(57)【要約】【課題】使用温度範囲域で構成部材の熱膨張差に起因するそりや接着部の剥離がなくインクを安定に吐出でき、安価なインクジェットプリントヘッドを提供する。【解決手段】構成部材の全部若しくは一部を、チタンを主成分とするＴｉ３（Ｎｂ，Ｔａ，Ｖ）＋（Ｚｒ，Ｈｆ）＋Ｏと表わされるβ型チタン合金にする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
インク滴を吐出させるノズル開口が複数形成されたノズルプレートと、前記ノズル開口に連通してインクを蓄える圧力室と前記圧力室にインクを供給するインク供給路が形成されたチャンバープレートと、前記ノズル開口と反対側で前記圧力室の壁面の一部を形成する振動板と、前記振動板に接合されて電気信号の印加により前記圧力室内のインクに圧力を発生させる圧電素子と、前記圧力室にインクを供給するインク供給路が形成されたハウジングから構成されたインクジェットプリントヘッドにおいて、前記ノズルプレート、前記チャンバプレート、前記振動板、及び前記ハウジングがチタンを主成分とするＴｉ３（Ｎｂ，Ｔａ，Ｖ）＋（Ｚｒ，Ｈｆ）＋Ｏのβ型チタン合金からなることを特徴とするインクジェットプリントヘッド。
【請求項２】
インク滴を吐出させるノズル開口が複数形成されたノズルプレートと、前記ノズル開口に連通してインクを蓄える圧力室と前記圧力室にインクを供給するインク供給路が形成されたチャンバープレートと、前記ノズル開口と反対側で前記圧力室の壁面の一部を形成する振動板と、前記振動板に接合されて電気信号の印加により前記圧力室内のインクに圧力を発生させる圧電素子と、前記圧力室にインクを供給するインク供給路が形成されたハウジングから構成されたインクジェットプリントヘッドにおいて、前記ノズルプレート、前記チャンバプレート、前記振動板、前記ハウジングのいずれかがチタンを主成分とするＴｉ３（Ｎｂ，Ｔａ，Ｖ）＋（Ｚｒ，Ｈｆ）＋Ｏと表わされるβ型チタン合金からなることを特徴とするインクジェットプリントヘッド。
【請求項３】
前記圧電素子と前記振動板が相対する部位で、該振動板の接着表面が塑性加工法で凹凸状に形成されていることを特徴とする請求項１または及び２記載のインクジェットプリントヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温に加熱されても構成部材の熱膨張差による反りや剥離がなく、製造工程が簡略化でき、かつ、耐食性を有するインクジェットプリントヘッドに関する
【背景技術】
【０００２】
インクジェットプリントヘッドにおける３次元形状のインク流路は、所定のパターンに開けられた複数のプレートを半田接合法、インサート材を用いた拡散接合法、インサート材なしの直接接合法・陽極接合法、あるいは接着剤を用いた接着法等を適宜選択して形成される。通常、コストの観点から接着剤を用いた接着法が多用されている。この接着法には、ワニスを用いてのスプレー法・転写法、あるいはシート状の接着剤を用いた転写法等がある。
近年、インク流路のピッチの微細化に伴い、インク流路を加工精度の高いシリコンウエハを用いてウェットエッチング法またはドライエッチング法で形成したインクジェットプリントヘッドが多く見られる。このようなインクジェットプリントヘッドでは、ノズルプレートの材質として、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６Ｌ、電鋳Ｎｉ、Ｆｅ−４２Ｎｉ等が選択されることが多い（例えば、特許文献１参照）。そして、その接合には接着技術が用いられている。
ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６Ｌ、電鋳Ｎｉの材料は、シリコン材と熱膨張係数が異なるため、部品接着には、弾性接着剤、または室温硬化の接着剤が用いられている。この場合、インクジェットプリントヘッドの動作環境が製造時とは異なり、高温あるいは低温となれば、構成部材の熱膨張差によるひずみが顕著に発生し、吐出されるインク滴が所定の着地位置からずれる、またはプレートの一部に剥離が生じる。したがって、通常、室温程度での使用に限定される。
他方、Ｆｅ−４２Ｎｉ材は、シリコン材と熱膨張係数が近似するため、室温あるいは高温で硬化するタイプの幅広い接着剤を使用することができる（例えば、特許文献２参照）。
そして、高温または低温での熱膨張差に起因するひずみが小さいため、インクジェットプリントヘッドの使用温度範囲は拡がる。しかし、Ｆｅ−４２Ｎｉ材は耐食性の観点から制約を受ける。インクに対する耐食性では、周知の如く、ＳＵＳは幅広い液体に耐食性を示すが、電鋳Ｎｉ、Ｆｅ−４２Ｎｉ等は低ｐＨ溶液中では腐食するため、適用できる溶液が限定される。
従来、ノズルプレート、チャンバプレートの加工では、精力的に様々な加工法が検討され、工程の簡略化が達成されている。また、圧電素子を収容するハウジングに関しては、平坦度以外に精度を要求されないため、一般的に、機械加工が用いられている。ところが、振動板に関してはまだ検討の余地は残されている。例えば、圧電素子による加圧領域を規制することと、接合領域を一定に規制することのために必要とされる振動板の圧電素子に面する表面上に形成される突起部の形成法に関しては、ＳＵＳ３０４、３１６Ｌを用いてエッチング工程を繰り返して作製する手法が主流で工程の簡略化あるいはコスト低減がまだ図られていない。（例えば、特許文献３参照）
以上のように、低熱膨張、高耐食性、および製造プロセスの簡略化によるコスト低減を同時に満足できるインクジェットプリントヘッドは見当たらない。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１６５２２６号公報
【０００４】
【特許文献２】特開２００３−１９１４７７号公報
【０００５】
【特許文献３】特許第３５０８８６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明では、使用温度範囲域で、構成部材の熱膨張差に起因するそりや接着部の剥離がなく、インクの吐出を安定にできるとともに、耐食性に優れ、部品の製造プロセズを簡易化して安価に製造できるインクジェットプリントヘッドを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記目的を達成するために、インク滴を吐出させるノズル開口が複数形成されたノズルプレートと、前記ノズル開口に連通してインクを蓄える圧力室と前記圧力室にインクを供給するインク供給路が形成されたチャンバープレートと、前記ノズル開口と反対側で前記圧力室の壁面の一部を形成する振動板と、前記振動板に接合されて電気信号の印加により前記圧力室内のインクに圧力を発生させる圧電素子と、前記圧力室にインクを供給するインク供給路が形成されたハウジングから構成されたインクジェットプリントヘッドにおいて、前記ノズルプレート、前記チャンバプレート、前記振動板、及び前記ハウジングがチタンを主成分とするＴｉ３（Ｎｂ，Ｔａ，Ｖ）＋（Ｚｒ，Ｈｆ）＋Ｏのβ型チタン合金からなることを特徴とする。
また、前記ノズルプレート、前記チャンバプレート、前記振動板、前記ハウジングのいずれかがチタンを主成分とするＴｉ３（Ｎｂ，Ｔａ，Ｖ）＋（Ｚｒ，Ｈｆ）＋Ｏのβ型チタン合金からなることを特徴とする。
さらに、前記圧電素子と前記振動板が相対する部位にあって、該振動板の接着表面が塑性加工法で凹凸状に形成されていることを特徴とする。
ここで、β型チタン合金（以下本合金と呼ぶ）は、チタン合金が有する本来の耐食性の他に以下のような特性も有する。本合金は、まず、−７７〜３００℃の温度範囲で、２〜８ｐｐｍ／℃とシリコン（Ｓｉ）並みの熱膨張率であるため、発生する熱ひずみが小さい。次に、本合金は、ゴムメタル（登録商標）とも称され、従来のチタン合金と比較して１桁以上の弾性変形能を有して加工硬化しないため、断面減少率９９．９％以上の冷間加工が可能である。
そこで、熱膨張差に起因するさまざまな課題は、上記する熱膨張率が小さい特性を用いて解決する。すなわち、構成部材間の熱膨張係数マッチングをして熱ひずみを低減させる。次に、振動板の製作コスト低減の課題は、本合金の１桁以上の弾性変形能の特性を用いて解決する。すなわち、圧電素子と振動板が相対する部位で、該振動板の接着表面が塑性加工法で１工程の製作プロセスにて凹凸状に形成させ、工程の簡略化を図る。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、構成部材間の熱膨張差を小さくして、組立時の加熱による残留熱ひずみを低減し、高耐食性で、かつ、振動板の製造プロセスを簡略化して、高精度で、安価なインクジェットプリントヘッドを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する
【実施例１】
【００１０】
図１に本発明のインクジェットプリントヘッドの断面を示す。図において、１はノズルプレート、２はノズル開口、３は圧電素子、４はインク供給路、５はチャンバプレート、６はハウジング、７は振動板、８は圧力室である。
本発明によるインクジェットプリントヘッドは、２次元に加工された複数のプレートの組み合せによる３次元構造のインク流路と、振動板７を変位してインクを吐出させる圧電素子３から構成される。インク流路は、ノズルプレート１、チャンバープレート５、振動板７、ハウジング６から形成される。いずれの部材も、ゴムメタル（登録商標）の超弾塑性型チタン合金からなり、合金の組成は、Ｔｉ−２３％Ｎｂ−０．７％Ｔａ−２．０％Ｚｒ−１．２％Ｏである。なお、圧電素子には、一般に、単板型と積層型があり、本発明では単板型を用いたが、積層型を用いてもかまわない。
【００１１】
構成部品の製作においては、ノズルプレート１のノズル開口２は、プレス加工で製作した。チャンバプレート５は切削加工法で形成した。そして、振動板は、ゴムメタルの加工性の良さを活かして、次ぎの２種類のものを製作した。まず、薄板状のもので、圧延法で厚み１５μｍに薄膜化した。次に、本発明の振動板で、圧電素子を固定する部分を凸形状にしたものを転造法で製作した。
図２は、本発明の振動板を作製する概要図である。図２に示すとおり、凸型の形状９になるように加工した。厚み２０μｍにまで圧延で薄膜化した後、ひずみとり焼鈍を６００℃で１時間行った。その後、凸部の丈が５μｍになるように、図示しない加圧機構を用いて、歯型形状の転造ローラ１０を用いて凸型パターン９を形成した。本歯型形状の目的は、凸部と圧電素子の位置決めを正確に行うためである。なお、転造法は塑性加工法の１種類であるが、振動板の製作においては、プレス法等、適宜、工業的な見地から適当な手法を選択使用して構わない。
次に、インクジェットプリントヘッドの組み立ては、各プレート間を接着シートで接着して行った。プレート接着工程は、接着シートのパターン形成工程、仮接着工程、本接着の３工程から構成される。本発明においては、熱膨張係数マッチングを行っているので、各プレート間の接着（接合）は、常温硬化型でも高温硬化型接着剤でも、あるいは半田接合を用いても達成される。なお、接着プロセスは、著者の一人が出願している特許文献２に記載されている方法で進めた。ここでは、その概略を、ノズルプレート１とチャンバプレート５間の接着を例にとり説明するが、チャンバープレートと振動板間、振動板とハウジング間の接着についても同じ方法で接着した。なお、本接着シートは、図示しないが、キャリヤーシート（接着剤層片面保護シート）付き２層構造の接着シートである。
（１）接着シートのパターン形成工程
まず、キャリヤシート付き接着シートを用意し、この接着シートに、チャンバプレート５の流路パターン、すなわちノズルプレート１のノズル開口２に対応して開けられている開口穴の形状を考慮して、キャリアシート付の接着シートに機械的手法で打ち抜きを行った。なお、レーザ等による熱的手段もしくは化学的手段で，非接着個所を除去した抜き孔（パターン）を形成することも可能である。
（２）仮接着工程
図示しない接着装置を用いて、チャンバプレート５の流路パターンに合わせて接着シートをセットし、１３０℃、０．４９ＭＰａ、５分の条件で仮接着する。一旦、仮接着したプレートを接着装置から取り外した後、キャリアシートを剥離する。なお、チャンバプレート５からキャリヤシートが剥離できればよく、前述の仮接着条件は，本例の条件にこだわらないことは言うまでもない。
（３）本接着
チャンバプレート５に接着するノズルプレート１の位置決めをして装置にセットし、接着装置を１７０℃に加熱し、０．４９ＭＰａ、１５分の条件で加圧接着する。上記条件で接着剤１２は硬化し、プレート接着が完成する。
同様にして、接着されて一体化されたノズルプレートとチャンバープレートに、振動板、ハウジングも接着する。その結果、図１のようなインクジェットプリントヘッドを組み立てることができる。したがって、各部材が同種類のため、使用温度範囲域でそりや接着部の剥離がなく、インクの吐出を安定にできるとともに、耐食性に優れ、振動板の製造プロセズが簡易化されているため、安価なインクジェットプリントヘッドとすることができた。
【実施例２】
【００１２】
本実施例では、部材の一部に、近年長足の進歩を遂げているマイクロマシーン技術（ＭＥＭＳ）で精密に流路を形成できるシリコン材料を用いた。シリコン材料を用いると精密でかつ再現性が良いのが特徴であるが、製造コストが割高になるため、通常は本実施例のように一部の部材にしか用いられない。このよう場合、相手材の組み合わせには熱膨張係数の小さいゴムメタルが最適である。本実施例のように、シリコンをメインに考えて流路を形成しようとする場合、適用する流路形成部品としては、精密でかつ寸法の再現性を要求されるチャンバプレート５、あるいはノズルプレート１が考えられる。本実施例では、チャンバープレート５にシリコン材料を用いたが、ノズルプレート１にシリコン材料を適用してもかまわず、その場合においても、製作性、インク吐出性能は同じである。
そこで、インクジェットプリントヘッドの組立において、チャンバプレート５の流路はMEMS技術で形成し、その他の部材は実施例１と同様な方法で製作し、各部材間の接着は実施例１と同様にして行った。なお、本実施例では低熱膨張材としてシリコンを用いたが、意図するところは各構成部材の熱膨張係数を一致させることにあるので、特にシリコン材に限定されるわけではない。
このようにして作製したインクジェットプリントヘッドについて、本発明の目的である「熱膨張係数マッチング」による熱変形の抑制効果を検証した。
熱変形が発生する場合として、２つの要因がある。第一は、接着工程で、本実施例のように高温で接着する場合である。第二は、インクジェットプリントヘッドの使用環境温度である。高温または低温で使用すると熱膨張差によりひずみが発生する。
まず、接着工程の熱変形に関しては、製作後のインクジェットプリントヘッドのノズルプレート面上のそりを３次元形状測定器で測定したが、問題ないことを確認した。
次に、使用温度に関しては、インクジェットプリントヘッドの温度によるノズルプレート面のそりと、インク吐出特性を調べた。高温側では、固体インクを使用すれば１５０℃まで加熱される場合がある。一方、低温側では、これまで室温以下に冷却された例は少ないが、本例では−７７℃まで冷却した。
１５０℃で１時間、−７７℃で１時間のヒートサイクルを５万回繰り返した結果、熱膨張差に起因するそり、接着部での剥離は生じなかった。本実施例により、各部材の熱膨張係数を一致させることにより、熱ひずみを抑えることが可能であることが実証された。
インク吐出特性は以下の手順で調べた。図３は、本発明のインクジェットプリントヘッドによるインク吐出の状態を示す断面図である。図において、図１と重複する各部位の番号は記載していない。室温で、インク供給口４から液体インクを充填して、圧電素子３に駆動信号パルスを印加して高速で伸縮運動をさせ、インク滴１１をノズル２から吐出させたところ、全てのノズルで、インク滴の吐出速度にばらつきがなく、高速でインク滴が飛ぶことを確認できた。なお、接着層に剥離が生じると、インクリークが発生し、ノズル間のインク吐出速度がばらつくが、本実施例では、そのような場合は発生しなかった。
【産業上の利用可能性】
【００１３】
本発明の実施例では、吐出させる液体にインクを用いたが、特に限定するものではなく、飛翔時に所定の液体になっていれば、その目的は達せられるので、薄膜形成装置、分注器等にも利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明のインクジェットプリントヘッドの断面図
【図２】本発明で用いた振動板の作製を示した概要図
【図３】本発明のインクジェットプリントヘッドによるインク吐出の状態を示す断面図
【符号の説明】
【００１５】
１  ノズルプレート
２  ノズル
３  圧電素子
４  インク供給路
５  チャンバプレート
６  ハウジング
７  振動板
８  圧力室
９  加工により成形された振動板の凸部
１０  転造ローラ
１１  インク滴
１２  接着層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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