JP4865688B2 - 液滴吐出ヘッドおよび液滴吐出装置 - Google Patents
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Description
このような液滴吐出ヘッドにあっては、駆動用の圧電素子を伸縮させることにより、インク室の一部(振動板)を変位させる。これにより、インク室の容積を変化させて、ノズルからインク液滴が吐出される。
ところで、このような液滴吐出ヘッドは、ノズルが形成されたノズルプレートと、インク室を画成する基板との間を、接着剤で接着することによって組み立てられている。
また、接着剤は、インク室に貯留されたインクに長期間曝される。このように接着剤がインクに曝されると、インク中の有機成分によって、接着剤に変質・劣化が生じる。このため、インク室の液密性が低下したり、接着剤中の成分がインクに溶出したりするおそれがある。
固体接合は、接着剤等の接着層を介在させることなく、部材同士を直接接合する方法であり、例えば、拡散接合法、シリコン直接接合法、陽極接合法等の方法が知られている(例えば、特許文献1参照)。
・接合可能な部材の材質が限られる
・接合プロセスにおいて高温(例えば、700〜800℃程度)での熱処理を伴う
・接合プロセスにおける雰囲気が減圧雰囲気に限られる
・一部の領域を部分的に接合することができない
といった問題がある。
本発明の液滴吐出ヘッドは、基板と、
前記基板の一方の面に設けられ、吐出液を液滴として吐出するノズル孔を備えるノズルプレートと、
前記基板の他方の面に設けられた封止板と、を有し、
前記基板と前記ノズルプレートと前記封止板とで、前記吐出液を貯留する吐出液貯留室が形成され、
前記基板と前記ノズルプレートとの間および前記基板と前記封止板との間の各接合領域が、それぞれ平均厚さ10〜10000nmの接合膜を介して接合されており、
前記接合膜は、シリコーン材料を含有する液状材料の被膜を乾燥させた後、該被膜にエネルギーを付与することにより前記各接合領域を接合するものであり、
前記接合領域のうち、前記吐出液貯留室に臨む部分とは反対側の領域が接着剤で仮固定されており、
前記接合領域のうち、前記吐出液貯留室に臨む部分が、前記吐出液貯留室内に供給された前記液状材料が前記吐出液貯留室に臨む部分に浸透し、前記浸透した液状材料から得られた前記接合膜により接合されており、
前記シリコーン材料は、その末端部では下記一般式(1)で表わされる構造単位を有し、連結部では下記一般式(2)で表わされる構造単位を有し、また、分枝部では下記一般式(3)で表わされる構造単位を備えるポリオルガノシロキサン骨格を有する化合物で構成されたものであることを特徴とする。
これにより、寸法精度および耐薬品性に優れ、長期間にわたって高品位の印字が可能な信頼性の高い液滴吐出ヘッドが得られる。
また、これにより、前記接合領域の外側部分に前記液状材料が毛細管現象によって自発的に浸透することができるため、前記液状材料の被膜を簡単に形成することができる。その結果、吐出液に接触する部分は、吐出液に対する優れた耐久性を有しつつ、吐出液に接触しない部分は、接着剤で仮固定されているため、容易に効率よく製造可能な液滴吐出ヘッドが得られる。
これにより、基板、ノズルプレートおよび封止板の各部材に表面処理を施さなくても、各部材と接合膜との接合強度を高めることができる。
これにより、基板、ノズルプレートおよび封止板の各部材と接合膜との接合強度をより高めることができる。
これにより、接合膜を形成するために、各部材の表面を特に最適化することができる。
前記積層体中の層のうち、隣接する少なくとも1組の層の層間が、前記接合膜と同様の接合膜を介して接合されていることが好ましい。
これにより、積層体の寸法精度が高くなり、ひいては、液滴吐出ヘッドの寸法精度を高めることができる。
これにより、樹脂材料を変質・劣化させてしまうような溶媒(分散媒)を含む液状材料を吐出する場合であっても、接合部の変質・劣化を伴わないため、長期にわたって優れた耐久性を示す液滴吐出ヘッドが得られる。
トルエンおよびキシレンは、シリコーン材料の溶解性に優れていることから、これらの溶媒(分散媒)を用いることにより、シリコーン材料を均一に溶解した均質な液状材料を得ることができるものの、樹脂材料に対する侵食性が高い。また、トルエンおよびキシレンは、常圧常温での揮発性に優れていることから、乾燥過程において、短時間で簡単に揮発することができる。そして、本発明の液滴吐出ヘッドは、このようなトルエンまたはキシレンを含む液状材料を、安定的に貯留するとともに吐出するのに、好ましく用いることができる。
本発明の液滴吐出装置は、本発明の液滴吐出ヘッドを備えることを特徴とする。
これにより、信頼性の高い液滴吐出装置が得られる。
<インクジェット式記録ヘッド>
≪第1実施形態≫
まず、本発明の液滴吐出ヘッドをインクジェット式記録ヘッドに適用した場合の第1実施形態について説明する。
図1に示すインクジェット式記録ヘッド1(以下、単に「ヘッド1」という。)は、図3に示すようなインクジェットプリンタ(本発明の液滴吐出装置)9に搭載されている。
操作パネル97は、例えば、液晶ディスプレイ、有機ELディスプレイ、LEDランプ等で構成され、エラーメッセージ等を表示する表示部(図示せず)と、各種スイッチ等で構成される操作部(図示せず)とを備えている。
制御部96の制御により、給紙装置95は、記録用紙Pを一枚ずつ間欠送りする。この記録用紙Pは、ヘッドユニット93の下部近傍を通過する。このとき、ヘッドユニット93が記録用紙Pの送り方向とほぼ直交する方向に往復移動して、記録用紙Pへの印刷が行なわれる。すなわち、ヘッドユニット93の往復動と記録用紙Pの間欠送りとが、印刷における主走査および副走査となって、インクジェット方式の印刷が行なわれる。
ヘッドユニット93は、その下部に、多数のノズル孔11を備えるヘッド1と、ヘッド1にインクを供給するインクカートリッジ931と、ヘッド1およびインクカートリッジ931を搭載したキャリッジ932とを有している。
往復動機構942は、その両端をフレーム(図示せず)に支持されたキャリッジガイド軸943と、キャリッジガイド軸943と平行に延在するタイミングベルト944とを有している。
キャリッジモータ941の作動により、プーリを介してタイミングベルト944を正逆走行させると、キャリッジガイド軸943に案内されて、ヘッドユニット93が往復動する。そして、この往復動の際に、ヘッド1から適宜インクが吐出され、記録用紙Pへの印刷が行われる。
給紙ローラ952は、記録用紙Pの送り経路(記録用紙P)を挟んで上下に対向する従動ローラ952aと駆動ローラ952bとで構成され、駆動ローラ952bは給紙モータ951に連結されている。これにより、給紙ローラ952は、トレイ921に設置した多数枚の記録用紙Pを、印刷装置94に向かって1枚ずつ送り込めるようになっている。なお、トレイ921に代えて、記録用紙Pを収容する給紙カセットを着脱自在に装着し得るような構成であってもよい。
制御部96は、いずれも図示しないが、主に、各部を制御する制御プログラム等を記憶するメモリ、印刷装置94(キャリッジモータ941)を駆動する駆動回路、給紙装置95(給紙モータ951)を駆動する駆動回路、および、ホストコンピュータからの印刷データを入手する通信回路と、これらに電気的に接続され、各部での各種制御を行うCPUとを備えている。
制御部96は、通信回路を介して、印刷データを入手してメモリに格納する。CPUは、この印刷データを処理して、この処理データおよび各種センサからの入力データに基づいて、各駆動回路に駆動信号を出力する。この駆動信号により印刷装置94および給紙装置95は、それぞれ作動する。これにより、記録用紙Pに印刷が行われる。
図1および図2に示すように、ヘッド1は、ノズルプレート10と、吐出液貯留室形成基板(基板)20と、封止シート30と、封止シート30上に設けられた振動板40と、振動板40上に設けられた圧電素子(振動手段)50およびケースヘッド60とを有する。また、本実施形態では、封止シート30と振動板40との積層体により、封止板を構成している。なお、このヘッド1は、ピエゾジェット式ヘッドを構成する。
図1および図2に示すように、各吐出液貯留室21および吐出液供給室22は、それぞれ、平面視において、ほぼ長方形状をなし、各吐出液貯留室21の幅(短辺)は、吐出液供給室22の幅(短辺)より細幅となっている。
なお、吐出液供給室22は、平面視において、本実施形態のように長方形状のものの他、例えば、台形状、三角形状または俵形状(カプセル形状)のものであってもよい。
これらの中でも、基板20の構成材料は、シリコン材料またはステンレス鋼であるのが好ましい。このような材料は、耐薬品性に優れることから、長時間にわたってインクに曝されたとしても、基板20が変質・劣化するのを確実に防止することができる。また、これらの材料は、加工性に優れるため、寸法精度の高い基板20が得られる。このため、吐出液貯留室21や吐出液供給室22の容積の精度が高くなり、高品位の印字が可能なヘッド1が得られる。
また、吐出液貯留室21と吐出液供給室22との内面に、あらかじめ、親水処理を施しておいてもよい。これにより、吐出液貯留室21および吐出液供給室22に貯留されたインク中に気泡が含まれるのを防止することができる。
本発明の液滴吐出ヘッドは、この接合膜15、および、接合膜15を用いて基板20とノズルプレート10とを接合する方法に特徴を有するものである。
この接合膜15は、シリコーン材料を含有する液状材料を、乾燥させてなるものである。
なお、接合膜15については、後に詳述する。
また、ノズルプレート10は、各吐出液貯留室21や吐出液供給室22の内壁面の下面を構成している。すなわち、ノズルプレート10と、基板20および封止シート30とにより、各吐出液貯留室21や吐出液供給室22を画成している。
このようなノズルプレート10を構成する材料としては、例えば、前述したようなシリコン材料、金属材料、ガラス材料、セラミックス材料、炭素材料、樹脂材料、またはこれらの各材料の1種または2種以上を組み合わせた複合材料等が挙げられる。
また、ノズルプレート10の厚さは、特に限定されないが、0.01〜1mm程度であるのが好ましい。
また、ノズルプレート10の下面には、必要に応じて、撥液膜(図示せず)が設けられる。これにより、ノズル孔から吐出されるインク滴が意図しない方向に吐出されるのを防止することができる。
カップリング剤としては、例えば、シラン系カップリング剤、チタン系カップリング剤、アルミニウム系カップリング剤、ジルコニウム系カップリング剤、有機リン酸系カップリング剤、シリルパーオキサイド系カップリング剤等を用いることができる。
撥液性を示す官能基としては、例えば、フルオロアルキル基、アルキル基、ビニル基、エポキシ基、スチリル基、メタクリロキシ基等が挙げられる。
また、封止シート30は、各吐出液貯留室21や吐出液供給室22の内壁面の上面を構成している。すなわち、封止シート30と、基板20およびノズルプレート10とにより、各吐出液貯留室21や吐出液供給室22を画成している。そして、封止シート30が基板20と確実に接合されていることにより、各吐出液貯留室21や吐出液供給室22の液密性を確保している。
これらの中でも、封止シート30の構成材料は、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、アラミド樹脂のような樹脂材料、シリコン材料またはステンレス鋼であるのが好ましい。このような材料は、耐薬品性に優れることから、長時間にわたってインクに曝されたとしても、封止シート30が変質・劣化するのを確実に防止することができる。このため、吐出液貯留室21内および吐出液供給室22内に、長期間にわたってインクを貯留することができる。
すなわち、接合膜25は、シリコーン材料を含有する液状材料を、乾燥させてなるものである。
そして、この接合膜25にエネルギーを付与すると、この接合膜25では、表面(封止シート30に臨む面)付近の分子結合の一部が切断され、表面が活性化されることに起因して、接合膜25に接着性が発現する。この接着性によって、基板20と封止シート30とを接合している。
なお、接合膜25については、前述した接合膜15とともに、後に詳述する。
封止シート30の上面には、接合膜35を介して、振動板40が接合(接着)されている。
このような振動板40と封止シート30とを接合する接合膜35は、封止シート30と振動板40とを接合または接着し得るものであれば、いかなる材料で構成されていてもよく、封止シート30や振動板40の各構成材料によって適宜選択されるが、例えば、エポキシ系接着剤、シリコーン系接着剤、ウレタン系接着剤のような接着剤、半田、ろう材等が挙げられる。
また、接合膜35は必ずしも設けられていなくてもよく、省略してもよい。この場合、封止シート30と振動板40との間は、融着(溶接)、または、シリコン直接接合、陽極接合のような固体接合等の直接接合法によって接合(接着)することができる。
すなわち、接合膜35は、シリコーン材料を含有する液状材料を、乾燥させてなるものである。
そして、この接合膜35にエネルギーを付与すると、この接合膜35では、表面(振動板40に臨む面)付近の分子結合の一部が切断され、表面が活性化されることに起因して、接合膜35に接着性が発現する。この接着性によって、封止シート30と振動板40とを接合している。
また、本実施形態では、封止シート30と振動板40とを積層してなる積層体により封止板を構成しているが、この封止板は、1層であってもよく、3層以上の層が積層してなる積層体で構成されていてもよい。
振動板40の上面の一部(図2では、振動板40の上面の中央部付近)に、接合膜45aを介して、圧電素子(振動手段)50が接合(接着)されている。
圧電素子50のうち、圧電体層51を構成する材料としては、例えば、チタン酸バリウム、ジルコン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛、酸化亜鉛、窒化アルミニウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、水晶等が挙げられる。
このような圧電素子50と振動板40とを接合する接合膜45aは、振動板40と圧電素子50とを接合または接着し得るものであれば、いかなる材料で構成されていてもよく、振動板40や圧電素子50の各構成材料によって適宜選択されるが、例えば、エポキシ系接着剤、シリコーン系接着剤、ウレタン系接着剤のような接着剤、半田、ろう材等が挙げられる。
また、接合膜45aは必ずしも設けられていなくてもよく、省略してもよい。この場合、振動板40と圧電素子50との間は、融着(溶接)、または、シリコン直接接合、陽極接合のような固体接合等の直接接合法によって接合(接着)することができる。
すなわち、接合膜45aは、シリコーン材料を含有する液状材料を、乾燥させてなるものである。
そして、この接合膜45aにエネルギーを付与すると、この接合膜45aでは、表面(圧電素子50に臨む面)付近の分子結合の一部が切断され、表面が活性化されることに起因して、接合膜45aに接着性が発現する。この接着性によって、振動板40と圧電素子50とを接合している。
ここで、前述した振動板40は、圧電素子50に対応する位置を取り囲むように環状に形成された凹部53を有している。すなわち、圧電素子50に対応する位置では、振動板40の一部が、この環状の凹部53を隔てて島状に孤立している。
なお、接合膜45aは、環状の凹部53の内側に設けられている。
また、振動板40の上面の一部には、接合膜45bを介して、ケースヘッド60が接合(接着)されている。このように、ケースヘッド60が振動板40と確実に接合されていることにより、ノズルプレート10、基板20、封止シート30および振動板40の積層体で構成された、いわゆるキャビティ部分を補強し、キャビティ部分のよじれや反り等を確実に抑制することができる。
これらの中でも、ケースヘッド60の構成材料は、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、ザイロンのような変性ポリフェニレンエーテル樹脂(「ザイロン」は登録商標)またはステンレス鋼であるのが好ましい。これらの材料は、十分な剛性を備えていることから、ヘッド1を支持するケースヘッド60の構成材料として好適である。
また、接合膜45bは必ずしも設けられていなくてもよく、省略してもよい。この場合、振動板40とケースヘッド60との間は、融着(溶接)、または、シリコン直接接合、陽極接合のような固体接合等の直接接合法によって接合(接着)することができる。
すなわち、接合膜45bは、シリコーン材料を含有する液状材料を、乾燥させてなるものである。
そして、この接合膜45bにエネルギーを付与すると、この接合膜45bでは、表面(ケースヘッド60に臨む面)付近の分子結合の一部が切断され、表面が活性化されることに起因して、接合膜45bに接着性が発現する。この接着性によって、振動板40とケースヘッド60とを接合している。
また、接合膜25、封止シート30、接合膜35、振動板40および接合膜45bは、吐出液供給室22に対応する位置に貫通孔23を有する。この貫通孔23により、ケースヘッド60に設けられた吐出液供給路61と吐出液供給室22とが連通している。なお、吐出液供給路61と吐出液供給室22とにより、複数の吐出液貯留室21にインクを供給する共通のインク室として機能するリザーバ70の一部を構成する。
このようにして、ヘッド1において、印刷したい位置の圧電素子50に、駆動ICを介して電圧を印加すること、すなわち、吐出信号を順次入力することにより、任意の文字が図形等を印刷することができる。
なお、本実施形態のように、振動手段が圧電素子で構成されていることにより、振動板40および封止シート30に発生する撓みの程度を容易に制御することができる。これにより、インク滴の大きさを容易に制御することができる。
また、各接合膜35、45a、45bは、前述したようなシリコーン材料を含有する液状材料を乾燥させてなるものでなくてもよく、例えば、エポキシ系接着剤、ウレタン系接着剤等の接着剤による接着や、固体接合による接合で代替されていてもよい。
図4ないし図7は、インクジェット式記録ヘッドの製造方法を説明するための図(縦断面図)である。なお、以下の説明では、図4ないし図7中の上側を「上」、下側を「下」と言う。
[1]まず、基板20を作製するための母材として、母材20’を用意する。母材20’は、後述する工程において加工を施すことにより、基板20になり得るものである。
次に、図4(a)に示すように、母材20’上に、接合膜25を形成する。この接合膜25の形成方法は、後述する接合膜15の形成方法と同様である。
[3]次に、封止シート30を用意する。そして、接着性が発現してなる接合膜25と封止シート30とが密着するように、母材20’と封止シート30とを貼り合わせる。これにより、図4(b)に示すように、母材20’と封止シート30とが、接合膜25を介して接合(接着)される。
[5]次に、接合膜35に対してエネルギーを付与する。これにより、接合膜35に、振動板40との接着性が発現する。なお、接合膜35に対するエネルギーの付与は、後述する接合膜15に対するエネルギーの付与方法と同様の方法で行うことができる。
また、振動板40のうち、圧電素子50が組み立てられる位置を取り囲む環状の領域に、凹部53を形成する。
貫通孔23および凹部53の形成は、ドライエッチング、リアクティブイオンエッチング、ビームエッチング、光アシストエッチング等の物理的エッチング法、ウエットエッチング等の化学的エッチング法等のうちの1種または2種以上を組み合わせて用いて行うことができる。
なお、振動板40上の一部の領域に部分的に接合膜45aを形成する場合、例えば、接合膜45aを形成すべき領域に対応する形状の窓部を有するマスクを介して、接合膜45aを成膜するようにすればよい。
[10]次に、圧電素子50を用意する。そして、接着性が発現してなる接合膜45aと圧電素子50とが密着するように、振動板40と圧電素子50とを貼り合わせる。これにより、振動板40と圧電素子50とが、接合膜45aを介して接合(接着)される。その結果、図5(g)に示すように、母材20’、封止シート30、振動板40および圧電素子50が接合される。
なお、振動板40上の一部の領域に部分的に接合膜45bを形成する場合、例えば、接合膜45bを形成すべき領域に対応する形状の窓部を有するマスクを介して、接合膜45bを成膜するようにすればよい。
[13]次に、ケースヘッド60を用意する。そして、接着性が発現してなる接合膜45bとケースヘッド60とが密着するように、振動板40とケースヘッド60とを貼り合わせる。これにより、振動板40とケースヘッド60とが、接合膜45bを介して接合(接着)される。その結果、図5(i)に示すように、母材20’、封止シート30、振動板40、圧電素子50およびケースヘッド60が接合される。
なお、ここでは、封止シート30、振動板40、圧電素子50およびケースヘッド60が接合された母材20’に対して加工を施すことにより、各吐出液貯留室21および吐出液供給室22を形成する場合について説明したが、前記工程[1]の時点で、あらかじめ母材20’に各吐出液貯留室21および吐出液供給室22を設けておいてもよい。
なお、基板20のノズルプレート10を接合する面(接合膜15を形成する面)には、あらかじめ、接合膜15との密着性を高める表面処理を施すのが好ましい。これにより、基板20と接合膜15との間の接合強度をより高めることができ、最終的には、基板20とノズルプレート10との接合強度を高めることができる。
なお、表面処理を施す基板20が、樹脂材料(高分子材料)で構成されている場合には、特に、コロナ放電処理、窒素プラズマ処理等が好適に用いられる。
また、基板20の構成材料によっては、上記のような表面処理を施さなくても、接合膜15の接合強度が十分に高くなるものがある。このような効果が得られる基板20の構成材料としては、例えば、前述したような各種金属系材料、各種シリコン系材料、各種ガラス系材料等を主材料とするものが挙げられる。
なお、この場合、基板20の全体が上記のような材料で構成されていなくてもよく、少なくとも接合膜15を成膜する領域の表面付近が上記のような材料で構成されていればよい。
このような基や物質としては、例えば、水酸基、チオール基、カルボキシル基、アミノ基、ニトロ基、イミダゾール基のような官能基、ラジカル、開環分子、2重結合、3重結合のような不飽和結合、F、Cl、Br、Iのようなハロゲン、過酸化物からなる群から選択される少なくとも1つの基または物質が挙げられる。
また、表面処理に代えて、基板20の少なくとも接合膜15を成膜する領域には、あらかじめ、中間層を形成しておくのが好ましい。
この中間層は、いかなる機能を有するものであってもよく、例えば、接合膜15との密着性を高める機能、クッション性(緩衝機能)、応力集中を緩和する機能等を有するものが好ましい。このような中間層を介して基板20上に接合膜15を成膜することにより、基板20と接合膜15との接合強度を高め、信頼性の高い接合体、すなわちヘッド1を得ることができる。
一方、ノズルプレート10の接合膜15と接触する領域にも、あらかじめ、接合膜15との密着性を高める表面処理を施すのが好ましい。これにより、ノズルプレート10と接合膜15との間の接合強度をより高めることができる。
また、表面処理に代えて、ノズルプレート10の接合膜15と接触する領域に、あらかじめ、接合膜15との密着性を高める機能を有する中間層を形成しておくのが好ましい。これにより、ノズルプレート10と接合膜15との間の接合強度をより高めることができる。
なお、基板20やノズルプレート10に対する前述の表面処理および中間層の形成は、言うまでもなく、封止シート30、振動板40、圧電素子50およびケースヘッド60に対して行うようにしてもよい。これにより、各部の接合強度をより高めることができる。
液状材料31の供給方法としては、例えば、液滴吐出法(インクジェット法)、スピンコート法、スクリーン印刷法等の各種方法を用いることができる。
このうち、液滴吐出法によれば、目的の領域、例えば、基板20の上面の接合膜15を形成すべき面に対して選択的に液状材料31を確実に供給することができる。
ここで、液状材料31は、シリコーン材料を含有するものである。
例えば、ポリオルガノシロキサン骨格を有する化合物において、オルガノシロキサン単位は、その末端部では下記一般式(1)で表わされる構造単位を有し、連結部では下記一般式(2)で表わされる構造単位を有し、また、分枝部では下記一般式(3)で表わされる構造単位を有している。
このようなシリコーン材料において、ポリオルガノシロキサン骨格は、直鎖状をなすもの、すなわち上記一般式(1)の構造単位および上記一般式(2)の構造単位で構成されるものであるのが好ましい。これにより、次工程において、液状材料中に含まれるシリコーン材料同士が絡まり合うようにして接合膜15が形成されることから、得られる接合膜15は膜強度に優れたものとなる。
具体的には、かかる構成のポリオルガノシロキサン骨格を有する化合物としては、例えば、下記一般式(4)で表わされるものが挙げられる。
また、上記一般式(4)中、mおよびnは、ポリオルガノシロキサンの重合度を表すものであるが、mおよびnの合計(m+n)が、5〜10000程度の整数であるのが好ましく、50〜1000程度の整数であるのがより好ましい。かかる範囲内に設定することにより、液状材料31の粘度を後に示すような好適な範囲内に比較的容易に設定することができる。
また、トルエンおよびキシレンは、常圧常温での揮発性に優れていることから、後述する乾燥過程において、短時間で簡単に揮発させることができる。このため、膜厚の厚い接合膜15を形成する場合であっても、効率よく形成することができる。
このようにして得られた液状材料31の乾燥体は、エネルギーを付与することにより接着性が発現する接合膜15となる。このような接合膜15は、例えばシリコーン材料としてシラノール基を有するものを用いた場合には、シリコーン材料が有するシラノール基同士を、さらには、シラノール基と基板20が有する水酸基とを、確実に結合させることができるため、形成される接合膜15を、膜強度に優れ、かつ基板20に対して強固に結合することができる。また、接合膜15は、シリコーン材料で構成されているため、熱膨張係数が小さいものとなる。このため、温度変化に伴う接合膜15の膨張・収縮を抑制することができるとともに、特に、シリコン材料で構成された部材を接合する際には、接合界面に、熱膨張率差に伴う応力が集中するのを抑制することができる。かかる観点から、接合膜15によれば、基板20とノズルプレート10とを確実に接合することができる。
また、乾燥させる時間は、0.5〜48時間程度であるのが好ましく、15〜30時間程度であるのがより好ましい。
さらに、乾燥させる際の雰囲気の圧力は、大気圧下であってもよいが、減圧下であるのが好ましい。具体的には、減圧の程度は、133.3×10−5〜1333Pa(1×10−5〜10Torr)程度であるのが好ましく、133.3×10−4〜133.3Pa(1×10−4〜1Torr)程度であるのがより好ましい。これにより、液状被膜32の乾燥を促進させるとともに、接合膜15の膜密度が緻密化して、接合膜15をより優れた膜強度を有するものとすることができる。
接合膜15の平均厚さは、10〜10000nm程度であるのが好ましく、50〜5000nm程度であるのがより好ましい。供給する液状材料の量を適宜設定して、形成される接合膜15の平均厚さを前記範囲内とすることにより、基板20とノズルプレート10とを接合した接合体の寸法精度が著しく低下するのを防止しつつ、より強固に接合することができる。
また、接合膜15の平均厚さをかかる範囲とすることにより、接合膜15がある程度弾性に富むものとなることから、後工程において、基板20とノズルプレート10とを接合する際に、接合膜15と接触させるノズルプレート10の接合面にパーティクル等の異物が付着していても、このパーティクルを接合膜15で取り囲むようにして接合膜15とノズルプレート10とが接合することとなる。そのため、このパーティクルが存在することによって、接合膜15とノズルプレート10との界面における接合強度が低下したり、この界面において剥離が生じたりするのを的確に抑制または防止することができる。
また、本発明では、液状材料を供給して接合膜15を形成する構成となっていることから、たとえ基板20の接合面に凹凸が存在している場合であっても、その凹凸の高さにもよるが、凹凸の形状に追従するようにして接合膜15を形成ことができる。その結果、接合膜15が凹凸を吸収して、その表面がほぼ平坦面で構成されることとなる。
接合膜15にエネルギーを付与すると、この接合膜15では、表面付近の分子結合の一部が切断し、表面が活性化されることに起因して、表面付近にノズルプレート10に対する接着性が発現する。
このような状態の接合膜15は、ノズルプレート10と、化学的結合に基づいて強固に接合可能なものとなる。
このうち、エネルギー線としては、例えば、紫外線、レーザ光のような光、X線、γ線のような電磁波、電子線、イオンビームのような粒子線等や、またはこれらのエネルギー線を2種以上組み合わせたものが挙げられる。
なお、紫外線の波長は、より好ましくは、126〜200nm程度とされる。
また、UVランプを用いる場合、その出力は、接合膜15の面積に応じて異なるが、1mW/cm2〜1W/cm2程度であるのが好ましく、5mW/cm2〜50mW/cm2程度であるのがより好ましい。なお、この場合、UVランプと接合膜15との離間距離は、3〜3000mm程度とするのが好ましく、10〜1000mm程度とするのがより好ましい。
一方、レーザ光としては、例えば、エキシマレーザのようなパルス発振レーザ(パルスレーザ)、炭酸ガスレーザ、半導体レーザのような連続発振レーザ等が挙げられる。中でも、パルスレーザが好ましく用いられる。パルスレーザでは、接合膜15のレーザ光が照射された部分に経時的に熱が蓄積され難いので、蓄積された熱による接合膜15の変質・劣化を確実に防止することができる。すなわち、パルスレーザによれば、接合膜15の内部にまで蓄積された熱の影響がおよぶのを、防止することができる。
また、レーザ光のピーク出力は、パルスレーザの場合、パルス幅によって異なるが、0.1〜10W程度であるのが好ましく、1〜5W程度であるのがより好ましい。
さらに、パルスレーザの繰り返し周波数は、0.1〜100kHz程度であるのが好ましく、1〜10kHz程度であるのがより好ましい。パルスレーザの周波数を前記範囲内に設定することにより、表面付近の分子結合を選択的に切断することができる。
また、接合膜15に対するエネルギー線の照射は、いかなる雰囲気中で行うようにしてもよく、具体的には、大気、酸素のような酸化性ガス雰囲気、水素のような還元性ガス雰囲気、窒素、アルゴンのような不活性ガス雰囲気、またはこれらの雰囲気を減圧した減圧(真空)雰囲気等が挙げられるが、中でも、大気雰囲気(特に、露点が低い雰囲気下)中で行うのが好ましい。これにより、接合膜15の表面付近にオゾンガスが生じて、表面の活性化がより円滑に行われることとなる。さらに、雰囲気を制御することに手間やコストをかける必要がなくなり、エネルギー線の照射をより簡単に行うことができる。
また、エネルギー線を照射する方法によれば、付与するエネルギーの大きさを、精度よく簡単に調整することができる。このため、接合膜15で切断される分子結合の量を調整することが可能となる。このように切断される分子結合の量を調整することにより、基板20とノズルプレート10との間の接合強度を容易に制御することができる。
なお、付与するエネルギーの大きさを調整するためには、例えば、エネルギー線の種類、エネルギー線の出力、エネルギー線の照射時間等の条件を調整すればよい。
さらに、エネルギー線を照射する方法によれば、短時間で大きなエネルギーを付与することができるので、エネルギーの付与をより効率よく行うことができる。
すなわち、基板20とノズルプレート10の熱膨張率が互いに異なっている場合には、できるだけ低温下で接合を行うのが好ましい。接合を低温下で行うことにより、接合界面に発生する熱応力のさらなる低減を図ることができる。
また、基板20とノズルプレート10は、互いに剛性が異なっているのが好ましい。これにより、基板20とノズルプレート10とをより強固に接合することができる。
例えば、ノズルプレート10の基板20との接合に供される領域に、水酸基が露出している場合を例に説明すると、本工程において、接合膜15とノズルプレート10とが接触するように、基板20とノズルプレート10とを貼り合わせたとき、接合膜15の表面に存在する水酸基と、ノズルプレート10の前記領域に存在する水酸基とが、水素結合によって互いに引き合い、水酸基同士の間に引力が発生する。この引力によって、接合膜15を備える基板20とノズルプレート10とが接合されると推察される。
また、基板20の接合膜15の表面や内部、および、ノズルプレート10の下面や内部に、それぞれ終端化されていない結合手すなわち未結合手(ダングリングボンド)が存在している場合、基板20とノズルプレート10とを貼り合わせた時、これらの未結合手同士が再結合する。この再結合は、互いに重なり合う(絡み合う)ように複雑に生じることから、接合界面にネットワーク状の結合が形成されることとなる。これにより、接合膜15とノズルプレート10とが特に強固に接合される。
以上のような工程を経て、ヘッド1が製造される。
なお、ヘッド1を得る際、または、ヘッド1を得た後に、このヘッド1に対して、必要に応じ、以下の2つの工程([16A]および[16B])のうちの少なくとも1つの工程(ヘッド1の接合強度を高める工程)を行うようにしてもよい。これにより、ヘッド1の接合強度のさらなる向上を容易に図ることができる。
これにより、ノズルプレート10の表面および基板20の表面に、それぞれ接合膜15の表面がより近接し、ヘッド1における接合強度をより高めることができる。
また、ヘッド1を加圧することにより、ヘッド1中の接合界面に残存していた隙間を押し潰して、接合面積をさらに広げることができる。これにより、ヘッド1における接合強度をさらに高めることができる。
また、加圧する時間は、特に限定されないが、10秒〜30分程度であるのが好ましい。なお、加圧する時間は、加圧する際の圧力に応じて適宜変更すればよい。具体的には、ヘッド1を加圧する際の圧力が高いほど、加圧する時間を短くしても、接合強度の向上を図ることができる。
これにより、ヘッド1における接合強度をより高めることができる。
このとき、ヘッド1を加熱する際の温度は、室温より高く、ヘッド1の耐熱温度未満であれば、特に限定されないが、好ましくは25〜100℃程度とされ、より好ましくは50〜100℃程度とされる。かかる範囲の温度で加熱すれば、ヘッド1が熱によって変質・劣化するのを確実に防止しつつ、接合強度を確実に高めることができる。
また、前記工程[16A]、[16B]の双方を行う場合、これらを同時に行うのが好ましい。すなわち、ヘッド1を加圧しつつ、加熱するのが好ましい。これにより、加圧による効果と、加熱による効果とが相乗的に発揮され、ヘッド1の接合強度を特に高めることができる。
なお、上記では、基板20上に成膜された接合膜15とノズルプレート10とが密着するように、基板20とノズルプレート10とを貼り合わせる場合について説明しているが、ノズルプレート10の下面に成膜された接合膜15と基板20とが密着するように、基板20とノズルプレート10とを貼り合わせるようにしてもよい。
また、接合膜15は、図8に示すように、基板20とノズルプレート10の双方に成膜されていてもよい。
図8に示すヘッド1では、基板20の下面に成膜された接合膜15と、ノズルプレート10の上面に成膜された接合膜15とが密着するように、基板20とノズルプレート10とを貼り合わせることにより、これらが接合(接着)されている。
さらに、封止シート30の上面に成膜された接合膜35と、振動板40の下面に成膜された接合膜35とが密着するように、封止シート30と振動板40とを貼り合わせることにより、これらが接合(接着)されている。
さらに、振動板40の上面に成膜された接合膜45bと、ケースヘッド60の下面に成膜された接合膜45bとが密着するように、振動板40とケースヘッド60とを貼り合わせることにより、これらが接合(接着)されている。
なお、この場合、例えば、接合膜15に対するエネルギーの付与は、基板20の下面に成膜された接合膜15と、ノズルプレート10の上面に成膜された接合膜15のそれぞれに対して行うようにすればよい。
ここで、液状材料31は、前述したように、シリコーン材料と、このシリコーン材料を溶解または分散するための溶媒(分散媒)を含んでいることがある。このような溶媒は、樹脂材料を変質・劣化させてしまうおそれがあり、このため、液状材料31に接触する接着剤は、長期にわたって接着性を維持することができない。このため、液状材料31をインクジェット法で吐出した場合、従来では、ヘッドに用いられた接着剤が変質・劣化してしまい、ヘッドの耐久性に問題があった。
これに対し、液状材料31を吐出するヘッドとして、本発明の液滴吐出ヘッドを用いることにより、上述したような接着剤の変質・劣化を伴わないため、長期にわたって優れた耐久性を示すヘッド1が得られる。すなわち、ヘッド1は、液状材料31を吐出するのに、特に好適に用いられるものである。
これに対し、本発明の液滴吐出ヘッドは、トルエンやキシレンといった樹脂材料に対する浸食性の高い溶媒を含む液状材料をも、安定的に貯留するとともに吐出することができる。かかる観点からも、本発明の液滴吐出ヘッドは、液状材料31を吐出するのに、特に好適に用いることができる。
次に、本発明の液滴吐出ヘッドをインクジェット式記録ヘッドに適用した場合の第2実施形態について説明する。
図9は、本発明の液滴吐出ヘッドをインクジェット式記録ヘッドに適用した場合の第2実施形態を示す断面図である。なお、以下の説明では、図9中の上側を「上」、下側を「下」と言う。
本実施形態にかかる液滴吐出ヘッドは、各部材間の接合部の構成が異なること以外は、前記第1実施形態と同様である。
ここで、ノズルプレート10と基板20との間の接合領域のうち、吐出液貯留室21に臨む側の領域は、接合膜15と同様の構成の接合膜151を介して接合されている。一方、ノズルプレート10と基板20との間の接合領域のうち、吐出液貯留室21に臨む側と反対側の領域は、接着剤152を介して接着されている。
また、封止シート30と振動板40との間の接合領域のうち、吐出液貯留室21に臨む側の領域は、接合膜35と同様の構成の接合膜351を介して接合されている。一方、封止シート30と振動板40との間の接合領域のうち、リザーバ70に臨む側と反対側の領域は、接着剤352を介して接着されている。
また、振動板40とケースヘッド60との間の接合領域のうち、リザーバ70に臨む側の領域は、接合膜45bと同様の構成の接合膜45b1を介して接合されている。一方、振動板40とケースヘッド60との間の接合領域のうち、リザーバ70に臨む側と反対側の領域は、接着剤45b2を介して接着されている。
[1]まず、ノズルプレート10、基板20、封止シート30、振動板40、圧電素子50およびケースヘッド60を用意する。そして、これらの各部の接合領域のうち、吐出液貯留室21やリザーバ70に臨む側と反対側の領域、すなわち、インクに曝されない領域を、接着剤で仮固定する。これにより、前述した接着剤152、252、352、45a2、45b2を得る。なお、各部の接合領域のうち、接着剤152、252、352、45a2、45b2で仮固定されていない領域には、接着剤の厚さ分に相当する距離の隙間が生じる。
接着剤としては、例えば、エポキシ系接着剤、ウレタン系接着剤、シリコーン系接着剤等の各種接着剤を用いることができる。
[4]次に、各接合膜151、251、351、45b1にエネルギーを付与する。これにより、各接合膜151、251、351、45b1に接着性が発現し、ヘッド1の各部が接合される。
以上のようにしてヘッド1が得られる。
また、ヘッド1の駆動中には、各部の接合領域に常時液状材料31が隣接しているため、仮に接合領域に剥離や亀裂等が生じたとしても、その剥離部分や亀裂に液状材料31が速やかに浸透することができる。したがって、そのようなヘッド1に対して、定期的に前記工程[3]、[4]を行うことにより、ヘッド1の修復を容易に行うことができるという利点もある。
なお、接着剤152、252、352、45a2、45b2のうち、少なくとも1つは、接着剤以外の種々の接合膜で代替されていてもよい。このような種々の接合膜としては、例えば、プラズマ重合膜、CVD膜、PVD膜等が挙げられる。
例えば、本発明の液滴吐出ヘッドを製造する方法では、前記実施形態の構成に限定されず、工程の順序が前後してもよい。また、任意の目的の工程が1または2以上追加されていてもよく、不要な工程を削除してもよい。
1.インクジェット式記録ヘッドの製造
(実施例1)
<1>まず、ステンレス鋼製のノズルプレート、単結晶シリコン製の板状の母材、ポリフェニレンサルファイド樹脂(PPS)製の封止シート、ステンレス鋼製の振動板、ジルコン酸鉛の焼結体で構成された圧電体層とAgペーストを焼成した電極膜との積層体からなる圧電素子と、PPS製のケースヘッドとを用意した。
次に、シリコーン材料としてポリジメチルシロキサン骨格を有するものを含有し、溶媒としてトルエンおよびイソブタノールを含有する液状材料(信越化学工業社製、「KR−251」:粘度(25℃)18.0mPa・s)を用意し、インクジェット法により母材上に供給した。これにより、母材上に液状被膜を形成した。
次に、この液状被膜を、常温(25℃)で、24時間乾燥させることにより、母材上に、平均厚さ10μmの接合膜を形成した。
次に、得られた接合膜に以下に示す条件で紫外線を照射した。
・雰囲気ガスの組成 :大気(空気)
・雰囲気ガスの温度 :20℃
・雰囲気ガスの圧力 :大気圧(100kPa)
・紫外線の波長 :172nm
・紫外線の照射時間 :5分
一方、封止シートの片面に対して、酸素プラズマによる表面処理を行った。
次に、接合膜の紫外線を照射した面と、封止シートの表面処理を施した面とが接触するように、母材と封止シートとを貼り合わせた。これにより、母材と封止シートとの接合体を得た。
次に、得られた接合膜に、前記工程<1>と同様にして、紫外線を照射した。一方、振動板の片面に対して、酸素プラズマによる表面処理を行った。
そして、接合膜の紫外線を照射した面と、振動板の表面処理を施した面とが接触するように、接合体と振動板とを貼り合わせた。これにより、母材、封止シートおよび振動板の接合体を得た。
<4>次に、母材、封止シートおよび振動板が接合された接合体の振動板上のうち、圧電素子が組み立てられる位置(環状の貫通孔の内側の領域)に、前記工程<1>と同様にして、接合膜を形成した。
そして、接合膜の紫外線を照射した面と、圧電素子の表面処理を施した面とが接触するように、接合体と圧電素子とを貼り合わせた。これにより、母材、封止シート、振動板および圧電素子の接合体を得た。
次に、得られた接合膜に、前記工程<1>と同様にして、紫外線を照射した。一方、ケースヘッドの接合面に対して、酸素プラズマによる表面処理を行った。
そして、接合膜の紫外線を照射した面と、ケースヘッドの表面処理を施した面とが接触するように、接合体とケースヘッドとを貼り合わせた。これにより、母材、封止シート、振動板、圧電素子およびケースヘッドの接合体を得た。
<7>次に、吐出液貯留室形成基板上に、前記工程<1>と同様にして、接合膜を成膜した。
そして、接合膜の紫外線を照射した面と、ノズルプレートの表面処理を施した面とが接触するように、吐出液貯留室形成基板とノズルプレートとを貼り合わせた。これにより、ノズルプレート、母材、封止シート、振動板、圧電素子およびケースヘッドの接合体、すなわちインクジェット式記録ヘッドを得た。
<8>次に、得られたインクジェット式記録ヘッドを、3MPaで圧縮しつつ、80℃で加熱し、15分間維持した。これにより、インクジェット式記録ヘッドの接合強度の向上を図った。
以下のようにして、接合膜を接合界面の両側に成膜し、各接合膜同士を貼り合わせるようにした以外は、前記実施例1と同様にしてインクジェット式記録ヘッドを製造した。
具体的には、まず、前記実施例1と同様にして、母材上に接合膜を成膜した。
また、同様に、封止シート上にも接合膜を成膜した。
次に、各接合膜同士が密着するように、母材と封止シートとを貼り合わせた。これにより、母材と封止シートとを接合した。
また、これと同様にして、封止シートと振動板との間、振動板と圧電素子との間、振動板とケースヘッドとの間、吐出液貯留室形成基板とノズルプレートとの間を、それぞれ接合した。
図9に示すインクジェット式記録ヘッドを製造した。
なお、図9に示す接合膜151、251、351、45b1の形成にあたっては、実施例1と同様にして行った。
また、図9に示す接着剤152、252、352、45a2、45b2として、エポキシ系接着剤を用いた。
全ての接合部、すなわち、ノズルプレートと吐出液貯留室形成基板との間、母材と封止シートとの間、封止シートと振動板との間、振動板と圧電素子との間、振動板とケースヘッドとの間の各接合部を、それぞれエポキシ接着剤で接合するようにした以外は、前記実施例1と同様にしてインクジェット式記録ヘッドを製造した。
2.1 寸法精度の評価
各実施例および比較例で得られたインクジェット式記録ヘッドについて、それぞれ寸法精度を測定した。
その結果、各実施例で得られたインクジェット式記録ヘッドでは、いずれも、各比較例で得られたインクジェット式記録ヘッドに比べて寸法精度が高かった。
また、各インクジェット式記録ヘッドをインクジェットプリンタに組み込み、印刷用紙に印字したところ、各実施例で得られたヘッドを組み込んだプリンタでは、各比較例で得られたヘッドを組み込んだプリンタに比べ、印字品位が優れていることが認められた。
各実施例および比較例で得られたインクジェット式記録ヘッドに、溶媒としてトルエンおよびイソブタノールを含有する液状材料(信越化学工業社製、「KR−251」:粘度(25℃)18.0mPa・s)を充填し、3週間保持した。その後、インクジェット式記録ヘッドの状態を評価した。
その結果、各実施例で得られたインクジェット式記録ヘッドでは、接合部への液状材料の浸入がほとんど認められなかった。これに対し、比較例で得られたインクジェット式記録ヘッドでは、接合部への液状材料の浸入が認められた。
Claims (9)
- 基板と、
前記基板の一方の面に設けられ、吐出液を液滴として吐出するノズル孔を備えるノズルプレートと、
前記基板の他方の面に設けられた封止板と、を有し、
前記基板と前記ノズルプレートと前記封止板とで、前記吐出液を貯留する吐出液貯留室が形成され、
前記基板と前記ノズルプレートとの間および前記基板と前記封止板との間の各接合領域が、それぞれ平均厚さ10〜10000nmの接合膜を介して接合されており、
前記接合膜は、シリコーン材料を含有する液状材料の被膜を乾燥させた後、該被膜にエネルギーを付与することにより前記各接合領域を接合するものであり、
前記接合領域のうち、前記吐出液貯留室に臨む部分とは反対側の領域が接着剤で仮固定されており、
前記接合領域のうち、前記吐出液貯留室に臨む部分が、前記吐出液貯留室内に供給された前記液状材料が前記吐出液貯留室に臨む部分に浸透し、前記浸透した液状材料から得られた前記接合膜により接合されており、
前記シリコーン材料は、その末端部では下記一般式(1)で表わされる構造単位を有し、連結部では下記一般式(2)で表わされる構造単位を有し、また、分枝部では下記一般式(3)で表わされる構造単位を備えるポリオルガノシロキサン骨格を有する化合物で構成されたものであることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
- 前記一般式(1)、前記一般式(2)および前記一般式(3)において、各Zは、それぞれ水酸基を表す請求項1に記載の液滴吐出ヘッド。
- 前記基板、ノズルプレートおよび封止板の少なくとも前記接合膜と接触する部分は、シリコン材料、金属材料またはガラス材料を主材料として構成されている請求項1または2に記載の液滴吐出ヘッド。
- 前記基板、ノズルプレートおよび封止板の前記接合膜と接触する面には、あらかじめ、前記接合膜との密着性を高める表面処理が施されている請求項1ないし3のいずれかに記載の液滴吐出ヘッド。
- 前記表面処理は、プラズマ処理または紫外線照射処理である請求項4に記載の液滴吐出ヘッド。
- 前記封止板は、複数の層を積層してなる積層体で構成されており、
前記積層体中の層のうち、隣接する少なくとも1組の層の層間が、前記接合膜と同様の接合膜を介して接合されている請求項1ないし5のいずれかに記載の液滴吐出ヘッド。 - 当該液滴吐出ヘッドは、前記吐出液として、前記液状材料と同様の液状材料を吐出するのに用いられる請求項1ないし6のいずれかに記載の液滴吐出ヘッド。
- 当該液滴吐出ヘッドによって吐出される前記液状材料は、トルエンまたはキシレンを含んでいる請求項7に記載の液滴吐出ヘッド。
- 請求項1ないし8のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドを備えることを特徴とする液滴吐出装置。
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