TWI380911B - 具可調式氣泡脈衝之噴墨列印頭 - Google Patents

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Description

具可調式氣泡脈衝之噴墨列印頭
本發明係有關於噴墨列印頭，特別是產生氣泡來噴出油墨液滴的噴墨列印頭。
本發明涉及了藉由形成氣泡或蒸汽泡於一泡泡形成液體中來噴出油墨液滴。此原理被描述於授予Stemme的美國專利第US3,747,120號中。這些裝置具有與油墨熱接觸的加熱器元件其被設置成與噴嘴相鄰用來加熱油墨，藉以在油墨中形成氣泡。該等氣泡在油墨中產生壓力造成油墨液滴經由噴嘴被噴出。
電阻式加熱器是在一極為嚴苛的環境中操作。它們必需要快速連續的加熱及冷卻用以在可噴出的液體(通常是可溶於水的墨水)中形成泡泡。這些條件是很容易誘發加熱器物質的氧化與腐蝕。溶解在油墨中的氧會攻擊加熱器表面並將加熱器物質氧化。在極端的環境下，加熱器會’燒壞掉’藉此該加熱器之完全氧化的零件切斷加熱電路。
加熱器亦會被肇因於與一瓦解的泡泡的表面張力有關之劇烈的水的力量所造成之’氣穴作用(cavitation)’所腐蝕。
為了要保護該加器物質免於氧化，腐蝕及氣穴作用的影響，噴墨印表機製造商使用堆疊式保護層，其典型地是用Si3 N4 ，SiC及Ta製成。因為嚴苛的操作條件的關係，所以該等保護層必需要相當厚。授予Anderson等人的美國專利第6,786,575號(被讓渡給Lexmark)為此結構的一個例子，且加熱器物質約為0.1微米厚而該等保護層的總厚度為至少0.7微米。
為了要形成氣泡於泡泡形成液體中，加熱器(即，加熱器物質與該等保護層)必需被加熱至該液體的過熱極限(對於水而言約為300℃)。這需要有大量的能量被供應至該熱器。然而，只有能量的一部分是被用來將該油墨氣化。大多數’過剩的’能量必需由該列印頭或由冷卻系統來消散。來自於連續液滴噴出之過剩能量的熱無法將該油墨的穩態溫度升高至其沸點之上並因而造成非故意的氣泡。這限制了在列印頭上的噴嘴數目，噴嘴發射速率(firing rate)及通常話需要一主動式冷卻系統。這對於列印解析度，列印頭大小，列印速度及製造成本都有影響。
提高噴嘴密度及發射速率的償試受到了熱傳導離開該列印頭積體電路(晶片)的限制的阻礙，其為目前市場上列印頭所用之主要的冷卻機制。目前在市場既有的列印頭需要一大型的散熱器來消散從該列印頭IC處所吸收的熱。
噴墨列印頭亦遭遇到一般被稱為’乾凅(decap)’的問題。此用詞的意思將於下文中界定。在閒置的期間，該泡泡形成液體之揮發性成分的氣化將會發生在噴嘴內之液體－空氣界面處。這將會降低在靠近該加熱器之該液體中的該揮發性成分的濃度並提高該液體在該容室內之黏稠性。該揮發性成分的濃度的降低會造成泡泡中的氣體較少的結果，使得泡泡脈衝(在整個面積與時間內壓力的集成)將會被減小：這將會降低被迫通過該噴嘴之油墨的衝量(impulse)及液滴中斷(break off)的可能性。黏稠性的提高亦會降低被迫通過該噴嘴之油墨的衝量並提高主導液滴中斷之Rayleith Taylor不穩定現象之關鍵波長。如果該噴嘴被維持閒置太長一段時間的話，則這些現膷將會造成一”乾凅的噴嘴”，即無法將容室內的液體噴出的噴嘴。”乾凅時間”係指在蒸發讓一噴嘴乾凅之間該噴嘴可保持未發射狀態之最長的時間。
本發明的目標是要解決或減輕先前技藝的上述問題，或至少提供一有用的替代方案。
因此，本發明提供一種噴墨列印頭用來列印一媒體基材，該列印頭包含：複數個噴嘴；複數個加熱器其分別對應於每一個噴嘴，每一加熱器都被建構來加熱列印流體用以讓一氣泡成核，該氣泡可將一列印流體的液滴經由對應的噴嘴噴出；及驅動電路，用來產生一電驅動脈衝用以對該等加熱器充能；其中該驅動電路被建構來該驅動脈衝功率用以改變氣泡成核時間。
供應至每一加熱器的功率決定了將加熱器加熱至309℃之油墨過熱極限所需的時間長短，在該加熱器的表面上之薄膜沸騰自發將讓一泡泡成核。達到該過熱極限的時間長短決定了兩樣事情：將氣泡成核所需的能量及該氣泡所輸送的能量(脈衝為在整個面積與時間內壓力的集成)。藉由改變用來產生氣泡之脈衝的功率，該列印頭可在正常列印期間用小型且有效率地產生的氣泡來操作，或者在列印頭需要挽回乾凅(decapped)噴嘴時短暫地用大型的高能量氣泡來操作。
在較佳的實施例中，在列印模式中供應至加熱器的功率足以在少於1微秒的時間內，更佳地係介於0.4微秒與0.5微秒之間，造成成核，且在維修模式中供應至加熱器的功率讓成核時間大於1微秒。
在一些形式中，在每一列印脈衝中之能量小於可被該液滴帶走之熱能量的最大值，其為將一等於液滴體積之可噴出液體的體積從該液體進入該列印頭的溫度加熱至該可噴出液體之由不同成份形成的沸點(heterogeneous boiling point)所需的能量。在此形式中，該列印頭為”自我冷卻”，的操作模式在此模式中噴嘴密度與噴嘴發射速率不受導熱散熱所限制，可獲得方便將該列印頭整合至一頁寬印表機中的好處。
在一些形式中，送至每一加熱器的功率可藉由改變供應至加熱器的脈衝的電壓水準來加以調整。在其它形式中，該功率可藉由使用電壓脈衝的脈衝寬度調變來加以調整，用以調整該脈衝之時間平均的功率。
選擇上地，該驅動電路被建構來在一正常的列印模式及一高衝量(impulse)模式中操作，使得驅動脈衝在正常列印模式中小於1微秒的時間長度且在高衝量模式中大於1微秒的時間長度。
選擇上地，該高衝量模式為一維修模式用來恢復受到乾凅(decap)影響的噴嘴。
選擇上地，該高衝量模式被用來增加被噴出之列印流體的體積。
選擇上地，該高衝量模式被用來補償黏稠性高於在正常列印模式期間被噴出之其它列印流體的黏稠性之列印流體用以提供更為一致的液滴體積。
選擇上地，每一驅動脈衝具有的能量小於將一等同於該液滴體積之列印流體的體積從該列印流體進入該列印頭時的溫度加熱至該列印流體之由不同成份形成的沸點(heterogeneous boiling point)所需的能量。
選擇上地，該驅動脈衝功率被調整用以回應來自該噴嘴陣列的溫度回饋。
選擇上地，該驅動脈衝功率係藉由改變其電壓來加以調整。
選擇上地，該驅動脈衝功率係使用脈衝寬度調變來加以調整用以改變該驅動脈衝之以時間平均的功率。
選擇上地，該維修模式是在該列印頭列印到一張媒體基材上之前操作的。
選擇上地，該維修模式是在該列印頭列印到一張媒體基材上之後且在列印頭列印後續的一張媒體基材之前操作的。
因此，本發明的第二態樣提供一種MEMS氣泡產生器，其包含：一容室用來容納液體；一設置在該容室內的加熱器用來與該液體熱接觸；及驅動電路用來將一電脈衝提供給該加熱器使得該加熱器產生一氣泡於該液體中；其中，該脈衝具有一第一部分其具有不足以將該氣泡成核的功率及一接在該地一部分之後的第二部分其具有足以將該氣泡成核的功率。
如果該加熱脈衝被形塑成在該脈衝結束之前提高加熱速率的話，則氣泡的穩定性可被大幅地強化，能夠達到可用小的加熱器來產生大且可重復的氣泡的程度。
較佳地，該脈衝的第一部分為一預熱段用來加熱該液體但並不將氣泡成核且該第二部分為一引發段用來將氣泡成核。在一較佳的形式中，該預熱段持續的時間比該引發段的持續時間長。較佳地，該預熱段至少長了2微秒的時間。在一更佳的形式中，該引發段小於1微秒的時間。
較佳地，該驅動電路使用脈衝寬度調變來形塑該脈衝。在此實施例中，該預熱段為一連串的副成核(sub－nucleating)脈衝。擇上地，該驅動電路使用電壓調變來形塑該脈衝。
在一些實施例中，在預熱段中之以時間平均的功率是固定的及在該引發段中之以時間平均的功率是固定的。在特佳的實施例中，該MEMS氣泡產生器被使用於一噴墨列印頭中用來從與該容室流體連通之噴嘴噴出液體。
在一長的時間長度(典型地>>1微秒)期間使用一低功率來將一大量的熱能儲存在包圍該加熱器的液體中且無需跨過該成核溫度，然後切換至一高的功率用以在一短時間長度(典型地<<1微秒)期間跨過該成核溫度，可引發成核現象並釋放所儲存的能量。
選擇上地，該脈衝的第一部分為為一預熱段用來加熱該液體但並不將氣泡成核且該第二部分為一引發段用來將該液體的一部分加熱至過熱用以將該氣泡成核。
選擇上地，該預熱段的持續時間比該引發段的持續時間長。
選擇上地，該預熱段至少長了2微秒的時間。
選擇上地，該引發段短了1微秒的時間。
選擇上地，該驅動電路使用脈衝寬度調變來形塑該脈衝。
選擇上地，該預熱段為一連串的副成核(sub－nucleating)脈衝。
擇上地，該驅動電路使用電壓調變來形塑該脈衝。
選擇上地，在預熱段中之以時間平均的功率是固定的及在該引發段中之以時間平均的功率是固定的。
本發明的另一態樣提供一種MEMS氣泡產生器，其被使用於一噴墨列印頭中用來從與該容室流體連通之噴嘴噴出液體。
選擇上地，該加熱器被懸掛在該容室內用以浸沒於一列印流體中。
選擇上地，該脈衝被產生用以恢復被乾掉的或過度黏稠的列印流體堵塞的噴嘴。
在此說明書的內文中”功率(power)”被界定為將一氣泡成核所需的能量除以該氣泡的成核時間。
在整個說明書中，’自我冷卻’或’自身冷卻’噴嘴將被理解為將一可噴出的液體的液滴噴出所需的能量小於該液滴所能帶走的熱能的最大值之噴嘴，該其為將一等於液滴體積之可噴出液體的體積從該液體進入該列印頭的溫度加熱至該可噴出液體之由不同成份形成的沸點(heterogeneous boiling point)所需的能量。
“乾凅(decap)”一詞係指閒置的噴嘴上的蒸發所造成之在該加熱器附近處水的濃度降低(降低氣泡衝量)及提高該油墨的黏稠性(增大流動阻力)的現象。”乾凅時間”一詞在此技藝中為習知的且經常被使用的。在者個說明書中，”乾凅時間”為一噴嘴在氣泡形成液體中揮發性成分的蒸發造成該噴嘴無法噴出該氣泡形成液體之前它能夠保持未發射狀態之最長的持續時間。
依據本發明的列印頭包含複數個噴嘴，以及一容室與對應於每一噴嘴的一或多個加熱器。該列印頭之附屬於一單一噴嘴的每一部分其容室及其一或多個元件在本文中被稱為一“單元細胞”。
在此說明書中，當描述到彼此熱接觸的零件時，這是指它們相對於彼此被設置使得當一個零件被加熱時，它能夠加熱另一零件，即使是這兩個零件本身並沒有彼此實體上地接觸。
而且，“列印流體”一詞係被用來指明任何可噴出的液體，且並不侷限於含有色彩染料的傳統油墨。無色油墨的例子包括固定劑，紅外線吸收油墨，功能化的化學物，黏劑，生物性流體，水及其它溶劑，等等。該油墨或可噴出的液體亦不一定是液體，且可包含固體顆粒的懸浮物或在室溫下為固體但在噴出溫度時為液體。
圖1顯示使用在一噴墨列印頭上之本發明的MEMS氣泡產生器。本案申請人的熱列印頭IC的一些製造及操作上的詳細說明被提供在美國專利申請號第USSN 11/097,038號及USSN 11/246,687號中。這兩個文獻的內容藉由此參照而被併於本文中。
一單一的單元細胞30被示於圖1中。可被瞭解的是，許多單元細胞以一塞得滿滿的陣列方式用半導體及/MEMS製造領域中常見的微影蝕刻及沉積技術被製造在一支撐晶圓基材28上。該容室20容納了一數量的油墨。該加熱器10被懸掛在該容室20內使得它與CMOS驅動電路22電接觸。由該驅動電路22所產生的驅動脈衝對該加熱器10充能用以產生一氣泡12其強迫一油墨液滴24通過該噴嘴26。
在成核之前擴散至該油墨及底下的晶圓中之熱對於成核現象發生時該液體汽化的體積及對於後續之蒸汽劇增(vapor explosion)的衝量(衝量(impulse)＝隨著時間加總的力量)有影響。用較短、電壓較高的加熱器脈衝所驅動的加熱器具有較短的油墨乾凅時間。這可由蒸汽劇增之減小的衝量來解釋，其較無法把因蒸發所造成之黏稠的油墨推送通過該噴嘴。
使用依據本發明的該驅動電路來形塑該脈衝可給予設計者一個範圍更廣之來自一單一加熱器及驅動電壓的氣泡衝量。
圖2為在一開放池測試(加熱器被浸沒在水中且被施加脈衝)中形成在一加熱器10上之氣泡12的一閃頻觀測儀的照片。該加熱器10的尺寸為30微米乘4微米乘0.5微米且是由安裝在一矽晶圓基材上的TiAl所形成。該脈衝為3.45伏持續0.4微秒，所消耗的能量為127nJ。該閃頻觀測儀捕捉該氣泡在其縮小及破裂之前之最大的程度。應被注意到的是，該雙瓣的外形是因為來自該晶圓表面之該氣泡影像的反射。
該氣泡成核所費的時間是關鍵的參數。較高的功率(電壓)意指較高的加熱速率，所以該加熱器可更快達到氣泡成核溫度，讓熱傳導至加熱器周圍的時間較少，使得在成核時儲存在該油墨中之熱能減少。這可降低被產生之水蒸汽的數量及氣泡的衝量。然而，需要較少的能量來形成氣泡是因為在成核之前從加熱器損失掉的熱較少。因此，這就是為何該印表機可以在正常列印期間能夠有效率地列印的原因。
圖3顯示當該脈衝為2.20伏持續1.5微秒時來自同一加熱器10的氣泡。這具有190nJ的能量要求，但所產生的氣泡要大上許多。該氣泡具有較大的氣泡衝量，所以可被用在維修模式中或用來噴出比正常液滴大的液滴。這讓該列印頭具有多項操作模式，這些模式將於下文中更詳細地說明。
圖4顯示使用振幅調變之驅動脈衝的變化。該正常列印模式脈衝16具有較高的功率及較短的持續時間因為成核現象很快就被達到。大氣泡模式脈衝18具有較低的功及一較長的持續時間用以與增加的成核時間相配合。
圖5使用振幅調變之驅動脈衝的變化。該正常列印模式脈衝16再次為3.45伏持續0.4微秒。然而，大氣泡脈衝18為一連串的短脈衝32，所有這些短脈衝都是同一電壓(3.45伏)但都只有0.1微秒且它們之間有0.1微秒的中斷。在一短脈衝32期間的功率與正常列印脈衝16的功率相同，只是整個大氣泡脈衝之以時間平均的功率較低。
較低的功率將讓達到該過熱極限的時間變長。將一氣泡成核所需的能量將會較高，因為在成核之前有較多的時間讓熱從該加熱器漏掉(即，該加熱器必需供應至額外的能量)。此額外能量的一部分被儲存在該油墨中並讓該成核作用產生更多的蒸汽。增加的蒸汽提供較大的氣泡及較大的氣泡衝量。在增加能量的成本下，較低的功率因而產生加大的氣泡衝量。
這讓該列印頭能夠在多個模式下操作，例如：一正常列印模式，其有高功率被輸送至每一加熱器(低氣泡衝量，低能量要求)；一維修模式，其有低功率輸送至每一加熱器用以恢復被乾凅的噴嘴(高氣泡衝量，高能量要求)；一啟動模式，當該油墨是在低溫且較黏時其具有較低功率輸送脈衝；一只列印一半的墨點之草稿模式(用於較快的列印速度)，其具有用於較大的氣泡之較低功率的驅動脈衝用以增加必噴出的液滴的體積藉以改善草稿影像的外觀；或一死噴嘴(dead nozzle)補償模式，在此模式中較大的液滴從某些噴嘴被噴出用以補償在該陣列中之死噴嘴。
列印頭設計者的一主要目的為低能量噴出，特別是如果噴嘴密度及噴嘴發射速率(列印速度)很高的話。本案申請人的MTC001US提供了低能量噴出的優點的詳細說明以及在噴出處理期間之能量消耗的充分的分析。該噴出的能量影響到該列印頭的穩態溫度，該穩態溫度必需被維持在一合理的範圍內用以控制油墨黏稠性並防止油墨在該穩態中沸騰。然而，在設計用於低能量列印的列印頭時有一項缺點：低能量操作所產生的低氣泡衝量讓噴嘴對於乾凅特別敏感。依據噴嘴閒置時間的長短及乾凅的程度，也許會沒有辦法用正常的列印脈衝來從一乾凅的噴嘴噴出，因為該氣泡衝量太小。因此，當噴嘴需要被清潔用以從乾凅狀態恢復或防止乾凅時(如，在一列印工作開始時或介於頁與頁之間時)，需要切換至具有較大的氣泡衝量的維修模式是所想要的。在此模式中，該列印頭溫度對每一脈衝所需要的能量較不敏感，因為維修所需要的脈衝總數比列印所需的脈衝總數且用於輸送脈衝的時間長度較長。
相同地，來自列印頭的溫度回饋可被用作為該油墨溫度的指示及該油墨黏稠性的指示。將脈衝調變可被用來確保液滴體積的一致。揭示於共同係屬中之PUA001US至PUA015US的專利申請案中的列印頭IC揭示’晶片上(on chip)’是如何被包含在該噴嘴陣列及驅動電路中。
本發明已在本文中藉由舉例的方式加以說明。此技藝中之一般工作者可輕易地瞭解到未偏離本發明廣義概念的精神與範圍內有許多的變化及修改存在。
10．．．加熱器
12．．．氣泡
16．．．正常列印模式脈衝
18．．．大氣泡模式脈衝
20．．．容室
22．．．驅動電路
24．．．油墨的液滴
26．．．噴嘴
28．．．支撐晶圓基材
30．．．單元細胞
32．．．短脈衝
本發明的較佳實施例現將以舉例的方式參照附圖來加以說明，其中：圖1為一熱噴墨列印頭的一單一單元細胞的示意圖；圖2顯示被一’列印模式’脈衝充能的加熱器所形成的氣泡；圖3顯示被一’維修模式’脈衝充能的加熱器所形成的氣泡；圖4為用電壓vs.時間所畫出之使用振幅調變之脈衝功率的變化；及圖5為用電壓vs.時間所畫出之使用脈衝寬度調變之脈衝功率的變化。
16．．．正常列印模式脈衝
18．．．大氣泡模式脈衝
32．．．短脈衝

Claims (9)

  1. 一種用來列印一媒體基材的噴墨列印頭，該列印頭包含：複數個被支撐在一晶圓基材上的噴嘴；複數個加熱器，其分別對應於每一個噴嘴，每一加熱器都被建構來加熱列印流體用以讓一氣泡成核，該氣泡可將一列印流體的液滴經由對應的噴嘴噴出；驅動電路，其被整合至該晶圓基材內用來產生一電驅動脈衝用以對該等加熱器充能；其中該驅動電路被建構來該驅動脈衝功率用以改變氣泡成核時間；其中該驅動電路被建構來在一正常列印模式及一高衝量模式中操作，使得驅動脈衝在正常列印模式中是小於1微秒的時間長度且在高衝量模式中則是大於1微秒的時間長度；以及其中該高衝量模式為一維修模式，用來恢復受到乾凅(decap)影響的噴嘴。
  2. 如申請專利範圍第1項之噴墨列印頭，其中該高衝量模式被用來增加被噴出之列印流體的體積。
  3. 如申請專利範圍第1項之噴墨列印頭，其中該高衝量模式被用來補償黏稠性高於在正常列印模式期間被噴出之其它列印流體的黏稠性之列印流體，用以提供更為一 致的液滴體積。
  4. 如申請專利範圍第1項之噴墨列印頭，其中每一驅動脈衝具有的能量小於將一等同於該液滴體積之列印流體的體積從該列印流體進入該列印頭時的溫度加熱至該列印流體之由不同成份形成的沸點(heterogeneous boiling point)所需的能量。
  5. 如申請專利範圍第1項之噴墨列印頭，其中該驅動脈衝功率被調整用以回應來自該噴嘴陣列的溫度回饋。
  6. 如申請專利範圍第1項之噴墨列印頭，其中該驅動脈衝功率係藉由改變其電壓來加以調整。
  7. 如申請專利範圍第1項之噴墨列印頭，其中該驅動脈衝功率係使用脈衝寬度調變來加以調整用以改變該驅動脈衝之以時間平均的功率。
  8. 如申請專利範圍第1項之噴墨列印頭，其中該維修模式是在該列印頭列印到一張媒體基材上之前操作的。
  9. 如申請專利範圍第1項之噴墨列印頭，其中該維修模式是在該列印頭列印到一張媒體基材上之後且在列印頭列印後續的一張媒體基材之前操作的。
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