CN1308145C - 低压喷墨打印模块 - Google Patents

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Abstract

一种制造喷墨打印模块的方法包括形成具有硬质表面的压电元件。

Description

低压喷墨打印模块
技术领域
本发明涉及一种制造低压喷墨打印模块的方法。
背景技术
喷墨打印模块从一个出口沿基板的方向喷出墨水。可以按由压电喷墨打印模块产生的一连串墨滴喷出墨水。具体的喷墨打印模块的示例可以按4组、每组64个喷口而具有256个喷口。压电喷墨打印模块可以包括模块主体、压电元件和驱动压电元件的电触点。通常，模块主体是嵌入表面的矩形部件，在其表面内制成一连串用作墨水增压室的墨盒。将压电元件置于模块主体的表面上来以一种方式覆盖增压室，通过这种方式对增压室中的墨水增压来喷射墨水。
发明内容
通常，喷墨打印模块包含一个硬质压电元件。与软质压电元件相比，在向硬质压电元件施加低压时，该压电元件改善了墨水的喷射。由于强化了该压电元件，这也就使得喷墨模块更为小巧。硬质压电元件至少在一个尺寸上比平面压电元件具有更高的刚性。硬质压电元件具有一个曲面来强化该元件。该模块可以在用小于60V的电压驱动时喷射墨水。
一方面，一种制造喷墨打印模块的方法包括：使母体在一个模具中注模成型来形成硬质压电元件，并将该压电元件置于墨盒上以在施加喷射电压时使墨盒内的墨水受到喷射压力。
另一方面，一种沉积墨水的方法包括：将墨水提供给墨盒，并经由硬质压电元件的一个表面上的第一电极和第二电极施加喷射电压以使墨盒内的墨水受到喷射压力，从而从墨盒的一个出口沉积墨水。
另一方面，喷墨打印模块包括：墨盒；硬质压电元件，具有暴露于墨盒的区域；以及电触点，排列在压电元件的一个表面上以在向这些电触点施加喷射电压时激活该压电元件。将该压电元件置于墨盒上来使墨盒内的墨水受到喷射压力。硬质压电元件的暴露于墨盒的区域可以具有一个曲面。
硬质压电元件在墨盒上具有一个曲面。该曲面相对于墨盒是凹的。该曲面具有基本固定的曲率半径。该曲面可以是球截面或者圆柱截面。墨盒壁以一个大于90°的角度与硬质压电元件相接触。该压电元件可以包含锆钛酸铅。
喷墨打印模块可以包含一系列墨盒。每个墨盒可由单个压电元件覆盖。将第一电极和第二电极置于压电元件的一个表面上。
下面将结合附图和说明书对其详情进行说明。通过说明书、附图和权利要求书，本发明的其它特征和优点将十分明显。
附图说明
图1A和1B是表示喷墨打印模块的示意图。
图2是表示喷墨打印模块一部分的示意图。
图3是表示压电元件的示意图。
图4是表示当改变压电元件的厚度和曲率时墨盒中产生的压力的图表。
图5是表示当改变压电元件的厚度和曲率时墨盒中产生的容量变化的图表。
图6是表示压电元件的示意图。
图7是表示当改变压电元件的厚度和曲率时墨盒中产生的压力的图表。
图8是表示当改变压电元件的厚度和曲率时由墨盒产生的墨滴量的图表。
图9是表示当改变压电元件的厚度和曲率时由墨盒产生的墨滴量的图表。
图10是表示当改变压电元件的厚度和曲率时墨盒中产生的压力的图表。
图11是表示当改变压电元件的厚度和曲率时由墨盒产生的墨滴量的图表。
具体实施方式
喷墨打印模块包括置于主体的喷射区域上的压电元件。该喷射区域可以是主体内增压室的部分。增压室可以是密封的。将诸如电极的电触点可以置于压电元件的一个表面上。压电元件横跨每个喷射区域。当向电触点施加电压时，喷射区域中压电元件的形状发生变化，从而使对应增压室中的墨水受到喷射压力。墨水从增压室喷出并沉积在基板上。
压电喷墨打印模块的一个示例为剪切模式模块(shear mode module)，例如在美国专利NO.5640184中说明的模块，在此结合其全部内容以供参考。可将剪切模式模块中的电触点置于与墨盒相邻的压电元件的侧面上。参照图1A、1B和2，压电墨水喷头2包括一个或者更多组装在附着有集流板(manifold plate)12和孔板14的卡箍元件10中的模块4。墨水是通过卡箍元件10导入模块4的。启动模块4来从孔板14上的孔16中喷出墨水。喷墨打印模块4包括主体20，它可由诸如烧结碳或者陶瓷的材料制成。将多个空腔22加工或者制造到主体20内以形成增压室。
墨水通过同样加工到主体20内的墨水填充通道26来填充增压室。主体4的相对的两个表面包含一系列排列起来布置在主体20的增压室上的电触点31和31’。电触点31和31’与导线相连，导线又可以与集成电路33和33’相连。这些部件被密封在一起来形成打印模块。
参照图2，压电元件34在其一个表面上具有电极40。用电触点31来标记电极40，使得这些电极可以由驱动集成电路来单独编址。电极40可以通过化学蚀刻去除导电材料来形成，该导电材料被沉积在压电元件的表面。美国专利NO.6037707也说明了形成电极的合适的方法，在此结合其整体以供参考。电极可由导体形成，例如铜、铝、钛钨合金、镍铬合金或者金。将每个电极40置于主体4中对应的空腔22中并与其尺寸相应以形成增压室。每个电极40具有被拉长了的区域42，该区域具有略小于增压室尺寸的长度和宽度，以便使电极40周边与增压室的侧面、端部之间存在缝隙43。这些以增压室为中心的电极区域42是覆盖在压电元件34喷射区域之上的驱动电极。压电元件34上的第二电极52通常对应于主体20的、空腔22外的区域，并且从而对应于增压室外的区域。电极52是公共极(地极)。电极52可以是梳状的(如所示)或者可以是独立寻址的电极条。薄膜电极和压电元件电极充分地重叠以保持良好的电接触并且更便于调整薄膜和压电元件。
压电元件可以是单片锆钛酸铅(PZT)部件。压电元件通过由所施加的电压导致的位移从增压室中驱动墨水。该位移部分地是由材料的极化作用(poling)产生的。通过施加电场来极化压电元件。在例如美国专利NO.5605659中描述了极化过程，在此结合其全部内容以供参考。极化程度可以取决于所施加电场的强度和持续时间。当去除极化电压时，就确定了压电区域。压电元件可以具有5-300μm、10-250μm、15-150μm、小于100μm或者小于50μm的厚度。
随后施加电场，例如在喷射过程中，可以导致与所施加电场强度成正比的形状变化。
例如，通过在压电元件的覆盖墨盒的部分引入一个曲面可以硬化该压电元件。该曲面可以具有基本固定的曲率，例如球面或者柱面形状。参照图3，压电元件34的区域100是弯曲的。压电元件34的曲率相对于墨盒102是凹的。该表面的凹曲度可以减少在喷射过程中可能发生的弯曲。墨盒102的壁104可以按一个大于90°的角度与硬质压电元件34相接触。该墨盒可以具有小于1200μm、50-1000μm或者100-800μm的宽度。电极42和52位于压电元件34的表面106上。通过经由电极施加喷射电压，该墨盒内的墨水就受到从墨盒的出口沉积墨水的喷射压力。例如，喷射电压可以小于60V。
该曲面可以具有基本固定的曲率半径。曲率的角度或者曲率半径影响该模块的刚性和喷射特性。曲率半径是环绕该曲面的圆的半径。该曲面可具有小于5mm或小于3mm的曲率半径。曲面可具有500-3000μm、1000-2800μm或者1500-2600μm的曲率半径。该曲面可以是球面或者柱面。
可以通过以下方式来准备喷墨打印模块：形成硬质压电元件，并将该压电元件置于墨盒上以在施加喷射电压时使该墨盒内的墨水受到喷射压力。可以通过在薄层压电材料磨出一个曲面或者通过将母体在一个具有该压电元件的曲面特征的模具中注模成型来准备硬质压电元件。例如，可以用压电材料粉末和有机粘结剂来准备一种混合物。对该混合物进行注模成型来形成生片，该生片可被加热以去除粘结剂。该生片可以是具有10-50μm或20-40μm厚度的薄膜。可将粉末烧结为，例如，至少95％左右的理论密度。在美国专利NO.5340510中描述了形成压电制品的注模法，在此结合其整体以供参考。
在向压电元件施加低电压时，该曲率加强了压电元件并改善了墨水的喷射。具有平面压电元件的类似喷墨打印模块需要施加更高的电压来喷射相应量的墨滴。相对于墨盒的凹面可在墨盒内导致比喷射过程中的负压更高的正压，例如，一个可比填充墨盒的过程中的压力高两倍的、喷射过程中的压力。减小喷墨打印模块的尺寸也可以导致需要更高的电压来达到给定的墨滴量。更小的喷口使得打印头更加紧凑。由于该压电元件至少在一个尺寸上比平面压电元件具有更高的硬度，所以硬质元件也可以使得喷墨模块更加小巧。当压电元件在静止状态是弯曲的时，垂直于压电元件的挠曲相对于平板就可以被放大。而且，更薄的墨盒使得能够制成具有改进性能的更小尺寸的喷墨打印机。
具有柱面形状(如图3所示)、特定曲率半径并且运行于拉伸模式下的结构的有限单元分析建模，证明了硬质压电元件相对于平板元件的改善的增压性能。在模型中，利用参数：墨盒直径0.102cm，墨盒深度0.152mm，沿厚度方向极化的锆钛酸铅(PZT 5A，Morgan Electro Ceramics，Bedford，Ohio)，由KOVAR构成的空腔板(High Temp Metals，Inc.，Sylmar，CA的低延伸率铁镍钴合金)，盒间压电宽度(land piezoelectric width)(墨盒之间的距离)0.254mm，墨水密度1000kg/m3，脉冲电压50V，从1密耳(25.4μm)到10密耳(254μm)的元件厚度以及30密耳、40密耳、50密耳、100密耳或者无穷大(平面)的曲率半径来进行ANSYS多物理量耦合场分析(ANSYS Version5.7，ANASYS Inc.Canonsburg，PA)。在表1中列出了由具有特定厚度和曲率半径的硬质压电元件产生的压力和位移。图4和5中表示出了由硬质压电元件产生的压力和总量。作为比较，包括了在剪切模式中100V喷射电压下的平面压电元件的对比示例。
                                表1
  示例   PZT厚度(密耳)   曲率半径(密耳)   最大位移(μm/μin)   压力(Pa/PSI)
  1   8(203μm)   100(2.54mm)   0.0229/0.901   -73424/-10.6
  2   5(127μm)   100(2.54mm)   0.0655/2.61   -122827/-17.8
  3   8   50(1.27mm)   0.0347/1.36   -96501/-13.9
  4   5   50(1.27mm)   0.0852/3.35   -172939/-25.1
图6中表示的具有球面形状、特定曲率半径、固定墨盒总容量并且运行于拉伸模式中的结构的有限单元分析建模也证明了硬质压电元件相对于平板元件的改善的增压性能。在此模型中，利用参数：墨盒直径0.102cm，沿厚度方向极化的锆钛酸铅(PZT 5A)，由KOVAR构造而成的空腔板，盒间压电宽度(墨盒之间的距离)0.254mm，墨水密度1000kg/m3，脉冲电压50V，从1密耳(25.4μm)到10密耳(254μm)的压电元件厚度以及20密耳、30密耳、40密耳、50密耳或者无穷大(平面)的曲率半径来进行ANSYS多物理量耦合场分析。增压室的容量保持在3.14×10-10m3，这与对比例中的总容量相同。由于墨盒的直径也是固定的(0.102cm)并且曲率半径是变化的，所以墨盒深度变得可变。对于每个曲率半径的墨盒深度为：R＝20密耳，深度＝2密耳；R＝30密耳，深度＝11.33密耳；R＝40密耳，深度＝12.59密耳；或者R＝50密耳，深度＝13.22密耳。在表2中列出了由具有特定厚度和曲率半径的硬质压电元件产生的压力和墨滴量。图7和8中表示出了由硬质压电元件产生的增压室压力和墨滴量。作为比较，包括了在剪切模式中100V喷射电压下的平面压电元件的对比示例。
                                 表2
  示例   PZT厚度(密耳)   曲率半径(密耳)   墨滴量(pL)   增压室压力(PSI)
  5   1   50   131.228   87.214
  6   1   40   133.948   89.039
  7   1   30   129.770   86.219
  8   1   20   108.323   71.975
  9   2   50   79.418   52.793
  10   2   40   79.210   52.621
  11   2   30   74.931   49.938
  12   2   20   65.243   43.350
  13   3   50   52.607   35.003
  14   3   40   53.339   35.462
  15   3   30   52.048   34.591
  16   3   20   47.289   31.421
  17   4   50   37.363   24.844
  18   4   40   38.614   25.704
  19   4   30   38.713   25.760
  20   4   20   37.351   24.817
  21   5   50   27.841   18.509
  22   5   40   29.173   19.464
  23   5   30   30.405   20.245
  24   5   20   30.862   20.534
  25   6   50   21.410   14.270
  26   6   40   22.986   15.312
  27   6   30   24.595   16.370
  28   6   20   26.384   17.548
  29   7   50   17.299   11.529
  30   7   40   18.723   12.486
  31   7   30   20.271   13.555
  32   7   20   23.093   15.371
  33   8   50   14.300   9.555
  34   8   40   15.564   10.393
  35   8   30   16.819   11.274
  36   8   20   20.519   13.680
  对比的37a   10   平面   46.221   29.008
a 100V驱动电压
图6中表示的具有球面形状、特定的曲率半径、固定总量并且运行于拉伸模式中的结构的另外的有限单元分析建模也证明了硬质压电元件相对于平板元件的改善的增压性能。在此模型中，利用参数：墨盒直径0.102cm，墨盒厚度0.152mm，沿厚度方向极化的锆钛酸铅(PZT 5A)，由KOVAR构造而成的空腔板，盒间压电宽度(墨盒之间的距离)0.254mm、墨水密度1000kg/m3，50V脉冲电压，从1密耳(25.4μm)到8密耳(203μm)的压电元件厚度以及20密耳、30密耳、40密耳或50密耳的曲率半径来进行ANSYS多物理量耦合场分析。由于墨盒的直径也是固定的(0.102cm)并且曲率半径是变化的，所以墨盒深度变得可变。对于每个曲率半径的墨盒深度为：R＝20密耳，深度＝2密耳；R＝30密耳，深度＝11.33密耳；R＝40密耳，深度＝12.59密耳；或者R＝50密耳，深度＝13.22密耳。图9中表示出了由具有特定厚度和曲率半径的硬质压电元件产生的墨滴量。
图6中表示的具有柱面形状、特定的曲率半径、固定墨盒总容量并且运行于拉伸模式中的结构的其他的有限单元分析建模也证明了硬质压电元件相对于平板元件的改善的增压性能。在此模型中，利用参数：墨盒直径0.102cm，墨盒厚度0.152mm，沿厚度方向极化的锆钛酸铅(PZT 5A)，由KOVAR构成的空腔板，盒间压电宽度(增压室之间的距离)0.254mm，墨水密度1000kg/m3，脉冲电压15V，0.04密耳(1微米)、0.10密耳(2.5微米)、0.30密耳(7.5微米)、0.50密耳(12.5微米)或者10密耳(254微米)的压电元件厚度以及30密耳、40密耳、50密耳或无穷大(平面)的曲率半径来进行ANSYS多物理量耦合场分析。由于墨盒的直径也是固定的(0.102cm)并且曲率半径是变化的，所以墨盒深度变得可变。对于每个曲率半径的墨盒深度为：R＝30密耳，深度＝11.33密耳；R＝40密耳，深度＝12.59密耳；R＝50密耳，深度＝13.22密耳。在表3中列出了由具有特定厚度和曲率半径的硬质压电元件产生的压力和墨滴量。图10和11中表示出了由硬质压电元件产生的增压室压力和墨滴量。作为比较，包括了在剪切模式中100V喷射电压下平面压电元件的对比示例。
表3
  示例   PZT厚度(密耳)   曲率半径(密耳)   墨滴量(pL)   增压室压力(PSI)
  38   0.04   30   77.121   116.199
  39   0.04   40   62.607   94.260
  40   0.04   50   51.683   77.890
  41   0.10   30   69.069   104.067
  42   0.10   40   58.078   87.422
  43   0.10   50   48.929   73.738
  44   0.30   30   50.714   76.390
  45   0.30   40   46.576   70.108
  46   0.30   50   41.443   62.445
  47   0.50   30   39.929   60.113
  48   0.50   40   38.690   58.226
  49   0.50   50   35.797   53.901
  对比的50a   29.008   46.221
a 100V驱动电压
已经说明了许多实施例。其他实施例涵盖于权利要求范围内。

Claims (41)

1.一种制造喷墨打印模块的方法，包括：
使母体在模具中注模成型来形成硬质压电元件；以及
将所述压电元件置于墨盒上以在施加喷射电压时使墨盒内墨水受到喷射压力，
其中，硬质压电元件在墨盒上具有曲面，曲面具有小于5mm的曲率半径。
2.如权利要求1所述的方法，其中曲面相对于墨盒是凹的。
3.如权利要求1所述的方法，其中曲面具有基本固定的曲率半径。
4.如权利要求1所述的方法，其中压电元件包含锆钛酸铅。
5.如权利要求1所述的方法，其中喷射电压小于60V。
6.如权利要求1所述的方法，其中曲面具有小于3mm的曲率半径。
7.如权利要求1所述的方法，还包括将第一电极和第二电极置于压电元件的一个表面上。
8.如权利要求1所述的方法，其中压电元件具有小于50微米的厚度。
9.如权利要求1所述的方法，还包括使墨盒壁以一个大于90°的角度与硬质压电元件相接触。
10.一种沉积墨水的方法，包括：
将墨水提供给墨盒；以及
经由硬质压电元件的一个表面上的第一电极和第二电极施加喷射电压，以使增压室内的墨水受到喷射压力，从而从墨盒的出口沉积墨水，
其中该硬质压电元件具有横跨该墨盒并且基本上完全暴露于该墨盒的区域，该暴露区域在墨盒上具有曲面，该曲面具有基本固定的曲率半径并且相对于该墨盒是凹的。
11.如权利要求10所述的方法，其中压电元件包含锆钛酸铅。
12.如权利要求10所述的方法，其中喷射电压小于60V。
13.如权利要求10所述的方法，其中曲面具有小于5mm的曲率半径。
14.如权利要求10所述的方法，其中压电元件具有5至300μm的厚度。
15.如权利要求10所述的方法，其中压电元件具有10至250μm的厚度。
16.如权利要求10所述的方法，其中压电元件具有小于100μm的厚度。
17.如权利要求10所述的方法，其中墨盒具有小于1000μm的宽度。
18.如权利要求10所述的方法，其中墨盒具有50至1000μm的宽度。
19.如权利要求10所述的方法，其中墨盒具有100至800μm的宽度。
20.如权利要求10所述的方法，其中曲面具有500至3000μm的曲率半径。
21.如权利要求10所述的方法，其中曲面具有1000至2800μm的曲率半径。
22.如权利要求10所述的方法，其中曲面具有1500至2600μm的曲率半径。
23.如权利要求10所述的方法，其中电极配置为向其施加小于60V的电压。
24.如权利要求10所述的方法，还包括一系列墨盒。
25.如权利要求25所述的方法，其中每个墨盒均由单个压电元件覆盖。
26.如权利要求10所述的方法，其中墨盒包括以一个大于90°的角度与暴露于墨盒的压电元件相接触的墨盒壁。
27.一种喷墨打印模块，包括：
墨盒；
硬质压电元件，其具有一个暴露于墨盒的区域，该压电元件被置于墨盒上以使墨盒中的墨水受到喷射压力；和
电触点，其布置在压电元件的一个表面上以激活该压电元件，
其中该硬质压电元件具有横跨该墨盒并且基本上完全暴露于该墨盒的区域，该暴露区域在墨盒上具有曲面，该曲面具有基本固定的曲率半径并且相对于该墨盒是凹的。
28.如权利要求27所述的喷墨打印模块，其中压电元件包含锆钛酸铅。
29.如权利要求27所述的喷墨打印模块，其中压电元件具有5至300μm的厚度。
30.如权利要求27所述的喷墨打印模块，其中压电元件具有10至250μm的厚度。
31.如权利要求27所述的喷墨打印模块，其中压电元件具有小于100μm的厚度。
32.如权利要求27所述的喷墨打印模块，其中墨盒具有小于1200μm的宽度。
33.如权利要求27所述的喷墨打印模块，其中墨盒具有50至1000μm的宽度。
34.如权利要求27所述的喷墨打印模块，其中墨盒具有100至800μm的宽度。
35.如权利要求27所述的喷墨打印模块，其中曲面具有500至3000μm的曲率半径。
36.如权利要求27所述的喷墨打印模块，其中曲面具有1000至2800μm的曲率半径。
37.如权利要求27所述的喷墨打印模块，其中曲面具有1500至2600μm的曲率半径。
38.如权利要求27所述的喷墨打印模块，其中电极配置为向其施加小于60V的电压。
39.如权利要求27所述的喷墨打印模块，还包括一系列墨盒。
40.如权利要求39所述的喷墨打印模块，其中每个墨盒均由单个压电元件覆盖。
41.如权利要求27所述的喷墨打印模块，其中墨盒包括以一个大于90°的角度与暴露于墨盒的压电元件相接触的墨盒壁。
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