CN102548766B - 用于中等尺度流体系统的层叠歧管 - Google Patents

Abstract

层叠歧管及其制造。层叠歧管（18）包括平行布置的板（20），它们形成板堆垛（22），其中固定媒介（24）固定层叠板堆垛中的板。至少一些板包含有孔洞（26），所述孔洞在它们各自的板中被定向成，使得当板被布置成板堆垛（22）时，所述孔洞限定出流体通道，所述流体通道在平行板之间形成于层叠板堆垛。所述层叠歧管用作喷墨打印机（10）的墨水歧管（14）是特别有益的。

Description

用于中等尺度流体系统的层叠歧管

背景技术

光刻技术和其他制造方法的进步，已经允许在硅芯上制造非常小型的流体机构。也许最著名的例子就是喷墨打印头芯，其通过使桌面打印机的制造成为可能，使得出现了革命性的桌面出版系统，而这些打印机能够以高水平的细节和精确的色彩控制打印出文件。

不幸的是，随着制造的打印头尺寸和容差越来越小，墨水传送系统仍然必须始终清洁地从墨水源（一种宏观的流体系统）传送流体给打印头芯（一种微观的流体系统）。

尽管可用低成本的模制塑性材料制作歧管结构，但是这种模制的歧管结构通常不能获得尺寸不断缩小的打印头芯所要求的几何结构。随着歧管部件整体尺寸的增加以便向大的打印头阵列供墨，上述情况尤其明显。模制塑性材料部件本身也不易于进行二次加工来改进平整度。尽管可通过模铸或其他模制工艺来制作部件，所得到的歧管结构在形成足够小的几何结构或较大部件所要求的各类特征尺寸上同样存在困难。

使用光刻法或激光刻蚀法可产生非常精细的特征结构，但是这种方法太过昂贵而不适于使用。虽然它们可能实现所要求的尺寸，但是制造方法通常太过昂贵，这要么是因为所用的材料、处理时间、所需的投资资金，要么是因为这三个因素的结合。

附图说明

图1是一个包括打印头组件的喷墨打印机的透视图，该打印头组件中含有根据本发明一个实施例的层叠墨水歧管。

图2是根据本发明一个实施例的层叠歧管的透视图。

图3是图2层叠歧管的下侧垂直投影图。

图4是根据本发明一个实施例的层叠歧管的局部下侧垂直投影图。

图5是一个流程图，给出了制作根据本发明一个实施例的层叠歧管的方法。

图6示出了一个简化的包含孔洞的板阵列，这些孔洞被配置成在堆叠、固定好时，形成根据本发明一个实施例的层叠歧管。

图7是简化的层叠歧管的透视图（包括该简化的层叠歧管的下侧），该层叠歧管是通过堆叠和固定图6中的板制成的。

图8 是一个打印头组件的分解透视图，该打印头组件包括有根据本发明一个实施例的层叠歧管。

图9是完全组装好的图8的打印头组件。

图10是图9打印头组件的局部放大图。

图11是图9打印头组件的横截面图。

具体实施方式

具有期望定向和/或几何结构的流体歧管通常是某种具体应用所要求的，但是常规的模制和铸造技术却不能复制期望的特征。如本文所述，通过构造出层叠歧管，可以很容易地用较低成本得到期望的定向和/或几何结构，特别是对小型歧管而言，例如当歧管必须提供从毫米量级到微米量级（微米级）的过渡部分时。通过在很大程度上消除制造技术对微米级接口的几何结构的影响，以及使用期望厚度的层叠件，使得层叠流体歧管的使用允许在塑性材料中或通过模铸模制法不易实现的流体供给几何结构成为可能。具体地，通过利用层叠件的厚度（其用来确定微米级接口的尺寸），可避免使用这种小特征通常所必须的昂贵的制造处理技术，例如激光或光刻法制造技术。

本文所描述的层叠歧管在用作喷墨打印机的墨水歧管时特别有用。甚至当打印头的几何结构可能为微米级时，层叠歧管也可有效地将墨水源与对应的打印头芯连接起来。

图1示出了喷墨打印机10，其包括多个墨水源12、层叠墨水歧管14和喷墨打印头16。层叠歧管14为墨水从墨水源12流到对应的喷墨打印头16提供了流体通道，因此其同时与一流体接口（墨水源，典型地为毫米级）和微米级流体接口（打印头芯）进行接口。

图2示出了一个示例性的层叠歧管18。层叠歧管18包括多个平行板20，这些板被布置成一个板堆垛22。板堆垛22中的各个板20由固定媒介24（如图4所示）固定。板堆垛22中的至少一些板20含有一个或多个孔洞26。

板20通常被平行地布置在板堆垛22中。也就是说，每个板的平面与其他板的平面基本上平行。希望的情况是，每个板与完全平坦之间仅有较小偏差，而且每个板限定的平面可以稍微偏离与板堆垛22中每个其他板完全平行的状态。如本文所述，板被布置成基本上平行，例如平行度在+/-10度以内。

在提到层叠板时所用的“孔洞”指的是，板材料中的任何孔、空穴、隙缝、缝槽或穿孔。孔洞可以有开放的边缘或边界，特别是当孔洞邻近板的边缘或延伸到板的边缘时。当孔洞整个地而且连续地由板的材料限定时，它就是一个封闭的或内部的孔洞。各种孔洞可以是满足所获得的层叠歧管的操作要求所必须的任何大小或形状。

如图2和图3所示，堆叠板20中的各独立孔洞26都被定向和布置成，当板处于有序的平行堆垛22中时，孔洞就在板堆垛22内限定至少一个流体通道28。典型地，流体通道28在层叠歧管18的面32或侧面34上将具有起点30，而在层叠歧管18的侧面34’上将具有终点36。典型地，流体通道的起点30包括毫米级的接口，而终点包括微米级的接口。典型地，每个流体通道28在平行板之间形成于层叠板堆垛中（或称，从层叠板堆垛中露出）。也就是说，每个通道的终点36至少部分地由至少两个平行板限定。

如果两相邻板之间有足够的空间，那么流体通道可在两相邻板之间离开层叠歧管。例如，当板间空间空置且没有注入粘合剂时。更典型地，帮助限定了流体通道终点的平行板由对应于一个或多个居间板的宽度的空间所分离，且由这些居间板中的孔洞形成。

当包括流体通道终点的侧面34与平行板的平面呈直角时，流体通道沿与平行板的平面基本平行的方向形成于层叠板堆垛中。在层叠歧管的一个方面中，终点36位于歧管34’的下侧，而流体通道沿着与平行板的平面基本平行的方向形成于层叠板堆垛中。

在毛细作用力、压差或任何其他适当动力的帮助下，可促使流体沿流体通道流动。当层叠歧管被基本竖直地定向时，重力会帮助流体在流体通道内流动。另外，通道内的气泡引起的液流中断会被最小化或避免，因为流体通道基本竖直的定向加之横截面的几何轮廓可允许流体通道内的气泡逸出歧管。

固定媒介24可以是用来将各个板20牢固地结合成一个整体式层叠歧管18的任何媒介或工具。该固定媒介可以完全是机械式的，例如夹子或夹具组件。替代性地，固定媒介可以是用来将层叠堆垛中的各个板彼此固定在一起的离散物质。在图4中，固定媒介24是一种粘合剂，它填充了板堆垛22里的板间空间38。当固定媒介为粘合剂时，可以通过喷涂法、浸渍法或其他任何适宜的施涂方法将粘合剂施涂成薄膜。在所公开的歧管的一个方面中，堆叠的板被浸渍到粘合剂中，粘合剂通过毛细作用芯吸到板堆垛的板间空间中。因此，粘合剂24可被选择成能够完全芯吸到板间空间中，而不会堵塞板中的孔洞26。因而，固定媒介24会与板20本身一起在层叠歧管18内限定出流体通道28。

层叠歧管的这些板可额外拥有一个或多个间距特征（stand off features）40，如图4所示。这些间距特征由板20自身的材料形成，用来在各个板20之间形成确定的、可复制的间距。替代性地或额外地，在各个板被并入层叠歧管前，可将离散的间距特征添加或附着到各个板上。间距特征40有助于在板20间形成均匀或一致的间距42。

层叠板本身的厚度可以一致的，或者也可以是变化的。例如，与层叠板堆垛中的其他各板相比，位于流体通道的相邻终点之间的板可被选择成稍薄一点，以便例如在打印头芯上容纳相距的特别紧密的特征。

板的厚度和间距特征可被选择成，使得所得到的层叠歧管具有大约1060微米至大约400微米或更小的板距几何结构。层叠歧管的终点开口的宽度可以是大约12微米至大约1毫米。

本文所公开的层叠歧管一般被配置成向匹配的流体组件供应流体。该匹配的流体组件可具有极小的流体特征，因而，层叠歧管的制作必须与其所匹配的流体组件相对应、相配，并且能向其交叉供给。例如，流体通道的终点开口可与硅芯匹配，该硅芯是喷墨打印机的一个构件，例如喷墨打印头。所公开的歧管的层叠结构所能提供的终点开口比模制或模铸法所能获得的终点开口小。

层叠歧管的制造

图5中在44处给出了一种制造本文所描述的层叠歧管的代表性方法，其包括：在46处，制作多个具有期望几何结构的板；在48处，在至少一些板中形成孔洞；在50处，将板布置成层叠板堆垛；以及在52处，通过向制作好的板施加固定媒介而将板固定在层叠板堆垛中，从而使得板中的孔洞在层叠板堆垛中限定出至少一个流体通道，该流体通道在平行板之间形成于层叠板堆垛中。这种制造方法可进一步包括：对层叠板堆垛的一个或多个侧面进行机加工54。更进一步地，在制作好的板中形成孔洞的步骤可包括：在板中同时地或顺序地形成间距物。

在简化的示意图中，图6-7示出了由板堆垛的各个板限定的孔洞与所获得的层叠歧管的流体通道之间的对应关系。图6示出的是已制作好的板20（包括孔洞26）的简单阵列，而图7示出的是由图6的板形成的完成的层叠歧管，其中示出了单个流体通道起点30和终点36。

图6还示出了帮助组装的定位特征。通过级进模冲压，可形成定位孔58，这些孔被配置成在尺寸和位置上与对应的定位特征（例如销60)匹配，以便恰当地定向各板，并帮助将其固定在堆垛中。

任何可被机加工、模制或使用其它方式制成具有必要孔洞和厚度的材料，均可用来制造本文所描述的层叠歧管。层叠板可由高温材料（例如金属、陶瓷、玻璃等）或较低温度材料例如聚合物制成。通过认真选择层叠材料的热特性，歧管可被制成与硅打印头芯的热膨胀系数和/或刚度密切匹配。每类材料均有一定的优点，但是，在制作层叠歧管时，它们可能要求不同的固定媒介或方法。在所公开的歧管的一个方面中，层叠板由不锈钢、玻璃、陶瓷或聚合物材料制成。

可使用由耐化学性材料制成的板，以便使所得到的歧管具有耐化学性。例如，这种板可以用耐化学性不锈钢（如SS 316L)制成。替代性地，材料可被选择成具有选定的热膨胀系数(CTE)，以便与相配的流体组件匹配。例如，当相配的流体组件是硅芯时，板可由合金、碳化硅、或氮化硅制成，其中合金例如是KOVAR（柯伐合金，一种镍-钴铁合金）或INVAR（因瓦合金，一种镍钢合金）。

孔洞可由任何与板的材料兼容并能形成期望尺寸孔洞的方法在板中形成，该方法例如为光刻法、铣削法、冲孔法和/或模制法。在该方法的一个方面中，是用机械冲压法在所选择的金属板中形成期望的孔洞。具体地，级进模冲压可以提供低成本制作方法，其在直接的材料成本上很经济，而且其与堆叠层叠设计的结合可允许形成孔洞以及任选的间距特征，它们具有制作所述流体歧管必需的精细结构。得到的歧管可用于实现任何尺寸和规模的打印头墨水歧管。更进一步地，刚性歧管结构可使得打印杆（print bar）的制造成为可能，这些打印杆能较好地适于承受那些在给打印杆盖上盖帽以及使用打印杆时产生的负载和应力。

通过向制作好的各板施加固定媒介，将板固定在层叠板堆垛中。任何可以将单个板固定在统一的层叠歧管中的固定媒介都是适宜的固定媒介。固定媒介可包括粘合剂或其他物质或物理处理例如热处理和/或压力法。板还可以用铜焊、软焊或扩散结合法来任选地固定。替代性地或额外地，板还可由物理手段或装置固定，例如支架、安装件或紧固件。固定前，各板可被布置成堆垛，或者可在将各板布置成期望堆垛之前、甚至在板中形成孔洞之前，向板施加固定媒介。固定媒介可以实质上即刻起作用，或者通过施加热能或者替代性的激活剂来激活。在这种制造方法的一个方面中，固定媒介被施用在层叠板堆垛的第一面上，而用于所选择的固定媒介的激活剂被施用在相对的面上，使得在与相邻板接触时，固定媒介可被激活，从而固定住这些层叠板。固定媒介的选择可因层叠板的所选成分而异。

虽然任何适宜的固定媒介都可用来将各板固定成单一的层叠歧管，但是，通过将板堆垛部分地或完全地浸入粘合剂池中可能更有益处，在粘合剂池中，粘合剂可被选择成能够芯吸到板的板间空间中。当粘合剂完全穿透板堆垛组件时，可从粘合剂中取出该组件，可去除所有多余的粘合剂，然后粘合剂可被固化。

一旦形成并固定，如果需要，可对当前的层叠板堆垛作进一步的机加工。例如，刚性层叠板堆垛的一个或多个侧面可被机加工到用常规模塑歧管结构不可能实现的平整度。使用聚合物板可使得层叠板堆垛的侧面可被机加工或以其他方式形成为具有更好的平整度，但是，使用更刚性的板材料（例如金属或陶瓷材料）可以获得更高的精度。关于打印机制造的进一步的方面，更高的平整度会进一步减少硅芯尺寸。由于硅芯和层叠歧管之间的接触区域更加平整，因而降低了用粘合剂将该芯固定在歧管结构上时堵塞一个或多个流体通道的可能性。

可使用多种制造方法来制作所公开的层叠歧管结构，它们采用了多种材料和制造技术。下例被用来作为一个具有代表性的方法。

层叠流体歧管的示例性制造方法

利用有适宜厚度的预设尺寸的不锈钢板，可以通过使用级进模装置形成多个有期望进给几何结构和期望的孔洞尺寸及数目的板。用来制作层叠歧管的不锈钢板可以薄达12微米。在冲孔操作期间，可通过局部模切或其他适宜方法在所中形成任何期望的间距特征。也可通过级进模冲压来形成任何有助于组装的定位特征。定位特征可被配置成与对应的对齐特征相匹配，该对齐特征可任选地集成到组装夹具中。

完成各板制作后，对板进行清洁，以保证板的表面没有制造用油或污染物留存。如果期望的话，还可对板作进一步的处理，以便提高润湿性和附着性，例如通过氧等离子体处理法、硝酸处理法或类似的活化处理法。

然后，按照适当的顺序将制作好的板堆叠在夹具中。通过简单地正确堆叠各板（依赖于这些板的总尺寸）或者通过与板中形成的定位特征匹配的一个或多个对齐特征，可以完成各板的对齐。例如，可通过在板中形成两个配置成与夹具中的两个对齐销匹配的孔洞，来正确地对齐板堆垛，但也可想到多种额外的对齐辅助装置。

当板被正确堆叠和对齐时，整个板堆垛被暂时夹住或以其他方式固定住。当板堆垛被保持为适当对齐的同时，板堆垛可被永久地固定在一起形成单一的层叠歧管。如上所述，可用多种方法固定板堆垛，例如从扩散结合和微型焊接到施加合适的粘合材料等多种方法，这些方法可在将板布置成期望的堆叠形式之前或之后进行。在该例中，通过将板堆垛部分地或全部地浸入粘合剂池中以使粘合剂被芯吸到板的板间空间中的方式来固定该层叠歧管。一旦粘合剂充分渗入板堆垛组件，就可从粘合剂中取出该组件，去除掉所有多余的粘合剂，然后粘合剂固化。

固化的类型取决于所用粘合剂的类型。就热粘合剂而言，可以通过将板堆垛组件放入炉子中将其加热至发生固化所必需的温度，来固化粘合剂。可以使用其他类型的固化方式，只要该方式与板堆垛组件兼容。例如，为了防止热固化步骤中粘合剂在板堆垛上或板堆垛中流动，可将粘合剂配制成双固化配方，其中，通过紫外线暴露法来进行初始固化以稳定粘合剂，然后再进行热固化以永久地固定粘合剂。

一旦粘合剂凝固，如果需要必要或者希望的话，可进一步对层叠歧管进行机加工。为了简便起见，机加工时，可将层叠歧管保留在固定机构中，以便增加层叠歧管的安全性，使操作更加方便。例如，当层叠歧管固定在夹具里时，层叠歧管可以留在夹具中，而层叠歧管的一个或多个侧面可被加工平整。

虽然对层叠歧管的一个或多个侧面进行机加工可方便地与中等尺度或小尺度的流体特征相连，但应该认识到，层叠歧管可以任何有益于其预期应用的方式进行机加工。例如，层叠歧管的一侧可被机加工成一微小角度，或可被机加工成具有凹面或凸面。本公开并不限制对层叠歧管作这种进一步的改进。

一旦完成期望的机加工，可从固定机构中取出层叠歧管并加以清洁。可以用超声波法清洁，或者可以将其浸入相容的溶剂中进行清洁，或者通过其他任何适当的方法进行清洁。然后，可将完成的层叠歧管装入期望机构中，例如喷墨打印机或其他微流体设备。

分解视图图8示出了一个示例性的打印头组件62，其包含有层叠歧管64。打印头组件62在图8中被定向成，使得打印头组件的硅芯面朝上，以便更清楚地示出该组件的有关细节。但是，在操作中，打印头组件与硅芯一起典型地是被定向成朝向介质，其通常是朝下的。按期望的顺序和定向来对齐层叠板66，而且其具有形成期望流体通道的适当的孔洞68，以及被配置成定位特征70的孔洞。层叠歧管64由层叠歧管安装件72括于其间并与之相连，该安装件集成有各独立墨水源与流体通道起点之间的接口，其中所述流体通道由用于每一类墨水的层叠歧管限定而成。

图8还示出了附在层叠歧管64上的硅芯74。硅芯74以如下方式结合到层叠歧管上，该方式使得在由层叠歧管限定的流体通道的终点与硅芯本身的流体特征之间形成必要的接口。硅芯被示为与柔性电路76相连，这允许打印头控制器具有连到硅芯的电连接。

图9以相应的非分解图的形式示出了图8的打印头组件62。为清楚起见，打印头组件同样被定向成使得硅芯朝上。图9中，层叠歧管至少部分地由紧固件78固定在层叠歧管安装件72内。图10示出了处于其操作定向的打印头组件62的一部分，其中硅芯74的方向朝下。

图11是图9打印头组件的横截面，其特别示出了层叠歧管安装件内的墨水供应管道80以及它们与层叠歧管66的流体通道82的接口。

所述层叠歧管的好处

本文公开的层叠流体歧管较其他类型的层叠歧管而言具有实质性的优点。当使用级进模冲压来制作层叠歧管时，整体成本因为使用塑性材料歧管而有竞争力，同时可获得用于打印目的的非常精细的特征和更紧密的槽距进给。在层叠歧管可用金属或陶瓷制作的情况下，它们可展示出结构稳定性和强度，尤其是用不锈钢制作时。与用LCP（液晶聚合物）或其他塑性材料制作的塑模歧管相比，当至于相同载荷下时，具有相同几何结构的不锈钢层叠歧管和塑性材料歧管相比显示出明显较小的偏转。所公开的层叠歧管的可比较横截面的额外的刚性，对于某一给定的偏转，允许制造出跨度更大的打印杆，因而使得能够制造出用于大型打印机的较长打印杆。

由层叠歧管限定的流体通道的尺寸（特别是每个流体通道的终点），至少部分地是由用来组装该歧管的板的厚度以及用来将板结合成单一层叠组件的固定媒介决定的。通过适当选择板的材料以及固定媒介，可以获得小于1毫米的槽距几何结构。，当制造相应的硅芯时（该硅芯用于制造进行喷墨打印的打印头），这种精细的间距允许获得类似的小的尺寸。硅用量的潜在减少显著节约了打印系统的总体制造成本。

通过使用本文所公开的层叠流体歧管，可容易地以较低成本连接毫米级至微米级的流体系统，而且不需要成本较高的光刻工艺或昂贵的材料。

Claims (15)

1.一种层叠歧管（18），包括：

多个平行板（20），其被布置在层叠板堆垛（22）中；以及

固定媒介（24），其将所述板固定在所述层叠板堆垛（22）中；

其中，所述板中的至少一些包含有一个或多个孔洞（26），所述孔洞在它们各自的板中被定向成，使得当所述板被布置成层叠板堆垛时，所述孔洞限定出至少一个流体通道（28）；

其中，所述流体通道（28）在平行板之间形成于层叠板堆垛中；并且

其中，所述流体通道具有：处于所述层叠板堆垛的一个面上的起点（30）；以及终点（36），所述终点至少部分地由至少两个平行板限定。

2.根据权利要求1所述的层叠歧管，其中，所述流体通道沿着平行于所述平行板的平面的方向形成于所述层叠板堆垛中。

3.根据权利要求1所述的层叠歧管，其中，所述层叠板堆垛（22）限定了多个离散的流体通道（28），每个流体通道具有：处于所述层叠板堆垛的一个面上的起点（30）；以及终点（36），所述终点至少部分地由至少两个平行板限定。

4.根据权利要求1所述的层叠歧管，其中，所述固定媒介（24）是粘合剂。

5.根据权利要求1所述的层叠歧管，其中，所述平行板（20）进一步包括一个或多个间距特征（40），所述间距特征被配置成保持预定的板间间距（42）。

6.根据权利要求1所述的层叠歧管，其中，每个流体通道终点（36）均有12微米至1毫米的宽度。

7.根据权利要求1所述的层叠歧管，其中所述平行板（20）为不锈钢、玻璃、陶瓷、或聚合物材料。

8.根据权利要求1所述的层叠歧管，每一流体通道（28）的起点（30）与流体源（12，80）相连。

9.根据权利要求1所述的层叠歧管，其中，每一流体通道（28）的起点（30）直接或间接地与流体墨水源（12，80）相连，而每一流体通道（28）的终点（36）直接或间接地与打印头芯（74）相连。

10.一种制造层叠歧管的方法，包括

a) 制作多个具有期望几何结构的板；

b) 在至少一些所述板中形成孔洞；

c) 将所述板布置成层叠板堆垛；且

d) 通过向所述板施加固定媒介，将所述板固定在所述层叠板堆垛中；

其中，所述板中的所述孔洞在所述层叠板堆垛内限定了至少一个流体通道，所述流体通道在平行板之间形成于所述层叠板堆垛中；并且

其中，所述流体通道具有：处于所述层叠板堆垛的一个面上的起点（30）；以及终点（36），所述终点至少部分地由至少两个平行板限定。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，固定所述板包括：将粘合剂芯吸到所述板的非穿孔区域之间，并在所述层叠板堆垛内固化所述粘合剂。

12.根据权利要求10所述的方法，其中，将制作好的板布置成层叠板堆垛（22），使得所述孔洞（26）限定出多个流体通道（28），每个流体通道具有：处于所述层叠板堆垛（22）的一个面上的起点（30）；以及终点（36），所述终点至少部分地由至少两个平行板限定。

13.根据权利要求10所述的方法，其中，将制作好的板布置成层叠板堆垛（22），使得所述孔洞（26）限定出多个流体通道（28），每个流体通道分别地在平行板之间进入和露出。

14.根据权利要求10所述的方法，其中，制作多个板包括：制作多个不锈钢板；而且，形成孔洞包括：利用机械冲压法在至少一些制作好的板中形成孔洞。

15.一种喷墨打印机（10），包括：

多个墨水储存器（12）；

至少一个打印头芯（74）；以及

至少一个层叠墨水歧管（14，66），其包括：多个平行板(20)，所述平行板被布置在层叠板堆垛（22，64）中；以及固定媒介（24），其将所述板固定在所述层叠板堆垛中；其中，所述板中的至少一些包含有一个或多个孔洞（26，68），所述孔洞在它们各自的板中被定向成，使得当所述板被布置成层叠板堆垛时，所述孔洞限定出至少一个流体通道（28，82）；而且其中，每个流体通道均具有与墨水储存器（12）流体连通的起点（30），每个流体通道具有至少部分地由至少两个平行板限定的终点（36），而且所述终点与所述打印头芯（74）流体连通；

从而使得，来自每个墨水储存器（12）的墨水由至少一个层叠歧管（14，66）输送到至少一个打印头芯（74）。