CN1496832A - 使用射频微机电系统喷头的打印头 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种使用射频微机电系统喷头的打印头，其包括：具有液体入口和液体出口的内部压力室；环绕内部压力室的空腔共振器，其中所述空腔共振器输入预定的空腔共振频率信号，以增加内部压力室的内部压力；信号传输单元，用于产生预定的空腔共振频率信号和用于通过空腔共振器将所产生的空腔共振频率信号输入给内部压力室，以响应外部输入的控制信号；和用于提供液体的液体室，其中所述液体入口和液体出口都穿过内部压力室和空腔共振器，以便当所述空腔共振器使内部压力室的内部压力增加时，液体从内部压力室喷出。

Description

使用射频微机电系统喷头的打印头
技术领域
本发明涉及一种喷墨打印头，更具体地说，涉及一种使用包括射频(RF)空腔共振器的射频微机电系统(RF MEMS)喷头的打印头。
背景技术
通常，在喷墨打印头、MEMS冷却装置等设备中可以使用用于喷射液滴的喷射装置。对喷墨打印头的驱动方式可分成使用压电元件的机械驱动方式或者热驱动方式。
图1表示使用压电元件的传统打印头的断面图。
如图1所示，使用压电元件的传统打印头包括板形压电体7，设置在压电体7下面的、用于将压电体7的纵向延伸运动转换成弯曲运动的振动板6，设置在振动板6下面的液体腔层1，该液体腔层包括一个用于存放墨水的液体腔2，和一个具有喷嘴5a的、用于喷射墨滴并覆盖液体腔层1的喷嘴板5。喷嘴板5可以有多个喷嘴5a，每个喷嘴5a以预定的距离间隔隔开。
液体腔层1由加压焊接的多层金属层构成。在液体腔层1中设有用于存放墨水的液体腔2和用于控制墨水流量的限流阀3。具有多个喷嘴5a的喷嘴板5位于液体腔层1的下面。振动板6用于覆盖设在液体腔层1上面的压力腔4。限流阀3在液体腔2和压力腔4之间提供流动通道。喷嘴5a与压力腔4连接。用于操作压电体7的电极(未示出)设在振动板6的上面。
当压电体7被选择(即通过给压电体施加电场，使压电体中产生一取向)沿纵向延伸时，振动板6弯曲并且压力腔4的内部压力增加，通过喷嘴5a向外喷射墨水滴。在喷射墨水滴的同时，限流阀3阻挡留在压力腔4中的墨水回流到液体腔2中。当振动板6的形状和位置复原时，压力腔4通过限流阀3从液体腔2中补充墨水。
为了制造振动板6，用ZrO2制成半成品板材。然后，在所述板材的预定位置钻出预定尺寸的孔。接着，在高温例如至少约在1,000℃下加热所述板材。另外，在薄ZrO2板上形成大小相同的下电极。
为了制造压电体7，在带有下电极的ZrO2板上通过丝网印刷印制精密布置的糊状压电体。然后高温加热已由丝网印刷印制在ZrO2板上的压电体糊，从而在压电体7上形成上电极。
使用上述压电体的传统喷墨打印头的不足之处在于，由于压电体操作速度的限制使其打印速度低。另外，这种传统喷墨打印头难于控制墨水的排放量。而且，制造工艺复杂并且结构过于繁杂，因此集成化程度难于提高。
在喷墨打印头的其它驱动方式即热驱动方式中，加热薄管以便产生空气泡来增加管的内部压力。内部压力的增加导致液体排放。
具体地说，在半导体中形成墨水通道，并且围绕通道设置热敏电阻。然后，在热敏电阻上施加电流，使热敏电阻加热，并且在所述通道中产生空气泡。所产生的空气泡使管内压力增加，因此墨水从管中排出。
喷墨打印头使用的输出装置的输出质量随墨水的质量和排出墨水的量急剧变化。在打印彩色图像时，如果排出墨水的量太多，打印出的图像总体上变得较暗，因此打印出的图像的分辨率较低。
另外，如果排出墨水的量太少，由于一些喷嘴没有排出墨水，输出的图像变得模糊不清或者图像质量劣化。这种情况下，热驱动喷墨打印头试图通过调节施加在热敏电阻上的电压或者加热时间来排出足够的墨水。
可是，环境温度和湿度条件对热驱动喷墨打印头的影响非常大。在高温和潮湿条件下，打印头将出现输出图像太暗的问题。在低温和潮湿的条件下，墨水不能排出或者输出的图像不清楚。另外，这种打印头存在的问题是不易精确调节墨水排出的量，而且由于热敏电阻的使用反应速度的限制，致使墨水排放反应速度低。再者，这类打印头还存在结构太复杂以致不容易使多个喷嘴高度集成的问题，因此，进一步限制了输出图像的分辨率。
发明内容
本发明的任务是：试图至少解决上述一部分问题和/或不足，并且提供一种使用射频微机电系统(RF MEMS)喷头的打印头，这种打印头能够提高墨水的排放反应速度，易于且能精确地调节排放的墨水，结构简单从而能使喷嘴高度集成。
通过所提供的MEMS喷头可实现上述和其它特征及优点，所述MEMS喷头包括具有液体入口和液体出口的内部压力室；环绕内部压力室的空腔共振器，其中所述空腔共振器提供预定的空腔共振频率信号，以增加内部压力室的内部压力；信号传输单元，用于响应外部输入的控制信号产生预定的空腔共振频率信号，并通过空腔共振器将所产生的空腔共振频率信号输入到内部压力室中；液体室，用于将液体提供到内部压力室，该液体室通过液体入口与内部压力室流通，其中所述液体入口和液体出口穿过内部压力室和空腔共振器，以便当空腔共振器使内部压力室的内部压力增加时，液体从内部压力室通过液体出口向外喷出。
优选所述空腔共振器由具有气密性密封结构的金属形成。
优选RF MEMS喷头还包括一个具有设置在与液体出口相应位置上的喷嘴的基底，该基底焊在形成液体出口的空腔共振器的下面。
所述空腔共振器可以包括一个形成在空腔共振器下面的耦合缝，它与基底接触，所述耦合缝接收来自空腔共振器的空腔共振频率信号。所述信号传输单元可以设置在与耦合缝相应的位置上，而所述基底设在它们之间。
所述信号传输单元可以包括用于产生空腔共振频率信号的信号发生器和设置在与耦合缝相应位置上用于通过耦合缝将空腔共振信号输入给空腔共振器的信号输入端。该信号传输单元还可以包括用于放大来自信号发生器的空腔共振频率信号的信号放大器。
信号传输单元可以设置在基底的与液体出口相应的位置，基底设置在它们之间，所述信号传输单元通过液体出口将空腔共振信号输入空腔共振器，其中所述喷嘴延伸到与液体出口相应的位置上。
在RF MEMS喷头中，当空腔共振器使内部压力室的内部压力增加时，液体入口可防止内部压力室中的液体回流到液体室中。
在本发明的一种实施方式中，所述基底还可包括多个喷嘴，每个喷嘴设在与多个液体出口中的一个相应的位置上。类似地，所述由空腔共振器环绕的内部压力室可以是多个内部压力室，每个内部压力室由多个空腔共振器中的一个环绕，其中多个内部压力室中的每一个与多个内部压力室的相邻的一个以预定的距离间隔设置。
附图说明
下面通过参照附图详细描述的优选实施方式本领域的普通技术人员将能更清楚地理解本发明的上述和其他特征和优点。附图中：
图1是使用压电元件的传统打印头的断面图；
图2A是根据本发明第一实施方式使用RF MEMS喷头的打印头的断面图；
图2B是图2A所示的打印头的底视图；
图3A是根据本发明第二实施方式使用RF MEMS喷头的打印头的断面图；
图3B是图3A所示的打印头的底视图；
具体实施方式
本申请以申请日为2002年10月17日、名称为“使用RF MEMS喷头的打印头”的韩国专利申请第2002-63573号的全文作为参考。
下面将参照附图所示的本发明的优选实施方式对本发明进行全面说明。当然，本发明可以用不同形式实现，而不限于本文所提出的实施方式。但确切地说，本文所提供的这些实施方式向本领域的技术人员彻底而全面地揭示且完整地表达了本发明的构思。在附图中，为了清楚起见，放大了层的厚度和区域。应理解的是：如果称一层在另一层或基底“上”，可以是使该层直接处于另一层或基底上，或者也可以是插入层。另外，还要理解的是：当称一层在另一层之“下”时，它可以直接在另一层的下面，也可以是一或多个插入层。再者，也应理解到：如果称一层在两层“之间”时，可以是只有该层在两层之间，或者可以是一个或多个插入层。全部附图中用相同的标号表示相同的部件。
图2A是本发明第一实施方式中使用的RF MEMS喷头的打印头的断面图。图2B是图2A所示的打印头的底视图。
如图2A和2B所示，RF MEMS喷头包括一个设置在其内侧的内部压力室27、一个设置在内部压力室27顶端的液体入口21、一个用于接收空腔共振频率信号具有耦合缝23的空腔共振器20、和一个设置在内部压力室下端的液体出口30。
MEMS喷头20还包括一个具有位于与液体出口30相应位置上的喷嘴22的基底29。基底29焊在空腔共振器20的下面，信号传输单元31焊在基底29的下面。
信号传输单元31包括一信号输入端24、一信号发生器25和一个用于放大所产生的空腔共振频率信号的信号放大器26，所述信号输入端设在面对耦合缝23的位置上，基底29位于信号输入端24和耦合缝23两者之间，所述信号发生器设在与信号传输单元31的信号输入端24相对的一端，用于产生空腔共振频率信号。
众所周知，由空腔共振器20引起共振的空腔共振频率是腔体体积的函数，对此不再赘述。
关于从由空腔共振器20环绕的内部压力室27中排放例如液体之类的内部物质的过程如下。
空腔共振器20由具有气密性密封结构的金属制成，空腔共振频率输入导致空腔共振器20共振，致使其内部物质膨胀，因此增加空腔共振器20和内部压力室27的内部压力。结果，其部内物质通过例如液体出口30之类的小的出口向外喷出。
当空腔共振器20的腔体体积约为2.86×10-14mm3时，相应的空腔共振频率信号输入给空腔共振器20，优选输入能量范围在3.9到8.0μJ。输出能量，即内部压力室27和空腔共振器20的内部物质排出的能量约5×10-17J。在图2A，2B，3A和3B中，空腔共振器20的尺寸由附图标记a，b和h分别表示宽，长和高。
空腔共振器20和内部压力室包括位于空腔共振器20顶端的液体入口21，该入口提供了液体从液体室28进入空腔共振器20和内部压力室27的流动通道。当内部压力室27的内部压力增加时，液体入口21可防止留在内部压力室27和空腔共振器20中的液体通过液体入口回流到液体室28中。空腔共振器20的下端还包括所述液体出口30。
当空腔共振器20提供空腔共振频率信号产生共振时，内部压力室27的内部压力增加，因此内部压力室27中的液体通过液体出口30向外排出。液体出口30穿过内部压力室27、空腔共振器20、和可以焊接在空腔共振器20下端的基底29。
所述基底29包括处于与液体出口30相应位置上的喷嘴22，以使内部压力室27中的液体通过喷嘴22以液滴状态向外排出。基底29同设在基底29上的信号发生器25、信号放大器26和具有信号输入端24的信号传输单元31一起设在内部压力室27的下面。
信号发生器25响应外部输入的控制信号(未示出)产生空腔共振频率信号，用于使空腔共振器20产生共振，并将空腔共振频率信号输出给信号放大器26。信号放大器26从信号发生器25输入空腔共振频率信号，以响应外部输入的控制信号，并且放大所述输入信号，将放大的信号传输给信号输入端24。信号输入端24处于基底29的下端位于面对耦合缝23的位置上。
工作时，通过液体入口21流入的液体体积增加，使内部压力室27的内部压力升高，以使流入的液体通过液体出口30和喷嘴22以液滴的状态向外喷出。
当停止向空腔共振器20输入信号时，留在内部压力室27中的液体的体积减少，内部压力室27的内部压力随之降低，致使液体通过液体入口21从液体室28流入内部压力室27。
根据本发明的一种实施方式，使用RF MEMS喷头的打印头可以包括多个各具上述结构的RF MEMS喷头。当设置多个喷头时，每个喷头位于与相邻喷头间隔预定距离的位置上。类似地，如附图所示，液体室28可以设置在空腔共振器20的上部，以便使墨水通过液体入口21提供到内部压力室27中。
可以为多个空腔共振器20设置单独的液体室28，每个液体室对应一种颜色。
工作时，对应空腔共振器20的信号输入单元31产生响应于外部控制信号的空腔共振频率信号，并将所产生的信号输入给空腔共振器20，因此，空腔共振器20发生共振。共振的结果使内部压力室27的内部压力增加，因为内部压力室27中的液体不能通过液体入口21回流，来自内部压力室27中的液体的液滴通过液体出口30和喷嘴22向外喷出。
优选可以对信号放大器26的放大系数和输入到空腔共振器20的空腔共振频率信号的输入时间进行精确调节，以简化对内部压力室27的内部压力的控制，并准确调节排出墨水的量。
参照图3A和3B，将描述根据本发明第二实施方式的使用RF MEMS喷头的打印头。
图3A是根据本发明第二实施方式的使用RF MEMS喷头的打印头的断面图。图3B是图3A中的打印头的底视图。
如图所示，根据本发明第二实施方式的打印头除了省略了耦合缝23而且信号输入端24延伸到喷嘴22处外，其它结构与第一实施方式相似。
工作时，来自信号放大器26的空腔共振频率信号通过液体出口30输入到空腔共振器20中。在所有其他方面，具有第二实施方式的结构的使用RF MEMS喷头的打印头的工作情况与第一实施方式的打印头的工作情况相同。
更具体地说，从信号发生器25产生的空腔共振频率信号由信号放大器26放大，然后通过液体出口30输入给空腔共振器20，空腔共振器20发生共振。内部压力室27的内部压力随之升高，由于内部压力室27中的液体不能通过液体入口21回流，因此内部压力室27中的液体的液滴通过液体出口30和喷嘴22向外喷出。
借助于本发明实施方式的使用RF MEMS喷头的打印头，能提高墨水排放反应速度，并且能够简化精确调节液体例如墨水的排放，致使能简化具有高度集成的喷嘴的打印头的结构。
上面已对本发明的优选实施方式进行了描述，尽管使用了一些专门的术语，但仅为了进行一般性的和说明性的解释，而不是限定。因此，不难理解，本领域的普通技术人员在不超出所附的权利要求书所描述的本发明的构思和保护范围的前提下，可以在形式和细节上进行各种改变。

Claims (12)

1.一种使用射频微机电系统喷头的打印头，包括：
一具有液体入口和液体出口的内部压力室；
一环绕内部压力室的空腔共振器，其中所述空腔共振器提供预定的空腔共振频率信号，以增加内部压力室的内部压力；
一信号传输单元，用于响应外部输入的控制信号产生预定的空腔共振频率信号，并通过所述空腔共振器将所产生的空腔共振频率信号输入给所述内部压力室；和
一液体室，用于将液体提供到所述内部压力室中，该液体室通过所述液体入口与内部压力室相通，
其中所述液体入口和液体出口都穿过所述内部压力室和空腔共振器，以便当空腔共振器使内部压力室的内部压力增加时，液体从内部压力室通过液体出口向外喷出。
2.如权利要求1所述的打印头，其中所述空腔共振器由具有气密性密封结构的金属形成。
3.如权利要求1所述的打印头，其中还包括一个具有设置在与所述液体出口相应位置上的喷嘴的基底，该基底焊在形成所述液体出口的所述空腔共振器的下面。
4.如权利要求3所述的打印头，其中所述空腔共振器包括一个形成在该空腔共振器下面与基底接触的耦合缝，该耦合缝接收来自空腔共振器的空腔共振频率信号。
5.如权利要求4所述的打印头，其中所述信号传输单元设置在与所述耦合缝相应的位置上，而所述基底设在它们之间。
6.如权利要求5所述的打印头，其中所述信号传输单元包括：
一用于产生空腔共振频率信号的信号发生器；和
一设置在与所述耦合缝相应位置上的信号输入端，用于通过所述耦合缝将空腔共振信号输入给所述空腔共振器。
7.如权利要求6所述的打印头，其中所述信号传输单元还包括：
一用于放大来自信号发生器的空腔共振频率信号的信号放大器。
8.如权利要求3所述的打印头，其中所述信号传输单元设置在所述基底的与液体出口相应的位置处，所述基底设置在它们之间，所述信号传输单元通过所述液体出口将共振信号输入所述空腔共振器，其中所述喷嘴延伸到与液体出口相应的位置上。
9.如权利要求1所述的打印头，其中所述空腔共振器还包括：
在该空腔共振器的一侧形成的用于接收空腔共振器中的空腔共振频率信号的耦合缝。
10.如权利要求1所述的打印头，其中当所述空腔共振器使内部压力室的内部压力增加时，所述液体入口可防止内部压力室中的液体回流到所述液体室中。
11.如权利要求3所述的打印头，其中所述基底还包括：
多个喷嘴，每个喷嘴设在与多个液体出口中的一个相应的位置上。
12.如权利要求11所述的打印头，其中由所述空腔共振器环绕的内部压力室是多个内部压力室，每个内部压力室由多个空腔共振器中的一个环绕，其中所述多个内部压力室中的每一个与多个内部压力室相邻的一个以预定的间隔距离设置。
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