(57)【要約】【課題】複数段の段面を有する個別電極を備えた液滴吐出ヘッドにおいて、キャビティ基板に形成する吐出室内のインクの流れを制御し、吐出させるインク滴の量を調節することが可能な液滴吐出ヘッド、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を提供する。【解決手段】この液滴吐出ヘッド１００は、複数段の階段状の段面を有する個別電極３１を設置するための段面部４０〜６０が形成されたガラス溝３２が設けられたガラス基板３０を備え、それら段面部を、ガラス溝３２の底面に形成する最下段の段面部６０からガラス溝３２の長手方向の両端に向かって階段状に形成し、長手方向の両端に向かう２つの階段状断面部（段面部４０ａ及び段面部４０ｂ、段面部５０ａ及び段面部５０ｂ）におけるガラス溝３２の長手方向長さを非対称としたことを特徴とする。【選択図】図１
2007175940.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
底壁が振動板を形成し液滴を溜めて吐出させる吐出室が形成されたキャビティ基板と、
前記振動板に対向し前記振動板を駆動する個別電極が形成されたガラス基板と、
前記吐出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た液滴吐出ヘッドであって、
前記個別電極は、
平面が細長形状で、その平面の中間部を最下段の面として該中間部から長手方向の両端に向かって階段状に複数の段面を有して形成されており、前記両端に向かう２つの階段状段面における同じ高さの段面の前記長手方向長さを非対称とした
ことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項２】
前記ガラス基板に前記個別電極を設置するためのガラス溝を設け、
前記ガラス溝に、その平面の中間部を最下段の面として該中間部から長手方向の両端に向かって階段状に複数の段面を形成して、前記個別電極の前記両端に向かう２つの階段状段面における同じ高さの段面の前記長手方向長さを非対称とした
ことを特徴とする請求項１に記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項３】
前記個別電極毎に、前記両端に向かう２つの階段状段面における同じ高さの段面の前記長手方向長さの非対称を設定可能にした
ことを特徴とする請求項１または２に記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項４】
前記請求項１〜３のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドを備えた
ことを特徴とする液滴吐出装置。
【請求項５】
底壁が振動板を形成し液滴を溜めて吐出させる吐出室が形成されたキャビティ基板と、前記振動板に対向し前記振動板を駆動する個別電極が形成されたガラス基板とを、前記振動板と前記個別電極との間にギャップを隔てて接合し、
前記吐出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を、前記キャビティ基板に接合する液滴吐出ヘッドの製造方法であって、
前記ガラス基板に前記個別電極を設置するためのガラス溝を設け、
前記個別電極に、平面が細長形状で、その平面の中間部を最下段の面として該中間部から長手方向の両端に向かって階段状に複数の段面を設け、前記両端に向かう２つの階段状段面における同じ高さの段面の前記長手方向長さを非対称として形成した
ことを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。
【請求項６】
前記ガラス溝に、その平面の中間部を最下段の面として該中間部から長手方向の両端に向かって階段状に複数の段面を形成して、前記個別電極の前記両端に向かう２つの階段状段面における同じ高さの段面の前記長手方向長さを非対称とした  
ことを特徴とする請求項５に記載の液滴吐出ヘッドの製造方法。
【請求項７】
前記個別電極をスパッタにより形成する
ことを特徴とする請求項５または６に記載の液滴吐出ヘッドの製造方法。
【請求項８】
前記請求項５〜７のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドの製造方法を含む
ことを特徴とする液滴吐出装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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に関し、特に吐出室内のインクの流れ及びインクの吐出量を調整可能にした液滴吐出ヘッド、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に関する。
【背景技術】
【０００２】
液滴を吐出するための液滴吐出ヘッドとして、たとえばインクジェット記録装置に搭載されるインクジェットヘッドが知られている。一般に、このインクジェットヘッドは、インク滴を吐出するための複数のノズル孔が形成されたノズル基板と、このノズル基板に接合されノズル孔に連通する吐出室や、リザーバ等のインク流路が形成されたキャビティ基板とを備え、吐出室に圧力を加えることによりインク滴を選択されたノズル孔より吐出するように構成されている。このようにインク滴を吐出させる手段としては、静電気力を利用する静電駆動方式や、圧電素子による圧電方式、発熱素子を利用するバブルジェット（登録商標）方式等が存在する。
【０００３】
このうち、静電駆動方式のインクジェットヘッドにおいては、吐出室の底部を振動板としたキャビティ基板と、この振動板に所定のギャップ（空隙）を介して対向する個別電極を形成したガラス基板とを接合させた構成となっている。この個別電極は、振動板の変位を可能とするよう所定のギャップ長を確保するために、たとえばガラス基板の表面に形成された凹部の底面にＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）等をスパッタして形成されている。
【０００４】
そして、インク滴を吐出する際には、個別電極に駆動電圧を印加してプラスに帯電させ、対応する振動板に駆動電圧を印加してマイナスに帯電させる。そうすると、この時に生じる静電引力により振動板が個別電極側に弾性変形する。この駆動電圧をオフにすると、振動板が復元する。このとき、吐出室の内部の圧力が急激に上昇し、吐出室内のインクの一部をインク滴としてノズル孔から吐出されることになる。
【０００５】
近年、このような静電駆動方式のインクジェットヘッドにおいては、ノズル孔の高密度化が求められている。また、駆動電圧の上昇を引き起こすことなく、インク吐出量を確保することが求められている。その一つの方策として、「振動板と該振動板とギャップを介して接合された電極基板上に前記振動板に対向して設けられた個別電極を有し、前記振動板と前記個別電極間に駆動電圧を印加し、前記振動板を静電力により変形させる静電型アクチュエータであって、短辺と長辺の長方形で構成された前記振動板と個別電極との間に空隙を形成しているギャップを有し、該ギャップの短辺は凹形状であって、かつ、少なくとも二つ以上のギャップ長を持つ階段状に形成されてい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１参照）。
【０００６】
また、「インクを吐出するインクノズルと、このノズルに連通していると共にインクを保持しているインク室と、このインク室にインクを供給するインク供給路と、前記インク室を区画形成している周壁に形成され、面外方向に弾性変位可能となっている振動板と、前記インク室の外側において前記振動板に対して隙間を置いて対向配置されている対向壁とを有し、前記振動板の振動に応じて前記インク室に発生する圧力変動を利用して、前記インクノズルからインク滴を吐出させるインクジェットヘッドにおいて、前記振動板と前記対向壁の隙間として、相対的に、大きな隙間部分と小さな隙間部分とを備えている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２参照）。
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−３１８１５５号公報（第１頁、第２図）
【特許文献２】特開平０９−３９２３５（第５頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に記載の静電アクチュエータは、個別電極を階段状に多段に形成することによって、振動板が静電引力により弾性変形したときに階段状の個別電極の段差部に沿って当接し十分な弾性変形が得られるようになっている。したがって、駆動電圧を上げなくても（もしくは駆動電圧を低くしても）所定のインク吐出量を確保することが可能になっている。また、ガラス溝にある電極部に絶縁膜を形成することにより、当接時の短絡を防止するようになっている。
【０００９】
しかしながら、このような静電アクチュエータでは、段差数が増加すればするほどパターニングとエッチングの回数が比例して増加することになってしまう。そうすると、それに伴って製造工程の作業工数が増加してしまい手間がかかっていた。また、作業工数が増加すると、歩留まりが低下することから、静電アクチュエータの製造コストが大幅に上昇するといった問題があった。
【００１０】
特許文献２に記載のインクジェットヘッドは、振動板と対向電極との間に印加する駆動電圧が小さくても、小さな隙間部分に位置している振動板の部分が容易に対向壁の側に弾性変位するようになっている。したがって、印加する駆動電圧を小さくすることが可能になっている。また、放電速度を制御して振動板に各対向壁の当接を制御することによって、インクの振動系によるコンプライアンスを変化させることができ、吐出させるインク滴の量を調整することが可能になっている。
【００１１】
つまり、インクの吐出時の応答性を速くして高速でインク滴を吐出させ、インクの吐出後における流体運動を緩和させるようにして、不必要なインク滴の吐出を抑制するようになっている。しかしながら、吐出する速度でインク滴の量を調整することはできるものの、振動板の変動によって吐出室内のインクの流れを制御し、吐出するインク滴の量を調整するということはできなかった。
【００１２】
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたもので、複数段の段面を有する個別電極を備えた液滴吐出ヘッドにおいて、キャビティ基板に形成する吐出室内のインクの流れを制御し、吐出させるインク滴の量を調節することが可能な液滴吐出ヘッド、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】
【００１３】
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吐出室が形成されたキャビティ基板と、振動板に対向し振動板を駆動する個別電極が形成されたガラス基板と、吐出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た液滴吐出ヘッドであって、個別電極は、平面が細長形状で、その平面の中間部を最下段の面として該中間部から長手方向の両端に向かって階段状に複数の段面を有して形成されており、両端に向かう２つの階段状段面における同じ高さの段面の長手方向長さを非対称としたことを特徴とする。
【００１４】
したがって、電極（個別電極）に当接される振動板の離脱時に発生する傾斜面を利用して吐出室内のインクの流れを制御することができる。また、インクの流れを制御できるとともに、ノズル孔から吐出させるインクの吐出量を調節することも可能になる。すなわち、液滴吐出ヘッドの用途に応じた使い分けをすることができ、ユーザの要求する目的及び用途に応じた設定が可能となっている。
【００１５】
本発明に係る液滴吐出ヘッドは、ガラス基板に個別電極を設置するためのガラス溝を設け、ガラス溝に、その平面の中間部を最下段の面として該中間部から長手方向の両端に向かって階段状に複数の段面を形成して、個別電極の両端に向かう２つの階段状段面における同じ高さの段面の長手方向長さを非対称としたことを特徴とする。したがって、複雑な製造工程を要することなくガラス基板を加工することができる。
【００１６】
本発明に係る液滴吐出ヘッドは、個別電極毎に、両端に向かう２つの階段状段面における同じ高さの段面の長手方向長さの非対称を設定可能にしたことを特徴とする。したがって、個別電極毎に吐出させるインク量を調整でき、液滴吐出ヘッドの設定を更に詳細に実行できる。すなわち、液滴吐出ヘッドの用途に応じて設定したインクの吐出量をさらに詳細に設定してからユーザに提供することが可能である。
【００１７】
本発明に係る液滴吐出装置は、上記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、液滴吐出装置は、上述の液滴吐出ヘッドが有している効果と同じ効果を有している。
【００１８】
本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、底壁が振動板を形成し液滴を溜めて吐出させる吐出室が形成されたキャビティ基板と、振動板に対向し振動板を駆動する個別電極が形成されたガラス基板とを、振動板と個別電極との間にギャップを隔てて接合し、吐出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を、キャビティ基板に接合する液滴吐出ヘッドの製造方法であって、ガラス基板に個別電極を設置するためのガラス溝を設け、個別電極に、平面が細長形状で、その平面の中間部を最下段の面として該中間部から長手方向の両端に向かって階段状に複数の段面を設け、両端に向かう２つの階段状段面における同じ高さの段面の長手方向長さを非対称として形成したことを特徴とする。
【００１９】
したがって、電極（個別電極）に当接される振動板の離脱時に発生する傾斜面を利用して吐出室内のインクの流れを制御することができる。また、インクの流れを制御できるとともに、ノズル孔から吐出させるインクの吐出量を調節することも可能になる。すなわち、液滴吐出ヘッドの用途に応じた使い分けをすることができ、ユーザの要求する目的及び用途に応じた設定が可能となっている。
【００２０】
本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、ガラス溝に、その平面の中間部を最下段の面として該中間部から長手方向の両端に向かって階段状に複数の段面を形成して、個別電極の両端に向かう２つの階段状段面における同じ高さの段面の長手方向長さを非対称としたことを特徴とする。
【００２１】
したがって、電極（個別電極）に当接される振動板の離脱時に発生する傾斜面を利用して吐出室内のインクの流れを制御することができる。また、インクの流れを制御できるとともに、ノズル孔から吐出させるインクの吐出量を調節することも可能になる。すなわち、液滴吐出ヘッドの用途に応じた使い分けをすることができ、ユーザの要求する目的及び用途に応じた設定が可能となっている。
【００２２】
本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、個別電極をスパッタにより形成することを特徴とする。したがって、特別な工程を要することなく液滴吐出ヘッドを製造することができる。また、本発明に係る液滴吐出装置の製造方法は、上述の液滴吐出ヘッドの製造方法を含むことを特徴とする。したがって、上述した液滴吐出ヘッドの製造方法による効果と同じ効果を有している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
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の分解斜視図である。図２は、液滴吐出ヘッド１００の概略構成を示す断面図である。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。なお、実施の形態では、静電駆動方式で駆動する静電アクチュエータを搭載したデバイスの代表として、ノズル基板の表面側に設けられたノズル孔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例に説明するものとする。また、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。
【００２４】
図１に示すように、この液滴吐出ヘッド１００は、ノズル基板１０、キャビティ基板２０及びガラス基板３０の３つの基板が順に積層されるように接合された３層構造を特徴としている。このキャビティ基板２０の一方の面（上面）にはノズル基板１０が接合されており、他方の面（下面）にはガラス基板３０が接合されている。すなわち、キャビティ基板２０をガラス基板３０とノズル基板１０とが上下から挟む構造となっている。
【００２５】
この実施の形態では、ガラス基板３０とキャビティ基板２０とは陽極接合により接合するものとし、キャビティ基板２０とノズル基板１０とはエポキシ樹脂等の接着剤を用いて接合するものとして説明する。また、液滴吐出ヘッド１００のガラス基板３０に形成する個別電極３１は、図示省略のドライバＩＣ等の電力供給手段によって駆動信号（パルス電圧）が供給されるようになっている。
【００２６】
［ガラス基板３０］
ガラス基板３０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、ガラス基板３０がホウ珪酸ガラスで形成されている場合を例に示すが、ガラス基板３０を単結晶シリコンで形成してもよい。このガラス基板３０の表面には、後述するキャビティ基板２０の吐出室２１となる凹部２１ａの形状に合わせて複数のガラス溝３２が形成されている。
【００２７】
また、このガラス溝３２の内部（特に底部）には、固定電極となる個別電極３１が、一定の間隔を有してキャビティ基板２０の各吐出室２１（振動板２２）と対向するように作製されている。そして、このガラス溝３２は、その一部が個別電極３１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。この個別電極３１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。
【００２８】
さらに、個別電極３１は、リード部３３及び端子部３４が一体となって作製されている。そして、個別電極３１は、その一端（端子部３４）が図示省略の電力供給手段と接続されており、その電力供給手段から個別電極３１に駆動信号が供給されるようになっている。なお、特に区別する必要がない限り、リード部３３と端子部３４とを組み合わせて個別電極３１として説明するものとする。
【００２９】
ここで、実施の形態１の特徴部分であるガラス溝３２の詳細について説明する。
このガラス溝３２の底面には、ガラス溝３２（または、個別電極３１）の長手方向（長辺方向）に３段の階段状の段面部４０、５０及び６０が設けられている。この段面とは、所定の高さの段差を有する面のことをいうものとする。そして、これらの段面部４０、５０及び６０上に同数の段面を持つ個別電極３１が形成されている。したがって、図２に示すように、個別電極３１は、ガラス基板３０とキャビティ基板２０との接合時において、振動板２２との間に階段状のギャップ長Ｇ１、Ｇ２及びＧ３を有する構成となっている。このギャップ長Ｇ１、Ｇ２及びＧ３は、振動板２２の下面に形成された絶縁膜２４の表面（下面）と階段状に形成された個別電極３１の表面との距離である。
【００３０】
また、段面部４０及び５０は、長手方向に対して２つの分割された同じ高さの部分で構成されている。つまり、段面部４０は、段面部４０ａ及び段面部４０ｂで構成されており、段面部５０は、段面部５０ａ及び段面部５０ｂで構成されている。そして、これらの段面部の長さに差を設けている。すなわち、同じ高さの段面部の長さを非対称としているのである。図１及び図２では、ノズル孔１１に近い方の段面部（段面部４０ａ及び段面部５０ａ）を、ノズル孔１１に遠い方の段面部（段面部４０ｂ及び段面部５０ｂ）よりも短く形成している。
【００３１】
このように、同じ高さの段面部の長さを非対称とすることにより、吐出室２１内のインクの流れを制御するようにしている。つまり、同じ高さの段面部の長さを非対称にすると、振動板２２が個別電極３１に当接維持される時間に差が生じることになり、このことを利用して吐出室２１内のインクの流れを制御するようにしている。図１に示すように、段面部４０ａ及び段面部５０ａが段面部４０ｂ及び段面部５０ｂよりも短い場合、当接されている振動板２２は、段面部４０ａ及び段面部５０ａの方から離脱する。
【００３２】
したがって、ノズル孔１１から吐出させるインク滴の量を少なくしたい場合に有効である（詳細については、図３及び図４で説明する）。反対に、ノズル孔１１から吐出させるインク滴の量を多くしたい場合には、ノズル孔１１に近い方の段面部（段面部４０ａ及び段面部５０ａ）を、ノズル孔１１に遠い方の段面部（段面部４０ｂ及び段面部５０ｂ）よりも長く形成すればよい。また、各ノズル孔１１の吐出量を変化させるように、個別電極３１毎に段面を非対称にさせてもよい（図８及び図９参照）。
【００３３】
ガラス基板３０とキャビティ基板２０とを接合すると、振動板２２と個別電極３１との間には、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、ガラス基板３０のガラス溝３２により形成されるようになっている。このガラス溝３２は、上述したように、階段状の段面部が設けられているので、ギャップは、その段面部に応じたギャップ長（すなわち、ギャップ長Ｇ１、Ｇ２及びＧ３）を有するようになっている。なお、ガラス基板３０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穴２５が設けられている。
【００３４】
この液滴吐出ヘッド１００は、複数の個別電極３１が長辺及び短辺を有する長方形状に形成されており、この個別電極３１が、互いの長辺が平行になるように配置されている。そして、図１では、個別電極３１の短辺方向に伸びる２つの電極列を示している。なお、個別電極３１の短辺が長辺に対して斜めに形成されており、個別電極３１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。
【００３５】
［キャビティ基板２０］
キャビティ基板２０は、たとえば厚さ約５０μｍ（マイクロメートル）のシリコン単結晶基板（以下、単にシリコン基板と称する）を主要な材料として構成されている。このキャビティ基板２０には、底壁が振動板２２となる吐出室（または、圧力室）２１となる凹部２１ａが複数形成されている。この吐出室２１は、個別電極３１の電極列に対応して形成されるようになっている。
【００３６】
さらに、キャビティ基板２０の下面（ガラス基板３０と対向する面）には、振動板２２と個別電極３１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）からなる絶縁膜２４をプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＴＥＯＳ−ｐＣＶＤともいう）法を用いて、０．１μｍ成膜している。これは、振動板２２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２０のエッチングを防止するためのものである。
【００３７】
ここでは、絶縁膜２４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。たとえば、Ａｌ2Ｏ3（酸化アルミニウム（アルミナ））を用いてもよい。また、キャビティ基板２０にも、インク供給穴２５が設けられている（ガラス基板３０に設けられたインク供給穴２５と連通するようになっている）。さらに、図示省略の電力供給手段から振動板２２に個別電極３１と反対の極性の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。
【００３８】
なお、振動板２２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。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２２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吐出室２１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２２を所望の厚さに形成することができる。
【００３９】
［ノズル基板１０］
ノズル基板１０は、たとえば厚さ約１００μｍのシリコン基板を主要な材料として構成されている。そして、キャビティ基板２０の上面（ガラス基板３０を接合する面の反対面）と接合している。ノズル基板１０の上面には、吐出室２１と連通するノズル孔１１が複数形成されている。各ノズル孔１１は、吐出室２１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１１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。
【００４０】
下面にはオリフィス１２となる細溝を設け、吐出室２１とリザーバ２３となる凹部とを連通させる。ここでは、ノズル孔１１を有するノズル基板１０を上面とし、ガラス基板３０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１０の方がガラス基板３０よりも下面となることが多い。なお、実施の形態１では、ノズル基板１０にオリフィス１２が形成されている場合を例に示しているが、キャビティ基板２０にオリフィス１２を形成するようにしてもよい。また、ノズル基板１０には、振動板２２によりリザーバ２３側の液体に加わる圧力を緩衝するためのダイヤフラム１３が設けられている。
【００４１】
ここで、液滴吐出ヘッド１００の動作について説明する。リザーバ２３には、インク供給穴１５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、吐出室２１には、供給口３２を介してリザーバ２３から液滴が供給されている。そして、ドライバＩＣ等の電力供給手段によって選択された個別電極３１には０Ｖ〜４０Ｖ程度のパルス電圧が印可され、その個別電極３１を正に帯電させる。
【００４２】
このとき、共通電極端子２７を介してキャビティ基板２０には負の極性を有する電荷が供給され、正に帯電された個別電極３１に対応する振動板２２を相対的に負に帯電させる。そのため、選択された個別電極３１と振動板２２との間では静電気力が発生することになる。そうすると、振動板２２は、静電気力によって個別電極３１側に引き寄せられて撓むことになる。
【００４３】
つまり、個別電極３１は前述のように長手方向の中央部が最も低くなるように複数段の段面部４０、５０及び６０が階段状に設けられており、それに伴ってギャップ長も階段状に大きくなっているので、振動板２２が段面部４０から段面部６０まで順送りで変位していき、個別電極３１に引き寄せられて当接することになる。これによって吐出室２１の容積が増大する。
【００４４】
その後、個別電極３１への電荷の供給を止めると、振動板２２と個別電極３１との間の静電気力がなくなり、振動板２２はその弾性力により元の状態に復元する。このとき、吐出室２１の容積が急激に減少するため、吐出室２１内部の圧力が急激に上昇する。これにより、吐出室２１内のインクの一部がインク滴としてノズル孔１１より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２３から供給口３２を通じて吐出室２１内に補給され、初期状態に戻る。
【００４５】
図３は、振動板２２が個別電極３１に当接している状態を示す説明図である。図４は、個別電極３１に当接していた振動板２２が離脱する際の状態を示す説明図である。図３及び図３に基づいて、吐出室２１内におけるインクの流れの制御について説明する。この液滴吐出ヘッド１００において、振動板２２と個別電極３１との間に、ギャップ長Ｇ１に対応する部分の振動板２２が個別電極３１に当接するのに必要十分な電圧を印加すると、振動板２２がギャップ長の最も小さい１段目の個別電極３１に当接し保持される。
【００４６】
このとき、ギャップ長Ｇ１とギャップ長Ｇ２とに対応する境界部分では、ギャップ長が一時的に（ギャップ長Ｇ２−ギャップ長Ｇ１）となる。それにより、大きな静電吸引力が振動板２２に作用するため、次のギャップ長Ｇ２に対応する部分の振動板２２も、対向電極３１に同一電圧にて当接する。このように順送りの作用が、ギャップ長の最も大きいＧ３に対応する部分まで連続して誘発される。
【００４７】
したがって、結局、ギャップ長Ｇ１に対応する部分の振動板２２が対向電極３１に当接するのに必要十分な電圧で、振動板２２の全体が対向電極３１に当接可能となる。このように、振動板２２が対向電極３１の各段に沿って順に当接する仕方もしくは当接状態を「連成当接」と呼ぶことにする。なお、振動板２２は、必ずしも対向電極３１の全ての段面部に当接させる必要はない。たとえば、最下段の対向電極３１に振動板２２が当接しない場合もあるが、このような状態も「連成当接」の概念に含むものとする。
【００４８】
どの段面部まで振動板２２を当接させるかは、個別電極３１に駆動信号を供給する電力供給手段によって制御される。つまり、この電力供給手段により供給される駆動信号の供給時間を調整することで、当接位置を制御するとよい。したがって、実施の形態１に係る液滴吐出ヘッド１００は、駆動電圧を上げることなく、もしくは低い駆動電圧でも、振動板２２の変位を大きくすることができる。そのため、インク吐出量を安定して確保することができる。
【００４９】
さらに、段面部４０の段面部４０ａと段面部４０ｂとでは、ガラス溝３２の長手方向に対する長さが非対称となるように形成されている。段面部５０についても同様である。こうすることにより、連成当接させた振動板２２の離脱時の傾きを利用して、吐出室２１内のインクの流れを制御している。図４に示すように、振動板２２は、長さの短い段面部（ここでは、段面部５０ａ）から離脱する。このとき、振動板２２には所定の傾斜面が生ずることになる。
【００５０】
すなわち、そのとき生じる傾斜面を利用することによって、吐出室２１内のインクの流れを制御するのである。たとえば、図４に示すように、ノズル孔１１から吐出させるインク滴の量が少ない方が好ましい条件の元で液滴吐出ヘッド１００を使用する場合には、ノズル孔１１に近い方の段面部を短くしておけば、吐出室２１内のインクの多くは、ノズル孔１１とは反対方向（図に示す矢印方向）に流れることになる。逆に、ノズル孔１１から吐出させるインク滴の量が多い方が好ましい条件の元で液滴吐出ヘッド１００を使用する場合には、ノズル孔１１に近い方の段面部を長くすればよい。
【００５１】
このように、液滴吐出ヘッド１００は、ガラス基板３０のガラス溝３２の底面が長手方向に階段状の段面部４０、５０及び６０を有し、その底面上に形成される個別電極３１が同数の階段状のギャップ長Ｇ１〜Ｇ３を有するように形成されているので、駆動時、振動板２２の弾性変形が図３に示すように個別電極３１の段面部に沿って連成当接する。したがって、吐出室２１の容積増加が大きくなり、その結果、駆動電圧を上げなくても必要なインク吐出量を確保することができる。
【００５２】
さらに、段面部４０及び段面部５０を構成する段面部４０ａ及び段面部４０ｂと、段面部５０ａ及び段面部５０ｂとの長さを非対称としてあるので、液滴吐出ヘッド１００の用途に応じた使い分けをすることが可能になっている。したがって、連成当接させる位置によってインク滴の量を調整することができるとともに、連成当接の離脱する際の傾斜面を利用することによって吐出室２１内のインクの流れを制御することができるようになっている。
【００５３】
なお、ギャップ長Ｇ１〜Ｇ３の深さを特に限定するものではない。たとえば、最も大きい（深い）ギャップ長Ｇ３は、１４０μｍ、最も小さい（浅い）ギャップ長Ｇ１は、８０μｍとすればよい。また、個別電極３１の各段の段面は、ガラス溝３２の中央部に行くに従って小さくなるように形成されていることが好ましい。このようにすると、ギャップ長が最も小さい部分において振動板２２と対向電極３１が当接する駆動電圧で、振動板２２の全体を対向電極３１に当接しやすくなるからである。
【００５４】
さらに、実施の形態１では、段面部を３つ形成している場合を例に説明したが、これに限定するものではない。たとえば、段面部が２つ以下でもよく、４つ以上あってもよく、液滴吐出ヘッド１００の用途に応じて、段面部の個数を設定するとよい。また、段面部４０ａ及び４０ｂと、段面部５０ａ及び段面部５０ｂとの長さを特に限定するものではない。たとえば、吐出室２１内におけるインクの流れを考慮して、各段面部の長さを決定するとよい。
【００５５】
次に、図面に基づいてガラス基板３０の製造工程について説明する。
図５〜図７は、ガラス基板３０の製造工程を示す縦断面図である。ここでは、たとえば３段の段面部（段面部４０〜段面部６０）を有するガラス基板３０の製造方法を例に示すが、これに限定するものではない。なお、以下の説明における基板の厚さやエッチングも深さ等はあくまでも一例であり、本発明を限定するものではない。
【００５６】
まず、所定の厚さ（たとえば、１ｍｍの厚さ）に加工された硼珪酸系のガラス基板３０ａを用意する（図５（ａ））。次に、このガラス基板３０ａの表面に、たとえばスパッタによりクロム（Ｃｒ）からなるエッチングマスク８０を形成し、フォトリソグラフィーによってエッチングマスク８０の表面に所定形状の図示省略のレジストをパターニングしてエッチングを行い、エッチングマスク８０にガラス溝３２の３段目の段面部６０に対応する形状の開口部を形成する（図５（ｂ））。
【００５７】
それから、たとえばフッ酸水溶液でガラス基板３０ａをエッチングすることにより、段面部６０を形成していく（図５（ｃ））。そして、レジストを有機剥離液等で剥離後、ガラス基板３０ａをクロムエッチング液に浸しエッチングマスク８０を除去する（図５（ｄ））。次に、ガラス基板３０ａの端から段面部５０までの部分を覆うように、フォトリソグラフィーによって２回目のエッチングマスク８１のパターニングとエッチングを行う（図５（ｅ））。
【００５８】
すなわち、図５（ｄ）のガラス基板３０ａの表面にたとえばスパッタによりクロムからなるエッチングマスク８１を形成し、フォトリソグラフィーによってエッチングマスク８１の表面に所定形状の図示省略のレジストをパターニングしてエッチングを行い、エッチングマスク８１に３段目の段面部６０と２段目の段面部５０を形成していく。そして、たとえばフッ酸水溶液でガラス基板３０ａをエッチングすることにより、段面部５０及び段面部６０の部分を掘り下げる（図６（ｆ））。
【００５９】
次に、レジストを有機剥離液等で剥離後、ガラス基板３０ａをクロムエッチング液に浸しエッチングマスク８１を除去すれば、２段目及び３段目までの段面部５０及び段面部６０が階段状に形成される（図６（ｇ））。なお、段面部５０は、段面部５０ａ及び段面部５０ｂで構成されており、段面部５０ａのガラス基板３０ａ長手方向の長さは、段面部５０ｂのガラス基板３０ａ長手方向の長さよりも短く形成されている。
【００６０】
それから、ガラス基板３０ａの端から１段目の段面部４０までの表面部分を覆うように、フォトリソグラフィーによって３回目のエッチングマスク８２のパターニングとエッチングを行う（図６（ｈ））。すなわち、図６（ｇ）のガラス基板３０ａの表面に、たとえばスパッタによりクロムからなるエッチングマスク８２を形成し、フォトリソグラフィーによってエッチングマスク８２の表面に所定形状の図示省略のレジストをパターニングしてエッチングを行い、エッチングマスク８２に１段目から３段目の段面部を形成する。
【００６１】
そして、たとえばフッ酸水溶液でガラス基板３０ａをエッチングすることにより、１段目の段面部４０を掘り下げる（図６（ｉ））。ついで、レジストを有機剥離液等で剥離後、ガラス基板３０ａをクロムエッチング液に浸しエッチングマスク８２を除去すれば、１段目から３段目までの段面部４０〜６０が階段状に形成される（図６（ｊ））。なお、段面部４０は、段面部４０ａ及び段面部４０ｂで構成されており、段面部４０ａのガラス基板３０ａ長手方向の長さは、段面部４０ｂのガラス基板３０ａ長手方向の長さよりも短く形成されている。
【００６２】
このように、エッチングマスク８０〜エッチングマスク８２を計３回それぞれパターニングとエッチングを繰り返し行うことにより、ガラス基板３０ａの底面に３段の段面部４０〜６０を形成することができる。なお、各段面部の深さ（ギャップ長Ｇ１〜Ｇ３）は、エッチング時間を調整することにより所要の寸法に形成することができる。また、各段面部の深さ及び長さを特に限定するものではない。
【００６３】
その後、このガラス基板３０ａのガラス溝を含む全面に、たとえばＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）膜８５をスパッタにより成膜する（図７（ｋ））。ＩＴＯ膜８５の厚さは、階段状に形成されたガラス溝３２のいずれの段面よりも厚く形成する。たとえば、厚さ０．１μｍとなるように成膜するとよい。そして、フォトリソグラフィーによって図示省略のレジストをパターニングしてエッチングすることにより、個別電極３１の部分に対応するＩＴＯパターンを形成する（図７（ｌ））。
【００６４】
すなわち、個別電極３１は、階段状の段面部４０〜６０上に形成されることになり、ギャップに複数のギャップ長Ｇ１〜Ｇ３ができるのである。なお、ここでは、この対向電極３１の材料がＩＴＯである場合を例に説明したが、これに限定するものではない。たとえば、クロム等の金属等を用いてもよい。但し、ＩＴＯは、透明であるので放電したかどうかの確認が行いやすいことなどの理由から、一般にＩＴＯが用いられることが多い。
【００６５】
以上のように、ガラス基板３０が作製される。その後、このガラス基板３０に、振動板２２を個別電極３１に対向させて絶縁膜２４を介してキャビティ基板２０を陽極接合し、更にそのキャビティ基板２０にノズル基板１０をエポキシ樹脂等の接着剤を用いて接合することにより液滴吐出ヘッド１００が作製される。なお、ここでは、被加工基板としてガラス基板３０ａを用いた場合を例に説明したが、基板材料は特に限定されるものではなく、たとえばシリコン基板を用いてもよい。
【００６６】
なお、ここでは、段面部が３段（段面部４０〜６０）の製造工程を例に説明したが、段面部の数を３段に限定するものではない。たとえば、段面部が２段以下であってもよく、４段以上あってもよい。また、各段面部の深さ及び長さは、液滴吐出ヘッド１００が使用される用途に応じて設定するとよい。たとえば、インク滴を多く吐出させたいのであれば、ノズル孔１１に近い方の段面部を短く形成すればよく、逆にインク滴を少なく吐出させたいのであれば、ノズル孔１１に近い方の段面部を長く形成すればよい。
【００６７】
実施の形態２．
図８は、実施の形態２に係る液滴吐出ヘッドに用いられるガラス基板３５の斜視図である。なお、実施の形態２では実施の形態１との相違点を中心に説明し、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。すなわち、ガラス基板３５のガラス溝３２ａに形成する段面部に違いを設けて、実施の形態１に係るガラス基板３０と違いを設けている。
【００６８】
［ガラス基板３５］
ガラス基板３５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、ガラス基板３５がホウ珪酸ガラスで形成されている場合を例に示すが、ガラス基板３５を単結晶シリコンで形成してもよい。このガラス基板３５の表面には、複数のガラス溝３２ａが形成されている。
【００６９】
ここで、実施の形態２の特徴部分であるガラス溝３２ａの詳細について説明する。
このガラス溝３２ａの底面には、ガラス溝３２ａの長手方向に３段の階段状の段面部が設けられている。そして、この段面部上に同数の段面部を持つ個別電極３１が形成されている。なお、実施の形態２では、個別電極３１の電極列に対応させたガラス溝３２ａの一方の列（紙面左側）においてはノズル孔１１に近い方の各段面部を、ノズル孔１１に遠い方の各段面部より短く形成しており、他方の列（紙面右側）においてはノズル孔１１に近い方の各段面部を、ノズル孔１１に遠い方の各段面部より長く形成している。
【００７０】
すなわち、吐出させたいインク滴の量を列に応じて設定することが可能になっている。したがって、段面部の長さを非対称とすることにより、吐出室２１内のインクの流れを制御するようにしつつ、吐出させるインク滴の量についても調整可能としているのである。このようにすれば、液滴吐出ヘッド１００の用途に応じた使い分けを更に細かく設定することが可能となる。
【００７１】
実施の形態３．
図９は、実施の形態３に係る液滴吐出ヘッドに用いられるガラス基板３６の斜視図である。なお、実施の形態３では実施の形態１との相違点を中心に説明し、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。すなわち、ガラス基板３６のガラス溝３２ｂに形成する段面部に違いを設けて、実施の形態１に係るガラス基板３０と違いを設けている。
【００７２】
［ガラス基板３６］
ガラス基板３６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、ガラス基板３６がホウ珪酸ガラスで形成されている場合を例に示すが、ガラス基板３６を単結晶シリコンで形成してもよい。このガラス基板３６の表面には、複数のガラス溝３２ｂが形成されている。
【００７３】
ここで、実施の形態３の特徴部分であるガラス溝３２ｂの詳細について説明する。
このガラス溝３２ｂの底面には、ガラス溝３２ｂの長手方向に３段の階段状の段面部が設けられている。そして、この段面部上に同数の段面部を持つ個別電極３１が形成されている。なお、実施の形態３では、個別電極３１の電極列に対応させたガラス溝３２ｂを一つ一つ交互に非対称の向きを変化させて設けるようにしている。
【００７４】
すなわち、一つのガラス溝ではノズル孔１１に近い方の各段面部をノズル孔１１に遠い方の各段面部より短く形成した場合、その隣り合うガラス溝ではノズル孔１１に近い方の各段面部をノズル孔１１に遠い方の各段面部より長く形成している。したがって、高密度化させたノズル孔１１一つ一つにおいて、インク滴の吐出量を設定することが可能となっているのである。
【００７５】
換言すれば、吐出させたいインク滴の量をノズル孔１１に応じて設定することが可能になっている。したがって、段面部の長さを非対称とすることにより、吐出室２１内のインクの流れを制御するようにしつつ、吐出させるインク滴の量についてもノズル孔１１毎に調整可能としているのである。このようにすれば、液滴吐出ヘッド１００の用途に応じた使い分けを更に細かく設定することが可能となる。なお、図８及び図９では、ガラス溝の形状の一例について説明したものであり、ここで説明した内容に限定するものでない。すなわち、ガラス溝毎に非対称の割合を変化させて各ノズル孔１１から吐出させるインク滴の量を調整することが可能となっているのである。
【００７６】
実施の形態４．
図１０は、実施の形態４に係る液滴吐出ヘッド２００の概略構成を示す断面図である。なお、実施の形態４では実施の形態１〜実施の形態３との相違点を中心に説明し、実施の形態１〜実施の形態３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。すなわち、ガラス基板３７に形成する個別電極３１ａに段面部（段面部４１、５１及び６１）を設けて吐出室２１内のインクの流れを制御するようになっている。
【００７７】
したがって、ガラス基板３７に形成するガラス溝３２ｃを一定の深さで形成することができる。この個別電極３１ａは、一般的にＩＴＯスパッタして作製するが、その際、段面部（段面部４１、５１及び６１）を形成するようにスパッタして作成するようになっている。すなわち、ガラス溝３２ｃに段面部を形成しなくてもよく、個別電極３１ａに段差をつけて形成するために、ガラス基板３７をエッチングする工程等を省略することができ、製造工程にかかる手間を軽減することが可能となる。
【００７８】
実施の形態５．
図１１は、実施の形態１〜４の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１１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。実施の形態１〜４で得られた液滴吐出ヘッドは、ガラス基板３０、ガラス基板３５、ガラス基板３６及びガラス基板３７において特徴を有するものである。
【００７９】
すなわち、実施の形態１〜４で得られた液滴吐出ヘッドは、振動板２２を当接させる個別電極３１及び個別電極３１ａに段面を設けて、振動板２２が個別電極３１及び個別電極３１ａから離脱する際に生じる傾斜面を利用して吐出室２１内のインクの流れを制御するものである。この液滴吐出ヘッドを搭載する液滴吐出装置１５０も同様な効果を有することができ、用途に応じて搭載する液滴吐出ヘッドを決定するとよい。
【００８０】
なお、実施の形態１〜４で得られた液滴吐出ヘッドは、図１１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、実施の形態１〜４で得られた液滴吐出ヘッドは、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。
【００８１】
なお、本発明の実施の形態に係る静電アクチュエータ、液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置並びに静電アクチュエータの製造方法、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、実施の形態１〜実施の形態４に係る液滴吐出ヘッドがガラス基板３０、キャビティ基板２０及びノズル基板１０からなる３層構造である場合を例に説明したが、液滴吐出ヘッドがガラス基板、キャビティ基板、リザーバ基板及びノズルプレートからなる４層構造であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】実施の形態１に係る液滴吐出ヘッドの分解斜視図である。
【図２】液滴吐出ヘッドの概略構成を示す断面図である。
【図３】振動板が個別電極に当接している状態を示す説明図である。
【図４】個別電極に当接していた振動板が離脱する際の状態を示す説明図である。
【図５】ガラス基板の製造工程を示す縦断面図である。
【図６】ガラス基板の製造工程を示す縦断面図である。
【図７】ガラス基板の製造工程を示す縦断面図である。
【図８】実施の形態２のガラス基板の斜視図である。
【図９】実施の形態３のガラス基板の斜視図である。
【図１０】実施の形態４に係る液滴吐出ヘッドの概略構成を示す断面図である。
【図１１】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】
【００８３】
１０  ノズル基板、１１  ノズル孔、１２  オリフィス、１３  ダイヤフラム、２０  キャビティ基板、２１  吐出室（圧力室）、２１ａ  凹部、２２  振動板、２３  リザーバ、２４  絶縁膜、２５  インク供給穴、２７  共通電極端子、３０  ガラス基板、３０ａ  ガラス基板、３１  個別電極、３１ａ  個別電極、３２  ガラス溝、３２ａ  ガラス溝、３２ｂ  ガラス溝、３２ｃ  ガラス溝、３３  リード部、３４  端子部、３５  ガラス基板、３６  ガラス基板、３７  ガラス基板、４０  段面部、４０ａ  段面部、４０ｂ  段面部、４１  段面部、５０  段面部、５０ａ  段面部、５０ｂ  段面部、５１  段面部、６０  段面部、６１  段面部、８０  エッチングマスク、８１  エッチングマスク、８２  エッチングマスク、８５  ＩＴＯ膜、１００  液滴吐出ヘッド、１５０  液滴吐出装置、２００  液滴吐出ヘッド。
【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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