JP6995540B2 - インクジェットヘッド及びインクジェットプリンタ - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、インクジェットヘッド及びインクジェットプリンタに関する。
例えば圧電素子によってインクを加圧して、ノズルプレートに設けられたノズルからインク滴を吐出させるインクジェットヘッドでは、ノズルプレートの表面にインクが付着しないように撥インク性を付与している。ノズルプレートの表面に撥インク性を付与するためには、ノズルプレート基板の表面に、フッ素系化合物を塗布法又は気相成長法によって成膜して撥油膜を形成している（特許文献１）。
本発明が解決しようとする課題は、撥インク性に優れたインクジェットヘッド、及びこのようなインクジェットヘッドを備えたインクジェットプリンタを提供することにある。
実施形態のインクジェットヘッドは、記録媒体へ向けてインクを吐出するノズルが設けられたノズルプレートを備えている。ノズルプレートは、ノズルプレート基板と、ノズルプレート基板の記録媒体と対向する面に設けられた撥油膜とを含んでいる。撥油膜は、Ｘ線光電子分光分析（ＸＰＳ）すると、ＣＦ２基のピーク、ＣＦ３基のピーク、及びＣＦ３基よりも結合エネルギーが高いＣＦ３＋δ基のピークが検出される。撥油膜は、ノズルプレート基板と結合した結合部位と、末端パーフルオロアルキル基と、結合部位と末端パーフルオロアルキル基との間に介在したスペーサー連結基とを有するフッ素系化合物を含んでいる。スペーサー連結基はパーフルオロポリエーテル基である。末端パーフルオロアルキル基は、直鎖状のパーフルオロアルキル基であって、炭素数が３乃至７の範囲内にある。
以下、図面を参照しながら実施形態を説明する。
図１は、実施形態に係る、インクジェットプリンタのヘッドキャリッジに搭載して使用するオンデマンド型のインクジェットヘッド１を示す斜視図である。以下の説明では、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる直交座標系を用いる。図中の矢印の指し示す方向を便宜上プラス方向とする。Ｘ軸方向は印刷幅方向に対応する。Ｙ軸方向は記録媒体が搬送される方向に対応する。Ｚ軸プラス方向は記録媒体に対向する方向である。
図１は、実施形態に係る、インクジェットプリンタのヘッドキャリッジに搭載して使用するオンデマンド型のインクジェットヘッド１を示す斜視図である。以下の説明では、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる直交座標系を用いる。図中の矢印の指し示す方向を便宜上プラス方向とする。Ｘ軸方向は印刷幅方向に対応する。Ｙ軸方向は記録媒体が搬送される方向に対応する。Ｚ軸プラス方向は記録媒体に対向する方向である。
図１を参照して概略的に説明すると、インクジェットヘッド１は、インクマニホールド１０、アクチュエータ基板２０、フレーム４０及びノズルプレート５０を備えている。
アクチュエータ基板２０は、Ｘ軸方向を長手方向とする矩形をなしている。アクチュエータ基板２０の材料としては、例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）及びチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）等が挙げられる。
アクチュエータ基板２０は、インクマニホールド１０の開口端を塞ぐようにインクマニホールド１０の上に重ねられている。インクマニホールド１０は、インク供給管１１及びインク戻し管１２を介してインクカートリッジに接続される。
アクチュエータ基板２０上には、フレーム４０が取り付けられている。フレーム４０上には、ノズルプレート５０が取り付けられている。ノズルプレート５０には、Ｙ軸に沿って２列を形成するように、複数のノズルＮがＸ軸方向に沿って所定の間隔をあけて設けられている。
図２は、実施形態に係るインクジェットヘッド１を構成するアクチュエータ基板２０、フレーム４０及びノズルプレート５０の分解斜視図である。このインクジェットヘッド１は、いわゆるせん断モードシェアードウォールのサイドシューター型である。
アクチュエータ基板２０には、Ｙ軸方向の中央部で列を形成するように、複数のインク供給口２１がＸ軸方向に沿って間隔をあけて設けられている。また、アクチュエータ基板２０には、インク供給口２１の列に対してＹ軸プラス方向及びＹ軸マイナス方向においてそれぞれ列を形成するように、複数のインク排出口２２がＸ軸方向に沿って間隔をあけて設けられている。
中央のインク供給口２１の列と一方のインク排出口２２の列との間には、複数のアクチュエータ３０が設けられている。これらアクチュエータ３０は、Ｘ軸方向に延びた列を形成している。また、中央のインク供給口２１の列と他方のインク排出口２２の列との間にも、複数のアクチュエータ３０が設けられている。これらアクチュエータ３０も、Ｘ軸方向に延びた列を形成している。
複数のアクチュエータ３０からなる列の各々は、アクチュエータ基板２０上に積層された第１の圧電体及び第２の圧電体で構成されている。第１及び第２の圧電体の材料としては、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）等が挙げられる。第１及び第２の圧電体は、厚さ方向に沿って互いに逆向きに分極されている。
第１及び第２の圧電体からなる積層体には、Ｙ軸方向に各々が延び、Ｘ軸方向に配列した複数の溝が設けられている。これら溝は、第２の圧電体側で開口しており、第２の圧電体の厚さよりも大きな深さを有している。以下、この積層体のうち、隣り合った溝に挟まれた部分をチャネル壁という。これらチャネル壁は、Ｙ軸方向に各々が延び、Ｘ軸方向に配列している。なお、隣り合った２つのチャネル壁の間の溝が、インクが流通するインクチャネルである。
インクチャネルの側壁及び底には、電極が形成されている。これら電極は、Ｙ軸方向に沿って延びた配線パターン３１に接続されている。
後述するフレキシブルプリント基板との接続部を除き、電極及び配線パターン３１を含むアクチュエータ基板２０の表面には、図示しない保護膜が形成されている。保護膜は、例えば複数層の無機絶縁膜及び有機絶縁膜を含む。
フレーム４０は、開口部を有している。この開口部は、アクチュエータ基板２０よりも小さく、かつ、アクチュエータ基板２０のうち、インク供給口２１、アクチュエータ３０、及びインク排出口２２が設けられた領域よりも大きい。フレーム４０は、例えばセラミックスからなる。フレーム４０は、例えば接着剤によりアクチュエータ基板２０に接合される。
ノズルプレート５０は、ノズルプレート基板と、その媒体対向面（ノズルＮからインクを吐出する吐出面）に設けられた撥油膜とを含んでいる。ノズルプレート基板は、例えば、ポリイミドフィルムなどの樹脂フィルムからなる。撥油膜については、後で詳述する。
ノズルプレート５０は、フレーム４０の開口部よりも大きい。ノズルプレート５０は、例えば接着剤によってフレーム４０に接合される。
ノズルプレート５０には、複数のノズルＮが設けられている。これらノズルＮは、インクチャネルに対応して２つの列を形成している。ノズルＮは、記録媒体対向面からインクチャネルの方向に進むに従って径が大きくなっている。ノズルＮの寸法は、インクの吐出量に応じて所定の値に設定される。ノズルＮは、例えば、エキシマレーザーを用いたレーザー加工を施すことによって形成することができる。
アクチュエータ基板２０、フレーム４０及びノズルプレート５０は、図１に示すように一体化されており、中空構造を形成している。アクチュエータ基板２０、フレーム４０及びノズルプレート５０によって囲まれた領域は、インク流通室である。インクは、インクマニホールド１０からインク供給口２１を通してインク流通室に供給され、インクチャネルを通過し、余剰のインクがインク排出口２２からインクマニホールド１０へ戻るように循環する。インクの一部は、インクチャネルを流れる間にノズルＮから吐出されて印刷に用いられる。
配線パターン３１には、アクチュエータ基板２０上であってフレーム４０の外側の位置でフレキシブルプリント基板６０が接続されている。フレキシブルプリント基板６０には、アクチュエータ３０を駆動する駆動回路６１が搭載されている。
以下、アクチュエータ３０の動作を説明する。ここでは、隣り合う３つのインクチャネルのうち中央のインクチャネルに着目して動作を説明する。隣り合う３つのインクチャネルに対応する電極をＡ、Ｂ及びＣとする。チャネル壁に直交する方向に電界を印加していない場合には、チャネル壁は直立した状態である。
例えば、中央の電極Ｂに、両隣の電極Ａ及びＣの電位よりも高い電位の電圧パルスを印加して、チャネル壁に直交する方向に電界を生じさせる。こうして、チャネル壁をせん断モードで駆動させ、中央のインクチャネルを挟む１対のチャネル壁を、中央のインクチャネルの体積を拡張するように変形させる。
次に、両隣の電極Ａ及びＣに、中央の電極Ｂの電位よりも高い電位の電圧パルスを印加して、チャネル壁に直交する方向に電界を生じさせる。こうして、チャネル壁をせん断モードで駆動させ、中央のインクチャネルを挟む１対のチャネル壁を、中央のインクチャネルの体積を縮小するように変形させる。この動作により、中央のインクチャネル内のインクに圧力を加え、このインクチャネルに対応するノズルＮからインクを吐出させて記録媒体に着弾させる。
例えば、すべてのノズルを３つの群に分けて、上で説明した駆動操作を時分割制御して３サイクル行い、記録媒体への印刷を行う。
図３に、インクジェットプリンタ１００の模式図を示す。図３に示すインクジェットプリンタ１００は、排紙トレイ１１８が設けられた筐体を含んでいる。筐体内には、カセット１０１ａ及び１０１ｂ、供紙ローラ１０２及び１０３、搬送ローラ対１０４及び１０５、レジストローラ対１０６、搬送ベルト１０７、ファン１１９、負圧チャンバ１１１、搬送ローラ対１１２、１１３及び１１４、インクジェットヘッド１１５Ｃ、１１５Ｍ、１１５Ｙ及び１１５Ｂｋ、インクカートリッジ１１６Ｃ、１１６Ｍ、１１６Ｙ及び１１６Ｂｋ、並びに、チューブ１１７Ｃ、１１７Ｍ、１１７Ｙ及び１１７Ｂｋが設置されている。
カセット１０１ａ及び１０１ｂは、サイズの異なる記録媒体Ｐを収容している。供紙ローラ１０２又は１０３は、選択された記録媒体のサイズに対応した記録媒体Ｐをカセット１０１ａ又は１０１ｂから取り出し、搬送ローラ対１０４及び１０５並びにレジストローラ対１０６へ搬送する。
搬送ベルト１０７は、駆動ローラ１０８と２本の従動ローラ１０９とによって張力が与えられている。搬送ベルト１０７の表面には、所定間隔で穴が設けられている。搬送ベルト１０７の内側には、記録媒体Ｐを搬送ベルト１０７に吸着させるための、ファン１１９に連結された負圧チャンバ１１１が設置されている。搬送ベルト１０７の搬送方向下流には、搬送ローラ対１１２、１１３及び１１４が設置されている。なお、搬送ベルト１０７から排紙トレイ１１８までの搬送経路には、記録媒体Ｐ上に形成された印刷層を加熱するヒータを設置することができる。
搬送ベルト１０７の上方には、画像データに応じてインクを記録媒体Ｐに吐出する４つのインクジェットヘッドが配置されている。具体的には、シアン（Ｃ）インクを吐出するインクジェットヘッド１１５Ｃ、マゼンタ（Ｍ）インクを吐出するインクジェットヘッド１１５Ｍ、イエロー（Ｙ）インクを吐出するインクジェットヘッド１１５Ｙ、及びブラック（Ｂｋ）インクを吐出するインクジェットヘッド１１５Ｂｋが、上流側からこの順に配置されている。インクジェットヘッド１１５Ｃ、１１５Ｍ、１１５Ｙ及び１１５Ｂｋの各々は、図１及び図２を参照しながら説明したインクジェットヘッド１である。
インクジェットヘッド１１５Ｃ、１１５Ｍ、１１５Ｙ及び１１５Ｂｋの上方には、これらに対応したインクをそれぞれ収容した、シアン（Ｃ）インクカートリッジ１１６Ｃ、マゼンタ（Ｍ）インクカートリッジ１１６Ｍ、イエロー（Ｙ）インクカートリッジ１１６Ｙ、及びブラック（Ｂｋ）インクカートリッジ１１６Ｂｋが設置されている。これらインクカートリッジ１１６Ｃ、１１６Ｍ、１１６Ｙ及び１１６Ｂｋは、それぞれ、チューブ１１７Ｃ、１１７Ｍ、１１７Ｙ及び１１７Ｂｋによって、インクジェットヘッド１１５Ｃ、１１５Ｍ、１１５Ｙ及び１１５Ｂｋに連結されている。
次に、このインクジェットプリンタ１００の画像形成動作について説明する。
まず、画像処理手段（図示しない）が、記録のための画像処理を開始し、画像データに対応した画像信号を生成するとともに、各種ローラや負圧チャンバ１１１などの動作を制御する制御信号を生成する。
まず、画像処理手段（図示しない）が、記録のための画像処理を開始し、画像データに対応した画像信号を生成するとともに、各種ローラや負圧チャンバ１１１などの動作を制御する制御信号を生成する。
供紙ローラ１０２又は１０３は、画像処理手段による制御のもと、カセット１０１ａ又は１０１ｂから、選択されたサイズの記録媒体Ｐを１枚ずつ取り出し、搬送ローラ対１０４及び１０５並びにレジストローラ対１０６へ搬送する。レジストローラ対１０６は、記録媒体Ｐのスキューを補正し、所定のタイミングで記録媒体Ｐを搬送する。
負圧チャンバ１１１は、搬送ベルト１０７の穴を介して空気を吸い込んでいる。従って、記録媒体Ｐは、搬送ベルト１０７に吸着された状態で、搬送ベルト１０７の移動に伴い、インクジェットヘッド１１５Ｃ、１１５Ｍ、１１５Ｙ及び１１５Ｂｋの下方の位置へと順次搬送される。
インクジェットヘッド１１５Ｃ、１１５Ｍ、１１５Ｙ及び１１５Ｂｋは、画像処理手段による制御のもと、記録媒体Ｐが搬送されるタイミングに同期してインクを吐出する。これにより、記録媒体Ｐの所望の位置に、カラー画像が形成される。
その後、搬送ローラ対１１２、１１３及び１１４は、画像が形成された記録媒体Ｐを排紙トレイ１１８へ排紙する。搬送ベルト１０７から排紙トレイ１１８までの搬送経路にヒータを設置した場合、記録媒体Ｐ上に形成された印刷層をヒータによって加熱してもよい。ヒータによる加熱を行うと、特に、記録媒体Ｐが非浸透性である場合に、記録媒体Ｐに対する印刷層の密着性を高めることができる。
図４に、インクジェットプリンタ１００の要部の斜視図を示す。図４には、上で説明したインクジェットヘッド１と、媒体保持機構１１０と、ヘッド移動機構１２０と、ブレード移動機構１３０と、ワイピングブレード１４０とを描いている。
媒体保持機構１１０は、記録媒体Ｐ、例えば記録用紙を、インクジェットヘッド１に対向して保持する。媒体保持機構１１０は、記録媒体を移動させる記録用紙移動機構としての機能も有している。媒体保持機構１１０は、図３の搬送ベルト１０７、駆動ローラ１０８、従動ローラ１０９、負圧チャンバ１１１、及びファン１１９を含んでいる。媒体保持機構１１０は、印刷時には、記録媒体Ｐを、インクジェットヘッド１に対向させた状態で、記録媒体Ｐの印刷面に平行な方向へ移動させる。その間に、インクジェットヘッド１は、ノズルからインク滴を吐出して記録媒体Ｐ上に印刷する。
ヘッド移動機構１２０は、印刷時には、インクジェットヘッド１を印刷位置に移動させる。また、ヘッド移動機構１２０は、クリーニング時には、インクジェットヘッド１をクリーニング位置に移動させる。
ワイピングブレード１４０は、インクジェットヘッド１のノズルプレート５０の記録媒体に対向する面を擦って、この面からインクを排除する。
ブレード移動機構１３０は、ワイピングブレード１４０を移動させる。具体的には、ブレード移動機構１３０は、ヘッド移動機構１２０がインクジェットヘッド１をクリーニング位置に移動させた後、ワイピングブレード１４０を、ノズルプレート５０の記録媒体対向面に押し当ながら、その上で移動させる。これにより、ノズルプレート５０の記録媒体対向面に付着しているインクを取り除く。
なお、ワイピングブレード１４０及びブレード移動機構１３０は、省略してもよい。
なお、ワイピングブレード１４０及びブレード移動機構１３０は、省略してもよい。
上記のインクジェットヘッド１では、ノズルプレート５０の媒体対向面に撥油性が付与されている。撥油性を付与するために、ノズルプレート基板の媒体対向面に、フッ素系化合物を含んだ撥油膜を設けている。
図５に、実施形態に係る、ノズルプレート基板５１の媒体対向面に結合した撥油膜５２の構造を模式的に示す。
撥油膜５２は、Ｘ線光電子分光分析（ＸＰＳ）法によって分析すると、ＣＦ２基のピーク、ＣＦ３基のピーク及びＣＦ３基よりも結合エネルギーが高いＣＦ３＋δ基のピークが検出される。
ＸＰＳの原理は以下のとおりである。物質に数ｋｅＶ程度の軟Ｘ線を照射すると、原子軌道の電子が光エネルギーを吸収し、光電子として外にたたき出される。束縛電子の結合エネルギーＥbと、光電子の運動エネルギーＥkとの間には、下記の関係がある。
Ｅb＝ｈν－Ｅk－ψｓｐ
ここで、ｈνは入射Ｘ線のエネルギー、ψｓｐは分光器の仕事関数である。
このため、Ｘ線のエネルギーが一定（即ち単一波長）であれば、光電子の運動エネルギーＥkに基づいて電子の結合エネルギーＥbを求めることができる。電子の結合エネルギーＥbは元素によって固有なので、元素分析を行うことができる。また、結合エネルギーのシフトは、その元素の化学結合状態や価電子状態（酸化数など）を反映しているため、構成元素の化学結合状態を調べることができる。
ここで、ｈνは入射Ｘ線のエネルギー、ψｓｐは分光器の仕事関数である。
このため、Ｘ線のエネルギーが一定（即ち単一波長）であれば、光電子の運動エネルギーＥkに基づいて電子の結合エネルギーＥbを求めることができる。電子の結合エネルギーＥbは元素によって固有なので、元素分析を行うことができる。また、結合エネルギーのシフトは、その元素の化学結合状態や価電子状態（酸化数など）を反映しているため、構成元素の化学結合状態を調べることができる。
「ＣＦ３＋δ基」のピークとは、隣接する末端パーフルオロアルキル基のＣＦ３基が重なり合うことでＣＦ３基よりも大きな結合エネルギーを有しているかの如く検出されるピークである。すなわち、ＣＦ３＋δのピークの出現は、フッ素系化合物が高い密度でノズルプレート基板に結合していること、特には、撥油膜５２の表面近傍にＣＦ３基が高い密度で存在していることを意味している。このような撥油膜は、撥液性に優れている。
従って、このような撥油膜は、表面張力の小さなインク、例えば、表面張力が２５ｍＮ／ｍ以下のインクを使用した場合であっても、優れた撥インク性を発揮できる。
従って、このような撥油膜は、表面張力の小さなインク、例えば、表面張力が２５ｍＮ／ｍ以下のインクを使用した場合であっても、優れた撥インク性を発揮できる。
ＣＦ３＋δ基のピーク面積の割合は、全ピーク面積の１乃至１０％の範囲内にあることが好ましく、５乃至１０％の範囲内にあることがより好ましい。ＣＦ３＋δ基のピーク面積の割合が上述した範囲内にある場合、インクジェットへッドは、特に優れた撥インク性を発揮する。なお、「全ピーク面積」とは、ＸＰＳ法による分析を行った場合に検出されるピーク面積の合計値を意味する。
実施形態において用いられるフッ素系化合物は、一例によれば、ノズルプレート基板と結合した結合部位と、末端パーフルオロアルキル基とを有している。例えば、このフッ素系化合物は、一方の末端に結合部位を有し、他方の末端にパーフルオロアルキル基を有している直鎖状分子である。
結合部位は、例えば、ノズルプレート基板の表面に存在している官能基との反応によってノズルプレート基板と結合した部位である。結合部位は、例えば、反応性官能基を含んでいる。この場合、反応性官能基がノズルプレート基板の表面に存在している官能基と反応することによって、結合部位はノズルプレート基板と結合する。反応性官能基は、例えば、エポキシ基、アミノ基、メタクリル基、ビニル基などの不飽和炭化水素基、又はメルカプト基である。ノズルプレート基板の表面に存在している官能基は、例えば、ヒドロキシル基、エステル結合、アミノ基、又はチオール基である。或いは、結合部位は、アルコキシシラン基である。この場合、アルコキシシラン基の加水分解によって生じたシラノール基が、ノズルプレート基板の表面に存在しているヒドロキシル基などの官能基と反応することによって、結合部位はノズルプレート基板と結合する。
ノズルプレート基板上で隣り合ったフッ素系化合物は、結合部位が相互に結合している。一例によれば、結合部位は、反応性官能基と末端パーフルオロアルキル基との間に１以上のシリコン原子を更に含み、ノズルプレート基板上で隣り合ったフッ素系化合物は、結合部位がシロキサン結合（Ｓｉ－Ｏ－Ｓｉ）によって相互に結合している。
末端パーフルオロアルキル基は、例えば、直鎖状のパーフルオロアルキル基である。末端パーフルオロアルキル基の炭素数は、例えば、３乃至７（Ｃ３乃至Ｃ７）の範囲で選択することができる。末端パーフルオロアルキル基は、ノズルプレート基板の垂線方向に沿って直立していることが好ましい。
このフッ素系化合物は、ノズルプレート基板との結合部位と、末端パーフルオロアルキル基との間に、スペーサー連結基を更に有していてもよい。こうしたスペーサー連結基が存在すると、末端パーフルオロアルキル基がノズルプレート基板の垂線方向に沿って直立した構造をとるのに有利になる。スペーサー連結基は、例えば、パーフルオロポリエーテル基である。
このようなフッ素系化合物としては、例えば下記一般式（１）及び（２）で表される化合物が挙げられる。
一般式（１）において、ｐは１乃至５０の自然数、ｎは１乃至１０の自然数である。
一般式（２）において、ｐは１乃至５０の自然数である。
図５に示す構造は、例えば、以下のようにして得られる。なお、ここでは、一例として、ノズルプレート基板５１の媒体対向面にはヒドロキシル基が存在しており、フッ素系化合物は、結合部位にアルコキシシラン基を含んでいるとする。
ノズルプレート基板５１は、上述したように、例えば、ポリイミドフィルムなどの樹脂フィルムからなる。この場合、ノズルプレート基板５１は、その表面にフッ素系化合物との結合に必要なヒドロキシル基を殆ど有していない。そのため、撥油膜５２の形成に先立ち、ノズルプレート基板５１に以下のような前処理を行うことが好ましい。
例えば、ノズルプレート基板５１の媒体対向面に対して、アルゴン－酸素混合ガス中でイオンプラズマ処理を施し、膜表面の改質を行う。イオンプラズマ処理は、例えば、以下のように行なう。すなわち、ノズルプレート基板を真空チャンバ内に設置し、チャンバ内の空気を真空引きする。そして、ノズルプレート基板を取り巻く雰囲気をアルゴン－酸素混合ガスへと切替えた後に、プラズマを発生させる。
酸素を含んだ雰囲気中でイオンプラズマ処理を行なうことで、ノズルプレート基板表面を、ヒドロキシル基で修飾する。これに加えて、アルゴンを含んだ雰囲気中でイオンプラズマ処理を行なうことで、ノズルプレート基板表面に付着しているゴミを除去する。
イオンプラズマ処理は、好ましくは、酸素濃度が５０体積％以下のアルゴン－酸素混合ガス中で行い、より好ましくは、酸素濃度が２０乃至５０体積％の範囲内にあるアルゴン－酸素混合ガス中で行う。なお、酸素濃度が大きすぎる場合、ノズルプレート基板表面が損傷し、表面荒れを生じる虞がある。ノズルプレート基板表面に表面荒れが生じた場合、撥油膜との結合が不十分となる虞がある。
また、イオンプラズマ処理は、１００秒以上行なうことが好ましく、２００秒以上行うことがより好ましい。プラズマ照射時間が短すぎる場合、ノズルプレート基板への表面修飾が十分に行われない虞がある。
次に、上述したフッ素系化合物をノズルプレート基板５１の表面に供給する。この供給は、例えば、真空蒸着法などの気相堆積法によって行う。あるいは、ノズルプレート基板５１の表面にフッ素系化合物を塗布する。
次いで、ノズルプレート基板５１の表面へと供給したフッ素系化合物のアルコキシシラン基を加水分解させる。
フッ素系化合物のアルコキシシラン基が加水分解すると、シラノール基が生成する。このシラノール基と、ノズルプレート基板５１の媒体対向面に存在しているヒドロキシル基とは、脱水縮合を起こす。こうして、ノズルプレート基板５１とフッ素系化合物とが、結合部位５３が含んでいるシリコン原子によるシロキシ基（Ｓｉ－Ｏ－）を介して結合する。また、隣り合ったフッ素系化合物は、結合部位５３のシリコン原子同士がシロキサン結合（Ｓｉ－Ｏ－Ｓｉ）によって相互に結合する。
フッ素系化合物のアルコキシシラン基が加水分解すると、シラノール基が生成する。このシラノール基と、ノズルプレート基板５１の媒体対向面に存在しているヒドロキシル基とは、脱水縮合を起こす。こうして、ノズルプレート基板５１とフッ素系化合物とが、結合部位５３が含んでいるシリコン原子によるシロキシ基（Ｓｉ－Ｏ－）を介して結合する。また、隣り合ったフッ素系化合物は、結合部位５３のシリコン原子同士がシロキサン結合（Ｓｉ－Ｏ－Ｓｉ）によって相互に結合する。
なお、結合部位５３のシリコン原子には、スペーサー連結基５４であるパーフルオロポリエーテル基を介して末端パーフルオロアルキル基５５が結合している。スペーサー連結基５４は、上記の通り、末端パーフルオロアルキル基５５をノズルプレート基板５１の垂線方向に沿って直立させる機能を有する。そして、末端パーフルオロアルキル基５５が主として撥インク性を発揮する。また、末端パーフルオロアルキル基５５は、例えば炭素数が３（Ｃ３）の場合、ＣＦ３－ＣＦ２－ＣＦ２－と表されるが、撥インク性に関しては、ＣＦ３基の方がＣＦ２基よりも高い。
図５に示す構造では、末端パーフルオロアルキル基５５がノズルプレート基板５１の垂線方向に沿って直立している。また、アルゴン－酸素混合ガス中でイオンプラズマ処理を施されたノズルプレート表面には、フッ素系化合物が高い密度で結合している。そのため、ＸＰＳ法により分析すると、ＣＦ２基のピーク及びＣＦ３基のピークに加えてＣＦ３＋δ基に帰属するピークが検出される。
こうした構造では、ワイピングブレード１４０によるクリーニングを繰り返しても、末端パーフルオロアルキル基５５は横方向に揺れるだけで、撥油膜５２の表面からなくなることはない。従って、撥インク性の劣化を招くことがない。
図５に示すように、末端パーフルオロアルキル基５５がノズルプレート基板５１の垂線方向に沿って直立した構造をとっていると、ＣＦ３基が撥油膜５２の最表面に存在し、最表面よりノズルプレート基板５１側にＣＦ２基が存在する。
こうした撥油膜５２をＸＰＳにより測定すると、ＣＦ２基のピーク及びＣＦ３基のピークが検出される。実施形態では、ＣＦ２基のピーク面積を１としたとき、ＣＦ３基のピーク面積の比率は、例えば０．１乃至０．６となる。末端パーフルオロアルキル基５５の炭素原子数が３である場合にＣＦ３基のピーク面積の比率は約０．６となる。また、末端パーフルオロアルキル基５５の炭素原子数が７に近づくほど、ＣＦ３基のピーク面積の比率は０．１に近づく。ＣＦ２基のピーク面積を１としたとき、ＣＦ３基のピーク面積の比率が０．１乃至０．６の範囲であれば、ノズルプレートの記録媒体対向面をワイピングブレードでクリーニングすることに伴う撥インク性の劣化が特に少ない。
以下、実施例を説明する。
≪試験例１≫
（例１）
以下の方法により、ノズルプレートを作製した。
（例１）
以下の方法により、ノズルプレートを作製した。
まず、ポリイミドフィルムからなるノズルプレート基板の記録媒体対向面に対して、イオンプラズマ処理を行なった。具体的には、ノズルプレート基板をチャンバ内に設置し、真空引きした後、チャンバ内の雰囲気を酸素濃度５０体積％のアルゴン－酸素混合ガスへと切り替えた。その後、エネルギーを９００ｅＶに設定してプラズマを発生させ、この状態を２７０秒間維持した。このように、前処理工程を行うことで、ノズルプレート基板の記録媒体対向面にヒドロキシル基を生じさせた。
次に、下記化学式で表されるフッ素系化合物を含む蒸発源を準備した。この蒸発源とノズルプレート基板とを真空蒸着装置内に設置し、真空蒸着法により、フッ素系化合物をノズルプレート基板の記録媒体対向面に堆積させた。以上のようにして、ノズルプレート基板の記録媒体対向面に撥油膜を形成した。
（例２）
イオンプラズマ処理時のエネルギーを３００ｅＶ、照射時間を９０秒に変更したこと以外は、例１と同様の方法でノズルプレートを作製した。
イオンプラズマ処理時のエネルギーを３００ｅＶ、照射時間を９０秒に変更したこと以外は、例１と同様の方法でノズルプレートを作製した。
＜評価＞
（撥油膜表面の分析）
例１及び例２で得られたノズルプレートについて、ＸＰＳ法による分析を行った。なお、ここで行った測定及び以下に記載するＸＰＳ法による分析には、ＡＸＩＳ－ＵＬＴＲＡ ＤＬＤ（島津製作所、ＫＲＡＴＯＳ社）を用いた。
（撥油膜表面の分析）
例１及び例２で得られたノズルプレートについて、ＸＰＳ法による分析を行った。なお、ここで行った測定及び以下に記載するＸＰＳ法による分析には、ＡＸＩＳ－ＵＬＴＲＡ ＤＬＤ（島津製作所、ＫＲＡＴＯＳ社）を用いた。
図６は、例１で得られたノズルプレートの撥油膜表面のＸＰＳ法による分析結果を示すグラフである。図７は、例２で得られたノズルプレートの撥油膜表面のＸＰＳ法による分析結果を示すグラフである。図６及び図７に示すグラフは、縦軸に検出ピークの強度を示し、横軸に結合エネルギーを示している。
図７に示すように、例２で得られたノズルプレートは、ＣＦ３基及びＣＦ２基に帰属されるピークを有していた。なお、例２で得られたノズルプレートには、ＣＦ３＋δに帰属されるピークは観測されなかった。
図６に示すように、例１で得られたノズルプレートは、ＣＦ３基及びＣＦ２基に帰属されるピークに加えて、ＣＦ３基よりも高い結合エネルギーを示すＣＦ３＋δ基を有していた。ここで、ＣＦ３＋δ基とは、隣接する末端パーフルオロアルキル基が重なった結果として検出される、ＣＦ３基よりも高い結合エネルギーを有する基と定義している。
例１及び例２で得られたノズルプレートのＸＰＳ分析結果から各々のピークのピーク面積を算出した。結果を表１に示す。
表１に示すように、例１で得られたノズルプレートにおいて、ＣＦ３＋δ基に帰属されるピークのピーク面積の割合は、全ピーク面積の５％であった。
（例３）
イオンプラズマ処理時の雰囲気をアルゴン単独（酸素濃度０体積％）に変更したこと以外は、例１と同様の方法でノズルプレートを作製した。
イオンプラズマ処理時の雰囲気をアルゴン単独（酸素濃度０体積％）に変更したこと以外は、例１と同様の方法でノズルプレートを作製した。
例３で得られたノズルプレートについて、ＸＰＳ法による分析を行った。ＸＰＳ分析結果から各々のピークのピーク面積を算出した。例３において、ＣＦ３＋δ基に帰属されるピーク面積の割合は３．４％であった。
≪試験例２≫
イオンプラズマ処理の条件についてさらなる検討を行った。
イオンプラズマ処理の条件についてさらなる検討を行った。
（例４）
イオンプラズマ処理の処理時間を２７０秒から９０秒に変更したこと以外は、例３と同様の方法でノズルプレートを作製した。
イオンプラズマ処理の処理時間を２７０秒から９０秒に変更したこと以外は、例３と同様の方法でノズルプレートを作製した。
（例５）
イオンプラズマ処理時の雰囲気を酸素単独（酸素濃度１００体積％）に変更したこと以外は、例１と同様の方法でノズルプレートを作製した。
イオンプラズマ処理時の雰囲気を酸素単独（酸素濃度１００体積％）に変更したこと以外は、例１と同様の方法でノズルプレートを作製した。
（例６）
イオンプラズマ処理の処理時間を２７０秒から９０秒に変更したこと以外は、例５と同様の方法でノズルプレートを作製した。
イオンプラズマ処理の処理時間を２７０秒から９０秒に変更したこと以外は、例５と同様の方法でノズルプレートを作製した。
例４及び例６で得られたノズルプレートについて、ＸＰＳ法による分析を行い、ＣＦ３＋δ基に帰属されるピーク面積を算出した。例４及び例６において、ＣＦ３＋δ基に帰属されるピーク面積の割合は０％であった。
以上の結果から、ＣＦ３＋δ基の出現には、イオンプラズマ処理を１００秒以上、さらに２００秒以上行なうことが望ましいことが分かった。
＜評価＞
図８は、例１乃至例６で得られたノズルプレートについて、イオンプラズマ処理時の雰囲気中の酸素濃度と、撥油膜表面のＣＦ３＋δ基に帰属されるピーク面積が全ピーク面積に占める割合との関係をまとめて示すグラフである。図８に示すグラフは、第１縦軸にＣＦ３＋δ基に帰属されるピーク面積が全ピーク面積に占める割合を示し、第２縦軸に接触角を示し、横軸に雰囲気中の酸素含有量を示している。
図８は、例１乃至例６で得られたノズルプレートについて、イオンプラズマ処理時の雰囲気中の酸素濃度と、撥油膜表面のＣＦ３＋δ基に帰属されるピーク面積が全ピーク面積に占める割合との関係をまとめて示すグラフである。図８に示すグラフは、第１縦軸にＣＦ３＋δ基に帰属されるピーク面積が全ピーク面積に占める割合を示し、第２縦軸に接触角を示し、横軸に雰囲気中の酸素含有量を示している。
図８に示すように、雰囲気中の酸素濃度が０又は５０体積％の条件下でノズルプレート基板に対してイオンプラズマ処理を２７０秒間行った後に、ノズルプレート基板上に撥油膜を形成した場合には、ＣＦ３＋δ基に帰属されるピークが観測された。
一方で、雰囲気中の酸素濃度が１００体積％の条件下でノズルプレート基板に対してイオンプラズマ処理を２７０秒間行った後に、ノズルプレート基板上に撥油膜を形成した場合には、ＣＦ３＋δ基に帰属されるピークは観測されなかった。
また、例１、例３及び例５のうち、例１のＣＦ３＋δ基に帰属されるピーク面積の割合は５％であり、例３のピーク面積の割合は３．４％であり、例５のピーク面積の割合は０％であった。すなわち、雰囲気中に酸素を５０体積％以下で含有する場合、酸素濃度の増加に伴って、ＣＦ３＋δ基に帰属されるピーク面積の割合が増加していた。
例１及び例３で得られたノズルプレートでＣＦ３＋δ基に帰属されるピークが観察された理由は以下のように考えられる。酸素濃度が５０体積％以下の雰囲気中でイオンプラズマ処理を行なうことで、ノズルプレート基板の記録媒体対向面に生じるヒドロキシル基が増加する。ヒドロキシル基が増加することで、ヒドロキシル基と脱水縮合により共有結合するフッ素系化合物の量が増加する。そのため、高い密度でフッ素系化合物がノズルプレート基板に結合することが可能となる。高密度にフッ素系化合物が結合しているノズルプレートについて、ＸＰＳ法により分析すると、隣接する末端パーフルオロアルキル基が重なって検出される。そのため、ＣＦ３基よりも大きな結合エネルギーを有する基、すなわちＣＦ３＋δ基に帰属されるピークが観測される。
一方で、例５で得られたノズルプレートでＣＦ３＋δ基に帰属されるピークが観測されなかった理由としては、以下のことが考えられる。すなわち、雰囲気中の酸素濃度が高すぎる場合、イオンプラズマ処理によってノズルプレート基板の記録媒体対向面の損傷が生じ易くなる。この損傷した記録媒体対向面には、ヒドロキシル基が生じにくくなる。その結果、フッ素系化合物のノズルプレート基板への結合密度が小さくなり、ＣＦ３＋δ基に帰属するピークが観測されなかったと考えられる。
（接触角）
図８には、例１、例３及び例５で得られたノズルプレートについて、水の接触角の測定結果も併記している。ここでは、ＪＩＳ Ｒ３２５７－１９９９「基板ガラス表面のぬれ性試験方法」の静滴法に準拠して、純水による静的接触角の測定を行った。但し、ここでは、ガラス基板の代わりに上記のノズルプレートを使用して測定を行なった。
図８には、例１、例３及び例５で得られたノズルプレートについて、水の接触角の測定結果も併記している。ここでは、ＪＩＳ Ｒ３２５７－１９９９「基板ガラス表面のぬれ性試験方法」の静滴法に準拠して、純水による静的接触角の測定を行った。但し、ここでは、ガラス基板の代わりに上記のノズルプレートを使用して測定を行なった。
図８に示すように、例１、例３及び例５で得られたノズルプレートのうち、ＣＦ３＋δ基に帰属されるピーク面積が最大である例１で得られたノズルプレートは、水に対する接触角もまた最大であった。すなわち、高い密度でフッ素系化合物が結合しているノズルプレートは、優れた撥水性を発揮していた。
≪試験例３≫
例１及び例２、並びに以下に示す例７で得られたノズルプレートについて、ワイピングブレードで擦った回数と、ノズルプレートがインクを弾く速度との関係を調べた。
例１及び例２、並びに以下に示す例７で得られたノズルプレートについて、ワイピングブレードで擦った回数と、ノズルプレートがインクを弾く速度との関係を調べた。
（例７）
撥油膜の材料として、下記化学式で表される旭硝子株式会社製、サイトップ（登録商標：Ａタイプ）を用意した。この撥油膜材料は、フッ素系化合物であって、下記化学式で示されるポリマー主鎖の両末端にアルコキシシラン基を含む末端基を有する。
撥油膜の材料として、下記化学式で表される旭硝子株式会社製、サイトップ（登録商標：Ａタイプ）を用意した。この撥油膜材料は、フッ素系化合物であって、下記化学式で示されるポリマー主鎖の両末端にアルコキシシラン基を含む末端基を有する。
ノズルプレート基板の表面にサイトップを塗布し、ノズルプレート基板表面のヒドロキシル基に対してサイトップの両末端にアルコキシシラン基を反応させ、ノズルプレート基板の表面にサイトップを結合させてノズルプレートを作製した。
例１及び例２、並びに例７で得られたノズルプレートを、ワイピングブレードにより１３ｇｆの荷重で所定回数にわたって擦った後、インクを弾く速度を測定した。
インクを弾く速度の測定は、以下のようにして行った。試料として、幅１５ｍｍの撥油膜付きノズルプレートを準備した。ノズルプレートを直立させて上端近傍を保持し、ノズルプレートのほぼ全体をインクに浸漬した。次いで、ノズルプレートを長さ４５ｍｍだけインクから引き上げ、引き上げた部分からインクが無くなるまでに要した時間を測定した。
インクに浸漬した撥油膜の長さをＬ（＝４５ｍｍ）、引き上げた部分からインクが無くなるまでに要した時間をＴ［秒］として、インクを弾く速度Ｒｒ［ｍｍ／秒］を以下のように定義する。
Ｒｒ［ｍｍ／秒］＝Ｌ／Ｔ＝４５／Ｔ
撥油膜が塗布されたノズルプレートを、ワイピングブレードにより１３ｇｆの荷重で所定回数にわたって擦った。その後、上記と同様の方法により、インクを弾く速度Ｒｒを測定した。
撥油膜が塗布されたノズルプレートを、ワイピングブレードにより１３ｇｆの荷重で所定回数にわたって擦った。その後、上記と同様の方法により、インクを弾く速度Ｒｒを測定した。
図９に、例１及び例２、並びに例７で得られたノズルプレートについて得られた、ワイピングブレードでノズルプレートを擦った回数と、ノズルプレートがインクを弾く速度との関係を示す。図９において、横軸はワイピングブレードで擦った回数、縦軸はノズルプレートがインクを弾く速度である。
図９から以下のことが分かる。例２及び例７で得られたノズルプレートは、ワイピングブレードで擦った回数が１０００回未満の段階で撥インク性が劣化した。これに対し、例１で得られたノズルプレートは、ワイピングブレードで擦った回数が６０００回と多くなっても、撥インク性の劣化が抑えられていた。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
以下に、当初の特許請求の範囲に記載していた発明を付記する。
［１］
記録媒体へ向けてインクを吐出するノズルが設けられたノズルプレートを備え、前記ノズルプレートは、ノズルプレート基板と、前記ノズルプレート基板の前記記録媒体と対向する面に設けられた撥油膜とを含み、
前記撥油膜は、Ｘ線光電子分光分析すると、ＣＦ ２ 基のピーク、ＣＦ ３ 基のピーク、及びＣＦ ３ 基よりも結合エネルギーが高いＣＦ ３＋δ 基のピークが検出される、インクジェットヘッド。
［２］
前記撥油膜は、前記ノズルプレート基板と結合した結合部位と、末端パーフルオロアルキル基と、前記結合部位と前記末端パーフルオロアルキル基との間に介在したスペーサー連結基とを有するフッ素系化合物を含んだ項１に記載のインクジェットヘッド。
［３］
前記ノズルプレート基板は樹脂からなる項１又は２に記載のインクジェットヘッド。
［４］
前記撥油膜は、前記ＣＦ ２ 基のピーク面積を１としたとき、前記ＣＦ ３ 基のピーク面積の比率が０．１乃至０．６である項１乃至３の何れか１項に記載のインクジェットヘッド。
［５］
項１乃至４の何れか１項に記載のインクジェットヘッドと、
前記インクジェットヘッドに対向して記録媒体を保持する媒体保持機構と
を備えたインクジェットプリンタ。
以下に、当初の特許請求の範囲に記載していた発明を付記する。
［１］
記録媒体へ向けてインクを吐出するノズルが設けられたノズルプレートを備え、前記ノズルプレートは、ノズルプレート基板と、前記ノズルプレート基板の前記記録媒体と対向する面に設けられた撥油膜とを含み、
前記撥油膜は、Ｘ線光電子分光分析すると、ＣＦ ２ 基のピーク、ＣＦ ３ 基のピーク、及びＣＦ ３ 基よりも結合エネルギーが高いＣＦ ３＋δ 基のピークが検出される、インクジェットヘッド。
［２］
前記撥油膜は、前記ノズルプレート基板と結合した結合部位と、末端パーフルオロアルキル基と、前記結合部位と前記末端パーフルオロアルキル基との間に介在したスペーサー連結基とを有するフッ素系化合物を含んだ項１に記載のインクジェットヘッド。
［３］
前記ノズルプレート基板は樹脂からなる項１又は２に記載のインクジェットヘッド。
［４］
前記撥油膜は、前記ＣＦ ２ 基のピーク面積を１としたとき、前記ＣＦ ３ 基のピーク面積の比率が０．１乃至０．６である項１乃至３の何れか１項に記載のインクジェットヘッド。
［５］
項１乃至４の何れか１項に記載のインクジェットヘッドと、
前記インクジェットヘッドに対向して記録媒体を保持する媒体保持機構と
を備えたインクジェットプリンタ。
１…インクジェットヘッド、３０…アクチュエータ、５０…ノズルプレート、Ｎ…ノズル、５２…撥油膜、５３…結合部位、５４…スペーサー連結基、５５…末端パーフルオロアルキル基、１００…インクジェットプリンタ、１１５Ｂｋ…インクジェットヘッド、１１５Ｃ…インクジェットヘッド、１１５Ｍ…インクジェットヘッド、１１５Ｙ…インクジェットヘッド、１２０…ヘッド移動機構、１３０…ブレード移動機構、１４０…ワイピングブレード。
Claims (4)
- 記録媒体へ向けてインクを吐出するノズルが設けられたノズルプレートを備え、前記ノズルプレートは、ノズルプレート基板と、前記ノズルプレート基板の前記記録媒体と対向する面に設けられた撥油膜とを含み、
前記撥油膜は、Ｘ線光電子分光分析すると、ＣＦ２基のピーク、ＣＦ３基のピーク、及びＣＦ３基よりも結合エネルギーが高いＣＦ３＋δ基のピークが検出され、
前記撥油膜は、前記ノズルプレート基板と結合した結合部位と、末端パーフルオロアルキル基と、前記結合部位と前記末端パーフルオロアルキル基との間に介在したスペーサー連結基とを有するフッ素系化合物を含み、
前記スペーサー連結基はパーフルオロポリエーテル基であり、
前記末端パーフルオロアルキル基は、直鎖状のパーフルオロアルキル基であって、炭素数が３乃至７の範囲内にあるインクジェットヘッド。 - 前記ノズルプレート基板は樹脂からなる請求項１に記載のインクジェットヘッド。
- 前記撥油膜は、前記ＣＦ２基のピーク面積を１としたとき、前記ＣＦ３基のピーク面積の比率が０．１乃至０．６である請求項１又は２に記載のインクジェットヘッド。
- 請求項１乃至３の何れか１項に記載のインクジェットヘッドと、
前記インクジェットヘッドに対向して前記記録媒体を保持する媒体保持機構と
を備えたインクジェットプリンタ。
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