TWI477401B

TWI477401B - 列印頭隔板支撐件

Info

Publication number: TWI477401B
Application number: TW098104970A
Authority: TW
Inventors: Adel Jilani; David Pidwerbecki; Jun Zeng; Hui Liu; James R Przybyla
Original assignee: Hewlett Packard Development Co
Priority date: 2008-03-17
Filing date: 2009-02-17
Publication date: 2015-03-21
Also published as: CN101977773A; US8348393B2; CN101977773B; EP2252461A4; US20100309259A1; EP2252461A1; TW200940345A; WO2009116993A1; EP2252461B1

Description

列印頭隔板支撐件

發明領域

本發明係有關於一種列印頭隔板支撐件。

發明背景

一些列印頭致動或施力與隔板以通過一或多個噴嘴而射出流體。當以較高頻率射出流體時，可能發生軌道或其他的射出錯誤，因而降低列印品質。

發明概要

依據本發明之一實施例，係特地提出一種列印頭，包括：具有一底面、一第一端及一第二相對端的一或多個構造，該底面、該第一端及該第二相對端至少部分地形成一流體室；通過該第一側與該流體室溝通的一噴嘴開口；相對於該底面且橫過該流體室的一隔板；連接至該隔板以朝向該底面移動該隔板的一致動件；及從該底面延伸至該第一端及該第二端之間之該隔板的一第一支撐件。

依據本發明之另一實施例，係特地提出一種方法，包括：提供一室及一隔板，該隔板在至少一部分之該室的上方且為第一支撐件所支撐；致動該隔板以在該室內使流體移動通過該第一支撐件並通過該室的一側開口。

圖式簡單說明

第1圖為依據例示實施例之列印頭的片段立體圖，其顯示一段流體射出器。

第2圖為依據例示實施例之第1圖列印頭的頂部平面圖，其為說明之故省略某些部分。

第3圖為依據例示實施例之第1圖列印頭之基材的頂部立體圖。

第4圖為依據例示實施例之比較第1圖流體射出器及無支撐件之流體射出器之位移體積的圖形。

第5圖為無支撐件之第1圖流體射出器之流動速率的圖形。

第6圖為依據例示實施例之具有支撐件之第1圖流體射出器之流動速率的圖形。

第7-9圖為依據例示實施例之第1圖流體射出器的立體圖，其顯示流體射出器之隔板的頻率模式。

第10圖為依據例示實施例之第2圖列印頭之另一實施例的頂部平面圖。

較佳實施例之詳細說明

第1-3圖顯示依據一例示實施例的噴墨列印頭20。列印頭20被構型成選擇性地分散或射出一或多種流體，諸如一或多種墨水，於媒介物上。如以下將描述者，列印頭20以具較高正確性的較高頻率射出流體。列印頭20包含一或多個流體射出器21。各個流體射出器21包含基材晶粒或基材22、隔板26、致動件28與支撐件30，32。

如第3圖所示，其顯示三個實質上相同之側靠側的流體射出器21，基材22包括一或多個材料層形成之實質地平面的構造，該一或多個材料層由一種以上材料形成且具有相對面38，40。面38包含多個流體外部特徵或通道42，且每個通道42係提供與各個流體射出器21。各個通道42包含一填充室或部46、一射出室或部48及一或多個噴嘴開口50。填充部46包括那些與流體供應源，諸如流體儲庫(未顯示)直接流體溝通的通道42部分，射出部48包括那些大致鄰近致動件36並終結於噴嘴開口24的通道42部分。

各個通道42由一或多個構造形成並具有底面52、橫向側壁或側54及縱向端56，58。端56位於鄰近填充室或部46的地方，而縱向端58位於鄰近或靠近射出室或部48及噴嘴開口50。第3圖顯示作為基材22之端部以暴露或打開噴嘴開口50之前的基材22。

噴嘴開口50包括沿著基材22之噴嘴邊緣61(顯示於第1圖)的孔口，流體通過孔口而射出。噴嘴開口50具有經控制及經界定的尺寸以調節流體射出的體積。射出部52也可具有經界定的幾何形狀以幫助調節流體通過開口50射出的量。例如，射出部48界定一體積。相鄰致動件36所致之隔板26移動改變流體通過對應開口50而射出的體積。

依據一例示實施例，基材22由矽均質層形成，而於矽均質層中使用黃光微影製程蝕刻及/或其他製造技術製造通道42及開口50，依據再另一例示實施例，基材22可由一或多種聚合材料之均質層形成，而於該均質層中製造通道42及開口50。於一實施例中，一或多種聚合材料可包括熱固性聚合材料，諸如環氧樹脂。於其他實施例中，一或多種聚合材料可包括熱塑性聚合材料，諸如聚醚醯亞胺(PEI)。於這些基材22由熱塑性材料形成的實施例中，所製成的基材22展現強化的抗墨水性及硬度。

基材22可經由低價高模數之聚合材料射出模製，低價高模數之聚合材料的例子包含液晶聚合物(LCP)、聚碸(PS)及聚-醚-醚-酮(PEEK)。可以模製成基材22之聚合材料的其他例子包含：聚乙烯對苯二甲酸酯(PET)、聚乙亞胺(PEI)、聚苯硫(PPS)及聚異戊二烯(PI)。於其他實施例中，基材22可被壓印模製。使用聚合物以形成基材22可降低列印頭20的價格，藉著避免或減少以矽為基底的加工過程及控制聚合物之改良的機械性質使得較廣泛格式的列印頭成為可能，改良的機械性質諸如對失敗的應變，加速快捷的迴轉原型製作，與增加通道32之流體性建築的自由度。

於一些實施例中，形成基材22的聚合材料可額外地包含一定比例的填充物材料。填充物材料的例子包含，但不限於，碳、二氧化鈦、金屬及玻璃。在聚合材料包含填充物材料的實施例中，基材22可展現增強的硬度與導熱性。

於一實施例中，通道42及開口50被模製進入基材22中。例如，於一實施例中，基材22係噴射模製的。使用噴射模製可加速各種幾何構形的開口50的製造，此可能提供好處與流體液滴的一致性及/或方向性。於其他實施例中，通道42可能以其他方式形成於基材22中，諸如以一或多個材料移除技術，諸如黃光微影或光圖案化與蝕刻，電機械加工(諸如切割、鋸割、研磨等等)，或是雷射消蝕或切割。

如第1圖所示，隔板26包括由一種以上之材料形成的一或多個層，該等層所選擇的材料及尺寸係足夠地撓性以允許致動件28可以朝向底面52屈曲或彎曲隔板26，因此改變通道42射出部48的體積。於一實施例中，隔板26由延伸於填充部46及射出部48兩者之上方的連續層形成，其中該層相對於射出部36更為地薄，如此當相對於填充部46之那些層的部分係實質地非撓性時，該層可以造成屈曲。

於一實施例中，隔板26由厚約58μm的玻璃層形成。此種薄玻璃片可以從賣方，諸如蕭特北美公司(Schott North America,Inc.,Elmsford,New York)購得。依據一實施例，由此種玻璃材料形成的隔板26的機械模數約為60GPa且泊松比(Poisson’s Ratio)約0.25。隔板26的熱膨脹係數介於約3及約9ppm之間。於其他實施例中，由此種玻璃材料形成的隔板26可以為其他的尺寸。於再其他實施例中，隔板26可由其他材料形成。

致動件28包括機構或裝置，其等構型成相對於一或多個通道42之選擇地及/或屈曲的隔板26部分，以改變射出部48的內部體積來使流體通過噴嘴開口50而由通道42噴出。於顯示的例示實施例中，致動件28包括壓電或壓致電阻致動件，其中壓電元件回應施加的電位或電壓而變形、屈曲或改變形狀。如第1圖所示，於顯示的例子中，各個致動件28包括導電體64、壓電元件66及導電體68。

導電體64包括一或多個由隔板26支撐的導電構造或層並且與結合的壓電元件66接觸。導電體64有助於形成橫過壓電元件66的電位，便利流體通過開口50而射出。於一實施例中，導電體64包括在隔板26上的金屬複合物。例如，於一實施例中，導電體64包括厚度約02μm的濺鍍氧化銦錫(ITO)。於其他實施例中，導電體64可包括其他的導電材料且可具有其他的尺寸。導電體64也可以其他方式與隔板26結合或僅是延伸至相鄰隔板26的位置。

壓電元件66包括壓電材料塊或帶。於一實施例中，壓電元件包括壓電陶瓷或壓電結晶，當受外部施加的電壓影響時，其會稍微地改變形狀。壓電材料的例子包含，但不限於，鈦酸鋯酸鉛(PZT)。於其他實施例中，壓電元件66可包括其他的壓電陶瓷或結晶。

如第1圖所更顯明的，各個壓電元件66與相鄰的帶或元件66電性孤離且對應著特別通道42的相對射出部48。各個壓電元件66藉導電體68電氣連接至一或多個電源，使得個別元件66可被兩不同的電壓充電。

於顯示的例子中，壓電元件藉由下述方式而形成：濺鍍壓電材料(諸如PZT)以於導電體64上形成厚壓電材料層70，然後移除實質厚度之部分的該層來界定壓電元件的長度與界線。壓電材料層較薄的部份72，因為是如此地薄以致於其等不具有有效地功能來作為壓電元件的一部分。

導電體68包括一或多個與壓電元件66電接觸的導電構造，且構型成與導電體64合作來施加電壓橫過壓電元件66。導電體68使得不同電壓可以橫過不同元件66而施加。因此，流體可通過個別開口50被獨立地射出而在欲列印的表面上形成流體圖案或影像。於一實施例中，導電體66包括圖案化於元件66上的濺鍍導電材料，諸如金或氧化銦錫。於其他實施例中，導電體66可包括其他導電材料的其他構型或幾何形狀。

支撐件30，32包括延伸於隔板26下側上之底面52之間的構造，該隔板26重疊著或沿著壓電元件66之有效邊緣76，78。如第1及2圖所示，支撐件30包括從在各個通道42內之底面52延伸而出的柱、桿或其他構造，該通道大致相對於相對之壓電元件66的有效縱向端72(壓電材料較厚部分70的端部)。支撐件30，32作為支撐或阻止隔板26所選部分沿著通道26的屈曲以加強列印頭20的表現。特別是，將於以下詳細描述者，支撐件30，32增加隔板26之自然模態頻率間的分離性或不均等性，卻不會實質地犧牲噴出效率。因為隔板26之自然模態頻率間的不均等性增加，可以較快頻率致動或開啟致動件28而不會有對應之軌道或其他的流體射出錯誤。若非如此，則由於自然模態頻率的不均等性太接近啟動頻率，會存在有流體射出的錯誤。

除了沿著或相對於壓電元件66的邊緣或端部78支撐隔板26之外，支撐件32更作為一限制器。特別是，支撐件32阻止流體朝向填充部46流出射出部48。因此，流體更容易朝相反方向流出射出部48而朝向噴嘴50。

第2圖顯示一個例子。如第2圖所示，支撐件30，32具有實質相同的形狀與尺寸。各個支撐件30，32具有實質橢圓的形狀。因為支撐件30，30為橢圓形，所以支撐件30，32可延伸橫過或重疊在上方之壓電元件66的邊緣76，78，同時使得通過支撐件30，32之流體流動的阻礙變得較小。支撐件30，32與基材22一體成型為單一本體的一部分。隔板26由玻璃形成且陽極性地結合至支撐件30，32。因為支撐件30，32係連接至隔板26，所以隔板26可由相當易碎的材料(諸如玻璃)形成。

於其他實施例中，支撐件30，32可具有不同的形狀及尺寸。於其他實施例中，支撐件30，32、基材22及隔板26可由其他材料形成。於其他實施例中，支撐件30，32可以其他方式，諸如藉由一或多種黏劑而連接至隔板26。於其他實施例中，支撐件30，32可不連接至隔板26卻延伸進入非常接近隔板26處。

第2圖更顯示具有流體射出器21之列印頭20之一例子的尺寸。於顯示的例子中，各個支撐件30，32具有支撐件長度SL大約600μ，而且在距離壓電元件66下方大約150μ長度D的地方向外突出。各個支撐件30，32具有約250μ的寬度W。支撐件30以約75μ的距離S與噴嘴50分離。支撐件32距離填充室46後側大約2650μ的距離SR。支撐件32距離支撐件30大約2645μ的距離SS。壓電元件66之厚有效部的長度大約為3000μ。各個薄部72的長度為約300μ。於其他實施例中，列印頭的支撐件30，32、壓電元件66及其他構造可以具有不同的尺寸、不同的形狀與不同的相對空間位置。

第4-9圖顯示具有上述例示尺寸與由上述材料所形成之流體射出器21之一的表現。第4圖比較具有柱30，32之列印頭20隔板26所造成的流體位移體積以及另一列印頭("假設設計")隔板26所造成的流體位移體積，該另一列印頭除了沒有支撐件30，32之外，其他都與列印頭20完全相同。如第4圖所示，支撐柱30，32減少或除去隔板26位移或變形中的突出狀或鞋釘狀線100，102。此種鞋釘狀線100，102會減少隔板26自然模態頻率的不均等性。此外，藉由減少或除去此種鞋釘狀線100，102，在變形期間的隔板26形狀更像是活塞。因此，隔板26以較大力量致動以提供較大的液滴速度或流動速率，如第5及6圖所示者。雖然具有支撐件30，32的列印頭20可具有減少的位移體積(相較於"假設設計"的78.4pl，列印頭20係71.0pl)，但是增加的流動速率實質地補償了減少的位移體積。因此，具有額外支撐柱30，32的列印頭20不會實質地造成噴出效率的降低。

第7-9圖顯示隔板26回應致動件28之致動的三種主要模式。第7圖顯示第一模式的隔板26。第8圖顯示第二模式的隔板26。第9圖顯示第三模式的隔板26。於顯示的例子中，第一模式及第二模式具有約65KHz的頻率差異或不均等性。相反地，沒有支撐件30，32的"假設設計"具有介於第一模式與約40KHz之第三模式之間的頻率差異或不均等性。藉著增加隔板26第一模式及第三模式之間之自然模態頻率的不均等性，支撐柱30，32可讓致動件26得以較快的頻率啟動，接近或低於40kHz，而且同時降低流體射出錯誤的可能性，若非如此，則當自然頻率模態不均等性接近啟動頻率時，會產生流體射出的錯誤。

如上所述，列印頭20僅是一個例示實施例而已。可以具有不同尺寸與構型的其他實施例而達到相似的優點。第10圖顯示列印頭220，其係列印頭20的另一實施例。列印頭220類似於列印頭20，除了列印頭220包含流體射出器221A、221B及221C(統稱為流體射出器221)以代替流體射出器21之外。流體射出器221類似於流體射出器21，除了流體射出器221包含不同的支撐件組合以取代支撐件30，32。那些列印頭220及流體射出器221中對應於列印頭20及流體射出器21元件的剩餘元件以類似的元件符號標示。

流體射出器221A類似於流體射出器21，除了流體射出器221A在其通道42射出部48之相對端具有不同形狀的支撐件之外。尤其是，射出器221A包含支撐件300及302以分別取代支撐件30及32。支撐件300大致為三角形，且其頂點指向支撐件302。支撐件300位在通道42的中心點以使得流體可繞著支撐件300的相對側流動。排列支撐件300以使得其較寬的底部在壓電元件66之邊緣78的下方。

支撐件302大致上為圓形。支撐件302位在通道42的中央，如此使得流體繞著支撐件302的相對側流動。支撐件302的位置可使得壓電元件66的邊緣78與支撐件302的中央點相交。於一實施例中，與支撐件300相較，支撐件302佔據比較大的通道42橫向寬度，因此增強了其作為限制器以阻止來自通道42射出部48之流體回流的能力。

除了流體射出器221B包含支撐件310及312以分別取代支撐件30及32之外，流體射出器221B類似於流體射出器21。如第10圖所示，支撐件310包括從通道21之相對側突伸而出朝向彼此的構造。支撐件310延伸於隔板26的下方且相對於壓電元件66的邊緣76。因此，支撐件310在支撐件310之間形成更對準噴嘴開口50的中央開口313。雖然顯示的各個支撐件310係呈現三角形，於其他實施例中，各個支撐件310也可為半橢圓、半圓形或長方形。三角形、半橢圓形或半圓形相較於長方形或正方形更可增強流體通過開口313的流動。

支撐件312包括從相對的通道42橫向側突伸而出朝向彼此的構造，如此形成中間的通道或開口315。支撐件312延伸於通道42的底面與相對且部分沿著壓電元件66邊緣78的隔板26之間。依據一例示實施例，選擇支撐件312的尺寸或形狀，使得開口315小於開口313，以增強支撐件312額外地作為限制器的能力，而阻止室或部48射出之流體的回流。

雖然各個支撐件312顯示為三角形，於其他實施例中，支撐件312可以是半橢圓形、半圓形或長方形。支撐件312可為與支撐件310具有不同的形狀。例如，於一實施例中，支撐件310可為半橢圓形、半圓形或三角形以增強流體的流動，而支撐件312可為長方形或可具有較不平緩的面(更與通道42之縱向方向成直角的面)，諸如朝向射出部48的面317，以對於流出射出部48之流體的回流有更佳的控制。

除了流體射出器221C包含支撐件320及322以分別取代支撐件30及32之外，流體射出器221C類似於流體射出器21。支撐件320包括多個從通道42底面52朝向隔板26突伸的構造，而且不是連接至隔板26就是與隔板26接觸。如第10圖所示，支撐件320與通道42的側壁分離，而且彼此也分離。支撐件320的位置相對且沿著壓電元件66的邊緣76。支撐件320允許流體流過且繞著支撐件320。同時，支撐件320傳統上作為過濾比支撐件320之個別桿或柱之間的空間或間隙還大的污染物顆粒。雖然顯示的支撐件320包括具有圓形橫截面的桿或柱323，但是此種支撐件的桿或柱320可具有其他的橫截面形狀。雖然顯示的支撐件320含有兩個分開的桿或柱323，然而於其他實施例中，支撐件320可包含比兩個桿或柱323還多的桿或柱323。

支撐件322延伸於通道42的底面52與隔板26之間。支撐件322更延伸於壓電元件66的邊緣78下方，或相對著壓電元件66的邊緣78，或是部分沿著壓電元件66的邊緣78。支撐件322位於通道42的中央以便利流體繞著支撐件322流動。

於其他實施例中，支撐件322可以具有其他的構型。例如，於其他實施例中，支撐件322可被構型為與支撐件312類似。支撐件310可被構型為與支撐件300或310類似。類似支撐件30及32，各個支撐件300、302、310、312、320及322作為支撐或阻止隔板26所選定部份沿著通道26的屈曲，以加強列印頭20的表現。支撐件300、302、310、312、320及322增加隔板26之自然模態頻率間的分離性或不均等性，但不會實質地犧牲噴出效率。因為隔板26之自然模態頻率間的不均等性增加，致動件28可以較快的頻率被致動或"啟動"，而不會有對應的軌道或其他流體射出錯誤，若非如此，則由於自然模態頻率的不均等性太接近啟動頻率，會存在有流體射出的錯誤。

雖然本揭露內容係參考例示實施例而說明，習於此藝者將會認知到可以進行形式與細節的改變而依然不會逸脫申請專利範圍請求標的的精神與範圍。例如，雖然不同的例示實施例被描述為包含提供一或多個優點之一個以上的特徵，但是所描述的特徵可以與所描述之例示實施例或其他實施例中的特徵彼此互換或彼此結合。因為本揭露內容的技術相當地複雜，並不是所有技術上的改變都可以被預見。參考例示實施例描述以及提出於以下申請專利範圍的本揭露內容很明白地想要以最廣義的方式被解釋。例如，除非有特別的記載，記載單一特定元件的申請專利範圍也涵括數個此種特定的元件。

20．．．噴墨列印頭

21．．．流體射出器

22．．．基材

26．．．隔板

28．．．致動件

30．．．支撐件

32．．．支撐件

38．．．面

40．．．面

42．．．通道

46．．．填充室

48．．．射出室

50．．．噴嘴開口

52．．．底面

54．．．橫向側

56．．．縱向端

58‧‧‧縱向端

61‧‧‧噴嘴邊緣

64‧‧‧導電體

66‧‧‧壓電元件

68‧‧‧導電體

70‧‧‧厚壓電材料層

72‧‧‧薄壓電材料層

76‧‧‧邊緣

78‧‧‧邊緣

221A‧‧‧流體射出器

221B‧‧‧流體射出器

221C‧‧‧流體射出器

300‧‧‧支撐件

302‧‧‧支撐件

310‧‧‧支撐件

312‧‧‧支撐件

313‧‧‧開口

315‧‧‧開口

317‧‧‧面

320‧‧‧支撐件

322‧‧‧支撐件

323‧‧‧桿或柱

第5圖為無支撐件之第1圖流體射出器之流動速率的圖形。

20．．．噴墨列印頭

21．．．流體射出器

22．．．基材

26．．．隔板

28．．．致動件

30．．．支撐件

32．．．支撐件

50．．．噴嘴開口

61．．．噴嘴邊緣

64．．．導電體

66．．．壓電元件

68．．．導電體

70．．．厚壓電材料層

72．．．薄壓電材料層

76．．．邊緣

78．．．邊緣

Claims

一種列印頭，包括：具有一底面、一第一端及一相對的第二端的一或多個構造，該底面、該第一端及該相對的第二端至少部分地形成一流體室；通過該第一端而與該流體室連通的一噴嘴開口；相對於該底面且橫過該流體室的一隔板；連接至該隔板用以朝向該底面移動該隔板的一致動件；及於該第一端及該第二端之間從該底面延伸至該隔板的一第一支撐件。
如申請專利範圍第1項的列印頭，其中該流體室完全地延伸於該第一支撐件的附近。
如申請專利範圍第1項的列印頭，其中該第一支撐件具有一橢圓形的橫截面。
如申請專利範圍第1項的列印頭，其中該列印頭更包括一第二支撐件，其係於該第一支撐件及該第二端之間從該底面延伸至該隔板。
如申請專利範圍第4項的列印頭，其中該致動件係介於該第一支撐件和該第二支撐件之間。
如申請專利範圍第5項的列印頭，其中該致動件係一壓電致動件。
如申請專利範圍第1項的列印頭，其中該流體室具有一第一橫向側及一第二橫向側，且其中該第一支撐件及一第二支撐件的至少一者從該流體室的該第一橫向側及該第二橫向側中的一者延伸。
如申請專利範圍第1項的列印頭，其中該流體室具有一第一橫向側及一第二橫向側，且其中該第一支撐件及一第二支撐件的至少一者與該流體室的該第一橫向側及該第二橫向側分離。
如申請專利範圍第1項的列印頭，其中該第一支撐件係與該底面整體性地形成為一單件式主體。
如申請專利範圍第1項的列印頭，其中該致動件係一壓電致動件。
如申請專利範圍第1項的列印頭，其中該第一支撐件橫過該致動件的一縱向端。
如申請專利範圍第11項的列印頭，其中該致動件包含一壓電層，且其中該第一支撐件橫過該壓電層的一縱向端。
如申請專利範圍第1項的列印頭，其中該隔板係連結至該第一支撐件。
如申請專利範圍第1項的列印頭，其中該第一支撐件和該一或多個構造包含矽。
一種用以與列印頭使用之方法，包括下列步驟：提供一室及一隔板，該隔板在該室之至少一部分的上方且為第一支撐件所支撐；致動該隔板以在該室中使流體移動通過該第一支撐件並通過該室的一側開口，其中使流體通過該第一支撐件之步驟包括使流體通過該第一支撐件的相對側的周圍。
一種用以與列印頭使用之方法，其包括下列步驟：提供一室及一隔板，該隔板在該室之至少一部分的上方且為第一支撐件所支撐；及致動該隔板以在該室中使流體移動通過該第一支撐件並通過該室的一側開口，其中該隔板係由一第二支撐件所支撐，以及其中該方法進一步包括使流體朝著該第一支撐件通過該第二支撐件。
如申請專利範圍第16項的方法，其中使流體通過該第二支撐件之步驟包括使流體通過該第二支撐件的相對側的周圍。
一種列印頭，具有一底面、一第一側及一相對的第二側的一或多個構造，該底面、該第一側及該相對的第二側至少部分地形成一流體室；通過該第一側而與該流體室連通的一噴嘴開口；相對於該底面且橫過該流體室的一隔板；用以支撐該隔板的一第一縱向端的構件，其係在該隔板的橫向側之間且與該流體室的一鄰近第一端分隔。
如申請專利範圍第18項的列印頭，進一步包括用以支撐該隔板的一第二縱向端的構件，其係在該隔板的橫向側之間且與該流體室的一鄰近第二端分隔。