JP2020019204A - 液体吐出ヘッド、液体吐出ユニット、液体を吐出する装置及び液体吐出ヘッドの製造方法 - Google Patents

液体吐出ヘッド、液体吐出ユニット、液体を吐出する装置及び液体吐出ヘッドの製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】表面処理膜の密着性が良好であり、高い信頼性が得られる液体吐出ヘッドを提供することを目的とする。【解決手段】液体の流路を形成する流路形成部材を有する液体吐出ヘッドであって、前記流路形成部材は、Ｓｉからなり、前記液体の流路において、最表面に２ｎｍ以上の自然酸化膜が形成され、該自然酸化膜上に表面処理膜が接して形成されており、前記自然酸化膜は、前記自然酸化膜と前記表面処理膜との界面は、Ｃ量及びＦ量が５ａｔｏｍｉｃ％以下であることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、液体吐出ヘッド、液体吐出ユニット、液体を吐出する装置及び液体吐出ヘッドの製造方法に関する。
産業用、商用印刷分野において、信頼性の高い液体吐出ヘッドが求められている。
従来技術では、例えば表面処理膜を成膜した単結晶Ｓｉの液室基板とノズル基板を接着剤で接合している。しかし、液室基板と表面処理膜の密着性が悪く、これを適用した液体吐出ヘッドでは、初期不良、信頼性不良となったり、最悪の場合は、ノズル基板接合工程途中で液室基板表面と表面処理膜が剥離することがあり、安定した品質が得られないという問題がある。そのために、ヒートサイクル試験等を実製品で実施し、良品を選別する必要があり、工数、工期が掛かり、歩留低下、コスト増の問題がある。また、液体の流路を形成する流路形成部材の表面に形成された表面処理膜の密着性が悪いと、これを適用した液体吐出ヘッドの品質、信頼性が十分に得られないという問題がある。
例えば、特許文献１では、接着剤と流路形成部材の表面に形成された表面処理膜との密着性を向上させる目的で、表面処理膜はＳｉを含む酸化膜であり、酸化膜は、タンタル、ニオブ、チタン、ハフニウム、ジルコニウム、タングステンなどの不動態膜を形成する遷移金属を含んでいることが開示されている。
しかし、流路形成部材と表面処理膜の密着性向上については記載されておらず、検討されていない。
また、特許文献２では、表面処理膜として有機膜を用いることが開示されている。
しかし、有機膜では水分の透過を完全に遮断できないため、インクなどに腐食されにくい材料を流路形成部材として使用しなければならないという問題がある。
また、特許文献３では、表面処理膜としてＳｉＯ２膜が開示されている。
しかし、表面処理膜としてのＳｉＯ２膜は、強いアルカリ性の液体に対して水酸化物に変化し、イオン化されやすくなり、液中に溶け出してしまうため、結果として流路形成部材が損傷するという問題がある。
なお、Ｎｉ、Ｔｉなどの金属やＳＵＳなどの合金材を表面処理膜に利用する場合もあるが、金属膜は酸性に液体に触れると酸化され、イオン化されやすくなることが多く、ＳＵＳのように溶解しにくい材料の場合、接着剤との接着機能が損なわれるという問題がある。
本発明は、表面処理膜の密着性が良好であり、高い信頼性が得られる液体吐出ヘッド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、本発明は、液体の流路を形成する流路形成部材を有する液体吐出ヘッドであって、前記流路形成部材は、Ｓｉからなり、前記液体の流路において、最表面に２ｎｍ以上の自然酸化膜が形成され、該自然酸化膜上に表面処理膜が接して形成されており、前記自然酸化膜と前記表面処理膜との界面は、Ｃ量及びＦ量が５ａｔｏｍｉｃ％以下であることを特徴とする。
本発明によれば、表面処理膜の密着性が良好であり、高い信頼性が得られる液体吐出ヘッドを提供することができる。
本発明に係る液体吐出ヘッドの一例における斜視図である。 本発明に係る液体吐出ヘッドの一例における液室長手方向の断面図である。 本発明に係る液体吐出ヘッドの一例における液室短手方向の断面図である。 本発明に係る液体吐出ヘッドの一例における部分拡大図（Ａ）及び（Ｂ）である。 表面処理膜の一例における断面図である。 表面処理膜の他の例における断面図である。 表面処理膜の一例におけるＴＥＭ画像である。 本発明に係る液体吐出ユニットの一例を示す模式図である。 本発明に係る液体吐出ユニットの他の例を示す模式図である。 本発明に係る液体吐出ユニットの他の例を示す模式図である。 液体カートリッジの一例における斜視図である。 本発明の液体を吐出する装置の他の例における斜視図である。 本発明の液体を吐出する装置の他の例における側面図である。
以下、本発明に係る液体吐出ヘッド、液体吐出ユニット、液体を吐出する装置及び液体吐出ヘッドの製造方法について図面を参照しながら説明する。なお、本発明は以下に示す実施形態に限定されるものではなく、他の実施形態、追加、修正、削除など、当業者が想到することができる範囲内で変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。
本発明は、液体の流路を形成する流路形成部材を有する液体吐出ヘッドであって、前記流路形成部材は、Ｓｉからなり、前記液体の流路において、最表面に２ｎｍ以上の自然酸化膜が形成され、該自然酸化膜上に表面処理膜が接して形成されており、前記自然酸化膜と前記表面処理膜との界面は、Ｃ量及びＦ量が５ａｔｏｍｉｃ％以下であることを特徴とする。
（液体吐出ヘッド）
「液体吐出ヘッド」とは、ノズルから液体を吐出・噴射する機能部品である。
吐出される液体は、ヘッドから吐出可能な粘度や表面張力を有するものであればよく、特に限定されないが、常温、常圧下において、または加熱、冷却により粘度が３０ｍＰａ・ｓ以下となるものであることが好ましい。より具体的には、水や有機溶媒等の溶媒、染料や顔料等の着色剤、重合性化合物、樹脂、界面活性剤等の機能性付与材料、ＤＮＡ、アミノ酸やたんぱく質、カルシウム等の生体適合材料、天然色素等の可食材料、などを含む溶液、懸濁液、エマルジョンなどであり、これらは例えば、インクジェット用インク、表面処理液、電子素子や発光素子の構成要素や電子回路レジストパターンの形成用液、３次元造形用材料液等の用途で用いることができる。
液体を吐出するエネルギー発生源として、圧電アクチュエータ（積層型圧電素子及び薄膜型圧電素子）、発熱抵抗体などの電気熱変換素子を用いるサーマルアクチュエータ、振動板と対向電極からなる静電アクチュエータなどを使用するものが含まれる。
＜液体吐出ヘッドの基本構成＞
本実施形態に係る液体吐出ヘッドの基本構成を説明する。
図１は本実施形態に係る液体吐出ヘッドの斜視図であり、図２は図１における液室長辺方向の断面模式図、図３は図１における液室短辺方向の断面模式図である。なお、本実施形態の液体吐出ヘッドは圧電型アクチュエータを有する液体吐出ヘッドとしている。
図に示すように、本実施形態の液体吐出ヘッド１は、基板面部に設けたノズル孔から液滴を吐出させるサイドシュータータイプのものであり、アクチュエータ基板１００に液体吐出エネルギーを発生する圧電体素子２、振動板３を備え、加圧液室隔壁４、加圧液室５、流体抵抗部７、及び共通液室８を形成している。各加圧液室５は、加圧液室隔壁４で仕切られている。
また、サブフレーム基板２００には、外部から液滴を供給する液滴供給口６６と共通液滴流路９、及び振動板３が撓むことができるように空隙部６７が形成されている。また、ノズル基板３００には、個々の加圧液室５に対応した位置にノズル孔６が形成されている。また引き出し配線層を保護する目的でパッシベーション膜５０が形成されている。これらアクチュエータ基板１００、サブフレーム基板２００、及びノズル基板３００を接合することにより、液体吐出ヘッド１が形成されている。
アクチュエータ基板１００は、図１、図２に示すように、加圧液室５の一部壁面を形成する振動板３と、振動板３を介して加圧液室５と対向する側に圧電体素子２とが形成されている。また、共通液室８の振動板３面は、共通液滴流路９が形成されており、ここから液体を外部から供給できるようになっている。図２に示すように、振動板３を介して加圧液室５に対向する側に形成されている圧電体素子２は、共通電極１０、個別電極１１、圧電体１２から構成されている。
このように形成された液体吐出ヘッド１においては、各加圧液室５内に液体、例えば記録液（インク）が満たされた状態で、制御部から画像データに基づいて、記録液の吐出を行いたいノズル孔６に対応する個別電極１１に対して、発振回路により、引き出し配線４０、層間絶縁膜４５に形成された接続孔３０を介して例えば２０Ｖのパルス電圧を印加する。
この電圧パルスを印加することにより、圧電体１２は、電歪効果により圧電体１２そのものが振動板３と平行方向に縮むことにより、振動板３が加圧液室５方向に撓む。これにより、加圧液室５内の圧力が急激に上昇して、加圧液室５に連通するノズル孔６から記録液が吐出する。
次にパルス電圧印加後は、縮んだ圧電体１２が元に戻ることから撓んだ振動板３は、元の位置に戻るため、加圧液室５内が共通液室８内に比べて負圧となり、外部から液滴供給口６６を介して供給されているインクが共通液滴流路９、共通液室８から流体抵抗部７を介して加圧液室５に供給される。
これを繰り返すことにより、液滴（液体）を連続的に吐出でき、液体吐出ヘッドに対向して配置した被記録媒体（用紙）に画像を形成する。
＜本実施形態の液体吐出ヘッドの一例＞
次に、本実施形態の液体吐出ヘッドの詳細について、製造方法を示しつつ説明する。
本実施形態の液体吐出ヘッドの製造方法は、流路形成部材における液体の流路に膜厚２ｎｍ以上の自然酸化膜を形成する工程と、流路形成部材の表面の汚染物を除去する工程と、自然酸化膜上に表面処理膜を形成する工程と、を有し、必要に応じてその他の工程を有する。
また、流路形成部材は、液体の流路を形成するための部材であり、例えば本実施形態のように、サブフレーム基板２００、アクチュエータ基板１００、ノズル基板３００が挙げられる。
まず、図２等に示されるアクチュエータ基板１００に、公知の方法により振動板３、圧電体素子２を形成する。次いで、公知の方法により、層間絶縁膜４５、接続孔３０、配線パターン４２、引き出し配線４０、引き出し配線パッド４１を形成する。
次に、サブフレーム基板に対して、例えばリソエッチ法により貫通孔部６０、空隙部６７を形成する。サブフレーム基板２００としては、Ｓｉ基板を用いることが好ましい。
次いで、サブフレーム基板２００とアクチュエータ基板１００とを接合する。接合方法は、特に制限されるものではなく、適宜変更することが可能である。
なお、上記の工程に関して、アクチュエータ基板１００の工程とサブフレーム基板２００の工程はどちらを先に行ってもよい。
次に、アクチュエータ基板１００に加圧液室５を形成する。加圧液室５の形成には、例えばＩＣＰエッチャーを用い、例えばＣＦ４ガスを用いてドライエッチングで加工していく。しかし、この場合、加圧液室５の形成後にアクチュエータ基板１００の表面にＣ、Ｆが汚染物として残ってしまう。
本実施形態の流路形成部材は、液体吐出ヘッドの高精度化、高密度化に伴い、微細加工技術に適した単結晶Ｓｉ基板を用いることが好ましい。Ｓｉ基板を用いる場合、表面処理膜を形成する前に、流路形成部材であるＳｉの表面が研磨やエッチング工程で汚染影響を受けることでＣ、Ｆ等の汚染物が付着してしまう。この汚染物の除去が十分でない場合、流路形成部材と表面処理膜における結合力の強固なシロキサン結合（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合）が阻害され、全体として、界面の密着性が低下し、膜剥がれ等の不具合が生じやすくなる。
これに対し、本実施形態では、流路形成部材の表面のＣ、Ｆを除去する目的と、流路形成部材、特にＳｉで構成された流路形成部材の表面を酸化させる目的で、流路形成部材の表面に自然酸化膜を形成する。自然酸化膜を形成することにより、Ｃ、Ｆ等の汚染物を除去することができ、結合を阻害する要因を排除できるとともに、自然酸化させることで、Ｓｉよりも流路形成部材の表面と表面処理膜５２との密着力を向上させることができる。
自然酸化膜は、例えばＩＣＰエッチャー内でＯ２プラズマ処理により行う。
自然酸化膜の膜厚としては、２ｎｍ以上であり、２ｎｍ未満であると、Ｃ、Ｆ等の汚染物の除去が十分に行えない。
次に、表面処理膜５２を形成する。表面処理膜を形成することにより、流路形成部材の耐液性を確保することができ、液体と接することにより生じる流路形成部材の劣化を防止することができる。
本実施形態の液体吐出ヘッドでは、流路形成部材の最表面に自然酸化膜が形成され、自然酸化膜上に表面処理膜が形成されている。流路形成部材、特にＳｉを用いた流路形成部材については、最表面を酸化させ、自然酸化膜を形成した上で表面処理膜を形成することにより界面の密着力を向上させることができる。
表面処理膜の成膜方法としては、適宜変更することが可能であり、例えばＡＬＤ法、スパッタ法、ＣＶＤ法等が挙げられる。被覆性の観点から、中でもＡＬＤ法が好ましい。ＡＬＤ法は凹凸に対して均一に成膜できるため、入組んだ構造体にも均一に成膜できるという利点を有する。
表面処理膜は、流路形成部材における液体の流路、すなわち液体に触れ得る箇所に形成されていればよく、耐液性が確保される範囲内で適宜変更することができる。例えば、サブフレーム基板２００の貫通孔部６０や個別貫通孔部６１表面、アクチュエータ基板１００の共通液滴流路９、共通液室８、流体抵抗部７、加圧液室５、及びノズル基板３００の両面、ノズル孔６の表面等が挙げられる。
表面処理膜を成膜する場合、サブフレーム基板２００におけるアクチュエータ基板１００とは反対側の面などには、ＡＬＤ法による膜が形成されないようにサポートテープ等による保護が行われる。このようなサポートテープ等による保護は、引き出し配線パッド４１にＡＬＤ法による膜が付着し、電気的な導通が取れなくなる不具合等を防止する役割も担う。
しかし、サポートテープ等をサブフレーム基板につけた状態でＡＬＤチャンバーに入れると、サポートテープからのガスの影響で流路形成部材の表面にＣ等の汚染物が付着する。この状態でＡＬＤ法等により表面処理膜が成膜されると、表面処理膜と流路形成部材との膜密着力が低下してしまう。
これに対して、本実施形態では、ＡＬＤ装置内でＯ３処理を行うことにより、Ｃ量の除去を実施する。Ｃ量を除去することにより、膜密着力の低下を抑制することができる。
本実施形態において、Ｏ３処理は適宜変更することが可能であるが、表面処理膜の成膜中に行う。詳細は後述の表面処理膜とあわせて説明する。
次に、表面処理膜の形成について詳細を説明する。
図４（Ａ）に、図２におけるＡ領域の拡大模式図を示す。図４（Ａ）は、サブフレーム基板２００の貫通孔部６０における液体と接する部分に表面処理膜５２が形成されていることを示している。なお、図４（Ａ）では、自然酸化膜の図示を省略している。
表面処理膜としては、Ｓｉを含む酸化膜であることが好ましく、流路形成部材との界面がシロキサン結合していることが好ましい。この場合、表面処理膜の密着力がより向上する。流路形成部材との界面がシロキサン結合しているかについては、例えば、ＥＤＸ（Energy Dispersive X-ray Spectroscopy）分析やＸＰＳ（X-ray Photoelectron Spectroscopy）分析により判断することができる。
表面処理膜としては、第４族及び第５族から選ばれる遷移金属を少なくとも一種含むことが好ましい。これにより、耐液体耐性（耐インク耐性）をより向上させることができる。中でも、表面処理膜がＨｆ、Ｔａ、Ｚｒのうち少なくとも一種を含むことが好ましい。これにより、耐液体耐性をより向上させることができる。
表面処理膜は、Ｔａ−Ｓｉの結合状態を有することが好ましい。この場合、表面処理膜の界面の結合をより強くし、表面処理膜の密着力をより向上させることができる。結合状態はＸＰＳ分析により特定することができる。
表面処理膜５２の膜厚としては、３０〜１００ｎｍが好ましい。３０ｎｍ以上の場合、十分なインク耐性が確保できる。また１００ｎｍ以下の場合、応力の影響を抑制し、流路形成部材と表面処理膜の界面で膜剥がれが生じることを防ぎやすくなる。
次に、表面処理膜の一例について説明する。図５及び図６に、表面処理膜の一例の断面模式図を示す。図示されるように、流路形成部材３１の最表面に自然酸化膜３２が形成され、自然酸化膜３２上に表面処理膜５２が形成されている。
ここでは、ＡＬＤ法により、ＳｉＯ２膜とＴａ２Ｏ５膜を交互に成膜する例を挙げて説明する。ＡＬＤ法では、成膜したい膜を１分子層ごとにデジタル的に成膜することができる。しかし、その１分子層ごとの膜は、理想的には成膜する流路形成部材の表面に均一に成膜されるはずだが、表面エネルギーのバラツキから、実際には島状に成膜されている。従って、流路形成部材と表面処理膜との界面では、島状に成膜されたＳｉＯ２膜とＴａ２Ｏ５膜が混在している。このＳｉＯ２膜とＴａ２Ｏ５膜の界面の接触面積比に密着性は依存している。
通常は、ＳｉＯ２膜を成膜するステップの次にＴａ２Ｏ５膜を成膜するステップを各１ステップずつ交互に成膜するが、Ｓｉ含有量を大きくする場合は、ＳｉＯ２膜の成膜を連続して複数ステップ処理してもよい。すなわち、Ｓｉ含有量はその複数ステップの回数を変えることにより調整できる。
また、表面処理膜５２の下地となる流路形成部材の最表面の自然酸化膜に対してＳｉＯ２膜から成膜することが好ましい。この場合、強固なシロキサン結合（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合）を伴うため、密着力を向上させることができる。
この１層目のＳｉＯ２膜（符号５２ａ）の膜厚としては、０．１〜１０ｎｍが好ましく、１〜１０ｎｍがより好ましく、２〜４ｎｍが更に好ましい。上記範囲であると、界面のシロキサン結合を強くし、表面処理膜の密着力を向上させることができる。
なお、図５は１層目のＳｉＯ２膜の膜厚が０．１〜２ｎｍの場合の例であり、図６は１層目のＳｉＯ２膜の膜厚が２〜４ｎｍの場合の例である。
図５に示されるように、１層目のＳｉＯ２膜５２ａを成膜し、Ｔａ２Ｏ５膜５２ｃ、ＳｉＯ２膜５２ｃ・・・、ＳｉＯ２膜５２ｘ、Ｔａ２Ｏ５膜５２ｙのように交互に成膜することが好ましい。この場合、更に密着力を向上させることができる。
本実施形態におけるＯ３処理は、表面処理膜の成膜中に行う。具体的には、表面処理膜を成膜する前に行う。通常１分子層毎にＯ３を供給するが、本実施形態ではＣ量除去のために、流路形成部材の表面にＯ３処理を実施している。
図７に、本実施形態におけるＴＥＭでの観察像の一例を示す。流路形成部材３１上に自然酸化膜３２が形成され、その上に１層目のＳｉＯ２膜５３ａが形成されていることがわかる。１層目のＳｉＯ２膜５３ａ以降は、ＳｉＯ２膜とＴａ２Ｏ５膜を交互に積層しているが、実際には図７に示されるように混在した層（符号５２１）になっている。また、ＸＰＳ分析においてもＴａＳｉＯｘとして観測され、Ｔａ−Ｓｉの結合状態で得られた膜であることがわかる。
次に、ノズル孔６を形成したノズル基板３００に対して、上記と同様に自然酸化膜及び表面処理膜を形成する。なお、この工程は上記の工程の前に行ってもよい。
そして、上記工程で得られたアクチュエータ基板１００と接合させる。接合方法は、公知の方法により行うことができる。本実施形態では接着剤を用いて行う。
図２における領域Ｂの拡大模式図を図４（Ｂ）に示す。図４（Ｂ）は、アクチュエータ基板１００の表面及びノズル基板３００の表面に表面処理膜５２が形成され、両基板は接着剤６１０を介して接合されている。なお、ここでは自然酸化膜の図示を省略している。
本実施形態の流路形成部材の一つであるノズル基板３００においても、液体と接する領域に表面処理膜５２が形成されている。本実施形態では、ノズル基板３００における吐出面（アクチュエータ基板１００とは反対側の面）にも表面処理膜５２を形成しているが、これに限られるものではない。
本実施形態の液体吐出ヘッドは、流路形成部材の最表面に２ｎｍ以上の自然酸化膜が形成されており、自然酸化膜と表面処理膜との界面はＣ量及びＦ量が５ａｔｏｍｉｃ％以下となっている。自然酸化膜の膜厚、Ｃ量及びＦ量の求め方を説明する。
表面処理膜を形成した後の流路形成部材について、自然酸化膜、表面処理膜の断面観察をＴＥＭ（透過電子顕微鏡）で実施し、Ｓｉの自然酸化膜の測長を行う。またこのときに、流路形成部材の表面処理膜との界面におけるＣ量及びＦ量について、ＥＤＸ（Energy Dispersive X-ray Spectroscopy）分析を行い、全元素（主にはＳｉ、Ｔａ、Ｏ、Ｃ、Ｆ）に対するＣ量とＦ量を求めて定量化する。
なお、ノズル基板３００を接合した後などの液体吐出ヘッドに対しても同様にＥＤＸ分析を行い、Ｃ量とＦ量を求めることができる。
また、不純物測定については、ＸＰＳ（X-ray Photoelectron Spectroscopy）分析でも可能である。
前記Ｃ量及びＦ量が５ａｔｏｍｉｃ％を超えると、表面処理膜の密着性が低下し、信頼性が低下する。
本実施形態の一例では、表面処理膜の形成前にＯ２プラズマ処理を行い、基板表面の研磨やエッチング工程等に由来して流路形成部材の表面に付着するＣ、Ｆを除去し、更に表面処理膜の形成中にＯ３プラズマ処理を行い、汚染物を除去した上で成膜する。これにより、流路形成部材と表面処理膜の界面のＣ量及びＦ量を５Ａｔｏｍｓ％以下に抑制することができ、界面の密着力を確保し、膜剥がれ等の信頼性不良を抑制することができる。
また、本実施形態によれば、表面処理膜を成膜する流路形成部材の表面と表面処理膜の密着性、表面処理膜と接着剤、あるいは撥水層などの密着性を向上させることができ、これを適用した液体吐出ヘッドの品質、信頼性を向上させることができる。
（液体吐出ユニット）
次に、本発明の液体吐出ユニットについて、図８〜図１０を用いて説明する。
このキャリッジ４０３には、本発明に係る液体吐出ヘッド４０４及びヘッドタンク４４１を一体にした液体吐出ユニット４４０を搭載している。液体吐出ユニット４４０の液体吐出ヘッド４０４は、例えば、イエロー（Ｙ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、ブラック（Ｋ）の各色の液体を吐出する。また、液体吐出ヘッド４０４は、複数のノズルからなるノズル列を主走査方向と直交する副走査方向に配置し、吐出方向を下方に向けて装着している。
また、「液体吐出ヘッド」は、使用する圧力発生手段が限定されるものではない。例えば、上記実施形態で説明したような圧電アクチュエータ（積層型圧電素子を使用するものでもよい。）以外にも、発熱抵抗体などの電気熱変換素子を用いるサーマルアクチュエータ、振動板と対向電極からなる静電アクチュエータなどを使用するものでもよい。
また、本願の用語における、画像形成、記録、印字、印写、印刷、造形等はいずれも同義語とする。
「液体吐出ユニット」とは、液体吐出ヘッドに機能部品、機構が一体化したものであり、液体の吐出に関連する部品の集合体である。例えば、「液体吐出ユニット」は、ヘッドタンク、キャリッジ、供給機構、維持回復機構、主走査移動機構の構成の少なくとも一つを液体吐出ヘッドと組み合わせたものなどが含まれる。
ここで、一体化とは、例えば、液体吐出ヘッドと機能部品、機構が、締結、接着、係合などで互いに固定されているもの、一方が他方に対して移動可能に保持されているものを含む。また、液体吐出ヘッドと、機能部品、機構が互いに着脱可能に構成されていても良い。
例えば、液体吐出ユニットとして、液体吐出ヘッドとヘッドタンクが一体化されているものがある。一例を図８に示す。また、チューブなどで互いに接続されて、液体吐出ヘッドとヘッドタンクが一体化されているものがある。ここで、これらの液体吐出ユニットのヘッドタンクと液体吐出ヘッドとの間にフィルタを含むユニットを追加することもできる。
また、液体吐出ユニットとして、液体吐出ヘッドとキャリッジが一体化されているものがある。
また、液体吐出ユニットとして、液体吐出ヘッドを走査移動機構の一部を構成するガイド部材に移動可能に保持させて、液体吐出ヘッドと走査移動機構が一体化されているものがある。また、液体吐出ヘッドとキャリッジと主走査移動機構が一体化されているものがある。一例を図９に示す。
また、液体吐出ユニットとして、液体吐出ヘッドが取り付けられたキャリッジに、維持回復機構の一部であるキャップ部材を固定させて、液体吐出ヘッドとキャリッジと維持回復機構が一体化されているものがある。
また、液体吐出ユニットとして、ヘッドタンク若しくは流路部品が取付けられた液体吐出ヘッドにチューブが接続されて、液体吐出ヘッドと供給機構が一体化されているものがある。一例を図１０に示す。このチューブを介して、液体貯留源の液体が液体吐出ヘッドに供給される。
主走査移動機構は、ガイド部材単体も含むものとする。また、供給機構は、チューブ単体、装填部単体も含むものする。
また、液体吐出ユニットの一例として、本発明の液体吐出ヘッドと、液体吐出ヘッドに液体を供給するインクタンクとを一体化した液体カートリッジが挙げられる。本実施形態によれば、耐久性、信頼性に優れ、高品位な液体カートリッジが得られる。
カートリッジの一例を図１１に示す。このインクカートリッジ８０は、ノズル８１等を有する液体吐出ヘッド１と、この液体吐出ヘッド１に対してインクを供給するインクタンク８２とを一体化したものである。このようにインクタンク８２が一体型の液体吐出ヘッド１の場合、アクチュエータ部を高精度化、高密度化、及び高信頼化することで、インクカートリッジ８０の歩留や信頼性を向上することができ、インクカートリッジ８０の低コスト化を図ることができる。
（液体を吐出する装置）
本願において、「液体を吐出する装置」は、液体吐出ヘッド又は液体吐出ユニットを備え、液体吐出ヘッドを駆動させて、液体を吐出させる装置である。液体を吐出する装置には、液体が付着可能なものに対して液体を吐出することが可能な装置だけでなく、液体を気中や液中に向けて吐出する装置も含まれる。
この「液体を吐出する装置」は、液体が付着可能なものの給送、搬送、排紙に係わる手段、その他、前処理装置、後処理装置なども含むことができる。
例えば、「液体を吐出する装置」として、インクを吐出させて用紙に画像を形成する装置である画像形成装置、立体造形物（三次元造形物）を造形するために、粉体を層状に形成した粉体層に造形液を吐出させる立体造形装置（三次元造形装置）がある。
また、「液体を吐出する装置」は、吐出された液体によって文字、図形等の有意な画像が可視化されるものに限定されるものではない。例えば、それ自体意味を持たないパターン等を形成するもの、三次元像を造形するものも含まれる。
上記「液体が付着可能なもの」とは、液体が少なくとも一時的に付着可能なものであって、付着して固着するもの、付着して浸透するものなどを意味する。具体例としては、用紙、記録紙、記録用紙、フィルム、布などの被記録媒体、電子基板、圧電素子などの電子部品、粉体層（粉末層）、臓器モデル、検査用セルなどの媒体であり、特に限定しない限り、液体が付着するすべてのものが含まれる。
上記「液体が付着可能なもの」の材質は、紙、糸、繊維、布帛、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックスなど液体が一時的でも付着可能であればよい。
また、「液体」は、ヘッドから吐出可能な粘度や表面張力を有するものであればよく、特に限定されないが、常温、常圧下において、または加熱、冷却により粘度が３０ｍＰａ・ｓ以下となるものであることが好ましい。より具体的には、水や有機溶媒等の溶媒、染料や顔料等の着色剤、重合性化合物、樹脂、界面活性剤等の機能性付与材料、ＤＮＡ、アミノ酸やたんぱく質、カルシウム等の生体適合材料、天然色素等の可食材料、などを含む溶液、懸濁液、エマルジョンなどであり、これらは例えば、インクジェット用インク、表面処理液、電子素子や発光素子の構成要素や電子回路レジストパターンの形成用液、３次元造形用材料液等の用途で用いることができる。
また、「液体を吐出する装置」は、液体吐出ヘッドと液体が付着可能なものとが相対的に移動する装置があるが、これに限定するものではない。具体例としては、液体吐出ヘッドを移動させるシリアル型装置、液体吐出ヘッドを移動させないライン型装置などが含まれる。
また、「液体を吐出する装置」としては他にも、用紙の表面を改質するなどの目的で用紙の表面に処理液を塗布するために処理液を用紙に吐出する処理液塗布装置、原材料を溶液中に分散した組成液をノズルを介して噴射させて原材料の微粒子を造粒する噴射造粒装置などがある。
次に、本発明に係る液体吐出ヘッド又は液体吐出ユニットを有する液体を吐出する装置の一例について図１２及び図１３のインクジェット記録装置を参照して説明する。なお、図１２は同記録装置の斜視説明図、図１３は同記録装置の機構部の側面説明図である。
このインクジェット記録装置９０は、装置本体の内部に走査方向に移動可能なキャリッジ９８とキャリッジ９８に搭載した液体吐出ヘッド１及び液体吐出ヘッド１へインクを供給するインクカートリッジ９９等で構成される印字機構部９１等を収納し、装置本体の下方部には前方側から多数枚の用紙９２を積載可能な給紙カセット（あるいは給紙トレイでもよい）９３を抜き差し自在に装着されている。また、用紙９２を手差しで給紙するために開かれる手差しトレイ９４を有し、給紙カセット９３あるいは手差しトレイ９４から給送される用紙９２を取り込み、印字機構部９１によって所要の画像を記録した後、後面側の装着された排紙トレイ９５に排紙する。
印字機構部９１は、図示しない左右の側板に横架したガイド部材である主ガイドロッド９６と従ガイドロッド９７とキャリッジ９８を主走査方向に摺動自在に保持し、このキャリッジ９８には、イエロー（Ｙ）、シアン（Ｃ）、マゼンダ（Ｍ）、ブラック（Ｂｋ）の各色のインク滴を吐出する液体吐出ヘッド１を複数のインク吐出口（ノズル）を主走査方向と交差する方向に配列し、インク滴吐出方向を下方に向けて装着している。また、キャリッジ９８には液体吐出ヘッド１に各色のインクを供給するための各インクカートリッジ９９を交換可能に装着している。
インクカートリッジ９９は、上方に大気と連通する大気口、下方には液体吐出ヘッド１へインクを供給する供給口が設けられ、内部にはインクが充填された多孔質体を有しており、多孔質体の毛管力により液体吐出ヘッド１へ供給されるインクをわずかな負圧に維持している。また、液体吐出ヘッド１としては各色の液体吐出ヘッド１を用いているが、各色のインク滴を吐出するノズルを有する１個の液出ヘッドでもよい。
ここで、キャリッジ９８は後方側（用紙搬送下流側）を主ガイドロッド９６に摺動自在に嵌装し、前方側（用紙搬送上流側)を従ガイドロッド９７に摺動自在に載置している。そして、このキャリッジ９８を主走査方向に移動走査するため、主走査モーター１０１で回転駆動される駆動プーリ１０２と従動プーリ１０３との間にタイミングベルト１０４を張装し、このタイミングベルト１０４をキャリッジ９８に固定しており、主走査モーター１０１の正逆回転によりキャリッジ９８が往復駆動される。
一方、給紙カセット９３にセットした用紙９２を液体吐出ヘッド１に下方側に搬送するために、給紙カセット９３から用紙９２を分離給装する給紙ローラー１０５及びフリクションパッド１０６と、用紙９２を案内するガイド部材１０７と、給紙された用紙９２を反転させて搬送する搬送ローラー１０８と、この搬送ローラー１０８の周面に押し付けられる搬送コロ１０９及び搬送ローラー１０８からの用紙９２の送り出し角度を規定する先端コロ１１０とを有する。搬送ローラー１０８は副走査モーターによってギア列を介して回転駆動される。
そして、キャリッジ９８の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラー１０８から送り出された用紙９２を液体吐出ヘッド１の下方側で案内するため用紙ガイド部材である印写受け部材１１１を設けている。この印写受け部材１１１の用紙搬送方向下流側には、用紙９２を排紙方向へ送り出すための回転駆動される搬送コロ１１２と拍車１１３を設け、さらに用紙９２を排紙トレイ９５に送り出す排紙ローラー１１４と拍車１１５と排紙経路を形成するガイド部材１１６、１１７とを配設している。
このインクジェット記録装置９０で記録時には、キャリッジ９８を移動させながら画像信号に応じて液体吐出ヘッド１を駆動することにより、停止している用紙９２にインクを吐出して1行分を記録し、その後、用紙９２を所定量搬送後、次の行の記録を行う。記録終了信号または用紙９２の後端が記録領域に到達した信号を受けることにより、記録動作を終了させ用紙９２を排紙する。
また、キャリッジ９８の移動方向右端側の記録領域を外れた位置には、液体吐出ヘッド１の吐出不良を回復するための回復装置１２７を配置している。回復装置１２７はキャップ手段と吸引手段とクリーニング手段を有している。キャリッジ９８は印字待機中にはこの回復装置１２７側に移動されてキャッピン手段で液体吐出ヘッド１をキャッピングして吐出口部を湿潤状態に保つことによりインク乾燥による吐出不良を防止する。また、記録途中などに記録と関係ないインクを吐出することにより、全ての吐出口のインク粘度を一定にし、安定した吐出状態を維持する。
また、吐出不良が発生した場合等には、キャピング手段で液体吐出ヘッド１の吐出出口（ノズル）を密封し、チューブを通して吸引手段で吐出口からインクとともの気泡等を吸出し、吐出口面に付着したインクやゴミ等はクリーニング手段により除去され吐出不良が回復される。また、吸引されたインクは、本体下部に設置された廃インク溜に排出され、廃インク溜内部のインク吸収体に吸収保持される。
このように、このインクジェット記録装置９０においては本発明で製造された液体吐出ヘッド１を搭載しているので、安定したインク吐出特性が得られ、画像品質が向上する。
上記の説明ではインクジェット記録装置９０に液体吐出ヘッド１を使用した場合について説明したが、インク以外の液滴、例えば、パターニング用の液体レジストを吐出する装置に液体吐出ヘッド１を適用してもよい。
以下、実施例及び比較例を示して本発明を更に具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。
（実施例１）
図１〜図３に示されるＳｉからなるアクチュエータ基板１００に振動板３、圧電体素子２を形成し、更に層間絶縁膜４５、接続孔３０、配線パターン４２、引き出し配線４０、引き出し配線パッド４１を形成した。
次いで、Ｓｉからなるサブフレーム基板に対して、リソエッチ法により貫通孔部６０、空隙部６７を形成し、サブフレーム基板２００とアクチュエータ基板１００とを接合した。次いで、アクチュエータ基板１００に対して、ＩＣＰエッチャーを用い、ＣＦ４ガスを用いてドライエッチングで加工し、加圧液室５を形成した。
次に、ＩＣＰエッチャー内でＯ２プラズマ処理（５０Ｗ、５分間）を行い、液体の流路となる箇所に膜厚３．５ｎｍの自然酸化膜を形成した。
次に、表面処理膜をＡＬＤ法により形成する。ＡＬＤ法による膜が形成されないようにする箇所にはサポートテープを貼り付けた。この状態でＡＬＤチャンバーに入れ、１層目のＳｉＯ２膜を膜厚０．１ｎｍで形成した。次いで、Ｔａ２Ｏ５膜を形成し、以降、ＳｉＯ２膜とＴａ２Ｏ５膜を交互に成膜した。表面処理膜の膜厚は５０ｎｍとした。
また、ＡＬＤ処理中にＡＬＤ装置内でＯ３処理を５分間行った。Ｏ３処理は表面処理膜を成膜する前に行った。
表面処理膜を形成した後、表面処理膜の断面観察をＴＥＭで実施し、Ｓｉの自然酸化膜の測長を実施した。またこのときに自然酸化膜と表面処理膜の界面でのＥＤＸ分析を行い、全元素（主にはＳｉ、Ｔａ、Ｏ、Ｃ、Ｆ）に対するＣ量とＦ量を定量化した。
なお、本実施例における観察結果は図７に示されるものであった。
また、ＸＰＳ分析を行ったところ、ＴａＳｉＯｘとして観測され、Ｔａ−Ｓｉの結合状態で得られた膜であった。
次に、ノズル孔６を形成したノズル基板３００に対して、上記と同様の作製条件で自然酸化膜及び表面処理膜を形成した。次いで、上記工程で得られたアクチュエータ基板１００と接着剤を用いて接合した。このようにして本実施例の液体吐出ヘッドを作製した。
（実施例２〜６、比較例１〜４）
実施例１において、下記表１に示す通りに変更した以外は実施例１と同様とした。
（評価）
＜スクラッチ強度＞
スクラッチ強度については、表面処理膜の密着力評価となり、レスカ社製ｓｃｒａｔｃｈ試験装置（ＣＳＲ−５０００）を用いた。評価するときの圧子状態によっても密着力が異なるため、今回の評価では球形圧子を用いて、スタイラス径は１５μｍを用いて実施している。２０ｍＮ以上が好ましい。
＜信頼性試験＞
信頼性試験については、図１２及び図１３に示すインクジェット記録装置を用い、ＨＣＴ（ヒートサイクルテスト）を実施し、−７０℃〜３０℃の温度サイクル（９サイクル）を行った。試験後に吐出評価を実施し、不具合有無について確認している。
［評価基準］
ＯＫ：吐出不良の不具合なし
ＮＧ：吐出不良の不具合あり
表１に、各実施例、比較例の作製条件、測定値、評価結果を示す。なお、表１中、「％」とあるのは「ａｔｏｍｉｃ％」を意味する。
表１では、界面の不純物が低減されているほどスクラッチ強度が高くなっている傾向があり、界面不純物が５ａｔｏｍｉｃ％を超えると強度は２０ｍＮを下回り、その後の信頼性試験にて表面処理膜の剥がれに由来する吐出不良が発生した。
１ 液体吐出ヘッド
２ 圧電体素子
３ 振動板
４ 加圧液室隔壁
５ 加圧液室
６ ノズル孔
７ 流体抵抗部
８ 個別液滴供給孔
９ 共通液滴流路
１０ 共通電極
１１ 個別電極
１２ 圧電体
３０ 接続孔
３１ 流路形成部材
３２ 自然酸化膜
４０ 引き出し配線
４１ 引き出し配線パッド
４２ 配線パターン
４５ 層間絶縁膜
５０ パッシベーション膜
５２ 表面処理膜
５２ａ、５２ｃ、５２ｘ ＳｉＯ２膜
５２ｂ、５２ｙ Ｔａ２Ｏ５膜
６０ 貫通孔部
６１ 個別貫通部
６６ 液滴供給口
６７ 空隙部
１００ アクチュエータ基板
２００ サブフレーム基板
３００ ノズル基板
４０１ ガイド部材
４０３ キャリッジ
４０４ 液体吐出ヘッド
４０５ 主走査モータ
４０６ 駆動プーリ
４０７ 従動プーリ
４０８ タイミングベルト
４１２ 搬送ベルト
４１３ 搬送ローラ
４１４ テンションローラ
４４０ 液体吐出ユニット
４４１ ヘッドタンク
４４２ カバー
４４３ コネクタ
４４４ 流路部品
４５６ チューブ
４９１Ａ、４９１Ｂ 側板
４９１Ｃ 背板
４９３ 主走査移動機構
６１０ 接着剤
特許第６１９４７６７号公報 特開２０１２−９１３８１号公報 特開２００４−９８３１０号公報

Claims (12)

  1. 液体の流路を形成する流路形成部材を有する液体吐出ヘッドであって、
    前記流路形成部材は、Ｓｉからなり、前記液体の流路において、最表面に２ｎｍ以上の自然酸化膜が形成され、該自然酸化膜上に表面処理膜が接して形成されており、
    前記自然酸化膜と前記表面処理膜との界面は、Ｃ量及びＦ量が５ａｔｏｍｉｃ％以下であることを特徴とする液体吐出ヘッド。
  2. 前記表面処理膜は、Ｓｉを含む酸化膜であり、前記流路形成部材との界面がシロキサン結合していることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
  3. 前記表面処理膜は、第４族及び第５族から選ばれる遷移金属を少なくとも一種含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の液体吐出ヘッド。
  4. 前記表面処理膜は、Ｈｆ、Ｔａ及びＺｒから選ばれる少なくとも一種を含むことを特徴とする請求項３に記載の液体吐出ヘッド。
  5. 前記表面処理膜は、前記流路形成部材との界面がＳｉＯ２膜で形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
  6. 前記表面処理膜は、前記流路形成部材との界面におけるＳｉＯ２膜の膜厚が０．１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項５に記載の液体吐出ヘッド。
  7. 前記表面処理膜は、Ｔａ−Ｓｉの結合状態を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
  8. 請求項１〜７のいずれかに記載の液体吐出ヘッドを備えていることを特徴とする液体吐出ユニット。
  9. 前記液体吐出ヘッドに供給する液体を貯留するヘッドタンク、前記液体吐出ヘッドを搭載するキャリッジ、前記液体吐出ヘッドに液体を供給する供給機構、前記液体吐出ヘッドの維持回復を行う維持回復機構、前記液体吐出ヘッドを主走査方向に移動させる主走査移動機構の少なくともいずれか一つと前記液体吐出ヘッドとを一体化したことを特徴とする請求項８に記載の液体吐出ユニット。
  10. 請求項１〜７のいずれかに記載の液体吐出ヘッド、又は、請求項８若しくは９に記載の液体吐出ユニットを備えていることを特徴とする液体を吐出する装置。
  11. 液体の流路を有する流路形成部材を備えた液体吐出ヘッドの製造方法であって、
    前記流路形成部材における前記液体の流路に膜厚２ｎｍ以上の自然酸化膜を形成する工程と、
    前記流路形成部材の表面の汚染物を除去する工程と、
    前記自然酸化膜上に表面処理膜を形成する工程と、
    を有することを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
  12. 前記表面処理膜は、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法により形成することを特徴とする請求項１１に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
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