静电喷墨头的制作方法

专利名称：静电喷墨头的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种打印机喷头，并且尤其涉及一种静电喷墨头及其制造方法。
背景技术：
喷墨打印机的典型工作类型包括气泡喷射型和压电型。气泡喷射型包括电阻加热器，其中工作设备的反复快速加热和冷却导致电阻加热器的损坏并且降低耐久度。压电型需要压电元件的细微工艺，因此其制造非常耗时并且特别复杂，并且存在精度降低的风险。
为了解决上述问题，喷墨头可以利用静电作用力而使用。静电喷墨头由于其制造方便、功耗较低以及操作原理简单等等而受到欢迎，并且在涉及喷射墨水打印图像的各种设备中广泛使用。
静电喷墨头包括形成墨盒表面的振动膜，通过其形变而释放墨水；以及朝向振动膜的电极，该电极产生静电力。静电喷墨头通过在振动膜和电极之间产生电动势差而工作，从而振动膜由于静电吸引而产生预定偏移量的形变，接着去除电动势差，从而墨盒中的墨水由于振动膜恢复的作用力而通过喷嘴释放。
通常的，静电喷墨头的振动膜和电极形成为具有光滑表面。图1为传统静电喷墨头的截面图，并且图2为美国专利no.5,668,579。下面参考图1描述传统静电喷墨头的结构和操作。
墨滴从墨盒6边缘上形成的喷嘴喷射，墨盒底部由振动膜5形成。电极21处于正对振动膜5的位置，振动膜5和电极21之间的间隙G对应于凹部的深度和电极21的厚度之间的差值。
为了描述其操作，当提供不同的电动势给振动膜5和电极21时，由于电动势差而产生静电作用力。该静电作用力产生振动膜和电极板之间的吸引，由于电极21固定，因此在很薄的振动膜5上产生形变。
此后，当作用在振动膜5和电极21上的电动势被去除时，形变的振动膜5恢复到其原始位置。由于振动膜5的恢复力，墨盒6内的压力增加，墨水通过该压力而从喷嘴4释放。
然而，通过传统静电喷墨头，两种结构板即振动膜和电极之间的距离必须足够靠近以产生静电作用力。因此，两个结构板之间的距离成为振动膜能够形变的最大偏移值，从而对于传统静电喷墨头能够产生多大的偏移存在限制。另外，两个结构板之间更接近的距离导致制造工艺中的更多困难，并且产生各种问题，例如墨水释放压力不足等等。
为了改善静电喷墨头的释放压力进行了各种尝试，例如韩国专利授权no.10-0242157(“Electrostatic Inkjet Head”)。然而在该发明中，压力通过连接到转子的外部框架而传递给振动膜，导致了复杂的结构并且增加了制造时间和成本。
另一例子为日本专利公开no.2003-276194(“Electrostatic Actuator，Liquid Drop Ejection Head，and Ink Jet Recorder”)。该发明包括交替堆叠的可移动电极和固定电极，尽管通过堆叠电极数量增加可以增加静电作用力，然而该发明的缺陷在于可移动和固定电极对中互相朝向的表面没有形成梳状结构，并且不能产生与电极之间距离无关的偏移。

发明内容
本发明提供了一种静电喷墨头，允许产生与振动膜和电极之间距离无关的较大的静电作用力，从而振动膜可以产生较大的偏移并且可以增加墨水释放压力。
本发明的其他优点、目标和特征在下面的描述中部分给出并且在考察下述说明书后是显见的，或者可以通过本发明的实施例而了解。
本发明的一个方面提供了一种静电喷墨头，包括包含在墨盒表面中的可形变振动膜，一个或多个从所述振动膜表面突出的第一凸部，朝向所述振动膜的结构固定的电极，以及一个或多个从所述电极表面向所述振动膜突出的第二凸部，其中所述第一凸部和第二凸部被交替设置，从而其侧面互相邻近。
优选地，所述第一凸部和第二凸部成倍形成，从而形成梳状结构，并且所述振动膜和电极定位为使得所述多个第一凸部和多个第二凸部啮合在一起而没有接触。
优选地，所述第一凸部和电极之间的最短距离或者所述第二凸部和振动膜之间的最短距离可以大于第一凸部与第二凸部之间的距离。
优选地，所述第一凸部或者第二凸部在突出方向上的横截面可以为矩形。所述第一凸部和第二凸部可以为相同形式。第一凸部或者第二凸部可以形成为相同形式的多次重复。并且，第一凸部的突出长度优选地可以从振动膜中心部位至端部递减。
优选地，所述第一凸部沿着所述振动膜的整个表面突出，或者所述第二凸部沿着所述电极的整个表面突出。并且，第一凸部优选的可以仅从所述振动膜的中心部位突出，第二凸部优选地可以对应于第一凸部而仅从所述电极的中心部位突出。
所述振动膜、第一凸部、电极以及第二凸部中的一者或多者可以包括单晶硅，并且优选的可以通过MEMS(微机电系统)处理进行制造。
本发明的另一方面提供了一种静电喷墨头，包括在一端具有墨水喷嘴的墨盒，连接到所述墨盒的墨水注入口，形成所述墨盒一个表面的可形变振动膜，一个或多个从所述振动膜表面突出的第一凸部，朝向所述振动膜的结构固定的电极，以及一个或多个从所述电极表面向所述振动膜突出的第二凸部，其中所述第一凸部和第二凸部被交替设置，从而其侧面互相邻近。
本发明的其他方面提供了一种包括所述静电喷墨头的墨盒，以及包括所述墨盒和提供电源给所述电极或者振动膜的工作电路的静电喷墨打印机。
本发明的又一方面提供了一种制造静电喷墨头的方法，包括(a)在作为静电喷墨头的电极或者振动膜的硅基底上形成PR覆盖层，(b)通过光刻技术在所述PR覆盖层上形成多个第一凸部或者多个第二凸部，(c)蚀刻所述硅基底以形成梳状第一凸部或者第二凸部，(d)去除所述PR覆盖层，以及(e)将通过(a)至(d)形成的电极和振动膜定位使得互相朝向，其中所述第一凸部和第二凸部形成为梳状结构，并且所述振动膜和电极定位为使得所述第一凸部和第二凸部啮合在一起而没有接触。


本发明的这些和/或其他方面以及优点通过下面结合附图的对实施例的描述可以更加明白并且更容易理解，其中图1为传统静电喷墨头的截面图；图2为根据本发明一个优选实施例的静电喷墨头的放大图；图3为根据本发明第一优选实施例的静电喷墨头的振动膜和电极的截面图；图4为根据本发明第二优选实施例的静电喷墨头的振动膜和电极的截面图；
图5为根据本发明第三优选实施例的静电喷墨头的振动膜和电极的截面图；图6为根据本发明一个优选实施例的静电喷墨头的截面图；图7为显示根据本发明一个优选实施例的静电喷墨头的制造工艺的流程图；以及图8为显示根据本发明一个优选实施例的静电喷墨头的制造方法的流程图。
具体实施例方式
下面参考附图详细描述根据本发明的静电喷墨头及其制造方法的优选实施例。在参考附图的描述中，对于不同附图编号中的相同或者对应的部件将给予相同的参考数字，并且省略过多的解释。并且，在讨论本发明的优选实施例之前首先描述基本原理。
图2为根据本发明一个优选实施例的静电喷墨头的放大图，并且图3为根据本发明第一优选实施例的静电喷墨头的振动膜和电极的截面图。在图2和图3中显示了振动膜110，第一凸部112，电极120，以及第二凸部122。
该实施例提供了具有可变形式的振动膜和电极的静电喷墨头，其中产生了静电作用力，从而允许振动膜的更大的偏移。也就是说，如果第一凸部112和第二凸部122在振动膜110和电极120的表面上形成为梳状结构或者其他不同形式，如图2所示，静电作用力被激励的面积得以增加，从而电容C增加，静电作用力也增加。
在互相平行的振动膜和电极之间产生如下面公式(1)所示的静电作用力FeFe=12(∂C∂xV2)---(1)]]>
其中，C=ϵAd]]>C电容ε介电常数A面积d距离x偏移V电动势差如公式(1)所示，当提供恒定电动势差V时静电作用力Fe由电容C决定，并且由于电容C通过面积A和距离d确定，所以距离d增加导致静电作用力Fe减小。因此，如果振动膜和电极之间的距离d大于若干μm，则静电作用力会变得过弱，振动膜无法工作。
在如图1所示的传统喷墨头中，通过形成平面的电极和振动膜，需要获得一定偏移量(图1中的G)的静电作用力Fe随着偏移增加而减小。然而，在本发明的喷墨头中，凸部112、122形成为梳状结构或者其他不同形式，从而增加静电作用力起作用的横截面积。
由于当振动膜110和电极120之间的距离101远大于凸部之间的间隙102时，在本实施例中可以忽略凸部方向上的静电作用力，或者也可以说，静电作用力与距离101无关。换言之，可以根据电动势差V调节偏移x而与距离101无关，并且振动膜110和电极120之间的距离101可以设置为更大，从而可以增加偏移x。
因此，优选地，使第一凸部112和第二凸部122侧面之间的距离也就是间隔空隙足够的小，在此情况下，与传统的具有互相朝向的两个平面的喷墨头结构相比，振动膜110和电极120之间的距离或者第二凸部122和振动膜110之间的距离变得不那么重要。这样能够更容易制造，并且改善喷墨头工作的可靠性。
尽管通过形成侧面互相邻近的一个或多个第一凸部112和第二凸部122可以获得本实施例的效果，但是优选地所述凸部可以成倍形成从而形成梳状结构。
换言之，在振动膜110和电极120上形成多个第一凸部112和第二凸部122并且将第一凸部112和第二凸部122按照与齿轮啮合相同的方式啮合为梳状结构，如上所述将振动膜110和电极120中静电作用力起作用的面积最大化，从而最有效的实现本发明的效果。
当然，当设置两个梳状结构互相啮合时，这两个结构必须电隔离，即绝缘，从而可以产生静电作用力。
由于在根据本发明的喷墨头中产生了与振动膜110和电极120之间距离无关的静电作用力，所述距离可以设置为足够大，从而最大化振动膜110形变的偏移量。
如上所述，由于第一凸部112和第二凸部122之间的间隙在本实施例中很重要，因此振动膜110和电极120之间的距离即第一凸部112和电极120之间的最短距离或者第二凸部122与振动膜110之间的最短距离可以设置为大于第一凸部112和第二凸部122之间的间隙。
典型的，当所述凸部的厚度和间隙为若干μm时，可以为振动膜110和电极120之间的距离(最短距离)设置相等或者更大的值。因此，振动膜110和电极120之间的距离可以增加以最大化振动膜110的偏移量，从而可以增加墨水释放压力。
优选的，第一凸部112和第二凸部122在突出方向上的横截面为矩形。然而，本发明并不限于矩形横截面的凸部，并且很显然可以包括例如三角形、梯形、半圆形、椭圆形以及钟形等形状以最大化面积，从而增加静电作用力。
然而，由于振动膜110为受到静电作用力作用而产生形变的薄膜，矩形形状优于其他形状，因为其他形状在形变过程中可能产生力学问题。而且，由于本发明利用两个互相朝向的平行电极之间产生的静电作用力，因此相对于例如三角形或者梯形等其他形状，矩形形状是优选的，通过矩形形状可以获得互相朝向的平行面的最大面积，而其他形状则可能改变凸部之间的间隙。
并且，将凸部的横截面形成为矩形在通过蚀刻技术制造本实施例的振动膜110和电极120的过程中也是有效的。第一凸部112或者第二凸部122均是成倍形成，但是每一个并不一定必须具有相同形式。也就是说，振动膜110或者电极120的中心部位和端部上形成的凸部的形式可能不同，并且可以利用各种形式以获得更大的静电作用力。
然而，优选的，为了设计和制造方便，各个凸部形成为相同形式的重复。第一凸部112和第二凸部122还可以具有不同形式，但是如上所述，优选地，第一凸部112和第二凸部122具有相同形式以方便设计和制造。
图4为根据本发明第二优选实施例的静电喷墨头的振动膜和电极的截面图。在图4中显示了振动膜110，第一凸部112a，电极120，以及第二凸部122。
在本发明的静电喷墨头中，当提供电动势差给振动膜110和电极120时，振动膜110由于朝向电极120的静电吸引而向电极120弯曲。此处，第一凸部的形变根据它们是形成在振动膜110的中心部位还是端部而改变。
也就是说，当振动膜110发生形变而向电极120弯曲时，中心部位上形成的第一凸部112a设置为仅朝向电极120移动，而端部上形成的第一凸部112a则设置为向外旋转。尽管在振动膜110的偏移量很小时第一凸部112a的旋转度数可能很小，但是第一凸部112a的旋转度数随着偏移量增加而增加。
因此，由于振动膜110形变，可能发生端部上形成的第一凸部112a与第二凸部122接触的情况。当第一凸部112a接触第二凸部122时，它们变得电连接从而不能产生静电作用力，或者当它们通过覆盖层等而电绝缘时，机械阻力可能限制振动膜110的形变度。
为了防止发生这种情况，第一凸部112a的突出长度设置为从中心部位到端部递减。因此，即使当第一凸部112a在端部设置为向外旋转时，它们也不会与第二凸部122接触。当然，端部的第一凸部112a必须突出一定程度以使得其侧面与第二凸部122相邻近，从而产生静电作用力。
图5为根据本发明第三优选实施例的静电喷墨头的振动膜和电极的截面图。在图5中显示了振动膜、第一凸部112b、电极120以及第二凸部122a。
尽管第二实施例在凸部沿着整个振动膜110或者电极120形成的前提下改变了第一凸部112a的尺寸，但是通过仅在中心部位上形成第一凸部112b可以如同第二实施例一样解决相同的问题。在此情况下，优选的，第二凸部122a也可以对应于第一凸部112b而仅在中心部位上形成。
第三实施例可以解决由于振动膜110形变导致的凸部之间的接触问题。然而，由于静电作用力起作用的面积减小，可能不能达到振动膜能够形变的最大偏移。
因此，为了获得足够大的与振动膜110和电极120之间距离无关的静电作用力，优选的，第一凸部沿着振动膜110的整个表面突出，第二凸部沿着电极120的整个表面突出。进一步优选地，可以在由于振动膜110形变可能导致问题的位置基于所需墨水释放压力的偏移量而减小第一凸部的尺寸或者根本不形成第一凸部。
振动膜110和第一凸部112，以及电极120和第二凸部122可以分别形成为单独个体，优选的通过单晶硅制造。然而，本发明并不限于这种材料以制造振动膜110和电极120，并且显然的可以应用其他满足能够提供本发明效果的电学和机械特性的材料，这对于本领域技术人员是显见的。
而且，具有本发明的凸部的振动膜110和电极120等等优选的可以通过MEMS(微机电系统)处理进行制造。MEMS为在肉眼不可见的细微尺度下制造电子机械元件的技术，并且应用于生产细微机械部件的几乎所有领域。
MEMS技术是应用到制造细微尺度的微传感器或者致动器以及电子机械部件的微工艺技术，并且是应用传统半导体工艺特别是集成电路技术的一种微工艺技术形式。通过MEMS制造的微机器可以达到μm级别以下的精度。由于本发明的振动膜110和电极120具有μm级别的尺寸，并且由于它们是通过静电作用力机械操作的部件，优选的它们通过上述MEMS工艺制造。
然而，制造本发明的振动膜110和电极120的工艺并不限于MEMS，并且对于本领域技术人员而言，显然可以应用能够提供本发明效果的所有制造工艺。
图6为根据本发明一个优选实施例的静电喷墨头的截面图。在图6中显示了墨水喷嘴104，墨盒106，振动膜110，第一凸部112，电极120，第二凸部122，工作电路130，以及墨水注入口131。
本发明提供了一种改变了振动膜110和电极120的形状的静电喷墨头，并且本发明的范围包括应用了振动膜110的电极120的喷墨头，以及使用所述喷墨头的墨盒和喷墨打印机。
因此，为了参考图6描述本发明的喷墨头的结构，如上所述形成有第一凸部112的振动膜110安装在墨盒106的底部表面，墨盒106包括墨水喷嘴104用于喷射墨水以及墨水注入口131用于提供墨水。其上形成有第二凸部122的电极120形成为朝向第一凸部112，定位于振动膜110对面。
振动膜110和电极120连接到工作电路130以提供电动势差。当由工作电路130提供电动势差给振动膜110和电极120时，在振动膜110和电极120之间产生静电吸引，并且由于振动膜的两端固定到墨盒106的顶部表面，振动膜110朝向电极120产生形变。
当振动膜110朝向电极120形变时，墨盒106的容积增加，从而墨水通过墨水注入口131注入到墨盒106中。
当由工作电路130提供的电动势差被去除时，形变的振动膜110恢复到原始位置，由此减小了墨盒106的容积，因此墨水通过墨水喷嘴从墨盒106喷射。
在此实施例中，梳状结构的第一凸部112和第二凸部122分别形成在振动膜110和电极120上并且增加了静电作用力起作用的面积，从而通过工作电路130提供的相同的电动势差可以产生更大的静电作用力。因此，振动膜110的形变幅度更大，并且当振动膜110恢复时提供给墨盒106更大的压力。
当施加给墨盒106的压力增加时，可以喷射更多的墨水，或者可以使用高粘度的墨水，这在现有技术中由于静电作用力的限制是不行的。另一方面，如果在墨盒106中需要更低的压力以喷射更少的墨水或者喷射低粘度墨水，则仅需要调节由工作电路130提供的电动势差以减小静电作用力。
因此，由于可以喷射更多墨水或者使用高粘度墨水进行打印，使用如上所述的喷墨头的墨盒和喷墨打印机提供了更好的适用性。当然，当使用少量墨水或者低粘度墨水时，可以调节电动势差，因此不会有任何使用问题。
图7为显示根据本发明一个优选实施例的静电喷墨头的制造工艺的流程图，并且图8为显示根据本发明一个优选实施例的静电喷墨头的制造方法的流程图。参考图7，其中显示了硅基底200和PR覆盖层202。
如上所述，本发明的振动膜和电极可以使用MEMS技术很方便的精确制造。为了解释根据本发明实施例的静电振动膜和电极的制造工艺，首先在硅基底200上形成PR覆盖层202，其后将作为电极或者振动膜(图7中的(a))。
在第一凸部或者第二凸部的PR覆盖层上形成图案202a(图7中的(b))，其中可以使用本领域技术人员公知的技术例如光刻形成PR图案。
根据通过蚀刻硅基底200a形成的图案而形成梳状第一凸部或者第二凸部(图7中的(c))，其中可以使用本领域技术人员公知的各种蚀刻方法，例如干式蚀刻。
在完成蚀刻并且形成第一凸部或者第二凸部之后，去除剩下的PR覆盖层202a(图7中的(d))。由此制造的振动膜200b和电极200a被对齐并且结合使得第一凸部和第二凸部互相啮合(图7中的(e))。
使用如上所述的优选工艺方法并且基于MEMS技术的喷墨头的制造方法可以表示为图8所示的流程图，包括在硅基底上形成PR覆盖(210)，通过光刻形成PR图案(212)，通过干式蚀刻将第一凸部或者第二凸部(214)蚀刻成所需厚度，去除剩余的PR覆盖层(216)，以及在制造振动膜和电极之后对齐并且结合两个结构板(218)。
尽管如上所述的梳状振动膜和电极预先假定为“侧射(Side Shooter)”式喷墨头，其中墨滴的喷射方向和振动膜的振动方向是垂直的，但是本发明的喷墨头并不限于这种工作类型，并且很显然可以应用梳状结构的振动膜和电极于其他工作类型，例如所谓的“面射(Face shooter)”型，其中墨滴的喷射方向和振动膜的振动方向是相同的，如同在注射器中一样，这对于本领域技术人员是显然的。
尽管显示并且描述了本发明的若干实施例，本领域技术人员可以理解，可以对这些实施例作出各种改变而不背离由所附权利要求书及其等价物限定的本发明的原理和实质。
根据如上所述的本发明，在振动膜和电极的表面上形成梳状或者其他形状的凸部以增加产生静电场的面积，从而可以增加与振动膜和电极之间距离无关的静电作用力，因此增加了振动膜可以形变的最大偏移量，并且可以根据电动势差控制偏移量。而且，由于增加了振动膜的最大偏移量，同时增加了墨水释放压力，从而允许释放高粘度墨水。
权利要求
1.一种静电喷墨头，包括形成墨盒表面的形变振动膜；一个或多个从所述振动膜表面突出的第一凸部；朝向所述振动膜的结构固定的电极；以及一个或多个从所述电极表面向所述振动膜突出的第二凸部；其中所述第一凸部和第二凸部被交替设置，从而使它们的侧面互相邻近。
2.根据权利要求1所述的静电喷墨头，其中所述第一凸部和第二凸部成倍形成，从而形成梳状结构，并且所述振动膜和电极定位为使得所述多个第一凸部和多个第二凸部啮合在一起而没有接触。
3.根据权利要求1所述的静电喷墨头，其中所述第一凸部和电极之间的最短距离或者所述第二凸部和振动膜之间的最短距离大于第一凸部与第二凸部之间的距离。
4.根据权利要求1所述的静电喷墨头，其中所述第一凸部或者第二凸部在突出方向上的横截面为矩形。
5.根据权利要求1所述的静电喷墨头，其中所述第一凸部和第二凸部具有相同形式。
6.根据权利要求1所述的静电喷墨头，其中所述第一凸部或者第二凸部形成为相同形式的多次重复。
7.根据权利要求1所述的静电喷墨头，其中所述第一凸部的突出长度从所述振动膜中心部位至端部递减。
8.根据权利要求1所述的静电喷墨头，其中所述第一凸部沿着所述振动膜的整个表面突出，或者所述第二凸部沿着所述电极的整个表面突出。
9.根据权利要求1所述的静电喷墨头，其中所述第一凸部仅从所述振动膜的中心部位突出，所述第二凸部对应于第一凸部而仅从所述电极的中心部位突出。
10.根据权利要求1所述的静电喷墨头，其中所述振动膜、第一凸部、电极以及第二凸部中的一者或多者包括单晶硅。
11.根据权利要求1所述的静电喷墨头，其中所述振动膜、第一凸部、电极以及第二凸部中的一者或多者通过微机电系统处理进行制造。
12.一种静电喷墨头，包括在一端具有墨水喷嘴的墨盒；连接到所述墨盒的墨水注入口；形成所述墨盒表面的可形变振动膜；一个或多个从所述振动膜表面突出的第一凸部；朝向所述振动膜的结构固定的电极，以及一个或多个从所述电极表面向所述振动膜突出的第二凸部；其中所述第一凸部和第二凸部被交替设置，从而使它们的侧面互相邻近。
13.一种包括权利要求12所述的静电喷墨头的墨盒。
14.一种静电喷墨打印机，包括权利要求13所述的墨盒；以及提供电源给所述电极或者振动膜的工作电路。
15.一种制造静电喷墨头的方法，包括(a)在作为静电喷墨头的电极或者振动膜的硅基底上形成PR覆盖层；(b)通过光刻技术在所述PR覆盖层上形成多个第一凸部或者多个第二凸部；(c)蚀刻所述硅基底以形成梳状第一凸部或者第二凸部；(d)去除所述PR覆盖层；以及(e)将通过(a)至(d)形成的电极和振动膜定位使得它们互相朝向，其中所述第一凸部和第二凸部形成为梳状结构，并且所述振动膜和电极定位为使得所述第一凸部和第二凸部啮合在一起而没有接触。
全文摘要
公开了一种静电喷墨头及其制造方法。所述静电喷墨头包括形成墨盒表面的形变振动膜，一个或多个从所述振动膜表面突出的第一凸部，朝向所述振动膜的结构固定的电极，以及一个或多个从所述电极表面朝向所述振动膜突出的第二凸部，其中所述第一凸部和第二凸部被交替设置，从而其侧面互相邻近。通过所述静电喷墨头可以增加静电作用力而与振动膜和电极之间的距离无关，从而增加了振动膜可以形变的最大偏移量以及墨水释放压力，从而允许释放高粘度墨水。
文档编号B41J2/14GK1830670SQ20061005830
公开日2006年9月13日 申请日期2006年3月1日 优先权日2005年3月7日
发明者林栽圣, 吴圣日, 金永财 申请人:三星电机株式会社