JP4341572B2 - ポンチ及びインクジェットヘッドのノズル形成用ポンチ - Google Patents

ポンチ及びインクジェットヘッドのノズル形成用ポンチ Download PDF

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Description

本発明は、ワークの成形加工に用いるポンチ及びインクジェットヘッドのノズル形成用ポンチに関する。
ワークを成形するための種々の金型やその金型による成型方法が提案されている。例えば、特許文献１には、オリフィスバックシートとオリフィスシートからなるインクジェットノズルの製造方法とそれに用いられるポンチが記載されている。このインクジェットノズルの製造方法においては、ダイス上に載置されたシートに円錐状のポンチの先端部をプレスして、ポンチの先端形状と同じ凹部をシートに形成し、その後、ポンチが打ち込まれた面とは反対側の面に形成された凸部をラップ盤により研削してシートに微細穴を形成し、オリフィスバックシートを製造する。
特公昭６３−４８７１４号公報
しかし、特許文献１の技術では、ポンチ、特にポンチのうちでもシートと接触する部分は破損や摩耗が激しく、ポンチの寿命が短いといった問題が生じている。特に、インクジェットノズルのノズル穴のように数μｍ〜数十μｍ程度の微細加工をプレスによって成形加工する場合には、ポンチの先端部も同程度の細さになるため、破損や摩耗などによりポンチの寿命が非常に短くなっている。そこで、近年、このようなポンチを含む金型に潤滑剤を供給しつつ、ワークを成形する成形加工方法が採用されている。しかし、このように潤滑剤を供給しても、金型の表面は滑らかなため、潤滑剤は直ぐに流出してしまい、金型の寿命を延ばすのにも限界がある。そこで、潤滑剤を常時供給するといった方法も考えられるが、経済的でなく、製造コストの増大に繋がるといった別の問題が生じる。
そこで、本発明の目的は、潤滑剤の保持性能を高くして、破損及び摩耗などを抑制するポンチ及びインクジェットヘッドのノズル形成用ポンチを提供することである。
課題を解決するための手段及び発明の効果
本発明のポンチは、ワークとの間に潤滑剤を介在させた状態で前記ワークの成形加工に用いるポンチであって、軸方向に直交する径方向に延在した先端面を有し且つ前記軸方向に沿って延在したストレート部が先端に形成されており、前記ストレート部との接続個所における前記軸方向に直交する径方向に沿った幅が前記ストレート部と同じであって、前記ストレート部から離れるに連れて前記径方向に沿った幅が大きくなった拡径部が前記ストレート部に接続して形成されている。そして、前記ストレート部の表面には潤滑剤を保持するピットが形成されており且つ前記拡径部の外周側面には前記ピットが形成されていない。
これによると、ストレート部の先端をワークに押し付けて成形加工するときに、ストレート部に供給した潤滑剤又はワークに供給した潤滑剤の一部がピット内に溜まり、ストレート部とワークとの間で高い潤滑性が保たれた状態となる。そのため、ポンチの破損及び摩耗が抑制され、ポンチの寿命が長くなる。また、拡径部の外周側面にピットが形成されていないので、ワークの成形面にピットによる痕が残らない。
本発明において、前記ピットが、前記ストレート部の外周側面に複数形成されていることが好ましい。これにより、ワークにストレート部を押し付けたときに、ストレート部の外周側面とワークとの間において、より高い潤滑性を保持することが可能になる。そのため、ストレート部の外周側面とワークとの摩擦力を長時間に亘って低減させることができ、ポンチがより長寿命化する。
また、本発明において、前記ピットが、前記先端面に複数形成されていることが好ましい。これにより、ワークにポンチを押し付けたときに、ワークとの接触圧が最も大きくなる先端面において、より高い潤滑性を保持することが可能になる。そのため、ポンチがより一層長寿命化する。
また、本発明において、前記ピットが、前記ストレート部の表面積の２０％〜８０％を占めて形成されていることが好ましい。また、本発明において、前記ピットが、前記ストレート部の前記先端面及び前記外周側面に複数形成されており、その分布密度が前記外周側面に比べて前記先端面の方が高いことが好ましい。これにより、ポンチの強度低下を防止しつつ、潤滑剤の保持性能を向上させ、ポンチの摺動性、耐久性及び耐摩耗性を高めることができる。
また、本発明のポンチは、別の観点では、ワークとの間に潤滑剤を介在させた状態で前記ワークの成形加工に用いるポンチであって、軸方向に直交する径方向に延在した先端面を有し且つ前記径方向に沿った幅が前記先端面から離れるに連れて大きくなった拡径部が形成されている。そして、前記拡径部の前記先端面には潤滑剤を保持するピットが形成されており且つ前記拡径部の外周側面には前記ピットが形成されていない。
これによると、拡径部の先端をワークに押し付けて成形加工するときに、拡径部に供給した潤滑剤又はワークに供給した潤滑剤の一部がピット内に溜まり、拡径部とワークとの間で高い潤滑性が保たれた状態となる。そのため、ポンチの破損及び摩耗が抑制され、ポンチの寿命が長くなる。また、拡径部の外周側面にピットが形成されていないので、ワークの成形面にピットによる痕が残らない。
また、本発明において、前記ピットが、前記先端面に複数形成されていることが好ましい。これにより、ワークにポンチを押し付けたときに、ワークとの接触圧が最も大きくなる先端面において、より高い潤滑性を保持することが可能になる。そのため、ポンチがより一層長寿命化する。
また、本発明において、前記ポンチの母材表面には、母材よりも低摩擦係数の被膜及び硬質の被膜の少なくともいずれか一方の被膜が形成されていることが好ましい。また、このとき、前記母材表面に形成された被膜が、ＤＬＣ被膜からなる表層を有していてもよい。これにより、ポンチが長寿命化する。
また、このとき、前記母材表面に形成された被膜が、前記ＤＬＣ被膜と前記母材との間にクロム被膜及びタングステン被膜のいずれかからなる中間層を有していてもよい。これにより、ＤＬＣ被膜が母材から剥がれにくくなる。
また、このとき、前記中間層は、クロム及びタングステンのいずれかと炭素との組成比が連続的に変化している傾斜組成層であって、前記母材側の前記クロム及びタングステンのいずれかから前記表層のＤＬＣ被膜側にかけて、層中に含まれる前記炭素の比率が大きくなっていてもよい。これにより、ＤＬＣ被膜及び中間層間の密着性が向上し膨張係数の違いによる残留応力が緩和される。
また、このとき、前記ピットが、前記ＤＬＣ被膜を貫通しない深さを有していてもよい。これにより、ピットを形成するときの熱が、母材に伝わりにくくなり、母材表面に熱影響層が形成されない。そのため、母材の耐久性が熱影響によって低下しにくくなる。
また、本発明において、前記母材は、炭化物として炭化タングステン、炭化ベナジウム、炭化チタン、炭化タンタルのうちの１又は２以上の組合せを含む超硬合金から形成されており、前記炭化物の前記超硬合金中の平均粒径が０．０５μｍ以上０．３μｍ未満であることが好ましい。これにより、抗折力が高くなる。
本発明のインクジェットヘッドのノズル形成用ポンチは、インクジェットヘッドを構成するノズルプレートとの間に潤滑剤を介在させた状態で前記ノズルプレートのノズルの成形加工に用いるインクジェットヘッドのノズル形成用ポンチであって、軸方向に直交する径方向に延在した先端面を有し且つ前記軸方向に沿って延在したストレート部が先端に形成されており、前記ストレート部との接続個所における前記軸方向に直交する径方向に沿った幅が前記ストレート部と同じであって、前記ストレート部から離れるに連れて前記径方向に沿った幅が大きくなった拡径部が前記ストレート部に接続して形成されている。そして、前記ストレート部の表面には潤滑剤を保持するピットが形成されており且つ前記拡径部の外周側面には前記ピットが形成されていない。
これによると、ストレート部の先端をワークに押し付けて成形加工するときに、ストレート部に供給した潤滑剤又はワークに供給した潤滑剤の一部がピット内に溜まり、ストレート部とワークとの間で高い潤滑性が保たれた状態となる。そのため、ポンチの破損及び摩耗が抑制され、ポンチの寿命が長くなる。また、拡径部の外周側面にピットが形成されていないので、ワークの成形面にピットによる痕が残らない。
本発明のインクジェットヘッドのノズル形成用ポンチは、別の観点では、インクジェットヘッドを構成するノズルプレートとの間に潤滑剤を介在させた状態で前記ノズルプレートのノズルの成形加工に用いるインクジェットヘッドのノズル形成用ポンチであって、軸方向に直交する径方向に延在した先端面を有し且つ前記径方向に沿った幅が前記先端面から離れるに連れて大きくなった拡径部が形成されている。そして、前記拡径部の前記先端面には潤滑剤を保持するピットが形成されており且つ前記拡径部の外周側面には前記ピットが形成されていない。
これによると、拡径部の先端をワークに押し付けて成形加工するときに、拡径部に供給した潤滑剤又はワークに供給した潤滑剤の一部がピット内に溜まり、拡径部とワークとの間で高い潤滑性が保たれた状態となる。そのため、ポンチの破損及び摩耗が抑制され、ポンチの寿命が長くなる。また、拡径部の外周側面にピットが形成されていないので、ワークの成形面にピットによる痕が残らない。
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。本実施形態は、インクジェットヘッドのノズルプレートを成形加工するためのポンチに本発明を適用した一例であり、他の成形品の成形加工においても本発明を適用することが可能である。
図１は、本発明の第１実施形態によるポンチが採用されたプレス金型の要部斜視図である。図１に示すように、プレス金型１は、本体部２と、本体部２の下端部分に形成された成形に供するポンチ３とを有しており、このプレス金型１のポンチ３でノズルプレートの基板２１（図５参照）を成形加工するものである。本体部２は、下方に向かって先細りとなる円錐部１１とその下端から下方に延びる円柱部１２とを有している。
図２は、図１に示すポンチ３の拡大斜視図である。図２に示すように、プレス金型１の先端部分のポンチ３は、円柱部１２の下端に連なる円錐台状のテーパ部（拡径部）５と、このテーパ部５の下端に連なる円柱状のストレート部６とを有しており、本体部２と一体形成されている。
テーパ部５は、本体部２の円柱部１２の下端からポンチ３のストレート部６の上端に亘って、ポンチ３の軸方向に直交する直径が直線的に徐々に小さくなるように形成されている。ストレート部６は、ポンチ３の軸方向に直交する方向に平行に形成された円形の先端面６ａを有しており、ノズルプレート２５のノズル２６の吐出口２７を形成できるように円柱状に形成されている。なお、テーパ部５の下端とストレート部６の上端における直径及び形状は同じである。
図３は、図２に示すポンチのストレート部６における構造を示す拡大断面図である。なお、テーパ部５は、ピット１０が形成されていない点を除いて、図３に示すストレート部６と同じ構造を有している。図３に示すように、ストレート部６は、本体部２と一体の金型部材１５と、金型部材１５よりも硬質な硬質被膜１６とからなる。金型部材１５は、プレス金型１の母材であり、ＨＶ（ビッカース硬さ）が１５００の超硬合金からなる金型素材を金型部材１５の形状に機械加工したものである。金型部材１５の超硬合金は、炭化タングステンと、炭化バナジウムと、炭化チタンと、炭化タンタルと、炭化クロムと、金属コバルトとが所定の割合で調合された混合物を焼結することで得られた合金である。この合金中における炭化物の平均粒径は、０．０５μｍ以上０．３μｍ以下である。例えば、超硬合金の炭化物の粒径が０．０５μｍ未満であると、粉末粒子の表面積が大きくなるためにその炭化が促進されたり、凝集しやすくなるという問題があり、粒径が０．３μｍ以上であると、ポンチ３表面に存在する炭化物粒が脱落してしまうことがある。脱落後に残る比較的大きな凹部が起点となり、亀裂の発生及びその伝搬により強度の低下が起こるという問題がある。したがって、金型部材１５が上述のように、合金中において平均粒径が０．０５μｍ以上０．３μｍ未満の炭化物を含んだ超硬合金からなることで、プレス金型１の強度が飛躍的に向上する。そのため、ポンチ３の抗折力が向上し、ポンチ３で微細な穴を形成する際に折損するのを抑制することができる。
硬質被膜１６は、金型部材１５の表面に形成されたＷ（タングステン）被膜１７と、Ｗ被膜１７の表面に形成されたＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）被膜１８とを有している。Ｗ被膜１７は、金型部材１５の表面からＤＬＣ被膜１８が剥離するのを防ぐための中間層として、約０．５μｍの厚さに形成されている。これは、ＤＬＣ被膜１８に含まれる炭素とＷ被膜１７との結合力が大きく、且つ、Ｗ被膜１７と超硬合金からなる金型部材１５との結合力も大きいため、単にＤＬＣ被膜１８を超硬合金からなる金型部材１５に形成するよりも、ＤＬＣ被膜１８が金型部材１５から剥離しにくくなる。
硬質被膜１６の表層として形成されたＤＬＣ被膜１８は、摩擦係数が低く、超硬合金からなる金型部材１５よりも低摩擦係数で、且つ、硬質の被膜であって、Ｗ被膜１７の表面に約１．５μｍの厚さに形成されている。このＤＬＣ被膜１８は、被膜形成時の水素含有量によってその強度を調整することができ、ＨＶで数１００〜ダイヤモンドのＨＶに近い８０００程度の高硬度被膜に形成することができる。本実施形態においては、Ｗ被膜（ＨＶ４３０）１７や金型部材（ＨＶ１５００）１５よりも高硬度なＨＶ３６００のＤＬＣ被膜１８がＷ被膜１７上に形成されている。ＤＬＣ被膜１８は、摩擦係数が約０．１以下であり、耐摩耗性及び摺動性において非常に優れた被膜である。これより、ポンチ３が長寿命化する。なお、Ｗ被膜１７及びＤＬＣ被膜１８の厚さは一例に過ぎず、上述した値よりも小さくても大きくてもよいが、後述するようにピット１０を形成する時の集束イオンビーム法で生じる熱影響によって、母材表面に熱影響層が生じてしまい金型部材１５の耐久性が損なわれない厚みを有することが望ましい。以上のように、良好な耐摩耗性及び摺動性と長寿命化という観点から、ＤＬＣ被膜１８は金型部材１５に比べてより硬質であることが望ましいが、必ずしもこのような硬さの関係を有している必要はなく、摩擦係数がより低いということも重要な要素である。つまり、ＤＬＣ被膜１８についてその硬度を増すばかりでなく、その摩擦係数を低減することも長寿命化に効果的に寄与する。
図２及び図３に示すように、ポンチ３のストレート部６の表面であってＤＬＣ被膜１８の表面には、潤滑剤を一時的に貯溜可能なように外部に向かって開口した凹形状の複数のピット１０が形成されている。ピット１０の開口は、例えば、一辺が約３μｍの正方形形状となっている。複数のピット１０は、ストレート部６の先端面６ａ及び外周側面６ｂに形成されており、テーパ部５の外周側面にはピット１０が形成されていない。このようにテーパ部５にピット１０が形成されていないことで、後述するようにプレス金型１でノズルプレート２５を製造するときに、基板２１の成形面にピット１０による痕が残らない。また、ピット１０は、図３に示すように、ＤＬＣ被膜１８を貫通しないように形成されている。このようにピット１０が、深さ方向に関して、Ｗ被膜１７に達していないので、ピット１０の底面と金型部材１５の表面とが比較的離れることになる。そのため、ピット１０を後述するように集束イオンビーム法によって形成したときの熱が金型部材１５に伝わりにくくなる。したがって、金型部材１５の超硬合金に含まれる金属コバルトがその熱によって溶融状態とならず、変質層としての熱影響層が形成されることがないので、金型部材１５の耐久性が低下しにくくなる。
また、ピット１０は、ストレート部６の表面積（すなわち、先端面６ａと外周側面６ｂとの面積の合計）に対して２０％〜８０％の比率となるように形成することが望ましい。２０％未満の場合は、潤滑剤保持性能をほとんど高めることができず、８０％を超えると場合はストレート部６の大部分にピット１０が形成されるため、潤滑剤保持性能を高めること及びピット１０が形成されない領域の耐久性を高めることが困難になる。また、基板２１を成形加工する際に、基板２１と先に接触し、高い摺動性を必要とするストレート部６の先端面６ａには、外周側面６ｂに比べ、ピット１０が高い分布密度で形成されている。したがって、ポンチ３の強度低下を防止しつつ、潤滑剤の保持性能を向上させ、ポンチ３の摺動性、耐久性及び耐摩耗性を高めることができる。
次に、プレス金型１の製造方法について、図４を参照しつつ説明する。図４は、プレス金型の製造工程を順に示した断面図である。まず、超硬合金からなる金型素材を本体部２及びポンチ３の形状に研削加工し、金型部材１５を製作する。このとき、金型部材１５の外径は、後に成膜されるＷ被膜１７の厚さ及びＤＬＣ被膜１８の厚さを考慮し、ポンチ３となるときにノズルプレート２５のノズル２６の吐出口２７の内径と適合する大きさに形成する。次に、図４（ａ）に示す金型部材１５の表面にＵＢＭスパッタリング（アンバランスドマグネトロンスパッタリング）法によって、図４（ｂ）、（ｃ）に示すように、Ｗ被膜１７とＤＬＣ被膜１８とを連続的に形成する。
Ｗ被膜１７とＤＬＣ被膜１８とを形成する場合、最初に、Ｗ（タングステン）をターゲットとしてスパッタリングを行ってＷ被膜１７を所定の厚さに成膜し、その後、Ｗのスパッタリングを継続しつつ、グラファイト（炭素）をターゲットとするスパッタリングを同時並行的に行う。このとき、Ｗのスパッタリングの比率を徐々に小さくし、相対的にグラファイトのスパッタリングの比率が徐々に大きくなるように移行して、タングステンと炭素との組成比が連続的に変化している傾斜組成層を介在させ、最終的に、グラファイトだけのスパッタリングを行い所定の厚さのＤＬＣ被膜１８をＷ被膜１７の表面に形成している。このように、傾斜組成層をＷ被膜１７とＤＬＣ被膜１８との境界領域に介在することにより、両被膜１７，１８間の密着性が向上し膨張係数の違いによる残留応力が緩和されている。なお、図４（ｃ）は、このようにして得られた膜構造を簡略化して表したもので、図中には傾斜組成層は示されていない。
次に、図４（ｄ）に示すように、集束イオンビーム法によって微小深さの複数のピット１０をポンチ３のストレート部６の先端面６ａ及び外周側面６ｂに所定の分布密度で形成する。この場合、具体的には、イオン源として液体ガリウムを用い、加速電圧３０ＫＶ、ビーム電流１．３ｎＡに設定し、ビーム径を約１０ｎｍまで集束させた集束イオンビーム１３を、各ピット１０を形成する位置で約１分程度スキャンさせて、ＤＬＣ被膜１８に対してピット１０を形成する。このピット形成工程を繰り返し行ってストレート部６の先端面６ａ及び外周側面６ｂに複数のピット１０を形成する。こうして、複数のピット１０を備えたポンチ３を有するプレス金型１の製造が完了する。本実施形態では、収束イオンビームによるピット形成は、その深さをピット１０の底部に薄肉状のＤＬＣ被膜１８が残存する程度に止めている。これにより、ピット形成工程中の中間層（Ｗ被膜１７）や傾斜組成層の特性劣化を防ぎ、構造的にもポンチ３、とりわけストレート部６の強度低下を防いでいる。
次に、上述のプレス金型１を用いて、厚さ約３０μｍ〜１００μｍのステンレス製の基板２１をプレス成形加工してノズルプレート２５を製造する方法について説明する。このノズルプレート２５は、インクジェットヘッドの最外面に設けられるものであり、圧電素子などにより加圧されたインクが吐出される複数のノズル２６が形成されたものである。
図５は、ノズルプレートの製造工程を順に示した断面図である。成形加工に際して、まず、基板２１を、図５（ａ）に示すように、ダイス穴２０ａが形成されたダイス金型２０にセットして固定保持し、プレス金型１のポンチ３のストレート部６の表面全体に潤滑剤としての潤滑油を塗布又は散布し、ピット１０に潤滑油を収容した状態にする。このとき、プレス金型１の潤滑剤の保持性能が非常に高いため、潤滑油の塗布又は散布を１回のプレス成形加工ごとに行う必要はなく、複数回のプレス成形加工ごとに行えばよい。例えば、日本工作油社製のＧ−６２２０ＦＳを潤滑剤として用い、このプレス成形加工を１時間に約３６００回行うとした場合、１時間毎に一度か又は３０００回毎に一度潤滑剤を供給すればよい。
次に、図５（ｂ）に示すように、プレス金型１を基板２１に向かって下降させつつポンチ３が基板２１を貫通しない程度のストローク量で押し付け、基板２１をプレス成形加工する。このとき、ポンチ３のストレート部６及びテーパ部５の表層には、摩擦係数が例えば０．１以下と低いＤＬＣ被膜１８が形成されており、さらに、ストレート部６のピット１０には、潤滑油が溜められているので、基板２１からポンチ３に作用する摩擦力が著しく小さくなる。これは、ポンチ３のストレート部６の先端面６ａに独立した複数のピット１０が均等に分布して形成されているので、基板２１と最も接触圧が大きくなる先端面６ａにおいて、より高い潤滑性を保持できることによる。つまり、先端面６ａに形成されたピット１０の潤滑油が先端面６ａと基板２１との接触で基板２１と外周側面６ｂとの間にも周り込んでいくため、外周側面６ｂと基板２１との間においても、その摩擦力を低減するからである。加えて、ストレート部６の外周側面６ｂには独立した複数のピット１０が均等に分布して形成されているので、外周側面６ｂと基板２１との間における摩擦力がより一層小さくなる。この結果、ポンチ３の摺動性が高く維持され、ポンチ３が長寿命化する。以下、基板２１をノズルピッチずつ移動させたり或いはノズル列間距離移動させながら、この成形工程をノズル２６の数だけ繰り返して基板２１をプレス成形加工する。次に、図５（ｃ）に示すように、プレス成形加工後に、基板２１のうちのプレス金型１の反対側に突出した凸部１９などを含む基板２１の下面部（図５（ｂ）に示される破線から下側）を研削盤などにより研削して、ノズル２６の吐出口２７を開口させ、ノズルプレート２５が完成する。
以上のように、プレス金型１のポンチ３のストレート部６の表面にピット１０が形成されていることで、ポンチ３が潤滑油を保持することができる。ポンチ３のストレート部６を基板２１に押し付けてプレス成形加工するときに、ポンチ３と基板２との摩擦面に対して、潤滑油が少しずつではあるが低摩擦状態を維持できる程度に供給される。そのため、ストレート部６と基板２１との間で高い潤滑性が保たれた状態となる。その結果、ポンチ３の破断及び折損が抑制され、ポンチ３の寿命が長くなるとともに、プレス金型１の寿命も長くなる。また、ストレート部６の先端面６ａ及び外周側面６ｂに複数のピット１０が形成されているので、潤滑油の保持状態を長時間に亘って維持することができる。
また、基板２１が少し傾斜した状態でダイス金型にセットされている場合、プレス金型１が基板２１に対して傾斜してプレスされる時がある。この場合においても、ポンチ３の形成されたピット１０に保持された潤滑油によって、ストレート部６の先端面６ａと基板２１の表面との間に作用する横方向の摩擦が低減され、折れ曲がりによるポンチ３の破損を防ぐことができる。また、プレス成形加工後、ポンチ３を基板２１から引き抜く際に、テーパ部５及びストレート部６の側面とノズル２６の表面との間に作用する摩擦を低減することができ、ポンチ３に作用する引っ張り応力を低減し、ポンチ３の破断や折損を抑制することができる。
続いて、第２実施形態のポンチについて、図６を参照しつつ説明する。図６は、第２実施形態によるポンチが採用されたプレス金型の拡大斜視図である。本実施形態におけるプレス金型１０１は、図６に示すように、下方に延びる円柱部１１２を有する本体部１０２と、本体部１０２の下端部分に形成された成形に供するポンチ１０３とを備えており、このプレス金型１０１のポンチ１０３で上述と同様にノズルプレート１２５となる基板１２１を成形加工するものである。なお、第２実施形態におけるプレス金型１０１は、上述したプレス金型１にポンチ３のストレート部６が形成されていないだけで、その他はほぼ同様である。
図６に示すように、ポンチ（拡径部）１０３は、ポンチ１０３の軸方向に直交する直径が円柱部１１２の下端からポンチ１０３の先端に向かって徐々に直線的に小さくなるようなテーパ形状に形成されている。また、ポンチ１０３は、ポンチ１０３の軸方向に直交する方向に平行に形成された円形の先端面１０３ａを有している。先端面１０３ａには、上述したピット１０と同様なピット１１０が均等に分布して複数形成されている。一方、ポンチ１０３の外周側面１０３ｂには、ピット１１０が形成されていない。このように傾斜面で構成された外周側面１０３ｂにピット１１０が形成されていないことで、プレス金型１０１で基板１２１にノズル１２６を形成するときに、基板１２１の成形面にピット１１０による痕が残らない。
ここで、ポンチ１０３の構成について以下に説明するが、ポンチ１０３は、第１実施形態のポンチ３とほぼ同様なため、図３を用いて説明し、その符号をカッコ内に示す。ポンチ１０３は、第１実施形態のポンチ３と同様に、本体部１０２と一体の金型部材１１５と金型部材１１５よりも硬質な硬質被膜１１６とからなる。本実施形態における金型部材１１５は、ＨＶ２００のクロムモリブデン鋼（ＳＣＭ４１５）からなる金型素材を金型部材１１５の形状に機械加工後浸炭焼入れを施したものである。硬質被膜１１６は、金型部材１１５の表面に形成されたＣｒ（クロム）被膜１１７と、Ｃｒ被膜１１７の表面に形成されたＤＬＣ被膜１１８とを有している。Ｃｒ被膜１１７は、上述のＷ被膜１７と同様に約０．５μｍの厚さに形成されている。硬質被膜１１６の表層として形成されたＤＬＣ被膜１１８は、クロムモリブデン鋼からなる金型部材１１５よりも硬質になるようにＨＶ８００の被膜であって、Ｃｒ被膜１１７の表面に約１．５μｍの厚さに形成されている。つまり、ポンチ１０３は、第１実施形態における金型部材１５及び硬質被膜１６を構成する材質と異なる材質で構成されているだけで、ほぼ同様な効果を有している。なお、硬質被膜１１６の性状については、第１実施形態のポンチ３の場合と同様に、必ずしも金型部材１１５に対してより硬質である必要はなく、その摩擦係数が低いもの、例えば０．１以下と低いものであってもよい。
次に、プレス金型１０１の製造方法について以下に説明する。プレス金型１０１は、第１実施形態のプレス金型１とほぼ同様にして製造することができる。つまり、クロムモリブデン鋼からなる金属素材を本体１０２及びポンチ１０３の形状に機械加工後、浸炭焼入れを施し、金型部材１１５を製作する。このとき、金型部材１１５の外径は、後に成膜されるＣｒ被膜１１７の厚さ及びＤＬＣ被膜１１８の厚さを考慮し、ポンチ１０３となるときにノズルの内径と適合するように金型部材１１５を形成する。次に、金型部材の表面にＵＢＭスパッタリング法によって、Ｃｒ被膜１１７とＤＬＣ被膜１１８とを連続的に形成する。
Ｃｒ被膜１１７とＤＬＣ被膜１１８とを形成する場合、最初に、Ｃｒをターゲットとしてスパッタリングを行ってＣｒ被膜１１７を所定の厚さに成膜し、その後、Ｃｒのスパッタリングを継続しつつ、グラファイト（炭素）をターゲットとするスパッタリングを同時並行的に行い、このＣｒのスパッタリングの比率を徐々に小さくしグラファイトのスパッタリングの比率が徐々に大きくなるように移行して、Ｃｒ被膜１１７の表面にＤＬＣ被膜１１８を成膜する。このように、本実施形態でもＣｒ被膜１１７とＤＬＣ被膜１１８との間には、Ｃｒと炭素からなる傾斜組成層が存在しているが、図３には示されていない。
そして、第１実施形態と同様に集束イオンビーム法によってＤＬＣ被膜１１８を貫通しないで、金型部材１１５の表面に熱により変質した熱影響層が生じないような微小深さのピット１１０をポンチ１０３の先端面１０３ａに所定の分布密度で複数形成する。こうして、複数のピット１１０を備えたポンチ１０３を有するプレス金型１０１の製造が完了する。
次に、プレス金型１０１を用いて、厚さ約３０μｍ〜１００μｍのステンレス製の基板１２１をプレス成形加工してノズルプレート１２５を製造する方法について説明する。このノズルプレート１２５も上述のノズルプレート２５と同様である。
図７は、ノズルプレートの製造工程を順に示した断面図である。成形加工に際して、まず、基板１２１を、図７（ａ）に示すように、ダイス穴２０ａが形成されたダイス金型２０にセットして固定保持し、プレス金型１０１のポンチ１０３表面全体に潤滑剤としての潤滑油を塗布又は散布し、先端面１０３ａに形成されたピット１１０に潤滑油を収容した状態にする。
次に、図７（ｂ）に示すように、プレス金型１０１を基板１２１に向かって下降させつつポンチ１０３が基板１２１を貫通しない程度のストローク量で押し付け、基板１２１をプレス成形加工する。このとき、ポンチ１０３のピット１１０には、潤滑油が溜められているので、基板１２１からポンチ１０３に作用する摩擦力が著しく小さくなる。つまり、ポンチ１０３の先端面１０３ａに独立した複数のピット１１０が均等に分布して形成されているので、基板１２１と最も接触圧が大きくなる先端面１０３ａにおいて、より高い潤滑性を保持し、そこで生じる摩擦力を低減することができる。加えて、ピット１１０に収容された潤滑油は、基板１２１との接触で外周側面１０３ｂにも周り込んでいくため、外周側面１０３ｂと基板１２１との間においてもその摩擦力を低減させるからである。以下、基板１２１をノズルピッチずつ移動させたり或いはノズル列間距離移動させながら、この成形工程をノズル１２６の数だけ繰り返して基板１２１をプレス成形加工する。次に、図７（ｃ）に示すように、プレス成形加工後に、基板１２１のうちのプレス金型１０１の反対側に突出した凸部１１９などを含む基板１２１の下面部（図７（ｂ）に示される破線から下側）を研削盤などにより研削して、ノズル１２６の吐出口１２７を開口させ、ノズルプレート１２５が完成する。
以上のように、プレス金型１０１のポンチ１０３の先端面１０３ａにピット１１０が形成されていることで、ポンチ１０３が潤滑油を保持することができる。そのため、ポンチ１０３を基板１２１に押し付けてプレス成形加工するときに、基板１２１との間で高い潤滑性が保たれた状態となる。その結果、ポンチ１０３を基板１２１に押圧するとき及びポンチ１０３を基板１２１から引き抜く場合に生じる摩擦力が低減され、ポンチ１０３の破断および折損が抑制される。したがって、ポンチ１０３の寿命が長くなるとともに、プレス金型１０１の寿命も長くなる。また、第２実施形態のポンチ１０３は、テーパ形状からなっているので、第１実施形態のポンチ３と比べて応力集中が生じる箇所がほとんどない。そのため、ポンチ１０３の寿命がより長くなる。
以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な変更が可能なものである。例えば、ピット１０，１１０は、ＤＬＣ被膜１８，１１８からＷ被膜１７、Ｃｒ被膜１１７に達しない深さを有しているが、ＤＬＣ被膜１８，１１８からＷ被膜１７、Ｃｒ被膜１１７及び金型部材１５，１１５に達する深さを有していてもよい。例えば、潤滑剤の粘度やポンチの表面粗さ等から、油膜の厚さがわかる場合には、この油膜の厚さに対して０．１〜５倍程度の深さのピットを形成することが望ましい。ピットの深さを油膜の厚さに対して０．１倍以上することで、潤滑剤の保持性能を向上させることができるとともに、５倍以下にすることで、ピットに溜められた潤滑剤の供給性を向上させることができる。また、ピット１０，１１０は、１つだけ形成されていてもよい。また、ポンチは、テーパ部５と同様なテーパ部と、ストレート部６と同様なストレート部と、テーパ部とストレート部とを滑らかにつなぐ曲面部とを備えていてもよい。さらに、ポンチは、ストレート部６に向かってその径が徐々に小さくなり且つその外周側面が滑らかな曲面となるような曲面部（拡径部）をテーパ部５に代わって有していてもよい。これらの場合、ピットはストレート部だけに形成されていることが望ましい。これにより、第１実施形態と同様な効果を得ることができる。また、ポンチは、先端面に向かってその径が徐々に小さくなり且つその外周側面が滑らかな曲面となるような曲面部（拡径部）だけからなっていてもよい。この場合においても、ピットは先端面だけに形成されていることが望ましい。これにより、第２実施形態と同様な効果を得ることができる。また、第１実施形態において、ピット１０はストレート部６の先端面６ａ及び外周側面６ｂの両方に形成されているが、いすれか片方の面にだけ形成されていてもよい。この場合、先端面６ａにピット１０が形成されている方が、基板とポンチとの間の摩擦力が低減する。
また、上述した各実施形態においては、ポンチ３，１０３に潤滑油を供給してから基板２１，１２１にポンチ３，１０３を押し付けてプレス成形加工が行われているが、基板２１，１２１の表面に潤滑油を塗布又は散布してから、ポンチ３，１０３を押し付けてプレス成形加工してもよい。この場合、ポンチ３，１０３を基板２１，１２１に押し付けたときに、基板２１，１２１に供給された潤滑油がピット１０，１１０に収容され、基板２１，１２１とポンチ３，１０３との間で高い潤滑性が保たれた状態となる。また、集束イオンビーム法によってピットが形成されているが、フェムト秒レーザ、エキシマレーザ、紫外線レーザなどによるレーザエッチングによってピットを形成してもよい。また、ピットの開口面積が大きい場合には、プラズマエッチングなどのエッチングによりピットを形成してもよい。
また、各実施形態におけるプレス金型１０，１１０には、硬質被膜１６，１１６が形成されているが、この硬質被膜１６，１１６は必ずしも必須の構成ではなく、金型の形状や金型部材を構成する金属材料に応じて適宜省略可能である。このように硬質被膜１６，１１６を省略する場合には、先端側にストレート部が存在する金型部材ではその表面、先端側にテーパ部が存在する金型部材ではその先端面に直接ピットを形成すればよい。具体的には、第１実施形態における金型部材１５は平均粒径が０．０５μｍ以上０．３μｍ未満の炭化物を含む超硬合金で形成されており、研削仕上がり面（表面）が優れたものであり、且つ、破断の起点となるクラックが生じにくいので、硬質被膜１６が形成されていなくてもよい。この場合、ピットは金型部材１５のストレート部６の表面に形成されておればよい。
また、プレス金型１，１０１においては、表層にＤＬＣ被膜１８，１１８を成膜したが、ＤＬＣ被膜の代わりにＣｒＮ被膜などの硬質被膜を成膜してもよく、金型部材よりも硬質の耐摩耗と摩擦低減に寄与するものであればよい。
また、各実施形態においては、潤滑剤として液体の潤滑剤を採用したが、ナノレベルの粒子からなる潤滑剤を採用してもよい。この場合、酸化シリコン（直径約１０ｎｍ〜４０ｎｍ）、酸化チタン（直径約２０ｎｍ）、酸化アルミニウム（直径約１０ｎｍ）等の粒子を適用することができる。
また、上述した各実施形態においては、インクジェットヘッドのノズルプレートのノズルを形成するためのプレス金型のポンチに本発明を適用したが、その他種々のプレス成形用の金型、例えば、半導体のリードフレーム用のプレス金型やミシン又は車の部品を成形するためのプレス金型にも適用可能である。
本発明の第１実施形態によるポンチが採用されたプレス金型の要部斜視図である。 図１に示すポンチの拡大斜視図である。 図２に示すポンチの構造を示す拡大断面図である。 プレス金型の製造工程を順に示した断面図である。 ノズルプレートの製造工程を順に示した断面図である。 第２実施形態によるポンチが採用されたプレス金型の拡大斜視図である。 ノズルプレートの製造工程を順に示した断面図である。
１ プレス金型
３，１０３ ポンチ
５ テーパ部（拡径部）
６ ストレート部
６ａ，１０３ａ 先端面
６ｂ，１０３ｂ 外周側面
１０，１１０ ピット
１６，１１６ 硬質被膜
１７ Ｗ被膜（中間層）
１８，１１８ ＤＬＣ被膜（表層）
２１，１２１ 基板（ワーク）
１１７ Ｃｒ被膜（中間層）

Claims (15)

  1. ワークとの間に潤滑剤を介在させた状態で前記ワークの成形加工に用いるポンチであって、
    軸方向に直交する径方向に延在した先端面を有し且つ前記軸方向に沿って延在したストレート部が先端に形成されており、
    前記ストレート部との接続個所における前記軸方向に直交する径方向に沿った幅が前記ストレート部と同じであって、前記ストレート部から離れるに連れて前記径方向に沿った幅が大きくなった拡径部が前記ストレート部に接続して形成されており、
    前記ストレート部の表面には潤滑剤を保持するピットが形成されており且つ前記拡径部の外周側面には前記ピットが形成されていないことを特徴とするポンチ。
  2. 前記ピットが、前記ストレート部の外周側面に複数形成されていることを特徴とする請求項１に記載のポンチ。
  3. 前記ピットが、前記先端面に複数形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のポンチ。
  4. 前記ピットが、前記ストレート部の表面積の２０％〜８０％を占めて形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のポンチ。
  5. 前記ピットが、前記ストレート部の前記先端面及び前記外周側面に複数形成されており、その分布密度が前記外周側面に比べて前記先端面の方が高いことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のポンチ。
  6. ワークとの間に潤滑剤を介在させた状態で前記ワークの成形加工に用いるポンチであって、
    軸方向に直交する径方向に延在した先端面を有し且つ前記径方向に沿った幅が前記先端面から離れるに連れて大きくなった拡径部が形成されており、
    前記拡径部の前記先端面には潤滑剤を保持するピットが形成されており且つ前記拡径部の外周側面には前記ピットが形成されていないことを特徴とするポンチ。
  7. 前記ピットが、前記先端面に複数形成されていることを特徴とする請求項６に記載のポンチ。
  8. 前記ポンチの母材表面には、母材よりも低摩擦係数の被膜及び硬質の被膜の少なくともいずれか一方の被膜が形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のポンチ。
  9. 前記母材表面に形成された被膜が、ＤＬＣ被膜からなる表層を有していることを特徴とする請求項８に記載のポンチ。
  10. 前記母材表面に形成された被膜が、前記ＤＬＣ被膜と前記母材との間にクロム被膜及びタングステン被膜のいずれかからなる中間層を有していることを特徴とする請求項９に記載のポンチ。
  11. 前記中間層は、クロム及びタングステンのいずれかと炭素との組成比が連続的に変化している傾斜組成層であって、前記母材側の前記クロム及びタングステンのいずれかから前記表層のＤＬＣ被膜側にかけて、層中に含まれる前記炭素の比率が大きくなっていることを特徴とする請求項１０に記載のポンチ。
  12. 前記ピットが、前記ＤＬＣ被膜を貫通しない深さを有していることを特徴とする請求項９〜１１のいずれか１項に記載のポンチ。
  13. 前記母材は、炭化物として炭化タングステン、炭化ベナジウム、炭化チタン、炭化タンタルのうちの１又は２以上の組合せを含む超硬合金から形成されており、
    前記炭化物の前記超硬合金中の平均粒径が０．０５μｍ以上０．３μｍ未満であることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載のポンチ。
  14. インクジェットヘッドを構成するノズルプレートとの間に潤滑剤を介在させた状態で前記ノズルプレートのノズルの成形加工に用いるインクジェットヘッドのノズル形成用ポンチであって、
    軸方向に直交する径方向に延在した先端面を有し且つ前記軸方向に沿って延在したストレート部が先端に形成されており、
    前記ストレート部との接続個所における前記軸方向に直交する径方向に沿った幅が前記ストレート部と同じであって、前記ストレート部から離れるに連れて前記径方向に沿った幅が大きくなった拡径部が前記ストレート部に接続して形成されており、
    前記ストレート部の表面には潤滑剤を保持するピットが形成されており且つ前記拡径部の外周側面には前記ピットが形成されていないことを特徴とするインクジェットヘッドのノズル形成用ポンチ。
  15. インクジェットヘッドを構成するノズルプレートとの間に潤滑剤を介在させた状態で前記ノズルプレートのノズルの成形加工に用いるインクジェットヘッドのノズル形成用ポンチであって、
    軸方向に直交する径方向に延在した先端面を有し且つ前記径方向に沿った幅が前記先端面から離れるに連れて大きくなった拡径部が形成されており、
    前記拡径部の前記先端面には潤滑剤を保持するピットが形成されており且つ前記拡径部の外周側面には前記ピットが形成されていないことを特徴とするインクジェットヘッドのノズル形成用ポンチ。
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