CN1246149C - 具有喷嘴溢流隔离装置的喷墨打印头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于喷墨打印机打印头的喷嘴防护装置(80)，所述打印头包括喷嘴(10)的系列(14)和各自向打印基底上喷射墨水的喷墨装置，其中喷嘴防护装置(80)适于设置在打印头上以阻止与该喷嘴(10)的系列(14)的外部的损伤性接触。
Description
技术领域
本发明涉及喷墨打印机，尤其涉及一种喷墨打印机的打印头，该打印头包括一系列向用于打印的介质上喷射墨水的喷嘴。
背景技术
喷墨打印机是一种众所周知并且被广为应用的打印介质产品形式。墨水被注入一系列的打印头上的数字控制喷嘴里。当打印头经过介质，墨水从喷嘴系列喷出在介质上形成影像。
打印性能取决于诸如工作成本、打印质量、操作速度和使用灵活性等因素。每个从喷嘴中喷射的墨水滴的质量、频率及速率都会影响这些性能参数。
最近，微机电系统(MEMS)技术已用来形成喷嘴系列，其具有亚微米厚度的机械结构。这就可以生产能快速喷射尺寸在微微升(×10-12升)范围内的墨水滴的打印头。
当这些打印头的精微结构可以在相对低的成本下提供高的速度和好的打印质量时，它们的尺寸却使得喷嘴极为脆弱，手指、灰尘或介质基底的轻微碰触就可使喷嘴损坏。这就使该种打印头不能适用于许多需要一定坚固程度的应用情况。而且，损坏的喷嘴不能喷射出装入其内的墨水。由于墨水在喷嘴外部集结并凝结成珠状物，所以这会影响周围喷嘴喷射墨水和/或损坏的喷嘴会很容易地将墨水泄漏到打印基底上。这两种情况对打印质量都是有害的。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种喷墨打印机的打印头，其可防止由于已经损坏的喷嘴而泄漏墨水。
本发明的另一目的在于提供一种喷墨打印机的打印头，其可防止外界与喷嘴的损坏性接触。
为实现上述目的，本发明提供一种喷墨打印机的打印头，该打印头包括：
一个基底；
一系列设置在所述基底上、用于将墨水喷射在待打印的介质上的喷嘴；
一个外壳壁，所述外壳壁由所述基底延伸而环绕其中的至少一些喷嘴并容纳其非正确喷射的墨水，从而将该非正确喷射的墨水与该系列中的其他喷嘴中的至少一些喷嘴相隔离，同时允许从所隔离的喷嘴中正确喷射的墨水喷射到待打印的介质上。
在这个详细说明中，术语“喷嘴”可以理解为限定有一个开口的元件，而不是开口本身。
优选地，该系列中的每一喷嘴都具有各自的外壳壁以使该喷嘴与该系列中所有的其他喷嘴隔离。然而，本发明的一些形式中，外壳壁构造为将预定的喷嘴组与该同一系列中的其他喷嘴隔离。
另一种更好的形式中，所述打印头进一步包括一个喷嘴防护装置，该喷嘴防护装置设置在所述基底上、罩盖于喷嘴的外部，所述喷嘴防护装置具有与所述喷嘴对齐的开口，从喷嘴中正确喷射的墨水经该开口通过而喷射到待打印的介质上，所述外壳壁在所述基底和所述喷嘴防护装置之间延伸。在一些实施方式中，喷嘴防护装置覆盖喷嘴的外部并且开口形成一系列与所述一系列的喷嘴对准的通道，以使所述喷嘴防护装置不会阻挡从每个喷嘴喷射的墨水的正常轨迹，并且
所述喷嘴防护装置和所述外壳壁形成一个围绕每个喷嘴的墨水壳腔。在另一个更好的实施方式中，喷嘴防护装置由硅制成。
在一个具体的实施方式中，每一个壳腔均具有墨水检测装置，该墨水检测装置在腔内墨水达预定水位时致动并为一容错设备提供反馈以调整该系列中其他喷嘴的工作来补偿被损坏的喷嘴。在该实施例的一些形式中，打印机响应墨水检测装置而停止向被损坏的喷嘴供应墨水。
根据本发明的喷墨打印机的打印头隔离任意墨水泄漏，使得其包含于一个单独的喷嘴或一组喷嘴中。通过包含墨水溢流，邻近的喷嘴可以补偿并保持打印质量。
外壳壁需要使用一定比例的打印头表面面积，这反过来影响喷嘴的安装密度。所需的额外的打印头芯片的面积会增加芯片制造成本的20％。然而，在这种喷嘴制造不可靠的情况下，本发明有效地解决了喷嘴次品率较高的问题。
喷嘴防护装置还包括用于引导液体流经所述通道的液体流入口，以阻止外部颗粒在喷嘴系列上聚集。
喷嘴防护装置可以包括一个支撑装置，用以支撑打印头上的喷嘴防护装置。该支撑装置可以一体制造并包括一对相互间隔且分别设置在喷嘴防护装置每一端的支撑件。
在本实施方式中，液体流入口可以设置在其中一个支撑件上。可以理解，当空气通过开口被导入，由喷嘴系列上通过并从通道中导出时，这样可以阻止外部颗粒在喷嘴系列上聚集。
液体流入口可以设置在支撑件远离喷嘴系列的一粘接垫处。
通过为打印头提供一个喷嘴防护装置，喷嘴结构可以受到保护以防止大多数其他表面的碰触或撞击。为提供最优化的保护，防护装置可以形成一个覆盖在喷嘴外侧的扁平遮蔽件，其中遮蔽件具有，一系列这样的通道：其足够大以使墨滴喷射，同时也足够小以阻止无意接触或大多数灰尘颗粒进入。用硅制成的遮蔽件，其热膨胀系数大致与喷嘴系列的热膨胀系数相匹配。这有助于防止遮蔽件中的一系列通道从与喷嘴系列对准的位置脱离。利用硅也使得可采用MEMS技术对遮蔽件进行精确地微加工。而且，硅非常坚固并且基本上不变形。
附图说明
现在将仅通过例子，同时参照附图对本发明的较佳实施方式进行描述，其中：
图1为用于喷墨打印头的喷嘴组件的立体示意图；
图2-4是图1所示喷嘴组件的操作过程的立体示意图；
图5是组成具有喷嘴防护装置或外壳壁的喷墨打印头的喷嘴系列立体图；
图5a是本发明具有喷嘴防护装置和外壳壁的打印头的立体剖视图；
图5b是喷嘴的剖视图，其中，喷嘴位于将每个喷嘴隔离的外壳壁上；
图6是部分图5所示系列的放大图；
图7是包括喷嘴防护装置而不包括外壳壁的喷墨打印头的立体图；
图8a-8r是喷墨打印头的喷嘴组件的制造步骤的立体图；
图9a-9r是制造步骤的剖视图；
图10a-10k是制造过程的不同步骤中所用的掩模布置；
图11a-11c是根据图8和图9所示方法制造的喷嘴组件的工作过程的立体图；及
图12a-12c是根据图8和图9所示方法制造的喷嘴组件的工作过程的剖视图。
具体实施方式
首先参照图1，本发明喷嘴组件整体上由标号10指代。喷墨打印头具有若干设置在硅基底16上一个系列14中的(图5和图6)喷嘴组件10。下文将对系列14进行更详细地描述。
喷嘴组件10包括一个硅基底16，硅基底16上设置有电介质层18。一个互补型金属氧化物半导体(ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor Transistor，CMOS)钝化层20设置在电介质层18上。
每一个喷嘴组件10包括一个喷嘴22、一个呈杠杆臂26形式的连接元件和一个致动件28，喷嘴22限定有一个喷嘴开口24。杠杆臂26将致动件28连接到喷嘴22上。
如图2-4所示，喷嘴22包括一个冠状部30，冠状部30具有一个从其上延伸而出的裙部32。裙部32形成喷嘴腔34的外围壁的一部分。喷嘴开口24和喷嘴腔34流体连通。值得注意的是，喷嘴开口24被一个凸起的边缘36包围，边缘36使喷嘴腔34内的墨水40固定成半月形38(图2)。
一个墨水流入口42(在图6中显示的最清楚)限定在喷嘴腔34的底部46上。墨水流入口42与贯穿地限定于基底16上的墨水流入通道48流体连通。
壁部50限定墨水流入口42的边界，并自底部46向上延伸。如上所述，喷嘴22的裙部32限定喷嘴腔34的外围壁的第一部分，壁部50限定喷嘴腔34外围壁的第二部分。
壁50在自由端处具有一个向内的唇缘52，当更换喷嘴22时，该唇缘52作为防止墨水溢出的液体密封件，下文将对其进行更详细地描述。可以理解的是，由于墨水40的粘性以及唇缘52和裙部32之间的小范围空间，向内延伸的唇缘52和表面张力可以用于防止墨水从喷嘴腔34中溢出的有效密封。
致动件28是热弯曲致动件并与一个锚状物54连接，该锚状物54自基底16向上延伸或更具体地是自CMOS钝化层20向上延伸。锚状物54安装在导体垫56上，该导体垫56与致动件28形成电连接。
致动件28包括设置在第二被动横梁60上的第一主动横梁58。在优选的实施方式中，横梁58，60都是或者都包括传导性陶瓷材料，如氮化钛(TiN)。
横梁58，60的第一端部都锚定在锚状物54上，而他们的相对端与杠杆臂26连接。当电流流经主动横梁58，主动横梁58就会热膨胀。因为被动横梁60没有电流流过，则不会以相同比率热膨胀，这样产生了一个弯矩，因此，如图3所示，使得杠杆臂26和喷嘴22向下向基底16方向设置。如62处所示，这就使墨水从喷嘴开口24中喷出。当热源从主动横梁58处移除，例如，停止电流，喷嘴22则会回复到图4所示的静止位置。当喷嘴22回复到静止位置时，如图4中66处所示，由于墨水液滴颈部的断开而形成墨滴64。然后，墨滴64移动到打印介质(如纸张)上。由于墨滴64的形成，则会形成一个“反向”半月形，如图4中68处所示。这个“反向”半月形68导致墨水40流入喷嘴腔34中，这样形成了一个为从喷嘴组件10中喷出的下一个墨滴而准备就绪的新的半月形38(图2)。
现在参照图5和图6所示，对喷嘴系列14做更详细地描述。系列14是用于四种颜色的打印头。相应地，系列14包括四个喷嘴组件组70，每一组对应一种颜色。每个喷嘴组件组70具有设置成两排72，74的喷嘴组件10。图6更详细地示出了其中一个组70。
为了便于将喷嘴组件10紧密地安置在排72，74中，排74中的喷嘴组件10与排72中的喷嘴组件10是相互偏置或交错设置的。而且，排72中的喷嘴组件10相互之间间隔地足够远以使排74中的喷嘴组件10的杠杠臂26可以在排72中的喷嘴组件10的相邻各喷嘴22之间穿过。应当注意的是，每个喷嘴组件10都大致为哑铃形状，这样排72中的喷嘴22在排74中的相邻喷嘴组件10的致动件28和喷嘴22之间相互嵌套。
更进一步，为便于在排72，74中紧密设置喷嘴22，每一个喷嘴22大致为六边形。
本领域普通技术人员可以理解，当喷嘴22向基底16方向设置时，在使用中，由于喷嘴开口24相对喷嘴腔34有一个微小角度，因此墨水以稍微偏离垂直方向的角度喷射。图5和图6示出本装置的优点为排72，74中的喷嘴组件10的致动件28在排72，74的一侧沿相同方向延伸。因此，从排72中的喷嘴22喷出的墨水和从排74中的喷嘴22喷出的墨水以相同角度相互偏置，从而提高打印质量。
而且，如图5所示，基底16具有设置于其上的粘接垫76，粘接垫76通过垫56提供与喷嘴组件10的致动件28的电连接。这些电连接是通过CMOS层(未图示)形成的。
如图5a和5b所示，图5所示的喷嘴系列14被分开以容纳包围每个喷嘴组件10的外壳构形。外壳构形是一个外壳壁144，该外壳壁144包围喷嘴22并从硅基底16延伸到有开口的喷嘴防护装置80下侧，从而形成一个壳腔146。如果因为喷嘴受损而不能正确地喷射出墨水，泄漏受到限制以不影响周围喷嘴的操作功能操作功能。喷嘴也构造为可检测自身工作缺陷，如在壳腔内存在泄漏的墨水。应用容错设备，受损的喷嘴可以由该系列14中其它喷嘴补偿以保持打印质量。
外壳壁144需要占据一定比例的硅基底16，这就减少了该系列中喷嘴的安装密度。这反过来就会增加打印头芯片的制造成本。然而，在制造技术导致相对较高的喷嘴磨损率的情况下，各个喷嘴外壳构形都可以避免或者至少最小化任何对打印质量的不良影响。
本领域普通技术人员可以理解，外壳构形也可以设计为将各喷嘴组隔离。隔离的各喷嘴组提供一个更好的喷嘴安装密度，但利用周围喷嘴来补偿被损坏的喷嘴就会较为困难。
图7所示为喷嘴系列和不具有外壳壁的喷嘴防护装置。同时参照之前的图示，除非以另外指明，相同的标号指代相同的部件。
喷嘴防护装置80安装在系列14的硅基底16上。喷嘴防护装置80包括一个屏蔽件82，屏蔽件82具有若干贯穿其中的开口84。开口84与系列14的喷嘴组件10的喷嘴开口24对正，这样，当墨水从任一个喷嘴开口24中喷出时，墨水都会在打印到介质之前通过对应的通道。
防护装置80是硅材料的，所以其所需的强度和刚性以保护喷嘴系列14不会因与纸张、灰尘或使用者手指接触而损坏。由于形成硅制的防护装置，其热膨胀系数与喷嘴系列的热膨胀系数大致相匹配。这旨在防止当打印头升温到其额定工作温度时屏蔽件82中的开口84由与喷嘴系列14对正位置脱离。硅还非常适合采用MEMS技术进行精确地微加工，下文将结合喷嘴组件10的加工对其进行更详细地描述。
屏蔽件82相对于喷嘴组件10通过插脚或压杆86间隔安装。压杆86之一中限定有一个空气的流入开口88。
使用中，当系列14工作时，空气通过流入开口88进入而与通过开口84流动的墨水一起受迫穿过开口84。
当空气从开口84中以不同于墨滴64的速率进入时，空气中没有夹带墨水。例如，墨滴64从喷嘴22中以3m/s的速率喷出。空气从开口84中进入的速度大约为1m/s。
使用空气的目的是保持开口84的清洁而无外部颗粒。这些外部颗粒(如灰尘颗粒)存在着可能掉入喷嘴组件10内而对喷嘴组件的运行产生不良影响的危险。通过在喷嘴防护装置80中提供空气的流入开口88，这个问题在很大程度上得以解决。现在对照图8-图10，将对喷嘴组件10的制造过程进行描述。
从硅基底或者说晶片16开始，电介质层18设置在晶片16的表面上。电介质层18为厚度大致为1.5微米的CVD(化学气相沉积)氧化物形式。电介质层18上设置有抗蚀剂，且电介质层18暴露于掩模100并随后被显影。
在被显影后，电介质层18等离子蚀刻直至硅层上。然后抗蚀剂被剥掉，电介质层18被清理干净。这个步骤还形成墨水流入口42。
在图8b中，大概0.8微米的铝层102被设置在电介质层18上。抗蚀剂被设置于铝层102上，铝层102暴露于掩模104并被显影。铝层102被等离子蚀刻直至氧化层18，抗蚀剂被剥离，整个装置被清理干净。这个步骤提供粘结垫并与喷墨致动件28相互连接。该相互连接是连接于一个NMOS(N沟道金氧半导体)驱动电子管和一个带有在CMOS层(未图示)中制成的连接的电源层。
大约0.5微米的PECVD(等离子体增强化学气相沉积)氮化物设置作为CMOS钝化层20。设置抗蚀剂，并且钝化层20暴露于掩模106并随后被显影。显影后，氮化物被等离子蚀刻到位于墨水流入口42的区域内的铝层102和硅层上。抗蚀剂被剥离，装置被清理干净。
牺牲材料的层108设置在层20上。层108是6微米的光敏聚酰亚胺或大约4微米的高温抗蚀剂。层108被软烘焙，然后暴露于掩模110，并随后被显影。然后由聚酰化亚胺构成的层108在400摄氏度被硬烘焙一小时，或将具有高温抗蚀剂的层108以大于300摄氏度的温度进行烘焙。在图示中，值得注意的是，由收缩引起的聚酰亚胺层108的图形依赖变形在设计掩模110时已经作为考虑因素。
在下一步中，如图8e所示，施加第二牺牲层112。层112可以是旋制的2微米的光敏聚酰亚胺或大约为3微米的高温抗蚀剂。层112被软烘焙并被暴露于掩模114。在暴露于掩模114后，层112被显影。当层112是聚酰亚胺的情况下，层112在400摄氏度被硬烘焙约一小时。当层112是高温抗蚀剂的情况下，以大于300摄氏度硬烘焙约一小时。
随后设置一个0.2微米的多层金属层116。部分层116形成致动件28的被动横梁60。
层116是在大致300摄氏度时喷出1000的氮化钛(TiN)，并随后喷出50的氮化钽(TaN)而形成的。再喷出1000的氮化钛，并随后喷出50的氮化钽和1,000的氮化钛。可使用替代氮化钛的材料有二硼化钛(TiB2)，二硅化钼(MoSi2)或(Ti，Al)N。
然后层116被暴露于掩模118，被显影并被等离子蚀刻到层112上，之后施加用于层116的抗蚀剂被湿剥离，注意不要移动弯曲的层108或112。
第三牺牲层120通过旋制4微米的光敏聚酰亚胺或大约为2.6微米的高温抗蚀剂而施加。层120被软烘焙之后暴露于掩模122。然后，暴露的层经过显影后被硬烘焙。在层120是聚酰亚胺情况下，层120在400摄氏度下硬烘焙约一小时，或层120是高温抗蚀剂的情况下，则大于300摄氏度进行硬烘焙。
第二多层金属层124施加到层120上。层124的组成与层116相同，并以相同的方式施加。可以理解，层116，124均是导电层。
层124暴露于掩模126并随后被显影。将层124等离子蚀刻到聚酰亚胺或抗蚀剂的层120上，之后施加用于层124的抗蚀剂被湿剥离，小心不要移动弯曲的层108，112或120。值到注意的是，层124的剩下部分限定形成致动件28的主动横梁58。
一个第四牺牲层128通过旋制4微米的光敏聚酰亚胺或大约2.6微米的高温抗蚀剂而施加。层128经过软烘焙，暴露于掩模130并随后被显影，从而留下图9k所示的岛状部分。在聚酰亚胺的情况下，层128的剩下部分在400摄氏度硬烘焙约一小时，或者在抗蚀剂的情况下，大于300摄氏度硬烘焙。
如图81所示，设置有一个高杨氏模量的电介质层132。层132由大约为1微米的氮化硅或氧化铝构成。层132在低于牺牲层108，112，120，128的硬烘焙温度下设置。对于电介质层132所要求的主要特性是高弹性系数、化学惰性和对氮化钛的良好粘着性。
第五牺牲层134通过旋制2微米的光敏聚酰亚胺或大约1.3微米的高温抗蚀剂而施加。层134是经由软烘焙，暴露于掩模136并随后被显影。然后，层134的剩下部分在是聚酰亚胺的情况下在400摄氏度硬烘焙一小时，或在是高温抗蚀剂的情况下以大于300摄氏度硬烘焙。
电介质层132被等离子蚀刻到牺牲层128上，注意不要将牺牲层134移动。
这个步骤限定形成了喷嘴组件10的喷嘴开口24、杠杆臂26和锚状物54。
设置一个高杨氏模量的电介质层138。层138通过在低于牺牲层108，112，120和128的硬烘焙温度的温度下设置0.2微米的氮化硅或氮化铝而形成。
然后，如图8p所示，层138被各向异性地等离子蚀刻至0.35微米的厚度。该蚀刻意在清除除了电介质层132和牺牲层134侧壁以外的各个表面的电介质。如上所述，这一步骤形成了围绕喷嘴开口24的喷嘴边缘36，固定墨水成半月形。
施加一个紫外线释放带140。4微米的抗蚀剂旋制在硅晶片16的后部。晶片16暴露于掩模142并对晶片16向后蚀刻以形成墨水流入通道48。然后，从晶片16上剥离抗蚀剂。
在晶片16的后部施加另一个紫外线释放带(图未示)，并将带140移开。牺牲层108，112，120，128和134在等离子氧化中剥去以提供图8r和图9r所示的最终的喷嘴组件10。为了便于参照，这两个图中的标号与图1中相同的标号指代相同的喷嘴组件10的相关部件。图11和图12所示为喷嘴组件10的操作过程，该喷嘴组件10按照上述参照图8和图9的过程制造，这些图和图2至图4相对应。
本领域技术人员可以在不偏离本发明的创作精神或本发明的范围而对本发明具体实施方式做一些修改和/或修饰。因此具体实施方式仅在于揭露本发明而不是限定性的。
Claims (13)
1.一种喷墨打印机的打印头，该打印头包括：
一个基底；
一系列设置在所述基底上、用于将墨水喷射在待打印的介质上的喷嘴；
一个外壳壁，所述外壳壁由所述基底延伸成环绕其中的至少一些喷嘴并容纳其非正确喷射的墨水，从而将该非正确喷射的墨水与该系列中的其他喷嘴中的至少一些喷嘴相隔离，同时允许从所隔离的喷嘴中正确喷射的墨水喷射到待打印的介质上。
2.如权利要求1所述的打印头，其特征在于：该系列中的每一喷嘴都具有各自的外壳壁以使该喷嘴与该系列中所有的其他喷嘴隔离。
3.如权利要求1所述的打印头，其特征在于：所述外壳壁构造为将预定的喷嘴组与该同一系列中的其他喷嘴隔离。
4.如权利要求1所述的打印头，其特征在于：进一步包括一个喷嘴防护装置，该喷嘴防护装置设置在所述基底上、罩盖于喷嘴的外部，所述喷嘴防护装置具有与所述喷嘴对齐的开口，从喷嘴中正确喷射的墨水经该开口通过而喷射到待打印的介质上，所述外壳壁在所述基底和所述喷嘴防护装置之间延伸。
5.如权利要求4所述的打印头，其特征在于：所述喷嘴防护装置覆盖喷嘴的外部，所述开口形成一系列与所述一系列的喷嘴对准的通道，以使所述喷嘴防护装置不会阻挡从每个喷嘴喷射的墨水的正常轨迹，和
所述喷嘴防护装置和所述外壳壁形成一个围绕每个喷嘴的墨水壳腔。
6.如权利要求4所述的打印头，其特征在于：所述喷嘴防护装置由硅制成。
7.如权利要求5所述的打印头，其特征在于：每一个壳腔均具有墨水检测装置，该墨水检测装置在腔内墨水达预定水平时致动并为一容错设备提供反馈以调整该系列中其他喷嘴的工作来补偿被损坏的喷嘴。
8.如权利要求7所述的打印头，其特征在于：所述打印机响应墨水检测装置而停止向被损坏的喷嘴供应墨水。
9.如权利要求5所述的打印头，其特征在于：所述打印头进一步包括用于引导液体流经所述通道的液体流入口，从而阻止外部颗粒在喷嘴系列上聚集。
10.如权利要求4所述的打印头，其特征在于：所述打印头还包括一支撑打印头上的喷嘴防护装置的支撑装置。
11.如权利要求10所述的打印头，其特征在于：所述支撑装置一体制成，包括一对相互间隔且分别设置在喷嘴防护装置每一端的支撑件。
12.如权利要求11所述的打印头，其特征在于：所述液体流入口设置在其中一个支撑件上。
13.如权利要求12所述的打印头，其特征在于：所述液体流入口设置在支撑件远离喷嘴系列的一粘接垫处。
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