JP5407463B2 - ノズルプレートの製造方法、及び、液体噴射ヘッド - Google Patents

Description

本発明は、ノズルプレートの製造方法及びこのノズルプレートを備えた液体噴射ヘッドに関する。

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吐出させる液体噴射ヘッドのノズルプレートは、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んで有底下穴を形成し、反対側に隆出した隆出部をその後の研磨工程で除去し、これにより有底下穴を貫通させてノズル開口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

前記した従来の金属板の製造方法により、薄い金属板に小さな有底下穴を形成すると、下穴の開口周縁に環状の隆起が形成されることがあった。
これは、パンチの金属板への押し込みにより、パンチによって押し退かれて移動した金属が下穴の周縁に押し寄せて（いわゆる肉の逃げ）しまうことに起因して生じていたと推測されている。そして、この隆起を除去するために、その部分を研削して除去し、平坦面になるようにする工程が必要となっていた。しかしながら、下穴の周縁の隆起は研削除去することができても、それまでに隆起がストリッパ平端部で押し潰されてしまっているので、下穴の真円度が低下しており、この真円度の低下が当該ノズル開口からの液滴の吐出特性を低下させる原因になっていた。

本発明は、上記に鑑み提案されたもので、その目的は、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備え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、本発明のノズルプレートの製造方法は、金属板にパンチを打ち込んでノズル開口を開設するノズルプレートの製造方法であって、
前記金属板の表面のうち、前記パンチを打ち込む表面に、当該金属板が製造された時点における表面粗さよりも表面粗さを粗くした粗面部を形成する粗面工程と、
前記金属板の粗面部に当該パンチを打ち込んでパンチで前記粗面部を板厚内部に引き込みながら有底下穴を形成するとともに、前記粗面部とは反対側の面に前記有底下穴の底部に対応した部位に隆出部を形成する有底下穴形成工程と、
前記隆出部を研磨除去して前記有底下穴を貫通させてノズル開口を開口する貫通開口工程と、
を経て製造することを特徴とする。

前記した様に、予め表面を荒らした粗面部にパンチを打ち込んで有底下穴を形成すると、パンチを金属板に打ち込む際に、パンチと金属板の粗面部との摩擦力が高められ、その結果、金属板にパンチが打ち込まれるのに伴って、パンチが金属板の金属（肉）を板厚内部に引き込みながら有底下穴を形成するので、金属板の表面側の有底下穴の周縁に隆起が発生することを抑制することができる。したがって、隆起を除去する手間を省くことができ、また、隆起が金型などで押し潰されることで、有底下穴の真円度が低下することを防止することができる。このため、ノズル開口から液体を吐出した時に、吐出特性を安定させることができる。

そして、前記粗面工程は、金属板の表面のうち、前記パンチを打ち込む表面にのみ粗面部を形成し、反対側の面は円滑面のままにすることが望ましい。

また、前記粗面部は梨地加工により形成してもよい。

そして、前記金属板は４２アロイであることが望ましい。

また、本発明に係る液体噴射ヘッドは、圧力室を形成した流路ユニットに、請求項１から４のいずれかの製造方法により製造したノズルプレートを、前記粗面部を流路形成基板に対向させた状態で重ね合わせて両者を接着剤により接合する。

この様に、前記粗面部を流路形成基板に対向させた状態で重ね合わせて両者を接着剤により接合すると、接着剤が粗面部の微細な凹凸に入り込んでアンカー効果を期待することができるので、高い接合力を期待することができ、ノズルプレートが剥離するトラブルを抑制することができる。

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。 プレス機を説明する要部断面図である。 図３に示したプレス機による有底下穴形成工程を説明する要部断面図である。 金属板の隆出部を除去した状態を説明する断面図である。

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、本発明において被加工材である金属板として、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である。本実施形態のノズルプレート１３は、４２Ａｌｌｏｙ製の板材（本発明の金属板の一種）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の製造方法については、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（液体供給口）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、本発明に係る金属板の製造方法によりノズルプレート１３を作製する加工方法を、図３〜図５に基づいて説明する。
まず、被加工材である金属板２５の一方の面（本発明のパンチ打ち込み面に相当。以下、表面２５ａという）に、当該金属板２５が製造された時点における表面粗さよりも粗い粗面部２７を形成する（粗面工程）。
なお、本発明における金属板が製造された時点における表面粗さとは、例えば、金属板２５の製造工程で最終圧延工程を終了した時点における表面粗さであり、この時点では表裏両面の粗さは同じである。

また、前記粗面工程は、金属板２５の表面のうち、前記パンチを打ち込む表面にのみ粗面部２７を形成し、反対側の面は円滑面のままにする。この様にすると、流路形成基板１２に接合して記録ヘッド１とした場合に、後述するように、アンカー効果により高い接合力を期待することができるとともに、ノズルプレート１３の表面を払拭するワイピング時に、インクや紙カス等が除去し易くなる。

金属板２５は、例えば、厚みが３０〜１００μｍ程度であって、４２Ａｌｌｏｙ（４２アロイ）などの前述した流路形成基板１２と略線膨張係数の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２５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することができる。

粗面部２７の表面粗さＲａは、例えば０．６μｍ以上となっており、摩擦係数が高められるように設定されている。粗面部２７は、パンチ２６に対する摩擦力を高めるために敢えて表面の粗さを荒らして形成したものであり、この目的を達成することができればどのような処理を施しても良いが、本実施形態では、サンドブラストやショットピーニングにより微細な凹凸を付ける加工を施して、表面をいわゆる梨地肌としてある。

なお、粗面部２７はパンチ２６を打ち込む方の面だけに形成して反対側の表面粗さは金属板製造時のままである。したがって、金属板２５は、パンチ２６を打ち込む面（表面）の粗さが粗く、反対側の面（裏面）の粗さが表面よりも滑らか（即ち、円滑面）である。また、粗面部２７の面積は、流路ユニットとの接合面の全域に形成されていることが望ましいので、接合面となる部分だけを選択して形成してもよいが、パンチ２６を打ち込む前の工程で、金属板２５の全面に亘って形成することが望ましい。

粗面工程が終了したならば、ノズルプレート１３の材料である金属板２５をプレス機３０にセットして、粗面部２７にパンチ２６を押し込んでノズル開口となる有底下穴２８を形成する（有底下穴形成工程）。
このプレス機３０は、金属板２５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２６と、から概略構成されている。なお、図３乃至図５中、金属板２５の表面２５ａ側に付した点は、前記粗面部２７の微細な凹凸を表わしたものである。

ダイ３２は、金属板２５に形成しようとする有底下穴（パンチ孔）２８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２６に対する雌型として機能する。押圧盤３５は、パンチ２６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２６の途中から先端までの部分を挿通させる。

パンチ２６は、ベース３３（基端）側のストレート部４５と、ストレート部４５の先端から連続するテーパ部４６と、を備えた柱状体である。ストレート部４５は、外径が２０〜３０μｍで、パンチ２６の打ち込み方向（図３中に矢印Ｋで示す）に沿った円柱形に形成されている。テーパ部４６は、先端側に向かうに従って徐々に外径が細くなった略円錐形に形成され、先端部分は先端面が平坦な小径ストレート部４３となっている。

そして、前記した構成からなるプレス機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はプレス機３０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２６）との相対位置やパンチ２６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４２Ａｌｌｏｙなどの金属板２５を所定位置に載せ、図３に示すように、パンチ２６の先端が金属板２５に向かった状態でベース３３を下降させる。すると、押圧盤３５の下面が、金属板２５の表面に当接する。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２６の先端部分が金属板２５に押し込まれ、これにより金属板２５に有底下穴２８が形成される。この際に、パンチ２６の進入により先方に向けて押し退けられた肉は主として矢印Ｋ方向（板圧方向）に移動して（寄せられて）、その大部分が金属板２５の（表面２５ａとは反対側の）裏面２５ｂに隆出して隆出部４８を形成する。なお、パンチ２６を打ち込んだ金属板２５の表面２５ａには、金属板２５が４２Ａｌｌｏｙなどのように柔らかくても、従来の（表面が粗くない）パンチを打ち込んだ際に形成される隆起が発生しない。

具体的に説明すると、パンチ２６が金属板２５の表面２５ａに形成された粗面部２７から次第に深く進入すると、パンチ２６が進入するに従って粗面部２７近傍の肉が、パンチ２６と粗面部２７との摩擦力により、引っ張られることによって矢印Ｋ方向に移動する。即ち、粗面部２７が金属板２５の肉を矢印Ｋ方向に引き込みながら進入する。このため、パンチ打ち込み表面２５ａのパンチ周囲に盛り上がりを発生させることなく、裏面２５ｂの有底下穴底部に対応した部位に隆出部４８のみを形成する。こうして、金属板２５には、パンチ２６の外形と同形の有底下穴２８が形成される。なお、図４における金属板２５に形成される有底下穴２８は、未貫通であり、後述する貫通開口工程によって隆出部４８を除去することで、貫通されてノズル開口１０となる。

なお、パンチ２６が下死点まで下降して金属板２５にロート状の有底下穴２８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ベース３３が上昇すると、弾性材３４の復元により押圧盤３５がベース３３よりも少し遅れて上昇を開始し、金属板２５の表面２５ａから離隔して上死点まで上昇する。これで有底下穴形成工程を終了する。

そして、次の工程のために金属板２５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、前記した有底下穴形成工程を再度繰り返すことにより金属板２５に次の有底下穴２８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２５に有底下穴２８を所定のピッチで順次開設することができる。

有底下穴形成工程が終了したならば、金属板２５をプレス機３０から外して、次の隆出部除去工程（即ち、貫通開口工程）を行う研磨装置（図示せず）に搬送する。この隆出部除去工程では有底下穴形成工程で金属板２５の裏面２５ｂに隆出した隆出部４８を研磨して除去することで、図５に示すように、有底下穴２８を貫通させてノズル開口１０にすると共に、金属板２５の厚さを所定の厚さになるように研磨する。こうして、ノズル開口１０が開設されたノズルプレート１３が作製される。

このように本発明の金属板の製造方法は、金属板２５のパンチ２６打ち込み予定位置に、金属板２５が製造された時点における表面粗さよりも表面粗さが粗い粗面部２７を形成する粗面工程と、金属板２５の粗面部２７にパンチ２６を打ち込む有底下穴形成工程と、を経て金属板２５に有底下穴２８を形成するので、パンチ２６を金属板２５に打ち込む際に、パンチ２６と金属板２５の粗面部２７との摩擦力が高められ、その結果、金属板２５にパンチ２６が打ち込まれるのに伴って、パンチ２６が金属板２５の金属（肉）を板厚内部に引き込みながら、換言すると金属（肉）を押し退きながら矢印Ｋに移動させて（寄らせて）、逃がすことができる。そのため、金属板２５の表面２５ａ側の有底下穴２８の周縁に隆起が発生することを抑制することができ、隆起を除去する手間を省くことができる。また、隆起が下降してきた押圧盤３５などで押し潰されることで、微細な有底下穴２８の真円度が低下することを防止することができる。

また、有底下穴形成工程の後に、金属板２５の裏面２５ｂに隆出した隆出部４８を除去する貫通開口工程（隆出部除去工程）を含むので、隆出した隆出部４８を除去するだけで、真円度の高い貫通有底下穴２８を金属板２５に形成することがでる。この結果、金属板２５をノズルプレート１３として記録ヘッド１に装備すると、ノズル開口１０の真円度が高いので、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。

そして、ノズルプレート１３を記録ヘッド１に装着する場合、具体的には、ノズルプレート１３を流路ユニット８の流路形成基板１２に接合する場合に、ノズルプレート１３の粗面部２７を流路形成基板１２側に対向させた状態で流路形成基板１２に重ね合わせ、両者の間に接着剤層を介して接合する。この場合、本発明により製造したノズルプレート１３は、接合面となる表面２５ａに微細な凹凸からなる粗面部２７が形成されているので、接着剤層の接着剤が前記微細凹凸に入り込んで接合力を高める効果（アンカー効果）を発揮するので、滑らかな表面のノズルプレートを接合する従来に比較して、高い接合力を期待することができる。したがって、使用中に紙ジャムが発生するなどしてノズルプレート１３に異常な力が作用したとしても、ノズルプレート１３が流路形成基板１２から剥離するなどのトラブルを防止できる。

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、有底下穴２８を形成した金属板２５として、液体噴射ヘッドの一種である記録ヘッド１に用いられるノズルプレート１３を例に挙げて説明したが、他の用途に用いられる金属板２５にも適用することができる。

２５…金属板、２５ａ…表面、２５ｂ…裏面、２６…パンチ、２７…粗面部、２８…有底下穴、３０…プレス機

Claims (5)

1. 金属板にパンチを打ち込んでノズル開口を開設するノズルプレートの製造方法であって、
   前記金属板の表面のうち、前記パンチを打ち込む表面に、当該金属板が製造された時点における表面粗さよりも表面粗さを粗くした粗面部を形成する粗面工程と、
   前記金属板の粗面部に当該パンチを打ち込んでパンチで前記粗面部を板厚内部に引き込みながら有底下穴を形成するとともに、前記粗面部とは反対側の面に前記有底下穴の底部に対応した部位に隆出部を形成する有底下穴形成工程と、
   前記隆出部を研磨除去して前記有底下穴を貫通させてノズル開口を開口する貫通開口工程と、
   を経て製造することを特徴とするノズルプレートの製造方法。
2. 前記粗面工程は、金属板の表面のうち、前記パンチを打ち込む表面にのみ粗面部を形成し、反対側の面は円滑面のままに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. 前記粗面部を梨地加工により形成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。
4. 前記金属板が４２アロイであることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のノズルプレートの製造方法。
5. 圧力室を形成した流路ユニットに、請求項１から４のいずれかの製造方法により製造したノズルプレートを、前記粗面部を流路ユニットに対向させた状態で重ね合わせて両者を接着剤により接合したことを特徴とする液体噴射ヘッド。

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