CN1273300C - 打印头和控制打印头的方法 - Google Patents

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Abstract

一个流体喷射打印头(14)包括一个具有一表面的衬底，和一个形成在表面上的成列的墨滴产生器组(63A-63N)，墨滴产生器被分成一些小组(63A-63B，63C-63D)，每个小组与表面上的其它小组在流体上相隔离。提供给墨滴产生器的喷墨脉冲，应使成列的组中的墨滴产生器每次只有一个被激发，而且同一小组中不会有两个墨滴产生器被依次激发。

Description

打印头和控制打印头的方法
有关申请的交叉引用
本申请与J.Feinn等人提出的申请“Printhead with High NozzlePacking Density”有关。
技术领域
本发明涉及打印头，更具体地说涉及用于改善打印头性能的隔板/喷口的结构设计。
背景技术
本发明技术的一个示范应用是这里公开的喷墨打印技术。举例来说，热喷墨打印机的工作原理是，将很少量的油墨通过许多小喷嘴(喷口)喷出，这些喷嘴处在一个靠近打印媒介的表面内，而记号或印字就印在打印媒介上。喷嘴在表面内是这样排列的，使得从一定量喷嘴中喷在打印媒介特定部位上的油墨构成所需字符或图形的一部分。控制衬底或打印媒介的位置并喷上另一些油墨，就可不断地得到更多的所需字符或图象。给各个喷嘴装上不同颜色的油墨，通过有选择性地让各个喷口喷墨，就可用喷墨打印机打出彩色的图象。
在一般的热喷墨打印机中，是将油墨快速加热至超过油墨溶剂沸点的温度并产生一个气相油墨泡而使油墨喷出的。一般使一个方脉冲电流通过一电阻(一般是0.5至5微秒)，就可实现快速加热。每个喷嘴与一个装有油墨的小型专用油墨喷射室相连，并带有单独编号的加热元件电阻，后者在与油墨热连接。随着气泡成核形及膨胀，油墨滴就从喷嘴中挤出并沉积在打印媒介上。然后气泡将破裂，同时被挤出油墨的空间通过油墨进给通道从一个较大的油墨贮存槽得到补给。
在加热电阻失活及油墨从喷射室喷出后，油墨又流入喷射室，填充喷出油墨到留下的空间。希望油墨填充此空间越快越好，以便使打印头喷嘴能很快喷墨。油墨是通过一个进给通道流进喷射室的。
发明内容
下面将描述一种喷射流体的打印头，在一种具体实施装置中，打印头包含一个具有表面的基片以及形成于此表面上的列状油墨滴产生器组，这些产生器分为一些小组，每个小组与表面上的其它小组在流体上是分开的。这种打印头还包括打印头电路，用来将喷墨脉冲加到墨滴产生器上，使得同一个小组中不会有两个墨滴产生器同时被激发或者顺次被激发。
为此，本发明提供一种流体喷射打印头，包括：具有一表面的衬底和穿过所述衬底到达所述表面形成的流体进给槽；形成在所述表面上的成列的墨滴产生器组，它们被分成小组，每个小组包括至少两个墨滴产生器，每个小组与表面上的其它小组在流体上相隔离，并且共享通向流体进给槽的流体供给通路；打印头电路，它给墨滴产生器提供喷墨脉冲，使得在同一小组中不会有两个墨滴产生器被依次激发。
本发明还提供一种喷墨打印头，它包括：衬底，其具有一表面和穿过衬底到达该表面形成的流体进给槽；由衬底支撑的隔板/喷口结构，由它确定一个排成许多喷嘴列的喷嘴阵列和与该喷嘴阵列相应的喷射室阵列；喷嘴包括阵列中的每一列，它们排成喷嘴小组，每一小组至少包含两个喷嘴，每一小组通过所述槽和一相应的油墨流通道被供给液体油墨，该通道通过隔板层/喷口结构与阵列中其它喷嘴隔开。
此外，本发明提供一种控制打印头的方法，包括：给具有一基底表面的打印头提供一形成于该表面上的成列的墨滴产生器组，它们又分成小组；每一小组包括一个以上的墨滴产生器；通过穿过所述基底形成的槽给所述小组供给流体；将所述表面上的每个小组与其它小组流体隔离，并共享通向流体进给槽的流体供给通路；给打印头提供电信号，以激发墨滴产生器喷射流体滴，使得在同一小组内没有两个墨滴产生器依次被激发。
附图说明
本发明的上述及其它一些特性和优点，将在下面对以附图说明的一个实施例的详细描述中更清楚地显示，这些图中：
图1是一个可安装这里要描述的任意一个打印头的打印盒实例的正等轴测图。
图2是本发明一种打印头实施例一部分的正等轴测剖视图。
图3是图2所示打印头下部的正等轴测图。
图4是沿图2的4-4线所取的横剖面图。
图5是图1打印头的一部分示意图，表示本发明的一个方面。
图6是沿图5中6-6线所取的横剖面示意图。
图7是打印头一部分的顶视图，是表示本发明另一种形式的简化示意图。
图8为采用本发明的喷墨打印头的结构实例的示意图。
图9是沿图8中9-9线所取的简化剖面图。
图10是相邻一对喷嘴的示意图，图中还示出了相应连接的油墨进给路径。
图11为跳跃式喷墨模式的打印头的示意图。
图12是一种采用本发明的一个或多个打印头的打印系统经过大量简化后的示意图。
图13是另一种可安装2400npi喷嘴点阵的打印头示意图。
具体实施方式
图1是一种可以包括安装本发明的打印头结构的喷墨打印盒10的透视图。图1示出的这种类型的打印盒在其架体12内装有很多油墨，但另一类型的打印盒则是从外面的油墨供给器获取油墨，这个供给器可以安装在打印头上，也可以通过一个管子与打印头相连。
油墨被送至打印头14。打印头14将油墨通到油墨喷射室，每个室包含一个油墨喷射元件。将电信号加到触点16可单个地给油墨喷射元件通电，以通过相应的喷嘴18喷出一滴油墨。普通打印盒的结构和工作原理大家都很熟悉。
在示出的应用中，本发明涉及打印盒的打印头部分，或可以永久地安装在打印机内的打印头，因而本发明与给打印头提供油墨的油墨供应系统无关。本发明与打印头所安装的特定打印机类型也没有关系。
虽然示出的本发明的一个应用例是在打印系统中，但应指出，它不只限于打印系统，因为它也能用于非打印系统的应用中，特别是那些要准确控制喷射液滴的场合，例如本发明可用于注射药物的医学应用中。
图2是沿图1的2-2线所取的打印头一部分的剖面图。一般的打印头有很多喷嘴(例如300个或更多)以及相应的油墨喷射室。可以把很多打印头做在一块单个的硅片上，然后用普通的方法将它们彼此分开。
在图2中，一块硅衬底20上形成了不同的薄膜层22，下面我们有时把它们叫做“膜片”。薄膜层22包含一个电阻层，用来形成电阻24。其它的薄膜层起着不同的作用，例如提供与衬底20的电绝缘，提供从加热电阻元件至衬底20的导热路径，以及提供至电阻元件的电导体等。图中示出了一个引到电阻24一端的电导体25。有一个类似的导体引到电阻24的另一端。在一个实际的实施例中，处于室中的这些电阻和导体将被遮盖层所遮蔽。
油墨进给孔26完全穿过薄膜层22。
在薄膜层22的表面上淀积一层喷口层28，喷口层28经过刻蚀形成油墨喷射室30，每个电阻24上有一个油墨喷射室。采用掩模和普通光刻技术通过激光剥离可以做出喷嘴34。
将硅衬底20刻蚀可沿一列油墨进给孔26列的长度方向形成一个沟槽36，以让油墨38从油墨槽内进入油墨进给孔26，将油墨供应到油墨喷射室30。
在一个示范实施例中，每个打印头大约为半英寸长，包含四列错开的喷嘴，每列304个，每个打印头总共有1216个喷嘴。每一列中的喷嘴的间距为600点/英寸(dpi)，各列交错排列提供了一定打印分辩率，使用两列时的打印分辨率为2400dpi。因此，打印头沿喷嘴列的方向具有2400dpi的单次打印分辨率，多次打印时分辨率还要高。若沿打印头的扫描方向打印，分辨率还可以更高。
工作时，给加热电阻24提供一个电信号，使得一部分油墨在油墨喷射室内30汽化成一个气泡。汽泡将一滴油墨推过相应的喷嘴34落在打印媒介上。然后通过毛细作用使油墨喷射室重新注入油墨。
图3是图2所示打印头下面的透视图，示出沟槽36和油墨进给孔26。在图3的特定实例中，一个沟槽36设有两列油墨进给孔26。
在一种实施装置中，每个油墨进给孔26的尺寸比喷嘴34的尺寸小，使得油墨中的颗粒能被油墨进给孔26所过滤，而不致堵塞喷嘴34。如果有一个油墨进给孔26被堵塞，对于室30再注入油墨的速度将不会有多大影响，因为有许多个油墨进给孔26对每个室30供应油墨。在一种实施装置中，油墨进给孔26的数目比油墨喷射室30要多。
图4是沿图2的4-4线所取的剖视图。图4显示的是单个薄膜层。在图4的特定实施例中，所示硅衬底20部分的厚度约为10微米。
在硅衬底20上面采用普通方法生成一个厚度为1.2μm的场氧化物层40。然后在氧化物层40上加上一个厚度为0.5μm的磷硅玻璃(PSG)层42。
可以用硼PSG或硼TEOS(BTEOS)层来代替PSG层42，但是刻蚀的方法与刻蚀层42相似。
在PSG层42上生成一个厚度为0.1μm的电阻层，该电阻层可用如钽铝(TaAl)这样的材料做成。也可以采用现有其它的电阻层。此电阻层经刻蚀后就形成电阻24。由PSG42和氧化物层40在电阻24和衬底20之间提供电绝缘，同时为刻蚀衬底20时提供刻蚀中断，并为悬突分45提供机械支持。PSG和氧化物层还为晶体管的多晶硅栅极(未示)提供绝缘，这些栅极是用来将供能信号耦合到电阻24上去的。
在一种类型的打印头中，要使后面的掩模(用来形成沟槽36的)完全对准油墨进给孔26很困难。因此，我们设计的制造工艺宁可让悬突部分45可变。也不要让衬底20与油墨给孔26存在互相妨碍的危险。
在电阻层上有一个呈一定图案的金属层(例如铝-铜合金)，用来和电阻作电连接，这个金属层在图4中未表示，但在图2中已画出。在AlCu和TaAl上刻蚀出一些轨迹，以确定电阻的第一个尺寸(例如，宽度)。电阻的第二个尺寸(例如，长度)是通过刻蚀AlCu层，使得电阻部分在两端与AlCu轨迹相接触来确定的。这种生成电阻和电导体的方法在本行业是为大家所熟知的。
在电阻24和AlCu金属层上形成一层氮化硅(Si3N4)46，其厚度为0.5μm。这一层起绝缘和钝化的作用。在淀积氮化硅层46之前，要对PSG层42进行刻蚀，以使PSG层42从油墨进给孔26缩回，不让它同油墨接触。这一点非常重要，因为PSG层42对于某些油墨和用来生成沟槽36的刻蚀剂而言是很脆弱的。
往回刻蚀一层使它不受油墨侵蚀的方法也可用于打印头中的多晶硅和金属层。
在氮化物层46上生成一层厚为0.25μm的碳化硅(SiC)层48，以提供进一步的绝缘和钝化。于是，氮化物层46和碳化物层48就起到保护PSG层不受油墨和刻蚀剂侵害的作用。也可以用其它的介电层来代替氮化物和碳化物。
碳化物层48和氮化物层46经过刻蚀，将部分AlCu轨迹露出，以便与后面形成的地线(它们所处的位置超出图4的范围)相接触。
在碳化物层48的顶面生成一个厚度0.6μm的钽粘接层50。钽还起到电阻元件上的泡状空气屏障的作用。这一层50通过氮化物/碳化物层内的开口与AlCu导电轨迹相接触。
金(未示出)被淀积在钽层50的上面并被刻蚀形成地线，与某些的AlCu轨迹电导通。这些导电体可以是普通导电体。
AlCu和金导电体可与衬底表面上形成的晶体管相耦合。在美国专利5,648,806中对这些晶体管有所描述。这些导电体可能在沿衬底20边缘的电极处终止。
一个可以弯曲的电路(未示出)具有一些被粘接到衬底20的电极上的导电体，并在与打印机作电连接的接触垫16(见图1)上终止。
油墨进给孔26是通过刻蚀(如等离子体刻蚀)在薄膜层上形成的。在一种实施装置中，采用的是单一的进给孔掩模。而在另一种实施装置中，在形成各种薄膜层时，采用了几个掩模和刻蚀步骤。
这样做的好处是能通过薄膜构图工艺形成油墨进给孔，使形成的进给孔做得很小而且定位精确。这对于准确地调节进给孔的液流直径以及进给孔与相关电阻的距离都是很重要的。相反，如果通过硅片刻蚀来形成油墨进给孔，就不那么精确。
然后，淀积并形成喷口层28，接着刻蚀出沟槽36。在另一种实施装置中，沟槽刻蚀是在制作喷口层前进行的。在一个实施例，其中的喷口层28采用一种叫SU8的旋压环氧材料来制作，此材料由麻省牛顿市的Micro-Chem公司供货。美国专利6,162,589描述了采用SU8或其它聚合物制作隔板/喷口层28的一些示范方法。在一种实施装置中，喷口层的厚度约为20μm。在另一种实施装置中，层28可以由两个单独的层形成，即一个隔板层(如干膜光阻材料隔板层)，和做在隔板层外表面上的金属喷口层(如镍/金喷口板)。还可以采用其它的隔板/喷口层28。
需要的话可以淀积上一层背面金属，这样可以改善从衬底20至油墨的导热状态。
一个示范实施例中各元件有代表性的尺寸如下：油墨进给孔26为10μm×20μm；油墨喷射室30为20μm×40μm；喷嘴34直径为16μm；加热电阻24为15μm×15μm；集管32的宽度约20μm。这些尺寸将随着所用的油墨，工作温度，打印速度，所要求的分辨率，及其它一些因素而改变。
应该明白，图1至4所示的打印头只不过是一个实例，本发明也可以用于其它类型的打印头，或采用与上面图1-4所示不同的参数或材料。
图5是一种打印头一部分的顶视图，它示出本发明的一个方面，根据本发明的该方面，各组墨滴产生器，每组带一些喷嘴，(在此例中，为成对的墨滴产生器和成对的喷嘴)共享油墨流动路径，但各组之间在液体上是通过隔板/喷口材料28，与该列中其它墨滴产生器在衬底的顶面上分开的。因而喷嘴34A和34B被归为第一小组，它们共享油墨进给孔26A和26B。同样，喷嘴34C和34D归为第二小组，它们共享油墨进给孔26C和26D。在一种实施例中，分组是通过在邻近薄膜层22的隔板/喷口层28内做出一些处在表面下的空腔来完成的，使得限定空腔的侧壁将该组的喷嘴及共享的油墨进给孔围住。因此，在隔板层28内形成的侧壁28B有一个周边，该周边沿着第一小组的喷嘴和油墨进给孔伸展，而在隔板层内形成的侧壁28C有一个周边，该周边沿着第二小组的喷嘴和油墨进给孔伸展。
图6是沿图5中6-6线所取的剖面示意图，它进一步显示形成第二小组的表面下空腔28C1。每个小组的喷嘴在液体上与其它小组的喷嘴在衬底20的顶面隔开，但仍然共同与衬底底面上的进给槽36相连。
图7是说明本发明另一方面的简化示意图。图7为打印头一部分的顶视示意图，它表示纵在衬底上的一个成列的墨滴产生器组，其中每个墨滴产生器包含一个喷嘴和一个电阻。在这个简化图中，共有三个墨滴产生器29A-29C，它们分别包含喷嘴24A和电阻34A，喷嘴24B和电阻34B，及喷嘴24C和电阻34C。在这种形式中，根据应用场合的不同，可以将各墨滴产生器分成小组(如图5-6所示)，以便与其它小组在液体上隔离，也可以不分成小组。可以看出，在成列的组内墨滴产生器相对于纵轴是交错排列的，而且与衬底上油墨进给槽内边缘36A的距离也不相同。因而在本例中，墨滴产生器29A离内边缘36A最远，而墨滴产生器29C离内边缘最近。由于这些距离的变化，可造成油墨从相应的油墨进给口至对应的油墨产生器间流动的差异。为有助于补偿这种距离的变化，与各墨滴产生器相对应在的油墨进给孔26也做成不同的开口形状。对于与油墨进给槽内边缘距离最远的墨滴产生器29A，在从阵列轴31伸向墨滴产生器方向上，油墨进给孔的长度相对较长。相应地，用于墨滴产生器29C的油墨进给孔26-3的长度就比较短。但每个油墨进给孔的流体直径仍大致相同，以维持在油墨进给槽80与油墨进给口之间的墨滴流体压力基本不变。所谓一个口的流体直径，是指口的横截面积与它的润湿的周长之比。
图8为采用本发明这种形式的喷墨打印头14结构的代表性实施装置的示意图。在衬底上由隔板结构28和薄膜层22的膜片形成两列墨滴产生器或喷嘴60，70，为每英寸600喷嘴(npi)。膜片有一条中心轴98，各列排列在中心轴的相对两边。这个打印头14可用于带扫描打印头架的打印系统中，架是沿扫描(Y)轴方向驱动的。两列60，70对中心轴相互错开，以产生1200npi喷嘴阵列。打印头14也可用于其它的打印系统中，例如，用在一个基本上固定的宽页打印头结构中，此时打印媒介相对于打印头移动，以实现打印头和打印纸间的相对运动。
所谓交叉干扰是指不希望有的相邻喷嘴之间流体的相互作用。图8所示结构的某些方面使避免交叉干扰的发生这一问题变得复杂了。首先，在一列喷嘴内的各喷嘴以一高密度节距(如600npi)布置，这意味着它们之间的距离比以往的结构要近。与此相应的是，由于喷嘴密度高而又不降低喷墨频率，这就要求油墨的流通速率高，从而很快地把喷嘴再注满油墨。传统上从交叉干扰的观点而言，要考虑的相邻喷嘴是那些处在一列喷嘴内相邻位置上的喷嘴，因为各列喷嘴间一般都分开足够的距离，不会产生流体间的相互作用。而在示出的结构中，要考虑的相邻喷嘴既位于各喷嘴列内，又位于进给槽即沟槽36另一侧的喷嘴列内。因此，可以从两个方向，而不是一个方向，来考虑如何减少交叉干扰。
为了防止“列内”邻近喷嘴之间的交叉干扰，采用了跳跃式的喷射顺序，使相邻的喷嘴不顺次地喷射，因而使喷射在时间上最大限度地分开。除了这种时间上的改善之外，通常以位于相邻喷嘴之间的以半岛形式延伸的流体隔离也能进一步降低交叉干扰。但这种交叉干扰的降低是以牺牲再注满为代价的；迹象表明，沿芯片的长度方向存在很大的油墨流动。因此交叉干扰的降低使得横向流动减小，所以可能使再注满的速度放慢，这在高密度喷嘴结构(例如，600npi或更大)中间题就显得特别严重。
薄膜片由于很薄(约1-2μm)而容易破裂。薄膜内的固有应力，制造中产生的应力，或者打印头坠落等，都能使薄膜破裂。由于破裂一旦形成就能传到芯片的电功能区，因而不希望它们产生。
另外还希望打印头结构能容忍灰尘存在。容许灰尘存在的结构(PTA)通过捕获污染物而改善可靠性，同时仍允许油墨流入喷射。
图8的结构具有一些优点。与上面图5和6所示的传统结构不同，图8的结构中各个墨滴产生器喷嘴小组共享油墨通路，但同时通过隔板/喷口材料28内形成的空腔与同列中其余的喷嘴相隔离。因此，如图8所示，列60由一列墨滴产生器阵列63A，63B，63C…63N组成，列70由一列墨滴产生器阵列73A，73B，73C，…73N组成。每个墨滴产生器包括一个喷嘴，一个喷射室，和一个喷射电阻。墨滴产生器63A，63B包含相应的喷嘴62A，62B，和喷射室64A，64B，同时按照本发明的一种形式，它们的排列将形成一个墨滴发生器小组或喷嘴小组，在本例中，是一对为组。应该认为，在其它一些实施装置中，可以把墨滴产生器按三个，四个，甚至更多个分成小组。此外，也不一定要让所有小组的喷嘴数目都一样。
上述墨滴产生器小组63A，63B是通过单独的油墨进给通路65来加墨，此通路有一个分路65A为喷射室64A送墨，另一个路65B为喷射室64B送墨。一列中每一个小组的送墨通路在液体上是与该列中其它墨滴产生器的送墨通路分开的。一对油墨进给孔66A为第一分路65A送墨，另一对油墨进给孔66B为第二分路65B送墨。送墨通路是由在隔板28内形成的带侧壁周边68的空腔或开口，以及薄膜层22内的送墨孔构成的。有了隔板开口，就可以“共享”送墨孔66A，66B，同时还能把喷嘴小组62A和62B与列60中其它喷嘴的送墨通路隔开。
在这个实施例中，列60中其它墨滴产生器喷嘴和第二列70中的喷嘴对，重复了上述分组和油墨路径结构。因而列70的墨滴产生器73A和73B分别包含喷嘴72A，72B及喷射室74A，74B，以形成墨滴产生器或喷嘴小组。此小组由一个油墨进给通路75送墨，该通路有一个分路75A将油墨送至喷射室74A，还有一个分路75B将油墨送至喷射室74B。一对油墨进给孔76A给第一分路75A送墨，另一对油墨进给孔75B送墨。油墨进给通路是由在隔板28内形成的带侧壁周边78的空腔，以及薄膜层22内的送墨孔构成的。有了隔板开口，就可以“共享”送墨孔76A，76B，同时还能把喷嘴对72A，72B与列70中其它喷嘴的送墨通路隔离。
隔板结构28还限定出了一个中心肋板部28A，将两列喷嘴60，70分开，使得列之间的流体隔离并给薄膜提供支撑。图9为隔板结构28的中心肋板部28A的简化横剖视图，图中可以看到在薄膜结构22内形成的送墨孔66B，76B的例子，它们提供与送墨槽或沟槽36的流体联通。在中心肋板部的相对两侧相应喷室64B，74B的上方示出喷嘴62A，72A的例子。
如果采用单独的喷嘴群(这对于减少交叉干扰是至关重要的)，那么将喷嘴送墨通路相连所带来的提高油墨重注速度和耐微粒等好处将无法实现。在这个实施例中，打印头的电气布线应设计成不允许相邻的喷嘴同时喷墨。一般喷嘴的喷墨次序是由装在芯片上的驱动电路确定的。在一些热喷墨应用中，芯片电路设计成喷墨次序由程序控制。在其它一些应用中，喷墨次序是由芯片上的电路设计“硬件实现的”。不论在那种情况下，喷墨电阻的物理配置在扫描轴线上是交错的，以使打印过程中的垂直线平直。换一种方法，我们也可以把打印机驱动器或控制器设计成不让相邻的喷嘴同时喷墨。由于任何一个喷嘴再注墨的时间只占整个打印时间的很小一部分，与单个喷射室相连的送墨孔提供油墨流的时间也只占很小一部分，因此送墨孔的使用效率不是最大。
当把喷嘴送墨通道与流体相连时，喷嘴就可以通过与喷嘴相连的送墨孔吸取油墨而再注进油墨，这就使送墨孔得到更有效的利用，同时提高了注墨速度。这个特点在图10中作了说明，图中示出了喷嘴对72A，72B，以及相连的送墨通道75A，75B。当喷嘴72A喷墨时，油墨从注墨孔76A流入喷射室74A(如箭头77A所示)，同时油墨也从第二注墨孔76B流入喷射室74A(如箭头77B所示)。当喷嘴72B喷墨时，油墨从注墨孔76B流入喷射室74B(如箭头79A所示)，同时油墨也从第一注墨孔76A流入喷射室74B(如箭头79B所示)。
另外一个好处是由于采用了连接的喷嘴而允许有一定的颗粒存在；在与一特定喷嘴相连的送墨孔被堵塞的情况下，仍可通过从相邻y送墨孔吸取油墨来进行再注墨，从而使喷嘴可以连续工作。
本实施装置的另一个特点是，在膜片中心轴98下采用一个连续的隔板/喷口材料零件(在本装置中为肋板28A)，这起到让轴两侧的喷嘴在流体上隔离的效果。除了流体隔离以外，这种中心肋板还有一个好处，即连续跨度的隔板/喷口材料增加了由薄膜22和隔板/喷口层28组成的膜片的强度和刚性，从而增强了它的抗破裂能力。
从制造的观点来看，图8的结构有几个好处。在对用聚合物材料(如SU8)制造的隔板/喷口结构28进行显影的过程中，未交叉链接的隔板/喷口材料被流过喷嘴内径的显影液冲走。因而，这个过程通过减小非交叉链接隔板/喷口材料的体积而得到简化。除了通过减小体积得到的好处外，对结构也有利。由于SU8等材料的显影液是旋转的，所有喷嘴在液体上都连通的结构可以让显影液沿着芯片长度方向流动。这使得液体不仅能流过基片的边缘，也很容易流过单个芯片的边缘。结果使得在一个芯片内和横跨基片的隔板/喷口材料性能的可变性都增加。通过破坏沿芯片长度方向喷嘴连接的连续性，这种可变性就减小了。用这种工艺制造隔板/喷口结构28的成品率，可通过将喷嘴分成单个小组的方法而提高。若把所有喷射室都连起来，就很难有效地把形成层28的材料残留物从处于芯片端部的喷嘴中清洗掉。
将一列中的喷嘴分成小组的另一个好处是能减小交叉干扰。由于在一个特定组之外的不成组喷嘴之间的唯一连接是通过油墨槽，所以与特定组之外的喷嘴产生交叉干扰作用的可能性极小。采用跳跃式喷墨方式使同一个小组内的喷嘴决不会按顺序喷墨，这使任何特定组内的喷嘴之间的交叉干扰最大程度减小。下面将就图11所示的打印头示意图对跳跃式喷墨方式加以说明。
跳跃方式一般是设在喷墨顺序中，使得一个原始组内的喷嘴不会依次相续地喷墨，也就是说，是按时间分配一个原始组内的喷墨顺序。在这个实施装置中，各对喷嘴是用隔板/喷口材料隔开的，如图8所示。因为跳跃的方式是事先确定好的，将电阻分成对的方式能保证有一种隔板结构把连续的喷射室分开。
所谓原始组，是指一个给定列中的喷嘴组。图11所示的原始组100包含8个喷嘴62A-62H，其喷墨次序为6，3，8，5，2，7，4，1。通过选择相连的喷射室的数目(该数目是喷嘴交错方式的一个函数)，可使送墨通道的连接得到超过实施例所显示的优化。对于“非跳跃”方式，即一个原始组中的喷墨顺序是依次连续的(1，2，3，4…)，而且相邻喷嘴是按顺序喷墨的，这时需要有一个隔离室，因为最邻近的喷嘴是按顺序喷墨，从而需要将流体隔离。对于“跳跃1”方式，即一原始组内的喷墨顺序为1，3，5，7，2，4，6，8，最邻近的喷嘴决不会依次喷墨。因而，在时间上将喷嘴隔离允许喷嘴送墨通道成对地连接；由于连接在一起的喷嘴的喷墨在时间上是分开的，造成麻烦的交叉干扰问题就减少了，同时被连起来的送墨通道在再注墨和允许颗粒存在方面的优点也能显现出来。如果把同样的原理加以推广，将尽可能多的喷嘴(不与连续喷墨的喷嘴相连)与送墨通道相连，在再注墨特性和允许颗粒存在方面的优势将会最大。对n于通常使用的均匀跳跃方式：
被连接喷嘴最大数＝顺序喷墨间跳过的喷嘴数+1
  跳过的喷嘴数   被连接的送墨通道最大数
  0(顺序喷射)   1(单一化喷嘴)
  1   2
  2   3
  N   n+
图11示出原始组100内的喷嘴喷墨顺序。此结构采用“跳跃2”喷墨方式。这种跳跃方式由该实施例的打印头电路决定，因而不能光靠检查隔板/喷口结构来决定。已成对的喷嘴决不会和同一对中的另一个喷嘴顺序喷墨。图11还表示将衬底上的喷嘴按3个一组相连而的情况，其中110A组包括喷嘴62A，62B，62C，组110B包括喷嘴62D，62E，62F，组110C包括喷嘴62G，62H，62I。对于非均匀跳跃方式的结构，上述原理(即在流体上隔离顺序喷墨的喷嘴，而同时能最大限度地共用送墨通道)仍然适用，不过问题变得更复杂，因为在某些位置必须减少共享送墨通道的喷嘴数。
图12是大为简化后的一个示意图，表示一个打印系统300，它可以采用一个或多个本发明的打印头10。该系统包括一个打印盒驱动器302，用来沿打印盒扫描轴线方向驱动打印盒。打印盒上装有一个或数个打印头10。打印媒介推进系统304将打印媒介定位到打印区，并可将打印媒介从输入处推至输出处或托盘。通常处于打印系统之外的打印作业源306提供打印作业的数据。控制器308对打印作业源作出反应，用来控制打印盒的驱动和打印媒介推进系统，将打印作业打印出来。控制器还给打印头10提供喷墨信号，以控制打印头的运行。打印头10一般包括一个打印电路10A，它对来自控制器的喷射信号作出反应，以给墨滴产生器电阻(包括墨滴产生器10B)通电。流体源10C为墨滴产生器提供流体如墨汁，它可以是一个装在打印头10壳体内的流体贮存槽。需要的话，也可以用一个外接流体供应器10D通过流体通道312来注满流体源10C，该通道在打印过程中可以是一条与打印头连通的流体管道，或者是一条只在注墨过程中使用的临时性连接通道。
在一些实施装置中，打印头电路10A和控制器308一起提供跳跃式喷墨方式；而在某些更典型的实施装置中，则是由装在打印头上的电路来提供跳跃式喷墨方式。在这种实施例中，打印头电路10A是用来实现跳跃式喷墨方式的，以保证提供给墨滴产生器的喷墨脉冲使得每次只有一小组(如原始组)被激活，而且在同一小组中没有两个墨滴产生器(例如一对)是依次被激活的。适于或容易用于此目的的打印头电路，在Schloeman等人2001年3月2日提出的正在审理中的专利申请09/798,330中有所描述，题目是“Programmable Nozzle Firing0rder for Inkjet Printing Assembly”；还可参见Barbon等人1999年2月19日提出的正在审理中的申请09/253,377，题目是“System andMethod for Controlling Firing Operation of Inkjet Printhead”；以及美国专利5,648,806和5,648,805等。
采用图8的结构能通过将跳跃方式与隔板/喷口层结构设计相结合来“智能地”消除喷嘴交叉干扰。此结构由于可以共享送墨孔而可以容许存在较严重的送墨孔堵塞。另外，该结构由于膜片的强度高还能提高制造的成品率，膜片的高强度得益于所用的隔板/喷口结构。还有，该结构能使一个芯片和多个基片内的隔板/喷口性能更趋一致。
一个原始组内的喷嘴在扫描(Y)轴上是交错排列的，以改善垂直线的直线性，如图8所示。为了提高交错设计中所有各室的注墨速度的均匀性，送墨孔前缘至喷墨电阻中心的距离，送墨孔的截面积，以及送墨孔的润湿周边等，对于打印头中所有喷墨室应尽可能保持不变。图10中的距离D1表示送墨孔76A的前缘至喷嘴72A的喷射室中心的距离。
另外，为了改善可加工性和成品率，希望将送墨孔的后缘伸向膜片的中心线98。还有，为保证电阻薄膜在刻蚀沟槽的过程中不被“切出一个口子”，在最里面的电阻边缘与最外面的送墨孔之间留有一个间隙D2(见图8)，此值在本实施例中约为20μm。倘若薄膜22被切出一个口子，则在电阻下面就没有硅，因而电阻就容易过热。再有，为了改善可加工性，希望在最外面的送墨孔前缘和膜片另一边最外面的送墨孔前缘之间保持约80μm或80μm以上的距离D3(也就是膜片的宽度)。这些设计目标在图8所示的实施例中都能达到，图中的距离D3为76.1μm。在一些实施装置中选择80μm作为D3的最小距离是基于对可加工性和成品率的考虑。一般用来形成送墨槽的沟槽的刻蚀工艺本身很难控制到很高的精确度。最小距离D3越大(如80μm)，所提供的加工余量就越多。降低名义最小距更难通过开口子制成沟槽，并且若沟槽严重过度刻蚀，则在薄膜层下面可能留不下一点硅。
虽然薄膜片容易破裂，但窄的膜片则比较不易破裂。试验证明，宽度在在100μm以下的膜片比宽度在400μm的膜片更可靠。图8中所取的膜片宽度实际值约76μm。此外，位于膜片中心下面的隔板肋条28A使脆弱的膜片强度增加，因而增加了它的抗破裂性。
隔片/喷口结构28和薄膜层22是这样设计的，使得可以通过薄膜22和隔片/喷口层28为每个墨滴产生器产生多个油墨通道。在图8的实施例中，每个喷射室有两个送墨孔。而且如若这两个孔都被污物堵塞，则油墨可通过邻近的送墨孔送进喷射室。
图8的打印头可设计成让交错的高封装密度喷嘴结构具有均匀的注墨速度。将送墨孔的截面积，送墨孔的润湿周边，和油墨通道长度等参数对所有的喷射室都做成名义上一样，就能实现这一点。这些参数全都示于图10中。例如，送墨孔76A的截面积是被浸湿周边76A1内的面积A，此周边是由送墨孔的壁形成的。送墨孔76B的截面积是被润湿周边76B1(它由送墨孔的壁形成)内的面积B。面积A等于面积B，且完全被润湿的周边76A1的长度等于完全被润湿的周边76B1的长度。此外，两个送墨孔的内缘至相应喷射室中心的距离(即D1)也相等。
这种打印头结构使它能安装高喷嘴封装密度的打印头，这意味着每个喷嘴的成本下降。另外，这种打印头结构可以有两个层次能容许颗粒存在，一层是由于每个喷室有多个送墨孔，另一层是墨滴产生器经过单一的分组。
在一个芯片上可以形成许多薄膜片，其中各膜片上的喷嘴列是错开的，以获得很高的喷嘴密度。图13是另一种打印头结构的示意图，其中打印头带两个膜片210，220和四列喷嘴230-236，可以达到2400npi的喷嘴阵列。喷嘴列230，232是在膜片210上形成的，而喷嘴234，236是在膜片220上形成的。图13只示出了每列中的一个喷嘴原始组，所以应该知道，每列还包含其它的原始组。图13并未按比例绘制，但可说明这四列是如何彼此互相交错的，以及跳跃模式是如何工作的。在本实施例中，每一列的宽度(沿Y轴)为1/1200时英寸，每个原始组有8个交叉配置的喷嘴。例如，在所示的交错列中带有喷嘴的Y轴位置的原始组2(列230)有双数号的喷嘴2，4，6，8，10，12，14，16。
两个膜片210，220处于打印头衬底的中心轴202两侧，其中每一个通过衬底上的沟槽进给油墨。膜片210由中心沿着204线的沟槽送墨，而膜片220由中心沿着206线的沟槽送墨。在这个实施装置中，从芯片202的中心到每个沟槽的中心(204，206)的距离是950μm。另外，每个膜片上列的间距为169.3μm。当然，这些尺寸只是用于一个特定的实施装置，而且可以根据具体的应用规格参数及设计选择而变更。
每个单元在垂直的(X)轴方向的尺寸为1/2400英寸；各单元在水平(Y)轴方向不成比例。还应指出，在膜片210上列230的喷嘴在X方向相对于列232的喷嘴错开1/1200英寸。同样，在膜片220上，列234的喷嘴在X方向相对于列236的喷嘴错开1/1200英寸。另外，到234的喷嘴在X方向错开列230和232的喷嘴1/2400英寸。因此，在X方向的原始组交错模式将使四列中的所有喷嘴产生1/2400npi的喷嘴间隔。
在一个典型的应用中，可将打印头安装在一个沿扫描(Y)轴驱动的打印盒上。每个原始组中的喷嘴沿Y轴都是交错的。如前所述，每个原始组中的喷嘴是按跳跃模式喷墨的。例如，可以采用“跳跃2”模式。此时喷嘴2喷墨，而跳过喷嘴4和6；喷嘴8喷墨，喷嘴10和12被跳过；喷嘴14喷墨，喷嘴16和2被过；喷嘴4喷墨，喷嘴6和8被跳过；喷嘴10喷墨，喷嘴12和14被跳过；喷嘴16喷墨，喷嘴2和4被跳过；喷嘴6喷墨，喷嘴8和10被跳过；喷嘴12喷墨。对于原始阻2。“跳跃2”的喷墨次序是2，8，14，4，10，16，6，12。
可以把一列中喷嘴的分成小组方式(如前面对图5和6的描述)，和对进给孔至电阻中心的距离以及送墨孔有效流体直径的考虑(如上面对图7的描述)用于图13的结构，以制成一个具有非常高喷嘴封装密度的打印头。
虽然图8和13的实施装置是用于各列的组(原始组)，这时打印头电路每次仅使每组中一个喷嘴喷墨，但本发明的各种形式也可用于在给定原始组中一些或邻喷嘴同时喷墨的场合。
应说明，上述各实施装置只是对各种可能的特定装置的一种示例，只能代表本发明的原理。本领域技术人员根据这些原理很容易设计出另外的装置，同时不超出本发明的范围和思路。

Claims (27)

1.一种流体喷射打印头(14)，包括：
具有一表面的衬底(20)和穿过所述衬底到达所述表面形成的流体进给槽(36)；
形成在所述表面上的成列的墨滴产生器组(63A-63N)，它们被分成小组(63A-63B，63C-63D......)，每个小组包括至少两个墨滴产生器，每个小组与表面上的其它小组在流体上相隔离，并且共享通向流体进给槽的流体供给通路；
打印头电路(10A)，它给墨滴产生器提供喷墨脉冲，使得在同一小组中不会有两个墨滴产生器被依次激发。
2.如权利要求1所述的打印头，其中，打印头电路(10A)每次只激发成列的墨滴产生器(63A-63N)组中的一个墨滴产生器。
3.如权利要求2所述的打印头，其中，成列的墨滴产生器(63A，63B，63C)组是一个原始组(110)，衬底包含多个原始组(110A，110B，110C)，它们排成一列。
4.如权利要求1至3中任一项所述的打印头，其中，每一小组包含一个喷射室和至少两个激发电阻(24)。
5.如权利要求1至3中任一项所述的打印头，其中，衬底上有许多于其上形成的流体供给孔，以将油墨提供至每个墨滴产生器小组。
6.如权利要求1至3中任一项所述的打印头，其中，衬底包括一个薄膜层(22)，它覆盖着流体进给槽(36)，薄膜层有一些开口(66A，66B......)，它们将每一个小组与流体进给槽连接起来。
7.如权利要求6所述的打印头，其中，还包括一个流体源(10C)，它在流体上与流体进给槽(36)相连，用来将流体供给进给槽。
8.如权利要求7所述的打印头，其中，流体源(10C)是一个液体油墨源。
9.如权利要求6所述的打印头，其中，薄膜层(22)包含许多薄膜，该薄膜层在每个墨滴产生器中形成加热电阻(24)。
10.如权利要求1至3中任一项所述的打印头，其中，打印头用在一个流体输送系统中，此系统包括一个装置(302)，该装置用来在打印头基底(20)和打印媒介之间产生相对运动。
11.一种控制打印头的方法，包括：
给具有一基底表面的打印头(14)提供一形成于该表面上的成列的墨滴产生器(63A-63N)组，它们又分成小组(63A-63B，63C-63D)；每一小组包括一个以上的墨滴产生器；
通过穿过所述基底形成的槽(36)给所述小组供给流体；
将所述表面上的每个小组与其它小组流体隔离，并共享通向流体进给槽的流体供给通路；
给打印头提供电信号，以激发墨滴产生器喷射流体滴，使得在同一小组内没有两个墨滴产生器依次被激发。
12.如权利要求11所述的方法，其中，还包括从一个公共的流体源(10C)给各小组供应流体。
13.如权利要求12所述的方法，其中，还包括给流体源提供补充流体。
14.如权利要求12或13所述的方法，其中，流体是液体油墨。
15.如权利要求11至13中任一项所述的方法，其中，还包括通过薄膜层(22)中的一开口(64)给每个小组提供油墨。
16.如权利要求11至13中任一项所述的方法，其中，还包括通过薄膜层(22)中的多个开口(64)给每一小组提供油墨。
17.如权利要求11至13中任一项所述的方法，其中，还包括通过基底表面内的多个开口给每个小组提供油墨。
18.如权利要求11至13中任一项所述的方法，其中，所述提供给打印头的电信号还要激发墨滴产生器，使得同一小组内不会有两个墨滴产生器被同时激发。
19.一种喷墨打印头(14)，包括：
衬底(20)，其具有一表面和穿过衬底到达该表面形成的流体进给槽(36)；
由衬底支撑的隔板/喷口结构(28)，由它确定一个排成许多喷嘴列(60，70)的喷嘴阵列(62A-62N，72A-72N)，和与该喷嘴阵列相应的喷射室阵列(64A-64N，74A-74N)；
喷嘴包括阵列中的每一列，它们排成喷嘴小组，每一小组至少包含两个喷嘴(62A-62B，......)，每一小组通过所述槽和一相应的油墨流通道(65)被供给液体油墨，这个通道通过隔板层/喷口结构与阵列中其它的喷嘴隔开。
20.如权利要求19所述的打印头，其中，每一喷嘴小组中的油墨流通道(65)包括一个或一组通过衬底的开口(64)，且喷嘴小组中每个喷嘴通过一个或一组开口被供给油墨。
21.如权利要求19或20所述的打印头，其中，还包括给墨滴产生器提供喷墨脉冲的打印头电路(10A)，使得每一喷嘴小组中不会有两个喷嘴依次喷墨。
22.如权利要求21所述的打印头，其中，打印头电路(10A)提供所述的喷墨脉冲，以使一个喷嘴小组中不会有两个喷嘴同时被激发。
23.如权利要求19或20所述的打印头，其中，隔板/喷口结构包含一个聚合物层(28)。
24.如权利要求19或20所述的打印头，其中，每一喷嘴列的各喷嘴间距为每英寸600个喷嘴(npi)。
25.如权利要求19或20所述的打印头，其中，隔板/喷口结构还包含一连续的肋板部分(28A)，它在多个喷嘴列(60，70)中的相邻第一和第二列之间延伸，以将喷嘴列的第一和第二列在流体上隔离。
26.如权利要求25所述的打印头，其中，薄膜层具有穿过它形成的许多送墨孔(64)，以通过衬底和薄膜层提供相应的油墨通道。
27.如权利要求26所述的打印头，其中，所述多个送墨孔被安置在肋板部分第一侧的第一组内，用来给多列喷嘴中的第一列送墨；以及安置在肋板部分第二侧的第二组内，用来给多列喷嘴中的第二列送墨。
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