JP2000246894A - インクジェット記録装置およびノズル孔の加工方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 インク滴の大きさがほぼ一定で、着弾精度に
優れるインクジェット記録装置を提供し、またそのため
のノズル孔の加工方法を提供する 【構成】 アクチュエータの動作によりインクに噴射圧
力を作用させて、ノズル孔からインク滴として噴射する
インクジェット記録装置において、ノズル孔を、噴射方
向に狭くなるテーパ部と、そのテーパ部の噴射方向先端
部から噴射方向に延びるほぼストレート部とから構成
し、そのストレート部の噴射方向長さを１０μｍ以上と
する。このノズル孔をレーザビームで加工するにあた
り、２枚のマスクを重ねて、互いのパターンの重なりに
より形状が可変な１つのレーザビーム透過部を形成し、
レーザ発振器から発振されるレーザビームの照射中に、
２枚のマスクを所定方向に相対移動させて、レーザビー
ム透過部の形状を連続的に変化させることにより、テー
パ部を形成する。２枚のマスクの位置を相対的に固定し
て、レーザビームを照射することにより、ストレート部
を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の技術分野】本発明は、アクチュエータの動作に
よりインクに噴射圧力を作用させて、ノズル孔からイン
ク滴として噴射するインクジェット記録装置、およびノ
ズル孔の加工方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】インクジェット記録装置は、複数のイン
ク溝内のインクに、圧電材料の変形により、あるいは発
熱素子による局部的な沸騰により圧力を作用させて、ノ
ズル孔からインク滴として噴射する。ノズル孔は、一般
に噴射方向に狭くなるテーパ状に形成されているが、こ
れは、インク供給源からインク溝にインクを補給する際
に、インク溝内が負圧になったとき、ノズル孔に張って
いるインクのメニスカスが内部に引き込まれ、それにと
もない気泡が侵入すると、次のインク滴の噴射が困難に
なるということを回避するためである。つまり、ノズル
孔がテーパ状であることで、ノズル孔内の体積が大きく
なり、インクのメニスカスが内部に引き込まれる量を小
さくすることができ、その結果、気泡の侵入を防いで、
インク滴の連続的な噴射を可能にするものである。

【０００３】また、インク溝とノズル孔とが接続する部
分に大きな段差があると、インク供給源からインクとと
もにインク溝に侵入した微小な気泡がそこでトラップさ
れ、時間の経過とともに気泡が成長して、ノズル孔を閉
塞してしまうことがある。これを回避するために、ノズ
ル孔をテーパ状にすることで、微小な気泡がトラップさ
れる段差を少なくしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記のようなノズル孔
は、大きな角度のテーパを必要とするため、従来からエ
ッチング、またはレーザビームによる加工法が提案され
ている。

【０００５】例えば、特開平８−９９１８５号公報に
は、２枚のマスクを重ねて１つのレーザビーム透過部を
形成し、レーザビームを照射しながら両マスクを相対移
動することで、レーザビーム透過部の形状を連続的に変
化させて、レーザビームの形状を制御し、任意のテーパ
形状を得ることが記載されている。

【０００６】しかし、この方法では、両マスクの移動速
度が設定値よりも速かったり、遅かったりすることがあ
る。遅い場合、レーザビームが材料を貫通する時点での
レーザビームの形状が大きくなって、ノズル孔の噴射側
の口径が大きくなってしまう。速い場合、レーザビーム
が材料を貫通する前にレーザビームの形状が最小になっ
てノズル孔の噴射側にストレート部が形成される。この
結果、噴射されるインク滴の大きさがばらつく。また、
ノズル孔のストレート部の長さがばらついて、特に短く
なった場合、インク滴の噴射方向が不安定になり、イン
ク滴の着弾精度が悪くなる。このため、きれいな記録結
果が得られない問題があった。

【０００７】本発明は、上述した問題点を解決するため
になされたものであり、インク滴の大きさがほぼ一定
で、着弾精度に優れるインクジェット記録装置を提供
し、またそのためのノズル孔の加工方法を提供するもの
である。

【０００８】

【課題を解決するための手段および発明の効果】この目
的を達成するために本発明は、インクに噴射圧力を作用
させて、ノズル孔からインク滴として噴射するインクジ
ェット記録装置において、前記ノズル孔を、噴射方向に
狭くなるテーパ部と、そのテーパ部の噴射方向先端部か
ら噴射方向に延びるほぼストレート部とから構成し、そ
のストレート部の噴射方向長さを１０μｍ以上とした。

【０００９】このように、ノズル孔において１０μｍ以
上のストレート部を確保することで、ノズル孔の噴射側
の口径の精度を高く維持することができ、かつ後述する
実験結果で示すようにインク滴の噴射方向が安定し、着
弾精度を向上することができる。その結果、きれいな記
録結果を得ることができる。

【００１０】前記ストレート部は、完全なストレートで
なく、噴射方向に狭くなるように１５度以下のテーパを
有しているものであっても差し支えない。

【００１１】また、上記のようなノズル孔を加工する方
法は、レーザ発振器から発振されるレーザビームを、所
定のパターンを備えたマスクをとおして照射することに
より行うものであって、少なくとも２枚の前記マスクを
重合配置させて、互いのパターンの重なりにより形状が
可変な１つのレーザビーム透過部を形成し、前記レーザ
発振器から発振される前記レーザビームの照射中に、前
記少なくとも２枚のマスクを所定方向に相対移動させ
て、前記レーザビーム透過部の形状を連続的に変化させ
ることにより、前記テーパ部を形成し、前記少なくとも
２枚のマスクの位置を相対的に固定して、前記レーザビ
ームを照射することにより、前記ストレート部を形成す
る。

【００１２】この方法により、所定のテーパ部とストレ
ート部が容易に形成され、上記のようにインク滴の大き
さがほぼ一定で、着弾精度が優れたインクジェットヘッ
ドを製造することができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明を具体化した実施の
形態を図面を参照して説明する。

【００１４】インクジェット記録装置は、図１に示すよ
うに、複数のインク溝２１およびその両側にダミー溝２
２を有するアクチュエータ基板１０と、各溝の上面を覆
うカバー板３０と、インク溝２１にインクを分配するマ
ニホールド３１と、インク溝２１に対応するノズル孔３
３を有するノズル板３２とからなる。

【００１５】アクチュエータ基板１０は、相互に接着さ
れた２枚の剛性のあるチタン酸ジルコン酸鉛系（ＰＺ
Ｔ），チタン酸鉛系（ＰＴ）などの圧電セラミックス材
料製の基材１１，１２からなる。その両基材は、板厚方
向においてそれぞれ反対方向に分極されている。なお、
基材１１，１２のいずれか一方のみを圧電材料で構成す
ることも可能である。両基材１１，１２には、インク溝
２１およびダミー溝２２となる平行な多数の溝が、ダイ
ヤモンドブレード等によって両基材の厚さ方向にわたっ
て切削加工されている。これにより、インク溝２１およ
びダミー溝２２間を隔てる隔壁２４は、その高さ方向
に、分極方向が反対の圧電材料を重ねた構成となる。

【００１６】インク溝２１は、図１に示すようにその長
手方向（すなわちインク噴射方向）の前後両端をアクチ
ュエータ基板の前後両端に開放して形成され、ダミー溝
２２は、前端面１０ａに開放するが、後端面１０ｂにお
いて閉塞するように、立ち上げ部２３を残して形成され
ている。インク溝２１内の隔壁２４側面には図３に示す
ように第１の電極２６ａが形成され、ダミー溝２２内の
隔壁２４側面には第２の電極２６ｂが形成される。アク
チュエータ基板１０の上面１０ｃには、インク溝２１お
よびダミー溝２２の長手方向に沿った開放面を覆うカバ
ー板３０が接着固定される。

【００１７】アクチュエータ基板１０の前端面１０ａお
よびカバー板３０の前端面３０ａには、インク溝２１と
対応するノズル孔３３を有するノズル板３２が接着固定
され、またそれらの後端面には、マニホールド３１が接
着固定される。

【００１８】インクの供給源からマニホールド３１に導
入されたインクは、インク溝２１に供給され、ダミー溝
２２には、立ち上がり部２３によって供給されない。各
インク溝内の第１の電極２６ａを共通の電位例えばアー
スに接続し、インクを噴射しようとするインク溝２１を
はさむ両隔壁２４，２４のダミー溝２２側の第２の電極
２６ｂ，２６ｂに電圧を印加すると、、第１および第２
電極２６ａ，２６ｂ間に圧電材料の分極方向と直角方向
の電界が発生し、図３に示すように、隔壁２４の上下各
部の圧電材料がそれぞれ反対方向に剪断変形して、イン
ク溝２１内の容積を拡大する。そして、電圧の印加を停
止すると、隔壁２４が復帰する際にインク溝内のインク
に圧力を加え、インクをノズル孔３３から噴射する。

【００１９】ノズル孔３３は、図４に示すように、噴射
方向に狭くなるテーパ部３３ａと、そのテーパ部３３ａ
の噴射方向先端部から噴射方向に延びるほぼストレート
部３３ｂとからなる。テーパ部３３ａのインク溝側の開
口端は、インク溝２１とほぼ同等の高さおよび幅のほぼ
小判形をなしており、インク溝２１の内面とほぼ連続し
た内面を有し、インク溝２１の内面に対し大きな段差を
形成しない。テーパ部３３ａの内面が噴射方向に対して
なす角度Ｆは、ほぼ２５度〜６０度程度が好ましい。こ
の角度に設定すると、従来の技術の項で説明したよう
に、メニスカスの引き込みを小さくするためのノズル孔
内の適当な体積を確保することができるとともに、イン
ク供給源から侵入した微小気泡がノズル孔の斜面でトラ
ップされることを少なくできる。

【００２０】ストレート部３３ｂは、噴射方向にほぼ１
０μｍ以上の長さＬを有し、完全なストレートでなく、
後述するレーザビームによる加工によって生じる角度
Ｂ、すなわち噴射方向に狭くなるような１５度以下（好
ましくは６度）のテーパを有している。

【００２１】ストレート部３３ｂの噴射方向の長さＬを
変えて、記録媒体Ｓ上でのノズル孔の中心線からの着弾
位置ＰのずれＫを測定したところ、図５の結果を得た。
これによると、ストレート部３３ｂの長さＬが１０μｍ
よりも小さいと、着弾位置が２０μｍ以上の範囲で大き
くばらつく。長さＬが１０μｍ以上では、ばらつきがあ
まり目立たず、実用に耐え得る記録を行うことができ、
好ましくは１５μｍ以上になると、非常に着弾精度のよ
い記録を行うことができる。

【００２２】図６は、上記ノズル孔を加工するためのレ
ーザ加工装置１００の構成の概略図を示す。

【００２３】レーザ発振器１０１より発振されたエキシ
マレーザビーム１０２は、アテニュエータ１２０によっ
て所望のエネルギー密度に減衰される。エネルギー密度
が減衰されたレーザビーム１０３は、ベンドミラー１１
０Ａで反射され、ビームエキスパンダ１４０によりビー
ムの大きさが拡大される。拡大されたレーザビーム１０
４は、アパーチャ１５５により適した大きさにカットさ
れ、そのレーザビーム１０５は、ビームホモジナイザ１
６０によってエネルギー密度が均質なレーザビーム１０
６となる。均質なレーザビーム１０６は、再度ベンドミ
ラー１１０Ｂにより反射され、マスクおよびレーザービ
ーム透過部変形機構１８０により所望の形状と相似形に
絞られる。形状を絞られたレーザビーム１０７は、フィ
ールドレンズ１１１により一時的に集光され、再度ベン
ドミラー１１０Ｃで反射され、結合光学系１１２により
加工テーブル１１３上に設置されたノズル板３２の加工
点に結像される。この結像されたレーザビーム１０８に
よって、ノズル板３２にノズル孔が加工される。

【００２４】図７にマスクおよびレーザビーム透過部変
形機構１８０の構成の概略図を示す。ガラスマスク１８
１，１８２は、図８に示すように、それぞれガラス平板
上に光（レーザビーム）を透過させない顔料等を用いて
遮光部の印刷がなされたものであり、テーパ部３３ａの
インク溝側の開口端とほぼ相似形のいわゆる小判穴形状
のビーム透過パターン１８１ａ，１８２ａが形成されて
いる。そして、前記ガラスマスク１８１，１８２は、そ
の両パターン１８１ａ，１８２ａが流入するレーザビー
ム１０６の中心に位置するように直動ガイド１８３，１
８４にそれぞれ固定されており、且つ、パターンが印刷
されている面がお互いに向き合うようになっている。そ
して、前記２つのパターン１８１ａ，１８２ａの組合わ
さった部位が、レーザービーム１０６が透過可能な１つ
のレーザビーム透過部２００（図８）を形成する。

【００２５】直動ガイド１８３，１８４は互いに並行
で、かつ、レーザビーム１０６に対して垂直となるよう
にベース１８５にスライド移動可能に支持されている。
モータ１８６とプーリ１８７は、ベース１８５に固定さ
れていて、両者の間はベルト１８８が張ってある。ベル
ト１８８はレーザ入射側方向では直動ガイド１８３と固
定されており、反対側で直動ガイド１８４と固定されて
いる。モータ１８６を右回りに回転させると、ベルト１
８８が右回りに動き、直動ガイド１８３はＹ軸の＋の方
向に移動し、直動ガイド１８４はＹ軸の−の方向に移動
する。つまり、マスク１８１はＹ軸の＋方向に、マスク
１８２はＹ軸の−方向に移動する（各マスクが重なる向
き）。このとき、１本のベルト１８８で両方のマスク１
８１，１８２を動かしているので、互いのマスクの移動
量は等しくなる。モータ１８６が左回りに回転すれば、
両マスク１８１，１８２の動きも逆になる（両マスクが
開く向き）。また、モータ１８６は図示しない制御装置
に接続されており、両マスクの動きの制御が可能であ
る。

【００２６】図９にレーザビーム透過部２００が変形す
る様子を表す説明図を示す。図９（ａ）の状態から両マ
スクを前述した開く方向に移動させると、２枚のマスク
１８１，１８２の移動によりレーザビーム透過部２００
の形状が小判形から図９（ｂ）のような円形へ連続的に
変化する。なお、上述した機構から分かるように、本実
施例では、２枚のマスク１８１，１８２により形成され
るレーザビーム透過部２００の中心は常に定位置をと
る。

【００２７】例えば、厚さ１００μｍのポリイミド製の
ノズル板３２にノズル孔３３を加工する場合、レーザ発
振器１０１を加工点でのエキシマレーザエネルギー密度
が８５０ｍｊ／ｃｍ²、そして繰り返し周波数が２００
Ｈｚになるように設定する。そして、初期のレーザビー
ム透過部２００の形状を図９（ａ）のに示すようなテー
パ部３３ａのインク溝側の開口端とほぼ相似形のいわゆ
る小判形に設定する。そして、エキシマレーザ照射と同
時にモータ１８６を回転させて両マスク１８１，１８２
を前述した開く方向に一定速度で移動させる。この移動
速度は、ストレート部３３ｂの長さＬに相当する厚さを
１０〜１５μｍ残すように、レーザのエネルギー密度、
ノズル板３２の厚さに応じて決める。レーザビーム透過
部２００の形状が最終的に円形になったところで、一定
時間保持するような制御を制御装置に設定する。

【００２８】レーザビーム１０２を発振し、上記設定通
り両マスク１８１，１８２を制御すると、両マスクの移
動中には図５に示すような滑らかなテーパ面を有し且つ
比較的大きなテーパ角度のテーパ部３３ａが形成され、
両マスクが相対的に固定された後にはストレート部３３
ｂが形成される。

【００２９】ここで、加工点でのレーザビーム１０８の
サイズは、マスク１８１およびマスク１８２の位置にお
けるビームサイズの数分の１になるようにフィールドレ
ンズ１１１および結像光学形１１２によって設定されて
いるので、テーパ部３３ａのインク溝側の開口端は、イ
ンク溝の高さおよび幅にほぼ対応した小判形に縮小形成
することができる。また、エキシマレーザによるポリイ
ミド穴明けでは、自然に８度程度のテーパがつくので、
ストレート部３３ｂは、噴射方向に少し狭くなる形状と
なる。

【００３０】なお、モータ１８６の駆動速度は、任意に
設定が可能であり、その設定に応じて様々なテーパ角度
の加工が可能である。また、レーザビームの照射中にモ
ータ１８６の駆動速度を連続的もしくは段階的に加減す
れば、連続的または段階的にテーパ角度を異ならせた加
工を施すことも可能である。さらに、マスク１８１，１
８２は、レーザビームを透過させない素材からなる平板
（もしくはレーザビームを透過させない表面処理がなさ
れた平板）に所望の形状の開口穴をあけることでビーム
透過パターンが形成されていてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】インクジェット記録装置の分解斜視図。

【図２】図１のインクジェット記録装置の水平断面図。

【図３】図１のインクジェット記録装置の垂直拡大断面
図。

【図４】図２のＡ−Ａ線拡大断面図。

【図５】ノズル孔のストレート部と着弾精度をの関係を
測定した図。

【図６】レーザ加工装置の概略構成図。

【図７】図６のレーザ加工装置のレーザビーム透過部変
形機構を示す概略構成図。

【図８】レーザ加工装置のマスクを示す平面図。

【図９】（ａ）、（ｂ）ともに、レーザビーム透過部の
変形状態を説明する図。

【符号の説明】

３３ ノズル孔 ３３ａ テーパ部 ３３ｂ ストレート部 １００ レーザ加工装置 １８０ レーザビーム透過部変形機構 １８１ マスク １８１ａ ビーム透過パターン １８２ マスク １８２ａ ビーム透過パターン ２００ レーザビーム透過部

フロントページの続き Ｆターム(参考） 2C057 AF30 AF93 AG01 AG02 AG12 AG45 AP02 AP13 AP23 BA03 BA14 4E068 AC01 CD05 CD10 DA00

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 インクに噴射圧力を作用させて、ノズル
   孔からインク滴として噴射するインクジェット記録装置
   において、 前記ノズル孔を、噴射方向に狭くなるテーパ部と、その
   テーパ部の噴射方向先端部から噴射方向に延びるほぼス
   トレート部とから構成し、そのストレート部の噴射方向
   長さを１０μｍ以上としたことを特徴とするインクジェ
   ット記録装置。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記ストレート部
   は、噴射方向に狭くなるように１５度以下のテーパを有
   していることを特徴とするインクジェット記録装置。
3. 【請求項３】 レーザ発振器から発振されるレーザビー
   ムを、所定のパターンを備えたマスクをとおして照射す
   ることにより請求項１のノズル孔を加工する方法であっ
   て、 少なくとも２枚の前記マスクを重合配置させて、互いの
   パターンの重なりにより形状が可変な１つのレーザビー
   ム透過部を形成し、 前記レーザ発振器から発振される前記レーザビームの照
   射中に、前記少なくとも２枚のマスクを所定方向に相対
   移動させて、前記レーザビーム透過部の形状を連続的に
   変化させることにより、前記テーパ部を形成し、 前記少なくとも２枚のマスクの位置を相対的に固定し
   て、前記レーザビームを照射することにより、前記スト
   レート部を形成することを特徴とする加工方法。