Brevet FR2549777A1 — publié le 19850201

L'invention concerne un procédé de production d'une tête d'enregistrement à jet d'encre, et en particulier un procédé de production d'une tête d'enregistrement à jet d'encre conçue pour produire de petites gouttelettes d'en5 cre destinées à être utilisées dans un système d'enregistrement à jet d'encre. Des têtes d'enregistrement à jet d'encre, destinées à être utilisées dans des systèmes d'enregistrement à jets d'encre, présentent généralement de minuscules sorties 10 (orifices) de décharge d'encre, des canaux d'écoulement d'encre et une partie produisant une énergie déchargeant l'encre, cette dernière partie étant placée en un point des canaux à encre o l'énergie q'elle produit pour décharger l'encre par les sorties de décharge précitées agit sur l'encre présente dans les canaux (parties agissant par énergie). Dans l'art antérieur, on connaît comme procédé de préparation de telles têtes d'enregistrement à jet d'encre, par exemple, le procédé dans lequel de minuscules gorges sont formées sur une plaque de verre ou de métal par usinage ou gravure, puis la plaque présentant les gorges est liée à une plaque appropriée pour former des canaux à encre. Cependant, dans la tête préparée par un tel procédé de l'art antérieur, les parois internes des canaux à en25 cre ainsi formes par une opération de coupe peuvent être trop grossières, ou bien peuvent présenter des déformations dues à des différences du degré d'attaque chimique ou de gravure, de sorte qu'il est difficile d'obtenir des canaux à encre d'une bonne précision et que les têtes d'enregistre30 ment à jet d'encre, une fois préparées, risquent de présenter des caractéristiques de décharge d'encre qui sont dispersées De plus, un écaillage ou une fissuration de la plaque risque d'apparaître pendant l'opération de coupe, ce qui a pour inconvénient un faible rendement de production. Lorsque l'on travaille par gravure ou attaque chimique, les étapes de production sont plus nombreuses, ce qui a pour inconvénient un accroissement du coût En outre, l'inconvénient commun aux procédés de préparation de l'art antérieur mentionnés ci-dessus est que, pendant la superposition d'une plaque gravée dans laquelle des gorges pour canaux à encre sont formées, et d'une plaque de fermeture dans laquelle sont formés des éléments de commande tels que des éléments piézo-électriques et des éléments générateurs de chaleur destinés à fournir de l'énergie agissant sur l'encre, il est difficile d'obtenir un cadrage entre elles avec une bonne precision, ce qui ne permet pas une produc10 tion en grande série. On a proposé, en tant que procédé de production de têtes d'enregistrement à jet d'encre permettant d'éliminer ces inconvénients, un procédé de production dans lequel les parois des canaux à encre sont formées dans une pelli15 cule durcie de résine photosensible, comme décrit dans la demande de brevet japonais n 43876/1982 Conformément à ce procédé, des canaux d'écoulement d'encre peuvent être usinés finement,avec précision et avec un bon rendement De plus, étant donné que ce procédé facilite la production en 20 grande série de têtes à jetsd'encre à bon marché, il peut être considéré comme excellent. Cependant, bien que la tête à jet d'encre obtenue par un tel procédé perfectionné ne présente pas les inconvénients de la tête d'enregistrement à jet d'encre de l'art 25 antérieur, la force d'adhérence entre le substrat et la pellicule de résine photosensible durcie diminue progressivement lors d'une immersion prolongée dans l'encre, entrainant ainsi de minuscules décollements qui ont une influence sur la franchise de la réponse de l'encre, à savoir la pré30 cision des projections de l'encre Ceci a constitué un obstacle important dans la situation,présente au cours des dernières années, dans laquelle il est demandé au système d'enregistrement à jets d'encre de donner une qualité d'image à haute résolution au moyen d'une haute densité de 35 buses. L'invention a pour objet un procédé perfectionné de production d'une tête d'enregistrement à encre qui est précise et qui est aussi d'une grande fiabilité L'invention a également pour objet un procédé de production à un bon rendement, par un processus simple, d'une tête à jet d'encre conçue de façon à présenter des canaux à encre usinés 5 finement et fidèlement au projet avec une bonne précision. L'invention a également pour objet une tête à jet d'encre ayant une excellente longévité d'utilisation. Conformément à l'invention, il est prévu un procédé de production d'une tête d'enregistrement à jet d'encre 10 présentant des canaux à encre dont au moins une partie est formée d'une résine photosensible appliquée sur la surface d'un substrat o il est prévu un élément générateur d'énergie destiné à produire de l'énergie devant être utilisée pour décharger de l'encre, lequel procédé consiste à trai15 ter la surface du substrat avec un agent de couplage du type silane, en association avec un composé possédant un groupe amino, puis à coucher ladite résine photosensible sur le substrat traité. L'invention sera décrite plus en détail en regard 20 des dessins annexes à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels: les figures 1 à 6 sont des coupes transversales schématiques illustrant les étapes de préparation de la tête à jet d'encre selon l'invention; la figure 7 est une vue en perspective de la tête à jet d'encre obtenue par le procédé de l'invention; et les figures 8 et 9 sont des coupes suivant la ligne Z-Z' de la figure 7. Les figures 1 à 6 sont des vues schématiques illustrant le procédé de préparation de la tête à jet d'encre selon l'invention. Dans l'étape montrée sur la figure 1, des éléments 2 de génération d'énergie de décharge d'encre, tels que des 35 éléments générateurs de chaleur ou des éléments piézo-électriques, sont disposés en nombre souhaité sur un substrat 1, par exemple en verre, en céramique, en matière plastique ou en métal et, pour assurer l'isolation électrique, il est prévu un revêtement formé d'une couche protectrice 3 constituée d'un oxyde inorganique et/ou d'un nitrure inorganique tel que Si O 2, Ta 205, A 1203, du verre, Si 3 N 4, BN, etc En 5 outre, pour améliorer la résistance à l'encre, une mince pellicule (non représentée) constituée d'un métal peut également être appliquée sur la couche protectrice Cette mince pellicule de métal peut être constituée de métaux anticorrosion tels que Ti, Cr, Ni, Ta, Mo, W, Nb, etc, et des 10 alliages anti- corrosion tels que l'acier inoxydable, l'alliage métallique du type Monel, etc Des métaux nobles tels que Au, Pd, Pt, etc, bien que présentant une bonne résistance à l'encre, sont insuffisants par rapport au comportement de l'agent de couplage du type silane, comme dé15 crit ci-après, et ils ne sont donc pas nécessairement préférés. Des électrodes d'application de signaux (non représentées sur les dessins) sont connectées aux éléments 2 de génération d'énergie de décharge de l'encre. Lors de l'étape suivante, la surface du substrat 1 obtenu à l'étape montrée sur la figure 1 est nettoyée, séchée à une température de 80 C à 1500 C pendant 10 minutes, puis recouverte, au moyen d'un pulvérisateur tournant, d'une solution mélangée de n-propylamine ayant pour struc25 treméulie CCHCN ture moléculaire CH 3 CH 2 CH 2 NH 2, de ymercaptopropyle triméthoxysilane ayant pour structure moléculaire HS(CH 2) 35 i(OCH 3)3 dans de l'alcool éthylique ( chacun à une concentration de 0, 05 mole / litre), cette opération étant suivie d'un chauffage à 80 C pendant 10 minutes pour favori30 ser la réaction entre le substrat 1 et l'agent de couplage du type silane et former ainsi une couche d'agent de couplage 4 d'une épaisseur de 0,3 gm ou moins couchée sur le substrat afin que celui-ci se présente comme montré sur la figure 2. Dans le procédé selon l'invention, il est possible d'utiliser tous les agents de couplage du type silane généralement connus dans la technique Des exemples typiques de tels agents sont classés conformément aux groupes fonctionnels donnés dans le tableau I Parmi les agents de couplage du type silane, il est avantageux d'utiliser un agent de couplage comportant des groupes fonctionnels qui réagissent avec la face à résine photosensible, sur la base de la composition de résine photosensible utilisée. Tableau I Groupe. fonctionnel Nom chimique Formule développée Vinyltrichlorosilane CH = CH Si CZ 3 Vinylméthoxysilane CH 2 = CH Si(OCH 3)3 C 2 =CH Si(OCH 3) 3 Vinylèthoxysilane CH 2 = CH Si(OC 2 H 5)3 ________ ________ _____CH 2 =CH Si(OC 2 H 5)3 ' Vinylacétoxysilane l Vinyle CH 2 = CH Si(OCCH 3)3 Vinyl-tris(B-méthoxyéthoxy) CH 2 = CH Si(OCH 2 CH 2 OCH 3)3 silane N-B (Nvinylbenzylamino) éthyl-y-aminopropyltri CH 2 = CH /\ CH 2 NI(CH 2)2 NH(HC)2 2 (CH 2) 3 N (OCH) methoxysilane (CH 2)3 Si(OCH 3)3 i i i i i i 0 % tn fi %O -4 N Tableau r (suite 1) =, yméthacryloxypropyltriméthoxysilane y-méthacryloxypropyl-tris(Bméthoxythoxysilane methoxyethoxy)silane _ Cl O CH 23 O 3 CH 2 = C CO(CH 2)3 Si(OCH 3)3 -4 j CH o CH 2 = C CO(CH 2)3 Si(OCH 2 CH 2 OCH 3)3 - Acryle H 3 C O (CH 3)2 Il I CH 2 O(CH 2)2 N ( CH 2)35 i (OCH 3)X-(OC-CH 2 CCH 3)3-x C(CH 3)20 -. j B-( 3,4-époxycyclohexyl)-ethyltriméthylsilane f \CH 2 CH 2 Si(OCH 3)3 Epoxy y-glycidoxypropyltriméthoxy silane ' CH 2 CHCH 2 (CH 2)3 Si(OCH 3)3 y-mercaptopropyltriméthoxysilane HSCH 2 CH 2 CH 2 Si(OCH 3)3 Mercapto ra Do %O -4 1-4 Tableau I (suite 2) I y-mercaptopropylmethyldiméthoxysilane - CH 3 HSCH 2 CH 2 CH 25 i(C 3) HSCH 2 CH 2 CH Sbi(UI méthyltrichlorosilane CH 35 i C 3 diméthyldichlorosilane (CH 3)25 i C 9, Méthyle trimethylchlorosilane (CH 3)35 i CL methyltriméthoxysilane CI 3 Si(OCH 3)3 méthyltriéthoxysilane CH 3 Si(o C 2 Hi 5)3 Hexamethyldisilazane (CH 3)3 Si NH Si(CH 3)3 ychloropropyltriméthoxysilane CZ,CH 3 CH 3 CH 3 Si(OCH 3)3 Chloro ychloropropylméthyldimethoxy- CH 3 silane CLCH 3 CH 3 CH 3 Si(OCHI 3)2 phenyltriméthoxysilane __ _ _ _ _ _ __ ç -O Si(OCH 3)3 Phényle phényltriéthoxysilane _-Si(OC 2 H 5) 3 ru -41 s-là En tant que composé possédant un groupe amino, on peut inclure, comme ceux préférables, les amines aliphatiques parmi lesquelles on préfère particulièrement la n-propylamine, la diéthylamine, l'éthylènediamine et la triéthylamine. En outre, il est également possible d'utiliser un agent de couplage du type silane comportant un groupe amino choisi parmi ceux donnés ci-dessous. Tableau Il Groupe fonctionnel Nom chimique Formule développée yaminopropyltrimethoxysilane NH 2 CH 2 CH 2 CH 2 Si(OCH 3 yaminopropyltriéthoxysilane NH 2 CH N 2 CH 2 CH 2 CH 2 Si(OC 2 H 5)3 NB(aminoethyl)-y-aminopropyl NH 2 (CH 2)2 NH(CH 2)3 si ensuite appliquée. Puis, comme montré sur la figure 3, après qu'un masque photographique 6 de dessin prédéterminé a été superposé à la pellicule sèche de serve photochimique appliquée sur la surface du substrat, une exposition est effectuée par dessus le masque 6 Au cours de cette opé15 ration, il est nécessaire que la position sur laquelle l'élément 2 de génération de la pression de décharge d'encre doit être disposée corresponde à la position du dessin ci-dessus, d'une manière classique. La figure 4 est un schéma illustrant l'étape au 20 cours de laquelle la partie non exposée de la pellicule sèche exposée de réserve photochimique 5 est éliminée par dissolution à l'aide d'un révélateur comprenant un certain solvant organique tel que du trichloréthane, de façon que les canaux 9 à encre soient formés. Puis, pour améliorer la résistance à l'encre de la partie exposée 5 P de la réserve à film sec restant sur le substrat 1 et pour achever la réaction entre cette réserve et l'agent de couplage du type silane, un traitement de maturation à chaud (par exemple par chauffage à une tem30 pérature de 150 à 250 C pendant 30 minutes à 6 heures) ou une irradiation aux rayons ultraviolets (par exemple à une intensité de rayons ultraviolets de 50 à 200 m W/cm 2 ou plus) est réalisé Il est également efficace de procéder à la fois à la maturation ou au durcissement par la chaleur 35 et à la maturation ou au durcissement par rayons ultraviolets comme décrit cidessus. Si la couche 4 constituée d'un agent de couplage du type silane utilisée reste dans les gorges 9, elle risque de se dissoudre dans l'encre et de la dénaturer ou de nuire à la fonction de l'élément 2 de génération d'énergie de décharge d'encre, et il est donc avantageux d'éliminer la couche 4 d'agent de couplage du type silane exposée dans les gorges 9, en la transformant en cendre à l'aide d'un plasma d'oxygène (figure 5). La figure 6 représente la fixation d'une plaque plate 8 de fermeture, par collage à l'aide d'une couche 10 adhésive 7, sur le substrat 1 dans lequel les gorges 9 destinées aux canaux à encre sont formées par la réserve photochimique 5 P à pellicule sèche, qui a été totalement polymérisée afin d'être durcie En l'absence d'un adhésif, la plaque peut également être fixée sous pression. Comme procédés particuliers pour effectuer l'étape de recouvrement montrée sur la figure 6, on peut utiliser 1) un procédé dans lequel une plaque plate 8, par exemple en verre, en céramique, en métal, en matière plastique, etc, est soumise à une enduction, par un pulvérisateur rotatif, d'une résine du type époxy jusqu'à une épaisseur de 3 à 4 Nm, suivie par le passage à la phase dite B de l'adhésif 7 par chauffage préliminaire, puis la plaque plate revêtue est appliquée sur la pellicule de ré25 serve photochimique durcie 5 P, cette opération étant suivie de la maturation ou du durcissement principal de l'adhésif précité; ou 2) un procédé dans lequel une plaque plate 8 en résine thermoplastique, par exemple en résine acrylique, en résine acrylonitrile-butadiène-styrène,en polyéthylène, etc, est soudée à chaud pour adhérer directement sur la pellicule de réserve photochimique durcie 5 P. La figure 7 est une vue schématique en perspective montrant l'aspect de la tête après l'achèvement de l'é35 tape illustrée sur la figure 6 Sur la figure 7, la référence numérique 9-1 désigne une chambre d'alimentation en encre, la référence 9-2 désigne des canaux étroits d'écoulement d'encre et la référence 10 désigne des trous de traversée permettant de raccorder des tubes d'alimentation en encre (non représentés sur la figure) à la chambre 9-1 d'alimentation en encre. Une fois que la liaison entre le substrat dans lequel les gorges sont formées et la plaque plate est achevée, comme décrit ci-dessus, la zone liée est coupée suivant la ligne C-C' montrée sur la figure 7 Ceci est réalisé pour optimiser l'intervalle entre l'élément 2 de géné10 ration de la pression de décharge de l'encre et la sortie 9-3 de décharge d'encre dans les canaux étroits 9-2 d'écoulement de l'encre La zone à couper peut être convenablement déterminée comme souhaité Pour effectuer cette coupe, on peut utiliser le procédé de découpage par pro15 jection d'une suspension abrasive à l'aide de lames tournantes ("dicing") classiquement utilisé dans l'industrie des semi-conducteurs. La figure 8 est une coupe suivant la ligne Z-Z' de la figure 7 La face coupée est polie de façon à être lisse et les tubes d'alimentation en encre sont montés sur les trous traversants 10 afin que la tête d'enregistrement à jet d'encre soit achevée (figure 9). Dans les formes de réalisation représentées sur les dessins tels que décrits ci-dessus, en tant que com25 position photosensible (réserve photochimique) pour la préparation des gorges, on a utilisé le type à pellicule sèche, à savoir un solide, auquel, cependant, l'invention n'est pas limitée, car une composition photosensible liquide peut également convenir. Comme procédé pour former la pellicule revêtue de cette composition photosensible, on peut utiliser, dans le cas d'un liquide, le procédé à la raclette utilisé dans la préparation d'une image en relief, à savoir le procédé dans lequel une paroi d'une hauteur correspondant à l'é35 paisseur d'une pellicule souhaitée de composition photosensible, est placée autour du substrat, et la composition superflue en est retirée au moyen d'une raclette Dans ce cas, la composition photosensible peut avoir une viscosité avantageusement de 100 à 300 10 -3 Pa s La hauteur de la paroi à placer autour du substrat doit être déterminée en tenant compte de la réduction par vaporisation du solvant entrant dans la composition photosensible. Par ailleurs, dans le cas d'un solide, la feuille de composition photosensible est couchée sur le substrat par contact sous pression, à chaud Dans la présente invention, il est avantageux d'utiliser une pellicule du type 10 solide du point de vue de la manipulation ainsi que de la facilité et de la précisiondu réglage de l'épaisseur. On peut citer, pour des feuilles en matières solides de ce type, des feuilles de résine photosensible commercialisées sous le nom de "RISTON", qui sont des masques à 15 soudure à revêtement photopolymère permanent, des types " 730 S, 740 S, 730 FR, 740 FR et SM 1 ", produits par Du Pont Co. De plus, on peut également utiliser dans la présente invention, comme composition photosensible, un cer20 tain nombre de compositions photosensibles utilisées dans le domaine de la photolithographie en général, par exemple des résines photosensibles, des réserves photochimiques, etc Ces compositions photosensibles peuvent comprendre par exemple, des résines diazo, des p-diazoquinones et d'autres photopolymères du type photopolymérisable tels que ceux utilisant des monomères de vinyle et des initiateurs de polymérisation, des photopolymères du type à dimérization utilisantdu cinnamate polyvinylique, etc, et des sensibilisateurs, des mélanges de o-naphtoquinone 30 azide et de résines phénoliques du type novolaque, des mélanges d'alcool polyvinylique et de résines diazo, des photopolymères du type polyéther comportant de l'oxyde de 4-glycidyléthylène copolymérisé avec de la benzophénone ou de la glycidylchalcone, des polymères de N,N-diméthyl35 méthacrylamide avec, par exemple, un acrylamide, une benzophénone, des résines photosensibles du type polyester insaturé (par exemple "APR" (Asahi Kasei), Tevista (Teijin), Sonne (Kansai Paint), etc), des résines photosensibles du type à oligomère d'uréthanne insaturé, des compositions photosensibles comprenant des mélanges d'un monomère acrylique bi- fonctionnel et d'initiateurs de photopolymérisa5 tion et de polymères, une réserve photochimique du type acide bichromique, une réserve photochimique hydrosoluble du type sans chrome, une réserve photochimique du type vinyle d'acide polycinnamique, une réserve photochimique du type caoutchouc cyclisé-azide, etc. Comme décrit en détail précédemment, l'invention produit les effets indiqués ci-dessous: 1 En raison de l'adhérence accrue entre le substrat et la résine photosensible, aucun décollement de cette dernière du substrat n'apparaît, même sous l'effet de choc, 15 notamment lors de l'opération de coupe pour former les sorties de décharge d'encre; 2 en améliorant la résistance au solvant de la partie collée, aucun décollement n'apparaît entre les parois des canaux formés dans une pellicule de résine photo20 sensible durcie et le substrat, même lorsque l'on utilise une encre contenant un solvant tel que de l'éthylèneglycol; 3 en raison de la stabilité élevée de la forme des sorties de décharge d'encre, la précision des points sur lesquels l'encre est projetée est maintenue à une va25 leur élevée indépendamment du temps. Ces effets de l'invention sont illustrés en détail dans les exemples suivants Hormis les variations concernant les matières des surfaces des substrats des exemples respectifs et la réali30 sation ou non du traitement à la y-mercaptopropyltriméthoxysilane seule, dans les exemples comparatifs, et la réalisation du traitement avec une solution mélangée de y-mercaptopropyltriméthoxysilane et de n-propylamine ou de yaminopropyltriméthoxysilane dans de l'éthanol (chacune à une concentration de 0,05 mole/litre) dans les exemples, en suivant les mêmes étapes que celles décrites précédemment (figures 1 à 6), on prépare un certain nombre de têtes d'enregistrement à jet d'encre présentant 24 sorties de décharge d'encre Dans l'exemple comparatif 3 a et dans les exemples 3 b et 3 c, une mince couche Ta est appliquée pour conférer une certaine résistance à l'encre à la surface du substrat Parmi ces échantillons de têtes, certains, normaux, exempts de décollement de la résine photosensible du substrat sont essayés par immersion dans une solution contenant 20 % d'eau et 80 % d'éthylèneglycol, à 80 C pendant 2500 heures Puis on procède à un essai de choc thermique 10 sur la tête immergée dans la solution ci-dessus, essai au cours duquel 100 cycles de refroidissement à -30 C et de chauffage à + 60 C sont répétés Après ces essais on observe le décollement de la résine photosensible par rapport au substrat Les résultats sont indiqués dans le 15 tableau III. Les têtes à jet d'encre obtenues dans l'exemple comparatif 3 a et dans l'exemple 3 c sont soumises à un essai en longévité d'impression de lettres a l'aide de 108 signaux d'impulsion appliqués aux éléments générateurs 20 d'énergie On obtient, comme résultat, une précision du point projeté de 11 gm à une distance de projection de 2 mm de la tête de l'exemple 3 c, alors qu'elle est de gm à une distance de projection de 2 mm-dans le cas de l'exemple comparatif 3 a. La résine photosensible utilisée est dans tous les cas une réserve photochimique à pellicule sèche du type "RISTON 730 S" (nom commercial d'un produit de la firme Du Pont Co). Tableau III " _ _,, N d'exemple Matière de Agent de Amine Nombre de têtes décollées la surface couplage * 3 Test Essa de Test Essai de du substrat du type d'immersion choc thermique silane Exemple compa non ratif la Si O 2 utilisé non utilisé * 1 * 1 Exemple comparatif lb Si O 2 utilisé " " 1/20 3/20 Exemple 1 C Si O 2 " n-propylamine 0/20 0/20 Exemple comparatif 2 a Ta 205 utilisé non utilisé 3/20 8/20 Exemple 2 b Ta 25 n-propylamine 0/20 0/20 Exemple 2 c Ta 2 05 y-aminopropyl 0/20 0/20 triméthoxysilàa e ao ru vi V 1 Tableau III (suite) Exemple comparatif 3 a Ta utilisé non utilisé 3/20 5/20 Exemple 3 b Ta l" n-propylamine 0/20 0/20 Exemple 3 c Ta " yaminopropyl 0/20 0/20 triméthoxysilane * 1 Rapport des têtes décollées à la fin de l'essai aux têtes avant les essais d'immersion et de choc thermique: 18/20 es O M ni.r, NO -14 1 -11 II REVENDICATIONS 1 Procédé de production d'une tête d'enregistrement à jet d'encre présentant des canaux d'écoulement d'encre dont au moins une partie est formée par traitement d'une résine photosensible ( 5) sur la surface d'un substrat ( 1) qui porte un élément ( 2) générateur d'énergie destiné à produire de l'énergie à utiliser pour la décharge d'encre, le procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à traiter la surface du substrat avec un agent de couplage du type silane, en association avec un composé possédant un groupe amino, puis à coucher ladite résine photosensible sur le substrat. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément générateur d'énergie est un élément de 15 génération de chaleur. 3 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément générateur d'énergie est-un élément piézo-électrique. 4 Procédé selon la revendication 1, caractérisé 20 en ce que la couche d'agent de couplage du type silane formée lors du traitement à l'aide d'un tel agent présente une épaisseur de 0,3 Dm ou moins. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le composé possédant un-groupe amino est une 25 amine aliphatique. 6 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit composé possédant un groupe amino est un agent de-couplage du type silane possédant un groupe amino.