JP2009255483A - インクジェット記録ヘッド及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】加工コストが低く形状自由度のある支持部材を用い、記録素子基板の変形や破損を抑制して、印字品位の信頼性が高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。
【解決手段】本発明のインクジェット記録ヘッドは、記録液を吐出するためのエネルギー発生素子を備えた記録素子基板と、記録液を格納するためのインク供給部材と、前記インク供給部材と前記記録素子基板との線膨張率差を緩和するための支持部材とを備え、前記支持部材が、前記記録素子基板と接合される側の表面を構成する、第１のフィラを５０ｗｔ％以上含有するＰＰＳで形成された第１の層と、前記インク供給部材と接合される側の表面を構成する、第２のフィラを含有する熱可塑性樹脂で形成されている第２の層とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、記録液室内に気泡を発生させ、記録液室に体積変化を与えることにより、記録液を記録媒体に押し出して記録を行うインクジェット記録装置に搭載される、インクジェット記録ヘッド及びその製造方法に関するものである。

図７に示すように、従来のインクジェット記録ヘッドでは、記録液を吐出する記録素子基板Ｈ１１００が、インクを格納し、インク供給口Ｈ１２００からインクを供給するインク供給部材Ｈ１５００に、接着剤ｇ１で接合されている。その他、インク吸収体及び蓋部材、さらには吐出信号を記録素子基板Ｈ１１００に伝達するための電気配線テープ等で構成される。

ここで、記録素子基板は、線膨張率が５ｐｐｍ／Ｋ以下の低線膨張性を有する部材で形成されるのに対し、インク供給部材は、線膨張率が２０ｐｐｍ／Ｋ以上の熱可塑性樹脂で形成されることから、両部材間には、線膨張率の差が存在する。この線膨張率の差が大きいと、記録素子基板の変形や破損が生じて、インク漏れによる印字不良を引き起こしてしまう。さらに、高速印刷を行うために長尺化された記録素子基板を用いた場合は、記録素子基板への応力の増大によって、上記の問題が起きやすくなる。

上記の問題を解決するためには、インク供給部材の記録素子基板接合面を低線膨張率化して、記録素子基板とインク供給部材との間の線膨張率差を小さくする必要がある。そこで、特許文献１及び２では、インク供給部材の記録素子基板接合面に、支持部材として、Ａｌ₂Ｏ₃等のセラミックスやＡｌ等の金属を配置することとし、支持部材とインク供給部材とを一体成形する手法が開示されている。

しかしながら、セラミックスや金属を用いた支持部材を、所望の部品精度に仕上げるためには、加工コストが高くなったり、選択できる支持部材の形状の自由度が低くなったりする等の問題があった。

セラミックや金属の代替材料としては、ＰＰＳ等の熱可塑性樹脂が考えられる。特許文献３には、高熱伝導性、低線膨張性等の機能性を有したＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）をインクジェットプリンタヘッド部品に用いることが開示されている。
特開平１０−１１９２９２号公報 特開平１０−４４４２０号公報 特開２００５−５３９６４号公報

しかしながら、特許文献３には、ＰＰＳをどのようにインクジェットプリンタヘッド部品用樹脂組成物として用いるかは記載されていない。このＰＰＳを単に支持部材に用いても、インク漏れによる印字不良は抑制できないことが分かった。

そこで、本発明の目的は、加工コストが低く、形状自由度の高い支持部材を用い、記録素子基板の変形や破損を抑制して、印字品位の信頼性が高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にある。

本発明は、記録液を吐出するためのエネルギー発生素子を備えた記録素子基板と、記録液を格納するためのインク供給部材と、前記インク供給部材と前記記録素子基板との線膨張率差を緩和するための支持部材とを備え、前記支持部材が、前記記録素子基板と接合される側の表面を構成する、第１のフィラを５０ｗｔ％以上含有するＰＰＳで形成された第１の層と、前記インク供給部材と接合される側の表面を構成する、第２のフィラを含有する熱可塑性樹脂で形成されている第２の層とを有することを特徴とするインクジェット記録ヘッドである。

また、本発明は、前記のインクジェット記録ヘッドの製造方法であって、前記支持部材を作製する工程と、射出成形用金型の内面に、前記支持部材を、その第１の層側の表面が当接するように固定する工程と、前記インク供給部材を形成するための材料を射出成形して、前記支持部材と前インク供給部材とが一体化したインク供給接合体を得る工程と、前記インク供給接合体の前記支持部材と前記記録素子基板とを接合する工程とを有す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である。

本発明では、支持部材をＰＰＳ等の熱可塑性樹脂で形成することから、加工コストが低く、形状自由度も高い。また、本発明により、記録素子基板とインク供給部材との間の線膨張率差に起因する熱応力を低減され、記録素子基板の破損や変形を抑制することができる。したがって、印字品位の信頼性が高いインクジェット記録ヘッド及びその製造方法を提供できる。

以下に、本発明を実施するための最良の実施形態について説明する。なお、本実施形態は、ブラックインク用（単色型）のインクジェット記録ヘッドを用いて表記しているが、カラー用（ＹＭＣ一体型）のインクジェット記録ヘッドにも適用可能である。

まず、本発明のインクジェット記録ヘッドの構成について、図１及び図４を用いて説明する。図１（ｂ）は本発明の実施形態におけるインクジェット記録ヘッドの断面模式図であり、図１（ａ）はその一部を拡大した詳細図である。また、図４は、本発明の実施形態におけるインクジェット記録ヘッドの分解斜視図である。

図１及び図４に示すインクジェット記録ヘッドは、記録素子基板Ｈ１１００と、記録液を格納するためのインク供給部材Ｈ１５００と、インク供給部材Ｈ１５００と記録素子基板Ｈ１１００との線膨張率差を緩和するための支持部材Ｈ３５００とを備えている。記録素子基板Ｈ１１００にはインク供給口Ｈ１２００、支持部材Ｈ３５００にはインク供給口Ｈ２０００ｓが形成されており、これらが連通していて、インク供給部材Ｈ１５００から記録素子基板Ｈ１１００にインクが供給される。記録素子基板Ｈ１１００は、記録液を吐出するためのエネルギー発生素子（不図示）により、インクを吐出することができる。

支持部材Ｈ３５００は、記録素子基板Ｈ１１００と接合される側の表面を構成する第１の層Ｈ２０００と、インク供給部材Ｈ１５００と接合される側の表面を構成する第２の層Ｈ１を有している。また、支持部材Ｈ３５００とインク供給部材Ｈ１５００とは、一体化したインク供給接合体Ｈ２５００を構成している。記録素子基板Ｈ１１００は、支持部材Ｈ３５００の第１の層Ｈ２０００の記録素子基板接着面Ｈ２０００ｍと、接着剤ｇ１で接合されている。なお、図１に示すように、支持部材Ｈ３５００の端面とインク供給部材Ｈ１５００との間には、空間ｓ１が設けられている。

第１の層は、低線膨張性を有する記録素子基板と接着されるため、可能な限り低線膨張性を有する材料で形成されることが求められ、フィラを高い割合で含有する樹脂を選ぶ必要がある。また、第１の層は、記録液に接触するため、耐薬品性も要求される。このような観点から、第１の層を形成する基材樹脂としては、ＰＰＳが最も好適である。

ここで、フィラの含有率について検討すると、以下の表１に示すように、ＰＰＳにフィラを５０ｗｔ％以上含有させることで、記録素子基板の変形や破損を防止することができることが分かった。

そこで、本発明では、第１の層には、第１のフィラを５０ｗｔ％以上含有するＰＰＳを選択する。第１のフィラの含有量は、５０ｗｔ％以上、９０ｗｔ％以下が好ましい。第１のフィラとしては、低線膨張性、耐薬品性の観点から、カーボン、グラファイト、Ａｌ₂Ｏ₃やＺｒＯ₂等のセラミックス、酸化珪素を含むガラスなどから選択することができる。なかでも、カーボン、酸化珪素が好ましい。

また、第１の層と、第２の層及びインク供給部材との間に存在する線膨張率差から、第１の層と第２の層との界面には応力が発生する。この応力に由来する第１の層の変形を低減するため、第１の層を構成する材料の弾性率は高い方が好ましい。その観点から、第１の層の曲げ弾性率は１０ＧＰａ以上が好ましい。

第１の層と記録素子基板との間の応力緩和、及び第１の層と第２の層との間の応力緩和の観点から、第１の層を形成する材料の線膨張係数は、３ｐｐｍ／Ｋ以上、２０ｐｐｍ／Ｋが好ましい。

第２の層は、インク供給部材と一体化する際に、インク供給部材を形成する樹脂の熱によって溶融して、インク供給部材と密着することが求められる。そして、前述のように、第１の層と、第２の層及びインク供給部材との間の線膨張率差が大きいと、その界面に生じる応力も増大するため、第２の層及びインク供給部材の線膨張率は、できる限り第１の層に近い方が良い。さらに、第２の層は、第１の層と同様に記録液に接触するため、耐薬品性も要求される。このような観点から、本発明では、第２の層は、第２のフィラを含有する熱可塑性樹脂で形成する。熱可塑性樹脂は、例えば、変性ＰＰＥ、ＰＳＦ、ＰＰ、ＰＥ等から選択することができ、変性ＰＰＥが最も好適である。

第２のフィラとしては、低線膨張性、耐薬品性の観点から、カーボン、グラファイト、Ａｌ₂Ｏ₃やＺｒＯ₂等のセラミックス、酸化珪素を含むガラスなどから選択することができる。なかでも、酸化珪素が好ましい。第２のフィラは１５ｗｔ％以上含有していることが好ましく、１５ｗｔ％以上、３５ｗｔ％以下含有していることがより好ましい。

第１の層と第２の層との間の応力緩和の観点から、第２の層を形成する材料の線膨張係数は、２０ｐｐｍ／Ｋ以上、５０ｐｐｍ／Ｋが好ましい。

インク供給部材は、第２の層とインク供給部材との密着性を高める観点から、第２の層と同じ材料で形成されていることが好ましい。

次に、上記のインクジェット記録ヘッドの好適な製造方法について、以下に述べる。本発明のインクジェット記録ヘッドの製造方法は、以下の工程を有する。
・前記支持部材を作製する工程。
・射出成形用金型の内面に、前記支持部材を、その第１の層側の表面が当接するように固定した後、前記インク供給部材を形成するための材料を射出成形して、前記支持部材と前インク供給部材とが一体化したインク供給接合体を得る工程。
・前記インク供給接合体の前記支持部材と前記記録素子基板とを接合する工程。

第１の層と第２の層とから構成される支持部材は、射出成形によって成形することができる。この際、成形順序としては、第２の層を成形した後、第１の層を成形して一体化することが好ましい。具体的には、図２（ａ）に示すように、第２の層Ｈ１、第１の層Ｈ２０００の順に２色成形することで、支持部材Ｈ３５００を作製することができる。また、図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、第２の層Ｈ１を射出成形により形成した後、第１の層Ｈ２０００をインサート成形することで、支持部材Ｈ３５００を作製することができる。

成形の際には、第２の層と第１の層を充分に密着させるために、第１の層を構成するＰＰＳの樹脂温度及び保圧はできるだけ高く設定するのが好ましい。また、型温度についても、上記の密着性の観点から可能な限り高い方が良いが、離型時に懸念される第２の層の変形を考慮すると、第２の層の部材を構成する樹脂の荷重たわみ温度よりも低温に抑えることが好ましい。

次いで、得られた支持部材を、射出成形用金型の内面に、第１の層側の表面が当接するように固定する。そして、射出成形用金型内に、インク供給部材を形成するための材料を射出成形することで、図２（ｂ）及び図５（ｃ）に示すように、支持部材Ｈ３５００とインク供給部材Ｈ１５００とが一体化したインク供給接合体Ｈ２５００を作製することができる。

そして、図３に示すように、インク供給接合体Ｈ２５００における第１の層Ｈ２０００上に接着剤ｇ１を配置し、記録素子基板Ｈ１１００と接合することで、インクジェット記録ヘッドを得ることができる。

＜実施例１：第２の層及びインク供給部材にフィラ３５ｗｔ％変性ＰＰＥを使用＞
記録素子基板としては、主にＳｉ（シリコン）から成り、線膨張率３ｐｐｍを有するものを使用した。記録素子基板について、図９を用いて説明する。この記録素子基板Ｈ１１００のサイズは、幅２〜３ｍｍ、長さ（吐出口方向）２５〜３５ｍｍ、厚さ０．５〜０．８ｍｍである。また、記録素子基板Ｈ１１００は、インクを吐出する吐出口Ｈ１１０７を備えており、図９のように配列されている。そして、記録素子基板Ｈ１１００は、インク供給口Ｈ１１０２を、第１の層のインク供給口へ連通させる位置に、接着剤で接合固定される。なお、Ｈ１１０３は電気熱変換素子、Ｈ１１０４は電極部、Ｈ１１０５はバンプ、Ｈ１１０６はインク流路壁、Ｈ１１０８は吐出口群、Ｈ１１１０はＳｉ基板をそれぞれ示している。

第１の層を形成する材料としては、カーボンフィラを７０ｗｔ％含有するＰＰＳ（出光興産社製、商品名：Ｔ１２１Ｊ１）を使用した。形成した第１の層の線膨張率は、１０ｐｐｍ（ＴＤ方向：樹脂の流れと垂直方向）であり、曲げ弾性率は３１ＧＰａであった。

第２の層及びインク供給部材を形成する熱可塑性樹脂は、密着性を向上させるために同一樹脂とし、耐薬品性の観点から変性ＰＰＥを採用することとした。これにより、第１の層を構成するＰＰＳの溶融温度は、第２の層及びインク供給部材を構成する変性ＰＰＥの溶融温度よりも高くなる。また、前述の通り、インク供給部材及び第２の層と、第１の層との間の線膨張率差が小さい程、その界面に生じる応力は小さくなり、接合信頼性が上がる。そこで、第２の層及びインク供給部材を形成する材料としては、低線膨張率化をするため、ガラスファイバーを２５ｗｔ％、無機系フィラを１０ｗｔ％（合計３５ｗｔ％）含有する変性ＰＰＥ（ＳＡＢＩＣ社製、商品名：ＰＣＮ２９１０）を用いた。

寸法としては、第１の層は、厚さ０．７〜１．５ｍｍの長方形型で、中央部にはインク供給口が具備されており、このインク供給口はインク供給部材から記録素子基板へのインクの流路となる。第２の層の厚さは０．３〜０．７ｍｍとし、第２の層にも、第１の層のインク供給口に対応するよう、中央部にインク供給口が具備されている。

上記インクジェット記録ヘッドの製造方法について、以下に述べる。

第１の層及び第２の層から構成される支持部材は、射出成形によって成形した。具体的には、フィラ含有変性ＰＰＥにより第２の層を成形した後、第１の層を形成するためのフィラ含有ＰＰＳを、第２の層が配置された金型内に流し込み、両部材を一体的に成形することで支持部材を得た。成形条件としては、第２の層と第１の層を充分に密着させるために、第１の層を構成するＰＰＳの樹脂温度を３２０〜３５０℃とし、型温度を、変性ＰＰＥの荷重たわみ温度である１２５℃を上限とした。

次に、得られた支持部材を、インク供給部材を射出成形する金型内に投入し、両部材を一体的に成形した。具体的には、記録素子基板が接着される面となる第１の層を金型に当接させた状態で固定し、この状態で、インク供給部材を形成するためのフィラ含有変性ＰＰＥを射出成形し、支持部材とインク供給部材を一体的に成形することでインク供給接合体を得た。この成形における樹脂温度は、２８０℃〜３００℃とした。

そして、得られたインク供給接合体に組み込まれた第１の層の面に対して、図３のように、０．０１〜０．１ｍｍの厚みの接着剤により記録素子基板を接着する工程を経て、インクジェット記録ヘッドを完成した。インクジェット記録ヘッドとしての品質評価結果を表１に記載した。

本構成では、第１の層をカーボンフィラが７０ｗｔ％添加されたＰＰＳを用いて成形し、第２の層及びインク供給部材を、フィラが３５ｗｔ％充填された変性ＰＰＥを用いて成形した。本構成のインクジェット記録ヘッドでは、表１に示すように、記録素子基板の変形や破損は起きず、インク保持性も良好であった。

なお、本実施形態における、第１の層における記録素子基板の接着面の線膨張率は、５ｐｐｍ（ＴＤ方向：樹脂の流れと垂直方向）であった。

＜実施例２：第２の層及びインク供給部材にフィラ１５ｗｔ％変性ＰＰＥを使用＞
実施例２の構成では、第１の層を実施例１と同じＰＰＳを用いて成形した。また、第２の層及びインク供給部材を、ガラスフィラが１０ｗｔ％、無機系フィラが５ｗｔ％（合計１５ｗｔ％）充填された変性ＰＰＥ（ＳＡＢＩＣ社製、商品名：ＲＮ１３００）を用いて成形した。本構成のインクジェット記録ヘッドでは、表１に示すように、記録素子基板の変形や破損は起きず、インク保持性も良好であった。

なお、本実施形態における、第１の層における記録素子基板の接着面の線膨張率は、１８ｐｐｍ（ＴＤ方向：樹脂の流れと垂直方向）であった。

＜比較例１：インク供給接合体全体にフィラ３５ｗｔ％変性ＰＰＥを使用＞
比較例１の構成では、第１の層、第２の層及びインク供給部材を別部材化せず、インク供給接合体全体を、フィラを３５ｗｔ％含有する変性ＰＰＥ（ＳＡＢＩＣ社製、商品名：ＰＣＮ２９１０）で成形した。本構成のインクジェット記録ヘッドでは、表１に示すように、記録素子基板に変形や破損が生じてしまい、良好な印字性を得ることはできなかった。

なお、本実施形態における、第１の層に相当する位置における記録素子基板の接着面の線膨張率は、３３ｐｐｍ（ＴＤ方向：樹脂の流れと垂直方向）であった。

＜比較例２：第２層なし、インク供給部材にフィラ３５ｗｔ％変性ＰＰＥを使用＞
比較例２の構成では、第２の層は形成せず、第１の層のみからなる支持部材全体を実施例１と同じＰＰＳを用いて成形した。なお、本実施形態によるインクジェット記録ヘッドの分解斜視図を図６に示す。本構成のインクジェット記録ヘッドは、表１に示すように、インク保持性が無く、インク供給接合体からインクが漏出した。

＜比較例３：第２の層及びインク供給部材にフィラ非含有変性ＰＰＥを使用＞
比較例３の構成では、第１の層を実施例１と同じＰＰＳを用いて成形した。また、第２の層及びインク供給部材を、フィラが充填されていない変性ＰＰＥ（ＳＡＢＩＣ社製、商品名：ＳＥ１Ｘ）を用いて成形した。本構成のインクジェット記録ヘッドでは、表１に示すように、記録素子基板に変形や破損が生じてしまい、良好な印字性を得ることはできなかった。

本発明のインクジェット記録ヘッドの断面の模式図である。 本発明のインクジェット記録ヘッドの製造方法において、インク供給接合体を作製する方法を示す模式図である（２色成形＋インサート成形）。 本発明のインクジェット記録ヘッドの製造方法において、インク供給接合体と記録素子基板とを接着剤で接合する方法を示す模式図である。 本発明のインクジェット記録ヘッドの分解斜視図である。 本発明のインクジェット記録ヘッドの製造方法において、インク供給接合体を作製する方法を示す模式図である（インサート成形＋インサート成形）。 比較例２で作製したインクジェット記録ヘッドの分解斜視図である。 従来のインクジェット記録ヘッドの分解斜視図である。 記録素子基板を示す模式図である。

符号の説明

Ｈ１１００ 記録素子基板
Ｈ１１０２ インク供給口
Ｈ１１０３ 電気熱変換素子
Ｈ１１０４ 電極部
Ｈ１１０５ バンプ
Ｈ１１０６ インク流路壁
Ｈ１１０７ 吐出口
Ｈ１１０８ 吐出口群
Ｈ１１１０ Ｓｉ基板
Ｈ１２００ インク供給口
Ｈ１５００ インク供給部材
Ｈ２０００ 第１の層
Ｈ２０００ｍ 記録素子基板接着面
Ｈ２０００ｓ インク供給口
Ｈ２５００ インク供給接合体
Ｈ３５００ 支持部材
ｇ１ 接着剤
Ｈ１ 第２の層
ｓ１ 空間

Claims (9)

1. 記録液を吐出するためのエネルギー発生素子を備えた記録素子基板と、記録液を格納するためのインク供給部材と、前記インク供給部材と前記記録素子基板との線膨張率差を緩和するための支持部材とを備え、前記支持部材が、
   前記記録素子基板と接合される側の表面を構成する、第１のフィラを５０ｗｔ％以上含有するＰＰＳで形成された第１の層と、
   前記インク供給部材と接合される側の表面を構成する、第２のフィラを含有する熱可塑性樹脂で形成されている第２の層と
   を有することを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
2. 前記第１の層が、前記第１のフィラとしてカーボンを含有す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. 前記第１の層が、前記第１のフィラとして酸化珪素を含有す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。
4. 前記第２の層が、前記第２のフィラを１５ｗｔ％以上含有する変性ＰＰＥで形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のインクジェット記録ヘッド。
5. 前記第２の層が、前記第２のフィラとして酸化珪素を含有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のインクジェット記録ヘッド。
6. 前記インク供給部材が、前記第２の層と同じ材料で形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のインクジェット記録ヘッド。
7. 請求項１乃至６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、
   前記支持部材を作製する工程と、
   射出成形用金型の内面に、前記支持部材を、その第１の層側の表面が当接するように固定した後、前記インク供給部材を形成するための材料を射出成形して、前記支持部材と前インク供給部材とが一体化したインク供給接合体を得る工程と、
   前記インク供給接合体の前記支持部材と前記記録素子基板とを接合する工程と
   を有す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。
8. 前記支持部材を、前記第２の層、前記第１の層の順に２色成形することで作製することを特徴とする請求項７に記載のインクジェット記録ヘッドの製造方法。
9. 前記支持部材を、前記第２の層を射出成形により形成した後、前記第１の層をインサート成形することで作製することを特徴とする請求項７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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