JP6120662B2 - 液体吐出ヘッドの再生方法 - Google Patents

Description

本発明は、液体吐出ヘッドの再生方法に関するものである。

液体吐出ヘッドとして代表的なインクジェットヘッドは、インク（液体）を吐出する複数の吐出口と、吐出口に連通する流路と、インクを吐出するために利用される熱エネルギーを発生する電気熱変換素子（熱エネルギー発生素子）とを有している。電気熱変換素子は、発熱抵抗層およびこれに電力を供給するための電極とで構成される。この電気熱変換素子が電気的絶縁性を有する絶縁保護層により被覆されることで、インクと電気熱変換素子との間の絶縁性が確保される。電気熱変換素子は駆動されることで熱エネルギーを発生し、電気熱変換素子の上方のインクとの接触部分（熱作用部）でインクが急激に加熱されて気泡が生じ、インクが吐出され、記録媒体に記録を行うことができる。

その際、インクジェットヘッドの熱作用部は、気泡の発生、収縮に伴うキャビテーションによる衝撃などの物理的作用やインクによる化学的作用を受ける。特許文献１には、これらの影響から電気熱変換素子を保護するための上部保護層として、電気熱変換素子に対応する熱作用部にＴａ膜を設けた構成が開示されている。

特開２００２−１１３８７０号公報

しかし、液体の吐出を長期間繰り返すと、上部保護層は高温状態にさらされると共に、気泡の発生、収縮に伴うキャビテーションによる衝撃などの物理的作用や、液体による化学的作用を複合的に受け、上部保護層の膜厚が減少する可能性がある。

上部保護層の膜厚が減少すると、電気熱変換素子から上部保護層の表面に熱が伝わりやすくなるため、液体が吐出された後に供給された液体に再発泡が生じる恐れがある。また、上部保護層の温度がより高温になるため、その表面の酸化が進みやすくなる恐れがある。更に、上部保護層の膜厚が不均一に減少すると、液体吐出のための発泡が不安定になる問題があった。

そこで、本発明は、上部保護層の膜厚の減少によって液体吐出が不安定になることを抑制し、高品位な記録を長期間行うことを可能とすることを目的とする。

本発明の液体吐出ヘッドの再生方法は、液体を吐出するための熱エネルギーを発生する熱エネルギー発生素子と、前記熱エネルギー発生素子を覆う絶縁保護層と、前記絶縁保護層の、前記熱エネルギー発生素子に対応する位置に設けられ、液体に接する面を備えた上部保護膜と、を有する液体吐出ヘッド用基板と、吐出される液体を前記上部保護膜の前記面の上に供給する流路を前記液体吐出ヘッド用基板との間に形成する流路部材と、を有する液体吐出ヘッドの再生方法において、金属を含む電解液を前記流路に充填し、前記上部保護膜との間に電圧を印加可能な電極と、前記上部保護膜との間を電解液で満たす工程と、前記上部保護膜と前記電極との間に電圧を印加し、電解液に含まれる前記金属を前記上部保護膜の前記面の上に析出する工程と、を有する。

本発明によると、上部保護層を再生することにより、高品位な記録を長期間行うことが可能となる。

本発明の実施形態に係るインクジェットヘッドを示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る液体吐出ヘッド用基板の発熱部付近を示す模式的平面図である。 本発明の実施形態に係るインクジェットヘッドを示す模式的断面図である。 本発明の実施形態に係るインクジェットヘッドが搭載されるインクジェットプリンタを示す斜視図である。 第１の実施形態に係るインクジェットヘッドの再生手順を示すフローチャートである。 第１の実施形態に係るインクジェットヘッドの再生工程を示す模式的断面図である。 第２の実施形態に係るインクジェットヘッドの再生手順を示すフローチャートである。 第３の実施形態に係るインクジェットヘッド及びインクジェットヘッドの再生工程を説明するための模式的平面図である。 第３の実施形態に係るインクジェットヘッドの再生手順を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。

（液体吐出ヘッド用基板および液体吐出ヘッド）
図１は、本発明の実施形態に係る液体吐出ヘッドとしてのインクジェットヘッド１を示す斜視図である。図２は、本発明の実施形態に係る液体吐出ヘッド用基板としてのインクジェットヘッド用基板１００の熱作用部１０８付近の模式的平面図である。図３は、図２におけるＩＩ−ＩＩ線に沿って基板を垂直に切断したインクジェットヘッド１を示す模式的断面図である。

図３に示すように、インクジェットヘッド用基板１００は、シリコンの基体１０１上に、熱酸化膜やＳｉＯ膜やＳｉＮ膜等からなる蓄熱層１０２を有し、蓄熱層１０２上にＴａＳｉＮ等の材料からなる発熱抵抗層１０４を有する。インクジェットヘッド用基板１００は、発熱抵抗層１０４上に、Ａｌ、Ａｌ−ＳｉまたはＡｌ−Ｃｕ等の金属材料からなる電極配線層１０５を有する。電極配線層１０５はその一部が除去されて一対の電極が形成されており、その一対の電極の間の部分の発熱抵抗層１０４が露出している。この部分によって、インクを吐出するための熱エネルギーを発生する電気熱変換素子（熱エネルギー発生素子）としての発熱部１０４ａが構成される。

電極配線層１０５と一対の電極から露出する発熱抵抗層１０４との上には下部保護層１０６が設けられており、この下部保護層１０６は、ＳｉＯ膜，ＳｉＮ膜等からなり、絶縁保護層としても機能する。電極配線層１０５は駆動素子回路ないし外部電源端子に接続され、外部からの電力供給を受ける。なお、発熱抵抗層１０４と電極配線層１０５の上下を入れ替えた構成でもあってもよい。

１０７ａは下部保護層１０６の上側に設けられた上部保護層（上部保護膜）である。この上部保護層１０７ａは、発熱部１０４ａの発熱に伴う化学的および物理的作用から発熱部１０４ａを守るための層である。上部保護層１０７ａは、例えばＩｒ，Ｒｕ，Ｐｄ，Ｐｔの少なくとも一つを含む金属材料で形成される。また、上部保護層１０７ａのうちの、発熱部１０４ａの上に位置する部分が、インクに接触して熱エネルギーを付与する熱作用部１０８（熱作用面）となる。

下部保護層１０６と上部保護層１０７ａとの間には中間層１０９ａが設けられている。この中間層１０９ａは上部保護層１０７ａと外部との電気接続に用いられる電極端子１１１とを電気的に接続する配線部を構成しており、導電性を有する材料で形成される。具体的には、上部保護層１０７ａは、中間層１０９ａ、下部保護層１０６に形成されたスルーホール１１０を介して電極配線層１０５と電気的に接続されている。電極配線層１０５はインクジェットヘッド用基板１００の端部まで延在しており、その端部が下部保護層１０６から露出して電極端子１１１を構成している。本実施形態では、中間層１０９ａはＴａ膜で形成されており、下部保護層１０６と上部保護層１０７ａとの密着性を向上する効果もある。

また、流路内には、上部保護層１０７ａと同じ成膜工程で形成され、上部保護層１０７ａとは異なる電極端子１１１に接続された電極１０７ｂが設けられている。すなわち、電極１０７ｂは、異なる電極端子１１１を介して上部保護層１０７ａとの間に電圧を印加可能な構成となっている。また、この電極１０７ｂと下部保護層１０６との間には、中間層１０９ａと同じ成膜工程で形成された中間層１０９ｂが設けられている。

図１、図３に示すように、インクジェットヘッド用基板１００の上側には流路部材１２０が設けられ、インクジェットヘッド１が形成される。流路部材１２０にはインクを吐出する吐出口１２１が形成されており、インクジェットヘッド１では吐出口１２１と熱作用部１０８とが互いに対応する位置に設けられている。

また、流路部材１２０には流路を形成する流路壁１２２が設けられており、インクジェットヘッド用基板１００と流路部材１２０との間に流路が形成されている。インクジェットヘッド用基板１００にはインクを供給する供給口１０３が形成されており、供給口１０３の両側に熱作用部１０８の列が設けられている。

供給口１０３から供給されたインクが流路を通って熱作用部１０８上に供給され、熱作用部１０８から付与された熱によってインクに気泡が生じ、吐出口１２１からインクが吐出される。

（液体吐出装置）
図４は本実施形態における液体吐出装置としてのインクジェットプリンタの一例を示す概略斜視図である。

インクジェットプリンタは、ケーシング１００８内に記録媒体としての用紙１０２８を、矢印Ｐ方向に間欠的に搬送する搬送装置１０３０を含む。この他、インクジェットプリンタは、用紙１０２８の搬送方向Ｐに直交する方向Ｓに平行に往復運動せしめられ、インクジェットヘッド１を有する記録部１０１０と、該記録部１０１０を往復運動させる駆動手段としての移動駆動部１００６とを含んで構成される。

搬送装置１０３０は、互いに平行に対向配置される一対のローラユニット１０２２ａおよび１０２２ｂと、一対のローラユニット１０２４ａおよび１０２４ｂと、これらの各ローラユニットを駆動させる駆動部１０２０とを備えている。駆動部１０２０が作動すると、ローラユニット１０２２ａおよび１０２２ｂと、ローラユニット１０２４ａおよび１０２４ｂと、により用紙１０２８は狭持されて、Ｐ方向に間欠送りで搬送される。

移動駆動部１００６は、ベルト１０１６と、モータ１０１８とを有する。ベルト１０１６は、回転軸に所定の間隔をもって対向配置された、プーリ１０２６ａおよび１０２６ｂに巻きかけられ、ローラユニット１０２２ａおよび１０２２ｂに平行に配置される。モータ１０１８は、記録部１０１０のキャリッジ部材１０１０ａに連結されるベルト１０１６を順方向および逆方向に駆動させる。

モータ１０１８が作動し、ベルト１０１６が矢印Ｒ方向に回転すると、キャリッジ部材１０１０ａは矢印Ｓ方向に所定の移動量だけ移動する。また、ベルト１０１６が矢印Ｒ方向とは逆方向に回転すると、キャリッジ部材１０１０ａは矢印Ｓ方向とは反対の方向に所定の移動量だけ移動する。さらに、キャリッジ部材１０１０ａのホームポジションとなる位置に、記録部１０１０の吐出再生処理を行うための再生ユニット１０２６が、記録部１０１０のインクを吐出する面に対向して設けられる。

記録部１０１０は、キャリッジ部材１０１０ａに対して着脱自在に備えられたカートリッジ１０１２を有している。カートリッジは、例えばイエロー，マゼンタ，シアンおよびブラックごとにそれぞれ、１０１２Ｙ，１０１２Ｍ，１０１２Ｃおよび１０１２Ｂと、各色設けられている。

（第１の実施形態）
上記のように構成されたインクジェットヘッド１の第１の実施形態の上部保護層１０７ａの再生方法について説明する。本実施形態は、所定期間使用されたインクジェットへッド１にめっき処理を行うことで、上部保護層１０７ａを再生するものである。図５は本実施形態のインクジェットヘッド１の再生手順を示すフローチャートである。

まず、ステップ３０１において、インクジェットヘッド１からインクを取り除く。予めインクを取り除いておくことにより、後の工程で供給する金属を含む電解液の置換を効率良く行うことが出来る。また、インクを取り除いて別の場所に貯留しておくことで、インクに金属を含む電解液が混合されないので、インクを再利用することができる。ステップ３０１が完了した状態を図６（ａ）に示す。

次に、ステップ３０２において、インクジェットヘッド１に金属を含む電解液２００（めっき液）を供給する。この工程により、電解液２００を介して流路内に設けられた電極１０７ｂと上部保護層１０７ａが導通可能な状態になる。

次に、ステップ３０３において、例えばインクジェットプリンタ本体に設けられた電圧印加手段２０１によって、上部保護層１０７ａを陰極、電極１０７ｂを陽極として両者の間に電位差を生じさせ、金属を含む電解液２００に電流を流す。この工程により、上部保護層１０７ａ上には電解液２００に含まれる金属が析出する。ステップ３０３の状態を図６（ｂ）に示す。なお、電圧印加手段２０１は模式的に示しているが、実際には、上部保護層１０７ａ、電極１０７ｂに夫々接続された電極端子１１１を介して電圧を印加する。

次に、ステップ３０４において、インクジェットヘッド１から金属を含む電解液２００を取り除く。これにより、後の工程で再び充填するインクの置換を効率良く行うことが出来る。

最後に、ステップ３０５において、インクジェットヘッド１にインクを供給し、インクジェットヘッド１が再びインクを吐出できる状態となる。

（実施例１〜実施例４）
第１の実施形態を適用した実施例１〜実施例４について評価を行った。

実施例１〜実施例４では、それぞれ表１に示す材料を用いて約５０ｎｍの上部保護層１０７ａを形成した。その後、インクジェットヘッド１をインクＢＣＩ−７ｅＣ（キヤノン株式会社製、ｐＨ９程度）で満たし、電圧２０Ｖおよび幅１．５μｓの駆動パルスを周波数５ｋＨｚで５．０×１０^８回発熱部１０４ａに印加し、吐出評価試験を行った。各実施例では、上部保護層１０７ａの厚さが減少していることが確認できた。また、この状態のインクジェットヘッド１を用いて記録を行うと、所望の位置にインクが着弾されず、記録品位が低下していることが確認された。表１には、評価試験によって減少された膜厚の減少量についても示す。

次に、図５に示した第１の実施形態のインクジェットヘッド１の再生方法によって、各実施例の上部保護層１０７ａの再生処理を行った。表１に示した各実施例の上部保護層１０７ａを形成する金属を含む電解液をインクジェットヘッド１に充填し、上部保護層１０７ａが陰極、電極１０７ｂが陽極となるようにＤＣ電圧を印加した。表１には、その際、上部保護層１０７ａと電極１０７ｂとの間に流れる電流の電流密度及び電圧を印加する時間についても示す。

その後、再生処理に用いた電解液をインクジェットヘッド１から取り除き、再びインクを充填し、各実施例のインクジェットヘッド１を用いて記録を行うと、所望の位置にインクが着弾されていることが確認された。

（第２の実施形態）
本実施形態では、第１の実施形態に加え、再生工程の後に熱処理工程を行うものである。図７は本実施形態のインクジェットヘッド１の再生手順を示すフローチャートである。

上部保護層１０７ａの再生を行い、金属を含む電解液をインクジェットヘッド１から取り除いた後に、ステップ４０１において、発熱抵抗層１０４に通電を行い、所定の時間発熱部１０４ａを発熱させる。このように熱処理を行うことで再生された上部保護層１０７ａの膜質が改善され、吐出回数をより増やすことができるため好ましい。

（実施例５〜実施例７）
第２の実施形態を適用した実施例５〜実施例７について評価を行った。

本実施例では、実施例１と同様に上部保護層１０７ａをＩｒで形成し、吐出評価試験、再生処理の際の電流密度や時間についても実施例１と同様とした。

その後、実施例５〜実施例７では、発熱部１０４ａの温度をそれぞれ表２に示す温度となるように発熱抵抗層１０４に通電を行い、３０分間温度を保持することで熱処理を行った。

熱処理工程の後、インクジェットヘッド１に再びインクを充填し、記録を行った。記録品位の低下が確認されるまでの吐出回数と熱処理温度の間に相関が見られた。表２に、熱処理温度と記録品位の低下が確認された吐出回数の関係を示す。

このように、熱処理温度が高いほど、記録品位の低下が確認されるまでの吐出回数が多くなることが分かった。熱処理を行うことで上部保護層１０７ａの結晶性が向上するためと考えられる。なお、熱処理温度を４００℃より高くすると、Ａｌ、Ａｌ−ＳｉまたはＡｌ−Ｃｕ等の材料からなる電極配線層１０５に影響を及ぼす可能性がある。したがって、熱処理の際の温度は２００℃以上４００℃以下であると好ましい。

（第３の実施形態）
上述の実施形態は、インクジェットヘッド１の流路内に設けられた電極１０７ｂを用いて上部保護層１０７ａの再生を行うものであるが、本実施形態では、インクジェットヘッド１の外部に設けられた電極を用いて上部保護層１０７ａの再生を行う。

図８は本実施形態のインクジェッヘッド１及びその再生処理を説明するための図である。また、図９は、本実施形態のインクジェットヘッド１の再生手順を示すフローチャートである。

図８に示すように、本実施形態では、インクジェットヘッド１が搭載されるインクジェットプリンタ本体に設けられた電極装置５００内の電極５０２を用いる。電極装置５００は、インクジェットヘッド１の吐出口１２１を覆うキャップ５０１を有しており、そのキャップ５０１の内部には、多孔質の電極５０２が設けられている。

図９のステップ６０１において、電極５０２が上部保護層１０７ａの面と沿って互いに対向するように電極装置５００をインクジェットヘッド１に取り付ける。その後、電圧印加手段２０１によって上部保護層１０７ａと電極５０２との間に電圧を印加し、上部保護層１０７ａの再生処理を行い、ステップ６０２において電極装置５００をインクジェットヘッド１から取り外す。

本実施形態を適用した場合についても実施例１と同様に上部保護層１０７ａをＩｒで形成し、吐出評価試験、再生処理の際の電流密度や時間といった条件についても実施例１と同様として、その効果を確認した。上部保護層１０７ａの再生処理後には所望の位置にインクが着弾され、吐出評価試験によって低下した記録品位が改善されたことが確認された。

１ インクジェットヘッド（液体吐出ヘッド）
１００ インクジェットヘッド用基板（液体吐出ヘッド用基板）
１０４ａ 発熱部（電気熱変換素子）
１０６ 下部保護層（絶縁保護層）
１０７ａ 上部保護層（上部保護膜）
１２０ 流路部材
２００ 電解液

Claims (8)

1. 液体を吐出するための熱エネルギーを発生する熱エネルギー発生素子と、前記熱エネルギー発生素子を覆う絶縁保護層と、前記絶縁保護層の、前記熱エネルギー発生素子に対応する位置に設けられ、液体に接する面を備えた上部保護膜と、を有する液体吐出ヘッド用基板と、
   吐出される液体を前記上部保護膜の前記面の上に供給する流路を前記液体吐出ヘッド用基板との間に形成する流路部材と、
   を有する液体吐出ヘッドの再生方法において、
   金属を含む電解液を前記流路に充填し、前記上部保護膜との間に電圧を印加可能な電極と、前記上部保護膜との間を電解液で満たす工程と、
   前記上部保護膜と前記電極との間に電圧を印加し、電解液に含まれる前記金属を前記上部保護膜の前記面の上に析出する工程と、
   を有することを特徴とする液体吐出ヘッドの再生方法。
2. 前記電解液で満たす工程の前に、吐出される液体を前記流路から除去する工程を有する、請求項１に記載の液体吐出ヘッドの再生方法。
3. 前記析出する工程の後に、電解液を前記流路から除去し、吐出される液体で前記流路を満たす工程を有する、請求項１または請求項２に記載の液体吐出ヘッドの再生方法。
4. 前記析出する工程の後に、前記熱エネルギー発生素子に通電して前記上部保護膜に熱処理を行う工程を有する、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッドの再生方法。
5. 前記熱処理を行う工程では、前記熱エネルギー発生素子の温度を２００℃以上４００℃以下とする、請求項４に記載の液体吐出ヘッドの再生方法。
6. 前記電極は前記流路内に設けられている、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッドの再生方法。
7. 前記電極は液体吐出ヘッドが搭載される液体吐出装置に設けられている、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッドの再生方法。
8. 前記上部保護膜は、Ｉｒ，Ｒｕ，Ｐｄ，Ｐｔのうちの少なくとも一つを含む材料で形成されている、請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッドの再生方法。