JP5457122B2

JP5457122B2 - 液体吐出装置

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Publication number: JP5457122B2
Application number: JP2009225839A
Authority: JP
Inventors: 靖和二瓶
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2009-09-30
Filing date: 2009-09-30
Publication date: 2014-04-02
Anticipated expiration: 2029-09-30
Also published as: JP2011073226A

Description

本発明は、液体吐出装置（インクジェット式記録ヘッド）に関し、特に、インク固化を防止することができる液体吐出装置に関するものである。

電界印加強度の増減に伴って伸縮する圧電性を有する圧電体層と、圧電体層に対して電界を印加する上部電極層と下部電極層とを備えた圧電素子が、インクジェット式記録ヘッド（液体吐出装置）に搭載されるアクチュエータ等として使用されている。インクジェット式記録ヘッドでは、圧力室（インク室）および圧力室から外部にインクが吐出されるインク吐出口を有するインクノズル（液体吐出部材）が備えられ、このインクノズルにインク室の一壁を構成する振動板および上記圧電素子が取り付けられた構造を基本としている。

振動板上に圧電素子を取り付ける場合、作製された圧電素子を振動板上に取り付ける方法が従来なされていたが、現在では装置の小型化および加工技術の進歩によりＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）デバイスとして、振動板上に、直接、下部電極層、圧電体層、上部電極層を順次成膜する方法が知られている。

例えば、特許文献１には、前者の方法で圧電素子が取り付けられたインクジェットヘッドが開示されている。特許文献１のインクジェットヘッドは、振動板として、極めて薄い金属薄板と絶縁部材との積層部材が用いられており、金属薄板面側がインク室に接するよう構成されている。

一方、特許文献２等には、後者の方法で圧電素子が取り付けられたインクジェットヘッドが開示されている。また、特許文献２に記載の通り、圧電体層を基板（振動板）上に成膜する際に、スパッタ法やＰＬＤ法などの気相成長法を用いた場合、電極材料、応力に応じて自己組織的に圧電膜の配向構造が形成され、自発分極方向が一義的に決定されることが知られている。なお、その自発分極は、成膜直後の状態で下部電極層側から上部電極層に向かう向きに配向するものとなる。

下部電極側から上部電極側に向かう自発分極を有する圧電体膜を備えた圧電素子を駆動するためには、下部電極を上部電極より高い電位となるように電圧を印加する必要がある。

そのためには、（１）上部電極層側を接地電位とし、下部電極層側をアドレス電極として正電位とする、あるいは、（２）下部電極層側を接地電位とし、上部電極層側をアドレス電極として負電位として駆動させる方法が考えられる。

複数の圧電素子を並列して備えた装置においては、一般的に、接地電位は共通電極、駆動電極は個別電極として駆動するように構成される。すなわち、（１）の方法であれば、上部電極層を共通電極とし、（２）の方法であれば、下部電極層を共通電極とする。（２）のように下部電極層を共通電極とする構成の方が、下部電極を個別電極化する必要のある（１）の構成と比較して、製造方法が容易である。一方、（１）の場合、汎用的な成駆動回路を使用することができるが、（２）の場合、上部電極をマイナス電位駆動する必要があり、負電位駆動用回路を用いる必要が生じる。負電位駆動用回路は、汎用の正電位駆動用回路と異なり特殊仕様であるため、高価なものとなり、製造コスト高となるという問題がある。（１）、（２）いずれの方法にも一長一短があり、各種設計に応じていずれかの駆動方法が選択される。

特開平６−１６９６５１号公報特開２００８−２５２０７１号公報

ところが（１）の方法を用いた圧電デバイスをインクジェット用ヘッドに採用した際に、圧力室内におけるインク固化の現象が、（２）の場合と比較して多く生じることが、分かった。本発明者らは、鋭意研究により、このインク固化の現象が、圧力室内壁の帯電に誘発されたインクの帯電凝集に起因するものであることを見いだした。すなわち、下部電極に駆動電位を印加する場合、下部電極に接する振動板が帯電しやすくなり、振動板の圧力室内壁側に電荷が誘発されて帯電することにより、インクの凝集が生じ圧力室内でインクの固化が生じやすくなっていることを見いだした。

なお、この帯電によるインク固化の現象は、（１）の方法を用いた場合に限るものではなく、（２）の方法を用いた場合であっても起こり得るものである。例えば、接地電極とアドレス電極が何らかの原因でショートした場合などの異常発生時に、接地電極側の電位が高くなることがあり、そのような場合には、やはり圧力室内壁の帯電が誘発され、インク固化の現象が起こり得る。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、圧力室内の帯電によるインク固化を防止することができる液体吐出装置を提供することを目的とするものである。

本発明の液体吐出装置は、液体が充填される圧力室および該圧力室に連通し該圧力室内の前記液体を外部に吐出する液体吐出口を有する液体吐出部材の前記圧力室上に、該圧力室の一壁面を構成する振動板を介して、下部電極と圧電体膜と上部電極とを順次備えた圧電素子が形成されてなり、該下部電極および上部電極間に所定の駆動回路を介して電圧が印加されることにより前記振動板が駆動されて前記圧力室内の前記液体を前記液体吐出口から吐出する液体吐出装置であって、
前記振動板は絶縁体からなるものであり、
該振動板の、前記圧力室の内壁面側に導電層を備えていることを特徴とするものである。

前記導電層は、前記振動板の、前記圧力室の内壁面側に少しでも存在すればよいが、一面全域に設けられていることが望ましい。さらに、導電層は、圧力室の他の内壁面にも形成されていることが望ましい。

前記導電層は、金属材料からなるものであってもよいが、酸化物導電材料、酸化物半導体材料からなるものであることがより望ましい。

前記導電層を含む前記圧力室の内壁面に、酸化シリコン材料からなる内部保護膜を備えていることが望ましい。

本発明の液体吐出装置は、前記圧電素子の前記下部電極が前記所定の駆動回路に接続され、駆動電位が与えられるアドレス電極であることが望ましい。

あるいは、本発明の液体吐出装置は、前記液体吐出部材が前記圧力室を複数備え、
前記圧電素子が、該複数の圧液室にそれぞれ対応して複数形成されてなり、
該複数の圧電素子の前記下部電極は各圧電素子毎に個別分離した個別電極であり、該下部電極が前記駆動回路に接続され、駆動電位が与えられるアドレス電極であることが望ましい。

なお、下部電極がアドレス電極であるとき、前記上部電極は、電位が基準電位に固定されるグランド電極である。基準電位は接地が好ましい。

本発明の液体吐出装置は、振動板の、圧力室の内壁面側に導電層を備えているので、振動板上の圧電素子の駆動時に生じる振動板の帯電を防止することにより、実質的に圧力室内の帯電を防止し、帯電によるインクの凝集によるインク固化を抑制することができる。インクの固化を抑制することにより、液体吐出装置としての信頼性を高めることができる。

特に、振動板に隣接して配置される下部電極側がアドレス電極として、駆動電位が与えられる場合には、振動板が帯電しやすいために、圧力室の内壁面に導電層を備えていない場合にはインクの凝集現象が顕著に起こることから、導電層を備えることによるインク固化防止の効果も顕著である。

第１の実施形態の液体吐出装置の要部概略を示す平面図図１Ａに示す液体吐出装置の１Ｂ−１Ｂ断面図第１の実施形態の液体吐出装置の製造工程を示す断面図（その１）第１の実施形態の液体吐出装置の製造工程を示す断面図（その２）第１の実施形態の液体吐出装置の製造工程を示す断面図（その３）第１の実施形態の液体吐出装置の製造工程を示す断面図（その４）第１の実施形態の液体吐出装置の設計変更例第２の実施形態の液体吐出装置の要部概略を示す平面図図４Ａに示す液体吐出装置の４Ｂ−４Ｂ断面図本発明の液体吐出装置を備えたインクジェット式記録装置の概略構成を示す図図５のインクジェット式記録装置の部分上面図

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図面においては、認しやすくするため、構成要素の縮尺は実際のものとは適宜異ならせてある。

＜第１の実施形態の液体吐出装置＞
本発明の第１の実施形態の液体吐出装置（インクジェット式記録ヘッド）１について説明する。図１Ａは本発明に係る第１の実施形態の液体吐出装置の要部平面図、図１Ｂは図１Ａの液体吐出装置の１Ｂ−１Ｂ断面図（圧電素子の厚み方向の断面図）、図２Ａ〜図２Ｄは液体吐出装置の製造工程を示す断面図である。

本実施形態の液体吐出装置１は、液体（インク）が充填される圧力室１１および圧力室１１に連通し圧力室１１内の液体を外部に吐出する液体吐出口１３ａを有する液体吐出部材１０と、圧力室１１の一壁面を構成する振動板１５ａと、圧力室１１上に振動板１５ａを介して配置された、下部電極２１と圧電体膜２２と上部電極２３とを順次備えた圧電素子２０とを備え、下部電極２１および上部電極２３間に所定の駆動回路３０を介して電圧が印加されることにより振動板１５ａが駆動されて圧力室１１内の液体を液体吐出口１３ａから吐出するものである。なお、圧力室１１は図示しないインク貯留部に図示しない流路を介して接続されており、そのインク貯留部から適宜インクが供給される。

また、液体吐出装置１は、圧力室１１の内壁面に導電層１６が形成され、さらに導電層１６表面に内部保護膜１７が形成されている。

液体吐出部材１０は、内部に多数のダイアフラム構造１５（図２Ｂ参照）が形成された基板１２と、該基板１２の裏面に接着された、各圧力室１１と個別に連通する液体吐出口１３ａを有する薄板（ノズルプレート）１３とからなる。このダイアフラム構造１５とノズルプレート１３により囲まれた空間により圧力室１１が構成されている。圧力室１１の上壁面を構成する振動板（ダイアフラム）１５ａは、基板１２の加工により形成されている。振動板１５ａ上に配置されている圧電素子２０に印加する電界強度を増減させて圧電素子２０を膜面方向に伸縮させ、この伸縮の結果、振動板１５ａを凹凸変位させることにより、圧力室への減加圧がなされ、液体の吐出や吐出量の制御が行われる。

圧電素子２０は、その圧電体膜２２の自発分極が、下部電極２１側から上部電極２３側に向かう向き（自発分極が図中上向き）に配向しており、下部電極２１は、複数の圧電素子２０間で互いに離間して設けられた個別電極であり、上部電極２３は複数の圧電素子に亘って形成された共通電極である。各下部電極２１はアドレス電極として、それぞれ下部側電気配線２６により所定の駆動回路３０である正駆動ＩＣ（integrated circuit）を介して電源３５に接続されて、正の駆動電位が与えられる。上部電極２３はグランド電極として、基準電位とされている。ここでは上部電極２３は上部側電気配線２７を介して接地されている。このように、下部電極２１および上部電極２３間には、下部電極の電位が上部電極の電位よりも高くなるように電圧が印加され、圧電素子２０はこの電圧の印加により膜面方向に伸縮をする。

下部電極２１および下部側電気配線２６の主成分としては特に制限なく、Ａｕ，Ｐｔ，Ｉｒ，ＩｒＯ_２，ＲｕＯ_２，ＬａＮｉＯ_３，およびＳｒＲｕＯ_３等の金属または金属酸化物、およびこれらの組合せが挙げられる。

上部電極２３および上部側電気配線２７主成分としては特に制限なく、下部電極２１で例示した材料、Ａｌ，Ｔａ，Ｃｒ，およびＣｕ等の一般的に半導体プロセスで用いられている電極材料、およびこれらの組合せが挙げられる。下部電極２１と上部電極２３の厚みは特に制限なく、５０〜５００ｎｍであることが好ましい。

圧電体膜２２は、ＰＺＴ系、ＢａＴｉＯ_３、ＬｉＮｂＯ_３など、特に限定されるものではないが、下記一般式（Ｐ）で表される１種または複数種のペロブスカイト型酸化物からなる圧電体膜を得ることが好ましい。
一般式Ａ_ａＢ_ｂＯ_３・・・（Ｐ）
（式中、Ａ：Ａサイト元素であり、Ｐｂを含む少なくとも１種の元素、
Ｂ：Ｂサイトの元素であり、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｍｎ，Ｓｃ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｇａ，Ｚｎ，Ｃｄ，ＦｅおよびＮｉからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素、
Ｏ：酸素原子。
ａ＝１．０かつｂ＝１．０である場合が標準であるが、これらの数値はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で１．０からずれてもよい。）
圧電体膜２２の膜厚は特に制限なく、通常１μｍ以上であり、例えば１〜１０μｍである。

正駆動ＩＣ３０は、下面に複数のバンプがマトリックス状の所定高さ突設されており、基板１２上の下部側電気配線２６にフリップチップ実装されている。

圧力室１１の内壁面に形成されている導電層１６は、圧力室内の帯電を防止する帯電防止層として機能するものである。導電層１６は、必ずしも内壁面全域に設けられている必要はなく、少なくとも振動板１５ａの圧力室の内壁面側の一部に設けられていれば帯電防止効果を得ることができる。

この帯電防止層たる導電層１６の材料は、金属でもよいが、ＳｎＯ、ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＩｎＯ、ＩｒＯなどの酸化物導電体であることが特に好ましい。また金属微粒子ドープＳｉＯ₂などの導電性物質分散酸化物であってもよい。導電層１６を、金属ではなく酸化物導電体により形成することで、導電層表面に形成される内部保護膜１７の密着性を向上させることができる。

内部保護膜１７は、アルカリ性インクによるケミカル作用およびインクが流れることによるメカニカルな磨耗作用などにより、圧力室内壁が侵食され、流路寸法や形状が変化することを防止するために形成される層である。

内部保護膜１７は、有機シリコン系材料を原料として形成される酸化シリコン膜が好ましい。酸化シリコン膜は、金属に対する密着性が非常に低く、一方酸化物導電体に対する密着性は高い、したがって、導電層１６を酸化物導電層とすることで、内部保護膜１７との強固な密着性を実現することができる。なお、有機シリコン系材料とは有機分子鎖をもったＳｉ化合物を指し、この有機分子プリカーサ（前駆体）を用いて、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）膜を蒸着もしくはプラズマによる分解結合形成することが望ましい。この方法によれば、低温形成が可能であり、また、複雑な構造体中にも均一な膜を形成することが可能である。

本実施形態の液体吐出装置の製造方法の一例を具体的な構成例と共に説明する。

まず、図２Ａに示すように、シリコン基板１２上に個別下部電極２１を形成し、その後、圧電体膜２２を形成した後、圧電体膜２２上に上部電極２３を全面に形成する。

下部電極２１および下部側電気配線２６は、基板１２上にＩｒをスパッタ法により１００ｎｍ蒸着形成した後、ドライエッチングによりパターン化処理を行うことにより形成する。ドライエッチングは、例えば、主要処理ガスとしてＡｒ／ＳＦ6（六フッ化硫黄）を用い、基板温度２５℃、ガス圧０．８Ｐａの条件下で行う。

圧電体膜２２は、スパッタ法により成膜する。例えば、Ｐｂ_１．３Ｚｒ_０．５２Ｔｉ_０．４８Ｏ_３のターゲットを用い、ＲＦスパッタリング装置により、５μｍ厚のＰＺＴ圧電体膜を成膜する。スパッタ時の成膜条件は以下の通りとすることができる。

基板温度：５２５℃、
ターゲット印加電圧：２．５Ｗ／ｃｍ^２、
基板−ターゲット間距離：６０ｍｍ、
真空度：０．５Ｐａ、
成膜ガス：Ａｒ／Ｏ_２混合ガス（Ｏ_２分圧１．３モル％）、
その後、上部電極２３を圧電体膜２２上に全面ベタ形成する。上部電極２３は、一例として、５０ｎｍ厚のＴｉ層と２００ｎｍ厚のＰｔ層との積層構造である。

次に、図２Ｂに示すように、基板１２の裏面側をリアクティブイオンエッチングしてダイアフラム構造１５を形成する。ここで、エッチング深さを５００μｍ程度、開口領域は３００μｍ×３００μｍとした。このように、振動板１５ａは基板１２自体が加工されて形成される。振動板１５ａの厚みは、一例として１０μｍ程度とする。なお、振動板１５ａは、基板と別体の薄板を基板に貼り付けて形成してもよいが、上記のように基板の加工により形成する方法が簡便であり好ましい。

次に、図２Ｃに示すように、液体吐出口１３ａを有するオープンプール構造のノズルプレート１３を各液体吐出口１３ａが各ダイアフラム構造１５と１：１で対応するように、基板１２の裏面に接着する。ダイアフラム構造１５とノズルプレート１３により圧力室１１が形成される。

その後、圧力室１１から連通して設けられている図示しない流路の開口部からガスフロー蒸着により、圧力室１１の内壁に酸化物導電層１６を形成する（図２Ｄ参照）。ガスフロー蒸着は狭い構造体の内部に被膜形成できる蒸着方法であり、原料物質を加熱蒸発させてガスフローさせることにより蒸発物質を構造体内部に成膜することができる。酸化物導電層１６としては、一例として、酸化物導電体材料であるＩＴＯ（Ｉｎ₂Ｏ₃:Ｓｎ)を用いる。このほか導電層の材料としては、ＳｎＯ、ＺｎＯ、ＩｎＯ、ＩｒＯや酸化物半導体材料を用いてもよい。

さらに、その後、酸化物導電層１６上に、有機シリコン系材料のガスフロー蒸着により、内部保護膜１７として酸化シリコン層を成膜する（図１Ｂ参照）。なお、プラズマを用いた分子気相成膜を用いてもよい。

以上の工程を経て、本実施形態の液体吐出装置１を作製することができる。

圧電体膜の形成方法は、上述のスパッタリング法に限定されず、ＣＶＤ、ゾル・ゲル法などであってもよい。電極および圧電体膜を直接構造体に成膜することが量産、歩留まり向上の観点から好ましい。なお、圧電体膜のスパッタリングに際しては、例えば、特開２００８−０８１８０１号公報、特開２００８−０８１８０２号公報、特開２００８−１０６３５３号公報等に記載の成膜条件を用い、特開２００８−０８１８０３号公報に記載のスパッタ装置を用いることができる。これらの成膜条件およびスパッタ装置を用いたスパッタリング法により、非常に圧電特性の良好な、下部電極側から上部電極側に向かう自発分極Ｐの圧電体膜を得ることができる。圧電体膜はＰＺＴ系に限るものではなく成膜時に自発分極するものであれば如何なる圧電材料からなるものであってもよい。なお、圧電体膜の成膜にＰＬＤ法、ＣＶＤ法，ゾル・ゲル法、などを用いても膜厚方向に非対称の電荷分布を有していれば、同様の自発分極を得ることができる（Applied Physics Letters, vol.６８、p.484; Journal of Japanese Applied Physics, vol.38, p.5364参照。）。

「設計変更例」
図３は、第１の実施形態の設計変更例の液体吐出装置１’を示す。液体吐出装置１’は、圧力室１１の内壁面のうち、ノズルプレート１３の内壁部に導電層１６および内部保護膜１７を備えていない点でのみ第１の実施形態の液体吐出装置１と異なる。液体吐出装置１’は、上述の第１の実施形態の液体吐出装置１の製造方法において、ノズルプレート１３を基板１２の裏面に接着する前に、基板１２の裏面のダイアフラム構造１５の開口部から通常のスパッタ、蒸着等気相成膜によりダイアフラム構造の壁面に導電層１６および内部保護膜１７を順に成膜形成し、導電層１６および内部保護膜１７の成膜後、基板１２裏面にノズルプレート１３を接着するようにすればよい。

＜第２の実施形態の液体吐出装置＞
本発明の第２の実施形態の液体吐出装置（インクジェット式記録ヘッド）２について説明する。図４Ａは本発明に係る第２の実施形態の液体吐出装置の平面図、図４Ｂは図４Ａの液体吐出装置の４Ｂ−４Ｂ断面図（圧電素子の厚み方向の断面図）である。図４Ａおよび図４Ｂにおいて、第１の実施形態の液体吐出装置１と同一の構成要素については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。

第２の実施形態の液体吐出装置２は、各圧力室１１に対応して設けられている圧電素子４０の構成および駆動回路が第１の実施形態の液体吐出装置１と異なる。本実施形態において、圧電素子４０は、振動板１５ａ側から、下部電極４１と圧電体膜４２と上部電極４３とを順次備えてなり、下部電極４１が複数の圧電素子に亘って共通して形成された共通電極であり、上部電極４３が個々の圧電素子４０毎に個別化された個別電極である。本実施形態において、図４Ｂに模式的に示すように、各上部電極４３はアドレス電極として、それぞれ上部側電気配線４７により所定の駆動回路５０である負駆動ＩＣを介して電源５５に接続されて、負の駆動電位が与えられる。一方、下部電極４１はグランド電極として、基準電位とされている。ここでは、下部電極４１は、下部側電気配線４６を介して接地されている。

なお、本実施形態において、圧電体膜４２上の負駆動ＩＣ５０が設置される領域には、ポリイミド樹脂層などの絶縁膜４８が形成されている。上部電極４３および配線４７を形成する前に、圧電体膜４２の所定領域に予め絶縁膜４８を形成した上で、ウエハ全面に上部電極層を形成後、パターン化処理により個別電極である上部電極４３および配線４７を形成すればよい。

本実施形態の液体吐出装置２は、圧電素子４０の下部電極４１が共通電極であることから製造工程が下部電極を個別電極とする場合と比較して容易なものとなる。一方、負駆動ＩＣは正駆動ＩＣと比較して、小型化が進んでおらず、また高価であるため製造コストは増加する。

下部電極４１側が基準電位であり、特に接地されている場合には、振動板１５ａの帯電によるインク凝集は、第１の実施形態の装置と比較するとずっと少なく、インク固化の問題も生じにくい。しかしながら、駆動により圧力室内に電界が生じることによるインクの凝集および固化は皆無とは言えず、圧力室内に導電層１６を備える意義は十分にある。さらに電極間リークなどの異常発生時のインク凝集二次障害防止の上でも有効である。

＜インクジェット式記録装置＞
図５および図６を参照して、上記第１の実施形態のインクジェット式記録ヘッド１を備えたインクジェット式記録装置１００の構成例について説明する。図５は装置全体図であり、図６は部分上面図である。

図示するインクジェット式記録装置１００は、インクの色ごとに設けられた複数のインクジェット式記録ヘッド（以下、単に「ヘッド」という）１Ｋ，１Ｃ，１Ｍ，１Ｙを有する印字部１０２と、各ヘッド１Ｋ，１Ｃ，１Ｍ，１Ｙに供給するインクを貯蔵しておくインク貯蔵／装填部１１４と、記録紙１１６を供給する給紙部１１８と、記録紙１１６のカールを除去するデカール処理部１２０と、印字部１０２のノズル面（インク吐出面）に対向して配置され、記録紙１１６の平面性を保持しながら記録紙１１６を搬送する吸着ベルト搬送部１２２と、印字部１０２による印字結果を読み取る印字検出部１２４と、印画済みの記録紙（プリント物）を外部に排紙する排紙部１２６とから概略構成されている。

印字部１０２をなすヘッド１Ｋ，１Ｃ，１Ｍ，１Ｙが、各々上記実施形態のインクジェット式記録ヘッド１である。

デカール処理部１２０では、巻き癖方向と逆方向に加熱ドラム１３０により記録紙１１６に熱が与えられて、デカール処理が実施される。

ロール紙を使用する装置では、図５のように、デカール処理部１２０の後段に裁断用のカッター１２８が設けられ、このカッターによってロール紙は所望のサイズにカットされる。カッター１２８は、記録紙１１６の搬送路幅以上の長さを有する固定刃１２８Ａと、該固定刃１２８Ａに沿って移動する丸刃１２８Ｂとから構成されており、印字裏面側に固定刃１２８Ａが設けられ、搬送路を挟んで印字面側に丸刃１２８Ｂが配置される。カット紙を使用する装置では、カッター１２８は不要である。

デカール処理され、カットされた記録紙１１６は、吸着ベルト搬送部１２２へと送られる。吸着ベルト搬送部１２２は、ローラ１３１、１３２間に無端状のベルト１３３が巻き掛けられた構造を有し、少なくとも印字部１０２のノズル面および印字検出部１２４のセンサ面に対向する部分が水平面（フラット面）となるよう構成されている。

ベルト１３３は、記録紙１１６の幅よりも広い幅寸法を有しており、ベルト面には多数の吸引孔（図示略）が形成されている。ローラ１３１、１３２間に掛け渡されたベルト１３３の内側において印字部１０２のノズル面および印字検出部１２４のセンサ面に対向する位置には吸着チャンバ１３４が設けられており、この吸着チャンバ１３４をファン１３５で吸引して負圧にすることによってベルト１３３上の記録紙１１６が吸着保持される。

ベルト１３３が巻かれているローラ１３１、１３２の少なくとも一方にモータ（図示略）の動力が伝達されることにより、ベルト１３３は図５上の時計回り方向に駆動され、ベルト１３３上に保持された記録紙１１６は図５の左から右へと搬送される。

縁無しプリント等を印字するとベルト１３３上にもインクが付着するので、ベルト１３３の外側の所定位置（印字領域以外の適当な位置）にベルト清掃部１３６が設けられている。

吸着ベルト搬送部１２２により形成される用紙搬送路上において印字部１０２の上流側に、加熱ファン１４０が設けられている。加熱ファン１４０は、印字前の記録紙１１６に加熱空気を吹き付け、記録紙１１６を加熱する。印字直前に記録紙１１６を加熱しておくことにより、インクが着弾後に乾きやすくなる。

印字部１０２は、最大紙幅に対応する長さを有するライン型ヘッドを紙送り方向と直交方向（主走査方向）に配置した、いわゆるフルライン型のヘッドとなっている（図６を参照）。各印字ヘッド１Ｋ，１Ｃ，１Ｍ，１Ｙは、インクジェット式記録装置１００が対象とする最大サイズの記録紙１１６の少なくとも一辺を超える長さにわたってインク吐出口（ノズル）が複数配列されたライン型ヘッドで構成されている。

記録紙１１６の送り方向に沿って上流側から、黒（Ｋ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）の順に各色インクに対応したヘッド１Ｋ，１Ｃ，１Ｍ，１Ｙが配置されている。記録紙１１６を搬送しつつ各ヘッド１Ｋ，１Ｃ，１Ｍ，１Ｙからそれぞれ色インクを吐出することにより、記録紙１１６上にカラー画像が記録される。

印字検出部１２４は、印字部１０２の打滴結果を撮像するラインセンサ等からなり、ラインセンサによって読み取った打滴画像からノズルの目詰まり等の吐出不良を検出する。

印字検出部１２４の後段には、印字された画像面を乾燥させる加熱ファン等からなる後乾燥部１４２が設けられている。印字後のインクが乾燥するまでは印字面と接触することは避けた方が好ましいので、熱風を吹き付ける方式が好ましい。

後乾燥部１４２の後段には、画像表面の光沢度を制御するために、加熱・加圧部１４４が設けられている。加熱・加圧部１４４では、画像面を加熱しながら、所定の表面凹凸形状を有する加圧ローラ１４５で画像面を加圧し、画像面に凹凸形状を転写する。

こうして得られたプリント物は、排紙部１２６から排出される。本来プリントすべき本画像（目的の画像を印刷したもの）とテスト印字とは分けて排出することが好ましい。このインクジェット式記録装置１００では、本画像のプリント物と、テスト印字のプリント物とを選別してそれぞれの排出部１２６Ａ、１２６Ｂへと送るために排紙経路を切り替える選別手段（図示略）が設けられている。

大きめの用紙に本画像とテスト印字とを同時に並列にプリントする場合には、カッター１４８を設けて、テスト印字の部分を切り離す構成とすればよい。

インクジェット式記録装置１００は、以上のように構成されている。

本発明の液体吐出装置の実施形態に係るインクジェット式記録ヘッド１を用いていることから、インクの固化による吐出不良を抑制し、信頼性のインクジェット式記録装置１００を構成することができる。

以下、比較例および実施例について説明する。

[比較例１]
Ｓｉウエハ上に３０ｎｍ厚のＴｉ密着層と１００ｎｍ厚のＩｒ層とが順次積層された下部電極付き基板を用意した。その後、下部電極を個別化するためにドライエッチングにてＩｒ／Ｔｉ下部電極のエッチングを行い、パターン電極化処理をした。次いで、Ｐｂ_１．３Ｚｒ_０．５２Ｔｉ_０．４８Ｏ_３のターゲットを用い、ＲＦスパッタリング装置により、５μｍ厚のＰＺＴ圧電体膜を全面に成膜した。成膜条件は以下の通りとした。
基板温度：５２５℃、
ターゲット印加電圧：２．５Ｗ／ｃｍ^２、
基板−ターゲット間距離：６０ｍｍ、
真空度：０．５Ｐａ、
成膜ガス：Ａｒ／Ｏ_２混合ガス（Ｏ_２分圧１．３モル％）。

その後、通常のフォトリソグラフィー法を用いて上部電極をパターン形成した。上部電極は、５０ｎｍ厚のＴｉ層と２００ｎｍ厚のＰｔ層との積層構造とした。上部電極のパターンは、２００μｍφの円形状パターンとした。

その後、基板の裏面側をリアクティブイオンエッチングして、基板自体の加工によりダイアフラム構造を形成する。次に液体吐出口を有するオープンプール構造のノズルプレートを各液体吐出口が各ダイアフラム構造と１：１で対応するように接着する。このようにしてダイアフラム構造とノズルプレートによりインク室（圧力室）が形成される。ここで、ダイアフラム構造の振動板の厚みは１０μｍ程度、インク室の厚み（深さ）は５００μｍ程度、インク室の幅は３００μｍとした。

以上の工程を経て得られた比較例１のインクジェット式記録ヘッドに対して、顔料分散の水系溶媒インクを流路に加圧充填し、さらに上部電極を接地電位として、上部電極、下部電極間に２０Ｖのパルス駆動電圧(１０ｋＨｚ台形波)を印加して、インクの連続吐出評価を行った。その結果２０億パルス付近からインクの不吐出現象が多発し、１００億パルス付近でほとんどのノズルがインク吐出不能となった。

吐出不良原因を探るため、ノズル部分を分解解析したところ、インクが固化していることが判明した。固化の原因として、高温乾燥、自然乾燥（室温乾燥）、帯電凝集などが考えられた。そこで、これらを仮説要因として以下の実験を行った。高温乾燥、自然乾燥、帯電凝集のそれぞれにより固化させた固化インクサンプルをそれぞれ作製した。高温乾燥固化インク、自然乾燥固化インク、帯電凝集固化インクの各サンプルと、上記比較例１のインクジェット式記録ヘッドを連続駆動して得られた固化インクのそれぞれの赤外線スペクトルを測定して比較した。その結果、３つの固化インクサンプル間には、残留溶媒量の差異によりピーク強度比に明らかな差があることが確認され、さらに連続駆動固化インクのスペクトルが帯電凝集固化インクサンプルのスペクトルと一致することが判明した。このようにして、上記連続吐出により、下部電極から振動板を介して圧力室内壁面が帯電し、インク凝集固化に繋がったことが明らかになった。

[実施例１]
比較例１のインクジェット式記録ヘッドに対して、圧力室から連通して設けられている流路の開口部からガスフロー蒸着により、圧力室の内壁に導電層として酸化物導電体であるＩＴＯ（Ｉｎ₂Ｏ₃:Ｓｎ）を形成した。ガスフロー蒸着は、真空チャンバ内にてプラズマによりターゲット材料をプラズマ化し、アルゴンガスフローにより局所構造中への成膜を行うものとした。これにより流路及びインク室内に厚み５０ｎｍのＩＴＯ膜を形成した。
さらに、有機シリコン系材料のガスフロー蒸着により、内部保護膜としてＳｉＯ₂膜を厚み５０ｎｍ成膜した。このようにして得られた、圧力室内壁に導電層（帯電防止膜）を有するインクジェット式記録ヘッドを実施例１とした。

実施例１のインクジェット式記録ヘッドについて、比較例１と同様のインクの連続吐出評価を行った。実施例１のインクジェット式記録ヘッドは、５００億パルスでもインク不吐出は発生せず、帯電凝集によるインク固化が抑制されていることを確認した。

以上のように、圧力室内壁に帯電防止膜が形成されていない比較例１では、シリコン基板の一部により構成される振動板が帯電して圧力室内壁も帯電することで、圧力室内インクが凝集する現象が発生したが、圧力室内壁に帯電防止膜が形成された実施例１では、下部電極に電圧印加されても圧力室内壁が帯電することはなくなり、インク凝集が抑制された。

「密着性確認実験」
次に、帯電防止膜が酸化物導電体からなるものであることが好ましいことを確認した密着性確認実験について説明する。

上記比較例１のインクジェット式記録ヘッドに対して、圧力室から連通して設けられている流路の開口部からガスフロー蒸着により、圧力室の内壁に導電層として、金属であるＴｉを膜厚５０ｎｍで成膜した。その後、Ｔｉ膜上に有機シリコン系材料のガスフロー蒸着により、内部保護膜としてＳｉＯ₂膜を厚み５０ｎｍ成膜した。
このように、導電層として金属であるＴｉを用いた場合、帯電防止効果は十分に得られたが、一方で、ＳｉＯ₂膜の密着性が非常に低く、内部保護膜の機能が著しく低下することが判明した。

そこで以下の２つのサンプルを作製し、ＳｉＯ₂膜の密着性について評価を行った。
[サンプル１]
シリコン基板上に膜厚５０ｎｍのＴｉ膜を全面形成し、その上にＳｉＯ₂膜を上記と同じ成膜手法（ガスフロー蒸着）にて膜厚５０ｎｍ成膜した。
[サンプル２]
シリコン基板上に膜厚５０ｎｍのＩＴＯ膜を全面形成し、その上にＳｉＯ₂膜を同様の手法で膜厚５０ｎｍ成膜した。

[評価方法]
ＳｉＯ_２膜の密着性強度評価のためにスクラッチ法による密着性評価を行った。スクラッチ法とは一定の曲率半径を持つ硬いダイヤモンド圧子を膜面に押しつけ、荷重を増加させながら膜面を引っ掻くことで膜の破壊が発生する臨界荷重値から密着強度を求める方法である。なお、密着強度の指標であるせん断応力（せん断剥離強度）Ｆは下記の式で求められる。
F=H／√((πH／W)*R²-1) W：印加荷重値
R：圧子の曲率半径
H：基材のブリネル硬度
F：せん断応力

[評価結果]
この結果、Ｔｉ金属膜上のＳｉＯ₂膜（サンプル１）のせん断剥離強度は１００ｋｇｆ／ｃｍ²以下であったのに対して、ＩＴＯ膜上のＳｉＯ₂膜（サンプル２）のせん断剥離強度は４５０ｋｇｆ／ｃｍ²であった。

なお、さらに、金属膜としてＡｌも同様に評価したが、Ｔｉ同様の密着強度であった。以上のように、圧力室内壁に設けられる導電層が金属である場合、酸化シリコン膜の密着性が低く、酸化物導電体である場合、金属と比較して酸化シリコン膜と強固な密着性が確保されていることが確認された。

１、１’、２液体吐出装置（インクジェット式記録ヘッド）
１０液体吐出部材
１１圧力室
１２基板
１３ノズルプレート
１３ａ液体吐出口
１５ダイアフラム構造
１６導電層
１７内部保護膜
２０４０圧電素子
２１、４１下部電極
２２、４２圧電体膜
２３、４３上部電極
２６、４６下部側電気配線
２７、４７上部側電気配線
３０負駆動ＩＣ（駆動回路）
５０正駆動ＩＣ（駆動回路）
１００インクジェット式記録装置

Claims

液体が充填される圧力室および該圧力室に連通し該圧力室内の前記液体を外部に吐出する液体吐出口を有する液体吐出部材の前記圧力室上に、該圧力室の一壁面を構成する振動板を介して、下部電極と圧電体膜と上部電極とを順次備えた圧電素子が形成されてなり、該下部電極および上部電極間に所定の駆動回路を介して電圧が印加されることにより前記振動板が駆動されて前記圧力室内の前記液体を前記液体吐出口から吐出する液体吐出装置であって、
前記振動板は絶縁体からなるものであり、
該振動板の、前記圧力室の内壁面側に導電層を備えており、
前記導電層を含む前記圧力室の内壁面に、有機シリコン系材料からなる内部保護膜を備えていることを特徴とする液体吐出装置。
前記導電層が酸化物導電材料からなることを特徴とする請求項１記載の液体吐出装置。
前記圧電素子の前記下部電極が、前記所定の駆動回路に接続され、駆動電位が与えられるアドレス電極であることを特徴とする請求項１または２項記載の液体吐出装置。
前記液体吐出部材が前記圧力室を複数備え、
前記圧電素子が、該複数の圧液室にそれぞれ対応して複数形成されてなり、
該複数の圧電素子の前記下部電極は各圧電素子毎に個別分離した個別電極であり、該下部電極が前記駆動回路に接続され、駆動電位が与えられるアドレス電極であることを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の液体吐出装置。
前記絶縁体がシリコンであることを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載の液体吐出装置。