CN1094425C - 微型喷射装置的喷嘴板组件和制造喷嘴板组件的方法 - Google Patents
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Abstract
一种微型喷射装置的喷嘴板组件和用于制造该喷嘴板组件的方法,在所述方法中,把限定了喷嘴区的主板浸入到由NiH2·SO3·H、NiCl2、H3BO3、C12H25SO4·NaS和去离子水按一预定的比例混合而形成电解液中。然后,分几次施加具有预定强度的电流,由此而形成具有多个喷嘴的喷嘴板。如此形成的喷嘴板的内外表面具有不同的粗糙度,因此而消除了干扰,并克服了在供墨通道中产生空气气泡的问题。
Description
本发明涉及微型喷射装置和喷墨打印头领域,特别涉及微型喷射装置的喷嘴板组件。
微型喷射装置通常是指一种为打印纸、人体或机动车提供预定量液体(诸如油墨、喷射液体或石油产品)的装置,在该装置中所采用的方法是将预定量的电能或热能施加到上述液体中以使所述液体发生体积上的变化。这种方法能够将预定量的液体施加于一个特定的物体上。
近年来,电子技术的进步使得这种微型喷射装置得以迅猛的发展。因此,微型喷射装置已广泛地用于人们的日常生活中。日常使用的微型喷射装置的一个例子是喷墨打印机。
喷墨打印机是微型喷射装置中的一种形式,其不同于常规的点式打印机的地方在于通过使用墨盒能够以各种颜色实现印刷工作。与常规的点式打印机相比,喷墨打印机的另外的优点是噪声低、印刷质量有提高。因此,喷墨打印机已获得极大的普及。
喷墨打印机通常具有打印头,通过接通或断开从一外部装置施加的电信号,所述打印头将液态的油墨变化为气泡状态。然后,呈气泡状态的油墨膨胀并被排出,以在打印纸上实现打印。
下面几篇美国专利文献描述了现有技术的几种喷墨打印头的结构和操作。授予Vaught等人的、题目为“热喷墨打印机”的美国专利No.4,490,728描述了一种基本的打印头。授予Aden等人的、题目为“用于喷墨打印头的薄膜装置以及用于制造该装置的方法”的美国专利No.4,809,428以及授予Komuro的、题目为“用于喷液记录头的基底的制造方法和由这种方法所制造的基底”的美国专利No.5,140,345描述了喷墨打印头的制造方法。授予Johnson等人的,题目为“用于喷墨打印头高温操作的油墨通道几何结构”的美国专利No.5,274,400描述了改变供墨通道的尺寸以设置流阻的方法。授予Keefe等人的、题目为“喷墨打印头”的美国专利No.5,420,627描述了一种特别的打印头设计形式。
一般来说,这样一种传统的喷墨打印头包括一个具有喷嘴的喷嘴板,所述喷嘴具有用于喷墨的微小直径。在喷墨过程中,喷嘴板用作将油墨最终喷射到外部的打印纸上的喷射口,并因此而在决定打印质量方面起到一个相当重要组件的作用。因此,在设计制作喷嘴板的材料,以及在设计喷嘴的尺寸和形状时,必须考虑油墨的特性。
一般来说,在这样一个喷墨头中,喷嘴板的外表面被做成光滑的,以具有低的粗糙度。由此,喷嘴板与油墨之间的表面张力增加,它们之间的接触角变大,从而防止了因那些呈气泡状且准备排出的墨滴流向邻近的喷嘴而产生的相互干扰。
对于喷嘴板的外表面,干扰问题可以通过降低表面粗糙度而很容易地得以纠正。然而,如果喷嘴板的内表面降低粗糙度,则该内表面与油墨之间的表面张力增加。这样,喷嘴板与油墨之间的接触角变大。其结果是,将要向着喷嘴排出的油墨粘附在喷嘴板的内表面上,而不是被气泡化。在这种情况下,所粘附的墨滴切断了油墨供应通道与油墨腔之间的墨路,因此破坏了油墨的顺畅供应。
如果油墨的供应不顺畅,并且因此而造成盛放在油墨腔中的油墨不充足,则当对打印头进行高速驱动时,会在油墨腔中产生大量的空气气泡。于是,所产生的空气气泡阻止了油墨墨滴穿过喷嘴,由此而引起这样一个问题,即油墨不能被喷到打印纸上。其结果是,整个打印质量明显下降。
为克服这样的问题,授予Suzuki的题目为“液滴喷射装置”的美国专利No.5,563,640已经公开了这样一种方法,其中喷嘴板的外表面由对油墨粘附性很差的材料制成,例如由聚砜、聚醚砜、或聚酰亚胺制成。同时,喷嘴板的内表面用一层对油墨具有很好的粘附性的材料覆盖,例如是SiO2膜。这样,在油墨接触外表面和内表面时可以获得不同的表面张力,由此而克服了上述的干扰问题和产生空气气泡的问题。
此外,授予Bayard等人的题目为“用于改进喷墨打印头的相变化防止油墨接触角的减小的方法”的美国专利No.5,378,504已经公开了这样一种方法,即将一层具有高耐久性的附加涂层材料淀积到喷嘴板的外表面上,以防止表面张力降低,并保持喷嘴板的外表面的状态。
然而,为了在喷嘴板上形成喷嘴,需要一种复杂的工艺,这种工艺要采用高成本的设备,例如需要采用激发物(excimer)激光器。此外,如果在喷嘴板的内表面上形成SiO2膜,则喷嘴直径变得很窄,并且不能均匀地形成SiO2膜。此外,由于需要附加的涂层工序将涂层材料淀积到喷嘴板的外表面上,所以整个工艺变得相当复杂。
为克服这一问题,可采用电沉积方法,所述电沉积方法能够省去附加的涂层工序,并且只需要使用投资成本低的装置。但在这种情况下,由于受电解液的限制,所述内表面的粗糙度不能超过0.016μm至0.025μm,并且不能获得所期望的表面张力。
因此本发明的目的是提供一种用于微型喷射装置的改进的喷嘴板。
本发明另一目的是提供一种能防止油墨粘附在喷嘴板的内表面上的喷嘴板。
本发明的又一目的是提供一种能防止在喷嘴板外表面上于喷嘴之间的干扰的喷嘴板。
本发明的又一目的是提供一种能防止形成空气气泡的喷嘴板,这里所说的空气气泡将会切断油墨的供应。
本发明的又一目的是提供一种用于制造微型喷射装置的喷嘴板的改进的方法。
又一目的是提供一种用于制造微型喷射装置的喷嘴板的简易的方法,所述微型喷射装置的喷嘴板在内侧和外侧上能产生不同的表面张力。
又一目的是提供一种用于制造微型喷射装置的喷嘴板的廉价的方法。
为实现本发明的上述目的,将一块限定了喷嘴区的主板浸入到电解液中,在所述电解液中,NiH2·SO3·H、NiCl2、H3BO3、C12H25SO4·NaS和去离子水以一预定的比例混合。然后,顺序地几次施加具有预定强度的电流,由此而将具有多个喷嘴的喷嘴板镀到主板的表面上。
这里,通过热处理和表面处理工艺而对主板的表面进行了抛光。因此,喷嘴板上与主板表面接触的那个外表面保持很低的粗糙度。此外,通过在由NiH2·SO3·H、NiCl2、H3BO3和十二烷基硫酸钠(C12H25SO4·NaS)组成的电解液中进行电离而使得最终形成的喷嘴板的内表面粗糙,从而保持很高的粗糙度。其结果是,与内表面相接触的油墨的表面张力变得比与外表面相接触的油墨的表面张力小。
通过参照下文中结合附图所作的详细描述,将会对本发明有更完整的理解,而且本发明的许多附加的优点也将显现出来。在所述附图中,同样的标号表示同样的或类似的元件。
图1-4是示出本发明喷嘴板组件的制造工艺的视图;
图5示出了根据本发明的喷嘴板组件的实施例;
图6是沿图5的VI-VI线截取的截面图,示出了根据本发明的喷嘴板组件的操作。
现在将参照附图对本发明作更全面的描述,在所述附图中示出了本发明的优选实施例。由于说明书中提到的术语是根据本发明的功能确定的,所以这些术语可以根据技术人员的意图或根据通常的实践而改变,应当考虑本发明说明书的整体内容来确定这些术语。
如图1所示,用化学汽相淀积的方法在硅一基体201上形成最好是由钒制成的第一金属膜203,在所述基底201上有一层由SiO2制成的保护膜202。此时,第一金属膜203的作用是使得下文中所描述的第二金属膜204能够牢固地固定到所述保护膜202上。
然后,用化学汽化喷镀的方法在第一金属膜203上形成最好是由镍制成的第二金属膜204。这里,用于促进粘附的第一金属膜203已经在保护膜202上形成。因此,第二金属膜204能够更牢固地形成在保护膜202上。第二金属膜204形成在保护膜202上,从而使得喷嘴板组件100能够容易地与主板200分离,所述喷嘴板组件100将通过电镀的方法形成。
然后,在第一和第二金属层203、204上局部形成图案膜(未示出),将所述图案膜作为掩膜对所述金属层进行蚀刻,从而使保持膜202可以被局部曝光。然后,用化学制品将剩余的图案膜除去,借此而完成了用于限定喷嘴区域10′的主板200。
然后,用除油液对第二金属层204的表面进行除油,并将主板200放入加热槽中,在最好是32℃至37℃的温度下对主板200进行热处理10至14分钟。当完成了这种热处理时,将主板200浸入到化学钝化液中,以进行表面处理。因此,构成主板200的最上表面的第二金属膜204的外表面变得具有较低的粗糙度。优选的是,在22℃至27℃的温度下对主板200的表面处理10至20秒。
接下来,如果准备用主板200辅助形成本发明的喷嘴板组件100,则将该主板200浸入到电解液中,在所述电解液中,NiH2·SO3·H、NiCl2、H3BO3、十二烷基硫酸钠(C12H25SO4·NaS)和去离子水以预定的比例混合。这样,本发明的喷嘴板8被镀到主板200的表面上。
所述电解液最好由280g/l至320g/1的NiH2·SO3H、18g/l至22g/l的NiCl2、28g/l至32g/l的H3BO3和0.03g/l至0.08g/l的C12H25SO4·NaS组成,更好的是由300g/l的NiH2·SO3·H、20g/l的NiCl2、30g/l的H3BO3和0.05g/l的C12H25SO4·NaS组成。这里,在主板200浸入于其中的电解液中,存在着用于电镀(coating)喷嘴板8的靶极材料(target substance),例如镍。
接下来,靶极材料和主板200连接到外电源上。这里,靶极材料连接到正极(+)上,而主板200连接到负极(-)上。
然后,接通电源,以在靶极材料与主板200之间顺序地几次施加具有预定强度的电流。较优选的是,施加电流强度为0.1A/m2的电流达40至60分钟,施加电流强度为0.2A/m2的电流达25至35分钟,施加电流强度为0.3A/m2的电流达18至22分钟,施加电流强度为0.4A/m2的电流达18至22分钟,施加电流强度为0.1A/m2的电流达8至12分钟。更优选的是,施加电流强度为0.1A/m2的电流达60分钟,施加电流强度为0.2A/m2的电流达30分钟,施加电流强度为的电流0.3A/m2达20分钟,施加电流强度为0.4A/m2的电流达20分钟,施加电流强度为0.1A/m2的电流达10分钟。
当完成了这种电流供应过程时,连接到正极上的靶极材料被溶解并迅速电离,被电离的靶极材料通过作为介质的电解液而移动,并沉积到与负极相连接的主板200上,由此而在主板200上形成由镍制成的喷嘴板8,如图2所示。该喷嘴板8被电镀而逐步充满主板200的喷嘴区域10′。当这一过程完成时,喷嘴板8的内表面13上具有非常高的粗糙度。
同时,被镀上的喷嘴板8的厚度可通过下列公式进行调节。
其中δ是喷嘴板的厚度,P1是在镀上喷嘴板之前主板的重量,P2是在镀上喷嘴板之后主板的重量,S是喷嘴板的覆盖面积,γ是该喷嘴板的比重。
将有关的数值代入到上述等式中,即可确定和调节一个实际产品的喷嘴板8的厚度。该喷嘴板8的电镀厚度最好是在约15μm至25μm的范围内。
当具有所需厚度的喷嘴板8被做好时,工人断开电源,以完成喷嘴板8的电镀工序。然后,将镀有喷嘴板8的主板200从电解液中取出,并将其插入到玻璃槽中。然后,对喷嘴板8进行热处理。最好是在20℃至30℃的温度下对喷嘴板8进行热处理。通过这种方式,喷嘴板8就具有了相当的机械强度。接下来,将喷嘴板8浸入到去离子水中,清洁约5分钟,并进行干燥。
上述用于形成本发明的喷嘴板8的过程适合于一般的电沉积方法。这种电沉积方法简单且不需要高成本的设备和复杂的技术。因此,如果按照本发明生产制造喷嘴板,则该制造方法的整体产量可显著提高。
当完成了上述干燥过程时,开始进行在喷嘴板8上形成油墨腔隔挡层7的过程。如图3所示,在喷嘴板8上沉积30μm厚的有机薄膜,例如聚酰亚胺层7′。然后,将由铝制成的厚度为0.8μm至1μm的保护掩模层20沉积到聚酰亚胺层7′上。
接下来,在保护掩模层20上沉积一层感光性树脂层(未示出),然后用该感光性树脂层作为掩模,对所述保护掩模层20添加图案。这里,由于最终的油墨腔的图案是在感光性树脂层上限定的,所以当施加图案过程完成时,可在所述保护掩模层20上获得油墨腔的精确图案。
接下来,用化学制品除去感光性树脂层,并且用所述保护掩模层20作为掩模对聚酰亚胺层7′施加图案。这里,如上所述,由于已经在保护掩模层20上获得了油墨腔的精确图案,所以当完成了施加图案过程时,聚酰亚胺层7′上被加工成包括油墨腔区域的最终的油墨腔隔挡层。
如图4所示,已用化学制品将所述保护掩模层,并且用化学制品(例如,氟化氢)将与油墨腔隔挡层7相结合的喷嘴板8从主板200上分开,所述油墨腔隔挡层7用于限定油墨腔9。当完成了这一分开过程时,就制成了喷嘴板组件100,在所述喷嘴板组件100中形成有多个用于喷墨的喷嘴。这里,喷嘴20贯穿喷嘴板8的内表面13,并向着外表面14暴露。
如上所述,主板200的表面通过热处理和表面处理过程而被抛光。因此,与主板200的表面相接触并最终通过上述分开过程而与主板200分开的喷嘴板8的外表面14可保持极低的粗糙度,最好是0.008μm至0.016μm。采用具有NiH2·SO3·H、NiCl2、H3BO3、C12H25SO4·NaS的电解液使最终形成的喷嘴板8的内表面13粗糙,由此而保持较高的粗糙度,最好是1.0μm至1.5μm。
如图5中所示,包括有油墨腔隔挡层7(其限定了油墨腔9)的喷嘴板组件100面对着打印纸定位,因此而构成喷墨打印头的结构。这里,用于限定供墨路径的供墨通道300在与油墨腔9相邻处形成,从外部装置进给的油墨如箭头记号所示流过该供墨通道300。这样,油墨腔9充满了油墨。
现在,将对采用本发明的喷嘴板组件100的喷墨打印头的操作进行讲解说明。如图6所示,如果从外电源向电极层(未示出)施加一个电信号,则与该电极层相连接的加热器11被供以电能并被迅速加热至500℃或更高的温度。在这个过程中,电能被转换成500℃至550℃的热能。
然后这种热能被传递给与加热器11相接触的油墨腔4,充满油墨腔4的油墨400被迅速加热并转变为气泡。这里,如果向油墨腔4连续传递热能,则气泡化的油墨400的体积迅速变化并且膨胀。这样,气泡化的油墨400通过喷嘴板8上的喷嘴10排出,并准备喷射。如图中箭头405所示,油墨400由于其自身的重量而依次变化为椭圆形和圆形,并被喷射到打印纸上,由此而完成快速打印。
如上所述,采用由NiH2·SO3·H、NiCl2、H3BO3、C12H25SO4·NaS制成的电解液使形成的喷嘴板8的内表面13粗糙,由此而保持1.0μm至1.5μm的高粗糙度。因此,在喷嘴板8的内表面13与油墨400之间的表面张力可显著降低。这样,可防止油墨400粘附。于是,油墨可从供墨通道300平顺地供给到油墨腔9中。此外,对油墨腔9中可供给足够量的油墨,借此避免了空气气泡的形成。
同时,喷嘴板8的外表面14与主板200的抛光表面相接触,并最终与该表面分离,由此保持在约0.008μm至0.016μm范围内的低粗糙度。此外,与油墨400的表面张力可得到很大的提高。其结果是,油墨400如图6中的虚线401所示分散开并向着邻近的喷嘴流动时的相互干扰的问题可得以解决。
在现有技术中,为了纠正诸如相互干扰或产生空气气泡之类的问题,需要一种通过采用高成本的设备来形成膜的方法,这样使得整个产量降低。但是,在本发明中,内表面13与外表面14具有不同粗糙度的喷嘴板8是通过采用低成本的电沉积方法加工的。因此,不需要复杂的工艺方法,例如形成膜的工艺方法,上述诸如相互干扰或产生空气气泡之类的问题就可得以解决。
同时,在油墨400被喷射的状态下,如果从外部装置施加的电信号临时断开,则加热器11迅速冷却。于是,保留在油墨腔4中的呈气泡状态的油墨400迅速收缩并产生恢复力,使油墨复原到原始状态。这样产生的恢复力使保持在油墨腔9中的压力迅速降低。这样,流过供墨通道300的油墨可迅速地再填充油墨腔9。于是,喷墨打印头重复上述由电信号驱动的油墨喷射和油墨再填充的过程,由此而在打印纸上完成打印任务。
如上所述,在本发明中,通过采用低成本的电沉积方法使得所形成的喷嘴板的内、外表面具有不同的粗糙度。这样,制造过程的整个产量得到提高,并且诸如相互干扰或产生空气气泡之类的问题可得以解决。
虽然在本说明书中主要对喷墨打印头进行了讲解说明,但是本发明还可适用于医用器械的微型泵或燃油喷射装置。上文中已参照实施例对本发明进行了描述。但很明显,对于本技术领域的技术人员来说,根据上述描述可作出其它的改进和变化。因此,本发明包含了所有落入所附权利要求书的精神和保护范围内的各种改进和变型。
Claims (28)
1.一种制造微型喷射装置的喷嘴板组件的方法,包括以下步骤:
形成限定喷嘴区域的主板;
抛光所述主板的表面;
在所述主板的表面上电沉积喷嘴板;
将所述喷嘴板与所述主板分离。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述形成主板的步骤还包括以下步骤:
在形成于基体上的保护膜上形成第一金属层;
在第一金属膜上形成第二金属层;和
蚀刻所述第一金属层和第二金属层,露出保护膜的部分,以限定喷嘴区域。
3.如权利要求2所述的方法,其特征在于,所述形成第一金属层的步骤包括形成由钒构成的第一金属层。
4.如权利要求2所述的方法,其特征在于,所述形成第二金属层的步骤还包括形成由镍构成的第二金属层。
5.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述抛光主板表面的步骤还包括:
对第二金属层的表面进行除油;
对第二金属层的表面进行热处理;和
将主板浸入到钝化液中。
6.如权利要求5所述的方法,其特征在于,所述热处理是在32℃至37℃的温度下进行的。
7.如权利要求6所述的方法,其特征在于,所述热处理是在10至14分钟内完成的。
8.如权利要求5所述的方法,其特征在于,在钝化液中的所述浸渍是在22℃至27℃的温度范围内进行的。
9.如权利要求8所述的方法,其特征在于,所述浸渍是在10至20秒内完成的。
10.如权利要求1所述的方法,其特征在于,电沉积喷嘴板的所述步骤是在由NiH2·SO3·H、NiCl2、H3BO3、和C12H25SO4·NaS组成的水溶液中进行的。
11.如权利要求10所述的方法,其特征在于,所述水溶液具有以下浓度,即,具有280g/l至320g/l的NiH2·SO3·H、18g/l至22g/l的NiCl2、28g/l至32g/l的H3BO3和0.03g/l至0.08g/l的C12H25SO4·NaS。
12.如权利要求11所述的方法,其特征在于,所述水溶液具有以下浓度,即,具有300g/l的NiH2·SO3·H、20g/l的NiCl2、30g/l的H3BO3和0.05g/l的C12H25SO4·NaS。
13.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述电沉积步骤包括电沉积镍金属。
14.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述电沉积喷嘴板的步骤是通过下述方式进行的,即,顺次地向在电解液中的喷嘴板和靶极材料提供电能,以提供0.1A/m2的电流强度持续40至60分钟,然而提供0.2A/m2的电流强度持续25至35分钟,然后提供0.3A/m2的电流强度持续18至22分钟,然后提供0.4A/m2的电流强度持续18至22分钟,然后提供0.1A/m2的电流强度持续8至12分钟。
15.如权利要求14所述的方法,其特征在于,所述电沉积喷嘴板的步骤是通过下述方式进行的,即,顺次地向在电解液中的喷嘴板和靶极材料提供电能,以形成0.1A/m2的电流强度持续60分钟,然而提供0.2A/m2的电流强度持续30分钟,然后提供0.3A/m2的电流强度持续20分钟,然后提供0.4A/m2的电流强度持续20分钟,然后提供0.1A/m2的电流强度持续10分钟。
16.如权利要求1所述的方法,其特征在于,当使喷嘴板获得所期望厚度时,所述电沉积步骤停止。
17.如权利要求16所述的方法,其特征在于,电沉积的喷嘴板的厚度是用下列公式由主板的增重确定的:
其中δ是喷嘴板的厚度,P1是在喷嘴板被镀上之前主板的重量,P2是在喷嘴板镀上之后主板的重量,S是喷嘴板的电沉积的面积,γ是该喷嘴板比重。
18.如权利要求1所述的方法,其特征在于,进行所述电沉积步骤,以使沉积的喷嘴板的厚度在15μm至25μm的范围内。
19.如权利要求16所述的方法,其特征在于,还包括以下步骤:
将喷嘴板从电解液中移出;
在20℃至30℃的温度下处理喷嘴板;和
将喷嘴板浸入到去离子水中5分钟。
20.如权利要求1所述的方法,其特征在于,还包括以下步骤:
在将喷嘴板与主板分离之前,在所述喷嘴板上形成油墨腔隔挡层。
21.如权利要求20所述的方法,其特征在于,所述在喷嘴板上形成油墨腔隔挡层的步骤还包括以下步骤:
在喷嘴板上沉积有机薄膜。
22.如权利要求21所述的方法,其特征在于,还包括:
所述有机薄膜是由聚酰亚胺制成的。
23.如权利要求21所述的方法,其特征在于,还包括:沉积所述有机薄膜至30μm的厚度。
24.如权利要求21所述的方法,其特征在于,还包括以下步骤:
在所述有机薄膜上沉积保护掩模;
在所述保护掩膜上沉积感光性树脂;
对所述感光性树脂层进行光蚀刻,以形成油墨腔隔挡层的图案;和
除去感光性树脂,利用保护掩模使有机薄膜呈现图案,并除去保护掩模。
25.一种制造微型喷射装置的喷嘴板时的组件,包括:
基体;
形成在所述基体上的保护膜;
用化学汽相淀积方法在所述保护膜上形成的一层钒膜,所述钒膜具有喷嘴区,在所述喷嘴区内暴露出所述保护膜;
用化学汽相淀积方法在所述钒膜上形成的一层镍膜,随后所述镍膜被抛光至均方根粗糙度为0.008至0.016μm;和
电沉积在镍膜上的厚度为15至25μm的镍喷嘴板,其所达到的均方根粗糙度为1.0至1.5μm。
26.如权利要求25所述的组件,其特征在于,还包括:
所述的喷嘴板在由NiH2·SO3·H、NiCl2、H3BO3、和C12H25SO4·NaS组成的电解液中被电沉积。
27.一种微型喷射装置的喷嘴板组件,包括:
厚度为15至25μm的镍制成的板,所述板具有喷嘴区,所述板的一个表面的均方根粗糙度为0.008至0.016μm,而所述板的相反表面的均方根粗糙度为1.0至1.5μm,所述喷嘴板是通过在由NiH2·SO3·H、NiCl2、H2BO3和C12H25SO4·NaS组成的电解液中电沉积而制成的。
28.如权利要求27所述的喷嘴板组件,其特征在于,还包括在所述相反表面上形成的油墨腔隔挡层。
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- 2001-12-19 US US10/021,010 patent/US6592964B2/en not_active Expired - Fee Related
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