JP3285041B2 - インクジェットヘッドの製造方法 - Google Patents

インクジェットヘッドの製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、インク滴を飛翔させ、
紙等に印字記録を行なうインクジェットヘッドの製造方
法に関する。
【0002】
【従来の技術】一般に、インクジェットプリンターのノ
ズルオリフィスは、ノズル開口部即ち、インク液滴吐出
面の直径が30μから80μの範囲である。このような
微細な穴加工を行う為、従来採用されている方法は、材
料として金属のプレートを用いる場合、電鋳法、プレス
加工、エッチング、放電加工等が知られている。
【0003】また、合成樹脂を用いる場合は、射出成
形、エッチング、あるいは、感光性樹脂を用いて形成す
る方法が公知である。また、特開平1−108056で
は、エキシマレーザーによる加工方法が開示されてい
る。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、前述の従来技
術では、高密度なノズル列配置を実現し、かつインク液
滴飛翔特性を満足せしめるノズルプロフィールを得られ
なかった。これらについて説明する。
【0005】インクジェットプリンターは、高印字速
度、優れた印字品質、静粛性などから広く使用されてい
る。これに伴い、更なる印字品質の改善が求められてい
る。印字品質の改善を実現するためには、インク液滴の
吐出密度を上げることが必須である。その場合、最善の
手段は、ノズル及び液滴発生手段の配置密度を上げるこ
とである。
【0006】ノズル開口部の配置密度を上げることは、
従来の技術でもある程度可能である。しかしながら、従
来の方法では高密度配置とインク液滴飛翔安定性は、相
反する特性となる。これは、ノズル配置密度を上げるた
めに、ノズルプロフィールに囲まれる体積(以下、ノズ
ル体積と略する)が減少するためである。図6を用いて
説明する。
【0007】図6に従来のノズル形成部材を用いた、イ
ンクジェットヘッドの主要断面図を示す。従来のノズル
形成部材101は、複数のノズル開口部111を持つ。
ノズル開口部111には、圧力室205が対応する。圧
力室205は、圧力発生素子208が連接されている。
【0008】図6(a)は待機状態である。図6(b)
において、圧力発生素子208が、駆動信号により変位
し、インク滴301がノズル開口部111より吐出す
る。図6(c)は、インク滴301吐出後、圧力発生素
子201が待機状態に復帰した状態である。圧力室20
5のインク圧力が減少するため、ノズル開口部111よ
り気泡401を吸入し、メニスカスを形成する。この
後、徐々にインクが供給され、図6(a)の状態に復帰
する。
【0009】図6(c)に示した、ノズルプロフィール
の外部にまで拡大したメニスカスは極めて不安定であ
る。このようなメニスカスは、圧力室内に独立した気泡
の発生を起こしたり、飛翔液滴量の減少という不具合を
引き起こす。
【0010】メニスカスを安定させる為には、一般に飛
翔するインク液滴量の3倍以上のノズル体積が必要とさ
れている。配置密度を上げつつ、ノズル体積を十分取る
ためには、ピッチ方向に短径を持つ楕円断面のノズルプ
ロフィールが最も適する。
【0011】他方、ノズル開口部は、インク液滴の飛翔
方向を安定させるため真円であることが好ましい。これ
は、ノズル開口部円周から受ける表面張力を全方向につ
いて均一にするためである。
【0012】以上のことから、ノズル開口部は真円で、
プロフィールは楕円であるノズルオリフィスが、優良な
印字品質を得るための最良の手段であることが言える。
【0013】前述の従来技術で上記のノズルオリフィス
を実現できるのは、金属材料に関しては、放電加工、樹
脂材料に対しては、射出成形、及び特開平1−1080
56で開示されているエキシマレーザーを使う方法であ
る。
【0014】ところが、放電加工においては、加工寸法
が微細であり使用する刃具の消耗が激しい。射出成形も
同様に、精密な型精度を長期にわたり確保することがで
きない。
【0015】特開平1−108056で開示されている
エキシマレーザーを使う方法は、レーザー照射中に、レ
ーザーのパルスと連動した精密な揺れ運動を被加工材料
に与える必要がある。これは、エキシマレーザー照射面
が常に傾斜していることを示し、絶対的な照射エネルギ
ーが不均一になる。このため均一な加工が困難である。
このような複雑な工程は、安価かつ容易にノズル形成部
材を製造する方法とは言い難い。
【0016】
【課題を解決するための手段】このような課題を達成す
るために本発明においては、複数のノズルオリフィスを
持つノズル形成部材と、前記ノズルオリフィスと連通す
る圧力室と、前記圧力室に対応して配置されたインク液
滴発生手段とを備えたインクジェットヘッドの製造方法
においてレーザー光源の発光面からのレーザー光を平
凹円筒レンズにより一軸方向のみ拡散さ、マスク
より所定領域に絞ったレーザー光を集光用レンズにより
収光し、その非焦点領域を前記ノズル形成部材の前記圧
力室と連通する側の表面に照射し、前記レーザー光の焦
点面により前記ノズル形成部材のインク吐出側の面に真
円部を、また前記レーザー光の非焦点面により前記真円
部から前記圧力室側に連続的に変化する楕円部を同時に
形成するようにした。
【0017】
【実施例】図1に本発明を用いたノズル形成部材の製造
方法の一例の概念図を示す。図1に基づき、本発明につ
いて説明する。
【0018】本実施例で製造したノズル形成部材110
は、材質がポリイミドで、厚み0.1mmのフィルムを
使用した。ノズルプロフィールは、ノズル開口部100
が直径0.04mmの真円で、入口が短径0.04mm
×長径0.1mmの楕円である。
【0019】レーザー光発振装置1は、エキシマレーザ
ー装置である。本実施例で使用した装置は、ラムダ・フ
ィジック社製LPX−110iである。この装置で、K
rFガスを用い、波長248nmを50Hzで発光させ
た。レーザー光の出力部分11は、12×23mmの長
方形で、面発光で平行光を出力する。発光面11の大き
さは、高さ12mm×幅23mmである。
【0020】レーザー光は、発光面11から平行光とし
て出力される。発光面11から出力された光は、平凹円
筒レンズ2により、一軸方向のみ拡散される。平凹円筒
レンズ2を通過した光は、マスク3により、加工に必要
な光路のみに絞られる。その後、両凸レンズ4により縮
小、収光され、被加工物に照射される。
【0021】本実施例での構成を、更に詳しく述べる。
平凹円筒レンズ2は、焦点距離が−2000mmであ
る。従って、平凹円筒レンズから出力される光は、一軸
方向にのみ、角度にして0.3度拡散する。
【0022】マスク3はチタン−銅合金の、0.1mm
厚みの板により製作されている。材質としてチタン−銅
合金を選択したのは、熱伝導性がよく、レーザー光の長
期照射に耐えるからである。マスク3にはφ0.4mm
の真円のパターン31があいており、ここからレーザー
光が通過する。
【0023】マスク3から840mm離れた所に焦点距
離75.6mmの両凸レンズ4を置く。焦点面は次式に
より算出される。
【0024】75.6×840/(840−75.6)
≒83(単位mm) 即ち、レーザー光はレンズ4より約83mm離れた位置
で焦点を結ぶ。また、マスク3〜レンズ4距離Aと、レ
ンズ4〜焦点面距離Bの比率から縮小率が算出できる。
【0025】83/840≒0.1 従って、結像されたマスク3の像はマスク3の穴31の
0.1倍であり、φ0.04mmとなる。
【0026】ここで、レーザー光は平凹レンズ2により
一軸方向のみ広がっている。このため、焦点面よりレン
ズに近付くに従い、楕円断面を持つことになる。レンズ
4の主平面上での長径は次式により計算される。
【0027】0.4+(840×tan(0.3度)×
2)≒8.8(単位mm) レンズ4により収光された光路の持つ開き角度を長径側
α、短径側βとすると、 tanα=(8.8−0.04)/83/2 tanβ=(0.4−0.04)/83/2 であるから、α≒3度、β≒0.1度となる。これらよ
り、焦点面からレンズ4に近付いていく時の楕円直径が
算出できる。
【0028】本実施例では、焦点面にノズル開口部を合
わせた位置51から、0.47mmレンズに近付いた位
置50での光路断面が、短径0.04mm×長径0.1
mmの楕円となる。
【0029】加工手順は、被加工物を、楕円光路断面と
なる位置50に置き、エキシマレーザー光を70パルス
照射した。被加工物は、加工速度0.7μ/パルスで加
工され、深さ50μの楕円形状が形成された。その後、
焦点面に合わせた位置51に被加工物を移動し、更に8
0パルス照射した。これによりφ0.4mmのノズル開
口部を形成した。被加工物をピッチ送りしつつ、以上の
動作を繰り返すことで、ノズル形成部材を得た。
【0030】図2に本実施例により製造したノズル形成
部材110の断面を含む斜視図を示す。ノズル形成部材
110には、楕円光路断面となる位置50で加工したプ
ロフィール102と、焦点面に合わせた位置51で加工
したプロフィール101からなる、ノズルが加工されて
いる。また、ノズルのピッチは、180dpi即ち14
1μである。
【0031】図3にこのノズル形成部材を用いたインク
ジェットヘッドの一例の概念図を示す。固定板209に
圧力発生素子208が固定してある。圧力発生素子は本
実施例においては、積層圧電素子を用いている。
【0032】圧力発生素子208の先端は、流路基板2
02の振動板204に接合されている。流路基板202
の厚肉部212にノズル形成部材110が接合されてい
る。インクは、インクタンクより、パイプ255を通じ
流路基板202の流路207に導かれ、供給口206を
通り、振動板204とノズル形成部材110の間に充填
される。
【0033】駆動回路220により駆動信号が与えられ
ると、圧力発生素子208は、振動板204を振動さ
せ、インク圧力を高める。これにより、ノズル開口部1
00よりインク滴が吐出される。
【0034】吐出されるインク液滴は、0.08μcc
である。また、図2のノズル形成部材のノズル体積を算
出すると、約0.3μccである。
【0035】本発明のノズル形成部材を用いたこのイン
クジェットヘッドは、ノズル体積が大きいため、インク
吐出後のインク液のメニスカスが安定し、気泡を引き込
むことがない。このため、従来より安定した飛翔特性を
得られるようになった。
【0036】図4に本発明を用いた他の実施例を示す。
基本的な構成は、前記の実施例と同様である。マスク3
は、φ0.4mmのパターン31を持つ。また、レンズ
41として、焦点距離25.4mmの両凸レンズを用い
ている。
【0037】マスク3〜レンズ41までの距離AAは1
300mm、レンズ4〜焦点面までの距離BBは12.
8mmである。この光学系の縮小率は1/100であ
り、前述の角度α、βはそれぞれ17度、5度となる。
【0038】前実施例と同じく、被加工物として厚み
0.1mmのポリイミドフィルムを用いた。被加工物を
ノズル開口部100を焦点面に一致させた位置61に置
いたとき、被加工物内部での光路は、入口が、短径0.
06mm×長径0.1mmの楕円で、出口がφ0.4m
mの真円となる。
【0039】加工手順は、焦点面に合わせた位置61に
置いた被加工物に対し、レーザー光を150パルス照射
する。これにより、楕円から真円に連続的に変化する断
面を持つノズルオリフィスが加工できた。これを、被加
工物をピッチ送りしつつ繰り返すことで、ノズル形成部
材を得た。
【0040】図5に本実施例によるノズル形成部材の断
面を含む斜視図を示す。ノズル体積は約0.3μccで
ある。このノズル形成部材を、やはり、図3で示したイ
ンクジェットヘッドに使用した。このインクジェットヘ
ッドも前記実施例と同様に、安定したインク滴の飛翔を
得ることができた。
【0041】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、高
密度配列に適した圧力室側が楕円で、インク滴吐出側が
真円のノズルオリフィスを同時に形成することができ、
コストの低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のノズル形成部材の製造方法の一例の概
念図。
【図2】本発明の実施例により製造されたノズル形成部
材の断面を含む斜視図。
【図3】本発明により製造されたノズル形成部材を用い
たインクジェットヘッドの構成を示す概念図。
【図4】本発明の他の実施例を示す概念図。
【図5】本発明の他の実施例により製造されたノズル形
成部材の断面を含む斜視図。
【図6】従来の方法で製造されたノズル形成部材を使用
した、インクジェットヘッドの主要断面図。
【符号の説明】
1 エキシマレーザー装置 11 レーザー光出力面 2 平凹円筒レンズ 3 マスク 31 マスクのパターン 4 両凸レンズ 51、61 焦点面にノズル開口部を合わせた被加工
物の位置 100 ノズル開口部 110 本発明の製造方法によるノズル形成部材 101 従来の製造方法によるノズル形成部材 202 流路基板 204 振動板 205 圧力室 206 インク供給口 207 インク流路 208 圧力発生素子 209 固定板 210 ケース 212 流路基板厚肉部分 220 圧力発生素子駆動回路 255 インク供給パイプ 301 インク液滴 401 気泡
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B41J 2/135 B23K 26/00

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 複数のノズルオリフィスを持つノズル形
    成部材と、前記ノズルオリフィスと連通する圧力室と、
    前記圧力室に対応して配置されたインク液滴発生手段と
    を備えたインクジェットヘッドの製造方法において、 レーザー光源の発光面からのレーザー光を平凹円筒レン
    ズにより一軸方向にのみ拡散させ、マスクにより所定領
    域に絞ったレーザー光を集光用レンズにより収光し、そ
    の非焦点領域を前記ノズル形成部材の前記圧力室と連通
    する側の表面に照射し、前記レーザー光の焦点面により
    前記ノズル形成部材のインク吐出側の面に真円部を、ま
    た前記レーザー光の非焦点面により前記真円部から前記
    圧力室側に連続的に変化する楕円部を同時に形成するこ
    とを特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。
  2. 【請求項2】 前記ノズル形成部材を一定ピッチで移動
    させて複数の前記ノズルオリフィスを形成する請求項1
    に記載のインクジェットヘッドの製造方法。
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