JP2886715B2

JP2886715B2 - 塗被されたインクジェット印字ヘッド

Info

Publication number: JP2886715B2
Application number: JP3242028A
Authority: JP
Inventors: エスバーデシャサントク; イードリュースラインホルト
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1990-09-28
Filing date: 1991-09-20
Publication date: 1999-04-26
Anticipated expiration: 2014-04-26
Also published as: US5212496A; JPH04246544A; DE69109421D1; EP0477555A1; DE69109421T2; EP0477555B1

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はインクジェット記録装置
および方法に向けられている。さらに詳しくは、本発明
はインクジェット印刷方法に適した印字ヘッドに向けら
れ、前記の印字ヘッドは撥水材料で塗被されている。本
発明の１つの実施態様は、複数のチャンネルを含み、該
チャンネルはインク供給源からのインクで充填されるこ
とができ、かつ該チャンネルは印字ヘッドの一方の表面
上のノズルで終わっていて、該表面はポリイミド−シロ
キサン−ブロック共重合体で塗被されているインクジェ
ット印字ヘッドに向けられている。具体的な実施態様で
は、そのポリイミド−シロキサン−ブロック共重合体は
下記の式を有し、

【０００２】

【化１】

【０００３】上記式中、ｘとｙは繰り返し部分の数を表
し、点線の円Ar₁、Ar₂、Ar₃およびAr₄は独立に芳香
族基から選ばれ、ｌおよびｎは1 から約１５の数であ
り、ｍは1 から約100 の数であり、R₁、R₂は独立にアル
キル基から選ばれ、およびR₃は脂肪族基または芳香族基
を表し、およびそのポリマーは約１〜約３０重量％のシ
ロキサンを含有する。

【０００４】

【従来技術】インクジェット印刷方法は一般的に２つの
型を有する：連続噴流（continuousstream)方式および
ドロップオンデマンド(drop-on-demand)方式である。連
続噴流方式では、インクは圧力下で連続した流れとして
少なくとも１つのオリフィスまたはノズルを通して噴出
される。その流れはかき乱されて、オリフィスから一定
の距離で液滴に壊される。壊される時点で、その液滴は
ディジタルデータ信号によって帯電されて、再循環のた
めの側溝または記録媒体上の特定に位置に向くように各
液滴の軌跡を調節する静電界を通される。ドロップオン
デマンド方式では、液滴は、ディジタルデータ信号によ
ってオリフィスから直接記録媒体上の位置に噴出され
る。液滴は、記録媒体上に置かれるまで、形成されずま
たは噴出されない。

【０００５】ドロップオンデマンド方式はインクの回
収、帯電、または偏向を必要としないので、この方式は
連続噴流方式よりもずっと簡単である。ドロップオンデ
マンドインクジェット方式に種々の型がある。ドロップ
オンデマンド方式の１つの型はその主な構成成分とし
て、一方の端にノズルを有し、かつ他方の端近くに圧力
パルスを作る圧電性変換器を有するインクで充填された
チャンネルまたは通路を持つ。比較的大きいサイズの変
換器はノズルの接近した間隔を防ぎ、変換器の物理的限
定は低いインク液滴速度をもたらす。低い液滴速度は液
滴速度変動に対する耐性および指向性をひどく減少さ
せ、高品質のコピーを作るその方式の能力に悪い影響を
与える。圧電性デバイスを使って液滴を噴出するドロッ
プオンデマンド方式はまた、低い印字速度という不利な
点を有する。

【０００６】ドロップオンデマンド方式の他の型は熱的
インクジェット、またはバブルジェットとして知られて
いて、高速度の液滴を作りノズルの非常に狭い間隔を可
能にする。この型のドロップオンデマンド方式の主な構
成成分は、一方の端にノズルを有するインクで充填され
たチャンネルと、およびノズル近くの熱発生抵抗器であ
る。ディジタル情報を表す印刷信号は、オリフィスまた
はノズル近くの各インク通路内の抵抗層の中の電気的電
流パルスから生じ、最も近接したインクを殆ど即座に気
化して、気泡を作る。オリフィスのインクは、気泡が膨
張するに従って推進された液滴として押し出される。イ
ンクのこの流体力学的動作が止まると、工程は再び始め
から開始することになる。熱的に発生する気泡に基づく
液滴噴出方式、これは通常“バブルジェット”方式と呼
ばれるが、この方式の導入によって、ドロップオンデマ
ンドインクジェット印刷機は、それらの連続噴流方式の
同等物よりも簡単で低い経費のデバイスを提供し、さら
に実質的に同一の高速印刷能力を有する。

【０００７】バブルジェット方式の作業順序はインクの
充填したチャンネル中の抵抗層をとおる電流パルスで始
まり、その抵抗層はそのチャンネルに対するオリフィス
またはノズルに近接している。熱は抵抗器からインクへ
伝わる。そのインクはその通常の沸点よりもはるかに超
加熱されて、水基体インクにとっては最終的に気泡形成
または核形成のための約２８０℃の臨界的温度に達す
る。いったん核形成されると、その気泡または水蒸気は
熱的にヒーターからインクを単離して、更には熱はその
インクには適用されない。通常の沸点を越える温度でイ
ンク中に保持されるすべての熱が放散するかまたは液体
を蒸気に転換するために使われてしまうまで、この気泡
は膨張して、気化熱によって熱を除去する。気泡の膨張
はインクの液滴をノズルの外へ押し出し、いったん過剰
の熱が除去されると、その気泡は壊れる。この時点で、
電流パルスは通過しているので抵抗器はもはや熱せられ
ず、気泡の破壊と同時に液滴は記録媒体に向かう方向に
高速で推進される。印字ヘッドの表面はバブルの破壊に
よって激しいキャビテーションの力に遭遇し、それは印
字ヘッドの表面を浸食する傾向がある。続いて、インク
チャンネルは毛管作用によって再充填する。この全気泡
形成および破壊過程は、約１０μs (microseconds)の間
に起こる。そのチャンネルは１００〜５００μs の最小
停滞時間の後再び加熱されて、そのチャンネルは再充填
され、力学的な再充填率が幾分低下する。

【０００８】本発明は、例えば熱的インクジェット印
刷、および圧電性ドロップオンデマンド方式等のような
ドロップオンデマンド方式を含むインクジェット印刷方
法に適している。インクジェット印刷において、印字ヘ
ッドは、一方の端でインク供給容器と通じている通常１
またはそれ以上のインクで充填したチャンネルを有し、
かつ反対の端にノズルと呼ばれる開口を有して提供され
る。これらの印字ヘッドは、ノズルからインクの液滴を
記録媒体上へ噴出することによって紙のような記録媒体
上に画像を形成する。そのインクは液滴の形状で噴出さ
れる前に各ノズルでメニスカスを形成する。液滴が噴出
された後、追加のインクがノズルへ押し寄せて再びメニ
スカスを形成する。高品質の印字ヘッド配列の重要な特
性は、良好なジェット指向性である。良好なジェット指
向性は、インク液滴が印刷書類上の望ましい所に正確に
置かれることを確実にする。劣したジェット指向の正確
性は変形した文字の発生および半階調絵画像(half tone
pictorial images)における目にみえる好ましくないバ
ンドをもたらす。

【０００９】インクジェットの誤った指向の主要な原因
は、ノズルの配列を含む印字ヘッドの表面の不適当な湿
潤に関連している。ジェットの指向の正確性に悪く影響
する１つの要因は、印字ヘッド配列の表面上に蓄積する
インクと噴出される液滴との相互作用である。インクの
再充填サージング中のオーバーフローからか、または印
字ヘッドからの液滴の噴出の過程中の小さな付随した液
滴のスパッターからのどちらかから、インクは印字ヘッ
ド表面上に蓄積する。印字ヘッド表面上に蓄積したイン
クがチャンネル内のインクと（および特にノズルからは
み出たインクのメニスカスと）接触するとき、それはイ
ンクのメニスカスを歪ませ、出ていくンクに作用する不
均衡な力となり、またジェットの誤った指向をもたら
す。この湿潤現象は長期間の使用後ではより厄介なこと
となる。なぜならば、配列の表面は酸化し、または乾い
たインク薄膜に覆われ、その印字ヘッドが作り出すこと
のできる画像品質の漸次の劣化をもたらすからである。
良好なインクジェット指向性を保持するためには、印字
ヘッドの表面の湿潤を望ましく抑制することである。或
いは、湿潤を予測できる均一な仕方で制御できれば、ジ
ェットの誤った指向は問題にならないであろう。しかし
ながら、均一な湿潤は達成するにも維持するにも困難で
ある。

【００１０】熱的インクジェット印刷においては、熱エ
ネルギー発生器は通常抵抗器であり、それはノズル近く
のチャンネル内にノズルから予め決められた距離に位置
している。抵抗器は個々に電流パルスに向かっていて、
直ちにインクを気化してインク液滴を噴出する気泡を形
成する。気泡が成長するにつれて、インクはノズルから
***して、メニスカスとしてインクの表面張力によって
留められる。急速に膨張する蒸気気泡がチャンネルを充
たしているインクのカラムをノズルの方向へ押す。電流
パルスの最後にヒーターは急速に冷却し、蒸気気泡は壊
れ始める。しかしながら、慣性のために、気泡の爆発か
らの衝撃を受けたインクのカラムの殆どは前進運動を続
け、インク液滴としてノズルから噴出する。気泡が壊れ
始めるにつれて、チャンネルとノズルの間になおあるイ
ンクは壊れる気泡の方向へ動きはじめ、ノズルではイン
クの容積的な収縮がおこり、液滴として***したインク
の分離をもたらす。気泡が成長している間のインクのノ
ズルの外への促進は、紙のような記録媒体に対して実質
的に直線方向への液滴の運動量および速度を提供する。
熱的インクジェット印字ヘッドの表面を含むノズル上の
インクの集合は、上述の問題のすべてをひき起こす。

【００１１】インクジェット印字ヘッドはノズルの配列
を含み、例えば配向依存性エッチング（orientation de
pendent etching,ＯＤＥ）技術を使用してシリコンウェ
ファーから形成されてもよい。シリコンウェファーの使
用は、ＯＤＥ技術がノズルのような構造をシリコンウェ
ファー上で高度に精密な方法で形成することができるの
で有利である。さらにこれらの構造は低い経費で効率的
に組み立てられる。得られたノズルは一般的に断面が三
角形である。上述のＯＤＥ技術を使用することによって
製造された熱的インクジェット印字ヘッドは一般的に、
チャンネル板を含有し、該チャンネル版の低い方の表面
上にはノズルを規定する複数のチャンネルが位置し、該
チャンネル板は複数の抵抗性ヒーター素子を有するヒー
ター板に結合していて、該抵抗性ヒーター素子はヒータ
ー板の上部表面に形成されていて、ヒーター素子が各チ
ャンネルに位置するように整えられている。ヒーター板
の上部表面は一般的に絶縁性層を含み、それは個々のヒ
ーター素子を並べる凹所を形成するようにかたどられて
いる。この絶縁性層は“ピット層”（pit layer)と呼ば
れ、チャンネル板とヒーター板の間に挟まれて、ノズル
を含む前面は３つの層を有する；すなわちチャンネル
板、ピット層およびヒーター板である。

【００１２】ヒーターおよびチャンネル板は一般的に珪
素から形成される。しかしながらヒーターおよびチャン
ネル板に挟まれたピット層は、例えばポリイミドのよう
なポリマーから形成される。チャンネルがノズルで終わ
っている印字ヘッドの前面は種々の材料から作られてい
るので、例えば撥水性材料のような皮膜材料は一般的に
これらの異なる材料に等しく良好には接着しにくく、均
一に撥インク性ではない皮膜をもたらす。このように、
多重の層から形成されるインクジェット印字ヘッドにお
いて均一に撥インク性である表面皮膜を提供することは
難しい。

【００１３】加えて、インクジェット印刷機は一般的に
グリコールおよび水を含むインクを使用する。グリコー
ルおよび他の同様な材料は湿潤剤と呼ばれ、これらは保
湿性を促進する物質である。いかなる長さの期間におい
ても有効である皮膜材料には、グリコールを含有するイ
ンクに対して撥インク性および抵抗性の両者であること
が必要である。

【００１４】さらに、インクジェットのノズル表面に皮
膜を適用することは困難である。ノズルジェットの表面
の湿潤性を抑制することは望ましいが、ノズルのチャン
ネルにどのような皮膜材料も入ることは望ましくない。
良好な指向性のために重要な要求は、チャンネルの内部
壁が塗被されないことである。もしチャンネルの壁が撥
インク性の材料で塗被されているとすれば、チャンネル
の適当な充填が抑制される。各チャンネルの充填は表面
張力に依存していて、後続の液滴が加熱される時間内に
完了しなければならない。もし充填の過程が次の液滴が
加熱される時間までに完了しないと、メニスカスがノズ
ルオリフィスの外部の端で正確にできず、誤った指向を
もたらす。さらに、不完全に充填されたチャンネルは液
滴サイズのばらつきの原因となり、それはまた、印字品
質の低下をもたらす。

【００１５】このように、熱的インクジェット印字ヘッ
ドから噴出されたインク液滴の誤った指向はしばしば、
ノズルから噴出される液滴とノズルの配列の表面上に蓄
積したインクとの相互作用によって起こる。熱的インク
ジェットのインクは一般的に水基体組成物であるので、
印字ヘッド表面上のインクの蓄積は、例えばノズルに隣
接した印字ヘッドの表面を撥水性の材料で塗被すること
によって、その表面が疎水性および非湿潤性になるよう
に処理することによって減ぜられ、または解消される。
適当な撥水性材料は良好にフィルムを形成するべきで、
容易に表面に適用され、インクジェット印字ヘッドが通
常製造される材料に対して優れた接着性を表し、数ミク
ロンまたはそれ以下の厚さの均一で滑らかなフィルムを
形成し、維持管理中の頻繁な拭い作業だけでなく、ジェ
ッティング過程からの通常の磨耗にも耐えることのでき
る良好な耐磨耗性を示し、ノズルの壁に接触することな
くノズルの配列の表面に適用されることができるべきで
ある。

【００１６】インクジェットノズルのための皮膜は公知
である。例えば、米国特許第4,643,948 号(Diaz ら) (
その開示は全体的に本明細書中に参照として織り込まれ
ている) は、部分的にフッ素化されたアルキルシランお
よび過フッ素化アルカンを含むインクジェットノズル板
用の薄膜皮膜を開示している。米国特許第4,728,392 号
(三浦ら) は電子−圧方式のインクジェット印刷機を開
示しており、そこでは前面のノズル板の内部表面および
後方のノズル部材の端面は撥インク性材料の薄い層で塗
被されている。その撥インク性材料はテフロンのような
エチレンテトラフルオリド樹脂またはフルオリドを含む
ポリマーである。三浦らはまた、撥インク性材料をノズ
ルに適用する時にノズルを塞ぐことを防ぐために、ノズ
ルをとおして空気を吹き込むことを開示している。三浦
らのノズルを含む面は１種の材料から製造されている。

【００１７】公知の組成物および方法はそれらの意図す
る目的には適当であるが、印字ヘッドの前面が撥水性の
材料で塗被されているインクジェット印刷装置に要求が
存続する。加えて、適用するために簡単で良好にフィル
ムを形成するインクジェット印刷装置のための皮膜に要
求が存続する。さらに、インクジェット印字ヘッドが一
般的に作られている、例えば珪素材料およびポリイミド
のような材料に対して優れた接着性を示すインクジェッ
ト印刷装置のための皮膜に要求がある。数ミクロンまた
はそれ以下の厚さを有する均一で滑らかなフィルムを形
成することのできるインクジェット印刷装置のための皮
膜にまた要求がある。要求はまた、印字ヘッドの表面上
で終わるインクを運搬するチャンネルを塗被することな
く、ジェッティングノズルの配列を有する印字ヘッドの
表面に適用することのできる、インクジェット印刷装置
のための皮膜にある。加えて、良好な耐磨耗性を示し、
かつインクジェット印字ヘッドの維持管理中の頻繁な拭
い作業に耐えられるだけでなく、ジェッティング過程か
らの通常の磨耗にも耐えられるインクジェット印刷装置
のための皮膜に要求がある。さらに、ノズルを含有する
面上のインクおよび他の材料の蓄積を防ぎ、良好なイン
クジェット指向性を維持するインクジェット印字ヘッド
に要求がある。加えて、ノズルを含有する表面が複数の
異なる材料で作られているときでも、印字ヘッドのノズ
ルを含有する表面を均一に撥インク性にするインクジェ
ット印字ヘッドのための撥インク性皮膜材料に要求があ
る。グリコール含有インクと反応せず、長期間にわたっ
て安定で、ノズル表面の堆積中に望ましくない材料が形
成されないインクジェット印字ヘッドのための皮膜材料
に要求がまたある。速いインク乾燥時間を促進するため
にインクに含まれている界面活性剤のようなインク添加
物の存在下で撥インク特性を維持するインクジェット印
刷装置のための皮膜にまた要求がある。さらに、低い経
費で簡単に適用でき、高品質で再現性のある皮膜の良好
な生産をもたらすインクジェット印刷装置のための皮膜
に要求がある。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的はインク
ジェット印字ヘッドが一般的に作られている、例えば珪
素材料およびポリイミドのような材料に対して優れた接
着性を示すインクジェット印刷装置のための皮膜を提供
することである。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明（またはその特定
の実施態様）のこれらのおよび他の目的は、複数のチャ
ンネルを含み、該チャンネルはインク供給源からのイン
クで充たされることが可能であり、該チャンネルは印字
ヘッドの一方の表面上のノズルで終わっていて、該表面
はポリイミド−シロキサン−ブロック共重合体で塗被さ
れているインクジェット印字ヘッドを提供することによ
り達成することができる。具体的な実施態様では、ポリ
イミド−シロキサン−ブロック共重合体は下記の式を有
し、

【００２０】

【化２】

【００２１】上記式中、ｘとｙは繰り返し部分の数を表
し、点線の円Ar₁、Ar₂、Ar₃およびAr₄は独立に芳香
族基から選ばれ、ｌおよびｎは1 から約１５の数であ
り、ｍは1 から約100 の数であり、R₁、R₂は独立にアル
キル基から選ばれ、およびR₃は脂肪族基または芳香族基
を表し、およびそのポリマーは約１〜約３０重量％のシ
ロキサンを含有する。本発明の別の実施態様は、その皮
膜が下記式の材料であるインクジェット印字ヘッドに向
けられていて、

【００２２】

【化３】

【００２３】上記式中、ｘとｙは繰り返し部分の数を表
す。本発明のさらに別の実施態様は、（１）複数のチャ
ンネルを含み、該チャンネルはインク供給源からのイン
クで充たされることが可能であり、該チャンネルは印字
ヘッドの一方の表面上のノズルで終わっていて、該表面
はポリイミド−シロキサン−ブロック共重合体で塗被さ
れているインクジェット印字ヘッドを提供し；（２）該
チャンネルをインクで充填し；および（３）インク液滴
をノズルから受けシート上へ画像パターンで噴出させる
ことを含む、インクジェット印刷方法に向けられてい
る。この方法の具体的な実施態様は熱的インクジェット
印刷方法に向けられていて、そこにおいてはインク液滴
は画像パターンで選択されたチャンネルを加熱すること
によってノズルから噴出させられる。

【００２４】本発明の印字ヘッドは適当な形態のどれか
を有することができる。熱的インジェット印刷の場合に
適当な形態の例は、図１に概略的に説明されていて、そ
こでは液滴噴出ノズル２７の配列を示す印字ヘッド１０
の前面２９の拡大された等尺性の概略図を描いている。
後述の図２もまた参照すると、低い位置にある電気的に
絶縁性の基体または発熱体板２８は発熱体３４およびそ
の表面上にかたどられたアドレス電極３３を有し、一方
上部の基体またはチャンネル板３１は、一方向に延長し
ていて上部の基体前面の端２９をとおして貫いている平
行な溝２０を有している。溝２０の他の端は傾斜した壁
２１で終わっていて、毛管作用で充填するインクチャン
ネル２０のためのインク供給マニホールドとして使用さ
れる内部のくぼみ２４の床４１は、開口２５を有し、そ
こをとおしてインク充填ホールとして使用する。溝を有
するチャンネル板の表面は一直線に並べられ、かつヒー
ター板２８に結合し、複数の発熱体３４のそれぞれ１つ
は各チャンネルに位置して、溝および低位置の基体また
はヒーター板で形成されている。インクは充填ホール２
５を通ってくぼみ２４および低位置の基体２８によって
形成されるマニホールドに入り、厚い薄膜絶縁性層１８
で形成されている延長したくぼみ３８を通って流れるこ
とによりチャンネル２０を充たす。各ノズルのインクは
メニスカスを形成し、その表面張力はインクがそこから
滲み出るのを防ぐ。低位置の基体またはチャンネル板２
８上のアドレス電極３３は終点３２で終わる。上部の基
体またはチャンネル板３１は電極終点３２が露出される
ようにかつ、娘台１９上の電極にワイヤ結合できるよう
に低位置の基体よりも小さく、娘台１９の上に印字ヘッ
ド１０が永久的に搭載されている。層１８は厚い薄膜不
動態化層であり、後述されるが、上部および下部の基体
の間に挟まれている。この層は発熱体を露出するように
エッチングされて、ピットの中にそれらを置き、インク
がマニホールド２４とインクチャンネル２０の間を流れ
ることができるように延長された窪みを形成するように
エッチングされている。加えて、厚い薄膜絶縁性層は電
極終点を露出するようにエッチングされている。

【００２５】図１の断面図が、２−２の線に沿って１つ
のチャンネルを通して切り取られて図２として示され、
矢印２３によって描かれているように、インクがマニホ
ールド２４から溝２０の端２１の回りをどのように流れ
るか表している。Torpey等の米国特許第4,638,337 号に
開示されているように、その開示は全体的に本明細書中
に参照として織り込まれているが、気泡発生発熱体の複
数のセットおよびそれらのアドレス電極３３が、単一の
側面が研磨された（１００）シリコンウェファーの磨か
れた表面上にかたどられている。印字ヘッド電極３３の
多数のセット、発熱体として役立つ抵抗性材料、および
普通の戻り３５をかたどる前に、ウェファーの研磨され
た表面を約２ミクロンの典型的な厚さを有するシリコン
ジオキシドのような下に施す層で塗被する。抵抗材料は
ドープされた多結晶性シリコンでもよく、それは化学蒸
着（ＣＶＤ）によって蒸着することができ、またはホウ
化ジルコニウム（ZrB₂) のような他の公知の抵抗材料の
どれかでもよい。普通の戻りおよびアドレス電極は一般
的に、下層上におよび発熱体の端を覆うように蒸着され
たアルミニウムリードである。普通の戻りの端または終
点３７およびアドレス電極終点３２は、チャンネル板３
１を付着させて印字ヘッドを作った後に姫台１９の電極
（図示されていない）にワイヤ結合するためのクリアラ
ンスを与えるように、予め決められた場所に位置してい
る。普通の戻り３５およびアドレス電極３３は０．５〜
３ミクロンの厚さに蒸着され、好ましい厚さは１．５ミ
クロンである。

【００２６】１つの実施態様では、ポリシリコン発熱体
が使用され、シリコンジオキシド熱的オキシド層１７が
高温の蒸気の中でポリシリコンから生長する。熱的オキ
シド層は一般的に０．５〜１ミクロンの厚さまで生長
し、発熱体を導電性インクから保護し絶縁する。熱的オ
キシドはアドレス電極および普通の戻りの付着のために
発熱体の端で除去されて、その後それらはかたどられて
蒸着される。もしホウ化ジルコニウムのような抵抗材料
が発熱体に使われるならば、その後に、他の適当な公知
の絶縁性材料がその上の保護層に使用されてもよい。電
極不動態化の前に、タンタル（Ta) 層( 図示されていな
い）が必要であれば蒸着されてもよく、一般的に約１ミ
クロンの厚さで、発熱体保護層１７の上に、印字ヘッド
の作動中のインク蒸気気泡の破壊によって発生するキャ
ビテーション力に対して該層に保護を加えるように蒸着
される。タンタル層は例えばCF₄/O₂プラズマエッチング
を使用して、発熱体上の直接の保護層１７を除いてすべ
てエッチングされる。電極不動態化のために、２ミクロ
ン厚さのリンをドープしたＣＶＤシリコンジオキシドフ
ィルム１６が、発熱体およびアドレス電極の複数のセッ
トを含むウェファー表面全体に蒸着される。不動態化フ
ィルム１６は露出された電極をインクから保護するイオ
ンバリヤーを提供する。例えば、ポリイミド、プラズマ
ニトリド、および上述のリンをドープしたシリコンジオ
キシド、またはそれらの組合せのどれかのような他のイ
オンバリヤーも使用できる。有効なイオンバリヤーは一
般的にその厚さが約１０００オングストロームから約１
０ミクロンの時、好ましい厚さは約１ミクロンである
が、達成される。不動態化フィルムまたは層１６は、後
に姫台電極とワイヤ結合するために、普通の戻りおよび
アドレス電極の部分をエッチングされる。シリコンジオ
キシドフィルムのこのエッチングは、湿式または乾式エ
ッチング法のいずれかでよい。或いは、電極不動態化は
プラズマ蒸着シリコンニトリット（Si₃N₄)によってもよ
い。

【００２７】次に、例えばRiston( 登録商標) 、Vacrel
( 登録商標) 、Probimer 52(登録商標) 、またはポリイ
ミドのような厚いフィルムタイプの絶縁性層１８が不動
態化層１６の上に形成され、一般的に約１０から約１０
０ミクロンの厚さを有し、好ましくは約２５から約５０
ミクロンの範囲である。絶縁性層１８は写真平版的に加
工されて、各発熱体（窪み２６を形成する）の上部、マ
ニホールド２４からインクチャンネル２０へのインクの
通路を提供する延長された窪み３８、および各電極終点
３２、３７の上部にある層１８の部分のエッチングおよ
び除去を可能とする。延長された窪み３８は厚いフィル
ム層１８のこの部分の除去によって形成される。このよ
うに、不動態化層１６は単独でこの延長された窪み３８
の中で電極３３をインクへの露出から保護する。

【００２８】図３は図２と同様の図であり、下層３９の
形成および発熱体３４、電極３３および普通の戻り３５
の型取りの前のシリコンである、ヒーター板中の浅い異
方性にエッチングされた溝４０を有する。この窪み４０
は厚いフィルム絶縁性層１８のみの使用を許し、通常の
電極不動態化層１６の必要性を解消する。厚いフィルム
層１８は水を通さず、比較的厚いので（一般的に約２０
から約４０ミクロン）、回路要素へ導入される混入は、
この分野で公知の比較的薄い不動態化層１６のみよりは
ずっと少ない。ヒーター板は集積回路にとってかなり敵
対する環境である。市販されているインクは一般的に純
度への関心がはらわれていない。結果として、ヒーター
板の活性部分は上昇した温度で、疑いなく移動イオンに
富む混入した水性インク溶液と隣接する。加えて、ヒー
ター板を約３０から約５０ボルトの電位で作動させるこ
とが望ましく、それによって実質的な電界が存在する。
このように厚いフィルム絶縁性層１８は活性デバイスに
対して改善された保護を提供し、かつヒーター板に対し
て改善された保護およびより長い作業寿命を提供する。

【００２９】米国特許第4,601,777 号および米国特許第
4,638,337 号に開示されているように( その開示は全体
的に本明細書中に参照として織り込まれている) 、チャ
ンネル板は２つの側面を研磨した、（１００）シリコン
ウェファーから形成され、印字ヘッドのために複数の上
部の基体３１を製造する。そのウェファーが化学的に清
浄された後、熱分解ＣＶＤシリコンニトリット層（図示
されていない）が両方の側面に蒸着される。慣用の写真
平版法を使用して、予め決められた位置に複数のチャン
ネル板の各々に対する充填ホール２５の通し、および直
列開口（図示されていない）のための少なくとも２つの
バイアスが一方のウェファーの側面上にプリントされ
る。そのシリコンニトリットが、充填ホールおよび直列
開口を表すかたどられたバイアスにプラズマエッチング
される。水酸化カルシウム（ＫＯＨ）の異方性腐食が充
填ホールおよび直列開口をエッチングするために使用さ
れる。この場合、（１００）ウェファーの〔１１１〕平
面は一般的にウェファーの表面に対して約５４．７°の
角度を作る。充填ホールは小さな正方形の表面パターン
であり、一般に一辺当たり約２０ミル（５００ミクロ
ン）であり、直列開口は約６０〜約８０ミル（１．５〜
３mm) の正方形である。このように直列開口は２０ミル
（０．５mm) の厚さのウェファーを完全にエッチング
し、一方充填ホールはウェファーを通して半分から３／
４の終点頂部までエッチングする。比較的小さな正方形
の充填ホールは、連続するエッチングによるなお一層の
サイズの増加に対して不変であるので、直列開口および
充填ホールのエッチングは有意に時間に強制されない。
次に、ウェファーの反対の側面は写真平版的にかたどら
れ、先にエッチングされた直列開口を参考として使用し
て、最終的にインクマニホールドおよび印字ヘッドのチ
ャンネルとなる比較的大きな方形の窪み２４と延長され
た平行なチャンネルの窪みを形成する。マニホールドお
よびチャンネルの窪みを含むウェファーの表面２２は元
のウェファー表面部分（シリコンニトリット層で被われ
ている）であり、その上に、後に接着剤が適用されて発
熱体の複数のセットを含有する基体に結合させられる。
最終の製形カットで端面２９を作り、ノズル２７を作る
延長された溝２０の一方の端を開く。チャンネルの溝２
０の他方の端は端２１で閉じられたままである。しかし
ながら、チャンネル板のヒーター板への配列および結合
はチャンネル２０の終点２１を直接、図２に示されるよ
うに厚いフィルム絶縁性層１８中の延長された窪み３８
の上に置くか、または図３に示されるように直接窪み４
０の上に置くかして、矢印２３で示されるようにマニホ
ールドからチャンネルへのインクの流れを可能にする。

【００３０】図１、２および３に示されるように、皮膜
５０はポリイミド−シロキサン共重合体材料の撥水性で
かつ撥インク性の層である。図１に示すように、その皮
膜は部分的に取り除かれて、印字ヘッド前面２９の他の
成分を表す。皮膜５０は適当な厚さのどれかであってよ
い。典型的な皮膜厚さは約０．１ミクロンから約１０ミ
クロンであり、好ましくは約０．５ミクロンから約２ミ
クロンであるが、その厚さはこの範囲外であってもよ
い。

【００３１】図１から図３に図解された印字ヘッドは本
発明の具体的な実施態様を構成している。印字ヘッド表
面上のノズルを終点とするインクを運ぶチャンネルを含
む他の適当な印字ヘッドの形態のいずれもまた、本明細
書中で開示する皮膜とともに使用されて本発明の印字ヘ
ッドを形成する。印字ヘッドの表面または前面上の撥水
性でかつ撥インク性の皮膜はポリイミド−シロキサン−
ブロック共重合体を含む。印字ヘッド上の皮膜が磨耗す
ると、印字ヘッドの表面上でさらにシロキサンが再生成
する。適当なポリイミド−シロキサン−ブロック共重合
体のいずれかが使用される。好ましくは、ブロック共重
合体中のシロキサン含有量は約１〜約６０重量％であ
る。好ましい実施態様では、ポリイミド−シロキサン−
ブロック共重合体は二無水物とジアミンおよびアミンを
末端とするシロキサンとの縮合によって製造される。例
えば、二無水物は下記式を有し、

【００３２】

【化４】

【００３３】上記式中、

【００３４】

【化５】

【００３５】は、独立に例えば、ベンゼン、ナフタレ
ン、アントラセン、またはフェナンントレン等の芳香族
基を表す。芳香族基は置換されていないか、または例え
ば、アルキル、アルール、ハロゲン、またはニトロ等の
ような１またはそれ以上の置換基で置換されていてもよ
い。このように、例えば、両方の芳香族基がベンゼンで
あって、その芳香族基上に置換基がなければ、その二無
水物は下記式を有する。

【００３６】

【化６】

【００３７】ジアミンは脂肪族または芳香族のいずれで
もよい。適当な芳香族ジアミンの類の１例は次の一般式
のものである。

【００３８】

【化７】

【００３９】上記式中、Ｒは水素、または例えば、メチ
ル、エチル、またはプロピル等のようなアルキルであ
る。ベンゼン環は置換されていないか、または例えば、
アルキル、アルール、ハロゲン、またはニトロ等のよう
な１またはそれ以上の置換基で置換されていてもよい。
加えて、Ｒ基は１またはそれ以上の置換基で置換されて
いてもよい。適当な芳香族ジアミンの他の類は、ベンゼ
ン環が例えばナフタレン、アントラセン、またはフェナ
ンントレン等の他の芳香族基で置き代えられている同様
の構造を含む。適当な脂肪族ジアミンの類の１例は次の
一般式のものである。

【００４０】

【化８】

【００４１】上記式中、ｎは約２〜約１５の数を表す。
再び、その脂肪族ジアミンは置換されていないか、また
は１またはそれ以上の置換基で置換されていてもよい。
アミンを末端とするシロキサンはいずれかの適当な式を
有していてよい。アミンは末端とするシロキサンの適当
な類の一例は下記の一般式を有する。

【００４２】

【化９】

【００４３】上記式中、ｌおよびｎは1 から約１５の数
であり、ｍは1から約100 の数であり、R₁、R₂は独立に
メチル、エチルまたはプロピル等のようなアルキル基
から選ばれる。この類の材料の具体的な一例は、ビス−
γアミノプロピルテトラメチル−ジシロキサンであり、
そこではｌおよびｎは３であり、ｍは２であり、かつR₁
およびR₂はともにメチルである。このように、本発明に
適当なポリイミド−シロキサン−ジブロック共重合体
は、下記一般式のものを含み、

【００４４】

【化１０】

【００４５】上記式中、ｘとｙは繰り返し部分の数を表
し、点線の円Ar₁、Ar₂、Ar₃およびAr₄は独立に芳香
族基から選ばれ、ｌおよびｎは1 から約１５の数であ
り、ｍは1 から約100 の数であり、R₁、R₂は独立にアル
キル基から選ばれ、およびR₃は脂肪族基または芳香族基
を表し、およびそのポリマーは約１〜約３０重量％のシ
ロキサンを含有する。

【００４６】適当なブロック共重合体の１つの具体例は
下記式を有する。

【００４７】

【化１１】

【００４８】上記式中、x と yは繰り返し部分の数を表
す。シロキサン含有量が約１〜約３０重量％で変化する
他のポリイミド−シロキサン共重合体は、例えば、Gene
ral Electric Companyから入手可能なXV-480( 登録商
標) のように市場で入手できる。ポリイミド−シロキサ
ン共重合体の製造方法は公知であり、例えば、“Polyim
ides: Synthesis, Characterization, Application,"
K. L.Mittal, 編集, Plenum, New York 頁847-869(198
4) の中に記載されていて、その開示は本明細書中に全
体的に参照として織り込まれている。

【００４９】皮膜材料はチャンネルがノズルで終わって
いる印字ヘッドの表面に、いずれかの適当な方法によっ
て適用される。例えば、ポリイミド−シロキサン共重合
体は適当な溶剤に溶かされて、例えば、吹付塗、スピン
コート、ブラシ、微細剛毛ブラシ、ゴムローラー、綿、
布またはフォームラバー（例えば、ポリウレタン）のス
ポンジおよびアプリケーターの使用による接触コート、
例えばQ-tip(登録商標) のような綿棒または他のいずれ
かのアプリケーターでの手塗り等の適当な方法のいずれ
かによって表面に適用される。適当な溶剤の例はジクロ
ロメタン、メチルエチルケトン、テトラヒドロフラン、
およびN-メチルピロリドン等を含む。このように、本発
明の１つの実施態様はインクジェット印刷に適した印字
ヘッドの製造方法に向けられていて、その方法は、適当
な溶剤中に本明細書中に開示されている式のポリイミド
−シロキサン共重合体を溶解し; このように製造した溶
液を、複数のチャンネルを含み、該チャンネルはインク
供給源からのインクで充填されることができ、かつ該チ
ャンネルはその印字ヘッドの１つの表面上のノズルの中
で終わっているインクジェット印字ヘッドに適用し、該
溶液は前記表面に適用され；およびその溶剤は蒸発され
て、それによって前記表面上に該ポリマーの薄膜が形成
されることを含む。

【００５０】撥インク性の皮膜は好ましくは、内部のチ
ャンネル壁を塗被することから防ぐ方法で適用される。
もし撥インク性材料がチャンネル壁を覆うと、液滴の噴
出後の各チャンネルの適当な再充填が抑制されて、誤指
向または液滴サイズのばらつきとなる。もし望めば、撥
インク性の皮膜は、印字ヘッドの配列表面に高速度のフ
ィルターガスを該表面をとおして吹き込みながら適用さ
れることもできる。この場合、強いガス流は、撥インク
性材料がチャンネル内に入りその壁を覆うのを抑制す
る。この技術は前面のみが撥インク剤の皮膜を受け、チ
ャンネル壁は受けないことを確実にするために高度に有
効である。このガスは、空気、窒素、水素、二酸化炭素
または他の不活性ガスのどれかでよい。

【００５１】複数の完備したダイが露出したノズル正面
に維持される取付具が、各ダイの充填ホールに連結され
た加圧空気または窒素源とともに使用されてもよい。ガ
スはその取付具によって維持される各印字ヘッドダイの
ノズルをとおして吹き込まれると同時に、撥インク剤が
適用される。この方法は多くのダイを同時に処理し、１
つのダイ当たりの撥インク剤処理の経費を有意に低くす
ることができる。集合した全幅インクジェット配列にと
って、加圧ガスラインは直接インクマニホールドに連結
していると、ガスはすべてのノズルをとおして吹き込ま
れると同時に撥インク剤が適用されることができる。

【００５２】チャンネル壁の塗被を避けるための別の方
法は、中間転写シートから印字ヘッド配列面へ皮膜を適
用することを包含する。その皮膜材料はまず、例えば１
／２ミルのビニールまたはプラスチックのような柔軟な
転写シートへ、例えばスピンコート等のような適当な方
法のどれかで適用される。その皮膜材料が転写シート上
でまだ湿っているときに、転写シートのその湿った表面
を印字ヘッド配列面上へ押しつけて皮膜材料の幾らかを
印字ヘッドの前面へ転写させる。その転写シートを除去
し、皮膜材料の幾らかが転写シート上に残る。この方法
は印字ヘッド前面上の皮膜厚さを数ミクロンまたはそれ
以下に限定し、かつ皮膜材料がチャンネルに入ることお
よびチャンネル壁を覆うことを防ぐ。ポリイミド−シロ
キサン共重合体を印字ヘッド表面に適用するための他の
適当な技術は、ポリイミド−シロキサン共重合体の薄い
フィルムを、例えばビニールまたはポリエステル（例え
ば、Mylar(登録商標))等のような基体にスピンコート、
接触コート、吹付塗または手塗り等の適当な方法のいず
れかによって適用し、続いてそのポリイミド−シロキサ
ン皮膜を印字ヘッド表面に接触させて、ポリイミド−シ
ロキサン材料で塗被されていない基体表面に熱と圧力を
適用することによって、その基体からポリイミド−シロ
キサン共重合体のフィルムを印字ヘッドの表面へ移すこ
とを包含する。例えば約0.００１から約１０ミクロン
の、好ましくは約１ミクロンの比較的薄い層でポリイミ
ド−シロキサン共重合体を基体へ適用することによっ
て、基体上の材料の限定された厚さは、そのポリイミド
−シロキサン共重合体がノズルに入ること、およびチャ
ンネルを塗被することを防ぐ。このように、本発明の別
の実施態様は、基体の少なくとも１つの表面上へ本明細
書に開示されている式を有するポリイミド−シロキサン
共重合体を塗被すること；その基体の塗被された表面を
複数のチャンネルを含むインクジェット印字ヘッドへ接
触させて（その印字ヘッドにおいて、そのチャンネルは
インク供給源からのインクで充填されることができ、そ
のチャンネルは印字ヘッドの一方の表面上のノズルで終
わっている）、その塗被された基体を前記表面に接触さ
せて；および該基体を熱し、それによって重合体のフィ
ルムを該基体から前記表面へ移すことを含む印字ヘッド
の製造方法に向けられている。

【００５３】前述の式のポリイミド−シロキサン共重合
体から形成された撥インク性フィルムは珪素含有材料お
よびポリイミド表面の両者にのみだけでなく、他の重合
体表面および金属表面にも優れた接着性を表し、グリコ
ール含有インクに不溶性である。その共重合体フィルム
は印字ヘッドの表面を高度に撥インク性にする。測定は
処理された表面が蒸留水に対して８５°から９５°の間
の接触角を示すことを表している。流体の堆積はノズル
の隣接する配列面上で防がれる。さらに配列面上の破壊
屑の蓄積は抑制される。この皮膜はまた、良好なフィル
ム形成特性、良好な機械的特性、および良好な耐磨耗性
を表す。加えて、本発明の皮膜として使用されるポリマ
ーは充分に順応性があり、所望するように機械的特性お
よび表面特性を調整するように重合体の構造を設計する
ことが可能である；例えば、ポリマー中のシロキサン含
有量を比較的広範囲にわたって変えることが可能であっ
て、それによって皮膜の全体的な柔軟性および表面特性
に影響を及ぼす。

【００５４】本発明はまた、本発明の印字ヘッドによる
印刷方法を包含する。本発明の１つの実施態様は、
（１）複数のチャンネルを含み、該チャンネルはインク
供給源からのインクで充たされることが可能であり、か
つ該チャンネルは印字ヘッドの一方の表面上のノズルで
終わっていて、該表面はポリイミド−シロキサン−ブロ
ック共重合体で塗被されているインクジェット印字ヘッ
ドを提供し；（２）該チャンネルをインクで充填し；お
よび（３）インク液滴をノズルから受けシート上へ画像
パターンで噴出させることを含む、インクジェット印刷
方法に向けられている。この方法の具体的な実施態様
は、インク液滴が、画像パターンで選別されたチャンネ
ルを加熱することによってノズルから噴出させられる熱
的インクジェット印刷方法に向けられている。その液滴
は例えば、繊維、Xerox(登録商標)4024 または4010のよ
うな普通紙、塗被紙または透明材料等のような適当な受
けシートのどれかの上へ噴出されうる。本発明の具体的
な実施態様はここで詳細に述べられる。これらの実施例
は説明を意図するものであり、本発明はこれらの実施態
様に挙げられる材料、条件、またはプロセスパラメータ
ーに限定されない。すべての部およびパーセンテージは
特に記載のない限り重量による。

【００５５】

【実施例】実施例１ポリイミド−シロキサン共重合体を次にように製造し
た。蒸留装置に装着した１リットルの丸底フラスコに５
００mlのN-メチルピロリドンを添加した。その後、50g
のベンゾフェノン二無水物(Aldlichから得られる) をフ
ラスコ中でN-メチルピロリドンに溶解した。続いて、メ
チレンジアニリン(Aldlichから得られる) およびビス−
γアミノプロピルテトラメチルジシロキサン（Petrarsh
System から得られる) の7:3 の混合物の50g を上記の
溶液に添加した。フラスコの内容物を続いて２４時間室
温で保持した。得られたポリアミックアシッドの溶液、
これはランダム共重合体であるが、その溶液を加熱して
溶媒を蒸留して除去した。溶媒の新しいバッチの４００
mlをそれからフラスコに添加して、その内容物を真空(
１０mm Hg)下で蒸留して乾燥させた。溶媒の新しいバッ
チを添加し、および真空下で蒸留して乾燥させる工程を
さらに２回繰り返し、それによって反応副産物である水
を共沸的に反応混合物から除去した。このようにして得
られた淡黄色の半固体を攪拌することと約７０℃まで温
めることによって、もう一度５００mlのN-メチルピロリ
ドンに溶解した。得られた溶液をその後、４リットルの
ビーカー中の攪拌した２リットルのメタノールに滴下添
加した。そのメタノールを添加中に激しく攪拌した。そ
の後、固形分を沈澱させて、濾過によって集め、１００
mlのメタノールを三等分したもので３回洗浄した。固形
分を乾燥させて、生成物は核磁気共鳴スペクトル（¹H-n
mr、¹³C-nmr 、および²⁹Si-nmr) および赤外線吸収スペ
クトルによってポリイミドおよびシロキサンのブロック
共重合体として同定された。

【００５６】このように得られたポリイミド−シロキサ
ン−ブロック共重合体の溶液は、１００mlのジクロロメ
タン中に１ｇの該ポリマーを溶解することによって調製
されて、その溶液をスピンコートによって研磨された３
インチの直径の２０ミル厚さのシリコンウェファーに適
用され、シリコンウェファー上の厚さ１ミクロンのポリ
イミド−シロキサン共重合体の皮膜が形成された。

【００５７】塗被されたシリコンウェファーをその後、
５０重量％のエチレングリコールおよび５０重量％の水
を含有した混合物を含む容器に浸した。この液体混合物
が典型的なインクジェットのインク液体ビヒクルを代表
する。この混合物および塗被されたウェファーを激しく
攪拌し８０℃に加熱して、共重合体の物理的および化学
的劣化を促進させた。そのウェファーをその混合物から
定期的に除去し、その表面上での水の接触角の測定を行
った。接触角は液体滴がその液体滴が位置する表面に対
して作る角度を表し；９０°よりも大きい接触角は非湿
潤条件を表し、９０°よりも小さい接触角は湿潤条件を
表す。低い表面エネルギーは一般的に高い接触角とな
り、高い表面エネルギーは一般的に低い接触角となる。
本実施例では、接触角は次のように測定された。

【００５８】

【数１】

【００５９】上の図において、θは接触角ゴニオーメー
ターで測定された接触角を表す。下記の表１は操作中の
多様な時点で観察される接触角を示している。表からわかるように、この方法を通じて、接触角は７７
°から９０°までの範囲で５日間にわたって比較的一定
に保持される。一般的に７５°またはそれ以上の接触角
は、印字ヘッド表面上のインクの蓄積を防ぎ、よって誤
指向を防ぐために充分である。

【００６０】本発明の他の実施態様および変形は、この
分野に技能を有する者にとっては本明細書中に表された
情報を検討することに続いて起こりうる；これらの実施
態様および変形のみならず、その同等物もまた、本発明
の範囲内に含まれる。

【図面の簡単な説明】

【図１】娘台上に搭載された印字ヘッドの実例の拡大さ
れた等尺性の概略図であり、液滴噴出ノズルを示す。

【図２】図１の２−２の線に沿って眺めた拡大された断
面図であり、マニホールドとインクチャンネルの間の電
極不動態化およびインク流通路を示す。

【図３】図１の２−２の線に沿って眺めた、図１の印字
ヘッドの代わりの実施態様の拡大された断面図である。

【符号の説明】

１０印字ヘッド１６不動態化層１７保護層１８絶縁性層１９娘台２０チャンネル２１傾斜した壁２２ウェファーの表面２３インクの流れ２４マニホールド２５開口２６窪み２７ノズル２８ヒーター板２９印字ヘッドの前面３０アドレス電極の表面３１チャンネル板３２電極終点３３アドレス電極３４発熱体３５戻り３７終点３８延長した窪み３９下層４０窪み４１床５０皮膜

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B41J 2/135 C09D 179/08

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】複数のチャンネルを含むインクジェット
印字ヘッドであって、該チャンネルはインク供給源から
のインクで充填されることができ、かつ該チャンネルは
印字ヘッドの一方の表面上のノズルで終わっていて、該
表面がポリイミド−シロキサン−ブロック共重合体で塗
被されているインクジェット印字ヘッド。