JP6282411B2 - サーマルバブル噴射機構、噴射の方法、およびその機構の製造方法 - Google Patents

Description

本明細書は、例えば、インクジェット方式の印刷ヘッド内で使用可能なサーマル噴射機構に関する。

従来、印刷ヘッドは、金メッキされたステンレスプレートを、数千度の水素環境内でろう付けした拡散結合積層体により製造されてきた。次いで、この印刷ヘッドの前面にＰＦＡ被覆を施して修正して、十分なドルール圧力により噴射を発生させることができる。この印刷ヘッドは固体インクと相性がいいが、その製造コストは高い。

コストを抑えるために、複数のプラスチック層を用いた高密度の（ＨＤ）圧電印刷ヘッドが開発されている。コスト削減に対する試みがいくつかなされているが、固体インクやその他の非水性インクを使用するものも含めたインクジェットを、市場においてより競争力のあるものにするために、さらなるコスト削減が常に必要となる。

サーマルバブル噴射方式は、水性インクを用いるオフィス用プリンタで広く使われている。その基本的な仕組みは、マイクロ加熱器を用いて、インク内の水分を沸騰させて、インク滴を噴射させるのに十分な圧力を生成するものである。この印刷ヘッドは、フォトリソグラフィー技術により作成され、そのコストが非常に安いことで知られている。

インクジェット方式の印刷ヘッドに関して上記で議論したような、既存の噴射技術に関する問題のうちの１つ以上を軽減するために有効な、新しいサーマル噴射方式の設計の必要性が残されている。

本明細書の一実施形態は、サーマルバブル噴射装置に関する。この装置は基板を含む。この基板上には、超疎油性のテクスチャ表面が配置される。このテクスチャ表面は、気体を保持するよう設定される１つ以上の間隙を含む。テクスチャ表面と流体連通して容器が配置される。注入口および噴射口は両方ともこの容器と流体連通する。この装置は、加熱機構をさらに含むみ、この加熱機構は、１つ以上の間隙内の気体を膨張させて、容器内の圧力を十分に増加させ、液体を噴射口から押し出すよう設定される。

サーマルバブル噴射装置の一実施形態では、テクスチャ表面には、高い面と低い面とが交互に配列される。一実施形態では、テクスチャ表面には、柱が配列される。一実施形態では、これらの柱は、約０．１ミクロンから約１０ミクロンの範囲の幅寸法と、約０．５ミクロンから約５０ミクロンの範囲の高さ寸法とを有する。一実施形態では、テクスチャ表面は、フッ化材料で被覆される。一実施形態では、このフッ化材料は、フッ化重合体、フルオロシラン、またはそれらの混合物から選択される。一実施形態では、テクスチャ表面は、複数の隆起部を含む。一実施形態では、容器は一定の体積の噴射物質を保持するよう設定される。

本明細書の別の実施形態は、噴射する方法に関する。この方法は、噴射装置を提供するステップを含む。この噴射装置は、容器内の噴射物質と、超疎油性のテクスチャ表面および噴射口とを含む。テクスチャ表面は、１つ以上の気体が充満した間隙を含む。１つ以上の間隙内の気体を加熱して、気体の体積を膨張させ、これにより、物質の一部を噴射口から押し出す。

噴射する方法の一実施形態では、インクは非水性の溶剤ベースの液体である。別の実施形態では、インクはＵＶ硬化インクである。噴射する方法の別の実施形態では、気体は空気、不活性ガス、またはそれらの混合物である。別の実施形態では、気体を加熱するステップには、１つ以上のエネルギーのパルスを気体に供給することが含まれる。

本明細書のさらに別の実施形態は、サーマルバブル噴射装置を作成する方法に関する。この方法は、超疎油性のテクスチャ表面を含む基板を提供するステップを含む。この基板は、複数のプレートと結合して、噴射積層体を形成する。この噴射積層体内には、加熱機構が配置され、この加熱装置はテクスチャ表面の間隙内の気体を膨張させるよう設定される。

サーマルバブル噴射装置を作成する方法に関する一実施形態では、噴射積層体は、容器および１つ以上のテクスチャ表面のパッチを含み、これらのパッチは容器と流体連通して配置される。

図１Ａは、本明細書の一実施形態による、サーマルバブル噴射装置の概略図である。 図１Ｂは、本明細書の一実施形態による、サーマルバブル噴射装置の概略図である。 図２は、フッ化重合体で被覆された、超疎油性のテクスチャ表面の一例を示す説明図である。 図３は、本明細書の一実施形態による、高密度の印刷ヘッドの一例を示す説明図である。 図４は、本明細書の一実施形態による、サーマルバブル噴射装置を作成する方法を示すフローチャートである。 図５は、本明細書の一実施形態による、境界状態を示すモデルの説明図である。 図６は、図５に示されたモデルに関する、封入空気を加熱することによる体積の増加および圧力の変化のモデリングの結果、およびＰＺＴにより作動する隔壁およびＭＥＭＳベースの静電滴吐出器を用いるＨＤ印刷ヘッドに関するデータの比較を示すグラフである。 図７Ａは、図５の装置に関するモデリングの結果を示す説明図である。 図７Ｂは、図５の装置に関するモデリングの結果を示す説明図である。

図面の詳細はいくつか簡略化され、構造的な精度、詳細、および縮尺を厳密に維持するよりはむしろ、実施形態を理解し易くするために描かれていることに留意されたい。

図１Ａには、本明細書の実施形態による、サーマルバブル噴射装置１００の概略図が示されている。この装置１００は基板１０２を含む。この基板１０２には、超疎油性のテクスチャ表面１０４が配置される。このテクスチャ表面１０４は複数の間隙１０６を含み、容器１０８内に配置され得、この容器１０８は、例えば、インク１１０などの噴射物質を含むよう設定される。噴射口１１２が配置されて、容器１０８と流体連通する。この装置１００はまた、間隙１０６内に含まれる気体１１６を加熱する加熱機構１１４も含む。

テクスチャ表面１０４は、超疎油性で作成され得る全ての好適なテクスチャを含むことができ。このテクスチャにより十分な気体を封入して、この気体が膨張すると、所望の噴射力を提供することができる。一実施形態では、テクスチャ表面１０４は、複数の隆起部または柱の配列などの、交互に配列する高い面と低い面とを含む。

テクスチャ表面１０４は、全ての好適な材料を含むことができ、この材料からマイクロサイズ／ナノサイズのテクスチャを形成することができ、これにより所望の超疎油性の表面を提供することができる。一実施形態では、テクスチャ表面１０４は、シリコン、ゲルマニウムまたはガリウムひ素などの半導体の材料と、金属と、および／または、重合体またはセラミックなどの絶縁体材料と、を含むことができる。

一実施形態では、テクスチャ表面を被覆して所望の超疎油性を提供する。表面に超疎油性を提供可能な全ての被覆材を使用することができる。好適な被覆材の例には、トリデカフルオロ−１，１，２，２−テトラヒドロオクチルトリクロロシラン、トリデカフルオロ−１，１，２，２−テトラヒドロオクチルトリメトキシシラン、トリデカフルオロ−１，１，２，２−テトラヒドロオクチルトリエトキシシラン、ヘプタデカフルオロ−１，１，２，２−テトラヒドロオクチルトリクロロシラン、ヘプタデカフルオロ−１，１，２，２−テトラヒドロオクチルトリメトキシシラン、およびヘプタデカフルオロ−１，１，２，２−テトラヒドロオクチルトリエトキシシランから合成された１枚以上のフルオロシラン層が含まれ得る。例えば、分子気相成膜、化学気相成長、または溶液塗布技術などの、全ての好適な方法を用いて、フルオロシランの被覆を塗布可能である。

一実施形態では、テクスチャ表面が、重合体を形成する超疎油性の表面を含むことができる。その例の中には、１枚以上の非結晶質のフッ化重合体の層を含む被覆が含まれる。超疎油性の表面を形成するのに適する全ての重合体を用いることができる。好適なフッ化重合体の例の中には、ＤｕＰｏｎｔ社製のＡＦ１６００、およびＡＦ２４００と、Ｓｏｌｖａｙ Ｓｏｌｅｘｉｓ社製のＦＬＵＯＲＯＬＩＮＫ−Ｄ、ＦＬＵＯＲＯＬＩＮＫ−Ｅ１０Ｈなどのペルフルオロポリエーテルの重合体と、が含まれる。非結晶質の重合体を、テクスチャ表面上に被覆することができる。

図２には、超疎油性のシリコンの柱の配列の一例が示されている。水、オイルまたはインクなどの液体が、超疎油性の柱が配列するテクスチャ表面上の気体の上に「位置」する様子が示されていた。熱を加えると、液体に封入されている空気が膨張して、所望の噴射力を提供すことができる。

まず、フォトリソグラフィーを介してシリコン（Ｓｉ）ウェハ上に柱の配列を作成し、次いで、その表面をフッ素化処理することにより、超疎油性表面を製造可能であることが、既に本明細書の発明者により報告されている。この手法で作成された表面は、１５０度を超える接触角、および１０度の滑り角で、水とオイル（ヘキサデカン）に対する非常に高い撥水性および撥油性を示し、固体と液体の界面でこれらの２種類の液体がＣａｓｓｉｅ−Ｂａｘｔｅｒ式の複合状態を形成することが示唆される。Ｚｈａｏ，Ｋ．Ｙ．ＬａｗおよびＶ．Ｓａｍｂｈｙによる、Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ、「Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ Ｏｒｉｇｉｎ ｏｆ Ｓｕｐｅｒｏｌｅｏｐｈｏｂｉｃｉｔｙ ｆｏｒ ａ Ｍｏｄｅｌ Ｔｅｘｔｕｒｅｄ Ｓｕｒｆａｃｅ」Ｌａｎｇｍｕｉｒ、２０１１年、２７、５９２７を参照されたい。

本明細書の発明者による、固体インクに関するさらなる研究で、溶解した固体インク滴も柱が配列した表面上で、Ｃａｓｓｉｅ−Ｂａｘｔｅｒ式の状態を形成することが示される。発明者は、ワックスインク滴を冷却し、ＳＥＭ顕微鏡（走査型電子顕微鏡）を用いて、複合界面を調査することができた。これにより、インク滴が超疎油性表面上の空気の上に位置する証拠を直接得ることができた。超疎油性のテクスチャ表面が気体を封入する能力は、印刷ヘッドの動作に関して、気体が熱膨張するときに十分な噴射力を供給するのに有効であると思われる。

図１Ａに戻って参照すると、テクスチャ表面１０４の寸法を変更することで、柱間の空間に所望の容積を供給することができ、これにより、適切な量の気体を封入して噴射口１１２からの物質１１０の噴射力を供給することができる。一実施形態では、テクスチャ表面１０４は柱を含み、これらの柱の幅寸法は、例えば、約０．１ミクロンから約１０ミクロンの範囲、または約０．５ミクロンから約１０ミクロンの範囲、あるいは約１ミクロンから約５ミクロンの範囲でよい。柱が円断面を有する場合、例えば、幅寸法は直径でよく、または柱が長方形または正方形などの断面を有する場合、幅寸法は多角形状の断面の任意の幅寸法でよい。この柱は、約０．１ミクロンから約１００ミクロンの範囲、あるいは約０．５ミクロンから約５０ミクロンの範囲、または約０．５ミクロンから約３０ミクロンの範囲の高さ寸法を有し得る。全ての所望の量により、柱間の距離も調整して、気体を封入するための所望の容積を供給することができる。例えば、テクスチャのパターンは、約０．５％から約５０％、または約１％から約３０％、あるいは約１％から約２０％の固体面積被覆率を有する柱の配列を含むことができる。

加熱器１１４は、テクスチャ表面の底面、またはその近くに配置可能な全ての種類の好適なマイクロ加熱器でよい。一実施形態では、加熱器１１４は、半導体抵抗素子または金属抵抗素子を含む加熱器などの抵抗加熱器である。これらの加熱器の例は、当技術分野では周知である。

図１Ａに示されるサーマルバブル噴射装置は、印刷ヘッド内でインクの噴射力を供給するアクチュエータとして使用可能である。そのような装置の一例として、図３に示す高密度の印刷ヘッド３００が挙げられる。高密度印刷ヘッド３００は、まとめて結合された複数の積層プレートを含む。これらのプレートは、金属、半導体、またはプラスチック、あるいは印刷ヘッドを形成するための好適なその他の材料を含むことができる。積層プレートから印刷ヘッドを製造する技術は、当技術分野では周知である。

一実施形態では、上記の通り、噴射積層体はインク容器１０８を含む。このインク容器１０８は、注入口３０２および噴射口１１２と流体連通することができる。超疎油性のテクスチャ表面１０４の１つ以上のパッチが、インク容器１０８と流体連通して配置され得る。各パッチの近くに加熱装置１１４を配置可能である。インク容器１０８がインクで満たされると、気泡が形成されテクスチャ表面により封入される。封入される気体の体積は、テクスチャ表面の寸法に依存する。例えば、上記の通り、テクスチャ表面が、柱を含む場合、気体の体積は柱の直径、柱の間隔、柱の高さに依存し得る。

本明細書は、噴射する方法にも関する。この方法は、図１Ａ内の装置１００で示す、容器内の噴射物質を含む噴射装置を提供するステップを含む。図１Ｂに示す通り、加熱器１１４により加熱されると、間隙１０６内に封入された気体１１６が膨張する。気体の体積が増加することにより、圧力が増加し、容器１０８内の一定の体積の物質１１０が移動し、これにより、物質１１０の一部が噴射口１１２から押し出される。

本明細書のサーマルバブル噴射機構は、超疎油性のテクスチャ表面内に気体を封入して、装置１００から噴射され得る全ての物質の噴射に対して好適である。一実施形態では、この物質はインクであり、このインクには、水性インクと非水性インクとが含まれる。一実施形態では、インク１１０は、当技術分野では固体インクとして周知のインク、またはワックスベースのインクでよい。これらのインクは室温では固体である。印刷ヘッドが使用されると、このインクは通常高温に維持され、そのため、このインクは融解相に移る。さらに別の実施形態では、例えば、水性インクまたは液体／有機溶媒ベースのインクの場合、室温では液体のインクが使用可能である。一実施形態では、インク１１０はＵＶ乾燥インクである。噴射され得るインク以外の液体には、水やオイルが含まれる。

気体１１６は、加熱すると膨張して、所望の噴射力を供給する全ての好適な気体でよい。一般に、熱伝導が比較的よく、印刷ヘッドの破裂や腐食のリスクが少ない気体を選択することができる。そのような気体の例の中には、窒素およびアルゴンなどの空気や不活性ガスが含まれる。

全ての好適な技術を用いて、気体１１６を加熱することができ、これにより、所望の噴射力を供給するのに十分な割合で気体を膨張させる。一実施形態では、加熱器１１４を用いて、１つ以上のエネルギーのパルスを気体に供給することにより、加熱を行う。このパルスは、例えば、１マイクロ秒から約１００マイクロ秒などの、おおよそ数マイクロ秒でよい。例えば、１０マイクロ秒の６．９４ｅ−４Ｗ／ｕｍ^３の熱パルスにより、ＨＤ圧電印刷ヘッドと同等な圧力を発生させることができることが初期のモデリングにより示唆される。

図４には、本明細書の実施形態による、サーマルバブル噴射装置を作成する方法４００が示される。この方法は、図４のステップ４０２で示す通り、超疎油性のテクスチャ表面を含む基板を提供するステップを含む。次いで、ステップ４０４で示す通り、この基板を複数のプレートと結合させて、噴射積層体を形成することができる。この噴射積層体内に加熱機構が配置される。上記の通り、この加熱器は、テクスチャ表面の間隙内の気体を膨張させるよう設定される。

一実施形態では、噴射積層体のプレートを結合させる前に、テクスチャ表面が配置される同じ基板の表面上に加熱器を作成することができる。あるいは、加熱器は、その上にテクスチャ表面が形成される基板とは異なるプレートの一部でもよい。当業者なら、適切な加熱器を噴射積層体に容易に組み込むことができる。

一実施形態では、テクスチャ表面を形成するプロセスでは、基板上にマスク形成し、基板を選択的にエッチングすることが含まれる。全ての好適なマスキング技術およびエッチング技術を使用可能である。例えば、マスクを形成するためのフォトリソグラフィー技術は、当技術分野では周知である。好適なエッチング技術も周知である。

基板を処理して、その基板上に超疎油性の表面を形成するための全ての好適なプロセスが使用可能である。好適な技術には、上記の通り、フッ化重合体および／またはフルオロシランで表面を被覆する技術が含まれ得る。

一実施形態では、基板を選択的に処理して、その上に超疎油性の表面のパッチを作成することができる。例えば、所望の超疎油性のパッチを選択的に形成するためにフッ化材料で処理する前に、フォトリソグラフィーの技術を用いて、基板をマスキング可能である。

三次元の流れモデルを組立てて、柱により封入された空気の体積膨張、およびそれに対応する圧力の増加をシミュレーションした。図５には、境界の状態、および熱パルスの入力の初期状態を有するモデルが示されている。図６および下記の表１には、封入空気を加熱した結果として、体積増加および圧力の変化をモデリングした結果、およびＰＺＴにより作動する隔壁およびＭＥＭＳベースの静電滴吐出器を用いたＨＤ印刷ヘッドとの比較が示される。図７Ａおよび図７Ｂにも、モデリングの結果が示される。図７Ａには、封入されている気体１１６が示されている。図７Ｂには、シミュレーションする条件のもとでの気体１１６の膨張が示される。下記の表１にまとめたモデリングデータには、圧力および体積の両方の増加は、機能的印刷ヘッドに関して正しい順序であることが示される。

Claims (10)

1. 基板と、
   気体を保持するよう設定される１つ以上の間隙を含み、前記基板上に配置される超疎油性のテクスチャ表面と、
   前記テクスチャ表面と流体連通して配置される容器と、
   その両方が前記容器と流体連通する注入口および噴射口と、
   前記１つ以上の間隙内の気体を膨張させて、容器内の圧力を十分に増加させ、液体を前記噴射口から押し出すよう設定される加熱機構と、を含むサーマルバブル噴射装置。
2. 前記テクスチャ表面が柱の配列を含む、請求項１に記載の装置。
3. 前記柱がフッ化材料で被覆されたシリコンを含む、請求項２に記載の装置。
4. 前記テクスチャ表面がフッ化材料で被覆される、請求項１に記載の装置。
5. 前記サーマルバブル噴射装置は、インクジェット方式の印刷ヘッドである、請求項１に記載の装置。
6. 噴射する方法であって、
   容器内の噴射物質と、１つ以上の気体が充満した間隙を含む超疎油性のテクスチャ表面と、噴射口と、を含む噴射装置を提供するステップと、
   前記１つ以上の間隙内の前記気体を加熱して、前記気体の体積を膨張させ、これにより、前記噴射物質の一部を前記噴射口から押し出すステップと、を含む方法。
7. 前記噴射物質はインクである、請求項６に記載の方法。
8. サーマルバブル噴射装置を作成する方法であって、
   超疎油性のテクスチャ表面を含む基板を提供するステップと、
   前記基板を複数のプレートと結合させて、噴射積層体を形成するステップと、を含み、
   加熱機構が前記噴射積層体内に配置され、前記加熱機構は前記テクスチャ表面の間隙内の気体を膨張させるよう設定される、方法。
9. 前記テクスチャ表面を形成するステップであって、前記基板上にマスクを形成し、前記基板を選択的にエッチングしてテクスチャを形成するプロセスを含むステップをさらに含む請求項８に記載の方法。
10. 前記テクスチャ表面を形成するプロセスはフッ化材料で前記テクスチャを処理することを含む、請求項９に記載の方法。