JP2010514547A - 液体射出器上の非湿潤性コーティングのパターン及び装置 - Google Patents

Abstract

内表面、外表面、内表面に接触している液体の射出を可能にするオリフィス、外表面の第１の非湿潤性領域及び外表面の、第１の非湿潤性領域より湿潤性の、１つ以上の第２の領域を有する、液体射出器が提供される。フェースプレートを取外し可能な態様で液体射出器に取り付ける工程及びフェースプレートにかけて横方向にワイパーを移動させる工程を含む、液体射出器をクリーニングするためのプロセスが提供される。

Description

本発明は、液体射出器上のコーティング、液体射出器の外表面のクリーニングのための装置及び関連する方法に関する。

液体射出器（例えばインクジェットプリントヘッド）は一般に、内表面、液体がそれを通して射出されるオリフィス及び外表面を有する。液体がオリフィスから射出されるときに、液体は液体射出器の外表面上に滞留し得る。液体がオリフィスに隣接する外表面上に滞留していると、オリフィスからさらに射出される液体は、滞留した液体との（例えば表面張力による）相互作用により、意図される飛行経路から外らされるか、あるいは完全に遮断され得る。

表面を被覆するためにテフロン（登録商標）及びフルオロカーボンポリマーのような非湿潤性コーティングを用いることができる。しかし、「テフロン」及びフルオロカーボンポリマーは一般に軟質であり、耐久性のあるコーティングではない。これらのコーティングはまた高価でもあり、パターン形成が困難でもある。

本開示は、内表面、外表面、内表面に接触している液体の射出を可能にするオリフィス、外表面の第１の非湿潤性領域及び、第１の非湿潤性領域より湿潤性である、外表面の１つ以上の第２の領域を有する液体射出器を特徴とする。

実施形態は以下の特徴の内の１つ以上を有し得る。第１の非湿潤性領域はオリフィスに隣接し、オリフィスを完全に囲む。第２の領域は、オリフィスに近位にある１つ以上の部分領域及びオリフィスから遠位にある１つ以上の部分領域を有し得る。第２の領域はオリフィスからの距離が大きくなるにしたがって大きくなる横方向寸法を有し得る。非湿潤性領域はポリマーまたはモノマーで形成することができる。ポリマーはフルオロカーボンポリマーとすることができ、モノマーはケイ素系モノマーとすることができる。ケイ素系モノマーは１つ以上のフッ素原子を含有することができる。非湿潤性領域は、アルカンチオールモノマーがその上に吸着した金の層で形成することができる。第２の領域は、ケイ素、酸化ケイ素または窒化ケイ素で形成することができる。液体射出器は複数のオリフィスを有することができ、それぞれのオリフィスは共通平面にあることができる。オリフィスは空間周期性をもって配置することができ、第１の非湿潤性領域はパターンをなして被着することができ、パターンはオリフィスと同じ空間周期性をもって反復される単位セルを有する。

本開示は１つ以上の液体射出器をクリーニングする方法も特徴とする。いくつかの実施形態において、本方法は、液体射出器にフェースプレートを取外し可能な態様で取り付ける工程及びフェースプレートにかけてワイパーを横方向に移動させる工程を含む。ワイパーが液体射出器に直接に接することはできない。ワイパーは、ブレード、ブラシまたはスポンジとすることができる。別の実施形態において、ガス流、例えば空気流を外表面に印加することができる。また別の実施形態において、真空吸引を外表面に施すことができる。

いくつかの実施形態は以下の利点の１つ以上を有することができる。オリフィスに接して囲んでいる領域から液体を除去することができ、この結果、より安定な射出液体の吐出が得られる。クリーニング工程を排除することができるか、または被覆された液体射出器には無被覆液体射出器より少ない回数でクリーニング工程を実施することができ、この結果、液体射出器寿命を長くすることができ、印刷速度をより速くすることができる。ワイパーと液体射出器の表面の間の接触を排除し、外表面の摩耗を低減して、液体射出器寿命を長くすることができる。ワイパーユニットは必ずしも必要ではなく、より小さなユニットの作成が可能になり、製造のユニットコストが低減される。

図１Ａは無被覆液体射出器の一実施形態の断面図である。 図１Ｂは、外表面上にパターン付非湿潤性層が被着された、図１Ａの液体射出器の一実施形態の断面図である。 図１Ｃは、外表面上にパターン付非湿潤性層をもつ、図１Ａの液体射出器の一実施形態の断面図であり、非湿潤性層は中間の金層及び外層アルカンチオール単層からなる。 図２Ａは無被覆液体射出器の一実施形態の外表面の上面図である。 図２Ｂは、パターン付非湿潤性層が外表面の部分領域上に被着された、図２Ａの液体射出器の一実施形態の上面図である。 図２Ｃは、パターン付非湿潤性層が外表面の部分領域上に被着された、図２Ａの液体射出器の別の実施形態の上面図である。 図２Ｄは、パターン付非湿潤性層が外表面の部分領域上に被着された、図２Ａの液体射出器のまた別の実施形態の上面図である。 図２Ｅは、パターン付非湿潤性層が外表面の部分領域上に被着された、図２Ａの液体射出器のまた別の実施形態の上面図である。 図３Ａは液体射出器アレイ及び取り付けられていないフェースプレートの一実施形態の図である。 図３Ｂは液体射出器アレイの外表面にフェースプレートが取り付けられている図３Ａの実施形態の図である。 図４Ａは図３Ａの実施形態の斜視図である。 図４Ｂは図３Ｂの実施形態の斜視図である。 図５Ａは、液体射出器の内のいくつかから液体が射出されている、液体射出器アレイの一実施形態の断面図である。 図５Ｂは、フェースプレートが取り付けられ、液滴が外表面の部分領域に付着している、図５Ａの液体射出器アレイの実施形態の断面図である。 図５Ｃは、ワイパーが外表面から付着液滴を除去する、図５Ｂの実施形態の断面図である。 図５Ｄは、外表面から付着液滴がクリーニングされ、フェースプレートが取り外された、図５Ｃの実施形態の断面図である。 図６は、ワイパーがフェースプレートにかけて転がる、フェースプレートが取り付けられた液体射出器アレイの一実施形態の斜視図である。 図７は、パターン付非湿潤性層の別の実施形態が外表面の部分領域上に被着されている、液体射出器の上面図である。 図８は外表面の無被覆領域から液体を除去するための２つのローラーを有する液体射出器の端面図である。

様々な図面における同様の参照符号は同様の要素を示す。

図１Ａは、２００５年１０月２１日に出願された米国特許出願第１１/２５６６６９号の明細書に説明されるように構成することができる、無被覆液体射出器１００（例えばインクジェットプリントヘッドノズル）の断面図である。上記明細書の内容は本明細書に参照として含まれる。液体は直降室１０２を流過し、オリフィス１０４を通して射出される。液体射出器１００は外表面１０６も有する。外表面１０６は、本来のケイ素表面、被着された酸化物、例えば酸化ケイ素の、または窒化ケイ素のような別の材料の、表面とすることができる。

図１Ｂを参照すれば、外表面１０６の部分領域上に非湿潤性コーティング１２０が被着されている。非湿潤性コーティング１２０は疎水性材料とすることができる。被覆されていない領域、例えば無被覆外表面は非湿潤性コーティング１２０より湿潤性である（例えば、より小さい接触角を有する）。

非湿潤性コーティング１２０は、「テフロン」、（トリデカフルオロ-１,１,２,２-テトラヒドロオクチル）トリクロロシラン（ＦＯＴＳ）、１Ｈ,１Ｈ,２Ｈ,２Ｈ-ペルフルオロデシルトリクロロシラン（ＦＤＴＳ）、その他のケイ素系モノマーまたはフルオロカーボンポリマー、または同様の材料を含むことができる。これらのコーティングは、スピンコーティング，スプレーまたはディップコーティング、分子蒸着（ＭＶＤ（登録商標））またはその他の適する方法によって被着することができる。いくつかの材料に対し、非湿潤性コーティングのパターン形成はマスクプロセス、例えば、非湿潤性コーティングを施さないままとされるべき表面の部分領域にかけて保護マスク層を設けるためのフォトレジスト層の被着及びパターン形成、非湿潤性コーティングの被着、次いで、外表面１０６上にパターン付非湿潤性コーティングを残すフォトレジスト層の溶解またはリフトオフ、を用いて達成することができる。あるいは、いくつかの材料について、非湿潤性コーティングのパターン形成はフォトリソグラフィプロセス、例えば、非湿潤性コーティングの被着、非湿潤性コーティングを有するべき表面の部分領域にかけて保護マスク層を設けるためのフォトレジスト層の被着及びパターン形成、フォトレジスト層で被覆されていない非湿潤性コーティングの部分領域の（例えばエッチングによる）除去、次いで、必要にしたがい、フォトレジスト層の除去、を用いて達成することができる。マスク形成工程及びマスク除去工程を排除するため、レーザアブレーションを用いて非湿潤性コーティングにパターンを形成することができる。

図１Ｃは別の非湿潤性コーティング被着方法を表す。外表面１０６の部分領域上に金の層１３０が初めに被着される。次いでアルカンチオール層１３５が金層上に被着されて単層を形成する。金上のアルカンチオール単層の形成及び選択被着は従来手法を用いて行うことができる。アルカンチオール単層は湿潤性または非湿潤性であり得る。適する非湿潤性アルカンチオールには、例として、オクタデシルチオール及び１Ｈ,１Ｈ,２Ｈ,２Ｈ-ペルフルオロデカンチオールがある。（厚さが一般に約５０ｎｍ〜２００ｎｍの）金の選択被着は従来のフォトリソグラフィ及び蒸着手法を用いて達成することができる。

図２Ａ〜２Ｅは液体射出器のオリフィスのアレイ１５０の一部を示す。図２Ａは３つのオリフィス１０４をもつ無被覆外表面１０６を示すが、液体射出器はオリフィスを１つまたは２つだけ有することができ、あるいは３つより多く、例えば２０より多く、例えば１００より多くのオリフィスを有することができる。オリフィスはアレイに、例えば等間隔の単列または等間隔の複数列（この場合列は互いに対してオフセットさせることができる）で、配置することができる。

図２Ｂ〜２Ｅは、非湿潤性コーティング１４０及び無被覆領域が様々なパターンをなしている、オリフィスアレイ１５０をもつ液体射出器の一部の別の実施形態を示す。これらの実施形態において、非湿潤性コーティング１４０は、オリフィス１０４に隣接し、オリフィス１０４を完全に囲む領域に被着される。一般に、非湿潤性コーティングには、オリフィスから離れる方向に広がる細長領域を形成する、非湿潤性コーティングのない領域を１つ以上設けるためにパターンが形成される。

図２Ｂは、パターン付非湿潤性コーティング１４０で被覆された、図２Ａの液体射出器の実施形態を示す。得られたパターンは一連の単位セル１６２と表すことができ、それぞれの単位セルは中央オリフィス１０４及び２つの無被覆領域１０６で定められ、そのような領域のそれぞれは台形として現れる。この実施形態において、台形のそれぞれはオリフィスに近位にある一辺及びオリフィスから遠位にある一辺を有し、遠位辺は近位辺より広い。単位セルは、アレイの平面に直交してオリフィスを二等分する平面で定められる鏡映対称性を有する。単位セルはアレイ１５０に沿って反復されて、オリフィスの周期性に等しい周期性をもつパターンをなすことができる。

図２Ｃは図２Ｂに示された実施形態とは別の実施形態を示す。この実施形態において、それぞれの単位セル１６４は中央オリフィス及び４つの台形領域を含む。２つの台形領域は図２Ｂに示された台形領域であるが、他の２つの台形領域は横方向にずらされている。図２Ｂにおけるように、それぞれの台形はオリフィスに近位にある一辺及びオリフィスから遠位にある一辺を有し、遠位辺は近位辺より広い。単位セルはオリフィスの中心を通り、アレイの平面に直交する線を中心とする回転対称性を有する。単位セルはアレイ１５０に沿って反復されて、オリフィスの周期性に等しい周期性をもつパターンをなすことができる。

図２Ｄはパターン付アレイの別の実施形態を示す。この実施形態において、それぞれの単位セル１６６は中央オリフィス及び３つの台形領域を有する。図２Ｂ〜２Ｃに示された例におけるように、それぞれの台形はオリフィスに近位にある一辺及びオリフィスから遠位にある一辺を有し、遠位辺は近位辺より広い。単位セルはオリフィスの中心を通る線及びアレイの平面のいずれにも直交する平面で定められる鏡映対称性を有する。単位セルはアレイ１５０に沿って反復されて、オリフィスの周期性に等しい周期性をもつパターンをなすことができる。

図２Ｅはパターン付アレイのまた別の実施形態を示す。表面の大部分が非湿潤性コーティング１４０で被覆され、非湿潤性コーティングが液体射出器上に概ね連続する層を形成する、図２Ｂ〜２Ｄに示された実施形態とは対照的に、図２Ｅに示される実施形態においては、アレイの比較的小さい領域が非湿潤性コーティング１４０で被覆され、それぞれのオリフィスの周りの非湿潤性コーティング領域は連結されていない。この実施形態において、単位セル１６８は、中央オリフィス１０４を囲み、オリフィスと回転対称軸を共有する、星形の非湿潤性コーティング１４０として表すことができる。図２Ｅに示されるように、星は８つの先端を有する。しかし、この幾何形状は例示であり、別の実施形態においてパターンは他の形をとることができる。他の実施形態におけるように、単位セル１６８はアレイ１５０に沿って反復されて、オリフィスの周期性に等しい周期性をもつパターンをなすことができる。

図２Ｂ〜２Ｅを再度参照すれば、上述したように、非湿潤性コーティング１４０はポリマーまたはモノマー、例えば、フルオロカーボンポリマーまたはケイ素系モノマー、あるいは下部金層上に被着されたアルカンチオールモノマー、のコーティングとすることができる。無被覆外表面領域１０６は非湿潤性コーティング１４０で被覆された領域より湿潤性であろう。いかなる特定の理論にも束縛されずに、オリフィスから射出された液体はアレイの外表面に付着し得る。そのような付着液体は無被覆外表面領域１０６に優先的に付着することができ、非湿潤性コーティング１４０で被覆された領域から反発され得る。したがって、被覆領域及び無被覆領域の様々なパターンは、付着液滴を液体射出器オリフィスからはじき出すかまたは引き離す、受動輸送機構を提供できる。

図３Ａを参照すれば、液体射出器の一部が、取り付けられていないフェースプレート２００とともに示されている。図３Ｂは取外し可能な態様で液体射出器に取り付けられたフェースプレート２００を示す。フェースプレート２００は液体射出器の外縁としか接触せず、外表面のかなりの領域を露出したまま残す。フェースプレート２００は適するポリマー、一般には柔軟で耐摩耗性のポリマーで形成することができる。フェースプレート２００は、例えばクリーニング工程中に、取外し可能な態様でアレイ１５０に取り付けることができる。

図４Ａ及び４Ｂは、フェースプレート２００が取り付けられていない液体射出器のアレイ１５０（図４Ａ）及びフェースプレート２００がアレイの外縁に取り付けられているアレイ１５０（図４Ｂ）の一部を斜視図で示す。領域１６０は、図示されていない、液体射出器装置の残部を表す。

図５Ａ〜５Ｄは使用時及びクリーニング工程中の液体射出器アレイのプロセス工程を示す。図５Ａは動作における３つの液体射出器のアレイ１５０の断面図を示し、２つの液体射出器は、本例では液滴２１０の形態で示される液体（例えばインク）を、オリフィス１０４を通して射出中であり、液体射出器の１つは液体を射出していない。図５Ｂを参照すれば、液体射出からある程度の時間がたつとアレイ表面の無被覆領域１０６に液滴２１０が付着し得る。上で略述した理論に一致して液滴は無被覆領域に優先的に付着し得るが、液滴は非湿潤性コーティングで被覆された領域にも付着し得る。

図５Ｂはアレイ１５０に、アレイの外縁領域にしか接触せずに、取り付けられたフェースプレート２００も示す。図５Ｃはフェースプレート２００の外表面にかけて横方向に移動しているワイパー２２０を示す。ワイパー２２０はフェースプレート２００には接触するがアレイ１５０に直接に接することはない。すなわち、フェースプレート２００がアレイの外表面１０６よりも若干上方に、例えばアレイから射出されるであろう一般的な液滴の直径より小さく、例えば５０μｍないしさらに小さく、突き出すように、フェースプレート２００の厚さを選ぶことができ、フェースプレートをアレイ１５０に連結することができる。すなわち、フェースプレート２００は、ワイパー２２０がアレイ表面に直接に接触せずに吸着液滴２１０に接触してこれをアレイ表面から除去するように、ストップとしてはたらく。ワイパー２２０は、液体射出器から射出された液体、例えばインクを吸着させるに役立つ材料で形成することができる。図５Ｄを参照すれば、フェースプレート２００にかけてワイパーを移動させた後、フェースプレートを取り外してアレイ１５０の清浄な外表面、すなわち、付着液滴がないかまたは吸着液体の体積がクリーニング工程前より減少した外表面、を出すことができる。いくつかの実施形態において、他の形態のワイパー、例えば、ブレード、スポンジ、ブラシ、ローラーまたは同様の用具を用いることができる。別の実施形態において、空気またはその他の気体の吹付け、あるいは吸引を、アレイから付着液滴を除去するために用いることができる。

図６は、ここではローラー２３０の形態のワイパーがそれにかけて転がるフェースプレート２００が取り付けられているアレイ１５０の一実施形態の斜視図を示す。アレイ１５０は非湿潤性コーティングで被覆された領域及びノズルから液体を離れさせるための無被覆領域を有し、ローラーが液体を除去する。

図７は、パターン付非湿潤性コーティング１４０で被覆されている、液体射出器１５０の別の実施形態の上面図を示す。この実施形態は図２Ｂと同様であり、ノズル１４０から離れる方向に広がる、無被覆領域１０６ａ，１０６ｂ，例えば台形領域を有する。しかし、この実施形態において、ノズル列の一方の側にある無被覆領域１０６ａは、ノズル列全体に平行に沿って延びることができる、共通無被覆領域２４０ａに連結される。同様に、ノズル列の他方の側にある無被覆領域１０６ｂは、ノズル列全体に平行に沿って延びることができる、共通無被覆領域２４０ｂに連結される。無被覆領域２４０ａ，２４０ｂはそれぞれ、台形領域１０６ａ，１０６ｂの広辺に結合することができる。無被覆領域２４０ａ，２４０ｂは基板の縁辺にあることができる。

図７は図２Ｂと同様であるが、ノズル列に平行に沿って延びている無被覆領域は他の実施形態とともに、例えば図２Ｃ及び２Ｄに示されるパターンとともに、用いることができるであろう（図２Ｄの実施形態において、無被覆領域はノズル列の一方の側だけに沿って延びることができるであろう）。

図８を参照すれば、ワイパー、例えばローラー２３０は、ノズル列に平行に延びる、外表面の無被覆領域に直接に接触するように（及び被覆領域には接触しないように）配置することができる。ローラー２３０は、被覆領域からはじき出された液体を除去しながら、ノズル列に平行に移動するように構成することができる。図８に示される、ある実施形態においては、２つのワイパー、例えばローラー２３０が、液体を除去するためにノズル列の両側の無被覆領域２４０ａ，２４０ｂに同時に直接に接触するように平行に配置される。ワイパーがプリントヘッド１５０の無被覆領域に直接に接触する実施形態においては、フェースプレート２００（図示せず）がモジュールの表面から突き出す必要はない。例えば、フェースプレートの外表面はモジュールの表面と同じ高さに、またはそれより低くすることができ、あるいはフェースプレートを全く省略することができるであろう。

本発明の多くの実施形態を説明した。それでも、本発明の精神及び範囲を逸脱することなく様々な改変がなされ得ることは理解されるであろう。例えば、別の非湿潤性コーティング及び無被覆領域のパターンを思い描くことができるし、本明細書に示した順序とは異なる順序で方法工程を実施することができ、それでも所望の結果を得ることができるであろう。したがって、他の実施形態も添付される特許請求の範囲内にある。

１００ 無被覆液体射出器
１０２ 直降室
１０４ オリフィス
１０６，１０６ａ，１０６ｂ 無被覆外表面
１２０，１０４ 非湿潤性コーティング
１３０ 金層
１３５ アルカンチオール単層
１５０ オリフィスアレイ
１６２，１６４，１６６，１６８ 単位セル
２００ フェースプレート
２１０ 液滴
２２０ ワイパー
２３０ ローラー
２４０ａ，２４０ｂ 共通無被覆領域

Claims (18)

1. 液体射出器において、
   内表面、
   外表面、
   前記内表面に接触している液体の射出を可能にするオリフィス、
   前記外表面の第１の非湿潤性領域、及び
   前記外表面の１つ以上の第２の領域であって、前記第１の非湿潤性領域よりも湿潤性である第２の領域、
   を有することを特徴とする液体射出器。
2. 前記第１の非湿潤性領域が前記オリフィスに隣接して該オリフィスを完全に囲んでいることを特徴とする請求項１に記載の液体射出器。
3. 前記外表面の前記第２の領域が、前記オリフィスの近位にある１つ以上の部分領域及び前記オリフィスから遠位にある１つ以上の部分領域を有することを特徴とする請求項１に記載の液体射出器。
4. 前記外表面の前記第２の領域が、前記オリフィスからの距離が大きくなるにつれて大きくなる、横方向寸法をさらに有することを特徴とする請求項３に記載の液体射出器。
5. 前記第１の非湿潤性領域がポリマーで形成されることを特徴とする請求項１に記載の液体射出器。
6. 前記ポリマーがフルオロカーボンポリマーであることを特徴とする請求項５に記載の液体射出器。
7. 前記第１の非湿潤性領域がケイ素系モノマーを含むことを特徴とする請求項１に記載の液体射出器。
8. 前記ケイ素系モノマーが１つ以上のフッ素原子を含有することを特徴とする請求項７に記載の液体射出器。
9. 前記第１の非湿潤性領域が、アルカンチオールモノマーがその上に吸着した金の層で形成されることを特徴とする請求項１に記載の液体射出器。
10. 前記第２の領域が、ケイ素、酸化ケイ素または窒化ケイ素で形成されることを特徴とする請求項１に記載の液体射出器。
11. 複数のオリフィスを有し、前記複数のオリフィスのそれぞれが共通の平面にあることを特徴とする請求項１に記載の液体射出器。
12. 前記複数のオリフィスが空間周期性をもって現れ、前記第１の非湿潤性領域がパターンをなして被着され、前記パターンが前記オリフィスと同じ空間周波数をもって反復される単位セルを含むことを特徴とする請求項１１に記載の液体射出器。
13. 液体射出器をクリーニングする方法において、
    請求項１に記載の液体射出器に取外し可能な態様でフェースプレートを取り付ける工程、及び
    前記フェースプレートにかけてワイパーを横方向に移動させる工程、
    を含むことを特徴とする方法。
14. 前記ワイパーが前記液体射出器に直接に接触しないことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. 前記ワイパーが、ブレード、ブラシ、ローラーまたはスポンジであることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
16. 液体射出器をクリーニングする方法において、
    請求項１に記載の液体射出器の外表面に気体流を印加する工程、
    を含むことを特徴とする方法。
17. 前記気体が空気であることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
18. 液体射出器をクリーニングする方法において、
    請求項１に記載の液体射出器の外表面に真空吸引を施す工程、
    を含むことを特徴とする方法。

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