CN1625475A - 用于喷墨打印头芯片的对称激励的喷墨部件 - Google Patents

Abstract

一种用于喷墨打印头的打印头芯片，包括在一硅晶片基片(12)上的多个喷嘴装置。每个喷嘴装置(10)具有置于该基片上的有源和静态喷墨结构。该有源喷墨结构(20)具有一顶(22)，该顶上限定有喷墨端口(26)；所述有源喷墨结构(20)和静态喷墨结构(34)一起限定与墨源流体连通的喷嘴室(42)。至少两个热弯曲激励器(28)被可操作地关于有源喷墨结构布置成使有源喷墨结构可相对于静止喷墨结构朝向和远离基片移位，以降低喷嘴室的容积以从喷嘴室喷出墨滴。所述激励器(28)被配置并且被连接于有源喷墨结构，以将基本上直线的运动传递给有源喷墨结构。

Description

用于喷墨打印头芯片的对称激励的喷墨部件

技术领域

本发明涉及一种用于喷墨打印头的打印头芯片。更具体而言，本发明涉及一种打印头芯片，其包括多个对称激励的、移动喷嘴装置。

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***(MEMS)的部件以实现打印所必要的喷墨。

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，所述芯片总共结合了高达84000个喷嘴装置。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。

申请人已克服了实现喷墨打印头内必要的墨流动和墨滴分离的基本困难。

如可在以上参考的专利/专利申请中可指出的，申请人所开发的许多打印头芯片包括限定喷墨端口的结构。该结构可相对于基片移位以从喷嘴室喷出墨。所述结构位移的结果是使喷嘴室内墨体积减小。这种配置的具体困难是实现所述结构运动的足够外延和速度以实现墨滴喷出。在喷嘴装置的微观尺度上，运动的这种外延和速度可通过确保喷墨结构的运动尽可能有效而在大程度上实现。

申请人已构思本发明来实现这种运动的有效性。

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，其被置于基片上，每个喷嘴装置包括

有源喷墨结构，其被置于所述基片上并且与基片隔开，该有源喷墨结构具有顶，其具有被限定在顶上的喷墨端口；

静态喷墨结构，其被置于基片上，所述有源喷墨结构和静态喷墨结构一起限定与墨源流体连通的喷嘴室，所述有源喷墨结构可相对于静态喷墨结构朝向和远离基片移位以减小和增加喷嘴室的容积，从而从喷嘴室喷出墨滴；以及

至少两个激励器，其被可操作地相对于有源喷墨结构布置成使有源喷墨结构相对于静态喷墨结构朝向和远离基片移位，所述激励器被配置并且被连接于有源喷墨结构以将基本上直线的运动传递给有源喷墨结构。

通过举例，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。

附图说明

在附图中：

图1示出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三维视图；

图2示出图1的喷嘴装置的三维截面图；

图3示出图1的喷嘴装置的热弯曲激励器的横截面图；

图4示出在墨滴喷出的初始阶段中，图1的喷嘴装置的三维截面图；

图5示出在墨滴喷出的终止阶段中，图1的喷嘴装置的三维截面图；

图6示出图1的喷嘴装置的一个耦合结构的示意图；

图7示出当喷嘴装置处于静止状态时，被附着于喷嘴装置的有源喷墨结构的耦合结构的一部分的示意图；

图8示出当喷嘴装置处于操作状态时的图7的部分；

图9示出当喷嘴装置处于静止状态时，所述耦合结构的连接板的中间段；

图10示出当喷嘴装置处于操作状态时，图9的中间段；

图11示出当喷嘴装置处于静止状态时，被附着于喷嘴装置的连接元件的耦合结构的一部分的示意图；

图12示出当喷嘴装置处于操作状态时，图11的一部分；并且

图13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平面视图。

具体实施方式

在图1到图5中，参考数字10概括指示用于喷墨打印头的依照本发明的打印头芯片的喷嘴装置。

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技术中所提出的，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，仅描述一个喷嘴装置。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物。具体而言，每个喷嘴装置10都是基于MEMS的制造技术的产物。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不同的移动部件，而牺牲层被刻蚀掉以释放所述部件。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部件，所述晶片随后被切成小片以使各种部件彼此分离。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被置于硅晶片基片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说明书并不重要，并因此在附图中未以任何细节示出。说明以下内容就足够了：其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。由此，此类细节将不在本说明书中提出。

墨钝化层16被置于驱动电路层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包括墨入口通道18，其是被限定在基片12中的多个这种墨入口通道之一。

喷嘴装置10包括有源喷墨结构20。有源喷墨结构20具有顶22和悬垂于顶22的侧壁24。喷墨端口26被限定于顶22中。

有源喷墨结构20被连接于一对热弯曲激励器28并且被连接于其之间，所述激励器具有耦合结构30，以下会对其进行更详细的描述。顶22通常在平面图中是矩形的，并且更具体而言在平面图中可以是正方形的。这只是便于将激励器28连接于顶22，并不重要。例如，在三个激励器被提供的情况下，顶22通常在平面图中可以是三角形的。由此也可以有适合的其它形状。

有源喷墨结构20被连接于热弯曲激励器28之间以使侧壁24的自由边32与墨钝化层16隔开。将理解，侧壁24界定了顶22和基片12之间的区域。

顶22通常是平面的，但限定了界定喷墨端口26的喷嘴轮圈76。顶22亦限定被置于喷嘴轮圈76周围的凹槽78，其在墨浸湿于喷嘴轮圈76外的情况下用来抑制墨散布。

喷嘴装置10包括静态喷墨结构34，其从基片12延伸向顶22并且延伸到侧壁24所界定的区域中。静态喷墨结构34和有源喷墨结构20一起限定喷嘴室42，其与墨入口通道18的开口38流体连通。静态喷墨结构34具有壁部分36，其界定墨入口通道18的开口38。墨位移构造40被置于壁部分36上并且限定墨位移区，该区足够大以便于当有源墨位移结构20被移位向基片12时从喷墨端口26喷出墨。开口38与喷墨端口26基本上对准。

热弯曲激励器28基本上是相同的。由此，假定类似的驱动信号被提供给每个热弯曲激励器28，则热弯曲激励器28的每个都在有源喷墨结构20上产生基本上相同的力。

在图3中更详细地示出了热弯曲激励器28。热弯曲激励器28包括具有U型结构的臂44。臂44由电传导性材料制成，其具有这样的热膨胀系数：即由于被加热然后被冷却时这种材料的适当部件膨胀和收缩，该部件能在MEMS的尺度上进行工作。所述材料可以是许多中的一个。然而，理想的是该材料具有这样的杨氏模量：即由在部件通过差温加热而弯曲时，部件中所存储的能量在部件冷却以帮助将部件返回到起始状态时被释放。申请人已发现适当的材料是氮化铝钛(TiAlN)。然而，其它传导性材料亦可适合，这取决于其相应的热膨胀系数和杨氏模量。

臂44具有一对外部无源部分46和一对内有源部分48。外部无源部分46具有无源固定器50，其每个都通过钛和二氧化硅或者等效材料的相继层的保持结构52而与墨钝化层16紧固。

内有源部分48具有有源固定器54，其每个都与驱动电路层14是紧固的，并且被电连接于驱动电路层14。这亦是借助具有钛和二氧化硅或者等效材料的相继层的保持结构56而实现的。

臂44具有工作端，其由互连部分46、48的桥部分58来限定。由此，在有源固定器54被连接于驱动电路层14中的适当电接触时，内有源部分48限定电路。此外，部分46、48具有适当的电阻以使当来自CMOS驱动电路的电流经过内有源部分48时，内有源部分48被加热。将理解，基本上没有电流经过外部无源部分46，从而导致无源部分加热到比内有源部分48明显小的程度。这样，内有源部分48膨胀到比外部无源部分46大的程度。

如在图3中可看到的，每个外部无源部分46都具有一对外部水平延伸段60和中心水平延伸段62。中心段62借助一对垂直延伸段64而连接于外部段60以使中心段62被置于基片12和外部段60的中间。

每个内有源部分48都具有横向轮廓，其基本上是外无源部分46的倒置。这样，内有源部分48的外部段66基本与无源部分46的外部段60共面，并且被置于内有源部分48的中心段68和基片12的中间。由此，内有源部分48限定这样的体积，其被放置得比外部无源部分46距离基片12远。因此将理解，内有源部分48的较大膨胀导致臂44向着基片12弯曲。臂44的这种运动被传递给有源喷墨结构20以将有源喷墨结构20移位向基片12。

臂44向着基片12的这种弯曲以及有源喷墨结构20的随后位移被指示于图4中。由CMOS驱动电路所提供的电流是这样的，其使得有源墨位移结构20的运动的外延和速度导致在喷墨端口26外侧形成墨滴70。当内有源部分48中的电流被中断时，内有源部分48冷却，从而使臂44返回到图1中所示的位置。如在以上所讨论的，臂44的材料是这样的，无源部分46中所聚集的能量的释放帮助臂44返回到其起始状态。具体而言，臂44被配置成使臂44以足以导致墨滴70与喷嘴室42内的墨分离的速度返回到其起始位置。

在宏观尺度上，使用材料的热膨胀和收缩来实现功能部件的运动是反直觉的。然而，申请人已发现，在微观尺度上，由热膨胀产生的运动快得足以允许功能部件进行工作。当适当的材料，如TiAlN被选择用于所述功能部件时尤其是这样。

每个桥部分58上安装了一个耦合结构30。如在以上所提出的，耦合结构30被置于相应的热激励器28和顶22之间。将理解，当臂44以上述方式被弯曲和弄直时，每个热激励器28的桥部分58都追踪弓形路径。这样，当被激励时，相对取向的激励器28的桥部分58趋向于彼此远离移动，而有源喷墨结构20保持直线路径。由此，耦合结构30应适应两个轴上的运动，以有效地起作用。

一个耦合结构30的细节被示出于图6中。将理解，另一个耦合结构30简单地是图6中所示的倒置。由此，仅描述一个耦合结构30是方便的。

耦合结构30包括连接元件78，其被置于热激励器28的桥部分58上。连接元件74具有通常为平面的表面80，当喷嘴装置10处于静止状态时，该表面与顶22基本上共面。

一对隔开的近处舌片82被置于连接元件74上以向顶22延伸。同样，一对隔开的远处舌片84被置于顶22上以向连接元件74延伸，以便使舌片82、84在与基片12平行的公用平面中重叠。舌片82被***于舌片84之间。

杆86从每个舌片82向基片12延伸。同样，杆88从每个舌片84向基片12延伸。杆86、88基本上相同。连接结构30包括连接板90。板90被***于舌片82、84和基片12之间。板90互连杆86、88的末端92。这样，舌片82、84借助杆86、88和连接板90而彼此连接。

在制造喷嘴装置的过程中，被淀积并且随后被刻蚀的材料的层包括TiAlN、钛和二氧化硅层。这样，热激励器28、连接板90和静态喷墨结构34由TiAlN制成。此外，保持结构52、56和连接元件74均为复合的，其具有钛层94和被置于层74上的二氧化硅层96。层74被成形以与热激励器28的桥部分58嵌套(nest)。杆86、88和侧壁24由钛制成。舌片82、84和顶22由二氧化硅制成。

当CMOS驱动电路在热弯曲激励器28中产生适当的电流时，连接元件74被驱动于如图6中借助箭头98而指示的弓形路径中。这导致推力由杆86施加于连接板90上。如以上所述，一个激励器28被置于顶22的一对相对侧100的每个上。由此可以得出结论，向下的推力被传送给顶22以使顶22和远处舌片84在直线路径上移向基片12。推力借助杆88和舌片84而被传送给顶22。

杆86、88和连接板90的尺寸被定为使在从喷墨端口26喷出墨期间当顶22被移位向基片12时，杆86、88和连接板90可形变以适应顶22和连接元件74的相对位移。杆86、88的钛所具有的杨氏模量足以使得在顶22被远离喷墨端口26而移位时，允许杆86、88返回到弄直状态。连接板90的钛所具有的杨氏模量也足以使得在当顶22被远离喷墨端口26移位时，允许连接板90返回到起始状态。使杆86、88和连接板90变形的方式示于图7到12中。

为方便起见，基片12被假定为水平的，从而墨滴喷出沿垂直方向。

如在图11和12中可看到的，当热弯曲激励器28接收到来自CMOS驱动电路的电流时，连接元件74被驱动向基片12，如以上所提出的。这用来将连接板90移位向基片12。连接板90又借助杆88将顶22拉向基片12。如以上所述，顶22的位移是直线的并因此是垂直的。由此得出结论，远处舌片84的位移被约束在垂直路径上。然而，近处舌片82的位移是弓形的并且具有垂直和水平分量两者，水平分量通常远离顶22。杆86、88和连接板90的形变因此适应近处舌片82的运动的水平分量。

具体而言，如图12中所述，杆86弯曲并且连接板90部分旋转。在该操作状态下，近处舌片82相对于基片而成一角度。这用来适应近处舌片82的位置。如以上所提出的，远处舌片84保持在如图8中的箭头102所指示的直线路径中。这样，如图8中所示的由于板90所传送的扭矩而弯曲的杆88抵抗连接板90的部分旋转。将理解，每个杆86及其相邻杆88之间的中间部分104亦经历部分旋转，尽管不到与图12中所示部分相同的程度，图8中所示的部分经历最小的旋转量，这是由于对这种旋转的阻力在杆88处最大的事实。由此得出结论，连接板90沿其长度被局部扭动以适应不同的旋转程度。该局部扭动允许板90用作扭转弹簧以便于当顶22被远离基片12而移位时分离墨滴70。

在这一点上，应理解，舌片82、84，杆86、88以及连接板90全都相互紧固以使这些部件的相对运动不是由这些部件之间的任何相对滑动运动而实现的。

由此得出结论，杆86、88的弯曲在杆86、88的每个中建立了三个弯曲节点，这是因为杆86、88相对于舌片82、84的枢轴运动被抑制。这增强了杆86、88的操作弹性并因此亦便于当顶22被远离基片12而移位时分离墨滴70。

在图13中，参考数字110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12，除非另外指定，相同的参考数字代表相同的部件。

喷嘴装置110包括四个被对称布置的热弯曲激励器28。每个热弯曲激励器28都被连接于顶22的相应侧112。热弯曲激励器28基本上相同以确保顶22以直线方式被移位。

静态喷墨结构34具有内壁116和外壁118一起限定壁部分36。向内导向的突出部分(ledge)114被置于内壁116上并延伸到喷嘴室42中。

密封构造120被置于外壁118上以从壁部分38向外延伸。所遵循的是，密封构造120和突出部分114限定墨位移构造40。

密封构造120包括向着基片12开口的凹状(re-entrant)部分122。唇124被置于再进入部分122上以从再进入部分122水平延伸。密封构造120和侧壁24被配置成当喷嘴装置10处于静止状态时，唇124和侧壁24的自由边126彼此水平对准。唇124和自由边126之间的距离是这样的，当喷嘴室42被填充了墨72时，在密封构造120和自由边126之间限定一弯液面。当喷嘴装置10处于操作状态时，自由边126被***于唇124和基片12之间，并且弯液面拉伸以适应该运动。由此得出结论，当室42被填充了墨72时，一流体密封被限定于密封构造120和侧壁24的自由边126之间。

申请人认为，本发明提供了一种可实现喷墨部件的基本上直线的运动的装置。申请人已发现，这种形式的运动提高了喷嘴装置10的操作效率。此外，有源喷墨结构20的直线运动导致了干净滴形成和分离，这是作为喷墨打印头制造者的首要目标的特征。

Claims (12)

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，其被置于所述基片上，每个喷嘴装置包括

有源喷墨结构，其被置于所述基片上并且与所述基片隔开，该有源喷墨结构具有一顶，该顶上限定有喷墨端口；

静态喷墨结构，其被置于所述基片上，所述有源喷墨结构和静态喷墨结构一起限定与墨源流体连通的喷嘴室，该有源喷墨结构可相对于静态喷墨结构朝向和远离基片移位，以减小和增加喷嘴室的容积从而从喷嘴室喷出墨滴；以及

至少两个激励器，其被可操作地布置成使有源喷墨结构可相对于静止喷墨结构朝向和远离基片移位，所述激励器被配置并且被连接于有源喷墨结构，以将基本上直线的运动传递给有源喷墨结构。

2.如权利要求1的打印头芯片，其为集成电路制造技术的产物。

3.如权利要求2的打印头芯片，其中基片结合了CMOS驱动电路，每个激励器都被连接于CMOS驱动电路。

4.如权利要求1的打印头芯片，其中许多激励器以基本上圆对称的方式被置于所述有源喷墨结构周围。

5.如权利要求4的打印头芯片，其包括一对基本上相同的激励器，被置在所述有源喷墨结构的一对相对侧的每个上放置一个激励器。

6.如权利要求3的打印头芯片，其中所述有源喷墨结构包括从所述顶悬垂的侧壁，所述侧壁的尺寸被形成以界定静态喷墨结构。

7.如权利要求6的打印头芯片，其中所述静态喷墨结构限定一墨位移构造，其与所述基片隔开，并且面向有源喷墨结构的顶，该墨位移构造限定墨位移区，其尺寸被形成为当有源喷墨结构被向着基片移位时便于从喷墨端口喷出墨。

8.如权利要求7的打印头芯片，其中，所述基片限定多个墨入口通道，一个墨入口通道在墨入口开口处通向每个相应的喷嘴室。

9.如权利要求8的打印头芯片，其中每个喷嘴装置的墨入口通道与喷墨端口基本上对准地通向喷嘴室，所述静态喷墨结构被置于墨入口开口周围。

10.如权利要求1的打印头芯片，其中每个激励器均为热弯曲激励器的形式，每个热弯曲激励器都在一端被连接于基片而可在相对端相对于基片移动，并且具有激励器臂，其在激励器臂中产生差热膨胀时弯曲，每个热弯曲激励器都被连接于CMOS驱动电路，从而当热弯曲激励器从CMOS驱动电路接收驱动信号时，向着基片弯曲。

11.如权利要求10的打印头芯片，其包括至少两个耦合结构，一个耦合结构被置于每个激励器和有源喷墨结构的中间，每个耦合结构都被配置成适应每个热弯曲激励器的所述相对端的弓形运动和有源喷墨结构的所述基本上直线的运动两者。

12.如权利要求1的打印头芯片，其中有源喷墨元件和无源喷墨元件被成形以使当墨被接收于喷嘴室内时，喷墨元件和墨限定流体密封以抑制墨泄漏出喷墨元件之间的喷嘴室。

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