CN113286711A - 内部打印头流动特性 - Google Patents

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Abstract

一种系统和设备包括形成在基板的第一表面上的喷嘴、以及布置在基板中并流体连接至喷嘴的流体通道，该流体通道沿其长度的至少一部分是非直线形的，并且具有沿其长度变化的横截面，其中所述流体通道在基板的第二表面附近的宽度不同于在流体通道的底部附近的宽度。一种系统和设备包括形成在基板表面上的喷嘴、以及限定在基板中并与喷嘴流体连接的流体通道，该流体通道具有基本上位于第一平面上的第一部分、基本上位于与第一平面不同的第二平面上的第二部分、以及将第一部分流体连接至第二部分的连接通道。

Description

内部打印头流动特性
对相关申请的引用
本申请根据35U.S.C.,§120的规定要求于2018年9月21日提交的美国临时申请62/734,384的优先权。该申请的全部内容通过引用结合在此。
技术领域
本公开涉及打印头流动通道。
背景技术
使用喷墨打印机打印高质量、高分辨率的图像通常需要打印机在打印介质上的指定位置精确地喷射所需量的墨水。通常，在打印头结构中形成多个密集封装的喷墨装置，每个喷墨装置包括喷嘴和配套的墨水流动路径。该墨水流动路径将墨水存储单元(例如墨水贮存器或墨盒)连接至喷嘴。该墨水流动路径包括泵送室。在泵送室中，可对墨水加压，以使其流向终止于喷嘴中的下降区域。墨水被从喷嘴端部的开口排出，并落在打印介质上。该介质可相对于流体喷射装置移动。从特定喷嘴喷射液滴可与介质的移动同步，以将液滴置于介质上的所需位置。
发明内容
在一个方面中，提供了一种设备，该设备包括形成在基板的第一表面上的喷嘴、以及限定在基板中并与喷嘴流体连接的流体通道，该流体通道沿着流体通道的长度的至少一部分是非直线形的，并且具有沿着流体通道的长度变化的横截面，其中所述流体通道在基板的第二表面附近的宽度不同于在流体通道的底部附近的宽度。
本发明的实施方式包括一个或多个特征。流体通道在基板的第二表面附近的宽度小于在流体通道底部附近的宽度。流体通道在流体通道底部附近的宽度比在基板表面附近的宽度大30％至40％左右。流体通道的横截面相对于从流体通道的顶部延伸到底部的纵向轴线对称。流体通道具有将流体通道的底部结合至流体通道的壁部的弯曲角部。该弯曲角部具有曲率半径。
在另一个方面中，一种设备包括形成在基板表面上的喷嘴、以及限定在基板中并与喷嘴流体连接的流体通道，该流体通道具有基本上位于第一平面上的第一部分、基本上位于与第一平面不同的第二平面上的第二部分、以及将第一部分流体连接至第二部分的连接通道。
本发明的实施方式包括一个或多个特征。流体通道具有将第一部分与第二部分结合的圆角部。连接通道具有大约30度至大约75度的角度。第一部分距表面第一距离，第二部分距表面第二距离。流体通道流体连接至远离基板的贮存器。流体通道将流体从远程贮存器流体连接至喷嘴。包括多个喷嘴，并且流体通道将流体从远程贮存器流体连接至多个喷嘴。
在另一个方面中，一种系统包括贮存器、包括流体连接至贮存器的入口的泵送室、形成在基板的第一表面上并流体连接至泵送室的喷嘴、以及限定在基板中并流体连接至喷嘴阵列的流体通道，该流体通道沿着流体通道的长度的至少一部分是非直线形的，并且具有沿着流体通道的长度变化的横截面，其中所述流体通道在基板的第二表面附近的宽度不同于在流体通道的底部附近的宽度。
在另一个方面中，一种系统包括贮存器、包括流体连接至贮存器的入口的泵送室、形成在基板表面上并流体连接至泵送室的喷嘴、以及限定在基板中并流体连接至喷嘴的流体通道，该流体通道具有基本上位于第一平面上的第一部分、基本上位于与第一平面不同的第二平面上的第二部分、以及将第一部分流体连接至第二部分的流体连接通道。
在此说明的方法的优点可包括但不限于下述的一个或多个优点。流动路径的配置可通过促使不希望有的气泡随着流体的流动沿着流动路径自由移动并从打印头清除来提高打印头的性能。流动路径的配置可减少流体阻力，从而提高引入到可被致动以从打印头喷射流体的泵送室中的墨水的可靠性，并使得气泡能够沿着流动路径移动而不会滞留。
下面将参照附图详细说明本发明的一个或多个实施例。通过阅读说明、附图和权利要求，本发明的其它特征、目的和优点将变得显而易见。
附图说明
图1是流体输送系统的侧视图。
图2是打印头的横截面图。
图3A和3B是打印阵列的俯视图和仰视图。
图4A是图3B的一部分的视图。
图4B和4C是穿过图4A所示的指定的线的横截面图。
图4D是图4C的横截面的半透视图。
图5是流体通道的侧视图。
图6和图7是从下方观察时流体通道的视图。
附图中的相似标号代表相似的元件。
具体实施方式
流体喷头(例如用于喷墨打印机)可包括使致动件能够被快速致动(例如以10kHz至1MHz、0至250kHz、0至1MHz或更高的速度致动)的流动路径。流体喷头能够使与流体喷头配套的致动件被快速驱动以从流体喷头喷射流体。液滴喷射可使用包括流动路径主体、膜和喷嘴层的基板(例如微机电系统(MEMS)基板)实现。流体路径主体具有形成在其中的流体流动路径，该流体流动路径可包括流体填充通道、流体泵送室、下降部、以及具有出口的喷嘴。致动件可位于与流体路径主体相对的膜的表面上，并且靠近流体泵送室。在致动件被致动时，致动件向流体泵送室施加压力脉冲，从而导致液滴通过喷嘴的出口喷射。通常，所述流体路径主体包括多个流体流动路径和喷嘴，例如具有各自的配套流动路径的密集排列的相同喷嘴。液滴喷射系统可包括基板和针对基板的流体源。流体贮存器可流体连接至基板，以供应喷射流体。流体例如可以是化学化合物、生物物质或墨水。
图1示出了包括流体喷头101(例如用于图2所示的打印头200)的流体输送系统100的一个示例。流体输送系统100具有支持从流体喷头101的泵送室102喷射流体的流动路径配置。流体喷头101包括将流体从贮存器输送到流体喷头101的喷嘴114的流动路径。流体喷头101包括具有第一端106和第二端108的下降部104。第一端106限定泵送室102与喷嘴114之间的第一流体流动路径112。喷嘴114设置在下降部104的第二端108。第二流体流动路径116限定在下降部104的第二端108。第二流体流动路径116例如与在喷射操作(例如打印操作)中使流体再循环的再循环路径对应。再循环的流体例如返回到贮存器并被重新用于随后的喷射操作(例如随后的打印操作)。流体喷头101包括可操作以通过泵送室102向喷嘴114泵送流体的致动件118。
第一流体流动路径112例如与从泵送室102泵出的流体的流动路径对应。若泵送室从多个流体流动路径接收流体，则第一流体流动路径112接收来自多个流体流动路径的流体，使得单股流体被导引通过下降部104。
请参考图2，打印头200将流体(例如墨水、生物液体、聚合物、用于形成电子器件的液体或其它类型的流体)的液滴喷射到表面上。打印头200包括一个或多个流体喷头101，每个流体喷头具有对应的致动件118，如参照图1所述。打印头200包括耦合至流体喷头101的可变形膜303和中介组件214的基板300。在某些情况下，基板300是单片半导体主体，例如硅基板。基板具有贯穿其中的通道，这些通道限定流体通过基板300的流动路径。在一些实施方式中，基板300和膜303共同限定泵送室102。基板300例如限定流体喷头101的流体导管，例如泵送室102、下降部104、喷嘴114、以及下文所述的附加流体通道346。
打印头200包括外壳202，该外壳202具有分为流体供应室204和流体返回室206的内部腔体。在某些情况下，该内部腔体由分隔结构208分隔。分隔结构208例如包括上分隔件210和下分隔件212。流体供应室204和流体返回室206的底部由中介组件214的顶面限定。
流体供应室204包括贮存器，以容纳将从打印头200喷射(例如通过喷头101喷射)的流体源。流体供应室204的贮存器向泵送室102供应流体。流体返回室206包括用于容纳通过参照图1说明的第二流体流动路径116再循环流过打印头200的流体的贮存器。流体供应室204具有贮存器，以容纳将在短时间内(例如在当前打印操作期间或在下一个时段内)从打印头200喷射的流体的供应源。流体供应室还与包含流体(例如墨水)以备随后使用的另一个上游贮存器流体连接。例如，该上游贮存器可以是墨盒或墨源。
中介组件214可附接至外壳202，例如通过粘接或另一种附接机制实现。中介组件214例如包括上中介件216和下中介件218。下中介件218位于上中介件216与基板300之间。
形成有用于将流体供应室204连接(例如流体连接)至流体返回室206的流动路径226。上中介件216包括流动路径226的入口330和流动路径226的出口332。入口330和出口332例如形成为上中介件216中的孔口。流动路径226例如形成在上中介件216、下中介件218和基板300中。流动路径226使得流体能够从供应室204流过基板300，流入入口330，并到达流体喷头101，以从打印头200喷射流体。喷头101的致动件118在被驱动时从泵送室102通过喷嘴114喷射流体。流动路径226还使得流体能够从流体喷头101流入出口332，并流入返回室206。
如参照图1所述，流体喷头101包括喷嘴114。流体被有选择性地从流体喷头101的喷嘴114喷射。流体例如是喷射到表面上以在表面上打印图像的墨水。喷嘴114形成在基板300的喷嘴层中，例如在基板300的底面或顶面上。
在一个示例中，为了从打印头200喷射，一部分流体流过流体喷头101的入口222、泵送室102、下降部104的第一端106、下降部104、流体喷头101，并通过喷嘴114从打印头200流出。为了再循环，一部分流体流过入口222、泵送室102、下降部104的第一端106、下降部104、以及流体喷头101的出口224。入口222例如是泵送室102的入口。出口224例如是下降部104的出口。
入口222例如连接至贮存器，以使流体能够从贮存器(例如供应室204)流出。入口供应通道304将供应室204连接至流体喷头101的入口222。入口222包括通过入口流体通道304连接至供应室204的第一端和连接至泵送室102的第二端。
虽然图1和图2示出了各种通道，例如泵送室和下降部，但是这些部件不一定都在同一平面内。在一些实施例中，不同的通道和其它构造可位于不同的平面内。在一些实施例中，单个构造的部分可位于不同的平面内，例如，流体通道可以是倾斜的，以穿过打印头200内的多个平面。此外，部件的相对尺寸可变化，并且，出于说明的目的，一些部件的尺寸被夸大了。
流体通道的底切
喷嘴尺寸以及流体流动路径的尺寸和形状可能影响打印设备的打印质量、打印分辨率和能效。
请参考图3A和3B，基板300包括排成阵列340的许多喷嘴342，例如在上文中参照图1和图2说明的类型的喷嘴。基板300包括多个流动路径，以从贮存器输送流体以便喷射流体，在随后的喷射操作期间使待喷射的流体从喷嘴附近再循环，和/或从阵列340清除墨水。这些流动路径包括流体通道346(参见图3B)。流体通道346将墨水从较远的贮存器(例如墨盒)导引至较近的贮存器(例如供应室204)。在基板300内限定有多个供应室204，以允许流体流向阵列340中的多个喷嘴342之中的每一个。类似地，多个流体返回室206可收集未使用的和未再循环的墨水，使其沿着附加的流体通道346流动并从基板300流出。
从图3B能够看出，基板300的底面包括多个狭槽和孔，这些狭槽和孔构成各种流体通道和喷嘴342。这些底面构造之中的每一个均减小了底面的表面积320。但是，增加非用于流体通道346的表面积320是有益的。例如，增加表面积320能防止裂纹扩展，并为粘合剂层提供额外的面积(例如添加环氧树脂或其它粘合剂以将基板300附接到其它部件(例如外壳202)上)。最好在最外面的流体通道346与打印头的边缘350之间产生尽可能宽的区域，同时不增加打印头的整体尺寸。最好还增大流体通道346与打印头的边缘350之间的距离，或者增大与其它构造的距离。
图4A是图3B的一部分的近视图，更详细地示出了流体通道346。从下面观察时，能看出流体通道346具有弯曲的非直线形轮廓。流体通道346通常是带有在基板300的表面中加工(例如铣削、蚀刻或以其它方式制造)出的很长弯曲通道的狭槽或沟槽。流体通道346在基板300的底面上具有开口。
流体通道346的宽度和横截面轮廓之中的一个或多个可沿着流体通道的长度变化。在图4A的示例中，流体通道346的开口宽度沿着流体通道的长度变化，标记为A的部分的宽度大于标记为B的部分的宽度。流体通道346的横截面轮廓也沿着流体通道的长度变化。图4B示出了部分A处的流体通道346的横截面图，图4C示出了部分B处的流体通道346的横截面图。
请参考图4B，在流体通道346的部分A处，流体通道346具有大致规则的横截面352A，例如矩形横截面。流体通道346的侧面354A通常是平直并基本上平行的。从流体通道346的开口355A到流体通道346的底部356A，流体通道346在部分A处的宽度基本上是恒定的。流体通道346的侧面354A在弯曲的角部358A处与流体通道346的底部356A相交。弯曲的角部358A被以曲率半径360A倒圆，使得侧面354A不以直角与底部356A相交。
图4C示出了图4A的部分B处的流体通道346的横截面352B。与横截面352A不同的是，横截面352B不是规则的，并且流体通道346的侧面354B在与流体通道346的底部356B相交之前弯曲不止一次。部分B处的流体通道346的宽度沿着流体通道的高度是变化的，使得流体通道被底切，位于流体通道346的底部356B处的底部364比位于流体通道346的开口355B处的顶部362宽。在一些情况下，底部364比顶部362宽30-40％。横截面352B的侧面354B在被以曲率半径360B倒圆的弯曲角部358B处与流体通道346的底部356B相交。
如图4C所示的流体通道346的底切形状有利地提供了具有较大横截面积和较窄表面开口355B的流体通道。采用这种底切构造，基板300的底面上的流体通道346的开口355B的尺寸可小于相同横截面积的非底切构造中的开口355A的尺寸，使得基板300的底面的表面积320可以更大。例如，采用底切的流体通道346时，在流体通道346的开口355B与基板边缘350或一些其它构造(例如图4A中的构造366)之间可存在很宽的空间。
部分B处的具有底切横截面352B的流体通道346的横截面积(例如顶部362和底部364的面积)大于具有顶部362的宽度的矩形横截面的流体通道的横截面积。在通道中流动的流体(例如流体通道346中的墨水)的流体阻力与通道的宽度成正比。在狭窄通道(例如具有顶部362的宽度的矩形横截面通道)中流动的流体比在相同横截面面积的较宽(但较浅)的通道中流动的相同流体承受更高的流体阻力。与具有顶部362宽度的矩形横截面的流体通道相比，横截面352B的底切轮廓减少了流过流体通道346的狭窄区域(即，流过顶部362)的流体量，从而减小了总体流体阻力。
横截面352B的顶部362的面积和底部364的面积之和可等于、大于或小于横截面352A的面积。底部364在部分B处的宽度可比横截面352A的宽度大。曲率半径360A和曲率半径360B可以相同，也可以不同。例如，曲率半径360B可小于曲率半径360A。曲率半径360A和曲率半径360B影响流体阻力，因为它是流体通道的形状、横截面积和纵横比的函数。一般来说，单位面积阻力最低的是圆管，而相同面积的方管的阻力较大，因为其内切圆较小，并且角部的流量也较小。曲率半径360A和曲率半径360B有助于改善通道中的流动一致性。
请参考图4D，产生如图4C所示的底切横截面轮廓需要多个制造步骤。首先，使用刀具从基板300的表面去除材料直到横截面352B的期望深度370，以将流体通道钻切或铣削到期望的顶部宽度366(例如顶部362的宽度)。这种加工产生具有宽度366的平直竖槽，如虚线所示。接下来，将较宽的刀具(例如T形槽刀或铲齿铣刀)沿着槽的中心线插入到宽度为366和高度为370的槽中。在插入后，将较宽的刀具向左移动并沿着槽的边缘移动期望的长度，然后将较宽的刀具向右移动并沿着面对左边缘的相应侧的边缘移动期望的长度，从而使用较宽的刀具产生具有宽度368的较宽底部。可使用倒圆工具形成弯曲的角部358B和曲率半径360B。或者，可利用较宽的刀具的形状产生弯曲的角部358和曲率半径360。典型情况下，所得的横截面352B是相对于其中心轴线对称的。通过这些步骤，产生了底部比喉部宽的底切槽，从而减小流动阻力，同时减小从打印头表面消除的面积。
流体通道346的横截面的尺寸和形状可沿着每个流体通道的长度变化。例如，在同一个打印头上和同一个流体通道内可存在具有不同尺寸的底切横截面轮廓的槽。修改流体通道的轮廓可补偿喷嘴阵列340内的流动不平衡(例如通过增大或减小对于阵列340不同部分的流体阻力)。
流体路径高度过渡
如上所述，与基板300相互作用并位于基板300内的不同部件不一定都位于同一平面内。请参考图5，流体通道346本身沿其整个长度可能不位于一个公共平面内。例如，流体通道346的一部分(称为流体通道的较深部分)在基板300内所处的深度可能比流体通道346的另一部分(称为流体通道的较浅部分)深。在所示的例子中，流体通道346从左到右大致向下倾斜，并且在连接通道384处的高度变化更大。
流体通道346的任何深度突变位置都会成为墨流中的不希望有的气泡(例如由进入不完美形状的喷嘴的空气产生的气泡)的滞留点。墨流中的气泡会改变流体喷头101的声学特性，或者甚至完全阻住墨流，对打印头200执行的打印动作的质量和一致性产生不良影响。
从流体通道的较深部分到较浅部分的突变过渡会产生竖向台阶，该竖向台阶会成为墨流中的任何气泡的滞留点。如图5所示，流体通道346可成一定角度，使得流体通道346的深度在流体连接通道384处从一个深度380变化到另一个深度382。流体连接通道384处的角度不尖锐，例如该角度小于90度。例如，该角度可在30到75度之间。流体连接通道384可以是从一个深度到另一个深度的简单高度过渡(如图5和图7所示)，也可包括流体通道346的分叉，在该处多个流体通道流体连接，例如可以是分接点。在某些情况下，流体连接通道384可以是竖直的(例如使墨水从一个重力水平移动至另一个重力水平)。在其它情况下，流体连接通道384也可沿着基板300横向移动墨水。
如图5-7所示，流体通道346的圆角部358A或358B有助于使气泡沿着流体通道346的中心移动，而不会使气泡滞留。若流体通道346的角部358A、358B是尖锐的(例如直角)时，则液流会倾向于迫使任何气泡进入该角部。对于通道中的液流来说，角部处的液流比通道的其它部分(例如中心)的液流慢。由于角部处的液流较慢，因此被迫进入角部的气泡会变得更易滞留。
圆角部358A或358B及其曲率半径360A、360B不提供低流量的尖锐角部。相反，圆角部358A、358B促使气泡到达通道的中心，使气泡处于被液流包围的位置并由此受到较强的力，使得气泡沿着流体通道346沿流体流动方向移动。
在一些实施方式中，具有不一致的横截面的流体通道346可促使气泡与流体一起流动。如上所述，流体通道346的横截面积可沿着流体通道的长度变化。将连接通道384置于流体通道的横截面积较窄(因此流体流动较快)的位置比将连接通道384置于横截面积较宽且流体流动较慢的位置(或具有一致、不变的横截面的位置)更能促使气泡随流体移动。
利用上述特征，打印头200更加稳固，并且更容易清除进入墨流的气泡。
在上文中说明了本发明的多个实施例。但是，应理解，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，能够进行各种修改。因此，其它实施例也在下述权利要求所限定的范围之内。

Claims (15)

1.一种设备，包括：
形成在基板的第一表面上的喷嘴；和
限定在基板中并流体连接至喷嘴的流体通道，该流体通道沿着该流体通道的长度的至少一部分是非直线形的，并且具有沿着该流体通道的长度变化的横截面，
其中所述流体通道在基板的第二表面附近的宽度不同于在流体通道的底部附近的宽度。
2.如权利要求1所述的设备，其中，所述流体通道在基板的第二表面附近的宽度小于在流体通道底部附近的宽度。
3.如权利要求2所述的设备，其中，所述流体通道在流体通道底部附近的宽度比在基板表面附近的宽度大30％至40％左右。
4.如权利要求1所述的设备，其中，所述流体通道的横截面关于从流体通道的顶部延伸到底部的纵向轴线对称。
5.如权利要求1所述的设备，其中，所述流体通道具有将流体通道的底部结合至流体通道的壁部的弯曲角部。
6.如权利要求5所述的设备，其中，所述弯曲角部具有曲率半径。
7.一种设备，包括：
形成在基板的表面上的喷嘴；和
限定在基板中并流体连接至喷嘴的流体通道，该流体通道具有基本上位于第一平面上的第一部分、基本上位于与第一平面不同的第二平面上的第二部分、以及将第一部分流体连接至第二部分的连接通道。
8.如权利要求7所述的设备，其中，所述流体通道具有将第一部分与第二部分结合的圆角部。
9.如权利要求7所述的设备，其中，所述连接通道具有大约30度至大约75度的角度。
10.如权利要求7所述的设备，其中，所述第一部分距表面第一距离，所述第二部分距表面第二距离。
11.如权利要求7所述的设备，其中，所述流体通道流体连接至远离基板的贮存器。
12.如权利要求11所述的设备，其中，所述流体通道将流体从远程贮存器流体连接至喷嘴。
13.如权利要求11所述的设备，包括多个喷嘴，并且其中所述流体通道将流体从远程贮存器流体连接至所述多个喷嘴。
14.一种系统，包括：
贮存器；
泵送室，该泵送室包括流体连接至贮存器的入口；
形成在基板的第一表面上并流体连接至泵送室的喷嘴；和
限定在基板中并流体连接至喷嘴阵列的流体通道，该流体通道沿着该流体通道的长度的至少一部分是非直线形的，并且具有沿着该流体通道的长度变化的横截面，
其中所述流体通道在基板的第二表面附近的宽度不同于在流体通道的底部附近的宽度。
15.一种系统，包括：
贮存器；
泵送室，该泵送室包括流体连接至贮存器的入口；
形成在基板的表面上并流体连接至泵送室的喷嘴；和
限定在基板中并流体连接至喷嘴的流体通道，该流体通道具有基本上位于第一平面上的第一部分、基本上位于与第一平面不同的第二平面上的第二部分、以及将第一部分流体连接至第二部分的流体连接通道。
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