JP3220504B2 - インクジェットプリンタヘッド及びその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、インクジェットプリン
タヘッド及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、複数のインク溝と圧電材料の壁と
を有し、圧電材料に電界を印加するための駆動電極が前
記インク溝の側面に配置された圧電アクチュエータと、
前記インク溝に対応したインク滴噴射のための複数のノ
ズルを有するノズルプレートから構成されるインクジェ
ットプリンタヘッドの構成及び製造方法について特開昭
６３−２４７０５１号に記載されている。

【０００３】該インクジェットプリンタヘッドの構成例
を図６に示す。このインクジェットプリンタヘッドは、
多数のインク噴射ノズル７１を有するノズルプレート７
２と、該ノズルプレート７２が接続された多数のインク
溝７３（圧力チャンバー）と側面７４に駆動用電極が形
成された圧電材料から成るせん断変形圧電素子７５と、
インク補充のための給液機構（図示せず）から構成され
ている。上記インクジェットプリンタヘッドは駆動電極
に電界を印加すると圧電材料がせん断変形を起こしイン
ク溝７２の容積変化を引き起こす。その結果としてイン
ク溝７２中の液圧が変化しノズルプレート７２の噴射ノ
ズル７１からインク液滴が噴射される。従来上記インク
ジェットプリンタヘッドに利用されるノズルプレート７
２は材料としてポリイミドシートが用いられ、エキシマ
レーザ加工によって噴射ノズル７１が形成されていた。
また噴射ノズル形状としてはインク滴噴射方向に向かっ
て一様に断面積が減少する様なテーパ形状となってい
た。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ノズル形状及びエキシマレーザを用いた形成方法には下
記のような問題点があった。

【０００５】現在市販されているエキシマレーザの能力
から換算するとポリイミドの加工に必要なエネルギーパ
ワー密度の得られる加工エリアが小さく大面積の多数ノ
ズル同時加工が困難であること。被加工物（ポリイミド
シート）の揺動運動等を組合せなければ、テーパ角度の
任意の選定が困難であること。ノズル先端形状が再現性
良く精度よく仕上がらないことなどの問題点が内在して
いた。

【０００６】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、インク流動に好適でエアーの巻
き込みを改善したインクジェットプリンタヘッド及びそ
の製 造方法を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明のインクジェットプリンタヘッドは、ノズルプ
レートが、単一の材料からなり、前記ノズルの形状が、
そのノズルの容積が少なくとも噴射されるインク滴体積
以上であり、前記インク溝側においてテーパ角が大き
く、ノズル出口側においてテーパ角が小さくなるよう
に、インク滴噴射方向に対して、順次テーパ角が小さく
なる３種以上の多段階のテーパ角を有する形状であるこ
とを特徴とする。

【０００８】そして好ましくは、圧電材料の壁とその圧
電材料に電界を印加するための駆動電極を有し、前記イ
ンク溝を容積変化させることにより、インク滴を噴射す
るインクジェットプリンタヘッドとして実現される。ま
た、複数のインク溝を有する部材に、そのインク溝に対
応したインク滴噴射のための複数のノズルを形成したノ
ズルプレートを接合するインクジェットプリンタヘッド
の製造方法において、前記ノズルプレートは、単一の材
料からなり、そのノズルプレートに前記インク溝側から
前記ノズルを、インク溝側においてテーパ角が大きく、
ノズル出口側においてテーパ角が小さくなるように、イ
ンク滴噴射方向に対して、順次テーパ角が小さくなる３
種以上の多段階のテーパ角に順次形成し、そのノズルの
容積を少なくとも噴射されるインク滴体積以上とする、
ことを特徴とする。

【０００９】

【作用】上記の構成を有する本発明のインクジェットプ
リンタヘッドは、多段階にテーパ角度を変化させること
でノズル断面積の絞り込みがほぼ連続的に実現でき流体
であるインクの流れに対して好適な形状を実現する。ま
たノズルのインク滴出口付近のテーパ角をエアーを巻き
込みにくい角度に設定することが可能となる。多段階に
設定されるテーパ角の設定及び使用材料の厚みの設定に
よりノズルに必要とされる容積も三次元的に設計が可能
となる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明を具体化した一実施例を図面を
参照して説明する。図１に本発明の噴射ノズル１１の形
状の概略断面図を示す。また図２には従来の噴射ノズル
２１の形状の概略断面図を示す。ノズルプレート１２は
０．１ｍｍ厚のポリイミドシートであり、三段階エッチ
ングによって３種のテーパ角度１３、１４、１５を有し
ている。各々のテーパ角度をθ1、θ2、θ3とするとθ1
＞θ2＞θ3という関係になっている。一方従来の噴射ノ
ズル２１形状のテーパ角度２３の角度をθ0とすると、
θ3＜θ0という関係を満たしている。

【００１１】まずノズル中を通過するインクの流体抵抗
に対する形状効果であるが、これはインク噴射方向１６
に対し連続的に断面積が減少していく形状を有する従来
の噴射ノズル２１形状の方が有利である。しかし実際問
題としてはノズルのインク噴射方向２２の寸法が０．１
ｍｍと短いこともあって、本発明の噴射ノズル１１形状
の３種のテーパ角度θ1、θ2、θ3の違いによる不連続
性は無視できうるほど小さいものとなる。次にθ3＜θ0
という関係に着目すると、インクメニスカス３６後退時
のエアーの巻き込み難さはテーパ角θが小さくなればな
るほど、すなわちストレートノズル形状に近いほど向上
する。また噴射インク液滴の方向性に関してもテーパ角
θが小さくなるほど噴射ノズル出口側の形状対象性が確
保し易く安定した噴射インク液滴の方向性が得られる。

【００１２】図３に圧電素子３１と噴射ノズル１１を有
するノズルプレート１２が一体化されたインクジェット
プリンタヘッド３３の一部を示す概略断面図を示す。圧
電材料の壁３４の幅寸法は０．０２〜０．０８５ｍｍの
範囲である。さらにインク流路及び圧力チャンバーとし
て作用するインク溝３５の幅寸法は圧電材料の壁３４の
幅寸法と同様に０．０２〜０．０８５ｍｍの範囲であ
る。

【００１３】一般的にポリイミド等の有機高分子材料で
ノズルプレート１２が形成される場合、その剛性面から
考えて少なくともノズルプレート１２の厚みは圧電材料
の壁３４及びインク溝３５の幅寸法以上である必要があ
る。これはこれ以上ノズルプレート１２の厚みが薄くな
り剛性が小さくなると電圧印加時に発生する圧力波に対
するノズルプレート３２の変形が無視できなくなり効率
の悪いインクジェットプリンタヘッドになるからであ
る。また材質を問わず各種シート材料の実際上の取り扱
い性を考えても０．０２ｍｍ以下のシートは非常に取り
扱いにくい。またノズルプレート１２の厚みの上限はエ
ッチング加工する穴径と生産性によって限定される。

【００１４】本発明のインクジェットプリンタヘッドに
要求される噴射ノズル１１の出口側の穴径は０．０８〜
０．１ｍｍが最大である。従って多段階エッチング手法
を駆使するにしても加工能率を考えると穴径の１０倍程
度が限界だと考えられノズルプレート１２の厚みの限界
値は０．８〜１ｍｍ程度となる。図３には、インク滴噴
射時の噴射ノズル１１でのインクメニスカス３６の様子
も示した。本発明の圧電素子３１では多数個並んだイン
ク溝３５の両側にある圧電材料の壁３４は電界印加によ
って、インク滴を噴射するインク溝の容積を増加させる
方向に一旦変位し、その後電界を取り除くことによって
急激に元の位置に戻る。その時インク溝中に圧力波が発
生しインク滴の噴射が行われる。従ってインク滴を噴射
するインク溝の両隣のインク溝からは同時にインク滴を
噴射することが出来ない。つまり多数個の並んだインク
溝３５は奇数・偶数の２組に組分けされ奇数番目、偶数
番目のインク溝からは同時にインク滴の噴射は起こらな
い。

【００１５】これをインク溝内に発生する圧力で見る
と、インク滴の噴射が行われるインク溝の噴射ノズル１
１の先端での圧力が外界に対して正圧である場合、同時
にその両隣のインク溝の噴射ノズル１１の先端での圧力
は外界に対して負圧となる。従ってインク滴の噴射が行
われるインク溝の両隣のインク溝に対応する噴射ノズル
１１の先端（出口側）ではインクメニスカス３６は噴射
ノズル側へ後退することになる。このインクメニスカス
３６の後退時には、噴射ノズル１１の一部はエアーで満
たされることになる。ここで引き込んだエアーの体積が
噴射ノズル容積より多くなるとエアーはインク溝内部に
も引き込まれその放出が困難になる。

【００１６】従って噴射ノズル１１の容積は液滴体積量
（エアー引き込み最大量に対応）と同程度の容積が最低
限必要となる。これがテーパを有する噴射ノズルが必要
となる理由の１つである。

【００１７】次に図１に示した形状の噴射ノズル１１形
成について図４を用いて、その概略を説明すると、０．
１ｍｍ厚のポリイミドシートに片面選択エッチを行うた
めのマスクパターンを形成する。

【００１８】第１段階のエッチング４１として、エッチ
ャーの種類、濃度、エッチング温度等をパラメータとし
てハーフエッチングを行う。第１段階エッチングされた
穴の側面に部分的に対エッチングプロテクト処理を行っ
た。その後第２段階のエッチング４２として、エッチャ
ーの種類、濃度、エッチング温度等のパラメータを変化
させハーフエッチングを行う。その後第２段階エッチン
グされた穴の側面に部分的に対エッチングプロテクト処
理を行う。

【００１９】第３段階のエッチング４３として、エッチ
ャーの種類、濃度、エッチング温度等のパラメータを変
化させエッチングを行い、貫通穴を形成する。最後に対
エッチングプロテクトを除去した後、エッチャーの種
類、濃度、エッチング温度等のパラメータを変化させ最
終エッチング４４を行う。上記に示したエッチング手法
を噴射ノズル１１形成に用いることで大面積（例えば２
５０ｘ２５０ｍｍ）での多数個の噴射ノズル形成が同時
に行うことが出来る。また位置精度もマスクパターンの
精度によって決まり、現在の半導体技術を応用すること
で極めて高いものとすることが出来る。またマスクパタ
ーンを工夫することによって、例えば図５に示すような
ノズルプレート１２と圧電素子を接着する場合に有用と
なる接着剤溜の溝５１を噴射ノズル１１を形成するのと
同時にノズルプレート１２に形成することもできる。

【００２０】

【発明の効果】以上説明したことから明かなように、本
発明のインクジェットプリンタヘッドによれば、インク
流動に好適でエアーの巻き込みを改善することが可能と
なる。特に、圧電材料の壁によりインク溝に容積変化を
生じさせるものにおいて、優れた効果を発揮する。ま
た、ノズルに必要とされる容積のために三次元的な設計
が容易となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の噴射ノズル形状の一例を示す概略断面
図である。

【図２】従来の噴射ノズル形状を示す概略断面図であ
る。

【図３】噴射ノズル及び圧電素子を一体化したヘッドの
部分的概略断面図である。

【図４】多段階エッチングの流れを示す図である。

【図５】噴射ノズル及び接着剤溜のための溝を形成した
ノズルプレートの概略図である。

【図６】従来提案されているインクジェットプリンタヘ
ッドの概略図である。

【符号の説明】 １１ 噴射ノズル １２ ノズルプレート １３ テーパ角 ３３ インクジェットプリンタヘッド ３４ 圧電材料の壁 ３５ インク溝

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−187342（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−108056（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B41J 2/045 B41J 2/055 B41J 2/135

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数のインク溝に対応したインク滴噴射
   のための複数のノズルを形成したノズルプレートを有す
   るインクジェットプリンタヘッドにおいて、前記ノズルプレートは、単一の材料からなり、 前記ノズ
   ルの形状が、そのノズルの容積が少なくとも噴射される
   インク滴体積以上であり、前記インク溝側においてテー
   パ角が大きく、ノズル出口側においてテーパ角が小さく
   なるように、インク滴噴射方向に対して、順次テーパ角
   が小さくなる３種以上の多段階のテーパ角を有する形状
   であることを特徴とするインクジェットプリンタヘッ
   ド。
2. 【請求項２】 さらに圧電材料の壁とその圧電材料に電
   界を印加するための駆動電極を有し、前記インク溝を容
   積変化させることにより、インク滴を噴射す
3. 【請求項３】 複数のインク溝を有する部材に、そのイ
   ンク溝に対応したインク滴噴射のための複数のノズルを
   形成したノズルプレートを接合するインクジェットプリ
   ンタヘッドの製造方法において、 前記ノズルプレートは、単一の材料からなり、そのノズ
   ルプレートに前記インク溝側から前記ノズルを、インク
   溝側においてテーパ角が大きく、ノズル出口側において
   テーパ角が小さくなるように、インク滴噴射方向に対し
   て、順次テーパ角が小さくなる３種以上の多段階のテー
   パ角に順次形成し、そのノズルの容積を少なくとも噴射
   されるインク滴体積以上とする、ことを特徴とするイン
   クジェットプリンタヘッドの製造方法 。