CN103534098A - 流体喷射装置 - Google Patents

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Abstract

流体喷射装置包括：腔室；至少一个流体供应通道；和超过两个的流体入口，它们被设置在所述流体通道和所述腔室之间。喷墨打印系统包括：流体喷射装置，其具有沿所述流体喷射装置内的流体供应通道设置的腔室，其中，第一通道沿所述腔室的第一侧设置，第二通道沿所述腔室的第二侧设置。所述腔室包括多个流体入口，其中，第一多个流体入口被设置在所述腔室和所述第一通道之间，第二多个流体入口被设置在所述腔室和所述第二通道之间。

Description

流体喷射装置
背景技术
传统的按需喷墨型喷墨打印机一般基于喷墨打印头内的墨滴形成的两种机制之一进行分类。热气泡喷墨打印机使用充有墨液的腔室中的加热元件致动器来使墨液蒸发，产生气泡，迫使墨滴从喷嘴中喷出。压电喷墨打印机使用充有墨液的腔室的壁上的压电材料致动器来产生压力脉冲，迫使墨滴从喷嘴中喷出。
在两种情况下，在墨滴从墨液腔室喷射并通过喷嘴喷出之后，腔室通过墨液入口被重新充满墨液，墨液入口提供腔室和墨液供应通道之间的流体连通。墨液入口的大小是对墨滴射出或喷射事件期间快速重新充满腔室的需求和最小化墨液进入到墨液供应通道的回流的要求之间的折衷。大的墨液入口开口提供更快速的墨液腔室的重新填充，但也可能使得由压电元件或热电阻器元件产生大量墨滴喷射能量损失，使墨液回流到墨液供应通道中。结果，需要用更多的喷射能量来驱动墨滴。此外，进入墨液供应通道中的大的墨液回流会导致供应通道中的压力振荡，引起相邻墨液腔室中的液压串扰。
墨液入口和喷嘴相对于彼此的大小设定通常被称为“阻抗匹配（impedance matching）”。通常，墨液入口半径的大小与喷嘴半径的大小在相同的数量级上。但是，如果入口半径相对于喷嘴半径的大小不恰当，那么阻抗匹配差，这可导致喷嘴欠喷（即通过喷嘴喷射的墨液大少）或墨滴速度和墨滴体积的过度振荡，特别是在喷射或喷射频率提高时。
发明内容
如上文指出的，墨液腔室入口与墨液腔室喷嘴的相对大小（即阻抗匹配）是喷墨打印头的墨滴喷射性能的一个重要因素。墨液入口和喷嘴之间差的阻抗匹配由于喷嘴欠喷或墨滴速度和墨滴体积的过度振荡，特别是在较高的喷射或喷射频率时，可能造成差的打印质量。
传统上，打印头墨液腔室只具有进入墨液腔室中的一个或两个大的墨液入口。除了指出的若干（入口）和喷嘴之间的阻抗匹配的挑战之外，只具有一个或两个墨液入口通常还限制了在形成墨液腔室时可以使用的可用形状。例如，传统的腔室在入口点和出口点必须更细长，以避免有停滞点，在此可能形成气泡。
本公开的实施例一般通过进入墨液腔室中有多个（即超过两个）墨液入口的喷墨打印头，克服了传统的打印头设计的缺点，如上文提到的那些缺点。因此，墨液腔室可以具有许多小的入口，他们提供各种优点，诸如防止气泡、颗粒和其它污染物到达喷嘴。在腔室内的不同位置设置多个墨液入口的能力还能够实现腔室形状的更大的灵活度。例如，腔室可具有接近圆形或方形的形状，这允许腔室更加紧凑。改变腔室内部及他们之间的墨液入口的形状可以改进墨液清洗操作中的流体流动，例如，还可以在墨液通道的末端处出现压力降低时，帮助控制墨液压力。此外，许多小的入口可提供腔室重新充墨中的更低的流动阻抗，及提供墨滴喷射中更高的阻抗。这降低了墨液回流量和相关的串扰，可以有提高的喷出/喷射频率，并保持墨滴喷射能量，以达到提高的喷射性能和常规的打印质量。多入口设计还特别适用于用单一模具制造多个准确的小洞的MEMS制造技术。
在一个示例性实施例中，流体喷射装置包括腔室和至少一个流体供应通道。在腔室中有超过两个的流体入口，流体入口被设置在流体通道和腔室之间。在另一实施例中，制造喷墨打印头的方法包括：在衬底上形成喷射元件；围绕喷射元件形成腔室，其中腔室由腔室层限定；形成至少一个通道；和形成在通道和腔室之间延伸的至少三个流体入口。在另一实施例中，喷墨打印系统包括：流体喷射装置；沿流体喷射装置内的流体供应通道设置的腔室，其中，第一通道沿腔室的第一侧设置，第二通道沿腔室的第二侧设置；和腔室中的多个流体入口，其中，第一多个流体入口被设置在腔室和第一通道之间，第二多个流体入口被设置在腔室和第二通道之间。
附图说明
出于示例的目的，现参照附图来描述本发明的实施例，附图中：
图1示出了根据一个实施例的、适合包含流体喷射装置的喷墨打印墨系统；
图2示出了根据一个实施例的流体喷射装置的一部分的透视图，其具有进入腔室中的多个流体入口；
图3示出了根据一个实施例的喷墨打印头的侧视图，其包括喷射元件和打印头衬底的图示；
图4示出了根据一个实施例的、带有流体入口的喷墨打印头的侧视图，流体入口具有包括圆柱形、圆锥形和钟形形状的示例性形状；
图5示出了根据一个实施例的制造流体喷射装置的示例性方法的流程图。
具体实施方式
图1示出了根据一个实施例的、适合包括如本文中公开的流体喷射装置的喷墨打印系统100。在此实施例中，以流体滴喷墨打印头114公开了所述流体喷射装置。喷墨打印系统100包括喷墨打印头组件102、墨液供应组件104、安装组件106、介质传送组件108、电子控制器110和至少一个电源112，电源112向喷墨打印系统100的各个电学元件供电。喷墨打印头组件102包括至少一个打印头（流体喷射装置）或打印头核芯114，共通过多个孔或喷嘴116朝打印介质118喷射墨滴，以便在打印介质118上进行打印。打印介质118是任何类型的适当纸材料，如纸、纸板、透明纸、聚酯薄膜纸等等。通常，喷嘴116被设置成一个或多个列或阵列，使得当喷墨打印头组件102和打印介质118相对彼此移动时，喷嘴116的适当顺序的墨液喷射使字符、符号和/或其它图形或图像被打印在打印介质118上。
墨液供应组件104将流体墨液供应到打印头组件102，墨液供应组件104包括用于存储墨液的储器120。墨液从储器120流到喷墨打印头组件102。墨液供应组件104和喷墨打印头组件102可形成单向墨液递送系统或再循环墨液递送系统。在单向墨液递送系统中，被供应到喷墨打印头组件102的墨液基本上全部在打印中被消耗。然而，在再循环墨液递送系统中，被供应到打印头组件102的墨液中只有一部分在打印中被消耗。在打印中没有被消耗的墨液返回到墨液供应组件104。
在一个实施例中，喷墨打印头组件102和墨液供应组件104一起位于墨盒或墨笔中。在另一实施例中，墨液供应组件104与喷墨打印头组件102分离，通过接口如供应管连接，将墨液供应到喷墨打印头组件102。在两种中的任一实施例中，墨液供应组件104的储器120可被取下、更换和/或再充墨。在一个实施例中，喷墨打印头组件102和墨液供应组件104一起位于墨盒中，储器120包括位于墨盒中的本地储器以及与所述墨盒分离的更大的储器。单独的较大的储器用来再填充本地储器。因此，单独的更大的储器和/或本地储器可被取下、更换和/或再充墨。
安装组件106相对于介质传送组件108定位喷墨打印头组件102，介质传送组件108相对于喷墨打印头组件102定位打印介质118。因此，在喷墨打印头组件102和打印介质108之间邻近喷嘴116的区域限定打印区122。在一个实施例中，喷墨打印头组件102是扫描型打印头组件。因此，安装组件106包括一墨盒，以便相对于介质传送组件108移动喷墨打印头组件102，以便扫描打印介质118。在另一实施例中，喷墨打印头组件102是非扫描型打印头组件。因此，安装组件106在相对于介质传送组件108的预定位置固定喷墨打印头组件102。因此，介质传送组件108相对于喷墨打印头组件102定位打印介质118。
电子控制器或打印机控制器110通常包括处理器、固件和其它打印机电学器件，以便与喷墨打印头组件102、安装组件106和介质传送组件108通信并控制他们。电子控制器110从主机系统，如计算机接收数据124，并且电子控制器110包括存储器，以暂时地存储数据124。通常，数据124沿电、红外、光学或其它信息传输路径被发送到喷墨打印系统100。数据124代表例如要被打印的文档和/或文件。因此，数据124形成喷墨打印系统100的打印作业，数据124包括一个或多个打印作业命令和/或命令参数。
在一个实施例中，电子控制器110控制喷墨打印头组件102，以从喷嘴116喷射墨滴。因此，电子控制器110限定被喷射的墨滴的图案，被喷射的墨滴在打印介质118上形成字符、符号和/或其它图形或图像。被喷射的墨滴的图案由打印作业命令和/或命令参数确定。
在一个实施例中，喷墨打印头组件102包括一个打印头114。在另一实施例中，喷墨打印头组件102是宽阵列或多头打印头组件。在一个宽阵列实施例中，喷墨打印头组件102包括承载打印头核芯114的承载器，并提供打印头核芯114和电子控制器110之间的电学通信，还提供打印头核芯114和墨液供应组件104之间的流体连通。
在一个实施例中，喷墨打印系统100是按需喷墨的压电喷墨打印系统，其中打印头114是压电喷墨打印头。压电打印头实现墨液腔室中的压电喷射元件，以产生压力脉冲，迫使墨液或其它流体滴从喷嘴116出来。在另一实施例中，喷射打印系统100是按需喷墨的热气泡喷射打印系统，其中，打印头114是热喷墨打印头。热喷墨打印头实现墨液腔室中的热电阻器喷射元件，以使墨液蒸发，产生汽泡，迫使墨液或其它流体滴从喷嘴116出来。
图2示出了根据一个实施例的、实现为喷墨打印头114的流体喷射装置的一部分的透视图，喷墨打印头具有进入流体/墨液腔室中的多个流体/墨液入口（即大于两个墨液入口）。在此视图中，用白色虚线和箭头200示出了一个示例性的流体路径200，以图示墨液的流动，例如从流体供应通道202通过多个流体入口204进入到腔室206中。当喷发或喷射事件发生时，流体通过喷嘴116连续从腔室206出来，喷嘴形成于喷嘴板208中，如由箭头200所示。在此实施例中，流体供应通道202由腔室层210和喷嘴板208限定。供应通道202邻近腔室206促进了流体通道202和腔室206之间通过多个流体入口204的流体连通。尽管图示了供应通道202在腔室层210内形成，在其它实施例中，供应通道可以在其它地方形成，如在打印头衬底内（未显示），只要在供应通道202和腔室206之间保持能够通过多个流体入口204实现他们之间的流体连通的相邻接近度。
图3示出了根据一个实施例的喷墨打印头114的侧视图，其包括喷射元件和打印头衬底的图示。喷射元件300通常在硅衬底304上的薄膜层302中形成。压电喷射元件300包括设置在腔室206上的膜片层（未具体示出），并且例如通过导电的各向异性粘合剂结合到压电膜。热电阻器喷射元件300包括热电阻器，热电阻器通常涂敷有气蚀阻挡层。
图3还示出了流体/墨液入口204的放大视图。图3中所示的流体入口204是圆柱形形状的。不过，也可以考虑各种其它的轴线对称的表现出有利的流体流动性质的几何形状，流体流动性质如腔室再充墨和最小回流性质（例如从供应通道202进入到腔室中的低阻抗再充墨，和从腔室到供应通道的高阻力回流）。例如，除了圆柱形流体入口204之外，圆锥形和钟形入口204可提供这些性质。
图4示出了根据一个实施例的、带有流体入口204的喷墨打印头114的另一侧视图，流体入口具有包括圆柱形、圆锥形和钟形形状的示例性形状。对于具有锥形几何形状的入口形状，诸如图4的圆锥形入口400、404和钟形入口402，入口的取向可以是入口的具有更大开口的较大的一端面对或通向流体供应通道202中，而入口的较窄的开口通向腔室206中。如图4所示，例如，圆锥形的流体入口400被定向为使得入口的较大的开口通向供应通道202中，入口的较窄的开口通向腔室206中。但是，在其它实施例中，有利的是，在带锥形几何形状的入口形状中，具有不同的取向和形状（例如，促进腔室中的流体循环或如下文描述的清洗操作）。在这种情况下，圆锥形状的流体入口404例如可被定向为使入口的较大开口通向腔室202中，入口的较窄开口通向墨液供应通道206中。
根据图3和图4中的流体入口204显然，特定的腔室206可具有包括全部为相同的形状、大小和取向的结构特征的入口，和/或腔室206可具有包括不同形状、大小和取向的结构特征的入口。因此，设置在腔室的一个区域中提供与第一供应通道的流体连通的入口可以形成与设置在腔室的不同区域中的入口不同的形状、大小和/或取向，以提供与第二供应通道的流体连通。此外，在沿一个或多个供应通道202设置的多个腔室206中，一个腔室可具有与另一腔室中的入口不同形状、大小、取向和/或位置的入口。流体入口204到腔室206的布局、大小、形状和取向的这种可变布置可提供一些优点，如能够实现从一个供应通道到另一供应通道（例如在腔室中的循环）的容易的流体流动，防止气泡和其它污染物到达喷嘴，能够实现腔室成形的更大的灵活性，改进清洗操作中通过腔室的流体流动，并控制在流体压力可能降低的供应通道202的末端处，到腔室的流体压力。
通入腔室206中的流体入口204的数目大于两个，该数目也是可变化的，最大值取决于流体入口204的长度和其半径之间的比率，并取决于腔室中适当地接近一个或多个供应通道202的可用空间。这些因素通常涉及被使用的微制造技术，以形成入口204和形成入口204的材料（例如硅）。例如，当蚀刻流体入口204时，蚀刻深度（即入口的深度）可被限制为量级在入口半径的10倍。正如上文中指出的，供应通道202到腔室206的接近度促进了供应通道202和腔室206之间通过多个流体入口204的流体连通。因此，在图2-4的实施例中，例如，流体入口204可形成于腔室206中提供通过腔室壁进入到下面的或相邻的供应通道202的区域中。
图5示出了根据一个实施例的制造流体喷射装置例如喷墨打印头的示例性方法500的流程图。方法500与上文参照图1-4的图示讨论的流体喷射装置114的实施例关联。尽管方法500包括以特定次序列出的步骤，但应理解的是，这并不将这些步骤限制为以此次序或其它任何特定次序执行。通常，方法500的步骤可使用各种本领域技术人员已知的精密微制造技术，如电镀、激光消融、各向异性蚀刻、溅射、干式蚀刻、光刻、铸造、模制、压印、和机加工来执行。
方法500开始于方框502，即在衬底如硅衬底304上形成喷射元件。喷射元件通常在衬底上以薄膜层堆叠的方式形成。压电喷射元件包括膜片层，其通过例如导电的各向异性粘合剂结合到压电层，并设置于腔室上。热电阻器喷射元件包括具有热电阻器的电阻器层，其通常涂敷有气蚀阻挡层。方法500继续方框504，形成由腔室层限定并围绕喷射元件的腔室。在方框506，形成至少一个流体供应通道。形成流体供应通道可包括：形成邻近腔室并倚靠腔室走行的或者位于腔室上方或者下方的多个供应通道。形成流体供应通道还可包括在打印头的腔室层中或者在打印头的衬底中形成流体通道。
在方法的方框508，在腔室中形成在流体供应通道和腔室之间延伸的至少三个流体入口。形成流体入口可包括在一个或多个腔室内形成不同形状、大小、取向和位置的流体入口。形成流体入口可另外地包括在腔室中第一供应通道和腔室之间形成一组流体入口，在腔室中第二供应通道和腔室之间形成另一组流体入口。方法500还包括方框510，形成喷嘴板，喷嘴板具有与腔室和喷射元件对应的喷嘴。

Claims (15)

1. 一种流体喷射装置，包括：
腔室；
至少一个流体供应通道；和
超过两个的流体入口，它们被设置在所述流体通道和所述腔室之间。
2. 根据权利要求1所述的流体喷射装置，其中，所述流体入口具有从由圆柱形形状、圆锥形形状和钟形形状组成的组中选择的形状。
3. 根据权利要求1所述的流体喷射装置，其中，所述流体入口具有从第一端处的宽开口到第二端处的窄开口渐缩的锥形形状。
4. 根据权利要求3所述的流体喷射装置，其中，所述宽开口通向所述供应通道，所述窄开口通向所述腔室。
5. 根据权利要求3所述的流体喷射装置，其中，所述宽开口通向所述腔室，所述窄开口通向所述供应通道。
6. 根据权利要求1所述的流体喷射装置，其中，第一数目的多个流体入口被设置在第一供应通道和所述腔室之间，第二数目的多个流体入口被设置在第二供应通道和所述腔室之间。
7. 根据权利要求1所述的流体喷射装置，其中，所述流体入口具有不同的结构特征，所述结构特征从由形状、大小、取向和位置组成的组中选择。
8. 根据权利要求1所述的流体喷射装置，包括沿所述至少一个供应通道设置的多个腔室，并且其中，第一腔室中流体入口的形状、大小、取向和相对位置与第二腔室中流体入口的形状、大小、取向和相对位置不同。
9. 根据权利要求1所述的流体喷射装置，包括沿所述至少一个供应通道设置的多个腔室，并且其中，第一腔室中流体入口关联的半径与第二腔室中流体入口关联的半径不同。
10. 根据权利要求1所述的流体喷射装置，进一步包括：
喷嘴，其设置在所述腔室的顶侧；和
喷射元件，其设置在所述腔室的底侧，并且是从由压电喷射元件和热电阻器喷射元件组成的组中选择的；和
其中，所述流体入口被设置在所述腔室的顶侧。
11. 一种制造喷墨打印头的方法，包括：
在衬底上形成喷射元件；
围绕所述喷射元件形成腔室，其中，所述腔室由腔室层界定；
形成至少一个通道；和
形成在所述通道和所述腔室之间延伸的至少三个流体入口。
12. 根据权利要求11所述的方法，其中，形成所述流体入口包括形成不同形状、大小和取向的流体入口。
13. 根据权利要求11所述的方法，其中，形成所述流体入口包括：在第一通道和所述腔室之间形成第一多个流体入口，在第二通道和所述腔室之间形成第二多个流体入口。
14. 一种喷墨打印系统，包括：
流体喷射装置；
腔室，其沿所述流体喷射装置内的流体供应通道设置，其中，第一通道沿所述腔室的第一侧设置，第二通道沿所述腔室的第二侧设置；和
所述腔室中的多个流体入口，其中，在所述腔室和所述第一通道之间设置第一多个流体入口，在所述腔室和所述第二通道之间设置第二多个流体入口。
15. 根据权利要求14所述的打印系统，包括沿所述流体供应通道的多个腔室，第一腔室具有与第二腔室中的流体入口形状不同的流体入口。
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