CN100369748C - 液体喷头、液体喷射装置及液体喷头的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种线形喷头，其包括一喷嘴板、一框架形状的外框架、多个喷头芯片和布置在外框架内的一喷头支撑构件。喷嘴板和喷头支撑构件的线性膨胀系数大于外框架的线性膨胀系数。喷嘴板被结合到外框架上，外框架在喷嘴板中产生拉应力。喷头支撑构件结合到外框架上并与其配合。当喷头支撑构件相对于外框架热膨胀时，外框架限制了喷头支撑构件的应变，而喷头支撑构件产生压应力。

Description

液体喷头、液体喷射装置及液体喷头的制造方法

技术领域

本发明涉及一种利用热能喷射液体的热喷墨打印机喷头所用的液体喷头、具有该液体喷头的液体喷射装置、及该液体喷头的制造方法。详细地说，本发明涉及一种使液体喷头各零部件由于温度变化造成的应变降低到最小，从而抑制液体喷头内出现性能恶化的技术。

背景技术

在各种液体喷头中，在喷墨打印机所用的使用热系统的喷墨打印机喷头中，使用一个具有数百个加热元件的喷头芯片，这些加热元件形成于半导体衬底上。在单色喷头中，使用一个喷头芯片，而在彩色喷头中，常常使用双单元(two block)的结构，它由一个以等间距整体构造而成的Y(黄色)、M(品红色)和C(青色)三色喷头和一个单独提供的K(黑色)喷头组成。

为了提高打印速度，一种方法是在一个喷头内提供尽可能多的多个液体喷射部分(包括喷嘴、加热元件、和液体室)。液体喷射部分必须具有喷嘴、加热元件和液体室及使全部液体室连通的流路，因此，要求用于此的面积最小。

现在假设大约600DPI(节距为42.3μm)为一个界限。例如，一个喷头具有排列密度为600DPI的256个液体喷射部分，则该喷头长10.8mm。随着液体喷射部分尺寸的增加，处理变得困难，产率降低而花费增加。

日本未审专利申请公报No.2002-127427披露了一种热线形喷头技术，它将多个喷头芯片排列成一个大的线形喷头。例如，根据上述结构，可制造出具有排列密度为600DPI的320个加热元件的芯片喷头(长15.4mm)，将64个芯片喷头排列在一起形成一个线形喷头，它可以在A4纸(日本标准，210mm)的整个宽度上同时记录图像。

图8A至8D为这种线形喷头的示意图。在图8A至8D中，至喷头芯片4A至4D的电连接没有画出。为了描述方便，图中各元件的厚度和长度比例与实际的有所不同。另外，如上所述A级(A-size)线形喷头具有64个喷头芯片；然而，为了简化说明，参照图8A至8D对四个喷头芯片4A至4D进行描述。参考图8A至8D，线形喷头1包括喷嘴板3、四个喷头芯片4A至4D和六个伪芯片(dummy chip)5A至5F，它们粘结于喷嘴板3的一个表面，此外线性喷头1还具有形成在这些芯片上的流路板2。

图9是一剖视图，详细示出了流路板2、喷头芯片4及喷嘴板3。如图9所示，喷头芯片4具有放置于半导体衬底4a上的加热元件4b。320个加热元件4b以600DPI的密度被排列成一个喷头芯片4。在排列有加热元件4b的表面上，设有阻挡层4c以形成液体室。

喷嘴板3上布置有与喷头芯片4的加热元件4b的位置相对应的喷孔3a。

如图8A至8D所示的例子中，喷头芯片4以交错的形式排列。伪芯片5布置于喷头芯片4之间，基本没有间隙(例如，将伪芯片5C置于喷头芯片4A和4C之间)。伪芯片5与喷头芯片4至少高度相同，而且它还可以与喷头芯片4的形状相同，并且可以没有加热元件4b。伪芯片5不喷射墨水。

而且，伪芯片5A到5F中的伪芯片5A和5F分别布置在喷头芯片4A到4D纵向方向的两端，因此供液通路2a被喷头芯片4A到4D和伪芯片5A到5F环绕。另外，喷头芯片4A到4D和伪芯片5A到5F形成一个平坦表面，流路板2的被粘结到该表面上。

流路板2包括一个形成于上部中心处的液体入口2b和一个形成于流路板2内部的供液通路2a，从而使液体入口2b与喷头芯片4连通。

参照图9，当位于喷头芯片4上的加热元件4b被加热时，加热元件4b上产生气泡。虽然气泡会在短时间内消失，但当时由于气泡的产生和消失而导致的压力变化使得加热元件4b上的液体所受的力剧增。接着，剧增的力将小液滴从喷孔3a喷射出去。

喷头芯片4的热几乎都是由加热元件4b产生的。而且，由于加热元件4b与半导体衬底4a接触，因此甚至是在加热元件4b未与液体接触的那一侧上，加热元件4b产生的热也被导走。

喷头芯片4内产生的热被传导给液体，从而推动每次喷射的小液滴。在其它地方，例如在喷头芯片4的底表面，热量经由喷头芯片4和流路板2之间的粘接层6被传导给流路板2，而在喷头芯片4的前表面，热量经由喷头芯片4的阻挡层4c被传导给喷嘴板3。

但是，上述传统技术在实际应用中存在以下问题。

如上所述，由于单个喷头芯片4的大小约为20mm，因此即使当喷头芯片4上粘结有带有喷孔3a的喷嘴板3和流路板2时，如果各零部件之间由于热膨胀产生的热应力导致产生应变，那么应变的程度不至于在串接系统中导致失效。

在另一方面，当多个喷头芯片4像在线形喷头1中一样被连接在一起时，随其纵向长度的增加，由于热膨胀而产生的膨胀差异(即线性膨胀系数的差异)就成为一个问题，这取决于布置于喷头芯片4前表面(喷嘴板3侧)和底表面(流路板2侧)上的材料。

如果流路板2、喷头芯片4和喷嘴板3的材料有基本相同的线性系数，热膨胀问题就不会出现。但是，在选择流路板2、喷头芯片4和喷嘴板3的材料上，每个部分需要的性能或功能有所不同，因此，每个部分必须满足所需的性能或功能。

例如，对于流路板2来说，首先选用铸铝。这是因为它具有良好的可加工性和热传导率。然后是注模成型的丙烯酸树脂，这是因为与铝相比它具有良好的润湿性和可加工性及较低的杨氏模量。

而且，对于阻挡层4c来说，，选用一种高聚合材料，作为代表的有感光环化橡胶抗蚀剂或曝光固化干膜抗蚀剂。这是由于它有很强的粘着力，固化后硬度高于丙烯酸树脂，并且成本低。

另外，对于喷嘴板3来说，选用电铸镍，因为利用电铸镍构造喷孔3a相对简单，它的热膨胀相对小，而且它的润湿性和价格适于实际应用。

如上所述，每个部分所选择的材料和制造方法必须满足各部分所需的性能和功能。当流路板2、喷头芯片4和喷嘴板3的材料用这种方法来选择，它的线性膨胀系数彼此会有差异。

图10A至10C为剖视图，展示了线形喷头1中的热应力和应变的产生，其中图10A定性表示出由于温度变化而产生的位移程度。在图中，以线形喷头1纵向上的中心为原点。如图所示，在这种情况下，随温度的升高，喷嘴板3和流路板2伸长，使得从中心越靠近两端处，相对于温度升高前的位置的位移越大。箭头的长度表示其位移的大小。

图10B为示出了由于温度改变而产生的变形的一个实施例的剖视图。当流路板2和喷嘴板3的线性膨胀系数与喷头芯片4的线性膨胀系数不同时(在该实施例中，它们大于喷头芯片4的线性膨胀系数)，喷嘴板3和流路板2伸长至比喷头芯片4的直线长度更长，如果其他部分自由，而流路板2、喷头芯片4和喷嘴板3之间用粘接剂粘结在一起，那么喷嘴板3和流路板2就会象双金属现象那样被弯曲成图中的弓形。

当线形喷头1如此弓形弯曲时，记录介质与喷头芯片之间的距离就会改变。例如，在置于两端的喷头芯片4中，喷嘴板3和记录介质之间的距离没有太大改变；但是，喷头芯片4却相对于记录介质倾斜(而不是平行)。另一方面，在位于中部的喷头芯片4中，由于线形喷头1弓形弯曲，尽管平行关系没有太大改变，但喷头芯片4的位置却向上移动，以至于与记录介质之间的距离拉长。

因此，为防止弓形变形，可对线形喷头1施加一个力来维持线形喷头1与记录介质之间的位置关系。

如图10C所示，从顶部向线形喷头1的中部施加压力，同时通过向线形喷头1施加力F1、F3来从底部支撑住其两端，从而可以抑制弓形变形(保持平均)。

但在这种情况下，如图中的箭头所示，流路板2和喷头芯片4之间以及喷头芯片4和喷嘴板3之间会产生剪切力，并且越靠近两端，剪切力越大。

特别是，如上所述在喷头芯片4上设有阻挡层4c，以便利用该阻挡层形成液体室和单独流路。这些部分的强度小于喷头芯片4的半导体衬底4a或喷嘴板3的强度，因此会因剪切力而产生弹性变形和塑性变形，这就导致液体室和单独流路很难满足所需要的性能。

图11A和11B所示为热应力施加到线形喷头1的液体喷射部分上时拍摄的效果图片，其中图11A所示为线形喷头1中心部分。

如图11A所示，变形(应变)几乎不存在。然而，如图11B所示，在线形喷头1的两端，阻挡层4c发生变形，这样可能影响到喷射性能。

为减少这种影响，在打印机一般的耐温范围内，例如在15℃至35℃之间，喷射特性的变化需要进一步降低以适应温度的变化。

发明内容

因此，本发明所要解决的问题是，抑制当通过布置多个喷头芯片来构造一线形喷头时由于温度变化而产生的喷射特性的变化。

本发明采用以下方法以解决上述问题：

根据本发明中的一液体喷头包括：其上形成有用于喷射小液滴的喷孔的一喷嘴板；一框架形状的第一支撑基板；具有多个加热元件的一喷头芯片，这些加热元件布置在一半导体衬底上；一第二支撑基板，至少其部分布置于第一支撑基板的框架内部的一区域内，该液体喷头具有多个喷头芯片，所述喷头芯片排成一行被结合到喷嘴板上，使得加热元件分别与喷孔相对，其中喷头芯片的线性膨胀系数和第一支撑基板的基本相同；喷嘴板的线性膨胀系数大于第一支撑基板；且第二支撑基板的线性膨胀系数也大于第一支撑基板，其中喷嘴板被结合到第一支撑基板上，而在第一支撑基板和第二支撑基板之间的接合面不产生热应力的环境温度下，第一支撑基板使喷嘴板中产生拉应力，其中第二支撑基板被结合到第一支撑基板之上，使得第二支撑基板两个纵向端处的至少一部分外侧面配合在第一支撑基板的至少部分内侧面之间，且当第二支撑基板相对于第一支撑基板热膨胀时，第一支撑基板限制了第二支撑基板的应变，而第二支撑基板中产生压应力。

根据本发明，喷嘴板结合到第一支撑基板上，而喷嘴板的线性膨胀系数大于第一支撑基板。因此，当喷嘴板在高温时结合到第一支撑基板上时，在常温下喷嘴板与第一支撑基板的膨胀/收缩相对应地膨胀/收缩。因为喷头芯片的线性膨胀系数与第一支撑基板几乎相同，而且喷头芯片被结合到喷嘴板上，所以喷头芯片随着第一支撑基板膨胀/收缩。

另外，第二支撑基板被结合到第一支撑基板上，使得第二支撑基板与第一支撑基板相配合，而且第二支撑基板的线性膨胀系数大于第一支撑基板。当第二支撑基板相对应第一支撑基板热膨胀时，第一支撑基板限制了第二支撑基板的应变。

附图说明

图1A-1C所示为根据一个实施例的线形喷头，其中图1A为装配前的分解平面图，图1B为装配前的侧视图，图1C为装配后的侧视剖面图；

图2A和2B为示出了具有应变吸收板的喷头支撑构件的示图；

图3为以温度变化为横坐标，着色剂的量为纵坐标的曲线图；

图4为示出了喷头支撑构件、外框架与粘接层之间的位置关系的平面图；

图5为外框架用于一种颜色的椭圆槽的示图，其示出了从底部观察到的喷头芯片和喷嘴板之间的位置关系；

图6为示出了四色线形喷头的外框架的示图；

图7为连线板粘结到外框架上的过程的说明性示图；

图8A至8D为示意性示出这些线形喷头的示图；

图9为详细示出流路板、喷头芯片和喷嘴板的剖面图；

图10A至10C为说明线形喷头中的热应力、应变产生的剖面图；

图11A至11B示出了当在线形喷头的液体喷射部分上施加热应力时拍摄的效果图片。

具体实施方式

根据本发明，当将多个喷头芯片连接形成一个线形系统的液体喷头时，由于各构件之间的热线性膨胀系数的差异而产生的热应变能够降低到最小，因此，打印质量将不会受到温度变化的影响。

另外，在以下实施例中，液体喷头相当于线形喷头10。第一支撑构件相当于外框架11；第二支撑部件相当于喷头支撑构件14，在以下实施例中它也充当流路板。

以下将参照附图对本发明的一个实施例进行说明。在以下实施例中，以喷墨打印机作为液体喷射装置的一个示例；以热线形喷头作为液体喷射装置的液体喷头的一个示例。

以下在说明书和权利要求中，术语的意义如下：“接合”意为不可能分离(或脱落)的永久连接，包括(1)用粘接剂将各部件粘结在一起，和(2)不用粘接剂(没有在各元件之间嵌入粘接)而是通过热压或超声振动进行超声连接或焊接从而使其接合(连接)。

另外，“粘结”是接合的一种，意思是用粘接剂(将粘接剂涂在各元件之间)将各元件连接在一起，这种连接是不可能分离(或脱落)的永久连接。

图1A-1C示出了根据一个实施例的为线形喷头10，其中图1A为组装前的分解平面图，图1B为组装前的侧视图，图1C为组装后的侧视剖面图。

线形喷头10包括外框架11(相当于本发明中的第一基体)、喷嘴板12、喷头芯片13和喷头支撑构件14(相当于本发明中的第二基体)。

外框架11被形成为近似的矩形框架，其可以由线性膨胀系数比单晶硅或多晶硅的线性膨胀系数高0.5-1.5倍的陶瓷(在本实施例中，尤其是由粉末材料烧结而成的粉末烧结陶瓷)制成。在这种情况下，外框架11(陶瓷)的线性膨胀系数大约为3-3.5ppm，与喷头芯片13(半导体衬底)的线性膨胀系数近似(几乎相等)，后者的硅线性膨胀系数约为2.5-3.0ppm。如果外框架11以此方式由陶瓷形成，那么外框架11的杨氏模量接近于金属材料。另外，线性膨胀系数可通过改变陶瓷的组分和制造方法来进行调整。

喷嘴板12是厚度约为10-20μm的极薄的膜层，并且有多个喷孔。从可加工性、价格、润湿性和杨氏模量的角度来看，喷嘴板12使用电铸镍作为金属材料，用聚酰亚胺作为聚合材料。

喷头芯片13由硅半导体衬底、布置在衬底上的加热元件和位于加热元件上的阻挡层构成(与以上提到的传统喷头芯片4的结构相同)。由感光环化橡胶抗蚀剂或曝光固化干膜抗蚀剂构成的阻挡层是通过在形成有加热元件的半导体衬底的整个表面上沉积了抗蚀剂层之后，通过光刻处理移除不必要的部分而形成的。利用阻挡层，构造出液体室(墨室)和向液体室供应墨水的流路(用于每个液体室的单独流路)。

根据该实施例，喷头支撑构件14作为流路板，如图1A-1C所示，它包括一个在竖直方向圆柱形贯通的液体入口14a。

喷头支撑构件14不仅需要承受张力，还要分别承受来自薄片喷嘴板12的压缩、弯曲和扭曲(非塑性变形)。因此，喷头支撑构件14一般制成板状或条状。

因此，喷头支撑构件14可以像外框架11一样由陶瓷构成。因此，使得喷头支撑构件14和外框架11的线性膨胀系数相同。但是，陶瓷的可加工性不如金属材料或聚合体材料的那么好。所以，喷头支撑构件14由以下材料及方法制造。

首先，喷头支撑构件14可由线性膨胀系数比外框架11的线性膨胀系数高0.5-1.5倍的材料制成。例如，只要喷头支撑构件14和外框架11有着基本相同的线性膨胀系数，喷头支撑构件14的刚性(由E×I表示，其中E为杨氏模量(纵向弹性模量)，I为几何惯性力矩，其结果为抗挠刚性)就没有限制。但是，如果喷头支撑构件14的线性膨胀系数在上述范围内大于外框架11的线性膨胀系数，那么喷头支撑构件14的刚性必须小于外框架11。

第二，喷头支撑构件14可由线性膨胀系数与陶瓷基本相同的聚合材料制成。例如，液晶塑料(也称为LCP或液晶聚合物，特别是，Polyplastics有限公司生产的VECTRA B230)可能会更好。另外，液晶塑料的线性膨胀系数大约为3.0ppm。因为聚合材料有较小的线性膨胀系数，所以它的线性膨胀系数接近于外框架11的线性膨胀系数，其积械强度以及润湿性都非常良好。

第三，喷头支撑构件14可由不胀钢(36％的铁和镍合金)、钛或钛合金、镍钢、镀镍钢(由于镀镍而提高了润湿性能)、不锈钢或氮化铝制成。

而且，如图1A-1C所示，喷头支撑构件14中设置有液体入口14a，因此需要能够制成液体入口14a的材料和加工方法。在此种情况下，以下任何一种方法都可以采用。

首先，可采用的一种方法是，上述不胀钢、镍钢、镀镍钢或不锈钢的平板是塑性加工的，以便形成液体入口14a，同时在其中形成与液体入口14a连通的流路。例如，在喷头支撑构件14内部形成空间来构造一个通路，其等同于图6所示的传统供液通路2a(参见图2A和2B中所示的供液通路14b，下文中将对此进行描述)。当平板被塑性加工时，弯曲强度、扭曲强度和抗压强度将提高到大于平板本身的水平。

第二，液体入口14a可通过对具有和陶瓷(例如，以上提到的LCP)基本上一样的线性膨胀系数的聚合材料进行注模成形而制成。而且，与液体入口14a连通的供液通路也可用相似的方式制造(图2A和2B中所示的供液通路14b)。

第三，可采用的另一个方法是，在第二种方法中，在喷头支撑构件14下面提供应变吸收板。图2A和2B中示出了带有应变吸收板14c的喷头支撑构件14A。喷头支撑构件14A设置有与液体入口14a连通的供液通路14b，其是通过在内部以及在液体入口14a内形成一空间而形成的。

应变吸收板14c是平板，并且当应变吸收板14c位于喷头芯片13上时，其被粘结在喷头芯片13的上表面上。同时，应变吸收板14c的上表面粘结在喷头支撑构件14A的底表面上。

应变吸收板14c上设置有许多椭圆形通孔14d。穿过通孔14d，供液通路14b与喷头芯片13连通。

在这种情况下，应变吸收板14c可由不胀钢、镀镍钢、不锈钢、或陶瓷的平板制成，而喷头支撑构件14A除了应变吸收板14c的部分，可由象第二种方法中的那些聚合材料制成。通过用金属材料和聚合材料的组合材料制成喷头支撑构件14A，线性膨胀系数和压缩由金属材料制成的应变吸收板14c来确保，而可加工性和成本通过注模成形的聚合材料得到提高。

接下来将对线形喷头10的制造方法进行说明。

首先，参照图1B，喷嘴板12被粘结在外框架11上(第一步)。外框架11的框架底面被粘结在喷嘴板12上。粘结过程在T1温度下进行，T1是制造线形喷头10过程中的最高温度(150℃或更高，根据实施例确定)。另外，温度T1要高于驱动过程中线形喷头10的最高温度。热固化(heat-curing)的片状粘接剂可作为粘接剂，特别是可以使用环氧树脂粘接剂。

根据实施例，喷嘴板12的线性膨胀系数大于外框架11。特别是如实施例所述，当喷嘴板12由镍制造而成时，它的线性膨胀系数大约为12-13ppm。但是，当外框架11由陶瓷制成时，其线性膨胀系数约为3-3.5ppm。

当喷嘴板12在150℃的环境温度下粘结在外框架11上，如果温度低于150℃，则在喷嘴板12上将产生一个沿压缩方向的力。即，在低于150℃的温度下在喷嘴板12内总是产生一个拉应力。因此，在150℃或更低的环境温度下，喷嘴板12保持紧拉的状态。

然后，喷头芯片13被粘结在喷嘴板12上(第二步)。在低于T1温度的T2温度下，喷头芯片13粘结在喷嘴板12上。根据该实施例，温度T2为120℃。为了将喷头芯片13粘结在喷嘴板12上，喷头芯片13的阻挡层必须粘结在喷嘴板12上；粘结温度由阻挡层的特性决定，因此根据实施例，阻挡层的加工温度为120℃。

这里，喷嘴板12上设有喷孔，并且其粘结方式使得喷孔与喷头芯片13的加热元件相对应(使得每个喷孔的轴线与喷头芯片13的每个加热元件的轴线在竖直方向上相重合)。喷孔布置在加热元件上且围绕在加热元件周围，液体室由侧面上的阻挡层和顶部上的喷嘴板12形成。

在120℃的环境温度下，喷嘴板12中产生拉应力。即，在150℃的环境温度下，喷嘴板12与外框架11无应变地粘结在一起，使得在120℃时，由于喷嘴板12与外框架11的线性膨胀系数不同，喷嘴板12收缩得比外框架11多。但是，由于喷嘴板12的收缩力小于外框架11的刚性，所以即使当温度低于150℃时，外框架11中也很难产生应变，从而使得喷嘴板12的收缩与外框架11一致。

尽管在图1A-1C中没有示出，伪芯片在纵向方向上布置于喷头芯片13上，以便如图8c中所示的布置那样基本上无间隙地插入其间。伪芯片可以有加热元件、阻挡层和象在喷头芯片13中一样地形成的单独流路。或者，伪芯片仅具有设置于半导体衬底的几乎整个区域上的阻挡层，而没有加热元件和单独流路。在任何情况下，伪芯片不能喷射小液滴。

然后，在低于温度T2的温度T3下，喷头支撑构件14粘结在外框架11和喷头芯片13上(第三步)。

以下将说明在装配过程中的环境温度与应变之间的关系。图3为以温度变化为横坐标，着色剂的量为纵坐标的曲线图。简短地说，在图3曲线的范围内，假设温度与应变成正比。

根据图3，直线L1表示在常温(根据该实施例为25℃)下装配的应变特性；在打印机的正常工作温度为15-35℃的情况下，在其中间温度25℃下进行的装配表现出直线L1的特性。这是因为，应变在25℃为零；而且当温度达到例如35℃时，应变达到Dmin。

当仅考虑正常工作温度时，在该范围的中间温度25℃(常温)下，装配过程中的应变能降低到最小。

但是，当在实际使用打印机时，线形喷头10的温度上升至高于室内温度，在室温为25℃时，其可达到45℃。

因此，根据直线L1，在25℃下进行的装配过程中，操作线形喷头10的温度达到45℃时应变量达到Dave。但是，当装配温度为线形喷头10工作温度的平均值(估计值)45℃时，特性表现为直线L2，因此，应变在45℃为零。

然后，根据该实施例，喷头支撑构件14的粘结温度设在45℃(作为设计值，在45±10℃的范围内)，使得在平均工作温度(45℃)下可抑制喷头支撑构件14中的应变。即，温度T3为45±10℃。

当打印机经过很长时间的休息后启动时，线形喷头10的温度降至低于室温(25℃)，使得喷头支撑构件14在此时可能产生应变。在此种情况下，线形喷头10在必要时需预热。

同时，在45℃的环境温度下，如图1A-1C所示，喷头支撑构件14的两个外端之间在纵向上的长度设为近似等于外框架11的两内端在纵向上的长度(喷头支撑构件14的长度稍短)。因此，在温度T3下，喷头支撑构件14基本上无间隙地配合在外框架11的内部。因此，在45℃的环境温度下，喷头支撑构件14和外框架11中不产生热应力。

如图1A-1C所示，喷头支撑构件14在纵向上的外侧面用粘接剂(在两侧面之间形成粘接层15)粘结于外框架11在纵向上的内侧面上。同时，喷头支撑构件14的底面通过以相同方式形成粘接层15而用粘接剂粘结于喷头芯片13(和图1A-1C中没有显示的伪芯片)的上表面上。

图4示出了喷头支撑构件14、外框架11合粘接层15之间的位置关系的平面图。另外，喷头支撑构件14和外框架11之间的间隙在图4中被夸张地示出，实际的间隔小于图中所示。如图4所示，不仅喷头支撑构件14和外框架11在纵向上的末端有粘接层15，在其近似中间部分也有粘接层15。

在上述构造的线形喷头10中，备用器件或操作过程中的温度为150℃或更低，因此，喷嘴板12内总会产生拉应力。在150℃或更低的温度下，喷嘴板12随着外框架11的膨胀/收缩而进行膨胀/收缩。此外，喷头芯片13粘结于喷嘴板12上：由于喷头芯片13和外框架11的线性膨胀系数基本相同，因此喷嘴板12随着外框架11进行膨胀/收缩，即使发生温度变化，喷头芯片13的加热元件与喷嘴板12的喷孔的位置关系仍会维持。

另外，在线形喷头10的平均工作温度(45℃)下，喷头支撑构件14和外框架11中不会产生热应力，因此没有应变产生。当喷头支撑构件14的线性膨胀系数大于外框架11的线性膨胀系数，在温度大于45℃时，产生一个压应力(图4中箭头P1)。

在这种情况下，喷头支撑构件14的伸长超过外框架11；但是，喷头支撑构件14的纵向上的两端均被外框架11夹住，同时外框架11的粘结表面刚性设为大于喷头支撑构件14。即，当温度高于45℃时，当喷头支撑构件14的应变受到外框架11的限制时，喷头支撑构件14中会产生一个压应力。

如图4所示，因为喷头支撑构件14不仅在纵向上的两端有粘接层15，而且在纵向上的中间位置也存在粘接层15，所以传统技术中的现象(喷头支撑构件14弯曲成弓形)不会发生。由于喷头支撑构件14的纵向上的两端均被外框架11压住，所以当温度升高，在与纵向相垂直的方向(图4中的P2)上会产生应变。因此，喷头支撑构件14和外框架11之间的间隙必须具有一定容差，尤其是在与纵向相垂直的方向上，而且优选粘接层15具有挠性(橡胶弹性)。

例如，聚亚安酯树脂粘接剂具有相应于该组合材料的挠性(橡胶弹性)。同时，弹性体树脂粘接剂由在固化之后具有橡胶弹性的材料制成，使得固化后的粘接剂或多或少具有橡胶弹性。例如，在硅树脂中，因为作为其主要材料的聚硅氧烷的作用，无论是室温固化还是热定形类型，固化树脂都表现出了橡胶弹性。

如上所述，当线形喷头10由具有不同线性膨胀系数多种材料的组合成时，由于温度变化而引起的应变可以降低到最小。

然后，线形喷头10装配到喷墨打印机的机身上，然后相对于记录介质进行移动。例如，在线形喷头10装配到打印机的机身上的状态下，记录介质在与线形喷头10的纵向相垂直的方向上移动。

在相对移动过程中，线形喷头10的每个喷头芯片13处喷射出小液滴。即，布置在喷头芯片13上的加热元件被加热，使得通过由于气泡的产生/消失而产生的压力变化在加热元件上的液体上施加一个剧增的力。在该剧增力的作用下，小液滴由喷孔喷射出，从而通过小液滴落在记录介质上形成图像。

通过如此驱动线形喷头10，线形喷头10的温度升高，即使当线形喷头10的温度发生变化(即使在线形喷头10的内部产生热应力)时，喷头芯片13和记录介质之间的距离也很难改变，以此获得高品质的打印。

(具体示例)

接下来，将描述本发明的一个示例。在该示例中，线形喷头10为四色线形喷头(Y：黄色，M：品红色，C：青色，K：黑色)。

首先，外框架11由陶瓷(粉末烧结陶瓷)制成。由于这是作为四色线形喷头的外框架11，所以设置了四个彼此平行(见图6，其为外框架11的俯视图)的槽(椭圆槽11a、11b、11c、11d)。每个槽的长径、短径和厚度分别为227mm、6.0mm和5.0mm。

电铸镍薄膜(厚13μm)在160℃下被设置在外框架11的两个表面上(在该示例中，温度为160℃，高于150℃)。喷嘴板12设置在底面上，在顶面上设置一加强板12h，用以改善拉伸平衡。使拉力施加在两个表面上可以减小两个表面上的应力差。

图5为外框架11用于一种颜色的椭圆槽的示图，其示出了从底部观察到的喷头芯片13和喷嘴板12之间的位置关系。

在该示例中，每个喷头芯片13的结合数量很大，而且如果同时设置长的结合工作孔，在160℃下粘结的喷嘴板12的应变就增大。设置了带有一些焊盘的结合端子，至于喷头芯片13，一个电极被分成两个分割部分，以便喷嘴板12上的应变通过对应每个分割部分的一半椭圆槽而降低。

上述的伪芯片D被设置在喷头芯片13之间，而且通过与喷头芯片13同样的方法被粘结。但是，伪芯片D并不设有电连接。

在被粘结在喷嘴板12上之后，喷头芯片13和伪芯片D之间的间隙被密封，以便防止液体从喷头芯片13和伪芯片D所围绕的区域泄漏出去。

同时，将制造三种喷头支撑构件14。第一元件由铝制成，作为基础材料，其表面上覆盖有聚酰亚胺树脂。第二元件由注射成型的液晶塑料制成。第三元件由不锈钢平板(厚度为0.3mm)制成。在喷头支撑构件14的两端，设置有槽，用于提供供结合端子插入的空间(10mm×0.9mm)。

安装步骤如下：

(1)在160℃的环境温度下，喷嘴板12和加强板12h粘结于外框架11上。

(2)喷头芯片13被粘结，使得它与通过预先用光化学雕刻以高精度形成在喷嘴板12上的喷孔12a对准。

(3)伪芯片D参照喷头芯片13的位置被粘结。

(4)密封喷头芯片13和伪芯片D之间的间隙。

(5)通过在喷头芯片13和伪芯片D的上表面上施加粘接剂，以及使喷头支撑构件14从预部落入形成于外框架上的槽中，使喷头支撑构件14粘结于喷头芯片13上。

(6)在喷头支撑构件14周围的预定位置被填满粘接剂，喷头支撑构件14用固定夹具加压，保持预定的一段时间(固化粘接剂)。除了线形喷头10的平均工作温度45℃之外，也可以在常温(25℃)下尝试该处理。

(7)在确认喷头支撑构件14已粘结之后，移开固定夹具；具有以高精度布置在印刷电路板上的所需数量(在该示例中，每种颜色16个，共64个)的结合端子的接线板16(参见图7，为便于理解，接线板16被放大了)，从喷头支撑构件14上方被插入外框架11中，以利用粘接剂将其固定。

(8)穿过图5所示的、设置在喷嘴板12上的结合工作孔，实现线接合(wirebonding)。

(9)密封结合工作孔12b。

使用以上述过程制造的线形喷头10，打印出图像。另外，喷头支撑构件14由铝和聚酰亚胺制成，打印在室温35℃下进行，其中使用了在常温25℃下和在平均工作温度45℃下粘结的喷头支撑构件14。因此，在任何一个例子中，可以肯定的是其打印质量得到前所未有的提高，并且由于热应力而产生的影响被降低。

Claims (22)

1.一液体喷头，其包括：

一喷嘴板，其上形成有喷射小液滴的多个喷孔；

一框架形状的第一支撑基板；

一喷头芯片，其具有布置在一半导体衬底上的多个加热元件；和

一第二支撑基板，它的至少一部分被布置在所述第一支撑基板的框架内部的一区域中，

具有多个所述喷头芯片的所述液体喷头排成一行被结合到喷嘴板上，使得所述加热元件与所述喷孔分别相对，

其中，所述喷头芯片的线性膨胀系数与所述第一支撑基板的线性膨胀系数基本相同；所述喷嘴板的线性膨胀系数大于所述第一支撑基板的线性膨胀系数；并且所述第二支撑基板的线性膨胀系数大于所述第一支撑基板的线性膨胀系数，

其中，所述喷嘴板被结合到所述第一支撑基板上，而在所述第一支撑基板和第二支撑基板之间的接合面不产生热应力的环境温度下，所述第一支撑基板使所述喷嘴板中产生拉应力，

其中，所述第二支撑基板结合到所述第一支撑基板上，使得第二支撑基板在纵向上的两端处的至少一部分外侧面配合在第一支撑基板的至少一部分内侧面之间，以及

其中，当所述第二支撑基板相对于所述第一支撑基板热膨胀时，第一支撑基板限制了第二支撑基板的应变，而第二支撑基板中产生压应力。

2.根据权利要求1所述的喷头，其中，在所述液体喷头的平均工作温度下，所述第二支撑基板和所述第一支撑基板之间的接合面上不产生压应力，而第一支撑基板在所述喷嘴板上产生拉应力。

3.根据权利要求1所述的喷头，其中，在所述液体喷头的平均工作温度，即45±10℃的温度范围内，在所述第二支撑基板和所述第一支撑基板之间的接合面上不产生压应力，而第一支撑基板在所述喷嘴板上产生拉应力。

4.根据权利要求1所述的喷头，其中，所述第二支撑基板的线性膨胀系数大于所述第一支撑基板的线性膨胀系数，同时低于第一支撑基板的线性膨胀系数的1.5倍。

5.根据权利要求1所述的喷头，其中，所述第一支撑基板由线性膨胀系数为单晶硅或多晶硅线性膨胀系数的0.5-1.5倍的陶瓷制成。

6.根据权利要求1所述的喷头，其中，所述喷嘴板由镍和聚酰亚胺中的一种制成。

7.根据权利要求1所述的喷头，其中，所述第二支撑基板由选自以下的一种或多种材料的组合制成：线性膨胀系数在单晶硅或多晶硅的线性膨胀系数的0.5-1.5倍范围内的陶瓷、线性膨胀系数在单晶硅或多晶硅的线性膨胀系数的0.5-1.5倍范围内的聚合材料、不胀钢、钛或钛合金、镍钢、镀镍钢、不锈钢和氮化铝。

8.根据权利要求1所述的喷头，其中，所述第二支撑基板包括：由第二支撑基板的开口部分形成的一液体入口和与所述液体入口连通且连通至所述喷头芯片的加热元件上的一供应通路。

9.根据权利要求1所述的喷头，其中，所述第二支撑基板包括：由所述第二支撑基板的开口部分形成的一液体入口和与所述液体入口连通且连通至所述喷头芯片的加热元件上的一供应通路，并且所述第二支撑基板由选自以下的一种或多种材料的组合制成：线性膨胀系数在单晶硅或多晶硅的线性膨胀系数的0.5-1.5倍范围内的陶瓷、线性膨胀系数在单晶硅或多晶硅的线性膨胀系数的0.5-1.5倍范围内的聚合材料、不胀钢、钛或钛合金、镍钢、镀镍钢、不锈钢和氮化铝。

10.根据权利要求1所述的喷头，其中，所述第二支撑基板包括：由所述第二支撑基板的开口部分形成的一液体入口和与所述液体入口连通且连通至所述喷头芯片的加热元件上的一供应通路，

其中所述第二支撑基板包括所述液体入口的部分由下述材料中的一种制成：线性膨胀系数在单晶硅或多晶硅的线性膨胀系数的0.5-1.5倍范围内的陶瓷、不胀钢、镍钢、镀镍钢、不锈钢，并且

所述供应通路由线性膨胀系数在单晶硅或多晶硅的线性膨胀系数的0.5-1.5倍范围内的聚合材料制成。

11.一液体喷头，其包括：

一喷嘴板，其上形成有喷射小液滴的多个喷孔；

一框架形状的第一支撑基板；

一喷头芯片，其具有布置于一半导体衬底上的多个加热元件；和

一第二支撑基板，它的至少一部分被布置在所述第一支撑基板的框架内部的一区域中，

具有多个所述喷头芯片的所述液体喷头排成一行被结合在所述喷嘴板上，使得所述加热元件与所述喷孔分别相对，

其中，所述喷头芯片的线性膨胀系数与所述第一支撑基板的线性膨胀系数基本相同；所述喷嘴板的线性膨胀系数大于所述第一支撑基板的线性膨胀系数；并且所述第二支撑基板的线性膨胀系数与所述第一支撑基板的线性膨胀系数基本相同，

其中，所述喷嘴板被接合到所述第一支撑基板上，而第一支撑基板在所述喷嘴板上产生拉应力，

其中，所述第二支撑基板被接合到所述第一支撑基板上，使得所述第二支撑基板在纵向上的两端处的至少一部分外侧面配合在所述第一支撑基板的至少一部分内侧面之间。

12.根据权利要求11所述的喷头，其中，所述第一支撑基板由线性膨胀系数在单晶硅或多晶硅的线性膨胀系数的0.5-1.5倍范围内的陶瓷制成。

13.根据权利要求11所述的喷头，其中，所述喷嘴板由镍和聚酰亚胺中的一种制成。

14.根据权利要求11所述的喷头，其中，所述第二支撑基板由选自以下的一种或多种材料的组合制成：线性膨胀系数在单晶硅或多晶硅的线性膨胀系数的0.5-1.5倍范围内的陶瓷、线性膨胀系数在单晶硅或多晶硅的线性膨胀系数的0.5-1.5倍范围内的聚合材料、不胀钢、钛或钛合金、镍钢、镀镍钢、不锈钢和氮化铝。

15.根据权利要求11所述的喷头，其中，所述第二支撑基板包括：由所述第二支撑基板的开口部分形成的一液体入口和与所述液体入口连通且连通至所述喷头芯片的加热元件上的一供应通路。

16.根据权利要求11所述的喷头，其中，所述第二支撑基板包括：由所述第二支撑基板的开口部分形成的一液体入口和与所述液体入口连通且连通至所述喷头芯片的加热元件上的一供应通路，并且所述第二支撑基板由选自以下的一种或多种材料的组合制成：线性膨胀系数在单晶硅或多晶硅的线性膨胀系数的0.5-1.5倍范围内的陶瓷、线性膨胀系数在单晶硅或多晶硅的线性膨胀系数的0.5-1.5倍范围内的聚合材料、不胀钢、钛或钛合金、镍钢、镀镍钢、不锈钢和氮化铝。

17.根据权利要求11所述的喷头，其中，所述第二支撑基板包括：由所述第二支撑基板的开口部分形成的一液体入口和与所述液体入口连通且连通至所述喷头芯片的加热元件上的一供应通路，

其中，所述第二支撑基板包括所述液体入口的部分由下述材料中的一种制成：线性膨胀系数在单晶硅或多晶硅的线性膨胀系数的0.5-1.5倍范围内的陶瓷、不胀钢、镍钢、镀镍钢、和不锈钢，并且

其中，所述供应通路由线性膨胀系数在单晶硅或多晶硅的线性膨胀系数的0.5-1.5倍范围内的聚合材料制成。

18.一液体喷射装置，其包括：

一喷嘴板，其上形成有喷射小液滴的多个喷孔；

一框架形状的第一支撑基板；

一喷头芯片，其具有布置于一半导体衬底上的多个加热元件；和

一第二支撑基板，它的至少一部分被布置在所述第一支撑基板的框架内部的一区域中，

一具有多个所述喷头芯片的液体喷射头，所述喷头芯片排成一行结合到所述喷嘴板上，使得所述加热元件与所述喷孔分别相对，

其中，所述喷头芯片的线性膨胀系数与所述第一支撑基板的线性膨胀系数基本相同；所述喷嘴板的线性膨胀系数大于所述第一支撑基板的线性膨胀系数；并且所述第二支撑基板的线性膨胀系数大于所述第一支撑基板的线性膨胀系数，

其中，所述喷嘴板被结合到所述第一支撑基板上，而在所述第一支撑基板和第二支撑基板之间的接合面不产生热应力的环境温度下，第一支撑基板在所述喷嘴板上产生拉应力，

其中，所述第二支撑基板结合到所述第一支撑基板上，使得所述第二支撑基板在纵向上的两端处的至少一部分外侧面配合在所述第一支撑基板的至少一部分内侧面之间，以及

其中，当所述第二支撑基板相对于所述第一支撑基板热膨胀时，第一支撑基板限制了第二支撑基板的应变，而所述第二支撑基板中产生压应力。

19.一液体喷射装置，其包括：

一喷嘴板，其上形成有喷射小液滴的多个喷孔；

一框架形状的第一支撑基板；

一喷头芯片，其具有多个布置于一半导体衬底上的加热元件；和

一第二支撑基板，它的至少一部分被布置于所述第一支撑基板的框架内部的一区域中，

一具有多个所述喷头芯片的液体喷射头，所述喷头芯片排成一行结合到所述喷嘴板上，使得所述加热元件与所述喷孔分别相对，

其中，所述喷头芯片的线性膨胀系数与所述第一支撑基板的线性膨胀系数基本相同；所述喷嘴板的线性膨胀系数大于所述第一支撑基板的线性膨胀系数；并且所述第二支撑基板的线性膨胀系数大于所述第一支撑基板的线性膨胀系数，

其中，所述喷嘴板被结合到所述第一支撑基板上，第一支撑基板在所述喷嘴板中产生拉应力，

其中，所述第二支撑基板被结合到所述第一支撑基板上，使得所述第二支撑基板在纵向上的两端处的至少一部分外侧面配合在所述第一支撑基板的至少一部分内侧面之间。

20.一种液体喷头的制造方法，该液体喷头包括：

一喷嘴板，其上形成有喷射小液体的多个喷孔；

一框架形状的第一支撑基板；

一喷头芯片，其具有多个布置于一半导体衬底上的加热元件；和

一第二支撑基板，它的至少一部分被布置于所述第一支撑基板的框架内部的一区域中，

其中，所述喷头芯片的线性膨胀系数与所述第一支撑基板的线性膨胀系数基本相同；所述喷嘴板的线性膨胀系数大于所述第一支撑基板的线性膨胀系数；并且所述第二支撑基板的线性膨胀系数大于所述第一支撑基板的线性膨胀系数，

所述制造方法包括以下步骤：

在环境温度T1下，将所述喷嘴板结合到所述第一支撑基板上，环境温度T1大于等于150℃；

在低于温度T1的环境温度T2下，将多个所述喷头芯片结合到所述喷嘴板上，使得所述加热元件与所述喷孔分别相对；

在低于温度T2的环境温度为T3下，将所述第二支撑基板结合到所述第一支撑基板上，使得所述第二支撑基板在纵向上的两端的至少一部分外侧面配合在所述第一支撑基板的至少一部分内侧面之间；

在所述结合第二支撑基板的步骤中，温度T3为所述液体喷头的平均工作温度，其范围为45±10℃。

21.根据权利要求20所述的方法，其中，在所述结合第二支撑基板的步骤中，在环境温度T3下，所述第二支撑基板被利用粘接剂粘结到所述第一支撑基板上，然后所述粘接剂完成固化。

22.根据权利要求20所述的方法，其中，在所述结合第二支撑基板的步骤中，温度T3为所述液体喷头的平均工作温度。

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