TWI460080B - 噴墨噴嘴的微除乾化 - Google Patents

Description

噴墨噴嘴的微除乾化

本發明係有關於噴墨列印機的維修。其主要是針對可有助於修維作業的進行而開發的，例如列印頭的除乾化(Capping)。

噴墨列印機是一般家庭及辦公室所常見的。但是，所有市面上可購得的噴墨列印機均有印刷速度慢的困擾，因為列印頭必須要掃描通過一張固定不動的紙張。在列印頭每一次掃過之後，紙張則向前進一步，直到製作出整頁列印好的紙。

噴墨列印的一項目的是要提供一種固定式的頁寬列印頭，以使得紙張可能連續地進給通過列印頭，進而大幅度地增加列印速度。本案申請人曾利用微機電技術開發出許多不同型式的頁寬噴墨列印頭，其中有一些在前述的交互參照一節中所列的專利案或專利申請案中曾提到過。

這些專利及專利申請案係透過交互參照其完整內容而結合於本文內。

除了製造頁寬式噴墨列印頭的技術上的挑戰，任何噴墨列印的一項重要因素是要在其生命期間保持列印頭於一種可作動的列印狀態。有許多的因素可使得噴墨列印頭變成無法作動，任何一種噴墨列印機都要有一種策略來防止列印頭故障及/或在故障時將列印頭恢復成可作動的列印 狀態。列印頭故障可由例如列印頭表面漫流(flooding)、噴嘴乾涸(因為噴嘴內水份蒸發掉-這是一種此技術中稱為乾化(Decap)的現象)、或是顆粒堵住噴嘴等所造成。

在列印頭閒置期間時顆粒累積在其上的情形要避免。再者，形式為紙灰(Paper Dust)的顆粒是高速頁寬列印中特別的一項問題。這是因為紙張通常是以高速進給穿過一紙導件，並通過列印頭。與習用以遠低許多之速度進給紙張的掃描式噴墨列印頭相比較下，紙張與紙導件間的摩擦接觸會產生大量的紙灰。因此，頁寬式列印頭很容易在列印的過程中將紙灰累積於它們的墨水噴出面上。任何顆粒的累積，不論是在閒置期間或是在列印的過程中，均是很不希望發生的。

在最壞的情形中，顆粒會堵塞住列印頭上的噴嘴，阻擋這些噴嘴噴射出墨水。更常見的情形是，紙灰堵住噴嘴，造成列印時墨水方向錯誤。方向錯誤是很不希望發生的，會造成無法接受的低列印品質。

一般而言，在閒置期間要將列印頭除乾化。在某些商用的列印機中，在列印機閒置時，墊圈狀的密封環及封蓋會嚙合住列印頭的周邊。第1A圖及第1B圖示意地顯示出習用供噴墨列印頭用的周邊式除乾化裝置。一列印頭1包含有多個噴嘴3，構成一墨水噴射面4。一除乾器2包含有一硬質本體5及一周邊密封環6。在第1B圖中，該除乾器2嚙合於該列印頭1，以使得該周邊密封環6接觸並 密封地嚙合該墨水噴射面4。除乾器本體5、密封環6及墨水噴射面4共同構成除乾器2嚙合於列印頭1時的一除乾腔室7。由於除乾腔室7是密封的，自噴嘴3蒸發掉的墨水可減至最少。此種配置方式的一項優點是，除乾器2不會與噴嘴實體接觸，因此可避免掉任何對於噴嘴的損傷。此種配置的缺點在於除乾腔室7仍保存有大量的空氣，也就是說無法避免有一些墨水蒸發進入至除乾腔室內。

另一種方式，第2A圖及第2B圖中顯示出一供列印頭用的接觸式除乾化裝置，其中除乾器10會與墨水噴射面4相接觸。雖然此種裝置可將墨水蒸發減至最少，但是除乾器10與墨水噴射面4間的觸碰通常是不希望有的。首先，墨水噴射面通常是由以硬質陶瓷材料所構成的噴嘴板所組成的，該硬質陶瓷材料會損傷除乾器10的除乾化表面11。其次，墨水之凹凸面與除乾器10間的接觸會造成除乾化表面11的污損，通常會需要一些裝置來清潔該除乾化表面及列印頭。

雖然第1A圖及第1B圖中沒有顯示，但可將真空連接至周邊式除乾器2上，並用來將墨水自噴嘴3內吸取出來。此真空將墨水自噴嘴3內吸取出來，而此過程即可開通任何乾掉的噴嘴。真空沖洗的缺點在於很浪費墨水，在許多的商用噴墨列印機中，維修期間的墨水浪費是列印機全部墨水消耗量中的很大的量。

為能在真空沖洗後將漫流出的墨水自列印頭上去除 掉，習用的維修站通常是橡膠清潔器，其會掃過該列印頭。顆粒會因懸浮於漫流出之墨水內而自列印頭上移除，而橡膠清潔器會將具有顆粒散佈於其間的漫流墨水去除掉。

但是橡膠清潔器在會施用有可能造成損傷的剪力橫過列印頭，而在除乾器2自列印頭1上脫離後會需要另一維修步驟。

因此，其需要有能提供一種噴墨列印頭維修站，其不依靠橡膠清潔器來掃過列印頭，以移除漫流出的墨水及顆粒。

其亦需要能在列印頭除乾化時，將自噴嘴蒸發出的墨水減至最少，同時並能避免列印頭與除乾器間有可能會造成損傷的接觸。

其亦需要能避免使用真空泵浦來進行列印頭的維修作業。

在本發明的第一態樣中提供一種噴墨列印機，包含有：一列印頭，包含有一噴嘴板，具有多個噴嘴孔口形成於其內，該噴嘴板包含有一第一較親水性層及一第二較疏水性層，該第二層構成界定出該列印頭的一墨水噴射面；以及一除乾器，具有一平面狀的除乾化表面，該除乾器係可在一該除乾器自該列印頭上脫離的第一位置與一該除乾化表面密封地嚙合於該墨水噴射面上的第二位置之間移 動，其中在該第二位置上時，每一噴嘴孔口內所容納之墨水的一凹凸面是固定於該等第一及第二層之間的一界面處，而在該除乾化表面與該凹凸面之間形成界定出一微井。

選擇上，該微井具有小於5000立方微米的的體積。

選擇上，該微井具有小於1000立方微米的的體積。

選擇上，該第二疏水性層是由聚合物所構成。

選擇上，該第二疏水性層是由聚雙甲基矽氧烷(PDMS)所構成。

選擇上，該第二疏水性層的厚度是在2與30微米之間。

選擇上，該第二疏水性層的厚度是在3與15微米之間。

選擇上，該第一親水性層是由陶瓷材料所構成。

選擇上，該第一親水性層是由一選自包含有氮化矽、氧化矽、及氮氧化矽之族群中所選出的材料所構成。

在本發明的另一態樣中提供一種列印機，進一步包含有一嚙合機構，用以將該除乾器在該第一位置與該第二位置之間移動。

選擇上，該除乾化表面是由疏水性材料所構成。

選擇上，該除乾器本體係由可彈性變形材料所構成。

選擇上，該除乾器是建構成藉由該除乾器本體的變形而使該除乾化表面與該墨水噴射面形成密封嚙合。

在一第二態樣中，本發明提供一種供噴墨列印機用的除乾化總成，該除乾化總成包含有： 一噴墨列印頭，包含有一噴嘴板，具有多個噴嘴孔口形成於其內，該噴嘴板包含有一第一較親水性層及一第二較疏水性層，該第二層界定出該列印頭的一墨水噴射面；以及一除乾器，具有一平面狀的除乾化表面，該除乾器係可在一該除乾器自該列印頭上脫離的第一位置與一該除乾化表面密封地嚙合於該墨水噴射面上的第二位置之間移動，其中在該第二位置上時，每一噴嘴孔口內所容納之墨水的一凹凸面是固定(pinned)於該等第一及第二層之間的一界面處，而在該除乾化表面與該凹凸面之間界定出一微井。

接下來將配合於下列圖式來詳細說明本發明的特定形式。

個別噴嘴的微除乾化

如前所述，周邊式除乾裝置(第1A圖及第1B圖)與接觸式除乾裝置(第2A圖及第2B圖)具有天生的限制。很明顯的，周邊式除乾裝置會有墨水蒸發的問題，而接觸式除乾裝置則會有因直接與墨水接觸而致的除乾器污損問題。

吾人先前曾描述過具有一層覆蓋著陶瓷噴嘴板之疏水性聚雙甲基矽氧烷(PDMS)層的列印頭的設計及製造。這些在吾人先前於2007年3月12日提出申請的美國專利申請案第11/685,084號中有所說明，其內容係引述於此以 供參考。

參閱第3圖，其中顯示出一具有疏水性塗層150的噴嘴總成100的範例。每一噴嘴總成包含有一噴嘴腔室124，係以微機電製造技術形成於一矽晶圓基體102上。噴嘴腔室124係由一頂部121及自該頂部121朝向該矽基體102延伸的側壁122所構成的。一噴嘴孔口126形成於每一噴嘴腔室24之頂部上。將墨水自噴嘴腔室124噴射出去的致動器是一加熱器元件129，設於噴嘴孔口126下方的位置處，並係懸跨過一凹坑108。電流係經由連接至位於下方的基體102的CMOS層105上的驅動電路而電極109而供應至加熱器元件129。在電流通過該加熱器元件129時，其會快速地過熱周圍的墨水而形成氣泡，此會迫使墨水通過噴嘴孔口126。藉由懸掛設置加熱器元件129，其在噴嘴腔室124裝填滿時會完全浸泡於墨水內。這可改善列印頭的效率，因為只會有較少的熱量散發至下方的基體102內，而能將更多的輸入能量用來生成氣泡。

頂部121及側壁122係由陶瓷材料(例如氮化矽)所構成的，其係在微機電製程中，以PEVCD法沉積於一光阻劑犧牲性台架上。這些硬質材料具有極佳的列印頭耐用性，而它們本質上的親水性則有助於將墨水140透過毛細作用供應至噴嘴腔室124。頂部121構成一噴嘴板的第一層親水性層，而橫跨過列印頭上噴嘴總成陣列。

噴嘴板的親水性層上塗覆著一層疏水性PDMS層150，其主要是有助於將列印頭表面漫流減至最少。一疏 水/親水介面形成於PDMS層150接觸頂部121之處。當列印頭裝填墨水時，如第3圖所示，容納於噴嘴腔室124內的墨水會具有一凹凸面141，在疏水/親水介面處固定而橫跨過噴嘴孔口126。因此，墨水的凹凸面140係位於列印頭中由PDMS層150所構成的墨水噴射面142的下方。可以瞭解的，增加PDMS層150的高度將可讓凹凸面141更深地位於墨水噴射面142的下方，因為該凹凸面一定是固定並橫跨過該疏水/親水介面。

現在轉到第4圖，其中顯示出一個別的噴嘴總成100，其係由一接觸式除乾器10封蓋住，如前面配合第2A圖及第2B圖所做的說明。由於PDMS層150的高度之故，在列印頭位於封蓋住的除乾化狀態中時，一微井145形成於凹凸面141上方。此微井145可將除乾器10與墨水140間的直接接觸減至最低，因此可將除乾器污損的風險減至最低。增加PDMS層150的高度可進一步減低除乾器污損的風險。一般而言，疏水性層150的厚度是在2與30微米之間，選擇上是在3與15微米之間。

容納於微井145內的空氣之體積是相當的小，通常是少於約10,000立方微米，少於約5000立方微米，少於約1000立方微米，或是少於500立方微米。由於容納於每一微井145內的空氣體積很少，其可以很快地飽和於來自墨水的水蒸氣。一旦微井145飽和於水蒸氣，並與大氣密封隔離，噴嘴乾掉的風險將可減至最小。

在除乾器10的除乾化表面11係由疏水性材料製成 時，可以得到最佳的除乾及密封效果。適合的疏水性材料的例子是矽氧烷類(例如PDMS)、矽酮類、聚烯類(例如聚乙烯、聚丙烯、過氟化聚乙烯)、聚胺甲酸酯類、Neoprene^® 、Santoprene^® 、Kraton^® 等等。

因此，本發明係藉由疏水性層150結合接觸式除乾器10來達成各噴嘴的微除乾化。以此方式進行微除乾化可以將噴嘴長期放置於封蓋狀態下時乾掉的風險減至最小。本發明的另一項優點在於除乾器10並不需要相對於列印頭的高對準精確度。這些及其它的優點是熟知此技術之人士所可輕易理解的。

壓力式除乾化

前面配合第3圖及第4圖所描述的實施例可透過使用‘壓力式除乾化’來進一步的改善。第5A圖至第5C圖顯示出具有疏水性層150之列印頭1的壓力式除乾作業的概念。

壓力式除乾器40包含有一由可撓彈性材料製成的除乾器本體41，以及一自該除乾器本體延伸出去的周邊密封件42。如第5B圖所示，在除乾化的第一階段中，壓力式除乾器40封蓋住列印頭1，類似於第1B圖中的周邊式除乾器2。換言之，周邊密封件42係密封地嚙合於列印頭1上，而形成一位於噴嘴3與除乾器本體41間的空氣穴室43。

但是，在除乾化的第二階段中，現在請參閱第5C 圖，進一步地加壓除乾器40會使得本體41變形，並迫使該本體的除乾化表面44與列印頭1的疏水性墨水噴射面142嚙合。在此嚙合的過程中，柔軟的除乾器本體41會接觸到該疏水性的墨水噴射面142，並密封住噴嘴3。再者，由於周邊密封件42會在列印頭1上形成一氣密式的密封效果，陷留於穴室43內的空氣會被迫進入至噴嘴3內，其接著即會迫使墨水退回至列印頭1內的墨水供應通道50內。

藉由在除乾化過程中迫使墨水退回到供應通道50內，其可以確保沒有墨水會與除乾器40接觸到，而除乾化表面44可以保持清潔。再者，除乾化表面44與疏水性墨水噴射面142間的密封作用，再加上陷留於每一噴嘴內的極小體積的空氣，可將噴嘴在封蓋住的期間乾掉的風險減至最小。

除乾器本體41可由任何適當的柔軟材料製成。本發明在除乾器本體41及/或墨水噴射面142二者均是較為疏水性時是最有效的。因此，除乾器本體41可以包含有例如矽氧烷類(例如PDMS)、矽酮類、聚烯類(例如聚乙烯、聚丙烯、過氟化聚乙烯)、聚胺甲酸酯類、Neoprene^® 、Santoprene^® 、Kraton^® 等等的材料。

雖然並未顯示於第5圖中，但任何適當的機構均可用來將除乾器40與列印頭1嚙合及脫離。此除乾化機構最好必須要構成能提供一第一分離位置(第5A圖)、一第二周邊封蓋嚙合位置(第5B圖)、以及一第三接觸封蓋 嚙合位置(第5C圖)。例如說，在吾人早期的美國專利公開第2007/126784號中，其內容係引述於此以供參考，吾人說明一種可將一清潔帶線性移動至與一列印頭嚙合的機構。具有通常知識者可以理解到，此種機構可以輕易地修改，以供應用於本發明的整合式除乾器/清潔器結構中。

當然，可以理解前面僅係以舉例方式來說明本發明，且其細部的修改仍是屬於下附申請專利範圍所界定的本發明範疇內。

1‧‧‧列印頭

2‧‧‧除乾器

3‧‧‧噴嘴

4‧‧‧墨水噴射面

5‧‧‧除乾器本體

6‧‧‧周邊密封環

7‧‧‧除乾腔室

10‧‧‧除乾器

11‧‧‧除乾化表面

40‧‧‧壓力式除乾器

41‧‧‧除乾器本體

42‧‧‧周邊密封件

43‧‧‧穴室

44‧‧‧除乾化表面

50‧‧‧墨水供應通道

100‧‧‧噴嘴總成

102‧‧‧基體

105‧‧‧CMOS層

108‧‧‧凹坑

109‧‧‧電極

121‧‧‧頂部

122‧‧‧側壁

124‧‧‧噴嘴腔室

126‧‧‧噴嘴孔口

129‧‧‧加熱器元件

140‧‧‧墨水

141‧‧‧凹凸面

142‧‧‧墨水噴射面

145‧‧‧微井

150‧‧‧疏水性層

第1A圖是一包含有列印頭及周邊式除乾器的習用列印頭維修裝置的示意橫剖面圖。

第1B圖是第1A圖中所示之列印頭維修裝置在該周邊式除乾器與列印頭嚙合之情形下的示意橫剖面圖。

第2A圖是一包含有列印頭及接觸式除乾器的習用列印頭維修裝置的示意橫剖面圖。

第2B圖是第2A圖中所示之列印頭維修裝置在該接觸式除乾器與列印頭嚙合之情形下的示意橫剖面圖。

第3圖是具有一疏水性塗層之噴嘴總成的側視剖面。

第4圖是第3圖中所示之噴嘴總成在以一接觸式除乾器封蓋住後的情形。

第5A圖是一包含有列印頭及壓力式除乾器的列印頭維修裝置的示意橫剖面圖。

第5B圖是第5A圖中所示之列印頭維修裝置位在第一嚙合階段時的示意橫剖面圖。

第5C圖是第5A圖中所示之列印頭維修裝置位在第二嚙合階段時的示意橫剖面圖。

10‧‧‧除乾器

100‧‧‧噴嘴總成

102‧‧‧基體

124‧‧‧噴嘴腔室

140‧‧‧墨水

150‧‧‧疏水性層

Claims (11)

1. 一種噴墨列印機，包含：列印頭，包含噴嘴板，其具有多個界定於其內的噴嘴孔口，該噴嘴板包含第一較親水性層及第二較疏水性層，其厚度介於2至30微米之間，該第二層界定出該列印頭的墨水噴射面；以及除乾器，具有平面狀的除乾化表面，其由疏水性材料所構成，該除乾器可在第一位置和第二位置之間移動，其中當該除乾器在該第一位置時，該除乾器自該列印頭脫離，當該除乾器在該第二位置時，該除乾化表面密封地嚙合於該墨水噴射面，其中在該第二位置上時，每一噴嘴孔口內所容納之墨水的凹凸面是固定於該第一及第二層之間的界面處，藉此在該除乾化表面與該凹凸面之間界定出微井。
2. 如申請專利範圍第1項所述之噴墨列印機，其中該微井具有小於5000立方微米的的體積。
3. 如申請專利範圍第1項所述之噴墨列印機，其中該微井具有小於1000立方微米的的體積。
4. 如申請專利範圍第1項所述之噴墨列印機，其中該第二疏水性層是由聚合物所構成。
5. 如申請專利範圍第4項所述之噴墨列印機，其中該第二疏水性層是由聚雙甲基矽氧烷(PDMS)所構成。
6. 如申請專利範圍第1項所述之噴墨列印機，其中該第二疏水性層的厚度是在3與15微米之間。
7. 如申請專利範圍第1項所述之噴墨列印機，其中該第一親水性層是由陶瓷材料所構成。
8. 如申請專利範圍第1項所述之噴墨列印機，其中該第一親水性層是由一選自包含有氮化矽、氧化矽、及氮氧化矽之族群中所選出的材料所構成。
9. 如申請專利範圍第1項所述之噴墨列印機，進一步包含有一嚙合機構，用以將該除乾器在該第一位置與該第二位置之間移動。
10. 如申請專利範圍第1項所述之噴墨列印機，其中該除乾器本體係由可彈性變形材料所構成。
11. 如申請專利範圍第10項所述之噴墨列印機，其中該除乾器是建構成藉由該除乾器本體的變形而使該除乾化表面與該墨水噴射面形成密封嚙合。