專利名稱：高效噴墨噴嘴組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及噴墨噴嘴組件。本發(fā)明主要用于提高熱彎曲致動(dòng)噴墨噴嘴的效率和提高液滴噴射特性。
背景技術(shù)：
申請(qǐng)人:先前已經(jīng)描述了使用熱彎曲致動(dòng)的眾多MEMS噴墨噴嘴。熱彎曲致動(dòng)通常是指一種電流從其流過的材料相對(duì)于另一種材料的熱膨脹產(chǎn)生的彎曲運(yùn)動(dòng)?？梢岳卯a(chǎn)生的彎曲運(yùn)動(dòng)從噴嘴開口噴墨，任選地通過槳葉或葉片的運(yùn)動(dòng)來進(jìn)行噴墨，所述槳葉或葉片的運(yùn)動(dòng)在噴嘴腔內(nèi)產(chǎn)生壓力波。在上面的交叉引用部分中所列出的專利和專利申請(qǐng)中舉例說明了一些典型類型的熱彎曲噴墨噴嘴，其內(nèi)容引入本文作為參考。申請(qǐng)人:的美國專利No. 6，416，167描述了一種噴墨噴嘴，其具有位于噴嘴腔中的槳葉和位于噴嘴腔外面的熱彎曲致動(dòng)器。致動(dòng)器采用熔焊到由非傳導(dǎo)材料(例如二氧化硅)制成的上部被動(dòng)梁的由傳導(dǎo)材料(例如氮化鈦)制成的下部主動(dòng)梁形式。致動(dòng)器通過穿過位于噴嘴腔壁中的狹槽被接納的臂連接到槳葉。在電流流過下部主動(dòng)梁時(shí)，致動(dòng)器向上彎曲，因此，槳葉朝向限定在噴嘴腔頂部中的噴嘴開口移動(dòng)，從而噴出墨滴。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。這種設(shè)計(jì)的缺陷在于槳葉的兩個(gè)表面都要對(duì)噴嘴腔內(nèi)相對(duì)粘稠的墨水做功。申請(qǐng)人:的美國專利No. 6，260, 953描述了一種噴墨噴嘴，其中，致動(dòng)器形成噴嘴腔的移動(dòng)頂部。致動(dòng)器采取由聚合材料包裹的傳導(dǎo)材料制成的螺旋芯部的形式。在致動(dòng)時(shí)，致動(dòng)器朝向噴嘴腔底部彎曲，增大腔內(nèi)壓力并將墨滴從限定在腔頂部中的噴嘴開口噴出。噴嘴開口限定在頂部的非移動(dòng)部分中。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于，移動(dòng)頂部只有一個(gè)表面必須對(duì)噴嘴腔內(nèi)的相對(duì)粘稠的墨水做功。這種設(shè)計(jì)的缺陷在于，難以在MEMS制造工藝中實(shí)現(xiàn)由被聚合材料包裹的螺旋傳導(dǎo)元件構(gòu)造致動(dòng)器。申請(qǐng)人:的美國專利No. 6，623，101描述了一種噴墨噴嘴，其包括具有活動(dòng)頂部的噴嘴腔，所述活動(dòng)頂部具有限定在其中的噴嘴開口?；顒?dòng)頂部通過臂連接到位于噴嘴腔外面的熱彎曲致動(dòng)器。致動(dòng)器采用與下部被動(dòng)梁隔開的上部主動(dòng)梁形式。由于被動(dòng)梁不能用作主動(dòng)梁的散熱裝置，通過使主動(dòng)梁和被動(dòng)梁隔開，熱彎曲效率達(dá)到最大。當(dāng)電流流過上部主動(dòng)梁時(shí)，引起具有限定在其中的噴嘴開口的活動(dòng)頂部朝向噴嘴腔底部旋轉(zhuǎn)，從而通過噴嘴開口進(jìn)行噴射。因?yàn)閲娮扉_口隨頂部移動(dòng)，可以通過適當(dāng)改進(jìn)噴嘴邊緣的形狀控制液滴飛行方向。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于，移動(dòng)頂部只有一個(gè)表面必須對(duì)噴嘴腔內(nèi)相對(duì)粘稠的墨水做功。另一優(yōu)點(diǎn)在于通過將主動(dòng)梁構(gòu)件與被動(dòng)梁構(gòu)件隔開可以實(shí)現(xiàn)最小熱損耗。這種設(shè)計(jì)的缺陷在于，使主動(dòng)梁構(gòu)件和被動(dòng)梁構(gòu)件隔開造成了結(jié)構(gòu)剛度上的損失。到此為止，應(yīng)當(dāng)理解的是，由彎曲致動(dòng)器致動(dòng)的噴墨噴嘴需要移動(dòng)必要體積的墨水以便從噴嘴開口噴出預(yù)定體積的墨滴。因此，噴墨噴嘴設(shè)計(jì)主要集中在對(duì)于給定能量輸入提供熱彎曲致動(dòng)器的最大位移。
需要提升熱彎曲致動(dòng)器的彎曲致動(dòng)效率，同時(shí)允許在噴墨打印頭中實(shí)現(xiàn)更密集的噴嘴組裝并且使液滴噴射特性最佳化。

發(fā)明內(nèi)容
在第一方面，本發(fā)明提供了一種噴墨噴嘴組件，包括噴嘴腔，其用于容納墨水，所述腔具有噴嘴開口和墨水進(jìn)口 ；一對(duì)電觸點(diǎn)，其位于所述組件的一端并連接到驅(qū)動(dòng)電路；和熱彎曲致動(dòng)器，其用于通過所述噴嘴開口進(jìn)行噴墨，所述致動(dòng)器包括主動(dòng)梁，其連接到所述電觸點(diǎn)并遠(yuǎn)離所述觸點(diǎn)縱向延伸，所述主動(dòng)梁限定所述觸點(diǎn)之間的彎曲電流流動(dòng)路徑；和被動(dòng)梁，其熔焊到所述主動(dòng)梁，使得當(dāng)電流流過所述主動(dòng)梁時(shí)，所述主動(dòng)梁變熱并相對(duì)于所述被動(dòng)梁膨脹以使所述致動(dòng)器彎曲，其中，所述致動(dòng)器具有用于在所述致動(dòng)器的所述彎曲期間在所述墨水中產(chǎn)生正壓力脈沖的工作面，所述工作面具有小于800平方微米的面積?？蛇x擇地，所述工作面具有小于600微米的面積。可選擇地，所述工作面由所述被動(dòng)梁的表面限定?？蛇x擇地，所述噴墨噴嘴組件構(gòu)造成提供至少2. 5m/s的致動(dòng)器峰值速度?？蛇x擇地，所述驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)造成向所述主動(dòng)梁傳送致動(dòng)脈沖，每個(gè)致動(dòng)脈沖向所述主動(dòng)梁傳送小于200nJ的能量?？蛇x擇地，所述驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)造成向所述主動(dòng)梁傳送致動(dòng)脈沖，每個(gè)致動(dòng)脈沖具有小于0.2微秒的脈沖寬度。可選擇地，所述主動(dòng)梁和被動(dòng)梁各具有小于50微米的長(zhǎng)度?？蛇x擇地，所述主動(dòng)梁和被動(dòng)梁各具有小于15微米的寬度。可選擇地，所述主動(dòng)梁和被動(dòng)梁具有至少1. 5微米的組合厚度?？蛇x擇地，所述主動(dòng)梁包括從第一觸點(diǎn)縱向延伸的第一臂、從第二觸點(diǎn)縱向延伸的第二臂以及連接所述第一臂和第二臂的連接構(gòu)件?？蛇x擇地，所述第一臂和第二臂中的每一個(gè)包括各自的電阻加熱元件，所述電阻加熱元件具有小于5微米的寬度。可選擇地，所述連接構(gòu)件使所述第一臂和第二臂的遠(yuǎn)端相互連接，所述遠(yuǎn)端相對(duì)于所述電觸點(diǎn)位于遠(yuǎn)側(cè)。可選擇地，所述主動(dòng)梁包括選自下列組中的材料，所述組包括氮化鈦、氮化鈦鋁和釩鋁合金。可選擇地，所述被動(dòng)梁包括選自下列組中的材料，所述組包括二氧化硅、氮化硅
和氮氧化硅。可選擇地，所述噴嘴腔包括底部和具有活動(dòng)部的頂部，其中所述致動(dòng)器的致動(dòng)使所述活動(dòng)部朝向所述底部移動(dòng)。可選擇地，所述活動(dòng)部包括所述致動(dòng)器。 可選擇地，所述噴嘴開口限定在所述活動(dòng)部中，使得所述噴嘴開口能相對(duì)于所述底部移動(dòng)。
可選擇地，所述噴墨噴嘴組件具有小于1500平方微米的占用面積。在另一方面，本發(fā)明提供了一種包括多個(gè)噴嘴組件的噴墨打印頭，每個(gè)組件包括噴嘴腔，其用于容納墨水，所述腔具有噴嘴開口和墨水進(jìn)口 ；一對(duì)電觸點(diǎn)，其位于所述組件的一端并連接到驅(qū)動(dòng)電路；和熱彎曲致動(dòng)器，其用于通過所述噴嘴開口進(jìn)行噴墨，所述致動(dòng)器包括主動(dòng)梁，其連接到所述電觸點(diǎn)并遠(yuǎn)離所述觸點(diǎn)縱向延伸，所述主動(dòng)梁限定所述觸點(diǎn)之間的彎曲電流流動(dòng)路徑；和被動(dòng)梁，其熔焊到所述主動(dòng)梁，使得當(dāng)電流流過所述主動(dòng)梁時(shí)，所述主動(dòng)梁變熱并相對(duì)于所述被動(dòng)梁膨脹以使所述致動(dòng)器彎曲，其中，所述致動(dòng)器具有用于在所述致動(dòng)器的所述彎曲期間在所述墨水中產(chǎn)生正壓力脈沖的工作面，所述工作面具有小于800平方微米的面積。在第二方面，本發(fā)明提供了一種噴墨打印機(jī)，包括具有多個(gè)噴嘴組件的打印頭，每個(gè)噴嘴組件包括噴嘴腔，其用于容納墨水，所述腔具有噴嘴開口和墨水進(jìn)口 ；和彎曲致動(dòng)器，用于通過在所述致動(dòng)器彎曲期間在所述墨水中產(chǎn)生正壓力脈沖而將墨滴從所述噴嘴開口噴出；和供墨系統(tǒng)，其用于向所述打印頭供應(yīng)墨水；和用于改變供應(yīng)給所述打印頭的墨水的流體靜壓力的裝置，其中，增大流體靜力墨水壓力增加了所述噴出墨滴的體積，減少所述流體靜力墨水壓力減小了所述噴出墨滴的體積?？蛇x擇地，所述噴出墨滴的體積可以相對(duì)于最小液滴體積增大至少100 %?？蛇x擇地，打印頭表面由疏水層限定?？蛇x擇地，所述疏水層是PDMS層?？蛇x擇地，所述疏水層沉積在相對(duì)親水噴嘴板上。 可選擇地，墨水彎液面在親水/親水界面處釘住每個(gè)噴嘴開口?？蛇x擇地，每個(gè)噴嘴組件包括用于將致動(dòng)脈沖傳送給所述彎曲致動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電路?？蛇x擇地，所述驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)造成使每個(gè)致動(dòng)脈沖給所述致動(dòng)器傳送小于200nJ的能量?？蛇x擇地，所述彎曲致動(dòng)器包括主動(dòng)梁，其連接到一對(duì)電觸點(diǎn)；和被動(dòng)梁，其與所述主動(dòng)梁機(jī)械配合，使得當(dāng)電流流過所述主動(dòng)梁時(shí)，所述主動(dòng)梁變熱并相對(duì)于所述被動(dòng)梁膨脹以使所述致動(dòng)器彎曲。可選擇地，每個(gè)噴嘴組件包括位于其一端處的所述一對(duì)電觸點(diǎn)，并且其中，所述主動(dòng)梁遠(yuǎn)離所述觸點(diǎn)縱向延伸以限定所述觸點(diǎn)之間的彎曲電流流動(dòng)路徑?？蛇x擇地，所述主動(dòng)梁熔焊到所述被動(dòng)梁上?？蛇x擇地，所述主動(dòng)梁包括從第一觸點(diǎn)縱向延伸的第一臂、從第二觸點(diǎn)縱向延伸的第二臂以及連接所述第一臂和第二臂的連接構(gòu)件。
可選擇地，所述第一臂和第二臂中的每一個(gè)包括各自的電阻加熱元件?？蛇x擇地，所述連接構(gòu)件使所述第一臂和第二臂的遠(yuǎn)端相互連接，所述遠(yuǎn)端相對(duì)于所述電觸點(diǎn)位于遠(yuǎn)側(cè)。可選擇地，所述主動(dòng)梁包括選自下列組中的材料，所述組包括氮化鈦、氮化鈦鋁和釩鋁合金。可選擇地，所述被動(dòng)梁包括選自下列組中的材料，所述組包括二氧化硅、氮化硅
和氮氧化硅?？蛇x擇地，每個(gè)噴嘴腔包括底部和具有活動(dòng)部的頂部，其中所述致動(dòng)器的致動(dòng)使所述活動(dòng)部朝向所述底部移動(dòng)。可選擇地，所述活動(dòng)部包括所述致動(dòng)器?？蛇x擇地，所述噴嘴開口限定在所述活動(dòng)部中，使得所述噴嘴開口能相對(duì)于所述底部移動(dòng)。在另一個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種構(gòu)造打印頭以噴出預(yù)定體積的墨滴的方法，所述方法包括以下步驟(i)提供具有多個(gè)噴嘴組件的打印頭，每個(gè)噴嘴組件包括噴嘴腔，其用于容納墨水，所述腔具有預(yù)定尺寸的噴嘴開口 ；和彎曲致動(dòng)器，用于通過在所述致動(dòng)器彎曲期間在所述墨水中產(chǎn)生正壓力脈沖而將墨滴從所述噴嘴開口噴出；(ii)改變供應(yīng)給所述打印頭的墨水的流體靜壓力，從而改變噴出的墨滴的體積；(iii)確定與所述預(yù)定量相對(duì)應(yīng)的最佳流體靜力墨水壓力；和(iv)構(gòu)造供墨系統(tǒng)以在所述最佳流體靜力墨水壓力下向所述打印頭供墨。在第三方面，本發(fā)明提供了一種構(gòu)造成噴出體積為1到2. 5pL的墨滴的噴墨打印機(jī)，所述打印機(jī)包括打印頭，其具有多個(gè)噴嘴組件，每個(gè)噴嘴組件包括噴嘴腔，其用于容納墨水，所述腔具有噴嘴開口和墨水進(jìn)口，所述噴嘴開口具有4到12微米的最大尺寸；和彎曲致動(dòng)器，其用于通過在所述致動(dòng)器彎曲期間在所述墨水中產(chǎn)生正壓力脈沖而將墨滴從所述噴嘴開口噴出；和供墨系統(tǒng)，其構(gòu)造成在1到300毫米水柱的正流體靜壓力下給所述打印頭供墨?？蛇x擇地，所述噴嘴開口具有6到10微米的最大尺寸?？蛇x擇地，所述供墨系統(tǒng)構(gòu)造成在5到200毫米水柱的正流體靜壓力下給所述打印頭供墨?？蛇x擇地，所述流體靜壓力在灌注所述打印頭時(shí)在所述噴嘴開口處提供凸液面。可選擇地，打印頭表面由疏水層限定?？蛇x擇地，所述疏水層是PDMS層?？蛇x擇地，所述疏水層沉積在相對(duì)親水噴嘴板上。可選擇地，墨水彎液面在親水/親水界面處釘住每個(gè)噴嘴開口?？蛇x擇地，每個(gè)噴嘴組件包括用于將致動(dòng)脈沖傳送給所述彎曲致動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電路。
可選擇地，所述驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)造成使每個(gè)致動(dòng)脈沖給所述致動(dòng)器傳送小于200nJ的
能量°可選擇地，所述彎曲致動(dòng)器包括主動(dòng)梁，其連接到一對(duì)電觸點(diǎn)；和被動(dòng)梁，其與所述主動(dòng)梁機(jī)械配合，使得當(dāng)電流流過所述主動(dòng)梁時(shí)，所述主動(dòng)梁變熱并相對(duì)于所述被動(dòng)梁膨脹以使所述致動(dòng)器彎曲?？蛇x擇地，每個(gè)噴嘴組件包括位于其一端處的所述一對(duì)電觸點(diǎn)，并且其中，所述主動(dòng)梁遠(yuǎn)離所述觸點(diǎn)縱向延伸以限定所述觸點(diǎn)之間的彎曲電流流動(dòng)路徑?？蛇x擇地，所述主動(dòng)梁熔焊到所述被動(dòng)梁。可選擇地，所述主動(dòng)梁包括從第一觸點(diǎn)縱向延伸的第一臂、從第二觸點(diǎn)縱向延伸的第二臂以及連接所述第一臂和第二臂的連接構(gòu)件?？蛇x擇地，所述第一臂和第二臂中的每一個(gè)包括各自的電阻加熱元件?？蛇x擇地，所述主動(dòng)梁包括選自下列組中的材料，所述組包括氮化鈦、氮化鈦鋁和釩鋁合金?？蛇x擇地，所述被動(dòng)梁包括選自下列組中的材料，所述組包括二氧化硅、氮化硅
和氮氧化硅?？蛇x擇地，每個(gè)噴嘴腔包括底部和具有活動(dòng)部的頂部，其中所述致動(dòng)器的致動(dòng)使所述活動(dòng)部朝向所述底部移動(dòng)?？蛇x擇地，所述活動(dòng)部包括所述致動(dòng)器。 可選擇地，所述噴嘴開口限定在所述活動(dòng)部中，使得所述噴嘴開口能相對(duì)于所述底部移動(dòng)。


現(xiàn)在參考附圖僅以舉例方式對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行描述，其中圖1是已部分制造的噴墨噴嘴組件的剖開透視圖；圖2是圖1所示噴墨噴嘴組件在完成最終制造步驟之后的剖開透視圖；圖3A示意性地顯示了在負(fù)流體靜壓力下供以墨水的任意打印頭；圖;3B示意性地顯示了在正流體靜壓力下供以墨水的任意打印頭；圖4顯示了在負(fù)流體靜壓力下灌注墨水的噴墨噴嘴組件；圖5顯示了在正流體靜壓力下灌注墨水的噴墨噴嘴組件；和圖6示意性地顯示了具有供墨系統(tǒng)的噴墨打印機(jī)，所述供墨系統(tǒng)構(gòu)造為在變化的流體靜壓力下供應(yīng)墨水。
具體實(shí)施例方式為最大液滴噴射速度構(gòu)造的熱彎曲致動(dòng)器圖1和2顯示了處于兩個(gè)不同制造階段的噴嘴組件100。噴嘴組件在結(jié)構(gòu)上與申請(qǐng)人先前提交的申請(qǐng)日為2007年6月15日的美國申請(qǐng)No. 11/763，440中描述的噴嘴組件類似，該申請(qǐng)的內(nèi)容在此引入作為參考。圖1顯示了部分形成的噴嘴組件以便說明主動(dòng)和被動(dòng)梁層的特征。因此，參考圖1，顯示了形成在CMOS硅襯底102上的噴嘴組件100。噴嘴腔由與襯底102隔開的頂部104 和從所述頂部延伸到襯底102的側(cè)壁106限定。頂部104包括活動(dòng)部108和靜止部110，所述活動(dòng)部和靜止部之間具有間隙109。噴嘴開口 112限定在活動(dòng)部108中以進(jìn)行噴墨?；顒?dòng)部108包括具有一對(duì)懸臂梁的熱彎曲致動(dòng)器，所述懸臂梁形式為熔焊到下部被動(dòng)梁116上的上部主動(dòng)梁114。下部被動(dòng)梁116限定了頂部的活動(dòng)部108的范圍。上部主動(dòng)梁114包括一對(duì)臂114A和114B，其從相應(yīng)電極觸點(diǎn)118A和118B縱向伸出。臂114A 和114B在其遠(yuǎn)端由連接構(gòu)件115連接。連接構(gòu)件115可以包括鈦導(dǎo)電墊117，其有助于該連接區(qū)域周圍的導(dǎo)電性。因此，主動(dòng)梁114限定了電極觸點(diǎn)118A和118B之間的彎曲或曲折的傳導(dǎo)路徑。電極觸點(diǎn)118A和118B在噴嘴組件的一端彼此相鄰地定位并且通過相應(yīng)連接柱 119連接到襯底102的金屬CMOS層120上。CMOS層120容納用于致動(dòng)彎曲致動(dòng)器的必要的驅(qū)動(dòng)電路。被動(dòng)梁116典型地由任何電絕緣和熱絕緣材料制成，例如二氧化硅、氮化硅等。熱彈性主動(dòng)梁114可以由任何適當(dāng)?shù)臒釓椥圆牧现瞥?，例如氮化鈦、氮化鈦鋁和鋁合金。如申請(qǐng)人于2006年12月4日提交的共同待審的美國申請(qǐng)No. 11/607，976(代理人案號(hào)IJ70US) 中所述，釩鋁合金是優(yōu)選的材料，因?yàn)樗鼈兙C合了高熱膨脹、低密度和高楊氏模量的有利性質(zhì)。參考圖2，顯示了處于后續(xù)制造階段的完成的噴嘴組件100。圖2所示噴嘴組件具有噴嘴腔122和用于將墨水供應(yīng)給噴嘴腔的墨水進(jìn)口 124。另外，頂部104(其限定了打印頭的剛性噴嘴板的一部分)覆蓋有諸如聚二甲硅氧烷(PDMS)的聚合材料層126。聚合層 126具有多種功能，包括保護(hù)彎曲致動(dòng)器，使頂部104(和打印頭表面)疏水化以及為間隙 109提供機(jī)械密封。聚合層1 具有足夠低的楊氏模量以允許墨水穿過噴嘴開口 112致動(dòng)和噴出。關(guān)于聚合層126的更詳細(xì)的說明(包括其功能和制造)可以參見例如于2007年 11月四日提交的美國申請(qǐng)No. 11/946，840，其內(nèi)容在此引入作為參考。當(dāng)需要從噴嘴腔122噴出墨滴時(shí)，電流流過電極觸點(diǎn)118之間的主動(dòng)梁114。主動(dòng)梁114由電流迅速加熱并且相對(duì)于被動(dòng)梁116膨脹，從而使活動(dòng)部108相對(duì)于靜止部110朝向襯底102向下彎曲。這個(gè)運(yùn)動(dòng)繼而通過噴嘴腔122內(nèi)部壓力迅速升高而導(dǎo)致墨水從噴嘴開口 112噴出。當(dāng)電流停止流動(dòng)時(shí)，允許活動(dòng)部108返回其靜止位置(如圖1和2所示)， 這將墨水從進(jìn)口 1 吸入噴嘴腔122中，為下一次噴射做準(zhǔn)備。在圖1和2所示噴嘴設(shè)計(jì)中，彎曲致動(dòng)器有利地限定每個(gè)噴嘴組件100的至少一部分活動(dòng)部108。這不僅簡(jiǎn)化了噴嘴組件100的總體設(shè)計(jì)和制造，而且由于活動(dòng)部108只有一個(gè)表面(即，下“工作面”)得對(duì)相對(duì)粘稠的墨水做功，還提供了較高的噴射效率。比較而言，具有位于噴嘴腔122內(nèi)部的致動(dòng)器槳葉的噴嘴組件效率不高，因?yàn)橹聞?dòng)器的兩個(gè)表面都得對(duì)腔室內(nèi)的墨水做功。然而，仍然需要提高彎曲致動(dòng)器的總效率。根據(jù)本發(fā)明，熱彎曲致動(dòng)器的工作面具有小于800平方微米的面積?？蛇x擇地，工作面具有小于700平方微米或者小于600平方微米的面積。如圖1和2所示，熱彎曲致動(dòng)器的工作面通常由被動(dòng)梁116的下表面(內(nèi)表面) 限定，其要對(duì)容納在噴嘴腔122中的墨水做功。
熱彎曲致動(dòng)器工作面面積的減小將明顯偏離熱彎曲致動(dòng)器的先前設(shè)計(jì)。到此為止，應(yīng)當(dāng)理解的是，必要體積墨水的位移是控制墨滴從噴嘴開口噴出的主要因素。因此，為了以可接受的墨滴噴射速度(例如，5-15m/s)實(shí)現(xiàn)l-2pL(例如，1.2-1. 8pL)的典型墨滴體積，以前理解的是，需要面積為至少1500平方微米的工作面進(jìn)行位移。改進(jìn)液滴噴射特性的嘗試過去集中在通常通過延長(zhǎng)致動(dòng)器實(shí)現(xiàn)的使致動(dòng)器位移最大化，和增大其工作面的面積。然而，申請(qǐng)人的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，預(yù)料不到的是，致動(dòng)器在彎曲致動(dòng)期間的峰值速度是提供最佳墨滴噴射(就可接受的墨滴速度和墨滴體積而言)的更為重要的因素。如果所實(shí)現(xiàn)的致動(dòng)器的峰值速度足夠大，即使工作面的表面面積相對(duì)較小，也可以獲得出色的墨滴噴射。足夠大的致動(dòng)器峰值速度典型地為至少大約2. 5m/s。可以通過主動(dòng)梁在致動(dòng)期間受熱的迅速程度控制致動(dòng)器峰值速度。如申請(qǐng)人于 2008年5月5日提交的美國申請(qǐng)No. 12/114，擬6(其內(nèi)容在此引入作為參考)所述，通過小于0. 2微秒(例如大約0. 1微秒)的較短致動(dòng)脈沖寬度和/或包括具有較小橫截面積(例如，小于10平方微米或小于5平方微米)的加熱元件的主動(dòng)梁，可以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)梁的迅速加熱。典型地，每個(gè)加熱元件具有小于5微米的寬度。然而，致動(dòng)器峰值速度也與工作面的面積相關(guān)，因?yàn)楫?dāng)工作面具有較小面積時(shí)，對(duì)墨水做功較少。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)工作面具有200到800平方微米、或者250到700平方微米或 300到650平方微米的面積時(shí)，本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)最佳液滴噴射特性。當(dāng)這樣的工作面以至少 2. 5m/s的峰值速度位移時(shí)，通常獲得6-12m/s或8-lOm/s的可接受的墨滴噴射速度。從上文可知，應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明使包括熱彎曲致動(dòng)器的噴墨噴嘴組件中的工作面的面積顯著減小。因此，每個(gè)噴墨噴嘴組件的所占用面積可以減小，從而在噴墨打印頭上能夠獲得更密集的噴嘴組裝。典型地，根據(jù)本發(fā)明的打印頭中每個(gè)噴嘴組件的所占用積小于1200平方微米，或者小于1000平方微米，或者小于800平方微米。更具體地說，可以通過長(zhǎng)度小于60微米或小于50微米的熱彎曲致動(dòng)器減小工作面的面積。致動(dòng)器長(zhǎng)度的減小增大了致動(dòng)器沿彎曲方向的剛性，這進(jìn)一步提升了致動(dòng)器的總效率。致動(dòng)器沿彎曲方向的剛性還取決于致動(dòng)器的總厚度?？蛇x擇地，彎曲致動(dòng)器具有至少1. 3微米或至少1. 5微米的厚度。此外，可以通過寬度小于20微米或小于15微米的熱彎曲致動(dòng)器減小工作面的面積。致動(dòng)器寬度的減小在增大打印頭上的噴嘴排列密度方面具有最大效果，因?yàn)橐慌艊娮熘锌梢匝b入更多的噴嘴。最終，本發(fā)明既實(shí)現(xiàn)了高噴嘴排列密度以及出色的墨滴噴射效率，又實(shí)現(xiàn)了出色的墨滴特性。例如，小于200nJ(或小于150nJ)的輸入能量以大約0. 1微秒的脈沖寬度傳送時(shí)足以產(chǎn)生至少2. 5m/s的致動(dòng)器峰值速度。這導(dǎo)致8-lOm/s的墨滴噴射速度。此外，噴射的墨滴形狀良好，并且驚人的是幾乎沒有衛(wèi)星滴。衛(wèi)星滴在噴墨打印中是眾所周知的，其由噴出的墨滴的尾部崩裂成微小的衛(wèi)星滴產(chǎn)生，所述衛(wèi)星滴與主墨滴分開。衛(wèi)星滴很成問題并且可能影響總體打印質(zhì)量。本發(fā)明人理解到，至少2. 5m/s的較高致動(dòng)器峰值速度可以減少衛(wèi)星滴數(shù)量。通常，衛(wèi)星滴與高墨滴噴射速度相關(guān)，但是本發(fā)明驚人地顯示出，即使在至少7m/s、至少8m/s或至少9m/s的較高墨滴噴射速度下也幾乎沒有衛(wèi)星滴?？傊?，在控制液滴噴射特性方面，致動(dòng)器的最大位移及較大工作面面積與致動(dòng)器峰值速度相比，重要性應(yīng)小得多；通過使工作面面積盡量減小，可以在給定輸入能量下獲得
更大的致動(dòng)器峰值速度。 利用墨水壓力控制液滴尺寸大部分噴墨打印機(jī)在負(fù)流體靜力墨水壓力下工作。這主要是為避免墨水在打印頭表面上不受控制的溢流，尤其是在打印停止時(shí)。此外，當(dāng)墨水彎液面由于表面張力釘住噴嘴開口時(shí)，優(yōu)選地具有與凸液面(從打印頭向外隆起)相反的凹液面，因?yàn)橥挂好嬉妆淮蛴☆^表面上的顆粒碰破，從而導(dǎo)致微小溢流。圖4A顯示了利用負(fù)流體靜力墨水壓力具有凹液面 202的典型噴墨噴嘴200，圖4B顯示了利用正流體靜壓力具有凸液面204的同一噴墨噴嘴。已知存在各種用于控制噴墨打印頭中的流體靜力墨水壓力的手段。適當(dāng)構(gòu)造的供墨系統(tǒng)能夠以必要的墨水壓力傳送墨水，已知有很多不同形式的供墨系統(tǒng)。例如，墨水儲(chǔ)存器相對(duì)于打印頭的位置可以提供非常簡(jiǎn)單的壓力控制形式-位于打印頭205上方的墨水儲(chǔ)存器206提供正流體靜力墨水壓力(參見圖4B)；位于打印頭205下方的墨水儲(chǔ)存器206 提供負(fù)流體靜力墨水壓力(參見圖4A)。用于控制打印頭中的流體靜力墨水壓力的其它手段落入本領(lǐng)域技術(shù)人員的知識(shí)范疇之內(nèi)，并且具體的壓力控制手段的細(xì)節(jié)與本發(fā)明關(guān)系不大。如上所述，本申請(qǐng)人研發(fā)了具有疏水表面的噴墨打印頭。該疏水表面典型地為 PDMS層126，其在打印頭制造后期沉積在噴嘴頂部104上(例如，參見申請(qǐng)人于2007年11 月四日提交的美國申請(qǐng)No. 11/946,840)。由于噴嘴腔的頂部104通常具有疏水性、由二氧化硅或氮化硅制成，墨水彎液面在限定于頂部層104和PDMS層1 之間的親水/疏水界面處釘住噴嘴開口 112。圖5顯示了如上所述的噴嘴設(shè)備100中具有負(fù)流體靜力墨水壓力的墨水凹液面150。如美國申請(qǐng)No. 11/946，840所述，疏水PDMS層1 有助于使打印頭表面溢流最小化。因此，PDMS層1 能夠使凸液面成為可能而不具有打印頭表面溢流的高風(fēng)險(xiǎn)。如圖6 所示，由于PDMS層126的厚度的緣故、以及由于彎液面151釘住親水/疏水界面的緣故，凸液面151不從打印頭表面(由PDMS層的外表面128限定)伸出。PDMS層1 有效防止彎液面151受到任何顆粒影響，同時(shí)起能障作用使打印頭表面溢流最小化——墨水通過毛細(xì)管作用移動(dòng)到疏水PDMS層1 上的傾向最小，在能量方面更有助于在親水/疏水界面處保持釘住。因此，PDMS層1 不會(huì)限制噴嘴組件100與負(fù)壓供墨源結(jié)合使用。在沒有負(fù)流體靜力墨水壓力的約束下，申請(qǐng)人的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，帶有凸液面151的正流體靜力墨水壓力在本文描述的彎曲致動(dòng)噴嘴組件100中驚人地提供非常不同的液滴噴射特性。驚人的發(fā)現(xiàn)是，對(duì)于噴嘴開口 112的給定尺寸(例如直徑)來說，與在負(fù)流體靜力墨水壓力下供應(yīng)墨水的相同噴嘴開口相比，正流體靜力墨水壓力提供更大尺寸和體積的噴出墨滴。到此為止，所理解的是，決定墨滴體積的主要因素是噴嘴開口 112的直徑。典型地，預(yù)期噴出墨滴具有與噴射該墨滴的噴嘴開口相同的直徑。因此，直徑為12微米的噴嘴開口典型地噴射大約0.9pL (這對(duì)于一些應(yīng)用來說可能過小)的墨滴。14微米噴嘴開口典型地噴射大約1.4pL(據(jù)認(rèn)為，這對(duì)于大部分噴墨應(yīng)用來說是可接受的液滴體積)的墨滴。 通常，范圍在1-2. 5pL、或l-2pL的液滴體積被認(rèn)為是可接受的液滴體積。然而，當(dāng)墨滴從具有正流體靜力墨水壓力的圖6所示噴嘴組件噴出時(shí)，與具有負(fù)流體靜力墨水壓力的圖5所示噴嘴組件相比，發(fā)現(xiàn)噴出的墨滴體積高達(dá)1. 5倍、2倍或3倍。因此，具有彎曲致動(dòng)噴嘴100的打印頭可以根據(jù)由供墨系統(tǒng)提供的流體靜力墨水壓力進(jìn)行不同的設(shè)計(jì)或不同的操作。例如，對(duì)于必要的液滴體積來說，如果使用正流體靜力墨水壓力的話，與更為常見的負(fù)流體靜壓力相比，噴嘴開口可以制造得更小。這繼而允許利用更小尺寸噴嘴開口在打印頭上獲得更密集的噴嘴組裝。典型地，正流體靜壓力可為1到 300毫米水柱，可選擇地為5到200毫米水柱，或者可選擇地為10到100毫米水柱。利用這樣的正墨水壓力，噴嘴開口可以具有4到12微米、或者可選擇地5到11微米、或者可選擇地6到10微米的最大尺寸，并且仍然獲得可接受的液滴體積。對(duì)于圓形噴嘴開口而言，最大尺寸是其直徑；對(duì)于橢圓形噴嘴開口而言，最大尺寸是其長(zhǎng)軸的長(zhǎng)度。此外，打印頭可以通過改變由供墨系統(tǒng)提供的流體靜壓力就地進(jìn)行不同的操作。 一些打印頭應(yīng)用(例如，純黑文本打印)可能需要通過在正流體靜壓力下操作而獲得較大的液滴體積。較大的液滴體積將更多的墨水放置在頁面上，使光學(xué)密度最大化，這在將黑色文本打印到標(biāo)準(zhǔn)辦公用紙上時(shí)尤為需要。替代地，一些打印頭應(yīng)用(例如，照片打印)可能需要通過在較低(例如，負(fù))流體靜力墨水壓力下操作而獲得較小的液滴體積。較小的液滴體積獲得較高的打印分辨率，這對(duì)于照片打印應(yīng)用來說尤為需要。在基本不改變噴嘴設(shè)計(jì)的情況下改變液滴體積的能力對(duì)于噴墨打印來說具有重要作用。噴墨打印的目標(biāo)是提供SOHO打印機(jī)，其能夠在不犧牲光學(xué)密度或照片質(zhì)量的情況下打印純黑文本和/或照片。同樣地，為打印在不同紙張類型上就地使液滴體積最佳化對(duì)于噴墨打印機(jī)技術(shù)來說是重要的進(jìn)步。舉例來說，圖4A和4B示意性地顯示了包括任意打印頭205和供墨系統(tǒng)的打印機(jī)， 所述供墨系統(tǒng)能夠通過改變墨水儲(chǔ)存器206相對(duì)于打印頭的高度傳送不同的流體靜力墨水壓力。毫無疑問，通過供墨系統(tǒng)就地改變流體靜力墨水壓力的更復(fù)雜的裝置對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說顯而易見。例如，如圖7所示，可以使用與墨水儲(chǔ)存器206中的頂部空間211 連通的可逆空氣泵210、以及向空氣泵提供反饋信號(hào)214的墨水壓力傳感器212。毫無疑問，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，以上僅以舉例方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，在由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)可以進(jìn)行細(xì)節(jié)改進(jìn)。
權(quán)利要求
1.一種噴墨噴嘴組件，包括噴嘴腔，其用于容納墨水，所述腔具有噴嘴開口和墨水進(jìn)口 ；一對(duì)電觸點(diǎn)，其位于所述組件的一端并連接到驅(qū)動(dòng)電路；和熱彎曲致動(dòng)器，其用于通過所述噴嘴開口進(jìn)行噴墨，所述致動(dòng)器包括主動(dòng)梁，其連接到所述電觸點(diǎn)并遠(yuǎn)離所述觸點(diǎn)縱向延伸，所述主動(dòng)梁限定所述觸點(diǎn)之間的彎曲電流流動(dòng)路徑；和被動(dòng)梁，其熔焊到所述主動(dòng)梁，使得當(dāng)電流流過所述主動(dòng)梁時(shí)，所述主動(dòng)梁變熱并相對(duì)于所述被動(dòng)梁膨脹以使所述致動(dòng)器彎曲，其中，所述致動(dòng)器具有用于在所述致動(dòng)器的所述彎曲期間在所述墨水中產(chǎn)生正壓力脈沖的工作面，所述工作面具有小于800平方微米的面積。
2.如權(quán)利要求1所述的噴墨噴嘴組件，其中，所述工作面具有小于600微米的面積。
3.如權(quán)利要求1所述的噴墨噴嘴組件，其中，所述工作面由所述被動(dòng)梁的表面限定。
4.如權(quán)利要求1所述的噴墨噴嘴組件，其構(gòu)造成提供至少2.5m/s的致動(dòng)器峰值速度。
5.如權(quán)利要求1所述的噴墨噴嘴組件，其中，所述驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)造成向所述主動(dòng)梁傳送致動(dòng)脈沖，每個(gè)致動(dòng)脈沖向所述主動(dòng)梁傳送小于200nJ的能量。
6.如權(quán)利要求1所述的噴墨噴嘴組件，其中，所述驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)造成向所述主動(dòng)梁傳送致動(dòng)脈沖，每個(gè)致動(dòng)脈沖具有小于0. 2微秒的脈沖寬度。
7.如權(quán)利要求1所述的噴墨噴嘴組件，其中，所述主動(dòng)梁和被動(dòng)梁各具有小于50微米的長(zhǎng)度。
8.如權(quán)利要求1所述的噴墨噴嘴組件，其中，所述主動(dòng)梁和被動(dòng)梁各具有小于15微米的寬度。
9.如權(quán)利要求1所述的噴墨噴嘴組件，其中，所述主動(dòng)梁和被動(dòng)梁具有至少1.5微米的組合厚度。
10.如權(quán)利要求1所述的噴墨噴嘴組件，其中，所述主動(dòng)梁包括從第一觸點(diǎn)縱向延伸的第一臂、從第二觸點(diǎn)縱向延伸的第二臂以及連接所述第一臂和第二臂的連接構(gòu)件。
11.如權(quán)利要求9所述的噴墨噴嘴組件，其中，所述第一臂和第二臂中的每一個(gè)包括各自的電阻加熱元件，所述電阻加熱元件具有小于5微米的寬度。
12.如權(quán)利要求9所述的噴墨噴嘴組件，其中，所述連接構(gòu)件使所述第一臂和第二臂的遠(yuǎn)端相互連接，所述遠(yuǎn)端相對(duì)于所述電觸點(diǎn)位于遠(yuǎn)側(cè)。
13.如權(quán)利要求1所述的噴墨噴嘴組件，其中，所述主動(dòng)梁包括選自下列組中的材料， 所述組包括氮化鈦、氮化鈦鋁和釩鋁合金。
14.如權(quán)利要求1所述的噴墨噴嘴組件，其中，所述被動(dòng)梁包括選自下列組中的材料， 所述組包括二氧化硅、氮化硅和氮氧化硅。
15.如權(quán)利要求1所述的噴墨噴嘴組件，其中，所述噴嘴腔包括底部和具有活動(dòng)部的頂部，其中所述致動(dòng)器的致動(dòng)使所述活動(dòng)部朝向所述底部移動(dòng)。
16.如權(quán)利要求15所述的噴墨噴嘴組件，其中，所述活動(dòng)部包括所述致動(dòng)器。
17.如權(quán)利要求16所述的噴墨噴嘴組件，其中，所述噴嘴開口限定在所述活動(dòng)部中，使得所述噴嘴開口能相對(duì)于所述底部移動(dòng)。
18.如權(quán)利要求1所述的噴墨噴嘴組件，其中，所述噴墨噴嘴組件具有小于1500平方微米的占用面積。
19. 一種包括多個(gè)如權(quán)利要求1所述的噴嘴組件的噴墨打印頭。
全文摘要
一種噴墨噴嘴組件，包括用于容納墨水的噴嘴腔，所述腔具有噴嘴開口和墨水進(jìn)口；一對(duì)位于所述組件的一端并連接到驅(qū)動(dòng)電路上的電觸點(diǎn)；和用于通過所述噴嘴開口進(jìn)行噴墨的熱彎曲致動(dòng)器，所述致動(dòng)器包括連接到所述電觸點(diǎn)并遠(yuǎn)離所述觸點(diǎn)縱向延伸的主動(dòng)梁，所述主動(dòng)梁限定了所述觸點(diǎn)之間的彎曲電流流動(dòng)路徑；和熔焊到所述主動(dòng)梁上的被動(dòng)梁，使得當(dāng)電流流過所述主動(dòng)梁時(shí)，所述主動(dòng)梁變熱并相對(duì)于被動(dòng)梁膨脹以使所述致動(dòng)器彎曲，其中，所述致動(dòng)器具有用于在所述致動(dòng)器的彎曲期間在所述墨水中產(chǎn)生正壓力脈沖的工作面，所述工作面具有小于800平方微米的面積。
文檔編號(hào)B81B3/00GK102164748SQ200880131225
公開日2011年8月24日 申請(qǐng)日期2008年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月29日
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