JP4138420B2 - 液滴吐出ヘッド及びインクジェット記録装置、画像形成装置、液滴を吐出する装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は液滴吐出ヘッド及びインクジェット記録装置、画像形成装置、液滴を吐出する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プリンタ、ファクシミリ、複写装置等の画像記録装置或いは画像形成装置として用いるインクジェット記録装置において使用する液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドは、インク滴を吐出する単一又は複数のノズル孔と、このノズル孔が連通する吐出室（インク室、液室、加圧液室、圧力室、インク流路等とも称される。）と、吐出室内のインクを加圧する圧力を発生する圧力発生手段とを備えて、圧力発生手段で発生した圧力で吐出室内インクを加圧することによってノズル孔からインク滴を吐出させる。
【０００３】
なお、液滴吐出ヘッドとしては、例えば液体レジストを液滴として吐出する液滴吐出ヘッド、ＤＮＡの試料を液滴として吐出する液滴吐出ヘッドなどもあるが、以下ではインクジェットヘッドを中心に説明する。
【０００４】
ところで、液滴吐出ヘッドとしては、圧力発生手段として圧電素子などの電気機械変換素子を用いて吐出室の壁面を形成している振動板を変形変位させることでインク滴を吐出させるピエゾ型（圧電型）のもの、吐出内に配設した発熱抵抗体などの電気熱変換素子を用いてインクの膜沸騰でバブルを発生させてインク滴を吐出させるサーマル型のもの、吐出室の壁面を形成する振動板を静電力で変形させることでインク滴を吐出させる静電型のものなどがある。
【０００５】
このうち、圧電型インクジェットヘッドとしては、振動板を変形させて圧力を発生させる方式として、ピストン型とベンダー型がある。前者のピストン型としては、例えば特開平６−２２６９７１号公報に記載されているように、電極と圧電体を交互に積層し、電圧を印加すると積層方向に伸縮する効果を利用し、圧電素子の一端を振動板に固定し電極に電位差を与えることによって発生する変位が振動板を伝って圧力室を加圧しインクを吐出させるものがある。
【０００６】
また、後者のベンダー型としては、例えば特開平５−２８６１３１号公報に記載されているように、振動板の片側の面上に薄膜圧電素子を形成し、該圧電素子に電圧を印加することで発生する伸縮によって振動板が屈曲変形し、それによってインクを押し出して吐出するものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来のピストン型ヘッドにあっては、個々のノズルピッチに合わせて圧電素子を形成するため、シート状の圧電材料と電極を交互に積層したバルク材を用いて、それを基板や台座の上に接着等により固定してワイヤーソウ或いはダイシング等により所定のピッチで切断することで個々の圧電素子を形成するようにしている。
【０００８】
しかしながら、微細なピッチで切断すると切断後の圧電素子が倒壊、または欠損したりし、ある程度以上の微細な加工は非常に困難であることが分かっており高密度化に対しては不利である。また、高密度化すると、振動板の変位量が不十分で十分な大きさの液滴を吐出できず、十分な変位量を稼ぐために、圧電素子の積層数を増やすと、圧電素子全体が厚くなり、切断溝を深く形成しなければならなくなり、歩留まりの低下やヘッドサイズが増加し、結果としてコストが高くなる。さらに、得られた圧電素子と各圧力室が形成された部品を精度よく接合する必要があり、組立工程が複雑でコスト高になるというような課題がある。
【０００９】
これに対して、上記ベンダー型ヘッドにあっては、振動板上にゾルゲル法或いはスパッタ法、真空蒸着法、ＣＶＤ法、水熱合成法などで形成されており、形成方法には他に、イオンプレーティング法、パルスレーザーアブレーション法などを利用して均一に成膜できリソグラフィー技術でパターニングもできるため、比較的容易に目的の形状の圧電素子を得ることができる。
【００１０】
これらの方法で形成される圧電体はプロセスコストの上昇（スパッタ時間が長くなったり、ゾルゲル法では複数回の成膜を要する。)や、厚膜化による圧電体膜の信頼性低下（クラックやマイクロクラックによる絶縁耐圧不良など）を招くために、実用上４μｍ以下の膜厚で形成されることが好ましく、薄膜圧電体と言われる。例えば、ＷＯ９７−０３８３４号公報には水熱法により圧電体を形成し、圧電体の膜厚を１μｍ以上１０μｍ以下としている。
【００１１】
しかしながら、薄膜圧電体はバルク材ほどの圧電定数が得られないため、インクジェットヘッドに用いた場合、振動板の寸法によりインク吐出に必要な圧力を得られない場合が多く、決して圧電体の膜厚だけで良好なインクジェットヘッドは得られないという課題がある。
【００１２】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、低電圧駆動が可能で、高い滴吐出効率が得られ、高画質記録に適した液滴吐出ヘッド及び高画質記録が可能インクジェット記録装置、及び画像形成装置、高い滴吐出効率が得られる液滴を吐出する装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明に係る液滴吐出ヘッドは、シリコン基板に形成された凹部からなる液室と、前記シリコン基板の表面に一体に形成されたシリコン酸化膜層を含む振動板とを有し、振動板に薄膜圧電体設けて、振動板を変形させることで液室に連通するノズルから液滴を吐出させる液滴吐出ヘッドにおいて、振動板の液室側にはシリコン窒化膜を有し、振動板の薄膜圧電体側には薄膜圧電体の電極となる白金層が形成されている構成とした。
【００１４】
ここで、薄膜圧電体の短辺幅は振動板の短辺幅よりも短いことが好ましい。また、インクを供給するインクタンクを一体化することができる。
【００１５】
本発明に係るインクジェット記録装置、画像形成装置及び液滴を吐出する装置は、本発明に係る液滴吐出ヘッドを備えているものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。図１は、本発明に係る液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドの第１実施形態を示す分解斜視図で、一部断面図で示している。図２は同ヘッドの振動板短辺方向の断面説明図である。
【００１７】
このインクジェットヘッドは、インク液滴を基板の面部に設けたノズル孔から吐出させるサイドシュータタイプのものであり、下記に詳述する構造を持つ３枚の第１、第２、第３基板１、２、３を重ねて接合した積層構造となっており、第１基板１と第３基板３とを接合することによって、インク滴を吐出する複数のノズル孔４が連通する吐出室６、各吐出室６に流体抵抗部７を介してインクを供給する共通液室（共通インク室）８などを形成している。なお、エッジシュータタイプとすることもできる。
【００１８】
中間の第１基板１は、シリコン基板からなり、吐出室６を形成するための凹部と、各々の吐出室６にインクを供給するための共通液室８を形成するための凹部を有する。この第１基板１の底面に吐出室６及び共通液室８などの底壁ともなる薄膜である振動板１０を設けている。
【００１９】
この振動板１０は弾性層１０ａと電極１４ａとからなる。この振動板１０の電極１４ａの外面には薄膜圧電体（薄膜圧電体）１５が形成され、薄膜圧電体１５の下面には電極１４ｂが形成されている。
【００２０】
圧電体１５、スパッタ法、ゾルゲル法、真空蒸着法、CVD法、水熱法、イオンプレーティング法、パルスレーザーアブレーション法などで形成した薄膜であり、スクリーン印刷などで形成する圧電体に比べて低温で形成できる。
【００２１】
この第１基板１の下面に接合される第２基板２は、薄膜圧電体１５を外部からの衝撃やホコリなどから保護したり、第１基板１の強度を補強したりするための保護基板である。この第２基板２には、ガラス、金属、シリコン、樹脂などからなる基板などを使用し、この基板２には各振動板１０に対応する位置に例えば１ｍｍの深さの凹部１８を形成している。
【００２２】
ただし、必ずしも振動板１０ごとに凹部１８を形成する必要はなく、振動板配列を囲む凹部、あるいはチップの縁のみ接合される凹部を形成する構成でも良い。また、振動板１０の変位を阻害するおそれがある場合には、大気に連通する大気連通路を形成する。
【００２３】
また、第１基板１の上面に接合される第３基板３には、例えば厚さ５０μｍのニッケル基板を用い、第３基板３の面部に、吐出室６と連通するようにそれぞれノズル孔４、共通液室８と吐出室６を連通させる流体抵抗部７となる溝を設け、また共通液室８と連通するようにインク供給口９を設けている。
【００２４】
次に、このように構成したインクジェットヘッドの動作について説明する。発振回路（駆動回路）により電極１４ｂに０Ｖから４０Ｖのパルス電位を印加すると、パルス電位を印加していない電極１４ａとの間に電界が生じ、生じた電界によってい薄膜圧電体１５は圧電効果により厚さ方向に伸縮する。
【００２５】
この実施形態では、薄膜圧電体１５の分極方向が電界方向と平行な方向であるので、この場合分極方向が電界方向と一致していることになり、電極１４ａ、１４ｂ間の圧電体１５は伸張し、幅方向に収縮するため振動板１０は屈曲変形を起こして、吐出室６と反対側へ撓む。その結果、吐出室６内の圧力が急激に減少し、インクが共通液室８より流体抵抗部７を通じて吐出室６内に補給される。
【００２６】
そして、電極１４ｂの電位が０Ｖに戻ると、圧電体１５にかかっていた電極１４ａ、１４ｂの電界は消滅し、それによって圧電体１５の変位も元に戻るので、振動板１０は吐出室６内の圧力を急激に増加させ、図３に示すように、ノズル孔４よりインク液滴２２を記録紙２２に向けて吐出する。
【００２７】
次に、このインクジェットヘッドの作製方法の一例について図３を参照して説明する。
まず、同図（ａ）に示すように、面方位（１１０）、厚さ４００μｍのシリコン基板３１にＬＰ−ＣＶＤによりシリコン窒化膜３２を例えば０．０５μｍ厚で形成し、熱ＣＶＤにより弾性層１０ａとなるシリコン酸化膜３３を例えば０．１μｍ厚で形成し、更に密着層３４としてチタンをスパッタ法にて０．０５μｍ厚で形成して、この密着層３４上に電極１４ａとなる白金層を例えば０．２μｍ厚で成膜した。
【００２８】
なお、ここでは、振動板１０はシリコン酸化膜３３、密着層３４、白金層（電極）１４ａで構成され、振動板１０の膜厚はこれらの膜の合計、ここの例では０．３５μｍということになる。ただし、振動板１０の構成は例えば上記シリコン窒化膜を含む構成や密着層を用いない構成であっても良く、本例に限られるものではない。
【００２９】
また、振動板１０は引っ張り応力を有する白金層（電極）１４ａを含む構成となっているため、初期状態（非駆動状態）で振動板の撓みを抑制することができ、振動板の変位効率の低下や変位量のバラツキなどを抑制することができる。
【００３０】
次いで、同図（ｂ）に示すように、スパッタによって薄膜圧電体１５を白金層（電極）１４ａ上に成膜する。ターゲットとしては、チタン酸鉛、ジルコン酸チタン酸鉛、ジルコニウム酸鉛、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン、マグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛、チタン酸バリウム、酸化亜鉛などから任意に選ばれる圧電性材を成分とする。但し、上記のものに限らず、他の圧電材料を用いてもよい。
【００３１】
薄膜圧電体１５の成膜法としてはその他の手法を用いても構わない。例えば、イオンプレーティング法、ＣＶＤ法、パルスレーザーアブレーション法、ゾルゲル法などがある。なお、ここで、メタルマスクなどパターニングされたマスクごしに成膜することにより、微細なパターンを形成することは困難だが、圧電体を形成するパターンと形成しないパターンを形成しても良い。
【００３２】
その後、熱処理を行い結晶化させる。
【００３３】
次に、同図（ｃ）に示すように、薄膜圧電体１５上に電極１４ｂとなる白金層を０．２μｍ厚で形成する。その後、フォトリソにより白金層（電極）１４ｂにレジストパターンを形成し、ドライエッチングにより電極１４ｂ及び薄膜圧電体１５の所要の形状にパターニングする。
【００３４】
このとき、薄膜圧電体１５の短辺幅ｐは、後工程で形成される振動板１０の短辺幅ａよりも短くすることにより、変位量を大きく出来、最適な短辺幅を取ることにより変位量と発生圧力を共に大きく得ることが出来る。この場合、薄膜圧電体１５の短辺幅ｐと振動板１０の短辺幅aの比（ｐ／ａ）は０．６以上になるようにすることが好ましい。
【００３５】
なお、ここでは電極１４ｂ及び薄膜圧電体１５をパターニング形成したが、図４に示すように、白金層（電極）１４ｂ、薄膜圧電体１５、白金層（電極）１４ａ、密着層３４をパターニングして所要の形状に形成することもできる。
【００３６】
この場合、振動板１０はシリコン窒化膜３２とシリコン酸化膜３３とで構成し、振動板１０の厚さはシリコン窒化膜３２の膜厚とシリコン酸化膜３３の膜厚の和とすることもできる。このように、引張り応力を有する白金層３４を含まない振動板の場合でも、振動板１０は引っ張り応力のシリコン窒化膜３２などを含む構成とすることが好ましく、引っ張り応力のシリコン窒化膜３２を厚めに形成するなどして、初期状態（非駆動状態）で振動板の撓みを抑制することが好ましく、こうすることにより振動板の変位効率の低下や変位量のバラツキなどを抑制することができる。
【００３７】
その後、図３（ｄ）に示すように、シリコン基板３１を保護基板２を接合し、シリコン基板３１を研磨などにより厚さ（高さ）を１００μｍにする。ここでは、保護基板２には各振動板（変形可能領域）に対応する位置に１ｍｍの深さの凹部１８が形成されている。ただし、前述したように、必ずしも振動板ごと（変形可能領域毎）に凹部を形成する必要はなく、振動板配列を囲むように、あるいはチップの縁のみ接合される構成でも良い。保護基板としてはここでは、シリコン基板を用いたがこれに限らない。
【００３８】
そして、水酸化カリウムエッチングのマスクとなるシリコン窒化膜を形成後（ここで圧電体側はシリコン窒化膜で後工程での薬液に対する保護膜となる。ここでは繁雑なため図示はしない。）、パターニングし、水酸化カリウム水溶液によりシリコン基板３１をエッチングし吐出室６や共通液室を形成する。このとき、シリコン窒化膜３２はエッチングストッパーとして機能する。このシリコン窒化膜３２の吐出室６に対応する部分はドライエッチグなどで除去することで、シリコン酸化膜３３（弾性層１０ａ）、密着層３４、白金層（電極）１４ａで構成される振動板１０が形成される。これにより第１基板１が得られる。
【００３９】
また、ここでは水酸化カリウムエッチングにより振動板１０、及び吐出室６を形成したが、ドライエッチングなどを用いても良く、高精度で高速で加工が出来る高密度プラズマを用いたドライエッチングなどがより好適である。
【００４０】
この実施形態では、振動板１０の変形可能領域の短辺幅（これを「振動板１０の短辺幅」という。）ａは圧力室（吐出室）６の幅でほぼ規定される例を示しているが、図５に示すように、振動板１０の短辺幅ａは圧力室幅でほぼ規定されなくても良く、すなわち、同図に示すように、保護基板２の凹部１８の短辺幅で規定されるようにすることもできる。
【００４１】
その後、図示しないが、圧力室６の隔壁、各々の圧力室６にインクを供給するための共通液室８の隔壁を有する第１基板１にノズル孔３などを有する第３基板（ノズル板）３を接合することにより液滴吐出ヘッドが完成する。
【００４２】
そこで、このような薄膜圧電体を備えたインクジェットヘッドにおける薄膜圧電体の厚さ、振動板厚さ、振動板の短辺幅の関係とヘッド特性との関係について図６以降をも参照して説明する。
まず、図６に示すように、ヘッドにおける薄膜圧電体１５の厚さをＴ、振動板１０の厚さをｔ、振動板１０の短辺幅とａとする。
【００４３】
薄膜圧電体１５は、前述したように、スパッタ法、ゾルゲル法、真空蒸着法、ＣＶＤ法、水熱法、イオンプレーティング法、パルスレーザーアブレーション法などで形成される。本発明者らは、これらの方法を用いた薄膜圧電体の成膜について実験を繰り返した結果、プロセスコストの上昇、すなわちスパッタ時間が長くなったり、ゾルゲル法での成膜回数の増加や、厚膜化による圧電体膜の信頼性低下、すなわちクラックやマイクロクラックによる絶縁耐圧不良などを回避するためには、薄膜圧電体１５の厚さを５μｍ以下にする必要があることを見出した。
【００４４】
また、薄膜圧電体は低温で形成するため、微細加工に適したシリコン基板などに形成が可能であるが、バルク材ほどの圧電定数が得られず、非常に良好な場合でも、圧電定数は２００ｐＣ／Ｎ程度が限界であることが判明した。
【００４５】
さらに、薄膜圧電体１５に印加する電圧は、ドライバＩＣ（駆動回路）のコスト上昇を抑えるためには、比較的安価ドライバＩＣが得られる３０Ｖ以下で駆動できることが好ましく、また圧電体の耐電圧を超えてもいけない。
【００４６】
また、液滴を吐出するためには発生圧力が必要であり、圧電変位により振動板を変位させることにより安定に液滴を吐出させるには、発生圧力が少なくとも０．５Ｍｐａの発生圧力を要することが確認された。なお、ノズルや流体抵抗などは良好な吐出効率が得られるように好適に設計することは無論必要である。
【００４７】
そこで、前述の理由から薄膜圧電体１５に対する印加電圧を３０Ｖとし、圧電定数は２００ｐＣ／Ｎと非常に良好な圧電体薄膜を用いて、圧電体厚さＴと振動板短辺長に当たる幅ａをパラメータとして発生圧力Ｍｐａを実験により測定した。なお、振動板の長辺長(図６では紙面垂直方向となるので図示していない)を短辺幅aの１０倍の長さとし、振動板１０の構成はヤング率が１００ＧＰａ程度の材料で厚さｔを０．２μｍ〜５μｍとした。
【００４８】
この測定結果を図７に示している。これより、圧電体薄膜を実用上適した厚さ(５μｍ以下)とする場合、短辺幅aの値が少なくとも１６０μｍ以下でないと吐出に必要な発生圧力が得られないこと分かる。
【００４９】
すなわち、圧電変位により振動板を変位させて液滴を吐出するための発生圧力を、上記のように駆動電圧３０Ｖ以下で駆動される薄膜圧電体を用いたヘッドで必要な振動板で得るためには、少なくとも短辺長を１６０μｍ以下としなくてはいけないということを見出した。
【００５０】
なお、圧電定数が２００ｐＣ／Ｎと非常に高い圧電体薄膜を安定して作製することは難しく、量産性を考慮した場合は圧電定数はこれより低いものを用いることとなり、振動板の短辺幅は１５０μｍ以下が好ましい。さらに、ドライバＩＣ（駆動回路）の出力電圧に対してマージンを持たせるため３０Ｖより少し低い駆動電圧で使用することなどを考慮すると、振動板の短辺幅は１４５μｍ以下とすることがより好ましい。
【００５１】
さらに、図７の結果に基づくと、厚さ２μｍ以下の圧電体薄膜を用いる場合、振動板の短辺幅ａは１４０μｍ以下とすることが必要で、更に１３０μｍ以下とすることがより好ましい。更に、厚さ１μｍ以下の圧電体薄膜を用いる場合、振動板の短辺幅ａは１２０μｍ以下とすることが必要で、更に１００μｍ以下がより好ましい。
【００５２】
上述したように、薄膜圧電体が５μｍ以下の膜厚で必要な発生圧力が得られる振動板の短辺幅ａが１６０μｍ以下であることが判るが、振動板を変位させたとき、少なくとも液滴の体積分を排除するだけの排除体積が必要となる。この排除体積は、振動板の変位量と振動板の大きさによるが、測定評価の容易性や、作製コスト低減のためには、ヘッド作製に要する面積を小さくすることが好ましく、少なくとも変位量は０．１μｍ以上とすることが好ましい。
【００５３】
そこで、薄膜圧電体が５μｍ以下の膜厚で、振動板の短辺幅ａが１６０μｍ以下という条件において、振動板の厚さｔをパラメータとして振動板の最大変位量を測定した。
【００５４】
この測定結果を図８に示している。これより、薄膜圧電体が５μｍ以下の膜厚で必要な発生圧力を得る少なくとも振動板の短辺幅ａが１６０μｍ以下においては、圧電体の厚さなどによらず、少なくとも、振動板の厚さが３μｍ以下でないと０．１μｍ以上の変位が得られないことが分かる。
【００５５】
振動板の厚さが３μｍより厚いと、振動板の剛性が高くなるため変位を得ることが難しくなり、振動板を変位させるために、振動板の材料としてヤング率が低い材料、例えばゴムなどの弾性樹脂や有機化合物が要求される。しかしながら、微細加工に適したシリコン基板などを使用する際に一般に半導体プロセスなどに使用される材料、例えば単結晶シリコン、酸化シリコン、ポリシリコン、アモルファスシリコン、窒化シリコンなどや、圧電体焼成に適した金属や金属酸化物、例えば、白金、チタン、タンタル、イリジウム、ロジウム、ジルコン、少なくともこれらの一つを含む金属や合金や金属酸化物、セラミック材料などは、ヤング率が数十〜数百ＧＰａと高いため、振動板を構成する材料に使用することが難しい。
【００５６】
そこで、本発明のように薄膜圧電体が５μｍ以下の膜厚で、振動板の短辺幅ａが１６０μｍ以下で、振動板の厚さｔを３μｍ以下とすることで、前述した半導体プロセスなどに使用される材料や金属や金属酸化物を振動板の一部として使用しても、振動板を変位させることが可能になり、高密度で良好な圧電特性を有する圧電体を具備した液滴吐出ヘッドを得ることができ得る。
【００５７】
次に、振動板の平面形状は、一般に図９に示すように、短辺長（短辺幅）ａと長辺長（長辺幅）ｂとを有する矩形状になる。また、前述したようにシリコン基板の異方性エッチングなどにより液室（吐出室）と振動板（の変形可能領域）を同時に形成する場合、図１０に示すように、平行四辺形状になる。この平行四辺形状の振動板１０において、短辺長ａが液室幅で規定される場合（図３（ｄ）の例）の短辺長ａ及び長辺長ｂを同図（ａ）に示すように定め、短辺長ａが液室幅で規定されない場合（図５の例）の短辺長ａ及び長辺長ｂを同図（ｂ）に示すように定める。
【００５８】
ここで、振動板の長辺長ｂと短辺長ａとの比（ｂ／ａ）が２０以上であると振動板を含む液室自体が流体抵抗として効いたり、圧力波伝播周期などへの影響が大きくなるため、液滴吐出の応答の遅延により高速吐出が不能となったり吐出不良を引き起こしてしまうことが多い。
【００５９】
高速、安定吐出な液滴吐出ヘッドを得るのには、振動板の長辺長ｂと短辺長ａとの比（ｂ／ａ）が２０未満であることが好ましく、より好ましくは長辺長ｂと短辺長ａとの比（ｂ／ａ）が１５未満である。
【００６０】
さらに、振動板の長辺長ｂが大きいと液滴吐出ヘッドの面積が大きくなるため製造コストを考慮すると長辺長ｂはより短い方が好ましく、短辺長ａの２倍以下の場合、排除体積を得るのに効率が悪く、剛性が高くなることにより振動板の変位も減少するため、振動板の長辺長ｂと短辺長ａとの比（ｂ／ａ）は２より大きくすることが好ましい。
【００６１】
なお、排除体積は吐出する液滴の体積分は少なくとも必要であり、インクジェットヘッドにおいて、一列あたり１５０dpi程度のノズルピッチで２列で３００dpi程度の印字密度の場合、排除体積は少なくとも８ｐｌ程度以上、一列あたり３００dpi程度のノズルピッチで２列で６００dpi程度の印字密度の場合、排除体積は少なくとも４ｐｌ程度以上有することが好ましい。
【００６２】
そこで、これを考慮して、横軸を短辺長ａとし縦軸を振動板の変位量とし、振動板をピンホールやバラツキなどを考慮した実用上の限界に近い薄膜（ここでは、シリコン酸化膜０．１μｍと白金電極膜０．１μｍの積層膜）として、印加電圧を３０Ｖとし、圧電定数は２００ｐＣ／Ｎと非常に良好な圧電体薄膜を用いて、圧電体厚さＴと短辺長に当たる幅aをパラメータとして振動板の最大変位量を測定した。
【００６３】
この測定結果を図１１に示している。同図では、振動板短辺幅aに対応する排除体積を満たす変位量を破線ｍで示してある。つまり、振動板短辺幅ａにおいて必要な排除体積を満たすにはこの破線ｍより変位量が大きいことが必要である。
【００６４】
これより、厚さ４μｍ以上の薄膜圧電体を用いる場合には、少なくとも短辺長aを７０μｍ以上とすることで、長辺長ｂと短辺長ａとの比（ｂ／ａ）は２０未満となって液滴吐出に要する排除体積を得ることが容易となる。また、厚さ２μｍ以上の薄膜圧電体を用いる場合には、少なくとも短辺長ａを３０μｍ以上とすることで、長辺長ｂと短辺長ａとの比（ｂ／ａ）は２０未満となって液滴吐出に要する排除体積を得ることが容易となる。
【００６５】
前述したように長辺長ｂと短辺長ａとの比（ｂ／ａ）は１５未満が好ましく、厚さ４μｍ以上の薄膜圧電体を用いる場合には少なくとも短辺長aを８０μｍ以上、厚さ２μｍ以上の薄膜圧電体を用いる場合には少なくとも短辺長ａを４０μｍ以上とすることがより好ましい。
【００６６】
次に、本発明に係る液滴吐出ヘッドをインクタンクと一体にしたインクカートリッジ（インクタンク一体型ヘッド）について図１２を参照して説明する。
このインクカートリッジ１００は、ノズル孔１０１等を有する上記各実施形態のいずれかのインクジェットヘッド１０２と、このインクジェットヘッド１０２に対してインクを供給するインクタンク１０３とを一体化したものである。
【００６７】
このように本発明に係る液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドとインクタンクとを一体化することにより、低コストで、高い滴吐出効率の液滴吐出ヘッドを一体化したインクカートリッジ（インクタンク一体型ヘッド）が得られる。
【００６８】
次に、本発明に係る液滴吐出ヘッドを搭載した本発明に係る液滴を吐出する装置を含む、画像形成装置としてのインクジェット記録装置の一例について図１３及び図１４を参照して説明する。なお、図１３は同記録装置の斜視説明図、図１４は同記録装置の機構部の側面説明図である。
【００６９】
このインクジェット記録装置は、記録装置本体１１１の内部に主走査方向に移動可能なキャリッジ、キャリッジに搭載した本発明に係るインクジェットヘッドからなる記録ヘッド、記録ヘッドへインクを供給するインクカートリッジ等で構成される印字機構部１１２等を収納し、装置本体１１１の下方部には前方側から多数枚の用紙１１３を積載可能な給紙カセット（或いは給紙トレイでもよい。）１１４を抜き差し自在に装着することができ、また、用紙１１３を手差しで給紙するための手差しトレイ１１５を開倒することができ、給紙カセット１１４或いは手差しトレイ１１５から給送される用紙１１３を取り込み、印字機構部１１２によって所要の画像を記録した後、後面側に装着された排紙トレイ１１６に排紙する。
【００７０】
印字機構部１１２は、図示しない左右の側板に横架したガイド部材である主ガイドロッド１２１と従ガイドロッド１２２とでキャリッジ１２３を主走査方向（図１４で紙面垂直方向）に摺動自在に保持し、このキャリッジ１２３にはイエロー（Ｙ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、ブラック（Ｂｋ）の各色のインク滴を吐出する本発明に係る液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドからなるヘッド１２４を複数のインク吐出口を主走査方向と交叉する方向に配列し、インク滴吐出方向を下方に向けて装着している。またキャリッジ１２３にはヘッド１２４に各色のインクを供給するための各インクカートリッジ１２５を交換可能に装着している。なお、本発明に係るヘッド一体型ヘッド（インクカートリッジ）を搭載するようにすることもできる。
【００７１】
インクカートリッジ１２５は上方に大気と連通する大気口、下方にはインクジェットヘッドへインクを供給する供給口を、内部にはインクが充填された多孔質体を有しており、多孔質体の毛管力によりインクジェットヘッドへ供給されるインクをわずかな負圧に維持している。
【００７２】
また、記録ヘッドとしてここでは各色のヘッド１２４を用いているが、各色のインク滴を吐出するノズルを有する１個のヘッドでもよい。
【００７３】
ここで、キャリッジ１２３は後方側（用紙搬送方向下流側）を主ガイドロッド１２１に摺動自在に嵌装し、前方側（用紙搬送方向上流側）を従ガイドロッド１２２に摺動自在に載置している。そして、このキャリッジ１２３を主走査方向に移動走査するため、主走査モータ１２７で回転駆動される駆動プーリ１２８と従動プーリ１２９との間にタイミングベルト１３０を張装し、このタイミングベルト１３０をキャリッジ１２３に固定しており、主走査モーター１２７の正逆回転によりキャリッジ１２３が往復駆動される。
【００７４】
一方、給紙カセット１１４にセットした用紙１１３をヘッド１２４の下方側に搬送するために、給紙カセット１１４から用紙１１３を分離給装する給紙ローラ１３１及びフリクションパッド１３２と、用紙１１３を案内するガイド部材１３３と、給紙された用紙１１３を反転させて搬送する搬送ローラ１３４と、この搬送ローラ１３４の周面に押し付けられる搬送コロ１３５及び搬送ローラ１３４からの用紙１１３の送り出し角度を規定する先端コロ１３６とを設けている。搬送ローラ１３４は副走査モータ１３７によってギヤ列を介して回転駆動される。
【００７５】
そして、キャリッジ１２３の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラ１３４から送り出された用紙１１３を記録ヘッド１２４の下方側で案内する用紙ガイド部材である印写受け部材１３９を設けている。この印写受け部材１３９の用紙搬送方向下流側には、用紙１１３を排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送コロ１４１、拍車１４２を設け、さらに用紙１１３を排紙トレイ１１６に送り出す排紙ローラ１４３及び拍車１４４と、排紙経路を形成するガイド部材１４５，１４６とを配設している。
【００７６】
記録時には、キャリッジ１２３を移動させながら画像信号に応じて記録ヘッド１２４を駆動することにより、停止している用紙１１３にインクを吐出して１行分を記録し、用紙１１３を所定量搬送後次の行の記録を行う。記録終了信号または、用紙１１３の後端が記録領域に到達した信号を受けることにより、記録動作を終了させ用紙１１３を排紙する。この場合、ヘッド１２４を構成する本発明に係るインクジェットヘッドはインク滴噴射の制御性が向上し、特性変動が抑制されているので、安定して高い画像品質の画像を記録することができる。
【００７７】
また、キャリッジ１２３の移動方向右端側の記録領域を外れた位置には、ヘッド１２４の吐出不良を回復するための回復装置１４７を配置している。回復装置１４７はキャップ手段と吸引手段とクリーニング手段を有している。キャリッジ１２３は印字待機中にはこの回復装置１４７側に移動されてキャッピング手段でヘッド１２４をキャッピングされ、吐出口部を湿潤状態に保つことによりインク乾燥による吐出不良を防止する。また、記録途中などに記録と関係しないインクを吐出することにより、全ての吐出口のインク粘度を一定にし、安定した吐出性能を維持する。
【００７８】
吐出不良が発生した場合等には、キャッピング手段でヘッド１２４の吐出口（ノズル）を密封し、チューブを通して吸引手段で吐出口からインクとともに気泡等を吸い出し、吐出口面に付着したインクやゴミ等はクリーニング手段により除去され吐出不良が回復される。また、吸引されたインクは、本体下部に設置された廃インク溜（不図示）に排出され、廃インク溜内部のインク吸収体に吸収保持される。
【００７９】
このように、このインクジェット記録装置においては本発明に係る液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドを搭載しているので、滴吐出効率が高く、画像品質が向上した記録装置を低コストで得ることができる。
【００８０】
なお、上記実施形態においては、液滴吐出ヘッドとしてインクジェットヘッドに適用した例で説明したが、インクジェットヘッド以外の液滴吐出ヘッドとして、例えば、液体レジストを液滴として吐出する液滴吐出ヘッド、ＤＮＡの試料を液滴として吐出する液滴吐出ヘッドなどの他の液滴吐出ヘッドにも適用できる。また、前述したようにプリンタ、ファクシミリ、複写装置等の画像形成装置及び液滴を吐出する装置にも本発明に係る液滴吐出ヘッドを備えることができる。
【００８１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る液滴吐出ヘッドによれば、シリコン基板に形成された凹部からなる液室と、前記シリコン基板の表面に一体に形成されたシリコン酸化膜層を含む振動板とを有し、振動板に薄膜圧電体設けて、振動板を変形させることで液室に連通するノズルから液滴を吐出させる液滴吐出ヘッドにおいて、振動板の液室側にはシリコン窒化膜を有し、振動板の薄膜圧電体側には薄膜圧電体の電極となる白金層が形成されている構成としたので、高い滴吐出効率が得られ、高画質記録に適したヘッドが得られる。
【００８２】
本発明に係るインクジェット記録装置及び画像形成装置によれば、本発明に係る液滴吐出ヘッドを備えているので、高画質記録を行うことができる。また、本発明に係る液滴を吐出する装置によれば、本発明に係る液滴吐出ヘッドを備えているので、高い吐出効率で液滴を吐出できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の液滴吐出ヘッドの第１実施形態に係るインクジェットヘッドの分解斜視説明図
【図２】同ヘッドの振動板短辺方向に沿う断面説明図
【図３】同ヘッドの製作工程の一例を説明する断面説明図
【図４】同ヘッドの他の例を説明する断面説明図
【図５】同ヘッドの更に他の例を説明する断面説明図
【図６】同ヘッドの振動板部分の拡大説明図
【図７】圧電体の幅Ｔ、短辺幅ａと発生圧力の関係の一例を示す説明図
【図８】振動板厚、圧電体の短辺幅ａ、振動板の変位量の関係の一例を示す説明図
【図９】振動板の短辺幅ａと長辺幅ｂの説明に供する平面説明図
【図１０】振動板の短辺幅ａと長辺幅ｂの他の異なる例の説明に供する平面説明図
【図１１】圧電体の厚さ、短辺幅ａ、振動板の変位量の関係の一例を示す説明図
【図１２】本発明に係る液滴吐出ヘッドを含むインクタンク一体型ヘッドの説明に供する斜視説明図
【図１３】本発明に係るインクジェット記録装置の一例を説明する斜視説明図
【図１４】同記録装置の機構部の説明図
【符号の説明】
１…第１基板、２…第２基板、３…ノズル板、４…ノズル孔、６…吐出室、７…流体抵抗部、８…共通液室、１０…振動板、１５…薄膜圧電体、１００…タンク一体型ヘッド（インクカートリッジ）。

Claims (6)

1. シリコン基板に形成された凹部からなる液室と、前記シリコン基板の表面に一体に形成されたシリコン酸化膜層を含む振動板とを有し、前記振動板に薄膜圧電体設けて、前記振動板を変形させることで前記液室に連通するノズルから液滴を吐出させる液滴吐出ヘッドにおいて、
   前記振動板の液室側にはシリコン窒化膜を有し、
   前記振動板の薄膜圧電体側には前記薄膜圧電体の電極となる白金層が形成されている
   ことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
2. 請求項１に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記薄膜圧電体の短辺幅は前記振動板の短辺幅よりも短いことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
3. 請求項１又は２に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、インクを供給するインクタンクが一体化されていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
4. インク滴を吐出するインクジェットヘッドを搭載するインクジェット記録装置において、前記インクジェットヘッドが前記請求項１ないし３のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドであることを特徴とするインクジェット記録装置。
5. 液滴吐出ヘッドを備えた画像形成装置において、前記請求項１ないし３のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドを備えていることを特徴とする画像形成装置。
6. 液滴吐出ヘッドから液滴を吐出する装置において、前記請求項１ないし３のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドを備えていることを特徴とする液滴を吐出する装置。

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