专利名称：高效喷墨喷嘴组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及喷墨喷嘴组件。本发明主要用于提高热弯曲致动喷墨喷嘴的效率和提高液滴喷射特性。
背景技术：
申请人:先前已经描述了使用热弯曲致动的众多MEMS喷墨喷嘴。热弯曲致动通常是指一种电流从其流过的材料相对于另一种材料的热膨胀产生的弯曲运动。可以利用产生的弯曲运动从喷嘴开口喷墨，任选地通过桨叶或叶片的运动来进行喷墨，所述桨叶或叶片的运动在喷嘴腔内产生压力波。在上面的交叉引用部分中所列出的专利和专利申请中举例说明了一些典型类型的热弯曲喷墨喷嘴，其内容引入本文作为参考。申请人:的美国专利No. 6，416，167描述了一种喷墨喷嘴，其具有位于喷嘴腔中的桨叶和位于喷嘴腔外面的热弯曲致动器。致动器采用熔焊到由非传导材料(例如二氧化硅)制成的上部被动梁的由传导材料(例如氮化钛)制成的下部主动梁形式。致动器通过穿过位于喷嘴腔壁中的狭槽被接纳的臂连接到桨叶。在电流流过下部主动梁时，致动器向上弯曲，因此，桨叶朝向限定在喷嘴腔顶部中的喷嘴开口移动，从而喷出墨滴。这种设计的优点在于其结构简单。这种设计的缺陷在于桨叶的两个表面都要对喷嘴腔内相对粘稠的墨水做功。申请人:的美国专利No. 6，260, 953描述了一种喷墨喷嘴，其中，致动器形成喷嘴腔的移动顶部。致动器采取由聚合材料包裹的传导材料制成的螺旋芯部的形式。在致动时，致动器朝向喷嘴腔底部弯曲，增大腔内压力并将墨滴从限定在腔顶部中的喷嘴开口喷出。喷嘴开口限定在顶部的非移动部分中。这种设计的优点在于，移动顶部只有一个表面必须对喷嘴腔内的相对粘稠的墨水做功。这种设计的缺陷在于，难以在MEMS制造工艺中实现由被聚合材料包裹的螺旋传导元件构造致动器。申请人:的美国专利No. 6，623，101描述了一种喷墨喷嘴，其包括具有活动顶部的喷嘴腔，所述活动顶部具有限定在其中的喷嘴开口。活动顶部通过臂连接到位于喷嘴腔外面的热弯曲致动器。致动器采用与下部被动梁隔开的上部主动梁形式。由于被动梁不能用作主动梁的散热装置，通过使主动梁和被动梁隔开，热弯曲效率达到最大。当电流流过上部主动梁时，引起具有限定在其中的喷嘴开口的活动顶部朝向喷嘴腔底部旋转，从而通过喷嘴开口进行喷射。因为喷嘴开口随顶部移动，可以通过适当改进喷嘴边缘的形状控制液滴飞行方向。这种设计的优点在于，移动顶部只有一个表面必须对喷嘴腔内相对粘稠的墨水做功。另一优点在于通过将主动梁构件与被动梁构件隔开可以实现最小热损耗。这种设计的缺陷在于，使主动梁构件和被动梁构件隔开造成了结构刚度上的损失。到此为止，应当理解的是，由弯曲致动器致动的喷墨喷嘴需要移动必要体积的墨水以便从喷嘴开口喷出预定体积的墨滴。因此，喷墨喷嘴设计主要集中在对于给定能量输入提供热弯曲致动器的最大位移。
需要提升热弯曲致动器的弯曲致动效率，同时允许在喷墨打印头中实现更密集的喷嘴组装并且使液滴喷射特性最佳化。
发明内容
在第一方面，本发明提供了一种喷墨喷嘴组件，包括喷嘴腔，其用于容纳墨水，所述腔具有喷嘴开口和墨水进口 ；一对电触点，其位于所述组件的一端并连接到驱动电路；和热弯曲致动器，其用于通过所述喷嘴开口进行喷墨，所述致动器包括主动梁，其连接到所述电触点并远离所述触点纵向延伸，所述主动梁限定所述触点之间的弯曲电流流动路径；和被动梁，其熔焊到所述主动梁，使得当电流流过所述主动梁时，所述主动梁变热并相对于所述被动梁膨胀以使所述致动器弯曲，其中，所述致动器具有用于在所述致动器的所述弯曲期间在所述墨水中产生正压力脉冲的工作面，所述工作面具有小于800平方微米的面积。可选择地，所述工作面具有小于600微米的面积。可选择地，所述工作面由所述被动梁的表面限定。可选择地，所述喷墨喷嘴组件构造成提供至少2. 5m/s的致动器峰值速度。可选择地，所述驱动电路构造成向所述主动梁传送致动脉冲，每个致动脉冲向所述主动梁传送小于200nJ的能量。可选择地，所述驱动电路构造成向所述主动梁传送致动脉冲，每个致动脉冲具有小于0.2微秒的脉冲宽度。可选择地，所述主动梁和被动梁各具有小于50微米的长度。可选择地，所述主动梁和被动梁各具有小于15微米的宽度。可选择地，所述主动梁和被动梁具有至少1. 5微米的组合厚度。可选择地，所述主动梁包括从第一触点纵向延伸的第一臂、从第二触点纵向延伸的第二臂以及连接所述第一臂和第二臂的连接构件。可选择地，所述第一臂和第二臂中的每一个包括各自的电阻加热元件，所述电阻加热元件具有小于5微米的宽度。可选择地，所述连接构件使所述第一臂和第二臂的远端相互连接，所述远端相对于所述电触点位于远侧。可选择地，所述主动梁包括选自下列组中的材料，所述组包括氮化钛、氮化钛铝和钒铝合金。可选择地，所述被动梁包括选自下列组中的材料，所述组包括二氧化硅、氮化硅
和氮氧化硅。可选择地，所述喷嘴腔包括底部和具有活动部的顶部，其中所述致动器的致动使所述活动部朝向所述底部移动。可选择地，所述活动部包括所述致动器。 可选择地，所述喷嘴开口限定在所述活动部中，使得所述喷嘴开口能相对于所述底部移动。
可选择地，所述喷墨喷嘴组件具有小于1500平方微米的占用面积。在另一方面，本发明提供了一种包括多个喷嘴组件的喷墨打印头，每个组件包括喷嘴腔，其用于容纳墨水，所述腔具有喷嘴开口和墨水进口 ；一对电触点，其位于所述组件的一端并连接到驱动电路；和热弯曲致动器，其用于通过所述喷嘴开口进行喷墨，所述致动器包括主动梁，其连接到所述电触点并远离所述触点纵向延伸，所述主动梁限定所述触点之间的弯曲电流流动路径；和被动梁，其熔焊到所述主动梁，使得当电流流过所述主动梁时，所述主动梁变热并相对于所述被动梁膨胀以使所述致动器弯曲，其中，所述致动器具有用于在所述致动器的所述弯曲期间在所述墨水中产生正压力脉冲的工作面，所述工作面具有小于800平方微米的面积。在第二方面，本发明提供了一种喷墨打印机，包括具有多个喷嘴组件的打印头，每个喷嘴组件包括喷嘴腔，其用于容纳墨水，所述腔具有喷嘴开口和墨水进口 ；和弯曲致动器，用于通过在所述致动器弯曲期间在所述墨水中产生正压力脉冲而将墨滴从所述喷嘴开口喷出；和供墨系统，其用于向所述打印头供应墨水；和用于改变供应给所述打印头的墨水的流体静压力的装置，其中，增大流体静力墨水压力增加了所述喷出墨滴的体积，减少所述流体静力墨水压力减小了所述喷出墨滴的体积。可选择地，所述喷出墨滴的体积可以相对于最小液滴体积增大至少100 %。可选择地，打印头表面由疏水层限定。可选择地，所述疏水层是PDMS层。可选择地，所述疏水层沉积在相对亲水喷嘴板上。 可选择地，墨水弯液面在亲水/亲水界面处钉住每个喷嘴开口。可选择地，每个喷嘴组件包括用于将致动脉冲传送给所述弯曲致动器的驱动电路。可选择地，所述驱动电路构造成使每个致动脉冲给所述致动器传送小于200nJ的能量。可选择地，所述弯曲致动器包括主动梁，其连接到一对电触点；和被动梁，其与所述主动梁机械配合，使得当电流流过所述主动梁时，所述主动梁变热并相对于所述被动梁膨胀以使所述致动器弯曲。可选择地，每个喷嘴组件包括位于其一端处的所述一对电触点，并且其中，所述主动梁远离所述触点纵向延伸以限定所述触点之间的弯曲电流流动路径。可选择地，所述主动梁熔焊到所述被动梁上。可选择地，所述主动梁包括从第一触点纵向延伸的第一臂、从第二触点纵向延伸的第二臂以及连接所述第一臂和第二臂的连接构件。
可选择地，所述第一臂和第二臂中的每一个包括各自的电阻加热元件。可选择地，所述连接构件使所述第一臂和第二臂的远端相互连接，所述远端相对于所述电触点位于远侧。可选择地，所述主动梁包括选自下列组中的材料，所述组包括氮化钛、氮化钛铝和钒铝合金。可选择地，所述被动梁包括选自下列组中的材料，所述组包括二氧化硅、氮化硅
和氮氧化硅。可选择地，每个喷嘴腔包括底部和具有活动部的顶部，其中所述致动器的致动使所述活动部朝向所述底部移动。可选择地，所述活动部包括所述致动器。可选择地，所述喷嘴开口限定在所述活动部中，使得所述喷嘴开口能相对于所述底部移动。在另一个方面，本发明提供了一种构造打印头以喷出预定体积的墨滴的方法，所述方法包括以下步骤(i)提供具有多个喷嘴组件的打印头，每个喷嘴组件包括喷嘴腔，其用于容纳墨水，所述腔具有预定尺寸的喷嘴开口 ；和弯曲致动器，用于通过在所述致动器弯曲期间在所述墨水中产生正压力脉冲而将墨滴从所述喷嘴开口喷出；(ii)改变供应给所述打印头的墨水的流体静压力，从而改变喷出的墨滴的体积；(iii)确定与所述预定量相对应的最佳流体静力墨水压力；和(iv)构造供墨系统以在所述最佳流体静力墨水压力下向所述打印头供墨。在第三方面，本发明提供了一种构造成喷出体积为1到2. 5pL的墨滴的喷墨打印机，所述打印机包括打印头，其具有多个喷嘴组件，每个喷嘴组件包括喷嘴腔，其用于容纳墨水，所述腔具有喷嘴开口和墨水进口，所述喷嘴开口具有4到12微米的最大尺寸；和弯曲致动器，其用于通过在所述致动器弯曲期间在所述墨水中产生正压力脉冲而将墨滴从所述喷嘴开口喷出；和供墨系统，其构造成在1到300毫米水柱的正流体静压力下给所述打印头供墨。可选择地，所述喷嘴开口具有6到10微米的最大尺寸。可选择地，所述供墨系统构造成在5到200毫米水柱的正流体静压力下给所述打印头供墨。可选择地，所述流体静压力在灌注所述打印头时在所述喷嘴开口处提供凸液面。可选择地，打印头表面由疏水层限定。可选择地，所述疏水层是PDMS层。可选择地，所述疏水层沉积在相对亲水喷嘴板上。可选择地，墨水弯液面在亲水/亲水界面处钉住每个喷嘴开口。可选择地，每个喷嘴组件包括用于将致动脉冲传送给所述弯曲致动器的驱动电路。
可选择地，所述驱动电路构造成使每个致动脉冲给所述致动器传送小于200nJ的
能量°可选择地，所述弯曲致动器包括主动梁，其连接到一对电触点；和被动梁，其与所述主动梁机械配合，使得当电流流过所述主动梁时，所述主动梁变热并相对于所述被动梁膨胀以使所述致动器弯曲。可选择地，每个喷嘴组件包括位于其一端处的所述一对电触点，并且其中，所述主动梁远离所述触点纵向延伸以限定所述触点之间的弯曲电流流动路径。可选择地，所述主动梁熔焊到所述被动梁。可选择地，所述主动梁包括从第一触点纵向延伸的第一臂、从第二触点纵向延伸的第二臂以及连接所述第一臂和第二臂的连接构件。可选择地，所述第一臂和第二臂中的每一个包括各自的电阻加热元件。可选择地，所述主动梁包括选自下列组中的材料，所述组包括氮化钛、氮化钛铝和钒铝合金。可选择地，所述被动梁包括选自下列组中的材料，所述组包括二氧化硅、氮化硅
和氮氧化硅。可选择地，每个喷嘴腔包括底部和具有活动部的顶部，其中所述致动器的致动使所述活动部朝向所述底部移动。可选择地，所述活动部包括所述致动器。 可选择地，所述喷嘴开口限定在所述活动部中，使得所述喷嘴开口能相对于所述底部移动。
现在参考附图仅以举例方式对本发明的实施例进行描述，其中图1是已部分制造的喷墨喷嘴组件的剖开透视图；图2是图1所示喷墨喷嘴组件在完成最终制造步骤之后的剖开透视图；图3A示意性地显示了在负流体静压力下供以墨水的任意打印头；图;3B示意性地显示了在正流体静压力下供以墨水的任意打印头；图4显示了在负流体静压力下灌注墨水的喷墨喷嘴组件；图5显示了在正流体静压力下灌注墨水的喷墨喷嘴组件；和图6示意性地显示了具有供墨系统的喷墨打印机，所述供墨系统构造为在变化的流体静压力下供应墨水。
具体实施例方式为最大液滴喷射速度构造的热弯曲致动器图1和2显示了处于两个不同制造阶段的喷嘴组件100。喷嘴组件在结构上与申请人先前提交的申请日为2007年6月15日的美国申请No. 11/763，440中描述的喷嘴组件类似，该申请的内容在此引入作为参考。图1显示了部分形成的喷嘴组件以便说明主动和被动梁层的特征。因此，参考图1，显示了形成在CMOS硅衬底102上的喷嘴组件100。喷嘴腔由与衬底102隔开的顶部104 和从所述顶部延伸到衬底102的侧壁106限定。顶部104包括活动部108和静止部110，所述活动部和静止部之间具有间隙109。喷嘴开口 112限定在活动部108中以进行喷墨。活动部108包括具有一对悬臂梁的热弯曲致动器，所述悬臂梁形式为熔焊到下部被动梁116上的上部主动梁114。下部被动梁116限定了顶部的活动部108的范围。上部主动梁114包括一对臂114A和114B，其从相应电极触点118A和118B纵向伸出。臂114A 和114B在其远端由连接构件115连接。连接构件115可以包括钛导电垫117，其有助于该连接区域周围的导电性。因此，主动梁114限定了电极触点118A和118B之间的弯曲或曲折的传导路径。电极触点118A和118B在喷嘴组件的一端彼此相邻地定位并且通过相应连接柱 119连接到衬底102的金属CMOS层120上。CMOS层120容纳用于致动弯曲致动器的必要的驱动电路。被动梁116典型地由任何电绝缘和热绝缘材料制成，例如二氧化硅、氮化硅等。热弹性主动梁114可以由任何适当的热弹性材料制成，例如氮化钛、氮化钛铝和铝合金。如申请人于2006年12月4日提交的共同待审的美国申请No. 11/607，976(代理人案号IJ70US) 中所述，钒铝合金是优选的材料，因为它们综合了高热膨胀、低密度和高杨氏模量的有利性质。参考图2，显示了处于后续制造阶段的完成的喷嘴组件100。图2所示喷嘴组件具有喷嘴腔122和用于将墨水供应给喷嘴腔的墨水进口 124。另外，顶部104(其限定了打印头的刚性喷嘴板的一部分)覆盖有诸如聚二甲硅氧烷(PDMS)的聚合材料层126。聚合层 126具有多种功能，包括保护弯曲致动器，使顶部104(和打印头表面)疏水化以及为间隙 109提供机械密封。聚合层1 具有足够低的杨氏模量以允许墨水穿过喷嘴开口 112致动和喷出。关于聚合层126的更详细的说明(包括其功能和制造)可以参见例如于2007年 11月四日提交的美国申请No. 11/946，840，其内容在此引入作为参考。当需要从喷嘴腔122喷出墨滴时，电流流过电极触点118之间的主动梁114。主动梁114由电流迅速加热并且相对于被动梁116膨胀，从而使活动部108相对于静止部110朝向衬底102向下弯曲。这个运动继而通过喷嘴腔122内部压力迅速升高而导致墨水从喷嘴开口 112喷出。当电流停止流动时，允许活动部108返回其静止位置(如图1和2所示)， 这将墨水从进口 1 吸入喷嘴腔122中，为下一次喷射做准备。在图1和2所示喷嘴设计中，弯曲致动器有利地限定每个喷嘴组件100的至少一部分活动部108。这不仅简化了喷嘴组件100的总体设计和制造，而且由于活动部108只有一个表面(即，下“工作面”)得对相对粘稠的墨水做功，还提供了较高的喷射效率。比较而言，具有位于喷嘴腔122内部的致动器桨叶的喷嘴组件效率不高，因为致动器的两个表面都得对腔室内的墨水做功。然而，仍然需要提高弯曲致动器的总效率。根据本发明，热弯曲致动器的工作面具有小于800平方微米的面积。可选择地，工作面具有小于700平方微米或者小于600平方微米的面积。如图1和2所示，热弯曲致动器的工作面通常由被动梁116的下表面(内表面) 限定，其要对容纳在喷嘴腔122中的墨水做功。
热弯曲致动器工作面面积的减小将明显偏离热弯曲致动器的先前设计。到此为止，应当理解的是，必要体积墨水的位移是控制墨滴从喷嘴开口喷出的主要因素。因此，为了以可接受的墨滴喷射速度(例如，5-15m/s)实现l-2pL(例如，1.2-1. 8pL)的典型墨滴体积，以前理解的是，需要面积为至少1500平方微米的工作面进行位移。改进液滴喷射特性的尝试过去集中在通常通过延长致动器实现的使致动器位移最大化，和增大其工作面的面积。然而，申请人的实验现已发现，预料不到的是，致动器在弯曲致动期间的峰值速度是提供最佳墨滴喷射(就可接受的墨滴速度和墨滴体积而言)的更为重要的因素。如果所实现的致动器的峰值速度足够大，即使工作面的表面面积相对较小，也可以获得出色的墨滴喷射。足够大的致动器峰值速度典型地为至少大约2. 5m/s。可以通过主动梁在致动期间受热的迅速程度控制致动器峰值速度。如申请人于 2008年5月5日提交的美国申请No. 12/114，拟6(其内容在此引入作为参考)所述，通过小于0. 2微秒(例如大约0. 1微秒)的较短致动脉冲宽度和/或包括具有较小横截面积(例如，小于10平方微米或小于5平方微米)的加热元件的主动梁，可以实现主动梁的迅速加热。典型地，每个加热元件具有小于5微米的宽度。然而，致动器峰值速度也与工作面的面积相关，因为当工作面具有较小面积时，对墨水做功较少。已经发现，当工作面具有200到800平方微米、或者250到700平方微米或 300到650平方微米的面积时，本发明可以实现最佳液滴喷射特性。当这样的工作面以至少 2. 5m/s的峰值速度位移时，通常获得6-12m/s或8-lOm/s的可接受的墨滴喷射速度。从上文可知，应当理解的是，本发明使包括热弯曲致动器的喷墨喷嘴组件中的工作面的面积显著减小。因此，每个喷墨喷嘴组件的所占用面积可以减小，从而在喷墨打印头上能够获得更密集的喷嘴组装。典型地，根据本发明的打印头中每个喷嘴组件的所占用积小于1200平方微米，或者小于1000平方微米，或者小于800平方微米。更具体地说，可以通过长度小于60微米或小于50微米的热弯曲致动器减小工作面的面积。致动器长度的减小增大了致动器沿弯曲方向的刚性，这进一步提升了致动器的总效率。致动器沿弯曲方向的刚性还取决于致动器的总厚度。可选择地，弯曲致动器具有至少1. 3微米或至少1. 5微米的厚度。此外，可以通过宽度小于20微米或小于15微米的热弯曲致动器减小工作面的面积。致动器宽度的减小在增大打印头上的喷嘴排列密度方面具有最大效果，因为一排喷嘴中可以装入更多的喷嘴。最终，本发明既实现了高喷嘴排列密度以及出色的墨滴喷射效率，又实现了出色的墨滴特性。例如，小于200nJ(或小于150nJ)的输入能量以大约0. 1微秒的脉冲宽度传送时足以产生至少2. 5m/s的致动器峰值速度。这导致8-lOm/s的墨滴喷射速度。此外，喷射的墨滴形状良好，并且惊人的是几乎没有卫星滴。卫星滴在喷墨打印中是众所周知的，其由喷出的墨滴的尾部崩裂成微小的卫星滴产生，所述卫星滴与主墨滴分开。卫星滴很成问题并且可能影响总体打印质量。本发明人理解到，至少2. 5m/s的较高致动器峰值速度可以减少卫星滴数量。通常，卫星滴与高墨滴喷射速度相关，但是本发明惊人地显示出，即使在至少7m/s、至少8m/s或至少9m/s的较高墨滴喷射速度下也几乎没有卫星滴。总之，在控制液滴喷射特性方面，致动器的最大位移及较大工作面面积与致动器峰值速度相比，重要性应小得多；通过使工作面面积尽量减小，可以在给定输入能量下获得
更大的致动器峰值速度。 利用墨水压力控制液滴尺寸大部分喷墨打印机在负流体静力墨水压力下工作。这主要是为避免墨水在打印头表面上不受控制的溢流，尤其是在打印停止时。此外，当墨水弯液面由于表面张力钉住喷嘴开口时，优选地具有与凸液面(从打印头向外隆起)相反的凹液面，因为凸液面易被打印头表面上的颗粒碰破，从而导致微小溢流。图4A显示了利用负流体静力墨水压力具有凹液面 202的典型喷墨喷嘴200，图4B显示了利用正流体静压力具有凸液面204的同一喷墨喷嘴。已知存在各种用于控制喷墨打印头中的流体静力墨水压力的手段。适当构造的供墨系统能够以必要的墨水压力传送墨水，已知有很多不同形式的供墨系统。例如，墨水储存器相对于打印头的位置可以提供非常简单的压力控制形式-位于打印头205上方的墨水储存器206提供正流体静力墨水压力(参见图4B)；位于打印头205下方的墨水储存器206 提供负流体静力墨水压力(参见图4A)。用于控制打印头中的流体静力墨水压力的其它手段落入本领域技术人员的知识范畴之内，并且具体的压力控制手段的细节与本发明关系不大。如上所述，本申请人研发了具有疏水表面的喷墨打印头。该疏水表面典型地为 PDMS层126，其在打印头制造后期沉积在喷嘴顶部104上(例如，参见申请人于2007年11 月四日提交的美国申请No. 11/946,840)。由于喷嘴腔的顶部104通常具有疏水性、由二氧化硅或氮化硅制成，墨水弯液面在限定于顶部层104和PDMS层1 之间的亲水/疏水界面处钉住喷嘴开口 112。图5显示了如上所述的喷嘴设备100中具有负流体静力墨水压力的墨水凹液面150。如美国申请No. 11/946，840所述，疏水PDMS层1 有助于使打印头表面溢流最小化。因此，PDMS层1 能够使凸液面成为可能而不具有打印头表面溢流的高风险。如图6 所示，由于PDMS层126的厚度的缘故、以及由于弯液面151钉住亲水/疏水界面的缘故，凸液面151不从打印头表面(由PDMS层的外表面128限定)伸出。PDMS层1 有效防止弯液面151受到任何颗粒影响，同时起能障作用使打印头表面溢流最小化——墨水通过毛细管作用移动到疏水PDMS层1 上的倾向最小，在能量方面更有助于在亲水/疏水界面处保持钉住。因此，PDMS层1 不会限制喷嘴组件100与负压供墨源结合使用。在没有负流体静力墨水压力的约束下，申请人的实验已经发现，带有凸液面151的正流体静力墨水压力在本文描述的弯曲致动喷嘴组件100中惊人地提供非常不同的液滴喷射特性。惊人的发现是，对于喷嘴开口 112的给定尺寸(例如直径)来说，与在负流体静力墨水压力下供应墨水的相同喷嘴开口相比，正流体静力墨水压力提供更大尺寸和体积的喷出墨滴。到此为止，所理解的是，决定墨滴体积的主要因素是喷嘴开口 112的直径。典型地，预期喷出墨滴具有与喷射该墨滴的喷嘴开口相同的直径。因此，直径为12微米的喷嘴开口典型地喷射大约0.9pL (这对于一些应用来说可能过小)的墨滴。14微米喷嘴开口典型地喷射大约1.4pL(据认为，这对于大部分喷墨应用来说是可接受的液滴体积)的墨滴。 通常，范围在1-2. 5pL、或l-2pL的液滴体积被认为是可接受的液滴体积。然而，当墨滴从具有正流体静力墨水压力的图6所示喷嘴组件喷出时，与具有负流体静力墨水压力的图5所示喷嘴组件相比，发现喷出的墨滴体积高达1. 5倍、2倍或3倍。因此，具有弯曲致动喷嘴100的打印头可以根据由供墨系统提供的流体静力墨水压力进行不同的设计或不同的操作。例如，对于必要的液滴体积来说，如果使用正流体静力墨水压力的话，与更为常见的负流体静压力相比，喷嘴开口可以制造得更小。这继而允许利用更小尺寸喷嘴开口在打印头上获得更密集的喷嘴组装。典型地，正流体静压力可为1到 300毫米水柱，可选择地为5到200毫米水柱，或者可选择地为10到100毫米水柱。利用这样的正墨水压力，喷嘴开口可以具有4到12微米、或者可选择地5到11微米、或者可选择地6到10微米的最大尺寸，并且仍然获得可接受的液滴体积。对于圆形喷嘴开口而言，最大尺寸是其直径；对于椭圆形喷嘴开口而言，最大尺寸是其长轴的长度。此外，打印头可以通过改变由供墨系统提供的流体静压力就地进行不同的操作。 一些打印头应用(例如，纯黑文本打印)可能需要通过在正流体静压力下操作而获得较大的液滴体积。较大的液滴体积将更多的墨水放置在页面上，使光学密度最大化，这在将黑色文本打印到标准办公用纸上时尤为需要。替代地，一些打印头应用(例如，照片打印)可能需要通过在较低(例如，负)流体静力墨水压力下操作而获得较小的液滴体积。较小的液滴体积获得较高的打印分辨率，这对于照片打印应用来说尤为需要。在基本不改变喷嘴设计的情况下改变液滴体积的能力对于喷墨打印来说具有重要作用。喷墨打印的目标是提供SOHO打印机，其能够在不牺牲光学密度或照片质量的情况下打印纯黑文本和/或照片。同样地，为打印在不同纸张类型上就地使液滴体积最佳化对于喷墨打印机技术来说是重要的进步。举例来说，图4A和4B示意性地显示了包括任意打印头205和供墨系统的打印机， 所述供墨系统能够通过改变墨水储存器206相对于打印头的高度传送不同的流体静力墨水压力。毫无疑问，通过供墨系统就地改变流体静力墨水压力的更复杂的装置对于本领域技术人员来说显而易见。例如，如图7所示，可以使用与墨水储存器206中的顶部空间211 连通的可逆空气泵210、以及向空气泵提供反馈信号214的墨水压力传感器212。毫无疑问，应当认识到，以上仅以举例方式对本发明进行了描述，在由所附权利要求限定的本发明的范围内可以进行细节改进。
权利要求
1.一种喷墨喷嘴组件，包括喷嘴腔，其用于容纳墨水，所述腔具有喷嘴开口和墨水进口 ；一对电触点，其位于所述组件的一端并连接到驱动电路；和热弯曲致动器，其用于通过所述喷嘴开口进行喷墨，所述致动器包括主动梁，其连接到所述电触点并远离所述触点纵向延伸，所述主动梁限定所述触点之间的弯曲电流流动路径；和被动梁，其熔焊到所述主动梁，使得当电流流过所述主动梁时，所述主动梁变热并相对于所述被动梁膨胀以使所述致动器弯曲，其中，所述致动器具有用于在所述致动器的所述弯曲期间在所述墨水中产生正压力脉冲的工作面，所述工作面具有小于800平方微米的面积。
2.如权利要求1所述的喷墨喷嘴组件，其中，所述工作面具有小于600微米的面积。
3.如权利要求1所述的喷墨喷嘴组件，其中，所述工作面由所述被动梁的表面限定。
4.如权利要求1所述的喷墨喷嘴组件，其构造成提供至少2.5m/s的致动器峰值速度。
5.如权利要求1所述的喷墨喷嘴组件，其中，所述驱动电路构造成向所述主动梁传送致动脉冲，每个致动脉冲向所述主动梁传送小于200nJ的能量。
6.如权利要求1所述的喷墨喷嘴组件，其中，所述驱动电路构造成向所述主动梁传送致动脉冲，每个致动脉冲具有小于0. 2微秒的脉冲宽度。
7.如权利要求1所述的喷墨喷嘴组件，其中，所述主动梁和被动梁各具有小于50微米的长度。
8.如权利要求1所述的喷墨喷嘴组件，其中，所述主动梁和被动梁各具有小于15微米的宽度。
9.如权利要求1所述的喷墨喷嘴组件，其中，所述主动梁和被动梁具有至少1.5微米的组合厚度。
10.如权利要求1所述的喷墨喷嘴组件，其中，所述主动梁包括从第一触点纵向延伸的第一臂、从第二触点纵向延伸的第二臂以及连接所述第一臂和第二臂的连接构件。
11.如权利要求9所述的喷墨喷嘴组件，其中，所述第一臂和第二臂中的每一个包括各自的电阻加热元件，所述电阻加热元件具有小于5微米的宽度。
12.如权利要求9所述的喷墨喷嘴组件，其中，所述连接构件使所述第一臂和第二臂的远端相互连接，所述远端相对于所述电触点位于远侧。
13.如权利要求1所述的喷墨喷嘴组件，其中，所述主动梁包括选自下列组中的材料， 所述组包括氮化钛、氮化钛铝和钒铝合金。
14.如权利要求1所述的喷墨喷嘴组件，其中，所述被动梁包括选自下列组中的材料， 所述组包括二氧化硅、氮化硅和氮氧化硅。
15.如权利要求1所述的喷墨喷嘴组件，其中，所述喷嘴腔包括底部和具有活动部的顶部，其中所述致动器的致动使所述活动部朝向所述底部移动。
16.如权利要求15所述的喷墨喷嘴组件，其中，所述活动部包括所述致动器。
17.如权利要求16所述的喷墨喷嘴组件，其中，所述喷嘴开口限定在所述活动部中，使得所述喷嘴开口能相对于所述底部移动。
18.如权利要求1所述的喷墨喷嘴组件，其中，所述喷墨喷嘴组件具有小于1500平方微米的占用面积。
19. 一种包括多个如权利要求1所述的喷嘴组件的喷墨打印头。
全文摘要
一种喷墨喷嘴组件，包括用于容纳墨水的喷嘴腔，所述腔具有喷嘴开口和墨水进口；一对位于所述组件的一端并连接到驱动电路上的电触点；和用于通过所述喷嘴开口进行喷墨的热弯曲致动器，所述致动器包括连接到所述电触点并远离所述触点纵向延伸的主动梁，所述主动梁限定了所述触点之间的弯曲电流流动路径；和熔焊到所述主动梁上的被动梁，使得当电流流过所述主动梁时，所述主动梁变热并相对于被动梁膨胀以使所述致动器弯曲，其中，所述致动器具有用于在所述致动器的弯曲期间在所述墨水中产生正压力脉冲的工作面，所述工作面具有小于800平方微米的面积。
文档编号B81B3/00GK102164748SQ200880131225
公开日2011年8月24日 申请日期2008年9月29日 优先权日2008年9月29日
发明者G·J·麦克沃依, K·西尔弗布鲁克, V·P·劳勒 申请人:西尔弗布鲁克研究股份有限公司