CN102292216B - 流体喷射器结构 - Google Patents

Abstract

在一实施例中，一种流体喷射器结构包括：用于容纳流体的腔室；形成腔室的一个壁的柔性隔膜；多个压电元件；衬背，该衬背可操作地连接至所述压电元件，以便压电元件的膨胀和/或收缩使得压电元件弯曲；覆盖隔膜的中心部分的刚性板；杆柱，所述杆柱穿过衬背将压电元件耦连至板，以便每个压电元件朝向所述腔室的运动通过杆柱被传递至板。所述板被配置成以刚性或基本刚性的活塞型方式将杆柱的运动传递至隔膜。

Description

流体喷射器结构

背景技术

喷墨打印机使用包括孔的阵列的打印头，油墨通过这些孔被喷射到纸或其它打印介质上。装满从储存器供应的油墨的通道将油墨馈送到每个孔处的喷发腔室（firing chamber）。在压电型喷墨打印头中，耦连至喷发腔室的一个壁的压电元件的变形使喷发腔室的容积交替地收缩和膨胀。在收缩期间，腔室内的压力增加且油墨通过孔从腔室内被排出。在膨胀期间，腔室内的压力减小且来自储存器的油墨通过通道重新填充腔室，以允许重复油墨排出的顺序。设计具有更密集的孔阵列且因此具有更小的喷发腔室尺寸的打印头时面临的一个挑战是在腔室的容积内产生足够的压力差来维持充分的油墨排出和重新填充。因此，可以期望的是，在一些打印头设计中最大化通过压电元件的每个变形实现的喷发腔室内的容积变化。

附图说明

图1是示出包括由单独的喷射器结构组成的阵列的压电喷墨打印头的一个示例的一部分的平面图。

图2是平面图且图3和图4是示出根据本公开的一个实施例被配置的压电喷射器结构的正视剖面图。图3是沿着图2的线3-3所做的纵剖图。图4是沿着图2的线4-4所做的横剖图。

图5是图2-4的喷射器结构的透视剖面图，示出压电元件的变形和由此得到的喷发腔室容积的收缩。

图6是示出根据本公开的另一实施例配置的压电喷射器结构的正视剖面图。

图7和图8分别是平面图和正视剖面图，示出根据本公开的另一实施例配置的压电喷射器结构。图8是沿着图7中的线8-8所做的纵剖图。

图9是图7和图8的喷射器结构的透视剖面图，示出压电元件的变形和由此得到的喷发腔室容积的收缩。

具体实施方式

开发出本公开的实施例是为了最大化由压电致动器引起的压电喷墨打印头喷发腔室中的容积变化，由此便于设计这样的打印头，即该打印头具有更密集的孔阵列并因此具有更小的喷发腔室尺寸，但仍能在腔室容积内产生足够的压力差来维持充分的油墨排出和重新填充。因此，将关于压电喷油墨喷射器结构描述本公开的实施例。但是实施例不限于喷油墨喷射器结构，这些实施例可以在其它压电流体喷射器结构中实施。因此，下面的描述将不被理解为限制本公开的范围。

图1是示出包括单独的流体喷射器结构14的阵列12的压电喷墨打印头10的一个示例的一部分的平面图。对于喷墨打印头10，用喷射器结构14分送的流体（油墨）是液体，但少量气体（通常是气泡）有时可以存在于油墨中。但是实施例不限于分送油墨和其它液体，并且可以包括用于分送其它流体的喷射器结构，例如该文件中公开的压电喷射器结构一般不适用于分送主要由（多种）气体组成的流体。

参考图1，每个喷射器结构14包括喷发腔室16、油墨喷射孔18和油墨入口20。油墨入口20耦连至将油墨从油墨源（未示出）供应至喷发腔室16的油墨通道22。在图1所示的打印头10的这部分中，喷射器结构14被布置成两行，每一行都有单个油墨通道22供应。通常的压电打印头10可包括布置在由多个油墨供应通道22馈送的几行和/或行中的数百个单独的喷射器结构14。

图2是示出单独的压电喷射器结构14的一个示例实施例的平面图。图3是沿着图2的线3-3所做的喷射器结构14的纵剖图。图4是沿着图2的线4-4所做的喷射器结构14的横剖图。参考图2-4，喷射器结构14包括喷发腔室16、孔18和入口20，油墨滴可从腔室16中通过孔18排出，并且油墨可通过入口20例如从诸如图1所示的供应通道22进入腔室16。喷发腔室16由柔性隔膜24和通过粘结或其它方式附连至隔膜24的相对刚性的帽26限定。如下文更详细地描述的，耦连至隔膜24的压电致动器28使隔膜24挠曲，从而使喷发腔室16交替地收缩和膨胀。在收缩期间，腔室16中的压力增加且油墨通过孔18从腔室16中被排出。在膨胀期间，腔室16中的压力减小且油墨通过入口20重新填充腔室16。

喷射孔18形成于帽26的暴露面30中。通常称为“孔板”或“喷嘴板”的帽26通常在硅板或金属板中形成，但是可以使用其它适当的材料或构造。例如，隔膜24可以作为相对薄的氧化层形成于底层结构上。作为对图中所示的其中喷射孔18形成于孔板26的面30中的“面发射器”的替换，可以使用所谓的“边缘发射器”，其中油墨喷射孔18形成于孔板26的暴露边缘32中。而且，虽然详细示出和描述了只是单个喷射器结构14的元件，但是由许多这样的喷射器结构14构成的组件，连同相关驱动器和控制电路，通常可以同时形成在单个晶片或基体材料的连续板材上，各个打印头的模10（图1）随后从晶片或板材上切割或以其它方式分立。本领域的技术人员熟知的打印头制造和半导体加工常用技术可以用来制造和组装打印头结构14。因此，那些技术的细节不包括在本说明中。

继续参考图2-4，压电致动器28包括形成在硅或其它适当基体36上的一对悬臂压电板34。压电板34由压电陶瓷或其它适当的压电材料形成。每个压电板34的固定端38被支撑在沿着喷发腔室16的每一端42、44形成于基体36上的壁40上。每一压电板34的自由端46纵向延伸至腔室16的中心部分48，在板的自由端46之间留下间隙50并在每个板34与基体36之间留下间隙51。金属或其它适当导体52、54形成于压电板34的相对面56、58上。通常称为电极的导体52和54承载引起板34中的压电材料的期望变形的电信号。

压电板34通过柔性衬背60、刚性杆柱62和刚性推动器板64耦连至腔室隔膜24。（为了清楚起见，只有压电板34和杆柱62在图2的平面图中示出。）柔性衬背60遮盖压电板34并跨越间隙50从而形成一对单压电晶片（unimorph）弯曲压电悬臂65，该压电悬臂65通过共用的非活动层（衬背）60可操作地耦连在一起。单压电晶片是由一个活动层和一个非活动层构成的悬臂，在所示的实施例中分别为压电板34和衬背60。通过施加电场引起的压电板34的变形导致悬臂65的弯曲位移。因此，衬背60通过粘结或其它方式可操作地连接至压电板34从而使得当板34纵向膨胀和收缩时悬臂65弯曲。在所示的实施例中，衬背60在间隙50处将该弯曲运动传递至杆柱62。而且，如果电极52保持彼此不同的电势，则衬背60应当由绝缘材料形成。

置于衬背60和推动器64之间的单个细长杆柱62在悬臂压电板34的自由端46处侧向延伸跨过腔室16，使得杆柱62将板34朝腔室16的运动沿侧向延伸跨过腔室16的线传递至推动器板64。对于图2-4示出弯曲悬臂板34，最大位移发生在自由端46处。因此，如图所示沿着自由端46定位的单个细长杆柱62可以用于接收和传递来自两个板34的最大位移。刚性推动器板64传递该运动并且以刚性或接近刚性的活塞型方式将杆柱62的抬升力分配到整个隔膜34，该刚性或接近刚性的活塞型方式帮助最大化隔膜34进入腔室16内的位移。

其它构造也是可能的。例如，在悬臂端部46处侧向延伸跨过腔室16的一系列分立传递杆柱62可在一些应用中提供对单个细长杆柱62的适当替代。对于期望隔膜24的较小位移（以及喷发腔室16中的相应的较小容积变化）的另一示例，较窄的传递杆柱62和/或延伸范围较小的推动器板64可能是合适的。如果推动器64的延伸范围太大，延伸得太靠近隔膜24的周边，隔膜24的周边处的张力可能大到会以引起隔膜24中的材料破坏。另一方面，缩小推动器64远离隔膜24周边的延伸范围减小了隔膜24的位移，并且相应地减小了腔室16中的容积和压力变化。而且，隔膜24的相对较大的未遮盖周边区域作为柔顺度（compliance）来吸收被移置至推动器64之上的流体。对于可用于压电喷射器结构14中的厚度在1μm的量级上的薄隔膜24，隔膜24中的张力应该被保持在很小的百分数以下以防止疲劳破坏。因此，隔膜24的厚度和未被推动器64遮盖的周边区域应当被选择为保持隔膜24中的张力在疲劳阈值之下，同时确保柔顺度没有大到足以减小腔室16中的压力。

图5是图2-4中的喷射器结构的透视剖面图，示出压电板34的变形及由此导致的喷发腔室16中的收缩。参考图5，通过电极52和54以高频施加至压电板34的电信号和在压电材料中所产生的电场，使得悬臂板34非常迅速的弯曲。也就是说，压电板34“上”“下”振动以使腔室16中的容积交替收缩和膨胀。在该循环的收缩部分，如图5所示，悬臂板34的自由端46以轻微的弧度旋转/向上弯曲。通过衬背60作用的自由端46的旋转推动杆柱62和推动器板64竖直向上抵靠隔膜34。也就是说，刚性杆柱62和刚性推动器64响应于悬臂板端部46的旋转而平移。因此，隔膜34弯向腔室16内，使填满油墨的腔室16的容积减小/收缩以从孔18排出油墨滴。在该循环的膨胀部分期间，悬臂板34向下弯曲，使得隔膜返回其原来的未挠曲的位置处，来使腔室16的容积增加/膨胀，从而使得油墨可重新填充腔室16来为下一次收缩做好准备。

在此使用的“柔性”和“刚性”是相对的术语，其特性在致动器28和隔膜24元件中的变形和运动量级的背景下被确定。虽然实际的量级可能根据具体流体喷射器应用或环境变化，但仍预期用于喷射器结构14的典型喷墨打印应用，板34的自由端46的运动将在十分之几微米μm（10^-7m）的量级上，且喷发腔室14的排出容积在皮升pl（10^-12l）的量级上。因此，期望的是，衬背60和隔膜24对微米级的位移有足够挠度，从而允许压电板34的相对自由的运动而不包含结构完整性。类似地，杆柱62和推动器64有足够刚性来完全或基本完全传递压电板34的微米级运动。预期压电板34和衬背60通常会被配置成具有类似的柔性/刚性，从而有助于确保悬臂65响应于板34的变形充分弯曲。例如可以通过元件的相对厚度和/或用于形成这些元件的材料的特性实现期望的柔性和刚性度。

例如，压电板34可由能从多处来源购得到的高密度型5A或5H压电材料形成。例如，衬背60可以被形成为具有适当的材料特性的氧氮化硅或另一绝缘材料层，该材料在低温下能被均匀地沉淀。为了有助于匹配材料应力特性且减少交界处的约束，可能需要用相同的材料形成杆柱62和推动器64，例如多晶硅或另一刚性适当的材料。在使用相同材料的情况下，可以调整每一层的厚度来形成部件的期望性能特性。在任何情况下，由于杆柱62和推动器64的弯曲硬度（刚性）是厚度的三次函数，厚度对每一部件的弯曲硬度具有相对较大的影响。例如，衬背60、杆柱62和推动器64可以被预制造为薄膜层叠件，该薄膜层叠件被粘结至板34，或者衬背，杆柱和推动器层可以被沉积在压电板34上，然后被选择性地去除（例如被图案化或被蚀刻）以形成期望的衬背60、杆柱62和推动器64结构。而且，虽然杆柱62和推动器64被描绘为直线型结构，但其它形状也是可能的。

在一个示例构造中，矩形喷发腔室16大约1mm（1000μm）长且70μm宽，使得阵列密度能够为大约每英寸300个孔。对于30μm的腔室深，喷发腔室16在5-10pl量级上的容积变化将油墨滴通过孔18排出。预期腔室16中的期望容积变化可以通过使用大约0.5μm厚的多晶硅杆柱62和大约3.0μm厚的多晶硅板64施加至压电板34的10伏电压实现，其中板64遮盖腔室16中的隔膜24的大约80%的面积。因此，在以上提到的腔室构造中，56μm×984μm的矩形板64遮盖70μm×1000μm的矩形隔膜24的79%（留下围绕板64的隔膜24的8μm周边）。此外，在该示例中，3.0μm的氧氮化硅衬背60遮盖10μm厚的压电陶瓷板34。金属电极52和54通常将会是0.1μm厚。间隙51应该足够深以最小化或消除由间隙51中的空气造成的“挤压膜”阻尼。间隙51还应该足够大以稀释从腔室16中散发出的水蒸气，保持间隙51中的低蒸汽压力，从而有助于防止水蒸气渗入压电板34中。因此，对于诸如以上描述的喷射器结构14的典型构造，间隙51应该至少10μm深，并且如果可能的话比100μm还要深。

图6是示出压电喷射器结构14的另一实施例的正视剖面图。在图6所示的实施例中，致动器28包括一系列四悬臂压电板34和一系列对应的四个杆柱62。每个压电板34的固定端38被支撑在对应系列的壁40上。端壁40侧向延伸跨过喷发腔室16的一端42。每个内壁40侧向延伸跨过喷发腔室16的内部。推动器板64覆盖腔室16内隔膜24的顶部。板64可以是沉积或以其它方式附连至隔膜24的分立元件（如图所示），或板64和隔膜24可形成为单个整体元件，其中较厚的板部分被较薄的隔膜部分环绕。每个细长杆柱62设置在衬背60和隔膜24之间，并且在悬臂压电板34的自由端46侧向延伸跨过腔室16，以便杆柱62沿着侧向延伸跨过腔室16的线将每个板34朝向腔室16的运动通过隔膜24传递至推动器板64。因此，在该实施例中，板64可以被更准确地称为“拉动器”板，其传递运动且以刚性或接近刚性的活塞型方式将杆柱62的抬升力分配至整个隔膜34。

图7和图8分别是平面图和正视剖面图，示出压电喷射器结构14的另一实施例。在图7和图8所示的实施例中，致动器28包括被支撑在壁40上的连续压电板34和一系列四个细长杆柱62，每个细长杆柱位于压电板34的四个自由跨接段66中的一个的中心处。如图9所示，施加至压电板34的电信号使得每个跨接段66弯曲，通过杆柱62和推动器64使隔膜34挠曲，从而使腔室16的容积减小/收缩。可替代地，在壁40之间悬置于间隙51之上的一系列分立的压电板可用于形成自由跨接段66。分立压电板的形成可能需要额外的加工步骤但可在每个跨接段66处提供更大的弯曲运动。

使用多个压电元件意味着可以使用以较高的振动频率运行的较短的压电元件（例如在1MHz的范围内），而不管喷发腔室的长度，因为更多（或更少）的元件可被包含到每个腔室的压电致动器中来实现所需的容积变化和期望的操作频率。而且，每个压电元件通过刚性传递结构可操作地耦连至腔室隔膜。因此，压电元件的位移（由于弯曲或其它模式）以刚性或基本刚性的活塞型方式被传递至腔室隔膜，这有助于最大化隔膜的位移和喷发腔室内的相应容积变化。这些特征的组合有利于具有以下特性的压电打印头的设计，即该压电打印头具有更密集的孔阵列，并因此具有更小的喷发腔室尺寸，但仍能在腔室容积中产生足够的压力差来维持充分的油墨排出和重新填充。

如该文件中使用的，不意图限制“板”的长宽比。“板”的范围可从长且窄（长宽比远大于或远小于1）变化至短且宽（长宽比大约为1）。而且，本文所用的“板”可以是直线型（例如，矩形）或曲线型（例如，圆形）的。

使用“上”和“下”及其它表示方向取向的术语并不意图限制方向。本文使用的这些术语只是为了便于描述图中描绘的取向。实际取向可能不同于图中描绘的取向。而且，如本文件中所用的，形成在另一部件“上方”、“覆盖””另一部件或“遮盖”另一部件的一个部件并不必然意味着在其它部件之上形成一个部件。形成在第二部件上方、覆盖另一部件或遮盖第二部件的第一部件将意味着取决于部件的取向形成于第二部件之上、之下和/或侧面的第一部件。而且，“上方”、“覆盖”或“遮盖”包括在第二部件上形成第一部件或在第二部件之上、之下或侧面形成第一部件且在第一部件和第二部件之间有一个或更多个其它部件。

如本说明书开始时所提到的，图中所示和上面描述的示例实施例是为了说明而不是限制本公开。可以制造或实施其它形式、细节和实施例。因此，前述描述不应被理解为限制本公开的范围，本公开的范围由所附权利要求书限定。

Claims (12)

1.一种流体喷射器结构，包括：

用于容纳流体的腔室；

柔性隔膜，其形成所述腔室的一个壁；

多个压电元件；

衬背，该衬背可操作地连接至所述压电元件，从而使得压电元件的膨胀和/或收缩引起所述压电元件弯曲；

刚性板，其覆盖所述隔膜的中心部分；

杆柱，所述杆柱穿过所述衬背将所述压电元件耦连至所述板，从而使得每个压电元件朝向所述腔室的运动通过所述杆柱被传递至所述板；并且

所述板被配置成以刚性或基本刚性的活塞型方式将所述杆柱的运动传递至所述隔膜，

其中所述杆柱包括多个细长杆柱，每个细长杆柱都侧向延伸跨过所述腔室，并穿过所述衬背将对应的一个压电元件耦连至所述板，以便将每个压电元件朝向所述腔室的运动通过对应的杆柱沿着侧向延伸跨过所述腔室的线传递至所述板。

2.根据权利要求1所述的结构，其中所述刚性板被配置成以刚性或基本刚性的活塞型方式将所述杆柱的运动传递至所述隔膜且将所述杆柱的力分配到整个隔膜上。

3.根据权利要求1所述的结构，其中：

所述多个压电元件包括一对悬臂压电板，每个悬臂压电板均被支撑在所述腔室的一端，所述悬臂压电板从所述腔室的这一端沿着所述腔室朝向另一悬臂板延伸；

所述杆柱包含在所述悬臂板的端部侧向延伸跨过所述腔室的单个细长杆柱；并且

所述衬背包括衬背材料制成的连续层，其遮盖所述悬臂板并且跨越所述悬臂板的端部之间的间隙，以便这两个板朝向所述腔室的运动都通过所述衬背传递至所述杆柱。

4.根据权利要求1所述的结构，其中：

所述多个压电元件包括一系列悬臂压电板，每个悬臂压电板均具有固定端和沿着所述腔室的一部分从所述固定端延伸的自由端；

所述杆柱包含多个细长杆柱，每个细长杆柱均在所述悬臂板中的一个的对应自由端的上方侧向延伸跨过所述腔室；并且

所述衬背包括衬背材料制成的连续层，其遮盖所述悬臂板并且跨越每个悬臂板的所述自由端处的间隙，以便每个板朝向所述腔室的运动都通过所述衬背传递至所述杆柱。

5.根据权利要求1所述的结构，其中：

所述多个压电元件包括沿着所述腔室布置的多个分立的可变形压电元件；

所述杆柱包含多个细长杆柱，每个细长杆柱均在对应的一个所述分立的可变形压电元件的上方侧向延伸跨过所述腔室；并且

所述衬背包括遮盖所述压电元件的由衬背材料制成的连续层，以便每个元件朝向所述腔室的运动都通过所述衬背传递至杆柱。

6.根据权利要求5所述的结构，其中：

所述多个分立的可变形压电元件包括连续的压电板，其具有沿着所述腔室布置的多个分立的可变形区段；并且

每个杆柱在对应的一个所述分立的可变形区段的上方侧向延伸跨过所述腔室。

7.一种流体喷射器结构，包括：

用于容纳流体的腔室，所述腔室具有出口和入口，流体通过所述出口从所述腔室中喷射出，流体可通过所述入口进入所述腔室；

形成所述腔室的一个壁的柔性隔膜；

多个单压电悬臂，其可操作地耦连至所述隔膜以使所述隔膜挠曲，从而改变所述腔室的容积，将流体从所述腔室的出口喷射出；以及

覆盖所述隔膜的中心部分的刚性板，所述板可操作地耦连至所述悬臂，以便每个悬臂朝向所述腔室的弯曲运动通过所述板以刚性或基本刚性的活塞型方式传递至所述隔膜。

8.根据权利要求7所述的结构，其中所有单压电悬臂共用相同的非活动层。

9.根据权利要求7所述的结构，其进一步包括位于所述板和所述悬臂之间且可操作地耦连所述板和所述悬臂的杆柱。

10.一种流体喷射器结构，其包括：

用于容纳流体的腔室；以及

压电致动器，所述压电致动器包括：

    多个可变形压电元件；

    覆盖所述压电元件且可操作地连接至所述腔室的刚性板；

将所述压电元件耦连至所述板的杆柱，其中每个压电元件朝向所述腔室的运动通过所述杆柱被传递至所述板，并且由此产生的所述板的运动改变所述腔室的容积，

其中所述多个压电元件包括沿着所述腔室布置的多个分立的可变形压电元件，所述杆柱包含多个细长杆柱，每个细长杆柱均在所述分立的可变形压电元件中的对应的一个的上方侧向延伸跨过所述腔室，并且衬背材料的连续层遮盖所述压电元件，以便每个元件朝向所述腔室的运动都通过所述衬背被传递至杆柱。

11.根据权利10所述的结构，其中每个压电元件包括单压电悬臂且所有的单压电悬臂共用相同的非活动层。

12.根据权利要求10所述的结构，其中：

所述多个分立的可变形压电元件包括具有沿着所述腔室布置的多个分立的可变形区段的连续的压电板；并且

每个杆柱在所述分立的可变形区段中的对应的一个的上方侧向延伸跨过所述腔室。

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