專利名稱：噴墨打印頭制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供一種通過一種超聲波焊接過程制造的壓電陶瓷噴墨打印頭。更具體地說，本發(fā)明提供幾種噴墨打印頭的改進(jìn)特征，包括一種使用超聲波焊接技術(shù)的較成本有效的焊接過程、一種改進(jìn)的壓電陶瓷晶體圖案及改進(jìn)的打印頭壓電電氣觸點。而且，本發(fā)明提供一種用超聲波能量接合金屬物體的超聲波焊接過程。
背景技術(shù)：
接合金屬板一般通過熔焊或釬焊過程進(jìn)行。然而，這種過程改變物體的表面特征，或者提供能漏出和影響形成物體的過多粘接材料。因此，在先有技術(shù)中需要提供一種用來以高精度方式接合金屬，特別是金屬板，而不泄漏粘合材料或改變表面特性的更好過程。在先有技術(shù)中需要改進(jìn)這種焊接過程，特別是在噴墨打印頭的裝配中。進(jìn)行如下本發(fā)明以滿足這些需要。
噴墨打印是一種非接觸點陣打印技術(shù)，其中墨滴從一個小孔徑直接向介質(zhì)上的一個規(guī)定位置噴射以生成圖象。借助于其把液流打散成液滴的機(jī)理導(dǎo)致Mingograph的提出，用于模擬電壓信號的最初商業(yè)噴墨圖表記錄器之一。在二十世紀(jì)六十年代早期，Stanford的Sweet證明，通過把一個壓力波施加到一個噴嘴，能把墨流打散成均勻尺寸和間隔的液滴。當(dāng)控制液滴打斷機(jī)構(gòu)時，能選擇性地和可靠地把電荷加到液滴上，因為他們由連續(xù)墨流形成。充電的液滴當(dāng)通過一個電場時，偏轉(zhuǎn)到一個用于再循環(huán)的溝槽，而那些未充電的液滴能直接飛到介質(zhì)上以形成一個圖象。該過程稱作連續(xù)噴墨。直到二十世紀(jì)七十年代，提出了IBM 4640噴墨打印機(jī)作為一種文字處理打印機(jī)。
噴墨系統(tǒng)，并且特別是液滴按需噴墨系統(tǒng)，在先有技術(shù)中是熟知的。在沖擊噴墨背后的原理是墨在墨室中的位移和從墨室通過噴嘴的墨滴的以后噴射。一種驅(qū)動器機(jī)構(gòu)用來移動墨室中的黑。驅(qū)動器機(jī)構(gòu)典型地包括一個常常稱作換能器的致動器，如一種粘接到一個薄隔膜上的壓電材料。當(dāng)把一個電壓施加到致動器上時，它試圖改變其平面尺寸，但因為它牢固和剛性地固定到隔膜上，所以彎曲發(fā)生。這種彎曲移動在墨室中的墨，引起墨經(jīng)一個進(jìn)口從墨源向墨室和經(jīng)一個出口和通路向一個噴嘴流動。一般地，希望采用一種允許多個噴嘴定位在一個密集集合陣列中的幾何形狀。然而，墨室的排列和墨室對有關(guān)噴嘴的聯(lián)接不是一項簡單的任務(wù)，特別是在追求緊湊的噴墨打印頭時。有效排出墨滴要求致動器的較大尺寸是限制噴墨陣列打印頭的集合密度的一個主要問題。
用來增大噴墨陣列集合密度的其他設(shè)備和方法采用電致伸縮材料作為致動器。具體地說，美國專利5,087,930描述了一種帶有一個緊密間隔噴嘴陣列的緊湊噴墨打印頭，這些噴嘴從密集集合墨壓力室經(jīng)由偏移室供給。引導(dǎo)到壓力室和偏移室的墨供給進(jìn)口設(shè)計成向陣列的噴墨噴嘴提供均勻的操作特性。為了提高壓力室的集合密度，引導(dǎo)到壓力室和偏移室的墨供給通道定位在壓力室與噴嘴之間的平面中。噴墨打印頭由多塊板組裝，特征在于除一塊噴嘴限定板之外都通過光摹制和蝕刻過程形成而不需要機(jī)加工或其他金屬加工。
壓力室由采用諸如鋯鈦酸鉛(“PZT”)之類的壓電陶瓷的噴墨致動器驅(qū)動。要求來自PZT致動器的預(yù)定機(jī)械位移量，以從壓力室移動墨并且從噴嘴出去。位移是幾個因素的函數(shù)，包括PZT致動器尺寸、形狀、和機(jī)械活性值；隔膜尺寸、材料、和厚度；及在致動器與隔膜之間的結(jié)合邊界條件。
把PZT永久地極化以實現(xiàn)機(jī)械活性，這種活性取決于極化值以及材料性質(zhì)。為了極化PZT，施加一個電場，從而在PZT中的磁疇定向成與電場對齊。作為電場強度的函數(shù)的極化量是非線性的，并且具有一個飽和值。當(dāng)除去極化電場時，PZT磁疇保持對齊，導(dǎo)致稱作剩余極化的凈極化。PZT磁疇的對齊引起材料的尺寸變化。一個電場的以后施加引起關(guān)于施加電場強度線性的尺寸變化。
不幸的是，PZT具有隨時間能減小其機(jī)械活性的多種性質(zhì)。例如，在與初始剩余極化相反的方向上施加一個電場能引起極化量的減小。同樣，在與極化相反的方向上施加電場的循環(huán)變化能積累和連續(xù)地降低極化。PZT具有一種性質(zhì)，稱作居里點，一個在其下在材料中的剩余極化成為零的溫度。因為PZT材料不完全均勻，所以有一個在其上丟失一些但不是所有極化的溫度范圍。極化損失不是瞬時的，由此定義一個不應(yīng)該超過的時間-溫度值。
PZT致動器具有各種形狀，包括盤和矩形塊。極化保證PZT材料是各向異性的，從而對于每種形狀定義幾個“d”系數(shù)，其中每個“d”系數(shù)使一種具體尺寸變化與極化的一個具體方向和施加場相關(guān)。對于一種典型的盤形致動器，一個普遍采用的“d”系數(shù)是“d.sub.-”系數(shù)，這是當(dāng)在極化方向上施加電場時垂直于極化方向的應(yīng)變的度量。應(yīng)變顯然作為致動器中的徑向收縮，因為d.sub.31是負(fù)的。一個高的d.sub.31值指示高的機(jī)械活性，并且是希望的以便制成具有高集合密度的有效噴墨陣列。d.sub.31值的穩(wěn)定性必須在一個延伸時間段上保持恒定的噴墨性能。
在打印頭制造期間保持PZT致動器極化由于如下原因是困難的。如果在盤極化之前把盤粘接到一個隔膜上，則當(dāng)盤極化時，引入顯著的永久應(yīng)變。永久應(yīng)變可能大得雖以使盤斷裂，損壞致動器結(jié)構(gòu)。因此，必須在粘接之前極化盤，這因為上述的居里點問題，嚴(yán)重限制在粘接期間允許的時間和溫度，由此限制對于諸如有機(jī)粘合劑之類的材料的粘接。這樣的粘合劑在升高溫度下隨時間變壞。相變噴墨打印要求升高溫度以對于來自打印頭的噴射熔化固態(tài)墨。相變噴墨性能因此能隨時間變化，因為粘合劑變壞。必須也限制電場強度以在一個延長時間段上保持PZT材料“d”系數(shù)。不幸的是，限制電場強度限制可從致動器得到的機(jī)械活性。因此，在先有技術(shù)中需要降低噴墨打印頭組件的成本和當(dāng)用粘合劑組裝時提供較大的耐久性。
在一種壓電陶瓷噴墨方法中，壓電陶瓷材料的變形引起在壓力室中的墨體積變化，以產(chǎn)生向噴嘴傳播的壓力波。這種聲學(xué)壓力波克服在小噴嘴中的粘滯壓力損失和來自墨月形面的表面張力，從而墨滴能開始在噴嘴處形成。當(dāng)形成墨滴時，壓力必須足以向記錄介質(zhì)排出液滴。一般地，壓電驅(qū)動器的變形是在次微米的量級上。為了對于液滴形成具有大得足夠的墨體積，壓電驅(qū)動器的物理尺寸常常比墨孔口大。因而，在先有技術(shù)中一直需要小型化壓電陶瓷噴墨打印頭。
Tektronix 352噴嘴和Sharp 48噴嘴打印頭用全部的不銹鋼噴射疊層制成。這些噴射疊層由以非常高溫度粘接或銅焊在一起的多塊光化學(xué)加工不銹鋼板組成。具體地說，Tektronix疊層在非常高的溫度下用金粘接，而Sharp疊層在非常高的溫度下用金屬間鎳接合粘接。金屬間接合為了設(shè)計性能一致性和氣密密封要求均勻的厚度，以防止墨向外部或在兩個相鄰墨通道之間泄漏。焊料(熱和通量的問題)和環(huán)氧樹脂也能用來構(gòu)造打印頭。鑒于增大噴嘴數(shù)量、減小其物理尺寸、及噴射多種不同流體的趨勢，在先有技術(shù)中需要改進(jìn)在打印頭的金屬疊層之間的粘接完整性，以便鑒于多種墨成分改進(jìn)穩(wěn)定性。使本發(fā)明部分滿足這種需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種用于超聲波焊接金屬表面區(qū)域的過程，該過程包括步驟(a)化學(xué)蝕刻要粘接的金屬表面區(qū)域的粘接表面；(b)把一個均勻粘接材料涂層涂敷到要粘接的金屬表面區(qū)域上，其中粘接材料包括一種金屬成分，該成分包括錫(Sn)或錫合金和可選擇地從由鎳(Ni)、金(Au)、銀(Ag)、鈀(Pd)、鉑(Pt)、銦(In)、鋅(Zn)、鉍(Bi)及其組合組成的組選擇的另一種金屬；(c)把金屬表面組裝成適當(dāng)?shù)模?d)把組裝金屬疊層加熱到在粘接材料熔化溫度下面從約2℃至約40℃的溫度；及(e)在從約200psi至約600psi的粘接壓力范圍下在從約15kHz至約40kHz的超聲波振動頻率下在至少一秒的持續(xù)時間期間施加一個超聲波力，由此超聲波力將破壞形成在粘合材料界面處的氧化物，并且增大溫度以液化粘接材料。
最好，粘接材料只有錫或是一種具有至少70％(重量)濃度的錫和作為其他成分的Ni的成分。最好，超聲波力的頻率是20kHz，而施加在表面區(qū)域上的粘接壓力(每平方英寸)是從約400psi至約450psi。更希望，在表面區(qū)域上的施加粘接壓力近似為422psi。
本發(fā)明提供這樣一種噴墨打印頭，該打印頭帶有具有開口的多塊內(nèi)金屬板和兩塊接合在一起的外板，其中一塊第一外板固定到一種壓電陶瓷材料上，而一塊第二外板是一個孔徑板，其中墨通道和凹腔形成在多塊內(nèi)板內(nèi)，其中諸塊板由一個超聲波焊接過程焊接在一起。最好，超聲波焊接噴墨打印頭的過程包括步驟(a)用粘接材料電鍍一塊蝕刻板以涂覆該板，其中粘接材料具有從約0.76微米至約7.6微米的厚度，其中粘接材料包括一種金屬成分，該成分包括錫(Sn)或錫合金和可選擇地從由鎳(Ni)、金(Au)、銀(Ag)、鈀(Pd)、鉑(Pt)、銦(In)、鋅(Zn)、鉍(Bi)及其組合組成的組選擇的另一種金屬；(b)組裝諸塊板以便形成一種噴墨打印頭夾具；(c)把組裝金屬疊層加熱到在粘接材料熔化溫度下面從約2℃至約40℃的溫度；及(d)在從約200psi至約600psi的粘接壓力范圍下在從約15kHz至約40kHz的超聲波振動頻率下在至少一秒的持續(xù)時間期間施加一個超聲波力，由此超聲波力將破壞形成在粘合材料界面處的氧化物，并且增大溫度以液化粘接材料。
最好，板具有從約1.9微米至約3.2微米的粘接材料涂層厚度。最好，粘接材料只有錫或是一種具有至少70％(重量)濃度的錫和作為其他成分的Ni的成分。最好，超聲波力的頻率是20kHz，而施加在表面區(qū)域上的粘接壓力(每平方英寸)是從約400psi至約450psi。更希望，在表面區(qū)域上的施加粘接壓力近似為422psi。
本發(fā)明進(jìn)一步提供具有多種切出壓電陶瓷的壓電陶瓷圖案，每種壓電陶瓷借助于一種可膨脹壓電陶瓷圖案定位，其中切出壓電陶瓷處于沒有成角拐角的形狀，其中壓電陶瓷圖案由一個包括如下步驟的過程制成(a)借助于編程成在具有一個開始點和一個超越開始點延伸的停止點的一轉(zhuǎn)中跟蹤一種沒有成角拐角的形狀的激光器，切割一塊平壓電陶瓷板，其中切割過程需要多轉(zhuǎn)；(b)使多轉(zhuǎn)的每轉(zhuǎn)的開始點隨機(jī)化以形成沒有成角拐角的切出形狀；及(c)對于在壓電陶瓷圖案內(nèi)沒有成角拐角的每個形狀重復(fù)切割和隨機(jī)化步驟。
最好，壓電陶瓷材料是一種鋯鈦酸鉛。最好，壓電陶瓷材料是一塊具有從約50微米至約200微米，從約75微米至約125微米更好，的厚度的板。最好，激光器是一個具有約266nm波長的Nd:YAG激光器。最好，壓電陶瓷進(jìn)一步包括一根具有在壓電陶瓷的切割圖案上直接對齊的終端凸緣的可彎曲電纜。更希望，可彎曲電纜包括嵌在聚酰亞胺中的銅導(dǎo)線。


圖1表示本發(fā)明的壓電陶瓷打印頭構(gòu)造過程的流程圖。該過程從借助于光致抗蝕劑掩模生成的多塊金屬板開始。第一步驟是板的蝕刻而最后是板的打印頭疊層的構(gòu)造。另外，需要把一種對其最終連接一根電纜以控制打印過程的壓電陶瓷材料固定到板疊層上。
圖2表示本發(fā)明的壓電打印頭器件的示意圖。具體地說，頂部圖片表示具有對于每個控制和墨出口切出的多種壓電陶瓷材料的多通道打印頭的頂視圖。底部圖片表示一種打印頭疊層的剖視圖，其中有切出的每種壓電陶瓷與一個壓力室對齊，該壓力室在一側(cè)與一個墨出口且進(jìn)一步與一個墨歧管連通，而在另一側(cè)與一個最終與形成噴嘴的孔連通的墨出口連通。墨歧管、墨進(jìn)口及墨出口的每一個通過板開口的對齊形成。
圖3表示一種超聲波焊接器件的示意圖。一種商用超聲波器件包括一個連接到一個升壓器上的轉(zhuǎn)換器，該升壓器連接到一個超聲波焊臂上。這樣一種器件借助于覆蓋超聲波焊臂的聚酰亞胺薄膜的添加、和一個銅墊片進(jìn)一步改進(jìn)(如圖3中所示)。打印頭疊層進(jìn)一步放置到一個在一個加熱固定和熱電偶頂部上包括一個鈹銅墊片的基座上，并且最終借助于一個緩沖振動的彈簧裝置懸掛。超聲波器件和基座元件都獨立地控制。
圖4表示根據(jù)本發(fā)明方法把錫用作粘接材料粘接的不銹鋼板的SEM(掃描電子顯微鏡)照片。右邊較暗的部分是在打印頭疊層內(nèi)的一條通道。表示兩根細(xì)粘接線，這表示厚度較均勻沒有粘接材料泄漏到空腔(這能阻礙墨流動)中。
圖5表示用于激光切割在頂部圖片中具有橢圓形狀的壓電陶瓷圖案的示意圖。底部圖片表示在打印頭疊層頂部上的壓電陶瓷的剖視圖，并且進(jìn)一步表示通過本發(fā)明的激光切割方法在壓電陶瓷中的切口的均勻性。
圖6表示對于相應(yīng)壓電陶瓷接觸點的一個可彎曲電纜觸點的粘接。頂部圖片表示一種形成打印頭的頂部的側(cè)視圖，表示(從底部至頂部)打印頭疊層、壓電陶瓷觸點、一種有導(dǎo)電顆粒包含在其內(nèi)的Z軸粘合劑、及帶有銅接觸“凸緣”的可彎曲電纜。底部圖片是類似的視圖，只是已經(jīng)有熱和壓力施加到可彎曲電纜的頂部，以把銅“凸緣”運動成與具有導(dǎo)電顆粒的壓電陶瓷觸點直接接觸，在Z軸進(jìn)行電接觸。
圖7表示與圖6類似的視圖，不同之處在于它是掃描電子顯微鏡(SEM)圖象，表示在可彎曲電纜中接觸打印疊層中的頂部板頂部上的壓電陶瓷觸點的銅凸緣的直接接觸(并且表示下面的壓力室)。
具體實施例方式
超聲波焊接金屬表面的過程包括步驟(a)化學(xué)蝕刻以且要粘接的金屬表面；(b)把一個均勻粘接材料涂層涂敷到要粘接的金屬表面區(qū)域上，其中粘接材料包括一種金屬成分，該成分包括錫(Sn)或錫合金和可選擇地從由鎳(Ni)、金(Au)、銀(Ag)、鈀(Pd)、鉑(Pt)、銦(In)、鋅(Zn)、鉍(Bi)及其組合組成的組選擇的另一種金屬；(c)把金屬表面組裝成適當(dāng)?shù)模?d)把組裝金屬疊層加熱到在粘接材料熔化溫度下面從約2℃至約40℃的溫度；及(e)在從約200psi至約600psi的粘接壓力范圍下在從約15kHz至約40kHz的超聲波振動頻率下在至少一秒的持續(xù)時間期間施加一個超聲波力，以密封所有直接板對板觸點，由此超聲波力將破壞形成在粘合材料界面處的氧化物，并且增大溫度以液化粘接材料。
最好，粘接材料只有錫或是一種具有至少70％(重量)濃度的錫和作為其他粘接材料表面的Ni的錫合金成分。最好，超聲波力的頻率是20kHz，而施加在表面區(qū)域上的粘接壓力(每平方英寸)是從約400psi至約450psi。更希望，在表面區(qū)域上的施加粘接壓力近似為422psi。
該過程通過得到金屬板開始。金屬板或具有金屬表面的元件最好由一種不銹金屬或其合金制成。不銹金屬(合金)的例子包括不銹鋼、鋁、鈹銅、鈦、及以上的合金(例如黃銅)。關(guān)于在圖1的頂部上描述的過程，第一步是化學(xué)蝕刻表面(10)。通常稱作化學(xué)浸蝕加工、光蝕刻、或化學(xué)蝕刻的光化學(xué)蝕刻過程，是一種使用化學(xué)制品而不是使用諸如沖模之類的“硬切割加工”消去片或帶狀金屬部分的方法。在蝕刻過程中，一個完全去油污的金屬片在兩側(cè)都用光致抗蝕劑覆蓋。把希望圖案用照相法施加到片的兩側(cè)上。然后使片通過一個蝕刻機(jī)，其中未保護(hù)的、不想要的部分由一種蝕刻劑(如氯化鐵)除去，留下制成部分。寬范圍的材料能化學(xué)蝕刻，包括不銹鋼、多種其他鋼、銅、銅、鋁、鎳、及其合金。
第二步使一種粘接材料涂覆到蝕刻表面上。粘接材料由一種軟焊材料或硬焊材料制成。軟焊材料是一種具有至少70％錫(重量)和30％或更少(重量)從由Bi、Pb、Cu、In、Zn、Ag、Sb、及其組合組成的組選擇的一種金屬的金屬成分。硬焊材料是一種具有從由Ni、Pd、Au、Ag、Pt及其組合組成的組選擇的一種金屬的金屬成分。帶有一種軟焊材料的金屬表面能“粘接”到一個帶有一種軟焊材料或一種硬焊材料的金屬表面上。然而，帶有硬焊材料的金屬表面不能粘接到也帶有一種硬焊材料的金屬表面上。例如，在打印頭疊層的情況下，最好使在疊層中帶有軟焊材料的板與帶有硬焊材料的板交替。況且，要涂覆的一個具體板或物體能例如在一側(cè)帶有一種軟焊材料而在另一側(cè)帶有一種硬焊材料。把粘接材料涂覆到金屬表面或板上由標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)實現(xiàn)，如電鍍、濺射、離子鍍、物理蒸汽沉積、浸漬(液態(tài)粘接材料)、或包層。最好，對于金屬板采用的過程是電鍍或濺射或兩者。
第三步組裝諸板或物體(12)，并且把他們放置在一個超聲波焊接夾具上，如圖3中所示的一種。在對于噴墨打印頭的情況下，對齊是重要的以生成內(nèi)部墨通道和空腔。
施加一個超聲波力(13)，以便氣密地密封所有板對板或金屬表面觸點以密封和形成墨通道和觸點。該過程的優(yōu)點在于，粘接材料不會滲出到通道和空腔中。超聲波力由一個帶有一個致動器、轉(zhuǎn)換器、升壓器及超聲波焊臂的超聲波焊接設(shè)備(圖3)施加。最好，焊接設(shè)備是來自BransonUltrasonic Corp.，Danbury，CT的9001 W Series焊機(jī)。這樣的器件通常用來焊接熱塑性零件。致動器包括一個基座、柱及剛性機(jī)架，該機(jī)架裝有一個轉(zhuǎn)換器、升壓器及焊臂組件。致動器經(jīng)常包含一個氣動攜帶機(jī)構(gòu)，以降低和升高把壓力施加到工件(疊層)上的轉(zhuǎn)換器/升壓器/焊臂組件。來自一個電源的20kHz電信號經(jīng)常施加到轉(zhuǎn)換器或換能器元件上。這把高頻電振蕩轉(zhuǎn)換成在與電氣振動相同的頻率下的機(jī)械振動。轉(zhuǎn)換器的核心是一個鋯鈦酸鉛限制性元件。當(dāng)經(jīng)受交變電壓時，元件膨脹和收縮，導(dǎo)致好于90％的能量轉(zhuǎn)換。升壓器是一個鋁或鈦的諧振半波部分。它安裝在轉(zhuǎn)換器與焊臂之間，并且為較大剛性的疊層安裝提供一個夾持點。升壓器設(shè)計成在與其一起使用他們的轉(zhuǎn)換器相同的頻率下諧振。升壓器通常安裝在軸向運動的節(jié)(最小振動)點處。這種安裝使能量損失最小，并且防止聲發(fā)射到支撐柱中。
振幅是焊臂形狀的函數(shù)，這大部分由要組裝的零件的尺寸和形式確定。升壓器可以用來改進(jìn)經(jīng)焊臂施加到零件上的振動振幅。焊臂通常為一種專門用途選擇。每個焊臂是一個把必需的壓力施加到要組裝的零件上的半波部分。它也把超聲波振動從轉(zhuǎn)換器傳遞到工件。焊臂依據(jù)其輪廓是階梯的、錐形的、指數(shù)狀的或懸鏈線狀的。焊臂的形狀改變增益因數(shù)。焊臂可以由鈦合金、鋁或鋼制成，鈦是最佳的。鋁焊臂通常是鍍鉻或鎳或硬涂覆。
另外，圖3表示用于過程的某些焊機(jī)定制。具體地說，添加一個聚酰亞胺薄膜以保護(hù)焊臂。也添加頂部鈹銅墊片以保護(hù)焊臂免受振動，并且添加底部鋇墊片以保護(hù)下部平臺夾具。一個加熱夾具控制溫度，并且把要粘接的疊層加熱到剛好在粘接材料的熔化溫度以下。當(dāng)粘接一個復(fù)雜物體并且提供非常緊密的公差時，如噴墨打印頭，有緩沖振動的彈簧。
超聲波力取決于要粘接的面積。對于一平方英寸的表面面積，應(yīng)該使用從約200磅至約600磅，最好從約400磅至約450磅，的力。在面積與力之間有一種線性關(guān)系。超聲波振動振幅從約10微米至約200微米，最好從約20微米至約50微米。振動振幅是運動的距離(下和下)，最好在約20kHz的振動頻率下。超聲波力對粘接材料的作用是破壞氧化層，并且“濕潤”粘接材料以在已不施加力時增強粘接。粘接材料通過一個固化過程硬化。
另外，控制要粘接的金屬表面疊層的溫度。錫在約232℃下熔化，而錫成分的合金通常具有更低的熔化溫度。因而，最好有一個加熱夾具存在以幫助軟化粘接材料，如圖3中所示。最好，加熱元件在粘接材料的熔化溫度下從約2℃至約40℃的溫度下加熱要粘接的金屬元件疊層。最好，粘接溫度是在粘接材料的熔化溫度下從約5℃至約30℃。超聲波力施加從約1秒至約10秒。最好，超聲波力施加從約4秒至約7秒。
圖4表示在象不銹鋼板之間和一種僅有錫成分的軟焊材料與一種諸如這里例1中描述的Ni之類的硬焊材料之間的典型粘接。這表示在諸如不銹鋼板之類的金屬表面之間精確形成粘接的過程的優(yōu)點。
本發(fā)明提供一種帶有多塊板的噴墨打印頭，這些板帶有當(dāng)疊置時形成壓力室、墨進(jìn)口、墨歧管、墨出口及在底板中的一個墨出口的切出開口(見例如圖2)。疊層包含粘合到板疊層上的兩塊外板，其中一塊頂部外板固定到一個壓電晶體上(如這里描述的那樣)，而一塊底部外板是一塊帶有一個墨噴嘴(非常小直徑的孔)的孔徑板。板疊層在多塊內(nèi)板內(nèi)形成墨通道和空腔。板最好由不銹鋼或其合金制成，并且具有從約25μm至約250μm，最好從約50μm至約200μm，的厚度。最好，板通過超聲波焊接過程粘接在一起。
本發(fā)明提供一種特別適于工業(yè)用途的噴墨打印頭，如在折皺紙、金屬、陶瓷、塑料及玻璃上打印。超聲波粘接技術(shù)的使用提供一個顯著低制造成本的優(yōu)點。例如，通過使用環(huán)氧樹脂粘接或不銹鋼板的高溫銅焊制成的打印頭的每個噴嘴的估計成本近似從約1.50美元至約3.00美元生產(chǎn)。相反，當(dāng)使用超聲波粘接過程時，打印頭每個噴嘴的近似成本是從約0.50美元至約1.00美元生產(chǎn)。
要知道由于其高鉻含量最困難的是粘接不銹鋼。而不銹鋼(由于沒有銹蝕特性)是一種用于工業(yè)打印頭的最佳材料。不能使用助焊劑，因為助焊劑是強酸性的，并且設(shè)計成與氧化物起反應(yīng)，但也留下難以清除的腐蝕性殘余物。因此，已經(jīng)開發(fā)了各種環(huán)氧樹脂技術(shù)來粘接不銹鋼板。然而，這樣一種環(huán)氧樹脂方法混亂、不均勻(對于噴墨打印頭的精度必須均勻)、及在組裝的勞動力成本方面是昂貴的。例如，圖4表示在金屬板與一個相鄰?fù)ǖ绤^(qū)域之間的粘接線的掃描電子顯微鏡照片。應(yīng)該注意，沒有來自粘接材料的泄漏或混亂。
生成打印頭的一種方法使板涂有一種粘接材料，如象錫和錫合金之類的軟金屬。一種用來涂覆板的過程例如是通過電鍍。其他涂覆方法包括例如濺射、物理蒸汽蒸發(fā)、離子鍍、浸漬、包層或能用來提供粘接材料的一個薄涂層的其他技術(shù)。涂覆板組裝成一個帶有用于壓電陶瓷圖案的固定的和用于用來射出墨滴的孔徑的適當(dāng)外板的打印頭?？邕^板疊層施加一個超聲波力(頂部至底部)以密封諸板。超聲波力起破壞在粘接材料界面(定義為相鄰板會合的區(qū)域)處的氧化物的作用，并且增大在板內(nèi)的溫度以液化粘接材料。一旦除去超聲波力和降低溫度，粘接材料就硬化成在板之間的一個均勻?qū)樱⑶艺辰拥桨迳弦园寻逭辰釉谝黄?。因而，形成打印頭。
在本發(fā)明中的微觀流體器件(噴墨打印頭)能夠分配要求精確液滴體積和/或位移的流體。核心用途是在噴墨打印、化學(xué)(藥品、試劑等)分配、及分析系統(tǒng)方面。發(fā)明的超聲波粘接過程能應(yīng)用于諸如倒裝封裝和其他電子組裝過程之類的其他用途。
本發(fā)明進(jìn)一步提供一種具有多種切出壓電陶瓷晶體的壓電陶瓷圖案，每種壓電陶瓷晶體借助于一種可膨脹壓電陶瓷圖案定位，其中切出壓電陶瓷晶體處于沒有成角拐角的形狀，其中壓電陶瓷圖案由一個包括如下步驟的過程制成(a)借助于編程成在具有一個開始點和一個超越開始點延伸的停止點的一轉(zhuǎn)中跟蹤一種沒有成角拐角的形狀的激光器，切割一塊平壓電陶瓷板，其中切割過程需要多轉(zhuǎn)；(b)使多轉(zhuǎn)的每轉(zhuǎn)的開始點隨機(jī)化以形成沒有成角拐角的切出形狀；及(c)對于在壓電陶瓷圖案內(nèi)沒有成角拐角的每個形狀重復(fù)切割和隨機(jī)化步驟。
最好，壓電陶瓷材料是一種鋯鈦酸鉛。最好，壓電陶瓷材料是一塊具有從約50微米至約200微米，從約75微米至約125微米更好，的厚度的板。最好，激光器是一個具有約266nm波長的Nd:YAG激光器。
本發(fā)明提供一種用來使單位表面面積的壓電陶瓷晶體數(shù)量最大的裝置，其中每種晶體與單個噴墨通道相對應(yīng)。就是說，壓電陶瓷晶體的集合密度影響打印頭尺寸的減小。這與當(dāng)前用在商業(yè)新產(chǎn)品中的直線切出圖案設(shè)計不同。壓電陶瓷晶體在電激勵期間膨脹和收縮，并且不能干擾相鄰壓電陶瓷晶體；否則不正確的墨噴射將產(chǎn)生。況且，每個壓電陶瓷晶體直接定位在每個壓力腔(形成在不銹鋼板空洞內(nèi)的打印頭空腔內(nèi))的頂部上，以實現(xiàn)導(dǎo)致噴射墨滴的有效變形。這種定位問題進(jìn)一步通過形成壓電陶瓷圖案的壓電陶瓷板的激光切割本質(zhì)復(fù)雜化。激光器以均勻速度跨過切割圖案運動其光束，以便在陶瓷中實現(xiàn)均勻切割。依據(jù)陶瓷柵格的厚度，激光器在開始點和停止點處切割一個比它在運動時深的孔。把一塊100微米厚PZT壓電陶瓷板切成清晰圖案需要28遍(往返行程)(激光器設(shè)置在2kHz下，脈沖功率是200毫瓦，掃描速率為10毫米/秒)。最好激光器是、ESI型4420(Laser Micromaching Systems，ElectroScientificlndustries，Inc.，Portland，OR)。較新的激光器型號更強大例如ESl 5150)，并且能掃描高達(dá)500毫米/秒，導(dǎo)致較快的處理時間。因此，該過程沿橢圓軌道引起激光的開始和停止點的隨機(jī)化，以使開始孔點沿這樣一條軌道隨機(jī)化。通過“沒有成角拐角”，指示具有沒有任何角的彎曲，但可能有直線區(qū)域。具有直線切割圖案的壓電陶瓷晶體將具有一個成角拐角(在變形期間積累應(yīng)力)和一種限制的壓電陶瓷圖案集合密度。
典型PZT(鋯鈦酸鉛)材料對于壓電噴墨打印頭用途是有用的，如下面比較的那樣

注意(1)Motorola Ceramic Product Division(Albuquerque，NewMexico，U.S.A.)(2)Sinoceramics，Inc.(中國上海)(3)Sumitomo Metal Industries，LTD.(日本東京)(4)壓電陶瓷d常數(shù)是每單位面積產(chǎn)生電荷與施加的力的比值，并且以庫侖/牛頓表示(5)耦合系數(shù)定義為響應(yīng)電輸入積累的機(jī)械能量的量，反之亦然。
(6)材料的晶體結(jié)構(gòu)在居里溫度下從壓電(非對稱)向非壓電(對稱)形式變化。居里溫度以攝氏度表示。
(7)材料的密度表示為物體質(zhì)量與其體積的比值。
因此，壓電陶瓷柵格結(jié)構(gòu)由于橢圓結(jié)構(gòu)的較低應(yīng)力將導(dǎo)致改進(jìn)的對時間依賴性，并且由于柵格圖案導(dǎo)致較高密度。較高密度又導(dǎo)致較密打印頭和較低的制造成本。
壓電陶瓷圖案進(jìn)一步包括一個放置在壓電陶瓷晶體上的導(dǎo)電膜，其中導(dǎo)電膜通過在每個壓電陶瓷晶體的一個固定區(qū)域上的熱和壓力熟化，并且包括一種在其內(nèi)有導(dǎo)電顆粒的粘合劑。更希望，壓電陶瓷晶體進(jìn)一步包括一根具有在經(jīng)導(dǎo)電顆粒進(jìn)行電氣連接的壓電陶瓷晶體的切割圖案上直接對齊的終端凸緣的可彎曲電纜。更希望，可彎曲電纜包括嵌在聚酰亞胺中的銅導(dǎo)線。
當(dāng)前打印頭通過回流焊料或?qū)щ姯h(huán)氧樹脂把電流連接到壓電陶瓷晶體的表面上。這樣的技術(shù)是勞動密集的(用手焊接或涂敷環(huán)氧樹脂)，并且由密度限制，因為人力僅能經(jīng)眼手配合工作到一定尺寸。本發(fā)明生成一種定義的壓電陶瓷晶體圖案，如這里描述的那樣。在該圖案上并且代替焊料或?qū)щ姯h(huán)氧樹脂)放置的是Z軸導(dǎo)電膜(由3M、日立和其他制造)，如圖6中所示。導(dǎo)電膜由在固定面積上的熱和壓力熟化。一根可彎曲電纜(把電流傳送到每個壓電晶體并且導(dǎo)向打印頭)帶有與每個起作用壓電陶瓷晶體對齊的終端凸緣。Z軸膜允許單次連接而不短路(比如，如果不適當(dāng)?shù)赝糠蠛噶匣驅(qū)щ姯h(huán)氧樹脂，則將發(fā)生)，并且進(jìn)行對于粘合到壓電晶體上的可彎曲電纜的連接(圖6)。掃描電子顯微鏡照片(圖7)表示在由導(dǎo)電膜連接的壓電陶瓷晶體上對齊、和進(jìn)一步在打印頭疊層內(nèi)的壓力室上對齊的終端凸緣。
例子該例子表示一種使用本發(fā)明過程的最佳噴墨打印頭的尺寸和組件?；瘜W(xué)蝕刻板涂覆有在一種由錫電鍍制成的“軟”粘接材料至一種由鎳電鍍制成的“硬”粘接材料之間交變的粘接材料。每個零件列在下面的表中。

噴嘴直徑是20μm至75μm，最好30μm至50μm。噴嘴板最好通過EDM(電火花加工)由不銹鋼制成。粘接過程參數(shù)是一個422磅的粘接力(在一平方英寸的板上)、使疊層加熱到215℃、5秒的超聲波粘接時間及在20kHz的超聲波頻率下的28μm振動振幅。
權(quán)利要求
1.一種噴墨打印頭制造方法，其中多個具有對準(zhǔn)的開口的金屬表面被超聲波焊接以形成一個內(nèi)部墨空腔，包括在相鄰金屬表面的不同對之間建立粘接材料界面，以形成組裝金屬疊層，所述金屬表面具有開口；粘接材料界面的建立包括在每對相鄰金屬表面之間引入一個粘接材料層，以及將每對中的相鄰金屬表面定位成面對的關(guān)系，它們的開口對準(zhǔn)以在金屬疊層中形成一個墨空腔，在每個粘接材料界面處的粘接材料包括包含錫或錫合金的金屬成分；把組裝金屬疊層加熱到一個軟化但低于每個粘接材料界面處的粘接材料的熔化溫度的溫度；及在一個粘接壓力下并且在一個超聲振動頻率下施加一個超聲波力這樣一段時間，該時間足以使在每個粘接材料界面處的粘接材料濕潤，并由此加速金屬表面的粘接的完成以及防止對準(zhǔn)的開口的粘接材料阻塞。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中在每個粘接材料界面處的粘接材料包括包含錫的金屬成分或者一種具有至少70％(重量)濃度的錫和作為其他粘接材料的Ni或Au的錫合金成分。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中施加的超聲波力的粘接壓力在從約200psi至約600psi的范圍內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中施加的超聲波力的粘接壓力在從約400psi至約450psi的范圍內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括化學(xué)蝕刻相鄰的金屬表面之一。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中在每個粘接材料界面處的粘接材料進(jìn)一步包括從由鎳(Ni)、金(Au)、銀(Ag)、鈀(Pd)、鉑(Pt)、銦(In)、鋅(Zn)、鉍(Bi)、鉛(Pb)、銅(Cu)、銻(Sb)、及其組合組成的組選擇的一種金屬。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中超聲波振動頻率在從約15kHz至約40NIz的范圍內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中在每個粘接材料界面處的粘接材料是一種軟粘接成分和一種硬粘接成分的組合或軟粘接成分的一種組合。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中溫度在從約2℃至約40℃的范圍內(nèi)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括把組裝金屬疊層懸掛在彈性支撐上以緩沖由超聲波力施加生成的有害振動。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中彈性支撐包括一個彈簧加載夾具。
全文摘要
一噴墨打印頭制造方法，其中多個具有對準(zhǔn)的開口的金屬表面被超聲波焊接以形成內(nèi)部墨空腔，包括在相鄰金屬表面的不同對之間建立粘接材料界面，以形成組裝金屬疊層；粘接材料界面的建立包括在每對相鄰金屬表面之間引入粘接材料層，以及將每對中的相鄰金屬表面定位成面對的關(guān)系，它們的開口對準(zhǔn)以在金屬疊層中形成墨空腔，在每個粘接材料界面處的粘接材料包括包含錫或錫合金的金屬成分；把組裝金屬疊層加熱到一個軟化但低于每個粘接材料界面處的粘接材料的熔化溫度的溫度；及在粘接壓力下并在超聲振動頻率下施加超聲波力以下時間，該時間足以使在每個粘接材料界面處的粘接材料濕潤，并由此加速金屬表面的粘接以及防止對準(zhǔn)的開口的粘接材料阻塞。
文檔編號B23K35/22GK1923518SQ20051012475
公開日2007年3月7日 申請日期2001年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2000年1月31日
發(fā)明者胡·P·勒, 侯·P·勒, 薩恩·P·勒, 林·B·特蘭 申請人:皮科杰特公司