悬臂式微阀以及采用该阀的喷墨打印机的制作方法
【专利说明】悬臂式微阀以及采用该阀的喷墨打印机
[0001]相关专利串请的交叉引用
[0002]本申请要求于2013年5月10日提交的美国临时专利申请序列号61/821，915以及于2014年5月8日提交的美国实用申请序列号14/272,622的优先权，这两个申请的全部内容通过引用的方式并入本文。
技术领域
[0003]本发明涉及一种悬臂式微阀及其在喷墨打印机中的应用，尤其涉及在喷墨打印机喷头中的应用。
【背景技术】
[0004]具有对周围环境常开的带有孔的打印头普遍存在所谓的“开封(decap) ”问题，所述打印机喷头包括多种热力、压电或电子推进栗型喷墨喷头。开封问题基本上是由墨水载液(溶剂)蒸发造成的，这导致喷嘴中的墨水成分黏度增加和/或非牛顿特性的行为。这至少会导致墨滴体积减小、字迹变劣以及随机的小滴现象，在最严重的情况中，喷嘴还会完全被堵住并且无法分配任何墨水。水基墨水受到不同程度的开封影响，这取决于染料或颜料的负载以及所使用的共溶剂。100%有机溶剂基墨水，诸如那些采用纯甲醇或丁酮(MEK)作为溶剂的墨水，比水基墨水遭受更加严重的开封问题，这是由于其在打印温度(周围环境温度或往往更高的温度)下更高的相对蒸发率。
[0005]具有对周围环境常开的带孔的打印头还存在各种各样的问题，这些问题是这样造成的，即容易落上空气中的污染物，并且这些污染物容易被孔内和孔周围“黏黏的”墨水残留物困住。最轻微的情况是，这些被困住的“灰尘”会导致打开的孔周围被和泥。如果这些灰尘(以及墨水污染物)遗留在钻孔壁架附近的表面，会导致小滴轨迹错误。最严重的情况是，在墨滴喷射循环中的补充部分中，灰尘会被吸入喷嘴，导致轨迹误差、墨滴重量减小甚至完全阻塞。
[0006]使得墨滴从打开的孔落下的打印喷头普遍会出现所谓的“吞咽”问题。吞咽是由空气/气体造成的，这些空气/气体被困在那些没有在喷射事件中“逃跑”的“反吸流”或返回至钻孔或喷嘴的液体流。空气被反向拉回至喷射腔，甚至还可能前进至喷嘴上游的液体补充区。通过流量阻塞效应，被困住的空气可能会导致墨滴体积减小，对于压电驱动和热敏喷墨喷头甚至还可能导致喷射腔完全的气锁现象。在依赖声波的压电式喷墨喷头中，被困住的气体通过增加顺度降低液体通道中的声波的速度导致降级。这影响了合适的墨滴的形成和速度。当设计用于全浸湿喷射腔的定时脉冲被第二(气)相的增加顺度破坏，就会导致这样的缺陷。
[0007]对于热敏喷墨装置，被困在阻燃件附近的气体导致在燃烧脉冲过程中较差的热传输，制造弱驱动的气泡，其同时导致低的墨滴质量和低的墨滴速度。低的墨滴质量直接影响这样设计的墨滴传播属性。低的墨滴速度通常会导致轨迹误差，这影响最大分配距离。
[0008]现有的“巨”阀喷头存在的问题包括:
[0009].市售的电磁驱动的嗔墨阀的频率限制；
[0010].电磁驱动阀的喷嘴的密度限制；以及
[0011].电磁驱动阀的大墨滴尺寸。
[0012]连续喷墨(CIJ)存在的问题包括:
[0013]?相对于离散墨滴喷墨设备，CIJ的打印质量欠佳。这是由于对墨滴布置和墨滴体积的控制较少。
【发明内容】
[0014]本文公开了一种喷墨打印机，其中墨滴喷出通过增压流体的增压室的方式实现，其具有流体入口侧和流体出口侧，流体出口侧包括一个或多个离散的喷嘴(或孔)。任何典型的流体增压方式均可以被利用，例如栗。通过由更高的增压室内部压力相对外部环境压力的不同导致的机械偏压、电子偏压或静压梯度，每个孔可以在非喷射态中被压电悬臂梁独立地密封。这表示为“常闭”位置，并且有利地不需要为悬臂梁供电。
[0015]当需要墨滴喷出时，电信号被发送至(或保留自)悬臂梁，这使得悬臂梁远离其密封喷嘴的常闭位置倾斜并弯曲，至打开位置，在此孔是打开的。这使得流体(例如，液体或气体)能够在悬臂梁端部附近流动并从孔流出。
[0016]在一定量的偏转下，这由流体力学决定，悬臂梁不再需要克服静压梯度，因为流体完全围绕悬臂梁，并且静压力被平衡。悬臂梁将“静力”行为转换为由复杂的动态流体和悬臂梁力学控制的行为。当驱动信号在喷嘴处于打开位置之后停止，悬臂梁处于压力状态，使得其在没有额外的能量输入时趋向于回到关闭位置。
[0017]采用本文所述的悬臂梁，墨滴体积为喷嘴打开时间的强函数，并且无需改变喷嘴尺寸就能够调节墨滴体积。这种性能在热敏喷墨打印机中是很难实现的，并且其通常需要多于一个的电阻在腔中燃烧。然而，这样的行为可以在具有前驱动波形形状的基于位移的压电喷墨打印机中实现。在此描述的悬臂梁不需要复杂的波形，其仅仅需要矩形脉冲或其他简单的电脉冲保持一段较长的时间。
[0018]更具体地，本文公开了一种微阀系统，其包括:孔板，其包括孔；以及悬臂梁，其与孔板以间隔的关系耦接，并且能够在孔被悬臂梁关闭和打开的位置之间移动。悬臂梁由一个或多个压电层组成，其有助于悬臂梁响应于应用在一个或多个压电层上的一个或多个电信号而弯曲。响应于一个或多个电信号在一个或多个压电层上各自的应用和终止，悬臂梁要么从与孔板隔开的初始位置朝向孔板移动，以及返回到与孔板隔开的初始位置；要么从邻近孔板的初始位置远离孔板移动，以及返回到邻近孔板的初始位置。
[0019]悬臂梁可以包括一对压电层，其彼此相互隔开并且与孔板隔开。悬臂梁可以响应于应用在一对压电层的其中一个上的第一电信号，从与孔板隔开的初始位置朝向孔板弯曲，并且可以响应于第一电信号的终止以及应用在一对压电层的另一个上的第二电信号，返回到与孔板隔开的初始位置；或者可以响应于应用在一对压电层的其中一个上的第一电信号，从邻近孔板的初始位置远离孔板弯曲，并且可以响应于第一电信号的终止以及应用在一对压电层的另一个上的第二电信号，返回到邻近孔板的初始位置。
[0020]悬臂梁的单层压电片变体包括位于支撑层一侧上的单个压电层，支撑层例如为硅或惰性材料层，例如但不限于镍。悬臂梁的双层压电片变体包括位于支撑层相对侧上的一对压电层。
[0021]悬臂梁在其近端可以被耦接至孔板，并且悬臂梁在其远端能够在孔被关闭和打开的位置之间移动。
[0022]悬臂梁可以朝向孔板弯曲并将孔关闭。
[0023]悬臂梁可以进一步包括材料层，在缺乏应用在一个或多个压电层上的一个或多个电信号时，材料层使得悬臂梁具有弯度。在缺乏应用在一个或多个压电层上的一个或多电信号时，材料层的厚度越厚和越薄分别使得悬臂梁具有更大和更小的弯度。同时或可替代地，在一个或多个层中的沉积态压力可以被有目的地调节至理想值，并且这可以与厚度选择分开使用或结合使用来实现静态梁弯曲或“卷曲”。
[0024]悬臂梁可以包括多个层。在俯视图中，悬臂梁的至少一个层可以具有下述形状中的一种或其组合:矩形、梯形、多边形和曲线。
[0025]微阀系统可以进一步包括当悬臂梁朝向孔板弯曲时，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个:在悬臂梁的远端的凸起的表面；和/或在孔板的孔周围的凸起的表面。
[0026]微阀系统可以进一步包括在孔板上的多个孔；以及多个悬臂梁，其与孔板以间隔的关系设置，其中每个悬臂梁能够在其中一个孔被悬臂梁关闭和打开的位置之间移动。
[0027]多个悬臂梁可以并排、交叉或在X，y阵列中布置。
[0028]微阀系统可以进一步包括输出歧管，其耦接至孔板的与悬臂梁相对的一侧，。
[0029]输出歧管可以包括一个或多个路径，每个路径被配置为引导流体沿预定方向穿过与所述路径连通的每个孔输出。
[0030]至少一个压电层未延伸至悬臂梁的远端。
[0031]本文还公开了一种打印头，其包括:输入歧管；以及多个微阀，其耦接至输入歧管，其中多个微阀包括孔板和多个悬臂梁，孔板包括多个孔，多个悬臂梁与孔板以间隔关系设置，其中每个悬臂梁能够在其中一个孔被悬臂梁关闭和打开的位置之间移动。每个悬臂梁由一个或多个压电层组成，压电层有助于悬臂梁响应于应用在一个或多个压电层上的一个或多个电信号弯曲。响应于一个或多个电信号在一个或多个压电层上各自的应用和终止，悬臂梁要么从与孔板隔开的初始位置朝向孔板移动，以及返回到与孔板隔开的初始位置；要么从邻近孔板的初始位置远离孔板移动，以及返回到邻近孔板的初始位置。
[0032]至少一个悬臂梁可以包括一对压电层，其彼此相互隔开并且与孔板隔开。悬臂梁要么可以响应于应用在一对压电层的其中一个上的第一电信号，从与孔板隔开的初始位置朝向孔板弯曲，并且可以响应于第一电信号的终止以及应用在一对压电层的另一个上的第二电信号，返回到与孔板隔开的初始位置；要么可以响应于应用在一对压电层的其中一个上的第一电信号，从邻近孔板的初始位置远离孔板弯曲，并且可以响应于第一电信号的终止以及应用在一对压电层的另一个上的第二电信号，返回到邻近孔板的初始位置。
[0033]每个悬臂梁在其近端可以被耦接在孔板和输入歧管之间，并且在其远端能够在其中一个孔被关闭和打开的位置之间移动。
[0034]每个悬臂梁可以朝向孔板弯曲将孔关闭。
[0035]每个悬臂梁可以进一步包括硅或惰性材料构成的第一层，所述第一层包括位于其上的第二材料层，这使得在缺乏应用在悬臂梁上的电信号时，悬臂梁弯曲。
[0036]惰性材料可以为镍，然而使用现有技术中已知的其他压电惰性材料(例如，但不限于，玻璃、陶瓷、氧化硅等)也是可以想到的。第二材料层可以为氧化层。氧化层的厚度越厚和越薄分别可以使得在缺乏应用在悬臂梁上的电信号时，悬臂梁弯曲得更大和更小。同时或可替代地，在一个或多个层中的沉积态压力可以被有目的地调节至理想值，并且这可以与厚度选择分开使用或结合使用来实现静态梁弯曲或“卷曲”。
[0037]在俯视图中，第一层可以具有下述形状中的一种或其组合:矩形、梯形、多边形和曲线。
[0038]打印头可以进一步包括当悬臂梁中的一个朝向孔板弯曲时，用于密封每个孔的部件。用于密封每个孔的部件包括下述中的至少一个:在一个悬臂梁上的凸起的表面；或在孔板的孔周围的凸起的表面。
[0039]输入歧管和多个微阀可以形成增压室。
[0040]多个悬臂梁可以并排、交叉或在X，y阵列中布置。
[0041]至少一个压电层未延伸至悬臂梁的远端。
【附图说明】
[0042]图1为喷墨打印机的框图，其包括微阀(或弯阀)阵列，微阀(或弯阀)通过歧管親接至载体；
[0043]图2为沿着图1中的线I1-1I的截面图，其示出了微阀的单个实例，微阀包括第一实施方式的悬臂梁，其能够在密封喷嘴的关闭位置(由虚线示出)和与所述喷嘴隔开的打开位置之间移动；
[0044]图3为沿着图1中的线I1