CN1075448C - 在打印头的孔板中形成喷嘴的方法 - Google Patents

Abstract

一种用光能形成一个相对于工件的厚度方向倾斜的孔的方法，在作为工件的板的能量集中区上形成一个沟槽，以使得用作光能照射面的板主表面上具有缺口，从而形成不规则表面区段。以相对于板的厚度方向倾斜的方向将光能照射到板的主表面上的这个不规则表面区段上。该工件的不规则表面区段是通过注模工艺而与工件整体成型的。该不规则表面区段也可以通过喷砂方法、化学腐蚀或用研磨刷而形成。所采用的光能是激光，特别是激发物激光。该工件可以是由有机材料、无机材料或金属材料制成。通过采用光能，形成一个具有较大倾斜角的孔。

Description

在打印头的孔板中形成喷嘴的方法

本发明涉及一种在打印头的孔板中形成喷嘴的方法。

近来，一种所谓的“即答”型(on-demand type)打印设备由于其自身尺寸的减小和成本的降低而得以迅速普及使用，这种打印设备根据记录信号而从一喷嘴中喷射液体油墨墨滴，从而在记录媒体(例如纸张或胶片)上进行记录。

同时，近来人们越来越多地要求不仅要输出字符或图象，而且除这些字符或图象之外还要输出类似于照片的彩色自然图片。为适应这种要求，人们已经迫切地需要打印一种高质量的自然图片，并极需进行半色调的复制。

为了能够进行半色调的复制，本发明人已经提出过一种打印头，在这种打印头中，可通过排放由油墨和稀释溶液混和而成的油墨溶液，以及通过改变该油墨溶液的浓度，来控制打印点的密度，以在不破坏清晰度的情况下打印出自然图片。

这种打印头包括这样一个部件，它适于提供一个将油墨或稀释溶液排放到油墨槽或稀释溶液槽中的力，该部件具有一个压电元件或加热元件；所述打印头还包括一个喷嘴部件(即所谓的孔板)，它用于导引所排放的油墨或稀释溶液。

该孔板上具有一个用作油墨喷嘴的通孔和另一个用作稀释溶液喷嘴的通孔。这两个通孔的直径都很小。

因此，用钻机或手钻很难形成上述通孔，这是因为这些通孔限于很小的尺寸，而如果通过切割的碎片产生磨削来形成多个通孔是不能保证其开口尺寸的精度的，用超声波切割方法也很难形成上述这些通孔。

可以想到利用在半导体制作工艺中所采用的活性离子蚀刻(RIE)技术或离子磨蚀技术来形成上述这些通孔。但这些技术是不适宜的，因为用作孔板的工件要有足够的厚度，用上述技术对这样的工件进行加工是要耗费大量的时间的。

本发明人已经在日本专利申请No.7-88999中提出了一种孔板，在这种孔板中，形成一个用作油墨喷嘴的通孔和一个用作稀释溶液喷嘴的第二通孔，这两个通孔中的至少一个通孔相对于孔板的厚度方向倾斜。然而，采用钻机或手钻或采用超声波方法很难形成这一倾斜的通孔。

因此，孔板中那种直径很小并且不常见的倾斜通孔要通过光能的照射(例如通过激光)来形成。由于激光的光束直径和照射直径可被减小，所以它适于形成小直径的孔。作为激光，除了采用激发物激光外，还可采用二氧化碳气体激光或采用钇铝石榴石激光(YAG)。

在激光加工中，激光光束具有与所形成的通孔同样的倾斜角度，这种激光光束从工件表面照射，以在激光光束的行进方向上形成通孔。

然而，如果该通孔的倾斜角度很大，则激光加工也变得不可能。如图23所示，假设沿箭头L表示的激光光束射入折射率为n1的第一媒介物，这样该激光光束进入折射率为n2的第二媒介物。如果该激光光束L在第一媒介物和第二媒介物中的倾斜角度分别为θ和α，则等式Sinθ/Sinα=n1/n2成立。如果倾斜角α为90°，则激光光束L进行全反射。也就是，Sinθ=n1/n2，这样就不可能用激光光束形成一个具有满足这一等式的倾斜角的通孔，该倾斜角不小于θ。也就是说，如果一束由图24中的箭头L1表示的激光光束从工件101的表面101a照射，则该激光被该表面101a反射，如图24中的箭头L2所示。

因此，本发明的一个目的是提供一种用光能形成一个具有较大倾斜角的通孔的方法。

本发明提供了一种在打印头的孔板上形成喷嘴的方法，该方法包括：在工件的能量集中区形成一个不规则表面区段，并将光能照射到这个不规则表面区段上，以形成一个相对于工件的厚度方向倾斜的孔。

本发明还提供了一种在打印头的孔板上形成第一喷嘴的方法，该方法包括：形成一个相对于该孔板的厚度方向以预定的角度倾斜的第一喷嘴，以及形成一个与第一喷嘴相邻并与该孔板的厚度方向垂直的第二喷嘴。第一喷嘴和第二喷嘴是通过光能照射而形成的，并且，在被光能照射之前，至少第一喷嘴所处的区域上形成有不规则表面区段。

工件的不规则表面区段是通过注模工艺而与工件整体成型的。

工件的不规则表面区段也可以通过喷砂方法、化学腐蚀或通过使用研磨刷而形成。

光能是激光，特别是一种激发物激光。

工件可以是由无机材料或有机材料或金属材料制成。

本发明所述的成孔方法适用于在孔板中形成通孔。工件的成孔区的厚度最好为15～200μm。

在本发明的成孔方法中，将不规则表面区段设置在工件的能量集中区，将光能照射到这个不规则表面区段上，在反射光的光路中设置一个壁，或是改善光能的约束状态。这样，可以增加光能的倾斜角度，并且可以开始加工以形成一个相对于工件的厚度方向倾斜的孔，此时，即使入射角大于临界角，也不存在光反射的危险。

如果工件的不规则表面区段是通过注模工艺而与工件整体成型的，则可同步加工大量的工件，因此提高了生产率。

如果这个不规则表面区段是通过喷砂方法或化学腐蚀或使用研磨刷而形成的，则该不规则表面区段被加工成精细尺寸的不规则表面区段。

如果采用激光作为光能，则可形成小直径的孔。此外，如果采用激发物激光作为激光，则可在不对工件产生热效应的情况下完成对工件的加工，从而只对被激光光束照射的区段进行高质量的加工。

在采用本发明所述的成孔方法形成孔板的情况下，由于在工件板的能量集中区上形成有不规则表面区段，并且是将光能照射到这个不规则表面区段上，所以易于用光能进行加工。即使光的入射角大于临界角，也能够在没有光反射的条件下开始加工，从而可形成一个相对于板的厚度方向具有一倾斜角的通孔，该倾斜角大于光能的临界角。

如果用喷砂方法、化学腐蚀或研磨刷来形成板的不规则表面区段，则这个不规则表面区段被加工成多个不规则表面区段。

如果在上述实施例中用激光作为光能，则可很容易地加工出小直径的孔。如果用激发物激光作为激光，则可在无热效应的情况下加工工件，从而仅在激光照射区获得高质量的加工。

图1是用本发明所述的孔板生产方法生产出的孔板的横截面视图。

图2是用本发明所述的孔板生产方法生产出的孔板的平面图。

图3是表示采用了所生产的孔板的打印头的工作顺序和表示在所生产的孔板中形成一个弯液面的状态的示意图。

图4是表示采用了所生产的孔板的打印头的工作顺序和表示油墨被排出到通孔外的状态的示意图。

图5是表示采用了所生产的孔板的打印头的工作顺序和表示稀释溶液被排出到通孔外以形成油墨溶液的状态的示意图。

图6是表示采用了所生产的孔板的打印头的工作顺序和表示油墨溶液增长成柱形的状态的示意图。

图7是表示采用了所生产的孔板的打印头的工作顺序和表示柱形油墨溶液中产生缩颈的状态的示意图。

图8是表示采用了所生产的孔板的打印头的工作顺序和表示油墨溶液准备开始喷射的状态的示意图。

图9是表示采用了所生产的孔板的打印头的工作顺序和表示油墨溶液已经喷射到空气中的状态的示意图。

图10表示的是在所说明的用本发明所述成孔方法生产孔板的方法中的加工步骤，该图表示了这样一种情形，即，在该孔板中形成一个沟槽。

图11表示的是在所说明的用本发明所述成孔方法生产孔板的方法中的加工步骤，该图表示了这样一种情形，即，用光能进行照射，以在板中形成第二通孔。

图12表示的是在所说明的用本发明所述成孔方法生产孔板的方法中的加工步骤，该图表示了这样一种情形，即，用光能进行照射，以在板中形成第一通孔。

图13表示的是在所说明的用本发明所述成孔方法生产孔板的方法中的加工步骤，该图表示了这样一种情形，即，已经在板中形成了第一通孔。

图14表示的是在所说明的用本发明所述成孔方法生产孔板的方法中的加工步骤，该图表示的是孔板的完成状态。

图15表示的是一种用本发明所述成孔方法生产孔板的方法的改型，该图表示了这样一种情形，即，用光能进行照射，以在板中形成第一通孔和第二通孔。

图16表示的是在用本发明所述成孔方法生产孔板的方法的第二种改型中的加工步骤，该图表示出了这样一种情形，即，在板中形成一个沟槽。

图17表示的是在用本发明所述成孔方法生产孔板的方法的第二种改型中的加工步骤，该图表示出了这样一种情形，即，该板中所形成的沟槽的底部上形成了一个孔。

图18表示的是在用本发明所述成孔方法生产孔板的方法的第二种改型中的加工步骤，该图表示出了这样一种情形，即，在该板中已经形成了第一通孔。

图19表示的是在用本发明所述成孔方法生产孔板的方法的第二种改型中的加工步骤，该图表示的是使板的表面变粗糙的步骤。

图20表示的是在用本发明所述的成孔方法生产孔板的方法的第二种改型中的加工步骤，该图表示的是将光能照射到板上的情形。

图21表示的是在用本发明所述成孔方法生产孔板的方法的第二种改型中的加工步骤，该图表示出了这样一种情形，即，在形成于板上的凸起部分的邻近区域上形成孔。

图22表示的是在用本发明所述成孔方法生产孔板的方法的第二种改型中的加工步骤，该图表示出了这样一种情形，即，在形成于板上的凸起部分的邻近区域上已经形成了第一通孔。

图23示意性地表示出了激光光束的入射角和折射率。

图24示意性地表示出了激光光束被工件反射的反射状态。

下面将参照附图对本发明的最佳实施例进行详细说明。在本实施例中，应用本发明所述的成孔方法来生产一种孔板。

图1表示了在本实施例中制备的孔板11。该孔板11上具有一对从其主表面11a向其另一主表面11b延伸的通孔1、2。在主表面11a上的通孔1、2的开口端用作液体供应口1a、2a，在与其相对置的另一主表面11b上的通孔1、2的开口端用作液体排放口1b、2b。

通孔2是穿过孔板11而相对于该孔板11的厚度倾斜的，而通孔1则是与该孔板的厚度相平行的。在下文中将通孔2和通孔1分别称为第一通孔和第二通孔。第一通孔2在向着液体排放口2b行进的方向上逐渐接近通孔1的液体排放口1b。

在上述的孔板中，第一通孔2和第二通孔1分别用作油墨喷嘴和稀释溶液喷嘴。

如图1和图2所示，在上述的孔板中，第一通孔2和第二通孔1在从液体供应口2a、1a向着液体排放口2b、1b的行进方向上其横截面分别是减小的。也就是说，如果第一和第二通孔2、1的液体供应口2a、1a的横截面积分别是S2a、S1a，并且它们的液体排放口2b、1b的横截面积分别是S2b、S1b，则它们之间应当保持这样的关系，即S2b＜S2a,S1b＜S1a.

为了稳定液滴的飞行方向和承受升高的液体压力，将孔板的厚度选定为15-100μm。

现在对采用了本实施例中所生产的孔板的打印头进行说明。该打印头是一种运载喷墨型的打印头，在该打印头中，如图3所示，在第一通孔2的液体供应口2a上安装一个充满油墨6的箱形油墨槽16，在第二通孔1的液体供应口1a上安装一个充满稀释溶液5的箱形稀释溶液槽15。在稀释溶液槽15的底面15a和油墨槽16的底面16a上分别装有加热元件3和加热元件4。

为了用该打印头进行打印，如图3所示，通过一种毛细现象使油墨槽16中的油墨6进入到第一通孔2中从而形成第一弯液面M2，同时使稀释溶液槽15中的稀释溶液5通过一种毛细现象进入到第二通孔1中从而形成第二弯液面M1。

然后对安装在油墨槽16底面16a上的加热元件4施加电压脉冲，以加热油墨槽16中的油墨6，从而在一个与加热元件4对齐的位置上产生液泡B2。于是油墨槽16内的压力上升，并因此而使第一通孔2内的压力上升，这样，如图4所示，通孔2内的油墨6以一个墨滴的形式被排出到孔板11的主表面11b上。油墨6的排出量取决于施加到加热元件4上的电压脉冲的脉冲宽度或电压值。

如图5所示，然后对安装在稀释溶液槽15底面15a上的加热元件3施加电压脉冲，以加热稀释溶液槽15中的稀释溶液5，从而在一个与加热元件3对齐的位置上产生液泡B1。于是稀释溶液槽15内的压力上升，并因此而使第二通孔1内的压力上升，这样，如图5所示，通孔1内稀释溶液5在液体排放口1b处排出，以便于与位于孔板11的主表面11b上的油墨6的墨滴合成为一体，从而形成呈液滴状的油墨溶液7。

如果在这一时刻或这一时刻之前将电压脉冲施加到加热元件4上，则液泡B2迅速消失，这样油墨槽16内和第一通孔2内的内部压力降低。这就使油墨溶液7与油墨6分离，如图6所示，油墨6退回到第一通孔2中，再一次形成弯液面M2。油墨溶液7增长为柱形。

然后终止对加热元件3的电压脉冲。于是液泡B1迅速消失，如图7所示，这样在稀释溶液槽15内的压力和第二通孔1内的压力降低，从而使稀释溶液5退回到通孔1中。这就使油墨溶液7在液体排放口1b这一侧上产生一个缩颈7a。

如图8所示，随着液泡B1尺寸的进一步减小，油墨溶液7开始喷射，直到油墨溶液7喷射到空气中，如图9所示。油墨溶液7然后落到记录媒体上，从而实现打印。

油墨溶液7是油墨和稀释溶液的混和物，其密度是由从第一通孔2中排出的油墨6的量来决定的，并且是由施加到加热元件4上的电压脉冲的振幅或宽度控制的。如果振幅或宽度增加或减小，则油墨6的量分别增加或减少，这样就改变了油墨溶液7的浓度。电压脉冲的振幅或宽度可以在一个范围内变化到一个最佳值，所述范围是通过实验而确定的。

上述打印头中的运作顺序仅仅是一种举例说明，各个步骤的时间或状态(例如油墨溶液的成形或充填的性能)都是可以通过结构元件(例如液体排放口的尺寸)、物理参数(例如油墨或稀释溶液的粘度或表面张力)或操作条件(例如排放频率)而改变的。

下面对采用本发明所述的成孔方法生产孔板的方法进行说明。

首先，提供一块用于制作孔板的板31。在本实施例中，该板由有机材料(例如高分子材料)制成，并且是通过注模工艺而生产出来的。在本实施例中，当通过注模工艺来形成作为工件的板31时，如图10所示，在该板31的作为光照表面的主表面31a上开出一个沟槽41。这个沟槽41形成在被光能照射的板的能量集中区上，以形成一个倾斜延伸的通孔。

该沟槽41的横截面基本成U型，其沿着光能的行进方向有一个倾斜的侧面41a。

光能(例如激光能量)如图11中的箭头M1所示沿板31的厚度从板31的主表面31a入射。作为激光，例如可以采用激发物激光、二氧化碳激光或钇铝石榴石激光，在这里采用的是激发物激光。

如果用激发物激光进行加工，则通过一种被称作“消蚀”的加工而使分子间的约束被切断，从而使物质汽化并被去除，这样就降低了在常规的热加工中所遇到的热效应，从而保证了仅在被激光光束照射的区域上进行高质量的加工。

这就加工出了一个沿板31的厚度从板31的主表面31a至与其相对的另一主表面31b穿过板31的第二通孔32，主表面31a上的开口端32a和主表面31b上的开口端32b分别作为液体供应口和液体排放口。由于第二通孔32是通过激光照射而形成的，所以第二通孔32在位于光能入射侧的主表面31a上的横截面面积S32a大于在相对置的主表面31b上的横截面面积S32b，这样等式S32b＜S32a成立。

如图12所示，光能(例如激光光能)从板31的主表面31a相对于板31的厚度方向倾斜地照射。这样设定光能照射方向，即，在从主表面31a向着主表面31b行进的方向上逐渐接近开口32b，该开口32b是第二通孔32的液体排放口。作为激光，例如可以采用激发物激光、二氧化碳激光或钇铝石榴石激光，激发物激光在这里被再次采用。

由于在例举的实施例中所形成的沟槽41是一个位于板31的能量集中区上的不规则表面区段(板31是一个工件)，光能倾斜地集中在所述的能量集中区上，以在板31上形成倾斜延伸的通孔，所以图10中箭头M2所示的光能照射在该沟槽41的倾斜侧面41a上。

由于侧面41a是一个倾斜面，所以箭头M2所示的光能以近似于直角的角度入射到该侧面41a上。该入射光沿直线行进而进行加工。

这就加工出了一个沿板31的厚度从板31的主表面31a至与其相对的另一主表面31b穿过板31的第一通孔33，主表面31a上的开口端33a和主表面31b上的开口端33b分别用作液体供应口和液体排放口，这样就加工成了一块具有倾斜延伸的第一通孔33和沿板的厚度延伸的第二通孔32的孔板，如图14所示。

由于第一通孔33是通过激发物激光照射而形成的，所以它在位于光能入射侧的主表面31a上的横截面面积S33a大于在相对置的主表面31b上的横截面面积S33b，这样等式S33b＜S33a成立。第一通孔33的形成是这样的，即，作为第一通孔33的液体排放口的开口端33b在向着作为液体排放口的开口端32b行进的方向上逐渐接近该开口端32b。

虽然在上述的制造方法中第一通孔是在第二通孔成型后形成的，但也可以是将上述制造方法中所采用的由箭头M1和M2标示的光能同时从板31的主表面31a照射，以在孔板上同时形成第一通孔和第二通孔。

虽然在上述制造过程中，在板31上(板31是一个工件)形成的沟槽的横截面基本呈U型，并且该沟槽在光能的光路上具有一个倾斜面，以在板31的能量集中区上提供一个不规则表面区段，但该不规则表面区段也可以是这样形成的，即，在被光能照射的主表面31a上形成一个横截面为U型的沟槽51。

如果光能如图16中的箭头M2所示从带有这样的沟槽51的板31的主表面31a照射，则光能在与入射方向相反的方向上反射。但由侧壁51a使得光产生回跳。这样就在这一区域上开始加工，如图17所示，在沟槽51的底面上形成一个小孔52，以有利于光能与工件的结合，从而在光能的入射方向上开始加工。这就产生了一个沿板31的厚度从板31的主表面31a至其另一相对置的主表面31b穿过板31的第一通孔33，主表面31a上的开口端33a和另一相对置的主表面31b上的开口端33b分别用作液体供应口和液体排放口。光能例如可以是激发物激光、二氧化碳激光或是钇铝石榴石激光的激光光束。由于上述原因这里采用了激发物激光。

在上述制造方法中，通过注模工艺使不规则表面区段与板同步成型。但也可以通过注模工艺形成板的不规则表面区段的邻近区域，并将所得到的区域连结到板的剩余区域上，以最终在所完成的板上形成不规则表面区段。包括有不规则表面区的区段和板的主区段可以采用同样的材料，也可以采用不同的材料。

在上述制造方法中，作为工件的板31的表面上形成有沟槽，以形成不规则表面区段。在另一可替换的方案中，可以将板的表面弄粗糙，以在能量集中区形成不规则表面区段。

在这种情况下，提供一块准备作孔板的板61。在所列举的实施例中，板61由有机材料(例如高分子材料)制成。具体地说，该板是一种聚酰亚胺薄片。

然后，如图19所示，通过一种喷砂方法把将要用光能进行照射的板61的主表面61a弄粗糙，所述的喷砂方法包括用细小的颗粒有力地撞击工件，用这些颗粒使工件表面出现凹凸不平。通过用喷砂方法把基本光滑的聚酰亚胺表面弄粗糙(该表面的表面不规则量的最大高度达10埃)，所形成的细小尺寸的不规则量的最大高度为5μm数量级。

如图19所示，箭头M2所示的光能从板61的主表面61a照射。入射光碰到用喷砂方法在板61的主表面61a上形成的凸起物62，该入射光因此而被该凸起物阻挡，从而在那里开始进行加工，如图20所示。这样，如图21所示，在与该凸起物62最接近的区域上形成小孔63，用以加强光能与工件的结合，从而在光的入射方向上开始进行加工。这就加工出了一个沿板61的厚度从板61的主表面61a至与其相对置的另一主表面61b穿过板61的第一通孔33，主表面61a上的开口端33a和主表面61b上的开口端33b分别用作液体供应口和液体排放口。

如上所述，对一种其表面原封不动的聚酰亚胺薄片和另一种如上所述其表面被用喷砂方法加工过的聚酰亚胺薄片进行如上所述的加工而形成倾斜延伸的孔。要指出的是，在使用那种其表面原封不动的聚酰亚胺薄片和那种如上所述其表面被用喷砂方法加工过并因此而变得粗糙的聚酰亚胺薄片的情况下，可分别形成最大倾斜角为80°的孔和最大倾斜角为85°的孔。

光能例如可以是激发物激光、二氧化碳激光或是钇铝石榴石激光的激光光束。由于上述原因最好采用激发物激光。

虽然在上述的制造方法中是用喷砂方法将板的表面弄粗糙，但也可以用化学腐蚀方法或使用研磨刷来将板的表面弄粗糙。

虽然在上述实施例中是采用有机材料(例如高分子材料)作为工件板的材料，但也可以采用无机材料或金属作为板材。

Claims (13)

1．一种在打印头的孔板上形成喷嘴的方法，包括：在工件的能量集中区上形成不规则表面区段，并将光能照射在该不规则表面区段上，以形成一个相对于工件的厚度方向倾斜的孔。

2．如权利要求1所述的方法，其特征在于，工件上的不规则表面区段是通过工件的注模工艺而与工件整体成型的。

3．如权利要求1所述的方法，其特征在于，工件上的不规则表面区段是通过喷砂方法而形成的。

4．如权利要求1所述的方法，其特征在于，工件上的不规则表面区段是通过化学腐蚀而形成的。

5．如权利要求1所述的方法，其特征在于，工件上的不规则表面区段是使用研磨刷而形成的。

6．如权利要求1所述的方法，其特征在于，所用光能是激光。

7．如权利要求6所述的方法，其特征在于，该激光是一种激发物激光。

8．如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述工件是由有机材料制成的。

9．如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述工件是由无机材料制成的。

10．如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述工件是由金属材料制成的。

11．如权利要求1所述的方法，其特征在于，工件上的成孔区段的厚度在15μm至200μm之间。

12．如权利要求11所述的方法，其特征在于，该工件是一块孔板。

13．一种在打印头的孔板上形成第一喷嘴的方法，包括：形成一个相对于孔板的厚度方向以预定的角度倾斜的第一喷嘴；以及

形成一个在所述第一喷嘴的邻近区域上与孔板的厚度方向相垂直的第二喷嘴；其特征在于，所述第一喷嘴和第二喷嘴是通过用光能照射而形成的，并且，在被所述光能照射之前，至少在第一喷嘴所处的区域上形成一个不规则表面区段。

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