JP2000226570A

JP2000226570A - 撥水性構造体、その製造方法、インクジェット記録ヘッド及びインクジェット記録装置

Info

Publication number: JP2000226570A
Application number: JP11026786A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Karasawa; 康史柄沢; Mitsuaki Atobe; 光朗跡部
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1999-02-03
Filing date: 1999-02-03
Publication date: 2000-08-15

Abstract

(57)【要約】【課題】撥水性が長期間に渡って持続される撥水性構
造体を提供する。【解決手段】本発明の撥水性構造体１００は、基材１
１表面に形成された凹凸構造（凹部１７、凸部１８）を
有する撥水性構造体であって、この凹凸構造表面に撥水
膜１９が形成され、この撥水膜の膜厚が１０ｎｍ以上で
ある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、撥水性構造体、そ
の製造方法、インクジェット記録ヘッド及びインクジェ
ット記録装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】電子機器を含む各種製品において、各種
の撥水剤、撥水処理が、液滴付着防止や汚染防止のため
に開発され用いられている。そして、インクジェット記
録装置においては、撥水処理はインクジェット記録ヘッ
ドの印字品質を左右する極めて重要な表面処理となって
いる。

【０００３】インクジェット記録装置のインクとして水
性または油性のインクを用いる場合、インクジェット記
録ヘッドのノズル表面の撥水性が不十分であると、イン
クの液滴が付着し易くなり、その結果吐出されるインク
滴の直進性が損なわれ、印字乱れなどのトラブルが生じ
易くなる。また、インクジェット記録ヘッドのインク吐
出面の構成材料は、ガラス、金属などが用いられてお
り、インクに濡れ易い性質があり、上記トラブルが生じ
易い状況にあるといえる。そのため、これらのインク付
着を防止することを目的として、撥水処理が施される。

【０００４】撥水処理には、水の接触角が１２０度を越
える、インクジェット記録ヘッドに対して理想的な撥水
処理（超撥水処理）があり、フッ素化学入門，日刊工業
新聞，１９９７年３月１日発行，５９頁１０行目〜６３
頁６行目に記載されているように、ニッケル膜へフッ素
原子密度を高めたポリフルオロエチレン微粒子を分散さ
せた共析メッキ法や、関西ペイントの商品名「カンペニ
レックス」のような表面形状を設計して超撥水を実現さ
せた塗装法が知られている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
超撥水処理法には、次のような問題点があった。

【０００６】（１）インクジェット記録装置のインク
は、色素の安定分散性及び紙への浸透性を向上させるた
め、種々の界面活性剤が添加されている。共析メッキ法
では、これらの界面活性剤がニッケル面へ吸着するた
め、長期間印字させた場合にはインク濡れによる品質低
下が起きる場合がある。

【０００７】（２）インクジェット記録装置は、ヘッド
表面に付着した紙粉や外来の汚染物質をクリーニングす
るためゴム擦り操作がある。従来の超撥水塗装法は本操
作によって塗膜が剥がれるため、品質低下が起きる場合
がある。

【０００８】本発明は、以上の問題点を解決するもので
あり、撥水性が長期間に渡って持続される撥水性構造体
及びその製造方法、撥水特性に優れ長期間に亘って高い
印字品質を維持し得るノズルを有するインクジェット記
録ヘッド及び及びそのインクジェット記録ヘッドを搭載
したインクジェット記録装置を提供することを目的とし
ている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１の撥水性構造体
は、基材表面に形成された凹凸構造を有する撥水性構造
体であって、この凹凸構造の表面には撥水膜が形成さ
れ、この撥水膜の膜厚が１０ｎｍ以上であることを特徴
とする。このため、この撥水性構造体の撥水性が長期間
に渡って持続される。

【００１０】請求項２の撥水性構造体は、請求項１に記
載の撥水性構造体において、前記撥水膜の膜厚が１００
ｎｍ以上であることを特徴とする。このため、この撥水
性構造体の撥水性が長期間に渡って持続されることが保
証される。

【００１１】請求項３の撥水性構造体は、請求項１又は
２に記載の撥水性構造体において、前記撥水膜がフルオ
ロアルキルシラン化合物が前記基材に反応結合した膜で
あることを特徴とする。このため、基材と撥水膜とが強
固に化学結合されるので、この撥水性構造体の撥水性が
長期間に渡って持続されることがいっそう保証される。

【００１２】請求項４の撥水性構造体は、請求項１乃至
３のいずれかに記載の撥水性構造体において、前記凹凸
構造はフォトリソグラフィー法を用いて形成されてなる
ことを特徴とする。このため、安定的に凹凸構造を形成
することができ、この撥水性構造体の撥水性が長期間に
渡って持続されることがいっそう保証される。

【００１３】請求項５の撥水性構造体は、請求項１乃至
４のいずれかに記載の撥水性構造体において、前記基材
はシリコン、酸化シリコン又はガラスからなることを特
徴とする。このため、これらの水やインクに塗れ易い材
料においても、撥水性が長期間に渡って持続される。

【００１４】請求項６の撥水性構造体の製造方法は、前
記基材表面にフォトリソグラフィー法を用いて凹凸構造
を形成し、その後この凹凸構造の表面に膜厚が１０ｎｍ
以上の撥水膜を形成することを特徴とする。このため、
撥水性が長期に渡って持続される撥水性構造体を安定的
に製造することができる。

【００１５】請求項７の撥水性構造体の製造方法は、請
求項６に記載の撥水性構造体を製造する方法において、
前記凹凸構造の表面に形成される撥水膜の膜厚を１００
ｎｍ以上としたことを特徴とする。このため、撥水性が
さらに長期に渡って持続される撥水性構造体を製造する
ことができる。

【００１６】請求項８の撥水性構造体の製造方法は、請
求項６又は７に記載の撥水性構造体を製造する方法にお
いて、前記凹凸構造の表面にフルオロアルキルシラン化
合物を反応結合させて前記撥水膜を形成することを特徴
とする。このため、基材と撥水膜とが強固に化学結合さ
れるので、撥水性がさらに長期に渡って持続される撥水
性構造体を製造することができる。

【００１７】請求項９のインクジェット記録ヘッドは、
インク吐出面に撥水性能を付与したインクジェット記録
ヘッドにおいて、インク吐出孔以外の前記インク吐出面
が、請求項１乃至５に記載の撥水性構造体から構成され
ていることを特徴とする。このため、このインクジェッ
トヘッドは、撥水特性に優れ長期間に亘って高い印字品
質を維持することができる。

【００１８】請求項１０のインクジェット記録装置は、
請求項９に記載のインクジェット記録ヘッドを搭載した
ことを特徴とする。このため、このインクジェット記録
装置、長期間に亘って高い印字品質を維持することがで
きる。

【００１９】

【発明の実施の形態】（実施形態１）図１は、本発明の
実施形態１に係る撥水性構造体の説明図である。同図に
おいて、撥水性構造体１００はシリコン基板１１の表面
に凹部１７及び凸部１８からなる凹凸構造が形成され
る。そして、シリコン基板１１の表面に形成されたこの
凹部１７には空気層２０が生成される。

【００２０】図２は撥水機能が発揮されているときの水
の接触角の説明図である。同図に示されるように、撥水
機能が発揮されるためには、水の接触角θが１２０度以
上（インク液滴の場合には９０度以上）であることが必
要である。図１の撥水性構造体１００は、水の接触角θ
が１２０度以上となり撥水機能を発揮するためには、凹
部１７の大きさが、液滴２１が凹部１７に落ち込むこと
なく、空気層２０と接することができるサイズであるこ
とが必要である。

【００２１】図３は図１の凹部１７及び凸部１８の寸法
についての説明図である。同図において、Ａは突起幅
（マスク設計による）、Ｂは溝幅（マスク設計によ
る）、Ｃは加工量（深さ・エッチング時間による）、Ｄ
は側壁角度（エッチング条件による）である。この撥水
性多孔構造体をインクジェット記録ヘッドに適用する場
合には、インク滴の直径が１０μｍくらいであるため、
上記のＡ，Ｂはその直径との関係から自ずと規制され
る。また、上記Ｃもインク滴が底面に接触することのな
いようある程度の深さが必要である。このため、上記の
Ａ，Ｂについては、０．２〜５００μｍ、０．５〜３０
μｍ、更に望ましくは１〜１０μｍの範囲に規定され
る。また、上記のＣについては、１μｍ以上、３μｍ以
上、更に望ましくは５μｍ以上の深さに規定される。凸
部の高さの均一性は、耐擦傷性の観点から、Ａ、Ｂの値
の０．５倍以内、０．３倍以内、更に望ましくは０．１
倍以内に規定される。

【００２２】図４は図１の撥水性構造体１００の平面図
である。同図（Ａ）は凸部１８が規則的に分布配置され
た例であり、同図（Ｂ）は凸部１８がライン状に配置さ
れた例であり、同図（Ｃ）は凸部１８が格子状に配置さ
れた例である。なお、同図（Ａ）は、凸部１８が四角柱
であるが、これは三角柱、五角柱、六角柱、円柱などの
各種柱または錘であっても良い。

【００２３】（実施形態２）図５は、本発明の実施形態
２に係るインクジェット記録ヘッドの分解斜視図であ
る。このようにインクジェット記録ヘッドは、第１プレ
ート１と第２プレート２を積層した構成により、インク
の供給部３、静電気により振動する静電振動板、ＰＺＴ
などの圧電振動子などの振動板の振動により、又は発熱
体の発熱により、インクを吐出する圧力室４及びインク
が通過する流路５を形成しており、第２プレート２には
流路５と垂直方向にノズル孔６が形成されている。そし
て、第２プレートの表面には図１の構造体が形成されて
おり、その表面には撥水膜が形成されている。

【００２４】図６は、第２プレート２の表面に撥水性構
造体を形成するための製造工程を示した断面図であり、
図７は表面に撥水性構造体が形成された第２プレート２
の上面図である。これらの図６及び図７によって、シリ
コン基板の表面をフォトリソグラフィー法及びドライエ
ッチング法を用いて加工して撥水性構造体を形成する場
合について説明する。

【００２５】まず、結晶方位（１００）の４インチサ
イズの単結晶シリコンウエハを第２プレート２の製造基
板として用意し、図６（ａ）に示されるように、熱酸化
法を用いて、単結晶シリコン基板１１の少なくとも一方
の面に約１００ｎｍのシリコン酸化膜１２を形成する。

【００２６】次に、図６（ｂ）に示されるように、東
京応化株式会社製の感光性樹脂ＯＦＰＲ−８００（粘度
３０ｃｐｓ）を単結晶シリコン基板１１のシリコン熱酸
化膜１２上へ約２ｍｌ滴下し、１分間に５０００回転の
速度で３０秒間スピンコートし、感光性樹脂層１３を形
成する。このスピンコート条件によって、感光性樹脂を
平均膜厚約１μｍ、ウエハ面内ばらつき１０％で塗布す
ることができる。なお、塗布膜厚は加工する溝のサイズ
等によって適宜変化させる。感光性材料塗布膜厚の最大
値は溝の一辺の寸法が２μｍの場合には２μｍである。

【００２７】次に、摂氏９０度のオーブンで３０分間
乾燥させ、基板１１を室温まで冷却する。図６（ｃ）に
示されるように、基板１１に対して、一辺が０．２μｍ
から２００μｍの四角形の凸部予定領域１３をフォトリ
ソパターニングする。その後、摂氏１２０度のオーブン
で感光性樹脂を硬化させ、耐エッチング性を改善する。

【００２８】図６（ｄ）に示されるように、フッ酸に
よって溝予定領域のシリコン酸化膜をエッチングして、
感光性樹脂を剥離液で除去する。

【００２９】次に、ドライエッチング装置を使って、
図６（ｅ）に示されるようにＣ及びＦを有するガスを使
ったプラズマ合成膜１４を形成し、続いてドライエッチ
ング装置内を排気した後、図６（ｆ）に示されるように
化学式ＳＦ６又はＣＦ４ガスプラズマによってシリコン
基板底面１５領域のシリコンをエッチングする。

【００３０】このとき図６（ｆ）に示されるように、凹
部とすべき部分は、凸部の側壁の部分に形成されるプラ
ズマ合成膜の作用によって、効果的に異方性エッチング
される。このようなプラズマ合成工程及びプラズマエッ
チング工程を繰り返すことによって、図６（ｇ）に示さ
れるように、単結晶シリコン基板１１の表面に約５μｍ
の溝をエッチングして、凹部１７及び凸部１８を形成す
る。この凸部１８は、図７に示されるように、単結晶シ
リコン基板１１の表面に規則正しくレイアウトされる。

【００３１】次に、ノズル穴（図５参照）を加工し、
単結晶シリコン基板１１の表面の自然酸化膜と化学的に
結合可能なフルオロアルキルシランを真空蒸着法によっ
て単結晶シリコン基板１１へ蒸着して撥水膜１９（図１
参照）を形成する。

【００３２】最後に、上記のようにして形成された第
２プレート２に第１プレート１を接合し、インクジェッ
ト記録ヘッドを完成させる。

【００３３】（実施形態３）上述の実施形態２におい
て、第２プレート２の凹凸形状の加工方法を異方性ドラ
イエッチングを用いた例を説明したが、本発明において
は異方性ドライエッチングに限らず、等方性ドライエッ
チングを用いても同様の機能を発揮する。

【００３４】（実施形態４）上述の実施形態２におい
て、第２プレート２の凹凸形状の加工方法を異方性ドラ
イエッチングを用いた例を説明したが、本発明において
は異方性エッチングに限らず、異方性ウエットエッチン
グ又は等方性ウエットエッチングを用いても同様の機能
を発揮する。

【００３５】（実施形態５）上述の実施形態２におい
て、第２プレート２の材質としてシリコン基板を用いた
例を説明したが、本発明においてはシリコン基板に限ら
ず、ガラス、酸化シリコン、ステンレス等の金属材料、
有機高分子材料を用いても同様の機能を発揮する。

【００３６】（実施形態６）上述の実施形態２、３及び
４のインクジェット記録ヘッドをインクジェット記録装
置に搭載して印字したところ、高品質の印字が得られた
ことが確認されている。

【００３７】

【実施例】（実施例１）撥水性構造体をインクジェット
記録ヘッドへ応用する場合、撥水性に加えて耐擦性がヘ
ッド性能を左右する重要な要因である。つまりノズル面
をゴムで擦る操作前後の撥水性が変化しにくい撥水性構
造ほど、長期間にわたって良好な印字品質が確保でき
る。そこで本発明は耐擦性の最適な条件を明らかにする
ため、上述の実施形態２において品質工学を用いた実施
例を試みた。まず、第２プレートの基板１１として、試
料１から試料１８の基板材料を用意する。次に、品質工
学の制御因子として、表面の２次元形状（図８から図１
３参照）、エッチング量（１、５、１０μｍ）、突起又
は格子の３次元形状、表面粗化処理の強弱または有無、
撥水剤の種類（無し、フルオロアルキルシラン化合物、
弗化ピッチ）及び撥水剤の膜厚（０，１００，２００ｎ
ｍ）を選択し、表１の通り実験水準を割り付け、試料を
作成した。

【００３８】

【表１】

【００３９】続いて、ゴム擦り０回及び３０００回にお
ける、インクに対する接触角を測定し、式１の方法によ
ってＳＮ比を算出して、最適条件を求めた。

【００４０】

【数１】

【００４１】表２は試料１から１８の接触角測定結果で
ある。

【００４２】

【表２】

【００４３】表３は、ＳＮ比の計算結果である。

【００４４】

【表３】

【００４５】また品質工学解析の結果は、図１４の通り
である。

【００４６】この図１４のように、３次元構造では格子
が、撥水剤の種類ではフルオロアルキルシラン化合物
が、撥水剤の膜厚では１００ｎｍ以上が、エッチング量
では１μｍの製造条件が、ＳＮ比が高く、擦り試験の前
後でインク接触角の低下量が少なく優れており、本製造
条件が最適であることがわかった。

【００４７】また上記の通り、撥水膜厚が耐久性に対し
強い影響を及ぼしていることがわかったため、撥水膜厚
を０、１０、５０及び１００ｎｍと変化させた試料を作
成し、ゴムによる３０００回擦り試験を行なった。その
結果、インクを使った接触角測定より１０ｎｍ以上の撥
水膜厚条件では撥水性能が良好となり、１００ｎｍ以上
ではさらに安定して良好であることがわかった。

【００４８】（比較例１）図１５は、実施形態２と同様
の構造からなるインクジェット記録ヘッドにおいて、ス
テンレス製の第２プレートへ撥水処理を施す本比較例１
の製造工程を示した断面図である。なおこの比較例１及
び後述の比較例２のインクジェット記録ヘッドの基本構
成は図５に示される構成と同一である。

【００４９】まず、図１５（ａ）に示されるように、
第２プレートのための基板３１を加工してノズル孔３２
を形成して、その後、アルカリ性洗剤を使って超音波洗
浄した。

【００５０】フッ素元素密度を高めたポリフルオロエ
チレン微粒子を含むニッケル電気めっき液へ基板３１を
浸せきする。そして、図１５（ｂ）に示されるように、
基板３１の表面へ、フッ素元素密度を高めたポリフルオ
ロエチレン微粒子３４が分散した共析メッキ膜３３を電
気メッキにより生成する。このメッキ膜３３にはフッ素
元素密度を高めたポリフルオロエチレン粒子３４が含有
されている。

【００５１】最後に、このようにして形成された第２
プレート２に第１プレート１を接合し、インクジェット
記録ヘッドを完成させる。

【００５２】（比較例２）図１６は実施形態２と同様の
構造からなるインクジェット記録ヘッドにおいて、ポリ
サルフォン製の第２プレートへ撥水材料を塗布する、本
比較例２における製造工程を示した断面図である。

【００５３】まず、図１６（ａ）に示されるように、
第２プレートのための基板４１を加工してノズル孔４２
を形成して、その後、アルカリ性洗剤を使って超音波洗
浄する。

【００５４】続いて、関西ペイント（株）の商品名
「カンペニレックス」を基板４１表面に塗装して、図１
６（ｂ）に示されるように、塗膜４３を生成する。

【００５５】最後に、このようにして形成された第２
プレート４１に第１プレート１を接合し、インクジェッ
ト記録ヘッドを完成させる。

【００５６】実施例１の最適条件、比較例1及び比較例
２のインクジェット記録ヘッドを記録装置に搭載して、
初期及び暗所で２年相当の加速条件（表面擦り）で印字
試験を行ったところ、表４に示されるような結果が得ら
れた。表４は印字品質を判定した結果であり、◎は第２
プレート表面にインクミストが付着せず、印字品質が良
好、○は第２プレートの表面にインクミストは付着する
が、印字品質が良好、×はインク飛行曲がりによる不良
であることを示す。

【００５７】

【表４】

【００５８】以上の通り、実施例１の最適条件のインク
ジェット記録ヘッドは、初期及び２年相当の加速条件に
おいて、印字品質が良好であり、再現性も確認されてい
る。しかし比較例１，２のインクジェット記録ヘッド
は、印字品質が悪化した。

【００５９】（実施例２）例えば樹脂を原料として用
い、実施例１の撥水性多孔構造体（必ずしも撥水処理は
必要ない）を型として用いて成形を行なった。得られた
成形物品の表面は型を転写した凹凸模様を有していた。
この撥水性構造体又はそれに撥水処理を行なったものも
実施例のように優れた特性を有することが確認された。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１に係る撥水性構造体の説明
図である。

【図２】撥水機能が発揮されているときの水の接触角の
説明図である。

【図３】図１の凹部及び凸部の寸法についての説明図で
ある。

【図４】図１の構造体１００の平面図。

【図５】本発明の実施形態２に係るインクジェット記録
ヘッドの分解斜視図である。

【図６】本発明の実施形態２における第２プレートの表
面に撥水性構造体を形成するための製造工程を示した断
面図である。

【図７】表面に構造体が形成された第２プレートの上面
図である。

【図８】実施例１の試料１，２及び３の構造体の上面図
である。

【図９】実施例１の試料４，５及び６の構造体の上面図
である。

【図１０】実施例１の試料７，８及び９の構造体の上面
図である。

【図１１】実施例１の試料１０，１１及び１２の構造体
の上面図である。

【図１２】実施例１の試料１３，１４及び１５の構造体
の上面図である。

【図１３】実施例１の試料１６，１７及び１８の構造体
の上面図である。

【図１４】本実施例１の実験結果を品質工学によって解
析した結果を示す図である。

【図１５】比較例１の第２プレートの製造工程を示した
断面図である。

【図１６】比較例２の第２プレートの製造工程を示した
断面図である。

フロントページの続きＦターム(参考） 2C057 AF21 AF70 AF93 AG07 AG22 AP02 AP13 AP32 AP57 AP60 AQ02 4H020 BA32 BA36

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基材表面に形成された凹凸構造を有する
撥水性構造体であって、この凹凸構造の表面には撥水膜
が形成され、この撥水膜の膜厚が１０ｎｍ以上であるこ
とを特徴とする撥水性構造体。
【請求項２】請求項１に記載の撥水性構造体におい
て、前記撥水膜の膜厚が１００ｎｍ以上であることを特
徴とする撥水性構造体。
【請求項３】請求項１又は２に記載の撥水性構造体に
おいて、前記撥水膜がフルオロアルキルシラン化合物が
前記基材に反応結合した膜であることを特徴とする撥水
性構造体。
【請求項４】請求項１乃至３のいずれかに記載の撥水
性構造体において、前記凹凸構造はフォトリソグラフィ
ー法を用いて形成されてなることを特徴とする撥水性構
造体。
【請求項５】請求項１乃至４のいずれかに記載の撥水
性構造体において、前記基材はシリコン、酸化シリコン
又はガラスからなることを特徴とする撥水性構造体。
【請求項６】基材表面にフォトリソグラフィー法を用
いて凹凸構造を形成し、その後この凹凸構造の表面に膜
厚が１０ｎｍ以上の撥水膜を形成することを特徴とする
撥水性構造体の製造方法。
【請求項７】請求項６に記載の撥水性構造体を製造す
る方法において、前記凹凸構造の表面に形成される撥水
膜の膜厚を１００ｎｍ以上としたことを特徴とする撥水
性構造体の製造方法。
【請求項８】請求項６又は７に記載の撥水性構造体を
製造する方法において、前記凹凸構造の表面にフルオロ
アルキルシラン化合物を反応結合させて前記撥水膜を形
成することを特徴とする撥水性構造体の製造方法。
【請求項９】インク吐出面に撥水性能を付与したイン
クジェット記録ヘッドにおいて、インク吐出孔以外の前
記インク吐出面が、請求項１乃至５に記載の撥水性構造
体から構成されていることを特徴とするインクジェット
記録ヘッド。
【請求項１０】請求項９に記載のインクジェット記録
ヘッドを搭載したことを特徴とするインクジェット記録
装置。