JPH10329322A - インクジェット記録ヘッドおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 導電性インクを弾く撥水能力の持続性を十分
に有するインクジェット記録ヘッドを提供することを目
的とする。 【解決手段】 ノズルプレート３に噴射口２を形成し、
噴射口２から導電性インク１を噴射するインクジェット
記録ヘッドであって、ノズルプレート３は、ノズルプレ
ート基材３Ａと、プラスチック基材の表面に形成された
フッ素含有の改質層１０とを備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、インクジェット記
録装置に用いるインクジェット記録ヘッドおよびその製
造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、プリンタには印字の高速化、カラ
ー化、低騒音化の要求が高まってきている。インクジェ
ットプリンタはノンインパクト記録方式であるため記録
時の静粛性が図られ、インク滴を飛翔させて用紙上に画
像を形成するため高速記録が可能であり、また、特別な
定着処理なしに普通紙に記録できるため利用分野が広範
囲である。さらに、３原色のインクを別々に飛翔させる
ことによりカラー化も容易である。このような機能的特
徴によって、家庭用、オフィス用のコンピュータの出力
用プリンタとして広く利用されるようになってきた。

【０００３】インクジェット記録装置における印字方式
としては大別して、記録信号に応じてインクを飛翔させ
るオンデマンド方式と連続方式とがある。現在はオンデ
マンド方式が主流である。

【０００４】オンデマンド方式は例えば米国特許第３４
７４１２０号に開示されている。このオンデマンド方式
は、記録ヘッドに付設されているピエゾ素子に電気的な
記録信号を印加してピエゾ素子の機械的振動に変え、こ
の機械的振動によってノズル孔からインク小滴を吐出さ
せて記録紙に付着させることで記録を行うものである。
すなわち、記録信号に対応したインク吐出を行う。連続
方式では吐出飛翔する小滴のうち画像の記録に要さなか
った小滴を回収することが必要であるが、オンデマンド
方式ではこのようなことが不要であるため、シンプルな
構造が可能である。ただし、このピエゾ素子を使用する
オンデマンド方式は、記録ヘッドの加工の困難性やピエ
ゾ振動素子の小型化の困難性のためマルチノズル化が難
しく、ピエゾ素子の機械振動という機械的エネルギーで
小滴の飛翔を行うので高速記録に向かないなどの欠点を
有する。

【０００５】オンデマンド方式の他の例として、インク
を加熱してインク中にバブルを発生させ、その体積変化
でインクを飛翔させるバブルジェット方式がある。米国
特許第３１７９０４２号に開示されているオンデマンド
方式は熱エネルギーを利用するものである。この熱エネ
ルギーを利用するオンデマンド方式はピエゾ素子のよう
な機械的振動エネルギーを利用するものと比較してエネ
ルギー変換効率が高く、マルチノズル化が容易であると
いう特徴がある。

【０００６】次に、熱エネルギーを利用するオンデマン
ド方式のインクジェット記録ヘッドとして、交流電流通
電による高周波加熱でインクを沸騰させてインクを吐出
するものについて説明する。

【０００７】図１４は、交流電流通電による高周波加熱
でインクを沸騰させてインクを吐出する従来のインクジ
ェット記録ヘッドを示す概略断面図である。図１４にお
いて、１は導電性インク、２は導電性インク１の噴射口
である吐出口、３Ａは吐出口２を複数有するノズルプレ
ート、４は基板、５ａ、５ｂは導電性インク１に接する
ように配置された一対の対向電極、６は絶縁部材、７は
導電性インク１で満たされたインク沸騰室、８は一対の
対向電極５ａ、５ｂに電圧を印加する駆動制御装置、９
は記録用紙、１２はインク液滴である。

【０００８】以上のように構成されたインクジェット記
録ヘッドについて、その動作を説明する。駆動制御装置
８をオンにすることにより、一対の対向電極５ａ、５ｂ
間に高周波電圧が印加され、導電性インク１中に存在す
る電解質が振動運動を行い、ジュール熱の発生と共に導
電性インク１の沸騰に至る。この導電性インク１の沸騰
により気泡が発生し、その体積の急激な膨脹によりイン
ク液滴１２を吐出口２から押し出す。インク液滴１２は
記録用紙９に飛翔して１ドットの印字を形成する。基板
４上には複数のインク液滴を吐出することが可能となる
ように対向電極５ａ、５ｂ、吐出口２、インク沸騰室７
が複数設けられ、駆動制御装置８により複数の吐出口か
ら選択的にインク液滴１２が吐出され、記録用紙９に所
望の文字を形成できるようにしている。この後、駆動制
御装置８をオフにすることにより、一対の対向電極５
ａ、５ｂ間の高周波電圧は除かれ、導電性インク１は急
激に冷却されて気泡は消滅し、初期の状態に戻る。

【０００９】このようなインクジェット記録ヘッドにお
いて、インク液滴１２が吐出するノズル周縁部に不均一
な導電性インク１の溜まり（インク溜まり）があると、
吐出するインク液滴１２が正規の飛翔方向から離脱した
り、さらには上記インク溜まりによりインク液滴形成時
のメニスカス（表面張力によって凸状になること）の安
定性が低下して吐出異常になり、良好な記録が行えなく
なる。また、印字品質を向上させるために単位当りのイ
ンクノズル数を多くしてドット密度を高める場合、これ
に応じてインク液滴、インクノズル穴径は小さくなり、
インクノズル穴間距離は狭くなる。この場合、インクノ
ズル周縁部における不均一なインク溜まりの影響を受け
やすい。さらに、高速印字を実現するために高周波で駆
動する場合も同様に、インクノズル周縁部における不均
一なインク溜まりの影響を受けやすい。

【００１０】そのため、導電性インクを弾く撥水性を有
するような表面処理をインクノズルの周縁部に施して上
述の問題を解決し、安定したインク液滴の吐出を得よう
とする提案が数多く報告されている。例えば、インク液
滴が吐出する部分であるノズルプレート３Ａの表面を油
性や水性の導電性インク１の付着をなくすために撥水化
処理することが行われており、コーティング法、真空蒸
着法、プラズマ重合によりノズルプレート表面に撥水剤
を付着させ撥水化するプラズマ重合法といった方法が提
案されている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のインクジェット記録ヘッドでは、次のような問題点
を有していた。

【００１２】撥水処理の方法としては一般的に、ノズル
プレート表面に撥水剤をコーティングすることが行われ
ている。このコーティング方法として、特開昭５７−１
６７７６５号公報記載の静電粉体塗装法、特開昭６０−
１８３１６１号公報記載の真空蒸着法、ディッピング
法、スプレーコート法、スピンコート法等が提案されて
いるが、これらの方法は、いずれも撥水剤がノズル内に
入り込んで目詰まりを起こしたり、インク液滴の直進性
を損ねて印字品質に悪影響を与えるといった問題点を有
していた。

【００１３】一方、ノズルに目詰まりを生じさせること
なく、そのインクノズル表面側に撥水処理を行う方法と
して、特開昭６３−１２２５６０号公報に開示されたも
のや特開昭６２−５９０４７号公報に開示されたものが
ある。特開昭６３−１２２５６０号公報に開示されたも
のは、ノズルを含むインク流路内に液体または個体を充
填してからコーティング処理をするものであり、特開昭
６２−５９０４７号公報に開示されたものは、ノズルよ
りエアを噴出させながらコーティング処理をするもので
ある。しかし、前者の方法では、インク流路内への液体
・個体の充填が容易でなく、また、インク流路内に充填
剤を満たしたままでノズル表面に付着した余分な充填剤
を除去することが困難であるといった問題点を有し、後
者の方法では、最も撥水性を要求されるノズル開口部の
周囲がエア流の影響を受けるため、十分なコーティング
を行うことができないという問題点を有していた。

【００１４】さらに、特開昭５９−１７６０５９号公報
には、プラズマ重合によりノズル表面に撥水剤を膜堆積
させて撥水化するという方法が開示されている。しか
し、そのような表面処理においては、単に導電性インク
を弾く撥水能力があるだけでなく、その能力の持続性も
十分になければ実用性がない。すなわち、インクジェッ
ト記録装置に備わったクリーニング動作、その際に生じ
た過剰インクの除去のためのゴム部材等によるワイピン
グ動作によっても、その撥水性が劣化することなく、安
定したインク吐出ができなければならない。従来のコー
ティング法、真空蒸着法、プラズマ重合法はノズル上へ
の膜堆積法であるため、インクジェット記録ヘッドのノ
ズル材料との密着性が不十分であると、記録用紙と擦れ
た際に膜が剥離してしまい耐久性の低いものしか得られ
ないという問題点を有していた。

【００１５】このインクジェット記録ヘッドおよびその
製造方法では、導電性インクを弾く撥水能力が十分に持
続性があることが要求されている。

【００１６】本発明は、導電性インクを弾く撥水能力の
持続性を十分に有するインクジェット記録ヘッドおよび
導電性インクを弾く撥水能力の持続性を十分に持たせる
ためのインクジェット記録ヘッドの製造方法を提供する
ことを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に本発明のインクジェット記録ヘッドは、ノズルプレー
トに噴射口を形成し、噴射口からインクを噴射するイン
クジェット記録ヘッドであって、ノズルプレートは、プ
ラスチック基材と、プラスチック基材の表面に形成され
たフッ素含有の改質層とを備えた構成を備えている。

【００１８】これにより、導電性インクを弾く撥水能力
の持続性を十分に有するインクジェット記録ヘッドが得
られる。

【００１９】この課題を解決するための本発明のインク
ジェット記録ヘッドの製造方法は、プラスチック基材と
プラスチック基材の表面に形成されたフッ素含有の改質
層とから成るノズルプレートに噴射口を形成し、噴射口
からインクを噴射するインクジェット記録ヘッドの製造
方法であって、プラスチック基材の表面にフッ素含有の
プラズマを照射してプラスチック基材の上層部をフッ素
含有カーボン層に改質する構成を備えている。

【００２０】これにより、導電性インクを弾く撥水能力
の持続性を十分に持たせるためのインクジェット記録ヘ
ッドの製造方法が得られる。

【００２１】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１に記載の発明
は、ノズルプレートに噴射口を形成し、噴射口からイン
クを噴射するインクジェット記録ヘッドであって、ノズ
ルプレートは、プラスチック基材と、プラスチック基材
の表面に形成されたフッ素含有の改質層とを備えること
としたものであり、ノズルプレート表面が撥水状態にな
るという作用を有する。

【００２２】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の発明において、プラスチック基材は酸素を構成成分と
することとしたものであり、ノズルプレート表面が耐久
性の高い撥水性、撥インク性を呈するという作用を有す
る。

【００２３】請求項３に記載の発明は、請求項１に記載
の発明において、プラスチック基材はポリイミドを主成
分とすることとしたものであり、ノズルプレート表面に
フッ素含有の改質層が容易に形成されるという作用を有
する。

【００２４】請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３
のいずれか１に記載の発明において、改質層はフッ素と
炭素の原子数比Ｆ／Ｃが０．８５以上で１．３０以下で
あることとしたものであり、ノズルプレート表面が容易
にフッ化カーボン層に改質されるという作用を有する。

【００２５】請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４
のいずれか１に記載の発明において、改質層は、表面の
Ｘ線光電子分光スペクトルにおいて、Ｃ1S信号の総面積
に対するＣＦ₂信号の面積の比が０．１３以上で０．２
０以下であることとしたものであり、フッ化カーボン層
が耐久性の高い撥水性を有するという作用を有する。

【００２６】請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５
のいずれか１に記載の発明において、改質層は、表面の
Ｘ線光電子分光スペクトルにおいて、Ｃ1S信号の総面積
に対するＣＦ₃信号の面積の比が０．１０以上で０．１
７以下であることとしたものであり、フッ化カーボン層
が耐久性の高い撥水性を有するという作用を有する。

【００２７】請求項７に記載の発明は、請求項１に記載
の発明において、導電性インクに接するように配置され
た一対の対向電極間に交流電圧を印加して導電性インク
を沸騰させ、導電性インクを小滴化して吐出、飛翔させ
る吐出エネルギー発生部を有することとしたものであ
り、フッ化カーボン層の撥水性が長寿命化されるという
作用を有する。

【００２８】請求項８に記載の発明は、プラスチック基
材とプラスチック基材の表面に形成されたフッ素含有の
改質層とから成るノズルプレートに噴射口を形成し、噴
射口からインクを噴射するインクジェット記録ヘッドの
製造方法であって、プラスチック基材の表面にフッ素含
有のプラズマを照射してプラスチック基材の上層部をフ
ッ素含有カーボン層に改質することとしたものであり、
均一な撥水性を有する改質層が容易にノズルプレート表
面に形成されるという作用を有する。

【００２９】請求項９に記載の発明は、請求項８に記載
の発明において、プラスチック基材は酸素を構成成分と
することとしたものであり、耐久性の高い撥水性、撥イ
ンク性を呈するノズルプレート表面が容易に形成される
という作用を有する。

【００３０】請求項１０に記載の発明は、請求項８に記
載の発明において、プラスチック基材はポリイミドを主
成分とすることとしたものであり、ノズルプレート表面
にフッ素含有の改質層が容易に形成されるという作用を
有する。

【００３１】請求項１１に記載の発明は、請求項８乃至
１０のいずれか１に記載の発明において、プラスチック
基材に０Ｖ〜−４０ＶのＲＦバイアス電圧を印加しなが
らプラスチック基材の表面にフッ素含有のプラズマを照
射してプラスチック基材の上層部をフッ素含有カーボン
層に改質することとしたものであり、フッ化カーボン層
が容易に耐久性の高い撥水状態に改質されるという作用
を有する。

【００３２】請求項１２に記載の発明は、請求項８乃至
１０のいずれか１に記載の発明において、プラスチック
基材に−５Ｖ〜−３５ＶのＲＦバイアス電圧を印加しな
がらプラスチック基材の表面にフッ素含有のプラズマを
照射してプラスチック基材の上層部をフッ素含有カーボ
ン層に改質することとしたものであり、フッ化カーボン
層が容易に更に耐久性の高い撥水状態に改質されるとい
う作用を有する。

【００３３】以下、本発明の実施の形態について、図１
〜図１３を用いて説明する。 （実施の形態１）図１は、本発明の実施の形態１による
インクジェット記録ヘッドを示す概略断面図である。図
１において、導電性インク１、吐出口２、基板４、一対
の対向電極５ａ、５ｂ、絶縁部材６、インク沸騰室７、
駆動制御装置８、記録用紙９、インク液滴１２は図１４
と同様のものなので、同一符号を付し、説明は省略す
る。

【００３４】３は噴射口としての吐出口２を複数有する
ノズルプレート、３Ａはノズルプレート３のノズルプレ
ート基材、１０はノズルプレート基材３Ａの表面を改質
して形成された撥水層、１１は気泡（バブル）である。
ノズルプレート３の撥水層１０はフッ素含有のプラズマ
を照射して改質されたフッ素含有カーボン層（フッ化カ
ーボン層）である。

【００３５】図２は、複数の吐出口が同一基板上に形成
されたインクジェット記録ヘッドの要部を示す要部斜視
図である。図２において、吐出口２、ノズルプレート
３、基板４、対向電極５ａ、５ｂ、インク沸騰室７、イ
ンク液滴１２は図１と同様のものなので、同一符号を付
し、説明は省略する。

【００３６】以上のように構成されたインクジェット記
録ヘッドについて、その動作を説明する。

【００３７】まず、吐出口２からインク液滴１２を噴射
する動作について説明する。図１、図２に示すように、
導電性インク１の充満したインク沸騰室７内部におい
て、基板４に設けられた一対の対向電極５ａおよび５ｂ
に駆動制御装置８から１０〜３０Ｖの電圧が印加される
と、２０〜５０Ω・ｃｍの抵抗率を有する導電性インク
１を介して、対向電極５ａと５ｂとの間に電気力線が発
生する。この電気力線に沿って電流が流れ、Ｉ₂×Ｒ
（Ｉは電気力線に沿って流れる電流の値、Ｒは導電性イ
ンク１の抵抗値）で表わせる電流のジュール損失によっ
て、電気力線の電流集中部における導電性インク１が自
己発熱し、電圧印加後１０〜２０μｓしてついには沸騰
が始まり、バブル１１が発生する。発生したバブル１１
が膨脹することによって、インク沸騰室７内の導電性イ
ンク１の圧力が急激に高まり、この圧力を解放しようと
する力によって導電性インク１は吐出口２からインク液
滴１２となって噴射され、記録用紙９に付着してドット
を形成する。実際には駆動制御装置８により複数の吐出
口２から選択的にインク液滴１２が吐出され、記録用紙
９に所望の文字を形成することができるようにしてい
る。

【００３８】図３は、本実施の形態によるインクジェッ
ト記録ヘッドを構成するノズルプレート３に使用したポ
リイミド基材を示す断面図である。図３において、３Ａ
はノズルプレート基材としてのポリイミド基材、１０は
撥水層である。ポリイミドは次の（化１）に示すように
酸素を含有する組成を有している。

【００３９】

【化１】

【００４０】このように酸素を含有し、炭素、水素、窒
素より構成されるプラスチックは、酸素を含有しないプ
ラスチック（例えばポリスチレン）に比べて水やインク
に馴染みやすい性質を有している。ポリイミドの場合、
水を滴下した際の水滴の接触角は約６５度と低い値を示
し、親水性を示す。水性インク、油性インクを滴下した
場合、さらに馴染みやすい性質を有している。つまり、
酸素を構成成分とするプラスチックでは未処理の状態で
親水性能、親インク性能を示すものが多く、より効果的
に耐久性の高い撥水性能、撥インク性能をノズルプレー
ト３の表面に付与することができる。

【００４１】本実施の形態では、ノズルプレート３の表
面にフッ素を含有する改質層（撥水層）１０を生成し、
改質層１０は、フッ素と炭素の原子数比Ｆ／Ｃを０．８
５以上で１．３０以下の成分としている。

【００４２】このような撥水性、撥インク性の表面を形
成する製造方法について説明する。図４は、本実施の形
態によるインクジェット記録ヘッドの製造方法を実施す
るための処理装置を示す構成図である。図４において、
３Ａはノズルプレート基材、１３は排気系、１４は処理
チャンバ、１５はプラズマ発生室、１６はガス導入系、
１７はマイクロ波電力発生器、１８はソレノイドコイ
ル、１９はプラズマ、２０は基板用電極、２１はＲＦ電
源である。

【００４３】図４において、排気系１３を接続した処理
チャンバ１４にはプラズマ発生室１５が付帯している。
プラズマ発生室１５にはガス導入系１６からガスが供給
されるとともにマイクロ波電力発生器１７から２．４５
ＧＨｚのマイクロ波が供給される。また、プラズマ発生
室１５の周囲に設置したソレノイドコイル１８からの磁
場とマイクロ波との相互作用により電子サイクロトロン
共鳴（ＥＣＲ）によるプラズマ１９がプラズマ発生室１
５に発生する。処理チャンバ１４にはポリイミドから成
るノズルプレート基材３Ａが基板用電極２０の上に設置
され、プラズマ発生室１５からのプラズマ１９がノズル
プレート基材３Ａに照射される。なお、基板用電極２０
にはＲＦ電源２１からＲＦバイアス電圧が供給されるよ
うになっている。

【００４４】ノズルプレート基材３Ａに改質層１０を形
成するときは、上述したようにノズルプレート基材３Ａ
にポリイミドを主成分とするものを用い、ガス導入系１
６からＣＦ₄ガスを導入する。ＣＦ₄ガスの導入により、
処理チャンバ１４の圧力を４×１０^-4Torrとした。マイ
クロ波電力発生器１７から２００Ｗのマイクロ波電力を
投入し、ＣＦ₄のＥＣＲプラズマを発生させ、ノズルプ
レート基材３Ａ上に照射する。

【００４５】なお、ノズルプレート基材３ＡにはＲＦ電
源２１からＲＦバイアス電圧を供給している。図５はノ
ズルプレート基材３Ａの電位を示すタイミング図であ
る。図５に示すように、ＲＦバイアス電圧の印加により
ノズルプレート基材３Ａには負の自己バイアス電圧が発
生する。この際の平均の電位とアース電位との間の自己
バイアス電圧ＶａをＲＦバイアス電圧と呼んでいる。こ
こではＲＦバイアス電圧を−２０Ｖとして照射処理を行
い、ノズルプレート基材３Ａの上層部数百オングストロ
ーム程度（正確には２００オングストローム）の部分を
フッ素含有の改質層に改質してノズルプレートを形成し
た。

【００４６】図６は、図４の処理装置でプラズマ処理し
たノズルプレート基材の撥水性能を水の接触角で評価し
た結果を示すグラフ図である。図６において、縦軸は接
触角（Contact Angle）を示し、横軸はプラズマ照射時
間（Discharge Time）を示す。改質前（プラズマ照射時
間が０分）のノズルプレート表面では接触角は上述した
ように約６５度と低いが、上述のプラズマ処理を行うこ
とにより、速やかに接触角は上昇し、約１０３度で飽和
し、撥水性の高い表面に改質されている。図６ではＲＦ
バイアス電圧を−２０Ｖとしているが、さらに種々のＲ
Ｆバイアス電圧を印加してプラズマ照射を行い、接触角
の変化を観察した。その結果を図７に示す。

【００４７】図７はＲＦバイアス電圧に対する接触角を
示すグラフ図である。図７では、縦軸は接触角（Contac
t Angle）を示し、横軸はＲＦバイアス電圧（RF Bias v
ol-tage）の絶対値を示す。図７に示すように、どのＲ
Ｆバイアス電圧でも改質前の６５度に比べて高い接触角
が得られている。さらに詳しく見ると、ＲＦバイアス電
圧０Ｖでやや接触角が低くなっているが、この電圧でも
ほとんど同程度の接触角が得られ、高い撥水性能が認め
られる。

【００４８】次に、経時的に接触角がどのように変化す
るかについて述べる。図８は、経時的に接触角がどのよ
うに変化するかを示すグラフ図である。図８において、
縦軸は接触角（Contact Angle）を示し、横軸はＲＦバ
イアス電圧（RF Bias volta-ge）の絶対値を示し、●は
改質処理直後の値、○は温度２５℃、湿度４５％の通常
の環境下での１０００時間後の経時的変化を示す。図８
では、ＲＦバイアス電圧に関して接触角の経時特性に次
のような有意差が見られた。ＲＦバイアス電圧が０Ｖ以
下で−４０Ｖ以上の範囲では接触角の経時的低下がほと
んど認められず、耐久性の高い撥水性表面となってい
る。ところが、ＲＦバイアス電圧が−４０Ｖより低くな
ると（絶対値として４０Ｖを越えると）、接触角は改質
直後に比べて低下が認められ、経時変化が観察される。

【００４９】図９は、ポリイミドから成るノズルプレー
ト基材の改質表面をＸ線光電子分光（ＸＰＳ）で観察
し、スペクトル分析した結果を示すグラフ図であり、縦
軸は強度を示し、横軸は結合エネルギー（単位はｅＶ）
を示す。図９に示すように、Ｃ1S（カーボンＣの1S軌
道）スペクトルにＣＦ、ＣＦ₂、ＣＦ₃のピークが現れて
おり、改質層にC-F結合が形成されていることが確認さ
れた。

【００５０】図１０は、ＲＦバイアス電圧をパラメータ
としてポリイミドから成るノズルプレート基材をプラズ
マ処理した改質面の最表面における組成をＸ線光電子分
光法（ＸＰＳ）で分析した結果を示すグラフ図であり、
縦軸は組成としてフッ素原子数とカーボン原子数の比Ｆ
／Ｃ値を示し、横軸はＲＦバイアス電圧を示す。ＲＦバ
イアス電圧を増加させるに従い、Ｆ／Ｃ値は減少する傾
向を示している。図７の接触角の経時特性でＲＦバイア
ス電圧を０Ｖ以下で−４０Ｖ以上の範囲で印加すること
により経時変化のない撥水表面が得られているが、図１
０の組成では、ＲＦバイアス電圧が０ＶでＦ／Ｃ値は
１．３０を示しており、またＲＦバイアス電圧が−４０
Ｖでは０．８５を示している。すなわち、改質面の最表
面の組成としてＦ／Ｃ値が０．８５以上で１．３０以下
の範囲で耐久性に優れた撥水性表面が提供されることが
ここで判明した。

【００５１】図１１は、ＲＦバイアス電圧をパラメータ
としてポリイミドから成るノズルプレート基材の改質面
のＸＰＳスペクトルにおいて、Ｃ1S信号の総面積に対す
るＣＦ₂信号の面積の比（Ｃ1Sスペクトル面積比（Ｃ
Ｆ₂））を求めた結果を示すグラフ図であり、縦軸はＣ1
Sスペクトル面積比（ＣＦ₂）、横軸はＲＦバイアス電圧
を示す。ＲＦバイアス電圧の増加に従い、ＣＦ₂信号の
面積比は減少しており、接触角の経時変化の少ないＲＦ
バイアス電圧が０Ｖ以下で−４０Ｖ以上の範囲で面積比
は０．１３以上で０．２０以下が得られている。

【００５２】図１２は、改質面のＸＰＳスペクトルにお
いて、Ｃ1S信号の総面積に対するＣＦ₃信号の面積の比
（Ｃ1Sスペクトル面積比（ＣＦ₃））を求めた結果を示
すグラフ図であり、縦軸はＣ1Sスペクトル面積比（ＣＦ
₃）、横軸はＲＦバイアス電圧を示す。ＲＦバイアス電
圧の増加に従い、ＣＦ₂信号の面積比と同様、ＣＦ₃信号
の面積比も減少しており、Ｃ1S信号の総面積に対するＣ
Ｆ₃信号の面積の比は、ＲＦバイアス電圧が０Ｖ以下で
−４０Ｖ以上の範囲に対応する０．１０以上で０．１７
以下の範囲にあることが望ましいことがこれにより判明
した。

【００５３】図８に示すように、ＲＦバイアス電圧を−
４０Ｖよりも小さく（絶対値として４０Ｖよりも大き
く）印加することにより接触角は改質当初に比べて低下
することが観察されているが、この現象はＣ1S信号の総
面積に対するＣＦ₂信号の面積の比の低下、あるいは、
ＣＦ₃信号の面積の比の低下に基づくものであると考え
られる。すなわち、ＲＦバイアス電圧によって高エネル
ギー化されたプラズマはC-Fの結合を促進し、ＣＦ₂結合
やＣＦ₃結合を生成するが、−４０Ｖよりもバイアスが
小さくなると逆にノズルプレート基材にダメージを与え
るようになり、C-F結合を阻害して経時的に特性を低下
させる結果になるものと考えられる。従って、ポリイミ
ド改質面におけるＣ1S信号の総面積に対するＣＦ₂信号
の面積の比は０．１３以上で０．２０以下の範囲にある
ことが耐久性のある撥水性表面、撥インク性表面を提供
する上で有効であることが分かる。

【００５４】なお、図８の接触角の経時特性をＲＦバイ
アス電圧の関数として求めた結果を更に詳細に観察する
と、ＲＦバイアス電圧が−４０Ｖで１０００時間後にお
ける接触角のわずかな低下が観察できる。また、ＲＦバ
イアス電圧が０Ｖでは接触角の経時変化はほとんど見ら
れないが、改質当初の接触角が他のバイアス電圧に比べ
てやや低くなっており、撥水性能がわずかに劣ってい
る。これにより、ノズルプレート基材にＲＦバイアス電
圧を−５Ｖ以下で−３０Ｖ以上の範囲にすることが更に
望ましいことが分かる。

【００５５】インク液滴１２（図１、図２参照）を所定
の紙面上に正確に着弾させるためにはノズルプレート３
からインク液滴１２をまっすぐに吐出させなければなら
ない。通常ノズルプレート３から記録用紙９の紙面まで
の距離は１ｍｍぐらいであるから、インク液滴１２を記
録用紙９に２０μｍ以内の誤差で打ち込むためには、約
１度の曲りしか許されないことになる。まっすぐに吐出
させるために極めて重要なのがノズルプレート３の表面
における導電性インク１の濡れ状態であり、ノズルプレ
ート３表面に不均一な濡れがあると吐出インク液滴１２
が導電性インク１の表面張力によって引っ張られ、飛行
曲がりを生じてしまう。ノズルプレート３の表面を改質
せずに構成したインクジェット記録ヘッドでは飛行曲が
りが生じてしまい、高品質印字を実現することができな
かった。これに対し、ＲＦバイアス電圧の印加範囲を上
述のように限定してフッ素含有プラズマを照射し、ノズ
ルプレート３の表面にフッ素と炭素の原子数比Ｆ／Ｃを
０．８５以上でかつ１．３０以下の成分の改質層を形成
したインクジェット記録ヘッドを作製してプリンタに搭
載することにより、長期間に渡ってノズルプレート３表
面における導電性インク１の濡れを防止し、実用上要求
される４億ショットの高品質印字を達成することができ
た。このように、本実施の形態によるインクジェット記
録ヘッドにより、耐久性が高く、高印字性能を有するイ
ンクジェットプリンタを提供することが可能となった。

【００５６】次に、撥水性、膜密着性および耐摩耗性の
評価について述べる。撥水性および耐摩耗性の評価は、
本実施の形態で得られたフッ素含有プラズマで改質した
インクジェット記録ヘッドのノズルプレート表面と、撥
水剤を蒸着、コーティング等の手法で堆積させた従来の
ノズルプレート表面とについて次のイ、ロに示す方法で
行い、それらを比較した。

【００５７】イ撥水性について 協和界面科学（株）製の接触角計（ＣＡ−Ｓ１５０）を
用いて純水による液滴法で測定した接触角をもって評価
した。

【００５８】ロ耐摩耗性について （ａ）摩耗試験機を用い、摺動速度３０００ｍｍ／分、
ゴム硬度４０度および８０度で摺動回数３００００回後
の純水による接触角をもって評価した。

【００５９】（ｂ）撥水膜表面を布で１ｋｇの荷重にて
５００回摩耗試験後、傷、汚れ等の表面状態を観察し
た。

【００６０】これらの結果を（表１）に示す。

【００６１】

【表１】

【００６２】（表１）において○は表面状態が無傷であ
ることを示し、×は表面に無数の傷が付くか又は撥水膜
が剥離することを示す。（表１）に示すように、本実施
の形態によるノズルプレートは、従来のものと比較し
て、十分な撥水性を示す１０３度の接触角となってお
り、耐摩耗試験後も若干の接触角低下（１００度へ低
下）が見られるものの、実用レベルでは問題ない撥水効
果を維持している。

【００６３】以上のように本実施の形態によれば、ノズ
ルプレート３が、ノズルプレート３Ａと、ノズルプレー
ト３Ａの表面に形成されたフッ素含有の改質層１０とか
ら成ることとしたので、ノズルプレート３の表面を撥水
状態にすることができると共に、改質層であることから
高耐久性の撥水状態とすることができる。このとき、ノ
ズルプレート３Ａに酸素を構成成分とするものを使用す
ることにより、ノズルプレート３の表面を耐久性の高い
撥水性、撥インク性のものとすることができる。また、
ノズルプレート３Ａにポリイミドを主成分とするものを
使用することにより、ノズルプレート３の表面に高耐久
性の撥水性能、撥インク性能を付与することができる。
さらに、改質層１０のフッ素と炭素の原子数比Ｆ／Ｃを
０．８５以上で１．３０以下としたことにより、ノズル
プレート３の表面に高耐久性の撥水性表面を容易に付与
することができる。さらに、改質層１０を、表面のＸ線
光電子分光スペクトルにおいて、Ｃ1S信号の総面積に対
するＣＦ₂信号の面積の比が０．１３以上で０．２０以
下となるようにしたことにより、あるいは、Ｃ1S信号の
総面積に対するＣＦ₃信号の面積の比が０．１０以上で
０．１７以下となるようにしたことにより、ノズルプレ
ート３の表面に高耐久性の撥水性能、撥インク性能を付
与することができる。さらに、導電性インク１に接する
ように配置された一対の対向電極５ａ、５ｂ間に交流電
圧を印加して導電性インク１を沸騰させ、導電性インク
１を小滴化して吐出、飛翔させる吐出エネルギー発生部
（駆動制御装置）８を有することにより、フッ化カーボ
ン層の撥水性を長寿命化することができる。さらに、ノ
ズルプレート３Ａの表面にフッ素含有のプラズマを照射
してノズルプレート３Ａの上層部をフッ素含有カーボン
層に改質することにより、均一な撥水性を有する改質層
１０を容易にノズルプレート３の表面に形成することが
できる。

【００６４】（実施の形態２）図１３は、本発明の実施
の形態２によるインクジェット記録ヘッドの製造方法が
適用される処理装置を示す構成図である。図１３におい
て、３Ｂはノズルプレート基材、２２は排気系、２３は
処理チャンバ、２４は基板用電極、２５はＲＦ電源、２
６は対向電極である。排気系２２を接続した処理チャン
バ２３の中には基板用電極２４が配置され、その上にノ
ズルプレート基材３Ｂが設置されている。基板用電極２
４にはＲＦ電源２５からＲＦバイアス電圧が供給され
る。

【００６５】以上のように構成された処理装置における
インクジェット記録ヘッドのノズルプレートの製造方法
について説明する。

【００６６】処理チャンバ２３を排気系２２で真空引き
した後、ＣＦ₄ガスを導入して処理チャンバ２３内を１
００ｍTorr程度の真空度にして基板用電極２４にＲＦバ
イアス電圧を印加することにより、接地された対向電極
２６との間でＣＦ₄プラズマを発生させる。基板用電極
２４にはＲＦバイアス電圧に基づく負の自己バイアス電
圧が発生し、ＣＦ₄プラズマがノズルプレート基材３Ｂ
に照射される。このようなＲＦバイアス電圧の印加によ
っても耐久性の高い撥水性表面を形成することができ
る。

【００６７】なお、本実施の形態では、改質層を作製す
る反応ガスとしてＣＦ₄ガスを用いた場合について説明
したが、本発明はこれに限定されるものではなく、Ｃ₂
Ｆ₆等の他のフッ化カーボンガスを用いても同様の効果
が得られる。また、ＣＨＦ₃のようなＣとＦとＨが混在
したガスを用いても効果はやや落ちるが、撥水性能、撥
インク性能を付与することができる。

【００６８】以上のように本実施の形態によれば、負の
自己バイアス電圧を印加しながらＣＦ₄プラズマをノズ
ルプレート基材３Ｂに照射することにより、ノズルプレ
ート基材３Ｂの表面に耐久性の高い撥水性表面を形成す
ることができる。

【００６９】

【発明の効果】以上のように本発明のインクジェット記
録ヘッドによれば、ノズルプレートは、プラスチック基
材と、プラスチック基材の表面に形成されたフッ素含有
の改質層とを備えたことにより、ノズルプレート表面を
撥水状態にすることができると共に、改質層であること
から高耐久性の撥水状態とすることができるという有利
な効果が得られる。

【００７０】また、プラスチック基材は酸素を構成成分
とすることにより、ノズルプレート表面を耐久性の高い
撥水性、撥インク性のものとすることができるという有
利な効果が得られる。

【００７１】さらに、プラスチック基材はポリイミドを
主成分とすることにより、ノズルプレート表面に高耐久
性の撥水性能、撥インク性能を付与することができると
いう有利な効果が得られる。

【００７２】さらに、改質層はフッ素と炭素の原子数比
Ｆ／Ｃが０．８５以上で１．３０以下であることによ
り、ノズルプレート表面に高耐久性の撥水性表面を容易
に付与することができるという有利な効果が得られる。
あるいはとしたものであり、ノズルプレート表面が容易
にフッ化カーボン層に改質されるという作用を有する。

【００７３】さらに、改質層は、表面のＸ線光電子分光
スペクトルにおいて、Ｃ1S信号の総面積に対するＣＦ₂
信号の面積の比が０．１３以上で０．２０以下であるこ
とにより、あるいは、Ｃ1S信号の総面積に対するＣＦ₃
信号の面積の比が０．１０以上で０．１７以下であるこ
とにより、ノズルプレート表面に高耐久性の撥水性能、
撥インク性能を付与することができるという有利な効果
が得られる。

【００７４】さらに、導電性インクに接するように配置
された一対の対向電極間に交流電圧を印加して導電性イ
ンクを沸騰させ、導電性インクを小滴化して吐出、飛翔
させる吐出エネルギー発生部を有することにより、フッ
化カーボン層の撥水性を長寿命化することができるとい
う有利な効果が得られる。

【００７５】本発明のインクジェット記録ヘッドの製造
方法によれば、プラスチック基材とプラスチック基材の
表面に形成されたフッ素含有の改質層とから成るノズル
プレートに噴射口を形成し、噴射口からインクを噴射す
るインクジェット記録ヘッドの製造方法であって、プラ
スチック基材の表面にフッ素含有のプラズマを照射して
プラスチック基材の上層部をフッ素含有カーボン層に改
質することにより、均一な撥水性を有する改質層を容易
にノズルプレート表面に形成することができるという有
利な効果が得られる。

【００７６】また、プラスチック基材は酸素を構成成分
とすることにより、耐久性の高い撥水性、撥インク性を
呈するノズルプレート表面を容易に形成することができ
るという有利な効果が得られる。

【００７７】さらに、プラスチック基材はポリイミドを
主成分とすることにより、ノズルプレート表面にフッ素
含有の改質層を容易に形成することができるという有利
な効果が得られる。

【００７８】さらに、プラスチック基材に０Ｖ〜−４０
ＶのＲＦバイアス電圧を印加しながらプラスチック基材
の表面にフッ素含有のプラズマを照射してプラスチック
基材の上層部をフッ素含有カーボン層に改質することに
より、フッ化カーボン層を容易に耐久性の高い撥水状態
に改質することができるという有利な効果が得られる。

【００７９】さらに、プラスチック基材に−５Ｖ〜−３
５ＶのＲＦバイアス電圧を印加しながらプラスチック基
材の表面にフッ素含有のプラズマを照射してプラスチッ
ク基材の上層部をフッ素含有カーボン層に改質すること
により、フッ化カーボン層を容易に更に耐久性の高い撥
水状態に改質することができるという有利な効果が得ら
れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１によるインクジェット記
録ヘッドを示す概略断面図

【図２】複数の吐出口が同一基板上に形成されたインク
ジェット記録ヘッドの要部を示す要部斜視図

【図３】本実施の形態によるインクジェット記録ヘッド
を構成するノズルプレート３に使用したポリイミド基材
を示す断面図

【図４】本発明の実施の形態１によるインクジェット記
録ヘッドの製造方法を実施するための処理装置を示す構
成図

【図５】ノズルプレート基材の電位を示すタイミング図

【図６】図４の処理装置でプラズマ処理したノズルプレ
ート基材の撥水性能を水の接触角で評価した結果を示す
グラフ

【図７】ＲＦバイアス電圧に対する接触角を示すグラフ

【図８】経時的に接触角がどのように変化するかを示す
グラフ

【図９】ポリイミドから成るノズルプレート基材の改質
表面をＸ線光電子分光（ＸＰＳ）で観察し、スペクトル
分析した結果を示すグラフ

【図１０】ＲＦバイアス電圧をパラメータとしてポリイ
ミドから成るノズルプレート基材をプラズマ処理した改
質面の最表面における組成をＸ線光電子分光で分析した
結果を示すグラフ

【図１１】ＲＦバイアス電圧をパラメータとしてポリイ
ミドから成るノズルプレート基材の改質面のＸＰＳスペ
クトルにおいて、Ｃ1S信号の総面積に対するＣＦ₂信号
の面積の比（Ｃ1Sスペクトル面積比（ＣＦ₂））を求め
た結果を示すグラフ

【図１２】改質面のＸＰＳスペクトルにおいて、Ｃ1S信
号の総面積に対するＣＦ₃信号の面積の比（Ｃ1Sスペク
トル面積比（ＣＦ₃））を求めた結果を示すグラフ

【図１３】本発明の実施の形態２によるインクジェット
記録ヘッドの製造方法が適用される処理装置を示す構成
図

【図１４】交流電流通電による高周波加熱でインクを沸
騰させてインクを吐出する従来のインクジェット記録ヘ
ッドを示す概略断面図

【符号の説明】

１ 導電性インク ２ 吐出口（噴射口） ３ ノズルプレート ３Ａ、３Ｂ ノズルプレート基材 ４ 基板 ５ａ、５ｂ、２６ 対向電極 ６ 絶縁部材 ７ インク沸騰室 ８ 駆動制御装置（吐出エネルギー発生部） ９ 記録用紙 １０ 撥水層（改質層） １１ バブル １２ インク液滴 １３、２２ 排気系 １４、２３ 処理チャンバ １５ プラズマ発生室 １６ ガス導入系 １７ マイクロ波電力発生器 １８ ソレノイドコイル １９ プラズマ ２０、２４ 基板用電極 ２１、２５ ＲＦ電源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 富田 健二 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ノズルプレートに噴射口を形成し、前記噴
   射口からインクを噴射するインクジェット記録ヘッドで
   あって、前記ノズルプレートは、プラスチック基材と、
   前記プラスチック基材の表面に形成されたフッ素含有の
   改質層とを備えたことを特徴とするインクジェット記録
   ヘッド。
2. 【請求項２】前記プラスチック基材は酸素を構成成分と
   することを特徴とする請求項１に記載のインクジェット
   記録ヘッド。
3. 【請求項３】前記プラスチック基材はポリイミドを主成
   分とすることを特徴とする請求項１に記載のインクジェ
   ット記録ヘッド。
4. 【請求項４】前記改質層はフッ素と炭素の原子数比Ｆ／
   Ｃが０．８５以上で１．３０以下であることを特徴とす
   る請求項１乃至３のいずれか１に記載のインクジェット
   記録ヘッド。
5. 【請求項５】前記改質層は、表面のＸ線光電子分光スペ
   クトルにおいて、Ｃ1S信号の総面積に対するＣＦ₂信号
   の面積の比が０．１３以上で０．２０以下であることを
   特徴とする請求項１乃至４のいずれか１に記載のインク
   ジェット記録ヘッド。
6. 【請求項６】前記改質層は、表面のＸ線光電子分光スペ
   クトルにおいて、Ｃ1S信号の総面積に対するＣＦ₃信号
   の面積の比が０．１０以上で０．１７以下であることを
   特徴とする請求項１乃至５のいずれか１に記載のインク
   ジェット記録ヘッド。
7. 【請求項７】導電性インクに接するように配置された一
   対の対向電極間に交流電圧を印加して前記導電性インク
   を沸騰させ、前記導電性インクを小滴化して吐出、飛翔
   させる吐出エネルギー発生部を有することを特徴とする
   請求項１に記載のインクジェット記録ヘッド。
8. 【請求項８】プラスチック基材と前記プラスチック基材
   の表面に形成されたフッ素含有の改質層とから成るノズ
   ルプレートに噴射口を形成し、前記噴射口からインクを
   噴射するインクジェット記録ヘッドの製造方法であっ
   て、前記プラスチック基材の表面にフッ素含有のプラズ
   マを照射して前記プラスチック基材の上層部をフッ素含
   有カーボン層に改質することを特徴とするインクジェッ
   ト記録ヘッドの製造方法。
9. 【請求項９】前記プラスチック基材は酸素を構成成分と
   することを特徴とする請求項８に記載のインクジェット
   記録ヘッドの製造方法。
10. 【請求項１０】前記プラスチック基材はポリイミドを主
    成分とすることを特徴とする請求項８に記載のインクジ
    ェット記録ヘッドの製造方法。
11. 【請求項１１】前記プラスチック基材に０Ｖ〜−４０Ｖ
    のＲＦバイアス電圧を印加しながら前記プラスチック基
    材の表面にフッ素含有のプラズマを照射して前記プラス
    チック基材の上層部をフッ素含有カーボン層に改質する
    ことを特徴とする請求項８乃至１０のいずれか１に記載
    のインクジェット記録ヘッドの製造方法。
12. 【請求項１２】前記プラスチック基材に−５Ｖ〜−３５
    ＶのＲＦバイアス電圧を印加しながら前記プラスチック
    基材の表面にフッ素含有のプラズマを照射して前記プラ
    スチック基材の上層部をフッ素含有カーボン層に改質す
    ることを特徴とする請求項８乃至１０のいずれか１に記
    載のインクジェット記録ヘッドの製造方法。