噴墨打印模塊的制作方法

專利名稱：噴墨打印模塊的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種低電壓噴墨打印模塊的制造方法。
背景技術：
噴墨打印模塊從噴嘴沿承印物方向噴墨。噴射的墨水可為由壓電噴墨打印模塊產 生的一連串液滴。特定打印模塊的實例中可具有分成四組的256個射流，每組64個射流。 壓電噴墨打印模塊可包括模塊本體、壓電元件和驅動該壓電元件的電接觸件。一般來說，該 模塊本體呈長方體，其表面上機加工出一系列用作墨水泵送室的墨水室。該壓電元件可設 置在該本體表面上以蓋住該泵送室，從而對泵送室中的墨水加壓以噴射墨水。

發明內容
通常，噴墨打印模塊包括加強的壓電元件。與非加強的壓電元件相比，在將低電壓 施加到壓電元件上時，該加強的壓電元件可改善墨水的噴射。由于壓電元件得到加強，這還 可使得噴墨模塊更小。加強的壓電元件至少在一個維度上的剛性比平面形壓電元件的大。 該加強的壓電元件可具有加強壓電元件的曲面。該模塊在低于60V的電壓的驅動下就可噴 射墨水。在一個方案中，噴墨打印模塊的制造方法包括將前體注入到模具中以形成加強的 壓電元件，并且將該壓電元件置于墨水室上方，以在施加噴射電壓時使得墨水室中的墨水 受到噴射壓力。在另一方案中，沉積墨水的方法包括將墨水供給到墨水室，并且將噴射電壓施加 到加強的壓電元件表面上的第一電極與第二電極之間，從而使得墨水室中的墨水受到噴射 壓力，因此沉積來自墨水室的出口噴嘴的墨水。在另一方案中，噴墨打印模塊包括墨水室；加強的壓電元件，其具有暴露于墨水室 的區域；以及電接觸件，其設置在該壓電元件的表面上，并且當這些電接觸件受到噴射電壓 時會驅動該壓電元件。該壓電元件位于該墨水室上，以使得該墨水室中的墨水受到噴射壓 力。該加強的壓電元件的暴露于墨水室的區域呈曲面。在另一方案中，本發明的特征在于涉及一種噴墨打印頭模塊，其包括墨水室、具有 與該墨水室相鄰的區域的加強的壓電元件，該壓電元件位于該墨水室上方，以使得墨水室 中的墨水受到噴射壓力，其中，該加強的壓電元件的與該墨水室相鄰的區域具有沿第一方 向和第二方向基本上跨越該墨水室的曲面；其中，該曲面沿第一方向上的曲率半徑變化并 且沿第二方向上的曲率半徑也變化；并且其中該第一方向與該第二方向正交，以及其中所 述墨水室包括壁，所述壁以大于90°的角沿所述第一方向和所述第二方向與該壓電元件接 觸。
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根據本發明的另一方案，提供了一種噴墨打印頭模塊，包括墨水室；加強的壓電 元件，其具有與該墨水室相鄰的曲面區域，該壓電元件位于該墨水室上方，以使得該墨水室 中的墨水受到噴射壓力；膜，其位于該加強的壓電元件與該墨水室之間；其中，該加強的壓 電元件的與該墨水室相鄰的曲面區域沿第一方向和第二方向跨越該墨水室，該曲面區域具 有沿該第一方向變化的第一曲率半徑以及沿該第二方向變化的第二曲率半徑，并且其中該 第一方向與該第二方向正交，以及其中所述墨水室包括壁，所述壁以大于90°的角沿所述 第一方向和所述第二方向與該膜接觸。各實施例可包括下列特征中的一個或多個特征。該曲面可相對該墨水室凹陷。該噴墨打印頭模塊還可包括位于該加強的壓電元件 與該墨水室之間的膜。該膜可包括電絕緣材料(例如kapton或Si02)。該噴墨打印頭模塊 還可包括位于該膜與該加強的壓電元件之間的一個或多個電接觸件。該膜可為一片柔性印 刷膜，該柔性印刷膜可伸展到該加強的壓電元件之外。在某些實施例中，該噴墨打印頭還包 括相對該壓電元件而設置的、用于驅動該壓電元件的電接觸件。至少一個電接觸件可位于 壓電元件的與其它電接觸件相對的側面上。沿第一方向的曲率半徑可與沿第二方向的曲率半徑近似相同。該第一曲率半徑可 大于等于該第二曲率半徑。第一曲率半徑可為小于等于約5毫米(例如小于等于約3毫 米)。在某些實施例中，該第一曲率半徑為約500 約3000微米(例如約1000 約2800微 米、約1500 約2600微米)。該壓電元件的厚度可為約5 約300微米(例如約10 約 250微米、小于等于約100微米)。墨水室沿第一方向的寬度可小于等于約1200微米(例 如約50 約1000微米)。該噴墨打印模塊可包括一系列墨水室。各墨水室可由該壓電元件覆蓋。該墨水室 包括壁，該壁以大于90°的角與暴露于該墨水室的該壓電元件接觸。該打印頭模塊可包括具有較高剛度的壓電元件。例如，該壓電元件可包括在兩個 方向上的曲率半徑都不變的曲面區。該壓電元件被驅動時，該曲率可減小該壓電元件的變 形能力，從而提高壓電元件的剛度。詳情見附圖和以下說明。從該說明、附圖和權利要求書中可顯然得出其它特征和 優點。


圖IA和圖IB為噴墨打印模塊的示意圖。圖2為噴墨打印模塊的一部分的示意圖。圖3為壓電元件的示意圖。圖4為在墨水室中產生的壓力隨壓電元件的厚度和曲率而改變的曲線圖。圖5為在墨水室中產生的體積隨壓電元件的厚度和曲率而改變的曲線圖。圖6為壓電元件的示意圖。圖7為在墨水室中產生的壓力隨壓電元件的厚度和曲率而改變的曲線圖。圖8為由墨水室產生的液滴體積隨壓電元件的厚度和曲率而改變的曲線圖。圖9為由墨水室產生的液滴體積隨壓電元件的厚度和曲率而改變的曲線圖。圖10為在墨水室中產生的壓力隨壓電元件的厚度和曲率而改變的曲線圖。
圖11為由墨水室產生的液滴體積隨壓電元件的厚度和曲率而改變的曲線圖。圖12A和圖12B為壓電元件在兩正交方向上的剖面圖。
具體實施例方式噴墨打印模塊包括位于本體的噴射區上方的壓電元件。該噴射區可為該本體內的 泵送室的一部分。泵送室可被密封。壓電元件表面上可具有電極之類的電接觸件。壓電元 件跨越各噴射區。在將電壓施加到電接觸件上時，壓電元件在噴射區中的形狀改變，從而對 應泵送室內的墨水受到噴射壓力。墨水從泵送室噴出并沉積在承印物上。壓電噴墨打印模塊的一個實例為切變式模塊，例如其全部內容作為參考而包括在 此的美國專利No. 5，640，184中所述的模塊。切變式模塊中的電接觸件可位于壓電元件的 與墨水室相鄰的側面上。參見圖1A、圖IB和圖2，壓電噴墨頭2包括一個或多個組裝到頸 圈件10中的模塊4，該頸圈件10上連接有集流板12和噴嘴板14。墨水經頸圈件10引入 模塊4中。驅動該模塊4即可使得墨水從噴嘴板14上的噴嘴16噴出。噴墨打印模塊4包 括可用燒結碳或陶瓷之類材料制成的本體20。在本體20中用機加工或其它加工方法制造 出多個室22以形成泵送室。墨水經同樣在本體20中機加工形成的墨水填充通道26而流入泵送室。本體4相 對的兩面上包括一連串位于本體20中泵送室上方的電接觸件31和31’。電接觸件31和 31’連接到引線，而所述引線可與集成電路33和33’連接。這些部件一起封裝形成該打印 模塊。參見圖2，壓電元件34的一個表面上具有電極40。該電極40與電接觸件31對齊， 從而使得所述電極通過驅動器集成電路被單獨尋址。電極40可通過化學蝕刻掉沉積在壓 電元件表面上的導電材料而形成。合適的電極形成方法見其全部內容作為參考而包括在此 的美國專利No. 6，037，707中所述。電極可用導體如銅、鋁、鈦-鎢、鎳-鉻或金制成。每一 電極40的位置和大小與本體20中的形成泵送室的室22對應。每一電極40具有細長形區 42，該細長形區的長度和寬度稍小于泵送室的長度和寬度，從而在電極40的周邊與泵送室 的兩邊和端部之間形成間隙43。這些集中于泵送室上的電極區42為覆蓋壓電元件34的噴 射區的驅動電極。壓電元件34上的第二電極52通常與本體20的、在室22外部從而在泵 送室外部的區域對應。電極52為共同(接地)電極。電極52可(如圖所示)呈梳子狀， 也可為單獨尋址的電極條。薄膜電極和壓電元件電極充分重疊，以保持良好的電接觸，便于 該薄膜與壓電元件對齊。壓電元件可為一鋯鈦酸鉛(PZT)整體件。壓電元件在施加的電壓的作用下發生 位移，從而使得泵送室中的墨水噴出。該位移部分地隨該材料的極化而改變。壓電元件 在電場的作用下被極化。極化過程例如見其全部內容作為參考而包括在此的美國專利 No. 5，605，659中所述。極化程度取決于所施加的電場的強度和持續時間。極化電壓撤去 時，壓電疇對齊。壓電元件的厚度可為5 300微米、10 250微米、15 150微米、小于 100微米或小于50微米。其后施加的電場，例如在噴射時施加的電場可造成與所施加的電場強度成比例的 形狀改變。例如通過將壓電元件的覆蓋墨水室的部分做成曲面而使得壓電元件加強。該曲面的曲率可基本上保持不變，例如呈球面或圓柱面。參見圖3，壓電元件34的區域100為曲 面。壓電元件34的該曲面相對墨水室102凹陷。該凹陷的曲面可減小屈曲，否則在噴射時 可能會發生該屈曲。室102的壁104定向為可以大于90°的角度與加強的壓電元件34接 觸。該室的寬度可小于1200微米，或者寬度為50 1000微米或者寬度為100 800微米。 電極42和52位于壓電元件34的表面106上。通過在這兩個電極之間施加噴射電壓，墨水 室中的墨水受到噴射壓力，從而沉積從墨水室的噴嘴噴出的墨水。該噴射電壓例如可低于 60V。該曲面的曲率半徑可近似不變。該曲度或曲率半徑影響到該模塊的硬度和噴射特 性。該曲率半徑為逼近包圍該曲面的圓的半徑。該曲面的曲率半徑可小于5毫米或小于3 毫米。該曲面的曲率半徑可為500 3000微米、1000 2800微米或1500 2600微米。 該曲面可呈球形截面或圓柱形截面。為制造該噴墨打印模塊，形成加強的壓電元件后將該壓電元件置于墨水室上方， 從而在施加噴射電壓時使得墨水室中的墨水受到噴射壓力。為制造該加強的壓電元件，可 將曲面磨制成由壓電材料支撐的薄層，或也可將前體注入到具有該壓電元件的曲面特征的 模具中。例如，可用壓電材料粉末和有機粘接劑制備混合物。將該混合物注模以形成綠帶， 然后加熱該綠帶以除去粘接劑。該綠帶可為厚度為10 50微米或20 40微米的薄膜。 粉末可例如燒結到至少約95%的理論密度。形成壓電元件的注射成形例如見其全部內容作 為參考而包括在此的美國專利No. 5，340，510中所述。參見圖12A和圖12B，在特定實施例中，打印頭模塊1201包括壓電元件1234的不 止在一個方向上彎曲的區域1200。圖12A示出了沿一個方向的壓電元件1234的剖面，而圖 12B示出了沿正交方向的壓電元件1234的剖面。壓電元件1234的曲面相對墨水室1202凹 陷，并且曲面區1200在兩個方向上跨越墨水室1202。墨水室1202的壁1204定向為以大于 90°的角度與加強的壓電元件1234接觸。一般來說，區域1200的曲率在兩個方向上可相同也可不同。在每一方向上的曲率 半徑可保持不變也可變動。加強的壓電元件1234的相對的兩側面上設有電接觸件1242和1252。電極可用導 電材料如金、鋁或其它金屬制成。在某些實施例中，電接觸件可用導電合金如鈦-鎢(Au/ Ti-W)或導電氧化物如ITO(銦錫氧化物)制成。打印頭模塊1201還包括設于壓電元件1234與墨水室1202之間的膜1210。該膜 1210隔絕電接觸件1252與墨水室中的墨水。一般來說，膜1210用柔性材料制成，從而工作 時可隨壓電元件1234伸展。在某些實施例中，膜1210用導電材料如鎳、銅、金和/或其它 金屬或半導體如硅制成。可選擇地，膜1210也可用絕緣材料如氧化硅或kapton制成。膜 1210還可用聚合物或兩種或多種材料的混合物如氮化硅和氧化硅的混合物制成。在特定實 施例中，膜1210為其上有電接觸件1252的一片柔性印刷膜。一般來說，膜1210的厚度可按照需要變動。在某些實施例中，膜1210可較薄，例 如小于等于約10微米(例如為約0. 5 約5微米)。該曲率使得壓電元件加強，從而當低壓電元件施加在壓電元件上時可改善墨水的 噴射。其壓電元件呈平面形的對照噴墨打印模塊需要施加更高的電壓才能噴射同樣體積的 墨水液滴。相對墨水室凹陷的曲面可使得噴射時墨水室中的正壓比負壓高，例如，噴射時的
7壓力可比對墨水室進行填充時的壓力高兩倍。噴墨打印模塊尺寸的減小還可導致噴射特定 體積液滴所需的電壓增高。射流減小可使得打印頭更為緊湊。由于該壓電元件至少在一 個維度上的剛性比平面形壓電元件高，因此加強的壓電元件還可使得噴墨打印模塊做得更 小。該壓電元件在靜止狀態下呈曲面時，垂直于壓電元件的偏移可相對平面形壓電元件增 大。此外，墨水室厚度減小可使射流尺寸減小、性能提高。盡管以上說明了噴墨打印頭模塊的某些實施例，但上述模塊的部件也可用于其它 模件。例如，曲面形壓電元件之類的部件可用于作為參考而包括在此的申請日為2002年7 月3日、名稱為“打印頭”的美國專利申請No. 10/189,947中所述的打印頭模塊。對具有(圖3所示)圓柱形、特定曲率半徑和伸展式工作的結構模型進行的有限 元分析表明，加強的壓電元件的泵送特性與平面形壓電元件相比有所提高。在該模型中，使 用ANSYS多物理耦合場分析(ANSYS 5. 7版，ANSYS Inc. of Canonsburg，PA)，其使用的參數 為墨水室直徑為0. 102cm、墨水室深度為0. 152mm、在厚度方向上極化鋯鈦酸鉛(PZT 5A， MorganElectro Ceramics，Bedford，Ohio)、KOVAR 制造的空腔板(High Temp Metals, Inc., Sylmar, CA生產的低膨脹鐵-鎳-鈷合金)、達到的壓電寬度(各室之間的距離) 為0. 254mm、墨水密度為1000kg/m3、脈沖電壓為50V、壓電元件厚度為Imil (25. 4微米) IOmil (254微米)并且曲率半徑為30mil、40mil、50mil、IOOmil或無窮大(平面形壓電元 件)。由具有特定厚度和曲率半徑的加強的壓電元件產生的壓力和位移列于表1中。由加 強的壓電元件產生的壓力和總體積見圖4和圖5。用于對照的、以切變方式工作的平面形壓 電元件的對照例包括在內，其噴射電壓為100V。表 1 對圖6所示球形、曲率半徑特定、伸展式工作和墨水室總體積不變的結構模型進 行的有限元分析也表明，加強的壓電元件的泵送特性與平面形壓電元件相比有所提高。在 該模型中，使用ANSYS多物理耦合場分析，其使用的參數為墨水室直徑為0. 102cm、在厚度 方向上極化鋯鈦酸鉛(PZT 5A)、KOVAR 制造的空腔板、達到的壓電寬度(各室之間的 距離)為0. 254mm、墨水密度為1000kg/m3、脈沖電壓為50V、壓電元件厚度為Imil (25. 4微 米) IOmil (254微米)、曲率半徑為20mil、30mil、40mil、50mil或無窮大(平面形壓電 元件)。泵送室的體積保持為3. 14X10-1(lm3，這與對照例的總體積相同。由于墨水室直徑 也為一常數(0.102cm)，而曲率半徑變動，因此墨水室深度成為變量。與各曲率半徑對應的 墨水室深度為R = 20mil，深度=2mil ；R = 30mil，深度=11. 33mil ；R = 40mil，深度= 12. 59mil ；或R= 50mil，深度=13. 22mil。由具有特定厚度和曲率半徑的加強的壓電元件產生的壓力和液滴體積列于表2中。由加強的壓電元件產生的墨水室壓力和液滴體積見圖 7和圖8。用于對照的、以切變方式工作的平面形壓電元件的對照例包括在內，其噴射電壓 為 100V。表2 aIOOV驅動電壓對圖6所示球形、特定曲率半徑、伸展式工作和總體積不變的結構模型進行的另 一有限元分析表明，加強的壓電元件的泵送特性與平面形壓電元件相比有所提高。在該模 型中，使用ANSYS多物理耦合場分析，其使用的參數為墨水室直徑為0. 102cm、墨水室深度 為0. 152mm、在厚度方向上極化鋯鈦酸鉛(PZT 5A)、KOVAR 制造的空腔板、達到的壓電 寬度(各室之間的距離)為0. 254mm、墨水密度為1000kg/m3、脈沖電壓為50V、壓電元件厚度 為 Imil (25. 4 微米) 8mil (203 微米)、曲率半徑為 20mil、30mil、40mil、或 50mil。由于 墨水室直徑也為常數(0.102cm)，而曲率半徑變動，因此墨水室深度成為變量。與各曲率半徑對應的墨水室深度為1 = 201^1，深度=21^1 ；R = 30mil，深度=11. 33mil ；R = 40mil, 深度=12. 59mil ；或R = 50mil，深度=13.22mil。由具有特定厚度和曲率半徑的加強的 壓電元件產生的液滴體積見圖9。對圖6所示球形、特定曲率半徑、伸展式工作和墨水室總體積不變的結構模型進 行的其它有限元分析也表明，加強的壓電元件的泵送特性與平面形壓電元件相比有所提 高。在該模型中，使用ANSYS多物理耦合場分析，其使用的參數為墨水室直徑為0. 102cm、 墨水室深度為0.152mm、在厚度方向上極化鋯鈦酸鉛(PZT 5A)、KOVAR 制造的空腔板、 達到的壓電寬度(各室之間的距離)為0. 254mm、墨水密度為1000kg/m3、脈沖電壓為15V、 壓電元件厚度為 0. 04mil(l 微米)、0. IOmil (2. 5 微米)、0. 30mil (7. 5 微米)、0. 50mil(12. 5 微米)或IOmi 1 (254微米)、曲率半徑為30mi 1、40mi 1、50mi 1或無窮大(平面形壓電元件)。 由于墨水室直徑也為一常數(0. 102cm)，而曲率半徑變動，因此墨水室深度成為變量。與各 曲率半徑對應的墨水室深度為R= 30mil，深度=11. 33mil ；R = 40mil，深度=12. 59mil ； 或R = 50mil，深度=13.22mil。由具有特定厚度和曲率半徑的加強的壓電元件產生的壓 力和液滴體積列于表3中。由加強的壓電元件產生的墨水室壓力和液滴體積見圖10和11。 用于對照的、以切變方式工作的平面形壓電元件的對照例包括在此，其噴射電壓為100V。表3
aIOOV驅動電壓盡管以上實施例說的是噴射墨水，但是一般而言在此公開的實施例也可用來噴射 其它流體。例如，可用打印頭模塊沉積使用在光學或電子裝置中的材料，如在制造電子顯示 器時的有機發光聚合物和/或使用在電路中的導線的導電材料。作為另一個實例，可用打 印頭模塊沉積粘合劑，特別是需要將粘合劑精確涂抹在基質上的場合。在某些實施例中，可 用打印頭模塊計量生物材料，如含有核酸或藥理活化化合物的流體。以上說明了若干實施例。其它實施例包含在后附權利要求書的范圍內。
權利要求
一種噴墨打印頭模塊，包括墨水室；加強的壓電元件，其具有與該墨水室相鄰的曲面區域，該壓電元件位于該墨水室上方，以使得該墨水室中的墨水受到噴射壓力，其中，該加強的壓電元件的與該墨水室相鄰的曲面區域沿第一方向和第二方向跨越該墨水室，該曲面區域具有沿該第一方向變化的第一曲率半徑以及沿該第二方向變化的第二曲率半徑，并且其中該第一方向與該第二方向正交，以及其中所述墨水室包括壁，所述壁以大于90°的角沿所述第一方向和所述第二方向與該壓電元件接觸。
2.根據權利要求1所述的噴墨打印頭模塊，其中，該曲面區域相對該墨水室凹陷。
3.根據權利要求1所述的噴墨打印頭模塊，其中，該噴墨打印頭模塊進一步包括相對 該壓電元件而設置的、用于驅動該壓電元件的電接觸件。
4.根據權利要求3所述的噴墨打印頭模塊，其中，至少一個電接觸件位于該壓電元件 的與其它電接觸件相對的側面上。
5.根據權利要求1所述的噴墨打印頭模塊，其中，沿該第一方向的第一曲率半徑與沿 該第二方向的第二曲率半徑不同。
6.根據權利要求1所述的噴墨打印頭模塊，其中，該第一曲率半徑大于等于該第二曲 率半徑。
7.根據權利要求1所述的噴墨打印頭模塊，其中，該第一曲率半徑小于等于5毫米。
8.根據權利要求1所述的噴墨打印頭模塊，其中，該第一曲率半徑小于等于3毫米。
9.根據權利要求1所述的噴墨打印頭模塊，其中，該第一曲率半徑為500 3000微米。
10.根據權利要求1所述的噴墨打印頭模塊，其中，該第一曲率半徑為1000 2800微米。
11.根據權利要求1所述的噴墨打印頭模塊，其中，該第一曲率半徑為1500 2600微米。
12.根據權利要求1所述的噴墨打印頭模塊，其中，該壓電元件的厚度為5 300微米。
13.根據權利要求1所述的噴墨打印頭模塊，其中，該壓電元件的厚度為10 250微米。
14.根據權利要求1所述的噴墨打印頭模塊，其中，該壓電元件的厚度小于等于100微米。
15.根據權利要求1所述的噴墨打印頭模塊，其中，該墨水室沿該第一方向的寬度小于 等于1200微米。
16.根據權利要求1所述的噴墨打印頭模塊，其中，該墨水室沿該第一方向的寬度為 50 1000微米。
17.根據權利要求1所述的噴墨打印頭模塊，其中，該噴墨打印頭模塊進一步包括一系列墨水室。
18.根據權利要求17所述的噴墨打印頭模塊，其中，各所述墨水室由該壓電元件覆蓋。
19.一種噴墨打印頭模塊，包括墨水室；加強的壓電元件，其具有與該墨水室相鄰的曲面區域，該壓電元件位于該墨水室上方， 以使得該墨水室中的墨水受到噴射壓力；膜，其位于該加強的壓電元件與該墨水室之間；其中，該加強的壓電元件的與該墨水室相鄰的曲面區域沿第一方向和第二方向跨越該 墨水室，該曲面區域具有沿該第一方向變化的第一曲率半徑以及沿該第二方向變化的第二 曲率半徑，并且其中該第一方向與該第二方向正交，以及其中所述墨水室包括壁，所述壁以 大于90°的角沿所述第一方向和所述第二方向與該膜接觸。
20.根據權利要求19所述的噴墨打印頭模塊，其中，該膜包括電絕緣材料。
21.根據權利要求19所述的噴墨打印頭模塊，其中，該膜為kapton膜。
22.根據權利要求19所述的噴墨打印頭模塊，其中，該膜為SiO2膜。
23.根據權利要求19所述的噴墨打印頭模塊，其中，該噴墨打印頭模塊進一步包括位 于該膜與該加強的壓電元件之間的一個或多個電接觸件。
24.根據權利要求19所述的噴墨打印頭模塊，其中，該膜為一片柔性印刷膜，并且該柔 性印刷膜伸展到該加強的壓電元件之外。
全文摘要
一種制造噴墨打印模塊的方法，包括形成具有加強面的壓電元件。
文檔編號B41J2/045GK101913290SQ201010250
公開日2010年12月15日 申請日期2005年6月20日 優先權日2004年6月21日
發明者保羅·A.·霍伊辛頓, 周勇 申請人:富士膠片戴麥提克斯公司