专利名称：喷墨打印头中的平移到旋转转换的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种喷墨打印头芯片。更具体而言，本发明涉及一种包括运动转换机构的喷墨打印头芯片。
背景技术：
如在以上参考的申请/专利中所提出的，申请人已在开发打印头上花费了大量的时间和精力，该打印头结合了基于微机电系统(MEMS)的元件以实现打印所必要的墨喷出。
作为申请人研究和开发的结果，申请人已能开发具有一个或多个打印头芯片的打印头，所述芯片在一起结合了高达84000喷嘴的装置。申请人亦已开发了能控制这种打印头的操作的适当处理器技术。具体而言，所述处理器技术和打印头在一些情况下能合作产生1600dpi或以上的分辨率。适当处理器技术的实例被提供在以上参考的专利申请/专利中。
申请人已开发的大多数打印头所共有的是相对于基片移动以从喷嘴室喷出墨的元件。该元件可处于墨喷出部件的形式，其可在喷嘴室中移位以从喷嘴室喷出墨。
如从以上申请亦可清楚的，申请人已开发了实现从相应喷嘴室喷出墨的许多方式。这些的大多数基于对具有一个热膨胀系数的材料的选择，该系数是这样的，在MEMS尺度上，基于加热的膨胀和基于冷却的随后收缩可被产生动力以进行工作。材料被形成以限定包括加热电路的热激励器的至少一部分。加热电路被成形以当电流经过电路时用电阻加热。所述电流以取决于打印要求的频率以脉冲形式被提供给电路。脉冲通常从被放置在打印头芯片的基片上的CMOS层被提供。脉冲被成形并具有亦取决于打印要求的大小。脉冲的产生和控制亦借助于以上参考的申请中所描述的适当微处理器。
在宏观尺度上，使用材料的热膨胀和随后收缩来实现工作的性能是反直觉的。申请人提出，膨胀和收缩的所感觉的慢速率可导致宏观工程领域的普通技术人员寻求可替换的能量源。
然而，在MEMS尺度上，申请人已发现这种材料的膨胀和收缩可被利用以进行工作。其原因是在该尺度上，膨胀和收缩是相对快的并且可传送相对很大的力。
但仍有运动范围的问题。尽管膨胀和收缩是快且强有力的，申请人已发现，将理想的是，提供一种机构以使运动的这种快速性和强有力可在需要功以喷出墨的区域处被放大。
以上申请和专利所覆盖的大多数喷嘴装置使用热激励器中的差温膨胀来实现热激励器的弯曲。该弯曲运动被传送给墨喷出元件，其直线地或角位移以喷出墨。
申请人已发现将理想的是，热激励器的简单直线膨胀被传送给墨喷出元件，这是因为MEMS尺度上的这种简单直线膨胀是相对有效的。
申请人已设想了本发明以实现以上提及的运动的所需传送和放大。
发明内容
依照本发明，提供了一种用于喷墨打印头的打印头芯片，该打印头芯片包括基片；以及多个喷嘴装置，其被放置在基片上，每个喷嘴装置都包括喷嘴室壁和顶部，其限定喷嘴室，而顶部限定与喷嘴室在流体上连通的墨喷出端口；激励器，其可相对于基片以基本上直线的方式移位；墨喷出机构，其可相对于基片角位移以从墨喷出端口喷出墨；以及平移到旋转转换机构，其被插入于激励器和墨喷出机构之间以将激励器的直线运动转换成墨喷出机构的角度上的位移。
墨喷出机构可包括墨喷出部件，其被放置在喷嘴室中并且可相对于基片角位移以从墨喷出端口喷出墨。
激励器具有被固定于基片上的固定部分和当被加热时能热膨胀从而以所述基本上直线的方式移位的工作部分。
平移到旋转转换机构可包括枢转部件，其相对于基片是枢轴的。枢转部件可被连接于热激励器的工作部分以基于工作部分的位移而做枢轴转动。墨喷出部件可被连接于枢转部件以使墨喷出部件基于工作部分的膨胀角位移。
喷嘴室壁和顶部被定尺寸以使当在平面图中察看时喷嘴室是拉长的，并且具有通常为矩形的形状。喷嘴室壁由此可包括远端壁、近端壁和一对相对侧壁，枢转部件被相邻于近端壁而放置，并且墨喷出端口被相邻于远端壁而放置。
每个墨喷出部件可被成形以与每个喷嘴室的平面轮廓总体对应，从而使墨喷出部件的一端被相邻于墨喷出端口而放置。
每个枢转部件和每个墨喷出部件都可被配置成使墨喷出部件比枢转部件所限定的有效杠杆臂长近似20和60倍之间。具体而言，每个墨喷出部件可比枢转部件所限定的有效杠杆臂长近似40倍。
在特定的实施例中，墨喷出机构可处于有源(active)墨喷出结构的形式。有源墨喷出结构可至少部分地限定喷嘴室和顶部，该顶部限定与喷嘴室在流体上连通的墨喷出端口。有源墨喷出结构可被枢转地连接于基片。激励器可被连接于有源墨喷出结构以使有源墨喷出结构基于激励器的位移而相对于基片角位移，从而从墨喷出端口喷出墨。
打印头芯片可以是集成电路制造技术的产品。基片可包括硅晶片基片和被放置在该硅晶片基片上的CMOS层，CMOS层被连接于每个喷嘴装置的激励器以向激励器提供电驱动脉冲。
基片可具有被限定于其中的多个墨入口通道，一个入口通道开口到每个相应的喷嘴室中。
本发明扩展到包括如在此所述的至少一个打印头芯片的喷墨打印头。
为了举例，现在参照附图来描述本发明。以下描述并不旨在限制以上概述的宽广范围。
在附图中图1示出在静止状况下用于喷墨打印头的依照本发明的打印头芯片的第一实施例的喷嘴装置的示意截面侧视图；图2示出图1的喷嘴装置的示意截面侧视图；
图3示出图1喷嘴装置的示意平面视图；并且图4示出用于喷墨打印头的依照本发明的打印头芯片的第二实施例的喷嘴装置的示意截面侧视图。
具体实施例方式
在图1到3中，参考数字10概括指示用于依照本发明的喷墨打印头芯片的第一实施例的喷嘴装置。
喷嘴装置10是被形成于硅晶片基片12上以限定本发明的打印头芯片的多个这种喷嘴装置之一。如在本说明书的背景中所提出的，单个打印头可包含高达84000个这种喷嘴装置。为了清楚且容易地描述，仅一个喷嘴装置被描述。应理解，本领域的普通技术人员可通过在晶片基片12上简单地复制喷嘴装置10而容易地获得打印头芯片。
打印头芯片是集成电路制造技术的产品。具体而言，每个喷嘴装置10都是基于MEMS的制造技术的产品。如所知的，这种制造技术包含淀积集成电路材料的功能层和牺牲层。功能层被刻蚀以限定各种移动元件，而牺牲层被刻蚀掉以释放所述元件。如所知的，这种制造技术通常包含在单个晶片上复制大量类似的元件，所述晶片随后被切成小片以使各种元件彼此分离。这加强了这样的看法，即本领域的普通技术人员可通过复制喷嘴装置10而容易地获得本发明的打印头芯片。
电驱动电路层14被放置在硅晶片基片12上。电驱动电路层14包括CMOS驱动电路。CMOS驱动电路的特定配置对于本描述并不重要，并因此在附图中已被示意性地示出。说明以下是足够的它被连接于适当的微处理器并且一旦从所述适当的微处理器收到使能信号则提供电流给喷嘴装置10。适当微处理器的实例被描述在以上参考的专利/专利申请中。所遵循的是这种细节水平将不在本说明书中提出。
墨钝化层16被放置在驱动电路层14上。墨钝化层16可以是任何适当的材料，如氮化硅。
喷嘴装置10包括喷嘴室壁，其处于远端壁18、近端壁20和一对相对侧壁22的形式。顶部24跨越壁18、20、22。顶部24和壁18、20、22限定喷嘴室26。顶部24限定与喷嘴室26在流体上连通的墨喷出端口28。壁18、20、22和顶部24被定尺寸以使当在平面图中察看时，喷嘴室26具有矩形形状。墨喷出端口28被放置相邻于喷嘴室26的远端52。
多个墨入口通道30通过基片12和层14、16而限定。每个墨入口通道30都与相应的喷嘴室26在流体上连通。此外，每个墨入口通道30的开口32与其关联喷嘴室26的墨喷出端口28对准。
一对锚34形式的锚构造在喷嘴室26的近侧上与基片12是紧固的。电热膨胀激励器36形式的激励器与锚34是紧固的并且向着近端壁20而延伸。热膨胀激励器36由传导性材料制成，并且被成形以限定电加热电路。激励器36由具有这样的热膨胀系数的材料制成当被加热并且随后被冷却时，该材料的膨胀和收缩可被利用以在MEMS尺度上进行工作。适当材料的实例是氮化钛铝(Aluminum Titanium Nitride)。具体而言，热膨胀激励器36具有由桥部分40来互连的一对臂38。激励器36具有固定部分，其由与相应的锚34紧固的臂38的固定端42来限定。
每个锚34都被配置成提供固定端42和电驱动电路层14之间的电连接。具体而言，锚34被配置成提供一个固定端42和负接触以及另一个固定端42和正接触之间的电连接。电驱动电路层14被连接于在以上参考的专利/申请中所描述的类型的微处理器以使适当形状和大小的电流脉冲可被提供给激励器36。
激励器36的桥部分40限定激励器36的工作部分。
喷嘴装置10包括被枢转地安排在近端壁20上的枢转部件44。激励器36的桥部分40在由枢转部件44和近端壁20限定的、以46指示的枢轴点的中间的位置处被连接于枢转部件。应理解，枢轴点46可由枢转部件44和近端壁20的任何数量的配置来限定。为此，枢轴点46仅被示意性地指示。在一个可能的实施例中，近端壁20可限定枢转部件44。在此情况下，枢轴点46将被限定于近端壁20和侧壁22之间。具体而言，这将需要将近端壁20用绞链连接于侧壁22。
将理解，在任何情况下，枢转部件44是要形成近端壁20的部分。这样，密封部件48被提供于枢转部件44和墨钝化层16的中间。密封部件48被配置成适应基于热膨胀激励器36的膨胀和随后收缩的枢转部件44的枢轴运动。
喷嘴装置10包括桨板(paddle)50形式的墨喷出部件。桨板50被定尺寸以与喷嘴室26总体对应。具体而言，桨板50被定尺寸以使桨板50的末端部分54被放置在墨喷出端口28和墨入口通道30的开口32的中间。
桨板50和枢转部件44被配置成使桨板50比由桨板50和枢转部件44限定的、以56指示的有效杠杆臂长近似40倍。应指出，杠杆臂56仅被示意性地示出，这是由于有可用于限定杠杆臂56的各种各样的不同可能配置。此外，桨板长度与杠杆臂长度之比可从40∶1的比率大大地变化。这可取决于许多因素，如驱动信号强度和激励器材料。
将理解，桨板50运动的最大范围发生在桨板50的末端部分54处。此外，该运动范围比有效杠杆臂56的运动范围大高达40倍。所遵循的是，热激励器36的膨胀被显著放大于末端部分54处，因此便于如图2中的60处所示从墨喷出端口28喷出墨58。当激励器36冷却时，激励器36的随后收缩导致末端部分54运动的经放大的范围返回到图1中所示的静止位置。这导致墨60与墨58的分离以形成墨滴62。
桨板50包括加强肋64以强化桨板50。这是有必要的，因为有桨板50的相对长度和被施加于桨板50上的合成弯曲力矩。
将理解，根据以上参考的申请和专利，喷嘴装置10适合于用集成电路制造技术来制造。此外，枢转部件44和枢轴点46可由任何数量的微机械装置来限定。例如，挠性部件可被形成于枢转部件44和侧壁22或者近端壁20的中间，其被形变以适应枢转部件44的枢轴运动。
在图4中，参考数字70概括指示用于喷墨打印头的依照本发明的打印头芯片的第二实施例的喷嘴装置。参照图1到3，除非被指定，相同的参考数字参考相同的部分。
喷嘴装置70包括有源墨喷出结构72。有源墨喷出结构72具有顶部74和壁76，其从顶部74延伸向基片12。顶部74限定墨喷出端口78。顶部74和壁76一起限定喷嘴室80。
壁76包括近端壁82、相对的远端壁84和一对相对的侧壁86。墨喷出端口78被相邻于远端壁84而放置，而墨入口通道30被相邻于近端壁82而放置。
近端壁82被枢轴地安装在基片12上以使有源墨喷出结构72相对于基片12是枢轴的。具体而言，有源墨喷出结构72在足以便于从墨喷出端口78喷出墨的程度上在箭头88的方向上是枢轴的。
顶部74和壁76被定尺寸以使喷嘴室80是矩形的并且具有比喷嘴室80的高度大3倍的长度。这与墨喷出端口78和开口32在喷嘴室80的相对末端处被放置的事实一起，当结构72向着基片12枢转地移位时，便于阻滞墨从墨喷出端口78流向开口32。该流动被称为回流，并且是非常不理想的。
激励器36的桥部分40被固定于近端壁82。这样，在以上述方式对激励器36加热和随后膨胀时，墨喷出结构72向着基片12而做枢轴转动。基于以上述方式对激励器36冷却和随后收缩，墨喷出结构72远离基片12而做枢轴转动。墨喷出结构72的这种可逆运动导致墨滴从墨喷出端口28喷出。
桥部分40在墨喷出结构72的长度比以92指示的有效杠杆臂的长度大高达40倍的位置处被连接于近端壁82。所遵循的是，作为基于激励器的加热和随后冷却而移位桥部分40的结果的有效杠杆臂92的枢轴运动可被放大40倍之高。申请人已发现，这便于有效的墨滴喷出。
喷嘴装置70包括密封结构90，其从墨钝化层16延伸。壁76重叠密封结构90以使当喷嘴室80被填充了墨时，流体密封被限定于密封结构90和壁76之间。
申请人认为，本发明提供了一种简单热膨胀和收缩可通过将运动转换成经放大的枢轴运动以直线方式转换成有用功的方式。
权利要求
1.一种用于喷墨打印头的打印头芯片，该打印头芯片包括基片；以及多个喷嘴装置，其被放置在基片上，每个喷嘴装置都包括喷嘴室壁和顶部，其限定喷嘴室，而顶部限定与喷嘴室在流体上连通的墨喷出端口；激励器，其可相对于基片以基本上直线的方式移位；墨喷出机构，其可相对于基片角位移以从墨喷出端口喷出墨；以及平移到旋转转换机构，其被插入于激励器和墨喷出机构之间以将激励器的直线运动转换成墨喷出机构的角度上的位移。
2.权利要求1的打印头芯片，其中墨喷出机构包括墨喷出部件，其被放置在喷嘴室中并且可相对于基片角位移以从墨喷出端口喷出墨。
3.权利要求2的打印头芯片，其中激励器具有被固定于基片上的固定部分和当被加热时能热膨胀从而以所述基本上直线的方式移位的工作部分。
4.权利要求3的打印头芯片，其中平移到旋转转换机构包括枢转部件，其相对于基片是枢转的，枢转部件被连接于热激励器的工作部分以基于工作部分的位移而做枢轴转动，墨喷出部件被连接于枢转部件以使墨喷出部件基于工作部分的膨胀角位移。
5.权利要求4的打印头芯片，其中喷嘴室壁和顶部被定尺寸以使当在平面图中察看时喷嘴室是拉长的，并且具有通常为矩形的形状，从而使喷嘴室壁包括远端壁、近端壁和一对相对侧壁，枢转部件被相邻于近端壁而放置，并且墨喷出端口被相邻于远端壁而放置。
6.权利要求5的打印头芯片，其中每个墨喷出部件被成形以与每个喷嘴室的平面轮廓总体对应，从而使墨喷出部件的一端被放置相邻于墨喷出端口。
7.权利要求6的打印头芯片，其中每个枢转部件和每个墨喷出部件都被配置成使墨喷出部件比枢转部件所限定的有效杠杆臂长近似20和60倍之间。
8.权利要求7的打印头芯片，其中每个墨喷出部件比枢转部件所限定的有效杠杆臂长近似40倍。
9.权利要求1的打印头芯片，其中墨喷出机构处于有源墨喷出结构的形式，该有源墨喷出结构至少部分地限定喷嘴室和顶部，该顶部限定与喷嘴室在流体上连通的墨喷出端口，有源墨喷出结构被枢轴地连接于基片，激励器被连接于有源墨喷出结构以使有源墨喷出结构基于激励器的位移而相对于基片在角位移，从而从墨喷出端口喷出墨。
10.权利要求1的打印头芯片，其是集成电路制造技术的产品。
11.权利要求10的打印头芯片，其中所述基片包括硅晶片基片和被放置在该硅晶片基片上的CMOS层，CMOS层被连接于每个喷嘴装置的激励器以向激励器提供电驱动脉冲。
12.权利要求1的打印头芯片，其中所述基片具有被限定于其中的多个墨入口通道，一个入口通道开口到每个相应的喷嘴室中。
13.一种喷墨打印头，包括权利要求1的至少一个打印头芯片。
全文摘要
一种用于喷墨打印头的打印头芯片包括基片(12)。多个喷嘴装置被放置在基片上。每个喷嘴装置都包括喷嘴室壁(18，20，22)和顶部(24)，其限定喷嘴室(26)。顶部限定与喷嘴室在流体上连通的墨喷出端口(28)。激励器(36)可相对于基片以基本上直线的方式移位。墨喷出机构(44)可相对于基片角位移以从墨喷出端口喷出墨。平移到旋转转换机构(50)被插入于激励器和墨喷出机构之间以将激励器的直线运动转换成墨喷出机构的角位移。
文档编号H04N5/262GK1625478SQ02828783
公开日2005年6月8日 申请日期2002年8月29日 优先权日2002年4月26日
发明者卡·西尔弗布鲁克 申请人:西尔弗布鲁克研究有限公司