JP3603067B2

JP3603067B2 - インクジェット記録ヘッド構造体

Info

Publication number: JP3603067B2
Application number: JP2001376609A
Authority: JP
Inventors: 剛久比嘉; 章雄湯口
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2001-12-11
Filing date: 2001-12-11
Publication date: 2004-12-15
Anticipated expiration: 2021-12-11
Also published as: JP2003175607A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インクジェット方式の記録装置に搭載されるインクジェット記録ヘッド構造体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、記録紙にカラーの文字や画像を印刷する手段としてインクジェット方式の記録装置が用いられているが、近年、画像出力の高精度化とともに、印字密度の高密度化が求められるようになっている。
【０００３】
ところで、インクジェット方式の記録装置に搭載されるインクジェット記録ヘッドには、インク滴を記録紙に向けて吐出、飛翔させる加圧機構として、発熱抵抗体の発する熱エネルギーを利用したものや、圧電素子の変形を利用したもの、さらには電磁波の照射に伴って発生する熱を利用したもの等がある。
【０００４】
例えば、加圧機構として発熱抵抗体の熱エネルギーを利用したインクジェット記録ヘッド構造体としては、図４（ａ）（ｂ）に示す如く、複数のインク室２４を有し、各インク室２４内にインクを加圧するための発熱抵抗体２５を備えた流路部材２３と、上記各インク室２４と連通するインク吐出孔２８を備えたノズル板２９とからなるインクジェット記録ヘッド２２と、このインクジェット記録ヘッド２２を支持し、かつ上記流路部材２３のインク室２４と連通するインク供給穴３１を有するセラミック製の支持部材３０とからなり、上記インク供給穴３１は、インクジェット記録ヘッド側に開口する、中央に向かって深くなる傾斜底面３３を備えた長穴３２と、これに連通する小径穴３４とから構成したものがあった。
【０００５】
そして、このインクジェット記録ヘッド構造体２１を用いて記録紙に印刷するには、インク供給穴３１よりインク室２４にインクを供給した状態で、発熱抵抗体２５を発熱させてインク室２４内に気泡を発生させることによりインク室２４内のインクを加圧し、インク吐出孔２８よりインク滴を吐出させることにより記録紙に印刷するようになっていた（特開２００１−１３０００４号公報参照）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、発熱抵抗体２５の発する熱エネルギーを利用したインクジェット記録ヘッド構造体２１では、発熱抵抗体２５を発熱させることによりインク室２４内に発生させた気泡の一部が切れる気泡切れが発生し、切り離された微小気泡がインク室２４やインク供給穴３１に滞留するのであるが、インク滴の連続吐出に伴って発生した微小気泡が合わさって一体となったり、あるいは新たに発生させた気泡と合わさって大きな気泡となると、インク室２４内の加圧力が変化し、その結果、インク吐出孔２８より吐出されるインク滴の吐出量が変化して印刷精度に悪影響を与えるといった課題があった。
【０００７】
また、残留した微小気泡がインク供給穴３１内に停滞し、他の微小気泡と合わさってより大きな気泡となって残ると、インク供給穴３１内でのインクの流れが阻害され、インク滴の吐出不良を招き、著しい画像の濃度ムラや白ヌケ等が発生し、印刷精度を低下させるといった課題もあった。
【０００８】
また、画質の高精度化に伴って小さな孔径を有するインク吐出孔２８を備えたものが用いられるようになっているが、上記支持部材３０のインク供給穴３１は一般的にブラスト加工や研削加工等によって製作されるため、特に長穴３２の傾斜底面３３に開口する気孔や凹部には加工屑やゴミ等が入り込んでおり、これらの加工屑やゴミ等は洗浄処理を施しても十分に除去することができず、そのまま使用するとインク供給穴３１にインクを供給した際に、傾斜底面３３に開口する気孔や凹部に入り込んでいた加工屑やゴミ等がインク中に流出し、インク吐出孔２８を目詰まりさせるといった恐れもあった。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明は上記課題に鑑み、複数のインク室を有し、各インク室内のインクを加圧するための加圧機構を備えた流路部材と、上記各流路と連通するインク吐出孔を備えたノズル板とからなるインクジェット記録ヘッドと、インクジェット記録ヘッドを支持し、かつ上記流路部材のインク室と連通するインク供給穴を有するセラミック製の支持部材とからなるインクジェット記録ヘッド構造体において、上記インク供給穴を、インクジェット記録ヘッド側に開口する、中央に向かって深くなる傾斜底面を備えた長穴と、これに連通する小径穴とから構成するとともに、上記インク供給穴の少なくとも傾斜底面の表面粗さを算術平均粗さ（Ｒａ）で０．４〜１．０μｍ、ボイド率を５〜３０％としたことを特徴とする。
【００１０】
また、上記長穴の傾斜底面は焼成したままの表面とするか、あるいは長穴の傾斜底面にアニール処理を施すことが好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【００１２】
図１は本発明のインクジェット記録ヘッド構造体の一例を示す図で、（ａ）はその斜視図、（ｂ）は一部を破断した斜視図である。また、図２は本発明のインクジェット記録ヘッド構造体の一例を示す分解斜視図であり、図３は図１（ａ）のＸ−Ｘ線断面図、（ｂ）は図１（ａ）のＹ−Ｙ線断面図である。
【００１３】
このインクジェット記録ヘッド構造体１は、複数のインク室４を有し、各インク室４内にインクを加圧するための発熱抵抗体５を備えた流路部材３と、上記各インク室４と連通するインク吐出孔８を備えたノズル板９とからなるインクジェット記録ヘッド２と、インクジェット記録ヘッド２を支持し、かつ上記流路部材３のインク室４と連通するインク供給穴１１を有するセラミック製の支持部材１０とからなる。
【００１４】
インクジェット記録ヘッド２を形成する流路部材３は、例えばシリコン基板に複数本の段付き溝６を並設してなり、段付き溝６の段差部７に複数個の発熱抵抗体５を所定の間隔で並設したもので、各発熱抵抗体５と対向する位置にインク吐出孔８が位置するように流路部材３上にノズル板９を配置することによりインクジェット記録ヘッド２を構成してある。
【００１５】
また、支持部材１０は、セラミック板にインクジェット記録ヘッド２の各インク室４と連通する複数本のインク供給穴１１を穿設したもので、各インク供給穴１１は、インクジェット記録ヘッド側に開口する、中央に向かって深くなる傾斜底面１３を有する長穴１２と、インクジェット記録ヘッド２と反対側に開口し、上記長穴１２と連通する小径穴１４とからなる。
【００１６】
支持部材１０を形成するセラミックスとしては、特に限定するものではなく、アルミナ質焼結体、ジルコニア質焼結体、窒化珪素質焼結体、炭化珪素質焼結体、ムライト質焼結体、フォルステライト質焼結体、ステアタイト質焼結体、コージライト質焼結体等のセラミック焼結体、あるいは単結晶サファイアを用いることができ、これらの中でも安価に製造することが可能なアルミナ質焼結体により形成することが好ましい。
【００１７】
そして、このインクジェット記録ヘッド構造体１を用いて記録紙に印刷するには、インク供給穴１１よりインク室４にインクを供給した状態で、発熱抵抗体５を発熱させてインク室４内に気泡を発生させることによりインク室４内のインクを加圧し、インク吐出孔８よりインク滴を吐出させることにより記録紙に印刷するようになっており、本発明によれば、インク供給穴１１のインクジェット記録ヘッド側を、中央に向かって深くなる傾斜底面１３を有する長穴１２としてあることから、インクジェット記録ヘッド２よりインク滴を吐出した際に発生する圧力波をインク供給穴１１の長穴１２で分散させることができるため、次のインク滴の吐出にあたり、圧力波の反射波がインク室４内に戻り、次のインク滴の吐出に悪影響を与えることを効果的に防止することができるため、インク滴の吐出間隔を短くすることができ、印刷時間を短縮することができる。
【００１８】
また、発熱抵抗体５を発熱させることにより、インク室４内に発生させた気泡の一部が切れる気泡切れが発生し、切り離された微小気泡がインク室４やインク供給穴１１に滞留するのであるが、長穴１２の底面は中央に向かう傾斜面１３としてあることから、インク供給穴１１内に滞留する微小気泡を傾斜底面１３に沿って移動させ、小径穴１４よりインクタンク側へ効率良く逃がすことができる。その為、インク供給穴１１内に気泡が滞留することを効果的に防止し、インク供給穴１１内を流れるインクに悪影響を与えたり、新たなインク滴の吐出時に発生させる気泡に悪影響を与えることがないため、所定量のインク滴を安定して吐出させることができる。
【００１９】
ところで、インク供給穴１１の少なくとも傾斜底面１３の表面粗さは算術平均粗さ（Ｒａ）で０．４〜１．０μｍとするとともに、ボイド率を５〜３０％とすることが好ましい。
【００２０】
即ち、傾斜底面１３の表面粗さが算術平均粗さ（Ｒａ）で０．４μｍより小さくなったり、ボイド率が５％より小さくなると、インクとの濡れ性が悪くなるため、インク供給穴１１内でのインクの流れが停滞することにより、微小気泡もインク供給穴１１内に停滞し易くなるからであり、逆に傾斜底面１３の表面粗さが算術平均粗さ（Ｒａ）で１．０μｍより大きくなったり、ボイド率が３０％より大きくなると、インクとの濡れ性は良くなるものの、傾斜底面１３に存在するボイドや凹部に微小気孔が引っかかり、インク供給穴１１内に停滞し易くなるからである。
【００２１】
このような支持部材１０を製造する方法としては、焼結されたセラミック板にブラスト加工や研削加工を施すことによっても製作することができるが、好ましくはインク供給穴１１を有するセラミック成形体を一軸加圧成形法によって一体的に成形したものを焼成することによって製作したものを用いることが好ましい。
【００２２】
即ち、ブラスト加工や研削加工によって製造したものでは、加工屑等がインク供給穴１１の表面に開口する凹部やボイドに入り込み、このような研削粉は洗浄作業を施しても完全には除去することができず、インクジェット記録ヘッド２の吐出時にインク内に浮遊し、これがインク室４に供給されるとインク吐出孔８の目詰まりを起こす原因となるからで、一軸加圧成形法によってインク供給穴１１を一体的に成形するとともに、予めインク供給穴１１を形成する金型の表面を滑らかに仕上げておくことにより、焼成直後のインク供給穴１１の少なくとも傾斜底面１３における表面粗さを算術平均粗さ（Ｒａ）で０．４〜１．０μｍとすることができ、新たに研磨加工等を施す必要がなく、インク吐出孔８を目詰まりさせるような加工屑等の発生を効果的に防止することができる。その為、インク供給穴１１の少なくとも傾斜底面１３は焼成したままの表面とすることが好ましい。
【００２３】
なお、焼成したままの表面とは、焼結後にはインク供給穴１１の少なくとも傾斜底面１３に研削加工や研磨加工等の加工を施していない表面のことであり、焼成したままの表面であるとは、走査電子顕微鏡で１万倍に拡大して観察した時に見られる傾斜表面１３に露出する結晶粒子が丸みを帯びているものを言う。
【００２４】
さらに、焼成後にアニール処理を施しても良く、例えば、焼結助材として添加するシリカやマグネシアなどのガラス成分を含むセラミック焼結体の場合、１１００〜１８００℃の温度にてアニール処理を施すことにより、結晶粒界のガラス成分が融解して表面の結晶粒子を保持し、結晶粒子の脱落を防止することができるため、インク吐出孔８を目詰まりさせる原因となるパーティクルの発生をより一層低減することができる。なお、アニール処理を施した表面であるとは、走査電子顕微鏡で１万倍に拡大して観察した時に見られる傾斜表面１３に露出する結晶粒子が丸みを帯びているものを言い、また、非酸化物系セラミックスをアニール処理した場合、結晶粒子の表面に主成分の酸化物からなる凝集体又は主成分の酸化膜が形成されていることからも確認することがきる。
【００２５】
また、インク供給穴１１の少なくとも傾斜底面１３におけるボイド率を５〜３０％とするには、セラミック原料の種類や粒径あるいは成形圧や焼成温度等を適否調整することにより設定することができる。
【００２６】
例えば、支持部材１０をアルミナ純度が９０％以上であるアルミナ質焼結体により製作する場合、インク供給穴１１を形成する金型の表面粗さを算術表面粗さ（Ｒａ）で０．０５以下としたものを用い、６０〜１００ＭＰａの成形圧力で一軸加圧成形した後、１５００〜１８００℃の温度で焼成することにより、インク供給穴１１の焼成後の傾斜底面を算術平均粗さ（Ｒａ）で０．４〜１．０μｍ、ボイド率を５〜３０％に制御することができる。
【００２７】
以上、本発明の実施形態について示したが、本発明は上述した実施形態だけに限定されるものではなく、例えば、インクジェット記録ヘッド２の加圧機構として発熱抵抗体５の発する熱エネルギーを利用したものを例にとって示したが、圧電素子の変形を利用したものや電磁波の照射に伴って発生する熱を利用したものでも良く、本発明の要旨を逸脱しない範囲で改良したものや変更したものにも適用できることは言う迄もない。
【００２８】
【実施例】
（実施例１）
ここで、図１乃至図３に示すインクジェット記録ヘッド構造体１に備える支持部材１０のインク供給穴１１の傾斜底面１３における表面粗さ及びボイド率を異ならせた時の特性について調べる実験を行った。
【００２９】
支持部材１０は、一軸加圧成形法によってアルミナ純度が９６％のアルミナ質焼結体により形成し、インク供給穴１１の傾斜底面１３における表面粗さは、金型の面粗さを異ならせることにより調整し、インク供給穴１１の傾斜底面１３におけるボイド率は、成形圧力を異ならせることにより調整した。
【００３０】
そして、得られた各流路部材３のインク供給穴１１の傾斜底面１３におけるインクとの濡れ性を調べることにより微小気泡の停滞のし易さを評価した。
【００３１】
インクとの濡れ性については、傾斜底面１３にインクジェットプリンタ用の黒インクをスポイトにて滴下した時に、インクが水滴状に残る場合を濡れ性が悪いとし、表１に「×」として示し、滴下したインクが表面に馴染んで広がった場合を濡れ性が良いとし、表１に「○」として示した。
【００３２】
また、表面粗さの測定は、先端の曲率半径が１０μｍである触針を有する接触式表面粗さ計にて算術平均粗さ（Ｒａ）を測定し、ボイド率の測定は、傾斜底面１３を鏡面加工し、ニレコ製ＬＵＺＥＸ−ＦＳ画像解析装置を用いて、顕微鏡倍率２００倍、測定ポイント１０ヶ所、測定面積１０．０×１０^３μｍ^２条件にて画像解析して測定した。
【００３３】
結果は表１に示す通りである。
【００３４】
【表１】

【００３５】
この結果、試料Ｎｏ．３〜１０のように、傾斜底面１３の表面粗さを算術平均粗さ（Ｒａ）で０．４μｍ以上、ボイド率５％以上とすることによりインクとの濡れ性を高めることができ、気泡の停滞を大幅に低減できることが判る。
（実施例２）
次に、実施例１における粉末成形の成形圧力を１２０ＭＰａとして成形した後、焼成し、次いでブラスト加工にて傾斜底面１３の表面粗さとボイド率を制御し、その後、アニール温度を８００℃〜１８００℃の範囲に設定して再焼成した時のパーティクルの発生状況について調べる実験を行った。
【００３６】
また、実施例１における粉末成形の成形圧力を８５ＭＰａとして成形した後、焼成したままの表面についても同様に調べた。
【００３７】
なお、バーティクル数の測定は、流路部材１０を１５０ｍｌの純水中に浸し、出力５０ｋＨｚ、１８０Ｗにて１分間超音波洗浄した後、流路部材１０を取り出し、洗浄水中に残った１μｍ以上のパーィクル数をパーティクルカウンタにて計測することにより測定した。
【００３８】
結果は表２に示す通りである。
【００３９】
【表２】

【００４０】
この結果、流路部材１０のインク供給穴１１を焼成したままの表面又はアニール処理を施すことにより、パーティクル数を低減することができ、特にアニール処理温度を高くすることによりパーティクルの発生数を抑えられることが判る。これはアニール処理温度を高くすることにより、結晶粒界のガラス成分が融解して表面の結晶粒子を保持し、結晶粒子の脱落を防止することが高まったからであると思われる。また、試料Ｎｏ．２２のように傾斜底面を焼成したままの面とすることによってもパーティクルの発生を効果的に防止できることが判った。
【００４１】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、複数のインク室を有し、各インク室内のインクを加圧するための加圧機構を備えた流路部材と、上記各流路と連通するインク吐出孔を備えたノズル板とからなるインクジェット記録ヘッドと、インクジェット記録ヘッドを支持し、かつ上記流路部材のインク室と連通するインク供給穴を有するセラミック製の支持部材とからなるインクジェット記録ヘッド構造体において、上記インク供給穴は、そのインクジェット記録ヘッド側に開口する、中央に向かって深くなる傾斜底面を有する長穴と、これに連通する小径穴とから構成するとともに、上記インク供給穴の少なくとも傾斜底面の表面粗さを算術平均粗さ（Ｒａ）で０．４〜１．０μｍ、ボイド率を５〜３０％としたことによって、インク滴の吐出後に発生した圧力波をインク供給孔内で拡散させることができるとともに、インク滴の吐出時に発生させる気泡に気泡切れが発生し、微小気泡がインク供給孔内に入り込んだとしてもインク供給孔内に停滞することを防止し、小径孔よりインクタンク側へ逃がすことができるため、次のインク滴を吐出するのに発生させる気泡に悪影響を与えることがなく、所定量のインク滴を安定してインク吐出孔より吐出することができ、高画質の印刷を行うことができるとともに、インク滴の吐出間隔を短くすることができるため、印刷時間を短縮することができる。
【００４２】
また、上記長穴の傾斜底面を焼成したままの表面とするか、あるいはアニール処理を施した表面とすることにより、インク供給穴に付着するパーティクルのインクへの浮遊量を低減することができるため、インク吐出孔の目詰まりを効果的に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のインクジェット記録ヘッド構造体の一例を示す図で、（ａ）はその斜視図、（ｂ）は一部を破断した斜視図である。
【図２】本発明のインクジェット記録ヘッド構造体の一例を示す分解斜視図である。
【図３】（ａ）は図１（ａ）のＸ−Ｘ線断面図、（ｂ）は図１（ａ）のＹ−Ｙ線断面図である。
【図４】従来のインクジェット記録ヘッド構造体を示す図で、（ａ）は正面から見た断面図であり、（ｂ）は側面から見た断面図である。
【符号の説明】
１：インクジェット記録ヘッド構造体
２：インクジェット記録ヘッド
３：流路部材
４：インク室
５：発熱抵抗体
６：段付き溝
７：段差部
８：インク吐出孔
９：ノズル板
１０：支持部材
１１：インク供給穴
１２：長穴
１３：傾斜底面
１４：小径孔

Claims

複数のインク室を有し、各インク室内のインクを加圧するための加圧機構を備えた流路部材と、上記各インク室と連通するインク吐出孔を備えたノズル板とからなるインクジェット記録ヘッドと、該インクジェット記録ヘッドを支持し、かつ上記流路部材のインク室と連通するインク供給穴を有するセラミック製の支持部材とからなるインクジェット記録ヘッド構造体において、上記インク供給穴は、インクジェット記録ヘッド側に開口する、中央に向かって深くなる傾斜底面を備えた長穴と、該長穴と連通する小径穴とからなり、上記インク供給穴の少なくとも傾斜底面の表面粗さが算術平均粗さ（Ｒａ）で０．４〜１．０μｍで、かつボイド率が５〜３０％であることを特徴とするインクジェット記録ヘッド構造体。
上記傾斜底面が焼成したままの表面であることを特徴とする請求項１に記載のインクジェット記録ヘッド構造体。
上記傾斜底面にはアニール処理が施してあることを特徴とする請求項１に記載のインクジェット記録ヘッド構造体。