CN102762384A - 包括在过滤器之后的端口的打印头 - Google Patents

Abstract

一种打印头包括液体源、第一基底、过滤器和液体腔室。第一基底的部分限定了适于从液体源排放液体的喷嘴。液体腔室包括端口。液体腔室与喷嘴和过滤器是流体连通的，并且被定位在第一基底与过滤器之间。

Description

包括在过滤器之后的端口的打印头

技术领域

本发明在总体上涉及数字控制的打印系统的领域，并且尤其涉及随后由打印系统的打印头所排放的液体的过滤。

背景技术

用于将信息打印到记录介质上的喷墨打印机用途被良好地确立了。用于此目的的打印机可包括连续打印系统，这些连续打印系统排放液滴的连续流，从液滴的连续流中选择特定的液滴来用于根据打印数据进行打印。其它打印机可包括按需喷墨打印系统，这些按需喷墨打印系统仅在特别为打印数据信息需要时有选择地形成和排放打印液滴。

连续打印机系统通常包括打印头，打印头将液体供应系统与具有通过液体供应系统供给的多个喷嘴的喷嘴板合并。液体供应系统用足以从每一个喷嘴喷射独立液体流的压力将液体提供给喷嘴。形成液体射流所需的流体压力通常远大于按需喷墨打印机系统中使用的流体压力。

已将本领域中公知的不同方法用于产生打印机系统内的各种构件。也已将已用于形成微电机系统(MEMS)的一些技术用于形成各种打印头构件。MEMS工艺通常包括改进的半导体装置制造技术。各种MEMS工艺通常将光学成像技术与蚀刻技术结合来形成基底中的各种特征。光学成像技术用于限定基底的区域，这些区域将优先地从不应被蚀刻的基底的其它区域来进行蚀刻。可将MEMS工艺应用到单层基底上，或应用到由具有不同材料性质的多层材料组成的基底上。已将MEMS工艺用于产生连同其它打印头结构的喷嘴板，其它打印头结构诸如墨水供给通道、墨水储存器、导电体、电极和各种绝缘体和介电构件。

打印系统中的颗粒污染可不利地影响质量和性能，尤其是在包括了带有小直径喷嘴的打印头的打印系统中。存在于液体中的颗粒可导致一个或多个喷嘴中的完全堵塞或部分堵塞。一些堵塞减少或者甚至阻止了从打印头喷嘴排放液体，而其它堵塞可导致从打印头喷嘴喷射的液体流被随机地引导远离其所期望的轨迹。不论哪种类型的堵塞，喷嘴堵塞都不利于高质量打印，并且可不利地影响打印头的可靠性。当使用在单次通过中实现打印的页宽打印系统时，这变得甚至更重要。在单次通过打印操作期间，通常打印头的所有打印喷嘴都是可操作的，以便获得所期望的图像质量。当一个或多个喷嘴堵塞或者以其它方式而未正常工作时，由于打印系统具有仅一次机会来打印介质的给定区段，所以可产生图像伪影。

常规打印头已包括被定位在流体通路中各种位置处的一个或多个过滤器，以便减少与颗粒污染相关联的问题。即便如此，仍存在着减少打印头和打印系统中的颗粒污染的不断需求，以及在穿过过滤器的压力损失的可接受水平下提供充分过滤的打印头过滤器的不断需求。还存在着用于使用MEMS制造技术形成打印头过滤器的有效且实用的方法的不断需求。

发明内容

根据本发明的一个方面，一种打印头包括液体源、第一基底、过滤器和液体腔室。第一基底的部分限定了适于从液体源排放液体的喷嘴。液体腔室包括端口。液体腔室与喷嘴和过滤器是流体连通的，并且被定位在第一基底与过滤器之间。

附图说明

在下文呈现的本发明的示例性实施例的详细描述中参考了附图，在附图中：

图1为根据本发明制成的打印系统的示例性实施例的简化示意性框图；

图2为根据本发明制成的连续打印头的示例性实施例的示意图；

图3为根据本发明制成的连续打印头的示例性实施例的示意图；

图4A为包括了本发明示例性实施例的喷射模块的示意性截面视图；

图4B为包括了本发明另一示例性实施例的喷射模块的示意性透视图；

图5为描述了过滤器制造方法的流程图，所述过滤器适合用在包括了本发明示例性实施例的喷射模块中；

图6A至图6G示出了使用图5中所述方法所制造的过滤器的形成阶段；以及

图7至图9为根据本发明制成的打印系统流体系统的示例性实施例的示意图。

具体实施方式

本说明书将具体针对形成根据本发明的设备的一部分的元件、或者与根据本发明的设备更直接地协作的元件。应当理解的是，未具体示出或描述的元件可采用本领域的技术人员公知的各种形式。在以下描述和附图中，在可能的情况下，相同的参考标号已被用于指定相同的元件。

本发明的示例性实施例是被示意性地图示出的，并且为了清楚起见而未按比例绘制。本领域的普通技术人员将能够容易地确定本发明的示例性实施例的元件的具体尺寸和元件的互连。

如本文所述，本发明的示例性实施例提供了通常在喷墨打印系统中使用的打印头或打印头构件。然而，也显现出许多其它应用，这些应用使用喷墨打印头来排放需要精细地计量且以高空间精度沉积的液体(除墨水外)。因此，如本文所述，用语"液体"和"墨水"表示可通过下文所述的打印头或打印头构件喷射的任何材料。

参看图1至图3，示出了包括下文所述的本发明的打印系统和连续打印头的示例性实施例。所构想出的是，本发明还在其它类型的打印头或喷射模块(例如，包括按需喷墨打印头和其它类型的连续打印头)中获得应用。

参看图1，连续打印系统20包括诸如扫描仪或计算机的图像源22，图像源22提供光栅图像数据、页面描述语言的形式的外形轮廓图像数据，或数字图像数据的其它形式。该图像数据通过图像处理单元24被转变成半色调位图图像数据，图像处理单元24还将图像数据储存在存储器中。多个液滴形成机构控制电路26从图像存储器读出数据，并且将随时间变化的电脉冲施加到与打印头30的一个或多个喷嘴相关联的液滴形成机构28上。这些脉冲在适当的时间施加，并且施加到适合的喷嘴上，以便由连续墨水喷射流形成的液滴将在图像存储器中的数据指定的适当位置中，在记录介质32上形成斑点。

记录介质32通过记录介质传递系统34相对于打印头30移动，通过记录介质传递控制系统36来电性控制记录介质传递系统34，并且继而又通过微控制器38控制记录介质传递系统34。图1中所示的记录介质传递系统仅为示意性的，并且许多不同机械构造也是可能的。例如，传递辊可用作记录介质传递系统34，以便于将墨水液滴传递至记录介质32。此种传递辊技术是本领域中是公知的。在页宽打印头的情况下，最方便是将记录介质32移动穿过静止打印头。然而，在扫描打印系统的情况下，通常最方便的是沿一条轴线(辅助扫描方向)移动打印头，并且在相对的光栅运动中沿正交轴线(主扫描方向)移动记录介质。

墨水在压力下容纳在墨水储存器40中。在非打印状态中，由于阻挡了流且可允许一部分墨水通过墨水再循环单元44而再循环的墨水捕集器42，连续喷墨液滴流不能到达记录介质32。墨水再循环单元还原墨水，并且将墨水供应回储存器40中。这样的墨水再循环单元在本领域中是公知的。适用于最佳操作的墨水压力将取决于一定数目的因素，包括喷嘴的几何形状和热性质，以及墨水的热性质。可通过在墨水压力调节器46的控制下将压力施加到墨水储存器40中来实现恒定的墨水压力。可替换地，可使墨水储存器未加压，或甚至在降低的压力(真空)下，并且泵用于在压力下将墨水从墨水储存器输送至打印头30。在这样的实施例中，墨水压力调节器46可包括墨水泵控制系统。如图1中所示，捕集器42为通常称为"刀刃"捕集器的捕集器类型。

通过墨水歧管47将墨水分送至打印头30，墨水歧管47有时被称为通道。墨水优选为流过槽口或孔，所述槽口或孔被蚀刻通过打印头30的硅基底至其前表面，多个喷嘴和液滴形成机构(例如，加热器)位于该处。当由硅制造打印头30时，液滴形成机构控制电路26可与打印头整体结合。打印头30还包括偏转机构，下文将参照图2和图3更为详细描述偏转机构。

参看图2，示出了连续液体打印头30的示意图。打印头30的喷射模块48包括形成在喷嘴板49中的一系列(array)喷嘴50或多个喷嘴50。在图2中，喷嘴板49附连到喷射模块48上。然而，如图3中所示，喷嘴板49可为喷射模块48的一体部分。

在压力下通过该系列中的每一个喷嘴50排放液体(例如，墨水)以形成液体52流(通常称为射流或细流)。在图2中，该系列喷嘴或多个喷嘴延伸入图中和延伸出图中。通常，喷嘴50的孔口尺寸从大约5μm至大约25μm。

喷射模块48可操作成用以通过每一个喷嘴形成具有第一尺寸或体积的液滴和具有第二尺寸或体积的液滴。为了将此实现，喷射模块48包括液滴激发装置或液滴形成装置28，例如加热器、压电促动器或电流体力学激发器，当有选择地触发装置28时，装置28干扰液体52(例如，墨水)的各股射流，以便引起各股射流的部分与射流中断，并且合并来形成液滴54,56。

在图2中，液滴形成装置28为加热器51，例如，非匀称的加热器或环形加热器(分段的或未分段的)，加热器51位于喷嘴50的一侧或两侧上的喷嘴板49中。这种类型的液滴形成是公知的，其中例如在以下专利中的一个或多个专利中描述了某些方面：于2002年10月1日授予Hawkins等人的美国专利第6,457,807B1号；于2002年12月10日授予Jeanmaire的美国专利第6,491,362 Bl号；于2003年1月14日授予Chwalek等人的美国专利第6,505,921 B2号；于2003年4月29日授予Jeanmaire等人的美国专利第6,554,410B2号；于2003年6月10日授予Jeanmaire等人的美国专利第6,575,566 Bl号；于2003年7月8日授予Jeanmaire等人的美国专利第6,588,888B2号；于2004年9月21日授予Jeanmaire等人的美国专利第6,793,328B2号；于2004年12月7日授予Jeanmaire等人的美国专利第6,827,429B2号； 以及于2005年2月8日授予Jeanmaire等人的美国专利第6,851,796 B2号。

通常，一个液滴形成装置28与喷嘴系列中的每一个喷嘴50相关联。然而，液滴形成装置28可与喷嘴50集合或喷嘴系列中的所有喷嘴50相关联。

当打印头30在操作中时，通常创造出多个尺寸或体积的液滴54,56，例如，为具有第一尺寸或第一体积的大液滴56的形式，以及具有第二尺寸或第二体积的小液滴54的形式。大液滴56的质量与小液滴54的质量的比例通常大约为2至10之间的整数。包括液滴54,56的液滴流58沿着液滴通路或轨迹57。通常，液滴尺寸从大约1pL至大约20pL。

打印头30还包括气流偏转机构60，气流偏转机构60引导气流62(例如，空气)穿过液滴轨迹57的一部分。液滴轨迹的该部分被称为偏转区64。当气流62在偏转区64中与液滴54,56相互作用时，气流改变液滴的轨迹。当液滴轨迹穿出偏转区64时，它们相对于未偏转的液滴轨迹57成一定角度(称为偏转角)行进。

小液滴54比大液滴56受到的气流影响更大，以便小液滴轨迹66偏离大液滴轨迹68。即是说，用于小液滴54的偏转角大于大液滴56的。气流62提供充分的液滴偏转，并且因此提供小液滴轨迹和大液滴轨迹的充分偏离，以便可将捕集器42(图1和图3中所示)定位成截断小液滴轨迹66和大液滴轨迹68中的一个，以便通过捕集器42收集沿着轨迹的液滴，同时沿着另一轨迹的液滴绕过捕集器且冲击记录介质32(图1和图3中所示)。

当将捕集器42定位成截断大液滴轨迹68时，小液滴54充分偏转来避免与捕集器42接触和撞击记录介质32。当打印小液滴时，这称为小液滴打印模式。当将捕集器42定位成截断小液滴轨迹66时，大液滴56为打印的液滴。这称为大液滴打印模式。

参看图3，喷射模块48包括一系列喷嘴50或多个喷嘴50。在压力下通过该系列中的每一个喷嘴50排放通过通道47(图2中所示)供应的液体(例如，墨水)以形成液体52的射流。在图3中，该系列喷嘴或多个喷嘴50延伸入图中和延伸出图中。

有选择地促动与射流模块48相关联的液滴激发装置或液滴形成装置28(图1和图2中所示)，以便干扰液体52射流而引起射流的部分与射流断开来形成液滴。以此方式，有选择地创造出朝记录介质32行进的大液滴和小液滴的形式的液滴。

气流偏转机构60的正压力气流结构61位于液滴轨迹57的第一侧上。正压力气流结构61包括第一气流导管72，导管72包括下壁74和上壁76。气流导管72以相对于液体52流成大约45°的向下的角θ朝液滴偏转区64(也在图2中示出)引导从正压力源92供应的气流62。可选的密封件84提供射流模块48与气流导管72的上壁76之间的空气密封。

气流导管72的上壁76不需要延伸至液滴偏转区64(如图2中所示)。在图3中，上壁76终止于射流模块48的壁96处。射流模块48的壁96用作终止于液滴偏转区64的上壁76的一部分。

气流偏转机构60的负压力气流结构63位于液滴轨迹57的第二侧上。负压力气流结构包括位于捕集器42与上壁82之间的第二气流导管78，第二气流导管78排出来自于偏转区64的气流。第二导管78连接到负压力源94上，负压力源94用于有助于除去流过第二导管78的气体。可选的密封件84提供喷射模块48与上壁82之间的空气密封。

如图3中所示，气流偏转机构60包括正压力源92和负压力源94。然而，取决于构想出的特定应用，气流偏转机构60可仅包括正压力源92和负压力源94中的一个。

将通过第一气流导管72供应的气体引导至液滴偏转区64中，其中液滴偏转区64导致大液滴56沿着大液滴轨迹68，并且小液滴54沿着小液滴轨迹66。如图3中所示，通过捕集器42的前面90来截断小液滴轨迹66。小液滴54接触面90且沿面90向下流动，并且进入位于或形成于捕集器42与板88之间的液体返回导管86中。收集的液体再循环且回到墨水储存器40(图1中所示)来再使用或丢弃。大液滴56绕过捕集器42并且行进到记录介质32上。

可替换地，可将捕集器42定位成截断大液滴轨迹68。大液滴56接触捕集器42，并且流入位于或形成于捕集器42中的液体返回导管中。收集的液体再循环来再使用或丢弃。小液滴54绕过捕集器42并且行进到记录介质32上。

可替换地，可使用非匀称的加热器51来将热非匀称地施加到液体52射流上来实现偏转。当在此容量中使用时，非匀称的加热器51通常作为除偏转机构之外的液滴形成机构操作。例如，于2000年6月27日授予Chwalek等人的美国专利第6,079,821号描述了公知的这种类型的液滴形成和偏转。还可使用静电偏转机构来实现偏转。通常，像美国专利第4,636,808号中所描述的那样，静电偏转机构在单个电极中合并液滴填充和液滴偏转，或包括单独的液滴填充和液滴偏转电极。

如图3中所示，捕集器42为通常被称为"柯恩达(Coanda)"捕集器的捕集器类型。然而，图1中所示的"刀刃"捕集器和图3中所示的"柯恩达"捕集器可互换且可执行。可替换地，捕集器42可以是任何适合的设计，包括但不限于多孔面捕集器、界定的边缘捕集器，或上文所述的那些中的任一个的组合。

参看图4A，示出了包括了本发明示例性实施例的打印头30的喷射模块48的截面视图。打印头30包括液体源260，液体源260与喷射模块48的至少一个喷嘴250是流体连通的。有时被称为喷嘴板的第一基底249的部分限定了喷嘴250，喷嘴250适于排放从液体源260供应的液体。喷射模块48包括过滤器270。液体腔室252与至少一个喷嘴250和过滤器270中的每一个是流体连通的。液体腔室252位于通过第一基底249的对应部分限定的至少一个喷嘴250与过滤器270之间。液体腔室252包括端口150。端口150相对于过滤器270位于下游。

如图4A中所示，液体源260包括液体歧管47，但允许液体源260的其它构造。液体歧管47通过位于歧管47中的端口122被流体连通地连接到液体储存器40(图1中所示)上。端口122相对于过滤器270位于上游。在足以形成液体射流253的压力下将液体从歧管47提供至喷嘴250。液体歧管47通常称为第二液体腔室，其中液体腔室252称为第一液体腔室。

通常，端口150作用为用于液体的出口端口，而端口122作用为入口端口。在本发明的可替换实施例中，喷射模块48可包括下文更为详细描述的更多端口。端口150和122以及任何附加端口的功能也可变化。这也在下文中更为详细地描述。

如图4A中所示，过滤器270为单独地形成的打印头构件，并且组装在基底249与液体供应歧管47之间。为了过滤液体中的各种颗粒(未示出)，由喷嘴250共用过滤器270，使得过滤的液体可从过滤器270的一个或多个部分提供给任何或所有喷嘴250。过滤器270包括适于从液体中过滤颗粒物质的多个开孔280。每一个开孔280的尺寸和形状均适于确定为在液体流过开孔280时过滤所期望的颗粒物质尺寸。例如，每一个开孔280的截面面积或取决于每一个开孔280的形状的直径选择为使得从液体中有效地过滤颗粒物质的所期望尺寸，而不会造成过滤器的上游侧与下游侧之间的穿过过滤器的非所期望的压力损失水平或压降水平。开孔280的数目、尺寸、形状和间隔还选择使得过滤器270的结构稳健性足以用于构想出的操作环境。过滤器270的高度(或厚度)还选择为用以提供结构稳健性且从液体中有效地过滤，而不会造成穿过过滤器270的非可接受的较大压力损失。

过滤器270为筛网型过滤器，包括开孔，开孔为单层材料中的通孔。此种过滤器是优选的，因为该过滤器在与包括曲折通路的过滤器开孔280相比较时，确定了可更容易地保持和遵守颗粒过滤容限。开孔280可为柱状，或开孔280可包括倾斜的或锥形的壁，以便开孔进入尺寸不同于开孔出口尺寸；开孔进入尺寸和开孔出口尺寸中较小的一个确定通过过滤器开孔阻塞的颗粒的尺寸。开孔280可定向成垂直于过滤器的表面，或例如开孔280可相对于过滤器的表面形成角度。过滤器270可包括一个以上的材料层。此外，在与包括曲折通路的过滤器开孔280相比较时，通常按高度或厚度表示的过滤器270的总体尺寸可较小。包括带有曲折通路的开孔280的过滤器在一些应用中提供充分的过滤，例如，将过滤的颗粒的尺寸大到足以通过此种过滤器270一致地捕获的应用。通常，开孔280布置成二维图案，其中相对于彼此按顺序的方式或者相对于彼此随机的方式来定位开孔280。开孔280还可与被定位在开孔集合之间的无孔节段组合在一起。通常，开孔280尺寸从1μm至10μm，并且更优选的是从1μm至5μm。尽管过滤器270示为板状结构，但也可使用波状过滤器或折叠过滤器。这些过滤器可具有在变得过载之前捕获更多碎屑的加强的过滤能力。

开孔280可包括适用于过滤液体52的各种截面形状。例如，开孔110可具有三角形、正方形、椭圆形或矩形的截面形状。当开孔280包括转角时，应当使转角为圆的。从机械稳健性的观点来看，尖锐的转角是非所期望的。可根据液体52内的颗粒方式的测得的尺寸或预期的尺寸改变开孔280的尺寸。例如，当使用圆形开孔280时，直径在4μm的数量级上。当使用三角形开孔280时，侧尺寸在5μm的数量级上。开孔280还可具有单位尺寸在1μm的数量级上的"蜂房"布局或单元布局。开孔280还可具有相同的形状和不同的尺寸。例如，开孔280可为圆形，但独立的开孔280在与彼此相比较时可具有不同的直径。然而，当穿过开孔的流体的压降和过滤器270的颗粒除去能力两者与开孔尺寸相关时，在与用来提供穿过过滤器270的有效过滤和可预计压降的多个开孔280中的其它开孔进行比较时，优选的是多个开孔280中的每一个开孔均具有大致相同的尺寸。开孔280为布置成二维图案的通孔，其中相对于彼此按顺序的方式来定位开孔280。

可通过不锈钢材料、陶瓷材料、聚合物材料(例如，包括径迹蚀刻聚合物膜)或其它金属(如电铸(electroformed)金属和蚀刻金属)来制作过滤器270。当过滤器270是被电铸的时，适合的金属例如包括Ni、Pd及其组合。当过滤器270包括曲折通路时，通常由织造的网状物、纤维垫、泡沫材料或自身有助于提供曲折通路的另一材料制作过滤器270。

参看图4B，示出了包括了本发明另一示例性实施例的打印头30的喷射模块48的截面视图。喷嘴板49由基底85形成，其中基底85的部分限定多个喷嘴50。歧管47由基底87形成。喷射模块48还包括适于从流过射流模块48的液体中过滤颗粒物质的过滤器100。过滤器100形成在基底97中。在本发明的该示例性实施例中，过滤器100包括过滤器膜102和肋条结构137。喷嘴50和过滤器100相对于彼此间隔开，使得液体腔室53位于喷嘴50与过滤器100之间。液体腔室53为过滤器100和任何或所有喷嘴50所共有的。液体歧管47通常称为第二液体腔室，其中液体腔室53称为第一液体腔室。在图4B中，使用箭头"→"示出了喷射模块48内的典型液体流动方向。

液体腔室53包括端口150。端口150相对于过滤器270位于下游。液体歧管47包括端口122，端口122被定位在过滤器100的上游。喷嘴板49、过滤器100和歧管47通常形成为单独的构件，并且组装来形成喷射模块48。通常，端口150作用为用于液体的出口端口，而端口122作用为入口端口。在本发明的可替换实施例中，喷射模块48可包括下文更为详细描述的更多端口。端口150和122以及任何附加端口的功能也可变化。这也在下文中更为详细地描述。

如图4B中所示，过滤器模块102包括开孔110，这些开孔110为柱状、相同的圆形、具有相同直径，并且尺寸被确定为有效地过滤颗粒，这些颗粒可总体地或部分地阻碍、或者以另外的方式不利地影响具有从1μm至20μm的尺寸的喷嘴孔口。开孔110被布置成二维图案，其中相对于彼此按顺序的方式定位开孔280。开孔110还与被定位在开孔集合之间的无孔节段组合在一起。肋条结构137位于这些无孔节段中。允许过滤器100的可替换实施例，并且例如，过滤器100的可替换实施例包括参看图4A描述的那些可替换方案。

液体腔室53形成在一个或多个构件中或形成为具有一个或多个构件，构件组成喷射模块48。例如，这包括基底85、基底97和被定位在过滤器100(基底97)与喷嘴板49(基底85)之间的基底95中的一个或多个的所有或部分。

尽管图4B中示为由一个基底构成，但也可使用一个以上的基底来分别形成液体腔室53和其它打印头构件，如喷嘴板49、过滤器100和歧管47。每一个基底均可包括单个材料层或多个材料层。每一个基底中的一个或多个基底可包括通过沉积工艺形成的至少一个材料层，或通过层合工艺施加的至少一个材料层，或它们的组合。在一些示例性实施例中，附加粘合剂可用于将一个基底粘合到另一个基底上，而在其它示例性实施例中，没有附加粘合剂用于将基底粘合到彼此上。液体腔室53和其它打印头构件如喷嘴板49、过滤器100和歧管47可分别由各种材料制成，例如，包括陶瓷、聚合物、半导体材料，如硅、不锈钢和其它金属材料。当金属材料选择为用于过滤器100时，金属可为通过电镀来沉积的类型，例如，Ni、Pd及其组合。

在图4B中，过滤器100包括被定位成用以横跨或"桥接"液体腔室53的平面膜102。因此，通过过滤器膜102、基底85的部分和基底95的部分来限定液体腔室53的部分。液体腔室53与至少一个开孔110和至少一个喷嘴50是流体连通的。如图所示，将液体腔室53中的液体提供给每一个喷嘴50。在液体穿过位于过滤器膜102中的开孔110之后和朝喷嘴50引导液体之前，液体腔室53允许穿过该系列的喷嘴50使液体压力和流动特征标准化。

如图4B中所示，每一个喷嘴50均包括与喷嘴孔口50A流体连通的液体流动通道50B，喷嘴孔口50A通常称为喷嘴内孔。还与液体腔室53流体连通的每一个流动通道50B将液体腔室53中的一部分液体提供给对应的孔口50A。每一个流动通道50B均形成在基底85中。如美国专利第7,607,766B2号所述，流动通道50B有助于在液体进入喷嘴50时调节液体中的流动湍流，该专利通过引用并入到本文中。如图所示，流动通道50B为矩形。流动通道50B可包括其它形状且提供其它功能。例如，一个或多个流动通道50B可具有圆形截面或椭圆形截面。流动通道50B的壁可大致垂直于喷嘴板49的平面，或可替换地，壁可在它们朝对应的喷嘴孔口50A延伸时汇合，以便良好地引导液体流过喷嘴50。

出口端口150被定位在过滤器100的下游的地点处的喷射模块48中。出口端口150提供交替的流体通路，该流体通路用于在液体穿过过滤器100之后将液体引导远离喷嘴50和引导出喷射模块48。出口端口150可包括用以控制流体穿过该端口的流动的阀。液体腔室53可包括一个或多个出口端口150。如图4B中所示，喷射模块包括出口端口150A和出口端口150B，但其它示例性实施例包括更少的或更多的。位于喷射模块48中的液体腔室53的一侧上的出口端口150A提供远离喷嘴50的液体流动通路。出口端口150B位于与出口端口150A相对置的液体腔室53的一侧中。在喷射模块的交叉冲洗操作期间，出口端口150B通常用于实现良好的流动曲线特征。出口端口150A和150B适合尺寸被确定为用以在交叉冲洗操作期间提供通过液体腔室53的所期望的流体流。

如图4B中所示，除入口端口122之外，歧管47可选为包括出口端口124。出口端口124被定位在过滤器100的上游，并且在交叉冲洗操作期间用于有助于除去在喷射模块48操作期间累积在歧管47中或过滤器100上的颗粒物质。这种类型的交叉冲洗操作包括确立从入口端口122到出口端口124穿过歧管47中的过滤器100的上游表面的流动。当该交叉冲洗过程有助于除去在喷射模块48操作期间累积在过滤器100上的颗粒物质时，将减小过滤器100的上游表面上的颗粒物质的累积造成的压降(通常称为损失)的变化。使用交叉冲洗操作来从过滤器100的上游表面周期性地除去颗粒材料可有助于将穿过过滤器100的压降保持在可容许的水平下。

然而，出口端口124相对于过滤器100位于上游的歧管47中，以便允许从歧管47冲洗出颗粒，出口端口150A或出口端口150B被定位在液体腔室53中，液体腔室53相对于过滤器100被定位在下游，以便允许从液体腔室53冲洗出颗粒。通过出口端口150A或出口端口150B提供的交叉冲洗作用允许一些液体流过和远离流动通道50B的入口。

有利的是，如本文所述的本发明的示例性实施例中的出口端口150A或出口端口150B中的一个或两者的合并通过交叉冲洗位于过滤器100的下游的液体中的颗粒物质来提高打印头的可靠性和打印质量。即使通过过滤器100已经过滤了液体，颗粒物质可仍存在于液体中。例如，如果过滤器100和喷嘴板49为单独地形成的构件，构件随后组装来形成喷射模块48，则在组装过程期间，可生成可部分地或完全地闭塞每一个或多个喷嘴50的非所期望的颗粒物质。另外，当一定时间周期内未使用打印头30时，一个或多个喷嘴50中的堵塞可由与液体相关联的凝结作用发展出。例如，当打印头30在一些时间内未操作时，一些基于颜料的墨水可形成喷嘴50中的相对较软的塞子。出口端口150A或出口端口150B的使用可用于生成交叉冲洗作用来有助于除去前述颗粒物质和堵塞。

出口端口150A或出口端口150B可用于在各种时间远离喷嘴50交叉冲洗液体。例如，交叉冲洗可在制造点处执行来作为组装测试的一部分。可替换地，打印系统可构造成以便交叉冲洗也可在该领域中使用。下文将更为详细地讨论交叉冲洗的实例。在一些示例性实施例中，出口端口150A或出口端口150B用于预定计划上的交叉冲洗打印头30。在一些示例性实施例中，出口端口150A或出口端口150B用于自动地交叉冲洗打印头30，而在其它示例性实施例中，出口端口150A或出口端口150B由于操作人员的干预的结果而用于交叉冲洗打印头30。在一些示例性实施例中，出口端口150A或出口端口150B用于在每次打印头30启动时交叉冲洗打印头30。在一些示例性实施例中，出口端口150A或出口端口150B用于交叉冲洗打印头30来作为校正作用的一部分，采用校正作用来减轻例如由液体的射流的未对准或遗漏造成的打印缺陷。应当理解的是，出口端口150A或出口端口150B可用除墨水之外的液体来操作交叉冲洗打印头30。例如，可使用各种适合的清洁剂。在一些示例性实施例中，液体腔室53还设有入口端口，入口端口与过滤器100的开孔110不同，入口端口可用于提供除墨水之外的液体到液体腔室53中。

在上文参照图4A和图4B所述的示例性实施例中，可通过对应的阀160来有选择地闭塞与任何或所有的端口122,124,150A或150B相关联的流体流。每一个阀160可操作成用以有选择地朝向或远离至少一个喷嘴50重新定向一部分液体的流动。在一些示例性实施例中，可人工地操作阀160，而在其它示例性实施例中，阀160可在微控制器38(在图1中示出)的影响下操作。可将阀160从完全闭合位置操作至部分开启或完全开启位置，在该完全闭合位置中不存在流体流，在该部分开启或完全开启位置中存在变动程度的流体流。阀160可为适应构想出的液体操作压力和流速的任何适合的阀。可通过其与液体的各种材料特征的特定相容性，或通过减小打印头操作期间生成颗粒的可能性的阀160的设计特征来作为选择阀160的动机。阀160可在喷射模块48的外部。可替换地，阀160可为MEMS阀，MEMS阀在使用MEMS工艺制造打印头30的其它构件时可为有利的。

可选的是，可通过超声波振动喷射模块48或喷射模块48中的液体来加强从腔室47和过滤器膜100的上游表面除去颗粒的交叉冲洗操作。此种振动可从腔室的表面和过滤器膜100的上游表面移除颗粒材料，使得可将它们扫出喷射模块。连结到喷射模块的外部上的压电元件或促动器可用于生成所期望的超声波振动。例如，如欧洲专利第EP 1 095 776号中所述那样，可选的是，在多个频率下驱动压电促动器来进一步提高交叉冲洗的有效性。

在图4B中所示的示例性实施例中，喷射模块48的构件可为组装来形成喷射模块48的单独部分。可使用如下文所述的MEMS制造技术来形成和组装这些构件中的一个或多个构件。

喷射模块48包括带有喷嘴50的多个堆叠的平面基底、液体腔室53，以及形成在这些平面基底中的一个或多个基底中的过滤器100。该构造自身有助于MEMS制造。因此，在本发明的该示例性实施例中，使用MEMS制造工艺来形成喷射模块48的一个或多个特征，例如，喷嘴50、液体腔室53或过滤器100。

MEMS制造技术优选为用于形成具有导电材料层、半导体材料层和绝缘体材料层的各种组合的各种构件，一些或所有这些层具有通过各种材料沉积和通常通过有图案的掩模层控制的蚀刻工艺来形成于其中的特征。如前文所述，可使用MEMS工艺将喷嘴50形成在基底85中。MEMS工艺还可用于由基底97形成过滤器100。在该示例性实施例中，基底97包括半导体材料。可使用MEMS制造技术来容易地处理半导体材料如硅。

基底97的图案确定成且蚀刻成用以除去半导体材料(例如，硅)的各种部分，以便形成肋条结构137和过滤器膜102。开孔110形成在基底97的过滤器膜102中。如图4B中所示，开孔110布置在开孔集合120中，但也可允许其它构造。使用附加图案确定和蚀刻工艺来形成开孔110。相邻的肋条结构137通过形成在过滤器膜102中的一个开孔集合120来与彼此间隔开。典型的肋条结构137具有至少10μm至大约450μm的厚度。典型过滤器膜102具有大约2μm至大约10μm的厚度。如图4B中所示，肋条结构137在两侧上将开孔集合120托住(bracket)。在其它示例性实施例中，可通过一个或多个肋条结构137来包绕一个或多个开孔集合120。例如，可将肋条结构137相对于过滤器膜102布置在二维网格中。

肋条结构137与过滤器膜102一体地形成。肋条结构137有助于增强过滤器膜102，这允许过滤器膜102比其它情况下可能的更薄。所期望的是，将液体流过开孔集合120时与液体相关联的压降(通常称为损失)尽可能地减小。当与较厚的过滤器膜102相比较时，较薄的过滤器膜102减小了穿过过滤器100的损失。因此，当使用较薄的过滤器膜102时，可降低操作压力。通常，所期望的是保持操作压力尽可能低，以便保持可靠的系统操作。增大操作压力会将不需要的应力置于系统上。此外，当增大操作压力时，还会增加设备成本。例如，泵必须适当确定尺寸，这增加了系统的成本。

在一些示例性实施例中，穿过过滤器100的损失不大于10psi是所期望的。在其它实施例中，穿过过滤器100的损失不大于5psi是所期望的。在其它实施例中，穿过过滤器100的损失不大于3psi是所期望的。穿过过滤器100的损失可随液体流速变化，其中较高流速经历较高的压降。穿过过滤器100的压降还可取决于一些因素，如开孔110的尺寸、开孔110的数目和过滤器膜102的厚度。开孔110通常尺寸确定为将预计的或测量到的尺寸的颗粒物质的捕获在液体内。总的来说，开孔的有效直径应当小于1/2，并且优选为小于喷嘴50的孔口50A的有效直径的1/3。开口如喷嘴或开孔的有效直径等于开口面积除以π的平方根的两倍。例如，当沿流体流过喷嘴50的方向看时，打印头30的每一个喷嘴50均具有一定有效直径，并且当沿流体流过开孔110的方向看时，每一个开孔110均具有一定有效直径。开孔110的有效直径小于喷嘴50的面积的一半。

在一些示例性实施例中，增加了开孔110的数目，以便有助于减小液体流过过滤器100时预期的压降。在其它的示例性实施例中，控制过滤器膜102的厚度来减小穿过过滤器100的预期压降。因此，可需要很薄的过滤器膜102。在一些情况下，包括很薄的厚度的过滤器膜102可在过滤器100组装成打印头30时易于装卸损坏。包括这些厚度的过滤器膜102可并非良好地适合经得起穿过过滤器膜102的液体52造成的压差的效果。根据本发明形成的肋条结构137有利地增强了过滤器膜102，从而减小对它们精细的结构的潜在损坏。不同于包括带有对应的较大压降的相对较厚的膜的常规打印头过滤器系统，肋条结构137的形成有利地允许形成增强的过滤器膜102，该膜102能够抵抗损坏，同时不会不利地增大穿过过滤器膜100的压降。通常，过滤器膜102的厚度＜10μm，优选地小于5μm，并且更优选地小于2u。

参看图5和图6A至图6G，示出了呈现根据本发明的示例性实施例制造过滤器膜100的一部分的方法300的流程图。图6A、图6B、图6C、图6D、图6E、图6F和图6G中也示出了图5中的流程图呈现的方法相关联的各种工艺步骤。在步骤310中，提供第一基底140，第一基底140具有第一表面141和第二表面142。在该示例性实施例中，第一基底140包括半导体材料，例如硅。在步骤315中，如图6A中所示，材料层155设在第一表面141上。 在该示例性实施例中，材料层155为通过将二氧化硅涂布在第一表面141上形成的二氧化硅层。可使用其它材料，例如，四乙基原硅酸酯(TEOS)、氮化硅、氮氧化硅和碳化硅。在一些示例性实施例中，还可提供一个或多个附加层，例如，氮化硅(SiN)层、氮氧化硅层或碳化硅层。

在步骤320中，多个开孔集合120形成在材料层155中。在该示例性实施例中，如图6B中所示，第一掩模层156(例如，光阻材料)沉积和图案确定在材料层155的表面上。然后，蚀刻剂用于蚀刻通过有图案的第一掩模层156露出的材料层155，以便形成如图6C中所示的多个开孔集合120。如果期望如此，则可在此时或随后的时间点除去第一掩模层156。在该示例性实施例中，材料层155包括一定厚度，当随后使所期望的液体流过合并形成过滤器膜102的打印头30时，该厚度选择成减小预期的压降。

在步骤325中，多个肋条结构137形成在第一基底140中。在该示例性实施例中，如图6D中所示，第二掩模层157(例如，光阻材料)沉积和图案确定在第一基底140的第二表面142上。然后，如图6E中所示，蚀刻剂用于蚀刻通过有图案的第二掩模层157露出的第一基底140的部分，以便在第一基底140中形成多个肋条结构137。将肋条结构137定位成使得肋条结构137位于连贯的开孔集合120之间。在本发明的示例性实施例中，肋条结构137形成为加强邻近开孔集合120的材料层155的部分。图6E中所示的除去了第二掩模层157。在一个示例性实施例中，开孔集合120的长宽比为4比1，而肋条结构137的尺寸为大约20μm，但这些值可取决于材料的类型和厚度而变化。作为优选，用于开孔集合120的肋条137之间的间隔不大于过滤器膜102的厚度的200倍，并且更优选为不大于过滤器膜102的厚度的75倍，以便减小对过滤器膜102的结构的潜在损坏。

在步骤330中，提供了第二基底170，第二基底170包括第一表面171和第二表面172。在步骤330中，液体腔室53形成在第二基底170中。在该示例性实施例中，如图6F中所示，第三掩模层158(例如，光阻材料)沉积和图案确定在第二基底170的第一表面171上。在步骤335中，通过使用蚀刻剂来蚀刻通过如图6G中所示有图案的第三掩模层158露出的第二基底170的部分来使液体腔室53形成在第二基底170中。将液体腔室53定位成用以允许流体与至少一个开孔集合120流体连通。在图6G中第三掩模层158显示为被除去。液体腔室53与一个过滤器100和一个或多个附加基底(例如，喷嘴板49)组合来形成打印头30。

在液体腔室53包括出口端口150的一些实施例中，可使用这种相同的工艺，通过将所期望的端口特征包括在用于限定基底170、基底140和材料层155的蚀刻区域的一个或多个掩模中来创造出端口几何形状。端口可形成为穿过基底170的侧部，或可替换地，端口可穿过基底140和材料层155。可以以此方式来形成图4B中所示的形成在层95和层97中的流动通道的部分，(其与基底87中形成的流动通道的部分一起形成端口150)。

在一些示例性实施例中，第一基底140的第二表面142用附加的粘合剂粘合到第二基底170的第一表面171和第二表面172中的一个上。在一些示例性实施例中，附加粘合剂未用于将第一基底140粘合到第二基底170上。在一些示例性实施例中，第一基底140和第二基底170并入称为一体的基底的第三基底中，第三基底包括被定位在第一基底140与第二基底170之间的蚀刻阻止层。此种一体的基底的一个实例为绝缘层上的硅的基底(SOI)。可替换地，没有蚀刻阻止层的计时蚀刻也可形成适合的结构。

可以以各种方式来改进制造方法300，以便处理一体的基底，如SOI基底。例如，可通过蚀刻第二基底170来形成液体腔室53，第二基底170通过蚀刻阻止层通过有图案的第三掩模层158露出。肋条结构137可通过一种工艺形成在第一基底140中，该工艺包括蚀刻除去第二基底170的各种区域之后露出的该蚀刻阻止层的区域。仅通过举例的方式来提供制造方法300中所示的步骤。附加或可替换的步骤或步骤序列在本发明的范围内。

参看图7至图9，示出了流体系统的示例性实施例，该流体系统适合与包括本发明的打印头30或喷射模块48一起使用。这些流体系统可用于实现上文所述的喷射模块48的交叉冲洗。宽泛地描述，交叉冲洗包括移动流体穿过腔室来从喷射模块通过一个端口除去捕获的颗粒或累积的碎屑。参看图7，当阀380开启时，来自于流体储存器40的流体由泵46A被泵送通过过滤器350并进入喷射模块48的入口端口122中。流体从入口端口流入位于过滤器100;270上游的流体腔室或歧管47中。流体穿过过滤器100;270，过滤器100;270与喷射模块48整体结合或与喷射模块48成为一体，并且流体进入流体腔室53中。当阀360闭合时，流体压力升高，以便导致流体从与流体腔室53流体连通的多个喷嘴50喷射。当阀360开启时，通过端口150B从流体腔室53抽出流体，并且流体回到流体储存器40中。通过真空泵370施加至流体储存器40的真空有助于使流体从端口150B流回流体储存器40。从端口122通过流体腔室53并且流出端口150B的流体使得能够从流体腔室53除去颗粒。

图8图示出了流体系统的另一实施例。像参照图7所述的流体系统，通过位于过滤器100;270上游的入口端口122将流体供应给喷射模块48的流体腔室或歧管47。位于过滤器100;270下游的流体腔室53包括第一端口150A和第二端口150B。与端口150A和150B相关联的阀360和390用于控制通过端口150A和150B的流体流。如果闭合阀360和390两者，则流体压力升高，以便导致流体从与流体腔室53流体连通的多个喷嘴50喷射。如果一个或两个阀360,390开启，则流体将流过对应的端口150B,150A且回到流体储存器40中。这允许通过任一个或两个端口150A,150B来从流体腔室53除去颗粒。在一个实施例中，与第一端口150A和第二端口150B两者相关联的阀360和390同时开启，以便使得能够从流体腔室53较快地冲出流体。在另一实施例中，一个阀360或390在某个时间是打开的，以便按顺序允许从流体腔室53的第一端冲出液体，并且然后从流体腔室53的另一端冲出液体。这使得能够通过开启的端口150A或150B实现较高的流速，因而提供了流体腔室53的对应端部部分的更为有效的冲洗。

参看图9，在流体系统的另一实施例中，喷射模块48包括四个端口，两个端口122和124在过滤器100;270的上游，而两个端口150A和150B位于过滤器100;270的下游。图9中所示的流体系统提供了喷射模块48的冲洗流体腔室53和47的更多数目的选择。例如，如果阀380和400开启，而阀360,390和410闭合，则流体可将颗粒冲出歧管47提供的流体腔室。这可用于将颗粒冲出过滤器100;270的上游表面，该上游表面有助于将穿过过滤器100;270的压降保持在可接受的水平下。开启阀410和360，同时闭合阀390,400和380，导致了液体交叉冲洗流体腔室53，以便有助于除去该腔室中的颗粒。过滤器420位于管线中，该管线将流体通过端口150A直接地供应到过滤器100;270下游的液体腔室53中，以便最大限度地减小将颗粒从流体系统直接地携带至流体腔室53的风险。尽管图9示出了为了交叉冲洗流体腔室53供应的流体与供应给歧管47的流体相同的实施例，但所构想出的是，可从第二流体储存器供应第二流体来用于交叉冲洗流体腔室53。

可替换地，可将阀380,400,390和360开启，而阀410是闭合的以便同时地交叉冲洗第一流体腔室和第二流体腔室两者。可通过将流体通过阀410和端口150A供应至流体腔室53，同时通过端口124和阀400从歧管47收回流体来向后冲洗过滤器100;270。在该交叉冲洗过程期间，将闭合阀380,390和360。在将流体通过端口150A引入第二流体腔室来用于上述任何冲洗过程之前，可能期望首先通过过滤器420和对应的流体管线来冲流体，其中阀380,390和410开启且阀360和400闭合一段时间周期。该操作有助于减小颗粒通过端口150A喷射到第二流体腔室中的风险。

可选的是，通过以超声波方式使过滤器100;270、喷嘴板49以及第一液体腔室53的内表面和歧管(第二液体腔室)47的内表面中的至少一个或一部分进行振动，可以加强用于从歧管47、腔室53、过滤器100;270和喷嘴板49的一个或多个表面除去颗粒的各种冲洗操作。此种振动可从这些表面移除颗粒材料，以便可将颗粒冲出喷射模块48。连结到喷射模块48的外部上的压电元件或压电促动器可用于生成所期望的超声波振动。例如，如欧洲专利第EP 1 095 776号中所述那样，可选的是，可在多个频率下驱动压电促动器来进一步提高交叉冲洗的有效性。如上文所述，过滤器100;270优选为包括具有穿过其的直开孔的材料板，这与具有曲折通路的开孔相反，以便允许更有效的颗粒去除冲洗操作。

 零件清单

20 连续打印系统

22 图像源

24 图像处理单元

26 机构控制电路

28 装置

30 打印头

32 记录介质

34 记录介质传递系统

36 记录介质传递控制系统

38 微控制器

40 储存器

42 捕集器

44 再循环单元

46 压力调节器

46A 泵

47 歧管

48 喷射模块

49 喷嘴板

50 喷嘴

50A 喷嘴孔口

50B 液体流动通道

51 加热器

52 液体

53 液体腔室

54 液滴

56 液滴

57 轨迹

58 液滴流

60 气流偏转机构

61 正压力气流结构

62 气体

63 负压力气流结构

64 偏转区

66 小液滴轨迹

68 大液滴轨迹

72 第一气流导管

74 下壁

76 上壁

78 第二气流导管

82 上壁

85 基底

86 液体返回导管

87 基底

88 板

90 前面

92 正压力源

94 负压力源

95 基底

96 壁

97 基底

100 过滤器

102 过滤器膜

110 开孔

120 开孔集合

122 端口

124 端口

137 肋条结构

140 第一基底

141 第一表面

142 第二表面

150 端口

150A 端口

150B 端口

155 材料层

156 第一掩模层

157 第二掩模层

158 第三掩模层

160 阀

170 第二基底

171 第一表面

172 第二表面

249 第一基底

250 喷嘴

252 液体腔室

253 液体射流

260 液体源

270 过滤器

280 开孔

300 方法

310 步骤

315 步骤

320 步骤

325 步骤

330 步骤

335 步骤

350 过滤器

360 阀

370 真空泵

380 阀

390 阀

400 阀

410 阀

420 过滤器

Claims (15)

1.一种打印头，其包括：

液体源；

第一基底，所述第一基底的部分限定了适于从所述液体源排放液体的喷嘴；

过滤器；以及

包括端口的液体腔室，所述液体腔室与所述喷嘴和所述过滤器是流体连通的，所述液体腔室被定位在所述第一基底与所述过滤器之间。

2.根据权利要求1所述的打印头，其中，所述液体腔室为第一液体腔室，所述打印头还包括：

第二液体腔室，其相对于流过所述过滤器的流体的方向被定位在所述过滤器的上游，所述第二液体腔室包括端口。

3.根据权利要求2所述的打印头，其中，与所述第二液体腔室相关联的所述端口为第一端口，所述第二液体腔室包括第二端口。

4.根据权利要求1所述的打印头，其中，与所述液体腔室相关联的所述端口为第一端口，所述液体腔室包括第二端口。

5.根据权利要求4所述的打印头，其中，所述第二端口被定位成与所述第一端口相对置。

6.根据权利要求1所述的打印头，其中，所述打印头还包括：

阀，其适于控制所述液体通过所述端口的流动，所述阀相对于所述端口位于外部。

7.根据权利要求1所述的打印头，其中，所述打印头还包括：

阀，其适于控制液体通过所述端口的流动，所述阀位于所述端口内。

8.根据权利要求1所述的打印头，其中，所述过滤器包括具有相同尺寸的多个通孔。

9.根据权利要求1所述的打印头，其中，所述过滤器包括多个柱状通孔和多个锥形通孔中的一个。

10.根据权利要求1所述的打印头，其中，所述过滤器包括电铸金属材料。

11.根据权利要求1所述的打印头，其中，所述过滤器包括过滤器膜和加强结构。

12.根据权利要求11所述的打印头，其中，所述过滤器包括平面部件。

13.根据权利要求1所述的打印头，其中，所述过滤器由不锈钢材料、陶瓷材料、聚合物材料、金属材料、半导体材料及其组合制成。

14.根据权利要求1所述的打印头，其中，所述液体腔室由不锈钢材料、陶瓷材料、聚合物材料及其组合中的一个制成。

15.根据权利要求2所述的打印头，其中，所述打印头还包括：

促动器，其以超声波方式使所述过滤器、所述喷嘴板以及所述第一液体腔室的内表面和所述第二液体腔室的内表面中的一个的至少一部分振动。

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