CN100588544C - 具有不对称通路的喷墨打印头加热器芯片 - Google Patents
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Abstract
一种喷墨打印头加热器芯片，具有在喷墨打印头移动的往复方向上不对称布置的墨水通路。该墨水通路具有两侧和基本平行于打印介质送进方向的纵向区域。一列流体发射元件只沿着所述两侧中的单侧存在。加热器芯片和墨水通路的每一个均具有质心并且两者都不一个彼此重合。优选地，加热器芯片质心位于墨水通路的边界之外。在其它方面，所述列流体发射元件可以是单列或多列，并且可以在往复方向上居中。墨水通路可以是单个通路或多个通路。加热器芯片可以是矩形的，并且墨水通路可以更靠近加热器芯片的长端或者短端。本发明还公开了容纳所述打印头的喷墨打印机。
Description
技术领域
本发明涉及喷墨打印头。本发明尤其涉及一种具有不对称布置的墨水通路的加热器芯片，并且这种加热器芯片能够节省硅。
背景技术
利用喷墨技术打印图像的技术已经相对公知。通常，通过在精确的时刻从喷墨打印头喷射墨滴，使它们在预定位置撞击打印介质来产生图像。打印头由在诸如喷墨打印机之类的装置内的可移动的打印托架支撑，并且相对于送进的打印介质产生往复运动，并在根据微处理器或其它控制器的命令的时间喷射墨滴。墨滴喷射的时间与被打印图像的象素图案相对应。除了打印机之外，结合了喷墨技术的常见的装置例如还包括传真机、一体机、照片打印机和绘图仪等等。
传统地，热喷墨打印头包括到彩色或单色墨水的本地或远程供应源的通路、加热器芯片、喷嘴或附装到加热器芯片上的孔板、以及在使用中用于将加热器芯片电连接到打印机上的诸如带式自动接合(TAB)电路之类的输入/输出连接器。加热器芯片通常依次包括多个薄膜电阻或加热器，所述多个薄膜电阻或加热器通过在诸如硅之类的基片上沉积、掩模和蚀刻的技术进行制造。穿过硅的厚度切割或蚀刻的一个或多个墨水通路用于流体地将墨水供应源连接到各个单独的加热器上。
为了打印或喷出单个墨滴，一个单独的电阻加热器独自通有少量电流以快速加热少量墨。这使得墨在本地墨腔(在加热器和喷嘴板之间)内蒸发并喷射通过该墨腔，并且由喷嘴板朝向打印介质射出。
在过去，制造者通常将他们的加热器芯片构造成具有居中布置的长的一个或多个墨水通路，在上述墨水通路的两侧都带有附属的加热器。最近，由于加热器芯片已经变得更小并且更密集地与加热器一起封装，一些墨水通路已经仅仅具有沿着其单侧布置的加热器。然而，这些设计继续将它们的墨水通路设置在中间位置，这导致芯片硅浪费。例如，考虑具有居中布置(+)的单个延长墨水通路732的图7A的加热器芯片725，使得大约1000微米的硅(在横交于墨水通路的延长区域的方向上)存在于其两侧。如果加热器芯片在靠近芯片边缘具有按列状布置的接合垫728，则芯片在加热器列和接合垫之间具有固定距离d1、d2，其中上述芯片边缘平行于在墨水通路两侧上的加热器列734-L、734-R。为了在打印头日常维护过程中擦拭加热器之上的喷嘴，擦拭器(未示出)扫过喷嘴表面，但是出于打印头寿命的原因不扫过接合垫。因此，由于打印机以使得所述擦拭器具有下降、升高和行进的固定时间的方式将擦拭器机械和电连接到马达和其它结构上，所以打印头也需要距离d1、d2，以具有某个最小长度以便在避过接合垫的同时有效地擦拭喷嘴。
现在考虑图7B的加热器芯片，其中，已经或许通过更密集地将加热器封装入列732-L、而除去了图7A所示的右边的成列的加热器。如果墨水通路732保持居中布置(+)在芯片上，则因为不再需要擦拭右边的墨水通路(并且不需要最小距离)而从通路的中间到芯片周边741的距离保持相同，所以造成浪费的硅空间。需要注意，图7A、7B的芯片725已经被极大地简化并且通常包括附加的墨水通路和加热器。
因此，喷墨打印头技术需要加热器芯片具有使硅成本最小化的、优化布置的墨水通路。
发明内容
通过应用与此后描述的具有不对称墨水通路的喷墨打印头加热器芯片相关的原理和教示，上述以及其它问题得以解决。
在一种实施例中，喷墨打印头加热器芯片具有在喷墨打印头移动的往复运动方向上不对称地布置的墨水通路。该墨水通路具有两侧和基本平行于打印介质送进方向的纵向区域。一列流体发射元件只沿着两侧中的单侧存在。加热器芯片和墨水通路每一个均具有质心并且没有一个彼此相重合。优选地，加热器芯片质心位于墨水通路边界的外部。在一种实施例中，其位于所述列流体发射元件和墨水通路两侧中的一侧之间。在另一实施例中，所述列流体发射元件通过质心。在加热器芯片上的一列输入终端与喷墨打印机电连通，并且与所述列流体发射元件平行。在一个优选实施例中，以大约880微米的侧向距离分隔两列，同时以大约600微米分离墨水通路与所述列流体发射元件相对侧和加热器芯片的周边。另外，加热器芯片可以包括其它垂直地、水平地或成角度地布置的墨水通路，其中成列的流体发射元件处在上述墨水通路的一侧或两侧上。所述墨水通路位于加热器芯片的厚度内并且流体连接到喷墨打印头内的墨水供应源上。
所述列流体发射元件的垂直相邻的流体发射元件在其间可以或者可以不具有水平间隙。流体发射元件的优选间距范围从一英寸的大约1/300th到大约1/2400th。尽管源于称为加热器芯片的热技术的暗示，然而，流体发射元件可以包括在硅基片上形成薄膜层的热阻加热器元件或者压电元件。
在本发明的另一方面，所述列的流体发射元件在往复方向上基本居中。
在本发明的又一方面，加热器芯片具有单列流体发射元件和单个墨水通路。
本发明还公开了包含加热器芯片的打印头和包含打印头的打印机。
本发明的这些和其它实施例、方面、优点和特征将在随后的描述中阐述，并且通过参照本发明的下面描述和附图、或者通过实践本发明，对于本领域普通技术人员来说部分地将会变得明显。本发明的这些方面、优点和特征，通过在所附权利要求中特别指出的手段、步骤以及组合而实现和获得。
附图说明
图1是根据本发明教示的具有带有不对称墨水通路的加热器芯片的热喷墨打印头的透视图；
图2是根据本发明教示的喷墨打印机的透视图；
图3是根据本发明教示的具有在宽度方向上不对称布置的墨水通路的加热器芯片的示意图；
图4是根据本发明教示的具有多个在长度方向上不对称布置的墨水通路的加热器芯片的示意图；
图5A是根据本发明教示的围绕不对称的墨水通路设置的多个流体发射元件的第一实施例的示意图；
图5B是根据本发明教示的围绕不对称的墨水通路布置的多个流体发射元件的第二实施例的示意图；
图5C是根据本发明教示的围绕不对称的墨水通路布置的多个流体发射元件的第三实施例的示意图；
图6是根据本发明教示的具有在多个宽度方向上不对称布置的墨水通路的加热器芯片的示意图；
图7A是根据现有技术的具有对称布置的墨水通路和两个相应列加热器的喷墨加热器芯片的示意图，以及
图7B是根据现有技术的具有对称布置的墨水通路和一个相应列加热器的喷墨加热器芯片的示意图。
具体实施方式
在下面的优选实施例的详细描述中，对形成说明书一部分的附图和可以实现本发明的具体实施例进行参照，其中附图以例示方式示出。这些实施例被充分详细地描述，以使得本领域技术人员能够实现本发明，并且应当理解：在不脱离本发明范围的情况下，可以使用各种方法、电学的、机械的、化学的、或者其它改变来实现其它的实施例。因此，下面的详细描述并不以限定的意味给出，并且本发明的范围仅仅通过所附的权利要求及它们的等价物来进行限定。此后，根据本发明，我们描述具有不对称布置的墨水通路的喷墨打印头加热器芯片。
参照图1，本发明的喷墨打印头整体被标为10。打印头10具有由用于保持墨水的由任何适当的材料形成的壳体12。其形状可以改变，并且通常是根据载有或包含打印头的外部装置来改变。该壳体具有至少一个在其内部的隔室16，用于保持最初的或可再填充供应的墨水。在一种实施例中，该隔室具有单个腔室并且保持黑墨水、相片墨(photoink)、青色墨水、品红墨水或黄墨水的供应。在其它实施例中，该隔室具有多个腔室并且包含三种墨水的供应。优选地，其包括青、品红和黄色墨水。在其它实施例中，该隔室包含黑、相片、青、品红或黄色墨水中的多个。然而，应当理解，虽然将隔室16表示为在本地一体化到打印头的壳体12内，但是，例如，也可以选择连接到远程墨源并且通过管道接收供应。
柔性电路、特别是带式自动接合(TAB)电路20的一部分19被粘附到壳体12的一个表面18上。TAB电路20的其它部分21粘附到壳体的另一表面22上。在该实施例中，两个表面18、22关于壳体的边缘23彼此垂直地布置。
TAB电路20在其上支持有多个输入/输出(I/O)连接器24，上述多个输入/输出(I/O)连接器24用于在使用过程中将加热器芯片25电连接到诸如打印机、传真机、复印机、相片打印机、绘图机、一体机等等之类的外部装置上。多个电连接器26处在TAB电路20上，以将I/O连接器24电连接和短接到加热器芯片25的输入终端(接合垫28)上。本领域技术人员知道用于实现这些连接的不同技术。为了简化，图1仅仅示出8个I/O连接器24、8个电导体26和8个接合垫28，但是目前的打印头具有更大的数量，并且在本文中等同于包括任何数字。更进一步，本领域技术人员应当理解：虽然连接器、导体和接合垫的数量彼此相等，但是实际打印头可以具有不同的数量。
加热器芯片25包含多个流体发射元件的列34，其在使用过程中用于从隔室16喷墨。尽管源于称为加热器芯片的热技术暗示，流体发射元件可以包括在硅基片上形成薄膜层的热阻加热器元件(用于短路的加热器)或者压电元件。为了简化，在列34内的多个流体发射元件被示为五个点一排，但是在实际中可以包括几百或几千个流体发射元件。如下所述，垂直相邻的流体发射元件在它们之间可以或可以不具有横向间隙或交错排列。通常，流体发射元件具有可以与附属打印机的点每英寸的分辨率比较的垂直间距。一些例子包括沿着通路的纵向区域的一英寸的1/300、1/600、1/1200、1/2400或其它的间隔。为了形成通路，已知穿过加热器芯片的厚度切割或蚀刻通路的许多加工方法。一些更优选的加工方法包括喷砂或诸如湿式、干式、反应离子蚀刻、深度反应离子蚀刻之类的蚀刻或其它方法。喷嘴板(未示出)具有与每个加热器对齐的孔，以便在使用过程中喷墨。该喷嘴板可以附着有胶粘层或环氧树脂或者可以制造成硅薄膜层。
参照图2，用于包含打印头10的喷墨打印机形式的外部设备整体上标为40。打印机40包括托架42，该托架42具有用于包含一个或多个打印头10的多个槽44。托架42借助于提供给驱动带50的运动力沿着轴48在打印区46上(根据控制器57的输出59)往复运动，这一点在本领域是公知的。相对于打印介质产生托架42的往复运动，该打印介质例如为一张纸52，其沿着纸张路径在打印机40中从输入托盘54通过打印区46到输出托盘56送进。
同时在打印区，托架42在基本上垂直于纸52的往复方向上往复运动，上述纸52在如箭头所示的送进方向上送进。在相应于打印机微处理器或其它控制器57的指令的时间，使来自隔室16(图1)的墨滴从加热器芯片25喷射。墨滴喷射的时间对应于被打印图像的象素的图案。通常，这些图案在电连接到控制器57上的装置中产生(经由分机输出)，该控制器57位于打印机外部并且包括、但不限定于计算机、扫描仪、照相机、可视显示单元、个人数字助理及其它装置等。
为了打印或喷出单个墨滴，流体发射元件(列34的所述点，图1)独自通有少量电流以快速加热少量墨水。这引起墨水在加热器和喷嘴板之间的本地墨水腔室内蒸发并喷射通过该本地墨水腔室，并且通过喷嘴板喷向打印介质。喷射这种墨滴所需的发射脉冲可以为单个或分离的发射脉冲，并且在输入终端(例如接合垫28)上的加热器芯片处、从在接合垫28、电导体26、I/O连接器24和控制器57之间的连接进行接收。内部加热器芯片配线从输入终端向一个或多个流体发射元件传送发射信号。
具有用户选择界面60的控制面板58也伴有许多打印机62作为向控制器57的输入62，以提供额外的打印机容量和稳定性。
参照图3，本发明的一种实施例的加热器芯片325具有单个墨水通路332，该墨水通路332具有由两侧384、386限定的纵向延伸。多个流体发射元件335的单列334只沿着墨水通路的两侧之一存在。
芯片质心(+)位于在墨水通路的边界337之外的单列334内。通路质心(·)在宽度方向w上实质上偏离芯片质心，使得两个质心不重合。按照这种方式，加热器芯片具有不对称布置的墨水通路并且不再浪费在不包含任何流体发射元件的墨水通路的一侧的硅空间。在优选实施例中，在芯片质心和通路质心之间的直线距离大约为150微米。而且，从侧部386到加热器芯片的周边339的距离大约是600微米，其相对现有技术节省了大约100到300微米的硅。
在另一实施例中，流体发射元件的所述列在加热器芯片的宽度方向w上基本上居中，使得距离D1基本等距离于距离D2。当在使用中在喷墨打印机中定向喷墨打印头时，宽度方向w对应于图2的往复方向。因此，单个墨水通路332因而在往复方向上不对称地布置。
在现代的晶片切割实践中，从更大的多芯片晶片上切下单个的加热器芯片将很可能在其最大表面积中包含矩形形状，并且具有所示的两个长端341和短端343。加热器芯片的代表性的长度距离L是大约17毫米(mm)，而宽度距离w是大约3mm。
将会理解到本发明预想到了其它加热器芯片几何形状，这些几何形状例如为椭圆、圆形、正方形、三角形、多边形或给予它们自身对称或不对称周边或者规则或不规则边界的其它形状。为了计算芯片质心，使用公知的标准公式。由于加热器芯片本身是三维(3-D)物体，所以用于本发明目的的芯片质心能够或对应于实际3-D物体的芯片质心、或对应于示意性示出的2-D图的芯片质心。同样，通路质心的计算通过标准公式进行，并且可以对应于实际3-D物体或者2-D图形表示。
由于矩形加热器芯片的墨水通路可以包括在往复方向但不在宽度方向上保持不对称的其它取向，现在对具有长度不对称的通路的图4的加热器芯片425进行参照。特别地，布置多个墨水通路432-L、432-M、432-R(如图中所示的左、中、右)，使它们的长度方向区域基本上平行于芯片的宽度方向。然而，没有通路质心(·)与芯片质心(+)重合。如所图所示，两个最右边的墨水通路更靠近短端443-R，而最左边的通路更靠近另一个短端443-L。然而，同时地，所有墨水通路相对于两个长端441基本上等距离。
优选地，芯片质心(+)位于流体发射元件的列434-M和中间墨水通路432-M的纵向侧484之间。优选的芯片距离包括大约8mm的长度方向距离和大约5.1mm的宽度方向距离。或者，长度方向距离更短并且大约是5.1mm，而宽度方向距离大约是8mm。流体发射元件的最左列434-L距离加热器芯片的短端周边443-L大约1.2mm(D3)，而流体发射元件的最右列434-R距离另一短端周边443-R大约1mm(D4)。
参照图5A-5C，本领域技术人员将会理解：流体发射元件的任何给出列将包括多个单个的流体发射元件，它们由数字1到n(图5A、5B)或数字1到n-1或2到n(图5C)表示。在图5A中，给定列534的流体发射元件只沿着具有纵向区域的墨水通路532的一侧584存在，并且具有在垂直相邻的流体发射元件之间的微小水平间隙S。在优选实施例中，间隙S大约是一英寸的3/1200。在垂直相邻的流体发射元件之间的垂直距离为流体发射元件间距，并且通常对应于它们所使用的打印机的DPI。因此，优选的间距包括但不限定于一英寸的1/300、1/600、1/1200、1/2400。
在图5B中，垂直相邻的流体发射元件沿着墨水通路的整个长度彼此基本线性对齐，尽管图5A、5B中的流体发射元件被表示为只在通路的左侧上，但是可以很容易地使它位于右侧上。即便缺少已经在图中描述的直线性，但是它们也能够包含“列”。
在图5C中，加热器芯片的一些墨水通路可以具有多于一列的流体发射元件，并且均可以布置在墨水通路532的相同侧或者相反侧上，并处在列534-L和534-R中。每个列可以或可以不具有在垂直相邻的流体发射元件之间的间隙S1、S2。优选地，间隙S1、S2基本相等。可以在顺序编号的流体发射元件之间测量在该实施例中的间距P，使得两倍间距2P垂直间隔存在于顺序的奇数或偶数编号的流体发射元件之间。
在另一实施例中，如图6所示，加热器芯片625可以具有更靠近芯片的单个端、例如长端641-R不对称地布置的所有多个墨水通路632。如前面所述，不对称性也可以按照质心来描述，并且没有墨水通路质心(·)与芯片质心(+)相重合。在一种实施例中，芯片质心位于在流体发射元件634的列(示出为线)和中间墨水通路的周边637之间的位置A。在另一实施例中，流体发射元件的列在往复方向上位于中间并且芯片质心(+)位于位置B。
仅仅为了表示的目的，成列布置的输入终端、接合垫628基本上平行流体发射元件的所述列并且距离它们大约880微米(d1)。在墨水通路的纵向侧686之一和加热器芯片周边641-R之间的距离是大约600微米。
虽然在前面附图中示出的芯片质心都位于任一个墨水通路的边界之外，但是本发明并不因此限定为排除芯片质心存在于墨水通路的边界之内。
再进一步，本领域技术人员将会理解到：示出的加热器芯片是经过一系列生长、沉积、掩模、光刻、和/或蚀刻或其它加工步骤对基片进行加工获得的。如此，优选的沉积技术包括、但不限定于任何种类的化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、取向附生、蒸发、溅射或其它类似的已知技术。优选的CVD技术包括低压(LP)CVD、但也可以包括气压(AP)、等离子增强(PE)、高密度等离子(HDP)或其它。优选的蚀刻技术包括、但不限于任何类型的湿式或干式蚀刻、反应离子蚀刻、深度反应离子蚀刻等等。优选的光刻步骤包括、但不限于暴露给紫外线或x射线源或其它，并且光掩模包括光掩模岛和/或光掩模孔。对于特定的实施例，采用岛或孔取决于掩模的构造是透明场还是暗场掩模，而这些术语在本领域中公知。
在优选的实施例中，加热器芯片的基片包括p型、100取向、具有5-20欧姆/cm电阻的硅晶片。其起始厚度优选是如下中任何一个：对于100+/-0.50mm、125+/-0.50m和150+/-0.50mm的各晶片直径，分别为525+/-20微米M1.5-89、625+/-20微米M1.7-89或625+/-15微米M1.13-90。
最后，前面的描述用于例示和描述本发明不同方面。然而这些描述并不意欲排除或将本发明限定为在此公开精确的形式。因此，选择前述实施例以提供本发明原理及其实际应用的最佳例示，以便从而使得本领域普通技术人员能够在各种实施例中使用本发明并且进行适于预期的特定应用的各种修改。当根据它们被公平、合法和公正地授予的保护范围进行解释时，所有这些修改和变型均处在由所附权利要求所确定的本发明的范围之内。
Claims (10)
1.一种用于喷墨打印头的加热器芯片，包括：
芯片质心；
一列墨水发射元件；以及
在两侧具有纵向区域的单个墨水通路，所述列墨水发射元件只沿着所述两侧中之一存在，其中，所述单个墨水通路的通路质心偏离所述芯片质心，所述墨水通路距所述芯片的一端比距所述芯片的相对端更近。
2.如权利要求1所述的加热器芯片，其中，所述芯片质心位于所述单个墨水通路的所述两侧中的一侧和所述列墨水发射元件之间。
3.如权利要求1所述的加热器芯片，其中，所述芯片质心位于所述列墨水发射元件之内。
4.如权利要求1所述的加热器芯片，进一步包括一列电输入终端，并且在所述列电输入终端和所述列墨水发射元件之间的距离是大约880微米。
5.如权利要求1所述的加热器芯片，其中，在所述单个墨水通路的所述两侧中的另一侧和所述加热器芯片的周边之间的距离是大约600微米。
6.一种在使用中沿往复方向相对于打印介质移动的用于喷墨打印头的加热器芯片，包括：
一列墨水发射元件；以及
不超过一个的墨水通路，所述不超过一个的墨水通路在所述往复方向上不对称地布置，所述墨水通路距所述芯片的一端比距所述芯片的相对端更近，所述列的墨水发射元件只沿着所述不超过一个的墨水通路的单侧存在。
7.如权利要求6所述的加热器芯片，进一步包括一列电输入终端，所述列墨水发射元件距离所述列电输入终端大约880微米。
8.如权利要求6所述的加热器芯片，其中，所述列墨水发射元件具有在垂直相邻的所述墨水发射元件之间的间隙。
9.一种在使用中沿垂直于介质送进方向的往复方向移动的用于喷墨打印头的加热器芯片，包括：
不超过一列的墨水发射元件，所述不超过一列的墨水发射元件在所述往复方向上居中；以及
墨水通路，所述不超过一列的墨水发射元件只沿着所述墨水通路的单侧存在，所述墨水通路距所述芯片的一端比距所述芯片的相对端更近。
10.一种在使用中沿往复方向相对于在送进方向上送进的打印介质移动的用于喷墨打印机的喷墨打印头，包括：
墨水的供应源；
支持多个I/O连接器和多个电导体的柔性电路；以及
加热器芯片，其具有一个芯片质心并且包括：
电连接到所述多个电导体和I/O连接器上的一列输入终端；
距离所述列输入终端大约880微米的一列墨水发射元件，其可操作用以在接收到来自所述列输入终端中的一个输入终端的发射信号时，从所述墨水供应源喷射墨滴；以及
不超过一个的墨水通路，所述不超过一个的墨水通路具有不与所述芯片质心重合的通路质心，所述墨水通路距所述芯片的一端比距所述芯片的相对端更近，并且所述不超过一个的墨水通路具有两侧和平行于所述送进方向的纵向区域，该墨水通路在所述往复方向上不对称地布置，所述列墨水发射元件只沿着所述两侧中的一侧存在，所述两侧中的另一侧与所述加热器芯片的周边相距大约600微米存在。
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