JP2006175869A - プリント回路基板およびスクリーン印刷圧電物質における微小流体に基づいた低価格の圧電プリントヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】既知のプリント回路基板技術を用いて、大きなコスト削減を行うことが可能なプリントヘッド及びその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明のプリントヘッドは、少なくとも１つのベース層を有するプリント回路基板１２と、各々前記ベース層に組み込まれた電気的トレース１８、流体通路２２、及び流体室２０と、プリント回路基板１２の第１の表面に接続された流体アクチュエータ装置２６と、ノズル１４を有しかつプリント回路基板の第２の表面に接続された開口プレート３４と、プリント回路基板の一方の表面に取り付けられた制御回路３２とを備える。そして、前記電気的トレース１８、流体通路および流体室が、プリント回路基板製造プロセスを用いて形成され、前記流体アクチュエータ装置、開口プレート、および、制御回路が、プリント回路基板製造プロセスを用いてプリント回路基板に取り付けられる。
【選択図】図１

Description

本出願は、プリントヘッドおよびプリントヘッドを製造する方法に関し、より詳細には、低価格でプリントヘッドを製造するための製造概念を使用することに関する。

インクジェットプリントヘッド、とりわけ、ドロップオンデマンドインクジェットプリントヘッドは、この分野で良く知られている。圧電インクジェットプリントヘッドの背景にある原理は、インク室が変位し、それに続いて、インク室からノズルを介してインク滴が射出されることである。駆動機構が、インク室内のインクを排出するのに使用される。駆動機構は、典型的には、薄い振動板に結合されたトランスデューサ（例えば圧電素子）からなる。電圧がトランスデューサに印加されると、トランスデューサは自身の平面積を変化させようとするが、トランスデューサは振動板にしっかりとかつ堅固に取り付けられているので、たわみが発生する。このたわみは、インク室内のインクを排出し、インク供給源から入口を通ってインク室へのインクの流れおよび出口および通路を通ってノズルへのインクの流れの両方を発生させる。一般的には、複数のノズルを高密度実装アレイとして配置するのを可能にするプリントヘッド構造を使用することが望ましい。しかしながら、インク室の配置および関連するノズルとのインク室の結合は、とりわけ、コンパクトインクジェットアレイプリントヘッドを実現する場合、容易に解決できる問題ではない。

印刷業界は、絶えず印刷システムのコストを減少させ、かつ印刷品質を改善することを探求している。圧電インクジェット印刷装置が、例えば現在電子写真によって取り組まれている市場において、競争力を維持するためには、そのようなプリントヘッドのコストを減少させる必要がある。

様々なコスト削減のアプローチが試みられてきたが、プリントヘッド製造の多くのステップは、そのような装置のために特別に設計された処理手順を使用し、また労働集約的なかつ費用のかかるプロセスを使用する。

既存のドロップオンデマンドインクジェットプリントヘッドの例が、米国特許第５，０８７，９３０号に説明されている。この特許は、圧力室、圧力室に連絡するインク供給チャネル、およびプリントヘッド内のオフセットチャネルの実装密度を増加させるように設計されたものである。しかしながら、容易にわかるように、プリントヘッドは拡散接合およびろう付けを含むプリントヘッド専用の製造プロセスを用いて形成される。その他の製造システムと同様この製造システムの欠点は、プリントヘッド産業専用に構成されたプロセスの使用が必要であることである。そのようなプロセスは、プリントヘッド産業専用に設計されるので、比較的に少ない数の会社および／または個人しかプリントヘッドを製造するための専門知識を持たない。
米国特許第４１１０１４０号明細書 米国特許第４１８８９７７号明細書 米国特許第４２８５７７９号明細書 米国特許第４８８３２１９号明細書 米国特許第５０８７９３０号明細書 米国特許第６３２２２０６号明細書 米国特許第６３４１８４５号明細書 米国特許第６４５４２６０号明細書 米国特許第６５２３９４０号明細書 米国特許第６５４８８９５号明細書 米国特許第６５５２９０１号明細書 米国特許第６５６５１９３号明細書 米国特許出願公開第２００４／０１６４６４９号明細書 米国特許出願公開第２００４／０１６３４７８号明細書 米国特許出願公開第２００４／０１６４６５０号明細書 ウエゴ、リヒター及びパゲル（Ｗｅｇｏ，Ｒｉｃｈｔｅｒ ａｎｄ Ｐａｇｅｌ）著「プリント回路基板技術に基づく流体マイクロシステム（Ｆｌｕｉｄｉｃ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）」Ｊ．Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈ．Ｍｉｃｒｏｅｎｇ．１１，２００１年，ｐ．５２８−５３１

したがって、プリントヘッドを製造するためのより広い使用基盤および／またはインフラストラクチャーを有する技術を使用し、大きなコスト削減を行うことは、価値のあることである。本発明の課題はこの点に存する。

本発明の典型的な実施形態の一側面によれば、プリントヘッドは、少なくとも１つのベース層を有するプリント回路基板を含み、少なくとも電気トレースと、少なくとも１つの流体通路と、少なくとも１つの流体室とをプリント回路基板の一部として備える。電気的トレース、流体通路、および、流体室は、すべて、プリント回路基板製造プロセスを用いて形成される。集積回路制御チップが、既知のプリント回路基板技術を用いて、プリント回路基板に取り付けられる。少なくとも１つの流体アクチュエータ装置および開口プレートが、既知のＰＣＢ取付プロセスを用いて、プリント回路基板に取り付けられる。

本発明によれば、既知のプリント回路基板技術を用いて、プリントヘッドを製造における大きなコスト削減を行うことができる。

図１を参照すると、既知のプリント回路基板プロセスを使用するプリント回路基板（ＰＣＢ）上に全体が形成されるプリントヘッドの概略図が示される。この概念では、プリントヘッドの全部または大部分をＰＣＢ上に直接に含む低価格のプリントヘッドを組み立てるために、既知のプリント回路基板（ＰＣＢ）製造手順および既知のＰＢＣ材料を使用する。

プリント回路基板は、非導電性の基板上に電子部品を実装することによって、かつ、それらの間に導電性の接続を形成することによって、電子回路を備えることで知られている。回路パターンの形成は、アディティブ法およびサブトラクティブ法の両方を使用することによって実施される。導電性の回路は、一般的には銅であるが、アルミニウム、ニッケル、クロム、および、その他の金属または導体が使用されてもよい。片面、両面、および、多層を含む３つの基本的な種類のプリント回路基板が存在する。空間的および密度的な要求および回路の複雑性が、製造される基板の種類を決定する。

プリント回路基板の製造は、シート状のプラスチックのような非導電性の基板／ベース上に支持された平らな金属回路のメッキおよび選択的エッチングを含む。製造は、銅箔の薄層を貼り合わせられたシート状のプラスチックから開始する。（ビアのような）孔（ホール）が、自動ボール盤、または、例えばレーザを含むその他の孔あけ装置によって、基板にあけられる。この孔は電子部品を基板に実装し、かつ基板の一方の層から他方の層に導電性の回路を提供するために使用される。孔をあけることに続いて、基板は良好な接着を助長するために、清浄され、エッチングされ、そして、金属のさらなる層によってメッキされる。孔は導電性ではないので、基板の表面上および孔の中に導電性の連続薄層を提供するために、無電解金属メッキが使用されてもよい。メッキに続いて、回路デザインを形成するためにメッキレジストが施され、光画像形成または光パターン形成が使用される。そして、金属がその最終的な厚さにまで基板上に電気メッキされてもよい。すず鉛はんだまたは純粋なすずの薄層が、エッチレジストとして金属上にメッキされる。最終的な回路パターンの部分ではない金属を露出させるために、メッキレジストが除去される。露出した金属が、エッチングによって除去され、回路パターンが検査される。

非特許文献１に記載されるように、例えば上述したようなプリント回路基板（ＰＣＢ）の製造原理を使用することが、流体マイクロシステムを構成するために提案されている。そこでは、ＰＣＢに基づいた流体システムの基本的概念は、従来の銅メッキされた堅固なベース金属を使用する良く知られている多層技術（例えばＦＲ４）を変更することであることが述べられている。流体チャネルを形成するために、ＰＣＢは（例えば化学的ウェットエッチングによって）構造化され、チャネルの横方向境界が形成される。構造化されたＰＣＢを次々に積み重ねることによって、チャネルが形成される。

図１を参照すると、プリント回路基板（ＰＣＢ）１２上に完全に含まれるプリントヘッド１０の概略断面図（正確な縮尺率ではない）が示される。プリントヘッド１０は、上述した一連のＰＣＢプロセスステップかまたはプリント回路基板の分野で良く知られているその他のプロセスステップのいずれかを用いて組み立てられる。プリントヘッド１０およびここに開示されるその他の実施形態のプリントヘッドの製造において得られる大きな利点は、既存のプリント回路基板製造インフラストラクチャーにおいて現在一般的に使用されている技術およびプロセスを使用することであり、これは、プリントヘッドの経済的に効率的な生産を可能にする。

プリントヘッド１０の断面図は、ノズル１４のただ１つの行のみを示す。このデザインにおいては、ＰＣＢ基板１６はＦＲ４であってもよい。しかしながら、その他の材料が使用されてもよく、それらには限定はされないが、ｇ１０、その他のポリマー材料、プラスチック、またはセラミックが含まれる。導電性の回路またはトレース１８が、既知のＰＣＢ技術を用いて、基板１２の一方の表面上にパターン形成される。本体室２０は、ドリル加工され、レーザ加工され、または、ルータ加工され、あるいは、既知のＰＣＢ製造技術を用いて、基板１６内に形成される。入口２２が、エッチング、ルータ加工、レーザ加工、ドリル加工によって、あるいはその他の既知のプロセスによって、基板１６内に形成される。入口２２は、インクを本体室２０へ供給するための通路を提供するように形成される。

ステンレス鋼プレートのようなアクチュエータ金属層（例えば振動板）２４が、貼り合わせ法および／または接着剤２５を使用することを含むいくつかの既知のＰＣＢ技術のいずれかによって、基板１６の表面に接着される。また、アクチュエータ金属層２４は、従来のＰＣＢ技術を用いてＰＣＢ基板に貼り合わせられるステンレス鋼シムの形態を有してもよい。圧電ブロック２６が、ＰＣＢの分野において使用される既知の取り付けプロセスによって、例えば接着剤２５によって、金属アクチュエータ層の表面に結合される。圧電ブロック２６は表面上に電極２８を有し、その圧電ブロック２６は、のこ引き加工またはレーザ加工によって、圧電材料の大きなブロック全体に電極材料を成膜するような既知の方法で（電極とともに）形成され、そして、より小さな圧電ブロック（および電極８）を取り出し、アクチュエータ層２４上に配置してもよい。

あるいは、それぞれその全体が参照して本明細書に組み込まれる同一出願人によるＢａｏｍｉｎ Ｘｕらへの米国係属特許出願第１０／３７５，９７５号（公開番号２００４／０１６４６４９）、第１０／３７６，５２７号（公開番号２００４／０１６３４７８）、および第１０／３７６，５４４号（公開番号２００４／０１６４６５０）に記載されるように、圧電物質はサファイア基板のようなキャリア基板上にスクリーン印刷され、そして高温で焼かれてもよい。その後、この場合には図１のステンレス鋼層２４の表面のような別の基板へ移送するために、その圧電物質はレーザ剥離されてもよい。

アクチュエータ層２４と圧電ブロック２６（電極２８を備えた）との組み合わせは、駆動機構または流体アクチュエータ装置と考えることができる。ワイヤボンド３０のような配線が、間隙３１によって分離された金属トレース１８と圧電物質電極２８との間に提供される。とりわけフリップチップ技術または薄膜技術のようなその他の配線技術が使用されてもよいことを理解すべきである。

駆動ＡＳＩＣのような駆動チップ３２が、ＰＣＢに取り付けられ、電源（図示せず）から電力を供給されてもよい。

（ノズル１４を備えた）ノズル（または、開口）層３４は、ノズル業界において知られている最新の技術を用いて加工される。ノズル層３４は、従来のＰＣＢ積層技術またはその他のＰＣＢ接続技術を用いて基板１６に取り付けられてもよい。一実施形態においては、ノズル層はステンレス鋼から製造され、そのステンレス鋼は例えばレーザドリル加工され、化学的にエッチングされ、あるいは電鋳によって形成され、その後に基板１６に接続されてもよい。

駆動チップ３２は、射出プロセスを駆動するための選択可能な信号経路を提供するのに使用される。また駆動チップ３２は正規化を提供することができ、それによって、マルチノズルシステムにおけるそれぞれのノズルはそれの動作タイミングを個々に制御され、駆動チップのスイッチが閉じれば、電流は意図したノズルに流れることができる。

したがって、プリントヘッド１０の動作中、電力が駆動チップ３２に供給され、駆動チップがスイッチを閉じ、金属トレース１８からワイヤボンド３０および電極２８への経路を信号に提供すると、圧電ブロック２６は変形し、振動板２４に圧力を加える。本体室２０の中へ振動板２４が移動することは、室内に圧力を発生させ、流体をノズル１４から射出させる。本体室２０は、入口２２によって、流体（インクのような）を補給される。入口２２は、マニホルド、インク容器、または、その他の適切な外部インク貯蔵源のようなインク供給源に接続される。

インク入口２２にさらに注目すると、ルータ加工またはドリル加工によって形成されるのに加えて、金属トレース１８を形成するためにも使用されるプロセスによって形成されてもよい。この実施形態においては、基板１６の表面は、電気的な信号を伝送することを意図した金属トレースを形成するために使用されるステップに類似するステップにおいて、パターン形成されあるいはマスクされ（例えば光パターン形成）、そして、エッチングされる。しかしながら、この場合には、エッチング手順が、流体通路（入口２２のような）を形成するために使用される。

図１に示されるプリントヘッド１０の場合、本明細書に基づいて形成されるその他のプリントヘッドと同様に、プリント回路基板の表面上における金属層によるインクの短絡または妨害を防止するために、プリントヘッドの表面をパッシベーション処理することが望ましいかもしれない。そのようなパッシベーションは、銅、ニッケル、または、使用されるその他の金属のような金属の既知の電気メッキまたは無電解メッキによって試みられてもよく、プリント回路基板の選択された金属層をパッシベーション処理するために、無電解ニッケルメッキを使用することを含む。電気的な絶縁が、誘電体材料でコーティングすることによって実現されてもよく、従来のＰＣＢはんだマスク材料、真空蒸着パリレン、または、その他の適切な絶縁材料を含む。

図２を参照すると、図１に示されるプリントヘッド１０に類似する第２の実施形態のプリントヘッド４０が示されるが、第１の実施形態との違いは、金属トレース１８と圧電電極２８との間の相互接続に使用される薄膜デザインである。第２の実施形態においては、まず最初に、非導電層（例えば誘電体）４２が振動板２４を絶縁するために成膜される。その後に金属トレース層が非導電層４２上に成膜され、間隙３１によって分離された金属トレース１８と電極２８とを金属層４４が相互接続するのを可能にする。

図３を参照すると、プリント回路基板１２上に構成された第３の実施形態のプリントヘッド５０が示される。この第３の実施形態においては、図１および図２の振動板２４は、除去され、銅トレース１８’が、銅トレース１８’が本体室２０を跨ぐような形でパターン形成される。このデザインによって、金属トレース１８’の部分は、これまでは層２４によって実現された能動的な金属層（振動板）２４’として動作するのに使用される。能動的な金属層領域（振動板）２４’は、間隙５２によって金属トレース１８’の部分から分離され、その間隙５２は、電気的に絶縁するために、ワイヤボンドアタッチメント３０の端部間の位置において、金属トレース１８に形成される。圧電材料２６と金属トレース１８’からなる振動板２４’との間に配置された接続層５４は、非導電性接着剤のような非導電性材料を含む。図３に示されるデザインは、振動板が金属トレース材料から構成されてもよいことを強調するものである。金属層が振動板にとって十分な厚さで製造されていれば、それは電子にとっても十分な厚さのはずであることがわかる。したがって、金属トレースおよび振動板は、同じ製造ステップにおいて構成されてもよい。これは、金属トレース１８が振動板２４のプロセスから分離したプロセスにおいて生成され、かつ、それらの構成要素が、それらが異なる層であることを強調するために、異なる厚さで示される図１のデザインから、図３のデザインを区別する。

図１〜図３に示されるそれぞれの実施形態の特徴は、説明された他の実施形態に含められてもよいことに注意されたい。例えば、図２に示される薄膜層配線４４は、図３に示される実施形態において、ワイヤボンド配線３０の代わりに使用されてもよい。

入口２２は、それのインピーダンスが射出周波数において流体が容器（図示せず）内へ逆流するのを十分に阻止するような寸法を有する。したがって、入口２２の寸法決定は、チャネル流量を制御するのに使用される。

図１〜図３に示される実施形態は、単一の行のインクインジェクターを示す。しかしながら、多くの場合、プリントヘッドの効率および価値を改善するために、単一のプリントヘッド上に多くのコンパクトインクインジェクターを含むことが望ましい。とりわけ、プリントヘッド上のインクジェットまたはノズルが多ければ多いほど、カラープリンターとしておよび／または高解像度プリンターとしてインクジェットプリントヘッドを使用する可能性が増大する。例えば、牛耕式に（ｂｏｕｓｔｒｏｐｈｅｄｏｎ）印刷する、すなわち左から右へそして右から左へ往復しかつその往復中に両方向において印刷するプリントヘッドを通過して、印刷媒体が曲面上を垂直方向に送り出されるタイプライターのような印刷エンジンで使用されるインクジェットプリントヘッドを考える。そのような場合、可能最小垂直方向距離を占めるノズルアレイを備えたプリントヘッドを提供することが望ましく、それによって、様々なノズルの印刷媒体までの距離の変動が最小となる。

ＰＣＢ上に形成されたよりコンパクトなプリントヘッドを得るために、複数の層が、相互に接着され、ノズルおよび入口のオフセットまたはプリントヘッド内の通路のオフセットを可能にする。より詳細には、複数の層を有することによって、インクのような流体をノズルに供給するための複数の通路を生成することができ、単一のプリント回路基板から生成されるプリントヘッドにおいて可能な自由度よりも大きな自由度を提供する。

図４を参照すると、多層プリント回路基板構造において実施されたプリントヘッドが示される。このデザインは、ＰＣＢの様々な層に通路が生成されてもよいことを示す。

さらに詳しく図４に注目すると、多層プリントヘッド６０は、上部部分組立品６２および下部部分組立品６４を備えて示され、それらのそれぞれは、別個のＰＣＢ基板上に形成される。部分組立品６２、６４は、多層プリントヘッド６０を生成するために、その後に、接合されることを理解すべきである。下部部分組立品６４は、ＦＲ４、または、プリント回路基板に使用される、とりわけ、ｇ１０、ポリマー材料、プラスチック、または、セラミックのようなその他の既知のベース材料からなる２つの基板（ベース）６６および６８を含む。また、上部部分組立品６２は、ベース６６および６８に類似するベース層７０を含む。横方向カット７２、７４が、ベース６８、７０に提供される。そのような横方向カットは、レーザ加工、ルータ加工、機械加工、または、その他の既知のＰＣＢプロセスによってなされてもよい。さらに、ビア７６、７８、および、８０のようなビア（孔）が、ベース層６６、６８、および、７０に含まれる。これらのビアは、通常のＰＣＢのドリル加工技術またはレーザ加工技術によって形成されてもよい。金属層８２および８４は、接着剤８８を用いてベース層６６および６８に接合されて示される。振動板９０は、ベース６６の下面上に金属から形成される。振動板９０は金属層材料８２から形成されてもよいことに注意されたい。圧電ブロック９２は、一方の表面上に電極９４を有する。

金属トレースは、通路９８のような流体通路を形成するのに使用されてもよく、その通路９８は、横方向カット７２および７４によって形成された流体パイプまたはマニホルドを接続する。流体通路９８は、流体パイプまたはマニホルド（７２、７４）をビア（例えばブラインドビア）７８に接続し、そのブラインドビアは、インクジェット圧縮室を形成する。

金属開口層８６が、接着剤８８によってベース７０に接合される。開口ホール１００が、層８６に示される。開口層８６がまず最初に取り付けられてもよく、その後にビアすなわち孔（ホール）が、ドリル加工またはレーザ加工のようなプロセスを用いて形成されることがわかる。インクは、インク滴１０２として孔１００から射出される。インクは、Ｏ−リングまたはエポキシジョイント１０６のようなシールを介してプリントヘッドに接続された継手またはその他のマニホルド部品１０４を経由してプリントヘッドに供給される。ビアは、シール領域１０８からエッチバックされた金属をそれの周囲に有するフィルホールであってもよく、そのために、それは流体またはインクと連絡しない。接着剤８８は十分に厚くかつ適切な特性を有するので、接着剤８８はインクに電気的に接続することができない。一実施形態においては、圧電ブロック９２と振動板９０との接続は、エポキシまたはその他の接着剤１１０によってなされる。

金属層８２および圧電電極９４への電気的な接続は、ワイヤボンド、ばね接点、薄膜、または、その他の適切な接続によって実現される電気的な接続１１２、１１４によってなされてもよい。絶縁のために、金属層８２は、ワイヤボンドを取り付けた位置と圧電電極９４の下に延びる層８２の部分との間において、間隙９６によって中断される。ワイヤボンドを取り付けた部分は、電圧を印加された信号トレース、そして、圧電電極９４の下に延びる層８２の部分は、接地面である。この実施形態においては、図１〜図３に示される駆動チップ３２のような制御電子部品は、プリントヘッド６０の外部に配置されてもよい。

さらに続けて図４に注目すると、部分組立品６２、６４は、上述したものと同じ接着剤またはその他の適切な材料であってもよい接着剤８８を用いて、相互に結合されてもよい。その後にこの多層プリントヘッド６０は、チャネル１１６からインクを充填され、そしてインク滴１０２を射出するために駆動される。

図４に示されるプリントヘッドは、ただ単に例として提供されたものであり、特定のプリントヘッドデザインのための適切な通路または機能を生成するのに必要であれば、さらなるベース層および／または金属層が付加されてもよく、あるいは除去されてもよい。したがって、このデザインにおける層は必要とされないかもしれず、またデザイン形状に応じてさらなる層が使用されるかもしれない。

例えば、限定するつもりはないが、より多くの通路または機能を実現するために、さらなる金属層が金属層８４上に付加されてもよい。あるいは、層７０はそれ自身が必要でないかもしれず、層８６は層８４に直接に結合されてもよい。さらにまた、横方向カット７２が十分なものであるかもしれないので、横方向カット７４は必要とされないかもしれない。

図５を参照すると、プリント回路基板技術に基づいた流体マイクロシステム通路の一デザインを説明する概略図が示される。第１のプリント回路基板１２０ａおよび第２の回路基板１２０ｂが示される。多層ＰＣＢプリントヘッドのための内部流体チャネルを提供するために、プリント回路基板のための良く知られている多層技術が、両面を金属（例えば銅）でメッキされた従来の剛性のベース材料（ＦＲ４のような）をプリント回路基板ベース材料として用いて、変更される。流体チャネルを生成するために、一実施形態においては、ＰＣＢの金属は（例えば化学的ウェットエッチングによって）構造化され、チャネルの横方向境界を形成する。第１のプリント回路基板１２０ａに示されるように、流体チャネル１２２ａおよび流体ビア１２４ａは、構造化された金属１２６ａ内に規定される。第２のプリント回路基板ベース１２０ｂ上には、流体チャネル１２２ｂおよび流体ビア１２４ｂが、構造化された金属１２６ｂ内に形成される。プリント回路基板１２０ａとプリント回路基板１２０ｂを相互に重ね合わせることによって、多層プリント回路基板内の内部流体チャネルが形成される。また図５に示されるように、シート状の接着剤１２８が、接着剤１２８ａおよび切り取り部分１２８ｂを備えて形成されてもよい。接着剤シート１２８は、ＰＣＢベース１２０ａと１２０ｂとを貼り合わせる前に、それらのＰＣＢベース１２０ａと１２０ｂとの間に配置される。この実施形態においては、接着剤が、形成された流体チャネルの中へ漏れ出すのを最小限に抑制する。

図６Ａおよび図６Ｂを参照すると、図４に示されるような多層プリント回路基板を製造するためのフローチャートが示される。

図６Ａおよび図６Ｂにおいて、フローチャート１３０は、ＦＲ４、ｇ１０、ポリマー材料、プラスチック、セラミック、または、プリント回路基板の製造に使用されるその他の適切なベース材料のようなブランク基板／ブランクベース（例えば図４の符号６６、６８、７０）からプロセスを開始する（ステップ１３２）。

そして、これらのブランクベースは、予め定められた回路基板レイアウトに基づいて通路を生成するために、打ち抜き加工、ルータ加工、ドリル加工、機械加工、エッチング、あるいはその他の処理を施される。その結果として、様々なそれらの通路は、プリントヘッドの流体通路になる（ステップ１３４）。ベースにおける開口が、比較的に大きな開口を形成する横方向カットから生成され、層におけるその他の領域は、テントビア、スルーホールビア、および、ブラインドビアのようなビア（孔）を含んでもよい（ステップ１３６）。これらの横方向カットおよびビアの生成は、プリント回路基板の製造においては一般的なことであり、既知の技術によってなされてよい。そして、ベースのいくつかは、既知のＰＣＢ技術を用いて、相互に接続される。

次に、金属層が、接着プロセスを用いて、ベースに接合される。接着剤は、プリント回路基板業界において使用される既知のあるいは開発されたいずれかの適切な接着剤であってもよい（ステップ１３８）。そして、接合された金属は、振動板および多層回路基板上において電気的な信号を伝送するのに使用される金属トレースのような形状を規定するためにマスキングされる。金属のマスキングは、また、流体パイプまたはマニホルドをインクジェット圧縮室（図４で説明されるように）に接続するのに使用される流体通路を規定するのに使用されてもよい（ステップ１４０）。マスキングに続いて、ＰＣＢ金属エッチングプロセスが実行され、このプロセスにおいては、回路基板の金属層の形状が規定される（ステップ１４２）。次に、エッチングされた金属は、メッキされ（例えば無電解メッキまたはその他の適切な技術によって）、ウェットな（湿った）すべての適切な表面をコーティングする（ステップ１４４）。その後に、ステップ１４６において、開口層がベース層の１つに接合される。開口層における開口はその開口層に予め形成されていてもよいことに注意されたい。別の実施形態においては、開口層は、接着剤を使用することによってベース層に接合されてもよく、その後に開口がドリル加工、レーザ加工、またはその他の孔形成プロセスを用いて形成される。

ステップ１４８において、部分組立品（図４に示されるような）が、ＰＣＢの分野において知られているような接着剤を用いて相互に結合される。

インクが、継手またはその他のマニホルド部品のような接続によって供給されてもよく、Ｏ−リングまたはエポキシのようなシールが、マニホルド部品をプリント回路基板に接続する（ステップ１５０）。（図４を参照して説明したような）フィルホール（ｆｉｌｌ ｈｏｌｅ）の周囲の金属がシール領域からエッチバックされ、そのために、それはインクと連絡しない。その後に、トランスデューサ（例えば圧電トランスデューサ）が、圧電物質と振動板層との間に配置された接着剤によって振動板に結合される（ステップ１５２）。ＡＳＩＣコントローラのような適切な集積回路がＰＣＢに取り付けられ（ステップ１５４）、電気的な接続が集積回路と圧電物質との間でなされ、それによって圧電物質に選択的に電力を供給することができる（ステップ１５６）。

その後に、流体がプリントヘッド内に充填され（ステップ１５８）、液滴を生成するためにプリントヘッドが駆動されてもよい（ステップ１６０）。

簡単に上述したプロセスによって、多層プリント回路基板プリントヘッドが形成される。このように、従来の両面をメッキされた剛性のベース材料を使用する良く知られている多層ＰＣＢ技術を変更することによって、流体室、流体通路、電気的な接続、ノズル、および、制御装置を備えたプリントヘッドを多層ＰＣＢ上に形成することができる。製造されるプリントヘッドに応じてステップの上述した順序は変えられてもよく、またさらなるステップが追加され、あるいは既存のステップが削除されてもよいことを理解すべきである。

流体チャネルの形成にさらに注目すると、大きな問題は、複数の層間の接着剤が流体チャネルの内部を妨害しないことを保証することである。一実施形態が図５を参照して説明されたが、そこでは予め切断された接着剤のシートまたは層が使用される。

別の手順が非特許文献１で提案されている。このプロセスにおいては、単一基板が所定の粘度を有する接着剤液体（エチルアルコールに溶かされたエポキシ樹脂、３〜７ｍＰａ・ｓにほぼ等しい粘度）に浸漬され、それらを溶液から一定の速度で引き出すことによって、薄い均一な接着剤フィルム（２〜６μｍ）によってコーティングされる。それに続いて、接着剤は、温度および圧力を加えられて硬化させられる。この技術は、ＰＣＢの堅固な接続を保証すると述べられており、チャネルの高さを大きく減少させることなく（２〜６μｍ）、チャネルの流体機能を維持する。

別の実施形態においては、流体通路は、すべての面に配置されるベース材料（例えばＦＲ４）によって規定されてもよく、それによって、パターン形成された銅またはその他の金属は流体通路内にはまったく存在しない。とりわけベース材料は、通路の特定の面を形成するためにエンドミルルータまたはレーザを用いて機械加工またはルータ加工されてもよい。そしてそれらの部材（すなわち、多層回路基板の個々のベース層）が貼り合わせられるとき、通路は、このプロセスによれば、ベース層材料によってしか規定されず、接着剤（例えばエポキシ）問題は依然として存在するが、銅のような濡れ金属（ｗｅｔｔｅｄ ｍｅｔａｌ）を処理しなくてもよい。したがって、この場合には、金属がエッチングによって除去される場所に通路が配置される代わりに、機械加工、ルータ加工などの処理が、エッチングプロセスを必要とすることなくベース内に凹部を提供する。

実施形態によっては、ステンレス鋼からなる最上部層（例えば開口層）およびステンレス鋼からなる最下部層（例えば振動板）のような、ある種の高付加価値を有する特注のプリントヘッド層は、ＰＣＢプロセスから分離して処理され、そして回路基板に積層されてもよい。これらのステンレス鋼からなる層はレーザドリル加工され、化学的にエッチングされ、電鋳によって形成され、あるいはその他の既知のプロセスによって製造され、そしてほぼ完成したプリント回路基板構造に結合されてもよい。

図７を参照すると、プリントヘッドに組み込まれてもよいフレーム層１６２が示される。この実施形態においては、フレーム層１６２は、振動板９０に結合される圧電ブロックを配置するために付加される。図からわかるように、フレーム層１６２は、フレーム開口１６４を含み、そのフレーム開口１６４は、圧電ブロックを適切に配置するために、額縁に類似する作用をなす。圧電ブロックの取付または結合に続いて、オプションとして、フレーム層１６２は除去されてもよい。

図８を参照すると、図４に示されるデバイスのまたさらなる実施形態において、平面図によって示される金属層８４は、層８４内における位置に微細ホールをレーザカット加工またはエッチングすることによって、フィルタースクリーン１６６を含むように設計されてもよく、それによって、プリントヘッドスタックに含められると、フィルタースクリーン１６４が流体通路に配置され、インク流を濾過する。このようにこの実施形態においては、領域をエッチングによってただ単に除去するだけでなく、流体スクリーンが構成される。あるいは、図８に示されるようなフィルター１６６は、分離した存在として実現されてもよく、結合されたコンポーネントからなるプリントヘッドスタック内に配置される。

ここで、図９を参照すると、複数のノズル１７４ａ〜１７４ｎを有する多層回路基板１７２上に形成されたプリントヘッド１７０の平面図が示される。ノズルは、対応する流体通路（１７６ａ〜１７６ｎ）に接続するように形成され、それらの流体通路は、特定のノズルに流体を提供する。

図８に示されるプリントヘッドは、多層ＰＣＢプリントヘッド１７０の様々な層における流体通路を提供する概念を説明するために示されたものである。例えばノズル１７４ａは流体通路１７６ａに接続され、その流体通路１７６ａはＰＣＢ層１７８ａおよび１７８ｂを貫通し、そして層１７８ｃ内に延びる。ノズル１７４ｂは流体通路１７６ｂに適切に接続された状態にあり、その流体通路１７６ｂはＰＣＢ層１７８を貫通し、そしてＰＣＢ層１７８ｂ内に延びるように示されている。ノズル１７４ｃは流体通路１７６ｃに適切に接続された状態を示されており、その流体通路１７６ｃは層１７８ａに進入し、そしてこの層内に延びる。上述したことは、図８に示されるプリントヘッドのアレイのそれぞれは、多層プリント回路基板の様々な層に形成された流体通路に接続されてもよいことを示そうとするものである。これらの通路は、インク入口、マニホルド、または、その他の種類の容器であるかもしれないそれらの最終的な行先を示されていないことを理解すべきである。しかしながら、ここで示そうとする概念は、これらの流体通路は多層プリント回路基板の様々な層に生成されてもよいことである。電気的な接続を提供する金属トレースは、説明をわかりやすくするために示されていないが、振動板（図示せず）を駆動するために必要であれば、それらも同様にＰＣＢの様々な層を通って延びる。

ＡＳＩＣのような集積回路チップが、多層ＰＣＢ１７０上に取り付けられてもよく、それによってプリントヘッドのすべてのコンポーネントが、プリント回路基板上に配置される。しかしながらこの図面はまた、プリントヘッドの少なくともいくつかのコンポーネントはプリント回路基板上に存在しなくてもよいことを示そうとするものである。例えばＡＳＩＣは基板の外部に配置されてもよく、ただ単に電気的な接続線が、液滴を適切に射出するのに必要な信号を送信するために提供される。

図１０を参照すると、多層プリント回路基板上に実施された別の実施形態によるプリントヘッド１８０が示される。プリントヘッド１８０はインク入口１８２を含み、そのインク入口１８２を介して、インクがインクジェットプリントヘッドへ供給される。また本体は、インク滴形成オリフィス出口またはノズル１８４とともに、インク入口１８２からノズルまでのインク流路を規定する。一般的にはこの実施形態によるインクジェットプリントヘッドは、好ましくは、隣接して配置されたノズル１８４のアレイを含み、それらのノズル１８４は、相互に近接して一定の間隔を置いて配置される。

インク入口１８２に流入するインクは、インク供給マニホルド１８６の中へ流れ込む。この種の典型的なインクジェットプリントヘッドは、ブラックおよび３つのカラーの減法印刷に使用するために、ブラック、シアン、マゼンタ、および、イエローのインクをそれぞれ収容するために、少なくとも４つのそのようなマニホルドを有する。しかしながら、そのようなマニホルドの数は、プリンターがブラックインクだけによってあるいはすべてのカラーのいくつかによってのどちらで印刷するように設計されているかに応じて、様々に変化してもよい。インクは、インク供給マニホルド１８６から、インク供給チャネル１８８を通り、インク入口１９０を通り、インク圧力室１９２の中に流れ込む。インクは、インク圧力室出口１９４を経由して、圧力室１９２から出て、インク通路１９６を通り、ノズル１８４へ流れ込み、そのノズル１８４から、インク滴が射出される。矢印１９８は、このインク流路を示す。

インク圧力室１９２は、それの一方の側面が、金属トレース２００によって境界を規定され、その金属トレース２００は、柔軟性のある振動板２００’の役割をなす領域を含む。圧力トランスデューサは、この場合には、上述した実施形態において説明した方法でしっかりと取り付けられた圧電ブロック２０２である。圧電ブロック２０２は金属膜層（電極）２０２ａを含み、その電極２０２ａには集積電子回路駆動装置（例えばＡＳＩＣ２０３）が、コネクタ装置２０４によって電気的に接続される。ＡＳＩＣ２０３は金属トレース２００に電気的に接続され、金属トレース２００は電気的に絶縁するための間隙部分２０５を有する。電源（図示せず）によって電力を供給することによって、圧電ブロック２０２にたわみを発生させ、それがインク室１９２内のインクを押し出す。インク滴の射出に続くインク室１９２の補充は、圧電ブロック２０２の逆方向のたわみによって増進されてもよい。図１０に示されるように、圧電ブロック２０２は層２００上に取り付けられる。電気的な駆動信号はブロック２０２の底面に供給されてもよく、かつ接地接続は２０２ａになされてもよいことを理解すべきである。

上述した主たるインク流路１９８に加えて、オプションとしてインク出口またはパージチャネル２０６が規定されてもよい。パージチャネル２０６は、ノズル１８４に近くかつノズル１８４の内部に存在する位置において、インク通路１９６に結合される。パージチャネルは、通路１９６から出口またはパージマニホルド２０８まで通じており、そのパージマニホルド２０８は、出口通路２１０によって、パージ制御出口ポート２１２に接続される。マニホルド２０８は、典型的には、類似するパージチャネル２０６によって、複数のノズルに接続された通路に接続される。このパージ動作中には、インクはパージチャネル２０６、マニホルド２０８、および、パージ通路２１０を通って、矢印２１４によって示される方向へ流れる。

上述した実施形態において説明したように、様々な内部流体通路は、これまでに説明されたＰＣＢ技術である銅トレースのような金属トレースのルータ加工、機械加工、レーザカット、ドリル加工、さらには、エッチングを用いて形成される。したがって、銅トレースは、流体チャネルの形成だけでなく、説明されたような電気的な接続に使用されてもよい。この実施形態からわかるように、金属トレースだけでなく通路も形成された複数のＰＣＢ基板層が存在する。層の組み合わせまたは層の結合は、ＰＣＢの分野において良く知られている適切なＰＣＢ接着手順およびその他の結合手順を含む上述した実施形態の場合と同様に発生する。したがって、図１０は、多層ＰＣＢプリントヘッドを形成するために複数のベース層を有する可能性があることを示すために提供されたものである。さらにまた、図１０は、必要な自由度を備えた複数の層を有することによって断面図として示されるが、多くの互い違いに配置された液滴射出ノズルが、単一ＰＣＢプリントヘッドに組み込まれてもよいことを理解すべきである。

上述したように、断面図である図１０が示されるが、複数のノズルが、上述した実施形態において説明されたように、プリント回路基板内に形成された液体通路を提供される。

これまでの説明は主としてインクの射出およびインク印刷についてなされたが、説明された装置および方法は、インク印刷以外の分野、例えば生体液または組み合わせ材料を射出するために、生物学、組み合わせ化学、およびその他の分野に使用されてもよい。したがって上述したことは画像またはドキュメント印刷に限定されない。

本発明の第１の実施形態による、プリント回路基板上に実施されたプリントヘッドのブロック図である。 図１に示されるＰＣＢ基板上に配置されたプリントヘッドの第２の実施形態を示す図である。 図１および図２の場合と同様に、プリント回路基板上に実施されたプリントヘッドの第３の実施形態である。 相互に接合されるべき第１の部分組立品および第２の部分組立品を備えた多層プリント回路基板を示す図である。 多層プリント回路基板の２つのベース層によって形成される流体通路と、２つのプリント回路基板のベースまたは基板を接続するための接着剤層とを示す図である。 多層プリント回路基板を製造するプロセスを説明するフローチャートである。 多層プリント回路基板を製造するプロセスを説明するフローチャートである。 トランスデューサをプリント回路基板上に配置するためのフレーム層を示す図である。 プリント回路基板の層内に含まれるインクフィルターを示す図である。 多層プリント回路基板内にルータ加工された流体通路を示す図である。 多層プリント回路基板のさらなる実施形態を示す図であり、ベントポートに加えて入力ポートおよび出力ポートが示される。

Claims (4)

1. 少なくとも１つのベース層を有する少なくとも１つのプリント回路基板と、
   前記少なくとも１つのベース層に組み込まれた少なくとも１つの電気的トレースと、
   前記少なくとも１つのベース層に組み込まれた少なくとも１つの流体通路と、
   前記少なくとも１つのベース層に組み込まれた少なくとも１つの流体室とを備え、
   プリント回路基板の第１の表面に接続された少なくとも１つの流体アクチュエータ装置と、
   少なくとも１つのノズルを有しかつプリント回路基板の第２の表面に接続された開口プレートと、
   プリント回路基板の一方の表面に取り付けられた制御回路とを備えたプリントヘッドであって、
   前記少なくとも１つの電気的トレース、流体通路、および、流体室が、プリント回路基板製造プロセスを用いて形成され、
   前記少なくとも１つの流体アクチュエータ装置、開口プレート、および、制御回路が、プリント回路基板製造プロセスを用いてプリント回路基板に取り付けられた、
   前記プリントヘッド。
2. 前記プリント回路基板が、１つよりも多いベース層を有する多層プリント回路基板である請求項１に記載のプリントヘッド。
3. 前記少なくとも１つの流体通路が、前記多層プリント回路基板に含まれる前記ベース層の中の１つよりも多いベース層に形成された請求項２に記載のプリントヘッド。
4. プリントヘッドを形成する方法であって、
   少なくとも１つのベースを有するプリント回路基板を得るステップと、
   少なくとも１つの電気的トレースを前記少なくとも１つのベース上に形成するステップと、
   少なくとも１つの流体通路を前記少なくとも１つのベース上に形成するステップと、
   少なくとも１つの流体室を前記少なくとも１つのベース上に形成するステップと、
   流体アクチュエータ装置を前記少なくとも１つのベースに接続するステップと、
   開口プレートを前記少なくとも１つのベースに接続するステップと、
   制御チップを前記少なくとも１つのベースに接続するステップとを備え、
   前記電気的トレース、流体通路、流体室、流体アクチュエータ装置、開口プレート、および、制御チップが、プリント回路基板処理技術を用いて、前記プリント回路基板の少なくとも１つのベースに形成または接続される、
   方法。

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