JP4450171B2 - ノズルプレートの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、流体が吐出されるノズルを有するノズルプレートの製造方法に関するものである。

流体を吐出するノズルプレートとしては、例えば、インクジェットプリンタのインク吐出用のノズルプレート等が知られている。このインクジェットプリンタのノズルプレートでは、ノズルの周囲表面にインクの濡れができるとインク滴の飛翔方向にズレが生じたり、さらに濡れがひどくなるとインク滴が飛ばないといった問題が起きる。そのため、ノズルが形成されたノズルプレートの表面に撥水性膜を設けて濡れが生じるのを抑える技術が知られている。

ノズルプレートにおけるノズルの加工方法としては、例えば、特許文献１等に、エキシマレーザを用いる方法が記載されている。特許文献１では、基板となるポリイミド樹脂の表面に撥水性膜を形成した後、前記基板の裏面からエキシマレーザを照射してノズルを加工している。ところが、通常、撥水性膜としてはフッ素系やシリコン系の材質が利用されるが、これらの材質は、紫外線用レーザである短波長のエキシマレーザを透過させる、換言すれば、撥水性膜はエキシマレーザで加工されない。そのため、実際には、撥水性膜は、基板の分子の分解、飛散に伴って穿孔されるだけであるので加工形状がきれいに仕上がらず、基板の表面側に撥水性膜を構成する素材からなるバリ（加工による副生成物も含む）が残される。このバリは、インク滴の飛翔に悪影響を与えるため、特許文献１では、バリの発生後に基板を再加熱することで、バリを軟化させて平坦化させている。これにより、撥水性膜を有する基板をレーザ加工しても、その吐出性能を悪化させることがない。

一方、基板にレーザでノズル加工を行う場合には、基板の板厚は薄い方が、加工時間の短縮等のために望ましい。しかし、板厚が薄いと強度が弱くなるため、基板を保持する際の作業性が悪くなる。また、ノズルとプリンタヘッドの他の構成部材の孔部とを正確に合わせて、ノズルプレートを、その構成部材に貼り合わせる必要がある。そのため、例えば、特許文献２には、あらかじめノズルの位置に対応する孔部（特許文献２ではノズル連通口と記載）が穿設された補強部材（特許文献２では支持部材と記載）を基板の裏面に貼り付けて、基板の強度を高めて作業性を向上させた後に、前記孔部側から基板にレーザを照射してノズル加工を行っている。
特許第３３４８７４４号公報（図２参照） 特開２００３−２３１２６０号公報（図１参照）

ノズルの吐出性能とノズル加工の作業性の両方を向上させるためには、特許文献１及び２を応用し、表面に撥水性膜が形成された基板の裏面に前記のような補強部材を貼着しておいて、裏面側からレーザによりノズル加工を施し、その後、撥水性膜に起因する前記バリを熱処理により平坦化させるという工程が考えられる。しかしながら、この場合には、バリの平坦化のために撥水性膜を熱処理すると、既に前記基板と補強部材とが接着剤により固着されているから、加熱により接着剤が分解し、基板と補強部材との接着強度が劣化する。この補強部材は、ノズル加工時の補強のためだけに使用されるのではなく、孔部をノズル連通口として機能させて、そのままインクジェットプリンタヘッドの構成部材として使用される。そのため、接着強度が劣化すると、インクジェットプリンタヘッドの耐久性が大きく損なわれるという問題を生じる。

本発明は、上記課題を解消するものであり、吐出性能及び耐久性に優れたノズルプレートを、ノズル加工時の作業性を向上させて製造することのできる製造方法を提供することを目的とするものである。

前記目的を達成するために、請求項１に記載の発明におけるノズルプレートの製造方法は、流体が吐出されるノズルを有するノズルプレートの製造方法であって、平板状の基板の少なくとも一面に撥水性膜を形成する工程と、前記ノズルの位置に対応して形成された孔部を有する補強部材を、前記基板の他面に接着剤により固定する工程と、前記孔部側から前記基板の他面にレーザを照射して、前記撥水性膜を有する基板にノズルを穿設する工程と、ノズルの穿設後に、前記撥水性膜の熱処理温度で再加熱する工程とが備えられ、前記基板に撥水性膜を形成する工程の前に、まず、前記基板の他面を保護膜で被覆する工程と、次いで、前記基板に対する前記撥水性膜の密着強度を上げるための処理液に前記基板を浸漬することで、前記基板にプライマ処理を行う工程とが備えられ、前記基板にプライマ処理を行う工程と、前記基板の他面に前記補強部材を固定する工程との間で、前記保護膜を基板の他面から除去する工程が備えられ、前記再加熱の熱処理温度は、前記接着剤の分解温度より低い温度であることを特徴とするものである。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のノズルプレートの製造方法において、前記補強部材の孔部は、前記流体をノズルに供給する流路となることを特徴とするものである。

請求項１に記載の発明によれば、基板を補強部材に接着した後、補強部材の孔部側から基板にレーザを照射してノズルを穿設するので、基板の板厚が薄くても作業性を向上させて加工することができる。このとき、孔部に対してノズルを位置合わせして基板を補強部材に接着するのではないから、孔部に対してノズルを正確な位置に形成することができる。

また、基板に対してレーザでノズル加工を行う際に、撥水性膜に起因するバリを生じるが、その後、撥水性膜をその熱処理温度で再加熱することにより、バリが軟化して平坦化され、バリによる流体の吐出不良を防止できる。さらに、撥水性膜を再加熱する際の熱処理温度は、接着剤の分解温度よりも低いから、前記再加熱により接着剤の密着強度が劣化することを防止することができる。

請求項１に記載の発明によれば、プライマ処理により、撥水性膜の基板に対する密着強度が高められるから、ノズルに対して拭き取り等のメンテナンス作業が行われた場合での、撥水性膜の剥離を防止することができる。

請求項１に記載の発明によれば、プライマ処理は、処理液に浸漬することで行われるから、処理作業が容易になるという効果を奏する。また、前記処理液への浸漬に際し、基板の他面に保護膜を貼着して、当該他面へのプライマ処理を阻止しているから、基板の他面へレーザを照射して加工する時に、プライマ処理に起因する加工不良を防止することができる。

請求項２に記載の発明によれば、前記孔部は、そのまま流体をノズルに供給する流路となるから、補強部材は取り外しが不要で、そのまま構成部材として活用される。

以下に、本発明に係るノズルプレートの製造方法における実施形態を、図面に基づいて説明する。図１は本発明のノズルプレートが適用されたキャビティユニットの分解斜視図、図２（ａ）〜図２（ｇ）はノズルプレートの製造工程を示す断面図、図３は本発明のノズルプレートを用いたヘッドユニットの斜視図、図４は本発明のノズルプレートを用いたインクジェットプリンタの斜視図である。

実施形態として図１に示すノズルプレート１１は、後述するインクジェットプリンタ１００のキャビティユニット１０に適用したもので、キャビティユニット１０の表面（前面、図１では最下面）側に取り付けられ、その表面から流体としてのインクを吐出するように構成されている。ノズルプレート１１は、図２（ｇ）に示すように、基板５１を有し、基板５１にはその板厚方向に貫通する複数のノズル１１ａが形成され、基板５１の一面としての表面５１ａ側には、ノズル１１ａの周囲に撥水性膜５２が形成されている。そして、他面としての裏面５１ｂ側には、補強部材５５が固定されている。この実施形態では、補強部材５５は、後述するマニホールドプレート１２である。

このノズルプレート１１の製造方法について、図２（ａ）〜図２（ｇ）に従って説明する。

まず、図２（ａ）に示すように、基板５１の他面５１ｂが保護膜５３により被覆される。基板５１は、インク成分中に含まれる溶剤に対して耐溶剤性を有し、且つレーザによるノズル加工が可能で、且つ後述する撥水性膜５２の熱処理温度に対する耐熱性も有する材質から選択される。例えば、金属、樹脂材料等が好適であるが、この実施形態では、一例としてポリイミドフィルムを用いている。保護膜５３には、剥離可能なシート状のマスキング材（日立化成工業（株）製、ヒタレックス）を用い、貼着することで基板５１の他面５１ｂを被覆している。

次に、図２（ｂ）に示すように、基板５１にプライマ処理を行いプライマ層５４が形成される。このプライマ処理は、後述する撥水性膜５２の基板５１に対する密着強度を上げるために行われるもので、この実施形態では、プライマ処理液に浸漬することで処理される。プライマ処理液としては、例えば信越化学工業（株）製のシランカップリング剤ＫＢＥ−９０３を純水で約２ｗｔ％に希釈したものが使用され、約１００℃において乾燥される。基板５１では、裏面５１ｂが既に保護膜５３で被覆されているため、基板５１に直接プライマ層５４が形成されるのは表面５１ａのみであり、裏面５１ｂにおいては、保護膜５３上に、プライマ層５４が形成される。なお、プライマ処理に先立って、基板５１の表面５１ａを酸素プラズマ等で表面処理（親水化処理）し、プライマ層５４の密着性を向上させてもよい。

次に、図２（ｃ）に示すように、基板５１の裏面５１ｂの保護膜５３が、基板５１から剥離される。その結果、基板５１においては、表面５１ａのみに前記プライマ層５４が形成され、裏面５１ｂは基板５１が直接露出した状態となる。

次に、図２（ｄ）に示すように、基板５１の表面５１ａに、撥水性膜５２が形成される。この実施形態では、フッ素系の素材からなる撥水性剤が表面５１ａにスプレーで塗布され、その後、所定の熱処理温度（約２５０℃）で、所定時間加熱されることで、撥水性膜５２が形成される。なお、例えば、撥水性膜５２の形成が浸漬法等で行われて、撥水性膜５２が裏面５１ｂ上にも形成される可能性がある場合には、前記保護膜５３の剥離工程を、撥水性膜５２の形成後に行うものとする。

なお、撥水性膜５２としては、３フッ化塩化エチレン樹脂（ＰＣＴＦＥ樹脂）、フッ化ビニリデン樹脂、フッ化ビニル樹脂等のフッ素系の樹脂、さらにはフッ素原子を含んだ表面改質剤やコーティング材例えばＫＰ８０１Ｍ（商品名：信越化学工業（株）製）、サイトップ（商品名：旭硝子（株）製）、ＡＦ１６００（商品名：イー・アイ・デュポン・ドゥ・ヌムール・アンド・カンパニー製）、ＤＥＦＥＮＮＳＡ７７７０２（光ラジカル重合型樹脂：大日本インキ化学工業（株）製）、ＦＳ−１１６（商品名：ダイキン工業（株）製）、フロラード（商品名：住友スリーエム（株）製）等を使用することができる。

次に、図２（ｅ）に示すように、ノズル１１ａの位置に対応して形成された複数の孔部５６を有する補強部材５５を、基板５１の裏面５１ｂに接着剤５７により固定する。この実施形態では、補強部材５５は４２合金（４２％Ｎｉ−Ｆｅ）またはステンレス鋼などの金属製であり、その板厚は、補強部材５５が基板５１に固定されることにより、基板５１の強度が高められる程度の板厚に設定されている。なお、前記接着剤５７としては、例えば（株）スリーボンド製２０Ｘ−３４３−１２が使用され、その分解開始温度は約３００℃（Ｔ１）である。

次に、図２（ｆ）に示すように、孔部５６側から基板５１の他面５１ｂにレーザを照射して、撥水性膜５２を有する基板５１にノズル１１ａを穿設する。加工に用いるレーザには、エキシマレーザ等が使用される。前述したように、撥水性膜５２は、一般的にエキシマレーザでは加工できず、表面５１ａ側に撥水性膜５２のバリ５８が発生する。

次に、図２（ｇ）に示すように、撥水性膜５２が所定の熱処理温度で再加熱される。この再加熱により、前記撥水性膜５２のバリ５８は溶融されて基板５１の表面５１ａにおいて平坦化される。これにより、ノズルプレート１１が完成される。なお、この撥水性膜５２の再加熱の熱処理温度は約２５０℃（Ｔ２）であり、前記接着剤５７の分解温度Ｔ１との間でＴ１＞Ｔ２の関係が成立するように、あらかじめ接着剤５７及び撥水性膜５２が選択されている。なお、撥水性膜５２の再加熱の熱処理温度Ｔ２は、撥水性膜５２の初めの熱処理温度と同じ場合と異なる場合とがある。

そして、このように形成されたノズルプレート１１においては、前記補強部材５５の孔部５６が、ノズル１１ａにインクを供給するための流路の一部となっている。この実施形態では、補強部材５５は、キャビティユニット１０のマニホールドプレート１２に転用されるため、取り外されることなく、そのままキャビティユニット１０の構成部材として利用される。

上述した実施形態では、前記撥水性膜５２の再加熱時の熱処理温度Ｔ２が、接着剤５７の分解温度Ｔ１より低くなるように、撥水性膜５２及び接着剤５７が選択されている。これにより、バリ５８を軟化させる再加熱の工程において、接着剤５７が分解して基板５１と補強部材５５の接着強度を劣化させることを防止できる。そのため、補強部材５５がマニホールドプレート１２として使用されても、接着強度を心配する必要がない。

また、上述の実施形態では、撥水性膜５２は、プライマ層５４を介して基板５１の表面５１ａに形成されているため、その密着強度に優れており、ノズルプレート１１の表面５１ａが後述するメンテナンス動作等によって摩擦されても、撥水性膜５２が剥離することを防止することができる。

また、上述のプライマ処理（図２（ｂ）及び図２（ｃ）参照）は、基板５１の裏面５１ｂを保護膜５３で被覆して行われるため、裏面５１ｂへのプライマ層５４の形成を、確実に阻止できる。プライマ層５４がレーザの照射面にあると、レーザ加工の不良を引き起こす場合があるが、本実施形態では、裏面５１ｂでは基板５１が直接露出しているため、加工不良の発生を大幅に低減できる。

また、補強部材５５の孔部５６をノズル１１ａの径大側の開口端とほぼ同じ径に設定することもできる。これにより、ノズル１１ａをレーザ加工するに際して、補強部材５５をマスク材として利用することができる。

次に、上述した本発明の実施形態に係るノズルプレート１１の適用例であるキャビティユニット１０について説明する。キャビティユニット１０は、図１に示すように、ノズル１１ａが多数設けられた長尺型であり、ノズルプレート１１の裏面５１ｂ側に、２枚のマニホールドプレート１２、１２、スペーサプレート１３及びベースプレート１４の４枚の薄い金属板をそれぞれ接着剤にて重ね接合した構造に構成されている。

ノズルプレート１１のノズル１１ａは、図１に示すように、全体としてノズルプレート１１の長辺方向（後述するＹ方向）に延びる全部で４列のノズル列１１ｂとして設けられている。さらに、図３に示したような圧電アクチュエータ２０やベースプレート１４に形成された圧力室１６の配設形態に対応して、これら４列のノズル列１１ｂは長辺方向の中間で２分され、短辺方向で隣接する２列ずつを１組として計４組のノズル群１１ｃに構成されている。そして、ノズル群１１ｃ内では、各ノズル列１１ｂ、１１ｂが一定ピッチで千鳥配列されている。

前記下側のマニホールドプレート１２にはノズルプレート１１が接着され、各ノズル群１１ｃ毎に、ノズル１１ａに連通する多数の連通路１７が、上下両マニホールドプレート１２、１２及びスペーサプレート１３の各々の長辺方向に沿って、ノズル１１ａに対応する２列の千鳥配列状に一定ピッチで設けられている。この下側のマニホールドプレート１２の連通路１７が、前記補強部材５５の孔部５６に相当する。そして、２枚のマニホールドプレート１２、１２には、各ノズル群１１ｃ毎に、インク通路１２ａ、１２ｂが、前記連通路１７の列の両側に沿って延びるように穿設されている。但し、下側のマニホールドプレート１２におけるインク通路１２ｂは、このマニホールドプレート１２の上側のみに開放するように凹み形成されている。このインク通路１２ａ、１２ｂは、上側のマニホールドプレート１２に対する前記スペーサプレート１３の積層により密閉される構造になっている。また、これらインク通路１２ａ、１２ｂは、ノズル群１１ｃに対応して、長辺方向に配列する連通路１７を挟む２個を１組としてノズルプレート１１の短辺方向（後述するＸ方向）に２組、また長辺方向の中間において分けられて２組、計４組設けられており、それぞれ両短辺側の端部から異なる色のインクを供給できるようになっている。

また、前記ベースプレート１４には、各ノズル群１１ｃ毎に、短辺方向に沿って延びる細幅の圧力室１６が各ノズル群１１ｃを内側に挟むように２列ずつ多数個穿設されている。この各圧力室１６の先端は、前記スペーサプレート１３及び両マニホールドプレート１２、１２に同じく千鳥配列状にて穿設されている連通路１７、１７、１７を介して連通している。一方、前記各圧力室１６の他端は、前記スペーサプレート１３に穿設された連通孔１８を介して、前記両マニホールドプレート１２、１２におけるインク通路１２ａ、１２ｂに連通している。

これにより、前記ベースプレート１４及びスペーサプレート１３の短辺寄りの両端部に穿設のインク供給口１９ａ、１９ｂから前記インク通路１２ａ、１２ｂ内に流入したインクは、このインク通路１２ａから前記各連通孔１８を通って前記各圧力室１６内に分配されたのち、この各圧力室１６内から前記連通路１７、１７、１７を通って、この圧力室１６に対応するノズル１１ａに至るという構成になっている（図１参照）。なお、前述したようにインク通路１２ａ、１２ｂは長辺方向と短辺方向とでそれぞれ２組の計４組に分けられ各組に異なる色が供給されるため、各ノズル群１１ｃは、その長辺方向の一方端側の半分、他方端側の半分、及び短辺方向の２群で異なる色のインクが吐出される。

前記インク供給口１９ａは、図３に示すように、各インク通路１２ａ、１２ｂ毎に計８個設けられている。そしてインク供給口１９ａは、２個（１色）を一組として、その上面にそれぞれ後述するインクカートリッジ６１から供給されるインク中の塵除去のためのフィルタ２９が接着剤にて固定されている。

次に、このキャビティユニット１０を備えたヘッドユニット６及びインクジェットプリンタ１００について説明する。

ヘッドユニット６は、図３に示すように、前記長尺型のキャビティユニット１０と、このキャビティユニット１０に対して接着剤または接着シートを介して接着し積層されるプレート型の圧電アクチュエータ２０と、その背面（上面）に外部機器との電気的接続のために重ね接合されたフレキシブルフラットケーブル４０とにより構成されている。このヘッドユニット６は、図４に示すように、インクジェットプリンタ１００のプリンタヘッド６３における用紙（被記録媒体）６２に対向する面に、用紙６２の搬送方向（副走査方向であり、Ｙ方向と記載する）に長く取り付けられている。

インクジェットプリンタ１００は、図４に示すように、前記プリンタヘッド６３と、例えば、シアン、マゼンタ、イエロー、ブラックの４色のカラーインクがぞれぞれ仕切られて充填されたインクカートリッジ６１と、このインクカートリッジ６１とプリンタヘッド６３が搭載されるキャリッジ６４と、このキャリッジ６４を前記用紙６２の搬送方向（Ｙ方向）と直交する方向（主走査方向であり、Ｘ方向と記載する）に往復移動させる駆動ユニット６５、キャリッジ６４の往復移動方向に延び、前記プリンタヘッド６３と対向配置されたプラテンローラ６６と、パージ装置６７とを備えている。

駆動ユニット６５は、キャリッジ６４の下端部に配置されてプラテンローラ６６と平行に延びるキャリッジ軸７１と、キャリッジ６４の上端部に配置されてキャリッジ軸７１と平行に延びるガイド板７２と、キャリッジ軸７１とガイド板７２との間にあって、キャリッジ軸７１の両端部に配置される２つのプーリ７３、７４とこの両プーリ７３，７４に巻き掛けしたタイミングベルト７５とからなる。

モータ７６の駆動に従って回転する一方のプーリ７３からの駆動力により、タイミングベルト７５に接合されているキャリッジ６４が、前記キャリッジ軸７１とガイド板７２に支持されて直線往復移動できる。

図示しない給紙部からＹ方向（副走査方向）に搬送される用紙６２は、前記プラテンローラ６６とプリンタヘッド６３との間に導入されて、プリンタヘッド６３から吐出されるインクにより所定の記録がなされ、その後排紙される。

パージ装置６７はプラテンローラ６６の側方に設けられ、プリンタヘッド６３がリセット位置にある時に、プリンタヘッド６３に対向するように配置されている。このパージ装置６７は、プリンタヘッド６３の後述する複数のノズル１１ａを覆うように当該ノズルの開口面に対して当接するパージキャップ８１と、ポンプ８２及びカム８３と、インク貯留部８４とを備えている。プリンタヘッド６３がリセット位置にあるときに、プリンタヘッド６３の内部に溜まる気泡等を含んだ不良インクを、カム８３の駆動によりポンプ８２によって吸引することにより、プリンタヘッド６３の回復を図るようにしている。なお、吸引された不良インクはインク貯留部８４に貯められる。

パージ装置６７におけるプラテンローラ６６側の位置には、パージ装置６７に隣接してプリンタヘッド６３のノズル面を拭くためのワイパ部材８６が配置されている。そして、記録動作中に定期的なメンテナンス作業として、ノズル面がワイパ部材８６による拭き取りでクリーニングされる。

キャップ８５は、インクの乾燥を防止するため、記録が終了するとリセット位置に戻されるキャリッジ６４に搭載されたプリンタヘッド６３の複数のノズル１１ａを覆うものである。

本発明のノズルプレート１１は、前述したようにノズル１１ａの表面５１ａの周囲において撥水性膜５２が強固に形成され、バリ５８もないため、メンテナンス作業に対する耐久性を備え且つ吐出性能に優れたノズルプレートとして、インクジェットプリンタに極めて好適である。

なお、本発明のノズルプレート１１は、前記インクジェットプリンタ１００の構成に限定して使用されるものではなく、さらにインク以外の任意の流体の吐出にも使用できることは言うまでもない。

本発明のノズルプレートが適用されたキャビティユニットの分解斜視図である。 （ａ）〜（ｇ）はノズルプレートの製造工程を示す断面図である。 本発明のノズルプレートを用いたヘッドユニットの斜視図である。 本発明のノズルプレートを用いたインクジェットプリンタの斜視図である。

符号の説明

６ ヘッドユニット
１０ キャビティユニット
１１ ノズルプレート
１１ａ ノズル
１２ マニホールドプレート
１３ スペーサプレート
１４ ベースプレート
１６ 圧力室
１７ 連通路
１８ 連通孔
２０ 圧電アクチュエータ
４０ フレキシブルフラットケーブル
５１ 基板
５１ａ 一面
５１ｂ 他面
５２ 撥水性膜
５３ 保護膜
５４ プライマ層
５５ 補強部材
５６ 孔部
５７ 接着剤
５８ バリ
６３ プリンタヘッド
６４ キャリッジ
１００ インクジェットプリンタ

Claims (2)

1. 流体が吐出されるノズルを有するノズルプレートの製造方法であって、
   平板状の基板の少なくとも一面に撥水性膜を形成する工程と、
   前記ノズルの位置に対応して形成された孔部を有する補強部材を、前記基板の他面に接着剤により固定する工程と、
   前記孔部側から前記基板の他面にレーザを照射して、前記撥水性膜を有する基板にノズルを穿設する工程と、
   ノズルの穿設後に、前記撥水性膜の熱処理温度で再加熱する工程とが備えられ、
   前記基板に撥水性膜を形成する工程の前に、まず、前記基板の他面を保護膜で被覆する工程と、次いで、前記基板に対する前記撥水性膜の密着強度を上げるための処理液に前記基板を浸漬することで、前記基板にプライマ処理を行う工程とが備えられ、
   前記基板にプライマ処理を行う工程と、前記基板の他面に前記補強部材を固定する工程との間で、前記保護膜を基板の他面から除去する工程が備えられ、
   前記再加熱の熱処理温度は、前記接着剤の分解温度より低い温度であることを特徴とするノズルプレートの製造方法。
2. 前記補強部材の孔部は、前記流体をノズルに供給する流路とな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。

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