CN1135166C - 喷墨打印方法、按需型喷墨打印机及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种按需型喷墨打印机，所述设备包括一个在喷嘴轴线上的喷嘴(19)；一个与所述喷嘴相通的油墨腔室(22；122)；一个压电驱动结构(31；131)，所述结构围绕所述喷嘴轴线在所述喷嘴轴线方向上延伸；一个朝向所述喷嘴的驱动表面，所述结构是可驱动的以使所述驱动表面能够在所述喷嘴轴线方向上移动，从而能够通过所述喷嘴喷出墨滴；以及用于为所述驱动结构提供一个驱动电场的电极(24；25；124；125)。

Description

喷墨打印方法、按需型喷墨打印机及其制造方法
技术领域
本发明涉及按需型(drop on demand)喷墨打印机，本发明特别涉及一种具有一个二维阵列的油墨腔室的按需型喷墨打印机。
背景技术
美国专利US5459501A披露了一种喷墨打印头，它包括一个形成在第一衬底上的油墨驱动单元和形成在第二衬底上的油墨储存单元。油墨驱动单元包括一个形成在衬底的一侧上的薄膜压电传感器。油墨储存单元包括一个位于衬底中的蚀刻腔，该腔在底部具有一个贯穿衬底的孔，以便形成油墨喷嘴。油墨驱动单元和油墨储存单元与压电单元被粘合在一起。驱动传感器将油墨从储存器通过油墨喷嘴喷出。
如该现有技术的图4所示，压电驱动结构是一个由压电材料层形成的可膨胀层44，该层44被沉积在位于临时岛状层38顶部之上的第一电极42上，层44在与电极42的导体线部分42a的相对侧覆盖着层38。因此，层44为大体平面结构，仅在围绕电极42和绝缘层40的一端(图4右侧)具有一个比较小的凸缘。这样就在两个电极42b和46b之间提供了绝缘，而非任何驱动能量。在该现有技术中，驱动机构不是沿喷嘴轴线的方向延伸的。
我们的未审定的PCT专利申请PCT/GB98/01955描述了一种按需型喷墨打印机，该设备使用了一个压电驱动盘，所述压电驱动盘能够以剪切模式偏斜。该设备由多个层叠的板构成，所述多个层叠板限定了一个油墨腔室。所述驱动器形成了所述腔室的一侧并且向着形成在一个喷嘴板中的一个喷嘴偏斜，所述喷嘴板提供了所述腔室的另一侧。当电荷施加在形成于所述驱动器上的电极之间时，所述压电盘向着所述喷嘴板以剪切模式偏斜。声波在所述腔室内径向地传播，并且从所述腔室的侧壁反射以消耗储存在所述油墨和驱动器中的能量，所述声波又在所述腔室的中心区域汇聚以将油墨从所述腔室喷出。当声波从所述喷嘴退回时，在R/c时间内体积应变或收缩促使油墨从所述喷嘴出口流出，在所述时间R/c中，c是油墨腔室中的油墨有效声速，R是油墨腔室壁的径向距离。在这段时间内墨滴被喷出。在经过时间R/c后，压力变为负值，喷墨停止并且可取消所施加的电压。接着，随着压力波的衰减，从油墨腔室中喷出的油墨可得到补充，从而可重复所述喷墨过程。快速连续地施加多个脉冲能够增大所喷出墨滴的尺寸，从而产生多种灰阶。
在该现有技术PCT/GB98/01955中记载的按需型喷墨打印机采用了一个被设置成以剪切模式偏转的压电盘。该压电盘的使用需要非常复杂的支承方法，这就需要沉积和去除保护层以及牺牲调整电极。
发明内容
本发明的目的在于本发明提供了一种能够减少制造步骤并且防止材料的浪费的按需型喷墨打印机。
在第一方面，本发明提供一种按需型喷墨打印机，所述设备包括：一个在喷嘴轴线上的喷嘴；一个与所述喷嘴相通的油墨腔室；一个压电驱动结构，所述结构围绕所述喷嘴轴线在所述喷嘴轴线方向上延伸；一个限定所述腔室并朝向所述喷嘴的驱动表面，所述结构是可驱动的以使所述驱动表面能够在所述喷嘴轴线方向上移动，从而能够通过所述喷嘴喷出墨滴；以及用于为所述驱动结构提供一个驱动电场的电极。
所述电极最好包括一个在所述驱动结构中与所述油墨腔室相邻的一个表面上的第一电极和一个在所述驱动结构中与所述油墨腔室分隔的一个相对表面上的第二电极。
在第二方面，本发明提供一种按需型喷墨打印机，该设备包括：一个在喷嘴轴线上的喷嘴；一个与所述喷嘴相通的油墨腔室；一个压电驱动结构，所述结构在所述喷嘴轴线方向上延伸；一个限定所述腔室并朝向所述喷嘴的驱动表面，所述驱动结构是可驱动的以使所述驱动表面能够在所述喷嘴轴线方向上移动，从而能够通过所述喷嘴喷出墨滴；以及用于为所述驱动结构提供一个驱动电场的电极，所述电极包括一个在所述驱动结构中与所述油墨腔室相邻的一个表面上的第一电极和一个在所述驱动结构中与所述油墨腔室分隔的一个相对表面上的第二电极。所述第一电极最好是接地的。
所述油墨腔室可围绕所述喷嘴轴线径向延伸，并且所述驱动结构是可驱动的以使所述驱动表面在喷嘴轴线方向上移动，从而利用在油墨腔室中所产生的沿着所述喷嘴轴线方向径向传播的声波使所述喷嘴喷出墨滴。
所述油墨腔室最好从所述喷嘴轴线延伸了一个径向距离R，并且所述驱动结构是可驱动的以使所述驱动表面在一段时间内沿着喷嘴轴线方向移动，所述时间至多为时间R/c的一半，其中c是声波在油墨腔室的油墨中的传播速度。
所述油墨腔室可被一个大体圆形结构限定，所述圆形结构提供一个在声阻抗方面的变化以在油墨腔室中对沿着所述喷嘴轴线方向径向传播的声波进行反射。所述在声阻抗方面的变化可以是由油墨在所述喷嘴轴线方向上的深度变化而产生的。
所述圆形结构可围绕所述油墨腔室限定一个油墨环形通道，所述油墨环形通道在所述喷嘴轴线方向上的深度与所述油墨腔室的深度是不同的。
所述设备最好还包括与所述油墨腔室相流通的油墨供给装置以便在喷墨后为油墨腔室补充油墨。
所述油墨供给装置可设置在多个位置处，所述多个位置周向地分布在所述油墨腔室的周围。
所述油墨供给装置可围绕着所述油墨腔室的基本上整个周边为所述油墨腔室供给油墨。
所述驱动结构可向着所述喷嘴轴线逐渐变细。
在一个优选实施例中，所述驱动结构是均匀的并且被所述驱动电场极化以使其以直接模式(“direct mode”)偏斜。所述驱动结构可在一个横向于其表面的方向上被极化，在一个横向于所述驱动结构的表面的方向上施加所述电场。
或者，所述驱动结构可以是均匀的并且被所述驱动电场极化以使其以剪切模式(“shear mode”)偏斜。所述驱动结构在向着所述喷嘴轴线汇聚的方向上被极化，在一个横向于所述驱动结构的表面的方向上施加所述电场。
所述驱动表面可包括一个由压电材料制成的盘，所述压电盘在所述喷嘴轴线方向上被极化以便在施加所述电场后使其以直接模式偏斜。
所述设备可包括多个喷嘴，每一个所述喷嘴都具有一个各自的喷嘴轴线，所述喷嘴轴线相互是平行的；多个油墨腔室，每一个油墨腔室围绕一个各自的喷嘴轴线延伸；以及一个均匀的压电片，所述压电片具有所述驱动结构的一个二维阵列，每一个所述驱动结构都与一个各自的油墨腔室相关联。
在第三方面，本发明提供一种喷墨打印方法，所述方法包括下列步骤：建立一个油墨的平面体(planar body of ink)，所述油墨的平面体与一个喷嘴相通，所述喷嘴具有一个喷嘴轴线，所述油墨的平面体在所述喷嘴轴线的径向上延伸；在所述油墨的平面体中设置一个阻抗边界，所述阻抗边界在所述喷嘴轴线的周向上延伸；以及以可选择的方式驱动一个在所述喷嘴轴线方向上围绕所述喷嘴轴线延伸的压电驱动结构以使一个驱动表面在所述喷嘴轴线方向上移动，从而在所述油墨腔室中产生沿着所述喷嘴轴线的径向传播的声波，所述声波被所述阻抗边界反射，因而使所述喷嘴喷出墨滴。
在第四方面，本发明提供一种用于制作按需型喷墨打印机的方法，所述方法包括下列步骤：形成一个喷嘴板，所述喷嘴板具有一个喷嘴的二维阵列，每一个所述喷嘴都具有一个喷嘴轴线，所述喷嘴轴线相互平行；在一个基底上形成驱动结构的一个二维阵列，每一个所述驱动结构在一个各自喷嘴轴线的方向上围绕所述各自喷嘴轴线延伸，所述每一个驱动结构分别与所述喷嘴相关联，为所述每一个驱动结构提供一个驱动表面；在所述驱动结构上提供电极以使每一个壁能够以可选择的方式驱动；以及使所述喷嘴板和所述基底层叠；所述层叠结构提供了多个盘状的油墨腔室，每一个所述油墨腔室围绕一个各自的喷嘴轴线延伸并且与各自的喷嘴相通，这样在所制作的设备中通过驱动一个所选的结构能够从相关联的喷嘴喷出墨滴。
本发明在装置方面的上述特征也可用于方法方面，反之亦然。
本发明延伸到这样一种按需型喷墨打印机，所述设备包括：一个在一个喷嘴轴线上的喷嘴；一个围绕所述喷嘴轴线径向延伸的油墨腔室；与所述油墨腔室相通的油墨供给装置；一个驱动表面；一个为所述驱动表面而提供的驱动器，所述驱动器具有在所述喷嘴轴线方向上延伸的一个长度，所述驱动器是可驱动的以使所述驱动表面能够在所述喷嘴轴线方向上移动，从而利用在油墨腔室中所产生的沿着所述喷嘴轴线方向径向传播的声波使所述喷嘴喷出墨滴并且为所述油墨腔室补充油墨。
本发明还延伸到这样一种按需型喷墨打印机，该设备包括：一个喷嘴的二维阵列，每一个所述喷嘴都具有一个喷嘴轴线，所述喷嘴轴线相互之间是平行的；多个盘状油墨腔室，每一个油墨腔室都围绕一个各自的喷嘴轴线延伸并且与各自的喷嘴相通；一个均匀的压电片，所述压电片具有由圆形对称的驱动结构所构成的一个二维阵列，所述每一个驱动结构都具有在各自的喷嘴轴线方向上延伸的一个长度并且与一个各自的油墨腔室相关联，每一个圆形对称壁都被一个各自的盘状顶部元件桥接；以及在所述压电片上的电极，所述电极能够以可选择的方式驱动每一个壁，从而从相关的喷嘴喷出墨滴。
本发明还提供一种用于制作按需型喷墨打印机的方法，所述方法包括下列步骤：形成一个喷嘴板，所述喷嘴板具有一个喷嘴的二维阵列，所述每一个喷嘴都具有一个喷嘴轴线，所述喷嘴轴线相互之间是平行的；形成一个均匀的压电片，所述压电片具有由圆形对称的驱动结构所构成的一个二维阵列，所述每一个驱动结构都具有在各自的喷嘴轴线方向上延伸的一个长度并且与一个各自的油墨腔室相关联，每一个圆形对称壁都被一个各自的盘状顶部元件桥接；在所述压电片上提供电极，所述电极能够以可选择的方式驱动每一个壁；以及使所述喷嘴板和压电片层叠；所得到的层叠结构提供了多个盘状的油墨腔室，每一个所述油墨腔室都围绕一个各自的喷嘴轴线延伸并且与各自的喷嘴相通，从而在所制作的设备中通过驱动一个压电片中的所选壁能够从相关联的喷嘴喷出墨滴。
所述多个油墨腔室可由形成在所述压电片中的圆形对称凹槽的一个二维阵列提供，每一个所述顶部元件至少包括一个相应的圆形对称凹槽的底壁的一部分。
与单个电极相连的电连接装置可形成在安装于所述压电片上的一个互连板上。所述喷嘴板和互连板可由压电材料制成。或者，所述喷嘴板和互连板可由与所述压电片在热的方面相容的材料制成。
油墨腔室的一个阵列可形成在所述压电片中以为所述油墨腔室提供油墨。
每一个油墨腔室可由一个大体圆形结构限定，在所制作的设备中，所述圆形结构提供一个在声阻抗方面的变化以在油墨腔室中对沿着所述各自的喷嘴轴线方向径向传播的声波进行反射。
本发明的优选实施例试图对按需型喷墨打印机进行进一步的改进。
通过采用本发明，该喷墨打印机的压电驱动结构必定被驱动以便在喷嘴方向上移动驱动表面。鉴于此，用于沿适当方向支承结构以便实现驱动的调整电极可以被保留而作为驱动电极。从而，减少了制造步骤。
附图说明
现将参照附图利用示例对本发明的优选特征进行描述。
图1(a)是一种按需型喷墨打印机的一个驱动器的第一实施例的截面图；
图1(b)是形成在压电片中的由驱动器构成的一个二维阵列的顶部透视图；
图1(c)是图1(b)中所示的压电片的一个后部透视图；
图2(a)和2(b)是一种按需型喷墨打印机的一个驱动器的第二实施例的截面图；
图3是一种按需型喷墨打印机的一个驱动器的第三实施例的截面图；
图4是一个按需型喷墨打印机的分解透视图，所述按需型喷墨打印机包括图3中所示的一个驱动器阵列；
图5是表示在一种按需型喷墨打印机中的电连接装置的一个截面图；
图6示出了在一个厚膜混合电路的背面上的芯片布置方式；
图7示出了一个芯片表面上的触点布置方式；
图8(a)是一种按需型喷墨打印机的一个驱动器的第四实施例的截面图；
图8(b)是图8(a)中所示的驱动器的一个顶部透视图；
图8(c)是图8(a)中所示驱动器的一个阵列的放大图；
图8(d)是表示一种用于制作图8(a)中所示驱动器的方法的图；
图9(a)是一种按需型喷墨打印机的一个驱动器的第五实施例的截面图；
图9(b)是图9(a)中所示驱动器的一个阵列的放大图；
图10(a)是第六实施例所涉及的驱动器的一个阵列的放大图；以及
图10(b)示出了一种用于将图10(a)中所示驱动器接合到一个基底上的技术。
具体实施方式
图1(a)是一个驱动器30的一个截面图，所述驱动器30形成在本发明第一实施例所涉及的一种按需型喷墨打印机的一个压电片14中。所述压电片14、插入板17和喷嘴板18限定了一个油墨腔室22，所述油墨腔室22围绕形成在所述喷嘴板18中的喷嘴19的轴线径向地延伸。所述油墨腔室22通过一个形成在所述插入板17中的孔20与喷嘴19相通。如图1(a)中所示，所述压电片14构成了一个层状结构的一部分，所述层状结构包括一个插入板17、一个喷嘴板18和一个基底44。
利用一对形成在所述压电片中的油墨通道15将油墨供给所述油墨腔室22，所述油墨通道15周向地设置在油墨腔室22周围。如图1(b)中所示，所述油墨通道15与形成在所述压电片14中的歧管102相连通，油墨从一个油墨容器(未示出)通过导管36供给到所述歧管102中。
另外，如在本领域所知的，油墨通道15与所述油墨腔室的两侧相连能够使油墨在一排油墨腔室22中循环以去除灰尘和空气。这可从图1(b)中可以明显地看出，图1(b)是表示一种驱动器的二维阵列的一个顶部透视图，图1(a)所示的截面图与图1(b)中沿着A-A线的一个横截面相对应。图1(b)还示出了一种可任意选择的分隔和支承壁101以改变油墨流动性能。
如图1(a)中所示，所述驱动器30的壁31围绕一个中央腔室32周向地延伸，所述中央腔室32与喷嘴19的轴线是基本同轴的，并且所述驱动器30的壁31被一个圆形顶部34盖上，所述圆形顶部34具有一个直径r1。最好利用模制的方式将所述顶部34与壁31被制成一个整体部件，所述壁31相对于所述腔室轴线是锥形的。也可采用其它适合的加工方法，诸如砑光和机械磨削，当然可利用圆盘制成所述顶部34并且在装配过程中使其与所述壁31的顶端接合。
利用溅射或者其它适合方法在所述压电片14的两侧上形成电极24，25，利用常规的平版抗蚀剂(lithographic resist)对所述压电片上不需要形成电极的区域进行保护，利用旋转镀覆的方式镀覆所述平版抗蚀剂，使镀覆的抗蚀剂在不需要形成电极的区域处硬化，然后对其进行清洗以去除未硬化的抗蚀剂。如图1(a)中所示，电极24形成在所述腔室32中的一个沿着喷嘴轴线方向延伸的表面上，而电极25形成在所述驱动器30中与油墨腔室22相邻的表面上。
在该实施例中，所述电极在压电片14上除所述顶部34最顶端以外的基本整个顶表面上延伸，并且所述电极还在所述压电片14下侧上的壁31的内表面和壁31的部分底部10上延伸。
电极24，25将一个电场施加到所述壁31的压电材料上以使所述壁极化和驱动。在极化的情况下，施加一个高电位差以使所述压电材料的偶极子沿着图1(a)中箭头30′所示方向排列。这样一种方法在本领域是公知的，这里不再进行详细地描述。但是，应该注意的是，所述顶部34基本上没有被极化并且不用于喷墨。当然，也可使所述顶部34被极化，但是这会使制作更加复杂。
接着使电极24，25相连以使所述被极化的压电壁驱动。利用一个导电的插入板17使电极25接地，同时利用形成在所述基底44中的触点40和迹线(track)43以可选择的方式将电压施加到电极24上。图1(c)是图1(b)所示阵列的一个后部透视图，从该图中可以清楚地看出，所述电极24的环形部分与所述基底相连。
在电极24和25之间施加一个电场后，所述壁31以一种所谓的“直接模式”运动，从而根据电场与极化之间的相对方向使所述壁31向着喷嘴19方向变窄和延伸或者向着离开喷嘴19的方向变厚和收缩。这种移动在油墨腔室22中产生一个声波，所述声波在油墨腔室内径向地移动，所述声波在油墨通道15中被反射以在所述油墨腔室22的中心处汇聚，从而使油墨从喷嘴19喷出。当声波从所述喷嘴退回时，在R/c时间内，体积应变或收缩促使油墨从所述喷嘴出口流出，在所述时间R/c中，c是油墨腔室中的油墨有效声速，R是油墨腔室壁的径向距离。在这段时间内墨滴被喷出。在经过时间R/c后，压力变为负值，喷墨停止并且可取消所施加的电压。接着，随着压力波的衰减，从油墨腔室22喷出的油墨可从油墨通道15中得到补充，从而可重复所述喷墨过程。如在本领域中所知的，可快速连续地施加多个脉冲以将具有相应尺寸的墨滴沉积在基底上。
图2(a)和图2(b)示出了本发明所涉及的一种按需型喷墨打印机的第二实施例。总的来说，所述设备的各个层和材料与第一实施例是类似的。但是，在该第二实施例中，所述驱动器30的极化方法和极化方向与第一实施例是不同的，需要下列步骤以进行正确的极化。
参照图2(a)，首先利用一种与前面所述的类似方法使极化电极38，39沉积在所述顶部34的顶表面和底表面上并且使所述压电片沿着箭头40的方向被极化。接着移开所述底部电极39并且将一个新的电极42施加到所述壁31的底部以在轴线方向41上为壁31提供一个极化电位差。接着如图2(b)中所示，将两个极化电极都移开，在所述压电片14和所装配的打印头的整个顶表面和底表面上施加喷墨电极24，25。
在操作过程中，所述壁31以一种所谓的“剪切模式”向着和离开所述中央腔室32的中心偏斜，同时所述顶部34以直接模式向着和离开喷嘴的方向膨胀，所述顶部的总位移在油墨中产生了一个径向的声波。
与第一实施例类似，所述驱动器30可由两个不同的部分形成。
在图1至图2所示的实施例中，油墨腔室22通过形成在一个插入板17中的孔20与形成在喷嘴板18中的一个喷嘴19相连通。所述插入板17最好是一个膨胀系数与所述压电片14类似的金属板。所述孔20最好是利用一种光刻方法蚀刻而成的或者类似地利用钻孔或者电化学蚀刻的方法制成。最好由一种聚酰亚胺(例如，Upilex(Ube))制成的所述喷嘴板18与所述插入板17接合。尽管一种聚酰亚胺喷嘴板是优选的，但是也可采用其它适合的聚合材料或金属元件。所述喷嘴板可镀覆有一个疏水涂层以提高其不湿润性能。
应该注意的是，在上述这些实施例中，所述顶部34的顶表面凹进到所述支承壁的顶表面下方形成了所述油墨腔室22。在另一个实施例中，如图3中所示，所示顶部34的顶表面和支承壁36的顶表面是在一个平面内，实际上它们是搭接在一起以确保它们的平面度。这样，通过增大所述插入板17中的孔20的直径以使其基本上与所述支承壁36的内表面的间距相等，从而形成了所述油墨腔室22。所述支承壁的内表面的间距最好为900微米，这同样也是所述插入板中的孔的直径尺寸。
在这样一个结构中，所述油墨腔室的高度是由所述插入板的厚度限定的而不是由所述压电元件的顶部和支承壁的相对尺寸限定的。它所带来的一个主要优点在于，由于所述插入板所允许的制造公差高于模制的压电片14，因此能够使所述油墨腔室的尺寸在所述油墨喷射装置的整个阵列上更精确和均匀。它所带来的另一个优点在于，能够改变所述油墨腔室的高度，从而可通过简单地改变所述插入板的厚度来改变从所述油墨腔室喷出墨滴的速度。这使打印头能够用于需要特别的高速(或低速)喷墨的打印应用中。
尽管所述插入板的厚度最好为100微米，但是它的尺寸也可在25微米至150微米的范围内。
如在图3中所示的实施例中，在一个简单的聚酰亚胺喷嘴板跨越了一个较大距离的情况下，可使用另一个插入板以支承和加强所述喷嘴板。这样的另一个插入板示出在图4所示的第三实施例中，该图还示出了一种具有五层的层状结构，它包括喷嘴板18、一个第一插入层5、一个第二插入层17、一个压电层14和一个电连接基底44。所述层状结构通过形成在支承板7和8中的管6与一个油墨供给装置相连。上述这些部件都与一个铝制底板9接合在一起。
在所述第一插入层和第二插入层接合之前或者接合之后，所述喷嘴板18可与所述第一插入层接合在一起。最好所述第一插入层和第二插入层都是利用一种标准的光刻方法在其中蚀刻有孔的金属板。所述两个插入板的厚度最好为50微米，但是该尺寸可被改变以改变喷墨性能。所述第二插入板中的孔的直径最好为900微米并且该尺寸与所述油墨腔室22的直径相等。
所述两个插入板和油墨腔室中的孔的直径是以形成在所述喷嘴板中的喷嘴为中心的，并且所述喷嘴在扫描方向上的间隔最好为1/360英寸(0.0705mm)，在纸张供给方向上的间隔最好为17/256英寸(1.687mm)。喷嘴在x和y方向上的间隔不等能够减小芯片上的过载和功率波动。当然也可通过简单地改变所述油墨腔室中心之间的距离来设置不同于1/360英寸(0.0705mm)的点距。但是，为了在纸张上达到相同的点密度，点距增大到2倍意味着打印头经过的次数增加。由于在一个方向上增大所述点距会影响到在另一个方向上的点距，因此打印头所需的经过次数将增大到2倍以上，从而会使一页纸张上的覆盖率变慢。我们认为，所述点距的最佳范围在1/720英寸至1/180英寸(0.0352mm至0.141mm)之间。
每一个驱动器的顶部34的直径最好为700微米。所述驱动器在喷嘴轴线方向上的高度最好为700微米。所述壁31的厚度最好为70微米。对于具有上述尺寸的驱动器，输入一个20伏的电压能够使所述驱动器在喷嘴板的方向上产生一个30nm的位移。
在第一实施例至第三实施例中所示的驱动器与一个单一的油墨歧管102相通，从而能够喷出一种颜色的墨滴。当然，也可设置一个以上的歧管和分隔壁以制成一种能喷出多颜色墨滴的打印头。
图5示出了在所述按需型喷墨打印机和相关驱动线路之间的电连接的优选方法。
将压电片14、插入板17和喷嘴板18安装到一个厚膜混合电路板44的顶部。这样的电路板在本领域是已知的。集成电路(芯片)105安装在所述电路板44的相对一侧，所述集成电路(芯片)105在该位置处与导电垫50相连，由于所述电路板44具有多层结构，因此所述导电垫可分布在所述芯片的整个覆盖区域上(而不是仅在边缘处)。图7中示出了所述芯片表面的布置方式的一个示例；通过中心设置的导电垫制成25个输入端，而通过位于芯片周边处的两排制成与32个驱动器相连的输出端。这意味着，可以一种厚膜混合密度使所述芯片互连，并且可在所述喷嘴阵列的区域范围内大量地进行所有的连接，在图5所示的实施例中，可利用直接与油墨接触使所述芯片得到冷却。
一个盖106与所述电路板44相连，所述盖106除了用于保护芯片105以外，还可用作一个油墨导管，所述油墨导管能够能够引导在一个入口110和形成在所述电路板中的一个孔108之间的油墨，并且所述孔108与所述压电片14的歧管102相通。这可使所述芯片被油墨冷却，为此，所述芯片最好具有一个涂层(例如，paralene)以防止所述芯片受到油墨的化学侵蚀。或者，还可考虑，不依赖于盖106和其中的电子元件而将油墨供给到所述孔108。
图6示出了在所述厚膜混合电路的背面上可能采用的芯片布置方式。输入触点51设置在所述塑料歧管的外部，每一个塑料歧管都包括两个芯片105。油墨通过其中一个供给管被供给并且通过另一个供给管被排出以使油墨在所述打印头中连续循环。因此，所述油墨在返回到所述打印头中之前可被加热、冷却、除气或过滤。
所述驱动器可以是几乎经完全预测试的。利用形成在压电片14的背面上的芯片垫，能够在接合所述芯片之前对喷墨性能进行测试和检测，类似地，在添加所述压电片之前可对所述芯片进行一次测试。在所述电路板44和压电片14经过测试并且连接在一起之后，根据以电和机械的方式与所述底板相连的方法它们将形成一个完全独立的模块，还可更换所述模块。这对于在一个宽幅阵列是由几个这样的模块所形成的情况下是特别优越的。
图8(a)是一种按需型喷墨打印机中一个驱动器的第四实施例的一个截面图。图8(b)是这种驱动器的一个顶部透视图。
在第四实施例中，所述驱动器130包括一个由压电材料制成的壁131，所述壁131沿着形成在所述喷嘴板18中的喷嘴19轴线方向延伸。所述壁131的底部与基底44是一体形成的或者是以其它方式接合到所述基底44上的。从图8(b)中可以明显地看出，所述壁131包围着一个形成在所述壁中的腔室132，所述腔室132与喷嘴轴线是同轴的以使所述壁131围绕所述喷嘴轴线延伸。
所述壁131上覆盖有一个圆盘形状的顶部134。所述盘134在装配过程中接合在所述壁的顶部，并且其直径等于或大于所述壁在图8(b)所示Y轴线方向(即，在一个与所述喷嘴轴线方向基本垂直的方向上)上延伸的长度。所述盘134还也可由压电材料制成或者由其它任何具有足够的刚度以致于在其移动过程中不会变形的适合材料制成。
一个电极124形成在所述壁131中的腔室132内。一个通道136形成在所述基底44中以使所述电极124能够与电压源相连，从而能够以可选择的方式为所述电极124提供一个电压。可利用溅射或者其它适合的方法在所述壁131中与油墨腔室22相邻的两侧上(还可在所述驱动器的整个表面上)和所述基底44的上表面上形成电极125。电极125通常是接地的。
电极124，125将一个电场施加到所述壁131的压电材料上以使所述壁极化和驱动。在极化的情况下，施加一个高电位差以使所述压电材料的偶极子沿着图8(a)中箭头130′所示方向排列。这样一种方法在本领域是公知的，这里不再进行详细地描述。但是，应该注意的是，所述盘134没有被极化并且不用于喷墨。当然，也可使所述盘134被极化，但是这会使制作更加复杂。
参照图8(b)，接着使电极124，125相连以使所述被极化的压电壁驱动。在电极124和125之间施加一个电场后，所述壁131以一种所谓的“直接模式”运动，从而可根据电场与极化之间的相对方向使所述壁131向着喷嘴19方向变窄和延伸或者向着离开喷嘴19的方向变厚和收缩。这种移动在与所述油墨腔室122相通的喷墨腔室140中产生一个声波。所述声波在所述腔室140内径向地移动，所述声波被一个由插入板17和116在所述腔室122和140之间所限定的油墨通道142反射以在所述喷嘴19下方汇聚，从而使油墨从喷嘴19喷出。当声波从所述喷嘴退回时，在R/c时间内体积应变或收缩促使油墨从所述喷嘴出口流出，在所述时间R/c中，c是腔室140中的油墨有效声速，R是腔室140的壁116的径向距离。在这段时间内墨滴被喷出。在经过时间R/c后，压力变为负值，喷墨停止并且可取消所施加的电压。接着，随着压力波的衰减，从油墨腔室140喷出的油墨可从油墨腔室122中得到补充，从而可重复所述喷墨过程。如在本领域中所知的，可快速连续地施加多个脉冲以将具有相应尺寸的墨滴沉积在基底上。
图8(c)是一个表示第四实施例所涉及驱动器的一个阵列的简图。如图8(c)中所示，相邻的驱动器共享一个公共油墨腔室122。通过将油墨流动限定在所述盘134的上方可使油墨在相邻驱动器之间的串道干扰达到最小。所述油墨腔室122的尺寸用于减小所述二维阵列的端部之间的压力差，从而能够在需要将更多的油墨沉积在一个较大的打印宽度上的织物打印情况下提高打印性能。
图8(d)示出了所述驱动器130的一种制作方法。第一步，设置一个压电材料层(诸如tape cast green PZT)200。第二步，利用丝网印刷方法或者类似的方法在所述层200上形成电极迹线202的一个图案(尽管图8(d)示出了两个电极迹线，但是在该步骤中可形成任意数量的电极迹线)。第三步，将一个第二压电材料层204设置在所述层200和202的顶部上，从而使每一个电极迹线202都被压电材料所包围。在所述层204上形成另一个电极迹线图案，根据需要重复上述过程形成一个具有所需数量的压电材料层的层叠块。接着将所述块烧制成一个矩形块(尺寸通常为18毫米×25毫米×100毫米)，沿着线208、210和212对其进行加工以形成一个分开的或接合的驱动器。
图9(a)是一种按需型喷墨打印机中一个驱动器的第五实施例的一个截面图。所述第五实施例与第四实施例类似，不同之处在于，所述驱动结构被一个向着喷嘴方向逐渐变细的截头锥形驱动结构231取代。所述驱动结构231可与基底44一体形成或者也可连接到基底44上。与第四实施例类似，所述驱动结构围绕所述喷嘴轴线延伸，电极(在图9(a)中未示出)设置在所述腔室232和所述结构231的外表面中以将一个电场施加到所述结构231的压电材料上，从而使所述结构231极化和驱动。图9(b)示出了在一个按需型喷墨打印机中的这样的驱动器的一个阵列，该阵列与图8(c)中所示的类似。
可利用任何适合的方法使所述腔室232形成在所述结构231中，例如，如图9(a)中所示，利用激光在所述结构231和基底44上钻出一个具有大体圆形横截面的腔室，或者如图8(b)中所示，形成一个沟状腔室。接着通过所述腔室泵送镀覆流体并且使其凝固，从而在所形成的腔室中一个电极。
图10(a)示出了在按需型喷墨打印机第六实施例中的一种类似的驱动器阵列。所述第六实施例的驱动器与第五实施例中的类似，不同之处在于，所述驱动结构相对于第五实施例中的是倒置的。所述结构可与所述基底一体形成或者可与所述基底接合在一起。可在所述结构和基底中形成各自的腔室之前或者在电极已经形成在所述结构和基底中的腔室中之后使所述结构与基底接合在一起。在该设置方式中，如图10(b)中所示，利用具有各向异性的粘接剂300将每一个结构331粘结到所述基底44上以使形成在所述结构的腔室中的电极324和形成在所述基底中的触点340之间导电，但是需要防止在所述电极324和325之间出现短路。

Claims (32)

1.一种按需型喷墨打印机，包括：一个在喷嘴轴线上的喷嘴；一个与所述喷嘴相通的油墨腔室；一个压电驱动结构，所述结构围绕所述喷嘴轴线在所述喷嘴轴线方向上延伸；一个限定所述腔室并朝向所述喷嘴的驱动表面，所述驱动结构是可驱动的以使所述驱动表面能够在所述喷嘴轴线方向上移动，从而能够通过所述喷嘴喷出墨滴；以及用于为所述驱动结构提供一个驱动电场的电极。
2.一种如权利要求1所述的打印机，其特征在于，所述电极包括一个在所述驱动结构中与所述油墨腔室相邻的一个表面上的第一电极和一个在所述驱动结构中与所述油墨腔室分隔的一个相对表面上的第二电极。
3.一种如权利要求2所述的打印机，其特征在于，所述第一电极接地。
4.一种如权利要求1所述的打印机，其特征在于，所述油墨腔室围绕所述喷嘴轴线径向延伸，并且所述驱动结构是可驱动的以使所述驱动表面在喷嘴轴线方向上移动，从而利用在油墨腔室中所产生的沿着所述喷嘴轴线方向径向传播的声波使所述喷嘴喷出墨滴。
5.一种如权利要求4所述的打印机，其特征在于，所述油墨腔室从所述喷嘴轴线延伸了一个径向距离R，并且所述驱动结构是可驱动的以使所述驱动表面在一段时间内沿着喷嘴轴线方向移动，所述时间至多为时间R/c的一半，其中c是声波在油墨腔室的油墨中的传播速度。
6.一种如权利要求4或5所述的打印机，其特征在于，所述油墨腔室被一个大体圆形结构限定，所述圆形结构提供一个在声阻抗方面的变化以在油墨腔室中对沿着所述喷嘴轴线方向径向传播的声波进行反射。
7.一种如权利要求6所述的打印机，其特征在于，所述在声阻抗方面的变化是由油墨在所述喷嘴轴线方向上的深度变化而产生的。
8.一种如权利要求6所述的打印机，其特征在于，所述圆形结构围绕所述油墨腔室限定一个油墨环形通道，所述油墨环形通道在所述喷嘴轴线方向上的深度与所述油墨腔室的深度是不同的。
9.一种如权利要求1所述的打印机，其特征在于，所述打印机还包括与所述油墨腔室相流通的油墨供给装置以便在喷墨后为油墨腔室补充油墨。
10.一种如权利要求9所述的打印机，其特征在于，所述油墨供给装置设置在多个位置处，所述多个位置周向地分布在所述油墨腔室的周围。
11.一种如权利要求9或10所述的打印机，其特征在于，所述油墨供给装置围绕着所述油墨腔室的基本上整个周边为所述油墨腔室供给油墨。
12.一种如权利要求1所述的打印机，其特征在于，所述驱动结构向着所述喷嘴轴线逐渐变细。
13.一种如权利要求1所述的打印机，其特征在于，所述驱动结构是均匀的并且相对于所述驱动电场被极化以使其以直接模式偏斜。
14.一种如权利要求13所述的打印机，其特征在于，所述驱动结构在一个横向于其表面的方向上被极化，在一个横向于所述驱动结构的表面的方向上施加所述电场。
15.一种如权利要求1所述的打印机，其特征在于，所述驱动结构是均匀的并且相对于所述驱动电场被极化以使其以剪切模式偏斜。
16.一种如权利要求15所述的打印机，其特征在于，所述驱动结构在向着所述喷嘴轴线汇聚的方向上被极化，在一个横向于所述驱动结构的表面的方向上施加所述电场。
17.一种如权利要求16所述的打印机，其特征在于，所述驱动表面包括一个由压电材料制成的盘，所述压电盘在所述喷嘴轴线方向上被极化以便在施加所述电场后使其以直接模式偏斜。
18.一种如权利要求1所述的打印机，其特征在于，所述打印机包括多个喷嘴，每一个所述喷嘴都具有一个各自的喷嘴轴线，所述喷嘴轴线相互是平行的；多个油墨腔室，每一个油墨腔室围绕一个各自的喷嘴轴线延伸；以及一个均匀的压电片，所述压电片具有所述驱动结构的一个二维阵列，每一个所述驱动结构都与一个各自的油墨腔室相关联。
19.一种喷墨打印方法，包括下列步骤：建立一个油墨的平面体，所述油墨的平面体与一个喷嘴相通，所述喷嘴具有一个喷嘴轴线，所述油墨的平面体在所述喷嘴轴线的径向上延伸；在所述油墨的平面体中设置一个阻抗边界，所述阻抗边界在所述喷嘴轴线的周向上延伸；以及以可选择的方式驱动一个在所述喷嘴轴线方向上围绕所述喷嘴轴线延伸的压电驱动结构以使一个驱动表面在所述喷嘴轴线方向上移动，从而在所述油墨腔室中产生沿着所述喷嘴轴线的径向传播的声波，所述声波被所述阻抗边界反射，因而使所述喷嘴喷出墨滴。
20.一种如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述油墨的平面体从所述喷嘴轴线延伸了一个径向距离R，并且所述驱动结构在一段时间内沿着喷嘴方向移动，所述时间至多为时间R/c的一半，其中c是声波在油墨腔室的油墨中的传播速度。
21.一种如权利要求19或20所述的方法，其特征在于，设置用于为所述驱动结构提供一个驱动电场的电极以使所述驱动结构在所述喷嘴轴线方向上移动。
22.一种如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述驱动结构向着所述喷嘴轴线逐渐变细。
23.一种如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述驱动结构相对于所述驱动电场被极化以使其以直接模式偏斜。
24.一种如权利要求23所述的方法，其特征在于，所述驱动结构在一个横向于其表面的方向上被极化，在一个横向于所述驱动结构的表面的方向上施加所述驱动电场。
25.一种如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述驱动结构相对于所述驱动电场被极化以使其以剪切模式偏斜。
26.一种如权利要求25所述的方法，其特征在于，所述驱动结构在向着所述喷嘴轴线汇聚的方向上被极化，在一个横向于所述驱动结构的表面的方向上施加所述驱动电场。
27.一种如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述驱动表面包括一个由压电材料制成的盘，所述压电盘在所述喷嘴轴线方向上被极化以便在被驱动时使其以直接模式偏斜。
28.一种如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在喷墨后通过将油墨供给到所述油墨的平面体中以为所述油墨的平面体补充油墨的步骤。
29.一种如权利要求28所述的方法，其特征在于，所述油墨在多个位置处被供给，所述多个位置周向地围绕所述油墨的平面体分布。
30.一种如权利要求29所述的方法，其特征在于，围绕所述油墨的平面体的基本上整个周边供给油墨。
31.一种如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述阻抗边界是通过改变所述油墨平面体中的沿喷嘴轴线方向上的油墨深度来提供的。
32.一种用于制作按需型喷墨打印机的方法，包括下列步骤：形成一个喷嘴板，所述喷嘴板具有喷嘴的二维阵列，每一个所述喷嘴都具有一个喷嘴轴线，所述喷嘴轴线相互平行；在一个基底上形成驱动结构的一个二维阵列，每一个所述驱动结构在一个相应喷嘴轴线的方向上围绕所述相应喷嘴轴线延伸，所述每一个驱动结构分别与所述喷嘴相关联，为所述每一个驱动结构提供一个驱动表面；在所述驱动结构上提供电极以使每一个壁能够以可选择的方式被驱动；以及使所述喷嘴板和所述基底层叠；所述层叠结构提供了多个盘状的油墨腔室，每一个所述油墨腔室围绕一个相应的喷嘴轴线延伸并且与各自的喷嘴相通，这样在所制作的设备中通过驱动一个所选的结构能够从相关联的喷嘴喷出墨滴。
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