JP2005007789A

JP2005007789A - インクジェットヘッド及びその製造方法

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Publication number: JP2005007789A
Application number: JP2003176059A
Authority: JP
Inventors: Yoshinari Suzuki; 能成鈴木; Osamu Machida; 治町田
Original assignee: Hitachi Printing Solutions Inc
Current assignee: Ricoh Printing Systems Ltd
Priority date: 2003-06-20
Filing date: 2003-06-20
Publication date: 2005-01-13
Anticipated expiration: 2023-06-20
Also published as: JP4126550B2

Abstract

【課題】吐出されるインク滴が吐出曲がりを発生せず、長時間安定して直進するインク滴を形成することにより高い印字品質を得られるインクジェットヘッド及びその製造方法を提供する。
【解決手段】インクを吐出するノズル４の表面にカバープレート２を設けてノズル周辺に凹部を形成し、凹部の側面３を除くカバープレート２表面及びノズルプレート１表面に撥インク処理を施して、インク滴の吐出直進性を向上させた。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体に圧力を加えてノズルより液滴を飛翔させるインクジェットヘッドのノズルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
インクジェットヘッドにおいて、高い印字品質を得るためには、ノズルより吐出するインク滴が、常にノズル基板（ノズルプレート）に対し垂直に直進することが必要となる。しかし、インク吐出時に溢れたインクでノズル周辺部が不均一に濡れた場合や、ノズル周辺部に異物や傷がある場合、インク滴の吐出曲がりが発生する。インク滴の曲がりを防ぐためには、ノズル周辺部のインク残留等をなくし、異物や傷をつけないことが必要である。
【０００３】
このようなインク滴の吐出曲がりを解消するため、図８に示すように、ノズル基板８１の上にカバープレート８２を設け、ノズル基板８２とカバープレート８１とで構成される凹型の段差部に撥インク層８５を施し、ノズル８４からインクを吐出することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、インク滴の吐出曲がりを解消する他の対策として、図９に示すように、ノズル基板９１に１凹状開口を形成し、その底部中央に凸状形状のインク吐出口９２を形成するものもある（例えば、特許文献２参照）。この構成においては、ノズル９４の外部周辺に撥インク層９５が塗布され、ノズル９４でインクメニスカスを形成する。凹状部周辺には第一の電極９６、インク吐出口近傍に第二の電極９７が配されている。インクは第一の電極９６、第二の電極９７に信号電圧を印加すると静電力により引き出され、凹状開口部の中心線上を外部に向かって飛翔する。
【０００５】
【特許文献１】
特許３１０８７７１公報（第２頁、図２）
【特許文献２】
特開平５−５０９号公報（第３−４頁、図２）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前述した従来の構成では、ノズル基板表面の清掃が不十分であったり、連続して長時間駆動を続けると、しぶきが付着し、この付着インクがノズル周辺部の段差部や凹み部分に堆積してしまう。この堆積したインクが次第に増加し、付着インクが行き場を失ってノズルにかかってしまうと、ノズル周辺の付着インクにインク滴が引張られ、インク滴の曲がりが生じる。従って、連続で長時間駆動するとインク滴の曲がりが発生するという問題を有していた。
【０００７】
本発明は、従来このような問題を解決するもので、その目的はインク滴が長時間安定して直進し、高い印字品質を得られるインクジェットヘッドを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
以上のような問題を解決する本発明の請求項１記載の発明は、インクを吐出するノズル表面にカバープレートを設けてノズル周辺に凹部を形成し、該凹部の側面を除くカバープレート表面及びノズルプレート表面に撥インク処理を施したことを特徴とする。
【０００９】
上記課題を解決する本発明の請求項２記載の発明は、インクを吐出するノズルの開口部分を凸形状とし、該凸部形状のノズル高さよりも高くなるような厚さのカバープレートを設けて前記凸部形状の周縁部分に凹部を形成し、該凹部の側面を除くカバープレート表面とノズルプレート表面に撥インク処理を施したことを特徴とする。
【００１０】
上記課題を解決する本発明の請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２のいずれかに記載のインクジェットヘッドにおいて、前記カバープレートの凹部の側面に親インク処理を施したことを特徴とする。
【００１１】
上記課題を解決する本発明の請求項４記載の発明は、請求項１または請求項２のいずれかに記載のインクジェットヘッドにおいて、前記カバープレート表面に撥インク処理を施す工程と、前記ノズルプレート表面のノズル近傍に撥インク処理を施す工程と、前記カバープレートと前記ノズルプレートとを接合する工程により形成されることを特徴とする。
【００１２】
上記課題を解決する本発明の請求項５記載の発明は、前記カバープレート表面に撥インク処理を施す工程と、前記カバープレート表面の撥インク処理部以外に親インク処理を施す工程と、前記ノズルプレート表面のノズル近傍に撥インク処理を施す工程と、前記カバープレートと前記ノズルプレートとを接合する工程により形成されることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一例について図面を参考にしながら説明する。
【００１４】
図１０は、本発明のインクジェットヘッドの主要部の構造を説明する分解斜視図である。１０２は複数のノズル１０１を形成したノズル基板である。ノズル１０１の開口形状の加工精度はインクジェットヘッドのインク吐出特性に大きな影響を及ぼす。複数のノズル１０１間において、これらのノズル精度ばらつきを低く押さえるため、ノズル基板１０２の製法は高い加工精度が要求される。このためノズル基板１０２はステンレスの精密プレス法、レーザ加工法、あるいはニッケルの電鋳加工等により形成される。
【００１５】
このノズル基板１０２には、圧力室１０３が形成されたチャンバプレート１０４、及び共通インク通路１１２と圧力室１０３とを連結し圧力室１０３へのインク流入を制御するリストリクタ１０５を形成したリストリクタプレート１０６が、位置決めして接合されている。更に、圧電アクチュエータ１１３の圧力を効率よく圧力室１０３に伝えるための振動板１０７と、共通インク通路１１２からリストリクタ１０５に流入するインク中のゴミ等を取り除くフィルタ部１０８とが形成されているダイアフラムプレート１０９と、共通インク通路１１２を形成したハウジング１１１が同じように位置決めして接合されている。チャンバプレート１０４、リストリクタプレート１０６、ダイアフラムプレート１０９はステンレス材のエッチング加工法またはニッケル材の電鋳加工法で作られる。ハウジング１１１はステンレス材の切削加工等で形成され、図示されないインクカートリッジからインクを共通インク通路１２まで導くインク導入パイプ１１７が接合されている。
【００１６】
最後に、複数の圧電素子１１４と、それらを固定する支持基板１１５からなる圧電アクチュエータ１１３が位置決めされて接合される。圧電アクチュエータ１１３は複数の圧電素子１１４からなり、各々の圧電素子１１４は圧力室１０３の一つずつに対応するようになっている。更には支持基板１１５にはそれぞれの圧電素子１１４に図示されない外部駆動回路から独立した電気信号を送るための個別電極１１６が形成されている。外部駆動回路から選択的な電気信号が圧電素子１１４に印加されることにより、圧電素子１１４はひずみを生じる。圧電素子１１４は高剛性の支持基板１１５上に接合されているため、振動板１０７に優先的に変位を与え、圧力室１０３の圧力を高める。本例にて説明するインクジェットヘッドはこうした原理によってノズル１０１からインクを吐出する。
【００１７】
図１に本発明の第１の例となるノズル基板を示す。図１（ａ）はノズル基板の平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。
【００１８】
ノズル基板はノズルプレート１とカバープレート２よりなり、この２つの部材をそれぞれ、ステンレス等の金属あるいは樹脂の精密プレス加工法、レーザ加工、エッチング加工、あるいはニッケルの電鋳加工、あるいはシリコンのエッチング加工等により形成し、ノズルプレート１にカバープレート２を接着することで凹型の段差部が構成される。また、カバープレート２の表面と凹部の底面にあたるノズルプレート１表面のノズル４近傍には、撥インク層５及び撥インク層６が施されている。特筆すべきは、凹部側面３には撥インク処理は施されてはいないことである。また、凹型の段差部は各ノズル毎に形成されており、ノズル４とほぼ同心で、その直径ｄ３はノズル４の穴径ｄ１の４〜８倍程度である。
【００１９】
次に、図２及び図３に図１に示したノズル基板の製造方法の工程を示す。
まず、カバープレート２の全面に撥インク処理を施す。本例では、オプツールＤＳＸ（ダイキン工業社製）の溶液にディップ後、１２０℃の電気炉で１０分間加熱し、撥インク層５を形成した（図２（ａ）の工程）。なお、撥インク層はこの他にサイトップ（旭ガラス社製）やテフロンＡＦ（デュポン社製）等を用いても良い。次に、マスク材１０により、カバープレート１の片側表面を覆う（図２（ｂ）の工程）。マスク材１０の一例として、本発明ではドライフィルムレジストＦＸ１３０（デュポン社製）を用い、これをＭＡ２−７００型（大成ラミネーター社製）を用いてラミネートし、露光装置により紫外線を照射し、マスクを施した。そして、マスクされていない部分の撥インク層を除去した（図２（ｃ）の工程）。本発明において、撥インク層の除去に関しては、プラズマアッシング装置（ヤマト硝子社製）によりプラズマ照射を行うことで対応した。その後、マスク材１０を除去すると、表面に撥インク層５が施されたカバープレート２が得られる。
【００２０】
次に、ノズルプレート１の処理について説明する。ノズルプレート１とカバープレート２を接着する際、ノズルプレート１の接着面に撥インク層が存在すると接着性が著しく損なわれカバープレート２が剥がれるという不具合が生じる。そこで、ノズルプレート１はカバープレート２が接着される部分においては撥インク層がなくノズル４近傍のカバープレート２が接着されない部分のみ撥インク層を施す処理が必要となる。具体的には、オプツールＤＳＸ（ダイキン工業社製）の溶液で撥インク処理を施して撥インク層６を形成した後（図３（ｄ）の工程）、ドライフィルムレジストＦＸ１３０（デュポン社製）を用いてノズルプレート１の表面にマスク１０を施した（図３（ｅ）の工程）。続いて、ドライフィルムレジストのフォトマスクとしてカバープレート１３を活用する（図３（ｆ）の工程）。露光前のマスク１０が被覆された状態のノズルプレート１に、フォトマスク用のカバープレート１３を位置決め後、紫外線９照射により露光を行う。ここでカバープレート１３を使用したが、穴径ｄ３と同じ大きさで設計された専用フォトマスクを使用してもよい。フォトマスク用のカバープレート１３を取り除き、現像液を用いて現像を行った後、プラズマ照射によりノズルプレート１のマスクされていない部分の撥インク層を除去する（図３（ｇ）の工程）。その後、マスク材１０を除去する。
【００２１】
このようにして、ノズル４近傍にカバープレート２のｄ３と同サイズの撥インク層６を有するノズルプレート１が得られる。
【００２２】
以上のように得られたノズルプレート１とカバープレート２を接合して、ノズル基板が完成する。接合の一例として、本発明ではカバープレート２の裏面に１液型エポキシ接着剤を塗布し、ノズルプレート１と位置合わせを行った後、圧力を加えながら熱硬化を行った。そして最終的に図１に示すようなノズル基板を作製した。
【００２３】
図４に、本発明の第１の例の変形例を示す。図４（ａ）は本例のノズル基板の平面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＢ−Ｂ線における断面図である。本例においては、ノズルプレート４１の端部に凸部７を設けている点に特徴がある。ノズルプレート４１の端部に凸部７を設けることで凸部７と凹部側面３との間にさらに凹部が形成され溢れ出たインクをよりいっそう溜める事ができ、ノズル４近傍のインク残留防止効果を高めることが出来る。
【００２４】
図５に本発明の第２の例を示す。本例の特徴は、ノズルプート５１の端部に凸部５７が設けてあり且つ撥インク層５６がノズル５４の中に入り込んでいる点に特徴がある。この構成によ、インクメニスカスの形成位置がノズル端部から少し入り込んだ位置すなわちノズル５４の中の撥インク層５６端部の位置に形成される事になる。これによりインクがノズル５４より溢れ難くなりノズル５４近傍のインク残留を低減する効果がある。
【００２５】
以下、図５に示したノズル基板の製造方法の工程を示す。
まず、凸部５７を有するノズルプレート５１を全面に撥インク層５６を施す（図５（ａ）の工程）。その後、マスク材５３によるマスキングの際、温度と圧力を調整し、ノズル５４の内部へマスク材５３が入り込むようにする。更に、ノズルプレート５１の開口部分であるノズル５４に対応するようにフォトマスク用のカバープレート１３を位置決めし、紫外線５９を照射する（図５（ｂ）の工程）。ここでカバープレート１３を使用したが、穴径ｄ３と同じ大きさで設計された専用フォトマスクを使用してもよい。フォトマスク用のカバープレート１３を取り除き、現像液を用いてマスク材５３を現像した後、プラズマ照射により、ノズルプレート５１のマスクされていない部分の撥インク層５６を除去する。その後、マスク材５３を除去すると、ノズル５４近傍にカバープレート５２のｄ３と同サイズで、かつノズル５４の内の一部分に撥インク層５６を有するノズルプレート１が得られる。以上のようにして得られたノズルプレート１と、第１の例の図２の各工程を経て得られたカバープレート２を接合することにより、ノズル基板が完成する。なお、本製造方法によれば、凸部７が存在しないノズルプレート１においても同様に撥インク処理６をノズル４の内部に形成することが可能である。
【００２６】
図６に本発明の第３の例をを示す。本例では、第１の例として示した図２の（ａ）〜（ｃ）の工程により作製されたカバープレート６２に、積極的に親インク処理を施すことを特徴としている。第１の例において、カバープレート２の表面以外は、撥インク層を除去する工程で実施するプラズマ照射により、十分な親インク性を示すことがわかっている。しかし、その効果は長期的には減少することも確認されており、積極的に親インク処理を施すほうが望ましい。そこで、本例ではＳｉＯ_２を主成分とした親インク処理を施している。本例においては、シリカゾル溶液、コロイダルシリカ、エタノールを混合した親インク溶液に表面に、撥インク層６５を施したカバープレート６２をディップ等により塗布する。この時、親インク溶液は、撥インク層６５により弾かれるため、撥インク層６５に親インク材料が被覆されるとはない。その後、加熱硬化させ、図６（ａ）に示すように、カバープレート６２に親インク層６８が形成される。
【００２７】
図６（ｂ）は、図６（ａ）のカバープレート６２と、図３の工程により作製したノズルプレート１とを接合した状態を示している。また、図６（ｃ）は、図６（ａ）のカバープレート６２と、図４のノズルプレート４１とを接合した状態を示している。更に、図示していないが、図５に示した撥インク層６がノズル４内部に形成されたノズルプレート５１にも図５（ａ）のカバープレートは適応可能である。
【００２８】
以上のように、本発明の各例により作製されたノズル基板をインクジェットプリントヘッドに組込み、吐出を行った。
【００２９】
図７は第１の例により作製したノズル基板の近傍の様子を示す説明図である。図７（ａ）のように、吐出不良が起きたノズルを復旧させる為に行われるインク吸引あるいはインク加圧、あるいは長時間の連続吐出によるしぶき等によって、ノズル４近傍の撥インク層６にインク１１が溜まろうとする。しかし、凹部側面３は撥インク性がないため、インク１１と接触すると、図７（ｂ）のように凹部側面３に吸い寄せられて一様に濡れ広がる。このため、インク１１はカバープレート２表面直近まで押し上げられる。この状態で、図６（ｃ）に示すように、インク吸収部材１２をカバープレート２の表面に当接させると、カバープレート２の周囲に付着したインク１１はインク吸収部材１２に吸収されるため、簡単に清掃することが可能である。これにより、図７（ｄ）に示すように、インク滴の正常な吐出が得られた。本例において、実験結果よりカバープレートの凹部直径ｄ３はノズル穴径ｄ１の４〜８倍程度、カバープレートの厚さｔ３はノズル穴径ｄ１の０．４〜１倍程度の範囲が良好であることがわかっている。
【００３０】
図１１は、第１の例の変形例により作製したノズル基板の近傍の様子を示す説明図である。図１１（ａ）に示すように、ノズル４近傍にインク１１が付着した場合、前述した第１の例のノズル基板と同様に、図１１（ｂ）に示すように、インク１１は凹部側面３に吸い寄せられ、図１１（ｃ）に示すように、インク吸収部材１２より容易に清掃することが可能であり、図１１（ｄ）の如く、正常なインク滴の吐出が得られる。また、この構成においては、凸部７と凹部側面３との間に凹部を有しているため、長時間の連続吐出におけるミストや飛散りによるインクの付着が起きても、凸部７がない場合と比較して凹部側面３と凸部７との間にインクをより多く蓄えることが出来るため、清掃周期を長くすることが可能である。
【００３１】
また、図１１（ｅ）のように、ノズル４の一部まで撥インク層６を入り込ませる構成とすれば、メニスカスを安定させ、ミストやセカンドドロップ等の発生を抑制できるため、より一層望ましい。
【００３２】
本例において、実験結果よりカバープレートの凹部直径ｄ３はノズル穴径ｄ１の４〜８倍程度、ノズル凸部の直径ｄ２はノズル穴径ｄ１の２〜４倍程度、カバープレートの厚さｔ３はノズル穴径ｄ１の０．４〜１倍程度、ノズル凸部の高さｈ２はカバープレートの厚さｔ３以下の範囲が良好であることがわかっている。特に、カバープレートの厚さｔ３をノズル凸部の高さｈ２よりも厚くすると、インクジェットヘッドの清掃動作によりワイパー部材等が凸部７に引っ掛かることがなくなり、ノズル４近傍に傷をつけてしまうことも防げる。また、用紙こすれや用紙ジャムなどによりノズル４近傍に記録媒体の接触を防げ傷をつけにくくなる効果もある。
【００３３】
また、第３の例で製作したノズル基板を用いたインクジェットヘッドにおいては、凹部側面６３に親インク層６８を設けたことにより、インクの中でも表面張力の高い水系インクにおいても、十分にインクを吸い寄せることが可能であり正常な吐出をえられることがわかった。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、凹部側面に撥インク層を設けず親インク性にすることで余分なインクの退避部が形成され、長期にわたり直進性の高い吐出を得られる。また、ノズルを凸形状にすれば、さらにインクの退避効果が得られる。また、インクがカバープレート表面付近にまで濡れ広がるため、インクを吸収可能な部材を使用することで容易に清掃可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の例となるノズル基板の平面図及び断面図。
【図２】第１の例のノズル基板のカバープレートの製造方法を示す工程図。
【図３】第１の例のノズル基板のノズルプレートの製造方法を示す工程図。
【図４】本発明の第１の例の変形例となるノズル基板の平面図及び断面図。
【図５】本発明の第２の例となるノズル基板の製造方法を示す工程図。
【図６】本発明の第３の例となるノズル基板の製造方法を示す工程図。
【図７】第１の例により作製したノズル基板の近傍の様子及びインクの挙動を示す説明図。
【図８】従来のノズル基板の一例となる断面図。
【図９】従来のノズル基板の一例となる断面図。
【図１０】本発明のノズル基板が搭載されるインクジェットヘッドの一例となる分解斜視図。
【図１１】第１の例の変形例により作製したノズル基板の近傍の様子及びインクの挙動を示す説明図。
【符号の説明】
１ノズルプレート
２カバープレート
３凹部側面
４ノズル
５撥インク層（カバープレート）
６撥インク層（ノズルプレート）
７凸部
８親インク層
９紫外線
１０マスク材
１１インク
１２インク吸収部材
１３フォトマスク用カバープレート

Claims

インクを吐出するノズル表面にカバープレートを設けてノズル周辺に凹部を形成し、該凹部の側面を除くカバープレート表面及びノズルプレート表面に撥インク処理を施したことを特徴とするインクジェットヘッド。
インクを吐出するノズルの開口部分を凸形状とし、該凸部形状のノズル高さよりも高くなるような厚さのカバープレートを設けて前記凸部形状の周縁部分に凹部を形成し、該凹部の側面を除くカバープレート表面とノズルプレート表面に撥インク処理を施したことを特徴とするインクジェットヘッド。
請求項１または請求項２のいずれかに記載のインクジェットヘッドにおいて、前記カバープレートの凹部の側面に親インク処理を施したことを特徴とするインクジェットヘッド。
請求項１または請求項２のいずれかに記載のインクジェットヘッドにおいて、前記カバープレート表面に撥インク処理を施す工程と、前記ノズルプレート表面のノズル近傍に撥インク処理を施す工程と、前記カバープレートと前記ノズルプレートとを接合する工程により形成されることを特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。
請求項１または請求項２のいずれかに記載のインクジェットヘッドにおいて、前記カバープレート表面に撥インク処理を施す工程と、前記カバープレート表面の撥インク処理部以外に親インク処理を施す工程と、前記ノズルプレート表面のノズル近傍に撥インク処理を施す工程と、前記カバープレートと前記ノズルプレートとを接合する工程により形成されることを特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。