ТЕРМОСТРУЙНАЯ ПЕЧАТАЮЩАЯ ГОЛОВКА Российский патент 1996 года по МПК B41J2/05 

Изобретение относится к средствам связи и записи информации на бумагу или другие носители и может быть использовано в термостpуйных печатающих устройствах. Изготовление термоструйных печатающих головок (ТСПГ) может осуществляться на предприятиях, изготавливающих полупроводниковые или гибридные интегральные схемы.

Известна ТСПГ [1] содержащая электроизоляционное основание с расположенными на нем имеющими одинаковую форму, размеры и электрические сопротивления тонкопленочными резистивными нагревательными элементами (РНЭ) и токоподводящими электродами. Тонкопленочные электроды и РНЭ покрыты диэлектрическими слоями, исключающими их контактирование с чернилами. На упомянутом основании закреплена камерообразующая пластина с соплами, расположенными напротив РНЭ. ТСПГ содержит также выполненный из эластичного материала с чернилами, соединенный гидравлически, с пленочными РНЭ посредством подводящих каналов. Такая конструкция ТСПГ не позволяет чернилам вытекать иначе чем через сопла камерообразующей пластины. При подаче электрических импульсов заданной амплитуды и длительности происходит разогрев тонкопленочных РНЭ, при этом выделяемое тепло через защитные слои передается чернилам. Порция чернил омывающая РНЭ, интенсивно нагревается и изменяет агрегатное состояние, что сопровождается образованием и резким увеличением объема парогазового пузырька, приводящим к выбрасыванию чернильной микрокапли из сопла камерообразующей пластины на носитель информации.

Недостатком ТСПГ [1] является низкая надежность функционирования (малый ресурс работы). Это объясняется необходимостью повышенного нагрева тонкопленочных РНЭ в связи с тем, что часть выделяемого РНЭ тепла тратится на нагрев защитных диэлектрических слоев. При уменьшении температуры нагрева тонкопленочных РНЭ либо прекращается процесс термоструйной печати, либо снижается качество печати, т. к. тепловая энергия, выделяемая на РНЭ, становится недостаточной для выбрасывания чернильной микрокапли. Работа же тонкопленочных РНЭ в перегретом состоянии при повышении выделяемой энергии ускоряет деградацию резистивной пленки и снижает ресурс работы ТСПГ.

Другим недостатком такой ТСПГ является ее низкая технологичность из-за наличия на тонкопленочных РНЭ и электродах многослойого защитного покрытия из различных диэлектрических материалов, требующих согласования физико-химических свойств при изготовлении и эксплуатации ТСПГ для исключения взаимного влияния материалов слоев.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является термоструйная печатающая головка [2] Она содержит электроизоляционное основание с расположенными на нем пленочными РНЭ и токоподводящими электродами, соединенную с упомянутым основанием камерообразующую пластину с соплами, расположенными напротив пленочных РНЭ, а также резервуар с чернилами, гидравлически соединенный с пленочными РНЭ. Все пленочные РНЭ выполнены в виде пленочных резисторов, имеют одинаковые размеры, форму и величину электрического сопротивления. При прохождении заданного электрического импульса (т. е. импульса с заданными формой, амплитудой и длительностью) каждый пленочный РНЭ выделяет тепловую энергию, достаточную для выбрасывания чернильной микрокапли. Тонкопленочные РНЭ выполнены из электропроводящих окислов, например, SnO₂, а электроды из никеля. Защитный слоя из диэлектрического материала, расположенный на поверхности основания и токоподводящих электродов, имеет сквозные отверстия над пленочными РНЭ и участками электродов, подключенных к отрицательному полюсу источника питания.

Принцип работы данного устройства аналогичен вышеописанному. Информация, записываемая на носитель чернильными микрокаплями, соответствует последовательности электрических импульсов, подаваемых на тонкопленочные РНЭ.

Недостатком известной ТСПГ является низкая надежность функционирования, так как в процессе эксплуатации РНЭ находится в жидкой среде чернил и подвержен при действии электрического импульса электрокоррозии, вызывающей изменение его формы и величины электрического сопротивления, что приводит к прекращению функционирования ТСПГ. В момент действия электрического импульса РНЭ нагревается до 400-500^оС, что по закону Аррениуса существенно ускоряет процесс электрокоррозии. В результате электрокоррозии возрастает электрическое сопротивление или происходит разрушение РНЭ. В обоих случаях функционирование ТСПГ прекращается, как только количество джоулева тепла, выделяемого РНЭ, при действии электрического импульса снизится до порогового значения, необходимого для выбрасывания микрокапли чернил из сопла. Снижение количества выделяемого джоулева тепла происходит при соответствующем увеличении сопротивления РНЭ, поскольку амплитуда и длительность электрического импульса, подаваемого на РНЭ, постоянны.

Целью настоящего предложения является повышение надежности функционирования ТСПГ за счет уменьшения влияния деградационных процессов на механизм функционирования пленочных РНЭ путем изменения конструкции пленочных РНЭ.

Поставленная цель достигается тем, что ТСПГ содержит электроизоляционное основание с расположенными на его поверхности пленочными резистивными нагревательными элементами и токоподводящими электродами, соединенную с упомянутым основанием камерообразующую пластину с соплами, расположенными напротив пленочных РНЭ, и резервуар с чернилами, гидравлически соединенный с пленочными РНЭ, причем размеры, форма и величина электрического сопротивления пленочных РНЭ одинаковы и обеспечивают при прохождении электрического импульса заданной амплитуды и длительности выделение нагревательным элементом тепловой энергии, достаточной для выбрасывания микрокапли чернил из сопла.

Особенностью предлагаемого устройства является то, что каждый пленочный РНЭ содержит группу из n>1 параллельно соединенных пленочных резисторов, электрические сопротивления которых различаются не более, чем на 15% а площади упомянутых резисторов таковы, что по крайней мере на одном из них, например первом, выделяемая при прохождении через него электрического импульса удельная тепловая энергия достаточна для выбрасывания из сопла чернильной микрокапли, а при изменении его площади и электрического сопротивления требуемый для выбрасывания микрокапли чернил уровень тепловой энергии выделяется на следующем, например втором, резисторе и так далее до последнего резистора в группе.

Предлагаемое техническое решение по сравнению с прототипом содержит следующие отличительные признаки: каждый пленочный РНЭ содержит группу из n>1 параллельно соединенных пленочных резисторов, электрические сопротивления которых различаются не более, чем на 15% а площади упомянутых резисторов таковы, что по крайней мере на одном из них, например первом, выделяемая при прохождении электрического импульса удельная тепловая энергия достаточна для выбрасывания чернильной микрокапли, а при изменении его электрического сопротивления требуемый для выбрасывания микрокапли чернил уровень тепловой энергии выделяется на следующем, например втором, резисторе, и так далее до последнего резистора в группе. Поэтому предлагаемое устройство отвечает требованию "новизна".

Известные технические решения, относящиеся к области создания ТСПГ, не содержат признаков, отличающих предлагаемое устройство от прототипа. Однако именно эти отличительные признаки обеспечивают достижение поставленной цели. Действительно повышение надежности предлагаемой ТСПГ обусловлено повышением вероятности обеспечения функционирования РНЭ в условиях оптимального нагрева и введением резервирования рабочих резисторов РНЭ. В соответствии с принципом работы ТСПГ РНЭ нагревается джоулевым теплом при прохождении электрического импульса. Параметры подаваемых импульсов (форма, амплитуда, длительность) постоянны. Оптимальный нагрев РНЭ при действии импульса имеет место тогда, когда удельная энергия, выделяемая единицей площади РНЭ, превышает значение, необходимое для выбрасывания микрокапли чернил из сопла, но мала для перегорания РНЭ. При прочих равных условиях изготовления ТСПГ и при заданных параметрах импульса степень нагрева РНЭ зависит от его электрического сопротивления и занимаемой площади. Изменяя эти наиболее просто контролируемые характеристики, оптимизируют температурный режим работы РНЭ. Существующий технологический разброс параметров при изготовлении ТСПГ приводит к нарушению условий оптимального нагрева РНЭ, что снижает надежность ТСПГ. Поэтому в предлагаемой конструкции ТСПГ введено резервирование РНЭ, которое обеспечивается изготовлением в составе каждого РНЭ n>1 резисторов, включенных параллельно. Параметры резисторов в РНЭ рассчитаны так, чтобы среди них был резистор, на котором выделяется небольшая удельная энергия, соответствующая уровню оптимальных значений. На других резисторах при этом выделяется меньшая удельная энергия. Ее значение может быть даже ниже оптимальной величины. Резистор, на котором выделяется небольшая удельная энергия, обеспечивает работоспособность ТСПГ в начале эксплуатации.

Поскольку этот резистор нагревается наиболее значительно за время действия импульса, то процесс его деградации в соответствии с законом Аррениуса идет интенсивнее. Электрическое сопротивление и площадь этого резистора начинают изменяться, перераспределяя значения удельной энергии, выделяемой на всех резисторах. Если площадь резистора уменьшается в процессе деградации так быстро, что выделяемая удельная энергия растет, несмотря на увеличение сопротивления резистора, то этот резистор может перегореть. В этом случае в работу вступают включенные в параллель резервные резисторы и работоспособность ТСПГ не нарушается. В аналогичной ситуации ТСПГ, принятая за прототип, прекратила бы функционирование. В предлагаемой конструкции резисторы РНЭ рассчитаны так, что при перегорании одного из них режим оптимального нагрева сохраняется хотя бы на одном из оставшихся n-1 резисторов), на котором в результате перераспределения мощностей начинает выделяться наибольшая удельная энергия. При перегорании второго оптимальный режим нагрева устанавливается на третьем резисторе и так далее до последнего резистора в РНЭ. Сохранение оптимального режима нагрева хотя бы на одном из резисторов РНЭ обусловлено тем, что при перегорании резистора возрастает сопротивление РНЭ и одновременно соответственно уменьшается площадь, занимаемая остальными резисторами. Если площадь наиболее нагруженного резистора изменяется медленно, то его сопротивление плавно растет, приближаясь к значению сопротивления, например соседнего резистора. В результате перераспределения токов, протекающих по резисторам в момент действия электрического импульса, выделяемая удельная энергия на первом резисторе снижается, а на втором растет, т. е. значения этих параметров стремятся стать одинаковыми. При дальнейшей работе ТСПГ процесс электрокоррозии, идущий интенсивнее на наиболее нагруженных резисторах, способствует выравниванию значений удельной энергии, выделяемой на разных резисторах, и сохранению ее в области оптимальных значений. Этим определяется повышение вероятности обеспечения функционирования РНЭ в условиях оптимального нагрева. Для повышения вероятности выравнивания удельной энергии, выделяемой на резисторах РНЭ в области оптимальных значений, сопротивления резисторов не должны разливаться более, чем на 15% Такое различие превышает уровень технологического разброса параметров и исключает возможность случайных выбросов. При большем различии сопротивлений резисторов РНЭ усложняется технология их изготовления, т. к. возникает необходимость применения резистивных материалов с различным удельным поверхностным сопротивлением или изготовления нетехнологичных резисторов, у которых слишком велико отношение длины к ширине.

Таким образом, отличительные признаки, определяющие новизну предложенного устройства, обусловливают достижение поставленной цели, то есть данное предложение отвечает критерию "существенные отличия". В результате можно сделать вывод, что предложенное техническое решение соответствует изобретательскому уровню и не вытекает непосредственно из современного развития науки и техники. Оно имеет широкое промышленное применение ввиду расширения объемов выпуска и использования термоструйных печатающих устройств.

Предлагаемое устройство может быть реализовано следующим образом.

Выбирают амплитуду U и длительность τ электрического импульса, например, прямоугольной формы. Подбирают резистивный материал, например пленку электропроводящего окисла SnO₂. Экспериментально определяет удельную энергию выбрасывания чернильной капли из сопла P₁и удельную энергию P₂, вызывающую перегорание РНЭ для выбранного резистивного материала. Определяют сопротивления подводящих электродов R_э, активной R_а и пассивной R_п области РНЭ. Активная область РНЭ, являющаяся центром тепловыделения, выполняется в виде группы, например, трех резисторов, включенных параллельно. Длина резисторов может быть одинаковой или разной. Соответственно они могут иметь прямоугольную или изогнутую форму. Сопротивления резисторов могут быть примерно (с учетом технологического разброса) одинаковыми и составлять 3 R_а или неодинаковыми, различающимися по величине не более, чем на 15% В последнем случае примерно одинаковое сопротивление могут иметь, например, два резистора, а третий может быть большим или меньшим по номиналу. В РНЭ резисторы с одинаковым сопротивлением располагаются, например, по краям, а в центре резистор с большим или меньшим сопротивлением.

Пользуясь известными формулами для расчета:
цепи сопротивлений, включенных параллельно
величины пленочных сопротивлений R_i=
удельной энергии, выделяемой на этих резисторах
P_i= где R_i электрическое сопротивление i-го резистора,
ρ_□ заданное удельное поверхностное сопротивление резистивного материала, l_i длина, b_i ширина i-того резистора, определяют необходимые параметры l_i и b_i. В соответствии с установленными параметрами резисторов изготавливают фотошаблоны, и методами гибридно-пленочной технологии формируют РНЭ требуемой конфигурации и размеров.

На фиг. 1 представлен фрагмент предложенной ТСПГ (камерообразующая пластина условно смещена по вертикали относительно платы с пленочными РНЭ); на фиг. 2 возможные варианты конструкций РНЭ.

На фиг. 1 показано электроизоляционное основание 1, сквозное отверстие 2 для подвода чернил, пленочные РНЭ 3, содержащие параллельно включенные пленочные резисторы 4, разрушенные в процессе эксплуатации ТСПГ участки 5 резисторов 4, пленочные токопроводящие контакты 6, камерообразующая пластина 7 с соплами 8; штрих-пунктирной линией показаны осевые линии, проходящие через РНЭ 3 и центры сопел 8, пунктирной линией обозначено положение сопел 8 относительно РНЭ 3, стрелками показано направление прохождения импульса тока через РНЭ 3.

На фиг. 2 (а) изображен пленочный РНЭ 3 с тремя (n=3) параллельно соединенными пленочными резисторами 4, причем электрическое сопротивление резистора, расположенного в центре, меньше электрического сопротивления крайних резисторов.

На фиг. 2(б) изображен пленочный РНЭ 3 с тремя (n=3) параллельно соединенными пленочными резисторами 4, причем электрическое сопротивление резистора, расположенного в центре, больше электрического сопротивления крайних резисторов.

На фиг. 2 (в) изображен пленочный РНЭ 3 с двумя (n=2) параллельно соединенными пленочными резисторами 4.

По сравнению с техническим решением, принятым за прототип, предлагаемое решение позволяет повысить надежность функционирования ТСПГ за счет конструктивных изменений РНЭ, обеспечивающих их резервирование и продолжение функционирования ТСПГ даже при частичном разрушении РНЭ.

Экономическая эффективность данного предложения обусловлена повышением ресурса функционирования ТСПГ. Таким образом, предложенное техническое решение обладает технико-экономическими преимуществами перед известными техническими решениями.

Использование: для средств связи и записи информации на бумаге или других носителях. Сущность изобретения: термоструйная печатающая головка содержит электроизоляционное основание с расположенными на его поверхности пленочными резистивными нагревательными элементами и токоподводящими электродами, соединенную с упомянутым основанием камерообразующую пластину с соплами, расположенными напротив пленочных резистивных нагревательных элементов, и гидравлически соединенный с пленочными резистивными нагревательными элементами резервуар с чернилами, причем размеры, форма и величина электрического сопротивления пленочных резистивных нагревательных элементов одинаковы и обеспечивают при прохождении электрического импульса заданной амплитуды и длительности выделение резистивным нагревательным элементом тепловой энергии, достаточной для выбрасывания микрокапли чернил из сопла, при этом каждый пленочный резистивный нагревательный элемент содержит группу из n>1 параллельно соединенных пленочных резисторов, электрические сопротивления которых различаются не более чем на 15%, а площади упомянутых резисторов таковы, что по крайней мере на одном из них, например первом, выделяемая при прохождении через него электрического импульса удельная тепловая энергия достаточна для выбрасывания чернильной микрокапли, а при изменении его площади и электрического сопротивления требуемый для выбрасывания микрокапли чернил уровень тепловой энергии выделяется на следующем, например втором, резисторе и так далее до последнего резистора в группе. 2 ил.

Термоструйная печатающая головка, содержащая электроизоляционное основание с расположенными на его поверхности пленочными резистивными нагревательными элементами и токоподводящими электродами, соединенную с упомянутым основанием камерообразующую пластину с соплами, расположенными напротив пленочных резистивных нагревательных элементов, и гидравлически соединенный с пленочными резистивными нагревательными элементами резервуар с чернилами, причем размеры, форма и величина электрического сопротивления пленочных резистивных нагревательных элементов одинаковы и обеспечивают при прохождении электрического импульса заданной амплитуды и длительности выделения нагревательным элементом тепловой энергии, достаточной для выбрасывания микрокапли чернил из сопла, отличающаяся тем, что каждый пленочный резистивный нагревательный элемент содержит группу из n > 1 параллельно соединенных пленочных резисторов, электрические сопротивления которых различаются не более чем на 15% а площади упомянутых резисторов таковы, что по крайней мере на одном из них, например первом, выделяемая при прохождении через него электрического импульса удельная тепловая энергия достаточна для выбрасывания чернильной микрокапли, а при измерении его площади и электрического сопротивления требуемый для выбрасывания микрокапли чернил уровень тепловой энергии выделяется на следующем, например втором, резисторе, и так далее до последнего резистора в группе.