专利名称：墨滴体积减小的喷墨打印头的制作方法
本专利申请与1997年8月29日以David Pidwerbecki等人的名义申请、题为“体积缩小了的喷墨打印机的打印头”的美国专利申请08/920.478有关。此有关的专利申请转让给本专利申请的受让人，这里将其全部包括进来，以供参考。
本发明涉及喷墨打印机，更具体地说，涉及减小从喷墨打印头喷出的墨滴的体积。
现有技术中周知的喷墨打印机有好几种，其中包括Epson、Canon和Hewlett-Packard等厂家出品的喷墨打印机。为提高图像质量，喷墨器件制造厂家不断试图增加打印头在单位面积(通常为平方英寸)喷射的墨滴数，例如，从每平方英寸300至600点(dpi)的范围。这一部分是通过减小形成各点所使用的墨滴的体积从而减小各点的大小达到的。喷墨打印头通常有一个喷墨室或墨槽(以下称“墨槽”)，借助毛细管作用获得油墨供应，墨槽的周边是个盖板，盖板上有一个喷射孔板。墨槽附近有一个墨滴喷溅机构，例如加热式喷墨打印机的加热元件或机械式喷墨打印机的压电-电子操作元件。想从墨槽喷射墨滴时，喷溅机构经过激励之后促使墨滴通过喷射孔板喷射出去。
现有技术试图减小墨滴体积的作法是减小墨槽的容积。若减小墨槽的容积而不改变盖板的厚度，则墨滴在喷射之前必须走过的行程增加。这个增加的距离需要额外的能量(增加热量或提高机械压力等)，从而使制造出来的打印头能耗大，没有好处，而且可靠性因操作温度提高或机械压力增加等有关的应力而降低。此外，提高操作温度还可能影响打印的质量。
为缩短墨滴喷溅之前必须走过的行程(并减小所需的有关能量)，历来的作法是试图减小盖板的厚度。然而，盖板的厚度终究受到物理上的限制的，因而不能与其它组成部分成比例地减小。举例说，目前市面上出售的某些打印头盖板，其厚度就已经减小到45微米，这大致相当于人头发厚度的1/3。用普通的方法将盖板的厚度减小到比此更小而仍然保持其结构的完整性的因难。
因此，需要有一个无需大幅度增加喷溅所需用的能量即能减小墨槽容积(墨滴体积)而且以基本上完全不依靠盖板的厚度达到这种效果的喷墨打印头。
因此，本发明的目的是提供一种喷射出的墨滴体积减小了的喷墨打印头。
本发明的另一个目的是提供喷墨所需的能量减小了的上述那一种喷墨打印头。
本发明的另一个目的是提供一种喷溅机构靠近墨槽配置的喷墨打印头。
本发明还有一个目的，即减小将墨槽与喷溅机构分隔开的钝化膜或保护膜的厚度。
本发明的上述和有关目的是通过采用这里即将说明的墨滴体积减小了的喷墨打印头实现的。
本技术领域的一般技术人员在阅读下面结合附图对本发明所作的详细说明之后可以更清楚地理解本发明的上述和有关的优点和特点是如何达到的。
图1是本发明加热式喷墨打印头结构一个实施例的剖视图。
图2是本发明(品红色油墨的)电钝化层厚度与激活能(TOE)的关系曲线。
图3是本发明(所有颜色油墨的)电钝化层厚度与激活能(TOE)的关系曲线。
图4是本发明小体积加热式喷墨打印头结构另一个实施例的剖视图。
在下面的说明中，本发明的一个实施例是就加热式喷墨打印机进行说明的。应该理解的是，本发明的教导，特别是那些与减小喷溅机构与墨槽之间阻档层有关的教导，可以应用到采用诸如机械/压电-电气机构等之类的其它喷溅机构的喷墨打印机上。
参看图1，图中示出了本发明加热式喷墨打印头构件10的一个实施例的剖视图。构件10的衬底11，最好是半导体或陶瓷材料制成的，上面形成有衬底热钝化层12。衬底(或热钝化层)上形成有电阻层14，导电层16最好是在电阻层上形成。导电层16和电阻层14上，如图所示，形成有电钝化层17，第一和第二气穴层部分18,19则最好分别在电钝化层和导电层上形成。第二导电层20含有接触垫片21，最好在第二气穴层部分19上形成。
工作时，激励信号传送到接触垫片21，通过第二导电层20、第二气穴层部分19、导电层16、电阻层14的一部分(以下称“电阻13”)返回，通过导电层16接地22。虚线A表示激励电流通过构件10的通路。电流流过电阻13产生的热通过电钝化层17和气穴部分18扩散，将墨槽30中的油墨加热。墨槽30以气穴层部分18、油墨阻挡层24、盖板26和孔板28的轮廓为界。墨槽30中的油墨一直加热到产生气泡，从而使一定体积的油墨(墨滴)喷射出去为止。
更仔细地参看构件10。若最佳实施例中的衬底是硅，则衬底热钝化层最好为SiO2。电阻层14最好由钽铝合金(TaAl)或性能类似的物质构成。导电层16和20最好分别为铝(Al)和金(Au)，或其它能适应有关的热应力和机械应力的导电材料。电钝化层17最好是一层上面形成有碳化硅(SiC)层的氮化硅(SiN)层。SiN将油墨与电阻电绝缘起来。SiC起保护导电迹线和电阻迹线的作用，使其不致受油墨液的腐蚀。在最佳实施例中，SiN约为电钝化层厚度的2/3,SiC约为电钝化层厚度的1/3。例如，厚3000埃的电钝化层17，其SiN最好约为2000埃，其SiC最好约为1000埃。气穴层部分18保护电钝化层17使其不致因受气蚀而损坏，且实验证明，在墨滴体积较大(在稳态下＞50纳克干重)的情况下可以提高打印质量。适宜用作气穴层部分18,19的材料有钽等，这些层部分的形成是本技术领域所周知的。油墨阻挡层是诸如经干燥的光致抗蚀剂之类的材料，起界定墨槽高度的作用，且可形成毛细管沟道，这是众所周知的。盖板或孔板26最好是用镍等电镀过的。题为“喷墨打印机体积缩小了的打印头”的美国专利申请08/920,478也介绍过一种适用的薄盖板，该专利为本专利受让人所拥有，这里也将其包括进来以供参考。下面将更详细论述电钝化层17和气穴层部分18。构件10某些组成部分具代表性的理想尺寸如下孔板28的直径18微米，孔板26的厚度28.5微米，油墨阻挡层25厚度14微米，电阻13的宽度22微米。这些尺寸只是出于说明的目的举例提出的，完全没有限制本发明的意思。
在本发明的诸多方面中，其中包括调整电钝化层的厚度来减小喷射墨滴所需要的能量。现有技术减小墨滴体积是侧重于减小孔板的厚度(非光刻形成的层面)，本发明则通过调整光刻形成的层面来达到所要求的目的。
参看图2，图中示出了本发明(品红色油墨的)电钝化层17与激活能(TOE)的关系曲线。从图中可以看到多个数据点和回归线。激活能是喷射预定大小(体积)墨滴所需要的能量，较理想的墨滴大小为10纳克(在稳态下的干重)。激活能用仪表测定，提供给打印头的能量与相对打印头温度降质量的简单关系可用下式表示TOE=mCpΔT，其中m=喷射出的墨滴的质量，Cp=油墨(恒压下的)比热，ΔT=打印头加热到能进行高密度打印的稳态温度。这里绘制的是品红色油墨专用的曲线，因为不同颜色油墨的TOE是略为不同的。
按惯例，电钝化层的厚度是不会小于750纳米的。图2的曲线表明，减小电钝化层的厚度，会使TOE减少，从而减小电阻13加热应达到的温度。举例说，钝化层17厚度从750纳米到560纳米的这个25％的减小，使TOE下降17％(从1.8微焦耳下降到1.5微焦耳)。
参看图3，图中示出了本发明(所有油墨颜色为品红、青和黄色时)电钝化层17与激活能(TOE)的关系曲线。图中绘出了各数据点和回归线。此曲线进一步表明，减小电钝化层的厚度，其效果是减小了激活能。
参看图4，图中示出了本发明小体积加热式喷墨打印头构件100的另一个实施例。此构件与图1中所示的构件类似，其各组成部分的编号是在图1相应编号前加1成百位数字进行的。
随着墨滴体积的减小，起泡油墨引起的气蚀损坏减小了。认识到这种现象可以衍生出其它一些气穴层18(图1)减小或消除了、电钝化层17(图1)可能进一步减小的实施例。图4示出了气穴层部分18消除了另一个可供选择的第一实施例。在此情况下，钝化层117界定着墨槽底部，若采用SiN/SiC钝化层，则SiC界定着墨槽底部(即油墨接触表面)。在另一个可供选择的第二实施例中，气穴层18(图1)等与(上面说过的)钝化层17受保护不致受墨液腐蚀的部分(例如SiC层)结合起来或代替该部分。这样就可以得到由电绝缘层和导电防腐层118’组成的钝化层117，电绝缘层最好是SiN，导电防腐层118’可以含钽之类的金属、SiC等之类、或其混合材料。
虽然本发明是就加热式喷墨打印机进行说明的，但应该理解的是，本发明的教导同样适用于其它喷墨打印机。举例说，若用压电-电气执行元件13,113代替电阻13,113，则减少钝化层17,117和/或减少或取消气穴层会使机械能更直接地从执行元件传到墨滴上。
上面已结合本发明的一些具体实施例说明本发明，但应该理解的是，对上述实施例是可以进一步进行修改的，而本专利申请的范围包括通常根据本发明的原理对本发明所作的任何修改、应用或改装，且包括与本公开的内容不同但在本发明技术领域周知的或在惯常作法范围内且可应用到上文提到的主要特点并属于本发明范围和所附权利要求书的限定范围的内容。
权利要求
1．一种喷墨打印头装置，包括一个衬底(11,111)；一个墨槽(30,130)，在所述衬底上形成，具有一个孔板，油墨即通过孔板喷射出去；一个墨滴喷溅机构(13,113)，在所述衬底与所述墨槽(30,130)之间形成；和一保护层(17,117或17,117和18,118’)，在所述墨槽与所述喷溅机构之间形成，厚度小于7400埃。
2．如权利要求1所述的喷墨打印头装置，其特征在于，所述保护包括具电绝缘材料的电钝化层(17,117)。
3．如权利要求2所述的喷墨打印头装置，其特征在于，所述钝化层(17,117)含防止液体(油墨)腐蚀的材料。
4．如权利要求1所述的喷墨打印头装置，其特征在于，所述喷溅机构(13,113)有一个热源。
5．如权利要求4所述的喷墨打印头装置，其特征在于，所述热源包括电阻。
6．如权利要求2所述的喷墨打印头装置，其特征在于，它还有一个气穴层(18,118’)在所述保护层(17,117)与所述墨槽(30,130)之间形成，起保护打印头装置的作用使其不致受所述墨槽中油墨的气蚀作用而损坏。
7．如权利要求6所述的喷墨打印头装置，其特征在于，所述气穴层(18,118)直接在所述电绝缘材料上形成。
8．如权利要求2所述的喷墨打印头装置，其特征在于，所述墨槽(30,130)直接在所述钝化层(17,117)上形成。
9．如权利要求1所述的喷墨打印头装置，其特征在于，激活大致10纳克(稳态下干重)墨滴所需要的能量约为1.7微焦或以下。
10．如权利要求1所述的喷墨打印头装置，其特征在于，所述喷溅机构有一个压电-电气执行元件(13,113)。
全文摘要
一种喷墨打印头装置,在其衬底上形成有一个墨槽(30,130)和一个墨滴喷溅机构(13,113)。在墨槽(30,130)与喷溅机构(13,113)之间形成保护层(17,117),其厚度减小,最好在7400埃以下,从而可以减少提供给喷溅机构的能量。保护层(17,117)最好含有具电绝缘材料的电钝化层。此外还介绍了其它起保护作用使装置不致受液体的腐蚀、气蚀和两者的层面配置方式。
文档编号B41J2/055GK1232750SQ981260
公开日1999年10月27日 申请日期1998年12月22日 优先权日1998年4月22日
发明者D·皮德维尔贝基 申请人:惠普公司