CN101466547B - 粘着应力降低的打印头 - Google Patents

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Abstract

一种喷墨打印头(100)，包括：硅喷墨芯片(104)；打印头保持件(102)，其构造成承载和支承所述硅芯片；以及玻璃板(118)，其粘着在硅芯片和打印头保持件之间。该硅喷墨芯片(104)具有热膨胀系数αs。打印头保持件(102)具有保持件壁厚，且具有基本上不同于αs的热膨胀系数αh。玻璃板(118)具有基本上类似于αs的热膨胀系数αg，且厚度至少等于保持件壁厚，由此由硅喷墨芯片(104)和打印头保持件(102)之间不同热膨胀所产生的应力被玻璃板削弱。

Description

粘着应力降低的打印头
技术领域
本发明总的涉及打印头，更具体地，涉及一种能使粘着应力降低的打印头。
背景技术
在打印头制造过程中，具有微加工硅阵列的芯片通常附连到塑料保持件上。微加工硅板通常由较薄且柔性的玻璃隔膜覆盖。该硅阵列结构与油墨储存器流体连通，并包括与喷嘴连通并具有可选择地致动以为油墨增压并将墨滴喷到打印介质上的致动器(例如压电触发装置)的多个油墨通道。硅阵列结构通常粘性地直接粘着到保持件或安装件，该保持件或安装件可由塑料、复合物或其它适当的材料制成。除了用于打印头硅的结构安装件或支承件，保持件通常包括油墨储存器和打印系统的其它部件。
由这些结构提出的一个挑战是硅或玻璃的热膨胀系数与塑料的差异较大。因此，硅阵列和塑料保持件的不同热膨胀系数可在玻璃隔膜和硅板内产生显著的机械应力。由于该应力，硅阵列可弯曲或翘曲，使喷墨喷嘴失去方向性，或者其可甚至开裂，从而损坏打印头。膨胀的差别还可使打印头的制造工艺变得复杂，该工艺包括施加升高的温度，并可使打印头的运行变得复杂，因为在运行期间不能承受较大的温差。
尽管能够用热膨胀系数类似于硅或玻璃的材料来制造打印头保持件，但是这通常不经济且不实际，且不利地影响打印头模块的成本。
发明内容
本发明提供了一种喷墨打印头，包括：硅喷墨芯片，所述硅喷墨芯片具有热膨胀系数αs；打印头保持件，所述打印头保持件构造成承载和支承所述硅喷墨芯片，具有保持件壁厚，且具有不同于αs的热膨胀系数αh；以及玻璃板，所述玻璃板粘着在所述硅喷墨芯片和所述打印头保持件之间，并具有与αs相同的热膨胀系数αg，且厚度至少等于所述保持件壁厚，由此由所述硅喷墨芯片和所述打印头保持件之间不同热膨胀所产生的应力被所述玻璃板削弱。
较佳的是，所述玻璃板的厚度是所述保持件壁厚的1至3倍。
较佳的是，所述玻璃板的厚度是所述保持件壁厚的2倍。
较佳的是，所述保持件壁厚不大于0.5mm且所述玻璃板的厚度至少为0.7mm。
较佳的是，所述玻璃板包括一对尺寸和形状相同的玻璃板，各玻璃板对称地在第一侧上粘着到所述硅喷墨芯片的相对侧，并在第二侧上粘着到所述打印头保持件。
较佳的是，αs和αg在3×10-6/℃范围内，且αh在15至17×10-6/℃范围内。
较佳的是，还包括粘着于所述硅喷墨芯片并位于所述硅喷墨芯片和所述玻璃板之间的玻璃隔膜。
较佳的是，所述玻璃隔膜的厚度为所述玻璃板厚度的1/10。
附图说明
本发明的各特征和优点会从以下结合附图的详细描述中变得明显，该详细描述与附图共同以示例方式说明本发明的特征，且附图中：
图1是粘着有微加工硅阵列的打印头模块的正视图；
图2是图1的打印头模块的侧剖视图；
图3是具有粘着到微加工阵列的玻璃板的打印头模块的一实施例的正剖视图；以及
图4是图3的打印头模块的侧剖视图。
具体实施方式
现参照附图中所示的示例性实施例，本文将使用特定语言对其进行描述。但是应当理解并不由此限制本发明的范围。对阅读了该内容的相关领域的技术人员来说，可进行对本文所说明的本发明的特征的改变和其它更改，以及本文所说明的本发明原理的其它应用，这都认为在本发明的范围内。
如上文所指出的，具有微加工硅阵列的芯片通常附连到打印头阵列内的塑料保持件。图1和2中示出这种构造。喷墨打印头模块10包括由粘着有柔性和薄玻璃隔膜16的微加工硅板14形成的喷墨结构12。微加工硅板包括形成在其一个或两个侧表面18上的多个油墨通道，以及与各油墨通道相邻设置的多个致动器20(例如压电致动器)以将墨滴22加压并喷射到设置在打印头模块10下方的打印介质24(例如纸)上。
喷墨结构12通过诸如环氧树脂之类的粘合剂粘着到保持件26上。保持件支承喷墨结构并还包括通向内部油墨储存器30的油墨入口28(图2的剖视图所示)，该内部油墨储存器将油墨供应并分配到喷墨结构的油墨通道和喷嘴，使油墨能够吸入并如上所述喷射。保持件还可包括提供微加工硅阵列和打印机系统的机械框架(未示出)之间的机械接口的定位销32。
保持件26可由塑料或聚合物材料、复合物材料或任何其它适当的材料制成。但是，如上文所指出的那样，一方面，硅或玻璃的热膨胀系数和塑料或聚合物材料的有很大差异。具体地说，硅和玻璃各具有约3×10-6/℃的热膨胀系数，而用于打印头模块的聚合物材料的热膨胀系数通常约15-17×10-6/℃。
应当理解，致动器20产生热量，打印系统的其它部件也产生热量，且该热量通过整个系统自然地被消散。但是，根据各部件相应的热膨胀系数，整个系统的给定温度变化会产生不同部件的不同膨胀。微加工阵列12和塑料保持件26的不同热膨胀可能在玻璃隔膜16和硅板14内产生显著的机械应力。由于该应力，微加工阵列可弯曲，影响喷墨喷嘴的方向性。甚至更差的是，玻璃隔膜或硅芯片可能会开裂，损坏打印头。热膨胀的差异还使打印头的制造变得复杂，这包括包含施加升高温度的过程，诸如用于固化粘合剂或热密封空腔。不同的热膨胀还可使正常的打印头操作变得复杂，原因是不能承受较大的温差。尽管能够用热膨胀系数类似于硅或玻璃的材料来制造打印头保持件，但是这通常不经济且不实用，且不利地影响打印头模块的成本。
有利的是，发明人已开发了一种降低聚合物安装结构和粘着到其上的硅结构之间应力的结构和方法。尽管本文揭示了该结构和方法具体应用于包括微加工打印头的喷墨打印头，但并不限于此。而是，其总地涉及具有粘着到塑料或具有显著不同的热膨胀系数的某些其它材料的硅芯片或衬底的任何结构。
图3和4中示出具有改进构造的打印头模块100的一实施例。在该实施例中，打印头模块总地包括聚合物或其它材料的保持件102，微加工的硅喷墨芯片104附连到该保持件上。像图1所示的打印头结构，硅喷墨芯片或称硅阵列包括诸如通过阳极键合或通过诸如环氧树脂之类的粘合剂粘着有柔性且薄的玻璃隔膜108的微加工硅板106。玻璃隔膜的厚度可以在约50微米的范围内，尽管并不限于该厚度。像图1的实施例那样，微加工硅板包括形成在其一个或两个侧表面110上的多个油墨通道，以及用于将墨滴加压并从各油墨通道喷射到打印介质(未示出)上的多个诸如压电致动器之类的致动器(未示出)。
保持件102包括通向内部油墨储存器114的油墨入口112，该内部油墨储存器向硅喷墨芯片104提供油墨。保持件本体还可包括槽道116，该槽道用于接纳提供微加工的硅喷墨芯片和打印机系统的机械框架(未示出)之间机械接口的定位销。
不像图1和2的实施例，硅喷墨芯片104未直接粘着到保持件102。而是在图3和4的实施例中，硅喷墨芯片粘着(通过例如环氧树脂或其它粘合剂)到一对相对厚的玻璃安装板118，该玻璃安装板对称设置在硅喷墨芯片的两侧上。即，该硅喷墨芯片的各侧表面110粘着到各玻璃板的一侧。各玻璃板的相对侧又例如通过诸如环氧树脂之类的粘合剂粘着到塑料保持件102。
玻璃具有几乎与硅相同的热膨胀系数。具体地说，如上所述，硅和玻璃都具有约3×10-6/℃的热膨胀系数。但是，保持件102以与玻璃显著不同的速率膨胀。例如，通常用于打印头模块的聚合物材料具有15至17×10-6/℃范围内的热膨胀系数。
有利的是，玻璃安装板118的厚度使这些板能够吸收和削弱硅喷墨芯片104和保持件102的不同热膨胀产生的机械应力。玻璃板的厚度选择成使得其能够吸收(削弱)由塑料保持件的热膨胀产生的力，且不将由升高的温度产生的应力传递到脆性的硅喷墨芯片。几个因素有助于该功能。首先，玻璃安装板附连到保持件的相对薄的壁部分120。玻璃安装板的厚度至少等于其所要粘着的保持件的薄壁部分的厚度。更宽泛地说，玻璃板的厚度可以是保持件壁厚的约1至3倍。
如本文所使用的那样，术语“保持件壁厚”是指保持件102的壁120在玻璃板118所粘着的区域的最小典型厚度。尽管保持件可包括角撑板和在该区域连接到保持件壁并可与其形成一体(例如通过注模)的其它较厚的加固结构，但所关心的是在该区域的最小典型壁厚。保持件壁厚通常从约0.3mm变化到约0.5mm。因而，玻璃板厚度的范围可从约0.3mm至约1.5mm。在一具体实施例中，玻璃安装板的厚度约0.7mm，且与其相邻的保持件壁厚约0.5mm。特定结构在给定的热膨胀量下产生的力的量对于较小的结构是较小的。因此，较薄的保持件壁会比较厚的壁产生较小的膨胀力，且相对较厚的应力削弱层会提供较大的力来抵抗该膨胀力。
玻璃板118的厚度还涉及玻璃的弹性模量(杨氏模量)相对于保持件的聚合物材料的弹性模量。聚合物材料的弹性模量通常在小于1至约4GPa范围内。另一方面，玻璃的弹性模量范围约为64GPa。因此，具有与塑料保持件相同总刚度的玻璃板会具有小于保持件壁厚的厚度。(为了具有与保持件相同的刚度，玻璃板厚度和玻璃的弹性模量与塑料保持件材料的弹性模量的比值成比例。)因此，在玻璃板的厚度是保持件壁的厚度的1至3倍的情况下，玻璃板的机械强度和其吸收机械应力的能力基本上大于保持件壁的。为了充分地吸收由不同热膨胀产生的应力，更有弹性(即具有较低的弹性模量)的应力削弱层会需要更厚，而更刚性(即具有较高弹性模量)的应力削弱层可以较薄并仍可充分吸收应力。
此外，玻璃板的厚度降低由不同膨胀产生的应力，因为应力是力和材料的横截面积的函数。在有更多材料来吸收给定力的情况下，产生的应力会更低。由于玻璃比保持件的塑料壁厚，所以其使硅阵列结构更刚，能够隔离由塑料膨胀(由于升高的温度)产生的力并保护脆性的硅喷墨芯片结构。这减少打印头失效、芯片开裂的次数并增加产量。
用作应力削弱或应力吸收隔膜的玻璃板118与硅喷墨芯片104和保持件102两者交界。较大厚度的玻璃板118吸收由保持件102的不同热膨胀产生的应力，且不将该应力传递到脆性的硅喷墨芯片104。此外，玻璃安装板使打印头模块整体更刚性，并使其对粘着或打印头使用过程中发生的温度变化较不敏感。
尽管本公开文本示出打印头模块的实施例，但本文揭示的原理可应用于硅结构粘着到塑料或具有显著不同热膨胀系数的某种其它材料的任何结构。因而，提供一种用于削弱硅芯片/装置和所粘着的安装结构之间由于不同热膨胀产生的应力的系统和方法，且尤其是用于喷墨打印头结构的系统。
应当理解，以上提到的设置是对本发明原理的应用的说明。对于本领域的技术人员来说，很明显可进行无数更改而不偏离权利要求书所阐述的本发明的原理和概念。

Claims (8)

1.一种喷墨打印头，包括：
硅喷墨芯片，所述硅喷墨芯片具有热膨胀系数αs；
打印头保持件，所述打印头保持件构造成承载和支承所述硅喷墨芯片，具有保持件壁厚，且具有不同于αs的热膨胀系数αh；以及
玻璃板，所述玻璃板粘着在所述硅喷墨芯片和所述打印头保持件之间，并具有与αs相同的热膨胀系数αg，且厚度至少等于所述保持件壁厚，由此由所述硅喷墨芯片和所述打印头保持件之间不同热膨胀所产生的应力被所述玻璃板削弱。
2.如权利要求1所述的喷墨打印头，其特征在于，所述玻璃板的厚度是所述保持件壁厚的1至3倍。
3.如权利要求2所述的喷墨打印头，其特征在于，所述玻璃板的厚度是所述保持件壁厚的2倍。
4.如权利要求1所述的喷墨打印头，其特征在于，所述保持件壁厚不大于0.5mm且所述玻璃板的厚度至少为0.7mm。
5.如权利要求1所述的喷墨打印头，其特征在于，所述玻璃板包括一对尺寸和形状相同的玻璃板，各玻璃板对称地在第一侧上粘着到所述硅喷墨芯片的相对侧，并在第二侧上粘着到所述打印头保持件。
6.如权利要求1所述的喷墨打印头，其特征在于，αs和αg在3×10-6/℃范围内，且αh在15至17×10-6/℃范围内。
7.如权利要求1所述的喷墨打印头，其特征在于，还包括粘着于所述硅喷墨芯片并位于所述硅喷墨芯片和所述玻璃板之间的玻璃隔膜。
8.如权利要求7所述的喷墨打印头，其特征在于，所述玻璃隔膜的厚度为所述玻璃板厚度的1/10。
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