JP3772810B2 - インクジェット記録ヘッドの製造方法及び表面処理方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、サーマル方式のインクジェットプリンタに用いられるインクジェット記録ヘッド、特に、サーマル方式インクジェットプリンタに特有の問題であるコゲーションと呼ばれる現象の発生を大きく抑制できるインクジェット記録ヘッドの製造方法並びに表面処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、画像処理などの分野において、ハードコピーのカラー化に対するニーズが高まっている。このようなニーズに対して、従来、昇華型熱転写記録方法、溶融熱転写記録方法、インクジェット記録方法、電子写真記録方法、熱現像銀塩記録方法等が提案されている。
【０００３】
これらの方法のうちインクジェット記録方法に使用するインクジェットプリンタは、インクジェット記録ヘッドに並べて設けられたノズルから、インクの液滴を吐出して記録用紙などの記録媒体に着弾させることにより、ドットと呼ばれる点を形成し、文字や画像などを記録する方式のプリンタである。インクジェットプリンタは、他の記録方法に使用するプリンタと比較して、低コスト、高品質で、カラー化が容易であるという特長を有している。ここで、インクジェット記録方法で使用するインクは、水および水溶性有機溶剤を含有する溶媒中に、各種の水溶性の染料または顔料が溶解または分散されたものであり、必要に応じて界面活性剤などの添加剤などが添加されているものである。
【０００４】
ところで、このインクジェットプリンタは、インクを液滴として吐出させる方式の相違によって、圧電素子を用いて吐出を行うピエゾ方式、ヒーターである発熱素子を用いてインクの吐出を行うサーマル方式などに分類される。
【０００５】
これらの方式のうち、サーマル方式とは、インクジェット記録ヘッドに設けられたインク室のインクに対し局所的に加熱することにより気泡を発生させ、この気泡により、インク室中のインクをノズルと呼ばれる吐出口からインク液滴として飛翔させて記録媒体に着弾させて記録を行う方式である。このサーマル方式を適用したプリンタは、インク室中にインクを加熱する発熱素子を有しており、その発熱素子を駆動するロジック集積回路による駆動回路等を備えているインクジェット記録ヘッドを用いて構成されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、インクジェットプリンタの使用に伴い、染料の合成時に混入する金属イオンなどの不純物や染料の熱分解物などの異物が、発熱素子表面に堆積付着するコゲーション（kogation）と呼ばれる現象が発生するという問題がある。コゲーションが発生すると、発熱素子によるインクの局所的加熱が不十分となり、気泡の発生が阻害され、インクの吐出速度が低減し、インクの液滴の吐出が阻害されるという問題がある。
【０００７】
コゲーションの発生防止のために、染料から金属イオン不純物を除去することも試みられているが、インクの構成材料である染料の熱分解を完全に無くすことはできないため、金属イオン不純物を高レベルで除去した精製インクを用いたとしても染料の分解物が発熱素子に堆積するという問題がある。
【０００８】
このように、染料、水および有機溶剤からなる従来のインクジェット記録インクを使用する限り、コゲーションの発生を完全に防止することができないというのが現状である。
【０００９】
本発明の目的は、従来の技術の課題を解決することであり、サーマル方式のインクジェットプリンタにおけるコゲーションの発生を大きく抑制して、ノズルからのインクの液滴の吐出を長期に渡り良好に維持できるインクジェット記録ヘッドを提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、インクジェット記録ヘッドの発熱素子の表面を特定の有機ホスホン酸化合物で表面処理することにより、上述の目的を達成できることを見出し、本発明を完成させた。
【００１１】
即ち、発熱素子からの熱でインク室内のインクを加熱することによりノズルから吐出させるインクジェット記録ヘッドにおいて、該発熱素子を式（１）
【００１２】
【化４】

の有機ホスホン酸化合物で表面処理する。
【００１３】
本発明は、発熱素子からの熱でインク室内のインクを加熱することによりノズルから吐出させるインクジェット記録ヘッドの当該インク室内に上述の式（１）の有機ホスホン酸化合物を含有する表面処理液を導入し、その表面処理液に接触している発熱素子を加熱することにより有機ホスホン酸化合物で発熱素子の表面処理を行うことを特徴とするインクジェット記録ヘッドの製造方法を提供する。
【００１４】
また、本発明は、発熱素子からの熱でインク室内のインクを加熱することによりノズルから吐出させるインクジェット記録ヘッドの当該インク室内に、インクを充填する前に、上述の式（１）の有機ホスホン酸化合物を含有する表面処理液を導入し、その表面処理液に接触している発熱素子を加熱することにより有機ホスホン酸化合物で発熱素子の表面処理を行うことを特徴とするインクジェット記録ヘッドの表面処理方法を提供する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１７】
図１は、本発明に係るサーマル方式のインクジェット記録ヘッド１の一例を示す斜視図である。このインクジェット記録ヘッド１のヘッドフレーム２には、中央にスリット状のインク供給孔２ａが形成されており、ヘッドフレーム２の一方の面には、Ｓｉ基板で構成された複数個のヘッドチップ３が貼りつけられている。ヘッドチップ３は、ヘッドフレーム２上のインク供給孔２ａの両側に配列されている。そして、図２に示すように、ヘッドチップ３上のインク供給孔２ａ側には、複数個の発熱素子３ａが一列に配列され、反対側には、発熱素子３ａに対応した接続端子３ｂが一列に配列されている。
【００１８】
また、ヘッドチップ３上には、図３に示すように、複数個のインク室４ａとインク流路４ｂを形成するためのインク室部材４を介して、複数個のノズル５ａを有するノズルプレート５が配設されている。インク室部材４は、いわゆるドライフィルムフォトレジストなどの感光性樹脂により、各インク室４ａがヘッドチップ３に配列された各発熱素子３ａに対応し、かつ各インク流路４ｂが各インク室４ａからヘッドチップ３の端部まで延びるように形成されている。
【００１９】
ノズルプレート５は、ニッケルの電鋳等により作製され、インクによる腐食を防ぐため、通常は金あるいはパラジウムなどの耐蝕メッキがされており、インク供給孔２ａを塞ぎ且つ各ノズル５ａが各発熱素子３ａに一対一で対応するように形成されており、従って、各インク室４ａは、インク室部材４に形成されたインク流路４ｂおよびノズルプレート５に形成されたノズル５ａに連通している。
【００２０】
また、ヘッドフレーム２の他方の面には、フィルタ６を介してインクタンク７が貼り付けられている。フィルタ６は、インク供給孔２ａを覆うように貼りつけられており、インクタンク７からゴミやインクの成分の凝集物などがノズル５ａ側に混入することを防止する役目を果たす。インクタンク７は、袋７ａと外筐７ｂとの二重構造になっている。
【００２１】
袋７ａと外筐７ｂとの間には、袋７ａを外側に広げるように働くバネ部材（図示せず）が入っている。これにより、インクには負圧が掛かるようになり、インクがノズル５ａから自然に漏れ出すことを防止することができる。また、この負圧は、ノズル５ａの毛細管力よりは小さくなるよう設定されているため、インクがノズル５ａに引き込まれてしまうことを防止することができる。
【００２２】
そして、ヘッドチップ３上からヘッドフレーム２の外側を通ってインクタンク７の外周面に至る部分には、いわゆるＦＰＣ（フレキシブルプリント基板）でなる電気配線８が貼りつけられている。電気配線８は、ヘッドチップ３に電源や電気信号を供給するものであり、ヘッドチップ３の接続端子３ｂに接続されている。
【００２３】
また、発熱素子３ａは、半導体形成のプロセスで広く使用されているスパッタリング法によりタンタル、タンタルアルミ、窒化チタンなどの抵抗材料を所定の基板上に堆積し、その上層にＡｌ等の電極を形成した後、シリコン窒化膜などの保護層を作製して形成されたものである。インクジェット記録ヘッド１は、この保護層の上層にタンタル膜等による耐キャビテーション層、インク室４ａ、ノズル５ａが形成され、これにより発熱素子３ａの発熱によりインク室４ａのインクを加熱できるように形成される。更にインクジェット記録ヘッド１は、ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）型、バイポーラ型のトランジスタにより発熱素子３ａに電力を供給できるように構成され、さらに所定の駆動回路により発熱素子３ａに電力を供給できるように構成され、これらにより駆動してインク液滴を記録媒体に付着できるようになされている。
【００２４】
以上説明した構成を有する本発明に係るインクジェット記録ヘッド１においては、発熱素子３ａが、防錆効果を有する式（１）
【００２５】
【化５】

の有機ホスホン酸化合物で表面処理されている。これにより、発熱素子３ａの表面は、インクに含有されている染料の分解物や不純物などの種々の異物が堆積しがたい状態になる。従って、インクが加熱されて染料の分解物や不純物などの異物が生じても、発熱素子３ａ表面におけるコゲーションの発生、堆積が抑制されるので、長期に渡り、インクの吐出速度が高く、インク液滴の吐出が良好で、高画質記録が可能となる。この理由は明確ではないが、発熱素子３ａの表面に式（１）の有機ホスホン酸化合物の防錆効果を有する皮膜が形成されるためであると考えられる。
【００２６】
このインクジェット記録ヘッド１は、次のように製造することができる。即ち、発熱素子３ａからの熱でインク室４ａ内のインクを加熱することによりノズル５ａから吐出させるインクジェット記録ヘッド１の当該インク室４ａ内に式（１）の有機ホスホン酸化合物を含有する表面処理液を導入し、その表面処理液に接触している発熱素子３ａを加熱することにより有機ホスホン酸化合物で発熱素子３ａの表面処理を行えばよい。ここで、表面処理液は、水に式（１）の有機ホスホン酸化合物を、好ましくは０．０５〜１０重量％、より好ましくは０．１〜５重量％で溶解させたものである。この表面処理液には、必要に応じて、イソプロピルアルコール、グリセリンなどの水混和性有機溶媒を含有させてもよい。
【００２７】
なお、未使用（インクカセットを装着する前）のインクジェットプリンタのインクジェット記録ヘッドのインク室４ａ内に表面処理液を充填し、通常のインク吐出操作を行うことにより発熱素子３ａの表面を処理することもできる。この場合には、インクジェット記録ヘッドの表面処理方法という位置づけとなる。
【００２８】
本発明に係るインクジェット記録ヘッドを用いる以外、従来と同様の構成部材を利用することによりサーマル方式のインクジェットプリンタを構成することができる。このようなインクジェットプリンタは、本発明のインクジェット記録ヘッドを使用しているので、インクが加熱されて染料の分解物や不純物などの異物が生じても、発熱素子表面におけるコゲーションの発生、堆積が抑制され、長期に渡り、インクの吐出速度が高く、インク液滴の吐出が良好で、高画質記録が可能となる。
【００２９】
本発明に係るインクジェット記録ヘッドを使用するサーマル方式のインクジェットプリンタでインクジェット記録は、次のように行われる。即ち、インクは、インクタンク７からインク供給孔２ａに供給され、インク流路４ｂを通ってインク室４ａに供給される。ここで、ノズル５ａは通常、円形状に形成されており、ノズル５ａ先端ではインクの負圧によりインク面の中央部が凹んだ、いわゆるメニスカスが形成される。そして、発熱素子３ａに駆動電圧がかかることにより、発熱素子３ａが発熱して、インクを局所的に加熱する。インクジェット記録ヘッド１では、この加熱により、インク室４ａの発熱素子３ａ側面に核気泡が発生し、この気泡が合体して膜気泡となって成長する。この気泡による圧力の増大により、インクの液滴がノズル５ａから吐出してインクジェット記録紙に飛翔し、付着する。これによりインクジェット記録紙上でインク画像が形成される。
【００３０】
なお、インクジェット記録ヘッドで吐出するインクとしては、従来公知のインクジェットインクを使用することができる。
【００３１】
【実施例】
以下、本発明を実施例により具体的に説明する。
【００３２】
実施例１
式（１）の有機ホスホン酸化合物（キレストＰＨ４３０、キレスト社）を０．０５重量％となるように水に溶解させることにより発熱素子表面処理用の表面処理液を調製した。この表面処理液を、未使用のインクジェットプリンタ（ＭＰＲ−５０１、ソニー株式会社）のインクジェット記録ヘッドのインク室に充填し、発熱素子の表面処理を行った。
【００３３】
実施例２
式（１）の有機ホスホン酸化合物（キレストＰＨ４３０、キレスト社）を０．１重量％となるように水に溶解させること以外、実施例１と同様に発熱素子用の表面処理液を調製し、インクジェット記録ヘッドの発熱素子の表面処理を行った。
【００３４】
実施例３
式（１）の有機ホスホン酸化合物（キレストＰＨ４３０、キレスト社）を５．０重量％となるように水に溶解させること以外、実施例１と同様に発熱素子用の表面処理液を調製し、インクジェット記録ヘッドの発熱素子の表面処理を行った。
【００３５】
実施例４
式（１）の有機ホスホン酸化合物（キレストＰＨ４３０、キレスト社）を１０．０重量％となるように水に溶解させること以外、実施例１と同様に発熱素子用の表面処理液を調製し、インクジェット記録ヘッドの発熱素子の表面処理を行った。
【００３６】
参考例１
式（１）の有機ホスホン酸化合物（キレストＰＨ４３０、キレスト社）を０．０１重量％となるように水に溶解させること以外、実施例１と同様に発熱素子用の表面処理液を調製し、インクジェット記録ヘッドの発熱素子の表面処理を行った。
【００３７】
（評価）
実施例１〜４のインクジェット記録ヘッド、参考例１のインクジェット記録ヘッド、及び式（１）の有機ホスホン酸化合物（キレストＰＨ４３０、キレスト社）で発熱素子の表面処理を行っていないインクジェット記録ヘッド（対照例）を備えたインクジェットプリンタ（ＭＰＲ−５０１、ソニー株式会社）を用いて、表１及び表２のインクＡ及びインクＢ並びに市販インクＣ（ＰＭ７５０Ｃ、エプソン社）を、市販のインクジェット記録紙（ＰＭ写真用紙、エプソン社）に吐出させてインクジェット記録を行った。
【００３８】
【表１】

【００３９】
【表２】

【００４０】
まず、インクジェット記録初期のインク液滴の吐出速度及び１億パルス吐出後のインク液滴の吐出速度を測定し、初期インク液滴吐出速度に対する１億パルス吐出後インク液滴吐出速度の低下割合（％）を算出した。得られた結果を表３に示す。
【００４１】
また、１億パルス吐出後における発熱素子の表面を観察し、堆積物、すなわちコゲーションの有無を確認した。なお、発熱素子表面において、堆積物がほとんど認められない状態を「〇」、若干の堆積物が認められる状態を「△」、堆積物が認められる状態を「×」と評価した。さらに堆積物の厚みを、カラーレーザ顕微鏡（商品名：ＶＫ−８５００、（株）キーエンス製）を用いて測定した。以上の測定結果および評価結果を、下記表３に示す。
【００４２】
【表３】

【００４３】
表３から、式（１）の有機ホスホン酸化合物を含有する表面処理液で表面処理を施した実施例１〜４のインクジェット記録ヘッドは、１億パルス印画後における吐出速度の変化量が２０％以下であり、低下の割合としては実用可能な範囲であることがわかる。また、発熱素子表面に付着した堆積物の厚みは、いずれも０．８μｍ以下であり、発熱素子表面における堆積物量は、非常に少ないことがわかる。とくに実施例１では、若干の堆積物のみが確認され、実施例２では、ほとんど認められず、実施例３および４では、堆積物はほとんどない状態であり、発熱素子表面に色がついた程度であることが確認された。
【００４４】
なお、参考例１及び実施例１の結果から、式（１）の有機ホスホン酸化合物を含有する表面処理液の有機ホスホン酸化合物の濃度が０．０５重量％以上が好ましいことがわかる。
【００４５】
一方、式（１）の有機ホスホン酸化合物を含有する表面処理液で表面処理を施していない対照例のインクジェット記録ヘッドを使用すると、１億パルス印画後における吐出速度の変化量が２０％を超えてしまい、吐出速度の低下の割合が大きすぎて実用不可能であることがわかる。また、発熱素子表面に付着した堆積物の厚みが０．８μｍを越えており、発熱素子表面における堆積物量が非常に多いことがわかる。
【００４６】
【発明の効果】
本発明によれば、インクジェット記録ヘッドの発熱素子の表面を式（１）の有機ホスホン酸化合物で表面処理するので、コゲーションの発生を低コストで十分に抑制でき、従って、サーマル方式のインクジェットプリンタにおいて、ノズルからのインクの液滴の吐出を長期に渡り良好に維持できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係るインクジェット記録ヘッドの一例を示す斜視図である。
【図２】 図１のインクジェット記録ヘッドの部分拡大図である。
【図３】 図１のインクジェット記録ヘッドの部分拡大透視図である。
【符号の説明】
１ インクジェット記録ヘッド、２ ヘッドフレーム、２ａ インク供給孔、３ ヘッドチップ、３ａ 発熱素子、４ インク室部材、４ａ インク室、４ｂ インク流路、５ ノズルプレート、５ａ ノズル、６ フィルタ、７ インクタンク、７ａ 袋、７ｂ 外筐、８ 電気配線

Claims (2)

1. 発熱素子からの熱でインク室内のインクを加熱することによりノズルから吐出させるインクジェット記録ヘッドの当該インク室内に式（１）
   

   

   の有機ホスホン酸化合物を含有する表面処理液を導入し、その表面処理液に接触している発熱素子を加熱することにより有機ホスホン酸化合物で発熱素子の表面処理を行うことを特徴とするインクジェット記録ヘッドの製造方法。
2. 発熱素子からの熱でインク室内のインクを加熱することによりノズルから吐出させるインクジェット記録ヘッドの当該インク室内に、インクを充填する前に、式（１）
   

   

   の有機ホスホン酸化合物を含有する表面処理液を導入し、その表面処理液に接触している発熱素子を加熱することにより有機ホスホン酸化合物で発熱素子の表面処理を行うことを特徴とするインクジェット記録ヘッドの表面処理方法。

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