(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
インク・ジェット・プリントヘッドを形成する方法であって、
ポリイミドフィルムからなる第１層を第２層と接触して配置するステップと、
前記第１層の表面を処理し、当該表面を熱可塑性物質に変換するステップと、
前記第２層と前記第１層の前記表面を物理的に接触させるステップと、
超音波ホーンを用いて前記第２層に対して圧力を加えて、前記第１層と前記第２層の間の界面において前記第１層に対して前記第２層を保持するステップと、
前記第１層と前記第２層の間の界面において前記超音波ホーンを用いて超音波周波数を加え、前記第１層の前記表面を加熱しかつ融解するステップと、
前記第１層の前記表面を冷却して硬化させて、前記第１層を前記第２層に物理的に取り付け、かつインク・ジェット・プリントヘッドの少なくとも一部を形成するステップと、
を含む、方法。
【請求項２】
前記第２層が前記第１層の上を覆う直上層であり、前記方法が、
直下層を前記第１層と接触して配置して、前記第１層が前記直下層と前記直上層との間に介在しかつ接触させるようにするステップと、
前記第１層と前記直上層の間の界面において前記超音波周波数を加えている間、前記第１層を加熱するステップと、
前記第１層を冷却し、前記第１層を硬化させて、前記第１層を用いて前記直下層を前記直上層に物理的に取り付けるステップと、
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記硬化した第１層および第２層のうちの少なくとも１つを用いて、前記第１層と前記第２層の間に流体密封シールを提供するステップをさらに含む、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記第２層は、ポリイミド、熱可塑性のポリマー、または金属からなる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本教示は、印刷デバイスの分野に関し、さらに詳細にはインク・ジェット・プリントヘッドなどのプリントヘッドを含む印刷デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
民生用および産業用向け用紙などの印刷媒体上に画像を印刷する技術分野では、一般にレーザ技術およびインクジェット技術が支配的である。インクジェット技術は、インクジェット印刷の解像度および印刷品質が向上するにつれて一層一般的になってきた。インク・ジェット・プリンタは、典型的にはサーマル・インク・ジェット技術または圧電技術を使用する。圧電インクジェットは、サーマル・インク・ジェットよりも製造に費用がかかるが、例えば幅広い多様なインクを使用することができるので、一般に好まれている。
【０００３】
圧電インク・ジェット・プリントヘッドは、典型的には、例えばステンレス鋼から製造された柔軟性のあるダイアフラムを含む。圧電インク・ジェット・プリントヘッドは、ダイアフラムに取り付けた圧電変換器（すなわち、アクチュエータ）のアレイも含むことができる。別のプリントヘッド構造体は、１つ以上のレーザパターニングされた誘電性絶縁層および各変換器に電気的に結合されたフレキシブルプリント回路（フレックス回路）またはプリント回路基板（ＰＣＢ）を含むことができる。プリントヘッドは、本体板、注入口／放出口板、および開口板をさらに含み、それぞれは、ステンレス鋼から製造することができる。開口板は、複数のノズル（すなわち、１つ以上のオープニング、開口部）、または噴出口を含み、印刷中に同ノズルを通ってインクが施される。
【０００４】
圧電プリントヘッドの使用中に、典型的には電圧源に電気的に結合されたフレックス回路電極との電気的接続を介して、圧電変換器に電圧を加え、圧電変換器を湾曲させまたはゆがめさせて、結果的にダイアフラムに湾曲をもたらす。圧電変換器によってダイアフラムが曲がると、インクチャンバの内部の圧力が増大し、チャンバから開口板内の個々ノズルを通って多少のインクが放出される。ダイアフラムが弛緩（曲がっていない）位置に戻るにつれて、ダイアフラムはチャンバ内部の圧力を低減し、オープニングを通して主要なインク容器からチャンバ内へインクを吸引して、放出されたインクを戻す。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
インク・ジェット・プリントヘッド用の複雑な３次元マイクロ流体チャンネル（インクポート）は、１つ以上のレーザパターニングされたポリマー、エッチングされたステンレス鋼層、およびアルミニウム層などの相当数の種々の材料を含むことができる複数の層を組み立てて製作することができる。製造工程は、プレス機の内部に層を積み重ねるステップおよび高圧かつ高温を加えるステップを含むことができる。材料層をいっしょに接合するために、複数の接着剤フィルムが用いられる。接着剤の硬化サイクルは、長い継続時間の間、例えば２時間の間、プレス機の内部で層スタックに圧力および温度を加えるステップを必要とし、層間剥離および使用中のプリントヘッドの早期故障を最小化することができる。種々のプリントヘッド層をいっしょに接合する接着剤は、固体インクおよび紫外線インクとの接合信頼性および適合性に対して調製される。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
プリンタサブアセンブリを形成する方法の一実施形態は、第１層を第２層と接触して配置するステップと、超音波ホーンを用いて第２層に対して圧力を加えて、第１層と第２層の間の界面において第１層に対して第２層を保持するステップと、第１層と第２層の間の界面において超音波ホーンを用いて超音波周波数を加えるステップと、第１層および第２層のうちの少なくとも１つを硬化させて、第２層に第１層を物理的に取り付けるステップとを含む方法を用いて、インク・ジェット・プリントヘッドを形成するステップを含むことができる。
【０００７】
プリンタサブアセンブリの一実施形態は、第１層と、第２層と、第１層と第２層を物理的に接触させ、かつ第１層と第２層を物理的に接続する超音波接合層とを有するインク・ジェット・プリントヘッドを含むことができる。
【０００８】
プリンタの一実施形態は、第１層と、第２層と、第１層と第２層を物理的に接触させ、かつ第１層と第２層を物理的に接続する超音波接合層とを有するインク・ジェット・プリントヘッドを含むことができる。プリンタは、インク・ジェット・プリントヘッドを囲む筺体をさらに含むことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本教示による一実施形態に従う２つの層の超音波ボンディングを示す断面図である。
【図２】図２は、本教示による別の実施形態に従う２つの層の超音波ボンディングを示す断面図である。
【図３】図３は、本教示による１つ以上の実施形態を用いて形成することができるプリントヘッドの一部を示す断面図である。
【図４】図４は、本教示による形成されたプリントヘッドを含むことができるプリンタの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図面の一部の詳細は、厳密な構造的正確さ、細部、および拡大／縮小比率を維持するよりも、むしろ本教示の理解を容易にするように、単純化されて描かれていることに留意されたい。
【００１１】
本明細書で使用される単語「プリンタ」は、他に特に指定されない限り、任意の目的用に印刷出力機能を実行する、デジタル複写機、書籍制作機、ファックス、複合機、プロッタなどの任意の装置を包含することができる。
【００１２】
単語「ポリマー」は、熱硬化性樹脂、熱可塑性物質、ポリカーボネート、エポキシなどの樹脂、および当技術分野で周知の関連化合物を含む、長鎖分子から形成された広範囲の炭素系化合物のうちの任意の１つを包含する。
【００１３】
用語「硬化された」は、本明細書では完成した接着剤層を提供するように改変されている層を説明するのに用いられる。硬化層は、融解され冷却されて別の層に対する硬化層の接着力を提供する。硬化層は、さらに、加熱によって硬化している熱硬化性接着剤であってよい。
【００１４】
上述したように、組み立てられたスタック状のインク・ジェット・プリントヘッド層は、プリントヘッドの製造中に、加熱されたプレス機の内部に配置されて従来の接着剤を硬化させることができる。比較的高温かつ高圧、例えば３００°Ｃかつ３００ｐｓｉにおいて、例えば２時間以上の比較的長い処理時間が、接着剤を硬化させるために必要である。接着剤を硬化させるために必要となる高い温度によって、シリコンベースの構造体などの他のプリントヘッド構造体はダメージを受け、その後の処理に利用可能なサーマルバジェットが低減される。さらに加えて、層スタックは、液体接着剤が所望の領域から流出しないことを確実にするように液体接着剤を収容するために用いられる、パターニングされた絶縁体を含むことができるが、液体接着剤の流出は、汚れ、インクポートの目詰まり、およびプリントヘッドの故障を結果的にもたらすことにもなりうる。パターニングされた絶縁体は、費用がかかり、正確な配置を必要とし、製造コストを増すことがある。さらに、２つの異なる材料の特徴により、これらの材料を物理的に接続することが困難なことがあり、２つの材料をいっしょに確実に接続するのに、接着剤を用いることができないようにしている。従来の接着剤を用いて材料を物理的に接続する試みは、結果的に２つの材料の層間剥離およびプリントヘッドの故障をもたらす。
【００１５】
プリントヘッドを形成するために必要な組立時間および材料数を低減すると、製造コストおよび工程複雑性を減少させることができる。さらに、２つの異なる材料を接続する新たなやり方が、結果的にプリントヘッドを形成するのに役立つ材料をさらにもたらすことができる。
【００１６】
本教示の種々の実施の形態では、以下で説明する超音波ボンディング工程および技術が、インク・ジェット・プリントヘッド層の多重スタックを接合するために具体的に適合される。本教示の種々の実施の形態では、２つ以上のプリントヘッド層が、超音波ボンディング工程を用いて、互いに物理的に取り付けることができる。本教示の一実施形態を用いると、例えば２つの層をいっしょに物理的に接続するための接着剤層の必要性を排除することによって、使用する材料数を低減することができる。別の実施の形態では、超音波接合層または硬化した接着剤層は、２つの層の間に介在することができ、同２つの層は、あらかじめ不適合でありかつ従来の接着剤を用いては物理的に確実に接続されないはずの材料である。これは、ＤｕＰｏｎｔ（登録商標）Ｔｅｆｌｏｎ（登録商標）およびポリエチレン、ポリマーから金属まで、ならびに低表面エネルギを有する材料などの従来の接着剤接合に向いていない他の材料、などの材料を含むことができる。
【００１７】
図１は、本教示の一実施形態を示す断面図である。本実施の形態では、少なくとも第１層１０および第２層１２を含む噴出口スタックは、超音波ボンディング用備品またはチャック１４内へ配置することができる。第１層１０および第２層１２は、超音波ボンディングを介して互いに物理的に取り付けられた２つの別個の層である。ボンディング用備品１４は、超音波ボンディング工程中に第２層１２に対して第１層１０を位置決めしてアラインメントすることができる。例えば、備品１４は、第１層１０を受けるリセスを定める壁１６を含むことができ、第１層および第２層を互いにアラインメントするように第２層１２を受けることができる。壁１６によって形成されたリセスのサイズは、壁と層１２の間にギャップを含み、ギャップが結果的に層１０に対する層１２の不正確なアラインメントをもたらさない限り、超音波ボンディング工程中に層１２の移動を可能にすることができる。別の実施の形態では、壁１６は、層１０の上面を超えて延びることがない。例えば、壁１６に加えて（または代わりに）、備品１４は、第１層１０に真空を加えるのに用いることができる１つ以上のチャンネル１８を含むことができる。第１層１０は、備品１４上へアラインメントされて位置決めされ、チャンネル１８を通る真空が、超音波ボンディング中に第１層１０を正常な位置に保持することができる。超音波ボンディング用備品１４は、ベース板２０上に位置することができる。
【００１８】
いったん第１層１０および第２層１２がアラインメントされ、互いに接触して配置されると、超音波ヘッド（ホーン）２２を用いて、第２層１２に対して圧力２４を加えて、物理的接続のターゲットである２つの層間の界面２６において第１層１０に対して第２層１２を保持する。超音波ホーン２２を貫く１つ以上のチャンネル２８を通る真空を用いて、第２層１２を正常な位置に保持することができる。
【００１９】
引き続いて、第１層１０と第２層１２の間の界面２６において超音波ホーン２２によって加えられた超音波周波数は、結果的に界面２６において層１０、１２の温度増加をもたらす。界面２６において発生した熱は、最初は界面の摩擦から生じることができ、第１層１０か、第２層１２か、またはこれらの両方かが融解するにつれて粘弾性加熱になることが可能である。界面２６において到達する温度は、例えば界面２６において加えられた圧力２４ならびに接合中に加えられた周波数および振幅によって制御することができる。
【００２０】
一実施形態では、層１０、１２は、ポリイミドまたは熱可塑性物質などのポリマー、ステンレス鋼またはアルミニウムなどの金属、熱硬化性接着剤、シリコン層などを含む。層１０、１２は、同一または異なる材料とすることができる。一実施形態では、層１０、１２のうちの一方はポリマーであり、層１０、１２のうちの他方は異なる材料であり、ポリマーはこの異なる材料よりも低融点を有する。本実施の形態では、ポリマーは、超音波ボンディングを介して発生した熱の結果として融解することができ、超音波工程を終了させた後、ポリマーは冷却して結果的に２つの層１０、１２をいっしょに物理的に取り付ける（接合する）。
【００２１】
超音波ホーン２２によって加えられた圧力２４は、結果的に第１層１０と第２層１２の間の界面２６へ伝達された圧力２４となることができる。目標圧力は、層１０、１２に用いられる具体的な材料とともに変化することになる。材料の融点がより高くなるにつれて、超音波ボンディング工程における、圧力、超音波ボンディング工程継続期間、または周波数の振幅（またはこれらの任意の組み合わせ）は、増加して結果的に界面２６においてより高い摩擦熱をもたらすことができる。
【００２２】
一実施形態では、層１０、１２のうちの一方はステンレス鋼層とすることができ、層１０、１２のうちの他方はポリマーなどの合成材料である。一実施形態では、ステンレス鋼の表面は、ポリマーとの接合を高めるように処理することができる。例えば、滑らかなステンレス鋼の表面は、化学的または機械的エッチングを用いてすり減らされまたは粗くされ、表面積および表面粗さを増大させて、ポリマー層との接合を改善する、および／またはより滑らかな表面を有する層を使用する別のやり方の等価な超音波工程中に、結果的により高い摩擦熱をもたらすことができる。
【００２３】
図２は、下に横たわる直下層１０と上を覆う直上層１２との間に介在しかつ接触させる熱流動性接着剤層３０を含む別の実施形態を示す。本実施形態では、熱流動性接着剤層３０は、直下層１０または直上層１２よりも低融点を有する層とすることができる。直上層１２に対する直下層１０の積層を形成中に、界面の摩擦を介して発生した熱および／または粘弾性加熱は、少なくとも流動性接着剤層３０を融解する。加熱すると、直下層１０および直上層１２のうちの一方もしくは両方を融解することもでき、またはいずれも融解しないこともできる。超音波ボンディング工程を終了させた後、接着剤層３０は冷却して（硬化して）直下層１０を直上層１２に物理的に接着する。一実施形態では、熱流動性層３０は、チタン、クロム、またはアルミニウムなどの金属とすることができ、物理気相成長（物理蒸着、ＰＶＤ）または化学気相成長（ＣＶＤ）を用いて堆積することができる。熱流動性接着剤層３０は、例えばＤｕＰｏｎｔ（登録商標）ＥＬＪなどの熱可塑性ポリイミドとすることもできる。一実施形態では、熱流動性層３０は、熱可塑性層内の炭素および酸素グループと接合して、Ｔｉ−Ｏ−Ｃ接合を形成することができる。熱流動性接着剤層３０は、例えばポリイミドを別のポリイミドに接合するのに用いることができ、または上述した超音波積層工程を用いてポリイミド層を金属層に接合するのに用いることができる。一実施形態では、層１０、１２は、両方とも金属などの高融点を有する材料とすることができ、一方、熱流動性接着剤層３０は、ポリマー、例えば熱可塑性物質などの低融点を有する材料とすることができる。
【００２４】
別の実施形態では、層３０は、層１０と層１２の間に介在する未硬化の熱硬化層である。上述したように超音波ボンディングは、層３０を加熱して硬化させるのに用いられて、層１０および層１２が硬化層３０によって物理的に接合されるようにする。本実施形態では、層３０は、例えば熱硬化性ポリマーとすることができる。
【００２５】
図２の実施形態では、層１０または層１２は、いずれも熱流動層または熱硬化層である必要はなく、それゆえにこれらの実施形態は、層１０および層１２用に選択されたより幅広い多様な材料を可能にすることができる。
【００２６】
層１０と層１２の超音波ボンディング中に発生する目標温度は、層１０を層１２に物理的に取り付けるために必要となる融解温度または硬化温度に依存する。
【００２７】
超音波ボンディングを容易にするために、任意のまたはすべての層１０、１２、３０に用いられるポリイミドフィルム、例えば宇部興産から入手可能なＵｐｉｌｅｘ（登録商標）またはＤｕＰｏｎｔ（登録商標）Ｋａｐｔｏｎ（登録商標）、などの層の表面は、その表面を熱可塑性物質に変換する種々の技術を用いて処理することができ、次いで超音波ボンディング中に融解し、ポリイミドフィルムを別の層と接着するのに用いることができる。例えば、ポリイミドフィルムは、水溶性の塩基溶液、例えば水酸化カリウム（ＫＯＨ）で処理されまたはプラズマ処理にさらされ、不活性のポリイミドフィルムをポリアミド酸に変換して、結果的に熱可塑性面をもたらすことができる。熱可塑性物質へ変換されているポリイミド表面は、元のポリイミド表面よりも低融点を有することができ、それゆえにこの変換された表面は、未処理のポリイミド表面よりも低温において超音波ボンディングにより良好に適合される。
【００２８】
本教示の種々の別の実施形態もまた考えられる。例えば、マイクロ流体チャンネル（インクポート）を形成するプリントヘッド層には精蜜アラインメントを必要とするものもあり、最初は達成するのが困難であるが、アラインメントされた層がスタックプレス内へ配置されながら維持するのがさらに困難となることがある。接合される部品の上端にスタックプレス用柔軟性パッドおよび剥離ライナを追加中に、アラインメントされた層に加わる横方向の力が、接合される層の位置合わせ内にシフトを引き起こすことがある。パッドおよび剥離ライナがいったん配置されると、接合される層は今では隠蔽され、パッドおよび剥離ライナを配置することによって引き起こされるミスアラインメントは、検出するのが困難となる。さらに加えて接合された部品上にプレス板が降りるときの非一様な圧力は、たとえ部品がジンバルに入れられるとしても、アラインメント内にシフトを引き起こすことがある。これらの要因に起因する部品のミスアラインメントは、部品がアラインメントされ、その後で上述した超音波ボンディング工程を用いていっしょに一時的に取り付けられる場合、低減または排除されて、十分に硬化させるためにアセンブリをスタックプレスまたはオーブン内へ配置する前に弱い一時的な物理的取り付けを提供することができる。本実施形態では、弱い超音波接合は流体密封シールを提供しないが、しかし従来の接着剤がスタックプレスまたはオーブン内で硬化している間、層を正常な位置に保持する。超音波積層を用いて第１層１０と第２層１２をいっしょに取り付ける前に、従来の接着剤はこれら２つの層間に正確に配置することができる。取り付けた後で、直下層１０および直上層１２は、スタックプレスまたはオーブン（ひとまとめにして、「硬化用備品」）内に配置され、従来の接着剤を硬化させて、従来の接着剤によって種々の層間に提供された流体密封シールを提供する。
【００２９】
図３は、プリンタサブアセンブリ、さらに詳しくはインク・ジェット・プリントヘッド４０の一部を描写し、本教示の１つ以上の実施形態を用い、超音波接合層を用いて２つ以上の層をいっしょに超音波で接合するように、形成することができる。プリントヘッド設計が、図３に描写された例から変化することができることを理解されたい。図３は、大体において、開口板４６の内部の開口部（ノズル）４４へ流れるインクの通路用の単一のインクポート４２を示す。開口板接着剤４８は、開口板４６を注入口／放出口板またはマニホールド（多岐管）５０に接続する。小石スクリーン（フィルタ）５４を含む小石スクリーン層５２は、マニホールド５０とセパレータ５６の間に介在する。図３は、複数の層を含むことができる垂直注入口５８、本体板６０、ダイアフラム取付接着剤６４で本体板６０に取り付けられたダイアフラム６２、圧電アクチュエータ６６、絶縁層６８、ならびに接着剤層７２で絶縁層６８および圧電アクチュエータ６６に取り付けられた回路層７０をさらに示す。プリントヘッド構造体は、開口板４６の内側に数百または数千のインクポート４２およびノズル４４を有することができる。２つ以上のプリントヘッド層が、本教示の一実施形態を用いて互いに物理的に取り付けることができることを理解されたい。例えば、２つの層は、例えば図１の実施形態に従う工程を用いて、別個の接着剤を使用せずに物理的に接続することができる。別の実施形態では、別個の接着剤層が、例えば図２を参照して説明されたように、超音波ボンディング工程の一実施形態によって形成することができる。他の変形形態がもくろまれる。
【００３０】
プリントヘッドの製造が完了すると、本教示に従う１つ以上のプリントヘッドは、プリンタ内に設置することができる。図４は、１つ以上のプリントヘッド１０２および本教示の一実施形態に従う１つ以上のノズル４４から吐出されるインク１０４を含むプリンタ１００を示す。各プリントヘッド１０２は、デジタル命令に従って動作して、紙シート、プラスチックなどの印刷媒体１０６上に所望の画像を生み出すように構成される。各プリントヘッド１０２は、スキャン動作時に印刷媒体１０６に対して端から端へ移動して、印刷画像を帯状ずつ発生させることができる。代わりに、プリントヘッド１０２が固定して保持され、印刷媒体１０６がプリントヘッド１０２に対して移動して、単一の通過でプリントヘッド１０２と同じ幅の画像を生み出すことができる。プリントヘッド１０２の幅は、印刷媒体１０６よりも狭いまたは同じとすることができる。プリントヘッド１０２を含むプリンタハードウェアは、プリンタ筺体１０８内に囲むことができる。別の実施形態では、プリントヘッド１０２は、回転ドラムまたはベルト（簡単にするために描写されない）などの介在する表面に、続いて印刷媒体へ転写するために、印刷することができる。
【００３１】
このように本教示の種々の実施形態は、いくつかの熱硬化工程と比較して処理時間が低減された超音波ボンディング工程を用いて、インク・ジェット・プリントヘッド用の流体密封シールを提供することができる。２時間以上を必要とすることがある硬化用備品内の接着剤硬化とは対照的に、超音波ボンディングは、１分未満、例えば約３０秒を必要とすることが可能である。さらに加えて、超音波エネルギ（接合熱）は、プリントヘッドの構造体全体を加熱するよりもむしろ、いっしょに接続される２つの層間の界面において局所的に限定することができ、それゆえに本教示の工程は、接合される層の上方または下方に位置するシリコンベースの構造体などの他の構造体に与えるダメージをより少なくすることができる。さらに、いくつかの実施形態は、接着剤を施す必要がなく、それゆえに必要となる材料数、および接着剤が望まれない場所へ流れ込むことによって引き起こされる問題を低減することができる。さらに加えて、本明細書で説明される超音波ボンディング技術は、より幅広い多様な材料、例えば従来の接着剤を用いては確実に取り付けることができない材料を接続するのに用いることができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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