JPH1016229A

JPH1016229A - インクジェット記録ヘッド及びその製造方法

Info

Publication number: JPH1016229A
Application number: JP8174721A
Authority: JP
Inventors: Osamu Watanabe; 修渡辺; Takatoshi Minoda; 孝敏蓑田; Kenichiro Kaneko; 健一郎金子
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1996-07-04
Filing date: 1996-07-04
Publication date: 1998-01-20

Abstract

(57)【要約】【課題】ノズルプレートと基板との接着時に、接着剤
のしみ出しあるいは剥離の生じない接着手段により高い
印字品質を維持し得るインクジェット記録ヘッドを提供
することを目的とする。【解決手段】２つ以上の基材を接合することにより構
成されるインクジェット記録ヘッドの、接合すべき基材
の少なくとも一方を高分子樹脂材料で構成し、この高分
子樹脂材料からなる基材と他方の基材とを、熱可塑性ポ
リイミド接着材料で接合する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はインクジェット記録
装置に用いるインクジェット記録ヘッド及びその製造方
法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、プリンタには、印字の高速化、カ
ラー化、低騒音化の要求が高まってきている。インクジ
ェットプリンタはノンインパクト記録方式であるため記
録時の静粛性が図られ、インク滴を飛翔させて用紙上に
画像を形成するため高速記録が可能であり、また、特別
な定着処理なしに普通紙に記録できるために用途分野が
広範囲である。更に、三原色のインクを別々に飛翔させ
ることによりカラー化も容易である。このような機能的
特徴によって、家庭用、オフィス用コンピュータの出力
用プリンタとして広く利用されるようになってきた。

【０００３】インクジェット記録方式の印字機構は大別
して、連続方式、及び、記録信号に応じてインクを飛翔
させるオンデマンド方式があり、現在オンデマンド方式
が主流である。

【０００４】オンデマンド方式は、例えば米国特許第３
４７４１２０号明細書に開示されている。記録ヘッドに
付設されているピエゾ素子に、電気的な記録信号を付加
し、これをピエゾ素子の機械的振動に変え、この機械的
振動によってノズル孔からインク小滴を吐出させて記録
紙に付着させることで記録を行うものである。すなわ
ち、記録信号に対応したインク吐出を行う。この方式は
連続方式のように吐出飛翔する小滴の内、画像の記録に
要さなかった小滴を回収することが不要であるため、シ
ンプルな構造が可能である。反面、記録ヘッドの加工の
困難さや、ピエゾ振動素子の小型化が極めて困難でマル
チノズル化が難しく、ピエゾ素子の機械振動という機械
的エネルギーで小滴の飛翔を行うので高速記録に向かな
い等の欠点を有する。

【０００５】さらに、オンデマンド方式の他の例とし
て、インクを加熱してインク中にバブルを発生させ、そ
の体積変化でインクを飛翔させるバブルジェット方式が
ある。米国特許第３１７９０４２号明細書には、熱エネ
ルギーを利用することが記載されている。この方式は、
機械的振動エネルギーを利用する方式と比較してエネル
ギー変換効率が高く、マルチノズル化が容易であるとい
った特徴がある。

【０００６】次に、交流電流通電による高周波加熱によ
りインクを沸騰させてインクを吐出するタイプのインク
ジェットプリンターの構成を図５に示した。

【０００７】図５は従来のインクジェット記録ヘッドを
示す斜視図であり、図において、１は導電性インク、２
は導電性インク１の噴射口である吐出口、３は吐出口２
を複数有するノズルプレート、４は基板、５ａ，５ｂは
導電性インク１に接するように配置された一対の対向電
極、６は絶縁部材、７′は接着剤、８は導電性インクで
満たされたインク沸騰室、９は上記一対の電極に電圧を
印加する際の駆動制御装置である。

【０００８】以上のように構成されたインクジェットプ
リンターについてその動作原理を以下に説明する。駆動
制御装置９をＯＮにすることにより、一対の電極５ａ，
５ｂ間に高周波電圧が印加され、インク中に存在する電
解質が振動運動を行いジュール熱の発生と共にインクの
沸騰に到る。このインクの沸騰により気泡が発生し、体
積の急激な膨張によりインク液滴１１を吐出口２から押
し出す。インク液滴１１は記録用紙１０に飛翔して１ド
ットの印字を形成する。基板４上には複数のインク滴を
吐出することが可能となるように対向電極、吐出口、イ
ンク沸騰室が複数設けられ、駆動制御装置９により複数
の吐出口より選択的にインク液滴が吐出され、記録用紙
１０に所望の文字を形成できるようにしている。この
後、駆動制御装置９をＯＦＦにすることにより、一対の
電極５ａ，５ｂ間の高周波電圧は除かれてインクは急激
に冷却され、気泡は消滅し、初期の状態に戻る。

【０００９】このようなインクジェットプリンターにお
いては、インクを吐出するノズルプレート３と絶縁部材
６を含む基板４との固着には、接着・融着・拡散溶接な
どが用いられるが、インク吐出口および流路は微小径で
あるため、固着時に接着剤による目詰まりを生じ易い。

【００１０】

【本発明が解決しようとする課題】ところで、上記の従
来の技術は、次のような問題を有していた。

【００１１】以下、図６、図７を用いて接着状態につい
ての種々の問題点を説明する。図６及び図７はノズルプ
レートと基板の接着状態を示す説明図であり、図６
（ａ），（ｂ）はそれぞれノズルプレートおよび基板を
示し、図６（ｃ）はその断面で接着前の状態を示し、図
７（ａ）〜（ｃ）は接着した後の種々の接着状態を示し
ている。

【００１２】図７（ａ）に示すようにノズルプレート３
は基板４に完全に接着され、さらに接着剤が吐出口２や
流路の中へしみ出さないことが重要である。図７（ｃ）
に示すように接着が不完全で部分的な浮きがあると、イ
ンク滴を吐出させるエネルギーが分散されるため、イン
ク滴の飛翔速度が不均一かつ吐出方向が安定しない。ま
た、特にインクに電流を通電するタイプでは電流のリー
クが発生し、本来インクへ通電するべき電流が流れない
ため、安定した沸騰気泡が形成されない。さらに図７
（ｂ）に示すように、接着剤が吐出口２や流路の中へし
み出すと、インクの流動が阻害され吐出応答性が悪くな
る。

【００１３】本発明は上記問題点を解決するものであ
り、その目的とするところは、ノズルプレートと基板と
の接着時に、接着剤のしみ出しあるいは剥離の生じない
接着手段を提供し、それにより高い印字品質を維持し得
るインクジェット記録ヘッドを提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、インクジェット記録装置に用いるインク
ジェット記録ヘッドにおいて、少なくとも２つの接合す
べき基材の一方は高分子樹脂材料で構成され、この高分
子樹脂材料からなる基板と他方の基材とが熱可塑性ポリ
イミド接着材料で接合されていることを特徴とする。

【００１５】これによって、ノズルプレートと基板との
接着時にインク吐出口および流路への接着剤のしみ出し
が解消され、接着面全面が浮き無く完全に接着されるよ
うになる。また、長期的に良好な印字品質を維持し得る
インクジェット記録ヘッドが得られる。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１に記載の発明
は、少なくとも２つ以上の基材を接合することにより構
成されたインクジェット記録ヘッドであって、前記接合
すべき基材の少なくとも一方が高分子樹脂材料で構成さ
れ、前記高分子樹脂材料からなる基材と他方の基材とが
熱可塑性ポリイミド接着材料で接合されているものであ
り、インク吐出口および流路へ接着剤がしみ出す問題も
なく、ノズルプレートと基板との接着力が向上する。

【００１７】請求項２に記載の発明は、高分子樹脂材料
としてポリイミドを用いたものであり、ベースポリイミ
ドの表面を熱可塑性ポリイミドに変成させ、その変成部
分を接着材料として使用するので、ベースポリイミドと
の接着界面は同種の分子間力で保持されるという作用を
有する。

【００１８】請求項３に記載の発明は、高分子樹脂材料
がポリイミドであり、ベースポリイミドの表面を熱可塑
性ポリイミドに変成させ、前記高分子樹脂材料にインク
滴を吐出するための吐出口と吐出口へインクを供給する
ための流路を形成したものであり、接着剤部分にダメー
ジを与えることなくノズルプレート加工ができるという
作用を有する。

【００１９】請求項５に記載の発明は、インクジェット
記録装置に用いるインクジェット記録ヘッドの製造方法
であって、少なくとも２つの接合すべき基材の一方が高
分子樹脂材料で構成され、前記高分子樹脂材料からなる
基材と他の基材との接合面に熱可塑性ポリイミドが設け
られ、これら２つの基材を組み合わせた状態で加熱加圧
接合する接着工程を含むことを特徴とし、接着剤の量の
制御が行いやすいこと、２つの基材を一体化する際に、
基材の位置合わせが行いやすいという作用を有する。

【００２０】以下、本発明の実施の形態について図面を
参照しながら説明する。図１は本発明の実施の形態にお
けるインクジェット記録ヘッドの縦断面図であり、図２
は図１のインクジェット記録ヘッドの要部拡大斜視図で
あり、複数の吐出口が同一基板上に形成されたインク吐
出装置を示す。

【００２１】図１，２において、１は導電性インク、２
は導電性インク１の噴射口である吐出口、３は吐出口２
を複数有するノズルプレート、４は基板、５ａ及び５ｂ
は同一の形状を有し、導電性インク１に接するように配
置された一対の対向電極、６は基板４と対向電極５ａ，
５ｂ間に設けられた絶縁部材、７はポリイミドからなる
ノズルプレートの表面が熱可塑性ポリイミドに変成され
た熱可塑性ポリイミド接着剤、８はノズルプレート３、
基板４及び絶縁部材６によって構成されたインク沸騰
室、９は対向電極５ａ，５ｂに電圧を印加する駆動制御
装置、１０は印字が行われる記録用紙である。

【００２２】次いで、上記インクジェット記録ヘッドに
おける吐出口２からインク液滴を噴射する動作について
説明する。

【００２３】図１及び図２に示すように、導電性インク
１の充満したインク沸騰室８内部において、基板４に設
けられた一対の対向電極５ａ，５ｂに、駆動制御装置９
から電圧（本実施形態では１０〜３０Ｖ）が印加される
と、ある抵抗率（本実施形態では２０〜５０Ω・ｃｍ）
を有する導電性インク１を介して、対向電極５ａと５ｂ
の間に電気力線が発生する。この電気力線に沿って電流
が流れ、Ｉ×Ｒ（Ｉ：電流値、Ｒ：インクの抵抗値）で
表せる電流のジュール損失によって、電気力線の電流集
中部における導電性インク１が自己発熱して１０〜２０
μｓ後についには沸騰が始まり、バブルが発生する。発
生したバブルが膨張することによって、インク沸騰室８
内の導電性インク１の圧力が急激に高まり、この圧力を
開放しようとする力によって導電性インク１は吐出口２
からインク液滴１１となって噴射され、記録用紙１０に
付着してドットを形成する。実際には駆動制御装置９に
より複数の吐出口２より選択的にインク液滴１１が吐出
され記録用紙１０に所望の文字を形成できるようにして
いる。

【００２４】本発明は、インクジェット記録ヘッド用ノ
ズルにおいて、ノズルプレート３と基板４との接着方法
に関するものであり、続いて、接着する基板４とノズル
プレート３について図１及び図３を用いて詳細に説明す
る。ここで図３は、本発明の実施の形態におけるインク
ジェット記録ヘッドを示す平面図である。

【００２５】本実施の形態では、基板４としてガラス基
板を用い、この基板上にスパッタ法によりチタンからな
る導電性の金属膜を形成した。スパッタの条件として
は、アルゴンガスを導入したときの真空装置内の圧力、
スパッタ成膜時の基板温度、カソードのターゲットにか
ける電力パワー等をパラメーターとして選び、インクジ
ェット記録用ヘッドの電極として最適な特性を持つため
の最適条件を選択した。次に、フォトリソグラフィの手
法によりこの金属膜上でリード部、対向電極５ａ，５ｂ
の各々をパターン形成した。具体的には、スパッタ成膜
したチタン膜の上にフォトレジスト（感光性樹脂）を塗
布し、予め準備されたリード部、電極部の形状をくり抜
いたフォトマスク（クロム板）をその上に重ね、紫外線
により露光する。リード部、対向電極５ａ，５ｂ以外の
露光した感光性樹脂をアルカリ現像液により除去する。
更に、これをチタンを溶解する溶剤によりケミカルエッ
チングし、リード部、対向電極５ａ，５ｂ以外のチタン
を全て除去する。

【００２６】次に、この上を絶縁性の樹脂により被膜
し、対向電極５ａ，５ｂおよびその近辺以外に絶縁膜６
を形成する。本実施の形態では、対向電極５ａ，５ｂの
厚みは２μｍ、絶縁膜６の厚みは２μｍ、ポリイミドか
らなるノズルプレート３の厚みは７５μｍ、対向電極５
ａ，５ｂの幅は３０μｍ、電極間距離は３μｍ、開口部
１２の大きさは５０μｍ×８０μｍとした。インクジェ
ットプリンター用記録ヘッドとして動作させるために
は、更に、リード部の電極と反対側先端に外部からの駆
動電圧が負荷されるようにフレキシブル端子との接点を
設ける。また対向電極５ａ，５ｂを含む絶縁性樹脂以外
の開口部１２上に、ほぼ同一位置にノズルを開口したポ
リイミドからなるノズルプレートを接着し、電極と接し
て沸騰したインクがノズル吐出口２より吐出する構造と
する。

【００２７】次に、本実施の形態における接着方法を図
４を用いて説明する。図４は本発明の実施の形態におけ
るノズルプレートと基板の接着方法を示す断面図であ
る。本実施の形態のノズルプレート３は７５μｍ厚みの
ポリイミドフィルムであり、ポリイミド表面が１０〜２
０μｍ程度熱可塑性ポリイミドに変成したポリイミドフ
ィルムに、エキシマレーザ加工等によりインク吐出口お
よび流路を形成したノズルプレートを作製する。次い
で、ノズルプレート３と基板４を所定の位置になるよう
に位置決めして重ね合わせる。次に、厚み０．１ｍｍの
Ｓｉラバー１３を貼り付けた治具のＳｉラバー部をノズ
ルプレート３の上部に配置し、プレート１４に開けた小
穴１５から空気を挿入して、内圧を２．０ｋｇ／ｃｍ²
まで昇圧した。この状態でヒーター１６により２５０〜
３００℃で、１５〜６０秒間加熱し接着を行う。

【００２８】ここで、熱可塑性ポリイミドについて，従
来より知られていた非溶融ポリイミド２種の樹脂弾性率
挙動（樹脂硬度の温度変化）を述べながら説明する。ま
ず、非溶融ポリイミドとして熱硬化性ポリイミドがあ
る。これは、原料のモノマー分子が加熱により三次元的
に架橋反応して得られるポリマーである。結合は強固で
あり、反応終了後硬度は上がるが、三次元の架橋した構
造のためフレキシビリティーに乏しく、フィルム等の形
状で使用する用途には適さない。

【００２９】次に、非熱可塑性ポリイミドについて説明
する。このポリイミドは、４００℃を超える高温におい
ても溶融しないポリマーであることは前述の熱硬化性ポ
リイミドと同様であるが、高度のフレキシビリティーを
有していることが全く異なっている。このタイプの樹脂
の場合、非常に強い芳香族ポリマー分子間の相互作用の
ために熱に溶融しないと考えられる。市販の製品では
「カプトン」、「アピカル」および「ユーピレックス−
Ｓ」がこの範疇に含まれる。

【００３０】そして、熱可塑性ポリイミドについて説明
する。このポリイミドは、非熱可塑性ポリイミドと本質
的に同系統のポリマーであり、主として原料モノマーに
工夫を加えることで芳香族ポリマー分子間の相互作用を
弱め、樹脂に熱流動性を持たせるようにしたものであ
る。従って、熱可塑性ポリイミドは、流動性の発現する
温度（Ｔｇ；ガラス転移温度）に達するまで前述の非熱
可塑性ポリイミドと全く同様に振る舞うが、Ｔｇを超え
ると軟化して、所謂ホットメルト型の接着剤として使用
できるようになる。その後４００℃を超える高温まで分
解せず熱可塑性を保持するので、従来タイプの熱硬化性
樹脂（エポキシ、アクリル）を使っては実現が不可能で
あった種々の接着が可能となる。

【００３１】

【実施例】ここで、本実施の形態のポリイミド表面が熱
可塑性ポリイミドに変成したもの、商品名「ネオフレッ
クス」（三井東圧化学社製）をホットメルト型接着剤と
して使用したインクジェット記録ヘッドと従来例の熱硬
化性樹脂（エポキシ系接着剤）を使用したヘッドの接着
状態について実験結果を説明する。

【００３２】試験に使用したサンプルは以下の条件にて
作製した。本実施例の熱可塑性ポリイミドをホットメル
ト型接着剤として使用したヘッドは、ポリイミド表面が
１０μｍ程度変成されたノズルプレートを用い、接着荷
重２ｋｇ／ｃｍ²、接着温度２８０℃，６０秒で電極素
子が形成されたガラス基板に接着した。一方、従来例熱
硬化性樹脂（エポキシ系接着剤）を使用したヘッドは接
着剤膜厚３μｍ、接着荷重１ｋｇ／ｃｍ²、接着温度１
００℃，１時間＋１６０℃，３時間でノズルプレートと
電極素子が形成されたガラス基板とを接着した。また、
接着したサンプルのサイズはいずれも２ｍｍ×８ｍｍの
形状のもので実施した。

【００３３】また、接着状態の評価方法としては、光学
顕微鏡を用い、倍率２００倍でガラス基板側から接着状
態を観察した。ノズル全面積に対する完全に接着した面
積の割合を接着面積率とし、接着面積率（％）＝（完全に接着した面積）／（ノズル
全面積）×１００で表した。

【００３４】一方、接着剤しみ出しの評価方法として
は、光学顕微鏡を用い、倍率２００倍でガラス基板側か
らしみ出し状態を観察した。しみ出し量は図７（ｂ）に
示すようにノズルのインク供給側口径の半径Ｄに対する
接着剤のしみ出し幅Ｈをしみ出し率とししみ出し率（％）＝Ｈ／Ｄ×１００で表した。

【００３５】上述した本発明の実施の形態例と従来例と
の接着面積率を測定した結果を（表１）に、しみ出し率
を測定した結果を表２に示す。なお、測定は１ヘッド当
たり５０ノズルの平均を５ヘッドについて求め、その総
平均を求めた。

【００３６】

【表１】

【００３７】

【表２】

【００３８】（表１），（表２）より明らかなように、
本実施例では，従来例と比較して接着状態が良好で、か
つしみ出しの発生もないことがわかり、本実施例の工法
の優位性が確認された。

【００３９】なお、本実施例では、基板としてガラス基
板を用いたが、その他の基板材料としては、ガラス、セ
ラミック等の絶縁材料、半導体、表面を高抵抗材料で被
覆した金属、金属合金、絶縁物、半導体が使用できる。
ガラス基板としては、カリ石灰ガラス、ソーダ石灰ガラ
ス、硼珪酸ガラス、クラウンガラス、亜鉛クラウンガラ
ス、ソーダカリガラス、バリウム硼珪酸ガラス、９６％
珪酸ガラス、９９．５％珪酸ガラス、燐酸ガラス、低融
点ガラス、リチウム珪酸ガラス、亜鉛アルミ珪酸ガラ
ス、珪酸ジルコニウムガラス等が使用できる。セラミッ
ク基板としては、酸化アルミニウム（アルミナ）、酸化
チタン（チタニア）、ＭｇＯ・ＳｉＯ２（ステアタイ
ト）、２ＭｇＯ・ＳｉＯ２（ホルステライト）、ＢｅＯ
（ベリリア）、白金族金属（Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、
Ｏｓ、Ｉｒ）、高融点金属（Ｗ、Ｔａ、Ｍｏ）、その他
Ｖ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ
等の単金属又はこれらの合金（Ｎｉ−Ｆｅ、ＮｉＣｒ、
ＴｉＣｒ等）が使用できる。またこれらの酸化物（酸化
チタン、酸化ハフニウム、酸化錫、酸化インジウム
等）、窒化物（窒化チタン、窒化クロム等）、炭化物
（炭化チタン、炭化タングステン等）、硼化物も使用で
きる。

【００４０】また、本実施例の中でノズルプレートと基
板との接着方法としてノズルプレート上部に薄いラバー
を置き、空気圧をラバーに与えることによる接着方法を
用いたが、機械的に挟み込む万力法、ノズルと基板を耐
圧容器に入れ、高温の気体で内圧を上昇させ加圧する
（ＨＩＰ工法）方法等を用いても良い。

【００４１】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、インクジェット記録ヘッドにおいてノズルプ
レートと基板を熱可塑性ポリイミド接着材料で接着する
ことにより、従来の熱硬化型接着剤を用いた接着方法に
比較してインク吐出口および流路への接着剤のしみ出し
を回避することができ、均一かつ強固な接着ができるよ
うになる。更に、数秒〜数十秒で接着可能なため、ヘッ
ド作製工程が短縮化することが可能となる。それによ
り、極めて容易に高品質のインクジェット記録ヘッドお
よびその製造方法が提供可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態におけるインクジェット記
録ヘッドの縦断面図

【図２】図１のインクジェット記録ヘッドの要部拡大斜
視図

【図３】本発明の実施の形態におけるインクジェット記
録ヘッドを示す平面図

【図４】本発明の実施の形態におけるノズルプレートと
基板の接着方法を示す断面図

【図５】従来のインクジェット記録ヘッドを示す斜視図

【図６】ノズルプレートと基板の接着状態を示す説明図

【図７】ノズルプレートと基板の接着状態を示す説明図

【符号の説明】

１導電性インク２吐出口３ノズルプレート４基板５ａ，５ｂ対向電極６絶縁部材７熱可塑性ポリイミド接着剤７′ 接着剤８インク沸騰室９駆動制御装置１０記録用紙１１インク液滴１２開口部１３Ｓｉラバー１４プレート１５小穴１６ヒータ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも２つ以上の基材を接合すること
により構成されたインクジェット記録ヘッドであって、
前記接合すべき基材の少なくとも一方が高分子樹脂材料
で構成され、前記高分子樹脂材料からなる基材と他方の
基材とが熱可塑性ポリイミド接着材料で接合されている
ことを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
【請求項２】前記高分子樹脂材料がポリイミドであるこ
とを特徴とする請求１記載のインクジェット記録ヘッ
ド。
【請求項３】前記高分子樹脂材料にインク滴を吐出する
ための吐出口と吐出口へインクを供給するための流路と
を備えたことを特徴とする請求項１，２記載のインクジ
ェット記録ヘッド。
【請求項４】インクを小滴吐出、飛翔させるための吐出
エネルギー発生手段は、一対の電極間に交流電圧を印加
して、前記電極に直接あるいは間接的に接するインクを
沸騰させる通電方式であることを特徴とする請求項１〜
３記載のインクジェット記録ヘッド。
【請求項５】インクジェット記録装置に用いるインクジ
ェット記録ヘッドの製造方法であって、少なくとも２つ
の接合すべき基材の一方が高分子樹脂材料で構成され、
前記高分子樹脂材料からなる基材と他の基材との接合面
に熱可塑性ポリイミドが設けられ、これら２つの基材を
組み合わせた状態で加熱加圧接合する接着工程を含むこ
とを特徴とするインクジェット記録ヘッドの製造方法。