JPH10296973A

JPH10296973A - 記録ヘッド

Info

Publication number: JPH10296973A
Application number: JP10719597A
Authority: JP
Inventors: Hidekazu Ota; 英一太田
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1997-04-24
Filing date: 1997-04-24
Publication date: 1998-11-10

Abstract

(57)【要約】【課題】インクの濡れ性及び侵食性に絡んだ問題を解
決し、安定したインクの飛翔を実現し、かつ、耐摩耗性
をも達成する。【解決手段】記録体を吐出する複数の吐出口１４と、
記録体に吐出の圧力を与える加圧室７と、記録体を前記
加圧室に輸送するための流路１０と、前記加圧室７内の
記録体を加圧するための圧力発生手段６とを備えてい
る。前記吐出口面（ノズルプレート１３の表面）が炭素
を主構成元素とし非晶質、或いは、微結晶質を一部含む
非晶質状態の硬質炭素膜で被覆されている。吐出口を炭
素を主構成元素とし非晶質、或いは、微結晶質を一部含
む非晶質状態の硬質炭素膜で被覆しているので、その撥
水性のゆえに吐出口周辺に液溜り等ができず、インクの
飛翔方向が一定となり、ひいては高速、高画質の印刷が
実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、記録ヘッド、より
詳細には、インクジェット記録ヘッドの撥水処理に係
り、他には、マイクロポンプ等の流路、内壁等の撥水処
理に関する。

【０００２】

【従来の技術】オンデマンド型インクジェットとして
は、加圧液室の壁の一部を薄い振動板にしておき、ここ
に電気機械変換素子として圧電素子を設け、電圧印加に
伴って発生する圧電素子の変形で前記振動板を変形せし
め、前記加圧液室内の圧力を変化させてインクを吐出す
る方式（ピエゾオンデマンド型）、加圧室内部に発熱体
素子を設け、通電による発熱体の加熱によって気泡を発
生せしめ、気泡の圧力によってインクを吐出する方式
（バブルジェット方式）が広く一般に知られている。

【０００３】もう一つの方式として静電力型インクジェ
ットが提案されている。この静電力型インクジェットは
加圧液室に設けた薄い振動板を静電力で変形させ、その
変形によって液室の圧力を上昇させてインクを吐出させ
るものである。例えば、特開平５−５０６０１号公報で
はシリコンからなる中基板に、ノズル、吐出室、インク
キャビティ及び振動板をエッチングにて形成し、インク
供給口を有する上基板と前記振動板に対向して電極を設
けた下基板とを一体化してヘッドを構成し、振動板と電
極間に電界を印加して、前記の原理でインクを吐出させ
るものである。また、特開平６−７１８８２号公報で
は、低電圧駆動を目的として、振動板と電極の距離を
０.０５μ〜２.０μと限定している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】而して、上記方式は、
小型化、高密度化、高速化、高画質化等に適している点
がその利点であるが、ともに、以下の共通の問題点を有
していた。吐出口の表面の一部に液溜りが発生すると、インク
の飛翔方向が乱れる。吐出口の全面がインクで覆われると、いわゆるスプ
ラッシュ現象が生じインクの散乱が起こり安定した吐出
が得られない。これらを解決するものとして、例えば、フルオルア
ルキルアルコキシシラン等（特開昭５６−８９５６６９
号公報）、或いは、ポリビニルアルコール／２．２．２
−トリフルオロエチルメタクリレート系樹脂（特開平８
−１５６２６２号公報）等で吐出口周辺を撥水処理する
ことが提案されているが、これら有機材料は耐摩耗性の
ような長期信頼性が劣り実用に問題があった。更にインクは一般にアルカリ性が強く液室や吐出口
等を侵食するという問題もあった。

【０００５】更に、吐出口の目詰まりを防止する目的
で、吐出口面をブレード（ゴム製）でワイピングするこ
ともしばしば行われるが、この際、コーティング膜が剥
離するあるいは摩耗する等の問題が発生する。

【０００６】更には、先に説明した静電型インクジェッ
ト特有の問題点として、微小ギャップ内での放電、あ
るいは、電極表面を保護する保護膜の絶縁破壊、保
護膜の表面に吸着した水分あるいはＯＨ基による電極と
振動板との接着等の問題点があった。

【０００７】本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなさ
れたもので、上記のインクの濡れ性及び侵食性に絡んだ
問題を解決し、安定したインクの飛翔を実現し、かつ、
耐摩耗性をも達成すること、及び、コーティング膜の密
着力を向上させることを目的としてなされたものである
（請求項１〜４及び８〜１１の発明）。

【０００８】前述のように、静電力型インクジェット特
有の問題点として、微小ギャップ内での放電、電極
表面を保護する保護膜の絶縁破壊、保護膜の表面に吸
着した水分あるいはＯＨ基による電極と振動板との接着
等の問題点があったが、本発明は、かかる静電力型特有
の問題点を解決するための優れた保護膜及び形成構造を
与えることを目的としてなされたものである（請求項５
〜７の発明）。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、記録
体を吐出する複数の吐出口と、記録体に吐出の圧力を与
える加圧室と、記録体を輸送するための流路と、前記加
圧室内の記録体を加圧するための圧力発生手段とを備え
た記録ヘッドにおいて、前記吐出口面を炭素を主構成元
素とし非晶質、或いは、微結晶質を一部含む非晶質状態
の硬質炭素膜で被覆したことを特徴とし、もって、吐出
口を炭素を主構成元素とし非晶質、或いは、微結晶質を
一部含む非晶質状態の硬質炭素膜で被覆することによ
り、その撥水性のゆえに吐出口周辺での液溜りができ
ず、インクの飛翔方向が一定となり、ひいては、高速、
高画質の印刷を実現できるようにしたものである。

【００１０】請求項２の発明は、記録体を吐出する複数
の吐出口と、記録体に吐出の圧力を与える加圧室と、記
録体を輸送するための流路と、前記加圧室内の記録体を
加圧するための圧力発生手段とを備えた記録ヘッドにお
いて、少なくとも前記加圧室及び流路の内面を炭素を主
構成元素とし非晶質、或いは、微結晶質を一部含む非晶
質状態の硬質炭素膜で被覆したことを特徴とし、もっ
て、少なくとも加圧室及び流路の内面を前記硬質炭素膜
で被覆することにより、前記加圧室及び流路の内面のイ
ンクにより侵食等を防止し、インク成分の変化変質を低
減し、かつ、長期使用時のインクの漏洩をも防止し、信
頼性の高い記録ヘッドを実現できるようにしたものであ
る。

【００１１】請求項３の発明は、請求項１又は２の発明
において、前記硬質炭素膜の膜厚が５〜５５０ｎｍであ
ることを特徴とし、もって、硬質炭素膜の剥離を防止で
き、かつ、請求項１又は２にあげた効果が有効に発揮さ
れ高速、高画質、高信頼性の記録ヘッドを実現できるよ
うにしたものである。

【００１２】請求項４の発明は、請求項１又は２又は３
の発明において、前記硬質炭素膜中にＦ原子及び又はＮ
原子が含有されていることを特徴とし、もって、膜の撥
水性をさらに向上し、高速、高画質、高信頼性の記録ヘ
ッドを実現できるようにしたものである。

【００１３】請求項５の発明は、記録体を吐出する複数
の吐出口と、記録体に吐出の圧力を与える加圧室と、記
録体を輸送するための流路と、前記加圧室内の記録体を
加圧するための圧力発生手段とを備えた記録ヘッドであ
って、前記圧力発生手段が前記加圧室の一部を形成する
振動板と、該振動板に対向して設けられた電極との間に
印加された電界による静電型アクチュエータである記録
ヘッドにおいて、前記電極の一部及び全面が炭素を主構
成元素とし非晶質、或いは、微結晶質を一部含む非晶質
状態の硬質単素膜で被覆されていることを特徴とし、も
って、硬質炭素膜の表面を水素でターミネイトして水分
等が吸着しにくくし、水分が吸着することによる不安定
さ（ギャップ内の容量変化に起因する振動板変位の変
動、振動板と電極の癒着等）を改善し、また、電極の
一部に設けた時は、振動板の変位に対して機械的なスト
ッパーの機能を果たし、従って、インク吐出の安定性及
び長期信頼性を向上させるようにしたものである。

【００１４】請求項６の発明は、記録体を吐出する複数
の吐出口と、記録体に吐出の圧力を与える加圧室と、記
録体を輸送するための流路と、前記加圧室内の記録体を
加圧するための圧力発生手段とを備えた記録ヘッドであ
って、前記圧力発生手段が前記加圧室の一部を形成する
振動板と、該振動板に対向して設けられた電極との間に
印加された電界による静電型アクチュエータである記録
ヘッドにおいて、前記振動板の表面の一部及び全面が炭
素を主構成元素とし非晶質、或いは、微結晶質を一部含
む非晶質状態の硬質単素膜で被覆されていることを特徴
し、もって、硬質炭素膜の表面を水素でターミネイトし
て水分等が吸着しにくくし、水分が吸着することによる
不安定さ（ギャップ内の容量変化に起因する振動板変
位の変動、振動板と電極の癒着等）を改善し、更に、
硬質炭素膜は剛性が高く振動板の構造部材をも兼ねるこ
とが出来るため、振動板の設計自由度を増大させ、一
方、電極の一部に設けた時は、振動板の変化に対して機
械的なストッパーの機能を果たし、高速、高画質、高信
頼性の記録ヘッドを実現できるようにしたものである。

【００１５】請求項７の発明は、請求項５又は６の発明
において、前記硬質炭素膜の膜厚が０.０２〜１０μｍ
であることを特徴とし、もって、吐出の不安定さ（ギ
ャップ内の容量変化に起因する振動板変位の変動、振
動板と電極の癒着等）が改善し、更に、硬質炭素膜は剛
性が高く振動板の構造部材をも兼ねることが出来るた
め、振動板の設計自由度を増大させ、一方、振動板の一
部に設けた時は、振動板の変位に対して機械的なストッ
パーの機能を果たして、高速、高画質、高信頼性の記録
ヘッドを実現できるようにしたものである。

【００１６】請求項８の発明は、請求項１又は２或いは
５又は６の発明において、前記硬質炭素膜の内部応力が
５００ＭＰａ以下であることを特徴とし、もって、硬質
炭素膜の剥離を防止でき、長期信頼性に優れた高速、高
画質の記録ヘッドを実現できるようにしたものである。

【００１７】請求項９の発明は、請求項１又は２或いは
５又は６の発明において、前記硬質炭素膜が少なくとも
２層からなる積層体であることを特徴とし、もって、硬
質炭素膜が少なくとも２層からなる積層体（下層に内部
応力の小さな膜を、上層には内部応力は大きいが硬度の
高い膜を配置する）であるので、硬質炭素膜の剥離を防
止でき、長期信頼性に優れた高速、高画質の記録ヘッド
が実現できるようにしたものである。

【００１８】請求項１０の発明は、請求項２又は６の発
明において、前記硬質炭素膜と基体の界面にａ−ＳｉＣ
からなる中間層を設けたことを特徴とし、もって、基体
の硬質炭素膜の密着力を向上して硬質炭素膜の剥離を防
止でき、長期信頼性に優れた高速、高画質の記録ヘッド
が実現できるようにしたものである。

【００１９】請求項１１の発明は、請求項２又は６の発
明において、記前硬質炭素膜中のＳｉ濃度が基体に近づ
くに従って連続的に増加していることを特徴とし、もっ
て、基体の硬質炭素膜の密着力を向上させ、硬質炭素膜
の剥離を防止でき、長期信頼性に優れた高速、高画質の
記録ヘッドが実現できるようにしたものである。

【００２０】

【発明の実施の形態】図１は、本発明が適用される静電
型インクジェットヘッドの要部構成図で、同図は、イン
クジェットヘッドの断面を示し、図中、１は第１の基
板、２は該第１の基板１に設けられた凹部、３は電極、
４は保護層、５は第２の基板、６は該第２の基板５に設
けられた振動板、７は加圧室、８はインク吐出流路、９
は共通インク室、１０は共通インク室９と各加圧室７を
連通する流路、１１は第３の基板、１２はインク供給
口、１３はノズルプレート、１４は該ノズルプレート１
３に設けられたインク吐出口で、図中の矢印はインクの
移動、吐出方向を示しており、先端には吐出口１４が設
けられているノズルプレート１３が設置されている。

【００２１】第１の基板１の上面には電極３とそれに対
向する振動板６とのギャップを一定に保つための凹部２
が設けられている。電極３上には電気的な絶縁を保つた
めに保護層４が形成されている。更に、第２の基板５に
は振動板６及び加圧室７とからなる凹部が形成されてい
る。第３の基板１１にはインク供給口１２が形成されて
おり、基板１，５，１１を順次接合してインクジェット
ヘッドは完成する。

【００２２】ここで基板１，５，１１の材料としては、
ガラス（とくにはパイレックス＃７７４０，＃７０７
０，＃７０５９等）、或いは、結晶シリコンが微細加工
の面からはのぞましいが、とくにこれらに限定されるも
のではない。但し、第２の基板５に関しては電圧を印加
するために抵抗の低い材料が望ましく、この意味では低
抵抗の結晶シリコンが好適である。いま、電極３と振動
板６の間に電界を印加すると両者間に働く静電引力によ
って振動板６は電極３側にたわむように変形する。この
状態で電界を零にすると、振動板６はその復元力でもと
にもどり加圧室７内のインクに圧力がかかり、インクが
吐出する。

【００２３】（請求項１の発明）図２は、請求項１の発
明の一実施例を説明するための要部斜視図で、図中、１
３はノズルプレート、１４はインク吐出口で、ノズルプ
レート１３の表面にはインク吐出口１４を被覆するよう
に炭素を主構成元素とし非晶質、或いは、微結晶質を一
部含む非晶質状態の硬質炭素膜１５が設けられている。
硬質炭素膜１５の表面エネルギーは非常に低く、撥水性
が確保され、インクの吐出安定性が向上できるようにし
たもので、本発明においては、上述のように硬質炭素膜
１５が設けられたノズルプレートが、図１に示したノズ
ルプレートに代って用いられる。

【００２４】（請求項２の発明）図３は、請求項２の発
明の一実施例を説明するための要部構成図で、この発明
は、振動板６及び加圧室７等のインクと接する側に硬質
炭素膜１５を設けたものである。硬質炭素膜１５は強靱
な化学耐性を有しており、これにより加圧液室７及び流
路８，共通インク室９，流路１０等インクと直接接する
部分の構造体がインクに侵食されてインク成分が変化変
質するのを防止できる。

【００２５】ここで、上記硬質炭素膜についてその製法
及び特性について説明する。硬質炭素膜１５を形成する
ためには有機化合物ガス、特に、炭化水素ガスが用いら
れる。これら原料ガスにおける相状態は常温常圧におい
て必ずしも気体である必要はなく加熱あるいは減圧によ
って溶融、蒸発、昇華等を経て気化しうるものであれば
液体でも固体でも使用可能である。炭素源としてはＣ₂
Ｈ₆，Ｃ₃Ｈ₈，Ｃ₄Ｈ₁₀等のパラフィン系炭化水素、Ｃ₂
Ｈ₄等のアセチレン系炭化水素、あるいは、ジオレフィ
ン系炭化水素、更には、芳香族系炭化水素などすべての
炭化水素を含むガスが使用できる。さらに、炭化水素以
外でも、例えば、アルコール類、ケトン類、エーテル
類、エステル類、ＣＯ，ＣＯ₂等少なくとも炭素原子を
含む化合物であれば使用可能である。また、膜中にＳＰ
³結合の炭素と同時に生成されてくるＳＰ²結合の炭素を
選択的に除去するためには水素を含むガスが用いられ
る。具体的にはＨ₂，Ｈ₂Ｏ等である。

【００２６】原料ガスからの硬質炭素膜の形成方法とし
ては成膜活性種が直流、低周波、高周波、あるいは、マ
イクロ波等を用いたプラズマ法により生成されるプラズ
マ状態を経て形成される方法が好ましいが、大面積化、
均一向上、成膜温度の低温化等の目的で磁場効果をも併
用した方法（ＥＣＲプラズマＣＶＤ法等）が更に好まし
い。その他にもイオンプレーティング、クラスターイオ
ンビーム等により生成されるイオン状態を経て形成して
も良いし、ＥＣＲスパッタあるいはスパッタ等により生
成される中性粒子から形成してもよいし、更には、これ
らを組み合わせた方法で形成しても良い。

【００２７】上述のごとくして作製される硬質炭素膜の
成膜条件の一例はプラズマＣＶＤの場合おおむね表１に
示す通りである。また、得られた膜の機械特性は前述し
た通りである。

【００２８】

【表１】

【００２９】上述のごとくして得られた硬質炭素膜は炭
素原子を主要な構成元素とし、非晶質及び微結晶質の少
なくとも一方を含む膜状物質である（ダイヤモンド状炭
素膜、ｉ−Ｃ膜、アモルファスダイヤモンド膜ともよば
れている）。この硬質炭素膜の一つの特徴は以下のとお
りであり、気相成長で比較的低温で合成できる、膜
の表面エネルギーが低く撥水性がある、ヤング率が３
〜７（１０⁴Ｋｇ／ｍｍ²）と大きくかつ化学的安定性に
優れている、硬度が高くかつ摩擦係数が小さい（０.
３〜０.１）ので耐摩耗性が優れている、であり、本発
明の目的を達成するためには好適な材料である。

【００３０】（請求項３の発明）本発明の目的に適して
いる硬質炭素膜の膜厚は５〜５００ｎｍであった。５ｎ
ｍ以下では基板の表面性にもよるが膜が連続的でなくな
るためにコーティング膜としての機能が著しく低下し、
かつ、長期使用時における摩耗によって機能の低下が著
しい。さらに、５００ｎｍ以上ではコーティングの際に
ノズル口径及び形状が所望のものから著しくずれてしま
う。これらの理由から膜厚の範囲として、より好ましく
は１０〜４００ｎｍであった。

【００３１】（請求項４の発明）更に、本出願人は膜の
表面エネルギーを低減すべく鋭意研究した結果、膜中の
水素原子をＦ原子で置換するか、あるいは、Ｎ原子を骨
格の構成元素として膜中に導入することが特に効果的で
あることを見出した。Ｆ原子を導入するためには、原料
ガスとして、ＣＨ₃Ｆ、ＣＨ₂Ｆ₂、ＣＨＦ₃等のＦ元素を
内包する炭化水素系のガスを使用すればよい。また、Ｎ
原子を導入するためには、原料ガスとして、Ｎ₂、Ｎ
Ｈ₃、Ｎ₂Ｈ₂等のＮ元素を内包するガスを使用すればよ
い。それぞれの原子を膜に導入した際の純水に対する接
触角の変化を表２に示した。

【００３２】

【表２】

【００３３】（請求項５の発明）図１で説明した静電型
インクジェット特有の問題点として、微小ギャップ内
での放電、電極表面を保護する保護膜の絶縁破壊、
保護膜の表面に吸着した水分あるいはＯＨ基による電極
と振動板との接着等の問題点があった。本発明はかかる
静電型インクジェット特有の問題点を解決するための優
れた保護膜及び形成構造をも与えるものである。

【００３４】図４は、請求項５の発明の実施例を説明す
るための要部構成図で、図４（Ａ）は、電極３の表面全
面にわたって硬質炭素膜１５を設けたものである。従来
素子では電極の保護膜としてはＳｉＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄等の
無機酸化物が使用されていた。電極及び保護膜の表面に
は空気中の水分、−ＯＨ基が吸着しており、電極と保護
膜が接触した場合に、水素結合的な化学結合が生じ電圧
を零にしても両者が接合した状態のままになってしま
う。この現象は電極を透明電極にしたときに特に著し
い。これに対して硬質炭素膜は水分、−ＯＨ基の吸着量
が非常に少なく、上記のような問題は生じなかった。更
に、硬質炭素膜は比抵抗及び絶縁耐圧が高く、電気的な
絶縁層の機能を果たすことはいうまでもない。図４
（Ｂ）は電極３上の一部だけに硬質炭素膜１５′を設け
たもので、この構成でも上記目的は達成できる。

【００３５】（請求項６の発明）図５は、請求項６の発
明の実施例を説明するための要部構成図で、図５（Ａ）
の例は、振動板６の電極３に対向する側の表面全面にわ
たって硬質炭素膜１５を設けたものであり、図５（Ｂ）
の例は振動板６上の一部だけに硬質炭素膜１５′を設け
たものである。この場合も硬質炭素膜の主機能は図４の
場合と同様に電極３と振動板６の接合防止及び電気絶縁
であるが、この構成の特徴は上記機能に加えて、硬質炭
素膜１５が振動板６の一部としても機能するところにあ
る。すなわち、図５（Ａ）の例のように、振動板の全面
にコートしたときは、振動板は硬質炭素膜と基体とで構
成された複合体となり、両者の厚さと物性（ヤング率、
強靱性）とによって自由に設計できる。更に、硬質炭素
膜は化学耐性が優れているために、振動板形成時のマス
ク層をもかねることができると言うメリットも生じる。

【００３６】（請求項７の発明）また、図５（Ｂ）の例
のように、部分的に硬質炭素膜１５′を設ける場合（機
械的なストッパー及び絶縁層として作用する場合）で
は、その膜厚は０.０２μｍ以上必要であった。これ以
下では、ピンホールの確率が急増し絶縁耐圧が十分で
はなくなる、ストッパーとしての機能が著しく低下す
るために実用に供せない。更に、振動板の一部を構成す
る場合には、１０μｍ以上では振動板のトータルの剛性
が高くなりすぎて、インクを吐出するのに十分な変位が
得られない。従って、この構成における硬質炭素膜の膜
厚は０.０２〜１０μｍであることが望ましい。また、
膜厚の均一性、制御性の観点及び膜剥離の観点から０.
１〜５μｍが更に好ましい範囲であった。

【００３７】（請求項８の発明）一方、硬質炭素膜は内
部応力が通常では大きく（１０００ＭＰａ程度）、基体
の表面状態にも依存するが、厚く堆積しようとすると膜
剥離を起こしやすかった。われわれは、この点を解決す
べく膜質の改良を試みた結果、膜の電気的、熱的安定性
及び比抵抗、誘電率は従来膜と同等で、内部応力を従来
の１／２（５００ＭＰａ）以下に低減することに成功し
た。具体的には製膜時の原料ガスとして炭素源ガスと希
ガス（Ｈｅ，Ａｒ，Ｎｅ，Ｘｅ，Ｋｒ等）あるいは水素
ガスを混合した、混合ガスを使用することで達成でき
る。低応力膜の得られる製膜条件を表３にまとめた。

【００３８】

【表３】

【００３９】表３から、混合ガスを使用し、より低パワ
ー、高圧力の条件範囲で低応力の硬質炭素膜が得られる
ことがわかる。こうして得られた膜のガラス基板に対す
る付着強度を従来膜と比較すると表４のようになる。

【００４０】

【表４】

【００４１】（請求項９の発明）図６は、請求項９の発
明の一実施例を説明するための構成図で、図中、１は基
板、１５₁は第１の硬質炭素膜、１５₂は第２の硬質炭素
膜で、この実施例は、硬質炭素膜自体を少なくとも２層
からなる積層構成とすることによって付着力と耐摩耗性
及び撥水性の劣化の少ないようにしたものであるが、図
６に示すように、基体１と接する側に低応力の第１の硬
質炭素膜１５₁を堆積し、さらにその上に内部応力は大
きいが硬度が比較的高い第２の硬質炭素膜１５₂を積層
することにより、両者の特徴をあわせ持つコート膜を得
ることができる。製膜の過程においては、上記２種類の
膜は連続的に製膜することが望ましい。第１の硬質炭素
膜１５₁を堆積してから一度大気開放してしまうとその
表面に空気中の不純物ガスが吸着し、第２の硬質炭素膜
１５₂との界面に密着性を劣化させる層が形成されてし
まう。第１の硬質炭素膜１５₁の膜厚としては５〜１０
０ｎｍが適当であった。

【００４２】（請求項１０の発明）図７は、請求項１０
の発明の一実施例を説明するための構成図で、図中、１
は基板、１６はａ−ＳｉＣ膜、１５は硬質炭素膜で、こ
の発明は、主にＳｉを基体１としたときに硬質炭素膜１
５の密着力を向上させる目的で、基体１との界面にａ−
ＳｉＣ１６からなる中間層を設けたものである。ＳｉＣ
はＳｉ原子とＣ原子が存在しているためにＳｉ基体１並
びに硬質炭素膜１５に対する密着性がともに優れてい
る。さらに、ａ−ＳｉＣはＰ−ＣＶＤ法にて作製できる
のみでなく、条件も硬質炭素膜のそれに非常に近い。具
体的には、硬質炭素膜の原料ガスである炭化水素系ガス
にシラン系のガス（ＳｉＨ₄，Ｓｉ₂Ｈ₄，ＳｉＨ₂Ｆ
₂等）を所望量、混合したガスを使用すればよい。従っ
て、ａ−ＳｉＣと硬質炭素膜は同一装置を用いて、原料
ガスの組成を徐々に切り替えることによって容易に積層
できる。上記の点は製造上大きな利点となる。中間層と
してのａ−ＳｉＣは膜厚は２０ｎｍ程度あれば十分な効
果がある。

【００４３】（請求項１１の発明）図８は、請求項１１
の発明の実施例を説明するための図で、図８（Ａ）にお
いて、１はＳｉ基体、１５は硬質炭素膜で、該硬質炭素
膜１５は、図８（Ｂ）に示すように、基体１に近づくに
したがって硬質炭素膜１５中のＳｉ濃度が連続的に増加
するようになっており（Ｃ濃度に注目すれば減少す
る）、これにより基体と硬質炭素膜の接合部には明確な
界面が存在しなくなる。従って、界面からの剥離等は生
じず、主にＳｉを基体としたときの硬質炭素膜の密着性
をさらに強固なものにすることができる。このような構
成の膜を作製するためには、製膜初期に供給する原料ガ
スの混合比（＝シラン系ガス／炭化水素系ガス）を無限
大（１００％シラン系）とし、製膜が進むにしたがって
徐々に混合比を連続的に減少させてゆき、最終的にはゼ
ロ（１００％炭化水素系）にすればよい。

【００４４】（実施例１）図１に示した静電気型インク
ジェットの作製法において、基板１に振動板と電極の間
隔を制御する凹部２の形成する方法について説明する。
凹部２の形成には大別して、エッチング法と堆積法とが
ある。先ず、図９に従ってエッチング法を説明する。基
板１に図９（Ｂ）に示す凹部２（及び凸部２１）を形成
するために、図９（Ａ）に示すように、基板１の表面に
凹部以外のパターン（凸部２１）に相当するレジストパ
ターン２２を形成し、基板１をエッチングし、レジスト
２２を除去すれば、図９（Ｂ）に示すように、凹部２が
形成できる。基板としては、パイレックスガラス＃７７
４０を使用し、エッチャントはＢＨＦであった。一方、
堆積法は上記のエッチンググ法の丁度逆で、図１０に示
すように、基板１に、凸部２１（凹部２の逆のパター
ン）に相当する厚さの絶縁膜３１を堆積し（図１０
（Ａ））、凸部２１に相当するレジストパターン２２を
使用して（図１０（Ｂ））、エッチングを行い、凹部２
を形成した（図１０（Ｃ））。絶縁膜には後工程の陽極
接合性を考慮して、パイレックスガラス＃７７４０を使
用してスパッタ法にて作製した。エッチング法と堆積法
を比較すれば高さ方向の寸法制御性を考慮すれば、堆積
法の方が優れている。凹部の形成方法は上記に限定され
るわけではなく、所謂、マイクロマシーンニングの手法
は適用できる。

【００４５】次に、電極３及び保護層４の形成方法につ
いて説明する。凹部２の形成された基板１上に電極材料
として主として金属材料の薄膜をスパッタ法、蒸着法、
ＥＢ蒸着法等の気相合成法にて堆積せしめ、フォトリ
ソ、エッチングにて電極３とした。より具体的には、金
属材料としＴｉ／Ｐｔ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｗ，Ｔａ，ＮｉＣ
ｒ，Ｃｒｔ等を用いて膜厚０.０５から１.０ミクロン形
成した。金属のほかに透明導電材料（ＩＴＯ，ＺｎＯ，
ＳｎＯ）等が使用できるが、これらの材料に特に限定さ
れるものではない。ただし、Ｔｉ／Ｐｔなどのエッチン
グしにくい材料ではリフトオフ法を採用してパターンニ
ングした。また、保護層材料としては、ＳｉＯ₂、Ｓｉ
Ｎｘ、ＳｉＯＮｘ等の無機絶縁膜が使用され、スパッタ
法、蒸着法、ＥＢ蒸着法等の気相合成法にて堆積せしめ
フォトリソ、エッチングにて保護層４とした。

【００４６】次に、振動板６（第２基板５）の作製方法
を説明する。Ｓｉ（１００）の両面にＳｉＯ₂を２ミク
ロンつけたものを基体として、この上の振動板に対応し
た位置のＳｉＯ₂をエッチングして開口部をあけて、そ
の部分のＳｉのみをＫＯＨ水溶液（数％〜約４５％）を
エッチャントとして、８０℃において振動板の厚さまで
異方性エッチングした。このほかにウエットの異方性エ
ッチャントとしてはヒドラジン、ＴＭＨＡなどが使用で
きる。また、Ｓｉの高ドープ層を利用した選択エッチや
ＰＮ接合基板の電気化学的手法によるエッチストップ等
を利用すれば振動板厚の制御性向上が図れる。

【００４７】次に、天井板の役目を果たす基板１１につ
いて説明する。この基板１１は、陽極接合、或いは、直
接接合が可能な基板、具体的には、パイレックスガラ
ス、Ｓｉ基板等をエッチングし、そこにインク供給口１
２を取り付けた。このようにして作製された基板１，
５，１１を順次接合し、先端に吐出口１４を設けたノズ
ルプレート１３を接着して図１に示したような一般的な
静電型ヘッドが完成する。なお、接合条件は温度３２０
℃、電圧１００Ｖ程度であった。

【００４８】本実施例は、上述のごとくして得られるヘ
ッドの吐出口面に、図２に示すように、硬質炭素膜１５
を設け、さらに加圧室及び流路にも図３のごとく硬質炭
素膜１５を配置したものである。硬質炭素膜は表５に示
す製膜条件で約１００ｎｍ形成した。また、本実施例の
ヘッドの印字性能は表６の通りであった。

【００４９】

【表５】

【００５０】

【表６】

【００５１】（実施例２）静電型ヘッドに関しては実施
例１とほぼ同様な作製プロセスによって作製したものを
使用した。本実施例はヘッドの吐出口面にＦ原子を含有
した硬質炭素膜を設けたものであり、硬質炭素膜の膜厚
は約２００ｎｍであり、製膜条件は表７に示した通りで
あった。

【００５２】

【表７】

【００５３】上述のごとくして得られたヘッドを前記実
施例と同様な試験を行ったところ表８に示す結果が得ら
れた。これより撥水性が向上したことがわかる。

【００５４】

【表８】

【００５５】（実施例３）静電型ヘッドに関しては実施
例１とほぼ同様な作製プロセスによって作製したものを
使用した。本実施例は電極３表面全面、或いは、一部分
に保護層として、以下にあげる２種類の硬質炭素膜を設
けたものである。まず、（ａ）第１番目は膜の内部応力
が５００Ｍｐａ以下の硬質炭素膜を電極全面に被覆した
ものであり、膜厚は約１５０ｎｍであり、製膜条件は表
９に示した通りであった。

【００５６】

【表９】

【００５７】上述のごとくして得られた硬質炭素膜の内
部応力は約４００Ｍｐａであった。さらに、５０ｖ印可
におけるヘッドの連続動作試験（１０００ｈｒ）を行っ
たところ、絶縁破壊による故障、或いは、電極と振動板
の接着等は生じなかった。

【００５８】次に、（ｂ）第二番目の例として硬質炭素
膜が２層構成をとっているヘッドを作製した（ヘッドの
基本構成は図１のものと同等である）。電極３と接する
側に低応力な第一の硬質炭素膜を堆積し、さらにその上
に内部応力は大きいが硬度が比較的高い膜第二の硬質炭
素膜を積層した。それぞれの膜の製膜条件及び膜厚は表
１０の通りであった。

【００５９】

【表１０】

【００６０】上述のごとくして得られたヘッドに５０ｖ
印可し、連続動作試験（１０００ｈｒ）を行ったとこ
ろ、絶縁破壊による故障、或いは、電極と振動板の接着
による故障は皆無であった。さらに、硬質炭素膜と電極
との密着力の評価としてスクラッチ試験を行ったとこ
ろ、表１１に示したように従来の通常の硬質炭素膜単層
の場合と比較して、上記２例の硬質炭素膜の密着力は著
しく改善されていることがわかる。

【００６１】

【表１１】

【００６２】（実施例４）静電型ヘッドに関しては実施
例１とほぼ同様な作製プロセスによって作製したものを
使用した。本実施例は振動板６の電極３と対向する側の
表面全面に保護層、或いは、保護層兼、振動板の一部と
して、以下にあげる２種類の硬質炭素膜を設けたもので
ある。まず、第一番目は保護層として機能するもので、
（ｃ）硬質炭素膜と振動板の界面にａ−ＳｉＣを設けた
構成である。それぞれの膜の製膜条件及び膜厚は表１２
に示す。

【００６３】

【表１２】

【００６４】上述のごとくして得られたヘッドに５０ｖ
印可し、連続動作試験（１０００ｈｒ）を行ったとこ
ろ、絶縁破壊による故障、或いは、電極と振動板の接着
による故障は皆無であった。次に、第二番目は保護層
兼、振動板の一部として機能するもので、（ｄ）硬質炭
素膜中のＳｉ濃度が基体（振動板６）に近づくにしたが
って、連続的に増加する構成をとっている（ヘッドの基
本構成は図１のものと同等である）。このような膜を作
製するには、図１１に示したように、原料ガスの組成を
時間とともに変化させながら製膜すればよい。原料ガス
以外の固定条件及び膜厚は表１３の通りであった。

【００６５】

【表１３】

【００６６】上述のごとくして得られたヘッドに５０ｖ
印可し、連続動作試験（１０００ｈｒ）を行ったとこ
ろ、絶縁破壊による故障、或いは、電極と振動板の接着
による故障は皆無であった。また、この時のＳｉ振動板
の板厚とヤング率はそれぞれ２μ，１.８８×１０⁴Ｋｇ
／ｍｍ²であり、硬質炭素膜の板厚とヤング率はそれぞ
れ３μ，５.０×１０⁴Ｋｇ／ｍｍ²であったので、両者
の積層されてできた振動板の特性、板厚と合成されたヤ
ング率はそれぞれ５μ，３.７５×１０⁴Ｋｇ／ｍｍ²と
Ｓｉ単独のときよりも改善されていることがわかる。

【００６７】さらに、硬質炭素膜と振動板との密着力の
評価としてスクラッチ試験を行ったところ、表１４に示
したように、従来の通常の硬質炭素膜単層の場合と比較
して、上記２例ｃ，ｄの硬質炭素膜の密着力は著しく改
善されていることがわかる。ただし、ｄの場合の膜厚は
トータルで１５０ｎｍである。

【００６８】

【表１４】

【００６９】

【発明の効果】

請求項１の効果：記録体を吐出する複数の吐出口と、記
録体に吐出の圧力を与える加圧室と、記録体を前記加圧
室に輸送するための流路と、前記加圧室内の記録体を加
圧するための圧力発生手段とを備えた記録ヘッドにおい
て、前記吐出口面を炭素を主構成元素とし非晶質、或い
は、微結晶質を一部含む非晶質状態の硬質炭素膜で被覆
したので、その撥水性のゆえに吐出口周辺に液溜り等が
できないため、インクの飛翔方向が一定となり、ひいて
は高速、高画質の印刷が実現できる。

【００７０】請求項２の効果：記録体を吐出する複数の
吐出口と、記録体に吐出の圧力を与える加圧室と、記録
体を前記加圧室に輸送するための流路と、前記加圧室内
の記録体を加圧するための圧力発生手段とを備えた記録
ヘッドにおいて、少なくとも前記加圧室及び流路の内面
を炭素を主構成元素とし非晶質、或いは、微結晶質を一
部含む非晶質状態の硬質炭素膜で被覆したので、前記部
分のインクによる侵食等を防げることができ、インク成
分の変化変質が低減でき、かつ、長期使用時のインクの
漏洩をも防止でき、信頼性の高い記録ヘッドが実現でき
る。

【００７１】請求項３の効果：請求項１又は２の発明に
おいて、前記硬質炭素膜の膜厚を５〜５５０ｎｍとした
ので、硬質炭素膜の剥離を防止でき、かつ、請求項１又
は２にあげた効果が有効に発揮され、高速、高画質、高
信頼性の記録ヘッドが実現できる。

【００７２】請求項４の効果：請求項１又は２の発明に
おいて、前記硬質炭素膜中にＦ原子及び又はＮ原子を含
有したので、膜の撥水性がさらに向上され、高速、高画
質、高信頼性の記録ヘッドが実現できる。

【００７３】請求項５の効果：記録体を吐出する複数の
吐出口と、記録体に吐出の圧力を与える加圧室と、記録
体を前記加圧室に輸送するための流路と、前記加圧室内
の記録体を加圧するための圧力発生手段とを備えた記録
ヘッドにおいて、前記圧力発生手段が前記加圧室の一部
を形成する振動板と、該振動板に対向して設けられた電
極との間に印加された電界による静電型アクチュエータ
である記録ヘッドにおいて、前記電極の一部及び全面が
炭素を主構成元素とし非晶質、或いは、微結晶質を一部
含む非晶質状態の硬質単素膜で被覆されているので、硬
質炭素膜の表面が水素でターミネイトされているため、
水分等が吸着しにくく、水分が吸着することによる不安
定さ（ギャップ内の容量変化に起因する振動板変位の
変動、振動板と電極の癒着等）が改善され、また、電
極の一部に設けた時は、振動板の変位に対して機械的な
ストッパーの機能を果たし、従って、インク吐出の安定
性及び長期信頼性が向上する。

【００７４】請求項６の効果：記録体を吐出する複数の
吐出口と、記録体に吐出の圧力を与える加圧室と、記録
体を前記加圧室に輸送するための流路と、前記加圧室内
の記録体を加圧するための圧力発生手段とを備えた記録
ヘッドにおいて、前記圧力発生手段が前記加圧室の一部
を形成する振動板と、該振動板に対向して設けられた電
極との間に印加された電界による静電型アクチュエータ
である記録ヘッドにおいて、前記振動板の表面の一部及
び全面が炭素を主構成元素とし非晶質、或いは、微結晶
質を一部含む非晶質状態の硬質単素膜で被覆されている
ので、硬質炭素膜の表面が水素でターミネイトされてい
るため、水分等が吸着しにくく、水分が吸着することに
よる不安定さ（ギャップ内の容量変化に起因する振動
板変位の変動、振動板と電極の癒着等）が改善され
る。更に、硬質炭素膜は剛性が高く振動板の構造部材を
も兼ねることが出来るため、振動板の設計自由度が増大
する。一方、電極の一部に設けた時は、振動板の変化に
対して機械的なストッパーの機能を果たす。従って、高
速、高画質、高信頼性の記録ヘッドが実現できる。

【００７５】請求項７の効果：請求項５又は６の発明に
おいて、前記硬質炭素膜の膜厚を０.０２〜１０μｍと
したので、吐出の不安定さ（ギャップ内の容量変化に
起因する振動板変位の変動、振動板と電極の癒着等）
が改善される。更に、硬質炭素膜は剛性が高く振動板の
構造部材をも兼ねることが出来るため、振動板の設計自
由度が増大する。一方、振動板の一部に設けた時は、振
動板の変位に対して機械的なストッパーの機能を果た
す。従って、高速、高画質、高信頼性の記録ヘッドが実
現できる。

【００７６】請求項８の効果：請求項１又は２或いは５
又は６の発明において、前記硬質炭素膜の内部応力を５
００ＭＰａ以下としたので、硬質炭素膜の剥離が防止で
き長期信頼性に優れた高速、高画質の記録ヘッドが実現
できる。一般に、硬質炭素膜は内部応力が大きく厚膜に
堆積すると膜剥離が起こるが、内部応力の小さな成膜方
法を開発したため、本発明が実現した。

【００７７】請求項９の効果：請求項１又は２或いは５
又は６の発明において、前記硬質炭素膜を少なくとも２
層からなる積層体（下層に内部応力の小さな膜を上層に
は内部応力は大きいが硬度の高い膜を配置する）とした
ので、硬質炭素膜の剥離が防止でき長期信頼性に優れた
高速、高画質の記録ヘッドが実現できる。

【００７８】請求項１０の効果：請求項２又は６の発明
において、前記硬質炭素膜と基体の界面にａ−ＳｉＣか
らなる中間層を設けたので、基体の硬質炭素膜の密着力
が向上し、硬質炭素膜の剥離が防止でき、長期信頼性に
優れた高速、高画質の記録ヘッドが実現できる。

【００７９】請求項１１の効果：請求項２又は６の発明
において、記前硬質炭素膜中のＳｉ濃度が基体に近づく
に従って連続的に増加しているので、基体の硬質炭素膜
の密着力が向上し、硬質炭素膜の剥離が防止でき、長期
信頼性に優れた高速、高画質の記録ヘッドが実現でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が適用される静電型インクジェット記
録ヘッドの一例を説明するための要部構成図である。

【図２】請求項１の発明の一実施例を説明するための
要部（ノズル部）構成図である。

【図３】請求項２の発明の一実施例を説明するための
要部構成図である。

【図４】請求項５の発明の実施例を説明するための要
部構成図である。

【図５】請求項６の発明の実施例を説明するための要
部構成図である。

【図６】請求項９の発明の実施例を説明するための要
部構成図である。

【図７】請求項１０の発明の実施例を説明するための
要部構成図である。

【図８】請求項１１の発明の実施例を説明するための
要部構成図である。

【図９】基板に凹部を形成する方法（エッチング法）
の例を説明するための図である。

【図１０】基板に凹部を形成する方法（堆積法）の例
を説明するための図である。

【図１１】硬質炭素膜の形成方法の一例を説明するた
めの図である。

【符号の説明】

１…第１の基板、２…凹部、３…電極、４…保護層、５
…第２の基板、６…振動板、７…加圧室、８，１０…流
路、９…共通インク室、１１…第３の基板、１２…イン
ク供給口、１３…ノズルプレート、１４…吐出口（ノズ
ル）、１５，１５₁，１５₂…硬質炭素膜。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】記録体を吐出する複数の吐出口と、記録
体に吐出の圧力を与える加圧室と、記録体を輸送するた
めの流路と、前記加圧室内の記録体を加圧するための圧
力発生手段とを備えた記録ヘッドにおいて、前記吐出口
面を炭素を主構成元素とし非晶質、或いは、微結晶質を
一部含む非晶質状態の硬質炭素膜で被覆したことを特徴
とする記録ヘッド。
【請求項２】記録体を吐出する複数の吐出口と、記録
体に吐出の圧力を与える加圧室と、記録体を輸送するた
めの流路と、前記加圧室内の記録体を加圧するための圧
力発生手段とを備えた記録ヘッドにおいて、少なくとも
前記加圧室及び流路の内面を炭素を主構成元素とし非晶
質、或いは、微結晶質を一部含む非晶質状態の硬質炭素
膜で被覆したことを特徴とする記録ヘッド。
【請求項３】前記硬質炭素膜の膜厚が５〜５５０ｎｍ
であることを特徴とする請求項１又は２記載の記録ヘッ
ド。
【請求項４】前記硬質炭素膜中にＦ原子及び又はＮ原
子が含有されていることを特徴とする請求項１又は２又
は３記載の記録ヘッド。
【請求項５】記録体を吐出する複数の吐出口と、記録
体に吐出の圧力を与える加圧室と、記録体を輸送するた
めの流路と、前記加圧室内の記録体を加圧するための圧
力発生手段とを備えた記録ヘッドであって、前記圧力発
生手段が、前記加圧室の一部を形成する振動板と該振動
板に対向して設けられた電極との間に印加された電界に
よる静電型アクチュエータである記録ヘッドにおいて、
前記電極の一部及び全面が炭素を主構成元素とし非晶
質、或いは、微結晶質を一部含む非晶質状態の硬質単素
膜で被覆されていることを特徴とする記録ヘッド。
【請求項６】記録体を吐出する複数の吐出口と、記録
体に吐出の圧力を与える加圧室と、記録体を輸送するた
めの流路と、前記加圧室内の記録体を加圧するための圧
力発生手段とを備えた記録ヘッドであって、前記圧力発
生手段が、前記加圧室の一部を形成する振動板と該振動
板に対向して設けられた電極との間に印加された電界に
よる静電型アクチュエータである記録ヘッドにおいて、
前記振動板の表面の一部及び全面が炭素を主構成元素と
し非晶質、或いは、微結晶質を一部含む非晶質状態の硬
質単素膜で被覆されていることを特徴とする記録ヘッ
ド。
【請求項７】前記硬質炭素膜の膜厚が０.０２〜１０
μｍであることを特徴とする請求項５又は６記載の記録
ヘッド。
【請求項８】前記硬質炭素膜の内部応力が５００ＭＰ
ａ以下であることを特徴とする請求項１又は２又は５又
は６記載の記録ヘッド。
【請求項９】前記硬質炭素膜が少なくとも２層からな
る積層体であることを特徴とする請求項１又は２又は５
又は６記載の記録ヘッド。
【請求項１０】前記硬質炭素膜と基体の界面にａ−Ｓ
ｉＣからなる中間層を有することを特徴とする請求項２
又は６記載の記録ヘッド。
【請求項１１】記前硬質炭素膜中のＳｉ濃度が基体に
近づくに従って連続的に増加していることを特徴とする
請求項２又は６記載の記録ヘッド。