CN1161237C - 一种用于喷墨打印头的喷孔板及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种制造用于喷墨打印机的喷孔板(40)的方法。喷孔板确定了喷孔(42、44)和相连接的墨室(60、62)这两者。喷孔板的结构允许在同一个打印头(26)上的一个墨室(或喷孔)比其它或紧挨着第一墨室的另一个墨室(或喷孔)更深些，如果需要，还可更宽些和更长些。类似地，传递油墨到第一墨室(60)的一个通道(64)的结构根据需要可以比该喷孔板中的另一个通道(66)更深些或更浅些。

Description

一种用于喷墨打印头的喷孔板及其制造方法
技术领域
本发明涉及喷墨打印机，具体来说涉及插入用于这些打印机中的墨盒的打印头中的喷孔板。
背景技术
一台打印机包括一个或多个含墨的墨盒。按某些设计，墨盒具有若干分立的、油墨颜色多于一种的墨池。每个墨池都经一个导管连接到一个打印头上，打印头安装到墨盒的主体上。
对打印头进行控制，以便可从打印头向打印介质(如纸)喷出微小的墨滴，而所说的打印介质通过打印机前移。对墨滴的喷射进行控制，使墨滴可在纸上形成可识别的图像。
通过在一个喷孔板上形成的喷孔排出墨滴，喷孔板覆盖打印头的绝大部分。喷孔板一般粘结到打印头的一个油墨阻挡层的上部。这个阻挡层的形状确定了各个墨室。每个墨室与排出墨滴的喷孔对齐，并且和所说的喷孔连成一体。
通过一个热换能器(如一个薄膜电阻器)从墨室排出墨滴。该电阻器放在一个绝缘基片上，最好是在上边生长有一个绝缘层(如二氧化硅)的一个常用的硅晶片。电阻器覆盖有适宜的钝化层和其它层，这在本领域中是公知的，并且例如在美国专利第4719477中进行了描述，在这里对其进行了参照引用。
用一个电流脉冲有选择地驱动(加热)该电阻器。来自于电阻器的热量足以在三个墨室内形成一个蒸汽气泡，借此迫使一个墨滴穿过相关的喷孔。在每个墨滴排出后，用通过与墨池油墨导管相连的一个通道流入墨室的油墨重新填充墨室。
使用至少三种不同颜色的油墨：青、黄、品红，就可以实现在白色介质上的彩色打印。可以组合这三种颜色以形成黑色。但为了提高打印效率，一般要提供单独的黑色油墨源。
一般来说，除了其它因素外，只要精确控制从打印头排出的各个墨滴的体积，就可以改善打印质量。具体来说，在相对于另一种颜色墨滴的体积可以控制一种颜色墨滴的体积的情况下，就可以提高打印质量。例如，要产生一个蓝点，就要将一个青色油墨墨滴和一个品红色油墨墨滴排放到打印介质的同一个位置。一个黑色点由单个黑色油墨墨滴构成。为了保证蓝点(或任何其它两种分颜色)不会不可接受地大，可以对打印头的墨室和/或喷孔进行设计，以使黑色油墨墨滴的大小大约是为青色、黄色、和品红色油墨产生的墨滴大小的两倍。
喷墨打印机的另一个重要的设计考虑涉及所谓的接通能量或TOE。接通能量指的是，电阻器在一个墨室内加热足以产生用于排出一滴油墨的一个蒸汽气泡的油墨量所需的能量的数量。人们期望的是TOE最小，主要是把打印头的操作温度减至最小和避免出现和高操作温度有关的一些问题，如在油墨中产生空气气泡。
墨室重新填充次数可能是和打印机的整个操作效率有关的限制因素，这是因为墨室的可填充频率限制了墨滴的可排出频率的缘故。还有一个重要的因素是墨室和连接通道的结构，所说的结构应该使重新填充墨室的油墨流尽可能快地稳定下来，从而使喷出的墨滴不会受到墨室中的油墨的任何波动的影响。
满足上述设计考虑的一个途径是改进喷孔、墨室、和油墨通道的形状。在过去，所加的阻挡层是一个单层，它在整个打印头区有一个均匀的深度，而所说的墨室是在阻挡层中形成的。把一个均匀深度的喷孔板固定到阻挡层上。结果，热衷于修改一个墨室相对于另一个墨室的形状的设计人员受到了限制，只可修改墨室的长度或宽度。类似地，通过改变直径而不是改变深度，可以相对于另一个喷孔的大小改变一个喷孔的大小。
发明内容
本发明扩大了喷墨打印头设计人员的选择范围。本发明涉及一种用于制造喷墨打印机的喷孔板的方法，所说的喷孔板限定了喷孔和墨室这两者。该喷孔板的结构允许在同一个打印头内的一个墨室比另一个墨室更深(如果期望，还可以更宽和更长)，所说的另一个室可以紧挨着所说的第一个墨室。类似地，传递油墨到第一室的通道的结构相对于在该打印头上的另一个通道的结构来说可以根据需要变得更深或更浅。
结合一个喷墨墨盒的优选实施例可以最好地理解本发明的优点，所说的喷墨墨盒携带的墨池由四种颜色组组成：青色、黄色、品红色、和黑色。可以让墨室、通道、和/或喷孔的一个颜色组相对于这样的另一个颜色组作出由本发明提供的墨室、通道、和喷孔的形状变化。例如，可使和黑色油墨有关的墨室比和青色油墨有关的墨室更深些。
实施本发明的一个优选实施例使用一层光刻胶材料作为喷孔板和阻挡层。用电磁辐射(例如紫外光)照射这种材料，使整个喷孔板区的辐射强度发生改变，于是就改变了在该层中发生的聚合交联的深度。经过对用于照射控制的掩膜(一个或多个)进行安排，就可以在同一个喷孔板上选择不同大小的墨室，等。
在研究了本说明书的下面的部分和附图后，本发明的其它优点和特征将变成清楚明白。
附图说明
图1是携带一个打印头的喷墨墨盒的透视图，该打印头有一个按本发明的优选实施例形成的喷孔板。
图2是一个打印头的放大的平面图，描述的是和在墨盒中携带的4种油墨颜色有关的一个4个喷孔组的安排。
图3是沿图2的3-3线取的打印头的放大剖面图，表示按照本发明的一个优选实施例制造的一个喷孔板。
图4-5表示按照本发明制造一个喷孔板采用的优选步骤。
图6是表示按照本发明制造的一个打印头和喷孔板的另一个优选实施例的剖面图。
具体实施方式
现在参照附图1，在一个喷墨墨盒20上实施本发明的一个优选实施例。喷墨墨盒20包括塑料主体22，主体22包括液体油墨墨池，用于分开地包含四种油墨源：青、黄、品红、和黑色油墨。
对主体22进行成形，使其具有一个向下延伸的首部24。打印头26固定到首部24的下侧。打印头形成有微小的喷孔，从喷孔可向打印介质喷射墨滴。如图2所示，喷孔是分组安排的，每组有几个单个的喷孔：青组30、黄组32、品红组34、和黑组36。每个组都传递和它的组名相关的油墨颜色。图2描绘的是打印头的外表面，它由下面将更加全面描述的并且按照本发明形成的一个喷孔板40(图3)覆盖。然而，这里值得注意的是，术语“喷孔板”在下面试图意指一个单元部件，这个单元部件将把喷孔、墨室(因此省去了一个单独的阻挡层)、和在至少一个实施例中的打印头的通道都组合在一个层内。
图3表示的是沿图2的3-3线取的打印头26的一个剖面图，由此描述了黑组36的一个喷孔42，和品红组34的一个喷孔44。
打印头包括一个具有硅基底50的基片48，它最好是一个在上边生长有一个绝缘层例如二氧化硅的常规硅晶片。如在现有技术例如美国专利第4719477号中所述的，该基片包括一层电阻材料，例如钽铝，这种电阻材料的各个部分52通过一些导电层分别连接到挠性电路54(图1)上的一些接线上，所说的电路54安装到墨盒20的外部。这些接线终止在触点56，触点56与打印机托架(未示出)上的类似触点配接，打印机托架上的触点例如又通过一个带形多芯导线连接到打印机的微处理器。
现回到图3，电阻材料的各个部分52在下面将称之为电阻器52，电阻器52是总括起来称之为基片48的控制层58的一部分，它包括钝化层和其它层，例如在美国专利第4719477号中所述的。
喷孔板40是固定到控制层上的一个整体式部件，并且对于每个喷孔来说都包括与喷孔连成一体的因此和喷孔液体连通的并且位于下边的墨室。图3表示的是一个有代表性的“有色”墨室60(连接到品红油墨墨池)和一个有代表性的“黑色”墨室62(连接到黑色油墨墨池)。用一个电流脉冲有选择地驱动(加热)电阻器52。来自于电阻器的热量要足以在选定的一些墨室60、62中蒸发某些油墨，借此迫使一个墨滴穿过相关的喷孔44、42。
在每个墨滴喷出后，用通过与相应的墨池相连的一个通道流入墨室中的油墨重新填充该墨室。在图3中表示出一个和有色墨室60相连的这样的“有色”通道64。图中还表示出一个和黑色墨室62相连的“黑色”通道。如结合图6所述的，墨室还可以通过经基片50和控制层58延伸的狭逢填充和重新填充，因而在喷孔板中的通道是不必要设立的。
在图3中描述的一个有色墨室60和一个黑色墨室62说明了本发明的一个重要方面。具体来说，为了寻求以上讨论的设计考虑因素的解决办法，本发明允许设计人员处理单元式的喷孔板40，其中可以把一个(或多个)墨室60制作得比处在同一个单元式喷孔板上的另一个室62更深些。就此而论，认为深度是沿从喷孔板40的外表面68向基片48的图3的垂直方向测量的。
在考虑一个喷孔的深度的过程中，按照一个环形部分考虑这个结构是有益的，这个环形部分可以被描述为包围喷孔并且覆盖相关墨室的喷孔板的环形部分。如图3剖面图所示，一个“有色”环形部分70存在于包围有色喷孔44的喷孔板材料当中，并且处在虚线72之间，所说的虚线72代表下边的墨室60的向上突起。类似地，一个“黑色”环形部分74存在于包围黑喷孔42的喷孔板材料当中，并且处在虚线76之间，所说的虚线76代表下边的墨室62的向上突起。
现在参照附图3，在同一个喷孔板40中，一个通道66的深度等于或大于另一个通道64的深度。在考虑通道时，虽然深度是垂直测量的，但希望深度的量纲是指通道在基片48的上方延伸的距离。
虽然以上的描述涉及的是大体上圆柱形的喷孔和墨室，但应该理解，喷孔以及相连的墨室可以是多种形状中的任何一个。例如，即使喷孔是圆柱形的，下面的墨室也可以是正方形的或长方形的(具有圆角)。上述的环形部分或环形部件也可以变为略呈框形的形状。因此，不期望把术语环形部分只限定为一个特定的环形。
显然，在两个喷孔、墨室、或通道之间的长度(沿图3的水平方向测量)和宽度(沿垂直于图3平面的方向测量)都可以变化。然而，本发明涉及的是如以上讨论的在一个喷孔板两端的深度量纲的变化。这个深度变化，或者只有深度本身的变化，或者与可变的长度和宽度量纲结合在一起，极大地提高了负责打印头设计的技术人员可以利用的选项数目。例如，一个墨室的深度与该墨室和它的相关的喷孔的组合深度之比和排出的墨滴的体积、墨滴尾部的长度、墨室的重新填充时间、以及喷出一个墨滴后重新填充墨室所需的时间相关。现在将这个描述转到制造具有各种深度的喷孔、墨室、和通道的一个单元式的喷孔板的一个优选的方法。
首先参照附图4，其中表示的是大体上和图3的一段一样的一段打印头，当然这是在完成图4这段的处理之前。在一个优选实施例中，喷孔板40的产生开始于由光刻胶材料80构成的一个基底层，光刻胶材料80是加在已如上述制造出来的基片48的上边。(按另一种方式，可在一个心棒上制造该喷孔板，取下喷孔板，然后将喷孔板粘结到一个预先制作好的基片上。)
在一个优选实施例中，该层光刻胶材料80(图4)包括一种可光聚合的环氧树脂，在商界一般称之为SU-8。一个例子是可从MicroChem Corp.of Newton，MA得到，销售名为SU8-10。但是，显然可以看出，喷孔板可以包括多种负性的光刻胶材料中的任何一种，负性光刻胶材料在受到范围为200-500纳米的电磁辐射(如紫外辐射)照射后，在显影液中变为不溶解的。
所述层的光刻胶材料80位于基片的深度“D“约为20μm。一旦加上该层光刻胶材料80，就要用紫外辐射通过一个掩膜82照射该层，掩膜82的图案应使光刻胶层划分为至少三个不同类型的区域。其中的一个区域作为在掩膜82上辐射阻挡图案84、86的作用结果，不接受任何辐射。这些图案可以包括例如一薄层铬。一个阻挡图案84的形状和平面图中(即，沿平行于图4平面的方向观察)相当小直径的有色喷孔44的直径相符一致。另一个阻挡图案86在平面图中和黑喷孔42的直径相符一致。
在阻挡图案84周围的是一个掩膜82上的一个衰减图案88，用于衰减辐射源的强度。这个衰减图案例如可以是一薄层干涉滤波材料，或者是一个薄的吸收膜，如银、或镍铬铁合金，称之为因康镍合金。结果，相对较低强度的辐射环到达该层光刻胶材料80的外表面68。这个低强度辐射在图4中用箭头90描述。
在离开阻挡图案84、86和衰减图案88的区域，相对较高强度的源辐射到达该层光刻胶材料80的外表面68。这个高强度辐射在图4中用箭头92表示。
光刻胶层80在遭受辐射的区域发生聚合交联。这个聚合交联在图4中表示为双阴影区。具体来说，遭受高强度辐射区域发生的聚合交联直达深度“D2”，深度“D2”比遭受相对较低辐射区域发生的聚合交联深度“D1”相对较深。
对于低强度辐射的大小进行选择，以使低强度区的聚合交联穿透深度“D1”和有色喷孔44周围环形部分70的设计深度一致。类似地，对于高强度辐射的大小进行选择，以使高强度区的聚合交联穿透深度“D2”和黑色喷孔44周围环形部分74的设计深度一致。
现在参照附图5，接下去让所述层的光刻胶材料80经受通过掩膜96引导到这个层上的高强度辐射，掩膜96上制成图案，有阻挡图案98、100，阻挡图案98、100在该层光刻胶材料80的外表面68的上面并且覆盖所说层的光刻胶材料80的和喷孔44、42以及环形部分70、74对应的部分。按另一种方式，阻挡图案98、100在平面图中对应于墨室60、62的形状。
如图5所示，对于在这个步骤中使用的高强度辐射进行选择，以便可以保证在接受辐射的区域中的整个深度“D“都发生聚合交联，例如在墨室60、62之间的区域。一旦完成这个照射，对所述层的光刻胶材料80进行烘烤(例如95°，30分钟)，并且按常规方式显影以便除去该层的未经辐射照射的其余部分，如在102和104处所示的。这些未经辐射照射的部分分别对应于连续的有色喷孔44和墨室60，并且对应于连续的黑色喷孔42和墨室62。显影步骤产生了本发明的单元式的喷孔板40，其中包括在同一部件中的形状变化的喷孔和墨室。
在期望产生如在图3的64处所示的通道的情况下，使在通道64上方的掩膜96的对应部分形成的图案具有衰减滤波功能，以便允许中等水平强度的辐射可以穿过该层光刻胶材料80(图5)，并且所产生的聚合交联深度接近但小于打印头设计人员选择的深度“D”。其余的未经辐射照射的部分和前边讨论过的未经辐射照射部分102、104同时除去。以此方式，可在同一个喷孔板中产生不同深度的通道。
图6表示另一种打印头设计，其中上述的通道的功能由供料狭缝264、266代替，所说的供料狭缝264、266是通过控制层258形成的(控制层258类似于先前描述过的层58)。供料狭缝264、266与墨室液体连通，所说的墨室是在除去未经显影的区域202、204后出现的，并且相关的导管265和267是在硅基片250中蚀刻出来的。这些导管265、267连接到墨盒中对应的有色和黑色墨池。因此，显然可以看出，这个实施例不需要在光刻胶层280中形成通道。还可以按照以上结合图4和5描述的方式处理这个层280。
虽然结合一个优选实施例描述了本发明，但本领域的普通技术人员显然可以看出，本发明的范围不限于这些实施例，而是可以扩展到在所附的权利要求书中定义的各种各样的改进和等效物。

Claims (7)

1.一种制造用于喷墨墨盒(20)的喷孔板(40)的方法，包括如下步骤：
在一个基片(48)上提供一层光刻胶材料(80)，该层光刻胶材料(80)有一个外表面(68)和一个深度；
引导电磁辐射通过一图案化的掩膜到达所述的光刻胶材料层，以照射该光刻胶材料，从而确定至少两个环形部分(70、74)，这两个环形部分从所说的外表面延伸进所说层中，通过引导到一个环形部分的辐射强度不同于引导到另一个环形部分的辐射强度，使得一个环形部分的深度大于另一个环形部分的深度；
显影所说层的光刻胶材料(80)，然后除去该层光刻胶材料的未经照射的部分(102、104)，由此对于每个环形部分确定一个墨室(60、62)，该墨室与一喷孔是连成一体的。
2.如权利要求1的方法，其特征在于：所说的除去步骤包括：
对在两个环形部分之间的区域中的该层光刻胶材料(80)的整个深度进行照射。
3.一种用于喷墨打印头(26)的喷孔板(40)，包括：
一个基底(80)，它具有一个外表面(68)和在其中形成的第一和第二墨室(62、60)，基底的形状可确定第一和第二环形部分(74、70)，每个环形部分都有一个喷孔，且每个环形部分都有一个从外表面度量的深度，该第一环形部分与第一墨室连成一体，该第二环形部分与第二墨室连成一体；
其中，所述第一环形部分的深度大于所述第二环形部分的深度。
4.如权利要求3的喷孔板(40)，其特征在于：还包括第一和第二通道(64、66)，其中该第一通道连接到第一墨室(60)，该第二通道连接到第二墨室(62)，并且所述第一通道的深度不同于所述第二通道的深度。
5.权利要求3的喷孔板(40)，其特征在于：基底(80)是一个单元式部件。
6.权利要求3的喷孔板(40)，其特征在于：基底(80)包括一经照射、烘烤、和显影的光刻胶材料层。
7.权利要求3的喷孔板(40)，其特征在于：喷孔板(40)固定到一个基片(48)上，基片(48)携带至少两个电阻器(52)。
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