(57)【要約】【課題】液体噴射特性を安定させて、連続駆動による耐久性を向上することができると共に、階調表現を広げることができる液体噴射ヘッド及び液体噴射装置を提供する。【解決手段】液滴が噴射されるノズル２１に連通する複数の圧力室１１と、前記圧力室１１の一方面に設けられた可撓性電極１５と、該可撓性電極１５に一定間隔で対向配置された固定電極３３とを具備し、前記可撓性電極１５及び前記固定電極３３の間に駆動電圧パルスを印加して、これらの間に発生する静電気力によって前記可撓性電極１５を振動させることにより前記圧力室１１に圧力変動を発生させて前記ノズル２１から液滴を吐出させる液体噴射ヘッドであって、前記可撓性電極１５の前記固定電極３３に相対向する領域に酸化膜からなる絶縁膜１７を１１３〜１３８ｎｍの膜厚で設ける。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液滴が噴射されるノズルに連通する複数の圧力室と、前記圧力室の一方面に設けられた可撓性電極と、該可撓性電極に一定間隔で対向配置された固定電極とを具備し、前記可撓性電極及び前記固定電極の間に駆動電圧パルスを印加して、これらの間に発生する静電気力によって前記可撓性電極を振動させることにより前記圧力室に圧力変動を発生させて前記ノズルから液滴を吐出させる液体噴射ヘッドであって、
前記可撓性電極の前記固定電極に相対向する領域には、酸化膜からなる絶縁膜が、１１３〜１３８ｎｍの膜厚で設けられていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項２】
前記絶縁膜が、酸化シリコンからなることを特徴とする請求項１記載の液体噴射ヘッド。
【請求項３】
絶縁膜が、ドライ酸化により形成されたドライ酸化膜からなることを特徴とする請求項１又は２記載の液体噴射ヘッド。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか一項に記載の液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電気力によってノズル開口から液体を噴射する液体噴射ヘッド及び液体噴射装置に関し、液体としてインクを吐出するインクジェット式記録ヘッド及びインクジェット式記録装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、プリンタ、ファクシミリ、複写機等に用いられるインクジェット式記録ヘッド等の液体噴射ヘッドは、液滴を吐出させるためのメカニズムに応じて各種方式のものが知られている。例えば、発熱素子等によって液体を沸騰させ、そのときに生じる気泡圧で液滴を吐出させるものや、液滴が充填された圧力発生室の容積を、圧電素子の変位によって膨張又は収縮させることでノズルから液滴を吐出させるものなどがある。さらに、例えば、静電気力を利用して圧力発生室の容積を変化させることで、ノズルから液滴を吐出させるようにしたものがある。
【０００３】
例えば、静電駆動方式のインクジェット式記録ヘッドとしては、複数のノズルが形成されたノズルプレートと、ノズルに連通する液室（圧力室）と、液室の一方面を画成する可撓性電極が設けられた第１基板と、可撓性電極に一定間隔で対向配置された個別電極が設けられた電極基板とが貼り付けられて構成されたものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、特許文献１では、可撓性電極の固定電極に相対向する領域に絶縁膜を設け、この絶縁膜によって、可撓性電極が撓み変形して固定電極に当接した際の回路の短絡や、可撓性電極の固定電極への貼り付けを防止している。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−２８４０９８号公報（第７頁、第１〜３図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このような可撓性電極上に形成された絶縁膜は、膜厚を厚くすると、可撓性電極と固定電極との間の電界強度が弱まると共に、可撓性電極の剛性を高めてしまい、可撓性電極に所望の撓み変形を行わせることができず、所望のインク吐出特性を得ることができない。このため、可撓性電極と固定電極との間に印加される電圧に耐えられる耐電圧を考慮して最小の膜厚（例えば、１００ｎｍ程度の膜厚）で形成されている。
【０００７】
しかしながら、可撓性電極の撓み変形を繰り返し行い、可撓性電極上の絶縁膜と固定電極との接触及び剥離を繰り返し行うと、絶縁膜に電荷が蓄積して帯電してしまい、振動板の初期安定位置が狂ったり、通電時の電界に影響を与えてしまい、可撓性電極の挙動が狂ってしまい、安定したインク吐出特性を得ることができないという問題がある。
【０００８】
また、絶縁膜が帯電することによって、可撓性電極が撓み変形した状態で、固定電極に貼り付いてしまうという問題がある。
【０００９】
さらに、インクを吐出させる駆動電圧パルスには、一定時間内にインク液滴を１〜３回吐出させて１ドットの印刷を行うものが挙げられる。このうち、インク液滴を２又は３回吐出させて１ドット印刷を行う場合には、可撓性電極と固定電極との間に印加する電圧を極性が反転するように連続して印加することにより、絶縁膜の帯電を防止することができる。しかしながら、インク液滴を１回吐出させて１ドットの印刷を行わせた際には、可撓性電極と固定電極とに同一極性の電圧が連続して印加されることになり、絶縁膜が帯電してしまうため、インク液滴を１回吐出させて１ドットの印刷を行わせることができず、印刷時の階調表現に制限がかかってしまうという問題がある。
【００１０】
なお、このような問題は、インク液滴を吐出するインクジェット式記録ヘッドだけではなく、インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッドにおいても同様に存在する。
【００１１】
本発明はこのような事情に鑑み、液体噴射特性を安定させて、連続駆動による耐久性を向上することができると共に、階調表現を広げることができる液体噴射ヘッド及び液体噴射装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決する本発明の第１の態様は、液滴が噴射されるノズルに連通する複数の圧力室と、前記圧力室の一方面に設けられた可撓性電極と、該可撓性電極に一定間隔で対向配置された固定電極とを具備し、前記可撓性電極及び前記固定電極の間に駆動電圧パルスを印加して、これらの間に発生する静電気力によって前記可撓性電極を振動させることにより前記圧力室に圧力変動を発生させて前記ノズルから液滴を吐出させる液体噴射ヘッドであって、前記可撓性電極の前記固定電極に相対向する領域には、酸化膜からなる絶縁膜が、１１３〜１３８ｎｍの膜厚で設けられていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第１の態様では、絶縁膜の膜厚を１１３〜１３８ｎｍとすることで、可撓性電極が繰り返し撓み変形することによって、絶縁膜が個別電極に当接することによる絶縁膜の帯電を防止することができる。これにより、可撓性電極を繰り返し撓み変形させた際に、絶縁膜が個別電極に貼り付くのを防止することができると共に、初期安定位置を安定させて、連続駆動による液滴吐出特性を安定させて耐久性を向上することができる。また、同一極性の電圧を繰り返し印加することができるため、階調表現を広げることができる。
【００１３】
本発明の第２の態様は、前記絶縁膜が、酸化シリコンからなることを特徴とする第１の態様の液体噴射ヘッドにある。
かかる第２の態様では、絶縁膜による耐電圧を向上することができると共に、帯電を防止することができる。
【００１４】
本発明の第３の態様は、絶縁膜が、ドライ酸化により形成されたドライ酸化膜からなることを特徴とする第１又は２の態様の液体噴射ヘッドにある。
かかる第３の態様では、絶縁膜による耐電圧を向上することができると共に、帯電を防止することができる。
【００１５】
本発明の第４態様は、第１〜３の何れか一つの態様の液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置にある。
かかる第４の態様では、液滴吐出特性を安定させて耐久性を向上して階調表現を広げた液体噴射装置を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録装置の概略斜視図である。図１に示すように、液体噴射装置は、インクジェット式記録ヘッド２１０を有するヘッドユニット２００は、インク供給手段を構成するカートリッジ１Ａ及び１Ｂが着脱可能に設けられ、このヘッドユニット２００を搭載したキャリッジ３は、装置本体４に取り付けられたキャリッジ軸５に軸方向移動自在に設けられている。このヘッドユニット２００は、例えば、それぞれブラックインク組成物及びカラーインク組成物を吐出するものとしている。
【００１７】
そして、駆動モータ６の駆動力が図示しない複数の歯車およびタイミングベルト７を介してキャリッジ３に伝達されることで、ヘッドユニット２００を搭載したキャリッジ３はキャリッジ軸５に沿って移動される。一方、装置本体４にはキャリッジ軸５に沿ってプラテン８が設けられており、図示しない給紙ローラなどにより給紙された紙等の記録媒体である記録シートＳがプラテン８上を搬送されるようになっている。
【００１８】
ここで、インクジェット式記録ヘッド２１０について詳細に説明する。なお、図２は、本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図であり、図３は、インクジェット式記録ヘッドの断面図である。
【００１９】
図２及び図３に示すように、インクジェット式記録ヘッド２１０は、いわゆる静電駆動方式のヘッドであり、キャビティ基板１０と、このキャビティ基板１０の両面にそれぞれ接合されるノズルプレート２０及び電極基板３０とで構成されている。
【００２０】
キャビティ基板１０は、例えば、面方位（１００）又は（１１０）のシリコン単結晶基板からなり、その一方面側に開口する圧力室（キャビティ）１１がその幅方向に複数並設されている。また、キャビティ基板１０には、各圧力室１１に共通するインク室となる共通液室である共通インク室１２が形成されており、この共通インク室１２は、後述する供給口２３を介して各圧力室１１に連通されている。また、共通インク室１２の底壁には、共通インク室１２にインクを供給するためのインク供給孔１３が形成されている。また、キャビティ基板１０には、共通インク室１２の外側に、後述する個別電極に接続される個別端子部を露出させるための貫通孔１４が形成されている。なお、この貫通孔１４は、キャビティ基板１０の共通インク室１２とは反対側の端面まで連続的に形成されていてもよい。
【００２１】
なお、各圧力室１１の底壁は、圧力室１１内に圧力変化を生じさせるための振動板として機能すると共に、この振動板を変位させる静電気力を発生させるための共通電極としての役割を兼ねる可撓性電極１５となっている。そして、キャビティ基板１０の貫通孔１４近傍には、ノズルプレート２０の後述する露出孔内に露出されて図示しない駆動配線が接続される共通端子部１６が形成されている。
【００２２】
また、可撓性電極１５の電極基板３０に相対向する面には、詳しくは後述する電極基板３０の個別電極３３に相対向する領域に、酸化膜からなる絶縁膜１７が設けられている。本実施形態では、絶縁膜１７をキャビティ基板１０の電極基板３０側の表面の全面に亘って形成するようにした。
【００２３】
このような絶縁膜１７としては、ドライ酸化により形成されたドライ酸化膜が好ましく、特に、ドライ酸化により形成された二酸化シリコン（ＳｉＯ２）が好ましい。絶縁膜１７は、例えば、シリコンからなるキャビティ基板１０を熱酸化することにより形成することができる。また、絶縁膜１７は、キャビティ基板１０上にＴＥＯＳ−ＣＶＤ法により形成することができる。
【００２４】
このような絶縁膜１７は、膜厚が１１３〜１３８ｎｍで形成されている。なお、詳しくは後述するが、絶縁膜１７の膜厚が１１３ｎｍより薄いと、可撓性電極１５の撓み変形を繰り返し行わせた際に、可撓性電極１５が個別電極３３に当接することにより絶縁膜１７に電荷が蓄積して帯電し、可撓性電極１５の初期安定位置が狂ったり、通電時の電界に影響を与えてしまい、安定したインク吐出特性を得ることができない。
【００２５】
また、絶縁膜１７の膜厚が１３８ｎｍより厚いと、可撓性電極１５の剛性が高くなってしまうと共に、電界強度が低下して可撓性電極１５に所望の撓み変形を行わせることができず、変位量が減少すると共に、インク吐出特性が低下してしまう。このため、絶縁膜１７を、その膜厚が１１３〜１３８ｎｍで形成することで、可撓性電極１５を繰り返し撓み変形させた際の初期安定位置を安定させて、連続駆動によるインク吐出特性を安定させて耐久性を向上することができる。
【００２６】
ノズルプレート２０は、キャビティ基板１０と同様に、面方位（１００）又は（１１０）のシリコン単結晶基板からなり、各圧力室１１に連通する複数のノズル２１が形成されている。そして、このノズルプレート２０は、キャビティ基板１０の開口面側に接合され、圧力室１１及び共通インク室１２の一方の面を形成している。また、ノズルプレート２０のキャビティ基板１０とは反対側の面には、ノズル２１に対応する領域に亘って厚さ方向の一部を除去したノズル段差部２２が形成されている。
【００２７】
ここで、各ノズル２１は、インク滴が吐出される面側に設けられて、ノズル段差部２２内に開口する略円形の小径部２１ａと、小径部２１ａよりも大きい内径を有し小径部２１ａと圧力室１１とを連通する大径部２１ｂとからなる。そして、全てのノズル２１（小径部２１ａ）は、ノズル段差部２２内に開口しており、本実施形態では、ノズル段差部２２内のノズルプレート２０の表面がノズル面となる。
【００２８】
また、このノズルプレート２０のキャビティ基板１０との接合面には、圧力室１１と共通インク室１２との境界に対応する領域に、これら各圧力室１１と共通インク室１２とを連通する供給口２３が形成されている。供給口２３は、ノズルプレート２０のキャビティ基板１０側に設けられた凹部により形成されている。また、ノズルプレート２０には、共通インク室１２の外側に対応する位置に、キャビティ基板１０の貫通孔１４に連通し、後述する個別端子部と共に共通端子部１６を露出させる露出孔２４が形成されている。なお、この露出孔２４は、貫通孔１４と同様に、共通インク室１２とは反対側の端面まで連続的に形成されていてもよい。
【００２９】
また、ノズルプレート２０の表面、本実施形態では、ノズル段差部２２内には、例えば、フッ素含有シランカップリング化合物等からなる撥水撥油性材料からなる撥水撥油膜２５が形成されている。これにより、ノズルプレート２０の表面（ノズル面）へのインク滴の付着を抑えている。
【００３０】
なお、ノズルプレート２０のノズル２１及び供給口２３等は、ノズルプレート２０をドライエッチングすることにより形成されている。
【００３１】
一方、電極基板３０は、シリコン単結晶基板に近い熱膨張率を有する、例えば、ホウ珪酸ガラス等のガラス基板からなり、キャビティ基板１０の可撓性電極１５側の面に接合されている。この電極基板３０の可撓性電極１５に対向する領域には、各圧力室１１に対応して溝３１が形成されている。また、電極基板３０には、キャビティ基板１０のインク供給孔１３に対応する位置には、インク供給孔１３に連通するインク導入孔３２が形成されている。そして、図示しないインクタンクからこのインク導入孔３２及びインク供給孔１３を介して共通インク室１２にインクが導入されるようになっている。
【００３２】
また、各溝３１には、各可撓性電極１５を変位させる静電気力を発生させるための固定電極である個別電極３３が、可撓性電極１５との間に所定の間隔を確保した状態でそれぞれ配置されている。また、溝３１内には、キャビティ基板１０の貫通孔１４に対向する領域に、図示しない駆動配線が接続される個別端子部３４が形成されており、この個別端子部３４と各個別電極３３とはリード電極３５によって接続されている。なお、図示しないが、これら各個別電極３３及び可撓性電極１５は絶縁膜によって封止され、また個別端子部３４と共通端子部１６との間には、接続配線を介して駆動電圧パルスを印加するためのドライバＩＣ（図示なし）が接続されている。
【００３３】
このようなインクジェット式記録ヘッド２１０では、ドライバＩＣによって個別電極３３と可撓性電極１５との間に駆動電圧を印加すると、これら個別電極３３と可撓性電極１５との隙間に発生する静電気力によって可撓性電極１５が個別電極３３側に撓み変形して、圧力室１１の容積が拡大し、駆動電圧の印加を解除すると、可撓性電極１５が元の状態に復帰して圧力室１１の容積が収縮する。そして、このとき発生する圧力室１１内の圧力変化によって、圧力室１１内のインクの一部が、ノズル２１からインク滴として吐出される。
【００３４】
ここで、このようなインクジェット式記録ヘッド２１０の可撓性電極１５と個別電極３３との間に印加される駆動電圧パルスについて、図４〜図５を参照して説明する。なお、図４〜図５は、本発明の実施形態１に係る駆動電圧パルスを示す波形図である。なお、駆動電圧パルスの印加電圧はパルス電圧Ｖ、印加時間はパルス幅Ｐｗ、駆動電圧パルスの印加周期はパルス間隔Ｐｗｉで示している。
【００３５】
駆動電圧パルスとしては、例えば、図４〜図５に示すように、一定時間（例えば、１４２μ秒）内に１〜３回のインク液滴を吐出させて１ドットの画素の印字を行う３種類が挙げられる。
【００３６】
詳しくは、駆動電圧パルスとして、図４（ａ）〜図４（ｃ）に示すように、一定時間内に３回の駆動電圧パルスを連続して印加してインク液滴を３回吐出させて１ドットの画素の印字を行う３／３ショット印字を行うものが挙げられる。なお、図４（ａ）は、可撓性電極１５と個別電極３３との間に印加する駆動電圧の極性を正逆正と反転させたもの、図４（ｂ）は、駆動電圧の極性を逆正逆と反転させたもの、図４（ｃ）は、駆動電圧の極性を正逆逆と反転させたものである。
【００３７】
また、駆動電圧パルスとして、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、一定時間内に２回の駆動電圧パルスを連続して印加してインク液滴を２回吐出させて１ドットの画素の印字を行う２／３ショット印字を行うものが挙げられる。なお、図５（ａ）は、可撓性電極１５と個別電極３３との間に印加する駆動電圧の極性を正逆と反転させたもの、図５（ｂ）は、駆動電圧の極性を逆正と反転させたものである。
【００３８】
さらに、駆動電圧パルスとして、図５（ｃ）及び図５（ｄ）に示すように、一定時間内に１回の駆動電圧パルスを印加してインク液滴を１回吐出させて１ドットの画素の印字を行う１／３ショット印字を行うものが挙げられる。なお、図５（ｃ）は、可撓性電極１５と個別電極３３との間に印加する駆動電圧の極性を正としたもの、図５（ｄ）は、駆動電圧の極性を逆としたものである。
【００３９】
そして、図４（ａ）〜図５（ｂ）に示すように、３／３ショット印字や２／３ショット印字で使用される駆動電圧パルスは、可撓性電極１５と個別電極３３との間に極性が正及び逆の電圧が繰り返し印加されるため、可撓性電極１５が個別電極３３に当接して絶縁膜１７が帯電したとしても、それがキャンセルされて、絶縁膜１７が帯電するのを防止することができる。
【００４０】
これに対して、図５（ｃ）及び図５（ｄ）に示すように、１／３ショット印字の駆動電圧パルスを繰り返し印加すると、極性が正又は逆の電圧の印加のみが連続して行われることになり、１／３ショット印字を繰り返し行うと、絶縁膜１７の帯電がキャンセルされずに絶縁膜１７が帯電してしまう。
【００４１】
このため、本発明では、絶縁膜１７の膜厚を１１３ｎｍ以上とすることで、１／３ショット印字を繰り返し行って、極性が同じ電圧が繰り返し印加されても、絶縁膜１７が帯電するのを防止している。
【００４２】
ここで、絶縁膜１７の膜厚を変更したインクジェット式記録ヘッド２１０を複数形成し、インクジェット式記録ヘッド２１０に１／３ショット印字を繰り返し行わせて、印字不良の発生率を測定する耐久試験を行った。この結果を図６に示す。なお、インクジェット式記録ヘッド２１０は、絶縁膜１７が同一膜厚となるように、１枚のシリコンウェハに図１に示すような１つのチップサイズで同時に３０個形成した。また、図６は、１枚のシリコンウェハの面内での絶縁膜１７の平均値（ウェハ平均：菱形マーク）、最大値（ウェハＭＡＸ：四角マーク）、最小値（ウェハＭＩＮ：三角マーク）と、印字不良率との関係を示している。
【００４３】
さらに、耐久試験は、各インクジェット式記録ヘッド２１０に１／３ショット印字を印加電圧Ｖが３４Ｖ、Ｐｗが７．５μｓで、且つ環境温度が３５℃で１３０００回繰り返し行わせた。
【００４４】
図６に示すように、絶縁膜の膜厚が１１３ｎｍより薄い場合には、印字不良が発生しているのに対し、絶縁膜の膜厚が１１３ｎｍ以上の場合には、印字不良の発生を防止できることが分かる。
【００４５】
なお、絶縁膜の膜厚は、１３８ｎｍより厚いと、可撓性電極１５の剛性が高くなってしまうと共に、電界強度が低下して可撓性電極１５に所望の撓み変形を行わせることができず、変位量が減少すると共に、インク吐出特性が低下してしまう。このため、絶縁膜１７の膜厚を１１３〜１３８ｎｍとすることで、１／３ショット印字を繰り返し行わせても、絶縁膜１７が個別電極３３に当接することによる帯電を防止することができ、可撓性電極１５を繰り返し撓み変形させた際の初期安定位置を安定させて、連続駆動によるインク吐出特性を安定させて耐久性を向上することができる。また、インクジェット式記録ヘッド２１０に、３／３ショット印字、２／３ショット印字、１／３ショット印字及び印字しないの４つの階調の印字を行わせることができるため、階調表現を広げることができる。
【００４６】
（他の実施形態）
以上、本発明の実施形態１を説明したが、本発明の基本的構成は上述したものに限定されるものではない。
【００４７】
例えば、上述した実施形態１では、キャビティ基板１０の電極基板３０側の全面に亘って絶縁膜１７を形成するようにしたが、特にこれに限定されず、絶縁膜１７は、少なくとも可撓性電極１５が個別電極３３に当接する領域に設けられていればよく、可撓性電極１５の個別電極３３に相対向する領域に設けられていればよい。
【００４８】
また、上述した実施形態１では、絶縁膜１７の材料として、二酸化シリコンを例示したが、耐圧を有する酸化膜であれば、特にこれに限定されず、例えば、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）等を用いることもできる。
【００４９】
さらに、上述した実施形態１では、液体噴射ヘッドとしてインク滴を吐出するインクジェット式記録ヘッドを例に挙げて説明したが、本発明は、広く液体噴射ヘッド全般に適用することができる。例えば、液体噴射ヘッドとして、プリンタ等の画像記録装置に用いられる記録ヘッド、液晶ディスプレー等のカラーフィルタの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ＥＬディスプレー、ＦＥＤ（電界放出ディスプレー）等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオｃｈｉｐ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録装置の概略斜視図である。
【図２】本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの分解斜視図である。
【図３】本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの断面図である。
【図４】本発明の実施形態１に係る駆動電圧パルスを示す波形図である。
【図５】本発明の実施形態１に係る駆動電圧パルスを示す波形図である。
【図６】本発明の実施形態１に係る耐久試験結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５１】
１Ａ、１Ｂ  カートリッジ、３  キャリッジ、  １０  キャビティ基板、  １１  圧力室、  １２  共通インク室、  １４  貫通孔、  １５  可撓性電極、  １７  絶縁膜、  ２０  ノズルプレート、  ２１  ノズル、  ２１ａ  小径部、  ２１ｂ  大径部、  ２２  ノズル段差部、  ２３  供給口、  ２４  露出孔、  ２５  撥水撥油膜、  ３０  電極基板、  ３１  溝、  ３３  個別電極、  ２００  ヘッドユニット、  ２１０  インクジェット式記録ヘッド
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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