(57)【要約】【課題】プレス機によって液体吐出ヘッドのノズルプレートのノズルを穴開け加工するときの、肉逃げによるピッチ精度の低下やポンチへのかじりつき等を防ぐ。【解決手段】一般的なプレス機の穴加工では被加工材料を上金型と下金型の間に挟んで、肉厚方向に加圧した状態でポンチによる穴開けを行うため、肉逃げやポンチへのかじり等が発生する。そこで、プレス機のステージ１００上に立設された一対の位置決めピン１０３にノズルプレートの材料である被加工材料１１０の位置決め穴１１０ａを嵌挿して水平方向に位置決め固定し、被加工材料１１０を肉厚方向に押さえることのない無圧保持状態でポンチ１０１を下降させてノズルとなる微細穴１１１を形成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プレス機のプレス工具と雌型によって微細穴を形成する穴開け加工方法であって、
被加工材料の下面を雌型上に支持し、水平位置決めする位置決め工程と、
雌型上の被加工材料を水平方向にのみ拘束し、被加工材料を肉厚方向に押さえることのない状態でプレス工具を下降させて微細穴を形成するプレス加工工程と、を有することを特徴とする穴開け加工方法。
【請求項２】
少なくとも一対の位置決めピンを被加工材料の位置決め穴に嵌合させることで、雌型上に水平位置決めし、水平方向に拘束することを特徴とする請求項１記載の穴開け加工方法。
【請求項３】
雌型が、プレス工具を嵌挿させる開口を持たない非開口型の雌型であることを特徴とする請求項１または２記載の穴開け加工方法。
【請求項４】
非開口型の雌型が、ビッカース硬度Ｈｖ＝１００〜５００の雌型材料で作られていることを特徴とする請求項３記載の穴開け加工方法。
【請求項５】
吸引手段によって被加工材料を雌型に吸引保持した状態でプレス工具を下降させて微細穴を形成することを特徴とする請求項１ないし４いずれか１項記載の穴開け加工方法。
【請求項６】
被加工材料の下面に溶解可能なレジストフィルムを密着させた状態でプレス工具を下降させて微細穴を形成することを特徴とする請求項１ないし５いずれか１項記載の穴開け加工方法。
【請求項７】
請求項１ないし６いずれか１項記載の穴開け加工方法を用いて形成された微細穴を備える穴開き部材。
【請求項８】
液体を吐出するための複数の吐出エネルギー発生手段および複数の液流路を有する本体部と、前記複数の液流路に連通する複数のノズルを有するノズルプレートとを備えており、
前記複数のノズルが、前記ノズルプレートをプレス機の雌型上に水平位置決めして、水平方向にのみ拘束し、前記ノズルプレートを肉厚方向に押さえることのない状態でプレス工具を下降させるプレス加工によって形成された微細穴であることを特徴とする液体吐出ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械加工によって液体吐出ヘッドのノズルプレート等の穴開き部材に微細穴を形成するための穴開け加工方法、穴開き部材および液体吐出ヘッドに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
マイクロマシン等の発達に伴って、微細加工技術への要求度は高まっており、特に、微細穴の形成は微細加工技術の基本となる部分であるから、その重要度は高く、小径かつ高アスペクト比の高精度な微細穴の必要性が増している。
【０００３】
このような微細穴を用いるデバイスとして、ＰＺＴ等の圧力発生部材と金属板やセラミックスとの積層体で構成される圧力発生器や、インク等の液体に熱エネルギーを加えることで液体を発泡させて吐出圧力を得る発熱素子を有する圧力発生器を有し、前記圧力発生器の吐出圧力により液滴を吐出するノズルを備えたオンデマンド方式の液体吐出ヘッドが知られている。
【０００４】
近年これらの液体吐出ヘッドを搭載する記録装置を用いることで、紙等の被記録媒体に対して高速かつ高精度、高精細な描画ができるようになってきており、民生用のプリンターやファクシミリ、捺染、産業用途にいたるまで幅広く利用されるようになってきた。
【０００５】
高精細、高精度な描画を安定に行うためには、液体吐出のための高精度な微細穴であるノズルを有するノズルプレートの存在が不可欠であり、様々な穴開け手法が提唱されてきた。
【０００６】
第一の方式は、特許文献１に開示されている、精密プレス機などを用いる機械加工によるものである。これは、一般的に使用されるプレス加工用の雄型（ポンチ）と雌型（ダイ）を精度良く作成し、プレス加工により被加工材に微細穴を開ける手法である。
【０００７】
また、放電加工などの電気的手法を用いる加工方法もある。これは、高精度ステージ上において治具に固定した被加工材料に対し、微小エネルギーの放電パルスの発生が可能なＲＣ回路で構成される放電発生回路を利用し、工具材料に対し放電加工を実施するものである。
【０００８】
さらに、特許文献２に開示されたように、エッチングなどの化学的加工により行う方法もある。
【特許文献１】特開昭６０−４２０５４号公報
【特許文献２】特開平０４−３１２８５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、従来のプレス加工においては、ポンチ強度の問題や、ダイとポンチのクリアランスを高精度にセッティングしなければならない等の制約により、アスペクト比１〜２を超える高アスペクト比の微細穴の加工には限界があった。特に、被加工材料を上下の金型部材の間により挟圧するため、ポンチ入射時に微細穴の周辺に押しのけられた一部材料の、いわゆる平面方向への肉逃げが発生し、複数の微細穴を加工した際のピッチ精度が悪くなるという問題が発生する。
【００１０】
他方、電気的加工では、穴周辺や穴内壁に加工痕跡が残り、さらに環境因子などの加工条件に大きく左右されるため、安定的に形状精度の高い加工を行うことが難しかった。また、化学的加工では、複数穴を加工した際の穴ピッチ精度が上記他の手法と比較して悪いという問題があった。
【００１１】
加えて、上記いずれの手法においても、かえしやバリ、ダレが大きく発生することは避けられず、これらがノズル等微細穴の高精度化において障害となっていた。
【００１２】
本発明は上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、穴開き部材である液体吐出ヘッドのノズルプレート等に、高ピッチ精度、高アスペクト比の微細穴を加工するに当り、平面方向への肉逃げや、かえし、バリ等の発生を抑制し、形状の整った高ピッチ精度、高アスペクト比の微細穴を形成することのできる穴開け加工方法、穴開き部材および液体吐出ヘッドを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するため、本発明の穴開け加工方法は、プレス機のプレス工具と雌型によって微細穴を形成する穴開け加工方法であって、被加工材料の下面を雌型上に支持し、水平位置決めする位置決め工程と、雌型上の被加工材料を水平方向にのみ拘束し、被加工材料を肉厚方向に押さえることのない状態でプレス工具を下降させて微細穴を形成するプレス加工工程と、を有することを特徴とする。
【００１４】
少なくとも一対の位置決めピンを被加工材料の位置決め穴に嵌合させることで、雌型上に水平位置決めし、水平方向に拘束するとよい。
【００１５】
雌型が、プレス工具を嵌挿させる開口を持たない非開口型の雌型であってもよい。
【００１６】
非開口型の雌型が、ビッカース硬度Ｈｖ＝１００〜５００の雌型材料で作られているとよい。
【００１７】
吸引手段によって被加工材料を雌型に吸引保持した状態でプレス工具を下降させて微細穴を形成するとよい。
【００１８】
被加工材料の下面に溶解可能なレジストフィルムを密着させた状態でプレス工具を下降させて微細穴を形成するとよい。
【００１９】
本発明の穴開き部材は、上記の穴開け加工方法を用いて形成された微細穴を備えることを特徴とする。
【００２０】
本発明の液体吐出ヘッドは、液体を吐出するための複数の吐出エネルギー発生手段および複数の液流路を有する本体部と、前記複数の液流路に連通する複数のノズルを有するノズルプレートとを備えており、前記複数のノズルが、前記ノズルプレートをプレス機の雌型上に水平位置決めして、水平方向にのみ拘束し、前記ノズルプレートを肉厚方向に押さえることのない状態でプレス工具を下降させるプレス加工によって形成された微細穴であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
プレス機による穴開け加工において、プレス機の雌型（ダイ）上に被加工材料を水平位置決めして水平方向にのみ拘束することで、肉厚方向に押さえることなくプレス工具であるポンチを下降させてポンチの外形と同じ形状の微細穴を形成する。このように無圧保持状態でポンチを下降させて穴開け加工を行うことで、上下方向から金型部材によって被加工材料を挟んでプレス加工する場合のような肉逃げによるピッチ精度の低下や、穴周辺のバリ、ダレ等の変形、あるいはポンチに対する材料のかじりつき等を低減し、高アスペクト比でピッチ精度の高いノズル等の微細穴を形成することができる。
【００２２】
吸引手段によって被加工材料を雌型に吸引保持すれば、無圧保持状態であっても雌型上の被加工材料を堅固に保持し、微細穴周辺の変形をより一層効果的に抑えることができる。
【００２３】
このような穴開け加工によって液体吐出ヘッドのノズルプレートのノズルを形成することで、吐出性能の安定した、超精細化に対応することの容易な液体吐出ヘッドを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
図１は一実施の形態による液体吐出ヘッドを示すもので、基板１に加圧室等の液流路となる複数の溝２を形成し、各溝２の底部に第１の電極３を被着するとともに、基板１に形成した吐出エネルギー発生手段である圧電体４の下面に第２の電極５を配設した本体部と、本体部の溝２を覆うように本体部に積層された穴開き部材であるノズルプレート１０を有し、ノズルプレート１０は、各溝２に開口する微細穴であるノズル１１を備えている。
【００２５】
図１の（ａ）に矢印で示す方向に供給されたインク等液体Ｌは、両電極３、５に印加された電圧により圧電体４に発生する歪によって加圧され、ノズルプレート１０のノズル１１から液滴として吐出される。
【００２６】
図２は、上記のノズルプレートにノズルを形成するための、プレス機による微細穴形成を説明するもので、ステージ１００の上方からプレス工具であるポンチ１０１を下降させ、雌型１０２上の、ノズルプレートの材料である被加工材料１１０に押圧することにより、ノズルとなる微細穴１１１の穴開け加工を行う際に、ステージ１００に立設された一対の位置決めピン１０３を被加工材料１１０の両端の位置決め穴１１０ａに嵌挿し、被加工材料１１０の下面を雌型１０２の開口１０２ａの周囲上面に密着させて水平位置決めし、一対の位置決めピン１０３によって雌型１０２上の被加工材料１１０を水平方向にのみ拘束し、ポンチ１０１の入射側から被加工材料１１０を肉厚方向に押さえることのない、いわゆる無圧保持状態でポンチ１０１を下降させて穴開け加工を行う。
【００２７】
このようにプレス機による穴開け加工を、肉厚方向に被加工材料を加圧することなく行うことで、加工中の水平方向への材料の肉逃げや穴周辺のバリ等の変形、材料のポンチへのかじりつき等を回避でき、高ピッチ精度、高アスペクト比の微細穴の形成が可能となる。
【００２８】
また、図３に示すように、ポンチ１０１を嵌挿させる開口を持たない非開口型である平板状の雌型１０４上に、上記と同様に無圧保持状態で被加工材料１２０を位置決め固定し、ポンチ１０１を下降させることで微細穴１２１を形成してもよい。この場合は、特に加工時のバリＢ1 の発生を押さえて、高アスペクト比、高ピッチ精度の微細穴の形成を効率的に行うことが可能である。
【００２９】
図４に示すように、被加工材料１３０の下面を支持する非開口型の雌型１０５のビッカース硬度ＨｖをＨｖ＝１００以上、Ｈｖ＝５００以下に限定するとよい。これによって、加工時のバリＢ1 の発生をより一層効果的に抑制し、かつ、ポンチ１０１への負荷を軽減させた状態で、高アスペクト比、高ピッチ精度の微細穴の形成を行うことが可能である。
【００３０】
さらに、図５に示すように、加工時におけるポンチ１０１の下死点を、貫通型の雌型１０６上の被加工材料１４０の下面以下に設定することにより、穴開け加工を安定して行うことができ、被加工材料１４０におけるポンチ１０１の出射側の穴形状を均一化できる。
【００３１】
また、図６に示すように、加工中の被加工材料１５０の下面を雌型１０７に吸着する吸引手段１０７ａを用いて雌型１０７に固定すれば、被加工材料１５０の無圧保持をより一層効果的に行い、図７に示すような穴周辺にかえし等の歪Ｂ2 が生じるのを防ぐことができる。これによって、穴径精度、穴ピッチ精度をより一層向上させることが可能である。
【実施例１】
【００３２】
図２に示す方法で穴開け加工を行った。被加工材料１１０は、厚みｔ＝０．０８ｍｍのニッケル圧延材料（（株）ニラコ製）であり、硬度はビッカース硬度Ｈｖ＝２１０である。その両端には直径５００μｍを有する一対の位置決め穴１１０ａが形成されている。各位置決め穴１１０ａをプレス機である穴開け加工マシンのステージ１００上の位置決めピン１０３にはめ込み、被加工材料１１０を無圧保持状態で位置決め固定した。被加工材料１１０の下には、ダイ穴１０２ａを有する雌型（ダイ）１０２が置かれている。プレス工具であるポンチ１０１には０．７μｍ粒径を持つ超微粒タイプの超硬母材を研削したものを用いて、先端径２０μｍ、先端ストレート部の長さ２０μｍ、ストレート部に続くテーパー角２５度で作成した。
【００３３】
ポンチ１０１を上下動させる穴開け加工マシンには、高精度マシニングセンタＶ３３（（株）牧野フライス製作所製）を用い、その工具主軸にポンチ１０１を取り付け固定した。
【００３４】
穴開け加工は、上記加工マシンの工具主軸に固定されたポンチ１０１を図１の（ａ）、（ｂ）に示すように上下復動させ、ポンチ下降時、上昇時の移動速度は２ｍｍ／ｍｉｎに制御した。図２の（ｃ）に示すように、穴径２０μｍ、穴深さ８０μｍを有するアスペクト比４の微細穴（ノズル）１１１を、穴径精度２０±１．０μｍ、ピッチ精度２５０μｍ±１．０μｍで１００個形成することができた。
【実施例２】
【００３５】
図３に示す方法で穴開け加工を行った。被加工材料１２０の下に準備する非開口型の雌型（ダイ）１０４は、厚み１０ｍｍ、ダイ穴直径０のニッケル材料、つまりニッケル平板（（株）ニラコ製）を用いた。このニッケル平板上に被加工材料１２０を位置決めピン１０３を用いて固定し、ポンチ１０１を上下復動することにより微細穴１２１の形成を行った。これにより、穴開け加工の際にポンチ出射側に形成されるバリＢ1 が、下の平板状の雌型１０４によって抑制され、ノズル形状が整ったノズルプレートを製作することができた。
【実施例３】
【００３６】
図４に示すように、平板状の雌型１０５にビッカース硬度ＨｖをＨｖ＝１００〜５００の雌型材料を用いた。Ｈｖ＝１００以下では、穴開け加工時においてポンチ１０１の出射側に形成されるバリＢ1 が大きくなってしまい、また、Ｈｖ＝５００以上ではポンチ１０１への負荷が大きく、折れや欠損を引き起こしやすくなる。そこで、平板状の雌型１０５にＨｖ＝１０５の真鍮平板を用いた。これにより、穴径２０μｍ、穴深さ８０μｍを有するアスペクト比４の微細穴１３１を、バリＢ1 の発生を極力押さえながら穴径精度２０±１．０μｍ、ピッチ精度２５０±１．０μｍで１００個形成することが可能であった。
【実施例４】
【００３７】
図５に示すように、ポンチ１０１の下端面の到達位置（下死点）を被加工材料１４０の下面以下にするための貫通型の雌型１０６を用いてポンチ１０１を出射側に完全に抜ききることができるようにした。被加工材料１４０におけるポンチ１０１の出射側の穴形状を均一にし、その精度を向上させることができる。これにより、穴径精度２０±０．８μｍ、ピッチ精度２５０±１．０μｍのアスペクト比４を有する微細穴を、１００個形成することが可能であった。
【実施例５】
【００３８】
図６に示すように、被加工材料１５０を、吸引手段１０７ａを有する雌型１０７を備えた穴開け加工マシンによって微細穴を形成した。吸引手段１０７ａにはバキュームユニット（フジエンジニアリング製）を用い、真空チューブを介して雌型１０７上に被加工材料１５０を吸引し、被加工材料１５０を無圧保持状態で位置決め固定した。このように被加工材料１５０を雌型１０７に吸引吸着させて固定した状態で穴開け加工を行うことにより、図７に示すようなポンチ１０１の押圧時における穴周辺の歪Ｂ2 を回避することができ、穴径精度およびピッチ精度を向上させることができた。その結果、穴径精度２０±０．６μｍ、ピッチ精度２５０±０．８μｍのアスペクト比４を有する微細穴を１００個形成することが可能であった。
【実施例６】
【００３９】
図８に示すように、精密研磨装置：商品名  ＭＡ−２００Ｄ（ムサシノ電子（株）製）１０８を用い、実施例１によって作製された微細穴であるノズルを有するノズルプレートを研磨した。その際ノズルプレートは、φ１００貼り付けホルダー上に両面テープ：商品名  Ｖ−１２−Ｔ（日東電工（株）製）で固定した。研磨条件は荷重１．０ｋｇ、回転数４０ｒｐｍ、研磨吐粒には１／２μｍ多結晶ダイヤモンドを使用し、研磨ディスク１０８ａには錫鉛盤を使用した。上記条件で３０分間研磨することによって、加工時に突出したバリを効果的に除去でき、穴の形状精度向上加工が可能であった。それにより、真円度０．９２、穴径精度２０±０．５μｍ、ピッチ精度２５０±０．６μｍのアスペクト比４の微細穴を有するノズルプレートを製造できた。
【実施例７】
【００４０】
図９に示すように、被加工材料１６０の穴開け加工において、ポンチ１０１の出射側となる面に溶解可能なレジストフィルム１６１として膜厚２５μｍのドライフィルムレジストｏｒｄｙｌ  ＳＹ３２５（東京応化工業（株）製）を密着させた状態で、実施例１に記載の方法と同様に穴開け加工を行った。
【００４１】
次に図１０に示すように、前記工程において穴開けを行った被加工材料１６０を陽極とし、白金極１０９ａを陰極として電解槽１０９に浸漬し適当な電圧を印加してバリ取りを行った。電解研磨を用いたバリ取りは、金属の表面エネルギーの差を利用して行うものであり、バリ部は他の部位と比較して特に電流密度が高く選択的に溶解していくため、バリ除去のためには有効な手段である。
【００４２】
電解槽１０９の電解研磨液には、氷酢酸４７０重量パーセント、過塩素酸３０重量パーセントの混合溶液を用い、ポテンショスタット／ガルバノスタッ：商品名  ＨＡ５０１（北斗電工（株）製）で１０Ｖ、２分の条件で行った。温度は使用する液組成および対象物により異なるが、常温から８０℃位までである。本実験では５０℃で行った。電流密度は高電流密度ほど早く行えるが、安定して行うにはガス発生のないプラトー領域内で行う必要がある。
【００４３】
上記工程によりバリを除去し穴形状を平滑化することができた。このとき、被加工材料１６０に密着させたレジストフィルム１６１があるため穴部以外には電流が流れず、侵されることがない。
【００４４】
レジストフィルム１６１は剥離液中へ浸漬することで剥離除去し、真円度０．９２、穴径精度２０±０．５μｍ、ピッチ精度２５０±０．６μｍのアスペクト比４の微細穴であるノズルを有する高精度なノズルプレートを製造することができた。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
液体吐出ヘッドのノズルプレートに限らず、プレス加工による微細穴を必要とするあらゆる分野に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】一実施の形態による液体吐出ヘッドの主要部を示すもので、（ａ）はその断面図、（ｂ）はノズルプレートを分解して示す分解斜視図である。
【図２】実施例１による穴開け加工方法を説明する図である。
【図３】実施例２による穴開け加工方法を説明する図である。
【図４】実施例３による穴開け加工方法を説明する図である。
【図５】実施例４による穴開け加工方法を説明する図である。
【図６】実施例５による穴開け加工方法を説明する図である。
【図７】加工時における被加工材料の変形を説明する図である。
【図８】実施例６による穴開け加工方法を説明する図である。
【図９】実施例７による穴開け加工方法を説明する図である。
【図１０】実施例７による穴開け加工後のバリ除去方法を説明する図である。
【符号の説明】
【００４７】
１    基板
２    溝
３、５    電極
４    圧電体
１０    ノズルプレート
１１    ノズル
１００    ステージ
１０１    ポンチ
１０２、１０４、１０５、１０６、１０７    雌型
１０３    位置決めピン
１０７ａ    吸引手段
１０９    電解槽
１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０    被加工材料
１１１、１２１、１３１    微細穴
１６１    レジストフィルム
【図１】
2005169479.tif 000003
【図２】
2005169479.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2005169479.tif 000009
【図８】
2005169479.tif 000010
【図９】
2005169479.tif 000011
【図１０】
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