JP2005523833A - 表面に特徴を付ける装置および方法 - Google Patents

Abstract

表面に接触することができる流体の性質によって、表面特性が決定される。表面特性は、流体の性質に基づく。

Description

本開示は表面に特徴を付けること、および表面に特徴を付けことを制御する方法に関する。

［背景］
インクジェットプリンタ等、流体エジェクタを用いる装置は、その中に流体が保管され１つまたは複数のオリフィスを通って吐出される流体カートリッジを含む。それぞれのオリフィスは、噴射時に流体滴をプリント媒体等の目標（対象、target）へと向ける。しかし、異なる流体は異なる性質を有するので、オリフィスは、あるタイプの流体については滴を正確に方向づけるかもしれないが、他のタイプについてはそうではないかもしれない。その結果、オリフィスは滴を誤った方向に向けて、滴配置精度に悪影響を及ぼすかもしれない。

パドリング（paddling）は、流体の飛翔経路に影響を及ぼす可能性のある特性の１つである。パドリングは基本的に、流体が自らの表面エネルギーを最小にしようとする結果として生じる、オリフィスの周りに不要な（extraneous）流体が集まることを伴う。望ましくない流体パドリングには、選択したオリフィスを通る流体滴の吐出を妨げる可能性があり、したがって、回避および／または最小限に抑えなければ問題となり得る。オリフィスに集まる小さなパドル（puddles）は、例えば、特に流体の表面張力が高い場合、尾部（tail）が鉤形に曲がる（hooking）ために、流体の飛翔経路のエラー（errors）を引き起こす可能性がある。しかし、表面張力が低い流体については、滴の飛翔経路を制御するためにパドリングが望ましいかもしれない。

流体の性質に基づいて流体滴の方向を最適化することができる構造が、求められている。

［概要］
したがって、本開示の一実施形態は、オリフィス層のオリフィスを取り囲む穴ぐりの表面を作成する（preparing）方法に関する。この方法は、オリフィスを通って噴射される流体の性質を判定する段階と、流体の性質に基づいて穴ぐり表面の表面特性を制御する段階とを含む。

本開示の別の実施形態は、流体エジェクタを有する基板と、流体エジェクタによって噴射される流体が通ることのできる少なくとも１つのオリフィスを含むオリフィス層であって、オリフィスを取り囲みオリフィスを通って噴射される流体の性質に基づく表面テクスチャ(表面構造、表面組織)を有する穴ぐりを有する、オリフィス層とを備える流体噴射装置に関する。

本開示のさらなる実施形態は、噴射される流体が通ることができる、少なくとも１つのオリフィスと、オリフィスを取り囲み、オリフィスを通って噴射される流体の性質に基づく表面特性を有する、穴ぐりとを備える、流体噴射装置のオリフィス層に関する。本発明の別の実施形態は、ポリマー表面上の濡れを制御する方法であって、ポリマー表面を、所定の表面特性を有するようレーザ処理することを含む方法に関する。

本開示の別の実施形態は、ポリマー表面上の濡れを制御する方法であって、ポリマー表面を、所定の表面特性を有するようレーザ処理することを含む方法に関する。

本開示のさらなる実施形態は、表面上に存在することができる流体の所定の性質に基づくレーザ処理によって形成される濡れ特性を有する表面に関する。

本開示の他の実施形態は、以下の説明および添付図面から明白となろう。

［実施形態の詳細な説明］
包括的に、本発明の一実施形態は、穴ぐりによって取り囲まれているオリフィスを通って噴射される流体の性質に基づいてその穴ぐりの表面特性を制御する方法に関する。本方法は、オリフィスを通って噴射される流体の性質を判定すること、流体の性質に基づいて穴ぐりの表面特性を制御することとを含む。本発明の他の実施形態は、流体の性質に基づいた穴ぐり表面特性を有するオリフィス層および流体噴射装置に関する。以下で説明する実施形態は、主に表面テクスチャ(表面構造、表面組織)に焦点を当てているが、本発明はまた、化学組成、化学的不均質性（chemical inhomogeneity）、化学反応性、物理的および化学的吸収率（adsorptivity）等のその他の表面特性、ならびにオリフィスおよび穴ぐりにおける流体の挙動に影響を及ぼす可能性のあるあらゆるその他の特性にも適用可能である。

本発明の可能な用途の１つは、図１に全体として示す、プリントカートリッジ組立品（アセンブリ、assembly）等の流体噴射カートリッジ１０にある。図１に示すカートリッジ１０は、インクジェットプリンタにおいて用いる典型的なプリントカートリッジを表すが、このカートリッジは、同様に、他の用途において他の流体を噴射するのに用いてもよい。カートリッジ１０は本体１２を含む。本体１２は、流体収容装置の役割を果たすことができ、典型的にはエンジニアリングプラスチック等の剛性の材料でできている。本体の製造に用いてもよい材料の具体例としては、液晶ポリマー（ＬＣＰ）プラスチック、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリスルホン（ＰＳ）および混合物等のエンジニアリングプラスチック、ならびに、セラミック、ガラス、シリコン、金属等の非ポリマー材料、およびその他の好適な材料が含まれる。本体１２には、オリフィス板１４等のオリフィス層が搭載され、このオリフィス層は、複数の滴噴射システムのうちのいずれか１つによって吐出される流体滴が通る、オリフィス１６を含む。

図２は、それぞれのオリフィス１６を取り囲む穴ぐり（counterbore）１８を有する、可能な１つのオリフィス板構造１４を示す。オリフィス板１４は、いかなる流体噴射装置に組み込まれてもよく、プリントカートリッジ１０における使用に限定されるものではない。図２ないし図４および図８は、単に表す図（代表図、representative diagrams）であり、正確な縮尺率で描かれているわけではない、ということに留意されたい。本例において、オリフィス板はＫＡＰＴＯＮ（商品名）Ｅでできていてもよい。しかし、オリフィス板１４はまた、ポリイミド、ポリエチレンナフタレート、ポリエチレンテレフタレート、その他のＫＡＰＴＯＮ（商品名）配合物、フレキシブル材料、Ｕｐｉｌｅｘ（商品名）、または本発明の実施形態に従って処理することができるあらゆるその他の基板等、その他の材料から製造してもよい。一実施形態において、ノズルは、オリフィス１６を形成するためにレーザまたはその他の手段で板１４の内面２２（流体源に最も近い表面）からオリフィス板１４をアブレーションすることによって形成される。オリフィスの少なくとも一部の円錐形状が、オリフィス１６のノズル位置２０を形成する。次に、板１４の外面２４上でオリフィス１６の周りに凹みが形成されて、穴ぐり１８を作成する。オリフィス１６を通して流体を方向づけるノズル２０を、断面を略漏斗型として示している。しかし、ノズル２０はさまざまな形状のうちのいかなる１つを有してもよい、ということが理解される。

一実施形態において、少なくとも１つの穴ぐり１８が、オリフィス板１４のそれぞれのオリフィス１６を同心円状に取り囲んでいる。一実施形態における穴ぐり１８は、オリフィス板１４の外面２４で始まり、オリフィス板１４内の外面２４と内面２２との間の位置で終わっている。穴ぐり１８は、穴ぐり表面２６と、穴ぐり１８の内部境界を画定する側面２８とを含む。穴ぐり表面２６のテクスチャおよび／または組成は、オリフィス１６の周りでの流体のパドリング作用（action）に影響を及ぼす可能性がある。穴ぐり１８の断面設計は、限定なしに多くのさまざまな構成を含んでもよく、正方形のもの、三角形のもの、楕円形のもの、および円形のものを含むがこれに限定するものではない。穴ぐり１８は、オリフィス１６を取り囲み、オリフィス１６の縁を、物理的損傷と、物理的磨耗および外力によって引き起こされる「ラッフリング（ruffling、かき乱すこと）」とから保護する。オリフィス板１４のラッフリングによって、オリフィス１６の周縁に沿って高くなった畝（ridge）状構造が形成され、それによって滴の飛翔経路が著しく変化してしまう。

オリフィス板の幾何学的形状のこのような不所望の変化によって、流体滴が意図する方向に進むことが妨げられる可能性がある。穴ぐり表面２６および／またはオリフィス板１４の幾何学的形状が、噴射される流体特有の性質に対応するよう最適化されていない場合には、流体滴の吐出が不適切になり例えばプリント媒体材料上の不所望の場所に送出されてしまう可能性がある。一実施形態において、穴ぐり１８によってオリフィス１６を隔離することによって、オリフィス板１４の外面２４の上をワイパーおよびその他の構造が通過することによって引き起こされる損傷からオリフィス１６を保護する。このようにして、「ラッフリング」に基づく流体の飛翔経路の問題を回避することができる。

オリフィス板１４の内面は、流体供給源にさらされている。流体は内面２２を通過しオリフィス１６を通って流れる。異なる性質を有する異なる流体は、同じオリフィス板１４の異なるオリフィス１６を通って流れる可能性がある、ということに留意されたい。好ましくは、円錐形のノズル部分２０を含むオリフィス板１４の内面２２は、流体が供給源からオリフィス１６を通って流れるのを促進するべきである。しかし、オリフィス１６を通って噴射される流体のうちのいくらかは、目標（紙またはその他のプリント媒体等）には達せず、その代わりに穴ぐり１８内に集まる。

例えば、一実施形態によるサーマル（thermal）インクジェットプリントカートリッジ１０において、滴噴射システム（図示せず）は、それぞれのオリフィス１６に関連してオリフィス１６を通して紙等のプリント媒体にインク３０の滴を選択的に噴射する。プリントヘッドがプリント媒体を横切って走査するときにオンデマンド（on demand）でインク滴を供給する関連する滴噴射システムをそれぞれ有するオリフィス１６が、単一のオリフィス板１４にいくつか形成されていてもよい。滴噴射システムは、薄膜抵抗器（図示せず）を含んでもよい。薄膜抵抗器は、断続的に加熱されて、インク等の流体のうちの隣接するオリフィス１６の近くにある部分を気化させる。本実施形態において、流体の蒸気が急速に膨張することによって気泡が作り出され、それによってインク３０の滴がオリフィス１６を通って押し出される。気泡がつぶれた後、インク３０は毛管力によってオリフィス板１４のノズル２０に引き込まれる。ペン内で、部分的な真空すなわち「背圧」が維持されて、滴噴射システムが作動していないときにオリフィス１６からインク３０が漏れないようにする。一実施形態において、この背圧によって、噴射力がない場合にはインク３０がオリフィス１６を完全に貫いて通ることがないようにする。インク３０の滴がオリフィス１６を通って噴射されていないときにはいつでも、インク３０はオリフィス１６の外縁のすぐ内側のメニスカス３２とともにある（resides with）。

流体滴３０がオリフィス１６を通って噴射されるときにはいつでも、流体の尾を引く部分すなわち「尾部」が滴とともに移動する。少量の流体尾部が、分離して穴ぐり表面２６上に集まるかもしれない。穴ぐり表面２６の表面テクスチャの影響を受ける、穴ぐり１８内に集まる残留流体は、噴射された流体滴に次に接触して、もしかするとそのような滴の飛翔経路を変えるかもしれない。インクジェットプリンタの用途においては、この現象によってある種のインクについてはプリント画像の品質が低くなるが、他のインクについてはプリント品質が向上する。

穴ぐり１８の表面テクスチャ２６を変化させることによって、穴ぐり１８の濡れ性が変化する。穴ぐり１８の濡れ性とは、流体が穴ぐり１８内に集まる、すなわち溜まる度合いを決定する（dictates）ものである。表面２６の濡れ特性は「濡れている（wetting）」または「濡れていない（non-wetting）」であってもよく、また、それぞれの範疇の中でおよびそれぞれの範疇間である範囲に沿って変化してもよい。「濡れている」とは、穴ぐり表面２６の表面エネルギーの方が、その表面に接触している流体の表面エネルギーよりも大きいことを意味し、「濡れていない」とは、穴ぐり表面２６の表面エネルギーの方が、その表面に接触している流体の表面エネルギーよりも小さいことを意味する。流体は、濡れていない表面上では玉のようになり、濡れている表面には広がる傾向がある。例えば図４に示す濡れている表面２６を有する穴ぐり構造１８に関して、流体は穴ぐり１８内にパドル４０として集まる傾向がある。これとは対照的に、図３に示す例は、濡れていない表面２６を有する穴ぐり１８を表す（representative）。最適の穴ぐり表面テクスチャ、ならびに穴ぐり内のパドリングの度合いおよび望ましさは、オリフィス１６を通って噴射されている流体の１つまたは複数の性質によって決まる。一実施形態において、考慮に入れられる流体の性質は、流体の表面張力、粘度、化学組成、および／または化学反応性である。以下の例は表面張力に焦点を当てているが、本発明における同様の考慮事項を、他の性質に関して適用してもよく、当業者であれば本開示から判断することができる。

カラーインク等の表面張力が低い流体については、パドリングが望ましいかもしれない。穴ぐり１８内の薄く均一なパドルを通って噴射される滴はまっすぐな飛翔経路を有するからである。本実施形態において、パドルが均一であれば、確実に、流体が付着しそこに向かって滴の飛翔経路を変更する、パドル４０内の優先的な区域がなくなる。一実施形態において、流体の表面張力が低いために、穴ぐり１８内のパドル４０は比較的平らである。したがって、当該技術分野において一般的に特徴づけられる「低い」表面張力しきい値よりも下の表面張力を有する流体（例えばカラーインク）についての穴ぐり表面２６は、一実施形態において粗く、穴ぐり内でのパドリングを促進する（図４）。しかし、当該技術分野において一般的に特徴づけられる「高い」表面張力しきい値よりも上の表面張力を有する流体（例えば、ブラックのインク）については、穴ぐり内でのパドリングは望ましくない。流体は、外側に向かって曲がった表面を有するパドルを形成する傾向があり、滴がパドルを通って移動するときに、この外に向かって曲がった表面が流体滴の飛翔経路に悪影響を及ぼすからである。例えば、表面張力が高い流体は、吐出されている滴（特に、それぞれの滴の末端部分、すなわちその「尾部」）と穴ぐり１８内のパドルとの間の不所望の相互作用を引き起こすことによって、滴の飛翔経路を変更する可能性がある。したがって、表面張力が高い流体用の穴ぐり表面２６は、穴ぐり１８内のパドリングを妨げるように一実施形態において滑らかであるべきである（図３）。穴ぐり表面２６のパドリング特性を表面張力が低い流体と高い流体の両方に合わせて最適化することは、本発明に従って、適切なレーザの流束量およびショット回数を選択して、流体の性質に基づいて所望の度合いの穴ぐり表面２６の粗さまたは滑らかさを達成することによって、達成することができる。手短に言えば、本発明の一実施形態における穴ぐり表面２６のテクスチャは、穴ぐり１８によって取り囲まれているオリフィスを通って噴射されている流体の性質に基づいて最適化され制御される。

図５を参照して、所与の流体の性質に関してちょうど言及した選択した濡れ特性を達成する技法の１つを、例えばＫＡＰＴＯＮ（商品名）Ｅのオリフィス板１４に関して説明する。ＫＡＰＴＯＮ（商品名）Ｅまたはその他のポリマーで形成されているオリフィス板の外面２４は、ある種のインクに関して略（generally）濡れていない。他の実施形態において、オリフィス板１４の穴ぐり表面２６の表面テクスチャを変化させて所望の濡れ特性を得るのに、いかなる数の技法を用いてもよい。可能な２つの方法をより詳細に以下で説明する。

流体の性質に基づいて穴ぐり表面２６のテクスチャを制御する可能な方法の１つは、レーザ・アブレーションによる。Ｆ₂、ＡｒＦ、ＫｒＣｌ、ＫｒＦ、またはＸｅＣｌという非限定的な選択肢から選択されるタイプのエキシマレーザ等、いかなる既知のレーザ・アブレーションのシステムおよびプロセスを用いて、穴ぐり表面テクスチャを制御してもよい。例えばSchantz他への米国特許第５，３０５，０１５号には、このタイプの可能なレーザ・アブレーション方法の１つが説明されている。一実施形態において、マスクまたは共通のマスク基板が、アブレーション(abration,削摩)される特徴（features）を画定する。そのようなマスクにおいて用いられるマスキング材料は、好ましくは、多層誘電体またはアルミニウム等の金属等、レーザ波長において非常に反射性が高い。この特定のシステムを（好ましい約１００ミリジュール／平方センチメートルよりも大きいパルスエネルギーおよび約１マイクロ秒よりも短いパルス幅とともに）用いて、高い度合いの精度および精密さ（accuracy and precision）で穴ぐり表面テクスチャを制御することができる。さらにこの実施形態は、エキシマレーザと実質的に同じ光波長およびエネルギー密度の他の紫外線光源を用いて、アブレーションプロセスを行ってもよい。一実施形態において、そのような紫外線光源の波長は、１５０ｎｍ〜４００ｎｍの範囲にあって、アブレーションするマスクが非常に吸収することができる。

周波数逓倍のＮｄ：ＹＡＧレーザならびにエキシマ層に基づく、ポリマーのオリフィス板用のアブレーションシステムもまた、本発明において用いてもよい。マーシー（Murthy）他の米国特許第６，１２０，１３１号には、そのようなシステムの一例が説明されている。一実施形態において、アブレーションする表面は、犠牲層でコートした接着層で覆われている。犠牲層は、薄い層にしてコート可能であるとともに、接着層または表面と相互作用しない溶剤によって除去可能な、いかなるポリマー材料であってもよい。可能な犠牲層材料としては、ともに水溶性の、ポリビニルアルコールおよびポリエチレンオキシドが含まれる。レーザ・アブレーションプロセス自体は、約１００ミリジュール／平方センチメートル〜約５０００ミリジュール／平方センチメートル、好ましくは約１５００ミリジュール／平方センチメートル、の出力で達成してもよい。このレーザ・アブレーションプロセスの間、波長が約１５０ナノメートル〜約４００ナノメートル、最も好ましくは約２４８ナノメートルのレーザ光線を、約１ナノ秒〜約２００ナノ秒、好ましくは約２０ナノ秒の間持続するパルスにして印加してもよい。

従来の紫外線アブレーションプロセス（例えば、約１５０〜４００ｎｍの範囲の紫外光を用いて）、ならびに標準の化学エッチング、スタンピング、反応性イオンエッチング、イオンビームミリング、機械的ドリリング、および同様の既知のプロセス、を含む他の方法もまた、穴ぐり表面テクスチャを制御するのに好適である。

より詳細には、本発明の一実施形態を実施することができるレーザシステム５０を、図５に一般的に示す。レーザシステム５０は、レーザ光５４（例えば光子）をオリフィス板１４の穴ぐり表面２６に向けるよう構成されたレーザ５２を含む。オリフィス板１４は、一部を１つまたは複数のマスク（図示せず）で覆って、オリフィス板１４のうちの選択した部分（例えば、穴ぐり表面２６の区域）のみがアブレーションされるようになっていてもよい。気体、液体、および固体レーザを含む、穴ぐり表面２６をアブレーションすることができるいかなるレーザ、ならびにオリフィス板１４の材料を制御された方法で除去するのに十分な流束量を提供するいかなるその他の光源も用いてもよい、ということに留意されたい。オリフィス板材料がＵＶ波長範囲の放射を吸収することができる場合には、エキシマレーザ等の化学気体レーザを用いてもよい。所望の波長を供給する源を選択することによって、より長いまたは短い波長でアブレーションすることができるその他の材料もまた、処理することができる。通常、エキシマレーザはＵＶ範囲で動作する。強度、繰返し数、およびパルス数を含む、この方法に最適なレーザパラメータは、典型的には、基板材料および本例において説明するレーザシステムの具体的な仕組み（arrangement）によって決まる。

図５に示すように、レーザ５２は穴ぐり表面２６に向けることができる。穴ぐり表面２６において、レーザ光５４が表面２６に当たる。レーザ５２から発せられるレーザ光５４は、ビームストップ（beam stop）５８を通って向けられてもよい。ビームストップ５８は、レーザ５２から発せられるレーザ光の一部を、穴ぐり表面２６に向けるよう機能する。レーザ光５４はまた、１つまたは複数のレンズ６０を通るよう向けられてもよい。レンズ６０は、レーザ光５４の焦点をオリフィス板１４の穴ぐり表面２６に合わせてもよい。当業者であれば、上述の簡単な方法以外に、レーザ光を調整して穴ぐり表面２６に向ける方法が多数ある、ということを理解しよう。例えば、レンズ、マスク、ミラー、ビームストップ、減衰器、および偏光子は、光を調整するのに用いられる典型的な素子である。また、この部分を光線の前に搭載し配置するように設けることもまた、有用である。部品は、投光処理し（flood treated）てもよく、Ｘ−Ｙステージを用いて光線を横切って移動させてもよく、回転するミラー装置を用いて部品を横切って光線で走査してもよい。

一実施形態において、レーザの流束量を調整して、穴ぐり１８の表面２６のアブレーションを引き起こしてもよい。本明細書において流束量とは、単位面積当たり単位時間当たりの光子数のことを言う。本明細書においてアブレーションとは、レーザと穴ぐり表面２６との相互作用による材料の除去のことを言う。この相互作用によって、穴ぐり表面２６が活性化し、表面の結合が切断され表面材料が穴ぐり表面２６から遠ざかる方向へ移動し（displaced away from）、それによって穴ぐり表面２６の表面テクスチャを変化させるようになっている。

レーザ５２の流束量は、典型的には、アブレーションする穴ぐり材料の特性ならびに所望の穴ぐり表面テクスチャに基づいて調整される。これについては以下でさらに詳細に説明する。一実施形態において、レーザ光５４は、オリフィス板１４の、レーザ表面処理を受けることが意図される区域（例えば穴ぐり表面２６）に向けられるが、レーザ表面処理を必要としない区域は、マスキングによって隔離し（masked off）またはその他の方法でレーザ光５４にさらされないようにし、変化しないままであるようにしてもよい。

レーザ・アブレーションによって得られる穴ぐり表面２６の実際のテクスチャは、パルス数、パルス幅、パルス強度、周波数、レーザ５２におけるイニシエータ（initiators、開始剤）の密度、穴ぐり表面２６における材料のタイプ、および／または用いるイニシエータ（開始剤）のタイプ次第であってもよい。一実施形態において、流束量は、典型的には穴ぐり表面２６のアブレーションが行われる前に所定のしきい値を超えるべきである。流束量がこのしきい値を下回る場合には、アブレーションがほとんどまたは全くなく、穴ぐり表面材料の除去は行われない。アブレーションのしきい値は、アブレーションされている材料の特性および光源によって決まる。レーザ・アブレーションにおいて、強いレーザ光の短いパルスは、穴ぐり表面２６の約１マイクロメートル以下の材料の薄い表面層に吸収される。好ましいパルスエネルギーは約１００ミリジュール／平方センチメートルよりも大きく、パルス幅は約１マイクロ秒よりも短い。

表面テクスチャ自体は、「接触角」の値によって規定し定量化することができる。接触角とは、穴ぐり表面２６と流体滴とが交わる角度である。例えば大きい接触角は、より滑らかな濡れていない表面に対応し、小さい接触角は、より粗い濡れている表面に対応する。一実施形態において、１０度以下の接触角は、それによって流体が表面を覆って広範囲にわたって広がるすなわち「水浸しにする（wets out）」、「非常に濡れ性の」表面に対応する。１０〜９０度の接触角は、濡れている表面に対応する。９０度以上の接触角は、濡れていない表面に対応する。

図６Ａ、図６Ｂ、および図７は、さまざまな表面テクスチャの穴ぐり表面２６と流体６０の滴との関係および結果として生じる接触角の例を示す。図６Ａにおいてわかるように、滑らかな処理された穴ぐり表面２６は、流体６０を玉のようにさせ、流体６０と表面２６との交わるところ（intersection）に、より縦型の（upright）様式で位置させることができる。本例において、交角は９０度よりも少し小さい。図６Ｂに示すように、表面が処理されていないままである場合に、穴ぐり表面の表面テクスチャは依然として滑らかであるかもしれないが、処理されていない表面は、例えばポリマー終端の化学的性質によってまたは表面２６における酸素含有化学物質の化学的／物理的吸着によって生じる、吸着層または酸化表面６２を有するかもしれない。吸着層または酸化表面６２によって、流体６０は、図６Ａに示す処理された表面よりも小さい接触角を有することになる。図６Ａにおいてわかるように、穴ぐり表面２６を処理することによって、吸着層または酸化表面６２が除去され、穴ぐり表面２６と流体６０との間の相互作用が変化する。

しかし、図７に示す例は、穴ぐり表面２６が粗い方が流体滴６０が広がるのを促進し、表面２６と流体６０との交角を小さくする、ということを示す。この広がる作用および対応する小さい接触角は、流体６０が玉のようになるというよりも表面２６にはくっつきやすいすなわち表面を「濡らし」やすい、ということを示す。その結果、より滑らかな穴ぐり表面は「濡れていない」表面であると考えられ、より粗い穴ぐり表面は「濡れている」表面であると考えられる。その結果、より滑らかな穴ぐり表面（図６に示すもの等）は「濡れていない」表面であると考えられ、より粗い穴ぐり表面（図７に示すもの等）は濡れている表面であると考えられる。

穴ぐり表面２６のレーザ・アブレーションによって、アブレーションした表面または元のアブレーションしていない表面とは異なる化学組成を有する表面デブリ（debris、くず、破片）が生成される可能性がある、ということに留意されたい。例えば、高流束量のレーザ処理は、炭素が豊富なデブリを表面２６上に残す可能性がある。このデブリによって、穴ぐり表面２６の濡れ性特性が変化する可能性がある。所望の濡れ性特性および具体的な用途に応じて、デブリは穴ぐり表面２６上に残してもよく、何らかの既知の手段によって除去してもよい。

図８は、一実施形態におけるレーザ・アブレーションのショット回数の、穴ぐり表面テクスチャに及ぼす影響の一例を示し、図９は、一実施形態におけるＫＡＰＴＯＮ（商品名）Ｅのオリフィス板１４の穴ぐり表面２６の接触角と、アブレーションのショット回数との関係を示す。当該技術分野において既知のように、レーザのショット回数はレーザの流束量に対応する。流束量を変化させることは、ショット回数を変化させることを伴い、上で説明したように、穴ぐり表面２６の最終的な表面テクスチャおよび濡れ性を変化させる。レーザ・アブレーションの流束量を変化させること、レーザの実際の焦点を変化させること、および単位時間当たりのパルス数を変化させることはすべて、レーザ・アブレーションによって生成される結果として生じる表面テクスチャを変化させることができる。一実施形態において、より少ないショット回数は、個々のショットがそれぞれより高いエネルギーレベルにあるので、より高い流束量に対応し、より多いショット回数は、所与の単位時間内のショット数は多くはなるが個々のショットがそれぞれより低いエネルギーレベルにあるので、より低い流束量に対応する。

図８に示す例において、ＫｒＦレーザ表面処理についてショット回数が少ないと、その結果、粗さの程度が高い（したがって濡れ性が高い）穴ぐり表面２６になる。逆にショット回数が多いと、その結果、より滑らかでより濡れ性が低い穴ぐり表面２６になる。本例において、いかなる種類のアブレーションも、ショット回数にかかわらず穴ぐり表面の接触角を大きくするが、ショット回数の総数は、結果として生じる穴ぐりの接触角に、したがって濡れ性に非常に影響を及ぼすということに留意されたい。一実施形態において、表面テクスチャにかかわらず、穴ぐりの深さはさまざまな穴ぐりの間で一定に保たれている。こうするために、一実施形態は、ショット回数を増やす場合にはレーザエネルギー設定を下げて減衰を増加させる。逆にこの実施形態はまた、ショット回数を減らす場合にはレーザエネルギー設定を上げて減衰を減少させてもよい。

図９は、ＫｒＦレーザ表面処理の、ＫＡＰＴＯＮ（商品名）Ｅの表面の濡れ性に及ぼす影響の一例を示す。本例において、それぞれの穴ぐりについてのアブレーションの流束量を調整することによって、個別のショット回数にかかわらず穴ぐりの深さは１．１μｍに保たれている。図９の例に示すように、穴ぐり表面をアブレーションする前の脱イオン水の接触角は約３０〜４０度である。しかしアブレーション後、接触角は、個別のショット回数に応じてさまざまな角度に増大し、したがってさまざまな濡れ性になる。ショット回数を変化させることによって、接触角が著しく変化する。例えば、５回のショット後の穴ぐり表面の接触角は４５〜５０度であるが、１０回のショットにすると接触角が５５度まで大きくなり、これは表面の濡れ性が著しく小さいことを示す。

レーザの焦点を変化させることによっても、また、穴ぐり表面テクスチャに影響を及ぼすことができる。一実施形態において、レーザの焦点を変化させることによって、穴ぐり表面の接触角が変化する。

所与の流体の性質に基づいて最適の穴ぐり表面テクスチャを得るための具体的な流束量の値は、基本的な実験によって得ることができる。さまざまな流体には多くの可能な表面張力特性があるので、ショット回数および流束量、ならびにそれらの結果として生じる表面テクスチャの具体的な最終的な最適値は、それぞれの個々の流体について異なる可能性がある。それぞれの流体についての最適値は、本発明の方法に従って実験によって得ることができ、当業者の能力内である。

図１０は本発明の他の実施形態を示す。本実施形態において、穴ぐり表面テクスチャは、レーザ・アブレーションによってではなくエッチングプロセスによって制御される。エッチングは、参照によりその開示全体が本明細書に援用される米国特許第５，５９５，７８５号において説明されているプロセス等、いかなる既知のプロセスによって行ってもよい。オリフィス１４を取り囲む穴ぐり１８の外面２４は、何らかの既知の手段によって塗布されたフォトレジスト層８０で覆われている。フォトレジスト層８０は穴ぐり表面２６を覆ってはおらず、覆われた外面２４をプラズマエッチングプロセスから保護する。

穴ぐり表面２６は、穴ぐり１８を取り囲む区域を覆っているフォトレジスト材料によって覆われていないので、エッチングして（例えば、プラズマエッチングまたは反応性イオンエッチングによって）穴ぐり表面テクスチャを制御することができる。一実施形態において、フォトレジスト材料８０が外面部２４を覆った状態のオリフィス板が、従来のプラズマエッチングまたは反応性イオンエッチングの装置の真空チャンバ内に配置される。オリフィス板１４は酸素にさらされる。この酸素は、好ましくは５０〜５００ミリトール（millitorr,５０×１０^-3×１３３．３２２３１２×１０²Ｐａ〜５００×１０^-3×１３３．３２２３１２×１０²Ｐａ）の圧力範囲で、より好ましくは２００ミリトール（millitorr,２００×１０^-3×１３３．３２２３１２×１０²Ｐａ）で加えられる。エッチング装置の電極に印加する電力は、好ましくは５〜５００ワットの範囲内であり、最も好ましくは１００ワットである。オリフィス板１４はプラズマに約５分間さらされる。

プラズマエッチングプロセスのパラメータ（圧力、電力、および時間）の多数の組合せのいずれを用いて露出した穴ぐり表面２６をエッチングしてもよい、ということを理解することができる。したがって、一実施形態において、露出した表面部（すなわち、フォトレジスト材料層で覆われていない部分）をエッチングして、上で説明したように表面張力等所与の流体の性質に合わせて最適化された穴ぐり表面テクスチャを作成することができる限り、このようなパラメータのいかなる組合せも十分であると考えられる。

疎水性／親水性の薄層を形成するには、フォトリソグラフィー／フォトレジストのプロセス等のマスキングプロセスよりも、レーザ・アブレーションプロセスのほうが好ましい場合がある、ということに留意されたい。一実施形態において、レーザ・アブレーションプロセスの方がより正確であり、穴ぐり１８の外側のいかなる表面にも影響を及ぼすことなく、穴ぐり表面２６に最適な表面テクスチャを精密に作成することができるからである。さらに、レーザ・アブレーションプロセスは、装置の主な表面よりも下方にある表面にも適用することができる。これは、マスキングプロセスによって達成するのがより困難な利点である。上述のレーザ・アブレーションプロセスは、そのしきい値現象およびあらかじめ重合した材料を用いることによって、単位面積当たりの入射エネルギー（流束量）に依存する非常に予測可能なパターンを生成し、穴ぐりを取り囲む区域がアブレーションプロセスの影響を受けることが確実にないようにしながら、穴ぐり表面テクスチャをより高い度合いで制御する（provides greater control）。

上述の実施形態は穴ぐり表面テクスチャを制御することに焦点を当てているが、本発明は、オリフィス層の、頂面または穴内面等、その他の部分に適用してもよい。また本発明は、表面の濡れ特性の制御が所望されるいかなるものに適用してもよく、オリフィス層に限定するものではない。精密な表面処理が望ましいその他の可能な用途としては、たんぱく質や酵素等の生物学的に活性の材料を配置する用途、化学力顕微鏡法、有機材料の金属化、腐食保護、分子結晶成長、液晶の配向、ｐＨ感知装置、導電性の分子被覆導線、およびフォトレジストが含まれる。さらに、上述の説明はインクの特性に焦点を当てているが、本発明は、シランカップリング剤（例えばヘキサンジアミノ−メチルジエトキシシラン）、自己組織化単層膜（例えばアルキルシロキサン）、有機半導体の前駆物質（例えば、ポリスチレンスルホン酸をドープしたポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン））、生物学的に活性な液体、またはその挙動が表面特性の影響を受ける可能性のあるあらゆるその他の流体等、他の流体に関しても適用可能である。

その結果、本発明は流体の性質に基づいて１つまたは複数の穴ぐり表面特性をカスタマイズして、滴の方向性を最適化することができる。例えばインクジェットプリントヘッドにおいて、表面張力が比較的高いブラックのインクをプリントヘッドのオリフィスが噴射する場合には、穴ぐりに滑らかな表面を作成することができ、接触角の大きいインクパドルの形成を表面が阻止するようになっている。逆に、表面張力が比較的低いカラーインクをプリントヘッドのオリフィスが噴射する場合には、穴ぐり表面は、接触角の低いインクパドルで満たすことができる粗い表面で形成することができる。さらに本発明は、同じ装置のインクカラーにおけるそれぞれの個々のオリフィスを通って噴射されるそれぞれの個々の流体の性質に基づいて、さらに厳密な穴ぐり表面特性を提供することができる。例えば、カラーインクの組の中で、さまざまなカラーのインクの濡れ速度が微妙に異なることが、プリントヘッドによって噴射されるそれぞれの対応するインクカラーについての穴ぐり表面の濡れ性の微妙な違いに対応することが確実になる（warrant）可能性がある。同じオリフィス板のさまざまなオリフィスを通って噴射されているさまざまなインクの性質に対応するために、それぞれのオリフィスは、それぞれのオリフィスを通って噴射されている具体的なインクの性質に対応する、さまざまな表面テクスチャを有することができる。

本発明は、穴ぐり表面を変化させてさまざまな流体の性質に対応することによって、インク滴がオリフィスを出るときの滴の飛翔経路のエラーを最小限にする。一実施形態において、レーザプロセスを用いて穴ぐり表面を変更する場合には、単にレーザプロセスを調整することによって、さまざまな濡れ性を有するさまざまな表面テクスチャを得ることができる。その結果、穴ぐりによって取り囲まれているオリフィスを通って噴射される流体の個別の性質に基づいて、それぞれの穴ぐりの濡れ性をカスタマイズすることによって、それぞれの個々の流体に合わせて滴の方向性を最適化することができる。前述の説明は、主に、さまざまな流体の性質に基づいて穴ぐり表面テクスチャをカスタマイズするためのレーザ・アブレーションおよびエッチングの技法に焦点を当てているが、本発明の範囲から逸脱することなく、他の方法（例えば、機械的磨耗、サンドブラスティング（サンドブラスト、sandblasting）、イオンビームミリング、および光によって画定される（photodefined）パターンでのモールド成形または鋳造、等）を用いてもよい、ということに留意されたい。

本発明を、ある程度インクジェット技術に関して上述した、ということに留意されたい。本説明において用いる「インクジェットプリントヘッド」という用語は、限定なしに、液体インクをプリント媒体材料に送出するいかなるタイプのプリントヘッドも包含するよう、広く解釈されるものとする。この点に関して、本発明はいかなる特定のインクジェットプリントヘッドの設計にも限定されず、多くのさまざまな構造および内部構成要素の配置が可能であるものとする。同様に、本発明は、本明細書において別段の明言がない限り、いかなる特定のプリントヘッド構造、非インクジェット流体技術、または流体エジェクタのタイプにも限定されないものとし、将来にわたって適用可能である。

前述の好ましいおよび他にとり得る実施形態を参照して本発明を特に示し説明したが、当業者であれば、添付の特許請求の範囲において規定される本発明の精神および範囲から逸脱することなく、本発明の実施において、本明細書において説明した本発明の実施形態の他にとり得るさまざまなものを用いてもよい、ということを理解するはずである。添付の特許請求の範囲は本発明の範囲を規定し、それによってこのような特許請求の範囲およびそれらの均等物の範囲内の方法および装置が包含される、ということが意図される。本発明のこの説明は、本明細書において説明した各要素の新規かつ非自明の組合せをすべて含むよう解釈されるべきであり、本願および後の出願において、このような各要素のいかなる新規かつ非自明の組合せに特許請求の範囲を与えてもよい。前述の実施形態は例示的なものであり、いかなる単一の特徴または要素も、本願または後の出願において特許を請求することができるすべての可能な組合せに不可欠なものではない。特許請求の範囲にその均等物の「１つの」または「第１の」要素と記載される場合、このような特許請求の範囲は、１つまたは複数のそのような要素の組込みを含むよう解釈されるべきであり、２つ以上のそのような要素が必要なわけでも、除外するわけでもない。

本発明の一実施形態によるプリントカートリッジを示す。 オリフィス層の一実施形態を表す図である。 第１の表面テクスチャの一例を有する穴ぐりに流体滴がある状態の、オリフィス層の一実施形態を表す図である。 第２の表面テクスチャの一例を有する穴ぐりに流体滴がある状態の、オリフィス層の一実施形態を表す図である。 本発明の一実施形態によるレーザのシステムおよびプロセスの一実施形態を表す図である。 処理された滑らかな表面上にあり、その結果接触角が高い、流体の一例を表す図である。 処理されていない滑らかな表面上にあり、その結果接触角が低い、流体の一例を表す図である。 滑らかな表面上の流体の一例を表す図である。 粗い表面上にあり、その結果接触角が低い、流体の一例を表す図である。 本発明の一実施形態によるレーザプロセスの結果の一例を示すグラフである。 レーザプロセスの一実施形態の、濡れ性に及ぼす影響の一例を示すグラフである。 本発明の一実施形態によるエッチングのシステムおよびプロセスを示す。

Claims (12)

1. オリフィス層（１４）のオリフィス（１６）を取り囲む穴ぐり（１８）の表面（２６）を作成する方法であって、
   前記オリフィス（１６）を通って噴射される流体の性質を判定すること、および
   前記流体の性質に基づいて、前記穴ぐり表面（２６）の表面特性を制御することであって、該表面特性は、表面テクスチャ、化学組成、化学的不均質性、化学反応性、物理的吸収率、または化学的吸収率のうちの１つであること
   を含む方法。
2. 前記制御する段階は、レーザによって前記穴ぐり表面（２６）をアブレーションすることによって行われる、請求項１に記載の方法。
3. 前記制御する段階は、前記穴ぐり表面（２６）をエッチングすることによって行われる、請求項１に記載の方法。
4. 前記オリフィス層（１４）は少なくとも、第１の性質を有する第１の流体を噴射する第１のオリフィス（１６）を取り囲む第１の穴ぐり（１８）と、第２の性質を有する第２の流体を噴射する第２のオリフィス（１６）を取り囲む第２の穴ぐり（１８）とを有し、前記制御する段階は、前記第１の性質に基づいて前記第１の穴ぐり（１８）の表面特性（２６）を、および前記第２の性質に基づいて前記第２のオリフィスを取り囲む前記第２の穴ぐり（１８）の表面特性（２６）を制御する、請求項１、または２、または３に記載の方法。
5. 流体エジェクタを有する基板と、
   前記流体エジェクタによって噴射される流体が通る少なくとも１つのオリフィス（１６）を含むオリフィス層（１４）であって、前記オリフィス（１６）を取り囲み該オリフィス（１６）を通って噴射される前記流体の性質に基づく表面（２６）特性を有する穴ぐり（１８）を有する、オリフィス層（１４）と
   を備える流体噴射装置。
6. 前記オリフィス層（１４）は少なくとも、第１の穴ぐり（１８）によって取り囲まれた第１のオリフィス（１６）と、第２の穴ぐり（１８）によって取り囲まれた第２のオリフィス（１６）とを含み、前記第１のオリフィス（１６）は、第１の性質を有する第１の流体を噴射し、前記第２のオリフィス（１６）は、第２の性質を有する第２の流体を噴射し、前記第１の穴ぐり（１８）の前記表面（２６）特性は前記第１の性質に基づき、前記第２の穴ぐり（１８）の前記表面（２６）特性は前記第２の性質に基づく、請求項５に記載の流体噴射装置。
7. 流体噴射装置のオリフィス層（１４）であって、噴射される流体が通ることができる、少なくとも１つのオリフィス（１６）と、
   該オリフィス（１６）を取り囲み、該オリフィスを通って噴射される前記流体の性質に基づく表面（２６）特性を有する、穴ぐり（１８）と
   を備える、流体噴射装置のオリフィス層。
8. オリフィス層（１４）であって、少なくとも第１のオリフィス（１６）と第２のオリフィス（１６）とを含む、請求項７に記載のオリフィス層。
9. 前記第１のオリフィス（１６）は第１の性質を有する第１の流体を噴射し、前記第２のオリフィス（１６）は第２の性質を有する第２の流体を噴射し、前記第１の穴ぐり（１８）の前記表面（２６）特性は前記第１の性質に基づき、前記第２の穴ぐり（１８）の前記表面（２６）特性は前記第２の性質に基づく、請求項８に記載のオリフィス層。
10. 前記第１の穴ぐり（１８）の前記表面（２６）特性は、前記第２の穴ぐり（１８）の前記表面（２６）特性とは異なる、請求項９に記載のオリフィス層。
11. オリフィス層（１４）のオリフィス（１６）を取り囲む穴ぐり（１８）のポリマー表面（２６）上の濡れを制御する方法であって、
    前記穴ぐり（１８）の前記ポリマー表面（２６）を、所定の表面（２６）特性を有するようレーザ処理すること
    を含む方法。
12. 前記表面（２６）上に存在することができる流体の性質に基づいて前記表面（２６）特性を決定することをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
    

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