CN104507686A - 喷嘴板、喷嘴板制造方法、喷墨头和喷墨打印装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种喷嘴板，其具有沿厚度方向贯穿该喷嘴板的喷嘴孔。所述喷嘴板包括形成于喷嘴孔处的排出口，若排出口的开口形状的四个角部的曲率记为R1、R2、R3和R4，则排出口的开口形状配置为近似满足方程式R1＝R2≥R3＝R4≈0。

Description

喷嘴板、喷嘴板制造方法、喷墨头和喷墨打印装置

技术领域

本发明涉及一种具有用于排出液体的喷嘴孔的喷嘴板、喷墨头、喷墨打印装置、以及喷嘴板制造方法。

背景技术

在电子设备和显示设备领域中，电子电路和有源矩阵通常是使用光刻工艺制造的。最近，正在为使用印刷工艺制造这种电子设备开发所谓的印刷电子技术。业界正在为印刷电子设备考虑使用各种印刷方法，例如微接触印刷、凹板印刷和丝网印刷。喷墨打印是此类印刷方法中的一种。喷墨打印方法涉及从喷墨头的喷嘴排出墨滴，并使墨滴落到待打印的基底上。典型情况下，喷墨头包括喷嘴板和液腔形成板。喷嘴板包括布置在喷嘴表面的排出口以及与连通排出口的中空部分对应的喷嘴孔，该喷嘴孔沿厚度方向贯穿该喷嘴板。液腔形成板与喷嘴板结合到一起，以形成墨水腔，墨水腔和与喷嘴板的中空部分对应的喷嘴孔连通。这种喷墨头配置为利用驱动装置向形成在排出口处的墨水弯液面施加压力，从而有选择性地从排出口排出墨滴。驱动装置例如可通过采用静电力的系统实现、通过采用压电元件的系统实现，或通过采用热敏元件的系统实现。

当在印刷电子设备中使用喷墨打印方法时，由于电子电路的布线是打印的，因此需要从大约亚微米级至10微米级的高分辨率。鉴于这种要求，在喷嘴板上形成的排出口的直径必须小于或等于10微米。相应地，业界提出了与喷墨头的喷嘴板的形状和制造方法相关的各种技术。例如，日本公开专利10-034365(专利文献1)公开了一种制造喷嘴板的方法，该方法涉及沿将成为喷嘴板的基底的厚度方向在该基底的表面上照射激光束。通过沿基底的厚度方向照射激光束，被激光束照射的基底部分被融化，从而形成通至基底的背面的通孔。通过这种方式，可以制造具有形成在基底的表面上的排出口的喷嘴板，以及与连通该排出口的中空部分对应的喷嘴孔，该排出口贯穿基底的厚度，通至基底的背面。

但是，在专利文献1公开的喷嘴板制造方法中，当形成与通至基底的背面的通孔对应的喷嘴孔时，激光束连续照射在基底的表面上。因此，基底表面附近的温度变得高于基底背面附近的温度，在从基底表面至基底背面的厚度范围内产生温度分布。这会导致基底表面的排出口的开口面积大于基底背面的喷嘴孔的开口面积。而且，当通过扫描激光束形成喷嘴孔时，由于喷嘴孔的密度增大，排出口的间距会减小。

但是，随着间距的减小，在形成当前排出口时，可能残存形成上一个排出口时的余热，因而上一次形成的排出口附近区域的温度可能高于其余区域的温度。结果是，当前排出口的形状可能与所需的目标形状有差异。因而在排出口的开口区域中可能产生很大变化，排出口的开口形状可能不规则，也不稳定。而且，当使用激光束形成喷嘴孔时，排出口的开口形状只能为圆形或椭圆形。当墨水从具有这种开口形状的喷嘴板的排出口排出时，可能形成墨雾或墨星，因而影响高质量打印。

发明内容

本发明要解决的问题

本发明的至少一个实施例之一个目的是提供一种喷嘴板，其包括具有支持高质量打印的开口形状的排出口，所述排出口布置为具有变化较小和稳定的开口形状的开口区域。本发明之另一目的是提供一种制造这种喷嘴板的方法。本发明之又一目的是提供一种喷墨头和包括这种喷嘴板的喷墨打印装置。

解决问题的方案

根据本发明的实施例，本发明提供一种喷嘴板，其具有沿厚度方向贯穿该喷嘴板的喷嘴孔。所述喷嘴板包括形成于喷嘴孔处的排出口，若排出口的开口形状的四个角部的曲率记为R1、R2、R3和R4，则排出口的开口形状配置为近似满足方程式R1＝R2≥R3＝R4≈0。

本发明的有益效果

根据本发明的一个方面，具有形成在其上的沟槽的第一基底的表面与第二基底的表面结合，以形成结合基底，从而沟槽形成喷嘴孔。然后，沿与沟槽的纵向基本上垂直的方向切割结合基底，以便在结合基底的切割面处形成排出口。在一个实施例中，通过把沟槽的横截面形状设置为沿纵向在其整个长度上基本相同，通过沿与沟槽的纵向基本上垂直的方向切割结合基底而形成的排出口的开口面积和开口形状在沿沟槽的纵向的特定位置上基本上是一致的。在一个实施例中，若排出口的开口形状的四个角部的曲率记为R1、R2、R3和R4，则沟槽可形成为使得排出口的开口形状近似满足方程式R1＝R2≥R3＝R4≈0。通过这种方式，能够制造可实现墨雾和墨星较少的高质量打印的喷嘴板，其中，排出口的开口面积的变化较小，排出口的开口形状较稳定。

附图说明

图1A-1D是说明本发明的第一实施例的喷嘴板制造工序的透视图；

图2A是使用第一实施例的制造方法制造的喷嘴板的透视图；

图2B是沿图2A中的剖切面线A-A'剖切而产生的喷嘴板的截面透视图；

图3示出了喷嘴板的排出口的一种示例性开口形状；

图4示出了排出口的显微照片；

图5A和5B示出了喷嘴孔的显微照片；

图6A和6B示出了一个对比例的喷嘴板的排出口和喷嘴孔的显微照片；

图7A-7C示出了本发明的第二实施例的构成喷墨头的板的构造；

图8A是结合板的平面图；

图8B是沿图8A的剖切面线B-B'剖切而产生的结合板的横截面图；

图9是第二实施例的喷墨头的示意图；

图10是本发明的第三实施例的喷墨打印装置的透视图；

图11A是喷墨打印装置的右视图；

图11B是喷墨打印装置的前视图；

图12A和12B示出了第三实施例的喷墨打印装置使用第一实施例的喷嘴板打印在基底上的点的显微照片；和

图13示出了第三实施例的喷墨打印装置使用对比例的喷嘴板打印在基底上的点的显微照片。

具体实施方式

在下文中，将参照附图说明本发明的实施例的喷嘴板制造方法、喷嘴板、喷墨头和喷墨打印装置。

在常规图像记录技术中，不同颜色(例如黄色、洋红色和青色)的墨水的粘度和表面张力等墨水性质设置为基本相同。另一方面，在印刷电子技术中，必须使用具有不同物理性质的墨水，以适应根据待印刷的图案在不同厚度的薄膜(例如布线、半导体膜或绝缘膜)上进行印刷。而且，由于墨水的溶剂根据所用的墨水类型(例如水基墨水、有机溶剂墨水、或酸性墨水)而可能有所不同，因此喷墨头的材料必须具有化学耐久性。因此，本发明实施例的喷嘴板优选由具有化学和物理耐久性以及平滑表面的基材制成。例如，可使用由二氧化硅玻璃或硼硅玻璃制成的氧化物玻璃基底、或由石英、蓝宝石或硅制成的单晶基底。

图1A-1D是说明本发明的第一实施例的喷嘴板制造工序的透视图。请参考图1A，在第一工序中，通过光刻工艺在第一基底11的表面上形成具有所需图案的沟槽12。应说明，光掩模上的沟槽图案的间距与喷嘴板的喷嘴间距对应。在一个优选实施例中，在用于形成喷嘴的沟槽12的外侧可形成用于对位喷嘴板的对位沟槽。由于该材料用于转印光掩模图案，因此可使用光敏抗蚀膜或金属膜等，例如镍(Ni)膜。在一个实施例中，光掩模图案可通过涂覆光敏抗蚀剂(例如SU-8)，对光敏抗蚀剂进行曝光和显影，然后刻蚀第一基底11来形成。

作为蚀刻方法，可使用反应离子蚀刻(RIE)等干蚀刻法或湿蚀刻法。应注意，沟槽12的形状可通过掩模图案和蚀刻条件来控制。作为一个可选的工序，当在喷嘴孔处形成电极膜时，可在第一基底11的表面上形成沟槽12之后通过光刻工艺在沟槽12内形成电极膜。为了形成电极膜，例如可通过溅射或真空汽相淀积法形成厚度为20-150纳米的单个或多个金属层(例如铂、金、银、铜、镍、铬、钼、钨、铌或钽，或它们的合金)或透明导电氧化物(例如ITO、ATO、或AZO)，然后进行图案化加工工艺。

下面请参考图1B，在第二工序中，具有形成在其上的沟槽12的第一基底11的表面与第二基底21的平面结合。由于第二基底21的表面是平坦的，因此可不必相对于第二基底21精确定位第一基底11。至于结合方法，例如可使用常规技术，例如热熔接、阳极接合、直接接合、或等离子体激活低温接合。然后，请参考图1C，在第三工序中，沿与形成在第一基底11上的沟槽12的对位方向(纵向)上的虚拟线对应的切割线22切割包括结合在一起的第一基底11和第二基底21的结合板(喷嘴板)11。应注意，可使用已知的设备(例如切块机或精密切割机)切割结合板31。切割宽度与喷嘴孔的流道长度(喷嘴长度)L对应，可通过改变切割长度来随意调节喷嘴长度L。

请参考图2A，通过图1A-1D所示的工序加工出的喷嘴板的喷嘴面(切割面)具有多个排出口32。请参考与沿图2A的A-A'剖切面线剖切而形成的横截面图对应的图2B，与排出口32连通并贯穿喷嘴板31的厚度的喷嘴孔33布置为具有直孔构造。当在图1A所示的第一工序中形成的沟槽12的宽度保持相同时，可以形成这种笔直喷嘴孔33。

在一些优选实施例中，可根据需要在上述的第一至第三工序之前、之后或之间执行附加的工序，例如抛光和清洁。另外，可在喷嘴板的表面上执行斥液处理。而且，在第三工序之后，可在排出口的周围执行扩孔过程。而且，虽然在上述实施例中仅在第一基底11上形成沟槽12，但是在可替代实施例中，在第二基底21上也可形成沟槽，并且第一基底11上的沟槽和第二基底21上的沟槽可以结合到一起，以形成单个喷嘴板沟槽。在此情况中，能够以更高的精度定位第一基底11和第二基底21。而且，虽然在上述实施例中沟槽12布置为直槽构造，但是在可替代实施例中，例如，沟槽12可布置为锥形构造，其中，沟槽宽度逐渐变化，或者沟槽12可布置为具有台阶式构造，以便使通过切割结合板产生的每个喷嘴板具有不同的排出口直径。

在此实施例中，在第一工序中确定排出口的数目和排出口的间距。由于第一工序涉及与高精度加工对应的光刻工艺，因此与执行激光钻孔等工艺不同的是，即使当排出口的数目增加时，生产率也不会受到影响。因此，在增加排出口密度的情况中，实施第一工序比较有利。而且，在此实施例中，排出口的开口面积S和喷嘴孔的构造由第一工序和第二工序决定。而处理精度主要由蚀刻精度决定，因为沟槽的最大纵横比(宽度/深度比)约为1，在此实施例中可实现高精度处理。因此，喷嘴孔可布置为直孔构造。与在第三工序中确定的切割宽度对应的喷嘴孔长度L可通过改变切割宽度来任意调节。例如，在第一基底11上形成有100毫米长度的沟槽12的情况中，当喷嘴孔长度L＝100微米时，可制造1000个喷嘴板，当喷嘴孔长度L＝1毫米时，可制造100个喷嘴板。通过这种方式，能够在此实施例中实现高生产率。但是，应注意，在上述例子中未考虑切削裕量。

与排出口连通的喷嘴孔的内壁和排出口的周围部分优选由具有较高化学稳定性的绝缘材料制成。在一个优选实施例中，喷嘴板本身可由氧化物材料制成，例如二氧化硅玻璃、硅酸盐玻璃或硼硅玻璃等。在另一个实施例中，可产生具有单晶硅的结构基体，并可通过例如热加工等工艺在包括喷嘴流道的表面上形成二氧化硅膜。需要特别说明的是，在采用静电力作为排出墨水的能量(驱动装置)时，喷嘴板优选由可提供高绝缘能力的材料制成，例如二氧化硅玻璃、蓝宝石或石英等。

图3示出了排出口的一种示例性开口形状。如图3所示，排出口的开口形状近似为四边形(方形)。在此实施例中，排出口的四边形形状的四角的曲率R1-R4布置为近似满足方程式R1＝R2≥R3＝R4≈0，并且喷嘴孔布置为具有直孔构造。排出口的开口面积S布置为不超过100平方微米，喷嘴孔的笔直部分(喷嘴流道部分)的长度L与排出口的开口面积S的比值L/S布置为至少2微米^-1。比值L/S优选可布置为至少4微米^-1，更优选为至少10微米^-1。应注意，排出口的开口形状不限于如图3所示的四边形形状，也可布置为具有例如三个角或五个角的多边形形状等。而且，应注意，当R1＝R2＝a＝b/2时，排出口的开口形状将为半圆形。

在用于图像记录的喷墨头中，要根据墨水制定严格的需求规格，以确保稳定记录。例如，在由理光公司制造的压电喷墨头中，墨水粘度η为10-12mPa·s，表面张力γ为28-35mN/m。另一方面，在印刷电子设备中使用的墨水可具有变化很大的墨水粘度η，其范围可从大约数个mPa·s至数百mPa·s。

在粘性流体流过圆形管的情况中，若与流体相关的某些条件是已知的，则流体的流速Q可从下面的哈根-泊肃叶(Hagen-Poiseuille)方程式(1)导出：

$Q=\frac{{\mathrm{\πa}}^4\mathrm{\ΔP}}{8\mathrm{\ηL}}$

在上面的方程式中，“a”代表圆形管的半径，“ΔP”代表压差，“η”代表墨水粘度，“L”代表圆形管的长度。

令“S”代表管的开口面积(横截面积)并且“ΔF”代表外力差，则流速Q可由下面的近似方程式(2)表示。

$Q\∝\frac{\mathrm{S\ΔF}}{\mathrm{\ηL}}$

因此，当墨水粘度范围较宽时，必须适当调节比值L/S，以实现所需的流速Q。

应注意，在用于图像记录的常规喷墨头中，排出口的开口直径约为20微米，喷嘴孔的笔直部分的长度约为50微米，这时不能充分控制比值L/S。

经过各种实验性研究之后，本发明人发现，通过根据此实施例把喷嘴板的排出口设计为如上所述的开口形状，能够实现墨雾和墨星较少的高质量打印。而且，在此实施例中，与常规设计相比，喷嘴的孔口横截面积可减小约1/4，喷嘴孔长度L可在从数十微米(μm)至数毫米(mm)的范围内任意调节，并且可以制造能适应具有不同物理性质的墨水的喷嘴板。

而且，在根据本实施例的喷嘴板制造方法制造的喷嘴板中，当在喷嘴板上形成多个排出口时，能够把排出口的结构参数(例如长度和面积)的标准偏差保持在±3％之内。在为了提高印刷品的生产率而提高排出口密度的情况中，实现这种几乎无偏差的一致印刷效果可能很重要。应注意，在印刷电子设备中，排出口的结构参数的一致性可能特别重要，因为电气特性可能受印刷品的厚度和面内方向的直接影响。

而且，在采用静电力作为排出能量时，喷嘴孔的全部或部分内壁表面可被金属或透明导电氧化物覆盖。例如，可使用铂、金、银、铜、镍、铬、钼、铌或钽等金属或它们的合金，或者使用ITO、ATO或AZO等透明导电氧化物。而且，可布置多层这种材料，以提高膜层附着力等。

在排出墨水时，排出口的周围优选布置为具有足够的斥液性。可以使用常规技术来保证这种斥液性。例如，可在喷嘴板的整个排液面上或排出口的周围部分上形成由氟树脂或有硅树脂制成的斥液膜。

在进行长时间打印时，可能需要对喷嘴板的喷嘴面进行清洁。在此情况中，可以使用常规清洁技术，例如使用橡皮擦拭喷嘴板的喷嘴表面以除去多余墨水，或者吸除墨水等。在使用刮片擦拭喷嘴面时，通过在排出口的周围执行扩孔过程以形成凹窝部，可进一步提高清洁效果。

在下文中，将说明上述喷嘴板和喷嘴板制造方法的几个实施例。但是，本发明不局限于这种特定实施例。

(实施例1)

制备两片二氧化硅玻璃基底(40毫米见方，3毫米厚)作为基材。在每片二氧化硅玻璃基底上，使用中性洗涤剂、纯水和异丙醇执行超声波清洗过程。在对二氧化硅玻璃基底进行干燥后，在90℃温度下在每片二氧化硅玻璃基底上执行紫外线-臭氧处理10分钟。然后，在一片二氧化硅玻璃基底上旋涂光致抗蚀剂，然后使用预定的光掩模对光致抗蚀剂进行曝光和显影，从而在二氧化硅玻璃基底上形成抗蚀图案。按510微米间距形成64个1微米宽和30毫米长的沟槽，作为光致抗蚀图案。然后，使用40％氢氟酸(HF)溶液对二氧化硅玻璃基底进行蚀刻，以形成深度为2微米的沟槽。在用水清洗二氧化硅玻璃基底后，除去光致抗蚀剂。然后，把在其上形成有沟槽的二氧化硅玻璃基底的已处理表面与另一片经过紫外线-臭氧处理的二氧化硅玻璃基底的表面结合在一起，并在1150℃温度下加热30分钟。随后，使用精密切割机切割结合结构，并对切面进行抛光，以制造长度为6毫米、宽度为40毫米、厚度分别为0.1毫米、0.3毫米、0.5毫米、0.725毫米、1.0毫米、1.5毫米和2.0毫米的喷嘴板。

(实施例2)

制备两片二氧化硅玻璃基底(40毫米见方，3毫米厚)作为基材。在每片二氧化硅玻璃基底上，使用中性洗涤剂、纯水和异丙醇执行超声波清洗过程。在对二氧化硅玻璃基底进行干燥后，在90℃温度下在每片二氧化硅玻璃基底上执行紫外线-臭氧处理10分钟。然后，在一片二氧化硅玻璃基底上旋涂光致抗蚀剂，然后使用预定的光掩模对光致抗蚀剂进行曝光和显影，从而在二氧化硅玻璃基底上形成抗蚀图案。按510微米间距形成64个2微米宽和30毫米长的沟槽，作为光致抗蚀图案。然后，使用40％氢氟酸(HF)溶液对二氧化硅玻璃基底进行蚀刻，以形成深度为2微米的沟槽。在用水清洗二氧化硅玻璃基底后，除去光致抗蚀剂。然后，把在其上形成有沟槽的二氧化硅玻璃基底的已处理表面与另一片经过紫外线-臭氧处理的二氧化硅玻璃基底的表面结合在一起，并在1150℃温度下加热30分钟。随后，使用精密切割机切割结合结构，并对切面进行抛光，以制造长度为6毫米、宽度为40毫米、厚度分别为0.1毫米、0.3毫米、0.5毫米、0.725毫米、1.0毫米、1.5毫米和2.0毫米的喷嘴板。

(实施例3)

制备两片二氧化硅玻璃基底(40毫米见方，3毫米厚)作为基材。在每片二氧化硅玻璃基底上，使用中性洗涤剂、纯水和异丙醇执行超声波清洗过程。在对二氧化硅玻璃基底进行干燥后，在90℃温度下在每片二氧化硅玻璃基底上执行紫外线-臭氧处理10分钟。然后，在其中一片二氧化硅玻璃基底上旋涂第一层光致抗蚀剂。随后，在此基底上旋涂第二层光致抗蚀剂，并使用预定的光掩模对第一和第二层光致抗蚀剂进行曝光和显影，以便在该二氧化硅玻璃基底上形成双层抗蚀图案。然后，通过电子束蒸发工艺沉积一层200纳米厚的镍膜。随后，进行剥离，以形成间距为510微米的64个2微米宽和30毫米长的沟槽图案。然后，使用CF₄气体通过反应离子刻蚀工艺在镍掩模开口部分对二氧化硅玻璃基底进行刻蚀，以形成深度为1微米的沟槽。然后，使用硝酸溶解镍掩模，并用水清洗二氧化硅玻璃基底。然后，把在其上形成有沟槽的二氧化硅玻璃基底的已处理表面与另一片经过紫外线-臭氧处理的二氧化硅玻璃基底的表面结合在一起，并在1150℃温度下加热30分钟。随后，使用精密切割机切割结合结构，并对切面进行抛光，以制造长度为6毫米、宽度为40毫米、厚度分别为0.1毫米、0.3毫米、0.5毫米、0.725毫米、1.0毫米、1.5毫米和2.0毫米的喷嘴板。

(实施例4)

制备两片二氧化硅玻璃基底(40毫米见方，3毫米厚)作为基材。在每片二氧化硅玻璃基底上，使用中性洗涤剂、纯水和异丙醇执行超声波清洗过程。在对二氧化硅玻璃基底进行干燥后，在90℃温度下在每片二氧化硅玻璃基底上执行紫外线-臭氧处理10分钟。然后，在一片二氧化硅玻璃基底上旋涂光致抗蚀剂，然后使用预定的光掩模对光致抗蚀剂进行曝光和显影，从而在二氧化硅玻璃基底上形成抗蚀图案。按510微米间距形成64个1微米宽和30毫米长的沟槽，作为光致抗蚀图案。然后，使用CHF₃气体通过反应离子刻蚀工艺在抗蚀膜开口部分对二氧化硅玻璃基底进行刻蚀，以形成深度为3微米的沟槽。然后，把反应气体改为氧气，以腐蚀和去除剩余抗蚀膜。然后，把在其上形成有沟槽的二氧化硅玻璃基底的已处理表面与另一片经过紫外线-臭氧处理的二氧化硅玻璃基底的表面结合在一起，并在1150℃温度下加热30分钟。随后，使用精密切割机切割结合结构，并对切面进行抛光，以制造长度为6毫米、宽度为40毫米、厚度分别为0.1毫米、0.3毫米、0.5毫米、0.725毫米、1.0毫米、1.5毫米和2.0毫米的喷嘴板。

(对比例1)

制备二氧化硅玻璃基底(20×40毫米，0.3毫米厚)作为基材。在该二氧化硅玻璃基底上，使用中性洗涤剂、纯水和异丙醇执行超声波清洗过程。在对二氧化硅玻璃基底进行干燥后，在90℃温度下在二氧化硅玻璃基底上执行紫外线-臭氧处理10分钟。然后，在二氧化硅玻璃基底上沉积100纳米厚的铝层，并通过普通的光刻工艺形成对位标记。然后，使用聚焦光学系统在二氧化硅玻璃基底上聚焦Nd:YAG激光(波长为355纳米，脉冲宽度10皮秒，频率为1千赫，脉冲能量为50微焦)的三次谐波，从而对二氧化硅玻璃基底执行穿孔过程。通过这种方式，制造具有按1020微米间距布置的32个喷嘴孔径为5微米的喷嘴孔的喷嘴板。

(对比例2)

制备二氧化硅玻璃基底(20×40毫米，0.7毫米厚)作为基材。在该二氧化硅玻璃基底上，使用中性洗涤剂、纯水和异丙醇执行超声波清洗过程。在对二氧化硅玻璃基底进行干燥后，在90℃温度下在二氧化硅玻璃基底上执行紫外线-臭氧处理10分钟。然后，在二氧化硅玻璃基底上沉积100纳米厚的铝层，并通过普通的光刻工艺形成对位标记。然后，使用聚焦光学系统在二氧化硅玻璃基底上聚焦Nd:YAG激光(波长为355纳米，脉冲宽度10皮秒，频率为1千赫，脉冲能量为50微焦)的三次谐波，从而对二氧化硅玻璃基底执行穿孔过程。通过这种方式，制造具有按1020微米间距布置的32个直径为8微米的排出口的喷嘴板。

下面的表1示出了根据上述的实施例1-4(E1-E4)和对比例1-2(C1-C2)制造的喷嘴板的评价结果。

[表1]

(续)

应注意，上表1中所示的排出口形状参数“a”、“b”、“R1”、“R2”、“R3”和“R4”与图3中所示的对应。可以理解的是，在实施例1-4中，能够制造具有64个在形状和尺寸上基本一致(即，基本上无变化)的排出口的喷嘴板。而且，在实施例1-4中，不论喷嘴孔长度L为多少，都能制造具有呈直筒构造而不是锥形构造的喷嘴流道的喷嘴板。例如，对于在实施例1中制造的喷嘴板，图4示出了实施例1的喷嘴板的排出口开口的显微照片；图5A示出了实施例1的喷嘴板的喷嘴孔的显微照片；图5B示出了图5A中由点划线围住的部分的放大图。从这些图可以看出，喷嘴板的排出口的开口形状与所需的目标形状相符，并且喷嘴孔也具有所需的直孔构造。另一方面，在对比例1中，排出口直径D与目标形状的偏差较大，约为8％。而且，如对比例2中所示，当喷嘴孔长度L增大至0.7毫米时，很难开出直径约为5微米的喷嘴孔，排出口直径D会增大，误差也会增大至约30％。而且，在对比例1和2中，喷嘴孔的喷嘴流道部分是锥形的，并且不稳定。例如，从显示在对比例1中制造的喷嘴板的喷嘴表面和喷嘴流道横截面的显微照片的图6A和6B可以看出，喷嘴表面和排出口的周围部分很粗糙，并且局部缺损，流道具有锥形构造，而不是直筒构造。

下面将说明本发明的第二实施例的喷墨头制造方法。

在此实施例中，上述实施例1-4的喷嘴板可用于制造喷墨头。图7A-7C示出了包含在此实施例的喷墨头中的板的构造。应注意，所示的喷墨头使用静电力作为驱动手段。图7A示出了具有多个排出口32的喷嘴板31。在此实施例中，在喷嘴板31的喷嘴表面上旋涂氟基斥液材料。然后，在烘烤箱中在60℃温度下对喷嘴板31干燥30分钟，从而在表面上进行斥液处理。图7B示出了与液腔板对应的流道板41。使用直流溅射通过金属掩模在流道板41上形成200纳米厚的钼膜，以形成电极42。在此过程中，在排液腔44的内壁上形成与电极42电连接的电极膜43。图7C示出了墨水入口板51，该墨水入口板51包括墨水入口52，用于从外部向排液腔44引入墨水。喷嘴板31沿形成在流道板41上的对位标记布置，并通过紫外线固化树脂与流道板41结合。而且，墨水入口板51通过紫外线固化树脂结合到流道板41上，以制造如图8A和8B所示的结合板。

然后，把结合板60安装到安装在Zαβ方向位置调整机构81中的板架82上，并把结合板60的电极连接到高压脉冲放大器(未示出)上，以制造如图9所示的喷墨头80。应注意，可以预先从墨水入口52把墨水引入排液腔44中。例如，墨水入口52可通过管与墨水罐连通，并可从墨水罐输送到排液腔44中。基于来自于上级设备的信号，可在结合板60中的电极上施加来自于高压脉冲放大器的电压。而带电墨滴可在静电力下从喷嘴孔排出，墨滴可落在布置在XYZ平台83上的待打印基底90的表面上。

此实施例的喷墨头包括喷嘴板31和流道板41。喷嘴板31按照上述第一实施例的喷嘴板制造方法制造。结合到喷嘴板31上的流道板41与通过和喷嘴板31结合而形成连通喷嘴板31的喷嘴孔的墨水流道(例如排液腔和液池)的液腔形成板对应。此实施例的喷墨头配置为利用驱动装置向形成在相应喷嘴的端头的弯液面施加力，从而从选定的排出口排出墨滴。在一个示例中，压电元件可用作驱动装置。在此情况中，压电元件可布置在排液腔中，连接至压电元件的电极可引到排液腔外部，以便连接至脉冲电源电路。在另一个示例中，静电力可用作驱动手段。在此情况下，可按如上所述在喷嘴孔的内壁上形成电极膜，或者，可在喷嘴板的背面形成电极膜。可替代地，电极膜可从排液腔引出，以便电连接至脉冲电源电路。在又一个示例中，热电转换元件可用作驱动装置。在此情况下，热电转换元件可布置在排液腔中，连接至热电转换元件的电极可引到排液腔外部，以便连接至脉冲电源电路。此实施例的喷墨头还包括Zαβ方向位置调整机构81，该机构用于调整喷嘴板31的喷嘴面和待打印基底90的表面之间的距离和平行度。而且，此实施例的喷墨头可包括用于清洁喷嘴板31的喷嘴面的清洁机构。

下面说明作为本发明的第三实施例的喷墨打印装置，该喷墨打印装置包括上述第二实施例的喷墨头。图10是本发明的第三实施例的喷墨打印装置100的透视图。图11A是喷墨打印装置100的右视图，图11B是喷墨打印装置100的前视图。如图10所示，喷墨打印装置100包括XY平台101、连桥、T轴调整机构102、以及Z轴调整机构103。XY平台101配置为支撑布置在其上的待打印基底。连桥布置为跨立在XY平台101上，类似于一个门架。布置在连桥处的T轴调整机构102具有附接在其上的Z轴调整机构103。如图11A和11B所示，喷墨头80被Z轴调整机构103的竖向(Z轴)驱动平台保持。连桥和XY平台101布置在平板上。待打印基底布置在XY平台101上。在一个优选实施例中，还提供有基底吸附机构和温度调节机构。XY平台101电连接至驱动电路，并由与连接至驱动电路的上级设备对应的运动控制器驱动。喷墨头80电连接至驱动脉冲电源电路(未示出)，并与XY平台一起被驱动。打印数据输入到计算机程序中，运动控制器和驱动脉冲电源电路由打印数据的相应输出数据控制。在另一个实施例中，例如可布置用于监视排液的摄像头和用于对位的摄像头。

应注意，虽然上文所述的是桥式喷墨打印装置，但是此实施例不局限于这种喷墨打印装置，可以使用其它类型的喷墨打印装置，只要其能通过协作地控制喷墨头的排出操作和由计算机程序确定的基底位置从而作为能在基底上打印所需数据的装置。

使用按上述方式制造的喷墨打印装置，对各种墨水的排墨进行了测试，以测试排墨性能。在使用上述实施例1-4的喷嘴板排墨的情况中，通过选择具有适当喷嘴长度L的喷嘴板，不论墨水粘度多高，都能成功排出小于1pL的微墨滴。而且，能够实现基本上无墨雾和墨星的高质量打印。另一方面，采用上述对比例1和2的喷嘴板时，由于比值L/S不能充分增大，因此即使当使用具有推荐粘度的墨水时，也不能把排墨量降到低于1pL，并且不能排出微墨滴。而且，会产生墨星。图12A是显示使用实施例1(L＝0.725)的喷嘴板排墨的示例性结果的显微照片。在此例中，使用具有热氧化膜的硅基底作为待打印基底，并使用由Harima Chemicals,Inc.生产的纳米金溶胶NPG-J作为墨水。喷墨头由50赫兹矩形波驱动，施加的电压为700伏，扫描速度为1毫米/秒。因此，形成按510微米喷嘴间距的间隔连续排出的墨点。图12B是图12A的显微照片的放大图。从这些图中可以看出，看不到墨雾或墨星，并且形成一致的椭圆形点。应注意，在此例中，点半径为2.8微米，点高度为110纳米，排墨量为14fL。图13是显示使用对比例1的喷嘴板排出墨水的示例性结果的显微照片。在此例中，排墨条件与图12A和2B所示的例子的排墨条件相同。在图13中，由于排墨量大于图12A和12B的例子，因此点直径增大，在点附近产生墨星。

虽然在上文中本发明是参照一些优选实施例说明的，但是本发明不局限于这些实施例，在不脱离本发明的范围的前提下，可做出各种变化和修改。

下面说明本发明的各种模式和其优点。

(模式1)

一种喷嘴板，其具有沿厚度方向贯穿该喷嘴板的喷嘴孔。所述喷嘴板包括形成于喷嘴孔处的排出口，其中，若排出口的开口形状的四个角部的曲率记为R1、R2、R3和R4，则排出口的开口形状配置为近似满足R1＝R2≥R3＝R4≈0。通过这种方式，如上文的第一实施例的说明，能够提供可实现墨雾和墨星较少的高质量打印以及稳定的墨滴排出操作的喷嘴板。

(模式2)

一种喷嘴板，其具有沿厚度方向贯穿该喷嘴板的喷嘴孔。所述喷嘴板包括包含形成有沟槽的结合面的第一基底、包含结合到第一基底的结合面的表面的第二基底、以及形成于喷嘴孔处的排出口。第一基底和第二基底结合在一起，并沿与形成在第一基底的结合面上的沟槽的纵向基本上垂直的方向被切割。排出口形成在结合在一起的第一基底和第二基底的切割面上，若排出口的开口形状的四个角部的曲率记为R1、R2、R3和R4，则排出口的开口形状配置为近似满足方程式R1＝R2≥R3＝R4≈0。通过这种方式，如上文的第一实施例的说明，能够提供可实现墨雾和墨星较少的高质量打印以及稳定的墨滴排出操作的喷嘴板。

(模式3)

模式1或模式2的喷嘴板由具有化学稳定性的绝缘材料制成。

通过这种方式，如上文的第一实施例的说明，可提供具有足够的化学稳定性、能实现高质量打印和稳定的墨滴排出操作的喷嘴板。

(模式4)

在根据模式1-3中的任何一个模式的喷嘴板中，喷嘴孔包括与排出口连通的喷嘴流道部分，并且喷嘴流道部分布置为具有笔直构造。通过这种方式，如上文的第一实施例的说明，可提供能实现高质量打印和稳定的墨滴排出操作的喷嘴板。

(模式5)

在根据模式1-4中的任何一个模式的喷嘴板中，若排出口的开口面积记为S，与排出口连通的喷嘴孔的喷嘴流道部分的长度记为L，则S≤100平方微米，并且比值L/S≥2微米^-1。通过这种方式，如上文的第一实施例的说明，可提供能实现高质量打印和稳定的墨滴排出操作的喷嘴板。

(模式6)

在根据模式1-5中的任何一个模式的喷嘴板中，若排出口的开口面积记为S，与排出口连通的喷嘴孔的喷嘴流道部分的长度记为L，则S≤100平方微米，并且比值L/S≥4微米^-1。通过这种方式，如上文的第一实施例的说明，可提供能实现高质量打印和稳定的墨滴排出操作的喷嘴板。

(模式7)

在根据模式1-6中的任何一个模式的喷嘴板中，若排出口的开口面积记为S，与排出口连通的喷嘴孔的喷嘴流道部分的长度记为L，则S≤100平方微米，并且比值L/S≥10微米^-1。通过这种方式，如上文的第一实施例的说明，可提供能实现高质量打印和稳定的墨滴排出操作的喷嘴板。

(模式8)

一种制造喷嘴板的方法，该喷嘴板具有贯穿喷嘴板的厚度的喷嘴孔，该方法包括以下步骤：在第一基底的表面上形成沟槽，把第二基底的表面结合到第一基底的形成有沟槽的表面上以产生结合基底，并沿与沟槽的纵向基本上垂直的方向切割结合基底。通过这种方式，如上文的第一实施例的说明，通过把第一基底11和第二基底21结合到一起，可在这些基底的结合面之间由形成在第一基底11的表面上的沟槽12形成喷嘴孔33。通过沿基本上垂直于沟槽12的纵向的方向切割结合基底，可在结合基底的切割面上形成排出口32。例如，通过把沟槽12的横截面形状设置为沿纵向在其整个长度上基本相同，通过沿与沟槽的纵向基本上垂直的方向切割结合基底而形成的排出口的开口面积和开口形状在沿沟槽的纵向的特定位置上基本上是一致的。通过这种方式，可制造具有开口面积变化较小并且开口形状较稳定的排出口的喷嘴板。

(模式9)

在通过模式8的方法制造的喷嘴板中，喷嘴孔包括形成在结合基底的切割面上的排出口，若排出口的开口形状的四个角部的曲率记为R1、R2、R3和R4，则排出口的开口形状配置为近似满足方程式R1＝R2≥R3＝R4≈0。通过这种方式，如上文的第一实施例的说明，能够制造可实现墨雾和墨星较少的高质量打印以及稳定的墨滴排出操作的喷嘴板。

(模式10)

按照模式8或模式9的方法制造的喷嘴板由具有化学稳定性的绝缘材料制成。通过这种方式，如上文的第一实施例的说明，可制造具有足够的化学稳定性、能实现高质量打印和稳定的墨滴排出操作的喷嘴板。

(模式11)

在根据模式8-10的方法之中的任何一个方法制造的喷嘴板中，喷嘴孔包括与排出口连通的喷嘴流道部分，并且喷嘴流道部分布置为具有笔直构造。如上文的第一实施例的说明，通过把沟槽12的横截面形状布置为沿纵向在其整个长度上基本相同，喷嘴孔可布置为具有笔直构造。通过这种方式，如上文的第一实施例的说明，可制造能实现高质量打印和稳定的墨滴排出操作的喷嘴板。

(模式12)

在根据模式8-11的方法之中的任何一个方法制造的喷嘴板中，若排出口的开口面积记为S，与排出口连通的喷嘴孔的喷嘴流道部分的长度记为L，则S≤100平方微米，并且比值L/S≥2微米^-1。通过这种方式，如上文的第一实施例的说明，可制造能实现高质量打印和稳定的墨滴排出操作的喷嘴板。

(模式13)

在根据模式8-12的方法之中的任何一个方法制造的喷嘴板中，若排出口的开口面积记为S，与排出口连通的喷嘴孔的喷嘴流道部分的长度记为L，则S≤100平方微米，并且比值L/S≥4微米^-1。通过这种方式，如上文的第一实施例的说明，可制造能实现高质量打印和稳定的墨滴排出操作的喷嘴板。

(模式14)

在根据模式8-13的方法之中的任何一个方法制造的喷嘴板中，若排出口的开口面积记为S，与排出口连通的喷嘴孔的喷嘴流道部分的长度记为L，则S≤100平方微米，并且比值L/S≥10微米^-1。通过这种方式，如上文的第一实施例的说明，可制造能实现高质量打印和稳定的墨滴排出操作的喷嘴板。

(模式15)

一种喷墨头，包括根据模式1-7之中的任何一个模式的至少一个喷嘴板或按照模式8-14的方法之中的任何一个方法制造的喷嘴板、以及连接至形成于喷嘴板的喷嘴孔处的喷嘴流道部分并配置为向该喷嘴流道部分供应墨水的墨水流道。通过这种方式，如上文的第二实施例的说明，可提供能实现高质量打印和稳定的墨滴排出操作的喷墨头。

(模式16)

一种喷墨打印装置，包括模式15的喷墨头、用于驱动喷墨头的驱动装置、配置为支撑待打印的基底并相对于喷墨头沿XYZ方向扫描基底的扫描单元、以及配置为处理打印图案数据并根据打印图案数据控制驱动装置和扫描装置的控制单元。通过这种方式，如上文的第三实施例的说明，可提供能够通过控制喷墨头的排墨操作和基底的位置在待打印的基底上正确打印所需数据的喷墨打印装置。

本申请以2012年7月31日提交的日本专利申请2012-170502为基础，并要求该申请的优先权益，该申请的内容通过引用结合在此。

附图标记说明

11:第一基底

12:沟槽

21:第二基底

22:切割线

31:喷嘴板

32:排出口

33:喷嘴孔

41:流道板

42:电极

43:电极膜

44:排液腔

51:墨水入口板

52:墨水入口

60:结合板

80:喷墨头

81:Zαβ方向位置调整机构

82:板架

83:XYZ平台

90:待打印基底

100:喷墨打印装置

102:T-轴调整机构

103:Z轴调整机构

Claims (14)

1.一种喷嘴板，具有沿厚度方向贯穿该喷嘴板的喷嘴孔，包括：

形成于喷嘴孔处的排出口，其中，若排出口的开口形状的四个角部的曲率记为R1、R2、R3和R4，则排出口的开口形状配置为近似满足R1＝R2≥R3＝R4≈0。

2.如权利要求1所述的喷嘴板，还包括：

第一基底，包括形成有沟槽的结合面；

第二基底，包括结合到第一基底的结合面的表面；和

形成于喷嘴孔处的排出口；其中，

第一基底和第二基底结合在一起，并沿与形成在第一基底的结合面上的沟槽的纵向基本上垂直的方向被切割；

排出口形成在结合在一起的第一基底和第二基底的切割面上；和

若排出口的开口形状的四个角部的曲率记为R1、R2、R3和R4，则排出口的开口形状配置为近似满足R1＝R2≥R3＝R4≈0。

3.如权利要求1所述的喷嘴板，其中，

喷嘴板的材料包括具有化学稳定性的绝缘材料。

4.如权利要求1所述的喷嘴板，其中，

喷嘴孔包括与排出口连通的喷嘴流道部分，喷嘴流道部分布置为具有笔直构造。

5.如权利要求1所述的喷嘴板，其中，

若排出口的开口面积记为S，与排出口连通的喷嘴孔的喷嘴流道部分的长度记为L，则S≤100平方微米，并且比值L/S≥2微米^-1。

6.如权利要求1所述的喷嘴板，其中，

若排出口的开口面积记为S，与排出口连通的喷嘴孔的喷嘴流道部分的长度记为L，则S≤100平方微米，并且比值L/S≥4微米^-1。

7.一种制造喷嘴板的方法，所述喷嘴板具有沿厚度方向贯穿该喷嘴板的喷嘴孔，所述方法包括以下步骤：

在第一基底的表面上形成沟槽；

把第二基底的表面结合到第一基底的形成有沟槽的表面上，以产生结合基底；和

沿与沟槽的纵向基本上垂直的方向切割结合基底。

8.如权利要求7所述的方法，其中，

所述喷嘴板包括形成在结合基底的切割面上的排出口，若排出口的开口形状的四个角部的曲率记为R1、R2、R3和R4，则排出口的开口形状配置为近似满足R1＝R2≥R3＝R4≈0。

9.如权利要求7所述的方法，其中，

喷嘴板的材料包括具有化学稳定性的绝缘材料。

10.如权利要求7中任一项所述的方法，其中，

喷嘴孔包括与排出口连通的喷嘴流道部分，喷嘴流道部分布置为具有笔直构造。

11.如权利要求7中任一项所述的方法，其中，

若排出口的开口面积记为S，与排出口连通的喷嘴孔的喷嘴流道部分的长度记为L，则S≤100平方微米，并且比值L/S≥2微米^-1。

12.如权利要求7中任一项所述的方法，其中，

若排出口的开口面积记为S，与排出口连通的喷嘴孔的喷嘴流道部分的长度记为L，则S≤100平方微米，并且比值L/S≥4微米^-1。

13.一种喷墨头，包括：

如权利要求1所述的喷嘴板和按照权利要求7所述的方法制造的喷嘴板至少二者之一；和

连接至形成于喷嘴板的喷嘴孔处的喷嘴流道部分并配置为向该喷嘴流道部分供应墨水的墨水流道。

14.一种喷墨打印装置，包括：

如权利要求13所述的喷墨头；

用于驱动喷墨头的驱动装置；

配置为支撑待打印的基底并相对于喷墨头沿XYZ方向扫描基底的扫描单元；和

配置为处理打印图案数据并根据打印图案数据控制驱动装置和扫描装置的控制单元。