專利名稱：形成噴嘴的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于噴墨打印頭的在噴嘴板上形成噴嘴的方法和裝置，該噴嘴在所述的噴嘴板上相應(yīng)的兩個(gè)表面上具有噴嘴入口和噴嘴出口。
WO93/15911涉及用于噴墨打印頭的利用高能光束在噴嘴板上形成噴嘴的方法，特別涉及了利用準(zhǔn)分子激光器在聚合物噴嘴板上噴嘴的消融。通過具有單個(gè)小孔的掩模，對(duì)高能光束進(jìn)行整形，之后通過會(huì)聚鏡把光束引導(dǎo)到形成噴嘴的噴嘴板表面上。
WO93/15911還提出通過使光束穿過薄層增加對(duì)入射到掩模小孔的光束的發(fā)散，該薄層例如可以是磨光或蝕刻的表面，也可以是包含具有適合光散射性能的如膠狀或乳狀物質(zhì)介質(zhì)的薄膜。這種薄層可以貼靠在會(huì)聚鏡上，該會(huì)聚鏡本身位于掩模的上游，用于把光束會(huì)聚在掩模的小孔中。
光束的發(fā)散由噴嘴的錐形角來確定。而且第二掩?？捎糜跍p小在與相應(yīng)于另一個(gè)平面相應(yīng)的一個(gè)光束平面上(兩個(gè)平面都穿過光束軸)的發(fā)散角，這樣得到在一個(gè)平面具有比另一個(gè)平面更大的噴嘴錐度的噴嘴。這將會(huì)導(dǎo)致噴嘴在一個(gè)方向上比在與該方向垂直的另一個(gè)方向上具有較大的入口-WO93/15911指出這樣的好處是使噴嘴墨水入口與和噴嘴連通的打印頭上墨水管道的形狀(大致為矩形)相匹配，同時(shí)使噴嘴出口最好保持圓形。
本發(fā)明對(duì)上面提到的WO93/15911中描述的過程有了真正的改進(jìn)，特別是改進(jìn)了控制噴嘴錐度和噴嘴入口和出口的形狀的方式。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，本發(fā)明包括用于噴墨打印頭的在噴嘴板上形成噴嘴的方法，所述噴嘴在所述的噴嘴板的兩個(gè)相應(yīng)表面具有噴嘴入口和噴嘴出口，該方法包括下列步驟朝所述的噴嘴板上射入高能光束；使所述光束發(fā)散；之后把所述光束導(dǎo)入掩模的一個(gè)孔中，這樣對(duì)所述光束進(jìn)行整形；接著使所述光束穿過光束會(huì)聚裝置，然后射到所述形成噴嘴的出口的噴嘴板表面上，這樣形成了噴嘴，噴嘴出口通過帶所述單個(gè)小孔的所述光束會(huì)聚裝置成為共扼的(conjugate)；其中使所述光束發(fā)散的步驟包括把所述光束分成多個(gè)分光束，每個(gè)分光束均發(fā)散，每個(gè)分光束的發(fā)散的起點(diǎn)位于遠(yuǎn)離通過分束產(chǎn)生各自分光束的位置；分光束然后穿過另一個(gè)光束會(huì)聚裝置，之后再復(fù)合并穿過掩模的所述單個(gè)小孔，其中在擊射到所述掩模平面之前的所述復(fù)合光束區(qū)的尺寸大致與所述掩模上的小孔的尺寸相等。
本發(fā)明還包括通過把所述光束分成多個(gè)分光束，每個(gè)分光束均發(fā)散，每個(gè)分光束發(fā)散的起點(diǎn)位于遠(yuǎn)離通過分束產(chǎn)生各自分光束的位置，之后分光束穿過另一個(gè)光束會(huì)聚裝置，然后復(fù)合。這種布置與現(xiàn)有技術(shù)中的布置相比，可實(shí)現(xiàn)對(duì)光束的發(fā)散角進(jìn)行更精確的控制如上所述，WO93/15911提出通過利用磨光或蝕刻的表面或包含具有適合光散射性能介質(zhì)的薄膜對(duì)光進(jìn)行散射來增加高能光束的發(fā)散程度?？梢灾涝诒景l(fā)明中，通過把高能光束分成多個(gè)可相應(yīng)再復(fù)合的分光束，可在更好的控制方式中得到發(fā)散。而且該光束被分束，每個(gè)分光束均發(fā)散，其發(fā)散的起點(diǎn)處于遠(yuǎn)離相應(yīng)通過分束產(chǎn)生分光束的位置。可以理解通過利用透鏡產(chǎn)生分光束的這種方式得到的發(fā)散可比利用在散射基礎(chǔ)上的現(xiàn)有技術(shù)方法獲得的發(fā)散要變化小。隨之而來的復(fù)合光束發(fā)散角的較小變化導(dǎo)致形成噴嘴錐形角的較小變化，于是獲得最終的噴墨打印頭的較好噴墨性能。
另外，通過使復(fù)合光束穿過掩模的單個(gè)小孔，在擊射到所述掩模的平面之前的復(fù)合光束區(qū)的尺寸基本上與所述掩模上的小孔尺寸相等，最終擊射到噴嘴板上形成噴嘴的高能光束通過掩模其發(fā)散不會(huì)很大程度減少。接下來，光束發(fā)散的整個(gè)范圍可用于形成具有相應(yīng)從出口到入口大錐形角的噴嘴孔。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，本發(fā)明包括用于噴墨打印頭的在噴嘴板上形成噴嘴的方法，該噴嘴在所述的噴嘴板的兩個(gè)相應(yīng)表面具有噴嘴入口和噴嘴出口，該方法包括下列步驟朝所述的噴嘴板上射入高能光束；使所述光束發(fā)散；然后使所述光束穿過光束會(huì)聚裝置，之后光束擊射到所述噴嘴板上，這樣可形成噴嘴；其中使所述光束發(fā)散的步驟包括使所述光束穿過光學(xué)元件的陣列，以產(chǎn)生分光束的陣列，每個(gè)分光束均發(fā)散，每個(gè)分光束的發(fā)散的起點(diǎn)位于遠(yuǎn)離相應(yīng)光學(xué)元件的位置；然后所述分光束的陣列被引導(dǎo)到使分光束反射到第二反射裝置的第一反射裝置，所述第二反射裝置朝向所述噴嘴板進(jìn)行反射；所述第一和第二反射裝置的位置關(guān)系是這樣的，該關(guān)系使擊射到所述第一反射裝置的平行光束以會(huì)聚光束從第二反射裝置反射；所述光學(xué)元件的布置使所有的入射分光束由所述第一反射裝置引導(dǎo)到所述第二反射裝置，之后擊射到所述噴嘴板上。
本發(fā)明的第二方面還利用了這樣的原理把高能光束分成分光束(通過光學(xué)元件的陣列)，該分光束具有的發(fā)散的起點(diǎn)處于遠(yuǎn)離待分開光束平面的位置，之后通過光束會(huì)聚裝置復(fù)合該分光束。這樣可具有本發(fā)明第一方面的優(yōu)點(diǎn)，即可精確地進(jìn)行控制形成的光束角。
另外，高能光束通過第一和第二反射裝置被引導(dǎo)到噴嘴板上，并且例如透鏡的處于所述陣列的光學(xué)元件布置成使所有的擊射在第一反射裝置的分光束朝第二反射裝置引導(dǎo)，而不是例如朝透鏡陣列方向的其它地方返回。這種方法導(dǎo)致更少的光束的浪費(fèi)，而且避免了雜散激光對(duì)系統(tǒng)中的其它元件的破壞。這些系統(tǒng)元件可包括透鏡、旋轉(zhuǎn)鏡以及甚至是處于第一和第二反射裝置“上游”的激光本身。
本發(fā)明的第三方面包括用于噴墨打印頭的在噴嘴板上形成噴嘴的方法，該噴嘴在上述的噴嘴板的兩個(gè)相應(yīng)表面具有噴嘴入口和噴嘴出口，噴嘴孔具有軸；該方法包括下列步驟朝所述的噴嘴板上射入高能光束；對(duì)所述光束進(jìn)行發(fā)散；然后使所述光束穿過光束會(huì)聚裝置，之后光束擊射到所述噴嘴板上，這樣可形成噴嘴；其中對(duì)所述光束進(jìn)行發(fā)散的步驟包括使所述光束穿過光學(xué)元件的陣列，以產(chǎn)生分光束的陣列，每個(gè)分光束均發(fā)散，每個(gè)分光束的發(fā)散的起點(diǎn)位于遠(yuǎn)離相應(yīng)光學(xué)元件的位置；所述分光束的陣列在第一方向上比與所述第一方向正交的第二方向具有較大的寬度，所述第一和第二方向與所述光束擊射在所述陣列上的方向垂直；然后所述分光束的陣列穿過光束會(huì)聚裝置，之后光束擊射到噴嘴板上，于是形成了所述的噴嘴；相對(duì)于噴嘴軸的噴嘴孔的錐形角在與所述第一方向?qū)?yīng)的方向上，比在對(duì)應(yīng)所述第二方向的方向上的噴嘴孔的錐形角要大。
本發(fā)明的第三方面來利用了這樣的原理，即把高能光束分成分光束，該分光束具有的發(fā)散的起點(diǎn)處于遠(yuǎn)離待分開光束平面的位置，之后通過光束會(huì)聚裝置復(fù)合該分光束。該第三方面還包括光學(xué)元件的陣列，該陣列在第一方向上比與所述第一方向正交的第二方向具有較大的寬度，該陣列使在簡(jiǎn)單和精確的方式形成噴嘴入口的產(chǎn)品在一個(gè)方向比另一個(gè)方向具有較大的錐形角。隨之導(dǎo)致噴嘴入口的尺寸在一個(gè)方向上比與之正交的另一個(gè)方向上具有較大的尺寸，在噴嘴固定的墨水提供管道也可以是非軸對(duì)稱的地方，這種結(jié)構(gòu)可能是特別地需要。
本發(fā)明的第四方面包括用于噴墨打印頭的在噴嘴板上形成噴嘴的方法，該噴嘴在所述的噴嘴板的兩個(gè)相應(yīng)表面具有噴嘴入口和噴嘴出口；該方法包括下列步驟朝所述噴嘴板引導(dǎo)具有在第一方向延伸的第一軸的高能光束；把所述光束引導(dǎo)在與所述第一方向成一個(gè)角度的第一反射表面上，所述表面布置成把所述光束朝第二反射表面反射，該第二反射表面布置成既可使所述光束反向，也可把所述光束沿著與第一方向延伸的所述第一軸共線的軸引導(dǎo)；所述第一和第二表面彼此相對(duì)固定布置，于是形成了組件，并且可使所述組件繞所述第一軸旋轉(zhuǎn)；然后所述光束擊射到所述噴嘴板上，這樣可形成噴嘴。
如下面描述中將要詳細(xì)解釋的，這種技術(shù)可使高能光束在給定半徑內(nèi)具有均一的光強(qiáng)，并且當(dāng)在形成噴嘴中使用時(shí)，可得到在緊密誤差帶之內(nèi)的噴嘴尺寸，同時(shí)相應(yīng)地得到較高質(zhì)量的噴嘴。
根據(jù)本發(fā)明第五方面的用于噴墨打印頭的在噴嘴板上形成噴嘴的方法，該噴嘴在上述的噴嘴板的兩個(gè)相應(yīng)表面具有噴嘴入口和噴嘴出口；該方法包括下列步驟把高能光束引導(dǎo)到噴嘴板的表面上，在噴嘴板上形成有噴嘴出口，所述高能光束可通過該出口開始控制很低，并且隨著形成在所述噴嘴板上的噴嘴的高度的增加而增加。如在后面的描述中也將進(jìn)行詳細(xì)地解釋的那樣，這種技術(shù)提供了較高質(zhì)量的噴嘴出口、較好的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和更精確的噴嘴形狀。
本發(fā)明還包括用于實(shí)現(xiàn)上面概括的方法的裝置。
現(xiàn)在參照下面的附圖通過例子對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述。


圖1為在X方向的本發(fā)明第一實(shí)施例的示意圖；圖2為與X方向正交的Y方向的圖1中裝置的視圖；圖3為本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例；圖4a為本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施例的透視圖；圖4b為通過圖4a中的鏡子裝置82、84的剖面圖；圖5a為通過本發(fā)明的光束調(diào)整裝置的剖面圖；圖5b為調(diào)整后的光束區(qū)的示意圖；圖6a和圖6b示出了在旋轉(zhuǎn)角度分別為0°和90°的圖5a中裝置的功能。
圖1示出了實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的方法的裝置實(shí)施例。標(biāo)號(hào)20表示了形成噴嘴的噴嘴板。裝置10由例如UV準(zhǔn)分子激光器(未示出)的高能量光束源組成，該光束源發(fā)出高能量光束30，光束30在經(jīng)過各種光束調(diào)整過程(例如光束的準(zhǔn)直、整形以適合位于“下游”的其它光學(xué)裝置)后，射到光學(xué)元件的陣列40上，在本實(shí)施例中光學(xué)元件為圓柱透鏡45。這種透鏡的陣列通常也叫作蠅眼透鏡。
陣列40把光束分成相應(yīng)分光束陣列50，每個(gè)分光束具有焦點(diǎn)52。從圖中可清楚地看到，在經(jīng)過焦點(diǎn)52后。每個(gè)分光束以一個(gè)發(fā)散角(在圖1中為Aa、Ab)發(fā)散，并且其發(fā)散的起點(diǎn)為相應(yīng)透鏡45的焦點(diǎn)52(注意為了清楚起見，只示出了從陣列40的最外邊的透鏡發(fā)出的光束的輪廓；從接近陣列中心的透鏡發(fā)出的光束都在這些輪廓邊緣內(nèi))?？梢岳斫鈴耐哥R45發(fā)出的每個(gè)分光束的發(fā)散角的范圍Aa、Ab與利用散射的現(xiàn)有技術(shù)希望的范圍相比很窄。如圖1所示，從陣列40發(fā)出的分光束的陣列穿過會(huì)聚鏡60，于是可在56處再復(fù)合。
復(fù)合光束射到掩模70的小孔72中，同時(shí)為此，掩模最好放在距透鏡60的與該透鏡的焦距相等的距離處。
雖然在例子中示出了分光束52的焦點(diǎn)位于陣列40的下游，分光束的焦點(diǎn)位于隨后掩模70的前面一些也是可以的；陣列40中的透鏡可以發(fā)散入射光束，于是發(fā)散起點(diǎn)位于陣列的“上游”。后面的會(huì)聚鏡60的折光度可以選擇成分光束仍然復(fù)合。
如上所述以及從圖1到3可以看出，開始射到掩模平面前的復(fù)合光束的區(qū)域直徑大致與所述掩模上的小孔的直徑相等。穿過小孔的該復(fù)合光束(在圖1中用74表示)接著通過另一個(gè)會(huì)聚鏡80引導(dǎo)射到噴嘴板20的表面22上，在該處可消融噴嘴板材料，于是形成了噴嘴。透鏡80的折光度與噴嘴板20和掩模70的相對(duì)位置是這樣選擇的，使得通過光束56照亮的掩模小孔72的影子射到噴嘴板的表面22上。穿過透鏡80后可以看出在表面22和掩模小孔72上的噴嘴區(qū)是共扼(conjugate)的，并且隨后，通過改變小孔72的尺寸，形成在表面22上(該表面形成了最后噴嘴的出孔)的孔的尺寸也可變化。
從圖中知道，組成光束74的分光束74a、74b以一個(gè)角度擊射在噴嘴板的表面22上，結(jié)果是由光束消融的區(qū)域隨著消融孔的厚度增加。形成的噴嘴于是為錐形的，同時(shí)噴嘴板20的“前”表面22的噴嘴區(qū)由掩模小孔72來確定，并且“后”表面24的區(qū)域由小孔72和入射光束的角度兩者來確定。
入射光束角度由透鏡80的折光度和穿過小孔72的光束74中的發(fā)散角來確定。前者最好在如下的范圍0.4≤數(shù)值孔徑≤0.65(相應(yīng)的放大倍數(shù)分別為x25和x52)。后者由在陣列40中的透鏡的折光度和陣列的幾何形狀來確定。正如已經(jīng)描述的那樣，利用通過把光束分成具有發(fā)散性的若干分光束引入的發(fā)散特性使噴嘴形成光束的發(fā)散角得到更精確地控制。這樣依次地精確控制了形成的噴嘴的三維形狀，特別是在噴嘴出口和入口的區(qū)域和錐形角度。
為了確保在擊射到掩模平面之前的復(fù)合光束的區(qū)域的直徑大致與如上所述的掩模小孔直徑相等，要保證最后擊射到噴嘴板上以形成噴嘴的高能量光束在其發(fā)散度方面不會(huì)受到明顯的減小一該光束可能在噴嘴錐度方面相應(yīng)地減小。實(shí)際上，復(fù)合光束的區(qū)域的直徑要比掩模小孔的略微大一點(diǎn)如果復(fù)合光束要比掩模小孔的小，那么掩模不再起到某種掩模的作用，并且投射到噴嘴板前面的圖象不再是小孔的圖象，而是蠅眼透鏡的圖象。從圖1中還可以知道小孔的直徑和復(fù)合光束之間的匹配還意味著，在掩模70的下游的位置組成復(fù)合光束74的分光束74a、74b的發(fā)散角(在圖1中為Ba、Bb)與掩模上游的分光束50的發(fā)散角Aa和Ab相適應(yīng)。
圖2為在與圖1中的x向正交的y向的視圖，該圖示出了陣列40具有在x向比y向較寬的矩形幾何形狀的情況?？梢钥闯鲭x開小孔72的光束的發(fā)散角度相應(yīng)地比圖1中所示的要大，同樣在此方向上噴嘴的錐度以及隨之而來的噴嘴板“后”表面的噴嘴的直徑也相應(yīng)地比圖1中所示的要大(在圖2中用x2示出并且比圖1中的距離x1較大)。在后表面的整個(gè)噴嘴的形狀相應(yīng)于陣列40的幾何形狀將是矩形的。
需要注意的是陣列40的幾何形狀可通過在陣列上重新調(diào)整透鏡的位置來改變，也可通過擋住現(xiàn)存陣列的一些透鏡來改變，例如通過直接放在陣列的上游的掩模來實(shí)現(xiàn)。
每個(gè)組成陣列40的單獨(dú)的透鏡提供一束發(fā)散光束，每束具有可能是圓形或其它形狀的區(qū)域，該形狀取決于組成陣列的光學(xué)元件是否為透鏡、棱鏡或其它具有軸對(duì)稱或其它某種形狀的元件。當(dāng)該特征為獲得一些在本申請(qǐng)描述的優(yōu)點(diǎn)的手段時(shí)，然而也會(huì)導(dǎo)致具有波狀輪廓的“后”表面的所述噴嘴的區(qū)域。但是在該“后”區(qū)域?yàn)閳A形時(shí)，該波形輪廓可在噴嘴形成過程中通過圍繞其極軸旋轉(zhuǎn)蠅眼透鏡來避免。
影響入射光束的角度來控制噴嘴錐度的另外的方法是在掩模70和透鏡80之間插入另外一個(gè)掩模。在圖3中示出了這種布置，另外的掩模用標(biāo)號(hào)110來表示，其相應(yīng)的小孔用112來表示?？梢灾姥谀?10擋住了這些穿過小孔72的光束，該光束具有比某個(gè)角度較大的發(fā)散角，形成了減小的出口尺寸x3的噴嘴。另外小孔的尺寸和形狀可變化以控制后表面的噴嘴的尺寸和形狀，這些從上面提到的WO-A-93/0911中可以知道。
優(yōu)選地，如圖3用標(biāo)號(hào)76表示的另外的會(huì)聚(視野(field))鏡可放置在掩模小孔72的正上游。在該透鏡的本身平面內(nèi)對(duì)透鏡移動(dòng)，如平行于掩模70移動(dòng)，可使復(fù)合后的發(fā)散分光束與掩模小孔對(duì)準(zhǔn)，不對(duì)準(zhǔn)會(huì)導(dǎo)致在光束的一端比另一端模糊，相應(yīng)地導(dǎo)致在噴嘴的一端比另一端具有較小錐度。這種不對(duì)稱在噴嘴中是不希望的。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，在蠅眼透鏡的上游放置一個(gè)可變的光束衰減器(圖中未示)。這種裝置通常在本領(lǐng)域是公知的，因此這里就不再詳細(xì)討論其結(jié)構(gòu)了，然而在本發(fā)明的上述裝置最好用于在噴嘴形成過程控制高能量光束能量在噴嘴形成的開始，激光能量控制很低，以減小消融過程的廢棄物對(duì)噴嘴出口的破壞。當(dāng)形成的噴嘴的高度(及區(qū)域)增加時(shí)，光能也增加。在朝向噴嘴結(jié)構(gòu)的末端，高激光能量可促進(jìn)噴嘴內(nèi)部良好結(jié)構(gòu)(finish)，并確保可靠形成噴嘴形成光束的形狀。最好激光能量增加的開始速率較低，甚至為零，一旦噴嘴形成了達(dá)到一定高度后增加。對(duì)形成噴嘴的高度測(cè)量沒有必要激光能量可作為時(shí)間的函數(shù)來控制，達(dá)到一定高度的給定過程的必要時(shí)間很容易通過實(shí)驗(yàn)來確定。
很明顯多種透鏡可用于上述涉及的會(huì)聚鏡60、74和80。然而可以發(fā)現(xiàn)透鏡80最好采用兩個(gè)由通常稱作卡塞格倫反射鏡型的鏡子組成的透鏡。在圖4a中大概示出了一個(gè)例子，為表達(dá)清楚起見，掩模70和會(huì)聚鏡60省略。圖4b示出了具有旋轉(zhuǎn)表面的反射面鏡子82、84的剖面，從圖中可以清楚地看到鏡子是軸對(duì)稱的，這種透鏡布置具有較高的放大率(等于較高數(shù)值孔徑值)。使入射光與透鏡軸有很大角度(相當(dāng)于在光束和噴嘴板20的表面22之間有小的入射角)及大錐度噴嘴的形成。由于光束沒有穿過任何透鏡材料，只單純地從一個(gè)表面反射到另一個(gè)表面，則這種透鏡還保證較低的誤差。最后從圖4中可以知道，這種裝置的反射面通常處于遠(yuǎn)離噴嘴板表面的位置，于是很小可能被噴嘴形成過程中產(chǎn)生的碎屑污染。
蠅眼透鏡最好與如上所述類型的透鏡一起使用，通過使陣列中心透鏡失去作用，例如移走透鏡或如圖4所示把它們遮住。通過在透鏡的正上游或下游布置掩模可遮住透鏡。射到這些中心透鏡的分光束會(huì)另外反射回來，并且對(duì)位于上游的光學(xué)元件(甚至是激光器)有損害。在示出的實(shí)施例中，利用6×6陣列透鏡，陣列的中間四個(gè)透鏡被遮住了。
圖5示出的裝置特別適用于噴墨打印頭噴嘴的形成，并特別適于和上述裝置一起使用。位于蠅眼透鏡上游的裝置120包括三個(gè)反射面121、122、123的組件，這三個(gè)反射面通過罩124彼此相對(duì)固定，該組件通過電機(jī)(未示出)帶動(dòng)在如軸承126上繞軸125一起旋轉(zhuǎn)。入射光束30沿軸125射入，射在表面121上并反射到表面122，再反射回表面123，此時(shí)再次沿軸125離開該裝置。在示出的例子中，反射面121、122、123為高反射介質(zhì)鏡。
在圖6a和6b中示出了在裝置120的不同轉(zhuǎn)角，光束的頂區(qū)和底區(qū)的路徑(30u、301)。如圖6a所示，當(dāng)該裝置處于0°轉(zhuǎn)角時(shí)，光束的30u區(qū)和301區(qū)沿軸125以不同位置射到反射面121上，結(jié)果是，隨著表面122和123再次反射，最初的頂區(qū)30u和底區(qū)301分別在光束的底區(qū)和頂區(qū)從該裝置離開。然而，如圖6b所示，裝置處于90°時(shí)，光束的底區(qū)和頂區(qū)以相同的軸向射到面121上，并沒有光束區(qū)30u和301的倒置發(fā)生。在裝置180°(圖中來示)轉(zhuǎn)角時(shí)，30u區(qū)和301區(qū)再次在不同位置沿光束軸射到表面121上，結(jié)果是兩區(qū)發(fā)生倒置。
可以知道如上所述的位于旋轉(zhuǎn)裝置120的下游的裝置被具有離光束軸半徑r的P點(diǎn)強(qiáng)度的光束30’照射，該光束以相應(yīng)于罩體124角速度的兩倍的頻率變化(見圖5b)。如果入射光束30整體上均勻，至少在光束軸半徑r上的點(diǎn)P光強(qiáng)不會(huì)變化。然而實(shí)際上激光器發(fā)生的光束30是不均勻的，甚至是在給定的半徑上，結(jié)果點(diǎn)P光強(qiáng)會(huì)經(jīng)歷周期性變化。然而這種位于光束軸半徑r處的變化的光強(qiáng)與具有相同的光束所有點(diǎn)平均值是等效的。由于在某一點(diǎn)的光強(qiáng)轉(zhuǎn)換成在噴嘴板上材料去除的速率，如上所述的裝置的使用導(dǎo)致噴嘴比使用不進(jìn)行上述調(diào)整光束獲得的要更加均勻(至少在給定的噴嘴半徑)。
對(duì)不連續(xù)反射面121、122和123的使用特別適合于使用高能光束的裝置當(dāng)利用高能光束時(shí)，這些裝置可具有低偏差的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)與普通的透鏡/棱鏡比具有低損耗和更耐用的優(yōu)點(diǎn)。在上面描述的例子中，使用高能反射性介質(zhì)鏡。
需要注意的是其它類型的光束均勻器在本領(lǐng)域已公知，可替代/附加使用剛才描述的光束調(diào)整裝置。
實(shí)際的光學(xué)系統(tǒng)中的另一個(gè)不足是存在雜散光束；該雜散光束是由于組成該系統(tǒng)光學(xué)元件的缺陷造成的，如果該光束射到噴嘴板上，則可能導(dǎo)致不理想的噴嘴。這可通過例如在圖3中示出的使用空間濾光片來避免，該濾光片由位于噴嘴板正前方的掩模130組成，掩模的位置恰處于噴嘴板之前，光束未擊射在噴嘴板之前穿過掩模。掩模的小孔選擇成可穿過噴嘴形成光束，但排除一些在噴嘴形成光束之外的沒有作用的雜散光束。于是小孔的精度起決定作用。最好小孔可通過使用相同光束的屏蔽板原位消融和相應(yīng)用于噴嘴消融的光學(xué)元件來形成。當(dāng)然不象噴嘴板材料，掩模板的材料可選擇成在雜散光束作用下不會(huì)明顯地消融。
另外，改善形成噴嘴的質(zhì)量的加工過程可在氦氣或氧氣中實(shí)現(xiàn)消融過程。因此噴嘴板位于充有適當(dāng)氣體的腔室里，并具有光束傳送的窗口。緊靠噴嘴板的如空間濾光片的元件也放置在腔室內(nèi)。在腔室內(nèi)使用的氦氣作為冷卻介質(zhì)，消融產(chǎn)物在其有可能破壞噴嘴任何部分之前被凝聚，同時(shí)腔室內(nèi)使用的氧氣與消融的產(chǎn)物反應(yīng)，還原成氣體。兩個(gè)過程可產(chǎn)生凈化的最終產(chǎn)物。
本申請(qǐng)主要是提供在噴墨打印頭的噴嘴板上形成噴嘴的方法。雖然圖中僅示出了一個(gè)噴嘴，大多數(shù)打印頭設(shè)計(jì)成具有如64或128個(gè)相當(dāng)數(shù)量的噴嘴。通過一次形成多于一個(gè)噴嘴可明顯地減少形成時(shí)間，該噴嘴可以是同一打印頭上的，也可屬于不同打印頭上的。然而，圖1和2示出類型的所有光學(xué)元件對(duì)要形成的每個(gè)噴嘴不是同時(shí)需要也就是說從單個(gè)高能光束源發(fā)出的光束可提高給多個(gè)單個(gè)光學(xué)元件。而且如果用于在分束之前控制單個(gè)光束能源，那么只需要單個(gè)可變光束衰減器?；蛘吖馐质鈱W(xué)元件可插入到掩模70和會(huì)聚鏡80之間，于是減少了會(huì)聚鏡80和需要放置在下游的任何其它元件(空間濾光片等等)的重復(fù)。
考慮到打印頭本身，噴嘴板22可由例如聚酰亞胺、聚碳酸酯、聚酯、聚醚、聚醚酮或聚丙烯酸(polyetheretherketoneh or acrylic)等材料組成，當(dāng)用從UV準(zhǔn)分子激光器發(fā)出的光照射時(shí)，該材料可消融。然而已經(jīng)公知的在噴墨打印頭領(lǐng)域可精確形成噴嘴的形成消融的過程是最佳的，本發(fā)明不想限制這種高能的光束。從其它類型的激光或其它光源發(fā)出的光可作為高能量光束來使用。
從上面的描述中可以理解本發(fā)明特別地適合于形成錐形噴嘴。在使用中，錐形噴嘴的寬區(qū)用作噴嘴墨水入口并與打印頭的墨水管道相連，同時(shí)噴嘴的窄區(qū)用作液滴噴射出口。形成出口的噴嘴板的“前”(Ofront)表面可能具有低能量、非浸潤涂層以阻止在噴嘴周圍留存墨水。在噴嘴形成之前涂層被施加到噴嘴板上的情況下，光束必須破壞噴嘴板材料同時(shí)也破壞該涂層。
噴嘴可在把噴嘴板固定到打印頭之前或之后形成在噴嘴板上(這在本領(lǐng)域已經(jīng)公知，參見上面提到的文件WO93/15911)。在兩種情況，噴嘴相對(duì)于各自的管道的位置很重要并且便于通過在噴嘴形成之前操作相對(duì)于光學(xué)系統(tǒng)的噴嘴板/打印頭。
權(quán)利要求
1．一種用于噴墨打印頭的在噴嘴板上形成噴嘴的方法，該噴嘴在上述的噴嘴板的兩個(gè)相應(yīng)表面具有噴嘴入口和噴嘴出口，該方法包括下列步驟朝所述的噴嘴板上射入高能光束；使所述光束發(fā)散；之后把所述光束導(dǎo)入掩模的單個(gè)孔中，這樣對(duì)所述光束整形；接著使所述光束穿過光束會(huì)聚裝置，然后射到所述噴嘴板的表面上，在該噴嘴板上形成有噴嘴出口，這樣形成了噴嘴，噴嘴出口通過帶所述單個(gè)小孔的所述光束會(huì)聚裝置成為共扼的(conjugate)；其特征在于使所述光束發(fā)散的步驟包括把所述光束分成多個(gè)分光束，每個(gè)分光束均發(fā)散，每個(gè)分光束的發(fā)散的起點(diǎn)位于離開通過分束產(chǎn)生各自分光束的位置；分光束然后穿過另一個(gè)光束會(huì)聚裝置，之后再復(fù)合并穿過掩模的所述單個(gè)小孔，其中在擊射到所述掩模平面之前的所述復(fù)合光束區(qū)的尺寸大致與所述掩模上的小孔的尺寸相等。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于把光束分成多個(gè)分光束的步驟包括使所述光束穿過透鏡的陣列。
3．根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述陣列包括圓柱形透鏡。
4．根據(jù)上述權(quán)利要求任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于每個(gè)分光束的發(fā)散的起點(diǎn)位于所述掩模的前面。
5．根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于每個(gè)分光束的發(fā)散的起點(diǎn)位于通過分束產(chǎn)生各自分光束的位置和所述掩模之間。
6．根據(jù)上述權(quán)利要求任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于所述掩模距所述另一個(gè)光束會(huì)聚裝置的距離與所述另一個(gè)光束會(huì)聚裝置的焦距相等。
7．根據(jù)上述權(quán)利要求任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于所述光束被通過光學(xué)元件的通路分開以產(chǎn)生分光束的陣列；然后所述分光束的陣列被引導(dǎo)到把光束反射到第二反射裝置的第一反射裝置上，所述第二反射裝置朝向所述噴嘴板反射；所述第一和第二反射裝置的位置關(guān)系是這樣的，該關(guān)系使擊射到所述第一反射裝置的平行光束以會(huì)聚光束從第二反射裝置反射；所述光學(xué)元件的布置使所有的入射分光束由所述第一反射裝置引導(dǎo)到所述第二反射裝置，之后擊射到所述噴嘴板上。
8．根據(jù)上述權(quán)利要求任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于所述高能量光束被通過光學(xué)元件的通路分開以產(chǎn)生分光束的陣列，所述光學(xué)元件的陣列在第一方向上比與第一方向正交的第二方向上具有較大的寬度，同時(shí)所述第一和第二方向與所述光束擊射在所述陣列上的方向垂直；于是形成了具有帶有相對(duì)于噴嘴軸的錐形角孔的噴嘴，在與所述第一方向?qū)?yīng)的方向上，該錐形角比在對(duì)應(yīng)所述第二方向的方向上的噴嘴孔的錐形角要大。
9．根據(jù)上述權(quán)利要求任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于所述高能量光束在平的反射表面以一個(gè)角度被引導(dǎo)到所述第一方向上，所述表面布置成把所述光束朝另一個(gè)光束反射裝置反射，該另一個(gè)光束反射裝置布置成既可使所述光束反向，也可把所述光束沿著與沿第一方向延伸的所述第一軸共線的軸引導(dǎo)；所述表面和另一個(gè)反射裝置彼此相對(duì)固定布置，于是形成了組件，并且可使所述組件繞所述第一軸旋轉(zhuǎn)；然后所述光束擊射到所述噴嘴板上，這樣可形成噴嘴。
10．根據(jù)上述權(quán)利要求任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于所述高能量光束能量開始保持很低，并且隨著形成在所述噴嘴板上的噴嘴的高度增加而增加。
11．根據(jù)上述權(quán)利要求任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于還有一個(gè)掩模處于所述掩模和光束會(huì)聚裝置之間。
12．一種用于噴墨打印頭的在噴嘴板上形成噴嘴的方法，該噴嘴在上述的噴嘴板的兩個(gè)相應(yīng)表面具有噴嘴入口和噴嘴出口，噴嘴孔具有軸；該方法包括下列步驟朝所述的噴嘴板上射入高能光束；使所述光束發(fā)散；然后使所述光束穿過光束會(huì)聚裝置，之后光束擊射到所述噴嘴板上，這樣可形成噴嘴；其特征在于使所述光束發(fā)散的步驟包括使所述光束穿過光學(xué)元件的陣列，以產(chǎn)生分光束的陣列，每個(gè)分光束均發(fā)散，每個(gè)分光束的發(fā)散的起點(diǎn)位于離開相應(yīng)光學(xué)元件的位置；所述分光束的陣列在第一方向上比與所述第一方向正交的第二方向具有較大的寬度，所述第一和第二方向與所述光束在所述陣列上擊射的方向垂直；然后所述分光束的陣列穿過光束會(huì)聚裝置，之后光束擊射到噴嘴板上，于是形成了所述的噴嘴；相對(duì)于噴嘴軸的噴嘴孔的錐形角在與所述第一方向?qū)?yīng)的方向上，該錐形角比在對(duì)應(yīng)所述第二方向的方向上的噴嘴孔的錐形角要大。
13．根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于分光束擊射到噴嘴板上的表面上，在噴嘴板上形成有噴嘴出口，噴嘴從噴嘴入口到噴嘴出口形成錐形。
14．根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的方法，其特征在于光學(xué)元件的陣列是矩形的。
15．根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的方法，其特征在于掩模位于所述光學(xué)元件陣列的前面。
16．一種用于噴墨打印頭的在噴嘴板上形成噴嘴的方法，該噴嘴在上述的噴嘴板的兩個(gè)各自表面具有噴嘴入口和噴嘴出口；該方法包括下列步驟朝所述的噴嘴板上射入高能光束；對(duì)所述光束進(jìn)行發(fā)散；然后使所述光束穿過光束會(huì)聚裝置，之后光束擊射到所述噴嘴板上，這樣可形成噴嘴；其特征在于對(duì)所述光束進(jìn)行發(fā)散的步驟包括使所述光束穿過光學(xué)元件的陣列，以產(chǎn)生分光束的陣列，每個(gè)分光束均發(fā)散，每個(gè)分光束的發(fā)散的起點(diǎn)位于離開相應(yīng)光學(xué)元件的位置；然后所述分光束的陣列被引導(dǎo)到使分光束反射到第二反射裝置的第一反射裝置，所述第二反射裝置朝向所述噴嘴板反射；所述第一和第二反射裝置的位置關(guān)系是這樣的，該關(guān)系使擊射到所述第一反射裝置的平行光束以會(huì)聚光束從第二反射裝置反射；所述光學(xué)元件布置成使所有的入射分光束由所述第一反射裝置引導(dǎo)到所述第二反射裝置，之后擊射到所述噴嘴板上。
17．根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于分光束擊射到噴嘴板的表面上，在噴嘴板上形成噴嘴出口，噴嘴從噴嘴入口到噴嘴出口形成錐形。
18．根據(jù)權(quán)利要求16或17所述的方法，其特征在于所述第一和第二反射裝置中的每個(gè)均包括為可旋轉(zhuǎn)表面的反射面。
19．根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于所述第一反射裝置的反射面背對(duì)著所述噴嘴板。
20．根據(jù)權(quán)利要求18或19所述的方法，其特征在于第一反射裝置的反射表面的平均半徑小于第二反射裝置的反射表面的平均半徑。
21．根據(jù)權(quán)利要求16到20中任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于所述光學(xué)元件布置成從位于所述陣列中心的光學(xué)元件中沒有分光束被所述第一和/或第二反射裝置反射。
22．根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于對(duì)位于所述陣列中心的光學(xué)元件進(jìn)行屏蔽。
23．一種用于噴墨打印頭的在噴嘴板上形成噴嘴的方法，該噴嘴在上述的噴嘴板的兩個(gè)相應(yīng)表面具有噴嘴入口和噴嘴出口；該方法包括下列步驟朝所述噴嘴板引導(dǎo)具有在第一方向延伸的第一軸的高能光束；在第一反射表面上以與所述第一方向成一個(gè)角度引導(dǎo)所述光束，所述表面布置成把所述光束朝第二反射表面反射，該第二反射表面布置成既可使所述光束反向，也可把所述光束沿著與第一方向延伸的所述第一軸共線的軸引導(dǎo)；所述第一和第二表面彼此相對(duì)固定布置，于是形成了組件，并且可使所述組件繞所述第一軸旋轉(zhuǎn)；然后所述光束擊射到所述噴嘴板上，這樣可形成噴嘴。
24．根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于每個(gè)反射表面由分立部件組成。
25．根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于所述單獨(dú)部件為高反射介質(zhì)鏡。
26．一種用于噴墨打印頭的在噴嘴板上形成噴嘴的方法，該噴嘴在上述的噴嘴板的兩個(gè)相應(yīng)表面具有噴嘴入口和噴嘴出口；該方法包括下列步驟把高能光束引導(dǎo)到噴嘴板的表面上，在噴嘴板上形成有噴嘴出口，所述高能光束能量開始控制很低，并且隨著形成在所述噴嘴板上的噴嘴的高度增加而增加。
27．根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于高能光束的能量控制很低，直到噴嘴出口已經(jīng)形成。
28．一種使用權(quán)利要求1的方法的裝置，該裝置包括高能光束源、具有單個(gè)小孔的掩模裝置和光束會(huì)聚裝置，其特征在于通過一光學(xué)元件陣列把所述光束分成每個(gè)均發(fā)散的多個(gè)分光束，每個(gè)分光束的發(fā)散的起點(diǎn)位于離開所述陣列的平面的位置；以及還包括另一個(gè)復(fù)合所述分光束的光束會(huì)聚裝置，所述陣列和另一個(gè)光束會(huì)聚裝置相對(duì)于所述掩模裝置布置，使得恰在擊射到所述掩模平面之前的所述復(fù)合光束區(qū)的尺寸大致等于在所述掩模小孔的尺寸。
29．一種使用權(quán)利要求12的方法的裝置，該裝置包括高能光束源、光學(xué)元件的陣列，該陣列把所述光束分成每個(gè)均發(fā)散的多個(gè)分光束，每個(gè)分光束的發(fā)散的起點(diǎn)位于離開相應(yīng)的光學(xué)元件的位置；所述分光束的陣列在第一方向比與第一方向正交的第二方向具有較大的寬度，所述第一和第二方向位于垂直于所述光束在所述陣列擊射的方向的方向上；并且光束會(huì)聚裝置用于將所述分光束會(huì)聚在所述噴嘴板上。
30．一種使用權(quán)利要求16的方法的裝置，該裝置包括高能光束源、光學(xué)元件的陣列，該陣列把所述光束分成每個(gè)均發(fā)散的多個(gè)分光束，每個(gè)分光束的發(fā)散的起點(diǎn)位于離開相應(yīng)的光學(xué)元件的位置；第一反射裝置反射所述分光束陣列，第二反射裝置相對(duì)所述第一反射裝置布置，于是擊射到所述第一反射裝置上的平行光束以會(huì)聚光束從所述第二反射裝置反射；所述光學(xué)元件布置成使所有的入射分光束由所述第一反射裝置朝所述第二反射裝置引導(dǎo)。
31．一種使用權(quán)利要求23的方法的裝置，該裝置包括高能光束源，該光束源具有在第一方向上延伸的第一軸；還包括一組件，該組件包括第一反射表面和第二反射表面，第一反射表面與所述第一方向成一個(gè)角度放置，所述第一和第二反射表面彼此相對(duì)固定放置，于是所述高能光束通過所述第一反射表面朝所述第二反射表面反射，這樣既可使所述光束反向，也可把所述光束沿與第一方向延伸的所述第一軸共線的軸引導(dǎo)；所述組件可繞所述第一軸旋轉(zhuǎn)。
全文摘要
用于噴墨打印頭的噴嘴板上的噴嘴通過把激光束引導(dǎo)在噴嘴板上而形成。通過把光束分束可獲得光束發(fā)散的精確控制,每個(gè)分光束均發(fā)散,其起點(diǎn)位于離開通過分束形成光束的位置,然后復(fù)合該分光束。于是可得到形成噴嘴的精確的錐度和入口形狀。
文檔編號(hào)B23K26/38GK1209775SQ9719176
公開日1999年3月3日 申請(qǐng)日期1997年1月16日 優(yōu)先權(quán)日1996年1月18日
發(fā)明者S·特姆普勒, P·T·魯姆斯拜 申請(qǐng)人:薩爾技術(shù)有限公司