CN101663165B - 打印头叠层板 - Google Patents

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Abstract

一种打印头叠层板(24)，其包括粘结层(44)和导电层(46)之间的柔性玻璃层(42)。

Description

打印头叠层板
背景技术
压电喷墨打印头有时使用光刻法，阳极键合和玻璃背面磨削而形成。这种工艺成本高且费时。附图说明
图1是根据示例性实施例的打印头的前透视图。
图2是根据示例性实施例的图1的打印头的右侧投影图。
图3是根据示例性实施例的分离之前的多个图1的打印头的后透视图。
图4是根据示例性实施例为了示出目的部分省略的图1的打印头的前透视图。
图5是根据示例性实施例的图4的打印头的部分前投影图。
图6是根据示例性实施例的图1的打印头的另一个实施例的部分截面图。
图7-11是示出了根据示例性实施例的形成图1的打印头的方法的侧投影图。
图12-17是示出了根据示例性实施例的形成图1的打印头的另一种方法的侧投影图。具体实施方式
图1-3示出了根据示例性实施例的压电喷墨打印头20。打印头20配置成有选择地将一种或多种流体(例如一种或多种墨水)分配或喷出到媒介上。打印头20包括衬底模具或衬底22，打印头叠层板24A和24B(总称为叠层板24)，压电致动器26A和26B(总称为致动器26)。
衬底22包括由一种或多种材料的一个或多个层形成基本上平的结构，所述衬底22具有两个相对面30A和30B(总称为面30)。如图1和进一步图4所示，面30A和30B每个包括流体特征或通道32。通道32沿面30并沿轴线延伸，所述轴线基本上平行于衬底22沿其延伸的一般平面。如图4所示，通道32每个包括填充腔或部分36和喷出腔或部分38。填充部分36包括通道32与流体供给或源直接流体连通的部分，例如储液器(未示出)。
喷出部分38包括通道32大致邻近致动器26并终止于喷嘴开口40的部分。喷嘴开口40包括沿衬底22的喷嘴边缘41的孔，流体经过所述孔喷出。喷嘴开口40具有受控制或限定的尺寸以调节喷出的流体量。喷出部分38还具有限定的几何形状以协助调节经过开口40喷出的流体量。具体地，喷出部分38限定容量。邻近叠层板24由邻近致动器26引发的运动改变了经过相应开口40喷出流体的容量。
根据一个示例性实施例，衬底22由同质的硅层形成，通道32和开口40使用光刻法，蚀刻和/或其他制造技术制造到该层中。根据另一个示例性实施例，衬底22由一种或多种聚合物材料的同质层形成，通道32和开口40制造到该层中。在一个实施例中，一种或多种聚合物材料包括热固性聚合物材料，例如环氧树脂。在其他实施例中，一种或多种聚合物材料包括热塑性聚合物材料，例如聚醚酰亚胺(PEI)。在衬底22由热塑性材料形成的实施例中，衬底22可呈现增强的抗墨性和刚性。
低成本高模量聚合物材料(衬底22可由该材料注模成型)的例子包括液晶聚合物(LCP)，聚砜(PS)，聚醚醚酮(PEEK)。聚合物材料(衬底22可由该材料模制成型)的其他例子包括：聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，聚乙烯亚胺(PEI)，聚苯硫(PPS)和聚异戊二烯(PI)。在其他实施例中，衬底22可压模成型。使用聚合物形成衬底22可减少打印头20的成本，通过避免或减小基于硅的处理和利用改进的聚合物机械性能(例如应变失效)使打印头具有更广泛的形式，便于使原型快速转向，并增加了通道32的流体结构的自由度。
在一些实施例中，聚合物材料形成衬底22可额外地包括一定百分比的填充材料。填充材料的例子包括但不限于碳，氧化钛，金属和玻璃。在聚合物材料包括填充材料的实施例中，衬底22可呈现提高的刚性和导热性。
在一个实施例中，通道32和开口40模制成型到衬底22中。例如，在一个实施例中，衬底22为注模成型。使用注模成型有利于开口40的各种几何形状，其可对于液滴的均匀性和/或方向性提供益处。在其他实施例中，通道32可以其他方式在衬底22中形成，例如一种或多种材料去除技术，如光刻法或光聚合和蚀刻；机电加工，如切割，锯削，磨削等；或激光烧蚀或切割。
在示出的具体例子中，衬底22具有大约1到9英寸的宽度W。通道32具有大约200微米的宽度和大约100微米的深度。开口40具有大约40微米的宽度和深度。在其他实施例中，衬底22的通道32和开口40可具有可替换的尺寸。
叠层板24包括抵靠并沿着衬底22的相对面结合到衬底22的多层结构。叠层板24由多个连续且基本上共同延伸的材料层形成。在一个实施例中，叠层板24具有厚度并由材料形成使得叠层板24足够柔性，以此来由辊或卷储存和分配，有利于打印头20的低成本制造。叠层板24至少部分地覆盖通道32，支撑相对于通道32的喷出部分38的致动器26，并提供柔性薄膜或隔膜，所述薄膜或隔膜配置成由致动器26运动来改变喷出部分38的容量，以此来经过开口40以机械或声学机构“挤压”或喷出流体。
如图2和5所示，叠层板24每个包括玻璃层42，粘结层44和导电体46。玻璃层42包括玻璃层，所述玻璃层的尺寸设定成足够的柔性以允许致动器26(图1所示)利用受控制的方式将这种玻璃弯折或弯曲到通道32的喷出部分38。在一个实施例中，玻璃层42具有大约58微米的厚度。这么薄的玻璃板可由例如Elmsford，New York的Schott North America，Inc.的供应商商业供应。根据一个实施例，玻璃层42具有大约60GPa的机械模数且泊松比为大约0.25。玻璃层42具有在大约3至9ppm之间的热膨胀系数。在其他实施例中，玻璃层42可具有其他尺寸。玻璃层42为腔提供具有非常高硬度或模量的“天花板”，以此来避免机械能量损失。
粘结层44包括粘结到玻璃层42并配置成用于将叠层板24固定到衬底22的粘结机构的一种或多种材料的一个或多个层。在一个实施例中，粘结层44额外用作墨水分隔器并释放玻璃层42和衬底22之间的界面应力。根据一个实施例，粘结层44可包括环氧树脂材料层(例如结合到IJ5000干膜的光刻胶，如SU8)。在一个实施例中，SU8层(由Newton，MA的MicroChem Corp.商业供应)可具有大约9微米的厚度而IJ5000膜(由Dupont商业供应)具有大约14微米的厚度。在其他实施例中，粘结层44可具有其他厚度并可由可替换材料形成。
导电体46包括在玻璃层42相对于粘结层44的相对侧面上或附近的一个或多个导电材料层。导电体46协助形成致动器26的压电材料52上的电势，有利于由致动器26经过开口40喷出流体。在一个实施例中，导电体46包括沉积在玻璃层42上的金属。例如，在一个实施例中，导电体46可包括具有大约0.2微米厚度的喷溅的铟锡氧化物(ITO)。在其他实施例中，导电体46可包括其他导电材料并可具有其他尺寸。
在一个实施例中，叠层板24单独形成并随后在例如通道32和开口40的流体特征形成之后结合到衬底22。结果，叠层板24的可由外包制造并且叠层板24可更简单地储存，减少了制造打印头20的时间和空间。在叠层板24设在辊上的实施例中，打印头20的制造可使用辊对辊或卷对卷处理而进行。在一个实施例中，叠层板24通过加工处理(例如烘烤)粘结层44而结合到衬底22，其中导电层46背对衬底22。在其他实施例中，这种结合可以其他方式形成。
致动器26包括配置成形成在叠层板42上的机构从而弯折或变形部分叠层板42来经过打印头20的开口40喷出流体。在所示例子中，致动器26包括压电致动器，其响应于应用的电位或电压而改变形状。如图2所示，致动器26每个包括粘结层50，压电材料52和导电体54。粘结层50包括配置用于将压电材料52粘结到导电体46的粘结材料层。如图2所示，层50选择性地沉积在导电体46上。在其他实施例中，层50可横跨导电体46连续涂覆或形成。在一个实施例中，层50包括导电粘结材料。例如，层50可包括环氧树脂粘结物。在其他实施例中，层50可包括其他导电粘结材料。在一些实施例中，层50可被省略，其中压电材料52以其他方式结合到导电体46。
压电材料52包括压电陶瓷或压电晶体，其在承受外加电压时小量地改变形状。压电材料52的例子包括但不限于锆钛酸铅(PZT)。在其他实施例中，材料52可包括其他压电陶瓷或晶体。
在图1和4所示的具体例子中，三个致动器26包括三个不同的压电材料的长片或条带60。每个条带60对应衬底22上的相对喷出部分38。每个条带60与相邻条带电绝缘并由导电体54连接到一个或多个电源，使条带60能够被充电到不同的电压。
导电体54包括与压电材料52电接触并配置成与导电体46协作以在压电材料52上应用电压的一个或多个导电结构。导电体54使不同电压能够应用在压电材料52的不同条带60上。结果，流体可独自地经过单独开口40喷出以在被打印表面上形成流体图案或图像。在一个实施例中，导电体54包括印图案到条带60上的喷溅的导电材料(例如金或铟锡氧化物)。在其他实施例中，导电体54可包括其他导电材料的其他构造或几何形状。
尽管打印头20示出为包括三个通道32，三个压电材料52的相应的三个条带60和衬底22的每个侧面上的三个不同导电体54，但是在其他实施例中，打印头20可替换地包括更多或更少这种通道32，条带60和衬底22的每个侧面上的导体54。例如，在一个实施例中，打印头20可包括50个通道32，条带60和衬底22的每个侧面的每英寸上的导体54，其中通道32从中心到中西间隔大约500um。尽管打印头20示出为包括叠层板24和衬底22两个侧面上的致动器26，但是在其他实施例中，打印头20可替换地包括单个叠层板24和衬底22单个侧面上的单个致动器26。
总体上，打印头20的结构可有利于打印头20以低成本和更大的设计自由度制造。如上所述，叠层板24可独立于衬底22的形成而形成并在卷中提供，减小了制造成本。使用叠层板24进一步增强了形成不同尺寸或大小的所述打印头20的能力。如图3所示，打印头20的宽度W1可按所需扩大或缩小，而改变或不改变最小制造过程。在所示例子中，完成的结构可分离成各种形状的打印头。
因为叠层板24包括粘结层44，叠层板24可更简单地粘结或结合到衬底22而不其他更成本高和耗时的过程(例如阳极键合)。在衬底22由聚合物材料形成的实施例中，制造成本被进一步减小，流体特征(例如通道32和开口40)通过更大量和种类的过程形成而通道32和开口40可具有更多种类的形状和构造，提供了更大的设计自由度。例如，道32和开口40可模制成型，潜在地减小了制造成本，喷嘴横截面形状可为三角形，椭圆形，正方形或任意其他可制造形状。
图6是打印头120的一部分的截面图，打印头20的另一个实施例在图5中所示。打印头120类似于打印头20，除了打印头120额外包括孔板170。孔板170包括具有延伸经过其中的孔172的板(示出了其中一个)。孔172具有受控制的且明确限定的大小。板70结合到衬底22和叠层板24的边缘使得孔72在开口40中定位。结果，孔172进一步控制由打印头120喷出的墨滴的速率和大小。孔板170可允许开口40在大小上更大或以更大的公差制造。同时，提供孔板170的孔172的受控制的尺寸可由更大的可靠性和更低的成本实现。
在一个实施例中，孔板170由聚合物材料(例如PET)形成。在其他实施例中，孔板170可由金属或陶瓷材料形成。孔172可通过电镀，激光处理等形成。在其他实施例中，孔板170可由其他材料和孔形成，或者172可使用其他技术形成。
图7-11示意性地示出了形成多个打印头20的一种方法。如图7所示，提供了多个相互连接的衬底或衬底模具22A，22B和22C(总称为衬底22)。衬底22由连接板202连接。连接板202包括使连续衬底22相互连接并在之前延伸的材料的片或条带。连接板202使衬底22相互连接并允许衬底22共同并协调地运动。在连接板202具有足够刚性或相互连接的衬底22或拉成一串的衬底22的具体实施例中，连接板202可控制或调节连续衬底22之间的间隔。在一个实施例中，连接板202沿着每个衬底22的整个长度(进入纸面)连续延伸。在其他实施例中，每个独立的连接板202可包括长度小于相邻衬底22的长度的单个跨片(span)或片，或者可包括沿着衬底22长度的多个间隔的段或片。
连接板202有利于产生的多个相互连接的打印头随后分离成多个独立的打印头20。在所示的具体实施例中，连接板202相对于衬底22的厚度具有减小的厚度从而在受控制的位置有利于这种随后的分离。在其他实施例中，连接板202可以其他方式形成从而比衬底22更脆弱。例如，连接板202可包括刻痕或断点或者可由更脆弱或更容易切断或隔断的不同材料形成。
在所示的具体实施例中，连接板202与衬底22作为单一整体而一体化形成。在一个实施例中，衬底22和连接板202二者由一种或多种聚合物材料模制出。在一个实施例中，衬底22和连接板202为注模成型。结果，多个衬底22可同时形成且同时协调运动并为了固定到叠层板42而适当定位。在其他实施例中，连接板202可被省略。
进一步如图7所示，叠层板24A和24B分别由卷206A和206B(总称为卷206)供给并在衬底22由连接板202相互连接时位于衬底22的相对侧面。因为叠层板24由卷206供给所以制造成本减小。另外，叠层板24可以几乎同步的方式位于多个相互连接的衬底22附近。结果，多个打印头20可同时制造。
图8示出了叠层板24到衬底22的胶合。在粘结层44包括环氧树脂(例如环氧树脂光刻胶，如SU8)的一个实施例中，叠层板24胶合并烘烤到衬底22上，其中在该烘烤过程中环氧树脂被加工处理。如图8所示，叠层板24横跨并在连续衬底22之间连续延伸。叠层板24横跨并跨过连接板202连续延伸。叠层板24相对于连接板202延伸的部分基本上与叠层板24相对于衬底22延伸的部分相同。换言之，粘结层44和导电体46都没有印图案从而在叠层板24重叠连接板202的部分省略。结果，叠层板24可以更少的印图案步骤更容易地制造。而且，叠层板24可以减少的对齐监控和控制结合到衬底22。在其他实施例中，一个或两个粘结层44或导电体46可印图案从而在叠层板24覆盖连接板202的部分中省略。
图9和10示出了致动器26在每个衬底22形成。如图9所示，粘结层50形成在导电体46上。因此，压电材料52沉积在粘结层50上。在将压电材料52放在粘结层50上之后，粘结层50被加工处理。在其他实施例中，粘结层50应用到压电材料52，其组合随后粘结到导电体46。
如图10所示，导电体54形成在压电材料52上。在一个实施例中，导电体54通过将导电材料溅射到压电材料52上或与压电材料52电接触而形成。这种导电材料的例子包括金。导电体54随后电连接到电压源。
图11示出了通过上述过程分离多个相互连接的打印头20。如图11所示，打印头20在相对于连接板202的位置被相互分离或分开。在一个实施例中，这种分离可通过锯削，磨削等机械地进行。在另一个实施例中，这种分离可由激光进行。在其他实施例中，打印头20可以其他方式分离。图7-11所述过程有利于以减少的工艺和低成本大规模地制造多个打印头。叠层板24可被预加工。叠层板24可被定位或同时地结合到多个打印头衬底22。因为这种多个打印头是相互连接的，对这种多个相互连接的打印头衬底22的定位的可靠控制可更容易地维持。
图12-17示出了形成打印头20的另一种方法。图12-17所示方法类似于图7-11所示方法，除了衬底22和叠层板24在结合之前分离。如图12所示，首先形成并提供衬底22。如图7-11所示过程，衬底22由连接板202相互连接。连接板202使衬底22相互连接并允许衬底22共同并协调地运动。在连接板202具有足够刚性的具体实施例中，连接板202可控制或调节连续衬底22之间的间隔。在一个实施例中，连接板202沿着每个衬底22的整个长度(进入纸面)连续延伸。在其他实施例中，每个独立的连接板202可包括长度小于相邻衬底22的长度的单个跨片(span)或片，或者可包括沿着衬底22长度的多个间隔的段或片。
连接板202有利于产生的多个相互连接的打印头随后分离成多个独立的打印头20。在所示的具体实施例中，连接板202相对于衬底22的厚度具有减小的厚度从而在受控制的位置有利于这种随后的分离。在其他实施例中，连接板202可以其他方式形成从而比衬底22更脆弱。例如，连接板202可包括刻痕或断点或者可由更脆弱或更容易切断或隔断的不同材料形成。
在所示的具体实施例中，连接板202与衬底22作为单一整体而一体化形成。在一个实施例中，衬底22和连接板202二者由一种或多种聚合物材料模制出。在一个实施例中，衬底22和连接板202为注模成型。结果，多个衬底22可同时形成且同时协调运动并为了固定到叠层板42而适当定位。在其他实施例中，连接板202可被省略。
图13示出了相互连接的衬底22被分离。这种分离可由锯削、磨削等机械地进行，在另一个实施例中，这种分离可利用激光进行。在其他实施例中，打印头20可以其他方式分离。
这种分离发生在衬底22结合到叠层板24之前。因为衬底22在由叠层板24覆盖之前被分离，在这种分离过程中实现了增强的控制以减小沿着衬底22的喷嘴边缘41损坏开口40的可能性。在一些实施例中，衬底22在结合到叠层板24之前的分离可以更快的速率进行。
图14示出了叠层板24横跨并相对于分离的独立衬底22的定位。在所示例子中，叠层板24由卷206供给。一旦叠层板24位于相对于衬底22，叠层板24被分离或隔断以此来具有相应于衬底22的尺寸。换言之，叠层板24基本上与衬底22的相对面共同延伸。在其他实施例中，叠层板24在位于相对于衬底22之前被分离并可由堆叠或其他非卷储存设备供给。
图15示出了叠层板24到衬底22的固定或结合。在粘结层44包括环氧树脂(例如环氧树脂光刻胶，如SU8)的一个实施例中，叠层板24胶合并烘烤到衬底22上，其中在该烘烤过程中环氧树脂被加工处理。在其他实施例中，叠层板24可以其他粘结剂或其他胶合技术结合到衬底22。
图16和17示出了致动器26的附加。如图16所示，粘结层50形成在导电体46上。因此，压电材料52沉积在粘结层50上。在将压电材料52放在粘结层50上之后，粘结层50被加工处理。在其他实施例中，粘结层50可应用于压电材料52，其组合随后粘结到导电体46上。
如图17所示，导电体54形成在压电材料52上。在一个实施例中，导电体54通过溅射导电材料形成在压电材料52上或与压电材料52电接触。这种导电材料的例子包括金。此溅射步骤可在组装工艺的任何阶段发生。导电体54随后电连接到电压源。
尽管图7-11和图12-17所示方法示出了通道32，叠层板24和沿着衬底22的两个相对面形成的致动器26，但是在其他实施例中，这种特征可使用相同可替换地形成在衬底22的单面上。尽管以明显的顺序描述了具体步骤，但是在其他实施例中，步骤的执行可由可替换的顺序进行。额外的步骤或工艺还可加到所述方法中。
尽管本公开参照示例性实施例描述，但是本领域技术人员将认识到可进行形式上和细节上的改变，只要不脱离所要求保护的主题的精神和范围。例如，尽管不同的示例性实施例可被描述为包括提供一个或多个益处的一个或多个特征，但是应预计到所述特征可互换或者可替换地在所述示例性实施例或其他可替换的实施例中相互组合。例如，尽管特征作为具体组合的一部分示出，所述特征在具有其他特征组合的其他示例性实施例中可具有相同的适用性。权利要求不应限制于这种示例性实施例中示出的具体特征组合。因为本公开的技术相对复杂，所以不是所有的技术改变都是可预见的。参照示例性实施例描述且在下列权利要求中陈述的本公开明显地想要尽可能地宽泛。例如，除非以其他方式特殊声明，陈述单一具体元件的权利要求也包括多个这种具体元件。

Claims (10)

1.一种打印头(20)，所述打印头包括：
打印头叠层板(24)，所述打印头叠层板(24)包括：
柔性玻璃层(42)；
处于所述柔性玻璃层(42)的第一侧面上并且与所述第一侧面接触的第一导电体；以及
处于所述柔性玻璃层(42)的第二相对侧面上并且与所述第二相对侧面接触的粘结层(44)。
2.根据权利要求1所述的打印头，进一步包括与所述第一导电体电接触的压电材料(52)。
3.根据权利要求2所述的打印头，进一步包括与所述压电材料(52)电接触的第二导电体。
4.根据权利要求2所述的打印头，进一步包括衬底(22)，所述衬底(22)具有由所述粘结层粘结到所述叠层板(24)的面，所述面包括流体通道(32)。
5.根据权利要求4所述的打印头，其特征在于，所述叠层板(24)在平面中延伸，而且所述通道(32)沿着平行于所述平面的一个或多个轴线延伸。
6.根据权利要求5所述的打印头，进一步包括横跨所述衬底(22)边缘的孔板(170)。
7.根据权利要求4所述的打印头，其特征在于，所述衬底(22)为聚合物。
8.根据权利要求7所述的打印头，其特征在于，所述通道(32)为模制成型通道(32)。
9.一种形成打印头的方法，所述方法包括：
提供第一叠层板(24)，所述第一叠层板(24)包括第一柔性玻璃层(42)，在所述第一柔性玻璃层(42)的第一侧面上并与所述第一侧面接触的第一导电体，以及在所述第一柔性玻璃层(42)的第二相对侧面上并与所述第二相对侧面接触的粘结层(44)；以及
将所述第一叠层板(24)粘结到至少一个模具衬底(22)的第一面，所述第一面具有第一流体通道(32)。
10.根据权利要求9所述的方法，进一步包括将压电材料(52)耦接到所述第一导电体。
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