CN101072683B - 打印头 - Google Patents

Abstract

本发明介绍一种用于对流体滴喷射机构中的液体进行除气的方法和制品。

Description

打印头

技术领域

本发明涉及打印头。

背景技术

喷墨打印机一般包括从墨供给容器到喷嘴通道的墨通道。喷嘴通道终结在喷嘴开口处，墨滴从该喷嘴开口处喷出。通过用致动器对墨通道中的墨加压来控制墨滴喷射，该致动器可为，例如压电转向器，热泡喷射发生器，或静电转向元件。传统打印头具有带有相应喷嘴开口和关联致动器的墨通道阵列，以使得可以独立控制从每个喷嘴开口的流体滴喷射。在按需喷液的(drop-on-demand)打印头中，开动每个致动器，用以在打印头与打印基板相对彼此运动时，有选择地喷射流体滴在图像的某特定象素位置上。在高性能打印头中，喷嘴开口一般具有约50微米或更小的直径，例如35微米左右，且分隔间距为100～300喷嘴/英寸，分辨率为100dpi至3000dpi或更多，并提供约1至70皮升或更小的流体滴大小。流体滴喷射频率一般为10kHz或更多。

Hoisington等的美国专利No.5265315，描述了一种具有半导体主体和压电致动器的打印头装置。主体由硅制成，经过刻蚀限定出墨室。喷嘴开口由分离的喷嘴板限定，该喷嘴板附着于硅主体上。压电致动器具有压电材料层，其相应施加电压，改变几何形状或弯曲。压电层的弯曲对沿墨通道定位的泵室中的墨加压。压电喷墨打印装置还在Fishbeck等的美国专利No.4825227，Hine的美国专利No.4937598，Moynihan等的美国专利No.5659346，和Hoisington的美国专利No.5757391中被描述，其全部内容在此被引为参考。

打印头，特别是高性能打印头的打印精度，受很多因素影响，这些因素包括：打印头中喷嘴喷射流体滴的大小和速度的均匀性。流体滴大小和流体滴速度的均匀性又受一些因素的影响，例如，溶解气体或气泡对墨流体通道的污染。墨除气器在Hine等的美国专利4940955，Hoisington的美国专利4901082，Moynihan等的美国专利5701148和Hine的美国专利5742313中被 描述，其全部内容在此引为参考。

发明内容

本发明的一方面给出一种流体滴喷射机构，例如打印头机构。该流体滴喷射机构包括：流体通道，流体在其中被加压，用以从喷嘴开口喷射流体滴；除气器，包括：流体贮存区域，真空区域，和该流体贮存区域与该真空区域之间的间隔件，该间隔件包括：湿润层和非湿润层和一条或多条延伸穿过该湿润层与该非湿润层的通道，其中，该湿润层暴露于流体贮存区域。

实施例可包括下面中的一个或多个特征。间隔件中的通道宽度约为0.1微米至约5微米。该通道为穿孔。流体通道和除气器在硅材料体内。通过达因测试确定湿润层的表面能为约40dynes/cm或更多。该湿润层为硅材料。通过达因测试确定非湿润层的表面能为约25dynes/cm或更少。该非湿润层为聚合物。该非湿润层为含氟聚合物。该非湿润层厚度约为2微米或更少。该湿润层厚度约为25微米或更少。

实施例可包括下面中的一个或多个特征。该机构包括压电致动器。喷嘴开口的宽度约为200微米或更小。该机构包括多个流体通道和多个相应除气器。

本发明的一方面给出一种流体滴喷射机构，包括：流体通道，流体在其中被加压，用以从喷嘴开口喷射流体滴，流体通道的至少一部分由硅材料确定；和除气器，包括：间隔件，该间隔件具有至少一个在流体贮存区域与真空区域之间开孔。该机构的流体通道的至少一部分由硅材料确定，且该除气器包括硅材料。

实施例可包括下面中的一个或多个特征。除气器的间隔件包括二氧化硅。确定流体通道的硅材料和除气器中的硅材料在硅材料的公共体中。该公共体为SOI结构。该间隔件包括聚合物材料。该流体通道包括加压室。

本发明的一方面给出流体除气器部分，包括：第一层，通过达因测试确定，表面能约为40dynes/cm或更多；第二层，通过达因测试确定，表面能约为25dynes/cm或更多；和多个通道，直径约为5微米或更小。

实施例可包括下面中的一个或多个特征。该第一层为硅材料。该第二层为含氟聚合物。

本发明的一方面给出一种流体滴喷射的方法，该方法包括：提供流体通 道，流体在其中被加压，用以从喷嘴喷射流体滴；在加压所述流体之前，暴露所述流体至除气器，该除气器包括：流体贮存区域，真空区域，和该流体贮存区域与该真空区域之间的间隔件，其中，该间隔件包括：湿润层和非湿润层以及一条或多条贯穿湿润层与非湿润层的通道；该方法的下一步包括：引导流体进入所述贮存区域；在所述真空区域提供真空度，以禁止流体通过所述通道流进真空区域。

实施例可包括下面中的一个或多个特征。间隔件中的通道之一的半径为小于2乘以流体表面能再除以真空压力的值。真空压力约为10至27mmHg。

本发明的一方面给出一种形成除气器间隔件的方法，该方法包括：提供硅材料；在硅材料上形成聚合物材料；和穿过硅材料和聚合物层形成一条或多条通道。

实施例可包括下面中的一个或多个特征。所提供的硅材料为二氧化硅。通过淀积聚合物或单分子物体形成所述聚合物。通过激光钻孔形成所述通道。通过刻蚀形成所述通道。该方法还包括刻蚀硅材料以降低其厚度。该方法包括在二氧化硅结构上提供硅，和刻蚀硅至二氧化硅层。

本发明的一方面给出一种形成打印头的方法，该方法包括：提供硅材料主体；在所述硅材料主体中定义至少一流体通道部分，流体在其中被加压；和在所述硅材料主体中定义至少一除气器间隔件。

本发明的一方面给出一种除气器，包括：间隔件，具有至少一个在流体贮存区域与真空区域之间延伸的穿孔；其中，至少该至少一个穿孔的一部分具有非湿润表面。

实施例可包括下面中的一个或多个特征。间隔件包括单一层。间隔件包括两层或更多层。该至少一个穿孔的直径在约200纳米与约800nm之间。

实施例可包括下面中的一个或多个特征。间隔件可被结合到打印头的流体供给通道中，以使墨紧邻泵室被除气。结果，墨被有效除气，从而改善了在打印头内的净化过程以及改进的高频率操作。进一步地，通过将间隔件结合到墨供给通道并取消分离除气器机构，可减小打印头的尺寸。可使用硅或其它半导体材料形成除气器。

本发明的其它方面，特征，和优点会通过说明书，附图，和权利要求而显见。

附图说明

图1为打印装置的透视图。

图2为打印装置的部分截面图。

图3A为除气器的部分截面图，图3B为图3A中A区域的放大图。

图4A～4F为示出除气器的制造过程的截面图。

图5A为除气器的截面图，图5B为图5A中B区域的放大图。

图6为除气器的部分截面图。

在各图中，相同的符号表示相同的元件。

具体实施方式

参考图1，喷墨打印头10包括以跨越纸张24或纸张一部分的方式保持的打印头单元20，图像打印在该纸张上。当打印头10和纸张24相对于彼此(箭头)移动时，图像可通过从单元20选择性地喷射墨而被打印。在图1的实施例中，示出三组打印头单元20，宽度可达例如约12英寸或更多。每组沿打印头10与纸张24之间相对运动的方向包括多个打印头单元，在此例中包括3个。这些单元可被设置为使喷嘴开口错位以增加分辨率和/或打印速度。或者，或另外，可向每组中的每个单元提供不同类型的或颜色的墨。这种安排可用于在打印头在纸张的一次通过中全宽幅进行彩色打印。

参考图2，每个打印头单元20包括多个流体通道，流体可在其中被加压，进而从相应喷嘴开口中喷射墨。在所示的实施例中，流体通道包括泵室220，喷嘴通道222，和喷嘴215。压电致动器224在泵室内对流体加压。通过湿法刻蚀技术或等离子刻蚀技术可在材料体内形成流体通道特征。可使用湿法刻蚀技术或等离子刻蚀技术进行刻蚀的材料的实例包括硅材料(例如，硅晶片，绝缘晶片硅(SOI)和陶瓷材料(例如，蓝宝石基底，氧化铝基底，氮化铝基底)。在图2所示的实施例中，流体通道被刻蚀入SOI晶片中，该SOI晶片包括上硅层226，掩埋二氧化硅层228，和下硅层230。在硅材料中具有流体通道特征的打印头还在2002年7月3日申请的美国专利No.10/189947，和2003年10月10日申请的美国专利No.60/510459中描述过。这里将二者的全部内容引作结合。

沿墨流体通道位于泵室220的上游是除气器45。除气器45包括流体贮存区域47，间隔件50，和与真空源70相连的真空区域49。间隔件50包括 位于贮存区域47和真空区域49之间的通道60。间隔件50还包括湿润层52和非湿润层54。流体贮存区域47为一沿墨流体通道的区域，该区域接收来自供给通道40的流体并将该流体暴露于间隔件50处。在真空区域49，真空源70将压力保持为低于(例如，10至27mmHg)贮存区域的压力(例如，600mmHg到800mmHg)。

同时参考图3A和图3B，贮存区域47中的流体与间隔件50接触并进入通道60，其中在湿润层52和非湿润层54的交接面处形成弯液面80。通过通道60，贮存区域中的流体暴露于真空区域49的低压中，该真空区域49从流体中吸收空气和其它气体。贮存区域的流体进入泵室220并在此受压准备喷射。选择通道的大小、真空度的量级和间隔件层的材料，以使得流体被引入通道，但不会通过通道而进入真空区域49。

液相、固相、气相在平衡时的界面形状遵照边界呈现的最小总界面间能量。描述界面形状的接触角θ，由对抗界面间能量的力平衡决定(γ_lv为液相-气相的界面间能量，γ_sl为液相-固相的界面间能量，γ_sv为固相-气相的界面间能量)。

接触角由下列公式描述：

$\cos \left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{sv}}-{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{sl}}}{{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{lv}}}$ 公式(1)

一般以接触角值为90°来定义湿润和非湿润的两者之差。例如接触角大于90°时，定义为一种界面，在该界面中流体没有湿润固体表面，但却在该表面上成球。接触角小于90°时，定义为在该界面中流体湿润固体表面。

依照公式(1)选择用于湿润层52和非湿润层54的材料，这样，湿润层与通道中流体之间的接触角小于90°，且非湿润层与流体之间的接触角大于90°。因此，贮存区域47内的流体沿湿润层52湿润通道60，直至该流体与湿润层和非湿润层之间的交界面相交。在该交界面处，由于流体与由非湿润层54形成的通道壁之间的接触角的变化，墨形成弯液面80。

为了在通道60中保持弯液面80，弯液面的压力P_m，必须大于真空压力P_v，用以从墨中移除气体和气泡(也就是说，P_m＞P_v)。弯液面压力定义为：

P_m＝γ_lv(γ₁ ^-1+γ₂ ^-1)                公式(2)

也就是说，由弯液面产生的压力等于流体的表面能，γ_lv乘以弯液面的理论半径r₁+r₂。理论半径描述弯液面的局部表面曲率，从而定义弯液面表面的 几何形状。

圆柱通道内的弯液面具有直径2R，弯液面的弯曲表面描述为r₁＝r₂＝R/sin(θ-90°)，可简化弯液面的压力公式为：

公式(3)

为保持弯液面在通道中，真空压力P_v应为：

公式(4)

这样，当除气器45中产生真空压力Pv时，墨被引入通道以形成弯液面80。通过以下公式定义通道半径R：

公式(5)

为了获得理想的非湿润层(例如，θ＝180°)，上述公式可简化为：

$R\≤\frac{2\left({\mathrm{\γ}}_{\mathrm{lv}}\right)}{P_v}$ 公式(6)

结果，在具有间隔件50和用于给表面能为30dynes/cm的流体除气的除气器中，通道半径应小于约0.6微米，以在一个大气压的压力下支撑弯液面。

通道半径也可通过与非湿润层54的固-液和固-气的临界表面能的关系来描述。用-cos(θ)代替sin(θ-90)，并用公式1替换cos(θ)后，公式5可简化为：

$R\≤\frac{2({\mathrm{\γ}}_{\mathrm{sl}}-{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{sv}})}{P_v}$ 公式(7)

表面能更进一步的讨论和相关热力学的计算可在Robert T.Dehorr所著《材料科学热力学》(Thermodynamics in Materials Science，McGraw-Hill，Inc.New York，1993)的第12章中找到，这里引为参考。

在实施例中，对于一个大气压或更少的真空压力，通道半径为约5微米或更少，例如，在约5微米与约0.1微米之间，更准确地说，在0.1微米与0.5微米之间。具有几平方厘米的流体露出表面区域的间隔件一般包括数千条通道，这样，间隔件的10％至90％(例如20％至80％，30％至70％，40％至50％)由打开的通道构成。

在实施例中，例如墨的流体，具有约25dynes/cm至约40dynes/cm的表面能。通过达因测试(dynes test)可确定，湿润层52具有等于或大于40dynes/cm的表面能(例如，γ_sl-γ_sv)。通常，达因测试可通过施加一系列 各自具有不同表面能水平(例如，30dynes/cm至70dynes/cm，且增量为1dynes/cm)的流体，用于确定固体表面的表面能。该系列流体之一的流体滴被施加于固体表面。如果流体滴湿润该表面，则下一级更高表面能水平的流体的流体滴被施加在固体表面。持续这个过程直到流体流体滴不湿润该固体表面。该固体表面的表面能确定为等同于该系列中第一个不湿润该固体表面的流体的表面能。可从Claremont，NH的Diversified公司获得进行达因测试的仪器和说明。用于该湿润层52的适合材料的一个实例是硅层或氧化物层，例如二氧化硅。在实施例中，湿润层具有约25微米或更少的厚度，例如，1微米或更少。

在实施例中，非湿润层54具有通过达因测试确定的约40dynes/cm或更少的表面能，例如25dynes/cm或更少。在某些实施例中，非湿润层54具有通过达因测试确定的在约20dynes/cm至约10dynes/cm之间的表面能。非湿润层54的适合材料的一个实例是聚合物，例如：含氟聚合物，如聚四氟乙烯。在实施例中，非湿润层54具有约2微米的厚度，例如，约1微米或约0.5微米。在特定实施例中，墨具有约2cps至40cps的粘性。打印头为压电喷墨打印头，其喷嘴具有喷嘴宽度为约200微米或更少，例如，10至50微米，流体滴体积约为1pl至700pl。在实施例中，在喷嘴开口周围提供非湿润覆盖。非湿润覆盖材料可以与用于除气器间隔件的非湿润层的材料相同。

在实施例中，在限定通道的侧壁上，特别是在非接触层54上，提供表面波度会影响接触角。例如，通道的侧壁可被粗糙化以包括微结构表面，例如多个密置的锐利尖端的纳米结构，如Joonwon Kim等所著《能降低流体滴型微流体中的流阻的纳米结构表面》(Nanostructured Surfaces for DramaticReduction of Flow Resistance in Droplet-Based Microfluidics，IEEE出版号为0-7803-7185-2/02，第479～482页)中所描述。在实施例中，通道中流体的接触角为170°或更大。

参考图4A～4F，示出除气器的制造过程。参考图4A，提供基板100。该基板为其内形成有流体通道的硅晶片，例如限定出了泵室(未示出)。参考图4B，可湿润材料层52形成于基板100的一侧。可湿润材料为例如二氧化硅层，可被热生长或通过气相沉积被淀积。在替代实施例中，通过在绝缘晶片上提供硅来获得二氧化硅层。参考图4C，刻蚀基板100以形成流体贮存区域47并暴露湿润层的背面。参考图4D，非湿润材料层54被淀积在与 贮存区域47相对的湿润材料上。非湿润材料为，例如聚合物，通过溶剂浇铸或热淀积然后交联形成(cross linking)。参考图4E，间隔件50中形成有通道60。通过机械或准分子激光器钻孔或高密度等离子刻蚀，穿过非湿润层和湿润层可形成通道60。参考图4F，提供基板200，300，例如硅基板，用以形成贮存区域47和真空区域49。

这里描述了特定实施例，其它实施例也是可以的。例如，参考图5A和5B，间隔件50定位为：使得非湿润层54毗邻贮存区域而湿润层52毗邻真空区域。

参考图6，在实施例中，除气器345包括定位于墨贮存区域347与真空区域349之间的间隔件350。间隔件350包括含有穿孔360的层355，该穿孔360从墨贮存区域347延伸至真空区域349。层355可由硅材料(例如，硅晶片，二氧化硅)，聚合材料(例如，含氟聚合物)和/或陶瓷材料(例如，氧化铝，蓝宝石，锆，氮化铝)形成。另外，层355可由沿穿孔360提供非湿润表面的材料形成。可在层355上淀积非湿润材料(例如，含氟聚合物)的覆盖层365，以使得穿孔360的侧壁被覆盖。

在实施例中，层355厚度为约5微米或更少，穿孔360的直径为约1微米或更少，优选，在200纳米和800纳米之间，覆盖层365的厚度为约10纳米至80纳米。因此，在某些实施例中，穿过穿孔360的通道包括内径约为40纳米至约780纳米的覆盖层365。为了形成间隔件350，等离子刻蚀层355以构成穿孔360。当穿孔360在层355中形成后，使用气相沉积技术将覆盖层365淀积在层355上，以在层355和穿孔360的侧壁上覆盖非湿润材料。在某些实施例中，层355由非湿润材料(例如，含氟聚合物)形成，间隔件350包括层355和穿孔360(例如，不包括覆盖层365)。

在实施例中，向每个泵室提供一个单独的除气器。在其它实施例中，单一除气器提供给多个泵室。在实施例中，间隔件包括多于两层。例如，相同或不同的可湿润材料的多个层，例如，硅和二氧化硅，可用来提供复合湿润层。相同或不同的非湿润材料的多个层，可用来提供复合非湿润层。在实施例中，间隔件包括多个交替的湿润材料和非湿润材料层。该交替层提供相邻的湿润材料和非湿润材料的组合，选择该相邻的湿润材料和非湿润材料以在不同表面能的流体中和/或不同的真空压力下，提供并保持弯液面。

下面是其它实施例。例如，虽然在这里打印头单元对墨除气并喷射出去，打印头单元还可以用来喷射除墨以外的其它流体。例如，淀积流体滴可以是UV或其它辐射医疗材料或其它材料(例如，可以流体滴形式传输的化学或生物流体)。例如，所述打印头单元20可以为精密配药系统的一部分。

这里说明的所有特征可以任何结合形式被结合。所述每种特征可以被提供相同，等价，或类似目的的替代特征替代。因此，除非特别说明，所述每种特征只是等价或类似特征所属系列的一个实例。

Claims (39)

1.一种流体滴喷射机构，包括：

流体通道，流体在其中被加压，用以从喷嘴开口喷射流体滴；和

除气器，包括：流体贮存区域、真空区域和位于所述流体贮存区域与所述真空区域之间的间隔件，

所述间隔件包括：湿润层和非湿润层以及一条或多条延伸穿过所述湿润层与所述非湿润层的通道，其中，所述湿润层暴露于流体贮存区域。

2.如权利要求1所述的机构，其中，所述一条或多条通道宽度为0.1微米至5微米。

3.如权利要求1所述的机构，其中，所述一条或多条通道为穿孔。

4.如权利要求1所述的机构，其中，所述流体通道和所述除气器在硅材料体内。

5.如权利要求1所述的机构，其中，通过达因测试确定湿润层的表面能为40dynes/cm或更多。

6.如权利要求1所述的机构，其中，所述湿润层为硅材料。

7.如权利要求1所述的机构，其中，通过达因测试确定非湿润层的表面能为25dynes/cm或更少。

8.如权利要求1所述的机构，其中，所述非湿润层为聚合物。

9.如权利要求8所述的机构，其中，聚合物为含氟聚合物。

10.如权利要求1所述的机构，其中，所述非湿润层厚度为2微米或更少。

11.如权利要求1所述的机构，其中，所述湿润层厚度为25微米或更少。

12.如权利要求1所述的机构，其中，包括压电致动器。

13.如权利要求1所述的机构，其中，所述喷嘴开口的宽度为200微米或更小。

14.如权利要求1所述的机构，其中，所述机构包括多个流体通道和多个相应除气器。

15.一种流体滴喷射机构，包括：

流体通道，流体在其中被加压，用以从喷嘴开口喷射流体滴，所述流体通道的至少一部分由硅材料限定；和

除气器，包括：间隔件，所述间隔件具有至少一个在流体贮存区域与真空区域之间的开孔，其中除气器包括非湿润材料。

16.如权利要求15所述的流体滴喷射机构，其中，所述间隔件进一步包括二氧化硅。

17.如权利要求15或16所述的流体滴喷射机构，其中，流体通道和除气器在硅材料的公共体中。

18.如权利要求17所述的流体滴喷射机构，其中，所述公共体为SOI结构。

19.如权利要求17所述的流体滴喷射机构，其中，所述流体通道包括加压室。

20.如权利要求15所述的流体滴喷射机构，其中，所述非湿润材料包括聚合物材料。

21.流体除气器间隔件，包括：

第一湿润层，通过达因测试确定其表面能为40dynes/cm或更多；

第二非湿润层，通过达因测试确定其表面能为25dynes/cm或更少；和

多个通道，直径为5微米或更小。

22.如权利要求21所述的间隔件，其中，所述第一湿润层为硅材料。

23.如权利要求21所述的间隔件，其中，所述第二非湿润层为含氟聚合物。

24.一种流体滴喷射的方法，包括：

提供流体通道，流体在其中被加压，用以从喷嘴喷射流体滴；

在加压所述流体之前，向除气器暴露所述流体，所述除气器包括：流体贮存区域，真空区域，和所述流体贮存区域与所述真空区域之间的间隔件，其中，所述间隔件包括：湿润层和非湿润层以及一条或多条贯穿湿润层与非湿润层的通道；

引导流体进入所述贮存区域；

在所述真空区域提供真空，以禁止流体通过所述通道流进真空区域。

25.如权利要求24所述的方法，其中，所述一条或多条通道之一的半径小于下面表达式所定义的值：

26.如权利要求24所述的方法，其中，真空的压力为10至27mmHg。

27.一种形成除气器间隔件的方法，所述除气器间隔件包括湿润层和非湿润层以及一条或多条通道，所述方法包括：

提供硅材料，所述硅材料限定所述湿润层；

在硅材料上形成聚合物层，所述聚合物层限定所述非湿润层；和

穿过硅材料和聚合物层形成所述一条或多条通道。

28.如权利要求27所述的方法，其中，包括：刻蚀硅材料以减小其厚度。

29.如权利要求27所述的方法，其中，所述硅材料为二氧化硅。

30.如权利要求29所述的方法，其中，包括：

在二氧化硅结构体上提供硅，和

刻蚀硅而达到二氧化硅层。

31.如权利要求27或30所述的方法，其中，包括：

通过淀积聚合物或单分子物体形成所述聚合物。

32.如权利要求27所述的方法，其中，包括：通过激光钻孔形成所述通道。

33.如权利要求27所述的方法，其中，包括：通过刻蚀形成所述通道。

34.一种形成打印头的方法，所述打印头包括除气器间隔件，所述除气器间隔件包括湿润层和非湿润层以及延伸穿过所述湿润层与所述非湿润层的一条或多条通道，所述方法包括：

提供硅材料主体；

在所述硅材料主体中限定流体通道的至少一部分，流体在其中被加压；

在所述硅材料主体中限定除气器间隔件的至少一部分，所述硅材料限定所述湿润层；和

用非湿润材料覆盖所述除气器间隔件的一部分，所述非湿润材料限定所述非湿润层。

35.除气器，包括：

间隔件，具有至少一个在流体贮存区域与真空区域之间延伸的穿孔；

其中，至少所述至少一个穿孔的一部分具有非湿润表面。

36.如权利要求35所述的除气器，其中，所述间隔件包括单一层。

37.如权利要求35所述的除气器，其中，所述间隔件包括两层或更多层。

38.如权利要求35所述的除气器，其中，所述至少一个穿孔的直径在200纳米与800nm之间。

39.如权利要求35所述的除气器，其中，限定所述至少一个穿孔的侧壁具有微结构化表面。

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