CN1101755C - 喷墨打印头及其结构和制造方法以及喷墨打印机墨盒 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种喷墨打印头结构、以及一种制造该打印头结构的方法和一种含有此打印头结构的打印机墨盒。该打印头结构的半导体基片上设有能量配给装置，用于将油墨从喷嘴板的喷嘴孔中喷出。为了减小在制造和/或使用过程中打印头结构所产生的应力，在该半导体基片和喷嘴板之间设置一个聚合层，其上设有可膨胀的空隙或凹槽，足以防止在将该喷嘴板附着到该聚合层上的过程中在该打印头结构中产生应力，并因此而减少存在于传统打印头结构中的各部件不匹配和翘曲的问题。
Description
本发明涉及一种喷墨打印机的改进打印头结构以及在打印头的组合结构中减小热和/或机械应力的方法。
喷墨打印头是一种组合结构，通常通过采用粘结剂直接将喷嘴板粘结在一块半导体基片上或者通过将喷嘴板附着在一个焊着或粘着在基片上的聚合层上的方法来制得。该聚合层可在其附着在基片上之前或之后进行加工，以形成油墨导流结构，该油墨导流结构将油墨提供给打印头并使油墨通过喷嘴板喷到打印介质上。
为了将喷嘴板附着到聚合层上，需要对喷嘴板和基片进行加热和加压。由于喷嘴板、聚合层以及基片材料各自通常具有不同的弹性模量和热膨胀系数，所以导致打印头组合结构的材料在受热和/或受冷时，以不同的比率膨胀和收缩并具有不同的膨胀和收缩量。在上述附着过程中，打印头各部件的不均匀膨胀和/或收缩，使得打印头产生引起各部件翘曲并导致不匹配的应力，以及在安装和使用打印头过程中产生导致各部件折裂倾向增加的应力。各部件的不匹配和/或翘曲可导致打印头喷不出油墨或喷偏油墨。
在喷嘴孔数量增加和喷嘴孔尺寸减小的情况下，打印头各部件的相互匹配对于打印机的正常使用就显得尤其重要。打印头结构翘曲或其包含相互不匹配的部件会导致打印机性能和质量大大降低。
本发明的一个目的就是要提高打印头结构各部件的相互匹配性。
本发明的另一个目的是在打印头安装过程中减小其部件中的热应力。
本发明的又一个目的是提供一种使各部件具有相对较小热应力的低制造成本的打印头制造工艺方法。
关于上述的和其它的优点，本发明提供一种打印头组合结构，其包括一块半导体基片、一个厚膜聚合层以及一个附着在聚合层上的喷嘴板，该半导体基片表面上设有给油墨以能量的装置和连接到那里的电追踪探测元件，所述厚膜聚合层毗邻基片上的能量配给表面。该聚合层具有足够的厚度和适当的尺寸，并设有多个储墨腔和油墨导流通道以及在靠近储墨腔的聚合层表面区域设有多个凹槽，该凹槽足以防止在将喷嘴板附着到聚合层上的工艺过程中，在聚合层中产生热应力。
在另一个实施例中，本发明提供一种制造喷墨打印头的方法，其包括以下步骤：首先提供一块含有电追踪探测元件的半导体基片，该电追踪探测元件在该基片表面上连接到油墨的能量配给装置上；然后将一个聚合层附着到该半导体基片表面上，该聚合层厚度范围大约是2至50微米，最好是约10至30微米；再对该聚合层进行一步或多步处理，以在该聚合层上形成储墨腔和油墨导流通道，使油墨可流到能量配给装置中，并在靠近储墨腔处制得凹槽；最后采用加热的方法将喷嘴板附着到该聚合层上，从而制得喷墨打印头，其中，所述凹槽大小相同，设置在该聚合层的同一区域，足以减小在上述附着过程中在该聚合层内所产生的热应力。
在又一个实施例中，本发明提供一种热敏式喷墨打印机墨盒，其包括一个储墨体、将该墨盒与打印机相连接的电触头以及与含有该电触头的电连接电路板相连的打印头结构，其中，该打印头结构包括一块在其油墨可润湿的表面上和油墨流经的通道内具有热阻元件及电追踪探测元件的半导体基片；一个毗邻该基片油墨可润湿表面的感光性树脂厚膜聚合层；以及一个附着在该聚合层上的喷嘴板，该聚合层含有多条从油墨入口区通向毗邻该油墨入口区的储墨腔中的油墨导流通道。在毗邻储墨腔的该聚合层区域上，该聚合层也含有多个空穴，这些空穴的大小足以防止在制造过程中在打印头结构中产生热应力。
尽管本发明特别适用于具有金属喷嘴板的打印头结构，然而，本发明也可很便利地应用于具有聚合物或其它材料的喷嘴板的打印头结构。本发明可应用于任何对于其喷嘴板、聚合层和/或基片材料各自具有不同弹性模量和热膨胀系数情况的打印头结构。
本发明的一个优点是凹槽或空穴设在聚合层上而不是设在喷嘴板上，简化了其加工制造工艺，该凹槽或空穴可在将喷嘴板附着到聚合层上的工艺过程中减小热应力。另外，由于该凹槽或空穴是与在厚膜或聚合层上加工其它导流结构同时或基本同时进行加工的，因此，与制造一个金属或表面覆盖金属的喷嘴板和采用独立的机加工步骤在喷嘴板上形成凹槽或空穴的加工工艺相比，本发明减少了工艺步骤。
通过结合附图对最佳实施例的详细描述可看出本发明更进一步的优点，为了更清楚地显示其详细结构，这些附图未按比例绘制，附图中相同的标号代表相同的部件。
图1是从本发明的打印头结构的一端穿过该结构的油墨导流区的横截面视图；
图2和图2A是未按比例绘制的本发明打印头结构的顶部平面视图；
图3是未按比例绘制的本发明打印头组合结构的局部侧视图；
图4和图5是未按比例绘制的本发明打印头组合结构的局部放大视图；
图6是未按比例绘制的显示关于聚合层上凹槽深度的比例效果的厚膜聚合材料的局部放大视图。
参见附图，图1是从本发明的打印头组合结构10的一端进行剖视的横截面视图。该打印头结构10包括一个半导体基片12，该基片最好是单晶硅基片，其含有一条使油墨从储墨器流到在图中标记为16的打印头的能量配给区中的油墨流动通路或通道14。本发明并不局限于油墨从基片中心通道流入到打印头的能量配给区中的情况，油墨也可以从基片周边流入到打印头的能量配给区中。打印头的能量配给区16最好包含有电阻加热件18A和18B或其它的能量配给装置，以使聚集在储墨腔20A和20B内的油墨由喷嘴板26上的喷嘴孔24A和24B喷出。
半导体基片12最好是单晶硅基片，它是硅晶片上多个单独基片中的一个。可在所述的硅晶片的每一个基片上加工出油墨通道14，使油墨从储墨器流到该基片的油墨可润湿的表面上。电追踪探测元件和电触头也焊着在各个基片上，以在诸如电阻加热件18A和18B这样的能量配给装置与打印机控制器之间进行电连接。为了获得适当的油墨导流结构，聚合层22最好是焊着或附着在晶片上，以便在各个打印头结构上加工出导流结构。
聚合层22上的导流结构包括储墨腔20A和20B以及与之相连的导流通道，该导流通道位于聚合层22的中间部位，以使这些导流通道与储墨腔20A和20B以及油墨中心入口28相连通，所述油墨中心入口28与基片上的油墨中心流动通道14相连。在油墨由基片周边流入的情形下，油墨导流通道被设置在聚合层22的边缘附近，而油墨中心入口28就不需要了。为简便起见，下文中将以晶片上一个单个的打印头结构为基准对打印头结构进行描述。但应当理解的是，最好在硅晶片上一次制成多打印头结构，而且一旦完成这种多打印头结构的制作，就将它们从晶片上移走而与聚合层一起连接到打印机墨盒的打印头部分上。
聚合层22可以是单层或多层聚合层，每一层聚合层由一种可光成象的聚合材料或如聚酰亚胺等激光烧蚀材料组成，所述可光成象的聚合材料可以选择诸如聚二甲基戊二酰亚胺(PMGI)基感光性树脂、聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)基感光性树脂、PMGI-PMMA共聚物感光性树脂、酚醛型感光性树脂和由乙烯基酮派生出的光分解聚合物等正性和负性感光性树脂材料。聚合层22可作为干膜粘附到基片12上或采用旋涂技术将其从溶液中涂附到基片12上。一种B级粘结剂可作为聚合层或作为聚合层中的一层将聚合层和喷嘴板相互粘结。所述聚合层优选包括两次旋涂处理。
最好在聚合层附着到基片12上后，在聚合层22上加工出油墨导流结构，然而，本发明并不局限于在将聚合层22附着到基片上后再对聚合层进行成型加工，也不局限于是一个单层聚合层。由相同或不同材料组成的多层聚合层22也可用来提供油墨导流结构和本发明的其它部件。
为了对由感光性树脂材料构成的聚合层22进行成型加工，聚合层要受到光或电子束射线源的照射，最好是用紫外光穿过成型图案用的掩模而进行照射，所述的成型图案构成了储墨腔20A和20B、油墨中心入口28以及油墨导流通道。在对聚合层22进行曝光至足以加工该聚合层22上所限定的区域之后，该聚合层上未经加工的部分可通过采用如丁基溶纤剂和乙酸纤维素/二甲苯的混合液等适当的溶剂而被溶解除去。当聚合层22采用聚酰亚胺材料时，最好采用激光束穿过掩模进行照射，对聚酰亚胺材料进行烧蚀处理，以去除整个聚酰亚胺材料中界定聚合层22上油墨导流结构的那部分材料。在聚合层与基片12对准并附着在基片12上之前，也可在干膜聚合层22上加工出油墨导流结构。
一旦聚合层22被加工成型，喷嘴板26就附着在聚合层22上。喷嘴板26最好采用金或镀金镊材料，其上含有多个喷嘴孔，这些喷嘴孔与聚合层22上的油墨导流结构对准，以形成管路来引导油墨由储墨腔20A和20B喷到打印介质上。一般，这些喷嘴孔在喷嘴板的靠聚合层的这一侧的入口直径大约为43微米，而在喷嘴板的靠打印介质的这一侧的出口直径大约为29微米。喷嘴板一般含有大约50至100个或更多个喷嘴孔。鉴于喷嘴板26长度约为6至25毫米，宽度约为2至40毫米，最好是3至20毫米，可以预见到即使喷嘴板的微小偏差或翘曲都会对打印质量造成重大影响。
在加工制造过程中，对喷嘴板26和基片12上的聚合层22加热、加压，使喷嘴板26附着在聚合层22上。由于基片12、聚合层22和喷嘴板26由不同的材料制成，所以它们有各自独特的热性能和机械性能。特别是，由于各种材料的弹性模量和热膨胀系数不同，所以在各部件受热和受冷时，会导致各部件膨胀和收缩不均匀，以至在材料中产生应力。由于聚合层22附着在基片12上，而且喷嘴板26牢固地焊着或粘着在聚合层上，所以所施加的用来将喷嘴板26附着到聚合层22上的热和压力在各部件中产生应力，除非进行补偿，否则会引起各部件产生不希望出现的翘曲和偏差。图2-6显示的是根据本发明在加工制造过程中减小各部件热应力的最佳方案。
图2是未按比例绘制的本发明改进的打印头结构10在连接喷嘴板26之前的顶部平面视图，该打印头结构包括一个半导体基片12和一个附着在基片12表面上的聚合膜或聚合层22。聚合层22的厚度范围大约是2至50微米，最好是大约10至30微米。
如图2所示，聚合层或膜22包括一个大致的中间区域30和环绕该中间区域的外部区域32，图1中所描述的油墨导流结构位于中间区域30，而外部区域32包括足够多的凹槽、空穴或其它间断结构，可用来作为膨胀区域，用于在加工制造过程中减小热应力。
应当注意的是，在图2所表述的实施例中，外部区域32完全位于聚合层22的中间区域30的周围。但是，为实现本发明目的，至少在与中间区域30相邻的侧部区域32A和32B内含有用于减小热应力的凹槽，而端部区域32C和32D则不必包含这样的凹槽。侧部区域32A和32B分别位于储墨腔20A、20B(图1)与聚合层22的侧边34A、34B之间。
图2A显示的是本发明的另一种实施方式，油墨从半导体基片12’的周边流到聚合层22’的油墨导流结构中。在该实施例中，一般在聚合层22’的外部区域30’加工出油墨导流结构，所述外部区域30’从聚合层22’的侧边34A’和34B’延伸到中间区域32’的附近，而中间区域32’设有凹槽，这些凹槽用于在将喷嘴板附着到聚合层22’上的过程中减小热应力。
图3是本发明打印头组合结构10侧部沿图2中的A-A向的局部横截面视图。打印头组合结构10最好包括一个半导体基片12、一个附着在基片12上的聚合层22以及一个附着在聚合层22上的喷嘴板26。聚合层22最好含有多个凹槽或空穴36，当喷嘴板26固定连接到聚合层22上时，这些凹槽或空穴36可防止在该打印头组合结构10中产生热应力。
凹槽或空穴36可有多种形状，例如：直壁的、弯壁的或斜壁的，其深度可如图5(36A)所示与聚合层22的厚度具有相同值，或者如图4所示其深度至少是聚合层22厚度的33％，优选空隙的深度至少是所述聚合层厚度的80％。凹槽36最好处于大致垂直于侧部区域32A和32B的最长尺寸方向和基本垂直于端部区域32C和32D的最长尺寸方向的位置(图2)。
如同油墨导流结构一样，可以在将聚合层附着到基片12上之前或之后，在聚合层22上加工凹槽36。就象在聚合层22上加工油墨导流结构一样，可采用相同的使用掩模的加工技术来形成凹槽36。此外，可使用砂轮或其它磨削装置在聚合层22上进行机械磨削来加工凹槽。由于凹槽包含在聚合层22中，因此，不必在喷嘴板上设置间隙或凹凸面。而且，由于可与在聚合层22上加工油墨导流结构的同时或基本同时形成凹槽，因此，打印头结构的加工步骤可大大简化。
如上所述，凹槽36可不必完全延伸贯穿聚合层22的整个厚度。因此，可通过选择不同的凹槽宽厚比来控制凹槽36的深度。凹槽宽厚比被定义为凹槽最大宽度除以聚合层的聚合材料厚度。例如，对于一种如LEARONAL的感光性树脂丙烯酸酯材料，其厚度约为30微米，当宽厚比约大于18/30时，凹槽的深度等于聚合材料的厚度。因此，其宽度大于18微米的掩模所产生的凹槽将完全贯穿聚合材料。
图6显示了凹槽宽厚比与聚合层厚度之间的关系。如图所示，材料为如LEARONAL的感光性树脂丙烯酸酯材料的聚合层50所具有的厚度T为30微米。对于宽度W约大于18微米的凹槽52来说，其深度D等于聚合层50的厚度T。但对于宽度W’小于18微米的凹槽54来说，其深度D’就小于聚合层的厚度T。
当前述材料的宽厚比需要小于约18/30，以形成不贯穿聚合层整个厚度的凹槽时，特定的光源、硬件性能、聚合材料以及其它因素可影响特定聚合材料的宽厚比。因此，在此工艺过程中有经验的人可很容易地确定任何特定聚合材料的宽厚比，以形成具有预期深度的凹槽。
尽管上面描述的是本发明的特定实施例，但可以看到，通过各种常规技术手段对本发明进行修改、替换和组合，均不能脱离本发明的基本实质，且均落在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (26)
1.一种制造喷墨打印头的方法，其包括以下步骤：提供一块含有电追踪探测元件的半导体基片，该电追踪探测元件在该基片表面上连接油墨能量配给装置；
将一个聚合层附着到该半导体基片的表面上，该聚合层的厚度是2至50微米；
对该聚合层进行一步或多步处理，以在该聚合层上形成储墨腔和油墨导流通道，使油墨可流到所述的能量配给装置中，并在靠近储墨腔处制得凹槽；
采用加热的方法将喷嘴板附着到该聚合层上，从而制得喷墨打印头，
其特征在于：所述凹槽所具有的尺寸及其在该聚合层上所位于的区域足以减小在上述附着过程中在该聚合层内所产生的热应力。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：通过采用将聚合材料旋涂到所述基片上的方法，使所述聚合层附着到所述半导体基片上。
3.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：通过光成象及化学蚀刻或激光烧蚀所述聚合层的方法来处理所述聚合层，以形成所述储墨腔和油墨导流通道。
4.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：通过光成象及化学蚀刻或激光烧蚀所述聚合层的方法来处理所述聚合层，以形成所述凹槽。
5.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：是采用加热和加压的方法将所述喷嘴板附着到所述已经处理过的聚合层上。
6.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述凹槽的深度与所述聚合层的厚度基本相等。
7.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述凹槽的深度至少是所述聚合层厚度的33％。
8.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述聚合层包括一种可选自聚二甲基戊二酰亚胺(PMGI)基感光性树脂、聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)基感光性树脂、PMGI-PMMA共聚物感光性树脂、由乙烯基酮派生出的光分解聚合物、酚醛型感光性树脂和聚酰亚胺的化合物。
9.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述聚合层是聚酰亚胺，所述凹槽是采用激光烧蚀聚酰亚胺的方法来得到，其深度至少是所述聚合层厚度的33％。
10.一种打印头组合结构，其包括一块半导体基片、一个厚膜聚合层以及一个附着在该聚合层上的喷嘴板，该半导体基片表面上设有油墨的能量配给装置和连接到那里的电追踪探测元件，该厚膜聚合层毗邻所述基片上的能量配给表面，其特征在于：所述聚合层具有足够的厚度和适当的大小，以包含多个储墨腔、油墨导流通道以及位于所述聚合层表面区域上的靠近所述储墨腔的多个凹槽，所述凹槽的大小及其在该聚合层上所处的区域足以防止在将所述喷嘴板附着到所述聚合层上的工艺过程中在所述聚合层中产生热应力。
11.根据权利要求10所述的打印头结构，其特征在于：所述聚合层由一种可选自聚二甲基戊二酰亚胺(PMGI)基感光性树脂、聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)基感光性树脂、PMGI-PMMA共聚物感光性树脂、由乙烯基酮派生出的光分解聚合物、酚醛型感光性树脂和聚酰亚胺的化合物组成。
12.根据权利要求10所述的打印头结构，其特征在于：所述凹槽的深度与所述聚合层的厚度基本相等。
13.根据权利要求10所述的打印头结构，其特征在于：所述凹槽的深度至少是所述聚合层厚度的33％。
14.根据权利要求10所述的打印头结构，其特征在于：所述聚合层包括至少两次旋涂处理，所述聚合层的总厚度是10至30微米。
15.一种热敏式喷墨打印机墨盒，其包括一个储墨器、将该墨盒与打印机相连接的电触头以及与含有该电触头的电连接电路板相邻的打印头结构，所述打印头结构包括一块在其油墨可润湿的表面上和油墨流经的通道内具有热阻元件及电追踪探测元件的半导体基片；一个毗邻该基片油墨可润湿表面的感光性树脂厚膜聚合层；以及一个附着在该聚合层上的喷嘴板，该聚合层含有多条从油墨入口区通向毗邻该油墨入口区的储墨腔中的油墨导流通道，其特征在于：在毗邻储墨腔的该聚合层区域上，该聚合层也含有多个空穴，这些空穴的大小足以防止在制造过程中在打印头结构中产生热应力。
16.根据权利要求15所述的墨盒，其特征在于：所述聚合层由一种可选自聚二甲基戊二酰亚胺(PMGI)基感光性树脂、聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)基感光性树脂、PMGI-PMMA共聚物感光性树脂、由乙烯基酮派生出的光分解聚合物、酚醛型感光性树脂和聚酰亚胺的化合物组成。
17.根据权利要求16所述的墨盒，其特征在于：所述空穴的深度与所述聚合层的厚度基本相等。
18.根据权利要求16所述的墨盒，其特征在于：所述空穴的深度至少是所述聚合层厚度的33％。
19.根据权利要求17所述的墨盒，其特征在于：所述聚合层包括至少两次旋涂处理，所述聚合层的总厚度是10至30微米。
20.一种热敏式喷墨打印机的打印头，其包括一块半导体基片、一层聚合材料层以及一个喷嘴板，所述半导体基片上设有油墨流动通道，用以将油墨从储墨器引入到所述基片上的能量配给区中，所述聚合材料层毗邻所述基片上的能量配给区，并含有储墨腔、油墨导流通道以及一个与所述油墨流动通道协同作用以向相邻的能量配给区中提供油墨的油墨供应区，所述喷嘴板设有喷嘴孔，这些喷嘴孔用于将油墨从储墨腔喷到打印介质上，所述喷嘴板是采用加热和加压的方法附着到所述聚合层上的，其特征在于：所述聚合层上也设有多个空隙，以在所述聚合层上形成间断表面，来防止在将所述喷嘴板附着到所述聚合层上的工艺过程中在打印头结构中产生热应力。
21.根据权利要求20所述的打印头，其特征在于：所述聚合层由一种可选自聚二甲基戊二酰亚胺(PMGI)基感光性树脂、聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)基感光性附脂、PMGI-PMMA共聚物感光性树脂、由乙烯基酮派生出的光分解聚合物、酚醛型感光性树脂和聚酰亚胺的化合物以及一种B级粘结剂组成，其总厚度是2至50微米。
22.根据权利要求21所述的打印头，其特征在于：位于所述聚合层上的所述空隙处于所述储墨腔与所述聚合层的至少两个相对侧边之间，所述空隙的深度与所述聚合层的厚度基本相等。
23.根据权利要求21所述的打印头，其特征在于：位于所述聚合层上的所述空隙处于所述储墨腔与所述聚合层的至少两个相对侧边之间，所述空隙的深度至少是所述聚合层厚度的80％。
24.根据权利要求20所述的打印头，其特征在于：所述聚合层包括至少两次旋涂处理，所述聚合层的总厚度是10至30微米。
25.一种制造喷墨打印头的方法，其包括以下步骤：提供一块含有电追踪探测元件的半导体基片，该电追踪探测元件与该基片表面上的油墨能量配给装置相连接；
将一个聚合层附着到该半导体基片表面上，该聚合层具有一定的厚度；
对该聚合层进行一步或多步处理，以在该聚合层上形成储墨腔和油墨导流通道，使油墨可流到能量配给装置中，并在靠近储墨腔处制得凹槽，所述凹槽所具有的宽厚比使得其深度小于所述聚合层的厚度；
采用加热的方法将喷嘴板附着到该聚合层上，从而制得喷墨打印头，
其特征在于：所述凹槽的大小及其在该聚合层上所处的区域足以减小在上述附着过程中在该聚合层内所产生的热应力。
26.根据权利要求25所述的制造方法，其特征在于：所述储墨腔和油墨导流通道所具有的宽厚比使得其深度等于所述聚合层的厚度。
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