RU2051043C1

RU2051043C1 - Thermojet printing head

Info

Publication number: RU2051043C1
Authority: RU
Inventors: Ю.С. Четверов
Original assignee: Центральный научно-исследовательский институт "Циклон"
Priority date: 1991-11-01
Filing date: 1991-11-01
Publication date: 1995-12-27

Abstract

FIELD: information output. SUBSTANCE: to reduce amount of labor in manufacturing thermojet printing head, raise its working frequency, improve the standard of fastening of the plate with nozzles to the resistive board and to control the volume of the ink drop, there are partitions provided between the ink and nozzle chambers, said partitions determining the length of the channel therebetween. The design makes it possible to vary the length, width and height of the channel. The closed thin-walled partition and the stiffener ribs form the preset dimensions of the nozzle and ink chambers and provide for their tightness over the parameter. EFFECT: improved design. 2 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам вывода информации на бумажный носитель. The invention relates to paper output devices.

Известна термоструйная печатающая головка с тонкопленочными резисторами, диэлектрическим покрытием резисторов полимерным материалом, формирующим сопельные и чернильную камеры, пластину с соплами (Ronald A.Askeland, Winthrop D. Childers, and William R. Sperry. The Second Generation Thermal Inkjet Structure. Hewlett-Packard Journal. August 1988, p. 28-31). Known thermostatic print head with thin-film resistors, a dielectric coating of resistors with a polymeric material forming the nozzle and ink chambers, a plate with nozzles (Ronald A. Askeland, Winthrop D. Childers, and William R. Sperry. The Second Generation Thermal Inkjet Structure. Hewlett-Packard Journal. August 1988, p. 28-31).

Такой конструктивный вариант головки позволяет получить разрешение до 300 точек на дюйм с высоким качеством печати, но является трудоемким в изготовлении платы с резисторами, а именно необходимо ввести в технологию целый ряд операций, связанных с нанесением и обработкой полимерного материала с толщиной 25-50 мкм в зависимости от конструкции термоструйной печатающей головки. При этом пластина с соплами не имеет дополнительного рельефа, кроме сопельных отверстий. Повышение частоты достигается за счет применения подложки с высокой теплопроводностью, например кремния. Such a constructive version of the head allows obtaining a resolution of up to 300 dpi with high print quality, but is laborious in manufacturing a board with resistors, namely, it is necessary to introduce a number of operations in the technology related to the deposition and processing of polymer material with a thickness of 25-50 μm depending on the design of the thermal inkjet print head. In this case, the plate with nozzles does not have an additional relief, except for nozzle holes. The increase in frequency is achieved through the use of a substrate with high thermal conductivity, such as silicon.

В предложенной конструкции головки исключается толстое полимерное покрытие на резистивной плате и связанные с ним технологические операции, а сопельные и чернильная камеры формируются методом гальванопластики в пластине с соплами без увеличения ее трудоемкости в сравнении с аналогом. Рельеф, созданный на периферии пластины с соплами, позволяет повысить качество приклейки за счет увеличения толщины клеющей пленки. In the proposed head design, a thick polymer coating on the resistive board and the associated technological operations are eliminated, and the nozzle and ink chambers are formed by electroforming in a plate with nozzles without increasing its complexity in comparison with the analogue. The relief created on the periphery of the plate with nozzles can improve the quality of gluing by increasing the thickness of the adhesive film.

Наиболее близкой по своей конструкции является термоструйная печатающая головка, в которой имеются тонкопленочные резисторы с диэлектрическим покрытием, рельефная пластина с соплами. Пластина с соплами имеет рельеф на внутренней и внешней поверхности (Ronald A. Askeland, Winthrop D. Childers, and William R. Sperry. The Second Generation Thermal Inkjet. Structure. Hewlett Packard Journal, August 1988, p. 28-31). The closest in design is the thermal inkjet head, which has thin-film resistors with a dielectric coating, a relief plate with nozzles. The nozzle plate has relief on the inner and outer surfaces (Ronald A. Askeland, Winthrop D. Childers, and William R. Sperry. The Second Generation Thermal Inkjet. Structure. Hewlett Packard Journal, August 1988, p. 28-31).

Основным недостатком данного конструктива головки является низкая разрешающая способность (не более 180 точек на дюйм) из-за несовершенства конструкции сопельных и чернильной камер, выполненных на рельефной пластине с соплами. Для изготовления пластины с соплами требуется матрица из металла с высотой рельефа до 50 мкм, что и определяет высокую трудоемкость изготовления. The main disadvantage of this head design is the low resolution (not more than 180 dpi) due to imperfect design of nozzle and ink chambers made on a relief plate with nozzles. For the manufacture of a plate with nozzles, a matrix of metal with a relief height of up to 50 μm is required, which determines the high complexity of manufacturing.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков, получение высокого разрешения и снижение трудоемкости изготовления, повышение рабочей частоты и повышение качества присоединения пластины с соплами к резистивной плате. The aim of the invention is to eliminate these drawbacks, obtaining high resolution and reducing the complexity of manufacturing, increasing the operating frequency and improving the quality of connecting the plate with nozzles to the resistive board.

На фиг. 1 показан участок матрицы с резисторами и камерообразующей пластиной с соплами; на фиг. 2 сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 пластина с соплами с внутренней поверхности; на фиг. 4 разрез Б-Б на фиг. 3; на фиг. 5 разрез С-С на фиг. 3. In FIG. 1 shows a portion of a matrix with resistors and a chamber-forming plate with nozzles; in FIG. 2, section AA in FIG. 1; in FIG. 3 plate with nozzles from the inner surface; in FIG. 4 a section BB in FIG. 3; in FIG. 5 a section CC of FIG. 3.

Головка содержит пластину с соплами 1, на которой имеются замкнутая тонкостенная перегородка 2, перегородка 3 между сопельными и чернильной камерами, канал 4 подачи чернил в сопельную камеру 5, чернильную камеру 6, камеру для клея 7, резистивный слой 8, защитное покрытие 9, проводящие шины 10, диэлектрическую подложку 11, канал 12 подачи чернил из резервуара с чернилами в чернильную камеру, ребра жесткости 13. The head contains a plate with nozzles 1, on which there is a closed thin-walled partition 2, a partition 3 between the nozzle and ink chambers, an ink supply channel 4 to the nozzle chamber 5, an ink chamber 6, an adhesive chamber 7, a resistive layer 8, a protective coating 9, conductive tires 10, dielectric substrate 11, ink supply channel 12 from the ink tank into the ink chamber, stiffeners 13.

Как показано на фиг. 2-5, внутренняя поверхность пластины с соплами имеет замкнутую тонкостенную перегородку 2, которая формирует чернильную и сопельную камеры при приклейке пластины к плате с резисторами. Эта перегородка разделяет сопельные камеры 5 друг от друга, и каждая из них имеет канал в чернильную камеру 6. Камеры для клея 7 отделены друг от друга ребрами жесткости 13, которые могут быть изготовлены как продолжение тонкостенной перегородки 2 с такой же или меньшей высотой рельефа, могут иметь зазор с перегородкой 2. Кроме того, они могут быть замкнуты по периметру пластины дополнительными ребрами или быть открытыми, как показано на фиг. 3. Перегородка 2 ограничивает натекание клея к сопельным и чернильной камерам. As shown in FIG. 2-5, the inner surface of the plate with nozzles has a closed thin-walled partition 2, which forms an ink and nozzle chamber when gluing the plate to the board with resistors. This partition separates the nozzle chambers 5 from each other, and each of them has a channel into the ink chamber 6. The chambers for glue 7 are separated from each other by stiffeners 13, which can be made as a continuation of the thin-walled partition 2 with the same or lower relief height, may have a gap with a partition 2. In addition, they can be closed along the perimeter of the plate with additional ribs or be open, as shown in FIG. 3. The partition 2 limits the flow of glue to the nozzle and ink chambers.

Предложенные конструкции пластины с соплами выбираются в зависимости от применяемого клея и способа приклейки. The proposed plate designs with nozzles are selected depending on the adhesive used and the gluing method.

Конфигурация ребер может быть иной в зависимости от размера пластины с соплами и количества сопел. The configuration of the ribs may be different depending on the size of the plate with nozzles and the number of nozzles.

Термоструйная печатающая головка работает следующим образом. Thermostatic print head operates as follows.

К резистивной подложке 8 через подводящие шины 10 подается импульсное напряжение с амплитудой 18-22 В, с длительностью 2-7 мкс и частотой 1,3-1,8 кГц (т.е. стандартный режим питания термоструйных головок). В каждый из данных промежутков времени в сопельной камере 5 с чернилами выделяется тепловая энергия. Благодаря этому осуществляется вскипание чернил в камере. Процесс вскипания чернил сопровождается образованием пузырьков газа, которые выбрасываются вместе с красителем (чернилами) через сопло камеры 5. В промежутках (в паузах) между импульсами осуществляется подпитка красителем из чернильной камеры 6, соединенной каналом 12 подачи чернил с резервуаром чернил (не показан). To the resistive substrate 8 through the supply bus 10, a pulse voltage with an amplitude of 18-22 V, with a duration of 2-7 μs and a frequency of 1.3-1.8 kHz (i.e., the standard power mode of the thermojet heads) is supplied. In each of these time periods, thermal energy is released in the ink nozzle chamber 5. Due to this, ink boils in the chamber. The process of boiling ink is accompanied by the formation of gas bubbles that are ejected together with the dye (ink) through the nozzle of the chamber 5. In the intervals (in the pauses) between the pulses, the dye is fed from the ink chamber 6 connected by the ink supply channel 12 to the ink reservoir (not shown).

Объем капли генерируемых чернил, влияющий на разрешающую способность, зависит от размеров сопельной камерами 5 и отверстия в ней, от размеров перегородки 3 между сопельной и чернильной камеры, от качества приклейки пластины к резистивной плате. В предложенной конструкции размеры перегородки между сопельной и чернильной камерами 3 определяют длину и сечение соединяющего их канала 4. Размеры перегородки 3 задаются шаблоном. Управление размерами перегородки по трем координатам позволяет выбрать наиболее приемлемый вариант для обеспечения требуемых характеристик головки. The droplet volume of the generated ink, which affects the resolution, depends on the size of the nozzle chambers 5 and the holes in it, on the size of the partition 3 between the nozzle and ink chambers, on the quality of gluing the plate to the resistive board. In the proposed design, the dimensions of the partition between the nozzle and ink chambers 3 determine the length and cross section of the channel 4 connecting them. The dimensions of the partition 3 are set by the template. Control of the dimensions of the partition in three coordinates allows you to choose the most suitable option to ensure the required characteristics of the head.

Получение рельефа в пластине с соплами позволяет повысить и частотные характеристики за счет снижения постоянной времени охлаждения чернил в сопельной камере после прохождения теплового импульса. Obtaining a relief in a plate with nozzles allows one to increase the frequency characteristics by reducing the constant cooling time of the ink in the nozzle chamber after the passage of a heat pulse.

Отличительной чертой пластины является и то, что она имеет рельеф лишь с внутренней стороны и микрорельеф с внешней стороны, который может достигать не более пяти микрон и определяется толщиной диэлектрика и проводников матрицы, применяемых при гальванопластике. В прототипе рельеф формируется с двух сторон, а в аналоге он отсутствует. A distinctive feature of the plate is that it has a relief only on the inside and a microrelief on the outside, which can reach no more than five microns and is determined by the thickness of the dielectric and matrix conductors used in electroplating. In the prototype, the relief is formed on both sides, and in the analogue it is absent.

Пластина с соплами изготавливается методом гальванопластики. На кремниевой подложке с удельным сопротивлением менее 0,003 Ом см наращивается окисный слой толщиной до 1 мкм. The plate with nozzles is made by electroforming. An oxide layer with a thickness of up to 1 μm is grown on a silicon substrate with a resistivity of less than 0.003 Ω cm.

В слое окисла вскрываются окна для формирования тонкостенной перегородки 2 и ребер жесткости 13. Подвод тока через подложку кремния позволяет сформировать участки любой конфигурации с равной высотой. Далее на подложку напыляется металл толщиной 0,5 мкм, например никель с подслоем адгезионного материала. Другим фотошаблоном делается фотолитография по металлу с таким расчетом, чтобы между первым рисунком и вторым были зазоры, сформированные окисью кремния, который выполняет роль диэлектрика. Ширина этого зазора определяет толщину ступеньки, которая получается при гальваническом росте пластины. Электролит выбирается таким, когда скорость роста вдоль пластины равна скорости роста перпендикулярно к пластине. За счет этих зазоров формируются чернильная камера 6, перегородка 3 между сопельными и чернильной камерами, камеры для клея 7, конфигурация сопельных камер 5. Windows are opened in the oxide layer for the formation of a thin-walled partition 2 and stiffeners 13. The current supply through the silicon substrate allows the formation of sections of any configuration with equal height. Next, a metal with a thickness of 0.5 μm, for example nickel with a sublayer of adhesive material, is sprayed onto the substrate. Another photomask is photolithography on metal so that between the first pattern and the second there are gaps formed by silicon oxide, which acts as a dielectric. The width of this gap determines the thickness of the step, which is obtained during the galvanic growth of the plate. The electrolyte is chosen such that the growth rate along the plate is equal to the growth rate perpendicular to the plate. Due to these gaps, an ink chamber 6, a partition 3 between the nozzle and ink chambers, glue chambers 7, the configuration of the nozzle chambers 5 are formed.

Таким образом формируется матрица для изготовления пластин с соплами. После специальной обработки матрицы ее помещают в гальваническую ванну для наращивания слоя никеля необходимой толщины. Далее с матрицы снимается блок пластин, которые соединены перемычками. Данная технология позволяет получать пластины без перемычек, т.к. подвод тока идет через подложку. Thus, a matrix is formed for the manufacture of plates with nozzles. After special processing of the matrix, it is placed in a plating bath to build up a nickel layer of the required thickness. Next, a block of plates that are connected by jumpers is removed from the matrix. This technology allows you to get plates without jumpers, because current is supplied through the substrate.

Пластина с соплами, полученная по вышеприведенной технологии, имеет микрорельеф (до 1,5 мкм) со стороны наращивания на кремниевую пластину с окислом и металлом. Высота микрорельефа равна толщине окисла и металла. Высота рельефа с внутренней стороны пластины определяется конструкцией формируемых зазоров на диэлектрике. The wafer with nozzles obtained by the above technology has a microrelief (up to 1.5 μm) on the side of the build-up on a silicon wafer with oxide and metal. The height of the microrelief is equal to the thickness of the oxide and metal. The height of the relief on the inside of the plate is determined by the design of the formed gaps on the dielectric.

Применение конструкции термоструйной печатающей головки с пластиной с соплами, рассмотренной выше, позволяет получить головки с разрешением 300 точек на дюйм при снижении затрат на ее изготовление с дозированием капли и повышением частотных характеристик. Улучшение основных характеристик головки позволяет выполнить резистивные подложки на материале типа ситалл вместо кремния, что, в свою очередь, снижает себестоимость. The use of the design of a thermal inkjet print head with a nozzle plate, discussed above, allows obtaining heads with a resolution of 300 dpi with a reduction in the cost of its manufacture with dosing of the droplet and an increase in the frequency characteristics. Improving the basic characteristics of the head allows you to perform resistive substrates on a material such as glass instead of silicon, which, in turn, reduces the cost.

Все это дает возможность повысить процент выхода годных изделий и сократить время освоения головок в массовом производстве. All this makes it possible to increase the percentage of yield of suitable products and reduce the time of development of heads in mass production.

Claims

1. THERMOJET PRINTING HEAD, containing a plastic case, an ink tank, a plate with nozzles, a board with resistors, conductive tires and a protective coating, characterized in that, in order to obtain high resolution and reduce the complexity of manufacturing, increase the operating frequency and quality of plate attachment with nozzles to the resistive board, a closed thin-walled partition is formed on the inner surface of the plate, separating the nozzle and ink chambers from the peripheral areas of the plate, peripheral domain divided into sectors stiffeners in the form of beams extending from a thin-walled partitions to the perimeter of the nozzle plate.

2. The head according to claim 1, characterized in that, in order to limit the volume of the generated droplets of ink, between the ink and each of the nozzle chambers there is a partition forming the height, width and length of the channel between them.