JP2016196126A - 噴射孔プレートの製造方法、噴射孔プレート、液体噴射ヘッド及び液体噴射装置 - Google Patents
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しかしながら、上述した特許文献1のようにノズルプレートにシリコン単結晶基板を用いる場合には、ノズルプレートとアクチュエータプレートとの熱膨張率の違いによってノズル孔とチャネルとの位置ずれが生じ易く、歩留まりが低下するという課題がある。
しかしながら、ホウケイ酸ガラスは加工性が低く、ノズル孔を短時間で所望の形状に形成することが難しい。
一方、異方性エッチングのうち、ウェットエッチングはホウケイ酸ガラスのようなアモルファス材料には使用できず、ドライエッチングはエッチングレートが遅く、加工時間が長くなるという課題がある。
本発明に係る噴射孔プレートの製造方法は、液体を噴射する噴射孔を有する噴射孔プレートの製造方法であって、母材の一面に、液体の導入口となる一面側凹部を等方性エッチングにより形成する一面側凹部形成工程と、前記母材の他面において、前記母材の厚さ方向で前記一面側凹部と重なる部分に他面側凹部を形成する他面側凹部形成工程と、前記一面側凹部内及び前記他面側凹部内を連通させるとともに、液体の噴射口となる連通部を形成する連通部形成工程と、を有し、前記一面側凹部及び前記連通部により前記噴射孔を構成することを特徴とする。
また、母材のうち、噴射孔の形成領域の板厚を薄くすることで、等方性エッチングにより一面側凹部を形成する際に、母材全体の板厚に依存せずに、一面側凹部を所望の形状に形成できる。この場合、導入口の内径が母材全体の板厚よりも小径の噴射孔を形成でき、噴射孔の狭ピッチ化が可能になるので、高密度記録化を図ることができる。また、一面側凹部を等方性エッチングにより形成することで、ホウケイ酸ガラス等の加工性の低い材料であっても、短時間で噴射孔を形成することができる。
特に、母材の両面に一面側凹部及び他面側凹部を各別に形成することで、母材のうち一面側凹部と他面側凹部間に位置する部分には、薄肉の残存部が形成される。そして、連通部形成工程では、母材の残存部に対して加工を施すので、例えば等方性エッチングにより噴射孔を一括で形成する場合に比べて、アスペクト比(内径に対する深さの比)の小さい連通部を形成できる。さらに、母材の板厚ばらつきに起因する噴射口の内径ばらつきを抑制できる。そのため、噴射孔を所望の形状に形成することができる。
この場合には、深さ方向において内径が一様とされたストレート形状の連通部を高精度に形成することができる。この場合、母材の残存部のみに対してドライエッチングを行うため、母材全体をドライエッチングにより加工する場合に比べて加工時間の短縮を図ることができる。しかも、ドライエッチングにより連通部を形成することで、エッチングの加工面側のみにマスクパターンを形成すればよいので、作業効率の向上を図ることができる。
この場合には、連通部形成工程をウェットエッチングにより行うことで、連通部を短時間で高精度に形成することができる。なお、連通部をウェットエッチングにより行う場合には、残存部の板厚を一定に維持した状態でエッチング量を多くすることで、連通部をストレート形状に近づけることができる。
この場合には、ストレート形状の連通部を高精度に形成できる。また、母材の残存部のみに対してレーザ光を照射することで、レーザ光の強度や照射時間を抑えることができ、母材のうち、連通部の周囲に与える熱の影響を抑えることができる。
また、レーザ加工により連通部を形成することで、エッチング等で連通部を形成する場合と異なり、母材にマスクパターンを形成する必要がない。そのため、作業効率の向上を図ることができる。また、一面側凹部や他面側凹部の内形寸法(母材の厚さ方向から見た平面視の大きさ)や表面形状の関係でマスクパターンが形成できないような場合であっても、連通部を形成することができる。
この構成によれば、母材の厚さ方向から見た平面視において、他面側凹部の大きさ(内形寸法)を一面側凹部よりも大きく形成することで、噴射孔(一面側凹部及び連通部)から噴射される液体の流通が他面側凹部によって阻害されるのを抑制できる。これにより、液体の噴射性能を向上させることができる。
この場合には、母材のうち、一面側凹部よりも内形寸法が大きい他面側凹部側から連通部を形成することで、一面側凹部側から連通部を形成する場合に比べて、作業効率や歩留まりの向上を図ることができる。
この場合には、噴射孔列と重なり合う大きさで他面側凹部を形成することで、各噴射孔ごとに他面側凹部を形成する場合に比べて簡素化を図るとともに、作業効率を向上させることができる。
この場合には、母材の材料として、アクチュエータプレートを構成する圧電材料と熱膨張率が近いホウケイ酸ガラスを用いることで、アクチュエータプレートとの組付時において、噴射孔とアクチュエータプレートのチャネルとの位置ずれを抑えることができる。そのため、歩留まりを向上させることができる。
この場合には、上記本発明の噴射孔プレートの製造方法により製造されているため、所望の形状の噴射孔を狭ピッチで形成することができる。
また、噴射孔のうち、連通部のみを小径に形成することができるので、噴射孔全体を小径に形成する場合に比べて流路抵抗を小さくでき、液体が噴射孔を通過する際のエネルギー損失を低減できる。
さらに、連通部を形成することで、等方性エッチングにより噴射孔を一括で形成する場合に比べ、噴射孔の噴射口側の開口縁が先鋭形状になるのを抑制できる。そのため、噴射口側の開口縁の欠け等の損傷を抑制して、長期に亘って安定した噴射性能を維持できる。
この場合には、上記本発明の噴射孔プレートを備えているので、信頼性に優れた液体噴射ヘッドを提供できる。
この場合には、上記本発明の液体噴射ヘッドを備えているので、信頼性に優れた液体噴射ヘッドを提供できる。
図1はプリンタ1の概略構成図である。
図1に示すように、プリンタ1は、紙等の被記録媒体Sを搬送する一対の搬送機構2,3と、被記録媒体Sにインク滴を噴射するインクジェットヘッド(液体噴射ヘッド)4と、インクジェットヘッド4にインクを供給するインク供給手段5と、被記録媒体Sの搬送方向(主走査方向)と直交する方向(副走査方向)にインクジェットヘッド4を走査させる走査手段6と、を備えている。なお、以下の説明においては、上述した主走査方向をX方向、副走査方向をY方向、そしてX方向、及びY方向に直交する方向をZ方向として説明する。
インクタンク10は、例えばイエロー(Y)、マゼンタ(M)、シアン(C)、ブラック(B)の4種類のインクが各別に収容されたインクタンク10Y,10M,10C,10Bを備えている。なお、インクは、4種類に限られるものではなく、さらに多色であってもよく、単色であってもよい。
インク配管11は、例えば可撓性を有するフレキシブルホースであり、インクジェットヘッド4を支持するキャリッジ16の動作(移動)に追従可能とされている。
駆動機構17は、一対のガイドレール14,15の間に配置され、Y方向に間隔をあけて配置された一対のプーリ18と、一対のプーリ18間に巻回されてY方向に走行する無端ベルト19と、一方のプーリ18を回転駆動させる駆動モータ20と、を備えている。
次に、上述したインクジェットヘッド4について詳述する。図2はインクジェットヘッド4の斜視図である。なお、上述した各インクジェットヘッド4は、供給されるインクの色以外は何れも同一の構成からなるため、以下の説明では、一のインクジェットヘッド4について説明する。
図2に示すように、インクジェットヘッド4は、キャリッジ16に固定される固定プレート21と、この固定プレート21上に固定された吐出部22と、インク供給手段5から供給されるインクを、吐出部22の後述する共通インク室46にさらに供給するインク供給部23と、吐出部22に駆動電圧を印加するヘッド駆動部24と、を備えている。
図3、図4に示すように、吐出部22は、複数のノズル孔(第1ノズル孔48a及び第2ノズル孔49a)からなるノズル列48,49が二列に亘って形成された二列タイプの吐出部22である。具体的に、吐出部22は、Y方向に積層された第1ヘッドチップ31A及び第2ヘッドチップ31Bと、各ヘッドチップ31A,31Bをまとめて支持するノズルキャップ32と、各ヘッドチップ31A,31Bに固定されたノズルプレート(噴射孔プレート)33と、を備えている。なお、各ヘッドチップ31A,31Bは、後述する吐出チャネル43aを通してインクを吐出する、いわゆるエッジシュートタイプとされている。したがって、本実施形態の吐出部22は、Z方向が上下方向に一致した状態で設置される。以下、Z方向に沿うノズルプレート33側を下側(下方)、ノズルプレート33側とは反対側を上側(上方)という場合がある。また、以下の説明では、主に第1ヘッドチップ31Aについて説明し、第2ヘッドチップ31Bにおける第1ヘッドチップ31Aと対応する箇所には同一の符号を付して説明を省略する。
アクチュエータプレート41は、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)等の圧電材料で形成され、その分極方向が厚さ方向(Y方向)に沿って一方向に設定されている。
スリット47は、共通インク室46のうち、X方向で吐出チャネル43aに対応する位置に形成され、共通インク室46内と吐出チャネル43a内とを連通している。
ノズルプレート33は、例えばホウケイ酸ガラスや石英ガラス等のガラス材料からなる板材であり、ノズルキャップ32及び各ヘッドチップ31A,31Bの下端面に接着等により固定されている。なお、ノズルプレート33の厚さは、例えば70μm程度とされている。
図5に示すように、第1ノズル孔48aは、ノズルプレート33の上面(導入面)から下方に向けて窪む椀状部(一面側凹部)55と、椀状部55内と第1凹部51内とを連通させる連通部56と、を有している。
連通部56は、椀状部55の底部から下方に向けて延設されている。連通部56は、その上端開口部が椀状部55の下端開口部に連通し、下端開口部(噴射口)が第1凹部51の頂部上で開口している。なお、連通部56は、上方に向かうに従い内径が漸次縮小するとともに、その内周面が上方に向けて凸の曲面状を呈している。但し、連通部56は、Z方向の全体に亘って内径が一様なストレート形状を呈していても構わない。また、連通部56は、深さが例えば5μm以下とされ、内径が25μm〜30μm程度とされている。
次に、上述したように構成されたプリンタ1を利用して、被記録媒体Sに文字や図形等を記録する場合について以下に説明する。
なお、初期状態として、図1に示す4つのインクタンク10にはそれぞれ異なる色のインクが十分に封入されているものとする。
このような初期状態のもと、プリンタ1を作動させると、搬送機構2,3のグリッドローラ2a,3aが回転することで、これらグリッドローラ2a,3a及びピンチローラ2b,3b間に被記録媒体SをX方向に向けて搬送する。また、これと同時に駆動モータ20がプーリ18を回転させて無端ベルト19を走行させる。これにより、キャリッジ16がガイドレール14,15にガイドされながらY方向に往復移動する。
そしてこの間に、各インクジェットヘッド4より4色のインクを記録紙Sに適宜吐出させることで、文字や画像等の記録を行うことができる。
FPC30を介して各ヘッドチップ31A,31Bの駆動電極間に電圧が印加されると、吐出チャネル43aを画成する2つ駆動壁44に厚み滑り変形が生じる。すると、これら2つの駆動壁44は、Y方向の中間部分を中心にしてダミーチャネル43b側へ突出するようにV字状に屈曲変形する。これにより、吐出チャネル43aがあたかも膨らむように変形する。
次に、本実施形態のノズルプレート33の製造方法について説明する。図6〜図17は、ノズルプレート33の製造方法を説明するための工程図であり、ノズルプレート33となる母材61の断面図である。
本実施形態のノズルプレート33の製造方法は、ノズルプレート33となる母材61の上面61aから椀状部55を形成する椀状部形成工程(一面側凹部形成工程)と、母材61の下面61bから凹部51,52を形成する凹部形成工程(他面側凹部形成工程)と、凹部51,52内及び椀状部55内を連通させる連通部56を形成する連通部形成工程と、を有している。なお、母材61は、例えばホウケイ酸ガラスからなる板材であって、厚さが70μm程度とされている。
続いて、図9に示すように、フォトレジスト膜65を介して金属膜63をエッチングする。このとき、金属膜63のうち、フォトレジスト膜65の開口部65aを通して露出した部分が選択的にエッチングされる。これにより、母材61の上面61a側には、椀状部55に対応する開口部63aを有するとともに、開口部63aを通して母材61を露出させるエッチングマスク62が形成される。
以上により、椀状部形成工程が終了する。
以上により、凹部形成工程が終了する。
以上により、連通部形成工程が終了し、図5に示す本実施形態のノズルプレート33が完成する。
この構成によれば、母材61(ノズルプレート33)に凹部51,52を形成することで、母材61全体の板厚を確保した上で、ノズル孔48a,49aの形成領域の板厚を薄くできる。そのため、母材61の強度や剛性を確保し、作業効率や歩留まりの向上を図ることができる。
また、母材61のうち、ノズル孔48a,49aの形成領域の板厚を薄くすることで、等方性エッチングにより椀状部55を形成する際に、母材61全体の板厚に依存せずに、椀状部55を所望の形状に形成できる。この場合、導入口の内径が母材61全体の板厚よりも小径のノズル孔48a,49aを形成でき、ノズル孔48a,49aの狭ピッチ化が可能になるので、高密度記録化を図ることができる。また、椀状部55を等方性エッチングにより形成することで、ホウケイ酸ガラス等の加工性の低い材料であっても、短時間でノズル孔48a,49aを形成することができる。
さらに、母材61の下面61b側から連通部エッチング工程を行うことで、椀状部55よりも内形寸法が大きい凹部51,52の頂部上にエッチングマスク75の開口部76aを形成することができる。この場合、椀状部55の底部上に開口部を形成する場合に比べて、より簡単にエッチングマスク75を形成することができ、作業効率や歩留まりの向上を図ることができる。
また、ノズル孔48a,49aのうち、連通部56のみを小径に形成することができるので、ノズル孔48a,49a全体を小径に形成する場合に比べて流路抵抗を小さくでき、インクがノズル孔48a,49aを通過する際のエネルギー損失を低減できる。
さらに、連通部56を形成することで、等方性エッチングによりノズル孔48a,49aを一括で形成する場合に比べ、ノズル孔48a,49aの吐出口側の開口縁が先鋭形状になるのを抑制できる。そのため、ノズル孔48a,49における吐出口側の開口縁の欠け等の損傷を抑制して、長期に亘って安定した吐出性能を維持できる。
次に、上述した実施形態の第1変形例について説明する。図18、図19は、第1変形例に係るノズルプレート33の製造方法を説明するための工程図であって、図5に相当する部分の断面図である。第1変形例では、連通部形成工程において、連通部56をドライエッチングにより形成する点で上述した実施形態と相違している。
図18に示すように、本変形例の連通部形成工程では、まず母材61の下面61b側に、上述した実施形態と同様の方法によりエッチングマスク75を形成する。なお、本変形例では、少なくとも母材61の下面61b側(エッチングの加工面側)のみにエッチングマスク75が形成されていれば構わない。すなわち、本変形例では、図14に示す凹部エッチング工程の後、除去工程においてフォトレジスト膜72及び金属膜64,66を全て除去している。但し、除去工程において、少なくともフォトレジスト膜72及び金属膜64が除去されれば、金属膜66は残存していても構わない。
次に、上述した実施形態の第2変形例について説明する。図20、図21は、第2変形例に係るノズルプレート33の製造方法を説明するための工程図であって、図5に相当する部分の断面図である。第2変形例では、母材61に対して連通部56をレーザ加工により形成する点で上述した実施形態と相違している。なお、本変形例では、図14に示す凹部エッチング工程の後、フォトレジスト膜72及び金属膜64,66を全て除去している。
図20に示すように、本変形例の連通部形成工程では、母材61の残存部Rのうち、連通部56の形成領域に対して母材61の下面61b側からレーザ光Lを照射する。すると、残存部Rのうち、レーザ光Lの照射部分が溶融し、残存部Rが貫通する。これにより、図21に示すように、凹部51,52内と椀状部55内とを連通させる連通部56が形成される。なお、本変形例で用いるレーザ装置としては、例えば炭酸ガスレーザや紫外線レーザ等が好適に用いられる。
また、レーザ加工により連通部56を形成することで、エッチング等で連通部56を形成する場合と異なり、母材61にエッチングマスクを形成する必要がない。そのため、作業効率の向上を図ることができる。また、凹部51,52の内形寸法や表面形状の関係でエッチングマスクが形成できないような場合であっても、連通部56を形成することができる。
また、上述した実施形態では、ウェットエッチングによって凹部51,52を形成する構成について説明したが、これに限らず、加工時間等を考慮して適宜変更が可能である。この場合、例えば等方性のドライエッチングや、機械加工により凹部51,52を形成しても構わない。
さらに、上述した実施形態では、Z方向から見た平面視において、凹部51,52の内形寸法が少なくともノズル孔48a,49aよりも大きい構成について説明したが、これに限られない。凹部51,52の内形寸法は、ノズル孔48a,49a(連通部56)と同等であっても構わない
また、ノズルプレート33の材料として、ホウケイ酸ガラスや石英ガラス等のガラス材料に限らず、種々の材料を適用することができる。
2…搬送機構(移動機構)
4…インクジェットヘッド(液体噴射ヘッド)
6…走査手段(移動機構)
33…ノズルプレート(噴射孔プレート)
41…アクチュエータプレート
43a…吐出チャネル
48…第1ノズル列(噴射孔列)
48a…第1ノズル孔(噴射孔)
49…第2ノズル列(噴射孔列)
49a…第2ノズル孔(噴射孔)
51…第1凹部(他面側凹部)
52…第2凹部(他面側凹部)
55…椀状部(一面側凹部)
56…連通部
61…母材
61a…上面(一面)
61b…下面(他面)
75…エッチングマスク(マスクパターン)
76…金属膜(マスク材)
80,81…凹部(他面側凹部)
Claims (11)
- 液体を噴射する噴射孔を有する噴射孔プレートの製造方法であって、
母材の一面に、液体の導入口となる一面側凹部を等方性エッチングにより形成する一面側凹部形成工程と、
前記母材の他面において、前記母材の厚さ方向で前記一面側凹部と重なる部分に他面側凹部を形成する他面側凹部形成工程と、
前記一面側凹部内及び前記他面側凹部内を連通させるとともに、液体の噴射口となる連通部を形成する連通部形成工程と、を有し、
前記一面側凹部及び前記連通部により前記噴射孔を構成することを特徴とする噴射孔プレートの製造方法。 - 前記連通部形成工程は、ドライエッチングにより行うことを特徴とする請求項1記載の噴射孔プレートの製造方法。
- 前記連通部形成工程は、
前記母材の両面にマスク材を形成するマスク材形成工程と、
前記マスク材のうち、前記母材の一方の面側に位置する前記マスク材をパターニングして前記連通部のマスクパターンを形成するマスクパターン形成工程と、
前記マスクパターンをマスクとしてウェットエッチングを行い、前記連通部を形成する連通部エッチング工程と、を有していることを特徴とする請求項1記載の噴射孔プレートの製造方法。 - 前記連通部形成工程は、レーザ加工により行うことを特徴とする請求項1記載の噴射孔プレートの製造方法。
- 前記他面側凹部形成工程では、前記母材の厚さ方向から見た平面視の大きさが前記一面側凹部よりも大きくなるように前記他面側凹部を形成することを特徴とする請求項1から請求項4の何れか1項に記載の噴射孔プレートの製造方法。
- 前記連通部形成工程では、前記他面側から前記連通部を形成することを特徴とする請求項5記載の噴射孔プレートの製造方法。
- 複数の前記噴射孔が間隔をあけて一列並設されて噴射孔列を構成し、
前記他面側凹部形成工程では、前記母材の厚さ方向から見た平面視で前記噴射孔列全体と重なり合う大きさで前記他面側凹部を形成することを特徴とする請求項5又は請求項6記載の噴射孔プレートの製造方法。 - 前記母材は、ホウケイ酸ガラスを用いることを特徴とする請求項1から請求項7の何れか1項に記載の噴射孔プレートの製造方法。
- 請求項1から請求項8の何れか1項に記載の噴射孔プレートの製造方法により製造されていることを特徴とする噴射孔プレート。
- 請求項9記載の噴射孔プレートと、
液体が充填されるとともに前記噴射孔の前記一面側凹部内に連通するチャネルを有するアクチュエータプレートと、を備えていることを特徴とする液体噴射ヘッド。 - 請求項10記載の液体噴射ヘッドと、
前記液体噴射ヘッドと被記録媒体とを相対的に移動させる移動機構と、を備えていることを特徴とする液体噴射装置。
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