TWI503234B - 熱彎曲致動器的短脈波寬度致動 - Google Patents

熱彎曲致動器的短脈波寬度致動 Download PDF

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TWI503234B
TWI503234B TW097120627A TW97120627A TWI503234B TW I503234 B TWI503234 B TW I503234B TW 097120627 A TW097120627 A TW 097120627A TW 97120627 A TW97120627 A TW 97120627A TW I503234 B TWI503234 B TW I503234B
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Description

熱彎曲致動器的短脈波寬度致動
本發明關於噴墨噴嘴組合體，主要的發展是改善熱彎曲致動噴墨噴嘴的效率。
本案申請人先前已描述使用熱彎曲致動的許多微機電系統(MEMS)噴墨噴嘴。熱彎曲致動一般意指電流通過一種材料，該材料熱膨脹所產生之相對於另一材料的彎曲運動。結果(resulting)彎曲運動可用於將墨水從噴嘴開口噴出，其中可選擇性地藉由槳葉或輪葉的運動，該漿葉或輪葉在噴嘴腔室內產生壓力波。
熱彎曲噴墨噴嘴的一些代表性類型例示在上文交互參考段的專利和專利申請案中，茲將該等案子的內容併入做參考。
申請人的地US6416167號美國專利描述在噴嘴腔室內具有槳葉的噴墨噴嘴、和設在噴嘴腔室外部的熱彎曲致動器。致動器採用傳導性材料(例如氮化鈦)製成的下主動樑熔接至非傳導性材料(例如二氧化矽)製成的上被動樑的方式。藉由容置穿過噴嘴腔室之壁內槽的臂，致動器連接至槳葉。當電流通過下主動樑時，致動器向上彎曲，導致槳葉向噴嘴開口運動，藉此噴出墨水液滴；該噴嘴開口被界定在噴嘴腔室的頂部。此設計的優點是其構造的簡單性；缺點是漿葉的兩個面對抗噴嘴腔室內側之相對黏性墨水而 工作。
申請人的第US6260953號美國專利描述的噴墨噴嘴，其致動器形成噴嘴腔室的運動頂部。致動器採用將傳導性材料製成之螺旋形(serpentine)芯部裝進聚合材料內的方式。當致動時，致動器向噴嘴腔室的底部彎曲，增加腔室內的壓力，並迫使墨水液滴從界定在腔室頂部的噴嘴開口噴出。噴嘴開口被界定在頂部之非運動部。此設計的優點是運動頂部只有一個面必須對抗噴嘴腔室內側之相對黏性墨水而工作。此設計的缺點是微機電系統製造方法難以達成螺旋形芯部裝入聚合材料內的致動器結構。
申請人的第US6623101號美國專利描述的噴墨噴嘴包含具有可動頂部的噴嘴腔室，該可動頂部界定有噴嘴開口在其內。可動頂部藉由臂連接至位在噴嘴將室外部的熱彎曲致動器。致動器採用上主動樑和下被動樑相間隔開的形式。因為將主動樑和被動樑相間隔開，所以被動樑不能做為主動樑的散熱器，結果將熱彎曲效率最大化。當電流通過上主動樑時，造成界定有噴嘴開口在其內之可動頂部被旋轉朝向噴嘴腔室的底部，藉此噴射穿過噴嘴開口。因為噴嘴開口隨同頂部一起運動，藉由適當調整噴嘴環緣(rim)的形狀，可控制液滴飛行方向。此設計的優點是運動頂部只有一個面必須對抗噴嘴腔室內側之相對黏性墨水而工作。另一優點是藉由將主動樑構件和被動樑構件相隔開，可達成最小的熱損失。此設計的缺點是相隔開的主動樑構件和被動樑構件損失構造剛性。
有需要改善熱彎曲致動器的致動效率。
本發明的第一方面提供一種熱彎曲致動器，包含：一對電性接點，設在該致動器的一端；主動樑，連接至該等電性接點，且從該等接點縱向地延伸遠離，該主動樑界定在該等接點之間的彎曲電流流動路徑；和被動樑，熔合至該主動樑，使得當電流通過該主動樑時，該主動樑相對於該被動樑加熱且膨脹，導致該致動器的彎曲；其中，該主動樑包含至少一阻抗性加熱桿，該加熱桿比該電流流動路徑的任何其他部份具有相對較小的橫截面積，使得該主動樑的加熱集中在該加熱桿。
選擇性地，該主動樑包含從第一接點縱向延伸的第一臂、從第二接點縱向延伸的第二臂、和連接該第一臂與第二臂的連接構件。
選擇性地，該第一臂與第二臂中的每一者包含個別的阻抗性加熱桿。
選擇性地，該連接構件將該第一和第二臂的遠端互連，該等遠端相對於該等電性接點是遠側的。
選擇性地，該至少一阻抗性加熱桿的橫截面積，比該電流流動路徑之任何其他部份的橫截面積較小至少1.5倍。
選擇性地，該至少一阻抗性加熱桿具有小於3微米的寬度。
選擇性地，該連接構件佔據該主動樑之總體積的至少30%。
選擇性地，該主動樑經由該對電性接點連接至驅動線路。
選擇性地，建構該驅動線路以輸送致動脈波至該主動樑，每一致動脈波具有小於0.2微秒的脈波寬度。
選擇性地，該主動樑由選自包含氮化鈦、氮化鈦鋁、和釩鋁合金之群組的材料所組成。
選擇性地，該被動樑由選自包含二氧化矽、氮化矽、和氮氧化矽之群組的材料所組成。
在另一方面提供一種噴墨噴嘴組合體，包含：噴嘴腔室，具有噴嘴開口與墨水入口；一對電性接點，設在該組合體的一端，且連接至驅動線路；和熱彎曲致動器，用於經過該噴嘴開口噴射墨水，該致動器包含：主動樑，連接至該等電性接點，且從該等接點縱向地延伸遠離，該主動樑界定在該等接點之間的彎曲電流流動路徑；和被動樑，熔合至該主動樑，使得當電流通過該主動樑時，該主動樑相對於該被動樑加熱且膨脹，導致該致動器的彎曲； 其中，該主動樑包含阻抗性加熱桿，該加熱桿比該電流流動路徑的任何其他部份具有相對較小的橫截面積，使得該主動樑的加熱集中在該至少一加熱桿。
選擇性地，該噴嘴腔室包含底部和具有運動部的頂部，藉此，該致動器的致動將該運動部朝向該底部運動。
選擇性地，該運動部包含該致動器。
選擇性地，該噴嘴開口被界定在該運動部中，使得該噴嘴開口可相對於該底部運動。
選擇性地，該致動器可相對於該噴嘴開口運動。
選擇性地，該主動樑包含從第一接點縱向延伸的第一臂、從第二接點縱向延伸的第二臂、和連接該第一臂與第二臂的連接構件，且其中該等臂中的每一者包含個別的阻抗性加熱桿。
選擇性地，該等阻抗性加熱桿一起佔據該主動樑之總體積的50%以下。
選擇性地，建構該驅動線路以輸送致動脈波至該主動樑，每一致動脈波具有的脈波寬度小於0.2微秒。
在另一方面提供一種噴墨列印頭，包含：噴嘴腔室，具有噴嘴開口與墨水入口；一對電性接點，設在該組合體的一端，且連接至驅動線路；和熱彎曲致動器，用於經過該噴嘴開口噴射墨水，該致動器包含：主動樑，連接至該等電性接點，且從該等接點縱向地 延伸遠離，該主動樑界定在該等接點之間的彎曲電流流動路徑；和被動樑，熔合至該主動樑，使得當電流通過該主動樑時，該主動樑相對於該被動樑加熱且膨脹，導致該致動器的彎曲；其中，該主動樑包含阻抗性加熱桿，該加熱桿比該電流流動路徑的任何其他部份具有相對較小的橫截面積，使得該主動樑的加熱集中在該至少一加熱桿。
本發明的第二方面提供一種致動熱彎曲致動器的方法，該熱彎曲致動器具有熔合至被動樑的主動樑，該方法包含使電流通過該主動樑，以造成該主動樑相對於該被動樑的熱彈性膨脹和該致動器的彎曲，其中該電流被以致動脈波輸送，該致動脈波具有小於0.2微秒的脈波寬度。
選擇性地，該脈波寬度為0.1微秒或更小。
選擇性地，以該致動脈波輸送的總能量小於200nJ。
選擇性地，每一致動脈波輸送的總能量小於150nJ。
選擇性地，該致動脈波在該彎曲致動器內造成至少2.0m/s的峰值撓曲速度。
選擇性地，該主動樑包含阻抗性加熱桿，該加熱桿比該主動樑的任何其他部份具有相對較小的橫截面積，使得該主動樑的加熱集中在該至少一加熱桿內。
選擇性地，該熱彎曲致動器，包含：一對電性接點，設在該致動器的一端；主動樑，連接至該等電性接點，且從該等接點縱向地 延伸遠離，該主動樑界定在該等接點之間的彎曲電流流動路徑；和被動樑，熔合至該主動樑，使得當電流通過該主動樑時，該主動樑相對於該被動樑加熱且膨脹，導致該致動器的彎曲；其中，該主動樑包含阻抗性加熱桿，該加熱桿比該電流流動路徑的任何其他部份具有相對較小的橫截面積，使得該主動樑的加熱集中在該至少一加熱桿內。
選擇性地，該主動樑包含從第一接點縱向延伸的第一臂、從第二接點縱向延伸的第二臂、和連接該第一臂與第二臂的連接構件。
選擇性地，該第一臂與第二臂中的每一者包含個別的阻抗性加熱桿。
選擇性地，該連接構件將該第一和第二臂的遠端互連，該等遠端相對於該等電性接點是遠側的。
選擇性地，該至少一阻抗性加熱桿的橫截面積，比該主動樑之任何其他部份的橫截面積較小至少1.5倍。
選擇性地，該至少一阻抗性加熱桿具有小於3微米的寬度。
選擇性地，該連接構件佔據該主動樑之總體積的至少30%。
選擇性地，該主動樑經由該對電性接點連接至驅動線路，建構該驅動線路以輸送該等致動脈波至該主動樑。
選擇性地，該主動樑由選自包含氮化鈦、氮化鈦鋁、 和釩鋁合金之群組的材料所組成。
選擇性地，該被動樑由選自包含二氧化矽、氮化矽、和氮氧化矽之群組的材料所組成。
在另一方面提供一種從噴墨噴嘴組合體排出墨水的方法，包含：噴嘴腔室，具有噴嘴開口與墨水入口；一對電性接點，連接至驅動線路；和熱彎曲致動器，用於經過該噴嘴開口排出墨水，該熱彎曲致動器包含連接至該等電性接點的主動樑和熔合至該主動樑的被動樑，該方法包含使電流通過該主動樑，以造成該主動樑相對於該被動樑的熱彈性膨脹和該致動器的彎曲，導致墨水從該噴嘴腔室排出，其中該電流被以致動脈波輸送，該致動脈波具有小於0.2微秒的脈波寬度。
選擇性地，該噴嘴腔室包含底部和具有運動部的頂部，藉此，該致動器的致動將該運動部朝向該底部運動。
選擇性地，該運動部包含該致動器。
選擇性地，該噴嘴開口被界定在該運動部中，使得該噴嘴開口可相對於該底部運動。
如同在申請人稍早(2007年6月15日)申請之第11/763440號美國專利申請案中所描述的，圖1和2顯示在兩不同製造階段的噴嘴組合體100。茲將該美國申請案併 入做參考。
圖1顯示局部形成的噴嘴組合體，以例示主動和被動樑層。因此參考圖1，顯示形成在互補式金氧半導體矽基板102上的噴嘴組合體100。由與基板102相間隔開的頂部104和從頂部延伸至基板102的側壁106界定噴嘴腔室。頂部104由運動部108和靜止部110所組成，且運動部108和靜止部110兩者界定出在其間的間隙109。噴嘴開口112被界定在運動部108中，用於噴射墨水。
運動部108包含具有一對懸臂樑的熱彎曲致動器，其呈上主動樑114熔合(fused)至下被動樑116的形式。下被動樑116界定頂部之運動部108的範圍。上主動樑114包含一對臂114A、114B，其分別從電極接點118A、118B縱向延伸。臂114A、114B的遠端被連接構件115連接。連接構件115包含鈦傳導性墊117，其促進此接合區域附近的電傳導。因此，主動樑114界定電極接點118A和118B之間的彎曲或扭曲傳導路徑。
電極接點118A和118B設置在噴嘴組合體的一端且彼此相鄰近，而且經由個別的連接器柱119連接至基板102之金屬的互補式金氧半導體層120。互補式金氧半導體層120包含用於致動彎曲致動器所需的驅動電路。
被動樑116通常由任何電絕緣/熱絕緣材料所構成，例如二氧化矽、氮化矽等。熱彈性主動樑114可由任何適當的熱彈性材料構成，例如氮化鈦、氮化鈦鋁、和鋁合金。如同申請人在2006年12月4日申請所共同繫屬之第 US11/607976號美國專利申請案(代理人文件第IJ70US號)中的解釋，釩鋁合金是較佳的材料，因為其結合高熱膨脹、低密度、和高楊氏模數的有利性質。
參考圖2，顯示在接續製造階段之已完成的噴嘴組合體100。圖2的噴嘴組合體具有噴嘴腔室122、和用於供給墨水至噴嘴腔室的墨水入口124。此外，一層聚合材料126覆蓋整個頂部，例如聚雙甲基矽氧烷(PDMS)。聚合層126具有多種功能，包括保護彎曲致動器、使頂部104具有疏水性、和提供對間隙109的機械性密封。聚合層126具有充分低的楊氏模數，以允許致動和噴射墨水經過噴嘴開口112。在例如2007年11月29日申請之第US11/946840號美國專利申請案中，可發現對聚合層126更詳細的描述，包括其功能和製造。
當需要從噴嘴腔室122噴射墨水液滴時，電流流經各電極接點118之間的主動樑114。主動樑114被電流快速地加熱且相對於被動樑116膨脹，藉此造成運動部108向對於靜止部110朝向基板102而向下彎曲。此運動造成噴嘴腔室122內側快速增加的壓力，將墨水從噴嘴開口112噴出。當電流停止流動時，運動部108被允許回到其靜止位置(圖1和2所示)，此動作從入口124將墨水吸入噴嘴腔室122內，以準備下一次的噴射。
在圖1、2所示的噴嘴設計中，彎曲致動器界定每一噴嘴組合體100之運動部108的至少一部份是有好處的。此不僅簡化噴嘴組合體100的整體設計和製造，且提供較高的 噴射效率，因為只有運動部108的一個面必須對(抗)相對黏性的墨水作功。相較之下，具有致動器槳葉設置在噴嘴腔室122內側之噴嘴組合體的效率較低，因為致動器的兩個面必須對(抗)腔室內側的墨水作功。
但是，仍然需要改善彎曲致動器的整體效率。由於電流流動路徑的急劇彎曲，所以在連接構件115中會發生電性損失。且因為從主動層114至被動層116的熱傳輸，所以會發生熱損失。
現在翻到圖3，顯示局部製造的噴嘴組合體200，其具有不同構造的主動樑層114。為了清晰起見，類似的構造以和圖1、2所用的相同參考數字表示。
噴嘴組合體200和圖1所示的噴嘴組合體100處在相同的製造階段。當然，可接續地製造噴嘴組合體200，以提供類似圖2所示之完整的噴嘴組合體。但是圖3之局部製造的噴嘴組合體最佳地例示主動樑層114的突出構造特徵。
在圖3中，可看到主動樑114包含一對阻抗式加熱桿117A、117B，其在主動樑114所界定之電流流動路徑具有一對橫向(相對於縱向的電流流動方向)截面積比任何其他部份較小。每一加熱棒117的橫截面積通常比電流流動路徑之任何其他部份的橫截面積小至少1.5倍、至少2倍、至少3倍、或至少4倍。所以加熱棒117產生主動樑114中絕大部分的熱，該熱是熱彈性彎曲致動所需的。
各加熱棒117一起佔據運動部108相對小的區域。加熱棒117佔據運動部108之總面積通常少10%或少於5%。各加 熱棒117一起佔據主動樑114相對小的體積。加熱棒117佔據主動樑114之總體積(和/或面積)通常少於50%、少於40%、或少於30%。加熱棒117的寬度或高度尺寸通常小於3微米、小於2.5微米、或小於2微米。
主動樑114的此結構提供比圖1所示的結構提供更多的優點。首先，藉由將熱集中進入相對小的區域，在熱彈性致動期間從主動樑114傳輸至被動樑116的總熱量被最小化。因此就相同的輸入能量而言，噴嘴組合體200內的熱損失比圖1所示的噴嘴組合體100更少。
第二，主動樑11的連接構件115可製成更大，其使因電流流動路徑中急劇彎曲(180度彎曲)所造成的電流損失最小化，且可不需傳導性墊117。大部份噴嘴組合體200的主動樑114致力於使流入加熱棒117內的電流最大化，其負責熱彈性致動。連接構件115通常佔據主動樑114之總體積的至少30%或至少40%。
圖3所示的噴嘴組合體當結合短致動脈波使用時特別有效能。藉由使用較短的脈波，熱能傳輸進入被動層116的時間量最少；相對於較長的致動脈波，較短的脈波產生較少的熱損失。再者，阻抗性加熱桿117的結構結合短致動脈波，在主動樑114和被動樑116之間產生較大的溫度差。因此獲得各層之間較大的差異膨脹，此導致運動部108之較高峰值撓曲速度。運動部108之峰值撓曲速度是控制從噴嘴開口112之墨水噴射速度的重要因素。
圖4實驗性地顯示使用具有相對短致動脈波之噴嘴組 合體200，如何獲得更有效率率的彈性致動和液滴噴射。該圖顯示就0.5至0.1微秒範圍內(以0.05微秒間隔分開)之各種致動脈波寬度獲得3 m/s峰值撓曲速度所需的能量。第一數據點具有0.5微秒的致動脈波寬度，且需要227.9 nJ的總能量輸入，以獲得3 m/s的峰值撓曲速度。對照之下，最後的數據點具有0.1微秒的致動脈波寬度，且需要138 nJ的總能量輸入，以獲得3 m/s的相同峰值撓曲速度。因此實驗數據清楚地例示：較短的脈波寬度獲得更有效率的致動，尤其是圖3所示的噴嘴組合體200。
本發明致動所需輸入的總能量，降低到小於200 nJ或小於150 nJ。總輸入能量通常在100-200 nJ的範圍內、或在100-150 nJ的範圍內。
熟悉該技藝人士可容易地瞭解輸入熱彎曲致動器的較低整體能量以產生預定峰值撓曲速度的優點。依據此處所描述的彎曲致動器和方法，可使熱彎曲致動噴墨列印頭更有效率且需要更少的電力。
當然可瞭解已藉由僅作為例子的方式來描述本發明，且可在所附之請求項所界定之本發明的範圍內做細節的修飾。
100‧‧‧噴嘴組合體
102‧‧‧基板
104‧‧‧頂部
106‧‧‧側壁
108‧‧‧運動部
109‧‧‧間隙
110‧‧‧靜止部
112‧‧‧噴嘴開口
114‧‧‧上主動樑
114A‧‧‧臂
114B‧‧‧臂
115‧‧‧連接構件
116‧‧‧下被動樑
117‧‧‧傳導性墊
117A‧‧‧加熱桿
117B‧‧‧加熱桿
118A‧‧‧電極接點
118B‧‧‧電極接點
119‧‧‧連接器柱
120‧‧‧互補式金氧半導體層
122‧‧‧噴嘴腔室
124‧‧‧(墨水)入口
126‧‧‧聚合材料
200‧‧‧噴嘴組合體
現在藉由只作為例子的方式參考附圖，描述本發明的實施例，其中：圖1是局部製造之噴墨噴嘴組合體之切開透視圖； 圖2是圖1所示之噴墨噴嘴組合體在完成最後階段之製造步驟的切開透視圖；圖3是本發明局部製造之噴墨噴嘴組合體的切開透視圖；和圖4是顯示使用不同致動脈波寬度，以獲得3 m/s峰值撓曲速度所需各種輸入能量的圖。

Claims (18)

  1. 一種致動熱彎曲致動器以在液體中產生壓力脈波的方法，該熱彎曲致動器具有熔合至被動樑的主動樑，該方法包含使電流通過該主動樑，以造成該主動樑相對於該被動樑的熱彈性膨脹和該致動器的彎曲，使該被動樑作用在該液體上以產生該壓力脈波，該電流被以致動脈波輸送，該致動脈波具有小於0.2微秒的脈波寬度和小於200nJ的總能量，使在該致動脈波後，該致動器回到靜止位置，其中當回到該靜止位置時，該主動樑作用以對抗氣體。
  2. 如申請專利範圍第1項所述致動熱彎曲致動器的方法，其中該脈波寬度為0.1微秒或更小。
  3. 如申請專利範圍第1項所述致動熱彎曲致動器的方法，其中該致動脈波在該彎曲致動器內造成至少2.0m/s的峰值撓曲速度。
  4. 如申請專利範圍第1項所述致動熱彎曲致動器的方法，其中該主動樑包含阻抗性加熱桿，該加熱桿比該主動樑的任何其他部份具有相對較小的橫截面積，使得該主動樑的加熱集中在該至少一加熱桿內。
  5. 如申請專利範圍第1項所述致動熱彎曲致動器的方法，其中該熱彎曲致動器，包含：一對電性接點，設在該致動器的一端；主動樑，連接至該等電性接點，且從該等接點縱向地延伸遠離，該主動樑界定在該等接點之間的彎曲電流流動路徑；和 被動樑，熔合至該主動樑，使得當電流通過該主動樑時，該主動樑相對於該被動樑加熱且膨脹，導致該致動器的彎曲；其中，該主動樑包含阻抗性加熱桿，該加熱桿比該電流流動路徑的任何其他部份具有相對較小的橫截面積，使得該主動樑的加熱集中在該至少一加熱桿內。
  6. 如申請專利範圍第5項所述致動熱彎曲致動器的方法，其中該主動樑包含從第一接點縱向延伸的第一臂、從第二接點縱向延伸的第二臂、和連接該第一臂與第二臂的連接構件。
  7. 如申請專利範圍第6項所述致動熱彎曲致動器的方法，其中該第一臂與第二臂中的每一者包含個別的阻抗性加熱桿。
  8. 如申請專利範圍第6項所述致動熱彎曲致動器的方法，其中該連接構件將該第一和第二臂的遠端互連，該等遠端相對於該等電性接點是遠側的。
  9. 如申請專利範圍第4項所述致動熱彎曲致動器的方法，其中該至少一阻抗性加熱桿的橫截面積，比該主動樑之任何其他部份的橫截面積較小至少1.5倍。
  10. 如申請專利範圍第4項所述致動熱彎曲致動器的方法，其中該至少一阻抗性加熱桿具有小於3微米的寬度。
  11. 如申請專利範圍第6項所述致動熱彎曲致動器的方法，其中該連接構件佔據該主動樑之總體積的至少30%。
  12. 如申請專利範圍第5項所述致動熱彎曲致動器的方 法，其中該主動樑經由該對電性接點連接至驅動線路，建構該驅動線路以輸送該等致動脈波至該主動樑。
  13. 如申請專利範圍第1項所述致動熱彎曲致動器的方法，其中該主動樑由選自包含氮化鈦、氮化鈦鋁、和釩鋁合金之群組的材料所組成。
  14. 如申請專利範圍第1項所述致動熱彎曲致動器的方法，其中該被動樑由選自包含二氧化矽、氮化矽、和氮氧化矽之群組的材料所組成。
  15. 一種從噴墨噴嘴組合體排出墨水的方法，包含：噴嘴腔室，具有噴嘴開口與墨水入口；一對電性接點，連接至驅動線路；和熱彎曲致動器，用於經過該噴嘴開口排出墨水，該熱彎曲致動器包含連接至該等電性接點的主動樑和熔合至該主動樑的被動樑，該方法包含使電流通過該主動樑，以造成該主動樑相對於該被動樑的熱彈性膨脹和該致動器的彎曲，導致墨水從該噴嘴腔室排出，其中該電流被以致動脈波輸送，該致動脈波具有小於0.2微秒的脈波寬度和小於150nJ的總能量。
  16. 如申請專利範圍第15項所述從噴墨噴嘴組合體排出墨水的方法，其中該噴嘴腔室包含底部和具有運動部的頂部，藉此，該致動器的致動將該運動部朝向該底部運動。
  17. 如申請專利範圍第16項所述從噴墨噴嘴組合體排出墨水的方法，其中該運動部包含該致動器。
  18. 如申請專利範圍第17項所述從噴墨噴嘴組合體排出墨水的方法，其中該噴嘴開口被界定在該運動部中，使得該噴嘴開口可相對於該底部運動。
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