微观流体器件和超声波焊接过程制造技术

一种压电陶瓷喷墨打印头由一个超声波粘接过程制成。喷墨打印头的几个改进特征包括一种使用超声波焊接技术的更成本有效的粘接过程、一种改进的压电陶瓷结构元件图案、及改进的打印头压电电气触点。这里也公开了一种用来接合金属物体的超声波焊接过程。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术提供一种通过一种超声波焊接过程制造的压电陶瓷喷墨打印头。更具体地说，本专利技术提供几种喷墨打印头的改进特征，包括一种使用超声波焊接技术的较成本有效的焊接过程、一种改进的压电陶瓷晶体图案及改进的打印头压电电气触点。而且，本专利技术提供一种用超声波能量接合金属物体的超声波焊接过程。接合金属板一般通过熔焊或钎焊过程进行。然而，这种过程改变物体的表面特征，或者提供能漏出和影响形成物体的过多粘接材料。因此，在先有技术中需要提供一种用来以高精度方式接合金属，特别是金属板，而不泄漏粘合材料或改变表面特性的更好过程。在先有技术中需要改进这种焊接过程，特别是在喷墨打印头的装配中。进行如下本专利技术以满足这种需要。喷墨打印是一种非接触点阵打印技术，其中墨滴从一个小孔径直接向介质上的一个规定位置喷射以生成图象。借助于其把液流打散成液滴的机理导致Mingograph的提出，用于模拟电压信号的最初商业喷墨图表记录器之一。在二十世纪六十年代早期，Stanford的Sweet证明，通过把一个压力波施加到一个喷嘴，能把墨流打散成均匀尺寸和间隔的液滴。当控制液滴打断机构时，能选择性地和可靠地把电荷加到液滴上，因为他们由连续墨流形成。充电的液滴当通过一个电场时，偏转到一个用于再循环的沟槽，而那些未充电的液滴能直接飞到介质上以形成一个图象。该过程称作连续喷墨。直到二十世纪七十年代，提出了IBM 4640喷墨打印机作为一种文字处理打印机。喷墨系统，并且特别是液滴按需喷墨系统，在先有技术中是熟知的。在冲击喷墨背后的原理是墨在墨室中的位移和从墨室通过喷嘴的墨滴的以后喷射。一种驱动器机构用来移动墨室中的黑。驱动器机构典型地包括一个常常称作换能器的致动器，如一种粘接到一个薄隔膜上的压电材料。当把一个电压施加到致动器上时，它试图改变其平面尺寸，但因为它牢固和刚性地固定到隔膜上，所以弯曲发生。这种弯曲移动在墨室中的墨，引起墨经一个进口从墨源向墨室和经一个出口和通路向一个喷嘴流动。一般地，希望采用一种允许多个喷嘴定位在一个密集集合阵列中的几何形状。然而，墨室的排列和墨室对有关喷嘴的联接不是一项简单的任务，特别是在追求紧凑的喷墨打印头时。有效排出墨滴要求致动器的较大尺寸是限制喷墨阵列打印头的集合密度的一个主要问题。用来增大喷墨阵列集合密度的其他设备和方法采用电致伸缩材料作为致动器。具体地说，美国专利5,087,930描述了一种带有一个紧密间隔喷嘴阵列的紧凑喷墨打印头，这些喷嘴从密集集合墨压力室经由偏移室供给。引导到压力室和偏移室的墨供给进口设计成向阵列的喷墨喷嘴提供均匀的操作特性。为了提高压力室的集合密度，引导到压力室和偏移室的墨供给通道定位在压力室与喷嘴之间的平面中。喷墨打印头由多块板组装，特征在于除一块喷嘴限定板之外都通过光摹制和蚀刻过程形成而不需要机加工或其他金属加工。压力室由采用诸如锆钛酸铅(“PZT”)之类的压电陶瓷的喷墨致动器驱动。要求来自PZT致动器的预定机械位移量，以从压力室移动墨并且从喷嘴出去。位移是几个因素的函数，包括PZT致动器尺寸、形状及机械活性值；隔膜尺寸；材料；厚度；及在致动器与隔膜之间的结合边界条件。把PZT永久地极化以实现机械活性，这种活性取决于极化值以及材料性质。为了极化PZT，施加一个电场，从而在PZT中的磁畴定向成与电场对齐。作为电场强度的函数的极化量是非线性的，并且具有一个饱和值。当除去极化电场时，PZT磁畴保持对齐，导致称作剩余极化的净极化。PZT磁畴的对齐引起材料的尺寸变化。一个电场的以后施加引起关于施加电场强度线性的尺寸变化。不幸的是，PZT具有随时间能减小其机械活性的多种性质。例如，在与初始剩余极化相反的方向上施加一个电场能引起极化量的减小。同样，在与极化相反的方向上施加电场的循环变化能积累和连续地降低极化。PZT具有一种性质，称作居里点，一个在其下在材料中的剩余极化成为零的温度。因为PZT材料不完全均匀，所以有一个在其上丢失一些但不是所有极化的温度范围。极化损失不是瞬时的，由此定义一个不应该超过的时间-温度值。PZT致动器具有各种形状，包括盘和矩形块。极化保证PZT材料是各向异性的，从而对于每种形状定义几个“d”系数，其中每个“d”系数使一种具体尺寸变化与极化的一个具体方向和施加场相关。对于一种典型的盘形致动器，一个普遍采用的“d”系数是“d.sub.-”系数，这是当在极化方向上施加电场时垂直于极化方向的应变的度量。应变显然作为致动器中的径向收缩，因为d.sub.31是负的。一个高的d.sub.31值指示高的机械活性，并且是希望的以便制成具有高集合密度的有效喷墨阵列。d.sub.31值的稳定性必须在一个延伸时间段上保持恒定的喷墨性能。在打印头制造期间保持PZT致动器极化由于如下原因是困难的。如果在盘极化之前把盘粘接到一个隔膜上，则当盘极化时，引入显著的永久应变。永久应变可能大得虽以使盘断裂，损坏致动器结构。因此，必须在粘接之前极化盘，这因为上述的居里点问题，严重限制在粘接期间允许的时间和温度，由此限制对于诸如有机粘合剂之类的材料的粘接。这样的粘合剂在升高温度下随时间变坏。相变喷墨打印要求升高温度以对于来自打印头的喷射熔化固态墨。相变喷墨性能因此能随时间变化，因为粘合剂变坏。必须也限制电场强度以在一个延长时间段上保持PZT材料“d”系数。不幸的是，限制电场强度限制可从致动器得到的机械活性。因此，在先有技术中需要降低喷墨打印头组件的成本和当用粘合剂组装时提供较大的耐久性。在一种压电陶瓷喷墨方法中，压电陶瓷材料的变形引起在压力室中的墨体积变化，以产生向喷嘴传播的压力波。这种声学压力波克服在小喷嘴中的粘滞压力损失和来自墨月形面的表面张力，从而墨滴能开始在喷嘴处形成。当形成墨滴时，压力必须足以向记录介质排出液滴。一般地，压电驱动器的变形是在次微米的量级上。为了对于液滴形成具有大得足够的墨体积，压电驱动器的物理尺寸常常比墨孔口大。因而，在先有技术中一直需要小型化压电陶瓷喷墨打印头。Tektronix 352喷嘴和Sharp 48喷嘴打印头用全部的不锈钢喷射叠层制成。这些喷射叠层由以非常高温度粘接或铜焊在一起的多块光化学加工不锈钢板组成。具体地说，Tektronix叠层在非常高的温度下用金粘接，而Sharp叠层在非常高的温度下用金属间镍接合粘接。金属间接合为了设计性能一致性和气密密封要求均匀的厚度，以防止墨向外部或在两个相邻墨通道之间泄漏。焊料(热和通量的问题)和环氧树脂也能用来构造打印头。鉴于增大喷嘴数量、减小其物理尺寸、及喷射多种不同流体的趋势，在先有技术中需要改进在打印头的金属叠层之间的粘接完整性，以便鉴于多种墨成分改进稳定性。使本专利技术部分满足这种需要。本专利技术提供一种用于超声波焊接金属表面区域的过程，该过程包括步骤(a)化学蚀刻要粘接的金属表面区域的粘接表面；(b)把一个均匀粘接材料涂层涂敷到要粘接的金属表面区域上，其中粘接材料包括一种金属成分，该成分包括锡(Sn)或锡合金和可选择地从由镍(Ni)、金(Au)、银(Ag)、钯(Pd)、铂(Pt)、铟(In)、锌(Zn)、铋(Bi)及其组合组成的组选择的另一种金属；(c)把金属表面组装成适当的；(d)把组装金属叠层加热到在粘接材料熔化温度下面从约2℃本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于金属表面的超声波焊接的过程，包括： 把一个粘接材料涂层涂覆到要粘接的金属表面上，粘接材料包括一个包括锡（Ｓｎ）或锡合金的金属成分； 组装金属表面以形成一个组装金属叠层，其中涂有粘接材料的面对金属表面形成一个粘接材料界面； 把组装金属叠层加热到一个软化但在粘接材料界面处的粘接材料的熔化温度下的温度；及 在一个粘接压力下并且在一个超声振动频率下施加一个超声波力这样一段时间，该时间足以使在粘接材料界面处的粘接材料湿润，并由此在超声波力不存在时加速金属表面的粘接的完成。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：胡P勒，侯P勒，萨恩P勒，林B特兰，
申请(专利权)人：皮科杰特公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]