JP2012121262A - インクジェット装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電素子膜の厚さが均一なインクジェット装置、その製造方法、画像形成装置を提供する事。
【解決手段】基板と、該基板上に設けられた電極と、該電極上に設けられた突起部及び電気−機械変換膜とを有し、該電気−機械変換膜は、前記電極又は前記突起部表面を部分的に表面改質する工程（１）、前記電極上に化学溶液堆積法液を部分的に塗布する工程（２）、当該部分的に塗布された化学溶液堆積法液を乾燥・熱分解・結晶化する工程（３）により形成され、前記突起部は、絶縁材料からなると共に何れの面も親水性であり、前記化学溶液堆積法液を塗布する塗工箇所を囲繞するように形成されてなり、前記突起部の基板と反対側の面は、撥水膜が形成されてなり、前記突起部の断面形状は、前記基板と反対側の面の幅が前記基板側の面の幅よりも長い形状であり、前記工程（２）は、前記突起部の囲繞内面に接するように前記化学溶液堆積法液を塗布する事を特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、インクジェットヘッドから被記録体へインクを吐出して記録を行うインクジェット装置及び画像形成装置、並びにインクジェット装置の製造方法に関する。

画像形成手段として、インク液滴を吐出し、記録媒体上に着弾させることにより画像パターンを形成するインクジェット装置がある。インクジェット装置におけるインク液滴の吐出方式としては、圧電材料などからなる電気−機械変換素子（以下、圧電素子とも表記する）の変形によりインクに圧力を発生させ、発生した圧力によりインク液滴の吐出エネルギーを得る、いわゆるピエゾ方式が知られている。また、ここで用いられる電気−機械変換素子の形態の一つに、弾性変形可能な基板上に膜状の圧電素子を形成する、薄膜型と呼ばれるものがある。

圧電素子を膜状に形成する方法は種々提案されているが、その中で化学溶液堆積法（以下、ＣＳＤと表記）と呼ばれる手法がある。これは、圧電材料を含む溶液（以下、ＣＳＤ液と表記）を基板上に塗布し、これを焼結することにより圧電素子膜を形成するものであるが、他の方式と比較して低温度で均一な膜が得られ、また溶液から成膜するため基板との密着性に優れるという特徴がある。さらに、ＣＳＤにてインクジェット装置に好適な素子形状を得る方法は、基板の全面に一様な圧電素子膜を形成したのち不要部分を除去する方式と、当初より必要部分のみ選択的に圧電素子膜を形成する方式とに大別される。後者のうち、圧電素子膜の塗布にインクジェット装置を利用するものがインクジェットパターニングであり、これには前者と比較して、圧電素子膜形成に供するＣＳＤ液が必要最小限で済むという利点がある。

特許文献１は、下層が親水性の膜、上層が撥水性の膜から構成されたバンク層の中に、インクジェットパターニングによりＣＳＤ液を塗布して圧電素子膜を形成している。
しかしながら、特許文献１の方法では、ＣＳＤ液が撥水性の上層に達したときに、ＣＳＤ液の乾燥過程で端部が盛り上がるコーヒーステイン現象が起きるので、厚さが均一な圧電素子膜を得ることができない。

本発明は、以上の従来技術における問題に鑑みてなされたものであり、コーヒーステイン現象を起こさずに、厚さが均一な圧電素子膜を有するインクジェット装置及び画像形成装置、並びにインクジェット装置の製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明に係るインクジェット装置及び画像形成装置、並びにインクジェット装置の製造方法は、具体的には下記（Ｉ）〜（VII）に記載の技術的特徴を有する。
（Ｉ）：基板と、該基板上に設けられた電極と、該電極上に設けられた突起部及び電気−機械変換膜と、を含む積層構成を有し、前記電気−機械変換膜の変形によりインクを吐出するインクジェット装置であって、前記電気−機械変換膜は、前記電極表面または前記突起部表面を部分的に表面改質する工程（１）と、前記電極上に化学溶液堆積法液をインクジェット方式により部分的に塗布する工程（２）と、当該部分的に塗布された化学溶液堆積法液を乾燥・熱分解・結晶化する工程（３）とにより、或いはさらに、前記工程（２）及び前記工程（３）を繰り返す工程（４）とにより、形成されてなり、前記突起部は、絶縁材料からなると共に何れの面も親水性であり、且つ、前記化学溶液堆積法液を塗布する塗工箇所を囲繞するように形成されてなり、前記突起部の基板と反対側の面は、撥水膜が形成されてなり、前記突起部の囲繞方向に対する垂直方向断面における当該突起部の形状は、前記基板と反対側の面の幅が、前記基板側の面の幅よりも長い形状であり、前記工程（２）は、前記突起部の囲繞内面に接するように前記化学溶液堆積法液を塗布することを特徴とするインクジェット装置である。
（II）：前記突起部は、多層構成であることを特徴とする上記（Ｉ）に記載のインクジェット装置である。
（III）：前記突起部の囲繞方向に対する垂直方向断面における当該突起部の高さは、前記電気−機械変換膜の膜厚よりも高いことを特徴とする上記（Ｉ）または（II）に記載のインクジェット装置である。
（IV）：前記突起部の囲繞方向に対する垂直方向断面における、当該突起部の高さに対する当該突起部の前記基板側の面の幅の比率（幅／高さ）は、０．８以上であることを特徴とする上記（Ｉ）乃至（III）のいずれか１項に記載のインクジェット装置である。
（Ｖ）：前記電気−機械変換膜の前記突起部の囲繞方向に対する垂直方向断面における前記基板と反対側の面の幅は、当該突起部の前記基板と反対側の面の幅よりも広いことを特徴とする上記（Ｉ）乃至（IV）のいずれか１項に記載のインクジェット装置である。
（VI）：基板と、該基板上に設けられた電極と、該電極上に設けられた突起部及び電気−機械変換膜と、を含む積層構成を有し、前記電気−機械変換膜の変形によりインクを吐出するインクジェット装置の製造方法であって、前記電気−機械変換膜は、前記電極表面または前記突起部表面を部分的に表面改質する工程（１）と、前記電極上に化学溶液堆積法液をインクジェット方式により部分的に塗布する工程（２）と、当該部分的に塗布された化学溶液堆積法液を乾燥・熱分解・結晶化する工程（３）とにより、或いはさらに、前記工程（２）及び前記工程（３）を繰り返す工程（４）とにより、形成されてなり、前記突起部は、絶縁材料からなると共に何れの面も親水性であり、且つ、前記化学溶液堆積法液を塗布する塗工箇所を囲繞するように形成されてなり、前記突起部の基板と反対側の面は、撥水膜が形成されてなり、前記突起部の囲繞方向に対する垂直方向断面における当該突起部の形状は、前記基板と反対側の面の幅が、前記基板側の面の幅よりも長い形状であり、前記工程（２）は、前記突起部の囲繞内面に接するように前記化学溶液堆積法液を塗布することを特徴とするインクジェット装置の製造方法である。
（VII）：上記（Ｉ）乃至（Ｖ）のいずれか１項に記載のインクジェット装置を搭載したことを特徴とする画像形成装置である。

本発明によれば、圧電素子膜の厚さが均一なインクジェット装置及びインクジェット装置の製造方法を提供することができ、また、高い印刷品質の画像形成装置を提供することができる。

本発明に係るインクジェット装置の一実施の形態における構成を示す斜視図である。 インクジェット装置の形成工程を表す断面図である。 従来の電気−機械変換膜１０２の形成状態を示す断面図である。 本発明の電気−機械変換膜１０２の形成状態を示す断面図である。 ＣＳＤ（化学溶液堆積法）液を塗布する塗工箇所の周囲を囲むように形成された突起部が、多層構成で形成されている構成を示す断面図である。 ＣＳＤ（化学溶液堆積法）液を塗布する塗工箇所の周囲を囲むように形成された突起部の高さと、電気−機械変換膜の膜厚とを比較した断面図である。 ＣＳＤ（化学溶液堆積法）液を塗布する塗工箇所の周囲を囲むように形成された突起部の高さと幅との関係を示す断面図である。 ＣＳＤ（化学溶液堆積法）液を塗布する塗工箇所の周囲を囲むように形成された突起部の幅と電気−機械変換膜の幅との関係を示す断面図である。 本発明のインクジェット装置を搭載した画像形成装置の概念図である。

本発明に係るインクジェット装置は、基板と、該基板上に設けられた電極と、該電極上に設けられた突起部及び電気−機械変換膜と、を含む積層構成を有し、前記電気−機械変換膜の変形によりインクを吐出するインクジェット装置であって、前記電気−機械変換膜は、前記電極表面または前記突起部表面を部分的に表面改質する工程（１）と、前記電極上に化学溶液堆積法液をインクジェット方式により部分的に塗布する工程（２）と、当該部分的に塗布された化学溶液堆積法液を乾燥・熱分解・結晶化する工程（３）とにより、或いはさらに、前記工程（２）及び前記工程（３）を繰り返す工程（４）とにより、形成されてなり、前記突起部は、絶縁材料からなると共に何れの面も親水性であり、且つ、前記化学溶液堆積法液を塗布する塗工箇所を囲繞するように形成されてなり、前記突起部の基板と反対側の面は、撥水膜が形成されてなり、前記突起部の囲繞方向に対する垂直方向断面における当該突起部の形状は、前記基板と反対側の面の幅が、前記基板側の面の幅よりも長い形状であり、前記工程（２）は、前記突起部の囲繞内面に接するように前記化学溶液堆積法液を塗布することを特徴とする。
次に、本発明に係るインクジェット装置についてさらに詳細に説明する。
尚、以下に述べる実施の形態は、本発明の好適な実施の形態であるから技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は以下の説明において本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。

図１は、本発明に係るインクジェット装置の一実施の形態における構成を示す斜視図である。図２は、本発明のインクジェット装置の形成工程を表す断面図である。
図１、図２を用いて、本発明のインクジェット装置について説明する。

本発明のインクジェット装置は、上部電極１０３、電気−機械変換膜１０２、下部電極（基板１０５上に設けられた電極）１０４から構成される電気−機械変換素子１０６、電気−機械変換膜１０２の原液である化学溶液堆積法（以下、ＣＳＤと称する。）液を塗布する塗工箇所の周囲を囲むように（塗工箇所を囲繞するように）形成された突起部１０１、電気−機械変換素子１０６を形成するための土台となる基板１０５から構成されている。ＣＳＤ液は、金属酸化物前駆体の固形分と金属酸化物前駆体溶液とを混合したものである。

図２の（ａ）は、電気−機械変換素子１０６を形成するための土台となるシリコンなどから成る基板１０５上に、電気−機械変換膜１０２に電圧を印加するための下部電極１０４を成膜し、さらに、その上に、後に電気−機械変換膜１０２の原液であるＣＳＤ液を塗布する塗工箇所の周囲を囲むように（囲繞するように）形成される突起部１０１となる突起部素材１００を成膜している。突起部素材１００の材質は、アルミナやＳｉＯ_２などの親水性の絶縁体である。親水性である理由は、突起部１０１の内側の側面にＣＳＤ液をムラなく塗布するためである。また、絶縁体である理由は、突起部１０１が、上部電極１０３と下部電極１０４間のショート（短絡）を防止する絶縁膜としての機能を兼ねるためである。

次に（ｂ）では、電気−機械変換膜１０２の原液であるＣＳＤ液を塗布する塗工箇所の周囲を囲むように形成された突起部１０１を、ドライエッチングによるフォトリソグラフィー法により、オーバーエッチング処理することで、突起部１０１の上面（基板１０５と反対側）の幅が下面（基板１０５側）の幅よりも長い形状に形成している。
尚、以下において突起部１０１の上面とは、当該突起部１０１の囲繞方向に対する垂直方向断面における基板１０５と反対側の面を意味し、突起部１０１の下面とは、当該突起部１０１の囲繞方向に対する垂直方向断面における基板１０５側の面を意味する。

次に（ｃ）では、（ｂ）で形成した突起部１０１の上面に撥水膜１０９を形成している（工程１）。撥水膜１０９は、ドデカンチオール等のチオール基の溶剤やテトラヒドロデシルトリエトキシシラン等のシランカップリング剤などで形成する。
一般的に、撥水膜と親水膜が連続している膜上の、撥水膜と親水膜の境目に液滴が塗布されると、表面張力により撥水膜側から親水膜側へ液滴が移動することが知られている。
従って、突起部１０１または下部電極１０４を、親水処理または撥水処理の表面改質を行うことで撥水膜側から親水膜側への液滴の移動を促し、後述する電気−機械変換膜１０２の原液であるＣＳＤ液１０８を所望の位置に塗布せしめることができる。
なお、本実施の形態における表面改質では、突起部１０１の上面を撥水処理する表面改質を行ったが、本発明では下部電極１０４を親水処理する表面改質を行う等、電気−機械変換膜１０２の原液であるＣＳＤ液１０８を所望の位置に塗布せしめることができる限り表面改質の態様に制限はない。

次に（ｄ）では、電気−機械変換膜１０２の原液であるＣＳＤ液１０８を塗布する塗工箇所の周囲を囲むように形成された突起部１０１の内側の側面（囲繞内面）に接するように、ＣＳＤ液１０８をインクジェットヘッド１０７で塗布している。（ｃ）で撥水膜を設けた理由は、ＣＳＤ液１０８が突起部１０１の上面と側面の境目に塗布されても、突起部１０１の上面に撥水膜が形成されていることで、突起部１０１の親水面である内側にＣＳＤ液１０８が流れ込み、任意の場所にＣＳＤ液１０８を配置できるからである。
即ち、表面改質された突起部１０１を有する下部電極１０４上にＣＳＤ液をインクジェット方式により部分的に塗布する（工程２）。
しかる後に、この部分的に塗布されたＣＳＤ液を乾燥・熱分解・結晶化する（工程３）。
なお、表面改質された突起部１０１を有する下部電極１０４上にＣＳＤ液をインクジェット方式により部分的に塗布する工程（工程２）と、この部分的に塗布されたＣＳＤ液を乾燥・熱分解・結晶化する工程（工程３）と、を繰り返し、所望の厚さの電気−機械変換膜１０２を形成（工程４）しても良い。

次に（ｅ）では、（ｄ）で突起部１０１の内側の側面に接するように塗布されたＣＳＤ液を、乾燥・熱分解・結晶化した電気−機械変換膜１０２上に、電気−機械変換膜１０２に電圧を印加するための上部電極１０３を成膜している。

図３に示す従来の電気−機械変換膜１０２の形成方法では、下部電極１０４上にＣＳＤ液１０８を塗布すると、ＣＳＤ液１０８の端部からの蒸発が中心よりも速いため、液中の外側に流れが生じ、液が端部に集まってしまうことで、乾燥後に金属酸化物前駆体の固形分が端部に集まり、端部が盛り上がるコーヒーステイン現象が起きるため、厚さが均一な電気−機械変換膜１０２を得ることができない。
上記に対して、図４に示す本発明の電気−機械変換膜１０２の形成方法は、下部電極１０４上のＣＳＤ液を塗布する塗工箇所の周囲を囲むように形成された突起部１０１の断面形状が、上面の幅が下面の幅よりも長い形状であることから、突起部１０１の端部がＣＳＤ液１０８の蒸発を規制する屋根のような働きをするため、ＣＳＤ液１０８の端部からの蒸発が遅くなってコーヒーステイン現象が起きにくくなり、厚さが均一の電気−機械変換膜１０２を得ることができる。

図５は、ＣＳＤ液１０８を塗布する突起部１０１が、多層構成で形成されている断面図である。
図５の実施例は、ＣＳＤ液１０８を塗布する突起部１０１が、上層１１２と下層１１３の２層から構成されたものである。２層とも親水性の絶縁体で、上層１１２よりも下層１１３の方がエッチングされやすい材料で構成されている。そのため、上面の幅が下面の幅よりも長い断面形状の突起部１０１を形成することができる。なお、本実施例は２層の例を示したが、３層以上の構成でも下層になるに従ってエッチングしやすい材料を用いることで、上面の幅が下面の幅よりも長い断面形状の突起部１０１を形成することができる。

図６は、ＣＳＤ液１０８を塗布する塗工箇所の周囲を囲むように形成された突起部１０１の高さと、電気−機械変換膜１０２の膜厚とを比較した断面図である。
ＣＳＤ液１０８を塗布する塗工箇所の周囲を囲むように形成された突起部１０１の高さＨ１が、電気−機械変換膜１０２の所望の膜厚Ｈ２より高くなっている。
突起部１０１の高さＨ１を、電気−機械変換膜１０２の膜厚Ｈ２よりも高くすることで、電気−機械変換膜１０２の形成過程におけるＣＳＤ液１０８の乾燥時のコーヒーステイン現象を防止することができる。

図７は、ＣＳＤ液１０８を塗布する塗工箇所の周囲を囲むように形成された突起部１０１の高さと幅との関係を示す断面図である。
フォトリソグラフィー法を用いて、オーバーエッチング処理によって形成された突起部１０１は、下面の幅Ｌ１が高さＨ１に対して一般的に２割程度細く形成される。２割程度のオーバーエッチングであれば、成膜がしやすく、低コストで成膜できるため、突起部１０１の高さＨ１と下面の幅Ｌ１との関係は、高さＨ１に対する幅Ｌ１の比率（幅Ｌ１／高さＨ１）が０．８以上であることが望ましい。

例えば、解像度３００ｄｐｉのインクジェットヘッドの場合、電気−機械変換膜１０２のピッチは８５μｍであり、電気−機械変換膜１０２を幅５０μｍで形成すると、突起部１０１の下面の幅Ｌ１は３５μｍとなる。この場合、突起部１０１の高さＨ１が約２μｍであることから、高さＨ１に対する幅Ｌ１の比率は１７．５となる。また、突起部１０１の高さＨ１が２μｍで、高さＨ１に対する幅Ｌ１の比率（幅Ｌ１／高さＨ１）が０．８のときの突起部１０１の下面の幅Ｌ１の最小値は１．６μｍであり、解像度が６００ｄｐｉ、１２００ｄｐｉと高解像度になっても、高さＨ１に対する幅Ｌ１の比率（幅Ｌ１／高さＨ１）が０．８以上を満足することは明らかである。

以上から、電気−機械変換膜１０２が結晶化する際に発生する引張力Ｆで破壊しない突起部１０１を得ることができる。

図８は、ＣＳＤ液１０８を塗布する塗工箇所の周囲を囲むように形成された突起部１０１の幅と電気−機械変換膜１０２の幅の関係を示す断面図である。
突起部１０１の下面の幅Ｌ１及び上面の幅Ｌ２より、電気−機械変換膜１０２の上面の幅Ｌ３及び下面の幅Ｌ４が広い構成になっている。即ち、Ｌ２＜Ｌ３が成り立つ。
電気−機械変換膜１０２の上面の幅Ｌ３及び下面の幅Ｌ４が、突起部１０１の下面の幅Ｌ１及び上面の幅Ｌ２より広いことによって、電気−機械変換膜１０２に電圧を印加した際に発生する伸縮振動による、電気−機械変換膜１０２の所望の変位を得ることができる。

図９は、本発明のインクジェット装置を搭載した画像形成装置の概念図である。この例では記録媒体２００は連続したウェブ状の用紙であり、搬送ローラ２０６の駆動力によって供給ロール２０４から繰り出され、張架ローラ２０５、記録媒体支持部材であるプラテン２０２および搬送ローラ２０６によって規定される経路上を図中矢印Ｅの方向に搬送されたのち、巻き取りロール２０７に巻き取られる。インクジェット装置２０１はプラテン２０２と対向する位置に配置されており、ここで吐出されたインク液滴によって記録媒体２００上に画像の形成が行われ、画像定着手段である輻射型ヒータ２０３によって記録媒体２００上のインクが乾燥され、画像が定着する。

以上説明した実施の形態によれば、厚さが均一な圧電素子膜を形成できた。そして、この圧電素子膜を備えたインクジェット装置を提供することができ、また、このインクジェット装置を備えることで高い印刷品質の画像形成装置を提供することができる。

１００ 突起部素材
１０１ 突起部
１０２ 電気−機械変換膜
１０３ 上部電極
１０４ 下部電極
１０５ 基板
１０６ 電気−機械変換素子
１０７ インクジェットヘッド
１０８ ＣＳＤ（化学溶液堆積法）液
１０９ 撥水膜
２００ 記録媒体
２０１ インクジェット装置
２０２ プラテン
２０３ 輻射型ヒータ
２０４ 供給ロール
２０５ 張架ローラ
２０６ 搬送ローラ
２０７ 巻き取りロール

特開２００７−８１２７１号公報

Claims (7)

1. 基板と、
   該基板上に設けられた電極と、
   該電極上に設けられた突起部及び電気−機械変換膜と、を含む積層構成を有し、
   前記電気−機械変換膜の変形によりインクを吐出するインクジェット装置であって、
   前記電気−機械変換膜は、前記電極表面または前記突起部表面を部分的に表面改質する工程（１）と、前記電極上に化学溶液堆積法液をインクジェット方式により部分的に塗布する工程（２）と、当該部分的に塗布された化学溶液堆積法液を乾燥・熱分解・結晶化する工程（３）とにより、或いはさらに、前記工程（２）及び前記工程（３）を繰り返す工程（４）とにより、形成されてなり、
   前記突起部は、絶縁材料からなると共に何れの面も親水性であり、且つ、前記化学溶液堆積法液を塗布する塗工箇所を囲繞するように形成されてなり、
   前記突起部の基板と反対側の面は、撥水膜が形成されてなり、
   前記突起部の囲繞方向に対する垂直方向断面における当該突起部の形状は、前記基板と反対側の面の幅が、前記基板側の面の幅よりも長い形状であり、
   前記工程（２）は、前記突起部の囲繞内面に接するように前記化学溶液堆積法液を塗布することを特徴とするインクジェット装置。
2. 前記突起部は、多層構成であることを特徴とする請求項１に記載のインクジェット装置。
3. 前記突起部の囲繞方向に対する垂直方向断面における当該突起部の高さは、前記電気−機械変換膜の膜厚よりも高いことを特徴とする請求項１または２に記載のインクジェット装置。
4. 前記突起部の囲繞方向に対する垂直方向断面における、当該突起部の高さに対する当該突起部の前記基板側の面の幅の比率（幅／高さ）は、０．８以上であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のインクジェット装置。
5. 前記電気−機械変換膜の前記突起部の囲繞方向に対する垂直方向断面における前記基板と反対側の面の幅は、当該突起部の前記基板と反対側の面の幅よりも広いことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のインクジェット装置。
6. 基板と、該基板上に設けられた電極と、該電極上に設けられた突起部及び電気−機械変換膜と、を含む積層構成を有し、前記電気−機械変換膜の変形によりインクを吐出するインクジェット装置の製造方法であって、
   前記電気−機械変換膜は、前記電極表面または前記突起部表面を部分的に表面改質する工程（１）と、前記電極上に化学溶液堆積法液をインクジェット方式により部分的に塗布する工程（２）と、当該部分的に塗布された化学溶液堆積法液を乾燥・熱分解・結晶化する工程（３）とにより、或いはさらに、前記工程（２）及び前記工程（３）を繰り返す工程（４）とにより、形成されてなり、
   前記突起部は、絶縁材料からなると共に何れの面も親水性であり、且つ、前記化学溶液堆積法液を塗布する塗工箇所を囲繞するように形成されてなり、
   前記突起部の基板と反対側の面は、撥水膜が形成されてなり、
   前記突起部の囲繞方向に対する垂直方向断面における当該突起部の形状は、前記基板と反対側の面の幅が、前記基板側の面の幅よりも長い形状であり、
   前記工程（２）は、前記突起部の囲繞内面に接するように前記化学溶液堆積法液を塗布することを特徴とするインクジェット装置の製造方法。
7. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載のインクジェット装置を搭載したことを特徴とする画像形成装置。