JP4296893B2 - ノズルプレートの製造方法 - Google Patents

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としては、例えば、図１６に示すように、エキシマレーザー加工等により、ポリイミド等からなる基板１０１に内面形状が先細りのテーパ形状のノズル孔１０２が形成されたノズルプレート１００がある。

また、図１７に示すように、金属製の基板１１１にパンチ等を用いたプレス加工を行うことにより、上流のインク流路に連なりその内面形状が先細りの円錐台形状のテーパ孔部１１２ａと、このテーパ孔部１１２ａの最小径端部から基板１１１の表面のインク吐出口１１３まで延びる円柱孔部１１２ｂとからなるノズル孔１１２が形成されたノズルプレート１１０もある。しかし、このようなノズル孔１１２においては、テーパ孔部１１２ａと円柱孔部１１２ｂとの接続部において、ノズル孔１１２の内径の変化率が急激であり、インク吐出口１１３からのインクの吐出特性（特に、インクの着弾精度）に悪影響を及ぼす虞がある。そこで、図１８に示すような、テーパ孔部１２２ａと、円柱孔部１２２ｂと、これらテーパ孔部１２２ａと円柱孔部１２２ｂとを滑らかに繋ぐ断面円弧状の曲面孔部１２２ｃを有するノズル孔１２２が基板１２１に形成されたノズルプレート１２０も提案されている（例えば、特許文献１参照）。

尚、エキシマレーザー加工あるいはプレス加工等によりノズル孔を基板に形成する場合には、基板表面に形成されたバリや膨らみを除去するために、基板表面を研磨等により除去するのが一般的である。

特開平１０−２２６０７０号公報（第４頁、図１）

図１６のノズルプレート１００においては、ノズル孔１０２が内面形状が先細りのテーパ形状に形成されているため、内径の変化率が一定で内径が急激に変化せず、基板表面のインク吐出口１０３から吐出されるインクの着弾性は良好である。しかしながら、基板１０１にテーパ形状のノズル孔１０２を形成した後、基板１０１の表面部を研磨等により除去する際に、ノズル孔１０２の内面形状が先細りのテーパ形状であるがゆえに、加工誤差に起因して表面部の除去量（除去厚さ）がばらついたときに、インク吐出口１０３の口径のばらつきが大きくなってしまう。また、レーザ加工を行うために、ノズルプレート１００の材質はポリイミド等の合成樹脂に限定されるのであるが、これらの合成樹脂は線膨張係数が大きいため、製造工程において熱を加えた場合に熱膨張による位置ずれが生じるという問題がある。

一方、図１７のノズルプレート１１０や、それを改良した特許文献１に記載のノズルプレート１２２（図１８参照）においては、基板表面側に内径が変化しない円柱孔部が形成されているため、基板表面を研磨等により除去したときに、基板の除去量により基板表面のインク吐出口の口径が左右されず、インク吐出口の口径がばらつくことがない。しかし、図１７のノズル孔においては、テーパ孔部１１２ａと円柱孔部１１２ｂの接続部において、内径が大きく変化する。また、図１８のノズル孔１２２においても、曲面孔部１２２ｃは、テーパ孔部１２２ａと円柱孔部１２２ｂを単に滑らかに繋ぐものに過ぎず、曲面孔部１２２ｃのテーパ孔部１２２ａとの接続端及び円柱孔部１２２ｂとの接続端が変曲点となってこれら接続端を境として内径の変化率が急激となるため、内径が大きく変化する。

特に、ノズルからインクを吐出する直前の状態では、基板表面のインク吐出口からやや内側の位置にインクの表面張力によりメニスカスが形成されるが、このメニスカスが曲面孔部１２２ｃの円柱孔部１２２ｂとの接続端の近傍に形成されると、メニスカスの形成位置において内径が大きく変化するために、形成されるメニスカスが不安定となり、インク吐出口から吐出されるインクの着弾精度がかなり低下することになる。

本発明の目的は、ノズル孔の内径が緩やかに変化するようにしてインクの着弾精度を向上させること、基板表面の除去量によってインク吐出口の口径がばらついてしまうのを極力抑えること等である。

課題を解決するための手段及び発明の効果

第１の発明のノズルプレートの製造方法は、基端側に形成された円錐台形状の第１のテーパ部と、先端側に形成され前記第１テーパ部と同じく円錐台形状で且つ第１のテーパ部よりもテーパ角の小さい第２のテーパ部と、これら第１、第２のテーパ部を繋ぐ曲面部とを有する先細り形状の金型部品を用いたプレス加工により、基板に第１のテーパ部と第２のテーパ部と曲面部とに夫々対応した、第１のテーパ孔部と第２のテーパ孔部とこれら第１、第２のテーパ孔部を繋ぐ曲面孔部とを形成する工程と、前記基板のうちの、前記第２のテーパ孔部とこの第２のテーパ孔部に接続する前記曲面孔部の一部とが形成された表面部を除去する工程とを備えたことを特徴とするものである。

このノズルプレートの製造方法においては、まず、第１のテーパ部、第２のテーパ部及びこれら第１、第２のテーパ部を繋ぐ曲面部とを有する金型部品を用いたプレス加工により、基板に、第１、第２のテーパ孔部とこれら第１、第２のテーパ孔部を繋ぐ曲面孔部とを形成する。次に、プレス加工により基板の表面に形成されたバリや膨らみ等を除去するために、基板の表面を研磨等により除去する。このとき、第２のテーパ孔部が形成された表面部を除去することで、変曲点となる曲面孔部の第２のテーパ孔部との接続端を除去する。そのため、基板表面のインク吐出口の近傍部から断面円弧状の曲面孔部に沿ってノズル孔の内径が緩やかに変化するようになり、インクの着弾精度が向上する。尚、表面部の除去工程は、第２のテーパ孔部が全て除去されるものであるが、さらに、第２のテーパ孔部全体とともに曲面孔部の一部も除去される。

第２の発明のノズルプレートの製造方法は、前記第１の発明において、前記金型部品は、前記曲面部が、その軸心を含む断面において第１のテーパ部及び第２のテーパ部の各々との接続端における接線が第１のテーパ部及び第２のテーパ部を構成する直線と夫々平行で且つ前記接続端間において変曲点を有しない曲線で構成されたことを特徴とするものである。

従って、曲面孔部の第１のテーパ孔部との接続端において、曲面孔部の内径の変化率が第１のテーパ孔部の内径の変化率と同じであり、この接続端が変曲点とならず、接続端を境として内径が大きく変化しない。さらに、曲面孔部の断面形状が変曲点を有しない曲線で構成されているため、基板に形成されたノズル孔の内径が、曲面孔部及び第１のテーパ孔部において緩やかに変化することになり、このノズル孔から吐出されるインクの着弾精度が向上する。

第３の発明のノズルプレートの製造方法は、前記第２の発明において、軸心を含む断面において前記曲面部を構成する曲線が円弧であることを特徴とするものである。従って、金型部品の曲面部を形成することが容易になる。

第４の発明のノズルプレートの製造方法は、前記第３の発明において、前記円弧は、前記曲面部の前記第２のテーパ部との接続端を通り前記軸心と直交するＸ座標軸と、前記軸心と平行で前記第１のテーパ部側に増加するＹ座標軸とを有し、且つ、円弧の中心を原点とする座標系において、前記第１のテーパ部のテーパ角度をθ、前記曲面部の両端における２本の接線の交点のＹ座標をＬとしたときに、Ｘ^２＋｛Ｙ−Ｌ／ｔａｎ（θ／２）｝^２＝｛Ｌ／ｔａｎ（θ／２）｝^２の数式で示されることを特徴とするものである。そのため、θ及びＬの値を適切に設定することで、第１のテーパ孔部及び第２のテーパ孔部と曲面孔部との間でノズル孔の内径を緩やかに変化させることができる。

第５の発明のノズルプレートの製造方法は、前記第２の発明において、軸心を含む断面において前記曲面部を構成する曲線が、前記軸心と平行で前記第１のテーパ部側に増加するＸ座標軸と、前記Ｘ座標軸と直交するＹ座標軸とを有する座標系において、位置Ｘにおける曲面部の半径をＹとしたときに、ＹがＸの指数関数で示される曲線であることを特徴とするものである。そのため、第１、第２のテーパ部のテーパ角度等を考慮してＸとＹの指数関数の関係式を適切に設定することで、第１のテーパ孔部及び第２のテーパ孔部と曲面孔部との間でノズル孔の内径を緩やかに変化させることができる。

第６の発明のノズルプレートの製造方法は、前記第２の発明において、軸心を含む断面において前記曲面部を構成する曲線が、前記軸心と平行で前記第１のテーパ部側に増加するＸ座標軸と、前記Ｘ座標軸と直交するＹ座標軸とを有する座標系において、位置Ｘにおける曲面部の半径をＹとしたときに、ＹがＸのｎ次関数（ｎは整数）で示される曲線であることを特徴とするものである。そのため、第１、第２のテーパ部のテーパ角度等を考慮してＸとＹのｎ次関数の関係式を適切に設定することで、第１のテーパ孔部及び第２のテーパ孔部と曲面孔部との間でノズル孔の内径を緩やかに変化させることができる。

第７の発明のノズルプレートの製造方法は、前記第２の発明において、軸心を含む断面において前記曲面部を構成する曲線が、前記軸心と平行で前記第１のテーパ部側に増加するＸ座標軸と、前記Ｘ座標軸と直交するＹ座標軸とを有する座標系において、位置Ｘにおける曲面部の半径をＹとしたときに、ＹがＸの三角関数で示される曲線であることを特徴とするものである。そのため、第１、第２のテーパ部のテーパ角度等を考慮してＸとＹの三角関数の関係式を適切に設定することで、第１のテーパ孔部及び第２のテーパ孔部と曲面孔部との間でノズル孔の内径を緩やかに変化させることができる。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。本実施形態は、用紙にインクを吐出するインクジェットヘッドのノズルプレートに本発明を適用したものである。
最初に、インクジェットヘッドについて説明する。図１、図２に示すように、本実施形態のインクジェットヘッド１は、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ヘッド本体７０に供給されるインクの流路である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、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。これら流路ユニット４及びアクチュエータユニット２１は共に、複数の薄板を積層して互いに接着させた構成である。また、アクチュエータユニット２１の上面には、給電部材であるフレキシブルプリント配線板（ＦＰＣ：Flexible Printed Circuit）５０ が接着され、左右に引き出されている。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形成された略直方体の中空領域である。

ベースブロック７１の下面７３は、開口３ｂの近傍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。

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。ホルダ７２は、把持部７２ａと、把持部７２ａの上面からこれと直交する方向に所定間隔をなして延出された平板状の一対の突出部７２ｂとを含んでいる。アクチュエータユニット２１に接着されたＦＰＣ５０は、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。そして、ホルダ７２の突出部７２ｂ表面に配置されたＦＰＣ５０上にドライバＩＣ８０が設置されている。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に伝達するように、両者とハンダ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ため、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の上方であって、ＦＰＣ５０の外側には、基板８１が配置されている。ヒートシンク８２の上面と基板８１との間、および、ヒートシンク８２の下面とＦＰＣ５０との間は、それぞれシール部材８４で接着されている。

図３は、図１に示したヘッド本体７０の平面図である。図３において、ベースブロック７１内に形成されたインク溜まり３が仮想的に破線で描かれている。２つのインク溜まり３は、ヘッド本体７０の長手方向に沿って、互いに所定間隔をなして平行に延在している。２つのインク溜まり３はそれぞれ一端に開口３ａを有し、この開口３ａを介してインクタンク（図示せず）に連通することによって、常にインクで満たされている。また、開口３ｂは、ヘッド本体７０の長手方向に沿って各インク溜まり３に多数設けられていて、上述したように各インク溜まり３と流路ユニット４とを結んでいる。多数の開口３ｂは、対となる２つずつがヘッド本体７０の長手方向に沿って近接配置されている。一方のインク溜まり３に連通した開口３ｂの対と、他方のインク溜まり３に連通した開口３ｂの対とは、千鳥状に配置されている。

開口３ｂが配置されていない領域には、台形の平面形状を有する複数のアクチュエータユニット２１が配置されている。即ち、流路ユニット９の短手方向（副走査方向）において、開口３ｂの対の１つとアクチュエータユニット２１の１つが並んで配置されており、複数のアクチュエータユニット２１は、流路ユニット４の長手方向（走査方向）において千鳥状に配置されている。各アクチュエータユニット２１の平行対向辺（上辺及び下辺）は、ヘッド本体７０の長手方向と平行である。また、隣接するアクチュエータユニット２１の斜辺の一部同士がヘッド本体７０の幅方向にオーバーラップしている。

図４は、図３内に描かれた一点鎖線で囲まれた領域の拡大図である。図４に示すように、各インク溜まり３に設けられた開口３ｂはマニホールド５に連通し、さらに各マニホールド５の先端部は分岐して共通インク通路である副マニホールド５ａが形成されている。従って、アクチュエータユニット２１の下方には、アクチュエータユニット２１の平行対向辺に沿って互いに離隔した計８つの副マニホールド５ａが延在している。アクチュエータユニット２１の接着領域と対応した流路ユニット４の下面は、インク吐出領域となっている。インク吐出領域の表面には、多数のノズル孔８及び圧力室１０がマトリクス状に配列されている。

図５は、図４の１つの圧力室１０についてのヘッド本体７０の断面図である。ヘッド本体７０は、アクチュエータユニット２１、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、２７、２８、カバープレート２９及びノズルプレート３０の合計１０枚のシート材が積層された積層構造を有している。そして、アクチュエータユニット２１を除いた９枚のプレートから流路ユニット４が構成され、流路ユニット４内には、副マニホールド５ａからアパーチャ１２及び圧力室１０を通ってノズル孔８に至る個別インク流路３２が形成されている。

図６に示すように、アクチュエータユニット２１は、４枚の圧電シート４１〜４４と、複数の圧力室１０に夫々対応して設けられた複数の個別電極３５と、グランド電位に保たれた共通電極３４を備えている。インクをノズル孔８から吐出する場合には、ドライバＩＣから個別電極３５の接点部３６に信号が送られて、個別電極３５と共通電極３４との間に電位差が生じる。すると、圧電シート４１〜４４が圧力室１０側へ突出するように変形して圧力室１０の容積が低下して圧力室１０内の圧力が上昇するため、インクがノズル孔８から吐出される。

ところで、多数のノズル孔８が形成されたノズルプレート３０としては、従来より広く用いられているポリイミドなど、種々の材質のものを使用可能である。しかし、本実施形態のインクジェットヘッド１のように、印刷速度の高速化を実現するために主走査方向にヘッド本体７０が長尺化している場合に、主走査方向に長いノズルプレート３０を線膨張係数が大きいポリイミドで構成すると、ノズルプレート３０をカバープレート２９に接着する際の温度によっては、熱膨張により寸法誤差がかなり大きくなってしまう虞がある。そこで、本実施の形態においては、ポリイミドと比較して線膨張係数が小さい金属製（例えば、ＳＵＳ４０３等のステンレス製）のノズルプレート３０を使用している。

次に、ノズルプレート３０の製造方法について説明する。このノズルプレート３０の製造方法においては、以下に説明するように、金属製の基板５０にパンチ５１（金型部品）を打ち込むことにより基板５０にノズル孔８を形成する。
図７に示すように、パンチ５１は、基端側に形成された先細りの円錐台形状のテーパ部５１ａと、先端側の円柱部５１ｂと、これらテーパ部５１ａと円柱部５１ｂとを繋ぐ曲面部５１ｃとを有する。そして、曲面部５１ｃは、パンチ５１の軸心Ｃ１を含む断面において、テーパ部５１ａ及び円柱部５１ｂの各々との接続端Ａ，Ｂにおける接線Ｌ１，Ｌ２がテーパ部５１ａ及び円柱部５１ｂを構成する直線と夫々平行な円弧で構成されている。

そして、図８（ａ）に示すように、基板５０を貫通しないストロークでパンチ５１を基板５０の裏面側（圧力室１０側）から打ち込むことにより、図８（ｂ）に示すように、基板５０に、前述のパンチ５１のテーパ部５１ａと円柱部５１ｂと曲面部５１ｃとに夫々対応した、テーパ孔部８ａと円柱孔部８ｂとこれらテーパ孔部８ａ及び円柱孔部８ｂを繋ぐ曲面孔部８ｃとを形成する。ここで、図９に示すように、曲面孔部８ｃの接続端Ｄにおける接線が円柱孔部８ｂを構成する直線と平行であるため接続端Ｄは変曲点ではなく、この接続端Ｄの近傍におけるノズル孔８の内径の変化は小さい。また、曲面孔部８ｃの接続端Ｅにおける接線もテーパ孔部８ａを構成する直線と平行であるため、接続端Ｅも変曲点とならず、曲面孔部８ｃとテーパ孔部８ａとの間で内径が急激に変化しない。

さらに、曲面孔部８ｃの形状の一例を挙げる。パンチ５１の軸心Ｃ１を含む断面において、曲面部５１ｃを構成する円弧は、曲面部５１ｃの円柱部５１ｂとの接続端を通り軸心Ｃ１と直交するＸ座標軸と、軸心Ｃ１と平行でテーパ部５１ａ側に増加するＹ座標軸とを有し、且つ、円弧の中心を原点とする座標系において、テーパ部５１ａのテーパ角度をθ、曲面部５１ｃの両端における２本の接線の交点のＹ座標をＬとしたときに、Ｘ^２＋｛Ｙ−Ｌ／ｔａｎ（θ／２）｝^２＝｛Ｌ／ｔａｎ（θ／２）｝^２の数式で示される。言い換えれば、図９（ａ），（ｂ）に示すように、この曲面部５１ｃに対応して基板５０に形成される曲面孔部８ｃは、ノズル孔８の断面中心を通る中心線Ｃ１’を含む断面において円弧状の曲線で構成され、この円弧は、曲面孔部８ｃの円柱孔部８ｂとの接続端Ｄを通り前記中心線Ｃ１’と直交するＸ座標軸と、前記中心線と平行でテーパ孔部８ａ側に増加するＹ座標軸とを有し、且つ、円弧の中心を原点とする座標系において、テーパ孔部８ａのテーパ角度をθ、曲面孔部８ｃの両端における２本の接線の交点ＩのＹ座標をＬとしたときに、Ｘ^２＋｛Ｙ−Ｌ／ｔａｎ（θ／２）｝^２＝｛Ｌ／ｔａｎ（θ／２）｝^２の数式で示される。

そして、図８（ｂ）に示すように、パンチ５１を基板５０の裏面側から打ち込んだときには、必然的に基板５０の表面に凸部５０ａが形成されるため、図８（ｃ）に示すように、この凸部５０ａを研削盤による研磨等により除去して基板５０の表面を平坦化させるとともに、基板５０の表面にインク吐出口５２を形成する。その際、同時に、基板５０のうちの少なくとも円柱孔部８ｂが形成された表面部５０ｂを除去する。そのため、円柱孔部８ｂが残らず除去されるとともに、曲面孔部８ｃの円柱孔部８ｂとの接続端Ｄの近傍部が除去され、基板５０の表面（ノズル面）に形成されたインク吐出口５２から断面円弧状の曲面孔部８ｃに沿ってノズル孔８の内径が徐々に変化するようになるため、インクの着弾精度が向上する。尚、表面部５０ｂの除去作業は、円柱孔部８ｂを全て除去するものであればよく、円柱孔部８ｂとともに曲面孔部８ｃの一部が除去されるものであってもよい。

ここで、図９に示すノズル孔８からインクを吐出したときのインクの着弾精度について、従来の図１８に示す特許文献１に記載のノズルプレートと比較検討した。まず、インクを吐出する際にドライバＩＣ（図２参照）からアクチュエータユニット２１（図６参照）に供給されるパルス信号を図１０に示す。アクチュエータユニット２１の個別電極３５と共通電極３４との間に電位差が生じていない状態では、圧力室１０の上側に位置する圧電シート４１〜４４は変形していない。一方、個別電極３５と共通電極３４との間に電位差Ｖ_１をかけたときには、圧電シート４１〜４４が圧力室１０側へ変形して圧力室１０の容積が小さくなり、圧力室１０内の圧力が上昇する。

インクを吐出する場合には、まず、圧電シート４１〜４４（図６参照）が変形して圧力室１０の容積が小さくなっている待機状態から、圧力室１０内の圧力を減少させるパルスを与える。即ち、個別電極３５と共通電極３４との間の電位差Ｖを０として圧電シート４１〜４４の変形を解除して圧力室１０の容積を一旦増加させる。これにより、副マニホールド５ａのインクを圧力室１０に補充する。そして、所定時間Ｔｓ（本検討においては、Ｔｓ＝６．０μｓ）後に圧力室１０内の圧力を上昇させるパルスを与えて電位差ＶをＶ１とし、個別インク流路３２（図５参照）内を伝播する圧力波を適切に増幅させて、ノズル孔８からインクを吐出する。次に、個別インク流路３２内の圧力波を静めるために、所定時間Ａの間、圧力室１０の容積が低下した状態を保持する。尚、所定時間Ａが短い場合には、ノズル孔８から吐出される液滴の体積が減少するが、本実施形態における着弾精度の検討は、所定時間Ａを液滴の体積が減少しない程度の長さの範囲内で設定している。その後、一旦圧力室１０の圧力を低下させるパルスを与えた後、さらに、所定時間Ｂの経過後に再び圧力室１０の圧力を上昇させるパルスを与えて、個別インク流路３２内の圧力波を消去し、その状態で所定時間Ｃの間待機させる。尚、インクを１回吐出するのにかかるトータルの時間Ｔ_０（＝Ｔｓ＋Ａ＋Ｂ＋Ｃ）は予め所定の値に定められている（本検討においては、Ｔ_０＝６０μｓ）。

ここで、ノズル孔８からのインクの吐出特性は、Ｔｓ，Ａ，Ｂ及びＣの各値に依存する。そのうち、Ｔｓは、個別インク流路３２の形状やインクの特性から決まる圧力波の伝播時間長さ（アコースティックレングス：ＡＬ長）によって最適な値が決定されるものである。一方、Ａ，Ｂ及びＣも、インクの着弾精度が良好となるように設計段階で最適な値が決定されるものであるが、製造段階における個別インク流路３２の製作誤差等により、設計段階で決定された値が最適なものとならず、インクの着弾精度が低下する場合がある。つまり、インクの良好な着弾性が確保できる、Ａ，Ｂ及びＣの値の範囲が広いほど、着弾精度が良好であるといえる。尚、以下の検討においては、温度条件を室温（約２７〜２８℃）とし、インクの種類としては、ブラック（粘度３〜５ｍＰａ・ｓ）とシアン（粘度３〜５ｍＰａ・ｓ）を用いた。

そこで、本検討においては、Ａ及びＢの値を変化させたときに、インクの着弾精度がどのように変化するかにより、図９に示す本実施形態のノズルプレート３０の着弾性を、図１７の従来のノズルプレートと比較した。それぞれのノズルプレートについて、Ａ及びＢの値を夫々５．０μｓ〜１２．０μｓの範囲で変化させたときの結果を図１１、図１２に示す。図１１は本実施形態のノズルプレート３０の着弾精度が良好な範囲を示すものであり、（ａ）はインクがブラックの場合、（ｂ）はインクがシアンの場合である。図１２は、従来技術におけるノズルプレートの着弾精度が良好な範囲を示すものであり、（ａ）はインクがブラックの場合、（ｂ）はインクがシアンの場合である。ここで、図１１、図１２において塗りつぶされた部分が、インクの着弾性が良好であると判定された部分である。ここで、インクの着弾性が良好か否かは、同じノズル孔８から連続してインクを吐出したときのテストパターンの印刷結果において、インクが霧吹き状に吐出されたり、あるいは、インクの着弾位置がずれたりしていないかを目視にて確認することにより判定した。

図１１、図１２に示すように、ブラック、シアンの何れのインクを使用した場合でも、本実施形態の図９のノズルプレート３０においては、インクの着弾性が良好であると判定された部分の範囲が、従来の図１８のノズルプレートと比較して、かなり広くなっている。即ち、アクチュエータユニット２１に供給されるパルス信号に関し、そのパルス幅長の設定可能な範囲が従来よりも広くなっている。従って、本実施形態のノズルプレート３０を使用した場合には、流路ユニット４の製造段階において、個別インク流路３２に関する製作公差を少々緩くしても、良好なインクの着弾性を確保することが可能になる。

例えば、本実施形態のノズルプレート３０においてブラックのインクを使用した場合には、アクチュエータユニット２１に供給されるパルス信号を、図１１（ａ）に示された着弾性が良好となる範囲のほぼ中心である、Ａ＝１０μｓ、Ｂ＝８．５μｓとなるように設定すると、製造された流路ユニット４の製造誤差により着弾性が良好となる範囲が少し変化した場合でも、設定したパルス信号の条件を着弾性が良好な範囲内に収めることができる。従って、流路ユニット４の製造にあたっては、従来ほど厳しい製作公差が要求されず、生産性の向上をもたらすことができる。また、製作公差のみならず、インクジェットヘッドが使用される環境条件（温度、湿度等）に多少の変動があったとしても、同様に良好なインク着弾精度を保証することが可能になる。

ところで、図９に戻って、曲面孔部８ｃの円柱孔部８ｂとの接続端Ｄの近傍部においては、ノズル孔８の内径の変化は小さい。そのため、円柱孔部８ｂが形成された基板５０の表面部を除去したときに、接続端Ｄの近傍部まで除去されて基板５０の表面にインク吐出口５２が形成されるが、このときの加工誤差により表面部の除去量（除去厚さ）がばらつき、曲面孔部８ｃの一部が除去されたとしても、インク吐出口５２（図８（ｃ）参照）の口径のばらつきは非常に小さくなる。

このインク吐出口５２の口径のばらつきの度合について以下のような検討を行った。図９において、テーパ孔部８ａのテーパ角度をθ、曲面孔部８ｃの曲率半径をＲ、曲面孔部８ｃの円柱孔部８ｂとの接続端Ｄよりも、インク吐出口５２が形成されるノズル面の加工狙い位置Ｆを曲面孔部８ｃ側に設定したときの、接続端Ｄから加工狙い位置Ｆまでの距離をａ、加工誤差をｂとして加工狙い位置Ｆからｂ／２の距離だけ離隔した、ノズル面の最大ばらつき位置をＧ，Ｈとする。さらに、曲面孔部８ｃの接続端Ｄにおける接線と接続端Ｅにおける接線の交点Ｉの円柱孔部８ｂ先端からの距離をｃとする。尚、このｃの値は、仮にノズル孔８をテーパ孔部８ａと円柱孔部８ｂのみで近似して構成した場合の、仮想的な円柱孔部８ｂの長さに相当する。そして、基板５０の表面部５０ｂを除去した際にその加工誤差によって除去量がばらつき、加工狙い位置Ｆの位置から実際のインク吐出口５２の位置がずれた場合を想定したときに、最も表面側のＨの位置にインク吐出口５２が形成された場合と、最も裏面側のＧの位置にインク吐出口５２が形成された場合との間でのインク吐出口５２の口径差ΔＤ（＝２×Δｒ）について、以下のように検討した。

（１）曲面孔部８ｃを有しないテーパ形状の従来のノズル孔８（図１６参照）との比較
前述の各パラメータに対して以下のように具体的な数値を設定して、本実施形態のノズル孔８と従来のテーパ形状のノズル孔との間でΔＤの値を比較した。
すなわち、図９のノズル孔８において、基板５０の厚さを７５μｍ、θ＝８．３５度、Ｒ＝１３７．１５４μｍ、ａ＝３μｍ、ｂ＝４μｍ、ｃ＝１０μｍとしたときに、位置Ｇと位置Ｈとの間のインク吐出口５２の口径差は、ΔＤ＝０．１７５μｍとなる。この値は、図面公差に安全を見込んだ許容値（１．０μｍ程度）と比較してかなり小さな値である。一方、図１６に示す従来のノズルにおいて、同様の条件（θ＝８．３５度、ａ＝３μｍ、ｂ＝４μｍ）を適用したときには、ΔＤ＝１．１７３μｍとなる。つまり、本実施形態のノズル孔８によれば、従来のテーパ形状のノズル孔に比べて、加工誤差ｂに対するインク吐出口５２の口径のばらつきが非常に小さくなる（前述の条件下においては１／６以下）ことがわかる。
さらに、以下の（２）〜（５）においては、θ、ａ、ｂ及びｃの各値とΔＤとの関係について述べる。

（２）テーパ角度θとΔＤとの関係
ａ、ｂ及びｃの値を前述の（１）と同様の値とし、テーパ角度θを変化させたときの、位置Ｇと位置Ｈの間におけるインク吐出口の口径差ΔＤを図１３（ａ）に示す。この図１３（ａ）からわかるように、θの値が大きくなるにつれ曲面孔部８ｃの曲率半径Ｒが小さくなるため、必然的にΔＤが大きくなるが、それでも、θが２度から３０度の範囲内では、ΔＤは図面公差に安全を見込んだ許容値（１．０μｍ程度）と比較して十分小さな値である。

（３）接続端Ｄから加工狙い位置Ｆまでの距離ａとΔＤとの関係
θ、ｂ及びｃの値を前述の（１）と同様の値とし、接続端Ｄから加工狙い位置Ｆまでの距離ａを変化させたときの、位置Ｇと位置Ｈの間におけるインク吐出口５２の口径差ΔＤを図１３（ｂ）に示す。この図１３（ｂ）からわかるように、ａの値が大きくなるにつれノズル孔８の内径の変化率が大きくなるため、ΔＤが大きくなるが、それでも、ａが１μｍから１５μｍの範囲内では、ΔＤは図面公差に安全を見込んだ許容値（１．０μｍ程度）と比較して十分小さな値である。

（４）加工誤差ｂとΔＤとの関係
θ、ａ及びｃの値を前述の（１）と同様の値とし、加工誤差ｂを変化させたときの、位置Ｇと位置Ｈの間におけるインク吐出口５２の口径の口径差ΔＤを図１３（ｃ）に示す。この図１３（ｃ）からわかるように、加工誤差ｂが大きいほどΔＤが大きくなるのは当然であるが、それでも、ｂが０．５〜６．０μｍの範囲内では、ΔＤは図面公差に安全を見込んだ許容値（１．０μｍ程度）と比較してかなり小さい値となっている。

（５）距離ｃとΔＤとの関係
前述したように、距離ｃは仮想的な円柱孔部８ｂの長さであるが、別の表現をすれば、この距離ｃは、曲面孔部８ｃの円弧の長さと１対１の関係にある。そして、θ、ａ及びｂの値を前述の（１）と同様の値とし、距離ｃを変化させたときの、位置Ｇと位置Ｈの間におけるインク吐出口５２の口径の口径差ΔＤを図１３（ｄ）に示す。図１３（ｄ）に示すように、ｃが２μｍから２８μｍの範囲では、ΔＤの値は、図面公差に安全を見込んだ許容値（１．０μｍ程度）よりも小さくなっている。しかし、ｃの値がかなり小さい場合には、それだけ曲面孔部８ｃの円弧の長さが短くなるため、曲面孔部８ｃにおける内径の変化が比較的大きくなる。特に、ｃの値が８μｍ未満の場合には、ΔＤの値は前述の許容値よりも小さいとはいえ急激に大きくなっている。一方、ｃが大きい場合には、ΔＤの値がかなり小さくなるという点では好ましいのだが、ｃの値が大きいということは曲面孔部８ｃが長いということであり、特に、ｃの値が１６μｍよりも大きい場合にはノズル孔８の内径の変化がかなり小さくなる。この場合に、ノズル孔８内におけるインクの流動抵抗が小さくなりすぎ、インクの吐出特性がノズル孔８よりも上流の個別インク流路３２（図６参照）内の流動抵抗の影響を受けやすくなってしまう。つまり、個別インク流路３２の製作誤差によってインクの吐出特性が変化してしまう虞がある。そこで、ｃの値は、８〜１６μｍの範囲内であることが好ましい。

このように、本実施形態のノズルプレート３０においては、曲面孔部８ｃの円柱孔部８ｂとの接続端Ｄの近傍部まで除去されてインク吐出口５２が形成されるが、この接続端Ｄの近傍部においてはノズル孔８の内径の変化が小さいため、加工誤差に起因して表面部の除去量（除去厚さ）がばらついてしまったときでも、インク吐出口５２の口径のばらつき（ΔＤ）を小さく抑えることができる。

尚、以上の検討においては、加工狙い位置Ｆから接続端Ｄ側にｂ／２の距離だけ離隔したノズル面の最大ばらつき位置Ｈが、接続端Ｄから離れた曲面孔部８ｃ上に位置しており、曲面孔部８ｃの一部が必ず除去されるものであるが、加工狙い位置Ｆの設定はこの場合に限られるものではなく、少なくとも表面部５０ｂが全て除去されるような設定、例えば、最大ばらつき位置Ｈが接続端Ｄと一致するように位置設定するものでもよい。

次に、前記実施形態に種々の変更を加えた変更形態について説明する。但し、前記実施形態と同様の構成を有するものについては、同じ符号を付して適宜その説明を省略する。
１］前記実施形態においては、基板５０にノズル孔８を形成する際にパンチ５１が基板５０を貫通しないが（図８参照）、パンチ５１が基板５０を貫通するようにしてもよい。この場合、一般的に、パンチ５１で基板５０を貫通させたときに基板５０の表面にバリが生じるため、そのバリを除去する際に、同時に、少なくとも円柱孔部８ｂが形成された基板５０の表面部を除去すればよい。

２］図１４、図１５に示すように、基端側に形成された先細りの円錐台形状の第１テーパ部９１ａと、先端側に形成され第１テーパ部９１ａと同じく円錐台形状で且つ第１テーパ部９１ａよりも径の小さい第２テーパ部９１ｂと、これら第１、第２テーパ部９１ａ，９１ｂを繋ぐ曲面部９１ｃとを有するパンチ９１を用いて基板５０にノズル孔９８を形成してもよい。ここで、曲面部９１ｃは、パンチ９１の軸心Ｃ２を含む断面において、第１、第２テーパ部９１ａ，９１ｂの各々との接続端Ｊ，Ｋにおける接線Ｌ３，Ｌ４が第１、第２テーパ部９１ａ，９１ｂを構成する直線と夫々平行な円弧で構成されている。

そして、図１５（ａ）に示すように、基板５０を貫通しないストロークで、パンチ９１を基板５０の裏面側から打ち込むことにより、図１５（ｂ）に示すように、基板５０に第１テーパ部９１ａと第２テーパ部９１ｂと曲面部９１ｃとに夫々対応した、第１テーパ孔部９８ａと第２テーパ孔部９８ｂとこれら第１、第２テーパ孔部９８ａ，９８ｂを繋ぐ曲面孔部９８ｃとを形成する。

そして、図１５（ｃ）に示すように、前記実施形態と同様に、基板５０の表面に形成された凸部５０ａを除去する際に、同時に、基板５０のうちの少なくとも第２テーパ孔部９８ｂが形成された表面部を除去して、ノズル孔９８を形成する。このノズル孔９８を有するノズルプレート９０によれば、前記実施形態のノズルプレート３０と同様に、インク吐出口９２から断面円弧状の曲面孔部９８ｃに沿ってノズル孔９８の内径が徐々に変化するようになり、インクの着弾精度が向上する。さらに、前記実施形態と比べて、パンチ９１の先端の第２テーパ部９１ｂが先細り形状であるため、パンチ９１を基板５０に打ち込む際の抵抗が小さくなり、加工効率が向上するという利点もある。

３］パンチ５１の曲面部５１ｃを構成する曲線の形状としては、前記実施形態の円弧形状に限らない。例えば、図７において、軸心Ｃ１を含む断面において曲面部５１ｃを構成する曲線が、軸心Ｃ１と平行でテーパ部５１ａ側に増加するＸ座標軸と、曲面部５１ｃの円柱部５１ｂとの接続端を通り前記Ｘ座標軸と直交するＹ座標軸とを有する座標系において、位置Ｘにおける曲面部５１ｃの半径をＹとしたときに、ＹがＸの指数関数で示される曲線となるようにしてもよい。ここで、テーパ部及び円柱部と曲面部との接続端の近傍においてパンチ径の変化率が極力変化せず、さらに、インク吐出口３２の近傍でノズル内径が急激に変化しないことなどの条件を満たすことが要求される。その場合のＸとＹの好ましい関係式は、テーパ角度θや円柱部の径等により異なるが、その一例を挙げると、テーパ角度θ＝８．３４度、円柱部の径が１２．５μｍであるときには、Ｙ（μｍ）が、Ｙ＝１．０４８^ｘ＋１１．５の指数関数の数式で表される。そして、当然ながら、このパンチを用いることにより、パンチの曲面部５１ｃに対応して基板５０に形成された曲面孔部において、その中心線を含む断面において曲面孔部を構成する曲線も、中心線に平行でインク吐出方向と反対方向に増加するＸ座標軸と、曲面孔部と円柱孔部の接続端を通り前記Ｘ座標軸と直交するＹ座標軸とを有する座標系において、位置Ｘにおける曲面孔部の半径をＹとしたときに、ＹがＸの指数関数で示される曲線となる。

さらに、パンチ５１の軸心Ｃ１を含む断面において曲面部５１ｃを構成する曲線が、ＹがＸのｎ次関数（ｎは整数）で示される曲線となるようにしてもよい。この場合の好ましい一例を挙げると、テーパ角度θ＝８．３４度、円柱部の径が１２．５μｍであるときには、Ｙ（μｍ）が、Ｙ＝０．００３７ｘ^２＋１２．５の２次関数の数式で表される。そして、このパンチを用いることにより、パンチの曲面部に対応して基板に形成された曲面孔部において、その中心線を含む断面において曲面孔部を構成する曲線も、中心線に平行でインク吐出方向と反対方向に増加するＸ座標軸と、曲面孔部と円柱孔部の接続端を通り前記Ｘ座標軸と直交するＹ座標軸とを有する座標系において、位置Ｘにおける曲面孔部の半径をＹとしたときに、ＹがＸの２次関数で示される曲線となる。

さらには、パンチ５１の軸心Ｃ１を含む断面において曲面部５１ｃを構成する曲線が、ＹがＸの三角関数で示される曲線となるようにしてもよい。この場合の好ましい一例を挙げると、テーパ角度θ＝８．３４度、円柱部の径が１２．５μｍであるときには、Ｙ（μｍ）が、Ｙ＝２５ｃｏｓ｛（Ｘ−１８０）×π／１８０｝＋３７．５の三角関数の数式で示される。そして、このパンチを用いることにより、パンチの曲面部に対応して基板に形成された曲面孔部において、その中心線を含む断面において曲面孔部を構成する曲線も、中心線に平行でインク吐出方向と反対方向に増加するＸ座標軸と、曲面孔部と円柱孔部の接続端を通り前記Ｘ座標軸と直交するＹ座標軸とを有する座標系において、位置Ｘにおける曲面孔部の半径をＹとしたときに、ＹがＸの三角関数で示される曲線となる。

本発明の実施形態に係るインクジェットヘッドの斜視図である。 図１のII-II線断面図である。 ヘッド本体の平面図である。 図３の一点鎖線で囲まれた領域の拡大図である。 図４の１つの圧力室についてのヘッド本体７０の断面図である。 アクチュエータユニットの平面図である。 パンチ先端部の拡大図である。 ノズルプレートの製造工程を説明する説明図である。 ノズルプレートの拡大断面図であり、（ａ）はノズル孔を示す図であり、（ｂ）は曲面孔部についての（ａ）の拡大図である。 アクチュエータユニットに供給されるパルス信号を説明する説明図である。 インクの着弾精度に関する検討結果（本実施形態のノズルプレート）を示す図であり、（ａ）はインクがブラックの場合、（ｂ）はインクがシアンの場合を示す図である。 インクの着弾精度に関する検討結果（従来のノズルプレート）を示す図であり、（ａ）はインクがブラックの場合、（ｂ）はインクがシアンの場合を示す図である。 インク吐出口の口径のばらつきに関する検討結果を示す図であり、（ａ）はθとΔＤ、（ｂ）はａとΔＤ、（ｃ）はｂとΔＤ、（ｄ）はｃとΔＤの各関係を示す図である。 変更形態のパンチ先端部の拡大図である。 変更形態のノズルプレートの製造工程を説明する説明図である 従来のテーパ形状のノズル孔を有するノズルプレートの断面図である。 従来のテーパ孔部と円柱孔部とからなるノズル孔を有するノズルプレートの断面図である。 従来のテーパ孔部と円柱孔部と曲面孔部とからなるノズル孔を有するノズルプレートの断面図である。

符号の説明

８ ノズル孔
８ａ テーパ孔部
８ｂ 円柱孔部
８ｃ 曲面孔部
３０ ノズルプレート
５０ 基板
５１ パンチ
５１ａ テーパ部
５１ｂ 円柱部
５１ｃ 曲面部
５２ インク吐出口
９０ ノズルプレート
９１ パンチ
９１ａ テーパ部
９１ｂ 円柱部
９１ｃ 曲面部
９２ インク吐出口
９８ ノズル孔
９８ａ テーパ孔部
９８ｂ 円柱孔部
９８ｃ 曲面孔部

Claims (7)

1. 基端側に形成された円錐台形状の第１のテーパ部と、先端側に形成され前記第１テーパ部と同じく円錐台形状で且つ第１のテーパ部よりもテーパ角の小さい第２のテーパ部と、これら第１、第２のテーパ部を繋ぐ曲面部とを有する先細り形状の金型部品を用いたプレス加工により、基板に第１のテーパ部と第２のテーパ部と曲面部とに夫々対応した、第１のテーパ孔部と第２のテーパ孔部とこれら第１、第２のテーパ孔部を繋ぐ曲面孔部とを形成する工程と、
   前記基板のうちの、前記第２のテーパ孔部とこの第２のテーパ孔部に接続する前記曲面孔部の一部とが形成された表面部を除去する工程と、
   を備えたことを特徴とするノズルプレートの製造方法。
2. 前記金型部品は、前記曲面部が、その軸心を含む断面において、第１のテーパ部及び第２のテーパ部の各々との接続端における接線が第１のテーパ部及び第２のテーパ部を構成する直線と夫々平行で且つ前記接続端間において変曲点を有しない曲線で構成された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. 軸心を含む断面において前記曲面部を構成する曲線が円弧であることを特徴とする請求項２に記載のノズルプレートの製造方法。
4. 前記円弧は、前記曲面部の前記第２のテーパ部との接続端を通り前記軸心と直交するＸ座標軸と、前記軸心と平行で前記第１のテーパ部側に増加するＹ座標軸とを有し、且つ、円弧の中心を原点とする座標系において、前記第１のテーパ部のテーパ角度をθ、前記曲面部の両端における２本の接線の交点のＹ座標をＬとしたときに、Ｘ^２＋｛Ｙ−Ｌ／ｔａｎ（θ／２）｝^２＝｛Ｌ／ｔａｎ（θ／２）｝^２の数式で示されることを特徴とする請求項３に記載のノズルプレートの製造方法。
5. 軸心を含む断面において前記曲面部を構成する曲線が、前記軸心と平行で前記第１のテーパ部側に増加するＸ座標軸と、前記Ｘ座標軸と直交するＹ座標軸とを有する座標系において、位置Ｘにおける曲面部の半径をＹとしたときに、ＹがＸの指数関数で示される曲線であることを特徴とする請求項２に記載のノズルプレートの製造方法。
6. 軸心を含む断面において前記曲面部を構成する曲線が、前記軸心と平行で前記第１のテーパ部側に増加するＸ座標軸と、前記Ｘ座標軸と直交するＹ座標軸とを有する座標系において、位置Ｘにおける曲面部の半径をＹとしたときに、ＹがＸのｎ次関数（ｎは整数）で示される曲線であることを特徴とする請求項２に記載のノズルプレートの製造方法。
7. 軸心を含む断面において前記曲面部を構成する曲線が、前記軸心と平行で前記第１のテーパ部側に増加するＸ座標軸と、前記Ｘ座標軸と直交するＹ座標軸とを有する座標系において、位置Ｘにおける曲面部の半径をＹとしたときに、ＹがＸの三角関数で示される曲線であることを特徴とする請求項２に記載のノズルプレートの製造方法。
   

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