CN101035680A - 制造喷嘴板的方法 - Google Patents

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Abstract

一种制造用于微流体喷射头的流动部件结构的方法。该方法包括以下步骤：激光烧蚀喷嘴板材料，以提供细长的流体腔和用于将该流体腔与流体供给源连接在一起的流体供给通道。该流体腔具有第一长度和第一宽度。在与流体腔共轴的喷嘴板材料内通过激光烧蚀细长的喷嘴孔。该喷嘴孔具有入口尺寸，并且该入口尺寸具有纵轴尺寸和横轴尺寸，以使得纵轴尺寸是横轴尺寸的约1.1至约4.0倍。

Description

制造喷嘴板的方法
技术领域
本公开涉及微流体喷射装置结构，特别是涉及制造改进的用于微流体喷射装置的喷嘴板的方法。
背景技术
微流体喷射装置被持续用于各种应用中，包括喷墨打印机，药物输送装置，微冷却器等。在这些用途中，显然喷墨打印机提供了微流体喷射装置的最常见的用途。对于某些应用场合来说，喷墨打印机比激光打印机更通用。由于喷墨打印机的能力提高了，并以增加的打印数度提供更高质量的图像，因此作为喷墨打印机的主要打印部件的流体喷射头得到了继续发展并且变得更复杂了。
改进的打印质量需要喷射头提供增加数量的墨滴。为了增加来自喷射头的墨滴的数量，喷射头被设计成包括更多的喷嘴和相应的墨水喷射触发器。用于“上部喷射器”或“顶部喷射器”喷射头的喷嘴和触发器的数量可以本领域技术人员已知的多种方式来增加。例如，在包括喷嘴孔、墨腔和由聚酰亚胺材料激光烧蚀而成的墨水通道的集成喷嘴板中，相邻的喷嘴和相应的墨腔通常沿垂直于进墨槽的方向彼此偏移。对于包括墨腔和墨水通道的激光烧蚀喷嘴板来说，相邻的墨腔之间的最小间距需要提供足够的用于墨腔的腔室壁结构。因此，随着用于喷射头的喷嘴和触发器的数量的增加，需要更长的喷嘴板和相应的半导体基片。但是，现在的趋势是提供更窄的基片和相应的具有更多功能的喷嘴板。由于需要这种喷射头的容差，因此尺寸的减小导致了生产时间的增加。
因此，还存在对具有增加的功能性的较小喷射头以及用于降低制造这种喷射头的生产时间的装置的需要。
发明内容
对于前述和其它目的以及优点，提供了一种制造用于微流体喷射头的流动部件结构的方法。该方法包括以下步骤：激光烧蚀喷嘴板材料，以提供细长的流体腔和使该流体腔与流体供给源连接在一起的流体供给通道。该流体腔具有第一长度和第一宽度。细长的喷嘴孔通过与流体腔共轴的喷嘴板材料激光烧蚀而成。喷嘴孔具有入口尺寸，并且该入口尺寸具有纵轴尺寸和横轴尺寸，以使得纵轴尺寸是横轴尺寸的约1.1至约4.0倍。
在另一实施例中，提供了一种用于微流体喷射头的喷嘴板。该喷嘴板包括位于喷嘴板内的基本上线性排列的喷嘴孔。该喷嘴孔与流体腔轴向对准以便经由喷嘴孔喷射流体。每一个流体腔具有第一宽度和第一长度，并且每一个喷嘴孔具有一入口，该入口具有纵轴尺寸和横轴尺寸。纵轴尺寸是横轴尺寸的约1.1至约4.0倍，并且其中纵轴尺寸小于第一长度。
本公开的优点在于提供了一种具有增加的功能性但未增加该喷射头部件的尺寸的喷射头。本公开还使得能够生产大于600dpi的喷嘴节距的喷射头，而无需使相邻的喷嘴和相应的墨腔在垂直于流体进给槽的方向上相互偏移。
为了本发明的目的，术语“节距”当其用于喷嘴或流体喷射触发器时，意指相邻的喷嘴或流体腔的中心至中心之间在基本上与一轴平行的方向上的距离，其中该轴与沿流体进给槽的线性方向设置的圆柱形的喷嘴阵列对准。
附图说明
当与下面的示出了这些实施例的一个或多个非限定性方面的附图结合时，通过对示例性实施例的详细说明，本公开实施例的进一步优点将变得更明显，其中在下面的多个附图中，相同的附图标记用来指代相同或相似的元件：
图1是包括微流体喷射头的流体盒的不按比例的透视图；
图2和3是现有技术的部分微流体喷射头的不按比例的断面图；
图4和5是现有技术的部分喷嘴板的不按比例的平面图；
图6是现有技术的喷嘴板的一部分在激光烧蚀工艺过程中的不按比例的平面图；
图7是通过现有技术的工艺制成的喷嘴板的一部分的不按比例的平面图；
图8是根据本公开的一个实施例制成的喷嘴板的一部分的不按比例的平面图；
图9和10是图8的喷嘴板的某一部分的不按比例的断面图；
图11是现有技术的喷嘴板的喷嘴孔的不按比例的平面图；
图12是用于烧蚀图11的喷嘴孔的掩膜的不按比例的平面图；
图13是图11的喷嘴孔的不按比例的断面图；
图14是通过现有技术制成的流体供给通道和喷嘴孔的不按比例的平面图；
图15是用于通过图14的现有技术工艺来制造流体供给通道的掩膜的不按比例的平面图；
图16是由图14和15的现有技术工艺制造的喷嘴板的不按比例的平面图；
图17是包括根据本公开的一实施例制成的流体供给通道和流体腔的喷嘴板的一部分的不按比例的平面图；
图18是用于制造图17的流体供给通道和流体腔的掩膜的不按比例的平面图；
图19是通过使用图18的掩膜制成的喷嘴板的一部分的不按比例的断面图；
图20是用于图19的喷嘴板的喷嘴孔的不按比例的平面图；
图21是用于制造根据图20的喷嘴孔的掩膜的不按比例的平面图；
图22是使用图18和21的掩膜制成的喷嘴板的一部分的不按比例的断面图；
图23是由现有技术的工艺制成的流体供给通道和流体腔的不按比例的平面图；
图24是用于通过图23的现有技术工艺来制造流体供给通道和流体腔的掩膜的不按比例的平面图；
图25是包括图23的流体腔和流体供给通道的现有技术的喷嘴板的一部分的不按比例的断面图；
图26是用于图23的流体腔和流体供给通道的现有技术的喷嘴孔的不按比例的平面图；
图27是用于制造图26的喷嘴孔的掩膜的不按比例的平面图；
图28是使用图24和27的掩膜制成的现有技术的喷嘴板的一部分的不按比例的断面图；
图29是根据本公开的另一实施例的流体供给通道和流体腔的不按比例的平面图；
图30是用于制造根据图29的流体供给通道和流体腔的掩膜的不按比例的平面图；
图31是使用图30的掩膜制成的喷嘴板的一部分的不按比例的断面图；
图32是图29的流体腔内的喷嘴孔的不按比例的平面图；
图33是用于制造图32的喷嘴孔的掩膜的不按比例的平面图；以及
图34是使用图30和33的掩膜制成的喷嘴板的一部分的不按比例的断面图。
具体实施方式
参照图1，示出了包括微流体喷射头16的微流体喷射盒10。喷射盒10包括用于向喷射头16供应流体如墨的腔体14。该流体可被容纳在腔体14的存储区域中或可从远方的源头供给至腔体14。
微流体喷射头16包括半导体基片18和包括连接至基片18的喷嘴孔22的喷嘴板20。作为替换的，包括喷嘴孔和流动部件的喷嘴板可连接至基片上的厚膜层。用于电连接至装置的电触片24设置在柔性电路26上，以用于控制喷射头16上的流体喷射触发器。柔性电路26包括连接至打印头16的基片18的电轨迹28。
图2示出了现有技术的喷射头16的一部分的不按比例放大的断面图。喷射头16包括加热元件30，用于加热通过烧蚀喷嘴板20的一部分而形成的流体腔32中的流体。但是，本发明并不限于包括加热元件30的喷射头16。其它流体触发器，例如根据本公开，压电装置也可被用于提供喷射头。
从喷嘴孔22喷射出的流体通过基片18中的开口或流体供给槽34供给至流体腔32，并且随后流过将槽34与流体腔32连接在一起的流体供给通道36。与流体腔32类似，流体供给通道36是在喷嘴板20中激光烧蚀而成的。喷嘴板20优选地通过粘附层38粘性地连接至基片18。在另一现有技术设计的喷射头40(图3)中，流体腔42和流体供给通道44由厚膜层46和激光烧蚀的喷嘴板48的组合形成。
正如前面的描述，流体腔32或42的至少一部分以及流体供给通道36或44通过激光烧蚀形成在喷嘴板20或48中。喷嘴板20或48的激光烧蚀通常在喷嘴板20或48的流体腔32或42侧进行。当喷嘴板20或48由聚酰亚胺材料制成时，流体腔32或42的壁50或52以及喷嘴22或58的壁54或56由于激光烧蚀工艺而具有斜面。通常，腔壁54或56根据喷嘴板20或48的厚度而具有5至18度的烧蚀圆锥角。相应地，在流体腔32或42的入口和喷嘴22或58的出口之间需要约17微米。
图4是喷射头16的流体腔32和喷射孔22的平面图。在图4中，示出了腔室入口60和腔室出口62。同样还示出了喷嘴入口64和喷嘴出口66。通过图2-4所示的激光烧蚀的喷嘴板20或48，需要使得相邻喷嘴20之间的中心至中心的距离P1最小，以使得相邻的流体腔32之间具有足够厚度的壁68，以便在相邻的流体腔32之间提供牢固的流体密封。考虑到制造对准容差，相邻流体腔32之间的壁68的厚度通常在约7.5至约30微米的范围。相应地，相邻喷嘴20之间的中心至中心的距离P1通常为约42微米或更大，以提供小于约600dpi(每英寸的点数)的节距。节距越大，对于流体喷射触发器30来说就需要喷嘴板20或48以及基片18越大。
图5示出了试图减小相邻喷嘴70之间的距离P2的尝试。在该情形中，喷嘴入口和腔室入口72是相同的。但是，制造这种喷嘴70和流体腔的工艺需要很长的处理时间。在该过程中，喷嘴70首先通过烧蚀喷嘴板材料的厚度形成。随后执行第二烧蚀步骤以烧蚀流体供给通道74。相应地，喷嘴板材料需要x个脉冲以便完全烧蚀喷嘴板材料，以形成喷嘴70。喷嘴板材料随后以x个脉冲中的一小部分k，即kx个脉冲来部分地烧蚀，以形成流体供给通道74。因此总共需要x+kx个脉冲，以形成完整烧蚀的喷嘴板。
试图烧蚀第一流体供给通道74以用于喷嘴70(图5)而产生的不合乎需要的结果示于图6和7中。如图6所示，入射激光束76将从与流体通道80相对的腔室和喷嘴壁78反射回来。但是，入射的激光束76在流体通道80中由于没有这种壁将不会反射回来。虚线82表示未反射离开流体通道80区域中的壁的激光束。因此，流体通道80和喷嘴84在喷嘴板中被烧蚀，从而产生了如图7的平面图所示的不合乎需要的构造。图7所示的喷嘴孔84的非对称反射将使得从喷嘴孔84喷射的流体被错误地引导。
图8-10示出了减少在喷嘴孔102前烧蚀流体供给通道100引起的缺陷的方法。根据该实施例，流体腔104被拉长，同时保持腔室104的宽度W2与图5所示的腔室宽度W1相等。如图9所示，将腔室104的长度拉长使得能够在腔室104的两端上进行同等地烧蚀。如图10的断面图所示，腔室104的宽度W2基本上与喷嘴入口相匹配。在该实施例中，喷嘴102在烧蚀流体腔104和流体供给通道100之后烧蚀，从而该过程只需要x个激光束脉冲以便在喷嘴板材料中形成所有的流动部件。前述工艺还使得相邻流体腔104之间的中心至中心的距离小于42微米，从而提供了大于约600dpi至约1200dpi的节距。
在另一个实施例中，本公开提供了一种改进激光烧蚀用于微流体喷射装置的喷嘴板的工艺的方法。该工艺改进选自减少所需要的激光脉冲的数量，降低流体腔的入口和喷嘴出口之间的侧壁圆锥角的数量，或者该两种方式同时采用。“侧壁圆锥角”被限定为流体腔的入口和相应喷嘴的出口之间的宽度之差。通过减小侧壁圆锥角，流体腔和喷嘴的节距或线性存储密度可被增加。
图11-16示出了根据现有技术来烧蚀喷嘴和流体腔的工艺。根据第一工艺，具有入口周长112和出口周长114的喷嘴孔110首先在喷嘴板116内通过使用掩模118(图12)来激光烧蚀。图13示出了喷嘴孔110的断面图。喷嘴板的厚度为约63微米。在250Hz的频率下，需要耗费1.12秒的时间来烧蚀63微米厚的喷嘴板116，以形成喷嘴孔110。
下一步，流体供给通道120(图14)在喷嘴板116中通过使用掩模122(图15)进行激光烧蚀，以便在喷嘴板116中提供如图16所示的流动部件。流体供给通道在80Hz的频率下部分地烧蚀喷嘴板116的厚度至26微米的深度。相应地，流动部件的烧蚀约1.15秒。烧蚀喷嘴110和流体供给通道120需要的总时间为约2.27秒。
在本公开的一个实施例中，流体供给通道124和流体腔126(图17)首先在喷嘴板128(图19)中通过使用掩模130(图18)来烧蚀。在该情形中，喷嘴板128同样为约63微米厚，并且流动部件(流体供给通道124和流体腔126)通过在80Hz的频率下对喷嘴板128烧蚀26微米形成。将喷嘴板128烧蚀到该厚度耗费1.15秒。
下一步，喷嘴孔132(图20)通过使用掩模134(图21)对喷嘴板128的其余厚度进行激光烧蚀，即37微米，以提供如图22的断面图所示的喷嘴板128。在250Hz的频率下，通过喷嘴板128的其余厚度来烧蚀喷嘴孔132需耗费约0.75秒。因此，根据本公开，形成流动部件和喷嘴孔132的总时间1.9秒要比图11-16所示的现有技术的方法快约15-16％。
在本公开的另一个实施例中，流体腔相对于常规的流体腔设计被拉长，以使得流体腔的节距可被增加。图23-28示出了形成流动部件和喷嘴孔的现有技术的工艺。参照图23，流体腔136流体通道138(图23)首先通过使用掩模142(图25)在喷嘴板140(图24)中进行激光烧蚀，这提供了基本上方形的流体腔136。在该情形中，喷嘴板140具有约38微米的厚度。流体腔136和流体通道138在80Hz的频率下通过激光烧蚀至18微米的深度。该流动部件的激光烧蚀耗费约0.65秒。
随后，喷嘴孔144(图26)在250Hz的频率下通过使用掩模146(图27)在约0.4秒的时间内通过喷嘴板140的其余厚度激光烧蚀20微米。结果产生的喷嘴板140示于图28中。使用前述工艺和腔室136的设计，最小腔室宽度约为31微米。
但是，根据本公开的另一方面，腔室宽度可被减小，从而节距可增加。图29-34示出了根据本公开的该实施例。参照图29，细长的流体腔148和流体供给通道150(图29)首先通过使用掩模152(图30)在喷嘴板154(图31)中烧蚀。“细长”指的是流体腔148的长度大于流体腔148的宽度。正如先前的描述，流体供给通道150和流体腔148在烧蚀喷嘴板154中的喷嘴孔156之前烧蚀。
随后，喷嘴孔156通过使用掩模158(图33)在喷嘴板154(图32)中烧蚀。由于掩模158基本上为圆形，所得到的喷嘴孔156基本上为长椭圆形，以使得喷嘴孔156的纵轴尺寸为L，横轴尺寸为T，其中L大于T。通常，纵轴L是横轴T的约1.1至约4倍。如图32和34所示，喷嘴孔156入口的宽度基本上与流体腔148的出口的宽度相等。因此，前述工艺相对于示于图23-28的现有技术工艺来说能使流体腔148具有更大的节距。
尽管前述实施例已经描述了喷嘴板或喷嘴板和厚膜层，但是可以理解的是，墨腔和墨水通道可以只在该喷嘴板或厚膜层中形成，或者同时在喷嘴板和厚膜层中形成。
可以设想，并且本领域技术人员可以从前述说明书和附图中明显地得知，在所述实施例的基础上可进行改进和改变。因此，可明显地得出，前述说明书和附图仅仅是示例性的实施例，而不是限制性的，本发明实施例的真正实质和范围应由所附的权利要求来确定。

Claims (19)

1、一种制造用于微流体喷射头的流动部件结构的方法，该方法包括以下步骤：
激光烧蚀喷嘴板材料，以提供细长的流体腔和用于将该流体腔与流体供给源连接在一起的流体供给通道，该流体腔具有第一长度和第一宽度；和
在与流体腔共轴的喷嘴板材料内通过激光烧蚀细长的喷嘴孔，其中，该喷嘴孔具有入口尺寸，并且所述入口尺寸具有纵轴尺寸和横轴尺寸，以使得纵轴尺寸是横轴尺寸的约1.1至约4.0倍。
2、根据权利要求1所述的方法，其中，在烧蚀流体腔和流体供给通道之后烧蚀喷嘴孔。
3、根据权利要求1所述的方法，其中，制造流动部件结构所需要的激光脉冲的数量小于当在烧蚀喷嘴孔之后烧蚀流体腔和流体供给通道时制造该流动部件结构所需要的脉冲的数量。
4、根据权利要求1所述的方法，其中，纵轴尺寸比流体腔的第一长度短约2微米至约6微米。
5、根据权利要求1所述的方法，其中，横轴尺寸比流体腔的第一宽度小约0微米至约7微米。
6、根据权利要求1所述的方法，其中，喷嘴孔具有双圆形出口的形状。
7、一种用于微流体喷射头的喷嘴板，该喷嘴板包括位于喷嘴板内的基本上线性排列的喷嘴孔，该喷嘴孔与流体腔轴向对准以便经由喷嘴孔喷射流体，其中，每一个流体腔具有第一宽度和第一长度，并且每一个喷嘴孔具有一入口，该入口具有纵轴尺寸和横轴尺寸，其中，纵轴尺寸是横轴尺寸的约1.1至约4.0倍，并且其中，纵轴尺寸小于第一长度。
8、根据权利要求7所述的喷嘴板，其中，喷嘴孔具有双圆形出口的形状。
9、根据权利要求7所述的喷嘴板，其中，纵轴尺寸比流体腔的第一长度短约2微米至约6微米。
10、根据权利要求7所述的喷嘴板，其中，横轴尺寸比流体腔的第一宽度小约0微米至约7微米。
11、一种包括如权利要求7所述的喷嘴板的微流体喷射头。
12、一种减少烧蚀喷嘴板材料以便在那里提供流动部件结构的加工时间的方法，该方法包括以下步骤：
部分地通过喷嘴板材料的部分厚度在喷嘴板材料中通过激光烧蚀墨腔和用于墨腔的流体供给通道，该墨腔具有第一长度和第一宽度；
接着，通过喷嘴板材料的其余厚度激光烧蚀与墨腔轴向对准的喷嘴孔，该喷嘴孔具有喷嘴孔入口，该喷嘴孔入口具有纵轴尺寸和横轴尺寸，
其中，横轴尺寸小于或等于第一宽度，并且其中，纵轴尺寸小于第一长度。
13、根据权利要求12所述的方法，其中，制造流动部件结构所需要的激光脉冲的数量小于当在烧蚀喷嘴孔之后进行烧蚀流体腔和流体供给通道时制造该流动部件结构所需要的脉冲的数量。
14、根据权利要求12所述的方法，其中，纵轴尺寸比流体腔的第一长度小约2微米至约6微米。
15、根据权利要求12所述的方法，其中，横轴尺寸比流体腔的第一宽度小约0微米至约7微米。
16、根据权利要求12所述的方法，其中，喷嘴孔具有双圆形出口的形状。
17、根据权利要求12所述的方法，其中，第一宽度为墨腔的入口宽度，并且第一长度为墨腔的出口长度。
18、一种包括如权利要求12所述的喷嘴板的微流体喷射头。
19、一种具有大于600dpi的喷嘴节距的喷射头，其中，相邻的喷嘴和相应的墨腔在垂直于流体进给槽的方向上不偏移。
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