CN1289680A - 喷墨记录头及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种喷墨记录头,包括:容室,其限定了多个压力室;多个压电元件,每个在与压力室相对应的容室之一上,每个压电元件具有第一和第二电极,各电极具有电极端;以及一电路板,其侧面上装有为各电极端设置的驱动端;所述电极端和所述驱动端相应的一个连在一起。因为压电元件和电路板通过硬化的凸焊缝连接在一起,使记录头具有良好的长久可靠性,并可减少缺陷率。

Description

喷墨记录头及其制造方法
本发明涉及一种喷墨记录头及其制造方法，具体地说，涉及一种将压力室和连接结构与向压电元件提供驱动信号的驱动电路相关联的压电元件及其连接方法。
图1所示是常规喷墨记录头，包括堆叠的小室17，其上有一对堆叠的彼此相向的压电元件11。
形成为梳状的堆叠的压电元件11包括多个在梳状部分的内部电极。在梳状部分处，内部电极12一端暴露于相向的压电元件11的外部，而内部电极12＇的一端暴露在彼此相向的压电元件11之间，内部电极12与内部电极12＇交错堆叠。
在各压电元件11的梳状部分的两端(在垂直于图面的方向上的底面的前表面)，三个内部电极12各自将其一端露出至压电元件11之外，这三个内部电极12彼此通过用于公共信号的纵向外部电极13互相连接，而各自的一端暴露在彼此相向的压电元件11之间的三个内部电极12＇则由用于连接公共电极16的纵向外部电极互相连接。在梳状部分的两端，六个在压电元件11的前表面露出的内部电极12通过用于连接内部电极15的纵向外部电极13互相连接。
在压电元件11中间部分的三个梳状部分上，三个内部电极12的各自的一端露出到压电元件11的外侧，这三个内部电极12由用于独立信号的纵向外部电极14互相连接。而三个各自有一个端子在相向的压电元件11之间露出的内部电极12’则由用于连接公共电极的纵向外部电极16互相连接。用于连接每个压电元件11中的公共电极的纵向外部电极16通过连接板16a互相连接。
安装有用于开关的IC芯片110的印刷电路板19与用于公共信号的纵向外部电极13、用于独立信号的纵向外部电极14通过FPC 18(flexible printing circuit board：多用印刷电路板)互相连接。IC芯片110与控制电路(未示出)通过印刷电路板19连接。
堆叠的小室17包括彼此相向的振动板171和喷嘴板173，以及多个由位于振动板171和喷嘴板173之间的分隔板175所分割的压力室172。在喷嘴板173上与各压力室172相对应地设置喷墨嘴174，而将压电元件对11通过电连接元件111固定在振动板171上。FPC 18与堆叠的压电元件11通过电连接元件111连接。
在具有上述结构的喷墨记录头中，各堆叠的压电元件11的梳状部分通过从用于开关的IC芯片110经印刷电路板19和FPC向压电元件11选择施加驱动电压而振动，并且该振动从振动板171传到压力室172。由此，从喷墨嘴174有选择地喷出墨，从而在记录介质(例如记录纸)上进行打印。
在安装了上述常规的喷墨记录头的记录设备中，互连的信号输入端也是要缩小化的目标，因为要求将喷墨嘴174缩小。因此，出于成本和产量的考虑，将在外部电极13和14之间用作压电信号的信号输入端子与用作驱动电路的信号输出端子的FPC的连接集中地进行。例如，多个FPC 18通过在FPC 18连接端子上形成焊料镀敷膜并对该镀敷膜直接加热和加压来集中与外部电极13、14以及印刷电路板19连接。
但是，在常规的连接方法中，在压电元件11和FPC 18之间的大的热膨胀系数差异使得在加热加压并连接之后再冷却时，会造成膨胀量和／或收缩量的差异。该差异可能会产生端子间短路的问题，以及在连接后各端子连接部分处连接电阻的不规则性，从而有可能使记录头的长久可靠性变差。如果多个堆叠的压电元件11以较大的密度安装，端子和FPC 18的数量会急剧地增加喷墨特性的缺陷率。
在加热和加压时的温度控制以及压力分布和压力值的控制都是困难的。而与上述讨论过的连接电阻的不规则性类似的诸如此类的问题也易于发生。因此，不能得到所设计的施加电压或优良的喷墨特性。
考虑到上述问题，本发明的一个目的是提供一种喷墨记录头，通过避免在端子间的短路和连接电阻的不规则性，使其具有良好的长久可靠性和很好的施加电压。并且通过即使在高密度地安装大量的堆叠压电元件的情况下，也可抑制喷墨特性的缺陷率，从而获得了更高的打印质量。
本发明的第一个方面提供了一种喷墨记录头，包括：容室，其限定了多个压力室；多个压电元件，每个由与所述压力室相对应的所述容室之一所安装，每个所述压电元件具有第一和第二电极，用于驱动相应的一个所述压力室，各所述第一和第二电极的电极端置于各所述压电元件的端面之一上；以及一电路板，其具有由所述多个所述压电元件的上表面安装的下表面，在上表面上为各所述电极端安装一驱动电路，并在侧面安装一驱动端，并与所述驱动电路连接；所述电极端和所述驱动端相应的一个连在一起。
在本发明的第二方面中，提供了制造一种操作喷墨记录头的方法，包括如下步骤：将凸焊缝(solder fillet)设置在压电元件的多个电极端每个的顶端，在压电元件上设置一安装有驱动电路的电路板，并在其端面上安装多个驱动端，以便各电极端的顶端与相应的驱动端接触；加热和熔化凸焊缝，以将驱动端和电极端互相连接。
根据本发明的第一和第二方面，提供了一种喷墨记录头，通过避免在端子间的短路和连接电阻的不规则性，使其具有良好的长久可靠性和很好的施加电压。并且通过即使在高密度地安装大量的堆叠压电元件时也能抑制喷墨特性的缺陷率，从而实现了更高的打印质量。
本发明的上述和其它目的、特征和优点将从下面的说明中变得更为明显。
图1是在堆叠的压电元件和衬底之间焊接状态的透视图常规数据处理装置之一的方框图；
图2是沿图1中A-A线的纵向剖视图；
图3是根据本发明实施例的喷墨记录头主要结构的透视图；
图4是沿图3中B-B线的纵向剖视图；
图5是根据本发明实施例的衬底的透视图；
图6是图5中箭头C所指的部分的放大透视图；
图7是制备例1中的凸焊缝的步骤的透视图；
图8是显示熔化例1中的凸焊缝的步骤的透视图；
图9是显示在例1中在堆叠的压电元件和衬底之间焊接状态的透视图；
图10是显示熔化例2中的凸焊缝的步骤的透视图；
图11是显示在例2中在堆叠的压电元件和衬底之间焊接状态的透视图。
下面将结合附图更具体地说明本发明。
实施例
图3中所示的根据本发明实施例的喷墨记录头包括一堆叠的室(容室)17，和一对彼此相向形成在堆叠的室(容室)17上的堆叠的压电元件11。提供振动的堆叠的压电元件11被形成为梳状。
压电元件11的各梳状部分包括多个内部电极12。在梳状部分，内部电极12一端暴露在相向的压电元件11的外部，而内部电极12’的一端暴露在彼此相向的压电元件11之间，内部电极12与内部电极12’交错堆叠。
在各压电元件11的梳状部分的两端，三个内部电极12的各自的一端露出到压电元件11的外侧，这三个内部电极12由用于公共信号的纵向外部电极13互相连接。而三个各自有一端在相向设置的压电元件11之间露出的内部电极12’则由用于连接公共电极16的纵向外部电极13互相连接。在梳状部分的两端，六个露出到压电元件11前表面外的内部电极12通过用于连接内部电极15的纵向外部电极13互相连接。
设置陶瓷衬底(电路板21)以桥接堆叠的压电元件11。陶瓷衬底21在其两个侧面包括多个端电极(驱动端)22，如图4所示，而各端电极22与相应的外部电极13、14连接。IC芯片110安装在陶瓷衬底21的顶部中央位置。用于开关的IC芯片110包括驱动电路，其有选择地通过各端电极22将驱动电压施加到压电元件11，并且IC芯片110与控制电路(未示出)连接，该控制电路通过与陶瓷衬底21连接的互连(未示出)来控制驱动电路。
堆叠的室17包括形成墨流通路的振动板171和相向的喷嘴板173。在喷嘴板173上相应于各压力室172形成喷墨嘴174，而彼此相向的压电元件11对则固定在振动板171上。压电元件11通过来自陶瓷衬底21的电信号造成图4中的纵向振动而在压力室172中产生振动，并通过喷嘴板173上的喷嘴孔174喷出墨滴。
陶瓷衬底21的宽度比压电元件11向外的两端面之间的距离窄。外部电极13、14每个的顶部向内弯曲，并插在端电极22和压电元件11的上表面之间。凸焊缝形成在外部电极13、14的向内弯曲的顶部，并连接外部电极13、14和端电极22。本发明中所用的“凸焊缝”是由焊料制成的带材料，用于连接两个基本上相互垂直地相交的部件，以对那些公知的带材料获得相似的目的和效果。凸焊缝优选形成为三角形，以端电极和外部电极或电极端作为其两条边。
下面将参考图5至图9来说明压电元件11上固定陶瓷衬底21的例子。实例1
如图7所示，在压电元件11的每个梳状部分进行Ag／Pd(银-钯合金)的印刷和置于炉中加热(stoved)，并利用掩模溅射或在整个表面上溅射后腐蚀，从而形成外部电极13至16。
然后，如图5所示，在陶瓷衬底21的端面上形成端电极22的凹面，其间距等于用于公共信号的纵向外部电极13和用于独立信号的纵向外部电极14之间的距离。
端电极22可以通过堆叠多个软片来制造，各软片具有互连图形，形成穿透多个片的通孔，热处理堆叠的片以沿通过通孔中心的轮廓线51硬化和埋入(diving)叠片。尽管在电路板的侧面形成电极通常要求多个步骤和较高的成本，如图6所示的半圆形端电极22可以通过根据本实例的上述简化的步骤得到。此外，因为熔化的焊料流畅地沿半圆形内表面运动以基本上粘附在整个端电极22的表面上，所以外部电极13、14和端电极22之间的连接得到保证，并且简化了连接的步骤。
然后，用于开关的IC芯片110被安装在陶瓷衬底21上，并且IC芯片110和控制电路(未示出)通过陶瓷衬底21互相连接。
然后，如图7所示，焊料膏31通过使用位于压电元件11上的金属掩模进行印刷而被加到用于公共信号的外部电极13上和用于独立信号的纵向外部电极14上。陶瓷衬底21被精确地定位在压电元件11的涂有焊料膏的表面上。
然后，如图8所示，来自卤素灯32的射束被集中和局部地照射到压电元件11和陶瓷衬底21之间的焊料膏31上。所有的焊料膏31通过以二维方式移动来局部地照射而被顺序加热和熔化。
如图9所示，压电元件11和陶瓷衬底21通过上述步骤的熔化和固化焊料膏而形成的凸焊缝23彼此连接。
用于熔化焊料膏31的加热装置包括氙灯、激光发射器和回流炉，回流炉整个地加热置于其中的压电元件11和陶瓷衬底21。实例2
如图10所示，在用于公共信号的外电极13上和用于独立信号的纵向外部电极14形成在压电元件11上之后，用模铸焊料的安装设备(未示出)将事先形成为球状的模铸(molded)焊料(固体焊料)41设置在与压电元件11相应的外部电极13、14上，从而通过所施加的流体的粘性而将模铸焊料保持在外部电极13、14上。在压电元件11上精确地定位陶瓷衬底21，以便端电极22与由模铸焊料41构成的行接触。
然后，如图11所示，压电元件11和陶瓷衬底21通过用与实例1相似的加热装置熔化压电元件11和陶瓷衬底21之间的焊料膏31然后再硬化而形成的固化的凸焊缝23实现电和机械连接。
因为根据本发明的实例1和2通过使用凸焊缝23直接将陶瓷衬底21连接到并固定在压电元件11上，所以不再需要施加压力，并且加热时的温度控制可以容易地进行。因此，就可以防止诸如在互连端处用作信号输入端的压电元件11与用作外部驱动侧的IC芯片110的信号输出端的FPC 18之间常规发生的短路、以及在各端连接部分的连接电阻的不规则性之类的不便。
压电元件11、常规FPC和陶瓷衬底21的线性热膨胀的普通系数分别是1．4e-6／℃、18e-6／℃和5到7e-6／℃。使用陶瓷衬底21可以防止由于加热和冷却之间的热膨胀差异造成的尺寸精度变差，以及位置精度的变差。此外，因为在连接部分由于加热和冷却之间的热膨胀差导致的内部劣化的发生可以被抑制到最小，可以保证记录头的长久可靠性。
上述的实施例只是说明性的，它们不是对本发明的限定的，对于本发明所属领域的普通技术人员来说，可以对本发明的实施例进行在本发明的精神和范围内的所有修改。

Claims (7)

1．一种喷墨记录头，包括：
容室，其限定了多个压力室；
多个压电元件，每个由与所述压力室之一相对应的所述容室所安装，每个所述压电元件具有第一和第二电极，用于驱动相应的一个所述压力室，各所述第一和第二电极的电极端置于各所述压电元件的端面之一上；以及
电路板，其具有由所述多个所述压电元件的上表面安装的下表面，在上表面上为各所述电极端安装一驱动电路，并在侧面安装一驱动端，并与所述驱动电路连接；
所述电极端和所述驱动端相应的一个连在一起。
2．根据权利要求1所述的喷墨记录头，其中所述侧面与所述压电元件的所述端面向内偏移，而所述电极端和所述驱动端的相应一个通过设置在一角部的凸焊缝连接，该角部由所述电路板的所述侧面之一和每个所述压电元件的所述上表面限定。
3．根据权利要求1所述的喷墨记录头，其中所述驱动端包括形成在所述电路板侧面上的半圆形凹面，并且第一和第二电极垂直于驱动端的水平方向。
4．根据权利要求2所述的喷墨记录头，其中所述电极端的顶端与所述压电元件的所述上表面接触，而凸焊缝与电极端的顶端的水平表面和驱动端的纵向表面接触。
5．根据权利要求1所述的喷墨记录头，其中电路板是由陶瓷制成的。
6．一种操作喷墨记录头的方法，包括如下步骤：
将凸焊缝设置在压电元件的多个电极端每个的顶端，
在压电元件上设置一安装有驱动电路的电路板，并在其端面上安装多个驱动端，以便各电极端的顶端与相应的驱动端接触；
加热和熔化凸焊缝，以将驱动端和电极端互相连接。
7．根据权利要求1所述的方法，其中用包括卤素灯、氙灯、激光发射器和回流炉在内的加热装置加热凸焊缝。
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