JP2008142964A - インクジェットヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】 インクジェットヘッドのオリフィス連通口とオリフィスプレートの吐出口の位置を精度良く合わせ、印字品位に優れたインクジェットヘッドを得る。
【解決手段】 オリフィス連通口を設けた基体と吐出口を設けたオリフィスプレートを熱的手段により接合する。接合時の膨張を考慮して、吐出口の形成ピッチを変えて設計し、オリフィス連通口と吐出口が一致するようにする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、インク吐出装置の製造方法に関するものであり、特に均一かつ高精度なインク着弾精度を要するものに好適である。

従来よりインクジェットヘッドは、特開2001-18395に開示されているように、図２に示すような部品から形成されている。図２（１）に示した基体と、図２（４）に示したオリフィスプレートを接合することによって形成されている。

図２（１）に示した基体の材質は一般的にSiが多いが、その他の材料でも使用可能である。その基体には、インクを吐出するためのエネルギー発生素子がくみこまれている。エネルギー発生素子は、バブルジェット（登録商標）方式であればヒーター、ピエゾジェット方式であれば圧電素子を用いるのが一般的である。

ヒーターは、真空成膜によりヒーター薄膜を成膜した後、フォトリソグラフィー技術によりパターニングし所望のヒーターパターンを得る。圧電素子に関しては、真空成膜による方法と、印刷による方法があり、現在多く用いられているのは印刷による方式である。

そして素子に電力を供給するための電気配線、インクを供給するためのインク流路を備えている。電気配線には最も一般的なアルミを用い、インク流路の形成はフォトリソグラフィー技術を用い、ドライエッチングを駆使して所望のインク流路を形成している。

一方、図２（４）に示したオリフィスプレートは、一枚の板に吐出口を設けた単純な構造のものである。オリフィスプレートの材質は、シリコン、プラスチック、金属等が用いられるが、最も多いのは金属である。加工が容易で低コスト、高耐久性であることが支持される理由である。

この様にして得られた基体とオリフィスプレートは、接着剤を塗布したのち、アライメント貼り合わせ装置を用いて、オリフィス連通口と吐出口が一致するようにアライメントマークを用いてアライメント処理を行なったのち貼り合わせを行う。そして、貼り合わされたものをクリーンオーブンにて120℃30分処理することによりインクジェットヘッドを得ていた。
特開2001-18395号公報

しかしながら従来例では、基体とオリフィスプレートの材質が異なるため、熱膨張係数も異なる。そのため、両者をアライメントして貼り合わせを行っても接着剤を硬化する工程で熱がかかるため、吐出口とオリフィス連通口の位置関係が熱膨張の差でズレが生じてしまうといった問題点があった。熱膨張の基準がなく、各ヘッド毎にズレ方がバラバラで、予め両者の熱膨張を予測して吐出口やオリフィス連通口のピッチを補正しても上手くいかなかった。このズレを極力少なくするためには、加熱温度を低くするといったことが考えられるが、低温で良好な接着力を有するものは容易に探し出せない状況であった。また、他の接合方法、例えば直接接合のような方法も模索してみたが更に高温処理の必要性があり改善される方向ではなかった。

インクジェットヘッドにおいて、吐出口とオリフィス連通口の位置関係のズレは印字品位にダイレクトに影響するものである。ズレ量が小さい場合でもインクの着弾位置が微妙に異なり品位を悪化させる。また、大きくズレた場合はインクの吐出自体ができなくなるといった深刻な問題点でもあった。

本発明は上記問題点を解決するために、接合温度において基体のオリフィス連通口とオリフィスプレートの吐出口が一致するように予めピッチを変えて設計し、かつ基体とオリフィスプレートを少なくとも一点で固定した後に熱的手段により接合することを特徴にしたインクジェットヘッドの形成方法である。

以上説明したことから、オリフィスプレートと基体に膨張する際の基点を設けて、スムーズに膨張させることにより予め膨張量を予測し、吐出口ピッチの設計値に反映させることによりオリフィス連通口と吐出口の位置関係が精度良く一致するようになった。よって、良好なインクジェットヘッドを形成することが可能となり印字品位が格段に向上した。

以下、図１を参考に説明する。

図１に示したように、基体とオリフィスプレートを張り合わせてインクジェットヘッドを形成する。初めに、図１（３）の、はめあい固定用の凸形状を作るために、フォトリソグラフィー工程を用いてエッチング処理し不要な部分を除去する。エッチング方法は基体の材質によって使い分けられるが、大きく分けると液体でエッチング除去する方法と、真空中でガスと反応させて除去する方法との２種類に分けられる。基体の材質はSi,ガラス、金属、セラミックス、等が考えられるが加工性の観点から、Siが最もよく使われている。

基体には、インク吐出エネルギー発生素子、その素子を駆動するための電気配線、インク流路が形成されている。そして、インク流路の一部がオリフィス連通口（開口幅２０μm）として基体に設けられている図１（２）。オリフィス連通口は等ピッチ、又は不等ピッチで形成されるが、最終的にオリフィスプレートと貼り合わせて硬化した状態で吐出口と一致するように設計する必要がある。吐出口の径は１５μmとした。設計に際しては、ピッチを基体側のみ、又はオリフィスプレート側のみ、又は基体、オリフィスプレートの両方で調整する方法があるがヘッドスペックにより選択するのが好ましい。なお、ピッチの調整は図１（３）のはめあい部を基準にして材料の熱膨張係数により算出し設計する。吐出口部の断面図を図６に示す。

インク吐出エネルギー発生素子としては、バブルジェット（登録商標）方式で使用するヒーター、ピエゾジェット方式で使用する圧電素子があげられる。これらの素子はいずれもフォトリソグラフィー工程により微細パターンに加工される。

一方、オリフィスプレート（図１（4））は厚さ100μm前後のものを用い、材質としてはSi,ガラス、金属、プラスチック等があげられるが、現状最も使われているものはステンレス(SUS)である。これも基体同様、加工性、コストの観点から支持されているものである。

これらのオリフィスプレートを機械加工により吐出口を開け、同時に、熱膨張時の基準となる図１（６）の はめあい部（図７）も同時に穴開け加工してオリフィスプレートを得た。

この様にして得られた、基体とオリフィスプレートを貼り合わせ、熱処理することにより固定する。この貼り合わせ工程であるが、一番簡単な貼り合わせ方法としては接着剤を用いる方法である。その他、直接接合による方法もあるが接合温度は確実に接着剤より高くなる。いずれも使用スペックにより選択する必要がある。このように、予め熱膨張を考慮して基準点で両者を固定することにより、熱的影響によるオリフィス連通口と吐出口のズレの無いインクジェットヘッドが形成できるようになった。よって、印字品位に優れる高密度インクジェットヘッドが現実のものとなった。

本実施例で用いた線膨張係数は、ガラス：3E-6/℃ , Si：2.42E-6/℃, SUS：15E-6/℃である。室温は２０℃とした。

本実施例は、図１に示したように基体がSi、オリフィスプレートがガラスで構成されている場合のインクジェットヘッドについて説明する。図１（１）に示した基体はSiであり厚さは３００μmである。初めに、図１（３）に示したはめあい突起を形成するためにフォトリソグラフィ−技術によりパターニングする。エッチングにはリアクティブイオンエッチング（RIE）装置を用いた。エッチング量は８０μmとした。その後、この基体には、インク吐出エネルギー発生素子、電気配線、インク流路を形成した。インク吐出エネルギー発生素子として圧電素子を、また電気配線としては最も一般的なアルミを用いた。そしてインク流路の形成には、フォトリソグラフィ−技術を用い、ドライエッチングにより基体のSi,に流路を形成した。この加工により図１（２）に示したようにオリフィス連通口が形成された。この連通口の形成ピッチは８５μmとし、開口幅は２０μmとした。

一方、ガラスオリフィスプレートの形成であるが、図１(4)に示したように、厚さ８０μmのガラスを用いた。このガラスオリフィスプレートには図１（５）の吐出口（直径１５μm）と図１（６）のはめあい受け穴があけてある。このインクジェットヘッドの吐出口部における断面図を図６に、また図７にはめあい部分の拡大図を示す。ガラスオリフィスプレートの吐出口のトータルピッチは全長３９mmを想定した場合10.8μm伸びてズレが生じるものとし、８５μmピッチを基準に予測伸び量を補正した８５μmより短いピッチになるように形成した。これらの基体と、オリフィスプレートをアライメントし、貼り合わせ、５００℃＊１時間加熱接合をおこなった。このようにして得られたインクジェットヘッドはオリフィス連通口と吐出口がピッタリと一致しており印字品位に優れたものであった。

本実施例は図３（３）（６）に示したように、はめあい構造を吐出口配列方向に対して垂直な方向に２カ所設けたことが特徴である。基体の材質、オリフィスプレートの材質に関しては実施例１と同様である。

図３（１）に示した基体はSiであり厚さは３００μmである。初めに、図３（３）に示した２カ所のはめあい突起を形成するためにフォトリソグラフィ−技術によりパターニングする。エッチングにはリアクティブイオンエッチング（RIE）装置を用いた。エッチング量は８０μmとした。その後、この基体には、インク吐出エネルギー発生素子、電気配線、インク流路を形成した。インク吐出エネルギー発生素子として圧電素子を、また電気配線としては最も一般的なアルミを用いた。そしてインク流路の形成には、フォトリソグラフィ−技術を用い、ドライエッチングにより基体のSi,に流路を形成した。この加工により図３（２）に示したようにオリフィス連通口が形成された。この連通口の形成ピッチは８５μmとし、開口幅は２０μmとした。

一方、ガラスオリフィスプレートの形成であるが、図３(4)に示したように、厚さ８０μmのガラスを用いた。このガラスオリフィスプレートには図３（５）の吐出口と図３（６）の２カ所のはめあい受け穴があけてある。ガラスオリフィスプレートの吐出口のトータルピッチは全長３９mmを想定した場合10.8μm伸びてズレが生じるものとし、８５μmピッチをベースにはめあい部を基準として、距離に反比例して８５μmより短いピッチになるように形成した。これらの基体と、オリフィスプレートをアライメントし、貼り合わせ、５００℃＊１時間加熱接合をおこなった。このようにして得られたインクジェットヘッドはオリフィス連通口と吐出口（直径１５μm）がピッタリと一致しており印字品位に優れたものであった。また、はめあい箇所を２カ所にしたことにより、前記はめあい部を基準としてノズル配列方向は一方向のみ自由に膨張することができるので、θ方向のズレの影響が少なく一方向に関するオリフィス連通口と、吐出口の合わせ精度が更に向上した。

本実施例は、接合に金−金接合を行ったことを特徴とするものである。

図４（１）に示した基体はSiであり厚さは２５０μmである。初めに、図４（３）に示したはめあい突起を形成するためにフォトリソグラフィ−技術によりパターニングする。エッチングにはリアクティブイオンエッチング（RIE）装置を用いた。エッチング量は５０μmとした。その後、この基体には、インク吐出エネルギー発生素子、電気配線、インク流路を形成した。インク吐出エネルギー発生素子として圧電素子を、また電気配線としては最も一般的なアルミを用いた。そしてインク流路の形成には、フォトリソグラフィ−技術を用い、ドライエッチングにより基体のSi,に流路を形成した。この加工により図４（２）に示したようにオリフィス連通口が形成された。この連通口の形成ピッチは８０μmとし、開口幅は２０μmとした。

一方、ステンレスオリフィスプレートの形成であるが、図４(4)に示したように、厚さ５０μmのステンレスを用いた。このステンレスオリフィスプレートには図４（５）の吐出口と図４（６）のはめあい受け穴があけてある。これらの穴加工は機械加工により行われている。吐出口径は１５μmである。ステンレスオリフィスプレートの吐出口のトータルピッチは全長１３mmを想定した場合45.8μm伸びてズレが生じるものとし、８０μmピッチをベースにはめあい部を基準として、距離に反比例して順次８０μmより短いピッチになるように形成した。そして基体、オリフィスプレート両者にTi ：１００Å、金：１μm をスパッタリングにより成膜した後、これらの基体と、オリフィスプレートをアライメントし、貼り合わせ、３００℃＊１時間加熱接合をおこなった。このようにして得られたインクジェットヘッドはオリフィス連通口と吐出口がピッタリと一致しており印字品位に優れたものであった。

本実施例は実施例３と同様の基体、オリフィスプレートを用いる。異なっている点は、接合に接着剤を用いることである。従って、接合温度が低くなり、Ti,Auの成膜も無くなっている。

図５（１）に示した基体はSiであり厚さは２５０μmである。初めに、図５（３）に示したはめあい突起を形成するためにフォトリソグラフィ−技術によりパターニングする。エッチングにはリアクティブイオンエッチング（RIE）装置を用いた。エッチング量は５０μmとした。その後、この基体には、インク吐出エネルギー発生素子、電気配線、インク流路を形成した。インク吐出エネルギー発生素子として圧電素子を、また電気配線としては最も一般的なアルミを用いた。そしてインク流路の形成には、フォトリソグラフィ−技術を用い、ドライエッチングにより基体のSi,に流路を形成した。この加工により図５（２）に示したようにオリフィス連通口が形成された。この連通口の形成ピッチは８０μmとし、開口幅２０μmとした。

一方、ステンレスオリフィスプレートの形成であるが、図５(4)に示したように、厚さ５０μmのステンレスを用いた。このステンレスオリフィスプレートには図５（５）の吐出口と図５（６）のはめあい受け穴があけてある。これらの穴加工は機械加工により行われている。吐出口径は１５μmである。ステンレスオリフィスプレートの吐出口のトータルピッチは全長１３mmを想定した場合16.4μm伸びてズレが生じるものとし、８０μmピッチをベースにはめあい部を基準として、距離に反比例して順次８０μmより短いピッチになるように形成した。そして基体、オリフィスプレート両者をアライメントし、接着剤KS820(旭電化工業社製品)を用いて貼り合わせ、これらの基体と、オリフィスプレートを、１２０℃＊１時間クリーンオーブンで加熱をおこなった。このようにして得られたインクジェットヘッドはオリフィス連通口と吐出口がピッタリと一致しており印字品位に優れたものであった。

本発明の概略図。 従来例の説明図。 本発明のその他の概略図。 本発明の概略図（Au-Au接合）。 本発明の概略図（接着剤接合）。 本発明のインクジェットヘッドの断面図。 基体、オリフィスプレートのはめあい部の説明図。

符号の説明

１ 基体
２ オリフィス連通口
３ 基体はめあい部
４ オリフィスプレート
５ 吐出口
６ オリフィスプレートはめあい受 け部
７ Au-Au接合部
８ 接着剤接合部

Claims (6)

1. 少なくともインクを吐出させるための吐出エネルギー発生素子とインク流路を備えた基板と、前記インク流路の少なくとも一部に連通するインク吐出口を有するオリフィスプレートを具備したインクジェットヘッドにおいて、基板とオリフィスプレートが少なくとも予め一点で固定した後、熱的手段により両者が接合されたことを特徴とするインクジェットヘッド。
2. 前記基板とオリフィスプレートの接合は、予め固定される部分がはめ合い構造になっていることを特徴とする請求項１記載のインクジェットヘッド。
3. 前記基板に設けられたインク流路と、オリフィスプレートの有するインク吐出口が契合するように、前記インク流路及びインク吐出口の少なくとも一方の形成位置を予め補正することを特徴とする請求項１記載のインクジェットヘッド。
4. 前記熱的接合手段が金属間接合であることを特徴とする請求項１記載のインクジェットヘッド。
5. 前記熱的接合手段が金−金 接合であることを特徴とする請求項１記載のインクジェットヘッド。
6. 前記熱的接合手段が熱硬化型接着剤による接合であることを特徴とする請求項１記載のインクジェットヘッド。

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