CN101535052B - 流体喷射装置 - Google Patents
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Abstract
一种流体喷射装置，包括：具有流体通道(160)的基板(120；120′)；由该基板支撑并且延伸该流体通道长度的柔性膜(130)；提供在该柔性膜的第一部分(134)上的致动件(140)；以及加固构件(150)，其被提供在该柔性膜的第二部分(136)上，从而使得该致动件适于相对于该流体通道偏转该柔性膜的第一部分，该加固构件支撑该柔性膜的第二部分。
Description
相关申请的交叉引用
本申请涉及同一天提交的、转让给本发明受让人的美国专利申请11/520,883(代理人卷号：200602824)，在此以引用方式将该美国专利申请并入本文；本申请还涉及同一天提交的、转让给本发明受让人的美国专利申请11/520,877(代理人卷号200602825)，在此也以引用方式将该美国专利申请并入本文。
背景技术
喷墨打印系统作为流体喷射系统的一种实施方式，可包括打印头、向打印头提供液体墨水的墨水供应器、以及控制打印头的电子控制器。打印头作为流体喷射装置的一种实施方式，通过多个喷嘴或者孔朝向打印介质(诸如，一张纸)喷射墨滴，从而在该打印介质上打印。典型地，孔被设置为一个或多个列或阵列，使得随着打印头和打印介质相对于彼此移动，来自该孔的正确顺序的墨水喷射导致字符或其它图像被打印在打印介质上。
一种类型的打印头包括压电致动的打印头。这种压电致动的打印头包括，限定了流体腔的基板、由该基板支撑在该流体腔上方的柔性膜、以及提供在该柔性膜上的致动件。在一种布置中，该致动件包括当其被施加电压时会变形的压电材料。这样，当该压电材料变形时，柔性膜偏转，从而导致来自流体腔并通过与流体腔连通的孔的流体喷射。这种打印头的制造和工作面临各种挑战。由于这些和其它原因，因此需要本发明。
发明内容
本发明的一方面提供了一种流体喷射装置。这种流体喷射装置包括：具有流体通道的基板、由该基板支撑并且延伸至该流体通道长度的柔性膜、提供在该柔性膜的第一部分上的致动件、以及提供在该柔性膜的第二部分上的加固构件，使得所述致动件适于使该柔性膜的第一部分相对于该流体通道而偏转，而该加固构件支撑该柔性膜的第二部分。
附图说明
图1为图示出根据本发明的喷墨打印系统的一种实施方式的框图。
图2为图示出根据本发明的打印头组件的一部分的一种实施方式的示意图。
图3为图示出图2的打印头组件的一部分的一种实施方式的示意性剖视图。
图4为图示出根据本发明的打印头组件的一部分的一种实施方式的示意性分解透视图。
图5为图示出根据本发明的打印头组件的一部分的一种实施方式的示意图。
图6为图示出图5的打印头组件的一部分的一种实施方式的示意性剖视图。
图7A-7C为图示出根据本发明的打印头组件的工作的一种实施方式的示意性剖视图。
具体实施方式
在下面的详细描述中，将参考附图，该附图构成本文的一部分，并且其中作为图示说明而示出了可实现本发明的具体实施方式。在这一点上，参照被描述的附图的方位来使用方向性的术语，例如“顶部的”、“底部的”、“前”、“后”、“在前的”、“尾部的”等。因为本发明的实施方式的部件能够以许多不同的方位定位，所以这些方向性术语只是用于说明目的，而决不是用来限制。可以理解的是，也可以使用其它实施方式，并且在不脱离本发明范围的情况下可进行结构上或逻辑上的改变。因此，下面的详细描述并不旨在限制，而本发明的范围由所附权利要求限定。
图1图示出根据本发明的一种喷墨打印系统10的一种实施方式。喷墨式打印系统10构成流体喷射系统的一种实施方式，其包括诸如打印头组件12的流体喷射装置，以及诸如墨水供应组件14的流体供应器。在图示的实施方式中，喷墨打印系统10还包括安装组件16、介质传送组件18以及电子控制器20。
作为流体喷射装置的一种实施方式，打印头组件12根据本发明的实施方式而形成，并且通过多个孔或者喷嘴13喷射包括一种或多种彩色墨水的墨滴。尽管下面的描述涉及来自打印头组件12的墨水喷射，但是应该理解的是，从打印头组件12也可以喷射其它液体、流体或者可流动的材料。
在一种实施方式中，墨滴被朝向诸如打印介质19的介质引导，从而打印在打印介质19上。典型地，喷嘴13被布置成一个或多个列或阵列，使得在一个实施方式中，随着打印头组件12和打印介质19相对于彼此移动，来自喷嘴13的正确顺序的墨水喷射导致字符、符号和/或其它图形或图像被打印在打印介质19上。
打印介质19包括，例如，纸、卡片纸料、信封、标签、透明膜、纸板、刚性面板等等。在一个实施方式中，打印介质19是连续形式的，或连续的网络打印介质19。这样，打印介质19可包括连续成卷的未打印纸。
作为流体供应器的一种实施方式，墨水供应组件14，向打印头组件12供应墨水，并且包括用于保存墨水的贮存器15。这样，墨水从贮存器15流向打印头组件12。在一种实施方式中，墨水供应组件14和打印头组件12形成再循环墨水输送系统。这样，墨水从打印头组件12流回到贮存器15。在一种实施方式中，打印头组件12和墨水供应组件14一起被容纳在喷墨或流体喷射的筒或笔中。在另一实施方式中，墨水供应组件14与打印头组件12分离，并且通过诸如供应管(未示出)的接口连接将墨水供应到打印头组件12。
安装组件16将打印头组件12相对于介质传送组件18定位，而介质传送组件18将打印介质19相对于打印头组件12定位。这样，打印头组件12将墨滴沉淀于其中的打印区域17被限定为在打印头组件12与打印介质19之间的区域中并且与喷嘴13相邻。在打印期间，打印介质19通过介质传送组件18被向前移动穿过打印区域17。
在一种实施方式中，打印头组件12是一种扫描类型的打印头组件，并且在打印介质19上进行的条带打印期间，安装组件16将打印头组件12相对于介质传送组件18和打印介质19移动。在另一实施方式中，打印头组件12是一种非扫描类型的打印头组件，在打印介质19上进行的条带打印期间，安装组件16将打印头组件12相对于介质传送组件18固定在指定位置，而介质传送组件18将打印介质19向前移动通过该指定位置。
电子控制器20与打印头组件12、安装组件16和介质传送组件18通信。电子控制器20从诸如计算机的主机系统接收数据21，并且包括存储器以用于临时保存数据21。典型地，数据21沿电子、红外、光学或其它信息传输路径被发送到喷墨打印系统10。数据21代表了，例如，将要打印的文档和/或文件。这样，数据21形成喷墨打印系统10的打印作业，并且包括一个或多个打印作业命令和/或命令参数。
在一个实施方式中，电子控制器20提供对打印头组件12的控制，包括对来自喷嘴13的墨滴喷射的时间控制。这样，电子控制器20限定了喷射的墨滴的图案，该图案在打印介质19上形成字符、符号和/或其它图形或图像。因此，时间控制和喷射的墨滴的图案由打印作业命令和/或命令参数确定。在一种实施方式中，形成电子控制器20的一部分的逻辑和驱动电路位于打印头组件12上。在另一种实施方式中，形成电子控制器20的一部分的逻辑和驱动电路不位于打印头组件12上。
图2-图4图示出打印头组件12的一部分的一种实施方式。作为流体喷射装置的一种实施方式，打印头组件12，包括基板120、柔性膜130、致动件140以及加固构件150。如下面所描述的那样，基板120、柔性膜130、致动件140以及加固构件150被布置和相互作用，以从打印头组件12喷射流体液滴。
在一种实施方式中，基板120具有限定在其中的多个流体通道160。在一种实施方式中，流体通道160与流体的供应器连通，每个流体通道160包括流体入口162、流体增压室164、流体喷射腔166以及流体出口168。这样，流体增压室164与流体入口162连通，流体喷射腔166与流体增压室164连通，流体出口168与流体喷射腔166连通。在一个实施方式中，流体入口162、流体增压室164、流体喷射腔166以及流体出口168同轴。在实施方式中，流体通道160具有大致矩形轮廓，而流体增压室164和流体喷射腔166中的每一个由平行的侧壁形成。
在一种实施方式中，基板120为硅基板，通过使用光刻和蚀刻技术将流体通道160形成在基板120上。
在一个实施方式中，流体的供应通过流体供应通路170被分布并且与每个流体通道160的流体入口162连通。在一个实施方式中，流体供应通路170是与每个流体通道160的流体入口162连通的单个的或者公用的流体供应通路。这样，通过流体入口162，流体被从流体供应通路170的流体分布到增压室164，并通过流体增压室164被分布到每个流体通道160的流体喷射腔166。在一个实施方式中，每个流体通道160的流体出口168形成打印头组件12的流体喷嘴或孔，使得流体通过流体出口/喷嘴168从流体喷射腔166喷出，如下面所描述的那样。
在一个实施方式中，每个流体通道160均包括缩窄部分165。在一个实施方式中，缩窄部分165通过将位于流体增压室164与流体喷射腔166之间的每个流体通道160变窄而形成。更具体而言，在一个实施方式中，流体通道160在缩窄部分165处的宽度比沿流体增压室164与沿流体喷射腔166的流体通道160的宽度小。因此，在一个实施方式中，缩窄部分165形成位于流体增压室164与流体喷射腔166之间的每个流体通道160的颈部。
在一个实施方式中，每个流体通道160的缩窄部分165由伸入到每个流体通道160中的一对相对的突起169形成。在一个实施方式中，突起169的高度基本上等于流体通道160的深度。因此，如下所述的那样，在一个实施方式中，突起169(以及因此阻塞部分165)接触柔性膜130，并且在流体增压室164与流体喷射腔166之间提供对柔性膜130的支撑。突起169的形状和尺寸可以变化，例如，从诸如所描述的类似弧形形状，到类似不等边四边形形状或者其它的向柔性膜130提供足够的机械支撑的有利于流体动力的形状。
在一个实施方式中，缩窄部分165的宽度(并因此突起169的宽度)被选择，以便基本上不影响诸如从流体通道160喷射出的液滴的液滴速度和液滴尺寸等的特性。在一个示例性实施方式中，流体通道160的深度大约为90微米，流体通道160的宽度在大约300微米至大约600微米的范围内，每个突起169的宽度(垂直于流体通道160的侧壁进行测量)大约为100微米。
在一个实施方式中，每个流体通道160均包括会聚部分167。在一个实施方式中，会聚部分167提供在流体喷射腔166与流体出口168之间。这样，会聚部分167将来自流体喷射腔166的流体引导到流体出口168。因此，会聚部分167形成流体或流动会聚结构。在打印头组件12工作期间，会聚部分167减少了在通道160都只由直角形成的情况下可能会产生的湍流。另外，会聚部分167防止空气吸入到流体出口168内。
在一个实施方式中，如图2所示的那样，会聚部分167由两个平面形成，这两个平面中的每个均以大约45度角从流体喷射腔166的侧壁延伸，并且朝向流体出口168会聚。在另一实施方式中，如图4所示的那样，会聚部分167由从流体喷射腔166的侧壁朝向流体出口168延伸的弧形段形成。
如图2-图4所示的实施方式，柔性膜130由基板120支撑，并且在流体通道160上方延伸。在一个实施方式中，柔性膜130是在多个流体通道160上方延伸的单一膜。在一个实施方式中，柔性膜130延伸至流体通道160的长度。这样，柔性膜130从每个流体通道160的流体入口162延伸到流体出口168。
在一个实施方式中，柔性膜130包括柔性膜部分132，每个柔性膜部分被限定在一个流体通道160上方。在一个实施方式中，每个柔性膜部分132延伸至相应的流体通道160的长度。这样，每个柔性膜部分132包括在流体喷射腔166上方延伸的第一部分134和在流体增压室164上方延伸的第二部分136。因此，柔性膜部分132的第一部分134从流体通道160的缩窄部分165沿第一方向延伸，柔性膜部分132的第二部分136从流体通道160的缩窄部分165沿与第一方向相对的第二方向延伸。
在一个实施方式中，在每个柔性膜部分132延伸至相应的流体通道160的长度时，每个柔性膜部分132沿相应的流体通道160被支撑在与流体出口168相邻的第一位置处以及位于流体入口162与流体出口168之间或中间的第二位置处。例如，如上所述，每个柔性膜部分132均被缩窄部分165支撑在流体入口162与流体出口168之间。更具体而言，每个柔性膜部分132均由提供在相应的流体通道160的流体增压室164与流体喷射腔166之间的缩窄部分165支撑。因此，缩窄部分165在流体增压室164与流体喷射腔166之间支撑柔性膜部分132。
在一个实施方式中，柔性膜130由柔性材料形成，例如，氮化硅或碳化硅的柔性薄膜，或者硅的柔性薄层。在一个示例性实施方式中，柔性膜130由玻璃形成。在一个实施方式中，柔性膜130通过阳极键合或类似技术被附接到基板120上。
如图2-图4的实施方式所示，致动件140提供在柔性膜130上。更具体而言，每个致动件140被提供在相应的柔性膜部分132的第一部分134上。在一个实施方式中，致动件140被提供或形成在柔性膜130与流体通道160相对的一侧上。这样，致动件140不直接接触流体通道160中包含的流体。因此，减少了流体接触致动件140的潜在的影响，例如腐蚀或电短路。
在一个实施方式中，致动件140包括响应于电信号而改变形状(例如，膨胀和/或收缩)的压电材料。因此，响应于电信号，致动件140向相应的柔性膜部分132施加力，这使得柔性膜部分132(具体地，是柔性膜部分132的第一部分134)偏转。压电材料的示例包括氧化锌或者压电陶瓷材料，例如，钛酸钡、锆钛酸铅(PZT)或者钛酸锆酸镧铅(PLZT)。可以理解的是，致动件140可包括任何类型的、使柔性膜部分132移动或偏转的装置，包括静电的、静磁的和/或热膨胀的致动件。
在一个实施方式中，如图4所示，致动件140由单一或共同的压电材料形成。更具体而言，这种单一或共同的压电材料被提供在柔性膜130上，并且压电材料的选择性部分被移除，使得压电材料的剩余部分限定致动件140。
在一个实施方式中，如下面所描述的那样，致动件140偏转柔性膜部分132，并且更具体地，偏转柔性膜部分132的第一部分134。因此，当柔性膜130的柔性膜部分132偏转时，流体的小滴从相应的流体出口168喷射出。
如图2和3的实施方式所示，加固构件150被提供在柔性膜130上，并且在流体通道160上方延伸。更具体而言，加固构件150被提供在柔性膜部分132的第二部分136上，并且在流体通道160的流体增压室164上方延伸。在一个实施方式中，加固构件150被提供在柔性膜130的与流体通道160相对的一侧上。这样，加固构件150将柔性膜部分132的第二部分136支撑在流体通道160的流体增压室164上方。更具体而言，加固构件150支撑或者紧绷柔性膜部分132的第二部分136，以减小或防止在打印头组件12工作过程期间柔性膜130的第二部分136的偏转或者摆动。
在一个实施方式中，加固构件150延伸超出柔性膜130并且超出流体通道160的流体入口162。这样，加固构件150延伸到流体供应通路170上方。因此，在一个实施方式中，加固构件150形成或限定流体供应通路170的一部分或者边界。在一个实施方式中，加固构件150是支撑多个柔性膜部分132的第二部分136的单个构件。
图5和图6图示出打印头组件12的另一实施方式。在图5和图6的实施方式中，打印头组件12′包括基板120′、提供在基板120′的相对侧上的柔性膜130、提供在柔性膜130上的致动件140、提供在柔性膜130上的加固构件150以及被限定在支撑结构180中的流体供应通路170。
基板120′包括与上面所示和描述的流体通道160类似的流体通道，这些流体通道形成在第一侧和第二侧上，并且与流体供应通路170连通。另外，类似于上面参照柔性膜130和基板120所图示和描述的那样，柔性膜130被提供在基板120′的第一侧和第二侧上并且由该第一侧和第二侧支撑。此外，致动件140如上所示和所述的那样被提供在柔性膜130上，而加固构件150如上所示和所述的那样被提供在柔性膜130上。
在一个实施方式中，基板120′、柔性膜130、致动件140和加固构件150在加固构件150处被结合到支撑结构180，以与流体供应通路170连通，并且在一个实施方式中进一步限定流体供应通路170。因此，加固构件150便于被附接到支撑结构180。这样，打印头组件12′的布置提供了两列流体喷嘴或者孔用于流体的喷射。
图7A-7C图示出打印头组件12(包括打印头组件12′)的工作的一种实施方式。如图7A所示，在一个实施方式中，为了打印头组件12的工作，柔性膜130被初始化到偏转状态。更具体而言，柔性膜130的第一部分134被向内朝向流体通道160偏转。在一个实施方式中，如上所述的那样，柔性膜130的偏转是电信号被应用到致动件140的结果。在一个实施方式中，如上所述的那样，当加固构件150被提供在柔性膜130的第二部分136上时，在打印头组件12工作期间，柔性膜130的第二部分136的偏转被减小或防止。
接着，如图7B所示的实施方式，打印头组件12的工作包括建立柔性膜130的非偏转状态。在一个实施方式中，到致动件140的电信号的中断应用会产生柔性膜130的非偏转状态。在一个实施方式中，当柔性膜130返回到非偏转状态时，在流体喷射腔166中产生负压力脉动(即，真空)。这样，负压力波传播通过流体通道160，使得当负压力波到达流体入口162时，流体被从流体入口162吸入流体通道160。因此，打印头组件12工作在先填充再喷射(fill-before-fire)模式。在一个实施方式中，负压力波从流体入口162反射，从而在流体通道160中产生反射的正压力波。
接着，如图7C所示的实施方式，通过建立柔性膜130的第二偏转状态，打印头组件12的工作继续。更具体而言，柔性膜130的第一部分134被向内朝向流体通道160偏转。在一个实施方式中，如上所述的那样，向致动件140应用电信号产生柔性膜130的偏转状态。当柔性膜130呈现或者建立偏转状态时，在流体喷射腔166中产生正压力脉动。这样，正压力波传播通过流体通道160。
在一个实施方式中，正压力脉动的时间选择为，使该正压力波与之前产生的反射的正压力波(当柔性膜返回到非偏转状态时被初始化)叠加，以在流体喷射腔166中产生叠加的正压力波。因此，叠加的正压力波传播通过流体喷射腔166，使得当叠加的正压力波到达流体出口168时，从流体出口168喷射出流体液滴。可以理解的是，图7A和7C所示的实施方式中柔性膜130的偏转程度为了本发明的清楚起见而被放大了。
通过在柔性膜部分132的第二部分136上提供加固构件150，加固构件150防止柔性膜130在流体增压室164上方摆动，并且确保在流体入口162到流体供应通路170的接口处发生正反射。此外，在柔性膜部分132的第二部分136上提供加固构件150还确保了不存在阻碍负压力脉动或反射的正压力脉动的柔量。
除了防止柔性膜130在流体增压室164上方摆动之外，加固构件150还提供中间材料以适应子组件的不同的材料(并且因此具有的不同的热膨胀系数)，子组件包括基板120、柔性膜130、致动件140以及支撑结构180(图5和图6)，当子组件和该支撑结构结合到一起时该支撑结构180用于该子组件。例如，如上所述的那样，基板120和柔性膜130可由硅和/或玻璃形成，而支撑结构180可由塑料形成。因此，当子组件和支撑结构被结合到一起时(例如，通过在温度负载下接合)，支撑结构的塑料可不同于基板120和柔性膜130的硅和/或玻璃而变形，从而在硅和/或玻璃中引起应力。因此，在一个实施方式中，加固构件150被放置在基板120和柔性膜130的硅和/或玻璃之间，而支撑结构的塑料帮助吸收这种应力。
如本文所示和所述的那样，流体通道160的构造产生低的流体阻抗以及相对均匀的流体流动，由此流体流动不产生可妨碍流体的规则流动的液压反射。这样，能够得到更高的工作和液滴喷射频率。另外，如本文所示和所述的那样，流体通道160的构造减少了相邻流体通道的串扰。此外，如本文所示和所述的那样，由例如缩窄部分165对柔性膜130进行的支撑，可减少由膜破裂导致的故障，因为这种支撑减少了施加到特定的非支撑段的应力。这样，增加了打印头组件12的产率。另外，如本文所示和所述的那样，打印头组件12的制造允许减小其工作期间的压电驱动电压。
尽管本文示出和描述了具体实施方式，本领域技术人员应该认识到，在不脱离本发明范围的情况下，可以用各种变形和/或等同方式来替换所示出和所描述的具体实施方式。本申请旨在覆盖本文讨论的具体实施方式的任何调整和变形。因此，本发明只由权利要求及其等同物来限制。
Claims (12)
1.一种流体喷射装置，包括：
具有流体通道(160)的基板(120；120′)；
由所述基板支撑并且延伸了所述流体通道的长度的柔性膜(130)；
提供在所述柔性膜的第一部分(134)上的致动件(140)，其中所述致动件适于相对于所述流体通道偏转所述柔性膜的第一部分；以及
提供在所述柔性膜的第二部分(136)上的加固构件(150)，其中所述加固构件支撑所述柔性膜的第二部分。
2.如权利要求1所述的流体喷射装置，其特征在于，所述柔性膜具有第一侧和与所述第一侧相对的第二侧，其中所述第一侧与所述流体通道连通，并且其中所述致动件和所述加固构件都被提供在所述第二侧。
3.如权利要求1所述的流体喷射装置，其特征在于，所述流体通道包括流体入口(162)、与所述流体入口连通的流体增压室(164)、与所述流体增压室连通的流体喷射腔(166)以及与所述流体喷射腔连通的流体出口(168)。
4.如权利要求3所述的流体喷射装置，其特征在于，所述柔性膜从所述流体通道的流体入口延伸到其流体出口，其中所述柔性膜的第一部分在所述流体喷射腔上方延伸，所述柔性膜的第二部分在所述流体通道的流体增压室上方延伸。
5.如权利要求3所述的流体喷射装置，其特征在于，所述加固构件在所述流体通道的流体增压室上方延伸，超出所述柔性膜并且超出所述流体通道的流体入口。
6.如权利要求3所述的流体喷射装置，其特征在于，进一步包括：
与所述流体通道的流体入口连通的流体供应通路(170)；
其中，所述加固构件在所述流体供应通路上方延伸。
7.如权利要求6所述的流体喷射装置，其特征在于，所述加固构件限定了所述流体供应通路的边界。
8.如权利要求3所述的流体喷射装置，其特征在于，所述流体通道包括位于所述流体增压室与所述流体喷射腔之间的缩窄部分(165)，其中所述缩窄部分在所述柔性膜的第一部分与第二部分之间支撑所述柔性膜。
9.如权利要求8所述的流体喷射装置，其特征在于，所述缩窄部分的高度等于所述流体通道的深度。
10.如权利要求3所述的流体喷射装置，其特征在于，所述流体通道包括位于所述流体喷射腔与所述流体出口之间的会聚部分(167)。
11.如权利要求1所述的流体喷射装置，其特征在于，所述致动件适于沿第一方向偏转所述柔性膜，所述流体喷射装置适于沿垂直于所述第一方向的第二方向喷射流体液滴。
12.如权利要求1所述的流体喷射装置，其特征在于，所述加固构件便于附接到支撑结构。
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