CN1192895C - 双滴尺寸打印头 - Google Patents

Abstract

一种喷墨打印头具有用于喷射第一质量墨滴的第一直径的第一喷嘴(10)，和具有用于喷射第二质量墨滴的第二直径的第二喷嘴(12)。第一直径大于第二直径，及第一质量大于第二质量。第一和第二加热器-切换电路对在基板上并联。第一加热器-切换电路对包括位于第一喷嘴附近的第一加热器，及第二加热器-切换电路对包括位于第二喷嘴附近的第二加热器。第一(14)和第二(16)加热器由在基板(4)上占用第一和第二加热器区的电阻性材料组成。

Description

双滴尺寸打印头

技术领域

本发明一般涉及一种用于打印多种尺寸墨滴的喷墨打印头。更具体地，本发明涉及一种具有加热元件和多种尺寸切换半导体的用于打印多种尺寸墨滴的喷墨打印头。

背景技术

由于喷墨打印机的高打印质量和合理价格，它们的市场日益扩大。当市场对于喷墨打印机的需求增长时，也期待它改进图像质量。喷墨打印机设计的一个目标是达到连续色调图像例如像片的质量。达到像片质量图像的一个方案是增加喷墨打印机能够产生的灰度级别数量。

喷墨打印机通过从打印头中的喷嘴中喷出墨滴而在纸张上形成图像。打印头内的加热元件将墨加热，从而形成气泡以便将墨压出喷嘴。通过使用多种尺寸墨滴的组合来打印象素，能够增加喷墨打印机产生的灰度级别数量。

一个产生多种尺寸墨滴的方案是从多种尺寸的喷嘴中喷出墨滴。然而，使用多种喷嘴尺寸而不对加热电阻器作相应调整在能源上是不经济的。可以通过相对于准备从喷嘴中喷出的墨滴尺寸来调整加热元件尺寸，从而以更为经济的方式得到多种尺寸墨滴。

然而，喷墨打印头中的不同加热元件尺寸会促使传给墨的能量发生不必要的波动。这些能量波动降低打印图像的总体质量。

因此，需要一种打印头，它能够打印多种尺寸墨滴而不会使传给墨的能量发生不必要的波动。

发明内容

以上和其他要求都能通过一种具有多个用于向打印媒质喷射墨滴的喷嘴的喷墨打印头得到满足。这些多个喷嘴包括具有用于喷射第一质量墨滴的第一直径的第一喷嘴，和具有用于喷射第二质量墨滴的第二直径的第二喷嘴。第一直径大于第二直径，及第一质量大于第二质量。该打印头包括一块包含多个喷嘴的喷嘴板和一块位于喷嘴板附近的基板。

第一加热器位于基板上第一喷嘴附近，其中每个第一加热器与一个相应的第一喷嘴相关联。每个第一加热器由电阻性材料组成。该电阻性材料占用基板上第一加热器区以及具有第一加热器电阻。当一个第一电流实际上在第一方向内流经电阻性材料时，每个第一加热器产生热量。第一切换装置也位于基板上第一加热器附近。每个具有第一切换电阻的第一切换装置与相应的第一加热器串联地连接。

第二加热器位于基板上第二喷嘴附近，其中每个第二加热器与一个相应的第二喷嘴相关联。每个第二加热器由电阻性材料组成。该电阻性材料占用基板上第二加热器区以及具有第二加热器电阻。当一个第二电流实际上在第一方向内流经电阻性材料时，每个第二加热器产生热量。第二切换装置位于基板上第二加热器附近，并且电气上与第一加热器串联地连接。

在本发明优选实施例中，第一加热器电阻小于第二加热器电阻，及第一切换电阻小于第二切换电阻。

在本发明另一个优选实施例中，跨越每个第一切换装置的电压降实际上等效于跨越每个第二切换装置的电压降。本发明的这个特征能够减少不同喷嘴之间传给墨能量的不必要波动。通过减少不同喷嘴之间用于喷射墨而传给墨的能量波动，本发明能够显著地提高打印质量。

每个第一加热器所占用的基板上第一加热器区由在第一方向内的第一加热器长度和在正交于第一方向的第二方向内的第一加热器宽度所限定。每个第二加热器所占用的基板上第二加热器区由在第一方向内的第二加热器长度和在第二方向内的第二加热器宽度所限定。在本发明优选实施例中，第二加热器宽度小于第一加热器宽度，而第二加热器长度大于第一加热器长度，以及第二加热器区小于第一加热器区。由于加热器区正比于由加热器产生以用于将墨自其相关联的喷嘴喷射的热能，本发明通过将加热器区与喷嘴直径关联起来而更有效地传送热能。

附图说明

当以下说明被结合其中通过阐述性例子显示本发明优选实施例的附图来考虑时，将使本发明的以上和其他目的、特征和优点更为明显，其中在所有图中相同参考字符标示相同或类似元件，附图中：

图1阐述根据本发明优选实施例的一个喷墨打印头；

图2阐述根据本发明优选实施例的喷墨打印头的一个喷嘴板中的喷嘴阵列；

图3阐述根据本发明优选实施例的打印头基板上加热器和切换装置的配置；

图4是根据本发明优选实施例的喷嘴板和基板结构的剖面图；

图5a是根据本发明优选实施例的用于选择性地将加热器通电的切换电路的原理图；

图5b是根据本发明优选实施例的切换电路所引进的各电阻的原理图；

图6阐述根据本发明优选实施例的打印头基板上相邻的第一和第二MOSFET切换装置的结构；

图7是根据MOSFET装置的一阶仿真的图，用于显示两个装置行宽的装置电阻与装置长度的关系；

图8a和8b是根据本发明选代实施例的原理图；及

图9阐述加热器接线配置的示例性部分的选代实施例。

具体实施方式

图1中所示的是一个喷墨打印头1，它具有一个喷嘴板2，其上在左列6中和右列8中排列着喷嘴阵列。图2显示一个喷嘴板2中喷嘴阵列的放大视图。该喷嘴阵列包括第一喷嘴10和第二喷嘴12，其中在列6和8中的每一列中交错地排列着第一喷嘴10和第二喷嘴的位置。左列6中每个第一喷嘴10与右列8中一个第二喷嘴12水平地对准，以及右列8中每个第一喷嘴10与左列6中一个第二喷嘴12水平地对准。在本发明优选实施例中，每一列中相邻喷嘴之间的垂直间隔是1/600英寸。

如图2中所示，第一喷嘴10具有一个直径D₁，它大于第二喷嘴12的直径D₂。此后第一喷嘴10和第二喷嘴12也称为大喷嘴10和小喷嘴12。如以下将要更详细地讨论的，根据准备从喷嘴中喷射的墨滴质量来确定直径D₁和D₂。

在本发明优选实施例中，大喷嘴10喷射每滴具有大约6纳克(ng)质量的墨滴，及小喷嘴12喷射每滴具有大约2ng质量的墨滴。使用如表1中所示大和小墨滴的组合，本发明能够打印具有八种不同点密度的象素。由于在每个垂直位置中大和小喷嘴是水平地对准的，当打印头1一次经过纸张时，能够在一个象素位置上打印一滴大和一滴小的墨滴而不必将纸张相对于打印头1作垂直移动。

                           表1

状态	第一遍中喷射的墨质量(ng)	第二遍中喷射的墨质量(ng)	总质量(ng)
				1	0	0	0
2	2	0	2
				3	2	2	4
4	6	0	6
				5	6+2	0	8
6	6+2	2	10
				7	6	6	12
8	6+2	6	14

如表1中所标示的，每个象素的三位用于描述八种点密度级别(2³＝8)。状态1是一个空白象素，其中不喷射墨。状态2是最淡打印灰度级别，它通过将一滴2ng墨滴喷射在象素位置上而完成。状态3是通过将两滴2ng墨滴喷射在同一象素位置上而完成的，结果由4ng墨形成一个象素。对于状态3，第一墨滴是在打印头1第一遍经过纸张时打印的，而第二墨滴是在第二遍时打印的。状态4是通过将一滴6ng墨滴喷射在象素位置上而完成的。状态5是在打印头1一遍经过纸张时通过喷射一滴2ng墨滴和一滴6ng墨从而打印8ng墨而完成的。继续参照Table 1，状态6、7和8是分别在打印头1两遍经过纸张时通过喷射10、12和14ng墨而完成的。

图3中所示的是在喷墨打印头1的半导体基板4上形成的特征。如图4中剖面图所标示的，基板4位于喷嘴板2之下。基板上有包含矩形电阻材料贴片的第一加热器14和第二加热器16。在本发明优选实施例中，第一和第二加热器14和16是用TaAl薄膜制造的，其平面电阻约为每平方28欧姆。当电流流经加热器14和16时，它们产生热量。墨通过一个墨通道22被送至紧挨着加热器14和16上方的腔内。当墨被加热器14或16加热时，形成一个气泡，它将墨经过喷嘴10或12喷出。

由于小喷嘴12喷射较小墨滴，只需较小气泡将墨喷出。给出加热器表面上特定能量密度后，加热器所形成的墨气泡尺寸正比于加热器尺寸。因此，如图3中所示，本发明的第二加热器16在面积上小于第一加热器14。第一加热器14具有一个长度L_H1和一个宽度W_H1，在优选实施例中，它们形成一个约为441平方微米的面积。第二加热器16具有一个由长度L_H2和一个宽度W_H2形成的约为276平方微米的面积。此后第一和第二加热器14和16也被称为大和小加热器14和16。给出相同能量密度后，大加热器14比小加热器16形成更大墨气泡。这个设计比只为两个喷嘴尺寸使用单个加热器尺寸的设计更为节省能源。

为使大和小加热器14和16能够在电气上和热动力学上兼容，它们应该在相同能量密度和功率密度下工作。还有，如以下将更详细地讨论的，希望将大的和小加热器14和16都接至相同电压电源。一般而言，大加热器14所产生的功率密度被定义为：

${\mathrm{PD}}_1=\frac{I_1^2\×R_{H1}}{A_1}---\left(1\right)$

其中I₁是流经大加热器14的电流安培，R_H1是大加热器14的电阻欧姆，及A₁是大加热器14的面积。类似地，小加热器14所产生的功率密度被定义为：

${\mathrm{PD}}_2=\frac{I_2^2\×R_{H2}}{A_2}---\left(2\right)$

其中I₂是流经小加热器16的电流安培，R_H2是小加热器16的电阻欧姆，及A₂是小加热器16的面积。因此，为使PD₁和PD₂近似地相等，应该满足以下关系：

$\frac{I_1^2\×R_{H1}}{A_1}\≅\frac{I_2^2\×R_{H2}}{A_2}---\left(3\right)$

和

$\frac{A_2}{A_1}\≅\frac{I_2^2\×R_{H2}}{I_1^2\×R_{H1}}---\left(4\right)$

如上所述，加热器面积之比A₂/A₁是由为形成大和小气泡所需相对能量所确定的。

根据本发明优选实施例，可以相对于大加热器14的电阻R_H1来调整小加热器16的电阻R_H2，从而满足等式(4)的关系。此调整操作是利用以下事实。即平面电阻中：

因此，可以实现以下关系来增加R_H2：

     W_H2＜L_H2                             (6)

但仍然保持小加热器16所需面积A₂。在本发明优选实施例中，W_H2是11.75微米和L_H2是23.5微米，结果得到一个276平方微米的面积A₂。优选地，对于每个大加热器14，W_H1和L_H1是21微米，结果得到一个441平方微米的面积A₁。因此电阻R_H2决定于：

由于大加热器是正方形，R_H1就是28欧姆。

图5中所示的是用于选择性地将打印头1上加热器14和16通电的切换电路的原理图。第一加热器-切换电路对17与第二加热器-切换电路对19并联。每个第一加热器-切换电路对17包括与第一切换装置18串联的第一加热器14中的一个。每个第二加热器-切换电路对19包括与第二切换装置20串联的第二加热器16中的一个。在优选实施例中，第一和第二切换装置18和20是形成于基板4上的MOSFET装置。如图5a中所示，加热器-切换电路对17和19接至相同电压电源V_DD。

当10-12伏的电压V_gs施加于一个MOSFET切换装置18的门24上时，装置18被允许工作。当被允许工作时，装置18允许电流I₁流经装置18和加热器14。电流I₁流经第一加热器电阻R_H1，从而产生用于喷射大墨滴的热量。因此，当允许装置18工作时，它的操作犹如一个关闭开关，电流能够流经它以便将加热器14通电。然而，如图5b中所示，当被允许工作时，装置18具有一个切换电阻R_S1。当电流I₁流动时，一个电压降V_H1跨越大加热器14，及一个电压降V_S1跨越电阻R_S1。

类似地，当电压V_gs施加于一个MOSFET切换装置20的门26上时，装置20被允许工作。当被允许工作时，装置20允许电流I₂流经装置20和加热器16。因此装置20被允许工作及加热器16被通电。跨越小加热器16的电压降是V_H2。装置20具有一个切换电阻R_S2，跨越它的是电压降V_S2。

应该理解，为清楚地阐述本发明，图5a和5b中所示电路是简化的。根据本发明的打印头通常还包括图5a中所示装置以外的切换装置。例如，其他切换装置可以被包括于一个用于将多路转换的打印机信号进行解码的逻辑电路中。这类电路通常被包括进来以便减少为将打印信号自打印机控制器传送至打印头所需I/O信号线数量。然而，这些其他切换电路并不显著地影响此处所述本发明的操作。因此，为理解本发明，并不必要详细地描述这类电路。

喷墨打印头设计的一个目标是使加热器之间的功率波动最小。从而使阵列中相同尺寸加热器所产生的墨气泡尺寸都一致，每个大加热器14应该与每隔一个放置的大加热器14消耗相同功率，而每个小加热器16应该与每隔一个放置的小加热器16消耗相同功率。如果在产生用于生成墨气泡的热量时相同尺寸加热器消耗不同数值的功率，则会出现墨滴尺寸的不必要波动。

本发明通过使跨越所有大的和小的加热器14和16的电压降近似地等同起来，从而使加热器之间的消耗功率的波动最小。由于加热器-切换电路对17和19是并联的，为使跨越加热器14和16的电压降等同，需要使跨越切换装置18和20的电压降等同。在本发明优选实施例中，通过根据以下关系来设置切换电阻R_S1和R_S2而达到此目标：

由于R_H1和R_H2的示例值以前已经被分别确定为28欧姆和56欧姆，等式(8)的关系成为：

一般而言，一个MOSFET装置例如切换装置18和20的电阻是其源电阻、漏电阻和沟道电阻之和。一个MOSFET装置的源电阻和漏电阻至少部分地由该装置的源-漏线宽度所决定。如以下将要详细地讨论的，本发明优选实施例通过调整第一和第二切换装置18和20的源-漏线宽度来得到等式(9)的关系。

图6中所示的是根据本发明优选实施例的基板4上相邻第一和第二MOSFET切换装置18和20的结构。第一切换装置18包括一个被一个具有宽度C的沟道32与漏区30隔开的源区28。第一切换装置18的源-漏线宽度由W_L1表示及第一切换装置18的沟道长度由L_S1表示。第二切换装置20包括一个被一个沟道32与漏区36隔开的源区34。第二切换装置20的源-漏线宽度和沟道长度分别由W_L2和L_S2表示。

优选地，如图2和3中所示，相邻喷嘴和加热器垂直地相距1/600英寸。如图6中所示，切换装置18和20的相邻对的总宽度可能占用2/600英寸或近似地84.7μm。此总宽度根据以下求得：

W_S1+W_S2＝84.7μm，        (10)，

其中

W_S1＝4(W_L1)+4(C)          (11)

和

W_S2＝4(W_L2)+4(C)          (12)

根据等式(10)、(11)和(12)，如果C是2.5μm，则W_L1和W_L2之间的所需关系可以表示如下：

W_L1+W_L2＝16.2μm，        (13)

图7显示满足等式(9)和(13)要求的优选MOSFET装置18和20的一阶仿真的总解。根据仿真结果，W_L1和W_L2的优选值分别是13.1μm和3.1μm。此外，如图7中所示，当I_S1等于大约800μm时，能够得到R_S1的最小值4.3Ω。如果切换电阻R_S1等于4.3Ω，则当切换电阻R_S2等于8.6Ω时能够满足等式(9)的关系。继续参照图7，当切换电阻R_S2等于8.6Ω时，L_S2近似地等于570μm。因此，根据等式(11)和(12)，W_S1和W_S2分别近似地等于62.3μm和22.4μm。现在将切换装置18和20的优选实施例的尺寸数值总结如下：W_L1≌13.1μm，W_L2≌3.1μm，W_S1≌62.3μm，W_S2≌22.4μm，L_S1≌800μm，L_S2≌570μm，和C≌2.5μm。

在图8a中所示本发明选代实施例中，第一和第二电源V_dd1和V_dd2被提供，用于驱动第一和第二加热器-切换电路对17和19。在此实施例中，第一加热器-切换电路对17并联地跨越第一电源V_dd1进行连接，而第二加热器-切换电路对19并联地跨越第二电源V_dd2进行连接。使用单独的电源，能够通过相对于电压V_dd2调整电压V_dd1而不是相对于R_H2来调整电阻R_H1，从而将加热器14和16产生的热能调整为适合于墨滴尺寸。优选地，电压V_dd2小于电压V_dd1，以使第二加热器16在通电时所产生热能小于第一加热器14。

根据此第二实施例，加热器14和16两者都可以是正方形并且具有相同电阻(R_H1＝R_H2)。然而，如同第一实施例和第二实施例中加热器14和16的面积被分别优选地保持在441和276平方微米。如同以上所述，这提供最有效的能量传送，用于产生两种不同尺寸的墨滴。优选地，对于第二实施例的每个大加热器14，W_H1和L_H1约为21微米。优选地，对于第二实施例的每个小加热器16，W_H2和L_H2约为16.6微米。

一个根据第二实施例的用于将垂直地交错放置的加热器14和16连接至两个不同电源V_dd1和V_dd2的接线配置被显示于图9中。一个连至电源V_dd1的第一金属总线38优选地位于加热器14和16的同一芯片层上。总线38被连至金属引线38a，它向大加热器14的一侧提供电源V_dd1。大加热器14的另一侧连至同一层的金属引线38b。金属引线38b通过通孔40连至位于大加热器14下面一层中的第一切换装置18的漏极42。

一个第二金属总线44连至电源V_dd2。总线44优选地位于包含加热器14和16的一层例如包含切换装置18和20的一层之下的芯片层上。总线44通过通孔45连至与加热器14和16同一层上的金属引线46a。引线46a连至小加热器16的一侧。因此，电源V_dd2通过总线44、通孔45和引线46a被提供给小加热器16的一侧。也位于加热器14和16同一层上的金属引线46b连至小加热器16的另一侧。金属引线46b通过通孔48连至最好位于第一切换装置18同一层上的第二切换装置20的漏极50。还有，图9中还显示第一切换装置18的源极52和门54，及第二切换装置20的源极56和门58。

因此，只使用两层金属层，图9中的接线配置就能将两个单独的电压线V_dd1和V_dd2提供给垂直地交错放置的大和小加热器14和16。图9阐述加热器接线配置的示例性部分，应该理解，图9中所示模式在垂直方向内重复以便形成加热器阵列的其余部分。

根据以上说明和附图，专业人员能够设想同时也知道，能够在本发明实施例中作出修改和/或变动。例如，本发明不限于等式(9)的关系。能够使用切换装置电阻的不同比例来实现本发明的各优点。此外，本发明不限于以上例子中确定的尺寸。本发明也可被改变尺寸以便容纳其他墨滴尺寸、喷嘴直径、喷嘴之间的间隔、加热器尺寸和切换装置尺寸。因此，以上说明和附图只是阐述性的优选实施例，不应构作任何限制，而本发明的实质和范围能够参照所附权利要求书来确定。

Claims (9)

1.一种具有多个通过其向打印媒质喷射墨滴的喷嘴的喷墨打印头，这些多个喷嘴包括具有用于喷射第一质量墨滴的第一直径的第一喷嘴，和具有用于喷射第二质量墨滴的第二直径的第二喷嘴，其中第一直径大于第二直径，及第一质量大于第二质量，该打印头包括：

一块包含多个喷嘴的喷嘴板；

一块位于喷嘴板附近的基板；

位于基板上第一喷嘴附近的多个第一加热器，每个第一加热器与一个相应的第一喷嘴相关联，每个第一加热器包括电阻性材料及具有第一加热器电阻，当一个第一电流实际上在第一方向内流经电阻性材料时，每个第一加热器产生热量；

位于基板上第一加热器附近的第一切换装置，每个第一切换装置电气上与相应的第一加热器串联，每个第一切换装置具有一个第一切换电阻；

位于基板上第二喷嘴附近的第二加热器，每个第二加热器与一个相应的第二喷嘴相关联，每个第二加热器包括电阻性材料及具有第二加热器电阻，当一个第二电流实际上在第一方向内流经电阻性材料时，每个第二加热器产生热量；及

位于基板上第二加热器附近的第二切换装置，每个第二切换装置电气上与相应的第二加热器串联，每个第二切换装置具有一个第二切换电阻；

其中第二切换电阻大于第一切换电阻。

2.权利要求1的打印头，其中第一加热器电阻小于第二加热器电阻。

3.权利要求1的打印头，其特征在于：

每个第一加热器在基板上占用一个第一加热器区，该第一加热器区由沿第一方向的第一加热器长度和沿正交于第一方向的第二方向的第一加热器宽度所限定，及

每个第二加热器在基板上占用一个第二加热器区，该第二加热器区由沿第一方向的第二加热器长度和沿第二方向的第二加热器宽度所限定，

其中第二加热器宽度小于第一加热器宽度。

4.权利要求1的打印头，其特征在于：

每个第一加热器在基板上占用一个第一加热器区，该第一加热器区由沿第一方向的第一加热器长度和沿正交于第一方向的第二方向的第一加热器宽度所限定，及

每个第二加热器在基板上占用一个第二加热器区，该第二加热器区由沿第一方向的第二加热器长度和沿第二方向的第二加热器宽度所限定，

其中第二加热器长度大于第一加热器长度。

5.权利要求1的打印头，其特征在于：

每个第一加热器在基板上占用一个第一加热器区；及

每个第二加热器在基板上占用一个第二加热器区，

其中第二加热器区小于第一加热器区。

6.权利要求1的打印头，其特征在于：

每个第一切换装置在基板上占用一个第一切换区，该第一切换区由沿第一方向的第一切换长度和沿正交于第一方向的第二方向的第一切换宽度所限定，及

每个第二切换装置在基板上占用一个第二切换区，该第二切换区由沿第一方向的第二切换长度和沿第二方向的第二切换宽度所限定，

其中第一切换宽度大于第二切换宽度。

7.权利要求1的打印头，其特征在于：

每个第一切换装置在基板上占用一个第一切换区，该第一切换区由沿第一方向的第一切换长度和沿正交于第一方向的第二方向的第一切换宽度所限定，及

每个第二切换装置在基板上占用一个第二切换区，该第二切换区由沿第一方向的第二切换长度和沿第二方向的第二切换宽度所限定，

其中第一切换长度大于第二切换长度。

8.权利要求1的打印头，其特征在于：

每个第一切换装置在基板上占用一个第一切换区，及

每个第二切换装置在基板上占用一个第二切换区，

其中第一切换区大于第二切换区。

9.权利要求1的打印头，其特征在于：

第一切换装置被设置在沿与所述第一方向垂直的第二方向对准的多个第一位置处；及

第二切换装置被设置在沿第二方向内对准的多个第二位置处，

其中第一位置与第二位置交错。

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