專利名稱：制造噴嘴板的方法
技術領域：
本公開涉及微流體噴射裝置結構，特別是涉及制造改進的用于微流體噴射裝置的噴嘴板的方法。
背景技術：
微流體噴射裝置被持續用于各種應用中，包括噴墨打印機，藥物輸送裝置，微冷卻器等。在這些用途中，顯然噴墨打印機提供了微流體噴射裝置的最常見的用途。對于某些應用場合來說，噴墨打印機比激光打印機更通用。由于噴墨打印機的能力提高了，并以增加的打印數度提供更高質量的圖像，因此作為噴墨打印機的主要打印部件的流體噴射頭得到了繼續發展并且變得更復雜了。
改進的打印質量需要噴射頭提供增加數量的墨滴。為了增加來自噴射頭的墨滴的數量，噴射頭被設計成包括更多的噴嘴和相應的墨水噴射觸發器。用于“上部噴射器”或“頂部噴射器”噴射頭的噴嘴和觸發器的數量可以本領域技術人員已知的多種方式來增加。例如，在包括噴嘴孔、墨腔和由聚酰亞胺材料激光燒蝕而成的墨水通道的集成噴嘴板中，相鄰的噴嘴和相應的墨腔通常沿垂直于進墨槽的方向彼此偏移。對于包括墨腔和墨水通道的激光燒蝕噴嘴板來說，相鄰的墨腔之間的最小間距需要提供足夠的用于墨腔的腔室壁結構。因此，隨著用于噴射頭的噴嘴和觸發器的數量的增加，需要更長的噴嘴板和相應的半導體基片。但是，現在的趨勢是提供更窄的基片和相應的具有更多功能的噴嘴板。由于需要這種噴射頭的容差，因此尺寸的減小導致了生產時間的增加。
因此，還存在對具有增加的功能性的較小噴射頭以及用于降低制造這種噴射頭的生產時間的裝置的需要。
發明內容
對于前述和其它目的以及優點，提供了一種制造用于微流體噴射頭的流動部件結構的方法。該方法包括以下步驟激光燒蝕噴嘴板材料，以提供細長的流體腔和使該流體腔與流體供給源連接在一起的流體供給通道。該流體腔具有第一長度和第一寬度。細長的噴嘴孔通過與流體腔共軸的噴嘴板材料激光燒蝕而成。噴嘴孔具有入口尺寸，并且該入口尺寸具有縱軸尺寸和橫軸尺寸，以使得縱軸尺寸是橫軸尺寸的約1.1至約4.0倍。
在另一實施例中，提供了一種用于微流體噴射頭的噴嘴板。該噴嘴板包括位于噴嘴板內的基本上線性排列的噴嘴孔。該噴嘴孔與流體腔軸向對準以便經由噴嘴孔噴射流體。每一個流體腔具有第一寬度和第一長度，并且每一個噴嘴孔具有一入口，該入口具有縱軸尺寸和橫軸尺寸。縱軸尺寸是橫軸尺寸的約1.1至約4.0倍，并且其中縱軸尺寸小于第一長度。
本公開的優點在于提供了一種具有增加的功能性但未增加該噴射頭部件的尺寸的噴射頭。本公開還使得能夠生產大于600dpi的噴嘴節距的噴射頭，而無需使相鄰的噴嘴和相應的墨腔在垂直于流體進給槽的方向上相互偏移。
為了本發明的目的，術語“節距”當其用于噴嘴或流體噴射觸發器時，意指相鄰的噴嘴或流體腔的中心至中心之間在基本上與一軸平行的方向上的距離，其中該軸與沿流體進給槽的線性方向設置的圓柱形的噴嘴陣列對準。
當與下面的示出了這些實施例的一個或多個非限定性方面的附圖結合時，通過對示例性實施例的詳細說明，本公開實施例的進一步優點將變得更明顯，其中在下面的多個附圖中，相同的附圖標記用來指代相同或相似的元件
圖1是包括微流體噴射頭的流體盒的不按比例的透視圖；圖2和3是現有技術的部分微流體噴射頭的不按比例的斷面圖；圖4和5是現有技術的部分噴嘴板的不按比例的平面圖；圖6是現有技術的噴嘴板的一部分在激光燒蝕工藝過程中的不按比例的平面圖；圖7是通過現有技術的工藝制成的噴嘴板的一部分的不按比例的平面圖；圖8是根據本公開的一個實施例制成的噴嘴板的一部分的不按比例的平面圖；圖9和10是圖8的噴嘴板的某一部分的不按比例的斷面圖；圖11是現有技術的噴嘴板的噴嘴孔的不按比例的平面圖；圖12是用于燒蝕圖11的噴嘴孔的掩膜的不按比例的平面圖；圖13是圖11的噴嘴孔的不按比例的斷面圖；圖14是通過現有技術制成的流體供給通道和噴嘴孔的不按比例的平面圖；圖15是用于通過圖14的現有技術工藝來制造流體供給通道的掩膜的不按比例的平面圖；圖16是由圖14和15的現有技術工藝制造的噴嘴板的不按比例的平面圖；圖17是包括根據本公開的一實施例制成的流體供給通道和流體腔的噴嘴板的一部分的不按比例的平面圖；圖18是用于制造圖17的流體供給通道和流體腔的掩膜的不按比例的平面圖；圖19是通過使用圖18的掩膜制成的噴嘴板的一部分的不按比例的斷面圖；圖20是用于圖19的噴嘴板的噴嘴孔的不按比例的平面圖；圖21是用于制造根據圖20的噴嘴孔的掩膜的不按比例的平面圖；圖22是使用圖18和21的掩膜制成的噴嘴板的一部分的不按比例的斷面圖；
圖23是由現有技術的工藝制成的流體供給通道和流體腔的不按比例的平面圖；圖24是用于通過圖23的現有技術工藝來制造流體供給通道和流體腔的掩膜的不按比例的平面圖；圖25是包括圖23的流體腔和流體供給通道的現有技術的噴嘴板的一部分的不按比例的斷面圖；圖26是用于圖23的流體腔和流體供給通道的現有技術的噴嘴孔的不按比例的平面圖；圖27是用于制造圖26的噴嘴孔的掩膜的不按比例的平面圖；圖28是使用圖24和27的掩膜制成的現有技術的噴嘴板的一部分的不按比例的斷面圖；圖29是根據本公開的另一實施例的流體供給通道和流體腔的不按比例的平面圖；圖30是用于制造根據圖29的流體供給通道和流體腔的掩膜的不按比例的平面圖；圖31是使用圖30的掩膜制成的噴嘴板的一部分的不按比例的斷面圖；圖32是圖29的流體腔內的噴嘴孔的不按比例的平面圖；圖33是用于制造圖32的噴嘴孔的掩膜的不按比例的平面圖；以及圖34是使用圖30和33的掩膜制成的噴嘴板的一部分的不按比例的斷面圖。
具體實施例方式
參照圖1，示出了包括微流體噴射頭16的微流體噴射盒10。噴射盒10包括用于向噴射頭16供應流體如墨的腔體14。該流體可被容納在腔體14的存儲區域中或可從遠方的源頭供給至腔體14。
微流體噴射頭16包括半導體基片18和包括連接至基片18的噴嘴孔22的噴嘴板20。作為替換的，包括噴嘴孔和流動部件的噴嘴板可連接至基片上的厚膜層。用于電連接至裝置的電觸片24設置在柔性電路26上，以用于控制噴射頭16上的流體噴射觸發器。柔性電路26包括連接至打印頭16的基片18的電軌跡28。
圖2示出了現有技術的噴射頭16的一部分的不按比例放大的斷面圖。噴射頭16包括加熱元件30，用于加熱通過燒蝕噴嘴板20的一部分而形成的流體腔32中的流體。但是，本發明并不限于包括加熱元件30的噴射頭16。其它流體觸發器，例如根據本公開，壓電裝置也可被用于提供噴射頭。
從噴嘴孔22噴射出的流體通過基片18中的開口或流體供給槽34供給至流體腔32，并且隨后流過將槽34與流體腔32連接在一起的流體供給通道36。與流體腔32類似，流體供給通道36是在噴嘴板20中激光燒蝕而成的。噴嘴板20優選地通過粘附層38粘性地連接至基片18。在另一現有技術設計的噴射頭40(圖3)中，流體腔42和流體供給通道44由厚膜層46和激光燒蝕的噴嘴板48的組合形成。
正如前面的描述，流體腔32或42的至少一部分以及流體供給通道36或44通過激光燒蝕形成在噴嘴板20或48中。噴嘴板20或48的激光燒蝕通常在噴嘴板20或48的流體腔32或42側進行。當噴嘴板20或48由聚酰亞胺材料制成時，流體腔32或42的壁50或52以及噴嘴22或58的壁54或56由于激光燒蝕工藝而具有斜面。通常，腔壁54或56根據噴嘴板20或48的厚度而具有5至18度的燒蝕圓錐角。相應地，在流體腔32或42的入口和噴嘴22或58的出口之間需要約17微米。
圖4是噴射頭16的流體腔32和噴射孔22的平面圖。在圖4中，示出了腔室入口60和腔室出口62。同樣還示出了噴嘴入口64和噴嘴出口66。通過圖2-4所示的激光燒蝕的噴嘴板20或48，需要使得相鄰噴嘴20之間的中心至中心的距離P1最小，以使得相鄰的流體腔32之間具有足夠厚度的壁68，以便在相鄰的流體腔32之間提供牢固的流體密封。考慮到制造對準容差，相鄰流體腔32之間的壁68的厚度通常在約7.5至約30微米的范圍。相應地，相鄰噴嘴20之間的中心至中心的距離P1通常為約42微米或更大，以提供小于約600dpi(每英寸的點數)的節距。節距越大，對于流體噴射觸發器30來說就需要噴嘴板20或48以及基片18越大。
圖5示出了試圖減小相鄰噴嘴70之間的距離P2的嘗試。在該情形中，噴嘴入口和腔室入口72是相同的。但是，制造這種噴嘴70和流體腔的工藝需要很長的處理時間。在該過程中，噴嘴70首先通過燒蝕噴嘴板材料的厚度形成。隨后執行第二燒蝕步驟以燒蝕流體供給通道74。相應地，噴嘴板材料需要x個脈沖以便完全燒蝕噴嘴板材料，以形成噴嘴70。噴嘴板材料隨后以x個脈沖中的一小部分k，即kx個脈沖來部分地燒蝕，以形成流體供給通道74。因此總共需要x+kx個脈沖，以形成完整燒蝕的噴嘴板。
試圖燒蝕第一流體供給通道74以用于噴嘴70(圖5)而產生的不合乎需要的結果示于圖6和7中。如圖6所示，入射激光束76將從與流體通道80相對的腔室和噴嘴壁78反射回來。但是，入射的激光束76在流體通道80中由于沒有這種壁將不會反射回來。虛線82表示未反射離開流體通道80區域中的壁的激光束。因此，流體通道80和噴嘴84在噴嘴板中被燒蝕，從而產生了如圖7的平面圖所示的不合乎需要的構造。圖7所示的噴嘴孔84的非對稱反射將使得從噴嘴孔84噴射的流體被錯誤地引導。
圖8-10示出了減少在噴嘴孔102前燒蝕流體供給通道100引起的缺陷的方法。根據該實施例，流體腔104被拉長，同時保持腔室104的寬度W2與圖5所示的腔室寬度W1相等。如圖9所示，將腔室104的長度拉長使得能夠在腔室104的兩端上進行同等地燒蝕。如圖10的斷面圖所示，腔室104的寬度W2基本上與噴嘴入口相匹配。在該實施例中，噴嘴102在燒蝕流體腔104和流體供給通道100之后燒蝕，從而該過程只需要x個激光束脈沖以便在噴嘴板材料中形成所有的流動部件。前述工藝還使得相鄰流體腔104之間的中心至中心的距離小于42微米，從而提供了大于約600dpi至約1200dpi的節距。
在另一個實施例中，本公開提供了一種改進激光燒蝕用于微流體噴射裝置的噴嘴板的工藝的方法。該工藝改進選自減少所需要的激光脈沖的數量，降低流體腔的入口和噴嘴出口之間的側壁圓錐角的數量，或者該兩種方式同時采用。“側壁圓錐角”被限定為流體腔的入口和相應噴嘴的出口之間的寬度之差。通過減小側壁圓錐角，流體腔和噴嘴的節距或線性存儲密度可被增加。
圖11-16示出了根據現有技術來燒蝕噴嘴和流體腔的工藝。根據第一工藝，具有入口周長112和出口周長114的噴嘴孔110首先在噴嘴板116內通過使用掩模118(圖12)來激光燒蝕。圖13示出了噴嘴孔110的斷面圖。噴嘴板的厚度為約63微米。在250Hz的頻率下，需要耗費1.12秒的時間來燒蝕63微米厚的噴嘴板116，以形成噴嘴孔110。
下一步，流體供給通道120(圖14)在噴嘴板116中通過使用掩模122(圖15)進行激光燒蝕，以便在噴嘴板116中提供如圖16所示的流動部件。流體供給通道在80Hz的頻率下部分地燒蝕噴嘴板116的厚度至26微米的深度。相應地，流動部件的燒蝕約1.15秒。燒蝕噴嘴110和流體供給通道120需要的總時間為約2.27秒。
在本公開的一個實施例中，流體供給通道124和流體腔126(圖17)首先在噴嘴板128(圖19)中通過使用掩模130(圖18)來燒蝕。在該情形中，噴嘴板128同樣為約63微米厚，并且流動部件(流體供給通道124和流體腔126)通過在80Hz的頻率下對噴嘴板128燒蝕26微米形成。將噴嘴板128燒蝕到該厚度耗費1.15秒。
下一步，噴嘴孔132(圖20)通過使用掩模134(圖21)對噴嘴板128的其余厚度進行激光燒蝕，即37微米，以提供如圖22的斷面圖所示的噴嘴板128。在250Hz的頻率下，通過噴嘴板128的其余厚度來燒蝕噴嘴孔132需耗費約0.75秒。因此，根據本公開，形成流動部件和噴嘴孔132的總時間1.9秒要比圖11-16所示的現有技術的方法快約15-16％。
在本公開的另一個實施例中，流體腔相對于常規的流體腔設計被拉長，以使得流體腔的節距可被增加。圖23-28示出了形成流動部件和噴嘴孔的現有技術的工藝。參照圖23，流體腔136流體通道138(圖23)首先通過使用掩模142(圖25)在噴嘴板140(圖24)中進行激光燒蝕，這提供了基本上方形的流體腔136。在該情形中，噴嘴板140具有約38微米的厚度。流體腔136和流體通道138在80Hz的頻率下通過激光燒蝕至18微米的深度。該流動部件的激光燒蝕耗費約0.65秒。
隨后，噴嘴孔144(圖26)在250Hz的頻率下通過使用掩模146(圖27)在約0.4秒的時間內通過噴嘴板140的其余厚度激光燒蝕20微米。結果產生的噴嘴板140示于圖28中。使用前述工藝和腔室136的設計，最小腔室寬度約為31微米。
但是，根據本公開的另一方面，腔室寬度可被減小，從而節距可增加。圖29-34示出了根據本公開的該實施例。參照圖29，細長的流體腔148和流體供給通道150(圖29)首先通過使用掩模152(圖30)在噴嘴板154(圖31)中燒蝕。“細長”指的是流體腔148的長度大于流體腔148的寬度。正如先前的描述，流體供給通道150和流體腔148在燒蝕噴嘴板154中的噴嘴孔156之前燒蝕。
隨后，噴嘴孔156通過使用掩模158(圖33)在噴嘴板154(圖32)中燒蝕。由于掩模158基本上為圓形，所得到的噴嘴孔156基本上為長橢圓形，以使得噴嘴孔156的縱軸尺寸為L，橫軸尺寸為T，其中L大于T。通常，縱軸L是橫軸T的約1.1至約4倍。如圖32和34所示，噴嘴孔156入口的寬度基本上與流體腔148的出口的寬度相等。因此，前述工藝相對于示于圖23-28的現有技術工藝來說能使流體腔148具有更大的節距。
盡管前述實施例已經描述了噴嘴板或噴嘴板和厚膜層，但是可以理解的是，墨腔和墨水通道可以只在該噴嘴板或厚膜層中形成，或者同時在噴嘴板和厚膜層中形成。
可以設想，并且本領域技術人員可以從前述說明書和附圖中明顯地得知，在所述實施例的基礎上可進行改進和改變。因此，可明顯地得出，前述說明書和附圖僅僅是示例性的實施例，而不是限制性的，本發明實施例的真正實質和范圍應由所附的權利要求來確定。
權利要求
1.一種制造用于微流體噴射頭的流動部件結構的方法，該方法包括以下步驟激光燒蝕噴嘴板材料，以提供細長的流體腔和用于將該流體腔與流體供給源連接在一起的流體供給通道，該流體腔具有第一長度和第一寬度；和在與流體腔共軸的噴嘴板材料內通過激光燒蝕細長的噴嘴孔，其中，該噴嘴孔具有入口尺寸，并且所述入口尺寸具有縱軸尺寸和橫軸尺寸，以使得縱軸尺寸是橫軸尺寸的約1.1至約4.0倍。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，在燒蝕流體腔和流體供給通道之后燒蝕噴嘴孔。
3.根據權利要求1所述的方法，其中，制造流動部件結構所需要的激光脈沖的數量小于當在燒蝕噴嘴孔之后燒蝕流體腔和流體供給通道時制造該流動部件結構所需要的脈沖的數量。
4.根據權利要求1所述的方法，其中，縱軸尺寸比流體腔的第一長度短約2微米至約6微米。
5.根據權利要求1所述的方法，其中，橫軸尺寸比流體腔的第一寬度小約0微米至約7微米。
6.根據權利要求1所述的方法，其中，噴嘴孔具有雙圓形出口的形狀。
7.一種用于微流體噴射頭的噴嘴板，該噴嘴板包括位于噴嘴板內的基本上線性排列的噴嘴孔，該噴嘴孔與流體腔軸向對準以便經由噴嘴孔噴射流體，其中，每一個流體腔具有第一寬度和第一長度，并且每一個噴嘴孔具有一入口，該入口具有縱軸尺寸和橫軸尺寸，其中，縱軸尺寸是橫軸尺寸的約1.1至約4.0倍，并且其中，縱軸尺寸小于第一長度。
8.根據權利要求7所述的噴嘴板，其中，噴嘴孔具有雙圓形出口的形狀。
9.根據權利要求7所述的噴嘴板，其中，縱軸尺寸比流體腔的第一長度短約2微米至約6微米。
10.根據權利要求7所述的噴嘴板，其中，橫軸尺寸比流體腔的第一寬度小約0微米至約7微米。
11.一種包括如權利要求7所述的噴嘴板的微流體噴射頭。
12.一種減少燒蝕噴嘴板材料以便在那里提供流動部件結構的加工時間的方法，該方法包括以下步驟部分地通過噴嘴板材料的部分厚度在噴嘴板材料中通過激光燒蝕墨腔和用于墨腔的流體供給通道，該墨腔具有第一長度和第一寬度；接著，通過噴嘴板材料的其余厚度激光燒蝕與墨腔軸向對準的噴嘴孔，該噴嘴孔具有噴嘴孔入口，該噴嘴孔入口具有縱軸尺寸和橫軸尺寸，其中，橫軸尺寸小于或等于第一寬度，并且其中，縱軸尺寸小于第一長度。
13.根據權利要求12所述的方法，其中，制造流動部件結構所需要的激光脈沖的數量小于當在燒蝕噴嘴孔之后進行燒蝕流體腔和流體供給通道時制造該流動部件結構所需要的脈沖的數量。
14.根據權利要求12所述的方法，其中，縱軸尺寸比流體腔的第一長度小約2微米至約6微米。
15.根據權利要求12所述的方法，其中，橫軸尺寸比流體腔的第一寬度小約0微米至約7微米。
16.根據權利要求12所述的方法，其中，噴嘴孔具有雙圓形出口的形狀。
17.根據權利要求12所述的方法，其中，第一寬度為墨腔的入口寬度，并且第一長度為墨腔的出口長度。
18.一種包括如權利要求12所述的噴嘴板的微流體噴射頭。
19.一種具有大于600dpi的噴嘴節距的噴射頭，其中，相鄰的噴嘴和相應的墨腔在垂直于流體進給槽的方向上不偏移。
全文摘要
一種制造用于微流體噴射頭的流動部件結構的方法。該方法包括以下步驟激光燒蝕噴嘴板材料，以提供細長的流體腔和用于將該流體腔與流體供給源連接在一起的流體供給通道。該流體腔具有第一長度和第一寬度。在與流體腔共軸的噴嘴板材料內通過激光燒蝕細長的噴嘴孔。該噴嘴孔具有入口尺寸，并且該入口尺寸具有縱軸尺寸和橫軸尺寸，以使得縱軸尺寸是橫軸尺寸的約1.1至約4.0倍。
文檔編號B23K26/00GK101035680SQ200580033464
公開日2007年9月12日 申請日期2005年8月25日 優先權日2004年8月25日
發明者C·G·馬爾, J·H·鮑爾斯 申請人:萊克斯馬克國際公司