JPH10151744A - インク噴射記録ヘッドとその製造方法およびインク噴射記録装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、常圧インクを供給してもインク垂
れを起こさないインク噴射記録ヘッドを提供し、印刷速
度の向上とヘッド面のクリーニング作業の削減を図るこ
とを課題とする。 【解決手段】 複数個のオリフィスが形成されているオ
リフィスプレートの表面に１０〜１００ｎｍの大きさの
細密な凹凸を形成し、この表面とこの表面から３μｍ以
内の範囲の前記オリフィスの内面を撥水処理する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱エネルギを利用
してインク液滴を記録媒体に向けて飛翔させる形式の記
録装置及びその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】パルス加熱によってインクの一部を急速
に気化させ、その膨張力によってインク液滴をオリフィ
スから吐出させる方式のインクジェット記録装置は特開
昭４８−９６２２号公報、特開昭５４−５１８３７号公
報等によって開示されている。

【０００３】このパルス加熱の最も簡便な方法は発熱抵
抗体にパルス通電することであるが、このパルス通電す
るための駆動用ＬＳＩと薄膜発熱抵抗体を同一Ｓｉ基板
上に形成して、従来にない小型、高熱効率のインクジェ
ットプリントヘッドを実現できることは、本出願人が特
開平０６−７１８８８号、特開平０６−２９７７１４
号、特開平０７−２２７９６７号、特開平０８−２０１
１０号、特開平０８−２０７２９１号公報等に記載して
いる通りである。そしてこの技術を適用すると、インク
吐出用オリフィスを２次元的に大規模かつ高密度に集積
して形成することが可能となり、例えば、３０〜６０ｐ
ｐｍ（ページ／分）のＡ４版フルカラープリンタさえ実
現することが可能となった（現状は約１ｐｐｍ）。

【０００４】さて、一般にこの種のヘッドに供給するイ
ンクは若干の負圧にしておく必要がある。それは、数１
０μｍという細いオリフィス径の毛細管現象によって、
オリフィス内のインクがオリフィス表面に流出し易いた
めである。インクを負圧にするための方法には、インク
袋をスプリングで膨らます方法とか、スポンジの毛細管
現象を利用する方法、等が実用化されているが、前者は
インクを加圧するよりも複雑（コスト高）であり、後者
はインクの比容積が小さく、このためにタンクが大型に
なるという問題を抱えている。また、負圧インクは加圧
または常圧インクに比べてインク吐出後の補充（リフィ
ル）に時間を要し、繰り返し吐出周波数がその分だけ低
くなり、プリンタの印字速度が遅くなっている。

【０００５】一方、この毛細管現象によるインク垂れを
防ぐ目的で、オリフィスプレート表面とオリフィス内面
の両方を低表面エネルギーポリマーでコーティングする
方法が提案され、その具体的なコーティング方法とし
て、ポリマーを蒸着する方法が最適である旨の主張がな
されている（特開平０８−２２４７８７８号公報）。し
かし、この方法では、オリフィス内面へのコーティング
厚さが連続的に薄くなるためにインクとの接触角（撥水
性）も連続的に変わり、吐出インク量が大きくばらつく
ことが予測できる。

【０００６】これに対し、特開平０８−２０７２９１号
公報に記載の複合めっきによる撥水処理方法では、オリ
フィスプレート表面とその表面から数μｍの深さ（めっ
き厚さ）までのオリフィス内面に正確に撥水処理がなさ
れるので、上記のようなばらつきの問題は発生しない。
しかし、この複合めっきによる撥水処理方法も、そのめ
っき基材がインクに濡れ易いＮｉ金属などであるため、
長期安定性に欠けるという問題を抱えていることもわか
った。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、外気
圧と同じ常圧インクを供給してもインクがオリフィス表
面に流出しない構造のヘッドを提供して吐出周波数を向
上させると共に、オリフィスプレート表面に長期安定性
に優れた超撥水性被膜を形成してヘッド表面のクリーニ
ング作業の削減を図ることである。

【０００８】

【発明が解決するための手段】上記課題は、Ｓｉ基板の
第１面上に形成された複数個の発熱抵抗体と、該発熱抵
抗体を駆動するべく同一Ｓｉ基板上に形成され、前記発
熱抵抗体に接続された駆動用ＬＳＩと、前記複数個の発
熱抵抗体に順次パルス通電することによって該発熱抵抗
体と垂直又はほぼ垂直方向にインク滴を吐出する複数個
のオリフィスと、該複数個のオリフィスのそれぞれに対
応して該Ｓｉ基板上に設けられた複数個の個別インク通
路と、該個別インク通路の全てが連通するべく前記Ｓｉ
基板上に設けられた共通インク通路と、該共通インク通
路の全長にわたって導通されるよう前記Ｓｉ基板に設け
られたインク溝と、該インク溝が前記Ｓｉ基板の第１面
の裏面である第２面と連通するべく該Ｓｉ基板の第２面
に穿たれた１個以上のインク供給穴とからなるインク噴
射記録ヘッドにおいて、前記複数個のオリフィスが形成
されているオリフィスプレートの表面に１０〜１００ｎ
ｍの大きさの細密な凹凸を形成し、この表面とこの表面
から３μｍ以内の範囲の前記オリフィスの内面を撥水処
理することにより達成される。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明は、いわゆるトップシュー
タタイプとサイドシュータタイプのヘッド、並びに圧電
素子を用いるヘッドの全てに適用できる。しかし、量産
効果の大きな本発明者による特許出願である特開平０８
−２０７２９１号公報に記載のトップシュータタイプの
ヘッドに適用するのが最も効果的であるので、それにつ
いて図面を用いて説明する。

【００１０】まず、本発明の理論的根拠から説明する。

【００１１】図７は、水性インク中に種々の細管を立て
た時の様子を示している。細管の内径ｄは、３６０dpi
（ドット／インチ）のオリフィスに相当する５０μｍの
ケースで考える。インクの表面張力Ｔは３０〜５０dyne
/cmの範囲のものが多いので、ここでは４０dyne/cmの値
で代表させる。水性インクは無処理のオリフィス内面に
濡れ易いので、簡単化するためにこの場合の接触角θを
０°と仮定する。

【００１２】図７のノズル番号１のケースは、θ＝０°
の充分に長い細管をインク中に垂直に立てた場合で、下
記式

【００１３】

【数１】

【００１４】で求められるｈ≒３３ｃｍの高さまでイン
クは毛細管現象によって吸い上げられることが分かる。

【００１５】ノズル番号２のケースは、細管をインク面
近傍にまで下げた場合であり、接触角を大きくすること
で均衡を保っている状態を示している。しかしこの状態
では非常に不安定であり、ノズル上端面が少しでもイン
クに濡れるとインクは流出し易くなり、特にノズルを下
向きに設置して印字する一般的なインクジェットプリン
タのケースではインクのボタ落ち現象を呈する。インク
タンクを負圧にするのはこのボタ落ち現象を防止するた
めの必要条件なのである。

【００１６】ノズル番号３のケースはこの細管内に撥水
処理を施した場合を示し、その接触角を１００°と仮定
すると、ｈ’≒６ｃｍとなることが分かる。

【００１７】ノズル番号４のケースは、細管内の撥水処
理を管端近傍のみに留めた場合を示す。細管内では表面
張力がインクの充填を助けるが、管端近傍では逆に流出
を妨げるように働くことが分かる。更に、細管の上端面
に超撥水処理を施すことができれば、インクの流出防止
作用が尚一層強化され、インクタンク側の圧力を加圧の
状態にしてもインク垂れを起こさない。

【００１８】以下、これを具体的なヘッドで実現する場
合の一例を図１〜図４に、その製造工程を図５に示しな
がら説明する。

【００１９】図１及び図３、図４に示すヘッド構造は、
本発明者らの発明によるもので、印字中に印画濃度が変
化しない特徴を持ち、しかも５〜１０万オリフィス以上
をＳｉウエハ上で一括して製造できるものである（特開
平０８−２０１１０号、特開平０８−２０７２９１号公
報、特願平０８−１２２０９１号、特願平０８−１２９
７５９号他参照）。１回のパルス通電によって吐出され
るインク量は、ヒータ３上に存在するインクだけであ
り、このために印画濃度が変化しない特徴を示す。

【００２０】なお、図１はオリフィス近傍の断面図、図
３は１色分のオリフィス列の全体断面図、図４は例えば
１２８オリフィス／１色×４色が約８ｍｍ×１０ｍｍサ
イズのＳｉチップ上に形成されているインクジェットデ
バイス２１をＳｉウエハ１上で製造する場合の例を示し
ている。インクはインク供給穴１５から導入され、イン
ク溝１４、共通インク通路１３、個別インク通路１２を
経由して、オリフィス９からインク滴１７として吐出さ
れる。

【００２１】本願発明では、このヘッドのオリフィスプ
レート７の上表面に超撥水性被膜１０を形成し、更にこ
の表面から３μｍ以内のオリフィス９の内面に撥水性被
膜１１を形成することを特徴としている。ここでオリフ
ィス９の内面に撥水性被膜１１を形成する範囲を３μｍ
以内に限定する理由は、吐出インク量のばらつきを±５
％以内に抑え、印画品質を高く保持するためである。す
なわち、この範囲を３μｍ以内とすることは、１０〜２
０μｍの範囲に設計される隔壁６の高さと、２０〜４０
μｍの範囲に設計されるオリフィスプレート７の厚さの
合計３０〜５０μｍの１０％以下とすることに相当す
る。こうすることによって、オリフィス内面の撥水処理
領域に３μｍ以内のばらつきが発生しても、吐出インク
量のばらつきを±５％以内に抑制することが可能とな
る。なお、ここでは撥水性と超撥水性の境界をθ＝１２
０〜１３０°に置いている。

【００２２】次に、オリフィスプレート７の表面に超撥
水性被膜を形成し、オリフィス９の内面に限定的に撥水
処理する方法を説明する。これらの両撥水処理は、図５
に示すようにヘッド製造工程のうち、最終工程である
（６）で同時に実施される。また、（６）の工程は図６
に示すように（６１）〜（６３）の３工程から構成され
ている。以下、これらの工程を詳しく説明する。

【００２３】まず、（１）の工程で駆動用ＬＳＩ１６が
Ｓｉウエハ１上に形成され、次いで（２）の工程で発熱
抵抗体３が形成される。この発熱抵抗体３は、Ｔａ−Ｓ
ｉ−Ｏ三元合金薄膜抵抗体とＮｉ薄膜導体が用いられ、
熱酸化して発熱抵抗体上に薄い絶縁性被膜が形成される
（特願平０７−３４０４８６号、特願平０８−１２２０
９１号、特願平０８−１６９０７３号参照）。但し、本
発明においては、前記発熱抵抗体材料に限定されない。

【００２４】この後、（３）の工程でインク溝１４とイ
ンク供給穴１５をフォト異方性エッチングまたはフォト
サンドブラスト法によって形成し、更に（４）の工程で
耐熱性ポリイミドによって隔壁６を形成する。この上に
樹脂フィルムを貼り付け、これにノズル８を１０万個の
単位で一括してフォトドライエッチングによって形成す
る。オリフィスプレート７の材料にはポリイミドフィル
ムやＰＥＴフィルムが使われるが、本例では３０μｍ厚
さのポリイミドフィルムを用いている。ドライエッチン
グ後のレジスト剥離で（５）の工程が完了し、例えば図
４に示すウエハが得られる。なお、（３）と（４）の工
程は相前後する場合もある。

【００２５】次に、（６）の工程で、ノズル８が形成さ
れているポリイミドフィルム表面に酸素ガスによる反応
性プラズマエッチング処理（６１）を行い、フィルム表
面に図２に示すような１０〜１００ｎｍサイズの細密な
凹凸１８を形成する。このプラズマエッチングは（５）
の工程のドライエッチングと同じであるが、ごく浅い表
面処理だけを行うので区別するために名前を変えている
だけである。凹凸のサイズは３０〜６０ｎｍが最適領域
であり、これより浅いと接触角θが１５０°より小さく
なり、これより大きいと強度が弱くなって凹凸がつぶれ
易くなる。このような凹凸が超撥水性の発現に重要な役
割を果たすことはよく知られているが、本発明で重要な
点は、同一プロセス設備でノズル８の形成と表面処理が
実施でき、しかもＳｉウエハ１上で１０万オリフィスと
いう単位で一括形成することができることにある。そし
て、これらを可能にしているのが、オリフィスプレート
を樹脂フィルムで構成していることにあることが分か
る。

【００２６】表面処理の完了したオリフィスプレート７
の表面と、その表面から３μｍ以内のオリフィス内面に
のみ撥水性被膜を形成し、しかも数１０ｎｍという細密
な凹凸を埋めることなくその表面にのみコーティングで
きる方法として、次に述べる吸着溶液印刷（６２）方式
を開発した。まず、数１０ｎｍという細密な凹凸を埋め
ることなく、その表面にのみ撥水性被膜を形成する方法
として、厚さ数ｎｍという撥水性単分子膜を化学吸着さ
せる方法を採用した。具体的には、フッ素化した界面活
性剤（Ｃ_８Ｆ₁₇ＣＨ₂ＣＨ₂ＳｉＣｌ₃）をシクロヘキサ
ン溶液に約１vol％溶解させ、この溶液を図６に示すフ
レキソ印刷法によって、ドライ雰囲気中で約１００ｎｍ
の厚さで均一にＳｉウエハ１上のオリフィスプレート７
の表面に印刷する。この時、弾性のある印刷版２３によ
る印刷のために溶液溜りができ、これがオリフィス内面
へのコーティング深さを決定する。印刷厚さは、ドクタ
ーブレード２４によってアニロックスロールに付着させ
る膜厚を１００ｎｍレベルで調整することが可能で、こ
れを印刷版２３に転写した後、オリフィスプレート７表
面に印刷することで１００ｎｍレベルの膜厚制御が可能
となる。

【００２７】オリフィス内面へのコーティング深さを種
々の条件で検討したところ、オリフィスプレート表面へ
の印刷厚さの１０倍を越えることのないことが判明し
た。すなわち、１００ｎｍの厚さのコーティングに対
し、オリフィス内面へのコーティング深さは１μｍを越
えないことが分かった。従って、オリフィス内面へのコ
ーティング深さを３μｍ以内とすることは比較的容易で
あり、１回の印刷厚さと印刷回数によるコントロールと
共に、シクロヘキサンに溶解させる界面活性剤の量によ
っても化学吸着させる単分子膜の供給量を正確に制御で
きることが分かった。但し、この単分子膜をオリフィス
プレート表面に吸着固定させるためには、この表面を水
洗い（６３）することによって反応させなければならな
い。すなわち、この水洗反応（６３）工程以前に反応さ
せないため、吸着溶液の印刷と乾燥をドライ雰囲気中で
行うことが必要なのである。

【００２８】このようにして形成されたオリフィスプレ
ート７上の表面１０は、純水に対してその接触角が１５
０°となる超撥水性を示し、水性インクに対してもほぼ
同等の撥水性を示した。また、オリフィス内面の上端近
傍に形成された撥水面１１の接触角は測定できなかった
が、インクを充填した時のメニスカスの凸形状から判断
し、１００°前後の接触角を持っているものと推定でき
た。

【００２９】最後に、（７）の工程でマスク通りに切断
することによって、例えば図４に示すフルカラー用一体
型デバイスチップが得られ、これを４色用インクカート
リッジに実装することによって、小型、低コストのフル
カラーカートリッジが完成する。

【００３０】このカートリッジを用い、インクタンクの
圧力を２０ｍｍＨｇの負圧、外気圧と同じ常圧、５ｍｍ
Ｈｇの加圧の３条件で印字テストを行った。その結果、
吐出周波数については負圧タンクの６〜７ＫＨｚの吐出
周波数に対し、常圧と加圧タンクの場合は７〜８ＫＨｚ
に向上することが分かった。そして、常圧、加圧のケー
スにおいてもインク垂れは見られず、オリフィス面のイ
ンク濡れも認められず、ヘッド面のクリーニングは削除
または大幅に削減できることも確認できた。しかし、イ
ンクタンクの加圧を１０ｍｍＨｇに高くするとインク垂
れが見られるようになった。これらの結果から、吐出周
波数を向上させることができ、インク垂れを完全に防止
でき、しかもインクタンクの加減圧メカニズムの不要な
常圧型インクタンクを採用できることが分かった。そし
て、超撥水特性もカートリッジの実用寿命期間中では何
らの劣化も認められないことを確認している。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、吐出周波数の向上、イ
ンク垂れの完全防止、最も簡単な構造の常圧インクタン
ク、オリフィス面のクリーニングの削除または大幅な削
減、大口径ウエハによる一括製造等の効果が得られ、小
型、低コスト、高速印刷が可能なインク噴射記録装置を
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明になるインクジェットデバイスの一例を
示す断面図

【図２】図１のＡ部拡大図

【図３】図１に示すインクジェットデバイスチップの１
ノズル列の全体断面図

【図４】Ｓｉウエハによって製造されるデバイスチップ
の一例を示す模式図

【図５】図１のデバイスの製造工程を示すフローチャー
ト

【図６】フレキソ印刷方式の概略模式図

【図７】毛細管現象の説明図

【符号の説明】

１はＳｉウエハ、２はＳｉＯ₂断熱層、３は発熱抵抗
体、４、５は薄膜導体、６は隔壁、７はオリフィスプレ
ート、８はノズル、９はオリフィス、１０は超撥水性被
膜、１１は撥水性被膜、１２は個別インク通路、１３は
共通インク通路、１４はインク溝、１５はインク供給
穴、１６は駆動ＬＳＩ，１７は吐出インク滴、１８は凹
凸、１９は撥水性単分子膜、２０はボンディングパッ
ド、２１はインクジェットデバイスチップ、２２は刷
胴、２３は印刷版、２４はドクターブレード、２５はデ
ィスペンサ、２６は吸着溶液、２７はアニロックスロー
ルである。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】Ｓｉ基板の第１面上に形成された複数個の
   発熱抵抗体と、該発熱抵抗体を駆動するべく同一Ｓｉ基
   板上に形成され、前記発熱抵抗体に接続された駆動用Ｌ
   ＳＩと、前記複数個の発熱抵抗体に順次パルス通電する
   ことによって該発熱抵抗体と垂直又はほぼ垂直方向にイ
   ンク滴を吐出する複数個のオリフィスと、該複数個のオ
   リフィスのそれぞれに対応して該Ｓｉ基板上に設けられ
   た複数個の個別インク通路と、該個別インク通路の全て
   が連通するべく前記Ｓｉ基板上に設けられた共通インク
   通路と、該共通インク通路の全長にわたって導通される
   よう前記Ｓｉ基板に設けられたインク溝と、該インク溝
   が前記Ｓｉ基板の第１面の裏面である第２面と連通する
   べく該Ｓｉ基板の第２面に穿たれた１個以上のインク供
   給穴とからなるインク噴射記録ヘッドにおいて、 前記複数個のオリフィスが形成されているオリフィスプ
   レートの表面に１０〜１００ｎｍの大きさの細密な凹凸
   を形成し、この表面とこの表面から３μｍ以内の範囲の
   前記オリフィスの内面を撥水処理してあることを特徴と
   するインク噴射記録ヘッド。
2. 【請求項２】前記オリフィスプレートが樹脂フィルムか
   らなり、その表面の細密な凹凸が酸素ガスによる反応性
   プラズマエッチングによって形成されたものであること
   を特徴とする請求項１記載のインク噴射記録ヘッド。
3. 【請求項３】前記オリフィスプレートの撥水処理はフレ
   キソ印刷法等の印刷方法によってその表面付近のみに撥
   水性被膜が形成されたものであることを特徴とする請求
   項１記載のインク噴射記録ヘッド。
4. 【請求項４】前記オリフィスプレートの撥水処理はフッ
   素系単分子膜を化学吸着させたものであることを特徴と
   する請求項１記載のインク噴射記録ヘッド。
5. 【請求項５】前記オリフィスプレートの表面に撥水処理
   する一連の工程が、５インチ径サイズ以上のＳｉ基板単
   位で行われることを特徴とする請求項２〜４記載のイン
   ク噴射記録ヘッドの製造方法。
6. 【請求項６】請求項１記載の記録ヘッドを用い、これに
   供給するインクを外気圧と同じ常圧とすることを特徴と
   するインク噴射記録装置。