JP4277810B2 - ノズルプレートの製造方法及びノズルプレート - Google Patents

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Description

本発明は、インクを吐出するノズル孔を備えたノズルプレートの製造方法及びノズルプレートに関する。
インクジェットヘッドは、多数のノズル孔を有するノズルプレートを備えており、これら多数のノズル孔から記録媒体に対してインクが吐出されるように構成されている。このようなノズルプレートの製造方法としては、例えば、ステンレス製の平板状の金属プレートをポンチ(パンチ)で突いて表面に中空状の凸部(隆起部)を形成した後、金属プレートの表面を平らにするように凸部をすべて除去し、金属プレートにノズル孔を形成する方法が知られている(特許文献1参照)。
特開2004−160786号公報
上述した特許文献1に記載のノズルプレートの製造方法において、金属プレートの表面にポンチで形成された凸部は機械的に研削して除去している。このような微細なノズル孔を形成するための研削方法としては、例えば、公知のラップ・ポリッシュ加工が適用されている。つまり、凸部が形成された金属プレートの表面が回転可能なラップ盤の研削面に対向するように金属プレートを支持し、その金属プレートとラップ盤とを回転させた状態で金属プレートの表面とラップ盤の研削面との間に遊離砥粒を含むスラリーを供給しながら金属プレートをラップ盤に対して加圧する。これにより、スラリー中の遊離砥粒が徐々に凸部を削り取っていき、金属プレートの表面を平らにしつつノズル孔を形成する。しかし、加工が進んで凸部の根元部分を研削するようになると、研削面に置かれた研磨布の変形により、金属プレートの研削面と対向する面の全体が同時に研削されるようになる。そのため、凸部を根元部分まで研削するためには、その先端部分を研削する時間に比べて大幅に長い時間がかかるようになる。また、遊離砥粒や研磨布はノズル孔内にも入り込むので、この長時間の研削によりノズル孔のインク出口周縁も削り取られてしまう。つまり、インク出口の角部が丸くなってしまう、所謂ダレた形態が顕在化するようになってしまう。
そこで、本発明の目的は、ノズル孔のインク出口周縁のダレを抑制することが可能なノズルプレートの製造方法及びノズルプレートを提供することである。
課題を解決するための手段及び発明の効果
本発明のノズルプレートの製造方法は、インクを吐出するノズル孔が形成されたノズルプレートの製造方法において、金型に備えられたパンチで金属プレートの第1の表面を押圧することによって、前記第1の表面に対向する前記金属プレートの第2の表面よりも前記第1の表面から離れた領域を有する凹部の先端近傍を取り囲むように前記第2の表面から隆起した隆起部を前記金属プレートに形成する隆起部形成工程と、前記第2の表面よりも前記第1の表面から離れた位置に開口を有するノズル孔が形成されるように、前記隆起部を前記第2の表面と平行に機械加工することによって前記隆起部の一部を除去する機械加工工程とを備え、前記隆起部形成工程において、前記隆起部が、外周側面が前記第2の表面に近づくにつれて前記第2の表面に対してなだらかに傾斜するように形成され、前記機械加工工程において、前記隆起部の一部が、前記第2の表面に対して前記外周側面が鋭角で交差する根元部分を残して除去される
これによると、隆起部形成工程で金属プレートに凹部を形成したときに形成される隆起部を、機械加工工程ですべて除去せずに一部だけを機械加工により除去しているので、ノズルプレートの製造時間が短くなり、かかる製造時間に起因したノズル孔のインク出口周縁のダレの発生が抑制される。そのため、ノズル孔からインク滴を吐出したときに、インク滴のテールが曲がりにくくなる。したがって、ノズル孔のインク吐出方向が安定し、画質の劣化を防止することができる。また、ワイパーなどで表面に付着したインクなどを拭き取る場合、ワイパーが金属プレートの第2の表面上の隆起部に差し掛かったときに、ワイパーが隆起部に引っ掛からずにスムーズに移動するノズルプレートを製造することができる。そのため、ワイパーの損耗を小さくすることができる。また、ノズル孔のインク出口周囲のインクを確実に拭き取ることが可能なノズルプレートとなる。
本発明において、前記機械加工工程後に、光硬化性樹脂を前記ノズル孔の先端近傍内に充填しつつ前記金属プレートの前記第2の表面に積層させる光硬化性樹脂積層工程と、前記金属プレートの前記第1の表面からノズル孔を通して前記光硬化性樹脂に対して光を照射して光硬化性樹脂を硬化させることにより、前記光硬化性樹脂に、前記ノズル孔の先端の内径に等しい柱状硬化部を形成する硬化工程と、前記光硬化性樹脂のうちの前記柱状硬化部以外の部分を除去する未硬化部除去工程と、前記ノズル孔の先端近傍に前記柱状硬化部が残された状態で前記金属プレートの前記第2の表面に電解メッキ法で撥水膜を形成する撥水膜形成工程とをさらに備えていることが好ましい。これによると、ノズル孔のインク出口周縁のダレの発生が抑制された金属プレートの第2の表面に光硬化性樹脂を積層し、光を照射してノズル孔の先端近傍に柱状硬化部を形成しているので、ノズル孔の先端の内径に等しい柱状硬化部を形成することができる。そして、柱状硬化部で覆われた部分を除く金属プレートの第2の表面に撥水膜を形成することで、ノズル孔のインク出口周縁の撥水膜の形状が安定した形状になる。そのため、画質の劣化を防止することができるとともに、金属プレートの表面にインクなどが付着しにくくなって、インク滴の吐出方向が安定する。
また、本発明においては、前記撥水膜形成工程において、前記隆起部の形状に沿って湾曲した撥水膜を形成することが好ましい。
また、本発明においては、前記隆起部形成工程において、前記凹部と前記金属プレートの前記第1の表面との境界がアール形状になるように前記凹部を前記金属プレートに形成することが好ましい。これにより、第1の表面側からノズル孔内にインクがスムーズに流入するノズルプレートを製造することができる。
また、本発明において、前記機械加工工程において、前記隆起部がラップ・ポリッシュ加工により形成されていることが好ましい。これによると、ラップ・ポリッシュ加工で隆起部の一部を研削しているので、その研削時間が隆起部のすべてを研削するよりも短くなる。そのため、研削時に研削面に投入する遊離砥粒や研磨布がノズル孔の先端内に入り込んでノズル孔のインク出口周縁にダレを生じさせるのを抑制することができる。
本発明のノズルプレートは、パンチを有する金型を用いたプレス加工によってインクを吐出するノズル孔が形成されたノズルプレートにおいて、前記パンチで押圧される前記金属プレートの第1の表面に対向する前記金属プレートの第2の表面には隆起部が形成されており、前記隆起部は、外周側面が、前記第2の表面に近づくにつれて前記第2の表面に対してなだらかに傾斜し、且つ、前記外周側面の全体が、前記第2の表面に対して鋭角で交差しており、前記ノズル孔の開口が、前記隆起部内に設けられている。
これにより、ノズル孔のインク出口(開口)周縁のダレが抑制されたノズルプレートとなる。そのため、ノズル孔からインク滴を吐出したときに、インク滴のテールが曲がりにくくなる。したがって、ノズル孔のインク吐出方向が安定し、画質の劣化を防止することができる。また、ワイパーなどで表面に付着したインクなどを拭き取る場合、ワイパーが金属プレートの第2の表面上の隆起部に差し掛かったときに、ワイパーが隆起部に引っ掛からずにスムーズに移動するので、ワイパーの損耗を小さくすることができる。また、ノズル孔のインク出口周囲のインクを確実に拭き取ることができる。
本発明において、前記金属プレートの前記第2の表面には、撥水膜が形成されていることが好ましい。これにより、金属プレートの表面にインクなどが付着しにくくなる。そのため、ノズル孔から吐出させるインクの吐出方向が乱れにくくなる。
また、本発明において、前記撥水膜が、前記隆起部の形状に沿って湾曲していることが好ましい。
また、本発明において、前記ノズル孔と前記金属プレートの前記第1の表面との境界が、アール形状であることが好ましい。これにより、第1の表面側からノズル孔内にインクがスムーズに流入する。
また、本発明において、前記ノズル孔が、円錐台形状の内面を有し最大径端が前記金属プレートの前記第1の表面に繋がるテーパ孔部と、前記テーパ孔部の最小径端と繋がり前記最小径端から前記隆起部の先端面に至るまでの内径が徐々に減少する曲面状の内面を有する曲面孔部とからなることが好ましい。これにより、ノズル孔において、金属プレートの第1の表面から第2の表面にかけてインクがスムーズに流れる。そのため、インクの吐出方向がより安定する。
また、本発明において、前記ノズル孔が、円錐台形状の内面を有し最大径端が前記金属プレートの前記第1の表面に繋がる第1テーパ孔部と、円錐台形状の内面を有し最大径端の内径が前記第1テーパ孔部の最小径端の内径よりも小さく且つ最小径端が前記隆起部の先端面と繋がる第2テーパ孔部と、前記第1テーパ孔部の前記最小径端と前記第2テーパ孔部の前記最大径端とを繋ぎ前記第1テーパ孔部の前記最小径端から前記第2テーパ孔部の前記最大径端に至るまでの内径が徐々に減少する曲面状の内面を有する曲面孔部とからなることが好ましい。これにより、第1テーパ孔部、曲面孔部及び第2テーパ孔部を通ってインクが外部に吐出するときに、第1テーパ孔部で絞られたインクがさらに第2テーパ孔部で絞られるので、インク吐出速度が速められる。加えて、第1テーパ孔部と第2テーパ孔部とが曲面孔部によって繋がれているので、第1テーパ孔部から第2テーパ孔部にインクがスムーズに流動する。そのため、インクの吐出方向がより安定する。
また、本発明において、前記ノズル孔が、円錐台形状の内面を有し最大径端が前記金属プレートの前記第1の表面に繋がるテーパ孔部と、円柱形状の内面を有し一端が前記隆起部の先端面に繋がり他端が前記テーパ孔部の最小径端と繋がるストレート孔部とからなることが好ましい。これにより、テーパ孔部からストレート孔部を通ってインクが外部に吐出するときに、テーパ孔部内のインクがストレート孔部で絞られることになり、インク吐出速度が速められる。
また、本発明において、前記ノズル孔が、円錐台形状の内面を有し最大径端が前記金属プレートの前記第1の表面に繋がるテーパ孔部と、円柱形状の内面を有し一端が前記隆起部の先端面に繋がるストレート孔部と、前記テーパ孔部の最小径端と前記ストレート孔部の他端とを繋ぎ前記テーパ孔部の前記最小径端から前記ストレート孔部の他端に至るまでの内径が徐々に減少する曲面状の内面を有する曲面孔部とからなることが好ましい。これにより、テーパ孔部からストレート孔部を通ってインクが外部に吐出するときに、テーパ孔部内のインクがストレート孔部で絞られることになり、インク吐出速度が速められる。
加えて、テーパ孔部からストレート孔部にインクがスムーズに流動する。そのため、インクの吐出方向がより安定する。
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
図1は、本発明の第1実施形態によるノズルプレートが採用されたインクジェットヘッドの外観斜視図である。図2は、図1のII−II線に沿った断面図である。インクジェットヘッド1は、図1に示すように、用紙に対してインクを吐出するための主走査方向に延在した矩形平面形状を有するヘッド本体70と、ヘッド本体70の上方に配置され且つ2つのインク溜まり3が形成されたベースブロック71とを備えている。
ヘッド本体70は、図2に示すように、インク流路が形成された流路ユニット4と、流路ユニット4の上面にエポキシ系の熱硬化性接着剤によって接着された複数のアクチュエータユニット21とを含んでいる。また、アクチュエータユニット21の上面には、フレキシブルプリント配線板(FPC:Flexible Printed Circuit)50が接合され左又は右に引き出されるとともに、FPC50が図2中において屈曲しながら上方に引き出されている。
図3は、ヘッド本体70を上面から見た平面図である。図3に示すように、流路ユニット4は、主走査方向に延在した矩形平面形状を有している。図3において、流路ユニット4内に設けられたマニホールド流路5が破線で描かれている。マニホールド流路5には、ベースブロック71のインク溜まり3に貯溜されていたインクが複数の開口3aを通じて供給される。マニホールド流路5は、流路ユニット4の長手方向(主走査方向)と平行に延在する複数の副マニホールド流路5aに分岐している。
流路ユニット4の上面には、平面形状が台形である4つのアクチュエータユニット21が、開口3aを避けるように、千鳥状で2列に配列され接着されている。各アクチュエータユニット21は、その平行対向辺(上辺及び下辺)が流路ユニット4の長手方向に沿うように配置されている。複数の開口3aは流路ユニット4の長手方向に沿って2列に配列されており、各列5個、計10個の開口3aがアクチュエータユニット21と干渉しない位置に設けられている。これらの開口3aは全体として、アクチュエータユニット21と同様に千鳥状に配置されている。そして、隣接するアクチュエータユニット21の斜辺同士が、流路ユニット4の幅方向(副走査方向)に部分的にオーバーラップしている。
ヘッド本体70の底面であって、微小径を有するノズル8が配列されたインク吐出面70aには、アクチュエータユニット21の接着領域に対応する領域ごとに多数のノズル(ノズル孔)8がマトリクス状に配列されて、インク吐出領域が形成されている。アクチュエータユニット21に対向する流路ユニット4の上面には、多数の圧力室10(図5参照)がマトリクス状に配列された圧力室群9が形成されている。言い換えると、アクチュエータユニット21は、圧力室群9を構成する多数の圧力室10に跨る寸法を有している。また、アクチュエータユニット21、圧力室群9及び個別のインク吐出領域は互いに相似の外形形状を有している。
図2に戻って、ベースブロック71は、例えばステンレスなどの金属材料からなる。ベースブロック71内のインク溜まり3は、ベースブロック71の長手方向に沿って延在する略直方体の中空領域である。インク溜まり3は、その一端に設けられた開口(図示せず)を通じて外部に設置されたインクタンク(図示せず)からインクが供給され、常にインクで満たされている。インク溜まり3には、インクを流出するための開口3bが、その延在方向に沿って2列に計10個設けられている。これら開口3bは、流路ユニット4の開口3aと接続されるように千鳥状に設けられている。すなわち、インク溜まり3の10個の開口3bと流路ユニット4の10個の開口3aは、平面視において、同じ位置関係となるように設けられている。
ベースブロック71の下面73は、開口3bの近傍部分73aにおいて周囲よりも下方に飛び出している。そして、ベースブロック71は、下面73の開口3bの近傍部分73aにおいてのみ流路ユニット4の上面における開口3aの近傍部分と接触している。そのため、ベースブロック71の下面73の開口3bの近傍部分73a以外の領域は、ヘッド本体70から離隔しており、この離隔部分にアクチュエータユニット21が配されている。つまり、ベースブロック71の下面73は、開口3bの周囲が流路ユニット4側に突出しており、この突出部分で流路ユニット4に接触している。この突出部分以外の領域では、流路ユニット4との間に形成された離隔部分にアクチュエータユニット21及びFPC50が所定の隙間空間を残して配設されている。
ホルダ72は、ベースブロック71を把持する把持部72aと、副走査方向に間隔をおいて設けられ把持部72aの上面から上方に向けて突出する一対の突出部72bとを含んでいる。ベースブロック71は、ホルダ72の把持部72aの下面に形成された凹部内に接着固定されている。アクチュエータユニット21に接続されたFPC50は、ベースブロック71が作る離隔部分から引き出された後、スポンジなどの弾性部材83を介してホルダ72の突出部72b表面に沿うようにそれぞれ配置されている。ホルダ72の突出部72b表面に配置されたFPC50上には、ドライバIC80が設置されている。すなわち、FPC50は、ドライバIC80から出力された駆動信号をヘッド本体70のアクチュエータユニット21に伝達するものであり、アクチュエータユニット21及びドライバIC80とは半田付けによって電気的に接合されている。
ドライバIC80の外側表面には、略直方体形状のヒートシンク82が密着配置されている。これにより、ドライバIC80で発生した熱を効率的に散逸させることができる。
ドライバIC80及びヒートシンク82の上方においては、FPC50の外側に接続された基板81が配置されている。ヒートシンク82の上端部(上面)と基板81との間、および、ヒートシンク82の下端部(下面)とFPC50との間には、それぞれシール部材84が充填されており、インクジェットヘッド1の本体にゴミやインクが侵入することを防いでいる。
図4は、図3に描かれた一点鎖線で囲まれた領域の拡大平面図である。図4に示すように、流路ユニット4内のアクチュエータユニット21と対向する領域には、流路ユニット4の長手方向(主走査方向)と平行に4本の副マニホールド流路5aが延在している。流路ユニット4の上面には、平面形状が略菱形(角が丸くなった菱形)の圧力室10が多数形成されている。この圧力室10は、一方の鋭角部がノズル8に連通され、他方の鋭角部がアパーチャ12を介して副マニホールド流路5aに連通されている。このようにして、各副マニホールド流路5aには、ノズル8の各々に通じる多数の個別インク流路7が接続されている。なお、図4において、図面を分かりやすくするために、アクチュエータユニット21の下方にあって破線で描くべき圧力室10(圧力室群9)、アパーチャ12及びノズル8を実線で描いている。
次に、ヘッド本体70の断面構造について説明する。図5は、図4に示すV−V線における断面図であり、個別インク流路7を示している。本実施の形態では、個別インク流路7は一旦上方に向かい、流路ユニット4の上面に形成された圧力室10の一端部に至る。
さらに、個別インク流路7は、水平に延在する圧力室10の他端部から斜め下方に向かい、流路ユニット4の下面に形成されたノズル8に繋がっている。全体として、各個別インク流路7は、圧力室10を頂部とする弓なり形状を有している。これにより、個別インク流路7の高密度配置を可能とし、インクの円滑な流れを実現している。
ヘッド本体70は、図5に示すように、上側のアクチュエータユニット21と下側の流路ユニット4とからなる積層構造体である。両ユニット4,21も複数の薄板を積層して構成されている。このうち、アクチュエータユニット21は、後で詳述するように、4枚の圧電シート41〜44(図8参照)が積層され且つ電極が配されている。そのうちの最上層だけが、電界印加時に活性部となる部分を有する圧電層(以下、単に「活性部を有する層」というように記する)であり、残り3つの圧電層が活性部を有しない非活性層である。
一方、流路ユニット4は、キャビティプレート22、ベースプレート23、アパーチャプレート24、サプライプレート25、マニホールドプレート26〜28、カバープレート29及びノズルプレート30の合計9枚のシート材が積層され構成されている。
キャビティプレート22は、圧力室10の空隙を構成するほぼ菱形の孔が、アクチュエータユニット21の貼付範囲内に多数設けられた金属プレートである。ベースプレート23は、キャビティプレート22の1つの圧力室10について、圧力室10とアパーチャ12との連絡孔及び圧力室10からノズル8への連絡孔がそれぞれ設けられた金属プレートである。
アパーチャプレート24は、キャビティプレート22の1つの圧力室10について、アパーチャ12となる孔のほかに圧力室10からノズル8への連絡孔がそれぞれ設けられた金属プレートである。サプライプレート25は、キャビティプレート22の1つの圧力室10について、アパーチャ12と副マニホールド流路5aとの連絡孔及び圧力室10からノズル8への連絡孔がそれぞれ設けられた金属プレートである。マニホールドプレート26〜28は、副マニホールド流路5aに加えて、キャビティプレート22の1つの圧力室10について、圧力室10からノズル8への連絡孔がそれぞれ設けられた金属プレートである。カバープレート29は、キャビティプレート22の1つの圧力室10について、圧力室10からノズル8への連絡孔29aがそれぞれ設けられた金属プレートである。ノズルプレート30は、キャビティプレート22の1つの圧力室10について、ノズル8がそれぞれ設けられた金属プレートである。
これら9枚のプレート22〜30は、図5に示すような個別インク流路7が形成されるように、互いに位置合わせして積層されている。なお、流路ユニット4を構成する9枚のプレートは、本実施の形態においては、同一金属材料から構成されており、SUS430が使用されているが、SUS316や42合金などの金属材料であってもよい。また、各プレート22〜30が異なる金属材料から構成されていても良い。
図5から明らかなように、各プレートの積層方向において圧力室10とアパーチャ12とは異なるレベルに設けられている。これにより、図4に示すように、アクチュエータユニット21に対向した流路ユニット4内において、1つの圧力室10と連通したアパーチャ12を、当該圧力室に隣接する別の圧力室10と平面視で同じ位置に配置することが可能となっている。この結果、圧力室10同士が密着してより高密度に配列されるため、比較的小さな占有面積のインクジェットヘッド1により高解像度の画像印刷が実現される。
続いて、本実施の形態によるノズルプレート30について以下に説明する。図6は、ノズルプレート30の平面図である。図7は、図6に示すノズルプレートの拡大断面図である。図6に示すように、ノズルプレート30は、流路ユニット4上面に接着されるアクチュエータユニット21に対応して、ノズル8がマトリクス状隣接配置するインク吐出領域51を複数有している。本実施の形態では、4つのインク吐出領域51a〜51dが、ノズルプレート30の長手方向に沿って、千鳥状に2列に配列されている。各インク吐出領域51a〜51dは、平面視で略台形形状の領域で、隣接する領域51の斜辺同士がノズルプレート30の幅方向に部分的にオーバーラップしている。つまり、インク吐出領域51は、アクチュエータユニット21と圧力室群9とに重なるように形成されている。
図7に示すようにノズルプレート30には、厚み方向に貫通したノズル(ノズル孔)8が形成されている。ノズル8の先端(図7における下端)には、直径が20μmのノズル出口8aが形成されている。ノズル8は、円柱形状の内面を有するストレート孔部101と、円錐台形状のテーパ孔部102と、これらストレート孔部101とテーパ孔部102とを繋ぐ曲面孔部103とを有している。テーパ孔部102は、直径が最も大きい最大径端102aがノズルプレート30の上面(第1の表面)31に繋がっており、直径が最も小さい最小径端が曲面孔部103と繋がっている。また、テーパ孔部102の最大径端102aは、アール形状に形成されている。つまり、テーパ孔部102と上面31との境界において、角が形成されないようになっている。テーパ孔部102と上面31との境界に角が形成されていると、連絡孔29a内のインクがノズル8内に流入するときに、インクの流れが乱れる。しかし、本実施形態のように、テーパ孔部102の最大径端102aをアール形状とすることで、連絡孔29a内のインクがアール形状に沿ってスムーズにノズル8へ流れるため、インクの流れが乱れにくくなる。
曲面孔部103は、ノズル8の中心軸を含む断面において、テーパ孔部102及びストレート孔部101の各々との接続端A(テーパ孔部102の最小径端),接続端B(ストレート孔部101の上面31側の端部)における接線L1,L2がテーパ孔部102及びストレート孔部101を構成する直線とそれぞれ平行な円弧で構成されている。つまり、曲面孔部103の接続端Aにおける接線L1がテーパ孔部102を構成する直線と平行であるため接続端Aは変曲点とならず、テーパ孔部102と曲面孔部103との間で内径が滑らかに連続的に変化する。また、曲面孔部103の接続端Bにおける接線L2もストレート孔部101を構成する直線と平行であるため、接続端Bも変曲点とならず、曲面孔部103の接続端B近傍におけるノズル8の内径の変化が滑らかである。
ノズルプレート30の各インク出口8aの周囲近傍には、ノズルプレート30の下面(第2の表面)33から下方に向かって突出した隆起部105が形成されており、ストレート孔部101の先端が隆起部105の先端面105bと繋がっている。つまり、隆起部105内にストレート孔部101の先端近傍及びインク出口8aが形成されている。なお、隆起部105は、後述するようにノズルプレート30となる金属プレート130を所定形状のパンチ151で押圧して変形させることで形成された隆起部141(図10参照)の一部を除去することで形成されたものである。隆起部105の外周側面105aは、隆起部105の先端面105bからノズルプレート30の下面33に近づくに連れて、なだらかに傾斜した曲面となっている。つまり、外周側面105aは、全体的に下面33に対して平行に近い鋭角で交差している。
隆起部105の外周側面105a及び先端面105bとノズルプレート30の下面33とからなるノズルプレート30の表面32(インク出口8aを除く)には、例えば、ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素系高分子材料を含有したニッケルメッキなどの撥水膜106が形成されており、この撥水膜106表面がインク吐出面70aとなる。インク出口8aの周囲に撥水膜106が形成されていないと、インク出口8a周囲にインクやゴミなどが付着しやすくなり、ノズル8から吐出されたインクの吐出方向がこれら付着物によって乱れるが、本実施形態のように撥水膜106を形成することで、インク出口8aの周囲にインクやゴミなどが付着しにくくなり、ノズル8から吐出させるインクの吐出方向が均一になる。
撥水膜106は、ノズルプレート30の表面32にほぼ同じ厚みで形成されている。つまり、撥水膜106も隆起部105の形状に沿った湾曲形状を有することになるが、隆起部105の外周側面105aがなだらかに傾斜した曲面となっているため、撥水膜106の外周側面105aと対向する部分106aもなだらかに傾斜した曲面となる。そのため、ノズルプレート30の長手方向一端部から長手方向他端部にかけてワイパー(図示せず)などでノズルプレート30のインク吐出面70aに付着したインクなどを拭き取る場合、ワイパーがノズルプレート30の表面32の隆起部105に差し掛かったときに、ワイパーが隆起部105を覆う撥水膜106部分で引っ掛からずに撥水膜106の曲面106aに沿ってスムーズに移動する。そのため、ワイパーの損耗を小さくすることができると共に、インク出口8aの周囲に付着したインク等を確実に拭き取ることができる。なお、ノズルプレート30の表面32に撥水膜106が形成されていなくても、隆起部105の外周側面105aが曲面となっているため、ワイパーは、ノズルプレート30の下面33から外周側面105a、先端面105bへとスムーズに移動することができる。そのため、上述と同様にワイパーの損耗を小さくすることができると共に、インク出口8aの周囲に付着したインク等を確実に拭き取ることができる。
次に、アクチュエータユニット21について説明する。図8は、アクチュエータユニットを示しており、(a)は図5における一点鎖線で囲まれた部分の拡大断面図であり、(b)は、個別電極の平面図である。図8(a)、(b)に示すように、個別電極35は圧力室10と対向する位置に配置されており、平面視において圧力室10の平面領域内に形成された主電極領域35aと、主電極領域35aにつながっており且つ圧力室10の平面領域外に形成された補助電極領域35bとから構成されている。
図8(a)に示すように、アクチュエータユニット21は、それぞれ厚みが15μm程度で同じになるように形成された4枚の圧電シート41〜44を含んでいる。これら圧電シート41〜44は、ヘッド本体70内のインク吐出領域内に形成された多数の圧力室10に跨って配置されるように連続した層状の平板(連続平板層)となっている。圧電シート41〜44が連続平板層として多数の圧力室10に跨って配置されることで、例えばスクリーン印刷技術を用いることにより圧電シート41上に個別電極35を高密度に配置することが可能となっている。そのため、個別電極35に対応する位置に形成される圧力室10をも高密度に配置することが可能となって、高解像度画像の印刷ができるようになる。圧電シート41〜44は、強誘電性を有するチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)系のセラミックス材料からなるものである。
最上層の圧電シート41上に形成された個別電極35の主電極領域35aは、図8(b)に示すように、圧力室10とほぼ相似である略菱形の平面形状を有している。つまり、菱形の角部が滑らかな曲線(例えば、円弧)で形成されている。略菱形の主電極領域35aにおける一方の鋭角部は延出され、補助電極領域35bとつながっている。補助電極領域35bの先端には、個別電極35と電気的に接続された円形のランド36が設けられている。図8(b)に示すように、ランド36は、キャビティプレート22において圧力室10が形成されていない領域に対向している。ランド36は、例えばガラスフリットを含む金からなり、図8(a)に示すように、補助電極領域35bにおける表面上に形成されている。
最上層の圧電シート41とその下側の圧電シート42との間には、圧電シート41と同じ外形及び略2μmの厚みを有する共通電極34が介在している。個別電極35及び共通電極34は共に、例えばAg−Pd系などの金属材料からなる。
共通電極34は、図示しない領域において接地されている。これにより、共通電極34は、すべての圧力室10に対応する領域において等しく一定の電位、本実施の形態ではグランド電位に保たれている。
次に、アクチュエータユニット21の駆動方法について述べる。アクチュエータユニット21における圧電シート41の分極方向はその厚み方向である。つまり、アクチュエータユニット21は、上側(つまり、圧力室10とは離れた)1枚の圧電シート41を活性部が存在する層とし且つ下側(つまり、圧力室10に近い)3枚の圧電シート42〜44を非活性層とした、いわゆるユニモルフタイプの構成となっている。従って、個別電極35を正又は負の所定電位とすると、例えば電界と分極とが同方向であれば圧電シート41中の電極に挟まれた電界印加部分が活性部(圧力発生部)として働き、圧電横効果により分極方向と直角方向に縮む。
本実施の形態では、圧電シート41において個別電極35と共通電極34とによって挟まれた部分は、電界が印加されると圧電効果によって歪みを発生する活性部として働く。
一方、圧電シート41の下方にある3枚の圧電シート42〜44は、外部から電界が印加されることが無く、そのために活性部としてほとんど機能しない。したがって、圧電シート41において主に主電極領域35aと共通電極34とによって挟まれた部分が、圧電横効果により分極方向と直角方向に縮む。
一方、圧電シート42〜44は、電界の影響を受けないため自発的には変位しないので、上層の圧電シート41と下層の圧電シート42〜44との間で、分極方向と垂直な方向への歪みに差を生じることとなり、圧電シート41〜44全体が非活性側に凸となるように変形しようとする(ユニモルフ変形)。このとき、図8(a)に示したように、圧電シート41〜44で構成されたアクチュエータユニット21の下面は圧力室を区画する隔壁(キャビティプレート22)の上面に固定されているので、結果的に圧電シート41〜44は圧力室側へ凸になるように変形する。このため、圧力室10の容積が低下して、インクの圧力が上昇し、ノズル8からインクが吐出される。その後、個別電極35を共通電極34と同じ電位に戻すと、圧電シート41〜44は元の形状になって圧力室10の容積が元の容積に戻るので、インクをマニホールド流路5側から吸い込む。
なお、他の駆動方法として、予め個別電極35を共通電極34と異なる電位にしておき、吐出要求があるごとに個別電極35を共通電極34と一旦同じ電位とし、その後所定のタイミングにて再び個別電極35を共通電極34と異なる電位にすることもできる。この場合は、個別電極35と共通電極34とが同じ電位になるタイミングで、圧電シート41〜44が元の形状に戻ることにより、圧力室10の容積は初期状態(両電極の電位が異なる状態)と比較して増加し、インクがマニホールド流路5側から圧力室10内に吸い込まれる。その後再び個別電極35を共通電極34と異なる電位にしたタイミングで、圧電シート41〜44が圧力室10側へ凸となるように変形し、圧力室10の容積低下によりインクへの圧力が上昇し、インクが吐出される。こうして、ノズル8からインクが吐出されると共に、インクジェットヘッド1が適宜、主走査方向に移動され用紙に所望画像が印刷される。
次に、上述したインクジェットヘッド1の製造方法について、図9を参照しつつ説明する。図9は、インクジェットヘッド1の製造工程図である。
インクジェットヘッド1を製造するには、流路ユニット4及びアクチュエータユニット21などの部品を別々に作製し、それから各部品を組み付ける。まず、ステップ1(S1)では、流路ユニット4を作製する。流路ユニット4を作製するには、これを構成する各プレート22〜30のうち、ノズルプレート30を除く各プレート22〜29に、パターニングされたフォトレジストをマスクとしたエッチングを施して、図5に示すような孔を各プレート22〜29に形成する。そして、後述するようにパンチ151で複数のノズル8をノズルプレート30となる金属プレート130に形成し、金属プレート130の表面32に撥水膜106を形成した後、個別インク流路7が形成されるように位置合わせされた9枚のプレート22〜30を、エポキシ系の熱硬化性接着剤を介して重ね合わせる。そして、9枚のプレート22〜30を熱硬化性接着剤の硬化温度以上の温度に加熱しつつ加圧する。これによって、熱硬化性接着剤が硬化して9枚のプレート22〜30が互いに固着され、図5に示すような流路ユニット4が得られる。このとき、各プレート22〜30が同一の金属材料で形成されているので、各プレート22〜30の線膨張係数が同じになるため、流路ユニット4が一方に反らない。
一方、アクチュエータユニット21を作製するには、まず、ステップ2(S2)において、圧電セラミックスのグリーンシートを複数用意する。グリーンシートは、予め焼成による収縮量を見込んで形成される。そのうちの一部のグリーンシート上に、導電性ペーストを共通電極34のパターンにスクリーン印刷する。そして、治具を用いてグリーンシート同士を位置合わせしつつ、導電性ペーストが印刷されていないグリーンシートの下に、共通電極34のパターンで導電性ペーストが印刷されたグリーンシートを重ね合わせ、さらにその下に、導電性ペーストが印刷されていないグリーンシートを2枚重ね合わせる。
そして、ステップ3(S3)において、ステップ2で得られた積層体を公知のセラミックスと同様に脱脂し、さらに所定の温度で焼成する。これにより、4枚のグリーンシートが圧電シート41〜44となり、導電性ペーストが共通電極34となる。その後、最上層にある圧電シート41上に、導電性ペーストを個別電極35のパターンにスクリーン印刷する。そして、積層体を加熱処理することによって導電性ペーストを焼成して、圧電シート41上に個別電極35を形成する。しかる後、ガラスフリットを含む金を個別電極35上に印刷して、ランド36を形成する。このようにして、図8に描かれたようなアクチュエータユニット21を作製することができる。
なお、ステップ1の流路ユニット作製工程と、ステップ2〜3のアクチュエータユニット作製工程は、独立に行われるものであるため、いずれを先に行ってもよいし、並行して行ってもよい。
次に、ステップ4(S4)において、ステップ1で得られた流路ユニット4の圧力室に相当する凹部が多数形成された面に、熱硬化温度が80℃程度であるエポキシ系の熱硬化性接着剤を、バーコーターを用いて塗布する。熱硬化性接着剤としては、例えば二液混合タイプのものが用いられる。
続いて、ステップ5において、流路ユニット4に塗布された熱硬化性接着剤層状に、アクチュエータユニット21を載置する。このとき、各アクチュエータユニット21は、活性部と圧力室10とが対向するように流路ユニット4に対して位置決めされる。この位置決めは、予め作製工程(ステップ1〜ステップ3)において流路ユニット4及びアクチュエータユニット21に形成された位置決めマーク(図示せず)に基づいて行われる。
次に、ステップ6(S6)において、流路ユニット4と、流路ユニット4とアクチュエータユニット21との間の熱硬化性接着剤と、アクチュエータユニット21との積層体を図示しない加熱・加圧装置で熱硬化性接着剤の硬化温度以上に加熱しながら加圧する。そして、ステップ7(S7)において、加熱・加圧装置から取り出された積層体を自然冷却する。こうして、流路ユニット4とアクチュエータユニット21とで構成されたヘッド本体70が製造される。
しかる後、FPC50の接着工程を行った後、ベースブロック71の接着工程などを経ることによって、上述したインクジェットヘッド1が完成する。
続いて、上述した流路ユニット4の一部を構成するノズルプレート30の製造方法について以下に説明する。図10は、本実施の形態のノズルプレート30の製造工程を示しており、(a)は金属プレートにノズルを形成する前の状況を示す図であり、(b)は金属プレートにノズルとなる凹部が形成された状況を示す図であり、(c)は凹部が加工されて金属プレートにノズルが形成された状況を示す図である。
まず、ノズルプレート30を製造するには、図10(a)に示す金型に備えられたパンチ151をSUS430からなる長方形平板状の金属プレート130の上面(すなわち、ノズルプレート30の上面)31に押圧する(隆起部形成工程)。パンチ151は基端側に形成された円錐台形状のテーパ部152と、先端側の円柱部153と、これらテーパ部152と円柱部153とを繋ぐ曲面部154とを有する。
このとき、金属プレート130が貫通しないストロークで金属プレート130の上面31からパンチ151を押圧することにより、図10(b)に示すように、金属プレート130に先端近傍が金属プレート130の下面(すなわち、ノズルプレート30の下面)33よりも上面31から離れている凹部140及び金属プレート130の下面33から下方に向かって突出した隆起部141を形成する。凹部140は、パンチ151のテーパ部152と円柱部153と曲面部154とにそれぞれ対応した、テーパ孔部102、ストレート孔部101及び曲面孔部103を有しており、その先端近傍が隆起部141により取り囲まれている。
また、パンチ151を金属プレート130に押圧するときに、凹部140のテーパ孔部102の最大径端102aがアール形状となるように、且つ、隆起部141の外周側面が金属プレート130の下面33に近づくに連れてなだらかに傾斜した曲面となるように、パンチ151の形状や押圧速度及び押圧力を適宜調整する。これにより、テーパ孔部102と金属プレート130の上面31との境界に角がなくなり、上述の効果を得ることができる。また、隆起部141の外周側面が曲面となることで、上述のような効果を得ることができる。
次に、図10(c)に示すように、金属プレート130に形成された隆起部141の根元部分を残すようにして機械加工(例えば、研削)し、凹部140の底部を除去してノズル8を形成する。本実施の形態における機械加工としては、ラップ・ポリッシュ加工によって行われている。つまり、金属プレート130の隆起部141が回転可能なラップ盤(図示せず)の研削面に対向するように、金属プレート130を支持板(図示せず)に取り付け、支持板とラップ盤とを同方向に回転させた状態で金属プレート130とラップ盤の研削面との間に遊離砥粒を含むスラリーを供給する。そして、支持板をラップ盤に近づける方向に移動させて金属プレート130をラップ盤に対して加圧する。すると、金属プレート130の隆起部141が遊離砥粒を含むスラリーによって徐々にその先端から研削されていき、凹部140の底部が開口する。こうして、金属プレート130に、上述した隆起部105と、隆起部105内にインク出口8aが形成されたノズル8とが形成される。なお、本実施形態における支持板は、ラップ盤の半径より小さい直径を有している。そして、支持板は、隆起部141を研削しているときにおいて、自転しながらラップ盤の回転方向に公転している。
このように、金属プレート130に隆起部105を残すようにしてノズル8を形成することで、ラップ・ポリッシュ加工に要する時間が短くなる。一方、隆起部105を残さずにノズル8を形成する場合、ラップ盤上の研磨布が軟質であるため、金属プレート130の表面32のほぼ全面を研削するようになり、加工時間が格段に長くなる。この間、研磨布や遊離砥粒を含むスラリーが開口しだしたノズル8内に入り込むようになるので、インク出口周縁が削り取られてしまう。また、自転する支持板がラップ盤に対して公転しながら加工が進むことから、金属プレート130上のノズル8の位置により、それぞれのインク出口周縁の削られ方の違いが顕在化してくる。その形態は、金属プレート130上の支持板への取り付け位置、公転半径、研削速度などで説明され、金属プレート130の長手方向に関して、削られ具合に特定の方向性や分布を有するようになる。しかし、本実施形態のように、隆起部141の根元部分を残し隆起部105を形成することで、金属プレート130の表面32の全面をほとんど研削することがない。これにより、研削時間、すなわち製造時間が短くなって製造時間に起因したノズル8のインク出口周縁のダレの発生が抑制される。また、インク出口周縁の形態自体も揃ったものになり、吐出不安定となることを避けることができる。
次に、金属プレート130の表面32に撥水膜106を形成する工程について以下に説明する。図11は、本実施の形態によるノズルプレート30の製造工程を示しており、(a)は金属プレートの表面32に光硬化性樹脂を圧着した状況を示す図であり、(b)はインク出口近傍に柱状硬化部を形成した状況を示す図であり、(c)は金属プレートの表面32に撥水膜を形成した状況を示す図であり、(d)は柱状硬化部を除去した状況を示す図である。
金属プレート130の表面に撥水膜106を形成するには、まず、図11(a)に示すように、金属プレート130の表面32にレジストとしてフィルム状の光硬化性樹脂161を加熱しながらローラ等により圧着して、加熱温度、圧力及びローラ速度等を調整して、ノズル8の先端近傍に所定量の光硬化性樹脂161を充填する(光硬化性樹脂積層工程)。ここで、このフィルムを圧着する際の加熱温度が高すぎると、例えば、ガラス転移点を大きく超えると、光硬化性樹脂161が流動性を示すようになり、所望の膜厚で金属プレート130の表面32にコーティングすることができなくなる。逆に、加熱温度が低すぎるとフィルムが軟化せず、ノズル8の先端部に必要な量の光硬化性樹脂161を充填できない。そこで、本実施の形態では、この加熱温度を、光硬化性樹脂161が軟質のゴム状の性質を示すようになるガラス転移状態の温度とし、80℃〜100℃の範囲で設定する。また、ノズル8の先端近傍に、柱状硬化部162を形成するのに必要な量の光硬化性樹脂161を充填させやすくするために、フィルム状の光硬化性樹脂161の厚さは、ノズル8のストレート孔部101の内径以下とする。
次に、図11(b)に示すように、金属プレート130の上面31側から、ノズル8を通して表面32側の光硬化性樹脂161に対して紫外線やレーザー光等を照射して、光硬化性樹脂161を硬化させる(硬化工程)。ここで、光の露光量を調整して光硬化性樹脂161をノズル8が延びる方向にのみ硬化させることで、光硬化性樹脂161に、金属プレート130の表面32から部分的に突出し且つノズル8のインク出口8aの内径と等しい径の柱状硬化部162を形成する。このとき、インク出口8a周縁にダレが形成されていると、そのダレ部分でノズル8のインク出口8a近傍内を通る光が乱反射し、インク出口8a近傍の柱状硬化部の径が乱れてしまうが、インク出口8a周縁にダレがほとんど形成されていないことから、インク出口8aの内径と等しい径の柱状硬化部162を形成することができる。仮に、ノズル出口8a周縁にダレが生じていたとしても、そのダレ方は金属プレート130上で均一である。そのため、インク出口8a周縁と柱状硬化部162との境界線の形状やサイズが揃ったものとなり、いずれも金属プレート130の表面32に平行に形成されることになる。
そして、図11(b)に示すように、金属プレート130の表面32の光硬化性樹脂161のうち、柱状硬化部162以外の部分を、現像液により溶解させて除去し、柱状硬化部162を金属プレート130の表面32から突出した状態で残す(未硬化部除去工程)。このとき、柱状硬化部162の基端部は、ノズル8のストレート孔部101の先端部に詰まった状態で残っている。この状態で、図11(c)に示すように、金属プレート130の表面32に、ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素系高分子材料を含有したニッケルメッキ等の撥水メッキを施し、ほぼ均一な厚みを有する撥水膜106を形成する(撥水膜形成工程)。そして、図11(d)に示すように、撥水膜106の形成後に柱状硬化部162を、剥離液により溶解させて除去する(柱状硬化部除去工程)。こうして、撥水膜106が形成されたノズルプレート30が製造される。
ここで、柱状硬化部162は、金属プレート130の表面32から部分的に突出し且つノズル8のインク出口8aの内径と等しい径に形成されているため、撥水膜106を形成してからノズル8をマスクしていた柱状硬化部162を除去したときに、撥水膜106には、ノズル8の位置においてノズル8のインク出口8aの開口面積と等しい開口面積を有する開口が形成される。つまり、撥水膜106がインク出口8aに沿って形成されることになる。また、インク出口8a周縁と撥水膜106との境界線が金属プレート130の表面32と平行に形成される。そのため、インク出口8aの周囲の撥水性が向上してインクの濡れを確実に防止でき、且つ、撥水膜106に形成される開口の内径(開口面積)がばらつくこともなく、均一な形状となる。したがって、ノズル8からインクが吐出されるときにインクが撥水膜106に干渉することがなくなるため、インクの吐出方向が安定し、画質の劣化を防止することができる。
次に、隆起部105が形成されたノズルプレート30の実施例と、隆起部が形成されていないノズルプレート170の比較例とについて以下に説明する。図12(a)は、実施例のインク出口近傍形状を示す部分拡大平面図であり、図12(b)は、比較例のインク出口近傍形状を示す部分拡大平面図である。なお、実施例及び比較例のノズルプレートには、インク出口近傍形状を分かりやすくするために撥水膜を形成していない。図12(a)に示すインク出口8aは、ノズルプレート30の隆起部105内に形成されており、ほぼ真円形状となっている。図12(b)に示すインク出口171は、隆起部が形成されていないノズルプレート170に形成されており、ほぼ真円形状となっている。しかし、図12(b)に示すインク出口171の周縁近傍には、ノズルプレート170の下面172の高さレベルを基準としたときに、高さレベルが異なる3つの領域T1〜T3が形成されている。領域T1は、下面172の高さレベルに対して−0.2μmとなっており、領域T2が下面172の高さレベルに対して−0.4μmとなっており、領域T3が下面172の高さレベルに対して−0.8μmとなっている。つまり、インク出口171の周縁近傍には、インク出口171に近づくに連れてインク出口171に落ち込む量が大きくなったダレが形成されていることになる。また、それら領域T1〜T3の形状はほぼ円形形状となっているが、各領域T1〜T3の中心がインク出口171の中心から図12(b)中左斜め下にわずかにずれた位置に形成されている。全体として、斜め方向(図12(b)中矢印方向)に伸びた形態にダレが形成されている。このようなノズルプレート170のインク出口171からインクを吐出すると、インク滴の後端であるテールが3つの領域T1〜T3間の最も狭い部分側、すなわち、インク出口171の図12(b)中の右斜め上側に偏る。これら3つの領域T1〜T3の間隔が狭い部分と大きい部分とでは、インク出口171の中心を含むノズルプレート170の断面において、インク滴のテールとの距離に大小の差が生じ、この距離が小さくなる狭い部分側にインク滴のテールが引き寄せられる。そのため、インクの吐出方向が所望のインク吐出方向とならない。さらに、これら3つの領域T1〜T3は、ノズルプレート170内のノズル位置により形態が異なるので、ノズルからのインク吐出方向がノズル毎に異なることになる。これに対して、図12(a)に示す、インク出口8aの周縁には、上述の領域T1〜T3が形成されておらず、ダレが形成されていない。このように、隆起部105を形成することで、ノズルプレート30となる金属プレート130にノズル8を形成する製造時間が短くなって、インク出口8aの周縁に遊離砥粒を含むスラリーによってダレがほとんど形成されなくなることが分かる。これにより、インク出口8aからインクを吐出したときに、インク滴の先端から後端までが直線状のインク滴となって、テールが曲がらなくなる。そのため、ノズル8毎のインク吐出方向が安定し、インク吐出方向のばらつきに起因した画質の劣化を防止することができる。
以上のように、本実施形態のノズルプレート30の製造方法によると、パンチ151で形成した隆起部141をすべて除去せずに、根元部分を残して隆起部105を形成することで、ノズル8のインク出口8a周縁にダレがほとんど形成されないノズルプレート30を製造することができる。また、ノズル8が、ストレート孔部101、テーパ孔部102及び曲面孔部103を有することで、テーパ孔部102からストレート孔部101を通ってインクが外部に吐出するときに、テーパ孔部102内のインクがストレート孔部101で一旦絞られることになり、インクの吐出速度が速められる。加えて、曲面孔部103によってテーパ孔部102とストレート孔部101とが繋げられているので、テーパ孔部102からストレート孔部101にインクがスムーズに流動する。そのため、インクの吐出方向がより安定する。
なお、ラップ・ポリッシュ加工で長尺な金属プレートの複数の隆起部をすべて除去するように研削すると、金属プレートの長手方向両端と中央とでは回転による周速が異なっているため、端部に位置するノズルのインク出口周縁と中央に位置するノズルのインク出口周縁とのダレ具合にばらつきが生じる。しかし、本実施形態においては、隆起部105を形成するように、すなわち、パンチ151によって形成された隆起部141の根元部分を残すようにしているので、研削加工に要する時間が短くなる。そのため、周速の差が生じていても、ノズル8内に遊離砥粒を含むスラリーが入り込んでインク出口8aの周縁を研削するのを抑制することができ、ノズル8毎のダレを安定させるばかりか、ダレ自体を抑制することができる。
続いて、第2実施形態におけるノズルプレート230について以下に説明する。図13は、本発明の第2実施形態によるノズルプレート230の部分拡大断面図である。図13に示すように、ノズルプレート230には、厚み方向に貫通したノズル208が形成されている。ノズル208は、上述したノズル8のテーパ孔部102及び曲面孔部103とほぼ同様なテーパ孔部202と曲面孔部203とから構成されている。つまり、ノズル208のテーパ孔部202は、円錐台形状の内面を有し、直径が最も大きい最大径端202aがノズルプレート230の上面(第1の表面)231に繋がっており、直径が最も小さい最小径端が曲面孔部203と繋がっている。また、テーパ孔部202の最大径端202aは、上述の最大径端102aと同様にアール形状に形成されている。曲面孔部203は、ノズル208の中心軸を含む断面において、テーパ孔部202との接続端Cにおける接線L3がテーパ孔部202を構成する直線と平行な円弧で構成されている。これにより、上述と同様に接続端Cは変曲点とならず、テーパ孔部202と曲面孔部203との間で内径が急激に変化しない。
ノズルプレート230のインク出口208aの周囲近傍には、ノズルプレート230の下面(第2の表面)233から下方に向かって突出した隆起部205が形成されており、曲面孔部203の先端が隆起部205の先端面205bと繋がっている。つまり、隆起部205内に曲面孔部203の先端近傍及びインク出口208aが形成されている。隆起部205の外周側面205aは、隆起部205の先端面205bからノズルプレート230の下面233に近づくに連れて、なだらかに傾斜した曲面となっている。
隆起部205の外周側面205a及び先端面205bとノズルプレート230の下面233とからなるノズルプレートの表面232(インク出口208aを除く)には、上述の撥水膜106と同様の撥水膜206が形成されており、この撥水膜206表面がインク吐出面270aとなる。また、撥水膜206は、その形成領域内でほぼ同じ厚みで形成されており、隆起部205の外周面205a及び先端面205bに沿った曲面206aを有している。これにより、上述と同様にインク吐出面270aにインク及びゴミなどが付着しにくくなり、ノズル208から吐出させるインクの吐出方向が乱れにくくなる。加えて、ワイパーの損耗を小さくすることができると共に、インク出口208aの周囲に付着したインク等を確実に拭き取ることができる。なお、ノズルプレート230の表面232に撥水膜206が形成されていなくても、隆起部205の外周側面205aが曲面となっているため、第1実施形態と同様の効果を得ることができる。
ノズルプレート230の製造方法は、第1実施形態とほぼ同様に製造することができる。つまり、ストレート部153に対応する部分が形成されていないパンチ(テーパ孔部202及び曲面孔部203に対応するテーパ部及び曲面部が形成されたパンチ)を備えた金型をノズルプレート230となる金属プレートに押圧し、テーパ孔部202及び曲面孔部203を有する凹部と、金属プレートの下面233から下方に向かって突出した隆起部を形成する。そして、ラップ・ポリッシュ加工によってその隆起部の根元部分を残すようにして研削し、凹部の底部を除去してノズル208を金属プレートに形成する。次に、ノズルプレート230となる金属プレートの表面232に撥水膜206を上述と同様に形成する。こうして、ノズルプレート230が製造される。なお、ノズルプレート230の製造時に、ストレート部153を有するパンチを用いてもよい。このときには、ストレート部153に対応して形成されるストレート孔部が除去される程度の加工(プレス加工とラップ・ポリッシュ加工)を施すことが好適である。つまり、パンチにより形成される凹部内において、曲面孔部203とストレート孔部との接続部が、ちょうど隆起部205の先端面205bに位置するように加工すればよい。
以上のように、第2実施形態によるノズルプレート230においても、第1実施形態と同様にノズル208の先端近傍に隆起部206が形成されているので、ノズルプレート230の製造時間が短くなり、インク出口208aの周縁にダレがほとんど形成されない。そのため、インク出口208aからインクを吐出したときに、インク滴の先端から後端までが直線状のインク滴となって、テールが曲がらなくなる。したがって、ノズル208毎のインク吐出方向が安定し、インク吐出方向のばらつきに起因した画質の劣化を防止することができる。また、ノズル208がテーパ孔部202と曲面孔部203とが繋がって形成されているので、ノズル208の内径が徐々に変化することになる。そのため、ノズル208内のインクがスムーズに流れる。したがって、インクの吐出方向がより安定する。
続いて、第3実施形態におけるノズルプレート330について以下に説明する。図14は、本発明の第3実施形態によるノズルプレート330の部分拡大断面図である。図14に示すように、ノズルプレート330には、厚み方向に貫通したノズル308が形成されている。ノズル308は、円錐台形状の内面を有するテーパ孔部(第2テーパ孔部)301と、テーパ孔部301より傾斜角が緩やかな円錐台形状の内面を有するテーパ孔部(第1テーパ孔部)302と、両テーパ孔部301,302を繋ぐ曲面孔部303とを有している。テーパ孔部301は、図14に示すように、最大径端の直径がテーパ孔部302の最小径端の直径より小さくなっている。なお、テーパ孔部302及び曲面孔部303は、上述のノズル8のテーパ孔部102及び曲面孔部103とほぼ同様である。つまり、テーパ孔部302は、直径が最も大きい最大径端302aがノズルプレート330の上面(第1の表面)331に繋がっており、直径が最も小さい最小径端が曲面孔部303と繋がっている。また、テーパ孔部302の最大径端302aは、上述の最大径端102aと同様にアール形状に形成されている。曲面孔部303は、ノズル308の中心軸を含む断面において、テーパ孔部301,302の各々との接続端E,Fにおける接線L5,L6がテーパ孔部301,302を構成する直線とそれぞれ平行な円弧で構成されている。したがって、第1実施形態と同様に、接続端E,Fはともに変曲点とならず、テーパ孔部302と曲面孔部303との間及び曲面孔部303とテーパ孔部301との間で内径が急激に変化しない。
ノズルプレート330のインク出口308aの周囲近傍には、ノズルプレート330の下面(第2の表面)333から下方に向かって突出した隆起部305が形成されており、テーパ孔部301の先端が隆起部305の先端面305bと繋がっている。つまり、隆起部305内にテーパ孔部301の先端近傍及びインク出口308aが形成されている。隆起部305の外周側面305aは、隆起部305の先端面305bからノズルプレート330の下面333に近づくに連れて、なだらかに傾斜した曲面となっている。
隆起部305の外周側面305a及び先端面305bとノズルプレート330の下面333とからなるノズルプレート330の表面332(インク出口308aを除く)には、上述の撥水膜106と同様の撥水膜306が形成されており、この撥水膜306表面がインク吐出面370aとなる。また、撥水膜306は、その形成領域内でほぼ同じ厚みで形成されており、隆起部305の外周面305a及び先端面305bに沿った曲面306aを有している。これにより、上述と同様にインク吐出面370aにインク及びゴミなどが付着しにくくなり、ノズル308から吐出させるインクの吐出方向が乱れにくくなる。加えて、ワイパーの損耗を小さくすることができると共に、インク出口308aの周囲に付着したインク等を確実に拭き取ることができる。なお、ノズルプレート330の表面332に撥水膜306が形成されていなくても、隆起部305の外周側面305aが曲面となっているため、第1実施形態と同様の効果を得ることができる。
ノズルプレート330の製造方法は、第1実施形態とほぼ同様に製造することができる。つまり、上述の円柱部153に対応する部分がテーパ孔部301に対応するテーパ部となったパンチ(すなわち、テーパ孔部301,302及び曲面孔部303に対応する2つのテーパ部及び曲面部が形成されたパンチ)を備えた金型をノズルプレート330となる金属プレートに押圧し、テーパ孔部301,302及び曲面孔部303を有する凹部と、金属プレートの下面333から下方に向かって突出した隆起部を形成する。そして、ラップ・ポリッシュ加工によってその隆起部の根元部分を残すようにして研削し、凹部の底部を除去してノズル308を金属プレートに形成する。次に、ノズルプレート330となる金属プレートの表面332に撥水膜306を上述と同様に形成する。こうして、ノズルプレート330が製造される。
以上のように、第3実施形態によるノズルプレート330においても、第1実施形態と同様にノズル308の先端近傍に隆起部306が形成されているので、ノズルプレート330の製造時間が短くなり、インク出口308aの周縁にダレがほとんど形成されない。
そのため、インク出口308aからインクを吐出したときに、インク滴の先端から後端までが直線状のインク滴となって、テールが曲がらなくなる。したがって、ノズル308毎のインク吐出方向が安定し、インク吐出方向のばらつきに起因した画質の劣化を防止することができる。また、ノズル308がテーパ孔部301,302及び曲面孔部303を有することで、テーパ孔部301からインクが外部に吐出するときに、テーパ孔部302内で絞られたインクがさらにテーパ孔部301で絞られるので、インク吐出速度が速められる。加えて、両テーパ孔部301,302が曲面孔部303によって繋がれているので、テーパ孔部302からテーパ孔部3014にインクがスムーズに流動する。そのため、インクの吐出方法がより安定する。
続いて、第4実施形態におけるノズルプレート430について以下に説明する。図15は、本発明の第4実施形態によるノズルプレート430の部分拡大断面図である。図15に示すように、ノズルプレート430には、厚み方向に貫通したノズル408が形成されている。ノズル408は、円柱形状の内面を有するストレート孔部401と、円錐台形状の内面を有するテーパ孔部402とを有している。なお、ストレート孔部401及びテーパ孔部402は、上述のノズル8のテーパ孔部102及びストレート孔部101とほぼ同様である。テーパ孔部402は、直径が最も大きい最大径端402aがノズルプレート430の上面(第1の表面)431に繋がっており、直径が最も小さい最小径端がストレート孔部401と繋がっている。また、テーパ孔部402の最大径端402aは、上述の最大径端102aと同様にアール形状に形成されている。
ノズルプレート430のインク出口408aの周囲近傍には、ノズルプレート430の下面(第2の表面)433から下方に向かって突出した隆起部405が形成されており、ストレート孔部401の先端が隆起部405の先端面405bと繋がっている。つまり、隆起部405内にストレート孔部401の先端近傍及びインク出口408aが形成されている。隆起部405の外周側面405aは、隆起部405の先端面405bからノズルプレート430の下面433に近づくに連れて、なだらかに傾斜した曲面となっている。
隆起部405の外周側面405a及び先端面405bとノズルプレート430の下面433とからなるノズルプレート430の表面432(インク出口408aを除く)には、上述の撥水膜106と同様の撥水膜406が形成されており、この撥水膜406表面がインク吐出面470aとなる。また、撥水膜406は、その形成領域内でほぼ同じ厚みで形成されており、隆起部405の外周面405aに沿った曲面406aを有している。これにより、上述と同様にインク吐出面470aにインク及びゴミなどが付着しにくくなり、ノズル408から吐出させるインクの吐出方向が乱れにくくなる。加えて、ワイパーの損耗を小さくすることができると共に、インク出口408aの周囲に付着したインク等を確実に拭き取ることができる。なお、ノズルプレート430の表面432に撥水膜406が形成されていなくても、隆起部405の外周側面405aが曲面となっているため、第1実施形態と同様の効果を得ることができる。
ノズルプレート430の製造方法は、第1実施形態とほぼ同様に製造することができる。つまり、上述の曲面部154に対応する部分が形成されておらず、ストレート孔部401及びテーパ孔部402に対応する円柱部とテーパ部とが形成されたパンチを備えた金型をノズルプレート430となる金属プレートに押圧し、ストレート孔部401及びテーパ孔部402を有する凹部と、金属プレートの下面433から下方に向かって突出した隆起部を形成する。そして、ラップ・ポリッシュ加工によってその隆起部の根元部分を残すようにして研削し、凹部の底部を除去してノズル408を金属プレートに形成する。次に、ノズルプレート430となる金属プレートの表面432に撥水膜406を上述と同様に形成する。こうして、ノズルプレート430が製造される。
以上のように、第4実施形態によるノズルプレート430においても、第1実施形態と同様にノズル408の先端近傍に隆起部406が形成されているので、ノズルプレート430の製造時間が短くなり、インク出口408aの周縁にダレがほとんど形成されない。そのため、インク出口408aからインクを吐出したときに、インク滴の先端から後端までが直線状のインク滴となって、テールが曲がらなくなる。したがって、ノズル408毎のインク吐出方向が安定し、インク吐出方向のばらつきに起因した画質の劣化を防止することができる。また、ノズル408がストレート孔部401及びテーパ孔部402を有することで、テーパ孔部402からストレート孔部401を通って外部にインクが吐出するときに、テーパ孔部402内のインクがストレート孔部401で絞られることになり、インク吐出速度が速められる。
以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な変更が可能なものである。例えば、上述した各実施形態におけるノズルプレート30,230,330,430は、ラインタイプのインクジェットヘッドに採用されるものであるが、シリアルタイプのインクジェットヘッドであっても適用可能である。また、各ノズルプレート30,230,330,430に撥水膜が形成されていなくてもよい。また、ノズルは、円柱形状の内面を有するストレート孔部のみから形成されていてもよいし、円錐形状の内面を有するテーパ孔部のみから形成されていてもよい。また、隆起部105,205,305,405の外周側面が曲面となっていなくてもよい。また、ノズルプレート30,230,330,430の上面とノズル8,208,308,408との境界がアール形状となっていなくてもよい。
また、上述した実施形態においては、ノズルプレートとなる金属プレートがパンチで貫通しないように押圧されているが、パンチの先端が金属プレートを貫通していてもよい。
これにおいても、パンチで金属プレートに貫通孔を形成した後、そのときに形成された隆起部の根元部分を残すようにして機械加工し、ノズルとなる孔を形成すればよい。この場合においても、ノズルプレートに隆起部が形成された効果と同様の効果を得ることができる。
また、ノズルプレートに形成された隆起部を研削するために、上述の各実施形態ではラップ・ポリッシュ加工を用いたが、この加工法に限定されるものではなく、平面に対する精密加工を可能とする方法であればよい。例えば、1つの方法としては、鏡面仕上げが可能な研削加工がある。これは、高速に回転する研削砥石を用いて、加工物としてのノズルプレートを少しずつ平面的に削っていくもの(平面研削)であり、大量生産にも向いている。研削は、砥石とその周速度、送り速度、切り込み量等の条件を加工物の性状に適宜合わせて行う。別の方法として、加工後の表面粗さや寸法において、比較的高精度な加工ができる切削加工がある。これは、刃物でノズルプレートの不要部分を切りくずとして除去していくものである。切削は、刃物(とその形状)、送り量、切削速度などの条件を加工物の性状に適宜合わせて行う。この他、放電加工も適用可能で、いずれの方法を用いても各実施形態と同様の効果が得られる。さらに、本発明のノズルプレートは、上述のようなインクの吐出特性に対する効果が、アクチュエータユニットの動作方式に左右されるものではなく、圧電式、サーマル式、静電式などのインクジェットヘッドに適用可能である。
本発明の第1実施形態によるノズルプレートが採用されたインクジェットヘッドの外観斜視図である。 図1のII−II線に沿った断面図である。 図2に示すヘッド本体を上面から見た平面図である。 図3に描かれた一点鎖線で囲まれた領域の拡大平面図である。 図4に示すV−V線における断面図である。 本発明の第1実施形態によるノズルプレートの平面図である。 図6に示すノズルプレートの拡大断面図である。 アクチュエータユニットを示しており、(a)は図5における一点鎖線で囲まれた部分の拡大断面図であり、(b)は、個別電極の平面図である。 インクジェットヘッドの製造工程図である。 第1実施形態のノズルプレートの製造工程を示しており、(a)は金属プレートにノズルを形成する前の状況を示す図であり、(b)は金属プレートにノズルとなる凹部が形成された状況を示す図であり、(c)は凹部が加工されて金属プレートにノズルが形成された状況を示す図である。 第1実施形態によるノズルプレートの製造工程を示しており、(a)は金属プレートの表面に光硬化性樹脂を圧着した状況を示す図であり、(b)はインク出口近傍に柱状硬化部を形成した状況を示す図であり、(c)は金属プレートの表面に撥水膜を形成した状況を示す図であり、(d)は柱状硬化部を除去した状況を示す図である。 (a)は実施例のインク出口近傍形状を示す部分拡大平面図であり、(b)は比較例のインク出口近傍形状を示す部分拡大平面図である。 本発明の第2実施形態によるノズルプレートの部分拡大断面図である。 本発明の第3実施形態によるノズルプレートの部分拡大断面図である。 本発明の第4実施形態によるノズルプレートの部分拡大断面図である。
符号の説明
1 インクジェットヘッド
8、208,308,408 ノズル(ノズル孔)
8a,208a,308a,408a インク出口(開口)
30,230,330,430 ノズルプレート
31,231,331,431 上面(第1の表面)
33,233,333,433 下面(第2の表面)
101,401 ストレート孔部
102,202,402 テーパ孔部
103,203,303 曲面孔部
102a,202a,302a,402a 最大径端
105,205,305,405 隆起部
105a,205a,305a,405a 外周側面
106,206,306,406 撥水膜
130 金属プレート
151 パンチ
161 光硬化性樹脂
162 柱状硬化部
301 テーパ孔部(第2テーパ孔部)
302 テーパ孔部(第1テーパ孔部)

Claims (13)

  1. インクを吐出するノズル孔が形成されたノズルプレートの製造方法において、
    金型に備えられたパンチで金属プレートの第1の表面を押圧することによって、前記第1の表面に対向する前記金属プレートの第2の表面よりも前記第1の表面から離れた領域を有する凹部の先端近傍を取り囲むように前記第2の表面から隆起した隆起部を前記金属プレートに形成する隆起部形成工程と、
    前記第2の表面よりも前記第1の表面から離れた位置に開口を有するノズル孔が形成されるように、前記隆起部を前記第2の表面と平行に機械加工することによって前記隆起部の一部を除去する機械加工工程とを備え
    前記隆起部形成工程において、前記隆起部が、外周側面が前記第2の表面に近づくにつれて前記第2の表面に対してなだらかに傾斜するように形成され、
    前記機械加工工程において、前記隆起部の一部が、前記第2の表面に対して前記外周側面が鋭角で交差する根元部分を残して除去されることを特徴とするノズルプレートの製造方法。
  2. 前記機械加工工程において、前記隆起部がラップ・ポリッシュ加工により形成されていることを特徴とする請求項1に記載のノズルプレートの製造方法。
  3. 前記隆起部形成工程において、前記凹部と前記金属プレートの前記第1の表面との境界がアール形状になるように前記凹部を前記金属プレートに形成することを特徴とする請求項1又は2に記載のノズルプレートの製造方法。
  4. 前記機械加工工程後に、光硬化性樹脂を前記ノズル孔の先端近傍内に充填しつつ前記金属プレートの前記第2の表面に積層させる光硬化性樹脂積層工程と、
    前記金属プレートの前記第1の表面からノズル孔を通して前記光硬化性樹脂に対して光を照射して光硬化性樹脂を硬化させることにより、前記光硬化性樹脂に、前記ノズル孔の先端の内径に等しい柱状硬化部を形成する硬化工程と、
    前記光硬化性樹脂のうちの前記柱状硬化部以外の部分を除去する未硬化部除去工程と、
    前記ノズル孔の先端近傍に前記柱状硬化部が残された状態で前記金属プレートの前記第2の表面に電解メッキ法で撥水膜を形成する撥水膜形成工程とをさらに備えていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のノズルプレート製造方法。
  5. 前記撥水膜形成工程において、前記隆起部の形状に沿って湾曲した撥水膜を形成することを特徴とする請求項4に記載のノズルプレート製造方法。
  6. パンチを有する金型を用いたプレス加工によってインクを吐出するノズル孔が形成されたノズルプレートにおいて、
    前記パンチで押圧される前記金属プレートの第1の表面に対向する前記金属プレートの第2の表面には隆起部が形成されており、
    前記隆起部は、
    外周側面が、前記第2の表面に近づくにつれて前記第2の表面に対してなだらかに傾斜し、且つ、前記外周側面の全体が、前記第2の表面に対して鋭角で交差しており、
    前記ノズル孔の開口が、前記隆起部内に設けられていることを特徴とするノズルプレート。
  7. 前記金属プレートの前記第2の表面には、撥水膜が形成されていることを特徴とする請求項に記載のノズルプレート。
  8. 前記撥水膜が、前記隆起部の形状に沿って湾曲していることを特徴とする請求項7に記載のノズルプレート。
  9. 前記ノズル孔と前記金属プレートの前記第1の表面との境界が、アール形状であることを特徴とする請求項6〜8のいずれか1項に記載のノズルプレート。
  10. 前記ノズル孔が、
    円錐台形状の内面を有し最大径端が前記金属プレートの前記第1の表面に繋がるテーパ孔部と、
    前記テーパ孔部の最小径端と繋がり前記最小径端から前記隆起部の先端面に至るまでの内径が徐々に減少する曲面状の内面を有する曲面孔部とからなることを特徴とする請求項6〜9のいずれか1項に記載のノズルプレート。
  11. 前記ノズル孔が、
    円錐台形状の内面を有し最大径端が前記金属プレートの前記第1の表面に繋がる第1テーパ孔部と、
    円錐台形状の内面を有し最大径端の内径が前記第1テーパ孔部の最小径端の内径よりも小さく且つ最小径端が前記隆起部の先端面と繋がる第2テーパ孔部と、
    前記第1テーパ孔部の前記最小径端と前記第2テーパ孔部の前記最大径端とを繋ぎ前記第1テーパ孔部の前記最小径端から前記第2テーパ孔部の前記最大径端に至るまでの内径が徐々に減少する曲面状の内面を有する曲面孔部とからなることを特徴とする請求項6〜9のいずれか1項に記載のノズルプレート。
  12. 前記ノズル孔が、
    円錐台形状の内面を有し最大径端が前記金属プレートの前記第1の表面に繋がるテーパ孔部と、
    円柱形状の内面を有し一端が前記隆起部の先端面に繋がり他端が前記テーパ孔部の最小径端と繋がるストレート孔部とからなることを特徴とする請求項6〜9のいずれか1項に記載のノズルプレート。
  13. 前記ノズル孔が、
    円錐台形状の内面を有し最大径端が前記金属プレートの前記第1の表面に繋がるテーパ孔部と、
    円柱形状の内面を有し一端が前記隆起部の先端面に繋がるストレート孔部と、
    前記テーパ孔部の最小径端と前記ストレート孔部の他端とを繋ぎ前記テーパ孔部の前記最小径端から前記ストレート孔部の他端に至るまでの内径が徐々に減少する曲面状の内面を有する曲面孔部とからなることを特徴とする請求項6〜9のいずれか1項に記載のノズルプレート。
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