专利名称：具有气泡腔室和与喷嘴偏离的加热器的喷墨打印头的制作方法
技术领域：
本发明涉及喷墨打印头。具体地说，本发明涉及与喷嘴板的喷孔或喷嘴实质上偏离的气泡腔室和加热器元件在打印头中的布置。
背景技术：
喷墨打印机的技术相对是公知的。一般来说，通过在精确的时刻从打印头喷射出墨滴使它们在所要求的位置处击打打印介质来产生出图像。打印头由可动打印滑架支撑在设备例如喷墨打印机内，并且使之相对于前进的打印介质往复运动并且在按照微处理器或其它控制器的命令按时喷射出墨滴。墨滴喷射的定时与所要打印的图像的象素图案对应。除了打印机之外，结合了喷墨技术的类似设备包括传真机、多功能机、照片打印机和绘图机等。
传统的热喷墨打印头包括通向当地或远程彩色或单色墨水供应源的通道、加热器片、阻挡层、安装或形成有加热器片的喷嘴或喷孔板、以及输入/输出连接器例如带状自动连接(TAB)电路，用于在使用期间使加热器片与打印机电连接。加热器片通常又包括通过沉积、掩蔽和蚀刻技术构造在基底例如硅上的多个薄膜电阻或加热器元件。
为了打印或喷射出单个墨滴，给各个加热器单独提供预定量电流以迅速加热少量墨水。这使得墨水在当地气泡腔室(在加热器和喷嘴板之间)中蒸发，并且通过喷嘴板朝着打印介质喷射。
参照图1a和1b，加热器元件10和气泡腔室12相对于在喷嘴板15中的喷孔14的典型几何形状包括基本上居中并且对称的关系。具体地说，来自喷孔中心30的铅垂线28没有与加热器中心32横向偏置。另外，喷孔中心距气泡腔室的每个角部基本上等距离。因此，气泡腔室12的停滞区域22用来在使用期间收集在流进气泡腔室(通过墨水通道20和墨水通道18)的墨水16中的空气气泡。随着时间的流逝，收集的气泡积累并且生长得足够大从而妨碍了从加热器元件向墨水的热传递，最终使之停止操作。
因此，需要防止在喷墨打印机中气泡形成和积累。
发明内容
通过应用与下面所述的具有相对于在喷嘴板中的喷嘴或喷孔偏离的气泡腔室和加热器元件的打印头相关的原理和教导，可以解决上述和其它问题。
在一个实施方案中，本发明教导了一种具有基本上为矩形的加热器元件的喷墨头。通过将长度尺寸除以宽度尺寸，该加热器元件具有大于大约2.0的纵横比。更具体地说，具有大于大约2.5、4.0或5.0或更大的纵横比。气泡腔室由多个壁基本上包围着加热器元件，并且所述多个壁与加热器元件的周边基本上为等距离。喷嘴板覆盖着气泡腔室并且具有轴向延伸穿过其厚度的喷孔。自喷孔的中心起形成一铅垂线，从而与加热器元件的中心的偏离距离例如在从大约6微米至大约10微米的范围内。穿过其中一个气泡腔室壁的墨流通道具有与加热器元件的长度尺寸基本上平行的主墨流方向。气泡腔室和墨流通道可以位于喷嘴板中、阻挡层中或位于限定了加热器片的多个薄膜层中。还披露了喷墨打印头和用于容纳这些打印头的喷墨打印机。
本发明的这些和其它实施方案、方面、优点和特征将在下面的说明书中阐述，并且本领域普通技术人员将通过参照本发明的以下说明和参考附图或通过本发明的实践了解其一部分。通过在所附权利要求中所具体指出的手段、方法和组合可以实现和获得本发明的这些方面、优点和特征。
图1a为根据现有技术教导的相对于喷嘴对称居中的喷墨打印头气泡腔室和加热器的示意性顶视图；图1b为图1a的喷墨打印头气泡腔室和加热器沿着1b-1b线剖开的局部侧视图；图2a为根据本发明教导的相对于喷嘴偏置的喷墨打印头气泡腔室和加热器元件的示意性顶视图；图2b为图2a的喷墨打印头气泡腔室和加热器元件沿着2b-2b线剖开的局部侧视图；图3为根据本发明的一个可选实施方案的相对于喷嘴偏置的喷墨打印头气泡腔室和加热器元件的透视图；图4为根据本发明教导的带有具有相对于喷嘴偏置的气泡腔室和加热器元件的加热器片的喷墨打印头的透视图；并且图5为根据本发明教导的用于容纳具有相对于喷嘴偏置的气泡腔室和加热器元件的喷墨打印头的喷墨打印机的透视图。
具体实施方案在这些优选实施方案的以下详细说明中，参照了形成其一部分的附图，并且在这些附图中以举例说明的方式显示出可以实施本发明的具体实施方案。对这些实施方案进行了足够详细的说明以使得本领域普通技术人员能够实施本发明，但是要理解的是可以采用其它实施方案，并且可以在不脱离本发明的范围的情况下作出处理或其它变化。因此，下面的详细说明不是进行限定，本发明的范围只是由所附权利要求及其等同方案所限定。根据本发明下面对相对于喷嘴板的喷嘴或喷孔偏置的喷墨打印头气泡腔室和加热器元件进行说明。
参照图2a和2b，用于加热在喷墨打印头中的墨水的加热器元件210具有由长度l和宽度w限定的基本上为矩形的形状。在一个实施方案中，长度尺寸与宽度尺寸的纵横比大于约2.0。在另一个实施方案中，纵横比大于约2.5。优选的是，长度尺寸大约为35.6微米，而宽度尺寸大约为13.2微米。在另一个实施方案中，纵横比大约为4.0。具体地说，长度尺寸大约为40微米，而宽度尺寸大约为10微米。在其它实施方案中，纵横比大约为5.0或更大。
具有多个壁214的气泡腔室12基本上包围着加热器元件。在横截面中，壁214上升至加热器元件210上方，从而提供一腔室，在该腔室中，如在本领域中所公知的一样，可以将墨水加热至形成气泡。每个壁距加热器元件的周边216基本上等距离，从而加热器元件在气泡腔室内基本上居中。气泡腔室的壁214相互基本上垂直，并且限定了与加热器元件的长度尺寸和宽度尺寸基本上平行的长度L和宽度W距离。在一个实施方案中，长度距离大约为42微米，而宽度距离大约为31微米。在另一个实施方案中，气泡腔室的角部区域215(标记出四个中的两个)的任意一个、一些或全部具有斜切面217。它们另外可以包括倒角或其它斜面。
在气泡腔室上方为喷嘴板218，它通过环氧树脂等粘接或者形成，作为加热器片的一系列聚合物层或薄膜层的一层或多层。在一个实施方案中，喷嘴板具有第一表面220和第二表面222，它们限定了喷嘴板的厚度。从第二表面轴向延伸穿过喷嘴板到第一表面的是用于在使用期间喷射并且投射墨水的喷孔224。优选，但不必需的是，该喷孔的形状包括由斜壁226限定的截头圆锥形，它在其一个端部处具有大直径开口228并且在其另一个端部处具有小直径开口230(在图2a中为了简化起见，用阴影线重叠显示出开口228和230)。作为代表性示例，目前的打印头其小直径开口大约为11或14微米。将来预计该尺寸将随着打印分辨率从600DPI(每英寸的点数)增加至900或1200DPI或更大而逐渐缩小。
在与喷嘴板的第一表面220基本上平行的平面中，喷孔224具有喷孔中心232。来自喷孔中心的铅垂线234相对于形成在加热器元件210的表面238上的中心236具有偏置距离O。在一个实施方案中，偏置距离O在加热器的表面238上的直线距离大约为6至10微米并且全都在周边216之内。在另一个实施方案中，该距离大约为8.0或8.5微米。在另一个实施方案中，它大约为6至18微米。根据一个优选实施方案，根据公式1/2(f-(d+2t))来计算出最大偏置。
应该理解的是，该偏置将现有技术喷孔从在加热器元件上方的中心位置沿着远离墨水通道240的方向基本上移到气泡腔室的背面。这样，有效消除了现有技术的停滞区域(元件22，图1a、1b)。而且，减轻或消除了气泡随着时间在单个气泡腔室中的形成和积累。在由本发明人进行的一个实际试验中，具有这些偏置的喷墨打印头的第一批打印测试表明了全宽功能测试产出率population-wide functional testyields提高大约10至20％。
另外穿过位于离墨水通道240最近一侧上的壁与气泡腔室连接的是长尺寸和短尺寸分别大约为22微米和18微米的墨流通道250。两个基本上平行的壁257、259在其中限定了墨流通道和主墨流方向。这些壁与墨水通道240的纵向尺寸基本上垂直并且与加热器元件的长度尺寸基本上平行。在使用期间，墨水258沿着与在其表面238上的加热器元件的长度尺寸1基本上平行的主方向流动穿过墨水通道。墨水通过喷孔224沿着相对于主方向基本上呈横向的方向喷射出。下面将对该打印头的其它操作进行说明。
要理解的是，单独的加热器元件是在加热器片上的许多加热器元件中的一个，普通技术人员知道，通过一系列生长层、沉积层、掩蔽、图案、光刻和/或蚀刻或其它加工步骤在基底上构造出作为薄膜层的加热器元件来实现规模经济。在优选实施方案中，薄膜层包括但不限于基底(包括任一基底半导体结构，例如蓝宝石硅(SOS)技术，绝缘体硅(SOI)技术、薄膜晶体管(TFT)技术、掺杂和未掺杂半导体、由基底半导体结构支撑的硅的外延层，以及其它已知的或之后开发出的半导体结构)；在基底上的热阻挡层；在热阻挡层上的加热器或电阻层；在电阻层上的导体层(分支成正电极和负电极部分，即阳极和阴极)，用来在使用期间通过导热性加热电阻层；钝化层，例如SiC和/或SiN；以及在钝化层上的空穴层(一层或多层)。
因此，在本发明的另一描述(图3)中，加热器元件310按照所述方式形成在基底360上。气泡腔室312用多个壁314包围着加热器元件。喷嘴板318具有在其中切出的喷孔334并且覆盖气泡腔室。来自喷孔中心的铅垂线在位置334处与加热器元件的表面相交。加热器元件的中心336又与位置334偏离大约为6至10微米的直线距离。墨水358在使用期间通过穿过壁314中之一的切出的墨水通道350流进气泡腔室中。
通过将图2a、2b与图3进行比较，本领域普通技术人员应该进一步理解，气泡腔室和墨流通道的任一个或两个可以形成作为一系列薄膜或聚合物层或者形成作为喷嘴板的一部分。他们还应该知道，喷嘴板本身可以形成作为一系列薄膜或聚合物层或者作为随后对准并且紧固在气泡腔室上的单独结构。在这里将涵盖所有实施方案和变型。
在薄膜加工的各个实施方案中，通过化学蒸汽沉积(CVD)、物理蒸汽沉积(PVD)、外延法、离子束沉积、蒸发、溅射或其它类似的已知技术来沉积这些层。优选的CVD技术包括低压(LP)、大气压(AP)、等离子增强(PE)、高密度等离子(HDP)或其它技术。优选的蚀刻技术包括但不限于干刻或湿刻、反应离子蚀刻、深反应离子蚀刻等。优选的阻挡层或墨流通道部件成形技术包括在光刻和图像显影技术之后进行聚合物层沉积；或者施加在聚合物薄膜上的激光烧蚀技术。优选的光刻技术步骤包括但不限于暴露于紫外线或x射线光源等，或者其它技术，并且光掩蔽包括如在本领域所公知的清场或黑场掩蔽。
在其它实施方案中，基底包括p型、取向为100并且电阻率为5-20Ω/cm的硅圆晶。其起始厚度优选但不必一定为525+/-20微米、625+/-20微米或625+/-15微米的任一个，并且相应的圆晶直径为100+/-0.50mm，125+/-0.50mm和150+/-0.50mm。
覆盖在基底上的热阻挡层包括与玻璃例如BPSG、PSG或PSOG混合的氧化硅层，并且示例的厚度大约为0.5至大约3微米，尤其为1.82+/-0.15微米。根据制造偏好该层可以被沉积或生长。
在热阻挡层上的加热器元件为厚度大约为900或1000埃的大约50-50％钛-铝复合层。在其它实施方案中，电阻层基本上包括以下任一种的纯净或复合层铪、Hf，钽、Ta，钛、Ti，钨、W，二硼化铪、HfB2，氮化钽、Ta2N，TaAl(N，O)，TaAlSi，TaSiC，Ta/TaAl分层电阻，Ti(N，O)，WSi(O)等。
加热器层的导体层覆盖部分包括阳极和阴极。在一个实施例中，导体层是具有大约为5000+/-10％埃厚的99.5-0.5％铝-铜复合物。在其它实施方案中，导体层包括纯铝或具有2％铜的铝或具有4％铜的铝的复合物。
参照图4，本发明的打印头总体上由101表示。打印头101具有由主体161和盖子160形成的外壳121。虽然显示出大体上为矩形实体，但是该外壳形状可以变化并且取决于承载或包含该打印头的外部设备。该外壳其内部具有至少一个隔室，用于保存初始或可再填充的墨水供应源，并且具有一个结构，例如泡沫插入件、呼吸装置或其它，用来在使用期间在其中保持适当的负压。在另一个实施方案中，内部隔室包括三个用于容纳三种墨水供应源尤其是青色、品红色和黄色墨水的腔室。在其它实施方案中，该隔室可以装有黑色墨水、相片墨水和/或多种青色、品红色或黄色墨水。要理解的是，可以通过流体连通部分(未示出)来使这些隔室与远程墨水源连接。
带状自动连接(TAB)电路201的一部分191粘贴在外壳的一个表面181上，同时另一个部分211粘贴在另一个表面221上。如所示一样，两个表面181、221绕着边缘231基本上相互垂直。
TAB电路201具有多个构造在其上用于在使用期间使加热器片251与外部设备例如打印机、传真机、复印机、照片打印机、绘图机、多功能机等电连接的输入/输出(I/O)连接器241。多个导电体261位于TAB电路201上，以使I/O连接器241与加热器片251的焊盘281电连接并且短路，并且已知有各种制造技术来构造出这些连接。普通技术人员应该知道，虽然显示出八个I/O连接器241、八个导电体261和八个焊盘281，但是可以为任意数量并且本发明涵盖了所有变型。本发明还包含了其中连接器、导体和焊盘的数量彼此不相同的实施方案。
加热器芯片251包括有至少一个具有纵向尺寸的墨水通道321(可选的是图2a、2b中带有纵向尺寸的墨水通道)，用来使加热器片与在外壳内部的墨水源流体连通。在打印头制造期间，加热器片251优选通过本领域所公知的多种粘接剂、环氧树脂等的任一种附在外壳上。如所示一样，加热器片在通道321的任一侧上包含有两列加热器元件。为了简化该拥挤的附图，用点或小圆显示出成列的加热器元件。具有多个喷孔的喷嘴板(图2a、2b或3的218或318)粘贴在加热器片上，使喷嘴孔与加热器对准。可选的是，喷嘴板贴在(聚合物)阻挡层上，然后将它粘贴在加热器片上。
参照图5，以喷墨打印机形式的外设包含有该打印头101，并且大体上由401表示。打印机401包括具有用于包含一个或多个打印头的狭槽441的滑架421。如在本领域所公知的一样，通过提供给传动带501的动力使滑架421在打印区461上方沿着轴481往复运动(借助控制器571的输出591)。相对于打印介质例如纸张521进行滑架421的往复运动，该纸张在打印机401中沿着纸张通道从输入盘541通过打印区461前进至输出盘561。
在打印区中，如由箭头所示一样，滑架421沿着与纸张前进方向大体上垂直的往复运动方向往复运动。使来自打印头(图4)的墨滴在根据打印机微处理器或其它控制器571的命令的这些时刻从加热器片喷射出。墨滴喷射的定时对应于所要打印的图像的象素图案。通常，这些图案在与控制器(通过外接输入装置)电连接的位于打印机外面的设备例如计算机、扫描器、照相机、视觉显示装置、个人数据助理等中产生出来。
为了打印或喷射出单个墨滴，给加热器元件独特地提供短电流脉冲以迅速加热小体积的墨水。这使得墨水在气泡腔室中蒸发并且通过喷嘴板的喷孔向打印介质喷射。
具有用户选择界面601的控制面板581还可以给控制器571提供输入621，以能够具有附加的打印机能力。
如在这里所述一样，术语喷墨打印头除了热喷墨技术之外还可以包括压电技术或其它技术。
上面的说明是用来举例说明本发明的各个方面。这些说明不是打算穷举或者将本发明限制于所披露的具体形式。上述实施方案选择用来为了最清楚地举例说明本发明的原理及其实际用途，由此使得本领域普通技术人员能够在各个实施方案中并且以适用于所想到的特定用途的各种变型利用本发明。所有这些改进和变型都在对所附权利要求在根据它们被公平、合法、公正地授予的外延加以解释时所确定的本发明的范围内。
权利要求
1.一种喷墨打印头，包括基本上为矩形的加热器元件，它具有这样的长度和宽度尺寸以及加热器中心，即，所述长度尺寸和所述宽度尺寸的纵横比大于约2.0；气泡腔室，它具有基本上包围着所述加热器元件的多个壁，所述加热器元件在所述气泡腔室内基本上位于中心；以及喷嘴板，它具有位于所述气泡腔室上方的第一和第二表面，该喷嘴板具有从所述第二表面轴向延伸至所述第一表面的喷孔，所述喷孔的喷孔中心位于与所述第一表面基本上平行的平面中，从而来自所述喷孔中心的铅垂线与所述加热器中心基本上偏离。
2.如权利要求1所述的喷墨打印头，其特征在于，所述纵横比大于大约2.5。
3.如权利要求2所述的喷墨打印头，其特征在于，所述长度尺寸大约为35微米，并且所述宽度尺寸大约为13微米。
4.如权利要求1所述的喷墨打印头，其特征在于，所述纵横比大约为4.0。
5.如权利要求3所述的喷墨打印头，其特征在于，所述长度尺寸大约为40微米，并且所述宽度尺寸大约为10微米。
6.如权利要求1所述的喷墨打印头，其特征在于，在所述铅垂线和所述加热器中心之间的偏离距离在大约6微米至10微米的范围内。
7.如权利要求1所述的喷墨打印头，其特征在于，所述加热器元件具有加热器表面，还包括穿过所述多个壁之一的墨流通道，该通道具有与在所述加热器表面上的所述长度尺寸基本上平行的主墨流方向。
8.如权利要求1所述的喷墨打印头，其特征在于，所述气泡腔室形成在所述喷嘴板中。
9.如权利要求1所述的喷墨打印头，其特征在于，所述气泡腔室具有斜切角部区域。
10.一种喷墨打印头，包括基本上为矩形的加热器元件，它具有这样的长度和宽度尺寸以及加热器中心，即，所述长度尺寸和所述宽度尺寸的纵横比大于约2.5；气泡腔室，它具有基本上包围着所述加热器元件的多个壁，所述加热器元件在所述气泡腔室内基本上位于中心；以及喷嘴板，它具有位于所述气泡腔室上方的第一和第二表面，该喷嘴板具有从所述第二表面轴向延伸至所述第一表面的喷孔，所述喷孔的喷孔中心位于与所述第一表面基本上平行的平面中，从而来自所述喷孔中心的铅垂线与所述加热器中心的偏离距离大约为6至10微米。
11.如权利要求10所述的喷墨打印头，其特征在于，所述纵横比大约为4.0。
12.如权利要求11所述的喷墨打印头，其特征在于，所述长度尺寸大约为40微米，并且所述宽度尺寸大约为10微米。
13.如权利要求10所述的喷墨打印头，其特征在于，所述偏离距离大约为8微米。
14.如权利要求10所述的喷墨打印头，其特征在于，所述气泡腔室的长度尺寸大约为42微米，并且宽度尺寸大约为31微米。
15.如权利要求10所述的喷墨打印头，其特征在于，所述喷孔在与所述第一表面基本上平行的平面中具有大约为14微米的直径。
16.如权利要求10所述的喷墨打印头，其特征在于，所述喷孔在所述第二和第一表面之间具有截头圆锥形形状。
17.一种喷墨打印头，包括具有纵向尺寸的墨水通道；基本上为矩形的加热器元件，其周边具有这样的长度和宽度尺寸以及在其加热器表面上的加热器中心，即，所述长度尺寸和所述宽度尺寸的纵横比大于约2.5；气泡腔室，它具有升高到所述加热器元件之上的垂直设置的多个壁，以便基本上包围着所述加热器元件的加热器表面，所述加热器元件在所述气泡腔室内基本上位于中心；穿过所述多个壁之一的墨流通道，它具有由与在所述加热器表面上的所述长度尺寸基本上平行的两个基本上平行的墨流壁限定的主墨流方向，所述平行的墨流壁与所述纵向尺寸基本上垂直，以使所述加热器元件与所述墨水通道流体连通；以及喷嘴板，它具有位于所述气泡腔室上方的第一和第二表面，该喷嘴板具有从所述第二表面轴向延伸至所述第一表面的喷孔，所述喷孔的喷孔中心位于与所述第一表面基本上平行的平面中，从而来自所述喷孔中心的铅垂线与所述加热器表面相交，并且与所述加热器中心的偏离距离大约为6至10微米，所述偏离距离都在所述加热器表面上并且都在所述周边之内。
18.如权利要求17所述的喷墨打印头，其特征在于，所述气泡腔室形成在所述喷嘴板中。
19.如权利要求17所述的喷墨打印头，其特征在于，所述墨流通道形成在所述喷嘴板中。
20.如权利要求17所述的喷墨打印头，其特征在于，还包括墨水供应源。
全文摘要
在喷墨打印头中，基本上为矩形的加热器元件具有大于约2.0的纵横比。气泡腔室用多个壁包围着中心设置的加热器元件。喷嘴板具有从轴向延伸穿过其厚度的气泡腔室喷射墨水的喷孔。自喷孔的中心起形成铅垂线，从而与加热器元件的中心的偏离距离在大约6至10微米的范围内。穿过气泡腔室壁之一的墨流通道具有与加热器元件的长度尺寸基本上平行的主墨流方向。气泡腔室和墨流通道可以位于喷嘴板中、聚合物阻挡层或限定了加热器片的多层薄膜层中。更优选的纵横比为大于大约2.5和大约4.0。
文档编号B41J2/14GK1863678SQ200480012435
公开日2006年11月15日 申请日期2004年3月23日 优先权日2003年3月25日
发明者J·H·鲍尔斯 申请人:莱克斯马克国际公司