JP2009226743A - ノズルプレートの製造方法、および液体噴射ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】パンチ打ち込み面の隆起の発生を抑制することが可能なノズルプレートの製造方法、及び、このノズルプレートを装着した液体噴射ヘッドを提供する。
【解決手段】先端部に円柱形状を有する第１パンチ３６を、金属板３１の一方の面から他方の面に向けて金属板の板厚方向の途中まで打ち込むことにより、金属板に第１凹部４１を形成する第１凹部形成工程と、基端側から先端側に向けて縮径するテーパー形状を先端部に有する第２パンチ３７を、金属板の一方の面から第１凹部の未貫通部４２に打ち込むことにより、第１凹部の深さを深くすることで第２凹部４３を形成すると共に金属板の他方の面に膨出部４４を形成する第２凹部形成工程と、第１凹部を形成した金属板の他方の面を研削して膨出部を除去して貫通孔を形成する貫通孔形成工程と、を経てノズルプレートにノズル開口を形成する。
【選択図】図４

Description

本発明は、インクジェット式記録装置などの液体噴射装置に設けられるノズルプレートの製造方法、およびこのノズルプレートを装着した液体噴射ヘッドに関する。

液体噴射装置、例えば、圧力室内の液体に圧力変動を生じさせることでノズル開口から液滴として噴射（吐出）させるインクジェット式記録装置などの液体噴射ヘッドのノズルプレートは、ステンレス鋼板などの金属板に微細径の貫通孔を複数開設して構成されている。金属板に貫通孔を開設する方法としては、金型を用いたプレス加工（塑性加工）方法がある。

プレス加工の場合、一般的には、ノズルプレートとなる薄い金属板の一方の面からパンチを押し込み、反対側に隆出した隆出部をその後の研磨工程で除去し、これによりノズル開口となる貫通孔を開設する方法が提案されている（例えば、特許文献１）。

特開２００７−１３７０３９号公報

金属板に一度のプレス加工でノズル開口の下孔となる凹部を開設することはできるが、金属板の材質が柔らかい場合、図５に示すように、パンチを打ち込んだ際にパンチの周りに隆起部５０ができ、この隆起部５０が後のステージで上から金型の押圧盤（ストリッパプレート）に押圧されて凹部の開口形状が変形してしまい、最終的にはノズル開口の形状精度が低下して噴射特性に問題が生じることがある。

本発明は、上記に鑑み提案されたもので、その目的は、金属板の材質が柔らかであっても打ち込んだパンチの周りに隆起部が生じてノズル開口の形状が変形することのないノズルプレートの製造方法を提供しようとするものである。

前記した目的を達成するために、本発明に係るノズルプレートの製造方法は、先端部に円柱形状を有する第１パンチを、金属板の一方の面から他方の面に向けて金属板の板厚方向の途中まで打ち込むことにより、金属板に第１凹部を形成する第１凹部形成工程と、
基端側から先端側に向けて縮径するテーパー形状を先端部に有する第２パンチを、金属板の一方の面から第１凹部の未貫通部に打ち込むことにより、第１凹部の深さを深くすることで第２凹部を形成すると共に前記他方の面に膨出部を形成する第２凹部形成工程と、
前記第２凹部を形成した金属板の他方の面を研削して前記膨出部を除去して貫通孔を形成する貫通孔形成工程と、
を含むことを特徴とする。

この構成によれば、第１パンチによる第１凹部形成時に、加工硬化現象により第１凹部の周辺部が硬くなる。そして、第２パンチを打ち込む際に、硬化した部分を含む金属素材が第２パンチの進入に伴って引き込まれる。これにより、金属板の一方の面に隆起部が生じることを防止することができる。したがって、金属板が比較的柔らかい材質であっても、隆起部を研磨除去する手間を省くことができ、作業効率を高めることができる。また、隆起部が生じないことから製造途中で隆起部が潰されることもなく、ノズル開口としての貫通孔の形状の精度を高く維持することができる。

上記構成において、前記第２パンチが、基端側から先端側に向けて縮径するテーパー部と、このテーパー部の先端側に連続して形成された円柱状のストレート部とを先端部に有する構成とすることが望ましい。
また、前記第１パンチの先端部の外径を、前記第２パンチのストレート部の外径以上、テーパー部の最大径以下に設定することが望ましい。

そして、前記金属板がインバー型合金製であることが望ましい。

このように、ノズルプレートとなる金属板をインバー型合金製にすると、接合する他の部品と熱膨張率が同じようになるので、接合面での膨張差が生じ難くなり、剥離等のトラブルを未然に防止できる。

さらに、上記構成において、少なくとも第１凹部が形成される領域に対応する金属板の面が平坦面に載置された状態で、第１凹部を形成することが望ましい。

この構成によれば、第１パンチと平坦面との間で金属板の肉が圧縮され、これにより、第１凹部の周囲に加工硬化を生じさせ易くすることができる。

そして、前記した製造方法により製造したノズルプレートを装着した液体噴射ヘッドは、凹部を貫通した孔、すなわちノズル開口が製造途中で潰されることもなく形状の精度が高く維持されるので、液体の噴射特性を高めることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、添付図面等を参照して説明する。なお、以下に述べる実施の形態では、本発明の好適な具体例として種々の限定がされているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。また、以下では、液体噴射ヘッドの一種であるインクジェット式記録ヘッド（以下、単に記録ヘッドという）のノズルプレートの形成に本発明を適用した例を説明する。

図１は、本実施形態における記録ヘッド１の要部断面図である。例示した記録ヘッド１は、ケース２、流路ユニット３、及び、アクチュエータユニット５等を主な構成要素としている。ケース２は、合成樹脂製の中空箱体状部材であり、先端面（下面）には流路ユニット３を接合し、内部に形成された収容空部４内にはアクチュエータユニット５を収容し、流路ユニット３側とは反対側の基端面（上面）には、プリンタ本体側からの駆動信号をアクチュエータユニット５に供給するための回路基板（図示せず）を取り付けるようになっている。

上記アクチュエータユニット５は、櫛歯状に列設された複数の圧電振動子７と、この圧電振動子７が接合される固定板８と、回路基板からの駆動信号を圧電振動子７に供給するためのＴＣＰ（テープキャリアパッケージ）等の配線部材９等から構成される。各圧電振動子７は、固定端部側が固定板８上に接合され、自由端部側が固定板８の先端面よりも外側に突出した所謂片持ち梁の状態で固定板８上に取り付けられている。そして、アクチュエータユニット５は、固定板８の背面を、収容空部４を区画するケース内壁面に接着することで収容空部４内に収納・固定されている。

流路ユニット３は、振動板１１、流路形成基板１２、及びノズルプレート（ノズル基板）１３からなる流路ユニット構成部材を積層した状態で接着剤で接合して一体化することにより作製されており、リザーバ１５（液室）からインク供給口１６及び圧力発生室１７を通りノズル開口１８に至るまでの一連のインク流路（液体流路の一種）を形成する部材である。圧力発生室１７は、ノズル開口１８の列設方向（ノズル列方向）に対して直交する方向に細長い室として形成されている。また、リザーバ１５は、インクカートリッジやサブタンク等のインク供給源からのインクが導入される室である。そして、このリザーバ１５に導入されたインクは、インク供給口１６を通じて各圧力発生室１７に分配供給される。

流路ユニット３の底部に配置されるノズルプレート１３は、図２に示すように、ドット形成密度に対応したピッチ（例えば１８０ｄｐｉ）で複数のノズル開口１８を、記録紙等の記録媒体送り方向に列状に開設した金属製の薄手の板材である。本実施形態のノズルプレート１３は、例えば、４２アロイなどからなる板材（金属板３１）から作製し、パンチ３６，３７（図３等参照）を用いたプレス加工によってノズル開口１８の列、即ち、ノズル列（ノズル群の一種）を、記録ヘッド１の走査方向に複数並べて開設している。そして、１つのノズル列は、例えば１８０個のノズル開口１８によって構成される。本実施形態の記録ヘッド１は、合計８種類のインクを吐出可能に構成されており、各インクに対応させて合計８列のノズル列がノズルプレート１３に形成されている。

流路ユニット構成部材の１つである流路形成基板１２は、インク流路となる流路基部、具体的には、リザーバ１５となる空部、インク供給口１６となる溝部、及び、圧力発生室１７となる開口部が区画形成された板状の部材である。本実施形態において、流路形成基板１２は、結晶性を有する基材であるシリコンウェハーを異方性エッチング処理することによって作製されている。

ノズルプレート１３とは反対側の流路形成基板１２の上面に配置される振動板１１は、ステンレス鋼等の金属製の支持板上に弾性フィルムをラミネート加工した二重構造の複合板材である。この振動板１１の圧力発生室１７に対応する部分には、圧電振動子７の自由端部の先端を接合するための島部２０が形成されている。この島部２０の周囲は、エッチングなどによって支持板を環状に除去して弾性フィルムのみとなっている。そして、この部分はダイヤフラム部として機能し、圧電振動子７が伸縮するのに伴い、弾性フィルムを弾性変形させながら島部２０が変位するように構成されている。また、振動板１１は、流路形成基板１２の空部の一方の開口面を封止してリザーバ１５の一部を区画し、インク流路内の圧力変動を緩和するコンプライアンス部２１としても機能する。このコンプライアンス部２１に相当する部分については、ダイヤフラム部と同様にエッチングなどによって支持板を除去して弾性フィルムだけにしている。

そして、上記構成の記録ヘッド１において、配線部材９を通じて圧電振動子７に駆動信号が供給されると、この圧電振動子７が素子長手方向に伸縮し、これに伴い島部２０が圧力発生室１７に近接する方向或いは離隔する方向に移動する。これにより、圧力発生室１７の容積が変化し、圧力発生室１７内のインクに圧力変動が生じる。この圧力変動によってノズル開口１８からインク（液体の一種）が噴射される。

次に、プレス金型を使用してノズルプレート１３を製造する方法を、図３に基づいて説明する。図３はプレス金型の構成を説明する要部断面図である。
このプレス金型は、ノズルプレート１３の材料である金属板３１を載せるダイ３２と、プレス機のラム（図示せず）の下面に取り付けるパンチホルダ３３と、このパンチホルダ３３の下にスプリングやエラストマ等の弾性材３４を介してパンチホルダ３３に対して上下動可能な状態で設けた押圧盤（ストリッパプレート）３５と、パンチホルダ３３に基端部分を固定して下向きに設けられた第１パンチ３６及び第２パンチ３７と、から概略構成されている。

金属板３１は、例えば、厚みが３０〜１００μｍ程度で、４２Ａｌｌｏｙ（Ｆｅ−４２％Ｎｉ合金）等の、前述した流路形成基板１２と線膨張係数のほぼ等しいインバー型合金からなり、ニッケル含有量を変化させることで、線膨張係数が流路形成基板１２に近づくように設定されている。これにより、流路形成基板１２と金属板３１とを、熱硬化性樹脂等を用いて２００℃〜３００℃で加熱して接合した後に室温に戻るときに、ノズルプレート１３が反ることを防止され、ノズルプレート１３が流路形成基板１２から剥離することを抑制される。

ダイ３２は、鋼鉄製の板材である。このダイ３２は、少なくとも第１パンチ３６で加工する第１ステージにおいては平坦な面で金属板３１を支持可能であり、第２パンチ３７で加工する第２ステージ、すなわち、第２パンチ３７の直下に対応する位置には、第２パンチ３７の外径とほぼ同じ内径の、或いは少し大きい貫通開口部４０が開設されている。

第１パンチ３６は、外径が２０〜３０μｍの円柱形に形成されており、先端部分には円柱形状の挿入突部３６´が形成され、軸方向に直交する先端の面は円形平坦面で構成されている。そして、この第１パンチ３６は、基端部分がパンチホルダ３３に強固に固定され、軸方向の途中の部分は押圧盤３５に開設された貫通ガイド孔３８内に挿通され、このガイド孔３８に案内されながら下降して先端部の挿入突部３６´が金属板３１の表面に対して直交する状態で打ち込まれるように構成されている。

第２パンチ３７は、基端部分がパンチホルダ３３に固定され、円柱状軸部の先端に挿入突部３７´が形成され、途中部分は押圧盤３５に開設された貫通ガイド孔３９内に貫通してガイドされている。この挿入突部３７´は、先端に向かって次第に縮径するテーパー部３７ａを形成すると共に、該テーパー部３７ａの先端に他の部分よりも細いストレート部（円柱部）３７ｂを形成し、該ストレート部３７ｂの先端を円形平面としている。なお、この第２パンチ３７の太さは、第１パンチ３６のよりも大きく設計されている。そして、本実施形態においては、第１パンチ３６の先端部（挿入突部３６´）の外径を、第２パンチ３７のストレート部３７ｂの外径以上、テーパー部３７ａの最大径（最も根本側の外径）以下に設定している。また、第１パンチ３６と第２パンチ３７との間隔は、フィーダーにより金属板を所定のピッチ（例えば、ノズル列間のピッチ）ずつ送るので、このピッチと同じ距離に設定されている。

次に、前記した構成からなるプレス金型を使用してノズル開口１８となる凹部（下穴）を形成する凹部形成工程を行う場合について説明する。なお、ダイ３２はプレス機の図示しないボルスタ等の支持盤上に固定され、パンチホルダ３３はラムの下面に固定され、ダイ３２とパンチホルダ３３（第１パンチ３６、第２パンチ３７）との相対位置や第１，第２パンチ３６，３７の下死点調整などの型調整はすべて終了していることとする。また、図面に示す金型は順送り金型であり、第１ステージにおける第１凹部形成工程と第２ステージにおける第２凹部形成工程とを同時に行っているが、説明の都合上、先ず第１凹部形成工程で第１凹部４１を形成した後に、当該第１凹部４１に対して第２凹部形成工程でさらに加工（第２凹部４３を形成）するものとして順を追って説明する。

まず、ダイ３２の上に４２Ａｌｌｏｙなどの金属板３１を所定位置に載せ、パンチ３６の先端が金属板３１に向かった状態でパンチホルダ３３を下降させる。すると、図３に示すように、押圧盤３５の下面が、金属板３１の表面３１ａ（一方の面）に当接する。その後、弾性材３４の付勢力に抗しながらパンチホルダ３３をさらに下方に押し下げると、押圧盤３５の貫通ガイド孔３８に案内されて、図４（ａ）に示すように、第１ステージにおいては、第１パンチ３６の先端の挿入突部３６´が金属板３１の板厚方向の途中まで押し込まれる。これによりダイ３２の平坦面との間に挟まれた金属板３１の一方の面（表面３１ａ）に、第１パンチ３６の押し込み量に応じた深さの第１凹部４１が形成される（第１凹部形成工程）。このときの第１パンチ３６の金属板３１内部への押し込み量は、例えば、金属板３１の板厚の１／４〜１／３程度となるように下死点調整されている。つまり、第１凹部形成工程で形成された第１凹部４１は、挿入突部３６´の外径と同じ大きさの内径であり、その深さは金属板３１全体の板厚に比較すると大幅に浅くなっている。要は、第１パンチ３６の挿入突部３６´の進入により押し退けられた金属板３１の肉が、第１凹部４１の開口の縁に隆起しない程度の押し込み量に設定することが望ましい。

このように、第１パンチ３６を金属板３１の上記の深さまで打ち込むことにより、金属板３１が４２Ａｌｌｏｙなどのように柔らかくても、第１凹部４１の周囲の肉、即ち、図４中において網掛けした範囲に加工硬化が生じる。本実施形態においては、少なくとも第１凹部４１が形成される領域に対応する金属板３１の面がダイ３２の平坦面に載置された状態で第１凹部が形成されるので、金属板３１の裏面側に膨隆部が生じることが防止されると共に、第１パンチ３６とダイ３２の平坦面との間で金属板３１の肉が圧縮され、これにより、第１凹部の周囲に加工硬化を生じさせ易くすることができる。

第１パンチ３６が下死点まで下降して金属板３１の表面側に第１凹部４１を形成すると、その後は上昇に転じる。そして、ラムの上昇に伴ってパンチホルダ３３が上昇すると、弾性材３４の復元力により押圧盤３５がパンチホルダ３３よりも少し遅れて上昇を開始し、金属板３１の表面３１ａから離隔して上死点まで上昇する。これで第１ステージにおける第１下穴形成工程が終了する。

そして、第１下穴形成工程が終了すると、次の下穴形成（第２凹部形成工程）のために金属板３１をフィーダーにより所定のピッチだけ移動する。この移動（送り）が終了したならば、前記した操作を再度繰り返すことにより第１ステージにおいては金属板３１の新たな位置に次の第１凹部４１を所定のピッチで開設することができ、第２ステージにおいては先の第１凹部４１に対する加工（第２凹部形成工程）が行われる。

第２凹部形成工程では、第１下穴形成工程で形成した第１凹部４１が第２パンチ３７の下方に位置して停止する。そして、この状態でパンチホルダ３３が下降すると押圧盤３５が金属板３１の表面３１ａに当接した後に第１パンチ３６と第２パンチ３７とが下降する。第１パンチ３６が下降すると、前記と同様に、金属板３１の新たな部位に第１凹部４１を形成する。一方、第２パンチ３７が下降すると、図４（ｃ）に示すように、先に形成した第１凹部４１の底（未貫通部４２）に第２パンチ３７の先端に形成した挿入突部３７´が押し込まれ、これにより第１凹部４１の深さがさらに深くなり、挿入突部３７´と同じ大きさ、形状の第２凹部４３が形成される。また、本実施形態では第２パンチ３７の挿入突部３７´の先端面が金属板３１の裏面（下面）３１ｂとほぼ同じ深さ、あるいはそれより少し深くまで押し込まれる。そして、図３に示すようにダイ３２には貫通開口部４０が開口しているので、第２パンチ３７の挿入突部３７´の進入により押し退けられた金属板３１の肉が貫通開口部４０側に押し出され、これにより、金属板３１の裏面３１ｂには、膨出部４４が形成される。

ここで、この第２凹部形成工程を行う前に予め第１下穴形成工程で第１凹部４１を形成することにより、この第１凹部４１の周辺部が硬化しているので、図４（ｃ）において矢印で示すように、第２パンチ３７を打ち込む際に、硬化した部分を含む金属の肉が第２パンチ３７の挿入突部３７´の進入に伴って引き込まれる。これにより、金属板３１の一方の面（表面３１ａ）に隆起部が生じることを防止することができる。そして、第２凹部４３を開設した部分が順次送られて各ステージで押圧盤３５の押圧面により押圧されても、第２凹部４３の開口の周りには隆起部がないので、第２凹部４３の開口形状が変形するおそれが少ない。したがって、ノズル開口１８としての貫通孔の形状の精度を高く維持することができる。

この様にして第２パンチ３７が下死点まで下降して挿入突部３７´の外形に倣った形状の第２凹部４３を形成すると（図４（ｄ））、その後は上昇に転じる。そして、ラムの上昇に伴ってパンチホルダ３３が上昇すると、弾性材３４の復元力により押圧盤３５がパンチホルダ３３よりも少し遅れて上昇を開始し、金属板３１の表面３１ａから離隔して上死点まで上昇する。

そして、次の凹部形成のために金属板３１をフィーダーにより所定のピッチだけ移動する。この移動が終了したならば、前記した操作を再度繰り返すことにより金属板３１に次の凹部４１，４３を所定のピッチで開設することができ、これらの操作を繰り返すと、金属板３１に凹部４１，４３を所定のピッチで順次開設することができる。

この様にして第２凹部形成工程が終了したならば、金属板３１をプレス金型から外して、貫通孔形成工程を行う研磨装置（図示せず）に搬送する。この貫通孔形成工程では第２凹部形成工程で残った第２凹部４３の膨出部４４を研磨除去することで、孔を貫通させてノズル開口１８にすると共に、金属板３１の厚さを所定の厚さになるように研磨する。この様にして、ノズル開口１８が開設されたノズルプレート１３が作製される。なお、この貫通孔形成工程において、第２凹部４３の開口縁に隆起部ができないので、膨出部４４が形成される裏面（他方の面）３１ｂだけを研磨すればよい。したがって、工程数を減らすことができ、作業の効率を高めることができる。

以上の製造方法により製造したノズルプレート１３を装着した記録ヘッド１は、凹部４１，４３を貫通した孔、すなわちノズル開口１８が製造途中で潰されることもなく形状の精度が高く維持されるので、インクの噴射特性を高めることができる。

なお、前記した実施形態においては、第１凹部４１を円筒形状とした例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、第１凹部４１を円錐台形とし、その底に第２凹部４３を形成してもよい。要は、当該第２凹部４３を形成する部分に、硬化部分を形成可能な形状であればよい。

記録ヘッドの構成を説明する要部断面図である。 ノズルプレートの平面図である。 プレス金型を説明する要部断面図である。 （ａ）〜（ｄ）はノズル開口を形成する工程を説明する要部断面図である。 従来の構成において金属板に発生した隆起部を説明する要部断面図である。

符号の説明

１…記録ヘッド、１３…ノズルプレート、１８…ノズル開口、３１…金属板、３２…ダイ、３３…パンチホルダ、３４…弾性材、３５…押圧盤、３６…第１パンチ、３７…第２パンチ、４１…第１凹部、４２…未貫通部、４３…第２凹部、４４…膨出部

Claims (6)

1. 先端部に円柱形状を有する第１パンチを、金属板の一方の面から他方の面に向けて金属板の板厚方向の途中まで打ち込むことにより、金属板に第１凹部を形成する第１凹部形成工程と、
   基端側から先端側に向けて縮径するテーパー形状を先端部に有する第２パンチを、金属板の一方の面から第１凹部の未貫通部に打ち込むことにより、第１凹部の深さを深くすることで第２凹部を形成すると共に前記他方の面に膨出部を形成する第２凹部形成工程と、
   前記第２凹部を形成した金属板の他方の面を研削して前記膨出部を除去して貫通孔を形成する貫通孔形成工程と、
   を含むことを特徴とするノズルプレートの製造方法。
2. 前記第２パンチは、基端側から先端側に向けて縮径するテーパー部と、このテーパー部の先端側に連続して形成された円柱状のストレート部とを先端部に有す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。
3. 前記第１パンチの先端部の外径を、前記第２パンチのストレート部の外径以上、テーパー部の最大径以下に設定したことを特徴とする請求項２に記載のノズルプレートの製造方法。
4. 前記金属板がインバー型合金製であることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか一項に記載のノズルプレートの製造方法。
5. 少なくとも第１凹部が形成される領域に対応する金属板の面が平坦面に載置された状態で、第１凹部を形成することを特徴とする請求項１から請求項４の何れか一項に記載のノズルプレートの製造方法。
6. 請求項１から請求項５の何れか一項の製造方法により製造したノズルプレートを装着し、ノズル開口としての前記貫通孔から液体を噴射するようにしたことを特徴とする液体噴射ヘッド。

Images