(57)【要約】【課題】低電圧駆動を可能とし、大きな振動板変位量を得ることが可能な静電アクチュエータを提供することを目的とする。また、この静電アクチュエータを備えた液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置を提供する。【解決手段】第１の電極として機能する振動板４と、振動板４にギャップＧを隔てて対向し、振動板４との間で電圧が印加される第２の電極としての個別電極１１と、振動板４の個別電極１１との対向面に形成された絶縁膜４ａと、個別電極１１の振動板４との対向面に形成された絶縁膜１１ａとを備え、絶縁膜４ａ及び絶縁膜１１ａとが同種材料で形成され、且つエレクトレット化されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電極として機能する振動板と、
該振動板にギャップを隔てて対向し、前記振動板との間で電圧が印加される第２の電極と、
前記振動板の前記第２の電極との対向面に形成された第１の絶縁膜と、
前記第２の電極の前記振動板との対向面に形成された第２の絶縁膜とを備え、
前記第１の絶縁膜及び前記第２の絶縁膜とが同種材料で形成され、且つエレクトレット化されていることを特徴とする静電アクチュエータ。
【請求項２】
前記第１の絶縁膜と前記第２の絶縁膜のエレクトレットの極性は、それぞれ異なることを特徴とする請求項１記載の静電アクチュエータ。
【請求項３】
前記第１の絶縁膜と前記第２の絶縁膜は、シリコン酸化膜であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の静電アクチュエータ。
【請求項４】
前記第１の絶縁膜と前記第２の絶縁膜は、Ｈｉｇｈ−ｋ材であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の静電アクチュエータ。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４の何れかに記載の静電アクチュエータと、液滴が吐出されるノズルと、前記ノズルに連通し前記振動板が一部に形成されている液体流路とを備えたことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項６】
請求項５記載の液滴吐出ヘッドが搭載されていることを特徴とする液滴吐出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インクジェットヘッド等の駆動機構として用いられている静電アクチュエータ、液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、液滴吐出ヘッドとして、駆動手段に発熱素子等を利用したサーマル方式や、アクチュエータ駆動方式の液滴吐出ヘッドがある。アクチュエータ駆動方式としては、駆動手段に静電気力を利用した、いわゆる静電駆動方式や、圧電素子（ピエゾ素子）を利用した、いわゆる圧電駆動方式がある。
【０００３】
アクチュエータ駆動方式の液滴吐出ヘッドでは、吐出室の一部を構成する振動板を静電気力や圧電素子の圧電効果によって弾性変位させ、吐出室内に圧力を発生させることによりノズルから液滴を吐出させるようにしている。この種の液滴吐出ヘッドでは、近年、高速印字に対応するため多ノズル化が進んでおり、また高解像度化の要求から微小なアクチュエータが求められている。しかしながら、アクチュエータが小型化、高密度化されると、振動板の変位量が不十分となり、これにより吐出室内に十分な圧力が発生せず必要な液滴吐出量を得ることができないという問題があった。
【０００４】
そこで、圧電駆動方式のアクチュエータでは、振動板上に無機エレクトレット層を多層化することで大きな機械的駆動力を得て振動板の変位量を大きくするようにしていた（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、静電駆動方式のアクチュエータでは、振動板と振動板に対向して配置した対向電極（個別電極）との互いの対向面の何れか一方に絶縁膜を設け、その絶縁膜をエレクトレット化（永久的電気分極を有する誘電体）して絶縁膜部分を予め帯電させることにより、低電圧駆動で大きな振動板変位量を確保するようにしていた（例えば、特許文献２参照）。 なお、静電アクチュエータを適用した液滴吐出ヘッドでは、一般的に、振動板が変位したときに振動板と個別電極とが当接するようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−２５５６０５号公報（第４頁、図１）
【特許文献２】特開２００７−１０５９７１号公報（第６頁、図２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１の技術では、無機エレクトレット層を振動板上に多層化していることから、それを支えるために振動板の厚みを厚くする必要がある。このため、機械的な抵抗が大きくなり、実際には液滴の安定吐出に十分な振動板変位を得るのが難しい。従って、十分な振動板変位を得るために、駆動電圧を大きくする必要があるという課題があった。また、製造工程が複雑で製造コストを要するという課題があった。
【０００８】
また、特許文献２の技術では、振動板と個別電極との接触面が異種材料で形成された構造となるため、駆動により振動板と個別電極との接触・離脱が繰り返されると、意図しない帯電が生じてしまう。すなわち、絶縁膜に電荷が残留し、この残留電荷が作り出す電界により振動板が撓んで初期と特性が変わってしまったり（駆動特性の低下）、振動板と個別電極とが貼り付いて動作不能（駆動耐久性の低下）となる等の不都合が生じるという課題があった。
【０００９】
本発明はこのような点に鑑みなされたもので、低電圧駆動を可能とし、大きな振動板変位量を得ることが可能な静電アクチュエータを提供することを目的とする。また、この静電アクチュエータを備えた液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る静電アクチュエータは、第１の電極として機能する振動板と、振動板にギャップを隔てて対向し、振動板との間で電圧が印加される第２の電極と、振動板の第２の電極との対向面に形成された第１の絶縁膜と、第２の電極の振動板との対向面に形成された第２の絶縁膜とを備え、第１の絶縁膜及び第２の絶縁膜とが同種材料で形成され、且つエレクトレット化されているものである。
このように、振動板と第２の電極との互いの対向面の双方に、同種材料で構成された絶縁膜を設けたので、接触帯電を防止することが可能である。よって、駆動特性の低下を防止し、駆動耐久性を向上することが可能となる。
また、第１の絶縁膜及び第２の絶縁膜がエレクトレット化されているため、電圧非印加時に振動板と第２の電極との間に電界が形成され、その電界を通常の電圧印加で発生させるのに必要な電圧分、低電圧駆動が可能となる。従って、低電圧駆動が可能となる分だけ、逆に振動板変位量を大きくすることが可能となる。
【００１１】
また、本発明に係る静電アクチュエータは、第１の絶縁膜と第２の絶縁膜のエレクトレットの極性がそれぞれ異なるものである。
これにより、ギャップ内で同じ向きの電界が形成され、静電吸引力を発生させることができる。
【００１２】
また、本発明に係る静電アクチュエータは、第１の絶縁膜と第２の絶縁膜がシリコン酸化膜であるものである。
このようにエレクトレット化する絶縁膜としてシリコン酸化膜を用いることができる。
【００１３】
また、本発明に係る静電アクチュエータは、第１の絶縁膜と第２の絶縁膜は、Ｈｉｇｈ−ｋ材で構成されているものである。
このようにエレクトレット化する絶縁膜としてＨｉｇｈ−ｋ材を用いることができる。Ｈｉｇｈ−ｋ材を用いることにより、静電アクチュエータの絶縁性及び動作特性を向上させることが可能である。
【００１４】
また、本発明に係る液滴吐出ヘッドは、上記の静電アクチュエータと、液滴が吐出されるノズルと、ノズルに連通し振動板が一部に形成されている液体流路とを備えたものである。
このように上記の静電アクチュエータを備えたため、低電圧駆動及び大きな振動板変位量を得ることが可能で、駆動耐久性にも優れた液滴吐出ヘッドを得ることができる。
【００１５】
また、本発明に係る液滴吐出装置は、上記の液滴吐出ヘッドが搭載されているものである。
このように上記の液滴吐出ヘッドを備えたので、上記液滴吐出ヘッドが有する効果を奏する液滴吐出装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施の形態１の静電アクチュエータを備えた液滴吐出ヘッドの分解斜視図。
【図２】図１に示す液滴吐出ヘッドの概略縦断面図。
【図３】図２のＡ−Ａ断面図。
【図４】コロナ帯電による帯電装置の構成を示す図。
【図５】実施の形態１の静電アクチュエータを備えた液滴吐出装置の一例図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１の静電アクチュエータを備えた液滴吐出ヘッドの分解斜視図である。図２は、図１に示す液滴吐出ヘッドの概略縦断面図である。図３は、図２のＡ−Ａ断面図である。
【００１８】
実施の形態１の液滴吐出ヘッド１００は、主にキャビティ基板１、電極基板２及びノズル基板３が接合されることにより構成されている。キャビティ基板１は、例えば単結晶シリコン基板（以下、単にシリコン基板という）からなり、以下に示す所定の加工が施されている。なお、図１では、キャビティ基板１として例えば厚さ約５０μｍの（１１０）面方位のシリコン基板を使用している。キャビティ基板１には、シリコン基板を異方性ウェットエッチングすることにより、底壁が振動板４として形成された吐出室５となる凹部５ａと、各吐出室５に供給すべき液滴を溜めるリザーバー６を構成する凹部６ａとが形成されている。そして、吐出室５、リザーバー６及び後述のオリフィス２１により液体流路が形成されている。
【００１９】
なお、振動板４は、高濃度のボロン・ドープ層から形成されている。このボロン・ドープ層は、ボロンを高濃度（約５×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上）にドープして形成されており、例えばアルカリ性水溶液で単結晶シリコンをエッチングしたときに、エッチング速度が極端に遅くなるいわゆるエッチングストップ層となっている。ボロン・ドープ層がエッチングストップ層として機能するため、振動板４の厚み及び吐出室５の容積を高精度で形成することができるようになっている。なお、この振動板４は本例では厚さ４μｍで形成されている。かかる構成の振動板４は、各吐出室５側の共通電極（第１の電極）として機能する。
【００２０】
また、キャビティ基板１の電極基板２側の面全体には絶縁膜４ａが形成されている。この絶縁膜４ａは、各吐出室５側の共通電極として機能する振動板４と後述の個別電極（第２の電極）１１との短絡及び絶縁破壊を防止する目的で設けられる。本発明では更に、この絶縁膜４ａがエレクトレット化（永久的電気分極を有する誘電体）されている。エレクトレットは、電圧が印加されず外部に電界が存在しない状態でも恒久的に分極を保持し、周囲に対して電界を形成する作用を有するものである。
【００２１】
絶縁膜４ａは、熱酸化によりシリコン酸化膜（ＳｉＯ2 膜）で形成されている。絶縁膜４ａの材料としては、他に例えばプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition法）により厚さ約０．１μｍのＴＥＯＳ（Tetraethylorthosillicate Tetraethoxysilane：テトラエトキシシラン、珪酸エチル）膜で形成してもよいし、酸化シリコンよりも比誘電率の高い誘電材料、すなわちアルミナ等の、いわゆるＨｉｇｈ−Ｋ（高誘電率ゲート絶縁膜）材で形成してもよい。Ｈｉｇｈ−Ｋ材からなる絶縁膜は、酸化シリコンよりも高い比誘電率を有するため、静電アクチュエータの絶縁性及び動作特性を向上させることが可能である。他には、酸窒化シリコン、酸化タンタル、窒化ハフニウムシリケート、又は酸窒化ハフニウムシリケート等の他の膜を用いても良く、要はエレクトレット化が可能な絶縁膜であればよい。絶縁膜４ａのエレクトレット化については後に後述する。
【００２２】
電極基板２は、例えば厚さが１ｍｍのホウ珪酸ガラスからなり、キャビティ基板１の振動板４側に接合されている。この電極基板２には、振動板４との間にギャップＧを構成する例えば深さが０．２μｍの電極用凹部８がエッチングにより形成されている。そして、この電極用凹部８の内部には、振動板（第１の電極）４に対向して個別電極（第２の電極）１１が形成されている。個別電極１１は、酸化錫をドープしたＩＴＯ（Indium Tin Oxide：インジウム錫酸化物）等からなり、例えばスパッタにより厚さ０．１μｍで形成されている。
【００２３】
また、個別電極１１上において振動板４と対向する部分には絶縁膜１１ａが形成されている。絶縁膜１１ａも絶縁膜４ａと同様にエレクトレット化されている。絶縁膜４ａと絶縁膜１１ａとは同種材料で構成され、駆動時の接触帯電の防止を図っている。また、絶縁膜４ａと絶縁膜１１ａとは、図３に示すようにそのエレクトレットの極性が互いに異なるように構成されている。図３では絶縁膜４ａ側を極性＋とし、絶縁膜１１ａ側を極性−としているが、逆でも良い。このように振動板４側のエレクトレットと個別電極１１側のエレクトレットの極性を逆とすることにより、それぞれがギャップＧ内で作り出す電界の向きが同じとなる。従って、電圧非印加時に作り出す電界の大きさが大きくなり、低電圧駆動が可能となる。
【００２４】
また、電極基板２には、リザーバー６に液滴を供給するための液体供給穴１４が設けられている。さらに、個別電極１１は、ＦＰＣ（図示せず）によりリード部１２及び端子部１３（図１参照）を介して発振回路２３と接続されている。発振回路２３とキャビティ基板１に設けた共通電極端子７もＦＰＣを介して接続されている。また、ギャップＧは封止材９によって封止されている。なお、電極基板２は、ホウ珪酸ガラスではなくシリコン基板等で形成してもよい。
【００２５】
ノズル基板３は、例えば厚さ１８０μｍのシリコン基板からなり、ノズル基板３の厚さ方向に貫通するノズル２０が形成されている。ノズル２０は、ノズル基板３の下面側が吐出室５に連通し、ノズル基板３の上面側が液滴を吐出するための開口部となっている。このノズル２０は、ノズル基板３の上面側が横断面の面積の小さい第１の溝２０ａからなり、ノズル基板３の下面側が横断面の面積の広い第２の溝２０ｂとなっており、階段状の２段ノズルとなっている。
【００２６】
また、ノズル基板３の下面には、吐出室５とリザーバー６を連通するためのオリフィス２１となる凹部２１ａと、リザーバーダイヤフラム２２を設けるための凹部２２ａが設けられている。ノズル基板３の上面のリザーバーダイヤフラム２２に対応する部分は凹部になっている。このようにしてリザーバーダイヤフラム２２の部分を薄くすることにより、外気圧の変動があった場合でも液滴の吐出が安定して行えるようになっている。
【００２７】
なお、実際にはノズル基板３の外表面全体にシリコン酸化膜が形成されているが、図１及び図２においてその図示は省略している。また、図１では、ノズル２０及び吐出室５が２列に並んだ液滴吐出ヘッドを示しているが、ノズル２０及び吐出室５が１列に並んだものであってもよい。また、図１及び図２では、吐出方式が、ノズル基板３に平行に液滴を吐出するフェイスイジェクトタイプのものを例に挙げて説明したが、サイドイジェクトタイプのものであってもよい。
【００２８】
次に、図１及び図２に示す液滴吐出ヘッドの動作について説明する。
発振回路２３は例えば２４ｋＨｚで発振し、キャビティ基板１の共通電極端子７と個別電極１１の間にパルス電圧を印加して個別電極１１に電荷供給を行う。個別電極１１に電荷を供給して正に帯電させると、振動板４は負に帯電し、振動板４と個別電極１１との間に静電気力が発生する。この静電気力の吸引作用により振動板４が個別電極１１側に引き寄せられて撓み、吐出室５の容積が拡大する。これによりリザーバー６の内部に溜まっていたインク等の液滴がオリフィス２１を通じて吐出室５に流れ込む。次に、個別電極１１への電圧の印加を停止すると、静電吸引力が消滅して振動板４が復元し、吐出室５の容積が急激に収縮する。これにより、吐出室５内の圧力が急激に上昇し、この吐出室５に連通しているノズル２０からインク等の液滴が吐出される。なお、このような方法は引き打ちと呼ばれるものであるが、バネ等を用いて液滴を吐出する押し打ちと呼ばれる方法もある。
【００２９】
ここで、本例の液滴吐出ヘッド１００は、絶縁膜４ａ及び絶縁膜１１ａが図３に示したようにエレクトレット化され、一方が正極、他方が負極に帯電した状態にある。このため、振動板４と個別電極１１との間に常に電界が作られ、静電気力が発生しており、実際には撓まない程度に振動板４が個別電極１１側に引き寄せる力が働いている。よって、通常の振動板４の駆動に必要な当接電圧よりも低い電圧で駆動が可能となる。従って、通常の当接電圧を印加した場合には、エレクトレット部４ａ，４ｂの作用により低電圧駆動が可能となる分だけ、振動板変位量を大きくすることが可能となる。
【００３０】
以上説明したように、本実施の形態１によれば、振動板４と個別電極１１との互いの対向面の双方に、同種材料で構成された絶縁膜４ａと絶縁膜１１ａとを設けたので、接触帯電を防止することが可能である。よって、駆動特性の低下を防止し、駆動耐久性を向上することが可能となる。
【００３１】
また、両絶縁膜４ａ、１１ａをエレクトレット化し、そのエレクトレットの極性が互いに異なるように構成したので、ギャップＧ内で同じ向きの電界が形成され、静電吸引力を発生させることができる。このため、その電界を通常の電圧印加で発生させるのに必要な電圧分、低電圧駆動が可能となる。従って、低電圧駆動が可能となる分だけ、逆に振動板変位量を大きくすることが可能となる。
【００３２】
ところで、絶縁膜４ａ及び絶縁膜１１ａをエレクトレット化するための帯電方法としては、コロナ放電、熱エレクトレット法、電子ビーム法があるが、本例ではコロナ放電により帯電させるようにしている。ここで、コロナ放電による帯電方法について簡単に説明しておく。
【００３３】
図４は、コロナ放電による帯電装置の構成を示す図である。
この帯電装置は、タングステンからなるワイヤー電極３１と、格子状に構成されたグリッド電極３２とを有し、ワイヤー電極３１に高電圧Ｖ１を、グリッド電極３２に低電圧Ｖ２を印加することで、ステージ３３上に載置されたシリコン基板３４上の絶縁膜３４ａに帯電を行うものである。正の帯電を行う場合、高電圧Ｖ１及び低電圧Ｖ２に正の電圧を印加し、負の帯電を行う場合、高電圧Ｖ１及び低電圧Ｖ２に負の電圧を印加する。高電圧Ｖ１は、ワイヤーがコロナ放電を起こすのに十分な電圧を印加し、低電圧Ｖ２は、エレクトレットが絶縁破壊を起こさない範囲の値を設定する。本例では、この帯電装置を用いて、１００℃雰囲気で２ｋＶの電圧印加を１時間程度行い、絶縁膜４ａに２４Ｖに相当する電荷を帯電させ、エレクトレット化された絶縁膜４ａを得るようにしている。絶縁膜１１ｂも同様にエレクトレット化し、絶縁膜４ａとは極性を入れ替えて帯電させる。絶縁膜４ａ及び絶縁膜１１ａのエレクトレット化は、キャビティ基板１と電極基板２とを接合する前の段階で行っておけばよい。
【００３４】
実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２に係る液滴吐出装置の一例を示す図で、図５では、特にインクを吐出するインクジェット記録装置の例で示している。図５に示されるインクジェット記録装置１１０は、インクジェットプリンターであり、実施の形態１の静電アクチュエータを備えた液滴吐出ヘッド１００を搭載している。このため、低電圧駆動が可能で、大きな振動板変位量を得ることができ、吐出室５内の発生圧力を高くすることができる。よって、安定した吐出特性を得ることが可能となり、高解像度の印字が可能となる。従って、本実施の形態２では、安定して高品質の印字が可能なインクジェット記録装置１１０を得ることができる。
【００３５】
また、駆動耐久性の良い静電アクチュエータを搭載しているため、信頼性の高いインクジェット記録装置１１０を得ることができる。
【００３６】
なお、実施の形態１に係る静電アクチュエータを備えた液滴吐出ヘッド１００は、図５に示すインクジェットプリンターの他に、吐出する液体を種々変更することで、カラーフィルタのマトリクスパターンの形成、有機ＥＬ表示装置の発光部の形成、生体液体試料の吐出等を行う液滴吐出装置にも適用することができる。
【符号の説明】
【００３７】
１  キャビティ基板、２  電極基板、４  振動板、４ａ  絶縁膜、５  吐出室、５ａ  凹部、６  リザーバー、６ａ  凹部、７  共通電極端子、８  電極用凹部、９  封止材、１１  個別電極、１１ａ  絶縁膜、１２  リード部、１３  端子部、１４  液体供給穴、２０  ノズル、２０ａ  第１の溝、２０ｂ  第２の溝、２１  オリフィス、２１ａ  凹部、２２  リザーバーダイヤフラム、２２ａ  凹部、２３  発振回路、３１  ワイヤー電極、３２  グリッド電極、３３  ステージ、３４  シリコン基板、３４ａ  絶縁膜、１００  液滴吐出ヘッド、１１０  インクジェット記録装置、Ｇ  ギャップ。
【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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