(57)【要約】  インクジェットプリンタで使用されるためのインク組成物が提供される。インク組成物は、キャリア媒体、着色剤およびシリコンドープ剤を含有する。シリコンドープ剤は、ケイ酸、二酸化ケイ素またはケイ酸塩を含有することができる。このシリコンドープインクは、プリムヘッドのシリコンベースの部品のエッチングを低減し、抑制する。シリコンがドープされたインクは、損傷からプリントヘッドを保護し、その結果、プリムヘッドの信頼性を向上させ、プリントヘッドの寿命を延ばす。【特許請求の範囲】
【請求項１】
プリントヘッドの部品のエッチングを低減するためのインク組成物であって、
キャリア媒体と、
着色剤と、
シリコンドープ剤とを備え、
シリコンドープ剤は、少なくとも３０ｐｐｍのケイ素（シリコン）の量で添加され、シリコンドープ剤は、インク組成物をシリコンで飽和させる。
【請求項２】
シリコンドープ剤は、ケイ酸を含有する、請求項１に記載のインク組成物。
【請求項３】
シリコンドープ剤は、二酸化ケイ素を含有する、請求項１に記載のインク組成物。
【請求項４】
シリコンドープ剤は、ケイ酸塩を含有する、請求項１に記載のインク組成物。
【請求項５】
キャリア媒体は、水ベースの媒体を含有する、請求項１に記載のインク組成物。
【請求項６】
キャリア媒体は、有機溶媒を含有する、請求項１に記載のインク組成物。
【請求項７】
着色剤は、顔料、染料またはそれらの組合せを含有する、請求項１に記載のインク組成物。
【請求項８】
分散剤をさらに含有する、請求項１に記載のインク組成物。
【請求項９】
湿潤剤をさらに含有する、請求項１に記載のインク組成物。
【請求項１０】
界面活性剤をさらに含有する、請求項１に記載のインク組成物。
【請求項１１】
殺生物剤をさらに含有する、請求項１に記載のインク組成物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般的なイメージングに関し、より具体的には、プリントヘッド部品のエッチングを抑制するインク組成物に関する。
【背景技術】
【０００２】
堅牢で高い印刷能力を有するプリントヘッドは、インクジェットプリンタにとって望ましい。しかしながら、顔料系インクなどのインクは、接触時間を通してプリントヘッドのシリコンベースの部品をエッチングする傾向がある。これらのシリコンベースの部品は、二酸化ケイ素の保護オーバーコートとヒータチップのシリコン基板とを含んでいてもよい。これらのシリコンベースの部品の著しいエッチングは、最終的に、光画像形成可能なノズルプレートの層間剥離、ヒータチップの不良、または、プリントヘッドのヒータチップ回路の電気的相互接続の腐食をもたらす可能性がある。これにより、プリントヘッドの寿命が減少される。
【０００３】
保護オーバーコートまたはより腐食抵抗のある薄膜が、チップのエッチングを抑制するためにヒータチップ上に適用されてもよい。しかしながら、これらの保護による解決法は、製造工程において適用することが難しく、ヒータチップの性能を妨げる可能性がある。したがって、より良く、かつ、より恒久的な解決法が必要である。本件の発明者は、シリコンドープ剤でインクを処理することにより、プリントヘッド部品のエッチングを低減または排除可能であることを発見した。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、プリントヘッドの信頼性を向上させ、より長いプリントヘッドの寿命を保障するために、プリントヘッドのシリコンベースの部品のエッチングを抑制するインク組成物を提供する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示は、プリントヘッドのシリコンベースの部品のエッチングを抑制するために、インクジェットプリンタに使用されるためのインク組成物を提供する。インク組成物は、キャリア媒体、着色剤およびシリコンドープ剤を含有する。シリコンドープ剤は、ケイ酸、二酸化ケイ素、またはケイ酸塩を含む群から選択されて含むことができる。最も好ましいシリコンドープ剤は、ケイ酸である。
【発明の効果】
【０００６】
このシリコンドープインクは、プリントヘッドのシリコンベースの部品のエッチングを低減または抑制する。シリコンがドープされたインクは、損傷からプリントヘッドを保護することができ、その結果、プリントヘッドの信頼性を向上させるとともに、プリントヘッドの寿命を延ばすことができる。
【０００７】
上記特徴や他の特徴、および、開示の種々の実施形態の利点と、それらを達成する方法とは、添付の図面の参照によってより明確になるとともに、より良く理解される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、インクジェットプリンタのヒータチップの概略図である。
【図２】図２は、二酸化ケイ素の材料上に着色されたインクジェットインクのエッチング速度を示したグラフである。
【図３】図３は、着色されたマゼンタインク配合物のシリコン飽和曲線を示したグラフである。
【図４】図４は、シリコンベースの材料上の本件開示のインク組成物のエッチング性能を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本開示は、以下の説明または図面に図示された構成の詳細およびそれに向けた組成物の配置への適用に限定されないことは理解されるべきである。本開示は、他の実施形態、および、種々の方法による実行または実施を可能にする。また、本明細書で使用される表現および用語は、説明のためのものであり、限定するためのものとされるべきではないことは理解されるべきである。「含む、含有する（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「含む、含有する（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む、含有する（ｈａｖｉｎｇ）」およびこの明細書におけるそれらの変形の使用は、その後に列挙される項目、均等物および追加の項目を包含することを意味する。さらに、「ａ」および「ａｎ」という用語は、数量を限定するものではなく、言及されたものの少なくとも１つの存在を意味する。
【００１０】
図１に示すように、インクジェットプリンタのヒータチップの一部の断面図（正確な縮尺ではない）が、図示されている。ヒータチップは、一般に、半導体基板１０１と、半導体基板１０１上に配置または成長された絶縁層１０２とを含んでいる。インクビア１０８は、半導体基板１０１を通ってエッチングされていてもよい。抵抗層１０４は、絶縁層１０２上の一部分上に配置されることができる。導電層１０３は、抵抗層１０４上に配置され、電源と接地導体との間に規定されるヒータ抵抗器１１２に電源および接地導体を提供するためにエッチングされていてもよい。表面安定化処理層１０５は、流体腐食からヒータ抵抗器１１２を保護するためにヒータ抵抗器１１２および導電層１０３の一部分の上に配置されることができる。それから、キャビテーション層１０６は、ヒータ抵抗器１１２に重なっている表面安定化処理層１０５の上に配置されていてもよい。その他の絶縁性誘電体層１１１は、上部導電層（図示せず）と導電層１０３との間の絶縁を提供するために導電層１０３に重なっていることができる。それから、保護オーバーコート１０７は、ヒータチップ上の頂部のメタライゼーションを保護するために絶縁性誘電体層１１１の頂部の上に配置されることができる。フロー特性１０９およびノズルプレート１１０を含む流体構造は、保護オーバーコート１０７の頂部の上に配置されている。これらの流体構造は、レーザーアブレーションまたはフォトイメージブルポリマーの使用のような従来の技術によって形成することができる。
【００１１】
半導体基板１０１は、典型的にはシリコンにより作られ、約１００から約８００ミクロンまたはそれ以上の範囲の厚さを有することができる。絶縁層１０２は、二酸化ケイ素、リンケイ酸ガラス（ＰＳＧ）またはホウリンケイ酸ガラス（ＢＰＳＧ）により作られていてもよい。絶縁層１０２は、約３０００から約８０００オングストロームの範囲の厚さを有することができる。
【００１２】
導電層１０３は、導電性の金属から選択され、金、アルミニウム、銀、銅などを含むがそれに限定されない。導電層１０３は、約４０００から約１５０００オングストロームの範囲の厚さを有していてもよい。キャビテーション層１０６は、典型的には、タンタル（Ｔａ）により作られ、約１５００から約８０００オングストロームの範囲の厚さを有していてもよい。
【００１３】
表面安定化処理層１０５は、典型的には、約１０００から約８０００オングストロームの範囲の厚さの窒化ケイ素（ＳｉＮ）を用いることができる。絶縁性誘電体層１１１は、窒化ケイ素、炭化ケイ素、二酸化ケイ素、スピンオングラス（ＳＯＧ）などを含有していてもよい。絶縁性誘電体層１１１は、約５０００から約２００００オングストロームの範囲の厚さを有していてもよい。保護オーバーコート１０７は、典型的には、シリコン酸化物またはシリコン窒化物を含有し、約５０００から１００００オングストロームの範囲の厚さを有していてもよい。
【００１４】
印刷動作では、インクはインクビア１０８を介して供給され、ヒータチップのチャンバ内を満たす。インクが完全に保護オーバーコート１０７をエッチングすれば、頂部のメタライゼーションがインクにさらされる。これにより、ヒータチップの電気的故障を引き起こす。さらに、それは、流体構造の層間剥離ももたらすであろう。したがって、これは、液滴形成およびインクの吐出の劣化となる。長寿命化のためのインクジェットプリンタのプリントヘッドの信頼性を向上させるために、ヒータチップの部品は、堅牢で、インクの腐食や損傷に対して抵抗性を有するべきである。
【００１５】
典型的な顔料系インクを用いてシリコンウェハ上で行われたインク浸漬試験は、インクジェットインクがシリコンベースの材料をエッチングする傾向があることを示している。図２は、異なる温度において二酸化ケイ素の材料上に着色されたシアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）およびブラック（Ｍ１Ｋ）インクジェットインクのエッチング速度を示している。二酸化ケイ素のエッチング速度は、温度の上昇とともに増加する。これは、シリコンベースの材料がインクに長時間さらされた後、シリコンベースの材料が著しくエッチングされたことを示している。これにより、シリコンベースの材料は、損傷を受ける。
【００１６】
インクジェットインクは、典型的には、キャリア媒体および着色剤を含有している。キャリア媒体は、水、水溶性有機溶媒、または、それらの組合せを含有することができる。着色剤は、溶解性の染料、不溶性の顔料、または、それらの組み合わせであってもよい。
【００１７】
１，３−プロパンジオール，１−（２−ヒドロキシエチル）−２−ピロリジノン），トリメチロールプロパンおよびポリオールを含む１種以上の保湿剤が、インクに含有されていてもよい。市販されていて利用可能なポリオールは、例えば、米国オハイオ州トレドに所在するピーストロープポリオールズ社のＰＯＬＹＯＬ（登録商標）３１６５である。
【００１８】
界面活性剤が、表面張力を適切なレベルに調整するためにインクに添加されていてもよい。界面活性剤は、アニオン性、カチオン性、両性または非イオン性であってもよい。特に有用な非イオン性界面活性剤は、米国ペンシルバニア州アレンタウンに所在するエアープロダクツ社のＳＵＲＦＹＮＯＬ（登録商標）４５６という商品名で販売されている。
【００１９】
ポリマー分散剤が、インクに添加されていてもよい。本発明において使用に適したポリマー添加剤は、インクジェットインク製剤中のポリマー添加剤として使用するのに好適な当技術分野において公知のアニオン性、カチオン性または非イオン性のいずれかを含有している。インク配合物に添加されるポリマー添加剤の量は、粘度、安定性および光学密度のようなインクの特性にマイナスの影響を及ぼしてはならない。本発明のインク組成物は、インクジェットインク組成物全体の総重量に対して約０．５％から約２％、最も好ましくは約０．８％の量のポリマー添加剤を含有する。
【００２０】
ポリマー添加剤は、グラフト共重合体であり、好ましくは、フリーラジカル重合法により製造されたターポリマーである。それは、好ましくは、３つのモノマーまたは成分を含有している。すなわち、親水性成分、疎水性成分および保護コロイド成分である。３つの成分の比率は、変更可能である。親水性成分：疎水性成分：保護コロイド成分の好ましい比率は、５：１：１から２０：１：１の範囲にすることができ、最も好ましいのは、１５：１：１である。このポリマー添加剤とその重合については、本出願の譲受人に譲渡されているＵＳ６，６５２，６３４および６，８９６，７２４により詳細に記載されている。
【００２１】
ポリマー添加剤の親水性成分は、アクリル酸、メタクリル酸、クロトン酸、または、モノマーを含有する他の酸から選択されることができるイオン性のモノマーセグメントであることが好ましい。親水性セグメントは、好ましくは、ポリマー添加剤の静電気的な安定性を提供する。特に好ましいのは、メタクリル酸（ＭＡＡ）である。
【００２２】
ポリマー添加剤の疎水性成分は、好ましくは、非極性の官能性を有している。電子豊富な官能基を提供する好ましい基は、ノニルフェニル、モノ−、ジ−およびトリ−スチレンフェノール、ポリジメチルシロキシ、およびステリルを含んでいる。そのようなモノマーの例は、日本国の東京に所在する東亞合成社のＡｒｏｎｉｘ  Ｍ−１１７という商品名の重合性単官能ビニルモノマー、日本国の東京に所在するチッソ社のポリジメチルシロキサンを末端とするモノメタクリロキシプロピルを含有するが、これらには限定はされない。非シロキシル疎水性モノマーは、長鎖脂肪族、長鎖アルコールおよびアルキルアリールアルコールから誘導されることができる。このような材料の例は、好ましくは、ステアリル、メタクリレート、ノニルフェノールアクリレートまたはメタクリレートを含む。最も好ましい疎水性成分は、東亞合成社からＡｒｏｎｉｘ  Ｍ−１１７という商品名で販売されているポリプロピレングリコールノニルフェニルエーテルアクリレートである。
【００２３】
ポリマー添加剤のもう一つの重要な成分は、保護コロイド成分である。この成分は、水系でターポリマーに過度の安定性を与える。この成分の使用により、実質的に、必要とされるイオン性モノマー成分の量が減少される。したがって、ポリマー添加剤の非イオン性の水への溶解性を増加させる。好ましい保護コロイドセグメントは、アルキレン基が３個から１０個の炭素原子を含んでいるポリ（エチレングリコール）２，４，６−トリス−（１−フェニルエチル）フェニルエーテルメタクリレート（Ｓｉｐｏｍｅｒ  ＳＥＭ−２５）、および、そのジ誘導体およびモノ誘導体である。このタイプのモノマーは、米国ニュージャージー州クランベリーに所在するローディア社からＳＩＰＯＭＥＲ／ＳＥＭ２５という商品名で商業的に入手可能である。
【００２４】
レックスマークインターナショナル（登録商標）社から入手可能な特に有用であるポリマー添加剤は、メタクリル酸（ＭＡＡ）の一部を有しているアクリルターポリマーである。つまり、ポリ（プロピレングリコール）２，４，６−トリス−（１−フェニルエチル）フェニルエーテルメタクリレート（Ｓｉｐｏｍｅｒ  ＳＥＭ−２５）である。例示的な実施形態において、ＭＡＡ：Ａｒｏｎｉｘ  Ｍ−１１７：Ｓｉｐｏｍｅｒ  ＳＥＭ−２５のモル比は、４：１：１から４０：２：１の範囲である。最も好ましい実施形態では、ＭＡＡ：Ａｒｏｎｉｘ  Ｍ−１１７：Ｓｉｐｏｍｅｒ  ＳＥＭ−２５のモル比は、１５：１：１ある。代わりに、ＭＡＡ：Ａｒｏｎｉｘ  Ｍ−１１７：Ｓｉｐｏｍｅｒ  ＳＥＭ−２５のモル比は、６．２：１：１でもよい。このポリマー添加材と、その重合は、本発明の譲受人に譲渡されたＵＳ６，６５２，６３４およびＵＳ６，８９６，７２４により詳細に記載されている。そして、それらの全体の開示内容が、参照文献としてここに組み込まれる。
【００２５】
他の有用なポリマー分散剤は、アニオン性親水性モノマーおよび疎水性芳香族モノマーの両方を有するグラフトポリマーである。親水性モノマーは、典型的にラジカル重合に用いられるビニル、アクリルまたはメタクリル分子を含有する任意のカルボン酸でありうる。例としては、メタクリル酸またはアクリル酸である。疎水性モノマーは、典型的にラジカル重合に用いられるアクリル、メタアクリル、ビニルまたはスチレンを含むタイプのモノマーを含有する任意のフェニルでありうる。このタイプの例示的なポリマー添加剤は、レックスマークインターナショナル（登録商標）社により製造されたコポリマーであり、親水性成分のためのメタクリル酸と、疎水性成分のためのベンジルメタクリレートとを用いている。メタアクリル酸とベンジルメタクリレートとのモル比は、１：１である。他の有用なポリマー添加剤は、ターポリマーの疎水性成分中のスチレンおよびアルファ−メチルスチレンと、親水性成分中のアクリル酸とが使用されたターポリマーである。このターポリマーは、ＢＡＳＦ社からＪｏｎｃｒｙｌ（登録商標）ＨＰＤ６７１という商品名により販売されている。他の有用なポリマー添加剤は、レックスマークインターナショナル（登録商標）社により製造されており、本発明の譲受人に譲渡されているＵＳ５，７１４，５３８およびＵＳ５，７１９，２０４に記述されている。
【００２６】
殺生物剤が、カビや真菌などの微生物の増殖を抑制するためにインクに添加されていてもよい。例示としての殺生物剤は、メチル−４−イソチアゾリン−３−オンを含有していてもよい。商業的に入手可能な殺生物剤は、例えば、米国ペンシルバニア州のフィラデルフィアに所在するローム・アンド・ハース社のＫＯＲＤＥＸ  ＭＬＸである。
【００２７】
追加の添加剤は、必要に応じてインク中に存在することができる。これらは、増粘剤、コゲーション防止剤、導電性増強剤、乾燥剤、浸透剤、消泡剤、腐食防止剤、粘度調整剤、または、分散剤を含有することができる。例えば、分散剤は、アクリルターポリマー分散剤を含有することができる。
【００２８】
本開示は、ヒータチップのシリコンベースの部品のエッチングを抑制するためにシリコンドープ剤を含有するインク組成物を提供する。シリコンドープ剤は、ケイ酸、二酸化ケイ素、またはケイ酸塩を含有することができる。例示としてのケイ酸は、メタケイ酸（Ｈ２ＳｉＯ３）、オルトケイ酸（Ｈ４ＳｉＯ４）、二ケイ酸（Ｈ２Ｓｉ２Ｏ５）、および、パイロケイ酸（Ｈ６Ｓｉ２Ｏ７）を含有することができる。例えば、ケイ酸塩は、オルトケイ酸塩、パイロケイ酸塩、メタケイ酸塩、酸相似物、または、それらの組み合せを含有することができる。ケイ酸塩のさらなる例は、ネソケイ酸塩、ソロケイ酸塩、シクロケイ酸塩、イノケイ酸塩、および、テクトケイ酸塩を含有していてもよい。ケイ酸塩は、ナトリウム、カリウム、カルシウムまたはアルミニウムのケイ酸塩を含有する種々の形態であってもよい。
【００２９】
インク組成物は、少なくとも３０ｐｐｍのケイ素（シリコン）の量をシリコンドープ剤として含有することができる。より好ましくは、シリコンドープ剤は、インク組成物がシリコンで飽和する量で添加されてもよい。本明細書においては、飽和という用語は、与えられた温度で溶液により可溶化された物質の最大量の点を指す。インク組成物のシリコン飽和は、実験的に収集されてもよい。図３は、着色されたマゼンタインク配合物の例示としてのシリコン飽和曲線を示している。示されたデータは、一定の時間、与えられた温度でシリコンベースの材料を浸漬した後のインク配合物のシリコン濃度である。図３に示されるように、例示された着色されたマゼンタインク配合物は、約７０ｐｐｍから約８０ｐｐｍの量でシリコンで飽和されてもよい。インク組成物のシリコン飽和量は、インクの組成に依存して変化してもよい。シリコンドープ剤は、インクの品質および性能が損なわれない限り、シリコンの飽和量より小さい量か、または、シリコンの飽和量より大きい量になる量でインクに添加されていてもよい。
【００３０】
表１は、シリコンドープ剤を含有しないコントロールインクと、本開示による異なる濃度量のシリコンドープ剤を使用したインク組成物の配合例を示している。
【表１】
2015525819.tif 000002
表１に列挙されたインク配合物は、インク組成物の他の成分と混合する前に、シリコンドープ剤と脱イオン水とを予め混合することによって調製されることができる。例示的な実施形態では、シリコンドープ剤は、５０％水溶液に調製され、濃度の異なるレベルでインク配合物に加えられていてもよい。異なる濃度レベルは、表１に列挙されている。その後、調製されたインク配合物は、６μｍおよび１．２μｍのポリプロピレンのフィルターを通して濾過することができる。表１を参照すると、配合物Ａは、シリコンドープ剤を含有しておらず、対照として用いられる。配合物Ｂ、Ｃ、ＤおよびＥは、それぞれ、インク組成物の重量に対して０．０５％、０．２０％、０．５０％および２．００％の濃度でシリコンドープ剤としてのケイ酸を含有する。インク配合物Ａ、Ｂ、Ｃ、ＤおよびＥに対応するシリコン濃度は、図４に示されている。
【００３１】
シリコンベースの材料に関して、配合されたインク組成物Ａ〜Ｅのエッチング性能が評価されている。図４は、約６０℃の温度で１０日間、表１に示されたインク組成物中に浸漬された二酸化シリコン材料のエッチングされた厚みを示している。追加されたケイ酸は、インク配合物中のシリコン源として機能する。図４は、シリコンベースの材料のエッチングを抑制するために必要とされる最小シリコン濃度のインク配合物の良好な指標を示している。ゼロのシリコンドープ剤を含有するインク配合物Ａは、略８０００オングストロームの厚さ、二酸化シリコン材料を著しくエッチングした。少なくとも３０ｐｐｍの濃度のシリコンを含有するインク配合物Ｃ、ＤおよびＥは、二酸化シリコン材料のエッチングを抑制する。インクにシリコンをドープすることは、プリントヘッドアセンブリのシリコンベースの部材のエッチングを低減し、抑制する。シリコンがドープされたインクは、プリントヘッドアセンブリを損傷から保護することができる。したがって、プリントヘッドの信頼性を向上させ、プリントヘッドの寿命を増大させることができる。
【００３２】
表１に示されたインク配合の物性が、エージングサイクルの前後において測定される。エージングサイクルは、約６０℃の温度に２、４、６および８週間の期間、インク配合物をさらすことを含んでいる。表２は、ｐＨ、粒子径、粘度および表面張力を含む測定された物性を示している。
【表２】
2015525819.tif 000003
【００３３】
表２を参照して、インク配合物にケイ酸を添加することは、実質的にインク組成物の物性を変更しない。これらの結果は、インク配合物へのシリコンドープ剤の添加が、不都合な化学的な劣化またはインク組成物の劣化現象を誘発しないことを示している。
【００３４】
本開示のインク組成物は、熱または圧電ドロップオンデマンドプリンタおよび連続インクジェットプリンタを含む任意のインクジェット印刷システムで使用可能である。特定のインク配合物は、インクジェット印刷システムの種類、および、所望の印刷品質および性能に依存して変更してもよい。
【００３５】
上記において説明された幾つかの方法および実施形態は、説明の目的のために示されたものである。上記に網羅されたことに意図されないし、開示された正確な動作および／または形式に開示内容が限定されることを意図するものではない。明らかに多くの改良や変形は、上記の教示に照らして可能である。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定義されることが意図される。
【図１】
2015525819.tif 000004
【図２】
2015525819.tif 000005
【図３】
2015525819.tif 000006
【図４】
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【国際調査報告】
2015525819.tif 000008
2015525819.tif 000009
2015525819.tif 000010