CABEZA DE IMPRESIÓN DE CHORRO DE TINTA DE ALTA RESOLUCIÓN
CAMPO DE LA INVENCIÓN La invención se relaciona con cabezas de impresión de chorro de tinta y en particular con cabezas de impresión de chorro de tinta que tienen mayor resolución y métodos para fabricar las cabezas de impresión.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Las impresoras de chorro de tinta continúan experimentando una amplia aceptación como reemplazos económicos de las impresoras láser. Esas impresoras de chorro de tinta son típicamente más versátiles que las impresoras láser para algunas aplicaciones. A medida que las capacidades de las impresoras de chorro de tinta se incrementan para proporcionar imágenes de mayor calidad a mayores velocidades de impresión, las cabezas de impresión, las cuales son los componentes de impresión principales de las impresoras de chorro de tinta, continúan evolucionando y se vuelven más complej as . Una mejor calidad de impresión requiere que las cabezas de impresión proporcionen un mayor número de gotas de tinta. Para incrementar el número de gotas de tinta de una cabeza de impresión, las cabezas de impresión están diseñadas para incluir más boquillas y accionadores de eyección de tinta correspondientes . El número de boquillas y accionadores para una cabeza de impresión de "disparador superior" o "disparador de techo" puede incrementarse de algunas formas conocidas por aquellos expertos en la técnica. Por ejemplo, en una placa de boquillas integrada que contiene orificios de boquilla, cámaras de tinta y canales de tinta cortados con láser en un material de poliimida, las boquillas adyacentes y las cámaras de tinta correspondientes están típicamente desviadas una de la otra en una dirección ortogonal a la ranura de alimentación de tinta. Ese diseño puede dar como resultado boquillas adyacentes que tengan diferentes características fluidas como tiempos de relleno o reabastecimiento, lo cual puede dar como resultado defectos de calidad y puede limitar la operación de alta frecuencia de los accionadores de los eyectores . La desviación se debe principalmente al corte con láser del material de la placa de boquillas para formar las cámaras de tinta. Con una placa de boquillas cortada con láser que contiene cámaras de tinta y canales de tinta, se requiere una separación mínima entre las cámaras de tinta adyacentes para proporcionar suficiente estructura de la pared de la cámara para las cámaras de tinta. En consecuencia, se requiere una placa de boquillas más grande y un sustrato semiconductor correspondiente más grandes a medida que el número de boquillas y accionadores para la cabeza de impresión se incremente. A pesar de los avances producidos en la técnica de las cabezas de impresión de chorro de tinta, sigue existiendo la necesidad de cabezas de impresión que tengan mayor resolución que puedan operar a frecuencias de eyección más altas sin incrementar sustancialmente el costo de producción de esas cabezas de impresión.
SUMARIO DE LA INVENCIÓN Con respecto a los objetivos y ventajas anteriores y otras se proporciona una cabeza de impresión de alta resolución para una impresora de chorro de tinta. La cabeza de impresión incluye un sustrato semiconductor que contiene al menos un borde de alimentación de tinta y una pluralidad de accionadores de eyección de tinta separados a una distancia desde el borde de alimentación de tinta. Cada uno de los accionadores de eyección de tinta tiene una relación de aspecto que fluctúa de aproximadamente 1.5:1 hasta aproximadamente 6:1. Una placa de boquilla es unida al sustrato semiconductor mediante el uso de un adhesivo o preferiblemente un adhesivo y una capa polimérica intermedia. La placa de boquillas contiene una pluralidad de orificios de boquilla, cámaras de tinta, y canales de tinta cortados con .láser en la placa de boquillas correspondientes a la pluralidad de accionadores de eyección de tinta. Los orificios de boquilla adyacentes están separados por una separación que fluctúa de aproximadamente 600 hasta aproximadamente 1200 dpi. La distancia desde el borde de alimentación de tinta es sustancialmente la misma para cada uno de los accionadores de eyección de tinta. En otra modalidad se proporciona una cabeza de impresión para una impresora de chorro de tinta. La cabeza de impresión incluye un sustrato semiconductor que contiene al menos un borde de alimentación de tinta y una pluralidad de accionadores de eyección de tinta separadas a una distancia del borde de alimentación de tinta. Cada uno de los accionadores de eyección de tinta con una relación de aspecto que fluctúa de aproximadamente 1.5:1 hasta aproximadamente 6:1. Una capa de película gruesa está unida al sustrato semiconductor. La capa de película gruesa tiene formada en ella una pluralidad de cámaras de alimentación de tinta y canales de alimentación de tinta correspondientes a la pluralidad de accionadores de eyección de tinta. Una placa de boquilla si está unida a la capa de película gruesa. La placa de boquilla contiene una pluralidad de orificios de boquilla cortados con láser en las placas de boquilla correspondientes a la pluralidad de cámaras de alimentación de tinta. Los orificios de boquilla adyacentes están separados a una distancia que fluctúa de aproximadamente 600 hasta aproximadamente 2400 dpi. La distancia desde el borde de alimentación de tinta es sustancialmente la misma para cada uno de los accionadores de eyección de tinta. Una ventaja de la invención es que proporciona cabezas de impresión que tienen una mayor resolución de impresión sin hacer disminuir la frecuencia de disparo y sin incrementar significativamente el tamaño de los componentes de la cabeza de impresión. La invención también permite la producción de cabezas de impresión que tengan una separación de boquilla mayor de 600 dpi sin la necesidad de proporcionar boquillas adyacentes y cámaras de tinta correspondientes que estén desviadas entre sí en una dirección ortogonal a la ranura de alimentación de tinta. En consecuencia, las características fluidas de cada una de las boquillas son sustancialmente las mismas. Para los propósitos de ésta invención, el término "separación" como se aplica en las boquillas o accionadores de eyección de tinta pretende significar una separación centro a centro entre las boquillas o accionadores de eyección adyacentes en una dirección sustancialmente paralela con un eje alineado con un arreglo de columnas de boquillas. El término "relación de aspecto" como se aplica a los accionadores de eyección de tinta de la relación de la longitud de los accionadores al ancho de los accionadores.
BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS Las ventajas adicionales de la invención se volverán evidentes con referencia a la descripción detallada de las modalidades preferidas cuando se consideren en conjunto con los siguientes dibujos que ilustran uno o más aspectos no limitantes de la invención, donde caracteres de referencia similares designan elementos iguales o similares a través de los diferentes dibujos como sigue: La Figura 1 es un cartucho de impresión de chorro de tinta, no a escala, que contiene una cabeza de impresión de acuerdo a la invención; La Figura 2 es una vista en perspectiva de una impresora de chorro de tinta de acuerdo a la invención; La Figura 3 es una vista plana, no a escala, de una cabeza de impresión que contiene de acuerdo a la invención; La Figura 4 es una vista en corte transversal, no a escala de una porción de una cabeza de impresión de acuerdo a una modalidad de la invención. La Figura 5 es una vista plana, no a escala, de una porción de una cabeza de impresión de la técnica anterior;
La Figura 6 es una vista plana, no a escala, de una porción de una cabeza de impresión de acuerdo a la invención; La Figura 7 es una vista en corte transversal, no a escala de una porción de una cabeza de impresión de acuerdo a otra modalidad de la invención; y La Figura 8 es una ilustración esquemática de una entrada o salida de orificio de boquilla de acuerdo a una modalidad de la invención.
DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCIÓN Con referencia a las Figuras 1-3, se ilustra un cartucho de impresora de chorro de tinta 10 que contenga una cabeza de impresión 16 para una impresora de chorro de tinta 12. El cartucho 10 incluye un cuerpo de cartucho 14 para suministrar un fluido como tinta a la cabeza de impresión 16. El fluido puede estar contenido en un área de almacén en el cuerpo del cartucho 14 o puede ser suministrado desde una fuente remota al cuerpo del cartucho 14. La cabeza de impresión 16 incluye un sustrato semiconductor 18 y una placa de boquilla 20 que contiene orificios de boquilla 22 unida al sustrato 18, o en otra modalidad, unida a una capa de película gruesa sobre el sustrato. Se prefiere que el cartucho 10 sea unido de manera removible a la impresora de chorro de tinta 12. En consecuencia, los contactos eléctricos 24 son proporcionados sobre un circuito flexible 26 para la conexión eléctrica a la impresora de chorro de tinta 12. El circuito flexible 26 incluye trazos eléctricos 28 que están conectados al sustrato 18 de la cabeza de impresión 16. Una vista en corte transversal, amplificada, no a escala, de una porción de una cabeza de impresión 16 de acuerdo a una modalidad de la invención se ilustra en la Figura 4. En esta modalidad, la cabeza de impresión 16 contiene un elemento de calentamiento térmico 30 para calentar el fluido en una cámara de fluido o cámara de tinta 32 formada en la placa de boquillas 20 entre el sustrato 18 y el orificio de boquilla 22. Sin embargo, la invención no se limita a una cabeza de impresión 16 que contenga un elemento de calentamiento térmico 30. Otros dispositivos de eyección de fluido o accionadores de eyección de tinta, como dispositivos piezoeléctricos también pueden ser usados para proporcionar una cabeza de impresión de acuerdo a la invención. El fluido para la eyección por la cabeza de impresión 16 a través de los orificios de boquilla 22 es proporcionado preferiblemente la cámara de fluido 32 a través de una abertura o ranura 34 en el sustrato 18 y a través de un canal de fluido 36 que conecta la ranura 34 con la cámara de fluido 32. La placa de boquillas 20 es preferiblemente unida de manera adhesiva al sustrato 18 como puede ir a la capa adhesiva 38. En una modalidad particularmente preferida, la cabeza de impresión es una cabeza de impresión de chorro de tinta térmica o piezoeléctrica. Sin embargo, la invención no pretende limitarse a cabezas de impresión de chorro de tinta puesto que pueden ser eyectados otros fluidos con el dispositivo de eyección microfluídico de acuerdo a la invención. También la invención no se limita a una cabeza de impresión que tenga una ranura de alimentación de fluido 34 en el sustrato 18. También puede hacerse que un fluido fluya alrededor de los bordes externos opuestos del sustrato 18 y hacia el canal de fluido 36 y una cámara de fluido 32. En consecuencia, se proporciona un borde de alimentación de fluido 40 el cual puede ser un borde de la ranura de alimentación 34, o en el caso de una configuración de alimentación por el borde, un borde externo del sustrato 18. En la modalidad ilustrada en la Figura 4, la cámara de tinta 32 y el canal de tinta 36 son formados en la placa de boquillas 20 como por corte por láser. El corte por láser de la placa de boquillas 20 es conducido típicamente desde el lado de la cámara de tinta de la placa de boquillas 20. Cuando la placa de boquillas 20 está hecha de un material de poliimida, las paredes 42 de la cámara de tinta 32 y las paredes 44 de la boquilla 22 tienen superficies inclinadas o anguladas debido al proceso de corte con láser. En un diseño de la técnica anterior de una cabeza de impresión, ilustrada en la Figura 5, la distancia centro a centro Si entre las boquillas adyacentes 46 y 48 era, de manera típica, de aproximadamente 42 micrómetros o más para proporcionar una separación de menos de aproximadamente 600 dpi (puntos por pulgada) a lo largo de una dirección (A) paralela a un borde de alimentación de tinta 54. En el diseño de la técnica anterior ilustrado en la Figura 5, los orificios de boquilla 46 y 48 están alternados proporcionando cámaras de tinta alternadas 50 y 52 para proporcionar una separación estrecha Si entre boquillas adyacentes. "Alternado" significa que un centro de la boquilla 46 está a una distancia Ti que es menor que una distancia T2 del centro de la boquilla 48 hacia el borde de alimentación de tinta 54. En muchos diseños convencionales de la técnica anterior, la relación de aspecto (Li/ i) de los accionadores de eyección de tinta 56 es típicamente menor de aproximadamente 1.5:1. Para proporcionar un sello fluídico entre las cámaras de tinta adyacentes como las cámaras 50 y 52, se requiere una distancia Fx que fluctúa de aproximadamente 7.5 hasta aproximadamente 30 micrómetros entre cámaras de tinta adyacentes para una placa de boquillas cortada con láser considerando las tolerancias de alineación de fabricación. También se requiere típicamente una distancia Gi que fluctúa de aproximadamente 0 hasta aproximadamente 10 micrómetros entre una pared de cámara interna 58 y el eyector de tinta 56 para una placa de boquillas cortada con láser. En consecuencia, la separación S entre las boquillas adyacentes es función de que Fi y Gi y la relación de aspecto de los dispositivos de eyección de tinta. Se apreciará que las características fluidas de la boquilla 46 difieren de las características fluídicas de la boquilla 48 debido a que la boquilla 48 está más lejos del borde de alimentación de tinta 54 que la boquilla 46. También se apreciará que proporcionar un arreglo sustancialmente no alternado de boquillas en una placa de boquillas cortada con láser con una separación mayor de 600 dpi o una separación de menos de 42 micrómetros entre las boquillas adyacentes 46 y 48 es deseable para incrementar la resolución de la impresión y calidad de impresión con una mayor velocidad de eyección y frecuencia de disparo de tinta. Con el diseño ilustrado en la Figura 5, la frecuencia de disparo de las boquillas es limitada por la velocidad de relleno o reabastecimiento del fluido de las cámaras de tinta 52 separadas más lejos del borde de alimentación de tinta 54. Una porción de una cabeza de impresión 16 de acuerdo a una modalidad de la invención se ilustra en una vista plana, no a escala, en la Figura 6. De acuerdo a la invención, se proporciona un arreglo sustancialmente lineal 60 de boquilla de eyección de tinta 22. A diferencia del diseño de la técnica anterior ilustrado en la Figura 5, las cámaras de tinta 32 están separadas sustancialmente la misma distancia T3 del borde de alimentación de tinta 40, de modo que las características fluídicas de cada boquilla 22 son sustancialmente las mismas. El término "sustancialmente la misma" con respecto a la distancia de las cámaras de tinta 32 del borde significa que la diferencia en la distancia de las cámaras 32 en cada columna de cámaras 32 es menor que o igual a una longitud L2 (Figura 6) de los dispositivos de eyección de tinta 30. Un una modalidad preferida T3 preferiblemente fluctúa de aproximadamente 20 hasta aproximadamente 90 micrómetros. También a diferencia del diseño de la técnica anterior la separación centro a centro S2 entre las boquillas adyacentes 22 es preferiblemente menor de 42 micrómetros, proporcionando una separación de más de aproximadamente 600 dpi hasta aproximadamente 1200 dpi para una cámara de tinta cortada y hasta aproximadamente 2400 dpi para cámaras de tinta fotorreveladas a lo largo de una dirección B del arreglo lineal 60 de boquillas. En una modalidad preferida S2 preferiblemente fluctúa de menos de 42 micrómetros hasta aproximadamente 10.5 micrómetros. Como se describió anteriormente, existe una distancia mínima F2 entre cámaras de tinta adyacentes para una placa de boquillas cortada con láser para proporcionar suficientes estructuras de pared de cámara para el sellado fluídico entre cámaras de tinta adyacentes. La distancia F2 preferiblemente fluctúa de aproximadamente 6 hasta aproximadamente 30. También, las tolerancias de alineación entre una pared de cámara interior 62 y un dispositivo de eyección de tinta 30 requieren una separación de G2 la cual fluctúa preferiblemente de aproximadamente 0 hasta aproximadamente 10. Esto es particularmente cierto para una tolerancia de alineación (NA) entre la pared de la cámara 62 y el dispositivo de eyección de tinta 30 de aproximadamente 9 micrómetros. En una placa de boquillas cortada con láser que contiene cámaras de tinta cortadas con láser 32 y canales de tinta, Gi = G2 y Fx = F2. En otra modalidad, como se describe más adelante, Gi > G2 y Fi > F2. Para proporcionar una separación menor entre boquillas adyacentes 22 es suficiente incrementar la separación a más de aproximadamente 600 dpi, la relación de aspecto de los dispositivos de eyección de tinta 30 se selecciona de modo que la relación de aspecto (L2/W2) fluctúe de aproximadamente 1.5:1 hasta aproximadamente 6:1, de manera preferible, de aproximadamente 2:1 hasta aproximadamente 4.5:1. Esa relación de aspecto permite el uso de una resistencia térmica como dispositivo de eyección de tinta que tiene una resistencia que fluctúa de aproximadamente 80 hasta aproximadamente 200 ohmios o más con material de resistencia térmica convencional. En este caso, la tolerancia de alineación de la boquilla 22 a la cámara 32 (NC) es de aproximadamente 2 micrómetros. Para una placa de boquillas cortada con láser 20, refiriéndose a las Figuras 4 y 6, pueden usarse las siguientes relaciones para seleccionar la separación o distancia entre centro a centro S2: (2 x a) + ED + F2 = S2 (1) donde (a) es la distancia entre el fondo de la pared de la cámara 42 y una entrada 64 de la boquilla 22, ED es el diámetro de entrada en la entrada 64 de la boquilla 22, y F2 es la separación entre cámaras adyacentes 32. El diámetro de entrada (ED) de la boquilla 22 afecta directamente el tamaño de la gota eyectada por la boquilla 22 y por lo tanto normalmente es fijado por los requerimientos del producto. La distancia (a) de la entrada 64 de la boquilla 22 a la pared de la cámara 42 es función de la tolerancia de alineación de la boquilla a la cámara (NC) y del ángulo de la pared de la pared de la cámara 42 producido por el corte con láser que proporciona una distancia (c) entre la parte superior y la parte inferior de la pared de la cámara. Durante el corte con láser, el ángulo de la pared de la pared de la cámara típicamente fluctúa de aproximadamente 6° hasta aproximadamente 18°. En consecuencia, la distancia (a) debe ser mayor que la tolerancia de alineación de la boquilla a la cámara (NC) más (c) de acuerdo a la siguiente desigualdad: a > NC --- c (2)
Para que las boquillas 22 de la placa de boquillas 20 se alineen con los dispositivos de eyección de tinta 30, la distancia (G2) entre el dispositivo de eyección de tinta 30 y la pared de la cámara 42 debe ser mayor que la tolerancia de alineación (NA) entre la pared de la cámara 62 y el dispositivo de eyección de tinta 30 de acuerdo a la siguiente desigualdad: a > NA + W2/2 - ED/2 (3) donde W2 es el ancho del dispositivo de eyección de tinta 30. Las siguientes ecuaciones asumen que el ángulo de la pared para la boquilla 22 es de aproximadamente 7° entre la entrada y la salida de la boquilla 22. Para una separación centro a centro S2 entre las boquillas adyacentes 22 es menor de 600 dpi hasta aproximadamente 1200 dpi, el ancho del calentador W2 preferiblemente fluctúa de aproximadamente 7 hasta aproximadamente 15 micrómetros. Para reducir las tolerancias de alineación y hacer disminuir aún más la separación boquilla a boquilla, una cabeza de impresión 66 de acuerdo a otra modalidad de la invención se ilustra en la Figura 7. En esta modalidad, una placa de boquilla 68 se forma separada de una capa de película gruesa 70. La capa de película gruesa 70 es proporcionada preferiblemente por un material fotoprotector que es recubierto por centrifugación o laminado al sustrato 72. La capa de película gruesa 70 tiene un espesor que fluctúa de aproximadamente 6 hasta aproximadamente 30 micrómetros y es preferiblemente fotorevelada para proporcionar cámaras de tinta 74 y canales de tinta 76 en ella. Como se describió anteriormente, el sustrato 72 incluye un borde de alimentación de tinta 78 que puede ser proporcionado por una ranura de alimentación de tinta 80 proporcionada en el sustrato 72. Los dispositivos de eyección de tinta 82 se forman sobre el sustrato 72 y se alinean con una boquilla 84 proporcionada en la placa de boquilla 68. Las boquillas 84 son preferiblemente cortadas con láser en la placa de boquillas 68 como se describió anteriormente.
En esta modalidad, la pared lateral 86 de la cámara de tinta 74 se formó con un ángulo menor que el de la pared lateral 42 de la placa de boquillas cortada con láser 20. En consecuencia, la separación o distancia centro a centro S2 entre las boquillas adyacentes 84 puede ser reducida y puede ser usada la siguiente relación para determinar la separación o distancia centro a centro entre boquillas adyacentes 84: S2 = W2 + (2 x G2) + F2 (4) puesto que los efectos de la pared de la cámara cortada con láser 42 se han reducido o eliminado del diseño. En esta modalidad, el ancho del calentador W2 puede fluctuar de 5.5 hasta aproximadamente 25 micrómetros. Para proporcionar un dispositivo de eyección de tinta adecuado 30 u 82, la relación de aspecto (L2/W2) del dispositivo de eyección 30 u 82 preferiblemente fluctúa de 1.5:1 a 6:1 como se describió anteriormente. Dando esa relación de aspecto, la cámara de tinta 32 o 74 y la boquilla asociada 22 u 84, se ajustó preferiblemente para proporcionar un volumen adecuado de tinta eyectada de la boquilla 22 u 84. Un diseño de boquilla preferido para modalidades de la invención se ilustra en la Figura 8 y comprende una boquilla sustancialmente oblonga. Una boquilla oblonga preferida 88 tiene una forma de entrada y salida que es referida aquí como "bicircular" . Una boquilla bicircular 88 está compuesta de dos segmentos semicirculares 90 y 92 que tienen un diámetro D3 y un segmento rectangular 94 que tiene un ancho W3 y una longitud L3 igual al diámetro D3. Con respecto a las dimensiones de salida de la boquilla 88, D3 preferiblemente fluctúa de aproximadamente 5 hasta aproximadamente 30 micrómetros. El ancho W3 preferiblemente fluctúa de aproximadamente 1 hasta aproximadamente 25 micrómetros, y L3 tiene preferiblemente la misma dimensión que D3. Las dimensiones de entrada de las boquillas 88 son similares a las dimensiones de salida de las boquillas 88, sin embargo, el diámetro de salida D3 es menor que el diámetro de entrada correspondiente, mientras que el ancho W3 es el mismo para la entrada y la salida de la boquilla 88. El eje largo L de la boquilla 88 está alineado preferiblemente con la longitud L2 del dispositivo de eyección de tinta 82. El eje largo L4 preferiblemente fluctúa de aproximadamente 10 hasta aproximadamente 50 micrómetros para la salida de la boquilla 88. Se prefiere que la relación de W3/D3 sea mayor de aproximadamente 0.15. También se prefiere que la relación de L4/D3 sea mayor de aproximadamente 1.15. La cantidad de tinta descargada es también función de la distancia H de la superficie del dispositivo de eyección de tinta 82 a la salida de la boquilla 84 (Figura 7) . La distancia H preferiblemente fluctúa de aproximadamente 25 hasta aproximadamente 55 micrómetros. Dada la distancia o separación centro a centro de la boquilla S2, se prefiere que la separación S2 sea menor que la distancia H. Se prefiere, de manera particular, que la relación de S2/H sea menor de aproximadamente 1.5 cuando S2 sea menor de 42 micrómetros. Aunque las modalidades anteriores han sido descritas en términos de una placa de boquillas o una placa de boquillas y capa de película gruesa, se apreciará que las cámaras de tinta y los canales de tinta pueden ser formados exclusivamente en la placa de boquillas o en la capa de película gruesa, o pueden formarse en ambas de la placa de boquilla y la capa de película gruesa. La formación de la cámara de tinta y el canal de tinta en ambas de la placa de boquillas y la capa de película gruesa permiten un mayor grado de variación en la distancia H a lograr proporcionando a la vez características de flujo y eyección de tinta adecuadas. Se contempló, y se hará evidente a aquellos expertos en la técnica a partir de la descripción anterior y los dibujos acompañantes, que pueden hacerse modificaciones y cambios en las modalidades de la invención. En consecuencia, se pretendió expresamente que la descripción anterior y dibujos acompañantes sean modalidades ilustrativas o preferidas únicamente, no limitantes de esta, y que el espíritu y alcance verdaderos de la presente invención se ha determinado con referencia a las reivindicaciones anexas.