CN1329197C - 喷墨记录头衬底、喷墨记录头和喷墨记录装置 - Google Patents

喷墨记录头衬底、喷墨记录头和喷墨记录装置 Download PDF

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Abstract

记录头允许增加每次驱动的发热体的个数而不增加衬底的尺寸，从而增加了高密度排列的喷嘴的数量。记录头衬底包含多个电热转换构件，其中电热转换构件具有可分别对应于多个出墨口的发热体；多个驱动发热体的驱动元件；与发热体相连的公共连线A；与驱动元件相连的公共连线B；与公共连线A和公共连线B相连的电极片。每次驱动的发热体个数由式子(RlineA+RlineB)/(Rh+Rd)＜0.05/(0.95n-1)所确定。

Description

喷墨记录头衬底、 喷墨记录头和喷墨记录装置
技术领域
本发明涉及喷墨记录头衬底、喷墨记录头和喷墨记录装置。
背景技术
在喷墨记录头中，为了从一个衬底中喷射出多种墨滴，在一个衬底上提供多个供墨端口。此外，为了改善清除一个衬底的孔板上累积的墨的性能，通过提供在与每个供墨端口的凹槽的较短边平行的衬底***边上排列的电极片，衬底被连接到外部仪器上。在这种结构中，因为发热体与电极片之间的距离因每个发热体的位置而不同，离电极片较远的发热体易于具有较大的连线电阻。因此，当多个与一段连线连接的发热体同时由一个电极片驱动时，加大了该连线上的电压降，使得与驱动一个发热体的情形相比，没有充足的电力遍及该发热体，从而不能获得合适的泡。
因此，如图7所示，在一个结构中，一行发热体被分成数块，每块具有多个发热体，为每块提供连接电极片的连线，使得每块的连线电阻值彼此相等，例如，如在日本专利公开10-44416(对应的美国专利6,409,315)中所公布的那样。在这种结构中，通过时间共享的驱动方式(其中在一个驱动定时在一个块中只驱动一个发热体)，实现了其中每次使用一段连线驱动一个发热体的单个连线。
然而，近几年里，不断对喷墨记录装置提出更加快速、记录图像质量更高的要求。同样地，需要喷墨记录头具有以更高频率驱动的更多发热体。为了驱动若干发热体，考虑增加时间共享分区的数目，即一个块内的发热体的个数。
通过以这样的方式增加时间共享分区的个数，能够驱动若干发热体而不改变连线段的个数。然而，因为由频率确定的预定单位时间被分成较小的单位，每个发热体都减少了驱动时间。当使用较高频率驱动发热体以获得较快的速度时，就进一步缩短了驱动时间。
然而，为了稳定地喷墨，需要控制施加到每个发热体上的能量。为此，已经使用了改变驱动时间的控制技术。当发热体的驱动时间被极端缩短时，就不能在墨水中充分生长出喷墨所需要的泡。因此，发热体的驱动时间需要在一定的范围内，并且目前驱动时间已经缩短到一个极限。因此，难以实现上述的方法。
另一方面，为了通过增加发热体的个数但不改变驱动时间而使用同一频率驱动发热体，增加每次驱动的发热体的个数，即需要增加块的个数。为了使用更高频率驱动发热体以达到加速的目的，需要减少时间共享分区的个数而增加块的个数。随着频率的增高，减少每个发热体的驱动时间，使得通过减少时间共享分区的个数来保证最小的驱动时间。
在如图7所示的常规连线方法中，单独为每块接通连接电极片的连线。为了增加块的个数以增加每次驱动的发热体的个数，需要增加单独连线段的个数。然而，在单独连线中，相距要连接的衬底***中的电极片的距离因块的位置而不同，使得连线的长度不同。因为随着连线长度的增加，电阻将随之增加，为了通过消除前面由于块的位置而引起的连线电阻差以使电阻值相等，对于离电极片最近的块使用线径最小的连线，并且随着与电极片的距离变远，线径将随之增加。因为随着块数的增加，最小线径也具有一定的物理极限，对于远离电极片的块需要较大线径的连线。因此，如果每次驱动的发热体的个数翻倍，则导线宽度增加三至四倍，因此出现衬底尺寸迅速增加的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种喷墨记录头衬底，它能够增加每次驱动的发热体的个数而不用增加衬底尺寸，从而高密度地增加喷嘴的个数。
本发明的另一个目的在于提供能够达到加速喷墨记录目的的喷墨记录头衬底和喷墨记录头。
本发明的另一个目的在于提供一种喷墨记录头衬底，在这种衬底中即使增加通过薄膜沉积处理过程制备和排列的喷嘴的个数，或即使增加每次驱动的喷嘴的个数，也不会改变衬底的尺寸。
本发明的另一个目的在于提供一种喷墨记录头衬底和喷墨记录头，用于分别对应于以预定方向排列的多个出墨口地从出墨口喷射墨水，该喷墨记录头衬底和喷墨记录头包含多个电热转换构件，每个包括沿多个出墨口的行排列、分别与多个出墨口对应、用于从出墨口喷墨的多个发热体，和一对与发热体连接的电极；多个驱动元件，每个与电热转换构件的该对电极中的一个电极相连，用于驱动每个发热体；与电热转换构件的该对电极中的另一个电极相连的公共连线A，用于将电流传递到电热转换构件；与驱动元件中提供的电极相连的公共连线B，用于将电流传递到驱动元件；与分别对应于发热体的出墨口分别连通的墨流通道；具有四边形开孔的供墨端口，用于将墨水送到墨流通道中，其中开孔的较长边沿出墨口的行排列；和与公共连线A和公共连线B以及电源相连的电极片，其中通过比值(RlineA+RlineB)/(Rh+Rd)，在(RlineA+RlineB)/(Rh+Rd)＜0.05/(0.95n-1)的范围内确定每次驱动的发热体的个数n(n≥2)，其中通过得到电极片和经由公共连线A与电极片相距最远的电热转换构件之间的连线电阻值RlineA，和电极片与经由公共连线B与电极片相距最远的驱动元件之间的连线电阻值RlineB的和，并且将和除以发热体的电阻值Rh与驱动元件的电阻值Rd之和，从而获得比值(RlineA+RlineB)/(Rh+Rd)，其中n是在多个与公共连线A相连的电热转换构件之中每次驱动的发热体的个数。
本发明的另一个目的是提供一种喷墨记录头衬底和喷墨记录头，其能够在多个与同一公共连线相连的电热转换构件之中同时驱动两个或更多个电热转换构件而不会使电压降低，并且即使每次驱动的电热转换构件的个数增加，也能够从与每个电热体对应的出墨口稳定地喷射墨水，也能够通过在时间共享驱动期间减少时间共享分区的数量来响应高频驱动(即，能够减少在一个频率内驱动的电热转换构件的个数)。
本发明的进一步的目的、特性和优点将随着参照下列带有附图的优选实施例的描述变得更加明显。
附图说明
图1是在驱动根据本发明一个实施例的喷墨记录衬底的发热体的等效电路图。
图2是根据本发明实施例的喷墨记录衬底的俯视图。
图3是说明施加到发热体的电压与墨滴喷射速度之间关系的图表。
图4A和图4B是说明使用根据本发明实施例的喷墨记录头的记录头座(recording head cartridge)的结构的图例；图4A是透视图；图4B是图4A的分解透视图。
图5是图4A和图4B中所示的喷墨记录头的分解透视图。
图6是图5中所示的记录元件单元的分解透视图。
图7是常规喷墨记录衬底的俯视图。
具体实施方式
将参照下面的附图描述本发明的实施例。
图4A和图4B是说明具有根据本发明一个实施例的记录头1001的记录头座1000的透视图。
记录头座1000由记录头1001(喷墨记录头)，以及记录头1001中以可拆卸方式提供的墨水容器1900(墨水容器1901、1902、1903和1904)组成。记录头1001根据记录信息通过出墨口喷射从墨水容器1900提供的墨。
通过定位装置和电接触以可拆卸方式将记录头座1000固定到位于喷墨记录装置体的托架(没有示出)上。
例如，记录头1001能够是一种使用发热体生成热能以产生与电信号相应的墨薄膜汽化(ink film-boiling)的记录***的喷墨记录头。
记录头1001包含记录元件单元1002、供墨单元1003和容器架2000。为了将记录元件单元1002的送墨口(ink-communicating port)与供墨单元1003的送墨口连通而不漏墨，使用接合密封构件2300将两个单元压在一起并使用螺丝钉2400进行固定。
图5是图4A和图4B中所示的记录头的分解透视图；图6是记录元件单元的分解透视图。
记录元件单元1002由两个喷墨记录衬底1100、第一板(第一支撑构件)1200、电连线带(柔性连线衬底)1300、电接触衬底2200和第二板(第二支撑构件)1400组成。
喷墨记录衬底1100都被固定到第一板1200上。而且，具有开孔的第二板1400被紧固到第一板1200上。电连线带1300被紧固到第二板1400上。以这样的方式，喷墨记录衬底1100与每个构件的位置关系得到保持。
电连线带1300将用于喷墨的电信号施加到喷墨记录衬底1100上，并具有电连线，该电连线与喷墨记录衬底1100相对应，并被连接到具有外部信号输入端1301的电接触衬底2200，以接收来自喷墨记录装置体的电信号。电接触衬底2200经由两个端定位孔1309被固定到供墨单元1003上。
图2是喷墨记录衬底1100的俯视图。
喷墨记录衬底1100能够由例如厚度为0.5mm至1.0mm，并且具有通过光刻技术在板的一个表面上形成的多个墨道(ink path)(没有示出)和出墨口(discharge port)(没有示出)的硅板组成。提供与各个墨道相对应的多个发热体1103。发热体1103分别在中心线二侧排成行，在中心线的每一侧都有一行发热体1103。且衬底1100被提供有在中心处形成的供墨端口1102，其对应于第一板1200上形成的送墨口1201。从供墨端口1102，将墨水提供给多个墨道。形成的供墨端口1102在与附图所示的表面相反的表面(背面)具有开孔。即，供墨端口1102三明治式地被夹在两排发热体之间。在与供墨端口1102相对的发热体1103行一侧，排列有驱动元件1107，用于打开/关闭以驱动发热体1103。
在以这种方式构造的喷墨记录衬底1100中，供墨端口1102和出墨口之间的墨道填充墨水。当墨水要喷射时，通过对发热体1103加热以将热能提供到墨水，在墨水中生成泡。经过泡产生的压力，预定量的墨水作为小滴从被提供为与发热体1103相反的出墨口喷射出去。
在衬底的与发热体1103的行垂直的侧边提供电极片1104，来自每个电极片1104的电信号在喷墨记录衬底1100内的逻辑电路中进行处理和选择，以将其馈送给驱动元件1107。驱动元件1107接收该信号以控制驱动。
电极片1104上的凸起(bump)(没有示出)和电连线带1300的引线(没有示出)通过电声压缩方法被电连接在一起。
发热体1103的一端与公共连线A1106相连，而另一端与公共连线A1106下面的驱动元件1107相连。驱动元件1107的另一端与公共连线B1105相连。公共连线A和公共连线B分别被分成两段，使得一侧上的该行发热体1103相对中心被分成两段，每个公共连线在一侧有两块，使得公共连线A和B总共在一侧有四块(即一个电热转换构件在一个块中包含各发热体)。因此，在附图上右边有四块，左边有四块，总共有八块。每块公共连线1101(A和B)都与电极片1104相连，将用于喷墨的电信号施加到每个发热体1103和每个驱动元件1107。电极片1104在与发热体1103的行垂直的方向排列在衬底的两侧，并且被分离提供公共连线A和公共连线B。
图1是公共连线1101、发热体1103的一端和驱动元件1107的等效电路框图。
图3是示出施加到发热体1103的电压Vh和墨水的喷射速度V之间关系的图表。
如图3所示，因为墨水的喷射速度随着电压的改变而改变，因此需要电压保持稳定。为了能够实际稳定地喷射墨水，电压Vh维持在附图所示的稳定区域范围内。稳定区域是设计电压的±5％之内。然而，实际上需要考虑到多个并联发热体1103的电阻值散布、公共连线1101的电阻值的散布、以及发热体1103的耐久性。因此电压Vh的波动段必须控制在电压的5％之内。
如图7所示，为了通过将电压Vh维持在预定范围内以防止电压迅速下降，已经限制了在相同连线中发热体1103的个数，同时已经通过时间共享驱动控制多个发热体1103使其不在相同连线中同时进行操作。在被分成块的常规连线中，随着块数的增加，需要加入更宽直径的连线，这使得衬底的尺寸增加。即，仅在每次在相同连线中，即在一块中只驱动一个发热体的条件下，常规结构才适用，使得为了增加每次操作的发热体的个数，必须增加块的个数。应当考虑的是，通常不知道公共连线的连线电阻和通过共享公共连线每次驱动的发热体之间的关系，正如本发明的情况一样。
然而，根据本发明，通过考虑连线电阻和每次驱动的发热体之间的关系，已经发现了方程式4。利用这个关系，在相同的连线上能够同时操作多个发热体。
如图1所示，根据该实施例，不像常规结构那样，与公共连线相连的发热体的个数不受限制。为了防止因每次所驱动发热体的个数引起的电压下降，根据该实施例，在公共连线中适当确立电阻值Rline。下面将进行详细地描述。
公共连线1101的电阻值是电极片1104与距其最远的发热体1103之间的连线电阻值RlineA，和最远端驱动元件1107与电极片1104之间的连线电阻值RlineB的和。
如图1所示，在一对公共连线1101之间，当同时驱动n块发热体1103和驱动元件1107时，通过连线电阻RlineA的电流是只驱动一块发热体1103和驱动元件1107的情形中所通过的电流的n倍。因此，连线电阻产生的电压降VlineA也是n倍。这与驱动端侧的情况相同。
对于将其定义为驱动的一个发热体和驱动的n块发热体之间的电压差的电压变化率r的情形，必须将这个变化率r抑制在5％之内。
参照图1将获得满足上述关系的连线电阻比。如果驱动一块时的电压是：
Vh(1)·Rh/(Rh+Rd)
则，驱动n块时的电压是：
Vh(n)·Rh/(Rh+Rd)
电压变化率：r，
Vh(1)·Rh/(Rh+Rd)-Vh(n)·Rh/(Rh+Rd)
＜r·Vh(1)·Rh/(Rh+Rd)
因此有，Vh(1)-Vh(n)＜r·Vh(1)(方程式1)。
如果RL＝RlineA+RlineB
RH＝Rh+Rd
Vop＝Vh+VlineA+VlineB，
Vh(1)＝Vop·RH/(RL+RH)(方程式2 )
Vh(n)＝Vop·(RH/n)/((RL+RH/n)(方程式3)。
如果方程式2和方程式3都被代入方程式1中，k＝RL/RH，kn-k-knr＜r。因此，  RL/RH＝k＜r/(n-nr-1)。
当r是衬底内的电压变化率，并且相比只驱动一块的情形的变化被吸收时，获得下列方程式：
(RlineA+RlineB)/(Rh+Rd)＜r/(n-nr-1)(方程式4)
N：每次驱动的发热体的个数。
对于变化率在上述5％之内的情形，获得下列方程式：
(RlineA+RlineB)/(Rh+Rd)＜0.05/(0.95n-1)(方程式5)。
因此，如果连线电阻确定为具有满足方程式5的RlineA和RlineB，总是能够通过防止电压迅速下降来获得稳定的喷射。
因为针对驱动发热体1103和电极片1104之间的距离最远的情形确定连线电阻RlineA，能够在任何条件下充分防止电压迅速下降，使得能够在公共连线内同时驱动多个发热体。当通过定义同时驱动的喷嘴的模式而对该电阻值进行更详细的检验时，必须针对该模式对该值进行检验。
从方程式可以明显地看出，随着每次驱动的发热体的个数的增加，(RlineA+RlineB)/(Rh+Rd)的值减少。于是，通过使连线电阻将(RlineA+RlineB)的值降低至更小，能够增加每次驱动的发热体的个数，而且不由于增加了连线数量而使衬底尺寸变大。
在图7所示的常规例子中，对于每个电极片1104，有四段单独连线1108与之相连；对于每个单独连线1108，有四个发热体进一步与之相连。这四个发热体构成一块，使得电极片最终被分成四块。因此，当通过时间共享驱动方式每块只驱动一个发热体时，对于每个电极片来说，每次驱动的发热体的个数是四。
在图2所示的结构中，当在与一对公共连线1101对应的16个发热体之中同时驱动8个发热体(是上述常规***的2倍)，并且假定变化率是5％时，通过将8代替方程式2中的n可以获得(RlineA+RlineB)/(Rh+Rd)的值。于是，公共连线1101的电阻值(RlineA+RlineB)与驱动发热体1103和驱动元件1107期间的电阻值之比(RlineA+RlineB)/(Rh+Rd)可以最多保持到0.0076。当假定发热体1103的电阻值Rh和驱动元件1107的驱动期间的电阻值Rd之和是400Ω时，公共连线1101的电阻值(RlineA+RlineB)最多是3.00Ω。
实际的公共连线1101的电阻值(RlineA+RlineB)根据公共连线的厚度和宽度，以及电极片和发热体之间的最大长度来确定。例如，当在具有以单侧加热器间距为600dpi的方式排列的256个发热体1103、实际驱动元件1107、和用于驱动元件1107的逻辑电路的段内进行Al(铝)连线时，如果该连线的厚度最少是0.4μm，则能够满足上面提到的方程式2。当该段具有512个发热体1103以便以同样的频率驱动时，针对一对公共连线1101驱动16个发热体，使得公共连线1101的电阻值(RlineA+RlineB)被减少到小于1.39Ω，而该公共连线1101的厚度增加至大于1.5μm。
可允许电压变化范围实际上不仅受喷嘴驱动的限制，而且受提供给记录头的电源的电压变化的限制。因此，每次驱动的发热体的个数和公共连线电阻值也应当考虑电源端的电压变化而确定。为了满足那些根据本发明的方程式，可使用例如镀金的不同金属来增加公共连线1101的厚度，或者也可以增加发热体1103的电阻值。同样，当具有多个供墨端口1102的衬底应用本发明时，本发明特别有效。
根据本发明，因为能够确定每次驱动发热体的个数而不管喷墨记录衬底的连线个数如何，在同样宽度的衬底上能够达到加速和密集化的目的。
通过进一步降低电阻值比(RlineA+RlineB)/(Rh+Rd)，可以同时驱动更多的发热体而不用改变连线的连通方式，因此减少时间共享分区的个数并加速了记录速度。
通过降低连线电阻值比，减少了不由发热体引起的放热，使得驱动更加有效。
虽然已经参照当前被认为是实施例的内容对本发明进行了描述，然而应当理解的是，本发明不限于所公布的实施例。相反，本发明旨在覆盖包含在所附权利要求的范围和实质内的各种修改和等价方案。下列权利要求的范围应当进行最广义的解释，以包含所有这样的修改、等价结构和功能。

Claims (8)

1.一种具有以预定方向排列的多个出墨口的喷墨记录头衬底，该衬底包括：
多个电热转换构件，每个包括沿多个出墨口的行排列、分别与多个出墨口对应、用于从出墨口喷墨的多个发热体，和一对与发热体连接的电极；
多个驱动元件，每个与电热转换构件的该对电极中的一个电极相连，用于驱动每个发热体；
与电热转换构件的该对电极中的另一个电极相连的公共连线A，用于将电流传递到电热转换构件；
与驱动元件中提供的电极相连的公共连线B，用于将电流传递到驱动元件；
与分别对应于发热体的出墨口分别连通的墨流通道；
具有四边形开孔的供墨端口，用于将墨水送到墨流通道中，其中开孔的较长边沿出墨口的行排列；和
与公共连线A和公共连线B以及电源相连的电极片，
其中，通过比值(RlineA+RlineB)/(Rh+Rd)，在(RlineA+RlineB)/(Rh+Rd)＜0.05/(0.95n-1)的范围内确定每次驱动的发热体的个数n，其中n≥2，其中通过得到电极片和经由公共连线A与电极片相距最远的电热转换构件之间的连线电阻值RlineA，和电极片与经由公共连线B与电极片相距最远的驱动元件之间的连线电阻值RlineB的和，并且将该和除以发热体的电阻值Rh与驱动元件的电阻值Rd之和，从而获得比值(RlineA+RlineB)/(Rh+Rd)，其中n是在多个与公共连线A相连的电热转换构件之中每次驱动的发热体的个数。
2.如权利要求1所述的衬底，进一步包括能够从与公共连线A相连的电热转换构件中同时选择n个电热转换构件以进行驱动的逻辑电路，其中n≥2，
其中电阻值(RlineA+RlineB)允许驱动由逻辑电路所选择的电热转换构件。
3.如权利要求1所述的衬底，其中电极片沿着与发热体的排列方向不同的方向排列在喷墨记录头衬底的附近。
4.如权利要求1所述的衬底，其中公共连线A和公共连线B分别通过使用于连线的金属膜加厚来满足电阻值RlineA和RlineB。
5.如权利要求4所述的衬底，其中公共连线是金连线，并且加厚金属膜是通过电镀形成厚薄膜连线。
6.一种喷墨记录头，包括：
根据权利要求1的喷墨记录头衬底；和
用于将外部驱动信号发送到喷墨记录头衬底的电连线构件。
7.如权利要求6所述的喷墨记录头，其中通过驱动电热转换构件以将发热体中产生的热能施加到墨水，在墨水中生成泡，其中通过产生压力的泡将墨水作为小滴从出墨口喷射出去。
8.一种喷墨记录装置，包括：
根据权利要求6的喷墨记录头；和
当将喷墨记录头安装在其上时能够发送和接收驱动信号的托架。
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