懸臂式微閥以及采用該閥的噴墨打印機(jī)的制作方法
【專利說明】懸臂式微閥以及采用該閥的噴墨打印機(jī)
[0001]相關(guān)專利串請的交叉引用
[0002]本申請要求于2013年5月10日提交的美國臨時(shí)專利申請序列號61/821，915以及于2014年5月8日提交的美國實(shí)用申請序列號14/272,622的優(yōu)先權(quán)，這兩個(gè)申請的全部內(nèi)容通過引用的方式并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明涉及一種懸臂式微閥及其在噴墨打印機(jī)中的應(yīng)用，尤其涉及在噴墨打印機(jī)噴頭中的應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0004]具有對周圍環(huán)境常開的帶有孔的打印頭普遍存在所謂的“開封(decap) ”問題，所述打印機(jī)噴頭包括多種熱力、壓電或電子推進(jìn)栗型噴墨噴頭。開封問題基本上是由墨水載液(溶劑)蒸發(fā)造成的，這導(dǎo)致噴嘴中的墨水成分黏度增加和/或非牛頓特性的行為。這至少會導(dǎo)致墨滴體積減小、字跡變劣以及隨機(jī)的小滴現(xiàn)象，在最嚴(yán)重的情況中，噴嘴還會完全被堵住并且無法分配任何墨水。水基墨水受到不同程度的開封影響，這取決于染料或顏料的負(fù)載以及所使用的共溶劑。100%有機(jī)溶劑基墨水，諸如那些采用純甲醇或丁酮(MEK)作為溶劑的墨水，比水基墨水遭受更加嚴(yán)重的開封問題，這是由于其在打印溫度(周圍環(huán)境溫度或往往更高的溫度)下更高的相對蒸發(fā)率。
[0005]具有對周圍環(huán)境常開的帶孔的打印頭還存在各種各樣的問題，這些問題是這樣造成的，即容易落上空氣中的污染物，并且這些污染物容易被孔內(nèi)和孔周圍“黏黏的”墨水殘留物困住。最輕微的情況是，這些被困住的“灰塵”會導(dǎo)致打開的孔周圍被和泥。如果這些灰塵(以及墨水污染物)遺留在鉆孔壁架附近的表面，會導(dǎo)致小滴軌跡錯(cuò)誤。最嚴(yán)重的情況是，在墨滴噴射循環(huán)中的補(bǔ)充部分中，灰塵會被吸入噴嘴，導(dǎo)致軌跡誤差、墨滴重量減小甚至完全阻塞。
[0006]使得墨滴從打開的孔落下的打印噴頭普遍會出現(xiàn)所謂的“吞咽”問題。吞咽是由空氣/氣體造成的，這些空氣/氣體被困在那些沒有在噴射事件中“逃跑”的“反吸流”或返回至鉆孔或噴嘴的液體流。空氣被反向拉回至噴射腔，甚至還可能前進(jìn)至噴嘴上游的液體補(bǔ)充區(qū)。通過流量阻塞效應(yīng)，被困住的空氣可能會導(dǎo)致墨滴體積減小，對于壓電驅(qū)動(dòng)和熱敏噴墨噴頭甚至還可能導(dǎo)致噴射腔完全的氣鎖現(xiàn)象。在依賴聲波的壓電式噴墨噴頭中，被困住的氣體通過增加順度降低液體通道中的聲波的速度導(dǎo)致降級。這影響了合適的墨滴的形成和速度。當(dāng)設(shè)計(jì)用于全浸濕噴射腔的定時(shí)脈沖被第二(氣)相的增加順度破壞，就會導(dǎo)致這樣的缺陷。
[0007]對于熱敏噴墨裝置，被困在阻燃件附近的氣體導(dǎo)致在燃燒脈沖過程中較差的熱傳輸，制造弱驅(qū)動(dòng)的氣泡，其同時(shí)導(dǎo)致低的墨滴質(zhì)量和低的墨滴速度。低的墨滴質(zhì)量直接影響這樣設(shè)計(jì)的墨滴傳播屬性。低的墨滴速度通常會導(dǎo)致軌跡誤差，這影響最大分配距離。
[0008]現(xiàn)有的“巨”閥噴頭存在的問題包括:
[0009].市售的電磁驅(qū)動(dòng)的嗔墨閥的頻率限制；
[0010].電磁驅(qū)動(dòng)閥的噴嘴的密度限制；以及
[0011].電磁驅(qū)動(dòng)閥的大墨滴尺寸。
[0012]連續(xù)噴墨(CIJ)存在的問題包括:
[0013]?相對于離散墨滴噴墨設(shè)備，CIJ的打印質(zhì)量欠佳。這是由于對墨滴布置和墨滴體積的控制較少。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本文公開了一種噴墨打印機(jī)，其中墨滴噴出通過增壓流體的增壓室的方式實(shí)現(xiàn)，其具有流體入口側(cè)和流體出口側(cè)，流體出口側(cè)包括一個(gè)或多個(gè)離散的噴嘴(或孔)。任何典型的流體增壓方式均可以被利用，例如栗。通過由更高的增壓室內(nèi)部壓力相對外部環(huán)境壓力的不同導(dǎo)致的機(jī)械偏壓、電子偏壓或靜壓梯度，每個(gè)孔可以在非噴射態(tài)中被壓電懸臂梁獨(dú)立地密封。這表示為“常閉”位置，并且有利地不需要為懸臂梁供電。
[0015]當(dāng)需要墨滴噴出時(shí)，電信號被發(fā)送至(或保留自)懸臂梁，這使得懸臂梁遠(yuǎn)離其密封噴嘴的常閉位置傾斜并彎曲，至打開位置，在此孔是打開的。這使得流體(例如，液體或氣體)能夠在懸臂梁端部附近流動(dòng)并從孔流出。
[0016]在一定量的偏轉(zhuǎn)下，這由流體力學(xué)決定，懸臂梁不再需要克服靜壓梯度，因?yàn)榱黧w完全圍繞懸臂梁，并且靜壓力被平衡。懸臂梁將“靜力”行為轉(zhuǎn)換為由復(fù)雜的動(dòng)態(tài)流體和懸臂梁力學(xué)控制的行為。當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號在噴嘴處于打開位置之后停止，懸臂梁處于壓力狀態(tài)，使得其在沒有額外的能量輸入時(shí)趨向于回到關(guān)閉位置。
[0017]采用本文所述的懸臂梁，墨滴體積為噴嘴打開時(shí)間的強(qiáng)函數(shù)，并且無需改變噴嘴尺寸就能夠調(diào)節(jié)墨滴體積。這種性能在熱敏噴墨打印機(jī)中是很難實(shí)現(xiàn)的，并且其通常需要多于一個(gè)的電阻在腔中燃燒。然而，這樣的行為可以在具有前驅(qū)動(dòng)波形形狀的基于位移的壓電噴墨打印機(jī)中實(shí)現(xiàn)。在此描述的懸臂梁不需要復(fù)雜的波形，其僅僅需要矩形脈沖或其他簡單的電脈沖保持一段較長的時(shí)間。
[0018]更具體地，本文公開了一種微閥系統(tǒng)，其包括:孔板，其包括孔；以及懸臂梁，其與孔板以間隔的關(guān)系耦接，并且能夠在孔被懸臂梁關(guān)閉和打開的位置之間移動(dòng)。懸臂梁由一個(gè)或多個(gè)壓電層組成，其有助于懸臂梁響應(yīng)于應(yīng)用在一個(gè)或多個(gè)壓電層上的一個(gè)或多個(gè)電信號而彎曲。響應(yīng)于一個(gè)或多個(gè)電信號在一個(gè)或多個(gè)壓電層上各自的應(yīng)用和終止，懸臂梁要么從與孔板隔開的初始位置朝向孔板移動(dòng)，以及返回到與孔板隔開的初始位置；要么從鄰近孔板的初始位置遠(yuǎn)離孔板移動(dòng)，以及返回到鄰近孔板的初始位置。
[0019]懸臂梁可以包括一對壓電層，其彼此相互隔開并且與孔板隔開。懸臂梁可以響應(yīng)于應(yīng)用在一對壓電層的其中一個(gè)上的第一電信號，從與孔板隔開的初始位置朝向孔板彎曲，并且可以響應(yīng)于第一電信號的終止以及應(yīng)用在一對壓電層的另一個(gè)上的第二電信號，返回到與孔板隔開的初始位置；或者可以響應(yīng)于應(yīng)用在一對壓電層的其中一個(gè)上的第一電信號，從鄰近孔板的初始位置遠(yuǎn)離孔板彎曲，并且可以響應(yīng)于第一電信號的終止以及應(yīng)用在一對壓電層的另一個(gè)上的第二電信號，返回到鄰近孔板的初始位置。
[0020]懸臂梁的單層壓電片變體包括位于支撐層一側(cè)上的單個(gè)壓電層，支撐層例如為硅或惰性材料層，例如但不限于鎳。懸臂梁的雙層壓電片變體包括位于支撐層相對側(cè)上的一對壓電層。
[0021]懸臂梁在其近端可以被耦接至孔板，并且懸臂梁在其遠(yuǎn)端能夠在孔被關(guān)閉和打開的位置之間移動(dòng)。
[0022]懸臂梁可以朝向孔板彎曲并將孔關(guān)閉。
[0023]懸臂梁可以進(jìn)一步包括材料層，在缺乏應(yīng)用在一個(gè)或多個(gè)壓電層上的一個(gè)或多個(gè)電信號時(shí)，材料層使得懸臂梁具有彎度。在缺乏應(yīng)用在一個(gè)或多個(gè)壓電層上的一個(gè)或多電信號時(shí)，材料層的厚度越厚和越薄分別使得懸臂梁具有更大和更小的彎度。同時(shí)或可替代地，在一個(gè)或多個(gè)層中的沉積態(tài)壓力可以被有目的地調(diào)節(jié)至理想值，并且這可以與厚度選擇分開使用或結(jié)合使用來實(shí)現(xiàn)靜態(tài)梁彎曲或“卷曲”。
[0024]懸臂梁可以包括多個(gè)層。在俯視圖中，懸臂梁的至少一個(gè)層可以具有下述形狀中的一種或其組合:矩形、梯形、多邊形和曲線。
[0025]微閥系統(tǒng)可以進(jìn)一步包括當(dāng)懸臂梁朝向孔板彎曲時(shí)，用于密封孔的部件。用于密封孔的部件可以包括下述中的至少一個(gè):在懸臂梁的遠(yuǎn)端的凸起的表面；和/或在孔板的孔周圍的凸起的表面。
[0026]微閥系統(tǒng)可以進(jìn)一步包括在孔板上的多個(gè)孔；以及多個(gè)懸臂梁，其與孔板以間隔的關(guān)系設(shè)置，其中每個(gè)懸臂梁能夠在其中一個(gè)孔被懸臂梁關(guān)閉和打開的位置之間移動(dòng)。
[0027]多個(gè)懸臂梁可以并排、交叉或在X，y陣列中布置。
[0028]微閥系統(tǒng)可以進(jìn)一步包括輸出歧管，其耦接至孔板的與懸臂梁相對的一側(cè)，。
[0029]輸出歧管可以包括一個(gè)或多個(gè)路徑，每個(gè)路徑被配置為引導(dǎo)流體沿預(yù)定方向穿過與所述路徑連通的每個(gè)孔輸出。
[0030]至少一個(gè)壓電層未延伸至懸臂梁的遠(yuǎn)端。
[0031]本文還公開了一種打印頭，其包括:輸入歧管；以及多個(gè)微閥，其耦接至輸入歧管，其中多個(gè)微閥包括孔板和多個(gè)懸臂梁，孔板包括多個(gè)孔，多個(gè)懸臂梁與孔板以間隔關(guān)系設(shè)置，其中每個(gè)懸臂梁能夠在其中一個(gè)孔被懸臂梁關(guān)閉和打開的位置之間移動(dòng)。每個(gè)懸臂梁由一個(gè)或多個(gè)壓電層組成，壓電層有助于懸臂梁響應(yīng)于應(yīng)用在一個(gè)或多個(gè)壓電層上的一個(gè)或多個(gè)電信號彎曲。響應(yīng)于一個(gè)或多個(gè)電信號在一個(gè)或多個(gè)壓電層上各自的應(yīng)用和終止，懸臂梁要么從與孔板隔開的初始位置朝向孔板移動(dòng)，以及返回到與孔板隔開的初始位置；要么從鄰近孔板的初始位置遠(yuǎn)離孔板移動(dòng)，以及返回到鄰近孔板的初始位置。
[0032]至少一個(gè)懸臂梁可以包括一對壓電層，其彼此相互隔開并且與孔板隔開。懸臂梁要么可以響應(yīng)于應(yīng)用在一對壓電層的其中一個(gè)上的第一電信號，從與孔板隔開的初始位置朝向孔板彎曲，并且可以響應(yīng)于第一電信號的終止以及應(yīng)用在一對壓電層的另一個(gè)上的第二電信號，返回到與孔板隔開的初始位置；要么可以響應(yīng)于應(yīng)用在一對壓電層的其中一個(gè)上的第一電信號，從鄰近孔板的初始位置遠(yuǎn)離孔板彎曲，并且可以響應(yīng)于第一電信號的終止以及應(yīng)用在一對壓電層的另一個(gè)上的第二電信號，返回到鄰近孔板的初始位置。
[0033]每個(gè)懸臂梁在其近端可以被耦接在孔板和輸入歧管之間，并且在其遠(yuǎn)端能夠在其中一個(gè)孔被關(guān)閉和打開的位置之間移動(dòng)。
[0034]每個(gè)懸臂梁可以朝向孔板彎曲將孔關(guān)閉。
[0035]每個(gè)懸臂梁可以進(jìn)一步包括硅或惰性材料構(gòu)成的第一層，所述第一層包括位于其上的第二材料層，這使得在缺乏應(yīng)用在懸臂梁上的電信號時(shí)，懸臂梁彎曲。
[0036]惰性材料可以為鎳，然而使用現(xiàn)有技術(shù)中已知的其他壓電惰性材料(例如，但不限于，玻璃、陶瓷、氧化硅等)也是可以想到的。第二材料層可以為氧化層。氧化層的厚度越厚和越薄分別可以使得在缺乏應(yīng)用在懸臂梁上的電信號時(shí)，懸臂梁彎曲得更大和更小。同時(shí)或可替代地，在一個(gè)或多個(gè)層中的沉積態(tài)壓力可以被有目的地調(diào)節(jié)至理想值，并且這可以與厚度選擇分開使用或結(jié)合使用來實(shí)現(xiàn)靜態(tài)梁彎曲或“卷曲”。
[0037]在俯視圖中，第一層可以具有下述形狀中的一種或其組合:矩形、梯形、多邊形和曲線。
[0038]打印頭可以進(jìn)一步包括當(dāng)懸臂梁中的一個(gè)朝向孔板彎曲時(shí)，用于密封每個(gè)孔的部件。用于密封每個(gè)孔的部件包括下述中的至少一個(gè):在一個(gè)懸臂梁上的凸起的表面；或在孔板的孔周圍的凸起的表面。
[0039]輸入歧管和多個(gè)微閥可以形成增壓室。
[0040]多個(gè)懸臂梁可以并排、交叉或在X，y陣列中布置。
[0041]至少一個(gè)壓電層未延伸至懸臂梁的遠(yuǎn)端。
【附圖說明】
[0042]圖1為噴墨打印機(jī)的框圖，其包括微閥(或彎閥)陣列，微閥(或彎閥)通過歧管親接至載體；
[0043]圖2為沿著圖1中的線I1-1I的截面圖，其示出了微閥的單個(gè)實(shí)例，微閥包括第一實(shí)施方式的懸臂梁，其能夠在密封噴嘴的關(guān)閉位置(由虛線示出)和與所述噴嘴隔開的打開位置之間移動(dòng)；
[0044]圖3為沿著圖1中的線I1