JP4392205B2

JP4392205B2 - インクジェットプリンターヘッドの製造方法

Info

Publication number: JP4392205B2
Application number: JP2003282052A
Authority: JP
Inventors: 梅谷　　誠; 領内　　博
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-07-29
Filing date: 2003-07-29
Publication date: 2009-12-24
Anticipated expiration: 2023-07-29
Also published as: JP2005047165A

Description

本発明は、インクジェットプリンターヘッドの製造方法に関するものである。

従来のインクジェットプリンターヘッドの構成は、主に下記特許文献１に示されているように、図８（ａ）（ｂ）のような、インクを溜めて圧力を印加する圧力室５４をいくつも並べた圧力室基板５１とインクを吐出させるためのノズル５５をそれぞれの圧力室に設けるためのノズル板５２とそれぞれの圧力室に圧力を印加するための、圧電体などからなる圧力印加板５３で構成されている。圧力室基板の製造方法としては、前記特許文献１に示されているように、セラミックスの射出成形法や、下記特許文献２に示されているように、樹脂の射出成形法（インサート成形）を用いた方法や、下記特許文献３〜４に示されているようにＳｉ基板をエッチングする方法が提案されている。また、ガラス基板に孔あけ加工を施す方法としては、回転砥石、ドリル、超音波加工、ブラスト加工などの機械加工法や、化学的処理によるエッチング加工法や、バーナーなどで焼き切る熱加工法（下記特許文献５〜６）や、イオンビーム、レーザー、電子ビームなどによるエネルギービーム加工法（下記特許文献７）や、加熱軟化したガラスを金型によってプレス成形する方法（下記特許文献８）などがある。
特開平５−８３９４号公報特開平８−３９７９９号公報特開平１０−１８１０１０号公報特開２０００−７９６８９号公報特開２０００−１６８１５号公報特開２０００−５３４３５号公報特開２０００−６１６６７号公報特開２０００−３１９０２６号公報

しかし、より高精細なインクジェットプリンターヘッドを製造する場合、圧力室間隔は非常に小さくなり、従来のセラミックスや樹脂の射出成形による圧力室の製造方法では、成形後の熱収縮により成形品の間隔精度が悪く、圧力印加板やノズル板との位置合わせができなくなると言う問題があった。また、セラミックスや樹脂はインクとの濡れ性が悪く、気泡が入ったりする問題もある。従来のガラス基板の精密孔あけ方法を用いて圧力室を製造した場合も、機械加工法、エッチング加工法、熱加工法は、サブミクロンオーダーの高精度な孔あけ加工が困難であり、特に微細な孔あけを必要とする場合には、これらの工法では困難である。エネルギービーム加工法は一般に装置が高価であり、加工速度も遅く、量産性がない。前記特許文献７に提案されている方法では、ＹＡＧレーザーの吸収率の高い成分をガラス材料に含ませることで、ＹＡＧレーザーの吸収率を上げて、加工効率を上げているが、ガラス材料に吸収率の良い成分を予め含ませる必要がある。

本発明のインクジェットプリンターヘッドの製造方法は、インクを収納するための圧力室を有する圧力室基板と、前記圧力室からインクを吐出するノズル用貫通孔と、前記圧力室に振動を与える圧力印加板とを含むインクジェットプリンターヘッドの製造方法であって、
平面金型上に離型剤を形成したガラスからなる成形用素材を載せ、全体を加熱し、圧力室に相当する突起形状を有する圧力室成形用金型により、完全に貫通させず裏面が残るようになるまでプレス成形する工程と、
前記成形用素材に前記圧力室成形用金型の突起形状を転写する工程と、
冷却せず前記圧力室成形用金型のみ離型する工程と、
冷却後、前記離型剤を除去し、成形された前記成形用素材の裏面より、研磨することで圧力室となる貫通孔を形成する工程と、
前記貫通孔が形成された前記成形用素材を圧力室基板としてそれぞれ前記圧力室に対応した前記ノズル用貫通孔を形成したノズル板を貼付し、それぞれ前記圧力室に対応した圧力印加板を付加する工程とを備えることを特徴とする。

本発明の別のインクジェットプリンターヘッドの製造方法は、インクを収納するための圧力室を有する圧力室基板と、前記圧力室からインクを吐出するノズル用貫通孔と、前記圧力室に振動を与える圧力印加板とを含むインクジェットプリンターヘッドの製造方法であって、
平面金型上にガラスからなる成形用素材を載せ、全体を加熱し、離型膜を形成した圧力室に相当する突起形状を有する圧力室成形用金型により、完全に貫通させず裏面が残るようになるまでプレス成形する工程と、
前記成形用素材に前記圧力室成形用金型の突起形状を転写する工程と、
冷却せずに前記圧力室成形用金型のみ離型する工程と、
冷却後、成形された前記成形用素材の裏面より、研磨することで圧力室となる貫通孔を形成する工程と、
前記貫通孔が形成された前記成形用素材を圧力室基板にとしてそれぞれ前記圧力室に対応した前記ノズル用貫通孔を形成したノズル板を貼付し、それぞれ前記圧力室に対応した圧力印加板を付加する工程とを備えることを特徴とする。

本発明のインクジェットプリンターヘッドの製造方法によれば、成形により高精度に圧力室となる窪みをガラス基板に形成し、裏面より平面研磨する事で、バリの発生が無く、高精度な圧力室となる貫通孔を、非常に低コストで形成できるようになり、ノズル板と圧力印加板を形成することで高精度で低コストなインクジェットプリンターヘッドが製造できる。更に、本発明のインクジェットプリンターヘッド圧力室はガラス製であり、インクとの濡れ性も良く気泡が入りにくい圧力室ができる。

本発明は、第１に、平面金型上に離型剤を形成したガラスからなる成形用素材を載せ、全体を加熱し、圧力室に相当する突起形状を有する圧力室成形用金型により、完全に貫通させず、わずかに裏面が残るようになるまでプレス成形し、成形用素材に圧力室成形用金型の突起形状を完全に転写した後、冷却せず圧力室成形用金型のみに離型し、冷却後、離型剤を除去し、成形された成形用素材の裏面より、研磨することで圧力室となる貫通孔を形成した圧力基板に、レーザ加工またはプレス成形によりノズル用貫通孔を形成したノズル板を貼付し、圧力室上に圧力印加板を形成するというインクジェットプリンターヘッドの製造方法を提供し、容易に高精度なインクジェットプリンタヘッドの製造を可能としたものである。前記において「わずかに裏面が残る」とは、厚さが０．１ｍｍ以上をいう（以下においても同じ。）。

第２に、平面金型上にガラスからなる成形用素材を載せ、全体を加熱し、ガラスとの濡れ性が悪く、高温時に容易に離型できる離型膜を形成した圧力室に相当する突起形状を有する圧力室成形用金型により、完全に貫通させず、わずかに裏面が残るようになるまでプレス成形し、成形用素材に圧力室成形用金型の突起形状を完全に転写した後、冷却せずに圧力室成形用金型のみ離型し、冷却後、成形された成形用素材の裏面より、研磨することで圧力室となる貫通孔を形成した圧力基板に、レーザ加工またはプレス成形によりノズル用貫通孔を形成したノズル板を貼付し、圧力室上に圧力印加板を形成するというインクジェットプリンターヘッドの製造方法を提供し、容易に高精度なインクジェットプリンターヘッドの製造を可能としたものである。

また、平面金型上にガラスからなる成形用素材を載せ、全体を加熱し、離型剤あるいは離型膜を形成することで、圧力室に相当する突起形状を有する圧力室成形用金型により、完全に貫通させず、わずかに裏面が残るようになるまでプレス成形し、成形用素材に圧力室成形用金型の突起形状を完全に転写した後、冷却せずに圧力室成形用金型のみ離型し、冷却後、成形された成形用素材の裏面より、研磨することで圧力室となる貫通孔を形成したインクジェットプリンターヘッド圧力室はガラス製であり、インクとの濡れ性も良く気泡が入りにくい圧力室ができる。

以下、本発明の各実施例について図面を参照しながら説明する。

本発明の実施例１のインクジェットプリンターヘッドの製造方法を図１、〜図６を用いて説明する。

図１（ａ）〜（ｄ）は本発明の概略工程図を示し、図２（ａ）〜（ｂ）は本発明の１実施例に用いた成形装置の概略図を示し、図３（ａ）〜図６（ｄ）は本発明の１実施例の各成形工程での状態図を示したものである。

図１（ａ）〜（ｄ）に示したように、本発明の概略工程は、平面金型１３上に離型剤１４を形成した成形用素材１２を載せ、全体を加熱することで、圧力室に相当する突起形状を有する成形用金型１１により、完全に貫通させず、少しだけ裏面が残るようになるまでプレス成形し（図１（ａ））、成形用素材１２に成形用金型１１の突起形状を完全に転写する（図１（ｂ））。次に、冷却せずに離型し（図１（ｃ））、冷却後、離型剤１４を除去し、成形された成形用素材１２の裏面１５を研磨する（図１（ｄ））。これにより、圧力室１６を形成した基板を製造する。

具体的な実施例を図２を用いて説明する。

用いた成形装置は図２（（ａ）は正面から見た図、（ｂ）は側面から見た図）に示したように、成形機内の雰囲気を非酸化雰囲気（窒素雰囲気など）に保つために全体を密閉できるチャンバー２１１、平面金型２２に成形用素材２３を載せたものを成形機内に投入するための入り口シャッター２９、ヒーターを内蔵した予熱ステージ２５、同じくヒーターを内蔵したプレスステージ２６、冷却ステージ２７、圧力室成形用金型２１を固定し、ヒーターを内蔵し、上下に稼動し圧力を加えることができるプレスシリンダー２８、成形完了した成形用素材２３を平面金型２２に載せたまま外部に取り出すための出口シャッター２１０、平面金型２２と成形用素材２３を成形機内の各ステージに順次搬送し、圧力室成形用金型２１との位置あわせを行い、プレス終了時に強制的にプレスシリンダー２８を上方に引き上げたとき、成形用素材２３が圧力室成形用金型２１にくっついてしまうことを防止するために平面金型２２のストッパーとなるガイド２４、そして、酸化防止用のガスを送り込むためのガス導入口２１２から構成されている。

まず、４０ｍｍ×４０ｍｍ、厚さ１０ｍｍのＷＣを主成分とする超硬合金（熱膨張係数；５０×１０^-7／Ｋ）素材を放電加工法により、中心部分に高さ２００μｍ、巾１３０μｍ、長さ１．３ｍｍ、テーパ角度約１０度の突起をピッチ３４０μｍで５０個一列に並べた形状に加工し、表面にスパッタリング法により、Ｉｒ−Ｗ合金薄膜を１μｍ形成することで圧力室成形用金型２１を作製し、プレスシリンダー２８に固定した。続いて、４０ｍｍ×４０ｍｍ、厚さ１０ｍｍのＷＣを主成分とする超硬合金素材を平面研磨した後、表面にスパッタリング法により、Ｉｒ−Ｗ合金薄膜を１μｍ形成することで平面金型２２を作製した。平面金型２２を下金型とし、平面金型２２上に、圧力室成形用金型２１と接する面にＢＮ粉の離型剤を塗布した、２５ｍｍ×２５ｍｍ、厚さ１ｍｍのガラス（ＰＢＫ４０；ホウ珪酸ガラス）からなる成形用素材２３（熱膨張係数；７３×１０^-7／Ｋ）をのせ、その状態で、窒素をガス導入口２１２より送り込み非酸化雰囲気となっている成形機中に入り口シャッター２９を開けて投入した（図３（ａ））。

そして、金型全体をガイド２４に沿って、予熱ステージ２５に搬送し、予備加熱を行い５００℃まで加熱した（図３（ｂ））。

続いて、５５０℃以上の温度に保持したプレスステージ２６へそのまま搬送し（図４（ａ））、全体が５５０℃以上の温度になるまで加熱し、プレスシリンダー２８を下方に降ろし、圧力室成形用金型２１が成形用素材２３に接するところで、さらに、成形用素材２３の表面が５５０℃以上の温度になるまで加熱した（図４（ｂ））。

そして、成形用素材２３がプレス圧力により変形可能な温度（５５０℃以上；粘度１０^10.35ポアズ以下）に達したところで、平面金型２２側まで貫通させず、０．２ｍｍだけ成形用素材２３であるガラスの厚みが残るように、圧力室成形用金型２１の形状を完全に転写するまで、圧力室成形用金型２１の上方より、２０００Ｎの圧力を加え、プレス成形した（図５（ａ））。

そして、そのままの状態で冷却せずに圧力を解放し、圧力室成形用金型２１を上方に引き上げた。圧力室成形用金型２１と成形用素材２３であるガラスの面には離型剤が塗布してあり、圧力室成形用金型２１と成形用素材２３であるガラスは容易に離型し、さらに、圧力室成形用金型２１と成形用素材２３であるガラスが真空吸着により、上方へ持ち上がるのを防ぐためにガイド２４に平面金型２２が引っかかって、成形用素材２３と平面金型２２との間には離型剤を塗布していないので、くっついたまま、そのままの状態でプレスステージ２６に残る（図５（ｂ））。

その後、平面金型２２と成形したガラス２３を冷却ステージ２７に移動させて３００℃まで冷却すると、成形したガラス２３は平面金型２２より、熱収縮差により発生する応力により離型した（図６（ａ））。

そして、出口シャッター２１０を開けて、平面金型２２に成形したガラス２３を載せたまま外部に取り出し、室温まで冷却して成形したガラス２３を平面金型２２から引き離し成形工程は完了した（図６（ｂ））。

続いて、図１に示したように、成形転写性の良好な成形物の表面に残った離型剤を洗浄及び研磨により除去し、表面を樹脂接着剤で覆い、平面基板に張り付けた後、成形物の裏面１５より、酸化セリウム及びダイヤモンド砥粒を用いて、平面研磨して、５０個の圧力室に相当する貫通孔１６を得た。貫通孔の深さは全て０．１８ｍｍとした。作製した圧力室ガラス基板の圧力室部分の断面顕微鏡写真（倍率１００）を図７に示した。圧力室となる貫通孔４２が高精度に形成された圧力室ガラス基板４１が得られていることが解った。このようにして製造した圧力室の加工にかかる製造コストは、従来の機械加工による孔あけ加工を施した圧力室に比べて、約１／３程度であった。また、各圧力室の間隔の位置精度は、０．２％の誤差範囲内であり、セラミックスあるいは樹脂の成形法を用いた圧力室の位置精度数％に比べて１０倍以上の高精度にできていることがわかった。

また、成形温度（ガラスの粘度）と転写性及び離型性との関係を調べたところ、５６０℃以下の温度では成形転写性が得られず、未転写部分、特に圧力室との間の転写が甘くなり、６１０℃以上の温度ではガラスが付着して離型しなかった。

以上のように、本実施例によれば、成形工程と平面研磨工程のみで、低コストで、高精度に整列させたインクジェットプリンターヘッド圧力室の製造が可能となった。

このようにして製造した圧力室基板に、レーザ加工またはプレス成形によりノズル用貫通孔（直径φ５０μｍ、厚さ０．１ｍｍ）を形成したノズル板を研磨面側に紫外線（ＵＶ）硬化樹脂で貼付し、さらに圧力室上に圧電体などからなる圧力印加板を形成してインクジェットプリンターヘッドを完成させた。その構成は図８と同様になる。

本発明の実施例２のインクジェットプリンターヘッドの製造方法を図３〜図６を用いて説明する。

まず、４０ｍｍ×４０ｍｍ、厚さ１０ｍｍのＷＣを主成分とする超硬合金（熱膨張係数；５０×１０^-7／Ｋ）素材を放電加工法により、中心部分に高さ２００μｍ、巾１３０μｍ、長さ１．３ｍｍ、テーパ角度約１０度の突起をピッチ３４０μｍで５０個一列に並べた形状に加工し、表面にスパッタリング法により、Ｐｔ−Ｔａ合金薄膜を１μｍ形成し、さらに、高温時にガラスとの濡れ性を悪くするために炭素（Ｃ）膜をスパッタリング法により、約０．２μｍ形成することで圧力室成形用金型２１を作製し、プレスシリンダー２８に固定した。続いて、４０ｍｍ×４０ｍｍ、厚さ１０ｍｍのＷＣを主成分とする超硬合金素材を平面研磨した後、表面にスパッタリング法により、Ｐｔ−Ｔａ合金薄膜を１μｍ形成することで平面金型２２を作製した。平面金型２２を下金型とし、平面金型２２上に、２５ｍｍ×２５ｍｍ、厚さ１ｍｍのガラス（ＳＦ８；重フリントガラス）からなる成形用素材２３（熱膨張係数；９０×１０^-7／Ｋ）をのせ、その状態で、窒素をガス導入口２１２より送り込み非酸化雰囲気となっている成形機中に入り口シャッター２９を開けて投入した（図３（ａ））。

そして、金型全体をガイド２４に沿って、予熱ステージ２５に搬送し、予備加熱を行い４００℃まで加熱した（図３（ｂ））。

続いて、４６０℃以上の温度に保持したプレスステージ２６へそのまま搬送し（図４（ａ））、全体が４６０℃以上の温度になるまで加熱し、プレスシリンダー２８を下方に降ろし、圧力室成形用金型２１が成形用素材２３に接するところで、さらに、成形用素材２３の表面が４６０℃以上の温度になるまで加熱した（図４（ｂ））。

そして、成形用素材２３がプレス圧力により変形可能な温度（４６０℃以上；粘度１０^10.35ポアズ以下）に達したところで、平面金型２２側まで貫通させず、０．２ｍｍだけ成形用素材２３であるガラスの厚みが残るように、圧力室成形用金型２１の形状を完全に転写するまで、圧力室成形用金型２１の上方より、２０００Ｎの圧力を加え、プレス成形した（図５（ａ））。

そして、そのままの状態で冷却せずに圧力を解放し、圧力室成形用金型２１を上方に引き上げた。圧力室成形用金型２１と成形用素材２３であるガラスの面には離型膜が形成してあり、圧力室成形用金型２１と成形用素材２３であるガラスは容易に離型し、さらに、圧力室成形用金型２１と成形用素材２３であるガラスが真空吸着により、上方へ持ち上がるのを防ぐためにガイド２４に平面金型２２が引っかかって、成形用素材２３と平面金型２２は離型膜を形成していないので、くっついたまま、そのままの状態でプレスステージ２６に残る（図５（ｂ））。

続いて、図１に示したように、成形転写性の良好な成形物の表面を樹脂接着剤で覆い、平面基板に張り付けた後、成形物の裏面１５より、酸化セリウム及びダイヤモンド砥粒を用いて、平面研磨して、５０個の圧力室に相当する貫通孔１６を得た。貫通孔の深さは全て０．１８ｍｍとした。作製した圧力室ガラス基板の圧力室部分の断面を顕微鏡観察したところ、図７と全く同じ圧力室基板ができていることが解った。このようにして製造した圧力室の加工にかかる製造コストは、従来の機械加工による孔あけ加工を施した圧力室に比べて、約１／３程度であった。また、各圧力室の間隔の位置精度は、０．２％の誤差範囲内であり、セラミックスあるいは樹脂の成形法を用いた圧力室の位置精度数％に比べて１０倍以上の高精度にできていることがわかった。

また、成形温度（ガラスの粘度）と転写性及び離型性との関係を調べたところ、４７０℃以下の温度では成形転写性が得られず、未転写部分、特に圧力室との間の転写が甘くなり、５３０℃以上の温度ではガラスが付着して離型しなかった。

以上のように、本発明によれば、ガラスの成形工程と平面研磨工程のみで、低コストで、高精度に整列させたガラス製インクジェットプリンターヘッド圧力室の製造が可能となった。

以上の実施例に示したように、ガラスの種類を変えてもほぼ同じ様な成形結果が得られた。すなわち、本実施例の方法では、ガラスの粘度が１０^7.65ポアズ以上１０^10.35ポアズ以下の温度領域で成形することが望ましい。

本発明の一実施例におけるインクジェットプリンタヘッド圧力室の製造方法を示す概略工程図。本発明の一実施例におけるインクジェットプリンタヘッド圧力室の製造方法に用いた成形機の概略図（（ａ）正面図、（ｂ）側面図）。（ａ）〜（ｂ）は、本発明の一実施例におけるインクジェットプリンタヘッド圧力室の製造方法を示す工程図。（ａ）〜（ｂ）は、本発明の一実施例におけるインクジェットプリンタヘッド圧力室の製造方法を示す工程図。（ａ）〜（ｂ）は、本発明の一実施例におけるインクジェットプリンタヘッド圧力室の製造方法を示す工程図。（ａ）〜（ｂ）は、本発明の一実施例におけるインクジェットプリンタヘッド圧力室の製造方法を示す工程図。本発明の一実施例において製造したインクジェットプリンタヘッド圧力室の断面顕微鏡写真（倍率１００）。従来のインクジェットプリンタヘッドの構成図（（ａ）正面図、（ｂ）側面図）。

符号の説明

１１，２１圧力室成形金型
１２，２３成形用素材
１３，２２平面金型
１４離型剤
１５研磨する面
１６形成された圧力室
２４ガイド
２５予熱ステージ
２６プレスステージ
２７冷却ステージ
２８プレスシリンダー
２９入り口シャッター
２１０出口シャッター
２１１チャンバー
２１２ガス導入口
４１製造した圧力室基板
４２圧力室となる貫通孔
５１圧力室基板
５２ノズル板
５３圧力印加板
５４圧力室
５５ノズル

Claims

インクを収納するための圧力室を有する圧力室基板と、前記圧力室からインクを吐出するノズル用貫通孔と、前記圧力室に振動を与える圧力印加板とを含むインクジェットプリンターヘッドの製造方法であって、
平面金型上に離型剤を形成したガラスからなる成形用素材を載せ、全体を加熱し、圧力室に相当する突起形状を有する圧力室成形用金型により、完全に貫通させず裏面が残るようになるまでプレス成形する工程と、
前記成形用素材に前記圧力室成形用金型の突起形状を転写する工程と、
冷却せず前記圧力室成形用金型のみ離型する工程と、
冷却後、前記離型剤を除去し、成形された前記成形用素材の裏面より、研磨することで圧力室となる貫通孔を形成する工程と、
前記貫通孔が形成された前記成形用素材を圧力室基板としてそれぞれ前記圧力室に対応した前記ノズル用貫通孔を形成したノズル板を貼付し、それぞれ前記圧力室に対応した圧力印加板を付加する工程とを備えることを特徴とするインクジェットプリンターヘッドの製造方法。
インクを収納するための圧力室を有する圧力室基板と、前記圧力室からインクを吐出するノズル用貫通孔と、前記圧力室に振動を与える圧力印加板とを含むインクジェットプリンターヘッドの製造方法であって、
平面金型上にガラスからなる成形用素材を載せ、全体を加熱し、離型膜を形成した圧力室に相当する突起形状を有する圧力室成形用金型により、完全に貫通させず裏面が残るようになるまでプレス成形する工程と、
前記成形用素材に前記圧力室成形用金型の突起形状を転写する工程と、
冷却せずに前記圧力室成形用金型のみ離型する工程と、
冷却後、成形された前記成形用素材の裏面より、研磨することで圧力室となる貫通孔を形成する工程と、
前記貫通孔が形成された前記成形用素材を圧力室基板にとしてそれぞれ前記圧力室に対応した前記ノズル用貫通孔を形成したノズル板を貼付し、それぞれ前記圧力室に対応した圧力印加板を付加する工程とを備えることを特徴とするインクジェットプリンターヘッドの製造方法。