JP5056472B2

JP5056472B2 - 穿孔板の製造方法、及び、液体噴射ヘッド

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Publication number: JP5056472B2
Application number: JP2008043948A
Authority: JP
Inventors: 尚赤地; 真吉田
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2008-02-26
Filing date: 2008-02-26
Publication date: 2012-10-24
Anticipated expiration: 2028-02-26
Also published as: JP2009202342A

Description

本発明は、穿孔板の製造方法、及び、この穿孔板を装着した液体噴射ヘッドに関し、特に微細な貫通孔を開設した液体噴射ヘッド用ノズルプレートを作製するのに適したものである。

板材にノズル孔を穿孔したノズルプレートを備え、ノズル孔から液滴を噴射する装置、例えば、インクジェット式記録ヘッドにおいては、インク滴等がノズルプレートの表面に付着してノズル孔が目詰まりすることを防止するために、ノズルプレートの表面は撥水性を備えることが望ましい。

一方、ノズル孔の内部においては、インクのメニスカスが安定して移動できるために、撥水性よりも濡れ性が高いことが望ましい。

この様に、ノズルプレートの表面とノズル孔の内周面とは相反する特性が望まれており、これを解決するために、ノズルプレートとなる金属板の一方の面からパンチを打ち込んで孔を開設し、この孔開設面にレジストを塗布すると共に、孔の内部にレジストを充填し、金属板にパンチを打ち込んだ際に反対側の面に生じた膨出した膨出部を研磨除去して孔内のレジストを露出させ、この状態で撥水メッキを施し、その後にレジストを除去するノズルプレートの製造方法が提案されている（例えば、特許文献１）。
特開２００４−２５６５７号公報

ところが、前記した製造方法では、レジストを塗布するために長時間を要し、また、塗布装置も大掛かりになってしまう。さらに、孔は底に近づくにつれて縮径しているので、孔の奥にまでレジストを確実に充填することが容易ではなく、充填が不充分であると孔の内周面にまで撥水処理が行われてしまう。孔の内部にまで撥水処理が行われると、吐出特性が不安定になり、所定の性能を発揮できない。

本発明は、上記に鑑み提案されたもので、その目的は、孔内にレジストを短時間で確実に充填して効率の良い製造が行える穿孔板の製造方法、及び、この穿孔板をノズルプレートとして装着した液体噴射ヘッドを提供しようとするものである。

上記目的を達成するため、本発明に係る製造法は、金属板の一方の面上にレジストフィルムを被せるフィルム被覆工程と、
この金属板に、レジストフィルムを被せた面からパンチを打ち込んで、レジストフィルム被覆面とは反対側の面に膨出部ができる状態で底の有る孔を開設すると共に、パンチの先端でレジストフィルムの一部を前記孔の底に押し込んで充填するパンチング工程と、
金属板のフィルム被覆面とは反対側の面に膨出した膨出部を研磨除去して孔内のレジストフィルムを金属板の面に露出させるラッピング工程と、
前記孔内のレジストフィルムが金属板の面に露出して孔の開口を塞いだ状態で当該面に表面処理を施す表面処理工程と、
表面処理工程の後に、レジストフィルムを除去するレジスト除去工程と、
を経て穿孔板を製造する。

この様な工程を経て製造すると、レジストを塗布したり、孔の内部に注入するなどの手間を省くことができ、また、パンチで孔を形成する際に、パンチの先端でレジストフィルムの一部を孔に押し入れるので、レジストの孔内充填を短い時間で行うことができ、しかも、パンチの先端で押し込むので、孔の最も深い部位にまで充填することができる。さらには、従来の製造方法よりも工程を少なくできる。したがって、作業の効率を従来に比べて大幅に高めることができる。

前記パンチは、先端に向かって縮径するテーパー部とテーパー部の先端に形成したストレート部とを有し、ストレート部の先端を平坦な面により構成し、
該平坦面によりレジストフィルムの一部を押し込んで孔の底に充填することが望ましい。

パンチの先端を平坦な面にすると、レジストフィルムの一部を切断して孔内に確実に押し込むことができ、作業の確実性を高めることができる。

前記表面処理は、撥水メッキを施す撥水処理でもよい。
そして、撥水処理を施すと、穿孔板の一方の面にだけ撥水効果が発揮されるので、この面に液体が付着し難くなって、粘性の増した液体や凝固物などが孔を塞ぐなどの不都合を低減させることができる。

請求項１から３のいずれかに記載の穿孔板をノズルプレートとして液体噴射ヘッドに装着してもよい。すると、この液体噴射ヘッドにおいては、ノズルプレートに液体が付着し難くなり、粘性が高まった液体やその凝固物が孔を塞ぐ不都合が生じ難くなり、メンテナンスの容易化、簡略化を図ることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。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、以下の説明では、本発明において穴開き基板として、インクジェット式記録装置に搭載されるインクジェット式記録ヘッド（液体噴射ヘッドの一種。以下、単に記録ヘッド１という。）に用いられるノズルプレートを例示する。

まず、記録ヘッド１の構成について説明する。
図１は、記録ヘッド１の構成を説明する要部の断面図である。この記録ヘッド１は、インク導入針２、フィルタ３、及び導入針ユニット４等からなるフィルタアッセンブリ５と、ヘッドケース６、その内部に収納した振動子ユニット７、及び、流路ユニット８等からなるヘッドユニット９とを備えて概略構成されている。そして、記録ヘッド１の内部には、液体供給源の一種であるインクカートリッジから流路ユニット８のノズル開口１０に至るまでの一連のインク流路（液体流路の一種）が形成されている。

流路ユニット８は、図２に示すように、振動板１１、流路形成基板１２、及びノズルプレート１３を順次積層した状態でケースヘッド６の先端面に接合されている。

流路ユニット８の底部に配置されるノズルプレート１３は、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１０を列状に開設した薄い金属板３１である。本実施形態のノズルプレート１３は、ステンレス鋼製の板材（本発明の金属板３１）によって作製され、ノズル開口１０の列（ノズル列）が記録ヘッド１の走査方向に複数並べて設けられている。そして、１つのノズル列は、例えば、１８０個のノズル開口１０によって構成されている。このノズルプレート１３の作製方法については、後で詳説する。

流路形成基板１２は、ノズルプレート１３と振動板１１との間に配置される部材であり、共通液体室の一種である共通インク室１５、インク供給口１６、圧力室１７等のインク流路となる空部が区画形成されている。流路形成基板１２は、例えば、シリコンウェハーをエッチング処理することによって作製される。そして、前記した空部は、ノズルプレート１３及び振動板１１によりそれぞれ開口面が封止される。

振動板１１は、流路形成基板１２とヘッドケース６との間に配置される板材であり、ステンレス鋼等の金属製の支持板２１上に弾性フィルム２２をラミネート加工した二重構造の複合板である。この振動板１１の圧力室１７に対応する部分には、エッチングなどによって支持板２１を環状に除去することで、圧電振動子１８の自由端の先端面を接合するための島部１９が形成されており、この部分はダイヤフラム部として機能する。即ち、この振動板１１は、圧電振動子１８の作動に応じて島部１９の周囲の弾性フィルム２２が弾性変形するように構成されている。また、この振動板１１は、流路形成基板１２の共通インク室１５の開口面を封止してコンプライアンス部２０としても機能する。このコンプライアンス部２０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り支持板２１を除去して弾性フィルム２２だけにしている。

前記した構成からなる記録ヘッド１は、圧電振動子１８の作動により圧力室１７内に圧力変動を与えると、インクカートリッジからインク流路を介して圧力室１７内に導入したインクをノズル開口１０からインク滴として吐出することができ、このインク滴を記録媒体である記録紙等に着弾することにより画像等を記録することができる。

次に、本発明に製造方法によりノズルプレート１３を作製する方法を、図３に基づいて説明する。図３は、金属板３１からノズルプレートとして使用する穿孔板（孔開きプレート）を製造する工程を説明する工程図、図４は、孔開けに使用するプレス金型の構成を説明する断面図である。

まず、図３（ａ）に示すように、金属板３１の一方の面（表面）３１ａに、レジストフィルム２４を被せる（フィルム被覆工程）。
金属板３１は、例えば、厚みが３０〜１００μｍ程度で、ステンレス板あるいは４２Ａｌｌｏｙなどの前述した流路形成基板１２と線膨張係数が同等な材質の板材であることが好ましい。例えば、インバー型合金であれば、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することができ、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。
なお、レジストフィルム２４は、後述する表面処理のマスキングとして機能するフィルムであればどのような材質、厚さでもよいが、パンチの先端により切断されて加圧されるので、多少の余裕をもった厚さのものを選択することが望ましい。

フィルム被覆工程が終了したならば、この金属板３１をプレス装置にセットし、レジストフィルム２４を被せた面３１ａからパンチ３６を打ち込んで、レジストフィルム２４の被覆面とは反対側の面（裏面３１ｂ）に膨出部３１ｃができる状態で底の有る孔２５を開設すると共にパンチ３６の先端でレジストフィルム２４の一部を前記孔２５の底に充填するパンチング工程を行う。
このパンチング工程におけるパンチングは、基本的には図３（ｂ）に示すように、パンチ３６の先端を下降してレジストフィルム２４の当接し、その後にさらに下降して先端を金属板３１内に打ち込み、この時にパンチ３６の先端の面がレジストフィルム２４の一部を切断してそのまま切断片２４´を金属板３１内に押し込んで、孔２５の底に充填するまでパンチ３６を下降する。なお、このパンチング工程におけるパンチ３６の下死点は、パンチ３６の先端がレジストフィルム２４を被覆した面（フィルム被覆面；表面）３１ａとは反対側の面（下面；裏面）３１ｂに到達する位置に設定する。この様にして金属板３１にパンチ３６を下死点まで打ち込んでから上昇させると、パンチ３６の先端の形状と同じ形状、大きさの有底孔２５が金属板３１の表面３１ａに開設されて金属板３１の裏面３１ｂには膨出部３１ｃが形成され、同時に、これによりパンチ３６の先端によって押し込んだレジストフィルム２４が孔２５の底に充填される。

パンチング工程が終了したならば、次に、金属板３１を研磨機にセットし、フィルム被覆面３１ａとは反対側の面３１ｂに膨出した膨出部３１ｃを研磨除去する（ラッピング工程）。このラッピング工程では金属板３１を砥石上に載せて裏面３１ｂを膨出部３１ｃが除去されるまで研磨し、膨出部３１ｃが除去されて全体が平坦な面になって所定の厚みになった時点で研磨を停止する。この様にして膨出部３１ｃを除去すると、金属板３１の孔２５の底を構成していた金属が除去されるので孔２５が貫通孔となるが、除去された膨出部３１ｃの内側にレジストフィルム２４が充填されているので、図２（ｄ）に示すように、孔２５内のレジストフィルム２４が金属板３１の裏面３１ｂに露出して孔２５の開口を塞ぐ。

ラッピング工程が終了したならば、金属板３１を表面処理装置に搬送してレジストフィルム２４を被覆した表面３１ａとは反対側の裏面３１ｂに表面処理、例えば、撥水処理を施す（表面処理工程）。
撥水処理は、具体的には撥水メッキを挙げることができるが、これに限定されるものではない。
撥水メッキを施すには、先ず、硝酸水溶液中に金属板３１を浸漬して酸活性化処理を行い、次に、ストライクＮｉメッキが施される。これは、ステンレス製の金属板３１に撥水メッキ膜の密着性を高めるためである。そして、その次に、Ｎｉ−ＰＴＦＥからなる撥水メッキを施し、裏面３１ｂに撥水メッキ層２６が形成される。

そして、上記した手順で金属板３１の裏面３１ｂに撥水処理を施すと、裏面３１ｂにだけ処理液が接触することとなり、孔２５の開口がレジストフィルム２４の一部によって閉塞されているので、孔２５の内部には処理液が進入することがなく、孔２５の内周面には撥水処理が施されない、すなわち、撥水メッキ層２６が形成されない。

表面処理工程が終了したならば、金属板３１を洗浄装置に搬送し、表面３１ａのレジストフィルム２４を除去すると共に、孔２５の開口を塞いでいたレジストフィルム２４を除去する。なお、金属板３１の表面３１ａに被せていたレジストフィルム２４は、単に被せていただけなので極めて簡単に取り除くことができ、また、孔２５の開口を塞いでいたレジストフィルム２４も少量であり、しかも孔２５の裏面側の開口に位置しているだけなので、洗浄するだけで簡単かつ確実に除去することができる。

この様にして製造した金属板３１は穿孔板（孔明けプレート）となり、レジストフィルム２４を被せた面３１ａとは反対側の面３１ｂにのみ表面処理（撥水処理）が施されて、レジストフィルム２４を被せた表面３１ａおよび孔２５の内周面は処理されず、金属板３１の地肌が露出した状態を維持する。したがって、この穿孔板を液体噴射ヘッド１のノズルプレート１３として使用すると、当該液体噴射ヘッド１のノズル面に液体が付着し難くなり、孔２５、すなわち、ノズル開口１０の内周面は液体（例えば、インク）の濡れ性が保持されるので、液体との相性が良好であって、液体噴射特性に良好に作用する。

図４は、前記したパンチング工程で使用するプレス装置の金型の概略構成を示す断面図である。このプレス金型３０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、ラム（図示せず）の下面に取り付けるベース３３と、このベース３３の下にスプリングやエラストマ等の弾性材３４を介してベース３３に対して上下動可能な状態で設けた押圧盤３５と、ベース３３に基端を固定して下向きに設けられたパンチ３６と、から概略構成している。

ダイ３２は、金属板３１に形成しようとする孔（パンチ孔）２５の径よりも大きいパンチ挿入孔４１を開設しており、雄型のパンチ３６に対する雌型として機能する。押圧盤３５は、パンチ３６の径よりも大きい貫通ガイド孔４２が形成されており、その貫通ガイド孔４２内に、パンチ３６の途中から先端までの部分を挿通させる。

パンチ３６は、ベース３３（基端）側の軸部４５と、軸部４５から先端に向かって縮径するテーパー部４６と、テーパー部４６の先端に形成した小径ストレート部４７を備えた柱状体であり、小径ストレート部の先端を平坦な面４３により構成してある。なお、軸部４５は、外径が２０〜３０μｍで、パンチ３６の打ち込み方向（図４中に矢印Ｋで示す）に沿った円柱形に形成されている。

次に、前記した構成からなるプレス金型３０を使用してパンチング加工（工程）を行う場合について説明する。なお、ダイ３２はプレス装置の図示しないボルスタ等の支持盤上に固定され、ベース３３はラムの下面に固定され、ダイ３２とベース３３（パンチ３６）との相対位置やパンチ３６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。

まず、ダイ３２の上にステンレス板などの金属板３１を、レジストフィルム２４を被覆した表面３１ａを上、すなわち、パンチ３６側に向けた状態で所定位置に載せ、パンチ３６の先端が金属板３１に向かった状態でベース３３を下降させる。すると、図４に示すように、押圧盤３５の下面が、金属板３１の表面３１ａ（実際にはレジストフィルム２４）に当接する。その後、弾性材３４の付勢力に抗しながらベース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４２に案内されて、図４に示すように、パンチ３６の先端部分が金属板３１に押し込まれ、これにより金属板３１の表面３１ａに孔２５が形成される。そして、この孔２５は、金属板３１の表面３１ａ側が開口して裏面３１ｂ側が閉塞し、この開口内部に亘ってはパンチ３６の先端の形状が転写されるので、開口から次第に縮径するロート形を呈しており、小径ストレート部４７の形状が転写された底部の底にレジストフィルム２４の一部２４´が充填される。そして、裏面３１ｂには、前記したように、膨出部３１ｃが形成される。したがって、パンチング工程を終了した穿孔板を次のラッピング工程で研磨すると、膨出部が研磨除去され、孔２５は、テーパー部にストレート部が連続したノズル開口１０に成形され、液体噴射ヘッド用のノズルプレートに好適な孔形状となる。

また、前記したプレス金型３０により加工した金属板３１をノズルプレート１３として記録ヘッド１に装備する場合、ノズルプレート１３の表面３１ａは撥水処理されていないので、流路形成基板１２に対する接着剤の接着力が強固であって確実に接着することができる。また、ノズル開口１０の内周面の濡れ性が良好なのでメニスカスの移動が円滑であるためにノズル開口１０から噴射する液滴の飛翔特性の向上が期待できる。さらには、露出しているノズルプレート１３の面３１ｂが撥水処理されているので、液滴が付着し難く、これにより、ノズル開口１０が目詰まりするなどのトラブルを低減することができる。

ところで、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて種々の変形が可能である。

前述した実施形態では、パンチ３６の先端面を平坦な面４３としたが、この面に微細な凹凸を形成して粗面としてもよい。パンチ３６の先端の面を粗面とすると、レジストフィルムに対する滑りが少なくなって、レジストフィルムの一部を一層確実に孔の底に押し込んで充填することができる。したがって、ラッピング工程での研磨代が増えて、孔の開口を確実に閉塞することができる。

また、本発明に斯かる製造方法により製造した穿孔板は、インクジェット式記録ヘッド用のノズルプレートとして利用することに限定されるものではなく、他の液体噴射ヘッドのノズルプレートに利用することができ、また、液体噴射ヘッドのノズルプレート以外に、他の用途に用いてもよい。

記録ヘッドの構成を説明する要部断面図である。流路ユニットの構成を説明する分解斜視図である。本発明に係る製造方法の各工程を説明する概略工程図であり、（ａ）はフィルム被覆工程、（ｂ）はパンチング工程、（ｃ）はパンチを抜いたラッピング工程前の状態、（ｄ）はラッピング工程が終了した状態、（ｅ）は表面処理工程で表面処理を施した状態、（ｆ）はレジスト除去工程が終了した後の状態を示す図である。プレス金型の断面図である。

符号の説明

１…記録ヘッド、１３…ノズルプレート、２４…レジストフィルム、２５…孔、２６…撥水メッキ層、３０…プレス金型、３１…金属板、３１ａ…金属板の表面、３１ｂ…金属板の裏面、３１ｃ…膨出部、３６…パンチ、４３…パンチ先端の平坦な面、４５…軸部、４６…テーパー部、４７…小径ストレート部

Claims

金属板の一方の面上にレジストフィルムを被せるフィルム被覆工程と、
この金属板に、レジストフィルムを被せた面からパンチを打ち込んで、レジストフィルム被覆面とは反対側の面に膨出部ができる状態で底の有る孔を開設すると共に、パンチの先端でレジストフィルムの一部を前記孔の底に押し込んで充填するパンチング工程と、
金属板のフィルム被覆面とは反対側の面に膨出した膨出部を研磨除去して孔内のレジストフィルムを金属板の面に露出させるラッピング工程と、
前記孔内のレジストフィルムが金属板の面に露出して孔の開口を塞いだ状態で当該面に表面処理を施す表面処理工程と、
表面処理工程の後に、レジストフィルムを除去するレジスト除去工程と、
を経て製造することを特徴とする穿孔板の製造方法。
前記パンチは、先端に向かって縮径するテーパー部とテーパー部の先端に形成したストレート部とを有し、ストレート部の先端を平坦な面により構成し、
該平坦面によりレジストフィルムの一部を押し込んで孔の底に充填することを特徴とする請求項１に記載の穿孔板製造方法。
前記表面処理が撥水処理であることを特徴とする請求項２に記載の穿孔板の製造方法。
請求項１から３のいずれかに記載の穿孔板をノズルプレートとして装着し、該ノズルプレートに開口した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。