JP4513661B2

JP4513661B2 - 液体噴射ヘッド

Info

Publication number: JP4513661B2
Application number: JP2005174978A
Authority: JP
Inventors: 和宏伊藤; 秀人菅原; 哲菅原; 大上沢
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2005-06-15
Filing date: 2005-06-15
Publication date: 2010-07-28
Anticipated expiration: 2025-06-15
Also published as: JP2006346965A

Description

本発明は、インクジェット式プリンタに代表される液体噴射装置のノズル形成基板を備えた液体噴射ヘッドに関する。

液体噴射装置の液体噴射ヘッドは、例えば、プリンタ等の画像記録装置に用いられるインクジェット式記録ヘッド、液晶ディスプレー等のカラーフィルタの製造に用いられている色材噴射ヘッド、有機ＥＬ（Electro Luminescence）ディスプレー、ＦＥＤ（面発光ディスプレー）等の電極形成に用いられる電極材噴射ヘッド、バイオチップ（生物化学素子）の製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等がある。

この種の液体噴射ヘッドは、圧力室とノズル開口とが連通されており、圧力室内の液体に生じさせた圧力変動を利用してノズル開口から液滴を吐出させる。一般に、ノズル開口は数十個〜数千個が列設されてノズル列を構成しており、このノズル列が横並びに複数列設けられている。このノズル開口は、ダイとポンチによるポンチ加工（塑性加工の一種）で作製される。例えば、複数のポンチをノズル列の列間方向に配置した状態でポンチホルダに固定し、各ポンチを金属基板等の素材プレート（ノズル形成基板となるワーク）に向けて下降させて押し込むポンチ加工を行う。これにより、ポンチ毎に対応するノズル列の下孔が形成される。そして、このポンチ加工により素材プレートの表面側に膨出した膨隆部を研磨して除去することで、下孔を素材プレートの板厚方向に貫通させて複数のノズル開口からなるノズル列を設けるノズル形成基板を作製する製造方法が用いられる（特許文献１）。
特開２００３−２３１２５９号公報

ところで、この種のプリンタ等で使用される液体噴射ヘッドでは、近年、画像の向上を図る等の目的のため、吐出する液滴の滴量を小さくする傾向がある。これに伴い、液体噴射ヘッドのノズル開口径も小さくなってきている。また、高速化も求められており、記録速度が上がるに連れて液滴の着弾位置ズレの影響が大きくなるため、よりバラツキの少ない高い吐出精度が要求されるようになってきている。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ノズル開口の内径を小さくしたとしても、吐出不具合を防止して高い精度で安定した吐出が可能な液体噴射ヘッドを提供することにある。

本発明の液体噴射ヘッドは、上記目的を達成するために提案されたものであり、ノズル開口が開設されたノズル形成基板を備え、
圧電振動子からなる圧力発生源の作動によってノズル開口から液滴として吐出する液体噴射ヘッドであって、
前記ノズル形成基板は、結晶粒の平均粒径がノズル開口の内径に対して２２％以下の金属基板により作製されることを特徴とする。
なお、「２２％以下」については、０％を含まないものとする。

上記構成によれば、ノズル形成基板を、結晶粒の平均粒径がノズル開口の内径に対して２２％以下の金属基板により作製するので、結晶粒の粒度が小さくなり、ノズル開口の周縁部のバリや欠けの発生を抑えることができる。したがって、吐出精度を向上することができ、吐出不具合を防止することができる。また、ノズル開口の内周面の平滑性が向上するので、ノズル開口内の液体の液面を均一に安定させ易くなる。これにより、より安定した吐出が可能となる。さらに、ポンチ加工によりノズル開口を形成する場合は、ポンチを金属基板に押し込む際、ポンチが結晶粒界を通り易くなるので、金属基板からの抵抗が少なくなり、ポンチが金属基板に進入し易くなる。これにより、ポンチの直進性が向上するので、液滴の吐出の目標方向となる吐出軸に対してノズル開口の中心軸が傾くことを可及的に抑制して、精度の高いノズル開口を形成することができる。また、ポンチの形状の転写性も向上するので、より高い精度の形状のノズル開口を形成することができる。その結果、吐出精度をより向上させることができ、着弾位置ズレ等の吐出不具合を防止することができる。

また、上記構成において、前記ノズル形成基板は、金属基板の裏面側からポンチを押し込むことによって金属基板に下孔を形成し、この金属基板の表面側に膨出した膨隆部を研削して除去することで、下孔を板厚方向に貫通させてノズル開口を開設することを特徴とする。

上記構成によれば、ノズル形成基板は、金属基板の裏面側からポンチを押し込むことによって金属基板に下孔を形成し、この金属基板の表面側に膨出した膨隆部を研削して除去することで、下孔を板厚方向に貫通させてノズル開口を開設することができ、このため、ポンチを金属基板に貫通させなくてすみ、ポンチにかかる負荷を少なくしつつ、微細なノズル開口を形成することができる。

また、上記構成において、前記金属基板は、ステンレス鋼製であることが望ましい。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の説明では液体噴射ヘッドの一形態であるインクジェット式記録ヘッド（以下、記録ヘッドという）を例に挙げて説明することにする。
図１（ａ）は記録ヘッドの要部断面図、（ｂ）は一部を省略したノズルプレートの平面図、図２はポンチ単体の斜視図、図３（ａ）〜（ｂ）はポンチ加工による下孔形成工程を説明する図、図４（ａ）〜（ｂ）は膨隆部除去工程を説明した図、図５は膨隆部除去工程における研磨加工を説明する模式図をそれぞれ示す。

図１に示した記録ヘッド１は、合成樹脂製のヘッドケース２と、このヘッドケース２内の収納空部３に収納される振動子ユニット４と、ヘッドケース２の先端（底面）に接合される流路ユニット５とから概略構成されている。

上記振動子ユニット４は、櫛歯状に作製された複数の圧電振動子６と、各圧電振動子６の固定端部が接合される固定板７と、各圧電振動子６と駆動回路（図示せず）とを電気的に接合する導通線８等から構成されている。そして、圧電振動子６の自由端部の先端面は、収納空部３における流路ユニット５側の開口に臨み、流路ユニット５の圧力室９の上部に形成された島部１０に接合される。

この流路ユニット５は、複数のノズル開口１１が設けられたノズルプレート１２（ノズル形成基板の一種）と、各ノズル開口１１と連通する複数の圧力室９が列設された流路基板１３と、各圧力室９の一部を区画する振動板１４とを備えている。そして、この流路ユニット５は、流路基板１３の一方の面にノズルプレート１２を、他方の面に振動板１４をそれぞれ接合した構成とされる。

流路基板１３は、例えば、シリコンウエハーによって作製され、エッチング加工することで、複数の圧力室９と、各圧力室９に導入されるインクを貯留するリザーバ１５と、各圧力室９とリザーバ１５を連通する供給口１６とを形成する。

ノズルプレート１２は、金属基板１７に複数のノズル開口１１を形成することによって作製される。この金属基板１７は、例えば、薄手のステンレス鋼製であることが望ましい。このノズルプレート１２には、例えば、図１（ｂ）に示すように、ドット密度に対応したピッチで複数のノズル開口１１が列設される。なお、このノズルプレート１２の製造方法については後述する。

また、ノズルプレート１２の表面、即ち、記録ヘッド１におけるインク滴吐出側の面には、撥液被膜層（図示せず）が形成されている。この撥液被膜層としては、例えば、共析メッキが使用される。具体的には、ニッケルイオン等の金属イオンとフッ素樹脂等の撥液性高分子樹脂の粒子を含む電解質溶液中に、電極に接続したノズルプレート１２を浸漬し、その表面にメッキを付着させた後、荷重を加えて反りを抑えながら加熱処理することで撥液被膜層が得られる。

この撥液被膜層は、ノズルプレート１２の表面、特に、ノズル開口１１の周辺を撥液性にすることで、インクが付着するのを極力防止し、インクの濡れによる吐出インク滴の飛行曲がりを防止するためのものである。

振動板１４は、ステンレス製の支持板にＰＰＳ膜等の弾性体膜を積層した二重構造を採り、各圧力室９に対応する部分の支持板が環状にエッチング加工されて、この環内に島部１０が形成され、この部分がダイヤフラム部として機能する。また、リザーバ１５に対応する部分は、支持板がエッチング加工によって排除されて弾性体膜だけのコンプライアンス部となっている。

したがって、このように構成された記録ヘッド１において、駆動信号が駆動回路（図示せず）から導通線８を経て圧電振動子６に入力されると、圧電振動子６の自由端部が素子長手方向に伸縮する。この自由端部の伸縮により、島部１０が圧力室９側に押されたり、その反対方向に引っ張られたりして、圧力室９の容積が変動する。この容積変動によってこの圧力室９内に貯留されているインクの圧力が変動するので、このインクの圧力を制御することで、ノズル開口１１からインク滴を吐出させることができる。

次に、上記のノズルプレート１２の製造方法について説明する。本実施形態では、金属基板１７の裏面側からポンチ２０を押し込むことによって金属基板１７に下孔２１を形成し（下孔形成工程）、この金属基板１７の表面側に膨隆した膨隆部２２を研磨して削除する（膨隆部除去工程）ことで、下孔２１を板厚方向に貫通させてノズル開口１１を開設してノズルプレート１２を製造する。この製造方法によれば、ポンチ２０を金属基板１７に貫通させなくてよいので、ポンチ２０にかかる負荷を少なくしつつ、微細なノズル開口１１を高い精度で形成することができる。

上記の下孔形成工程では、図２及び図３に示すダイ２３とポンチ２０とを用い、金属基板１７に複数の下孔２１を形成する。金属基板１７は、ノズルプレート１２の基となる金属の薄板であり、本実施形態ではステンレス鋼製である。なお、この金属基板１７（即ち、ノズルプレート１２）としては、ステンレス鋼に限らず任意の素材を用いることができる。例えば、ニッケルの薄板であってもよい。

上記のポンチ２０は、例えば、図２に示すように丸ポンチであり、円柱状の基部２４と、この基部２４よりも先端側に設けられた先細りテーパ形状のテーパ部２５と、このテーパ部２５よりも先端側に設けられて基部２４よりも一回り細い円柱状のストレート部２６（円柱部）とから構成される。このポンチ２０は、ポンチホルダ２７（受圧板）に固定されて用いられる。例えば、基部２４をポンチホルダ２７側に向けた状態で複数のポンチ２０を１列に並べて取り付け、各ポンチ２０をダイ２３上に載置された金属基板１７に向けて下降させる。各ポンチ２０を金属基板１７に押し込むと、図３（ａ）に示すように、ストレート部２６、及びテーパ部２５が金属基板１７の一部を流動させながら内部に進入する。そして、ポンチ２０を十分な深さまで押し込むと、金属基板１７にはポンチ２０に倣った形状の下孔２１が形成される。このとき、金属基板１７の一部がダイ２３の凹孔内に押し出されて膨隆部２２となる。ポンチ２０を十分に押し込んだ（図３（ｂ）の状態）ならば、ポンチ２０を上昇させて金属基板１７から離隔する。

ポンチ２０を離隔したならば、膨隆部除去工程に移行して上記の膨隆部２２を除去する。この膨隆部除去工程では、例えば、図４（ａ）に２点鎖線で示す仮想平面まで、膨隆部２２側の面を研磨する。この研磨加工方法は、図５に示すように、回転する円盤状の定盤３０の表面（研磨側の面）に金属基板１７の膨隆部２２側の面を押しつけて行われる。この定盤３０の表面には、表面の形状に合わせた円形の研磨パッド３１が装着されている。金属基板１７は、表面、すなわち、膨隆部２２側の面を下に向けた状態で、その反対側の面を治具３２に装着している。この治具３２を水平方向に自ら回転させて、金属基板１７の表面を定盤３０に押しつけて研磨加工が行われる。このようにして研磨加工を行うと、一度に金属基板１７の表面に形成された膨隆部２２の全てを除去することができ、その表面自体も偏りなく均一に研磨することができる。なお、この膨隆部除去工程では、膨隆部２２が除去できれば研磨以外の方法を採っても良い。この膨隆部２２の除去により、図４（ｂ）に示すように、金属基板１７の厚さ方向を貫通した漏斗状のノズル開口１１が作製される。このノズル開口１１のプロファイルは、インク滴の吐出側に位置する断面円形状のストレート部３５と、流路基板１３側に位置すると共にこの流路基板１３側に拡開するテーパ部３６と、これらのストレート部３５とテーパ部３６とを滑らかに連続させる曲面部３７とで構成される。

ところで、前記した工程を経て作製されるノズルプレート１２は、使用する金属基板１７の結晶粒４０の大きさにより所望する特性が得られない場合がある。例えば、結晶粒４０の平均粒径がノズル開口１１の吐出側の内径（ストレート部３５の内径）に対して６４％の金属基板１７を用いた場合に、吐出したインク滴が着弾位置ズレを起すという問題が生じることがあった。これは、ノズル開口１１の吐出側の内径に対し金属基板１７の結晶粒４０の平均粒径の比率と密接に関係しており、この比率がある値を境界に大きくなると、ノズル開口１１を形成する際、膨隆部２２を除去するための研磨加工によりノズル開口１１の周縁部４１にバリや欠けが生じたり、ノズル開口１１の中心軸がインク滴を吐出する目標方向となる吐出軸（本実施形態では、ノズルプレート１２の表面に垂直な軸）に対して傾いてしまったり、ノズル開口１１の内周面４２の平滑性が低くなったりすることに起因すると推測される。これにより、ノズル開口１１内における液面（メニスカス）を均一に安定させることが妨げられ、その結果、吐出が不安定となり、吐出されたインク滴の着弾位置ズレが生じてしまうことがわかった。

そこで、本実施形態の記録ヘッド１におけるノズルプレート１２については、後で詳述するように、結晶粒４０の平均粒径がノズル開口１１の吐出側の内径（ストレート部３５の内径）に対して２２％以下の金属基板１７により作製している。なお、金属基板１７の結晶粒４０の平均粒径は、熱処理等により、適宜調整することができる。また、金属基板１７の結晶粒４０の平均粒径を小さくするには限界があるため、本実施形態では結晶粒４０の平均粒径の下限値を、ノズル開口１１の吐出側の内径（ストレート部３５の内径）に対して１５％としている。また、本実施形態における以下の吐出側の内径（ストレート部３５の内径）とは、ノズルプレート１２に上記撥液被膜層を形成する前の内径を意味する。

本実施形態においては、記録ヘッド１の着弾位置バラツキ（ズレ）を測定した実験結果より、ノズル開口１１の吐出側の内径に対する金属基板１７の結晶粒４０の平均粒径の比率の境界を定めている。具体的には、例えば、ノズル開口１１の吐出側の内径（ストレート部３５の内径）を２０±５μｍに揃え、粒度の違う３種の金属基板１７のサンプルＡ〜Ｃを用いて測定を行った。なお、金属基板１７のサンプルＡは、ノズル開口１１の吐出側の内径に対し金属基板１７の結晶粒４０の平均粒径の比率（以下、平均粒径比率という。）が約６４％の金属基板１７とし、サンプルＢはサンプルＡの粒度の約１／２、すなわち、平均粒径比率が約３２％の金属基板１７とし、サンプルＣはサンプルＡの粒度の約１／３、すなわち、平均粒径比率が約２２％の金属基板１７とする。

図６は、サンプルＡ〜Ｃの金属基板１７で構成した記録ヘッド１による着弾位置のバラツキの測定結果を示すグラフである。このグラフに示すように、サンプルＡの着弾位置のバラツキの平均は約１６μｍ、サンプルＢの着弾位置のバラツキの平均は約１２μｍ、サンプルＣの着弾位置のバラツキの平均は約８μｍであり、平均粒径比率が小さくなるに連れて、着弾位置のバラツキも小さくなることがわかる。本実施形態では、要求される画質を確保するために着弾位置バラツキ（ズレ）を、例えば、８μｍ以内の記録ヘッド１を合格品としている。したがって、このグラフの近似曲線より、サンプルＡ，Ｂは不合格となり、サンプルＣ、すなわち、平均粒径比率が２２％以下の金属基板１７を用いた記録ヘッド１を合格品としている。これは、記録の高速化に伴い、記録ヘッド１の走査速度も上がるので、記録中には静止状態での着弾位置のバラツキはより大きなバラツキとなってしまうためである。そこで、インク滴の着弾位置のバラツキのより少ない記録ヘッド１が要求され、本実施形態では、静止状態での着弾位置のバラツキを８μｍ以下としている。

次に、上記着弾位置のバラツキ差の要因を、サンプルＡとサンプルＣを用いて具体的に説明する。図７（ａ）はサンプルＡを用いた下孔形成工程の図３（ａ）における領域Ｐの拡大図、（ｂ）はサンプルＡを用いた膨隆部除去工程の図４（ｂ）における領域Ｑの拡大図、（ｃ）はサンプルＡを用いた膨隆部除去工程の図４（ｂ）におけるＲ方向から見たノズル開口１１の周縁部の拡大図、図８（ａ）はサンプルＣを用いた下孔形成工程の図３（ａ）における領域Ｐの拡大図、（ｂ）はサンプルＣを用いた膨隆部除去工程の図４（ｂ）における領域Ｑの拡大図、（ｃ）はサンプルＣを用いた膨隆部除去工程の図４（ｂ）におけるＲ方向から見たノズル開口１１の周縁部の拡大図である。

図７（ａ）に示すように、サンプルＡは、下孔形成工程においてポンチ２０を金属基板１７に押し込む際に、金属基板１７の結晶粒４０の平均粒径（粒度）が大きいため、結晶粒４０を押し潰したり、破断したりしながらポンチ２０が金属基板１７に進入する。これにより、ポンチ２０が周囲の結晶粒４０によって進行方向（垂直方向）以外の方向からの力（水平成分を含む結晶粒４０からの反発力）を受けるため、直進性が失われ、中心軸Ｕが吐出軸Ｔに対して傾いた下孔２１（ノズル開口１１）が形成されてしまう。これにより、吐出したインク滴の着弾位置ズレ等の吐出不具合が発生する。また、ポンチ２０により結晶粒４０が押し潰されたり、破断されたりしてできた面、すなわち、ノズル開口１１の内周面４２は、その結晶粒４０の破断片４３や結晶粒界の隙間により、平滑性が低い（図７（ｂ））。さらに、図７（ｃ）に示すように、膨隆部除去工程の研磨加工により、ノズル開口１１の周縁部４１において、結晶粒界の破断片４３が削り残ってバリ４４となってしまったり、破断片４３が結晶粒界から根こそぎ削り落ちて欠け４５となってしまったりする。このようなことに起因して、吐出する際のノズル開口１１内の液面が均一になることを妨げ、吐出が不安定となり、吐出された液滴の着弾位置ズレ等の不具合が発生する。

これに対して、サンプルＣは、図８（ａ）に示すように、下孔形成工程においてポンチ２０を金属基板１７に押し込む際に、金属基板１７の結晶粒４０の平均粒径（粒度）が小さいため、ポンチ２０が結晶粒界を通り易くなる。すなわち、ポンチ２０に結晶粒４０から進行方向以外の方向からの力（結晶粒４０からの反発力）が掛り難くなるので、ポンチ２０の直進性が向上する。これにより、吐出軸Ｔに対しノズル開口１１の中心軸Ｕが傾くことを可及的に抑制することができる。したがって、吐出精度を向上させることができ、吐出したインク滴の着弾位置ズレ等の吐出不具合を防止することができる。また、図８（ｂ）に示すように、ポンチ２０によって形成されたノズル開口１１の内周面４２は、結晶粒４０の破断片４３が少なく結晶粒界が多く露出し、結晶粒界の隙間も小さいため、サンプルＡよりも平滑性が高い上に、ポンチ２０形状の転写性も向上するので、より精度の高い形状のノズル開口１１を形成することができる。このことから、ノズル開口内のインク滴の液面を均一に安定させ易くなるので、より安定した吐出が可能となる。そして、結晶粒４０の破断片４３の発生も抑えることができるため、膨隆部除去工程の研磨加工において、周縁部４１に吐出不具合の原因となるバリ４４や欠け４５の発生を抑えことができ、より高い精度のノズル開口１１を形成することができる（図８（ｃ））。これにより、ノズル開口１１内でインクの液面（メニスカス）を均一にすることができ、吐出を安定させることができる。その結果、より精度の高い吐出をすることができるので、吐出したインク滴の着弾位置ズレ等の吐出不具合を防止することができる。

このように、サンプルＣ、すなわち、結晶粒の平均粒径がノズル開口の吐出側の内径に対して２２％以下の金属基板によりノズルプレートを作製すると、吐出不具合の原因となるバリや欠けの発生を抑えたノズル開口を形成することができる。また、吐出軸に対して中心軸の傾きを抑えたノズル開口を形成することができる。さらに、ノズル開口の内周面の平滑性を向上させ、高い精度の形状のノズル開口を形成することができる。したがって、ノズル開口内（周縁部も含む）でインクの液面を均一にすることができ、吐出を安定させることができるので、より精度の高い吐出を可能とすることができる。これにより、インク滴の着弾位置ズレ等の吐出不具合を防止することができる。また、このように製造されたノズルプレートを備えた記録ヘッドを用いると、静止状態でのインク滴の着弾位置バラツキをより抑えることができるので、記録速度の高速化に対応することも可能になる。

なお、本発明は、ノズル形成基板を備えているものであれば、例示したプリンタには限らず、例えば、液晶ディスプレー等のカラーフィルタの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ＥＬ（Electro Luminescence）ディスプレー、ＦＥＤ（面発光ディスプレー）等の電極形成に用いられる電極材噴射ヘッド、バイオチップ（生物化学素子）の製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等、他の液体噴射ヘッドにも適用することができる。

（ａ）は、記録ヘッドの構成を説明する要部断面図、（ｂ）は、一部を省略したノズルプレートの平面図である。ポンチ単体の斜視図である。（ａ）〜（ｂ）は、ポンチ加工による下孔形成工程を説明する図である。（ａ）〜（ｂ）は、膨隆部除去工程を説明する図である。膨隆部除去工程における研磨加工を説明する模式図である。記録ヘッドによる着弾位置のバラツキの測定結果を示すグラフである。（ａ）は、図３（ａ）におけるサンプルＡを用いた領域Ｐの拡大図、（ｂ）は、図４（ｂ）におけるサンプルＡを用いた領域Ｑの拡大図、（ｃ）は、図４（ｂ）におけるサンプルＡを用いたＲ方向から見たノズル開口の周縁部の拡大図である。（ａ）は、図３（ａ）におけるサンプルＣを用いた領域Ｐの拡大図、（ｂ）は、図４（ｂ）におけるサンプルＣを用いた領域Ｑの拡大図、（ｃ）は、図４（ｂ）におけるサンプルＣを用いたＲ方向から見たノズル開口の周縁部の拡大図である。

符号の説明

１…記録ヘッド，２…ヘッドケース，３…収納空部，４…振動子ユニット，５…流路ユニット，６…圧電振動子，７…固定板，８…導通線，９…圧力室，１０…島部，１１…ノズル開口，１２…ノズルプレート，１３…流路基板，１４…振動板，１５…リザーバ，１６…供給口，１７…金属基板，２０…ポンチ，２１…下孔，２２…膨隆部，２３…ダイ，２４…基部，２５…テーパ部，２６…ストレート部，２７…ポンチホルダ，３０…定盤，３１…研磨パッド，３２…治具，３５…ストレート部，３６…テーパ部，３７…曲面部，４０…結晶粒，４１…周縁部，４２…内周面，４３…破断片，４４…バリ，４５…欠け

Claims

ノズル開口が開設されたノズル形成基板を備え、
圧電振動子からなる圧力発生源の作動によってノズル開口から液滴として吐出する液体噴射ヘッドであって、
前記ノズル形成基板は、結晶粒の平均粒径がノズル開口の内径に対して２２％以下の金属基板により作製されることを特徴とする液体噴射ヘッド。
前記ノズル形成基板は、金属基板の裏面側からポンチを押し込むことによって金属基板に下孔を形成し、この金属基板の表面側に膨出した膨隆部を研削して除去することで、下孔を板厚方向に貫通させてノズル開口を開設することを特徴とする請求項１に記載の液体噴射ヘッド。
前記金属基板は、ステンレス鋼製であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の液体噴射ヘッド。