JP7290009B2

JP7290009B2 - インクジェットヘッド用流路パーツの製造方法

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Publication number: JP7290009B2
Application number: JP2019076172A
Authority: JP
Inventors: 三郎川喜田
Original assignee: Toppan Inc
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2019-04-12
Filing date: 2019-04-12
Publication date: 2023-06-13
Anticipated expiration: 2039-04-12
Also published as: JP2020172078A

Description

本発明は、ステンレス鋼を用いたインクジェットヘッド用流路パーツの製造方法に関わる。

現在インクジェット印刷はさまざまな分野で、さまざまな用途に実用化がなされており、身近な存在となっている。たとえば一般家庭においても、パソコンの出力装置として或いは年賀状や写真のプリンターとして使用されることが多く、また産業用においてもバーコードプリンター、あるいは看板、ＰＯＰ、広告媒体など商業印刷物への利用例は多い。

インクジェット印刷の利点は、プリンターが比較的安価で且つ高画質が得られる点が第一にある。また印刷といっても印刷用の版を必要とせず、パソコンや専用の機器からのデータによって目的の印刷物を得ることができる。これは単に印刷用の版の価格が節約できるということにとどまらず、印刷までに要する時間を短縮し、校正刷りといわれる試作、試し刷りを簡略なものにできるなどの利点が多い。

インクジェットヘッドは複数の薄板部材を積層、接着することで構成されている。流路パーツは薄板部材に貫通パターン、もしくはそれに加えてハーフエッチングパターンを施したもので、異なるパターンが配置された流路パーツを複数枚積層することで立体的なインクの流路構造を形成する。特許文献１には、インクジェットヘッドの構成例について記載されている。

インクジェットヘッドには、電圧を加えると変形するピエゾ素子を用いてインクを吐出させるピエゾ方式、過熱により流路内のインクに気泡を発生させてインクを吐出させるサーマル方式の二通りが存在するが、いずれの方式においても流路パーツはインク吐出特性を制御するための重要な部材となる。インク吐出特性を制御する上で流路パーツ自身の外観品質、設計されたパターンの寸法精度はより高精度のものが必要とされる。

インクジェットヘッドに用いられる流路パーツでは、寸法・外観品質、コスト面の観点から、従来のプレス加工を施した樹脂材料や金属材料から、より高精度なエッチング加工が可能なステンレス鋼の金属材料へ置き換えるための開発が進められている。

図１は、一般的な、ステンレス鋼を製造する工程を工程順に例示する概略図である。ステンレス鋼の製造では、まず電気炉や転炉等で、所望の成分組成となるように、主原料としてのステンレススクラップ、Ｃｒ合金鉄、及び各種成分の原料を溶解し、溶鋼を作製する（図１（ａ）、（ｂ））。

次に、前記溶鋼を鋳造機にて鋳造（図１（ｃ））し、インゴット化した（図１（ｄ））後、得られた鋳材を熱間圧延、冷間圧延（図１（ｄ））することにより、所望の特性を有する長尺状のステンレス鋼が製造される。図２には、長尺状のステンレス鋼を巻き取りロール体とした形態を示している。（後述の実施例時に切り出した位置も併せて図示している。）

ステンレス鋼の定義としては、国際規格のＩＳＯ規格（ＩＳＯ１５５１０）では、炭素を１．２％（質量パーセント濃度）以下、クロム（Ｃｒ）を１０．５％以上含むと定義しており、日本工業規格（ＪＩＳＧ０２０３）においても同じ化学組成の定義を用いている。

図１（ｂ）の溶解工程では、減圧雰囲気下でアルゴンガスを溶鋼内に吹き込むことによって溶鋼を攪拌させながら酸素ガスを溶鋼の浴面に吹き付ける方法等により脱炭精錬を行い、溶鋼中の炭素濃度を目標値に調整する。

その後、脱炭精錬時に付随的に酸化されて溶鋼中からスラグ（鉱滓）中に移行したＣｒを回収するために、脱酸剤を添加し脱酸（還元）精錬を行う。従来、還元精錬工程における脱酸剤としては、Ｓｉ、Ａｌ、Ｍｇ等が用いられてきた（例えば特許文献２、３）。

しかるに、上記の脱炭・脱酸（還元）工程においては、脱酸剤として用いたＳｉ、Ａｌ、Ｍｇ等や、元々ステンレス鋼に含まれる燐、硫黄等の不純物が、酸化物化、窒化物化、あるいは炭化物化し、非金属介在物が形成される。

前記の非金属介在物は、図１（ｅ）の圧延工程において、長尺状のステンレス鋼表面に押し付けられて、局所的にステンレス鋼表面が横広く陥没する材料ボイドと呼ばれる不良モードが発生し問題となる。また、非金属介在物はエッチングの阻害要因となり、材料ボイドが発生した箇所の近辺に貫通パターンが配置されている場合、パターンエッジ上の表層部のみがエッチングされずに突起（出っ張り）が残る不良モードが発生し問題となる。

材料ボイド不良が多発すると流路パーツをヘッド化する組立加工の際に他のパーツとの接着強度が落ち、最悪の場合は脱着不良を引き起こしてしまう。また表層部突起(出っ張り)については、ヘッド化組立前の洗浄工程で表層の突起部が材料面の垂直方向に持ち上がることで材料ボイドと同様に接着不具合を起こす可能性がある。

また仮に接着が問題なく行なえた場合でもヘッド化組立後、流路部にインクを流した際に表層部突起(出っ張り)部が剥がれ落ちノズル孔を埋めてしまい本来の吐出精度が得られなくなってしまう、といった不具合を誘発させる可能性がある。そのため、上述した２つのモードは形状不良と見なされ、発生が確認された流路パーツは不良品と判定される。

図３は、ステンレス鋼から、インクジェットヘッド用流路パーツをエッチングする概略工程を例示する模式断面図である。いわゆるフォトリソグラフィ法により、まずフォトレジストを塗工した（図３（ａ））後、露光・現像工程を経てフォトレジストパターンを形成する（図３（ｂ））。次に塩化第二鉄（ＦｅＣｌ₃ ）を主成分とする水溶液に、露出したステンレス鋼の表（オモテ）面、裏面を溶解させ、貫通パターンと、例えばハーフエッチングパターンを有するインクジェットヘッド用流路パーツの形状を得る。

図４（ａ）は、前記のようにしてインクジェットヘッド用流路パーツをエッチングした後に、材料ボイド及び表層部突起(出っ張り)が発生した様態を示す金属顕微鏡像（上部から見た平面写真）、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＡ部の部分拡大像である。このように、金属材料部（ステンレス鋼パターン）の一部に材料ボイドが発生し、貫通パターンにかかる部分には表層部突起（出っ張り）が発生し、形状不良を起こしている。

長尺状のステンレス鋼から、インクジェットヘッド用流路パーツを製造するためには、エッチング工程以外に、製品外形に断裁し個片化する工程を含むが、エッチング工程と断裁工程は、製品仕様・用途に応じ、どちらを先に行ってもよい。

特許第５８２４８９５号公報特開２００９－６８０９６号公報特開平５－３０２１１２号公報

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ステンレス鋼パターンに発生する材料ボイド、及び該材料ボイドが貫通パターンにかかる部分に発生する表層部突起（出っ張り）による不良率を大幅に低減するインクジェットヘッド用流路パーツの製造方法を提供することである。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、大きさが５μｍより大きい非金属介在物は含まれない長尺状のステンレス鋼に、少なくともエッチング加工と個片化のための断裁加工を施すインクジェットヘッド用流路パーツの製造方法であって、
前記エッチング加工と前記断裁加工を施す前に、前記長尺状のステンレス鋼から幅方向の中央部、両端部の３エリアから２０ｍｍ角の試験片を切り出し、
前記試験片に含まれる非金属介在物の大きさと、
前記試験片に含まれる全ての非金属介在物に対する、所定の大きさの前記非金属介在物の存在割合と、
を測定することにより、前記長尺状のステンレス鋼の良否判定を行い選別する、
ことを特徴とするインクジェットヘッド用流路パーツの製造方法としたものである。
ここで非金属介在物の大きさとは、金属顕微鏡観察した際の最大径を該非金属介在物の大きさと定義する。

請求項２に記載の発明は、前記長尺状のステンレス鋼の良否判定において、
前記長尺状のステンレス鋼には、
大きさが３～５μｍの非金属介在物の、前記存在割合は０～４％であり、
大きさが２～３μｍの非金属介在物の、前記存在割合は１９～３３％であり、
大きさが１～２μｍの非金属介在物の、前記存在割合は６７～７７％である、
場合に、前記長尺状のステンレス鋼を良と判定する、ことを特徴とする請求項１に記載のインクジェットヘッド用流路パーツの製造方法としたものである。

本発明によれば、ステンレス鋼パターンに発生する材料ボイド、及び該材料ボイドが貫通パターンにかかる部分に発生する表層部突起（出っ張り）による不良率を大幅に低減するインクジェットヘッド用流路パーツの製造方法が得られる。

ステンレス鋼を製造する工程を工程順に例示する概略図である。圧延後のステンレス鋼のロール体であり、実施例時に切り出した位置を示す説明図である。ステンレス鋼から、インクジェットヘッド用流路パーツをエッチングする概略工程を例示する模式断面図である。（ａ）インクジェットヘッド用流路パーツのエッチング後に、材料ボイド及び表層部突起(出っ張り)が発生した様態を示す金属顕微鏡像（上部から見た平面写真）、（ｂ）（ａ）のＡ部の部分拡大像である。

本発明に係る、インクジェットヘッド用流路パーツの製造方法では、エッチング加工と断裁加工を施す前に、長尺状のステンレス鋼から試験片を切り出し、試験片に含まれる非金属介在物の、長尺状の長さ方向に直交する幅方向の右端部、中央部、左端部における大
きさと、試験片に含まれる全ての非金属介在物に対する、所定の大きさの非金属介在物の存在割合と、を測定することにより、所定の大きさの非金属介在物が好適な割合で存在するかどうかの良否判定を行い、好適な割合で存在するステンレス鋼を選別した上でエッチングを行うことにより、材料ボイド、及び表層部突起（出っ張り）による不良率を大幅に低減する。尚、本発明における選別とは、製造されたステンレス鋼がインクジェットヘッド用流路パーツに好適であるために求められる一定の水準であることを確認すること全般を意図し、インクジェットヘッド用流路パーツを製造するエッチング前の確認やステンレス鋼を製造するプロセスにおける各種成分調整の検討を含む意図である。以下、選別に好適な非金属介在物の大きさと、その存在割合を、実施例と比較例により説明する。

図１に示す工程において、溶解時の脱炭・脱酸工程の条件変更を行い、非金属介在物の存在割合が異なる２種類の長尺状のステンレス鋼を作製し、実施例及び比較例用のステンレス鋼とした。

＜非金属介在物の測定方法＞
前記の２種類の長尺状のステンレス鋼から、図２に示すように、それぞれ幅方向の中央部、両端部の３エリアから２０ｍｍ角の試験片を切り出し、いずれも３μｍ程度の浅いエッチングを行った後、前記浅いエッチングパターン部を金属顕微鏡にて観察し、非金属介在物の発生数を、１μｍ～２μｍ以下、２μｍ超～３μｍ以下、３μｍ超～５μｍ以下、５μｍ超～７μｍ以下、７μｍより大の５段階に分けて測定した。
さらに、観察された全ての非金属介在物に対する、各段階の大きさの非金属介在物の存在割合（％）を算出した。ここで非金属介在物の大きさとは、該非金属介在物を金属顕微鏡観察した際の最大径のことである。

尚、非金属介在物は、脱炭・脱酸工程後に形成され、図１に示すように、鋳造後には既に偏在し、圧延後に潰され大きくなるが、本実施例では、より視認しやすいように、浅くエッチングした後に観察した。また、本実施例では、試験片の切り出し箇所を中央部、両端部の３エリアとしたが、本発明の製造方法では、試験片の切り出し箇所は少なくとも複数個所で、中央部、両端部を含むことが好ましい。

前記の非金属介在物の測定結果を表１に示す。

＜材料ボイド、表層部突起（出っ張り）の発生率（不良率）の測定方法＞
上記の２種類の長尺状のステンレス鋼から検査片を１０００～２０００枚程度切り出し、それぞれ図３に示す工程に倣って貫通パターン部を形成し、金属顕微鏡にて観察して、材料ボイド、または表層部突起（出っ張り）の不良が発生した枚数をカウントし、全検査枚数に対する不良率（％）を算出した。

前記の材料ボイド、及び表層部突起（出っ張り）の発生率（不良率）を測定した結果を表２に示す。

表１と表２の結果には明らかに相関があり、溶解時の脱炭・脱酸工程の条件を変更した実施例のステンレス鋼においては、材料ボイド、表層部突起（出っ張り）による不良率を大幅に低減できることが分った。すなわち、エッチング加工を施す前に、長尺状のステンレス鋼に含まれる、非金属介在物の大きさと、存在割合とを測定することにより、所定の大きさの非金属介在物が好適な割合で存在するかどうかを調べ、好適な割合で存在するステンレス鋼を選別した上でエッチングを行うことにより、材料ボイド、及び表層部突起（出っ張り）による不良率を大幅に低減することができる。

非金属介在物は、剛性・耐食性等の所望の物理・化学的特性を有するインクジェットヘッド用流路パーツを製造するためにステンレス鋼に不可欠に含まれる元素に起因するものであるため、形成されざるを得ない。そこで、選別のために好適な非金属介在物の大きさと、存在割合を検討すると、表１、表２の結果より、大きさが５μｍより大きい非金属介在物は含まれなかった。

実施例のステンレス鋼では、幅方向右端部において、１～２μｍ（１２個）、２～３μｍ（３個）、３～５μｍ（１個）、５～７μｍ（０個）、７μｍより大きい（０個）であり、全個数（１６個）であった。そのため、それぞれの存在割合は、１～２μｍ（７５％）、２～３μｍ（１９％）、３～５μｍ（６％）、５～７μｍ（０％）、７μｍより大きい（０％）であった。
幅方向中央部において、１～２μｍ（２０個）、２～３μｍ（５個）、３～５μｍ（１個）、５～７μｍ（０個）、７μｍより大きい（０個）であり、全個数（２６個）であった。そのため、それぞれの存在割合は、１～２μｍ（７７％）、２～３μｍ（１９％）、３～５μｍ（４％）、５～７μｍ（０％）、７μｍより大きい（０％）であった。
幅方向左端部において、１～２μｍ（１６個）、２～３μｍ（８個）、３～５μｍ（０個）、５～７μｍ（０個）、７μｍより大きい（０個）であり、全個数（１６個）であった。そのため、それぞれの存在割合は、１～２μｍ（６７％）、２～３μｍ（３３％）、３～５μｍ（０％）、５～７μｍ（０％）、７μｍより大きい（０％）であった。

また、比較例のステンレス鋼では、幅方向右端部において、１～２μｍ（８３個）、２～３μｍ（７６個）、３～５μｍ（２個）、５～７μｍ（０個）、７μｍより大きい（０個）であり、全個数（１６１個）であった。そのため、それぞれの存在割合は、１～２μｍ（５２％）、２～３μｍ（４７％）、３～５μｍ（１％）、５～７μｍ（０％）、７μｍより大きい（０％）であった。
幅方向中央部において、１～２μｍ（７５個）、２～３μｍ（７８個）、３～５μｍ（１個）、５～７μｍ（０個）、７μｍより大きい（０個）であり、全個数（１５４個）であった。そのため、それぞれの存在割合は、１～２μｍ（４９％）、２～３μｍ（５０％）、３～５μｍ（１％）、５～７μｍ（０％）、７μｍより大きい（０％）であった。
幅方向左端部において、１～２μｍ（９５個）、２～３μｍ（６２個）、３～５μｍ（１個）、５～７μｍ（０個）、７μｍより大きい（０個）であり、全個数（１５８個）であった。そのため、それぞれの存在割合は、１～２μｍ（６０％）、２～３μｍ（３９％）、３～５μｍ（１％）、５～７μｍ（０％）、７μｍより大きい（０％）であった。

すなわち、大きさが３～５μｍの非金属介在物の存在割合は０～４％であり、大きさが２～３μｍの非金属介在物の存在割合は１９～３３％であり、大きさが１～２μｍの非金属介在物の存在割合は６７～７７％である場合に、長尺状のステンレス鋼を良判定として選別使用することが好ましい。

本発明の製造方法は、インクジェットヘッド用流路パーツの製造に限らず、ステンレス鋼を金属材料とする、その他のエッチング部品の製造に応用することができる。

Claims

大きさが５μｍより大きい非金属介在物は含まれない長尺状のステンレス鋼に、少なくともエッチング加工と個片化のための断裁加工を施すインクジェットヘッド用流路パーツの製造方法であって、
前記エッチング加工と前記断裁加工を施す前に、前記長尺状のステンレス鋼から幅方向の中央部、両端部の３エリアから２０ｍｍ角の試験片を切り出し、
前記試験片に含まれる非金属介在物の大きさと、
前記試験片に含まれる全ての非金属介在物に対する、所定の大きさの前記非金属介在物の存在割合と、
を測定することにより、前記長尺状のステンレス鋼の良否判定を行い選別する、
ことを特徴とするインクジェットヘッド用流路パーツの製造方法。
ここで前記非金属介在物の大きさとは、該非金属介在物の最大径を意味する。
前記長尺状のステンレス鋼の良否判定において、
前記長尺状のステンレス鋼には、
大きさが３～５μｍの非金属介在物の、前記存在割合は０～４％であり、
大きさが２～３μｍの非金属介在物の、前記存在割合は１９～３３％であり、
大きさが１～２μｍの非金属介在物の、前記存在割合は６７～７７％である、
場合に、前記長尺状のステンレス鋼を良と判定する、
ことを特徴とする請求項１に記載のインクジェットヘッド用流路パーツの製造方法。