專利名稱：打印頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及打印頭，具體地，涉及一種為打印頭中的流體除氣的膜。
背景技術(shù)：
噴墨打印機(jī)通常包括從供墨部延伸至噴嘴路徑的墨路徑。噴嘴路徑在墨噴出的噴嘴口處終止。通過用致動(dòng)器對(duì)墨路徑中的墨施壓來(lái)控制墨滴噴射，所述致動(dòng)器可為例如壓電偏轉(zhuǎn)器、熱氣泡噴射發(fā)生器或靜電偏轉(zhuǎn)元件。通常的打印頭具有墨路徑陣列，其具有相應(yīng)的噴嘴口和相關(guān)的致動(dòng)器，使得可獨(dú)立地控制每個(gè)噴嘴口噴射墨滴。在按需噴射(drop-on-demand)的打印頭中，隨著打印頭和打印基材彼此相對(duì)移動(dòng)，啟動(dòng)每個(gè)致動(dòng)器而選擇性地在圖像的指定像素位置噴出墨滴。在高質(zhì)量打印頭中，噴墨口通常直徑為50微米或更小，例如大約35微米，以100-300噴嘴/英寸的間距分開，分辨率為100到3000dpi或更高，并提供大約1到70微微升或更小的墨滴尺寸。墨滴噴射頻率通常是10kHz或更高。
打印頭，尤其是高質(zhì)量打印頭的打印準(zhǔn)確度受到幾個(gè)因素影響，包括被打印頭中的噴嘴噴出的墨滴的尺寸和速度均勻性。墨滴尺寸和墨滴速度均勻性又受到幾個(gè)因素影響，例如墨流動(dòng)路徑中存在的溶解氣體或氣泡。

發(fā)明內(nèi)容
大致地，本發(fā)明涉及用于墨滴噴射裝置如噴墨打印機(jī)的打印頭，以及用于流體除氣的膜。
一個(gè)方面，本發(fā)明的特征是一種流體滴噴射系統(tǒng)，包括在存儲(chǔ)區(qū)域與噴嘴之間延伸的流動(dòng)路徑。所述流動(dòng)路徑包括泵室，在所述泵室中對(duì)流體加壓以噴出流體滴。包括半滲透性氮化物的膜定位成與所述流動(dòng)路徑流體接觸。
另一方面，本發(fā)明的特征是一種流體滴噴射系統(tǒng)，包括在存儲(chǔ)區(qū)域與噴嘴之間延伸的流動(dòng)路徑。所述流動(dòng)路徑包括泵室，在所述泵室中對(duì)流體加壓以噴出流體滴。在室溫下對(duì)He具有大約1×10-10mols/(m2Pa-s)到大約1×10-6mols/(m2Pa-s)的滲透率的膜定位成與所述流動(dòng)路徑流體接觸。
另一方面，本發(fā)明的特征是一種流體滴噴射系統(tǒng)，包括在存儲(chǔ)區(qū)域與噴嘴之間延伸的流動(dòng)路徑。所述流動(dòng)路徑包括泵室，在所述泵室中對(duì)流體加壓以噴出流體滴。具有剖面尺寸不大于大約100nm的裂紋結(jié)構(gòu)的膜定位成與所述流動(dòng)路徑流體接觸。
另一方面，本發(fā)明的特征是一種流體滴噴射器，包括一流動(dòng)路徑，所述流動(dòng)路徑包括泵室，在所述泵室中對(duì)流體加壓以噴出流體滴。
包括通過暴露于等離子體以改變氣體滲透性而形成的無(wú)機(jī)材料的半滲透膜具有外表面，定位成與所述流動(dòng)路徑流體接觸。所述膜允許氣體通過，同時(shí)阻止液體通過。
其它方面或?qū)嵤├砂ㄒ陨虾?或一個(gè)或幾個(gè)以下方面中的特征的組合。所述膜包括微裂紋結(jié)構(gòu)。所述膜是多孔的。所述膜包括與所述流動(dòng)路徑流體接觸的第一表面以及與真空區(qū)域接觸的第二表面。所述膜可滲透氣體而不可滲透液體。所述膜可滲透空氣。所述膜基本不可滲透所述流體滴噴射系統(tǒng)中所用的墨。所述氮化物是例如氮化硅。所述膜經(jīng)過了暴露于反應(yīng)離子刻蝕劑的步驟。所述膜在室溫下對(duì)He具有至少大約1.6×10-8mol/(m2Pa-s)的滲透率，例如，在室溫下小于大約1×10-10mol/(m2Pa-s)。所述流體滴噴射系統(tǒng)可包括多個(gè)流動(dòng)路徑。當(dāng)所述膜包括裂紋結(jié)構(gòu)時(shí)，所述裂紋結(jié)構(gòu)具有不大于大約250nm的剖面尺寸，例如不大于大約100nm。除氮化物(如氮化硅、氮化鈦、氮化鎢)之外，所述膜可包括其它材料，例如，陶瓷、如碳化物(如碳化硅)。在其它方面，本發(fā)明包括在打印頭上形成膜的方法，如這里所述。
實(shí)施例可具有以下優(yōu)點(diǎn)中的一個(gè)或幾個(gè)。所述膜可集成到打印頭的流動(dòng)路徑中，從而在MEMS型噴墨打印頭中允許在接近泵室處對(duì)墨除氣。因此，可對(duì)墨有效除氣，從而改善打印頭內(nèi)的純化過程并實(shí)現(xiàn)高頻工作。此外，可通過在流動(dòng)路徑內(nèi)集成膜并取消單獨(dú)的脫氣裝置而使打印頭最小化。
還有其它方面、特征和優(yōu)點(diǎn)。例如，具體的方面包括膜尺寸、特性及工作條件，如下所述。


圖1是打印頭的透視圖。
圖2是一部分打印頭的剖視圖。
圖3是用在圖2的打印頭中的一部分膜的剖視圖。
所有附圖中，相似的附圖標(biāo)記指代相似的元件。
具體實(shí)施例方式
參照?qǐng)D1，噴墨打印頭10包括以跨越頁(yè)面24或該頁(yè)面一部分的方式保持在外殼22中的打印頭單元20，圖像打印到該頁(yè)面上?？赏ㄟ^在打印頭10和頁(yè)面24彼此相對(duì)移動(dòng)(箭頭)時(shí)選擇性地從單元20噴出墨而打印圖像。在圖1的實(shí)施例中，示出了寬度為例如12英寸或更大的三組打印頭單元20。每組打印頭單元20沿打印頭10與頁(yè)面24之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向上包括多個(gè)打印頭單元，這里是三個(gè)。這些單元可布置為噴嘴口偏移以增加分辨率和/或打印速度。替代地，或另外地，每組中的每個(gè)單元可供應(yīng)不同類型或顏色的墨。這種結(jié)構(gòu)可用于在單遍打印頁(yè)面的情況下打印頭在頁(yè)面的整個(gè)寬度上執(zhí)行彩色打印。
每個(gè)打印頭單元20包括位于面板32上的集流管組件30，位于集流管組件30內(nèi)的柔性印刷板(未示出)附接到面板32上以輸送控制墨噴射的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。每個(gè)集流管組件30包括將墨輸送到面板32中的噴嘴口以噴射墨的流動(dòng)路徑。
參照?qǐng)D2，在墨噴射前，對(duì)打印頭內(nèi)的墨(例如，儲(chǔ)墨區(qū)域75內(nèi)所容納的墨)除氣，以去除可能干擾打印質(zhì)量的氣泡和/或溶解的氣體。為給墨除氣，墨流過位于墨流動(dòng)路徑40內(nèi)的墨不能滲透/氣體可滲透的膜50，墨流動(dòng)路徑40形成在集流管組件30的本體42(如半導(dǎo)體本體或陶瓷本體)內(nèi)。墨進(jìn)入墨流動(dòng)路徑40的脫氣部分45，在這里墨與膜50接觸。膜50包括與墨流動(dòng)路徑40的脫氣部分45內(nèi)的墨流體接觸的上表面52、以及與真空區(qū)域60接觸的下表面54。在實(shí)施例中，膜50允許氣體移動(dòng)通過膜而進(jìn)入真空區(qū)域60，同時(shí)阻止液體例如墨通過。一真空源與真空區(qū)域60聯(lián)通。區(qū)域60作用于膜50，從位于脫氣部分45內(nèi)的墨中去除空氣和其它氣體。墨除氣后，墨進(jìn)入泵室80，在這里根據(jù)需要輸送到噴嘴70進(jìn)行噴射。在2002年7月3日申請(qǐng)的美國(guó)專利申請(qǐng)10/189,847中描述了一種合適的打印頭，其全部?jī)?nèi)容在此引用作為參考。在2004年2月19日申請(qǐng)的美國(guó)專利申請(qǐng)10/782,367中討論了一種脫氣方法，其全部?jī)?nèi)容在此引用作為參考。
參照?qǐng)D3，半滲透膜50可包括淀積在基礎(chǔ)層110(如硅晶片)上的氮化物層100(如氮化硅層)。在各實(shí)施例中，氮化物層100可具有大約1微米或更小的厚度，基礎(chǔ)層110可具有大約700微米或更小的厚度。膜50通過下述步驟制成為具有半滲透性。經(jīng)過下述步驟，膜50允許氣體如空氣或氦氣通過膜，而阻止液體如墨從中通過。
可通過在硅晶片的前側(cè)面淀積氮化硅層而形成膜50。淀積后，用Bosch刻蝕工藝(如，深度反應(yīng)離子刻蝕工藝)對(duì)硅晶片的背側(cè)面刻蝕大約10分鐘，以形成延伸通過基礎(chǔ)層110(例如硅晶片)并與氮化物層100相交的孔125(例如100微米寬)。Bosch刻蝕對(duì)硅的侵蝕比對(duì)氮化硅要快，因而可用作選擇性刻蝕劑，形成孔125而不穿通膜50的氮化物層100。為使膜50可滲透氣體，Plasma-Therm(等離子-熱)RIE(反應(yīng)離子刻蝕)應(yīng)用于孔125?？刹捎脧娜鹗康腢naxis公司獲得的Plasma-Therm RIE系統(tǒng)，在8.5sccm的Ar、2.5sccm的SF6和2.5sccm的CHF3的條件下以15mTorr和8W的功率持續(xù)8分鐘而實(shí)現(xiàn)合適的刻蝕。在應(yīng)用Plasma-Therm RIE系統(tǒng)后，氮化物層100可滲透氣體(如He、空氣)，但不滲透液體。在實(shí)施例中，反應(yīng)離子刻蝕在氮化物層100內(nèi)產(chǎn)生裂紋結(jié)構(gòu)(如微裂紋結(jié)構(gòu))，其具有小的剖面尺寸(如小于250納米或小于大約100納米)，可滲透氣體，同時(shí)阻止液體如墨進(jìn)入膜。在SPIE Micromachining and Microfabrication Conferece，San Jose，CA，September 1999上Galambos等發(fā)表的“Silicon Nitride Membranes for Filtrationand Separation”(《用于過濾和分離的氮化硅膜》)和新墨西哥大學(xué)1997年W.P.Eaton的博士論文“Surface Micromachined Pressure Transducers”(《經(jīng)表面微加工的壓力換能器》)中進(jìn)一步討論了合適的制造膜50的工藝，其全部?jī)?nèi)容在此引用作為參考。
膜50具有足夠的強(qiáng)度，支撐區(qū)域60中的真空所產(chǎn)生的壓力差。在實(shí)施例中，膜50可承受大約20或25atm或更高壓力的負(fù)載而不會(huì)損壞和/或使流體(例如水或墨)通過。
膜50的滲透性通常較高。實(shí)施例中，膜50在室溫下對(duì)氦氣的滲透率是1×10-9moles/(m2Pa-s)或更高例如1×10-8moles/(m2Pa-s)或更高。在某些實(shí)施例中，膜50的滲透率是通常的多孔氟聚合物的10倍或更高，例如100或200倍或更高。例如，室溫下氦氣滲透率為1.6×10-8mols/(m2Pa-s)(如Galambos等人提出的)的膜50是打印頭中通常用于墨除氣的氟聚合物(如滲透率為7.92×10-11mols/(m2Pa-s)的TFE和滲透率為5.29×10-11mols/(m2Pa-s)的PTFE)的滲透率的大約200倍。室溫下膜50對(duì)He的滲透率也大于通常的氟聚合物高溫時(shí)的He滲透率。例如，室溫下膜50的He滲透率是1.6×10-8mols/(m2Pa-s)，這是125℃溫度下氟聚合物材料(如9.58×10-10mol/(m2Pa-s)的TFE和7.04×10-10mol/(m2Pa-s)的PTFE)的He滲透率的大約16倍。
因?yàn)楦叩臍怏w滲透率，可(相對(duì)常規(guī)的氟聚合物材料制成的脫氣膜)減小膜50的尺寸(例如幾何表面積)而不降低除氣效率。通常，如果膜的滲透率增加，可在不降低除氣效率的情況下減小膜的幾何表面積。在某些實(shí)施例中，滲透率增加和表面積減小之間是對(duì)應(yīng)的關(guān)系。例如，室溫下，表面積200μm2的TFE膜和表面積1μm2的膜50的He除氣效率大致相同。在某些實(shí)施例中，形成膜50的材料對(duì)空氣的滲透率至少為氟聚合物材料的100倍(例如至少75倍、至少50倍、至少25倍)大。因此，在某些實(shí)施例中，膜50可比常規(guī)的TFE除氣膜尺寸小100倍。對(duì)于沿墨流動(dòng)路徑40任意位置設(shè)置膜50來(lái)說(shuō)，尺寸小特別有用。
盡管描述了特定的實(shí)施例，也可采用其它的實(shí)施例。例如，盡管膜50被描述為經(jīng)過8分鐘的Plasma-Therm反應(yīng)離子刻蝕后可滲透空氣，也可采用其它刻蝕條件、壓力和氣體。在一些實(shí)施例中，Plasma-Therm反應(yīng)離子刻蝕時(shí)間可從8分鐘增加到大約12分鐘(例如，9分鐘、10分鐘、11分鐘、12分鐘)。進(jìn)行12分鐘反應(yīng)離子刻蝕的膜在室溫下He滲透率為1×10-11mols/(m2Pa-s)。在一些實(shí)施例中，Plasma-Therm反應(yīng)離子刻蝕時(shí)間減少到大約4分鐘(例如，7分鐘、6分鐘、5分鐘、4分鐘)。在該實(shí)施例中，在反應(yīng)離子刻蝕后，以1000torr的負(fù)載為間隔對(duì)膜50分步預(yù)加應(yīng)力，這增加膜內(nèi)微裂紋結(jié)構(gòu)的寬度。由于寬度增加，室溫He滲透率從初始的7×10-11mols/(m2Pa-s)增加到大約6.3×10-6mols/(m2Pa-s)的最終He滲透率。在特定實(shí)施例中，不對(duì)膜50進(jìn)行反應(yīng)離子刻蝕，但卻增加Bosch刻蝕工藝的時(shí)間。例如，暴露于Bosch刻蝕22分鐘的膜在室溫下具有大約2×10-11mols/(m2Pa-s)的He滲透率，而暴露于Bosch刻蝕33分鐘的膜在室溫下具有大約1×10-9mols/(m2Pa-s)的He滲透率。
作為一個(gè)附加的例子，在某些實(shí)施例中，打印頭包括多個(gè)流動(dòng)路徑。在一些實(shí)施例中，在每一個(gè)流動(dòng)路徑中均包括單獨(dú)的脫氣部分。在其它實(shí)施例中，只提供一個(gè)脫氣部分對(duì)多個(gè)流動(dòng)路徑除氣。
以下是另外的實(shí)施例。例如，盡管可在打印頭單元內(nèi)脫氣并從打印頭單元噴出墨，打印頭單元也可用作噴出墨以外的其它流體。例如，噴出的液滴可為能以液滴形式輸送的UV或其它輻射固化材料或其它材料，例如，化學(xué)或生物流體。例如，所述打印頭單元20可為精確散布系統(tǒng)的一部分。
這里所公開的所有特征可任意結(jié)合。
本申請(qǐng)這里所引用的所有出版物、申請(qǐng)和專利以單獨(dú)提出的形式被全部引用作為參考。
其它實(shí)施例在所附權(quán)利要求中。
權(quán)利要求
1.一種流體滴噴射系統(tǒng)，包括在存儲(chǔ)區(qū)域與噴嘴之間延伸的流動(dòng)路徑，所述流動(dòng)路徑包括泵室，在所述泵室中對(duì)流體加壓以噴出流體滴；以及定位成與所述流動(dòng)路徑流體接觸且包括半滲透性氮化物的膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流體滴噴射系統(tǒng)，其中所述膜包括微裂紋結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流體滴噴射系統(tǒng)，其中所述膜是多孔的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流體滴噴射系統(tǒng)，其中所述膜包括與所述流動(dòng)路徑流體接觸的第一表面以及與真空區(qū)域接觸的第二表面。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流體滴噴射系統(tǒng)，其中所述膜可滲透氣體而不可滲透液體。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的流體滴噴射系統(tǒng)，其中所述膜可滲透空氣。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的流體滴噴射系統(tǒng)，其中所述膜基本不可滲透所述流體滴噴射系統(tǒng)中所用的墨。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流體滴噴射系統(tǒng)，其中所述氮化物包括氮化硅。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流體滴噴射系統(tǒng)，其中所述膜經(jīng)過了暴露于反應(yīng)離子刻蝕劑的步驟。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流體滴噴射系統(tǒng)，其中所述膜在室溫下對(duì)He具有至少大約1.6×10-8mols/(m2Pa-s)的滲透率。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的流體滴噴射系統(tǒng)，其中所述膜在室溫下對(duì)He具有至少大約1×10-10mols/(m2Pa-s)的滲透率。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流體滴噴射系統(tǒng)，其中進(jìn)一步包括多個(gè)流動(dòng)路徑。
13.一種流體滴噴射系統(tǒng)，包括在存儲(chǔ)區(qū)域與噴嘴之間延伸的流動(dòng)路徑，所述流動(dòng)路徑包括泵室，在所述泵室中對(duì)流體加壓以噴出流體滴；以及定位成與所述流動(dòng)路徑流體接觸的膜，該膜在室溫下對(duì)He具有大約1×10-10mols/(m2Pa-s)到大約1×10-6mols/(m2Pa-s)的滲透率。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的流體滴噴射系統(tǒng)，其中所述膜包括微裂紋結(jié)構(gòu)。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的流體滴噴射系統(tǒng)，其中所述膜包括與所述流動(dòng)路徑流體接觸的第一表面以及與真空區(qū)域接觸的第二表面。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的流體滴噴射系統(tǒng)，其中所述膜還可滲透空氣。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的流體滴噴射系統(tǒng)，其中所述膜基本不可滲透液體。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的流體滴噴射系統(tǒng)，其中所述膜基本不可滲透所述流體滴噴射系統(tǒng)中所用的墨。
19.根據(jù)權(quán)利要求13所述的流體滴噴射系統(tǒng)，其中所述膜包括氮化硅膜。
20.根據(jù)權(quán)利要求13所述的流體滴噴射系統(tǒng)，其中所述膜經(jīng)過了暴露于反應(yīng)離子刻蝕劑的步驟。
21.根據(jù)權(quán)利要求13所述的流體滴噴射系統(tǒng)，其中所述膜在室溫下對(duì)He具有小于大約1.6×10-8mols/(m2Pa-s)的滲透率。
22.根據(jù)權(quán)利要求13所述的流體滴噴射系統(tǒng)，其中進(jìn)一步包括多個(gè)流動(dòng)路徑。
23.一種流體滴噴射系統(tǒng)，包括在存儲(chǔ)區(qū)域與噴嘴之間延伸的流動(dòng)路徑，所述流動(dòng)路徑包括泵室，在所述泵室中對(duì)流體加壓以噴出流體滴；以及定位成與所述流動(dòng)路徑流體接觸的膜，該膜具有橫截面尺寸不大于大約100nm的裂紋結(jié)構(gòu)。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的流體滴噴射系統(tǒng)，其中所述膜包括與所述流動(dòng)路徑流體接觸的第一表面以及與真空區(qū)域接觸的第二表面。
25.根據(jù)權(quán)利要求23所述的流體滴噴射系統(tǒng)，其中所述膜可滲透氣體而不可滲透液體。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的流體滴噴射系統(tǒng)，其中所述膜可滲透空氣。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的流體滴噴射系統(tǒng)，其中所述膜基本不可滲透所述流體滴噴射系統(tǒng)中所用的墨。
28.根據(jù)權(quán)利要求23所述的流體滴噴射系統(tǒng)，其中所述膜包括氮化硅。
29.根據(jù)權(quán)利要求23所述的流體滴噴射系統(tǒng)，其中所述膜經(jīng)過了暴露于反應(yīng)離子刻蝕劑的步驟。
30.根據(jù)權(quán)利要求23所述的流體滴噴射系統(tǒng)，其中所述膜在室溫下對(duì)He具有至少大約1.6×10-8mols/(m2Pa-s)的滲透率。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的流體滴噴射系統(tǒng)，其中所述膜在室溫下對(duì)He具有小于大約1×10-10mols/(m2Pa-s)的滲透率。
32.根據(jù)權(quán)利要求23所述的流體滴噴射系統(tǒng)，其中進(jìn)一步包括多個(gè)流動(dòng)路徑。
33.一種流體滴噴射器，包括流動(dòng)路徑，所述流動(dòng)路徑包括泵室，在所述泵室中對(duì)流體加壓以噴出流體滴；以及包括無(wú)機(jī)材料的半滲透膜，所述材料通過暴露于等離子體以改變氣體滲透性而形成，所述膜具有定位成與所述流動(dòng)路徑流體接觸的外表面，其中所述膜允許氣體通過而阻止液體通過。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的流體滴噴射器，其中所述膜包括裂紋結(jié)構(gòu)。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的流體滴噴射器，其中所述裂紋結(jié)構(gòu)的橫截面尺寸不大于大約250nm。
36.根據(jù)權(quán)利要求35所述的流體滴噴射器，其中所述橫截面尺寸不大于大約100nm。
37.根據(jù)權(quán)利要求33所述的流體滴噴射器，其中所述無(wú)機(jī)材料包括氮化物。
38.根據(jù)權(quán)利要求37所述的流體滴噴射器，其中所述氮化物包括氮化硅。
全文摘要
公開了用于液滴除氣和噴射的裝置。該裝置包括包括泵室(80)的流動(dòng)路徑(40)，在所述泵室內(nèi)對(duì)流體加壓以噴出液滴；以及包括無(wú)機(jī)材料且具有與所述流動(dòng)路徑流體接觸的外表面(52)的半滲透膜(50)。所述膜允許氣體通過，同時(shí)阻止液體通過。
文檔編號(hào)B41J2/17GK101080325SQ200580043153
公開日2007年11月28日 申請(qǐng)日期2005年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月17日
發(fā)明者保羅·A·霍伊辛頓, 約翰·C·巴特頓, 安德烈亞斯·比布爾, 布賴恩·沃爾什 申請(qǐng)人:富士膠卷迪馬蒂克斯股份有限公司