JP2006001119A - インクジェットヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】 吐出性能に優れたインクジェットヘッドを提供する。
【解決手段】 ノズル孔４は、ノズルプレート１１の一方面側に開口する吐出口４ａと、ノズルプレート１１の他方面側に開口する流入口４ｂと、吐出口４ａから流入口４ｂ近傍まで所定テーパ角度θで拡径するテーパ形状部４ｃと、テーパ形状部４ｃの所定テーパ角度θに沿うよりも大きく拡径して、テーパ形状部４ｃの端部と流入口４ｂとを曲面で接続する周縁部４ｄとを有し、流入口４ｂの開口径Ｄ１が、テーパ形状部４ｃをその所定テーパ角度θに沿って流入口４ｂ側に仮想延長して得られる仮想流入口４ｅの開口径Ｄ２に対して、Ｄ２＜Ｄ１＜１．２×Ｄ２の関係となっている。
【選択図】 図５

Description

本発明は、被記録媒体に対してインクを吐出するノズル孔が設けられたインクジェットヘッドに関するものである。

先行技術のインクジェットヘッドとしては、特許文献１に示すように、前面に開口して設けられた複数個のノズル孔及びそのノズル孔毎に対応する圧力室等を備え複数のプレートを重ね接合して形成されたキャビティユニットと、このキャビティユニットの背面に積層され各圧力室を選択的に駆動してインクを吐出させる圧電アクチュエータと、この圧電アクチュエータに電気的信号を供給するフレキシブルフラットケーブルとを具備する構造が知られている。

このようなインクジェットヘッドでは、フレキシブルフラットケーブルからの信号に応じて、圧電アクチュエータが選択的に圧力室の容積を縮小させ、これによりノズル孔から被記録媒体である用紙にインクを吐出するから、ノズル孔の形状が吐出性能に大きく影響する。

ノズル孔の形状としては、インク吐出側の開口径をインク流入側の開口径よりも小さくした先細り状のテーパ形状が、吐出に適していることが知られており、例えば、特許文献２では、ノズル孔のインク吐出側の開口面積とインク流入側の開口面積との比や、ノズル孔のテーパ角度を規定することで、吐出性能の安定化を図っている。
特開２００１−２４６７４４号公報 特開平６−２４６９１７号公報（図３及び図４参照）

ところで、テーパ形状のノズル孔を製造するにあたって、例えば、レーザビームの照射による穿孔方法を採用する場合には、ノズル孔用のプレートに対して、ノズル孔におけるインク流入側となる面にレーザビームを照射して加工が行われる。このようなレーザ加工では、レーザビームの特性からノズル孔は、プレートの照射側から板厚さ方向に徐々に径を小さくするテーパ状に形成され、高い精度で所定の開口径をもって反対側（インクの吐出側）に貫通形成される。しかし、開口径やテーパ形状を規定しても、実際には、レーザビームを照射するレンズの特性から正確に１点に焦点を結ばないことで、孔の周面と照射側の平面とが交差する部分、すなわちインク流入口のエッジ部分が丸みもって拡がり、またプレートをその焦点に対して正確に位置決めしにくいことから、その拡がり度合いにもバラツキを生じるので、設計通りの正確な形状を形成することは困難であった。以降、前述した照射（インク流入口）側のエッジ部分に生じる丸みをダレと記載する。

また、加工後のノズル孔に対しては、インク吐出側の開口は、吐出への影響が大きいため、従来から厳密に良否の選別検査等が行われてきたが、インク流入側の開口には、厳密な管理が行われていないのが現状であった。

ところが、インクジェットヘッドの吐出安定性をさらに向上させるためには、ノズル孔のインク流入側の開口においても、従来のような単なる開口面積比等の規定だけでなく、ダレによる微小な形状バラツキを考慮した最適化が必要となった。

本発明は、上記課題を解消するものであり、吐出性能に優れたインクジェットヘッドを提供することを課題とするものである。

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インクジェットヘッドは、被記録媒体に対してインクを吐出するノズル孔が穿設されたノズルプレートを含むインクジェットヘッドにおいて、前記ノズル孔は、前記ノズルプレートの一方面側に開口する吐出口と、前記ノズルプレートの他方面側に開口する流入口と、前記吐出口から前記流入口近傍まで所定テーパ角度で拡径するテーパ形状部と、前記テーパ形状部の所定テーパ角度に沿うよりも大きく拡径して、前記テーパ形状部の端部と前記流入口とを曲面で接続する周縁部とを有し、前記流入口の開口径Ｄ１が、前記テーパ形状部をその所定テーパ角度に沿って前記流入口側に仮想延長して得られる仮想流入口の開口径Ｄ２に対して、Ｄ２＜Ｄ１＜１．２×Ｄ２の関係となってい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に記載のインクジェットヘッドにおいて、前記ノズル孔は、前記ノズルプレートの他方面側から照射されるレーザビームにより加工されていることを特徴とするものである。

また、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のインクジェットヘッドにおいて、前記周縁部は、前記レーザビームによるテーパ形状部の加工に伴って形成されること特徴とするものである。

請求項１に記載の発明によれば、ノズル孔における流入口の開口径Ｄ１が、前記仮想流入口の開口径Ｄ２に対して、Ｄ２＜Ｄ１＜１．２×Ｄ２の関係となっているから、この関係を満足するノズル孔を有するノズルプレートでは、ノズル孔に流入するインクの流れがノズル間で均質化され、また吐出性能にも優れている。

請求項２に記載の発明によれば、ノズル孔は、インクの流入口側となるノズルプレートの他方面側からレーザビームが照射されて加工されるから、吐出口から流入口近傍まで所定テーパ角度で拡径する、換言すれば、流入口側から吐出口側に徐々に内径が小さくなる先細り状のテーパ形状部を容易に形成することができる。

請求項３に記載の発明によれば、周縁部の拡がり度合いを、前記Ｄ２＜Ｄ１＜１．２×Ｄ２を基準として選別管理するから、周縁部の形状が、テーパ形状部の加工に伴って副次的に形成されるためにバラツキ易くても、良品のみを容易に選別することができる。

以下に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の実施形態のインクジェットヘッドの斜視図、図２はインクジェットヘッドの分解斜視図、図３はキャビティユニットの拡大分解斜視図、図４は図１のIV−IV線矢視拡大断面図、図５はノズル孔の拡大断面図、図６は開口径と吐出速度との関係の実験結果を示す図である。

図１は、本発明の実施形態による圧電式のインクジェットヘッド１００の斜視図であり、金属板製の複数枚のプレートからなるキャビティユニット１にプレート型の圧電アクチュエータ２が接合され、このプレート型の圧電アクチュエータ２の上面に外部機器との接続のためのフレキシブルフラットケーブル３が重ね接合されている。そして、最下層のキャビティユニット１の下面側に開口するノズル孔４から、下向きにインクが吐出するものとする。

前記キャビティユニット１は、図２に示すように、ノズルプレート１１、スペーサプレート１２、ダンパープレート１３、２枚のマニホールドプレート１４ａ、１４ｂ、サプライプレート１５、ベースプレート１６、及びキャビティプレート１７の合計８枚の薄い板をそれぞれ接着剤にて重ね接合した構造となっている。

実施形態では、各プレート１１〜１７は５０〜１５０μｍ程度の厚さを有し、ノズルプレート１１はポリイミド等の合成樹脂製で、その他のプレート１２〜１７は４２％ニッケル合金鋼板製である。前記ノズルプレート１１には、微小径（約２０〜２３μｍ程度）のインク吐出用のノズル孔４が微小間隔で多数個穿設されている。このノズル孔４は、当該ノズルプレート１１における長辺方向（Ｘ方向）に沿って、千鳥配列状で５列に配列されている。

ノズル孔４は、図５に模式断面図を示すように、ノズルプレート１１の前面側に開口する吐出口４ａと、ノズルプレート１１の背面側に開口する流入口４ｂとを備え、吐出口４ａの開口径をＤ０、流入口４ｂの開口径をＤ１とすると、ノズル孔４は、Ｄ０＜Ｄ１の関係となった先細り形状に形成されている。このノズル孔４の形状の詳細については、後述する。

前記キャビティプレート１７には、図３に示すように、複数の圧力室３６がキャビティプレート１７の長辺（前記Ｘ方向）に沿って千鳥配列状で５列に配列されている。実施形態では、前記各圧力室３６は、平面視細長形状に形成され、その長手方向がキャビティプレート１７の短辺方向（Ｙ方向）に沿うようにして穿設され、長手方向の一端部３６ａがノズル孔４と連通し、他端部３６ｂが後述する共通インク室７と連通する。

各圧力室３６における一端部３６ａは、サプライプレート１５、ベースプレート１６と２枚のマニホールドプレート１４ａ、１４ｂ、ダンパープレート１３、及びスペーサプレート１２に、同じく千鳥配列状にて穿設されている微小径の連通孔３７を介して、ノズルプレート１１における前記各ノズル孔４に連通している。

キャビティプレート１７の下面に隣接するベースプレート１６には、各圧力室３６の他端部３６ｂに接続する貫通孔３８が穿設されている。

ベースプレート１６の下面に隣接するサプライプレート１５には、後述する共通インク室７から前記各圧力室３６へインクを供給するための接続流路４０が設けられる。そして各接続流路４０には、共通インク室７からインクが入る入口孔と、圧力室３６側（前記貫通孔３８）に開口する出口孔と、入口孔と出口孔との間にあって、接続流路４０中で最も大きな流路抵抗となるように断面積を小さくして形成された絞り部とが備えられている。

２枚のマニホールドプレート１４ａ，１４ｂには、その長辺方向（Ｘ方向）に沿って長い５つの共通インク室７が前記ノズル孔４の各列に沿って延びるように板厚さを貫通して形成されている。すなわち、図２及び図４に示すように、２枚のマニホールドプレート１４ａ、１４ｂを積層し、かつその上面をサプライプレート１５にて覆い、下面をダンパープレート１３にて覆うことにより、合計５つの共通インク室（マニホールド室）７が密閉状に形成される。各共通インク室７は、各プレートの積層方向から平面視したときに、前記圧力室３６の一部と重なって圧力室３６の列方向（ノズル孔４の列方向）に沿って長く延びている。

図３及び図４に示すように、マニホールドプレート１４ａの下面に隣接するダンパープレート１３の下面側には、共通インク室７と隔絶されたダンパ室４５が凹み形成されている。この各ダンパ室４５の位置および形状は、図２に示すように、前記各共通インク室７と一致させている。このダンパプレート１３は、適宜弾性変形し得る金属素材であるため、ダンパ室４５上部の薄い板状の天井部は、共通インク室７側にも、ダンパ室４５側にも自由に振動することができる。インク吐出時に、圧力室３６で発生した圧力変動が共通インク室７に伝播しても、前記天井部が弾性変形して振動することにより、前記圧力変動を吸収減衰させるというダンパ効果を奏し、圧力変動が他の圧力室３６へ伝播するというクロストークを防止することができるものである。

また、図２に示すように、キャビティプレート１７、ベースプレート１６、及びサプライプレート１５の一方の短辺側の端部には、上下の位置を対応させて、それぞれ４つのインク供給口４７が穿設されている。インク供給源からのインクが、これらインク供給口４７から共通インク室７の一端部に連通するようになっている。４つのインク供給口４７を、図２の左側から順に個別に４７ａ、４７ｂ、４７ｃ、４７ｄと付す。

インク供給口４７からノズル孔４に至るインク流通路では、インクは、インク供給口４７からインク供給チャンネルとしての共通インク室７に供給された後、図３に示すように、サプライプレート１５の接続流路４０及びベースプレート１６の貫通孔３８を経由して各圧力室３６に分配供給される。そして、後述するように、圧電アクチュエータ２の駆動により、インクは各圧力室３６内から前記連通孔３７を通って、その圧力室３６に対応するノズル孔４に至るという構成になっている。

この実施形態では、図２に示すように、インク供給口４７が４つ設けられているのに対して、共通インク室７が５つ設けられており、インク供給口４７ａだけが、２つの共通インク室７，７に接続されている。インク供給口４７ａには、ブラックインクが供給されるように設定されており、ブラックインクがその他のカラーインクに比べて使用頻度が高いことを考慮したものである。他のインク供給口４７ｂ、４７ｃ、４７ｄには、イエロー、マゼンタ、シアンの各インクがそれぞれ単独に供給される。インク供給口４７ａ，４７ｂ，４７ｃ，４７ｄには、それぞれの開口に対応する濾過部２０ａを有するフィルタ体２０が接着剤等で貼着されている（図２参照）。

一方、前記圧電アクチュエータ２は、特開平４−３４１８５３号公報等で公知のものと同様に、図示しないが複数枚の圧電シートを積層した構造で、１枚の厚さが３０μｍ程度の各圧電シートのうち下から偶数段目の圧電シートの上面（広幅面）には、前記キャビティユニット１における各圧力室３６に対応した箇所ごとに細幅の個別電極が長辺方向（Ｘ方向）に沿って列状に形成されている。下から奇数段目の圧電シートの上面（広幅面）には、複数個の圧力室３６に対して共通のコモン電極が形成されており、最上段のシートの上面には、表面電極４８として、前記個別電極の各々に対して電気的に接続される表面電極と、前記コモン電極に対して電気的に接続される表面電極とが設けられている。

そして、このような構成のプレート型の圧電アクチュエータ２における下面（圧力室３６と対面する広幅面）全体に、接着剤としてのインク非浸透性の合成樹脂材からなる接着剤シート（図示せず）を予め貼着し、次いで、前記キャビティユニット１に対して、圧電アクチュエータ２が、その各個別電極を前記キャビティユニット１における各圧力室３６の各々に対応させて接着・固定される。また、この圧電アクチュエータ２における上側の表面には、前記フレキシブルフラットケーブル３（図４参照）が重ね押圧されることにより、このフレキシブルフラットケーブル３における各種の配線パターン（図示せず）が、前記各表面電極４８に電気的に接合される。

上記構成のインクジェットヘッド１００は、その製造において、まず、あらかじめノズル孔４に対応する位置に連通孔３７を穿設したスペーサプレート１２に、ノズルプレート１１の素材板（ノズル未加工の状態）が貼り付けられる。そして、特開平１１−１４７３１６号公報に示す公知の方法と同様に、ノズルプレート１１の素材板に対して、スペーサプレート１２側から連通孔３７を通してレーザビームが照射され、ノズル孔４が多数穿設される。これにより第１サブユニット１ａが形成される（図４参照）。

一方、それぞれに必要な穴加工等が施された、ダンパープレート１３、マニホールドプレート１４ａ、１４ｂ、サプライプレート１５、ベースプレート１６、キャビティプレート１７が積層され、接着により一体化されて第２サブユニット１ｂ（図４参照）が形成される。この第２サブユニット１ｂが、前記第１サブユニット１ａに対して積層され、接着により一体化されて、キャビティユニット１が形成される（図４参照）。

次に、キャビティユニット１が圧電アクチュエータ２と接合され、さらにフレキシブルフラットケーブル３が接合されてインクジェットヘッド１００が形成される。

前記各金属製のプレート１２〜１７におけるインク供給口４７、共通インク室７、連通孔３７、貫通孔３８、接続流路４０、ダンパ室４５等の凹み形成や貫通する孔等は、エッチング加工、放電加工、プラズマ加工、レーザ加工等により形成されている。ポリイミド等の合成樹脂製で平面視ほぼ矩形薄シート状の１枚のフィルタ体２０には、レーザ加工等にて極小孔が穿設された濾過部２０ａが形成される。フィルタ体２０を金属製にする場合には、電鋳加工により形成すればよい。

前記ノズルプレート１１におけるノズル孔４は、前述したように、レーザ加工により穿設されるが、レーザビームは、図示しないレンズを通してノズルプレート１１のインクの流入側（背面側）の所定位置に照射される。このレーザビーム照射は、厚みＴのノズルプレート１１に対して、吐出口４ａが開口径Ｄ０で、テーパ角度θの先細り状のノズル孔４を加工するように設定されている。その結果、流入口側の開口径Ｄ２（Ｄ２＞Ｄ０）は、設計上、吐出口４ａの開口径Ｄ０をテーパ角度θに沿って流入口側に延長して得られることになり、
Ｄ２＝Ｄ０＋２Ｔ×ｔａｎθ
の式で表される。

ところが、レーザビームが１点に正確に焦点を結ぶことが困難であること、また、ノズルプレート１１がレーザビームの焦点に対して正確に位置決めしにくいことのために、レーザビームの照射側となる流入口のエッジがダレて、設計上の開口径Ｄ２よりも大きく拡がり、実際の流入口４ｂの開口径はＤ１（Ｄ１＞Ｄ２）となる。すなわち、テーパ角度θに沿うテーパ形状部４ｃは、吐出口４ａから流入口４ｂの近傍までであり、テーパ形状部４ｃの端部と流入口４ｂとの間は、テーパ角度θに沿うよりも大きく拡径する周縁部（ダレ部分）４ｄによって曲面で接続されている。そのため、レーザビーム照射時の設定に基づく設計上の開口径Ｄ２は実際には得られず、これは仮想上の流入口（仮想流入口）４ｅの開口径となる。

そこで、設計上（仮想上）の開口径Ｄ２に対する実質上の開口径Ｄ１の相違が、吐出性能の良否に及ぼす影響を調べた。この実験での吐出性能の良否は、開口径Ｄ１の値が異なるノズルプレート１１をそれぞれインクジェットヘッド１００に組み込んで、インクの吐出速度が基準値内に入るか否かで判定した。その結果を図６に○×で表示する。なお、実験で用いたノズルプレート１１は、θ＝９°、Ｔ＝７０μｍ、Ｄ０＝２５μｍであるため、仮想流入口４ｅの開口径Ｄ２は、前式に基づいて、Ｄ２＝４７．２μｍとなる。また、図６中の開口径Ｄ１は、１枚のノズルプレートにおいて実測された流入口４ｂの開口径の平均値を示している。

図６から明らかなように、Ｄ１がＤ２の１．２倍より小さいときに、インクの吐出速度が基準値の範囲内となり、吐出性能が良好となっている。従って、ノズル孔４の流入口４ｂにおいては、その開口径Ｄ１をＤ２＜Ｄ１＜１．２×Ｄ２の関係を基準として部品管理を行うことで、吐出性能に優れたノズルプレート１１を選別することが可能となる。すなわち、ノズル孔４の加工が終了したノズルプレート１１（第１サブユニット１ａ）において、ノズル孔４の吐出口４ａの検査に加え、流入口４ｂの検査を前記基準に基づいて行い、良品として選別されたノズルプレート１１のみを用いてインクジェットヘッド１００が組立てられる。

このように本発明では、ノズル孔４の流入口４ｂを、周縁部（ダレ部分）４ｄを考慮してその拡がり範囲を厳密に規定し、ノズルプレートにおける各ノズル孔へのインクの流入を均質化させているので、インクジェットヘッドとしての吐出性能の安定性を向上させることができる。

本発明の実施形態のインクジェットヘッドの斜視図である。 インクジェットヘッドの分解斜視図である。 キャビティユニットの拡大分解斜視図である。 図１のIV−IV線矢視拡大断面図である。 ノズル孔の模式断面図である。 開口径と吐出速度との関係の実験結果を示す図である。

符号の説明

１ キャビティユニット
１ａ 第１サブユニット
１ｂ 第２サブユニット
２ 圧電アクチュエータ
３ フレキシブルフラットケーブル
４ ノズル孔
４ａ 吐出口
４ｂ 流入口
４ｃ テーパ形状部
４ｄ 周縁部
４ｅ 仮想流入口
１１ ノズルプレート
１２ スペーサプレート
１００ インクジェットヘッド

Claims (3)

1. 被記録媒体に対してインクを吐出するノズル孔が穿設されたノズルプレートを含むインクジェットヘッドにおいて、
   前記ノズル孔は、
   前記ノズルプレートの一方面側に開口する吐出口と、
   前記ノズルプレートの他方面側に開口する流入口と、
   前記吐出口から前記流入口近傍まで所定テーパ角度で拡径するテーパ形状部と、
   前記テーパ形状部の所定テーパ角度に沿うよりも大きく拡径して、前記テーパ形状部の端部と前記流入口とを曲面で接続する周縁部とを有し、
   前記流入口の開口径Ｄ１が、前記テーパ形状部をその所定テーパ角度に沿って前記流入口側に仮想延長して得られる仮想流入口の開口径Ｄ２に対して、Ｄ２＜Ｄ１＜１．２×Ｄ２の関係となっていることを特徴とするインクジェットヘッド。
2. 前記ノズル孔は、前記ノズルプレートの他方面側から照射されるレーザビームにより加工されていることを特徴とする請求項１に記載のインクジェットヘッド。
3. 前記周縁部は、前記レーザビームによるテーパ形状部の加工に伴って形成されることを特徴とする請求項２に記載のインクジェットヘッド。

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