(57)【要約】【課題】駆動時に電極間に発生する帯電を除去することができ、内部に異物が発生せず、長期耐久性を確保することができる静電アクチュエーター等を提供すること。【解決手段】可動電極１１、及び可動電極１１と連続し可動電極１１に帯電した残留電荷を除電する帯電除去用可動電極１１ａと、可動電極１１とギャップを隔てて対向する固定電極２１、及び固定電極２１と分離し帯電除去用可動電極１１ａとギャップを隔てて対向する帯電除去用固定電極２３とを備え、可動電極１１と固定電極２１との間、及び帯電除去用可動電極１１ａと帯電除去用固定電極２３との間にそれぞれ電圧を印加可能に構成し、可動電極１１と固定電極２１との接触により可動電極１１に帯電した残留電荷を、帯電除去用可動電極１１ａと帯電除去用固定電極２３とを接触させて、帯電除去用固定電極２３から除去するようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
可動電極、及び前記可動電極と連続し前記可動電極に帯電した残留電荷を除電する帯電除去用可動電極と、
前記可動電極とギャップを隔てて対向する固定電極、及び前記固定電極と分離し前記帯電除去用可動電極とギャップを隔てて対向する帯電除去用固定電極とを備え、
前記可動電極と前記固定電極との間、及び前記帯電除去用可動電極と前記帯電除去用固定電極との間にそれぞれ電圧を印加可能に構成し、
前記可動電極と前記固定電極との接触により前記可動電極に帯電した残留電荷を、前記帯電除去用可動電極と前記帯電除去用固定電極とを接触させて、前記帯電除去用固定電極から除去することを特徴とする静電アクチュエーター。
【請求項２】
前記固定電極と前記可動電極の両者またはいずれか一方にＤＬＣ膜を設けたことを特徴とする請求項１記載の静電アクチュエーター。
【請求項３】
前記可動電極と帯電除去用可動電極の上に絶縁膜が連続して形成され、前記固定電極の上に導電性の中間膜が形成され、
前記絶縁膜の上と前記導電性の中間膜の上の両者またはいずれか一方にＤＬＣ膜を設けたことを特徴とする請求項２記載の静電アクチュエーター。  
【請求項４】
前記導電性の中間膜をポリシリコンで形成したことを特徴とする請求項３記載の静電アクチュエーター。
【請求項５】
前記可動電極を備えた吐出室と前記帯電除去用可動電極を備えた帯電吸収室との間を隔壁により隔てたことを特徴とする請求項４記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の静電アクチュエーターを備えたことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電アクチュエーター及び液滴吐出ヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
静電駆動方式によるインクジェットヘッドは、振動板（可動電極）とこれに対向する固定電極との間に電圧を印加して振動板を静電引力によって撓ませ、その後、電圧を解除することで振動板が元の位置に戻る復元力を利用してインク吐出させている。
【０００３】
従来のインクジェットヘッドは、静電アクチュエーター内の振動板と、これと向かい合う固定電極の上にそれぞれ絶縁膜を成膜し、その上から表面保護膜としてダイヤモンドまたはダイアモンドライクカーボン（ＤＬＣ）等の炭素系材料を成膜してある。この構造によれば、表面保護膜が硬質であるため表面膜の磨耗が発生しない（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１８７０６号公報（第１１頁、図１３）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１記載の技術では、振動板と固定電極の下地膜がともに絶縁膜であるため帯電量が徐々に増加して残留電荷が当接面に留まり、振動板と固定電極とが貼り付くおそれがあった。また、長期駆動した場合、ダイアモンドライクカーボンとの膜応力の差から膜剥れが生じて異物が発生するおそれもあった。
【０００６】
本発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、可動電極と固定電極が駆動時に帯電してもこれらの電極が貼り付いたり、膜剥れによって内部に異物が発生したりするおそれがなく、長期耐久性を確保することができる静電アクチュエーター及び液滴吐出ヘッド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】
【０００７】
本発明に係る静電アクチュエーターは、可動電極、及び可動電極と連続し可動電極に帯電した残留電荷を除電する帯電除去用可動電極と、可動電極とギャップを隔てて対向する固定電極、及び固定電極と分離し帯電除去用可動電極とギャップを隔てて対向する帯電除去用固定電極とを備え、可動電極と固定電極との間、及び帯電除去用可動電極と帯電除去用固定電極との間にそれぞれ電圧を印加可能に構成し、可動電極と固定電極との接触により可動電極に帯電した残留電荷を、帯電除去用可動電極と帯電除去用固定電極とを接触させて、帯電除去用固定電極から除去するようにしたものである。
可動電極と固定電極とは別に、帯電除去用可動電極と帯電除去用固定電極とを設け、これらを接触させて静電アクチュエーターの帯電を解除することができるため、可動電極と固定電極とが貼り付いて駆動できなくなるということがない。
【０００８】
また、本発明に係る静電アクチュエーターは、固定電極と可動電極の両者またはいずれか一方にＤＬＣ膜を設けたものである。
ＤＬＣ膜は硬度が高いため摩耗による異物が発生せず、長期耐久性を確保することができる。また、固定電極と可動電極の両方にＤＬＣ膜を設けた場合は、表面保護膜が同材質であるため帯電量を小さくすることができる。
【０００９】
また、本発明に係る静電アクチュエーターは、可動電極と帯電除去用可動電極の上に絶縁膜が連続して形成され、固定電極の上に導電性の中間膜が形成され、絶縁膜の上と導電性の中間膜の上の両者またはいずれか一方にＤＬＣ膜を設けたものである。
ＤＬＣ膜と密着性がよい導電性の中間膜を設けた場合は、膜剥れが減り、異物化を防止して長期耐久性を確保することができる。また、帯電除去用固定電極と、帯電除去用可動電極のＤＬＣ膜部分とが直接接触するため、残留電荷を確実に除去することができる。
【００１０】
また、本発明に係る静電アクチュエーターは、導電性の中間膜をポリシリコンで形成したものである。
中間膜にポリシリコンを使用したので配線抵抗が低下し、固定電極側の接触帯電を速やかに解除することができ、貼り付き不良をなくすことができる。また、接触抵抗を下げて、静電アクチュエーターの熱による性能劣化を抑えることができる。
【００１１】
また、本発明に係る静電アクチュエーターは、可動電極を備えた吐出室と帯電除去用可動電極を備えた帯電吸収室との間を隔壁により隔てたものである。
可動電極により吐出室から液を吐出すると共に、可動電極に帯電した残留電荷を、吐出室と隔てられた帯電吸収室の帯電除去用可動電極にて除電することができる。
【００１２】
本発明に係る液滴吐出ヘッドは、上記のいずれかの静電アクチュエーターを備えたものである。
静電アクチュエーターの帯電を除去することができ、また異物が発生せず、長期耐久性を確保することができる液滴吐出ヘッドを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態１に係る液滴吐出ヘッドの縦断面図。
【図２】図１のａ−ａ要部断面図。
【図３】図１のｂ−ｂ要部断面図。
【図４】図１のキャビティ基板の平面図。
【図５】図１のガラス電極基板の平面図。
【図６】図２の作用説明図。
【図７】本発明の実施の形態２に係る液滴吐出装置の斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る液滴吐出ヘッドの縦断面図、図２は図１のａ−ａ要部断面図、図３は図１のｂ−ｂ要部断面図、図４は図１のキャビティ基板の平面図、図５は図１のガラス電極基板の平面図である。なお、本実施の形態１は、液滴を基板の面部に設けたノズル孔から吐出させるフェイス型の液滴吐出ヘッドに関するものである。
図１に示すように、液滴吐出ヘッドは３層構造からなり、振動板を有するキャビティ基板１と、電極部を有する電極基板２と、ノズル孔を有するノズル基板３とが積層されている。
【００１５】
３層構造の中間に位置するキャビティ基板１は、例えば厚さ約１８０μｍの（１１０）面方位のシリコン単結晶基板からなっている。このキャビティ基板１には、シリコン単結晶基板にパターニングとアルカリ系の水溶液によるウェットエッチングにより、底壁が液滴吐出用の振動板１１（以下、可動電極という）となる吐出室１０が、長辺方向イに配向するシリコンの隔壁１０ａにより区画されて短辺方向ロに並列して形成されており（図４参照）、また各吐出室１０に共通して連通するリザーバ（共通液滴室）１２が形成されている。
キャビティ基板１の端部（吐出室１０を介してリザーバ１２と反対側）には、同様にウェットエッチングにより、底壁が帯電除去用の振動板１１ａ（以下、帯電除去用可動電極）となる除電室１３が短辺方向ロ（図１の前後方向）に配向するシリコンの隔壁１３ａにより区画されて、短辺方向ロに連続して形成されている（図４参照）。
この帯電除去用可動電極１１ａは可動電極１１と連続しており、可動電極１１に帯電した残留電荷を除電するが、可動電極１１と帯電除去用可動電極１１ａとは、駆動による互いの振動の影響を受けないようになっている。
【００１６】
可動電極１１と帯電除去用可動電極１１ａは、高濃度のボロンドープ層で構成されており、所望の厚みの可動電極１１及び帯電除去用可動電極１１ａを形成するために、これらには同じ厚みのボロンドープ層が形成されている。本実施の形態１では、アルカリ性水溶液でシリコンの異方性ウェットエッチングを行った場合、ボロンをドーパントとしたときには高濃度（約５×１０19ａｔｏｍｓ・ｃｍ−3以上）の領域で極端にエッチングレートが小さくなることを利用した、いわゆるエッチングストップ技術を用いて、可動電極１１と帯電除去用可動電極１１ａを高精度で形成する。
【００１７】
キャビティ基板１の下面（ガラス電極基板２と向かい合う側の面）には、例えば１００ｎｍのＴＥＯＳ（Tetra ethyl ortho silicate  ：テトラエトキシシラン、珪酸エチル）よりなる絶縁膜１４が、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition  ）法により連続して成膜されている。これは、液滴吐出ヘッドを駆動させたときの絶縁膜の破壊及び短絡を防止するためである。なお、ＴＥＯＳ以外にも酸化シリコン（ＳｉＯ2 ）よりも比誘電率の高い高誘電材料の絶縁膜を使用することもでき、この場合は、高い比誘電率材料を用いることで、電圧を印加したときに、可動電極１１に働く静電引力を増加させることができ、駆動電圧を低電圧化することができる。
【００１８】
絶縁膜１４の上には、耐久性を向上させるための保護膜として、例えば厚さ３０ｎｍのＤＬＣ（ダイアモンドライクカーボン、Diamond Like Carbon）がプラズマＣＶＤ法により表面保護膜として連続して成膜（ＤＬＣ膜１５）されている。
こうして、可動電極１１と帯電除去用可動電極１１ａの上には、共通して絶縁膜１４とＤＬＣ膜１５とが成膜されており、液滴吐出のための駆動によって発生したＤＬＣ膜１５上の残留電荷は、可動電極１１と帯電除去用可動電極１１ａの上に一様に分布することになる。
なお、キャビティ基板１には、リザーバ１２に液を供給するための供給連通穴１６が形成されている。
【００１９】
キャビティ基板１の下側（図１の下側）にはガラス電極基板２が配設され、キャビティ基板１と接合されている。ガラス電極基板２は、例えば厚さ約１ｍｍの硼珪酸系の耐熱ガラスで、パターニングと、フッ酸系の水溶液でウェットエッチングすることにより、キャビティ基板１の各吐出室１０に合わせて、例えば深さ約０．２μｍの溝２０が長辺方向イに配向するガラス隔壁２０ａにより区画されて、短辺方向ロに並列して形成されている（図５参照）。そして、その内部には、可動電極１１とギャップを隔てて固定電極２１が設けられており、固定電極２１にはリード部２２（以下、これらを併せて電極部Ａという）が設けられている。なお、隔壁２０ａの端部２０ｂは、固定電極２１の端部よりやや後退した位置にある。また、ガラス電極基板２の溝２０の端部（電極部Ａのリード部２２と反対側）には、固定電極２１と分離し、帯電除去用可動電極１１ａとギャップを隔てて対向する帯電除去用固定電極２３が、短辺方向ロに連続して形成されている（図５参照）。
【００２０】
溝２０内に設ける電極部Ａ及び帯電除去用固定電極２３の材料として、酸化錫を不純物としてドープした透明のＩＴＯ（Indium Tin Oxide：インジウム錫酸化物）を用い、溝２０内に例えば０．１μｍの厚みにスパッタ法を用いて成膜されている。
したがって、可動電極１１と固定電極２１との間で形成されるギャップは、溝２０の深さ及び固定電極２１の厚みにより決まり、帯電除去用可動電極１１ａと帯電除去用固定電極２３との間で形成されるギャップは、溝２０の深さ及び帯電除去用固定電極２３の厚みにより決まる。そして、可動電極１１と固定電極２１との間で形成されるギャップは、吐出特性に大きく影響する。
【００２１】
ここで、電極部Ａ及び帯電除去用固定電極２３の材料は、ＩＴＯに限定するものではなく、クロム等の金属等を材料に用いてもよいが、本実施の形態１では、放電したかどうかの確認が行い易い等の理由でＩＴＯを用いた。
ＩＴＯの固定電極２１の上であって可動電極１１と対向する側には、静電アクチュエーター駆動時の短絡を防ぐために中間膜２４が形成されている。なお、リード部２２の上はドライエッチングにより中間膜２４が取り除かれている。この中間膜２４は例えば厚さ３０ｎｍの良好な導電性を持ち、後述するＤＬＣ膜と密着性の良い材料、例えばポリシリコンをプラズマＣＶＤ装置によって成膜し、パターニングしたものである。導電性を有しＤＬＣ膜と密着性の良い材料は、ポリシリコンのほか、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）などがある。
そして、中間膜２４の上には表面保護膜としてＤＬＣ膜２５が形成されている（図５参照）。
【００２２】
こうして、可動電極１１及び帯電除去用可動電極１１ａと、可動電極１１とギャップを隔てて対向する固定電極２１、及び固定電極２１と分離し帯電除去用可動電極１１ａとギャップを隔てて対向する帯電除去用固定電極２３とから、静電アクチュエーターが形成されている。
【００２３】
上記の説明では、ＤＬＣ膜２５、１５を固定電極２１と可動電極１１の両者に設けた場合を示したが、固定電極２１のみに設けるようにしてもよく、あるいは可動電極１１のみに設けるようにしてもよい。
【００２４】
ガラス電極基板２にはサンドブラスト加工または切削加工により液供給孔２６が形成されており、キャビティ基板１の液供給連通孔１６と連通している。
キャビティ基板１のヘッド端部には、共通電極端子部１７として、例えば約０．１μｍの白金（Ｐｔ）膜を成膜してある。
【００２５】
キャビティ基板１の上側（図１の上側）にはノズル基板３が配設され、電極基板２とは反対側の面でキャビティ基板１に接合されている。
ノズル基板３は、例えば厚み約１８０μｍのシリコン基板である。そして、ノズル基板３の上面には、吐出室１０と連通して液滴を吐出するためのノズル孔３０が、パターニングとドライエッチングによって形成されており、径の異なる２段の円筒状に形成されたノズル孔部分、すなわち先端が液吐出面に開口する小径の吐出部３０ａと液導入面に開口する大径の導入部３０ｂとから構成され、基板面に対して垂直かつ同軸上に形成されている。
また、ノズル基板３の下面にはオリフィス３１が設けられ、吐出室１０とリザーバ１２とを連通している。
【００２６】
なお、上記の液滴吐出ヘッドにおいて、可動電極１１及び帯電除去用可動電極１１ａと、固定電極２１及び帯電除去用固定電極２３とからなる静電アクチュエーターは、封止材４０により、リード部２２側において電極部Ａごとに封止されている。これにより、静電アクチュエーターを駆動させた際の固定電極２１と可動電極１１との貼り付き等を防止する。
【００２７】
ガラス電極基板２上に形成した電極部Ａのリード部２２、及び帯電除去用固定電極２３のそれぞれは、キャビティ基板１上に形成した共通電極端子部１７とともに、発振回路５０に接続されている。
【００２８】
上記の説明ではノズル孔３０を有するノズル基板３をキャビティ基板１の上面側とし、電極基板２を下面側としたが、実際に用いられる場合には、ノズル基板３がキャビティ基板１の下面側になることが多い。
【００２９】
上記のように構成した液滴吐出ヘッドの動作を説明する。
液滴吐出ヘッドの静電アクチュエーターは、所定のギャップを介して向かい合うキャビティ基板１の可動電極１１と、ガラス電極基板２の固定電極２１とが電圧の印加により、静電引力によって当接、離脱を繰り返す駆動原理となっている。
図６（ａ）に示すように、吐出室１０には吐出する液体が充填されており、電極部Ａの端部に取り付けられた発振回路５０によって、可動電極１１と電極部Ａ（固定電極２１）との間に電圧を印加すると、図６（ｂ）に示すように可動電極１１が撓み、可動電極１１が固定電極２１に当接する。このため、吐出室１０内の容量が拡大され、液体がリザーバ１２からオリフィス３１を通り、拡大した吐出室１０に流れ込む。
【００３０】
電圧印加を解除すると、可動電極１１が固定電極２１から離脱し、図６（ａ）に示すように、吐出室１０が元の形状に戻る。そして、拡大した吐出室１０に充填されていた液体は、ノズル孔３０方向とリザーバ１２方向に押し出される。ノズル孔３０方向に押し出された液体は、ノズル孔３０から吐出される。
そして、電極部Ａに取り付けられた発振回路５０によってパルス電圧を連続的に入力することで、可動電極１１の拡大と復元が繰り返され、液体が連続吐出される。
【００３１】
このとき、静電アクチュエーターの駆動によって、電圧を解除した後にも可動電極１１と固定電極２１とが帯電したままになる。この残留電荷を、帯電除去用可動電極１１ａと帯電除去用固定電極２３とを接触させて解除する。
すなわち、帯電除去用固定電極２３に取り付けられた発振回路５０によって、帯電除去用可動電極１１ａと帯電除去用固定電極２３との間に電圧を印加すると、帯電除去用可動電極１１ａが撓み、帯電除去用可動電極１１ａが帯電除去用固定電極２３に当接する。可動電極１１と帯電除去用可動電極１１ａとの間には絶縁膜１４とＤＬＣ膜１５とが共通して成膜されているため、残留電荷は可動電極１１と帯電除去用可動電極１１ａとに一様に分布する。このため、帯電除去用可動電極１１ａが帯電除去用固定電極２３に当接すると、可動電極１１に帯電した残留電荷は、帯電除去用可動電極１１ａを介して、帯電除去用固定電極２３に流れる。
【００３２】
従来は、静電アクチュエーターを駆動すると、電圧を解除した後にも可動電極と固定電極が帯電したままになり貼り付きが発生しやすくなる場合があったが、本実施の形態１によれば、可動電極１１と固定電極２１とは別に、帯電除去用可動電極１１ａと帯電除去用固定電極２３とを設けてこれらを接触させるようにしたので、静電アクチュエーターの帯電を解除することができる。より詳しくは、可動電極１１と帯電除去用可動電極１１ａの上に絶縁膜１４が連続して形成され、その上にＤＬＣ膜１５が連続して形成されているので、可動電極１１側の残留電荷は、帯電除去用可動電極１１ａ上のＤＬＣ膜１５と、帯電除去用固定電極２３とを直接接触させることで、ＤＬＣ膜１５の残留電荷が帯電除去用固定電極２３側に流れて除電することができる。
【００３３】
また、従来は、長期にわたり静電アクチュエーターを駆動すると、ＤＬＣ膜の内部応力が高いためＤＬＣ膜の膜剥れが生じて異物発生の原因となり、耐久性を低下させる原因となっていたが、本実施の形態１では、ＤＬＣ膜と密着性の良い中間膜２４を成膜したので、ＤＬＣ膜の膜剥れが生じず、異物の発生を防ぐことができ、長期耐久性を確保することができる。
【００３４】
さらに、中間膜２４にポリシリコンのような導電性の材料を使用したので配線抵抗が減少し、可動電極１１と固定電極２１とが駆動によって繰り返し接触することによって生じる固定電極２１側の接触帯電を速やかに解除することができ、このため可動電極１１と固定電極２１との貼り付き不良をなくすことができる。
【００３５】
実施の形態２．
図７は、本発明の実施の形態２に係る液滴吐出装置の斜視図である。
図７に示す液滴吐出装置はインクジェットプリンタであり、実施の形態１に係る液滴吐出ヘッドを搭載したものである。
実施の形態１の液滴吐出ヘッドは、静電アクチュエーター内の帯電を解除して電極間の貼り付けを防止し、また、静電アクチュエーター内に異物が発生しないようにしたので、長期耐久性に優れた液滴吐出装置を得ることができる。
なお、実施の形態１の液滴吐出ヘッドは、図７に示すインクジェットプリンタの他に、液を種々変更することで、液晶ディスプレイのカラーフィルタの製造、有機ＥＬ表示装置の発光部分の形成、生体液体の吐出等にも適用することができる。
【符号の説明】
【００３６】
１  キャビティ基板、２  ガラス電極基板、３  ノズル基板、１０  吐出室、１１  可動電極（液滴吐出用の振動板）、１１ａ  帯電除去用可動電極（帯電除去用の振動板）、１２  リザーバ、１３  除電室、１３ａ  隔壁、１４  絶縁膜、１５  ＤＬＣ膜、２０  溝、２１  固定電極、２３  帯電除去用固定電極、２４  中間膜、２５  ＤＬＣ膜、３０  ノズル孔、３１  オリフィス。
【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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