(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定電極が設けられた第１の基板と、
前記固定電極にギャップを隔てて対向し前記固定電極との間で発生させた静電気力により動作する可動電極が設けられた、シリコン基板と、
を備え、
前記シリコン基板には、前記可動電極と前記固定電極との間に供給する駆動電圧を制御するスイッチング素子であるＭＯＳ・ＦＥＴが設けられ、
前記可動電極はボロンドープ層であり、前記シリコン基板にエッチングにより形成された凹部の底壁を構成し、前記ＭＯＳ・ＦＥＴのドレイン端子と同一層として形成され、
前記シリコン基板の前記第１の基板に対向する面には絶縁膜が設けられ、
前記ＭＯＳ・ＦＥＴのゲート端子は前記絶縁膜を介して前記シリコン基板に設けられ、
前記絶縁膜は、前記可動電極と固定電極との間、および前記可動電極と前記ゲート端子との間を電気的に絶縁している
ことを特徴とする静電アクチュエータ。
【請求項２】
固定電極が設けられた第１の基板と、
前記固定電極にギャップを隔てて対向し前記固定電極との間で発生させた静電気力により動作する可動電極が設けられた、シリコン基板と、
を備え、
前記第１の基板及び前記シリコン基板には、前記可動電極と前記固定電極との間に供給する駆動電圧を制御するスイッチング素子であるＭＯＳ・ＦＥＴが設けられ、
前記可動電極はボロンドープ層であり、前記シリコン基板にエッチングにより形成された凹部の底壁を構成し、前記シリコン基板に設けられたＭＯＳ・ＦＥＴのドレイン端子と同一層として形成され、
前記第１の基板の表面には凹部が設けられた絶縁膜が設けられ、
前記凹部によって前記ギャップが設けられている
ことを特徴とする静電アクチュエータ。
【請求項３】
前記第１の基板の前記ＭＯＳ・ＦＥＴのゲート端子は前記絶縁膜を介して前記第１の基板に設けられている
ことを特徴とする請求項２に記載の静電アクチュエータ。
【請求項４】
前記絶縁膜は熱酸化膜である
ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の静電アクチュエータ。
【請求項５】
前記ゲート端子はポリシリコンを含む
ことを特徴とする請求項１又は３に記載の静電アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭＥＭＳ技術を適用し、静電気力を利用して駆動する静電アクチュエータ、液滴吐出ヘッド、液滴吐出装置及び液滴吐出ヘッドの製造方法に関し、特に小型化、低コスト化及び回路構成の簡易化を実現可能とした静電アクチュエータ、液滴吐出ヘッド、液滴吐出装置及び液滴吐出ヘッドの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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）が急速に発展している。この微細加工技術により形成される微細加工素子としては、たと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、波長可変光フィルタ、モータ等に利用される静電アクチュエータや圧力センサ等がある。
【０００３】
静電アクチュエータを利用した液滴吐出ヘッドについて簡単に説明する。液滴吐出方式の記録装置は、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、たとえば複数のノズルを有する液滴吐出ヘッドを対象物（紙等）との間で相対移動させ、インク等の液滴を吐出させ、対象物の所定の位置に付着させて印刷等をするものである。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や、有機化合物等の電界発光（ＥｌｅｃｔｒｏＬｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）素子を用いた表示パネル（ＯＬＥＤ）、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】
静電アクチュエータを利用した液滴吐出ヘッドには、所定量の液体を貯留しておく吐出室を流路の一部に備え、吐出室の少なくとも一面の壁（ここでは、底部の壁（以下、振動板と称する））を撓ませて（駆動させて）形状を変化させることにより吐出室内の圧力を高め、吐出室に連通するノズルから液滴を吐出させるようになっている。振動板を変位させる力には、たとえば振動板を可動電極とし、振動板と所定の距離を空けて対向するもう一方の電極（固定電極）との間に電圧（以下、駆動電圧という）を印可し、それにより発生する静電気力を利用している。すなわち、静電気力を利用して駆動するため、静電アクチュエータとなる。
【０００５】
近年、静電駆動方式の液滴吐出ヘッドには、高解像度画像の高速印刷及び多色印刷を目的として、ノズル密度の高密度化が要求されている。また、液滴吐出ヘッドの更なる小型化も要求されている。このような要求を実現するために、静電アクチュエータを有するインクジェットヘッドチップ上にスイッチング素子を含む駆動回路を搭載し、可動電極である振動板とこの可動電極及び固定電極に駆動電圧を供給する駆動回路との間に設けられる配線数を少なくするようにした静電アクチュエータが種々提案されている。
【０００６】
そのようなものとして、「複数のノズル孔、該ノズル孔の各々に連通する複数の独立した吐出室、該吐出室の少なくとも一方の壁を構成する振動板、及び該振動板に空隙をもって対向する個別電極を備えたインクジェットヘッドチップと、前記振動板と前記電極との間に電圧を印加して充放電させることより該振動板を変形させ、前記ノズル孔よりインク滴を吐出させる制御回路とを備えたインクジェットヘッドにおいて、前記制御回路は、その少なくとも一部が集積回路から構成され、前記インクジェットヘッドチップに設けられたインクジェットヘッド」が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００７】
また、「共通電極が形成された第１の基板と、この共通電極に対して一定の隙間で対峙している個別電極が形成された第２の基板と、前記個別電極に対する駆動電圧の供給を制御するスイッチング素子とを有する静電アクチュエータにおいて、前記スイッチング素子は、前記第２の基板に形成されていることを特徴とする静電アクチュエータ」が提案されている（たとえば、特許文献２参照）。
【０００８】
【特許文献１】ＷＯ９８／４７７１０号公報
【特許文献２】特開２００２−１４２４６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１及び特許文献２に記載の技術はともに、静電アクチュエータを有するインクジェットヘッドチップ上にスイッチング素子を含む駆動回路を搭載するようになっており、可動電極である振動板とこの可動電極及び固定電極に駆動電圧を供給する駆動回路との間に設けられる配線数を低減可能になっている。ただし、静電アクチュエータの形成とは別の製造プロセスで駆動回路を搭載しなければならず、回路形成用の領域確保によるチップの大型化及び高コスト化が伴っている。したがって、上記の技術の利点を考慮しつつ、更なる小型化及び低コスト化を実現することが望ましい。
【００１０】
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、スイッチング素子を含む駆動回路を搭載するとともに、小型化、低コスト化及び回路構成の簡易化を実現可能とした静電アクチュエータ、液滴吐出ヘッド、液滴吐出装置及び液滴吐出ヘッドの製造方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る静電アクチュエータは、固定電極が設けられた第１の基板と、固定電極にギャップを隔てて対向し、固定電極との間で発生させた静電気力により動作する可動電極が設けられた第２の基板と、を備え、第２の基板には、可動電極と固定電極との間に供給する駆動電圧を制御するスイッチング素子であるＭＯＳ・ＦＥＴが設けられ、可動電極は、ＭＯＳ・ＦＥＴのドレイン端子を含むことを特徴とする。したがって、小電圧の信号で、大電圧の駆動ＯＮ／ＯＦＦスイッチングが可能となる。
【００１２】
本発明に係る静電アクチュエータは、第２の基板はＮ型のシリコン基板であり、ＭＯＳ・ＦＥＴはＰ型のＭＯＳ・ＦＥＴであることを特徴とする。したがって、回路構成を複雑にすることなく、小電圧の信号で、大電圧の駆動ＯＮ／ＯＦＦスイッチングが可能となる。
【００１３】
本発明に係る静電アクチュエータは、第２の基板の表面に絶縁膜が設けられ、ＭＯＳ・ＦＥＴのゲート端子は絶縁膜を介して第２の基板に設けられていることを特徴とする。したがって、複雑な構成にすることなくスイッチング素子であるＭＯＳ・ＦＥＴを形成することができる。
【００１４】
本発明に係る静電アクチュエータは、固定電極が設けられた第１の基板と、固定電極にギャップを隔てて対向し、固定電極との間で発生させた静電気力により動作する可動電極が設けられた第２の基板と、を備え、第１の基板には、可動電極と固定電極との間に供給する駆動電圧を制御するスイッチング素子であるＭＯＳ・ＦＥＴが設けられ、固定電極は、ＭＯＳ・ＦＥＴのドレイン端子を含むことを特徴とする。したがって、小電圧の信号で、大電圧の駆動ＯＮ／ＯＦＦスイッチングが可能となる。
【００１５】
本発明に係る静電アクチュエータは、第１の基板はＮ型のシリコン基板であり、ＭＯＳ・ＦＥＴはＰ型のＭＯＳ・ＦＥＴであることを特徴とする。したがって、回路構成を複雑にすることなく、小電圧の信号で、大電圧の駆動ＯＮ／ＯＦＦスイッチングが可能となる。
【００１６】
本発明に係る静電アクチュエータは、固定電極が設けられた第１の基板と、固定電極にギャップを隔てて対向し、固定電極との間で発生させた静電気力により動作する可動電極が設けられた第２の基板と、を備え、第１の基板及び第２の基板には、可動電極と固定電極との間に供給する駆動電圧を制御するスイッチング素子であるＭＯＳ・ＦＥＴが設けられ、可動電極及び固定電極は、ＭＯＳ・ＦＥＴのドレイン端子を含むことを特徴とする。したがって、小電圧の信号で、大電圧の駆動ＯＮ／ＯＦＦスイッチングが可能となる。
【００１７】
本発明に係る静電アクチュエータは、第１の基板及び第２の基板はＮ型のシリコン基板であり、第１の基板及び第２の基板のＭＯＳ・ＦＥＴはＰ型のＭＯＳ・ＦＥＴであることを特徴とする。したがって、回路構成を複雑にすることなく、小電圧の信号で、大電圧の駆動ＯＮ／ＯＦＦスイッチングが可能となる。
【００１８】
本発明に係る静電アクチュエータは、第１の基板の表面には凹部が設けられた絶縁膜が設けられ、凹部によってギャップが設けられていることを特徴とする。したがって、ギャップの封止を別途実行しなくても、ギャップを確実に封止することができる。  
【００１９】
本発明に係る静電アクチュエータは、第１の基板のＭＯＳ・ＦＥＴのゲート端子は絶縁膜を介して第１の基板に設けられていることを特徴とする。したがって、複雑な構成にすることなくスイッチング素子であるＭＯＳ・ＦＥＴを形成することができる。
【００２０】
本発明に係る静電アクチュエータは、絶縁膜は熱酸化膜であることを特徴とする。したがって、絶縁膜を熱酸化膜で構成することで絶縁耐圧を容易かつ安価に向上することができる。
【００２１】
本発明に係る静電アクチュエータは、ゲート端子はポリシリコンを含むことを特徴とする。したがって、安価にＭＯＳ・ＦＥＴを形成することができる。
【００２２】
本発明に係る静電アクチュエータは、ＭＯＳ・ＦＥＴはＣＭＯＳであることを特徴とする。したがって、高電圧とＧＮＤとを切り替えるだけで、静電アクチュエータを駆動でき、簡易化した駆動回路でシンプルな駆動が可能となる。
本発明に係る静電アクチュエータは、第２の基板がボロンドープ層を含むことを特徴とする。
【００２３】
本発明に係る液滴吐出ヘッドは、底壁が振動板を形成し、液滴を溜めて吐出させるインク圧力室が形成されたキャビティ基板と、振動板にギャップを隔てて対向し、振動板を駆動する固定電極が形成された電極ガラス基板と、インク圧力室から移送される液滴を吐出するノズル孔が形成されたノズル基板とを備え、キャビティ基板に、振動板と固定電極との間に供給する駆動電圧を制御するスイッチング素子であるＭＯＳ・ＦＥＴが形成され、振動板が、ＭＯＳ・ＦＥＴを構成するドレイン端子によって形成されていることを特徴とする。したがって、小電圧の信号で、大電圧の駆動ＯＮ／ＯＦＦスイッチングが可能となる。
【００２４】
本発明に係る液滴吐出ヘッドは、底壁が振動板を形成し、液滴を溜めて吐出させるインク圧力室が形成されたキャビティ基板と、振動板にギャップを隔てて対向し、振動板を駆動する固定電極が形成された電極基板と、インク圧力室から移送される液滴を吐出するノズル孔が形成されたノズル基板とを備え、電極基板に、可動電極と固定電極との間に供給する駆動電圧を制御するスイッチング素子であるＭＯＳ・ＦＥＴが形成され、固定電極が、ＭＯＳ・ＦＥＴを構成するドレイン端子によって形成されていることを特徴とする。したがって、小電圧の信号で、大電圧の駆動ＯＮ／ＯＦＦスイッチングが可能となる。
【００２５】
本発明に係る液滴吐出ヘッドは、底壁が振動板を形成し、液滴を溜めて吐出させるインク圧力室が形成されたキャビティ基板と、振動板にギャップを隔てて対向し、振動板を駆動する固定電極が形成された電極基板と、インク圧力室から移送される液滴を吐出するノズル孔が形成されたノズル基板とを備え、キャビティ基板及び電極基板に、振動板と固定電極との間に供給する駆動電圧を制御するスイッチング素子であるＭＯＳ・ＦＥＴが形成され、振動板及び固定電極が、ＭＯＳ・ＦＥＴを構成するドレイン端子によって形成されていることを特徴とする。したがって、小電圧の信号で、大電圧の駆動ＯＮ／ＯＦＦスイッチングが可能となる。
【００２６】
本発明に係る液滴吐出ヘッドは、インク圧力室を複数備え、各インク圧力室の振動板を駆動する各ＭＯＳ・ＦＥＴでマトリクス回路を構成していることを特徴とする。したがって、ドライバＩＣを設けなくても、複数の静電アクチュエータを個別選択的に駆動させることができる。よって、外部から接続する信号線（入力配線及び接続端子）の数を、静電アクチュエータの数よりも少数にでき、実装の信頼性が向上する。
【００２７】
本発明に係る液滴吐出装置は、上記のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドを備えたことを特徴とする。したがって、上記のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドの製造方法の効果をすべて有している。
【００２８】
本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、スイッチング素子であるＭＯＳ・ＦＥＴを構成するドレイン端子、ソース端子及びゲート端子が形成されたシリコン基板のドレイン端子をボロンドープ層で構成し、ソース端子及びゲート端子に接続させる入力配線、及び、ドレイン端子にギャップを隔てて対向する固定電極が形成された電極ガラス基板を接合し、ボロンドープ層をエッチングストップ層としてシリコン基板の底壁を振動板とするインク圧力室を形成してキャビティ基板とすることを特徴とする。したがって、振動板の厚さを高精度に制御することができる。
【００２９】
本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、スイッチング素子であるＭＯＳ・ＦＥＴを構成するドレイン端子、ソース端子及びゲート端子が形成された電極基板に絶縁膜を形成し、絶縁膜をハーフエッチングして凹部を形成し、底壁を振動板とするインク圧力室が形成されたキャビティ基板を、振動板を凹部に対向させて電極基板に接合することを特徴とする。したがって、陽極接合のような電界を掛けなくて済むため、ＭＯＳ・ＦＥＴの損傷を防止できる。また、接合によって可動電極である振動板までもが貼り付いてしまうことがない。
【００３０】
本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、スイッチング素子であるＭＯＳ・ＦＥＴを構成するドレイン端子、ソース端子及びゲート端子が形成された２つのシリコン基板のうち、一方のシリコン基板のドレイン端子をボロンドープ層で構成し、このボロンドープ層をエッチングストップ層として一方のシリコン基板の底壁を振動板とするインク圧力室を形成してキャビティ基板とし、他方のシリコン基板に絶縁膜を形成し、絶縁膜をハーフエッチングして凹部を形成して電極基板とし、凹部と振動板とが対向するようにキャビティ基板と電極基板とを接合することを特徴とする。したがって、振動板の厚さを高精度に制御することができるとともに、陽極接合のような電界を掛けなくて済むため、ＭＯＳ・ＦＥＴの損傷を防止できる。また、接合によって可動電極である振動板までもが貼り付いてしまうことがない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。
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１００が組み立てられた状態の縦断面図である。図２は、キャビティ基板３及び電極ガラス基板４の配線状態を説明するための平面図である。図２（ａ）がキャビティ基板３をノズル基板２側から見た平面図を、図２（ｂ1 ）が接続端子２１が設置されていないキャビティ基板３を電極ガラス基板４側から見た平面図を、図２（ｂ2 ）が接続端子２１が設置されているキャビティ基板３を電極ガラス基板４側から見た平面図を、図２（ｃ）が電極ガラス基板４をキャビティ基板３側から見た平面図をそれぞれ示している。なお、図２（ｂ）及び図２（ｃ）では、ドープ領域を破線で囲んで示している。
【００３２】
図１及び図２に基づいて、液滴吐出ヘッド１００の構成及び動作について説明する。この液滴吐出ヘッド１００は、静電気力により駆動される静電駆動方式の静電アクチュエータを搭載し、ノズル基板２に設けられたノズル孔１５から液滴を吐出するフェイスイジェクトタイプの液滴吐出ヘッドを表している。なお、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は異なる場合がある。この図１には、後述する固定電極６と可動電極である振動板７との間に駆動信号を供給するためのＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ  Ｐｒｉｎｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）１３の一部を含めて示している。
【００３３】
図１に示すように、この液滴吐出ヘッド１００は、電極ガラス基板４、キャビティ基板３及びノズル基板２の３つの基板が順に積層されて構成されている。キャビティ基板３の一方の面（紙面で示す最上面）にはノズル基板２が接合されており、他方の面（紙面で示す最下面）には電極ガラス基板４が接合されている。すなわち、液滴吐出ヘッド１００は、キャビティ基板３を電極ガラス基板４とノズル基板２とで上下から挟む構造となっている。なお、液滴吐出ヘッド１００がフェイスイジェクトタイプである場合を例に説明するが、たとえばサイドイジェクトタイプの液滴吐出ヘッドでもよい。また、電極ガラス基板４とキャビティ基板３とは陽極接合により、キャビティ基板３とノズル基板２とはエポキシ樹脂等の接着剤により接合するとよい。
【００３４】
［電極ガラス基板４］
電極ガラス基板（第１の基板）４は、たとえば、厚さ１ｍｍのホウ珪酸ガラス等のガラスを主要な材料として形成するとよい。ここでは、電極ガラス基板４がホウ珪酸ガラスで形成されている場合を例に示すが、たとえば、電極ガラス基板４を単結晶シリコンで形成してもよい。この電極ガラス基板４の表面には、第１凹部（ガラス溝）１６が形成されている。この第１凹部１６は、たとえばエッチングにより深さ０．３μｍ（マイクロメートル）で形成するとよい。この第１凹部１６の内部（特に底部）には、共通電極となる固定電極６が作製されている。
【００３５】
また、第１凹部１６は、その一部が固定電極６を装着できるように、これらの形状に類似したやや大きめの形状にパターン形成されている。この固定電極６は、たとえばＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ：インジウム錫酸化物）を０．１μｍの厚さでスパッタして作製するとよい。固定電極６の厚さを０．１μｍで作成した場合、電極ガラス基板４とキャビティ基板３とを接合した後の固定電極６と振動板７との間に形成されるギャップ１８は約０．２μｍとなる。このようにＩＴＯで固定電極６を作製すると、透明なので放電したかどうかの確認が行ないやすいという利点がある。
【００３６】
図２（ｃ）に示すように、固定電極６は、後述のキャビティ基板３の各インク圧力室５底面を形成する振動板７と一定の間隔で対向するように所定の位置で分岐され、一端がＦＰＣ１３に接続するように連通されている（以下、リード部６ａと称する）。つまり、固定電極６は、共通電極として機能するのである。また、電極ガラス基板４には、後述するゲート端子１１とＦＰＣ１３とを、キャビティ基板３の振動板７とＦＰＣ１３とを接続するための入力配線１７が作製されている。入力配線１７は、電極ガラス基板４の表面に形成した第２凹部１６ａに作製されている。この第２凹部１６ａは、ゲート端子１１とＦＰＣ１３とを接続する部分が振動板７とＦＰＣ１３とを接続する部分よりも深くなるような段差をもって形成されている。
【００３７】
電極ガラス基板４とキャビティ基板３とを接合して積層体を形成すると、振動板７と固定電極６との間には、振動板７を撓ませる（変位させる）ことができる一定のギャップ（空隙）１８が、電極ガラス基板４の第１凹部１６により形成されるようになっている。このギャップ１８は、たとえば深さ０．２μｍとなるように形成するとよい。このギャップ１８は、第１凹部１６の深さ、固定電極６及び振動板７の厚さにより決まることになる。このギャップ１８は、液滴吐出ヘッド１００の吐出特性に大きく影響するため、厳格な精度管理が要求される。なお、ギャップ１８は、各振動板７に対向する位置に細長い一定の深さを有していればよく、第１凹部１６を形成する他に、キャビティ基板３に凹部を形成したり、スペーサを挟むことによって設けることも可能である。
【００３８】
固定電極６のインク圧力室５に対向する部分は、長辺及び短辺を有する長方形状に形成されており、この固定電極６が、互いの長辺が平行になるように配置されている。なお、固定電極６の短辺が長辺に対して斜めに形成されており、固定電極６が細長い平行四辺形状になっている場合には、長辺方向に直角方向に伸びる電極列を形成するようにすればよい。また、電極ガラス基板４には、図示省略の外部のインクタンクから供給される液体を取り入れる流路となるインク供給孔（図示省略）が電極ガラス基板４を貫通するように形成されている。
【００３９】
ゲート端子１１及び振動板７と接続する入力配線１７も固定電極６と同様にＩＴＯで作製するとよい。さらに、電極ガラス基板４には、ＦＰＣ１３を実装するためのＦＰＣ実装部１８が形成されている。なお、第１凹部１６の深さやギャップ１８の長さ、固定電極６の厚さは一例であり、ここで示す値に限定するものではない。さらに、固定電極６及び入力配線１７をＩＴＯで作製した場合を例に示したが、これに限定するものではなく、たとえば導電性酸化物で作製すればよい。
【００４０】
［キャビティ基板３］
キャビティ基板（第２の基板）３は、たとえば厚さ約５２５μｍの（１１０）面方位のシリコン単結晶基板（以下、単にシリコン基板という）を主要な材料として構成されている。このシリコン基板にドライエッチングまたは異方性ウエットエッチングのいずれかあるいは双方を行い、底壁が可撓性を有する振動板７となるインク圧力室（または、吐出室）５が複数形成されている。このインク圧力室５は、分岐されている固定電極６の電極列に対応して形成されており、インク等の液滴が保持されて振動板７の駆動によって吐出圧が加えられるようになっている。インク圧力室５は、紙面手前側から奥側にかけて平行に並ぶように形成するとよい。
【００４１】
また、キャビティ基板３の下面（電極ガラス基板４と対向する面）には、振動板７と固定電極６との間を電気的に絶縁するためのＴＥＯＳ膜（ここでは、Ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌ  ｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ  Ｔｅｔｒａｅｔｈｏｘｙｓｉｌａｎｅ：テトラエトキシシラン（珪酸エチル）を用いてできるＳｉＯ2 膜をいう）である絶縁膜８をプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＴＥＯＳ−ｐＣＶＤともいう）法を用いて、１００ｎｍ程度成膜している。これは、振動板７の駆動時における絶縁破壊及びショートを防止するためと、インク等の液滴によるキャビティ基板３のエッチングを防止するためのものである。
【００４２】
この絶縁膜８は、キャビティ基板３に設けられるゲート端子１１と振動板７との間を電気的に絶縁する機能も兼ねている。このゲート端子１１は、絶縁膜８を介してキャビティ基板２に設けられている。ここでは、絶縁膜８がＴＥＯＳ膜である場合を示しているが、これに限定するものではなく、絶縁性能が向上する物質であればよい。また、キャビティ基板３の上面にも、図示省略の液体保護膜となるＳｉＯ2 膜（ＴＥＯＳ膜を含む）を、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法により成膜するとよい。液体保護膜を成膜することによって、インク滴で流路が腐食されるのを防止できるからである。液体保護膜を成膜すれば、液体保護膜の応力と絶縁膜８の応力とを相殺させ、振動板７の反りを小さくできるという効果も期待できる。
【００４３】
また、キャビティ基板３には、各インク圧力室５に液滴を供給するためのリザーバ１９がドライエッチングまたは異方性ウエットエッチングのいずれかあるいは双方を行って形成されている。さらに、キャビティ基板３には、インク圧力室５とリザーバ１９とを連通するオリフィス２０がドライエッチングまたは異方性ウエットエッチングのいずれかあるいは双方を行って形成されている。なお、キャビティ基板３にも、電極ガラス基板４のインク供給孔と連通するインク供給孔（図示省略）が設けられている。
【００４４】
振動板７は、高濃度のボロンドープ層で形成している。水酸化カリウム水溶液等のアルカリ溶液による単結晶シリコンのエッチングにおけるエッチングレートは、ドーパントがボロンの場合、約５×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 以上の高濃度の領域において、非常に小さくなる。このため、振動板７の部分を高濃度のボロンドープ層とし、アルカリ溶液による異方性エッチングによってインク圧力室５を形成する際に、ボロンドープ層が露出してエッチングレートが極端に小さくなる、いわゆるエッチングストップ技術を用いることにより、振動板７を所望の厚さに形成することができる。たとえば、振動板７は、幅１００μｍ、厚さ２μｍ、長さ３ｍｍで形成するとよい。なお、振動板７は、キャビティ基板３の全面に形成するのではなく、各インク圧力室５に対応するように形成している。
【００４５】
ところで、キャビティ基板３は、ＰＭＯＳ（ｐｏｓｉｔｉｖｅ  ｃｈａｎｎｅｌ  Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ：Ｐ型のＭＯＳ・ＦＥＴ）を形成するためにＮ型のシリコン基板で構成するものとする。そして、可動電極である振動板７がＰＭＯＳのドレイン端子を構成している。また、振動板７の長手方向にシリコンにより隔てられたボロンドープ層でＰＭＯＳのソース端子１０を構成している。このソース端子１０は、入力配線１７に接続され、図２（ａ）に示すように、複数のアクチュエータ（振動板７）間でマトリクス回路を構成するようになっている（図３で説明する）。なお、ゲート端子１１は、ポリシリコンで構成している場合を例に示している（図６〜図８参照）。
【００４６】
［ノズル基板２］
ノズル基板２は、たとえば厚さ１００μｍのシリコン基板を主要な材料としており、複数のノズル孔１５が形成されている。そして、各ノズル孔１５は、各インク圧力室５から移送された液滴を外部に吐出するようになっている。なお、ノズル孔１５を複数段（たとえば、２段）で形成すると、液滴を吐出する際の直進性の向上が期待できる。ここでは、ノズル孔１５を有するノズル基板２を上面とし、電極ガラス基板４を下面として説明するが、実際に用いられる場合には、ノズル基板２の方が電極ガラス基板４よりも下面となることが多い。なお、オリフィス２０をノズル基板２に形成するようにしてもよい。また、ノズル基板２にリザーバ１９の圧力を緩衝するためのダイヤフラムを設けてもよい。
【００４７】
ここで、液滴吐出ヘッド１００の特徴事項について詳細に説明する。ここでは、図２に示すように少数（４つ）の静電アクチュエータ（振動板７）が形成されている場合を例に説明する。図２（ｃ）は、上述したように、固定電極６及び入力配線１７が作製されている状態を示している。固定電極６は、リード部６ａで連通され、ＦＰＣ１３を介してＧＮＤに接続されるようになっている。入力配線１７は、ソース端子１０に接続する第１入力配線１７ａと、ゲート端子１１に接続する第２入力配線１７ｂとで構成されている。また、接続端子２１は、ソース端子１０に接続する第１接続端子２１ａと、ゲート端子１１に接続する第２接続端子２１ｂとで構成されている。
【００４８】
すなわち、第１入力配線１７ａは、たとえばアルミニウム等で構成された第１接続端子２１ａを介してソース端子１０と接続されるようになっており、第２入力配線１７ｂは、たとえばアルミニウム等で構成された第２接続端子２１ｂを介してゲート端子１１と接続されるようになっている。また、ゲート端子１１は、２つの振動板７に対して１つ設けられるようになっている。そして、ゲート端子１１のそれぞれに、第２入力配線１７ｂが第２接続端子２１ｂを介して接続されている。
【００４９】
第１入力配線１７ａは、２つの振動板７、つまり２つのソース端子１０に対して１つ設けられるようになっている。この第１入力配線１７ａのそれぞれに、第１接続端子２１ａが接続されている。そして、第１接続端子２１ａは、２つのソース端子１０に接続するようになっている。なお、第１接続端子２１ａとソース端子１０とを接続するために、絶縁膜８に貫通孔８ａを形成している。つまり、振動板７の個数よりも少ない個数（ここでは、半分）の入力配線１７及び接続端子２１が作製されているのである。なお、ソース端子１０に接続される第１入力配線１７ａは、ＦＰＣ１３を介して、外部の駆動制御部に接続されるようになっている。
【００５０】
したがって、スイッチング素子（ドレイン端子（振動板７）、ソース端子１０及びゲート端子１１で構成するＰＭＯＳ）と静電アクチュエータとを一体構造としているので、入力配線１７及び接続端子２１の個数を低減することができ、駆動回路構成をシンプルにすることができる。また、入力配線１７及び接続端子２１を作製するスペースを少なくすることもでき、液滴吐出ヘッド１００の小型化を実現できる。さらに、入力配線１７及び接続端子２１の個数を低減でき、液滴吐出ヘッド１００の製造工程を低減できるため、製造コストの低減、つまり低コスト化を実現することができる。
【００５１】
図３は、スイッチング素子を説明するための回路図である。図３に基づいて、スイッチング素子であるＰＭＯＳの回路構成について説明する。図３では、Ｄｋが行選択ラインのデータ線を、Ｖｎが列選択ラインの駆動制御信号線をそれぞれ示している。図３に示すように、ゲート端子１１への信号Ｄｋが高論理レベルにあるときに、信号Ｖｎがソース端子１０からドレイン端子（振動板７）に流れるようになっている。そうすると、その振動板７と、ＧＮＤに落としている対向する固定電極６との間の電位差で、静電力が発生し、振動板７が駆動する。なお、信号Ｄｋが低論理レベルの時には、固定電極６には接地電位ＧＮＤが出力される。
【００５２】
図４は、マトリクス回路を説明するための回路図である。図４に基づいて、液滴吐出ヘッド１００の動作について説明する。図４では、３つの静電アクチュエータ（Ａｃｔｉ−１、Ａｃｔｉ、Ａｃｔｉ＋１）のスイッチング素子（ＰＭＯＳ）がマトリクス接続されている回路構成を示している。ここでは、行選択ラインとして複数本のデータ線Ｄｋ（Ｄｋ−１、Ｄｋ、Ｄｋ＋１）が配列され、列選択ラインとして複数本の駆動制御信号ラインＶｎ（Ｖｎ−１、Ｖｎ、Ｖｎ＋１）が配列されている場合を例に説明する。
【００５３】
リザーバ１９には、図示省略のインク供給孔を介して外部からインク等の液滴が供給されている。また、インク圧力室５には、オリフィス２０を介してリザーバ１９から液滴が供給されている。Ａｃｔｉ−１を駆動させる場合について説明する。まず、マトリクス回路における信号Ｄｋを高論理レベルとし、信号Ｖｎをソース端子１０側からドレイン端子（振動板７）側に流す。このとき、振動板７と対向する固定電極６には、振動板７とは反対の電荷を帯電する。そのため、選択されたＡｃｔｉ−１の振動板７と固定電極６との間で静電気力が発生することになる。固定電極６と振動板７との間に静電気力が発生すると、振動板７は、その静電気力によって固定電極６側に引き寄せられて撓み、Ａｃｔｉ−１が駆動することになる。これによりインク圧力室５の容積は広がる。
【００５４】
次に、信号Ｄｋを低論理レベルとすると、固定電極６には接地電位ＧＮＤが出力され、振動板７と固定電極６との間の静電気力がなくなり、振動板７は元の状態に復元する。このとき、インク圧力室５の内部の圧力が急激に上昇し、インク圧力室５内の液滴がノズル孔１５から吐出されることになる。この液滴が、たとえば記録紙に着弾することによって印刷等が行われるようになっている。その後、液滴がリザーバ１９からオリフィス２０を通じてインク圧力室５内に補給され、初期状態に戻る。
【００５５】
Ａｃｔｉを駆動させる場合は、マトリクス回路における信号Ｄｋを高論理レベルとし、信号Ｖｎ＋１をソース端子１０側からドレイン端子（振動板７）側に流し、その振動板７と対向する固定電極６との間に静電力を発生させることによって、振動板７が撓み、Ａｃｔｉが駆動することになる。Ａｃｔｉ＋１を駆動させる場合は、マトリクス回路における信号Ｄｋ＋１を高論理レベルとし、信号Ｖｎをソース端子１０側からドレイン端子（振動板７）側に流し、その振動板７と対向する固定電極６との間に静電力を発生させることによって、振動板７が撓み、Ａｃｔｉ＋１が駆動することになる。
【００５６】
図４では、３つの静電アクチュエータを例に説明しているが、これに対する入力配線１７（第１入力配線１７ａ及び第２入力配線１７ｂ）及び接続端子２１（第１接続端子２１ａ及び第２接続端子２１ｂ）の個数は２本ずつでよい。すなわち、静電アクチュエータの個数よりも少ない個数の入力配線１７で、静電アクチュエータの個別選択が可能となり、駆動回路構成をシンプルにすることができるとともに、入力配線１７及び接続端子２１を作製するスペースを少なくすることもできる。よって、小型化及び低コスト化を実現した液滴吐出ヘッド１００を提供することができる。
【００５７】
液滴吐出ヘッド１００では、スイッチング素子としてＰＭＯＳを適用しているので、小電圧の信号で、大電圧のＯＮ／ＯＦＦ、つまりスイッチング駆動が可能となる。したがって、消費電力の低減を実現できる。また、スイッチング素子と静電アクチュエータとを一体構造としているので、ドライバＩＣを設けなくて済み、更に小型化を図れる。そして、ドライバＩＣを設けなくても、複数の静電アクチュエータを個別に選択し駆動することができる。したがって、入力配線１７の個数を、静電アクチュエータの数よりも少数にでき、実装の信頼性が向上する。
【００５８】
図５は、スイッチング素子の別の例を説明するための回路図である。図５に基づいて、スイッチング素子であるＣＭＯＳの回路構成について説明する。図５では、Ｄｋが行選択ラインのデータ線を、Ｖｎが列選択ラインの駆動制御信号線をそれぞれ示している。図５に示すＣＭＯＳのようなインバータ回路構成とすれば、高電圧とＧＮＤとを切り替えるだけで、静電アクチュエータを駆動できる。つまり、更に簡易化した駆動回路を構成できる。なお、インバータと双方向トランスミッションゲートを用いた回路を形成することで、低インピーダンス駆動を可能とする構成としてもよい。
【００５９】
次に、液滴吐出ヘッド１００の製造工程について説明する。図６〜図８は、液滴吐出ヘッド１００（特に、静電アクチュエータを構成するキャビティ基板３及び電極ガラス基板４）の製造工程の一例を示す縦断面図である。図６〜図８に基づいて、この実施の形態１の特徴部分、つまりスイッチング素子と静電アクチュエータとの一体構造について説明する。なお、実際には、シリコンウエハから複数個分の液滴吐出ヘッドの部材を同時形成するのが一般的であるが、図６〜図８ではその一部分だけを簡略化して示している。また、ここでは、製造工程の一例を示すが、これに限定するものではない。
【００６０】
（ａ）まず、Ｎ型のシリコン基板３ａを準備し、両面を鏡面研磨した後に、シリコン基板３ａの片面（電極ガラス基板４との接合する面）にたとえばプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によってＴＥＯＳ（ＴｅｔｒａＥｔｈｙｌＯｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ）からなる厚さ約０．１μｍの熱酸化膜（ＳＩＯ2 膜）５０を形成する。たとえば、この熱酸化膜５０は、熱酸化装置により温度１０７５℃、酸素と水蒸気との混合雰囲気中で４時間熱酸化することにより形成することができる。なお、実際には、熱酸化膜５０がシリコン基板３ａの全面に形成されている。
【００６１】
（ｂ）次に、熱酸化膜５０上に図示省略のレジストをコーティングし、露光、現像等の一連のフォトリソプロセスを経てソース端子１０を形成する部分１０ａと振動板７を形成する部分７ａをパターニングして、その部分のレジストを除去して開口する。そして、ソース端子１０となる部分１０ａ及び振動板７となる部分７ａにボロンをドープするために、シリコン基板３ａ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し、炉内を窒素雰囲気にし、たとえば温度を１０５０℃に上昇させて７時間保持することで、ボロンを拡散させ、ボロンドープ層を形成する。このボロンドープ層は、後述するエッチングにおいてエッチングストップ層として機能する。
【００６２】
（ｃ）ボロン拡散の終了後、熱酸化膜５０を除去する。その後、シリコン基板３ａの片面（電極ガラス基板４との接合する面）にプラズマＣＶＤによってＴＥＯＳからなる厚さ約１００ｎｍの熱酸化膜（ＳＩＯ2 膜）、つまり絶縁膜８を形成する。なお、実際には、絶縁膜８がシリコン基板３ａの全面に形成されている。また、静電アクチュエータをＰＭＯＳではなく、ＮＭＯＳ（ｎｅｇａｔｉｖｅ  ｃｈａｎｎｅｌ  Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏ）として構成する場合には、ボロンの代わりにリンやヒ素を注入すればよい。
【００６３】
（ｄ）絶縁膜８上にゲート端子１１となるポリシリコン膜５２を形成する。次に、ポリシリコン膜５２に、ゲート端子１１と第２入力配線１７ｂとを接続させる第２接続端子２１ｂとなるたとえばアルミニウム膜５３を形成し、その上にレジスト５４をコーティングする。
（ｅ）次に、露光、現像等の一連のフォトリソプロセスを経て第２接続端子２１ｂとなる部分をパターニングして、第２接続端子２１ｂとなる部分以外のレジスト５４及びアルミニウム膜５３を除去する。
（ｆ）それから、レジスト５５を再度コーティングする。
【００６４】
（ｇ）次に、露光、現像等の一連のフォトリソプロセスを経てゲート端子１１となる部分をパターニングして、ゲート端子１１となる部分以外のレジスト５５及びポリシリコン膜５２を除去する。
（ｈ）それから、レジスト５６を再度コーティングする。
（ｉ）そして、露光、現像等の一連のフォトリソプロセスを経てソース端子１０と第１入力配線１７ａとを接続させる第１接続端子２１ａを作製するための開口部５７をレジスト５６及び絶縁膜８に形成する。
（ｊ）この開口部５７にたとえばアルミニウムを流し込み、第１接続端子２１ａとする。
（ｋ）その後、レジスト５６を除去する。
【００６５】
（ｌ）このシリコン基板３ａを、固定電極６及び入力配線１７（第１入力配線１７ａ及び第２入力配線１７ｂ）が形成された電極ガラス基板４に陽極接合する。ここで、電極ガラス基板４の製造方法の一例を簡単に説明する。まず、レジストをガラス基板の片面全体に塗布して所定形状にパターニングした後、フッ酸水溶液等でエッチングして第１凹部１６及び第２凹部１６ａを形成してレジストを剥離する。そして、第１凹部１６及び第２凹部１６ａの形成された面の全面にスパッタ等でＩＴＯを成膜し、ＩＴＯの表面にレジストを塗布してパターニングし、エッチングによって固定電極６及び入力配線１７を形成した後にレジストを剥離する。
【００６６】
この陽極接合は、シリコン基板３ａと電極ガラス基板４を３６０℃に加熱した後、電極ガラス基板４に負極、シリコン基板３ａに正極を接続して、８００Ｖの電圧を印加して行うようにすればよい。
【００６７】
（ｍ）それから、陽極接合後のシリコン基板３ａを機械研削によって所望の厚さまで薄板する。なお、機械研削した後に、シリコン基板３ａの表面に発生した加工変質層を除去するために、ＫＯＨ（水酸化カリウム水溶液）等でウエットエッチングを行うことが望ましい。その後、シリコン基板３ａをＫＯＨ等でエッチングすることにより、インク圧力室５及びリザーバ１９を形成する。このとき振動板７を構成するボロンがエッチングストップ層として機能するようになっている。したがって、振動板７の厚さを高精度に加工することができる。
【００６８】
なお、インク圧力室５及びリザーバ１９は、深さが異なっているために、多段階のパターニング及びエッチングを行なうことで形成すればよい。また、ウエットエッチングでは、たとえば初めに３５重量％のＫＯＨを使用し、その後、３重量％のＫＯＨを使用すれば、振動板７の面荒れを抑制することができる。ＦＰＣ実装部１３ａの開口にはドライエッチングを用いる。その開口によりリード部６ａにおいてギャップ１８が大気と連通するため、封止材等で気密封止を行なう。このようにしてキャビティ基板３が完成する。そして、キャビティ基板３と電極ガラス基板４との接合基板のキャビティ基板３に、作製したノズル基板２を接合し、液滴吐出ヘッド１００が完成する。キャビティ基板３とノズル基板２との接合は、エポキシ樹脂等の接着剤を用いて接合することができる。
【００６９】
したがって、液滴吐出ヘッド１００は、各静電アクチュエータを駆動するためのドライバＩＣを設けなくて済むので、小型化を実現することができる。また、液滴吐出ヘッド１００は、入力配線１７（第１入力配線１７ａ及び第２入力配線１７ｂ）及び接続端子２１（第１接続端子２１ａ及び第２接続端子２１ｂ）を振動板７の個数よりも少ない個数で作製することができるので、回路構成を複雑にすることなく、更なる小型化を実現できる。さらに、液滴吐出ヘッド１００は、封止材やドライバＩＣを設けなくて済むために製造工程を減少することもでき、低コスト化に寄与することにもなる。
【００７０】
実施の形態２．
図９は、本発明の実施の形態２に係る液滴吐出ヘッド２００が組み立てられた状態の縦断面図である。図９に基づいて、液滴吐出ヘッド２００の構成及び動作について説明する。この液滴吐出ヘッド２００は、静電気力により駆動される静電駆動方式の静電アクチュエータを搭載し、ノズル基板２に設けられたノズル孔１５から液滴を吐出させるフェイスイジェクトタイプの液滴吐出ヘッドを表している。なお、この実施の形態２では上述した実施の形態１との相違点を中心に説明するものとし、実施の形態１と同一部分には、同一符号を付して説明を省略するものとする。
【００７１】
実施の形態１では、キャビティ基板３に電極ガラス基板４を陽極接合させている場合を例に示しているが、実施の形態２では、キャビティ基板３０にＮ型のシリコン基板で構成された電極基板４０を直接接合させている場合を例に示している。図９に示すように、この液滴吐出ヘッド２００は、電極基板４０、キャビティ基板３０及びノズル基板２の３つの基板が順に積層されて構成されている。キャビティ基板３０の一方の面（紙面で示す最上面）にはノズル基板２が接合されており、他方の面（紙面で示す最下面）には電極基板４０が接合されている。すなわち、液滴吐出ヘッド２００は、キャビティ基板３０を電極基板４０とノズル基板２とで上下から挟む構造となっている。
【００７２】
［電極基板４０］
電極基板（第１の基板）４０は、シリコン基板を主要な材料として構成されている。すなわち、電極基板４０は、ＰＭＯＳを形成するためにＮ型のシリコン基板で構成されている。この電極基板４０の表面には、後述するゲート端子４２の形成位置に対応するシリコン基板に隔てられたボロンドープ層４５が選択的に形成されている。つまり、ボロンドープ層４５は、振動板３７に対応させる位置に形成されているボロンドープ層４５ａと、ＦＰＣ１３に接続させる位置に形成されているボロンドープ層４５ｂとで構成されている。
【００７３】
そして、ボロンドープ層４５ａを、ＰＭＯＳのドレイン端子４３として構成し、固定電極として機能させている。また、ボロンドープ層４５ｂを、ＰＭＯＳのソース端子４１として構成させている。このソース端子４１は、アルミニウムやプラチナ等からなる入力配線６７を介してＦＰＣ１３に接続され、実施の形態１の図２（ａ）に示すような複数のアクチュエータ（振動板３７）間でマトリクス回路を構成するようになっている。なお、静電アクチュエータをＰＭＯＳではなく、ＮＭＯＳとして構成する場合には、ボロンの代わりにリンやヒ素を注入すればよい。また、入力配線６７の形成位置がＦＰＣ実装部となる。
【００７４】
また、ボロンドープ層４５ａ及びゲート端子４２の形成位置に対応するシリコン基板には、振動板３７とドレイン端子４３との間を電気的に絶縁するための熱酸化膜を１００ｎｍ程度成膜している。これは、振動板３７の駆動時における絶縁破壊及びショートを防止するためと、インク等の液滴によるキャビティ基板３０のエッチングを防止するためのものである。この絶縁膜４８は、ゲート端子４２と電極基板４０との間を電気的に絶縁する機能も兼ねている。この絶縁膜４８を熱酸化膜で構成するため絶縁耐圧が容易かつ安価に向上する。絶縁膜４８をキャビティ基板３０に形成する場合、薄い振動板３７が絶縁膜４８の応力により撓んでしまうことになるが、絶縁膜４８を電極基板４０に形成するため、そのような問題が生じることがない。
【００７５】
また、キャビティ基板３０の上面にも、図示省略の液体保護膜となるＳｉＯ2 膜を、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法により成膜するとよい。液体保護膜を成膜することによって、インク滴で流路が腐食されるのを防止できるからである。液体保護膜を成膜すれば、液体保護膜の応力と絶縁膜４８の応力とを相殺させ、振動板３７の反りを小さくできるという効果も期待できる。さらに、絶縁膜４８には、振動板３７と対応する位置及びゲート端子４２の形成位置がエッチング（ハーフエッチング）加工され、凹部６６が形成されている。そして、電極基板４０のゲート端子４２の形成位置に、絶縁膜４８を介してゲート端子４２が形成される。なお、ゲート端子４２は、ポリシリコンで構成している場合を例に示している（図１０〜図１２参照）。
【００７６】
［キャビティ基板３０］
キャビティ基板（第２の基板）３０は、たとえば厚さ約５２５μｍの（１１０）面方位のシリコン基板を主要な材料として構成されている。このシリコン基板にドライエッチングまたは異方性ウエットエッチングのいずれかあるいは双方を行い、実施の形態１と同様に底壁が可撓性を有する振動板３７（可動電極）となるインク圧力室５が複数形成されている。この振動板３７は、高濃度のボロンドープ層で形成するようにしてもよい。たとえば、振動板３７は、幅１００μｍ、厚さ２μｍ、長さ３ｍｍで形成するとよい。また、キャビティ基板３０には、リザーバ１９及びオリフィス２０がドライエッチングまたは異方性ウエットエッチングのいずれかあるいは双方を行って形成されている。
【００７７】
そして、この実施の形態２では、キャビティ基板３０を共通電極として機能させるために、プラチナ等からなる共通電極端子３５が形成されている。このようなキャビティ基板３０と電極基板４０とを接合して積層体を形成すると、振動板３７と絶縁膜４８との間には、振動板３７を撓ませることができる一定のギャップ４９が、絶縁膜４８の凹部６６により形成されるようになっている。このギャップ４９は、たとえば深さ０．２μｍとなるように形成するとよい。このギャップ４９は、凹部６６の深さにより決まることになる。このギャップ４９は、液滴吐出ヘッド２００の吐出特性に大きく影響するため、厳格な精度管理が要求される。
【００７８】
ここで、液滴吐出ヘッド２００の特徴事項について詳細に説明する。実施の形態１では、キャビティ基板３にスイッチング素子を作製し、このスイッチング素子と静電アクチュエータとを一体構造とした場合を示したが、実施の形態２では、電極基板４０にスイッチング素子（ドレイン端子４３、ソース端子４１及びゲート端子４２で構成するＰＭＯＳ））を作製し、このスイッチング素子と静電アクチュエータとを一体構造とした場合を示している。なお、液滴吐出ヘッド２００に搭載するスイッチング素子であるＰＭＯＳの回路構成については、実施の形態１と同様である（図３参照）。また、液滴吐出ヘッド２００に適用するマトリクス回路についても、実施の形態１と同様である（図４参照）。
【００７９】
液滴吐出ヘッド２００の動作について図３を参照しながら簡単に説明する。図３に示すように、ゲート端子４２への信号Ｄｋが高論理レベルにあるときに、信号Ｖｎがソース端子４１からドレイン端子４３に流れるようになっている。そうすると、そのドレイン端子４３と、ＧＮＤに落としている対向する振動板３７（共通電極端子）との間の電位差で、静電力が発生し、振動板３７が駆動する。なお、信号Ｄｋが低論理レベルの時には、ドレイン端子４３には接地電位ＧＮＤが出力される。
【００８０】
このように液滴吐出ヘッド２００を作製するので、入力配線６７（たとえば、実施の形態１と同様に２つの振動板３７、つまり２つのソース端子４１に対して１つ設けられるようにするとよい）の個数を低減することができ、駆動回路構成をシンプルにすることができる。また、入力配線６７を作製するスペースを少なくすることもでき、液滴吐出ヘッド２００の小型化を実現できる。さらに、入力配線６７の個数を低減でき、液滴吐出ヘッド２００の製造工程を低減できるため、製造コストの低減、つまり低コスト化を実現することができる。
【００８１】
液滴吐出ヘッド２００では、スイッチング素子としてＰＭＯＳを適用しているので、小電圧の信号で、大電圧のＯＮ／ＯＦＦ、つまりスイッチング駆動が可能となる。したがって、消費電力の低減を実現できる。また、スイッチング素子と静電アクチュエータとを一体構造としているので、ドライバＩＣを設けなくて済み、更に小型化を図れる。そして、ドライバＩＣを設けなくても、複数の静電アクチュエータを個別に選択し駆動することができる。したがって、入力配線６７の個数を、静電アクチュエータの数よりも少数にでき、実装の信頼性が向上する。
【００８２】
また、液滴吐出ヘッド２００には、ＰＭＯＳではなく、実施の形態１で示したようなスイッチング素子であるＣＭＯＳ（図５参照）を搭載してもよい。図５に示すＣＭＯＳのようなインバータ回路構成とすれば、高電圧とＧＮＤとを切り替えるだけで、静電アクチュエータを駆動できる。つまり、更に簡易化した駆動回路を構成できる。なお、インバータと双方向トランスミッションゲートを用いた回路を形成することで、低インピーダンス駆動を可能とする構成としてもよい。
【００８３】
次に、液滴吐出ヘッド２００の製造工程について説明する。図１０〜図１２は、液滴吐出ヘッド２００（特に、静電アクチュエータを構成するキャビティ基板３０及び電極基板４０）の製造工程の一例を示す縦断面図である。図１０〜図１２に基づいて、この実施の形態２の特徴部分、つまりスイッチング素子と静電アクチュエータとの一体構造について説明する。なお、実際には、シリコンウエハから複数個分の液滴吐出ヘッドの部材を同時形成するのが一般的であるが、図１０〜図１２ではその一部分だけを簡略化して示している。また、ここでは、製造工程の一例を示すが、これに限定するものではない。
【００８４】
（ａ）まず、Ｎ型のシリコン基板４０ａを準備し、両面を鏡面研磨した後に、シリコン基板４０ａの片面（キャビティ基板３０との接合する面）に厚さ約０．１μｍの熱酸化膜（ＳＩＯ2 膜）７０を形成する。たとえば、この熱酸化膜７０は、熱酸化装置により温度１０７５℃、酸素と水蒸気との混合雰囲気中で４時間熱酸化することにより形成することができる。なお、実際には、熱酸化膜７０がシリコン基板４０ａの全面に形成されている。
【００８５】
（ｂ）次に、熱酸化膜７０上に図示省略のレジストをコーティングし、露光、現像等の一連のフォトリソプロセスを経てソース端子４１を形成する部分４１ａとドレイン端子４３を形成する部分４３ａをパターニングして、その部分のレジストを除去して開口する。
（ｃ）そして、ソース端子４１を形成する部分４１ａ及びドレイン端子４３を形成する部分４３ａのボロンをドープするために、シリコン基板４０ａ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し、炉内を窒素雰囲気にし、たとえば温度を１０５０℃に上昇させて７時間保持することで、ボロンを拡散させ、ボロンドープ層４５を形成する。
【００８６】
（ｄ）ボロン拡散の終了後、熱酸化膜７０を除去し、その後、シリコン基板４０ａの片面（キャビティ基板３０との接合する面）に厚さ約１００ｎｍの熱酸化膜（ＳＩＯ2 膜）、つまり絶縁膜４８を形成する。なお、静電アクチュエータをＰＭＯＳではなく、ＮＭＯＳとして構成する場合には、ボロンの代わりにリンやヒ素を注入すればよい。
（ｅ）絶縁膜４８上にレジスト７４をコーティングし、露光、現像等の一連のフォトリソプロセスを経てソース端子４１を形成する部分４１ａをパターニングして、その部分のレジスト７４を除去して開口する。
【００８７】
（ｆ）このレジスト７４をマスクとして、ソース端子４１を形成する部分４１ａの絶縁膜４８をエッチングして除去する。その後、レジスト７４を除去する。
（ｇ）それから、レジスト７５を再度コーティングし、露光、現像等の一連のフォトリソプロセスを経て凹部６６となる部分をパターニングして、その部分のレジスト７５を除去する。
（ｈ）そして、レジスト７５をマスクとして、凹部６６となる部分の絶縁膜４８をハーフエッチングして除去する。このハーフエッチングは、ドライエッチングプロセスまたは異方性ウエットエッチングプロセスで行えばよい。
（ｉ）その後、レジスト７５を除去する。
【００８８】
（ｊ）絶縁膜４８及びボロンドープ層４５ｂ上にゲート端子４２となるポリシリコン膜７２を形成する。
（ｋ）次に、ポリシリコン膜７２上にレジスト７６をコーティングし、露光、現像等の一連のフォトリソプロセスを経てゲート端子４２となる部分以外のレジスト７６を除去する。
（ｌ）このレジスト７６をマスクとして、ポリシリコン膜７２を除去する。
（ｍ）ゲート端子４２となる部分に残ったレジスト７６を除去し、たとえばシリコン製マスク等を用いてプラチナ等をスパッタし、ＦＰＣ実装用の端子（入力配線６７）を作製する。
【００８９】
以上のプロセスで電極基板４０が完成する。この電極基板４０に、キャビティ基板３０となるシリコン基板３ａを接合し、インク圧力室５やリザーバ１９、オリフィス等を作製し、完成させたキャビティ基板３０にノズル基板２を接合し、液滴吐出ヘッド２００が完成する。電極基板４０とキャビティ基板３０とは、酸化シリコン（絶縁膜４８）とシリコン（シリコン基板３０ａ）との直接接合のプロセスで接合する。この接合によって、ギャップ４９が密閉空間になり、封止材等による気密封止工程が不要となる。
【００９０】
また、各基板の接合面は、固定電極（ドレイン端子４３）と可動電極（振動板３７）の貼り付きを防ぐため、疎水性とし、疎水性表面同士での接合強度を確保するために、密着状態の基板に４００℃以上の熱を掛け、接合するようになっている。さらに、キャビティ基板３０と電極基板４０とを直接接合するため、電界を掛けずに済み、ＭＯＳ・ＦＥＴからなるスイッチング素子の損傷を効果的に防止することができ、接合によって振動板３７までもが貼り付いてしまうこともない。
【００９１】
したがって、液滴吐出ヘッド２００は、各静電アクチュエータを駆動するためのドライバＩＣを設けなくて済むので、小型化を実現することができる。また、液滴吐出ヘッド２００は、入力配線６７を振動板３７の個数よりも少ない個数で作製することができるので、回路構成を複雑にすることなく、更なる小型化を実現できる。さらに、液滴吐出ヘッド２００は、封止材やドライバＩＣを設けなくて済むために製造工程を減少することもでき、低コスト化に寄与することにもなる。特に、電極基板４０に形成する固定電極をＩＴＯ等で構成しなくて済むので、低コスト化に加えて、製造プロセスを低減することにもなる。
【００９２】
実施の形態３．
図１３は、本発明の実施の形態３に係る液滴吐出ヘッド３００が組み立てられた状態の縦断面図である。図１３に基づいて、液滴吐出ヘッド３００の構成及び動作について説明する。この液滴吐出ヘッド３００は、静電気力により駆動される静電駆動方式の静電アクチュエータを搭載し、ノズル基板２に設けられたノズル孔１５から液滴を吐出させるフェイスイジェクトタイプの液滴吐出ヘッドを表している。なお、この実施の形態３では上述した実施の形態１及び実施の形態２との相違点を中心に説明するものとし、実施の形態１及び実施の形態２と同一部分には、同一符号を付して説明を省略するものとする。
【００９３】
実施の形態３に係る液滴吐出ヘッド３００は、実施の形態１に係る液滴吐出ヘッド１００の特徴事項と、実施の形態２に係る液滴吐出ヘッド２００の特徴事項とを組み合わせたことを特徴としている。すなわち、液滴吐出ヘッド３００には、２つのスイッチング素子（ＰＭＯＳ）が搭載されていることを特徴としている。１つ目のスイッチング素子（ドレイン端子４３、ソース端子４１及びゲート端子４２）は電極基板４０に形成されており、２つ目のスイッチング素子（ドレイン端子（振動板７）、ソース端子１０及びゲート端子１１）はキャビティ基板３に形成されている。
【００９４】
この液滴吐出ヘッド３００は、電極基板４０（実施の形態２の特徴事項）、キャビティ基板３（実施の形態１の特徴事項）及びノズル基板２の３つの基板が順に積層されて構成されている。キャビティ基板３の一方の面（紙面で示す最上面）にはノズル基板２が接合されており、他方の面（紙面で示す最下面）には電極基板４０が接合されている。すなわち、液滴吐出ヘッド３００は、キャビティ基板３を電極基板４０とノズル基板２とで上下から挟む構造となっている。
【００９５】
図１３に示すように、２つのスイッチング素子に駆動信号を供給するためのＦＰＣ１３を液滴吐出ヘッド３００の長手方向における両端に２つ設けている。実施の形態１に係る液滴吐出ヘッド１００及び実施の形態２に係る液滴吐出ヘッド２００ではＦＰＣ１３がともに紙面右側に実装されている場合を例に示したが、液滴吐出ヘッド３００ではドレイン端子４３に駆動信号を供給するためのＦＰＣ１３が紙面左側に、振動板７に駆動信号を供給するＦＰＣ１３が紙面右側にそれぞれ実装されている場合を例に示している。このようにすることで、入力配線１７及び入力配線６７の混線を防止している。なお、実施の形態１では入力配線１７をＩＴＯで形成した場合を例に示したが、実施の形態３では入力配線１７を入力配線６７と同様にアルミニウムやプラチナ等で形成すればよい。
【００９６】
液滴吐出ヘッド３００は、２つのスイッチング素子が搭載されているので、可動電極（振動板７）も固定電極（ドレイン端子４３）も共に、静電アクチュエータ毎に個別にＯＮ／ＯＦＦのスイッチングができる。したがって、実施の形態１及び実施の形態２のように一方が共通電極（実施の形態１では固定電極６が共通電極端子、実施の形態２では振動板７が共通電極端子）になっている場合（全静電アクチュエータが繋がっている場合）よりも、液滴吐出ヘッド３００では以下に説明するような複雑な駆動制御を実行することができる。
【００９７】
図１４は、液滴吐出ヘッド３００の駆動制御の一例を説明するための説明図である。図１４に基づいて、液滴吐出ヘッド３００ができる複雑な駆動制御の一例について説明する。図１４に示すように、液滴吐出ヘッド３００は、たとえば３段階の電圧をノズル孔１５毎（静電アクチュエータ毎）で同時に使い分けることができる。図１４では、最大量の液滴を吐出させるノズルＡ、最小量の液滴を吐出させるノズルＢ、中間量の液滴を吐出させるノズルＣの３段階の吐出量について示している。また、振動板７に印加される電圧が１０Ｖ、ドレイン端子４３に印加される電圧が７Ｖである場合を例に示している。
【００９８】
最大量の液滴を吐出させる場合の駆動制御は、振動板７に電圧を印加し、ドレイン端子４３に電圧を印加しない。そうすると、振動板７のみに１０Ｖの電圧が印加されることになり、電極間電位差（振動板７とドレイン端子４３との間に印加される電圧）が１０Ｖになる。こうすることによって、振動板７を最大に撓ませ、インク圧力室５内の液滴に与える自由振動の振幅を最大とすることができる。そして、ゲート端子１１への印加電圧（駆動信号Ｄｋ）を低論理レベルにすることによって、振動板７には接地電位ＧＮＤが出力され、振動板７が復元し、最大量の液滴をノズルＡから吐出することができる。
【００９９】
最小量の液滴を吐出させる場合の駆動制御は、振動板７及びドレイン端子４３の双方に電圧を印加する。そうすると、振動板７に１０Ｖの電圧が、ドレイン端子４３に７Ｖの電圧がそれぞれ印加されることになり、電極間電位差が３Ｖになる。こうすることによって、振動板７を小さく撓ませ、インク圧力室５内の液滴に与える自由振動の振幅を最小とすることができる。そして、ゲート端子１１及びゲート端子４２への印加電圧を低論理レベルにすることによって、振動板７及びドレイン端子４３には接地電位ＧＮＤが出力され、振動板７が復元し、最小量の液滴をノズルＢから吐出することができる。
【０１００】
中間量の液滴を吐出させる場合の駆動制御は、ドレイン端子４３に電圧を印加し、振動板７に電圧を印加しない。そうすると、ドレイン端子４３のみに７Ｖの電圧が印加されることになり、電極間電位差が７Ｖになる。こうすることによって、振動板７を中間程度に撓ませ、インク圧力室５内の液滴に与える自由振動の振幅を中間程度とすることができる。そして、ゲート端子４２への印加電圧を低論理レベルにすることによって、振動板７には接地電位ＧＮＤが出力され、振動板７が復元し、中間量の液滴をノズルＣから吐出することができる。
【０１０１】
以上のように、実際に電極間に掛かる電位差は、振動板７に印加される電圧とドレイン端子４３に印加される電圧との差となり、この電位差に基づいて静電力の大きさが決定することになる。したがって、可動電極も固定電極もともに、個別にＯＮ／ＯＦＦのスイッチングができることで、液滴吐出量の３段階制御が可能になっている。たとえば、液滴吐出量を同時に使い分けることで、精細な部分には少量の液滴吐出量を、ベタ塗りする部分には多量の液滴吐出量を供給することができ、印刷の効率化を図ることができるとともに、印刷速度を向上することができる。
【０１０２】
実施の形態４．
図１５は、上述した液滴吐出ヘッドを搭載した液滴吐出装置１５０の一例を示した斜視図である。図１５に示す液滴吐出装置１５０は、一般的なインクジェットプリンタである。なお、この液滴吐出装置１５０は、周知の製造方法によって製造することができる。上述した液滴吐出ヘッド１００、液滴吐出ヘッド２００及び液滴吐出ヘッド３００は、スイッチング素子と静電アクチュエータとを一体構造としたことを特徴とするものであるから、これらを搭載した液滴吐出装置１５０も同様の効果を得ることができる。
【０１０３】
なお、液滴吐出ヘッド１００、液滴吐出ヘッド２００及び液滴吐出ヘッド３００は、図１５に示す液滴吐出装置１５０の他に、液滴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。また、液滴吐出ヘッド１００、液滴吐出ヘッド２００及び液滴吐出ヘッド３００は、圧電駆動方式の液滴吐出装置や、バブルジェット（登録商標）方式の液滴吐出装置にも使用できる。
【０１０４】
たとえば、液滴吐出ヘッド１００、液滴吐出ヘッド２００及び液滴吐出ヘッド３００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。
【０１０５】
なお、本発明の実施の形態に係る静電アクチュエータ、液滴吐出ヘッド、液滴吐出装置、液滴吐出ヘッドの製造方法及び液滴吐出装置の製造方法は、上述の実施の形態で説明した内容に限定されるものではなく、本発明の思想の範囲内において変更することができる。また、液滴吐出ヘッド１００、液滴吐出ヘッド２００及び液滴吐出ヘッド３００が電極基板、キャビティ基板及びノズル基板からなる３層構造を例に説明したが、これに限定するものではない。たとえば、リザーバ基板を追加して４つの基板が積層されて構成される４層構造の液滴吐出ヘッドについても適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０６】
【図１】実施の形態１に係る液滴吐出ヘッドが組み立てられた状態の縦断面図である。
【図２】キャビティ基板及び電極ガラス基板の配線状態を説明するための平面図である。
【図３】スイッチング素子を説明するための回路図である。
【図４】マトリクス回路を説明するための回路図である。
【図５】スイッチング素子の別の例を説明するための回路図である。
【図６】液滴吐出ヘッドの製造工程の一例を示す縦断面図である。
【図７】液滴吐出ヘッドの製造工程の一例を示す縦断面図である。
【図８】液滴吐出ヘッドの製造工程の一例を示す縦断面図である。
【図９】実施の形態２に係る液滴吐出ヘッドが組み立てられた状態の縦断面図である。
【図１０】液滴吐出ヘッドの製造工程の一例を示す縦断面図である。
【図１１】液滴吐出ヘッドの製造工程の一例を示す縦断面図である。
【図１２】液滴吐出ヘッドの製造工程の一例を示す縦断面図である。
【図１３】実施の形態３に係る液滴吐出ヘッドが組み立てられた状態の縦断面図である。
【図１４】液滴吐出ヘッドの駆動制御の一例を説明するための説明図である。
【図１５】液滴吐出ヘッドを搭載した液滴吐出装置の一例を示した斜視図である。
【符号の説明】
【０１０７】
２  ノズル基板、３  キャビティ基板、３ａ  シリコン基板、４  電極ガラス基板、５  インク圧力室、６  固定電極、６ａ  リード部、７  振動板、７ａ  振動板となる部分、８  絶縁膜、８ａ  貫通孔、１０  ソース端子、１０ａ  ソース端子を形成する部分、１１  ゲート端子、１３  ＦＰＣ、１３ａ  ＦＰＣ実装部、１５  ノズル孔、１６  第１凹部、１６ａ  第２凹部、１７  入力配線、１７ａ  第１入力配線、１７ｂ  第２入力配線、１８  ギャップ、１９  リザーバ、２０  オリフィス、２１  接続端子、２１ａ  第１接続端子、２１ｂ  第２接続端子、３０  キャビティ基板、３０ａ  シリコン基板、３５  共通電極端子、３７  振動板、４０  電極基板、４０ａ  シリコン基板、４１  ソース端子、４１ａ  ソース端子を形成する部分、４２  ゲート端子、４３  ドレイン端子、４３ａ  ドレイン端子を形成する部分、４５  ボロンドープ層、４５ａ  ボロンドープ層、４５ｂ  ボロンドープ層、４８  絶縁膜、４９  ギャップ、５０  熱酸化膜、５２  ポリシリコン膜、５３  アルミニウム膜、５４  レジスト、５５  レジスト、５６  レジスト、５７  開口部、６６  凹部、６７  入力配線、７０  熱酸化膜、７２  ポリシリコン膜、７４  レジスト、７５  レジスト、７６  レジスト、１００  液滴吐出ヘッド、１５０  液滴吐出装置、２００  液滴吐出ヘッド、３００  液滴吐出ヘッド。
【図１】
0005163144.tif 000002
【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】
0005163144.tif 000014
【図１４】
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【図１５】
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