CN1444523A - 具有与晶体管作用区重叠的接地母线的喷墨打印头 - Google Patents

Abstract

一种具有接地母线(181)的喷墨打印头，该接地母线与场效应晶体管驱动电路(85)的作用区部分地重叠。

Description

具有与晶体管作用区重叠的接地母线的喷墨打印头

发明背景

本发明总体上涉及喷墨打印，尤其涉及一种薄膜喷墨打印头，该喷墨打印头具有FET驱动电路，其被构造成沿接地母线补偿寄生功耗。

喷墨打印技术发展得较好。商业产品比如计算机打印机、绘图机和传真机都已采用喷墨技术来产生打印介质。例如，在 Hewlett-Packard Journal第36卷第5期(1985年5月)、第39卷第5期(1988年10月)、第43卷第4期(1992年8月)、第43卷第6期(1992年12月)以及第45卷第1期(1994年2月)的多篇文章中描述了惠普公司在喷墨技术上所作的贡献，在此全部引入以供参考。

一般来说，喷墨图像是根据通称喷墨打印头的墨滴发生装置喷射的墨滴在打印介质上的精确定位形成的。典型地，喷墨打印头被支承在一个可移动的打印滑架上，该滑架在打印介质的表面上来回移动，并且喷墨打印头被控制成根据微型计算机或其它控制器的命令以适当的次数喷射墨滴，其中将墨滴的施加时间确定为与打印图像像素的图案相对应。

一种典型的惠普喷墨打印头包括一个在孔板中精确成形的喷嘴阵列，孔板装接在墨水阻挡层上，而墨水阻挡层又装接在一薄膜下层结构上，该薄膜下层结构具有喷墨加热器电阻和启动电阻的装置。墨水阻挡层限定了墨水通道，墨水通道包括位于相关的喷墨电阻上的墨水腔，而孔板中的喷嘴与相关的墨水腔对准。墨滴发生器区域是由墨水腔、薄膜下层结构的一部分以及与墨水腔相邻的孔板形成的。

薄膜下层结构一般包括一衬底比如硅，其上形成有各种形成薄膜喷墨电阻的薄膜层；用于启动该电阻的装置；以及与结合片相连的互连部分，互连部分提供了与打印头连接的外部电连接件。墨水阻挡层一般为一种聚合物材料，其作为一种干膜被层压到薄膜下层结构上，并被设计成可进行光致定形(photodefinable)和可紫外线及热固化。在槽供给式结构的喷墨打印头中，墨水通过形成在衬底中的一个或多个供墨槽从一个或多个墨水储存器被输送给相应的墨水腔。

上面提及的1994年2月的 Hewlett-Packard Journal的第44页中描述了孔板、墨水阻挡层和薄膜下层结构的实际布置的一个示例。共同转让的美国专利4719477和5317346中描述了喷墨打印头的其它示例，在此引入该两份专利，以供参考。

关于薄膜喷墨打印头的注意事项包括当采用多个墨滴发生器和/或供墨槽时衬底尺寸和/或衬底脆性将增大。因此，需要提供一种结构紧凑且具有大量墨滴发生器的改进的喷墨打印头。

发明概述

被披露的本发明涉及一种具有接地母线的喷墨打印头，该接地母线与加热器电阻的作用区部分地重叠，该作用区激励场效应晶体管驱动电路。

附图的简要说明

对于本领域的技术人员来说，当结合附图阅读下面详细的说明时，将容易理解本发明的优点和特征，其中：

图1是示出采用本发明的喷墨打印头布局的未按比例绘制的顶视平面示意图；

图2是图1喷墨打印头的局剖透视示意图；

图3是示出图1喷墨打印头的未按比例绘制的示意局部顶视平面图；

图4是局部顶视平面图，大致示出了图1打印头的FET驱动电路阵列和相关接地母线的布局；

图5是电路示意图，示出了图1打印头的加热器电阻与FET驱动电路的电连接；

图6是图1打印头的典型FET驱动电路和相关接地母线的平面图；

图7是图1打印头的典型FET驱动电路的侧视横剖图；

图8是平面图，其示出了图1打印头的FET驱动电路阵列和相关接母线的实施方式；

图9是可采用本发明打印头的打印机的未按比例绘制的示意透视图。

披露的详细描述

在下面详细的说明和附图中，相同的元件用相同的附图标记表示。

现在参见图1和2，这里示意性地示出了一个本发明采用的喷墨打印头的未按比例绘制的示意透视图，该喷墨打印头通常包括(a)一薄膜下层结构或底模11，该下层结构包括一衬底，比如硅，其上形成有不同的薄膜层，(b)一墨水阻挡层12，其设置在薄膜下层结构11上，以及(c)一孔口板或喷嘴板13，其层压地装接在墨水阻挡层12的顶部。

薄膜下层结构11依照常规集成电路的技术来成形，并包括形成在其内的薄膜加热器电阻56。该墨水阻挡层12由干膜形成，该干膜在热和压力的作用下被层压到薄膜下层结构11上并光致定形以在其内形成墨水腔19和墨水通道29，该墨水腔和通道被设置在电阻区域上，加热器电阻形成在电阻区域内。可用于外部电连接接合的金制结合片74设置在薄膜下层结构11的纵向隔开的相对端，并且没有被墨水阻挡层12覆盖。作为说明性的示例，阻挡层材料包括一种丙烯酸酯基的感光聚合物干膜，比如可从特拉华州威尔明顿市E.I.duPont de Nemours and Company得到的“Parad”牌感光聚合物干膜。类似的干膜包括其它的duPont产品，比如″Riston″牌干膜以及由其它化学制品供应商生产的干膜。孔板13包括例如一种由聚合物材料组成的平面衬底，如共同转让的美国专利5469199所披露的，孔口通过激光烧蚀形成在其中，该专利的内容在此引入以供参考。孔板还可包括电镀金属，例如镍。

如图3所示，墨水阻挡层12内的墨水腔19被特别地设置在相应的加热电阻56之上，每个墨水腔19由形成在阻挡层12内的腔开口的互连边缘或壁来限定。墨水通道29由形成在阻挡层12内的另一开口限定，并且与相应的喷墨腔19一体相连。图1、2和3在示例中示出了槽供给式喷墨打印头，其中墨水通道开口通向一个由薄膜下层结构中的供墨槽形成的边缘，由此供墨槽的边缘形成供给边缘。

孔板13包括孔口或喷嘴21，其被设置在相应的墨水腔19之上，以使每个喷墨电阻56、相关的墨水腔19以及相关的孔口21对准并形成一墨滴发生器40。

虽然已将该公开的打印头描述为具有一阻挡层和一分开的孔板，但应理解，本发明可在具有一体的阻挡层/孔口结构的打印头中实现，一体的阻挡层/孔口结构可以用单层感光聚合物制成，该单层感光聚合物是经多道曝光程序曝光然后形成的。

墨滴发生器40被布置在相对于参考轴线L横向相互隔开的三纵列或三个组61、62、63中。每个墨滴发生器组的加热器电阻56一般与参考轴线L对准，且具有一个预定的中心，以便沿着参考轴线L确定间距或喷嘴节距P的中心。作为说明性的示例，薄膜下层结构为矩形，且其相对的边缘51、52为长度尺寸上的纵向边缘，而纵向间隔开的相对的边缘53、54具有小于打印头长度尺寸的宽度尺寸。薄膜下层结构的纵向范围沿平行于参考轴线L的边缘51、52。使用时，该参考轴线L可与通常称为介质行进轴线的轴线对准。

虽然每个墨滴发生器组的墨滴发生器40被表示为基本上在同一直线上，但应理解，一个墨滴发生器组的一些墨滴发生器40可稍微偏离于列的中心线，例如为了补偿发射延时。

由于每个墨滴发生器40包括一加热器电阻56，因此将加热器电阻布置成与墨滴发生器相对应的组或阵列。为了方便起见，采用相同的附图标记61、62、63来表示加热器电阻阵列或组。

图1、2和3中打印头的薄膜下层结构11特别地包括供墨槽71、72和73，它们与参考轴线L对准，且相对于参考轴线L相互横向地间隔开。供墨槽71、72和73分别给墨滴发生器组61、62和63供墨，作为说明性的示例，其位于它们分别供墨的墨滴发生器组的同一侧。作为说明性的示例，每个供墨槽提供不同颜色如青色、黄色和品红色的墨水。

薄膜下层结构11还包括晶体管驱动电路阵列81、82和83，其形成在薄膜下层结构11中且邻近相应的墨滴发生器组(61、62、63)。每个驱动电路阵列(81、82、83)包括多个与相应的加热器电阻56相连的FET(场效应晶体管)驱动电路85。接地母线(181、182、183)与每个驱动电路阵列(81、82、83)相关，该接地母线与邻近的驱动电路阵列(81、82、83)的全部FET(场效应晶体管)驱动电路85的源极端子电连接。每一接地母线(181、182、183)与处于打印头结构一端的至少一个结合片74电气互连，并与处于打印头结构另一端的至少一个接点片74电气互连。

如图5所示，每个FET电路85的漏极端子与邻近的加热器电阻56的一个端子电连接，该加热器电阻56通过导电迹线(conductive trace)86在其另一端子处接收合适的墨水发射基元选择信号PS，该导电迹线86通向在打印头结构一端处的接点片74。例如，该导电迹线86包括在金制的金属喷镀层内的迹线，其位于金属喷镀层上面并与金属喷镀层绝缘地分开，接地母线181、182、183形成在金属喷镀层内。导电迹线56通过导电通道和金属迹线(metal trace)57(图6)与加热器电阻56电连接，金属迹线57形成在与接地母线181、182、183相同的金属喷镀层内。同样，用于特定加热器电阻的导电迹线86一般通向最接近加热器电阻的一端上的结合片74。根据实施方式，一个特定的墨滴发生器组(61、62、63)的加热器电阻56可以被布置在多个基元组中，其中特定基元的墨滴发生器可转换地与相同的墨水发射基元选择信号并联连接，正如共同转让的美国专利5604519、5638101和3568171所披露的那样，其在此引入以供参考。每个FET驱动电路的源极端子与邻近相关的接地母线(181、182、183)电连接。

为便于参照，将包括导电迹线86和接地母线的导电迹线总称为电力迹线，其将加热器电阻56和相关的FET驱动电路85电连接到结合片74上。同样为便于参照，可将导电迹线86称作高压或未接地的电力迹线。

通常，每个FET驱动电路85的寄生电阻(或导通电阻)被构造成，以便补偿该寄生电阻中的变化，该变化通过由电力迹线形成的寄生通路出现在不同的FET驱动电路85中，从而减小提供给加热器电阻的能量中的变化。特别是，电力迹线形成一寄生通路，该寄生通路使FET电路产生一个寄生电阻，该寄生电阻随着在该通路上的位置变化而变化，并且这样选择每个FET驱动电路85的寄生电阻，即，使得每个FET驱动电路85的寄生电阻和FET驱动电路所呈现的电力迹线的寄生电阻的结合仅在一个墨滴发生器到另一个墨滴发生器之间具有细微变化。由于加热器电阻56基本上都具有相同的电阻，因而将每个FET驱动电路85的寄生电阻构造成以便补偿不同FET驱动电路85呈现的相关电力迹线的寄生电阻的变化。以这种方式，如果达到这样的程度，即将基本上相等的能量提供给与电力迹线相连的结合片，就可将基本上相等的能量提供给不同的加热器电阻56。

尤其参见图6和7，每个FET驱动电路85包括多个相互电连接的漏极指形部87，该漏极指形部87设置在形成于硅衬底111中的漏极区指形部89上；和多个相互电连接的源极指形部97，该源极指形部97与漏极指形部87交叉或交错并设置在形成于硅衬底111中的源极区指形部99上。在相应端部相连的多晶硅栅极指形部91设置在形成于硅衬底111中的一层薄的栅极氧化层93上。一层磷硅酸盐玻璃层95将漏极87和源极97从硅衬底111上分开。多个导电的漏极接点88使漏极87和漏极区89电连接，而多个导电的源极接点98使源极97和源极区99电连接。作为说明性的示例，漏极87、漏极区89、源极97、源极区99和多晶硅栅极指形部91基本上垂直或横截于参考轴线L延伸，并延伸到接地母线181、182、183的纵向范围。同样，对于每个FET电路85，横截于参考轴线L的漏极区89和源极区99的范围与横截于参考轴线L的栅极指形部的范围相同，如图6所示，其限定了横截于参考轴线L的作用区的范围。为便于参照，在这些元件是长而窄的条状或指状形式的程度内，可将漏极指形部87、漏极区指形部89、源极指形部97、源极区指形部99和多晶硅栅极指形部91的范围称作这些元件的纵向范围。

作为说明性的示例，通过控制漏极区指形部的连续不接触区段的纵向范围或长度，从而独立地设定每个FET电路85的导通电阻，其中连续不接触区段没有电接点88。例如，漏极区指形部的连续不接触区段可开始于离加热器电阻56最远的漏极区87的端部。特定FET电路85的导通电阻随连续不接触的漏极区指形部区段长度的增加而增加，并选择这样的长度来确定特定FET电路的导通电阻。

作为另一示例，每个FET电路85的导通电阻是通过选择FET电路的尺寸来设定的。例如，可选择横截于参考轴线L的FET电路的范围来限定导通电阻。

就典型的实施方式而言，其中用于特定FET电路85的电力迹线通过相当直的通路通向在打印头结构的最近的纵向分离端上的结合片74，寄生电阻随距打印头的最近端的距离而增加，而FET驱动电路85的导通电阻随距该最近端距离而减小(更有效地形成FET电路)，从而抵消电力迹线中的寄生电阻的增加。作为一特定示例，就开始于离加热器电阻86最远的漏极区指形部的端部的相应FET驱动电路85的连续不接触漏极指形部区段而言，这些区段的长度随距打印头结构的最近的纵向分离端的距离而减小。

每一接地母线(181、182、183)是由与FET电路85的漏极87和源极97相同的薄膜导电层形成的，而包括漏极区89、源极区99和多晶硅栅极91的每个FET电路的作用区有利地在一条相关的接地母线(181、182、183)下方延伸。这就允许接地母线和FET电路阵列占用较窄的区域，从而又允许形成较窄且因此成本较低的薄膜下层结构。

另外，在一实施方式中，其中漏极区指形部的连续不接触区段开始于离加热器电阻56最远的漏极区指形部的端部，横截于参考轴线L或沿其横向并朝向相关加热器电阻56的每一接地母线(181、182、183)的范围可随连续不接触的漏极指形部段的长度的增加而增加，这是因为漏极并不需要延伸到这样的连续不接触的漏极指形部段上。换句话说，根据连续不接触的漏极区的区段的长度，接地母线(181、182、183)的宽度W可通过增加接地母线与FET驱动电路85的作用区的重叠量来增加。这并不通过增加接地母线(181、182、183)及其相关FET驱动电路阵列(81、82、83)占用区域的宽度来实现，这是因为该增加是通过增加接地母线与FET驱动电路85的作用区之间的重叠量实现的。有效的是，在任一特定的FET电路85处，接地母线可基本上通过漏极区的不接触区段的长度来与横截于参考轴线L与作用区重叠。

对于该特定示例来说，其中连续不接触的漏极区区段开始于离加热器电阻56最远的漏极区指形部的端部，并且该连续不接触的漏极区区段的长度随距打印头结构的最近端的距离而减小，接地母线(181、182、183)宽度的调整或变化与连续不接触的漏极区区段的长度变化一起形成了宽度W随距打印头结构最近端的接近度增加的接地母线，如图8所示。由于共享电流的量随着距结合片74的接近度增加，因此该形状有利地形成了随着距结合片74的接近度而减小的接地母线电阻。

虽然上述文字涉及的是一种具有三个供墨槽的打印头，供墨槽具有仅沿其一侧设置的墨滴发生器，但应理解，所公开的FET驱动电路阵列和接地母线结构可采用多种槽供给式、边缘供给式或组合起来的槽和边缘供给式结构来实现。并且，墨滴发生器可设置于供墨槽的一侧或两侧。

现在参见图8，图8是一可采用上述打印头的喷墨打印装置110示例的示意透视图。图7的喷墨打印装置110包括一个被壳体或外壳124包围的底架122，其一般为模塑材料。该底架122例如由金属薄片形成并包括一垂直面板122a。多张打印介质通过一适配的打印介质处理系统126被单独地输送过打印区125，该打印介质处理系统包括一个在打印前储存打印介质的供送盘128。打印介质可为任何类型的合适的可打印的片材如纸张、卡纸、透明胶片、聚酯薄膜等，但为方便起见，在所述实施例中采用纸张作为打印介质。可采用一系列常规的包括由步进马达驱动的驱动辊129的马达驱动辊来使打印介质从供送盘128移动到打印区125中。打印之后，驱动辊129将打印纸张驱动到一对可伸缩的输出干燥翼形件130，所示的该翼形件伸展成接纳打印纸张。在枢转地缩到侧端之前翼形件130在任何仍在输出盘132中干燥的先行打印的纸张上短时间地固定刚刚打印的纸张，如弯曲的箭头133所示，从而使新打印的纸张降落到输出盘132中。打印介质处理系统可包括一系列调节机构例如一滑动长度调节臂134和一信封供给槽135，以容纳不同大小的打印介质，其包括信件、法律声明、A-4纸、信封等。

图9的打印机还包括一个打印机控制器136，其被示意性地示出为一个微处理机，其设置在支承于底架垂直面板122a的背面上的打印电路板139上。打印机控制器136接收来自主机如个人计算机(未示出)的指令，并控制打印机的操作，操作包括打印介质前进通过打印区15、打印滑架140的运动以及给墨滴产生器40的施加信号。

具有平行于滑架扫描轴线的纵轴线的打印滑架滑动杆138被底架122支承，从而大范围地支承打印滑架140以作往复运动或沿滑架扫描轴线扫描。打印滑架140支承第一和第二可移动的喷墨打印头盒150、152(每个打印头盒有时叫作“记录头”、“打印盒”或“墨盒”)。打印盒150、152各自包括打印头154、156，它们分别具有一般面向下的喷嘴以使墨水向下喷射到打印区125中的一部分打印介质上。打印盒150、152特别地通过闭锁机构夹持在打印滑架140中，该闭锁机构包括夹持杆、闭锁件或盖170、172。

合适的打印滑架的说明性示例被公开在共同转让的受理号为10941036、申请日为1996年11月26日、发明人为Harmon等人的美国专利申请序列号08/757009中，在此引入以供参考。

仅供参考，打印介质沿着平行于与打印介质部分相切的轴线通过打印区125前进，该打印介质部分位于打印盒150、152喷嘴的下方并且喷嘴横过该部分。如果介质轴线和滑架轴线位于同一平面的话，如图9所示，它们就会相互垂直。

打印滑架背面上的防转动机构与水平定位的防枢转杆185接合，该杆例如与底架122的垂直面板122a一体成形，从而防止打印滑架140绕着滑动杆138向前枢转。

作为说明性的示例，打印盒150是单色的打印盒，而打印盒152是三色的打印盒，其采用了依照这里启示的打印头。

打印滑架140通过环形带158沿着滑动杆138被驱动，该环形带可以常规的方式被驱动，并根据例如常规技术利用线性编码条140来沿着滑架扫描轴线检测打印滑架140的位置。

尽管已在上面对本发明的特定实施例进行了说明和阐述，但对于本领域的技术人员来说，可对其作出各种改型和变化，而不脱离如下面权利要求限定的本发明的范围和精神。

Claims (8)

1、一种喷墨打印头，其包括：

由衬底和多个薄膜层形成的打印头结构(11、12、13)；

墨滴发生器(40)的纵阵列(61)，其被限定在所述打印头结构中；

场效应晶体管电路(85)的纵阵列(81)，其形成在所述打印头结构中且分别地连接到所述墨滴发生器上，所述场效应晶体管电路包括作用区，每一作用区包括漏极区(89)、源极区(99)和栅极(91)；

包括接地母线的电力迹线(86、181)，该接地母线在(a)结合片(74)与(b)所述墨滴发生器和所述场效应晶体管电路之间电连接；以及

所述接地母线通常沿场效应晶体管电路的所述纵阵列的纵向范围延伸，并且与所述作用区部分地重叠。

2、如权利要求1所述的喷墨打印头，其特征在于，所述接地母线具有一横截于场效应晶体管电路的所述纵阵列的纵向范围的宽度，其沿所述纵向范围而变化。

3、如权利要求1所述的喷墨打印头，其特征在于，所述接地母线具有一横截于场效应晶体管电路的所述纵阵列的纵向范围的宽度，其随着距所述打印头结构的纵向分离端中的最近一端的距离的增加而减小。

4、如权利要求1所述的喷墨打印头，其特征在于，所述漏极区、源极区和栅极横截于场效应晶体管电路的所述纵阵列的纵向范围延伸。

5、如权利要求1所述的喷墨打印头，其特征在于，每个所述场效应晶体管电路包括漏极(87)和源极(97)，其由与所述接地母线相同的金属喷镀层形成。

6、如权利要求5所述的喷墨打印头，其特征在于，所述漏极与所述漏极区重叠，而所述源极与所述源极区重叠。

7、如权利要求1、2、3、4、5或6所述的喷墨打印头，其特征在于，所述场效应晶体管电路被分别构造成以补偿由所述电力迹线呈现的寄生电阻的变化。

8、如权利要求7所述的喷墨打印头，其特征在于，所述场效应晶体管电路的相应的电阻被选择成以补偿由所述电力迹线呈现的寄生电阻的变化。

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