打印头组合件的制作方法

1.本发明涉及一种打印头组合件、打印头模块以及制造打印头模块的方法。具体来说，本发明涉及具有压电致动打印头喷嘴的打印头。


背景技术：

2.已知制造用于从多个打印头喷嘴可控地喷射打印剂的打印头。
3.通常，打印头组合件由打印头歧管形成，所述打印头歧管提供用于存储打印剂的一个或多个散装储集器与多个打印头喷嘴中的每一个之间的流体连通。多个打印头喷嘴个别地或以群组的方式安装到打印头歧管。每一打印头喷嘴包含致动器(例如，压电致动器)以控制从所述打印头喷嘴喷射打印剂。
4.为了确保使用打印头进行精确且准确的打印，至关重要的是每一打印头喷嘴均安装在打印头歧管上的预定位置。因此，通常需要使用高度精确的制造方法。
5.正是在这一背景下设计了本发明。


技术实现要素：

6.根据本发明的一方面，提供一种打印头组合件，其包括：多个打印头模块，其包含第一打印头模块、第二打印头模块以及第三打印头模块。多个打印头模块中的每一个包括：多个打印头喷嘴，其各自配备有致动器以用于从所述多个打印头喷嘴选择性地喷射打印剂；至少一个打印剂歧管(例如，一打印剂歧管或多个打印剂歧管)，其提供至少一个打印剂入口(例如，一打印剂入口或多个打印剂入口)与多个打印头喷嘴之间的流体连通路径；以及控制电路系统，其用以控制打印头模块的致动器以从打印头喷嘴喷射打印剂。第一打印头模块经由第二打印头模块安装到第三打印头模块。
7.因此，考虑到制造容差，可更精确地实现打印头喷嘴与邻近打印头喷嘴的所需相对定位。通过将打印头模块安装到彼此而不是安装到共同架构，邻近打印头喷嘴的相对位置的任何误差可取决于个别打印头模块的制造容差，而不是两个单独喷嘴的独立放置之间的放置误差。此外，可通过提供串联连接的额外打印头模块而容易地制造大型打印头组合件。相反，现有技术解决方案需要将每一打印头模块所连接到的结构架构制造成打印头组合件的所需大小。通过将打印头模块安装到彼此，不再需要制造具有全部精确定位的许多(有时几千个)连接端口的大型组件。尽管本发明的打印头组合件可安装到另一组件(诸如结构架构)，但应理解，任何另外连接不需要那么精确，和/或将不会对来自包含打印头组合件的打印机的输出产生这类不利影响，这是因为已界定邻近打印头模块之间的打印头喷嘴的相对位置。
8.应理解，打印头组合件为用于打印机中的组件，其包括可在制造期间连接在一起的多个打印头模块。
9.在一些实例中，每一打印头模块将仅从多个打印头喷嘴打印单一打印剂。在其它实例中，多个打印头喷嘴的第一子集用于从其喷射第一打印剂，且多个打印头喷嘴的第二
子集用于从其喷射第二打印剂。第二子集可不同于第一子集。通过这种方式，单个打印头模块可用于用多种打印剂进行打印。在可从单一打印头模块打印多种打印剂的情况下，应理解，打印剂歧管可提供多个单独打印剂入口与多个打印头喷嘴当中与每一单独打印剂相关联的相应打印头喷嘴之间的流体连通路径。
10.打印剂歧管大体上为打印剂通过打印头模块的任何选路。通常，打印剂歧管由打印头模块中的一个或多个沟道界定。
11.每一打印头喷嘴可连接到多个打印剂歧管中的仅一者。
12.打印头喷嘴为界定在打印头模块中的开口，且可通过由控制电路系统控制的致动器的操作而通过所述开口可控地喷射打印剂。通常，打印头喷嘴具有小于1毫米，例如小于0.1毫米的横截面范围。
13.致动器可为压电致动器。因此，用于相应打印头喷嘴的压电致动器的操作可用于从相应打印头喷嘴可控地喷射打印剂。压电致动器的使用允许提供简单、精确可控的打印头组合件。
14.应理解，致动器通常进行操作以使界定打印头喷嘴的至少一部分的可弹性变形膜移位，通过这类方式以便在进行致动器的操作时从打印头喷嘴喷射打印剂。
15.通过提供控制电路系统作为打印头模块的部分，这同样有助于打印头组合件的构造的模块化性质。此外，可减少打印头组合件中的布线连接的复杂性，因为仅需要从每一打印头模块上的控制电路系统提供到每一致动器的单独控制布线；可经由到打印头模块上的控制电路系统的单个布线连接将用于打印头模块上的任何致动器的控制指令提供到打印头模块上。另外，在控制电路系统分布到打印头模块上(而不是仅位于打印头组合件的中心)的情况下，从控制电路系统产生的热量可分布在全部打印头模块上，从而改进打印头组合件的热量管理。
16.控制电路可包括集成电路，例如互补金属氧化物半导体(cmos)电路。控制电路系统可与打印头喷嘴一体地形成。换句话说，可同时提供控制电路系统、打印头喷嘴以及(可选地)压电致动器的形成，而不需要单独组装多个组件部分的组合件。通过使用集成电路提供控制电路系统，控制电路系统可邻近于打印头喷嘴设置，由此确保打印头模块是紧凑的。
17.控制电路系统可包括(a)数字寄存器。控制电路系统可包括(b)喷嘴微调计算电路和/或寄存器。控制电路系统可包括(c)温度测量电路。控制电路系统可包括(d)流体腔室填充检测电路。
18.数字寄存器可为例如移位寄存器或锁存寄存器。在操作中，可将数据存储在控制电路系统内的寄存器中或从寄存器读取数据。在操作中，可使用温度测量电路的温度敏感组件来测量温度。在操作中，可测量流体腔室的填充水平。
19.控制电路系统可配置成响应于由控制电路系统存储的数据或来自通常在打印头模块内的一个或多个传感器的测量值而修改施加到一个或多个压电致动器的一个或多个电极的电压脉冲。在操作中，控制电路系统可响应于由控制电路系统存储的数据或来自通常在打印头模块内的一个或多个传感器的测量值而测量施加到一个或多个压电致动器的一个或多个电极的电压脉冲。
20.修改电压脉冲可包括使其在时间上移位。修改电压脉冲可包括将其压缩或扩张。修改电压脉冲可包括修改其量值。修改电压脉冲可包括在具有不同特征曲线的所接收的致
动器驱动脉冲的多个(通常重复)序列之间交换。控制电路系统通常配置成响应于由控制电路系统存储的与个别压电致动器相关的数据或来自一个或多个传感器的测量值而修改施加到一个或多个个别压电致动器的一个或多个电极的电压脉冲。
21.控制电路系统可包括喷射晶体管。喷射晶体管通常与压电致动器的电极直接电连通(无介入开关式半导体结)。在操作中，可控制喷射晶体管以使来自喷射晶体管的电位输出直接施加到压电致动器的电极。
22.控制电路系统可配置成从打印头模块外部接收输入控制信号，且将致动器控制信号输出到多个致动器中的每一个以控制从多个打印头喷嘴喷射打印剂。
23.打印头模块可包括用于接收致动器驱动脉冲的电输入。在操作中，打印头模块可接收致动器驱动脉冲。
24.打印头组合件可包括用于控制打印头组合件的打印头模块的控制器。控制器可包括一个或多个微控制器或微处理器，其可进行整合或分布、与存储程序代码的存储器连通或包括所述存储器。
25.控制器可包括配置成产生致动器驱动脉冲(通常为其序列)的脉冲产生器。每一打印头模块通常包括连接到控制器的电输入，通过电输入接收致动器驱动脉冲。在操作中，打印头组合件可产生致动器驱动脉冲(例如在控制器中)且通过电连接将其传导到打印头模块。通常，对于一个或多个打印头模块，经由一个或多个其它打印头模块将驱动脉冲传导到相应打印头模块。通常，第二打印头模块配置成将致动器驱动脉冲从第一打印头模块传导到第三打印头模块。
26.致动器驱动脉冲通常为模拟信号。致动器驱动脉冲通常包括周期性重复电压波形。
27.控制电路系统可配置成将多个压电致动器中的所述或每一个的至少一个电极切换地连接或断开到所接收的致动器驱动脉冲，从而选择性地致动压电致动器。在操作中，打印头模块可将多个压电致动器中的所述或每一个的至少一个电极切换地连接或断开到所接收的致动器驱动脉冲，从而选择性地致动压电致动器。
28.控制器可包括产生致动器驱动脉冲的多个序列的一个或多个脉冲产生器，且打印头模块的电输入通过到控制器的多个电连接接收致动器驱动脉冲的多个序列(由一个或多个脉冲产生器产生)，且控制电路系统配置成将多个压电致动器中的所述或每一个的至少一个电极切换地连接或断开到选自致动器脉冲的多个不同所接收序列的所接收的致动器驱动脉冲。在操作中，打印头组合件可产生致动器驱动脉冲的多个不同序列(例如在控制器中)且通过单独电连接将其传导到打印头模块，且将多个压电致动器中的所述或每一个的至少一个电极切换地连接或断开到从致动器驱动脉冲的多个不同序列中的可变序列(和可选序列)接收到的一个或多个所接收的致动器驱动脉冲。
29.关于压电致动器的至少一个电极连接到所接收的致动器脉冲的哪一序列的选择可响应于特定针对于相应压电致动器的所存储数据和/或响应于相应压电致动器的操作的测量值。因此，控制电路系统可通常选择每一压电致动器是否在一系列周期性液滴喷射决策点中的每一个处喷射液滴。通过决策点，我们指的是致动器驱动器脉冲开始之前的时间，在这段时间确定是否将致动器驱动器脉冲传达到特定压电致动器的至少一个电极。在一些实施例中，cmos控制电路也可进行选择，且所述方法通常包括从多个致动器脉冲当中选择
哪一致动器脉冲(来自致动器脉冲的相同或不同流)在每一所述液滴喷射决策点处施加到相应压电致动器的至少一个电极。
30.通常，致动器驱动脉冲周期性地重复。致动器驱动脉冲可由控制器放大。致动器驱动脉冲可不由打印头模块放大。打印头模块可不产生致动器驱动脉冲。
31.通常，将来自脉冲产生器的脉冲传导到多个控制电路，所述控制电路可为多个打印头模块的部分。因此，单个脉冲产生器电路可驱动同一衬底上的多个压电变换器和/或具有单独衬底的多个打印头模块，所述多个打印头模块各自具有多个压电变换器。
32.通常从控制器接收数字致动控制信号。通常通过挠性连接器接收数字致动控制信号。可以串行形式接收数字致动控制信号，且使用控制电路系统内的移位寄存器将数字致动控制信号转换成并行控制信号。
33.控制器可包括脉冲产生器，所述脉冲产生器配置成产生传导到打印头模块(或多个打印头模块)的致动器驱动脉冲和传导到打印头模块(或多个打印头模块)的数字控制信号，且在打印头模块的控制电路系统中处理数字控制信号以确定哪些致动器驱动脉冲被传导到一个或多个打印头模块的一个或多个压电致动器的至少一个电极以使液滴喷射。
34.在操作中，打印头组合件可产生致动器驱动脉冲(例如在控制器处)和数字控制信号，且将致动器驱动脉冲和数字控制信号两者传导到打印头模块的控制电路系统，且控制电路系统处理数字控制信号，且响应于此，将所选致动器驱动脉冲传导到一个或多个打印头模块的一个或多个压电致动器的至少一个电极以使液滴喷射。
35.因此，模拟致动器驱动器脉冲和数字控制信号通常由控制电路系统(且通常由打印头模块)输入。通常，数字控制信号用于选择性地切换模拟致动器驱动脉冲，从而将其选择性地传输到压电致动器。
36.在一些实施例中，控制电路系统配置成将接地和单个固定非零电压线中的一个或多个或具有不同电压(其中的一个或多个可接地)的多个固定电压线切换地连接到压电致动器的一个或两个电极以使打印剂的液滴喷射。举例来说，控制电路系统可在到接地的连接与到固定电压或具有不同电压的多个固定电压线且再次返回到接地的连接之间切换电极，以便使液滴喷射。通常，第二打印头模块配置成将所述接地和/或所述单个固定非零电压从第一打印头模块传导到第三打印头模块。
37.在到接地的连接与到固定电压的连接之间或在固定电压线之间切换电极可包括操作锁存器。
38.控制电路系统可配置成个别地且选择性地致动由同一衬底上的一个或多个所述层形成且界定不同相应流体腔室(具有不同的相应液滴喷射出口，有时称为打印头喷嘴)的部分的至少三个(或至少四个)所述压电致动器元件，可选地，其中所述至少三个(或至少四个)致动器元件配置成用于喷射不同颜色或组成的流体或作为冗余液滴喷射出口。
39.所述至少三个(或至少四个)压电致动器元件可位于衬底上(可选地，彼此邻近，可选地，成一行)，且控制电路系统连接到具有一个或多个电信号导体的挠性打印头电缆，其中控制电路系统配置成响应于通过同一信号导体接收到的致动命令而个别地且选择性地致动所述至少三个(或至少四个)压电致动器元件中的致动器元件。
40.因此，归因于配置成驱动至少三个(或至少四个)致动器元件控制电路系统的整合，个别信号导体可传输引起至少三个(或至少四个)压电致动器元件中的个别致动器元件
的致动的控制信号。通常，控制信号为数字控制信号。
41.至少三个(或至少四个)压电致动器元件可包括或为压电致动器元件群组，例如配置成喷射相同颜色或组成的流体(例如具有与同一流体供应器流体连通的流体腔室)或不同颜色或组成的流体(例如具有与单独流体供应器流体连通的流体腔室)的压电致动器元件群组，或划分成多个(通常为至少三个或至少四个)子群组的压电致动器元件群组，其中每一子群组中的压电致动器元件配置成喷射相同颜色或组成的流体(例如，具有与同一流体供应器流体连通的流体腔室)，且一些或全部子群组中的压电致动器元件配置成喷射不同颜色或组成的流体(例如，与单独流体供应器流体连通)。同一子群组中的压电致动器元件可布置成阵列，且可存在相应子群组的多个阵列。
42.控制电路系统可配置成个别地且选择性地致动数目为信号导体的至少两倍的压电致动器元件，控制电路系统通过所述信号导体接收致动控制信号。
43.所述控制电路系统可配置成个别地且选择性地致动至少128(或至少256)个压电致动器元件，且控制电路系统通过至多32(或至多16)个信号导体接收致动控制信号。
44.控制电路系统可包括串-并转换电路，所述串-并转换电路配置成将通过一个或多个信号导体将以串行形式接收到的数字信号转换成对待致动以同时(即，并行地)进行液滴喷射的压电致动器的选择。串-并转换电路通常包括一个或多个移位寄存器。
45.第一打印头模块可配置成经由第二打印头模块电连接到第三打印头模块。第三打印头模块可配置成经由第二打印头模块和第一打印头模块接收致动控制信号(例如数字控制信号)。因此，致动器控制信号可输入到第一打印头模块，且由第一打印头模块中继到连接到其的其它打印头模块，例如经由连接到其的另外打印头模块。
46.打印头模块中的每一个可接收电力以与致动控制信号分开地为致动器供电。第三打印头模块可配置成经由第二打印头模块和第一打印头模块接收电力。
47.第一打印头模块的打印剂歧管可不同于第二打印头模块的打印剂歧管。因此，与第二打印头模块相比，第一打印头模块可在打印头组合件内用于不同目的。第一打印头模块的打印剂歧管的形状可不同于第二打印头模块的打印剂歧管的形状。打印剂歧管的一个或多个内表面特性(诸如表面粗糙度)在第一打印头模块与第二打印头模块之间可不同。换句话说，第一打印头模块的打印剂歧管可配置成用于与第一打印剂一起使用，而第二打印头模块的打印剂歧管可配置成用于与不同于第一打印剂的第二打印剂一起使用。在一些实例中，打印剂歧管的内表面可与待提供到其上的打印剂匹配。
48.第一打印头模块可配置成以操作方式耦合到待由第一打印头模块的多个打印头喷嘴的第一子集喷射的第一打印剂，且可进一步配置成以操作方式耦合到待由第二打印头模块的多个打印头喷嘴的第二子集喷射的第二打印剂。第二打印剂可不同于第一打印剂。第二子集可不同于第一子集。
49.通常，第一打印头模块配置成经由第一打印头模块的第一打印剂入口以操作方式耦合到第一打印剂，且经由第一打印头模块的第二打印剂入口以操作方式耦合到第二打印剂。
50.因此，第一打印头模块可经配置以将多种打印剂连接到多个打印头喷嘴，以允许从多个打印头喷嘴喷射多种打印剂中的任一种。通常，任何给定的打印头喷嘴均配置成从其中选择性地喷射多种打印剂当中的仅一种打印剂。
51.在一个实例中，多种打印剂大于两种打印剂。多种打印剂可小于十种打印剂。在一些实例中，多种打印剂为四种打印剂。打印剂中的每一种可具有不同组成。在打印剂为墨水的情况下，多种打印剂中的每一种可为不同颜色。
52.打印头组合件可进一步包括用于将所述第一打印头模块连接到第二打印头模块的第一模块连接器。打印头组合件可进一步包括用于将第二打印头模块连接到第三打印头模块的第二模块连接器。因此，打印头模块之间可存在中间连接器，但第一打印头模块还是仍然经由第二打印头模块连接到第三打印头模块。
53.在一些实例中，第一打印头模块可直接连接到第二打印头模块，且第二打印头模块可直接连接到第三打印头模块。换句话说，第一打印头模块可仅经由第一打印头模块与第三打印头模块之间的第二打印头模块连接到第三打印头模块。
54.第二打印头模块的打印剂歧管可布置成在打印剂入口处从第一打印头模块的打印剂出口接收打印剂。第一打印头模块的打印剂出口可与第二打印头模块的打印剂入口流体连通。因此，可经由其它打印头模块将打印剂提供到打印头模块。通过这种方式，应理解，可通过简单地提供另外打印头模块而无需增加到多个打印头模块的打印剂源的数目来提供较宽范围的打印头组合件。
55.第二打印头模块的打印剂歧管可布置成在打印剂入口处从界定在不同于多个打印头模块的另一打印剂歧管中的打印剂出口接收打印剂。因此，可经由另一打印剂歧管将打印剂供应到第二打印头模块，通常不经由多个打印头模块中的任何其它打印头模块。
56.每一打印头模块可包括至少10个打印头喷嘴。每一打印头模块可包括至少100个打印头喷嘴。每一打印头模块可包括至少1000个打印头喷嘴。每一打印头模块可包括至少3000个打印头喷嘴。
57.多个打印头模块可包括至少10个打印头模块。多个打印头模块可包括至少100个打印头模块。
58.第三打印头模块可经由第二打印头模块电连接到第一打印头模块。因此，待由第三打印头模块、第二打印头模块或第一打印头模块中的任一个接收的电信号可供应到第一打印头模块且向前中继到第二打印头模块，其从所述第二打印头模块进一步中继到第三打印头模块。第三打印头模块的控制电路系统可经由第二打印头模块电连接到第一打印头模块。通过这种方式，供应到第一打印头模块的控制信号可由第三打印头模块的控制电路系统接收。
59.多个打印头模块可以镶嵌图案布置。因此，打印头模块可高效地配合在一起而无任何间隙以确保可在所述空间中设置较高数目的打印头模块。
60.多个打印头模块可一起具有多个不同外部形状，多个不同外部形状小于打印头模块的数目。因此，可存在多个打印头模块的数个重复外部形状。多个不同外部形状中的每一个可在多个打印头模块中发生超过一次。因此，可产生各自具有不同外部形状且一起使用以形成打印头组合件的多个打印头模块。
61.多个打印头模块可各自具有大体上相同的外部形状。因此，打印头模块的外部形状是相同的，使得更容易从多个打印头模块形成打印头组合件。应理解，甚至在多个打印头模块具有相同外部形状的情况下，其可具有不同内部配置以为在多个打印头模块当中形成子集的打印头模块中的一个或多个提供不同功能性。
62.这本身被认为是新颖的，且因此，根据本发明的另一方面，提供一种第一打印头模块，其用于连接到具有与第一打印头模块大体上相同的外部形状的另一打印头模块。第一打印头模块包括：多个打印头喷嘴，其各自配备有致动器以用于从所述多个打印头喷嘴选择性地喷射打印剂；至少一个打印剂歧管(例如，一打印剂歧管或多个打印剂歧管)，其提供至少一个打印剂入口(例如，一打印剂入口或多个打印剂入口)与多个打印头喷嘴之间的流体连通路径；控制电路系统，其用以控制致动器以从打印头喷嘴喷射打印剂；以及连接部分，其布置成有助于将第一打印头模块安装到另一打印头模块。
63.因此，提供一种可以模块化布置与其它打印头模块连接以提供打印头组合件的打印头模块。
64.从另一方面来看，提供一种制造打印头模块的方法。方法包括：在衬底中形成集成控制电路；形成各自与集成控制电路电连通的多个压电致动器；形成各自与多个压电致动器中的相应一个相关联的多个喷嘴出口；以及形成界定至少一个打印剂入口(例如，一打印剂入口或多个打印剂入口)与多个喷嘴出口之间的流体连通路径的至少一个打印剂歧管(例如，一打印剂歧管或多个打印剂歧管)。
65.因此，在具有多个压电致动喷嘴出口的打印头组合件的情形下，可提供一种制造打印头模块的模块化系统的方法。这通过整体地形成集成控制电路以连接到多个压电致动器且控制所述多个压电致动器来实现。
66.多个喷嘴出口可延伸穿过衬底。在一些实例中，多个喷嘴出口可至少部分地由衬底界定。在一些实例中，多个喷嘴出口可至少部分地由安装在衬底上的一个或多个另外层界定。流体连通路径可延伸穿过衬底。
67.从另一方面来看，提供一种制造打印头组合件的方法。方法包括：各自如上文所描述来制造第一打印头模块、第二打印头模块以及第三打印头模块；以及经由第二打印头模块将第一打印头模块安装到第三打印头模块。因此，可通过将打印头模块安装到彼此而不是仅将打印头模块安装到共同架构结构来形成打印头组合件。
68.从另一方面来看，提供一种打印机，其包括如上文所描述的打印头组合件，和与每一打印头模块的打印剂歧管的打印剂入口流体连接的一个或多个打印剂源。因此，如所属领域的技术人员将理解，打印头组合件可用于打印机中。
69.从另一方面来看，提供一种打印方法，其包括：提供打印机；以及操作控制电路系统以从多个打印头模块的多个打印头喷嘴中的至少一个喷射打印剂。因此，打印机的打印头组合件可进行操作以使用打印剂进行打印。
70.打印剂可为墨水。替代地，打印剂可为增材制造打印剂。打印剂将理解为待沉积在表面上的大体上能够从多个打印头喷嘴可控地喷射的任何物质。打印剂可为液体。打印剂可为粉末。
附图说明
71.现将参考以下图式说明本发明的实例实施例，其中：
72.图1为展示如本文中所公开的致动器、打印头喷嘴以及控制电路系统的布置的示意图；
73.图2为包含多个打印头喷嘴的图1中所展示的布置的图示；
74.图3a和图3b为如本文中所公开的用于打印头的控制电路系统的框图；
75.图4a、图4b以及图4c为本文中所描述的电路系统的致动器控制信号的图形表示；
76.图5展示如本文中所公开的打印头模块的实例；
77.图6展示图5中所展示的多个打印头模块的布置；且
78.图7说明制造打印头模块的方法。
具体实施方式
79.图1为展示如本文中所公开的致动器、打印头喷嘴以及控制电路系统的布置的示意图。参考图1，根据本发明的液滴喷射器组合件100(充当打印头模块)包括硅衬底102，其包括硅衬底102的第一表面106上的控制电路系统104。控制电路系统104通常为呈cmos电路104形式的集成电路104。所属领域的技术人员应了解，cmos电路包括衬底的掺杂区以及形成于衬底的第一表面上的金属化层和互连件两者。通常展示为112的多个层形成于硅衬底102的第一表面106上。层112为cmos金属化物层且包括金属导电迹线和钝化绝缘体，诸如sio2、sin、sion。液滴喷射器组合件100进一步包括压电致动器118，其包括压电体120，所述压电体120在这一实例中由aln或scaln形成，但可由在低于450℃的温度下可处理的另一合适的压电材料形成。压电致动器118形成具有诸如硅、氧化硅、氮化硅或其衍生物的材料层的隔膜，且具有钝化层160(有时称为喷嘴界定层160)，其防止所施加的电位接触流体。
80.至少一个金属化层112包含互连件，从而经由接合衬垫180将信号从外部控制器传导到控制电路系统104的第一部分105a，且经由电互连件108将信号从控制电路系统104的第二部分105b和第三部分150c传导到压电致动器，具体来说传导到布置成在压电体120上施加电位差且由此致动所述压电体120的第一电极140和第二电极142。开口120a界定在压电体120中以用于使电互连件108在控制电路系统104的第二部分105b与第二电极142之间通过。
81.压电致动器118和伴随的钝化层160界定流体腔室122的壁，所述流体腔室122通过导管124接收打印剂，诸如油墨(在喷墨打印机的情况下)或另一可打印流体(例如在增材制造打印机的情况下)，且与打印头喷嘴126连通以喷射流体。压电致动器118和喷嘴界定层160进一步界定打印头喷嘴126的壁。导管124形成提供打印剂入口(图1中未展示)与打印头喷嘴126(以及另外打印头喷嘴，图1中未展示)之间的流体连通路径的打印剂歧管的至少一部分。导管124由硅衬底102、金属化层112以及喷嘴界定层160界定。保护性前表面170提供液滴喷射器组合件100的外表面，所述外表面被提供以覆盖且保护压电致动器118且紧靠着喷嘴界定层160的表面162。保护性前表面170具有界定喷嘴126的孔口。压电致动器118、腔室122以及喷嘴126一起形成通常展示为101的液滴喷射器。
82.通常，cmos控制电路包括掺杂硅和金属化层的图案化区。金属化层的数目取决于cmos控制电路的复杂性，但对于许多应用，三个层应足够。
83.尽管图1中仅展示一个打印头喷嘴126和压电致动器118，但应理解，通常提供多个打印头喷嘴126和对应压电致动器118。每一压电致动器118配置成控制从相应打印头喷嘴126喷射打印剂。
84.图2展示包含多个打印头喷嘴的图1中所展示的布置的图示。具体来说，参考图2，其展示具有多个液滴喷射器101(个别压电致动器、流体腔室以及液滴喷射出口)的打印头
模块100a，具有有限数目个信号导体的柔性电缆互连件138通过导线将外部控制器连接到包括展示为101的多个液滴喷射器的打印头模块100a以喷射不同打印剂，例如不同颜色的油墨。形成多个液滴喷射器101的压电致动器118、控制电路系统104以及打印头喷嘴126通常由单个cmos/致动器衬底形成，但每一打印头模块100a的打印剂歧管可至少部分地由设置成与打印头喷嘴126流体连通的至少一个另外组件界定。在这些实例以及cmos控制电路104的主要部分中，cmos控制电路包含与每一液滴喷射器相关联的单独电路元件104'，其可例如包括用于每一压电致动器的锁存器和喷射器晶体管。
85.图3a为用于打印头组合件的控制电路系统的框图。在这一实例中，致动器控制分布在打印头模块100a内的机器控制器220与控制电路系统(例如cmos电路)104之间。其部分地由延伸穿过单个或多个柔性电缆互连件138的导体连接。通过将电位施加到其电极140、142来控制多个致动器120。机器控制器包括至少处理器200，诸如微处理器或微控制器，其具有存储相关数据和程序代码的存储器202。有线或无线电子接口204从外部装置驱动器接收输入数据。所属领域的技术人员应了解，机器控制器可分布在数个单独组件或功能模块之间，诸如将图像转换成像素化图案以使用例如抖动矩阵进行打印的一个组件，和将像素化图案转换成用于不同喷嘴的打印图案的单独组件。
86.机器控制器可包括至少一个波形产生器和电压放大器208，所述电压放大器208通过一个或多个驱动信号导体210将致动器控制脉冲(图4中所展示)的连续图案提供到打印头。接地导体212还从机器控制器延伸到液滴喷射器组合件100。(为清楚起见未展示的在打印头内的接地连接)。处理器200通常产生数字控制信号214作为串行总线，且还将时钟信号216传输到打印头，所述时钟信号216用以使打印与打印头的移动同步。连接器还提供与cmos控制电子器件的操作电压相关联的电压电平。
87.在打印头模块100a内，接触衬垫136连接到柔性连接器的导体，且信号从图案化金属化层112传送到cmos控制电路104且从cmos控制电路传送到电极140、142，从而致动相应压电致动器内的个别压电主体120。衬底102上的控制电路104包括喷射开关电路220，其包含具有与电极140、142直接电连接(即，没有另一介入开关半导体结)的输出端的喷射晶体管。喷射开关电路切换致动器控制脉冲信号，且如果电极中的一个保持连接到接地，那么喷射开关电路可像每致动器单个晶体管或每电极单个晶体管一样简单以切换施加到所述电极的信号。喷射开关电路可分布在衬底周围，其中一部分(例如，晶体管，或晶体管和锁存器)接近每一液滴喷射器。
88.喷射开关电路并不进行电力放大。替代地，其切换致动器控制脉冲，从而针对每一脉冲确定每一脉冲是否被中继到相应致动器。由放大器208在机器控制器中进行电压放大。
89.喷射开关电传送锁存器和移位晶体管222控制，所述锁存器和移位晶体管222从控制电路224接收和存储数字数据，所述控制电路224处理所接收的数据，例如，转换所接收的串行数据、将这些数据存储在寄存器226中，且使用所接收的数据来确定在每一连续致动器启动事件期间致动哪些致动器。控制电路228还存储用于定制用于每一致动器的电压开关的精确定时的微调数据，所述精确定时通常在设置时在校准步骤期间确定，且可存储指示喷嘴的物理布局、安全性信息和或喷嘴致动计数历史信息的配置数据230。控制电路224还从传感器232、234、236接收数据，所述传感器中的一些与个别致动器相关联，例如喷嘴填充水平传感器，且所述传感器中的一些感测与整个打印头的功能相关的参数，例如温度传感
器。
90.图3b为用于打印头组合件的控制电路系统的另一框图。控制电路系统大体上类似于关于图3a所描述的控制电路系统，但电信号(例如，经由驱动信号导体210传送的致动器控制脉冲、数字控制信号214以及时钟信号216)一起传送到打印头模块100a、100b、100c。换句话说，电信号210、214、216经由第一打印头模块100a和第二打印头模块100b传送到第三打印头模块100c。通过这种方式，应理解，可提供机器控制器220与多个打印头模块100a、100b、100c之间的电连接，甚至在机器控制器220仅直接电连接到第一打印头模块100a的情况下。
91.每一打印头模块100a、100b、100c包含控制电路系统104和多个(例如至少两个)致动器120，且电信号可经由每一打印头模块100a、100b、100c上的控制电路系统104来提供致动器120中的一个或多个的任何组合对多个打印头模块100a、100b、100c中的任一个的致动。电信号210、214、216中的每一个电连接到打印头模块100a、100b、100c中的每一个的控制电路系统104。
92.电信号通常包括指示特定打印头模块100a、100b、100c以及给定打印头模块100a、100b、100c上的待操作以使打印剂从与所操作致动器120相关联的打印头喷嘴喷射的特定致动器120的地址信息。
93.图4(a)、图4(b)以及图4(c)展示在替代实施例中由波形产生器或电压放大器206产生的三个可能的驱动波形。x轴为时间(以毫秒为单位)，且y轴为致动器每μm厚度的电位。因为在这一实例中，压电体由非铁电材料制成，所以可在任一方向上施加脉冲。在图4(a)中，信号具有默认电压0，且在预定时间段之后，每一脉冲切换到正电位且返回到零。在图4(b)中，信号具有默认电压0，且首先切换到正电位(以使压电致动器在一个方向上变形)，且接着切换到负电位(以使压电致动器在相反方向上变形)，随后返回到零。在图4(c)中，信号具有200v的默认电压，且在返回到200v之前切换到-200v的电压(使压电体中的电场的方向反向)。
94.在操作期间，处理器200通过接口204以数字形式接收诸如位图的打印数据，且通过已知方式处理这一数据以通过串行连接216将一系列打印指令发送到每一打印头模块。这些打印指令可与用于每一打印头模块的关于在打印循环期间是否和何时喷射液滴的指令一样详细。在一个实施例中，波形产生器产生适用于施加到个别压电致动器的电极的重复电压脉冲。这些脉冲是周期性的，具有确定打印头上液滴喷射事件之间的时间的时间间隔。替代地，电压放大器208可将多个电压电平中的单一电压电平提供到打印头组合件,且维持所述单一电压电平。打印头模块内的喷射晶体管将根据cmos控制电路切换这些电压。
95.由于一个或多个波形产生器不位于打印头上且用于驱动大量压电致动器，因此其可产生大量热量而不会引起问题。不存在相当大的衬底空间限制，因此其可为调适成以所选和任选的可变压摆率谨慎地控制波形的形状的相对复杂电路，且功率放大器可被选择以在可同时致动的所有致动器可一起致动的情况下产生高达最大可能电流要求的所要电压。
96.个别打印头衬底上的控制电路224通过串行连接216接收打印指令且处理这些指令(例如从串行指令转换为并行指令)。参考时钟信号214，确定每一个别压电致动器是否应被致动以在每一打印循环期间喷射液滴，且将这一数据加载到锁存器222中。在每一打印循环期间的适当时间，将经锁存数据传递到喷射开关电路，所述喷射开关电传送此将所接收
的打印波形切换到相应致动器元件的电极，使得所述电极进行液滴喷射循环，或者不这样做，在这种情况下，相应致动器元件的两个电极保持连接到接地，且液滴喷射器不进行液滴喷射循环。
97.在打印期间监测传感器232、234、236。可响应于使用温度敏感cmos元件测量温度而改变将所接收的打印波形切换到相应致动器元件的电极的精确定时。
98.归因于打印头组合件，归因于致动寿命，每一喷嘴可基于晶片制造的差异(在单个晶片上或晶片批次之间)而具有略微不同的喷射特性行为(液滴体积、速度)。这一数据可用于通过cmos控制电路来更改特定喷嘴的驱动波形(例如改变致动脉冲持续时间或切换到不同电平)或将某些喷嘴切换到不同驱动波形。
99.一些墨水的粘度和表面张力对温度高度敏感，这最终改变了液滴喷射特性。某些打印图案将使某些喷嘴连续地发射，而使其它喷嘴零星地发射。这将产生可变热图案。监测到的温度可由控制电路用来修改波形和/或向控制器反馈控制信息以进行适当动作，诸如降低打印速度等。
100.移位寄存器将液滴发射图案信息移动到锁存寄存器。因此，移位寄存器与串行连接介接，且在给定打印循环中将所有打印数据移动到锁存寄存器。锁存寄存器与喷射寄存器介接以启动打印命令。
101.图5展示如本文中所公开且待连接到多个其它打印头模块(如图6中所展示)的打印头模块300。打印头模块300包含呈多个打印剂入口310形式的打印剂入口310。打印剂通过打印剂入口310进入打印头模块300，且可在内部在一个或多个打印剂歧管(图5中未展示)中传送到如上文所描述的多个打印头喷嘴。在这一实例中，打印剂入口310在打印头模块300的侧面上。打印头模块300进一步包含打印剂出口320，未通过打印头喷嘴从打印头模块300排出的打印剂可通过所述打印剂出口320中继到与其连接的另外打印头模块。换句话说，打印剂出口320配置成与另一打印头模块的打印剂入口310对准。
102.在打印区340中设置打印头喷嘴，在打印头模块300的操作中从所述打印头喷嘴可控地喷射打印剂。
103.打印剂歧管中的所述或每一个可特定针对于特定打印头模块300。打印剂歧管的表面特性可配置成匹配待向其供应的打印剂。
104.经由柔性互连件330将控制和/或电力信号提供到打印头模块300。
105.图6展示以经组装布置连接在一起的多个打印头模块300的布置400。在本实例中，存在四行打印头模块300，每一行包含五个打印头模块300，但应理解，其它配置是可能的。
106.尽管出于清楚起见，图6中仅标记五个打印头模块300，但应理解，图6包含总共20个打印头模块300。
107.从图6将看到，多个打印头模块300完美地镶嵌，这意味着其间不存在间隙，从而提供打印头模块300的特别节省空间的布置。然而，在其它实例中，在打印头模块300的一些部分之间可存在空间。
108.布置400包含第一行410、第二行420、第三行420以及第四行440。第二行420与第一行410偏移，使得第一行410中的打印头模块300的打印区340在横向上仅部分地与第二行420中的打印头模块300的打印区340重叠。第三行430和第四行440以类似于第一行410和第二行420的方式偏移，使得第三行430的打印区340大体上在横向上与第一行410的打印区
340匹配，且第四行440的打印区340大体上在横向上与第二行420的打印区340匹配。因此，在一些实例中，第四行440可为第二行420提供冗余，且第三行430可为第一行410提供冗余。在其它实例中，可将不同的打印剂提供到重叠行中的对应打印头模块的打印头喷嘴。
109.图6中所展示的打印头模块的布置400可用于在打印头模块300中提供冗余。
110.应理解，打印头模块300的形状不限于所展示的形状，且可呈任何合适的形状以连接到另外打印头模块300。
111.图7展示说明制造打印头模块的方法的流程图。制造打印头模块的方法500包括在衬底102上形成510集成电路(例如cmos控制电路104、134和金属互连层112)。通过包含在p型或n型衬底上的离子注入的标准cmos处理方法来形成cmos电路，且稍后还通过诸如离子植入、化学气相沉积、物理气相沉积、蚀刻、化学机械平坦化和/或电镀的标准工艺来形成互连件。
112.使用连续薄膜沉积技术在衬底上形成额外材料层，包含具有介入压电体的电极140和142。因此，方法500进一步包括形成520多个致动器(通常为压电致动器)，每一致动器与集成电路电连通。每一步骤必须避免对cmos控制电路造成损坏。压电体由诸如aln或scaln的材料形成，所述材料可通过pvd(包含低温溅镀)在低于450℃的温度下沉积。电极由例如钛、铂、铝、钨或其合金形成。
113.方法500进一步包括形成530与每一致动器相关联的喷嘴出口。换句话说，形成多个喷嘴出口。每一喷嘴出口与多个致动器中的相应一个相关联。每一喷嘴出口延伸穿过衬底。通常，每一喷嘴出口进一步延伸穿过衬底上的一个或多个另外层。方法500还包括形成540用于通过其朝向多个喷嘴出口传送打印剂的打印剂歧管。可在形成喷嘴出口之前或之后形成打印剂歧管。可在形成多个致动器之前或之后形成打印剂歧管。打印剂歧管为界定打印头模块的打印剂入口与多个喷嘴出口之间的流体连通路径的流体沟道。可使用诸如drie的刻蚀程序来形成穿过衬底的流体沟道和孔口。可使用drie刻蚀和硅mems衬底的晶片接合来形成沟道界定层128。可通过将金属、硅mems晶片或塑料材料沉积或粘合到随后界定的沟道上来形成喷嘴界定层。每一液滴喷射器芯片经由柔性互连件连接到机器控制器。与根据图1的现有技术装置相比，柔性互连件中的离散导体的数目受到限制，例如4到16个导体。
114.归因于避免损坏其上形成有包含压电主体的压电致动器的cmos控制电路的要求，形成压电体的材料不能也不是pzt。因此，取决于其精确组成，压电致动器具有比pzt低得多的压电常数d
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，通常为至少一个且可能为两个数量级。
115.应理解，打印头模块可具有来自本文中所描述的那些配置的替代配置。
116.柔性互连件可安装到打印头组合件的边缘且用于驱动若干或许多个别打印头模块，例如用于不同颜色的墨水(或在增材打印机的情况下的其它材料)的打印头模块或用于不同颜色的墨水(或其它材料)的液滴喷射器可全部形成于个别打印头模块中的单个连续衬底中。
117.在替代实施例中，代替机器控制器包含波形产生器以及将波形传导到打印头模块和其上的cmos控制电路，cmos控制电路通过切换施加到每一压电致动器的电极中的一个或多个的电压，例如在接地与固定电压之间，或在多个固定电压电平(其中的一个或多个可接地)之间来致动压电致动器，从而引起液滴喷射。在这种情况下，柔性连接器138含有一个或
多个电导体，其将固定电压从机器控制器携带到打印头模块。
118.总之，提供一种打印头组合件，其包括：多个打印头模块(100a)，其包含第一打印头模块、第二打印头模块以及第三打印头模块。多个打印头模块(100a)中的每一个包括：多个打印头喷嘴(126)，其各自配备有致动器(118)以用于从多个打印头喷嘴选择性地喷射打印剂；至少一个打印剂歧管(122，124)，其提供至少一个打印剂入口与多个打印头喷嘴(126)之间的流体连通路径；以及控制电路系统(104)，其用以控制打印头模块(100a)的致动器(118)以从打印头喷嘴(126)喷射打印剂。第一打印头模块经由第二打印头模块安装到第三打印头模块。

技术特征：
1.一种打印头组合件，其包括：多个打印头模块，其包含第一打印头模块、第二打印头模块以及第三打印头模块，所述多个打印头模块中的每一个包括：多个打印头喷嘴，其各自配备有致动器以用于从所述多个打印头喷嘴选择性地喷射打印剂；至少一个打印剂歧管，其提供至少一个打印剂入口与所述多个打印头喷嘴之间的流体连通路径；以及控制电路系统，其用以控制所述打印头模块的所述致动器以从所述打印头喷嘴喷射打印剂，其中所述第一打印头模块经由所述第二打印头模块安装到所述第三打印头模块。2.根据权利要求1所述的打印头组合件，其中所述致动器为压电致动器。3.根据权利要求1或权利要求2所述的打印头组合件，其中所述控制电路系统包括cmos电路。4.根据任一前述权利要求所述的打印头组合件，其中所述第一打印头模块的所述至少一个打印剂歧管不同于所述第二打印头模块的所述至少一个打印剂歧管。5.根据任一前述权利要求所述的打印头组合件，其中所述第一打印头模块配置成以操作方式耦合到待由所述第一打印头模块的所述多个打印头喷嘴的第一子集喷射的第一打印剂，且进一步以操作方式耦合到待由所述第一打印头模块的所述多个打印头喷嘴的第二子集喷射的第二打印剂，所述第二打印剂不同于所述第一打印剂，且所述第二子集不同于所述第一子集。6.根据任一前述权利要求所述的打印头组合件，其进一步包括用于将所述第一打印头模块连接到所述第二打印头模块的第一模块连接器，和用于将所述第二打印头模块连接到所述第三打印头模块的第二模块连接器。7.根据任一前述权利要求所述的打印头组合件，其中所述第二打印头模块的所述至少一个打印剂歧管布置成在所述至少一个打印剂入口处从与所述第二打印头模块的所述至少一个打印剂入口流体连通的所述第一打印头模块的至少一个打印剂出口接收所述打印剂，或其中所述第二打印头模块的所述至少一个打印剂歧管布置成在所述至少一个打印剂入口处从界定在不同于所述多个打印头模块的另一打印剂歧管中的打印剂出口接收所述打印剂。8.根据任一前述权利要求所述的打印头组合件，其中所述多个打印头模块以镶嵌图案布置，和/或其中所述多个打印头模块各自具有大体上相同的外部形状。9.根据任一前述权利要求所述的打印头组合件，其中每一打印头模块包括至少100个打印头喷嘴。10.根据任一前述权利要求所述的打印头组合件，其中所述第三打印头模块经由所述第二打印头模块电连接到所述第一打印头模块，使得供应到所述第一打印头模块的控制信号可由所述第三打印头模块的所述控制电路系统接收。11.一种第一打印头模块，其用于连接到具有与所述第一打印头模块大体上相同的外部形状的另一打印头模块，所述第一打印头模块包括：
多个打印头喷嘴，其各自配备有致动器以用于从所述多个打印头喷嘴选择性地喷射打印剂；至少一个打印剂歧管，其提供至少一个打印剂入口与所述多个打印头喷嘴之间的流体连通路径；控制电路系统，其用以控制所述致动器以从所述打印头喷嘴喷射打印剂；以及连接部分，其布置成有助于将所述第一打印头模块安装到所述另一打印头模块。12.一种制造打印头模块的方法，其包括：在衬底中形成集成控制电路；形成各自与所述集成控制电路电连通的多个压电致动器；形成各自与所述多个压电致动器中的相应一个相关联的多个喷嘴出口；以及形成界定至少一个打印剂入口与所述多个喷嘴出口之间的流体连通路径的至少一个打印剂歧管。13.一种制造打印头组合件的方法，所述方法包括：各自根据权利要求12所述的方法来制造第一打印头模块、第二打印头模块以及第三打印头模块；以及经由所述第二打印头模块将所述第一打印头模块安装到所述第三打印头模块。14.一种打印机，其包括根据权利要求1到10中任一项所述的打印头组合件，和与每一打印头模块的所述至少一个打印剂歧管的所述至少一个打印剂入口流体连接的一个或多个打印剂源。15.一种打印方法，其包括：提供根据权利要求14所述的打印机；以及操作所述控制电路系统以从所述多个打印头模块的所述多个打印头喷嘴中的至少一个喷射打印剂。

技术总结
本公开提供一种打印头组合件，其包括：多个打印头模块(100a)，其包含第一打印头模块、第二打印头模块以及第三打印头模块。所述多个打印头模块(100a)中的每一个包括：多个打印头喷嘴(126)，其各自配备有致动器(118)以用于从所述多个打印头喷嘴选择性地喷射打印剂；至少一个打印剂歧管(122，124)，其提供至少一个打印剂入口与所述多个打印头喷嘴(126)之间的流体连通路径；以及控制电路系统(104)，其用以控制所述打印头模块(100a)的所述致动器(118)以从所述打印头喷嘴(126)喷射打印剂。所述第一打印头模块经由所述第二打印头模块安装到所述第三打印头模块。述第三打印头模块。述第三打印头模块。


技术研发人员：格雷戈里
受保护的技术使用者：3C项目管理有限公司
技术研发日：2021.12.29
技术公布日：2023/9/13