專利名稱：氣泡驅(qū)動彈性薄膜的噴墨印刷頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種噴墨印刷頭，尤其關(guān)于一種氣泡驅(qū)動彈性薄膜的噴墨印刷頭。
圖1為一通用的氣泡驅(qū)動式的噴墨印刷頭示意圖。參見圖1，通用的氣泡驅(qū)動式的噴墨印刷頭包括一個基底1；一個加熱層2，設(shè)置于基底1上，具有一個電阻3；一個介電層4，設(shè)置于基底1上；一個噴嘴平板5，設(shè)置于介電層4上，中間形成有一個噴嘴6，以及一個墨水室7，設(shè)置于介電層4的中部，位于加熱層2和噴嘴平板5之間，其間填充有墨水，并以一個墨水通道8和外部的墨水匣相連通。
當(dāng)對電阻3施加一個電壓脈沖時，電阻3會產(chǎn)生熱，使得電阻3附近的墨水汽化，而在墨水室7中產(chǎn)生氣泡。由于氣泡的產(chǎn)生使墨水室7中的壓力增大，導(dǎo)致墨水從噴嘴6噴出。之后，當(dāng)電壓脈沖消失時，氣泡會跟著消失。因此，經(jīng)由控制輸入電阻3的電壓脈沖，可以反復(fù)地進(jìn)行噴出墨水的動作。
該通用的氣泡驅(qū)動式的噴墨印刷頭的缺點，為必須直接對墨水加熱使其汽化，因此必須選用具有熱安定性、低導(dǎo)電度及低化學(xué)活性的特殊成份墨水。此外，當(dāng)氣泡在電阻附近生成和消失時，會對電阻產(chǎn)生相當(dāng)大的沖擊力，加上墨水本身的成份就會對電阻造成損傷，使得電阻的壽命大幅地降低。此外，由于氣泡的產(chǎn)生與消失和墨水的溫度有關(guān)，因此當(dāng)電阻加熱墨水之后，必須要能很快地散熱，以加快噴墨頭的工作頻率。此外，墨水可能在噴出后殘留于噴嘴平板的外側(cè)，因而降低排印的質(zhì)量。
美國專利第4,480,259號揭露了一種氣泡驅(qū)動彈性薄膜的噴墨印刷頭。參照圖2，該噴墨印刷頭包括一個基底11；一個加熱層12，其設(shè)置于基板11上，具有一個電阻13；一個彈性薄膜14，其設(shè)置于加熱元件12上，并與加熱元件12之間形成一個工作液體室15以填充工作液體；一個介電層16，設(shè)置于彈性薄膜14上，中間形成有一個墨水室17；以及一個噴嘴平板18，設(shè)置于介電層16上，中間形成有一個噴嘴19。
當(dāng)對電阻13施加一個電壓脈沖時，電阻13會產(chǎn)生熱，使得電阻13附近的工作液體汽化，而在工作液體室15中產(chǎn)生氣泡。由于氣泡的產(chǎn)生使工作液體室15中的壓力增大，導(dǎo)致彈性薄膜14向外變形，借此傳導(dǎo)一個壓力波至墨水室17中的墨水，使墨水從噴嘴19噴出。之后，當(dāng)電壓脈沖消失時，氣泡會跟著消失。如此，經(jīng)由控制輸入電阻13的電壓脈沖，可以反復(fù)地進(jìn)行噴出墨水的動作。
該現(xiàn)有技術(shù)的氣泡驅(qū)動彈性薄膜的噴墨印刷頭主要的特點，是不需直接對墨水加熱，而是對一個選定的工作液體加熱，如此，可使用傳統(tǒng)的墨水，以及對電阻不會造成損傷的工作液體。但是該發(fā)明并未解決其它的問題，包括散熱的問題，以及墨水于噴嘴平板外殘留的問題。此外，各工作液體室之間是由通道彼此相連接，而形成一個密封的工作液體通道系統(tǒng)，當(dāng)一個工作液體室中的工作液體產(chǎn)生氣泡時，由于工作液體具有不可壓縮性，其壓力波有可能會傳導(dǎo)到其它的工作液體室，造成錯誤的噴墨動作。此外，薄膜本身的材料對于加壓的汽化工作液體未具有不滲透性，且其強度不足以承受高頻率的噴墨動作。
本發(fā)明的目的，為提出一種氣泡驅(qū)動彈性薄膜的噴墨印刷頭，其彈性薄膜的強度足以承受高頻率的噴墨動作，且對于高熱汽化的工作液體具有不滲透性。
本發(fā)明的另一目的，為提出一種氣泡驅(qū)動彈性薄膜的噴墨印刷頭，其具有良好的散熱效果，可加快工作頻率且提高排印質(zhì)量。
本發(fā)明的另一目的，為提出一種氣泡驅(qū)動彈性薄膜的噴墨印刷頭，其墨水噴出后不會殘留于噴墨印刷頭的外側(cè)，借以提高排印質(zhì)量。
本發(fā)明的另一目的，為提出一種氣泡驅(qū)動彈性薄膜的噴墨印刷頭，其排印時，工作液體室的壓力波不會傳達(dá)到其它相連通的工作液體室，借此提高排印質(zhì)量，不會因工作液體壓力波的傳遞而造成錯誤的排印動作。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的氣泡驅(qū)動彈性薄膜的噴墨印刷頭包括一個介電層基底；一個加熱層，設(shè)置于介電層基底上，具有一個電阻以將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?；一個散熱層，設(shè)置于加熱層上；一個工作液體室，位于散熱層中，對應(yīng)于電阻上方的區(qū)域，其內(nèi)部填充有工作液體；一個噴嘴平板，設(shè)置于散熱層上方，具有一個噴嘴，且接觸外界的表面為外表面；一個墨水室，設(shè)置于噴嘴平板中，其內(nèi)部填充有墨水，該墨水室周邊的表面為噴嘴平板的內(nèi)表面；以及一個彈性薄膜，設(shè)置于散熱層與噴嘴平板之間，用以分隔工作液體室與墨水室。當(dāng)對加熱層的電阻施加一個電壓脈沖時，電阻會產(chǎn)生熱，使得電阻附近的工作液體汽化，而在工作液體室中產(chǎn)生氣泡。由于氣泡的產(chǎn)生使工作液體室中的壓力增大，導(dǎo)致彈性薄膜向外變形，借此傳導(dǎo)一個壓力波至墨水室中的墨水，使墨水從噴嘴噴出。之后，當(dāng)電壓脈沖消失時，氣泡會跟著消失。如此，經(jīng)由控制輸入電阻的電壓脈沖，可以反復(fù)地進(jìn)行噴出墨水的動作。
根據(jù)本發(fā)明的實施方式，彈性薄膜為一個疊層結(jié)構(gòu)，其強度足以承受高頻率的噴墨動作，且對于高熱汽化的工作液體具有不滲透性。
根據(jù)本發(fā)明的實施方式，工作液體室周邊的散熱層具有良好的散熱效果，可加快工作頻率且提高排印質(zhì)量。
根據(jù)本發(fā)明的實施方式，噴嘴平板的內(nèi)表面具有一個濕潤層，使墨水對噴嘴平板的內(nèi)表面具有良好的濕潤性，且噴嘴平板的外表面具有一個抗?jié)駥樱鼓畬娮炱桨宓耐獗砻婢哂胁涣嫉臐駶櫺浴Ｈ绱?，墨水噴出后不會殘留于噴墨印刷頭的外側(cè)，借以提高排印質(zhì)量。
根據(jù)本發(fā)明的實施方式，其工作液體具有良好的液阻值特性，因此排印時，工作液體室的壓力波不會傳達(dá)到其它相連通的工作液體室，而造成錯誤的排印動作。
圖1為一示意圖，顯示現(xiàn)有技術(shù)的氣泡驅(qū)動式的噴墨印刷頭。
圖2為一示意圖，顯示現(xiàn)有技術(shù)的氣泡驅(qū)動彈性薄膜的噴墨印刷頭。
圖3為一示意圖，顯示根據(jù)本發(fā)明較佳實施例的氣泡驅(qū)動彈性薄膜的噴墨印刷頭。
圖4為一示意圖，顯示根據(jù)本發(fā)明較佳實施例的氣泡驅(qū)動彈性薄膜的噴墨印刷頭中散熱層的結(jié)構(gòu)。
圖5為一示意圖，顯示根據(jù)本發(fā)明較佳實施例的氣泡驅(qū)動彈性薄膜的噴墨印刷頭中噴嘴平板的結(jié)構(gòu)。
圖6為一示意圖，顯示根據(jù)本發(fā)明較佳實施例的氣泡驅(qū)動彈性薄膜的噴墨印刷頭中彈性薄膜的結(jié)構(gòu)。
圖7為一示意圖，顯示根據(jù)本發(fā)明較佳實施例的氣泡驅(qū)動彈性薄膜的噴墨印刷頭中，工作液體通道系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。
附圖符號1～基底2～加熱層3～電阻4～介電層5～噴嘴平板6～噴嘴7～墨水室8～墨水通道
11～基底12～加熱元件13～電阻14～彈性薄膜15～工作液體室16～介電層17～墨水室18～噴嘴平板19～噴嘴21～基底22～加熱層23～電阻24～散熱層241～多晶矽介電層242～鉻層243～黃銅層244～鉻層245～多晶矽介電層25～工作液體室26～噴嘴平板27～噴嘴28-墨水室29～彈性薄膜291～聚合物黏附層292～屏障金屬層293～保護(hù)層30～工作液體通道31～墨水通道以下將參照相關(guān)附圖，說明根據(jù)本發(fā)明較佳實施例的氣泡驅(qū)動彈性薄膜的噴墨印刷頭。
圖3為一示意圖，顯示根據(jù)本發(fā)明較佳實施例的氣泡驅(qū)動彈性薄膜的噴墨印刷頭單元，包括一個介電層基底21；一個加熱層22，設(shè)置于介電層基底21上，具有一個電阻23以將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?；一個散熱層24，設(shè)置于加熱層22上；一個工作液體室25，位於散熱層24中，對應(yīng)于電阻23上方的區(qū)域，其內(nèi)部填充有工作液體；一個噴嘴平板26，設(shè)置于散熱層24上方，具有一個噴嘴27，且接觸外界的表面為外表面；一個墨水室28，設(shè)置于噴嘴平板26中，其內(nèi)部填充有墨水，墨水室28周邊的表面為該噴嘴平板26的內(nèi)表面；以及一個彈性薄膜29，設(shè)置于散熱層24與噴嘴平板26之間，用以分隔工作液體室25與墨水室28。
當(dāng)對電阻23施加一個電壓脈沖時，電阻23會產(chǎn)生熱，使得電阻23附近的工作液體在數(shù)微秒內(nèi)瞬間汽化，而在工作液體室25中產(chǎn)生工作液體的氣泡。由于氣泡的產(chǎn)生，使工作液體室25中的壓力增大，導(dǎo)致彈性薄膜29向外變形，借此傳導(dǎo)一個壓力波至墨水室28中的墨水，使墨水從噴嘴27噴出。之后，當(dāng)電壓脈衡消失時，氣泡會跟著消失。因此，經(jīng)由控制輸入電阻23的電壓脈衡，可以反復(fù)地進(jìn)行噴出墨水的動作。
加熱層22可由鋁等具有導(dǎo)電性質(zhì)的材料構(gòu)成，厚度可約為1.5至2微米，其功能為對電阻23施加電壓脈衡。電阻23則可由多晶矽構(gòu)成，厚度可約為0.6微米，電阻值可約為25至35歐姆。
各工作液體室25具有一個工作液體通道30，其與其它印刷頭單元的工作液體室25相連通，因此，各印刷頭單元的工作液體室和工作液體通道系形成一個封閉的工作液體通道系統(tǒng)。工作液體在高溫下應(yīng)具有穩(wěn)定性，并具有適當(dāng)?shù)奈锢硇再|(zhì)，以維持噴墨頭的正常運作，例如，在本實施例中，工作液體在攝氏300至350度時仍具有穩(wěn)定性，不會分解或改變其化學(xué)結(jié)構(gòu)，且電阻值大于108歐姆；在承受21伏特以下的電壓時，工作液體不應(yīng)有解離情況發(fā)生；工作液體的沸點，在正常壓力下應(yīng)為攝氏100至150度，在飽和壓力下則為250至350度。由上所述，工作液體可以使用混合液體，混合液體中的其中一種液體具有攝氏90至110度的沸點及高飽和蒸汽壓，另一種則沸點較高，且具有良好的導(dǎo)熱性。綜上所述，工作液體可選用如二甲笨、甲苯、庚莞、乙二醇和乙醇等。
各墨水室28具有一個墨水通道31，其與外部的墨水匣相連通，以對墨水室28供應(yīng)墨水。
圖4為一示意圖，顯示散熱層24的結(jié)構(gòu)。散熱層24可由多種金屬構(gòu)成，例如，在本實施例中，散熱層24系由一個多晶矽介電層241、一個鉻層242、一個黃銅層243、一個鉻層244、以及一個多晶矽介電層245所構(gòu)成，其中鉻層242兼有黏接的作用，鉻層244則兼有黏接和保護(hù)的作用。各金屬層242、243及244的厚度總合應(yīng)為散熱層24總厚度的二分之一以上，亦即工作液體室25高度的二分之一以上，以達(dá)到良好的散熱效果，提高噴墨時的工作效率。
圖5為一示意圖，顯示噴嘴平板26的結(jié)構(gòu)，在其外表面具有抗?jié)駥?，且?nèi)表面具有濕潤層，以使墨水噴出后不會殘留于噴墨印刷頭的外側(cè)，提高排印質(zhì)量。例如在本實施例中，噴嘴平板26可由鎳構(gòu)成。在噴嘴平板26的內(nèi)表面，即墨水室28的周邊區(qū)域，覆蓋一層厚度約2至3微米的濕潤層，以增加對墨水的濕潤性，該濕潤層可由聚醯亞胺構(gòu)成。而噴嘴平板26的外表面，則覆蓋一層厚度約2至3微米的抗?jié)駥?，以增加對墨水的抗?jié)裥裕摽節(jié)駥涌捎删鬯姆蚁?gòu)成。
圖6為一示意圖，顯示彈性薄膜29的結(jié)構(gòu)，包括一個聚合物黏附層291、一個屏障金屬292、以及一個保護(hù)層293。聚合物黏附層291和保護(hù)層293可由聚醯亞胺構(gòu)成，用以在噴墨頭結(jié)構(gòu)中黏附彈性薄膜29，以及保護(hù)其中的屏障金屬層292。屏障金屬層292則可由鉻構(gòu)成，其強度足以承受高頻率的噴墨動作，且可阻擋氣態(tài)的工作液體滲透過彈性薄膜29。圖7為一示意圖，顯示各噴墨印刷頭單元之間，工作液體室25與工作液體通道30之間的連接關(guān)系。各噴墨頭印刷頭單元的工作液體室25與工作液體通道30互相連接，形成一個密封之工作液體通道系統(tǒng)。工作液體通道的液阻值Rr可由下列公式得出Rr=η×lh×b+K]]>其中1為工作液體通道30長度，h為工作液體通道30截面的高度，b為工作液體通道30截面的寬度，K為一個系數(shù)，取決于工作液體通道30的彎曲數(shù)目及彎曲程度，若工作液體通道30的彎曲數(shù)目越多，則K值就越大，η則為一個系數(shù)，其單位為長度，且取決于工作液體的黏滯度及工作液體對加熱層22的濕潤性，其可由下列公式求得η=bh×64νV]]>其中ν為工作液體的黏度，V則為工作液體的流動速度，b和h則與上述相同，為工作液體通道30截面的寬度與高度。
若根據(jù)工作液體的性質(zhì)來設(shè)計工作液體通道30，使工作液體在工作液體通道30中的液阻值Rr大于2，則在一個噴墨印刷頭的工作液體室25中因工作液體汽化而產(chǎn)生的壓力波，較不會經(jīng)由密封的工作液體通道系統(tǒng)傳到鄰近噴墨印刷頭的工作液體室25，因此可以避免錯誤的排印動作。
然而，在經(jīng)由本發(fā)明的發(fā)明人所作的實驗，若根據(jù)工作液體通道30的彎曲情形，將系數(shù)K設(shè)定為6左右，并根據(jù)工作液體的流速與黏度，設(shè)計工作液體通道30的系數(shù)η設(shè)定在0.0001至0.01之間，則可更確保避免錯誤排印動作的效果。所以，建議將工作液體通道30的幾何形狀依上述的數(shù)值設(shè)計。
以上所述為本發(fā)明較佳實施例。然而，上述內(nèi)容應(yīng)僅為舉例性而不應(yīng)為限制性。任何不超出本發(fā)明的精神而進(jìn)行的等效改變及修改，均應(yīng)包含于下述的申請專利范圍中。
權(quán)利要求
1．一種氣泡驅(qū)動彈性薄膜的噴墨印刷頭單元，包括一個介電層基底；一個加熱層，設(shè)置于該介電層基底上，具有一個電阻以將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?；一個散熱層，設(shè)置于該加熱層上；一個工作液體室，位于該散熱層中，對應(yīng)于該電阻上方的區(qū)域，其內(nèi)部填充有工作液體；一個噴嘴平板，設(shè)置于該散熱層上方，具有一個噴嘴，且接觸外界的表面為外表面；一個墨水室，設(shè)置于該噴嘴平板中，其內(nèi)部填充有墨水，該墨水室周邊的表面為該噴嘴平板的內(nèi)表面；以及一個彈性薄膜，設(shè)置于該散熱層與該噴嘴平板之間，用以分隔該工作液體室與該墨水室，且該彈性薄膜包括一個設(shè)置于該散熱層上的聚合物黏附層、一個設(shè)置于該聚合物黏附層上的屏障金屬層、以及設(shè)置于該屏障金屬層上的一個保護(hù)層。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣泡驅(qū)動彈性薄膜的噴墨印刷頭單元，其特征在于該介電層基底包括一個矽基底。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣泡驅(qū)動彈性薄膜的噴墨印刷頭單元，其特征在于該加熱層包括鋁。
4．根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣泡驅(qū)動彈性薄膜的噴墨印刷頭單元，其特征在于該電阻包括多晶矽。
5．根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣泡驅(qū)動彈性薄膜的噴墨印刷頭單元，其特征在于該散熱層依序包括一個多晶矽層、一個金屬層和一個多晶矽層。
6．根據(jù)權(quán)利要求5所述的氣泡驅(qū)動彈性薄膜的噴墨印刷頭單元，其特征在于該金屬層依序包括一個鉻層、一個黃銅層以及一個鉻層。
7．根據(jù)權(quán)利要求5所述的氣泡驅(qū)動彈性薄膜的噴墨印刷頭單元，其特征在于該金屬層的厚度大于該工作液體室高度的一半。
8．根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣泡驅(qū)動彈性薄膜的噴墨印刷頭單元，其特征在于該工作液體包括至少一個由二甲苯、甲苯、庚烷、乙二醇和乙醇構(gòu)成的群組所選出的物質(zhì)。
9．根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣泡驅(qū)動彈性薄膜的噴墨印刷頭單元，其特征在于該噴嘴平板包括鎳。
10．根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣泡驅(qū)動彈性薄膜的噴墨印刷頭單元，它還包括一個濕潤層，設(shè)置于該噴嘴平板的該內(nèi)表面，使該墨水對該噴嘴平板的該內(nèi)表面具有良好的濕潤性；以及一個抗?jié)駥?，設(shè)置于該噴嘴平板的該外表面，使該墨水對該噴嘴平板的該外表面具有不良的濕潤性。
11．根據(jù)權(quán)利要求10所述的氣泡驅(qū)動彈性薄膜的噴墨印刷頭單元，其特征在于該濕潤層包括一個聚醯亞胺層。
12．根據(jù)權(quán)利要求10所述的氣泡驅(qū)動彈性薄膜的噴墨印刷頭單元，其特征在于該抗?jié)駥影ㄒ粋€聚四氟乙烯層。
13．根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣泡驅(qū)動彈性薄膜的噴墨印刷頭單元，其特征在于該聚合物黏附層包括一個聚醯亞胺層。
14．根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣泡驅(qū)動彈性薄膜的噴墨印刷頭單元，其特征在于該屏障金屬層包括一個鉻層。
15．根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣泡驅(qū)動彈性薄膜的噴墨印刷頭單元，其特征在于該保護(hù)層包括一個聚醯亞胺層。
16．一種氣泡驅(qū)動彈性薄膜的噴墨印刷頭，其包括多個根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣泡驅(qū)動彈性薄膜的噴墨印刷頭單元，以及一個工作液體通道系統(tǒng)，設(shè)置于該散熱層中，并連通到各氣泡驅(qū)動彈性薄膜的噴墨印刷頭單元的工作液體室，其中各該工作液體通道的幾何形狀設(shè)計系滿足下列關(guān)系η×lh×b+K>2]]>其中1為工作液體通道長度，h為工作液體通道截面的高度，b為工作液體通道截面的寬度，K為一個系數(shù)，取決于工作液體通道的彎曲程度與彎曲次數(shù)，η則為一個系數(shù)，其單位為公尺，且可由下列公式求得η=bh×64νV]]>其中ν為工作液體的黏度，V則為工作液體的流動速度。
17．根據(jù)權(quán)利要求16所述的氣泡驅(qū)動彈性薄膜的噴墨印刷頭，其特征在于系數(shù)K大于等于6。
18．根據(jù)權(quán)利要求16所述的氣泡驅(qū)動彈性薄膜的噴墨印刷頭，其特征在于系數(shù)η的范圍為0.0001至0.01。
全文摘要
一種氣泡驅(qū)動彈性薄膜的噴墨印刷頭,包括介電層基底、加熱層、散熱層、噴嘴平板及彈性薄膜。加熱層置于介電層基底上,具有電阻以將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。散熱層置于加熱層?具有絕緣性及導(dǎo)熱性。噴嘴平板置于散熱層上方,具有一噴嘴。在散熱層中對應(yīng)于電阻上方的區(qū)域為工作液體室,其內(nèi)填充工作液體,噴嘴平板中為墨水室,其內(nèi)填充墨水。彈性薄膜置于散熱層與噴嘴平板之間,以對其分隔,還依次包括置于散熱層上的聚合物黏附層、屏障金屬層、及保護(hù)層。
文檔編號B41J2/14GK1306904SQ00100
公開日2001年8月8日 申請日期2000年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2000年1月21日
發(fā)明者陳裕豐 申請人:漢欣企業(yè)有限公司