CN1403281A - 压电式喷墨头的喷墨装置及其制造方法 - Google Patents

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杨长谋
林振华
李世光
张所鋐
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Abstract

一种压电式喷墨头的喷墨装置及其制造方法。该装置包括墨水腔、下驱动电极、压电振动元件、上驱动电极,其中墨水腔包括金属振动层、喷孔片。制造该装置方法的步骤是:提供一基材,基材包括顶面和底面;于基材的顶面上形成一金属振动层;在基材的底面形成数个墨水腔,该墨水腔暴露出部分金属振动层。其中,以硅晶片、陶瓷基板、或金属片为基材进行蚀刻。而金属振动层的材料是镍、铜、或铂或其他金属,且以电铸法、物理气相镀膜法(PVD)、或化学气相镀膜法(CVD)形成于基材的顶面上。该方法还包括:于金属振动层上形成一具有上下电极的压电振动元件。本发明的喷墨装置不但使喷墨头合格率大为提高,缩短制程时间,并增加产量。

Description

压电式喷墨头的喷墨装置及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种压电式喷墨头的喷墨装置及其制造方法,且特别是一种可利用硅晶片、陶瓷、或金属为基材(Substrate)蚀刻而形成压电式喷墨头的墨水腔的喷墨装置及其制造方法。
背景技术
近年来,在高科技产业的带动下,所有的电子相关产业均蓬勃发展。以打印机为例,才不过几年时间,印刷技术便已从撞针式、黑白激光进步到彩色喷墨及彩色激光等,可谓一日千里。目前市面上的喷墨打印机,大多采用气泡式(Thermal bubble)或是压电式(Piezoelectric)喷墨头以将墨水散布至纸张上完成印刷工作。气泡式乃利用加热器将墨水瞬间气化,产生高压气泡推动墨水由喷嘴射出。压电式是利用一因施加电压而可产生形变的压电材料(piezoelectric material),对喷墨腔内的墨水造成挤压而将墨水喷出。
一般而言,相较于气泡式,压电式喷墨头具有下列优点:(1)压电式喷墨头不须加热因此喷墨头不会因为高温产生化学变化,影响颜色品质;并且由于喷墨头不需要经过反覆的温度循环,故而具有极佳的耐久性。(2)压电材料的反应速度快,可提升印刷速度;热泡式则受限于加热冷却速度,因此喷头的印刷速度有限。(3)压电式喷墨头可以借由控制压电振动片的振动量来控制液滴大小,提升印刷质量;热泡式只能控制喷点喷射与否,难以控制墨滴大小。
请参照图1A,其表示一种传统压电式喷墨头的单一喷墨腔的剖面图(请参考美国专利案号5,856,837)。传统压电式喷墨头的喷墨腔是利用一墨水腔下盖102,一墨水腔本体104和一振动片(vibrating plate)108三部分的生胚(green sheet),借由对位、压合(pressing)后,再烧结(baking)成形。其中,墨水腔下盖102、墨水腔本体104和振动片108的生胚均为陶瓷材料(ceramic material),并借由激光光束(laserbeam)、或冲压(punching)方式于墨水腔本体104形成墨水腔(pressureproducing chamber)106。然后,在振动片108上方形成一具有上下驱动电极(drive electrode)110、111的压电振动元件(piezoelectricvibrating element)112,并加以烧结成形。其中,压电振动元件为压电材料。墨水腔下盖102的下方还有一喷孔片(nozzle plate)(未显示于图1A中),喷孔片上有一与墨水腔106对应的喷孔(nozzle hole)(未显示于图1A中),用以喷出墨水腔106内的墨水。
当控制电路施加电压于上驱动电极110与下驱动电极111时,压电振动元件112会产生变形,进而使振动片108形成侧向弯曲而挤压墨水腔106内的墨水。最后使墨水自喷孔喷出。
然而,将墨水腔下盖102、墨水腔本体104和振动片108的生胚经过对位压合而烧结成型的制程,具有一些缺点,例如:要在墨水腔本体104内以冲压(punching)方式形成结构十分微小的墨水腔106,并不容易,特别是大面积上具有许多墨水腔106,其冲压成形的合格率不高。再者,三层陶瓷生胚的压合对位需要很高的精密度,对位不准确时容易造成产品合格率的下降。且,压合之后的烧结制程由于生胚中具有许多微小结构很容易造成烧结的合格率大幅降低而使得制程成本大幅提高。
另外,压合的陶瓷生胚在烧结时会产生收缩应力(contractionstress),由于上、下驱动电极110、111和压电振动元件112的收缩率不同,使烧结完成后两者的中心朝向墨水腔106方向收缩,请参照图1B,其表示图1A的单一喷墨腔经过烧结后的示意图。当驱动电极110的电压造成压电振动元件112收缩时,由于中心已经在收缩状态,而使大部分的收缩发生在压电振动元件112的两侧,进而对墨水腔106的侧壁造成一向内的拉力,如箭号F1、F2所示。这种向内的拉力会影响到原本欲挤压墨水自下方喷孔喷出的作用力,如箭号E所示,而减少墨水自喷孔喷出的效率(ink expelling efficiency)。而且,由于墨水在墨水腔之间为相互连通的,这种墨水腔106侧壁的拉力会引起相邻喷墨室内墨水的扰动,此现象称为扰流效应(cross talk),特别是当邻近的墨水腔同时欲喷出墨点时,扰流效应尤其容易发生。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的就是在于提供一种压电式喷墨头的喷墨装置及其制造方法,利用蚀刻方式形成墨水腔,以达到产品的产量和合格率均有效提升的目的。
根据本发明的目的,提出一种压电式喷墨头的喷墨装置,可与一墨水槽连接,该墨水槽内墨水,该喷墨装置包括:
一墨水腔,与该墨水槽连通并充填有该墨水,该墨水腔包括:
一金属振动层,位于该墨水腔的上方;及
一喷孔片,位于该墨水腔的下方,该喷孔片上有一喷孔,与该墨水腔连通,用以将该墨水自该喷孔喷出;
一下驱动电极,位于该振动层的上方;
一压电振动元件,具有压电性质,位于该下驱动电极的上方;及
一上驱动电极,位于该压电振动元件上方;
其中,当一电压施加于该上下驱动电极时,该压电振动元件产生变形而使该金属振动片侧向弯曲,进而挤压墨水腔内的该墨水使自该喷孔处喷出。
本发明还提出一种制造上述喷墨装置的方法,其步骤是:首先,提供一基材,基材包括顶面和底面;于基材的顶面上形成一金属振动层;接着,定义(define)基材的底面以形成数个墨水腔,该墨水腔暴露出部分金属振动层。其中,是以蚀刻方式在基材的底面上形成数个墨水腔。基材是一硅晶片、一陶瓷基板、或一金属片。而金属振动层的材料是镍(Ni)、铜(Cu)、或铂(Pt)、或其他金属,且金属振动层是以电铸法、物理气相镀膜法、或化学气相镀膜法形成于基材的顶面上。本发明的制造方法,更包括:于金属振动层上形成一具有上下的压电振动元件。其中,压电振动元件具有压电性质。并于墨水腔上形成一喷孔片,喷孔片上有数个喷孔以与墨水腔对应,用以喷出墨水腔内的墨水。
本发明上述实施例所揭露的压电式喷墨头的喷墨装置及其制造方法,是以光蚀刻方式在基材形成墨水腔,并利用电铸,物理气相镀膜,或化学气相镀膜等方式形成墨水腔的金属振动层,解决了传统上压合对位不易和烧结引起变形的问题,因而具有合格率高,制程时间短的优点。因此,相当适合用以作为大量生产使用。
本发明的压电式喷墨头的喷墨装置是利用半导体制程蚀刻技术在一基材上形成数个墨水腔,以避免传统压合对位不准确的问题。因此,本发明不但使墨水腔成形的合格率大为提高,制程时间亦大为缩短。
附图说明
为让本发明的上述目的、特征、和优点能更明显易懂,下文特举一较佳实施例,并配合附图,作详细说明如下,其中:
图1A表示一种传统压电式喷墨头的单一喷墨腔的剖面图;
图1B表示图1A的单一喷墨腔经过烧结后的示意图;及
图2A-2F表示依照本发明一较佳实施例的压电式喷墨头的喷墨装置的部分制程。
具体实施方式
本发明的技术特点在于,在一基材上定义出墨水腔,并以一金属片作为压电式喷墨头的振动层。其中,基材的材料可以是硅晶片、陶瓷基板、或是金属片。而金属片是以电铸、物理气相镀膜(Physical VaporDeposition,PVD)、或化学气相镀膜(Chemical Vapor Deposition,CVD)等方式于基材上形成金属振动层。
在此较佳实施例中是以硅晶片作为基材,对本发明的压电式喷墨头的制程做一说明,然而并不因而限制本发明。
请参照图2A-图2F,其表示依照本发明一较佳实施例的压电式喷墨头的喷墨装置的部分制程。首先,提供一硅晶片202作为基材(substrate),如图2A中所示,其中,硅晶片202包括一顶面204和一底面206。
接着,如图2B所示,利用一金属片于硅晶片202的顶面204上形成一金属振动层208。其中,金属片的材质例如是镍(Ni)、铜(Cu)、铂(Pt)等或其他可耐高温的金属,并利用电铸,物理气相镀膜(PVD),或化学气相镀膜(CVD)方法形成。
接着,利用光刻(photolithography)和蚀刻(etching)技术在硅晶片202上形成空腔,以做为墨水腔。如图2C至图2D所示,先形成对应墨水腔的保护层210于硅晶片202的底面206上,再蚀刻硅晶片202,以形成墨水腔所需的空腔。
接着,如图2E至图2F所示,覆盖一喷孔片(nozzle plate)212于硅晶片202的底面206上而形成数个墨水腔214。其中,喷孔片上具有以激光或蚀刻等方式所形成的数个喷孔216,一个喷孔216对应一个墨水腔214,用以将墨水腔214内的墨水喷出。
然后,于金属振动层208上形成具有上下驱动电极的压电振动元件(未显示于图2F中),其中,压电振动元件具有压电性质。当控制电路施加电压于上下驱动电极,使与上下驱动电极紧邻的压电振动元件会产生变形,进而使振动片208侧向弯曲而挤压墨水腔214内的墨水,此时,位于喷孔216处的墨水因承受内外压力差而加速运动,形成速度渐增的突出液面。当上下驱动电极的电压于适当时间释放,压电振动元件亦回复原来形状,使墨水腔214内的墨水压力下降,然而喷孔216处的墨水因惯性缘故,克服表面张力的牵绊而自喷孔216脱离,形成墨点(ink droplet)。
其中,上下驱动电极的材质,例如是,铂(platihum),钯(palladium),或银(silver),或包含上述任何两种或两种以上组合的合金,或是其他具有良好导电特性的材料。而压电振动元件(piezoelectric vibratingelement)是具压电性质的材料,一般包括:锆酸钛酸铅(lead zirconatetitanate),镁代铌酸铅(lead magnesium-niobate),镍代铌酸铅(leadnickel-niobate),锌代铌酸铅(lead zinc-niobate),锰代铌酸铅(lead manganese-niobate),铈代铌酸铅(lead antimony-stannate),或钛酸铅(lead titanate)等具有压电特性的材料。
与传统上利用层层压合对位烧结方式所制成的压电式喷墨头的喷墨装置相较,本发明是利用半导体制造工艺,如光蚀刻技术在一基材上形成数个墨水腔,不但可避免压合对位不准确的情形,亦可使墨水腔成形的合格率大为提高,制程时间也大为缩短。另外,金属片所形成的金属振动层,不但可快速形成使制程时间缩短,制程成本亦降低。若是使用电铸方式成形,金属振动层的厚度可以轻易达到数十μm以上,因此振动层的结构不会受到厚度的限制,而使设计的自由度较高。
值得注意的是,在上述实施例中,虽然以硅晶片为基材,然而本发明并不以此为限。基材的材料也可以是陶瓷、或金属片,只要利用一金属作为振动层的材料,以在基材上形成金属振动层,则为本发明的技术特征。
综上所述,虽然本发明已以一较住实施例揭露如上,然而并非用以限定本发明,任何熟悉此领域的技术人员,在不脱离本发明的精神和范围内,当可作各种的更动与润饰,因此本发明的保护范围当视所附的权利要求范围所界定者为准。

Claims (32)

1.一种压电式喷墨头的喷墨装置,可与一墨水槽连接,该墨水槽内墨水,该喷墨装置包括:
一墨水腔,与该墨水槽连通并充填有该墨水,该墨水腔包括:
一金属振动层,位于该墨水腔的上方;及
一喷孔片,位于该墨水腔的下方,该喷孔片上有一喷孔,与该墨水腔连通,用以将该墨水自该喷孔喷出;
一下驱动电极,位于该振动层的上方;
一压电振动元件,具有压电性质,位于该下驱动电极的上方;及
一上驱动电极,位于该压电振动元件上方;
其中,当一电压施加于该上下驱动电极时,该压电振动元件产生变形而使该金属振动片侧向弯曲,进而挤压墨水腔内的该墨水使自该喷孔处喷出。
2.如权利要求1所述的喷墨装置,其中,所述的金属振动层的材料是镍(Ni)。
3.如权利要求1所述的喷墨装置,其中,所述的金属振动层的材料是铜(Cu)。
4.如权利要求1所述的喷墨装置,其中,所述的金属振动层的材料是铂(Pt)。
5.如权利要求1所述的喷墨装置,其中,所述的压电振动元件是钛酸铅。
6.如权利要求1所述的喷墨装置,其中,所述的压电振动元件是锆酸钛酸铅。
7.如权利要求1所述的喷墨装置,其中,所述的压电振动元件是镁代铌酸铅。
8.如权利要求1所述的喷墨装置,其中,所述的压电振动元件是镍代铌酸铅。
9.如权利要求1所述的喷墨装置,其中,所述的压电振动元件是锌代铌酸铅。
10.如权利要求1所述的喷墨装置,其中,所述的压电振动元件是锰代铌酸铅。
11.如权利要求1所述的喷墨装置,其中,所述的压电振动元件是鍗代铌酸铅。
12.一种如权利要求1的压电式喷墨头的喷墨装置的制造方法,至少包括以下的步骤:
提供一基材,该基材包括顶面和底面;
于所述的基材的顶面上形成一金属振动层;及
定义所述的基材的底面以形成数个墨水腔。
13.如权利要求12所述的制造方法,其中,所述的基材是一硅晶片。
14.如权利要求13所述的制造方法,其中,于所述的硅晶片的底面上形成数个墨水腔的步骤是包括光刻和蚀刻。
15.如权利要求12所述的制造方法,其中,所述的基材是一陶瓷基板。
16.如权利要求12所述的制造方法,其中,所述的基材是一金属片。
17.如权利要求12所述的制造方法,其中,所述的金属振动层的材料是镍(Ni)。
18.如权利要求12所述的制造方法,其中,所述的金属振动层的材料是铜(Cu)。
19.如权利要求12所述的制造方法,其中,所述的金属振动层的材料是铂(Pt)。
20.如权利要求12所述的制造方法,其中,所述的金属振动层是以电铸法形成于该基材的顶面上。
21.如权利要求12所述的制造方法,其中,所述的金属振动层是以物理气相镀膜法(PVD)形成于该基材的顶面上。
22.如权利要求12所述的制造方法,其中,所述的金属振动层是以化学气相镀膜法(CVD)形成于该基材的顶面上。
23.如权利要求12所述的制造方法,其特征在于还包括以下步骤:
于所述的金属振动层上形成一下驱动电极;
于所述的下驱动电极上形成一压电振动元件,其中该压电振动元件具有压电性质;
于所述的压电振动元件上形成一上驱动电极;及
于所述的些墨水腔上形成一喷孔片,该喷孔上形成数个喷孔以与该数个墨水腔相对应,用以喷出该墨水腔内的墨水。
24.如权利要求23所述的制造方法,其中,所述的喷孔是利用激光方式形成。
25.如权利要求23所述的制造方法,其中,所述的些喷孔是利用蚀刻方式形成。
26.如权利要求23所述的制造方法,其中,所述的压电振动元件是钛酸铅。
27.如权利要求23所述的制造方法,其中,所述的压电振动元件是锆酸钛酸铅。
28.如权利要求23所述的制造方法,其中,所述的压电振动元件是镁代铌酸铅。
29.如权利要求23所述的制造方法,其中,所述的压电振动元件是镍代铌酸铅。
30.如权利要求23所述的制造方法,其中,所述的压电振动元件是锌代铌酸铅。
31.如权利要求23所述的制造方法,其中,所述的压电振动元件是锰代铌酸铅。
32.如权利要求23所述的制造方法,其中,所述的压电振动元件是鍗代铌酸铅。
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