用于改进的喷墨液滴成形的非对称墨水喷孔的制作方法

专利名称：用于改进的喷墨液滴成形的非对称墨水喷孔的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及具有改进喷孔设计的喷墨打印机的打印头，尤其涉及具有能减少墨水啧雾并改进轨迹误差的开口的打印头喷孔。
喷墨打印机以可控方式将墨水滴喷射到介质的所需位置而在介质(如纸)上形成字符和图像。在最简单的形式中，这种打印机可抽象为这样的机构，即介质的移动定位机构，以便墨水滴能落到介质上；打印盒，用于控制墨水流、并将墨水滴喷射到介质上；以及适宜的控制硬件和软件。喷墨打印机的常规打印盒具有按需要储存和供给墨水的墨水储存部分、和由打印控制软件直接控制而加热和喷射墨水滴的打印头。典型地，打印头是层状结构的，它包括一个半导体基底、一个做成蜂窝状且做有墨水流通道的隔挡材料结构、和一个穿有小孔或喷孔的排列图案用于喷射墨水滴的喷孔板。
在一种喷墨打印机中，喷射机构包括多个形成在半导体基底上的加热电阻，每个加热电阻与形成在隔挡层的多个墨水喷射室中的一个、以及喷孔板上多个喷孔中的一个相关。每个加热电阻连接到控制软件、以便使每个电阻单独地通过电流而将墨水部分迅速汽化成汽泡后从喷孔喷射墨水滴。墨水注入形成在每个加热电阻周围的隔挡层中的喷射室而待加热电阻通电加热。墨水喷射后墨水汽泡缩灭，墨水重新注入喷射室并横跨喷孔形成弯月形。使墨水流重新注入喷射室的隔挡层中的形式和结构可建立墨水重新注入喷射室的速度和墨水弯月形的动力特性。更具体的打印机、打印盒和打印头结构可见于Hewlett-Packard Journal(36卷，5号，1985年5月)和Hewlett-Packard Journal(54卷，1号，1994年2月)。
打印盒设计者面临的一个问题是在实现高打印速度的同时保持良好的打印质量。当墨水滴因喷射室内的墨水迅速沸腾而从喷孔喷射时，喷射墨水的绝大部分质量聚集在喷向介质的墨水滴中。但是，喷出墨水的一小部分残留在从墨滴伸展到喷孔的表面开口的尾部中。尾部的墨水速度一般小于墨水滴的墨水速度，大部分尾部分从墨水滴分离。分离的尾部的一些墨水重组成喷射墨水滴或留下来以墨水滴畸变的形式在打印材料上产生粗糙的边缘。一些尾部中喷射的墨水返回到打印头、并在打印头喷孔板表面上形成糊状液。一些分离尾部的墨水形成子墨水滴(“墨水雾”)，墨水雾大体沿墨水滴的方向移动和随机地扩展。通常这些墨水雾落在介质上形成墨水薄雾背景。
为减小墨水雾的有害作用，人们降低了打印操作速度，但这会使打印机在给定时间内的打印页数减少。人们还考虑通过优化墨水喷射室和隔挡层中相关墨水供给管道的结构和几何形状来解决墨水雾的问题。喷孔几何形状也影响啧雾问题，见由Weber等在1996年2月29日提交的专利申请08/608，923“非对称打印头喷孔”。
一种制作喷孔板的常规方法是在预制芯子上使用化学镀技术。这种芯子如

图1所示(它不是按比例绘制)，其中的基底101至少具有一个由硅或玻璃构成的平面。在基底101的平面上沉积铬或不锈钢薄膜导电层103。真空镀膜处理、例如平面磁控管处理可用于沉积这个导电薄膜103。其它真空镀膜处理可用于沉积氮化硅介电层105，并利用例如等离子体增强化学蒸镀处理的真空镀膜处理进行沉积。介电层105应非常薄，一般其厚度约0.3μm。用光抗蚀掩膜遮蔽介电层105，用紫外光曝光，而后进行等离子体蚀刻处理，除在导电层103的预选位置保留介电材料的“按钮”外、去掉介电层的绝大部分。当然，这些位置预定在喷孔板的每个喷孔的位置，喷孔板位于芯子的顶上。
将这个可重复使用的芯子放入电镀槽，在电镀槽中导电层构成阴极，镍基底材料构成阳极。在电镀处理中，镍金属从阳极转移到阴极，镍(即，层107)附着到导电层103的导电区。由于镍金属板与芯子的每个导电板的距离相等，所以一旦到达介电层按钮105，镍将以均匀可预测的图案构成覆盖介电层的镀层。仔细地控制包括电镀时间在内的电镀处理参数，以便形成在介电层按钮105上的镍层107的开孔在介电表面上具有预定直径(通常为45μm)。这个直径一般是介电层按钮105直径的1/3到1/5，于是在镍107的顶层、在的喷孔板的内表面具有直径d2的开孔，直径d2约为喷孔板外表面上喷孔直径d1的3到5倍。在完成化学镀时，新形成的喷孔板从芯子除去、并镀金以增加喷孔的耐蚀性。其它有关金属喷孔产品的说明可见于已转让给本发明受让人的美国专利4，773，971；5，167，776；5，443，713；和5，560，837。
不适当导向的墨水滴和不希望的卫星式墨水滴和喷雾会降低喷墨打印介质上形成的字符图像的质量。人们希望减少因从喷墨孔侧随机喷射的墨水滴引起的随机轨迹，并减少因墨水滴尾部断开所产生的喷雾。
本发明涉及利用墨水喷射器从喷孔板的喷孔喷射墨水的喷墨打印机的打印头。喷孔板至少具有一个从与墨水喷射器相对的喷孔板的第一表面经喷孔板伸展到基本与第一表面平行的喷孔板第二表面的喷孔。该喷孔具有一个位于第二表面的窗口，窗口至少有两个限定该窗口外围的相交边缘。第一边缘包含第一弧段，第一弧段具有第一半径和位于窗口周边内的第一中心。第二边缘包含第二弧段，第二弧段具有第二半径和位于窗口周边外的第二中心。
图1是形成芯子的喷孔板和形成在该芯子上的喷孔板的截面图。
图2是示出一个墨水喷射室的常规打印头的截面图。
图3是常规打印头的喷孔板外表面的平面图。
图4是表示常规打印头喷射墨水滴的截面图。
图5是墨水滴弯月系统的理论模型，它有助于理解本发明的方案。
图6是打印介质上喷雾和加长墨水滴尾部的有害效果的重现。
图7A和7B是从喷孔板外表面显示喷孔表面窗口的平面图。
图8A和8B是从喷孔板表面显示可用于本发明的喷孔表面窗口的平面图。
图9A和9B是打印介质上的喷雾效果及本发明作出的改进效果的重现。
图10表示可用于本发明的构成喷孔窗口的技术。
图11表示可用于本发明的构成喷孔窗口的技术。
图12是在应用本发明时从喷孔板外表面显示喷孔表面窗口和喷孔口与墨水喷射室之间关系的平面图。
当使用本发明时，作为非对称喷孔窗口的结果，随机墨水滴轨迹和过量喷雾将减少，在本发明中，墨水滴轨迹被偏置成沿喷射孔的一个方向产生。
图2中示出常规打印头的截面图。薄膜电阻201设置在半导体基底203表面、并经在半导体基底203表面上镀金属(未示出)而与电输入信号连接。另外，为避免化学和机械破坏的各种保护层可覆盖加热电阻201，但为简明起见，图2中未示出保护层。隔挡材料层205选择地设置在硅基底203表面(或设置多层)，从而留下围绕加热电阻201的开孔或墨水喷射室207，于是在加热电阻201通电且墨水经开孔209喷射之前，墨水可聚集在喷射室内。用于隔挡层205的隔挡材料通常是可从杜邦公司得到Parad材料或类似材料。喷孔209是喷孔板107中的孔，喷孔209从喷孔板内表面向喷孔板外表面伸展、并如前所述地构成喷孔板的一部分。
图3是从喷孔板107的外表面213看喷孔所显示的常规打印头的顶平面图(A-A线表示图2的截面)。墨水供给通道301设置在隔挡层205中以便从较大的墨水源(未示出)向墨水喷射室提供墨水。图4表示在墨水从喷孔209喷射之后22微秒时墨水滴401中的墨水形状。在常规喷孔板中，(其中使用圆形喷孔窗)墨水滴401保持长的尾部403，从图中可知，长尾部403至少向后伸展到喷孔板107的喷孔209。
在墨水滴401离开喷孔板、且喷射墨水滴的汽化墨水泡收缩后，毛细管力从墨水源经墨水供给通道301抽吸墨水。在弱阻尼系统中，墨水迅速向后冲进喷射室而过度地充满喷射室207，从而产生凸起的弯月形。之后，在稳定之前，弯月形相对其平衡位置振动若干周期。如果在弯月形凸起的同时墨水滴被喷射，则凸起弯月中的额外墨水会加到墨水滴的体积中。如果在弯月形后退的这一周期部分喷射墨水滴，则会减少墨水滴的体积。打印头设计者通过增加墨水再添充通道的液体阻力而改善和优化墨水再添充阻尼和弯月形系统。具体地，这些改进是通过加长墨水再添充通道、减小墨水再添充通道截面、或增加墨水粘度而实现的。这种增加墨水再添充液体阻力的作法通常会减小再添充速度，并降低墨水滴喷射速度和打印速度。
可将弯月形简化为图5所示的机械模型，其中与喷射墨水滴的质量等效的质量501被弹簧505耦合到固定结构503，弹簧505具有与喷孔有效半径的倒数成正比的弹性常数K。质量501还经过阻尼器件507而耦合到固定结构503，阻尼器件507与通道液体阻力及其它墨水通道特性相关。在这个结构中，墨水滴重量质量501与喷孔直径成正比。所以，如果希望控制弯月形的特性和状态，则可通过优化墨水通道或调整机械模型中弹簧505的弹性常数来调节阻尼器件507的阻尼系数。
当墨水滴401从喷孔喷射时，墨水滴的绝大部分质量保持在墨水滴前头、且这部分质量的速度最大。剩余尾部403保持少量的墨水质量，且其速度分布是在接近墨水滴头部位置的速度与墨水滴头部速度相同、在最接近喷孔窗的位置的速度小于墨水滴头部速度。有时在墨水滴喷射期间，尾部墨水被拉长到该尾部从墨水滴断开之处。剩余在尾部的墨水部分被拉回到打印头的喷孔板107，并喷孔板107形成围绕喷孔的墨水粘液。这些墨水粘液因误导后续墨水滴而降低打印质量。墨水滴尾部的其它部分在墨水滴沉积在打印介质上之前被吸收到墨水滴头部。最后，还发现墨水滴尾部的一些墨水既不返回到打印头、也不保留或吸收到墨水滴中，但它们沿随机方向形成扩展的子墨水滴细雾。一些细雾到达打印介质并在墨水滴形成的点上产生粗糙边缘、以及落到介质上不希望的位置从而降低打印材料所需的清晰度。这种不良结果在图6的打印点放大图中示出。
已经确认，通往外部环境的喷孔窗209的出口区限定喷射墨水滴的滴重量。也已经确认，弯月形的恢复力(模型中的常数K)部分地由喷孔窗的边缘邻近区确定。所以，为了提高弯月形的韧性，喷孔口的侧面和开口应尽可能在靠在一起。当然，这与保持已给定墨水滴的滴重量(该重量由喷孔出口区确定)的需要相矛盾。若用非圆形几何形状，可提供给弯月形的较大的恢复力，使墨水滴尾部较快和较接近喷孔板断开，从而缩短了墨水滴尾部并明显减小喷雾。
某些可用于减小喷雾的非圆形喷孔是长形的窗口，该窗口具有长轴和短轴，其中长轴尺寸大于短轴尺寸，两个轴均平行于喷孔板外表面。这种长形结构可以是长方形、平行四边形、或诸如椭圆之类的卵形和平行侧边的“跑道”结构。使用储存在HP51649A型打印盒中的墨水(可以从Hewlett-Packard公司得到)、并使喷孔窗面积等于HP51649A型打印盒所用的喷孔窗面积，则可确定能实现所需弯月形韧度和短尾墨水滴喷射的椭圆形的长轴与短轴之比是从2∶1到5∶1。
图7A-7B是表示不同喷孔口尺寸的喷孔板外表面的平面图。图7A表示具有半径r外部尺寸的圆形喷孔和外部尺寸r与喷射室开口之间的半径差值r2。在HP51649A打印盒中，r=17.5微米，r2=45微米。这样在喷孔板外表面形成的窗口面积(r2×π)是926微米2。图7B表示椭圆形外喷孔窗口的形状，其中长轴/短轴比等于2∶1，为了保持相等的墨水滴，喷孔开口的外部面积保持为926微米2。于是，根据椭圆面积公式(A=π·a·b)，对于2∶1的椭圆，椭圆的长短轴分别是28.5微米和12.4微米。
如上述的建议，对于较好地尾部断开和随后的喷雾减小主要相关的因素是减小椭圆的短轴尺寸。在2∶1到约5∶1的范围内可看到喷雾减小。一个在上文也注意到的不足是椭圆形喷孔表面开口在板内表面(在墨水喷射室)具有对应较大的开口。当为改善分辨率而使喷孔紧密地靠在一起时，这些内开口将重叠和干扰。这些干扰将使从一个喷射室喷出的墨水进入相邻喷射室，并产生其它微妙的但有害的影响。
为了解决干扰问题，需沿长轴方向对椭圆变形，以产生一个新月形或四分之一月亮形的形状。在整个喷孔窗面积保持不变的同时在这个新月形中维持短轴尺寸而缩短有效长轴。使用新月形啧孔开口能适当地连续减少喷雾。但是，新月形会给应用这种打印头的打印质量带来各种问题。离开喷孔板的墨水滴轨迹不垂直喷孔板表面，而是从垂向向喷孔窗弯曲表面的负半径方向倾斜偏离。
为了解决新月形喷孔窗形状的轨迹问题，通过重叠两个新月形而产生一种对称的另一种形状，其中两个新月形面的外缘彼此离开。这种形状示于图8A。这种改进的喷孔窗形状被视为“沙漏”形状。在一个实施例中，改进的短轴(bH)设置为26μm、而改进的长轴(aH)设置为69μm。该实施例中限定改进短轴的边缘具有约47μm的曲率半径(rH)。这个喷孔窗形状保持窄的短轴开口、同时减小了固定的喷孔窗面积所需的长轴尺寸。减小尺寸的长轴使喷孔间隔比其它喷孔间隔更紧密并具有相同喷孔窗面积的椭圆形。另外，沙漏形喷孔窗形状相对长轴和短轴具有对称结构、并减小了墨水滴的轨迹误差。非圆形啧孔窗相对常规圆形开口的改进可在图9A与图9B的对比中看出。图9A中可见的外部墨水滴在高度放大的图9B中极少。
下面参看图8B，为更大地减小轨迹误差，在相对改进短轴具有非对称喷孔的沙漏形状中设置可靠的尾部断开点。非对称沙漏啧孔窗显示为图8B的喷孔窗803。喷孔窗803的沙漏形包括在喷孔板外表面的喷孔窗边缘。在优选实施例中，啧孔窗的周边形状由两个弧段构成，两个弧段具有共同的半径中心点805和共同的半径值rC，但第一弧段807大于第二弧段809(与第一弧段相对)。喷孔窗803的沙漏形周边还包括两个弧段811和813，它们连接弧段807和809的端点而形成啧孔窗803的完整周边。弧段813具有半径值rH1和半径中心点815，半径中心点815位于沙漏周边之外、却位于邻近喷墨器的喷孔板的其它内表面上形成的喷孔窗的凸起817内。弧段811具有半径值rH2和半径中心点819，半径中心点819位于喷孔窗内表面的另一个凸起821内。本发明的特点是中心815几乎位于与中心819相对的喷孔侧上，但并不完全相对。在优选实施例中，连接中心805和815的连线与连接中心805和819的连线相交构成锐角θ。形成在两线之间的锐角θ在0°～20°范围调整，优选范围约5°。于是，由电镀外喷孔板表面形成的喷孔窗803具有非对称沙漏形喷孔窗，并在内喷孔板表面具有由两个长弧段构成的喷孔窗，两个长弧段具有共同的中心并被两个突出部分分隔。墨水滴尾部最好从较窄端(即，在较短的弧段809)断开，并提供稳定的尾部断开和喷雾位置。从采用非对称沙漏形状的每个喷孔所喷射的墨水滴可实现均匀一致的轨迹。
如前所述，喷孔板通常是在芯子上电镀镍或类似金属，然后用化学抗蚀材料、例如金涂覆喷孔板而制成。过去，已经知道在所需端使用非导电钮导致圆形喷孔窗。但是，为了制成沙漏形喷孔开口，需确定钮状物具有的形状应比所用的沙漏形状简单。由于在电镀期间喷孔板基底金属从导电表面(包括其自身表面)沿各个可能的方向均匀生长，非导电钮形状中的细部将被生长的基底金属遮蔽。类似地，当基底金属生长时，钮形状可被转变成完全不同的形状。再参看图1，其中基底金属107在非导电绝缘钮105顶面上生长。在平面图中观看时，当基底金属107在绝缘按钮105顶面生长时，钮105的轮廓会被遮蔽或转变成其它形状。
已经发现，使用直径等于所需基底金属生长的圆圈族的分析技术可被用于相同平面和与所需喷孔形状外轮廓的切面。当圆形周边上的点与切点相对、且共用的同一直径线连接到圆圈族的彼此相似点时，非导电钮必须所采用的形状被显出。另一方法使用从起始形状外轮廓上的所有或相应点拉出的半径弧。每个弧半径的端点(垂直与起始轮廓的点相切的线)限定电镀完成后形成的喷孔形状上的点。参看图10将有助于了解使用圆圈族的技术。
在图10中，喷孔窗的沙漏形状标注为1001。圆圈族由圆1003表示，圆圈族半径与基底金属的所需生长相等。非导电钮的轮廓表示为1005。圆圈族的每个圆在沿沙漏形状边缘的点与沙漏形状相切。使所述点直接穿过每个圆的直径、并连接这些点而形成非导电钮的轮廓。当处理更为复杂的喷孔形状时，发现非导电钮的形状不必等同于喷孔形状。应注意，在沙漏轮廓1001的外缘，限定该轮廓所需的圆形数量减少。
图11示出制作喷孔开口1001所需的必要的结构圆圈。连接周边上与切点相对的点、以产生构成希望的沙漏喷孔开口所需的最小钮状物轮廓。这些轮廓结构包括用于产生形成长轴终端边缘的弧段1101和1103、以及用于产生形成短轴终端边缘的抛物线部分1105和1107。只要钮状物轮廓的剩余部分不比圆圈直径更接近所希望的喷孔形状，则除了上述弧段和抛物线部分以外，电镀喷孔板所产生的沙漏喷孔形状就与钮状物轮廓无关。
这种轮廓的独立性用于本发明的实施例以提供喷孔板对隔挡材料的改善的粘结性、并使所设计的喷射室具有较大的墨水容量。图12示出了当非导电芯子钮状物轮廓部分地与喷孔表面开口形状无关时所得到的打印头。虽然喷孔口1101位于喷孔板的外表面、钮状物轮廓位于喷孔板的内表面，但为了清晰起见，喷孔窗1001和钮状物轮廓1201用实线示出。当一个喷孔开口的外形从墨水喷射室起始并横移到喷孔板表面的开口时，喷孔开口从钮状物轮廓1201变化到沙漏形窗口1001。在这个实施例中，隔挡层材料结构由虚线示出。岛形隔挡材料1203将进入喷射室1205的墨水入口分成两个墨水通道1207和1209，喷射室1205的其余部分由隔挡材料壁1211、1213、1215限定。隔挡层材料与喷孔板之间改进的接触区设置在隔挡岛1203的周围区域(并进一步用虚线示出假想的圆形钮状物轮廓)。这个接触区域是使钮状物轮廓部分地构成矩形而得出的，它不做成圆形，能更好地与矩形隔挡材料结构匹配、并即使当喷孔板产生不准直时也能在基底上提供不变化的矩形截面。另外，矩形结构可以增加喷射室中的墨水容量。
总之，本发明使用了一种非对称沙漏形状的喷孔窗轮廓，它能产生一种减小喷雾的墨水滴并改善墨水滴轨迹。
权利要求
1．一个用于喷墨打印机的打印头，该打印头具有用于喷墨的喷孔，该打印头包括一个墨水喷射器；以及一个喷孔板(107)，喷孔板(107)具有一喷孔，所述喷孔经所述喷孔板从与所述墨水喷射器相对的所述喷孔板的第一表面伸展到基本平行所述第一表面的所述喷孔板的第二表面，所述啧孔包括位于所述第二表面的窗口(803)，所述喷孔第二表面中的所述窗口至少包括两个用于限定所述窗口周边的相交边缘，第一边缘包括具有第一半径(rC)的第一弧段(807)和位于所述窗口周边之内的第一中心(805)，第二边缘包括具有第二半径(rH1)的第二弧段(813)和位于所述窗口周边之外的第二中心(815)。
2．一个如权利要求1的打印头，还包括第三边缘，第三边缘包括具有所述第一半径的第三弧段(809)和所述第一中心(805)。
3．一个如权利要求1的打印头，还包括具有第三半径(rH2)的第四弧段(811)和位于所述窗口周边之外并与所述第二中心隔开的第三中心(819)。
4．一个如权利要求3的打印头，其中，连接所述第一中心和第二中心的第一线与连接所述第一中心和第三中心的第二线构成锐角，所述锐角的值在0°～20°范围。
5．一种操作喷墨打印机的打印头的方法，该喷墨打印机利用喷孔喷墨，该方法步骤包括给墨水体施加速度；以及从喷孔喷射所述的墨水体，该喷孔具有位于喷孔板(107)表面的窗口(803)，在所述表面中的窗口至少包括两个用于限定所述窗口周边的相交边缘，第一边缘包括具有第一半径(rC)的第一弧段(807)和位于所述窗口周边之内的第一中心(805)，第二边缘包括具有第二半径(rH1)的第二弧段(813)和位于所述窗口周边之外的第二中心(815)。
6．一种制作喷墨打印机的打印头的方法，其步骤包括形成一个喷孔板(107)，喷孔板(107)具有第一表面和基本平行于第一表面的第二表面，至少一个喷孔经所述喷孔板从所述第一表面伸展到第二表面，所述喷孔包括位于所述第二表面的窗口(803)，窗口(803)至少包括两个用于限定所述窗口周边的相交边缘，第一边缘包括具有第一半径(rC)的第一弧段(807)和位于所述窗口周边之内的第一中心(805)，第二边缘包括具有第二半径(rH1)的第二弧段(813)和位于所述窗口周边之外的第二中心(815)；以及将一墨水喷射器装到所述喷孔板的第一表面，从而使墨水从所述至少一个喷孔的窗口中喷出。
7．一种如权利要求6的方法，其中，所述形成一个喷孔板步骤还包括在所述窗口的周边用具有所述第一半径和所述第一中心的第三弧段(809)形成第三边缘。
8．一种如权利要求6的方法，其中，所述形成一个喷孔板步骤还包括用第三半径(rH2)和位于所述窗口周边之外且与所述第二中心隔开的第三中心(819)形成第四弧段(811)。
9．一种如权利要求8的方法，其中，所述形成第一、第二、第三和第四弧段的步骤还包括设置所述的第一、第二和第三中心，以便连接所述第一和第二中心的第一线与连接所述第一和第三中心的第二线形成一个锐角，该锐角值在0°～20°范围。
10．一种如权利要求6的方法，还包括在所述第一表面形成窗口的步骤，所述窗口包括至少含有两个弧段的边缘，所述弧段限定了在所述第一表面的所述窗口的周边，所述至少两个第一表面的弧段具有共同的半径和共同的中心，所述的共同中心位于所述第一表面的窗口的周边之内，所述的两个第一表面弧段中的每一个均大于所述的第一弧段。
全文摘要
一个能减小喷雾的打印头,该打印头具有借助墨水喷射器喷射墨水的喷孔。喷孔在喷孔板的外表面上设置窗口,窗口具有非对称沙漏轮廓,以便喷射的墨水滴在喷孔窗的窄端断开。
文档编号B41L27/00GK1286170SQ0012
公开日2001年3月7日 申请日期2000年8月30日 优先权日1999年8月30日
发明者R·C·马泽, T·L·维伯, A·K·阿加瓦尔 申请人:惠普公司