CN102202896A - 热喷墨打印头给送过渡腔和使用其进行冷却的方法 - Google Patents

Abstract

一种热喷墨打印头100和通过使墨流过给送过渡腔130来对流冷却打印头的方法200。该热喷墨打印头100包括横梁110和与该横梁相邻的给送通道120。该打印头还包括位于给送通道120的输入和储墨器140之间的给送过渡腔130。墨流过位于储墨器140和给送通道120之间的给送过渡腔130以进行对流冷却。用于冷却的方法200包括提供210给送过渡腔，以及使墨从储墨器经由给送过渡腔流动220至给送通道。流动的墨建立了给送过渡腔的侧壁132、134和墨之间的温度梯度。该温度梯度有利于对打印头的对流冷却。

Description

热喷墨打印头给送过渡腔和使用其进行冷却的方法

相关申请的交叉引用

无

关于联邦政府赞助研究或开发的声明

无。

技术领域

本发明涉及热喷墨装置。特别地，本发明涉及用于热喷墨装置的喷墨打印头。

背景技术

喷墨打印机和相关喷墨装置已被证明是可靠、有效且通常符合成本效益的部件，其用于将墨和其它相关的液体材料的精确控制的量准确地递送到诸如但不限于玻璃、纸张、布料、幻灯片和相关聚合物膜的各种衬底上。例如，在纸张上进行消费者市场数字打印的现代喷墨打印机提供超过2400点每英寸(DPI)的打印分辨率，提供大于20-30张每分钟的打印速度，并且在‘按需滴墨（drop-on-demand）’方法中递送通常以微微升度量的各个墨滴。由这些现代喷墨打印机所提供的相对低的成本、高打印质量和通常鲜艳的颜色输出已使得这些打印机在消费者市场上成为最常用的数字打印机。当前，除了消费者市场，还对将喷墨打印用于高速商业和工业应用中存在相当大的兴趣。

通常，用于按需滴墨喷墨打印机和相关喷墨打印***的喷墨打印头可以采用用于排出墨滴的至少两种技术的其中之一。这些技术的第一种技术采用压电效应或基于压电的排出器元件来从打印头排出墨滴。这些技术中通常被称为热喷墨打印的第二种技术采用由排出器元件产生的局部热量来使墨的一部分蒸发。由于蒸发所产生的气泡膨胀，从而将墨的剩余部分作为墨滴从喷墨打印头排出。

热喷墨打印机的操作方面的受限因素在于去除在从喷墨打印头排出墨期间所产生的过多热量。特别地，喷墨打印头的过热可能显著地限制最大排出或发射频率，并且对热喷墨打印所采用的墨的类型和通常组成施加约束。因此，已经存在并且继续存在对用于控制并从热喷墨打印头最终去除该热量的部件的相当大的兴趣。这种用于喷墨打印头的热量去除或冷却的部件将满足长期需求。

附图说明

通过参考以下结合附图进行的详细说明，本发明实施例的各种特征可以被更容易地理解，在附图中，相同的附图标记表示相似的结构元件，并且其中：

图1示出根据本发明实施例的热喷墨打印头的截面图。

图2示出根据本发明实施例的热喷墨打印头的透视图。

图3示出根据本发明实施例的用于冷却热喷墨***中的打印头的方法的流程图。

具体实施方式

本发明实施例使用对流冷却来便于从喷墨装置、打印机或***中的热喷墨打印头去除热量。该对流冷却有效地从打印头的主体提取热量，并将该热量传送至正被打印头从打印头排出的墨。与传统的打印头结构相比，本发明实施例提供打印头主体和墨之间的改善的热耦合。此外，根据本发明的各种实施例，由于墨的流动而在墨内和横跨墨与主体的界面引起相对较强的热梯度，其中，墨的流动进一步有利于主体和墨之间的热流。本发明实施例所利用的对流冷却例如可以允许实现较高的发射频率和较低的整体墨温度。

在传统的热喷墨打印头结构中，排出元件将墨作为墨滴从打印头的喷嘴排出。排出元件（例如，电阻加热器）通常位于喷嘴下面的气泡膨胀腔内。该排出器元件在气泡膨胀腔内形成气泡。气泡膨胀从而排出墨。将排出用的墨从储墨器经由给送通道提供至气泡膨胀腔。在传统结构中，储墨器与给送通道直接连通。

用于冷却热喷墨打印头的主要方式是将热量从打印头的主体传送至正被排出的墨。热传送或热流主要发生于给送通道和气泡膨胀腔内。特别地，在墨从储墨器被抽吸通过给送通道时，热流越过给送通道的侧壁并进入墨中。在墨通过喷嘴被排出时，额外的热流进入气泡膨胀腔内的墨中。将相对较小的热量从打印头主体被传送至储墨器内的墨。这样，在打印头的工作期间，给送通道和气泡膨胀腔内的墨相对较热（通常处于打印头的稳定状态温度附近），而储墨器内的墨相对较冷。

根据本发明的各种实施例，在打印头的储墨器以及一个或多个给送通道之间提供给送过渡腔。因此，从储墨器流出的墨在进入给送通道之前必须流过给送过渡腔。给送过渡腔的宽度小于储墨器的宽度。例如，给送过渡腔的宽度可能为储墨器的宽度的几分之一。

给送过渡腔的较小的宽度增大了墨和打印头主体之间的接触。特别地，给送过渡腔的侧壁面积与给送过渡腔内的墨的容积的比大于储墨器内的侧壁面积与墨容积的比。与通常存在于储墨器中的比相比，增大的比使得墨和侧壁之间的直接接触增大。相对于储墨器所提供的容量，对于给送过渡腔而言，增大了由此产生的用于将热量从打印头主体传递到墨的容量（即，热流容量）。与传统的打印头结构相比，根据本发明实施例的给送过渡腔所提供的增大的热流容量导致对打印头的改善的对流冷却。

另外，根据本发明的各种实施例，与传统的缺少给送过渡腔的打印头相比，墨内以及墨和给送过渡腔侧壁之间的热梯度增大。特别地，相对于储墨器内的墨流速而言，墨过渡腔内的墨的流速增大。墨流速的相对增大主要是由于墨过渡腔的容积与储墨器的容积相比相对较小。增大的流速使墨更快地移动经过给送过渡腔的侧壁上的任意特定点。结果，与给送过渡腔的侧壁上的特定点邻接的墨相对较冷。较冷的墨提供了更大或更显著的热梯度。增大的热梯度改善了热量从打印头主体移动至流经给送过渡腔的墨中的能力。因此，增大的流速和伴随而来的增大的热梯度进一步有利于对流冷却。

在一些实施例中，提供多个给送通道。所述多个给送通道连接在给送过渡腔和气泡膨胀腔之间。与传统的给送通道相比，所述多个的给送通道相对较长，并且具有较小的横截面积（即，相对较窄）。相对较长和较窄的多个给送通道提供了增加到由给送过渡腔所提供的接触的墨和打印头之间的接触。多个给送通道所提供的增加的接触进一步增强了热流容量和由此产生的改善的对流冷却。

另外，多个给送通道进一步抑制或缩小了局部流通路径或流量。多个给送通道内的缩窄的局部流通路径进一步增大了相对于给送过渡腔内的流速的墨流速。由于具有给送过渡腔，多个给送通道内的增大的墨流速提供了更大或更显著的热梯度。更大的热梯度改善了热量从打印头主体移动到流过给送通道的墨中的能力。由根据本发明实施例的多个给送通道提供的增大的流速和伴随而来的更大的热梯度进一步有利于对流冷却。

本发明实施例采用了横梁构造。在这样的实施例中，打印头进一步包括支撑气泡膨胀腔内的排出器元件的横梁。根据一些实施例，该横梁是从气泡膨胀腔的后侧跨越到前侧从而有效地形成气泡膨胀腔的底部的结构。横梁的各侧由气泡膨胀腔或给送通道的侧壁来勾划轮廓。例如，一对给送通道可以勾划出横梁的第一侧和第二侧的轮廓。

在一些实施例中，横梁可以包括打印头的主体的材料（例如，硅）。在其它实施例中，横梁可以包括诸如但不限于铜（Cu）或钨（W）的金属。在另外的实施例中，横梁可以包括诸如但不限于二氧化硅（SiO₂）的氧化物。

在一些实施例中，横梁进一步将气泡膨胀腔从给送过渡腔分开。特别地，在一些实施例中，给送过渡腔的顶部与横梁的底部相接触。这样，横梁的厚度可以基本构成给送过渡腔和气泡膨胀腔之间的距离。

如本文所使用的，冠词‘一个’在本专利文件中意图具有其通常的含义，即‘一个或多个’。例如，‘一层’通常是指一个或多个层，这样，‘层’在本文中是指‘（一个或多个）层’。此外，在本文中对‘顶部’、‘底部’、‘上端’、‘下端’、‘上’、‘下’、‘左侧’或‘右侧’的引用并不意图作为对本文的限制。此外，本文中的示例仅意图是例示性，并且是为了讨论的目的而并不是以限制方式被提供。

图1示出根据本发明实施例的热喷墨打印头100的截面图。图2示出根据本发明实施例的热喷墨打印头100的剖开透视图。在工作期间，打印头100将墨作为墨滴（未示出）从喷嘴102排出。例如，通过使位于喷嘴102的下方（例如，如图所示的下方）的气泡膨胀腔104中的气泡膨胀，将墨从喷嘴102排出。

在工作期间通过排出器元件106产生膨胀的气泡。如图所示，排出器元件106位于气泡膨胀腔104的底部。在一些实施例中，排出器元件106包括加热器106。例如，加热器106可以包括用于在电流流过电阻器时进行加热的电阻器。在打印头100的工作期间，加热器106向气泡膨胀腔104内的墨施加热量。墨的一部分由于该热量而蒸发，并且形成膨胀的气泡。然后，该膨胀的气泡迫使位于气泡上方的仍然是液体形式的墨排到气泡膨胀腔104外面，从而通过喷嘴102。打印头100中的过多热量的主要来源是由加热器106产生的。

根据本发明的各种实施例，热喷墨打印头100包括横梁110。横梁110跨越气泡膨胀腔104的底部的一部分。横梁110还支撑排出器元件106。在一些实施例中，横梁110包括与排出器元件106的面积基本相等的面积。在一些实施例中，横梁110相对较厚。例如，横梁110可以具有大于约10微米（μm）的厚度。在一些实施例中，横梁110的厚度可以在10μm至大约100μm之间。例如，横梁110的厚度可以约为15-25μm。

在一些实施例中，横梁110包括打印头100或（图1中没有单独标记出的）打印头的主体的材料。例如，打印头100的主体和横梁110可以包括硅（Si）。在其它实施例中，横梁110可以包括表现出良好的导热性的材料。特别地，在这样的实施例中，除了打印头100主体的材料，横梁110还可以包括其它材料，或者横梁110可以包括不同于打印头100主体的材料的材料。例如，可以将其它材料选择为具有高于打印头100主体的导热性。例如，打印头100可以包括Si，而横梁110可以包括已知比Si具有较高导热性的、诸如但不限于铜（Cu）和钨（W）的金属。

热喷墨打印头100还包括与横梁110相邻的多个墨入口或给送通道120。在一些实施例中，这多个给送通道120以气泡膨胀腔104为基础设置在横梁110的任意侧。在这些实施例的一部分中，多个给送通道120对称地设置在横梁110的两侧。多个给送通道120提供用于向气泡膨胀腔104提供墨的导管。在一些实施例中，所述多个给送通道的容积为气泡膨胀腔104和喷嘴102的容积的约0.5～约10.0倍。在一些实施例中，这多个给送通道的容积为气泡膨胀腔104和喷嘴102的容积的约0.5～约2.0倍。

例如，如图1和2所示，第一给送通道122位于横梁110的第一侧上，而第二给送通道124位于横梁110的第二侧上。进一步如图所示，示例性的第一给送通道122和示例性的第二给送通道124对称地位于横梁110的相对侧上并且沿着它们延伸。特别地，如图2所示，在气泡膨胀腔104的底部，第一给送通道122和第二给送通道124是基本为矩形的孔。第一给送通道122和第二给送通道124基本限定了横梁110的侧面。

在一些实施例中（例如，如图所示），多个给送通道120的长度基本等于横梁110的厚度。例如，横梁110的厚度和所述多个给送通道120的长度可以大于约10μm且小于约100μm。

热喷墨打印头100还包括位于横梁110下方的给送过渡腔130。给送过渡腔130与所述多个给送通道120中的每个的输入端连接。给送过渡腔130具有跨越所述多个给送通道120的宽度。给送过渡腔130的长度大于其宽度。

在一些实施例中，给送过渡腔130的宽度大于设置在横梁110的相对侧上的所述多个给送通道120的相对的外缘之间的距离。在一些实施例中，给送过渡腔130的宽度比设置在横梁110的相对侧上的多个给送通道120的相对的外缘之间的距离的大约2倍（2x）小。

给送过渡腔130的侧壁提供用于打印头100的主体和给送过渡腔130内的墨之间的热流的通路。该热流通过将热量从打印头100主体传送至流过给送过渡腔130的墨中并传送至给送通道120中，来对流冷却打印头100。

在一些实施例中，给送过渡腔130的侧壁彼此大致平行。例如，前侧壁（未示出）可以平行于后侧壁132，并且相对于后侧壁132偏移。特别地，偏移量可以基本为给送过渡腔130的深度。相似地，侧壁134可以彼此基本平行。通过本文中的定义，侧壁134相互之间偏移了与给送过渡腔130的宽度相等的距离。在一些实施例中，给送过渡腔130的长度进一步被限定为侧壁134的长度。

如图1和2中所示，给送过渡腔130位于横梁110的下方。这样，给送过渡腔130基本限定了横梁110的底部。特别地，给送过渡通道130的顶端包括横梁110的底表面。进一步如图1中所示，给送过渡通道130具有跨越设置在横梁110的两侧上的示例性第一给送通道122和示例性第二给送通道124的宽度W。换句话说，宽度W大于第一给送通道122和第二给送通道124的相对的外缘之间的距离。相对的外缘之间的距离包括横梁110的宽度。如图所示，给送过渡腔130的长度L超过宽度W。

在一些实施例中，给送过渡腔130的宽度W可以介于大约30μm至120μm之间。例如，给送过渡腔130的宽度W可以为约50μm，长度L可以为约100μm，并且深度可以为约24μm。在该示例中，给送通道120可以具有大约10μm宽乘以20μm深的矩形横截面。此外，对于该示例，横梁110的宽度可以为约20μm，深度可以为约20μm，并且厚度可以为约30μm。因此，为50μm的给送过渡腔130宽度W超过（即，跨越）横梁110和多个位于侧面的给送通道120的组合宽度（即，50μm>20μm+10μm+10μm）。在另一个示例中，给送通道120的宽度可以介于大约5μm至50μm之间，并且长度介于大约10μm至大约100μm之间。因此，如果横梁的宽度为约20μm，则给送过渡腔130的宽度W可以从大约30μm改变为大于120μm。

热喷墨打印头100还包括储墨器140。储墨器140用作热喷墨打印头100的墨源。储墨器140位于给送过渡腔130的底端。特别地，给送过渡腔130位于给送通道120和储墨器140之间，并且连接给送通道120和储墨器140。在打印头100的工作期间，来自储墨器140的墨在到给送通道120的途中穿过给送过渡腔130。如上所述，从储墨器140经由给送过渡腔130传递至给送通道120的墨对流冷却热喷墨打印头100。

图3示出根据本发明实施例的用于冷却热喷墨***中的打印头的方法200的流程图。用于冷却打印头的方法200通过将由打印头或者在打印头中产生的热量传送至流过打印头和由打印头排出的墨，来基本上提供对打印头的对流冷却。例如，根据方法200的实施例冷却打印头可以有利于以增大的发射频率和使墨以相对较低的温度排出这两个优点的其中之一或两者来使打印头工作。

用于冷却的方法200包括在打印头的储墨器和多个给送通道之间提供210给送过渡腔。所提供210的给送过渡腔的宽度跨越所述多个给送通道加上横梁的宽度。所提供210的给送过渡腔还具有超过给送过渡腔的宽度的长度。

在一些实施例中，可以在制造打印头期间提供210给送过渡腔。例如，可以使用传统的半导体制造方法，由硅（Si）块或基板来制造具有所提供210的给送过渡腔的打印头。打印头的制造可以例如包括提供Si块（例如，Si晶片），在Si块上沉积一个或多个层，以及选择性地蚀刻Si块并且可能地还蚀刻所沉积的层。在该示例中，可以通过在Si块中蚀刻出空腔来提供210给送过渡腔。在美国专利No.4,894,664、美国专利No.6,003,977和美国专利No.6,534,247中描述了可以根据本发明进行修改以提供210冷却方法200的给送过渡腔的打印头及其相应制造的示例，上述专利中的每一个的全部内容均通过引用被包含于此。

在一些实施例中，所提供210的给送过渡腔与上面参考打印头100所述的给送过渡腔130基本相似。此外，在一些实施例中，横梁、给送通道和储墨器分别可以与上面关于打印头100所述的横梁110、给送通道120和储墨器140基本相似。

用于冷却打印头的方法200还包括使墨从储墨器经由给送过渡腔流动220至所述多个给送通道。例如，使墨流动220可以是对打印头的气泡膨胀腔中的墨进行补充的结果。例如，可以在通过使排出器元件启动或发射而排出墨之后进行该补充。在排出墨之后，将给送通道120内的墨抽吸至气泡膨胀腔并再灌注气泡膨胀腔。通过从储墨器抽吸墨，来自给送过渡腔的墨继而再灌注给送通道。在多次发射过程期间所进行的墨补充基本上导致墨流动220经过给送过渡腔。使墨流动220建立了给送过渡腔的侧壁和墨之间的温度梯度。该温度梯度有利于对打印头的对流冷却。

在一些实施例中（未示出），用于冷却的方法200还包括使打印头工作在清除模式下。术语‘清除模式’是指其中在打印头的发射期间从气泡膨胀腔基本抽空所有墨的工作模式。对于热喷墨打印头的清除模式工作的讨论例如参见如上所引用的共同待决的专利申请以及其全部内容通过引用被包含于此的美国专利No.6,113,221。在采用清除模式工作的一些实施例中，墨排出期间所形成的气泡的容积基本等于位于横梁上方的膨胀腔的容积和喷嘴的容积。

因此，已经描述了热喷墨打印头和用于冷却热喷墨***的打印头的方法的实施例，这些实施例采用给送过渡腔以对流冷却打印头。应该理解的是，上述实施例仅例示说明了代表本发明的原理的许多特定实施例中的一些实施例。明显地，在没有背离由所附权利要求所限定的本发明的范围的情况下，本领域技术人员能够容易地设计出许多其它布置。

Claims (15)

1.一种热喷墨打印头100，包括：

横梁110，其支撑位于喷嘴102下方的气泡膨胀腔104内的排出器元件106；

与横梁110相邻的多个给送通道120；

位于所述横梁110下方的给送过渡腔130，所述给送过渡腔130与所述多个给送通道120的输入端连接，所述给送过渡腔130具有跨越所述多个给送通道120的宽度，并且具有大于所述宽度的长度；以及

储墨器140，其中所述给送过渡腔130连接在所述给送通道120和所述储墨器140之间，

其中，所述给送过渡腔130在所述储墨器140和所述给送通道120之间提供墨流动通路。

2.根据权利要求1所述的热喷墨打印头100，其中所述给送过渡腔130的侧壁132、134提供用于所述热喷墨打印头100的主体和所述给送过渡腔130内的墨之间的热流的通路，以对流冷却所述热喷墨打印头100。

3.根据权利要求1所述的热喷墨打印头100，其中所述给送过渡腔130包括彼此大致平行的相对的侧壁132、134。

4.根据权利要求1所述的热喷墨打印头100，其中所述给送过渡腔130的所述宽度大于所述给送通道120的相对的外缘之间的距离，但比该距离的大约两倍小，所述给送通道120位于所述横梁的相对侧上。

5.根据权利要求1所述的热喷墨打印头100，其中所述横梁110的厚度和所述多个给送通道120的长度二者都大于约10微米并且小于约100微米。

6.根据权利要求1所述的热喷墨打印头100，其中所述给送过渡腔130具有介于约30微米和约120微米之间的宽度。

7.根据权利要求1所述的热喷墨打印头100，其中所述多个给送通道120中的给送通道具有介于约5微米和约50微米之间的宽度，并且具有介于约10微米和约100微米之间的长度。

8.根据权利要求1所述的热喷墨打印头100，其中所述横梁100包括金属和硅（Si）中的一种或多种。

9.根据权利要求1所述的热喷墨打印头100，其中所述多个给送通道120中的至少第一给送通道122设置在所述横梁110的第一侧上，并且沿着所述第一侧延伸，所述多个给送通道120中的第二给送通道124设置在所述横梁110的与所述第一侧相对的第二侧上，并且沿着所述第二侧延伸，并且其中，所述多个给送通道120的容积为所述气泡膨胀腔104和所述喷嘴102的容积的约0.5倍至约10.0倍。

10.一种热喷墨***的打印头100，包括：

给送通道120对，所述给送通道120与横梁110的任意侧相邻，并设置在该侧上，所述横梁110支撑位于所述打印头100的喷嘴102下方的气泡膨胀腔104内的排出器元件106；以及

位于储墨器140和所述给送通道120之间的给送过渡腔130，所述给送过渡腔130具有跨越所述给送通道120的宽度，并且具有超过所述宽度的长度，

其中，所述给送过渡腔130使用流过位于所述储墨器140和所述给送通道120对之间的所述给送过渡腔130的墨来提供对所述打印头100的对流冷却。

11.根据权利要求10所述的打印头100，其中所述横梁110的厚度和所述给送通道120的长度二者都大于约10微米并且小于约100微米。

12.根据权利要求10所述的打印头100，其中所述给送过渡腔130包括彼此大致平行的相对的侧壁132、134。

13.根据权利要求10所述的打印头100，其中所述给送过渡腔130的所述宽度大于所述给送通道120的相对的外缘之间的距离，但比该距离的大约两倍小。

14.一种用于冷却根据权利要求1-13中任一项所述的热喷墨***中的打印头100的方法200，所述方法200包括：

在所述打印头100的储墨器140和多个给送通道120之间提供210给送过渡腔130，所述给送过渡腔130具有跨越所述多个给送通道120加上横梁110的宽度，并且具有超过所述宽度的长度；以及

使墨从所述储墨器140经由所述给送过渡腔130流动220至所述多个给送通道120，

其中，流动的墨建立了所述给送过渡腔130的侧壁132、134和墨之间的温度梯度，所述温度梯度有利于对所述打印头100的对流冷却。

15.根据权利要求14所述的用于对流冷却打印头100的方法200，还包括使所述打印头100工作在清除模式下，其中，在墨排出期间由排出器元件106的启动而形成的气泡的容积基本等于位于所述横梁110上方的膨胀腔104的容积和喷嘴102的容积。

Images