CN1246214C - 成形后具有更均匀温度分布的热致动器 - Google Patents

Abstract

一种用于微机电装置的热致动器，致动器包括第一电传导材料臂，它一端安装在基底而另一端连接到或集成到一个可移动元件上，使用时，令电流从所述第一臂流过而使其加热，并且，第一臂包括用于沿该臂提供长度方向上温度分布的热沉，其中热量在所述臂中被集中于邻近一端的区域；以及一个第二臂，伸展在基底和可移动元件之间，并且被安排成在第一臂被加热时，使第一臂相对于第二臂伸长，并将一偏转力施加在可移动元件上。由此提供了更均匀的热分布，改善了弯曲效应。

Description

成形后具有更均匀温度分布的热致动器

发明领域

本发明涉及一种用于微机电装置中的热致动器。本发明在此被描述为一种喷墨打印机，但本发明也适合应用在其它微机电装置上，如微机电泵。

发明背景

微机电装置越来越变得广为人知，并且，通常使用半导体制造技术制造。有关微机电装置的述评，可参考刊登在1998年12月出版的IEEE Spectrum第24页至第33页的S.Tom Picraux和Paul J.McWhorter所写的“The Broad Sweep of Integrated Micro Systems”一文。

微机电装置的一种类型是喷墨打印装置，墨水通过墨水喷射喷嘴腔喷出。已知有许多形式的喷墨打印装置。有关该领域的概况，请参考J.Moore的文章“Non-Impact Priinting：Introduction and HistoricalPerspective”Output Hard Copy Devices，编辑R.Dubeck和S.Sherr，第207-220页(1988)。

可以参考转让给惠普公司的专利号为No.5058856的美国专利，该专利揭示了一种微缩阀，其具有径向隔开的、分层的星形臂，每个臂具有两个热膨胀系数不同的层。交替隔开的臂具有位于其上的镍加热元件以产生局部的加热并因此产生热膨胀。臂的热膨胀使微缩阀打开。

本发明的申请人最近开发了一种新型喷墨打印机，被称为微机电喷墨(Micro Electro Mechanical Inkjet)(MEMJET)技术。在MEMJET技术的一个实施例中，墨水被一个叶片或活塞从喷墨喷嘴腔喷出，而该叶片或活塞被一个机电致动器移向喷射喷嘴腔，以从喷射喷嘴腔喷出墨滴。

本发明涉及一种被使用在MEMJET技术和其它微机电装置中的热致动器。

发明概述

本发明广义地定义为提供一种用于微机电装置的热致动器。该致动器包括第一传导材料臂，一端安装在基底，而其另一端连接到或集成到一个可移动元件上。使用时，令第一臂流过电流而被加热，并且第一臂包括用于提供长度方向温度分布的热沉，其具有在臂上集中加热于与基底结合处相邻区域的作用。该热致动器包括第二臂，伸展在基底和可移动元件之间，并且使得在第一臂被加热时，第一臂相对于第二臂伸长，并施加一偏转力在可移动元件上。

第二臂最好通过一个联接装置被联接到第一臂，并且这个联接装置最好位于第一臂两端的中部。所述第一臂和所述第二臂上还可以形成有突起。

本发明还提供一种液体喷射器，包括一个喷嘴腔、一个在该腔的一壁上的液体喷射孔、一个位于腔内的液体喷射叶片以及一个通过开在该腔另一壁上的进入孔伸入腔中的热致动器。热致动器本身包括第一传导材料臂，一端安装在基底，而另一端连接到一个液体喷射叶片。使用时，令第一臂流过电流而被加热，并且第一臂包括用于提供长度方向温度分布的热沉，其具有在臂上集中加热于与基底结合处相邻区域的作用。在喷射器的使用中，当第一臂被加热时，就使液体喷射叶片从第一位置移动到第二位置，从而使液体通过液体喷射孔喷出。所述第一臂和所述第二臂上还可以形成有突起。

附图的简要说明

现仅通过实例，并参考附图描述本发明的优选实施方案，虽然其它方案可能也归于本发明的范围。

图1至图3图解示出热致动器装置的工作；

图4至图6图解示出热致动器的第一种形式：

图7至图8图解示出热致动器的第二种形式；

图9至图10图解示出热致动器的第三种形式；

图11图解示出另一种热致动器；

图12示出图11方案的距离温度图；

图13图解示出另一种形式的热致动器；

图14示出图13方案的距离温度图；

图15图解示出另一种形式的热致动器：

图16示出热致动器的俯视图；

图17示出热致动器的侧视图；

图18示出三种不同致动器方案的距离温度图

图19示出一种热致动器的替换方案；

图20示出半导体掩膜，用于制造包含本发明特征的热喷墨打印头喷嘴；和

图21示出使用了图20掩膜制造的热致动器装置。

优选和其它实施例的描述

如图1所示，所提供的喷墨装置1包括一个喷嘴腔2，该腔通常装满墨水以便在带有升高边缘的喷墨喷嘴4中形成一个弯月液面3。喷嘴腔2中的墨水通过墨水供应渠道5供应。

墨水通过连接到喷嘴叶片8的热致动器7从喷嘴腔2喷出。热致动器7包括两个臂10和11，下臂11被连接到一个电流源，以便提供使下臂11加热的电流。

当需要从喷嘴腔2喷出液滴时，下臂11被加热，以便能使该臂相对于上臂10迅速伸长。这一迅速的伸长又使得喷嘴腔2中的叶片8向上迅速移动。

图2示出初始的移动，臂8已向上移动，这使得喷嘴腔2中的压力大幅度上升。这依次地又使得墨水从喷嘴4流出，使弯月液面3隆起。其后，臂11的电流断开，以使叶片8开始返回其原始位置，如图3所示。这导致喷嘴2中的压力大幅度下降。喷嘴边缘4外的墨水的向前冲量导致弯月液面形成细颈并截断，从而形成了新的弯月液面3和小液滴13，如图3所示。小液滴13前向移动到墨水打印介质上(未示出)。

喷嘴腔有一个成形的边15，当叶片8向上移动时，使渠道空间16大大增加，如图2所示。这个大的渠道空间16使大量墨水能够迅速流进喷嘴腔2，通过墨水弯月形液面3的表面张力作用，墨水被吸过渠道16。喷嘴腔的成形使得喷嘴腔能迅速地再填满，装置完全返回到如图1所示的静止状态。

装置1还包括其它一些显著特征。这些特征包括如图1所示的圆垫圈18，它围绕着叶片18的外圆周形成，并为叶片8提供结构上的支撑，同时基本上使弯月形液面3和叶片表面8之间的距离达到最大，如图3所示。这一距离的最大化降低了弯月液面3与叶片表面8接触的可能，、并因此影响工作性能。此外，提供了墨水外流防护唇边19，用于降低墨水沿表面20虹吸并因此影响装置1工作性能的可能性。

现参考图4至图10，图4至图10初步描述热致动器7的工作原理。图4示出安装到基底22上的热致动器100，它包括一个致动器体23，其两侧为启动臂24和25。这两个臂24和25最好用相同材料制造。

在启动致动器时，让电流流过臂来使下臂25加热。热膨胀使下臂25比上臂24长，并且由于它们在两端被联在一起，下臂25受到压应力而上臂受拉应力。在没有负载限制的情况下，这些应力通过部件100向上弯曲而被减轻，两个臂24和25形成同心的弧。

当在致动器的端部作用有动态负载(叶片和墨水)，如图4中以字母P所示，部件100的运动可能比简单的弯曲要复杂得多，会产生第二级变形和波浪型弯曲。这些能够通过正确选择部件100的尺寸及材料而减至最小。

在实践中已发现如果臂24和25太长，则系统可能在臂25加热时波浪型地弯曲成如图6所示。该弯曲降低了部件100的工作效率。通过使用图7所示改进装置中的较小的启动臂124和125，能够大幅降低图6所示波浪型弯曲的可能性。可以看到，当如图8所示加热下臂125时，致动器体123向上方弯曲，并且系统波浪型弯曲的可能性被大大降低。

此外，还应注意到，在图8的装置中，致动器体123在启动臂124和124之间的部分26会受到剪切应力，而结果可能降低工作效率。此外，现在的材料26能使热从臂125迅速传导到臂124。

臂125应承受致动器体123所能承受的温度。因此，工作特性由部件26的溶点这样的指标所决定。

图9示出热致动器的一个替换形式，包括两个臂224和225以及致动器体223，但其中两臂之间有空间或间隙28。一旦加热其中一臂，如图10所示，臂225即如前所述地向上弯曲。图10的装置具有的优点是，像臂224和225的温度这类的工作参数，无需受限于致动器体223使用的材料。此外，图10的装置避免了在致动器体223上产生剪切力，并将工作中层间分离的风险降至最小。这些原理也能被用于图1到图3装置的热致动器，以便提供更节能的工作形式。

此外，为了提供更有效的热致动器的工作形式，可以包括一些进一步的改进。热致动器依赖于引入的热量，而且优选实施例中使用的装置能按图11所示图解地简化成部件30，互相联接成在第一端31联到基座并在第二端32联到负载。加热臂30，以使其膨胀并将力作用在负载32上。加热时，温度分布图大约如图12所示。两个端31和32相当于热量的“热沉”，并且，温度分布图因此在各端比较冷而在中间最热。臂30的工作特性由溶点35决定，因为如果中点36的温度超过溶点35，臂就会失效。图12的曲线图并不代表最佳效果，因为图11的臂30在其长度方向上没有被均匀地加热。

通过改进臂30，如图13所示，包括在臂30中间部分的热沉38和39，就能够达到一个较为理想的热分布图，如图14所所示。图14的分布图展示了一个纵贯臂30的长度方向、更均匀的热量分布，因此提供了效率更高的整体工作。

如图15所示，通过提供一组支柱以结合两个致动器启动臂324和325，能够取得更高效率并降低波浪型弯曲的可能。提供一组支柱40和41以结合两个臂324和325，从而防止波浪型弯曲。因此，当下臂325被加热时，它很可能向上弯曲，并引发致动器体323向上弯曲。

在另一改进中，热致动器形成有一组突起55和56，放置在关键之处，以便提供热致动器工作的良好的热量协调。

图16所示图解示出热致动器50的俯视图，热致动器50安装到第一基座51上并设计为作用在负载52上。传导的启动部分54包括两个突起55和56，以通过，例如说，比横截面区域58更大的横截面厚度来降低这些区域的温度。

图17示出下层61和上层62之间的联接60的侧视图。

图18示出了不同装置的热量总曲线图。曲线70是图11所示装置的热量总分布图。第二个曲线72是关于图13的带有中央热沉的装置的热量总分布图。第三个曲线73是图16装置的热量总分布图。

在模拟中已经发现，弯曲量正比于加热时消耗的能量。该能量又与曲线70到73下的区域有关，并且由于弯曲率正比于温度，而且图16的装置允许沿致动器54有比较高的温度，很可能图16的装置要比所示的其它装置更有效率。

还可能有其它的装置。例如，对图19所示的包括两个突起75和76的致动器略加改动的形式。

以上结合图18所描述的原理可用于适合包含热致动器的微机电系统的工作。图20示出了用于制造微机电系统的掩膜。这包括一组突起80，这些突起提供了备选的热分配方案。图21示出了一个喷墨打印头的剖面图。

本领域技术人员在不偏离本发明精神和范围的情况下，可对优选实施方案所示的本发明进行许多改变和/或改进。因此，优选实施方案无论在那面都被视为是说明，而不是限制。

Claims (7)

1.一种用于微机电装置的热致动器，所述致动器包括第一电传导材料臂，它一端安装在基底而另一端连接到或集成到一个可移动元件上，使用时，令电流从所述第一臂流过而使其加热，并且，所述第一臂包括用于沿所述臂提供长度方向上温度分布的热沉，其中热量在所述臂中被集中于邻近所述一端的区域；以及一个第二臂，伸展在所述基底和所述可移动元件之间，并且被安排成在所述第一臂被加热时，使所述第一臂相对于所述第二臂伸长，并将一偏转力施加在所述可移动元件上。

2.如权利要求1所述的热致动器，其中，所述第二臂被连接装置连接到所述第一臂。

3.如权利要求2所述的热致动器，其中，所述连接装置位于所述第一臂的所述两端的中部。

4.如权利要求3所述的热致动器，其中，所述连接装置位于所述第一臂的所述端之间的中点处。

5.如权利要求1所述的热致动器，其中，所述第一臂和所述第二臂上还形成有突起。

6.一种液体喷射器，包括一个喷嘴腔、一个在所述腔的一壁上的液体喷射孔、一个位于所述腔内的液体喷射叶片、以及一个通过所述腔的另一壁上的进入孔伸入所述腔内的热致动器，所述热致动器包括第一传导材料臂，它的第一端安装在基底而第二端连接到所述液体喷射叶片，使用时，令电流从第一臂流过而使其加热，并且，所述第一臂包括用于沿所述臂提供长度方向温度分布的热沉，其中，热量在所述臂中被集中于与所述第一端相邻的区域，因此，在所述喷射器的使用中，当所述第一臂被加热时，使所述液体喷射叶片从第一位置移动到第二位置，从而使液体通过所述液体喷射孔喷出；以及一个第二臂，伸展在所述基底和所述液体喷射叶片之间，并且被安排成在所述第一臂被加热时，使所述第一臂相对于所述第二臂伸长，并将一偏转力施加在所述液体喷射叶片上。

7.如权利要求6所述的液体喷射器，其中，所述第一臂和所述第二臂上还形成有突起。

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