CN100351085C - 喷墨头及其制造方法和憎水膜形成方法 - Google Patents

喷墨头及其制造方法和憎水膜形成方法 Download PDF

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Abstract

一种喷墨头，它设有由含有Ni-PTFE膜的憎水膜覆盖的喷嘴板和多个穿过喷嘴板形成以喷射墨水的喷嘴。在此结构中，在喷嘴板上形成Ni-PTFE膜之后对喷嘴板进行热处理，然后进行水冷处理。在热处理完成之后，使用温度范围在15℃到30℃之间的冷却水进行水冷处理。

Description

喷墨头及其制造方法和憎水膜形成方法
技术领域
本发明涉及一种设在打印装置中的喷墨头及其制造方法。本发明特别涉及一种在喷墨头上形成憎水膜的方法。
背景技术
在诸如打印机和传真机等这样的打印装置中所设置的喷墨头上通常具有一个喷嘴板，其上排列很多用于喷墨的喷嘴。在喷墨头上，喷嘴分别与压力室连通，而诸如压电元件的致动器则分别连接到压力室上。通过操作致动器，将压力室中一定数量的受压墨水引入喷嘴，然后从喷嘴喷出。
如果墨水残余保留在喷嘴的喷射侧，可能会发生墨水喷射方向及/或喷射数量的变化，这将降低墨水喷射操作的精度。为此，喷嘴板(下文称之为喷射表面)的喷射侧表面通常覆盖一层憎水膜。
WO 99/15337揭示了一种由Ni-PTFE(聚四氟乙烯)制成的憎水膜所覆盖的喷墨头。Ni-PTFE涂层例如由电镀法制成。Ni-PTFE膜在高于其熔点的温度例如350℃进行热处理。通过热处理，Ni-PTFE膜的部分表面熔化，由此可获得防水特性。
发明内容
最近，形成在喷墨头上的喷嘴密度加大以提高将形成图像的分辨率。为此，提高喷嘴板防水特性的需求也相应提高。
上文提及的出版物WO 99/15337中揭示，通过利用如水冷方式迅速冷却憎水膜可以使憎水膜的耐用性得到增强。然而，在该出版物中并未解释如何提高憎水膜的防水特性。
本发明优点在于，提供了一种喷墨头及其制造方法，喷墨头的结构可以提高其防水特性，以及一种可以提高防水特性的憎水膜形成方法。
根据本发明的一个方面，提供一种喷墨头，它包括：一个喷嘴板，它由包含一层Ni-PTFE膜的憎水膜覆盖；和多个喷嘴，该多个喷嘴穿过喷嘴板形成以喷出墨水；其中，Ni-PTFE膜在喷嘴板上形成以后，对喷嘴板进行热处理，然后进行水冷处理；热处理结束后，使用温度范围在15℃到30℃之间的冷却水进行水冷处理，其中，确定水冷却温度范围以获得大于或等于38°的后退接触角。
由于通过使用温度范围在15℃到30℃的冷却水对具有Ni-PTFE膜的喷嘴板进行冷却，憎水膜后退接触角变大，Ni-PTFE膜的防水特性增强。
可选择性地，热处理可以在340℃到380℃的温度范围内进行，并且可以在10分钟到45分钟的时间范围内进行。
热处理也可以有选择性地在350℃到360℃的温度范围内进行。
根据本发明的另一方面，提供一种喷墨头的制造方法，该喷墨头具有一个喷嘴板，穿过该喷墨板形成了多个喷嘴，该方法包括以下步骤：在喷嘴板的墨水喷射表面上形成一含有Ni-PTFE膜的憎水膜；Ni-PTFE膜形成之后对喷嘴板进行热处理；以及在喷嘴板经过热处理之后，使用温度范围在15℃到30℃之间的冷却水对喷嘴板进行水冷冷却，其中，确定水冷却温度范围以获得大于或等于38°的后退接触角。
由于通过使用温度范围在15℃到30℃的冷却水对具有Ni-PTFE膜的喷嘴板进行冷却，憎水膜的后退接触角变大，Ni-PTFE膜的防水特性增强。
可选择性地，热处理步骤可以在340℃到380℃的温度范围内进行，并且可以在10分钟到45分钟的时间范围内进行。
热处理也可以有选择性地在350℃到360℃的温度范围内进行。
根据本发明的又一方面，提供一种形成憎水膜的方法，包括以下步骤：在工件上形成含有Ni-PTFE膜的一层憎水膜；在Ni-PTFE膜形成之后对工件进行热处理；以及在工件经过热处理之后，使用温度范围在15℃到30℃之间的冷却水对工件进行水冷冷却，其中，确定水冷却温度范围以获得大于或等于38°的后退接触角。
由于通过使用温度范围在15℃到30℃的冷却水对具有Ni-PTFE膜的工件进行冷却，憎水膜后退接触角变大，Ni-PTFE膜的防水特性增强。
可选择性地，热处理步骤可以在340℃到380℃的温度范围内进行，并且可以在10分钟到45分钟的时间范围内进行。
热处理也可以有选择性地在350℃到360℃的温度范围内进行。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的喷墨头透视图；
图2是图1所示头单元的平面图；
图3是图2中一部分的放大图；
图4是喷墨头中一喷射元件的横截面视图；
图5是图4中一部分的放大图，显示致动器单元的详细结构；
图6是位于致动器单元上的电极单元的平面图；
图7是喷嘴的横截面视图；
图8显示喷嘴板生产过程；
图9显示喷嘴板上Ni-PTFE膜的后退接触角与热处理温度间关系；和
图10显示喷嘴板上Ni-PTFE膜的后退接触角与水冷处理温度间的关系。
具体实施方式
图1是根据本发明一个实施例的用于如喷墨打印机中的喷墨头1的透视图。喷墨头1具有头单元70和基座71。喷墨头70由基座71支撑。在喷墨打印机中，喷墨头1在主扫描方向(X方向)移动，而纸张在与主扫描方向垂直的副扫描方向(Y方向)移动，因此可以在纸张上形成二维图像。
如后面详细说明那样，喷墨头1具有墨水流道单元2和致动器单元4(请参考图2和图4)。墨水流道单元2具有多个压力室10和多个喷嘴8用于喷射墨水。致动器单元4用来对压力室10进行施压，以便从喷嘴8喷射墨水。
基座71包括基座块75和固定器72。基座块75连接在头单元70的上表面以支撑头单元70。固定器72包括本体部分73和支撑部分74。如图1所示，支撑部分74沿与头单元70侧相反的方向伸长，因此喷墨头1在喷墨打印机中得到支撑。
通过如海绵等弹性元件81，在基座71的外部区域连接着FPC(柔性印刷电路)50。FPC 50将致动器单元4上设置的电极电连接到驱动器集成电路(IC)80上，此集成电路驱动致动器单元4。另外，FPC50将驱动器集成电路80连接到控制板81上。如图1所示，散热器82连接在驱动器集成电路80上，用于驱动器集成电路80的热辐射散热。
图2是头单元70的平面图。如图2所示，墨水流道单元2为一长方形形状并具有多个喷射元件组9。相邻喷射元件组9相对于墨水流道单元2的短侧的中心线在彼此相反的方向移动相同的距离。每一喷射元件组9为一梯形形状。
在每一喷射元件组9中连接着具有压电致动器的致动器单元4。从通过孔3a和3b与墨水储存器(未示出)连通的集管5向喷射单元组9提供墨水。
图3是图2中所示E部分的放大图。如图3所示，每一喷射元件组9由排列成阵列的很多喷射元件11形成。如后面详细说明的那样，每一喷射元件11有一孔13与集管5、压力室10及喷嘴8连通(请参考图4和5)。
图4是喷射元件11的横截面视图。如图4所示，墨水流道单元2为多个薄板层的层叠结构，每个薄板层例如由Ni(镍)制成。更准确地说，从致动器侧开始，墨水流道单元2具有空腔板21，基板22，孔板23，供应板24，集管板25、26和27，盖板28，和喷嘴板29。
压力室10由空腔板21形成。通过操作致动器单元4，压力室10从集管5中吸入墨水，并向从那里导入的墨水施压以便从喷嘴8喷出。孔板23形成有孔13和构成排出通道7的一部分的开口。孔13是用来减小/增大从集管5流向压力室10的墨水流量。基板22形成有连通孔13和压力室10的开口以及构成排出通道7的一部分的开口。
通过集管板25、26和27的层叠结构，形成了集管5和构成排出通道7的一部分的开口。盖板28由构成排出通道7的开口形成。喷嘴板29形成有构成喷嘴8的开口，由压力室10流来的墨水从喷嘴8喷出。
通过上面提到的层叠结构，多个墨水流道在墨水流道单元2中形成。如图4所示，每一薄板层都有捕捉多余胶水的凹槽14。凹槽14防止墨水流道的堵塞发生和/或墨水流道的阻力变化，因此保证了多个喷射元件喷射性能的一致。
图5是图4所示F部分的放大图，显示了致动器单元4的详细结构。如图5所示，致动器单元4具有一层叠结构，此层叠结构具有多个压电片41、42、43和44，以及内部电极45。在距墨水流道单元2最远的致动器单元4的表面上，为每一压力室10形成一电极单元6。
图6是电极单元6的平面图。如图6所示，电极单元6有一焊盘62和一电极61。电极61为菱形形状，当从平面图观察电极61和压力室10时，此形状与压力室10的形状基本相同。因此，形成了分别与喷射元件11相对应的致动器。
基于此结构，向电极61加电压时，压力室10变形，其体积容量变化，从而进行墨水的吸入/喷射。
图7是喷嘴8的横截面视图。如图7所示，在喷嘴板29的外表面，形成由如Ni-PTFE(聚四氟乙烯)制成的憎水膜30。憎水膜30阻止墨水留在喷嘴8喷射侧外围，因而墨水喷射操作精度得以提高。
图8显示喷嘴板29的生产过程。在喷嘴形成过程中(步骤S1)，使用例如压力加工穿过喷嘴板29形成多个喷射元件组9，每一喷射元件组9都有多个喷嘴8，每个喷嘴如图8所示在朝向喷射侧的方向上逐渐变细。
在形成抗蚀剂涂层的过程中(步骤S2)，喷嘴板29的喷射侧表面被涂上一层抗蚀剂，因此喷嘴8中充满了这种抗蚀剂。从而阻止了憎水膜粘在每一喷嘴8的内表面上。同时阻止了墨水喷射操作的精度降
之后，在憎水膜电镀过程中(步骤S3)，通过使用例如电解电镀方法，由例如Ni-PTFE膜制成的憎水膜在喷嘴板29的喷射侧表面上形成。在抗蚀剂去除过程中(步骤S4)，充满在喷嘴8中的抗蚀剂被去除。
在热处理过程中(步骤S5)，例如用恒温加热炉对喷嘴板29进行热处理。更准确地说，对喷嘴板29在温度范围340℃到380℃内进行时间范围为10分钟到45分钟内的热处理。热处理的温度高于PTFE的熔点(即327℃)，并低于400℃，在400℃温度下PTFE将发生高温分解。
通过如上所述的热处理，位于膜表面上的PTFE熔化并扩散开来，且不改变它的性质。从而使膜30获得极佳的防水特性和均匀一致性。
在水冷过程中(步骤S6)，将热处理过的喷嘴板29浸入温度范围在15℃到30℃的水中进行冷却。通过这一冷却步骤，膜30可以获得极佳的防水特性。
针对于墨水的防水特性由后退接触角表示，此角在恒速吸入放置在试样上的墨水时进行测量。材料的后退接触角越大，该材料的防水特性就越好。表1列出了喷嘴板29上Ni-PTFE膜的后退接触角和步骤S5中热处理温度之间的关系。如表1中所示，水冷，空气冷却和恒温加热炉内冷却这三种冷却方式中，每一种方式下的此关系均列入其中。
表1
  热处理温度(℃)   340   350   360   380   400
  后退接触角(度)   水冷(25℃)   39.5   42.7   39.4   39.8
  空气冷却   37.4   37.9   38.1   33.7   25.3
  恒温加热炉内冷却   22.7   14.1
图9显示喷嘴板29上Ni-PTFE膜的后退接触角和步骤S5中热处理温度之间的关系。如图9中所示，表示此关系的三条曲线分别对应水冷，空气冷却和恒温加热炉内冷却。在表1和图9中，PTFE体积含量为35～40％，热处理时间为10分钟，PTFE膜厚度为1微米。
从表1和图9中可以看出，Ni-PTFE膜在热处理之后进行恒温加热炉内冷却时，后退接触角变小，因此无法获得期望的防水特性。Ni-PTFE膜在热处理之后进行空气冷却时，若热处理温度范围在340℃到360℃之间，将获得相对较高的后退接触角，大于或等于37°。
Ni-PTFE膜在热处理之后进行水冷冷却时，若热处理温度范围在340℃到380℃之间，将获得很高的后退接触角，大于或等于39°。
因此，温度范围在340℃到380℃之间的热处理后进行水冷处理是理想的。若热处理的温度范围设在350℃到360℃之间，防水特性可以得到进一步提高。因此，热处理的温度设在350℃到360℃之间时，即使有一定程度的温度变化发生，也完全可以保证整个喷嘴板29上均匀一致的高后退接触角。
表2显示喷嘴板29上Ni-PTFE膜的后退接触角和步骤S6中水冷却温度之间的关系。
表2
  水冷却温度(℃)   0   5   10   15   25   30   50   100
  后退接触角(度)   35.4   35.4   39.2   42   42.7   42.5   35.0   30.0
图10显示喷嘴板29上Ni-PTFE膜的后退接触角和步骤S6中水冷却温度之间的关系。在图10中，水平轴表示水冷却温度(℃)，垂直轴表示后退接触角(°)。表2和图10中，PTFE体积含量为35～40％，热处理温度为350℃，热处理时间为10分钟，PTFE膜厚度为1微米。
从表2和图10中可以看出，水冷却温度在0℃左右或太高时，后退接触角减小。水冷却温度设置在15℃到30℃之间时，将获得高后退接触角，大于或等于38°。若水冷却温度设置在15℃到25℃之间，防水特性可以得到进一步加强。因此，水冷却温度设置在15℃到30℃或15℃到25℃之间时，将获得整个喷嘴板29上Ni-PTFE膜的恒定高后退接触角。
若热处理时间太短，将得不到适当的热处理效果，若热处理时间过长，又将导致PTFE的高温分解。为此，热处理时间通常设置在10到40分钟之间。
根据本发明的实施例，具有Ni-PTFE膜的喷嘴板在包括空气冷却和水冷的一定冷却条件下进行冷却，能够获得理想的防水特性。
本发明已经根据一些优选实施例进行了详尽的描述，其他实施例同样可以实现。
例如，尽管在此实施例中，使用电解电镀的方法来形成Ni-PTFE膜，其他电镀工艺(如化学镀工艺)同样可以用来形成Ni-PTFE膜。

Claims (11)

1.一种喷墨头，它包括：
一个喷嘴板，它由包含一层Ni-PTFE膜的憎水膜覆盖；和
多个喷嘴，该多个喷嘴穿过喷嘴板形成以喷出墨水；
其中，Ni-PTFE膜在喷嘴板上形成以后，对喷嘴板进行热处理，然后进行水冷处理；
热处理结束后，使用温度范围在15℃到30℃之间的冷却水进行水冷处理，
其中，确定水冷却温度范围以获得大于或等于38°的后退接触角。
2.如权利要求1所述的喷墨头，其中在340℃到380℃之间的温度范围内进行热处理，并且进行热处理的时间范围在10分钟到45分钟之间。
3.如权利要求2所述的喷墨头，其中在350℃到360℃之间的温度范围内进行热处理。
4.一种制造喷墨头的方法，该喷墨头具有一个喷嘴板，穿过该喷墨板形成了多个喷嘴，该方法包括以下步骤：
在喷嘴板的墨水喷射表面上形成一含有Ni-PTFE膜的憎水膜；
Ni-PTFE膜形成之后对喷嘴板进行热处理；以及
在喷嘴板经过热处理之后，使用温度范围在15℃到30℃之间的冷却水对喷嘴板进行水冷冷却，
其中，确定水冷却温度范围以获得大于或等于38°的后退接触角。
5.如权利要求4所述的方法，其中热处理步骤在340℃到380℃之间的温度范围内进行，并且进行热处理步骤的时间范围在10分钟到45分钟之间。
6.如权利要求5所述的方法，其中在350℃到360℃之间的温度范围内进行热处理步骤。
7.一种用来形成憎水膜的方法，包括以下步骤：
在工件上形成含有Ni-PTFE膜的一层憎水膜；
在Ni-PTFE膜形成之后对工件进行热处理；以及
在工件经过热处理之后，使用温度范围在15℃到30℃之间的冷却水对工件进行水冷冷却，
其中，确定水冷却温度范围以获得大于或等于38°的后退接触角。
8.如权利要求7所述的方法，其中在340℃到380℃之间的温度范围内进行热处理步骤，进行热处理步骤的时间范围在10分钟到45分钟之间。
9.如权利要求8所述的方法，其中在350℃到360℃的温度范围内进行热处理步骤。
10.如权利要求7-9中任一项所述的方法，其中所述工件是喷墨头的喷嘴板，多个喷嘴穿过所述喷嘴板而形成。
11.如权利要求10所述的方法，还包括以下步骤：在形成憎水膜之前，用抗蚀剂填充喷嘴。
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