JP2006015513A - インクジェット記録ヘッドの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アモルファスカーボンを用いた高精度なインクジェット記録ヘッドの製造方法を提供する。
【解決手段】熱硬化性樹脂は、例えばフェノール樹脂にアモルファスカーボン粒子をフィラー剤として添加したものを用いる。アモルファスカーボンフィラーの粒径は５μm以下が好ましい。樹脂へのアモルファスフィラーの添加率は４０〜８０%程度が好適である。Ｎｉ電鋳などで作ったナノ金型を用いるＮＩＰ（ナノインプリント）の場合、添加率が９５％を超えるとノズル周辺が荒れる可能性があるため、添加率を上記の範囲に収めるのが望ましい。この熱硬化樹脂はアモルファスカーボン粒子を適度に含有しているため、アモルファスカーボンの持つ優れた耐摩耗性、耐薬品性を備え、化学的に安定し高い強度を持つ。さらに熱処理によるアモルファスカーボン化を行わないので熱収縮が起こらず、加熱・硬化しても高い加工精度を保つことができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、インクジェット記録ヘッドの製造方法に関し、特に熱硬化性樹脂でノズル及びチャンバープレートを形成するインクジェット記録ヘッドの製造方法に関する。

近年、インクジェットノズルは、高画質に伴って、微細なサイズと高精度を要求されている。同時に高速化のためにインクジェット記録ヘッド自体のサイズの拡大が求められている。また当然のことながら低コストであることも要求されており、これらを達成するインクジェットノズルの作成方法として各種の方式、材料が提案されている。

例えばアモルファスカーボンは耐摩耗性、耐薬品性（耐インク性など）に優れており、化学的に安定した強度も期待できる材料であることが既に知られている。これをノズルプレートの素材に用いるインクジェット記録ヘッドが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしアモルファスカーボンでプレートを形成した後、レーザーでノズル孔を開口する方式のため、微細な形状の加工はノズルの高密度化が進むほどノズル数の増加に伴う加工時間の増大によりコストアップの要因となる。

また樹脂でプレートを形成した後、熱処理によって樹脂をアモルファスカーボン化する方法も提案されている（例えば、特許文献２参照）。

しかし、樹脂をアモルファスカーボン化するための熱処理により、樹脂の寸法に２０％前後の収縮が発生するため、処理後に得られるプレートの寸法精度に大きな影響を及ぼすことになり、微細な構造を精密加工で形成するのは困難となる。

本発明は、微細金型を使った成型でアモルファスカーボンを素材としてインクジェットヘッドの流路構成部材の形成に使う場合、熱処理による樹脂の収縮を防ぎ高精度な樹脂成形を行うことを目的としている。
特開平１０ ―１３８４９６号公報 （図１、第４〜５頁） 特開平１０ ― ２４５９５号公報 （図１、第２〜３頁）

本発明は上記事実を考慮し、アモルファスカーボンを用いた高精度なインクジェット記録ヘッドの製造方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載のインクジェット記録ヘッドの製造方法は、熱硬化性樹脂によって形成された部材を使用するインクジェット記録ヘッドの製造方法であって、前記熱硬化性樹脂はアモルファスカーボンをフィラー剤として添加したことを特徴とする。

上記構成の発明では、アモルファスカーボンをフィラー剤として使用する事により、熱収縮による寸法精度の悪化を防止する事ができ、部材を精度良く形成する事が可能であり、且つアモルファスカーボンの化学的に安定な性質を維持することができる。

請求項２に記載のインクジェット記録ヘッドの製造方法は、ノズルおよびチャンバープレートが、リソグラフィー工程で成型された母型から作成した微細金型で一体成型されたことを特徴とする。

上記構成の発明では、ノズルおよびチャンバープレートを短い加工時間で精度良く形成する事が可能であり、且つアモルファスカーボンの化学的に安定な性質を維持することができる。

請求項３に記載のインクジェット記録ヘッドの製造方法は、前記熱硬化性樹脂に添加するフィラー剤は、平均粒径５μｍ以下のアモルファスカーボン粒子を重量比で４０％〜８０％添加することを特徴とする。

上記構成の発明では、耐摩耗性、耐衝撃性、加工精度を維持しながら0.002％／Ｋ以下の線膨張係数が得られ、かつ金型にて成形する際の流動性を保つことができる。

本発明は上記構成としたので、アモルファスカーボンを用いた高精度なインクジェット記録ヘッドの製造方法とすることができた。

図１には、本発明の第１実施形態に係るインクジェット記録ヘッドの製造方法が示されている。

まず図１（ａ）に示されているように、ＬＩＧＡプロセス、Ｓｉプロセスなどのリソグラフィー工程で母型３０を作成する。母型３０は微細で深い（アスペクト比の高い）凹凸にも対応できるＬＩＧＡプロセスなどでＰＭＭＡなどの素材を加工して作る、または感光性ガラスで作る、あるいはフォトリソグラフィとドライエッチングでＳｉ基板を加工する等の手法で形成することが望ましい。この母型３０は完成するノズルプレートと略同形状の雄型となる。

この母型３０上に、図１（ｂ）のようにＮｉ電鋳などの手法を用いて金型３２を形成する。この金型３２を雌型として、インクジェットノズルプレートを樹脂成形することができる。

図１（ｃ）は完成時のインクジェットノズルプレートの平面図であり、インク吐出方向から見てノズル１４、インク供給路１６の位置関係が示されている。破線Ａ−Ａ’の断面を図１（ｄ）に示す。

図１（ｄ）に示されているように、Ｎｉ電鋳などの手法を用いて形成された金型３２のキャビティにフェノール樹脂などの熱硬化性樹脂１２をゲート３４から注入する。

熱硬化性樹脂１２は例えばフェノール樹脂にアモルファスカーボン粒子をフィラー剤として添加したものを用いる。

上記の熱硬化樹脂１２をゲート３４から金型３２に注入し、ノズルプレートの形状に成形できたのち金型３２ごと加熱処理して熱硬化樹脂１２を固化し、完成形状のノズルプレートを得ることができる。

このとき、従来は加熱によってこの時点でアモルファスカーボン化しようとすると、大幅な（約２０％）熱収縮のため熱硬化性樹脂にて形成された部品は寸法が大幅に変動し、所望の加工精度を保つことが出来なかった。

しかし本実施例では、あらかじめ焼成したアモルファスカーボン（例えばフェノール樹脂を熱処理して得られる粒子）をフィラー剤として熱硬化樹脂１２に添加してあるので、焼成して熱硬化樹脂１２そのものをアモルファスカーボン化する必要がなく、すなわちアモルファスカーボン化のための熱処理が不要となるので、上記のような熱収縮そのものが起こらず、加工精度を高く保つことができる。

熱硬化樹脂１２が硬化したのち金型３２を冷却して離型すると図１（ｅ）のように、ノズル１４、インク流路１６、チャンバー１８を備えたノズルプレートの形状に加工された熱硬化樹脂１２が得られる。この熱硬化樹脂１２はアモルファスカーボン粒子を適度に含有しているため、アモルファスカーボンの持つ優れた耐摩耗性、耐薬品性を備え、化学的に安定し高い強度を持つ。さらに熱処理によるアモルファスカーボン化を行っていないので熱収縮が起こらず、高い加工精度を保つことができる。

図２には、本発明の第１実施形態に係る熱硬化樹脂のフィラー剤添加率と線膨張係数の関係が示されている。

第１実施例に用いられる熱硬化性樹脂１２は、例えばフェノール樹脂にアモルファスカーボン粒子をフィラー剤として添加したものを用いる。一般的なフィラー剤の粒径は０．５〜１０μmであるが、本実施例のアモルファスカーボン粒子の場合は５μm以下が好ましい。粒径が５μmを超えると、アモルファスカーボンとしての特性（耐摩擦性、耐衝撃性等）を損なう恐れがあると同時に、加工時の粒槐の脱落等の恐れもあり、微細化・高精度化が進むノズルを作る上で好ましくないので、本実施例では粒径５μｍ以下のものを用いる。

樹脂へのフィラー添加率はアモルファスカーボンの特性を損なう事が無く、かつ所望の線膨張係数（０．００２％以下）の材料を得られる添加率として、フィラー剤（アモルファスカーボン）の添加率は重量比で３０〜９５％（図中の斜線範囲）であるが、本実施例のように樹脂成型を行う場合、流動性などを考慮に入れるとアモルファスフィラーの添加率は４０〜８０%程度が好適である。Ｎｉ電鋳などで作ったナノ金型を用いるＮＩＰ（ナノインプリント）の場合、添加率が９５％を超えるとノズル周辺が荒れる可能性があるため、添加率を上記の範囲に収めるのが望ましい。

図３には、本発明の第１実施形態に係る金型の作成方法が示されている。

図３に示すように、本実施例のノズルプレートを形成する金型はナノインプリンティング技術を用いて形成するようにしてもよい。

図３（ａ）のようにＳｉ基板４０上にレジスト４２で所望のパターンを描画、現像することで図３（ｂ）のようにレジスト４２のパターンが形成される。

次に図３（ｃ）のようにドライエッチングなどでＳｉ基板４０をエッチングし、レジストパターン通りにエッチングを行う。

さらにレジスト４２を除去し、図３（ｄ）のようにＳｉ基板４０上に例えばＮｉ４４等の層を電鋳で形成する。

最後にＫＯＨ、ＴＭＡＨなどでＳｉ基板４０を除去すれば、図３（ｅ）のようにモールド形成されたＮｉ４４が残り、金型として使用可能となる。上記のＳｉ基板４０は図１の母型３０，Ｎｉ４４は同じく金型３２に相当する。

このＮｉ４４を図３（ｆ）（ｇ）のように金型として熱可塑性樹脂などの成型基板４６をガラス転移温度付近まで加熱・押し付けることでＮｉ４４のパターンを成形基板４６に転写（ナノインプリンティング）することもできる。これを冷却・剥離すれば図３（ｈ）のように成形パターンが転写された成形基板４６を得ることができる。

あるいは上記の方法以外にＬＩＧＡプロセスを用いて金型を形成してもよい。ＬＩＧＡプロセスはＸ線リソグラフィと電鋳およびモールディングを組合せ、アスペクト比（加工幅に対する加工深さの比）の大きな形状を作る製法であり、数百μｍのレジスト層にマスクを通してＸ線露光を行うと、Ｘ線に露光したレジスト部分は高分子の連鎖が切れて分子量が小さくなるため現像液に溶解しやすくなる性質を利用して、未露光部分を残してレジストの微細構造を形成する。

この方法で作成した樹脂母型を図１（ａ）の母型３０に用いることができる。露光装置が極めて大規模であることから母型の製造コストは高くなるが、精密加工で金型を作成するよりも安価に高精度な金型を製造できる。

その他の流路構成部材に関しても、前記樹脂材料で作成し、ノズル及びチャンバープレートと接合することで、素材にアモルファスカーボンを用いた高精度なインクジェット記録ヘッドを製造する事ができる。

本発明の第１形態に係るインクジェット記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。 本発明の第１形態に係るインクジェット記録ヘッドの素材におけるフィラー剤添加率と線膨張係数の関係を示す図である。 本発明の第１形態に係るナノインプリンティング技術を用いた金型製法を示す図である。

符号の説明

１２ 熱硬化樹脂
１４ ノズル
１６ インク流路
１８ チャンバー
３０ 母型
３２ 金型

Claims (3)

1. 熱硬化性樹脂によって形成された部材を使用するインクジェット記録ヘッドの製造方法であって、
   前記熱硬化性樹脂はアモルファスカーボンをフィラー剤として添加した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。
   
2. ノズルおよびチャンバープレートが、リソグラフィー工程で成型された母型から作成した微細金型で一体成型された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の製造方法。
   
3. 前記熱硬化性樹脂に添加するフィラー剤は、
   平均粒径５μｍ以下のアモルファスカーボン粒子を重量比で４０％〜８０％添加することを特徴とする請求項１乃至請求項２に記載のインクジェット記録ヘッドの製造方法。

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