喷墨打印机 【技术领域】
本发明涉及喷墨打印机， 尤其涉及用于喷墨打印机的打印头。背景技术 在许多喷墨打印头中， 用来激活打印头、 并且形成墨滴喷射的内部电极与使用中 的打印头中的墨水相接触。由于喷墨打印头中的电极通常由导电金属 （例如， 铜或镍、 或者 这些金属的组合） 形成， 所以这能够导致用于形成电极的金属导体的腐蚀。当使用导电墨水 （含水的、 或不含水的） 时这种情形特别普遍。电极腐蚀在压电打印头中特别成问题， 然而在 热打印头中也会出现这个问题， 并且限制着能够用于打印头中的墨水。
尝 试 保 护 打 印 头 电 极 免 受 腐 蚀 的 方 法 是 已 知 的， 最常见的一种方法是涂覆 Parylene（Parylene 是商标） 聚合物材料。通常通过气相淀积过程， Parylene 材料被涂覆 到金属电极表面， 并且形成介于电极与墨水之间的绝缘层。然而， 在实践中发现， 当使用包 含着将会易于支持离子的溶剂 （例如， 水） 的墨水时， 即使涂覆 Parylene 的电极仍易于受到 腐蚀， 并且在这些墨水的情况下， 具有这种电极的喷墨打印头不具有可接受的寿命。
由此， 期望的是能够开发出用于防止喷墨打印头的腐蚀、 或者改善其抗腐蚀性的 方法， 从而使得较宽范围内的流体可用于打印头、 并且仍实现可接受的寿命。
本发明的发明人已经调查这个问题以尝试确定出为何即使是涂覆 Parylene 的电 极仍容易受到腐蚀。他们已经发现， Parylene 涂层的效果 / 效力取决于所涂覆的涂层的 厚度及其完整性。经常不可以涂覆最够厚的 Parylene 层。补充地或替代地， 由于距离、 方 向和阴影效果， 例如通过气相淀积这样的涂覆方法导致了在涂层中出现诸如针孔或未涂 覆区域这样的缺陷。还可能的是， 打印头的制造过程中的随后步骤导致了损害已经涂覆 的 Parylene 层， 从而破坏了层的完整性。所有这些因素表示着， 经常很困难、 并且不可能 的是 ： 形成完整的不透水 / 不能渗透的 Parylene 层， 且 Parylene 涂层中的缺陷是指基础 （underlying） 金属电极表面的多个区被暴露、 并且由此容易受到腐蚀的侵害。即使非常小 的暴露的金属区仍是有问题的。在已发现由于 Parylene 涂层中的缺陷导致出现的腐蚀问 题以后， 本发明发明人于是调查如何解决这个问题、 并且利用各种其它或额外的 （例如聚合 物材料的） 涂层进行实验， 并且发现利用惰性金属涂层可以获得特别良好的结果。
应该注意 ： 喷墨打印头中的腐蚀与在热喷墨打印头中出现的结垢 （kogation） 不 同。由于存在着金属导体与墨水进行接触， 所以在任何喷墨打印头 （压电或热型） 中均可出 现腐蚀。 结垢是针对着在施用到打印头中的电阻器的热导致了材料淀积在加热器电阻器的 表面上、 并且导致最终打印头故障的情况下的热喷墨而言的一种单独且特定的问题。本文 描述的方案涉及抗腐蚀、 耐腐蚀且与结垢无关。
发明内容
在一个方面中， 本发明提供了一种喷墨打印头， 这种喷墨打印头具有与使用的墨 水进行接触的至少一个内部电极， 其中， 内部电极表面的暴露的金属区具有惰性金属涂层。因此， 将会以其它方式进行暴露以与使用的墨水相接触的电极表面的金属区被涂覆有惰性 金属。
在另一个方面中， 本发明还提供了一种具有至少一个电极的喷墨打印头， 其中， 电 极表面的暴露的金属区具有惰性金属的涂层。
电极表面的暴露的金属区是指 ： 将会以其它方式暴露的但没有惰性金属涂层的电 极表面的金属区。
电极是非惰性的导电材料， 例如铜、 镍、 铝或银或者这些金属中的两个和更多的组 合 （例如， 涂覆着镍的铜） 。
在实践中， 打印头具有许多电极， 并且打印头的每个电极在暴露的金属区上具有 惰性金属涂层。
在打印头的使用过程中， 惰性金属涂层用来保护非惰性金属电极的基础金属表 面， 且尤其保护着电极在暴露给含离子的流体 （通常是含水喷墨墨水） 时免受腐蚀， 由此解 决上述的问题。
惰性金属的化学性质是不活跃 / 不起化学反应的 （unactive） 、 并且由此耐腐蚀， 并且通常包括贵金属尤其是黄金和 / 或白金 / 铂。
在电极的暴露金属区被完全覆盖的情况下， 惰性金属涂层不需要特别厚， 并且认 为仅仅几纳米 （例如， 几十到几百纳米） 的厚度就是有效的。当然还可以使用更厚涂层。
惰性金属涂层仅仅需要存在于电极表面的暴露给使用的喷墨墨水的部分上的暴 露金属区上， 然而， 还可以任意地对电极表面的另外部分进行涂覆。
电极的暴露给使用的墨水的整个表面可以被涂覆惰性金属， 从而形成抗腐蚀保护 涂层。或者， 电极的表面可以具有部分地由抗腐蚀保护材料 （通常为聚合物材料， 诸如基于 二甲苯的材料， 特别是取代的或未取代的聚乙烯对位二甲苯 （polyparaxylxyene） 材料、 比 如那些已知为 Parylene 的例如 Parylene N、 Parylene C 和 Parylene D 的材料） 的涂层、 或者其它非金属保护涂层所构成的保护涂层， 并且保护涂层的剩余部分由惰性金属构成。 通常， 首先涂覆例如 Parylene 材料的涂层， 然后通过淀积惰性金属来填充导致金属暴露的 Parylene 中的不可避免的间隙和缺陷。
惰性金属优选从溶液 （例如含水溶液） 进行淀积。适宜技术是公知的， 并且包括浸 镀、 无电镀和电镀 / 电解电镀， 且从溶液析出惰性金属。基于溶液的技术是简单和直接的， 并且产生无缺陷的高品质惰性金属涂层。这些技术还选择性地仅仅在电极的导电区 （即仅 仅电极的暴露的金属区、 而非涂覆 Parylene 的区） 上淀积惰性金属， 并且由此仅仅在易于受 到腐蚀的电极的那些区域上进行淀积。 该处理由此有效地仅仅针对所要求的电极的那些区 域， 由此使得高效地使用惰性金属材料。
可以在任何期望阶段 （打印头制造之前、 之中或之后） 在电极上形成惰性金属涂 层， 并且可以在例如 Parylene 这样的任何其它电极涂层之前或之后形成惰性金属涂层。
可以使用惰性金属的单个涂层， 或者如果需要， 可以采用可能为不同惰性金属或 其它材料的多个涂层。
绝缘层可任选地设置在惰性金属涂层的顶部上， 例如呈自组装单层 （SAM） 材料 （诸 如， 十二烷硫醇 （dedecanethiol） ） 的形式， 用以进一步增强由惰性金属实现的保护。适宜 材料和技术是公知的。通过使用例如 SAM 的这种层， 利用向使用的打印头中的墨水呈示的非金属、 非导电表面， 则可能增强电极的耐用性。
可以在打印头中的电极上原处 / 就地执行惰性金属涂层的淀积， 并且使用基于溶 液的淀积技术 （例如， 上述那些技术） 可以容易地实现这种淀积。例如， 处理溶液 （例如， 含水 黄金溶液） 可以直接置入到待处理的打印头中， 并且在合适温度停留合适时间以执行惰性 金属电镀。 或者， 处理溶液可以置入到相关联的喷墨打印机的墨水系统中。 使用该墨水系统 在适宜处理时间内， 则该溶液能够通过打印头进行再循环。在最大化电镀效率和一致性的 过程中， 锻炼 （激活） 打印头电极是有利的。该处理溶液将会进入并且接触到墨水可接触的、 潜在地导致腐蚀的打印头的所有区域， 并且由此该过程将以高度目标化和有效方式而选择 性处理易于受到腐蚀的所有暴露的金属区。
本发明的方案的另一个优点在于， 不需要拆卸打印头就可以向制造后的喷墨打印 头 （即， 在完全组装的打印头上） 上施用惰性金属的淀积。由此， 不需要一定由喷墨打印头的 制造商施用该处理。实际上， 在打印头的寿命期间能够以一定时间间隔来容易地重新管理 该处理， 以利用惰性金属来对由于损坏或腐蚀而在使用过程中可能会暴露的电极表面的任 何金属区进行涂覆或者重新进行涂覆， 由此进一步延长打印头的寿命。
本发明可应用于在正常使用情况下电极被暴露以与打印头中的墨水进行接触的 任何喷墨打印头， 但对于利用压电打印头的情况尤其有利， 尤其是对于腐蚀问题非常普遍 的共享壁压电打印头更加有利。 这是因为共享壁压电打印头具有在使用过程中流过墨水的 一系列并排通道， 且电极沿着墨水通道壁的侧部向下延伸， 所以打印头具有在使用过程中 可能暴露到 / 浸入墨水中的大的电极区域。使用本发明意味着 ： 打印头可应用于比迄今可 能情况更宽范围的墨水， 特别是导电墨水 （含水的、 和非含水的） 例如含离子墨水 （诸如， 广 泛应用于纺织品印刷的基于水的墨水） 。 本发明还发现了对具有墨水再循环能力的喷墨打印头的特殊应用。 由于在正常操 作过程中墨水的再循环迅速地且自动地去除任何气泡 （通过在电极的惰性金属表面处发生 的墨水的电解而产生） 并且因此保持打印头正常操作， 所以本发明对于这种类型的打印头 特别有利。
在另一个方面中， 本发明提供了一种具有至少一个金属电极的喷墨打印头， 其中， 至少电极表面的在使用过程中暴露给墨水的多个部分具有至少部分地由惰性金属的涂层 构成的抗腐蚀保护涂层。
可以完全由惰性金属构成保护涂层。
或者， 保护涂层可部分地由聚合物涂层 （诸如基于二甲苯的材料， 特别是取代的或 未取代的聚乙烯对位二甲苯 （polyparaxylxyene） 材料、 比如那些已知为 Parylene 的例如 Parylene N、 Parylene C、 Parylene D 的材料） 、 或者其它非金属保护涂层构成， 并且保护涂 层的剩余部分由惰性金属构成。
本发明在它的范围内还包括了 ： 包括着根据本发明的打印头的喷墨打印机。
在另一个方面中， 本发明提供了一种处理喷墨打印头电极的方法， 包括了在电极 表面的暴露的金属区上淀积惰性金属。
例如使用包括浸镀、 无电镀和电解电镀的电镀技术来优选地从例如含水溶液的溶 液淀积惰性金属。初始时可以使用一个技术 （诸如， 浸镀） 来淀积涂层， 且然后可以使用第二 技术 （例如， 电解电镀） 来使得涂层更厚。
可以在电极上生成其它涂层之前或之后执行该方法， 并且合宜地在生成取代的或 未取代的聚乙烯对位二甲苯 （polyparaxylxyene） 材料、 比如那些已知为 Parylene 的例如 Parylene N、 Parylene C、 Parylene D 的材料以后执行该方法。
可以在打印头制造之前、 之中或之后执行该方法， 并且合宜地在打印头中原处的 电极上执行该方法。
该方法例如可以被重复， 例如用以在初始淀积的惰性金属上进一步淀积惰性金属 （可能不同） 。
合宜地， 通过在电极表面的任何新暴露的金属区上进一步淀积惰性金属， 在打印 头的寿命期间以一定时间间隔重复进行该方法以修复例如由于腐蚀或损坏而在保护涂层 中可能发生的缺陷或不完整， 因而延长了打印头的有效使用寿命。能够根据待用于打印头 中的墨水来确定出针对打印头的适宜的处理方案。
本发明还提供了包含有惰性金属电镀溶液的喷墨打印机蓄液器。 附图说明
将会在下面例子中参照附图进一步举例描述本发明， 附图中。 图 1 是表示出共享壁压电打印头的部分的示意图。具体实施方式
图 1 示意性示出了共享壁压电打印头 10 的一部分。
该打印头由压电材料 12 的件形成， 在压电材料 12 内部切割出了一系列的并排通 道 14， 这些通道 14 构成了使用过程中墨水流过的通路。 介于每个通路的相对侧壁之间的间 隔大约是 70 微米。通道的侧部下方以及通道内的整个表面由非惰性金属进行涂覆 （如附图 标记 16 处指示） ， 并且形成通常由铜和 / 或镍 （例如， 涂覆着镍的铜） 构成的电极。从介于相 邻通道之间的区 18 去除金属， 从而使得电极彼此隔离。面板 20 延伸跨越过通道的整个顶 部， 且一系列孔 22 形成针对每个通道的相对应的喷嘴。使用过程中， 通过在整个壁上施加 电压来激活壁， 即电极一侧为正电压并且另一侧为负电压， 则导致压电材料 12 发生变形以 从喷嘴排出墨滴。
例子 打印头处理 使用 Xaar 1001（Xaar 是商标） 共享壁压电打印头来执行实验， 该 Xaar 1001（Xaar 是 商标） 共享壁压电打印头具有涂覆着 Parylene 聚合物的非惰性导电金属电极， 利用如下所 述的镀金溶液对这些金属电极进行处理。
将 0.93 克的氰化金钾 / 金钾氰化物 （Metalor 技术） 溶解在 20 毫升的去离子水 （DI） 中。将 225 克的 Aurolectroless SMT 补给溶液 （makeup solution） （Aurolectroless 是商标） （Rohm & Haas Electronic Materials 公司） 加入到清洁玻璃烧杯。在不断搅动 的过程中， 溶解的氰化金钾溶液被添加到 Aurolectroless SMT 溶液。所得的镀金溶液然后 利用 DI 水被补足为 300 毫升。该溶液然后加热到 85℃。待处理的打印头被安放在 85℃的 烤炉中， 酥松地被包裹在铝箔中。在 30 分钟以后， 将打印头从烤炉移走、 并且安放在所具有 的夹具紧密接近电镀溶液的曲颈瓶台架 （retort stand） 上。管子附接到打印头的出口， 并且进入 85℃镀金溶液的 1000 毫升烧杯。20 毫升的注射器充满着热的镀金溶液， 并且被连 接到入口管。在近似 5 秒期间完全地按下注射器， 该热溶液冲洗涌过打印头。该溶液穿过 头部并且返回到 1000 毫升烧杯内。注射器立即二次充满、 并且冲洗涌过打印头， 直到能够 在出口管看见该溶液、 并且溶液在该出口管处保持 3 分钟， 从而确保在出口管中总是存在 着溶液。在 3 分钟滞留期 / 停歇期 （dwell） 以后， 注射器被完全按下。第三次重复该冲洗 过程， 但是这次该溶液被保持 6 分钟。
一旦此第三次冲洗完成以后， 且注射器被完全按下， 出口管被重新导向至废物容 器， 并且该注射器由充满着处于室温的 DI 水的另一个注射器所替代。室温 （大约 20℃） DI 水的 3x20 毫升的注射器通过所述打印头， 该打印头接下来被重新包裹在铝箔中、 并且放入 85℃的烤炉内， 并且保持又一 30 分钟。
然后， 从烤炉移走打印头， 打开包裹并且重新连接到管子， 从而确保出口管已被重 新导向到镀金溶液的 1000 毫升烧杯。打印头再次由电镀溶液冲洗通过， 该电镀溶液在打印 头中保持 6 分钟并且， 最终由另一 3x20 毫升 DI 水冲洗通过。
这个处理导致了 ： 在镀金溶液中将一层金 （估计在 15 分钟处理以后厚度为大约 0.08 微米 ； 而在 30 分钟以后大约为 0.1 微米） 电镀到电极表面的任何暴露金属区上， 特别 是使得镀金溶液与基础电极表面发生接触的 Parylene 涂层的任何缺陷或可渗透区， 因而 生成根据本发明的打印头。 当喷墨打印头随后用于含水墨水时， 已发现所得的镀金区具有很高的抗腐蚀性， 由此明显增加打印头的寿命。
执行喷射测试以比较如上所述般受处理的打印头与未处理的打印头。特别地， 利 用连续地通过所有打印头喷嘴 （1000） 而打印的含水喷墨墨水来测试打印头， 其中， 按周期 性时间间隔来确定喷嘴损失。
打印头测试 处 理 后 的 打 印 头 利 用 驱 动 电 子 器 件 经 由 可 从 Xaac 公 司 获 得 的 头 个 性 卡 （Head Personality Card） 而连接到 PC， 并且流体通道附接到可从 Xennia 技术有限公司获得的小 容量再循环墨水管理系统。
打印头由曲颈瓶台架加以牢固固定， 并且悬挂在墨水收集系统的上方。这个收集 系统定位成高于收集罐、 且它的底部刚好低于罐的唇缘以确保所有墨水被收集。在开始实 验之前， 对整个组件进行彻底清洁并且把水排尽。
采用在下表中陈列的配方 （按重量百分百） 的含水墨水配剂来执行打印测试。
在开始喷射之前， 在 10 到 15 分钟内墨水通过打印头被再循环进入该系统。 250 毫 升墨水收集罐一半充满墨水并且墨水系统填充管完全浸入到墨水收集罐内。 该墨水系统的 中间蓄液器中的浮动开关控制着液面 / 液位， 并且如果低了， 则开启阀以从 250 毫升墨水收 集罐对系统进行充注。因此， 墨水被连续喷射到墨水收集罐中， 然后被加载回到墨水系统。
在开始实验之前， 头部定位在平移工作台上， 并且喷嘴打印测试图案被打印出来。 这个打印目标使得可以评估缺失的喷嘴的数目。在这个阶段使用了诸如整洁 （priming） 和 戳刺 （spitting） 这样的维护策略以使得所有喷嘴工作。在这个阶段还执行了电压和弯液 面压力的调整。一旦已生成了良好打印， 则头部返回到墨水收集系统。
接下来， 打印头在 6KHz、 100% 工作时间和 100% 占空比进行最高灰度的连续喷射。 用来对图像处理数据进行处理的软件是 XUSB （可从 Xaar Plc 获取） 。在连续喷射实验期间 中， 通过内部信号而控制了墨滴的喷出。 打印的图像是这样一种实体块 ： 其触发了扫描方向 上 2000 个像素的最高灰度的打印头宽度。
在打印一小时以后， 再次将打印头放到平移工作台上， 并且打印若干个样本。 在这 个阶段， 可以必需的是整洁并擦拭面板以帮助改善打印。 打印头然后返回到墨水收集罐。 为 了评估喷射稳定性， 按规则的时间间隔 （针对第一个 6 小时而言每个小时一次、 针对接下来 6 小时而言每两个小时一次） 请求喷嘴检查打印样品。在 20 小时以后， 喷嘴检查打印样本 的周期性下降为每天两次 （即， 早晨和夜晚） 。此刻， 打印头保持连续进行喷射。
在每 48 小时的连续喷射以后， 为全面的物理属性特性化描述而获取打印墨水的 样本。如果物理特性出现任何明显变化， 则墨水被替换。
针对每个时间间隔数据点， 对 3 个最佳可能品质的打印样本执行打印样本评估。 当对缺失喷嘴的数目进行计数时， 应该对全部 3 个样本进行比较 ； 如果喷嘴在一个打印中 缺失而在另一个打印中存在， 则它被分类为存在 ； 并且仅仅如果喷嘴在全部 3 个打印品中 均不存在的情况下， 则它被分类为缺失。 如果打印头具有多于一个行， 则应该针对每个行收 集信息。
所收集的数据然后被评估和分类为小于 1% 喷嘴缺失、 小于 10% 喷嘴缺失、 或小于 50% 喷嘴缺失。一旦打印头已经缺失大于 50% 喷嘴， 则实验停止。然后对打印头进行冲洗以 去除所有墨水。基于标准溶剂的测试流体然后被加载到打印头中， 并且喷嘴检查打印被用 来确认总喷嘴损失结果。
在下面表中给出了 2 个经处理的打印头和 1 个未处理的打印头的结果， 且表 1 和 表 2 示出针对经处理的打印头的结果， 表 3 示出了针对未处理的打印头的结果。
表1表2表3在实践中对于某些使用情况而言， 最多 10% 的喷嘴损失被认为是可以接受的。应该注 意： 一些喷嘴损失是暂时性的 （例如， 由于气泡导致的） ， 在一些情况下顾及到喷嘴的恢复。
这些结果示出 ： 未处理的打印头迅速发生故障并且在小于 2 小时喷射以后所产生 的喷嘴损失不可接受。这是由于涂覆 Parylene 的电极的腐蚀导致的。相对比而言， 在发 展成不可接受的喷嘴损失之前， 根据本发明的经处理的打印头能够忍受超过 200 小时的喷 射。