CN1306904A - 气泡驱动弹性薄膜的喷墨印刷头 - Google Patents

Abstract

一种气泡驱动弹性薄膜的喷墨印刷头,包括介电层基底、加热层、散热层、喷嘴平板及弹性薄膜。加热层置于介电层基底上,具有电阻以将电能转变为热能。散热层置于加热层上,具有绝缘性及导热性。喷嘴平板置于散热层上方,具有一喷嘴。在散热层中对应于电阻上方的区域为工作液体室,其内填充工作液体,喷嘴平板中为墨水室,其内填充墨水。弹性薄膜置于散热层与喷嘴平板之间,以对其分隔,还依次包括置于散热层上的聚合物黏附层、屏障金属层、及保护层。

Description

气泡驱动弹性薄膜的喷墨印刷头

本发明涉及一种喷墨印刷头，尤其关于一种气泡驱动弹性薄膜的喷墨印刷头。

图1为一通用的气泡驱动式的喷墨印刷头示意图。参见图1，通用的气泡驱动式的喷墨印刷头包括：一个基底1；一个加热层2，设置于基底1上，具有一个电阻3；一个介电层4，设置于基底1上；一个喷嘴平板5，设置于介电层4上，中间形成有一个喷嘴6，以及一个墨水室7，设置于介电层4的中部，位于加热层2和喷嘴平板5之间，其间填充有墨水，并以一个墨水通道8和外部的墨水匣相连通。

当对电阻3施加一个电压脉冲时，电阻3会产生热，使得电阻3附近的墨水汽化，而在墨水室7中产生气泡。由于气泡的产生使墨水室7中的压力增大，导致墨水从喷嘴6喷出。之后，当电压脉冲消失时，气泡会跟着消失。因此，经由控制输入电阻3的电压脉冲，可以反复地进行喷出墨水的动作。

该通用的气泡驱动式的喷墨印刷头的缺点，为必须直接对墨水加热使其汽化，因此必须选用具有热安定性、低导电度及低化学活性的特殊成份墨水。此外，当气泡在电阻附近生成和消失时，会对电阻产生相当大的冲击力，加上墨水本身的成份就会对电阻造成损伤，使得电阻的寿命大幅地降低。此外，由于气泡的产生与消失和墨水的温度有关，因此当电阻加热墨水之后，必须要能很快地散热，以加快喷墨头的工作频率。此外，墨水可能在喷出后残留于喷嘴平板的外侧，因而降低排印的质量。

美国专利第4,480,259号揭露了一种气泡驱动弹性薄膜的喷墨印刷头。参照图2，该喷墨印刷头包括：一个基底11；一个加热层12，其设置于基板11上，具有一个电阻13；一个弹性薄膜14，其设置于加热元件12上，并与加热元件12之间形成一个工作液体室15以填充工作液体；一个介电层16，设置于弹性薄膜14上，中间形成有一个墨水室17；以及一个喷嘴平板18，设置于介电层16上，中间形成有一个喷嘴19。

当对电阻13施加一个电压脉冲时，电阻13会产生热，使得电阻13附近的工作液体汽化，而在工作液体室15中产生气泡。由于气泡的产生使工作液体室15中的压力增大，导致弹性薄膜14向外变形，借此传导一个压力波至墨水室17中的墨水，使墨水从喷嘴19喷出。之后，当电压脉冲消失时，气泡会跟着消失。如此，经由控制输入电阻13的电压脉冲，可以反复地进行喷出墨水的动作。

该现有技术的气泡驱动弹性薄膜的喷墨印刷头主要的特点，是不需直接对墨水加热，而是对一个选定的工作液体加热，如此，可使用传统的墨水，以及对电阻不会造成损伤的工作液体。但是该发明并未解决其它的问题，包括散热的问题，以及墨水于喷嘴平板外残留的问题。此外，各工作液体室之间是由通道彼此相连接，而形成一个密封的工作液体通道系统，当一个工作液体室中的工作液体产生气泡时，由于工作液体具有不可压缩性，其压力波有可能会传导到其它的工作液体室，造成错误的喷墨动作。此外，薄膜本身的材料对于加压的汽化工作液体未具有不渗透性，且其强度不足以承受高频率的喷墨动作。

本发明的目的，为提出一种气泡驱动弹性薄膜的喷墨印刷头，其弹性薄膜的强度足以承受高频率的喷墨动作，且对于高热汽化的工作液体具有不渗透性。

本发明的另一目的，为提出一种气泡驱动弹性薄膜的喷墨印刷头，其具有良好的散热效果，可加快工作频率且提高排印质量。

本发明的另一目的，为提出一种气泡驱动弹性薄膜的喷墨印刷头，其墨水喷出后不会残留于喷墨印刷头的外侧，借以提高排印质量。

本发明的另一目的，为提出一种气泡驱动弹性薄膜的喷墨印刷头，其排印时，工作液体室的压力波不会传达到其它相连通的工作液体室，借此提高排印质量，不会因工作液体压力波的传递而造成错误的排印动作。

为达到上述目的，本发明的气泡驱动弹性薄膜的喷墨印刷头包括：一个介电层基底；一个加热层，设置于介电层基底上，具有一个电阻以将电能转变为热能；一个散热层，设置于加热层上；一个工作液体室，位于散热层中，对应于电阻上方的区域，其内部填充有工作液体；一个喷嘴平板，设置于散热层上方，具有一个喷嘴，且接触外界的表面为外表面；一个墨水室，设置于喷嘴平板中，其内部填充有墨水，该墨水室周边的表面为喷嘴平板的内表面；以及一个弹性薄膜，设置于散热层与喷嘴平板之间，用以分隔工作液体室与墨水室。当对加热层的电阻施加一个电压脉冲时，电阻会产生热，使得电阻附近的工作液体汽化，而在工作液体室中产生气泡。由于气泡的产生使工作液体室中的压力增大，导致弹性薄膜向外变形，借此传导一个压力波至墨水室中的墨水，使墨水从喷嘴喷出。之后，当电压脉冲消失时，气泡会跟着消失。如此，经由控制输入电阻的电压脉冲，可以反复地进行喷出墨水的动作。

根据本发明的实施方式，弹性薄膜为一个叠层结构，其强度足以承受高频率的喷墨动作，且对于高热汽化的工作液体具有不渗透性。

根据本发明的实施方式，工作液体室周边的散热层具有良好的散热效果，可加快工作频率且提高排印质量。

根据本发明的实施方式，喷嘴平板的内表面具有一个湿润层，使墨水对喷嘴平板的内表面具有良好的湿润性，且喷嘴平板的外表面具有一个抗湿层，使墨水对喷嘴平板的外表面具有不良的湿润性。如此，墨水喷出后不会残留于喷墨印刷头的外侧，借以提高排印质量。

根据本发明的实施方式，其工作液体具有良好的液阻值特性，因此排印时，工作液体室的压力波不会传达到其它相连通的工作液体室，而造成错误的排印动作。

图1为一示意图，显示现有技术的气泡驱动式的喷墨印刷头。

图2为一示意图，显示现有技术的气泡驱动弹性薄膜的喷墨印刷头。

图3为一示意图，显示根据本发明较佳实施例的气泡驱动弹性薄膜的喷墨印刷头。

图4为一示意图，显示根据本发明较佳实施例的气泡驱动弹性薄膜的喷墨印刷头中散热层的结构。

图5为一示意图，显示根据本发明较佳实施例的气泡驱动弹性薄膜的喷墨印刷头中喷嘴平板的结构。

图6为一示意图，显示根据本发明较佳实施例的气泡驱动弹性薄膜的喷墨印刷头中弹性薄膜的结构。

图7为一示意图，显示根据本发明较佳实施例的气泡驱动弹性薄膜的喷墨印刷头中，工作液体通道系统的结构。

附图符号：

1～基底

2～加热层

3～电阻

4～介电层

5～喷嘴平板

6～喷嘴

7～墨水室

8～墨水通道

11～基底

12～加热元件

13～电阻

14～弹性薄膜

15～工作液体室

16～介电层

17～墨水室

18～喷嘴平板

19～喷嘴

21～基底

22～加热层

23～电阻

24～散热层

241～多晶矽介电层

242～铬层

243～黄铜层

244～铬层

245～多晶矽介电层

25～工作液体室

26～喷嘴平板

27～喷嘴

28-墨水室

29～弹性薄膜

291～聚合物黏附层

292～屏障金属层

293～保护层

30～工作液体通道

31～墨水通道

以下将参照相关附图，说明根据本发明较佳实施例的气泡驱动弹性薄膜的喷墨印刷头。

图3为一示意图，显示根据本发明较佳实施例的气泡驱动弹性薄膜的喷墨印刷头单元，包括：一个介电层基底21；一个加热层22，设置于介电层基底21上，具有一个电阻23以将电能转变为热能；一个散热层24，设置于加热层22上；一个工作液体室25，位於散热层24中，对应于电阻23上方的区域，其内部填充有工作液体；一个喷嘴平板26，设置于散热层24上方，具有一个喷嘴27，且接触外界的表面为外表面；一个墨水室28，设置于喷嘴平板26中，其内部填充有墨水，墨水室28周边的表面为该喷嘴平板26的内表面；以及一个弹性薄膜29，设置于散热层24与喷嘴平板26之间，用以分隔工作液体室25与墨水室28。

当对电阻23施加一个电压脉冲时，电阻23会产生热，使得电阻23附近的工作液体在数微秒内瞬间汽化，而在工作液体室25中产生工作液体的气泡。由于气泡的产生，使工作液体室25中的压力增大，导致弹性薄膜29向外变形，借此传导一个压力波至墨水室28中的墨水，使墨水从喷嘴27喷出。之后，当电压脉衡消失时，气泡会跟着消失。因此，经由控制输入电阻23的电压脉衡，可以反复地进行喷出墨水的动作。

加热层22可由铝等具有导电性质的材料构成，厚度可约为1.5至2微米，其功能为对电阻23施加电压脉衡。电阻23则可由多晶矽构成，厚度可约为0.6微米，电阻值可约为25至35欧姆。

各工作液体室25具有一个工作液体通道30，其与其它印刷头单元的工作液体室25相连通，因此，各印刷头单元的工作液体室和工作液体通道系形成一个封闭的工作液体通道系统。工作液体在高温下应具有稳定性，并具有适当的物理性质，以维持喷墨头的正常运作，例如，在本实施例中，工作液体在摄氏300至350度时仍具有稳定性，不会分解或改变其化学结构，且电阻值大于108欧姆；在承受21伏特以下的电压时，工作液体不应有解离情况发生；工作液体的沸点，在正常压力下应为摄氏100至150度，在饱和压力下则为250至350度。由上所述，工作液体可以使用混合液体，混合液体中的其中一种液体具有摄氏90至110度的沸点及高饱和蒸汽压，另一种则沸点较高，且具有良好的导热性。综上所述，工作液体可选用如二甲笨、甲苯、庚莞、乙二醇和乙醇等。

各墨水室28具有一个墨水通道31，其与外部的墨水匣相连通，以对墨水室28供应墨水。

图4为一示意图，显示散热层24的结构。散热层24可由多种金属构成，例如，在本实施例中，散热层24系由一个多晶矽介电层241、一个铬层242、一个黄铜层243、一个铬层244、以及一个多晶矽介电层245所构成，其中铬层242兼有黏接的作用，铬层244则兼有黏接和保护的作用。各金属层242、243及244的厚度总合应为散热层24总厚度的二分之一以上，亦即工作液体室25高度的二分之一以上，以达到良好的散热效果，提高喷墨时的工作效率。

图5为一示意图，显示喷嘴平板26的结构，在其外表面具有抗湿层，且内表面具有湿润层，以使墨水喷出后不会残留于喷墨印刷头的外侧，提高排印质量。例如在本实施例中，喷嘴平板26可由镍构成。在喷嘴平板26的内表面，即墨水室28的周边区域，覆盖一层厚度约2至3微米的湿润层，以增加对墨水的湿润性，该湿润层可由聚醯亚胺构成。而喷嘴平板26的外表面，则覆盖一层厚度约2至3微米的抗湿层，以增加对墨水的抗湿性，该抗湿层可由聚四氟乙烯构成。

图6为一示意图，显示弹性薄膜29的结构，包括一个聚合物黏附层291、一个屏障金属292、以及一个保护层293。聚合物黏附层291和保护层293可由聚醯亚胺构成，用以在喷墨头结构中黏附弹性薄膜29，以及保护其中的屏障金属层292。屏障金属层292则可由铬构成，其强度足以承受高频率的喷墨动作，且可阻挡气态的工作液体渗透过弹性薄膜29。图7为一示意图，显示各喷墨印刷头单元之间，工作液体室25与工作液体通道30之间的连接关系。各喷墨头印刷头单元的工作液体室25与工作液体通道30互相连接，形成一个密封之工作液体通道系统。工作液体通道的液阻值Rr可由下列公式得出： $\mathrm{Rr}=\mathrm{\η}\×\frac{l}{h\×b}+K$

其中1为工作液体通道30长度，h为工作液体通道30截面的高度，b为工作液体通道30截面的宽度，K为一个系数，取决于工作液体通道30的弯曲数目及弯曲程度，若工作液体通道30的弯曲数目越多，则K值就越大，η则为一个系数，其单位为长度，且取决于工作液体的黏滞度及工作液体对加热层22的湿润性，其可由下列公式求得： $\mathrm{\η}=\frac{b}{h}\×\frac{64\mathrm{\ν}}{V}$

其中ν为工作液体的黏度，V则为工作液体的流动速度，b和h则与上述相同，为工作液体通道30截面的宽度与高度。

若根据工作液体的性质来设计工作液体通道30，使工作液体在工作液体通道30中的液阻值Rr大于2，则在一个喷墨印刷头的工作液体室25中因工作液体汽化而产生的压力波，较不会经由密封的工作液体通道系统传到邻近喷墨印刷头的工作液体室25，因此可以避免错误的排印动作。

然而，在经由本发明的发明人所作的实验，若根据工作液体通道30的弯曲情形，将系数K设定为6左右，并根据工作液体的流速与黏度，设计工作液体通道30的系数η设定在0.0001至0.01之间，则可更确保避免错误排印动作的效果。所以，建议将工作液体通道30的几何形状依上述的数值设计。

以上所述为本发明较佳实施例。然而，上述内容应仅为举例性而不应为限制性。任何不超出本发明的精神而进行的等效改变及修改，均应包含于下述的申请专利范围中。

Claims (18)

1．一种气泡驱动弹性薄膜的喷墨印刷头单元，包括：

一个介电层基底；

一个加热层，设置于该介电层基底上，具有一个电阻以将电能转变为热能；

一个散热层，设置于该加热层上；

一个工作液体室，位于该散热层中，对应于该电阻上方的区域，其内部填充有工作液体；

一个喷嘴平板，设置于该散热层上方，具有一个喷嘴，且接触外界的表面为外表面；

一个墨水室，设置于该喷嘴平板中，其内部填充有墨水，该墨水室周边的表面为该喷嘴平板的内表面；以及一个弹性薄膜，设置于该散热层与该喷嘴平板之间，用以分隔该工作液体室与该墨水室，且该弹性薄膜包括一个设置于该散热层上的聚合物黏附层、一个设置于该聚合物黏附层上的屏障金属层、以及设置于该屏障金属层上的一个保护层。

2．根据权利要求1所述的气泡驱动弹性薄膜的喷墨印刷头单元，其特征在于：

该介电层基底包括一个矽基底。

3．根据权利要求1所述的气泡驱动弹性薄膜的喷墨印刷头单元，其特征在于：

该加热层包括铝。

4．根据权利要求1所述的气泡驱动弹性薄膜的喷墨印刷头单元，其特征在于：

该电阻包括多晶矽。

5．根据权利要求1所述的气泡驱动弹性薄膜的喷墨印刷头单元，其特征在于：

该散热层依序包括一个多晶矽层、一个金属层和一个多晶矽层。

6．根据权利要求5所述的气泡驱动弹性薄膜的喷墨印刷头单元，其特征在于：

该金属层依序包括一个铬层、一个黄铜层以及一个铬层。

7．根据权利要求5所述的气泡驱动弹性薄膜的喷墨印刷头单元，其特征在于：

该金属层的厚度大于该工作液体室高度的一半。

8．根据权利要求1所述的气泡驱动弹性薄膜的喷墨印刷头单元，其特征在于：

该工作液体包括至少一个由二甲苯、甲苯、庚烷、乙二醇和乙醇构成的群组所选出的物质。

9．根据权利要求1所述的气泡驱动弹性薄膜的喷墨印刷头单元，其特征在于：

该喷嘴平板包括镍。

10．根据权利要求1所述的气泡驱动弹性薄膜的喷墨印刷头单元，它还包括：

一个湿润层，设置于该喷嘴平板的该内表面，使该墨水对该喷嘴平板的该内表面具有良好的湿润性；以及

一个抗湿层，设置于该喷嘴平板的该外表面，使该墨水对该喷嘴平板的该外表面具有不良的湿润性。

11．根据权利要求10所述的气泡驱动弹性薄膜的喷墨印刷头单元，其特征在于：

该湿润层包括一个聚醯亚胺层。

12．根据权利要求10所述的气泡驱动弹性薄膜的喷墨印刷头单元，其特征在于：

该抗湿层包括一个聚四氟乙烯层。

13．根据权利要求1所述的气泡驱动弹性薄膜的喷墨印刷头单元，其特征在于：

该聚合物黏附层包括一个聚醯亚胺层。

14．根据权利要求1所述的气泡驱动弹性薄膜的喷墨印刷头单元，其特征在于：

该屏障金属层包括一个铬层。

15．根据权利要求1所述的气泡驱动弹性薄膜的喷墨印刷头单元，其特征在于：

该保护层包括一个聚醯亚胺层。

16．一种气泡驱动弹性薄膜的喷墨印刷头，其包括多个根据权利要求1所述的气泡驱动弹性薄膜的喷墨印刷头单元，以及

一个工作液体通道系统，设置于该散热层中，并连通到各气泡驱动弹性薄膜的喷墨印刷头单元的工作液体室，其中各该工作液体通道的几何形状设计系满足下列关系： $\mathrm{\η}\×\frac{l}{h\×b}+K>2$

其中1为工作液体通道长度，h为工作液体通道截面的高度，b为工作液体通道截面的宽度，K为一个系数，取决于工作液体通道的弯曲程度与弯曲次数，η则为一个系数，其单位为公尺，且可由下列公式求得： $\mathrm{\η}=\frac{b}{h}\×\frac{64\mathrm{\ν}}{V}$

其中ν为工作液体的黏度，V则为工作液体的流动速度。

17．根据权利要求16所述的气泡驱动弹性薄膜的喷墨印刷头，其特征在于：

系数K大于等于6。

18．根据权利要求16所述的气泡驱动弹性薄膜的喷墨印刷头，其特征在于：

系数η的范围为0.0001至0.01。

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