CN103568564B - 用于喷墨打印机中的静电致动器的隔膜 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于喷墨打印机的静电致动器的隔膜及其制造方法。该方法包括在芯轴上电镀第一层，以及将光致抗蚀剂施加到第一层。该方法还包括与光致抗蚀剂相邻地在第一层上电镀第二层，使得第一和第二层形成基本上均匀的结构，并且将光致抗蚀剂与第一和第二层分离，以暴露定位有光致抗蚀剂的一个或多个挠曲凹部，其中所述隔膜在挠曲凹部附近具有减小的刚度。

Description

用于喷墨打印机中的静电致动器的隔膜

技术领域

本发明总体地涉及用于喷墨打印机的静电致动器。

背景技术

墨水喷射器或“喷射管(jetstacks)”通常存在于喷墨打印机中，并且能够控制墨水在期望进行打印的介质(例如纸张)上的沉积。喷射管通常由一系列钎焊钢板提供，其包括一个或多个歧管，以将从墨水贮存器接收的墨水传递到分配墨水的喷嘴阵列。喷射管还可以包括致动器，例如与电源电路连接的压电换能器，使得致动器能够被选择性地触发。当触发时，致动器偏转，从而激励一定体积的墨水穿过喷嘴而前进到介质上。以这种方式，通过选择性地触发致动器，可以电气地控制墨水的沉积。

因为较高分辨率的打印是期望的，所以喷射管中致动器的密度增加，从而通常需要较小的致动器。然而，对于压电换能器，减小换能器的尺寸和增加换能器的数量可能导致各种设计和电力上的困难。例如，较薄的、较小的压电换能器可能是易碎的，并且制造成本昂贵。另外，用于这种压电换能器阵列的节省成本的电气互连可能限制致动器的实际密度。

发明内容

本发明总体地涉及用于喷墨打印机的致动器以及制造该致动器的方法。例如，一种这样的方法包括通过在芯轴上电镀一个或多个材料层而形成包括挠曲凹部的隔膜，并且将隔膜与芯轴分隔开。该方法还包括将隔膜设置成与电极层大致平行，从而在隔膜和电极层之间形成间隙。隔膜被构造成当电流施加到电极层的至少一部分时相对于电极层移动。

另外，该设备包括电极层，该电极层包括导电迹线和电极，其中电极与导电迹线电联接。该设备还包括通过间隙与电极层错开的隔膜。隔膜包括被设置成与电极层大致平行且与电极对准的活塞区段以及至少部分地围绕活塞区段的挠曲凹部。隔膜被构造成当电流施加到电极时在挠曲凹部附近弯曲，使得活塞区段相对于电极层移动，并且基本上保持与电极层平行。

应当理解，前述整体描述和以下的详细描述仅仅是示例性和解释性的，并非用来限制要求保护的本发明的教导。

附图说明

附图示出了本发明的实施例。在附图中：

图1示出了根据实施例的用于打印机头部的静电致动器的示意性侧视图。

图2示出了根据实施例的静电致动器的放大示意图。

图3示出了根据实施例的形成两个相邻致动器的各部分的节点、挠曲凹部和两个活塞区域的示意图。

图4示出了根据实施例的致动器阵列的示意性前透视图。

图5A-5F示出了根据实施例的隔膜在其形成时的示意性侧视图。

图6示出了根据实施例的用于制造静电致动器的方法的流程图。

具体实施方式

现在，将详细参照本发明的实施例，在附图中示出了本发明的例子。整体参见附图，本发明的实施例提供隔膜和制造用于静电致动器的隔膜的方法。隔膜总体上包括一个或多个全厚度区段以及一个或多个厚度减小挠曲凹部，全厚度区段可以包括静态“节点”区段和可动“活塞”区段。节点区段可以粘接到基底，活塞区段可以与粘接到基底上的电极层的电极对准，挠曲凹部可以与由电极层提供的一个或多个迹线对准。迹线可以与电极联接，电极被构造成在隔膜上施加静电力。

隔膜中这种全厚度区段和厚度减小区段的组合可以减少用来用致动器提供期望的体积排量的电流量，同时保持隔膜的强度和稳健性。更具体地，挠曲凹部可以在隔膜中提供刚度减小的区域，以用来隔绝通过经由迹线向电极施加电流而发生的隔膜中的“弯曲”运动。在隔膜的区域中隔绝的弯曲运动与挠曲凹部大致对准或与挠曲凹部相邻的情况下，活塞区段可以保持与电极层大致平行，同时通过在挠曲凹部处隔膜的弯曲而沿着大致线性路径运动。除了优化强度和电力要求之外，在某些实施例中，活塞区段保持为大致平面的这种构造还可以在相关的墨水体积上提供更加均匀的压头。

本发明的实施例还提供用于制造这种用于致动器的可变厚度隔膜的方法。该方法可以包括电镀一个或多个任何合适的材料的层，例如镍(或其他材料，如下所述)，以利用一种或多种光致抗蚀剂来控制精确的材料沉积。芯轴可以用作用于电镀的基部，其可以是板玻璃，或者可以是抛光的金属，从而芯轴具有适当地小水平的非平面“缺陷”，该“缺陷”有可能传递到隔膜的底部。这样的电镀可以提供隔膜的紧密公差，同时避免通常与轧制和蚀刻工艺相关的缺陷。

现在转到所示的实施例，图1示出了根据实施例的静电致动器(在下文中称为“致动器”)100的示意性侧视图，其可以形成为用于喷墨打印机的喷射管的一部分。致动器100可以安装到基底102上，该基底可以是玻璃基底，但是也可以采用其它材料。此外，致动器100可以是安装到玻璃基底102上的致动器阵列中的一个致动器。应当理解，阵列中的其它致动器可以与本文所述的致动器100相同或者不同。

致动器100可以包括与玻璃基底102联接的电极层104。例如，电极层104可以是或包括金属化薄膜，如本领域中已知的，由此金属层被镀到玻璃基底102上。此外，电极层104中可以包括一个或多个电极、导电迹线等，如以下将更详细地描述的。致动器100还可以包括集成电路106，其可以是专用集成电路(ASIC)并且可以联接到电极层104。应当理解，单个集成电路106可以包括多个输入和输出端口(例如256个或更多个)，以便控制多个致动器100。

致动器100还可以包括隔膜108，其可以是导电材料的薄层。隔膜108可以由导电金属形成，例如镍、不锈钢、钛、铝、铜、银、它们的组合或类似物、和/或它们的合金。以下将描述隔膜108的构造的额外细节。

隔膜108可以定位成与电极层104基本上平行地延伸，但是与电极层之间错开一间隙110。该间隙110可以具有基本上均匀的厚度，至少直到隔膜108挠曲，并且可以在例如大约0.1μm到大约10μm之间、大约0.5μm到大约5μm之间、大约0.75μm到大约2μm之间。在至少一个具体实施例中，间隙110可以在隔膜108和电极层104之间延伸大约1μm。

间隙110可以由一个或多个间隙隔开层112，114保持，在一些实施例中，间隙隔开层还可以用来将隔膜108粘接到电极层104。在其它实施例中，隔膜108可以粘接或以其他方式紧固到间隙隔开层112，114。此外，间隙隔开层112，114可以是电介质。在其它实施例中，其它非导电装置、工艺和/或结构可以用来将隔膜108联接到电极层104和/或提供间隙110。

此外，间隙隔开层112，114可以定位成靠近隔膜108的节点区段116，118。节点区段116，118可以限定隔膜108大致受到约束而不能相对于玻璃基底102运动的区域，例如通过经由间隙隔开层112，114固定到基底上。隔膜108可以在节点区段116，118之间挠曲，如以下将更详细地描述的。从而，在多个实施例中，间隙隔开层112，114可以具有以下功能中的一个或多个：防止从电极层104到节点区段116，118导电；将隔膜108固定到电极层104和/或玻璃基底102；以及桥接隔膜108和基底102之间的间隙110，以便将作用在隔膜108上的任何力传递到基底102。

致动器100还可以包括一个或多个本体间隔件120，122，本体间隔件可以提供致动器100和相邻结构，例如喷射管的板、歧管等之间的隔开。本体间隔件120，122可以与节点区段116，118对准，以便促进作用在其上的任何脉冲力传递到基底102，从而保护隔膜108的在节点区段116，118之间的悬置区域。

在示例性操作中，致动器100可以设置在喷射管的墨水通道中；因此，致动器100的致动可以用来迫使墨水穿过切割、蚀刻或以其他方式贯穿玻璃基底102形成的孔，或者可以使墨水离开玻璃基底102，例如到达相邻设置的喷嘴板。这种受控制的墨水喷射可以用来控制墨水在可打印介质上的沉积。应当理解，方向术语，例如“上方”实质上是相对的，并且是指许多可以想到的取向中的一个取向。

在所示的实施例中，集成电路106可以使得特定极性的电流跨过电极层104的整个至少一部分施加。电流可以生成静电力，静电力可以施加到隔膜108，将隔膜108吸引向电极层104。电极层104可以稳定地固定到玻璃基底102上，同时隔膜108在其节点区段116，118处经由间隙隔开层112，114固定到电极层104和/或玻璃基底102。因此，静电力可以使得隔膜108处于节点区段116，118之间的区段朝向电极层104挠曲，从而随着隔膜108的偏转而存储势能。

当电流被去除和/或其极性反转时，静电力被去除，或者其方向可以颠倒。隔膜108可以回弹性地向后行进到与电极层104平行的位置，和/或超过平行而远离电极层104。额外的熔化的或者以其他方式流体化的墨水可以连通到致动器100，以便通过隔膜108的运动而替换移动通过各个喷嘴的墨水。因此，致动器100可以准备好用于下一次致动。

图2示出了根据实施例的静电致动器100的放大示意性侧视图。在所示的实施例中，隔膜108包括靠近节点区段116，118的两个较薄的挠曲凹部202，204以及在它们之间延伸的较厚的活塞区段205。从而，隔膜108可以具有至少两个厚度：在挠曲凹部202，204处的“减小的”厚度t和活塞区段205的“全”厚度T。因此，在多个实施例中，挠曲凹部202，204还可以被描述为肩部、凹槽和/或类似物。

在一个实施例中，包括厚度减小的挠曲凹部202，204和全厚度的活塞区段205的隔膜108可以提供隔膜108挠曲所需的电流与隔膜108强度之间期望的均衡。也就是，挠曲凹部202，204处的减小的厚度t可以利于隔膜108的挠曲，同时活塞区段205为隔膜108提供强度，使得隔膜108能够不那么容易损坏。此外，在一些实施例中，挠曲凹部202，204可以在间隙隔开层112，114之上延伸，如图所示；然而，在其它实施例中，如图3所示和如下所述，隔膜108的全厚度区域可以提供在间隙隔开层112，114上延伸的节点区段116，118，同时挠曲凹部202，204离开节点区段116，118延伸。

在一些实施例中，挠曲凹部202，204可以通过蚀刻隔膜108而形成，同时施加掩模(例如光致抗蚀剂)以保持活塞区段205的厚度不被减小。因为活塞区段205的厚度不会被减小，所以其可以被称为具有“全”厚度；然而，应当理解，活塞区段205可以被蚀刻，同时仍然提供隔膜108的较厚部分，从而可以被称为具有“全”厚度。此外，所得的挠曲凹部202，204可以不具有整体上均匀的减小的厚度t。在至少一个实施例中，减小的厚度t可以在全厚度T的大约20％到大约70％之间，例如，平均在全厚度T的大约40％到大约50％之间。在至少一个实施例中，减小的厚度可以改变到最多隔膜108的全厚度T的10％。

在多个实施例中，隔膜108的全厚度T可以在大约1μm到大约100μm之间，在大约10μm到大约50μm之间，或者在大约12μm到大约25μm之间。在一个特定实施例中，全厚度T可以为大约12μm，在另一个实施例中，可以为大约20μm。在其它实施例中，隔膜108的全厚度T可以为大约38μm，该厚度可以是蚀刻不锈钢的典型的厚度。

图3示出了根据本发明的两个相邻致动器100A，100B的各部分的示意性侧视图。如图所示，隔膜108包括挠曲凹部302，304、在挠曲凹部之间延伸的节点区段305以及第一和第二活塞区段306，308。挠曲凹部302，304中的每个和活塞区段306，308中的每个可以分别由不同的致动器100A，100B提供，节点区段305可以在两个致动器100A，100B之间共用，使得两个致动器100A，100B可以特征为包括该节点区段305。致动器100A，100B的分隔用虚线表示，该虚线穿过节点区段305的中间；然而，应当理解，在至少某些实施例中，这种分隔可以是概念上的，而不是物理上的。

与活塞区段306，308处的全厚度T相比，挠曲凹部302，304处的隔膜108可以具有减小的厚度t。此外，节点区段305也可以具有全厚度T，并且可以大致受到约束而不能通过间隙隔开层112相对于玻璃基底102运动。如上所述，间隙隔开层112还可以将节点区段305附着到玻璃基底102，但是在其它实施例中，可以大致没有足够的附着特性，使得节点区段305通过一个或多个额外的粘合剂层、紧固件等固定到间隙隔开层112，该间隙隔开层固定到玻璃基底102。

电极层104可以包括多个导电迹线310和电极309，311，迹线310中的至少一些与电极309，311电联接。电极309可以与活塞区段306对准，并且电极311可以与活塞区段308对准，从而经由连接的迹线310将电流施加到电极309，311将使得静电力分别施加到活塞区段306，308。导电迹线310中的至少一些可以设置在间隙隔开层112中或者与间隙隔开层对准，而其它的导电迹线可以设置在间隙隔开层112外部和/或不与间隙隔开层对准。此外，迹线310能够独立地将电流传递到电极309，311，使得例如致动器100A，100B能够独立地致动。

通过在隔膜108中提供刚度减小的区域，挠曲凹部302，304可以例如利于活塞区段306，308的这种运动。因此，隔膜108的弯曲运动可以在隔膜108中基本上局部化，在挠曲凹部302，304的边界处，从而活塞区段306，308可以朝向或远离玻璃基底102运动，而基本上不会弯曲。此外，通过与间隙隔开层112、电极层104和间隙隔开层112的连接，节点区域305可以与玻璃基底102形成大致实心结构。利用具有全厚度T的节点区域305，由此致动器100可以在节点区域305处具有最大强度。

图4示出了致动器阵列400的示意图，大致示出了隔膜108，该隔膜可以用来横跨阵列400的致动器100中的若干致动器或者甚至全部致动器。如图所示，阵列400可以包括四个致动器100(标记为100A，100B，100C，100D)；然而，应当理解，阵列400中示出四个致动器100仅仅是示例性的，在实施过程中，在单个阵列400中可以采用数十个、数百个、数千个或者更多的这种致动器100。

从而，隔膜108可以包括用于致动器100A的活塞区段308和用于致动器100B的活塞区段308。挠曲凹部302可以包封、包围或以其它方式围绕活塞区段308的至少一部分。同样，挠曲凹部304可以包封、包围或以其它方式围绕活塞区段308的至少一部分。节点区段305可以限定在活塞区段306，308之间以及例如挠曲凹部302，304的相邻侧部之间。

在图4中，电极层104(图1和2)可以被认为是处于隔膜108“之后”。因此，迹线310可以与节点区段305大致平行且对准地延伸，如图所示。在电极层104中还可以设置与迹线310大致平行地延伸的额外的迹线410，412。

在一个实施例中，阵列400的致动器100A-100D可以大致布置成网格图案，从而节点区段305延伸到致动器100的相邻的列402，404并且是致动器100的相邻的列402，404所共用的。更具体地，在至少一个实施例中，如图所示，致动器100A-100D每个都可以为大致平行四边形，使得网格图案也为大致平行四边形，其特征在于相交的和/或相邻的部件之间的非直角角度。然而，在其它实施例中，除了这样的非直角角度之外，或者代替这样的非直角角度的是，可以采用直角角度。迹线310可以与节点区段305一起延伸，从而也与相邻列402，404中的致动器100对准。此外，第二节点区段405可以与节点区段305成角度地延伸，并且可以是阵列400的相邻行406，408中的致动器100共用的。

迹线410，412可以与挠曲凹部302，304至少部分地对准，并且由此可以与迹线310配合，以向电极层104的电极提供电流，由此将静电力选择性地施加到隔膜108。在一些实施例中，迹线410，412可以与迹线310平行地延伸，但是在其它实施例中，迹线410，412阵列中的一个或多个阵列可以与迹线310垂直地设置，例如，与节点区段405对准并且与节点区段405平行地延伸。

在操作中，电流可以选择性地通过一个或多个迹线310，410，412施加，以便向与活塞区段306，308对准的电极提供电流，从而在隔膜108的一个或多个区域上产生静电力。当施加时，该力可以作用为例如在挠曲凹部302，304处或其附近使隔膜108弯曲。这继而可以分别将至少部分地由挠曲凹部302，304围绕的活塞区段306，308朝向玻璃基底102牵拉，且活塞区段306，308的弯曲最小(例如没有弯曲或者基本上没有弯曲)。当电流停止时，或者当极性颠倒时，挠曲凹部302，304上的静电力可以被移除或颠倒，从而存储在移动的活塞区段306，308中的能量可以被释放。这可以转移靠近致动器100A-100D设置的相应体积的液体墨水，从而例如通过歧管或类似物驱动墨水穿过喷嘴板中的喷嘴。

但是，应当理解，分别围绕活塞区段306，308的挠曲凹部302，304是许多可以想到的实施例中的一个实施例。在一些实施例中，挠曲凹部302，304可以不是连续的，和/或可以不围绕活塞区段306，308。例如，挠曲凹部302可以分段为一个或多个直的或弯曲的区段。这样的区段可以彼此平行地延伸(例如在活塞区段306的相对侧上)，可以相交或交叉(例如在活塞306的相邻侧上)，或者可以对准，以配合地形成围绕活塞区段306的圆形、多边形或其它形状的至少一部分。

此外，还应当理解，其中布置阵列400的网格图案也是这许多实施例中的一个实施例。在其它实施例中，阵列400的致动器100可以为行和/或列错开的构造，从而节点区域305或节点区域405都不形成直线。

现在参考图5A-5F和6。图5A-5F示意性地示出了根据实施例的处于各个制造阶段的隔膜108，图6示出了根据实施例的用于制造隔膜108的方法600的流程图。方法600可以开始于602，提供芯轴504，如图5A所示。芯轴504可以是金属导体，适用于电镀。此外，芯轴504可以是抛光的，从而具有大致光滑的表面。在一些实施例中，芯轴504可以是金属板玻璃结构。在多个实施例中，芯轴504可以制造和/或精加工，以最小化非平面区域或“缺陷”(即表面中的峰或谷)的频率和尺寸，使得缺陷的高度小于大约100nm。

然后方法600可以前进到608，在此包括向芯轴504施加第一光致抗蚀剂506，如图5B所示。第一光致抗蚀剂506可以是提供能够抵抗电镀的两个(如图所示)、三个、四个、多达数百个或更多区域的图案。多种光致抗蚀剂材料是已知的，第一光致抗蚀剂506可以包括任何一种或多种合适的光致抗蚀剂材料。此外，第一光致抗蚀剂506的厚度可以是大约等于或稍稍大于如上所述的减小的厚度t。第一光致抗蚀剂506可以例如施加为模具，该模具可能需要延伸到隔膜108中和/或穿过隔膜108的销孔或其它特征。

然后，方法600可以前进到612，在芯轴504上电镀第一层510，例如至少与第一光致抗蚀剂506相邻，如图5C所示。第一层510可以用作用于隔膜108的基部，并且可以具有减小的厚度t。在第一光致抗蚀剂506比减小的厚度t稍厚的情况下，第一光致抗蚀剂506可以用来将第一层510的各部分容纳在预定区域中，限制第一层510的施加等，使得第一层510没有覆盖由第一光致抗蚀剂506占据的区域。此外，第一层510可以由镍、金、银、锡、镉、锌、铂、钯、任何钢合金(例如不锈钢合金)或者任何其它合金或适合于电镀到芯轴504上的元素形成。

接下来，在616处，方法600可以包括将第二光致抗蚀剂514施加到第一层510，如图5D所示。第二光致抗蚀剂514可以设置在挠曲凹部302，304期望的位置，即隔膜108具有减小的厚度t的位置。第二光致抗蚀剂514还可以施加到第一光致抗蚀剂506，从而保留期望延伸穿过隔膜108的特征；然而，在一些实施例中，可以省略第一光致抗蚀剂506，从而在没有第一光致抗蚀剂506的情况下施加第二光致抗蚀剂514。

然后，方法600前进到620，包括在第一层510上电镀第二层518，至少与第二光致抗蚀剂514相邻，如图5E所示。第二层518的材料可以与第一层510相同，从而在将第二层518电镀到第一层510上时，产生均匀的结构。如本文所用的术语，“均匀的结构”大致限定为指的是第一和第二层510，518的微结构不呈现显著的边界，即不呈现例如通过将两个分立的层钎焊、焊接、粘合在一起等而形成的接缝，而是作用为单个连续的结构。

第二层518的厚度可以基本上为全厚度T和减小的厚度t之间的差。因此，第二层518施加到第一层510上的区域可以在该区段处产生用于隔膜108的全厚度T。例如，第二光致抗蚀剂514的中间两个部分可以找到活塞区段306、节点区段305和活塞区段308的各部分。施加光致抗蚀剂和电镀层的过程可以根据需要重复一次或多次，以便获得期望的几何结构，例如上述隔膜108的几何结构。

一旦获得期望的几何结构，方法600可以前进到622，其中隔膜108可以与芯轴504、第一光致抗蚀剂506和第二光致抗蚀剂514分离，如图5F所示。用于将电镀结构与芯轴和光致抗蚀剂分离的各种方法是已知的，例如加热和/或冷却，以利用不同材料的不同热膨胀率。在不脱离本发明的范围的情况下，可以采用任何这样的分离或“剥离”方法。

从而，所得的隔膜108可以是两层结构，其可以是基本上均匀的。因此，第一层510可以限定挠曲凹部302，304的底部524，而第二层518限定挠曲凹部302，304的横向侧部526，528。因此，移除第二光致抗蚀剂514可以显露挠曲凹部302，304。此外，活塞区段306，308和节点区段305可以由第一和第二层510，518的组合限定，以提供全厚度T；然而，应当理解，一个或多个额外的层可以添加到第一层510或第二层518(或这两个层)上，以获得期望的厚度。

Claims (8)

1.一种用于打印机的喷射管的致动器设备，包括：

电极层，所述电极层包括导电迹线和电极，其中所述电极与所述导电迹线电联接；以及

隔膜，所述隔膜与所述电极层由间隙错开，所述隔膜包括：

平面第一表面，其面向所述电极层；

非平面第二表面，其与所述第一表面相对并背对所述电极层，其中所述非平面第二表面包括活塞区段，所述活塞区段设置成基本上与所述电极层平行且与所述电极对准，其中所述活塞区段包括延伸远离所述隔膜的第一表面以及远离所述电极层的凸出部分；和

挠曲凹部，所述挠曲凹部至少部分地围绕所述活塞区段，

其中所述隔膜被构造成当电流施加到所述电极时在所述挠曲凹部附近弯曲，使得所述活塞区段相对于所述电极层运动，并且基本上保持与所述电极层平行。

2.根据权利要求1所述的致动器设备，其中所述电极层包括被施加到玻璃基底的金属化薄膜。

3.根据权利要求1所述的致动器设备，其中所述电极层的所述导电迹线至少部分地对准所述隔膜的所述挠曲凹部。

4.根据权利要求1所述的致动器设备，其中所述隔膜包括第一电镀层和第二电镀层，其中所述活塞区段由所述第一电镀层的一部分和所述第二电镀层的至少一部分的组合限定，所述挠曲凹部由所述第一电镀层的水平上表面和所述第二电镀层的垂直取向的侧部限定，所述第一电镀层的水平上表面提供所述非平面第二表面的第一部分，其中所述第二电镀层提供所述非平面第二表面的第二部分。

5.根据权利要求4所述的致动器设备，其中所述第一电镀层和所述第二电镀层由相同材料形成。

6.根据权利要求1所述的致动器设备，其进一步包括间隙隔开电介质，所述间隙隔开电介质设置在所述隔膜的所述平面第一表面和所述电极层之间的间隙中，其中所述间隙隔开电介质物理接触所述隔膜的所述平面第一表面和所述导电迹线。

7.根据权利要求6所述的致动器设备，其还包括节点区段，所述节点区段的厚度大于所述隔膜的限定所述挠曲凹部处的厚度，所述节点区段与所述间隙隔开电介质联接，使得所述节点区段相对于所述电极层大致静止。

8.根据权利要求1所述的致动器设备，其中所述隔膜的所述平面第一表面包括具有高度为小于100nm的非平面缺陷。