JP7344065B2

JP7344065B2 - セラミック接合体

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Publication number: JP7344065B2
Application number: JP2019175868A
Authority: JP
Inventors: 浩浜島
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2019-09-26
Filing date: 2019-09-26
Publication date: 2023-09-13
Anticipated expiration: 2039-09-26
Also published as: JP2021050127A

Description

本開示は、セラミック接合体、セラミック接合体の製造方法およびセラミック接合体を用いたインクジェットプリンタヘッドに関する。

特許文献１に記載のように、圧力室の側面にノズルを有するサイドシューター型と称されるシェアモードシェアウォール方式のインクジェットプリンタヘッドが知られている。シェアモードシェアウォール方式のインクジェットプリンタヘッドは、基板と、基板に接着された枠部材と、枠部材に接着されたノズルプレートと、枠部材の内側の位置で基板に接着された圧電部材と、圧電部材を駆動するためのヘッド駆動用ＩＣとを備えている。印刷時には圧電部材が駆動して、圧電部材内の各圧力室の両側に設けられた駆動素子である支柱が、シェアモード変形して湾曲する。その結果、圧力室のインクが加圧され、ノズルからインクが吐出される。このようなインクジェットプリンタヘッドに使用される基板は、アルミナなどのセラミックス製またはガラス製であり、枠部材は金属製である（特許文献２）。

特開２０１７－１８５８１７号公報特開２０１３－１９３３１３号公報

本開示に係るセラミック接合体は、厚み方向に貫通する流通孔が長手方向に沿って配置された長尺状のセラミック基板と、該セラミック基板に載置されたセラミック枠体とを含む。セラミック基板と載置されたセラミック枠体とが対向する面を、それぞれ第１対向面および第２対向面とした場合に、セラミック基板の第１対向面とセラミック枠体の第２対向面とが当接している。

本開示に係るセラミック接合体の製造方法は、厚み方向に貫通する流通孔が長手方向に沿って配置された長尺状のセラミック基板と、該セラミック基板に載置させるセラミック枠体とを準備する。セラミック基板と載置させるセラミック枠体とが対向する面を、それぞれ第１対向面および第２対向面とした場合に、セラミック基板の第１対向面およびセラミック枠体の第２対向面の少なくとも一方に水を付着させる。第１対向面と第２対向面とを吸着させた後に厚み方向から押圧して熱処理する。

さらに、本開示に係るインクジェットプリンタヘッドは上記のセラミック接合体を含む。

本開示の一実施形態に係るセラミック接合体を示す説明図である。図１に示すセラミック接合体に含まれるセラミック基板を示す説明図である。図２に示すセラミック基板において、（Ａ）は一実施形態に係る第１基板および一実施形態に係る第２基板を接合する前の状態を示し、（Ｂ）は接合した後の状態を示す。図２に示すセラミック基板において、（Ａ）は他の実施形態に係る第１基板および他の実施形態に係る第２基板を接合する前の状態を示し、（Ｂ）は接合した後の状態を示す。

シェアモードシェアウォール方式のインクジェットプリンタヘッドにおいて、基板がセラミックス製であり、枠部材が金属製である場合、一般的に枠部材の厚みは薄い。さらに、基板についても、裏面に平坦さ、例えば平面度が１０μｍ以下のような平坦さが要求される。しかし、基板と枠部材とを有機成分やガラス成分などによって接合すると、有機成分やガラス成分による接合層の厚みのバラツキが基板の裏面に影響を及ぼす。そのため、このような接合方法では、所望の平坦さが得られない。さらに、基板と枠部材との間にこのような接合層が介在していると、インクなどの流体が、有機成分やガラス成分によって汚染される可能性もある。

本開示に係るセラミック接合体は、上記のように、セラミック基板と載置されたセラミック枠体とが対向する面を、それぞれ第１対向面および第２対向面とした場合に、セラミック基板の第１対向面とセラミック枠体の第２対向面とが当接している。すなわち、セラミック基板とセラミック枠体とが接合層を介さずに接合している。有機成分やガラス成分による接合層が存在しないため、接合層の厚みのバラつきによる影響を受けない。その結果、基板の平坦さを保つことができる。さらに、本開示に係るセラミック接合体には、このような接合層が存在しない。そのため、本開示に係るセラミック接合体を、例えばインクジェットプリンタヘッドの部材として使用した場合、インクなどの流体が、有機成分やガラス成分によって汚染されない。

本開示の一実施形態に係るセラミック接合体を、図１～４に基づいて説明する。図１に示す一実施形態に係るセラミック接合体１は、セラミック基板２とセラミック枠体３とを含む。一実施形態に係るセラミック接合体１に含まれるセラミック基板２の材質は限定されないが、セラミック基板２の材質としては、例えば酸化アルミニウム、炭化珪素または窒化珪素を主成分とするセラミックスなどが挙げられる。

ここで「主成分」とは、セラミックスを構成する成分の合計１００質量％における８０質量％以上を占める成分をいう。セラミックスに含まれる各成分の同定は、ＣｕＫα線を用いたＸ線回折装置で行い、各成分の含有量は、例えばＩＣＰ（ＩｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙＣｏｕｐｌｅｄＰｌａｓｍａ）発光分光分析装置または蛍光Ｘ線分析装置により求めればよい。

これらの材質の中でも、研磨、研削などの加工がしやすく、１次原料が安価である点で、例えば、セラミック基板２は酸化アルミニウムを主成分とするセラミックスで形成されていてもよい。

図２に示すように、セラミック基板２は長尺状を有する。セラミック基板２の大きさは限定されず、セラミック接合体が使用される所望の部材に応じて適宜設定される。セラミック基板２は、例えば、長手方向に７０ｍｍ以上１００ｍｍ以下の長さを有し、短手方向に１０ｍｍ以上３０ｍｍ以下の長さを有する。さらに、セラミック基板２は、０．１ｍｍ以上０．２５ｍｍ以下の厚みを有する。

セラミック基板２には、流通孔２１が形成されている。流通孔２１は、セラミック基板２の厚み方向に貫通しており、セラミック基板２の長手方向に沿って配置されている。流通孔２１の大きさは限定されず、セラミック接合体が使用される所望の部材に応じて適宜設定される。流通孔２１は、例えば、長手方向に６０ｍｍ以上９０ｍｍ以下の長さを有し、短手方向に７ｍｍ以上１０ｍｍ以下の長さを有する。

図１に示すように、セラミック基板２にはセラミック枠体３が載置されている。セラミック枠体３の材質は限定されないが、セラミック枠体３の材質としては、例えば酸化アルミニウム、炭化珪素または窒化珪素を主成分とするセラミックスなどが挙げられる。「主成分」の定義は上述の通りである。これらの材質の中でも、研磨、研削などの加工がしやすく、１次原料が安価である点で、例えば、セラミック枠体３は酸化アルミニウムを主成分とするセラミックスで形成されていてもよい。セラミック枠体３は、セラミック基板２と同じ材質であってもよく、異なる材質であってもよい。セラミック枠体３は、線膨張係数が同じであり、後述する接合後に熱応力が残りにくいという点で、セラミック基板２と同じ材質であるのがよい。

セラミック枠体３の大きさは限定されず、セラミック基板２の大きさに応じて適宜設定される。セラミック枠体３は、例えば、長手方向に６０ｍｍ以上９０ｍｍ以下の長さを有し、短手方向に７ｍｍ以上１２ｍｍ以下の長さを有する。さらに、セラミック枠体３は、０．２ｍｍ以上０．４ｍｍ以下の厚みを有する。

一実施形態に係るセラミック接合体１において、セラミック基板２とセラミック枠体３とは、セラミック基板２の第１対向面とセラミック枠体３の第２対向面とが当接している。すなわち、セラミック基板２の第１対向面とセラミック枠体３の第２対向面とが対向するように、セラミック基板２とセラミック枠体３とが当接している。ここで「当接」とは、接着層などの接合層を介さずに、セラミック基板２の第１対向面とセラミック枠体３の第２対向面とが接触していることを意味する。接合層の有無は、例えば、走査型電子顕微鏡を用いて倍率を１００倍として観察すればよい。

一実施形態に係るセラミック接合体１には、このような接合層が存在しない。そのため、一実施形態に係るセラミック接合体１は、接合層を含むセラミック接合体のように、接合層の厚みのバラつきによる影響を受けない。さらに、一実施形態に係るセラミック接合体１を、例えばインクジェットプリンタヘッドの部材として使用した場合、インクなどの流体が、有機成分やガラス成分によって汚染されない。

セラミック基板２の第１対向面は、例えば研磨されていてもよい。セラミック基板２の第１対向面の算術平均粗さＲａは限定されず、例えば、０．０２μｍ以上０．４μｍ以下であってもよい。セラミック基板２の第１対向面がこのような算術平均粗さＲａを有することによって、凹凸によるバラつきを少なくすることができるのに加え、セラミック基板２の第１対向面の算術平均粗さＲａを０．０２μｍ以上とすることで、アンカー効果も発揮させることができ、セラミック枠体３がセラミック基板２から、より剥離しにくくなる。さらに、セラミック基板２の第１対向面の算術平均粗さＲａを０．４μｍ以上とすることで、セラミック基板２の第１対向面とセラミック枠体３の第２対向面とに固着する粒子がより少なくなるため、流体が供給および排出されても浮遊する粒子がより少なくなる。その結果、流体が汚染される可能性がより低減する。

セラミック基板２の第１対向面において、粗さ曲線における切断レベル差Ｒδｃは限定されず、例えば、０．０３μｍ以上０．８μｍ以下であってもよい。粗さ曲線における切断レベル差Ｒδｃは、ＪＩＳＢ０６０１：２００１で規定されている粗さ曲線における負荷長さ率Ｒｍｒ１、Ｒｍｒ２にそれぞれ一致する切断レベルＣ（Ｒｒｍ１）、Ｃ（Ｒｒｍ２）の高さ方向の差を示す指標であり、値が小さいほど凹凸が少ない平滑な表面であることを示す。本明細書において「切断レベル差Ｒδｃ」とは、セラミック基板２の第１対向面についての粗さ曲線における２５％の負荷長さ率での切断レベルと、粗さ曲線における７５％の負荷長さ率での切断レベルとの差を意味する。

セラミック基板２の第１対向面がこのような粗さ曲線における切断レベル差Ｒδｃを有することによって、凹凸によるバラつきを少なくすることができるのに加え、セラミック基板２の第１対向面の切断レベル差Ｒδｃを０．０３μｍ以上とすることで、アンカー効果も発揮させることができ、セラミック枠体３がセラミック基板２から、より剥離しにくくなる。さらに、セラミック基板２の第１対向面の切断レベル差Ｒδｃを０．８μｍ以下とすることで、セラミック基板２の第１対向面とセラミック枠体３の第２対向面とに固着する粒子がより少なくなるため、流体が供給および排出されても浮遊する粒子がより少なくなる。その結果、流体が汚染される可能性がより低減する。

算術平均粗さＲａおよび切断レベル差Ｒδｃは、ＪＩＳＢ０６０１：２００１に準拠し、レーザー顕微鏡（(株)キーエンス製、超深度カラー３Ｄ形状測定顕微鏡（ＶＫ－Ｘ１０００またはその後継機種））を用いて測定することができる。測定条件としては、カットオフ値λｓを無し、カットオフ値λｃを０．０８ｍｍ、測定対象とするセラミック基板２の第１対向面から１か所当たりの測定範囲を１４０４μｍ×１０５３μｍを設定して、表面粗さ計測を行えばよい。

セラミック枠体３の第２対向面の算術平均粗さＲａおよび粗さ曲線における切断レベル差Ｒδｃについても、セラミック基板２の第１対向面の算術平均粗さＲａおよび粗さ曲線における切断レベル差Ｒδｃと同程度であるのがよい。すなわち、セラミック枠体３の第２対向面の算術平均粗さＲａは０．０２μｍ以上０．４μｍ以下であってもよく、粗さ曲線における切断レベル差Ｒδｃは０．０３μｍ以上０．８μｍ以下であってもよい。

一実施形態に係るセラミック接合体１を製造する方法は限定されない。一実施形態に係るセラミック接合体１は、セラミック基板２とセラミック枠体３を用いて、例えば次のような手順で得られる。

セラミック基板２およびセラミック枠体３が酸化アルミニウムを主成分とするセラミックスから形成される場合について説明する。記載するまでもないが、セラミック基板２およびセラミック枠体３は、炭化珪素、窒化珪素などを主成分とするセラミックスから形成されていてもよい。

主成分である酸化アルミニウム粉末（純度が９９．９質量％以上）と、水酸化マグネシウム、酸化珪素および炭酸カルシウムの各粉末とを粉砕用ミルに溶媒（イオン交換水）とともに投入して、粉末の平均粒径（Ｄ_５０）が１．５μｍ以下になるまで粉砕した後、有機結合剤と、酸化アルミニウム粉末を分散させる分散剤とを添加、混合してスラリーを得る。ここで、上記粉末の合計１００質量％における水酸化マグネシウム粉末の含有量は０．３～０．４２質量％、酸化珪素粉末の含有量は０．５～０．８質量％、炭酸カルシウム粉末の含有量は０．０６０～０．１質量％であり、残部が酸化アルミニウム粉末および不可避不純物である。

有機結合剤としては、例えば、アクリルエマルジョン、ポリビニールアルコール、ポリエチレングリコール、ポリエチレンオキサイドなどが挙げられる。次に、スラリーを噴霧造粒して顆粒を得る。セラミック基板２を得る場合、まず、顆粒を成形型に充填した後、成形圧を７８Ｍｐａ以上１２８ＭＰａ以下として顆粒を加圧して平板状の第１の成形体を得る。第１の成形体を切削加工により流通孔の下穴を形成することにより、セラミック基板２の前駆体を得る。得られたセラミック基板２の前駆体を、温度を１５００℃以上１７００℃以下、時間を４時間以上６時間以下として保持することによって、セラミック基板２を得ることができる。

セラミック枠体３についても、セラミック基板２と同様の手順で得られる。すなわち、セラミック基板２の原料として使用した顆粒を、セラミック枠体３用の成形型に充填して、上述の条件で加圧して平板状の第２の成形体を得る。第２の成形体に厚み方向に切削加工を施すことにより空間部を有するセラミック枠体３の前駆体を得る。次いで、得られたセラミック枠体３の前駆体を上述の条件で加熱することによって、セラミック枠体３を得ることができる。

得られたセラミック基板２とセラミック枠体３とは拡散接合によって当接させる。まず、セラミック基板２の第１対向面およびセラミック枠体３の第２対向面の少なくとも一方に水を付着させる。水を付着させる方法は限定されず、例えば、セラミック基板２の第１対向面およびセラミック枠体３の第２対向面の少なくとも一方に、水を噴霧したり、水を刷毛などで塗布したり、水に直接浸漬したりする方法などが挙げられる。

セラミック基板２の第１対向面およびセラミック枠体３の第２対向面の少なくとも一方に水を付着させた後、セラミック基板２の第１対向面とセラミック枠体３の第２対向面とを吸着させる。次いで、吸着面を押圧しながら熱処理を行う。押圧の強さは限定されず、セラミック基板２およびセラミック枠体３の大きさや材質などに応じて、適宜設定される。具体的には、１ｋｇｆ～５ｋｇｆ程度の圧力で押圧するのがよい。熱処理についても、セラミック基板２およびセラミック枠体３の大きさや材質などに応じて、適宜設定される。具体的には、１０００℃以上１８００℃以下で熱処理するのがよい。熱処理は、例えば３０分～１２０分程度行えばよい。このようにして、一実施形態に係るセラミック接合体１が得られる。

セラミック基板２とセラミック枠体３とを当接させる前に、必要に応じて、セラミック基板２の第１対向面およびセラミック枠体３の第２対向面の少なくとも一方を研磨してもよい。具体的には、セラミック基板２の第１対向面およびセラミック枠体３の第２対向面の少なくとも一方において、算術平均粗さＲａが０．０２μｍ以上０．４μｍ以下となるように研磨してもよく、粗さ曲線における切断レベル差Ｒδｃが０．０３μｍ以上０．８μｍ以下となるように研磨してもよい。

研磨方法は限定されず、例えば、＃８００～＃１０００の粒度を有するダイヤモンド砥粒を含む砥石をホーニング加工機に装着して、セラミック基板２の第１対向面およびセラミック枠体３の第２対向面の少なくとも一方を研磨すればよい。

一実施形態に係るセラミック接合体１は、上述のように接合層が存在しないため、接合層の厚みのバラつきによる影響を受けない。さらに、ように接合層が存在しないことによって、インクなどの流体が、有機成分やガラス成分によって汚染されない。したがって、一実施形態に係るセラミック接合体１は、例えば、インクジェットプリンタヘッドの部材として使用される。

本開示に係るセラミック接合体は、上述の一実施形態に限定されない。例えば、上述のセラミック基板２は、図２に示すように一体的に成型されている。しかし、本開示に係るセラミック接合体に使用されるセラミック基板は、図３（Ａ）に示すように、Ｌ型形状に成形された第１基板２ａおよび第２基板２ｂによって形成されていてもよい。

Ｌ型形状に成形された第１基板２ａおよび第２基板２ｂを、図３（Ａ）に示すように内側に流通孔となる空隙が形成されるように組み合わせる。Ｌ型形状を有する第１基板２ａと第２基板２ｂとを、上述と同様の拡散接合によって当接させる。具体的には、Ｌ型形状を有する第１基板２ａと第２基板２ｂとの接触面に水を付着させ、Ｌ型形状を有する第１基板２ａと第２基板２ｂとの吸着面を押圧しながら熱処理を行えばよい。このような方法によっても、図３（Ｂ）に示すようにセラミック基板２が形成される。

第１基板および第２基板は、第１基板２ａおよび第２基板２ｂのようなＬ型形状でなくてもよい。例えば、第１基板および第２基板は、図４（Ａ）に示すように、コの字形状を有する第１基板２ａ’および棒状を有する第２基板２ｂ’によって形成されていてもよい。コの字形状を有する第１基板２ａ’と棒状を有する第２基板２ｂ’との接触面に水を付着させ、コの字形状を有する第１基板２ａ’と棒状を有する第２基板２ｂ’との吸着面を押圧しながら熱処理を行えばよい。このような方法によっても、図４（Ｂ）に示すようにセラミック基板２が形成される。

１セラミック接合体
２セラミック基板
２１流通孔
２ａ、２ａ’ 第１基板
２ｂ、２ｂ’ 第２基板
３セラミック枠体

Claims

厚み方向に貫通する流通孔が長手方向に沿って配置された長尺状のセラミック基板と、該セラミック基板に載置されたセラミック枠体とを含み、
前記セラミック基板および前記セラミック枠体が、酸化アルミニウムを主成分とするセラミックスから形成されており、
前記セラミック基板と載置された前記セラミック枠体とが対向する面を、それぞれ第１対向面および第２対向面とした場合に、前記セラミック基板の前記第１対向面と前記セラミック枠体の前記第２対向面とが当接しており、
前記第１対向面の算術平均粗さＲａが、０．０２μｍ以上０．４μｍ以下である、
セラミック接合体。
厚み方向に貫通する流通孔が長手方向に沿って配置された長尺状のセラミック基板と、該セラミック基板に載置されたセラミック枠体とを含み、
前記セラミック基板および前記セラミック枠体が、酸化アルミニウムを主成分とするセラミックスから形成されており、
前記セラミック基板と載置された前記セラミック枠体とが対向する面を、それぞれ第１対向面および第２対向面とした場合に、前記セラミック基板の前記第１対向面と前記セラミック枠体の前記第２対向面とが当接しており、
前記第１対向面の粗さ曲線における切断レベル差Ｒδｃが０．０３μｍ以上０．８μｍ以下であり、
前記切断レベル差Ｒδｃが、粗さ曲線における２５％の負荷長さ率での切断レベルと、粗さ曲線における７５％の負荷長さ率での切断レベルとの差である、
セラミック接合体。
前記第１対向面の算術平均粗さＲａが、０．０２μｍ以上０．４μｍ以下である請求項２に記載のセラミック接合体。
厚み方向に貫通する流通孔が長手方向に沿って配置された長尺状のセラミック基板と、該セラミック基板に載置させるセラミック枠体とを準備し、
前記セラミック基板と載置させる前記セラミック枠体とが対向する面を、それぞれ第１対向面および第２対向面とした場合に、前記セラミック基板の前記第１対向面および前記セラミック枠体の前記第２対向面の少なくとも一方に水を付着させ、
前記第１対向面と前記第２対向面とを吸着させた後に厚み方向から押圧して熱処理するセラミック接合体の製造方法において、
前記セラミック基板および前記セラミック枠体が、酸化アルミニウムを主成分とするセラミックスから形成されている、
セラミック接合体の製造方法。
前記第１対向面および前記第２対向面の少なくとも一方に水を付着させる前に、前記第１対向面および前記第２対向面を研磨する、請求項４に記載のセラミック接合体の製造方法。
前記セラミック基板は、いずれもＬ型形状を有する第１基板および第２基板が、前記流通孔を挟んで配置される請求項４または５に記載のセラミック接合体の製造方法。
前記セラミック基板は、コの字形状を有する第１基板と棒状を有する第２基板とが、前記流通孔を挟んで配置される請求項４または５に記載のセラミック接合体の製造方法。
請求項１～３のいずれかに記載のセラミック接合体を含むインクジェットプリンタヘッド。