JP4630084B2 - インクジェットプリントヘッドのノズルプレート表面への疏水性コーティング膜の形成方法 - Google Patents

Description

本発明はインクジェットプリントヘッドに係り、より詳細には、インクジェットプリントヘッドのノズルプレート表面に疏水性コーティング膜を形成する方法に関する。

一般的に、インクジェットプリントヘッドは、印刷用インクの微小な液滴を記録用紙上の所望の位置に吐出させて所定色相の画像として印刷する装置である。このようなインクジェットプリントヘッドは、インク吐出方式によって大きく２種に分けられる。その１つは、熱源を用いてインクにバブルを発生させ、そのバブルの膨張力によりインクを吐出させる熱駆動方式のインクジェットプリントヘッドであり、他の１つは圧電体を使用して、その圧電体の変形によりインクに加えられる圧力によりインクを吐出させる圧電方式のインクジェットプリントヘッドである。

図１は、従来の圧電方式のインクジェットプリントヘッドの一般的な構成を示す断面図である。
図１を参照すれば、流路プレート１０にはインク流路を構成するマニホールド１３、複数のリストリクタ１２及び複数の圧力チャンバ１１が形成されており、ノズルプレート２０には複数の圧力チャンバ１１のそれぞれに対応する複数のノズル２２が形成されている。そして、前記流路プレート１０の上部には圧電アクチュエータ４０が備えられている。前記マニホールド１３は、インク貯蔵庫（図示せず）から流入されたインクを複数の圧力チャンバ１１それぞれに供給する共通通路であり、リストリクタ１２はマニホールド１３から圧力チャンバ１１内にインクが流入される個別通路である。前記複数の圧力チャンバ１１は、吐出されるインクが満たされる所であり、マニホールド１３の一側または両側に配列されている。このような圧力チャンバ１１は、圧電アクチュエータ４０の駆動によりその体積が変化することによって、インクの吐出または流入のための圧力変化を生成する。このために、流路プレート１０の圧力チャンバ１１の上部壁は圧電アクチュエータ４０により変形される振動板１４の役割を行う。

前記圧電アクチュエータ４０は、流路プレート１０上に順次に積層された下部電極４１と、圧電膜４２と、上部電極４３とで構成される。そして、前記下部電極４１と流路プレート１０との間には、絶縁膜としてシリコン酸化膜３１が形成されている。下部電極４１は、シリコン酸化膜３１の全面に形成されて共通電極の役割を行う。圧電膜４２は、圧力チャンバ１１の上部に位置するように下部電極４１上に形成される。上部電極４３は、圧電膜４２上に形成され、圧電膜４２に電圧を印加する駆動電極の役割を行う。

前述したような構成を有するインクジェットプリントヘッドにおいて、ノズルプレート２０の表面の撥水（ｗａｔｅｒ−ｒｅｐｅｌｌｅｎｔ）処理は、ノズル２２を通じて吐出されるインク液滴の直進性と吐出速度などのインク吐出性能に直接的な影響を及ぼす。すなわち、インク吐出性能を向上させるためには、ノズル２２の内面は親水性を有さねばならず、ノズル２２の外部のノズルプレート２０の表面は撥水性を、すなわち疏水性を有さねばならない。

したがって、一般的にノズルプレート表面には疏水性コーティング膜が形成され、このような疏水性コーティング膜を形成する方法としては多様なものが知られている。従来の疏水性コーティング膜の形成方法は大きく２種に分けられるが、その１つは一定の物質の表面に選択的にコーティングされるコーティング液を使用する方法であり、他の１つは非選択的なコーティング液を使用する方法である。

図２は、従来のインクジェットプリントヘッドのノズルプレート表面に疏水性コーティング膜として、硫黄化合物層が形成された例を示す。
図２を参照すれば、ノズル５５が貫通形成されているノズルプレート５１の表面に、まず金属層５２を形成した後、前記金属層５２の表面に硫黄化合物を塗布して硫黄化合物層５３を形成する。この際、硫黄化合物は、金属層５２の表面にのみ選択的に塗布される。

しかし、このような方法においては、金属層５２がノズルプレート５１の表面だけでなく、ノズル５５の内面にも蒸着される可能性が高く、またノズル５５の数が多い場合には複数のノズルそれぞれ毎に異なる部分に異なる面積に不均一に蒸着されうる。この場合には、硫黄化合物層５３もノズル５５内面に形成されるか、不均一に形成される。このように、疏水性コーティング膜の硫黄化合物層５３の形成状態が良好でなければ、ノズル５５周辺がインクにより汚染されやすく、インク液滴の吐出速度が低下されるか、吐出方向が不均一になるなどインク液滴の吐出性能が低下するという問題が発生する。

図３は、従来のインクジェットプリントヘッドのノズルプレート表面にフッ素樹脂を含む撥水膜が形成された例を示す。
図３を参照すれば、ノズルプレート７０の表面には撥水膜９０が形成されるが、この撥水膜９０はニッケルベース９６にフッ素樹脂粒子９４と硬質体９８が含有された構成を有し、その表面にはフッ素樹脂膜９２が形成される。このような撥水膜９０の形成方法は次の通りである。まず、ノズル７２内に高分子樹脂を充填した後、ノズルプレート７０表面に撥水膜９０を形成した後、高分子樹脂を除去する。それにより、ノズルプレート７０の表面にだけ撥水膜９０が形成される。

しかし、このような方法は、ノズル７２内部に高分子樹脂を充填した後、これを再び除去する多少複雑な工程を経ねばならない短所がある。
一方、特許文献１には、ノズル内面への撥水膜のコーティングを防止するために、ノズルを通じてガスを吹き出しつつ、ノズルプレートの表面に撥水膜を形成する方法が開示されている。しかし、この方法は、装置が複雑、かつ工程が難しくて実際には適用し難い。

特開平７−３１４６９３号公報

本発明は、前記問題点を解決するために創出されたものであって、特にノズルプレートの外面にのみ選択的に均一な疏水性コーティング膜を容易に形成できるインクジェットプリントヘッドのノズルプレート表面に疏水性コーティング膜を形成する方法を提供するところにその目的がある。

前記技術的課題を達成するために本発明は、インクジェットプリントヘッドのノズルプレートの外側表面に疏水性コーティング膜を形成する方法において、複数のノズルが形成されたノズルプレートを準備する段階と、前記ノズルプレートの外側表面及び前記ノズルの内面に金属層を形成する段階と、前記金属層を覆う物質膜を形成する段階と、前記物質膜を選択的にエッチングして前記金属層中前記ノズルプレートの外面に形成された部分を露出させる段階と、前記ノズルプレートを硫黄化合物が含有された溶液内に浸漬して前記露出された金属層の表面に前記硫黄化合物よりなる疏水性コーティング膜を形成する段階とを備える疏水性コーティング膜の形成方法を提供する。
ここで、前記ノズルプレートは、シリコンウェーハよりなり、この場合、前記金属層の形成段階前に、前記ノズルプレートの外側表面と前記ノズルの内面とにシリコン酸化膜が形成されることが望ましい。

そして、前記金属層の形成段階は、スパッタリングまたは電子ビーム蒸着法により行われうる。
前記金属層は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ及びＩｎよりなる群から選択された少なくとも１つの金属よりなり、望ましくは、前記金属層はＡｕよりなる。

前記物質膜の形成段階は、プラズマ化学気相蒸着（ＰＥ−ＣＶＤ）方法により行われることが望ましく、前記物質膜はシリコン酸化膜よりなることが望ましい。
前記物質膜のエッチング段階は、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ；Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）方法により行われることが望ましい。
前記硫黄化合物は、チオール化合物であることが望ましい。

本発明による疏水性コーティング膜の形成方法によれば、ノズルプレートの外面にのみ選択的に均一な疏水性コーティング膜を形成できる。したがって、ノズルを通じたインク液滴の吐出速度やインク液滴の直進性などインク吐出性能が向上して印刷品質が向上しうる。
そして、本発明によれば、従来よりさらに単純化された工程で、さらに容易に疏水性コーティング膜を形成しうる。

以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施形態を詳細に説明する。以下の図面で同じ参照符号は同じ構成要素を示し、図面上で各構成要素の大きさは説明の明瞭性と便宜性のために誇張されうる。
図４Ａないし図４Ｅは、本発明の望ましい実施形態によるインクジェットプリントヘッドのノズルプレート表面に疏水性コーティング膜を形成する方法を段階的に示す断面図である。一方、以下の図面はノズルプレートの一部を示したものであって、一般的なノズルプレートには数十ないし数百個のノズルが１列または複数列に配列されている。

まず、図４Ａに示されたように、ノズル１２２が形成されたノズルプレート１２０を準備する。この際、前記ノズルプレート１２０は、シリコンウェーハよりなることが望ましい。シリコンウェーハは、半導体素子の製造に広く使われ、量産に効果的である。一方、前記ノズルプレート１２０としてシリコンウェーハの代りにガラス基板や金属基板などを使うことができる。

そして、前記ノズルプレート１２０の表面及び前記ノズル１２２の内面にはシリコン酸化膜１３１が形成されることが望ましい。前記シリコン酸化膜１３１は、親水性を有するので、ノズル１２２の内面を親水性にできる長所と共に、インクとの反応性がほとんどない長所もある。このようなシリコン酸化膜１３１は、ノズルプレート１２０を酸化炉に入れて湿式または乾式酸化させることによって形成でき、また化学気相蒸着（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ＣＶＤ）方法により形成することができる。

次いで、図４Ｂに示されたように、準備されたノズルプレート１２０の表面に金属層１３２を形成する。前述したように、ノズルプレート１２０の表面にシリコン酸化膜１３１が形成された場合には、前記金属層１３２は、シリコン酸化膜１３１の表面に形成することができる。具体的に、前記金属層１３２は、スパッタリングまたは電子ビーム蒸着法で所定の金属物質をノズルプレート１２０の表面に所定厚さに蒸着することによって形成することができる。この際、直進性にさらに優れた蒸着法である電子ビーム蒸着法により金属層１３２を形成することが望ましく、またノズルプレート１２０を回転させて金属物質を蒸着することが望ましい。そして、前記金属物質としては、後述する硫黄化合物を化学的に吸着できる金属物質、例えばＡｕ、Ａｇ、ＣｕまたはＩｎなどが使われ、特に化学的、物理的安定性に優れたＡｕを使用することが望ましい。

一方、図４Ｂに示された段階で、前記金属層１３２はノズルプレート１２０の外面だけでなく、ノズル１２２の内面の一部にも蒸着される可能性が高く、また各ノズル１２２毎に異なる部分に異なる面積に不均一に蒸着することができる。この場合には、前述したように不均一な疏水性コーティング膜が形成されてインク液滴の吐出性能を低下させる。

これを防止するために、本発明では次の段階を経る。
すなわち、図４Ｃに示されたように、前記金属層１３２を覆う物質膜１３３を形成する。前記物質膜１３３は、前述したような長所を有するシリコン酸化膜よりなることが望ましい。そして、前記物質膜１３３は。狭いノズル１２２の内面に蒸着された金属層１３２の表面にも蒸着されねばならないために、縦横比の比較的大きな構造に適したＰＥ−ＣＶＤ法により前記物質膜１３３を蒸着することが望ましい。それにより、図４Ｃに示されたように、ノズルプレート１２０の外面とノズル１２２の内面に蒸着された金属層１３２の前面が物質膜１３３により覆われる。

次いで、図４Ｄに示されたように、前記物質膜１３３を選択的にエッチングして前記金属層１３２のうちノズルプレート１２０の外面に形成された部分を露出させる。具体的に、ノズルプレート１２０の表面に対して垂直な方向に前記物質膜１３３を乾式エッチングする。この際、前記物質膜１３３のエッチングは、直進性に優れたＲＩＥ法により行われることが望ましい。それにより、図４Ｄに示されたように、ノズルプレート１２０の外面の物質膜１３３だけが選択的にエッチングされ、ノズル１２２内の物質膜１３３は残存するようになって、前記金属層１３２のうちノズルプレート１２０の外面に形成された部分だけが露出される。

次いで、図４Ｅを参照すれば、前記ノズルプレート１２０を硫黄化合物が含有された溶液内に浸漬する。そうすると、前記溶液内の硫黄化合物が金属層１３２内の金属物質、例えば、Ａｕに化学的に吸着され、これによって露出された金属層１３２の表面にだけ選択的に硫黄化合物よりなる疏水性コーティング膜１３４が形成される。

ここで、硫黄化合物とは、チオール官能基を含む化合物またはジスルフィド結合（Ｓ−Ｓ ｂｏｎｄｉｎｇ）を行なう化合物の総称である。硫黄化合物は、Ａｕなどの金属表面に自発的かつ化学的に吸着して２次元の結晶構造に近い単分子膜を形成する。このような硫黄化合物としては、チオール化合物が望ましい。チオール化合物とは、メルカプト基（−ＳＨ）を有する有機化合物（Ｒ−ＳＨ；Ｒはアルキル基などの炭化水素基）の総称である。

このように硫黄化合物よりなる単分子膜は、相当緻密であって、水分子が侵入し難いために、撥水性、すなわち疏水性を有するようになる。
前述した段階を経れば、図４Ｅに示されたように、ノズルプレート１２０の外面にだけ均一な疏水性コーティング膜１３４が形成され、ノズル１２２の内面には疏水性コーティング膜１３４が形成されない代りに、親水性を有するシリコン酸化膜１３１、１３３が形成される。

以上、本発明の望ましい実施形態を詳細に説明したが、これは例示的なものに過ぎず、当業者ならばこれより多様な変形及び均等な他実施形態が可能であるという点を理解できるであろう。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は、特許請求の範囲によって決まるべきである。

本発明は、ノズルプレートの外面にだけ選択的に均一な疏水性コーティング膜を容易に形成できるインクジェットプリントヘッドのノズルプレート表面に疏水性コーティング膜を形成する方法にかかわる技術分野に効率よく適用することができる。

従来の圧電方式のインクジェットプリントヘッドの一般的な構成を示す断面図である。 従来のインクジェットプリントヘッドのノズルプレート表面に疏水性コーティング膜として硫黄化合物層が形成された例を示す断面図である。 従来のインクジェットプリントヘッドのノズルプレート表面にフッ素樹脂を含む撥水膜が形成された例を示す断面図である。 本発明の望ましい実施形態によるインクジェットプリントヘッドのノズルプレート表面に疏水性コーティング膜を形成する方法を段階的に示す断面図である。 本発明の望ましい実施形態によるインクジェットプリントヘッドのノズルプレート表面に疏水性コーティング膜を形成する方法を段階的に示す断面図である。 本発明の望ましい実施形態によるインクジェットプリントヘッドのノズルプレート表面に疏水性コーティング膜を形成する方法を段階的に示す断面図である。 本発明の望ましい実施形態によるインクジェットプリントヘッドのノズルプレート表面に疏水性コーティング膜を形成する方法を段階的に示す断面図である。 本発明の望ましい実施形態によるインクジェットプリントヘッドのノズルプレート表面に疏水性コーティング膜を形成する方法を段階的に示す断面図である。

符号の説明

１２０…ノズルプレート
１２２…ノズル
１３１…シリコン酸化膜
１３２…金属層
１３３…物質膜
１３４…疏水性コーティング膜

Claims (10)

1. インクジェットプリントヘッドのノズルプレートの外側表面への疏水性コーティング膜の形成方法において、
   複数のノズルが形成されたノズルプレートを準備する段階と、
   前記ノズルプレートの外側表面及び前記ノズルの内面に金属層を形成する段階と、
   前記金属層を覆う物質膜を形成する段階と、
   前記物質膜を選択的にエッチングして前記金属層のうち、前記ノズルプレートの外側表面に形成された部分を露出させる段階と、
   前記ノズルプレートを硫黄化合物が含有された溶液内に浸漬し、前記露出された金属層の表面に前記硫黄化合物よりなる疏水性コーティング膜を形成する段階と
   を備えることを特徴とする疏水性コーティング膜の形成方法。
2. 前記ノズルプレートは、シリコンウェーハよりなることを特徴とする請求項１に記載の疏水性コーティング膜の形成方法。
3. 前記金属層の形成段階前に、前記ノズルプレートの外側表面と前記ノズルの内面とにシリコン酸化膜を形成する段階を備えることを特徴とする請求項２に記載の疏水性コーティング膜の形成方法。
4. 前記金属層の形成段階は、スパッタリングまたは電子ビーム蒸着法により行われることを特徴とする請求項１に記載の疏水性コーティング膜の形成方法。
5. 前記金属層は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ及びＩｎよりなる群から選択された少なくとも１つの金属よりなることを特徴とする請求項１または４に記載の疏水性コーティング膜の形成方法。
6. 記金属層は、Ａｕよりなることを特徴とする請求項５に記載の疏水性コーティング膜の形成方法。
7. 前記物質膜の形成段階は、プラズマ化学気相蒸着方法により行われることを特徴とする請求項１に記載の疏水性コーティング膜の形成方法。
8. 前記物質膜は、シリコン酸化膜よりなることを特徴とする請求項１または７に記載の疏水性コーティング膜の形成方法。
9. 前記物質膜のエッチング段階は、反応性イオンエッチング方法により行われることを特徴とする請求項１に記載の疏水性コーティング膜の形成方法。
10. 前記硫黄化合物は、チオール化合物であることを特徴とする請求項１に記載の疏水性コーティング膜の形成方法。

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