JP4795601B2 - ミクロ流体装置及び超音波結合プロセス - Google Patents

Description

【０００１】
発明の技術分野
本発明は超音波結合プロセスによって製造した圧電セラミックインキジェットプリントヘッドに関するものであり、また特に、本発明は超音波結合技術を使用する一層安価な結合プロセスを含む数個の改良点を有するインキジェットプリントヘッド、改良された圧電セラミック結晶パターン、及び改良されたプリントヘッド圧電電気接触部に関し、更に、本発明は超音波エネルギーによって、金属物体を接合する超音波結合プロセスに関するものである。
【０００２】
発明の背景
一般に、金属板の接合は溶接、又ははんだによって行われてきた。しかし、このような方法は物体の表面特性を変化させてしまい、又は余分な結合材料が漏出することがあり、形成された物体に影響を及ぼす欠点がある。従って、結合材料を漏出することなく、又は表面の特性を変化させることなく、高い精度で、金属、特に金属板を接合する一層良好な方法がこの分野で待望されている。また、この分野で、特にインキジェットプリントヘッドの組立にあたり、このような結合方法を改良することが要求されている。次の発明はこれ等の要求に答えるためになされたものである。
【０００３】
インキジェット印刷はノンインパクトドットマトリックス印刷技術であり、インキ滴を小さな孔から媒体上の特定の位置に直接、噴射し、影像を生ぜしめる。液体の流れを破断し、細かい液滴にする機構はアナログ電圧信号のための最初の市販のインキジェットチャートリコーダの一つであるMingographを導入することになった。１９６０年代の始めに、Sweet of Stnfordが圧力波をオリフィスに加えることによって、インキの流れを均一な寸法と、均一な間隔のインキ滴に破断することができた。インキ滴の破断機構を制御する時、インキ滴が連続するインキの流れを形成する際、選択的に確実に、電荷をインキ滴に加える。このインキ滴が電界を通過する時、電荷を帯びたインキ滴は再循環用のガーター内に偏向し、電荷を帯びていないインキ滴は媒体上に直接、飛び、影像を形成する。このプロセスは連続インキジェットとして知られている。１９７０年代頃、IBM4640 インキジェットプリンタがワープロ用プリンタとして導入された。
【０００４】
インキジェットシステム、及び特に、ドロップ・オン・ディマンド・インキジェットシステムはこの分野でよく知られている。インパルスインキジェットの原理はインキ室内でインキを移動させ、次に、ノズルを通じて、インキ室からインキ滴を放出することである。駆動機構を使用して、インキをインキ室内で移動させる。通常、駆動機構は薄いダイアフラムに結合された圧電材料のようなトランスジューサと呼ばれることもあるアクチュエータから成る。電圧をこのアクチュエータに加えた時、アクチュエータはその平坦な寸法を変化させようとするが、アクチュエータはダイアフラムに確実に剛固に取り付けられているので、曲げ作用が起きる。この曲げ作用によって、インキ室内のインキを動かし、インキ供給源から導入口を経て、インキ室に、更に、送出口、及び通路を経て、ノズルまで、インキの流れを生ぜしめる。一般に、密にパックされた群に、多数のノズルを位置させ得る幾何学形状を採用するのが望ましい。しかし、インキ室、及びインキ室を関連するノズルに連結する配置は、特にコンパクトインキジェット群プリントヘッドを考える時、簡単な仕事ではない。有効にインキ滴を推進させるのに必要なアクチュエータの比較的大きな寸法はインキジェット群プリントヘッドのパッキング密度を制限する主要な問題である。
【０００５】
インキジェット群のパッキング密度を増大させる他の装置、及び方法はアクチュエータのような「電わい材料」を採用している。特に、米国特許第 5087930号は一連の密接離間するノズルを有するコンパクトインキジェットプリントヘッドを記載しており、これ等ノズルはオフセット路によって、密にパッキングされたインキ室からインキを供給される。一群のインキジェットノズルに均一な作動特性を与えるよう、圧力室に達するインキ供給管、及びオフセット室は設計されている。圧力室のパッキング密度を高めるため、圧力室、及びオフセット室に達するインキ供給路は圧力室とノズルとの間の平面内に位置している。ノズル画成板を除き、機械加工、又はその他の金属加工を必要とせず、フォトパターンニング、及びエッチングプロセスによって形成される複数個の板からインキジェットプリントヘッドは組み立てられている。
【０００６】
これ等の圧力室はジルコン酸チタン酸鉛(「PZT」) のような圧電セラミックを採用するインキジェットアクチュエータによって圧力室を駆動する。インキを圧力室からノズルの外に移動させるため、 PZTアクチュエータからの所定量の機械的移動が必要である。この移動は PZTアクチュエータの寸法、形状、及び機械的活性のレベル、ダイアフラムの寸法、材料、及び厚さ、及びアクチュエータとダイアフラムとの間の結合部の境界状態を含む数個の因子の関数である。
【０００７】
PZT は機械的性質と共に、分極のレベルによって定まる機械的活性を可能にするよう恒久的に分極される。PZT を分極するため、電界を加え、PZT のドメインを電界に対し配列するような方向にする。電界の強さの関数としての分極の量は非直線性で飽和レベルを有する。分極のための電界を除去した時、PZT のドメインは配列されたままであり、残留分極と称する正味分極を生ずる。PZT のドメインの配列により、材料の寸法的変化を生ぜしめる。電界を次に加えることにより、加えた電界の強さに対し直線的関係にある寸法の変化を生ずる。
【０００８】
都合が悪いことには、PZT は時間が経過するとその機械的活性が低下する多数の性質を有する。例えば、最初の残留分極の方向の反対方向に電界を加えると分極の量が減少する。同様に分極の反対方向に加えた電界の周期的な変化は累加的に、連続的に分極を低下させる。
【０００９】
PZT はキュリー点と言う性質を有し、このキュリー点の温度で、材料内の残留分極が零になる。PZT 材料は全く均一ではないから、或る範囲の温度で、全部ではないが、若干の分極が失われる。この分極の喪失は瞬間的ではなく、これにより超過すべきでない時間と温度のレベルを画成する。
【００１０】
PZTアクチュエータはディスク状、及び長方形ブロックを含む種々の形状を有する。分極によってPZT 材料が確実に異放性になり、数個の「ｄ」係数を各形状について画成し、各「ｄ」係数は分極、及び加えた電界の特定の方向への特定の寸法変化に関する。代表的なディスク状アクチュエータの場合には、通常採用される「ｄ」係数は「d.sub」 係数であり、これは電界を分極の方向に加えたとき、分極の方向に垂直な歪の尺度である。この歪はアクチュエータ内の半径方向の収縮として明らかであり、これは d.sub31は負であるからである。d.sub31 の値が大きいことは機械的活性が高いことを示しており、高いパッキング密度になるために望ましい。d.sub31 の値の安定性は長期間にわたり、一定のインキジェットの性能を維持するのに必要である。
【００１１】
プリントヘッドの製造中、PZT アクチュエータの分極を維持することは次の理由により困難である。このディスクを分極する前に、ディスクをダイアフラムに結合すれば、ディスクを分極した時、顕著な永久歪が生ずる。この永久歪はディスクにクラックを生ぜしめ、アクチュエータ構造を破壊する程、十分に大きい。従って、このディスクは結合する前に分極すべきであり、上述のようなキュリー点の問題があるため、結合はその結合中、許容される時間と、温度とが厳しく制限され、これにより有機接着剤のような材料への結合を制限してしまう。このような接着剤は高温で、時間と共に劣化する。位相変化インキジェット印刷はプリントヘッドからインキを放出するため、固形インキを融解させるための高温が必要である。従って、時間の経過により、接着剤が劣化すると位相変化インキジェットの性能は変化する。PZT 材料の「ｄ」係数が長時間にわたり維持するためには、電界の強さは制限しなければならない。都合の悪いことには、電界の強さを制限すると、アクチュエータから得られる機械的活性の量を制限してしまう。従って、この業界ではインキジェットプリントヘッド組立体の価格を安くし、接着剤により組み立てた時、一層耐久性を有することが必要である。
【００１２】
圧電セラミックインキジェット法では、圧電セラミック材料の変形により、圧力室内の容積の変化を生ぜしめ、ノズルに向け伝播する圧力波を発生する。この音響圧力波は小さなノズル内の粘性圧力損失、及びインキ湿分から生ずる表面張力とに打ち勝ち、ノズルにおいてインキ滴を形成し始める。インキ滴が形成されると、圧力はこのインキ滴を記録媒体に向け進めるのに十分な高さであることが必要である。一般に、圧電駆動部のこの変形はミクロン以下の大きさである。インキ滴を形成するための十分に大きいインキ容積の移動を生ぜしめるため、圧電駆動部の物理的寸法がインキオリフィスより一層大きいことが多い。従って、この分野では圧電セラミックインキジェットプリントヘッドの微小化が引き続き必要である。
【００１３】
Tektronix352ノズル、及び Sharp48ノズルは全て不銹鋼ジェットスタックで造られる。これ等のジェットスタックはフォトケミカルで加工した多数の不銹鋼板を結合し、即ち高温で互いにろう付けして成る。特に、Tektronix スタックは金により高温で結合され、Sharp スタックはニッケル相互金属結合材に高温で結合される。この相互金属結合は外部に、又は２個の隣接するインキ路間にインキが漏洩するのを防止するため、設計性能の首尾一貫性、及び密封シ−ルのため均一な厚さが必要である。はんだ（熱とフラックスの問題がある）、及びエポキシ樹脂もプリントヘッドの製作に使用することができる。ノズルの数が増大し、ノズルの物理的寸法が減少し、多くの異なる流体を噴出する傾向があるから、プリントヘッドの金属スタック間の一体化結合の改善、及び多数のインキ配合物に対する安定性を改善することが望まれる。本発明はこの要求に一部答えるため行われた。
【００１４】
発明の要約
金属表面を超音波結合するこの本発明方法は、
（ａ）結合すべき金属表面区域の結合される表面を化学的にエッチングし、
（ｂ）ニッケル(Ni)、金(Au)、銀(Ag)、ラヂウム(Pb)、プラチナ(Pt)、インヂウム(In)、亜鉛(Zn)、ビスマス(Bi)、及びこれ等の組み合わせの群から選択された金属と、錫(Zn)、又は錫合金とから成る金属配合物から成る結合材料の均一なコーティングを、結合すべき金属表面区域に加え
（ｃ）適切に前記金属表面を組み立て、
（ｄ）前記結合材料の融解温度より約２℃〜約４０℃低い温度まで、前記金属表面を組み立てて成る堆積体を加熱し、
（ｅ）約14.1kg/cm²( 約200psi) 〜約42.2kg/cm²( 約600psi) の範囲の結合圧力で、約１５kHz 〜約４０kHz の超音波振動周波数で、少なくとも１秒間の間、板と板との全ての直接接触部をシ−ルするよう超音波力を加え、これにより、前記超音波力によって、結合材料の表面に形成される酸化物を破断すると共に、前記結合材料を液化する温度を高くすることを特徴とする。
【００１５】
結合材料が錫のみから成るか、又は（重量で）少なくとも７０％の含有量の錫と、他の結合材料としてのニッケルとを有する錫合金配合物であるのが好適である。超音波力の周波数は２０kHz 、表面区域に加える結合圧力は約28.1kg/cm²(約400psi) 〜31.6kg/cm²( 約450psi) であるのが好適である。表面区域に加えられる結合圧力は約29.7kg/cm²(約422psi)であるのが最も好適である。
【００１６】
本発明は開口を有する複数個の内側金属板と、これ等に相互に接合した２個の外側板とを有するインキジェットプリントヘッドを提供する。第１外側板を圧電セラミック材料に取り付けられ、第２外側板は孔付き板である。複数個の内側板にインキ路、及びインキ空所を形成する。これ等の板は超音波結合法により相互に結合されている。インキジェットプリントヘッドを超音波で結合するには次の工程を有するのが好適である。即ち、
（ａ）板にコーティングするため、エッチングした板に結合材料を電気めっきする。その場合、結合材料の厚さは約0.76ミクロン〜約7.6 ミクロンであり、この結合材料は金属配合物から成り、この金属配合物は錫(Sn)から成り、又は錫合金と、ニッケル(Ni)、金(Au)、銀(Ag)、パラジウム(Pd)、プラチナ(Pt)、インジウム(In)、亜鉛(Zn)、ビスマス(Bi)、及びこれ等の組み合わせから成る群から選択した随意の他の金属とから成る。
（ｂ）インキジェットプリントヘッド具を形成するためこれ等の板を組み立てる。
（ｃ）この組み立てられた金属スタックを結合材料の融解温度より約２℃〜約４0℃低い温度まで加熱する。
（ｄ）全ての板と板との接触部をシ−ルするため、約14.1kg/cm²(200psi)〜42.2kg/cm²(600psi)の範囲の圧力で、約15kHz 〜約40kHz の超音波振動周波数で、少なくとも１秒間にわたり、超音波力を加え、これにより、結合材料の相互面に形成される酸化物を破断し、結合材料が液化する温度を高くする。
【００１７】
この板は約1.9 ミクロン〜約3.2 ミクロンの結合材料のコーティング厚さを有するのが好適である。結合材料は錫のみであるか、又は（重量で）少なくとも７０％の錫と、その他の成分としてのニッケルとを有する配合物であるのが好適である。超音波力の周波数は20kHz 、及び約28.1kg/cm²(400psi)〜約31.6kg/cm²(450psi)の結合圧力を加えるのが良い。この結合圧力は29.7kg/cm²(422psi)であるのが最も好適である。
【００１８】
本発明は更に膨張可能な圧電セラミックパターンと共に設置される複数個の切り出した圧電セラミック結晶を有する圧電セラミックパターンを提供し、この切り出した圧電セラミック結晶は角ばった隅角部が無い形状であり、この圧電セラミックパターンは次の工程で製造される。即ち、
（ａ）複数個の回転を必要とする切断プロセスを使用し、出発点と、この出発点を超えて延びる停止点とを有する回転において、角ばった隅角部が無い形状になるようプログラミングされたレーザによって、平坦な圧電セラミック板を切る切断工程と、
（ｂ）角ばった隅角部が無い切り出した形状を形成するよう、複数個の回転の各回転の出発点をランダム化するランダム化工程と、
（ｃ）圧電セラミックパターン内に角ばった隅角部が無い各形状に対して前記切断工程と、ランダム化工程とを繰り返す工程である。
【００１９】
圧電セラミック材料がジルコン酸チタン酸鉛であるのが好適である。圧電セラミック材料が約５０ミクロン〜約２００ミクロンの板であるのが好適であり、約７５ミクロン〜約１２５ミクロンであるのが最も好適である。レーザは約２６６ナノメータの放射線波長を有するネオジウムを含むヤグレーザであるのが好適である。圧電セラミックは更に、端子バンプを有する可撓性ケーブルを具えるのが好適であり、この端子バンプは圧電セラミックの切ったパターン上に直接、配列している。この可撓性ケーブルがポリイミドに埋設された銅のワイヤから成るのが最も好適である。
【００２０】
発明の詳細な説明
金属表面を超音波結合するこの方法は、
（ａ）後に結合すべき金属表面を科学的にエッチングし、
（ｂ）ニッケル(Ni)、金(Au)、銀(Ag)、ラヂウム(Pb)、プラチナ(Pt)、インヂウム(In)、亜鉛(Zn)、ビスマス(Bi)、及びこれ等の組み合わせの群から選択された金属と、錫(Zn)、又は錫合金とから成る金属配合物から成る結合材料の均一なコーティングを、結合すべき金属表面区域に加え
（ｃ）適切に前記金属表面を組み立て、
（ｄ）前記結合材料の融解温度より約２℃〜約４０℃低い温度まで、前記金属表面を組み立てて成る堆積体を加熱し、
（ｅ）約14.1kg/cm²( 約200psi) 〜約42.2kg/cm²( 約600psi)の範囲の結合圧力で、約１５kHz 〜約４０kHz の超音波振動周波数で、少なくとも１秒間の間、板と板との全ての直接接触部をシ−ルするよう超音波力を加え、これにより、前記超音波力によって、結合材料の表面に形成される酸化物を破断すると共に、前記結合材料を液化する温度を高くすることを特徴とする。
【００２１】
結合材料が錫のみから成るか、又は（重量で）少なくとも７０％の含有量の錫と、他の結合材料表面としてのニッケルとを有する錫合金配合物であるのが好適である。超音波力の周波数は２０kHz 、表面区域に加える結合圧力は約28.1kg/cm²( 約400psi) 〜31.6kg/cm²( 約450psi) であるのが好適である。表面区域に加えられる結合圧力は約29.7kg/cm²( 約422psi) であるのが最も好適である。
【００２２】
このプロセスは金属板を得ることによって開始される。金属板、又は金属表面を有する素子は非腐食性の金属、又はその合金で作られるのが好適である。非腐食性の金属（合金）の例は不銹鋼、アルミニウム、ベリリウム銅、チタン、及びこれ等の合金（例えば黄銅）である。図１の最も上の部分に述べたプロセスに関し、この第１工程は表面を化学的にエッチングすることである（符号１０）。通常、蝕刻、フォトエッチング、又は化学的エッチングと呼ばれるフォトケミカルエッチングプロセスはサンプリングダイスのような「ハードツーリング」を使用せず、化学物質を使用して、シート、又は金属ストリップから部片を材料取りする方法である。このエッチングプロセスにおいては、完全に脱脂した金属シートの両面をフォトレジストで覆う。このシートの両面に、希望するパターンを写真技術により加える。次に、このシートをエッチング装置に通し、（塩化第二鉄のような）腐蝕剤、即ちエッチング剤によって、保護していない希望しない部分を除去し、仕上げされた部分を残す。不銹鋼、多くの他の鋼、銅、アルミニウム、ニッケル、及びそれ等の合金を含む広範囲の材料を化学的にエッチングすることができる。
【００２３】
第２工程はエッチングされた表面に結合材料をコーティングする。この結合材を軟質結合材料、又は硬質結合材料で造る。軟質結合材料は（重量で）少なくとも７０％の錫と、Bi、Pb、Cu、In、Zn、Ag、Sb、及びこれ等の組み合わせから成る群から選択された（重量）で３０％、又はそれ以下の金属とを有する金属配合物である。硬質結合材料はNi、Pd、Au、Ag、Pt、及びこれ等の組み合わせから成る群から選択された金属を有する金属配合物である。軟質結合材料を有する金属表面は軟質結合材料、又は硬質結合材料のいずれかを有する金属表面に「結合」することができる。しかし、硬質結合材料を有する金属表面は硬質結合材料を有する金属表面に結合させることはできない。例えば、プリントヘッドスタッフの場合には、軟質結合材料を有するスタック内の板と、硬質結合材料を有する板とを交互に配置するのが好適である。更に、コーティングを施すべき特定の板、又は物体は例えばその一方の表面に軟質結合材料を有し、反対側の表面には硬質結合材料を有することができる。金属表面、又は板に結合材料をコーティングするには、電気めっき、スパッタリング、イオンめっき、物理的蒸着法、浸漬法（液状の結合剤の場合）、又はクラッド接合によって達成する。金属板に対して採用される方法は電気めっき、又はスパッタリング、又はその両方である。
【００２４】
第３工程はこれ等の板、又は物体を組み立てて（符号１２）、図３のｃ〜ｅに示すように、超音波結合具上に、これ等の組立体を設置する。インキジェットプリントヘッドの場合には、内部のインキ路、及びインキ空所を形成するために、この組立て、及び設置の配列は重要である。
【００２５】
超音波力を加え、全ての板と板との接触部、又は金属表面の接触部を密封し、インキ路、及び接触部をシ−ルし、形成する（符号１３）。このプロセスの利点は結合材料がインキ路、及びインキ空所に流出することが無いことである。次に、アクチュエータ、コンバータ、ブースタ、及び超音波ホーンを有する超音波溶着装置（図３参照）によって、超音波力を加える。この溶着装置としてはDanbury のBranson Ultrasonic Corp.の9001Ｗシリーズの溶着機が好適である。このような装置は通常、熱可塑性部片を溶着するために使用されている。アクチュエータはベース、支柱、及び剛強フレームから成り、このフレームはコンバータ、ブースタ、及びホーンの組立体を収容している。加工片（スタック）に圧力を加えるため、コンバータ、ブースタ、及びホーンの組立体を上下動させるため、空気で作動する移動台機構をアクチュエータが具えていることもある。電源からの２０kHz の電気信号をコンバータ、又はトランスジューサ素子に加えることもある。これにより、高周波の電気振動をこの電気振動と同一の周波数の機械的振動に変換する。コンバータの心臓部はジルコン酸チタン酸鉛電気制限素子である。交番電圧を加えた時、この素子は膨張、収縮し、９０％以上のエネルギー変換を行う。ブースタはアルミニウム、又はチタンから成る共振半波長部である。これをコンバータとホーンとの間に取り付けて、スタックを一層、剛固に取り付けるためのクランプ点になるようにする。ブースタはそれを使用しているコンバータの周波数と同一の周波数で共振するように設計されている。通常、ブースタは軸線運動の節点（最小振動点）に取り付けられる。この取り付けにより、エネルギーの損失を最小にし、支持支柱への音響の伝達を防止する。
【００２６】
振幅はホーンの形状の関数であり、これは組み立てる部片の寸法と、形状とにより主に決定される。ホーンを通じて、部片に加えられる振動の振幅を変更するため、ブースタを使用する。通常、ホーンは特定の用途に対して選択される。各ホーンは半波長部であり、これにより、組み立てる部片に必要な圧力を加える。このホーンはコンバータから加工片に、超音波振動を伝える。ホーンはその輪郭によって、段付きにし、円錐形、指数曲線形状、又は鼓形にする。ホーンの形状は利得ファクタを変化させる。ホーンはチタン合金、アルミニウム、又は鋼で造られるが、チタンが好適である。アルミニウムのホーンは通常、クロムめっき、又はニッケルめっきされ、又は硬質コーティングされる。
【００２７】
更に、図３はこのプロセスのために適するようにした或る溶着機を示す。特に、ホーンを保護するためにカプトンフィルムが加えられている。頂部のベリリウム銅のスペーサをも加えて、ホーンを振動から防護し、底部のバリウムのスペーサを加えて、下部台固定具を保護している。加熱具が温度を制御し、結合材料の融解温度より直ぐ下の温度まで、結合すべきスタックを加熱する。インキジェットプリントヘッドのような複雑な物体を結合する時、及び非常に厳密な公差にするためには、振動を減衰させるため、ばねを設ける。
【００２８】
超音波力は結合すべき面積によって定まる。6.5cm²（１インチ平方）について、約90.7kg（約２００ポンド）〜約272.1kg（ 約６００ポンド）を使用するが、約181.4kg（ 約４００ポンド）〜約204.1kg（ 約４５０ポンド）が好適である。面積と、超音波力との間には直線的関係がある。超音波振動の振幅は約１０ミクロンから約２００ミクロンまでであり、約２０ミクロンから約５０ミクロンが好適である。振動の振幅は好適には約２０kHz の振動周波数における運動（上下動）の距離である。結合材料に及ぼす超音波力の作用は酸化層を破断すること、及び結合材料を「湿潤」させて、超音波力をもはや加えていない時に、結合を推進させることである。凝固プロセスによって、結合材料を硬化させる。
【００２９】
更に、スタックの結合する金属表面の温度を制御する。錫は約２３２℃で融解し、通常、錫配合物の合金は融解温度が低い。従って、図３に示すように、結合材料を軟化させるのを助けるため、加熱具を設けるのが好適である。加熱素子は結合すべき金属素子のスタックを結合材料の融解温度より約２℃〜約４０℃低い温度まで加熱するのが好適である。結合温度は結合材料の融解温度より約５℃〜約３０℃低いのが好適である。超音波力は約１秒から約１０秒間にわたり加える。約４秒から７秒間にわたり加えるのが好適である。
【００３０】
図４は不銹鋼の２個の板の間、及び錫成分のみを有する軟質結合材料と、例１に記載したようなNiのような硬質結合材料との間の代表的な結合を示す。これは、不銹鋼の板のような金属表面間に、結合部を正確に形成するこの方法の利点を示している。
【００３１】
本発明は切除した開口を有する複数個の板から成るインキジェットプリントヘッドを提供し、これ等の板は堆積した時、圧力室、インキ導入口、インキマニホールド、インキ送出口、及び底板のインキ送出口（例えば図２参照）を形成する。このスタックはこの板のスタックに結合された２個の外側の板を有し、頂部の外側の板を（ここに説明する）圧電結晶に取り付ける。底部の外側の板はインキノズル（非常に小さい直径の孔）を有する孔付き板である。板のスタック、即ち堆積によって、複数個の内側の板の中にインキ路、及びインキ空所を形成する。これ等の板は不銹鋼、又はその合金で造るのが好適であり、厚さは約２５ミクロンから約２５０ミクロン、特に約５０ミクロンから約２００ミクロンが好適である。これ等の板は超音波結合の方法によって、相互に結合するのが好適である。
【００３２】
本発明は波形の紙、金属、セラミックス、プラスチック、及びガラスに印刷するような産業上の用途に特に適している改良されたインキジェットプリントヘッドを提供する。この超音波結合技術の使用によって、製造コストを著しく減少させる利点が得られる。例えば、エポキシ樹脂による接合、又は不銹鋼の板の高温ろう付けを使用することによって、造ったプリントヘッドのノズル当たりの見積もり価格は製造するのに約1.50米＄から約3.00米＄である。これに反し、超音波結合法を使用する時、プリントヘッドのノズル当たりの価格は製造するのに0.50米＄から1.00米＄である。
【００３３】
不銹鋼はそのクロム含有量が多いため、結合するのが最も困難であることが知られている。しかし、不銹鋼は腐蝕する性質が少ないため、産業上のプリントヘッドとして好適な材料である。はんだフラックスは使用することができない。これは、フラックスは強い酸性であり、酸化物に反応し、清掃するのが困難な腐蝕性残留物を残すからである。従って、不銹鋼の板を結合するため、種々のエポキシ樹脂接着技術が発達したのである。しかし、このようなエポキシ接着技術は汚れ易く、（インキジェットプリントヘッドの精度にとって必要な）均一性が無く、組み立てるための労賃が高価である。例えば、図４に金属板と隣接するインキ路区域との間の結合ラインの電子顕微鏡走査写真を示す。結合材料の漏洩、又は結合材料による汚れが無いことに注目すべきである。
【００３４】
プリントヘッドを形成する一方法では、軟質金属状錫、及び錫合金のような結合材料で板をコーティングしている。この板をコーティングする一方法は例えば電気めっきによって行われる。他のコーティング方法には例えば、スパッタリング、物理的蒸着法、イオンめっき、浸漬法、クラッド接合、又は結合材料の薄いコーティングを生ずるのに利用し得るその他の方法がある。圧電セラミックパターンの取り付けのため、及びインキ滴を発射するための孔を形成するため、コーティングされた板を適切な外側の板と共にプリントヘッドになるように組み立てる。（頂部から底部まで）堆積した板、即ちスタックに超音波力を加え、これ等の板をシ−ルする。（隣接する板が整合する区域として定義される）結合材料相互面の酸化物を破断するように超音波力は作用し、板の内部の温度を増大し、結合材料を液化する。一旦、超音波力を取り除き、温度を低下させると、結合材料は板の間の均一な層として硬化し、板に結合し、板を相互に結合する。このようにして、プリントヘッドを形成する。
【００３５】
本発明におけるこのミクロ流体素子装置（インキジェットプリントヘッド）は正確な滴下量、及び／又は正確な移動を要する流体を分配することができる。インキジェット印刷における中心的用途は化学物質（薬剤、試薬等）の分配システム、及び分析システムである。発明された超音波結合法はフリップチップパッケージング、及びその他の電子組立方法のような他の用途に適用することができる。
【００３６】
本発明は更に膨張可能な圧電セラミックパターンと共に設置される複数個の切り出した圧電セラミック結晶を有する圧電セラミックパターンを提供し、この切り出した圧電セラミック結晶は角ばった隅角部が無い形状であり、この圧電セラミックパターンは、
（ａ）複数個の回転を必要とする切断プロセスを使用し、出発点と、この出発点を超えて延びる停止点とを有する回転において、角ばった隅角部が無い形状になるようプログラミングされたレーザによって、平坦な圧電セラミック板を切る切断工程と、
（ｂ）角ばった隅角部が無い切り出した形状を形成するよう、複数個の回転の各回転の出発点をランダム化するランダム化工程と、
（ｃ）圧電セラミックパターン内に角ばった隅角部が無い各形状に対して前記切断工程と、ランダム化工程とを繰り返すことを特徴とする。
【００３７】
この圧電セラミック材料がジルコン酸チタン酸鉛であるのが好適である。この圧電セラミック材料は厚さが約５０ミクロンから２００ミクロンまでの板が好適であり、とくに約７５ミクロンから１２５ミクロンまでが最も好適である。レーザは約２６６ナノメートルの放射波長を有するネオジウムを含むヤグレーザ、即ちイットリウムアルミニウムガーネットレーザが好適である。
【００３８】
本発明は各結晶が単一のインキジェット路に対応し、表面積当たりの圧電セラミック結晶の数を最大にする手段を提供する。即ち、圧電セラミック結晶のパッキング密度がプリントヘッドの寸法を減少させるように作用している。このことは市販製造に現在、使用されている直線切断パターンの設計と相違している。圧電セラミック結晶は電気的刺戟を受けている間、膨張し、収縮し、隣接する圧電セラミック結晶を妨害しない。そうでないと、インキの噴霧は不正確になる。更に、（不銹鋼の板の中空部内のプリントヘッドの空所内に形成された）各圧力室の頂部に各圧電セラミック結晶を直接、位置させ、有効な変形を達成し、インキ滴を噴出させる。この位置決めの問題は圧電セラミックパターンを形成するための圧電セラミック板のレーザによる切断の性質によって、一層複雑になる。セラミック内に均一な切断を行うため、レーザは均一な速度で、切断パターンを横切って、そのビームを動かす。
【００３９】
セラミックグリッドの厚さに応じて、レーザは動いている時よりも、出発点、及び停止点において、一層深い孔を切る。１００ミクロン厚さの PZT圧電セラミック板を明瞭なパターンに切るためには約２８回のパス（丸い通路）を要する（レーザは２kHz 、パルス電力は２００ミリワット、走査速度は１０mm/ 秒）。レーザはESI モデル４４２０（オレゴン州、ポートランドのElectro Scientific Industries, Inc. のLasser Micromachining Systems)が好適である。一層新しいレーザのモデルは一層、強力（例えば、ESI５１５０)で、５００mm/秒までの走査が可能で、従って、処理時間が一層、早い。それ故、この方法はオーバル状の軌道に沿って、レーザの出発点と停止点とをランダム化し、このような軌道に沿う出発孔の点をランダム化する。角ばった隅角部が無いことによって、それは角ばった部分が無い曲線を有するが、直線区域を有する可能性があることを意味する。直線切断パターンを有する圧電セラミック結晶は角ばった隅角部（変形中、その部分に応力が集まる）を有し、限定された圧電セラミックパターンパッキング密度を有する。
【００４０】
次に比較して示すように、代表的な PZT材料（ジルコン酸チタン酸鉛）は圧電インキジェットプリントヘッドの用途に有用である。
【表１】

注：
（１）Motorola Ceramic Product Division（米国ニューメキシコ州アルバカー
キ）
（２）Sinoceramics, Inc. (中国、上海)
（３）住友金属工業（日本、東京）
（４）圧電常数ｄは単位面積当たり発生する電荷と、加えた力との比であって、
クーロン／ニュートンで表される。
（５）結合係数は蓄積された機械的エネルギーと、電気入力との比、又はこの逆
の比として定義される。
（６）材料の結晶構造はキューリー温度で、圧電（非対称）形から非圧電（対称
）形に変化する。キューリー温度は℃で表される。
（７）材料の密度は物体の質量とその体積との比として表される。
【００４１】
従って、この圧電セラミックグリッド構造はオーバル形の設計による応力の低下と、グリッドパターンによる密度の増大とにより、時間が経過しても、信頼性が改善される。密度が一層大きいことによって、プリントヘッドが一層密になり、製造コストが一層減少する。
【００４２】
更に、この圧電セラミックパターンは圧電セラミック結晶上に設置された導電フィルムを具え、各圧電セラミック結晶の一定区域にわたり、熱と圧力とによって、この導電フィルムをキュアする。この導電フィルムは導電粒子を内部に有する接着剤を具える。この圧電セラミック結晶は更に、可撓性ケーブルを具えるのが最も好適であり、この可撓性ケーブルは端子バンプを有し、これ等端子バンプは圧電セラミック結晶の切り出して形成したパターン上に直接配列していて、導電粒子を経る電気的接続を行っている。この可撓性ケーブルはポリイミドに埋設された銅線を具えるのが最も好適である。
【００４３】
現在のプリントヘッドはリフラックスはんだ、又は導電エポキシ樹脂によって電流を圧電セラミック結晶の表面に接続する。そのような技術は（手ではんだ付けを行い、又は手でエポキシ樹脂を加えるため）工賃が高く、密集状態によって制約を受ける。これは、眼と手の統合作業により、有限の寸法に限られるからである。本発明は以下に説明するように、明確な圧電セラミック結晶パターンを作り出す。図６に示すように、このパターンの上に、（また、はんだ、又は導電エポキシ樹脂に代わり）（スリーＭ、日立製作所、その他の製造になる）Ｚ軸線導電フィルムを設置する。この導電フィルムを、一定面積にわたる熱、及び圧力によりキュアする。（各圧電結晶に電流を運び、プリントヘッドに指向させるため）可撓性ケーブルは各機能する圧電セラミック結晶に配列する端子バンプを有する。Ｚ軸線フィルムは（はんだ、又は導電エポキシ樹脂が不適性に加えられると生ずる）短絡が無く、単一の接続を可能にし、この接続により、可撓性ケーブルを圧電結晶に連結させる（図６参照）。電子顕微鏡走査写真（図７参照）は端子バンプが導電フィルムによって接続された圧電セラミック結晶上に配列しており、更にプリントヘッドスタック内の圧力室に配列していることを示している。
【００４４】
例
この例は本発明方法を使用する好適なインキジェットプリントヘッドの寸法及び組立を示す。錫めっきから成る「軟質」結合材料と、ニッケルめっきから成る「硬質」結合材料とを交互に配置した結合材料を、化学的にエッチングされた板にコーティングした。各部分は下の表に示す。
【００４５】
【表２】

【００４６】
ノズルの直径は２０ミクロン〜７５ミクロンであり、３０ミクロン〜５０ミクロンが好適である。ノズル板は放電加工により不銹鋼から造るのが好適である。その結合プロセスのパラメータは6.54cm²（ １平方インチ）当たり191.4kg（ ４２２ポンド）の結合力で、２１５℃までスタックを加熱し、２０kHz の超音波周波数で振動の振幅２８ミクロンで、超音波結合時間は５秒間である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 フォトレジストマスクを有する複数個の金属板で開始し、第１工程で板の化学的エッチングを行い、板のプリントヘッドスタックの最終製品になるようにし、更に、圧電セラミック材料を堆積した板に取り付け、印刷プロセスを制御するためのケーブルを最終的に接続する本発明の圧電セラミックプリントヘッドの製造チャートを示す。
【図２】 上部には各制御路、及びインキ送出口とを切って設けた多数圧電セラミック材料を有する多数のインキ路プリントヘッドを示し、下部には圧電セラミックの切り出した部分は圧力室に配列しており、この圧力室は一方ではインキ導入口、及びインキマニホールドに連通し、他方ではインキ送出口に連通しており、このインキ送出口はノズルを形成する孔に最終的に連通しており、インキマニホールド、インキ導入口、及びインキ送出口のおのおのが板を切った孔を配列して形成されている本発明の圧電プリントヘッド装置の線図的図面を示す。
【図３】 市販の超音波装置は超音波ホーンに連結されたブースタに更に連結されたコンバータから成るが、このような装置を変更して、更に超音波ホーンを覆うカプトンフィルムと、銅スペーサとを設け、プリントヘッドスタックをベース上に設置し、このプリントヘッドスタックは加熱具の頂部のベリリウム銅スペーサとサーモカップルとを具え、振動を減衰させるよう、ばねで懸垂されており、超音波装置とベース素子とが独立して制御される超音波結合装置の線図を示す。
【図４】 右側の一層暗い部分はプリントヘッドスタック内のインキ路であり、２個の薄い結合ラインは厚さが比較的均一で、インキ空所への結合材料の漏洩が無い（漏洩があるとインキの流れを阻害する）ことを示しており、錫結合材を使用した本発明方法により結合した不銹鋼板の電子顕微鏡走査写真を示す。
【図５】 下部にはプリントヘッドスタックの頂部の圧電セラミックの断面を示すと共に、本発明のレーザ加工法による圧電セラミックの加工の均一性をも示し、頂部パネルにオーバル形状のレーザ切除部を有する圧電セラミックパターンの線図を示す。
【図６】 この図の上部はプリントヘッドスタックと、圧電セラミック接触部と、導電粒子を内部に有するＺ軸線接着剤と、銅接点バンプを有する可撓性ケーブルとを（底部から頂部まで）示す形成されたプリントヘッドの頂部の側面図であり、可撓性ケーブルの頂部に熱と圧力とを加えて鋼「ダンプ」を、Ｚ軸線内に導電粒子を有する圧電セラミック接触点に接触させて電気的接触を生ぜしめるようにするそれぞれの圧電セラミック接触点に可撓性ケーブル接触部を結合する状態を示す。
【図７】 プリントヘッドスタック内の上部の板の頂部の圧電セラミック接触点に接触する可撓性ケーブルの銅バンプが直接接触する状態（及び下の圧力室）を示す電子顕微鏡走査影像を示している。

Claims (12)

1. インキジェットプリントヘッドであって、
   内部インキ路に連通する内部インキ空所を形成するよう一線をなす開口を有し、連続する層の堆積部になるように組み立てられて、第１外側板と第２外側板との間に位置している多数の内側板と、
   前記第１外側板に取り付けられ、前記内部インキ路内にインキの流れを生ぜしめるように位置する圧電セラミック材料と
   を設け、
   前記内部インキ空所から送給され前記内部インキ路内に流入するインキを噴出するインキノズルを形成するよう前記内部インキ路に一線の孔を前記第２外側板に設け、
   前記多数の内側板の異なる対の板に、各対の間の超音波結合によって形成された内部相互面に結合される向き合う表面を設け、前記第１外側板と前記内側板のうちの１個の内側板との対向する表面を接合する超音波結合によって形成された第１相互面を前記第１外側板に設け、前記第２外側板と前記内側板のうちの異なる内側板との対向する表面を接合する超音波結合によって形成された第２相互面を前記第２外側板に設け、
   前記内部相互面、前記第１相互面、及び前記第２相互面のそれぞれは、錫、又は錫合金を含む金属配合物から成る結合材料を超音波結合すべき表面に加えるコーティングとして構成とした
   ことを特徴とするインキジェットプリントヘッド。
2. 前記内部相互面、前記第１相互面、及び前記第２相互面のそれぞれにおける前記結合材料の厚さは約0.76ミクロン〜約7.6 ミクロンであり、前記結合材料は、ニッケル(Ni)、金(Au)、銀(Ag)、パラジウム(Pd)、プラチナ(Pt)、インジウム(In)、亜鉛(Zn)、ビスマス(Bi)、鉛(Pb)、銅(Cu)、アンチモン(Sb)及びこれ等の組み合わせから成る群から選択された金属を更に有する請求項１のインキジェットプリントヘッド。
3. 前記内部相互面、前記第１相互面、及び前記第２相互面のそれぞれにおける結合材料は、前記板が約1.9 ミクロン〜約3.2 ミクロンの厚さを有する請求項１のインキジェットプリントヘッド。
4. 前記内部相互面、前記第１相互面、及び前記第２相互面のそれぞれにおける前記結合材料は錫のみから成るか、又は（重量で）少なくとも７０％の含有量の錫と、ニッケル(Ni)とを有する錫合金配合物である請求項１のインキジェットプリントヘッド。
5. 一線をなすよう互いに整列する開口を有する多数の金属表面を、超音波結合して内部インキ空所を有するインキジェットプリントヘッドを製造する方法であって、
   互いに隣接して向き合う金属表面の異なる表面対間にそれぞれ結合材料相互面を設けて、開口を有する金属表面の堆積部となるよう組み立て、この組み立てにおいて、互いに隣接して向き合う金属表面の異なる表面対間それぞれに、インキ空所を形成するよう前記堆積部に前記開口が一線をなすよう互いに整列するように、前記結合材料相互面の層を配置し、各結合材料相互面は、錫、又は錫合金を含む金属配合物から成る結合材料のコーティングとして超音波結合すべき金属表面に加えることにより設け、
   前記各結合材料相互面における前記結合材料の融解温度より低いが、この結合材料が軟化する温度まで、組み立てられた前記金属堆積部を加熱し、
   前記各結合材料相互面における前記結合材料が湿潤して前記金属表面の結合の完了を助長し、また前記一線をなすよう整列した開口に前記結合材料が流出して塞ぐのを防止するのに十分な時間、結合圧力、及び超音波振動周波数で超音波力を加る
   ことを特徴とするインキジェットプリントヘッドの製造方法。
6. 前記各結合材料相互面における前記結合材料は、錫、又は（重量で）少なくとも７０％の含有量の錫と、その他の結合材料としてニッケル(Ni)、又は金(Au)とを有する錫合金配合物である請求項５の方法。
7. 加える超音波力の前記圧力が14.1kg/cm2(200psi)〜42.2kg/cm2(600psi)の範囲内である請求項５の方法。
8. 互いに向き合って隣接する前記金属表面の一方を化学的にエッチングする工程を更に有する請求項５の方法。
9. 前記各結合材料相互面における前記結合材料は、ニッケル(Ni)、金(Au)、銀(Ag)、パラジウム(Pd)、プラチナ(Pt)、インジウム(In)、亜鉛(Zn)、ビスマス(Bi)、鉛(Pb)、銅(Cu)、アンチモン(Sb)及びこれ等の組み合わせから成る群から選択された金属を更に有する請求項５の方法。
10. 前記各結合材料相互面における前記結合材料は、少なくとも７０％の含有量の錫と、インジウム(In)、亜鉛(Zn)、ビスマス(Bi)、鉛(Pb)、銅(Cu)、アンチモン(Sb)及びこれ等の組み合わせから成る群から選択された金属を有する軟質結合配合物と、ニッケル(Ni)、金(Au)、銀(Ag)、パラジウム(Pd)、プラチナ(Pt)及びこれ等の組み合わせから成る群から選択された金属を有する硬質結合配合物との組み合わせ、又は前記軟質結合配合物相互の組み合わせである請求項５の方法。
11. 超音波力を加えることによって生ずる好ましくない振動を減衰させるよう弾性支持体上に前記組み立てられた金属堆積部を懸垂する工程を更に具える請求項５の方法。
12. 前記弾性支持体をばね負荷固定具によって設ける請求項１１の方法。

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