CN101977773B - 一种打印头和用于制造打印头的方法 - Google Patents

Abstract

打印头(20、220)包括与具有侧面开口、第一末端和第二末端的流体室(21)相对的隔膜(26)。打印头(20、220)还包括从流体室(21)的底面(52)延伸到隔膜(26)的支撑体(30、32、300、302、310、312、320、322)。

Description

一种打印头和用于制造打印头的方法

背景技术

某些打印头开动或向隔膜施加力以通过一个或多个喷嘴喷射流体。当以较高的频率喷射流体时，轨迹或其它喷射误差可能导致降低打印质量。 

附图说明

图1是根据示例性实施例的图解说明分区段的流体喷射器的打印头的断片透视图。 

图2是根据示例性实施例的、其中出于例示的目的省略了一些部分的图1的打印头的顶视平面图。 

图3是根据示例性实施例的图1的打印头的基板的顶视透视图。 

图4是根据示例性实施例的、比较图1的流体喷射器与无支撑体的流体喷射器的排出体积的图表。 

图5是无支撑体的图1的流体喷射器的流速的图表。 

图6是根据示例性实施例的具有支撑体的图1的流体喷射器的流速的图表。 

图7～9是根据示例性实施例的图解说明流体喷射器的隔膜的频率模式的图1的流体喷射器的透视图。 

图10是根据示例性实施例的图2的打印头的另一实施例的顶视平面图。 

具体实施方式

图1～3图解说明了根据示例性实施例的喷墨打印头20。打印头20被配置为向介质上选择性地分注或喷射一种或多种流体，诸如一种或多种墨。如下文将描述的，打印头20以较高的精确度在较高的频率下喷射流体。打印头20包括一个或多个流体喷射器21。每个流体喷射器21包括基板模或基板22、隔膜26、致动器28和支撑体30、32。 

如图3所示，图3图解说明了三个基本相同的并排流体喷射器21， 基板22包括由一种多种材料的一个或多个层形成的具有相对面38、40的基本面状的结构。面38包括多个流体特征或通道42，其中为每个流体喷射器21提供一个通道42。每个通道42包括填充室或填充部分46、喷射室或喷射部分48和一个或多个喷嘴开口50。填充部分46包括与诸如流体储存器(未示出)之类的流体供应源进行直接流体连通的通道42的那些部分，喷射部分48包括通常接近于致动器36并在喷嘴开口24处终止的通道42的那些部分。 

每个通道42由一个或多个结构形成并具有底面52、横向侧壁或侧面54和纵向末端56、58。末端56位于邻近填充室或填充部分46的位置，而纵向末端58位于邻近或接近喷射室或喷射部分48和喷嘴开口50的位置。图3图解说明了在切断基板22的端部以暴露或打开喷嘴开口50之前的基板22。 

喷嘴开口50包括沿着基板22(图1中所示)的喷嘴边缘61的孔口，通过该孔口喷射流体。喷嘴开口50具有受控和规定的尺寸以调节所喷射流体的体积。喷射部分52还可以具有规定的几何形状以帮助调节通过开口50喷射的流体的量。例如，喷射部分48限定体积。由邻近的致动器36实现的隔膜26的移动改变该体积，以通过相应的开口50来喷射流体。 

根据一个示例性实施例，基板22由硅的同质层形成，使用光刻、蚀刻和/或其它制造技术来在其中制造通道42和开口50。根据另一示例性实施例，基板22可以由一种或多种聚合材料的同质层形成，在其中制造通道42和开口50。在一个实施例中，所述一种或多种聚合材料可以包括诸如环氧树脂之类的热固性聚合材料。在其它实施例中，一种或多种聚合材料可以包括热塑性聚合材料，诸如聚醚酰亚胺(PEI)。在基板22由热塑性材料形成的那些实施例中，制成的基板22表现出增强的抗墨性和刚性。 

可以用来将基板22注塑成型的低成本高模数聚合材料的示例包括可以用来将基板22注塑成型的低成本高模数聚合材料的示例，其包括液晶聚合物(LCP)、聚砜(PS)和聚醚醚酮(PEEK)。可以用来对基板22铸模的聚合材料的其它示例包括：聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚乙烯亚胺(PEI)、聚苯硫醚(PPS)和聚异戊二烯(PI)。在其它实施例中，基板22可以是印模成型(impression molded)的。 使用聚合物来形成基板22可以降低打印头20的成本，使得能够通过避免或减少基于硅的处理并控制诸如应变造成的损坏之类的聚合物的改善的机械特性来实现打印头的更宽的形式，促进快速回转原型制作(turn-around prototyping)，并增加通道32的流体架构的自由度。 

在某些实施例中，形成基板22的聚合材料可以另外包括一部分的填充材料。填充材料的示例包括但不限于碳、二氧化钛、金属和玻璃。在聚合材料包括填充材料的那些实施例中，基板22可表现出增加的刚性和导热性。 

在一个实施例中，通道42和开口50被成型到基板22中。例如，在一个实施例中，基板22是注塑成型的。使用注塑成型有利于改变开口50的几何形状，这可以提供在液滴均匀度和/或方向性方面的优点。在其它实施例中，可以以其它方式在基板22中形成通道42，诸如通过一种或多种材料去除技术，诸如光刻或光图案形成和蚀刻、机电加工，诸如切割、锯割、抛光等、或激光烧蚀或切割。 

如图1所示，隔膜26包括一种或多种材料的一层或多层，其由所选材料形成且尺寸被确定为使得具有足够的柔性，从而允许致动器28使隔膜26朝着底面52折曲或弯曲，从而改变通道42的喷射部分48的体积。在一个实施例中，隔膜26由在填充部分46和喷射部分48两者上延伸的连续层形成，其中，该层在与喷射部分36相对的地方更薄一些，以允许此类折曲，而该层的与填充部分46相对的那些部分基本上是不可弯曲的。 

在一个实施例中，隔膜26由具有约58μm的厚度的玻璃层形成。该薄玻璃片可从诸如纽约Elmsford的Schott North America公司之类的供应商那里购买到。根据一个实施例，由此类玻璃材料形成的隔膜26具有约60GPa的机械模数和约0.25的泊松比。隔膜26具有约3至约9ppm之间的热膨胀系数。在其它实施例中，由此类玻璃材料形成的隔膜26可以具有其它尺寸。在另外的其它实施例中，隔膜26可以由其它材料形成。 

致动器28包括下述机构或装置，所述机构或装置被配置为选择性地(和/或)使与通道42中的一个或多个相对的隔膜26的部分折曲，从而改变喷射部分48的内部体积，以迫使流体通过喷嘴开口50离开通道42。在所示的示例性实施例中，致动器28包括压电或压阻致动器， 其中，压电元件响应于所施加的电势或电压而变形、折曲或改变形状。如图1所示，在所示的示例中，每个致动器28包括导电体64、压电元件66和导电体68。 

导电体64包括由隔膜26支撑并与相关压电元件66接触的一个或多个导电结构或导电层。导电体64帮助在压电元件66两端形成电势，以促进流体通过开口50的喷射。在一个实施例中，导电体64包括在隔膜26上的金属复合物。例如，在一个实施例中，导电体64包括具有约02μm的厚度的溅射氧化铟锡(ITO)。在其它实施例中，导体64可以包括其它导电材料且可以具有其它尺寸。导电体64还可以以其它方式结合到隔膜26或仅仅邻近于隔膜26延伸。 

压电元件66包括压电材料片或带。在一个实施例中，压电元件包括压电陶瓷或压电晶体，其在经受外部施加电压时少量地改变形状。压电材料的示例包括但不限于锆钛酸铅(PZT)。在其它实施例中，压电元件66可以包括其它压电陶瓷或晶体。 

如图1进一步所示，每个压电元件66与相邻的带或元件66电隔离，并对应于特定通道42的相对喷射部分48。每个压电元件66通过导电体68电连接到一个或多个电源，使得能够将单独的元件66充电至两个不同的电压。 

在所示的示例中，通过溅射诸如PZT之类的压电材料以在导体64上形成压电材料的厚层70并随后去除该层的一些部分的相当大的厚度来限定压电元件的长度和边界来形成压电元件。压电材料层的较薄部分72是如此之薄，以致于其并未有效地充当压电元件的一部分。 

导电体68包括与压电元件66进行电接触并被配置为与导电体64协作以在压电元件66两端施加电压的一个或多个导电结构。导电体68使得能够跨越不同的元件66施加不同的电压。结果，可以通过单独的开口50独立地喷射流体，以在被打印的表面上形成流体的图案或图像。在一个实施例中，导电体66包括被图案化到元件66上的溅射导电材料，诸如金或氧化铟锡。在其它实施例中，导电体66可以包括其它导电材料的其它配置或几何结构。 

每个中的支撑体30、32包括在与压电元件66的有效边缘76、78重叠或沿着有效边缘76、78的隔膜26的下侧上的底面52之间延伸的结构。如图1和2所示，支撑体30包括从通常与压电元件66的相对有 效纵向末端72(压电材料的较厚部分70的末端)相对的每个通道42内的底面52延伸的柱、支柱或其它结构。支撑体30、32用于支撑或抑制隔膜26的所选部分沿着通道26的折曲，以提高打印头20的性能。特别地，如随后将更详细地描述的，支撑体30、32在基本上不牺牲泵浦效率的情况下增加隔膜26的自然模态频率之间的分离或不均衡性。由于隔膜26的自然模态频率之间的不均衡性增加，所以可以以更快的频率开动或“激发”致动器28，而没有相应的轨迹或其它流体喷射误差，否则其可能由于自然模态频率不均衡性过于接近激发频率而存在。 

除了沿着压电元件66的边缘或末端78或与边缘或末端78相对地支撑隔膜26之外，支撑体32还充当限制器。特别地，支撑体32抑制流体离开喷射部分48向填充部分46的流动。结果，流体很可能沿着相反的方向离开喷射部分48朝着喷嘴50流动。 

图2图解说明了一个示例。如图2所示，支撑体30、32基本上具有相同的形状和相同的尺寸。支撑体30、32中的每一个具有基本为椭圆形的形状。由于支撑体30、32的形状为椭圆形，所以支撑体30、32可以在将流过支撑体30、32的流体阻挡至较低程度的同时，延伸穿过重叠的压电元件66的边缘76、78或与边缘76、78重叠。支撑体30、32被与基板22整体地形成为一个单一主体的一部分。隔膜26由玻璃形成，且被阳极键合(anodically bond)到支撑体30、32。由于支撑体30、32连接到隔膜26，所以隔膜26可以由诸如玻璃之类的相对脆的材料形成。 

在其它实施例中，支撑体30、32可以具有不同的形状和尺寸。在其它实施例中，支撑体30、32、基板22和隔膜26可以由其它材料形成。在其它实施例中，支撑体30、32可以以其它方式连接到隔膜26，诸如通过一种或多种粘合剂。在另外的其它实施例中，支撑体30、32可以不连接到隔膜26，但是可以延伸至紧邻隔膜26。 

图2还图解说明了具有流体喷射器21的一个示例性打印头20的尺寸。在图解说明的示例中，每个支撑体30、32具有约600μ的支撑体长度SL，并在压电元件66的下方突出约150μ的距离D。每个支撑体30、32具有约250μ的宽度W。支撑体30与开口50间隔开约(翻转的(turned))75μ的距离S。支撑体32以从填充室46的后部起约2650μ的距离SR为起点(base)。支撑体32以从支撑体30起约2645 μ的距离SS为起点(base)。压电元件66的厚有效部分具有约3000μ的长度。每个薄部分72具有约300μ的长度。在其它实施例中，支撑体30、32、压电元件66和打印头的其它结构可以具有不同的尺寸、不同的形状和不同的相对间距。 

图4～9图解说明了具有上述示例性尺寸并由上述材料形成的流体喷射器21之一的性能。图4将由具有柱30、32的打印头20通过隔膜26实现的流体排出体积与由在所有方面都与打印头20相同但无支撑体30、32的另一打印头(“默认设计”)通过隔膜26实现的流体排出体积进行比较。如图4所示，支柱30、32减少或消除了隔膜26的变形或位移中的凸出部分或尖峰100、102。否则，此类尖峰100、102会降低隔膜26的自然模态频率不均衡性。另外，通过减少或消除此类尖峰100、102，隔膜26在变形期间的形状更像是活塞。结果，以更大的力推动隔膜26以提供如图5和6所指示的更大的滴速或流速。虽然具有支撑体30、32的打印头20可以具有减小的排出体积(与对于“默认设计”的78.4pl相比，对于打印头20为71.0pl)，增加的流速基本上补偿了减小的排出体积。结果，具有附加支柱30、32的打印头20不会经历泵浦效率的显著降低。 

图7～9图解说明了响应于致动器28的致动的隔膜26的三个主要模式。图7图解说明了第一模式下的隔膜26。图8图解说明了第二模式下的隔膜26。图9图解说明了第三模式下的隔膜26。在图解说明的示例中，第一模式和第二模式具有约65KHz的频率差或不均衡性。相反，没有支撑体30、32的“默认设计”具有约40KHz的第一模式与第三模式之间的频率差或不均衡性。通过增加隔膜26的第一模式与第三模式之间的自然模态频率不均衡性，支柱30、32以接近40kHz或低于40kHz的更快频率促进致动器26的激发，其中，在自然频率模态不均衡性更接近于激发频率的情况下可能以其他方式存在的流体喷射误差的可能性被降低。 

如上所述，打印头20仅仅是一个示例性实施例。用具有不同尺寸和配置的其它实施例可以实现类似的优点。图10图解说明了打印头220，打印头20的另一实施例。打印头220类似于打印头20，不同的是打印头220包括流体喷射器221A、221B和221C(统称为流体喷射器221)代替了流体喷射器21。流体喷射器221类似于流体喷射器21， 不同的是流体喷射器221包括代替支撑体30、32的多个支撑体的不同组合。同样地对与打印头20和流体喷射器21的元件相对应的打印头220和流体喷射器221的那些其余元件编号。 

流体喷射器221A类似于流体喷射器21，不同的是流体喷射器221A在其通道42的喷射部分48的相对末端处具有不同形状的支撑体。特别地，喷射器221A包括分别代替支撑体30和32的支撑体300和302。支撑体300通常是三角形状的，其尖端指向支撑体302。支撑体300在中心处位于通道42内，以使流体可以在支撑体300的相对侧周围流动。支撑体300被布置为使得其较宽的底座在压电元件66的边缘78下面。 

支撑体302的形状通常是圆形的。支撑体302在中心处位于通道42内，使得流体在支撑体302的相对侧周围流动。支撑体302被定位为使得压电元件66的边缘78与支撑体302的中心点相交。在一个实施例中，支撑体302与支撑体300相比占据通道42的更大的横向宽度，以增强其充当抑制流体从通道42的喷射部分48反向流动的限制器的能力。 

流体喷射器221B类似于流体喷射器21，不同的是喷射器221B包括分别代替支撑体30和32的支撑体310和312。如图10所示，支撑体310包括从通道21的相对侧朝向彼此突出的结构。支撑体310在隔膜26下面延伸并与压电元件66的边缘76相对。结果，支撑体310以与喷嘴开口50更加对准的方式在支撑体310之间形成中心开口313。虽然每个支撑体310被示为在形状上是三角形的，但在其它实施例中，每个支撑体310可以可替换地在形状上是半椭圆形、半圆形或矩形。与矩形或正方形形状相比，三角形形状、半椭圆形形状或半圆形形状可以提供通过开口313的增强的流体流动。 

支撑体312包括从通道42的相对横向侧面朝向彼此突出、从而形成中间通道或开口315的结构。支撑体312在通道42的底面和与压电元件66的边缘78相对并部分地沿着边缘78的隔膜26之间延伸。根据一个示例性实施例，支撑体312的尺寸或形状被确定为使得开口315小于开口313，以增强支撑体312附加地充当抑制流体从喷射室或部分48反向流动的限制器的能力。 

虽然每个支撑体312被示为在形状上是三角形的，但在其它实施例中，支撑体312可以可替换地在形状上是半椭圆形、半圆形或矩形 的。支撑体312可以具有与支撑体310的形状不同的形状。例如，在一个实施例中，支撑体310在形状上可以是半椭圆形、半圆形或三角形的，以增加流体流动，同时支撑体312在形状上可以是矩形的，或者可以具有较不平缓的面(更垂直于通道42的纵向的面)，诸如朝着喷射部分48的面317，以更好地限制离开喷射部分48的反向流体流动。 

流体喷射器221C类似于流体喷射器21，不同的是流体喷射器221C包括分别代替支撑体30和32的支撑体320和322。支撑体320包括从通道42的底面52朝着隔膜26突出并连接到隔膜26或与隔膜26接触的多个结构。如图10所示，支撑体320与通道42的侧壁间隔开并且还相互间隔开。支撑体320位于与压电元件66的边缘76相对的位置并沿着边缘76。支撑体320允许有流体流动路径并在支撑体320周围。同时，支撑体320在传统上用于过滤杂质，该杂质是大于支撑体320的各支柱或柱之间的间距或间隙的颗粒。虽然支撑体320被示为包括具有圆形横截面的支柱或柱323及其它bomber(轰炸器)，但支撑体(角色)320的此类支柱或柱可以具有其它横截面形状。虽然支撑体320被示为包括两个间隔开的支柱或柱323，但在其它实施例中，支撑体320可以包括多于两个的此类支柱或柱323。 

支撑体322在通道42的底面52与隔膜26之间延伸。支撑体322还在压电元件66的边缘78下面延伸、与边缘78相对或较少地部分沿着边缘78。支撑体322在中心处位于通道42内，以促进流体在支撑体322附近和周围流动。 

在其它实施例中，支撑体322可以具有其它配置。例如，在其它实施例中，可以可替换地以类似于支撑体312的方式来配置支撑体322。还可以可替换地以类似于支撑体300或310的方式来配置支撑体310。类似于支撑体30和32，支撑体300、302、310、312、320和322中的每一个用于支撑或抑制隔膜26的所选部分沿着通道26的折曲，以提高打印头20的性能。支撑体300、302、310、312、320和322增加了隔膜26的自然模态频率之间的分离或不均衡性，而基本上不牺牲泵浦效率。由于隔膜26的自然模态频率之间的不均衡性增加，所以可以以更快的频率开动或“激发”致动器28，而没有相应的轨迹或其它流体喷射误差，否则其可能由于自然模态频率不均衡性过于接近激发频率而存在。 

虽然已参照示例性实施例描述了本公开，但本领域的技术人员应认识到，在不脱离所请求保护的主题的精神和范围的情况下可以进行形式和细节方面的修改。例如，虽然不同的示例性实施例可能已被描述为包括提供一个或多个益处的一个或多个特征，但可以预期，在所述示例性实施例中或在其它替换实施例中，可以将所述特征彼此互换，或者可替换地相互组合。由于本公开的技术相对复杂，所以不是技术方面的所有变化都是可预见的。参照示例性实施例描述并在以下权利要求中阐述的本公开明确地意图尽可能地广泛。例如，除非另外具体说明，否则叙述单个特定元件的权利要求还包括多个此类特定元件。 

Claims (18)

1.一种打印头(20、220)，包括：

一个或多个结构，其具有底面(52)、第一末端和第二相对末端，底面(52)、第一末端和第二相对末端至少部分地形成流体室(21)；

喷嘴开口(50)，其通过第一侧面与流体室(21)连通；

隔膜(26)，其与底面(52)相对并跨越流体室(21)；

致动器(28)，其连接到隔膜(26)，以使隔膜(26)朝着底面(52)移动；以及

第一支撑体，其从所述底面(52)延伸到所述第一末端与所述第二相对末端之间的隔膜(26)；

其中，打印头(20、220)还包括从所述底面(52)延伸到第一支撑体与第二相对末端之间的隔膜(26)的第二支撑体。

2.权利要求1的打印头(20、220)，其中，流体室(21)完全绕着第一支撑体延伸。

3.权利要求1的打印头(20、220)，其中，第一支撑体具有椭圆形横截面。

4.权利要求1的打印头(20、220)，其中，流体室(21)具有第一横向侧面和第二横向侧面，并且其中，第一支撑体和第二支撑体中的至少一个从流体室(21)的侧面延伸。

5.权利要求1的打印头(20、220)，其中，流体室(21)具有第一横向侧面和第二横向侧面，并且其中，第一支撑体与第二支撑体中的至少一个与流体室(21)的第一侧面和第二侧面间隔开。

6.权利要求1的打印头(20、220)，其中，致动器(28)在第一支撑体与第二支撑体之间。

7.权利要求6的打印头(20、220)，其中，致动器(28)是压电致动器(28)。

8.权利要求1的打印头(20、220)，其中，第一支撑体与底面(52)整体地形成为一个单一主体。

9.权利要求1的打印头(20、220)，其中，致动器(28)是压电致动器(28)。

10.权利要求1的打印头(20、220)，其中，第一支撑体与致动器(28)的纵向末端交叉。

11.权利要求10的打印头(20、220)，其中，致动器(28)包括压电层，并且其中，第一支撑体与压电层的纵向末端交叉。

12.权利要求1的打印头(20、220)，其中，隔膜(26)被接合到第一支撑体。

13.权利要求1的打印头(20、220)，其中，第一支撑体和所述一个或多个结构包括硅。

14.一种用于制造打印头的方法，包括：

提供室(21)和在该室(21)的至少一部分之上并由第一支撑体和第二支撑体支撑的隔膜(26)；

驱动隔膜(26)，以使室(21)内的流体运动通过第一支撑体并通过室(21)的侧面开口(50)。

15.权利要求14的方法，其中，使流体通过第一支撑体包括使流体在第一支撑体的周围通过。

16.权利要求14的方法，其中，所述方法还包括使流体朝着第一支撑体运动通过第二支撑体。

17.权利要求16的方法，其中，使流体通过第二支撑体包括使流体在第二支撑体的周围通过。

18.一种打印头(20、220)，包括：

一个或多个结构，其具有底面(52)、第一侧面和第二相对侧面，底面(52)、第一侧面和第二相对侧面至少部分地形成流体室(21)；

喷嘴开口(50)，其通过第一侧面与流体室(21)连通；

隔膜(26)，其与所述底面(52)相对并跨越流体室(21)；

用于在隔膜(26)的横向侧面之间支撑隔膜(26)的第一纵向末端、并与流体室(21)的第一末端间隔开的装置；

用于在隔膜(26)的横向侧面之间支撑隔膜(26)的第二纵向末端并与流体室(21)的第二末端间隔开的装置。

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