JPH10138496A - インクジェットヘッド用ノズルプレートおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】耐磨耗性、耐熱性、耐薬品性、熱伝導性に優れ
た性能を有するインクジェットヘッド用ノズルプレート
およびその製造方法を提供する。 【解決手段】液状又は粒状の熱硬化性樹脂製樹脂を予め
焼成時の寸法収縮を見込んだ寸法で成形し、得られた成
形物を必要に応じてプレキュアした後、真空又は不活性
雰囲気下で焼成することによりガラス状カーボン化さ
せ、エキシマレーザーなどによりインク噴射孔を形成す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、インクジェット型
記録装置に設置されるインクジェットヘッド用ノズルプ
レートおよびその製造法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】インクジェット型記録装置は、主として
インク液滴を直径数十μｍの微小ノズルより噴射させ
て、対向する記録媒体（記録紙）に所望の文字、画像を
印写するものである。現在、このインクジェット型記録
装置に設置されるインクジェットヘッドとしては、必要
時にインク液滴を噴射するドロップオンデマンド方式が
主流となっている。この種のインクジェットヘッドは、
図１に示すようなインク噴射孔が形成されたノズルプレ
ート、このノズルプレートにインクを供給するインク
室、インク溝、このインク室内またはインク溝に設けら
れた圧力発生用アクチュエーターなどから主として構成
されており、圧力発生用アクチュエーターにプリンタ制
御信号を送ることにより、インクに圧力が加わり、イン
ク噴射孔から対向配置されている記録媒体に向けてイン
ク液滴が噴射されるようになっている。この圧力発生に
は、例えば積層圧電アクチュエーターに電気信号を印加
して圧力波を発生させ、インク液滴を噴射させる方法
（例えば、特公昭53-12138号公報、特開昭63-247051 号
公報）と、発熱抵抗素子により瞬間的にインクを気化膨
張させて気泡を発生させ、その圧力でインク液滴を噴射
させる方法（例えば原利民、遠藤一郎、画像電子学会
誌、Vol.11、No.2、1982）等が知られている。

【０００３】上記のようなインクジェットヘッドのノズ
ルプレートの製造方法としては、例えば、ポリイミド、
ポリサルホン、ポリアセタール、ポリフェニルサルフォ
ン、ポリフタルアミド、ポリフェニレンオキサイド、ポ
リカーボネート、ポリエーテルイミド等の高分子材料の
射出成形法等によりノズル基板を形成し、これにレーザ
ービームでインク噴射孔を形成するノズルプレートの製
造法（例えば、特開平3-277554号公報) が知られてい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ポリイミド、ポリサルホン、ポリフェニルサルフォン、
ポリカーボネート等の高分子材料で成形され、インク噴
射孔が形成されたノズルプレートでは、記録装置の長期
間にわたる使用によりインク噴射孔が磨耗するという問
題点があった。また、インクの有機溶媒成分との化学反
応により、ノズルプレートの機械強度の低下が発生し、
ノズル孔の形状が変化し、結果的にインク液滴の飛翔に
悪影響を与えて飛翔方向にバラツキが生じ、印字品質が
低下するという使用樹脂の耐薬品性の問題点もあった。

【０００５】上記の問題点を解決するために、インクジ
ェットヘッド部品表面にＣＶＤ法などにより水素化アモ
ルファスカーボン被膜を被覆して耐摩耗性を改善し、さ
らに必要に応じてインクとの非親和性を長期間維持する
ために、水素化アモルファスカーボン被膜表面にフッ素
化処理をする方法が特開平4-229277号公報に開示されて
いるが、このような方法では、ノズル面が撥水性を有
し、ノズル孔の閉塞防止、インク液滴の切れがよく、隣
接ノズル孔へのインク液滴の拡散付着防止等の優れた点
を有するが、使用樹脂と水素化アモルファスカーボン被
膜との密着性が非常に低いため、長期間の使用に伴って
機械的剥離が生じるなどの問題点があった。

【０００６】また、発熱抵抗素子を用いた方式のインク
ジェットヘッドにあっては、最近の技術の進歩に基づく
装置の高速度化、高解像度化によって素子駆動信号周波
数が高周波側にシフトし、素子の高集積度化が進んだこ
とに伴い、素子の発熱に対してノズルプレートを形成す
る樹脂材料への耐熱性、熱伝導性の要請が高まってい
た。また、ノズルプレートを形成する場合、ノズル加工
時のバリ発生はインク飛翔性に大きく影響を与えるた
め、エキシマレーザーによるアブレーション加工、リソ
グラフィー、電鋳が主流となっているが、一旦、ノズル
プレートにバリが生じると、樹脂プレートではヤング率
が大きいため、研磨等の二次加工で除去することが困難
であるという問題点があった。

【０００７】したがって、本発明は上記の問題点に鑑み
てなされたものであり、耐磨耗性、耐熱性、耐薬品性、
熱伝導性に優れたインクジェットヘッド用ノズルプレー
トおよびその製造方法を提供することを目的とするもの
である。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、この目的を達
成するために、インク噴射孔から記録媒体にインク液滴
を噴射するインクジェットヘッドに用いるノズルプレー
トがガラス状カーボンからなることを特徴とするインク
ジェットヘッド用ノズルプレート、ノズルプレート用基
板をフラン系樹脂、フェノール系樹脂、ポリカルボジイ
ミド系樹脂またはこれらの混合物を主成分とする熱硬化
性樹脂成形材料を用いて予め焼成時の寸法収縮を見込ん
だ寸法で成形し、得られた成形物を真空又は不活性雰囲
気下で焼成した後、インク噴射孔を形成することを特徴
とするインクジェットヘッド用ノズルプレートの製造方
法、およびノズルプレート用基板をフラン系樹脂、フェ
ノール系樹脂、ポリカルボジイミド系樹脂またはこれら
の混合物を主成分とする樹脂に同一種類の硬化樹脂微粉
末を添加混合した熱硬化性樹脂成形材料を用いて予め焼
成時の寸法収縮を見込んだ寸法で成形し、得られた成形
物を真空又は不活性雰囲気下で焼成した後、インク噴射
孔を形成することを特徴とするインクジェットヘッド用
ノズルプレートの製造方法である。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明のインクジェットヘッド用
ノズルプレートは、インクに積層圧電アクチュエーター
に電気信号を印加して圧力波を発生させインク液滴を噴
射させるインクジェット方法や発熱抵抗素子により瞬間
的にインクを気化膨張させて気泡を発生させ、その圧力
でインク液滴を噴射させるバブルジェット方法等のイン
ク噴射型記録装置のインクジェットヘッドに用いるもの
である。

【００１０】インクジェットヘッドは、例えば図１に示
すように、ベースプレート（セラミクスベースプレー
ト）８とカバープレート７とノズルプレート２との３つ
のプレートから形成されている。ベースプレート８に
は、インク流路となるインク溝３、圧力発生用アクチュ
エーター４としての発熱抵抗素子や素子を駆動するため
の電極などを備えており、カバープレート７はインク室
５、インク供給口６、インク流路となるインク溝３など
を備えており、ベースプレート８とカバープレート７と
は各々対応するインク溝３同士が合致するように位置決
めして、エポキシ系接着剤などにより接合されて使用さ
れるものである。そして、ベースプレート８とカバープ
レート７との接合端面（形成されたインク流路の前面）
にノズルプレート２が接合されて使用されるのである。

【００１１】ノズルプレート２は、ガラス状カーボンか
らなり、インク噴射孔１が形成されて断面形状が例えば
図３に示すような形状をなしているものである。

【００１２】以下、ノズルプレート２の製造方法につい
て述べる。先ず、ノズルプレート用基板を熱硬化性樹脂
成形材料を用いて予め焼成時の寸法収縮を見込んだ寸法
で図２に示すような断面形状に成形する。

【００１３】熱硬化性樹脂成形材料としては、フラン系
樹脂、フェノール系樹脂、ポリカルボジイミド系樹脂ま
たはこれらの混合物を主成分とする樹脂を使用する。さ
らに、前記樹脂に同一種類の硬化樹脂微粉末を添加混合
した樹脂を使用すると、一層良好な結果が得られる。

【００１４】また、フェノール系樹脂としては、水分含
有率１重量％以下、粒径50μｍ以下でディスクキュア法
で測定した熱流動性が60〜160 ｍｍである粒状フェノー
ル樹脂の表層に、融点が30〜160 ℃の低表面張力物質が
対フェノール樹脂組成比0.2〜 5重量％被覆されてなる
粒状フェノール樹脂を使用し、射出成形することが望ま
しい。

【００１５】さらに、前記硬化樹脂微粉末としては、水
分含有率１重量％以下、粒径50μｍ以下でディスクキュ
ア法で測定した熱流動性が０〜10ｍｍである粒状フェノ
ール樹脂であることが望ましい。

【００１６】熱硬化性樹脂成形材料の成形法としては、
射出成形、プレス成形、注型成形等が挙げられるが、大
量生産性を考慮すると、射出成形法が好ましい。粒状の
フラン系樹脂、フェノール系樹脂、ポリカルボジイミド
系樹脂またはこれらの混合物を主成分とする熱硬化性樹
脂成形材料を用いる場合には、射出成形法、プレス成形
法により成形する。同様に、粒状のフラン系樹脂、フェ
ノール系樹脂、ポリカルボジイミド系樹脂またはこれら
の混合物を主成分とする樹脂に同一種類の硬化樹脂微粉
末を添加混合した熱硬化性樹脂成形材料を用いる場合に
も、射出成形法、プレス成形法により成形する。

【００１７】液状のフラン系樹脂、フェノール系樹脂、
ポリカルボジイミド系樹脂またはこれらの混合物を主成
分とする熱硬化性樹脂成形材料を用いる場合には、焼成
時の寸法収縮を見込んだ寸法の金型に注型硬化成形す
る。同様に、液状のフラン系樹脂、フェノール系樹脂、
ポリカルボジイミド系樹脂またはこれらの混合物を主成
分とする樹脂に同一種類の硬化樹脂微粉末を添加混合し
た熱硬化性樹脂成形材料を用いる場合にも、寸法収縮を
見込んだ寸法の金型に注型硬化成形する。

【００１８】得られた成形物は、必要に応じてプレキュ
アした後、真空又は不活性雰囲気下で焼成炭化し、ガラ
ス状カーボン化させる。次いで、インク噴射孔をエキシ
マレーザー、リソグラフィー、電鋳加工などにより形成
（アブレーション）させ、断面形状が図３に示すような
形状とする。

【００１９】この製造方法により、ガラス状カーボンの
特長である耐磨耗性、耐熱性、耐薬品性、熱伝導性に優
れた性能を有するインクジェットヘッド用ノズルプレー
トの提供が可能となる。また、エキシマレーザー以外の
前記方法で加工し、バリが生じた場合でも、ガラス状カ
ーボンはヤング率が小さいため、ラッピング等の研磨に
よる二次加工で除去が可能となる。

【００２０】本発明はその主旨を逸脱しない範囲で各種
の変形が可能である。例えば、圧電アクチュエータータ
イプ等のインクジェット型記録装置のノズルプレートに
使用可能である。またインク流路となるインク溝、分極
処理された積層圧電アクチュエーターを配置するための
形状を一体成形化したノズルプレートなどにも、使用可
能である。

【００２１】

【実施例】以下、本発明を実施例にて詳細に説明する。

【００２２】実施例１ ノズルプレート材料用樹脂として、水分率 0.8％、粒径
5〜30μｍでディスクキュア法で測定した熱流動性が 1
59ｍｍである粒状フェノール樹脂を用い、予め焼成炭化
時の収縮を見込んだオリフィスのインク噴射孔部分が貫
通孔でない状態の形状をもつ金型で射出成形により成形
した後、 220℃でプレキュアし、窒素ガス雰囲気下で16
00℃焼成炭化し、ガラス状カーボン化させ、エキシマレ
ーザーによりオリフィス部分に貫通孔を形成して、ガラ
ス状カーボン製ノズルプレートを製造した。

【００２３】ジエチレングリコールブチルエーテル、ト
リプロピレングリコールモノメチルエーテル等の多価ア
ルコールを溶媒としたインク噴射でのノズル孔の耐溶剤
性試験を行ったところ、得られたガラス状カーボン製ノ
ズルプレートは優れた印字精度を維持していた。

【００２４】次に、発熱抵抗素子に高周波駆動信号（ 1
〜2 kHz)を30分間印加し、発熱抵抗素子の発熱を増大さ
せ、ノズルプレートの温度変化とノズル孔の形状変化の
観察を行ったところ、本実施例のノズルプレートでは温
度上昇は少なく、ノズル孔の形状変化はなく、局部的に
近接するノズル孔同士の濡れもなく、良好なインク飛翔
性とインク撥水性能を維持していた。

【００２５】また、通常の使用環境で連続的に１ヶ月間
インク噴射したときのノズル孔の磨耗性を検討したとこ
ろ、本実施例のノズルプレートでは、ノズル孔の摩耗は
見られず、ノズル孔同士の濡れもなく、撥水性能の低下
は見られなかった。

【００２６】実施例２ 実施例１と同様の粒状フェノール樹脂と水分率 0.5％、
粒径が10μｍ以下、ディスクキュア法で測定した熱流動
性が 0ｍｍの粒状フェノール樹脂微粉末との混合樹脂を
用い、射出成形をした後、実施例１と同様にしてガラス
状カーボン製ノズルプレートを製造した。実施例１と同
様にして耐溶剤性試験を行ったところ、得られたガラス
状カーボン製ノズルプレートは優れた印字精度を維持し
ていた。また、実施例１と同様にしてノズルプレートの
温度変化とノズル孔の形状変化の観察を行ったところ、
温度上昇は少なく、ノズル孔の形状変化はなく、ノズル
同士の濡れもなく、良好なインク飛翔性とインク撥水性
能を維持していた。また、実施例１と同様にしてノズル
孔の磨耗性を検討したところ、ノズル孔の摩耗は見られ
ず、ノズル孔同士の濡れもなく、撥水性能の低下は見ら
れなかった。

【００２７】実施例３ 射出成形にかえて、プレス成形を行った以外は、実施例
１と同様にしてガラス状カーボン製ノズルプレートを製
造した。実施例１と同様にして耐溶剤性試験を行ったと
ころ、優れた印字精度を維持していた。また、実施例１
と同様にしてノズルプレートの温度変化とノズル孔の形
状変化の観察を行ったところ、温度上昇は少なく、ノズ
ル孔の形状変化はなく、ノズル同士の濡れもなく、良好
なインク飛翔性とインク撥水性能を維持していた。ま
た、実施例１と同様にしてノズル孔の磨耗性を検討した
ところ、ノズル孔の摩耗は見られず、ノズル孔同士の濡
れもなく、撥水性能の低下は見られなかった。

【００２８】実施例４ 射出成形にかえて、プレス成形を行った以外は、実施例
２と同様にしてガラス状カーボン製ノズルプレートを製
造した。実施例１と同様にして耐溶剤性試験を行ったと
ころ、優れた印字精度を維持していた。また、実施例１
と同様にしてノズルプレートの温度変化とノズル孔の形
状変化の観察を行ったところ、温度上昇は少なく、ノズ
ル孔の形状変化はなく、ノズル同士の濡れもなく、良好
なインク飛翔性とインク撥水性能を維持していた。ま
た、実施例１と同様にしてノズル孔の磨耗性を検討した
ところ、ノズル孔の摩耗は見られず、ノズル孔同士の濡
れもなく、撥水性能の低下は見られなかった。

【００２９】実施例５ 粒状フェノール樹脂にかえて粒状フラン樹脂を使用した
以外は実施例と同様にしてガラス状カーボン製ノズルプ
レートを製造した。実施例１と同様にして耐溶剤性試験
を行ったところ、優れた印字精度を維持していた。ま
た、実施例１と同様にしてノズルプレートの温度変化と
ノズル孔の形状変化の観察を行ったところ、温度上昇は
少なく、ノズル孔の形状変化はなく、ノズル同士の濡れ
もなく、良好なインク飛翔性とインク撥水性能を維持し
ていた。また、実施例１と同様にしてノズル孔の磨耗性
を検討したところ、ノズル孔の摩耗は見られず、ノズル
孔同士の濡れもなく、撥水性能の低下は見られなかっ
た。

【００３０】比較例 ポリカーボネート、ポリフェニルサルホン、ポリサルホ
ンの各樹脂を用いて最終寸法の金型で射出成形し、実施
例１と同様にしてエキシマレーザーで貫通孔を形成し、
各々の樹脂製のノズルプレートを作成した。実施例１と
同様にして耐溶剤性試験を行ったところ、得られたポリ
フェニルサルホン製のノズルプレートでは印字精度を維
持していたが、ポリカーボネート製、ポリサルホン製の
各ノズルプレートではノズル周辺部が浸食され、ノズル
形状を維持することが困難となり、インク飛翔方向がば
らつき、印字精度が大きく低下した。

【００３１】また、実施例１と同様にしてノズルプレー
トの温度変化とノズル孔の形状変化の観察を行ったとこ
ろ、ポリカーボネート製、ポリサルホン製の各ノズルプ
レートは、耐溶媒性が悪いため、信号電圧の印加後、す
ぐにノズル孔が変形を始めたため、測定できなかった。
ポリフェニルサルホン製ノズルプレートではノズル孔形
状は維持したもののプレート温度が上昇し、熱膨張に伴
い各ノズル孔の飛翔方向が変化し、局部的に近接するノ
ズル孔同士が濡れる現象が発生し、印字精度が低下し
た。また、実施例１と同様にしてノズル孔の磨耗性を、
前記理由でポリフェニルサルホン製ノズルプレートのみ
について検討したところ、図３に示すオリフィス９部分
で角部が摩耗し、インクノズル径が数μｍ大きくなって
いた。また、局部的にインクノズル同士で濡れが発生
し、印字精度が低下した。

【００３２】

【発明の効果】以上、述べたように本発明によれば、ガ
ラス状カーボンの特長である耐磨耗性、耐熱性、耐薬品
性、熱伝導性に優れた性能を有するインクジェットヘッ
ド用ノズルプレートおよびその製造方法の提供が可能と
なった。

【図面の簡単な説明】

【図１】インクジェットヘッドの概略を示す展開図であ
る。

【図２】本発明の一実施例のノズルプレート基板の断面
図である。

【図３】本発明の一実施例のノズルプレートの断面図で
ある。

【符号の説明】

１ インク噴射孔 ２ ノズルプレート ３ インク溝 ４ 圧力発生用アクチュエーター ５ インク室 ６ インク供給口 ７ カバープレート ８ ベースプレート ９ オリフィス

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 インク噴射孔から記録媒体にインク液滴
   を噴射するインクジェットヘッドに用いるノズルプレー
   トがガラス状カーボンからなることを特徴とするインク
   ジェットヘッド用ノズルプレート。
2. 【請求項２】 ノズルプレート用基板をフラン系樹脂、
   フェノール系樹脂、ポリカルボジイミド系樹脂またはこ
   れらの混合物を主成分とする熱硬化性樹脂成形材料を用
   いて予め焼成時の寸法収縮を見込んだ寸法で成形し、得
   られた成形物を真空又は不活性雰囲気下で焼成した後、
   インク噴射孔を形成することを特徴とするインクジェッ
   トヘッド用ノズルプレートの製造方法。
3. 【請求項３】 ノズルプレート用基板をフラン系樹脂、
   フェノール系樹脂、ポリカルボジイミド系樹脂またはこ
   れらの混合物を主成分とする樹脂に同一種類の硬化樹脂
   微粉末を添加混合した熱硬化性樹脂成形材料を用いて予
   め焼成時の寸法収縮を見込んだ寸法で成形し、得られた
   成形物を真空又は不活性雰囲気下で焼成した後、インク
   噴射孔を形成することを特徴とするインクジェットヘッ
   ド用ノズルプレートの製造方法。