专利名称：形成电气互联的原位柔性电路压凸的制作方法
技术领域：
本发明涉及喷墨印刷设备领域，尤其涉及制造高密度压电喷墨印刷头的方法以及包含该印刷头的印刷机。
背景技术：
按需型喷墨技术广泛地用于印刷工业。使用按需型喷墨技术的印刷机可以或者使用热喷墨技术、或者使用压电技术。尽管压电喷墨比热喷墨制造更昂贵，但压电喷墨通常受到青睐，因为其可以使用更多种类的墨，并且可以同时消除焦化问题。压电喷墨印刷头通常包括柔性隔膜和附着于隔膜的压电元件(即转换器或致动器)阵列。通常当电压通过与电压源电耦合的电极的电连接施加于压电元件时，该压电元件弯曲或偏斜，使得隔膜挠曲，挠曲通过喷嘴使一定量的墨从腔室中排出。该挠曲进一步通过开口将墨从主墨池抽入腔室中以替代排出的墨。采用压电喷墨技术来提高喷墨印刷机的印刷分辨率是设计工程师的目标。提高分辨率的一种方式是提高压电元件的密度。为了将压电元件阵列附加到柔性印制电路(挠曲电路)焊盘或电极上或者附加到印刷电路板(PCB)上，诸如导电环氧树脂、导电性胶或其他导电材料等一定量(即微滴)的导体被单独地分配在各压电元件的顶部。挠曲电路的电极或PCB与各微滴(microdrop)接触以促进各压电元件与挠曲电路的电极或PCB之间的电气联通。随着印刷头的分辨率和密度的增加，能够提供电互连的面积就减少。在该印刷头中的诸如墨供应结构等其他的功能的路径布局争夺该减少的空间以及对所使用的材料类型施加限制。用于制造具有电触点的印刷头的方法以及所形成的该印刷头是令人期待的，该电触点比先前的结构更容易制造。
发明内容
本教导的实施例包括一种用于形成喷墨印刷头的方法，所述方法包括将具有多个压电元件的喷嘴叠摞子组件放入压力机(press);将具有多个导电焊盘的柔性印刷电路(挠曲电路)与该多个压电元件对齐；以及对压力机内的该挠曲电路施压以使得该多个导电焊盘变形，其中，在压力机内的该多个导电焊盘变形期间，在该多个导电焊盘和该多个压电元件之间建立电触点。在一种实施方式中，在所述挠曲电路和压力板之间放置柔性键合盘；并且通过与在所述压力机中的所述柔性键合盘接触对所述挠曲电路施加压力以使得在所述压力机中的所述多个导电焊盘变形。在另一种实施方式中，在所述喷嘴叠摞子组件上施加隔开层，其中所述隔开层具有多个开口，从而暴露所述多个压电元件；使所述隔开层与所述压力机中的所述挠曲电路接触；以及使所述柔性键合盘穿过所述隔开层的所述多个开口延伸以使得在所述压力机中的多个导电焊盘变形。本教导的另一个实施例包括一种用于形成印刷机(printer)的方法,所述形成印刷机包括形成喷墨印刷头，所述形成喷墨印刷头使用的方案包括将具有多个压电元件的喷嘴叠摞子组件放入压力机中；将具有多个导电焊盘的柔性印制电路(挠曲电路)与该多个压电元件对齐；以及对该压力机内的该挠曲电路施压以使得该多个导电焊盘变形。在该压力机中该多个导电焊盘变形期间，在该多个导电焊盘和该多个压电元件之间建立电触点。该方法可以更进一步包括将该印刷头封装在印刷机外壳内。
图1和2为根据本教导的实施例的生产中的设备的中间压电元件的透视视图；图3-9为描述用于喷墨印刷头的喷嘴叠摞的 形成的截面图；图10为包括图9的喷嘴叠摞的印刷头的截面图；图11为根据本教导的实施例所示的包括印刷头的印刷设备；和图12-16为根据本教导的其他实施例描绘用于喷墨印刷头的喷嘴叠摞的组成的横截面。应当注意，图中的某些细节已经简化并被绘制以便于理解本教导而不是为了保持严格的结构精确度、细节和比例。
具体实施例方式如上所述，电信号可以通过使用在挠曲电路上的多个焊盘或使用印刷电路板传递到压电元件阵列中的各压电元件上。通常，该焊盘是平面的并且通过使用金属焊料、金属填充的环氧树脂、或z轴导体电连接到压电元件上。另一种连接可以包括使用挠曲电路上的多个焊盘，该多个焊盘是例如在挠曲电路的形成期间通过压凸(emboss)以形成多个成型的挠曲电路隆起电极(即，挠曲电路焊盘)从而预制成的。每个隆起电极通过使用导体与唯一的压电元件电耦合。一旦该电连接是完成的，那么该挠曲电路可以进行底部填充。本教导的实施例可以简化用于印刷头的喷嘴叠摞的制造，该喷嘴叠摞可以用作印刷机的一部分。更进一步，该教导导致到转换器(transducer)阵列的简化连接,尤其当为了增加印刷分辨率，转换器阵列不断变得更密时。该教导包括用于电耦合挠曲电路焊盘阵列到压电元件阵列的方法。在一实施例中，在同该压电元件阵列电互联期间，可以对该挠曲电路焊盘阵列进行压凸(即，预先形成、隆起、或者铸造)。例如在叠摞压力机中将挠曲电路焊盘阵列与压电元件阵列电连接期间，而不是提前在挠曲电路的预制期间，原位压凸焊盘消除了分离的焊盘制造阶段，可以简化工艺，并且可以降低生产成本。本教导的实施例可以包括喷嘴叠摞、印刷头和包括该印刷头的印刷机的形成。在图1的透视图中，压电元件层10使用粘合剂14可拆分地结合到运送载体12上。例如，该压电元件层10可以包括例如厚大约25μπι到大约150μπι之间的用作内部电介质的铅-锆酸盐-钛酸盐层。可以利用无电镀层工艺在压电元件层10的两个面上镀镍，以在介电体PZT的每个面提供导电层。镀镍的PZT主要用作平行板电容器，平行板电容器形成了跨越内部PZT材料的电压电位差。载体12可以包括金属板、塑料板或另外的运送载体。将压电元件层10联接至运送载体12的粘合剂层14可以包括切割胶带、热塑性材料和另外的粘合剂。在另一实施例中，运送载体12可以为诸如自粘合热塑性层的材料，从而不需要单独的粘合剂层14。如图2所示，在形成图1的结构之后，该压电元件层10被切割以形成多个单个压电元件20。应当知道，尽管图2描绘了 4x3阵列的压电元件，但可以形成更大阵列。例如，当前的印刷头可以有一344x20阵列的压电元件。这种切割可以利用诸如锯(如晶片切割锯)这样的机械技术、使用干法刻蚀步骤、使用激光刻蚀等来执行。为了保证每个相邻的压电元件20完全分离，在去除胶粘剂14的一部分并且在运送载体12上停止之后，或者在切割通过胶粘剂14并且部分切割进入载体12中之后，终止该切割过程。在形成该单个压电元件20之后，该图2组件可以附着到喷嘴叠摞子组件30上，如图3横截面所示。该图3横截面为来自该图2结构放大的改善细节，并且描绘一个部分压电元件20和两个完全的压电元件20的横截面。喷嘴叠摞子组件30可以使用已知的技术在任意多种喷嘴叠摞设计中制造，并且为简便起见，以模块形式描述。在一个实施例中，该图2结构可以使用胶粘剂32附着到该喷嘴叠摞子组件30。例如，被测定的一定量的胶粘剂32可以通过调配、丝网印刷、滚压等方法施加在压电元件20的上表面、在喷嘴叠摞子组件30的表面或以上两表面上。在一实施例，单滴胶粘剂可以置于喷嘴叠摞子组件30的表面以便用于每个单个压电元件20。在施加该胶粘剂32之后，该喷嘴叠摞子组件30和该压
电元件20相互对齐，然后该压电元件20使用该胶粘剂32被机械地连接到该喷嘴叠摞子组件30。使用适合于胶粘剂的技术将胶粘剂32固化以得到图3结构。随后，该运送载体和该胶粘剂从该图3结构中去除以得到图4的结构。接下来，图案化隔开(standoff)层50可以在如所述的各压电元件20的上表面上形成。图案化隔开层50可以包括图案化的预制模版，该模板与压电元件阵列20对齐，并且施加其上。在另一个实施例中，该隔开层50可以形成为覆盖层，该覆盖层被图案化并被蚀刻以暴露各压电元件20的上表面。所形成的隔开层50厚度大约在Iym到IOOym之间、或者在ΙΟμπι到50 μ m之间、或在15μπι到30 μ m之间。换句话说，在各压电元件20的上表面之上，隔开层50的上表面的厚度大约在I μπι到100 μ m之间、或者在10 μ m到50 μ m之间、或者在15μπι到30 μ m之间。在形成隔开层50之后，导体52可以如图5所示施加于各压电元件20的上表面。该导体52可以是导电性胶、金属、金属合金、可导电的环氧树脂或其他导体，并且可以通过任何合适的技术来分布，合适的技术如丝网印刷、微量涂覆、喷射、溅射，化学气相沉积等等。在一实施例，该隔开层50可以包含穿过每个压电元件20的上表面的一些可流动的导体52的流以减少相邻的压电元件20电气短路的概率。接下来，挠曲电路60插入到图5的结构与在图6的分解横截剖面图中所示的诸如压凸模之类的阵列模62之间。该挠曲电路60的各种设计是可以预期的。在一实施例，该挠曲电路60包括焊盘64阵列，其与插入到第一介电层68 (即焊剂防护膜)和第二介电层70之间的多个轨迹66相连。该阵列模62可以由诸如金属(如316L不锈钢)等任何合适的刚性材料组成，能对该刚性材料进行化学蚀刻或有选择地电镀以形成适当的图案化隆起72阵列。该阵列模62的材料应能足以承受在叠摞式压力机内施加在材料上的压力和热度。可以充分地用于该阵列模62的其他材料可以包括诸如模压塑料、树脂、尼龙等的制造材料。在一实施例，该挠曲电路60是插入在图5的结构和叠摞式压力机的阵列模62之间。该叠摞式压力机可以包括底板74和顶板76。在另一个实施例，柔性键合盘(bondingpad) 78可以置于在该阵列模62和该叠摞式压力机的顶板76之间以有助于保证压力机的压力穿过该阵列模62的表面被均匀分布。一旦图5的结构、该挠曲电路60、和该阵列模62置于图6所示的该叠摞式压力机内，充足的压力被施加在该阵列模62上使该挠曲电路变形(即，形成轮廓或形状)，如图7所示。图7描述了在挠曲电路60附着和变形之后、去除柔性键合盘78 (假如已使用)之后、在去除阵列模62之前和在叠摞式压力机去除之后的图5的结构。由压力机施加的压力使得该挠曲电路焊盘64阵列偏移，并且依靠挠曲电路的设计，使得如上所述的轨迹66变形。在一个实施例中，大约25psi到300psi之间的压力施加到阵列模62上以对挠曲电路60进行压凸。压力不充分会导致挠曲电路焊盘64的不完整的压凸，并且会导致焊盘64和压电元件20之间的电路开路，而过大的压力会破坏压电元件20或其他喷嘴叠摞的特征。在压力机内施加压力时，根据所使用的导体，可以使用热量来固化导体52。在另一个实施例中，例如，假如导体52为金属焊料，当在压力机中的时候，导体52可以被加热和冷却，从而导致挠曲电路焊盘64与转换器20电耦合。在另一个实施例中，在挠曲电路60从压力机中去除之后，导体52可以被加热和/或固化。随后，阵列模62被去除从而形成与图8所示相似的结构。在该实施例中，导体52使得每个挠曲电路焊盘64与压电元件20之间的电气耦合变得容易。另外，假如挠曲电路偏向于返回其原始的较平的形状，那么该导体保证每个挠曲电路焊盘64电接触压电元件20 之一。接下来，根据该设备的设计，可以执行额外的处理。例如，额外的处理包括可导电的、介电的、图案化的或连续的一个或多个额外层的形成，并且这些层可以通过如图9所示的层90示意性地一起表现。接下来，根据喷嘴叠摞子组件30的设计，可以执行各种处理阶段以便完成喷嘴叠擦。例如，一个或多个墨端开口(ink port opening) 92可以穿过层90来形成,如图9所示。进一步，依靠该设备的设计，墨端开口 92可以穿过挠曲电路60的一部分而形成，只要开口 92不会导致电气开路或者其他不良的效果。假如墨端开口 92在描述的位置上形成，那么开口 92可以穿过喷嘴叠摞子组件而延伸，例如，穿过喷嘴叠摞隔膜延伸。在另一个实施例中，一个或多个墨端开口在未描述的位置形成，该位置没有挠曲电路60和/或压电阵列20。在一个实施例中，如图9所示，孔板94可使用胶粘剂(为了简洁未单独描述)附着到喷嘴叠摞子组件30。孔板94可包括多个喷嘴96，通过这些喷嘴在印刷期间墨可喷出。一旦孔板94被连接上，喷嘴叠摞98就完成。喷嘴叠摞98包括为了简化未描述或描写的其他层、其他设计、其他开口和额外的处理需求。接下来，歧管100连接到喷嘴叠摞98的上表面，该上表面通过物理方式将歧管100附接到喷嘴叠摞98上。歧管100的附接包括使用诸如胶粘剂等不漏水密封连接物102而形成如图10所示的喷墨印刷头104。喷墨印刷头104包括由歧管100的表面和喷嘴叠摞98的上表面形成的墨池106以用于储存一定量的墨。来自墨池106的墨被传送通过喷嘴叠擦98的端口 92，其中墨端口通过穿过任何覆盖层90、挠曲电路60、隔开层50和穿过喷嘴叠摞子组件30的连续开口被部分地设置。应当知道，图10是简化视图。实际的印刷头包括未在图10中描述的不同结构和差别，例如，向左和右的额外结构，其为了解释的简化，未被描述。尽管图10描述了两个端口 92，但600DPI喷嘴叠摞包括超过两个端口。在使用中，在印刷头104的歧管100内的墨池106包括一定量的墨。印刷头的初始启动可以被配置为使得墨从墨池106开始流动，流经喷嘴叠摞98的端口 92。响应于施加在每个轨迹66上的电压112，该电压被传递到挠曲电路焊盘阵列的焊盘64上、传递到导体52上和传递到压电电极20上，每个PZT压电元件20相应地在合适的时间弯曲或偏移。压电元件20的偏移使得喷嘴叠摞98的一部分的隔膜(未单独描述)弯曲，从而在喷嘴叠摞内产生压力，使得墨滴从喷嘴96喷出。以上描述的方法和结构形成了用于喷墨印刷机的喷嘴叠摞98。在实施例中，如图11所示，喷嘴叠摞98被用来作为喷墨印刷头120的一部分。图11描述了根据本教导的实施例的印刷机120,其包括一个或多个印刷头104和从一个或多个喷嘴96喷出的墨122。每个印刷头104被配置为根据数字指令来操作以在诸如纸张、塑料等印刷介质124上创建想要的图像。每个印刷头104以扫描的形式相对印刷介质124来回移动以一片一片地生成印刷图像。可替代地，印刷头104可以保持固定，并且印 刷介质124相对其移动，在单次行程上创建与印刷头104宽度一样的图像。印刷头104比印刷介质124窄或者与其一样宽。印刷机硬件可以封装在印刷机外壳126内。在另一个实施例中，印刷头可以先朝诸如转动鼓或传送带等中间表面上印刷，随后转印到印刷介质上。在如图12A和12B所示的可替代实施例中，没有使用导体，而是通过粗糙面接触建立电触点。在该实施例中，形成如图6所示挠曲电路60以便焊盘64和压电元件20包括多个如图12A和12B的放大视图中所述的粗糙表面。在多个挠曲电路焊盘64上的表面粗糙度可制成与制造焊盘64的材料的自然表面粗糙度一样，并且具有小于1. O μ m到大约3. O μ m之间的平均高度。随后，如上所述阵列模62被用来对挠曲电路焊盘64进行压凸，如图13所示。在该实施例中，没有额外的导体插入到焊盘64和压电元件20之间。依赖在挠曲电路焊盘64上的粗糙表面与压电元件20的粗糙表面之间的物理触点以提供焊盘64和压电元件20之间的电耦合和建立焊盘64和压电元件20之间的电通信。即，通过多个挠曲电路焊盘64和多个压电元件20这两种结构之间的直接的物理接触来提供多个挠曲电路焊盘64和多个压电元件20之间的导电路径。图13进一步描述了可选材料130的使用，其可以用在本教导的任何实施例中。例如，假如高应力还没有引起塑料变形，或者假如没有获得屈服强度，那么诸如环氧树脂或胶粘剂之类可选材料130可用在执行机构20的上表面上以避免可逆的变形，并且保持焊盘64和压电元件20之间的电接触。可选材料130可以仅在挠曲电路60的凹陷部分或凹地形成，该凹陷部分或凹地由如图13所示的压凸过程引起。在另一个实施例中，材料130可以跨越图8的结构的整个上表面形成，并且与图9的层90的形状类似。在另一个可替代实施例中，如图5-10所述的材料52可以是用作胶粘剂而不是用作导体的非导电性材料。例如，材料可以是非导电性的环氧树脂。在材料52为非导电性材料的实施例中，可通过如上所述的粗糙面接触来建立电触点，并且该非导体可通过物理方式确保压凸后的挠曲电路焊盘64与压电元件20在例如印刷头的电气操作期间电接触。在另一个实施例中，非导电性材料52可以连同参考图13描述的可选材料130 —起使用。本教导的另一个实施例描述在图14-16中。在该实施例中，阵列模不用来形成挠曲电路，相反地，如在图14的分解横截面图所述的柔性键合盘140被使用。柔性键合盘可以是大约500 μ m到大约20mm、或者在大约2mm到大约10mm、或者在大约6mm到大约7mm厚的硅层。过厚的键合盘需要过多的压力使之变形，以便形成挠曲电路焊盘的轮廓，并且太薄的键合盘不会充分变形，从而不能形成挠曲电路的轮廓。如图6的实施例，组件可以置于叠摞式压力机上，该压力机包括底板74和顶板76，如图14所示。在大约5psi到大约500psi之间、或在大约IOpsi到大约450psi之间、或在大约25psi到大约400psi之间的范围的压力可以通过压力机(press)施加在该组件上，从而导致柔性键合盘140施加跨越挠曲电路的均匀压力。不足的压力会导致挠曲电路焊盘64的不完全的压凸，并且会导致在焊盘64和压电元件20之间的电路开路，而过度的压力会破坏压电元件20或其他喷嘴叠摞特征。在对叠摞式压力机内的柔性键合盘施加压力期间，柔性键合盘140变形到如图15所述的每个执行机构20上的未受支持区域，以便压凸挠曲电路焊盘64。图16描述了在从叠摞式压力机移出和去除柔性键合盘140之后的图15的喷嘴叠摞结构。在该实施例中，可以通过如图12A和12B所述的粗糙面接触建立在隆起电极64阵列和压电元件20阵列之间的电触点，或者可以使用单独的导体。在图14-16的实施例中，当柔性键合盘提供自校准并且在叠摞式压力机内的压力下偏移进每个压电元件上的较低压力的未受支持的区域时，阵列模与挠曲电路以及与压电元件阵列的任何不对准被避免了。因此，如这里所述的本教导的不同实施例可以通过在印刷头制造期间在挠曲电路附着到压电元件的过程中，原位压凸多个挠曲电路以降低成本。本教导的不同实施例创造了局部区域的高应力以引导在连接期间接触焊盘区域的变形。在本教导的实施例中，由于在挠曲电路与转换器阵列之间的电耦合期间而不是在挠曲电路制造期间在单独成型期间通过物理方式形成挠曲电路的轮廓，因而成本会降低。
权利要求
1.一种用于形成喷墨印刷头的方法，包括将包括多个压电元件的喷嘴叠摞子组件置入压力机中；将具有多个导电焊盘的柔性印刷电路(挠曲电路)与所述多个压电元件对齐；以及对在所述压力机中的挠曲电路施加压力以使得所述多个导电焊盘变形，其中在所述压力机中的所述多个导电焊盘变形期间，在所述多个导电焊盘和所述多个压电元件之间建立电触点。
2.如权利要求1所述方法，进一步包括将阵列模置于所述挠曲电路和压力板之间；以及通过与在所述压力机中的所述阵列模接触对所述挠曲电路施加压力以使得在所述压力机中的所述多个导电焊盘变形。
3.如权利要求1所述方法，进一步包括在所述挠曲电路和压力板之间放置柔性键合盘；和通过与在所述压力机中的所述柔性键合盘接触对所述挠曲电路施加压力以使得在所述压力机中的所述多个导电焊盘变形。
4.如权利要求3所述方法，进一步包括在所述喷嘴叠摞子组件上施加隔开层，其中所述隔开层具有多个开口，从而暴露所述多个压电元件；使所述隔开层与所述压力机中的所述挠曲电路接触；以及使所述柔性键合盘穿过所述隔开层的所述多个开口延伸以使得在所述压力机中的多个导电焊盘变形。
5.如权利要求1所述方法，进一步包括将导体置于所述多个压电元件的每个压电元件的表面；以及在对所述压力机中的所述挠曲电路施加压力期间，使所述多个导电焊盘中的每一个与在每个压电元件的表面的所述导体接触，其中通过所述导体与所述多个导电焊盘以及所述多个压电元件的接触，在所述多个导电焊盘与多个压电元件之间建立电触点。
6.如权利要求1所述方法，进一步包括将非导电材料置于所述多个压电兀件的每一个压电兀件的表面；在对所述压力机中的所述挠曲电路施加压力期间，使所述多个导电焊盘中的每一个与在每个压电元件的表面的所述非导电材料接触；以及在与所述多个导电焊盘中的每一个接触期间，固化所述非导电材料，其中固化后的所述非导电材料保持所述多个导电焊盘中的每一个与所述多个压电元件之间的物理接触。
7.如权利要求1所述方法，进一步包括在对所述压力机内的所述挠曲电路施加压力期间，使在所述多个压电元件中的每一个上的多个粗糙面与在所述多个导电焊盘中的每一个上的多个粗糙面接触，其中通过所述多个粗糙面的接触在所述多个导电焊盘与所述多个压电元件之间建立所述电触点。
8.一种用于形成印刷机的方法，包括使用包含下述步骤的方案形成喷墨印刷头将包括多个压电元件的喷嘴叠摞子组件置入压力机；使具有多个导电焊盘的柔性印刷电路(挠曲电路)与所述多个压电元件对齐；以及对在所述压力机中的所述挠曲电路施加压力以使得所述多个导电焊盘变形，其中在所述压力机中的所述多个导电焊盘变形期间，在所述多个导电焊盘和所述多个压电元件之间建立电触点；并且将所述印刷头封装在印刷机外壳中。
9.如权利要求8所述方法，其中所述喷墨印刷头的形成进一步包括将阵列模置于所述挠曲电路和压力板之间；以及通过与在所述压力机中的阵列模接触对所述挠曲电路施加压力以使得在所述压力机中的多个导电焊盘变形。
10.如权利要求8所述方法，进一步包括在所述挠曲电路和压力板之间放置柔性键合盘；和通过与在所述压力机中的所述柔性键合盘接触对所述挠曲电路施加压力以使得在所述压力机中的所述多个导电焊盘变形。
全文摘要
本发明公开了一种形成诸如印刷头或印刷机的方法，该印刷机包括具有多个变形的(即锯齿形、楔形或凹凸形)导电柔性印刷电路(挠曲电路)焊盘的挠曲电路的印刷头。多个挠曲电路焊盘可与喷墨印刷头的多个压电元件对齐。在诸如叠摞式压力机之类的压力机中，可施加压力以使得所述多个挠曲电路焊盘变形，并且在所述多个挠曲电路焊盘与所述多个压电元件之间建立电触点。通过消除在挠曲电路的制造或形成期间执行的分离的压凸阶段，可以减少在压力机操作期间的使多个挠曲电路焊盘原位变形的费用。
文档编号B41J2/16GK102991136SQ2012103280
公开日2013年3月27日 申请日期2012年9月6日 优先权日2011年9月14日
发明者布莱恩·R·杜兰, 彼得·J·奈斯特龙 申请人:施乐公司