KR20140048159A - 압전 인쇄헤드 트레이스 레이아웃 - Google Patents

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KR20140048159A
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요셉 이 쉐프린
토니 에스 크루즈-우리베
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휴렛-팩커드 디벨롭먼트 컴퍼니, 엘.피.
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Abstract

압전 인쇄헤드 트레이스 레이아웃은 액추에이터 다이, 액추에이터 다이의 2 개의 측면 에지를 따른 본드 패드, 2 개의 측면 에지 사이의 압전 액추에이터의 열, 본드 패드로부터 액추에이터의 중심을 향해 퍼지는 구동 트레이스, 액추에이터 다이의 2 개의 단부 에지 사이에서 액추에이터 다이의 중심을 따라 연장되는 그라운드 버스, 및 그라운드 버스로부터 2 개의 측면 에지를 향해 외부로 퍼지는 그라운드 트레이스를 포함한다.

Description

압전 인쇄헤드 트레이스 레이아웃{PIEZOELECTRIC PRINTHEAD TRACE LAYOUT}
드롭 온 디맨드(drop-on-demand) 잉크젯 프린터는 통상적으로 잉크젯 인쇄헤드 내의 액적(drop) 형성의 2개의 메커니즘 중 하나에 따라 분류된다. 서멀 버블(thermal bubble) 잉크젯 프린터는 인쇄헤드 노즐로부터 잉크 액적을 가압하는 기포를 생성하기 위해 잉크 충전된 챔버 내부에서 잉크(또는 다른 유체)를 기화하는 가열 소자 액추에이터를 갖는 열적 잉크젯 인쇄헤드를 사용한다. 압전 잉크젯 프린터는 인쇄헤드 노즐로부터 잉크(또는 다른 유체)의 액적을 가압하기 위해 잉크 충전된 챔버 내부에 압력 펄스를 생성하는 압전 세라믹 액추에이터를 갖는 압전 잉크젯 인쇄헤드를 사용한다.
압전 잉크젯 인쇄헤드는, 그의 더 높은 점도 및/또는 화학 조성물이 UV 경화성 인쇄 잉크와 같은 열적 잉크젯 인쇄헤드의 사용을 억제하는 분사 가능 유체를 사용할 때, 열적 잉크젯 인쇄헤드에 비해 적합하다. 열적 잉크젯 인쇄헤드는 그 조성물이 기계적 또는 화학적 열화를 경험하지 않고 비등 온도를 견딜 수 있는 분사 가능 유체에 제한된다. 압전 인쇄헤드는 노즐로부터 잉크 액적을 가압하는 압력을 생성하기 위해 전기 기계 변위(electromechanical displacement)(증기 기포가 아님)를 사용하기 때문에, 압전 인쇄헤드는 분사 가능 재료의 더 넓은 선택을 수용할 수 있다. 따라서, 압전 인쇄헤드는 다양한 매체 상에 인쇄하기 위해 광범위하게 이용된다.
압전 잉크젯 인쇄헤드는 통상적으로 압력 챔버, 압전 액추에이터, 잉크 채널 등을 갖는 다중층 스택으로 형성되고, 인쇄헤드 노즐을 통해 잉크 액적의 제어된 분사를 위해 구성된다. 압전 잉크젯 인쇄헤드를 개선하기 위한 진행중인 노력은 그들의 성능 및 강인성을 증가시키면서 압전 스택의 제조 및 재료 비용을 감소시키는 것을 수반한다. 이러한 진행중인 트렌드의 부분으로서, 더 미세하고, 더 조밀하게 패킹되는 피쳐가 실리콘에 에칭될 수 있기 때문에, 스택 내의 많은 층에서 다수의 실리콘 다이가 점점 더 많이 사용된다.
본 실시예는 이제 첨부된 도면을 참조하여 예시적으로 기술될 것이다.
도 1은 실시예에 따른, 본원에 개시된 압전 다이 스택을 갖는 유체 분사 조립체를 통합하기에 적합한 잉크젯 인쇄 시스템으로서 구현되는 유체 분사 장치를 도시한다.
도 2는 실시예에 따른, PIJ 인쇄헤드 내의 예시적인 압전 다이 스택의 부분적인 측단면도를 도시한다.
도 3은 실시예에 따른, PIJ 인쇄헤드 내의 예시적인 압전 다이 스택의 측단면도를 도시한다.
도 4는 실시예에 따른, 예시적인 압전 다이 스택 내의 다이 층의 위에서 아래로 본 도면을 도시한다.
도 5는 실시예에 따른, 회로 다이의 상부 상에 액추에이터 다이를 포함하는 부분적인 다이 스택의 위에서 아래로 본 도면을 도시한다.
도 6은 실시예에 따른, 분리형 액추에이터가 아닌 액추에이터를 갖는 액추에이터 다이를 포함하는 부분적인 다이 스택의 위에서 아래로 본 도면을 도시한다.
도 7은 실시예에 따른, 대안적인 트레이스 레이아웃을 갖는 예시적인 압전 다이 스택 내의 다이 층의 위에서 아래로 본 도면을 도시한다.
문제점 및 해결책의 개관
상기 언급된 바와 같이, 압전 잉크젯 인쇄헤드를 개선하기 위한 노력은 압전 스택 내의 많은 층들에 대해 다수의 실리콘 다이의 증가된 사용을 유도하였다. 실현된 하나의 이점은 더 미세하고 더 조밀하게 패킹된 피쳐를 그러한 다중층 실리콘 다이 스택의 실리콘에 에칭하는 능력이다. 그러한 다이 스택은 또한 압전 스택 내의 상이한 다이 층을 따라 및 그들 사이에 존재하는 제한된 공간 내에서 전기 트레이스 라우팅을 개선하기 위한 기회를 제공한다. 더 효율적인 트레이스 라우팅은, 각각의 웨이퍼로부터 이용 가능한 다이의 수를 최대화하는 것을 도움으로써 비용을 감소시키는 더 작은 다이 크기를 가능하게 한다.
압전 세라믹으로 커버되지 않는 격막(diaphragm)의 노출된 표면 상의 전기 트레이스를 라우팅하기 위한 종래의 해결책은 모두 다이의 외부 에지를 따라 본드 패드로부터 퍼지고 압전 세라믹 액추에이터 사이에서 이어지는 트레이스를 갖는 것을 포함한다. 일부 해결책에서, 트레이스는 챔버를 분리하는 벽 및/또는 격막을 통해 라우팅된다. 일부 해결책에서, 그라운드 층은 벽 및/또는 격막에 걸쳐 연장된다. 일부 경우에서, 그라운드 층 또는 그라운드 트레이스는 구동 신호 트레이스(즉, 핫 트레이스) 아래에서 연장된다. 그러한 해결책은 일반적으로 더 많은 다이 영역을 커버하는 전기 트레이스를 수반하는데(생산 비용을 증가시키고, 생산 산출량을 감소시킴), 왜냐하면 그라운드 및 구동 신호들 양자에 대해 에지로부터 퍼지는 트레이스가 압전 세라믹 사이의 공간으로 밀려들기 때문이다. 서로 크로스 오버 및 크로스 언더하는 그라운드 및 구동 신호 트레이스를 포함하는 해결책은 단락 회로 및 부정적인 전기 상호 작용(즉, 트레이스 간의 용량성 결합)에 대한 잠재력으로 인해 실현 가능성을 감소시킬 수 있다. 그러한 해결책은 또한 부가적인 포토-에칭 및 증착 프로세스 단계뿐만 아니라 트레이스 간의 부가적인 절연층으로 인해 생산 비용을 증가시킨다.
본 개시물의 실시예는 구동 신호 및 그라운드 신호를 박막 압전 액추에이터로 라우팅하기 위한 효율적인 전기 트레이스 레이아웃을 갖는 다중층 MEMS 다이 스택을 포함하는 압전 액적 분사기(인쇄헤드)를 통해 전기 트레이스에 대한 라우팅을 개선한다. 다이 스택 내의 액추에이터 다이는 다이의 양쪽 측면 에지(즉, 양쪽의 긴 에지)를 따라 이어지는 다이의 둘레에 와이어 본드 패드를 포함한다. 본드 패드 사이에 놓이는 액추에이터 다이의 중심을 향한 영역은 다이의 한 측면 에지에서의 본드 패드로부터 다이의 다른 측면 에지에서의 본드 패드로 연장되는 압전 액추에이터의 열(예를 들면, 4, 6, 8 또는 그 이상의 열)을 포함한다. 전기 구동 트레이스는 다이의 측면 에지에서의 본드 패드로부터 퍼지고, 압전 액추에이터 열 사이의 내부로 다이의 중심을 향해 연장되어 액추에이터 구동 신호를 액추에이터의 열 내의 압전 액추에이터에 전달한다. 그라운드 버스는 액추에이터 다이의 중심을 따라 다이의 측면 에지에 평행하게 이어지고, 다이의 양쪽 단부 에지 사이에서 세로로 연장된다. 그라운드 트레이스는 중심 그라운드 버스로부터 퍼지고, 압전 액추에이터 열 사이의 외부로 다이의 측면 에지를 향해 연장되어 그라운드 접속을 액추에이터의 열 내의 압전 액추에이터로 전달한다. 따라서, 효율적인 전기 트레이스 레이아웃은, 액추에이터 다이의 외부 에지 상의 본드 패드에서 시작하고 내부로 이동하여 압전 액추에이터에 접속하는 "아웃사이드-인" 구동 신호 트레이스, 및 중심 그라운드 버스에서 시작하고 액추에이터 다이의 중심으로부터 외부로 이동하여 압전 액추에이터에 접속하는 "인사이드-아웃" 그라운드 트레이스를 포함한다.
개시된 압전 인쇄헤드 트레이스 레이아웃은 전기 트레이스를 라우팅하기 위한 종래의 해결책에 비해 몇몇의 이점을 갖는다. 예를 들면, 상기 트레이스 레이아웃은 액추에이터 다이의 측면 에지에서 와이어 본드 패드 사이의 붐비는 공간에서 이어지는 트레이스의 수를 최소화한다. 이것은 4 개 이상의 열의 액추에이터를 갖는 인쇄헤드, 및/또는 다수의 구동 신호 접속 포인트를 갖는 분리된 액추에이터를 구현하는 인쇄헤드에서 특히 유리하다. 세로의 중심 그라운드 버스는 다이의 2 개의 외부 측면 에지 각각을 따라 연속적인 그라운드 버스를 갖는 것을 회피한다. 중심 버스는 또한 다이의 양쪽 단부 에지에서 패드를 통한 시스템 그라운드로의 접속을 허용한다. 이러한 특징은 감소된 버스 폭 및 다이의 폭에서의 대응하는 감소를 가능하게 하고, 이러한 특징은 액추에이터 다이의 측면 에지에서 본드 패드 사이의 붐비는 공간에서 이어지는 트레이스의 수를 추가로 감소시킨다. 이러한 특징은 또한 다이 상의 더 큰 본드 패드 및/또는 더 높은 본드 패드 밀도를 가능하게 한다.
게다가, 스택 내의 각각의 다이는 아래의 다이보다 더 높아서, 조립 동안에 간단한 정렬 및 상호 접속을 가능하게 한다. 이것은 매니폴드 컴플라이언스(manifold compliance), 구동 장치, 다수의 잉크 피드 등의 적절한 수직 피팅(fitting)을 용이하게 한다. 다이 스택 설계는 압전 액추에이터 다이 및 노즐 판과 같은 스택에서 더 비싼 다이 층의 감소된 폭을 가능하게 하여, 감소된 비용을 야기한다. 다이 스택 설계는 압전-액추에이터가 노즐과 동일한 압력 챔버의 측면 상에 위치되도록 허용한다. 이것은 결국 챔버 잉크 입구 및 출구가 챔버 바로 아래에 있도록 허용하여, 더 짧은 챔버 길이를 가능하게 한다. 압전-액추에이터 구동 트랜지스터를 제어하기 위한 제어 회로(예를 들면, ASIC)는 압력 챔버의 챔버 플로어 상에 위치되고, 잉크가 챔버에 들어오고 배출되는 입구 및 출구 구멍을 포함한다.
일 실시예에서, 압전 인쇄헤드 트레이스 레이아웃은 액추에이터 다이, 액추에이터 다이의 2 개의 측면 에지를 따른 본드 패드, 2 개의 측면 에지 사이의 압전 세라믹 액추에이터의 열, 본드 패드로부터 퍼지고 내부로 액추에이터 다이의 중심을 향해 연장되어 구동 신호를 액추에이터에 전달하는 구동 트레이스, 액추에이터 다이의 2 개의 단부 에지 사이에서 액추에이터 다이의 중심을 따라 연장되는 그라운드 버스, 및 그라운드 버스로부터 퍼지고 외부로 2 개의 측면 에지를 향해 연장되어 그라운드 접속을 액추에이터에 제공하는 그라운드 트레이스를 포함한다.
또 다른 실시예에서, 압전 인쇄헤드 트레이스 레이아웃은 다중층 다이 스택 내의 각각의 다이가 그가 적층된 다이보다 더 좁은 다중층 다이 스택, 다이 스택 내의 액추에이터 다이, 액추에이터 다이의 측면 에지로부터 액추에이터 다이의 중심을 향해 압전 액추에이터로 퍼지는 구동 신호 트레이스, 및 액추에이터 다이로부터 액추에이터 다이의 측면 에지를 향해 압전 액추에이터로 퍼지는 그라운드 트레이스를 포함한다.
예시적인 실시예
도 1은 본 개시물의 실시예에 따른, 본원에 개시된 바와 같은 실리콘 다이 스택을 갖는 유체 분사 조립체(즉, 인쇄헤드)를 통합하는데 적합한 잉크젯 인쇄 시스템(100)으로서 구현된 유체 분사 장치를 예시한다. 이러한 실시예에서, 유체 분사 조립체는 유체 액적 분사(jetting) 인쇄헤드(114)로서 개시된다. 잉크젯 인쇄 시스템(100)은 잉크젯 인쇄헤드 조립체(102), 잉크 공급 조립체(104), 장착 조립체(106), 매체 운반 조립체(108), 전자 프린터 제어기(110) 및 잉크젯 인쇄 시스템(100)의 다양한 전기 부품에 전력을 제공하는 적어도 하나의 전원(112)을 포함한다. 잉크젯 인쇄헤드 조립체(102)는 인쇄 매체(118) 상에 인쇄하기 위해 복수의 오리피스 또는 노즐(116)을 통해 인쇄 매체(118)를 향해 잉크의 액적을 토출하는 적어도 하나의 유체 토출 조립체(114)(인쇄헤드(114))를 포함한다. 인쇄 매체(118)는 페이퍼, 카드 스톡, 투명 필름, 폴리에스테르, 합판, 폼 보드, 직물, 캔버스 등과 같은 임의의 유형의 적합한 시트 또는 롤 재료일 수 있다. 통상적으로, 노즐(116)이 하나 이상의 행 또는 어레이로 배열되어, 잉크젯 인쇄헤드 조립체(102) 및 인쇄 매체(118)가 서로에 대해 이동함에 따라, 노즐(116)로부터의 적절하게 시퀀싱된 잉크의 토출이 문자, 기호 및/또는 다른 그래픽 또는 이미지가 인쇄 매체(118) 상에 인쇄되게 한다.
잉크 공급 조립체(104)는 인쇄헤드 조립체(102)에 유체 잉크를 공급하고 잉크를 저장하기 위한 저장조(120)를 포함한다. 잉크는 저장조(120)로부터 잉크젯 인쇄헤드 조립체(102)로 유동한다. 잉크 공급 조립체(104) 및 잉크젯 인쇄헤드 조립체(102)는 일방향 잉크 전달 시스템 또는 재순환 잉크 전달 시스템을 형성할 수 있다. 일방향 잉크 전달 시스템에서, 잉크젯 인쇄헤드 조립체(102)에 공급된 실질적으로 모든 잉크가 인쇄 중에 소비된다. 그러나, 재순환 잉크 전달 시스템에서는, 인쇄헤드 조립체(102)에 공급된 잉크의 일부만이 인쇄 중에 소비된다. 인쇄 중에 소비되지 않은 잉크는 잉크 공급 조립체(104)로 복귀된다.
일 실시예에서, 잉크 공급 조립체(104)는 잉크 컨디셔닝 조립체(105)를 통한 포지티브 압력 하에서 공급 튜브와 같은 인터페이스 접속을 통해 잉크젯 인쇄헤드 조립체(102)에 잉크를 공급한다. 잉크 공급 조립체(104)는, 예를 들면, 저장조, 펌프 및 압력 조절기를 포함한다. 잉크 컨디셔닝 조립체(105)에서의 컨디셔닝은 필터링, 예열, 압력 서지 흡수 및 가스 제거를 포함할 수 있다. 잉크는 네가티브 압력 하에서 인쇄헤드 조립체(102)로부터 잉크 공급 조립체(104)로 빨려들어간다. 인쇄헤드 조립체(102)에 대한 입구 및 출구 사이의 압력 차이는 노즐(116)에서 정확한 배압을 달성하기 위해 선택되고, 항상 H2O의 네가티브 1" 및 네가티브 10" 사이의 네가티브 압력이다. 잉크 공급 조립체(104)의 저장조(120)는 제거, 교체 및/또는 재충전될 수 있다.
장착 조립체(106)는 매체 운반 조립체(108)에 대해 잉크젯 인쇄헤드 조립체(102)를 위치 설정하고, 매체 운반 조립체(108)는 잉크젯 인쇄헤드 조립체(102)에 대해 인쇄 매체(118)를 위치 설정한다. 따라서, 인쇄 구역(122)이 잉크젯 인쇄헤드 조립체(102)와 인쇄 매체(118) 사이의 영역에서 노즐(116)에 인접하여 형성된다. 일 실시예에서, 잉크젯 인쇄헤드 조립체(102)는 주사형(scanning type) 인쇄헤드 조립체이다. 이와 같이, 장착 조립체(106)는 인쇄 매체(118)를 주사하기 위해 매체 운반 조립체(108)에 대해 잉크젯 인쇄헤드 조립체(102)를 이동시키기 위한 캐리지를 포함한다. 다른 실시예에서, 잉크젯 인쇄헤드 조립체(102)는 비주사형 인쇄헤드 조립체이다. 이와 같이, 장착 조립체(106)는 매체 운반 조립체(108)에 대해 지정된 위치에 잉크젯 인쇄헤드 조립체(102)를 고정한다. 따라서, 매체 운반 조립체(108)는 잉크젯 인쇄헤드 조립체(102)에 대해 인쇄 매체(118)를 위치 설정한다.
전자 프린터 제어기(110)는 통상적으로 잉크젯 인쇄헤드 조립체(102), 장착 조립체(106) 및 매체 운반 조립체(108)와 통신하여 제어하기 위한 프로세서, 펌웨어, 소프트웨어, 휘발성 및 비휘발성 메모리 부품을 포함하는 하나 이상의 메모리 부품 및 다른 프린터 전자 기기를 포함한다. 전자 제어기(110)는 컴퓨터와 같은 호스트 시스템으로부터 데이터(124)를 수신하고, 데이터(124)를 일시적으로 메모리에 저장한다. 통상적으로, 데이터(124)는 전자, 적외선, 광학 또는 다른 정보 전달 경로를 따라 잉크젯 인쇄 시스템(100)에 송신된다. 데이터(124)는, 예를 들어, 인쇄될 문서 및/또는 파일을 표현한다. 이와 같이, 데이터(124)는 잉크젯 인쇄 시스템(100)을 위한 인쇄 작업을 형성하고, 하나 이상의 인쇄 작업 명령 및/또는 명령 파라미터를 포함한다.
일 실시예에서, 전자 프린터 제어기(110)는 노즐(116)로부터 잉크 액적의 토출을 위한 잉크젯 인쇄헤드 조립체(102)를 제어한다. 따라서, 전자 제어기(110)는 문자, 기호 및/또는 다른 그래픽 또는 이미지를 인쇄 매체(118) 상에 형성하는 토출된 잉크 액적의 패턴을 규정한다. 토출된 잉크 액적의 패턴은 데이터(124)로부터의 인쇄 작업 명령 및/또는 명령 파라미터에 의해 결정된다. 일 실시예에서, 전자 제어기(110)는 제어기(110)의 메모리에 저장된 온도 보상 및 제어 모듈(126)을 포함한다. 온도 보상 및 제어 모듈(126)은 전자 제어기(110)(즉, 제어기(110)의 프로세서) 상에서 실행되고, 다이 스택 내의 회로(예를 들면, ASIC)가 인쇄를 위해 유지하는 온도를 지정한다. 다이 스택 내의 온도는, 유체 토출 조립체(즉, 인쇄헤드)(114)의 압력 챔버 내의 온도 감지 저항기 및 가열 소자를 포함하는 온-다이 회로에 의해 로컬적으로 제어된다. 더 상세하게, 제어기(110)는 챔버에 인접한 회로 다이 상의 온도 감지 저항기 및 가열 소자의 제어를 통해 압력 챔버 내의 잉크 온도를 감지 및 유지하기 위해 모듈(126)로부터의 인스트럭션을 실행한다.
일 실시예에서, 잉크젯 인쇄 시스템(100)은 압전 잉크젯(PIJ) 인쇄헤드(114)를 포함하는 유체 토출 조립체(114)를 갖는 드롭-온 디맨드 압전 잉크젯 인쇄 시스템이다. PIJ 인쇄헤드(114)는 다중층 MEMS 다이 스택을 포함하고, 다이 스택 내의 각각의 다이는 아래의 다이보다 더 좁다. 다이 스택은 노즐(116)로부터 잉크 액적을 가압하는 압력 챔버 내의 압력 펄스를 생성하도록 구성된 제어 및 구동 회로 및 박막 압전 액추에이터 토출 소자를 포함한다. 일 구현예에서, 잉크젯 인쇄헤드 조립체(102)는 단일 PIJ 인쇄헤드(114)를 포함한다. 다른 구현예에서, 잉크젯 인쇄헤드 조립체(102)는 PIJ 인쇄헤드(114)의 넓은 어레이를 포함한다.
도 2는 본 개시물의 실시예에 따른, PIJ 인쇄헤드(114) 내의 예시적인 압전 다이 스택(200)의 부분적인 측단면도를 도시한다. 일반적으로, PIJ 인쇄헤드(114)는 각각 상이한 기능을 갖는 다수의 다이 층을 포함한다. 다이 스택(200)의 전체 형상은 피라미드형이고, 스택 내의 각각의 다이는 아래의 다이(저부 다이로서 도 2의 다이(202)를 참조)보다 더 좁다. 즉, 저부 기판 다이(202)에서 시작하는 각각의 다이는, 그들이 노즐 층(노즐 판)(210)을 향해 다이 스택에서 위로 진행됨에 따라 연속적으로 더 좁게 된다. 일부 실시예에서, 정렬 마크, 트레이스 라우팅, 본드 패드, 유체 경로 등에 대해 다이의 단부에서 여분의 공간이 요구되는 경우에, 위 층 내의 다이는 또한 아래의 다이보다 더 짧은 길이일 수 있다. 다이 스택(200)의 저부로부터 상부로 다이의 좁아짐 및/또는 짧아짐은, 회로를 갖는 다이 층이 노출된 계단 스텝 상의 패드 사이의 와이어 본드를 통해 접속되게 하는 다이의 측면(및 때때로 단부) 상의 계단 효과를 생성한다.
다이 스택(200) 내의 층은 제 1(즉, 저부) 기판 다이(202), 제 2 회로 다이(204)(또는 ASIC 다이), 제 3 액추에이터/챔버 다이(206), 제 4 캡 다이(208) 및 제 5 노즐 층(210)(또는 노즐 판)을 포함한다. 노즐(116) 주변에서 잉크 푸딩(pudding)을 방지하는 것을 돕기 위한 소수성 코팅(hydrophobic coating)을 포함하는 노즐 층(210)의 상부 상에 항상 비습윤층(도시되지 않음)이 또한 존재한다. 다이 스택(200) 내의 각각의 층은 통상적으로 비습윤층 및 때때로 노즐 층(210)을 제외하고 실리콘으로 형성된다. 일부 실시예에서, 노즐 층(210)은 폴리이미드 또는 SU8과 같은 내구성이 있고 화학적으로 불활성 폴리머 또는 강철 스틸로 형성될 수 있다. 층은 에폭시(도시되지 않음)와 같은 화학적으로 불활성 접착제로 함께 본딩된다. 예시된 실시예에서, 다이 층은 잉크를 압력 챔버(212)로 및 압력 챔버(212)로부터 안내하기 위한 슬롯, 채널 또는 구멍과 같은 유체 통로를 갖는다. 각각의 압력 챔버(212)는, 잉크 분배 매니폴드(입구 매니폴드(220), 출구 매니폴드(222))와 유체 연통하는 챔버의 플로어(218)(즉, 챔버의 노즐-측에 대향함)에 위치된 2 개의 포트(입구 포트(214), 출구 포트(216))를 포함한다. 압력 챔버(212)의 플로어(218)는 회로 다이(204)의 표면에 의해 형성된다. 2 개의 포트(214, 216)는 챔버(212)의 플로어(218)의 대향 측면 상에 존재하고, 여기서 2 개의 포트는 회로 다이(204)를 관통하고, 잉크가 잉크 공급 시스템(104)에서 외부 펌프에 의해 챔버를 통해 순환되도록 한다. 압전 액추에이터(224)는 챔버의 루프(roof)로서 역할을 하고 챔버 플로어(218)에 대향하게 위치된 가동 멤브레인(flexible membrane) 상에 존재한다. 따라서, 압전 액추에이터(224)는 노즐(116)과 같이 챔버(212)의 동일한 측면 상에(즉, 챔버의 상부-측면의 루프 상에) 위치된다.
여전히 도 2를 참조하면, 저부 기판 다이(202)는 실리콘을 포함하고, 이것은 잉크가 잉크 분배 매니폴드(입구 매니폴드(220), 출구 매니폴드(222))를 통해 압력 챔버(212)로 및 압력 챔버(212)로부터 유동할 수 있는 유체 통로(226)를 포함한다. 기판 다이(202)는, 예를 들면, 인접한 노즐에서 개시 과도 현상(start-up transient) 및 잉크 토출로 인해 잉크 분배 매니폴드를 통한 펄싱 잉크 유동으로부터 압력 서지를 완화하도록 구성된 얇은 컴플라이언스 막(228)을 지지한다. 컴플라이언스 막(228)은 인접한 노즐 사이의 유체 크로스-토크에 대한 완충 효과를 갖고, 높은 부피의 인쇄 동안에 잉크 공급부로부터 유동이 수립되는 동안에 잉크가 이용 가능하도록 보장하기 위해 저장조로서 작동한다. 컴플라이언스 막(228)은, 폴리에스테르 또는 PPS(polyphenylene sulfide)와 같은 폴리머로 제조될 때, 5-10 마이크론 정도의 두께이다. 컴플라이언스 막(228)은 그가 매니폴드에서 유체 압력 서지에 응답하여 자유롭게 확장하도록 허용하기 위해 컴플라이언스 막의 후면 상의 캐비티 또는 공간(air space)(230)을 형성하는 기판 다이(202) 내의 갭에 걸쳐있다. 공간(230)은 통상적으로 대기에 통기되지만 반드시 그렇지는 않다. 어느 경우에나, 공간(230)은 가압되지 않거나 진공 상태로 만들도록 구성되고, 이것은 컴플라이언스 막(228)이 공간(230)에서 위 및 아래로 용이하게 움직이고 잉크 압력 서지를 흡수하는 것을 가능하게 한다. 캐비티(230)의 플로어 및 컴플라이언스 막 사이의 통상적인 갭은 100 내지 300 마이크론 사이이다. 유사한 틈새(clearance)가 컴플라이언스 막의 잉크 채널 측면 상에 존재한다. 1 mm 내지 2 mm 사이의 폭은 충분한 컴플라이언스를 제공한다. 컴플라이언스 막이 증착되면, 1 mm 미만의 폭을 갖는 1-2 마이크론의 두께가 가능하다. 컴플라이언스 막(228a)이 컴플라이언스 막(228b)(즉, 2 개의 입구 포트(214)) 절반만큼의 많은 포트(즉, 하나의 출구 포트(216))를 제공하기 때문에, 컴플라이언스 막(228a)은 컴플라이언스 막(228b)보다 더 좁다.
회로 다이(204)는 다이 스택(200) 내의 제 2 다이이고, 기판 다이(202) 위에 위치된다. 회로 다이(204)는 기판 다이(202)에 접착되고, 회로 다이(204)는 기판 다이(202)보다 더 좁다. 일부 실시예에서, 회로 다이(204)는 또한 기판 다이(202)보다 더 짧은 길이일 수 있다. 회로 다이(204)는 잉크 출구 매니폴드(220) 및 잉크 출구 매니폴드(222)를 포함하는 잉크 분배 매니폴드를 포함한다. 입구 매니폴드(220)는 입구 포트(214)를 통해 챔버(212)에 잉크 유동을 제공하고, 한편 출구 포트(216)는 잉크가 챔버(212)로부터 출구 매니폴드(222)로 배출되도록 허용한다. 회로 다이(204)는 또한 입구 매니폴드(220)로부터 나오는 일부 잉크가 압력 챔버(212)를 우회하고 우회로(232)를 통해 출구 매니폴드(222)로 직접적으로 유동하도록 허용하는 유체 우회 채널(232)을 포함한다. 도 3에 관련하여 아래에 더 상세히 논의되는 바와 같이, 우회 채널(232)은 채널을 좁히는 적절한 크기의 유동 제한 장치를 포함하여, 압력 챔버(212) 내에서 원하는 잉크 유동이 달성되고, 그래서 챔버 입구 포트(214) 및 출구 포트(216) 사이에 충분한 압력 차이가 유지된다.
회로 다이(204)는 또한 ASIC(234)에서 구현되고 액추에이터/챔버 다이(206)에 인접한 그의 상위 표면 상에서 제조되는 CMOS 전기 회로(234)를 포함한다. ASIC(234)는 압전 액추에이터(224)의 압력 펄싱(즉, 파이어링(firing))을 제어하는 토출 제어 회로를 포함한다. ASIC(234)의 적어도 일부는 압력 챔버(212)의 플로어(218) 상에 직접적으로 위치된다. ASIC(243)가 챔버 플로어(218) 상에서 제조되기 때문에, ASIC(234)는 압력 챔버(212) 내부의 잉크와 직접적으로 접촉하게 될 수 있다. 그러나, ASIC(234)는, 챔버(212) 내의 잉크로부터의 격리 및 보호를 제공하기 위한 유전체 재료를 포함하는 박막 패시베이션 층(도시되지 않음) 아래에 매립된다. 하나 이상의 온도 감지 저항기(TSR) 및 전기 저항 막과 같은 가열 소자가 ASIC(234)의 회로에 포함된다. ASIC(234) 내의 TSR 및 가열기는 노즐(116)을 통한 잉크 액적의 토출에 대해 선호되는 바람직하고 균일한 레벨로 챔버(212) 내의 잉크의 온도를 유지하도록 구성된다. 일 실시예에서, ASIC(234) 내의 TSR 및 가열기의 설정 온도는 압력 챔버(212) 내의 잉크 온도를 감지 및 조절하기 위한 제어기(110) 상에서 실행되는 온도 보상 및 제어 모듈(126)에 의해 지정된다. 잉크가 인쇄헤드 조립체(102)에 진입하는 상승된 온도에 있다면, 온도 제어 모듈(126)은 잉크 컨디셔닝 조립체(105) 내의 예열기를 사용할 것이다.
회로 다이(204)는 본드 와이어(238)(이후에 논의됨)의 외부의 다이(204)의 에지 상에서 제조되는 압전 액추에이터 구동 회로/트랜지스터(236)(예를 들면, FET)를 또한 포함한다. 따라서, 구동 트랜지스터(236)는 ASIC(234) 제어 회로와 동일한 회로 다이(204) 상에 존재하고, ASIC(234)의 부분이다. 구동 트랜지스터(236)는 ASIC(234) 내의 제어 회로에 의해 제어된다(즉, 턴 온 및 오프). 압력 챔버(212) 및 액추에이터(224)의 성능은 온도의 변화에 민감하고, 회로 다이(204)의 에지 외부에 구동 트랜지스터(236)를 갖는 것은 트랜지스터(236)에 의해 생성된 열이 챔버(212) 및 액추에이터(224)로부터 멀리하게 한다.
회로 다이(204) 위에 위치된 다이 스택(200) 내의 다음 층은 액추에이터/챔버 다이(206)(이후에, "액추에이터 다이(206)")이다. 액추에이터 다이(206)는 회로 다이(204)에 부착되고, 이것은 회로 다이(204)보다 더 좁다. 일부 실시예에서, 액추에이터 다이(206)는 또한 회로 다이(204)보다 더 짧은 길이일 수 있다. 액추에이터 다이(206)는 인접한 회로 다이(204)를 포함하는 챔버 플로어(218)를 갖는 압력 챔버(212)를 포함한다. 위에서 유의된 바와 같이, 챔버 플로어(218)는 챔버 플로어(218)를 형성하는 회로 다이(204) 상에서 제조된 ASIC(234)와 같은 제어 회로를 부가적으로 포함한다. 액추에이터 다이(206)는 챔버의 루프로서 역할을 하는 챔버 플로어(218)에 대향하게 위치된 실리콘 이산화물과 같은 박막, 가동 멤브레인(240)을 부가적으로 포함한다. 압전 액추에이터(204)가 가동 멤브레인(240) 위에 부착된다. 압전 액추에이터(224)는 인가된 전압에 응답하여 기계적으로 변형되는 압전-세라믹 재료와 같은 박막 압전 재료를 포함한다. 활성화될 때, 압전 액추에이터(224)는 물리적으로 팽창 또는 수축하고, 이것은 압전 세라믹 및 멤브레인(240)의 적층이 가동되게 한다. 이러한 가동은 노즐(116)을 통해 잉크 액적을 토출하는 압력 챔버(212) 내의 압력 파들을 생성하여 챔버 내의 잉크를 변위시킨다. 도 2에 도시된 실시예에서, 가동 멤브레인(240) 및 압전 액추에이터(224) 모두는 압력 챔버(212)와 노즐(116) 사이에서 연장되는 디센더(descender)(242)에 의해 분리된다. 따라서, 압전 액추에이터(224)는 챔버(212)의 각각의 측면 상에 세그먼트를 갖는 분리형 압전 액추에이터(224)이다. 그러나, 일부 실시예에서, 디센더(242) 및 노즐(116)은 챔버(212)의 한 측면에 위치되어, 압전 액추에이터(224) 및 멤브레인(240)이 분리되지 않는다.
캡 다이(208)가 액추에이터 다이(206) 위에 부착된다. 캡 다이(208)는 액추에이터(206)보다 더 좁고, 일부 실시예에서, 캡 다이(208)는 또한 액추에이터 다이(206)보다 더 짧은 길이일 수 있다. 캡 다이(208)는 액추에이터(224)를 캡슐화하는 압전 액추에이터(224) 위에 캡 캐비티(224)를 형성한다. 캐비티(224)는 액추에이터(224)를 보호하는 밀봉된 캐비티이다. 캐비티(244)가 통기되지 않지만, 캐비티가 제공하는 밀봉된 공간은 액추에이터(224)의 모션에 영향을 주지 않고 압전 액추에이터(224)가 가동하도록 허용하기에 충분한 개방 체적 및 간격(clearance)으로 구성된다. 캡 캐비티(244)는, (박막 pzt 장기간 성능에 대해 유해한 물 및 다른 분자의 증가된 흡수를 위해) 캐비티의 체적 및 표면적을 증가시키는 액추에이터(224)에 대향하는 리브형(ribbed) 상위 표면(246)을 갖는다. 리브형 표면(246)은 캡 캐비티(244)의 상위 표면을 강화하도록 설계되어, 이것이 인쇄헤드의 취급 및 서비싱(예를 들면, 와이핑(wipping))으로부터의 손상을 더 양호하게 견딜 수 있다. 리빙(ribbing)은 캡 다이(208)의 두께를 감소시키고 디센더(242)의 길이를 단축시키는 것을 돕는다.
캡 다이(208)는 또한 디센더(242)를 포함한다. 디센더(242)는 압력 챔버(212)와 노즐(116) 사이에서 연장되는 캡 다이(208) 내의 채널이며, 액추에이터(224)로부터의 압력 파에 의해 발생된 토출 이벤트 동안에 잉크가 챔버(212)로부터 노즐(116) 외부로 이동하게 한다. 위에서 유의된 바와 같이, 도 2의 실시예에서, 디센더(242) 및 노즐(116)은, 챔버(212)의 2 개의 측면 사이에서 압전 액추에이터(224) 및 가동 멤브레인(240)을 분리하는 챔버(212)에 중심으로 위치된다. 노즐(116)은 노즐 층(210) 또는 노즐 판에 형성된다. 노즐 층(210)은 캡 다이(208)의 상부에 부착되고, 통상적으로 캡 다이(208)와 동일한 크기(즉, 길이 및 폭, 그러나 두께가 반드시 동일하지는 않음)이다.
도 2는 PIJ 인쇄헤드(114) 내의 다이 스택(200)의 단지 부분적인(즉, 좌측 측면) 단면도를 도시한다. 그러나, 다이 스택(200)은 도 2에 도시된 점선(258)을 지나 우측을 향해 계속된다. 또한, 다이 스택(200)은 대칭적이며, 따라서 다이 스택(200)은 도 2의 그의 좌측 측면 상에 도시된 피쳐를 미러링하는 그의 우측 측면 상의 피쳐(도 2에 도시되지 않음)를 포함한다. 예를 들면, 다이 스택(200)의 좌측 측면 상의 도 2에 도시된 잉크 입구 매니폴드(220) 및 잉크 출구 매니폴드(222)는 도 2에 도시되 않는 다이 스택(200)의 우측 측면 상에 미러링된다. 미러링된 입구 및 출구 매니폴드와 같이, 잉크 분배 매니폴드의 부가적인 피쳐가 도 3에 도시된다.
도 3은 본 개시물의 실시예에 따른, PIJ 인쇄헤드(114) 내의 예시적인 압전 다이 스택(200)의 측단면도를 도시한다. 논의를 위해, 도 2를 참조하여 상술된 많은 피쳐는 도 3에 도시된 다이 스택(200)의 예시 또는 논의에 포함되지 않는다. 도 3은 다이 스택(200)의 완전한 측단면도를 도시하지만, 부가적인 매니폴드, 챔버 및 노즐을 예시하도록 주로 의도되는데, 왜냐하면, 이들이 도 2에 관하여 위에서 논의된 실시예에서와 같이 예시적인 다이 스택(200)의 폭에 걸쳐 나타나기 때문이다. 도 3의 다이 스택(200)에서, 다이 스택(200)의 폭에 걸쳐 4 개의 열의 압력 챔버(212) 및 대응하는 노즐(116)이 존재한다. 기판 다이(202)를 통한 5 개의 유체 통로(226)는 (예를 들면, 잉크 공급 시스템(104)으로부터의) 잉크를 회로 다이(204) 내의 5 개의 대응하는 매니폴드로 및 매니폴드로부터 연통시킨다. 더 상세하게, 3 개의 출구 매니폴드(222), 즉, 다이 스택(200)의 에지들에서의 2 개의 매니폴드 및 다이 스택(200)의 중심에서의 하나의 매니폴드가 다이 스택(200) 내의 압력 챔버(212) 외부로 잉크를 연통시킨다. 3 개의 출구 매니폴드(222)는 챔버(212) 내의 4 개의 대응하는 출구 포트(216)를 통해 잉크를 4 개의 압력 챔버(212)(즉, 4 개의 열의 압력 챔버)로부터 배출시키기 위한 채널을 제공한다. 다이 스택 내의 2 개의 입구 매니폴드(220)는 챔버 내의 4 개의 대응하는 입구 포트(214)를 통해 잉크를 4 개의 압력 챔버(212)(즉, 4 개의 열의 압력 챔버)에 주입시키기 위한 채널을 제공한다.
회로 다이(204)에 형성된 유체 우회 채널(232)(예를 들면, 232a, 232b)이 도 3의 다이 스택(200) 내에 또한 도시된다. 상술된 바와 같이, 우회 채널(232)은 입구 매니폴드(220)에 들어오는 잉크의 일부가 압력 챔버(212)를 먼저 통과하지 않고 우회 채널(232)을 통해 출구 매니폴드(222)로 직접적으로 유동하도록 허용한다. 각각의 우회 채널(232)은 입구 매니폴드(220)로부터 출구 매니폴드(222)로의 잉크의 유동을 제한하기 위해 채널을 효과적으로 좁히는 유동 제한기(300)를 포함한다. 우회 채널(232)에서 유동 제한기(300)에 의해 발생된 제한은 압력 챔버(212) 내의 적절한 유동을 달성하는 것을 돕는다. 유동 제한기(300)는 또한 챔버 입구 포트(214) 및 출구 포트(216) 사이의 충분한 압력 차이를 유지하는 것을 돕는다. 도 3에 도시된 유동 제한기(300)가 단지 논의를 위한 것이고 반드시 실제 유동 제한기의 물리적 표현을 예시하도록 의도되지는 않는다는 것이 유의된다. 실제 유동 제한은 우회 채널(예를 들면, 232a 및 232b) 자체의 길이 및 폭을 제어함으로써 수립된다. 따라서, 예를 들면, 우회 채널(232a)의 길이 및 폭은 채널을 통한 유동 및 챔버 내의 압력의 상이한 레벨을 달성하기 위해 우회 채널(232b)의 길이 및 폭에서 벗어난다.
도 4는 본 개시물의 실시예에 따른, 예시적인 압전 다이 스택(200) 내의 다이 층의 위에서 아래로 본 도면을 도시한다. 도 4의 다이 스택(200)에서, 기판 다이(202)가 스택의 저부에 도시되고, 더 작은(즉, 더 좁고 더 짧은) 회로 다이(204)는 기판 다이(202)의 상부 상에 존재한다. 회로 다이(204)의 상부 상에 더 작은(즉, 더 좁고 더 짧은) 액추에이터 다이(206)가 존재한다. 정렬 기준선(400)이 기판 다이(202)의 코너 에지에 도시된다. 일반적으로 도 4 및 도 2를 참조하면, 계속해서 더 작은 다이는, 정렬 기준선을 가시적으로 만들기 위한 다이 에지에서의 공간, 증가된 수의 본드 패드(250) 및 와이어(238) 및 본드 패드(250) 사이의 트레이스 라우팅(본드 패드, 와이어 및 트레이스 전부가 도시되지는 않음)을 제공하는 피라미드형 또는 계단-스텝 형상의 다이 스택(200)을 생성한다. 다이 에지에서의 부가적인 공간은 또한 손상으로부터 와이어(238) 및 본드 패드를 보호하기 위한 캡슐화재(252)를 지원하고, 일반적으로 매니폴드 컴플라이언스, 구동 전자기기 및 다수의 잉크 피드의 적절한 수직 피팅을 보장하기 위해 조립 동안에 간단한 정렬 및 상호 접속을 가능하게 한다. 액추에이터 다이(206)에 인접하게(즉, 바로 아래에) 회로 다이(204)를 갖는 것은 와이어(238)에 대한 단축된 길이를 가능하게 하고, 이것은 제조 동안에 손상을 감소시키고, 캡슐화재에 의해 보호하기 위한 노출된 재료의 양을 줄인다. 에지 다이에서의 여분의 표면적은 또한 보호 장막(256) 및 다이 스택(200) 사이의 밀봉제(254)에 대한 공간을 제공한다. 밀봉제(254)는 잉크가 다이 스택(200) 내의 전기 접속에 침투할 기회를 감소시킨다.
여전히 도 2 및 도 4를 참조하면, 기판 다이(202)의 표면의 측면 에지에서 다이 스택(200)에 접속되는 가요성 케이블(248)이 도시된다. 그러나, 다른 실시예에서, 가요성 케이블(248)은 회로 다이(204)와 같이 다이 스택(200) 내의 다른 다이 층에 결합될 수 있다. 가요 케이블(248)은 제어기와 같은 신호 소스로부터의 저전압, 디지털 제어 신호, 전원(112)으로부터의 전력 및 그라운드를 전달하는 30 개의 정도의 라인을 포함한다. 가요성 케이블(248) 내의 라인을 통해 수신된 직렬 디지털 제어 신호는 회로 다이(204) 상의 ASIC(234) 내의 제어 회로에 의해 구동 트랜지스터(236)를 온 및 오프로 스위칭하는 병렬, 아날로그 작동 신호로 변환(다중화)되어, 개별적인 압전 액추에이터(224)를 활성화한다. 따라서, 가요성 케이블(248)로부터 회로 다이(204) 상의 ASIC 제어 회로 및 구동 트랜지스터(236)로 직렬 제어 및 데이터 신호, 저전압 전력, 및 논리 그라운드를 전달하기 위해 비교적인 적은 수의 와이어(예를 들면, 와이어(238a))가 기판 다이(202)로부터 회로 다이(204)에 부착된다. 그러나, 회로 다이(204) 상의 ASIC(234)로부터 개별적인 와이어(238b)를 따라 액추에이터 다이(206) 상의 개별적인 압전 액추에이터(224)(도 4에 도시되지 않음)로 많은 병렬 구동 신호를 전달하기 위해 회로 다이(204)의 본드 패드(250a) 및 액추에이터 다이(206)의 대응하는 본드 패드(250b) 사이에 훨씬 더 많은 수의 와이어(예를 들면, 와이어(238b))가 부착된다. 본드 패드(250a 및 250b) 사이의 모든 와이어(238b)가 도 4에 예시되지는 않고, 도시된 와이어(238b)가 단지 대표적인 예라는 것을 유의하라. 이러한 실시예에서, 본드 패드 밀도는 인치 당 열 당 200 개의 패드만큼 높일 수 있고, 2 개의 오프셋 열은 인치 당 400개의 패드만큼 많은 패드를 갖는다.
도 4에 도시된 일 실시예에서, 그라운드 트레이스(402)는 가요성 케이블(248)로부터 퍼지고 기판 다이(202)의 한 측면 에지를 따라 그라운드 패드(404)로 연장된다. 와이어(238c)는 그라운드 패드(404)에 결합되고, 위에 인접한 회로 다이(204) 상의 그라운드 패드(406) 위로 연장된다. 그라운드 트레이스(408)는 그라운드 패드(406)로부터 회로 다이(204)의 2 개의 단부 에지를 따라 회로 다이(204)의 중심에서 단부 에지 상에 위치된 그라운드 패드(410)로 이어진다. 와이어(238d)는 회로 다이(204) 상의 그라운드 패드(410)에 결합되고, 중심 상에서 그라운드 패드(412) 위로 연장되고, 액추에이터 다이(206)의 에지에서 종료된다. 그라운드 버스(414)는 다이(206)의 대향 단부 에지 사이의 액추에이터 다이(206)읠 중심 아래로 이어진다. 따라서, 가요성 케이블(248)로부터 나오는 그라운드는 초기에 기판 다이(202) 상의 다이 스택(200)에 연결되고, 기판 다이(202) 및 회로 다이(204)의 측면 및 단부 에지를 따라 액추에이터 다이(206) 위로 라우팅된다. 중심 그라운드 버스(414)로부터, 그라운드 트레이스는 액추에이터 다이(206)의 측면 에지를 향해 외부로 연장되어, 도 5 및 도 6에 관련하여 후술되는 바와 같이 압전 액추에이터(224)(도 4에 도시되지 않음)와 접속한다.
도 5는 본 개시물의 실시예에 따른, 회로 다이(204)의 상부 상의 액추에이터 다이(206)를 포함하는 부분적인 다이 스택(200)의 위에서 아래로 본 도면을 도시한다. 다이(206)의 양쪽의 긴 측면 에지를 따라 이어지는 와이어 본드 패드(250b)가 액추에이터 다이(206) 상에 도시된다. 본드 패드(250b) 사이의 다이(206) 상의 공간은 적어도 4 개의 열의 압전 액추에이터(224)를 갖는다. 그러나, 다른 실시예에서, 액추에이터(224)의 열의 수는, 예를 들면, 6, 8 또는 그 이상의 열로 증가될 수 있다. 이러한 실시예에서, 중심 그라운드 버스(414)의 양쪽 단부에서 (즉, 회로 다이(204)로부터의 와이어(238d)를 통해) 이루어진 그라운드 접속은, 버스 폭을 감소시키는 것을 도우면서 버스를 따른 저항을 수용 가능한 최대 레벨 아래로 유지한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 그라운드 트레이스(500)는 중심 그라운드 버스(414)로부터 퍼지고, 액추에이터 다이(206)의 2 개의 측면 에지를 향해 외부로 연장된다. 따라서, 그라운드 트레이스(500)는, 액추에이터의 열 사이에서 이어지고 중심 그라운드 버스(414)로부터 각각의 액추에이터(224)에 그라운드 접속을 제공하는 "인사이드-아웃" 그라운드 트레이스이다. 그라운드 트레이스(500)로부터의 그라운드 접속(502)은 통상적으로 압전 세라믹 액추에이터(224) 상의 저부 전극으로 이어진다. 구동 신호 트레이스(504)는 액추에이터 다이(206)의 측면 에지에서 본드 패드(250b)로부터 퍼지고, 다이(206)의 중심을 향해 내부로 연장된다. 따라서, 구동 트레이스(504)는 액추에이터의 열 사이에서 이어지는 "아웃사이드-인" 구동 트레이스이다. 구동 트레이스(504)로부터의 구동 트레이스 접속(506)은 통상적으로 압전 세라믹 액추에이터(224) 상의 상부 전극으로 이어진다(그러나, 반드시 그렇지는 않다).
"인사이드-아웃" 그라운드 트레이스(500) 및 "아웃사이드-인" 구동 트레이스(504)를 갖는 트레이스 레이아웃은 트레이스에 대한 더 긴밀한 패킹 방식을 가능하게 하고, 이것은 상이한 실시예에서 더 많은 열의 액추에이터(224)를 허용한다. 게다가, 상기 트레이스 레이아웃은 그라운드 트레이스 및 구동 트레이스가 동일한 제조 레벨 상에 또는 동일하거나 공통의 제조 플레인 내에 있게 한다. 즉, 제조 동안에, 구동 트레이스를 내려놓기 위해 사용되는 동일한 패터닝 및 증착 프로세스가 또한 동시에 그라운드 트레이스를 내려놓기 위해 사용된다. 이것은 프로세스 단계를 제거할 뿐만 아니라 구동 트레이스 및 그라운드 트레이스 사이의 절연층을 제거한다.
압력 챔버(212), 아래에 놓인 회로 다이(204) 내의 입구 및 출구 포트(214, 216)에 대한 윤곽, 및 위에 놓인 캡 다이(208) 및 노즐 층(210)에 각각 존재하는 디센더(242) 및 노즐(116)에 대한 윤곽이 도 5의 액추에이터 다이(206) 상에 또한 도시된다. 도 5 및 도 2의 실시예에서, 각각의 챔버(212)는 분리형 액추에이터(224)를 갖는다. 액추에이터(224)는 챔버의 중간에 위치된 디센더(242) 및 노즐(116)에 의해 2 개의 세그먼트로 분리된다. 이러한 설계에서, 분리형 액추에이터(224)의 양자의 세그먼트는 그라운드 트레이스(500) 및 구동 트레이스(504)에 연결된다. "인사이드-아웃" 그라운드 트레이스(500) 및 "아웃사이드-인" 구동 트레이스(504)를 갖는 트레이스 레이아웃에 대한 긴밀한 패킹 방식은 그러한 분리형 액추에이터 설계를 더 양호하게 수용한다.
도 6은 본 개시물의 실시예에 따른, 분리되지 않은 액추에이터(224)를 갖는 액추에이터 다이(206)를 포함하는 부분적인 다이 스택(200)의 위에서 아래로 본 도면을 도시한다. 이러한 실시예에서, 디센더(242) 및 노즐(116)은 도 5의 실시예의 분리형 액추에이터 설계에서와 같이 챔버(212)의 중간보다는 챔버(212)의 한 측면에 위치된다. 이것은 단일 액추에이터(224)가 단일 요소로서 챔버(212)의 폭에 걸쳐 있게 한다. 따라서, 이러한 설계는 도 5의 분리형 액추에이터 설계에서와 같이 액추에이터(224)에 대해 이루어진 그라운드 트레이스(500) 및 구동 트레이스(504) 접속의 절반만큼의 접속을 갖는다. 따라서, 액추에이터 다이(206) 상의 액추에이터의 열 사이의 공간을 덜 차지하는 트레이스가 존재한다.
도 7은 본 개시물의 실시예에 따른, 예시적인 압전 다이 스택(200) 내의 다이 층의 위에서 아래로 본 도면을 도시한다. 도 7은, 예시된 실시예가 기판 다이(202) 상의 가요성 케이블(248)로부터 액추에이터 다이(206) 상의 중심 그라운드 버스(414) 위로 그라운드 접속을 라우팅하기 위한 대안적인 레이아웃을 도시한다는 것을 제외하고 상술된 도 4와 유사하다. 이러한 실시예에서, 중심 그라운드 버스(414)는 버스(114)의 각각의 단부 상에 수직의 세그먼트(700)를 포함한다. 수직의 세그먼트(700)는 버스(414)의 단부로부터 벗어나 2 개의 방향으로 액추에이터 다이의 2 개의 측면 에지를 향해 수직으로 연장된다. 수직의 세그먼트(700)는, 회로 다이(204) 및 액추에이터 다이(206)가 동일한 길이를 갖거나, 이전에 논의된 실시예에서보다 동일한 길이에 더 가까울 때와 같이, 다이 스택(200)의 상이한 구현예에서 중심 그라운드 버스(414)에 대한 그라운드 접속을 용이하게 한다. 그러한 구현예에서, 본드 또는 그라운드 패드를 배치하거나 그라운드 트레이스를 연결하기 위해 회로 다이(204)의 단부 에지에서 충분한 공간이 존재하지 않을 수 있다. 이것은, 회로 다이(204)로부터의 액추에이터 다이(206) 상의 중심 그라운드 버스(414)에 그라운드를 접속하는 도 4에 도시된 특정 그라운드 라우팅 방식을 방지할 것이다. 따라서, 도 7의 실시예는, 회로 다이(204)의 단부 에지에서 불충분한 공간이 존재하는 구현예에서, 가요성 케이블(248)로부터 액추에이터 다이(206) 상의 중심 그라운드 버스(414) 위로의 대안적인 라우팅을 제공한다.
도 7의 실시예에서, 그라운드 트레이스(402)는 가요성 케이블(248)로부터 퍼지고, 기판 다이(202)의 한 측면 에지를 따라 그라운드 패드(404)로 연장된다. 와이어(238c)는 하나의 단부에서 그라운드 패드(404)에 결합되고, 와이어가 그라운드 패드(406)의 다른 단부에서 결합되는 회로 다이(204) 위로 연장된다. 회로 다이(204) 상의 그라운드 패드(406)로부터, 와이어(702)는 액추에이터 다이(206)의 단부 에지 상의 수직의 연장부(700)에 결합되어, 중심 그라운드 버스(414)에 대한 그라운드 접속을 제공한다. 일부 실시예에서, 액추에이터 다이(206) 상의 수직의 연장부(700)는 또한 회로 다이(204)의 다른 측면 에지에 대한 그라운드 접속을 제공하는데 사용될 수 있다. 그러한 경우에, 도 7에 도시된 바와 같이, 와이어(704)는 수직의 연장부(700)의 다른 측면에 결합되고, 와이어가 그라운드 패드(706)에 결합되는 회로 다이(204)의 다른 측면 에지 아래로 다시 연장된다. 따라서, 가요성 케이블(248)로부터 액추에이터 다이(206) 상의 중심 그라운드 버스(414) 위로의 그라운드 접속의 대안적인 라우팅을 제공하는 것 이외에, 중심 그라운드 버스(414)에 대한 수직의 연장부(700)는 또한 액추에이터 다이(206) 위에서 회로 다이(204)의 한 측면으로부터 다른 측면으로의 그라운드 접속을 가능하게 한다. 이러한 대안적인 그라운드 트레이스 라우팅은, 회로 다이(204) 및 액추에이터 다이(206)가 동일하거나 유사한 길이를 가질 때와 같이 회로 다이(204)의 단부 에지에서 불충분한 공간이 존재하는 다이 스택(200) 구현예에서 특히 유용한다.
일반적으로 도 4 내지 도 7을 참조하면, 대안적인 실시예에서, 중심 그라운드 버스 및 개별적인 구동 트레이스의 역할이 반전될 수 있다. 따라서, 그라운드 버스(414)는 대신에 피크 구동 전압에 있다. 따라서, 도 4에 관련하여, 예를 들면, 그러한 대안적인 실시예에서, 가요성 케이블(248)로부터 퍼지고 기판 다이(202)의 측면 에지를 따라 연장되는 상술된 그라운드 트레이스(402)는 대신에 피크 구동 전압 트레이스일 것이다. 마찬가지로, 그라운드 패드(404, 406, 410 및 412) 및 와이어(238c 및 238d)는 그라운드 대신에 피크 구동 전압을 전달할 것이다. 따라서, (그라운드 트레이스보다는) 구동 전압 트레이스는 압전 액추에이터(224)와 접속하기 위해 중심 버스(414)로부터 외부로 액추에이터 다이(206)의 측면 에지를 향해 연장될 것이다. 또한, 압전 액추에이터(224)는 액추에이터 다이(206)의 측면 에지에서 본드 패드(250b)를 통해 개별적인 병렬 트레이스(504)에 의해 그라운드에 접속되고, 이어서 구동 트랜지스터(236)에 의해 접속된다. 이러한 트레이스 경로 실시예를 통해, 구동 트랜지스터(236)는 액추에이터(224)를 활성화하기 위해 압전 액추에이터(224)를 그라운드에 교번으로 접속 해제 및 접속한다. 따라서, 그러한 대안적인 실시예에서, 구동 트레이스는 압전 세라믹 액추에이터(224)를 활성화하는 구동 전압을 제공하기 위해 중심 버스로부터 액추에이터의 열 사이의 각각의 액추에이터(224)로 이어지는 "인사이드-아웃" 구동 트레이스이고, 한편 그라운드 트레이스는 구동 트랜지스터(236)를 통해 그라운드 접속을 각각의 액추에이터(224)에 제공하기 위해 액추에이터의 열 사이에서 이어지는 "아웃사이드-인" 그라운드 트레이스이다.
100: 잉크젯 인쇄 시스템 102: 인쇄헤드 조립체
104: 잉크 공급 조립체 105: 잉크 컨디셔닝 조립체
106: 장착 조립체 108: 매체 운반 조립체
110: 전자 제어기 112: 전원
120: 저장조 124: 호스트로부터의 데이터
126: 온도 보상 및 제어 모듈 200: 압전 다이 스택
202: 기판 다이 204: 회로 다이
206: 액추에이터 다이 212: 압력 챔버
220: 입구 매니폴드 222: 출구 매니폴드
228: 컴플라이언스 막 230: 공간
248: 가요성 케이블 400: 정렬 기준선

Claims (16)

  1. 압전 인쇄헤드 트레이스 레이아웃(piezoelectric printhead trace layout)에 있어서,
    액추에이터 다이와,
    상기 액추에이터 다이의 2 개의 측면 에지를 따른 본드 패드와,
    상기 2 개의 측면 에지 사이의 압전 세라믹 액추에이터의 열(row)과,
    구동 신호를 상기 액추에이터로 전달하기 위해, 상기 본드 패드로부터 퍼지고 상기 액추에이터 다이의 중심을 향해 내부로 연장되는 구동 트레이스와,
    상기 액추에이터 다이의 2 개의 단부 에지 사이에서 상기 액추에이터 다이의 중심을 따라 연장되는 그라운드 버스와,
    그라운드 접속을 상기 액추에이터에 제공하기 위해, 상기 그라운드 버스로부터 퍼지고 상기 2 개의 측면 에지를 향해 외부로 연장되는 그라운드 트레이스를 포함하는
    압전 인쇄헤드 트레이스 레이아웃.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 구동 트레이스 및 상기 그라운드 트레이스는 공통 평면 내에 존재하는
    압전 인쇄헤드 트레이스 레이아웃.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 액추에이터 다이가 부착되는 회로 다이와,
    상기 그라운드 버스의 제 1 단부를 상기 회로 다이 상의 그라운드 패드에 연결하는 와이어와,
    상기 그라운드 버스의 제 2 단부를 상기 회로 다이 상의 그라운드 패드에 연결하는 와이어를 더 포함하는
    압전 인쇄헤드 트레이스 레이아웃.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 그라운드 버스는 상기 그라운드 버스의 단부로부터 상기 액추에이터 다이의 2 개의 측면 에지를 향해 수직으로 연장되는 수직의 세그먼트를 포함하는
    압전 인쇄헤드 트레이스 레이아웃.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 액추에이터 다이가 부착되는 회로 다이와,
    상기 수직의 세그먼트의 제 1 단부를 상기 회로 다이의 제 1 측면 에지 상의 그라운드 패드에 연결하는 와이어와,
    상기 수직의 세그먼트의 제 2 단부를 상기 회로 다이의 제 2 측면 에지 상의 그라운드 패드에 연결하는 와이어를 더 포함하고,
    상기 와이어 및 수직의 세그먼트는 상기 액추에이터 다이 위에서 상기 회로 다이의 제 1 측면 에지로부터 상기 회로 다이의 제 2 측면 에지로의 그라운드 접속을 제공하는
    압전 인쇄헤드 트레이스 레이아웃.
  6. 제 1 항에 있어서,
    압전 세라믹 액추에이터는,
    2 개의 액추에이터 세그먼트를 갖는 분리형 압전 세라믹 액추에이터를 포함하고,
    구동 트레이스 및 그라운드 트레이스는 상기 2 개의 액추에이터 세그먼트에 연결되는
    압전 인쇄헤드 트레이스 레이아웃.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 회로 다이가 부착되는 기판 다이와,
    제어 신호, 전력 및 그라운드를 다이 스택에 전달하기 위해 상기 기판 다이에 연결된 가요성 케이블(flex cable)을 더 포함하는
    압전 인쇄헤드 트레이스 레이아웃.
  8. 제 1 항에 있어서,
    기판 다이, 상기 기판 다이 상에 적층된 회로 다이, 상기 회로 다이 상에 적층된 액추에이터 다이, 및 상기 액추에이터 다이 상에 적층된 캡 다이(cap die)를 포함하는 다중층 다이 스택을 더 포함하고,
    상기 다이 스택 내의 각각의 다이는 상기 다이가 적층되는 다이보다 더 좁은
    압전 인쇄헤드 트레이스 레이아웃.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 그라운드 버스는 구동 전압 버스이고, 상기 트레이스 레이아웃은,
    구동 전압 접속을 상기 액추에이터에 제공하기 위해, 상기 구동 전압 버스로부터 퍼지고 상기 2 개의 측면 에지를 향해 외부로 연장되는 구동 트레이스와,
    그라운드 접속을 상기 액추에이터에 제공하기 위해, 상기 본드 패드로부터 퍼지고 상기 액추에이터 다이의 중심을 향해 내부로 연장되는 그라운드 트레이스를 포함하는
    압전 인쇄헤드 트레이스 레이아웃.
  10. 압전 인쇄헤드 트레이스 레이아웃에 있어서,
    다중층 다이 스택 ― 상기 스택 내의 각각의 다이는 상기 다이가 적층되는 다이보다 더 좁음 ― 과,
    상기 다이 스택 내의 액추에이터 다이와,
    상기 액추에이터 다이의 2 개의 측면 에지로부터 상기 액추에이터 다이의 중심을 향해 압전 액추에이터로 퍼지는 구동 신호 트레이스와,
    상기 액추에이터 다이의 중심으로부터 상기 액추에이터 다이의 2 개의 측면 에지를 향해 상기 압전 액추에이터로 퍼지는 그라운드 트레이스를 포함하는
    압전 인쇄헤드 트레이스 레이아웃.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 그라운드 트레이스가 퍼지는 중심 그라운드 버스를 더 포함하고,
    상기 중심 그라운드 버스는 상기 액추에이터 다이의 2 개의 단부 에지 사이에서 연장되는
    압전 인쇄헤드 트레이스 레이아웃.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 구동 신호 트레이스가 퍼지는 상기 액추에이터 다이의 2 개의 측면 에지를 따른 본드 패드와,
    상기 액추에이터 다이의 2 개의 측면 에지를 따른 상기 본드 패드 사이의 압전 액추에이터의 열을 더 포함하는
    압전 인쇄헤드 트레이스 레이아웃.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 압전 액추에이터의 열 내의 분리형 압전 액추에이터를 포함하고,
    각각의 분리형 압전 액추에이터는 디센더(descender) 및 노즐에 의해 분리되는 2 개의 액추에이터 세그먼트를 갖는
    압전 인쇄헤드 트레이스 레이아웃.
  14. 제 13 항에 있어서,
    각각의 구동 신호 트레이스는 분리형 압전 액추에이터의 2 개의 액추에이터 세그먼트로 연장되고,
    각각의 그라운드 트레이스는 분리형 압전 액추에이터의 2 개의 액추에이터 세그먼트로 연장되는
    압전 인쇄헤드 트레이스 레이아웃.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 중심 그라운드 버스의 양쪽 단부에 대한 그라운드 접속을 더 포함하는
    압전 인쇄헤드 트레이스 레이아웃.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 중심 그라운드 버스의 각각의 단부 상의 수직의 연장부(extension)를 더 포함하고,
    상기 중심 그라운드 버스의 양쪽 단부에 대한 그라운드 접속은 상기 수직의 연장부를 통해 이루어지는
    압전 인쇄헤드 트레이스 레이아웃.
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