專利名稱：用于改進打印頭性能的隔板/噴口設(shè)計的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及打印頭，更具體地說涉及用于改善打印頭性能的隔板/噴口地結(jié)構(gòu)設(shè)計。
背景技術(shù)：
本發(fā)明技術(shù)的一個示范應(yīng)用是這里公開的噴墨打印技術(shù)。舉例來說，熱噴墨打印機的工作原理是，將很少量的油墨通過許多小噴嘴(噴口)噴出，這些噴嘴處在一個靠近打印媒介的表面內(nèi)，而記號或印字就印在打印媒介上。噴嘴在表面內(nèi)是這樣排列的，使得從一定量噴嘴中噴在打印媒介特定部位上的油墨構(gòu)成所需字符或圖形的一部分?？刂埔r底或打印媒介的位置并噴上另一些油墨，就可不斷地得到更多的所需字符或圖象。給各個噴嘴裝上不同顏色的油墨，通過有選擇性地讓各個噴口噴墨，就可用噴墨打印機打出彩色的圖象。
在一般的熱噴墨打印機中，是將油墨快速加熱至超過油墨溶劑沸點的溫度，并產(chǎn)生一個氣相油墨泡而使油墨噴出的。一般使用一個方脈沖電流通過一個電阻(一般是0.5至5微秒)，就可實現(xiàn)快速加熱。每個噴嘴與一個裝有油墨的小型專用油墨噴射室相連，并帶有單獨編號的加熱元件電阻，后者在與油墨熱連接。隨著氣泡成核形及膨脹，油墨滴就從噴嘴中擠出并沉積在打印媒介上。然后氣泡將破裂，同時被擠出油墨的空間通過油墨進給通道從一個較大的油墨貯存槽得到補給。
在加熱電阻失活及油墨從噴射室噴出后，油墨又流入噴射室，填充噴出油墨到留下的空間。希望油墨填充此空間越快越好，以便使打印頭噴嘴能很快噴墨。油墨是通過一個進給通道流進噴射室的。
發(fā)明概要
下面將描述一種噴射流體的打印頭，在一種具體實施裝置中，打印頭包含一個具有表面的基片以及形成于此表面上的列狀油墨滴產(chǎn)生器組，這些產(chǎn)生器分為一些小組，每個小組與表面上的其它小組在流體上是分開的。這種打印頭還包括打印頭電路，用來將噴墨脈沖加到墨滴產(chǎn)生器上，使得同一個小組中不會有兩個墨滴產(chǎn)生器同時被激發(fā)或者順次被激發(fā)。
附圖簡介
本發(fā)明的上述及其它一些特性和優(yōu)點，將在下面對以


的一個實施例的詳細描述中更清楚地顯示，這些圖中
圖1是一個可安裝這里要描述的任意一個打印頭的打印盒實例的正等軸測圖。
圖2是本發(fā)明一種打印頭實施例一部分的正等軸測剖視圖。
圖3是圖2所示打印頭下部的正等軸測圖。
圖4是沿圖2的4-4線所取的橫剖面圖。
圖5是圖1打印頭的一部分示意圖，表示本發(fā)明的一個方面。
圖6是沿圖5中6-6線所取的橫剖面示意圖。
圖7是打印頭一部分的頂視圖，是表示本發(fā)明另一種形式的簡化示意圖。
圖8為采用本發(fā)明的噴墨打印頭的結(jié)構(gòu)實例的示意圖。
圖9是沿圖8中9-9線所取的簡化剖面圖。
圖10是相鄰一對噴嘴的示意圖，圖中還示出了相應(yīng)連接的油墨進給路徑。
圖11為跳躍式噴墨模式的打印頭的示意圖。
圖12是一種采用本發(fā)明的一個或多個打印頭的打印系統(tǒng)經(jīng)過大量簡化后的示意圖。
圖13是另一種可安裝2400npi噴嘴點陣的打印頭示意圖。
發(fā)明的詳細描述
圖1是一種可以包括安裝本發(fā)明的打印頭結(jié)構(gòu)的噴墨打印盒10的透視圖。圖1示出的這種類型的打印盒在其架體12內(nèi)裝有很多油墨，但另一類型的打印盒則是從外面的油墨供給器獲取油墨，這個供給器可以安裝在打印頭上，也可以通過一個管子與打印頭相連。
油墨被送至打印頭14。打印頭14將油墨通到油墨噴射室，每室包含一個油墨噴射元件。將電信號加到觸點16可單個地給油墨噴射元件通電，以通過相應(yīng)的噴嘴18噴出一滴油墨。普通打印盒的結(jié)構(gòu)和工作原理大家都很熟悉。
在示出的應(yīng)用中，本發(fā)明涉及打印盒的打印頭部分，或可以永久地安裝在打印機內(nèi)的打印頭，因而本發(fā)明與給打印頭提供油墨的油墨供應(yīng)系統(tǒng)無關(guān)。本發(fā)明與打印頭所安裝的特定打印機類型也沒有關(guān)系。
雖然示出的本發(fā)明的一個應(yīng)用例是在打印系統(tǒng)中，但應(yīng)指出，它不只限于打印系統(tǒng)，因為它也能用于非打印系統(tǒng)的應(yīng)用中，特別是那些要準確控制噴射液滴的場合，例如本發(fā)明可用于注射藥物的醫(yī)學(xué)應(yīng)用中。
圖2是沿圖1的2-2線所取的打印頭一部分的剖面圖。一般的打印頭有很多噴嘴(例如300個或更多)以及相應(yīng)的油墨噴射室?？梢园押芏啻蛴☆^做在一塊單個的硅片上，然后用普通的方法將它們彼此分開。
在圖2中，一塊硅襯底20上形成了不同的薄膜層22，下面我們有時把它們叫做“膜片”。薄膜層22包含一個電阻層，用來形成電阻24。其它的薄膜層起著不同的作用，例如提供與襯底20的電絕緣，提供從加熱電阻元件至襯底20的導(dǎo)熱路徑，以及提供至電阻元件的電導(dǎo)體等。圖中示出了一個引到電阻24一端的電導(dǎo)體25。有一個類似的導(dǎo)體引到電阻24的另一端。在一個實際的實施例中，處于室中的這些電阻和導(dǎo)體將被遮蓋層所遮蔽。
油墨進給孔26完全穿過薄膜層22。
在薄膜層22的表面上淀積一層噴口層28，噴口層28經(jīng)過刻蝕形成油墨噴射室30，每個電阻24上有一個油墨噴射室。采用掩模和普通光刻技術(shù)通過激光剝離可以做出噴嘴34。
將硅襯底20刻蝕可沿一列油墨進給孔26列的長度方向形成一個溝槽36，以讓油墨38從油墨槽內(nèi)進入油墨進給孔26，將油墨供應(yīng)到油墨噴射室30。
在一個示范實施例中，每個打印頭大約為半英寸長，包含四列錯開的噴嘴，每列304個，每個打印頭總共有1216個噴嘴。每一列中的噴嘴的間距為600點/英寸(dpi)，各列交錯排列提供了一定打印分辯率，使用兩列時的打印分辨率為2400dpi。因此，打印頭沿噴嘴列的方向具有2400dpi的單次打印分辨率，多次打印時分辨率還要高。若沿打印頭的掃描方向打印，分辨率還可以更高。
工作時，給加熱電阻24提供一個電信號，使得一部分油墨在油墨噴射室內(nèi)30汽化成一個氣泡。汽泡將一滴油墨推過相應(yīng)的噴嘴34落在打印媒介上。然后通過毛細作用使油墨噴射室重新注入油墨。
圖3是圖2所示打印頭下面的透視圖，示出溝槽36和油墨進給孔26。在圖3的特定實例中，一個溝槽36設(shè)有兩列油墨進給孔26。
在一種實施裝置中，每個油墨進給孔26的尺寸比噴嘴34的尺寸小，使得油墨中的顆粒能被油墨進給孔26所過濾，而不致堵塞噴嘴34。如果有一個油墨進給孔26被堵塞，對于室30再注入油墨的速度將不會有多大影響，因為有許多個油墨進給孔26對每個室30供應(yīng)油墨。在一種實施裝置中，油墨進給孔26的數(shù)目比油墨噴射室30要多。
圖4是沿圖2的4-4線所取的剖視圖。圖4顯示的是單個薄膜層。在圖4的特定實施例中，所示硅襯底20部分的厚度約為10微米。
在硅襯底20上面采用普通方法生成一個厚度為1.2μm的場氧化物層40。然后在氧化物層40上加上一個厚度為0.5μm的磷硅玻璃(PSG)層42。
可以用硼PSG或硼TEOS(BTEOS)層來代替PSG層42，但是刻蝕的方法與刻蝕層42相似。
在PSG層42上生成一個厚度為0.1μm的電阻層，該電阻層可用如鉭鋁(TaAl)這樣的材料做成。也可以采用現(xiàn)有其它的電阻層。此電阻層經(jīng)刻蝕后就形成電阻24。由PSG42和氧化物層40在電阻24和襯底20之間提供電絕緣，同時為刻蝕襯底20時提供刻蝕中斷，并為懸突分45提供機械支持。PSG和氧化物層還為晶體管的多晶硅柵極(未示)提供絕緣，這些柵極是用來將供能信號耦合到電阻24上去的。
在一種類型的打印頭中，要使后面的掩模(用來形成溝槽36的)完全對準油墨進給孔26很困難。因此，我們設(shè)計的制造工藝寧可讓懸突部分45可變。也不要讓襯底20與油墨給孔26存在互相妨礙的危險。
在電阻層上有一個呈一定圖案的金屬層(例如鋁-銅合金)，用來和電阻作電連接，這個金屬層在圖4中未表示，但在圖2中已畫出。在AlCu和TaAl上刻蝕出一些軌跡，以確定電阻的第一個尺寸(例如，寬度)。電阻的第二個尺寸(例如，長度)是通過刻蝕AlCu層，使得電阻部分在兩端與AlCu軌跡相接觸來確定的。這種生成電阻和電導(dǎo)體的方法在本行業(yè)是為大家所熟知的。
在電阻24和AlCu金屬層上形成一層氮化硅(Si3N4)46，其厚度為0.5μm。這一層起絕緣和鈍化的作用。在淀積氮化硅層46之前，要對PSG層42進行刻蝕，以使PSG層42從油墨進給孔26縮回，不讓它同油墨接觸。這一點非常重要，因為PSG層42對于某些油墨和用來生成溝槽36的刻蝕劑而言是很脆弱的。
往回刻蝕一層使它不受油墨侵蝕的方法也可用于打印頭中的多晶硅和金屬層。
在氮化物層46上生成一層厚為0.25μm的碳化硅(SiC)層48，以提供進一步的絕緣和鈍化。于是，氮化物層46和碳化物層48就起到保護PSG層不受油墨和刻蝕劑侵害的作用。也可以用其它的介電層來代替氮化物和碳化物。
碳化物層48和氮化物層46經(jīng)過刻蝕，將部分AlCu軌跡露出，以便與后面形成的地線(它們所處的位置超出圖4的范圍)相接觸。
在碳化物層48的頂面生成一個厚度0.6μm的鉭粘接層50。鉭還起到電阻元件上的泡狀空氣屏障的作用。這一層50通過氮化物/碳化物層內(nèi)的開口與AlCu導(dǎo)電軌跡相接觸。
金(未示出)被淀積在鉭層50的上面并被刻蝕形成地線，與某些的AlCu軌跡電導(dǎo)通。這些導(dǎo)電體可以是普通導(dǎo)電體。
AlCu和金導(dǎo)電體可與襯底表面上形成的晶體管相耦合。在美國專利5,648,806中對這些晶體管有所描述。這些導(dǎo)電體可能在沿襯底20邊緣的電極處終止。
一個可以彎曲的電路(未示出)具有一些被粘接到襯底20的電極上的導(dǎo)電體，并在與打印機作電連接的接觸墊16(見圖1)上終止。
油墨進給孔26是通過刻蝕(如等離子體刻蝕)在薄膜層上形成的。在一種實施裝置中，采用的是單一的進給孔掩模。而在另一種實施裝置中，在形成各種薄膜層時，采用了幾個掩模和刻蝕步驟。
這樣做的好處是能通過薄膜構(gòu)圖工藝形成油墨進給孔，使形成的進給孔做得很小而且定位精確。這對于準確地調(diào)節(jié)進給孔的液流直徑以及進給孔與相關(guān)電阻的距離都是很重要的。相反，如果通過硅片刻蝕來形成油墨進給孔，就不那么精確。
然后，淀積并形成噴口層28，接著刻蝕出溝槽36。在另一種實施裝置中，溝槽刻蝕是在制作噴口層前進行的。在一個實施例，其中的噴口層28采用一種叫SU8的旋壓環(huán)氧材料來制作，此材料由麻省牛頓市的Micro-Chem公司供貨。美國專利6,162,589描述了采用SU8或其它聚合物制作隔板/噴口層28的一些示范方法。在一種實施裝置中，噴口層的厚度約為20μm。在另一種實施裝置中，層28可以由兩個單獨的層形成，即一個隔板層(如干膜光阻材料隔板層)，和做在隔板層外表面上的金屬噴口層(如鎳/金噴口板)。還可以采用其它的隔板/噴口層28。
需要的話可以淀積上一層背面金屬，這樣可以改善從襯底20至油墨的導(dǎo)熱狀態(tài)。
一個示范實施例中各元件有代表性的尺寸如下油墨進給孔26為10μm×20μm；油墨噴射室30為20μm×40μm；噴嘴34直徑為16μm；加熱電阻24為15μm×15μm；集管32的寬度約20μm。這些尺寸將隨著所用的油墨，工作溫度，打印速度，所要求的分辨率，及其它一些因素而改變。
應(yīng)該明白，圖1至4所示的打印頭只不過是一個實例，本發(fā)明也可以用于其它類型的打印頭，或采用與上面圖1-4所示不同的參數(shù)或材料。
圖5是一種打印頭一部分的頂視圖，它示出本發(fā)明的一個方面，根據(jù)本發(fā)明的該方面，各組墨滴產(chǎn)生器，每組帶一些噴嘴，(在此例中，為成對的墨滴產(chǎn)生器和成對的噴嘴)共享油墨流動路徑，但各組之間在液體上是通過隔板/噴口材料28，與該列中其它墨滴產(chǎn)生器在襯底的頂面上分開的。因而噴嘴34A和34B被歸為第一小組，它們共享油墨進給孔26A和26B。同樣，噴嘴34C和34D歸為第二小組，它們共享油墨進給孔26C和26D。在一種實施例中，分組是通過在鄰近薄膜層22的隔板/噴口層28內(nèi)做出一些處在表面下的空腔來完成的，使得限定空腔的側(cè)壁將該組的噴嘴及共享的油墨進給孔圍住。因此，在隔板層28內(nèi)形成的側(cè)壁28B有一個周邊，該周邊沿著第一小組的噴嘴和油墨進給孔伸展，而在隔板層內(nèi)形成的側(cè)壁28C有一個周邊，該周邊沿著第二小組的噴嘴和油墨進給孔伸展。
圖6是沿圖5中6-6線所取的剖面示意圖，它進一步顯示形成第二小組的表面下空腔28C1。每個小組的噴嘴在液體上與其它小組的噴嘴在襯底20的頂面隔開，但仍然共同與襯底底面上的進給槽36相連。
圖7是說明本發(fā)明另一方面的簡化示意圖。圖7為打印頭一部分的頂視示意圖，它表示縱在襯底上的一個成列的墨滴產(chǎn)生器組，其中每個墨滴產(chǎn)生器包含一個噴嘴和一個電阻。在這個簡化圖中，共有三個墨滴產(chǎn)生器29A-29C，它們分別包含噴嘴24A和電阻34A，噴嘴24B和電阻34B，及噴嘴24C和電阻34C。在這種形式中，根據(jù)應(yīng)用場合的不同，可以將各墨滴產(chǎn)生器分成小組(如圖5-6所示)，以便與其它小組在液體上隔離，也可以不分成小組?？梢钥闯?，在成列的組內(nèi)墨滴產(chǎn)生器相對于縱軸是交錯排列的，而且與襯底上油墨進給槽內(nèi)邊緣36A的距離也不相同。因而在本例中，墨滴產(chǎn)生器29A離內(nèi)邊緣36A最遠，而墨滴產(chǎn)生器29C離內(nèi)邊緣最近。由于這些距離的變化，可造成油墨從相應(yīng)的油墨進給口至對應(yīng)的油墨產(chǎn)生器間流動的差異。為有助于補償這種距離的變化，與各墨滴產(chǎn)生器相對應(yīng)在的油墨進給孔26也做成不同的開口形狀。對于與油墨進給槽內(nèi)邊緣距離最遠的墨滴產(chǎn)生器29A，在從陣列軸31伸向墨滴產(chǎn)生器方向上，油墨進給孔的長度相對較長。相應(yīng)地，用于墨滴產(chǎn)生器29C的油墨進給孔26-3的長度就比較短。但每個油墨進給孔的流體直徑仍大致相同，以維持在油墨進給槽80與油墨進給口之間的墨滴流體壓力基本不變。所謂一個口的流體直徑，是指口的橫截面積與它的潤濕的周長之比。
圖8為采用本發(fā)明這種形式的噴墨打印頭14結(jié)構(gòu)的代表性實施裝置的示意圖。在襯底上由隔板結(jié)構(gòu)28和薄膜層22的膜片形成兩列墨滴產(chǎn)生器或噴嘴60，70，為每英寸600噴嘴(npi)。膜片有一條中心軸98，各列排列在中心軸的相對兩邊。這個打印頭14可用于帶掃描打印頭架的打印系統(tǒng)中，架是沿掃描(Y)軸方向驅(qū)動的。兩列60，70對中心軸相互錯開，以產(chǎn)生1200npi噴嘴陣列。打印頭14也可用于其它的打印系統(tǒng)中，例如，用在一個基本上固定的寬頁打印頭結(jié)構(gòu)中，此時打印媒介相對于打印頭移動，以實現(xiàn)打印頭和打印紙間的相對運動。
所謂交叉干擾是指不希望有的相鄰噴嘴之間流體的相互作用。圖8所示結(jié)構(gòu)的某些方面使避免交叉干擾的發(fā)生這一問題變得復(fù)雜了。首先，在一列噴嘴內(nèi)的各噴嘴以一高密度節(jié)距(如600npi)布置，這意味著它們之間的距離比以往的結(jié)構(gòu)要近。與此相應(yīng)的是，由于噴嘴密度高而又不降低噴墨頻率，這就要求油墨的流通速率高，從而很快地把噴嘴再注滿油墨。傳統(tǒng)上從交叉干擾的觀點而言，要考慮的相鄰噴嘴是那些處在一列噴嘴內(nèi)相鄰位置上的噴嘴，因為各列噴嘴間一般都分開足夠的距離，不會產(chǎn)生流體間的相互作用。而在示出的結(jié)構(gòu)中，要考慮的相鄰噴嘴既位于各噴嘴列內(nèi)，又位于進給槽即溝槽36另一側(cè)的噴嘴列內(nèi)。因此，可以從兩個方向，而不是一個方向，來考慮如何減少交叉干擾。
為了防止“列內(nèi)”鄰近噴嘴之間的交叉干擾，采用了跳躍式的噴射順序，使相鄰的噴嘴不順次地噴射，因而使噴射在時間上最大限度地分開。除了這種時間上的改善之外，通常以位于相鄰噴嘴之間的以半島形式延伸的流體隔離也能進一步降低交叉干擾。但這種交叉干擾的降低是以犧牲再注滿為代價的；跡象表明，沿芯片的長度方向存在很大的油墨流動。因此交叉干擾的降低使得橫向流動減小，所以可能使再注滿的速度放慢，這在高密度噴嘴結(jié)構(gòu)(例如，600npi或更大)中間題就顯得特別嚴重。
薄膜片由于很薄(約1-2μm)而容易破裂。薄膜內(nèi)的固有應(yīng)力，制造中產(chǎn)生的應(yīng)力，或者打印頭墜落等，都能使薄膜破裂。由于破裂一旦形成就能傳到芯片的電功能區(qū)，因而不希望它們產(chǎn)生。
另外還希望打印頭結(jié)構(gòu)能容忍灰塵存在。容許灰塵存在的結(jié)構(gòu)(PTA)通過捕獲污染物而改善可靠性，同時仍允許油墨流入噴射。
圖8的結(jié)構(gòu)具有一些優(yōu)點。與上面圖5和6所示的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同，圖8的結(jié)構(gòu)中各個墨滴產(chǎn)生器噴嘴小組共享油墨通路，但同時通過隔板/噴口材料28內(nèi)形成的空腔與同列中其余的噴嘴相隔離。因此，如圖8所示，列60由一列墨滴產(chǎn)生器陣列63A，63B，63C…63N組成，列70由一列墨滴產(chǎn)生器陣列73A，73B，73C，…73N組成。每個墨滴產(chǎn)生器包括一個噴嘴，一個噴射室，和一個噴射電阻。墨滴產(chǎn)生器63A，63B包含相應(yīng)的噴嘴62A，62B，和噴射室64A，64B，同時按照本發(fā)明的一種形式，它們的排列將形成一個墨滴發(fā)生器小組或噴嘴小組，在本例中，是一對為組。應(yīng)該認為，在其它一些實施裝置中，可以把墨滴產(chǎn)生器按三個，四個，甚至更多個分成小組。此外，也不一定要讓所有小組的噴嘴數(shù)目都一樣。
上述墨滴產(chǎn)生器小組63A，63B是通過單獨的油墨進給通路65來加墨，此通路有一個分路65A為噴射室64A送墨，另一個路65B為噴射室64B送墨。一列中每一個小組的送墨通路在液體上是與該列中其它墨滴產(chǎn)生器的送墨通路分開的。一對油墨進給孔66A為第一分路65A送墨，另一對油墨進給孔66B為第二分路65B送墨。送墨通路是由在隔板28內(nèi)形成的帶側(cè)壁周邊68的空腔或開口，以及薄膜層22內(nèi)的送墨孔構(gòu)成的。有了隔板開口，就可以“共享”送墨孔66A，66B，同時還能把噴嘴小組62A和62B與列60中其它噴嘴的送墨通路隔開。
在這個實施例中，列60中其它墨滴產(chǎn)生器噴嘴和第二列70中的噴嘴對，重復(fù)了上述分組和油墨路徑結(jié)構(gòu)。因而列70的墨滴產(chǎn)生器73A和73B分別包含噴嘴72A，72B及噴射室74A，74B，以形成墨滴產(chǎn)生器或噴嘴小組。此小組由一個油墨進給通路75送墨，該通路有一個分路75A將油墨送至噴射室74A，還有一個分路75B將油墨送至噴射室74B。一對油墨進給孔76A給第一分路75A送墨，另一對油墨進給孔75B送墨。油墨進給通路是由在隔板28內(nèi)形成的帶側(cè)壁周邊78的空腔，以及薄膜層22內(nèi)的送墨孔構(gòu)成的。有了隔板開口，就可以“共享”送墨孔76A，76B，同時還能把噴嘴對72A，72B與列70中其它噴嘴的送墨通路隔離。
隔板結(jié)構(gòu)28還限定出了一個中心肋板部28A，將兩列噴嘴60，70分開，使得列之間的流體隔離并給薄膜提供支撐。圖9為隔板結(jié)構(gòu)28的中心肋板部28A的簡化橫剖視圖，圖中可以看到在薄膜結(jié)構(gòu)22內(nèi)形成的送墨孔66B，76B的例子，它們提供與送墨槽或溝槽36的流體聯(lián)通。在中心肋板部的相對兩側(cè)相應(yīng)噴室64B，74B的上方示出噴嘴62A，72A的例子。
如果采用單獨的噴嘴群(這對于減少交叉干擾是至關(guān)重要的)，那么將噴嘴送墨通路相連所帶來的提高油墨重注速度和耐微粒等好處將無法實現(xiàn)。在這個實施例中，打印頭的電氣布線應(yīng)設(shè)計成不允許相鄰的噴嘴同時噴墨。一般噴嘴的噴墨次序是由裝在芯片上的驅(qū)動電路確定的。在一些熱噴墨應(yīng)用中，芯片電路設(shè)計成噴墨次序由程序控制。在其它一些應(yīng)用中，噴墨次序是由芯片上的電路設(shè)計“硬件實現(xiàn)的”。不論在那種情況下，噴墨電阻的物理配置在掃描軸線上是交錯的，以使打印過程中的垂直線平直。換一種方法，我們也可以把打印機驅(qū)動器或控制器設(shè)計成不讓相鄰的噴嘴同時噴墨。由于任何一個噴嘴再注墨的時間只占整個打印時間的很小一部分，與單個噴射室相連的送墨孔提供油墨流的時間也只占很小一部分，因此送墨孔的使用效率不是最大。
當把噴嘴送墨通道與流體相連時，噴嘴就可以通過與噴嘴相連的送墨孔吸取油墨而再注進油墨，這就使送墨孔得到更有效的利用，同時提高了注墨速度。這個特點在圖10中作了說明，圖中示出了噴嘴對72A，72B，以及相連的送墨通道75A，75B。當噴嘴72A噴墨時，油墨從注墨孔76A流入噴射室74A(如箭頭77A所示)，同時油墨也從第二注墨孔76B流入噴射室74A(如箭頭77B所示)。當噴嘴72B噴墨時，油墨從注墨孔76B流入噴射室74B(如箭頭79A所示)，同時油墨也從第一注墨孔76A流入噴射室74B(如箭頭79B所示)。
另外一個好處是由于采用了連接的噴嘴而允許有一定的顆粒存在；在與一特定噴嘴相連的送墨孔被堵塞的情況下，仍可通過從相鄰y送墨孔吸取油墨來進行再注墨，從而使噴嘴可以連續(xù)工作。
本實施裝置的另一個特點是，在膜片中心軸98下采用一個連續(xù)的隔板/噴口材料零件(在本裝置中為肋板28A)，這起到讓軸兩側(cè)的噴嘴在流體上隔離的效果。除了流體隔離以外，這種中心肋板還有一個好處，即連續(xù)跨度的隔板/噴口材料增加了由薄膜22和隔板/噴口層28組成的膜片的強度和剛性，從而增強了它的抗破裂能力。
從制造的觀點來看，圖8的結(jié)構(gòu)有幾個好處。在對用聚合物材料(如SU8)制造的隔板/噴口結(jié)構(gòu)28進行顯影的過程中，未交叉鏈接的隔板/噴口材料被流過噴嘴內(nèi)徑的顯影液沖走。因而，這個過程通過減小非交叉鏈接隔板/噴口材料的體積而得到簡化。除了通過減小體積得到的好處外，對結(jié)構(gòu)也有利。由于SU8等材料的顯影液是旋轉(zhuǎn)的，所有噴嘴在液體上都連通的結(jié)構(gòu)可以讓顯影液沿著芯片長度方向流動。這使得液體不僅能流過基片的邊緣，也很容易流過單個芯片的邊緣。結(jié)果使得在一個芯片內(nèi)和橫跨基片的隔板/噴口材料性能的可變性都增加。通過破壞沿芯片長度方向噴嘴連接的連續(xù)性，這種可變性就減小了。用這種工藝制造隔板/噴口結(jié)構(gòu)28的成品率，可通過將噴嘴分成單個小組的方法而提高。若把所有噴射室都連起來，就很難有效地把形成層28的材料殘留物從處于芯片端部的噴嘴中清洗掉。
將一列中的噴嘴分成小組的另一個好處是能減小交叉干擾。由于在一個特定組之外的不成組噴嘴之間的唯一連接是通過油墨槽，所以與特定組之外的噴嘴產(chǎn)生交叉干擾作用的可能性極小。采用跳躍式噴墨方式使同一個小組內(nèi)的噴嘴決不會按順序噴墨，這使任何特定組內(nèi)的噴嘴之間的交叉干擾最大程度減小。下面將就圖11所示的打印頭示意圖對跳躍式噴墨方式加以說明。
跳躍方式一般是設(shè)在噴墨順序中，使得一個原始組內(nèi)的噴嘴不會依次相續(xù)地噴墨，也就是說，是按時間分配一個原始組內(nèi)的噴墨順序。在這個實施裝置中，各對噴嘴是用隔板/噴口材料隔開的，如圖8所示。因為跳躍的方式是事先確定好的，將電阻分成對的方式能保證有一種隔板結(jié)構(gòu)把連續(xù)的噴射室分開。
所謂原始組，是指一個給定列中的噴嘴組。圖11所示的原始組100包含8個噴嘴62A-62H，其噴墨次序為6，3，8，5，2，7，4，1。通過選擇相連的噴射室的數(shù)目(該數(shù)目是噴嘴交錯方式的一個函數(shù))，可使送墨通道的連接得到超過實施例所顯示的優(yōu)化。對于“非跳躍”方式，即一個原始組中的噴墨順序是依次連續(xù)的(1，2，3，4…)，而且相鄰噴嘴是按順序噴墨的，這時需要有一個隔離室，因為最鄰近的噴嘴是按順序噴墨，從而需要將流體隔離。對于“跳躍1”方式，即一原始組內(nèi)的噴墨順序為1，3，5，7，2，4，6，8，最鄰近的噴嘴決不會依次噴墨。因而，在時間上將噴嘴隔離允許噴嘴送墨通道成對地連接；由于連接在一起的噴嘴的噴墨在時間上是分開的，造成麻煩的交叉干擾問題就減少了，同時被連起來的送墨通道在再注墨和允許顆粒存在方面的優(yōu)點也能顯現(xiàn)出來。如果把同樣的原理加以推廣，將盡可能多的噴嘴(不與連續(xù)噴墨的噴嘴相連)與送墨通道相連，在再注墨特性和允許顆粒存在方面的優(yōu)勢將會最大。對n于通常使用的均勻跳躍方式
被連接噴嘴最大數(shù)＝順序噴墨間跳過的噴嘴數(shù)+1
圖11示出原始組100內(nèi)的噴嘴噴墨順序。此結(jié)構(gòu)采用“跳躍2”噴墨方式。這種跳躍方式由該實施例的打印頭電路決定，因而不能光靠檢查隔板/噴口結(jié)構(gòu)來決定。已成對的噴嘴決不會和同一對中的另一個噴嘴順序噴墨。圖11還表示將襯底上的噴嘴按3個一組相連而的情況，其中110A組包括噴嘴62A，62B，62C，組110B包括噴嘴62D，62E，62F，組110C包括噴嘴62G，62H，62I。對于非均勻跳躍方式的結(jié)構(gòu)，上述原理(即在流體上隔離順序噴墨的噴嘴，而同時能最大限度地共用送墨通道)仍然適用，不過問題變得更復(fù)雜，因為在某些位置必須減少共享送墨通道的噴嘴數(shù)。
圖12是大為簡化后的一個示意圖，表示一個打印系統(tǒng)300，它可以采用一個或多個本發(fā)明的打印頭10。該系統(tǒng)包括一個打印盒驅(qū)動器302，用來沿打印盒掃描軸線方向驅(qū)動打印盒。打印盒上裝有一個或數(shù)個打印頭10。打印媒介推進系統(tǒng)304將打印媒介定位到打印區(qū)，并可將打印媒介從輸入處推至輸出處或托盤。通常處于打印系統(tǒng)之外的打印作業(yè)源306提供打印作業(yè)的數(shù)據(jù)?？刂破?08對打印作業(yè)源作出反應(yīng)，用來控制打印盒的驅(qū)動和打印媒介推進系統(tǒng)，將打印作業(yè)打印出來?？刂破鬟€給打印頭10提供噴墨信號，以控制打印頭的運行。打印頭10一般包括一個打印電路10A，它對來自控制器的噴射信號作出反應(yīng)，以給墨滴產(chǎn)生器電阻(包括墨滴產(chǎn)生器10B)通電。流體源10C為墨滴產(chǎn)生器提供流體如墨汁，它可以是一個裝在打印頭10殼體內(nèi)的流體貯存槽。需要的話，也可以用一個外接流體供應(yīng)器10D通過流體通道312來注滿流體源10C，該通道在打印過程中可以是一條與打印頭連通的流體管道，或者是一條只在注墨過程中使用的臨時性連接通道。
在一些實施裝置中，打印頭電路10A和控制器308一起提供跳躍式噴墨方式；而在某些更典型的實施裝置中，則是由裝在打印頭上的電路來提供跳躍式噴墨方式。在這種實施例中，打印頭電路10A是用來實現(xiàn)跳躍式噴墨方式的，以保證提供給墨滴產(chǎn)生器的噴墨脈沖使得每次只有一小組(如原始組)被激活，而且在同一小組中沒有兩個墨滴產(chǎn)生器(例如一對)是依次被激活的。適于或容易用于此目的的打印頭電路，在Schloeman等人2001年3月2日提出的正在審理中的專利申請09/798,330中有所描述，題目是“Programmable Nozzle FiringOrder for Inkjet Printing Assembly”；還可參見Barbon等人1999年2月19日提出的正在審理中的申請09/253,377，題目是“System andMethod for Controlling Firing Operation of Inkjet Printhead”；以及美國專利5,648,806和5,648,805等。
采用圖8的結(jié)構(gòu)能通過將跳躍方式與隔板/噴口層結(jié)構(gòu)設(shè)計相結(jié)合來“智能地”消除噴嘴交叉干擾。此結(jié)構(gòu)由于可以共享送墨孔而可以容許存在較嚴重的送墨孔堵塞。另外，該結(jié)構(gòu)由于膜片的強度高還能提高制造的成品率，膜片的高強度得益于所用的隔板/噴口結(jié)構(gòu)。還有，該結(jié)構(gòu)能使一個芯片和多個基片內(nèi)的隔板/噴口性能更趨一致。
一個原始組內(nèi)的噴嘴在掃描(Y)軸上是交錯排列的，以改善垂直線的直線性，如圖8所示。為了提高交錯設(shè)計中所有各室的注墨速度的均勻性，送墨孔前緣至噴墨電阻中心的距離，送墨孔的截面積，以及送墨孔的潤濕周邊等，對于打印頭中所有噴墨室應(yīng)盡可能保持不變。圖10中的距離D1表示送墨孔76A的前緣至噴嘴72A的噴射室中心的距離。
另外，為了改善可加工性和成品率，希望將送墨孔的后緣伸向膜片的中心線98。還有，為保證電阻薄膜在刻蝕溝槽的過程中不被“切出一個口子”，在最里面的電阻邊緣與最外面的送墨孔之間留有一個間隙D2(見圖8)，此值在本實施例中約為20μm。倘若薄膜22被切出一個口子，則在電阻下面就沒有硅，因而電阻就容易過熱。再有，為了改善可加工性，希望在最外面的送墨孔前緣和膜片另一邊最外面的送墨孔前緣之間保持約80μm或80μm以上的距離D3(也就是膜片的寬度)。這些設(shè)計目標在圖8所示的實施例中都能達到，圖中的距離D3為76.1μm。在一些實施裝置中選擇80μm作為D3的最小距離是基于對可加工性和成品率的考慮。一般用來形成送墨槽的溝槽的刻蝕工藝本身很難控制到很高的精確度。最小距離D3越大(如80μm)，所提供的加工余量就越多。降低名義最小距更難通過開口子制成溝槽，并且若溝槽嚴重過度刻蝕，則在薄膜層下面可能留不下一點硅。
雖然薄膜片容易破裂，但窄的膜片則比較不易破裂。試驗證明，寬度在在100μm以下的膜片比寬度在400μm的膜片更可靠。圖8中所取的膜片寬度實際值約76μm。此外，位于膜片中心下面的隔板肋條28A使脆弱的膜片強度增加，因而增加了它的抗破裂性。
隔片/噴口結(jié)構(gòu)28和薄膜層22是這樣設(shè)計的，使得可以通過薄膜22和隔片/噴口層28為每個墨滴產(chǎn)生器產(chǎn)生多個油墨通道。在圖8的實施例中，每個噴射室有兩個送墨孔。而且如若這兩個孔都被污物堵塞，則油墨可通過鄰近的送墨孔送進噴射室。
圖8的打印頭可設(shè)計成讓交錯的高封裝密度噴嘴結(jié)構(gòu)具有均勻的注墨速度。將送墨孔的截面積，送墨孔的潤濕周邊，和油墨通道長度等參數(shù)對所有的噴射室都做成名義上一樣，就能實現(xiàn)這一點。這些參數(shù)全都示于圖10中。例如，送墨孔76A的截面積是被浸濕周邊76A1內(nèi)的面積A，此周邊是由送墨孔的壁形成的。送墨孔76B的截面積是被潤濕周邊76B1(它由送墨孔的壁形成)內(nèi)的面積B。面積A等于面積B，且完全被潤濕的周邊76A1的長度等于完全被潤濕的周邊76B1的長度。此外，兩個送墨孔的內(nèi)緣至相應(yīng)噴射室中心的距離(即D1)也相等。
這種打印頭結(jié)構(gòu)使它能安裝高噴嘴封裝密度的打印頭，這意味著每個噴嘴的成本下降。另外，這種打印頭結(jié)構(gòu)可以有兩個層次能容許顆粒存在，一層是由于每個噴室有多個送墨孔，另一層是墨滴產(chǎn)生器經(jīng)過單一的分組。
在一個芯片上可以形成許多薄膜片，其中各膜片上的噴嘴列是錯開的，以獲得很高的噴嘴密度。圖13是另一種打印頭結(jié)構(gòu)的示意圖，其中打印頭帶兩個膜片210，220和四列噴嘴230-236，可以達到2400npi的噴嘴陣列。噴嘴列230，232是在膜片210上形成的，而噴嘴234，236是在膜片220上形成的。圖13只示出了每列中的一個噴嘴原始組，所以應(yīng)該知道，每列還包含其它的原始組。圖13并未按比例繪制，但可說明這四列是如何彼此互相交錯的，以及跳躍模式是如何工作的。在本實施例中，每一列的寬度(沿Y軸)為1/1200時英寸，每個原始組有8個交叉配置的噴嘴。例如，在所示的交錯列中帶有噴嘴的Y軸位置的原始組2(列230)有雙數(shù)號的噴嘴2，4，6，8，10，12，14，16。
兩個膜片210，220處于打印頭襯底的中心軸202兩側(cè)，其中每一個通過襯底上的溝槽進給油墨。膜片210由中心沿著204線的溝槽送墨，而膜片220由中心沿著206線的溝槽送墨。在這個實施裝置中，從芯片202的中心到每個溝槽的中心(204，206)的距離是950μm。另外，每個膜片上列的間距為169.3μm。當然，這些尺寸只是用于一個特定的實施裝置，而且可以根據(jù)具體的應(yīng)用規(guī)格參數(shù)及設(shè)計選擇而變更。
每個單元在垂直的(X)軸方向的尺寸為1/2400英寸；各單元在水平(Y)軸方向不成比例。還應(yīng)指出，在膜片210上列230的噴嘴在X方向相對于列232的噴嘴錯開1/1200英寸。同樣，在膜片220上，列234的噴嘴在X方向相對于列236的噴嘴錯開1/1200英寸。另外，到234的噴嘴在X方向錯開列230和232的噴嘴1/2400英寸。因此，在X方向的原始組交錯模式將使四列中的所有噴嘴產(chǎn)生1/2400npi的噴嘴間隔。
在一個典型的應(yīng)用中，可將打印頭安裝在一個沿掃描(Y)軸驅(qū)動的打印盒上。每個原始組中的噴嘴沿Y軸都是交錯的。如前所述，每個原始組中的噴嘴是按跳躍模式噴墨的。例如，可以采用“跳躍2”模式。此時噴嘴2噴墨，而跳過噴嘴4和6；噴嘴8噴墨，噴嘴10和12被跳過；噴嘴14噴墨，噴嘴16和2被過；噴嘴4噴墨，噴嘴6和8被跳過；噴嘴10噴墨，噴嘴12和14被跳過；噴嘴16噴墨，噴嘴2和4被跳過；噴嘴6噴墨，噴嘴8和10被跳過；噴嘴12噴墨。對于原始阻2?！疤S2”的噴墨次序是2，8，14，4，10，16，6，12。
可以把一列中噴嘴的分成小組方式(如前面對圖5和6的描述)，和對進給孔至電阻中心的距離以及送墨孔有效流體直徑的考慮(如上面對圖7的描述)用于圖13的結(jié)構(gòu)，以制成一個具有非常高噴嘴封裝密度的打印頭。
雖然圖8和13的實施裝置是用于各列的組(原始組)，這時打印頭電路每次僅使每組中一個噴嘴噴墨，但本發(fā)明的各種形式也可用于在給定原始組中一些或鄰噴嘴同時噴墨的場合。
應(yīng)說明，上述各實施裝置只是對各種可能的特定裝置的一種示例，只能代表本發(fā)明的原理。本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)這些原理很容易設(shè)計出另外的裝置，同時不超出本發(fā)明的范圍和思路。
權(quán)利要求
1.一種流體噴射打印頭(14)，包括
具有一個表面的襯底(20)；
形成在所述表面上的成列的墨滴產(chǎn)生器組(63A-63N)，它們被分成小組(63A-63B，63C-63D……)，每個小組與表面上的其它小組在流體上相隔離；
打印頭電路(10A)，它給墨滴產(chǎn)生器提供的噴墨脈沖，使得在同一小組中不會有兩個墨滴產(chǎn)生器被依次激活。
2.如權(quán)利要求1所述的打印頭，其中打印頭電路(10A)每次只激發(fā)成列的墨滴產(chǎn)生器(63A-63N)組中的一個墨滴產(chǎn)生器。
3.如權(quán)利要求2所述的打印頭中，成列的墨滴產(chǎn)生器(63A，63B，63C)組是一個原始組(110)，且襯底包含多個原始組(110A，110B，110C)，它們排成一列。
4.如上述前述任一項權(quán)利要求的打印頭，其中每一小組包含一個噴射室和至少兩個噴墨電阻(24)。
5.如上述前述任一項權(quán)利要求的打印頭，其中襯底上有許多于其上形成的流體輸送孔，以將油墨輸至每個墨滴產(chǎn)生器小組。
6.如上述1-4條權(quán)利要求中任一項所述的打印頭，其中襯底內(nèi)形成了一個流體輸送槽(36)，以將流體輸至成列的墨滴產(chǎn)生器組中所有的小組。
7.如權(quán)利要求6所述的打印頭，其中襯底包括一個薄膜層(22)，它覆蓋著流體輸送槽(36)，薄膜層有一些開口(66A，66B……)，它們將每一個小組與流體輸送槽連接起來。
8.如權(quán)利要求7所述的打印頭還包括一個流體源(10C)，它在流體上與流體輸送槽(36)相連，用來將流體供給輸送槽。
9.如權(quán)利要求8所述的打印頭，其中流體源(10C)是一個液體油墨源。
10.如權(quán)利要求7-9中任一項所述的打印頭，其中薄膜層(22)包含許多薄膜，此薄膜層在每個墨滴產(chǎn)生器中形成加熱電阻(24)。
11.如上述任一項權(quán)利要求所述的打印頭，其中各小組包括一對墨滴產(chǎn)生器(63A，63B)。
12.如上述任一條權(quán)利要求所述的打印頭，其中打印頭用在一個流體輸送系統(tǒng)中，此系統(tǒng)包括一個裝置(302)，該裝置用來在打印頭基底(20)和打印媒介之間產(chǎn)生相對運動。
13.一種控制打印頭的方法，包括
給具有一個基底表面的打印頭(14)提供一個形成于該表面上的成列的墨滴產(chǎn)生器(63A-63N)組，它們又分成小組(63A-63B，63C-63D)；每一小組與表面上的其它小組在流體上相隔離；
給打印頭提供電信號，以激發(fā)墨滴產(chǎn)生器噴射流體滴，在同一小組內(nèi)不應(yīng)有兩個墨滴產(chǎn)生器依次被激發(fā)。
14.如權(quán)利要求13所述的方法還包括
從一個公共流體源(10C)給各小組供應(yīng)流體。
15.如權(quán)利要求13或14所述的方法，還包括給流體源補充流體。
16.如權(quán)利要求14或15所述的方法中的流體是液體油墨。
17.如權(quán)利要求13-16中任一項所述的方法，還包括通過薄膜層(22)中的一個開口(64)給每個小組提供油墨。
18.如權(quán)利要求13-16中任一項所述的方法，還包括通過薄膜層(22)中的多個開口(64)給每一小組提供油墨。
19.如權(quán)利要求13-18中任一項所述的方法，還包括通過基底表面內(nèi)的多個開口給每個小組提供油墨。
20.如權(quán)利要求13-19中任一項所述的方法，其中所述的提供給打印頭的電信號還要按一定方式激發(fā)墨滴產(chǎn)生器，使得同一小組內(nèi)不會有兩個墨滴產(chǎn)生器被同時激發(fā)。
21.一種噴墨打印頭(14)，包括
襯底(20)；
由襯底支撐的隔板/噴口結(jié)構(gòu)(28)，由它確定一個排成許多噴嘴列(60，70)的噴嘴陣列(62A-62N，72A-72N)，和與該噴嘴陣列相應(yīng)的噴射室陣列(64A-64N，74A-74N)；
噴嘴包括陣列中的每一列，它們排成噴嘴小組，每一小組至少包含兩個噴嘴(62A-62B，……)，每一小組通過一個相應(yīng)的油墨流通道(65)獲得液體油墨，這個通道通過隔板/噴口結(jié)構(gòu)與陣列中其它的噴嘴隔開。
22.如權(quán)利要求21所述的打印頭，其中每一噴嘴小組中的油墨流通道(65)包括一個或一組通過襯底的開口(64)，且小組中每個噴嘴通過一個或一組開口吸取油墨。
23.如權(quán)利要求21或22所述的打印頭，其中還包括給墨滴產(chǎn)生器提供噴墨脈沖的電路(10A)，使得每一噴嘴小組中不會有兩個噴嘴依次噴墨。
24.如權(quán)利要求23所述的打印頭，其中打印頭電路(10A)提供所述的噴墨脈沖，以使一個噴嘴小組中不會有兩個噴嘴同時被激發(fā)。
25.如權(quán)利要求21-24中任一項所述的打印頭，其中隔片/噴口結(jié)構(gòu)包含一個聚合物層(28)。
26.如權(quán)利要求21-25中任一項所述的打印頭，其中每一噴嘴列的各噴嘴間距為每英寸600噴嘴(npi)。
27.如權(quán)利要求21-26中任一項所述的打印頭，其中隔板/噴口結(jié)構(gòu)還包含一連續(xù)的肋板部分(28A)，它伸展于幾個噴嘴列(60，70)的相鄰第一和第二列之間，以將噴嘴列的第一和第二列在流體上隔離。
28.如權(quán)利要求27所述的打印頭，其中襯底內(nèi)開有一個送墨槽(36)，薄膜層中開有許多送墨孔(64)，以通過襯底和薄膜層提供相應(yīng)的油墨通道。
29.如權(quán)利要求27或28所述的打印頭，其中上述的許多送墨孔被安置在肋板部分第一側(cè)的第一組內(nèi)，用來給多列噴嘴中的第一列送墨，以及肋板部分第二側(cè)的第二組內(nèi)，用來給多列噴嘴中的第二列送墨。
全文摘要
一個流體噴射打印頭(14)包括一個具有一表面的襯底,和一個形成在表面上的成列的墨滴產(chǎn)生器組(63A－63N),墨滴產(chǎn)生器被分成一些小組(63A－63B,63C－63D),每個小組與表面上的其它小組在流體上相隔離。提供給墨滴產(chǎn)生器的噴墨脈沖,應(yīng)使成列的組中的墨滴產(chǎn)生器每次只有一個被激發(fā),而且同一小組中不會有兩個墨滴產(chǎn)生器被依次激發(fā)。
文檔編號B41J2/05GK1389348SQ02106858
公開日2003年1月8日 申請日期2002年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月6日
發(fā)明者M·D·吉雷, C·L·霍爾斯頓, J·A·費恩 申請人:惠普公司