CN1482965A - 喷墨打印头的喷嘴溢出隔离装置 - 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)适合地设置在打印头上以阻止该喷嘴(10)的系列(14)的外部的损伤性接触。
Description
技术领域
本发明涉及一种打印介质产品，尤其涉及一种喷墨打印机。
背景技术
喷墨打印机是一种众所周知的，并且被广为应用的打印介质产品的形式。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，墨水从喷嘴的系列喷出在介质上形成影像。
打印性能依靠一些因素，如生产成本、打印质量、操作速度和使用灵活性。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)技术已用来形成该系列的喷嘴，它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。这就使该种打印头对许多需要一定坚固程度的应用情况来说不适用。而且，损坏的喷嘴不能喷射出装入其内的墨水。由于墨水集结并在喷嘴外部凝结成珠状物，所以这会影响喷嘴周围喷出的墨水和/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
本发明目的在于提供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墨水的喷嘴；
一个在打印头使用时设置在喷嘴和介质中间的带开口的外壳构形，因此，
供应到喷嘴中的墨水与至少一些该系列中的其他喷嘴隔离，同时允许墨水从喷嘴中正确地经过外壳构形被喷出打印到介质上。
在这个详细说明中，术语“喷嘴”可以理解为界定成一个开口的元件，而不是开口本身。
优选地，该系列的任一个喷嘴均具有一个各自的外壳构形以与该系列中所有的其他喷嘴隔离。然而，本发明的一些形式的外壳构形可以构造为将该系列地预定组喷嘴与其他喷嘴隔离。
另一种更好的形式，外壳构形是个安装在打印头上的带开口的喷嘴防护装置，这样它在喷嘴的外部上延伸以阻止在允许从喷嘴中喷射的墨水经过开口喷到要打印的基底上时与喷嘴的损坏性接触。
在一些实施方式中，喷嘴防护装置罩住喷嘴的外部并且开口形成一系列和上述系列的喷嘴对齐的通道，从而不能阻挡从每一喷嘴喷出的墨水的正常轨道，并且
喷嘴防护装置还包括从该系列通道延伸到每一喷嘴的外部的隔离壁以形成一个围住每一喷嘴的墨水隔离腔。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，每个隔离腔均具有一个墨水检测装置，该项检测装置在腔内制动到墨水的预定水位并且为容错设备提供反馈，以调整该系列中其他喷嘴的工作来补偿被损坏的喷嘴。这一些形式的实施方式中，打印机对墨水检测装置作出响应停止对被损喷嘴供应墨水。
本发明的喷墨打印机的打印头，隔离任何的墨水泄漏，所以包括一个单独的喷嘴或一组喷嘴。通过包含墨水流动，邻近的喷嘴可以补偿并保持打印质量。
隔离壁必须用完打印头的一部分表面面积，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制造该芯片的成本的20％。然而，这种情况下喷嘴的制造是不可靠的，本发明有效地解释了相对高的次品率的喷嘴。
喷嘴防护装置还包括用于引导液体从通道流入的液体流入口，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件以支撑打印头上的喷嘴遮蔽件。该支撑件可以一体制造并包括一对相互间隔的分别设置在防护装置末端的支撑件。
在本实施方式中，液体流入口可以设置在一个支撑件上。
可以理解，当空气通过开口被导入，在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远离喷嘴系列的粘接衬垫的支撑件上。
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更多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足够大的可使墨水通过的，但却足够小的以阻止无意的接触或大多数灰尘颗粒进入的通道。用硅制成的遮蔽件，其热膨胀系数大致与喷嘴系列的相配。这有助于防止遮蔽件的一系列的通道从喷嘴系列对齐的位置脱落。利用硅也可以允许对遮蔽件利用MEMS技术进行精确地微加工。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的空间示意图；
图2-4是图1所示喷嘴组的操作过程的空间示意图；
图5是组成具有喷嘴防护装置或隔离壁的喷墨打印头的喷嘴系列立体图；
图5a是本发明具有一个喷嘴防护装置和隔离壁的打印头的立体剖视图；
图5b是与每一个喷嘴相隔离的在隔离壁上的喷嘴的剖视图；
图6是图5的系列的部分的放大图；
图7是包括喷嘴防护装置而不包括隔离壁的喷墨打印头的立体图；
图8a-8r是喷墨打印头的喷嘴组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罩的布局图；
图11a-11c是根据图8和图9所示方法制造的喷嘴组的操作过程的立体图；
图12a-12c是根据图8和图9所示方法制造的喷嘴组的操作过程的剖视图。
具体实施方式
最初参照图1，本发明喷嘴组通常由标号10指代。喷墨打印头具有若干设置在硅基底16上系列14中的(图5和图6)喷嘴组10。下文将对系列14进行更详细地描述。
喷嘴组10包括一个硅基底16，硅基底16上设置电介质层18。一个互补型金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide-SemiconductorTransistor，CMOS)钝化层20设置在电介质层18上。
每一个喷嘴组10包括一个喷嘴22、一个呈杠杆臂26形状的连接元件和一个致动件28，喷嘴22界定一个喷嘴开口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间的液体可以相互流通。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内的墨水体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)界定在喷嘴腔34的底部46上。开口42与贯穿基底16所界定的墨水流入槽道48相互连通。
壁部50和开口42结合，并自底部46向上延伸。如上所述的喷嘴22的裙部32界定喷嘴腔34的外围壁的第一部分，壁部50界定喷嘴腔34外围壁的第二部分。
壁50在自由端处具有一个向内延伸的缘部52，当更换喷嘴22时，该缘部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的粘性以及缘部52和裙部32之间的小范围空间，向内延伸的缘部52和表面张力就可以作为防止墨水从喷嘴腔34中溢出的有效密封件。
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，该项导体垫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的第一末端都固定在锚状物54上，他们的相对端与臂26连接。当一个电流流经主动横梁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，使得臂26和喷嘴22以朝向基底16向下设置。这就使墨水如62处所示从喷嘴开口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，由于如图4中66处所示的墨水滴颈部的断开，形成了墨水滴64。然后墨水滴64移动到打印介质如纸张上。由于墨水滴64的形成，则会在图4中如68处所示的形成一个“反向”半月形。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10中喷出的下一个墨水滴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包括喷嘴组的四组70，每一个对应一种颜色。每一组70具有设置在两排72，74里的喷嘴组10。图6更详细地示出了组70之一。
为了便于将喷嘴组10紧密地安置在排72，74之间，排74中的喷嘴组10与排72中的喷嘴组10是相互偏置或交错的。而且，排72中的喷嘴组10相互之间间隔地足够远以使排74中的喷嘴组10的杠杠臂26可以在排72中的喷嘴组10的相邻喷嘴之间穿过。应当注意的是，每一个喷嘴组10都大致为哑铃形状，这样排72中的喷嘴22在喷嘴22和排74中的相邻喷嘴组10的致动件28之间相互嵌套。
更进一步，为便于在排72，74中设置喷嘴22，每一个喷嘴22大致为六边形。
本领域技艺人士可以理解，当喷嘴22相向基底16设置，在使用中，由于喷嘴开口24相对喷嘴腔34有一个微小角度，则墨水以稍微偏离垂直的角度喷射。图5和图6示出本装置的优势为排72，74中喷嘴组10的致动件28在排72，74的一侧以相同方向延伸。因此，从排72中喷嘴22喷出的墨水和从排74中喷嘴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经过垫56向喷嘴组10的致动件28提供电连接。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分开以容纳包围每一个喷嘴组10的外壳构形。外壳构形是一包围喷嘴22并从硅基底16延伸到开口的喷嘴防护装置80的下侧以形成一个遮蔽腔146的遮蔽壁144。如果因为喷嘴受损而不能合适地喷射出墨水，泄漏就被限制以不影响周围喷嘴的工作效力。喷嘴也被构造以检测自身工作缺陷如在遮蔽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中剩余的喷嘴补偿以保持打印质量。
遮蔽壁144需要占据硅基层16的一部分，这就减少了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，当制造技术导致相对较高的喷嘴磨损率，每一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反面影响。
从这些技艺中可以理解，外壳构形也可以设计为喷嘴的独立组。喷嘴的独立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的喷嘴就会较为困难。
图7所示为喷嘴系列和不具有遮蔽壁的喷嘴防护装置。同时参照之前的图示，相同的标号指代相同的部件，除非以另外方式详细指明。
喷嘴防护装置80安装在系列14的硅基层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10的喷嘴开口24对齐，这样，当墨水从任一个喷嘴开口24中喷出，墨水都会在打印到介质之前通过辅助的通道。
防护装置80是硅材料，所以其有必不可少的强度和刚性以保护喷嘴系列14不会因与纸张、灰尘或使用者的手指接触而损坏。通过形成硅制的防护装置，其热膨胀系数与喷嘴系列的系数大致相配。这旨在防止当打印头升温到其工作温度时屏蔽件82的开口84与喷嘴系列14不对齐。硅还非常适合利用MEMS技术进行精确地微加工，下文将结合喷嘴组10的加工对其进行更详细地描述。
屏蔽件82相对于喷嘴组10通过插脚或压杆86分开安装。压杆86之一里界定一个空气流入开口88。
使用中，当系列14在操作中，空气从流入开口88进入，与通过开口84流动的墨水一起穿过开口84。
当空气从开口84中以不同于墨水滴64的速率进入时，空气中没有夹带墨水。例如，墨水滴64从喷嘴22中以3m/s的速率喷出。空气从开口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10内对其运行产生负面影响的危险。通过在喷嘴防护装置80中提供空气流入口88，这个问题在很大程度上就被解决了。现在对照图8-图10，将对喷嘴组10的制造过程进行描述。
从硅基层或薄片16开始，电介质层18设置在薄片16的表面上。电介质层18的厚度大致为1.5微米的CVD氧化物的厚度。电介质层18上设置了保护层并且电介质层18暴露于罩100并随后被强化。
在被强化后，电介质层18是等离子蚀刻到硅层16上的。然后保护层被剥掉，电介质层被清理干净。这个步骤还设置了墨水流入口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。保护层被设置于其上，铝层102暴露于罩104并随后被强化。铝层102被等离子蚀刻到氧化层18上，保护层被剥离，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。这种相互连接是一个NMOS驱动电子管和一个在CMOS层(未图示)里制成的带连接的电源平面。
大约0.5微米的PECVD氮化物如CMOS钝化层20一样被设置。保护层设置并且钝化层20暴露于罩106并随后被强化。强化后，氮化物被等离子蚀刻到位于进入口42的区域内的铝层102和硅层16上。保护层被剥离，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4μm的高温抗层。层108被软烘焙，然后暴露于罩110，并随后被强化。然后包括聚酰化亚胺的层108在400度被硬烘焙一小时，或包括高温抗层的层108在300度以上烘焙。在图示中，值得注意的是，由收缩引起的聚酰亚胺的依赖模式的变形在设计罩110时已经作为考虑因素。
在下一步中，如图8e所示，应用第二牺牲层112。层112可以是2μm的光敏聚酰亚胺或大约为3μm的高温抗层。层112被软烘焙并被暴露于罩114。在暴露于罩114后，层112被强化。当层112是聚酰亚胺的情况下，层112在400度下被硬烘焙约一小时。当层112是高温抗层，就应在300度以上硬烘焙约一小时。
一个0.2微米的多层金属层116随后被设置。层116的部分形成致动件28的被动横梁60。
层116是在大致300度时喷出1000 的氮化钛(TiN)之后喷出50的氮化钽(TaN)成型的。再喷出1000的氮化钛之后喷出50的氮化钽和再喷出1,000的氮化钛。其他可以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被暴露于罩118，被强化并被等离子蚀刻到层112上，之后应用在层116上的阻抗层被湿剥离，注意不要移动弯曲层108或112。
第三牺牲层120通过拉丝设置在4μm的光敏聚酰亚胺或大约为2.6μm的高温抗层上。层120被软烘焙之后暴露于罩122。然后暴露层经过强化后被硬烘焙。在层120是聚酰亚胺情况下，它是在400度下硬烘焙约一小时，或层120是高温抗层则在300度以上硬烘焙。
第二个多层金属层124应用到层120上。层124的组成与层116相同，并以相同的方式应用。可以知道层116，124均是电导体层。
层124暴露于罩126并随后被强化。层124是等离子蚀刻到聚酰亚胺层或保护层120上，之后应用在层124上的保护层被湿剥离，而不会移动弯曲层108，112或120。值到注意的是，层124的剩下部分界定了致动件28的主动横梁58。
一个第四牺牲层128通过在4μm的光敏聚酰亚胺或大约2.6μm的高温抗层上拉丝应用。层128经过软烘焙，暴露于罩130并随后被强化，剩下图9k所示的岛状部分。层128剩下的部分是聚酰亚胺时在400度时硬烘焙约一小时，在是阻抗层时在300度以上硬烘焙。
如图81所示，设置了一个高初期系数的电介质层132。层132由大约为1μm的氮化硅或氧化铝制成。层132是在低于牺牲层108，112，120，128的硬烘焙的温度下设置的。对于电介质层132要求的主要的参数特性是高弹性系数，化学惰性，和对氮化钛的高粘着性。
第五牺牲层134通过在2μm的光敏聚酰亚胺或大约1.3μm的高温抗层上拉丝应用。层134是经由软烘焙，暴露于罩136并随后被强化。然后层134剩下的部分在是聚酰亚胺的情况下在400度时硬烘焙一小时，或在是高温抗层时是在300度以上硬烘焙。
电介质层132是等离子蚀刻到牺牲层128上，注意不要将牺牲层134移动。
这个步骤界定了喷嘴组10的喷嘴开口24，杠杠臂26和锚状物54。
设置一个高初期系数的电介质层138。层138是通过在低于牺牲层108，112，120和128的硬烘焙温度的温度下设置0.2μm的氮化硅或氮化铝。
然后，如图8p所示，层138是各向异性地等离子蚀刻为厚度0.35微米。这种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，这一步骤使喷嘴边缘36围绕喷嘴开口24，该边缘使墨水突出形成半月形。
应用一个紫外放射带140。在4μm的保护层被设置在硅薄片16的后部。薄片16暴露于罩142并对薄片16向后蚀刻形成墨水流入通道48。之后保护层被从薄片16上剥离。
还有一个紫外放射带(未图示)被应用到薄片16的后部，带140被移开。牺牲层108，112，120，128和134被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10。为了便于参照，这两个图中的标号与图1中相同的标号是指代相同的喷嘴组对应的部件。图11和图12所示为喷嘴组10的操作过程，其制造与上面所述的参照图8和图9的过程相一致，这些图和图2-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。
Claims (13)
1.一种喷墨打印机的打印头，该打印头包括：
一系列向打印介质上喷墨水的喷嘴；
一个在打印头使用时设置在喷嘴和打印介质之间的带开口的外壳构形；因此
供应到喷嘴的墨水则与至少一些该系列其他喷嘴相隔离，同时允许墨水被从喷嘴中经过外壳构形的开口正确地喷射到打印介质上。
2.如权利要求1所述的打印头，其特征在于：该系列的每一喷嘴都具有各自的外壳构形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：所述外壳构形构造为将该系列的预定组喷嘴与其他喷嘴隔离。
4.如权利要求1所述的打印头，其特征在于：所述外壳构形是个设置在打印头上的带开口的喷嘴防护装置，该防护装置在喷嘴的外部上延伸出喷嘴之外，避免在允许从喷嘴中喷射的墨水经过开口喷到打印基底上时对喷嘴的损坏性接触。
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，开口形成一系列与喷嘴系列对齐的通道，喷嘴防护装置不会阻止从每个喷嘴喷射的墨水的正常轨迹，和
喷嘴防护装置还包括自系列通道延伸至每一喷嘴外部的隔离壁，该项隔离壁形成一个围绕每个喷嘴的墨水隔离腔。
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4所述的打印头，其特征在于：每一个隔离腔均具有一个墨水检测装置，该检测装置在腔内制动到墨水的预定水位并为容错设备提供反馈以调整该系列其他喷嘴的工作以补偿被损坏的喷嘴。
8.如权利要求7所述的打印头，其特征在于：该打印机对墨水检测装置做出响应停止向被损喷嘴供应墨水。
9.如权利要求4所述的打印头，其特征在于：该打印头进一步包括用于引导液体从通道流入的液体流入口以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屏蔽件的支撑件。
11.如权利要求10所述的打印头，其特征在于：所述支撑件一体制成，包括一对相互间隔的分别设置在防护装置末端的支撑件。
12.如权利要求11所述的打印头，其特征在于：液体流入口设置在所述支撑件之一上。
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粘接垫处。
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