CN101080325B - 打印头 - Google Patents
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Abstract
公开了用于液滴除气和喷射的装置。该装置包括：泵室(80)的流动路径(40)，在所述泵室内对流体加压以喷出液滴；以及包括无机材料且具有与所述流动路径流体接触的外表面(52)的半渗透膜(50)。所述膜允许气体通过，同时阻止液体通过。
Description
技术领域
本发明涉及打印头，具体地，涉及一种为打印头中的流体除气的膜。
背景技术
喷墨打印机通常包括从供墨部延伸至喷嘴路径的墨路径。喷嘴路径在墨喷出的喷嘴口处终止。通过用致动器对墨路径中的墨施压来控制墨滴喷射，所述致动器可为例如压电偏转器、热气泡喷射发生器或静电偏转元件。通常的打印头具有墨路径阵列，其具有相应的喷嘴口和相关的致动器，使得可独立地控制每个喷嘴口喷射墨滴。在按需喷射(drop-on-demand)的打印头中，随着打印头和打印基材彼此相对移动，启动每个致动器而选择性地在图像的指定像素位置喷出墨滴。在高质量打印头中，喷墨口通常直径为50微米或更小，例如大约35微米，以100-300喷嘴/英寸的间距分开，分辨率为100到3000dpi或更高，并提供大约1到70微微升或更小的墨滴尺寸。墨滴喷射频率通常是10kHz或更高。
打印头，尤其是高质量打印头的打印准确度受到几个因素影响，包括被打印头中的喷嘴喷出的墨滴的尺寸和速度均匀性。墨滴尺寸和墨滴速度均匀性又受到几个因素影响，例如墨流动路径中存在的溶解气体或气泡。
发明内容
大致地，本发明涉及用于墨滴喷射装置如喷墨打印机的打印头，以及用于流体除气的膜。
一个方面，本发明的特征是一种流体滴喷射系统，包括在存储区域与喷嘴之间延伸的流动路径。所述流动路径包括泵室，在所述泵室中对流体加压以喷出流体滴。包括半渗透性氮化物的膜定位成与所述流动路径流体接触。
另一方面，本发明的特征是一种流体滴喷射系统，包括在存储区域与喷嘴之间延伸的流动路径。所述流动路径包括泵室，在所述泵室中对流体加压以喷出流体滴。在室温下对He具有大约1×10-10mols/(m2Pa-s)到大约1×10-6mols/(m2Pa-s)的渗透率的膜定位成与所述流动路径流体接触。
另一方面，本发明的特征是一种流体滴喷射系统，包括在存储区域与喷嘴之间延伸的流动路径。所述流动路径包括泵室，在所述泵室中对流体加压以喷出流体滴。具有剖面尺寸不大于大约100nm的裂纹结构的膜定位成与所述流动路径流体接触。
另一方面，本发明的特征是一种流体滴喷射器，包括一流动路径，所述流动路径包括泵室，在所述泵室中对流体加压以喷出流体滴。
包括通过暴露于等离子体以改变气体渗透性而形成的无机材料的半渗透膜具有外表面，定位成与所述流动路径流体接触。所述膜允许气体通过，同时阻止液体通过。
其它方面或实施例可包括以上和/或一个或几个以下方面中的特征的组合.所述膜包括微裂纹结构.所述膜是多孔的.所述膜包括与所述流动路径流体接触的第一表面以及与真空区域接触的第二表面.所述膜可渗透气体而不可渗透液体.所述膜可渗透空气.所述膜基本不可渗透所述流体滴喷射系统中所用的墨.所述氮化物是例如氮化硅.所述膜经过了暴露于反应离子刻蚀剂的步骤.所述膜在室温下对He具有至少大约1.6×10-8mol/(m2Pa-s)的渗透率，例如，在室温下小于大约1×10-10mol/(m2Pa-s)。所述流体滴喷射系统可包括多个流动路径。当所述膜包括裂纹结构时，所述裂纹结构具有不大于大约250nm的剖面尺寸，例如不大于大约100nm。除氮化物(如氮化硅、氮化钛、氮化钨)之外，所述膜可包括其它材料，例如，陶瓷、如碳化物(如碳化硅)。在其它方面，本发明包括在打印头上形成膜的方法，如这里所述。
实施例可具有以下优点中的一个或几个。所述膜可集成到打印头的流动路径中，从而在MEMS型喷墨打印头中允许在接近泵室处对墨除气。因此，可对墨有效除气，从而改善打印头内的纯化过程并实现高频工作。此外，可通过在流动路径内集成膜并取消单独的脱气装置而使打印头最小化。
还有其它方面、特征和优点。例如，具体的方面包括膜尺寸、特性及工作条件，如下所述。
附图说明
图1是打印头的透视图。
图2是一部分打印头的剖视图。
图3是用在图2的打印头中的一部分膜的剖视图。
所有附图中，相似的附图标记指代相似的元件。
具体实施方式
参照图1，喷墨打印头10包括以跨越页面24或该页面一部分的方式保持在外壳22中的打印头单元20，图像打印到该页面上。可通过在打印头10和页面24彼此相对移动(箭头)时选择性地从单元20喷出墨而打印图像。在图1的实施例中，示出了宽度为例如12英寸或更大的三组打印头单元20。每组打印头单元20沿打印头10与页面24之间的相对运动方向上包括多个打印头单元，这里是三个。这些单元可布置为喷嘴口偏移以增加分辨率和/或打印速度。替代地，或另外地，每组中的每个单元可供应不同类型或颜色的墨。这种结构可用于在单遍打印页面的情况下打印头在页面的整个宽度上执行彩色打印。
每个打印头单元20包括位于面板32上的集流管组件30，位于集流管组件30内的柔性印刷板(未示出)附接到面板32上以输送控制墨喷射的驱动信号。每个集流管组件30包括将墨输送到面板32中的喷嘴口以喷射墨的流动路径。
参照图2，在墨喷射前，对打印头内的墨(例如，储墨区域75内所容纳的墨)除气，以去除可能干扰打印质量的气泡和/或溶解的气体.为给墨除气，墨流过位于墨流动路径40内的墨不能渗透/气体可渗透的膜50，墨流动路径40形成在集流管组件30的本体42(如半导体本体或陶瓷本体)内.墨进入墨流动路径40的脱气部分45，在这里墨与膜50接触.膜50包括与墨流动路径40的脱气部分45内的墨流体接触的上表面52、以及与真空区域60接触的下表面54.在实施例中，膜50允许气体移动通过膜而进入真空区域60，同时阻止液体例如墨通过.一真空源与真空区域60联通.区域60作用于膜50，从位于脱气部分45内的墨中去除空气和其它气体.墨除气后，墨进入泵室80，在这里根据需要输送到喷嘴70进行喷射.在2002年7月3日申请的美国专利申请10/189,847中描述了一种合适的打印头，其全部内容在此引用作为参考.在2004年2月19日申请的美国专利申请10/782,367中讨论了一种脱气方法，其全部内容在此引用作为参考.
参照图3，半渗透膜50可包括淀积在基础层110(如硅晶片)上的氮化物层100(如氮化硅层)。在各实施例中，氮化物层100可具有大约1微米或更小的厚度，基础层110可具有大约700微米或更小的厚度。膜50通过下述步骤制成为具有半渗透性。经过下述步骤，膜50允许气体如空气或氦气通过膜，而阻止液体如墨从中通过。
可通过在硅晶片的前侧面淀积氮化硅层而形成膜50。淀积后，用Bosch刻蚀工艺(如，深度反应离子刻蚀工艺)对硅晶片的背侧面刻蚀大约10分钟，以形成延伸通过基础层110(例如硅晶片)并与氮化物层100相交的孔125(例如100微米宽)。Bosch刻蚀对硅的侵蚀比对氮化硅要快，因而可用作选择性刻蚀剂，形成孔125而不穿通膜50的氮化物层100。为使膜50可渗透气体，Plasma-Therm(等离子-热)RIE(反应离子刻蚀)应用于孔125。可采用从瑞士的Unaxis公司获得的Plasma-Therm RIE系统，在8.5sccm的Ar、2.5sccm的SF6和2.5sccm的CHF3的条件下以15mTorr和8W的功率持续8分钟而实现合适的刻蚀。在应用Plasma-Therm RIE系统后，氮化物层100可渗透气体(如He、空气)，但不渗透液体。在实施例中，反应离子刻蚀在氮化物层100内产生裂纹结构(如微裂纹结构)，其具有小的剖面尺寸(如小于250纳米或小于大约100纳米)，可渗透气体，同时阻止液体如墨进入膜。在SPIE Micromachining and Microfabrication Conferece，San Jose，CA，September 1999上Galambos等发表的“Silicon Nitride Membranes for Filtrationand Separation”(《用于过滤和分离的氮化硅膜》)和新墨西哥大学1997年W.P.Eaton的博士论文“Surface Micromachined Pressure Transducers”(《经表面微加工的压力换能器》)中进一步讨论了合适的制造膜50的工艺，其全部内容在此引用作为参考。
膜50具有足够的强度，支撑区域60中的真空所产生的压力差。在实施例中，膜50可承受大约20或25atm或更高压力的负载而不会损坏和/或使流体(例如水或墨)通过。
膜50的渗透性通常较高。实施例中，膜50在室温下对氦气的渗透率是1×10-9moles/(m2Pa-s)或更高例如1×10-8moles/(m2Pa-s)或更高。在某些实施例中，膜50的渗透率是通常的多孔氟聚合物的10倍或更高，例如100或200倍或更高。例如，室温下氦气渗透率为1.6×10-8mols/(m2Pa-s)(如Galambos等人提出的)的膜50是打印头中通常用于墨除气的氟聚合物(如渗透率为7.92×10-11mols/(m2Pa-s)的TFE和渗透率为5.29×10-11mols/(m2Pa-s)的PTFE)的渗透率的大约200倍。室温下膜50对He的渗透率也大于通常的氟聚合物高温时的He渗透率。例如，室温下膜50的He渗透率是1.6×10-8mols/(m2Pa-s)，这是125℃温度下氟聚合物材料(如9.58×10-10mol/(m2Pa-s)的TFE和7.04×10-10mol/(m2Pa-s)的PTFE)的He渗透率的大约16倍。
因为高的气体渗透率，可(相对常规的氟聚合物材料制成的脱气膜)减小膜50的尺寸(例如几何表面积)而不降低除气效率。通常，如果膜的渗透率增加，可在不降低除气效率的情况下减小膜的几何表面积。在某些实施例中，渗透率增加和表面积减小之间是对应的关系。例如，室温下，表面积200μm2的TFE膜和表面积1μm2的膜50的He除气效率大致相同.在某些实施例中，形成膜50的材料对空气的渗透率至少为氟聚合物材料的100倍(例如至少75倍、至少50倍、至少25倍)大.因此，在某些实施例中，膜50可比常规的TFE除气膜尺寸小100倍.对于沿墨流动路径40任意位置设置膜50来说，尺寸小特别有用.
尽管描述了特定的实施例，也可采用其它的实施例。例如，尽管膜50被描述为经过8分钟的Plasma-Therm反应离子刻蚀后可渗透空气，也可采用其它刻蚀条件、压力和气体。在一些实施例中，Plasma-Therm反应离子刻蚀时间可从8分钟增加到大约12分钟(例如，9分钟、10分钟、11分钟、12分钟)。进行12分钟反应离子刻蚀的膜在室温下He渗透率为1×10-11mols/(m2Pa-s)。在一些实施例中，Plasma-Therm反应离子刻蚀时间减少到大约4分钟(例如，7分钟、6分钟、5分钟、4分钟)。在该实施例中，在反应离子刻蚀后，以1000torr的负载为间隔对膜50分步预加应力，这增加膜内微裂纹结构的宽度。由于宽度增加，室温He渗透率从初始的7×10-11mols/(m2Pa-s)增加到大约6.3×10-6mols/(m2Pa-s)的最终He渗透率。在特定实施例中，不对膜50进行反应离子刻蚀，但却增加Bosch刻蚀工艺的时间。例如，暴露于Bosch刻蚀22分钟的膜在室温下具有大约2×10-11mols/(m2Pa-s)的He渗透率，而暴露于Bosch刻蚀33分钟的膜在室温下具有大约1×10-9mols/(m2Pa-s)的He渗透率。
作为一个附加的例子，在某些实施例中，打印头包括多个流动路径。在一些实施例中，在每一个流动路径中均包括单独的脱气部分。在其它实施例中，只提供一个脱气部分对多个流动路径除气。
以下是另外的实施例。例如，尽管可在打印头单元内脱气并从打印头单元喷出墨，打印头单元也可用作喷出墨以外的其它流体。例如，喷出的液滴可为能以液滴形式输送的UV或其它辐射固化材料或其它材料，例如，化学或生物流体。例如，所述打印头单元20可为精确散布系统的一部分。
这里所公开的所有特征可任意结合。
本申请这里所引用的所有出版物、申请和专利以单独提出的形式被全部引用作为参考。
其它实施例在所附权利要求中。
Claims (34)
1.一种流体滴喷射系统，包括：
在存储区域与喷嘴之间延伸的流动路径，所述流动路径包括泵室，在所述泵室中对流体加压以喷出流体滴；以及
定位成与所述流动路径流体接触且包括半渗透性氮化物的膜，并且所述膜在室温下对He具有至少大约1.6×10-8mols/(m2Pa-s)的渗透率。
2.根据权利要求1所述的流体滴喷射系统，其中所述膜包括微裂纹结构。
3.根据权利要求1所述的流体滴喷射系统，其中所述膜是多孔的。
4.根据权利要求1所述的流体滴喷射系统，其中所述膜包括与所述流动路径流体接触的第一表面以及与真空区域接触的第二表面。
5.根据权利要求1所述的流体滴喷射系统，其中所述膜可渗透气体而不可渗透液体。
6.根据权利要求1所述的流体滴喷射系统，其中所述膜可渗透空气。
7.根据权利要求1所述的流体滴喷射系统，其中所述膜基本不可渗透所述流体滴喷射系统中所用的墨。
8.根据权利要求1所述的流体滴喷射系统，其中所述氮化物包括氮化硅。
9.根据权利要求1所述的流体滴喷射系统，其中所述膜经过了暴露于反应离子刻蚀剂的步骤。
10.根据权利要求1所述的流体滴喷射系统，其中进一步包括多个流动路径。
11.一种流体滴喷射系统，包括：
在存储区域与喷嘴之间延伸的流动路径，所述流动路径包括泵室，在所述泵室中对流体加压以喷出流体滴；以及
定位成与所述流动路径流体接触的膜，该膜在室温下对He具有大约1×10-10mols/(m2Pa-s)到大约1×10-6mols/(m2Pa-s)的渗透率。
12.根据权利要求11所述的流体滴喷射系统，其中所述膜包括微裂纹结构。
13.根据权利要求11所述的流体滴喷射系统，其中所述膜包括与所述流动路径流体接触的第一表面以及与真空区域接触的第二表面。
14.根据权利要求11所述的流体滴喷射系统，其中所述膜还可渗透空气。
15.根据权利要求11所述的流体滴喷射系统，其中所述膜基本不可渗透液体。
16.根据权利要求11所述的流体滴喷射系统，其中所述膜基本不可渗透所述流体滴喷射系统中所用的墨。
17.根据权利要求11所述的流体滴喷射系统，其中所述膜包括氮化硅。
18.根据权利要求11所述的流体滴喷射系统，其中所述膜经过了暴露于反应离子刻蚀剂的步骤。
19.根据权利要求11所述的流体滴喷射系统，其中所述膜在室温下对He具有小于大约1.6×10-8mols/(m2Pa-s)的渗透率。
20.根据权利要求11所述的流体滴喷射系统，其中进一步包括多个流动路径。
21.一种流体滴喷射系统，包括：
在存储区域与喷嘴之间延伸的流动路径，所述流动路径包括泵室，在所述泵室中对流体加压以喷出流体滴；以及
定位成与所述流动路径流体接触的膜，该膜具有横截面尺寸不大于大约100nm的裂纹结构.
22.根据权利要求21所述的流体滴喷射系统，其中所述膜包括与所述流动路径流体接触的第一表面以及与真空区域接触的第二表面。
23.根据权利要求21所述的流体滴喷射系统，其中所述膜可渗透气体而不可渗透液体。
24.根据权利要求21所述的流体滴喷射系统，其中所述膜可渗透空气。
25.根据权利要求24所述的流体滴喷射系统，其中所述膜基本不可渗透所述流体滴喷射系统中所用的墨。
26.根据权利要求21所述的流体滴喷射系统，其中所述膜包括氮化硅。
27.根据权利要求21所述的流体滴喷射系统，其中所述膜经过了暴露于反应离子刻蚀剂的步骤。
28.根据权利要求21所述的流体滴喷射系统，其中所述膜在室温下对He具有至少大约1.6×10-8mols/(m2Pa-s)的渗透率。
29.根据权利要求21所述的流体滴喷射系统，其中所述膜在室温下对He具有小于大约1×10-10mols/(m2Pa-s)的渗透率。
30.根据权利要求21所述的流体滴喷射系统，其中进一步包括多个流动路径。
31.根据权利要求21所述的流体滴喷射系统，其中所述膜通过暴露于等离子体以改变气体渗透性而形成。
32.根据权利要求21所述的流体滴喷射系统，其中所述膜包括无机材料，该无机材料包括氮化物。
33.根据权利要求32所述的流体滴喷射系统，其中所述氮化物包括氮化硅。
34.一种流体滴喷射系统，包括：
在存储区域与喷嘴之间延伸的流动路径，所述流动路径包括泵室，在所述泵室中对流体加压以喷出流体滴；以及
定位成与所述流动路径流体接触的膜，该膜具有横截面尺寸不大于大约250nm的裂纹结构。
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