专利名称：紧凑型高性能高密度喷墨打印头的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及热敏喷墨(TIJ)打印头，更具体地说，涉及一种高性能打印的系统和方法，其使用了具有交错的高密度排列的墨滴发生器的紧凑型单色打印头。
喷墨打印机通过在一阵列的特定位置打印单个点(或像素)的图案而产生打印图像。这些可便利地看作一直线阵列中的小点的点位置是由打印的图案限定的。因此，可将打印操作描绘成用墨点填充点位置的图案。
喷墨打印机通过将小容积的墨水喷射到打印介质上而打印墨点。供墨装置比如一储墨器将墨水供应给墨滴发生器。墨滴发生器由一微处理器或其它控制器控制并在接收到微处理器的命令时以适当的次数喷射墨滴。墨滴喷射的次数一般与打印图像的像素图案相对应。
一般来说，墨滴发生器通过快速地加热位于汽化或喷射腔中的小容积墨水而经喷孔(比如喷嘴)喷射墨滴。墨滴的汽化一般是采用电热器比如小的薄膜(或喷射)电阻器实现的。墨滴的喷射是通过使电流流过选定的喷射电阻器以使位于选定喷射腔中的薄层墨水过热而实现的。这种过热作用造成薄层墨水汽化猛烈及墨滴通过打印头的相关喷嘴喷射。
墨滴喷出物通过一个移动的滑架组件位于打印介质上，滑架组件支承包含墨滴发生器的打印头组件。滑架组件在打印介质的表面上往复移动并根据打印的图案使打印头组件定位。滑架组件沿着“扫描轴线”使打印头组件与打印介质之间发生相对运动。一般来说，扫描轴线位于与打印介质的宽度平行的方向上，滑架组件的单次“扫描”意味着滑架组件在一旦大致跨越打印介质的宽度时就使打印头组件移动。扫描当中，打印介质一般沿着“介质(或纸张)前进轴线”相对于打印头前进，介质前进轴线垂直于扫描轴线(且一般沿着打印介质的长度)。
当打印头组件沿着扫描轴线移动时，就产生一行间歇线。这些间歇线的叠加就形成了打印图像的外观如文字或图像。沿着介质前进轴线的打印分辨率通常称作这些间歇线沿着介质前进轴线的密度。因而，间歇线在介质前进轴线中的密度越高，沿着该轴线的打印分辨率就越大。
间歇线沿着介质前进轴线的密度(也便是打印分辨率)可通过增加墨滴发生器在打印头上的数量而增加。这就改善了打印分辨率并提高了打印速度。而且，因为种种因素，希望增加墨滴发生器的数量而不增加打印头的尺寸。不过，仅仅在现有的打印头上增加墨滴发生器的数量大大增加了打印操作过程中打印头中消耗的热量。这种增加的热损耗会导致不希望有的打印头的热偏差。这些打印头上大的热偏差对打印头的操作产生不利影响，并会造成打印质量有缺陷、打印头热停机甚至使整个打印头发生故障。
一种可用于避免大的热偏差的技术是减慢打印头的速度。不过，该技术否定了在打印头上设置更多墨滴发生器的积极效果。另一可用于避免大的热偏差的技术是增加打印头的尺寸。不过，该技术的主要缺陷在于，增加打印头的尺寸就提高了打印系统的成本。这是不能接受的，因为打印系统在价格上已迅速下降，并且具有较大打印头的附加成本的打印系统在市场上将不会具备竞争力。因此，所需要的是提供一种紧凑型的、高喷嘴数且高性能的打印头，它不受热偏差的损害。
本发明的紧凑型单色喷墨打印头能进行包括高分辨率和高速打印的高性能打印。特别是，一种用于提高打印分辨率和速度的技术是增加墨滴发生器的数量、使它们相对于其它墨滴发生器组交错排列并以高频率操纵墨滴发生器。这种交错的高密度的排列方式有助于提高打印头的有效分辨率。本发明包括使位于紧凑型打印头基底上的墨滴发生器高密度交错排列的方式。每个墨滴发生器是形成在打印头基底中的薄膜结构，该打印头基底与一供墨装置流体连通并包括喷嘴。墨水被供应给墨滴发生器，并被适时地加热及从相关喷嘴喷射出来。
在一优选实施例中，紧凑型打印头上墨滴发生器的密度超过每平方毫米10个墨滴发生器，并且紧凑型打印头包含至少350个喷嘴。墨滴发生器(以及相应的喷嘴)被布置在至少三个平行的行中。每一行都相对于相邻行交错(或偏移)以形成比非交错排列方式更有效的节距。
本发明还通过将发生器置于紧凑型打印头上降低了具有高密度墨滴发生器的打印头的相关成本。为了利于紧凑型基底上的高密度墨滴发生器，本发明包括几种提高热效率的技术。一种提高热效率的技术是设置具有薄膜结构的节热墨滴发生器，该薄膜结构包括高电阻的电阻器和薄钝化层。
紧凑型打印头上墨滴发生器的高密度排列方式在一种轻便且成本低的包装中提供了高性能的打印。具体地说，通过使用节热墨滴发生器并对紧凑型打印头提供额外的热控制，本发明可提供高速、高分辨率和高质量的打印。本发明还包括一种使用本发明紧凑型喷墨打印头进行高性能打印的方法。
本发明的其它方面和优点及对其更完整的理解将在下面结合附图通过示例阐明本发明原理的详细说明中变得明显。而且，本发明的范围由权利要求书而非前面的概述或下面的详细说明限定。
图中相同的参考标号表示文中相对应的部件，其中
图1是结合本发明的总体打印系统的方框图；
图2是结合本发明的紧凑型高性能高密度喷墨打印头的示范性打印系统，且仅出于例证目的示出；图3示出了图2打印系统的一个示范性滑架组件，该滑架组件支承本发明的紧凑型高性能高密度喷墨打印头；图4是本发明打印头组件的透视图，且仅出于例证目的示出；图5A是本发明一示范性打印头的平面图，示出了喷嘴的排列方式；图5B描绘了图5A打印头一部分的平面图，喷孔层被移去且示出了墨滴发生器的交错排列方式；图5C是图5A打印头的剖开立体图，示出了打印头的各层；图6是图5示范性打印头的平面图，打印头的喷嘴层被移去且露出了位于喷嘴之下的电阻图案；图7是用于图5A所示打印头500的基元电力布线的示范性实施例；图8A是示出了用于图5A所示打印头的单一接地导线的示范性实施例；图8B是示出了用于图5A所示打印头的两种接地导线的另一示范性实施例；图9是本发明示范性墨滴发生器的剖开透视图；图10A是图9所示喷射电阻器的平面图；以及图10B是示出了喷射电阻器的薄膜结构的图10A喷射电阻器的侧视图。
本发明的一个方面涉及到一种高分辨率打印头的使用，该打印头具有以高频率操作的高喷嘴数。打印头的分辨率(与被打印的文档相对比)是根据每线性英寸上的大量喷嘴测量的。这是在与介质前进轴线对齐的方向上测量的，并在扫描打印头的情况下，与扫描轴线成横向。在一示范性实施例中，本发明的打印头具有1/3英寸的喷嘴阵列尺寸，且具有沿着介质前进轴线测量的1200每英寸点数(dpi)的组合分辨率。此外，该示范性实施例中的打印头的操作频率至少为12千赫(kHz)。
本发明中的打印头使用了交错排列的墨滴发生器来提高打印质量、速度和分辨率。特别是，多个墨滴发生器沿着多重轴线排列，且在介质前进轴线方向上被定位成越过打印介质的相同部分扫描。沿着轴线(或轴线群组)的每一组多个墨滴发生器具有中心线，且所有轴线群组的中心线都平行于介质前进轴线，且在与介质前进轴线成横向的方向上相互隔开。每一轴线群组的喷嘴相对于其它轴线群组这样交错排列，即，使至少三个轴线群组具有大于单个轴线群组分辨率两倍的组合分辨率(沿着介质前进轴线测量)。交错排列在较少的扫描遍数中提供了较高分辨率的打印，并且通过在介质前进轴线上增加有效喷嘴的密度来以高分辨率提供高打印速度。本发明打印头的更多细节描述在共同待审的专利申请中，其Hewlett-Packard案卷号No.10992318-1的序列号为——，发明名称为“High-Performance，High-Density Ink Jet Printhead Having Multi-ModeOperation”、发明人为Joe Torgerson等人、申请日为本申请的同一天。
在示范性的实施例中，打印头包含四个具有中心线的轴线群组，它们相互平行并在与中心线成横向的方向上相互隔开。每个轴线群组具有大约300dpi的轴线节距(或分辨率)。本发明提供的交错排列提供了具有1200dpi(沿着介质轴线测量)的所有四个组合轴线群组的有效节距。优选的是，该四个轴线群组的端部都被对齐在1/300th英寸内，这样所有四个轴线群组组合的有效节距相对于打印扫描期间覆盖的扫描带从一端到另一端将是1200dpi。
本发明的另一方面包括使用了大量喷嘴的省空间布局，以将打印头的尺寸减到最小，并能在一个相对低成本的打印系统中使用打印头。该省空间布局包括高纵横比的基底，该基底具有两个非常紧凑排列的中央供墨槽和具有公共接地导线的墨滴发生器基元。本发明的另一个方面包括相对于墨滴发生器的节能设计。通过使用具有相对低的热阻抗保护层的相对高电阻的电阻器，使得每个墨滴产生的、传递到基底上的热能量减到最小。II.结构概述图1是一幅结合本发明的总体打印系统的方框图。打印系统100可用于在打印介质102(可以是纸张)上打印一种介质比如墨水。打印系统100与产生打印数据的主系统105(例如一台计算机或微处理器)连接。该打印系统100包括一个控制器110、一个电源120、一个打印介质传输装置125、一个滑架组件130和许多转换装置135。供墨装置115与打印头组件150流体连通来选择性地提供墨水给打印头组件150。该打印介质传输装置125提供了一种相对于打印系统100移动打印介质102(比如纸张)的方法。同样地，滑架组件130支承打印头组件150，并且提供了一种当控制器110下指令时移动打印头组件150到打印介质102上一个特定位置的方法。
打印头组件150包括一个紧凑型的打印头结构160。如下详述，本发明的打印头结构160包含许多不同的包括基底(未示出)的层。该打印头的基底可以是一种单一的单片基底，该单片基底由任何适合的材料(优选具有低热胀系数)制成，例如，硅。打印头结构160还包括成形在打印头基底中的高密度、交错排列的墨滴发生器165。墨滴发生器165的交错排列包括一种节热设计，其允许在一个相对紧凑型的打印头基底上布置大量的墨滴发生器，而没有大的热偏差。此外，每一个墨滴发生器165的排列包括多个使墨滴从打印头组件150中喷射的元件。紧凑型的打印头结构160还包括一个电接口170，其给转换装置135提供能量，该转换装置135又给高密度的、交错排列的墨滴发生器165提供电力。
在打印系统100的操作期间，电源120提供一个控制电压给控制器110、打印介质传输装置125、滑架组件130和打印头组件150。另外，控制器110从主系统105接收到打印数据，并将该数据处理成打印机控制信息和图像数据。该处理数据、图像数据以及其它的静态和动态产生的数据被提供给打印介质传输装置125、滑架组件130和打印头组件150来有效地控制打印系统100。示范性打印系统图2是一个示范性的打印系统，其包含本发明高性能、高密度的喷墨打印头，且仅出于例证性目的示出。如图2所示，打印系统200包括用于容纳打印介质的托盘222。当打印操作启动时，打印介质在介质前进轴线227的方向上优选利用一供纸器226自托盘222被传输到打印系统200中。然后打印介质在一U形方向上被传输在打印系统200内，并在与进入方向相反的方向上朝输出托盘228出来。也可使用其它打印介质的路径，比如直线纸张路径。
在进入打印系统200内时，打印介质暂停在打印区230和滑架组件130内，该滑架组件130支承至少一个本发明的打印头组件150，然后在扫描轴线234的方向上移动(或扫描)过该打印介质以在其上打印出一行墨滴痕迹。打印头组件150可以被可拆除地或永久地安装在滑架组件130上。另外，打印头组件150与供墨装置115相连接。供墨装置115可以是一个独立的供墨装置(比如一个独立的储墨器)。或者，打印头组件150通过一软管与供墨装置115流体连通。作为又一种选择，供墨装置115可以是一个或多个单独的墨水容器，或者可以从打印头组件150上分开，且可拆卸地安装在滑架组件130上。
图3示出了图2中打印系统的一个示范性滑架组件，其支承着本发明的高性能、高密度的喷墨打印头。滑架组件130包括一个扫描滑架320，其支承着打印头组件150，该打印头组件150可以是可拆卸地或永久地安装在该扫描滑架320上。控制器110与扫描滑架320相连，并给打印头组件150提供控制信息。
扫描滑架320可在扫描轴线234上沿着笔直的路径方向移动。一个滑架马达350比如步进马达依据位置控制器354(其与控制器110相通)发出的指令沿着扫描轴线234移动扫描滑架320。位置控制器354设有存储器358，以使得位置控制器354沿着扫描轴线234知道其自己的位置。该位置控制器354与一个压辊马达362(比如一步进马达)相连，该压辊马达362逐渐增量地传输打印介质102。通过打印介质102和压辊370间的压力移动该打印介质102。电源120提供开动打印系统200的电子部件(比如滑架马达350和压辊马达362)的电力和使打印头组件150喷射墨滴的能量。
通常，打印操作是这样发生的，即从托盘222中供送打印介质102，并在介质前进轴线227上通过转动压辊马达362乃至压辊370将打印介质102传输到打印区230中。当打印介质102被正确地定位在打印区230内时，滑架马达350便在扫描轴线234上使扫描滑架320和打印头组件150定位(或扫描)在打印介质102上以进行打印。在单次扫描或多次扫描后，打印介质102通过压辊马达362在介质前进轴线227上逐渐增量地移动，从而在打印区230内定位打印介质102的另一区域。扫描滑架320再次扫过打印介质102来打印另一行墨滴。这个过程被重复着，直到预期的打印数据被打印到打印介质102上，这时打印介质102被推入输出托盘228中。III.打印头结构本发明的紧凑型打印头包括墨滴发生器高密度的交错排列，其在高速度下提供高分辨率的打印。墨滴发生器的高密度排列具有一种节热设计，从而允许将高密度的墨滴发生器安置在紧凑型的打印头基底上。在一个优选实施例中，该紧凑型的打印头基底具有的墨滴发生器密度超过大约每平方毫米10个墨滴发生器。而且，在一个优选实施例中，该墨滴发生器沿着至少四根轴线成组排列(各自称作一轴线群组)，每个轴线群组具有多个喷嘴。每个轴线群组的多个喷嘴在长度上大约是1/3英寸，从而产生每平方毫米大约12个喷嘴。本发明的节热墨滴发生器是一薄膜结构，其包括一种具有高电阻和薄钝化层的节热电阻器结构。
本发明的另一个方面是相对于位于紧凑型打印头基底上的墨滴发生器的数量减少了打印头的输入线数。特别是，墨滴发生器被布置成称作基元的组，在本发明中打印机的接地线数量要小于基元的数量。在一个优选实施例中，有四根接地线对着16个基元。此外，另一个方面是以高喷射频率喷射低重量的墨滴。例如，在一个优选实施例中，墨滴具有的墨滴重量大约为15毫微克，并且是以大于12千赫(KHz)的喷射频率喷射的。
图4是本发明中打印头组件的一透视图，并且仅出于例证目的示出。本发明的详细说明是参照一个典型的打印头组件来理解的，该打印头组件与一个典型的打印系统一起使用，例如图2中的打印机200。然而，本发明可以被用在任何的打印头和打印机结构中。参照图1、图2和图4，打印头组件150包括一个热喷墨头组件402和一个打印头主体404。热喷墨头组件402可以是一种通常称作带自动连接(TAB)的柔性材料的组件，并可包含互连垫片412。互连垫片412被适当地固定在打印头组件150(也叫打印盒)上，例如，用一种粘合剂材料。接触垫片408与滑架组件130上的电极(未示出)对准且与之电接触。高性能喷嘴排列方式图5A是本发明中一个示范性打印头的平面图，示出了喷嘴的排列。值得注意的是，图5A是一幅简化的例图。例如，图示的喷嘴的数量已经从示范的或商用的实施例中大大减少了。一个示范性打印头500包括一个紧凑型的基底510，其中具有多个墨滴发生器，以及输入垫片515和喷孔层520。喷孔层520包括多个喷嘴530，与许多墨滴发生器相对应。
在图5A中的示范性实施例中，打印头具有大约1200点每英寸(dpi)的组合喷嘴分辨率。换句话说，打印头的组合(或有效)节距是1/1200th英寸，沿着参考轴线L测量。打印头喷嘴中的每一个都是以可超过12KHz的操作频率操作的。
为达到一个高的打印分辨率，如图5A所示的本发明的示范性打印头具有的喷嘴被排列成四个轴线群组(如图5A中的群组1-4所示)。每一轴线群组具有一根中心线(如图5A中的虚线所示)，其通常平行于其它轴线群组的中心线和参考轴线L。在操作中，参考轴线L与介质前进轴线227对齐。每个轴线群组具有相对于参考轴线L测量的轴线节距P。每一轴线群组的喷嘴相对于其它轴线群组的喷嘴并相对于参考轴线L交错排列。如图5A所示，每一轴线群组具有一个轴线节距P，所有四个轴线群组组合的有效节距相对于参考轴线L为P/4(或任意单个轴线群组的节距的四分之一)。而且，群组1和群组3可以组合起来提供一个P/2的有效节距。同样地，群组2和群组4可以组合起来提供一个P/2的有效节距。在该示范性实施例中，每一轴线群组的轴线节距P是1/300th英寸，但是，交错三个或多个轴线群组来提供增加分辨率的技术可以被应用到任何轴线距上。虽然示出的每一轴线群组的喷嘴基本上在一条直线上，但应注意，轴线群组中的一些喷嘴可能会轻微地偏离轴线群组的中心线。这种情况是会出现的，例如，在需要补偿喷射时延时。
图5B描绘的是图5A中打印头去除喷孔层后的部分平面图，并示出了墨滴发生器的交错的排列方式。具体地说，打印头500包括安置在紧凑型基底510上的墨滴发生器540。叠加在墨滴发生器540上的喷嘴530被排列成轴线群组，包括群组1、群组2、群组3和群组4。墨滴发生器的轴线群组相对于参考轴线L相互横向隔开。在优选实施例中，参考轴线L与介质前进轴线227对齐。墨滴发生器的单个轴线群组具有一个确定的轴线分辨率，其相对于打印头500在打印介质上通过一次被限定为1除以轴线节距(1/P)。在一个示范性实施例中，轴线分辨率(1/P)大约是300dpi。通过使用这种交错排列的轴线群组，当四个轴线群组一起操作运转时，这种组合轴线群组的有效分辨率就增加到大约4/P，当适当地从四个轴线群组中选出一对操作时，有效分辨率大约为2/P。
特定轴线群组的轴线节距(P)等于两个最近的墨滴发生器之间中心到中心的间隔，这个间隔是依据参考轴线L投影或测量的。在优选实施例中，P大约等于1/300th英寸。相对于任何两个最接近的轴线群组而言，群组1、2、3和4沿着参考轴线L相对彼此交错P/4(或者如果P大约等于1/300th英寸，为1/1200th英寸)的距离。如图5B所示，这就提供了一个等于P/4(在示范性实施例中为1/1200th英寸)的组合的中心到中心的间隔(沿着参考轴线L再次测量)。按照这样的排列，群组1和群组3组合的中心到中心的间隔(表示为P13)等于P/2或1/600th英寸。群组2和群组4组合的中心到中心的间隔(表示为P24)也等于P/2。在紧凑型的打印头设计中，这种高密度的交错排列允许本发明的打印头提供高性能的打印。
图5C是图5A打印头500的剖开立体图，其描述了打印头500的不同层。打印头500包括紧凑型打印头基底510(比如硅)和各种器件以及形成在其上的薄膜层。打印头500还包括安置在阻挡层550上的喷孔层520，阻挡层550又覆盖在基底510上。基底510包括高密度交错排列的墨滴发生器，它们包括围着第一供墨槽570的位于群组1内的多个第一墨滴发生器560和位于群组2内的多个第二墨滴发生器565。在该示范性实施例中，设有第二供墨槽572，这样群组3和群组4就布置在第二供墨槽572的周围。喷嘴530形成在喷孔层520内，并且这样排列，即，每个喷嘴530下面具有一个墨滴发生器。墨水通过第一供墨槽570提供给墨滴发生器，其中墨水被加热并经过喷嘴530喷射。
一般采用一种层压工艺来将喷孔层520固定到阻挡层550上。尽管图5C将阻挡层550和喷孔层520描绘为分离的层，但它们也可在一可选实施例中形成为一体的阻挡和喷孔层。喷射腔575由喷孔层520和阻挡层550一起限定。喷射腔575是墨水被电阻器580加热直到墨滴通过喷嘴530喷射出来的地方。紧凑型的长条打印头基底本发明包括位于紧凑型打印头基底上的墨滴发生器的高密度排列方式。打印头具有长条(或宽度很窄的)形状，且在一优选实施例中，紧凑型打印头基底为一矩形，宽度约3毫米，长度约12毫米。包含在该紧凑型打印头基底上的是至少350个喷嘴，优选为416个喷嘴。在一优选实施例中，结果是紧凑型打印头每平方毫米具有大约12个喷嘴。
包含在打印头基底上的墨滴发生器从喷嘴中喷射出墨水，喷嘴被布置在分别具有104个喷嘴的至少四行交错行中，每行喷嘴的长度大约为1/3英寸。四行喷嘴绕着两长条供墨槽成对布置，每个供墨槽具有大约200微米的宽度。优选的是，每个供墨槽距打印头的中心大约为680微米。
图6是图5示范性打印头的平面图，打印头的喷嘴层被移去，并露出了位于喷嘴下面的电阻器580的图案。本发明的每个喷嘴具有一个对应的、可在其下面操作的电阻器580。出于简化图示的目的，将图6所示电阻器的数目减少了。
电阻器580被布置在高度紧凑的打印头基底510上，这样电阻器的密度就为每平方毫米打印头基底510至少10个电阻器。这种高密度的排列方式允许打印头的成本小于具有较少喷嘴的其它多种打印头的成本。在一示范性实施例中，每平方毫米的打印头基底510具有大约12个电阻器。应该注意的是，任何供墨槽的区域都包括在电阻器密度的计算中。
图6所示打印头基底510具有长条形状因数，基底510的长度一般与参考轴线L对齐。在一优选实施例中，在基底510上布置了至少350个墨滴发生器，基底的宽度小于约3毫米，长度小于约12毫米。在一优选实施例中，基底510包含416个电阻器，并具有约2.9毫米的宽度和约11.5毫米的长度。
打印头基底510具有两长条供墨槽，其包括第一供墨槽570和第二供墨槽572。每个供墨槽570、572都从一供墨装置将墨水提供给两轴线群组中的电阻器580。例如，如图6所示，第一供墨槽570将墨水提供给群组1和2中的电阻器，而第二供墨槽572将墨水提供给群组3和4中的电阻器。每个供墨槽570、572都具有一中心线(如图6中的虚线所示)，其一般平行于参考轴线L，且沿着它们各自的长度大致均分每个供墨槽570、572。供墨槽570、572的中心线在大致平行于参考轴线L的方向上相互横向间隔开。每个供墨槽570、572都具有两个一般沿槽长度的纵向边缘。特别是，第一供墨槽570包括与群组1的电阻器相邻的第一纵向边缘610和与群组2的电阻器相邻的第二纵向边缘620。同样地，第二供墨槽572包括第三纵向边缘630和第四纵向边缘640，群组3和4与对应的边缘相邻。
打印头基底510长度的相对端是具有输入垫片515的端部，输入垫片给各轴线群组的电阻器提供能量。转换电路(比如多个晶体管)将输送自输入垫片515的信号与轴线群组中的电阻器耦合起来。该技术有助于减小打印头基底510的宽度。
每个电阻器580都与一转换电路(比如一场效应晶体管(FET))连接，该转换电路向电阻器580提供电流脉冲。将在下面详细讨论这些转换电路。电阻器580及其各自的转换电路一起被布置成称作基元(如图6中标号1-16所示)的组合。在图6所示的一示范性实施例中，每个轴线群组都被分成4个基元。优选的是，每个基元具有26个喷嘴，这样每个轴线群组总共就有104个喷嘴。尽管出于简化的目的，图6中每个基元仅示出了4个电阻器(和相应的墨滴发生器)，但应理解，大多数打印头的设计都会使每个基元具有大于10个的电阻器(和墨滴发生器)。低墨滴重量优选的是，墨滴发生器的高密度排列方式利用了低重量的墨滴。低重量的墨滴较小，并提供了要比用较高重量墨滴实现的分辨率更精细的印品。通过将低重量的墨滴与墨滴发生器的高密度阵列一起使用，本发明就能以高的打印速度提供高分辨率的打印。在一优选实施例中，本发明采用黑色墨滴，重量约15毫微克(ng)，优选范围为14-16ng。高喷射频率通常，本发明的优选实施例以高喷射频率操纵墨滴发生器，以便使用低重量的墨滴并仍然保持高的打印速度。优选的是，该喷射频率位于千赫(kHz)的范围内。该高喷射频率与墨滴发生器的高密度阵列相组合就能实现高分辨率的高速打印。
在一优选实施例中，本发明的墨滴发生器使用超过12kHz的喷射频率。优选的频率范围约为15-18kHz，18kHz为优选值。打印头电路本发明包括高性能却经济的打印头，其使用了紧凑设计以减少成本，并且节热以允许在紧凑型打印头基底上使用高性能的设计。特别是，打印头的节热设计能使墨滴发生器高密度地位于紧凑型打印头基底上，同时使热偏差降到最小。本发明能实现高性能却紧凑的设计的一种方法涉及打印头电路。具体地说，这样设计打印头电路，即，需要用低功率来操纵每个墨滴发生器，并产生最小的热能。
一种技术包括给一特定的基元提供一基元电力线(给特定基元提供电力)，该基元电力线与用于每个其余基元的每一基元电力线可分开地接通。这样，一根特定的基元电力线就和与一特定基元内的每个转换电路相关的所有基元电力线相连。在转换电路为FET的一优选实施例中，特定基元选择的引线与用于该特定基元内的每个场效应晶体管的每根源极或漏极接线相连。
本发明的另一技术涉及可分开接通的门引线，每一门引线与多个基元中每一个的单一转换装置相连。门引线的数量为1-N(N为最大基元中的电阻器数)。在一优选实施例中，每个基元具有26个电阻器(N＝26)，从而有26根门引线。当转换装置为场效应晶体管时，一基元中的每个FET具有与其门相连的一根门引线。当启动一特定转换装置时，电流脉冲从一基元电力线流出，流经转换电路，通过加热电阻器，并通过一返回引线或地线流回。为启动一特定转换装置，门引线和与该转换装置相关的基元电力线必须同时启动或通电。
在打印头操作中，按序一次启动一根门引线。因此，一次仅可启动一个特定基元中的转换装置。不过，一些或所有的基元可同时操作，因为每根门引线与多个基元中的一个转换装置相连。在一优选实施例中，每个基元都至多具有一根门接线用于26根门引线中的每一根。由于打印系统在操作中通过门引线循环，所以在一个基元内一次仅可操纵一个墨滴发生器。不过，由于大多数门引线被基元共享，所以多个基元可同时激发。在一优选实施例中，至少有三个、优选为四个重叠在扫描轴线(即与纸轴线和轴线L成横向)上的基元可同时操作。这就允许在单次扫描中覆盖得更完整、更清晰。
图7是用于图5A所示打印头500的基元电力布线的示范性实施例。对于一个特定的基元来说，基元电力线在第一端与一个相对应的基元接触垫片相连，并沿着一边缘与对应于该特定基元电力线的转换装置相连，基元接触垫片是输入垫片515中的一个(如图7中的P1-P16所示)。例如，如图7所示，基元12具有基元电力线700，其在第一端与基元12的接触垫片710相连(在输入垫片515顶行的右远端上)并沿着一边缘720与基元11的转换装置(未示出)相连。在一个示范性实施例中，每根基元电力线都与用于该基元中的每个场效应晶体管的源极或漏极接线连接。这些接触垫片(P1-P16)用于输入使打印头500上每个基元通电所需的能量。
图8A和8B示出了用于本发明打印头500的接地线的两个实施例。正如前面所讨论得那样，每个供墨槽570、572都具有两个纵向边缘。与每个纵向边缘相邻的是电阻器四个轴线群组中的一个。为了减少输入垫片515的数量，不止一个基元共享同一接地线。在图8A和8B的两实施例中，每个轴线群组的两端都共同连接以减少相对于基底510端部靠近紧凑型打印头基底510中心的电阻器之间的接地线寄生电阻差。
图8A是一示范性实施例，示出了用于图5A所示打印头500的单一接地线。在该实施例中，单一接地线810用于使所有的16个基元接地。这样，所有的16个基元都通过单一的接地线接地。或者，图8B是另一示范性实施例，示出了两根用于图5A所示打印头500的接地线。在该特定实施例中，具有第一接地线820和第二接地线830。两根接地线820、830中的每一根都使特定供墨槽周围的所有基元接地。例如，如图8B所示，第一接地线820使第一供墨槽570周围的基元接地，而第二接地线830使包围第二供墨槽572的基元接地。节热薄膜电阻器结构本发明的每个墨滴发生器都是节热的，从而能以高密度将墨滴发生器组装到紧凑型打印头基底上。为了实现这种节热性，每个墨滴发生器包括一种薄膜电阻器结构，其减少了每个电阻器所需的电力。特别是，本发明采用高电阻的电阻器来减少使电阻器和薄钝化层通电所需的电力，从而减少因寄生能量损耗而消耗的输入功率。两种电阻器结构都容易通过减少打印头的电力需要量并排除因电力需要量增加而造成热能上的显著增加来在打印系统中使用高频打印脉冲串。换句话说，通过减少电力需要量，即便存在有多个电阻器，也能使打印头使用较少的电力，从而允许打印头在较低的温度下操作并减少了热偏差。
特别是，图9是本发明示范性墨滴发生器的剖开透视图。墨滴发生器540位于紧凑型打印头基底510上并包括薄膜电阻器结构580(在图10A和10B中更为详细地示出)。覆盖在电阻器结构580上面的是阻挡层550和喷孔层520，将在下面对两者进行进一步的讨论。薄膜电阻器结构580的顶部、阻挡层和喷孔层550、520形成一个喷射腔，其中墨水通过电阻器结构580汽化并经喷孔(比如喷嘴530)喷射出来。优选的是，喷孔直径位于约10-20微米的范围内，示范值大约为16微米。墨滴发生器540的每一部件和层都可单独或一体成形，并且形成这些部件和层的各种方法在本领域中都是公知的。例如，阻挡层和喷孔层550、520可单独施加或者一体成形后施加到位于下面的紧凑型打印头基底510上。
本发明为减少热偏差所采用的一种技术是通过增加喷射电阻器580的电阻来减少激发电阻器580所需的电力，这样就可减少将迹线电阻(或寄生电阻)连接到总电阻上的电阻比。该电阻比与消耗在连接迹线中的功率直接相关，并称作“寄生功率损耗”。每个电阻器580具有将该电阻器580连接到各电接头上的连接迹线。在传统的设计中，连接迹线的电阻可达到喷射电阻器580电阻的1/3或更大。寄生功率损耗会导致相当于1/3的输入能量消耗在连接迹线内。寄生功率损耗在本发明中尤为显著，因为电阻器密度(紧凑型打印头每单位面积的电阻器数量)高、用于连接迹线的空间少且总的电力需要量大。
本发明通过增加每个喷射电阻器580的电阻减少了寄生功率损耗，从而减少了在连接迹线内消耗的功率。优选的是，每个喷射电阻器580的电阻至少为70欧姆，优选值为超过100欧姆。可通过减少电阻器580的厚度或通过使用较高电阻率的电阻器材料来实现较高的电阻。不过，在一优选实施例中，不改变电阻器的厚度和电阻器材料的电阻率，而增加电阻器的路径长度来获得较高的电阻。这是通过将电阻器主体分成多个区段实现的，这些区段通过一个连接装置或导电连接件串联。这种分离的电阻器增加了喷射电阻器580的电阻，因为每个区段的电阻被增加到串列中先前的区段中。电阻器电阻的增加还增加了总电阻(在保持连接迹线电阻几乎不变时)，从而减少了寄生功率损耗(迹线电阻与总电阻所成的比)。
图10A是图9所示喷射电阻器的平面图。在该示范性实施例中，喷射电阻器580包括第一区段1004和第二区段1008，它们通过连接装置或导体1012串联。一个用于接收电信号的输入垫片1016位于第一区段1004的附近，而一用于传递电信号的输出垫片1020位于第二区段1008的附近。在该优选实施例中，电流控制装置1021用于减少电流密集现象(current crowding)，否则的话，该现象会出现在连接装置1012中。该电流控制装置1021通过连接装置1012中断了一条要不然为直线的电流通路。在图10A所示的示范性实施例中，电流控制装置1021是一个在连接装置1012中位于第一区段1004与第二区段1008之间的槽口1021。
在该示范性实施例中，每个区段1004、1008都约为24微米长13微米宽。这就提供了总共约4个平方，每个平方具有约29欧姆的电阻，从而形成130欧姆的总电阻(包括连接迹线)。优选的是，寄生电阻大致在约7-8％的范围内并相对于约5毫微克(ng)的墨滴重量调谐。或者，至少80欧姆的电阻将产生约12％的寄生电阻。相对区段之间间隙1022的宽度约为3微米。
本发明为提高热效率所采用的另一技术是减少薄膜电阻器结构580上钝化层的热电阻。较薄的钝化层意味着需要较少的能量来给电阻器通电。这意味着，需从墨滴发生器消耗较少的热能，从而产生较好的热效率。本发明实现了这一点，即减少钝化层的厚度，从而允许用最少量的能量来给电阻器580通电，并使墨滴喷射。优选的是，有了较薄的钝化层，就需要小于1.4微焦耳的能量来给电阻器580通电，优选的能量范围为约0.8-1.0微焦耳。使电阻器580通电所需的电力还受迹线电阻与总电阻所成比值(寄生功率损耗)的影响，较低的寄生功率损耗一般意味着需要较少的电力。本发明优选通过既利用迹线电阻与总电阻所成的低电阻比(低寄生功率损耗)又利用较薄的钝化层来减少打印头上的热偏差。
图10B是图10A喷射电阻器的侧视图，示出了喷射电阻器580的薄膜结构。图10B是图10A所示的电阻器580沿着AA’的横剖面。在该示范性实施例中，电阻器层1023由钽铝制成，并压在位于紧凑型打印头基底510(优选由硅制成)上的PSG层1024和FOX层1026上。在一优选实施例中，电阻器层1023约为900埃厚。一由铝硅铜组成的导电层1032与电阻器层1023的一部分重叠。
电阻器层1023受到第一钝化层1034和第二钝化层1036的保护而免受损害，第一钝化层1034由Si3N4组成，而第二钝化层1036由SiC组成。在一优选实施例中，第一钝化层1034的厚度为2570埃，而第二钝化层1036的厚度为1280埃。第一钝化层1034和第二钝化层1036的组合层包括一总钝化层。优选的是，总钝化层的厚度被保持在小于约5000埃，优选范围为约3500-4500埃。在这种钝化层厚度的情况下，使电阻器层1023通电所需的能量为小于1.4微焦耳。
一空穴层1040覆盖在第二钝化层1036的上面，它保护电阻器层1023和钝化层1034、1036不受墨滴成穴并塌陷的损害。优选的是，空穴层1040由3000埃厚的钽(Ta)组成。阻挡层550(优选约为14微米厚)和喷孔层520(优选约为25微米厚)压在空穴层1040的上面。空穴层1040、阻挡层550和喷孔层520形成了喷射腔575，其中墨水通过电阻器层1023汽化并从形成在喷孔层520中的喷嘴530喷射出来。
已针对例证和说明的目的对本发明的优选实施例作了前述说明。并不打算穷举或将本发明限定在所披露的精密形式中。依照上述启示可作出多种改进和变化。本发明的范围并不受该详细说明的限制，而是由随附的权利要求书限定的。
权利要求
1.一种包括用于提供某色墨水的一供墨装置(115)的喷墨打印头(150)，其包括一打印头基底(160)；以及多个墨滴发生器(165)，其与该供墨装置(115)流体连通并以大于每平方毫米打印头基底(160)约10个墨滴发生器的密度形成在该打印头基底(160)中，该多个墨滴发生器(165)沿着大致平行且相互横向隔开的轴线布置在至少四个交错的轴线群组中。
2.如权利要求1所述的喷墨打印头(150)，其特征在于，墨滴发生器的密度在每平方毫米打印头基底(160)约11个和13个墨滴发生器之间。
3.如权利要求1所述的喷墨打印头(150)，其特征在于，多个墨滴发生器(165)中的每一个包括一薄膜电阻器结构(580)，其具有至少70欧姆的电阻。
4.如权利要求1所述的喷墨打印头(150)，其特征在于，沿着多轴线布置的该多个墨滴发生器(165)相对于每根轴线交错，以将有效打印头节距减小到大致为沿着单轴线布置的多个墨滴发生器的节距的1/4。
5.一种紧凑型单色喷墨打印头(150)，其包括一打印头基底(160)；至少350个设置在该打印头基底(160)上并且设置在紧凑型区域中的墨滴发生器(560)。
6.如权利要求5所述的喷墨打印头，其特征在于，该紧凑型区域的长度小于约12毫米，并且宽度小于约3毫米。
7.如权利要求5所述的喷墨打印头(150)，其特征在于，其还包括多个第一墨滴发生器(560)，其沿着第一轴线布置以形成第一轴线群组；多个第二墨滴发生器(565)，其沿着第二轴线布置以形成第二轴线群组并相对于该第一轴线群组交错；多个第三墨滴发生器，其沿着第三轴线布置以形成第三轴线群组并相对于该第一和第二轴线群组交错；其中，该第一、第二和第三轴线相互平行且相互横向隔开。
8.一种紧凑型单色喷墨打印头(150)，其包括一打印头基底(160)；设置在该打印头基底(160)上并且设置在紧凑型区域中的墨滴发生器(165)，该墨滴发生器(165)还包括多个第一墨滴发生器，其沿着第一轴线布置以形成第一轴线群组；多个第二墨滴发生器(565)，其沿着第二轴线布置以形成第二轴线群组并相对于该第一轴线群组交错；多个第三墨滴发生器，其沿着第三轴线布置以形成第三轴线群组并相对于该第一和第二轴线群组交错；其中，该第一、第二和第三轴线相互平行且相互横向隔开。
9.如权利要求8所述的喷墨打印头(150)，其特征在于，该紧凑型区域的长度小于约12毫米，并且宽度小于约3毫米。
10.如权利要求8所述的喷墨打印头(150)，其特征在于，其包括设置在该紧凑型区域中的至少350个墨滴发生器。
11.如权利要求8所述的喷墨打印头(150)，其特征在于，每个墨滴发生器包括一具有高电阻的薄膜电阻器(580)。
全文摘要
一种紧凑型单色喷墨打印头(150)，其具有交错的高密度排列的墨滴发生器(165)以进行高性能的打印。本发明提供了一种高性能的设计，能进行高分辨率和高速的打印，同时因有效利用打印头的空间而减少了成本。特别是，本发明的紧凑型高性能打印头(150)包括几个节热方面，其允许将大量墨滴发生器(165)定位在紧凑型打印头(160)上，同时使比如热偏差的问题降至最小。在一优选实施例中，紧凑型打印头(160)上墨滴发生器的密度超过每平方毫米10个墨滴发生器，且紧凑型打印头(160)包含至少350个喷嘴。墨滴发生器(165)被布置成至少四个平行的行。每一行都相对于相邻行交错(或偏移)以提供比非交错排列更为有效的节距。本发明的墨滴发生器(165)包括高电阻的电阻器(580)和薄钝化层(1034、1036)以提高热效率。通过以超过12千赫的高喷射频率从节热墨滴发生器(165)喷射低重量的墨滴来实现进一步的热控制。
文档编号B41J2/145GK1469809SQ01817450
公开日2004年1月21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·托尔格尔森, A·W·巴科姆, M·H·麦肯兹, S·多德, J M 托尔格尔森, 巴科姆, 麦肯兹 申请人:惠普公司