高效噴墨噴嘴組件的製作方法

2023-06-11 11:03:16

專利名稱：高效噴墨噴嘴組件的製作方法
技術領域：
本發明涉及噴墨噴嘴組件。本發明主要用於提高熱彎曲致動噴墨噴嘴的效率和提高液滴噴射特性。
背景技術：
申請人:先前已經描述了使用熱彎曲致動的眾多MEMS噴墨噴嘴。熱彎曲致動通常是指一種電流從其流過的材料相對於另一種材料的熱膨脹產生的彎曲運動。可以利用產生的彎曲運動從噴嘴開口噴墨，任選地通過槳葉或葉片的運動來進行噴墨，所述槳葉或葉片的運動在噴嘴腔內產生壓力波。在上面的交叉引用部分中所列出的專利和專利申請中舉例說明了一些典型類型的熱彎曲噴墨噴嘴，其內容引入本文作為參考。申請人:的美國專利No. 6，416，167描述了一種噴墨噴嘴，其具有位於噴嘴腔中的槳葉和位於噴嘴腔外面的熱彎曲致動器。致動器採用熔焊到由非傳導材料(例如二氧化矽)製成的上部被動梁的由傳導材料(例如氮化鈦)製成的下部主動梁形式。致動器通過穿過位於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梁時，致動器向上彎曲，因此，槳葉朝向限定在噴嘴腔頂部中的噴嘴開口移動，從而噴出墨滴。這種設計的優點在於其結構簡單。這種設計的缺陷在於槳葉的兩個表面都要對噴嘴腔內相對粘稠的墨水做功。申請人:的美國專利No. 6，260, 953描述了一種噴墨噴嘴，其中，致動器形成噴嘴腔的移動頂部。致動器採取由聚合材料包裹的傳導材料製成的螺旋芯部的形式。在致動時，致動器朝向噴嘴腔底部彎曲，增大腔內壓力並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部分中。這種設計的優點在於，移動頂部只有一個表面必須對噴嘴腔內的相對粘稠的墨水做功。這種設計的缺陷在於，難以在MEMS製造工藝中實現由被聚合材料包裹的螺旋傳導元件構造致動器。申請人:的美國專利No. 6，623，101描述了一種噴墨噴嘴，其包括具有活動頂部的噴嘴腔，所述活動頂部具有限定在其中的噴嘴開口。活動頂部通過臂連接到位於噴嘴腔外面的熱彎曲致動器。致動器採用與下部被動梁隔開的上部主動梁形式。由於被動梁不能用作主動梁的散熱裝置，通過使主動梁和被動梁隔開，熱彎曲效率達到最大。當電流流過上部主動梁時，引起具有限定在其中的噴嘴開口的活動頂部朝向噴嘴腔底部旋轉，從而通過噴嘴開口進行噴射。因為噴嘴開口隨頂部移動，可以通過適當改進噴嘴邊緣的形狀控制液滴飛行方向。這種設計的優點在於，移動頂部只有一個表面必須對噴嘴腔內相對粘稠的墨水做功。另一優點在於通過將主動梁構件與被動梁構件隔開可以實現最小熱損耗。這種設計的缺陷在於，使主動梁構件和被動梁構件隔開造成了結構剛度上的損失。到此為止，應當理解的是，由彎曲致動器致動的噴墨噴嘴需要移動必要體積的墨水以便從噴嘴開口噴出預定體積的墨滴。因此，噴墨噴嘴設計主要集中在對於給定能量輸入提供熱彎曲致動器的最大位移。
需要提升熱彎曲致動器的彎曲致動效率，同時允許在噴墨列印頭中實現更密集的噴嘴組裝並且使液滴噴射特性最佳化。

發明內容
在第一方面，本發明提供了一種噴墨噴嘴組件，包括噴嘴腔，其用於容納墨水，所述腔具有噴嘴開口和墨水進口 ；一對電觸點，其位於所述組件的一端並連接到驅動電路；和熱彎曲致動器，其用於通過所述噴嘴開口進行噴墨，所述致動器包括主動梁，其連接到所述電觸點並遠離所述觸點縱向延伸，所述主動梁限定所述觸點之間的彎曲電流流動路徑；和被動梁，其熔焊到所述主動梁，使得當電流流過所述主動梁時，所述主動梁變熱並相對於所述被動梁膨脹以使所述致動器彎曲，其中，所述致動器具有用於在所述致動器的所述彎曲期間在所述墨水中產生正壓力脈衝的工作面，所述工作面具有小於800平方微米的面積。可選擇地，所述工作面具有小於600微米的面積。可選擇地，所述工作面由所述被動梁的表面限定。可選擇地，所述噴墨噴嘴組件構造成提供至少2. 5m/s的致動器峰值速度。可選擇地，所述驅動電路構造成向所述主動梁傳送致動脈衝，每個致動脈衝向所述主動梁傳送小於200nJ的能量。可選擇地，所述驅動電路構造成向所述主動梁傳送致動脈衝，每個致動脈衝具有小於0.2微秒的脈衝寬度。可選擇地，所述主動梁和被動梁各具有小於50微米的長度。可選擇地，所述主動梁和被動梁各具有小於15微米的寬度。可選擇地，所述主動梁和被動梁具有至少1. 5微米的組合厚度。可選擇地，所述主動梁包括從第一觸點縱向延伸的第一臂、從第二觸點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件。可選擇地，所述第一臂和第二臂中的每一個包括各自的電阻加熱元件，所述電阻加熱元件具有小於5微米的寬度。可選擇地，所述連接構件使所述第一臂和第二臂的遠端相互連接，所述遠端相對於所述電觸點位於遠側。可選擇地，所述主動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，所述被動梁包括選自下列組中的材料，所述組包括二氧化矽、氮化矽
和氮氧化矽。可選擇地，所述噴嘴腔包括底部和具有活動部的頂部，其中所述致動器的致動使所述活動部朝向所述底部移動。可選擇地，所述活動部包括所述致動器。 可選擇地，所述噴嘴開口限定在所述活動部中，使得所述噴嘴開口能相對於所述底部移動。
可選擇地，所述噴墨噴嘴組件具有小於1500平方微米的佔用面積。在另一方面，本發明提供了一種包括多個噴嘴組件的噴墨列印頭，每個組件包括噴嘴腔，其用於容納墨水，所述腔具有噴嘴開口和墨水進口 ；一對電觸點，其位於所述組件的一端並連接到驅動電路；和熱彎曲致動器，其用於通過所述噴嘴開口進行噴墨，所述致動器包括主動梁，其連接到所述電觸點並遠離所述觸點縱向延伸，所述主動梁限定所述觸點之間的彎曲電流流動路徑；和被動梁，其熔焊到所述主動梁，使得當電流流過所述主動梁時，所述主動梁變熱並相對於所述被動梁膨脹以使所述致動器彎曲，其中，所述致動器具有用於在所述致動器的所述彎曲期間在所述墨水中產生正壓力脈衝的工作面，所述工作面具有小於800平方微米的面積。在第二方面，本發明提供了一種噴墨印表機，包括具有多個噴嘴組件的列印頭，每個噴嘴組件包括噴嘴腔，其用於容納墨水，所述腔具有噴嘴開口和墨水進口 ；和彎曲致動器，用於通過在所述致動器彎曲期間在所述墨水中產生正壓力脈衝而將墨滴從所述噴嘴開口噴出；和供墨系統，其用於向所述列印頭供應墨水；和用於改變供應給所述列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。可選擇地，所述噴出墨滴的體積可以相對於最小液滴體積增大至少100 %。可選擇地，列印頭表面由疏水層限定。可選擇地，所述疏水層是PDMS層。可選擇地，所述疏水層沉積在相對親水噴嘴板上。 可選擇地，墨水彎液面在親水/親水界面處釘住每個噴嘴開口。可選擇地，每個噴嘴組件包括用於將致動脈衝傳送給所述彎曲致動器的驅動電路。可選擇地，所述驅動電路構造成使每個致動脈衝給所述致動器傳送小於200nJ的能量。可選擇地，所述彎曲致動器包括主動梁，其連接到一對電觸點；和被動梁，其與所述主動梁機械配合，使得當電流流過所述主動梁時，所述主動梁變熱並相對於所述被動梁膨脹以使所述致動器彎曲。可選擇地，每個噴嘴組件包括位於其一端處的所述一對電觸點，並且其中，所述主動梁遠離所述觸點縱向延伸以限定所述觸點之間的彎曲電流流動路徑。可選擇地，所述主動梁熔焊到所述被動梁上。可選擇地，所述主動梁包括從第一觸點縱向延伸的第一臂、從第二觸點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件。
可選擇地，所述第一臂和第二臂中的每一個包括各自的電阻加熱元件。可選擇地，所述連接構件使所述第一臂和第二臂的遠端相互連接，所述遠端相對於所述電觸點位於遠側。可選擇地，所述主動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，所述被動梁包括選自下列組中的材料，所述組包括二氧化矽、氮化矽
和氮氧化矽。可選擇地，每個噴嘴腔包括底部和具有活動部的頂部，其中所述致動器的致動使所述活動部朝向所述底部移動。可選擇地，所述活動部包括所述致動器。可選擇地，所述噴嘴開口限定在所述活動部中，使得所述噴嘴開口能相對於所述底部移動。在另一個方面，本發明提供了一種構造列印頭以噴出預定體積的墨滴的方法，所述方法包括以下步驟(i)提供具有多個噴嘴組件的列印頭，每個噴嘴組件包括噴嘴腔，其用於容納墨水，所述腔具有預定尺寸的噴嘴開口 ；和彎曲致動器，用於通過在所述致動器彎曲期間在所述墨水中產生正壓力脈衝而將墨滴從所述噴嘴開口噴出；(ii)改變供應給所述列印頭的墨水的流體靜壓力，從而改變噴出的墨滴的體積；(iii)確定與所述預定量相對應的最佳流體靜力墨水壓力；和(iv)構造供墨系統以在所述最佳流體靜力墨水壓力下向所述列印頭供墨。在第三方面，本發明提供了一種構造成噴出體積為1到2. 5pL的墨滴的噴墨印表機，所述印表機包括列印頭，其具有多個噴嘴組件，每個噴嘴組件包括噴嘴腔，其用於容納墨水，所述腔具有噴嘴開口和墨水進口，所述噴嘴開口具有4到12微米的最大尺寸；和彎曲致動器，其用於通過在所述致動器彎曲期間在所述墨水中產生正壓力脈衝而將墨滴從所述噴嘴開口噴出；和供墨系統，其構造成在1到300毫米水柱的正流體靜壓力下給所述列印頭供墨。可選擇地，所述噴嘴開口具有6到10微米的最大尺寸。可選擇地，所述供墨系統構造成在5到200毫米水柱的正流體靜壓力下給所述列印頭供墨。可選擇地，所述流體靜壓力在灌注所述列印頭時在所述噴嘴開口處提供凸液面。可選擇地，列印頭表面由疏水層限定。可選擇地，所述疏水層是PDMS層。可選擇地，所述疏水層沉積在相對親水噴嘴板上。可選擇地，墨水彎液面在親水/親水界面處釘住每個噴嘴開口。可選擇地，每個噴嘴組件包括用於將致動脈衝傳送給所述彎曲致動器的驅動電路。
可選擇地，所述驅動電路構造成使每個致動脈衝給所述致動器傳送小於200nJ的
能量°可選擇地，所述彎曲致動器包括主動梁，其連接到一對電觸點；和被動梁，其與所述主動梁機械配合，使得當電流流過所述主動梁時，所述主動梁變熱並相對於所述被動梁膨脹以使所述致動器彎曲。可選擇地，每個噴嘴組件包括位於其一端處的所述一對電觸點，並且其中，所述主動梁遠離所述觸點縱向延伸以限定所述觸點之間的彎曲電流流動路徑。可選擇地，所述主動梁熔焊到所述被動梁。可選擇地，所述主動梁包括從第一觸點縱向延伸的第一臂、從第二觸點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件。可選擇地，所述第一臂和第二臂中的每一個包括各自的電阻加熱元件。可選擇地，所述主動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，所述被動梁包括選自下列組中的材料，所述組包括二氧化矽、氮化矽
和氮氧化矽。可選擇地，每個噴嘴腔包括底部和具有活動部的頂部，其中所述致動器的致動使所述活動部朝向所述底部移動。可選擇地，所述活動部包括所述致動器。 可選擇地，所述噴嘴開口限定在所述活動部中，使得所述噴嘴開口能相對於所述底部移動。


現在參考附圖僅以舉例方式對本發明的實施例進行描述，其中圖1是已部分製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製造步驟之後的剖開透視圖；圖3A示意性地顯示了在負流體靜壓力下供以墨水的任意列印頭；圖;3B示意性地顯示了在正流體靜壓力下供以墨水的任意列印頭；圖4顯示了在負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的噴墨印表機，所述供墨系統構造為在變化的流體靜壓力下供應墨水。
具體實施例方式為最大液滴噴射速度構造的熱彎曲致動器圖1和2顯示了處於兩個不同製造階段的噴嘴組件100。噴嘴組件在結構上與申請人先前提交的申請日為2007年6月15日的美國申請No. 11/763，440中描述的噴嘴組件類似，該申請的內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和被動梁層的特徵。因此，參考圖1，顯示了形成在CMOS矽襯底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的側壁106限定。頂部104包括活動部108和靜止部110，所述活動部和靜止部之間具有間隙109。噴嘴開口 112限定在活動部108中以進行噴墨。活動部108包括具有一對懸臂梁的熱彎曲致動器，所述懸臂梁形式為熔焊到下部被動梁116上的上部主動梁114。下部被動梁116限定了頂部的活動部108的範圍。上部主動梁114包括一對臂114A和114B，其從相應電極觸點118A和118B縱向伸出。臂114A 和114B在其遠端由連接構件115連接。連接構件115可以包括鈦導電墊117，其有助於該連接區域周圍的導電性。因此，主動梁114限定了電極觸點118A和118B之間的彎曲或曲折的傳導路徑。電極觸點118A和118B在噴嘴組件的一端彼此相鄰地定位並且通過相應連接柱 119連接到襯底102的金屬CMOS層120上。CMOS層120容納用於致動彎曲致動器的必要的驅動電路。被動梁116典型地由任何電絕緣和熱絕緣材料製成，例如二氧化矽、氮化矽等。熱彈性主動梁114可以由任何適當的熱彈性材料製成，例如氮化鈦、氮化鈦鋁和鋁合金。如申請人於2006年12月4日提交的共同待審的美國申請No. 11/607，976(代理人案號IJ70US) 中所述，釩鋁合金是優選的材料，因為它們綜合了高熱膨脹、低密度和高楊氏模量的有利性質。參考圖2，顯示了處於後續製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和用於將墨水供應給噴嘴腔的墨水進口 124。另外，頂部104(其限定了列印頭的剛性噴嘴板的一部分)覆蓋有諸如聚二甲矽氧烷(PDMS)的聚合材料層126。聚合層 126具有多種功能，包括保護彎曲致動器，使頂部104(和列印頭表面)疏水化以及為間隙 109提供機械密封。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致動和噴出。關於聚合層126的更詳細的說明(包括其功能和製造)可以參見例如於2007年 11月四日提交的美國申請No. 11/946，840，其內容在此引入作為參考。當需要從噴嘴腔122噴出墨滴時，電流流過電極觸點118之間的主動梁114。主動梁114由電流迅速加熱並且相對於被動梁116膨脹，從而使活動部108相對於靜止部110朝向襯底102向下彎曲。這個運動繼而通過噴嘴腔122內部壓力迅速升高而導致墨水從噴嘴開口 112噴出。當電流停止流動時，允許活動部108返回其靜止位置(如圖1和2所示)， 這將墨水從進口 1 吸入噴嘴腔122中，為下一次噴射做準備。在圖1和2所示噴嘴設計中，彎曲致動器有利地限定每個噴嘴組件100的至少一部分活動部108。這不僅簡化了噴嘴組件100的總體設計和製造，而且由於活動部108隻有一個表面(即，下「工作面」)得對相對粘稠的墨水做功，還提供了較高的噴射效率。比較而言，具有位於噴嘴腔122內部的致動器槳葉的噴嘴組件效率不高，因為致動器的兩個表面都得對腔室內的墨水做功。然而，仍然需要提高彎曲致動器的總效率。根據本發明，熱彎曲致動器的工作面具有小於800平方微米的面積。可選擇地，工作面具有小於700平方微米或者小於600平方微米的面積。如圖1和2所示，熱彎曲致動器的工作面通常由被動梁116的下表面(內表面) 限定，其要對容納在噴嘴腔122中的墨水做功。
熱彎曲致動器工作面面積的減小將明顯偏離熱彎曲致動器的先前設計。到此為止，應當理解的是，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)實現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行位移。改進液滴噴射特性的嘗試過去集中在通常通過延長致動器實現的使致動器位移最大化，和增大其工作面的面積。然而，申請人的實驗現已發現，預料不到的是，致動器在彎曲致動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。如果所實現的致動器的峰值速度足夠大，即使工作面的表面面積相對較小，也可以獲得出色的墨滴噴射。足夠大的致動器峰值速度典型地為至少大約2. 5m/s。可以通過主動梁在致動期間受熱的迅速程度控制致動器峰值速度。如申請人於 2008年5月5日提交的美國申請No. 12/114，擬6(其內容在此引入作為參考)所述，通過小於0. 2微秒(例如大約0. 1微秒)的較短致動脈衝寬度和/或包括具有較小橫截面積(例如，小於10平方微米或小於5平方微米)的加熱元件的主動梁，可以實現主動梁的迅速加熱。典型地，每個加熱元件具有小於5微米的寬度。然而，致動器峰值速度也與工作面的面積相關，因為當工作面具有較小面積時，對墨水做功較少。已經發現，當工作面具有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，本發明可以實現最佳液滴噴射特性。當這樣的工作面以至少 2. 5m/s的峰值速度位移時，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，應當理解的是，本發明使包括熱彎曲致動器的噴墨噴嘴組件中的工作面的面積顯著減小。因此，每個噴墨噴嘴組件的所佔用面積可以減小，從而在噴墨列印頭上能夠獲得更密集的噴嘴組裝。典型地，根據本發明的列印頭中每個噴嘴組件的所佔用積小於1200平方微米，或者小於1000平方微米，或者小於800平方微米。更具體地說，可以通過長度小於60微米或小於50微米的熱彎曲致動器減小工作面的面積。致動器長度的減小增大了致動器沿彎曲方向的剛性，這進一步提升了致動器的總效率。致動器沿彎曲方向的剛性還取決於致動器的總厚度。可選擇地，彎曲致動器具有至少1. 3微米或至少1. 5微米的厚度。此外，可以通過寬度小於20微米或小於15微米的熱彎曲致動器減小工作面的面積。致動器寬度的減小在增大列印頭上的噴嘴排列密度方面具有最大效果，因為一排噴嘴中可以裝入更多的噴嘴。最終，本發明既實現了高噴嘴排列密度以及出色的墨滴噴射效率，又實現了出色的墨滴特性。例如，小於200nJ(或小於150nJ)的輸入能量以大約0. 1微秒的脈衝寬度傳送時足以產生至少2. 5m/s的致動器峰值速度。這導致8-lOm/s的墨滴噴射速度。此外，噴射的墨滴形狀良好，並且驚人的是幾乎沒有衛星滴。衛星滴在噴墨列印中是眾所周知的，其由噴出的墨滴的尾部崩裂成微小的衛星滴產生，所述衛星滴與主墨滴分開。衛星滴很成問題並且可能影響總體列印質量。本發明人理解到，至少2. 5m/s的較高致動器峰值速度可以減少衛星滴數量。通常，衛星滴與高墨滴噴射速度相關，但是本發明驚人地顯示出，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星滴。總之，在控制液滴噴射特性方面，致動器的最大位移及較大工作面面積與致動器峰值速度相比，重要性應小得多；通過使工作面面積儘量減小，可以在給定輸入能量下獲得
更大的致動器峰值速度。 利用墨水壓力控制液滴尺寸大部分噴墨印表機在負流體靜力墨水壓力下工作。這主要是為避免墨水在列印頭表面上不受控制的溢流，尤其是在列印停止時。此外，當墨水彎液面由於表面張力釘住噴嘴開口時，優選地具有與凸液面(從列印頭向外隆起)相反的凹液面，因為凸液面易被列印頭表面上的顆粒碰破，從而導致微小溢流。圖4A顯示了利用負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。已知存在各種用於控制噴墨列印頭中的流體靜力墨水壓力的手段。適當構造的供墨系統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。例如，墨水儲存器相對於列印頭的位置可以提供非常簡單的壓力控制形式-位於列印頭205上方的墨水儲存器206提供正流體靜力墨水壓力(參見圖4B)；位於列印頭205下方的墨水儲存器206 提供負流體靜力墨水壓力(參見圖4A)。用於控制列印頭中的流體靜力墨水壓力的其它手段落入本領域技術人員的知識範疇之內，並且具體的壓力控制手段的細節與本發明關係不大。如上所述，本申請人研發了具有疏水表面的噴墨列印頭。該疏水表面典型地為 PDMS層126，其在列印頭製造後期沉積在噴嘴頂部104上(例如，參見申請人於2007年11 月四日提交的美國申請No. 11/946,840)。由於噴嘴腔的頂部104通常具有疏水性、由二氧化矽或氮化矽製成，墨水彎液面在限定於頂部層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備100中具有負流體靜力墨水壓力的墨水凹液面150。如美國申請No. 11/946，840所述，疏水PDMS層1 有助於使列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列印頭表面溢流的高風險。如圖6 所示，由於PDMS層126的厚度的緣故、以及由於彎液面151釘住親水/疏水界面的緣故，凸液面151不從列印頭表面(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，同時起能障作用使列印頭表面溢流最小化——墨水通過毛細管作用移動到疏水PDMS層1 上的傾向最小，在能量方面更有助於在親水/疏水界面處保持釘住。因此，PDMS層1 不會限制噴嘴組件100與負壓供墨源結合使用。在沒有負流體靜力墨水壓力的約束下，申請人的實驗已經發現，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。驚人的發現是，對於噴嘴開口 112的給定尺寸(例如直徑)來說，與在負流體靜力墨水壓力下供應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 (這對於一些應用來說可能過小)的墨滴。14微米噴嘴開口典型地噴射大約1.4pL(據認為，這對於大部分噴墨應用來說是可接受的液滴體積)的墨滴。 通常，範圍在1-2. 5pL、或l-2pL的液滴體積被認為是可接受的液滴體積。然而，當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，與具有負流體靜力墨水壓力的圖5所示噴嘴組件相比，發現噴出的墨滴體積高達1. 5倍、2倍或3倍。因此，具有彎曲致動噴嘴100的列印頭可以根據由供墨系統提供的流體靜力墨水壓力進行不同的設計或不同的操作。例如，對於必要的液滴體積來說，如果使用正流體靜力墨水壓力的話，與更為常見的負流體靜壓力相比，噴嘴開口可以製造得更小。這繼而允許利用更小尺寸噴嘴開口在列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，並且仍然獲得可接受的液滴體積。對於圓形噴嘴開口而言，最大尺寸是其直徑；對於橢圓形噴嘴開口而言，最大尺寸是其長軸的長度。此外，列印頭可以通過改變由供墨系統提供的流體靜壓力就地進行不同的操作。 一些列印頭應用(例如，純黑文本列印)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，使光學密度最大化，這在將黑色文本列印到標準辦公用紙上時尤為需要。替代地，一些列印頭應用(例如，照片列印)可能需要通過在較低(例如，負)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列印解析度，這對於照片列印應用來說尤為需要。在基本不改變噴嘴設計的情況下改變液滴體積的能力對於噴墨列印來說具有重要作用。噴墨列印的目標是提供SOHO印表機，其能夠在不犧牲光學密度或照片質量的情況下列印純黑文本和/或照片。同樣地，為列印在不同紙張類型上就地使液滴體積最佳化對於噴墨印表機技術來說是重要的進步。舉例來說，圖4A和4B示意性地顯示了包括任意列印頭205和供墨系統的印表機， 所述供墨系統能夠通過改變墨水儲存器206相對於列印頭的高度傳送不同的流體靜力墨水壓力。毫無疑問，通過供墨系統就地改變流體靜力墨水壓力的更複雜的裝置對於本領域技術人員來說顯而易見。例如，如圖7所示，可以使用與墨水儲存器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214的墨水壓力傳感器212。毫無疑問，應當認識到，以上僅以舉例方式對本發明進行了描述，在由所附權利要求限定的本發明的範圍內可以進行細節改進。
權利要求
1.一種噴墨噴嘴組件，包括噴嘴腔，其用於容納墨水，所述腔具有噴嘴開口和墨水進口 ；一對電觸點，其位於所述組件的一端並連接到驅動電路；和熱彎曲致動器，其用於通過所述噴嘴開口進行噴墨，所述致動器包括主動梁，其連接到所述電觸點並遠離所述觸點縱向延伸，所述主動梁限定所述觸點之間的彎曲電流流動路徑；和被動梁，其熔焊到所述主動梁，使得當電流流過所述主動梁時，所述主動梁變熱並相對於所述被動梁膨脹以使所述致動器彎曲，其中，所述致動器具有用於在所述致動器的所述彎曲期間在所述墨水中產生正壓力脈衝的工作面，所述工作面具有小於800平方微米的面積。
2.如權利要求1所述的噴墨噴嘴組件，其中，所述工作面具有小於600微米的面積。
3.如權利要求1所述的噴墨噴嘴組件，其中，所述工作面由所述被動梁的表面限定。
4.如權利要求1所述的噴墨噴嘴組件，其構造成提供至少2.5m/s的致動器峰值速度。
5.如權利要求1所述的噴墨噴嘴組件，其中，所述驅動電路構造成向所述主動梁傳送致動脈衝，每個致動脈衝向所述主動梁傳送小於200nJ的能量。
6.如權利要求1所述的噴墨噴嘴組件，其中，所述驅動電路構造成向所述主動梁傳送致動脈衝，每個致動脈衝具有小於0. 2微秒的脈衝寬度。
7.如權利要求1所述的噴墨噴嘴組件，其中，所述主動梁和被動梁各具有小於50微米的長度。
8.如權利要求1所述的噴墨噴嘴組件，其中，所述主動梁和被動梁各具有小於15微米的寬度。
9.如權利要求1所述的噴墨噴嘴組件，其中，所述主動梁和被動梁具有至少1.5微米的組合厚度。
10.如權利要求1所述的噴墨噴嘴組件，其中，所述主動梁包括從第一觸點縱向延伸的第一臂、從第二觸點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件。
11.如權利要求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包括各自的電阻加熱元件，所述電阻加熱元件具有小於5微米的寬度。
12.如權利要求9所述的噴墨噴嘴組件，其中，所述連接構件使所述第一臂和第二臂的遠端相互連接，所述遠端相對於所述電觸點位於遠側。
13.如權利要求1所述的噴墨噴嘴組件，其中，所述主動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.如權利要求1所述的噴墨噴嘴組件，其中，所述被動梁包括選自下列組中的材料， 所述組包括二氧化矽、氮化矽和氮氧化矽。
15.如權利要求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部的頂部，其中所述致動器的致動使所述活動部朝向所述底部移動。
16.如權利要求15所述的噴墨噴嘴組件，其中，所述活動部包括所述致動器。
17.如權利要求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部中，使得所述噴嘴開口能相對於所述底部移動。
18.如權利要求1所述的噴墨噴嘴組件，其中，所述噴墨噴嘴組件具有小於1500平方微米的佔用面積。
19. 一種包括多個如權利要求1所述的噴嘴組件的噴墨列印頭。
全文摘要
一種噴墨噴嘴組件，包括用於容納墨水的噴嘴腔，所述腔具有噴嘴開口和墨水進口；一對位於所述組件的一端並連接到驅動電路上的電觸點；和用於通過所述噴嘴開口進行噴墨的熱彎曲致動器，所述致動器包括連接到所述電觸點並遠離所述觸點縱向延伸的主動梁，所述主動梁限定了所述觸點之間的彎曲電流流動路徑；和熔焊到所述主動梁上的被動梁，使得當電流流過所述主動梁時，所述主動梁變熱並相對於被動梁膨脹以使所述致動器彎曲，其中，所述致動器具有用於在所述致動器的彎曲期間在所述墨水中產生正壓力脈衝的工作面，所述工作面具有小於800平方微米的面積。
文檔編號B81B3/00GK102164748SQ200880131225
公開日2011年8月24日 申請日期2008年9月29日 優先權日2008年9月29日
發明者G·J·麥克沃依, K·西爾弗布魯克, V·P·勞勒 申請人:西爾弗布魯克研究股份有限公司