CN1299319A - 液滴沉积装置及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

用于液滴沉积装置的单片压电致动器元件部分的极化方法,其中,该元件具有第一(46)和第二部分(48),该方法步骤包括:所述元件的第一部分(46)设置为等电位,并横跨所述第一部分(46)与另一导电层之间的第二部分(48)产生极化电场。

Description

液滴沉积装置及其制造方法
本发明涉及液滴沉积装置，尤其涉及装有压电致动器元件的喷墨打印头，该压电致动器元件具有可同时偏转以喷射液滴的第一和第二部分。
这种打印头已在诸如EP-A-0277703(在此引作参考)中公开：墨水腔至少在一侧上由致动器壁连接，该致动器壁由在它们的公共表面连接在一起、且在致动器壁的平面内的相应相反方向被极化的压电材料的上下部分所构成。当电场垂直于致动器壁相对侧上的电极的极化方向时，上下两部分在墨水腔中剪切方向的变形使液滴从墨水腔经喷嘴喷射。这种致动器壁结构根据在驱动电场时由作为整体的致动器壁所构成的形状而被称作“V形结构”(chevron)。
到目前为止，制作V形打印头的技术已变得十分复杂，它既要使特定的压电叠层形成最大深度的墨水通道(如WO92/09436)、又要对两个由半高墨水通道形成的压电片进行复杂的对准(如前述EP-A-0277703)。另外，这种已知的V形打印头还具有不连续形式的粘结剂和/或负温度系数层。
本发明的目的是避免制作的复杂化和已知V形结构的结构不连续性。
因此，本发明包括极化用于液滴沉积装置的单片压电致动器元件部分的方法，具有第一和第二部分的元件，该方法包括步骤如下：
将元件的第一部分设置在等电位，并横跨所述第一部分与附加导电层之间的第二部分产生极化电场。
这种方法使单片压电元件的一部分承受极化电场，而同一元件的另一部分通过保持在等电位、即通过至少以局部法拉第筒的方式有效防止该部分经受电场的导电层的局部封闭而避免被再极化。在开始时在一个方向完全极化的致动元件的特定情况下，可以在相反的方向对元件部分再极化、而制成具有V形极化图案的致动器。单片即一片、整体、单质、均匀的致动器结构避免了上述已知结构的缺点。
本发明的另一方面涉及液滴沉积装置中所用的相应部件，该部件包括形成有多个平行的顶开式通道的压电材料的单质片、多个通道沿垂直于通道长度的矩阵方向相互隔开，每个通道由相对的侧壁和在侧壁之间伸展的底表面限定；
至少一个所述的侧壁具有远离相应底表面的第一部分和邻接所述相应底表面的第二部分，所述第二部分沿垂直于通道长度和矩阵方向的方向被极化，所述第一部分或不被极化、或沿非所述第一方向的方向被极化。
这种部件具有根据两种不同方式极化的侧壁、并仍旧保持具有相应强度的同形质结构和易于制作。
本发明进一步的优选实施例将在说明书和相关的权利要求书中描述。
下面结合附图示例性地描述本发明，附图中：
图1-3是垂直于墨水通道轴线所作的剖视图，表示实施本发明第一实施例中的常规制作步骤；
图4和5是表示施加本发明极化电场的剖视图；
图6(a)表示带有致动电极的、完工后的致动器；
图6(b)表示致动的通道壁的位移；
图7和8是沿本发明第二实施例的被极化的打印头的墨水通道轴线所作的剖视图；
图9-11是表示本发明第三实施例的打印头极化的剖视图；
图12是本发明另一个打印头结构的剖视图。
图1是本发明方法起始点的剖视图，即压电材料(例如，锆钛酸铅，PZT)的单片、单质、均匀片10设置在如箭头12所指的其厚度方向上，并带有位于一个表面16上的遮蔽材料的薄层14。
参看图2的剖视图，多个顶开式通道20形成在片10的表面16上，从而限定了压电材料的单质通道壁24、相对的侧壁表面25和在侧壁表面之间伸展的底表面26。合成的平行通道阵列沿垂直于通道纵向轴的方向伸展。
如图3所示，每个壁24具有例如铝、镍或金等形成在其上部46的电极30，电极30以电连续的方式向下伸展到侧壁25的一半、并盖住遮蔽层16，从而包围每个壁的上部46。电极30也可以沉积在未形成通道区域中的压电片10的表面16上的遮蔽材料14上。上述的各种结构已在例如EP-A-0364136、EP-A-0309148和EP-A-0397441的已有技术中公开，所有这些文件在此引作参考。
参看图4，电位差V施加在每个电极30和片10与表面16相对侧上的表面40之间，从而产生一个电场，该电场与初始的片极化方向12异号、平行于侧壁25且垂直于通道纵向轴(在图4中，该纵向轴伸出纸页)。在所示的实施例中，该电场是借助横跨电极30的上导电件42和压靠下表面40的下导电件44施加的。元件44本身可以是在形成通道之前或在沉积电极30的过程中施加到该片的导电涂层。另一方面，元件42和44还可以是例如填银橡胶的导电弹性材料，以便能容纳压电材料在受到成极电场作用时所产生的变形。不使用上导电件42时，成极电压V可以施加到片表面中未形成通道的上述区域(该区域与在通道壁上部形成的电极30电连接)上的电极材料30上。
电场强度在整个截面内变化：在远离通道底表面26、且被电极30局部封闭的上壁部46中，没有因覆盖该壁的电极30的整体作用所产生的显著电场，因此上壁部分46本身处于等电位。电极30也可被看作保护由电场所围绕的上壁部分46的局部法拉第筒。其结果，上壁部分的极化状态并不从原始片的状态(箭头12所示)改变。尽管电极30伸展覆盖在位于每个通道壁24顶部的遮蔽层16，但可以看出，如果上壁部分46被只位于通道壁侧25、并有效夹住压电材料的电极包围，则将得到相似的效果。
现在来看邻近通道底表面26的下壁部分48，在电极30的下端与片10下表面40之间建立一个电场。在下壁部分48与处在通道底表面26和片下表面40之间的基底部分50之间存在明显的几何形状差别，该差别使下壁部分48的场强Ew依次地明显高于基底部分的场强Eb。
适当选择电位差V的值，可在下壁部分48中建立一个场强值Ew，该场强值足以改变压电材料的极化方向，即改变为与上壁部分46极化的方向12相反的、图4中箭头52所指的方向，从而实现单质、均匀压电材料的单片壁结构，该结构进一步在“V形”结构中被极化。
但是，基底部分50中产生的场强Eb低到(在通道和通道壁具有相同宽度时，约0.5Ew)难以反转基底中压电材料的极化方向12。这是其本身的优点：如在上述的EP-A-0364136中所述，在致动器中，基底部分和邻接壁在同一方向极化，边缘电场可使基底产生变形，该变形抵抗壁的移动，因此减小了墨水通道中产生的压力和墨水滴的喷射速度。相反，以与图4中下壁部分相反的方向被极化的基底部分将以加强该壁的移动所产生的压力的方式工作。
通过选择充分振幅的电位差V、即不但Ew而且Eb也具有足够强的使壁和片的基底部分的极化方向分别反转的振幅，则可以反转基底部分50的极化方向。
另外，可利用图5中的结构对片的基底部分再极化，在图5中，可利用在它们的初始沉积中所用的同一“遮蔽镀敷”处理使电极30向下伸展到通道的底表面、从而封闭上、下壁部分46、48。这种电极在图5中示为30′。可使用诸如无电沉积或喷镀的类似常规技术来施加不但向下伸展、而且还横跨通道底表面26的导电层。将用于在平行于上、下壁部分46、48的极化方向的所需方向上极化该基底的电位差施加到每个伸展的电极30′与片10的下表面40之间，以便产生足以在基底部分沿所需方向54成极的电场。如根据图4所述的，伸展的电极30′还可确保被封闭的上、下壁部分46、48不发生再极化。显然，也可利用这后一技术以正确的电场方向对在前面的处理步骤中极化受损的基底部分、以初始方向12进行再极化。
显然，无论在任何再极化步骤中是否使用了相同的电极，对于致动器壁的动作均需要伸展覆盖在上、下壁部分侧壁表面的电极。不过为了实现这一点，相邻通道中的电极首先必须相互电隔离。在图4和图5实施例的共同的最后步骤中，利用例如已有技术中所知的溶剂将沉积在任何电极材料上的遮蔽层16从通道壁的顶部除去，从而使壁顶部空出、同时相邻通道中的电极彼此电隔离，如图6(a)所示。应在片10的下表面40施加导电涂层以形成电极，如果需要也可以将该电极除去。
例如WO95/07820(在本文中引作参考)所述，每个通道的电极可连接到相应的驱动电路。图6(b)放大地示出了当相应正负电压(图中为示意地表示，实际电压经各通道端的连接线施加，如图7所示)施加到通道20的电极30′的两侧壁时、通道壁出现的偏移。得到的电场垂直于上、下壁部分46、48的极化方向，使得两个壁部分同时在相反方向切变，该壁作为整体垂直于极化方向偏移、并形成前述的V形。根据这些原理的液滴喷射在已有技术中是已知的，例如、许多平行的致动器壁的结构(如EP-A-0278590所述，该专利在此引作参考)限定平行的墨水通道矩阵，平行墨水通道沿垂直于通道长度的阵列方向伸展。通过驱动通道两侧的壁、同时使致动器壁沿相反方向位移而产生墨水喷射，从而使液滴从位于致动器两侧的通道喷射，即所谓“共同壁”操作。
图7是沿设置有根据本发明形成电极的通道压电组件10的打印头的纵向通道轴(由虚线65所示)所作的剖视图。如已有技术所知，具有墨水供给口62的盖件60设置有壁24的顶部，于是封闭了所有平行于纵向通道轴、且覆盖由L表示的所谓“有效”长度侧面上的通道。形成在喷嘴板66上的喷嘴64设置在通道一端，而由C表示的另一端从通道电极30连接(如通过电线连接68)到驱动电路(未示出)。
为了与墨水供给口62沟通，在通道的那些“非有效”区(R和N)中至少在一侧打开，在任何涂镀之前、给通道壁施加低介电层，以减小整个打印头的电容。这种结构记载于WO97/39897中，该专利在此引作参考。结果，本发明随后沉积的任何导电层在通道中的这些区域既不对极化起作用也不能致动。
其它的在通道非有效区中用于减小电容的方法包括利用低介电材料形成通道壁(如US5619235中所述)，和减小通道电极对于来自相对通道有效长度L中最大深度通道电极的打印头后面(区C)的驱动电路连接线68的电信号传导所需的最小面积，如前述WO97/39897中所述。
图8表示用于对图7中那种通道压电组件进行再极化的结构。尽管再极化只需在通道有效部分进行，但利用沿打印头长度(和壳体中片的长度，如WO95/18717中所述，其中若干通道组件形成在单个片中)伸展的上、下导电件42、44已获得了最佳再极化效果。
在典型的打印头中，墨水液体通道可具有大约1mm的有效长度(L)、8.5mm的全通道长度(L+N+R)、75μm的通道宽度、65μm通道壁宽度、和300μm的通道壁高度。并且发现，当用摩托罗拉的HD3203预极化压电材料制作打印头时，反转这种打印头的下壁部分48中的极化方向的电位差V约为1000V。在这种材料中已证实，在预极化方向开始改变之前需要的电场强度至少是1.2V/μm(所谓的矫顽磁场强度)，同时需要约1.7V/μm以在预极化初始水平的约90％的水平实现持久地再极化。在基底部分50(在600μm范围内，它的厚度等于两倍的通道高度)中的相应电场强度是0.75V/μm，因此不足以实现持久的再极化。
显然，在横跨厚度较小的通道压电片10而施加高量值的成极电压V时必须使用非导电气体、以防止电弧。已发现Fluorinert(杜邦的商标)在这方面特别有效，不过应注意，在任何前面或后续的电极沉积步骤中在同一腔中应适当地进行真空下的极化、以减少制作时间。
图9和10表示分别平行和垂直于通道轴线所作的压电致动壁的极化部分另一结构的剖视图。与图4的结构不同，所设置的电极70部分地覆盖在与通道底表面26邻接的下壁48的两侧。用上述普通的‘遮蔽涂覆’电极沉积方法很难制作这种结构，尽管可用这种方法沿上、下壁部分46、48的壁表面沉积电极材料，并随后用激光、喷砂或类似方法除去上壁部分46表面的涂层。
根据本发明的优选方法，给所有的通道表面施加一个导电材料的初始的薄“种子”层，接着借助例如激光或喷砂法从通道壁上不需要电极的那些区域除去种子层，最后用无电涂覆技术在保留种子层的那些区域沉积较厚的电极层。选择用于种子层的材料，以便对压电材料进行良好的粘接，并以诸如喷射方式进行沉积，以使每个通道的整个表面被涂覆。在本实施例中，所选择的种子材料与电极本身使用的材料相同、即该材料是铝。
如图11所示，随后将极化电压V施加在电极70与分别位于通道壁最上表面72和基底部分50下表面40上的导电件74、76之间。极化方向的反转形成在78和80，而被电极70封闭的壁48的下部分不受影响。显然，在图11的结构中，与图4中处在上表面的电极30不同的位于片中间的电极70使远离通道底表面的上壁部分46中、和基底50部分中具有较大的极化电场密度。因而可减小所用的极化电压，同时也可减小所需的电源尺寸和必须的防弧结构等。
最后的沉积步骤将电极覆盖每个通道壁的整个深度，所以可使致动器壁以V形模式操作。
本发明特别适用于如EP-A-0600748所述的、利用模制形成的通道压电片，EP-A-0600748在此引作参考。但是，与上述可从市场上得到的预极化片材料不同，这种组件要求在应用上述成形技术之前沿其厚度的单方向极化、并给壁的顶部施加遮蔽层。
可以理解，以上仅对本发明作了示例性的说明，在不脱离本发明范围的前提下可以作出许多改进变化。例如，通道可以是形成在压电材料片的一个侧面以上，在片中的有效通道可由无效(所谓“虚设”)通道代替，和液滴喷嘴不处在通道端部而位于通道端部中间(所谓“侧喷射器”结构)。
图12是沿装有形成在喷嘴板93中的两行喷嘴90和92的“侧喷射器”打印头的通道轴线所作的剖视图。这种结构在未结案的PCT申请GB98/03050(该文件在此引作)中记载，值得注意的是，该结构的两行喷嘴经形成在单个通道20基底中的相应行的开口94、96供墨。在所示的实例中，通过锯切、在压电片10中形成平行通道阵列，选择相对打印头的基底运动方向(由箭头98所示)的相对纵向通道轴的角度、以使从第一行喷嘴90喷射的液滴在基底上与从第二行喷嘴92喷射的液滴交错，从而使已有技术中打印分辨率加倍。在任何给定通道中的两个喷嘴也在基底运动方向98上相对位于给定通道两侧的通道中的两个喷嘴而偏移，以便补偿通常用于“共同壁”打印头的三周期发射程序导致的喷墨时间延迟。这种程序和相关的喷嘴偏移已在例如EP-A-0376532中公开，所以本文不作更详细的说明。
除了间断100将电极分割成供给喷嘴90的通道半102和供给喷嘴92的通道半104、因而可使两个通道半独立操作之外，图12的通道结构与前述的结构相同。每个通道半中的电极将相应的通道端106、108延伸到片边缘110、112，片边缘110、112以集成电路(IC)的典型方式连接到驱动器电路114、116。这种IC通常设有许多(例如66个)相邻通道、并可连接到驱动打印头中其它通道组的ICs(在具有500个通道的打印头中需要8个ICs)，以便通过所知的已有技术将数据级联。
上述打印头的特定优点是它能在“多脉冲灰度”模式操作。如EP-A-0422870所述，这包括在短时间周期内从单个通道发射变化数量的墨水滴(称作“分组”)，以便在射程中合并和/或在基底上形成相应的变化尺寸的打印点。显然，使用变化尺寸打印点可明显提高固定点尺寸打印的图像质量(所谓“二进制”打印)。
这种方案的缺点是相应地增加了送入每个通道的数据量。例如，使用具有360点/英寸喷嘴间距的打印头、以每组15个液滴喷射指令打印照片质量的图像时需要在4比特中表示16个数据电平(15个点尺寸加零)。所以特别是在具有大量喷嘴(在具有12英寸宽的360dpi打印头中可超过4600)或液滴组发射速度很高(通常为10kHz)的情况下，必须进行测量以确保充分的数据流。在已有技术中已知，这种测量可包括级联在一起的ICs数量的减少、和驱动每个级联ICs组所需的输入数据数量的相应增加。
多脉冲“组群”中的每个液滴只需要“二进制”打印头所发射的相应单个液滴体积的一部分。这可以借助已有技术所知减小有效通道长度和较小直径的喷嘴的综合作用来实现，利用形成在支架124上的进口管道118和出口管道120、122的结构可以在图12的打印头中抵消较小喷嘴堵塞的风险，以确保通过喷嘴的墨水的所谓的恒定流动。
本发明不限于“V形”结构，它可以(例如)是一个需由压电材料片驱动，该压电材料片在非厚度方向不被极化或被极化，其中，用本发明形成一个上壁部分，该上壁部分相似地在非厚度方向上不极化或极化。

Claims (24)

1．液滴沉积装置中所用的单片压电致动器元件部分的极化方法，该元件具有第一和第二部分，该方法的步骤包括：
将所述元件的第一部分设置为等电位，和
在横跨所述第一部分与另一导电层之间的第二部分产生极化电场。
2．如权利要求1的方法，其特征在于，将所述元件的第一部分设置为等电位的步骤包括第一导电层的位置，以便部分地封闭该第一部分。
3．如前述任一权利要求的方法，其特征在于，所述元件的第一部分被极化。
4．如权利要求3的方法，还包括步骤：以与元件的第一部分的极化方向相反的方向、产生横跨第二部分的极化电场。
5．如前述任一权利要求的方法，其特征在于，沿垂直于所述部分可被偏移方向的方向极化该元件的第一部分、以便从所述液滴沉积装置喷射液滴。
6．如前述任一权利要求的方法，其特征在于，压电致动器元件被限定在由压电材料的单质片形成的两个通道之间，每个通道由相对的侧壁表面和在侧壁表面之间伸展的底表面所限定。
7．如权利要求6的方法，其特征在于，至少两个通道中的一个通道适宜容纳液滴液体。
8．如权利要求6的的方法，还包括沿着平行于所述相对侧壁表面和垂直于通道纵向轴线的方向产生极化电场。
9．如权利要求6-8中任一个权利要求的方法，其特征在于，所述的第一和第二部分分别远离和邻近相应通道的底表面。
10．如权利要求6-8中任一个权利要求的方法，其特征在于，所述的第一和第二部分分别邻近和远离相应通道的底表面。
11．如权利要求6-10中任一个权利要求的方法，其特征在于，所述两个通道中的至少一个通道形成在所述片的第一表面，该片的另一部分位于所述两个通道的至少一个通道的底表面和与所述第一表面相对的片表面之间。
12．如权利要求11的方法，其特征在于，所述的另一部分沿平行于所述第一部分的极化方向被极化。
13．如权利要求11的方法，还包括步骤：设置第二导电层、以便部分封闭所述的第一和第二部分，并横跨第二导电层与所述另一导电层之间的该另一部分产生极化电场。
14．如前述任一权利要求的方法，还包括步骤：在所述第一和第二部分上设置致动电极，以便能同时偏移两个部分。
15．如权利要求14的方法，还包括步骤：设置所述的致动电极，以便沿垂直于所述第二部分极化方向的方向施加电场。
16．如权利要求15从属于权利要求6-13中的任一个权利要求时的方法，还包括步骤：在相应的通道相对侧表面上设置所述的致动电极。
17．用于液滴沉积装置的元件，包括：
带有多个平行的顶开式通道的压电材料单质片，多个平行的顶开式通道沿垂直于通道长度的阵列方向彼此隔开，每个通道由相对的侧壁和在侧壁之间伸展的底表面限定；
至少一个所述侧壁具有远离相应底表面的第一部分和邻近所述相应底表面的第二部分，所述第二部分沿着垂直于通道和阵列两个长度方向的方向被极化，所述第一部分沿着非所述第一方向的一方向不极化或被极化。
18．如权利要求17的元件，其特征在于，所述第一和第二部分沿着垂直于通道长度和垂直于阵列方向的两相反方向被极化。
19．如权利要求17或18的元件，其特征在于，所述两个通道中的至少一个通道形成在所述片的第一表面，该片的另一部分位于所述两个通道的至少一个通道的底表面和与所述第一表面相对的片表面之间。
20．如权利要求19的元件，其特征在于，所述的另一部分沿平行于所述第一部分的极化方向被极化。
21．如权利要求20的元件，其特征在于，所述另一部分沿与所述第一部分相反的方向被极化。
22．如权利要求17-21任一个权利要求的元件，其特征在于，致动电极设置在所述第一和第二部分上，以便能同时偏移两个部分。
23．如权利要求22的元件，其特征在于，设置所述的致动电极，以便沿垂直于所述第二部分极化方向的方向施加电场。
24．如权利要求22或23的元件，其特征在于，所述致动电极设置在相应的通道相对侧壁上。
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