JP7107142B2 - 液室部品及び記録ヘッド及び液滴吐出装置 - Google Patents

Description

本発明は、液室部品、及びこれを備えた記録ヘッド、及びこれを備えた液滴吐出装置に関する。

インク吐出用のノズルを備えた記録ヘッドに対して転写シート等の被記録媒体を相対的に移動させつつ、印字信号に応じて記録ヘッドからインクを吐出させることにより被記録媒体上にインク液滴を付着させ、そのインクドットによって被記録媒体上に画像を形成するインクジェット記録装置が知られている。このインクジェット記録装置としては、記録が必要なときにのみインクの微小液滴を吐出するオンデマンド方式の液滴吐出装置を備えたものが主流となっている。

液滴吐出装置としては、インクを充填した液室の壁部の一部に振動板を設け、圧電アクチュエータ等により振動板を変位させて液室内の圧力を高めてノズルからインク液滴を吐出させる圧電式と、通電によって発熱する発熱体を液室内に設け、発熱体の発熱により生じる気泡によって液室内の圧力を高めてインク液滴を吐出させるサーマル式とが知られている。何れの方式においても、液滴吐出装置を駆動させるための駆動回路からの駆動信号により圧力発生源を駆動させ、ノズルからインク液滴を吐出させて被記録媒体上に付着させている。

上述した圧電式において、インクを吐出するノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を圧電素子で変形させることにより圧力発生室内のインクを加圧してノズル開口からインクを吐出させる方式が知られている。この方式では、圧電素子の軸方向に伸長収縮するものと撓み力を利用したものとの２種類の圧電アクチュエータが周知であり、この中で撓み力を利用した方式では、振動板として酸化シリコン膜とこの酸化シリコン膜上に形成された酸化ジルコニウム膜とを有するものが知られている。

しかしこのような記録ヘッドでは、振動板を構成する酸化シリコン膜と酸化ジルコニウム膜との密着力が十分ではなく、両者が剥がれてしまうという問題点があった。
そこで、酸化シリコン膜と酸化ジルコニウム膜との界面の一部のみに、酸化シリコン膜に含まれる酸素以外の構成元素であるシリコンと酸化ジルコニウム膜に含まれる酸素以外の構成元素であるジルコニウムとを有すると共に、シリコンの占める割合が酸化シリコン膜よりも低くかつジルコニウムの占める割合が酸化ジルコニウム膜よりも低い層である変質層を設ける技術が知られている（例えば「特許文献１」参照）。

しかし上述の技術では、成膜後に部材の脆性が変化して、組立時や記録ヘッド駆動時に振動板が破損し易くなるという問題点がある。
本発明は、上述した問題点を解決し、部品同士の密着性を確保しつつ、成膜後にも脆性が変化しない膜を有する液室部品、及びこれを備えた記録ヘッド、及びこれを備えた液滴吐出装置の提供を目的とする。

請求項１記載の発明は、少なくとも２種類以上の原子で構成される酸化膜が母材の表面に成膜された記録ヘッドの液室部品であって、前記酸化膜と前記母材との境界面から前記母材の表面に至るまでの前記酸化膜に含まれる前記各原子の組成比率分布が互いにほぼ等しいことを特徴とする。

本発明によれば、母材の表面に歪みが生じることを抑制でき、母材側に格子欠陥が生じることを抑制して、格子欠陥を起点とした部品の破壊を抑制することができる。

本発明の一実施形態を適用可能な圧電アクチュエータを説明する概略図である。 本発明の一実施形態を適用可能な記録ヘッドを説明する概略図である。 本発明の一実施形態に用いられる振動板を説明する概略図である。 従来のスパッタ法により母材に成膜された酸化膜のＸ線光電子分光法による深さ分析結果を示す図である。 本発明のスパッタ法により母材に成膜された酸化膜のＸ線光電子分光法による深さ分析結果を示す図である。 本発明の記録ヘッドを搭載可能な液体吐出装置の概略斜視図である。 本発明の記録ヘッドを搭載可能な液体吐出装置の概略正面図である。

図１は、本発明の一実施形態を適用可能な圧電アクチュエータの概略構成を示している。同図において圧電アクチュエータ８は、基板１、基板１上に設けられた圧電素子２を有している。圧電素子２は、基板１上に積層された振動板３、振動板３上に積層された電気機械変換素子４を有している。電気機械変換素子４は、振動板３上に積層された下部電極５、下部電極５上に積層された圧電膜６、圧電膜６上に積層された上部電極７を有している。

図２は、圧電アクチュエータ８を有する記録ヘッドの概略構成を示している。同図において記録ヘッド９は、基板１の内部に上端及び下端が開放された加圧液室１０が設けられている。加圧液室１０の下部開放端を構成する基板１の下端には開放端部を閉成可能にノズル板１１が取り付けられており、ノズル板１１には加圧液室１０に連通して加圧液室１０内の液体を吐出させるノズル孔１２が複数設けられている。加圧液室１０の上部開放端は、振動板３によって閉成されている。

ここで、本発明の特徴部である、液室部品としての振動板３について説明する。振動板３は、下部電極５や基板１と接着剤により接合されるがその際の密着性を高めるため、図３に示すように、母材１３の両面または片面に密着膜である酸化膜１４を形成している。酸化膜１４は、酸化シリコンにジルコニアをドープしたもの（ＳｉＺｒＯ）から構成され、主にスパッタ法により成膜される。このように、その界面にシリコンとジルコニウムとが混ざり合った変質層を有することにより、酸化シリコン膜と酸化ジルコニウム膜との密着性を高めている。また振動板３は、吐出効率を向上させるために薄板化する傾向にあり、組立時の衝撃や駆動時の振動等によって破壊する虞があるため、破壊しにくい状態に保つことが必要となる。

母材１３に対して従来のスパッタ法により成膜された酸化膜１４のＸ線光電子分光法（ＸＰＳ：Ｘ－ｒａｙ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）による深さ分析結果を図４に示す。
従来のスパッタ法により成膜された酸化膜１４では、図４に示すように、酸化膜原子Ａ（例えばシリコン）と酸化膜原子Ｂ（例えばジルコニウム）との深さ分布が一致しない構成となっている。これは、スパッタリングされた原子の勢いによって酸化膜原子Ｂが母材１３または母材１３表面に形成された酸化膜原子Ａに数ｎｍ程度打ち込まれてしまうことを示している。この酸化膜原子Ｂが打ち込まれた領域では、母材１３の結晶中に酸化膜１４の金属材料がドープされ、母材１３側に格子欠陥が生じることが知られており、この欠陥は衝撃が加わった際に部品が破壊される起点となり、本来の材料特性に比して脆性が高くなってしまう。

そこで本発明では、母材１３に対して酸化膜原子が打ち込まれないように酸化膜１４を成膜すること、すなわち母材１３と酸化膜１４との境界面から母材１３の表面に至るまでの酸化膜１４に含まれる酸化膜原子Ａと酸化膜原子Ｂとの組成比率分布を互いにほぼ等しくさせることを目的とする。母材１３に酸化膜１４が成膜される際に、酸化膜原子の質量や電荷に応じて打ち込まれる深さが変化する。そして、酸化膜１４が２種類以上の原子で構成されており、図５に示すように、深さ方向への組成比率分布が酸化膜原子Ａと酸化膜原子Ｂとでほぼ等しくなっている場合（深さ３５ｎｍ以上）には、母材１３への打ち込みが発生していないまたは打ち込み深さが非常に浅い場合といえる。これは、酸化膜原子Ａと酸化膜原子Ｂとでは原子質量が異なり、これによって侵入長が異なるためであり、このような構成の場合には母材１３の表面に歪みが生じることを抑制でき、脆性が高くなることがなく上述した欠陥を起点とした破壊を抑制することができる。

このような酸化膜１４を成膜する方法としては、スパッタ時における入射イオンのエネルギを母材１３への注入が生じない程度に抑制して所望の膜特性を得られるよう、基板バイアスや逆スパッタ力を調整すればよい。
ここで酸化膜原子の打ち込み深さを数ｎｍオーダで測定する方法としては、Ｘ線光電子分光法によって深さ方向の組成を分析する方法、断面を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）によって観察して結晶構造を直接観察する方法等が挙げられる。

上述した実施形態では、酸化膜１４をシリコンとジルコニウムとの合金膜とすることにより、より強い密着性を得ることができると共に耐腐食性を高めることができ、腐食が起因となる液室部品の破壊を防止することができる。
また、貴金属を含む合金によって母材１３を構成することにより、酸化膜１４の抜けやピンホールが発生した際にも耐腐食性を高めることができる。通常、貴金属部品にスパッタを行うと特に脆性が大きく変化して破壊し易くなるが、本発明の酸化膜１４を成膜することにより脆性の変化を防止することができる。
また、母材１３をパラジウムニッケル合金（ＰｄＮｉ）とすることにより、部品材料に耐食性を持たせたまま貴金属の使用量を抑えることができコストダウンを図ることができると共に、電鋳法により容易に作製が可能となるため製造工程を容易化することができる。

次に、上述した記録ヘッド９を搭載した液体吐出装置としてのインクジェット記録装置を図６及び図７に基づいて説明する。
液滴吐出装置としてのインクジェット記録装置１５は、その装置本体内部に主走査方向に対して移動可能であり記録ヘッド９を搭載するキャリッジ１６を有している。また装置本体内部には、記録ヘッド９にインクを供給するインクタンク１７等で構成される液滴吐出ユニット１８等が収納されている。装置本体の下部には、前方側から多数枚の被記録媒体である転写シート１９を積載可能な給紙カセット（給紙トレイでもよい）２０が抜き差し自在に装着されている。さらに装置本体には、転写シート１９を手差しで給紙する際に開放される手差しトレイ２１が配設されている。インクジェット記録装置１５は、給紙カセット２０または手差しトレイ２１から給紙される転写シート１９を取り込み、液滴吐出ユニット１８によって所望の画像を記録した後、画像形成後の転写シート１９を後面側に配設された排紙トレイ２２に排出する。

液滴吐出ユニット１８は、図示しない左右の側板に掛け渡されたガイド部材である主ガイドロッド２３と従ガイドロッド２４とキャリッジ１６とを主走査方向に摺動自在に保持している。キャリッジ１６には、イエロ（Ｙ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、ブラック（Ｂｋ）の各色インク液滴を吐出する各記録ヘッド９が設けられている。
またキャリッジ１６には、各記録ヘッド９に各色インクを供給する各インクタンク１７が交換可能に装着されている。各インクタンク１７は、上方に大気と連通する大気口を、下方に各記録ヘッド９へインクを供給する供給口をそれぞれ有している。インクタンク１７の内部にはインクが充填された多孔質体が設けられており、多孔質体の毛管力によって記録ヘッド９に供給されるインクを僅かな負圧に維持している。

キャリッジ１６は、後方側である用紙搬送方向下流側を主ガイドロッド２３に摺動自在に嵌装され、前方側である用紙搬送方向上流側を従ガイドロッド２４上に摺動自在に載置されている。キャリッジ１６を主走査方向に移動走査させるため、主走査モータ２５で回転駆動される駆動プーリ２６と従動プーリ２７との間にタイミングベルト２８を掛け渡し、タイミングベルト２８をキャリッジ１６に固定している。この構成より、主走査モータ２５の正逆回転により、キャリッジ１６が往復移動される。

一方、給紙カセット２０にセットした転写シート１９を記録ヘッド９の下方側へと搬送するため、給紙カセット２０から転写シート１９を分離給送する給紙ローラ２９及びフリクションパッド３０が配設されている。また、転写シート１９を案内するガイド部材３１、給送された転写シート１９を反転させて搬送する搬送ローラ３２が配設されている。さらに、搬送ローラ３２の周面に押し付けられる搬送コロ３３、搬送ローラ３２から転写シート１９の送り出し角度を規定する先端コロ３４が設けられている。搬送ローラ３２は、図示しない副走査モータによってギヤ列を介して回転駆動される。

キャリッジ１６の主走査方向における移動範囲に対応し、搬送ローラ３２から送り出された転写シート１９を記録ヘッド９の下方位置で案内するため、シートガイド部材である印写受け部材３５が配設されている。印写受け部材３５の用紙搬送方向下流側には、転写シート１９を排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送コロ３６及び拍車３７が設けられている。また、さらに転写シート１９を排紙トレイ２２に送り出す排紙ローラ３８及び拍車３９と、排紙経路を形成するガイド部材４０，４１が配設されている。

上述のインクジェット記録装置１５では、記録時においてキャリッジ１６を移動させつつ画像信号に応じて記録ヘッド９を駆動する。これにより、停止している転写シート１９にインクを吐出して１行分を記録し、その後に転写シート１９を所定量搬送した後に次の行の記録を行う。記録終了信号または転写シート１９の後端が記録領域に到達した信号を受けることにより、インクジェット記録装置１５は記録動作を終了させて転写シート１９を排紙する。

キャリッジ１６の移動方向右端側の記録領域を外れた位置には、記録ヘッド９の吐出不良を回復させるための回復装置４２が配設されている。回復装置４２は、それぞれ図示しない吸引キャップとポンプとワイピング装置とを有している。キャリッジ１６は印字待機中に回復装置４２側に移動され、吸引キャップで記録ヘッド９をキャッピングしてノズル孔１２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の発生を防止している。また、記録途中等に記録とは関係のないインクを吐出することにより、全てのノズル孔１２のインク粘度を一定にさせて安定した吐出状態を維持している。

吐出不良が発生した場合等には、吸引キャップで記録ヘッド９のノズル孔１２を密封し、廃インク通路を通して図示しないポンプによりノズル孔１２からインクと共に気泡等を吸い出す。そして、ノズル孔１２に付着したインクやごみ等をワイピングブラシによって除去し、これにより吐出不良が回復する。また、吸引したインクは本体下部に設けられた図示しない廃液タンクに排出され、廃液タンク内部に設けられたインク吸収体に吸収保持される。
また、上述の説明では液滴吐出ユニット１８としてインクを吐出するものを示したが、本発明が適用可能な液体はインクには限られず、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滴吐出ユニット１８を適用してもよい。さらには遺伝子分析試料を吐出する装置に液滴吐出ユニット１８を適用してもよい。

上記実施形態及び各変形例では、液滴吐出装置としてカラープリンタを用いた例を示したが、液滴吐出装置としてはこれに限られず、プリンタ、ファクシミリ、複合機等にも本発明は適用可能である。また本実施形態及び変形例では、画像が形成される被記録媒体として転写シート１９を用いる構成を示したが、この転写シート１９とは記録紙には限定されず、厚紙、ハガキ、封筒、普通紙、薄紙、塗工紙（コート紙やアート紙等）、トレーシングペーパ、ＯＨＰシート、ＯＨＰフィルム、樹脂フィルム等も含まれ、シート状を呈し画像形成可能な物質であればどのようなものを用いてもよい。

以上、本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、上述の説明で特に限定しない限り、特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。本発明の実施の形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を例示したに過ぎず、本発明による効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。

３ 液室部品（振動板）
９ 記録ヘッド
１３ 母材
１４ 酸化膜
１５ 液滴吐出装置（インクジェット記録装置）

特許第４７３４８３１号公報

Claims (8)

1. 少なくとも２種類以上の原子で構成される酸化膜が母材の表面に成膜された記録ヘッドの液室部品であって、
   前記酸化膜と前記母材との境界面から前記母材の表面に至るまでの前記酸化膜に含まれる前記各原子の組成比率分布が互いにほぼ等しい液室部品。
2. 請求項１記載の液室部品において、
   前記酸化膜はシリコン及びジルコニウムの合金を有することを特徴とする液室部品。
3. 請求項２記載の液室部品において、
   前記母材が貴金属を含む合金であることを特徴とする液室部品。
4. 請求項３記載の液室部品において、
   前記母材がパラジウムとニッケルとの合金であることを特徴とする液室部品。
5. 請求項１ないし４の何れか一つに記載の液室部品において、
   振動板であることを特徴とする液室部品。
6. 請求項１ないし５の何れか一つに記載の液室部品を有することを特徴とする記録ヘッド。
7. 請求項１ないし５の何れか一つに記載の液室部品を有することを特徴とする液滴吐出装置。
8. 請求項６記載の記録ヘッドを有することを特徴とする液滴吐出装置。

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