(57)【要約】  マイクロ流体噴出装置のための流体タンクが提供される。その流体タンクは、内部表面コーティングを有するハウジングを含む。内部表面コーティングは、約１２０度よりも大きな水接触角を有する超疎水性表面のための高度な疎水性と、約２０ｍＪ／ｍ２よりも小さな表面エネルギーとを有する。その内部表面コーティングは、ナノ粒子と疎水性物質とを含む。その流体タンクは、インクレベル測定システムを有するインク容器として適しており、インクレベル測定システムを正確で、かつ、迅速な応答性を可能にさせる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部表面コーティングを有するプラスティックハウジングを含む流体タンクであって、
前記内部表面コーティングは、
前記ハウジングの内部表面に表面質感および表面粗さを与えるためのナノ粒子と、
前記ナノ粒子をコーティングまたはカプセル化するための疎水性物質とを備え、
前記内部表面コーティングは、約１２０度よりも大きな水接触角を有する超疎水性表面のための高度な疎水性と、約２０ｍＪ／ｍ２よりも小さな表面エネルギーとを有する。
【請求項２】
前記ナノ粒子は、金属酸化物を含む、請求項１に記載の流体タンク。
【請求項３】
前記ナノ粒子は、約５から約１００ナノメートルまでの範囲の粒径を有する、請求項１に記載の流体タンク。
【請求項４】
前記疎水性物質は、有機シランを含む、請求項１に記載の流体タンク。
【請求項５】
前記有機シランは、ペルフルオロデシルトリクロロシラン、ペルフルオロオクチルトリクロロシラン、ノノフルオロヘキシルトリクロロシラン、ペンタフルオロフェニルトリクロロシラン、ｎ−オクチルトリクロロシラン、ペンタフルオロデシルトリクロロシラン、または、それらの組み合わせからなる、請求項４に記載の流体タンク。
【請求項６】
流体タンクの表面コーティングを作製するための方法であって、
前記流体タンクのハウジングを準備することと、
ナノ粒子が前記ハウジングの表面に堆積される前に、気相反応を用いて形成された前記ナノ粒子を前記ハウジングの前記表面に堆積することと、
化学的蒸着を用いて疎水性物質を有する前記ナノ粒子をカプセル化することとを備え、
前記表面コーティングは、約１２０度よりも大きな水接触角を有する超疎水性表面のための高度な疎水性と、約２０ｍＪ／ｍ２よりも小さな表面エネルギーとを有する。
【請求項７】
前記ナノ粒子は、金属酸化物を含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記ナノ粒子は、約５ｎｍから約１００ｎｍまでの範囲の粒径を有する、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記疎水性物質は、有機シランを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
前記有機シランは、ペルフルオロデシルトリクロロシラン、ペルフルオロオクチルトリクロロシラン、ノノフルオロヘキシルトリクロロシラン、ペンタフルオロフェニルトリクロロシラン、ｎ−オクチルトリクロロシラン、ペンタフルオロデシルトリクロロシラン、または、それらの組み合わせからなる、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
流体タンクの表面コーティングを作製するための方法であって、
前記流体タンクのハウジングを準備することと、
スラリーを得るために、疎水性溶液にナノ粒子を混合することと、
前記ハウジングの表面に、前記スラリーを堆積させることと、
前記スラリーをオリゴマー化するため、および、前記ナノ粒子をカプセル化するために、焼成することとを備え、
前記内部表面コーティングは、約１２０度よりも大きな水接触角を有する超疎水性表面のための高度な疎水性と、約２０ｍＪ／ｍ２よりも小さな表面エネルギーとを有する。
【請求項１２】
前記スラリー中の前記ナノ粒子は、約５重量％から約５０重量％の濃度を有する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記ナノ粒子は、約５ｎｍから約１００ｎｍまでの範囲の粒径を有する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記ナノ粒子は、金属酸化物からなる、請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
前記疎水性溶液は、水および有機溶媒中において、約１重量％から約２５重量％の濃度の疎水性物質からなる、請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
前記疎水性物質は、有機シランを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記有機シランは、ペルフルオロデシルトリクロロシラン、ペルフルオロオクチルトリクロロシラン、ノノフルオロヘキシルトリクロロシラン、ペンタフルオロフェニルトリクロロシラン、ｎ−オクチルトリクロロシラン、ペンタフルオロデシルトリクロロシラン、または、それらの組み合わせからなる、請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ流体噴出装置に関する。より具体的には、それはインクジェットプリンタに使われる流体レベル検出タンクに関する。
【背景技術】
【０００２】
新興のインクジェットプリンタ技術は、消費者にとってコストの削減を助けるために、インク供給部からプリンタヘッドを分離する。この分離により、インク供給品は、スマートでなければならないか、または、それが何のインクが含まれているか、および、どれだけのインクを収容しているかという情報等をプリンタおよびユーザに報告するための識別のある形式を持つことが必要である。この情報は、そのプリンタヘッドの寿命および信頼性にとって重要である。たとえば、正確なインクレベル検出は、プリンタヘッドの「ドライ発射」を抑制するとともに、流体システム中に空気摂取することも抑制する。典型的なインクレベル検出方法は、システムおよびユーザにインク供給部の状態を知らせるためにインクセンサの外部のファームウェア内のドット／ファイア集計アルゴリズムからなる。このファームウェアドット／ファイア集計アルゴリズム法は、プリントヘッド発射の数と流体蒸発定数とに基づいた推定である。この推定は、主に滴下サイズの変動が２０％だけ超えることに起因して、永久的なプリントヘッドの要求にとって正確ではない。
【０００３】
さらに他の検出方法は、キャパシタ、光学、重さ、超音波、磁石、浮揚物、トルクセンサ、電気プローブ、または、そのようなものの手段により、インクレベルを検出する。これらの方法の全ては、外的刺激のある形式および／または検出機構を要求する。ニコルソンらによる米国特許出願１３／１４９１５４号は、クローズドシステム、または、運転、検出、および、キャパシタンス測定が全て供給品に包含されるスマートインクタンクを開示している。正確に流体レベル検出法機能となるようによく設計された物質と、化学的な仕様とを要求するように、この電気的および機械的アプローチを有する挑戦がある。
【０００４】
インクの化学的成分は、典型的に、印刷の品質にとって最良であっても、流体レベル測定システムの迅速な応答性にとって良くない特性を有する。特に、ある成分は、インクに含まれている界面活性剤のレベルである。界面活性剤は、液体の表面張力を低下させ、湿潤剤のような振る舞いを行う。この成分は、インクを、印刷媒体（たとえば紙）の表面に、適切にはりつけさせる、または、くっつけさせる。しかしながら、この成分は、流体が迅速に表面から転げ落ちることを要求するどんなインクレベル検出方法にとっても良くはない。インク供給品のタンク物質に、インクがはりつくまたはくっつきがちであったならば、インクレベル測定システムの正確性は影響を受けるだろう。
【０００５】
液体による固体表面の湿潤性は、接触角により定量化されうる。より高い接触角では、表面において、広がり／湿潤をより小さくする。一般的に、水接触角が９０度よりも大きいならば、固体表面は、疎水性とみなされる。低い表面エネルギー物質により作られた高疎水性表面は、約１２０度の高水接触角を有する。超疎水性表面は、約１５０度よりも大きな水接触角を有する高い粗さの表面である。
【０００６】
タンク物質に張り付くインクによる問題を除去するために、タンク物質表面エネルギーと、インク化学的性質との平衡を保つことを達成する必要がある。インク湿潤特性は、インクの組成物中のその種類および界面活性剤の濃度の変化により修正されうる。しかしながら、インク化学的性質の修正は、印刷品質において変化をもたらす可能性がある。タンク物質の表面は、より高い疎水性でより低い表面エネルギーに作られていることにより、インクのはりつきを抑制する。インク印刷品質の妥協なしで、正確なインクレベル測定システムのために、インク化学的性質の平衡を保つ表面エネルギーを有するタンク容器が要望される。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示は、マイクロ流体噴出装置のための流体タンクを提供する。その流体タンクは、内部表面コーティングを有するハウジングを含む。その内部表面コーティングは、約１２０度よりも大きな水接触角を有する超疎水性表面のための高度な疎水性と、約２０ｍＪ／ｍ２よりも小さな表面エネルギーとを有する。その内部表面コーティングは、ナノ粒子と疎水性物質とを含む。一例の実施形態では、その内部表面コーティングは、ハウジングの内部コーティングに、ナノ粒子のスラリーと疎水性溶液とが堆積されることにより形成される。他の例の実施形態では、内部表面コーティングは、気相反応を用いて形成されたナノ粒子をハウジングの内部表面に堆積することと、化学的蒸着を用いて疎水性物質を有する堆積されたナノ粒子をカプセル化することとにより形成される。
【０００８】
流体タンクの内部表面コーティングは、インク等の流体が、タンク表面にはりつくまたはくっつくのを抑制する。その流体タンクは、インクレベル測定システムを有するインク容器に適合する。その流体タンクは、インク印刷品質の妥協なしで、正確で迅速な反応のインクレベル測定システムを可能にする。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
組み込まれた添付の図面、および、明細書の一部を形成するものは、本開示の原理の説明を与える記述とともに、本開示の様々な形態を説明する。
【００１０】
【図１】図１は、流体タンクの概略図である。
【図２】図２は、図１の線２に沿った流体タンクの断面図である。
【図３】図３は、一例の実施形態による表面コーティングの形成の方法を描画したフローチャートである。
【図４】図４は、他の例の実施形態による表面コーティングの形成の方法を描画したフローチャートである。
【図５】（ａ）は、コーティングされていないポリプロピレン流体タンクの水セトリング応答時間のグラフ図である。（ｂ）は、コーティングされていないポリプロピレン流体タンクのインクセトリング応答時間のグラフ図である。（ｃ）は、コーティングされたポリプロピレン流体タンクのインクセトリング応答時間のグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本開示は、本願において、以下の記述や図に描画されて説明される構造の詳細および要素の配列に限定されないことが理解される。本開示は、他の実施形態、および、様々な方法の行為や実行が可能である。また、ここで使用される表現および用語は、説明の目的のためであって、限定としてみなされるべきでないことが理解される。「含む」、「備える」または「有する」の使用と変形は、その後に列挙される項目および均等物ならびに追加の項目を包含することが意図される。さらに、用語「ａ」および「ａｎ」は、ここでは、量の限定を示すものではなく、むしろ参照された項目の少なくとも１つを示すものである。
【００１２】
図１を参照するように、流体の体積を保持するための流体タンク１０は、内部表面コーティング１５を有するハウジング１２を含む。図２は、ハウジング１２の内部表面コーティング１５を示す図１の線２に沿った流体タンク１０の断面図を描画している。その流体は、たとえば、水性または溶剤性の着色または有色素剤等の様々な種類のインクである。そのインクは、たとえば、シアン、マゼンタ、イエロー、ブラックなどの色の種類を典型とする。流体タンク１０は、たとえば、インクジェットプリント、薬剤搬送、回路配線形成、食品加工、化学的製造などの多くのアプリケーションに有用である。流体タンク１０は、この例の実施形態では、概して長方形で垂直に直立して配置されている。当業者は、円筒形の流体容器および卵型の流体容器に限定されないような流体タンク１０が違った形状にされること、および、異なる幾何学的構成を有する流体容器に応用されることを知っている。
【００１３】
一例の実施形態では、流体タンク１０は、流体レベルを検出するためにハウジング１２内に配置された少なくとも１つの一対の向かい合った検出素子５０を含む。一対の向かい合った検出素子５０は、限定はされないが、プレート間に存在する液体の量に従う電気的エネルギーの応用に基づいてキャパシタンスが変化する伝導板を含む。流体の量が大きい程、板は、より大きなキャパシタンスの大きさを有する。流体の量が小さい程、板は、より小さなキャパシタンスの大きさを有する。
【００１４】
ハウジング１２は、プラスティックにより作られている。ハウジング１２の生産のための技術は、熱かしめ成形、にかわ付けなどと同様に、ブロー成形、射出成形などが想定される。物質の選択および生産の設計は、搬送、保存、仕様などのための状態を確実することに加えて、さらにコスト、実施の容易さ、耐久性、漏出量、および、そのようなものの基準の焦点をさらに含む。一例の実施形態では、ハウジング１２は、ポリプロピレンからなる。ポリプロピレン物質は、約８５度から約９２度の水接触角を有する。水は、容易に、ポリプロピレン物質から転がり落ちる。しかしながら、インクは、約３０度から約６０度のより低い接触角を有するポリプロピレン物質に、はりつくか付着しがちである。他の例の実施形態では、ハウジング１２は、ポリテトラフルオロエチレン、または、フッ素基を含む誘導体からなる。ポリテトラフルオロエチレンは、ポリプロピレンに比べてより高い水またはインク接触角を生じさせて、より疎水性の表面を提供する。しかしながら、ポリテトラフルオロエチレンは、比較的高価であり、問題に関する複雑な成形または加工を有する。いくつかの他の例の実施形態では、ハウジング１２は、ポリプロピレンおよびポリテトラフルオロエチレン粒子の混合物からなる。
【００１５】
内部表面コーティング１５は、ハウジング１２に、約１２０度よりも大きな水接触角を有する超疎水性表面のための高度な疎水性と、約２０ｍＪ／ｍ２よりも小さな表面エネルギーとを与える。内部表面コーティング１５は、そのハウジング物質によい粘着を有する一方、インクはじくために高接触角を有する表面を有する。内部表面コーティング１５は、１つまたは複数の層を含む。
【００１６】
内部表面コーティング１５は、ナノ粒子と疎水性物質とを含む。そのナノ粒子は、ハウジングの内部表面に表面質感および表面粗さを与えて、上述したように、疎水性物質と結合された時に、超疎水性表面のための高度な疎水性を与える。ナノ粒子は、限定はされないが、シリカ、アルミナ、チタン酸化物およびスズ酸化物のような金属酸化物を含む。ナノ粒子は、約５から約１００ナノメートル（ｎｍ）までの粒径を有する。
【００１７】
疎水性物質は、限定はされないが、有機シランを含む。有機シランの例は、膜を形成する時のそれらの対応する水接触角とともに、表１に掲載されている。
【００１８】
【表１】
2016508897.tif 000002
【００１９】
一例の実施形態では、内部表面コーティング１５は、図３に図示される表面コーティング法を用いて形成される。ステップ１００において、たとえば流体タンク１０のハウジング１２のような、ポリマー基材が、表面コーティングのために準備される。ステップ１０５において、コーティングスラリーが、疎水性溶液中にナノ粒子が混合されることにより、作製される。コーティングスラリー中のナノ粒子の濃度は、約５重量％から約５０重量％である。疎水性溶液は、水および有機溶媒中において約５重量％から約２５重量％の濃度の疎水性物質からなる。有機溶媒は、限定されないが、アルコールを含む。ステップ１１０において、コーティングスラリーは、たとえばハウジング１０の内部表面のようなポリマー基材の表面に、浸し塗り、吹き付け、または、スピニングを用いて堆積される。ステップ１１５において、堆積されたコーティングスラリーは、それから、疎水性物質をオリゴマー化すること、および、ナノ粒子のカプセル化するために焼成され、このようにして、約１４０度よりも大きな水接触角を有するような超疎水性表面のための高度な疎水性を有するコーティング層を得る。
【００２０】
他の例による実施形態では、内部表面コーティング１５は、図４に図示される表面コーティング方法を用いて形成される。ステップ４００において、たとえば流体タンク１０のハウジング１２のような、ポリマー基材が、表面コーティングのための堆積室内に準備される。ステップ４０５において、ナノ粒子は、たとえばハウジング１０の内部表面上のような、ポリマー基材の表面に堆積される。そのナノ粒子は、ポリマー基材の表面に堆積される前に、気相反応により形成される。たとえば、金属前駆体および酸素前駆体が、堆積室内に導入されている。それから、そのガス状の金属前駆体および酸素前駆体が反応して金属酸化ナノ粒子を形成する。それから、その気相反応により形成された金属酸化ナノ粒子は、ポリマー基材の表面に堆積される。金属酸化前駆体の例は、酸化アルミニウムナノ粒子を形成するトリメチルアルミニウムを含む。酸素前駆体の例は、水蒸気を含む。それから、ステップ４１０において、堆積されたナノ粒子は、化学的蒸着を用いて疎水性物質により、カプセル化される。気相反応および化学的蒸着は、超疎水性表面のための高度な疎水性を有するコーティング層を得るために、全て同一の堆積室により行われる。
【００２１】
具体的には、堆積室内でトリメチルアルミニウムおよび水蒸気の気相反応を用いて形成される酸化アルミニウムナノ粒子が、ハウジング１２の内部表面に堆積される。それから、堆積された酸化アルミニウム粒子は、同じ堆積室においた状態で、化学的蒸着を用いてペンタフルオロデシルトリクロロシランによりカプセル化される。形成された内部表面コーティング１５は、約１５０度の水接触角を有する表面を持つ。ペンタフルオロデシルトリクロロシランは、約１１４度の水接触角を有する表面を持つ単純フィルムを形成する疎水性物質である。粗面またはナノ粒子が堆積された表面にペンタフルオロデシルトリクロロシランを提供することは、約１５０度の水接触角を有する超疎水性表面によるコーティングを獲得する。
【００２２】
［実施例］
互いに平行な２つの伝導板を有する流体タンクが準備される。流体タンクＡは、内部表面コーティングを有さないポリプロピレンハウジングを含み、評価の対照として示すために、水により満たされている。流体タンクＢは、流体タンクＡと同様であるが、評価のための比較例として示すために、インクにより満たされている。流体タンクＣは、ポリプロピレンハウジングと、酸化アルミニウムナノ粒子および図４に図示される表面コーティング法により形成されたペルフルオロデシルトリクロロシランのオリゴマーからなる内部表面コーティングとを含む。その流体タンクＣは、評価のためにインクにより満たされている。
【００２３】
その評価において、流体により満たされた流体タンクの伝導板には、電圧計が取付けられている。それから、流体タンクをかき混ぜた前後の電圧測定値が、それぞれの流体タンクのための流体セトリング反応時間を追跡するための時間関数として記録される。図５の（ａ）は、内部表面コーティングなしのポリプロピレンハウジングを含む流体タンクＡの水のセトリング反応時間を示す。図５の（ａ）に図示されるように、セトリングの１０分後においてすでに、電圧測定値は、初期測定値（かき混ぜる前）の０．２３％よりも小さい。これが示すことは、ポリプロピレンタンク表面に約８５度から９２度の接触角を有する水は、容易に、タンク表面から転がり落ちて、かき混ぜた後に、容易に落ち着く。タンク表面によるこの流体相互作用は、図５の（ａ）に示されるように、迅速な応答性を有するとともに、正確な流体レベル測定システムを可能にする。
【００２４】
図５の（ｂ）は、内部表面コーティングなしのポリプロピレンハウジングを含む流体タンクＢのインクのセトリング反応時間を示す。図５の（ｂ）に図示されるように、セトリングの１０分後、電圧測定値は、まだ初期測定値の３０％である。これが示すことは、インクは、ポリプロピレンタンク表面から転がり落ちるのが容易ではないことである。インクは、約８５度から９２度の水接触角を有するポリプロピレンタンク表面に、はりつきおよび付着する傾向がある。このインクとタンク表面との相互作用は、図５の（ｂ）に示されるように、流体レベル測定システムの反応性および正確性にとって悪影響を与える。
【００２５】
図５の（ｃ）は、一の例の実施形態による内部表面コーティングを有するポリプロピレンハウジングを含む流体タンクＣのインクのセトリング反応時間を示す。図５の（ｃ）に図示されるように、セトリングの１０分後、電圧測定値は、初期測定値の２．４％未満に達する。流体タンクＣのこのインクセトリング反応時間は、流体タンクＢのそれよりもより改善されており、流体タンクＡの水のセトリング反応時間と同程度である。内部表面コーティングは、高度な疎水性内部表面を有する流体タンクを提供し、これにより、約１４０度に内部表面の水接触角を増大させて、インクを容易に転がり落ちるようにさせる。インクとタンク内部表面とのこの相互作用は、図５の（ｃ）に示されるように、流体レベル測定システムに、迅速で、かつ、正確な応答を提供する。
【００２６】
前述した記載は、本開示の様々な態様を説明する。それは、包括的であることを意図されない。むしろ、自然に導かれる様々な変形例を含み、本開示を当業者に利用可能にするために、本開示の原理の説明およびその実際の応用が選択される。全ての変形例およびバリエーションは、添付された特許請求の範囲により決定されるものとして、本開示の範囲内であると考えられる。比較的明確な変形例は、様々な実施形態の１つまたはそれより多くの特徴と、他の実施形態の特徴との組み合わせを含む。
【図１】
2016508897.tif 000003
【図２】
2016508897.tif 000004
【図３】
2016508897.tif 000005
【図４】
2016508897.tif 000006
【図５】
2016508897.tif 000007
【国際調査報告】
2016508897.tif 000008
2016508897.tif 000009
2016508897.tif 000010