(57)【要約】【課題】低電圧印加で振動板の十分な変位量が得られる静電アクチュエータを提供する。【解決手段】電気分極したエレクトレット層１、絶縁層２、電極層３が順に積層された電極側部材１０の電極層３に、可撓性及び導電性を有する振動板２１が絶縁膜２５を介して変形可能に密接配置されており、振動板２１と電極層３との間に電圧を印加して振動板２１を変形させるようにした静電アクチュエータ。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気分極したエレクトレット層、絶縁層、電極層が順に積層された電極側部材の前記電極層に、可撓性及び導電性を有する振動板が絶縁膜を介して変形可能に密接配置されており、
前記振動板と前記電極層との間に電圧を印加して前記振動板を変形させるようにしたことを特徴とする静電アクチュエータ。
【請求項２】
前記振動板と前記電極層との間に電圧を印加していない場合、前記振動板と前記絶縁膜と前記電極層とが密接状態にあ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】
請求項１又は２に記載の静電アクチュエータを備え、
前記振動板が、吐出液を貯えて該液をノズルから吐出させる吐出室の壁面の１つを形成しており、
前記振動板と前記電極層との間に第１の電圧を印加して前記振動板を変形させ、前記吐出室の液体を前記ノズルから吐出させることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項４】
前記ノズルからの液滴吐出後、前記振動板と前記電極層との間に前記第１の電圧と逆電圧の関係にある第２の電圧を印加することを特徴とする請求項３記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項５】
請求項３又は４に記載の前記液滴吐出ヘッドを液滴吐出部に備えたことを特徴とする液滴吐出装置。
【請求項６】
ガラス基板の表面に電極材料を成膜する工程と、
成膜された前記電極材料をパターニングして、電極を形成する工程と、
前記ガラス基板の前記電極形成側面に絶縁膜を成膜する工程と、
前記ガラス基板の前記電極形成側面と反対側面に、電気分極したエレクトレット部材を積層する工程と、
振動板及び吐出室が形成されるシリコン基板を、前記ガラス基板の前記絶縁膜を介して前記電極に密接させ、前記ガラス基板の前記電極に対応する領域以外の部分を利用して前記ガラス基板に陽極接合する工程と、
前記ガラス基板に接合された前記シリコン基板をエッチングして、前記振動板及び前記吐出室を形成する工程と、を備えたことを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。
【請求項７】
ガラス基板の表面に電極材料を成膜する工程と、
成膜された前記電極材料をパターニングして、電極を形成する工程と、
前記ガラス基板の前記電極形成側面と反対側面に、電気分極したエレクトレット部材を積層する工程と、
振動板及び吐出室が形成されるシリコン基板の一方の面に絶縁膜を成膜する工程と、
前記シリコン基板を、前記絶縁膜を介して前記ガラス基板の前記電極に密接させ、前記ガラス基板の前記電極に対応する領域以外の部分を利用して前記ガラス基板に陽極接合する工程と、
前記ガラス基板に接合された前記シリコン基板をエッチングして、前記振動板及び前記吐出室を形成する工程と、を備えたことを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。
【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、液滴吐出ヘッドの製造方法等に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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、圧力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、これにより圧力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。
【０００３】
そこで、圧電駆動方式の液滴吐出装置では、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たり（例えば、特許文献１）、振動板を、無機エレクトレット層と薄膜金属加熱パターンとを積層した構成とし、電圧印加によりエレクトレット層を変形させるとともに、薄膜金属加熱パターンによりエレクトレット層を膨張させることで、振動板を大きく変位させるようにするものがあった（例えば、特許文献２）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２５５６０５号公報
【特許文献２】特開２００４−２５５６１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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おり、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。また、特許文献２の技術では振動板そのものを多層化しているため、同様に振動板の厚みが厚くなる。このような構成では、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く、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。
【０００６】
本発明はこのような点に鑑みなされたもので、低電圧印加で振動板の十分な変位量が得られる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、高速吐出が可能な液滴吐出ヘッド、液滴吐出装置を提供することも目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の静電アクチュエータは、電気分極したエレクトレット層、絶縁層、電極層が順に積層された電極側部材の前記電極層に、可撓性及び導電性を有する振動板が絶縁膜を介して変形可能に密接配置されており、前記振動板と前記電極層との間に電圧を印加して前記振動板を変形させるようにしたものである。
この静電アクチュエータは、エレクトレット層の電荷と同極の電荷を振動板に付与して、発生する斥力により振動板を変形させるものである。この構成においては、振動板と電極層との間に空隙がないため、より低い電圧の印加で、エレクトレット層の電場と作用して振動板を変形させる斥力を与える電荷を振動板に付与することができ、従って、振動板を低電圧で駆動することができる。また、離れていた電極同士を当接させる必要はないので、印加電圧の下限値は特になくなり、広い範囲から適切な電圧を設定できる。
【０００８】
前記振動板と前記電極層との間に電圧を印加していない場合、前記振動板と前記絶縁膜と前記電極層とが密接状態にあることが好ましい。これによれば、振動板の動作時のみ、電圧を印加すればよいので、エネルギの効率的利用ができる。
【０００９】
本発明の液滴吐出ヘッドは、上記の静電アクチュエータを備え、前記振動板が、吐出液を貯えて該液をノズルから吐出させる吐出室の壁面の１つを形成しており、前記振動板と前記電極層との間に第１の電圧を印加して前記振動板を変形させ、前記吐出室の液体を前記ノズルから吐出させるようにしたものである。
この静電アクチュエータは、エレクトレット層の電荷と同極の電荷を振動板に付与して、発生する斥力により振動板を変形させ、それによって吐出室の液をノズルから吐出させるものである。この構成においては、振動板と電極層との間に空隙がないため、より低い電圧の印加で、エレクトレット層の電場と作用して振動板を変形させる斥力を与える電荷を振動板に付与することができ、従って、振動板を低電圧で駆動することができる。その他、上記の静電アクチュエータの効果を奏することができる。
【００１０】
上記液滴吐出ヘッドにおいて、前記ノズルからの液滴吐出後、前記振動板と前記電極層との間に前記第１の電圧と逆電圧の関係にある第２の電圧を印加することが好ましい。これにより、液滴吐出後、振動板に吸引力を発生させて振動板の残留振動を抑えることができ、高速印刷が可能となる。
【００１１】
本発明の液滴吐出装置は、上記の液滴吐出ヘッドを備えたものであり、液滴吐出ヘッドが奏する効果を同様に奏することができる。
【００１２】
本発明の液滴吐出ヘッドの製造方法は、
ガラス基板の表面に電極材料を成膜する工程と、
成膜された前記電極材料をパターニングして、電極を形成する工程と、
前記ガラス基板の前記電極形成側面に絶縁膜を成膜する工程と、
前記ガラス基板の前記電極形成側面と反対側面に、電気分極したエレクトレット部材を積層する工程と、
振動板及び吐出室が形成されるシリコン基板を、前記ガラス基板の前記絶縁膜を介して前記電極に密接させ、前記ガラス基板の前記電極に対応する領域以外の部分を利用して前記ガラス基板に陽極接合する工程と、
前記ガラス基板に接合された前記シリコン基板をエッチングして、前記振動板及び前記吐出室を形成する工程と、を備えたものである。
【００１３】
また、ガラス基板の表面に電極材料を成膜する工程と、
成膜された前記電極材料をパターニングして、電極を形成する工程と、
前記ガラス基板の前記電極形成側面と反対側面に、電気分極したエレクトレット部材を積層する工程と、
振動板及び吐出室が形成されるシリコン基板の一方の面に絶縁膜を成膜する工程と、
前記シリコン基板を、前記絶縁膜を介して前記ガラス基板の前記電極に密接させ、前記ガラス基板の前記電極に対応する領域以外の部分を利用して前記ガラス基板に陽極接合する工程と、
前記ガラス基板に接合された前記シリコン基板をエッチングして、前記振動板及び前記吐出室を形成する工程と、を備えたものである。
【００１４】
これらの方法により、低電圧で駆動可能な液滴吐出ヘッドを得ることができる。また、振動板と電極層との間に空隙がないため、ガラス基板に隔壁が無くなり、シリコン基板とガラス基板との接合の際、隔壁への振動板の乗り上げによる製造不良が解消される。
また、シリコン基板とガラス基板との接合の精度も、上記理由により緩和でき、製造工程を簡素化できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
実施の形態１（静電アクチュエータ）．
図１は、本発明の実施の形態１の静電アクチュエータの（ａ）電圧印加前、（ｂ）電圧印加中、及び（ｃ）電圧解除後を示す模式図である。
実施の形態１の静電アクチュエータは、電気分極したエレクトレット層１、絶縁層２、電極層３が順に積層された電極側部材１０の電極層３に、可撓性及び導電性を有する振動板２１が絶縁膜２５を介して変形可能に密接配置されている。
【００１６】
エレクトレット層１はエレクトレット部材からなり、そのエレクトレット部材が絶縁層２であるガラス基板の電極層３形成面と反対側の面に積層されている。振動板２１と電極層３との間には、電圧を印加するための駆動回路３０が接続されている。
なお、電極層３は単に電極３とも称するものとする。また、絶縁膜２５は、電極側部材１０又は振動板２１のいずれか一方、又は両方に形成される。図１では、絶縁膜２５が電極側部材１０に形成された例を示している。
【００１７】
エレクトレットとは半永久的に電気分極した部材であり、一方の電極の電荷のみを持つことも可能である。ここでは一方の電極の電荷（例えば−電荷）のみをもつエレクトレットを利用する。図１のように、電極層３の下部に電気分極したエレクトレット層１を配置したことで、エレクトレット層１が生成する電場が、振動板２１に蓄えられる電荷と作用して、振動板２１を動作させることが可能となる。なお、生成される電場の大きさはエレクトレット層１からの距離に関係ないため、電極層３と振動板２１の両方に同じ力が作用する。
図７はエレクトレット層に起因する電界の説明図である。図７に示すように、比誘電率εｒの物質の一面に表面積がＳで、電荷がＱのエレクトレット層が形成されているとすると、そのエレクトレット層が作り出す電界Ｅは、式（１）で表せる。
Ｅ＝σ／２（ε０εｒＳ）  ・・・・・（１）
ただし、σ＝電荷密度Ｑ／Ｓ、ε０＝真空の比誘電率
式（１）により、エレクトレット層が作り出す電界の大きさは、エレクトレット層からの距離に依存しない。
【００１８】
次の上記静電アクチュエータの作用を説明する。
電極層３と振動板２１の間に電圧を印加していない状態では、電極層３と振動板２１には電荷は蓄えられていない。この状態では、振動板２１が、絶縁膜２５を介して、電極層３と密接した状態となっている（図１（ａ））。
次に、駆動回路３０を利用して、電極層３と振動板２１の間に、振動板２１にエレクトレット層１と同じ極性の電荷を生じさせる電圧を印加する。これにより、エレクトレット層１が生成する電場が、振動板２１に蓄えられる電荷と作用して、振動板２１に斥力を生じさせて、振動板２１を電極層３から離すように変形させる（図１（ｂ））。この場合、振動板２１と電極層３との間に空隙がないため、より低い電圧の印加で振動板２１に斥力を生じさせる電荷を付与することができ、従って、振動板２１を低電圧で駆動することができる。
電極層３と振動板２１の間に印加していた電圧を解除すると、その電圧に起因する電荷がなくなり、上記斥力が消滅して、振動板２１は電極層３側に戻る（図１（ｃ））。
【００１９】
なお、単に印加していた電圧を除去しただけでは、振動板２１が電極層３側に密接状態となる前に残留振動が生じる場合がある。しかし、静電アクチュエータの使用態様によってはこれを防止する必要がある。その場合には、電極層３と振動板２１の間に印加されていた電圧と逆の電圧をそれらの間に印加して、振動板２１を電極層３側に吸引させると、振動板２１の残留振動をなくすことができる。
【００２０】
実施の形態２（液滴吐出ヘッド）．
図２は、本発明の実施の形態２に係る液滴吐出ヘッドの第１の例を示す断面模式図、図３は、図２と直交する方向から見た本発明の実施の形態２に係る液滴吐出ヘッドの第２の例を示す断面模式図である。図２と図３では形状は相違するが、その実体的構成は同じである。この液滴吐出ヘッドは、実施の形態１に示した静電アクチュエータの動作を利用したものであり、図２、図３において、図１と同じ符号は、同等物または相当物を表している。
【００２１】
実施の形態２の液滴吐出ヘッドは、電気分極したエレクトレット層１、絶縁層２、電極層（個別電極とも称する）３が順に積層された電極側部材１０と、液体を蓄えてそれをノズル孔４１から吐出させる吐出室２１が形成されたキャビティ基板２０と、ノズル孔４１が形成されたノズル基板４０とが積層されて構成されている。
なお、図２、図３では、実施の形態１で示した駆動回路３０を図示していないが、以下では、それがあるものとして説明する。
【００２２】
電極層３は、ガラス基板上に複数形成されており、それぞれが独立した電極、すなわち個別電極として作用する。そして、電極層３の一端がガラス基板の縁部まで引き出されて電極端子３ａとなっている。ガラス基板の対向する他面側にはエレクトレット部材が積層されてエレクトレット層１となっている。従って、電極層３とエレクトレット層１の間にあるガラス基板が、絶縁層２となっている。
キャビティ基板２０は、シリコン基板からなり、エッチングにより吐出液の流路である吐出室２２やリザーバ２３などが形成されている。なお、吐出室２２の壁面の１つである吐出室底面が振動板２１として形成されており、振動板２１は電極層３と対向する位置に配置されている。
ノズル基板４０は、シリコン基板などから形成され、キャビティ基板２０の吐出室２２のそれぞれに対応したノズル孔４１を備えている。
【００２３】
次に、実施の形態２の液滴吐出ヘッドの動作について説明する。
電極層３と振動板２１の間に電圧を印加していない状態では、電極層３と振動板２１には電荷は蓄えられていない。この状態では、振動板２１が、絶縁膜２５を介して、電極層３と密接した状態となっている（図１（ａ）参照）。
次に、駆動回路３０を利用して、電極層３と振動板２１の間に、振動板２１にエレクトレット層１の電荷と同じ極性の電圧を印加する。これにより、エレクトレット層１が生成する電場が、振動板２１に蓄えられる電荷と作用して、振動板２１に斥力を生じさせて、振動板２１を電極層３から離すように変形させる（図１（ｂ）参照）。これにより、吐出室２２内の液がノズル孔４１から吐出される。この場合、振動板２１と電極層３との間に空隙がないため、より低い電圧の印加で振動板２１に斥力を生じさせる電荷を付与することができ、従って、振動板２１を低電圧で駆動することができる。
その後、電極層３と振動板２１の間に印加していた電圧を解除すると、その電圧に起因する電荷がなくなり、上記斥力が消滅して、振動板２１が電極層３側に戻る（図１（ｃ）参照）。このとき、吐出室２２が広がるため、吐出液がリザーバ２２から吐出室２２に新たに供給される。
また、電極層３と振動板２１の間に印加していた電圧を解除する際、そこに印加されていた電圧と逆電圧で、印加されていた電圧以上の電圧をそれらの間に印加すると、振動板２１が電極層３に強く吸引されるため、振動板２１の残留振動が防止されて、高速な液滴吐出が可能となる。
【００２４】
なお、図２、図３では、電極層３がガラス基板から突出して形成された例を示したが、図４の断面模式図に示すように、電極層３をガラス基板の溝内に埋め込んで、その表面だけがガラス基板から現れる態様としてもよい。
また、図２〜図４では、絶縁膜２５をキャビティ基板に形成した例を示したが、図１に示したように、絶縁膜２５をガラス基板の電極層３上に形成してもよい。さらに、一方側に設ける厚さの半分の厚さの絶縁膜２５を、ガラス基板とキャビティ基板の両方にそれぞれ設けてもよい。
【００２５】
実施の形態３（液滴吐出ヘッドの製造方法）．
実施の形態３では、実施の形態２に示した液滴吐出ヘッドの製造方法の一例を、図５を参照して説明する。
（ａ）まず、厚さが１ｍｍ程度のホウ珪酸ガラスのガラス基板２を用意する。
（ｂ）ガラス基板２の片面に、電極（個別電極）３を形成するための溝３Ａを形成する。
（ｃ）ガラス基板２の溝３Ａが形成された側の面の全体に、電極部材（例えば、ＩＴＯ）３Ｂを成膜する。
（ｄ）ガラス基板２に成膜された電極部材３Ｂをパターニングして、溝３Ａ内に電極３を形成する。
（ｅ）ガラス基板２の電極３形成側面に酸化シリコンなどの絶縁膜２５を成膜し、ガラス基板２の電極３形成側と反対面に、電気分極したエレクトレット部材１を積層する。
（ｆ）一方で、振動板２１などのキャビティが形成される厚さが５００μｍ程度のシリコン基板（後にキャビティ基板となる）２０を用意する。
（ｇ）シリコン基板２０の片面にボロンをドープし、振動板２１となる部分を形成する。
（ｈ）シリコン基板２０のボロンドープ面をガラス基板２の絶縁膜２５に密接させ、ガラス基板の電極３形成領域以外のガラス露出部分を利用して、シリコン基板２０とガラス基板２とを陽極接合する。
【００２６】
その後、シリコン基板２０をエッチングして、振動板２１、吐出室２２、リザーバ２３などを形成し、さらに、振動板２１、吐出室２２、リザーバ２３の表面に液保護膜を成膜形成する。
そして、シリコン基板２０の吐出室２２、リザーバ２３などの開口部側に、ノズル孔４１が設けられたノズル基板４０を接合して、液滴吐出ヘッドを完成させる。
【００２７】
ここで、実施の形態３の方法で作られる液滴吐出ヘッドの実施例の１つを示しておく。
・振動板２１の長手方向寸法      ２ｍｍ
・振動板２１の短手方向寸法    １００μｍ
・振動板２１の厚さ寸法          １μｍ
・絶縁膜２５の厚さ寸法        ５０ｎｍ
・エレクトレット電荷密度  ０．００７５Ｃ／ｍ2
（下記の印加電圧のコンデンサが作り出す電荷密度と同等）
・印加電圧                    １５Ｖ
【００２８】
図５では、電極層（又は電極）３がガラス基板２の溝内に形成された構成を示したが、図２、図３に示したように、ガラス基板２に溝を形成することなく、電極層（又は電極）３をガラス基板２の表面化から盛り上げて形成しても良い。
また、図５では、絶縁膜２５をガラス基板２側に形成したが、図２〜図４に示したように、振動板２１側に形成しても良い。
さらに、上記の各実施の形態では、電極層（又は電極）３が形成されたガラス基板２の下部に、電気分極したエレクトレット部材を積層した構成を示したが、エレクトレット化が可能な物質をガラス基板２に成膜し、その成膜された物資をエレクトレット化して、エレクトレット層１としてもよい。
【００２９】
実施の形態４（液滴吐出装置）．
図６は、本発明の実施の形態４に係る液滴吐出装置を示す外観図である。この液滴吐出装置は、その液滴吐出部に、実施の形態２で説明した液滴吐出ヘッドを備えたインクジェットプリンタである。このため、インクの吐出を、低電圧かつ高速に行うことができる。
なお、実施の形態２で説明した液滴吐出ヘッドを備えた液滴吐出装置は、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。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施の形態１の静電アクチュエータの（ａ）電圧印加前、（ｂ）電圧印加中、及び（ｃ）電圧解除後を示す模式図。
【図２】実施の形態２に係る液滴吐出ヘッドの第１の例を示す断面模式図。
【図３】図２と直交する方向から見た実施の形態２に係る液滴吐出ヘッドの第２の例を示す断面模式図。
【図４】図２と直交する方向から見た実施の形態２に係る液滴吐出ヘッドの第３の例を示す断面模式図。
【図５】実施の形態３に係る液滴吐出ヘッドの製造工程を示す断面模式図。
【図６】実施の形態４に係る液滴吐出装置の外観図。
【図７】エレクトレット層に起因する電界の説明図。
【符号の説明】
【００３１】
１  エレクトレット層（エレクトレット部材）、２  絶縁層（ガラス基板）、３  電極層（電極又は個別電極）、３ａ  電極端子、１０  電極側部材、２０  キャビティ基板（シリコン基板）、２１  振動板、２２  吐出室、２３  リザーバ、２５  絶縁膜、３０  駆動回路、４０  ノズル基板、４１  ノズル孔。
【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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【図７】
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