WO2022244542A1 - インクジェットヘッド - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to inkjet heads. More specifically, the present invention relates to an inkjet head having actuators with high long-term reliability.
- the actuator provided in the inkjet head includes, for example, a pressure chamber substrate having pressure chambers of a mechanism that accommodates ink and applies pressure to eject the ink, and a flow path substrate that has ink flow paths that introduce ink into the pressure chambers. , etc. are bonded together with an adhesive layer made of an adhesive.
- an actuator if each substrate has a metal material such as an electrode, the metal material of the substrate will corrode if it comes into contact with highly corrosive water-based ink, leading to failure of the actuator.
- a technique for ensuring long-term reliability of an inkjet head by forming a protective film is known.
- the partition wall of the pressure chamber has a metal electrode, which protects the ink.
- the role it plays in the long-term reliability of membranes is extremely important.
- an example in which an organic protective film with high chemical resistance such as polyparaxylylene (parylene) is applied as a protective film that protects the substrate from water-based ink.
- an organic protective film with high chemical resistance such as polyparaxylylene (parylene)
- parylene polyparaxylylene
- an electric signal pulse is applied to a piezoelectric element for a long period of time in order to eject ink
- ink ejection from the pressure chamber gradually becomes impossible.
- the reason why the ink is not ejected is that the ink penetrates into the actuator substrate from the minute defects that occur in the protective film, especially the minute defects that occur in the protective film in the part that contacts the adhesive layer, and reaches the metal electrode, leading to disconnection. ing.
- Patent Document 1 describes a structure in which protective films made of two types of polyparaxylylene are laminated.
- Patent Document 2 describes a laminated structure in which an electrodeposited insulating layer is formed as a first layer on a metal electrode of a piezoelectric element, and an organic insulating layer as a second layer is formed thereon.
- the technology described in Patent Document 1 and Patent Document 2 can be expected to suppress the occurrence of microdefects to some extent, it is not sufficient to suppress the occurrence of microdefects in the protective film in the portion in contact with the adhesive layer. Failure due to long-term application of signal pulses cannot be sufficiently suppressed.
- the present invention has been made in view of the above problems and circumstances, and the problem to be solved is to provide an inkjet head equipped with an actuator with high long-term reliability.
- an inkjet head including an actuator comprising a laminated substrate in which a plurality of substrates are bonded with an adhesive layer,
- the actuator has an ink channel communicating between the plurality of substrates, and a protective film covering at least the surface of the adhesive layer formed between the ink channel and the laminated substrate,
- the protective film comprises a first layer, a second layer and a third layer in order from the laminated substrate side toward the ink flow path, the first layer is composed of a first organic thin film, The second layer is made of an inorganic thin film, The inkjet head, wherein the third layer is a layer in contact with the ink flow path and is made of a second organic thin film.
- the inorganic thin film comprises an oxide of a metal selected from aluminum, silicon, titanium, hafnium and tantalum.
- the plurality of substrates includes a pressure chamber substrate and a channel substrate.
- the pressure chamber substrate includes partition walls made of a piezoelectric material and electrodes formed on the surfaces of the partition walls, and the adhesive layer is conductive.
- An actuator provided in an inkjet head typically includes a laminated substrate in which a plurality of substrates are joined and laminated, and has a configuration in which an ink flow path is formed so as to communicate with each substrate.
- an adhesive layer made of an adhesive is used, and the surface (side surface) in the thickness direction of the adhesive layer together with the ink flow path formation surface (wall surface) of the substrate faces the ink flow path.
- the present invention relates to a technique for forming a protective film on the surface of the laminated substrate facing the ink flow path in the actuator.
- microdefects may occur in the organic protective film, particularly in the portion in contact with the adhesive layer of the laminated substrate (hereinafter also referred to as "on the adhesive layer"), resulting in a problem. It has been known. The present inventors found that the surface of the laminated substrate where the ink flow path is in contact is a unique portion where multiple materials such as the substrate, the adhesive layer, and the substrate are present, so that microdefects are generated especially in the organic protective film on the adhesive layer. assumed to occur easily. For example, in the adhesive layer, low-molecular-weight volatile components remaining in the adhesive are released during the formation of the organic protective film, inhibiting growth and generating microdefects.
- the structure of the protective film is arranged from the surface of the laminated substrate toward the ink flow path to form the first layer, the second layer, and the third layer.
- the film growth during film formation is less affected by the adhesive, and the growth of the second and subsequent layers is minimized. It is intended to suppress the release of components that inhibit film growth.
- the first layer is an organic thin film, microdefects are likely to occur due to the adhesive layer. Therefore, a second layer made of an inorganic thin film that embeds the starting points of microdefects generated in the first layer is provided between the first layer and the third layer to prevent the microdefects from communicating to the third layer.
- the third layer which is in contact with the ink flow path, with an organic thin film, ink resistance is imparted to prevent deterioration of the first and second layers due to the ink.
- the long-term reliability of the actuator can be improved by sufficiently suppressing the penetration of the ink into the laminated substrate and sufficiently protecting, for example, the metal electrodes from the ink. did.
- FIG. 1 is a perspective view showing an example of an embodiment of an inkjet head of the present invention
- FIG. 2 is a cross-sectional view of the lower part of the inkjet head shown in FIG. 1 cut in the left-right direction
- 2 is an exploded perspective view of an actuator and a nozzle substrate included in the inkjet head shown in FIG. 1
- FIG. 4 is a partial cross-sectional view of another example of an embodiment of the inkjet head of the present invention
- FIG. 10 is an enlarged cross-sectional view of a protective film covering the adhesive layer surface of the inkjet head shown in FIG.
- the inkjet head of the present invention includes an actuator provided with a laminated substrate in which a plurality of substrates are bonded with an adhesive layer, and the actuator includes an ink flow path communicating between the plurality of substrates, the ink flow path and the laminated substrate. and a protective film that covers at least the surface of the adhesive layer formed between the first layer, the second layer, and the A third layer is provided, wherein the first layer is made of a first organic thin film, the second layer is made of an inorganic thin film, the third layer is a layer in contact with the ink flow path, and the second It is characterized by being made of an organic thin film.
- This feature is a technical feature common to or corresponding to each of the following embodiments.
- the first organic thin film or the second organic thin film preferably contains polyparaxylylene or a derivative thereof. More preferably, both the first organic thin film and the second organic thin film contain poly-para-xylylene or a derivative thereof.
- Polyparaxylylene and its derivatives can be formed into a film by, for example, a vapor deposition method, have excellent permeability into fine structures, and even after ink flow paths are formed, they sufficiently and uniformly penetrate deep into fine structures. It is preferable in that
- the first layer and the second layer are in contact with each other from the viewpoint that the effects of the present invention can be further expressed. Moreover, it is preferable that the first layer is in contact with the adhesive layer.
- the inorganic thin film preferably contains an oxide of a metal selected from aluminum, silicon, titanium, hafnium, and tantalum, from the viewpoint that the effects of the present invention can be further expressed.
- the thickness of the third layer is 3 ⁇ m or more from the viewpoint of being able to further express the effects of the present invention.
- An embodiment of the present invention includes an inkjet head in which the pressure chamber substrate includes partition walls made of a piezoelectric material and electrodes formed on the surfaces of the partition walls, and the adhesive layer is conductive.
- the inkjet head of the present invention is an inkjet head including an actuator provided with a laminated substrate in which a plurality of substrates are bonded with an adhesive layer, wherein the actuator includes an ink flow path communicating between the plurality of substrates, and the ink flow path. and a protective film covering at least the surface of the adhesive layer formed between the path and the laminated substrate.
- the protective film comprises a first layer, a second layer and a third layer in order from the laminated substrate side toward the ink flow path, and the first layer is composed of a first organic thin film.
- the second layer is made of an inorganic thin film
- the third layer is a layer in contact with the ink flow path and is made of a second organic thin film.
- FIG. 1 is a perspective view showing an embodiment of an inkjet head of the present invention
- FIG. 2 is a bottom view of the inkjet head shown in FIG.
- the bottom surface of the inkjet head faces the recording surface of the recording medium.
- the recording medium is arranged so that the recording surface is positioned below the inkjet head and in a direction perpendicular to the direction in which the ink is ejected, and inkjet recording is performed while being transported.
- the direction in which the recording medium is conveyed is defined as the front-rear direction
- the direction orthogonal to the direction in which the recording medium is conveyed on the recording surface is defined as the left-right direction.
- FIG. 3 is a cross-sectional view of the lower portion of the inkjet head shown in FIG. 1 cut in the left-right direction.
- 4 is an exploded perspective view of an actuator and a nozzle substrate of the inkjet head shown in FIG. 1.
- FIG. 5 is a cross-sectional view along line VV in FIG. 4
- FIG. 6 is a cross-sectional view along line VI-VI in FIG. 7 and 8 are a partial cross-sectional view along line VII-VII and a partial cross-sectional view along line VIII-VIII of FIG. 6, respectively.
- the inkjet head 100 of the present embodiment includes an actuator 10A, a manifold 5 for storing ink to be supplied to the actuator 10A, and an actuator 10A to the outside of the inkjet head 100.
- a nozzle plate 20 having nozzles 21A and 21B for ejecting ink is provided.
- the actuator 10A is a shear mode type actuator, and includes a laminated substrate in which a channel substrate 3A, an adhesive layer 2 and a pressure chamber substrate 1A are laminated in this order from the manifold 5 side.
- the actuator 10A has a laminated substrate in which one channel substrate and one pressure chamber substrate are bonded together with an adhesive layer.
- the actuator according to the present invention may have a plurality of channel substrates and pressure chamber substrates, and may further have substrates other than the channel substrates and pressure chamber substrates.
- an adhesive layer exists between at least one substrate, and at least the surface (side surface) of the adhesive layer facing the ink flow path is covered with the protective film of the configuration of the present invention.
- the flow path substrate 3A included in the actuator 10A is a wiring substrate having wiring electrodes 33A and 33B (see FIG. 4). It has a substrate 8 (see FIG. 4) and a drive circuit substrate (not shown) connected to the flexible substrate 8 .
- the inkjet head 100 is attached to the housing 6 so as to cover the lower members (the nozzle plate 20, the actuator 10A, the manifold 5, etc.) and the upper members (the flexible board 8, the drive circuit board, etc.). A cover member 7 and the like are provided.
- the housing 6 is, for example, a member formed by die casting using aluminum as a material, and is elongated in the left-right direction.
- the bottom surface of the housing 6 has an opening so that the nozzle plate 20 is arranged to be exposed to the outside.
- Mounting holes 68 for mounting the housing 6 to the main body of the printer are formed at both ends of the housing 6 in the left-right direction.
- the lower end of the manifold 5 is attached and fixed by adhesion to the outer edge of the upper surface 3Sb of the channel substrate 3A.
- the manifold 5 is a member molded from resin, for example, is arranged above the flow path substrate 3A of the actuator 10A, and has a function of storing ink supplied to the actuator 10A.
- the manifold 5 is made of, for example, a resin material and is elongated in the left-right direction. It has first to third ink ports 53 to 55 that form flow paths.
- the ink reservoir 51 is divided into two chambers, a first liquid chamber 51a on the upper side and a second liquid chamber 51b on the lower side, by a filter F for removing dust in the ink.
- the first ink port 53 communicates with the right upper end of the first liquid chamber 51 a and is used to introduce ink into the ink reservoir 51 .
- a first joint 81a is externally inserted at the tip of the first ink port 53.
- the second ink port 54 communicates with the upper left end of the first liquid chamber 51a and is used to remove air bubbles in the first liquid chamber 51a.
- a second joint 81b is externally inserted at the tip of the second ink port 54.
- the third ink port 55 communicates with the upper left end of the second liquid chamber 51b and is used to remove air bubbles in the second liquid chamber 51b.
- a third joint 82 a is externally inserted at the tip of the third ink port 55 .
- the manifold 5 may further have a fourth ink port (not shown) as an ink outlet for discharging surplus ink not used for printing discharged from the actuator 10A to the outside of the inkjet head 100 .
- the nozzle plate 20 is arranged below the pressure chamber substrate 1A of the actuator 10A.
- the nozzle plate 20 is mainly composed of silicon (Si), for example, and has nozzles 21A and 21B that serve as ink ejection holes when ink is ejected from the pressure chamber substrate 1A toward the recording medium.
- the pressure chamber substrate 1A of the actuator 10A is a substantially square prism-shaped member elongated in the left-right direction, and has two channel rows, A row and B row.
- the rear channel row shown in FIG. 4 is the A row
- the front channel row is the B row.
- Each channel row is configured by alternately arranging drive channels 11A and 11B and dummy channels 12A and 12B.
- a partition wall between the adjacent drive channel 11A or 11B and the dummy channel 12A or 12B is a drive wall 13 made of a piezoelectric material.
- the piezoelectric material contains a perovskite compound typified by, for example, barium titanate (BaTiO 3 ) and lead zirconate titanate ([Pb(Zr ⁇ Ti)O 3 ], hereinafter also referred to as “PZT”). is preferred, preferably containing primarily PZT.
- "mainly containing PZT” means that PZT is 85% by mass or more with respect to the total amount of the piezoelectric material.
- Donor ions may be added to PZT in order to improve the performance of the piezoelectric material.
- strontium (Sr) and the like and preferably contains one or more ions selected from the group consisting of La, Nb, Ta, and W.
- the acceptor ion preferably contains one or more metal ions selected from the group consisting of iron (Fe), cobalt (Co) and manganese (Mn).
- FIG. 4 and FIG. 5 which is a sectional view taken along the line VV thereof, the drive channels 11A, 11B and the dummy channels 12A, 12B are opened to the lower surface 1Sa and the upper surface 1Sb of the pressure chamber substrate 1A, respectively. It is straight across the lower surface 1Sa and the upper surface 1Sb, and is formed so that the cross section perpendicular to the thickness direction is rectangular, ie, in the shape of a quadrangular prism.
- FIG. 5 shows the cross section of the row B channel row
- the cross section of the row A channel row is the same. In the following description, referring to FIG. Describe columns. The same applies to FIGS. 6 to 8 as well.
- drive electrodes 14 are formed on the surfaces of the four wall surfaces facing the drive channels 11A and 11B and the dummy channels 12A and 12B. formed respectively. Furthermore, as shown in FIG. 6, the entire surface facing the drive channels 11A and 11B of the drive electrode 14 has a first layer 41 and a second layer from the drive electrode 14 side toward the drive channels 11A and 11B. 42 and a third layer 43 are laminated in this order to form a protective film 4 .
- the protective film 4 has a three-layer structure similar to that described above, and is formed on the entire wall surfaces of the channel substrate 3A facing the through holes 32A and 32B and on the entire wall surface of the adhesive layer 2 facing the through holes. A detailed configuration of the protective film 4 will be described later.
- the through holes 32A and 32B (first ink flow paths) of the flow path substrate 3A, the through holes and the drive channels 11A and 11B (second ink flow paths) of the adhesive layer 2 communicate with each other, and the ink flow of the actuator 10A is controlled. It becomes a road.
- Connection electrodes 15A and 15B are formed on the upper surface 1Sb of the pressure chamber substrate 1A so as to correspond one-to-one to the drive channels 11A and 11B and the dummy channels 12A and 12B. One end of each connection electrode 15A, 15B is electrically connected to the drive electrode 14 in the corresponding drive channel 11A, 11B or dummy channel 12A, 12B.
- the actuator 10A is an independently driven actuator in which drive channels 11A and 11B and dummy channels 12A and 12B are alternately arranged in each channel row of the pressure chamber substrate 1A. By doing so, the driving wall 13 is shear-deformed. As a result, the ink supplied to the drive channels 11A and 11B is subjected to a pressure change for ejection, and the nozzles 21A and 21B of the nozzle plate 20 joined to the lower surface 1Sa of the actuator 10A, that is, the pressure chamber substrate 1A, are discharged from the nozzles 21A and 21B. It is ejected as ink droplets.
- Nozzles 21A and 21B are formed in the nozzle plate 20 at positions corresponding to the drive channels 11A and 11B of the pressure chamber substrate 1A. Since ink is not ejected from dummy channels 12A and 12B, nozzle plate 20 does not have nozzles at positions corresponding to dummy channels 12A and 12B. Therefore, the lower openings of the dummy channels 12A and 12B are blocked by the nozzle plate 20. As shown in FIG.
- each connection electrode 15A corresponding to the drive channel 11A and the dummy channel 12A of column A extends from inside each of the channels 11A and 12A toward one edge of the upper surface 1Sb of the pressure chamber substrate 1A. It stops with an interval of about 200 ⁇ m between them.
- the other end of each connection electrode 15B corresponding to the drive channel 11B and the dummy channel 12B of the B row extends from the channel 11B, 12B toward the A row, and is separated from the A row channel row by 200 ⁇ m. They are stopped at intervals. Therefore, both connection electrodes 15A and 15B extend in the same direction from each channel 11A, 11B, 12A and 12B.
- the drive electrode 14 and connection electrodes 15A and 15B are made of a conductive material.
- conductive materials include platinum (Pt), gold (Au), copper (Cu), palladium (Pd), ruthenium (Ru), titanium (Ti), nickel (Ni), aluminum (Al), and chromium.
- a conductive material containing one or more of metals such as (Cr), tungsten (W), and iridium (Ir) can be used.
- the conductive material can be a material containing one or more of these metals.
- the conductive material may be a mixture of metals or an alloy. In that case, it may be a mixture or alloy of at least one of the above metals and other metals.
- the flow path substrate 3A is a flat substrate having a lower surface 3Sa and an upper surface 3Sb having an area larger than that of the upper surface 1Sb of the pressure chamber substrate 1A.
- the flow path substrate 3A has a bonding area 31 (indicated by a dashed line in FIG. 4) on the bottom surface 3Sa that is bonded to the top surface 1Sb of the pressure chamber substrate 1A via the adhesive layer 2 .
- At least one end of the flow path substrate 3A after bonding extends outside the bonding region 31 to which the pressure chamber substrate 1A is bonded, and protrudes greatly to the side along the alignment direction of the channel rows of the pressure chamber substrate 1A. ing.
- Appropriate materials such as glass, ceramics, silicon, and plastics can be used as the material for the flow path substrate 3A.
- glass is preferable because it has moderate rigidity, is inexpensive, and can be easily processed.
- the flow path substrate 3A is bonded via the adhesive layer 2 in the bonding region 31 so as to cover all the openings of the channels located on the upper surface 1Sb of the pressure chamber substrate 1A.
- ink is applied from the upper surface 3Sb side of the flow path substrate 3A only to the positions corresponding to the drive channels 11A and 11B of the pressure chamber substrate 1A.
- Through holes 32A and 32B for supplying to 11B are opened individually.
- Each of the through holes 32A and 32B has an opening on the side of the pressure chamber substrate 1A, that is, an opening on the lower surface 3Sa of the flow path substrate 3A, and an opening on the side of the flow path substrate 3A of each drive channel 11A and 11B, that is, a pressure It is formed to have the same size and shape as the opening in the upper surface 1Sb of the chamber substrate 1A.
- the through-holes 32A and 32B of the channel substrate 3A have a cross section that widens from the lower surface 3Sa of the channel substrate 3A toward the upper surface 3Sb.
- a surface (lower surface) 3Sa of the flow path substrate 3A which is to be a joint surface with the pressure chamber substrate 1A, is provided with electrodes corresponding to the connection electrodes 15A and 15B arranged on the upper surface 1Sb of the pressure chamber substrate 1A one-to-one.
- wiring electrodes 33A and 33B are formed.
- the wiring electrodes 33A correspond to the connection electrodes 15A of the A channel row
- the wiring electrodes 33B correspond to the connection electrodes 15B of the B channel row.
- the wiring electrodes 33A and 33B are made of a conductive material.
- the conductive material includes the same conductive materials as described above.
- one end of the wiring electrode 33A reaches the vicinity of the corresponding drive channel 11A and the dummy channel 12A and overlaps with the corresponding connection electrode 15A in plan view from above. It extends toward the rear end of the channel substrate 3A projecting to the side of the pressure chamber substrate 1A.
- One end of the wiring electrode 33B reaches the vicinity of the corresponding drive channel 11B and the dummy channel 12B and overlaps with the corresponding connection electrode 15B in a plan view seen from above, and the other end of the wiring electrode 33B is the channel column of column A.
- adjacent drive channels 11A, 11A straddles the channel row of the A row, and extends toward the rear end of the flow path substrate 3A in the same manner as the wiring electrode 33A.
- wiring electrodes 33A and 33B are alternately arranged side by side from the inner side of the joint region 31 to the rear end on the lower surface 3Sa of the flow path substrate 3A projecting to the side of the pressure chamber substrate 1A.
- a flexible substrate 8 which is an example of an external wiring member, is connected to the rear end portion of the flow path substrate 3A via, for example, an ACF (anisotropic conductive film) or the like, and electrically connects with a drive circuit (not shown). properly connected.
- a drive signal of a predetermined voltage from the drive circuit is transmitted through the flexible substrate 8, the wiring electrodes 33A and 33B of the flow path substrate 3A, and the connection electrodes 15A and 15B of the pressure chamber substrate 1A to the channels 11A, 11B, It is designed to be applied to drive electrodes 14 in 12A and 12B.
- the wiring electrodes 33A and 33B extending from the joint area 31 of the channel substrate 3A to the rear end are covered with an insulating film 34 having a predetermined width outside the joint area 31 .
- An edge portion 34a of the insulating film 34 on the bonding region 31 side is formed in a straight line along the edge portion so as to be in contact with the rear edge portion of the bonding region 31 as shown in FIG.
- the width of the insulating film 34 preferably extends from the outside of the bonding region 31 to the connection position with the flexible substrate 8 .
- the adhesive layer 2 that joins the pressure chamber substrate 1A and the flow path substrate 3A has through holes for communicating the drive channels 11A and 11B of the pressure chamber substrate 1A and the through holes 32A and 32B of the flow path substrate 3A.
- the through holes have openings of the same size and shape as the openings in the upper surfaces 1Sb of the drive channels 11A and 11B on the pressure chamber substrate 1A side, and openings in the lower surfaces 3Sa of the through holes 32A and 32B on the flow path substrate 3A side. It has an opening of the same size and shape as the part.
- the adhesive layer 2 is a conductive adhesive layer made of a conductive adhesive. Since the adhesive layer 2 is conductive, it is possible to electrically connect the connection electrodes 15A and 15B of the pressure chamber substrate 1A and the wiring electrodes 33A and 33B of the flow path substrate 3A which are joined through this.
- the thickness of the adhesive layer 2 is preferably in the range of 0.1 to 5 ⁇ m, for example.
- Adhesives include room temperature curing adhesives that cure at room temperature, thermosetting adhesives that cure by accelerating polymerization by heating, and active energy ray curing adhesives that cure by accelerating polymerization by irradiation with active energy rays such as ultraviolet rays.
- An adhesive or the like can be used.
- thermosetting adhesives are preferred.
- the viscosity of the adhesive temporarily decreases, making it easier to flow, ensuring uniformity in the thickness of the resulting adhesive layer. point is preferable.
- An epoxy-based adhesive is preferably used as the thermosetting adhesive, but is not particularly limited.
- the conductive particles in addition to metal particles such as Au and Ni, there are synthetic resin particles coated with a metal film such as Au and Ni by plating or the like, and any of them can be used in the present invention. .
- the drive electrodes are formed on the walls facing the channels of the partition walls of the pressure chamber substrate, and the adhesive layer is formed as described above in order to electrically connect the drive electrodes and the wiring electrodes of the channel substrate.
- the adhesive used is a conductive adhesive.
- the drive electrodes do not necessarily have to be formed on the walls of the partition facing each channel as long as they are arranged to drive the partition. That is, the adhesive layer may not be required to be electrically conductive. In that case, the adhesive layer can be, for example, an adhesive layer formed of an adhesive that does not contain conductive particles in the conductive adhesive described above.
- FIG. 6 is a cross-sectional view taken along line VI--VI of FIG. 7 and 8 are a partial cross-sectional view along line VII-VII and a partial cross-sectional view along line VIII-VIII of FIG. 6, respectively.
- 7 and 8 are the top surface of the actuator 10A, that is, the portion extending from the top surface 3Sb of the channel substrate 3A to the top of the pressure chamber substrate 1A (drive walls 13 and drive electrodes 14) through the adhesive layer 2. is.
- the protective film 4 is formed on the entire wall surface of the laminated substrate facing the ink flow path communicating the laminated substrate in which the flow path substrate 3A and the pressure chamber substrate 1A are bonded with the adhesive layer 2.
- the wall surface facing the ink flow path of the laminated substrate consists of the wall surfaces facing the ink flow path of the flow path substrate 3A, the adhesive layer 2 and the pressure chamber substrate 1A.
- the protective film 4 shown in FIGS. 6 to 8 has a structure in which a first layer 41, a second layer 42 and a third layer 43 are laminated in order from the laminated substrate side toward the ink flow path.
- the first layer 41 consists of a first organic thin film
- the second layer 42 consists of an inorganic thin film
- the third layer consists of a second organic thin film.
- the protective film may have any layer between the laminated substrate and the first layer, between the first layer and the second layer, and between the second layer and the third layer. good.
- Such optional layers include, for example, adhesion improving layers such as inorganic oxide layers such as silicon dioxide ( SiO2 ) layers , aluminum oxide ( Al2O3 ) layers, and the like.
- the thickness of the first layer 41 is preferably, for example, 1 ⁇ m or more, more preferably 3 ⁇ m or more, from the viewpoint of suppressing the release of volatile components from the adhesive that is the constituent material of the adhesive layer 2 .
- the upper limit of the thickness of the first layer 41 is preferably 15 ⁇ m, more preferably 10 ⁇ m, for example, from the viewpoint of not hindering the displacement of the driving wall 13 .
- a resin capable of forming a thin film specifically, one or more selected from polyparaxylylene or its derivatives, polyimide, etc. is preferable.
- the resin preferably contains poly-para-xylylene or a derivative thereof, and is preferably a resin consisting only of poly-para-xylylene or a derivative thereof.
- a thin film made of only poly-para-xylylene or a derivative thereof is particularly preferable.
- a thin film made of polyparaxylylene or a derivative thereof is called a parylene film, and can be formed by a vapor-phase synthesis method using a dimer (solid) of paraxylylene or a derivative thereof as a vapor deposition source, a so-called CVD (Chemical Vapor Deposition) method. .
- CVD Chemical Vapor Deposition
- the formula (III) is a chemical structural formula of a polymer of the para-xylylene compound (A) obtained by polymerizing the diradical of the para-xylylene compound (A) adsorbed on the substrate (hereinafter also referred to as polymer (III)). indicates In this manner, the polymer (III) is formed as a thin film (parylene film) on the surface of the substrate, such as the wall surface of the laminated substrate constituting the actuator in the present invention.
- R represents a hydrogen atom or an atom or substituent substituting a hydrogen atom.
- the four R's attached to each benzene ring may be the same or different.
- the para-xylylene compound (A) is para-xylylene when all four R's bonded to the benzene ring are hydrogen atoms.
- n indicates the degree of polymerization.
- R other than hydrogen atoms include halogen atoms such as fluorine, chlorine, and bromine, and alkyl groups.
- the para-xylylene compound (A) related to the first organic thin film includes para-xylylene in which four R are hydrogen atoms, monochloro-para-xylylene in which one of R is a chlorine atom and three are hydrogen atoms, and two of R are Dichloro-para-xylylene having a chlorine atom and two hydrogen atoms is preferred.
- polyparaxylylene is referred to as parylene N, polymonochloroparaxylylene as parylene C, and polydichloroparaxylylene as parylene D.
- Dimers such as para-xylylene, monochloro-para-xylylene, and dichloro-para-xylylene, which are raw materials for parylene N, parylene C, parylene D, etc., can be obtained from Daisan Kasei Co., Ltd. and the like. Note that the thickness of the parylene film can be controlled by adjusting the film forming conditions and the input amount of raw materials.
- the surface of the first layer 41 may be subjected to oxidation treatment.
- the means of oxidation treatment may be appropriately selected from laser irradiation treatment, UV/ozone treatment, plasma irradiation treatment, and the like.
- Plasma irradiation treatment is preferable as the oxidation treatment method.
- the oxidation treatment introduces hydrophilic groups such as carboxy groups and hydroxyl groups to the surface of the parylene film, and the critical surface tension of the film can be uniformly increased. In addition, fine unevenness can be imparted to the surface of the parylene film. As a result, the adhesiveness between the first layer 41 and the second layer 42 is improved, and the durability of the actuator and the production yield can be improved.
- constituent materials for the inorganic thin film that constitutes the second layer 42 include inorganic materials capable of forming inorganic thin films, particularly dense inorganic thin films. Since the second layer is an inorganic thin film, particularly a dense inorganic thin film, even if a minute defect occurs in the first layer 41, the starting point of the defect can be buried.
- Inorganic materials suitable for inorganic thin films include metal oxides, metal nitrides and metal carbides, and allotropes of carbon such as diamond-like carbon (DLC).
- metal oxides are preferred, metal oxides selected from aluminum, silicon, titanium, hafnium, magnesium, zirconium and tantalum are more preferred, and metal oxides selected from aluminum, silicon, titanium, hafnium and tantalum are preferred. Oxides are particularly preferred.
- a metal oxide thin film is then formed by exposing the precursor to an oxidant gas. Film formation is performed in a vacuum chamber.
- Al 2 O 3 precursors include trimethylaluminum (TMA), dimethylaluminum isopropoxide (DMAIP), dimethylaluminum hydride (DMAH), and the like.
- TMA trimethylaluminum
- DMAIP dimethylaluminum isopropoxide
- DMAH dimethylaluminum hydride
- Precursors of SiO 2 include tetraethoxysilane (TEOS; Si(OC 2 H 5 ) 4 ), hexamethyldisilazane (HMDS; (CH 3 ) 3 Si—NH—Si(CH 3 ) 3 ), and the like.
- Precursors of 2 include tetrakis(dimethylamino) titanium (TDMAT; Ti[N(CH 3 ) 2 ] 4 ), TiCl 4 and the like.
- HfO 2 precursors include tetrakis(ethylmethylamido)hafnium (TEMAH; Hf[N(CH 3 )(C 2 H 5 )] 4 ), and ZrO 2 precursors include tetrakis(ethylmethylamido)zirconium (TEMAZ; Zr[N(CH 3 )(C 2 H 5 )] 4 and the like.
- precursors of Ta 2 O 5 include tetrachlorotantalum (TaCl 4 ) and the like. , water (H 2 O), ozone (O 3 ), O 2 plasma, etc. are used.
- an inorganic thin film by atomic layer deposition ALD
- ALD atomic layer deposition
- the inorganic thin film forming the second layer 42 may be a single layer film or a multilayer film.
- multilayer films include multilayer films in which single-layer films made of metal oxides selected from SiO 2 , Al 2 O 3 , TiO 2 , Ta 2 O 5 and HfO 2 are laminated.
- the number of layers is preferably two at most.
- two layers of a layer that improves adhesion and a layer that does not cause microdefects (a layer with high barrier properties) are preferable.
- the multilayer film may be, for example, a multilayer film in which a first metal oxide film and a second metal oxide film are laminated in this order from the first layer 41 side.
- Al 2 O 3 or the like is preferable as the metal oxide forming the first metal oxide film.
- TiO 2 or the like is preferable as the metal oxide forming the second metal oxide film.
- the multilayer film is preferably a combination of, for example, an Al 2 O 3 film as the first metal oxide film and a TiO 2 film as the second metal oxide film.
- the second organic thin film can have the same configuration as the first organic thin film except for the above thickness.
- the second organic thin film is particularly preferably a thin film made only of polyparaxylylene or its derivative. Specifically, an organic thin film made of parylene N, parylene C or parylene D is preferred.
- the surface of the third layer 43 which is made of, for example, a parylene film, may be oxidized. Since the third layer 43 is a layer in contact with the ink flow path, as a result of the oxidation treatment, the wettability of the parylene film or the like to water-based ink is improved in the third layer 43, and a stable ink ejection operation can be obtained. can be done.
- the actuator 10A is taken as an example to explain the shear mode type actuator and the ink jet head of the present invention having the same.
- the ink jet head of the present invention having a bend mode type actuator will be described below with reference to FIGS. 9 and 10.
- FIG. 9
- FIG. 9 is a partial cross-sectional view of another example of the embodiment of the inkjet head of the present invention.
- FIG. 9 shows the actuator 10B in the inkjet head and the nozzle plate 20 laminated on the actuator 10B.
- Actuator 10B is a bend mode type actuator.
- FIG. 10 is an enlarged cross-sectional view of the portion surrounded by the dotted line of the protective film covering the surface facing the ink flow path of the laminated substrate including the surface of the adhesive layer in the actuator 10B of the inkjet head shown in FIG.
- the upper electrode 3e of the piezoelectric element is connected to an external power source by a plurality of wiring conductors E electrically connected from the spacer substrate 3b to the wiring substrate 3a.
- the lower electrode 3f is connected to an external power supply through another path.
- the piezoelectric body 3P is driven by voltage application by the upper electrode 3e and the lower electrode 3f. As a result, the diaphragm 3v curves downward.
- the vibration plate 3v is joined via the adhesive layer 2 to the pressure chamber substrate 1B arranged below the piezoelectric element.
- a nozzle plate 20 having nozzles 21 is arranged below the pressure chamber substrate 1B.
- the nozzle plate 20 can be made of the same material as the nozzle plate joined to the actuator 10A.
- the flow path substrate 3B and the adhesive layer 2 have through holes 32 that serve as ink flow paths communicating with the pressure chambers 11 of the pressure chamber substrate 1B. Ink is supplied to the pressure chamber 11 through the through hole 32 from the upper side of the actuator 10B.
- the ink flow path in the actuator 10B is composed of the through holes 32 and the pressure chambers 11. As shown in FIG.
- the constituent materials of the wiring substrate 3a, the spacer substrate 3b, and the pressure chamber substrate 1B in the flow path substrate 3B of the actuator 10B can be, for example, SUS, nickel, 42 alloy, silicon (Si), and the like.
- the same materials as those described for the actuator 10A can be used for the conductive materials that make up the piezoelectric body 3P, the upper electrode (drive electrode) 3e, the lower electrode (drive electrode) 3f, and the wiring conductors. .
- the adhesion layer 3d and the adhesion layer 2 do not require conductivity. Therefore, it is possible to use an adhesive that does not contain conductive particles or the like, as described for the actuator 10A.
- diaphragm 3v a general diaphragm used for bend mode actuators can be used without particular limitation.
- a protective film 4 is formed over the entire wall surfaces of the channel substrate 3B, the adhesive layer 2, and the pressure chamber substrate 1B facing the ink channel.
- the protective film 4 is composed of a first layer 41, a second layer 42 and a third layer 43 from the wall surface toward the ink channel.
- the configurations of the first layer 41, the second layer 42, and the third layer 43 can be the same as those described for the actuator 10A.
- the inkjet head KM1024i has a shear mode type actuator, and the configuration of the actuator has a cross section similar to that shown in FIG. However, in KM1024i, the actuator has a total of 1024 ink channels.
- the protective film was formed on the entire wall surface of the laminated substrate facing the ink flow path communicating the laminated substrate in which the flow path substrate and the pressure chamber substrate were bonded with an adhesive layer, in the same manner as shown in FIG.
- the wall surface facing the ink flow path of the laminated substrate consists of each wall surface facing the ink flow path of the flow path substrate, the adhesive layer, and the pressure chamber substrate.
- Example 1 As the first layer of the protective film, an organic thin film made of parylene C was formed on the wall surface facing the ink flow path of the laminated substrate using a parylene deposition apparatus (manufactured by SCS). Specifically, a monochloro-para-xylylene dimer is used as a film-forming material, and the vapor obtained by vaporizing the dimer is heated at a film-forming pressure of 40 mTorr and at room temperature (25 ° C.) on the protective film-forming surface (the entire surface of the wall surface). ) to form a first layer (1.0 ⁇ m thick) of the protective film.
- a parylene deposition apparatus manufactured by SCS. Specifically, a monochloro-para-xylylene dimer is used as a film-forming material, and the vapor obtained by vaporizing the dimer is heated at a film-forming pressure of 40 mTorr and at room temperature (25 ° C.) on the protective film-forming surface (the entire surface of
- an inorganic thin film (consisting of two layers, an Al 2 O 3 layer and a TiO 2 layer from the first layer side) was formed on the first layer as the second layer of the protective film.
- the inorganic thin film was formed by the ALD method using R-200 Advanced (apparatus) manufactured by PICOSUN.
- the Al 2 O 3 layer was formed with a thickness of 40 nm on the first layer (parylene C film) by alternately exposing to TMA and water at a film forming temperature of 100°C.
- a TiO 2 layer was deposited on the Al 2 O 3 layer with a thickness of 10 nm by a cycle of alternating exposure to TDMAT and water at a deposition temperature of 100°C.
- the total thickness of the second layer was 0.05 ⁇ m (50 nm).
- an organic thin film made of parylene C with a thickness of 3.8 ⁇ m was formed in the same manner as the first layer.
- an organic thin film (first layer) made of parylene C and having a thickness of 5.0 ⁇ m was formed on the wall surface facing the ink flow path of the laminated substrate in the same manner as the first layer in Example 1 above. Further, an organic thin film (second layer) made of parylene C and having a thickness of 4.5 ⁇ m was formed thereon. No third layer was formed.
- Drive device Inkjet control system IJCS-1 manufactured by Konica Minolta Applied voltage: 17V Frequency: 40kHz Test temperature: room temperature
Abstract
本発明の課題は、長期信頼性の高いアクチュエーターを備えるインクジェットヘッドを提供することである。本発明のインクジェットヘッドは、複数の基板が接着層で接合された積層基板を備えるアクチュエーターを含み、前記アクチュエーターが、前記複数の基板間を連通するインク流路と、前記インク流路と前記積層基板の間に形成された少なくとも前記接着層の表面を被覆する保護膜と、を有しており、前記保護膜が、前記積層基板側からインク流路に向かって順に第１層、第２層及び第３層を備え、前記第１層が、第１有機薄膜からなり、前記第２層が、無機薄膜からなり、前記第３層が、前記インク流路に接する層であり、かつ、第２有機薄膜からなる。
Description
本発明は、インクジェットヘッドに関する。より詳しくは、本発明は、長期信頼性の高いアクチュエーターを備えるインクジェットヘッドに関する。
インクジェットヘッドが備えるアクチュエーターは、例えば、インクを収容するとともに、当該インクに圧力を加えて吐出させる機構の圧力室を有する圧力室基板、及び圧力室へインクを導入するインク流路を有する流路基板等の基板が接着剤からなる接着層で接合されて製造される。このようなアクチュエーターにおいて、それぞれの基板が電極等の金属材料を有する場合、腐食性の高い水系インクが接液すると基板の金属材料が腐食してしまいアクチュエーターの故障に繋がるため、インク接液部に保護膜を形成することで、インクジェットヘッドの長期信頼性を確保する技術が知られている。
特に、圧力室の隔壁（例えば、圧電体素子からなる）を変形させることでインクを吐出させるせん断（シア）モードのアクチュエーターを備えるインクジェットヘッドにおいては、圧力室の隔壁に金属電極が存在するため保護膜の長期信頼性に対して担う役割は極めて重要である。
このようなアクチュエーターにおいて、水系インクから基板を保護する保護膜として、耐薬品性の高い有機保護膜、例えば、ポリパラキシリレン（パリレン）を適用する例が知られている。しかしながら、ポリパラキシリレン等の有機保護膜を用いたアクチュエーターでは、インク吐出の動作のために、例えば、圧電体素子に電気信号パルスを長期間印加すると、次第に圧力室からインクの吐出ができなくなり、インクジェットヘッドが故障するという問題があった。インクが吐出しない原因は、保護膜に発生した微小欠陥、特に接着層に接する部分の保護膜に発生した微小欠陥からインクがアクチュエーター基板へ侵入して金属電極に到達し断線に至ることによるとされている。
上記した微小欠陥の発生を抑制する試みの例として、複数の層で保護膜を形成する例が知られている。例えば、特許文献１には、２種類のポリパラキシリレンからなる保護膜を積層する構造が記載されている。また、特許文献２には、圧電体素子の金属電極上に１層目として電着絶縁層を成膜し、その上に２層目の有機絶縁層を成膜する積層構造が記載されている。特許文献１や特許文献２に記載の技術によって、微小欠陥の発生の抑制はある程度期待できるものの、接着層に接する部分における保護膜の微小欠陥の発生の抑制は十分でなく、上記のような電気信号パルスの長期間印加による故障が十分に抑制できない。
また、アクチュエーターにおいて、金属電極上に１層目の無機絶縁層を成膜し、その上に２層目の有機絶縁層を成膜する積層構造（例えば、特許文献３及び４を参照）が開示されている。しかしながら、これらの特許文献に記載された技術では、接着層が存在する構造においては揮発成分等によって接着層と接する部分での無機絶縁層の成長が阻害されることが分かっており、接着層で積層されたアクチュエーターへの適用は難しい。
本発明は、上記問題・状況に鑑みてなされたものであり、その解決課題は、長期信頼性の高いアクチュエーターを備えるインクジェットヘッドを提供することである。
本発明者は、上記課題を解決すべく、上記問題の原因等について検討する過程において、インク流路と、複数の基板が接着層で接合された積層基板と、前記インク流路と前記積層基板の間に保護膜を備えるアクチュエーターにおいて、当該保護膜の構成を、積層基板側からインク流路に向かって順に、第１有機薄膜、無機薄膜及び第２有機薄膜を有する、ただし、第２有機薄膜がインク流路に接する構成とすることで、アクチュエーターの長期信頼性を確保できることを見出し本発明に至った。すなわち、本発明に係る上記課題は、以下の手段により解決される。
１．複数の基板が接着層で接合された積層基板を備えるアクチュエーターを含むインクジェットヘッドにおいて、
前記アクチュエーターが、前記複数の基板間を連通するインク流路と、前記インク流路と前記積層基板の間に形成された少なくとも前記接着層の表面を被覆する保護膜と、を有しており、
前記保護膜が、前記積層基板側からインク流路に向かって順に第１層、第２層及び第３層を備え、
前記第１層が、第１有機薄膜からなり、
前記第２層が、無機薄膜からなり、
前記第３層が、前記インク流路に接する層であり、かつ、第２有機薄膜からなる
インクジェットヘッド。
前記アクチュエーターが、前記複数の基板間を連通するインク流路と、前記インク流路と前記積層基板の間に形成された少なくとも前記接着層の表面を被覆する保護膜と、を有しており、
前記保護膜が、前記積層基板側からインク流路に向かって順に第１層、第２層及び第３層を備え、
前記第１層が、第１有機薄膜からなり、
前記第２層が、無機薄膜からなり、
前記第３層が、前記インク流路に接する層であり、かつ、第２有機薄膜からなる
インクジェットヘッド。
２．前記第１有機薄膜が、ポリパラキシリレン又はその誘導体を含む第１項に記載のインクジェットヘッド。
３．前記第２有機薄膜が、ポリパラキシリレン又はその誘導体を含む第１項又は第２項に記載のインクジェットヘッド。
４．前記第１層と前記第２層が、接している第１項から第３項までのいずれか一項に記載のインクジェットヘッド。
５．前記第１層が、前記接着層と接している第１項から第４項までのいずれか一項に記載のインクジェットヘッド。
６．前記無機薄膜が、アルミニウム、ケイ素、チタン、ハフニウム及びタンタルから選ばれる金属の酸化物を含む第１項から第５項までのいずれか一項に記載のインクジェットヘッド。
７．前記第３層の厚さが、３μｍ以上である第１項から第６項までのいずれか一項に記載のインクジェットヘッド。
８．前記複数の基板が、圧力室基板と流路基板を含む第１項から第７項までのいずれか一項に記載のインクジェットヘッド。
９．前記圧力室基板が圧電体からなる隔壁と前記隔壁の表面に形成された電極を備え、前記接着層が導電性を有する第８項に記載のインクジェットヘッド。
本発明の上記手段により、長期信頼性の高いアクチュエーターを備えるインクジェットヘッドを提供することができる。本発明の効果の発現機構ないし作用機構については、以下のように推察している。
インクジェットヘッドが備えるアクチュエーターは、典型的には、複数の基板が接合・積層された積層基板を備え、各基板を連通するようにインク流路が形成された構成を有する。上記基板間の接合には、例えば、接着剤からなる接着層が用いられ、上記基板のインク流路形成面（壁面）と共に当該接着層の厚さ方向の表面（側面）がインク流路を臨む構成である。本発明は、当該アクチュエーターにおいて、インク流路を臨む積層基板の表面に形成される保護膜の技術に関する。
上記のとおり、当該保護膜において、有機保護膜では、特に積層基板の接着層に接する部分（以下、「接着層上」ともいう。）の有機保護膜に微小欠陥が発生し、不具合が生じることが知られている。本発明者らは、インク流路が接する積層基板の表面は、基板、接着層、基板と複数の材料が存在した特異的な部分であるため、特に接着層上の有機保護膜に微小欠陥を発生しやすいと想定した。例えば、接着層は接着剤に残留する低分子の揮発成分が、有機保護膜の成膜時に放出され成長を阻害して微小欠陥を発生させると考えた。
そこで、本発明においては、保護膜の構成を、特に、接着層を被覆する保護膜の構成を、積層基板の表面からインク流路に向かって、上記の第１層、第２層及び第３層を有する構成とすることで、積層基板へのインクの侵入を十分に抑制して、アクチュエーターの長期信頼性を高めたものである。
具体的には、最も積層基板（接着層）に近い第１層を、有機薄膜とすることで、成膜時の膜成長に対して接着剤の影響を受けにくく、かつ第２層以降の成膜成長を阻害する成分の放出を抑制するものとした。ここで、第１層を有機薄膜とすれば、上記接着層に起因する微小欠陥が発生し易い。そこで、第１層と第３層の間に、第１層で生じた微小欠陥の起点を埋め込む無機薄膜からなる第２層を設けることで、第３層まで微小欠陥が連通しないようにした。さらに、インク流路に接する第３層を有機薄膜とすることで、耐インク性を持たせて、第１層及び第２層のインクによる変質を防止した。
本発明においては、このようにして、積層基板へのインクの侵入を十分に抑制して、インクから、例えば、金属電極を十分に保護することで、アクチュエーターの長期信頼性を高めることを可能とした。
本発明のインクジェットヘッドは、複数の基板が接着層で接合された積層基板を備えるアクチュエーターを含み、前記アクチュエーターが、前記複数の基板間を連通するインク流路と、前記インク流路と前記積層基板の間に形成された少なくとも前記接着層の表面を被覆する保護膜と、を有しており、前記保護膜が、前記積層基板側からインク流路に向かって順に第１層、第２層及び第３層を備え、前記第１層が、第１有機薄膜からなり、前記第２層が、無機薄膜からなり、前記第３層が、前記インク流路に接する層であり、かつ、第２有機薄膜からなることを特徴とする。この特徴は、下記各実施形態に共通又は対応する技術的特徴である。
本発明の実施形態としては、前記第１有機薄膜又は第２有機薄膜がポリパラキシリレン又はその誘導体を含むことが好ましい。前記第１有機薄膜及び第２有機薄膜の両方がポリパラキシリレン又はその誘導体を含むことがより好ましい。ポリパラキシリレン及びその誘導体は、例えば、蒸着法により成膜化することができ、微細な構造中への浸透性が優れ、インク流路形成後でも微細構造の奥まで十分にかつ均一に浸透する点で好ましい。
本発明の実施形態としては、本発明の効果をより発現できる観点から、前記第１層と前記第２層が、接していることが好ましい。また、前記第１層が、前記接着層と接していることが好ましい。
本発明の実施形態としては、本発明の効果をより発現できる観点から、前記無機薄膜が、アルミニウム、ケイ素、チタン、ハフニウム及びタンタルから選ばれる金属の酸化物を含むことが好ましい。
本発明の実施形態としては、本発明の効果をより発現できる観点から、前記第３層の厚さが、３μｍ以上であることが好ましい。
本発明の実施形態としては、前記複数の基板が、圧力室基板と流路基板を含む態様が挙げられる。
本発明の実施形態としては、前記圧力室基板が圧電体からなる隔壁と前記隔壁の表面に形成された電極を備え、前記接着層が導電性を有するインクジェットヘッドが挙げられる。
以下、本発明とその構成要素、及び本発明を実施するための形態・態様について詳細な説明をする。なお、本願において、「～」は、その前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む意味で使用する。
［インクジェットヘッド］
本発明のインクジェットヘッドは、複数の基板が接着層で接合された積層基板を備えるアクチュエーターを含むインクジェットヘッドであって、前記アクチュエーターが、前記複数の基板間を連通するインク流路と、前記インク流路と前記積層基板の間に形成された少なくとも前記接着層の表面を被覆する保護膜とを有する。本発明のインクジェットヘッドにおいて、前記保護膜は、前記積層基板側からインク流路に向かって順に第１層、第２層及び第３層を備え、前記第１層が、第１有機薄膜からなり、前記第２層が、無機薄膜からなり、前記第３層が、前記インク流路に接する層であり、かつ、第２有機薄膜からなることを特徴とする。
本発明のインクジェットヘッドは、複数の基板が接着層で接合された積層基板を備えるアクチュエーターを含むインクジェットヘッドであって、前記アクチュエーターが、前記複数の基板間を連通するインク流路と、前記インク流路と前記積層基板の間に形成された少なくとも前記接着層の表面を被覆する保護膜とを有する。本発明のインクジェットヘッドにおいて、前記保護膜は、前記積層基板側からインク流路に向かって順に第１層、第２層及び第３層を備え、前記第１層が、第１有機薄膜からなり、前記第２層が、無機薄膜からなり、前記第３層が、前記インク流路に接する層であり、かつ、第２有機薄膜からなることを特徴とする。
以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について説明する。ただし、発明の範囲は図示例に限定されない。これらの図で示した部材は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。なお、本明細書では、説明の便宜上、インクジェットヘッドからインクが吐出する方向を下、下方向と反対方向を上とした。また、図面のインク流路中の矢印は、インクの流れる方向を指す。
図１は、本発明のインクジェットヘッドの実施形態の一例を示す斜視図であり、図２は図１に示すインクジェットヘッドの底面図である。記録媒体に記録する際には、インクジェットヘッドの底面と記録媒体の記録面が対向する位置関係となる。具体的には、記録媒体は、インクジェットヘッドの下側にかつインクが吐出する方向と直交する方向に記録面が位置するよう配置され、搬送されながらインクジェット記録が行なわれる。以下の説明において、便宜上、記録媒体が搬送される方向を前後方向とし、記録面において記録媒体が搬送される方向に対して直交する方向を左右方向として説明する。
図３は図１に示すインクジェットヘッドの下部を左右方向に切断した断面図である。図４は図１に示すインクジェットヘッドが有するアクチュエーター及びノズル基板の分解斜視図である。図５は、図４のＶ－Ｖ線に沿う断面図、図６は、図５のVI－VI線に沿う断面図である。図７及び図８は、図６のそれぞれVII－VII線に沿う部分断面図、及びVIII－VIII線に沿う部分断面図である。
本実施形態のインクジェットヘッド１００は、図１、図２及び図３等に示すように、アクチュエーター１０Ａと、アクチュエーター１０Ａに供給するインクを貯留するマニホールド５と、アクチュエーター１０Ａから、インクジェットヘッド１００の外部にインクを吐出させるためのノズル２１Ａ、２１Ｂを有するノズルプレート２０を備える。アクチュエーター１０Ａは、シアモード型のアクチュエーターであり、マニホールド５側から流路基板３Ａ、接着層２及び圧力室基板１Ａがその順に積層された積層基板を備える。
アクチュエーター１０Ａは、流路基板と圧力室基板を各１つ備え、これらが接着層で接合された積層基板を有する。本発明に係るアクチュエーターは、流路基板及び圧力室基板をそれぞれ複数有してもよく、さらに流路基板及び圧力室基板以外の基板を有してもよい。その場合、少なくとも１つの基板間に接着層が存在し、少なくとも当該接着層のインク流路を臨む表面（側面）が本発明の構成の保護膜で被覆される構成である。
アクチュエーター１０Ａが備える流路基板３Ａは配線電極３３Ａ、３３Ｂ（図４を参照）を有する配線基板であり、インクジェットヘッド１００は、アクチュエーター１０Ａの上方に、流路基板３Ａの配線電極に接続されたフレキシブル基板８（図４を参照）と、フレキシブル基板８と接続された駆動回路基板（不図示）を有する。インクジェットヘッド１００は、下部の部材（ノズルプレート２０、アクチュエーター１０Ａ及びマニホールド５等）を収納する筐体６と、上部の部材（フレキシブル基板８及び駆動回路基板等）を覆うように筐体６に取り付けられたカバー部材７等を備えている。
筐体６は、例えば、アルミニウムを材料としてダイキャスト法により成形されてなる部材であり、左右方向に長尺に形成されている。筐体６の底面は、ノズルプレート２０が外部に晒されて配置されるように開口部を有する。筐体６の左右方向の両端部には、筐体６をプリンタ本体側に取り付けるための取付用孔６８がそれぞれ形成されている。
流路基板３Ａの上面３Ｓｂの外縁部には、マニホールド５の下端部が接着により取り付け固定されている。マニホールド５は、例えば、樹脂により成形されてなる部材であり、アクチュエーター１０Ａの流路基板３Ａの上側に配置され、アクチュエーター１０Ａに供給されるインクを貯留する機能を有する。具体的には、図３等に示すように、マニホールド５は、例えば、樹脂材料により、左右方向に長尺に形成されており、インク貯留部５１を構成する中空状の本体部５２と、インク流路を構成する第１～第３インクポート５３～５５とを備えている。また、インク貯留部５１は、インク中のゴミを除去するためのフィルターＦによって、上側の第１液室５１ａと下側の第２液室５１ｂの二つ区画されている。
第１インクポート５３は、第１液室５１ａの右側上端部に連通されており、インク貯留部５１へのインクの導入に用いられる。また、第１インクポート５３の先端部には、第１ジョイント８１ａが外挿されている。第２インクポート５４は、第１液室５１ａの左側上端部に連通されており、第１液室５１ａ内の気泡を除去するために用いられる。
また、第２インクポート５４の先端部には、第２ジョイント８１ｂが外挿されている。第３インクポート５５は、第２液室５１ｂの左側上端部に連通されており、第２液室５１ｂ内の気泡を除去するために用いられる。また、第３インクポート５５の先端部には、第３ジョイント８２ａが外挿されている。マニホールド５は、さらに、アクチュエーター１０Ａから排出される印刷に用いられなかった余剰のインクを、インクジェットヘッド１００の外部に排出するインク出口として、第４インクポート（不図示）を有してもよい。
ノズルプレート２０は、アクチュエーター１０Ａの圧力室基板１Ａの下側に配置される。ノズルプレート２０は、例えば、ケイ素（Ｓｉ）を主体として構成され、圧力室基板１Ａからインクを記録媒体に向かって吐出する際にインクの吐出孔となるノズル２１Ａ、２１Ｂを有する。
アクチュエーター１０Ａが有する圧力室基板１Ａは、図４に示すように、左右方向に長尺な略四角柱状の部材であり、Ａ列、Ｂ列の２列のチャネル列を有している。ここでは、図４に示す後側のチャネル列をＡ列、前側のチャネル列をＢ列とする。各チャネル列は、それぞれ駆動チャネル１１Ａ、１１Ｂとダミーチャネル１２Ａ、１２Ｂとが交互に配置されることによって構成されている。隣り合う駆動チャネル１１Ａ又は１１Ｂとダミーチャネル１２Ａ又は１２Ｂとの間の隔壁は圧電体からなる駆動壁１３となっている。
圧電体としては、例えば、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）及びチタン酸ジルコン酸鉛（［Ｐｂ（Ｚｒ・Ｔｉ）Ｏ３］、以下「ＰＺＴ」ともいう。）に代表されるペロブスカイト型化合物を含むことが好ましく、主としてＰＺＴを含むことが好ましい。なお、ＰＺＴにおけるＺｒとＴｉの含有割合はモル比で、Ｚｒ／Ｔｉ＝３０／７０～７０／３０が好ましい。また、主としてＰＺＴを含むとは、圧電体の全量に対して、ＰＺＴが８５質量％以上であることをいう。
圧電体の性能を向上させるために、ＰＺＴにドナーイオンを添加してもよく、ドナーイオンとしては、ランタン（Ｌａ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、アルミニウム（Ａｌ）、ストロンチウム（Ｓｒ）等の金属イオンが挙げられ、Ｌａ、Ｎｂ、Ｔａ、及びＷからなる群から選ばれる１種以上のイオンを含んでいることが好ましい。アクセプタイオンとしては、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）及びマンガン（Ｍｎ）からなる群から選ばれる１種以上の金属イオンを含んでいることが好ましい。
本明細書において、駆動チャネルは、画像記録時に画像データに応じてインク吐出を行うインク流路となるチャネルである。ダミーチャネルは、画像データに関わらず、常にインク吐出を行わないチャネルである。ダミーチャネルはインク吐出を行う必要がないため、インクが充填されない。ダミーチャネルには、通常、空気等の気体が充填されている。
図４及びそのＶ－Ｖ線断面図である図５に示すように、各駆動チャネル１１Ａ、１１Ｂ及び各ダミーチャネル１２Ａ、１２Ｂは、圧力室基板１Ａの下面１Ｓａと上面１Ｓｂとにそれぞれ開口し、下面１Ｓａと上面１Ｓｂとに亘りストレート状であり、厚さ方向に直交する断面が矩形となるように、すなわち、四角柱状に形成されている。なお、図５の断面図はＢ列のチャネル列の断面を示すが、Ａ列のチャネル列の断面も同様であり、以下の説明において、図５を参照しながら、Ａ列及びＢ列のチャネル列について説明する。図６～図８においても同様である。
図５及びそのVI－VI線断面図である図６に示すように、各駆動チャネル１１Ａ、１１Ｂ内及び各ダミーチャネル１２Ａ、１２Ｂ内に臨んでいる４つの壁面の表面には、駆動電極１４がそれぞれ形成されている。さらに、図６に示すように、駆動電極１４の駆動チャネル１１Ａ、１１Ｂに臨んでいる全表面には、駆動電極１４側から駆動チャネル１１Ａ、１１Ｂ側に向かって、第１層４１、第２層４２、及び第３層４３の順に積層された保護膜４が形成されている。
保護膜４は、上記同様の３層構成で、流路基板３Ａにおいて貫通孔３２Ａ、３２Ｂに臨む壁面の全面及び接着層２において貫通孔に臨む壁面の全面に形成されている。なお、保護膜４の詳細な構成については、後述する。流路基板３Ａが有する貫通孔３２Ａ、３２Ｂ（第１インク流路）、接着層２が有する貫通孔及び駆動チャネル１１Ａ、１１Ｂ（第２インク流路）は連通しており、アクチュエーター１０Ａのインク流路となっている。
圧力室基板１Ａの上面１Ｓｂには、駆動チャネル１１Ａ、１１Ｂ及びダミーチャネル１２Ａ、１２Ｂに１対１に対応するように接続電極１５Ａ、１５Ｂが形成されている。各接続電極１５Ａ、１５Ｂの一端は、対応する駆動チャネル１１Ａ、１１Ｂ又はダミーチャネル１２Ａ、１２Ｂ内の駆動電極１４と導通している。
アクチュエーター１０Ａは、圧力室基板１Ａの各チャネル列において駆動チャネル１１Ａ、１１Ｂとダミーチャネル１２Ａ、１２Ｂとが交互に配置される独立駆動型のアクチュエーターであり、駆動電極１４に所定電圧の駆動信号を印加することによって駆動壁１３をせん断変形させる。これによって駆動チャネル１１Ａ、１１Ｂ内に供給されたインクに吐出のための圧力変化を与え、アクチュエーター１０Ａの下面、すなわち、圧力室基板１Ａの下面１Ｓａに接合されたノズルプレート２０のノズル２１Ａ、２１Ｂからインクの液滴として吐出させる。
ノズルプレート２０には、圧力室基板１Ａの各駆動チャネル１１Ａ、１１Ｂに対応する位置にノズル２１Ａ、２１Ｂが開設されている。ダミーチャネル１２Ａ、１２Ｂからは、インク吐出が行なわれないため、ノズルプレート２０は、各ダミーチャネル１２Ａ、１２Ｂに対応する位置にノズルを有しない。そのため、ダミーチャネル１２Ａ、１２Ｂの下側の開口部はノズルプレート２０により閉塞されている。
Ａ列の駆動チャネル１１Ａ及びダミーチャネル１２Ａに対応する各接続電極１５Ａの他端は、各チャネル１１Ａ、１２Ａ内から圧力室基板１Ａの上面１Ｓｂにおける一方の端縁に向けて延び、該端縁との間に２００μｍ程度の間隔をあけて止まっている。また、Ｂ列の駆動チャネル１１Ｂ及びダミーチャネル１２Ｂに対応する各接続電極１５Ｂの他端は、各チャネル１１Ｂ、１２Ｂ内からＡ列側に向けて延び、該Ａ列のチャネル列との間に２００μｍ程度の間隔をあけて止まっている。従って、接続電極１５Ａ、１５Ｂのいずれも、各チャネル１１Ａ、１１Ｂ、１２Ａ、１２Ｂから同一方向に向けて延びている。
駆動電極１４及び接続電極１５Ａ、１５Ｂは、導電材料で構成される。導電材料として、具体的には、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、ルテニウム（Ｒｕ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）、タングステン（Ｗ）、イリジウム（Ｉｒ）等の金属の１種以上を含む導電材料が挙げられる。導電材料は、これらの金属の１種又は２種以上を含む材料とすることができる。導電材料は、金属の混合物であってもよく、合金であってもよい。その場合、上記金属の少なくとも１種と他の金属の混合物又は合金であってもよい。
流路基板３Ａは、圧力室基板１Ａの上面１Ｓｂの面積よりも大きな面積を有する下面３Ｓａと上面３Ｓｂを有する平板状の基板である。流路基板３Ａは、下面３Ｓａの接合領域３１（図４中に一点鎖線で示す。）が接着層２を介して圧力室基板１Ａの上面１Ｓｂに接合されている。接合後の流路基板３Ａの少なくとも一つの端部は、圧力室基板１Ａが接合される接合領域３１の外側に延びており、圧力室基板１Ａのチャネル列の並び方向に沿う側方に大きく張り出している。
なお、この接合領域３１は、流路基板３Ａの下面３Ｓａが接合された圧力室基板１Ａによって覆われる領域であり、圧力室基板１Ａの上面１Ｓｂの外周縁から流路基板３Ａに垂下した線によって規定される。
流路基板３Ａの材質は、ガラス、セラミックス、ケイ素、プラスチック等の適宜の材料を用いることができる。中でも適度に剛性を備え、安価で加工も容易である点でガラスが好ましい。
流路基板３Ａは、接合領域３１において、圧力室基板１Ａの上面１Ｓｂに位置する全てのチャネルの開口部を覆うように、接着層２を介して接合される。流路基板３Ａにおける圧力室基板１Ａの接合領域３１内には、圧力室基板１Ａの駆動チャネル１１Ａ、１１Ｂに対応する位置のみに、流路基板３Ａの上面３Ｓｂ側からインクを各駆動チャネル１１Ａ、１１Ｂに供給するための貫通孔３２Ａ、３２Ｂがそれぞれ個別に開設されている。
各貫通孔３２Ａ、３２Ｂは、圧力室基板１Ａ側の開口部、すなわち、流路基板３Ａの下面３Ｓａにおける開口部が、各駆動チャネル１１Ａ、１１Ｂの流路基板３Ａ側の開口部、すなわち、圧力室基板１Ａの上面１Ｓｂにおける開口部と、同寸・同形となるように形成されている。アクチュエーター１０Ａにおいては、流路基板３Ａが有する各貫通孔３２Ａ、３２Ｂは、流路基板３Ａの下面３Ｓａから上面３Ｓｂに向かって断面が拡開する形状である。
一方、流路基板３Ａにおいて、圧力室基板１Ａのダミーチャネル１２Ａ、１２Ｂに対応する部位にはこのような貫通孔が形成されていない。このため、ダミーチャネル１２Ａ、１２Ｂの上側（流路基板３Ａ側）の開口部は流路基板３Ａによって塞がれている。
流路基板３Ａの圧力室基板１Ａとの接合面となる表面（下面）３Ｓａには、圧力室基板１Ａの上面１Ｓｂに配列されている各接続電極１５Ａ、１５Ｂに１対１に対応するように、配線電極３３Ａ、３３Ｂが形成されている。配線電極３３ＡはＡ列のチャネル列の各接続電極１５Ａに対応し、配線電極３３ＢはＢ列のチャネル列の各接続電極１５Ｂに対応している。配線電極３３Ａ、３３Ｂは、導電材料で構成される。導電材料としては、上に説明したのと同様の導電材料が挙げられる。
図４に示すように、配線電極３３Ａの一端は、対応する駆動チャネル１１Ａ及びダミーチャネル１２Ａの近傍に達し、対応する接続電極１５Ａと上から見た平面視で重なり合っていると共に、他端は、圧力室基板１Ａの側方へ張り出した流路基板３Ａの後方の端部に向けて延びている。また、配線電極３３Ｂの一端は、対応する駆動チャネル１１Ｂ及びダミーチャネル１２Ｂの近傍に達し、対応する接続電極１５Ｂと上から見た平面視で重なり合っていると共に、他端は、Ａ列のチャネル列の隣り合う駆動チャネル１１Ａ、１１Ａ間を通って該Ａ列のチャネル列を跨ぎ、配線電極３３Ａと同様に、流路基板３Ａの後方の端部に向けて延びている。このため、圧力室基板１Ａの側方に張り出した流路基板３Ａの下面３Ｓａには、接合領域３１の内側から後方の端部にかけて、配線電極３３Ａ、３３Ｂが交互となるように並設されている。
流路基板３Ａの後方の端部には、外部配線部材の一例であるフレキシブル基板８が、例えばＡＣＦ（異方性導電フィルム）等を介して接続され、不図示の駆動回路との間を電気的に接続している。これにより、駆動回路からの所定電圧の駆動信号が、フレキシブル基板８、流路基板３Ａの各配線電極３３Ａ、３３Ｂ、圧力室基板１Ａの接続電極１５Ａ、１５Ｂを介して、各チャネル１１Ａ、１１Ｂ、１２Ａ、１２Ｂ内の駆動電極１４に印加されるようになっている。
流路基板３Ａの接合領域３１内から後方の端部まで延在する配線電極３３Ａ、３３Ｂは、接合領域３１の外側で所定の幅を有する絶縁膜３４に被覆されている。この絶縁膜３４の接合領域３１側の縁部３４ａは、図４に示すように接合領域３１の後方の縁部と接するように、かつ当該縁部に沿う直線状に形成されている。絶縁膜３４の幅は、接合領域３１の外側からフレキシブル基板８との接続位置までに亘ることが好ましい。このように配線電極３３Ａ、３３Ｂは、接合領域３１の近傍が絶縁膜３４によって被覆されることで、アクチュエーター１０Ａのように接着剤として導電性接着剤を用いた場合には、そのはみ出しによる配線電極３３Ａ、３３Ｂ同士のショート、配線電極３３Ａ、３３Ｂの汚染、インク等の付着によるショート等を防止することができる。絶縁膜３４の構成材料としては、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３等が挙げられる。
圧力室基板１Ａと流路基板３Ａとを接合する接着層２は、圧力室基板１Ａの各駆動チャネル１１Ａ、１１Ｂと流路基板３Ａの各貫通孔３２Ａ、３２Ｂを連通するための貫通孔を有する。当該貫通孔は、圧力室基板１Ａ側に駆動チャネル１１Ａ、１１Ｂの上面１Ｓｂにおける開口部と同寸・同形の開口部を有し、流路基板３Ａ側に貫通孔３２Ａ、３２Ｂの下面３Ｓａにおける開口部と同寸・同形の開口部を有する。
アクチュエーター１０Ａにおいて、接着層２は導電性接着剤からなる導電性接着層である。接着層２が導電性であることで、これを介して接合される圧力室基板１Ａの接続電極１５Ａ、１５Ｂと流路基板３Ａの配線電極３３Ａ、３３Ｂとの電気的な接続が可能となる。接着層２の厚さは、例えば、０．１～５μｍの範囲が好ましい。
導電性接着剤としては、例えば、導電性粒子が分散された接着剤が用いられる。接着剤としては常温で硬化させる常温硬化型接着剤、加熱によって重合を促進させて硬化させる熱硬化型接着剤、紫外線等の活性エネルギー線の照射によって重合を促進させて硬化させる活性エネルギー線硬化型接着剤等を用いることができる。
中でも熱硬化型接着剤が好ましい。熱硬化型接着剤は、接合後に硬化のために所定温度まで加熱を行うと、接着剤の粘度が一時的に低下して流動し易くなり、得られる接着層の厚さの均一性を確保できる点で好ましい。熱硬化型接着剤としてはエポキシ系接着剤が好ましく用いられるが、特に限定されない。
導電性粒子としては、ＡｕやＮｉ等の金属粒子そのものの他、合成樹脂粒子の表面にＡｕやＮｉ等の金属膜をめっき等によって被覆したもの等があり、本発明ではいずれを用いることもできる。
アクチュエーター１０Ａにおいては、圧力室基板の隔壁の各チャネルに臨む壁面に駆動電極が形成され、当該駆動電極と流路基板が有する配線電極を電気的に接続するために、上記のとおり接着層を構成する接着剤は、導電性接着剤である。ただし、本発明に係るアクチュエーターにおいては、駆動電極は、隔壁を駆動させるように配設されていれば、必ずしも各チャネルに臨む隔壁の壁面に形成されなくてもよい。すなわち、接着層は導電性を必要とされない場合もある。その場合には、接着層は、例えば、上記導電性接着剤において導電性粒子を含有しない接着剤で形成された接着層とすることができる。
次いで、アクチュエーター１０Ａが有する保護膜４の構成について、図５～図８を参照しながら詳細に説明する。上記のとおり図６は、図５のVI－VI線に沿う断面図である。図７及び図８は、図６のそれぞれVII－VII線に沿う部分断面図、及びVIII－VIII線に沿う部分断面図である。図７及び図８が示す断面図の部分は、アクチュエーター１０Ａの上面、すなわち流路基板３Ａの上面３Ｓｂから接着層２を経て圧力室基板１Ａ（駆動壁１３及び駆動電極１４）の上部に至る部分である。
図５に示すように、保護膜４は、流路基板３Ａと圧力室基板１Ａが接着層２で接合された積層基板を連通するインク流路を臨む積層基板の壁面の全面に形成されている。積層基板のインク流路を臨む壁面は、流路基板３Ａ、接着層２及び圧力室基板１Ａのインク流路を臨む各壁面からなる。
図６～図８に示す保護膜４は、積層基板側からインク流路に向かって順に第１層４１、第２層４２及び第３層４３が積層された構成である。第１層４１は第１有機薄膜からなり、第２層４２は無機薄膜からなり、第３層は第２有機薄膜からなる。なお、本発明に係るアクチュエーターにおいて保護膜は、積層基板と第１層の間、第１層と第２層の間、及び第２層と第３層の間に任意の層を有してもよい。そのような任意の層としては、例えば、接着性を改善する層として、無機酸化物層、例えば、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）層、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）層等が挙げられる。
第１層４１を構成する第１有機薄膜の構成材料としては、薄膜形成が可能な樹脂を含む材料が挙げられる。なお、第１層４１の厚さは、接着層２の構成材料である接着剤からの揮発成分の放出を抑制する観点から、例えば、１μｍ以上が好ましく、３μｍ以上がより好ましい。また、第１層４１の厚さの上限は、駆動壁１３の変位を阻害しないという観点から、例えば、１５μｍが好ましく、１０μｍがより好ましい。
薄膜形成が可能な樹脂として、具体的には、ポリパラキシリレン又はその誘導体、ポリイミド等から選ばれる１種又は２種以上が好ましい。当該樹脂は、ポリパラキシリレン又はその誘導体を含むことが好ましく、ポリパラキシリレン又はその誘導体のみからなる樹脂が好ましい。第１有機薄膜としては、特に、ポリパラキシリレン又はその誘導体のみからなる薄膜が好ましい。
ポリパラキシリレン又はその誘導体からなる薄膜はパリレン膜とよばれ、パラキシリレン又はその誘導体のダイマー（固体）を蒸着源とする気相合成法、いわゆるＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により形成することができる。
パリレン膜は、具体的には、下記化学反応式に従い成膜可能である。式中（I）は、パラキシリレン又はその誘導体（以下、パラキシリレン化合物（Ａ））のダイマー（以下、ダイマー（I）ともいう。）の化学構造式を示す。式中（II）は、ダイマー（I）を気化、熱分解させ発生させた安定なパラキシリレン化合物（Ａ）のジラジカルとパラキシリレン化合物（Ａ）の化学構造式を示す。式中（II）は、パラキシリレン化合物（Ａ）のジラジカルとパラキシリレン化合物（Ａ）が可逆的に共存する状態を示す。式中（III）は、パラキシリレン化合物（Ａ）のジラジカルが基材上に吸着して重合することで得られるパラキシリレン化合物（Ａ）のポリマー（以下、ポリマー（III）ともいう。）の化学構造式を示す。このようにして、ポリマー（III）が基材上、本発明においてはアクチュエーターを構成する積層基板の壁面等の表面に薄膜（パリレン膜）として成膜される。
パリレン膜はＣＶＤ法において成膜されることが、ダイマー（I）を気化、熱分解させ発生させた安定なパラキシリレン化合物（Ａ）のジラジカルが、微細な構造中への浸透性に優れ、インク流路形成後の積層基板の壁面が有する微細構造の奥まで十分に均一に浸透する点で好ましい。
上記式中Ｒは、水素原子又は水素原子を置換した原子若しくは置換基を示す。各ベンゼン環に結合する４個のＲは、同一であっても、異なってもよい。ベンゼン環に結合する４個のＲが全て水素原子の場合、パラキシリレン化合物（Ａ）は、パラキシリレンである。ｎは重合度を示す。
水素原子以外のＲの具体例としては、フッ素、塩素、臭素等のハロゲン原子、アルキル基等が挙げられる。第１有機薄膜に係るパラキシリレン化合物（Ａ）としては、４個のＲが水素原子であるパラキシリレン、Ｒの１個が塩素原子、３個が水素原子であるモノクロロパラキシリレン、Ｒの２個が塩素原子、２個が水素原子であるジクロロパラキシリレンが好ましい。
以下、ポリパラキシリレンをパリレンＮ、ポリモノクロロパラキシリレンをパリレンＣ、ポリジクロロパラキシリレンをパリレンＤと称する。パリレンＮ、パリレンＣ、パリレンＤ等の原料となる、パラキシリレン、モノクロロパラキシリレン、ジクロロパラキシリレン等のダイマーは、第三化成株式会社等より入手することができる。なお、パリレン膜の厚さは、成膜条件や原料の投入量の調整により制御可能である。
第１層４１、例えば、パリレン膜から構成される第１層４１には、表面に酸化処理を施してもよい。酸化処理の手段は、レーザー照射処理、ＵＶ／オゾン処理、プラズマ照射処理等から適宜選定すればよい。酸化処理の方法としてはプラズマ照射処理が好ましい。酸化処理により、パリレン膜の表面にカルボキシ基、ヒドロキシ基等の親水基が導入され、膜の臨界表面張力を均一に高くすることができる。また、パリレン膜の表面に微小な凹凸を付与することができる。それにより第１層４１と第２層４２の間の接着性が改良されアクチュエーターの耐久性や製造時の歩留まりを向上させることができる。
第２層４２を構成する無機薄膜の構成材料としては、無機薄膜、特には、緻密な無機薄膜が形成可能な無機材料が挙げられる。第２層は、無機薄膜、特には、緻密な無機薄膜であることで、たとえ第１層４１で微小欠陥が生じた場合であってもその起点を埋め込むことが可能となる。
無機薄膜は、例えば、化学気相蒸着法（ＣＶＤ）、分子層堆積（ＭＬＤ）法、原子層堆積（ＡＬＤ）法等で成膜できる。低温成膜が可能な点、及び得られる膜の緻密性の観点から、無機薄膜は、原子層堆積（ＡＬＤ）法で成膜されることが好ましい。
無機薄膜に適した無機材料は、金属酸化物、金属窒化物及び金属炭化物、並びにダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）などの炭素の同素体を含む。これらの無機材料の中でも金属酸化物が好ましく、アルミニウム、ケイ素、チタン、ハフニウム、マグネシウム、ジルコニウム及びタンタルから選ばれる金属の酸化物がより好ましく、アルミニウム、ケイ素、チタン、ハフニウム及びタンタルから選ばれる金属の酸化物が特に好ましい。
金属酸化物は、上記金属から選ばれる２種以上の複合酸化物であってもよい。また、無機薄膜を構成する無機材料は、複数の金属酸化物の混合物であってもよい。金属酸化物として具体的にはＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、ＭｇＯ、Ｔａ２Ｏ５及びＨｆＯ２等が挙げられ、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５及びＨｆＯ２等が好ましい。
原子層堆積（ＡＬＤ）法で無機薄膜、特には金属酸化物膜を成膜するには、まずプリカーサーを気化させて基材表面、本発明においては、第１層４１等の表面に吸着させ、次いで、当該プリカーサーを酸化剤のガスに曝すことで金属酸化物の薄膜を形成する。成膜は、真空容器内で行われる。
例えば、Ａｌ２Ｏ３のプリカーサーとしては、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、ジメチルアルミニウムイソプロポキシド（ＤＭＡＩＰ）、ジメチルアルミニウムハイドライド（ＤＭＡＨ）等が挙げられる。
ＳｉＯ２のプリカーサーとしては、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ；Ｓｉ（ＯＣ２Ｈ５）４）、ヘキサメチルジシラザン（ＨＭＤＳ；（ＣＨ３）３Ｓｉ－ＮＨ－Ｓｉ（ＣＨ３）３）等が、ＴｉＯ２のプリカーサーとしては、テトラキス（ジメチルアミノ）チタニウム（ＴＤＭＡＴ；Ｔｉ［Ｎ（ＣＨ３）２］４）、ＴｉＣｌ４等が挙げられる。ＨｆＯ２のプリカーサーとしては、テトラキス（エチルメチルアミド）ハフニウム（ＴＥＭＡＨ；Ｈｆ［Ｎ（ＣＨ３）（Ｃ２Ｈ５）］４）等が、ＺｒＯ２のプリカーサーとしては、テトラキス（エチルメチルアミド）ジルコニウム（ＴＥＭＡＺ；Ｚｒ［Ｎ（ＣＨ３）（Ｃ２Ｈ５）］４等が挙げられる。Ｔａ２Ｏ５のプリカーサーとしては、テトラクロロタンタル（ＴａＣｌ４）等が挙げられる。酸化剤としては、例えば、水（Ｈ２Ｏ）、オゾン（Ｏ３）、Ｏ２プラズマ等が用いられる。
原子層堆積（ＡＬＤ）法による無機薄膜の製膜においては、プリカーサーの吸着と、酸化剤によるプリカーサーの酸化を１サイクルとして、このサイクルを繰り返し行うことで膜厚の調整が可能である。１サイクルで形成される無機薄膜は、通常、単分子膜レベルの膜である。
第２層４２を構成する無機薄膜は単層膜からなってもよく多層膜からなってもよい。多層膜としては、金属酸化物、例えば、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５及びＨｆＯ２から選ばれる金属酸化物からなる単層膜を積層した多層膜が挙げられる。無機薄膜を多層膜とする場合、層数は多くて２層とすることが好ましい。２層の構成としては、密着性を改善する層と、微小欠陥を生じない層（バリア性の高い層）の２層が好ましい。
多層膜は、例えば、第１層４１側から第１金属酸化物膜、第２金属酸化物膜の順に積層された多層膜であってよい。第１金属酸化物膜を構成する金属酸化物としては、Ａｌ２Ｏ３等が好ましい。第２金属酸化物膜を構成する金属酸化物としては、ＴｉＯ２等が好ましい。多層膜は、例えば、第１金属酸化物膜がＡｌ２Ｏ３膜であり、第２金属酸化物膜がＴｉＯ２膜である組み合わせが好ましい。
第２層４２の厚さは、微小欠陥の起点を埋め込む観点及び耐久性の観点から、総厚として、５～５００ｎｍの範囲が好ましく、２０～１００ｎｍの範囲がより好ましい。無機薄膜が多層膜からなる場合、総厚が上記範囲となるように、各膜の厚さを調整することが好ましい。
第３層４３を構成する第２有機薄膜の構成材料としては、薄膜形成が可能な樹脂を含む材料が挙げられる。なお、第３層４３の厚さは、無機薄膜層がインクに接触しないように保護するという観点から、例えば、１μｍ以上が好ましく、３μｍ以上がより好ましい。また、第３層４３の厚さの上限は、駆動壁１３の変位を阻害しないという観点から、例えば、１５μｍが好ましく、１０μｍがより好ましい。
第２有機薄膜は、上記厚さを除いて第１有機薄膜と同様の構成とすることができる。第２有機薄膜は、特に、ポリパラキシリレン又はその誘導体のみからなる薄膜が好ましい。具体的には、パリレンＮ、パリレンＣ又はパリレンＤからなる有機薄膜が好ましい。第３層４３、例えば、パリレン膜から構成される第３層４３には、第１層４１と同様に、表面に酸化処理を施してもよい。第３層４３はインク流路に接する層であることから、第３層４３においては、酸化処理の結果として、パリレン膜等の水系インクに対する濡れ性が向上し、安定したインク吐出動作を得ることができる。
以上、アクチュエーター１０Ａを例にシアモード型のアクチュエーター及びそれを有する本発明のインクジェットヘッドについて説明した。以下、図９及び図１０を参照しながらベンドモード型のアクチュエーターを有する本発明のインクジェットヘッドについて説明する。
図９は、本発明のインクジェットヘッドの実施形態の別の一例の部分断面図である。図９には、インクジェットヘッドの内のアクチュエーター１０Ｂとアクチュエーター１０Ｂに積層されたノズルプレート２０が示される。アクチュエーター１０Ｂはベンドモード型のアクチュエーターである。図１０は、図９に示すインクジェットヘッドのアクチュエーター１０Ｂにおける接着層表面を含む積層基板のインク流路を臨む表面を被覆する保護膜の点線で囲まれた部分の拡大断面図である。
アクチュエーター１０Ｂは、上から下に向かって順に配線基板３ａ、接着層３ｄ、スペーサー基板３ｂ及び振動板３ｖが積層された流路基板３Ｂと、流路基板３Ｂの下側に位置する接着層２と、接着層２を介して流路基板３Ｂに接合された圧力室基板１Ｂを備える。スペーサー基板３ｂは、中空部分を有し、中空部分の内部に、上から下に向かって順に上部電極（駆動電極）３ｅ、圧電体３Ｐ及び下部電極（駆動電極）３ｆが積層された圧電体素子を有する。中空部分の圧電体素子以外の部分はスペース３Ｓとなっている。
圧電体素子の上部電極３ｅは、スペーサー基板３ｂから配線基板３ａに亘って電気的に接続される複数の配線導体Ｅにより外部電源に接続されている。下部電極３ｆは別の経路で外部電源に接続されている。圧電体３Ｐは、上部電極３ｅ及び下部電極３ｆにより電圧が印加されることで駆動する。これにより、振動板３ｖは下側に湾曲する。
振動板３ｖは接着層２を介して圧電体素子の下側に配置される圧力室基板１Ｂと接合されている。圧力室基板１Ｂの下側にはノズル２１を有するノズルプレート２０が配設されている。ノズルプレート２０は、アクチュエーター１０Ａに接合されるノズルプレートと同様の材料で構成可能である。
圧力室基板１Ｂは、インクが収容される圧力室（駆動チャネル）１１を有し、圧力室１１にノズル２１が連通している。圧力室１１は、圧電体素子が駆動した際に、湾曲した振動板３ｖにより容積が減少し、これにより圧力室１１に収容されたインクがノズル２１から吐出される。
流路基板３Ｂと接着層２は、圧力室基板１Ｂの圧力室１１に連通するインク流路となる貫通孔３２を有する。インクは、アクチュエーター１０Ｂの上側から貫通孔３２を通って圧力室１１に供給される。アクチュエーター１０Ｂにおけるインク流路は、貫通孔３２及び圧力室１１で構成される。
アクチュエーター１０Ｂの流路基板３Ｂにおける配線基板３ａ、スペーサー基板３ｂ及び圧力室基板１Ｂの構成材料は、例えば、ＳＵＳ、ニッケル、４２アロイ、シリコン（Ｓｉ）等とすることができる。圧電体３Ｐを構成する圧電体及び上部電極（駆動電極）３ｅ、下部電極（駆動電極）３ｆ、配線導体等を構成する導電材料は、アクチュエーター１０Ａで説明した材料と同様の材料が使用可能である。接着層３ｄ及び接着層２は、導電性を必要としない。したがって、アクチュエーター１０Ａで説明した導電性粒子等を含有しない接着剤が使用可能である。
振動板３ｖとしては、ベンドモード型のアクチュエーターに用いられる一般的な振動板が特に制限なく使用可能である。
アクチュエーター１０Ｂにおいて、インク流路を臨む流路基板３Ｂ、接着層２及び圧力室基板１Ｂの壁面には、全面に保護膜４が形成されている。図１０に示すとおり、保護膜４は、壁面からインク流路に向かって、第１層４１、第２層４２及び第３層４３から構成される。第１層４１、第２層４２及び第３層４３の構成については、上記アクチュエーター１０Ａで説明したのと同様の構成とすることができる。
以下、実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
［インクジェットヘッドの製造］
コニカミノルタ社製のインクジェットヘッドＫＭ１０２４ｉシリーズのアクチュエーターについて、インク流路を形成する壁面の表面の保護膜を、表Iに示す構成の保護膜に置き換えて、各比較例又は実施例のインクジェットヘッドを得た。
コニカミノルタ社製のインクジェットヘッドＫＭ１０２４ｉシリーズのアクチュエーターについて、インク流路を形成する壁面の表面の保護膜を、表Iに示す構成の保護膜に置き換えて、各比較例又は実施例のインクジェットヘッドを得た。
インクジェットヘッドＫＭ１０２４ｉは、シアモード型のアクチュエーターを備え、アクチュエーターの構成は、図５に示す断面に類似の断面を有するものである。ただし、ＫＭ１０２４ｉでは、アクチュエーターは合計で１０２４本のインク流路を備えている。保護膜は、図５に示されるのと同様に、流路基板と圧力室基板が接着層で接合された積層基板を連通するインク流路を臨む積層基板の壁面の全面に形成した。なお、積層基板のインク流路を臨む壁面は、流路基板、接着層及び圧力室基板のインク流路を臨む各壁面からなるものである。
（実施例１）
実施例１において、保護膜の第１層として、積層基板のインク流路を臨む壁面に、パリレン蒸着装置（ＳＣＳ社製）を用いて、パリレンＣからなる有機薄膜を形成した。具体的には、成膜材料として、モノクロロパラキシリレンのダイマーを用い、当該ダイマーを気化させた蒸気に、成膜圧力４０ｍＴｏｒｒ、室温（２５℃）で、保護膜形成表面（上記壁面の全表面）を暴露して、保護膜の第１層（厚さ１．０μｍ）を成膜した。
実施例１において、保護膜の第１層として、積層基板のインク流路を臨む壁面に、パリレン蒸着装置（ＳＣＳ社製）を用いて、パリレンＣからなる有機薄膜を形成した。具体的には、成膜材料として、モノクロロパラキシリレンのダイマーを用い、当該ダイマーを気化させた蒸気に、成膜圧力４０ｍＴｏｒｒ、室温（２５℃）で、保護膜形成表面（上記壁面の全表面）を暴露して、保護膜の第１層（厚さ１．０μｍ）を成膜した。
次いで、第１層上に保護膜の第２層となる無機薄膜（第１層側からＡｌ２Ｏ３層及びＴｉＯ２層の２層からなる）を形成した。無機薄膜は、ＰＩＣＯＳＵＮ社製、Ｒ－２００Ａｄｖａｎｃｅｄ（装置）を用いてＡＬＤ法により成膜した。Ａｌ２Ｏ３層は、成膜温度を１００℃として、ＴＭＡ及び水に交互曝露するサイクルにより上記第１層（パリレンＣ膜）上に、厚さ４０ｎｍで成膜した。ＴｉＯ２層は、成膜温度を１００℃として、ＴＤＭＡＴ及び水に交互曝露するサイクルによりＡｌ２Ｏ３層上に厚さ１０ｎｍで成膜した。第２層の厚さは、合計で０．０５μｍ（５０ｎｍ）であった。
さらに、第２層上に保護膜の第３層として、第１層と同様にして厚さ３．８μｍのパリレンＣからなる有機薄膜を成膜した。
（比較例１）
保護膜として、上記実施例１の第１層と同様にして、積層基板のインク流路を臨む壁面に、厚さ８．９μｍのパリレンＣからなる有機薄膜を形成した。第２層及び第３層は形成しなかった。
保護膜として、上記実施例１の第１層と同様にして、積層基板のインク流路を臨む壁面に、厚さ８．９μｍのパリレンＣからなる有機薄膜を形成した。第２層及び第３層は形成しなかった。
（比較例２）
保護膜として、上記実施例１の第１層と同様にして、積層基板のインク流路を臨む壁面に、厚さ５．０μｍのパリレンＣからなる有機薄膜（第１層）を形成し、その上にさらに、厚さ４．５μｍのパリレンＣからなる有機薄膜（第２層）を形成した。第３層は形成しなかった。
保護膜として、上記実施例１の第１層と同様にして、積層基板のインク流路を臨む壁面に、厚さ５．０μｍのパリレンＣからなる有機薄膜（第１層）を形成し、その上にさらに、厚さ４．５μｍのパリレンＣからなる有機薄膜（第２層）を形成した。第３層は形成しなかった。
＜評価＞
インクとして、コニカミノルタ社製、反応染料インク（シアン、インクジェットテキスタイルプリンター「ナッセンジャー」用純正インク）を用いて、以下の条件で耐久試験を行った。表Ｉに結果を示す。
インクとして、コニカミノルタ社製、反応染料インク（シアン、インクジェットテキスタイルプリンター「ナッセンジャー」用純正インク）を用いて、以下の条件で耐久試験を行った。表Ｉに結果を示す。
＜駆動条件＞
駆動装置：コニカミノルタ社製、インクジェットコントロールシステムＩＪＣＳ－１
印加電圧：１７Ｖ
周波数：４０ｋＨｚ
試験温度：室温
駆動装置：コニカミノルタ社製、インクジェットコントロールシステムＩＪＣＳ－１
印加電圧：１７Ｖ
周波数：４０ｋＨｚ
試験温度：室温
＜評価方法＞
表Iに示す印加パルス数［回］を経過した毎に、駆動基板から各インク流路の隔壁（圧電体素子）に、電気的に通電するかを確認した。上記１０２４本のインク流路の全てに通電がある場合を「〇」とした。上記１０２４本のインク流路の内１本でも通電がなかった場合を「×」とした。
表Iに示す印加パルス数［回］を経過した毎に、駆動基板から各インク流路の隔壁（圧電体素子）に、電気的に通電するかを確認した。上記１０２４本のインク流路の全てに通電がある場合を「〇」とした。上記１０２４本のインク流路の内１本でも通電がなかった場合を「×」とした。
表Iから本発明のインクジェットヘッドにおけるアクチュエーターは長期信頼性が高いことがわかる。
本発明によれば、長期信頼性の高いアクチュエーターを備えるインクジェットヘッドを提供することができる。
１００：インクジェットヘッド
１０Ａ、１０Ｂ：アクチュエーター
１Ａ、１Ｂ：圧力室基板
１１、１１Ａ、１１Ｂ：駆動チャネル（第２インク流路）
１２Ａ、１２Ｂ：ダミーチャネル
１３：駆動壁
１４：駆動電極
１５Ａ、１５Ｂ：接続電極
２：接着層
３Ａ、３Ｂ：流路基板
３１：接合領域
３２、３２Ａ、３２Ｂ：貫通孔（第１インク流路）
３３Ａ、３３Ｂ：配線電極
３４：絶縁膜
３ａ：配線基板
３ｂ：スペーサー基板
３ｄ：接着層
３ｖ：振動板
３ｅ：上部電極（駆動電極）
３ｆ：下部電極（駆動電極）
３Ｐ：圧電体
３Ｓ：スペース
Ｅ：配線導体
４：保護膜
４１：第１層
４２：第２層
４３：第３層
５：マニホールド
６：筐体
７：カバー部材
８：フレキシブル基板
２０：ノズルプレート
２１、２１Ａ、２１Ｂ：ノズル
１０Ａ、１０Ｂ：アクチュエーター
１Ａ、１Ｂ：圧力室基板
１１、１１Ａ、１１Ｂ：駆動チャネル（第２インク流路）
１２Ａ、１２Ｂ：ダミーチャネル
１３：駆動壁
１４：駆動電極
１５Ａ、１５Ｂ：接続電極
２：接着層
３Ａ、３Ｂ：流路基板
３１：接合領域
３２、３２Ａ、３２Ｂ：貫通孔（第１インク流路）
３３Ａ、３３Ｂ：配線電極
３４：絶縁膜
３ａ：配線基板
３ｂ：スペーサー基板
３ｄ：接着層
３ｖ：振動板
３ｅ：上部電極（駆動電極）
３ｆ：下部電極（駆動電極）
３Ｐ：圧電体
３Ｓ：スペース
Ｅ：配線導体
４：保護膜
４１：第１層
４２：第２層
４３：第３層
５：マニホールド
６：筐体
７：カバー部材
８：フレキシブル基板
２０：ノズルプレート
２１、２１Ａ、２１Ｂ：ノズル
Claims (9)
- 複数の基板が接着層で接合された積層基板を備えるアクチュエーターを含むインクジェットヘッドにおいて、
前記アクチュエーターが、前記複数の基板間を連通するインク流路と、前記インク流路と前記積層基板の間に形成された少なくとも前記接着層の表面を被覆する保護膜と、を有しており、
前記保護膜が、前記積層基板側からインク流路に向かって順に第１層、第２層及び第３層を備え、
前記第１層が、第１有機薄膜からなり、
前記第２層が、無機薄膜からなり、
前記第３層が、前記インク流路に接する層であり、かつ、第２有機薄膜からなる
インクジェットヘッド。 - 前記第１有機薄膜が、ポリパラキシリレン又はその誘導体を含む請求項１に記載のインクジェットヘッド。
- 前記第２有機薄膜が、ポリパラキシリレン又はその誘導体を含む請求項１又は請求項２に記載のインクジェットヘッド。
- 前記第１層と前記第２層が、接している請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載のインクジェットヘッド。
- 前記第１層が、前記接着層と接している請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載のインクジェットヘッド。
- 前記無機薄膜が、アルミニウム、ケイ素、チタン、ハフニウム及びタンタルから選ばれる金属の酸化物を含む請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載のインクジェットヘッド。
- 前記第３層の厚さが、３μｍ以上である請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載のインクジェットヘッド。
- 前記複数の基板が、圧力室基板と流路基板を含む請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載のインクジェットヘッド。
- 前記圧力室基板が圧電体からなる隔壁と前記隔壁の表面に形成された電極を備え、前記接着層が導電性を有する請求項８に記載のインクジェットヘッド。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP2023522324A JPWO2022244542A1 (ja) | 2021-05-19 | 2022-04-07 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP2021-084639 | 2021-05-19 | ||
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO2022244542A1 true WO2022244542A1 (ja) | 2022-11-24 |
Family
ID=84141289
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|---|---|---|---|
| PCT/JP2022/017245 WO2022244542A1 (ja) | 2021-05-19 | 2022-04-07 | インクジェットヘッド |
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPWO2022244542A1 (ja) |
| WO (1) | WO2022244542A1 (ja) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH07101057A (ja) * | 1993-10-01 | 1995-04-18 | Brother Ind Ltd | インク噴射装置 |
| US20110018938A1 (en) * | 2008-04-29 | 2011-01-27 | Rio Rivas | Printing device |
| JP2019111733A (ja) * | 2017-12-25 | 2019-07-11 | コニカミノルタ株式会社 | インクジェットヘッド、インクジェット記録装置及びインクジェットヘッドの製造方法 |
-
2022
- 2022-04-07 WO PCT/JP2022/017245 patent/WO2022244542A1/ja active Application Filing
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Patent Citations (3)
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| US20110018938A1 (en) * | 2008-04-29 | 2011-01-27 | Rio Rivas | Printing device |
| JP2019111733A (ja) * | 2017-12-25 | 2019-07-11 | コニカミノルタ株式会社 | インクジェットヘッド、インクジェット記録装置及びインクジェットヘッドの製造方法 |
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| JPWO2022244542A1 (ja) | 2022-11-24 |
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