(57)【要約】【課題】低電圧駆動が可能で大きな振動板戻り力を得ることが困難である。【解決手段】振動板１１は、振動板１１の短辺方向でおいて、相対的に剛性が異なる少なくとも第１、第２、第３の領域１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃを有し、第１の領域１１Ａよりも第２の領域１１Ｂの剛性が低く、第１の領域１１Ａよりも第３の領域１１Ｃの剛性が高い関係にあり、第２の領域１１Ｂ、１１Ｂは振動板１１の短辺方向の固定端側（隔壁部９側）に設けられ、第３の領域１１Ｃは振動板１１の中央部側に設けられ、更に第３の領域１１Ｃの一部には相対的に剛性の低い低剛性領域１１Ｄが設けられている構成となる。【選択図】図８
2008162229.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動板と電極とが対向配置され、前記振動板側と電極との間で静電力を発生させることで前記振動板を変形させる静電型アクチュエータにおいて、
前記振動板は相対的に剛性が異なる少なくとも第１、第２、第３の領域を有し、
これらの各領域は、前記第１の領域よりも第２の領域の剛性が低く、前記第１の領域よりも第３の領域の剛性が高い関係にあり、
前記第２の領域は前記振動板の固定端側に設けられ、前記第３の領域は前記振動板の中央部側に設けられ、更に前記第３の領域の一部には相対的に剛性の低い低剛性領域が設けられている
ことを特徴とする静電型アクチュエータ。
【請求項２】
請求項１に記載の静電型アクチュエータにおいて、前記第２の領域は矩形状振動板の短辺方向の固定端側に、前記第３の領域は中央部に設けられていることを特徴とする静電型アクチュエータ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の静電型アクチュエータにおいて、前記第３の領域には前記電極側に凸となる突起部が形成されていることを特徴とする静電型アクチュエータ。
【請求項４】
請求項３に記載の静電型アクチュエータにおいて、前記第３の領域の中央部に対応して前記低剛性領域が設けられていることを特徴とする静電型アクチュエータ。
【請求項５】
請求項３に記載の静電型アクチュエータにおいて、前記第３の領域の中央部を除く領域部分に対応して前記低剛性領域が設けられていることを特徴とする静電型アクチュエータ。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載の静電型アクチュエータにおいて、前記第２の領域は前記第１の領域よりも振動板厚が相対的に薄いことを特徴とする静電型アクチュエータ。
【請求項７】
請求項１ないし５のいずれかに記載の静電型アクチュエータにおいて、前記第２の領域は振動板内部に中空部が形成されていることを特徴とする静電型アクチュエータ。
【請求項８】
請求項１ないし５のいずれかに記載の静電型アクチュエータにおいて、前記剛性の低い領域は内部応力が他の領域と異なることを特徴とする静電型アクチュエータ。
【請求項９】
請求項８に記載の静電型アクチュエータにおいて、前記内部応力が他の領域と異なる合成の低い領域はイオン注入法により部分的にイオンを注入することで内部応力を異ならせていることを特徴とする静電型アクチュエータ。
【請求項１０】
液滴を吐出するノズルが連通する吐出室の少なくとも一部の壁面を静電型アクチュエータの振動板で形成した液体吐出ヘッドにおいて、前記請求項１ないし９のいずれかに記載の静電型アクチュエータを備えていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項１１】
請求項１０に記載の液体吐出ヘッドにおいて、液体を供給する液体収容手段を一体的に備えていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項１２】
液体吐出ヘッドから液滴を吐出させて画像を形成する画像形成装置において、前記請求項９又は１０に記載の液体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。
【請求項１３】
静電型アクチュエータの振動板を変形させることで液体を輸送するマイクロポンプにおいて、前記請求項１ないし９のいずれかに記載の静電型アクチュエータを備えていることを特徴とするマイクロポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は静電型アクチュエータ、液体吐出ヘッド、画像形成装置及びマイクロポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、プリンタ／ファックス／コピア或いはこれらの機能を複合した画像形成装置としては、例えば、記録液（液体）の液滴を吐出する液体吐出ヘッドで構成した記録ヘッドを含む液体吐出装置を用いて、媒体（以下「用紙」ともいうが材質を限定するものではなく、また、被記録媒体、記録媒体、転写材、記録紙なども同義で使用する。）を搬送しながら、液体としての記録液（以下、インクともいう。）を用紙に付着させて画像形成（記録、印刷、印写、印字も同義語で用いる。）を行なうものがある。
【０００３】
なお、画像形成装置は、紙、糸、繊維、布帛、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックス等の媒体に液体を吐出して画像形成を行う装置を意味し、また、「画像形成」とは、文字や図形等の意味を持つ画像を媒体に対して付与することだけでなく、パターン等の意味を持たない画像を媒体に付与することをも意味する。また、液体吐出装置とは、液体吐出ヘッドから液体を吐出する装置を意味し、画像形成を行うものに限定されるものではない。
【０００４】
液体吐出ヘッドとしては、電気機械変換素子などの圧電型アクチュエータを用いたもの、電気熱変換素子に膜沸騰を利用するサーマル型アクチュエータを用いたもの、振動板と電極間の静電力を利用する静電型アクチュエータを用いたものなどがあり、この中でも静電型アクチュエータを用いたヘッドは、小型化、高速化、高密度化、省電力化において他の方式のヘッドに比べて優位であるという利点を有している。
【０００５】
このような静電型液体吐出ヘッドにおける振動板の構成として、特許文献１には振動板表面に形成されている絶縁膜に膜厚の薄い部分を設ける構成、特許文献２には振動板の一部に他の振動板の部分に比べて剛性の低い低剛性部分を備える構成、特許文献３には振動板の板厚が吐出口に近づくに従って厚く又は薄くなっている構成、特許文献４には２つの液室にそれぞれ振動板を設ける構成、特許文献５には振動板の固定端側の板厚を薄くする構成、特許文献６には振動板の液室側表面又は／及び電極側表面に凹部又は／及び凸部からなる変位制御パターンを設ける構成、特許文献７には振動板の中心近傍の一部の厚さを他部の厚さに比して薄くする構成、特許文献８には振動板の個別電極に対向する側の面に溝が形成されている構成、特許文献９には振動板の対向電極面に突起部を形成している構成がそれぞれ記載されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−１８４９０４号公報
【特許文献２】特許第３３８４２００号公報
【特許文献３】特開平１０−２１１６９７号公報
【特許文献４】特開平５−０５０６０１号公報
【特許文献５】特開２０００−０５２５５１号公報
【特許文献６】特開２００１−０４７６２９号公報
【特許文献７】特開２００１−２８７３５８号公報
【特許文献８】特開２００２−２１０９５３号公報
【特許文献９】特開２００４−２５５７５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上述した静電型アクチュエータを備える静電型液体吐出ヘッドにおいては、振動板の戻り力によって液室内の記録液を加圧してノズルから液滴を吐出させる構成であることから、液滴を吐出する力は振動板の戻り力に依存し、振動板の戻り力は振動板の剛性に関係する。そのため、大きな戻り力を得ようとすると、振動板を硬く（高剛性に）する必要があり、振動板の駆動に大きな駆動電圧が必要になる。加えて、振動板の大きな変位を得るためには、振動板と電極との間のギャップを広くする必要があり、広いギャップ間で振動板を変位させる静電力を発生させるためには大きな駆動電圧が必要になる。
【０００８】
そこで、上述したように振動板の剛性を部分的に低減することが行われているが、振動板の剛性を単に部分的に低減しただけでは駆動電圧を低減できるものの振動板の戻り力（滴吐出力）も低下することになる。また、振動板に突起部を設けた場合吐出力向上を図れるものの低電圧化を図ることができなくなる。
【０００９】
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大きな振動板戻り力を得られる静電型アクチュエータ、この静電型アクチュエータを備える液体吐出ヘッド、この液体吐出ヘッドを備える画像形成装置、この静電型アクチュエータを備えるマイクロポンプ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】
上記の課題を解決するため、本発明に係る静電型アクチュエータは、振動板は相対的に剛性が異なる少なくとも第１、第２、第３の領域を有し、これらの各領域は、第１の領域よりも第２の領域の剛性が低く、第１の領域よりも第３の領域の剛性が高い関係にあり、第２の領域は振動板の固定端側に設けられ、第３の領域は振動板の中央部側に設けられ、更に第３の領域の一部には相対的に剛性の低い低剛性領域が設けられている構成としたものである。
【００１１】
ここで、第２の領域は矩形状振動板の短辺方向の固定端側に、第３の領域は中央部に設けられている構成とすることが好ましい。また、第３の領域には電極側に凸となる突起部が形成されている構成とすることが好ましく、この場合、第３の領域の中央部に対応して低剛性領域が設けられている構成とすることができ、あるいは、第３の領域の中央部を除く領域部分に対応して低剛性領域が設けられている構成とすることができる。
【００１２】
また、第２の領域は第１の領域よりも振動板厚が相対的に薄い構成とすることができる。また、第２の領域は振動板内部に中空部が形成されている構成とすることができる。また、剛性の低い領域は内部応力が他の領域と異なる構成とすることができ、この場合、内部応力が他の領域と異なる合成の低い領域はイオン注入法により部分的にイオンを注入することで内部応力を異ならせている構成とすることができる。
【００１３】
本発明に係る液体吐出ヘッドは、本発明に係る静電型アクチュエータを備えているものである。ここで、液体を供給する液体収容手段を一体的に備えている構成とできる。
【００１４】
本発明に係る画像形成装置は、本発明に係る液体吐出ヘッドを備えているものである。
【００１５】
本発明に係る静電型アクチュエータは、本発明に係る静電型アクチュエータを備えているものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る静電型アクチュエータによれば、振動板は相対的に剛性が異なる少なくとも第１、第２、第３の領域を有し、これらの各領域は、第１の領域よりも第２の領域の剛性が低く、第１の領域よりも第３の領域の剛性が高い関係にあり、第２の領域は振動板の固定端側に設けられ、第３の領域は振動板の中央部側に設けられ、更に第３の領域の一部には相対的に剛性の低い低剛性領域が設けられている構成としたので、振動板が電極側に当接するまでは剛性が低く（撓み易く）大きな排除体積が得られ、当接後は剛性が高くなって（撓み難くなって）大きな戻り力が得られ、低電圧駆動が可能で大きな排除堆積、振動板戻り力を得られアクチュエータを得ることができる。
【００１７】
本発明に係る液体吐出ヘッドによれば、本発明に係る静電型アクチュエータを備えているので、低電圧駆動が可能で大きな排除堆積、振動板戻り力が得られ、液滴の吐出効率が向上する。本発明に係る画像形成装置によれば、本発明に係る液体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させて画像を形成することができる。本発明に係る静電型アクチュエータによれば、本発明に係る静電型アクチュエータを備えているので、大きな輸送力で液体を輸送することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。まず、本発明に係る液体吐出ヘッドの一実施形態について図１ないし図３を参照して説明する。なお、図１は同液体吐出ヘッドの分解斜視説明図、図２は図１のＸ−Ｘ線に沿う断面説明図、図３は図１のＸ−Ｘ線に沿う断面説明図である。
【００１９】
この液体吐出ヘッドは、基板の面部に設けたノズルから液滴を吐出させるサイドシュータタイプのものであり、第１の基板であるアクチュエータ基板１と第２の基板である流路基板２と第３の基板であるノズル基板３を順次積層して構成し、これら３枚の基板１、２、３を接合することで、液滴を吐出するノズル４がノズル連通路５を介して連通する液室（吐出室）６、液室６に液体（インク）を供給するための流体抵抗部７及び共通液室８を形成している。各液室６は液室間隔壁９で仕切られている。
【００２０】
アクチュエータ基板１は、液室６の一部の壁面を形成する振動板１１を形成する振動板部材１２と、この振動板部材１２の振動板１１に、犠牲層エッチングによって形成した空隙（ギャップ）１３を介して対向する個別電極（対向電極）１４を備え、これらの振動板１１と個別電極１４によって各液室６に対応する本発明に係る静電型アクチュエータを構成する。
【００２１】
アクチュエータ基板１の上に接合する流路基板２は、例えば、結晶面方位（１１０）のシリコン基板に、液室（吐出室）６と、各々の液室６に流体抵抗部７を介して連通する共通液室８などを溝部（凹部）として形成している。
【００２２】
流路基板２の上に接合するノズル基板３は、例えば、厚さ５０μｍのニッケルを用い、ノズル４はドライ又はウェットエッチングやレーザー加工など周知の方法で形成することができる。
【００２３】
このように構成した液滴吐出ヘッドにおいては、各液室６内に記録液（インク）が満たされた状態で、図示しない制御部からの画像データに基づいて、記録液の吐出を行いたいノズル４に対応する個別電極１４に対して、駆動回路により所定のパルス電圧を印加する。この電圧を印加することにより個別電極１４の表面にプラス電荷が帯電し、個別電極１４と、振動板電極を含む振動板１１との間に静電力による吸引作用が働いて、振動板１１が下方へ撓む。これにより、液室６の容積が広げられることから、その容積分の記録液が共通液室８より流体抵抗部７を介して液室６へ流入する。
【００２４】
その後、個別電極１４へのパルス電圧を０Ｖにする（印加を止める）ことにより、静電力により下方へ撓んだ振動板１１は自身の剛性により元の位置に戻る。これにより、液室６内の圧力が急激に上昇して、液室６に連通するノズル４より記録液の液滴が吐出される。そして、この動作を繰り返してノズル４から記録液を連続的に吐出することにより、液滴吐出ヘッドに対向して配置した被記録媒体（用紙）に画像を形成する。
【００２５】
ここで、静電型アクチュエータにおいて、個別電極１４と振動板１１との間に作用する静電力Ｆｅは、次に示す（１）式で与えられる。また、矩形状振動板１１の復元力Ｆｋは、次に示す（２）式で与えられる。
【００２６】
Ｆ：電極間に働く静電力、ε：誘電率、Ｓ：電極の対抗する面の面積、ｄ：電極間距離、Ｖ：印加電圧である。
【００２７】
【数１】
2008162229.tif 000003
なお、Ｆｅ：電極間に働く静電力、ε：誘電率、Ｓ：電極の対抗する面の面積、ｄ：電極間距離、Ｖ：印加電圧である。
【００２８】
【数２】
2008162229.tif 000004
なお、Ｆｋ：振動板の復元力（戻り力）、ε：誘電率、Ｅ：ヤング率、ｈ：板厚、ν：ポアッソン比、ａ：幅、δ：変位量である。
【００２９】
次に、この液体吐出ヘッドの製造工程に基づいてアクチュエータ基板１の各部に詳細について図４及び図５を参照して説明する。
先ず、図４（ａ）に示すように、結晶面方位（１００）のシリコン基板２１の表面に絶縁膜となる熱酸化膜２２をウェット酸化法により膜厚１．０μｍで形成し、熱酸化膜２２上に個別電極１４となるＰドープポリシリコン膜２３を膜厚０．４μｍで成膜し、リソエッチ法により個別電極分離溝２５を形成した後、絶縁膜２６としてＨＴＯ膜を膜厚０．２５μｍで成膜する。なお、個別電極分離溝２４の幅は絶縁膜２６成膜後に埋め込まれ表面が平坦となる様な溝幅とする。
【００３０】
次に、図４（ｂ）に示すように、犠牲層２７としてポリシリコン膜を膜厚０．５μｍで成膜した後、犠牲層２７の表面側に振動板１１の突起部１５を形成するための溝２８をリソエッチ法により形成する。この溝２８の深さは突起部１５の高さとなるので、可能な限り小さく且つ安定して形成できる深さとすることが好ましく、具体的には、０．０３μｍ以上とする。
【００３１】
次いで、図４（ｃ）に示すように、リソエッチ法により犠牲層分離溝２９を形成し、さらに絶縁膜３１としてＨＴＯ膜を膜厚０．１μｍで成膜する。犠牲層によりギャップ形成を行なう場合、対向電極や振動板面に突起部を別途設ける工法を採ると、犠牲層や振動板面をＣＭＰ法により研磨することが必要になり、工法が複雑、且つプロセスコストが上昇することになるのに対し、本製造工程における工法を採ることで簡便且つ低コストに突起部を設けることができる。また、犠牲層にアモルファスシリコンを用いることで表面粗さ（ラフネス）が改善し電極間の耐圧をさらに向上させることができる。
【００３２】
ここで、犠牲層分離溝２９の幅は絶縁膜３１及び後で成膜する共通電極３２、酸化膜３３で埋め込まれる溝幅にする。絶縁膜や共通電極の膜厚によるが、２．０μｍ以下の溝幅とすることが好ましい。具体的には、０．５μｍ程度の溝幅としている。また、分離溝２５、２９を狭くすると、異物やパターン欠陥に起因するパターニング不良によってショートする可能性があることから、個別電極分離溝２５、犠牲層分離溝２９はいずれも複数の分離溝により分離しておくことが好ましい。
【００３３】
次いで、図４（ｄ）に示すように、絶縁膜３１上に共通電極３２となるＰドープポリシリコン膜を膜厚0.2μｍで成膜しリソエッチ法により不要な部分を除去する。更に、振動板保護膜となる酸化膜３３を膜厚０．３μｍで、その上にシリコン窒化膜３４を膜厚０．３μｍ厚で成膜する。その後、振動板剛性を低下させる領域３４ａのみリソエッチ法によりシリコン窒化膜３４の膜厚を減ずる。
【００３４】
シリコン窒化膜３４の内部応力は大きな引張り応力で且つこの例の振動板構成では使用する材料中最もヤング率が大きいので、このシリコン窒化膜３４の膜厚を減ずる（部分的に薄くする）ことで容易に振動板剛性を調整することができる。具体的には、０．１〜０．２μｍ程度エッチングにより膜厚を減ずるのが適当である。
【００３５】
また、振動板１１の剛性を部分的に低くする別の方法として、当該部分を中空構造とすることでも同様の効果を得ることできる。例えば、図６及び図７に示すように、中空部分として、共通電極３２となるポリシリコンを部分的に除去できるよう、除去孔４０を形成し、犠牲層を除去するときに同時に共通電極３２を除去して中空部４２を形成する。
【００３６】
また、振動板１１の剛性を部分的に低くする別の方法として、シリコン窒化膜３４に部分的にリソ及び注入法によりボロンやアルゴン等を注入することでその内部応力を低下させることができる。強い引っ張り応力をほぼゼロ近くまで低下させることができ、これにより撓みやすい振動板とすることができる。
【００３７】
図５に戻って、図５（ａ）に示すように、リソエッチ法により犠牲層除去孔４１を後に隔壁となる領域に形成するために、犠牲層除去孔４１よりオーバーサイズしたパターンをリソエッチ法により形成し、シリコン窒化膜３４、酸化膜３３、共通電極３２（ポリシリコン）の順にエッチングを行なう。その後、酸化を行ない除去孔４１の側面に露出したポリシリコン（共通電極３２）表面に酸化膜３６を形成する。
【００３８】
さらに、図５（ｂ）に示すように、リソエッチ法により除去孔４１のパターニングを行ない酸化膜３１をエッチング除去し、ＳＦ６を用いた等方性のドライエッチングにより犠牲層２７を除去する。ここで、犠牲層２７（ポリシリコン）の周りを酸化膜３１で囲んだ構造としているため、酸化膜３１に対して選択性の高い犠牲層エッチング条件で犠牲層２７を除去でき、ギャップ１３を精度よく形成することができる。また、分離溝２９で分離されたギャップ１３間の犠牲層２７をギャップスペーサーとして残存させることで基板表面を略平坦に作り込むことができる。また、犠牲層２７（ポリシリコン）の除去は、ＴＭＡＨ、ＫＯＨなどのアルカリエッチング液を用いたウェットエッチングでも良いし、ＸｅＦ２ガスを用いた常圧ドライエッチングで行うこともできる。
【００３９】
次いで、基板表面（多層膜振動板部材２の表面）にはインク（記録液）に対する保護膜として、スピンコート法によりポリイミド膜３５を膜厚１.０μｍに塗布してベークする。このとき、基板表面の濡れ性や塗布材料の粘度をコントロールすることにより犠牲層除去孔４１内に塗布材料は入り込まず穴を封止するようにしている。これによりアクチュエータ基板１が完成する。
【００４０】
その後、図５（ｃ）に示すように、液室（吐出室）６、流体抵抗部７、共通液室８を作り込んだ流路基板２を接着剤で貼り合わせる。アクチュエータ基板１表面は略平坦に作成されているため、容易に接着することができる。最後にノズル基板３を流路基板２上に貼り合わせることで静電型液体吐出ヘッドが完成する。
【００４１】
なお、ここでは、犠牲層にポリシリコンを用いているが、犠牲層として他の材料を使用することもできる。犠牲層にシリコン酸化膜を使用する場合は保護膜としてポリシリコンを用いる。犠牲層酸化膜をウエットエッチ法、ＨＦベーパー法、ケミカルドライエッチング法などにより除去後、保護膜としてポリシリコン表面を酸化することで絶縁層を形成する。また、犠牲層にレジストを用いて剥離液で除去する方法や犠牲層に高分子材料を用いて有機系剥離液で除去する方法、犠牲層にアルミを用いてＫＯＨなどの薬液で除去する方法、犠牲層にＴｉＮ用いてＮＨ３ＯＨとＨ２Ｏ２混合液などの薬液で除去する方法等色々な組み合わせで同様のプロセスを組み立てることができる。また、基板表面のインクに対する保護膜は、基板表面が略平坦に作られているため、スピンコート法でも十分に均一に成膜することができるが、他に真空蒸着法によるポリイミドやポリパラキシリレンのような樹脂膜を形成するようにしてもよい。
【００４２】
また、電極材料にはポリシリコン以外に金属とシリコンの化合物である化合物シリサイドや高融点金属を用いることもできる。また、絶縁膜にＣＶＤ酸化膜、ポリシリコンに低温ポリシリコンを用いれば、アルミのような金属材料やＩＴＯ、ネサ膜（ＳｎＯ２)等を個別電極にも用いることができる。
【００４３】
また、アクチュエータ基板１の表面が略平坦であるのでスピンコート法により塗布された感光性ポリイミドやドライフィルムレジストで液室（吐出室）６を形成することもできる。
【００４４】
次に、上述した液体吐出ヘッドの静電型アクチュエータにおける振動板構成の詳細について図８を参照して説明する。なお、図８は振動板部分の拡大説明図である。
振動板１１は、前述したようなプロセスで作製していることにより、振動板１１の短辺方向でおいて、相対的に剛性が異なる少なくとも第１、第２、第３の領域１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃを有し、第１の領域１１Ａよりも第２の領域１１Ｂの剛性が低く、第１の領域１１Ａよりも第３の領域１１Ｃの剛性が高い関係にあり、第２の領域１１Ｂ、１１Ｂは振動板１１の短辺方向の固定端側（隔壁部９側）に設けられ、第３の領域１１Ｃは振動板１１の中央部側に設けられ、更に第３の領域１１Ｃの一部には相対的に剛性の低い低剛性領域１１Ｄが設けられている構成となる。
【００４５】
つまり、第２の領域１１Ｂはシリコン窒化膜３４に凹部３４ａを形成することでシリコン窒化膜３４の厚みを第１の領域１１Ａに比べて薄くすることで相対的に（厚みを減じない領域に比べて）剛性を低くしている。第３の領域１１Ｃは突起部１５を形成することで相対的に剛性を高くしている。そして、第３の領域１１Ｃの一部である低剛性領域１１Ｄはシリコン窒化膜３４に凹部３４ａを形成してシリコン窒化膜３４の厚みを薄くすることで、残部に比べて相対的に剛性を低くしている。
【００４６】
このように構成した振動板１１の作用効果について説明する。静電型アクチュエータにおける振動板の持つ機能は、（ア）液室の一部を構成する振動板が変位することにより液室体積を変化（増加）させること、（イ）振動板の急激な戻り力による液室内の圧力上昇をさせる（ことにより液滴を吐出させる）ことであり、この両者を実現することが重要である。
【００４７】
そのため、振動板１１の動作（変位）を突起部１５が対向電極１４に接触（当接）するまでを排除体積確保動作、当接後の更なる変位を戻り力蓄積動作とすると、当接までは撓み易く（低剛性）、当接後は撓み難い（高剛性）の振動板構成とすることが求められる。ここで、有限要素法（ＦＥＭ）に基づいて矩形状振動板が撓んだときの応力分布を測定すると、振動板（梁）が撓んだときに最も応力が集中するのは固定端と中央部である。
【００４８】
そこで、振動板１１の固定端側に低い剛性領域である第２の領域１１Ｂ、１１Ｂを配置することによって、応力が集中する固定端部分の剛性が低下し、図９（ａ）に示す初期状態から同図（ｂ）に示すように、広いギャップ（振動板と電極間ギャップ）であっても低電圧で振動板を撓ませることができるようになり、排除体積を十分に確保することができる。
【００４９】
そして、振動板１１の突起部１５が対向電極１４側に当接した後は、振動板１１の中央部が固定端となり、変位しうる振動板幅が元の半分以下となり、振動板の剛性が一気に硬くなるが、ギャップ１３も小さくなるため、低い電圧で大きな静電力を得て、図９（ｃ）に示すように、振動板１１を更に撓ませることができ、当接後の更なる変位を戻り力として蓄積することができ、大きな振動板戻り力を得ることができる。なお、振動板１１に設けた突起部１５に対応する対向電極１４部分を分離しておくことで、両電極（振動板１１、電極１４）表面の酸化膜（絶縁膜）内への電荷のトラップも発生せず、且つ狭いギャップにより低電圧で高剛性振動板を撓ませることができ、大きな戻り力を得ることができる。
【００５０】
この場合、振動板１１の中央部に突起部１５を設けることによって応力が集中する部分の剛性が高くなることから、突起部１５によって高剛性となる第３の領域１１Ｃの一部に低剛性領域１１Ｄを設けることによって振動板１１全体の剛性の増加を抑えている。これにより、応力が集中する中央部の剛性の増加を抑え、広いギャップであって低電圧で振動板を撓ませることができる状態を維持し、排除体積を十分に確保することができるようにしている。
【００５１】
ここで、第３の領域１１Ｃに設ける低剛性領域１１Ｄの配置位置の第１例について図１０及び図１１を参照して説明する。なお、図１０は要部平面説明図、図１１は図１０のＢ−Ｂ線に沿う断面説明図である。
この第１例では、図１０に示すように、振動板１１の第３の領域１１Ｃとなる突起部１５は、振動板長辺方向においては所要の間隔で複数個並べて設けている。そして、第３の領域１１Ｃの振動板短辺方向における中央部に対応して第３の領域１１Ｃ（突起部１５）よりも幅の狭い低剛性領域１１Ｄを振動板長辺方向に沿って設けている。
【００５２】
このように振動板中央部の突起部１５の幅よりも狭い領域の剛性を低下させることによって、突起部１５間の剛性を低下させることなく、振動板１１全体の剛性を低下させることができ、ギャップ１３を広げても低電圧で駆動することができる。
【００５３】
次に、第３の領域１１Ｃに設ける低剛性領域１１Ｄの配置位置の第２例について図１２及び図１３を参照して説明する。なお、図１２は要部平面説明図、図１３は図１０のＢ−Ｂ線に沿う断面説明図である。
この第２例では、図１２に示すように、振動板１１の第３の領域１１Ｃとなる突起部１５は、振動板長辺方向においては所要の間隔で複数個並べて設けている。そして、第３の領域１１Ｃの振動板短辺方向における中央部を除く部分に対応して第３の領域１１Ｃ（突起部１５）よりも幅の狭い低剛性領域１１Ｄ、１１Ｄを振動板長辺方向に沿って設けている。
【００５４】
このように振動板中央部の突起部１５の中央部分を除く両側の剛性を低下させることによって、突起部１５間の剛性を低下させることなく、振動板１１全体の剛性を低下させることができ、ギャップ１３を広げても低電圧で駆動することができるとともに、突起部１５、１５間の剛性を高く保つことができて、突起部１５、１５間の間隔を広げ、突起部の数を少なくできる。突起部の数を少なくすることで、電極面積を広くできるため、低電圧化、排除体積の増加を図れる。
【００５５】
なお、上記実施形態においては、振動板の剛性を低下させた部分について矩形状振動板における短辺方向の部分で説明しているが、振動板の形状がひし形や楕円などの特殊な形状の場合でも、振動板の剛性を支配する対辺まで最も距離の短い部分で同様の低い剛性の領域を形成することで、同様の効果を得ることができる。
【００５６】
このように、この液体吐出ヘッドによれば、本発明に係る静電型アクチュエータを備えているので、低電圧駆動が可能で大きな排除堆積、振動板戻り力が得られ、液滴の吐出効率が向上する
【００５７】
次に、本発明に係る液体吐出ヘッドの他の実施形態としての液体カートリッジ一体型液体吐出ヘッドについて図１４を参照して説明する。
この液体カートリッジ一体型ヘッド８０は、ノズル８１等を有する本発明に係るヘッド部８２と、このヘッド部８２に対して記録液（インク）を供給するインクタンク（液体タンク）８３とを一体化したものである。これにより、低電圧駆動が可能で大きな排除堆積、振動板戻り力が得られ、液滴の吐出効率が向上した液体カートリッジ一体型液体吐出ヘッドを得ることができる。
【００５８】
次に、本発明に係る液体吐出ヘッドを搭載した本発明に係る画像形成装置の一例について図１５及び図１６を参照して説明する。なお、図１５は同画像形成装置の全体構成を説明する側面説明図、図１６は同装置の要部平面説明図である。
【００５９】
この画像形成装置は、図示しない左右の側板に横架したガイド部材であるガイドロッド１０１とガイドレール１０２とでキャリッジ１０３を主走査方向に摺動自在に保持し、主走査モータ１０４で駆動プーリ１０６Ａと従動プーリ１０６Ｂ間に架け渡したタイミングベルト１０５を介して矢示方向（主走査方向）に移動走査する。
【００６０】
このキャリッジ１０３には、例えば、ブラック（Ｋ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）の各色の記録液の液滴（インク滴）を吐出する独立した４個の本発明に係る液体吐出ヘッド１０７ｋ、１０７ｃ、１０７ｍ、１０７ｙで構成した記録ヘッド１０７を主走査方向に沿う方向に配置し、液滴吐出方向を下方に向けて装着している。なお、ここでは独立した液体吐出ヘッドを用いているが、各色の記録液の液滴を吐出する複数のノズル列を有する１又は複数のヘッドを用いる構成とすることもできる。また、色の数及び配列順序はこれに限るものではない。
【００６１】
キャリッジ１０３には、記録ヘッド１０７に各色のインクを供給するための各色のサブタンク１０８を搭載している。このサブタンク１０８にはインク供給チューブ１０９を介して図示しないメインタンク（インクカートリッジ）からインクが補充供給される。
【００６２】
一方、給紙カセット１１０などの用紙積載部（圧板）１１１上に積載した被記録媒体（用紙）１１２を給紙するための給紙部として、用紙積載部１１１から用紙１１２を１枚ずつ分離給送する半月コロ（給紙ローラ）１１３及び給紙ローラ１１３に対向し、摩擦係数の大きな材質からなる分離パッド１１４を備え、この分離パッド１１４は給紙ローラ１１３側に付勢されている。
【００６３】
そして、この給紙部から給紙された用紙１１２を記録ヘッド１０７の下方側で搬送するための搬送部として、用紙１１２を静電吸着して搬送するための搬送ベルト１２１と、給紙部からガイド１１５を介して送られる用紙１１２を搬送ベルト１２１との間で挟んで搬送するためのカウンタローラ１２２と、略鉛直上方に送られる用紙１１２を略９０°方向転換させて搬送ベルト１２１上に倣わせるための搬送ガイド１２３と、押さえ部材１２４で搬送ベルト１２１側に付勢された先端加圧コロ１２５とを備えている。また、搬送ベルト１２１表面を帯電させるための帯電手段である帯電ローラ１２６を備えている。
【００６４】
ここで、搬送ベルト１２１は、無端状ベルトであり、搬送ローラ１２７とテンションローラ１２８との間に掛け渡されて、副走査モータ１３１からタイミングベルト１３２及びタイミングローラ１３３を介して搬送ローラ１２７が回転されることで、ベルト搬送方向（副走査方向）に周回するように構成している。なお、搬送ベルト１２１の裏面側には記録ヘッド１０７による画像形成領域に対応してガイド部材１２９を配置している。
【００６５】
また、搬送ローラ１２７の軸には、スリット円板１３４を取り付け、このスリット円板１３４のスリットを検知するセンサ１３５を設けて、これらのスリット円板１３４及びセンサ１３５によってエンコーダ１３６を構成している。
【００６６】
帯電ローラ１２６は、搬送ベルト１２１の表層に接触し、搬送ベルト１２１の回動に従動して回転するように配置され、加圧力として軸の両端に各２．５Ｎをかけている。
【００６７】
また、キャリッジ１０３の前方側には、スリットを形成したエンコーダスケール１４２を設け、キャリッジ１０３の前面側にはエンコーダスケール１４２のスリットを検出する透過型フォトセンサからなるエンコーダセンサ１４３を設け、これらによって、キャリッジ１０３の主走査方向位置を検知するためのエンコーダ１４４を構成している。
【００６８】
さらに、記録ヘッド１０７で記録された用紙１１２を排紙するための排紙部として、搬送ベルト１２１から用紙１１２を分離するための分離部と、排紙ローラ１５２及び排紙コロ１５３と、排紙される用紙１１２をストックする排紙トレイ１５４とを備えている。
【００６９】
また、背部には両面給紙ユニット１５５が着脱自在に装着されている。この両面給紙ユニット１５５は搬送ベルト１２１の逆方向回転で戻される用紙１１２を取り込んで反転させて再度カウンタローラ１２２と搬送ベルト１２１との間に給紙する。
【００７０】
さらに、キャリッジ１０３の走査方向の一方側の非印字領域には、記録ヘッド１０７のノズルの状態を維持し、回復するための維持回復機構１５６を配置している。この維持回復機構１５６は、記録ヘッド１０７の各ノズル面をキャピングするための各キャップ１５７と、ノズル面をワイピングするためのブレード部材であるワイパーブレード１５８と、増粘した記録液を排出するために記録に寄与しない液滴を吐出させる空吐出を行なうときの液滴を受ける空吐出受け１５９などを備えている。
【００７１】
このように構成した画像形成装置においては、給紙部から用紙１１２が１枚ずつ分離給紙され、略鉛直上方に給紙された用紙１１２はガイド１１５で案内され、搬送ベルト１２１とカウンタローラ１２２との間に挟まれて搬送され、更に先端を搬送ガイド１２３で案内されて先端加圧コロ１２５で搬送ベルト１２１に押し付けられ、略９０°搬送方向を転換される。
【００７２】
このとき、図示しない制御回路によってＡＣバイアス供給部（高圧電源）から帯電ローラ１２６に対してプラス出力とマイナス出力とが交互に繰り返すように、つまり交番する電圧が印加され、搬送ベルト１２１が交番する帯電電圧パターン、すなわち、周回方向である副走査方向に、プラスとマイナスが所定の幅で帯状に交互に帯電されたものとなる。このプラス、マイナス交互に帯電した搬送ベルト１２１上に用紙１１２が給送されると、用紙１１２が搬送ベルト１２１に静電力で吸着され、搬送ベルト１２１の周回移動によって用紙１１２が副走査方向に搬送される。
【００７３】
そこで、キャリッジ１０３を往路及び復路方向に移動させながら画像信号に応じて記録ヘッド１０７を駆動することにより、停止している用紙１１２にインク滴を吐出して１行分を記録し、用紙１１２を所定量搬送後、次の行の記録を行う。記録終了信号又は用紙１１２の後端が記録領域に到達した信号を受けることにより、記録動作を終了して、用紙１１２を排紙トレイ１５４に排紙する。
【００７４】
また、両面印刷の場合には、表面（最初に印刷する面）の記録が終了したときに、搬送ベルト１２１を逆回転させることで、記録済みの用紙１１２を両面給紙ユニット１５５内に送り込み、用紙１１２を反転させて（裏面が印刷面となる状態にして）再度カウンタローラ１２２と搬送ベルト１２１との間に給紙し、タイミング制御を行って、前述したと同様に搬送ベル１２１上に搬送して裏面に記録を行った後、排紙トレイ１５４に排紙する
【００７５】
また、印字（記録）待機中にはキャリッジ１０３は維持回復機構１５５側に移動されて、キャップ１５７で記録ヘッド１０７のノズル面がキャッピングされて、ノズル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、キャップ１５７で記録ヘッド１０７をキャッピングした状態でノズルから記録液を吸引し（「ノズル吸引」又は「ヘッド吸引」という。）し、増粘した記録液や気泡を排出する回復動作を行い、この回復動作によって記録ヘッド１０７のノズル面に付着したインクを清掃除去するためにワイパーブレード１５８でワイピングを行なう。また、記録開始前、記録途中などに記録と関係しないインクを吐出する空吐出動作を行う。これによって、記録ヘッド１０７の安定した吐出性能を維持する。
【００７６】
このように、この画像形成装置によれば、本発明に係る液体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させて画像を形成することができる。
【００７７】
次に、本発明に係る静電型アクチュエータを備えたマイクロデバイスとしてのマイクロポンプについて図１７を参照して説明する。なお、同図は同マイクロポンプの要部断面説明図である。
このマイクロポンプは、本発明に係る静電型アクチュエータで構成したアクチュエータ基板２０１と、流路基板２０２とを有し、流路基板２０２には流体が流れる流路２０３を形成している。アクチュエータ基板２０１は、流路２０３の壁面を形成する振動板部材２１２と、この振動板部材２１２の変形可能領域（振動板）２１２Ａに犠牲層エッチングで形成した空隙（ギャップ）２１３を介して対向する個別電極２１４とを備えている。
【００７８】
このアクチュエータ基板２０１の構成も前記実施形態と同様であり、シリコン基板２２１上に絶縁膜２２２を形成し、この絶縁膜２２２上に個別電極２１４を形成して絶縁膜２２５で被覆し、この絶縁膜２２５上に犠牲層２２７を形成し、更に振動板２１２のうちの一部の膜を形成した後犠牲層エッチングを行なって空隙２１３を形成したものである。
【００７９】
このマイクロポンプの動作原理を説明すると、前述した液体吐出ヘッドの場合と同様に、個別電極２１４に対して選択的にパルス電位を与えることによって振動板２１２Ａとの間で静電力による吸引作用が生じるので、振動板２１２Ａが電極２１４側に変形する。ここで、振動板２１２Ａを図中右側から順次駆動することによって流路２０３内の流体は、矢印方向へ流れが生じ、流体の輸送が可能となる。
【００８０】
このように、本発明に係る静電型アクチュエータを備えることで、安定した液体輸送が可能な小型で低消費電力のマイクロポンプを得られる。なお、輸送効率を上げるために、変形可能領域間に１又は複数の弁、例えば逆止弁などを設けることもできる。
【００８１】
なお、上記実施形態では本発明をプリンタ構成の画像形成装置に適用した例で説明したが、これに限るものではなく、例えば、プリンタ／ファックス／コピア複合機などの画像形成装置に適用することができる。また、インク以外の液体である記録液や定着処理液などを用いる画像形成装置にも適用することができる。また、本発明に係る静電型アクチュエータは液体吐出ヘッド、マイクロポンプ以外にも例えば光マイクロデバイスなどにも使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】本発明に係る静電型アクチュエータを備える本発明に係る液体吐出ヘッドの一例を示す分解斜視説明図である。
【図２】図１のＸ−Ｘ線に沿う断面説明図である。
【図３】図１のＹ−Ｙ線に沿う断面説明図である。
【図４】同液体吐出ヘッドの各部を製造工程とともに説明する断面説明図である。
【図５】図４に続く工程の断面説明図である。
【図６】低い剛性部分を中空部とする例の説明に供する平面説明図である。
【図７】図６のＡ−Ａ線に沿う断面説明図である。
【図８】同静電型アクチュエータの振動板構成の詳細の説明に供する断面説明図である。
【図９】同静電型アクチュエータの動作説明に供する断面説明図である。
【図１０】同液体吐出ヘッドにおける低剛性領域の配置の第１例を説明する平面説明図である。
【図１１】図１０のＢ−Ｂ線に沿う断面説明図である。
【図１２】同液体吐出ヘッドにおける低剛性領域の配置の第３例を説明する平面説明図である。
【図１３】図１２のＣ−Ｃ線に沿う断面説明図である。
【図１４】本発明に係る液体吐出ヘッドの他の例の説明に供する斜視説明図である。
【図１５】本発明に係る画像形成装置の一例を説明する側面説明図である。
【図１６】同画像形成装置の要部平面説明図である。
【図１７】本発明に係るマイクロポンプの一例を説明する模式的説明図である。
【符号の説明】
【００８３】
１…アクチュエータ基板
２…流路基板
３…ノズル基板
４…ノズル
６…液室
１１…振動板
１１Ａ…第１の領域
１１Ｂ…第２の領域
１１Ｃ…第３の領域
１１Ｄ…低剛性領域
１２…振動板部材
１３…空隙（ギャップ）
１４…電極
１５…突起部
１０７ｋ、１０７ｃ、１０７ｍ、１０７ｙ…記録ヘッド（液体吐出ヘッド）
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2008162229.tif 000019
【図１６】
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【図１７】
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