JP2007083736A - 成形用樹脂組成物及び成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】樹脂製のインクジェットプリンター用インク吐出装置を提供すること。
【解決手段】本発明によれば、熱硬化性樹脂を９５〜３５重量％、１０μｍ以下の粒径を有する有機充填材を５〜６５重量％含有する熱硬化性樹脂組成物から、インクジェットプリンター用インク吐出装置が製造される。
【選択図】なし

Description

本発明は、マイクロポンプ、マイクロピペッター、インクジェットヘッド等の精密・微細構造を有する液体吐出装置などの成形に好適な樹脂組成物に関する。

医療、バイオの研究分野においても、遺伝子治療、遺伝子工学に関する研究が進むにつれ、微量試薬の調合が要求されるようになってきており、従来のシリンジ方式から微量液滴を分注できる分注方式への転換が要求されつつある。

また、インクジェットプリンターの分野では高品質、高速印刷が求められるようになり、微細構造を有し、ノズルピッチの狭い高集積ヘッドの必要性が高まっている。そのため、リガプロセス、エッチング、マイクロプレスなどのマイクロマシーニング技術を応用したさまざまな微細流路構造を有する液滴吐出装置が考案され実用化されている。

このような装置の製造に用いられるモールド樹脂材料には、ニアネットシェイプ可能な凝固収縮の少ない樹脂であること、微細構造の金型に正確に転写できる流動性を有すること、さらには耐薬品性を有することが要求される。

しかし、現在、モールド樹脂材料として一般に用いられる樹脂は熱可塑性樹脂であり、熱膨張係数が大きく、射出成形後、金型内で凝固収縮が生じ、ニアネットシェイプ成形が出来ないという問題がある。そこで、所望の熱膨張係数或いは凝固収縮率を得るために、ガラス繊維等の無機フィラーを樹脂に添加する方法が検討された。しかし、無機フィラーを添加した樹脂組成物を用いて精密部品を成形した場合、成形後の加工時に均一に加工出来ないという問題が残る。即ち、主成分の樹脂と無機フィラーのガラス繊維では硬度が大きく異なるため、研磨時に凹凸が生じ易い。また、樹脂とガラス繊維とはレーザー光の最大吸収波長が大きく異なるため、レーザー加工時には処理されない部分が残り、精密仕上げができないという問題がある。

そこで、微細構造の成形に適した樹脂組成物が望まれている。すなわち、凝固収縮が少なく、金型転写性が良く、更には研磨加工、レーザー加工などの後加工性に優れる成形用樹脂組成物が望まれている。

本発明は、樹脂製のインクジェットプリンター用インク吐出装置を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討したところ、熱硬化性樹脂に特定の粒径を有する有機充填材を特定量混合することにより、目的とする微細構造の成形に適した樹脂組成物が得られ、それによってインクジェットプリンター用インク吐出装置を製造し得ることを見出し、本発明を完成させた。

すなわち、本発明は、インクジェットプリンター用インク吐出装置の製造方法を提供し、この方法は
熱硬化性樹脂を９５〜３５重量％、１０μｍ以下の粒径を有する有機充填材を５〜６５重量％含有する熱硬化性樹脂組成物をノズルチャンバープレートの金型に導入し、該金型を加熱して５００μｍ以下のノズルを形成し得るノズルチャンバープレートを成形する工程、
該熱硬化性樹脂組成物を用いて、振動膜プレートを成形する工程、および
該ノズルチャンバープレートと該振動膜プレートとを接合する工程を含む。

１つの実施態様においては、ノズルチャンバープレートのノズル孔を作成した後に、該ノズルチャンバープレートと該振動膜プレートとが接合される。

１つの実施態様においては、上記熱硬化性樹脂は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂およびグアナミン樹脂からなる群から選択される。

１つの実施態様においては、上記有機充填材は、不飽和ポリエステル、フェノール樹脂、グアナミン樹脂、メラミン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォンおよびポリイミド樹脂からなる群から選択される球状もしくは不定形粉末である。

上記熱硬化性樹脂組成物により、凝固収縮が少なく、金型転写性が良く、更には研磨加工、レーザー加工などの後加工性に優れる成形樹脂が得られる。

本発明に用いられる熱硬化性樹脂は、熱で硬化する樹脂であれば、どのような樹脂でも使用できる。例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂などが挙げられるが、これらに限定されない。好ましくはエポキシ樹脂である。

本発明に用いられる有機充填材としては、特に制限はない。熱硬化性樹脂を硬化させる温度で溶解しないものであれば、どのようなものでも用いられる。好ましくは、不飽和ポリエステル、フェノール樹脂、グアナミン樹脂、メラミン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォンおよびポリイミド樹脂などが用いられる。好ましくはグアナミン樹脂である。

有機充填材は、熱硬化性樹脂組成物の粘度あるいは線膨張係数を調整し、凝固収縮を減少させる、レーザー光の吸光度を調整するなどの目的で添加され、成形時には骨材として作用する。このような目的を達成するために、有機充填材は１０μｍ以下の球状粒子あるいは不定形粉末であることが好ましい。不定形の場合、径の最も大きいところが１０μｍ以下であればよい。１０μｍを超えると、熱硬化性樹脂の粘度あるいは線膨張係数の調整が困難になる傾向にある。好ましい粒径は、一般的には０．５〜１０μｍであり、より好ましくは１〜５μｍであるが、粒径は、成形する微細構造物に応じて、粘度、線膨張係数を考慮し、決定すればよい。

熱硬化樹脂としてエポキシ樹脂を、有機充填材料としてグアナミン樹脂を用いる場合、熱膨張係数は、２〜７×１０^−５であり、好ましくは５〜６×１０^−５であり、凝固収縮率は０．８％以下であることが好ましい。

有機充填材料は、熱硬化性樹脂組成物中、５〜６５重量％含有される。５重量％より少ないと、骨材としての作用が劣り、成形物の強度が問題となる虞があり、反りや変形を生じる。６５重量％を超えると、樹脂組成物の流動性が悪くなり、金型細部へ充填しにくくなる。

本発明の熱硬化性樹脂組成物には、必要に応じて、離型剤など当業者が成形に用いる成分を本発明の目的、効果を損なわない範囲で添加することができる。

本発明の熱硬化性樹脂組成物は、一般的な樹脂成形品の製造に使用されるが、特に微細構造を有する構造体を一体成形するなど、精密成形の分野に好ましく用いられる。

本発明でいう微細構造を有する構造体としては、マイクロマシーニング分野におけるさまざまな精密機器が挙げられる。例えば、液滴吐出装置として最も良く知られているインクジェットプリンター用インク吐出装置、微量液滴吐出装置などが挙げられる。

なお、微細構造というときは、数ミクロン〜５００μｍの構造、例えばピン構造、ノズル、間隙などの構造をいう。また、微細開口というときは、１０〜２００μｍ程度の大きさの開口部（形状は問わない）、好ましくは、３０〜１００μｍ程度の大きさをいう。

以下、微細開口を有する構造体および三次元的に一体成形法で構造体を製造する場合について、インクジェットプリンター用インク吐出装置（以下、単に吐出装置ということがある）の成形を例に説明する。

本発明のインクジェットプリンター用インク吐出装置の製造方法をまず大まかに説明すると、熱硬化性樹脂組成物をノズルチャンバープレートの金型に導入し、該金型を加熱して５００μｍ以下のノズルを形成し得るノズルチャンバープレートを成形する工程、熱硬化性樹脂組成物（好ましくは、同じ樹脂組成物）を用いて、振動膜プレートを成形する工程、および得られたノズルチャンバープレートと振動膜プレートとを一体成形する工程を含む。

ノズルチャンバープレートと振動膜プレートはどちらを先に成形してもよく、同時に成形してもよい。また、ノズルチャンバープレートのノズル孔の形成は、振動膜プレートと一体成形する前であってもよく、一体成形した後でもよいが、好ましくは一体成形する前である。

以下、添付の図面に基いて、説明する。吐出装置１の下面側からみた斜視図を図１に示す。吐出装置１は、ノズルチャンバープレート２とノズルチャンバープレート２の上部には振動膜プレート３が配置され、それによって、個別インク室４、個別インク流路５、共通インク流路６が形成される。各個別インク室４に対応するノズルチャンバープレート２の下面には、ノズル７が設けられている。このノズル７は、通常、３０〜１００μｍの大きさを有している。

このようなノズルチャンバープレート２を作成するためには、例えば、図２に記載の金型を用いて行われる。図２（ａ）の金型は、上金型１０と、下金型１１と、成形駒１２とからなる。成形駒１２は、ノズルチャンバープレート２のノズル７を構成する、３０〜１００μｍのピンを多数有している。成形駒１２と下金型１１との境界付近の拡大図を図２（ｂ）に示す。成形駒１２のピン１４は、下金型１１の上面１５とはギャップ１８を有するように構成される。これは、ピン１４が下金型１１の上面１５と接触することにより、撓んだり破損することを避けるためである。このギャップ１８の間隔は、１〜１００μｍであることが好ましい。

なお、成形駒は、リガプロセス、放電加工、切削加工またはこれらを併用することにより、微細なピンを有するように製作される。

上金型１０と、下金型１１と、成形駒１２とから形成される空間部１３に熱硬化性樹脂組成物を注入し、加熱することにより、熱硬化性樹脂が硬化し、チャンバープレート２のノズル７が薄膜で塞がれた状態で成形される。ギャップ１８が有機充填材料１６の粒径よりも小さい場合、熱硬化性樹脂１７のギャップ１８からの侵入を抑制するか、減少させることができるので、ノズル７を生じるための後加工（例えば、研磨加工、レーザー加工）が簡単になるので、好ましい。

図３は、このノズルチャンバープレート２の平面度を出すと同時に組織を安定化させるため、カセット２１に入れ、適切な温度（例えば、１５０〜２００℃）で、適切な時間（３〜８時間）、加熱下、キュアリングを行うことを示している。

キュアリング終了後、このノズルチャンバープレート２を研磨処理、あるいはレーザー加工することにより、ノズルが開口されたノズルチャンバープレート２が得られる。

図４は、従来のガラス繊維が入った樹脂をエキシマレーザー処理した場合の結果を表す模式図であるが、エキシマレーザー処理により樹脂が溶解してノズル７が形成されるものの、流路にガラス繊維２２が残存し、液体の流れを阻害していた。これに対して、図５に示すように、本発明で得られる成形品は、滑らかな面を有するノズル７が形成され、樹脂が残留することがない。これは、図６に示されるように、エポキシ樹脂とガラス繊維とは、レーザー吸収波長が大きく異なるのに対して、グアナミン樹脂を有機充填材料として用いた場合の例で示されるように、エポキシ樹脂のレーザー吸収波長とグアナミン樹脂のレーザー吸収波長が極めて近接しているため、ともに溶解されることによると考えられる。さらに、本発明で得られる微細開口部分の除去すべき樹脂が極めて薄いことから、効率よく除去されると考えられる。

得られたノズルチャンバープレート２は、接合面および流路の濡れ性を上げるために、接着面にプラズマアッシャーで表面処理を施される。

他方、ノズルチャンバープレート２と同一の熱硬化性樹脂組成物で同様の方法で成形した振動膜プレート３を図７のようにステージ２３に設置し、適切な回転数、例えば１０００〜２０００ｒｐｍで回転させながら、チャンバープレート２と同種成分のワニス２４（例えば、フェノールノボラック型のエポキシ樹脂）を数滴滴下して塗布した後、適切な温度（例えば、６０℃〜８０℃）の温度で溶剤を飛ばし、乾燥させる。その後、図８に示すように、振動膜プレート３とノズルチャンバープレート２との基準穴２５に基準ピン２６を通して、カセット３０に入れ、適切な温度（例えば、１５０〜１８０℃）で適切な時間（例えば、１０〜３０分）、接合する。

この接合前の位置決めは、透過光を用いて行ってもよい。また、仮止めのために先端を熱した鏝を使ってスポット接合してもよい。

このようにして、図１に示されるノズル７、個別インク室４、個別インク流路５および共通インク流路６を備えた三次元的に一体成形されたインクジェットプリンター用インク吐出装置１が得られる。

さらに、型内接合で成形品同士を接合する手法を用いれば、インクジェットプリンター用インク吐出装置等のマイクロマシーニング分野におけるさまざまな精密機器を容易に、安価で作製実現できる。

なお、上記説明において（ ）内に示した温度、時間などは、エポキシ樹脂を熱硬化性樹脂として用い、グアナミン樹脂を有機充填粒子として用いた場合の例である。

以下、実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明はこの実施例に限定されないことはいうまでもない。

ノズルチャンバープレートの作製
エピクロンＮ７７０(大日本インキ化学工業株式会社製)、フェノール系硬化剤フェノライトＴＤ２１０６（大日本インキ化学工業株式会社製）およびイミダゾール系化合物の硬化促進剤とを混合、反応して得られたフェノールノボラック型エポキシ樹脂を４０重量％、粒径３μｍのグアナミン樹脂（ベンゾグアナミン樹脂 エポスターＭ３０、株式会社日本触媒製）を５７重量％、離型剤としてステアリン酸系金属石鹸を３重量％混合して、熱硬化性樹脂組成物を調製した。この樹脂組成物の熱膨張係数は６×１０^−５であり、凝固収縮率は０．７８％であった。上記グアナミン樹脂の代りにガラス繊維５７重量％添加して得られた混合物を比較例とした。この比較例の樹脂組成物は方向性があり、熱膨張係数は２〜５×１０^−５、凝固収縮率は０．２〜０．５％であった。なお、熱膨張係数および凝固収縮率は、熱機械分析（ＴＭＡ）法、凝固収縮率はＪＩＳ Ｋ ６９１１の方法で測定した。

得られた熱硬化性樹脂組成物を図２の成形駒を有する金型にインジェクション注入し、１８０℃に加熱した。このとき、成形駒には、直径３０μｍのピンが形成されていた。また、図２におけるギャップ１８を２μｍ以下としたので、ノズル部分に薄膜を有するノズルチャンバープレートが得られた。このノズルチャンバープレートを図３のカセットに入れ、１８０℃、６時間キュアリングを行い、流路追加のためのエキシマレーザー加工を行い、流路面が滑らかな、直径３０μｍのノズルを有するノズルチャンバープレートが得られた。

これに対して、比較例のノズルチャンバープレートは、流路にガラス繊維が残存していることが、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって確認された。

（インクジェットプリンター用インク吐出装置）
他方、チャンバープレートと同じ大きさの振動膜プレート（厚み３００μｍ）を、上記と同一の樹脂組成物で作成した。この振動膜プレートをステージに乗せ、１２００ｒｐｍで回転させながら、ワニスを３滴滴下し、塗布した後、８０℃で乾燥した。

ついで、上記得られたチャンバープレートと振動膜プレートとを図８に示すように基準穴を合わせて基準ピンで留め、カセットに入れて１８０℃、２０分、接合した。これにより、一体成形されたインクジェットプリンター用インク吐出装置が得られた。このインク吐出装置をインクジェットプリンターに実装して検討したところ、かすれもなく、均一なきれいな印字が確認された。

本発明の熱硬化性樹脂組成物は、特定の粒径の有機充填材料を特定の範囲で含有することにより、従来の射出成形では得られなかった精密で複雑な構造を持つ成形品を容易に得ることができる。特に、微細な構造、例えば、直径３０μｍほどのノズルを有するインクジェットプリンター用インク吐出装置の一体成形が容易に行われる。

インクジェットプリンター用インク吐出装置を下面側からみた斜視図である。 ノズルチャンバープレート成形用金型の断面図である。 成形後の熱によりキュアリングを示す図である。 従来のガラス繊維入り成形樹脂のエキシマレーザー加工を示す図である。 本発明の成形樹脂のエキシマレーザー加工を示す図である。 各材料の吸効率と光波長との関係を示すグラフである。 ワニスの塗布方法を示す図である。 振動膜プレートとノズルチャンバープレートの接合方法を示す図である。

Claims (2)

1. インクジェットプリンター用インク吐出装置の製造方法であって、
   熱硬化性樹脂を９５〜３５重量％、１０μｍ以下の粒径を有する有機充填材を５〜６５重量％含有する熱硬化性樹脂組成物をノズルチャンバープレートの金型に導入し、該金型を加熱して５００μｍ以下のノズルを形成し得るノズルチャンバープレートを成形する工程、
   該熱硬化性樹脂組成物を用いて、振動膜プレートを成形する工程、および
   該ノズルチャンバープレートと該振動膜プレートとを接合する工程を含む、方法。
2. ノズルチャンバープレートのノズル孔を作成した後に、該ノズルチャンバープレートと該振動膜プレートとが接合される、請求項１に記載の方法。

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