JP2006130701A - インク吐出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】インクに作用する表面張力の性質を利用して吐出孔の加工精度や吐出孔付近に付着した異物に影響を受けずに、インク滴を適切な吐出位置に安定して吐出する。
【解決手段】インク流路２０の一部を形成する圧電基板１１に接着したカバー部材１２と、インク流路２０に連通する複数の吐出孔２５を有するノズルプレート１３とを備え、吐出孔２５の内周面上における周方向に等分した位置に、吐出孔２５の内周面から中心軸に向かって突出した３個又は８個の突起部２６を配置する。
【選択図】 図２

Description

この発明は、吐出孔からインク滴を記録媒体に吐出するインク吐出装置に関する。

近年、用紙等の記録媒体に文字等の画像を形成するプリンタ機器においては、インパクト画像形成装置に代わって、カラー化、多階調化に対応し易いインクジェット方式等のノンインパクト画像形成装置が普及している。このインクジェット方式のノンインパクト画像形成装置に用いるインク吐出装置としては、特に、画像形成に必要なインク滴のみを吐出するというドロップ・オン・デマンド型のものがインクの吐出効率の良さ、低コスト化の容易さ等から注目されている。

従来、このドロップ・オン・デマンド型のインク吐出装置としては、カイザー方式やサーマルジェット方式を用いた構成のものが主流となっていた。しかし、カイザー方式のインク吐出装置は、小型化が困難であるために高密度化に不向きである。また、サーマルジェット方式のインク吐出装置は、インクを高温にして噴射する必要があるため、インクの耐熱性が要求され、またエネルギー効率が悪いため省エネの観点から好ましいものではなかった。

そこで、このような各方式のインク吐出装置における欠点を解決するため近年のインク吐出装置には、圧電性セラミック基板で形成されるインク流路の両側の壁面に電極膜を形成し、その電極に電位差を与えることで圧電性セラミック基板を剪断変形させ、その際に生じる圧力波変動を利用してインクを吐出する圧電駆動によるインク吐出方法を用いた剪断モード方式の構成のものがある（例えば、特許文献１参照。）。この方法は、装置のノズルの高密度化及び省エネ化にも適している。

上述の種々の方式のインク吐出装置は、図５に示すように、ノズルプレートに形成された吐出孔からインク流路中のインクをインク滴として吐出するが、吐出孔の加工精度や使用により吐出孔の付近に付着する異物によってインク滴の吐出方向や飛翔形状等の特性が大きく左右され、インク滴の吐出精度が低下してしまう問題が生じていた。

例えば、図５（Ａ）〜（Ｄ）に示すように、外部に面する吐出孔２１０の端部付近に異物２３０が付着している場合、吐出孔２１０から吐出されるインク２４０のメニスカス（インク２４０の表面が作る曲面）は、通常インク２４０が徐々に吐出方向である吐出孔２１０の中心軸方向に押し出され（吐出され）ていくため吐出孔２１０の中心軸に回転対称な形状となるが、インク２４０が吐出されていくにしたがって図５（Ａ）に示す形状から図５（Ｂ）に示すように異物２３０との接触部分において作用するインク２４０の表面張力によって異物２３０が位置する側に引っ張られた形状となる。

さらに、インク２４０が吐出されていくと、図５（Ｃ）に示すようにインク２４０のメニスカスは、吐出方向に作用するインク流路２２０内のインクに付与された圧力により生じるインク２４０を外部に押し出す力及び矢印方向の慣性力と、吐出方向とは反対方向に作用するインク２４０に生じる表面張力によるインク２４０を吐出孔２１０の内部方向に引き戻す力によって、くびれ２５０が生じた形状となる。その後、図５（Ｄ）に示すようにインク２４０が分離してインク滴として吐出孔２１０から飛翔する。この時、異物２３０との接触部分において作用するインク２４０の表面張力によって、インク２４０の吐出方向が吐出孔２１０の中心軸方向から異物２３０が位置する側に角度θだけ偏向されてしまう。そのため、飛翔したインク滴は、記録媒体上の所望の位置からずれた位置に着地する。

このようなインク滴の吐出精度の悪化を最小限にとどめるため、従来は吐出孔の加工精度を高め、微小突起の発生を抑制し、また、吐出孔の中心軸に対する内周面形状の対称性を高精度に形成していた。
特開昭６３−２４７０５１号公報

しかしながら、加工精度を高めて吐出孔を形成したノズルプレートを有するインク吐出装置では、吐出孔の形状を正確に形成することができても、吐出孔付近に付着する異物を除去することはできず、またコストも高騰してしまう。

この発明の目的は、インクに作用する表面張力の性質を利用して吐出孔の加工精度や吐出孔付近に付着した異物に影響を受けずに、インク滴を適切な吐出位置に安定して吐出することができるインク吐出装置を提供することにある。

この発明は、上記の課題を解決するために、以下の構成を備えている。

（１）インク滴を記録媒体に吐出する吐出孔であって、少なくとも前記記録媒体に面する前記吐出孔端部の内周面上における周方向に等分した位置に、前記吐出孔の中心軸に向かって突出した３以上の突起部を有する吐出孔を備えたことを特徴とする。

この構成においては、３以上の突起部が吐出孔の内周面から中心軸に向かって突出している。したがって、吐出孔から吐出されるインクが、突起部との接触部分においてインクの表面積を小さくしようとする方向に作用する表面張力によって吐出孔の内周面から中心軸に向かう方向に引っ張られた状態で中心軸方向にインク滴として吐出される。

また、３以上の突起部が吐出孔の内周面上において周方向に等間隔に配置されているので、吐出孔の内周面から中心軸に向かう方向の力がインクに均等に作用する。したがって、例えば、吐出孔に微小突起が形成された場合や吐出孔付近に異物が付着した場合、異物が吐出孔から吐出されるインクに接触することによりインクに作用する表面張力によって、吐出孔の中心軸から異物が位置する方向にインクが引っ張られるが、インクは吐出孔の内周面から中心軸に向かう方向に引っ張られるので、吐出孔の中心軸から異物が位置する方向の力が打ち消される。

（２）前記突起部の前記内周面から中心軸に向かう方向の長さは、前記吐出孔の直径の０．０５倍〜０．４倍であることを特徴とする。

この構成においては、突起部の吐出孔の内周面から中心軸に向かう方向の長さが、吐出孔の直径の０．０５倍〜０．４倍であるので、効果的に吐出孔の内周面から中心軸に向かう方向の力がインクに均等に作用する。吐出孔の直径の０．０５倍未満とすると突起部の先端部と内周面との距離の差が小さく、吐出孔の内周面から中心軸に向かう方向の力がインクに効果的に作用しない。また、吐出孔の直径の０．４倍より大きくすると吐出孔の目詰まりが顕著となる等の不具合が生じ易くなる。

（３）前記突起部は、前記内周面上に３〜８配置されていることを特徴とする。

この構成においては、３〜８個の突起部が吐出孔の内周面上に周方向に等間隔に配置されているので、効果的に吐出孔の内周面から中心軸に向かう方向の力がインクに均等に作用する。３個未満の１個又は２個の突起部だと吐出孔の内周面から中心軸に向かう方向の力がインクに偏って作用するからである。また、８個よりも多くすると加工要求精度が高くなるためコストが高騰してしまう。

（４）前記突起部を有する前記吐出孔は、エキシマレーザを用いて形成されたことを特徴とする。

この構成においては、吐出孔が、被加工材料に対するダメージが非常に少なく、微細な加工に適したエキシマレーザによって形成されるので、突起部を有する吐出孔の加工精度が低下することがない。

また、一旦形成された吐出孔の形状の加工精度が不足していた場合であっても、この突起部のみを微細に調整加工(トリミング)することで、容易に吐出方向の修正を行うことが可能となる。

すなわち、突起部の形状部分以外の形状については加工精度が必要とされないため、修正すべき部分は最大でも突起部の形状部分に限られ、形状修正の工程数、費用の増加が抑制される。

この発明によれば、以下の効果を奏することができる。

（１）少なくとも記録媒体に面する吐出孔端部の内周面上における周方向に等分した位置に、吐出孔の中心軸に向かう方向に吐出した３以上の突起部を配置することによって、突起部に接触部分において吐出孔の内周面から中心軸に向かう方向の力を、吐出孔からと出されるインクに均等に作用させることができるので、吐出孔に微小突起が形成された場合や吐出孔付近に異物が付着した場合であっても吐出孔の中心軸方向に吐出することができ、吐出孔の加工精度や異物によってインク滴の吐出性能が低減することを防止でき、インク滴を適切な吐出位置に安定して吐出することができる。

（２）突起部の吐出孔の内周面から中心軸に向かう方向の長さを吐出孔の直径の０．０５倍〜０．４倍とすることによって、吐出孔から吐出されるインクに吐出孔の内周面から中心軸に向かう方向の力を均等に且つ効果的に作用させることができる。

（３）３〜８の突起部を吐出孔の内周面上に周方向に等間隔に配置することによって、吐出孔の内周面から中心軸に向かう方向の力を、吐出孔から吐出されるインクに均等に且つ効果的に作用させることができる。

（４）吐出孔をエキシマレーザを用いて形成することによって、突起部を含めた吐出孔の微細形状を精度良く形成できる。

また、突起部の形状をトリミングすることでより少ない工程数、費用で容易にインク滴の吐出方向の修正も可能となる。

以下、この発明の最良の実施形態に係るインク吐出装置を図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は、この発明のインク吐出装置に備えられるインクジェットヘッド部１０の構成を示す説明図である。この発明のインク吐出装置１００は、インクジェットヘッド部１０等を備え、インク滴を吐出させて用紙等の記録媒体に画像形成する。インクジェットヘッド部１０は、圧電基板１１、カバー部材１２、ノズルプレート１３等から構成されている。圧電基板１１は、分極処理を施したチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）やチタン酸鉛（ＰＺ）等の圧電性セラミック基板であり、ダイアモンドブレードによって形成された溝深さ約２００μｍ、溝幅約８０μｍの互いに平行な櫛歯状の複数のインク流路２０を有している。また、圧電基板１１のインク流路２０を形成する壁面には、蒸着装置、スパッタリング装置又はプラズマＣＶＤ装置等を用いた公知の真空蒸着法やメッキ法によってＣｕ，Ａｌ，Ｃｒ，Ａｕ等の導電性を有する図示しない金属膜が形成されている。さらに、圧電基板１１は、金属膜を介して図示しない電源から電圧が印加されて剪断変形する。これにより、インク流路２０内の容積が減少してインクが加圧され、吐出孔２５からインク滴が吐出される。

カバー部材１２は、圧電基板１１に接着してインク流路２０の一部を形成する。ノズルプレート１３は、一体となった圧電基板１１及びカバー部材１２に接着され、各インク溝２０に連通する複数の吐出孔２５を備えている。

図２は、本実施形態のノズルプレート１３に備えられる複数の吐出孔２５の一つを図１に示す矢印Ｙ方向から見た拡大図である。吐出孔２５は、図２（Ａ）に示すように、吐出孔２５の内周面から中心軸に向かって突出した３個の突起部２６を有している。突起部２６は、隣接する突起部２６と中心軸において成す角が１２０度となる吐出孔２５の内周面上の位置、つまり吐出孔２５の内周面上の周方向に等間隔となる位置に配置され、吐出孔２５の内周面から中心軸に向かう方向の長さａが３μｍで形成されている。

図３は、図１に示すＸ−Ｘ′断面の一部を示す断面図である。吐出孔２５は、中心軸方向が鉛直方向に略平行であり、インク３０は、吐出方向であるこの吐出孔２５の中心軸方向の矢印Ｚ方向に吐出される。圧電基板１１に電圧を印加して剪断変形させると、図３（Ａ），（Ｂ）に示す順にインク流路２０に収納されているインクが加圧されて吐出孔２５からインク３０が外部に徐々に押し出され始める。

さらにインクが加圧されると図３（Ｃ）に示すように、インク流路２０内のインクに付与された圧力による矢印Ｚ方向のインク３０を外部に押し出す力及び矢印Ｚ方向の慣性力と、インク３０に作用する表面張力による矢印Ｚ方向とは反対方向のインク３０を吐出孔２５の内部方向に引き戻す力によってインク３０のメニスカス（インク３０の表面が作る曲面）にくびれ４０が生じる。

この時、突起部２６に接触する吐出孔２５付近のインク３０には、表面張力により吐出孔２５の内周面から突起部２６の先端部に向かう方向の力が作用する。複数の突起部２６は、吐出孔２５の内周面上に周方向に等間隔に配置されているので、インク３０のメニスカスの尾部（突起部２６とインク滴が接する部分）は、吐出孔２５の中心軸に対して回転対称な形状になる。その後、インク３０は、図３（Ｄ）に示すようにくびれ４０部分で分離して記録媒体にインク滴として吐出される。

上述のように複数の突起部２６が吐出孔２５の内周面上に周方向に等間隔に配置されているので、インク３０に作用する表面張力による出孔２５の内周面から突起部２６の先端部に向かう方向の力がインク３０に均等に作用する。これによって、吐出孔２５に微小突起が形成された場合や吐出孔２５付近に異物が付着した場合であっても吐出孔２５の矢印Ｚ方向に吐出することができ、吐出孔２５の加工精度や異物によってインク滴の吐出性能が低減することを防止でき、インク滴を適切な吐出位置に安定して吐出することができる。

例えば、吐出孔２５付近に異物が付着した場合であっても、異物がインク３０に接触することにより作用する表面張力によって、吐出孔２５の中心軸から異物が位置する方向にインク３０が引っ張られるが、インク３０は吐出孔２５の内周面から中心軸に向かう方向に引っ張られるので、吐出孔の中心軸から異物が位置する方向の力を打ち消してインク３０が矢印Ｚ方向に吐出される。本来、液体は表面張力によりその表面積を縮めようとする傾向があり、その結果、異物よりも内側にある突起部２６側に引っ張られるからである。

本実施形態では、突起部の長さａを３μｍに設定し、吐出孔２５の直径２０μｍに対し０．１５倍の大きさとしているが、特にこれに限定されるものではなく、吐出孔２５の直径の０．０５倍から０．４倍とするのが好ましい。長さａが直径の０．０５倍未満の場合は、吐出孔２５の内周面と突起部の先端部との差が小さく、インク３０に吐出孔２５の内周面から突起部２６の先端部に向かう方向の力が効果的に作用しないからである。また、吐出孔２５の直径の０．４０倍以上とした場合は、吐出孔２５の目詰まりが顕著となる等の不具合が生じ易くなるからである。

また、本実施形態では、吐出孔２５の内周面上に３個の突起部２６を配置したが、特にこれに限定されるものではなく、吐出孔２５の内周面上に周方向に等間隔に配置すれば３個以上であってもよい。例えば、図２（Ｂ）に示すような８個の突起部２６を備えた構成がある。

但し、突起部２６の数は、３〜８個が望ましい。３個未満だとインク３０に作用する表面張力による出孔２５の内周面から突起部２６の先端部に向かう方向の力がインク３０に均等に作用せず、逆に吐出方向の偏向が生じ易くなるからである。また、突起部２６の数が８個より多いと突起部２６を含めた吐出孔２５の加工要求精度が高くなり、コストも高騰するため好ましくないからである。

なお、本実施形態の突起部２５では、図２に示すように吐出孔２５の一端から他端にわたって突起部が形成されているが、特にこれに限定されるものではない。少なくとも吐出孔２５の外部（記録媒体）に面する端部の内周面上に形成されていればよい。

図４は、本実施形態のノズルプレート１３の吐出孔２５を形成するレーザー加工装置５０の構成を示す簡略図である。ノズルプレート１３は、その表面に撥インク性を有する撥液層を形成した後、同図に示すエキシマレーザ等のレーザ加工装置５０を用いて、突起部２６を含めて吐出孔２５を高精度に加工（形成）する。

レーザ加工装置５０は、レーザ光５２を発振するレーザ光源５１、レーザ光５２の強度、レーザ光５２を反射する反射鏡５３〜５５、平行度等を調整する整形光学系５６、レーザ光５２を所望のパターン形状とするためのマスク５７、マスク５７を通過したレーザ光５２を結像させるための縮小投影レンズ５８及び加工前のノズルプレート１３を固定するステージ６０等から構成される。

レーザ光源５１は、レーザ光５２を照射するのに必要な図示しない電源装置が接続されている。なお、レーザ光源５２としては、エキシマレーザが好適である。エキシマレーザは、被加工材料に対するダメージが非常に少なく、微細な加工に適しているからである。また、ノズルプレート１３は、ポリイミドフィルム材料（ＰＩフィルム）で形成されている。

吐出孔２５を加工する際は、まず加工前のノズルプレート１３をステージ５０に固定する。ステージ６０の位置を調整し、ノズルプレート１３上に結像するレーザ光５２のパターン（吐出孔２５像）の直径が２０μｍとなるように、縮小投影レンズ５８の縮小率を例えば５分の１倍に設定する。

この状態で、レーザ光源５１に接続した図示しない電源装置をＯＮにすると、レーザ光源５１からレーザ光５２が照射される。レーザ光５２は、整形光学系５６及びマスク５７を通過し、縮小投影レンズ５８で集光されて、ステージ６０に固定したノズルプレート１３に直径２０μｍの吐出孔２５の像を結像する。この時、アブレーションによりポリイミドフィルム材料が分解気化し、結像された形状に吐出孔２５が形成される。

なお、マスク５７の縮小率を適宜変更することで、形成する吐出孔２５の大きさを変更することが可能である。例えば、複数の吐出孔２５の同時形成の場合、マスク５７の縮小率の変更により吐出孔２５の孔径とともに複数の吐出孔２５の配置間隔も変化するが、これに合わせて吐出孔２５の配置間隔を調整したマスク５７を用意することで吐出孔２５の配置間隔と孔径とを所望の値にすることが可能である。

また、ノズルプレート１３に用いるＰＩフィルム等の有機フィルムは、上述のアブレーションによる形状の加工性に優れるとともに安価であるので、ノズルプレート１３を安価かつ容易に形成することができる。これにより、安価で加工精度の高いノズルプレート１３を形成できる。

さらに、一旦形成された吐出孔２５の形状の加工精度が不足していた場合であっても、この突起部２６のみを微細に調整加工(トリミング)することで、容易に吐出方向の修正を行うことが可能となる。

従来のように吐出孔２５の形状が真円形状の場合、吐出孔２５が真円形状となっていない場合は、形状修正は不可能であるか、または、その形状のほぼ全周にわたって形状の修正加工を施すなどの方法をとる必要があった。一方、本発明によれば、突起部２６の形状部分以外の形状については加工精度が必要とされていないため、修正すべき部分は最大でも突起部２６の形状部分に限られる。したがって、より少ない工程数、費用によって修正加工が可能となる。

なお、この発明の実施形態では、剪断モード方式のインク吐出装置を用いたが特にこれに限定されるものではなく、カイザー方式やサーマルジェット方式等の種々の方式のインク吐出装置を用いることもできる。

この発明の実施形態に係るインク吐出装置に備えられるインクジェットヘッド部の構成を示す説明図である。 同インク吐出装置に備えられるノズルプレートが有する複数の吐出孔の一つを図１に示す矢印Ｙ方向から見た拡大図である。 同インク吐出装置に備えられるインクジェットヘッドのインク吐出動作を説明する説明図である。 この発明のインク吐出装置に備えられるノズルプレートの吐出孔を形成するレーザー加工装置の構成を示す簡略図である。 従来のインクジェットヘッドのインク吐出動作を説明する説明図である。

符号の説明

１１−圧電基板
１３−ノズルプレート
２５−吐出孔
２６−突起部
３０−インク
５０−レーザ加工装置
１００−インク吐出装置

Claims (4)

1. インク滴を記録媒体に吐出する吐出孔であって、少なくとも前記記録媒体に面する前記吐出孔端部の内周面上における周方向に等分した位置に、前記吐出孔の中心軸に向かって突出した３以上の突起部を有する吐出孔を備えたことを特徴とするインク吐出装置。
2. 前記突起部の前記内周面から中心軸に向かう方向の長さは、前記吐出孔の直径の０．０５倍〜０．４倍であることを特徴とする請求項１に記載のインク吐出装置。
3. 前記突起部は、前記内周面上に３〜８配置されていることを特徴とする請求項２に記載のインク吐出装置。
4. 前記突起部を有する前記吐出孔は、エキシマレーザを用いて形成されたことを特徴とする請求項１に記載のインク吐出装置。

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