(57)【要約】【課題】腐食性液体を含む広範囲液体を噴射できるインクジェットプリンタのインクジェットヘッド接液部の耐食性向上に寄与できる表面処理法を開発するのが本発明の課題である。【解決手段】腐食性液体を含む広範囲液体を噴射できるインクジェットインクジェットヘッド接液部の耐食性向上に寄与できる表面処理法として、耐食性のクローム窒化物層を拡散浸透法を用いて形成する表面処理法を採用した。この化合物層によってピンホールレスで膜剥離のない高耐食性インクジェットプリンタを提供する。【選択図】　　　　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
クロームを含有する金属又はステンレス鋼で構成されたインクジェットヘッド及び／または当該インクジェットヘッドへ液体を供給する配管の壁面に窒素とクロームからなるＣｒＮｘ化合物相が形成されていることを特徴とするインクジェットプリンタ。
【請求項２】
前記化合物相のＣｒＮｘの組成のうち、Ｘが０．２から２．０の範囲であることを特徴とする請求項１記載のインクジェットプリンタ。
【請求項３】
前記ＣｒＮｘ化合物層には構成元素が拡散している拡散層が形成されていることを特徴とする請求項１記載のインクジェットプリンタ。
【請求項４】
前記ＣｒＮｘ化合物層の厚みが０．１μｍ以上であることを特徴とするインクジェットプリンタ。
【請求項５】
請求項１記載のインクジェットプリンタにおいて、
前記ＣｒＮｘ化合物相が、反応ガスとして窒素、アンモニアから選ばれた単一ガスまたは混合ガス及びキャリヤガスとして不活性ガスであるアルゴン、水素から選ばれた単一又は混合ガスからなる雰囲気中で、５００から６５０℃で処理を施されることにより形成されることを特徴とする請求項１記載のインクジェットプリンタの液路面処理方法。
【請求項６】
請求項１記載のインクジェットプリンタにおいて、
前記インクジェットヘッドは所定の形状に流路形成された複数からなる金属薄板を拡散接合若しくは直接接合により積層した後、前記ＣｒＮｘ化合物層が形成されることを特徴とするインクジェットプリンタの液路面処理方法。
【請求項７】
請求項１記載のインクジェットプリンタにおいて、
前記配管を内外層同時に処理することを特徴とするインクジェットプリンタの液路面処理方法。
【請求項８】
請求項６記載のインクジェットプリンタの液路面処理方法において、
インクジェットヘッドを構成する金属薄膜の非処理面に保護膜を形成した後、接液する表面のみにＣｒＮｘ化合物層を形成する工程と、保護膜を剥離する工程とを含むことを特徴とするインクジェットプリンタの液路面処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インクジェットプリンタに関し、更に詳しくはインクジェットインクジェットヘッドの内壁もしくは液体供給排出管内壁等の接液部材の耐食性を向上させて長寿命化を可能とする表面処理に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
インクジェットプリンタは民生用として急速な成長をとげている。このように多くのユーザに受け入れられると、単に鉛筆代わりのプリンタとしてではなく微小液滴吐出器としての潜在能力をひきだすべく種々の可能性を求めて探索が始まる。その用途の１つとして腐食性の強い液体を噴射させたいニーズがでてきた。しかし、従来のインクジェットヘッドでは耐食性に難点があることがわかってきた。
【０００３】
この対策として、腐食性の強い液体でも噴射させ得るように、接液部材をステンレスで構成するインクジェットヘッドが提案されているが、材料が不均一のためアノード部、カソード部が形成されるいわゆる局部電池形成による腐食、または非酸化性雰囲気（ＨＣｌ溶液のように分子に酸素原子を含まない溶液の中に浸された状態）での酸化物を主成分とするステンレス保護膜の還元による分解による腐食が懸念される。
【０００４】
そこで、例えば特開平０８−８０６１０号公報には、インクジェットヘッドの接液部分に耐食性をもたせるために保護膜として有機皮膜をコートする方法が検討されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術においても一定の効果を得ることは可能である。しかし、有機皮膜でインクジェットヘッドの接液部分を被覆する場合、薄膜形成に固有の「ピンホール発生」あるいは「膜剥離」という不安がつきまとい、より一層の信頼性を確保するためには更なる工夫が必要となっている。
【０００６】
そこで、本発明においては、インクジェットインクジェットヘッドの接液部分の耐食性を向上させる内面処理を提供することを課題とする。また、安価で、かつピンホール膜剥離等がなく耐久性の高い内面処理法を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に記載の発明は、クロームを含有する金属又はステンレス鋼で構成されたインクジェットヘッド及び／または当該インクジェットヘッドへ液体を供給する配管の壁面に窒素とクロームからなるＣｒＮｘ化合物相が形成されていることを特徴とする。
【０００８】
本発明の請求項２に記載の発明は、前記化合物相のＣｒＮｘの組成のうち、Ｘが０．２から２．０の範囲であることを特徴とする。
【０００９】
本発明の請求項３に記載の発明は、前記ＣｒＮｘ化合物層には構成元素が拡散している拡散層が形成されていることを特徴とする。
【００１０】
本発明の請求項４に記載の発明は、前記ＣｒＮｘ化合物層の厚みが０．１μｍ以上であることを特徴とする。
【００１１】
本発明の請求項５に記載の発明は、前記ＣｒＮｘ化合物相が、反応ガスとして窒素、アンモニアから選ばれた単一ガスまたは混合ガス及びキャリヤガスとして不活性ガスであるアルゴン、水素から選ばれた単一又は混合ガスからなる雰囲気中で、５００から６５０℃で処理を施されることにより形成されることを特徴とする。
【００１２】
本発明の請求項６に記載の発明は、前記インクジェットヘッドは所定の形状に流路形成された複数からなる金属薄板を拡散接合若しくは直接接合により積層した後、前記ＣｒＮｘ化合物層が形成されることを特徴とする。
【００１３】
本発明の請求項７に記載の発明は、前記配管を内外層同時に処理することを特徴とする。
【００１４】
本発明の請求項８に記載の発明は、インクジェットヘッドを構成する金属薄膜の非処理面に保護膜を形成した後、接液する表面のみにＣｒＮｘ化合物層を形成する工程と、保護膜を剥離する工程とを含むことを特徴とする。
【００１５】
材質にステンレス鋼を用いる場合、耐食性を示す不働態膜はクロームの酸化物から構成されている。この膜は酸化性雰囲気では極めて安定であるが非酸化性雰囲気では必ずしも安定ではなく、しばしば腐食という問題を引き起こす。その対策として酸化物よりより安定なクローム窒化物（以下総称としての場合はＣｒＮと略す）を保護膜として提案した。前記化合物は通常の酸化物（例えばステンレス表面に常温で自然に成長する不働態膜であるクローム酸化物）と異なり常温では成長しない。従って、一般にはＣｒＮ膜形成法としてＣｒを窒素雰囲気中でスパッタして形成するスパッタリング法やメッキ法を用いる。しかしこれらの方法には膜中にピンホール発生又は基板からの膜剥離という欠陥を伴いやすく本発明にかかわる形成法としては信頼性に難がある。これらの欠点を解決する方法として内壁構成元素を、ガスと反応させて耐食性反応物を形成させる方法を提案した。本処理法で従来ある内壁材に新たに異質の材料を付加する必要がないので膜剥離が起こらず更に母材とコート層間に濃度傾斜がつくので急激な機械的特性の変化を防止でき、密着性が向上する。また、ガスで反応させるので緻密な反応物を均一に成長させ得るので、膜成長にまとわりつく成長欠陥（ピンホール）がなくなる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について図面を用いて説明する。
〔実施例１〕
図１はインク流路を形成したインクジェットヘッド１の概略断面図である。図において、インクは、矢印Ａのように、図示しないインクタンクより共通インク室を経て流路７内に流入される。流路７はインクで満たされており、圧電素子９に電圧を印加して圧電素子を変位させると、圧電素子９と連結されたダイアフラムプレート５が追従して変位し、これによって流路７内のインクが加圧される。加圧されたインクはオリフィス１０から吐出し、図示しない記録用紙上にインク滴が付着して、画像が形成される。
【００１７】
このインクジェットヘッド１は、オリフィスプレート２、インク室プレート３、リストリクタプレート４、ダイアフラムプレート５及びハウジングプレート６が夫々拡散接合により接合され、流路７を形成している。これら各種プレート材料には耐食性の高いステンレス鋼（ＳＵＳ３１６Ｌ）用いている。また、振動板の流路７と対向する位置には駆動素子として圧電素子１１が装着されている。なお、本例では各プレート同士を拡散接合法によって接合したが、近年、マイクロマシーン分野で開発されている水素結合を利用したり、または表面を清浄化して接合する直接接合法でもその効果は同一である。更に、上述した構成に加え、本発明においては、インクとの接液部分（流路７の内壁面）に窒素とクロームよりなる化合物相、具体的にはＣｒＮｘ化合物層を形成している。
【００１８】
なお、上記例ではステンレス鋼を使用しているが、クロームを含有する金属であれば本発明の効果は期待できる。
【００１９】
以下、本発明の内面処理方法について説明する。
【００２０】
まず、オリフィスプレート２、インク室プレート３、リストリクタプレート４、ダイアフラムプレート５及びハウジングプレート６を夫々拡散接合して流路７を形成し、この流路７内に有機溶剤（アセトン、イソプロピールアルコール等）を流して脱脂する。次に、表面に生成するＣｒＮｘ化合物層の厚みと構造を決定するため、窒素雰囲気中で４５０℃から７００℃で１０〜６００分間処理を施し、インクジェットヘッド１の内壁にクローム窒化物層７を生成させる。最後に、圧電素子８を接着し、インクジェットヘッドを完成させる。
【００２１】
上記方法によって形成されたインクジェットヘッドを断面切断した後、オージェ分析法で窒素の分布状態を測定した。その結果を図２に示す。
【００２２】
図２からわかるように、本処理方法を用いれば、反応生成物は内壁の厚み方向に漸減して存在している。このことは反応生成物と基板との境界がなくなることを意味し、これによって反応性生物と基板とが強固に結びつき膜剥離が生じなくなる利点を有する。
【００２３】
また、図２から処理温度が４５０℃では表面に生成する窒化物の濃度が少なく効果が不充分であることがわかる。一方、処理温度は５００℃以上であれば効果がでるが、７００℃以上ではインクジェットヘッドが処理後、変形するという問題が発生した。これはインクジェットヘッドの材質の熱歪による変形がその理由である。従って、処理温度は６５０℃以下が適切であることがわかった。
【００２４】
なお、Ｘ線回折法でクロム窒化物を分析し、構造がＣｒＮ及びＣｒＮ２からなる結晶粒が成長することが確認された。また、本発明では反応ガスとして窒素を用いているが、キャリヤガスとしてアルゴンガスを用いたアルゴンガス＋１０％アンモニアガス混合ガス、更には水素ガスを１０％添加した混合ガスを用いても同様な結果が得られた。
【００２５】
続いて、本発明の内面処理方法にて形成されるＣｒＮｘの組成と強酸（１規定硫酸水溶液、２５℃）に浸漬した場合の腐食試験を進めた。結果を図３に示す。腐食速度は無処理のステンレス鋼（ＳＵＳ３１６Ｌ）の場合を１として規格化した。図３からわかるように、反応層が形成されると共に耐食性を示し、ｘ＝０．２以上で実用上問題無い程度の耐食性を示す。
【００２６】
なお、上記数値（０．２）が得られる処理条件は多数考えられるが、以後の例では５５０℃、６０ｍｉｎを代表的条件に設定する。
【００２７】
次に、生成するＣｒＮｘの膜厚と室温の強酸（１規定の硫酸水溶液）に浸漬した場合の腐食試験を進めた。結果を図４に示す。腐食速度は無処理のステンレス鋼（ＳＵＳ３１６Ｌ）の場合を１として規格化した。図４からわかるように、反応層が厚くなると共に耐食性を示し、０．１μｍ以上で実用上問題無い程度の耐食性を示す。〔実施例２〕
本例では、インク流路を形成するパイプ１０と接続継ぎ手９の内壁及び外壁を処理した。腐食性の強い液体と接する部材には本発明の処理を施すことは信頼性を確保する上から重要である。材料にはステンレス鋼（ＳＵＳ３１６Ｌ）を用いた。まず、前記材料を脱脂した後、窒素雰囲気中で５５０℃、６０分間処理を施した。これらのインクジェットヘッドを断面切断した後、オージェ分析法で窒素の分布状態を測定し、結果は先に示した図２の５５０℃、６０分処理した場合と同一であることを確認した。なお、本例では内外壁を処理したが、腐食性液の飛抹が外壁を汚さなければ、内壁のみを処理しても目指す効果は同一である。
〔実施例３〕
本例では実施例２と同様にインク流路を形成する配管（パイプ）１０と接続継ぎ手９の内壁及び外壁を処理したが、予め図１に示したインクジェットヘッドと前記パイプ１０及び接続継ぎ手９を接続した後に、処理工程を進めた。まず前記材料を脱脂した後、窒素雰囲気中で５５０℃、６０分間処理を施した。これらのインクジェットヘッドを断面切断した後、オージェ分析法で窒素の分布状態を測定した。結果は実施例１の５５０℃、６０分処理した場合と同一であった。
〔実施例４〕
本例では不必要な部分への処理を防止するためのマスク材について検討した。具体的には、オリフィスプレート２の表面には通常撥水膜（層）がコートされるため、必ずしも本処理を必要としない。そこで、前記プレートにＣｕメッキを０．５μｍ施した後、前記材料を脱脂し、窒素雰囲気中で５５０℃、６０分間処理を施した。その後、Ｃｕメッキ膜を剥離剤で除去し、表面に反応生成物が成長しているか否かオージェ分光法で分析した。その結果、ＣｒＮは成長しておらず、Ｃｕメッキ膜がマスク材として適合することがわかった。そこで、オリフィスプレート２に撥水膜を通常多用されるデッピング、スピンコート、真空蒸着、気相成長法、無電解めっきを含む電気めっき等の手法によりコートしたインクジェットヘッドに本発明の処理を適用しても問題ないことが確認された。
〔実施例５〕
本例では実施例１〜４で処理したインクジェットヘッドに圧電素子１１を取り付けて、噴射実験を進めた。なお、噴射液体はｐＨが１．５の強酸を主成分とし、粘度、表面張力を噴射可能なレベルまで添加剤にて調整した。噴射液滴を観測したところ、駆動周波数２０ｋＨｚ，駆動電圧１５Ｖで液滴速度１０ｍ／ｓで噴射できた。しかも、液滴の直進性に何ら影響を及ぼさないことが確認された。そこで、連続噴射試験を進めたところ、１０００億回、及び１年間後でも初期性能を満足した。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、数１０μｍの狭い流路内壁に、内壁構成元素をガスと反応させて耐食性反応物を形成させるため、膜剥離が起こらず、更に母材とコート層間に濃度傾斜がつくので急激な機械的特性の変化を防止でき、密着性が向上する。また、ガスで反応させるので緻密な反応物を均一に成長させ得るので、メッキまたは膜成長にまとわりつく成長欠陥（ピンホール）がない高信頼性の耐食性インクジェットヘッドを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】インクジェットヘッドの断面図である
【図２】本処理温度と板厚み方向の反応生成物の濃度分布図である。
【図３】本発明材の組成と耐食性の関係図である。
【図４】本発明材の厚みと耐食性の関係図である。
【符号の説明】
１はインクジェットヘッド、２はオリフィスプレート、３はインク室プレート、４はリストリクタプレート、５はダイアフラムプレート、６はハウジングプレート、７はインク流路、８はＣｒＮ反応生成物層、９は継ぎ手部、１０は配管である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2004066510.tif 000006