JP4844255B2 - 超音波溶着方法および液状体吐出ヘッドの製造方法、並びに超音波溶着装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波溶着方法および超音波溶着装置、並びに、インクジェット式記録装置、ディスプレイ製造装置、電極形成装置、バイオチップ製造装置などの液状体吐出装置、液状体吐出装置に搭載される液状体吐出ヘッドとその製造方法に関する。

近年、液状体を吐出する微小なノズルを有する液状体吐出ヘッドが、印刷や工業用途に広く利用されるようになってきている。例えば、特許文献１に掲げる液状体吐出ヘッドは、外部からインク（液状体）の供給を受けるための樹脂製のインク供給針（液状体導入部材）を備えており、このインク供給針は、超音波溶着（融着）によってケース（基体）に接合されている。

超音波溶着は、部材の接合において広く用いられる手法であり、具体的には、接合したい部材どうしを当接させた状態で一方の部材に超音波振動を与え、その当接部に摩擦熱を発生させて溶着を行うものである（例えば特許文献２）。

特開２０００−２１１１３０号公報 特開平４−２３５０２４号公報

ところで、特に工業用途に用いる液状体吐出ヘッドにおいては、多様な物性の液状体に対応するため、化学的安定性に優れた材料を用いて液状体導入部材やケースを形成する必要がある。この要件を満たす材料としては結晶性樹脂が有力であるが、この材料は一般的に溶融温度が高く、これを液状導入部材およびケースに採用した場合には溶着が困難となる。このため、接合部における溶着性（接合強度やシール性）に関して、十分な信頼性を得ることができないという課題がある。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、良好に溶着を行うことができる超音波溶着方法および超音波溶着装置、当該超音波溶着方法を利用した液状体吐出ヘッドの製造方法、並びに、信頼性に優れた液状体吐出ヘッドおよび液状体吐出装置を提供することを目的としている。

本発明は、第１部材と第２部材とを接合するための超音波溶着方法であって、前記第１部材と前記第２部材とを互いに当接させるＡ工程と、前記第１部材と前記第２部材とをその当接部において互いに摺動させつつ、前記第１部材に超音波振動を与えるＢ工程と、を有することを特徴とする。

この発明の超音波溶着方法によれば、第１部材と第２部材とが当接部において互いに摺動しながら溶融化されるので、当該当接部の平滑性にムラがあったとしても摺動によりこのようなムラの影響が緩和され、良好に溶着を行うことができる。

また好ましくは、前記超音波溶着方法において、前記Ｂ工程は、前記第２部材を回転させて行うことを特徴とする。
この発明の超音波溶着方法によれば、超音波振動を与える第１部材を固定させた状態のまま、工程や工程に係る装置を複雑化させることなく上記の超音波溶着方法を実施することができる。

また好ましくは、超音波振動の共振体であるホーンを前記第１部材に押し当てて前記Ｂ工程を行う前記超音波溶着方法において、前記ホーンを前記第１部材に係合させて、前記Ｂ工程を行うことを特徴とする。
この発明の超音波溶着方法によれば、第１部材と第２部材とを当接部において摺動させる際に、ホーンと第１部材との横滑りが抑えられる。

本発明の超音波溶着装置は、超音波振動の共振体であるホーンと、前記ホーンに対向するステージと、前記超音波振動の発生時において、前記ステージを前記ホーンに対して相対的に回転させる回転駆動手段と、を備えることを特徴とする。

この発明の超音波溶着装置によれば、ステージ上に載置する一の部材とホーンを押し当てる他の部材とを相対的に回転させつつ、超音波溶着を行うことができる。これにより、両部材がその当接部において互いに摺動しながら溶融化されるので、当該当接部の平滑性にムラがあったとしても摺動によりこのようなムラの影響が緩和され、良好に溶着を行うことができる。

また好ましくは、前記超音波溶着装置において、前記ホーンを超音波溶着に係る部材に係合させるための係合手段を備えることを特徴とする。
この発明の超音波溶着装置によれば、上記一の部材と上記他の部材とを相対的に回転させる際に、ホーンと上記他の部材との横滑りが係合手段によって抑えられる。

本発明は、液状体の供給流路が形成された基体と、前記供給流路に前記液状体を導入するための液状体導入部材とを備える液状体吐出ヘッドの製造方法であって、前記液状体導入部材を前記第１部材、前記基体を前記第２部材として、前記超音波溶着方法を用いて前記液状体導入部材と前記基体とを接合する工程を有することを特徴とする。

この発明の液状体吐出ヘッドの製造方法によれば、上記超音波溶着方法を用いて液状体導入部材と基体との接合を行っているので、液状体導入部材と基体とが良好に溶着された信頼性に優れた液状体吐出ヘッドを提供することができる。

本発明の液状体吐出ヘッドは、液状体の供給流路が形成された基体と、前記供給流路に前記液状体を導入するための液状体導入部材と、前記基体と前記液状体導入部材との接合部に介在する中間部材であって、当該基体と当該液状体導入部材とが互いに摺動しつつ溶融化されてなる中間部材と、を備えることを特徴とする。

この発明の液状体吐出ヘッドは、基体と液状体導入部材とが互いに摺動しつつ溶融化されてなる中間部材を介して、基体と液状体導入部材との接合（溶着）がなされている。このため、接合部における各部材の平滑性にムラがあったとしても、このようなムラの影響を緩和するように良好な溶着がなされており、信頼性に優れている。

本発明の液状体吐出ヘッドは、液状体の供給流路が形成された基体と、前記供給流路に前記液状体を導入するための液状体導入部材と、前記液状体導入部材の一端に形成されたフランジ部であって、一面側において前記基体と溶着により接合されているフランジ部と、前記フランジ部の他面側に設けられた係合手段と、を備えることを特徴とする。

この発明の液状体吐出ヘッドは、フランジ部の他面側に超音波振動を与えるためのホーンを係合させた状態で、フランジ部の一面側を基体に対して互いに摺動させつつ超音波溶着されて製造されている。このため、接合部における各部材の平滑性にムラがあったとしても、このようなムラの影響を緩和するように良好な溶着がなされており、信頼性に優れている。

また好ましくは、前記液状体吐出ヘッドにおいて、前記液状体導入部材および前記基体が、結晶性樹脂で形成されていることを特徴とする。
この発明の液状体ヘッドは、結晶性樹脂の優れた化学的安定性によって多様な液状体に対応できると共に、接合部の溶着性に関して優れた信頼性を有している。

本発明の液状体吐出装置は、前記液状体吐出ヘッドを搭載することを特徴とする。
この発明の液状体吐出装置は、上記液状体吐出ヘッドを搭載しているので、信頼性に優れている。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
なお、以下に述べる実施の形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの形態に限られるものではない。また、以下の説明で参照する図では、図示の便宜上、部材ないし部分の縦横の縮尺を実際のものとは異なるように表す場合がある。

（液状体吐出装置の全体構成について）
まずは、図１を参照して液状体吐出装置の構成について説明する。
図１は、液状体吐出装置の全体構成を示す図である。

図１において、液状体吐出装置１００は、基板１０１を載置するためのステージ１０２と、基板１０１に対向するキャリッジ１０３と、キャリッジ１０３に液状体を供給する液状体供給機構１０６と、吐出制御回路１０７とを備えている。ステージ１０２は、主走査機構１０４によりキャリッジ１０３に対して図の左右方向に往復動（主走査）され、また、キャリッジ１０３は、副走査機構１０５により主走査に直交する方向に移動（副走査）される。主走査機構１０４、副走査機構１０５、吐出制御回路１０７は、制御コンピュータ１０８により統括制御される。

液状体供給機構１０６は、例えば、複数種の液状体を収容する容器と、容器から液状体を移送する移送管と、液状体の供給圧を一定の下に制御する圧力制御ユニットを備えている。使用される液状体としては、水や有機溶媒等の液体、およびこれらの溶液のほか、液体中に固体微粒子を分散させたものなどを採用することもできる。

キャリッジ１０３は、複数の液状体吐出ヘッド１０（図２参照）を備えており、吐出制御回路１０７からの電気信号を受けて、ノズル２０（図２参照）から基板１０１に対して液状体を吐出する。詳しくは、後述する。

液状体吐出装置１００は、基板１０１の任意の位置に対してキャリッジ１０３から液状体を吐出することで、液状体を基板１０１上にパターン化して配置（描画）することができる。そして、配置した液状体を乾燥等により固化して、パターン化された様々な機能性膜を形成することができる。

（液状体吐出ヘッドの構成について）
次に、図２、図３を参照して液状体吐出ヘッドの構成について説明する。
図２は、液状体吐出ヘッドの全体構成を示す図である。図３は、液状体導入部材の周辺構造を示す断面図である。

液状体吐出ヘッド１０は、液状体供給機構１０６（図１参照）から液状体を導入するケースアセンブリ１４と、液状体を吐出する吐出アセンブリ１５と、吐出制御回路１０７（図１参照）とフレキシブル配線基板１１０を介して電気的に接続される回路基板１６とを備えている。ケースアセンブリ１４は、内部に供給流路３３を有する基体としてのケース３０と、液状体供給機構１０６からの導出管１０９と結合する液状体導入部材４０とを備えている。尚、本実施形態のケースアセンブリ１４は、同じ構造の二つの液状体導入部材４０が取り付けられた構成となっている。

液状体導入部材４０は、尖端部４１に導入孔４２を、内部に導入流路４６を有する中空針状の部材であり、尖端部４１の反対側は裾を広げたフランジ部４３となっている。液状体導入部材４０は、フランジ部４３においてケース３０と超音波溶着により接合されている。

ケース３０は、フランジ部４３の外周における外周面４３ａを規定するガイド部３１と、ガイド部３１の内側においてフランジ部４３の下面を受けるフランジ取付部３２を備えている。導入孔４２を通じて導入された液状体は、導入流路４６、フィルタ５０、供給流路３３を通じて吐出アセンブリ１５に供給される。

フィルタ５０は、金属線をメッシュ状に編みこんでなる部材であり、供給流路３３の連通口の形成面に溶着されている。フィルタ５０は、導入流路４６から供給流路３３へと供給される液状体に含まれる異物等をトラップする役割を果たすものである。尚、導入流路４６および供給流路３３のフィルタ５０側が拡幅されているのは、フィルタ５０の有効面積を大きくして通過に係るインクの流動抵抗（損失水頭）を低減するための配慮である。

液状体導入部材４０およびケース３０には、化学的安定性に優れた結晶性樹脂、本実施形態では、ＰＰＳ（PolyPhenylene-Sulfide）が用いられている。これは、工業用途に用いられる様々な化学的性質の液状体によっても侵食されないようにするための配慮である。また、上述の結晶性樹脂にガラス素材などの別材料を混入させて用いることで、強度や化学的な耐性を補強することも可能である。

ＰＰＳ等の結晶性樹脂は、一般的に非結晶性の樹脂に比べて溶融温度が高く、成型時や溶着時の扱いが比較的困難である。このため本実施形態では、金型温度：１５０℃、樹脂温度：３００℃という比較的高温の下で液状体導入部材４０やケース３０の成型を行っている。また、液状体導入部材４０とケース３０との溶着においては、後述するような工夫がなされている。

吐出アセンブリ１５は、一面に所定の配列で形成されたノズル２０と、ノズル２０の個々と連通するキャビティ２２と、対応する液状体種ごとにキャビティ２２に液状体を供給するリザーバ２３を備えている。キャビティ２２の天蓋部２４は可撓性膜２５により移動可能となっており、天蓋部２４と接合された圧電素子２６の駆動により、液状体がノズル２０から吐出される。尚、圧電素子２６の駆動制御は、フレキシブル配線基板１１０を介して伝送される電気信号により、ノズル２０ごとに行われる。

フランジ部４３とフランジ取付部３２との重なり領域である接合部５２において、フランジ部４３の一面側（下面側）には、超音波溶着（詳しくは後述する）の際にその作用部となる溶着突起４４（図３では、溶着により先端が潰された状態）が形成されている。溶着突起４４は、フランジ部４３の外周面４３ａに沿ってループを描くように形成されており、接合前においては仮想線で示すような断面三角形型の形状を有していたものである。また、フランジ部４３の他面側（上面側）には、超音波溶着の際にホーン２０２（図４参照）を係合させるための係合手段としての係合孔４７が形成されている。

接合部５２において、フランジ部４３（液状体導入部材４０）とフランジ取付部３２（ケース３０）との間には中間部材としての溶融樹脂５１が介在している。この溶融樹脂５１は、超音波溶着によってフランジ部４３（液状体導入部材４０）とフランジ取付部３２（ケース３０）の一部が溶融して形成されたものであり、両部材を接合すると共に導入流路４６と供給流路３３との接続部をシールする役割も果たしている。

（超音波溶着装置の構成について）
次に、図４を参照して超音波溶着装置の構成について説明する。
図４は、超音波溶着装置の要部構成を示す図である。

図４に示す超音波溶着装置２００は、先に説明した液状体吐出ヘッド１０（図２参照）のケースアセンブリ１４の組み立てにおいて、ケース３０と液状体導入部材４０とを超音波溶着により接合する際に用いられるものである。この超音波溶着装置２００は、振動子２０１、ホーン２０２を有する超音波発生モジュール２０３と、ホーン２０２と対向する円盤状のステージ２０４とを備えている。

ステージ２０４は、図示を省略した筐体により、載置面２０４ａに垂直な中心線を回転軸として回転可能に支持されている。そしてステージ２０４は、その下部に設けられた軸体２０５、駆動ギヤ２０６、サーボモータ２０７によって、制御部２０８の制御の下で回転駆動されるようになっている。すなわち、軸体２０５、駆動ギヤ２０６、サーボモータ２０７、制御部２０８は、本発明の回転駆動手段を構成している。

ステージ２０４の載置面２０４ａには、ケース３０を位置決め状態で固定するための４つの位置決めピン２０９が、ケース３０の下面側に形成された位置決め孔（図示せず）に対応するように設けられている。尚、位置決めピン２０９の載置面２０４ａにおける設置位置は、溶着前のケースアセンブリ１４が載置面２０４ａ上に載置された場合に、一方の液状体導入部材４０（ケースアセンブリ１４の向きを１８０度反転させて載置した場合には他方の液状体導入部材４０）の中心線がステージ２０４の中心線にほぼ一致するようにされている。

ホーン２０２は、制御部２０８の制御の下で発生させた超音波振動の共振体となっており、ステージ２０４上のケースアセンブリ１４の液状体導入部材４０に超音波振動を伝える役割を果たすものである。ホーン２０２の一端は、液状体導入部材４０のフランジ部４３に対応する径で円筒形状に形成されており、その中心線とステージ２０４および液状体導入部材４０の各中心線とがほぼ一致するような位置関係とされている。

超音波発生モジュール２０３は、図示を省略したリードスクリュー機構によって図の上下方向に移動可能となっており、ケースアセンブリ１４がステージ２０４上に載置された状態において、ホーン２０２の端面２０２ａをフランジ部４３の上面に押し当てることができる。また、ホーン２０２の端面２０２ａには、係合手段としての一対の係合突起２０２ｂがフランジ部４３の一対の係合孔４７に対応して形成されており、液状体導入部材４０の中心線方向の回転位置を正しく合わせることで、ホーン２０２と液状体導入部材４０とを係合させることができる。

かくして、超音波溶着装置２００は、制御部２０８の制御の下、ステージ２０４を回転させつつホーン２０２を介してフランジ部４３に適切な押圧力および超音波振動を与えることができる。この工程において、ホーン２０２に係合された液状体導入部材４０とステージ２０４上に固定されたケース３０とは、その当接部（接合部）において互いに摺動しながら溶融化される。尚、詳細な説明は後ほど行う。

（液状体吐出ヘッドの製造方法について）
次に、図２、図４、図５、図６、図７、図８を参照して液状体吐出ヘッドの製造方法（超音波溶着方法）について説明する。
図５は、ケースアセンブリの組み立て過程を示す斜視図である。図６は、ケースアセンブリの組み立て過程を示す部分断面図である。図７は、ケースアセンブリの組み立て工程を示すフローチャートである。図８は、超音波溶着の過程におけるステージの回転速度と超音波振動の発生タイミングとの関係を示す図である。

図２に示す液状体吐出ヘッド１０は、それぞれ別々に組み立てたケースアセンブリ１４と吐出アセンブリ１５と回路基板１６とを集合させることで製造される。以下では、ケースアセンブリ１４の組み立てについて、詳細に説明を行う。

まず、図５に示すように、ケース３０における供給流路３３の連通口形成面３４にフィルタ５０を超音波溶着等により取り付け（図７の工程Ｓ１）、さらに、ガイド部３１によりフランジ部４３の外周面４３ａをガイドしつつ、液状体導入部材４０のフランジ部４３をケース３０のフランジ取付部３２上に配置する（図７のＡ工程Ｓ２）。この際、液状体導入部材４０における中心線方向の回転位置は、フランジ部４３に形成された係合孔４７の位置とケース３０のガイド部３１の上面に設けられたマーク（図示せず）とが一致するように合わせられる。

次の工程では、第１部材としての液状体導入部材４０を取り付けた第２部材としてのケース３０を、図４に示す超音波溶着装置２００のステージ２０４上に載置する（図７の工程Ｓ３）。この際、ステージ２０４の回転位置は所定の原点位置に合わせられており、また先の工程Ｓ２において液状体導入部材４０の回転位置がケース３０を基準として合わせられていることから、液状体導入部材４０の係合孔４７は、ホーン２０２の係合突起２０２ｂと嵌合可能な位置に規定される。

そして、超音波発生モジュール２０３を降下させて、フランジ部４３の上面にホーン２０２を押し当てる。これにより、液状体導入部材４０とホーン２０２とは、係合孔４７と係合突起２０２ｂとの嵌合によって係合された状態となる（図６参照）。このように液状体導入部材４０とホーン２０２とを係合させるのは、次の工程（図７のＢ工程Ｓ４）でステージ２０４を回転させた際に、ホーン２０２とフランジ部４３との間で横滑りが生じ、液状体導入部材４０がケース３０と共に回転してしまうのを確実に防ぐためである。

次に、ステージ２０４の回転駆動により、図６に示すように、フランジ取付部３２をフランジ部４３の溶着突起４４に当接させた状態で中心線まわりの回転方向に摺動（回転摺動）させつつ、ホーン２０２からフランジ部４３に超音波振動を与える（図７のＢ工程Ｓ４）。これにより溶着突起４４とフランジ取付部３２との当接部において摩擦熱が発生し、接合部５２に溶融樹脂５１（図３参照）が生成される。

この工程Ｓ４においては、液状体導入部材４０（フランジ部４３）とケース３０（フランジ取付部３２）とは、その当接部において互いに摺動しながら溶融化される。このため、溶着突起４４やフランジ取付部３２の当接面の平滑性にムラがあったとしても、摺動によりこのようなムラの影響が緩和され、接合部５２の全体にわたってムラなく溶着を行うことができる。かくして、かかる工程を経て製造された液状体吐出ヘッド１０（図３参照）は、溶着部における接合強度、シール性に関して優れた信頼性を有している。

上記工程Ｓ４において、ステージ２０４の回転駆動や超音波発生モジュール２０３の超音波振動の発生に係る制御は、制御部２０８の下で統括して行われ、このとき、ステージ２０４の回転速度と超音波振動の発生タイミングとの関係は、図８に示すようになる。すなわち、タイミングＴ１において超音波振動の発生と同時にステージ２０４の回転加速を行い、タイミングＴ２においてステージ２０４の回転が停止した後、タイミングＴ３まで予備的に超音波振動を発生させるようになっている。

このように、ステージ２０４の回転駆動は、超音波発生モジュール２０３から超音波振動を発生させている間のタイミングにおいて行われる。これは、超音波振動発生前のタイミングでは溶着突起４４とフランジ取付部３２との当接面における摺動摩擦が大きすぎ、また、超音波振動発生後のタイミングでは溶融化した樹脂が固化して両部材が接合されてしまうことに鑑みたものである。尚、本実施形態においては、超音波溶着に要する時間（Ｔ１からＴ３までの時間）は０．５秒であり、この間におけるステージ２０４の回転角度は３０度とされている。

本発明は上述の実施形態に限定されない。
例えば、上述の実施形態ではステージ２０４上に載置したケース３０を回転させて溶着を行う態様となっていたが、ケース３０の固定の下、液状体導入部材４０に係合させたホーン２０２（超音波発生モジュール２０３）を回転させて溶着を行うようにしてもよい。
また、液状体導入部材４０とホーン２０２とを係合させる手段（係合手段）として、液状体導入部材４０のフランジ部４３に凸部を、ホーン２０２の端面２０２ａに対応する凹部を設けるようにしてもよいし、凹凸を組み合わせた形状を両部材に設けるようにしてもよい。
また、本発明の超音波溶着方法は、上述したケースアセンブリの組み立てのほか、溶融可能な材料からなる部材を有する様々なアセンブリの組み立てに用いることができる。
また、実施形態の各構成はこれらを適宜組み合わせたり、省略したり、図示しない他の構成と組み合わせたりすることができる。

液状体吐出装置の全体構成を示す図。 液状体吐出ヘッドの全体構成を示す図。 液状体導入部材の周辺構造を示す断面図。 超音波溶着装置の要部構成を示す図。 ケースアセンブリの組み立て過程を示す斜視図。 ケースアセンブリの組み立て過程を示す部分断面図。 ケースアセンブリの組み立て工程を示すフローチャート。 超音波溶着の過程におけるステージの回転速度と超音波振動の発生タイミングとの関係を示す図。

符号の説明

１０…液状体吐出ヘッド、１４…ケースアセンブリ、３０…基体（第１部材）としてのケース、３１…ガイド部、３２…フランジ取付部、３３…供給流路、４０…第１部材としての液状体導入部材、４３…フランジ部、４４…溶着突起、４６…導入流路、４７…係合手段としての係合孔、５０…フィルタ、５１…中間部材としての溶融樹脂、５２…接合部、１００…液状体吐出装置、２００…超音波溶着装置、２０１…振動子、２０２…ホーン、２０２ａ…ホーンの端面、２０２ｂ…係合手段としての係合突起、２０３…超音波発生モジュール、２０４…ステージ、２０４ａ…載置面、２０５…回転駆動手段を構成する軸体、２０６…回転駆動手段を構成する駆動ギヤ、２０７…回転駆動手段を構成するサーボモータ、２０８…回転駆動手段を構成する制御部、２０９…位置決めピン。

Claims (5)

1. 第１部材と第２部材とを接合するための超音波溶着方法であって、
   前記第１部材と前記第２部材とを互いに当接させるＡ工程と、
   前記第１部材と前記第２部材とをその当接部において互いに摺動させつつ、前記第１部材に超音波振動を与えるＢ工程と、を有し、
   前記Ｂ工程は、前記第２部材を回転させて行うことを特徴とする超音波溶着方法。
2. 超音波振動の共振体であるホーンを前記第１部材に押し当てて前記Ｂ工程を行う請求項１に記載の超音波溶着方法であって、
   前記ホーンを前記第１部材に係合させて、前記Ｂ工程を行うことを特徴とする超音波溶着方法。
3. 液状体の供給流路が形成された基体と、前記供給流路に前記液状体を導入するための液状体導入部材とを備える液状体吐出ヘッドの製造方法であって、
   前記液状体導入部材を前記第１部材、前記基体を前記第２部材として、請求項１または２に記載の超音波溶着方法を用いて前記液状体導入部材と前記基体とを接合する工程を有することを特徴とする液状体吐出ヘッドの製造方法。
4. 超音波振動の共振体であるホーンと、
   前記ホーンに対向するステージと、
   前記超音波振動の発生時において、前記ステージを前記ホーンに対して相対的に回転させる回転駆動手段と、を備える超音波溶着装置。
5. 前記ホーンを超音波溶着に係る部材に係合させるための係合手段を備えることを特徴とする請求項４に記載の超音波溶着装置。

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