JP2016083909A - ノズルプレート、液体吐出ヘッド、及び該ノズルプレートの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】吐出口形状の崩れを抑制し、液体の吐出性能を安定させることが可能な吐出口を備えたノズルプレートを提供する。【解決手段】本発明は、液体を吐出する吐出口を備えたノズルプレートの製造方法に係る。この製造方法は、第１の表面粗さＲａ１を有する第１面１と、第１面１の裏面であって第１の表面粗さＲａ１よりも小さい表面粗さＲａ２を有する第２面２と、を備える金属プレート８を設ける工程と、第２面２から第１面１に向かってプレス加工を施して、第１面１に中空状の凸部４を形成するプレス加工工程と、吐出口６を形成するために凸部４の頂部を研磨加工して金属プレート８に貫通孔５を開ける研磨加工工程と、を有する。【選択図】 図２

Description

本発明は、液体を吐出する吐出口を備えたノズルプレート、液体吐出ヘッド、及び該ノズルプレートの製造方法に関する。

液体を吐出する吐出口を備えたノズルプレートの製造方法としては、ノズルプレートの基材として金属プレートを使用し、金属プレートに吐出口を形成する方法が知られている。特に特許文献１，２では、吐出口を形成するために次のような方法によって金属プレートに貫通孔を開けることが開示されている。

特許文献１に開示される吐出口の形成方法は、先ず、金属プレートの裏面をポンチ（パンチ）で突いて表面側を隆起させることで金属プレートの表面に中空状の凸部（隆起部）を形成し、その後、金属プレートの表面が平坦となるように凸部の上端から根元部分まで研削して、金属プレートに貫通孔を開けるという方法である。この方法においては、金属プレート表面の中空状の凸部を根元部分まで研削するため、吐出口の端縁の角部が削り取られて丸くなってしまい、吐出口形状すなわち吐出口の輪郭形状が崩れてしまう。
この問題に鑑み、特許文献２では、特許文献１に開示される方法と同様にポンチ（パンチ）で金属プレートの表面に中空状の凸部（隆起部）を形成するが、凸部の形成後は凸部の全体を研削するのではなく、凸部の根元部分が筒部として残るように金属プレートの表面の凸部に対して研磨加工を施して貫通孔を形成する方法が開示されている。

特開２００４−１６０７８６号公報 特開２００５−２８９０３９号公報 特開２０００−２８０４７９号公報

特許文献２に開示される吐出口の形成方法では、中空状の凸部が形成された金属プレートの表面に対して、凸部の根元部分を筒部として残すように研磨加工を施すため、筒部の上端、すなわち、吐出口の周縁部が平坦面となり、吐出口の輪郭形状も崩れない。しかし、平坦面には液溜まりができやすいため、吐出口の周縁部に液溜まりができる場合がある。吐出口から液体を吐出する時、吐出する液体が吐出口の周縁部の液に接してしまうと、吐出液滴の直進性が損なわれるおそれがある。
吐出液滴の直線性が損なわれないようにする方法としては、液体の吐出方向に延在する複数の溝を吐出口部に設ける方法が特許文献３に開示されている。しかし、この方法を用いた場合には、吐出口をなす孔の内壁に設けられた複数の溝に液体が残存しやすくなり、液体の吐出量がばらつくことが懸念される。

そこで本発明は、上記課題に鑑み、吐出口形状の崩れを抑制し、液体の吐出性能を安定させることが可能な吐出口を備えたノズルプレート及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明のノズルプレートは、第１面と、該第１面の裏面である第２面と、第１面に形成された凸部と、凸部の頂部と第２面とを貫通して頂部に液体の吐出口を形成している貫通孔と、を備えている。さらに、頂部の吐出口の周縁が平坦面として形成されており、吐出口の内周は平滑な形状を有し、平坦面の外周は、平坦面よりも粗さが大きい凹凸形状を有することを特徴とする。
また、本発明のノズルプレートの製造方法は、第１面と、第１面の裏面であって第１面の表面粗さよりも小さい表面粗さを有する第２面とを備えるプレート部材を用意する工程と、第２面から第１面に向かってプレス加工を施して、第１面に中空状の凸部を形成する工程と、吐出口を形成するために凸部の頂部を研磨加工してプレート部材に貫通孔を開ける工程と、を有し、プレート部材として、第１面が、凸部の頂部を研磨加工して得られる平坦面よりも表面粗さが大きな凹凸形状を有するものを用いることを特徴とする。

本発明のノズルプレートでは、吐出口の周縁部として形成された平坦面の外周が、平坦面よりも粗さの大きな凹凸形状を有している。この構成により、吐出口の周縁部である平坦面上に液溜まりができたとしても、平坦上の液体は、平坦面外周の凹凸形状の凹部に作用する表面張力によって該凹部内に引き込まれ、吐出口の周縁部が清浄な表面（液体が付着されていない面）に保たれる。
したがって、吐出口から液体を吐出する時、吐出する液体が吐出口の周縁部の液に接して吐出液滴の直進性が損なわれるおそれは解消される。
さらに、上記のプレス加工工程により、吐出口の周縁部（平坦面）の内周を平滑な形状に形成することができる。つまり、吐出口形状の崩れを抑制することができる。また、プレス加工によって、吐出口をなす貫通孔の内壁も比較的小さい粗さの面になるので、該内壁面への液体残留の発生が少なくなり、液体の吐出量を安定させることができる。

本発明によれば、吐出口形状の崩れを抑制し、液体の吐出性能を安定させることが可能な吐出口を備えたノズルプレートを提供することができる。

第一の実施形態によるノズルプレートの吐出口の製造方法のフロー図である。 第一の実施形態の吐出口形成方法を吐出面側から見た面図である。 第一の実施形態の吐出口形成方法を示す断面図である。 図２のＡ−Ａ’断面図及び凸部上端を拡大した上面図である。 第二の実施形態によるノズルプレートの吐出口の製造方法のフロー図である。 第二の実施形態の吐出口形成方法を吐出面側から見た面図である。 第二の実施形態の吐出口形成方法を示す断面図である。

次に、本発明のいくつかの実施形態について図面を参照して説明する。本発明は以下の実施形態によって限定されるものではない。
（第一の実施形態）
図１は第一の実施形態に係るノズルプレートの吐出口の形成方法のフロー図、図２は第一の実施形態の吐出口形成方法を吐出面側から見た上面図、図３は第一の実施形態の吐出口形成方法を示す断面図、図４は図２のＡ−Ａ’断面図及び凸部上端を拡大した上面図である。以下、図１〜図４に基づいて第一の実施形態を説明する。

まず、表面（第１面１）と裏面（第２面２）の各表面粗さが異なるプレート部材である金属プレート８を用意する（図１（ａ），図２（ａ），図３（ａ）参照）。ここでは、第１面１の表面粗さを「Ｒａ１」と称し、第２面２の表面粗さを「Ｒａ２」と称し、表面粗さＲａ２は表面粗さＲａ１より小さいこととする（Ｒａ２＜Ｒａ１）。

次に、ポンチピン３を用いて金属プレート８のプレス加工を行う（図１（ｂ），図２（ｂ），図３（ｂ）参照）。このプレス加工時には、ポンチピン３は金属プレート８の第２面２（表面粗さが小さい方の面）から第１面１に向かって使用される。ポンチピン３は、所定の形状の穴を成形できる外形形状を有する。このようなポンチピン３が、吐出口６の形成を予定している複数の位置の各々に対して押し込まれる。
ポンチピン３によって金属プレート８の第２面２が押し潰されて凹み、さらに第１面１が凸状に隆起する。詳細には、ポンチピン３のプレス方向に山なりに張り出した凸部４が第１面１に形成される。つまり、中空状の（即ち、中が空洞の）凸部４が形成される。この凸部４の外面の表面状態は表面粗さＲａ１を反映している。
ポンチピン３の押し込み量は、第２面２の位置を基準にして、金属プレート８の厚みに十数μｍを足した量としている。この押し込み量であれば、プレス加工でポンチピン３を金属プレート８に貫通させず、次工程の研磨作業にて凸部４の根元部を残すことが可能になる。

次に、凸部４が形成された第１面１に対して研磨加工を行う（図１（ｃ），図２（ｃ），図３（ｃ）参照）。このとき、金属プレート８に貫通孔５が開くように凸部４の上端部（頂部）の研削が行なわれる。貫通孔５において、凸部４の上端部に形成された開口がノズルプレート９の吐出口６となる。さらに、研磨加工により、凸部４の上端部に形成された開口の周縁（吐出口６の周縁）は、表面粗さＲａ１よりも平滑な平坦面１０（環状の平坦面）になる。ここでは、平坦面１０の表面粗さを「Ｒａ３」と称する。
さらに、研磨加工では、加工時間または機械構造のストッパにより加工量を制御することで、第１面１の張り出した凸部４の全体を削りとらずに、凸部４の根元部を筒部１１として残した状態にすることができる。この残り量は、目的に応じて任意に設計可能である。

上述した研磨工程によって、平滑な平坦面１０は、ほぼ鏡面に近い平滑性を有する面に加工され得る。また、平坦面１０の内周は、ポンチ３の表面に依存して比較的平滑な形状になる（図４（ａ）に直径ｄで示す部位参照）。つまり、吐出口６の輪郭形状すなわち吐出口形状の崩れを小さくすることできる。
さらに、平坦面１０の内周に続く貫通孔５の内壁面５ａは、第１面１よりも小さい表面粗さＲａ２を持つ第２面２が押し潰されて形成されているため、Ｒａ２程度（＜Ｒａ１）か、又はそれより小さい粗さの凹凸形状になる。一方、平坦面１０の外周７は、第１面１の表面粗さＲａ１を反映してＲａ１程度（＞Ｒａ３）の凹凸形状になる（図４（ａ）に直径Ｄで示す部位参照）。このため、吐出口６から吐出するインク等の液体が平滑な平坦面１０に溜まったとしても、その液体は、外周７の凹凸形状の凹部に作用する表面張力によって該凹部内へ引き込まれる（これは毛管現象のような吸収作用である）。
したがって、液体吐出時に平坦面１０を清浄な表面（液体が付着されていない面）に保つことができる。このような作用によって、吐出口６の周縁の平坦面１０に液体が存在しにくくなり、吐出する液体の直線性が安定する。
以上のことから、本実施形態は、特許文献１，２に開示されたノズルプレートと比べて、液体の吐出特性を安定させることが可能になる。
さらに、平坦面１０の内周は平滑な形状を有し、平坦面１０の内周に続く貫通孔５の内壁面５ａもまた比較的小さい粗さの面である。このため、特許文献３に開示されたノズルプレートと比べて、内壁面５ａへの液体の残留発生が少なくなり、液体の吐出量を安定させることができる。
（第二の実施形態）

以下、図５〜７に基づいて第二の実施形態を説明する。ここでは、第一の実施形態とは異なる製造方法によってノズルプレートを製造する例を示す。また、第一の実施形態と同じ構成要素については同一符号を使用して説明することとする。
図５は第二の実施形態に係るノズルプレートの吐出口の形成方法のフロー図、図６は第二の実施形態の吐出口形成方法を吐出面側から見た上面図、図７は第二の実施形態の吐出口形成方法を示す断面図である。

まず、表裏面が任意の表面粗さを持つ金属プレート８を用意する（図５（ａ），図６（ａ），図７（ａ）参照）。即ち、本実施形態の金属プレート８は第１面１の表面粗さＲａ１と第２面２の表面粗さＲａ２とが同じである。
次に、第１面１に対して表面加工を施して第１面１の表面粗さＲａ１を所定の値（Ｒａ１’）に設定し、第１面１と第２面２の各表面粗さを異ならせる（図５（ｂ），図６（ｂ），図７（ｂ）参照）。ここでは、表面粗さＲａ１’が初めの表面粗さＲａ１，Ｒａ２より大きくなるように設定される（Ｒａ１’＞Ｒａ１＝Ｒａ２）。

続いて、ポンチピン３を用いて金属プレート８のプレス加工を行う（図５（ｃ），図６（ｃ），図７（ｃ）参照）。このプレス加工時には、ポンチピン３は金属プレート８の第２面２（表面粗さが小さい方の面）から第１面１に向かって使用される。ポンチピン３は、所定の形状の穴を成形できる外形形状を有する。このようなポンチピン３が、吐出口６の形成を予定している複数の位置の各々に対して押し込まれる。
ポンチピン３によって金属プレート８の第２面２が押し潰されて凹み、さらに第１面１が凸状に隆起する。詳細には、ポンチピン３のプレス方向に山なりに張り出した中空状の凸部４が第１面１に形成される。この凸部４の表面状態は表面粗さＲａ１’を反映している。

次に、凸部４が形成された第１面１に対して研磨加工を行う（図５（ｄ），図６（ｄ），図７（ｄ）参照）。このとき、金属プレート８に貫通孔５が開くように凸部４の上端部（頂部）の研削が行なわれる。貫通孔５において、凸部４の上端部に形成された開口がノズルプレート９の吐出口６となる。さらに、研磨加工により、凸部４の上端部に形成された開口の周縁（吐出口６の周縁）は、表面粗さＲａ１’よりも平滑な平坦面１０になる。ここでは、平坦面１０の表面粗さを「Ｒａ３」と称する。
さらに、第１の実施形態と同じように研磨加工量を制御することで、第１面１の張り出した凸部４の全体を削りとらずに、凸部４の根元部を筒部１１として残した状態にする。

本実施形態においては、上述した研磨工程によって、平滑な平坦面１０の粗さＲａ３は第１面１及び第２面２の表面粗さＲａ１，Ｒａ２よりも小さく、ほぼ鏡面に近い平滑性を有する面に加工され得る。また、平坦面１０の内周は、ポンチ３の表面に依存して比較的平滑な形状になる（図６（ｄ）参照）。つまり、吐出口６の輪郭形状すなわち吐出口形状のばらつきを小さくすることできる。
さらに、平坦面１０の内周に続く貫通孔５の内壁面５ａは、第１面１よりも小さい表面粗さＲａ２を持つ第２面２が押し潰されて形成されているため、Ｒａ２程度（＜Ｒａ１’）か、又はそれより粗さの小さい凹凸形状になる。一方、平坦面１０の外周７は、第１面１の表面粗さＲａ１’を反映してＲａ１’（＞Ｒａ３）の凹凸形状になる（図６（ｄ）参照）。このため、吐出口６から吐出するインク等の液体が平滑な平坦面１０に溜まったとしても、その液体は、外周７の凹凸形状の凹部に作用する表面張力によって該凹部内へ引き込まれる。
したがって、第一の実施形態と同様、液体吐出時に平坦面１０を清浄な表面（液体が付着されていない面）に保つことができる。このような作用によって、吐出口６の周縁の平坦面１０に液体が存在しにくくなり、吐出する液体の直線性が安定する。
以上のことから、本実施形態もまた、特許文献１，２に開示されたノズルプレートと比べて、液体の吐出特性を安定させることが可能になる。
さらに、平坦面１０の内周は平滑な形状を有し、平坦面１０の内周に続く貫通孔５の内壁面５ａもまた比較的小さい粗さの面である。このため、本実施形態においても、特許文献３に開示されたノズルプレートと比べて液体の吐出量を安定させることができる。
（その他の実施形態）

上述した各実施形態のノズルプレート９において、筒部１１の吐出口６からインクを吐出する場合、筒部１１の高さの好適な範囲は１μｍ〜２０μｍの範囲である。
さらに、筒部１１の上端部、すなわち吐出口６の周縁において、平坦面１０の外周７の凹凸形状は０．１μｍ〜数μｍ程度の粗さを有することが好ましく、平滑な平坦面１０はほぼ鏡面に近い平滑性を備え、平坦面１０の粗さＲａ３の好適な範囲は０．００１μｍ〜０．１μｍ程度である。また、平坦面１０の外周７を凹凸形状にするための第１面１の表面粗さＲａ１又はＲａ１’の好適な範囲は、０．１μｍ〜数μｍ程度である。また、平坦面１０の内周は、液体が残留するような溝が無い平滑な形状であることが好ましい。

また、上述した各実施形態において、吐出口６を形成するための基材である金属プレート８としては、Ｎｉ材、ステンレス材に限らず、Ｆｅ−４２Ｎｉなどの合金や他の金属の材質のプレートを適用することができる。また、このような金属材のプレートを用意して本発明のノズルプレート９を製造するのが好ましいが、本発明の課題を解決できるならば、金属以外のプレート基材を適用することもできる。
また、各実施形態で吐出口６を形成している貫通孔５の断面形状は、テーパ部のみを有する形状をしているが（図３、図４、図７参照）、ストレートのみ、或いはテーパ部とストレート部を有する断面形状であってもよい。

第１面１を所定の表面粗さＲａ１又はＲａ１’の面に規定する方法としては、金属プレート８を圧延加工する際の圧延盤の表面粗さを制御する方法が適用可能である。
さらに、第１面１の全域もしくは一部の領域のみを所定の表面粗さＲａ１又はＲａ１’の面に規定する方法としては、マスキングを利用して、粗さを規定したい面のみを露出させ、酸又はアルカリ液のウエットエッチングによる化学的表面処理法が適用可能である。その際のエッチング液は金属プレートの材質によって適宜選択すればよい。
また、第１面１の全域もしくは一部の領域のみを所定の表面粗さＲａ１又はＲａ１’の面に規定する方法としては、粗さを規定したい面のみをマスキングで露出させ、その後、ＳｉＯ_２やアルミナ等の粉体を照射するサンドブラスト法を実施したり、アルゴンイオンによるドライエッチング法を実施したりしてもよい。

また、各実施形態のノズルプレート９は、吐出エネルギー発生素子としてピエゾ素子等の電気-機械変換体やヒータ等の電気-熱変換体を利用した液体吐出ヘッドの構成要素とすることができる。例えば、上述したノズルプレート９と、貫通孔５及び吐出口６に連通する流路が設けられた基板（不図示）と、が用意される。その基板には、ピエゾ素子やヒータ等の吐出エネルギー発生素子が貫通孔５の位置に対応するように予め配設される。当該基板とノズルプレート９とを接合することにより、液体吐出ヘッド（不図示）を得ることができる。

また、各実施形態においてプレス加工で凸部４を形成する際に金属プレートを貫通させない形態で説明したが、本発明はこれに限らず、例えば凸部の形成する際に凸部の一部に開口が形成されてもよい。つまり、次工程の研磨作業にて凸部４の根元が残せるように凸部が形成すればよい。

１ 金属プレートの第１面
２ 金属プレートの第２面
４ 凸部
５ 貫通穴
６ 吐出口
７ 平坦面の外周
８ 金属プレート
９ ノズルプレート
１０ 平坦面
Ｒａ１ 第１面の表面粗さ
Ｒａ２ 第２面の表面粗さ
Ｒａ３ 平坦面の表面粗さ

Claims (6)

1. 第１面と、該第１面の裏面である第２面と、前記第１面に形成された凸部と、前記凸部の頂部と前記第２面とを貫通して前記頂部に液体の吐出口を形成している貫通孔と、を備えたノズルプレートにおいて、
   前記頂部の前記吐出口の周縁が平坦面として形成されており、
   前記吐出口の内周は平滑な形状を有し、
   前記平坦面の外周は、前記平坦面よりも粗さが大きい凹凸形状を有することを特徴とするノズルプレート。
2. 請求項１に記載のノズルプレートであって、
   前記外周の凹凸形状は、前記凸部の外面の粗さを反映した形状である、ノズルプレート。
3. 請求項１または２に記載のノズルプレートであって、
   金属材からなる、ノズルプレート。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載のノズルプレートと、
   前記ノズルプレートと接合され、前記貫通孔に連通する流路を形成する基板と、
   前記基板に前記貫通孔に対応して配設された、液体を吐出するためのエネルギーを発生する吐出エネルギー発生素子と、を備えた液体吐出ヘッド。
5. 液体を吐出する吐出口を備えたノズルプレートの製造方法であって、
   第１面と、該第１面の裏面であって前記第１面の表面粗さよりも小さい表面粗さを有する第２面と、を備えるプレート部材を用意する工程と、
   前記第２面から前記第１面に向かってプレス加工を施して、前記第１面に中空状の凸部を形成する工程と、
   前記吐出口を形成するために前記凸部の頂部を研磨加工して前記プレート部材に貫通孔を開ける工程と、を有し、
   前記プレート部材として、前記第１面が、前記凸部の頂部を研磨加工して得られる平坦面よりも表面粗さが大きな凹凸形状を有するものを用いることを特徴とする、ノズルプレートの製造方法。
6. 請求項５に記載のノズルプレートの製造方法であって、
   前記プレート部材は金属プレートである、ノズルプレートの製造方法。