JP2006212971A

JP2006212971A - インクジェットヘッド及びそれを用いたインクジェット式記録装置

Info

Publication number: JP2006212971A
Application number: JP2005029202A
Authority: JP
Inventors: Osamu Machida; 治町田; Jun Nagata; 純永田; Takao Umeda; 高雄梅田
Original assignee: Ricoh Printing Systems Ltd
Current assignee: Ricoh Printing Systems Ltd
Priority date: 2005-02-04
Filing date: 2005-02-04
Publication date: 2006-08-17

Abstract

【課題】
短時間で全面が均一に陽極接合でき、かつ耐食性に優れたインクジェットヘッドを得る。さらに、インクの濡れによる吐出特性の低下がなく、液滴の直進性に優れた、高精細かつ高性能なインクジェットヘッド及びそれを用いたインクジェット式記録装置を提供する
【解決方法】
チャンバプレート（９）をシリコンで形成するとともに、チャンバプレート（９）の表面に熱酸化膜（１７）を設け、熱酸化膜（１７）のオリフィスプレート（８）と当接する面にパイレックス（登録商標）膜（１４）を設け、オリフィスプレート（８）のパイレックス（登録商標）膜（１４）と当接する面と反対側の面に金属薄膜（１７）を設け、陽極接合によりチャンバプレート（９）とオリフィスプレート（８）を接合した接合体の金属薄膜（１７）表面及びオリフィス（１）内面の一部に、撥インク処理（１８）を施す。
【選択図】図１

Description

本発明は、インクを蓄える複数の加圧室を有するチャンバプレートと、前記加圧室に対向してオリフィスを有するオリフィスプレートとを備えたインク液滴を噴出するインクジェットヘッド及びそれを用いたインクジェット式記録装置に関するものである。

インクジェット式記録装置は、印字プロセスが簡単でかつ非接触で記録が可能であるため、用紙等のメディアへの印刷のみならず、様々な溶液からなるインクを、種々の被液滴吐出基板に吐出させる産業用途の液体噴射装置としても注目されている。

これらの用途へ展開するには、酸性、アルカリ性及び極性溶剤など、産業用途で用いられる種々の溶液からなるインクを吐出させることが必要となる。このため、インクジェットヘッドの構成材料や接着剤の耐食性の向上が要求されていた。インクジェットヘッドのインク流路を構成する材料としては、微細化に伴う加工性からシリコンを用いる技術が多数公開されている（例えば、特許文献１参照）。

また、接着剤を使用せずに、シリコンとガラス、または、シリコンとシリコンを陽極接合する装置や、陽極接合でインクジェットヘッドのインク流路を形成する技術も多数公開されている（例えば、特許文献２〜５参照）。

陽極接合は、接着剤を介さない固層接合であるため、耐食性に優れるだけでなく、インク流路の寸法精度を高くできるという利点があり、各オリフィスから吐出されるインクの速度や重量のバラツキが小さく、高性能なインクジェットヘッドの製造を可能にしたが、実際には、インクジェットヘッドのインク流路は、構造が複雑であるため、陽極接合する際には、電極の位置をずらしたり電圧印加方法を工夫して全面を均一に接合することが必要であった（例えば、特許文献６及び７参照）。

また、オリフィスプレート単体に撥インク膜を形成する方法としては、マスクを用いてインク流路側からプラズマ照射をするものがあった（例えば、特許文献８参照）。

特開平６−３１９１４号公報

特開平６−７１８８２号公報

特開平７−１３０５９２号公報

特開平８−８８１５４号公報

特開２００４−４２２４８号公報

特開平１１−１３８８２６号公報

米国特許第３３９７２７８号公報

特開２００３−６３０１４号公報

上記した従来のインクジェットヘッドは、点または線電極を使用しているため、陽極接合するにあたっては、点または線電極の位置から接合が開始され、形状によっては接合速度に差が生じ、一部接合されない部分が存在していた。他方、面電極を使用した場合は、接合する部材の面積が小さく、また、穴や溝が多数存在するため、応力が緩和されやすく短時間で均一に接合できるものの、オリフィスがシリコンあるいは熱酸化シリコンである場合は、吐出させるインクによりオリフィスが濡れ、インクの着地位置精度が低下するという問題があった。

図２に、従来のオリフィスプレート８とチャンバプレート９の陽極接合における部品及び治具の構成を示す。チャンバプレート９には、絶縁を保つための熱酸化膜１３及びパイレックス（登録商標）膜１４が形成されている。オリフィスプレート８とチャンバプレート９を、下電流１５からなる下治具と、重り１１および上電流１２からなる上治具とではさみ、両プレート８及び９に直流電源２０を使用し電圧を印加して接合を行う。両プレート８及び９の表面は精度良く加工されているが、前記のような構成でオリフィスプレート８とチャンバプレート９を接合させた場合、両プレート８及び９間に空気が入るため、密着している部分としていない部分が混在していた。このような状況で電圧を印加すると、接合は密着した部分から進行するため、接合領域がお互いにぶつかり合う部分では歪が発生して、部分的に接合されない領域ができてしまっていた。これらを防止する方法として、接合治具全体を真空装置内に入れてオリフィスプレート８とチャンバプレート９間の空気を除去する方法もあるが、装置が高価になるという問題があった。

また、従来のオリフィスプレート８への撥インク処理は、部品の段階で行い、その後で、チャンバプレート９等の他部品と接着を行っていたが、陽極接合の場合は、接合温度が４００℃以上と高温になるため、陽極接合前にオリフィスプレート８に撥インク処理を行うと撥インク膜がダメージを受け効果を失ってしまうという問題があった。

さらに、オリフィスプレート８の撥インク膜を施したくない箇所にマスクを付けてから撥インク処理を行う従来の手法では、オリフィスプレート８とチャンバプレート９の接合体のような表面形状が複雑な場合には適応できなかった。

インクを蓄える加圧室を有するチャンバプレートと、該チャンバプレートに接着された振動板と、該振動板上の前記加圧室に対向する面に接着された振動子と、前記加圧室にインクを供給するインク流路を有するハウジングと、前記加圧室に対向してオリフィスを有するオリフィスプレートとによりインク液滴を噴出するインクジェットヘッドにおいて、前記チャンバプレートをシリコンで形成するとともに、該チャンバプレートの表面に熱酸化膜を設け、前記熱酸化膜の前記オリフィスプレートと当接する面にパイレックス（登録商標）膜を設け、前記オリフィスプレートの前記パイレックス（登録商標）膜と当接する面と反対側の面に金属薄膜を設け、陽極接合により前記チャンバプレートと前記オリフィスプレートを接合した接合体の前記金属薄膜表面及び前記オリフィス内面の一部に、撥インク処理を施したことを特徴とする。

また、前記金属薄膜の膜厚が０．５〜２．０μｍであることを特徴とする。

また、前記撥インク処理に用いる撥インク処理剤がフッ素系高分子を含むことを特徴とする。

また、請求項１乃至３のいずれかの項に記載のインクジェットヘッドを備えたインクジェット式記録装置であることを特徴とする。

本発明によれば、インクジェットヘッドのオリフィスプレート表面に、金属薄膜を形成することにより、短時間で全面が均一に陽極接合でき、かつ耐食性に優れたインクジェットヘッドを得ることができる。さらに、前記金属薄膜は、陽極接合後に金属薄膜上に施される撥インク処理剤に対し、優れた密着力を示すため、耐擦性に優れ、インクの濡れによる吐出特性の低下を防ぎ、液滴の直進性に優れた、高精細かつ高性能なインクジェットヘッド及びそれを用いたインクジェット式記録装置を提供することができる。

以下に、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明に係るインクジェットヘッドの一実施例を示す断面図である。インクジェットヘッドは、オリフィス１、加圧室２、振動板３、振動子４、振動子固定板５、共通インク供給路７と加圧室２とを連結し加圧室２へのインク流入を制御するリストリクタ６、オリフィス１を形成するオリフィスプレート８、加圧室２を形成するチャンバプレート９及び共通インク供給路７を固定するハウジング１０から構成されている。

オリフィスプレート８及びチャンバプレート９はシリコンで形成されている。また、振動板３は、シリコンまたは耐食性に優れた例えばポリイミド等の樹脂で形成されている。

インクは、上流から下流へ向かって、共通インク供給路７を通過して、リストリクタ６、加圧室２、オリフィス１の順に流れる。振動子４は、図示していない入力端子により電位差が印加されたときに伸縮し、この振動子４の変形によって、加圧室２内のインクに圧力が加わり、オリフィス１からインクを吐出させる。

図３に、本発明における陽極接合の治具及び部品構成を示す。チャンバプレート９には絶縁を保つための熱酸化シリコン膜１３が形成されており、オリフィスプレート８との接合面上には、パイレックス（登録商標）膜１４が２μｍの膜厚で形成されている。ここではスパッタ法によりパイレックス（登録商標）膜１４を製膜したが、製膜方法としては、真空蒸着法などを用いても何ら問題はない。

オリフィスプレート８の下電極１５と接する面には金属薄膜１７を形成した。金属の種類は比抵抗の小さい一般的な金属であれば種類及び製膜方法には限定されず、合金であっても何ら問題はない。本実施例では、スパッタ法でアルミ薄膜を０．５μｍの膜厚で製膜した。また、金属薄膜１７の膜厚は０．５〜２．０μｍが望ましい。０．５μｍより薄いと、金属薄膜１７の抵抗を小さくするような均一な膜厚が形成できない。ただし、２．０μｍより厚い場合は成膜するのに時間がかかるので、例えば、スパッタ法においては２．０μｍにするとよい。

金属薄膜１７を表面に成膜したオリフィスプレート８と、チャンバプレート９とを、下電流１５からなる下治具と、重り１１および上電流１２からなる上治具とではさみ、両プレート８及び９に直流電源２０を使用し電圧を印加して接合を行う。オリフィスプレート８とチャンバプレート９とを陽極接合する際の代表的な接合条件は、印加電圧１００Ｖ、接合温度４００℃、接合時間１５分であった。

オリフィスプレート８の下電極１５との接触面に金属薄膜１７を形成することにより、ナトリウムイオンの移動を円滑にし、接合面全面が等電位となるため全面で同時に接合が開始される。

ここで、陽極接合の原理について説明する。まず、パイレックス（登録商標）膜１４中のナトリウムイオンが陰極側に移動し、パイレックス（登録商標）膜１４とシリコンからなるオリフィスプレート８の接合界面には空孔が形成され、高い電界が発生する。この電界によりパイレックス（登録商標）膜１４とオリフィスプレート８の間に静電引力が発生し密着に至る。次に、オリフィスプレート８のシリコンと、パイレックス（登録商標）膜１４表面のＯＨ基が結合し、さらに熱で脱水することによりオリフィスプレート８のＳｉと酸素ＯがＳｉ−Ｏの共有結合を形成するものである。このため、陽極接合中の電流量をモニタすることによって接合の状況を把握することが可能である。

図４に、接合時の電流量の変化を示した。電圧印加後にナトリウムイオンの移動に伴い電流が流れる。ここでは過電流による絶縁破壊を防止するために、リミッタ電流を２００μＡと設定した。図中の（Ａ）の領域は、ナトリウムイオンが陰極側に移動している時間である。電流量が一定であることから、金属薄膜１７を形成することで、全面において均一に、かつ、短時間でナトリウムイオンの移動が完了したことがわかる。（Ｂ）の領域では、ナトリウムイオンの移動が減少するに伴い電流量が低下し、電流量がリーク電流Ｉａになったときに接合が完了する。

なお、（Ａ）＋（Ｂ）の時間が接合時間であり、１５分であった。

本実施例に基づき接合を行ったオリフィスプレート８とチャンバプレート９の接合状態を、赤外線顕微鏡にて観察した。シリコンは赤外線を透過するため、接合部に未接合部（隙間）が存在する場合は、接合部との境界に干渉縞が発生するが、上記方法により陽極接合を行ったオリフィスプレート８とチャンバプレート９の接合部には、干渉縞は見られず、全面にわたり均一に接合されたことが確認できた。

次に、接合が完了したオリフィスプレート８とチャンバプレート９の接合体のオリフィスプレート８表面に撥インク処理を施す。処理工程を、工程（ａ）〜（ｃ）及び図５に示す。本実施例では撥インク処理剤に、フッ素系の高分子材料を使用した。

工程（ａ）：接合体の表面処理
オリフィスプレート８とチャンバプレート９の接合体のオリフィスプレート８表面には、金属薄膜１７が形成されている。撥インク処理剤との密着性を向上させるため、オリフィスプレート８とチャンバプレート９の接合体には、全面にＯ_２プラズマ処理を行った。処理条件は、５００Ｗで１分間とした。

工程（ｂ）：撥インク処理剤の塗布
本実施例では、撥インク処理剤としてダイキン工業製のＤＳＸを使用した。１％のＤＳＸ溶液に３０分間ディップして、接合体全面にＤＳＸを塗布した後に、１５０℃、１５分の熱処理を行った。図５において撥インク膜１８を太線で示す。

工程（ｃ）：インク流路内の撥インク膜の除去
接合体の全面に撥インク処理を行った後に、インク流路に付着した撥インク膜１８の除去を行う。まず、オリフィスプレート８表面にドライフィルムレジスト１９をラミネートする。このときにラミネート圧力を調節して、オリフィス１内部に一部ドライフィルムレジスト１９を入り込ませる。このように、撥インク膜１８の一部をオリフィス１内部に残すことにより、安定したメニスカスが形成され、インク液滴の直進性を向上できる。本実施例では、ドライフィルムレジスト１９をオリフィス１内部に膜厚５μｍ入り込ませた。その後、接合体をＯ_２プラズマ処理（５００Ｗ、１５秒）することにより、ドライフィルムレジスト１９がラミネートされている部分以外の撥インク膜１８を除去する。

また、本実施例では、上記したように、先にオリフィスプレート８の表面に、金属薄膜１７としてアルミ薄膜を形成した。撥インク処理の前処理として、金属薄膜１７面にＯ_２プラズマ処理を施すことにより、アルミ薄膜面にＯＨ基が多数形成されたため、撥インク膜１８との密着性は、オリフィスプレート８のシリコン本体と撥インク膜１８との密着性と比較して向上した。これは、ゴムワイパーで撥インク膜１８の表面を擦り、耐擦性を評価した結果、オリフィスプレート８のシリコン表面に、ＤＳＸを上記と同様に塗布した場合には、５００回程度の擦り回数で、インクの接触角に低下が見られたが、本実施例で処理したアルミ薄膜面にＤＳＸを塗布した場合には、擦り回数が１００００回になっても、インクの接触角が低下しなかったことから明らかである。

次に、上述のインクジェットヘッドを用いた本発明のインクジェット式記録装置の一実施例について図６を用いて説明する。

筺体３０の上部にヘッドベース３１が配置され、ヘッドベース３１には、１個又は複数個のプリントヘッドを搭載したヘッド組３２が設けられている。ヘッド組３２には吐出溶液供給管３４から、インクが供給される。ヘッド組３２のオリフィス１（図２）と対向するように、被液滴吐出基板ベース３３が設けられ、被液滴吐出基板ベース３３に被液滴吐出基板３５を設置する。本実施例では、ヘッド組３２が図示されているＸ方向に移動できる機構と、被液滴吐出基板ベース３３がＹ方向に移動できる機構とが備わっていて、任意のパターンが被液滴吐出基板３５上に形成可能である。

本発明のインクジェットヘッドは、上記のような記録装置に搭載することにより、産業用の各種基板への配線の直接描画や、また、ディスプレイ製造装置等のディスペンサーとして使用することができる。

本発明のインクジェットヘッドの一実施例を示す断面図。従来のインクジェットヘッドの陽極接合時の構成を示す図。本発明のインクジェットヘッドの陽極接合時の構成を示す図。本発明のインクジェットヘッドの陽極接合時の電流値を示す図。本発明のインクジェットヘッドの撥インク処理工程を示す図。本発明のインクジェットヘッドを用いたインクジェット式記録装置の一実施例を示す外観図。

符号の説明

１オリフィス
２加圧室
３振動板
４振動子
５振動子固定板
６リストリクタ
７共通インク供給路
８オリフィスプレート
９チャンバプレート
１０ハウジング
１１重り
１２上電極
１３熱酸化シリコン膜
１４パイレックス（登録商標）膜
１５下電極
１６ヒータ
１７金属薄膜
１８撥インク膜
１９ドライフィルムレジスト

Claims

インクを蓄える加圧室を有するチャンバプレートと、該チャンバプレートに接着された振動板と、該振動板上の前記加圧室に対向する面に接着された振動子と、前記加圧室にインクを供給するインク流路を有するハウジングと、前記加圧室に対向してオリフィスを有するオリフィスプレートとによりインク液滴を噴出するインクジェットヘッドにおいて、前記チャンバプレートをシリコンで形成するとともに、該チャンバプレートの表面に熱酸化膜を設け、前記熱酸化膜の前記オリフィスプレートと当接する面にパイレックス（登録商標）膜を設け、前記オリフィスプレートの前記パイレックス（登録商標）膜と当接する面と反対側の面に金属薄膜を設け、陽極接合により前記チャンバプレートと前記オリフィスプレートを接合した接合体の前記金属薄膜表面及び前記オリフィス内面の一部に、撥インク処理を施したことを特徴とするインクジェットヘッド。
前記金属薄膜の膜厚が０．５〜２．０μｍ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ヘッド。
前記撥インク処理に用いる撥インク処理剤がフッ素系高分子を含むことを特徴とする請求項１記載のインクジェットヘッド。
請求項１乃至３のいずれかの項に記載のインクジェットヘッドを備えたことを特徴とするインクジェット式記録装置。