JP2006076190A - インクジェットヘッドの製造方法及び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インク吐出量の均一化を容易に実現し、効率良くインクジェットヘッドを製造することである。
【解決手段】 複数のノズル４毎に吐出力発生部材である圧電部材８，９の電気特性である静電容量を測定し、測定した複数のノズル４毎の圧電部材８，９の静電容量に応じて複数のノズル４のノズル容積を変え、複数のノズル４からそれぞれ吐出するインクの各インク吐出量が所定のインク吐出量になるように複数のノズル４を形成するようにした。これにより、短い製造工程でインク吐出量が精度良く均一に調整されるので、インクジェットヘッド１のインク吐出量の均一化を容易に実現し、効率良くインクジェットヘッド１を製造することができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、インクジェットヘッドの製造方法及びインクジェットヘッドに関する。

インクジェットヘッドは、プリンタやＦＡＸ等に使用されており、さらに、液晶表示装置が備えるフィルタ等を製造するために使用され、工業用途にも広く普及している。インクジェットヘッドとしては、複数のノズルからインク滴を吐出させる方式のインクジェットヘッドが一般的であり、その吐出力を発生させる吐出力発生部材として圧電部材を使用する圧電方式のインクジェットヘッドや、吐出発生部材として発熱体を使用するサーマル方式のインクジェットヘッド等が開発されている。

このようなインクジェットヘッドにおいては、画質低下を防止するため、複数のノズルから吐出するインクのインク吐出量の均一化が求められている。また、カラー印刷や大型用紙への印刷等のため複数のインクジェットヘッドを用いる場合にも、画質低下を防止するため、それらのインクジェットヘッド間でのインク吐出量の均一化が求められている。インクジェットヘッドのインク吐出量が不均一になる要因は多々存在するが、インクジェットヘッドの製造工程における検査や加工精度の制御等によりインク吐出量のばらつきをある程度抑えることは可能である。しかし、それにも限度があり、インク吐出量を均一にすることは困難である。

圧電方式のインクジェットヘッドを用いた場合には、圧電部材の特性のばらつきにより、インク吐出量が不均一になることがある。特に、圧電部材として焼結体セラミックであるＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を用いる場合には、その特性を一定に保つことは困難である。これは、ＰＺＴの特性がその場所によって異なったり、その製造ロット等によって段階的に異なったりするためである。通常、大きな塊のＰＺＴは数十ミクロン単位の切片に切り分けられて圧電部材としてインクジェットヘッドに用いられるため、切片内で特性が異なる切片が用いられたり、複数のインクジェットヘッド間で特性が異なる切片が用いられたりしてしまう。

ＰＺＴをスクリーン印刷等で成形して焼結した場合にも、ＰＺＴの体積、主に厚さ方向に誤差が生じるため、大きな塊のＰＺＴを使用した場合と同様にインク吐出量が不均一になってしまう。また、サーマル方式のインクジェットヘッドを用いた場合にも、発熱体の抵抗値のばらつきにより、インク吐出量が不均一になることがある。発熱体は主にスパッタリング法で作成されるため、発熱体の抵抗値はその膜厚分布によりばらついてしまう。

インク吐出量を均一にするためには、いくつかの方法が提案されている。例えば、インクジェットヘッドからインクを吐出させる際の条件を変化させる方法がある。この方法は、インクジェットヘッドのノズル毎に電圧の印加条件を変化させてインク吐出量を均一にする方法である。また、特許文献１では、インクを吐出させるための吐出室をレーザ加工機により削ることで、吐出条件を均一化にしている。特許文献２では、ノズル面積及びノズル容積の調整を行うことで、インク吐出量（吐出体積）のばらつきを抑えている。特許文献３では、圧電素子の静電容量を測定することで圧電素子を有するアクチュエータユニットをランク分けして、同一ランクのアクチュエータユニットを組み合わせてインクジェットヘッドに搭載することで、吐出特性を均一にしている。

特開２００３−１３６７０８公報 特開２００３−９４６６６公報 特開２００３−３２６７２３公報

しかしながら、ノズル毎に電圧の印加条件を変化させる方法では、数十から数百存在するノズルのそれぞれの条件に応じて駆動を行うため、駆動制御が困難となる。また、特許文献１及び特許文献２では、いずれも完成後のインクジェットヘッドのインク吐出量（吐出体積）を実測している。このため、インクジェットヘッドの完成後に吐出→測定→洗浄→加工の製造工程を行っており、製造工程が長くなるため非効率である。

特許文献１では、インク吐出量はレーザ加工機で振動板を削る切削加工を行うため一方向にしか調整できない。また、特許文献２では、ノズルを形成した後、再びノズルを加工するため、再加工時にノズルピッチを維持するために微小な位置合わせが必要となり、その位置合わせ作業は困難である。さらに、特許文献３では、ノズル数に相当する数の圧電素子を測定し、アクチュエータユニットをランク分けして、同一ランクのアクチュエータユニットを組み合わせる作業を行っているが、その作業は容易ではなく非効率である。

本発明の目的は、インクジェットヘッドのインク吐出量の均一化を容易に実現し、効率良くインクジェットヘッドを製造することである。

本発明は、吐出力を発生させる吐出力発生部材によって複数のノズルからインク滴を吐出させるインクジェットヘッドを製造するインクジェットヘッドの製造方法において、前記吐出力を変動させる特性である前記吐出力発生部材の電気特性を複数の前記ノズル毎に測定する工程と、測定した複数の前記ノズル毎の前記吐出力発生部材の電気特性に応じて複数の前記ノズルの各ノズル容積を変えて、複数の前記ノズルからそれぞれ吐出するインクの各インク吐出量が所定のインク吐出量になるように複数の前記ノズルを形成する工程と、を備えることを特徴とする。

したがって、複数のノズル毎の吐出力発生部材の電気特性に応じて複数のノズルの各ノズル容積が変更され、それらの各インク吐出量は所定のインク吐出量になる。

本発明によれば、短い製造工程でインク吐出量が精度良く均一に調整されるため、インクジェットヘッドのインク吐出量の均一化を容易に実現し、効率良くインクジェットヘッドを製造することができる。

本発明を実施するための最良の一形態を図面に基づいて説明する。

＜インクジェットヘッド＞
本実施の形態のインクジェットヘッド１について図１を参照して説明する。図１は本実施の形態のインクジェットヘッド１を概略的に示す分解斜視図である。

図１に示すように、インクジェットヘッド１は、インクをそれぞれ収容する複数のインク室２を有するヘッド本体３、複数のインク室２にそれぞれ連通する複数の貫通孔であるノズル４を有するノズルプレート５、及びヘッド本体３に設けられインク室２に連通する共通インク室６を有する天板７等から構成されている。

ヘッド本体３は、少なくとも一方が圧電部材よりなる上層基板８及び下層基板９が積層されて形成されている。なお、本実施の形態では、ヘッド本体３は、板厚方向に分極した２枚の圧電部材よりなる上層基板８及び下層基板９を分極方向が逆向きとなるように接着して形成されている。圧電部材としては、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）が用いられている。この圧電部材が吐出力発生部材として機能する。

ヘッド本体３には、上層基板８及び下層基板９をその積層方向にダイヤモンドホイール等により削り、上層基板８の上面から下層基板９の内部まで達する複数の溝１０が形成されている。これらの溝１０は、上層基板８の上面から下層基板９の内部まで到達するとともに、前面が開口し後部が閉鎖するように形成されている。すなわち、複数の溝１０は、ヘッド本体３にその前面から後面に向けてその途中まで略平行に伸びている。

複数の溝１０の内面には、無電界ニッケルメッキ法等により電極（図示せず）が形成されている。また、上層基板８の上面には、電極と連続する配線パターン１１が形成されている。なお、インクとして水性インクを使用する場合には、電極及び配線パターン１１の一部、すなわちインクと接触する部分に絶縁膜（図示せず）が形成されている。ここで、インク室２は、溝１０の底壁１２、溝１０の両側に形成された側壁１３及び天板７の一部により構成されており、圧力室として機能する。

ノズルプレート５には、複数のノズル４が略直線上に並べられて形成されている。これらのノズル４は、略円柱状に形成された貫通孔であるが、これに限るものではなく、例えば略円錐状に形成された貫通孔であっても良い。複数のノズル４は、その容積（貫通孔の容積）をノズル４毎に、吐出力を変動させる特性である圧電部材の電気特性、例えば静電容量に応じて、複数のノズル４からそれぞれ吐出するインクの各インク吐出量が所定のインク吐出量になるように変えて形成されている。これにより、インクジェットヘッド１のインク吐出量が均一になるため、画質低下を防止することができる。また、複数のインクジェットヘッド１を用いる場合でも、それらのインクジェットヘッド１の間でのインク吐出量の均一化を実現し、濃度ばらつきを抑えることができる。

天板７には、インクタンク（図示せず）等から供給されるインクが流入するインク流入口１４が形成されている。インク流入口１４は共通インク室６に連通している。このような天板７は、例えば熱硬化型の接着剤（加熱接着）等によりヘッド本体３に固定されている。なお、インクは、インク流入口１４から共通インク室６に供給される。

このようなインクジェットヘッド１は、その駆動を制御する制御回路（図示せず）等に接続されている。この制御回路による制御によって、インクジェットヘッド１は、所望のインク室２の体積を変化させてインクに圧力を加えることで、インク室２に供給されたインクを複数のノズル４から選択的にインク滴として吐出させる。なお、インク室２の体積を変化させるためには、上層基板８及び下層基板９の圧電部材を変形させる。

インクとしては、例えば水性インク、油性インク、溶剤インク及びＵＶインク（紫外線硬化型インク）等の様々なインクが用いられる。ＵＶインクは、例えば、顔料、モノマー、オリゴマー、光重合開始剤、分散剤やその他の添加剤（例えば表面張力調整剤）等から構成されている。

なお、本実施の形態においては、吐出力発生部材として圧電部材（例えばピエゾ素子）を利用する圧電方式のインクジェットヘッド１が用いられているが、これに限るものではなく、例えば吐出力発生部材として発熱体を利用するサーマル方式のインクジェットヘッドが用いられても良い。この場合には、発熱体はノズル４に連通する溝１０、すなわちインク室２に設けられる。例えば、発熱体は溝１０の底壁１２として形成される。なお、どちらの方式でも、インク室２のインクに圧力（インク室２の体積変化による圧力又は気泡による圧力）を加えることで、インク室２内のインクをノズル４からインク滴として吐出させている。

＜インクジェットヘッドの製造方法＞
本実施の形態のインクジェットヘッド１の製造方法について図２を参照して説明する。図２は本実施の形態のインクジェットヘッド１の製造工程を概略的に示す斜視図である。

図２に示すように、インクジェットヘッド１の製造方法は、圧電部材よりなる上層基板８及び下層基板９を積層してヘッド本体３を形成する工程（積層工程：図２（ａ）参照）と、ヘッド本体３に複数の溝１０を形成する工程（溝形成工程：図２（ｂ）参照）と、複数の溝１０に電極及び配線パターン１１を形成する工程（電極形成工程：図２（ｃ）参照）と、複数のインク室２毎、すなわち複数のノズル４毎に上層基板８及び下層基板９の圧電部材の電気特性である静電容量を測定する工程（測定工程）と、天板７をその共通インク室６が複数の溝１０に対向するようにヘッド本体３に設け、ノズル４が形成されていないノズルプレート５を複数の溝１０に対向させてヘッド本体３に設ける工程（設置工程：図２（ｄ）参照）と、測定された複数のノズル４毎の圧電部材の静電容量に基づいて、ヘッド本体３に設けられたノズルプレート５に複数のノズル４を形成する工程（ノズル形成工程：図２（ｅ）参照）とから構成されている。

ヘッド本体３を形成する工程（積層工程：図２（ａ）参照）では、上層基板８と下層基板９とを接着剤等により貼り合わせる。接着剤としては、例えば加熱硬化型の接着剤が用いられる。この接着剤は、例えば上層基板８にスクリーン印刷等により塗布される。なお、接着剤の塗布方法としては、スクリーン印刷の他にも、使用する接着剤に合わせてスピンコータ、スプレー塗布及び刷毛塗り等の方法を選択可能である。加熱硬化型の接着剤を用いた場合には、貼り合わされた上層基板８及び下層基板９をオートクレーブ装置（図示せず）に入れて加圧加熱し、接着剤を硬化させる（加熱接着）。なお、貼り合わされた上層基板８及び下層基板９を治具等により機械的に押さえ、その加圧状態でオーブンに入れて加熱硬化させても良い。また、ここでは、接着剤を硬化させず、後工程で接着剤を硬化させても良い。

複数の溝１０を形成する工程（溝形成工程：図２（ｂ）参照）では、ヘッド本体３にその前面から後面に向けてその途中まで略平行に伸びる複数の溝１０を形成する加工を行う。この溝加工は、ＩＣウエハの切断等に用いるダイシングソーのダイヤモンドホイール等を使用して行われる。

電極及び配線パターン１１を形成する工程（電極形成工程：図２（ｃ）参照）では、複数の溝１０の内面及び上層基板８の表面に無電界ニッケルメッキ法等によりそれぞれ電極及び配線パターン１１を形成する。このとき、電極と配線パターン１１とは連続している。なお、インクとして水性インクを使用する場合には、電極及び配線パターン１１の一部、すなわちインクと接触する部分に絶縁膜（図示せず）を形成する。この絶縁膜は、例えば電着塗料により形成される。電着塗料の溶液は溝１０の内部まで行き渡るため、絶縁膜は電極の上に均一に形成される。

圧電部材の静電容量を測定する工程（測定工程）では、複数のインク室２毎、すなわち複数のノズル４毎に上層基板８及び下層基板９の圧電部材の静電容量を測定する。このとき、圧電部材の静電容量が測定されると共に、配線のショートやオープン等の検査も行われる。

天板７及びノズルプレート５を設ける工程（設置工程：図２（ｄ）参照）では、ヘッド本体３に天板７及びノズル４が形成されていないノズルプレート５を接着剤等により貼り合わせる。接着剤としては、例えば加熱硬化型の接着剤が用いられる。接着剤は、例えば天板７及びノズルプレート５にスクリーン印刷等により塗布される。なお、接着剤の塗布方法としては、スクリーン印刷の他にも、使用する接着剤に合わせてスプレー塗布や刷毛塗り等の方法を選択可能である。加熱硬化型の接着剤を用いた場合には、天板７及びノズルプレート５が貼り合わされたヘッド本体３をオートクレーブ装置（図示せず）に入れて加圧加熱し、接着剤を硬化させる（加熱接着）。なお、貼り合わされた天板７及びノズルプレート５を治具等により機械的に押さえ、その加圧状態でオーブンに入れて加熱硬化させても良い。なお、ヘッド本体３を形成する工程で、接着剤を硬化させなかった場合には、この設置工程で同時に接着剤を硬化させても良い。

ノズルプレート５に複数のノズル４を形成する工程（ノズル形成工程：図２（ｅ）参照）では、測定された複数のノズル４毎の圧電部材の静電容量に基づいて、例えばレーザ加工機等により、ヘッド本体３に設けられたノズルプレート５に複数のノズル４を形成する。すなわち、測定された複数のノズル４毎の圧電部材の静電容量に応じて複数のノズル４のノズル容積を変え、複数のノズル４からそれぞれ吐出するインクの各インク吐出量が所定のインク吐出量になるように複数のノズル４を形成する。

具体的には、複数のノズル４毎の圧電部材の静電容量に基づいて、複数のノズル４の穴径が決定され、それらの穴径で複数のノズル４がノズルプレート５に一つずつ形成される。これにより、複数のノズル４からそれぞれ吐出するインクの各インク吐出量は所定のインク吐出量に設定される。穴径はインクジェットヘッド１の解像度により異なるが、その調整範囲は±１０％が目安となる。この調整範囲は、インクの吐出スピードが穴径の変化によりインク吐出量（吐出体積）と共に変化するので、その吐出スピードが大きく変化して画質が低下することを防止するための範囲である。

レーザ加工機によりノズル４の穴径を変えて調整する方法としては、レーザ加工機で使用するマスクを複数枚用意してそれらを切り替えて使用する方法やレーザ光の焦点位置をずらす方法等が用いられる。このように複数のノズル４毎にレーザ加工機のレーザ加工条件を変更することで、所望の穴径をそれぞれ有する複数のノズル４をノズルプレート５に形成することが可能になる。

このように本実施の形態によれば、複数のノズル４毎の圧電部材の静電容量に応じてそれぞれのノズル４のノズル容積が変更され、複数のノズル４はそれぞれのインク吐出量が所定のインク吐出量になるように形成される。これにより、短い製造工程でインク吐出量が精度良く均一に調整されるため、インクジェットヘッド１のインク吐出量の均一化を容易に実現し、効率良くインクジェットヘッド１を製造することができる。特に、インクジェットヘッド１のインク吐出量が均一になるため、画質低下を防止することができる。また、複数のインクジェットヘッド１を用いる場合でも、それらのインクジェットヘッド１の間でのインク吐出量の均一化を実現し、濃度ばらつきを抑えることができる。

なお、圧電部材の静電容量を測定する工程は、図２（ｄ）に示すような天板７及びノズルプレート５を設ける工程後に行われても良い。また、図２（ｅ）に示すようなノズルプレート５に複数のノズル４を形成する工程は、図２（ｄ）に示すような天板７及びノズルプレート５を設ける工程前に行われても良い。この場合には、ノズル４が形成されていないノズルプレート５に、測定された圧電部材の静電容量に基づいて複数のノズル４を形成し、その後、ノズル４が形成されたノズルプレート５と天板７とをヘッド本体３に設ける。このようにノズルプレート５をヘッド本体３に設ける前にノズルプレート５に複数のノズル４を形成する場合には、レーザ加工、プレス及び電鋳等によりノズル４をノズルプレート５に形成することが可能である。

また、ノズルプレート５に複数のノズル４を形成する工程では、ノズル４の穴径を変更することによりノズル容積を変えることによってインク吐出量を調整しているが、これに限るものではなく、例えば、ノズル４のテーパ角度を変更することによりノズル容積を変えることによってインク吐出量を調整するようにしても良い。

ここで、ノズル容積の調整について図３を参照して説明する。図３は、ノズル４の形状を概略的に示し、（ａ）テーパ角度が小さい場合の縦断側面図、（ｂ）テーパ角度が大きい場合の縦断側面図である。

図３（ａ）では、インク吐出側のノズル径をａとし、インク側のノズル径をｂとし、テーパ角度をｃとする。なお、図３では、ノズル４のテーパ角度ｃは、（ｂ）に示すノズル４の方が（ａ）に示すノズル４より大きい。

例えば、テーパ角度ｃを一定にする場合には、インク吐出側のノズル径ａを変化させることでノズル容積を調整する（レーザ加工機で使用するマスクを変更）。このとき、インク側のノズル径ｂも変化する。一方、インク吐出側のノズル径ａを一定にする場合には、テーパ角度ｃを変化させることで（図３（ａ）から図３（ｂ）に変化させることで）ノズル容積を調整する（レーザ加工機でのレーザパワーやレーザ角度の調整）。このとき、インク側のノズル径ｂも変化する。なお、ノズル４のテーパ角度ｃは、レーザ加工機のレーザ発振出力の制御、アッテネータの使用、及びショット数の調整等によりレーザ光を調整することによって変更される。また、光学系の調整（例えばズーム等）によっても穴径やテーパ角ｃの調整は可能である。

また、ノズルプレート５に複数のノズル４を形成する工程では、複数のノズル４毎の圧電部材の静電容量に基づいて、複数のノズル４の穴径を決定し、それらの穴径で複数のノズル４をノズルプレート５に一つずつ形成しているが、これに限るものではく、例えば、複数のノズル４を数ブロックに分けて、ブロック毎のノズル４を同時に形成するようにしても良い。この場合には、複数のノズル４毎の圧電部材の静電容量に基づいて、ブロック毎のインク吐出量の違いを考慮して、ブロック毎のノズル４穴径が決定される。また、隣接するブロックでそれぞれのノズル４の穴径が変わると、それらのブロックの境界での濃度差が目立ってしまうため、隣接するブロックの穴径の変化は±５％以内、特に±１％以内とすることが望ましい。なお、１つのブロックは、ノズルプレート５に形成するノズル４の数に応じて設定されるが、２〜２００ノズル程度の単位で構成される。なお、インクジェットヘッド１としては、ノズル４の数が少ない数十ノズル程度のインクジェットヘッド１もあれば、ノズル４の数が多い数百ノズル以上のインクジェットヘッド１もある。

なお、本実施の形態では、溝加工後の静電容量に基づいてノズル４の穴径を変化させてノズル加工を行っているが、これに限るものではない。例えば、埋込前のピエゾ素子の電気特性、例えば機械結合定数や圧電定数等の値によりインクジェットヘッド１の全体のノズル４の加工条件を変化させることで、インクジェットヘッド１間の濃度を均一にすることもできる。

また、本実施の形態では、複数のノズル４毎に圧電部材の静電容量を測定しているが、これに限るものではない。例えば、吐出力発生部材として発熱体を使用するサーマル式のインクジェットヘッドを用いる場合には、複数のノズル４毎に発熱体の電気特性である抵抗値を測定し、その抵抗値に応じて複数のノズル４のノズル容積を変えて、複数のノズル４の各インク吐出量が所定のインク吐出量になるように複数のノズル４を形成することで、インク吐出量の均一化を実現することができる。具体的には、複数のノズル４毎の発熱体の抵抗値に基づいて複数のノズル４の穴径を決定し、その穴径でノズル４を形成する。これにより、複数のノズル４の各インク吐出量は所定のインク吐出量に設定される。

本実施の形態においては、複数のノズル４を形成する工程は、複数のノズル４を一つずつ形成することから、精度良くインク吐出量を均一にすることができる。

本実施の形態においては、複数のノズル４を形成する工程は、複数のノズル４を数ブロックに分けて、ブロック毎のノズル４を同時に形成することから、インク吐出量の均一化を実現しながら、製造時間を短縮することができる。

本実施の形態においては、吐出力を発生させる吐出力発生部材である圧電部材によって複数のノズル４からインク滴を吐出させるインクジェットヘッド１において、複数のノズル４は、各ノズル４からそれぞれ吐出するインクのインク吐出量が所定のインク吐出量になるようにノズル４毎の吐出力を変動させる特性である圧電部材の電気特性、例えば静電容量に応じて各ノズル容積を変えて形成されていることから、インクジェットヘッド１のインク吐出量が均一になるため、画質低下を防止することができる。

本発明の実施の一形態のインクジェットヘッドを概略的に示す分解斜視図である。 本発明の実施の一形態のインクジェットヘッドの製造工程を概略的に示す斜視図である。 ノズルの形状を概略的に示し、（ａ）テーパ角度が小さい場合の縦断側面図、（ｂ）テーパ角度が大きい場合の縦断側面図である。

符号の説明

１ インクジェットヘッド
４ ノズル
８，９ 吐出力発生部材（上層基板，下層基板）

Claims (4)

1. 吐出力を発生させる吐出力発生部材によって複数のノズルからインク滴を吐出させるインクジェットヘッドを製造するインクジェットヘッドの製造方法において、
   前記吐出力を変動させる特性である前記吐出力発生部材の電気特性を複数の前記ノズル毎に測定する工程と、
   測定した複数の前記ノズル毎の前記吐出力発生部材の電気特性に応じて複数の前記ノズルの各ノズル容積を変えて、複数の前記ノズルからそれぞれ吐出するインクの各インク吐出量が所定のインク吐出量になるように複数の前記ノズルを形成する工程と、
   を備えることを特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。
2. 複数の前記ノズルを形成する工程は、複数の前記ノズルを一つずつ形成する、
   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の製造方法。
3. 複数の前記ノズルを形成する工程は、複数の前記ノズルを数ブロックに分けて、ブロック毎のノズルを同時に形成する、
   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の製造方法。
4. 吐出力を発生させる吐出力発生部材によって複数のノズルからインク滴を吐出させるインクジェットヘッドにおいて、
   複数の前記ノズルは、各ノズルからそれぞれ吐出するインクのインク吐出量が所定のインク吐出量になるようにノズル毎の前記吐出力を変動させる特性である前記吐出力発生部材の電気特性に応じて各ノズル容積を変えて形成されている、
   ことを特徴とするインクジェットヘッド。
   
   
   

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