JPH1067105A - インクジェット記録ヘッド及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】高価な設備や高度な技術を必要とせず、小型
で、インクノズル密度が高く、駆動電圧が低く、価格が
安いインクジェット記録ヘッドを提供する。 【解決手段】流路基板１と振動板８を接合するのに、無
機ポリマーの塗布層を両者間に挟み、空気中で、 250℃
から 450℃で熱処理することによって生成されるシリカ
層13によっている。シリカ層13はインクの濡れ性に優
れ、優れたインク吐出特性が得られる。流路基板１とし
てシリコンウェハを採用する場合に、振動板８として厚
さ10μm 程度の薄板が入手できるステンレスや鉄- ニッ
ケル合金や鉄- ニッケル−コバルト合金が使用でき、従
来技術に比べて大幅な小型化とインクノズルの高密度化
と低駆動電圧化が低コストで実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、記録液を小滴と
してノズルより噴射して記録するインクジェット記録方
式に用いられ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。

【０００２】

【従来の技術】微小なノズル孔よりインクを噴射して紙
などの記録媒体上に付着させて記録する方法は、インク
ジェット記録法として知られている。インクジェット記
録ヘッドを用いた印刷装置は、構成が簡単であるという
利点から、小型軽量が要求される卓上プリンタやファッ
クスなどの分野に広く用いられている。この方法の一つ
である、振動板に圧電素子を接着し、その圧電素子に電
圧を印加することにより、圧電素子を伸縮させ、振動板
を振動させる方式は、オンデマンド型インクジェット記
録ヘッド（以下、記録ヘッドと略称する）と呼ばれる。
この方式の記録ヘッドは、米国のカイザー氏によって、
1970年に提案されており、日本においては、特公昭53-1
2138号公報によって公告されている。この方式は、ヘッ
ド寿命が半永久的であり、ランニングコストが低いなど
の長所をもつものであり、今後広く用いられようとして
いる。

【０００３】この方式の記録ヘッドは、一般的には、図
６に示す断面構造をもち、そのインク流路は、流路基板
の平面図である図５に示すような構成となっており、図
４に示すような工程によって製造される。すなわち、シ
リコンウェハ、ガラス、金属板、あるいはプラスチック
材料などからなる流路基板１には、エッチング、機械加
工あるいは金型成形などの方法で、インクノズル２、ノ
ズル流路３、インク加圧室４、インク供給路５及び流路
抵抗調整部である絞り流路６からなる複数のインク流路
11とこれらの流路につながるインク溜め７及びインク注
入口12が溝状に形成されている（工程Ａ）。この流路基
板１に、表面仕上げ工程B1で表面仕上げされた後、蒸着
あるいはスパッタなどの方法で導電性層が形成（工程B
2）された振動板８（図４では、ガラス板）が積層・一
体化（図４の場合には、静電接合工程Ｃとして示す）さ
れた後、ダイサーなどによって切断・チップ化され（工
程Ｄ）、図示していないが、インクノズル周辺部にはっ
水処理が施される。次いで、インク加圧室４に対応する
位置の振動板８の反対側表面に電気機械変換素子である
圧電素子９が接着剤層10を介して接着（圧電素子の接着
工程Ｅ）されて、図６に示す構造に構成される。通常、
圧電素子９の下部電極は共通電極とされ、上部電極は個
別電極とされる。

【０００４】参考までに、ここで使用している静電接合
技術は、特公昭58-5785 号公報において、インクジェッ
ト記録ヘッドの流路基板（公報では、基板）と振動板
（公報では、蓋板）の接合に適用することが公告されて
いる。なお、振動板８が金属板の場合には、工程B2の導
電性層形成工程を省略できることは言うまでもないであ
ろう。

【０００５】圧電素子９と振動板８とが接着されて構成
される２層構造（以下、バイモルフ機構という）におい
て、圧電素子９にパルス状の電圧を印加すると、振動板
８が変形する。インク加圧室４側に変位させると、その
容積は急激に減少し、その減少容積相当分のインクがノ
ズル流路３に押し出され、インクノズル２から吐出さ
れ、図示していない記録媒体上に点状に付着し記録され
る。

【０００６】流路基板１と振動板８とを一体化する方法
として、図４では静電接合工程Ｃをを示したが、静電接
合の他にも、熱圧着や拡散接合で一体化することができ
る。しかし、有機系接着剤を用いた接着法は採用されな
い。その理由は、接着剤がインク流路11に流れ込み、流
路の形状を変えたり、最悪の場合には流路を塞いでしま
うことにより、所期の特性を得ることができなくなるこ
とや、インクにより接着剤が変質して信頼性を低下させ
ることである。

【０００７】したがって、流路基板１と振動板８の材質
がガラス同士やシリコンとガラスの場合には静電接合や
熱圧着が採用され、金属同士の場合には拡散接合が採用
されている。これらの接合方法では、いずれの方法にお
いても、 500℃から 900℃の高温に加熱することが必要
であり、非常に面精度の高い表面状態が要求され、接合
後に反りやうねりを発生させないためには、流路基板１
と振動板８の材質の熱膨張係数の整合が重要であり、そ
の組合せは非常に限定され、コスト高の要因となってい
る。拡散接合の場合には大型で高価な設備を必要とす
る。

【０００８】このような問題点を解決した、使用できる
材質及び面状態の制限が少なく、室温に近い温度で接合
できる方法としては、特開平2-276649号公報に記載され
ているインクジェット記録ヘッドの製造方法がある。こ
の方法は、流路基板１が接着される側の振動板８の表面
にフッ素樹脂膜を被覆した後、流路基板１と振動板８と
をフッ素樹脂膜により 180℃から 250℃という低い温度
で加熱加圧接合するものである。この方法では、接合温
度が低いこと及びフッ素樹脂の塑性変形によって素材の
熱膨張係数に対する制限が大幅に緩和され、フッ素樹脂
の塑性変形が面の微小な凹凸を吸収することにより面状
態に対する制限も大幅に緩和される。しかし、インク流
路を形成する部分にフッ素樹脂が存在するとインクの濡
れ性が悪く、インクの吐出特性に悪い影響をもつので、
加熱加圧接合後にインク流路部分のフッ素樹脂を除去す
る工程が必要である。実際にインクの接触角を測定した
結果では、フッ素樹脂除去後においてもインクの接触角
が55〜65°であり、十分に実用に耐えるインク接触角の
10°よりははるかに大きい。

【０００９】更に別の解決手段としては、発明者の一人
が出願している特願平7-200148号に記載のインクジェッ
ト記録ヘッドの製造方法がある。この方法は、振動板８
の一方の面に予め低融点ガラス層を形成し、この面に流
路基板１を重ね合わせて低融点ガラスの軟化点の±50℃
の温度に加熱し、0.05から５kg/cm²で加圧して接合す
る。この方法では、流路基板１と振動板８の一体化温度
が 250℃から 450℃と低くできるので、素材の熱膨張係
数に対する制限が緩和され、接合の装置自体も簡素化で
きるという利点がある。しかし、振動板８の一方の面に
低融点ガラス層を形成するために高価なスパッタ装置が
必要であり、スパッタ時にガラス組成が変化し易いの
で、ガラス組成の均質化には高度の技術が要求される。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】以上の従来技術の状況
に鑑み、この発明は、静電接合や熱圧着や拡散接合のよ
うな使用材料の熱膨張係数や面状態に対する厳しい制限
がなく、大型で高価な設備を必要とせず、フッ素樹脂膜
による接合法における、狭い部分では数十μm という流
路内のフッ素樹脂膜を除去するというような非常に面倒
な工程を必要とせず、低融点ガラスによる接合のよう
な、高価な設備と組成のバラツキを制御するという高度
な技術を必要としない、インクノズルを含むインク流路
部分のインクの濡れ性の優れている、小型、高密度で駆
動電圧の低いインクジェット記録ヘッド及びその製造方
法を提供することを課題とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、この発明においては、無機ポリマーを流路基板と
振動板の間に挟んで 250〜450 ℃で熱処理し、生成され
たシリカ（Si0₂）層によって接合している。流路基板と
しては、シリコンあるいはガラスが優れており、振動板
としては、ステンレス鋼、鉄−ニッケル合金、鉄−ニッ
ケル−コバルト合金あるいはガラスのいずれかが優れて
いる。更に、シリカ層の厚さは、0.5 μm から３μm が
望ましい。

【００１２】流路基板と振動板の接合工程は、流路基板
あるいは振動板のどちらかに、無機ポリマーの溶液を塗
布・乾燥し、この塗布面に振動板あるいは流路基板を重
ね合わせ、この重ね合わせた流路基板と振動板とを 250
〜450 ℃の温度で熱処理する、という工程からなる。接
合層としてのシリカ層は、無機ポリマーの溶液として塗
布・乾燥され、 250〜450 ℃の温度で熱処理されて生成
され、強固な結合力をもつ接合層となる。したがって、
塗布状態に近い状態で接合層が形成されので、液体状に
なって流路を閉塞することはなく、処理温度が低いの
で、流路基板と振動板に使用される素材の熱膨張係数に
ある程度の幅が許容される。しかも、無機ポリマーを溶
液として塗布するので、塗布面の僅かな凹凸は問題にな
らない。

【００１３】したがって、流路基板の素材に、流路基板
として非常に優れているシリコンあるいはガラスを採用
すると、振動板として、10μm 程度の極薄板が入手で
き、熱膨張係数がシリコンあるいはガラスの熱膨張係数
に近い材料である、ステンレス鋼、鉄−ニッケル合金あ
るいは鉄−ニッケル−コバルト合金を採用することがで
き、インク耐食性のある薄いバイモルフ機構を実現する
ことができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下に実施例について説明する。 〔第１の実施例〕図１は、この発明による記録ヘッドの
第１の実施例の側断面図であり、図３はその製造工程図
である。従来技術と同じ機能の部分には、同じ符号を付
している。

【００１５】従来技術と異なる点は、流路基板１と振動
板８の接合において、振動板８の接合側表面に塗布した
無機ポリマー溶液を乾燥した後、流路基板１と重ね合わ
せて熱処理することによりシリカ層13を生成させ、この
シリカ層13により強固に接合していることである。以下
に更に詳しく説明する。

【００１６】流路基板１は厚さ0.75mmのシリコンウェハ
からなり、その一表面には、フォトエッチング工程とド
ライエッチング工程で、インクノズル２から絞り流路６
までの複数のインク流路11とインク溜め７などを含むイ
ンク通路となる溝が形成されている（工程Ａ）。これは
従来技術と同じである。一方、工程B1で表面仕上げされ
た振動板８は厚さ30μm の鉄−46％ニッケル合金からな
り、-SiH₂-NH- を基本構造とする分子量 600〜2000の無
機ポリマーの粘度約1.4mPa・s のエタノール溶液を、ス
ピンコート法で、乾燥後の厚さが３μm になるように塗
布・乾燥した（工程C1）後、前述の流路基板１と重ね合
わせ（工程C2）、加重をかけて熱処理し、無機ポリマー
層をシリカ層13に転化させ、流路基板１と振動板８を接
合した（工程C3）。生成したシリカ層の厚さは乾燥後の
塗布層の厚さの半分の 1.5μm となった。強固な接合が
得られたのは、下記の条件範囲であった。

【００１７】温度： 250〜400 ℃ 圧力：0.05〜５kg
/cm² 保持時間：10〜60分 なお、シリコン及び鉄−46％ニッケル合金の線膨張係数
は、それぞれ33×10^-7／℃及び85×10^-7／℃である。接
合温度が高いほど、圧力は小さくかつ保持時間は短くて
も良好な接合が得られる。逆に、接合温度が低い場合に
は、高い圧力と長い時間をかけないと良好な接合が得ら
れない。上記以下の低い温度では、高い圧力と長い時間
をかけても良好な接合は得られない。上記以上の高い温
度では、接合は強固になるが記録ヘッドに問題になるほ
どの反りを生ずる。

【００１８】また、シリカ層13の厚さは、 0.5μm より
薄いと全面で均一に接合することが困難となり、３μm
より厚いと、振動板が薄い場合にバイモルフとしての振
動板の変形に対する影響が大きくなる。このようにして
接合された流路基板１と振動板８の積層板のインク加圧
室４に対応する位置の振動板８の反対面に圧電素子９を
エポキシ接着剤（図では、接着剤層）10で接着した。こ
のようにして得られた記録ヘッドの圧電素子９に40Ｖを
印加してインクの吐出特性を測定した結果、インク吐出
速度が12m/sec であり、従来技術による記録ヘッドと同
等以上である。なお、温度サイクル試験や高温保管試験
などの信頼性試験においても、問題はなかった。

【００１９】この実施例では、無機ポリマーを溶かす溶
剤としてエタノールを示したが、他のアルコール類も使
用可能である。また、塗布方法としてスピンコート法を
示したが、ディップ法（浸漬塗り）、フロー法（流し塗
り）、ロール法、スプレー法なども採用可能である。 〔第２の実施例〕図２は、この発明による記録ヘッドの
第２の実施例の側断面図である。第１の実施例と異なる
点は、流路基板１に無機ポリマー溶液を塗布することで
あり、シリカ層14が流路基板１の流路用溝内にも形成さ
れている。他は全て第１の実施例と同じである。

【００２０】この場合において、シリカ層13の厚さは、
薄い方は第１の実施例と同様に、均一な接合を得るため
に 0.5μm 以上が必要であり、厚い方は流路基板の溝の
形状に対する影響が大きくなるので３μm 以下とする必
要がある。この場合の記録ヘッドも第１の実施例と同様
に、従来技術による記録ヘッドの特性と同等以上の特性
を得た。

【００２１】〔第３の実施例〕第３の実施例は、第１の
実施例における振動板８を、厚さ30μm の鉄−ニッケル
−コバルト合金に変えた場合である。工程は第１の実施
例と全く同じであるので説明を省略する。強固な接合が
得られたのは、下記の条件範囲であった。 温度： 250〜400 ℃ 圧力：0.05〜５kg/cm² 保持
時間：10〜60分 なお、鉄−ニッケル−コバルト合金の線膨張係数は、65
×10^-7／℃である。

【００２２】シリコンとの線膨張係数の差が鉄−46％ニ
ッケル合金の場合より小さいので、接合条件の制約は少
ない。この場合の記録ヘッドも第１の実施例と同様に、
従来技術による記録ヘッドの特性と同等以上の特性を得
た。 〔第４の実施例〕第４の実施例は、第１の実施例におけ
る振動板８を、厚さ30μm のステンレス鋼（SUS304）に
変えた場合である。工程は第１の実施例と全く同じであ
るので説明を省略する。強固な接合が得られたのは、下
記の条件範囲であった。

【００２３】温度： 250〜300 ℃ 圧力：２〜５kg/c
m² 保持時間：30〜90分 なお、ステンレス鋼（SUS304）の線膨張係数は、 130×
10^-7／℃である。シリコンとの線膨張係数の差が鉄−46
％ニッケル合金の場合より大きいので、接合条件への制
約が厳しい。この場合の記録ヘッドも第１の実施例と同
様に、従来技術による記録ヘッドの特性と同等以上の特
性を得た。

【００２４】これまでの説明は全て、エッジシューター
型の記録ヘッドに関する説明となっているが、インクノ
ズルが流路基板１を貫通して形成されると、流路基板１
に垂直方向にインクが噴射される構造となり、サイドシ
ューター型の記録ヘッドとなる。エッジシューター型も
サイドシューター型もインクノズルの開口状態を除け
ば、ほぼ同じ構造となる。したがって、この発明がサイ
ドシューター型の記録ヘッドに関しても全く同様に有効
であることは言うまでもない。

【００２５】なお、上記の実施例においては、流路基板
１としてシリコンの場合を説明したが、感光性ガラスあ
るいは別のガラスを流路基板１として採用することがで
きる。特に、感光性ガラスはインク流路の形成において
有効である。

【００２６】

【発明の効果】この発明によれば、無機ポリマー層を間
に挟んで、流路基板と振動板を 250〜450 ℃という低い
温度で熱処理することによって、接合することができる
ので、流路基板及び振動板の素材の熱膨張係数間にある
程度の差を許容することができ、流路基板に、微細加工
性、耐溶剤性、耐インク性及び耐熱性に優れたシリコン
ウェハを用いても、振動板として、安価で破損しにく
く、耐インク性にも優れ、厚さ10μm 程度の薄板化が可
能なステンレス、鉄−ニッケル合金あるいは鉄−ニッケ
ル−コバルト合金が使用できるようになる。このように
振動板の厚さを従来技術に比べて大幅に薄くできること
により、バイモルフの厚さを大幅に薄くすることが可能
となり、記録ヘッドの小型化、インクノズルの高密度化
及びバイモルフの駆動電圧の低電圧化が達成され、コス
トも大幅に削減できる。

【００２７】また、無機ポリマーの溶液を塗布するか
ら、塗布面の表面状態に厳しい制限はなく、ある程度の
凹凸を許容することができる。接合温度が 250〜450 ℃
と低く、必要な加重も小さいので大型の高価な設備を必
要としない。熱処理して得られたシリカ層のインク接触
角の測定結果は９°であり、フッ素樹脂膜による接合法
におけるような、樹脂膜を除去するという非常に面倒な
工程を必要とせず、十分な濡れ性を確保できる。

【００２８】また、低融点ガラスによる接合のような、
高価な設備と組成のバラツキを制御するという高度な技
術を必要としない。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による記録ヘッドの第１の実施例の構
造を示す側断面図

【図２】この発明による第２の実施例の構造を示す側断
面図

【図３】第１の実施例の製造方法を示す製造工程図

【図４】従来技術による記録ヘッドの製造方法を示す製
造工程図

【図５】流路基板の平面図

【図６】従来技術による記録ヘッドの構造を示す側断面
図

【符号の説明】

１ 流路基板 ２ インクノズル ３
ノズル流路 ４ インク加圧室 ５ インク供給路 ６
絞り流路 ７ インク溜め ８ 振動板 ９
圧電素子 10 接着剤層 11 インク流路 12
インク注入口 13，14 シリカ層

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】インクノズルからインク供給部までのイン
   ク通路の全部、あるいは、少なくともインク加圧室を含
   むインク通路の一部に相当する溝が形成されている流路
   基板と、この流路基板の溝側に接合され、流路基板とは
   反対の側の表面でインク加圧室に対向する位置に圧電素
   子が接合されている振動板とで構成されているインクジ
   ェット記録ヘッドにおいて、 流路基板と振動板が、無機ポリマーが熱処理されて生成
   されるシリカ層によって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。
2. 【請求項２】流路基板がシリコンあるいはガラスからな
   り、振動板がステンレス鋼、鉄−ニッケル合金、鉄−ニ
   ッケル−コバルト合金あるいはガラスのいずれか１つか
   らなることを特徴とする請求項１に記載のインクジェッ
   ト記録ヘッド。
3. 【請求項３】流路基板と振動板を接合するシリカ層の厚
   さが、 0.5μm から３μm であることを特徴とする請求
   項１又は請求項２に記載のインクジェット記録ヘッド。
4. 【請求項４】請求項１から請求項３のいずれかに記載の
   インクジェット記録ヘッドの製造方法であって、 流路基板と振動板の接合工程が、振動板に無機ポリマー
   の溶液を塗布する工程と、この塗布面に流路基板を重ね
   合わせる工程と、この重ね合わせた流路基板と振動板と
   を 250℃から 450℃の温度で熱処理する工程とからなる
   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。
5. 【請求項５】請求項１から請求項３のいずれかに記載の
   インクジェット記録ヘッドの製造方法であって、 流路基板と振動板の接合工程が、流路基板に無機ポリマ
   ーの溶液を塗布する工程と、この塗布面に振動板を重ね
   合わせる工程と、この重ね合わせた流路基板と振動板と
   を 250℃から 450℃の温度で熱処理する工程とからなる
   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。