷嘴18排布方向的方向错开。相邻喷嘴18的中心之间的间隙是喷嘴18间隔的一半。
图8示出在头芯片1a和头芯片10b中的电路的空间分布。在根据示例1的头芯片10b中，液体存储腔室13b形成具有与功率晶体管相同的高度。在根据示例2的头芯片10b中，液体存储腔室13b形成具有与功率晶体管和逻辑电路的高度总和相同的高度。公知类型的头芯片1a和示例1和2的头芯片10b每个具有15400微米的宽度和1540微米的长度。根据头芯片1a，只有加热元件12上的区域，即容器3a充满有墨水。也就是说，在头芯片1a中高度为220微米的范围充满墨水。根据示例1，加热元件12上的区域和长度对应于功率晶体管的液体存储腔室13b充满墨水。即，在示例1中长度为630微米(220微米+410微米)的范围充满墨水。根据示例2，加热元件12上的区域以及长度对应于功率晶体管和逻辑电路的长度总和的液体存储腔室13b充满墨水。即，在示例2中长度为1140微米(220微米+410微米+510微米)的范围充满墨水。由于示例1和2得到结果的差异可忽略，因此以下将其整体称作一个示例。
在根据示例的头芯片10b中充满墨水的区域的长度近似为头芯片1a中长度的三倍。在头芯片1a和头芯片10b中，阻挡层3和阻挡层13在喷嘴18附近以大接触面积被粘接到喷嘴板17上，因此阻挡层3和阻挡层13不会在为喷射墨水而施加的压力作用下从喷嘴板17分离。因此，在喷嘴18附近与墨水接触的喷嘴板17的面积在头芯片1a和头芯片10b中都较小。结果，在头芯片10b中与墨水接触的喷嘴板17的面积基本是头芯片1a中面积的4倍或者5倍。
为了比较在头1和头10中的温度增加，采用了下述方法。头芯片1a和头芯片10b在相同时间段(相同数量的打印纸)下运转，即20张A4纸，打印相同的材料，即打印率为20％的单色点图案，对两种打印头中的温度升高进行测量。但是，所述头没有设置用于测量头的内部温度的装置。因此首先比较在头1和头10中的起泡情况。
为了观察头的内部，在实验中使用由聚合材料(聚酰亚胺)制成的透明喷嘴板17，其厚度为25微米，代替通过电铸用镍制成的喷嘴板。
图9是头1的照片，而图10是头10的照片。在图9和10中，头1和10(打印头块)在打印后立即被取出，并且从下方(从记录介质侧)拍摄使用洋红色墨水的头1和10的照片。参见图9，气泡沿着头芯片1a产生，但在与头芯片1a相对设置的伪芯片D上未出现气泡。
通常，这些气泡相对稳定，并且在气泡周围的温度下降时将消失。但在公知类型的头1中，一些气泡与后续时间产生的其它气泡结合，所有气泡消失需要几个小时。
相反，参见图10，在头10中未观察到气泡。实验上，排出孔17a沿着头芯片10b的边缘每两个喷嘴设置在头10中。但是显然气泡没有通过这些排出孔17a排出，其原因如下。
当产生大量气泡时，排出孔17a能有效减少气泡。如从图9可见，气泡的尺寸范围通常包括刚产生的小气泡和已经与其它气泡结合的大气泡。鉴于此，所有气泡不可能在出现之后立即通过排出孔17a排出。这样得出结论，在图10所示的头10中没产生气泡。这些结论确定在本发明的热液体喷头(头芯片)中能有效抑制温度的增加。
如上所述，难以准确测量头芯片1a和10b内部的温度。但头芯片1a和10b设置有连接电极区域19(例如14个电极)。这些电极通过金属接合线与外部组件连接。也就是说，接合端子直接与头芯片1a和10a连接。接合端子附近的温度接近头芯片1a和10a的内部温度。因此测量接合端子的表面温度。
图11是照片，示出了在温度测量过程中喷嘴板17和接合端子的开口附近的状态。图11中的照片是利用红外照相机和热图像处理程序获得的。头芯片1a的接合端子的结构与头芯片10b中的相同。由a、b、c、d、e指代的十字形标记是测量温度的点。
图12示出了通过上述方法测得的温度。图13是在图12中测得温度的曲线图。在用椭圆标记的点a、b、c、d处测量两组相对头芯片1a和头芯片10a中的接合端子的表面温度，并计算平均值。在图11中的点e处测量喷嘴板17的表面温度。图13包括对应于接合端子表面温度的公式。
参见图12和13，头芯片10a中接合端子的表面温度低于头芯片1a中的接合端子表面温度大约5℃(62.49-57.66＝4.83)。因此，如果在头芯片1a中的某点处的温度为100℃，则在头芯片10a中相同点处的温度至少比100℃低7℃。由于气泡在100℃产生，因此头芯片10a的起泡少于头芯片1a。而且头芯片10a中的喷嘴板17的表面温度几乎与头芯片1a相同。
然后利用等效电路比较头1和头10的冷却效果。可通过用一电源替代加热元件12、用电阻替代热阻(导热系数)、用电容替代各组件的热容、用电压替代所关心点处的温度，利用简单的电路表达头的状态。在图14B中的等效电路中，点P1-P4的导热系数高于点P1-P4所属组件中的其它部分。这些具有点P1-P4的组件的温度与各点P1-P4的温度相同，即可将点P1-P4认为是等效电路中的等电位点。更具体地，点P1位于加热元件12表面处，并且点P1的温度可被测量，在所有时刻读数近似为350℃。点P2位于半导体基板11的表面处并且需要加以测量。点P3位于喷嘴板17的表面上，并且由于喷嘴板17是暴露的，因此可被测量。点P4位于通道板22的表面处，并且由于通道板22是暴露的，因此可被测量。但是，点P4在图14C中的简化等效电路中不是必需的，这将在下文中加以描述。
考虑到头的整个温度不是稳定的过渡状态，需要考虑热容并且因此等效电路变得复杂，如图14B所示。但头运行足够长时间并且头稳定下来的状态可用简化等效电路表达，如图14C所示。图15是一表格，示出了在图14C中的简化等效电路中误差可被忽略的基础。
利用图12所示的观测到的温度和图14C所示简化等效电路，对头1和头10的冷却效果进行比较。头1与10之间不同的仅有参数为R2和R3。因此在头10中用R2′和R3′替换头1中的R2和R3。由于为了喷射墨水需要有恒定的温度，因此点P1的温度在两个头中都保持在350℃。在运行过程中，头1中点P2的温度为62.5℃(在图13的用于头1的方程中，第二个小数位四舍五入)。在运行过程中，头10中点P2的温度是57.7℃。点P3的温度在两个头中为32.4℃。头的温度可在25℃环境温度下测量。比值R1/(R2+R3)从方程1计算得到方程1 R1/(R2+R3)＝(350-62.5)/(62.5-25)＝287.5/37.5头1和头10仅有的不同是阻挡层3和1 3的结构，包括头芯片1a和头芯片10b的结构的其它部分是相同的。因此，在头10中，R1与公知头相同。点P2处的温度变化是由于R2和R3的变化引起的。因此如上所述，方程1中的R2和R3在用于头10的方程2中被R2′和R3′替代。比值R1/(R2′+R3′)从方程2计算得到方程2 R1/(R2′+R3′)＝(350-57.7)/(57.7-25)＝292.3/32.7从方程1和2可利用下述方程3计算比值(R2′+R3′)/(R2+R3)方程3 (R2′+R3′)/(R2+R3)≈0.86头1的喷嘴板17的表面上的温度与头10中的相同。比值R2/R3和R2′/R3′利用方程4和方程5计算方程4 R2/R3＝(62.5-32.4)/(32.4-25)＝4.07方程5 R2′/R3′＝(57.7-32.4)/(32.4-25)＝3.42将从方程4得到的R2＝4.07×R3、从方程5得到的R2′＝3.42×R3′代入方程3，得到(1+3.42)R3′/(1+4.07)R3＝0.86。如此可利用下述方程6计算比值R3′/R3方程6 R3′/R3＝0.99类似地，通过将从方程4得到的R3＝R2/4.07、从方程5得到的R3′＝R2′/3.42代入方程3，利用下述公式7计算比值R2′/R2方程7 R2′/R2＝0.83方程6和7的结果确认了头1和头10相同地从喷嘴板17散失热量，但与头1相比，在头10中向喷嘴板17传递热量的效率提高大约17％。
即使在头10中充满墨水的区域的面积比头1中的该区域大几倍，向喷嘴板17传递热量的效率只提高大约17％。这是由以下事实造成的，即，当供送墨水时几乎没有任何墨水移动到液体存储腔室13b中，而相当大量的墨水移动到头1和10中的加热元件12中。图16是没使用墨水的显微照片，示出了在上述实验中加热元件12的表面温度被固定在350℃的基础。
权利要求
1.一种液体喷头，包括基板；至少一个头芯片，包括位于所述基板表面上的多个加热元件；喷嘴层，具有设置在相应加热元件上方的喷嘴；阻挡层，设置在所述头芯片和所述喷嘴层之间；容器，位于所述加热元件和喷嘴之间，所述容器由部分阻挡层限定；共用流动路径，与所述容器连通，该共用流动路径将液体供送给容器；以及液体存储腔室，位于除了容器所在区域以外的基板表面中的至少一个区域上，该液体存储腔室由部分阻挡层限定，该液体存储腔室与所述共用流动路径和容器连通，该液体存储腔室存储液体使得部分喷嘴层与液体接触，其中将热能施加给加热元件以在加热元件上产生气泡，所产生的气泡驱使容器中的液体通过喷嘴被喷出。
2.如权利要求1所述的液体喷头，其中，所述喷嘴层包括单个金属单元。
3.如权利要求1所述的液体喷头，其中，至少一个头芯片包括多个所述头芯片，从而所述液体喷头构成行式头，其中所述头芯片沿着所述共用流动路径设置以使容器的开口指向该共用流动路径，喷嘴层包括单个金属单元，并且喷嘴在喷嘴层中布置成在头芯片中位于相应加热元件上方。
4.如权利要求1所述的液体喷头，其中，所述容器覆盖加热元件并且在连接到所述共用流动路径的侧面具有开口，并且沿着所述头芯片的纵向在所述液体存储腔室的边缘处，所述液体存储腔室与所述共用流动路径连通。
5.如权利要求1所述的液体喷头，其中，所述容器在连接到所述共用流动路径的侧面和相对的侧面具有开口，并且所述液体存储腔室和所述共用流动路径被所述容器分开。
6.如权利要求1所述的液体喷头，其中，至少一个排出孔穿过喷嘴层中下面设置有所述液体存储腔室的区域，并且排出孔与液体存储腔室连通。
7.如权利要求1所述的液体喷头，其中，至少一个排出孔穿过喷嘴层中下面设置有所述液体存储腔室的区域，并且排出孔与液体存储腔室连通，在喷出液体的喷嘴层表面上的排出孔的面积小于喷嘴层的所述表面上的各喷嘴的面积。
8.一种包括液体喷头的液体喷射装置，包括基板；至少一个头芯片，包括位于所述基板表面上的多个加热元件；喷嘴层，具有设置在相应加热元件上方的喷嘴；阻挡层，设置在所述头芯片和所述喷嘴层之间；容器，位于所述加热元件和喷嘴之间，所述容器由部分阻挡层限定；共用流动路径，与所述容器连通，该共用流动路径将液体供送给容器；以及液体存储腔室，位于除了容器所在区域以外的基板表面中的至少一个区域上，该液体存储腔室由部分阻挡层限定，该液体存储腔室与所述共用流动路径和容器连通，该液体存储腔室存储液体使得部分喷嘴层与液体接触，其中将热能施加给加热元件以在加热元件上产生气泡，所产生的气泡驱使容器中的液体通过喷嘴被喷出。
全文摘要
本发明公开了一种液体喷头，包括至少一个头芯片，包括位于一基板表面上的多个加热元件；喷嘴板，具有设置在相应加热元件上的喷嘴；阻挡层，设置在所述头芯片和所述喷嘴板之间；容器，位于所述加热元件和喷嘴板之间，所述容器由部分阻挡层限定；共用流动路径，与所述容器连通；以及液体存储腔室，位于除了容器所在区域以外的基板表面中的至少一个区域上，该液体存储腔室由部分阻挡层限定并且与所述共用流动路径和容器连通，该液体存储腔室存储液体使得部分喷嘴板与液体接触。
文档编号B41J2/05GK1644376SQ20051000559
公开日2005年7月27日 申请日期2005年1月21日 优先权日2004年1月22日
发明者江口武夫, 冨田学, 竹中一康, 宫本孝章, 小野章吾 申请人:索尼株式会社