CN103252994A - 用于喷墨打印头的超声波层压材料 - Google Patents
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Abstract
一种用于装配如喷墨打印头等打印头的方法，该方法可以包括使用超声波结合工艺来将两个或多个打印头的层结合在一起。在一实施方式中，超声波频率被定向到第一层和第二层之间的界面处以在该界面产生热量。在一实施方式中，该热量熔化第一层和第二层中的至少一个，并且这些层被冷却以固化熔化的层。在另一实施方式中，使用超声波频率产生的热量固化在第一层和第二层之间的粘合层。所述的超声波层叠工艺可以产生流体密封的密封件，其在整个粘合剂工艺中需要较少的处理时间和材料。
Description
技术领域
本发明涉及打印设备领域,，更具体地涉及包含诸如喷墨打印头之类的打印头的打印设备。
背景技术
在用于消费者和工业用途的如纸等印刷介质上打印图像通常由激光技术和喷墨技术主导。随着喷墨打印分辨率和印刷质量提高，喷墨技术已变得更加常见。喷墨打印机通常使用热喷墨技术或压电技术。尽管制造压电喷墨喷嘴比制造热喷墨喷嘴更昂贵，但例如因为压电喷墨喷嘴可以使用更多种类的墨，所以它们通常受到青睐。
压电喷墨打印头通常包括由例如不锈钢制造的柔性膜片。压电喷墨打印头还可包括连接至该膜片的成阵列的压电换能器（即，致动器）。其它的打印头结构可以包括一个或多个激光图案化的电介质隔离层和与每个换能器电耦合的柔性印刷电路（柔性电路）或印刷电路板（PCB）。打印头还可以包括主体板、进口/出口板、和孔板，它们其中的每一个可以由不锈钢制造。孔板包括多个管嘴（即，一个或多个开口、孔、或喷嘴），在打印过程中墨水通过这些管嘴被分配。
在使用压电打印头的过程中，通常通过压电换能器与电气耦合到电压源的柔性电路电极的电连接将电压施加到压电换能器，这导致压电换能器弯曲或偏折，从而导致膜片的弯曲。由压电换能器使膜片弯曲，使墨室内的压强增加并通过在孔板中特定的管嘴从该室排出一定量的墨。当膜片返回到其松弛（不弯曲）位置，其使得该室内的压强减小，并将墨从主要的墨容器通过开口吸到该室，以替补所排出的墨。
用于喷墨打印头的复合的三维微流体通道（墨端口）可以通过组装多个层来制造，这些层可以包括许多不同的材料，如一个或多个激光图案化的聚合物、经蚀刻的不锈钢层、和铝层。制造工艺可以包括在压机内将这些层堆叠并施加高的压强和温度。多个粘合剂膜被用于使得材料层结合在一起。粘合剂的固化周期可以要求在压机内在该堆叠层上施加压强和温度持续一延长的时间，例如两个小时，以尽量减少层的分离和打印头在使用过程中的过早失效。将各种打印头的层结合在一起的粘合剂基于其结合的可靠性和其与固体墨和紫外墨的兼容性而配制。
发明内容
用于形成打印机子组件的方法的一种实施方式可以包括使用一种方法形成喷墨打印头，该方法包括：设置第一层与第二层接触，使用超声波喇叭以对该第二层施加压强从而保持该第二层在该第一层和该第二层之间的界面处抵靠该第一层，使用该超声波喇叭在该第一层和该第二层之间的界面处施加超声波频率，以及固化该第一层和该第二层中的至少一个以将该第一层物理地连接到该第二层。在一种优选的实施方式中，其中，所述第一层是热固化层，所述第二层是覆盖在热流动性层上的覆盖层，并且所述方法优选进一步包括：设置下伏层与所述热固化层接触，使得所述热固化层插入所述下伏层和所述覆盖层之间并与所述下伏层和所述覆盖层接触；以及在所述热流动性层和所述覆盖层之间的所述界面处的所述超声波频率的所述施加的过程中，加热所述热固化层，以用所述热流动性层将所述下伏层物理地连接到所述覆盖层。
打印机子组件的一种实施方式可以包括喷墨打印头，其中所述的喷墨打印头具有第一层、第二层，和超声波结合层，该超声波结合层与该第一层和第二层物理接触，并将该第一层物理地连接到该第二层。
打印机的一实施方式可以包括喷墨打印头，该喷墨打印头具有第一层、第二层、和超声波结合层，该超声波结合层与该第一层和该第二层物理接触，并将该第一层物理地连接到该第二层。该打印机可以进一步包括包绕该喷墨打印头的外壳。
附图说明
图1是示出根据本教导的一实施方式所述的超声波结合的两层的剖面图；
图2是示出根据本教导的另一实施方式所述的超声波结合的两层的剖面图；
图3是示出可以使用本教导的一个或多个实施方式形成的打印头的部分的剖面图；以及
图4是可以包括根据本教导形成的打印头的打印机的透视图。
应当注意的是，所述附图的一些细节已被简化并且绘制成便于理解本发明的教导，而非保持严格的结构准确性、细节和比例。
具体实施方式
除非另有说明，否则，本发明中所使用的词语“打印机”涵盖用于任何目的的执行打印输出功能的任何装置，诸如数字复印机、编书机、图文传真机、多功能机、绘图机，等。
词语“聚合物”包括范围广泛的碳基化合物中的任何一种化合物，该碳基化合物由长链分子形成，包括热固性塑料，热塑性塑料，诸如聚碳酸酯、环氧树脂等树脂，以及本领域公知的有关化合物。
本发明使用术语“固化的”来描述已被改性以提供完整的粘合层的层。固化的层可以是已熔化并冷却以提供固化的层与另一个层之间的粘合力的层。固化的层可进一步是已由热进行固化的热固化粘合剂。
如上所讨论的，装配的喷墨打印头的层的堆叠可以在打印头的制造过程中被设置在加热的压机中以固化常规的粘合剂。在相对高的温度和压强下，例如300℃和300psi，需要相对较长的处理时间以固化粘合剂，例如两个小时或以上。固化粘合剂所需的高温可能会损坏例如硅基结构等其它打印头结构，并且减少用于随后处理的热预算（thermal budget）。此外，该层堆叠可以包括图案化的隔离物，该隔离物用于容纳液体粘合剂，以确保避免该粘合剂流到合乎期望的区域之外，从而避免导致污染、堵塞墨通道、并使打印头功能故障。图案化的隔离物可能是昂贵的，需要精确的设置，并增加制造成本。另外，两种不同的材料的特性，可以使它们的物理连接困难，从而不能用粘合剂可靠地将两种材料连接在一起。用常规的粘合剂将这些材料物理地连接的尝试可能会导致两种材料的分层以及打印头的故障。
减少装配时间和形成打印头所需材料的数量，可以降低制造成本和工艺的复杂性。此外，连接两种不同的材料的新的方法可造成更多的材料可用于打印头的形成。
在本教导的各种实施方式中，下面描述的超声波结合工艺和技术特别适合用于多个堆叠的喷墨打印头的层的结合。在本教导的各种实施方式中，两个或多个打印头的层可以使用超声波结合工艺彼此物理地连接。使用本教导的实施方式，例如，通过消除对将两层物理地连接在一起的粘合层的需要，可以减少所使用的材料的数量。在另一实施方式中，特定的超声波结合的或固化的粘合层可以插入两层之间，其中两层为之前不可兼容且不能使用常规的粘合剂可靠地物理地连接的材料。这可以包括以下材料：如杜邦TM特氟龙
和聚乙烯、聚合物至金属、和不适合用传统的粘合剂结合的其他材料，如具有低表面能的材料。
图1是描绘本教导的一实施方式的横截面示意图。在本实施方式中，包括至少第一层10和第二层12的喷嘴堆叠可以放入超声波结合固定装置或卡盘14。第一层10和第二层12是两个单独的层，定向以通过超声波结合彼此物理地连接。在超声波结合工艺过程中，结合固定装置14可以定位第一层10并将第一层10相对于第二层12对准。例如，固定装置14可以包括限定凹部的壁16，该凹部接收第一层10，并且可以接收第二层12以将该第一层和该第二层彼此对齐。由壁16形成的凹部的尺寸可以包括该壁和层12之间的间隙，以在超声波结合工艺过程中使层12能够运动，并且，该间隙不会导致层12到层10的对准不当。在另一实施方式中，壁16不在层10的上表面的上方延伸。例如，除了（或代替）壁16，固定装置14可以包括一个或多个通道18，通道18可用于施加真空到第一层10。第一层10可以被对准和定位到固定装置14上，并且在超声结合期间通过通道18的真空可以保持第一层10在适当位置。超声结合固定装置14可以位于基座板20上。
当第一层10和第二层12相互对准并彼此接触设置时，用超声波头（喇叭）22对第二层12施加压强24，并在两个层之间的用于物理连接的界面26处保持第二层12抵靠第一层10。可以使用通过一个或多个通过超声波喇叭22的通道28的真空保持第二层12在适当位置。
接着，由超声波喇叭22施加在第一层10和第二层12之间的界面26的超声波频率产生层10、22在界面26处的增加的温度。在界面26处产生的热可最初产生于界面摩擦，该摩擦由于第一层10熔化或第二层12熔化或两者熔化而成为粘弹性加热。界面26处达到的温度例如通过施加在界面26处的压强24以及在结合过程中施加的频率和振幅可以被控制。
在一实施方式中，层10、12包括诸如聚酰亚胺等聚合物或热塑性塑料、如不锈钢或铝等金属、热固化粘合剂、硅层、等等。层10、12可以是相同或不同的材料。在一实施方式中，层10，12中的一个是聚合物，且层10、12中的另一个是不同的材料，其中该聚合物比该不同的材料具有较低的熔点。在本实施方式中，作为通过超声波结合产生的热量的结果聚合物可以熔化，并且，在终止超声波工艺之后，该聚合物冷却以导致两个层10和12物理连接（结合）在一起。
超声波喇叭22所施加的压强24可以导致压强24被传输到第一层10和第二层12之间的界面26。目标压强将随着用于层10、12的具体的材料而变化。使用具有较高的熔点材料，可以增加超声波结合工艺的压强、超声波结合工艺的持续时间、或频率幅度（或它们的任何组合）以在界面26处导致更高的摩擦热。
在一实施方式中，层10、12中的一个可以是不锈钢层，而层10、12中的另一个是如聚合物等合成材料。在一实施方式中，不锈钢的表面可以被处理，以提高与聚合物的结合性能。例如，平滑的不锈钢表面可以使用化学或机械蚀刻磨损或粗糙化，以增加表面面积和表面粗糙度，从而提供与聚合物层改善的结合，和/或在使用具有更平滑的表面的层的其他等效的超声波的过程中导致较高的摩擦热。
图2示出了另一实施方式，该实施方式包括插入下伏层10和覆盖层12之间并与它们接触的热流动性粘合层30。在本实施方式中，热流动性粘合层30可以是具有比下伏层10或覆盖层12的熔点更低熔点的层。在将下伏层10层叠至覆盖层12的过程中，通过界面的摩擦和/或粘弹加热产生的热至少熔化热流动性粘合层30。加热也可以熔化下伏层10和覆盖层12中的一个、两个、或不熔化下伏层10和覆盖层12中的任何一个。超声波结合工艺终止后，粘合层30冷却（固化）以将下伏层10物理地粘附到覆盖层12。在一实施方式中，热流动性层30可以是金属，如钛、铬、或铝，且可以使用物理气相沉积（PVD）或化学气相沉积（CVD）沉积。热流动性粘合层30也可以是，例如，热塑性聚酰亚胺，如杜邦TM ELJ。在一实施方式中，热流动性层30可以与热塑性层中的碳和氧的基团结合，以形成Ti-O-C键。例如，可以使用热流动性粘合层30，以使用上述的超声波叠层工艺将聚酰亚胺结合到另一聚酰亚胺，或者将聚酰亚胺层结合到金属层。在一实施方式中，层10、12中的两个可以是具有高的熔点的材料，诸如金属，而热流动性粘合层30可以是具有较低的熔点的材料，诸如聚合物，例如，热塑性聚合物。
在另一实施方式中，层30是插入层10和层12之间的未固化的热固化层。如上所述的超声波结合用于对层30进行加热和固化，以便层10和层12通过固化的层30物理地结合。在本实施方式中，层30可以是例如热固性聚合物。
在图2的实施方式中，既不需要层10也不需要层12是热流动性层或热固化层，并因此这些实施方式可以使更广泛的各种材料能被选择用于层10和层12。
层10和层12之间的超声波结合工艺期间所产生的目标温度取决于将层10物理地连接到层12所需的熔化温度或固化温度。
为了促进超声波结合，用于任何或所有的层10、12、20的诸如聚酰亚胺膜层（例如可从Ube Industries获得的
或杜邦TM的
等）之类的层的表面可以使用各种技术处理，以将该表面转换为热塑性的，其然后可以在超声波结合期间被熔化，并用于将聚酰亚胺膜粘附到另一层的表面。例如，聚酰亚胺膜可以用水性碱溶液处理，例如氢氧化钾（KOH）处理，或暴露于等离子体处理，以将惰性聚酰亚胺膜转换成聚酰胺酸，从而产生热塑性表面。已被转换为热塑性的聚酰亚胺表面可以比原来的聚酰亚胺表面具有更低的熔点，因此该转换的表面比未经处理的聚酰亚胺表面更适合于在较低的温度下进行超声波结合。
也可以考虑本教导的各种其它的实施方式。例如，形成微流体通道（墨端口）的一些打印头的层需要精确对准，这最初可能是难以实现的，且当该对准的层被设置到堆叠压机中的时候更难以维持。在要结合的部件的顶部添加堆叠压机柔性焊盘和防粘线的过程中，对准的层上所施加的横向力可能导致被结合的层中的配准移位。一旦该焊盘和防粘线已被设置，要结合的层就被隐藏，且难以检测由于焊盘和防粘线的设置导致的未对准。此外，即使该些部件是万向的，当压板下降在要结合的该些部件上时，非均匀压强会导致对准中的偏移。如果部件对准，则通过使用如上所述的超声波结合工艺暂时固定在一起，以在将该组件放入用于完全固化的叠压机或烘箱之前提供弱的暂时物理连接，可以减少或消除由于这些因素导致的部件的未对准。在本实施方式中，弱的超声波结合不提供流体密封的密封件，但保持这些层在适当位置，同时传统的粘合剂在叠压机或烘箱中被固化。在使用超声波层叠技术将第一层10和第二层12粘着一起之前，传统的粘合剂可以精确地设置在该两层之间。粘着之后，下伏层10和覆盖层12可以被设置在叠压机或烘箱（统称“固化固定装置”）中以固化传统的粘合剂，从而提供由传统的粘合剂所提供的设置在各种层之间的流体密封的密封件。
图3示出了打印机的子组件，且更具体地，示出了喷墨打印头40的一部分，其可以使用本教导的一个或多个实施方式、使用超声波结合层将两层或更多层超声地结合在一起而形成。应当理解，打印头的设计可以不同于图3中所示的例子。图3总体示出了用于墨通向孔板46内的孔（喷嘴）44的单个墨端口42。孔板粘合剂48连接孔板46到入口/出口板或分支管50。使包括碎石筛（过滤器）54的石筛层52插入分支管50和分离器56之间。图3还示出了垂直的入口58，入口58可以包括多个层、主体板60、使用膜片连接粘合剂64连接到主体板60的膜片层62、压电致动器66、隔离层68，和使用粘合层72连接到隔离层68和压电致动器66的电路层70。打印头的结构可以有数百或数千的孔板46内的墨端口42和管嘴44。应该理解，使用本教导的实施方式可以将两个或多个打印头的层彼此物理地连接。例如，不使用单独的粘合剂，可以例如使用根据图1的实施方式的方法将两层物理地连接。在另一实施方式中，通过参照如图2所描绘的超声波结合工艺的实施方式可形成单独的粘合层。其它变化是预料中的。
一旦打印头的制造完成，根据本教导的一个或多个打印头可被安装在打印机中。根据本教导的一实施方式，图4描绘了打印机700，其包括一个或多个打印头102和从一个或多个管嘴44喷射出的墨104。每个打印头102被配置为根据数字指令来操作以在打印介质106上产生所需的图像，打印介质106诸如纸张片材、塑料等。在扫描运动中每个打印头102可相对于打印介质106来回移动以逐行地（swath by swath）生成打印的图像。替代地，打印头102可被保持固定，且打印介质106相对于打印头102移动，在单次的通过中产生与打印头102等宽的图像。打印头102与打印介质106相比可以较窄或等宽。包括打印头102的打印机硬件可被打印机外壳108包绕。在另一实施方式中，打印头102可以朝诸如旋转鼓或带（为简单起见，未示出）等中间表面打印，随后朝打印介质转印。
因此，本教导的各种实施方式使用超声波结合工艺可以提供一种用于喷墨打印头的流体密封的密封件，该超声波结合工艺与一些热固化工艺相比具有减短的处理时间。与可能需要两个小时或两个小时以上的在固化固定装置内的粘合剂固化相比，超声波结合可以需要不到一分钟，例如约30秒。此外，超声波能量（结合热）可以局部提供在要连接在一起的两层之间的界面处，而不是加热打印头的所有结构，因此，本教导的工艺可以减少对位于要被结合的层的上方或下方的其他结构（如硅基结构）的损害。此外，一些实施方式不要求分配粘合剂，并因此可以减少所需的材料的数目和由于粘合剂流入不期望的位置所造成的问题。此外，本文描述的超声波结合技术，可使用于连接更广泛的各种材料，例如，使用常规粘合剂不能被可靠地连接的材料。
Claims (10)
1.一种用于形成喷墨打印头的方法，其包括：
设置第一层与第二层接触；
使用超声波喇叭对所述第二层施加压强，以保持所述第二层在所述第一层和所述第二层之间的界面处抵靠所述第一层；
使用所述超声波喇叭在所述第一层和所述第二层之间的所述界面处施加超声波频率；以及
固化所述第一层和所述第二层中的至少一个，以将所述第一层物理地连接到所述第二层，并形成喷墨打印头的至少一部分。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
在所述超声波频率的所述施加过程中熔化所述第一层和所述第二层中的至少一个；以及
冷却所述第一层和所述第二层中的所熔化的所述至少一个以固化所述第一层和第二层中的所述至少一个从而将所述第一层物理地连接到所述第二层。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一层是热流动性层，所述第二层是覆盖在所述热流动性层的覆盖层，并且所述方法进一步包括：
设置下伏层与所述热流动性层接触，以便所述热流动性层插入所述下伏层和所述覆盖层之间并接触所述下伏层和所述覆盖层；
在所述热流动性层和所述覆盖层之间的所述界面处的所述超声波频率的所述施加的过程中，加热所述热流动性层；以及
冷却所述热流动性层以固化所述热流动性层，从而用所述热流动性层将所述下伏层物理地连接到所述覆盖层。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一层是热固化层，所述第二层是覆盖在热流动性层上的覆盖层，并且所述方法进一步包括：
设置下伏层与所述热固化层接触，使得所述热固化层插入所述下伏层和所述覆盖层之间并与所述下伏层和所述覆盖层接触；以及
在所述热流动性层和所述覆盖层之间的所述界面处的所述超声波频率的所述施加的过程中，加热所述热固化层，以用所述热流动性层将所述下伏层物理地连接到所述覆盖层。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一层是聚酰亚胺膜，且所述方法进一步包括：
处理所述聚酰亚胺膜的表面以将所述表面转换成热塑性表面；
物理地接触所述第二层和所述热塑性表面；
在所述热塑性表面和所述第二层之间的所述界面处的所述超声波频率的所述施加过程中，加热并熔化所述热塑性表面；以及
冷却所述热塑性表面以固化所述热塑性表面，从而用所述热塑性表面将所述聚酰亚胺膜物理地连接到所述第二层。
6.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：
使用所述第一层和所述第二层中的所固化的所述至少一个，在所述第一层和所述第二层之间提供流体密封的密封件。
7.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：
在所述第一层和所述第二层之间设置粘合剂；
暂时地将所述第一层粘合到所述第二层，同时在所述第一层和所述第二层之间的所述界面处施加所述超声波频率；
接着暂时地将所述第一层粘合到所述第二层，放置所述第一层和所述第二层进入固化固定装置；以及
在所述固化固定装置内固化所述粘合剂，其中，使用所固化的所述粘合剂将流体密封的密封件设置在所述第一层和所述第二层之间。
8.一种包括喷墨打印头的打印机子组件，其中，所述喷墨打印头包括：
第一层；
第二层；以及
超声波结合层，其物理地接触所述第一层和所述第二层并且将所述第一层物理地连接到所述第二层。
9.根据权利要求8所述的打印机子组件，其中，所述第一层是聚酰亚胺膜，且所述打印机子组件进一步包括：
所述超声波层材料是表面处理过的所述聚酰亚胺膜，其中，所述超声波结合层是热塑性的；以及
所述热塑性的超声波结合层将所述聚酰亚胺膜物理地连接到所述第二层上。
10.根据权利要求8所述的打印机子组件，其进一步包括：
在所述第一层和所述第二层之间的粘合剂，其中，所述粘合剂的材料不同于所述超声波结合层的材料；
所述超声波结合层提供所述第一层到所述第二层的暂时的连接；以及
在所述第一层和所述第二层之间的所述粘合剂提供所述第一层和所述第二层之间的流体密封的密封件。
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