专利名称：小型高性能高密度喷墨打印头的制作方法
技术领域：
本发明总体来讲涉及热喷墨(TIJ)打印头，更具体地讲，涉及用小型单色打印头进行高性能打印的系统和方法，该小型单色打印头具有交错排列的高密度的墨滴发生器。
背景技术：
热喷墨(TIJ)打印机十分普及并广泛用于计算机领域中。W.J.Lloyd和H.T.Taub在《硬拷贝输出设备》(R.C.Durbeck和S.Sherr主编，圣地亚哥学术出版社，1988年)第13章“喷墨设备”中介绍了这些打印机，美国专利4,490,728和4,313,684中也作了介绍。喷墨打印机能产生高质量的打印，十分紧凑和可以携带，而且打印时快速及安静，因为只有墨水撞击打印介质(如纸张)。
喷墨打印机通过在一个阵列的特定位置打印独立点(或像素)的图案来产生打印的图象。这些点的位置，可以方便地看作是一个直线阵列中的小点，是由所要打印的图案确定的。因此，可以把打印作业设想成用墨水点填充点位置组成的图案。
喷墨打印机通过将少量的墨水喷射到打印介质上来打印点。供墨装置如墨水储存器将墨水供应给墨滴发生器。墨滴发生器是由微处理器或其它控制器控制的，并在微处理器的命令下在适当的时候喷射出墨滴。墨滴喷射的时间控制通常对应于所要打印图象的像素图案。
通常，墨滴发生器通过快速加热汽化器或加热室中的少量墨水将墨滴从一个小孔(如喷嘴)喷出。墨滴的汽化一般是利用一个电加热器如很小的薄膜(或加热)电阻来实现的。通过将电流流过选择的加热电阻，使位于选择的加热室中的薄层墨水过热，来实现墨滴的喷射。过热导致墨水薄层的爆炸性汽化，使墨滴通过相连的打印头喷嘴喷出。
墨滴喷射是通过运动小车组件而落在打印介质上的，其中小车支撑包含墨滴发生器的打印头组件。小车组件在打印介质表面上横向移动，并依据所要打印的图案来确定打印头组件的位置。小车组件使打印头组件和打印介质之间沿“扫描轴”产生相对运动。通常，扫描轴平行于打印介质的宽度方向，且小车组件的单次“扫描”意味着小车组件使打印头组件在打印介质的大约整个宽度上移动一次。在各次扫描之间，打印介质一般相对于打印头沿垂直于扫描轴的“介质(或纸张)前进轴”(通常也就是沿打印介质长度的方向)前进。
当打印头组件沿扫描轴移动时，产生一行间断线条。这些间断线条重合起来产生打印图象的文字或影像。沿介质前进轴的打印分辨率常常被称为这些间断线条沿介质前进轴的密度。因此，间断线条在介质前进轴上的密度越大，沿该轴的打印分辨率就越高。
通过增加打印头上墨滴发生器的数目可以提高间断线条沿介质前进轴的密度(因而提高打印分辨率)。这可以产生更好的打印分辨率并提高了打印速度。此外，由于另外一些因素，在增加墨滴发生器数目的同时，最好不要增大打印头的尺寸。然而，仅仅在现有打印头上增加墨滴发生器的数目会大大增加打印作业过程中打印头耗散的热量。增加的耗热量会导致不希望有的打印头热骤增。打印头上的这些大量热骤增对打印头的工作有不利影响，并会导致打印质量缺陷、打印头热断路、甚至整个打印头的损坏。
可以用来避免大量热骤增的一个方法是降低打印头的速度。然而，这个方法使在打印头上装备更多的墨滴发生器失去了积极效果。可以用来避免大量热骤增的另一个方法是增大打印头的尺寸。然而，这个方法的主要缺点是增大打印头尺寸会增加打印系统的成本。这是不可以接受的，因为打印系统的价格下降很快，具有较大打印头的打印系统因成本增加无法在市场中竞争。因此，所需要的是一种能提供紧凑、高喷嘴数目及高性能的打印头，而又不会受有害热骤增影响的方法。
发明内容
为了克服上述先有技术中的局限性，并为了克服在阅读和理解本说明书后会变得清楚的其它缺点，通过一种具有高密度墨滴发生器的小型单色喷墨打印头来实施本发明。本发明提供了一种高性能的设计方案，能够实现高分辨率的高速打印，同时因有效利用打印头空间而降低了成本。具体地说，本发明的小型高性能打印头包括若干可改善性能的特征，使得可以将大量的墨滴发生器安置在一个小型打印头上，同时又可以将象热骤增这样的问题减到最小。
本发明的小型单色喷墨打印头能够实现包括高分辨率和高速度打印的高性能打印。具体地说，用来提高打印分辨率和速度的一种方法是增加墨滴发生器的数目，使它们相对于其它组的墨滴发生器交错排列，并使墨滴发生器以很高的频率工作。交错排列的高密度布置有助于提高打印头的有效分辨率。本发明包括布置在小型打印头基底上的交错排列的高密度墨滴发生器。每个墨滴发生器是在打印头基底中形成的一个薄膜结构，与供墨装置流体连接并包括一个喷嘴。墨水供应到墨滴发生器中，在适当的时间加热并从相连的喷嘴喷射出去。
在优选实施例中，小型打印头上的墨滴发生器密度超过每平方毫米10个墨滴发生器，而小型打印头中包含至少350个喷嘴。墨滴发生器(以及相应的喷嘴)排列成至少三个平行的行。每一行相对于相邻的行交错排列(或偏移)以提供比非交错排列布置更小的有效节距。
通过将墨滴发生器安置在小型打印头上，本发明还可降低具有高密度墨滴发生器的打印头的成本。为了在小型基底上易于实现墨滴发生器的高密度布置，本发明包括了若干改善热效率的技术。改善热效率的一种方法是提供具有薄膜结构的高热效率墨滴发生器，其中薄膜结构包括高阻值电阻器和一层很薄的钝化层。
小型打印头上墨滴发生器的高密度布置提供了以轻便和廉价的组件来实现高性能打印。具体地说，通过使用高热效率的墨滴发生器和提供小型打印头的特殊热控制，本发明可以提供高速、高分辨率和高质量的打印。本发明还包括用本发明的小型喷墨打印头进行高性能打印的一种方法。
通过下面用实例来说明本发明原理的详细介绍和附图，本发明的其它特征和优点会变得更加清楚，并能更完全地了解本发明。此外，本发明的范围是由所附权利要求书限定的，而不是由前面的概述或下面的详细介绍限定的。
通过参考下面的说明书和示出了优选实施例的附图，可以进一步理解本发明。通过下面用示例来说明本发明原理的优选实施例的详细介绍及结合附图，本发明的其它特征和优点会变得更加清楚。
现在参见附图，其中相同的标号始终代表相同的部件图1是根据本发明的整个打印系统的方框图；图2是结合了本发明的小型高性能高密度喷墨打印头的打印系统的一个示例，只是为了说明而示出；图3示出了图2中打印系统的小车组件的一个示例，小车用来支撑本发明的小型高性能高密度喷墨打印头；图4是本发明的打印头组件的透视图，只是为了说明而示出；图5A是本发明的打印头实施例的平面表现图，示出了喷嘴的布置；图5B是图5A中打印头的一部分移去小孔层后的平面图，示出了墨滴发生器的交错排列布置；图5C是图5A中打印头切去一部分后的立体图，示出了打印头的各层结构；图6是图5中打印头实施例移去打印头喷嘴层后的平面图，显示了在喷嘴下面的电阻器的图形；图7是用于图5A所示打印头500的基元供电线路的实施例；图8A示出了用于图5A所示打印头的两个接地导线的实施例；
图8B是另一个实施例，示出了用于图5A所示打印头的两个接地导线；图9是本发明的墨滴发生器实施例切去一部分后的透视图；图10A是图9中所示加热电阻器的平面图；图10B是图10A中加热电阻器的侧视图，示出了加热电阻器的薄膜结构。
具体实施例方式
在下面的本发明说明中，参考构成发明书一部分的附图，并通过本发明可能实施的具体示例来说明。应当知道在没有违背本发明范围的情况下，可以应用其它的实施例并作出结构性的变化。
通过一种具有高密度交错排列布置墨滴发生器的小型单色打印头来实施本发明。这种布置为本发明提供了高分辨率的高速打印。为了实现最佳的打印系统性能，本发明的许多特征是十分重要的。
本发明的一个特征涉及使用高分辨率的打印头，其中带有很多高频率工作的喷嘴。打印头的分辨率(不同于打印的文件)是按照每线性英寸上的喷嘴数目来度量的。度量的方向与介质前进轴一致，对进行扫描的打印头来说，垂直于扫描轴的方向。在本发明实施例中，沿介质前进轴度量的打印头喷嘴阵列尺寸为三分之一英寸，组合分辨率为1200点每英寸(dpi)。此外，实施例中打印头的工作频率至少为12千赫兹(kHz)。
本发明的打印头利用墨滴发生器的交错排列布置来提高打印的质量、速度和分辨率。具体地说，若干墨滴发生器沿多个轴线布置，其位置在介质前进轴方向上可扫描打印介质的相同部分。沿一根轴线(或轴线组)的各组墨滴发生器具有中心线，所有轴线组的中心线平行于介质前进轴，并在垂直于介质前进轴的方向上相互隔开。各轴线组中的喷嘴相对于其它轴线组是交错排列的，因此至少三个轴线组所具有的组合分辨率(沿介质前进轴度量)比单个轴线组分辨率的两倍还要大。交错排列以较少的扫描遍数提供了较高分辨率的打印，通过提高介质前进轴上的有效喷嘴密度来提供高分辨率的高速打印。与本申请同一天由Joe Torgerson等人提出的共同未决的专利申请，惠普公司记事表号码10992318-1，序列号____，题为“具有多种操作模式的高性能高密度喷墨打印头”中讨论了本发明打印头的更多细节。
在实施例中，打印头包含四个轴线组，其中心线互相平行并在横向于中心线的方向上相互隔开。每个轴线组的轴节距(或分辨率)大约为300点每英寸。本发明中交错排列布置所提供的全部四个轴线组组合的有效节距为1200点每英寸(沿介质前进轴度量)。最好是，使四个轴线组的末端在1/300英寸内排成直线，这样对于一次扫描所覆盖的一行，全部四个轴线组组合的端至端有效节距为1200点/每英寸。
本发明的另一个特征包括利用空间利用率很高的布置方案来排列大量喷嘴，使打印头的尺寸减到最小，从而使这种打印头能够用于相对低成本的打印系统。这种空间利用率很高的布置包括带有两个布置得很紧凑的中央墨水输送槽的高长宽比基底，和具有公共接地导线的墨滴发生器基元。本发明的另一个特征包括墨滴发生器的高能效设计。通过使用具有相对低热阻抗保护层的相对高电阻值电阻器，使产生每滴墨水需传递到基底的热能数量减到最小。
图1是根据本发明的整个打印系统的方框图。该打印系统100可以用来在某一介质上打印，比如将墨水打印在打印介质102上(可以是纸张)。打印系统100连接到用来产生打印数据的主机系统105(比如电脑或微处理器)。打印系统100包括一控制器110、一电源120、一打印介质输送装置125、一小车组件130和若干开关装置135。供墨装置115与打印头组件150流体连接，用来有选择地向打印头组件150供应墨水。打印介质输送装置125使打印介质102(比如纸张)相对于打印系统100移动。类似地，小车组件130支撑打印头组件150，并使打印头组件150按照控制器110的指令移动到打印介质102上的特定位置。
打印头组件150包括一小型打印头结构160。如下面所详细介绍的，本发明的打印头结构160包含若干不同的层，其中包括一基底(未示出)。打印头基底可以是由任何合适的材料(最好具有低热膨胀系数)比如硅制成的单块基底。打印头结构160还包括在打印头基底中形成的高密度交错排列布置的墨滴发生器165。墨滴发生器165的布置包括高热效率的设计方案，使大量的墨滴发生器可以布置在相对紧凑的打印头基底上而又不会产生大量的热骤增。此外，墨滴发生器165的布置中包括若干使墨滴从打印头组件150喷射出去的元件。小型打印头结构160还包括一电接口170，用来向开关装置135提供能量，转而又向高密度交错排列布置的墨滴发生器165供电。
在打印系统100的工作过程中，电源120向控制器110、打印介质输送装置125、小车组件130和打印头组件150提供一受控电压。此外，控制器110从主机系统105接收打印数据，并将数据加工成打印机控制信息和图象数据。处理过的数据、图象数据及其它静态和动态产生的数据提供给打印介质输送装置125、小车组件130和打印头组件150，以便有效地控制打印系统100。
图2是结合了本发明的高性能、高密度喷墨打印头的打印系统的一个实例，只是为了说明而示出。如图2所示，打印系统200包括用来支撑打印介质的托架222。开始打印时，最好用供纸器226沿介质前进轴227方向将打印介质送入打印系统200。接着打印介质在打印系统200里面沿U形方向传送，然后沿与入口相反的方向出来到纸张输出托架228中。还可以采用其它的打印介质通路，比如直的纸张通路。
打印介质一进入打印系统200后就暂停在打印区域230中，接着小车组件130(支撑至少一个本发明的打印头组件150)沿扫描轴234方向横过(或扫描)打印介质并在上面打印出一行墨滴。打印头组件150可以是可更换地或永久地安装在小车组件130上。此外，打印头组件150还连接到供墨装置115上。供墨装置115可以是一个内装的供墨装置(比如内装的墨水储存器)。另一种方法是，打印头组件150可以通过软导管流体连接到供墨装置115上。还有一种可供选择的方法是，供墨装置115可以是一个或多个与打印头组件150分开的墨水容器，并可拆卸地安装在小车组件130上。
图3示出了图2中打印系统的小车组件的一个实例，用来支撑本发明的高性能、高密度喷墨打印头。小车组件130包括一个支撑打印头组件150的扫描小车320，打印头组件150可以是可更换地或永久地安装在扫描小车320上。控制器110连接到扫描小车320上，并向打印头组件150提供控制信息。
扫描小车320在扫描轴234方向上可沿直线轨迹移动。小车马达350如步进马达根据位置控制器354(与控制器110相联)的指令沿扫描轴234移动扫描小车320。位置控制器354中装有存储器358，使位置控制器354能确定沿扫描轴234的位置。位置控制器354连接到增量传送打印介质102的送纸辊马达362(如步进马达)。施加到打印介质102和送纸辊370之间的压力使打印介质102移动。驱动打印系统200电气部件(如小车马达350和送纸辊马达362)的电力以及使打印头组件150喷射墨滴的能量是由电源120提供的。
一般说来，通过转动送纸辊马达362从而使送纸辊370照介质前进轴227方向转动，可以将打印介质102从托架222传送到打印区域230中，打印工作就开始了。当打印介质102在打印区域230中正确定位后，小车马达350使扫描小车320和打印头组件150在打印介质102上沿扫描轴234移动(或扫描)而进行打印。在一次或多次扫描之后，通过送纸辊马达362使打印介质102沿介质前进轴227增量移位，从而将打印介质102的另一区域放置到打印区域230中。扫描小车320又扫描过打印介质102以打印另一行墨滴。此过程重复进行直至所需的打印数据已经打印在打印介质102上，此时打印介质102被推出到纸张输出托架228中。
本发明的小型打印头包括高密度交错排列布置的墨滴发生器以提供高分辨率的高速打印。墨滴发生器的高密度布置包括高热效率的设计方案，使高密度的墨滴发生器可以布置在紧凑的打印头基底上。在优选实施例中，小型打印头基底中的墨滴发生器密度每平方毫米超过大约十个墨滴发生器。此外，在优选实施例中的墨滴发生器沿至少四个轴线(每个被称为一个轴线组)分组排列，每个轴线组中包括若干喷嘴。每个轴线组中若干个喷嘴的排列长度大约为三分之一英寸，结果每平方毫米大约有十二个喷嘴。本发明的高热效率墨滴发生器是一种薄膜结构，包括具有高电阻和薄钝化层的高热效率电阻器结构。
本发明的另一个特征是，相对于小型打印头基底中的墨滴发生器数目，打印头的输入导线数目减少了。具体地说，墨滴发生器是按称作基元的组进行排列的，来自打印机的接地线数目少于基元的数目。在优选实施例中，十六个基元共有四个接地线。此外，另一个特征是以高喷射频率喷出重量很轻的墨滴。例如，在优选实施例中的墨滴重量大约为15纳克，喷射频率大于12千赫兹(kHz)。
图4是本发明的打印头组件的透视图，只是为了说明而示出。下面参考用于典型打印系统比如图2中打印机200的典型打印头组件，来详细介绍本发明。然而，本发明可以用于任何打印头和打印机结构中。参见图1和2以及图4，打印头组件150由热喷墨头组件402和打印头壳体404组成。热喷墨头组件402可以是一种通常称为自粘带(TAB)组件的柔性材料，并可以包含互连片412。互连片412可以比如用粘合剂适当地固定到打印头组件150(也称作打印盒)上。接触片408对准小车组件130上的电极(未示出)，并与之电接触。
图5A是本发明的打印头实施例的平面图，示出了喷嘴的布置。应当认识到图5A是一个简化了的示意图。例如，所示喷嘴的数目比示范性的或打算商业化的实施例中的数目已经大大减少。在实施例中，打印头500包括一个带有若干墨滴发生器的小型基底510、输入片515和一个小孔层520。小孔层520包含若干对应于墨滴发生器的喷嘴530。
在图5A的说明性实施例中，打印头的组合喷嘴分辨率大约为1200点每英寸(dpi)。换言之，沿参考轴L度量的打印头的组合(或有效)节距是1/1200英寸。打印头的每个喷嘴都可以以超过12千赫兹的工作频率工作。
为了实现高打印分辨率，图5A所示本发明实施例中的打印头将喷嘴排列成四个轴线组(图5A中表示为第1-4组)。每个轴线组具有一中心线(在图5A中以虚线表示)，大体上平行于其它轴线组的中心线和参考轴L。工作中，参考轴L与介质前进轴227方向一致。每个轴线组相对于参考轴L度量的轴线节距为P。每个轴线组中的喷嘴相对于其它轴线组中的喷嘴以及参考轴L是交错排列的。如图5A所示，每个轴线组的轴线节距为P，而全部四个轴线组组合起来相对于参考轴L的有效节距为P/4(或任意单个轴线组节距的四分之一)。此外，组合第1组和第3组可以提供的有效节距为P/2。类似地，组合第2组和第4组可以提供的有效节距为P/2。在本实施例中，每个轴线组的轴线节距P为1/300英寸，不过这种将三个或更多轴线组交错排列以提供更高分辨率的方法可以用于任何轴线节距。虽然所示每个轴线组的喷嘴基本上是在同一直线上的，但应当认识到轴线组中的某些喷嘴可以稍微偏离轴线组的中心线。例如，当需要补偿加热延迟时，可以出现这种情况。
图5B是图5A中打印头的一部分移去小孔层后的平面图，示出了墨滴发生器的交错排列布置。具体地说，打印头500包括布置在小型基底510上的墨滴发生器540。覆盖在墨滴发生器540上面的喷嘴530是按轴线组排列的，包括第1组、第2组、第3组和第4组。墨滴发生器的轴线组相对于参考轴L是相互横向隔开的。在优选实施例中，参考轴L与介质前进轴227方向一致。对于打印头500在打印介质上进行的一次扫描来说，墨滴发生器的每个轴线组都具有一定的轴线分辨率，将其定义为1除以轴线节距(1/P)。在实施例中，轴线分辨率(1/P)大约为300点每英寸。利用轴线组的交错排列布置，当全部四个轴线组一起工作时，组合轴线组的有效分辨率增加到大约4/P，而当四个轴线组中经适当选择的一对工作时，有效分辨率大约为2/P。
某一特定轴线组的轴线节距(P)等于沿参考轴L度量的两个最靠近墨滴发生器之间的中心距。在优选实施例中，P大约等于1/300英寸。第1、2、3和4组沿参考轴L相互之间交错排列，其中任意两个最近邻的轴线组错开P/4(或1/1200英寸，如果P大约等于1/300英寸)。如图5B所示，这样可提供的组合中心距(也是沿参考轴L度量)等于P/4(在实施例中为1/1200英寸)。在这种布置的情况下，第1、3组的组合中心距(用P13表示)等于P/2，或1/600英寸。第2、4组的组合中心距(用P24表示)也等于P/2。这种高密度的交错排列布置使本发明的打印头能够以小型设计来提供高性能打印。
图5C是图5A中打印头500切去一部分后的立体图，示出了打印头500的各层。打印头500包括小型打印头基底510(如硅)和在那上面形成的各种装置和多层薄膜。打印头500还包括布置在屏障层550上的小孔层520，屏障层550又覆盖在基底510上。基底510包括高密度交错排列布置的墨滴发生器，其中第1组中的墨滴发生器560和第2组中的墨滴发生器565排列在第一墨水输送槽570周围。在本实施例中，提供了第二墨水输送槽572，第3组和第4组排列在第二墨水输送槽572周围。喷嘴530在小孔层520里面，并排列好使每个喷嘴530的下面都有一个墨滴发生器。通过第一墨水输送槽570将墨水供应给墨滴发生器，墨水在那里被加热后通过喷嘴530喷出。
一般利用层压工艺将小孔层520附加到屏障层550上。虽然图5C将屏障层550和小孔层520描述成单独的离散层，但在另一个可供选择的实施例中，也可以将它们做成一个整体的屏障和小孔层。加热室575是由小孔层520和屏障层550共同构成的。在加热室575中用电阻器580加热墨水直至墨滴通过喷嘴530喷射出去。
本发明包括布置在小型打印头基底上的高密度的墨滴发生器。打印头具有长条形(或宽度窄)的形状，在优选实施例中，小型打印头基底是一个矩形，其宽度大约为3毫米，长度大约为12毫米。在这个小型打印头基底上包含了至少350个喷嘴，优选数目为416个喷嘴。在优选实施例中，结果形成每平方毫米大约有12个喷嘴的小型打印头。
在打印头基底上的墨滴发生器将墨水从至少排列成四个交错行的喷嘴中喷出，长度大约为1/3英寸的每一行中有104个喷嘴。四行喷嘴是成对地排列在两个长条形墨水输送槽周围的，每个墨水输送槽的宽度大约为200微米。每个墨水输送槽的位置最好离开打印头中心大约680微米。
图6是图5中打印头实施例移去打印头喷嘴层后的平面表现图，显示了在喷嘴下面的电阻器580的图形。本发明的每个喷嘴下面都有一个对应的工作电阻器580。为了简化示意图起见，图6中所示电阻器的数目已经减少。
电阻器580布置在高度紧凑的打印头基底510上，因此打印头基底510上的电阻器密度至少为每平方毫米10个电阻器。这种高密度布置使打印头成本可以比其它许多具有较少喷嘴的打印头更低。在实施例中，打印头基底510上每平方毫米大约有12个电阻器。应当认识到计算电阻器密度时计入了所有墨水输送槽的面积。
如图6所示的打印头基底510具有细长的形状因子，基底510的长度方向通常与参考轴L的方向一致。在优选实施例中，至少有350个墨滴发生器布置在宽度约小于3毫米长度约小于12毫米的基底510上。在优选实施例中，宽度大约为2.9毫米长度大约为11.5毫米的基底510上包含了416个电阻器。
打印头基底510具有两个长条形的墨水输送槽，包括第一墨水输送槽570和第二墨水输送槽572。每个墨水输送槽570、572都将墨水从供墨装置中供应给两个轴线组中的电阻器580。例如，如图6所示，第一墨水输送槽570将墨水供应给第1、2组中的电阻器，而第二墨水输送槽572将墨水供应给第3、4组中的电阻器。每个墨水输送槽570、572都有一根大体上平行于参考轴L的中心线(在图6中以虚线表示)，将每个墨水输送槽570、572沿其各自长度方向分成大致相等的两个部分。墨水输送槽570、572的中心线大致平行于参考轴L，并横向相互隔开。每个墨水输送槽570、572沿其长度方向有两条纵向边缘。具体地说，第一墨水输送槽570包括旁边排列着第1组电阻器的第一纵向边缘610，和旁边排列着第2组电阻器的第二纵向边缘620。类似地，第二墨水输送槽572包括第三纵向边缘630和第四纵向边缘640，分别邻近第3、4组电阻器。
输入片515位于打印头基底510长度方向的两端，用来向每个轴线组中的电阻器提供能量。开关线路(比如若干晶体管)耦合从输入片515传递到轴线组中电阻器的信号。这项技术有助于减小打印头基底510的宽度。
每个电阻器580都连接到向电阻器580发送电流脉冲的开关线路(比如一个场效应晶体管(FET))上。这些开关线路将在下面详细讨论。电阻器580连同它们各自的开关线路一起分组布置，称作基元(在图6中用数字1-16表示)。在图6所示的实施例中，每个轴线组被分成4个基元。每个基元最好各自有26个喷嘴，每个轴线组总共有104个喷嘴。虽然为了简单起见图6所示的每个基元只有四个电阻器(以及对应的墨滴发生器)，但是应当知道大多数的打印头设计都倾向于每个基元有多于10个电阻器(以及墨滴发生器)。
高密度布置的墨滴发生器最好使用重量轻的墨滴。重量轻的墨滴体积较小，因而能比重量大的墨滴提供分辨率更加精细的打印。在高密度排列的墨滴发生器中使用重量轻的墨滴为本发明提供了高分辨率的高速打印。在优选实施例中，本发明使用的黑色墨滴重量大约为15纳克(ng)，优选范围为14至16纳克。
一般而言，为了易于使用重量轻的墨滴并还能保持高打印速度，本发明优选实施例中的墨滴发生器以很高的频率工作。喷射频率的量级最好在千赫兹(kHz)。高喷射频率结合高密度排列的墨滴发生器能提供高分辨率的高速打印。
在优选实施例中，本发明的墨滴发生器采用的喷射频率超过12千赫兹。优选频率范围大约为15至18千赫兹，优选值为18千赫兹。打印头线路本发明包括一种经济的高性能打印头，采用了紧凑设计以降低成本，而且是高热效率的使高性能设计可以用于小型打印头基底上。具体地说，打印头的高热效率设计使得可以将高密度的墨滴发生器安置在小型打印头基底上，同时又可以将热骤增减到最小。使本发明能采用高性能紧凑设计的一种方法涉及打印头线路。具体地说，对打印头线路进行设计，因此每个墨滴发生器工作所需的能量减少，从而使产生的热能最少。
其中一项技术包括给某一特定的基元提供一根基元电源线(用来给这个特定的基元提供电源)，该基元电源线可独立于其余基元的每个基元电源线而单独通电。因此，某一特定基元的电源线连接到与这个基元中的每个开关线路相联的所有基元电源线上。在优选实施例中，开关线路是场效应晶体管，特定基元的电源线连接到这个基元中每个场效应晶体管的源极或漏极接点上。
本发明的另一项技术涉及可独立通电的门引线，每根门引线连接到各个基元中的单个开关装置上。门引线的数目为1至N(其中N是最大的基元中电阻器的数目)。在优选实施例中，每个基元都有26个电阻器(N＝26)，因此有26根门引线。当开关装置是场效应晶体管时，某一基元中的每个场效应晶体管都有其中一根门引线连接到它的门上。当某一特定的开关装置被激活时，电流脉冲从基元电源线流出，经过开关线路，再经过加热电阻器，然后经过回路或接地导线返回。为了激活某一特定的开关装置，与这个开关装置相联的门引线和基元电源线必须同时被激活或通电。
在打印头工作过程中，一次只激活一根门引线，并且是循序进行的。结果，在某一特定的基元中，每次只有一个开关装置被激活。然而，某些基元或全部基元可以同时工作，因为每根门引线连接到若干基元中的单个开关装置上。在优选实施例中，对于26根门引线中的每一根，在每个基元中最多有一个门接点。由于在工作过程中打印系统通过门引线循环，所以某一基元中每次只有一个墨滴发生器可以工作。然而，由于大多数门引线被基元共享，所以多个基元可以同时被加热。在优选实施例中，至少有三个，最好有四个重叠在扫描轴方向上(垂直于纸张前进轴，也垂直于参考轴L)的基元，它们可以同时工作。这使每一遍扫描的覆盖区域更加完全，分辨率更高。
图7是用于图5A所示打印头500的基元供电线路的实施例。对于某一特定的基元，都有一根基元电源线，它的第一端连接到对应的基元接触片上，即输入片515中的某一个上(在图7中用P1-P16表示)，并沿一条边连接到对应于这个特定基元电源线的开关装置上。例如，如图7所示，基元12有一根基元电源线700，它的第一端连接到基元12的接触片710上(在输入片515上面那排的最右侧)，并沿边缘720连接到基元12的开关装置(未示出)上。在实施例中，每根基元电源线连接到这个基元中每个场效应晶体管的源极或漏极接点上。这些接触片(P1-P16)用来输入加热打印头500上每个基元所需的能量。
图8A和8B示出了用于本发明打印头500的接地导线的两个实施例。如上所述，每个墨水输送槽570、572都有两个纵向边。四个电阻器轴线组中的每一个都靠近一条纵向边。为了减少输入片515的数目，多个基元共享同一根接地导线。在图8A和8B的两个实施例中，每个轴线组的两端是共接的，以减少靠近小型打印头基底510中心的电阻器相对于基底510端部的电阻器之间的接地导线寄生电阻差异。图8A示出了用于图5A所示打印头500的单个接地导线的实施例。在这个实施例中，单个接地导线810用来将全部16个基元接地。因此，全部16个基元是通过单个接地导线接地的。作为选择，图8B是另一个实施例，示出了用于图5A所示打印头500的双接地导线。在这个特定实施例中，有第一接地导线820和第二接地导线830。两根接地导线820、830中的每一根将位于特定墨水输送槽周围的全部基元接地。例如，如图8B所示，第一接地导线820将第一墨水输送槽570周围的基元接地，而第二接地导线830将第二墨水输送槽572周围的基元接地。
本发明的每个墨滴发生器都是高热效率的，使墨滴发生器能以高密度封装在小型打印头基底上。为了实现高热效率率，每个墨滴发生器都包含一个能减少电阻器所需电力的薄膜电阻结构。具体地说，本发明使用高阻电阻器减少电阻器所需的电力，并利用薄钝化层来减少因寄生能量耗散而损耗的输入功率。电阻器的这两种结构通过减少打印头的能量需要量使高频率的突发打印能用于打印系统中，并可以消除因电耗增加引起的热能严重增强。换句话说，即使有更多的电阻器，通过减少电力需求能使打印头消耗的能量降低，从而使打印头可以工作在较低的温度并减少热骤增。
具体地说，图9是本发明的墨滴发生器实施例切去一部分后的透视图。墨滴发生器540布置在小型打印头基底510上，并包括一个薄膜电阻结构580(在图10A和10B中更详细地示出)。覆盖在电阻器结构580上面的是屏障层550和小孔层520，它们将在下面进一步讨论。薄膜电阻结构580的顶部以及屏障和小孔层550、520构成了一个加热室，墨水在里面由电阻器结构580汽化并通过小孔(比如喷嘴530)喷出。小孔直径的范围最好在大约10至20微米之间，优选值大约为16微米。墨滴发生器540的各部件和各层可以分开或整体形成，本专业中有许多已知的形成这些部件和层的方法。例如，屏障和小孔层550、520可以分开做成或整体形成，然后放在下面的小型打印头基底510上。
本发明用来减少热骤增的一个方法是，通过增大加热电阻器580的电阻，使连接线路电阻(或寄生电阻)占总电阻的比率减少，从而减少加热电阻器580所需的电力。该电阻比率与连接线路损耗的功率直接相关，被称为“寄生功率损耗”。每个电阻器580中带有将电阻器580连接到各个电接点的连接线路。在常规设计中，连接线路的电阻可以达到加热电阻器580电阻的三分之一或更大。寄生功率损耗可以使高达三分之一的输入能量在连接线路中损耗掉。在本发明中寄生功率损耗变得更加重要，因为电阻器的密度(小型打印头上每一单位面积的电阻器数目)很高，而可供连接线路的空间较小，功率总需要量更大。
本发明通过增加每个加热电阻器580的电阻来减少寄生功率损耗，从而降低损耗在连接线路中的功率。每个加热电阻器580的电阻最好为至少70欧姆，优选值为超过100欧姆。通过减小电阻器580的厚度或使用较高电阻率的电阻器材料，可以获得较高的电阻。然而，在优选实施例中，电阻器的厚度和电阻器材料的电阻率是不变的，因而增加电阻器的路径长度以获得更高的电阻。这是通过将电阻器主体分开成若干段来实现的，用连接装置或导电连线将各段串联起来。分开的电阻器提高了加热电阻器580的电阻，因为每一段的电阻都加到前面的串联段上。电阻器电阻的增加还提高了总电阻(在维持连接线路电阻几乎不变的同时)，从而减少了寄生功率损耗(连接线路电阻占总电阻的比率)。
图10A是图9中所示加热电阻器的平面图。在实施例中，加热电阻器580包括第一段1004和第二段1008，它们用一个连接装置或导线1012串联起来。用来接收电信号的输入片1016邻近第一段1004，用来发送电信号的输出片邻近第二段1008。在本优选实施例中，电流控制装置1021用来减少会出现在连接装置1012中的电流积聚。电流控制装置1021使原本直接通过连接装置1012的电流路径受到阻碍。在图10A所示的实施例中，电流控制装置1021是在连接装置1012中形成的一个凹口1021，位于第一段1004和第二段1008之间。
在本实施例中，每一段1004、1008大约24微米长，13微米宽。这样总共大约提供了相当于四块正方形的面积，每块正方形的电阻大约为29欧姆，结果总电阻为130欧姆(包括连接线路)。寄生电阻最好介于百分之7至8的范围之内，适用于重量大约为5纳克的墨滴。换句话说，至少80欧姆的电阻将会产生大约百分之12的寄生电阻。相对的两个段之间的空隙宽度大约是3微米。
本发明用来提高热效率率的另一个方法是减少薄膜电阻结构580上钝化层的热阻。较薄的钝化层意味着加热电阻器所需的能量较少。这就意味着墨滴发生器需要耗散的热能较少，结果产生更好的热效率。本发明通过减少钝化层的厚度来实现这一点，使加热电阻器580并使墨滴喷出的能量最小。更可取的是，在钝化层较薄的情况下，加热电阻器580所需的能量小于1.4微焦耳，优选能量范围在大约0.8至1.0微焦耳之间。加热电阻器580所需的能量还受线路电阻占总电阻比率(寄生功率损耗)的影响，较低的寄生功率损耗通常意味着需要的能量较少。本发明通过利用较低的线路电阻占总电阻比率(较低的寄生功率损耗)和较薄的钝化层来尽可能地减少打印头上的热骤增。
图10B是图10A中加热电阻器的侧视图，示出了加热电阻器580的薄膜结构。图10B是图10A中所示电阻器580沿AA′剖面的横断面。在本实施例中，电阻器层1023是用钽铝合金(TaAl)制成的，它覆盖在PSG层1024和FOX层1026的上面，FOX层1026布置在小型打印头基底510(最好由硅制成)上。在优选实施例中，电阻器层1023大约900埃厚。覆盖在一部分电阻器层1023上面的是由铝硅铜(AlSiCu)组成的导体层1032。
由氮化硅(Si3N4)组成的第一钝化层1034以及由碳化硅(SiC)组成的第二钝化层1036保护电阻器层1023免受损坏。在优选实施例中，第一钝化层1034的厚度是2570埃，第二钝化层1036的厚度是1280埃。第一钝化层1034和第二钝化层1036结合起来组成总钝化层。总钝化层的厚度最好保持在小于大约5000埃，优选范围在大约3500至4500埃之间。当钝化层的厚度这样时，加热电阻器层1023所需的能量小于1.4微焦耳。
覆盖在第二钝化层1036上面的是气穴层1040，可保护电阻器层1023和钝化层1034、1036免受因墨滴气泡形成和破裂引起的损害。气穴层1040最好由厚度为3000埃的钽(Ta)组成。屏障层550(最好大约14微米厚)和小孔层520(最好大约25微米厚)覆盖在气穴层1040上面。气穴层1040、屏障层550和小孔层520构成加热室575，墨水在那里由电阻器层1023汽化并从小孔层520中的喷嘴530喷射出去。
上述本发明优选实施例的说明是为了举例说明和介绍而给出的。因此并不是包括无遗的，也不是用来将本发明限定于所披露的具体形式的。根据以上说明可以作出许多修改和变化。应当知道本发明的范围不是由发明说明书限定的，而是由所附权利要求书限定的。
权利要求
1.一喷墨打印头(150)，带有提供某种颜色墨水的供墨装置(115)，包括一打印头基底(160)；和若干流体连接到所述供墨装置(115)的墨滴发生器(165)，以大于每平方毫米约十个墨滴发生器的密度在所述打印头基底(160)上形成，所述若干横向间隔开的墨滴发生器(165)沿大致相互平行的轴线排列成至少四个交错的轴线组。
2.根据权利要求1所述的喷墨打印头(150)，其特征在于，所述打印头基底160)上的所述墨滴发生器密度介于每平方毫米大约十一至十三个墨滴发生器之间。
3.根据权利要求1所述的喷墨打印头(150)，其特征在于，所述若干墨滴发生器(165)中的每一个都包含电阻至少为七十欧姆的薄膜电阻(580)。
4.根据权利要求1所述的喷墨打印头(150)，其特征在于，沿所述轴线布置的所述若干墨滴发生器(165)相对于每根所述轴线是交错排列的，以减小有效打印头节距至若干墨滴发生器沿单根轴线排列时的节距的大约四分之一。
5.一种紧凑型单色喷墨打印头(150)，包括一打印头基底(160)；至少三百五十个布置在所述打印头基底(160)上的墨滴发生器(560)，并布置在一个紧凑的面积内。
6.根据权利要求5所述的喷墨打印头(150)，其特征在于，所述紧凑面积的长度小于大约十二毫米，宽度小于大约三毫米。
7.根据权利要求5所述的喷墨打印头(150)，还包括沿第一轴线排列形成第一轴线组的第一部分墨滴发生器(560)；沿第二轴线排列形成第二轴线组的第二部分墨滴发生器(565)，其相对于所述第一轴线组是交错排列的；沿第三轴线排列形成第三轴线组的第三部分墨滴发生器，其相对于所述第一和第二轴线组是交错排列的；其中，所述第一、第二和第三轴线是相互平行的，且横向相互隔开。
8.一种紧凑型单色喷墨打印头(150)，包括一打印头基底(160)；布置在所述打印头基底(160)上一紧凑面积内的墨滴发生器(165)，所述墨滴发生器(165)还包括沿第一轴线排列形成第一轴线组的第一部分墨滴发生器(560)；沿第二轴线排列形成第二轴线组的第二部分墨滴发生器(565)，且相对于所述第一轴线组是交错排列的；沿第三轴线排列形成第三轴线组的第三部分墨滴发生器，其相对于所述第一和第二轴线组是交错排列的；其中，所述第一、第二和第三轴线是相互平行的，且横向相互隔开。
9.根据权利要求8所述的喷墨打印头(150)，其特征在于，所述紧凑面积的长度小于大约十二毫米，宽度小于大约三毫米。
10.根据权利要求8所述的喷墨打印头(150)，包括布置在所述紧凑型面积中的至少三百五十个墨滴发生器。
11.根据权利要求8所述的喷墨打印头(150)，其特征在于，所述墨滴发生器中的每一个都包含高电阻值的薄膜电阻(580)。
全文摘要
一种小型单色喷墨打印头,具有交错排列的高密度的墨滴发生器,用于进行高性能打印。本发明提供了一种高性能的设计方案,能够实现高分辨率的高速打印,同时因有效利用打印头空间而降低了成本。具体地说,本发明的小型高性能打印头包括若干高热效率的特征,使得可以将大量的墨滴发生器安置在一个小型打印头上,同时又可以将热骤增这样的问题减到最小。在优选实施例中,小型打印头上的墨滴发生器密度超过每平方毫米10个墨滴发生器,而小型打印头中包含至少350个喷嘴。墨滴发生器排列成至少四个平行的行。每一行相对于相邻的行交错排列(或偏移)以提供比非交错排列更有效的节距。
文档编号B41J2/05GK1338378SQ0112570
公开日2002年3月6日 申请日期2001年8月16日 优先权日2000年8月16日
发明者J·M·托格尔森, A·W·巴坎, M·H·麦肯兹 申请人:惠普公司