專利名稱：按需型噴墨打印機的制作方法
技術領域：
本發明涉及按需型(drop on demand)噴墨打印機，本發明特別涉及一種具有一個二維陣列的油墨腔室的按需型噴墨打印機。
我們的未審定的PCT專利申請PCT/GB98/01955描述了一種按需型噴墨打印機，該設備使用了一個壓電驅動盤，所述壓電驅動盤能夠以剪切模式偏斜。該設備由多個層疊的板構成，所述多個層疊板限定了一個油墨腔室。所述驅動器形成了所述腔室的一側并且向著形成在一個噴嘴板中的一個噴嘴偏斜，所述噴嘴板提供了所述腔室的另一側。當電荷施加在形成于所述驅動器上的電極之間時，所述壓電盤向著所述噴嘴板以剪切模式偏斜。聲波在所述腔室內徑向地傳播，并且從所述腔室的側壁反射以消耗儲存在所述油墨和驅動器中的能量，所述聲波又在所述腔室的中心區域匯聚以將油墨從所述腔室噴出。當聲波從所述噴嘴退回時，在R/c時間內體積應變或收縮促使油墨從所述噴嘴出口流出，在所述時間R/c中，c是油墨腔室中的油墨有效聲速，R是油墨腔室壁的徑向距離。在這段時間內墨滴被噴出。在經過時間R/c后，壓力變為負值，噴墨停止并且可取消所施加的電壓。接著，隨著壓力波的衰減，從油墨腔室中噴出的油墨可得到補充，從而可重復所述噴墨過程。快速連續地施加多個脈沖能夠增大所噴出墨滴的尺寸，從而產生多種灰階。
本發明的優選實施例試圖對按需型噴墨打印機進行進一步的改進。
在第一方面，本發明提供一種按需型噴墨打印機，所述設備包括一個在噴嘴軸線上的噴嘴；一個與所述噴嘴相通的油墨腔室；一個壓電驅動結構，所述結構圍繞所述噴嘴軸線在所述噴嘴軸線方向上延伸；一個限定所述腔室并朝向所述噴嘴的驅動表面，所述結構是可驅動的以使所述驅動表面能夠在所述噴嘴軸線方向上移動，從而能夠通過所述噴嘴噴出墨滴；以及用于為所述驅動結構提供一個驅動電場的電極。
所述電極最好包括一個在所述驅動結構中與所述油墨腔室相鄰的一個表面上的第一電極和一個在所述驅動結構中與所述油墨腔室分隔的一個相對表面上的第二電極。
在第二方面，本發明提供一種按需型噴墨打印機，該設備包括一個在噴嘴軸線上的噴嘴；一個與所述噴嘴相通的油墨腔室；一個壓電驅動結構，所述結構在所述噴嘴軸線方向上延伸；一個限定所述腔室并朝向所述噴嘴的驅動表面，所述驅動結構是可驅動的以使所述驅動表面能夠在所述噴嘴軸線方向上移動，從而能夠通過所述噴嘴噴出墨滴；以及用于為所述驅動結構提供一個驅動電場的電極，所述電極包括一個在所述驅動結構中與所述油墨腔室相鄰的一個表面上的第一電極和一個在所述驅動結構中與所述油墨腔室分隔的一個相對表面上的第二電極。所述第一電極最好是接地的。
所述油墨腔室可圍繞所述噴嘴軸線徑向延伸，并且所述驅動結構是可驅動的以使所述驅動表面在噴嘴軸線方向上移動，從而利用在油墨腔室中所產生的沿著所述噴嘴軸線方向徑向傳播的聲波使所述噴嘴噴出墨滴。
所述油墨腔室最好從所述噴嘴軸線延伸了一個徑向距離R，并且所述驅動結構是可驅動的以使所述驅動表面在一段時間內沿著噴嘴軸線方向移動，所述時間至多為時間R/c的一半，其中c是聲波在油墨腔室的油墨中的傳播速度。
所述油墨腔室可被一個大體圓形結構限定，所述圓形結構提供一個在聲阻抗方面的變化以在油墨腔室中對沿著所述噴嘴軸線方向徑向傳播的聲波進行反射。所述在聲阻抗方面的變化可以是由油墨在所述噴嘴軸線方向上的深度變化而產生的。
所述圓形結構可圍繞所述油墨腔室限定一個油墨環形通道，所述油墨環形通道在所述噴嘴軸線方向上的深度與所述油墨腔室的深度是不同的。
所述設備最好還包括與所述油墨腔室相流通的油墨供給裝置以便在噴墨后為油墨腔室補充油墨。
所述油墨供給裝置可設置在多個位置處，所述多個位置周向地分布在所述油墨腔室的周圍。
所述油墨供給裝置可圍繞著所述油墨腔室的基本上整個周邊為所述油墨腔室供給油墨。
所述驅動結構可向著所述噴嘴軸線逐漸變細。
在一個優選實施例中，所述驅動結構是均勻的并且被所述驅動電場極化以使其以直接模式(“direct mode”)偏斜。所述驅動結構可在一個橫向于其表面的方向上被極化，在一個橫向于所述驅動結構的表面的方向上施加所述電場。
或者，所述驅動結構可以是均勻的并且被所述驅動電場極化以使其以剪切模式(“shear mode”)偏斜。所述驅動結構在向著所述噴嘴軸線匯聚的方向上被極化，在一個橫向于所述驅動結構的表面的方向上施加所述電場。
所述驅動表面可包括一個由壓電材料制成的盤，所述壓電盤在所述噴嘴軸線方向上被極化以便在施加所述電場后使其以直接模式偏斜。
所述設備可包括多個噴嘴，每一個所述噴嘴都具有一個各自的噴嘴軸線，所述噴嘴軸線相互是平行的；多個油墨腔室，每一個油墨腔室圍繞一個各自的噴嘴軸線延伸；以及一個均勻的壓電片，所述壓電片具有所述驅動結構的一個二維陣列，每一個所述驅動結構都與一個各自的油墨腔室相關聯。
在第三方面，本發明提供一種噴墨打印方法，所述方法包括下列步驟建立一個油墨的平面體(planar body of ink)，所述油墨的平面體與一個噴嘴相通，所述噴嘴具有一個噴嘴軸線，所述油墨的平面體在所述噴嘴軸線的徑向上延伸；在所述油墨的平面體中設置一個阻抗邊界，所述阻抗邊界在所述噴嘴軸線的周向上延伸；以及以可選擇的方式驅動一個在所述噴嘴軸線方向上圍繞所述噴嘴軸線延伸的壓電驅動結構以使一個驅動表面在所述噴嘴軸線方向上移動，從而在所述油墨腔室中產生沿著所述噴嘴軸線的徑向傳播的聲波，所述聲波被所述阻抗邊界反射，因而使所述噴嘴噴出墨滴。
在第四方面，本發明提供一種用于制作按需型噴墨打印機的方法，所述方法包括下列步驟形成一個噴嘴板，所述噴嘴板具有一個噴嘴的二維陣列，每一個所述噴嘴都具有一個噴嘴軸線，所述噴嘴軸線相互平行；在一個基底上形成驅動結構的一個二維陣列，每一個所述驅動結構在一個各自噴嘴軸線的方向上圍繞所述各自噴嘴軸線延伸，所述每一個驅動結構分別與所述噴嘴相關聯，為所述每一個驅動結構提供一個驅動表面；在所述驅動結構上提供電極以使每一個壁能夠以可選擇的方式驅動；以及使所述噴嘴板和所述基底層疊；所述層疊結構提供了多個盤狀的油墨腔室，每一個所述油墨腔室圍繞一個各自的噴嘴軸線延伸并且與各自的噴嘴相通，這樣在所制作的設備中通過驅動一個所選的結構能夠從相關聯的噴嘴噴出墨滴。
本發明在裝置方面的上述特征也可用于方法方面，反之亦然。
本發明延伸到這樣一種按需型噴墨打印機，所述設備包括一個在一個噴嘴軸線上的噴嘴；一個圍繞所述噴嘴軸線徑向延伸的油墨腔室；與所述油墨腔室相通的油墨供給裝置；一個驅動表面；一個為所述驅動表面而提供的驅動器，所述驅動器具有在所述噴嘴軸線方向上延伸的一個長度，所述驅動器是可驅動的以使所述驅動表面能夠在所述噴嘴軸線方向上移動，從而利用在油墨腔室中所產生的沿著所述噴嘴軸線方向徑向傳播的聲波使所述噴嘴噴出墨滴并且為所述油墨腔室補充油墨。
本發明還延伸到這樣一種按需型噴墨打印機，該設備包括一個噴嘴的二維陣列，每一個所述噴嘴都具有一個噴嘴軸線，所述噴嘴軸線相互之間是平行的；多個盤狀油墨腔室，每一個油墨腔室都圍繞一個各自的噴嘴軸線延伸并且與各自的噴嘴相通；一個均勻的壓電片，所述壓電片具有由圓形對稱的驅動結構所構成的一個二維陣列，所述每一個驅動結構都具有在各自的噴嘴軸線方向上延伸的一個長度并且與一個各自的油墨腔室相關聯，每一個圓形對稱壁都被一個各自的盤狀頂部元件橋接；以及在所述壓電片上的電極，所述電極能夠以可選擇的方式驅動每一個壁，從而從相關的噴嘴噴出墨滴。
本發明還提供一種用于制作按需型噴墨打印機的方法，所述方法包括下列步驟形成一個噴嘴板，所述噴嘴板具有一個噴嘴的二維陣列，所述每一個噴嘴都具有一個噴嘴軸線，所述噴嘴軸線相互之間是平行的；形成一個均勻的壓電片，所述壓電片具有由圓形對稱的驅動結構所構成的一個二維陣列，所述每一個驅動結構都具有在各自的噴嘴軸線方向上延伸的一個長度并且與一個各自的油墨腔室相關聯，每一個圓形對稱壁都被一個各自的盤狀頂部元件橋接；在所述壓電片上提供電極，所述電極能夠以可選擇的方式驅動每一個壁；以及使所述噴嘴板和壓電片層疊；所得到的層疊結構提供了多個盤狀的油墨腔室，每一個所述油墨腔室都圍繞一個各自的噴嘴軸線延伸并且與各自的噴嘴相通，從而在所制作的設備中通過驅動一個壓電片中的所選壁能夠從相關聯的噴嘴噴出墨滴。
所述多個油墨腔室可由形成在所述壓電片中的圓形對稱凹槽的一個二維陣列提供，每一個所述頂部元件至少包括一個相應的圓形對稱凹槽的底壁的一部分。
與單個電極相連的電連接裝置可形成在安裝于所述壓電片上的一個互連板上。所述噴嘴板和互連板可由壓電材料制成。或者，所述噴嘴板和互連板可由與所述壓電片在熱的方面相容的材料制成。
油墨腔室的一個陣列可形成在所述壓電片中以為所述油墨腔室提供油墨。
每一個油墨腔室可由一個大體圓形結構限定，在所制作的設備中，所述圓形結構提供一個在聲阻抗方面的變化以在油墨腔室中對沿著所述各自的噴嘴軸線方向徑向傳播的聲波進行反射。
現將參照附圖利用示例對本發明的優選特征進行描述。


圖1(a)是一種按需型噴墨打印機的一個驅動器的第一實施例的截面圖；圖1(b)是形成在壓電片中的由驅動器構成的一個二維陣列的頂部透視圖；圖1(c)是圖1(b)中所示的壓電片的一個后部透視圖；圖2(a)和2(b)是一種按需型噴墨打印機的一個驅動器的第二實施例的截面圖；圖3是一種按需型噴墨打印機的一個驅動器的第三實施例的截面圖；圖4是一個按需型噴墨打印機的分解透視圖，所述按需型噴墨打印機包括圖3中所示的一個驅動器陣列；圖5是表示在一種按需型噴墨打印機中的電連接裝置的一個截面圖；圖6示出了在一個厚膜混合電路的背面上的芯片布置方式；圖7示出了一個芯片表面上的觸點布置方式；圖8(a)是一種按需型噴墨打印機的一個驅動器的第四實施例的截面圖；圖8(b)是圖8(a)中所示的驅動器的一個頂部透視圖；圖8(c)是圖8(a)中所示驅動器的一個陣列的放大圖；圖8(d)是表示一種用于制作圖8(a)中所示驅動器的方法的圖；圖9(a)是一種按需型噴墨打印機的一個驅動器的第五實施例的截面圖9(b)是圖9(a)中所示驅動器的一個陣列的放大圖；圖10(a)是第六實施例所涉及的驅動器的一個陣列的放大圖；以及圖10(b)示出了一種用于將圖10(a)中所示驅動器接合到一個基底上的技術。
圖1(a)是一個驅動器30的一個截面圖，所述驅動器30形成在本發明第一實施例所涉及的一種按需型噴墨打印機的一個壓電片14中。所述壓電片14、插入板17和噴嘴板18限定了一個油墨腔室22，所述油墨腔室22圍繞形成在所述噴嘴板18中的噴嘴19的軸線徑向地延伸。所述油墨腔室22通過一個形成在所述插入板17中的孔20與噴嘴19相通。如圖1(a)中所示，所述壓電片14構成了一個層狀結構的一部分，所述層狀結構包括一個插入板17、一個噴嘴板18和一個基底44。
利用一對形成在所述壓電片中的油墨通道15將油墨供給所述油墨腔室22，所述油墨通道15周向地設置在油墨腔室22周圍。如圖1(b)中所示，所述油墨通道15與形成在所述壓電片14中的歧管102相連通，油墨從一個油墨容器(未示出)通過導管36供給到所述歧管102中。
另外，如在本領域所知的，油墨通道15與所述油墨腔室的兩側相連能夠使油墨在一排油墨腔室22中循環以去除灰塵和空氣。這可從圖1(b)中可以明顯地看出，圖1(b)是表示一種驅動器的二維陣列的一個頂部透視圖，圖1(a)所示的截面圖與圖1(b)中沿著A-A線的一個橫截面相對應。圖1(b)還示出了一種可任意選擇的分隔和支承壁101以改變油墨流動性能。
如圖1(a)中所示，所述驅動器30的壁31圍繞一個中央腔室32周向地延伸，所述中央腔室32與噴嘴19的軸線是基本同軸的，并且所述驅動器30的壁31被一個圓形頂部34蓋上，所述圓形頂部34具有一個直徑r1。最好利用模制的方式將所述頂部34與壁31被制成一個整體部件，所述壁31相對于所述腔室軸線是錐形的。也可采用其它適合的加工方法，諸如砑光和機械磨削，當然可利用圓盤制成所述頂部34并且在裝配過程中使其與所述壁31的頂端接合。
利用濺射或者其它適合方法在所述壓電片14的兩側上形成電極24,25，利用常規的平版抗蝕劑(lithographic resist)對所述壓電片上不需要形成電極的區域進行保護，利用旋轉鍍覆的方式鍍覆所述平版抗蝕劑，使鍍覆的抗蝕劑在不需要形成電極的區域處硬化，然后對其進行清洗以去除未硬化的抗蝕劑。如圖1(a)中所示，電極24形成在所述腔室32中的一個沿著噴嘴軸線方向延伸的表面上，而電極25形成在所述驅動器30中與油墨腔室22相鄰的表面上。
在該實施例中，所述電極在壓電片14上除所述頂部34最頂端以外的基本整個頂表面上延伸，并且所述電極還在所述壓電片14下側上的壁31的內表面和壁31的部分底部10上延伸。
電極24,25將一個電場施加到所述壁31的壓電材料上以使所述壁極化和驅動。在極化的情況下，施加一個高電位差以使所述壓電材料的偶極子沿著圖1(a)中箭頭30′所示方向排列。這樣一種方法在本領域是公知的，這里不再進行詳細地描述。但是，應該注意的是，所述頂部34基本上沒有被極化并且不用于噴墨。當然，也可使所述頂部34被極化，但是這會使制作更加復雜。
接著使電極24,25相連以使所述被極化的壓電壁驅動。利用一個導電的插入板17使電極25接地，同時利用形成在所述基底44中的觸點40和跡線(track)43以可選擇的方式將電壓施加到電極24上。圖1(c)是圖1(b)所示陣列的一個后部透視圖，從該圖中可以清楚地看出，所述電極24的環形部分與所述基底相連。
在電極24和25之間施加一個電場后，所述壁31以一種所謂的“直接模式”運動，從而根據電場與極化之間的相對方向使所述壁31向著噴嘴19方向變窄和延伸或者向著離開噴嘴19的方向變厚和收縮。這種移動在油墨腔室22中產生一個聲波，所述聲波在油墨腔室內徑向地移動，所述聲波在油墨通道15中被反射以在所述油墨腔室22的中心處匯聚，從而使油墨從噴嘴19噴出。當聲波從所述噴嘴退回時，在R/c時間內，體積應變或收縮促使油墨從所述噴嘴出口流出，在所述時間R/c中，c是油墨腔室中的油墨有效聲速，R是油墨腔室壁的徑向距離。在這段時間內墨滴被噴出。在經過時間R/c后，壓力變為負值，噴墨停止并且可取消所施加的電壓。接著，隨著壓力波的衰減，從油墨腔室22噴出的油墨可從油墨通道15中得到補充，從而可重復所述噴墨過程。如在本領域中所知的，可快速連續地施加多個脈沖以將具有相應尺寸的墨滴沉積在基底上。
圖2(a)和圖2(b)示出了本發明所涉及的一種按需型噴墨打印機的第二實施例。總的來說，所述設備的各個層和材料與第一實施例是類似的。但是，在該第二實施例中，所述驅動器30的極化方法和極化方向與第一實施例是不同的，需要下列步驟以進行正確的極化。
參照圖2(a)，首先利用一種與前面所述的類似方法使極化電極38,39沉積在所述頂部34的頂表面和底表面上并且使所述壓電片沿著箭頭40的方向被極化。接著移開所述底部電極39并且將一個新的電極42施加到所述壁31的底部以在軸線方向41上為壁31提供一個極化電位差。接著如圖2(b)中所示，將兩個極化電極都移開，在所述壓電片14和所裝配的打印頭的整個頂表面和底表面上施加噴墨電極24,25。
在操作過程中，所述壁31以一種所謂的“剪切模式”向著和離開所述中央腔室32的中心偏斜，同時所述頂部34以直接模式向著和離開噴嘴的方向膨脹，所述頂部的總位移在油墨中產生了一個徑向的聲波。
與第一實施例類似，所述驅動器30可由兩個不同的部分形成。
在圖1至圖2所示的實施例中，油墨腔室22通過形成在一個插入板17中的孔20與形成在噴嘴板18中的一個噴嘴19相連通。所述插入板17最好是一個膨脹系數與所述壓電片14類似的金屬板。所述孔20最好是利用一種光刻方法蝕刻而成的或者類似地利用鉆孔或者電化學蝕刻的方法制成。最好由一種聚酰亞胺(例如，Upilex(Ube))制成的所述噴嘴板18與所述插入板17接合。盡管一種聚酰亞胺噴嘴板是優選的，但是也可采用其它適合的聚合材料或金屬元件。所述噴嘴板可鍍覆有一個疏水涂層以提高其不濕潤性能。
應該注意的是，在上述這些實施例中，所述頂部34的頂表面凹進到所述支承壁的頂表面下方形成了所述油墨腔室22。在另一個實施例中，如圖3中所示，所示頂部34的頂表面和支承壁36的頂表面是在一個平面內，實際上它們是搭接在一起以確保它們的平面度。這樣，通過增大所述插入板17中的孔20的直徑以使其基本上與所述支承壁36的內表面的間距相等，從而形成了所述油墨腔室22。所述支承壁的內表面的間距最好為900微米，這同樣也是所述插入板中的孔的直徑尺寸。
在這樣一個結構中，所述油墨腔室的高度是由所述插入板的厚度限定的而不是由所述壓電元件的頂部和支承壁的相對尺寸限定的。它所帶來的一個主要優點在于，由于所述插入板所允許的制造公差高于模制的壓電片17，因此能夠使所述油墨腔室的尺寸在所述油墨噴射裝置的整個陣列上更精確和均勻。它所帶來的另一個優點在于，能夠改變所述油墨腔室的高度，從而可通過簡單地改變所述插入板的厚度來改變從所述油墨腔室噴出墨滴的速度。這使打印頭能夠用于需要特別的高速(或低速)噴墨的打印應用中。
盡管所述插入板的厚度最好為100微米，但是它的尺寸也可在25微米至150微米的范圍內。
如在圖3中所示的實施例中，在一個簡單的聚酰亞胺噴嘴板跨越了一個較大距離的情況下，可使用另一個插入板以支承和加強所述噴嘴板。這樣的另一個插入板示出在圖4所示的第三實施例中，該圖還示出了一種具有五層的層狀結構，它包括噴嘴板18、一個第一插入層5、一個第二插入層17、一個壓電層14和一個電連接基底44。所述層狀結構通過形成在支承板7和8中的管6與一個油墨供給裝置相連。上述這些部件都與一個鋁制底板9接合在一起。
在所述第一插入層和第二插入層接合之前或者接合之后，所述噴嘴板18可與所述第一插入層接合在一起。最好所述第一插入層和第二插入層都是利用一種標準的光刻方法在其中蝕刻有孔的金屬板。所述兩個插入板的厚度最好為50微米，但是該尺寸可被改變以改變噴墨性能。所述第二插入板中的孔的直徑最好為900微米并且該尺寸與所述油墨腔室22的直徑相等。
所述兩個插入板和油墨腔室中的孔的直徑是以形成在所述噴嘴板中的噴嘴為中心的，并且所述噴嘴在掃描方向上的間隔最好為1/360英寸，在紙張供給方向上的間隔最好為17/256英寸。噴嘴在x和y方向上的間隔不等能夠減小芯片上的過載和功率波動。當然也可通過簡單地改變所述油墨腔室中心之間的距離來設置不同于1/360英寸的點距。但是，為了在紙張上達到相同的點密度，點距增大到2倍意味著打印頭經過的次數增加。由于在一個方向上增大所述點距會影響到在另一個方向上的點距，因此打印頭所需的經過次數將增大到2倍以上，從而會使一頁紙張上的覆蓋率變慢。我們認為，所述點距的最佳范圍在1/720英寸至1/180英寸之間。
每一個驅動器的頂部34的直徑最好為700微米。所述驅動器在噴嘴軸線方向上的高度最好為700微米。所述壁31的厚度最好為70微米。對于具有上述尺寸的驅動器，輸入一個20伏的電壓能夠使所述驅動器在噴嘴板的方向上產生一個30nm的位移。
在第一實施例至第三實施例中所示的驅動器與一個單一的油墨歧管102相通，從而能夠噴出一種顏色的墨滴。當然，也可設置一個以上的歧管和分隔壁以制成一種能噴出多顏色墨滴的打印頭。
圖5示出了在所述按需型噴墨打印機和相關驅動線路之間的電連接的優選方法。
將壓電片14、插入板17和噴嘴板18安裝到一個厚膜混合電路板44的頂部。這樣的電路板在本領域是已知的。集成電路(芯片)105安裝在所述電路板44的相對一側，所述集成電路(芯片)105在該位置處與導電墊50相連，由于所述電路板44具有多層結構，因此所述導電墊可分布在所述芯片的整個覆蓋區域上(而不是僅在邊緣處)。圖7中示出了所述芯片表面的布置方式的一個示例；通過中心設置的導電墊制成25個輸入端，而通過位于芯片周邊處的兩排制成與32個驅動器相連的輸出端。這意味著，可以一種厚膜混合密度使所述芯片互連，并且可在所述噴嘴陣列的區域范圍內大量地進行所有的連接，在圖5所示的實施例中，可利用直接與油墨接觸使所述芯片得到冷卻。
一個蓋106與所述電路板44相連，所述蓋106除了用于保護芯片105以外，還可用作一個油墨導管，所述油墨導管能夠能夠引導在一個入口110和形成在所述電路板中的一個孔108之間的油墨，并且所述孔108與所述壓電片14的歧管102相通。這可使所述芯片被油墨冷卻，為此，所述芯片最好具有一個涂層(例如，paralene)以防止所述芯片受到油墨的化學侵蝕。或者，還可考慮，不依賴于蓋106和其中的電子元件而將油墨供給到所述孔108。
圖6示出了在所述厚膜混合電路4的背面上可能采用的芯片布置方式。輸入觸點51設置在所述塑料歧管的外部，每一個塑料歧管都包括兩個芯片105。油墨通過其中一個供給管被供給并且通過另一個供給管被排出以使油墨在所述打印頭中連續循環。因此，所述油墨在返回到所述打印頭中之前可被加熱、冷卻、除氣或過濾。
所述驅動器可以是幾乎經完全預測試的。利用形成在壓電片14的背面上的芯片墊，能夠在接合所述芯片之前對噴墨性能進行測試和檢測，類似地，在添加所述壓電片之前可對所述芯片進行一次測試。在所述電路板44和壓電片14經過測試并且連接在一起之后，根據以電和機械的方式與所述底板相連的方法它們將形成一個完全獨立的模塊，還可更換所述模塊。這對于在一個寬幅陣列是由幾個這樣的模塊所形成的情況下是特別優越的。
圖8(a)是一種按需型噴墨打印機中一個驅動器的第四實施例的一個截面圖。圖8(b)是這種驅動器的一個頂部透視圖。
在第四實施例中，所述驅動器130包括一個由壓電材料制成的壁131，所述壁131沿著形成在所述噴嘴板18中的噴嘴19軸線方向延伸。所述壁131的底部與基底44是一體形成的或者是以其它方式接合到所述基底44上的。從圖8(b)中可以明顯地看出，所述壁131包圍著一個形成在所述壁132中的腔室132，所述腔室132與噴嘴軸線是同軸的以使所述壁131圍繞所述噴嘴軸線延伸。
所述壁131上覆蓋有一個圓盤形狀的頂部134。所述盤134在裝配過程中接合在所述壁的頂部，并且其直徑等于或大于所述壁在圖8(b)所示Y軸線方向(即，在一個與所述噴嘴軸線方向基本垂直的方向上)上延伸的長度。所述盤134還也可由壓電材料制成或者由其它任何具有足夠的剛度以致于在其移動過程中不會變形的適合材料制成。
一個電極124形成在所述壁131中的腔室132內。一個通道136形成在所述基底44中以使所述電極124能夠與電壓源相連，從而能夠以可選擇的方式為所述電極124提供一個電壓。可利用濺射或者其它適合的方法在所述壁131中與油墨腔室22相鄰的兩側上(還可在所述驅動器的整個表面上)和所述基底44的上表面上形成電極125。電極125通常是接地的。
電極124,125將一個電場施加到所述壁131的壓電材料上以使所述壁極化和驅動。在極化的情況下，施加一個高電位差以使所述壓電材料的偶極子沿著圖8(a)中箭頭130′所示方向排列。這樣一種方法在本領域是公知的，這里不再進行詳細地描述。但是，應該注意的是，所述盤134沒有被極化并且不用于噴墨。當然，也可使所述盤134被極化，但是這會使制作更加復雜。
參照圖8(b)，接著使電極124,125相連以使所述被極化的壓電壁驅動。在電極124和125之間施加一個電場后，所述壁131以一種所謂的“直接模式”運動，從而可根據電場與極化之間的相對方向使所述壁131向著噴嘴19方向變窄和延伸或者向著離開噴嘴19的方向變厚和收縮。這種移動在與所述油墨腔室122相通的噴墨腔室140中產生一個聲波。所述聲波在所述腔室140內徑向地移動，所述聲波被一個由插入板117和116在所述腔室122和144之間所限定的油墨通道142反射以在所述噴嘴19下方匯聚，從而使油墨從噴嘴19噴出。當聲波從所述噴嘴退回時，在R/c時間內體積應變或收縮促使油墨從所述噴嘴出口流出，在所述時間R/c中，c是腔室140中的油墨有效聲速，R是腔室140的壁116的徑向距離。在這段時間內墨滴被噴出。在經過時間R/c后，壓力變為負值，噴墨停止并且可取消所施加的電壓。接著，隨著壓力波的衰減，從油墨腔室140噴出的油墨可從油墨腔室122中得到補充，從而可重復所述噴墨過程。如在本領域中所知的，可快速連續地施加多個脈沖以將具有相應尺寸的墨滴沉積在基底上。
圖8(c)是一個表示第四實施例所涉及驅動器的一個陣列的簡圖。如圖8(c)中所示，相鄰的驅動器共享一個公共油墨腔室122。通過將油墨流動限定在所述盤134的上方可使油墨在相鄰驅動器之間的串道干擾達到最小。所述油墨腔室122的尺寸用于減小所述二維陣列的端部之間的壓力差，從而能夠在需要將更多的油墨沉積在一個較大的打印寬度上的織物打印情況下提高打印性能。
圖8(d)示出了所述驅動器130的一種制作方法。第一步，設置一個壓電材料層(諸如tape cast green PZT)200。第二步，利用絲網印刷方法或者類似的方法在所述層200上形成電極跡線202的一個圖案(盡管圖8(d)示出了兩個電極跡線，但是在該步驟中可形成任意數量的電極跡線)。第三步，將一個第二壓電材料層204設置在所述層200和204的頂部上，從而使每一個電極跡線202都被壓電材料所包圍。在所述層204上形成另一個電極跡線圖案，根據需要重復上述過程形成一個具有所需數量的壓電材料層的層疊塊。接著將所述塊燒制成一個矩形塊(尺寸通常為18毫米×25毫米×100毫米)，沿著線208、210和212對其進行加工以形成一個分開的或接合的驅動器。
圖9(a)是一種按需型噴墨打印機中一個驅動器的第五實施例的一個截面圖。所述第五實施例與第四實施例類似，不同之處在于，所述驅動結構被一個向著噴嘴方向逐漸變細的截頭錐形驅動結構231取代。所述驅動結構231可與基底44一體形成或者也可連接到基底44上。與第四實施例類似，所述驅動結構圍繞所述噴嘴軸線延伸，電極(在圖9(a)中未示出)設置在所述腔室232和所述結構231的外表面中以將一個電場施加到所述結構231的壓電材料上，從而使所述結構231極化和驅動。圖9(b)示出了在一個按需型噴墨打印機中的這樣的驅動器的一個陣列，該陣列與圖8(c)中所示的類似。
可利用任何適合的方法使所述腔室232形成在所述結構231中，例如，如圖9(a)中所示，利用激光在所述結構231和基底44上鉆出一個具有大體圓形橫截面的腔室，或者如圖8(b)中所示，形成一個溝狀腔室。接著通過所述腔室泵送鍍覆流體并且使其凝固，從而在所形成的腔室中一個電極。
圖10(a)示出了在按需型噴墨打印機第六實施例中的一種類似的驅動器陣列。所述第六實施例的驅動器與第五實施例中的類似，不同之處在于，所述驅動結構相對于第五實施例中的是倒置的。所述結構可與所述基底一體形成或者可與所述基底接合在一起。可在所述結構和基底中形成各自的腔室之前或者在電極已經形成在所述結構和基底中的腔室中之后使所述結構與基底接合在一起。在該設置方式中，如圖10(b)中所示，利用具有各向異性的粘接劑300將每一個結構331粘結到所述基底44上以使形成在所述結構的腔室中的電極324和形成在所述基底中的觸點340之間導電，但是需要防止在所述電極324和325之間出現短路。
在該申請文本(包括權利要求)中所披露的和/或在附圖中所示的每一個特征可包括在本發明中，并不依賴于其它所披露的和/或所示的特征。
權利要求
1．一種按需型噴墨打印機，包括一個在噴嘴軸線上的噴嘴；一個與所述噴嘴相通的油墨腔室；一個壓電驅動結構，所述結構圍繞所述噴嘴軸線在所述噴嘴軸線方向上延伸；一個限定所述腔室并朝向所述噴嘴的驅動表面，所述驅動結構是可驅動的以使所述驅動表面能夠在所述噴嘴軸線方向上移動，從而能夠通過所述噴嘴噴出墨滴；以及用于為所述驅動結構提供一個驅動電場的電極。
2．一種如權利要求1所述的設備，其特征在于，所述電極包括一個在所述驅動結構中與所述油墨腔室相鄰的一個表面上的第一電極和一個在所述驅動結構中與所述油墨腔室分隔的一個相對表面上的第二電極。
3．一種按需型噴墨打印機，包括一個在噴嘴軸線上的噴嘴；一個與所述噴嘴相通的油墨腔室；一個壓電驅動結構，所述結構在所述噴嘴方向上延伸；一個限定所述腔室并朝向所述噴嘴的驅動表面，所述結構是可驅動的以使所述驅動表面能夠在所述噴嘴軸線方向上移動，從而能夠通過所述噴嘴噴出墨滴；以及用于為所述驅動結構提供一個驅動電場的電極，所述電極包括一個在所述驅動結構中與所述油墨腔室相鄰的一個表面上的第一電極和一個在所述驅動結構中與所述油墨腔室分隔的一個相對表面上的第二電極。
4．一種如權利要求2或3所述的設備，其特征在于，所述第一電極接地。
5．一種如上述任何一項權利要求所述的設備，其特征在于，所述油墨腔室圍繞所述噴嘴軸線徑向延伸，并且所述驅動結構是可驅動的以使所述驅動表面在噴嘴軸線方向上移動，從而利用在油墨腔室中所產生的沿著所述噴嘴軸線方向徑向傳播的聲波使所述噴嘴噴出墨滴。
6．一種如權利要求5所述的設備，其特征在于，所述油墨腔室從所述噴嘴軸線延伸了一個徑向距離R，并且所述驅動結構是可驅動的以使所述驅動表面在一段時間內沿著噴嘴軸線方向移動，所述時間至多為時間R/c的一半，其中c是聲波在油墨腔室的油墨中的傳播速度。
7．一種如權利要求5或6所述的設備，其特征在于，所述油墨腔室被一個大體圓形結構限定，所述圓形結構提供一個在聲阻抗方面的變化以在油墨腔室中對沿著所述噴嘴軸線方向徑向傳播的聲波進行反射。
8．一種如權利要求7所述的設備，其特征在于，所述在聲阻抗方面的變化是由油墨在所述噴嘴軸線方向上的深度變化而產生的。
9．一種如權利要求7或8所述的設備，其特征在于，所述圓形結構圍繞所述油墨腔室限定一個油墨環形通道，所述油墨環形通道在所述噴嘴軸線方向上的深度與所述油墨腔室的深度是不同的。
10．一種如上述任何一項權利要求所述的設備，其特征在于，所述設備還包括與所述油墨腔室相流通的油墨供給裝置以便在噴墨后為油墨腔室補充油墨。
11．一種如權利要求10所述的設備，其特征在于，所述油墨供給裝置設置在多個位置處，所述多個位置周向地分布在所述油墨腔室的周圍。
12．一種如權利要求10或11所述的設備，其特征在于，所述油墨供給裝置圍繞著所述油墨腔室的基本上整個周邊為所述油墨腔室供給油墨。
13．一種如上述任何一項權利要求所述的設備，其特征在于，所述驅動結構向著所述噴嘴軸線逐漸變細。
14．一種如上述任何一項權利要求所述的設備，其特征在于，所述驅動結構是均勻的并且相對于所述驅動電場被極化以使其以直接模式偏斜。
15．一種如權利要求14所述的設備，其特征在于，所述驅動結構在一個橫向于其表面的方向上被極化，在一個橫向于所述驅動結構的表面的方向上施加所述電場。
16．一種如權利要求1至13中任何一項所述的設備，其特征在于，所述驅動結構是均勻的并且相對于所述驅動電場被極化以使其以剪切模式偏斜。
17．一種如權利要求16所述的設備，其特征在于，所述驅動結構在向著所述噴嘴軸線匯聚的方向上被極化，在一個橫向于所述驅動結構的表面的方向上施加所述電場。
18．一種如權利要求17所述的設備，其特征在于，所述驅動表面包括一個由壓電材料制成的盤，所述壓電盤在所述噴嘴軸線方向上被極化以便在施加所述電場后使其以直接模式偏斜。
19．一種如上述任何一項權利要求所述的設備，其特征在于，所述設備包括多個噴嘴，每一個所述噴嘴都具有一個各自的噴嘴軸線，所述噴嘴軸線相互是平行的；多個油墨腔室，每一個油墨腔室圍繞一個各自的噴嘴軸線延伸；以及一個均勻的壓電片，所述壓電片具有所述驅動結構的一個二維陣列，每一個所述驅動結構都與一個各自的油墨腔室相關聯。
20．一種噴墨打印方法，包括下列步驟建立一個油墨的平面體，所述油墨的平面體與一個噴嘴相通，所述噴嘴具有一個噴嘴軸線，所述油墨的平面體在所述噴嘴軸線的徑向上延伸；在所述油墨的平面體中設置一個阻抗邊界，所述阻抗邊界在所述噴嘴軸線的周向上延伸；以及以可選擇的方式驅動一個在所述噴嘴軸線方向上圍繞所述噴嘴軸線延伸的壓電驅動結構以使一個驅動表面在所述噴嘴軸線方向上移動，從而在所述油墨腔室中產生沿著所述噴嘴軸線的徑向傳播的聲波，所述聲波被所述阻抗邊界反射，因而使所述噴嘴噴出墨滴。
21．一種如權利要求20所述的方法，其特征在于，所述油墨的平面體從所述噴嘴軸線延伸了一個徑向距離R，并且所述驅動結構在一段時間內沿著噴嘴方向移動，所述時間至多為時間R/c的一半，其中c是聲波在油墨腔室的油墨中的傳播速度。
22．一種如權利要求20或21所述的方法，其特征在于，設置用于為所述驅動結構提供一個驅動電場的電極以使所述驅動結構在所述噴嘴軸線方向上移動。
23．一種如權利要求22所述的方法，其特征在于，所述驅動結構向著所述噴嘴軸線逐漸變細。
24．一種如權利要求20至23中任何一項所述的方法，其特征在于，所述驅動結構相對于所述驅動電場被極化以使其以直接模式偏斜。
25．一種如權利要求24所述的方法，其特征在于，所述驅動結構在一個橫向于其表面的方向上被極化，在一個橫向于所述驅動結構的表面的方向上施加所述驅動電場。
26．一種如權利要求20至23中任何一項所述的方法，其特征在于，所述驅動結構相對于所述驅動電場被極化以使其以剪切模式偏斜。
27．一種如權利要求26所述的方法，其特征在于，所述驅動結構在向著所述噴嘴軸線匯聚的方向上被極化，在一個橫向于所述驅動結構的表面的方向上施加所述驅動電場。
28．一種如權利要求20至27中任何一項所述的方法，其特征在于，所述驅動表面包括一個由壓電材料制成的盤，所述壓電盤在所述噴嘴軸線方向上被極化以便在被驅動時使其以直接模式偏斜。
29．一種如權利要求20至28中任何一項所述的方法，其特征在于，所述方法還包括在噴墨后通過將油墨供給到所述油墨的平面體中以為所述油墨的平面體補充油墨的步驟。
30．一種如權利要求29所述的方法，其特征在于，所述油墨在多個位置處被供給，所述多個位置周向地圍繞所述油墨的平面體分布。
31．一種如權利要求30所述的方法，其特征在于，圍繞所述油墨的平面體的基本上整個周邊供給油墨。
32．一種如權利要求20至31中任何一項所述的方法，其特征在于，所述阻抗邊界是通過改變所述油墨平面體中的沿噴嘴軸線方向上的油墨深度來提供的。
33．一種用于制作按需型噴墨打印機的方法，包括下列步驟形成一個噴嘴板，所述噴嘴板具有噴嘴的二維陣列，每一個所述噴嘴都具有一個噴嘴軸線，所述噴嘴軸線相互平行；在一個基底上形成驅動結構的一個二維陣列，每一個所述驅動結構在一個相應噴嘴軸線的方向上圍繞所述相應噴嘴軸線延伸，所述每一個驅動結構分別與所述噴嘴相關聯，為所述每一個驅動結構提供一個驅動表面；在所述驅動結構上提供電極以使每一個壁能夠以可選擇的方式被驅動；以及使所述噴嘴板和所述基底層疊；所述層疊結構提供了多個盤狀的油墨腔室，每一個所述油墨腔室圍繞一個相應的噴嘴軸線延伸并且與各自的噴嘴相通，這樣在所制作的設備中通過驅動一個所選的結構能夠從相關聯的噴嘴噴出墨滴。
全文摘要
本發明提供一種按需型噴墨打印機,所述設備包括一個在噴嘴軸線上的噴嘴(19);一個與所述噴嘴相通的油墨腔室(22;122);一個壓電驅動結構(31;131),所述結構圍繞所述噴嘴軸線在所述噴嘴軸線方向上延伸;一個朝向所述噴嘴的驅動表面,所述結構是可驅動的以使所述驅動表面能夠在所述噴嘴軸線方向上移動,從而能夠通過所述噴嘴噴出墨滴;以及用于為所述驅動結構提供一個驅動電場的電極(24;25;124;125)。
文檔編號B41J2/14GK1320079SQ99811338
公開日2001年10月31日 申請日期1999年9月23日 優先權日1998年9月23日
發明者R·A·哈維, S·特姆普勒 申請人:薩爾技術有限公司