(57)【要約】【課題】より有効的に制御を実現するための静電アクチュエータ、液滴吐出ヘッド等を得る。【解決手段】液体を液滴として吐出するノズル３１を複数有するノズル基板３０と、各ノズル３１に合わせて設けられ、振動して液体を加圧する振動板２２を備える吐出室２１となる複数の凹部を有するキャビティ基板２０と、振動板２２と対向し、静電気力を発生させて振動板２２を振動させるための個別電極１２ａを有する電極基板１０とを少なくとも備え、個別電極１２ａを複数段で構成し、初期状態において、個別電極１２ａの１つの段と振動板２２の一部とが接触している構造とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状の可動電極と、前記可動電極に対向する固定電極との間に静電気力を発生させて駆動させる静電アクチュエータにおいて、
前記可動電極の変位状態に関わらず、常に前記静電気力による前記可動電極の変位制御が可能な電極間距離を少なくとも一部で確保するように、初期状態において前記可動電極と前記固定電極とが接触している面を一部に備えることを特徴とする静電アクチュエータ。
【請求項２】
請求項１記載の静電アクチュエータを有することを特徴とする静電駆動デバイス。
【請求項３】
液体を液滴として吐出するノズルを複数有するノズル基板と、各ノズルに合わせて設けられ、振動して前記液体を加圧する振動板を備える吐出室となる複数の凹部を有するキャビティ基板と、前記振動板に対向する個別電極との間に静電気力を発生させて前記振動板を駆動させる電極基板とを備える液滴吐出ヘッドにおいて、
前記振動板の変位状態に関わらず、常に前記静電気力による前記振動板の変位制御が可能な電極間距離を少なくとも一部で確保するように、初期状態において前記振動板と前記個別電極とが接触している面を一部に備えることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項４】
前記個別電極において、前記振動板の一部と接触している面が、前記ノズルとの距離が最も近い位置に設けられることを特徴とする請求項２記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項５】
前記振動板の一部と接触している面は、前記キャビティ基板のうち、前記振動板と非可動の部位とも接触していることを特徴とする請求項３又は４記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項６】
請求項３〜５のいずれか一項に記載の液滴吐出ヘッドを有することを特徴とする液滴吐出装置。
【請求項７】
前記振動板の加圧により、液滴として前記ノズルから吐出しようとする液体の後端部分を前記ノズルと連通する前記液滴吐出ヘッド内部の流路に引き込ませるため、前記振動板と前記個別電極との間に静電気力を発生させて前記振動板を前記個別電極側に引き寄せる制御を行う駆動制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項６記載の液滴吐出装置。
【請求項８】
前記振動板の残留振動を抑制するため、液滴を吐出させるために液体加圧した後の前記復元力による振動板の変位速度を、前記振動板と前記個別電極との間に静電気力を発生させて減速させる制御を行う駆動制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項６又は７記載の液滴吐出装置。
【請求項９】
前記液滴吐出ヘッド内部の流路内の液体を攪拌するため、前記振動板と前記個別電極との間に静電気力を発生させて、前記ノズルから液滴を吐出させないように前記振動板を振動させる制御を行う駆動制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項６〜８のいずれか一項に記載の液滴吐出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微細加工素子において、加わった力により可動部が変位等し、動作（駆動）等を行う静電アクチュエータ、液滴吐出ヘッド等の静電駆動デバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えばシリコン等を加工して微小な素子等を形成する微細加工技術（ＭＥＭＳ：Micro Electro Mechanical Systems）が急激な進歩を遂げている。微細加工技術により形成される微細加工素子の例としては、例えば液滴吐出方式のプリンタのような記録（印刷）装置で用いられている液滴吐出ヘッド（インクジェットヘッド）、マイクロポンプ、光可変フィルタ、モータのような静電アクチュエータ等がある。
【０００３】
ここで、微細加工素子の一例として静電アクチュエータ（電気−機械エネルギ変換素子）を利用した液滴吐出ヘッドについて説明する。液滴吐出方式の記録（印刷）装置は、家庭用、工業用を問わず、あらゆる分野の印刷に利用されている。液滴吐出方式とは、例えば複数のノズルを有する液滴吐出ヘッドを対象物との間で相対移動させ、対象物の所定の位置に液滴を吐出させて印刷等の記録をするものである。この方式は、液晶（Liquid Crystal）を用いた表示装置を作製する際のカラーフィルタ、有機化合物等の電界発光（ElectroLuminescence ）素子を用いた表示パネル（ＯＬＥＤｓ）、ＤＮＡ、タンパク質等、生体分子のマイクロアレイ等の製造にも利用されている。
【０００４】
液滴吐出ヘッドにおいて、流路の一部に液体を溜めておく複数の吐出室を備え、吐出室の少なくとも一面の壁（ここでは、底部の壁とし、以下、この壁のことを振動板ということにする）を撓ませて（駆動させて）形状変化により吐出室内の圧力を高め、連通する各ノズルから液滴を吐出させる方法がある。可動部位である振動板を変位させる力（エネルギ）として、例えば、振動板を可動電極とし、振動板と一定距離を空けて個別に対向する固定電極（以下、個別電極という）との間に静電気力（ここでは特に静電引力を用いている。以下、静電力という）を発生させる。液滴吐出ヘッドでは、以上のような形で静電アクチュエータを利用している。
【０００５】
静電アクチュエータの駆動については、例えば変位駆動の場合、振動板と個別電極との間に静電力を発生させ、振動板を個別電極に引き寄せる。ここで振動板は吐出室の壁面であるためその周縁の位置は変化しない（固定されたままである）。その後、静電力を弱める又は発生を停止させると、形状変化した吐出室（変位した振動板）が元に戻って平衡な状態になろうとする復元力（弾性力）の方が大きくなるため、振動板が元の位置に変位する。これらを繰り返すことで振動板を駆動させる（例えば特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−２３２７９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ここで、振動板が元の位置に戻ろうとするのを復元力に任せると、振動板はすぐに元の位置に戻るのではなく、元の位置を中心にオーバーシュートを繰り返しながら減衰していき、最終的に元の位置に収束する自由振動を行う。最初に元の位置に戻ろうとする変位以外の振動（以下、残留振動という）は、液滴の吐出には必要がないばかりでなく、次周期の動作、隣接する他のノズルにおける吐出にも悪影響を及ぼすことになる。そのため、液滴吐出のために振動板を駆動（変位）させるだけでなく、その変位により振動板が平衡状態になろうとする間も静電力を発生させて振動板の変位を制御（以下、駆動制御という）し、残留振動を抑えられることが望ましい。また、他にも、液滴の吐出特性を変化させたり、吐出量を変化させたりすることができればよい。
【０００８】
しかしながら、静電力の大きさは振動板と個別電極との距離の２乗に反比例することから、例えば初期状態（振動板の平衡状態）のときの、振動板と個別電極との距離よりも大きくなる方向（個別電極と反対の方向）にオーバーシュートしている（最大で初期状態時の振動板と固定電極との距離の２倍となり得る）状態では静電力は極端に小さくなる。そのため、このような状態から振動板を静電力で個別電極方向に引き戻すといった制御を行うのは困難である。したがって、振動板の駆動制御は、実質的には振動板と固定電極とが初期状態における位置付近か、それよりも近づいた位置の限られた範囲でしか行うことができなかった。また、制御を行う時間が限られるため、その分時間を費やすこととなる。このことは他の静電アクチュエータでも同様である。
【０００９】
以上のことを鑑み、本発明では、より有効的に制御を実現するための静電アクチュエータ、液滴吐出ヘッド等を得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、静電気力により駆動する板状の可動電極と、可動電極の変位制御が可能な電極間距離を常に確保するために、初期状態において、可動電極の一部と接触している面を一部に有する固定電極とを備える。
本発明によれば、初期状態において、固定電極の一部と可動電極の一部とが接触している構造としたので、オーバーシュートにより、初期状態での固定電極と可動電極との距離よりも離れたとしても、少なくとも接触していた部分においては、他の部分において発生する静電気力よりも大きく、駆動制御に有効な静電気力を発生させることができる。そのため、駆動制御が行えない時間をなくすことができ、可動電極の自由な駆動等を素早く抑え、制御時間短縮等を図ることができる。
【００１１】
また、本発明に係る静電駆動デバイスは、上記の静電アクチュエータを有する。
本発明によれば、上記のアクチュエータを有するようにしたので、可動電極の状態にかかわらず、可動電極の駆動制御に有効な静電気力を発生させることができ、可動電極の自由な駆動等を素早く抑え、制御時間短縮等を図ることができる静電デバイスを得ることができる。
【００１２】
また、本発明に係る液滴吐出ヘッドは、液体を液滴として吐出するノズルを複数有するノズル基板と、各ノズルに合わせて設けられ、振動して液体を加圧する振動板を備える吐出室となる複数の凹部を有するキャビティ基板と、振動板に対向する個別電極との間に静電気力を発生させて振動板を駆動させる電極基板とを備える液滴吐出ヘッドにおいて、振動板の変位状態に関わらず、静電気力による振動板の変位制御が可能な電極間距離を常に確保するために、初期状態において振動板と個別電極とが接触している面を一部に備える。
本発明によれば、初期状態において、個別電極の一部と振動板の一部とが接触している構造としたので、オーバーシュートにより、初期状態での個別電極と振動板との距離よりも離れたとしても、少なくとも接触していた部分においては、他の部分において発生する静電気力よりも大きく、駆動制御に有効な静電気力を発生させることができる。そのため、駆動制御が行えない時間をなくすことができ、振動板の自由振動等を素早く抑え、例えば、初期状態の位置に戻す等の制御における時間短縮等を図ることができる。
【００１３】
また、本発明に係る液滴吐出ヘッドにおいては、個別電極において、振動板の一部と接触している面が、ノズルとの距離が最も近い位置に設けられる。
本発明によれば、個別電極の、振動板の一部と接触している面について、ノズルに最も近い部分（効果が期待できれば厳密に最も近い部分でなくてもよい）に設けるようにしたので、ノズル付近の液体に対して力の伝達を素早く行うことができ、ノズルに形成されるメニスカスの制御を有効に行うことができる。
【００１４】
また、本発明に係る液滴吐出ヘッドは、振動板の一部と接触している面は、キャビティ基板のうち、振動板と連続している部位とも接触している。
本発明によれば、個別電極の振動板の一部と接触している面と、キャビティ基板の振動板と連続している部位とが常に接触している構造にしたので、振動板と振動板でない部分の境界においては、個別電極と振動板との距離が限りなく０に近くなり、これにより、振動板に素早く大きな静電力を発生させることができる。
【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を有する。
本発明によれば、上記の液滴吐出ヘッドを有するようにしたので、振動板の状態にかかわらず、振動板の振動制御に有効な静電気力を発生させることができ、振動板の自由振動を素早く抑え、制御時間短縮等を図ることができる液滴吐出装置を得ることができる。
【００１６】
また、本発明に係る液滴吐出装置は、振動板の加圧により、液滴としてノズルから吐出しようとする液体の後端部分をノズルと連通する液滴吐出ヘッド内部の流路に引き込ませるため、振動板と個別電極との間に静電気力を発生させて振動板を個別電極側に引き寄せる制御を行う駆動制御手段をさらに備える。
本発明によれば、液体の後端部分を流路内に引き込ませるように振動板を制御する駆動制御手段を設けるようにしたので、液体の後端部分がカットされ、液滴の吐出量を減らすことができ、これにより吐出量の制御を行うことができる。例えば、画像印刷等の場合には紙面上の各位置の吐出量調整により高画質化を図ることができる。
【００１７】
また、本発明に係る液滴吐出装置は、振動板の残留振動を抑制するため、液滴を吐出させるために液体加圧した後の復元力による振動板の変位速度を、振動板と個別電極との間に静電気力を発生させて減速させる制御を行う駆動制御手段をさらに備える。
本発明によれば、残留振動を抑制するために、液滴吐出後の振動板の変位速度を静電気力を発生させて制御する駆動制御手段を設けるようにしたので、次の吐出動作までの時間（駆動周期）を短くすることができ、高速化等を図ることができる。
【００１８】
また、本発明に係る液滴吐出装置は、流路内の液体を攪拌するため、振動板と個別電極との間に静電気力を発生させて、ノズルから液滴を吐出させないように振動板を振動させる制御を行う駆動制御手段をさらに備える。
本発明によれば、振動板を振動させて液体を攪拌し、液体の増粘防止を行うための制御を行う駆動制御手段を設けるようにしたので、ノズルから液滴吐出が不能になってしまうのを防ぎ、信頼性の高い液滴吐出装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
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を分解して表した図である。図１では液滴吐出ヘッドの一部を示している。本実施の形態では、例えば静電方式で駆動する静電アクチュエータを用いるデバイスの代表として、プリンタ等、液滴吐出装置に用いられるフェイスイジェクト型の液滴吐出ヘッドについて説明する。図１において、液滴吐出ヘッド１は、例えば液滴を吐出して画像を形成する等の目的のために、複数の静電アクチュエータが集約されたデバイスである。なお、構成部材を図示し、見やすくするため、図１を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものと異なる場合がある。また、図の上側を上とし、下側を下として説明する。
【００２０】
図１に示すように本実施の形態に係る液滴吐出ヘッド１は、電極基板１０、キャビティ基板２０及びノズル基板３０の３つの基板が下から順に積層されて構成される。本実施の形態では、電極基板１０とキャビティ基板２０とは陽極接合により接合する。また、キャビティ基板２０とノズル基板３０とはエポキシ樹脂等の接着剤を用いて接合する。
【００２１】
電極基板１０は、厚さ約１ｍｍの例えばホウ珪酸系の耐熱硬質ガラス等の基板を主要な材料としている。本実施形態では、ガラス基板とするが、例えば単結晶シリコンを基板とすることもできる。電極基板１０の表面には、後述するキャビティ基板２０上に設けられた各吐出室２１に合わせて凹部１１が形成されている。ここで、凹部１１は少なくとも２段で形成されているものとする。本実施の形態では、後述する個別電極１２ａが設けられる部分については２段構成とし、さらにリード部１３等が設けられる部分（以下、リード段１１ｃという）を設けるため、全体として３段の構成となる。このため、個別電極１２ａも２段で構成される。ここで、個別電極１２ａが設けられる部分において、例えば浅い方の段（以下、接触段１１ａという）が約０．１μｍ、深い方の段（以下、ギャップ形成段１１ｂという）が約０．３μｍの深さで形成されているものとする。ここで、接触段１１ａとギャップ形成段１１ｂとの位置関係について、本実施の形態においては、ノズル３１近辺の液体に対して、力の伝達を素早く行えるように、ノズル３１に最も近い部分（ノズル３１近辺の液体に対して素早く力が伝達できれば、厳密的に最も近い部分でなくてもよい。）に接触段１１ａを設けるものとする。
【００２２】
そして、凹部１１の内側（特に底部）には、キャビティ基板２０の各吐出室２１（振動板２２）と対向するように、固定電極となる個別電極１２ａが、リード部１２ｂ及び端子部１２ｃと一体となって設けられている（以下、特に区別する必要がない限り、これらを合わせて電極１２として説明する）。この電極１２は、例えばスパッタ法により、ＩＴＯを約０．１μｍの厚さで凹部１１の内側に成膜することで形成される。そのため、前述したギャップ形成段１１ｂの部分においては、振動板２２と個別電極１２ａとの間に静電力の発生により振動板２２が撓む（変位する）ことができる一定のギャップ（空隙）が形成される（特に断らない限り、初期状態における空隙をギャップとして説明する）。一方、接触段１１ａの部分は、初期状態時において、振動板２２の一部と個別電極１２ａの一部とが接触している（空隙が形成されない）ものとする（ただし、貼り付いているわけではなく、例えば振動板２２と個別電極１２ａとの距離が初期状態における距離よりも大きくなる方向に変位するオーバーシュート（以下の説明におけるオーバーシュートは、このような状態のものを指すものとする）すると、振動板２２と個別電極１２ａとが離れる）。また、特に限定するものではないが、キャビティ基板２０の振動板２２以外の一部分と個別電極１２ａとが接触しているようにしてもよい（その部分は振動しないため、個別電極１２ａと常に接触していることになる）。例えば、振動板２２はキャビティ基板２０の一部であることから、振動板２２と振動板２２以外の部分とが連続して形成されている。そのため、振動板２２以外の部分と個別電極１２ａとが常に接触している場合、振動板２２と振動板２２以外の部分との境界部分においては、個別電極１２ａと振動板２２との距離が限りなく０に近くなり、これにより、振動板２２に素早く大きな静電力を発生させることができるようになる。本実施の形態においては常に接触しているものとする。電極基板１０には、他にも外部のタンク（図示せず）から供給された液体を取り入れる流路である液体供給口１３となる貫通穴が設けられている。
【００２３】
キャビティ基板２０は、例えば、表面が（１１０）面方位のシリコン単結晶基板（以下、シリコン基板という）を主要な材料とする基板である。キャビティ基板２０には、吐出させる液体を一時的にためる吐出室２１となる凹部（底壁が可動電極となる振動板２２となっている）及びリザーバ２４となる凹部が形成されている。さらに、キャビティ基板２０の下面（電極基板１０と対向する面）側は後述するようにボロンドープ層が形成される。また、電極１２との間を電気的に絶縁等するため、ＴＥＯＳ膜（ここでは、Tetraethyl orthosilicate Tetraethoxysilane：テトラエチルオルソシリケート（珪酸エチル）を原料ガスとして用いてできる酸化シリコン（ＳｉＯ2 ）膜をいう）による絶縁膜２３を０．１μｍ成膜している。ここでは絶縁膜２３をＴＥＯＳ膜で成膜しているが、例えばＡｌ2Ｏ3（酸化アルミニウム（アルミナ））等を用いてもよい。ここで、特に断らない限り、振動板２２と絶縁膜２３とは一体であるものとして説明する。また、各吐出室２１に液体を供給するリザーバ（共通液室）２４となる凹部が形成されている。さらに、外部の電力供給手段（図示せず）からキャビティ基板２０（振動板２２）に電荷を供給する際の端子となる共通電極端子２７を備えている。
【００２４】
ノズル基板３０についても、例えばシリコン基板を主要な材料とする基板である。ノズル基板３０には、複数のノズル３１が形成されている。各ノズル３１は、振動板２２の変位により加圧された液体を液滴として外部に吐出する。本実施の形態では、吐出した液滴の直進性向上を図るため、ノズル３１の孔を複数段で形成する。また、振動板２２が撓むことでリザーバ２４方向に加わる圧力を緩衝するためのダイヤフラム３２が設けられている。さらに、吐出室２１とリザーバ２４とを連通させるための溝となるオリフィス３３が設けられている。
【００２５】
図２は液滴吐出ヘッド１の断面図である。図２において、吐出室２１は、前述したように、ノズル３１から吐出させる液体をためておく。吐出室２１の底壁である振動板２２を撓ませることにより、吐出室２１内の圧力を高め、ノズル３１から液滴を吐出させる。ここで、異物、水分（水蒸気）等がギャップ等に入り込まないように、ギャップを外気から遮断し、密閉するために電極取り出し口２６に封止材２５が設けられている。
【００２６】
図３は駆動制御回路４０を中心とする構成を表す図である。図３に基づいて、液滴吐出ヘッド１から液滴を吐出させるための制御を行う手段等について説明する。駆動制御回路４０はＣＰＵ４２ａを中心に構成されたヘッド制御部４１を備えている。ヘッド制御部４１のＣＰＵ４２ａには、例えばコンピュータ等の外部装置５０からバス５１を介し、印刷用データ等を含む信号が送信される。
【００２７】
また、ヘッド制御部４１はＲＯＭ４３ａ、ＲＡＭ４３ｂ及びキャラクタジェネレータ４３ｃを有しており、内部バス４２ｂを介してＣＰＵ４２ａと接続されている。ＣＰＵ４２ａは、ＲＯＭ４３ａ内に格納されている制御プログラムに基づいて処理を実行し、印刷用データに対応した吐出制御信号を生成する。その際、ＲＡＭ４３ｂ内の記憶領域を作業領域として用い、また、文字等を印刷する等の場合、キャラクタジェネレータ４３ｃに記憶されたキャラクタデータ等に基づく処理を行う。ＣＰＵ４２ａが生成した吐出制御信号は、内部バス４２ｂを介して論理ゲートアレイ４５に送信される。論理ゲートアレイ４５は、吐出制御信号に基づいて、後述するように、各電極１２に対する電荷供給に関する信号を生成する。また、ＣＯＭ発生回路４６ａからは、後述するようにキャビティ基板２０（振動板２２）に対する電荷供給に関する信号を生成する。駆動パルス発生回路４６ｂは同期のための信号を生成する。これらの信号は、コネクタ４７を経由して、ドライバＩＣ４８に送信される。
【００２８】
そして、ドライバＩＣ４８は、直接又はＦＰＣ（Flexible Print Circuit）、ワイヤ等の配線４９を介して電気的に端子部１２ｃ、共通電極端子２７と接続される。ドライバＩＣ４８の端子数が液滴吐出ヘッド１のノズル３１の数に足りなければ、複数のドライバＩＣ４８で構成されている場合もある。ドライバＩＣ４８は、電源及び電源回路５２（以下、電源回路５２という）から電力の供給を受け（電圧が印加され）、前述した各種信号に基づいて、キャビティ基板２０（各振動板２２）及び各電極１２への電荷供給の開始（充電）、電荷保持及び放電（これらが電荷供給制御となる。以下、これを出力という）を実際に行う手段である。特に限定するものではないが、一般的には、ドライバＩＣ４８からは、出力波形がパルス状となるように出力を繰り返すものとする（現実には立ち上がり時間、立ち下がり時間が０ではない（意図的に行われる場合も含む）ために台形状となる）。
【００２９】
そして、キャビティ基板２０（振動板２２）、各電極１２のそれぞれのパルスの発生タイミングに基づいて、キャビティ基板２０と各電極１２との間に電位差を発生させる（電圧を印加する）。例えば、キャビティ基板２０（振動板２２側）又は電極１２側の一方に正又は負の電荷供給等を行い、他方に電荷の供給等を行わない状態をつくることにより電位差を発生させている。
【００３０】
電圧印加により振動板２２と個別電極１２ａとの間に静電力が発生し、振動板２２は個別電極１２ａ側に引き寄せられて撓む。このため吐出室２１の容積は広がるが、この撓みが大きければ、振動板２２が元に戻ろうとするときの復元力も大きく、特に復元力を制御しなければ、その圧力（以下、復元圧力という）が液体に加わり、ノズル３１から液体を押し出して液滴が吐出される。この液滴が例えば記録対象となる記録紙に着弾することによって印刷等の記録が行われる。
【００３１】
図４は本実施の形態の液滴吐出ヘッド１の静電アクチュエータ部分における振動板２２の変位を示すための図である。本実施の形態の液滴吐出ヘッド１の静電アクチュエータ部分については、凹部１１を３段（振動板２２と対向する部分については２段）で構成し、初期状態において振動板２２の一部と個別電極１２ａの一部とが接触するような構造にしている。例えば、図４（ａ）に示すように、振動板２２が個別電極１２ａと反対の方向もオーバーシュートをすると、振動板２２と個別電極１２ａとの距離（電極間距離）は、初期状態におけるギャップの長さｇ（初期状態の振動板２２と個別電極１２ａとの距離。以下、ギャップ長ｇという）の最大２倍程度の距離になる。基本的には、ギャップ長ｇ以下の距離において、振動板２２の制御に有効な静電力が発生するように、供給電力（印加電圧）等の設計を行っているため、ギャップ長より大きな距離になると、振動板２２の駆動制御に有効な静電力を発生させることが困難となる。そこで、本実施の形態の液滴吐出ヘッド１では、初期状態において、振動板２２と個別電極１２ａとを接触させた状態にしておき、その距離が０となる部分（接触段１１ａを有する部分）を設けておけば、その部分における電極間距離は、最大でも初期状態におけるギャップ長ｇとほぼ同じ距離になる。そのため、接触段１１ａを有する部分においては、振動板２２の状態に関係なく（特に振動板２２のオーバーシュートにより振動板２２と個別電極１２ａとの距離が大きくなっているときでも）、振動板２２の駆動制御に有効な静電力を発生させることができる。これにより、振動板２２の駆動制御の時間短縮等を図ることができる。
【００３２】
図５は駆動制御に係る振動板２２と個別電極１２ａとの間の電位差（電圧）を表す図である。本実施の形態では駆動制御によりメニスカス（ノズル３１の孔内にできる液体の凹面）の制御を行って、液滴吐出時における液体の後端カット（切り取り）を行うものとする。また、残留振動制御を行うものとする。液体がノズル３１から吐出されると、最初は柱状を成しており、その後、液体の表面張力等で球状になって液滴吐出ヘッド１から分離していく。そこで、液体が液滴吐出ヘッド１から分離する前に、再度の電圧印加（充電）により静電力を発生させ、振動板２２を変位させて吐出室２１側に向けた力を加える。復元圧力により加圧された柱状の液体の先端側はその勢いを保ってヘッドから離れていくが、後端側は吐出室２１（ノズル３１）に引き込まれる。これにより、制御しない場合の液滴の吐出量と比して、吐出量（液滴の大きさ）を減らすような制御を行うことができる。
【００３３】
液体の後端側が吐出しようとするときには、振動板２２がオーバーシュートしているため、液滴吐出ヘッド１により、オーバーシュート時に有効な静電力を発生させることができれば引き込みを素早く行うことができる。そこで、ドライバＩＣ４８は、吐出のための出力を行った後、後端カットのための電圧印加を行う。また、本実施の形態では、放電を行う際、振動板２２を穏やかに元の位置（初期状態の位置）に戻すように変位速度を制御し、液滴を吐出させず、かつオーバーシュートを抑え、残留振動を抑制するようにする。
【００３４】
また、特に出力波形は図示していないが、次に吐出を行うまでの間に、ノズル３１から液滴が吐出しない程度の復元圧力を液体に加えるようにしてもよい。これにより、液滴を吐出させない場合でも、できる限り液体に微少な振動を発生させ続け、液体を攪拌することで、液体が長時間同じ状態で停止するのを防ぐ。そのため外気に水分を蒸発させて増粘してしまうのを防ぎ、ノズル３１の目詰まり等による吐出不能状態になることを防止することができる。
【００３５】
次にメニスカス制御による後端カットを効率的に図るための振動板２２と個別電極１２ａとの接触面積について検討する。基本的には振動板２２が変位する体積（容積）を多く確保できることが望ましく、そのためには、初期状態において振動板２２と個別電極１２ａとが接触する面積（接触段１１ａの面積）はできるだけ少なくした方が体積を拡げられる。
【００３６】
図４（ｂ）に示しているように、液体に力が加わったことにより、メニスカスが盛り上がった部分が球状であるものとし、その体積（引き込ませる体積）をＵとすると、Ｕ＝４πｒ3 ／３となる。ここで、ｒはノズルの半径である。一方、浅い方の段（振動板２２と個別電極１２ａとが接触した部分）の幅と長さをそれぞれＷ、Ｌとする。この部分がオーバーシュート時においても静電力を発生させることができる部分となる。
【００３７】
さらに、オーバーシュート時における振動板２２の形状が図４（ｃ）のようになると考えて、その最大高さをｇ（これは凹部１１の深い方の段における、振動板２２と個別電極１２ａとのギャップの長さとほぼ同じになる）とすると、図４（ｃ）における面積Ｓは（８／１５）×ｇＷで近似される。したがって、オーバーシュート時における体積ＶについてもＶ＝８ｇＷＬ／１５で近似される。
【００３８】
メニスカスが盛り上がった部分を引き込むためにはＶ＞Ｕであればいいので、次式（２）を満たすようにする。
４／３πｒ3 ＞８ｇＷＬ／１５                                        …（２）
【００３９】
例えば、ノズル３１の径がｒ＝１．００×１０-5ｍの場合、メニスカスの盛り上がりによる液体の体積（引き込みを行いたい体積）はＵ＝４．１９×１０-15ｍ3となる。このとき、例えば、接触段１１ａの部分において、ｇ＝２．００×１０-7ｍ、Ｗ＝１．００×１０-4ｍ、Ｌ＝５．００×１０-4ｍとしたとき、Ｖ＝５．３３×１０-15ｍ3となるため、（２）式を満たす。（計算上では例えばＬ＝４．００×１０-4ｍとしても（２）式は満たせる）。
【００４０】
以上のように実施の形態１によれば、凹部１１において、振動板２２と対向する部分を接触段１１ａとギャップ段１１ｂによる２段構成にし、初期状態において、接触段１１ａ上に設けられた個別電極１２ａの一部と振動板２２の一部とを接触状態にして距離が０となる部分を設けておくようにしたので、振動板２２と個別電極１２ａとの距離について、少なくとも一部をギャップ長以下とすることができ、振動板２２の状態にかかわらず、駆動制御に有効な静電力を発生させることができる。これにより、駆動制御が行えない時間をなくすことができるため、例えば、初期状態の位置に戻すまでの時間の短縮等を図ることができる。また、キャビティ基板２０の振動板２２以外の部分と個別電極１２ａとが常に接触しているようにしたので、個別電極１２ａと振動板２２との距離が限りなく０に近くなり、これにより、振動板２２に素早く大きな静電力を発生させることができるようになる。そして、接触段１１ａがノズル３１の近い方に位置するため、ノズル３１付近の液体に対して力の伝達を速くすることができる。そのため、例えば、吐出しようとする液体の後端を吐出室２１に引き込む（後端カット）ことができ、これにより、例えば後端カットを行う吐出、行わない吐出等の選択を行うことで吐出量を制御することができる。また、液滴を吐出した後、再度電圧印加による電荷供給（充電）を行って振動板２２を個別電極１２ａに引きつけた後、放電を制御して静電力を発生させつつ、振動板２２の変位速度を制御しながら穏やかに元に戻すようにしたので、オーバーシュートを防ぎ、残留振動を制御することができる。また、液体に微小振動を与えるように制御して液体を攪拌することで、液体が長時間静止状態になることを防ぐことができる。そのため、水分蒸発による液体の増粘によりノズル３１の目詰まり等をしてしまい、吐出不能状態になることを防止することができる。
【００４１】
実施の形態２．
図６は電極基板１０の作製工程例を表す図である。図６に基づいて電極基板１０の作製について説明する。ここで、液滴吐出ヘッドの製造では、電極基板１０等、各基板は、実際にはウェハ単位で複数個分が同時に作製され、他の基板と接合等をした後に個々に切り離して、液滴吐出ヘッドを製造するが、以下の各工程を示す図では、１つの液滴吐出ヘッドに係る一部分を示している。
【００４２】
厚さが約１ｍｍのガラス基板６０を用意する（図６（ａ））。場合によっては、例えば厚さが２〜３ｍｍのガラス基板を、機械研削、エッチング等によって研削（グラインド）してもよい。
【００４３】
ガラス基板６０に、例えばスパッタ法によってクロム（Ｃｒ）からなるエッチングマスク６１となる膜を形成する。そして、フォトリソグラフィ法によりエッチングマスク６１の表面に、レジスト（図示せず）をギャップ形成段１１ｂにおける形状に対応させてパターニングし、ウェットエッチング等を行い、ガラス基板６０を露出させる（図６（ｂ））。その後、例えばフッ酸水溶液でガラス基板６０をウェットエッチングし、凹部６２を形成する（図６（ｃ））。このときのエッチングの深さはギャップ形成段１１ｂとリード段１１ｃの間の段差と同じになるようにする。
【００４４】
そして、フォトリソグラフィ法により、リード段１１ｃの部分の形状に対応させてパターニングしてウェットエッチング等を行い、リード段１１ｃの部分のガラス基板６０も露出させる（図６（ｄ））。そして、例えばフッ酸水溶液でガラス基板６０をウェットエッチングし、凹部６３を形成する（図６（ｅ））。このときのエッチングの深さはリード段１１ｃと接触段１１ａとの間の段差と同じになるようにする。これにより、凹部６３は２段となる。
【００４５】
さらにフォトリソグラフィ法により、接触段１１ａの部分の形状に対応させてパターニングしてウェットエッチング等を行い、接触段１１ａの部分のガラス基板６０も露出させる（図６（ｆ））。そして、例えばフッ酸水溶液でガラス基板６０をウェットエッチングし、凹部１１を形成する（図６（ｇ））。このときのエッチングの深さは接触段１１ａと同じになるようにする。
【００４６】
その後、例えばスパッタによって、電極１２となるＩＴＯ膜６４をガラス基板６０の凹部１１が形成された側の面の全体に形成する（図６（ｈ））。そしてフォトリソグラフィ法によってレジスト（図示せず）をパターニングし、電極１２として残す部分だけを保護した上でＩＴＯ膜６４をエッチングする。また、液体供給口１３となる貫通穴をサンドブラスト法、切削加工等により形成する（図６（ｉ））。以上の工程により電極基板１０が作製される。
【００４７】
図７はキャビティ基板２０の作製から液滴吐出ヘッド１の製造までを表す図である。シリコン基板７１の片面（電極基板１０との接合面側となる）を鏡面研磨し、例えば約２２０μｍの厚みの基板を作製する。次に、シリコン基板７１のボロンドープ層７２を形成する面（鏡面研磨した面）を、Ｂ2Ｏ3を主成分とする固体の拡散源に対向させて石英ボートにセットする。これらを窒素雰囲気の縦型炉に入れ、シリコン基板７１中にボロンを拡散させ、ボロンドープ層７２を形成する。また、ボロンドープ層７２を形成した面に、プラズマＣＶＤ法により、絶縁膜２３を０．１μｍ成膜する（図７（ａ））。
【００４８】
そして、シリコン基板７１と電極基板１０を３６０℃に加熱した後、電極基板１０に負極、シリコン基板７１に正極を接続して、８００Ｖの電圧を印加し、陽極接合を行う。そして、陽極接合した後の基板（以下、接合済み基板という）において、シリコン基板７１側表面の研削、ウェットエッチング等を行い、シリコン基板７１部分の厚みを約５０μｍにする（図７（ｂ））。
【００４９】
次に、ウェットエッチングを行ったシリコン基板７１側表面に対し、ＴＥＯＳによるエッチングマスク（以下、ＴＥＯＳエッチングマスクという）７３を１．５μｍ成膜する。そして、吐出室２１、リザーバ２３、電極取出し口２６となる部分に対し、ＴＥＯＳエッチングマスク７３のレジストパターニングを施す。フォトリソグラフィ法等により、最終的にフッ酸水溶液でそれらの部分のＴＥＯＳエッチングマスク７３をエッチングし、ＴＥＯＳエッチングマスク７３をパターニングする。（図７（ｃ））。ここで、例えば、リザーバ２３となる部分について、シリコンを残して剛性を確保するために、ＴＥＯＳエッチングマスク７３を若干残しておいてもよい。
【００５０】
次に、接合基板を３５ｗｔ％の濃度の水酸化カリウム水溶液に浸し、吐出室２１、リザーバ２３及び電極取出し口２６となる部分の厚みが約１０μｍになるまで異方性ウェットエッチングを行う。さらに、接合基板を３ｗｔ％の濃度の水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液に浸し、ボロンドープ層７２が露出し、エッチングの進行が極度に遅くなるエッチングストップが十分効いたものと判断するまで異方性ウェットエッチングを続ける（図７（ｄ））。ここで２種類の濃度の異なる水酸化カリウム水溶液を用いた異方性ウェットエッチングを行うことによって、吐出室２１となる部分に形成される振動板２２の面荒れを抑制厚み精度を高くすることができる。その結果、液滴吐出ヘッドの吐出性能を安定化させることができる。異方性ウェットエッチングを終了すると、接合済み基板を例えばフッ酸水溶液に浸し、シリコン基板７１表面のＴＥＯＳエッチングマスク７３を剥離する（図７（ｅ））。
【００５１】
シリコン基板７１の電極取出し口２６となる部分のシリコン（ボロンドープ層７２）を除去し、開口する。その後、電極取出し口２６の端部にあるキャビティ基板２０と各凹部１１との間で形成されるギャップの開口部に沿って、例えばエポキシ樹脂を流し込んだり、酸化シリコンを堆積等させたりして封止材２５を形成して封止し、ギャップを外気から遮断する（図７（ｆ））。
【００５２】
封止が完了すると、例えば、共通電極端子２７となる部分を開口したマスクを、接合基板のシリコン基板７１側の表面に取り付ける。そして、例えばプラチナ（Ｐｔ）をターゲットとしてスパッタ等を行い、共通電極端子２７を形成する。そして、あらかじめ別工程で作製していたノズル基板３０を、例えばエポキシ系接着剤により、接合基板のキャビティ基板２０側から接着し、接合する（図７（ｇ））。そして、ダイシングラインに沿ってダイシングを行い、個々の液滴吐出ヘッドに切断し、液滴吐出ヘッド１が完成する。
【００５３】
以上のように、実施の形態２によれば、凹部１１において振動板２２と対向する部分を２段で形成し、これにより凹部１１に形成した個別電極１２ａを２段構成にして、そのうちの１段が初期状態において振動板２２と接触するような構成の液滴吐出ヘッドを製造するようにしたので、振動板２２と個別電極１２ａとの距離について、少なくとも一部をギャップ長以下とすることができ、振動板２２の状態にかかわらず、駆動制御に有効な静電力を発生させることができる液滴吐出ヘッドを製造することができる。
【００５４】
実施の形態３．
図８は本発明の実施の形態３に係る液滴吐出ヘッドの断面図である。上述の実施の形態では凹部１１を接触段１１ａ、ギャップ形成段１１ｂ及びリード段１１ｃの３段で構成したが、これに限定するものではない。振動板２２の一部と個別電極１２ａの一部とが初期状態において接触するような接触段１１ａを形成していれば、例えば、吐出室の変位を十分に確保できる限りにおいて、図８（ａ）に示すように、構成する段数、各段の深さ等を任意に構成することができる。また、接触段１１ａを形成していれば、図８（ｂ）に示すように、ギャップ形成段１１ｂのような平面で構成されていなくてもよい。
【００５５】
実施の形態４．
上述の実施の形態では、電極基板１０、キャビティ基板２０及びノズル基板３０の３つの基板が積層されて構成された液滴吐出ヘッド１について説明したが、液滴吐出ヘッド１の構成についてはこれに限定されるものではない。例えば、リザーバを吐出室とは別の基板に形成し、積層した４層の基板で構成した液滴吐出ヘッド１についても適用することができる。
【００５６】
実施の形態５．
図９は上述の実施の形態で製造した液滴吐出ヘッド１を用いた液滴吐出装置（プリンタ１００）の外観図である。また、図１０は液滴吐出装置の主要な構成手段の一例を表す図である。図９及び図１０の液滴吐出装置は液滴吐出方式（インクジェット方式）による印刷を目的とする。また、いわゆるシリアル型の装置である。図１０において、被印刷物であるプリント紙１１０が支持されるドラム１０１と、プリント紙１１０にインクを吐出し、記録を行う液滴吐出ヘッド１０２とで主に構成される。また、図示していないが、液滴吐出ヘッド１０２にインクを供給するためのインク供給手段がある。プリント紙１１０は、ドラム１０１の軸方向に平行に設けられた紙圧着ローラ１０３により、ドラム１０１に圧着して保持される。そして、送りネジ１０４がドラム１０１の軸方向に平行に設けられ、液滴吐出ヘッド１０２が保持されている。送りネジ１０４が回転することによって液滴吐出ヘッド１０２がドラム１０１の軸方向に移動するようになっている。
【００５７】
一方、ドラム１０１は、ベルト１０５等を介してモータ１０６により回転駆動される。また、駆動制御回路４０は、印刷用データ及び制御信号に基づいて送りネジ１０４、モータ１０６を駆動させる。また、ここでは図示していないが、実施の形態１で説明したようにドライバＩＣ４８からＣＯＭ及び各ＳＥＧを出力して振動板２２を振動させ、制御をしながらプリント紙１１０に印刷を行わせる。
【００５８】
ここでは液体をインクとしてプリント紙１１０に吐出するようにしているが、液滴吐出ヘッド１から吐出する液体はインクに限定されない。例えば、カラーフィルタとなる基板に吐出させる用途においては、カラーフィルタ用の顔料を含む液体、有機化合物等の電界発光素子を用いた表示パネル（ＯＬＥＤ等）の基板に吐出させる用途においては、発光素子となる化合物を含む液体、基板上に配線する用途においては、例えば導電性金属を含む液体を、それぞれの装置において設けられた液滴吐出ヘッド１から吐出させるようにしてもよい。また、液滴吐出ヘッド１をディスペンサとし、生体分子のマイクロアレイとなる基板に吐出する用途に用いる場合では、ＤＮＡ（Deoxyribo Nucleic Acids ：デオキシリボ核酸）、他の核酸（例えば、Ribo Nucleic Acid：リボ核酸、Peptide Nucleic Acids：ペプチド核酸等）タンパク質等のプローブを含む液体を吐出させるようにしてもよい。その他、布等の染料の吐出等にも利用することができる。
【００５９】
実施の形態６．
図１１は本発明を利用したマイクロポンプを表す図である。上述の実施の形態は、液滴吐出ヘッド１を例として説明したが、本発明は液滴吐出ヘッド１だけに限定されず、他の微細加工による静電アクチュエータを利用した静電型のデバイスにも適用することができる。例えば、図１１のマイクロポンプは、気体、液体の流路１２３が形成されており、固定電極１２１とダイヤフラムとなる可動電極１２２を複数有して構成されている。固定電極１２１と可動電極１２２とは所定の間隔（ギャップ）で対向配置するが、固定電極１２１の一部と可動電極１２２の一部とは接触している。各固定電極１２１と可動電極１２２との間に発生させる静電力のタイミング等を制御することで、気体、液体の流れる方向等を制御することができる。ここで、前述したように、固定電極１２１の一部と可動電極１２２の一部とが接触しているため、可動電極１２２の駆動制御ができない時間をなくすことができる。
【００６０】
同様にモータ、センサ、ＳＡＷフィルタのような振動素子（レゾネータ）、ミラーデバイス、マイクロレンズ等、他の種類の微細加工のアクチュエータ、圧力センサ等のセンサ等にも上述のように可動電極の一部と固定電極の一部とを接触させた構造とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】実施の形態１に係る液滴吐出ヘッド１を分解して表した図である。
【図２】液滴吐出ヘッド１の断面図である。
【図３】駆動制御回路４０を中心とする構成を表す図である。
【図４】液滴吐出ヘッド１の振動板２２の変位を示すための図である。
【図５】振動板２２と個別電極１２ａとの間の電位差（電圧）を表す図である。
【図６】電極基板１０の作製工程例を表す図である。
【図７】キャビティ基板２０の作製、液滴吐出ヘッド１の製造を表す図である。
【図８】実施の形態３に係る液滴吐出ヘッド１の断面図である。
【図９】液滴吐出ヘッド１を用いた液滴吐出装置の外観図である。
【図１０】液滴吐出装置の主要な構成手段の一例を表す図である。
【図１１】本発明を利用したマイクロポンプを表す図である。
【符号の説明】
【００６２】
１０  電極基板、１１  凹部、１１ａ  接触段、１１ｂ  ギャップ形成段、１１ｃ  リード段、１２  電極、１２ａ個別電極、１２ｂ  リード部、１２ｃ  端子部、１３  液体供給口、２０  キャビティ基板、２１  吐出室、２２  振動板、２３  絶縁膜、２４  リザーバ、２５  封止材、２６  電極取り出し口、２７  共通電極端子、３０  ノズル基板、３１  ノズル、３２  ダイヤフラム、３３  オリフィス、４０  駆動制御回路、４１  ヘッド制御部、４２ａ  ＣＰＵ、４２ｂ  バス、４３ａ  ＲＯＭ、４３ｂ  ＲＡＭ、４３ｃ  キャラクタジェネレータ、４５  論理ゲートアレイ、４６ａ  ＣＯＭ発生回路、４６ｂ  駆動パルス発生回路、４７  コネクタ、４８  ドライバＩＣ、４９  配線、５０  外部装置、５１  バス、５２  電源回路、６０  ガラス基板、６１  エッチングマスク、６２，６３  凹部、６４  ＩＴＯ膜、７１  シリコン基板、７２  ボロンドープ層、１００  プリンタ、１０１  ドラム、１０２  液滴吐出ヘッド、１０３  紙圧着ローラ、１０４  送りネジ、１０５  ベルト、１０６  モータ、１０７  プリント制御手段、１１０  プリント紙、１２０  マイクロポンプ、１２１  固定電極、１２２  可動電極、１２３  流路。
【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】
2008131662.tif 000010
【図９】
2008131662.tif 000011
【図１０】
2008131662.tif 000012
【図１１】
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