JP4375865B2

JP4375865B2 - インクジェットノズルの微細製造方法

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Publication number: JP4375865B2
Application number: JP2000007783A
Authority: JP
Inventors: エークビージョエル
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1999-01-19
Filing date: 2000-01-17
Publication date: 2009-12-02
Anticipated expiration: 2020-01-17
Also published as: US6507001B1; JP2000203029A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、濡れ防止インクジェットノズルと濡れ防止インクジェットノズルを精密に形成する方法に関する。方法の一つではレーザによるアブレーション（削磨；ａｂｌａｔｉｏｎ）加工を用い、もう一つの方法では精密射出成形を用いて、インク滴の望ましくない偏流を防止できるリップを備えたノズルを成形する。本発明のインクジェットノズルは、シリコンウェーファまたは半導体製のノズルを損傷させると知られるインクに起因する損傷を回避する材料から製造できる。更に、本発明を用いると、広範囲の種類のインク、例えば、高ｐＨまたは低ｐＨ範囲の磨耗性または腐食性のインクをインクジェットノズルに使用することが可能となる。
【０００２】
【従来の技術】
図１（Ａ）は、従来のノズル構造を有する既往技術のインクジェット印刷装置１を示す。この装置は、円環状のボア（孔；ｂｏｒｅ）３と該ボア３の軸に直角に配向されている前端面４を備える。インクジェット噴射装置１の各ボア３には、文字を記録媒体（図示せず）に形成する目的のインク２が供給される。図１（Ａ）は、ボア３から現れ、記録媒体に到るインク２の進行状態を示す。インク滴５の形成は初めボアの口部で起こり、次第にサイズが大きくなり、次いでボアからインクが発射され、望ましい文字を記録媒体に印刷する。このタイプのサーマルインクジェット装置は、インクジェットノズルの前端面４に濡れ６が起こる時、印刷品質が損なわれるという問題がある。このタイプの濡れが起こると、文字の印刷が不正確になり、シミが出ることが多くなる。
【０００３】
更に、図１（Ｂ）に示されるようにオリフィス３周りに付着したインク２の一部分７が非対称形に乾燥すると、次に形成するインク滴８が、濡れ性が最も大きい側に引付けられ、矢印９で示される方向に偏流される。既往技術のサーマルインクジェット装置では、疎水性コーティングを前面に被覆してインクが前端面を濡らすことを最小限に抑えることによって、これらの方向性問題を避ける試みの一つとしている。
【０００４】
もう一つの解法は、ノズルオリフィスの周りに前端面濡れ現象を最小限に抑えるノズル構造を微細製造することによって濡れを最小眼に抑えることである。インク濡れ問題に対するそのような解法の一つが、従来技術を示す図２に示されている。この図は、インクジェットノズル１０、該ノズル先の前端面１１、該前端面に直角のボア１２、該ボア内を流れるインク１３を示す。インク１３は、インク源（図示せず）から供給される。更に、図２のノズル１０は、該ノズルの前端面１１上に付着する濡れを防止する役目のリップ部１４を備えている。このノズル構造は濡れ防止に有効であるけれども、現在のところ高価な化学的または機械的方法で製造されているという問題点を抱えている。
【０００５】
図３は、図２の既往技術デバイスのリップ部を形成する５段階の化学プロセスを示す。最初の段階は、ステップ（ａ）に示されるようにブラス（黄銅）板１５を用意し、ステップ（ｂ）で前記ブラス板１５に第一の円筒形ホール１６と第二の相対する円錐形ボア１７を穿つ。ステップ（ｃ）では、ニッケル層１８を「無電解」法でステップ（ｂ）のブラス板１５の全表面にメッキする。ここで、ステップ（ｂ）のブラス板１５の全表面には、頂面１９、底面２０、貫通ホール１６と相対円錐形ホール１７の表面が含まれる。ステップ（ｄ）で、底表面２１のニッケル層１８とブラスの一部とを、必要に応じて、研磨で除去する。最後に、ステップ（ｅ）で、円環状ボア１６上にコーティングされたニッケル面１８ｂの周囲の表面２１を選択的にエッチングして新しい表面２０’を出し、ノズルのリップ部１４を生成する。
【０００６】
図４（Ａ）と図４（Ｂ）は、インクジェットノズルにリップ部を機械的に形成する別法を示す。この方法では、目的はニッケル板２３にパンチ２２を用いて穿孔し、ノズルをニッケル板に形成することである。パンチ２２に力Ｆを加えてニッケル板２３を穿孔する。この工程の最後で、ニッケル板２３の一部がプラスチック片２４の中に貫通する。スチール板２５の支持作用とプラスチック片２４の流体的挙動によって、ギザギザがなく所望の形状のホール２６が、リップ部２７を含んで、ニッケル板２３に生成される。
【０００７】
また、レーザアブレーション加工法を用いてノズル板を製造することも知られている。この方法ではレーザを用いてノズル板貫通のボア、例えば、円錐形孔を生成する。しかし、このようなノズルも上述のインク濡れ問題を抱える。図２に示されるようなリップ部がないからである。
【０００８】
【本発明が解決しようとする課題】
本発明の一つの側面は、印刷装置に用いる濡れ防止インクジェットノズルを提供することであり、インク滴の望ましくない偏流の防止は、インクジェットノズルのオリフィス周囲の領域の周りにインクが非対称的に堆積することを防止することによって行われる。
【０００９】
本発明の側面のもう一つは、濡れ防止インクジェットノズルを精密製造するのに用いられる材料の範囲を拡大することである。例えば、本発明の製造方法を用いると、ポリマー（例えば、ポリスルフォン）、プラスチック、テフロン（登録商標）、金属および／またはその酸化物などで製造されたノズルを製造することができる。
【００１０】
もう一つの側面では、インクジェット装置のノズルを形成するに当たって、費用と時間双方ともに効率的に行われ、インク選択制約やインク履歴欠陥に関連する問題をなくすることができる。だから、化学的に腐食性の激しいインク、例えば、ｐＨ３またはｐＨ９〜１０を有するインクも用いることができる。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の一つの態様に従えば、インクジェットノズルの微細製造方法が提供される。
【００１２】
本発明の態様に従えば、インクジェットノズルの別の微細製造方法が提供される。本方法は、インクジェットノズルのボア先端のリップを形成するための尖端部を有するノズル成形ピンと、前記ノズル成形ピンの後端部と当接して嵌着可能な上部金型と、前記ノズル成形ピンの尖端部と上部金型との間に規定する空間を形成するように位置決めされる下部金型と、を用意するステップと、前記空間に成形材料を注入するステップと、前記上部金型と下部金型とノズル成形ピンとを取り外して、成形されたインクジェットノズルを離型するステップと、からなり、ノズル板と、該ノズル板から外側に突出し一体的に形成されているリップと、を有するインクジェットノズルを製造するインクジェットノズルの微細製造方法である。本方法において、前記成形材料は、ポリマー、プラスチック材料、セラミックスまたは射出成形可能な他の材料である。更に、前記ピンを上部金型と下部金型双方に対して可動にして、異なる形状・特性を有して対応するリップを備えたノズル板を製造することも可能である。
【００１３】
本発明の別の一つの参考態様に従えば、上記インクジェットノズルの微細製造方法によって形成されたインクジェットノズルであって、上表面と下表面とを有するノズル板と、ノズル板の下表面から外側に突出しノズル板と一体的に形成されるリップと、ノズル板の上表面から下表面へ前記リップを完全に貫通して伸びるボアと、を有するインクジェットノズルが提供される。前記ボアは、上表面から下表面にかけてボアの内径が小さくなるように傾斜している内部表面を有し、前記角度はノズル板とリップ全体を通して実質的に一定である。
【００１４】
実施の形態では、リップの断面形状は三角形でもよく、リップの下部表面がボアの内部表面に対して鋭角を形成しているものでもよく、ノズル板とリップとをインク寛容度制約やインク履歴欠陥に強い材料で製造することもでき、前記材料をプラスチックおよび／またはポリマーとすることもできる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の第一の実施の形態は、図５（Ａ）〜５（Ｄ）を参照して説明し、本発明の第二の実施の形態は、図６（Ａ）〜６（Ｃ）を参照して説明する。
【００１６】
図５Ａ〜５Ｄは、インクジェットプリンタに用いられるリップ付のインクジェットノズルをノズル板１００から微細製造することができるプロセスを示す。このプロセスは順次プロセスで説明されるが、ステップの順序を再調整したり同時に行ったりすることもできるのは言うまでもない。図５（Ａ）で、適切な材料から製作された厚さＴ_pのノズル板１００を用意する。このノズル板は、レーザアブレーション加工に供される好適な材料、例えば、ポリマーやプラスチックから製作できる。レーザアブレーション加工は、材料次第で変わるものであるが、一般に、技術に既知の光子誘起アブレーションが行われる。
【００１７】
図５（Ａ）のノズル板１００を、その上表面１０２からレーザ・アブレーション加工して、インクジェットオリフィス、すなわちボア１１０を製造する。図５（Ｂ）に示されるように、インクジェットボア１１０は、ノズル板１００の上表面１０２からノズル板１００の下表面１０４へノズル板１００を完全に貫通して伸びる。図５（Ｂ）に示されるノズル板１００に対して、技術に普通知られるフォトマスク１２０を下表面１０４の近く、かつボア１１０の上に掛ける。前記フォトマスクを適切に配置した後、ノズル板１００の下表面１０４にレーザーアブレーション加工操作を行う。一連の矢印１３０は、レーザアブレーション加工を行うことを示す。フォトマスク１２０は、ノズル板１００の下表面１０４にレーザアブレーションがかからないギャップＧを作る。下表面１０４にレーザアブレーションを掛けた結果、ノズル板１００がアブレーション加工され、その厚さがｔに減少される。この減少された厚さｔは、図５（Ｄ）に示されている。図５（Ａ）に示されるノズル板１００の最初の厚さＴ_Pと図５（Ｄ）に示される厚さｔとの間の差は、図５（Ｄ）に示されるリップ１４０の厚さＴ_Lを示す。図５（Ｄ）に示されるように、前記ボアは、ノズル板１００の上表面１０２からノズル板１００の下表面１０４へとリップ１４０を完全に貫通して伸びる。また、前記ボアは、上表面１０２と下表面１０４とに対してある角度で傾斜している内部表面１１２を有するが、前記角度はノズル板１００とリップ１４０の厚さ全体を通して実質的に一定である。レーザアブレーション微細加工技術を用いると、リップ１４０をノズル板１００と一体に形成したものを製造することが可能である。この一体構造のリップ１４０は、インクジェットノズルのボア１１０周囲の領域の周りにインクが非対称的に堆積するのを防止することができる。更に、図５（Ａ）〜５（Ｄ）に示されるインクジェットノズルは、例えば、ポリマー、すなわちシリコンウェーファや半導体とは異なる材料から製造できるので、インク寛容度制約やインク履歴欠陥に関連する問題を回避できる。換言すれば、レーザアブレーション加工技術を用いると、インクによる損傷に耐性のある材料を使用することが可能となる。このような材料はインクの寛容度を増すことができる（すなわち、化学的に腐食性が強いインク、例えば、酸性（ｐＨ＝３）または塩基性（ｐＨ＝９）のインクを使用することができる）。このような腐食性の強いインクはシリコンのようなノズル材料をエッチングしたり溶解したりする恐れがある。しかし、テフロン（登録商標）のような材料は、化学的に極めて不活性なので、この材料から作られたノズル板はインクの損傷に対して耐性を有することができる。
【００１８】
リップ１４０の下表面１４２はボア内表面１１２に対して鋭角の角度θを形成しているので、形成された鋭いエッジ１４４が下表面１４２のインク濡れを制御する助けになる。
【００１９】
本発明の別の実施形態を図６（Ａ）〜６（Ｃ）を参照して説明する。図６（Ａ）〜６（Ｃ）は、本発明のインクジェットノズルを製造するプロセスの一つを示す。図６（Ａ）は、上部金型２０２と下部金型２０４とを備える精密射出成形装置２００を示す。上部金型２０２の一部として成形されているのは、ノズル成形ピン２０６である。ノズル成形ピン２０６は矢印で示されているように上部金型２０２に対して可動にできる。その目的は以下に説明する。
【００２０】
上部金型２０２と下部金型２０４との位置決めを適切に行い、ノズル成形ピン２０６を正しい位置にセットした後、上部金型と下部金型との間でノズル成形ピン２０６と下部金型２０４との間に形成されるギャップ、すなわち空間Ｓに成形材料を挿入する。前記成形材料としては、適切な成形材料ならどんな材料でも、例えば、プラスチック、ポリマー（例えば、ポリスルフォン）あるいはセラミックを使用することができる。図６（Ｂ）は、成形材料３００が成形装置２００に挿入された後の状態を示す。
【００２１】
成形材料３００がセットされた後、上部金型２０２と下部金型２０４と、並びにノズル成形ピン２０６とを取り外し、成形されたインクジェットノズル３００を離型する。インクジェットノズル３００は、下表面３０４を有するノズル板３０２を備える。リップ３０６はノズル板３０２とワンピースに成形され、ノズル板３０２の下表面３０４から外側に伸びる。この実施形態のインクジェットノズルは、図５（Ａ）〜５（Ｄ）の実施形態に関して上に議論した利点と同じような利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】オリフィス領域に濡れ問題を抱える既往技術のノズルを示す図である。
【図２】円筒形のリップ部を有する既往技術のノズルを示す図である。
【図３】図２のリップ部を形成する既往技術の化学プロセス法を示す図である。
【図４】ニッケル板のノズルにリップ部を形成する機械的プロセスを示す図である。
【図５】本発明の実施の形態の一形態を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態の別の形態を示す図である。
【符号の説明】
１インクジェット印刷装置、２，１３インク、３ボア、４，１１前端面、５インク滴、６濡れ、７インクの一部、８次に生成するインク滴、９矢印、１０インクジェットノズル、１２ボア、１４リップ部、１５ブラス板、１６第一円筒形ホール、１７第二円錐形ボア、１８ニッケル層、１９頂面、２０底面、２０’新しい底端面、２１底表面、２２パンチ、２３ニッケル板、２４プラスチック片、２５スチール板、２６ホール、２７リップ部、１００，３０２ノズル板、１０２上表面、１０４，３０４下表面、１１０インクジェットボア、１１２内部表面、１２０フォトマスク、１３０レーザ・アブレーション方向、１４０，３０６リップ、１４２下表面、１４４鋭いエッジ、２００精密射出成形装置、２０２上部金型、２０４下部金型、２０６パンチ、３００成形材料。

Claims

インクジェットノズルの微細製造方法であって、
インクジェットノズルのボア先端のリップを形成するための尖端部を有するノズル成形ピンと、前記ノズル成形ピンの後端部と当接して嵌着可能な上部金型と、前記ノズル成形ピンの尖端部と上部金型との間に規定する空間を形成するように位置決めされる下部金型と、を用意するステップと、
前記空間に成形材料を注入するステップと、
前記上部金型と下部金型とノズル成形ピンとを取り外して、成形されたインクジェットノズルを離型するステップと、
からなり、ノズル板と、該ノズル板から外側に突出し一体的に形成されているリップと、を有するインクジェットノズルを製造することを特徴とするインクジェットノズルの微細製造方法。