(57)【要約】【課題】大気導入部と連通部を連通する部分を塞ぐような異物が付着しても、アクチュエータ空隙に疎水膜となるガス、液体を滞りなく導入して静電型アクチュエータの特性ばらつきを小さくする。【解決手段】振動板１２と固定電極１４との間の空隙１３の耐久性を向上させるために、空隙１３に通じた連通路１５に通ずる大気導入孔からガス等を導入するが、大気開放部１６の固定電極１４を有する基板側に大気開放部溝４５を設け、製造工程において大気開放孔４２から大気開放部１６に異物が入り込んでも大気開放部１６に設けた大気開放部溝４５を介して空隙１３にガス等を導入することができ、静電型アクチュエータの特性ばらつきを小さくするとともに精度を高める。【選択図】    図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
可動電極となっている変形可能な振動板と、該振動板に犠牲層エッチングにより形成された空隙を介して対向配置された固定電極とを備え、前記振動板を静電力で変形させる静電型アクチュエータにおいて、
前記空隙に連通する連通路と、該連通路を外部に連通させる大気開放孔を有する大気開放部を備え、前記大気開放部の前記固定電極を有する基板側に大気開放部溝を備えたことを特徴とする静電型アクチュエータ。
【請求項２】
前記大気開放部溝は、前記連通路に連通していることを特徴とする請求項１に記載の静電型アクチュエータ。
【請求項３】
前記大気開放部溝を複数有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の静電型アクチュエータ。
【請求項４】
可動電極となっている変形可能な振動板と、該振動板に犠牲層エッチングにより形成された空隙を介して対向配置された固定電極と、前記空隙に連通する連通路と、該連通路を外部に連通させる大気開放部及び前記大気開放部の前記固定電極を有する基板側に設けられた大気開放部溝を備え、前記振動板を静電力で変形させる静電型アクチュエータの製造方法であって、
前記空隙と連通路と大気開放部及び大気開放部溝は、同じ犠牲層エッチングで形成することを特徴とする静電型アクチュエータの製造方法。
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれかに記載の静電型アクチュエータを有する第１の基板と、液体を貯溜する液室を形成する第２の基板と、ノズル孔を有する第３の基板とを順次積層して構成したことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項６】
請求項５に記載の液滴吐出ヘッドと、該液滴吐出ヘッドに液体を供給する液体タンクを一体化したことを特徴とする液体カートリッジ。
【請求項７】
請求項５に記載の液滴吐出ヘッドを有し、該液滴吐出ヘッドのノズル孔からインク滴を吐出させて画像を記録することを特徴とする画像形成装置。
【請求項８】
請求項６に記載の液体カートリッジを有し、該液体カートリッジの液滴吐出ヘッドのノズル孔からインク滴を吐出させて画像を記録することを特徴とする画像形成装置。
【請求項９】
請求項１乃至３のいずれかに記載の静電型アクチュエータを有し、該静電型アクチュエータの振動板を静電力で変形させて液体を輸送することを特徴とするマイクロポンプ。
【請求項１０】
請求項１乃至３のいずれかに記載の静電型アクチュエータを有し、該静電型アクチュエータの振動板の表面を反射面で形成し、前記振動板を静電力で変形させて入射光を散乱させることを特徴とする光学デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、静電アクチュエータとその製造方法と液滴吐出ヘッドと液体カートリッジと画像形成装置とマイクロポンプ及び光学デバイス、特に量産性の向上に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
プリンタやファクシミリ装置、複写装置、プロッタ等の画像記録装置あるいは画像形成装置として用いるインクジェット記録装置において使用する液滴吐出ヘッドは、液滴を吐出するノズルと、このノズルが連通する液室（吐出室、圧力室、インク流路とも称される）と、この液室内のインクを加圧するエネルギーを発生するアクチュエータ手段とを備え、アクチュエータ手段で発生するエネルギーによって液室内の記録液に圧力を作用させてノズルから液滴を吐出させる。
【０００３】
液滴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もちいたもの、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るものなどがあり、この中でも静電型アクチュエータを用いた液滴吐出ヘッドは、小型化、高速化、高密度化、省電力化において他の方式の液滴吐出ヘッドに比べて優位であることから、現在開発が盛んに行なわれている。
【０００４】
この静電型アクチュエータを用いた液滴吐出ヘッドにおいては、振動板と電極との間の空隙（ギャップ）の寸法（ギャップ長）精度がその特性に大きく影響を及ぼし、特にインクジェットヘッドの場合、各アクチュエータの特性のバラツキが大きければ、印字精度、画質の再現性が著しく低下することとなる。また、低電圧化を図るためには、空隙空間を0.1〜0.5μｍ程度にしなければならず、非常に高い寸法精度が求められる。
【０００５】
従来のインクジェットヘッドとしては、例えば特許文献１や特許文献２に記載されているように、加圧液室と振動板を形成した基板（キャビティー基板）と、空隙(振動室)となる凹部及びセグメント電極を形成した基板（ガラス基板）とを接合して形成している。しかしながら、このように２枚の基板を接合して振動板と電極との間の空隙を形成するヘッドであっては、凹部形成、電極形成、接合等多くの工程における加工時の寸法バラツキによって、空隙の高さ（ギャップ長）の寸法バラツキが大きくなり、その結果、高精度で高い信頼性を有するアクチュエータを得ることが困難である。
【０００６】
そこで、例えば特許文献３に記載されているように、第１の基板に犠牲層エッチングにより、個別電極と犠牲層エッチングにより形成された空隙部を介して個別電極に対峙する振動板を形成し、第２の基板に圧力室用の溝部を形成して、第１の基板上に第２の基板を接合してインクジェットヘッドを構成して空隙高さ寸法のバラツキを抑制することが知られている。
【０００７】
静電型アクチュエータにおいては、空隙内圧と大気圧の差圧解消あるいはアクチュエータの信頼性向上を目的として、空隙内へのガス導入のために各空隙を連通する連通路を設けることが行なわれている。例えば、特許文献３に開示されているように、アクチュエータの耐久性を向上させる目的で振動板と個別電極との空隙内部に疎水膜を形成するために、アクチュエータ空隙と連通する連通路と、この連通路を外部に連通させる大気開放部を設けて、この大気開放部から連通路を介して疎水膜となるガス、液体をアクチュエータ空隙に導入し、空隙内部表面に疎水膜を形成後、大気開放部を封止材で封止したものが知られている。
【特許文献１】特開２００７−２３７４１７号公報
【特許文献２】特開２００７−３８５８３号公報
【特許文献３】特開２００７−７７８６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献３に記載されているアクチュエータ基板では、アクチュエータ空隙、連通路、大気開放部の空隙を一度の犠牲層エッチプロセスで形成されており、大気開放部から疎水膜となるガスや液体をアクチュエータ空隙に導入する場合、大気開放部のアクチュエータの振動板に相当する部分に大気開放孔を開口する必要がある。このように大気開放孔を開口して疎水膜となるガス、液体を導入する工程に至る間に、大気開放部と連通部を連通する部分を塞ぐような異物が付着すると、アクチュエータ空隙内へ疎水膜となるガス、液体を十分にあるいはまったく導入できない場合があり、所望するアクチュエータの性能が得られなくなる。
【０００９】
この発明は、このような問題を解消し、大気導入部と連通部を連通する部分を塞ぐような異物が付着しても、大気開放部の空隙より下の下部層に溝を形成することにより、アクチュエータ空隙に疎水膜となるガス、液体を滞りなく導入できる静電型アクチュエータと、この静電型アクチュエータを備えた液滴吐出ヘッド、この液滴吐出ヘッドを一体化した液体カートリッジと、この液滴吐出ヘッド又は液体カートリッジを搭載した画像形成装置及びこの静電型アクチュエータを用いたマイクロポンプ、光学デバイス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】
【００１０】
この発明の静電型アクチュエータは、可動電極となっている変形可能な振動板と、該振動板に犠牲層エッチングにより形成された空隙を介して対向配置された固定電極とを備え、前記振動板を静電力で変形させる静電型アクチュエータにおいて、前記空隙に連通する連通路と、該連通路を外部に連通させる大気開放孔を有する大気開放部を備え、前記大気開放部の前記固定電極を有する基板側に大気開放部溝を備えたことを特徴とする。
【００１１】
前記大気開放部溝は、前記連通路に連通していることを特徴とする。また、前記大気開放部溝を複数有することが望ましい。
【００１２】
この発明の静電型アクチュエータの製造方法は、可動電極となっている変形可能な振動板と、該振動板に犠牲層エッチングにより形成された空隙を介して対向配置された固定電極と、前記空隙に連通する連通路と、該連通路を外部に連通させる大気開放部及び前記大気開放部の前記固定電極を有する基板側に設けられた大気開放部溝を備え、前記振動板を静電力で変形させる静電型アクチュエータの製造方法であって、前記空隙と連通路と大気開放部及び大気開放部溝は、同じ犠牲層エッチングで形成することを特徴とする。
【００１３】
この発明の液滴吐出ヘッドは、前記静電型アクチュエータを有する第１の基板と、液体を貯溜する液室を形成する第２の基板と、ノズル孔を有する第３の基板とを順次積層して構成したことを特徴とする。
【００１４】
この発明の液体カートリッジは、前記液滴吐出ヘッドと、該液滴吐出ヘッドに液体を供給する液体タンクを一体化したことを特徴とする。
【００１５】
この発明の画像形成装置は、前記液滴吐出ヘッド又は液体カートリッジを有し、該液滴吐出ヘッドのノズル孔からインク滴を吐出させて画像を記録することを特徴とする。
【００１６】
この発明のマイクロポンプは、前記静電型アクチュエータを有し、静電型アクチュエータの振動板を静電力で変形させて液体を輸送することを特徴とする。
【００１７】
この発明の光学デバイスは、前記静電型アクチュエータを有し、該静電型アクチュエータの振動板の表面を反射面で形成し、振動板を静電力で変形させて入射光を散乱させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
この発明の静電型アクチュエータは、振動板と固定電極との間の空隙の耐久性を向上させるために、空隙に通じた連通路に通ずる大気導入孔からガス等を導入するが、製造工程において大気開放孔から大気開放部に異物が入り込んでも大気開放部に設けた大気開放部溝を介して空隙にガス等を導入することができ、静電型アクチュエータの特性ばらつきを小さくするとともに精度良く形成できる。
【００１９】
この空隙と連通路と大気開放部及び大気開放部溝を同じ犠牲層エッチングで形成することにより量産性と歩留を向上でき、静電型アクチュエータの製造コストを低減することができる。
【００２０】
また、この静電型アクチュエータを備えた液滴吐出ヘッドは、液滴吐出のバラツキを低減して信頼性を向上することができる。
【００２１】
さらに、この静電型アクチュエータを備えた液滴吐出ヘッドと、液滴吐出ヘッドに液体を供給する液体タンクを一体化することにより、量産性と歩留を向上でき、製造コストを低減することができる。
【００２２】
また、この液滴吐出ヘッド又は液体カートリッジを有し、該液滴吐出ヘッドのノズル孔からインク滴を吐出させて画像を記録する画像形成装置は、インク滴を安定して吐出するから、良質な画像を安定して形成するとともに製造不良が減少して低コスト化を図ることができる。
【００２３】
また、静電型アクチュエータの振動板を静電力で変形させて液体を輸送することにより、小型で低消費電力のマイクロポンプを実現することができる。
【００２４】
さらに、静電型アクチュエータの振動板の表面を反射面で形成し、振動板を静電力で変形させて入射光を散乱させることにより、小型で低消費電力の光学デバイスを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
図１はこの発明の静電型アクチュエータを有する液滴吐出ヘッドの斜視図、図２は液滴吐出ヘッドの分解斜視図、図３は図１の面Ａ−Ａに沿う液室長辺方向の断面図、図４は図１の面Ｂ−Ｂに沿う液室長辺方向の断面図である。図に示すように、液滴吐出ヘッド１００は、基板面部に設けたノズル孔から液滴を吐出させるサイドシューター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１〜３を接合して液滴を吐出するノズル４とノズル連通路を介して連通する液室(吐出室)５と液室６に液体（インク）を供給するための液体抵抗部７及び共通液室８を形成している。各液室６は液室間隔璧９で仕切られている。
【００２６】
アクチュエータ基板１は、図２に示すように、液室６の一部の壁面を形成する振動板領域（変形可能領域）１２Ａを形成する振動板１２と、この振動板１２の振動板領域１２Ａ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１４を備え、これらの振動板１２と個別電極１４によって各液室６に対応する静電型アクチュエータを構成する。また、アクチュエータ基板１には、ノズル４の並び方向に、各空隙１３を相互に連通させるとともにアクチュエータ基板１自体の外部又は連通させるための共通連通路（連通管）１５を形成し、この共通連通路１５に個別連通路１５Ａを介して空隙１３を連通させ、共通連連通路１５の他端部は共通連通路１５を大気に開放するための大気開放部１６に連通されている。この大気開放部１６はアクチュエータ基板１を形成した段階で封止剤によって封止される。
【００２７】
このアクチュエータ基板１は、図３に示すように、シリコン基板２１上に絶縁膜２２を介して個別電極１４となるエッチング可能な電極形成層２４を形成し、この電極形成層２４上に絶縁膜２５を形成し、更に絶縁膜２５上に空隙１３と共通連通路１５と個別連通路１５Ａ及び大気開放部１６の大気開放空隙を形成するための犠牲層２７を形成し、この犠牲層２７上に絶縁膜２８を形成して、この絶縁膜２８に、図４に示すように、犠牲層除去孔２９を形成し、この犠牲層除去孔２９から犠牲層２７を除去して空隙１３と共通連通路１５と個別連通路１５Ａ及び大気開放部１６の大気開放空隙を形成するとともに絶縁膜２８上に振動板部材３０を積層形成している。なお、個別電極１４の表面に形成した絶縁膜２５は、振動板１２との電気的短絡を防止するとともに、空隙１３を形成するための犠牲層エッチング時に個別電極１４を保護するためのものである。また、振動板１２側の絶縁膜２８も個別電極１４との電気的短絡を防止するとともに、空隙１３を形成するための犠牲層エッチング時に絶縁膜２８上に形成される振動板部材３０の一部の層を保護するためのものである。また、アクチュエータ基板１には流路基板２の共通液室８に外部からインクを供給するための供給口１８を形成している。
【００２８】
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、結晶方位（１１０）のシリコン基板に、液室(吐出室)５と、各々の液室６に流体抵抗７を介して連通する溝部又は凹部からなる共通液室８を設けている。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はドライ又はウエ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。
【００２９】
このように構成した液滴吐出ヘッド１００においては、各液室６内に液体例えば記録液（インク）が満たされた状態で、図示しない制御部から画像データに基いて、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、発振回路により４０Ｖ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１２との間に静電力による吸引作用が働いて、振動板１２が下方に撓む。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１０より流体抵抗部７を介して液室６へ流入する。その後、個別電極１４へパルス電圧を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１２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に連通するノズル孔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。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１２との間に作用する静電力は、下記式で与えられる。ここで、Ｆは電極間に働く静電力、εは誘電率、Ｓは電極の対向する面の面積、ｄは電極間距離、Ｖは印加電圧である。
Ｆ＝（εＳ／２ｄ２）・Ｖ２
【００３０】
すなわち、静電力Ｆは、電極間距離ｄの２乗に反比例し、印加電圧Ｖの２乗に正比例していることがわかる。したがって静電型アクチュエータ又はそれを搭載した液滴吐出ヘッド１００の駆動電圧の低電圧化を図るためには、個別電極１４と振動板１２との間隔（空隙高さ：ギャップ長）を小さく形成することが重要となる。
【００３１】
そこで、前述したように、空隙１３を犠牲層エッチングで形成することにより、微小な空隙間隔を精度良くバラツキなく安定して形成することができるので、各アクチュエータ間での動作特性のバラツキが少ない静電型アクチュエータを得ることができ、また、この静電型アクチュエータを液滴吐出ヘッド１００に適用することによりノズル４間での液滴吐出特性にバラツキが少なくなって、高品質画像を形成することができる。
【００３２】
次にアクチュエータ基板１の詳細について図５から図１０をも参照して説明する。図５はアクチュエータ基板１を透過状態で示す平面図、図６は図５のＸ１−Ｘ１線に沿う断面図、図７は図５のＸ２−Ｘ２線に沿う断面図、図８はアクチュエータ基板１の大気開放部の平面図、図９は図８のＸ３−Ｘ３線に沿う断面図、図１０は図８のＹ３−Ｙ３線に沿う断面図である。
【００３３】
このアクチュエータ基板１の振動板１２は、前述したように絶縁膜２８及び振動板部材３０で構成され、この振動板部材３０の振動板領域１２Ａは、図５に示すように、分離溝３１で分離されている。この振動板部材３０は、図６に示すように、絶縁膜２８上に振動板電極（上部電極）３２と膜剛性調整膜（窒化膜）３３と撓み防止膜３４及び樹脂膜３５を順次積層して形成している。また、シリコン基板２１表面に形成した絶縁膜２２上の各振動板領域１２Ａは、図５に示すように、短辺長ａ及び長辺長ｂは、例えば短辺長が60μｍ、長辺長ｂが1000μｍとしている。
【００３４】
これらの振動板領域１２Ａと個別電極１４との間の空隙１３は、犠牲層エッチングで形成する。犠牲層エッチングでは、絶縁膜２５上に空隙１３の高さの厚みを有する犠牲層２７を形成した後、絶縁膜２８と振動板電極３２と膜剛性調整膜(窒化膜)３３を順次積層形成して、これらを貫通する犠牲層除去孔２９を形成し、この犠牲層除去孔２９を介して空隙１３部分の犠牲層２７を除去する。
【００３５】
また、この犠牲層２７を除去する犠牲層エッチングでは、空隙１３の形成とともに共通連通路１５及び個別連通路１５Ａと大気開放部１６の大気開放空隙４１を形成する。このように、振動板−電極間の空隙１３、共通連通路１５及び個別連通路１５Ａと、大気開放部１６の大気開放空隙４１を同じ犠牲層を除去して同時形成することによって、それぞれの空隙又は通路を相互に連通させることができ、構成が簡単で、製造工数が少なく、量産性、歩留まりが向上する。
【００３６】
ここで、犠牲層除去孔２９は、図５に示すように、振動板領域１２Ａの長辺方向に等間隔で配置するとともに、振動板領域１２Ａの短辺長ａ以下の間隔で、かつ、振動板領域１２Ａの対向する辺の同位置に形成している。犠牲層エッチングは、等方性のため、振動板領域１２Ａに中央に犠牲層除去孔２９が並んでいる方が犠牲層除去効率は高いが、振動板領域１２Ａに犠牲層除去孔２９があると、アクチュエータの振動特性に影響を及ぼす可能性があるため、犠牲層除去孔２９は振動板領域１２Ａの外側に配置することが好ましい。また、犠牲層除去孔２９を複数配置することにより、効率的に犠牲層２７を除去することができて空隙１３を効率良く形成することができる。
【００３７】
また、大気開放部１６の大気開放空隙４１を形成するための犠牲層除去孔２９については、図８に示すように、振動板領域１２Ａとの面積比を考慮して、効率よく犠牲層２７がエッチングされるように犠牲層除去孔２９を配置する。
【００３８】
そして、犠牲層エッチング後は、犠牲層除去孔２９は膜撓み防止膜３４で完全封止する。その後、図示しないが、外部電極への取り出しのための配線と、共通液室８に記録液を供給する供給口１８を形成し、液滴と接液する樹脂膜３５を形成する。更に大気開放部１６に内部の大気開放空隙４１に通じる大気開放孔４２を開口し、大気開放孔４２と大気開放空隙４１と共通連通路１５及び個別連通路１５Ａを通して空隙１３の大気開放あるいは、空隙１３へのヘキサメチルジシラザン（ＨＭＤＳ）などの疎水膜形成材料の導入を行なう。このとき、大気開放部１６の大気開放孔４２を形成するためには、レーザー法や物理的で大気開放部１６領域の振動板１２を除去する。あるいは、微細加工が可能なリソエッチ法で大気開放部１６の大気開放孔４２を形成してレーザー法や物理的方法に比べて、大気開放部１６の面積が小さくでき、また異物の発生が抑えられるだけでなく、表面状態が平易ため、次工程への影響がほとんどないため、より好ましい。そして、スプレーコート法、蒸着重合法などで大気開放孔封止膜を形成する。あるいは、ＣＶＤ法で無機材料、例えばシリコン酸化膜を大気開放孔封止膜としてもよい。
【００３９】
ここで大気開放部１６に大気開放孔４２より大きな異物が付着した場合は、エアーブロー等で比較的簡単に異物が除去できるが、大気開放孔４２より小さな異物が付着した場合は、大気開放部１６の段差に異物が入り込み、簡単には除去できず、特にこの異物が大気開放空隙４１から通じる共通連通路１５の空隙を塞いだ場合、後の工程でアクチュエータの空隙１３への疎水膜形成材料を導入することができず、所望する動作特性を得ることができなくなる。しかし、大気開放孔４２の下に大気開放部溝４５が形成されていることにより、例え大気開放孔４２より小さい異物が大気開放部１６に付着しても、この大気開放部溝４５を介して疎水膜形成材料を空隙１３に導入することができる。ここで、大気開放部溝４５の幅は小さな異物へ対応できるために、狭幅にすることが好ましく、また、大気開放部溝４５の数も可能な限り多くすることが好ましい。これにより、動作不良のない静電型アクチュエータが得られ、また、静電型アクチュエータの製造歩留まりが向上する。
【００４０】
次にアクチュエータ基板１の製造工程について、図１１から図１４を参照して説明する。図１１は図５のＸ１−Ｘ１線に沿う部分を示す製造工程図、図１２は図５のＸ２−Ｘ２線に沿う部分を示す製造工程図、図１３は図８のＸ３−Ｘ３線に沿う部分を示す製造工程図、図１４は図８のＹ３−Ｙ３線に沿う部分を示す製造工程図である。
【００４１】
図１１、図１２、図１３、図１４の（ａ）に示すように、例えば厚さ400μｍのシリコン（Ｓｉ）基板２１の表面（ここでは両面）に厚さ1.5μｍの絶縁膜（熱酸化膜）２２を形成し、この絶縁膜２２上に個別電極１４を形成する電極形成層として、リンドープポリシリコン(大気開放部１６の部分での符号１４Ａを付している。)を厚さ0.3μｍに成膜する。そして、ポリシリコン(電極形成層)をリソエッチ法によって分離溝４０を形成して、個別電極１４と隔壁を構成する部分５１とに分離及びパターニングするとともに、後にシリコン基板２１に貫通し供給口１８を形成する部分５３を除去する。その後、ＣＶＤ酸化膜を厚さ0.1μｍで堆積させて、ポリシリコンで形成された個別電極１４と隔壁を構成する部分５１上及び分離溝４０内に絶縁膜２５を形成する。そして、後に共通連通路１５を形成する部分５４と個別連通路１５Ａを形成する部分及び大気開放空隙４１を形成する部分５５と大気開放部溝４５を形成する部分５６の絶縁膜２５をリソエッチ法により除去する。
【００４２】
次に図１１、図１２、図１３、図１４の（ｂ）に示すように、絶縁膜２５上に犠牲層２７としてノンドープポリシリコンを空隙である0.2μｍの厚さにＣＶＤ法いより成膜する。そして、ポリシリコンをリソエッチ法により空隙１３となる部分５７と隔壁を構成する部分５８と個別連通路１５Ａとなる部分５９と共通連通路１５となる部分６０とに分離及びパターニングし分離溝６１を形成するとともに、供給口１８となる部分５３に対応する部分を除去する。このとき、大気開放部１６となる部分では、図１３、図１４の（ｂ）に示すように、大気開放空隙４１となる部分７０と隔壁を構成する部分７１とに分離及びパターニングして分離溝６１を形成する。このように、犠牲層を形成する材料をポリシリコンとすることにより、犠牲層の除去工程として一般的に知られた汎用技術を用いることができ、他材料との選択性があり、プロセスの自由度が高く、低コストで、量産性に優れ、安定したアクチュエータをえることができる。
【００４３】
その後、犠牲層２７を形成して、空隙１３となる部分５７と隔壁を構成する部分５８と個別連通路１５Ａ及び共通連通路１５となる部分５９，６０上に、また、大気開放部１６の大気開放空隙４１となる部分７０と共通連通路となる部分５９と隔壁を構成する部分７１上にＣＶＤ酸化膜を堆積させて絶縁膜２８を厚さ0.1μｍで形成する。このとき絶縁膜２８は分離溝６１内にも形成される。
【００４４】
次に図１２、図１３、図１４の（ｃ）に示すように、絶縁膜２８上に振動板電極層３２となるリンドープポリシリコン層を厚さ0.1μｍで形成し、このポリシリコン層を、リソエッチ法により、振動板電極層３２と、隔壁を構成する部分６１とに分離するとともに、供給口１８となる部分５３は除去して開口を形成する。この時、同時に、犠牲層２７と同じ材料からなる振動板電極層３２が犠牲層エッチング時にエッチングされないようにするため、後に形成する犠牲層除去孔２９よりも大きな開口径を有する開口６２を形成する。また、大気開放部１６となる部分では、図１３、図１４の（ｃ）に示すように、振動板電極層３２となるポリシリコン層を、リソエッチ法により、分離及びパターニングし、後に形成する犠牲層除去孔２９よりも大きな開口６２を形成する。そして、振動板電極層３２上に振動板１２の剛性調整層３３として、ＬＰ−ＣＶＤ法により0.15μｍの厚さの窒化膜を堆積させる。この窒化膜からなる剛性調整層３３は、開口６２内にも形成されることで振動板電極層３２の開口６２端面側を被覆する。
【００４５】
その後、図１１、図１２、図１３、図１４の（ｄ）に示すように、リソエッチ法により膜剛性調整層３３である窒化膜及び絶縁膜２８を通じて開口径２μｍの犠牲層除去孔２９を形成し、また、供給口１８となる部分の窒化膜３３と絶縁膜２７及び絶縁膜２８を除去して供給口１８の加工孔６３を形成する。そして、例えば、ＳＦ６プラズマ処理や、ＸｅＦ２ガスによるドライエッチなどの犠牲層エッチングを行なって空隙１３となる部分５７の犠牲層２７を完全に除去することにより、空隙１３と個別連通路１５Ａ及び共通連通路１５を形成する。なお、犠牲層エッチングをドライエッチで行なっているが、ＴＭＡＨ溶液、ＫＯＨ溶液のウェットエッチ法を用いても構わない。
【００４６】
このとき、大気開放部１６でも、図１３、図１４の（ｄ）に示すように、リソエッチ法により剛性調整層３３である窒化膜及び絶縁膜２８を通じて開口径２μｍの犠牲層除去孔２９を形成する。犠牲層エッチングによって、大気開放空隙４１となる部分５５と大気開放部溝４５となる部分５６と共通連通路１５となる部分５４の犠牲層２７と下部電極層１４Ａも完全に除去されて、大気開放空隙４１と大気開放溝４５及び共通連通路１５が形成される。
【００４７】
次に図１１、図１２図１３、図１４の（ｅ）に示すように、犠牲層除去孔２９の封止を目的として、常圧ＣＶＤ法により膜撓み防止膜３４を形成する。このときの膜厚は、犠牲層除去孔２９を封止可能な膜厚、例えば、厚さ0.6μｍとする。この工程を実施することにより空隙１３及び大気開放空隙は封止されて外気と完全に遮断される。
【００４８】
その後、図１１、図１２の（ｆ）に示すように、リソエッチ法により供給口１８となる部分の封止膜３４を除去した後、異方性エッチ、例えば、ＩＣＰエッチャーにより、シリコン基板２１を表面から背面まで貫通するようにエッチングして供給口１８を形成する。ここで、異方性エッチで供給口１８を形成することにより、加工形状制御性、微細加工性及び加工精度並びに高密度化の面等において高い効果を得ることができる。その後、図１１、図１２の（ｇ）に示すように、アクチュエータ基板表面全体に被覆性の優れた蒸着中合法により接液膜としての樹脂膜３５を厚さ１μｍで成膜する。その後、図示しない電極配線取り出しパッド部のみリソエッチ法で開口する。ここで、樹脂膜３５として用いる材料としては、例えば、ＰＢＯ膜(ポリベンゾオキサゾール)、ポリイミド膜、ポリパラキシリレンなどが挙げられるが、液滴に対する耐腐食性があり、蒸着重合法で形成できる材料であれば他のものでもよい。
【００４９】
次に、図１３、図１４の（ｆ）に示すように、リソエッチ法により大気開放孔４２を開口する。これにより空隙１３は個別連通路１５Ａと共通連通路１５と大気開放空隙４１及び大気開放孔４２を介して大気に連通する。静電型アクチュエータの信頼性を向上させるために例えば撥水性材料であるＨＭＤＳ(ヘキサメチルジシラザン)を大気開放孔４２から大気開放空隙４１と共通連通路１５と個別連通路１５Ａを介して、空隙１３内へ導入する。大気開放孔４２を開口してから疎水性材料を空隙１３へ導入する工程を経る間に異物が大気開放孔４２に付着する場合がある。大気開放部１６に大気開放孔４２より大きな異物が付着した場合は、エアーブロー等で比較的簡単に異物が除去できるが、大気開放孔４２より小さな異物が付着した場合は、大気開放部１６の段差に異物が入り込み、簡単には除去できず、特にこの異物が大気開放空隙４１から通じる共通連通路１５の空隙を塞いだ場合、静電型アクチュエータの空隙１３への疎水膜形成材料を導入することができず、所望する動作特性を得ることができなくなる。しかし、大気開放孔４２下に大気開放部溝４５が形成されていることにより、例え大気開放孔４２より小さい異物が大気開放部１６に付着しても、この大気開放部溝４５を介して疎水膜形成材料を空隙１３に導入することができる。
【００５０】
その後、図１３、図１４の（ｇ）に示すように大気開放孔４２からアクチュエータ空隙１３へ異物や水分等に混入を防ぐ為に大気開放孔４２を含む領域が覆われるように封止材３６で完全に封止する。封止材としては、常圧ＣＶＤによるシリコン酸化膜、あるいは、樹脂剤などでよい。以上の工程により、本発明に係わる静電型アクチュエータを形成したアクチュエータ基板１が完成する。そして、このアクチュエータ基板１と、流路基板２とノズル基板３を順次積層することにより、静電型アクチュエータを含む液滴吐出ヘッド１００を製造することができる。
【００５１】
次に液滴吐出ヘッド１００に使用する他の静電型アクチュエータについて、図１５から図１９を参照して説明する。図１５はアクチュエータ基板１の他の大気開放部１６の平面図、図１６は、図１５のＸ４−Ｘ４線に沿う断面図、図１７は図１５のＹ４−Ｙ４線に沿う断面図である。図１８は、図１５の犠牲層除去孔２９周辺の拡大平面図、図１９は、図１８のＹ５−Ｙ５線に沿う断面図である。
【００５２】
アクチュエータ基板１の大気開放部１６は犠牲層除去孔２９を大気開放孔４２の領域で下部電極層を残した領域７７に配置され、且つ犠牲層除去孔２９の周囲に振動板１２を固定する固定柱７８が配置されている。このように振動板１２を固定する固定柱７８を配置することにより、大気開放部１６の面積をアクチュエータの振動領域１２Ａ(図５)の短辺長より大きくしても大気開放空隙４１を形成した後に振動板１２部分が撓んだり、最悪の場合、割れてしまう不具合が発生することを防止することができ、製造歩留まりが低下することを防ぐことができる。また、大気開放部１６の面積に応じて、大気開放部１６の面積とアクチュエータ空隙の形成のバランスを考慮して、大気開放部１６の犠牲層除去孔２９の数と配置を決定することができるため、アクチュエータ空隙１３の犠牲層を完全に除去するエッチング時間で大気開放空隙４１の犠牲層を完全に除去できるとともにアクチュエータ空隙部の絶縁膜２７、２８がオーバーエッチされ所望より薄くなり、所望の特性が得られない等の不具合が生じることを防ぐことができ、プロセス課題を解決しつつ、設計の自由度をさらに増すことが可能となり、高精度で信頼性を確保するとともに製造歩留まりを向上させることができる。
【００５３】
したがって液滴吐出ヘッド１００を一体化したインクカートリッジやこの液滴吐出ヘッド１００を搭載した液滴吐出記録装置に提供することができる。また、従来技術では困難であった良好な生産性及び生産効率を有する寸法制御に優れた高精度、高密度、且つ高い信頼性を持った液滴吐出ヘッド１００を製造することができる。
【００５４】
この液滴吐出ヘッド１００を一体化したインクカートリッジについて図２０を参照して説明する。このインクカートリッジ８０は、ノズル８１等を有する液滴吐出ヘッド１００と、この液滴吐出ヘッド１００に対してインクを供給するインクタンク８２とを一体化したものである。このようにインクタンク８２が一体型の液滴吐出ヘッド１００の場合、アクチュエータ部を高信頼性化することで、インクカートリッジ８０の歩留まりや信頼性を向上することができ、インクカートリッジ８０の低コスト化を図ることができる。
【００５５】
次に液滴吐出ヘッド１００を搭載したインクジェット記録装置の一例について図２１の斜視図と図２２の機構部の構成を示す側面図を参照して説明する。このインクジェット記録装置９０は、装置本体の内部に主走査方向に移動可能なキャリッジ９８とキャリッジ９８に搭載した液滴吐出ヘッド１００及び液滴吐出ヘッド１００へインクを供給するインクカートリッジ９９等で構成される印字機構部９１等を収納し、装置本体の下方部には前方側から多数枚の用紙９２を積載可能な給紙カセット（或いは給紙トレイでもよい）９３を抜き差し自在に装着されている。また、用紙９２を手差しで給紙するために開かれる手差しトレイ９４を有し、給紙カセット９３あるいは手差しトレイ９４から給送される用紙９２を取り込み、印字機構部９１によって所要の画像を記録した後、後面側に装着された排紙トレイ９５に排紙する。
【００５６】
印字機構部９１は、図示しない左右の側板に横架したガイド部材である主ガイドロッド９６と従ガイドロッド９７とでキャリッジ９８を主走査方向に摺動自在に保持し、このキャリッジ９８にはイエロー（Ｙ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、ブラック（Ｂｋ）の各色のインク滴を吐出する液滴吐出ヘッド１００を複数のインク吐出口（ノズル）を主走査方向と交差する方向に配列し、インク滴吐出方向を下方に向けて装着している。またキャリッジ９８には液滴吐出ヘッド１００に各色のインクを供給するための各インクカートリッジ９９を交換可能に装着している。
【００５７】
インクカートリッジ９９は上方に大気と連通する大気口、下方には液滴吐出ヘッド１００へインクを供給する供給口が設けられ、内部にはインクが充填された多孔質体を有しており、多孔質体の毛管力により液滴吐出ヘッド１００へ供給されるインクをわずかな負圧に維持している。また、液滴吐出ヘッド１００としては各色の液滴吐出ヘッド１００を用いているが、各色のインク滴を吐出するノズルを有する１個の液室吐出ヘッドでもよい。
【００５８】
ここで、キャリッジ９８は後方側（用紙搬送方向下流側）を主ガイドロッド９６に摺動自在に嵌装し、前方側（用紙搬送方向上流側）を従ガイドロッド９７に摺動自在に載置している。そして、このキャリッジ９８を主走査方向に移動走査するため、主走査モータ１０１で回転駆動される駆動プーリ１０２と従動プーリ１０３との間にタイミングベルト１０４を張装し、このタイミングベルト１０４をキャリッジ９８に固定しており、主走査モータ１０１の正逆回転によりキャリッジ９８が往復駆動される。
【００５９】
一方、給紙カセット９３にセットした用紙９２を液滴吐出ヘッド１００の下方側に搬送するために、給紙カセット９３から用紙９２を分離給装する給紙ローラ１０５及びフリクションパッド１０６と、用紙９２を案内するガイド部材１０７と、給紙された用紙９２を反転させて搬送する搬送ローラ１０８と、この搬送ローラ１０８の周面に押し付けられる搬送コロ１０９及び搬送ローラ１０８からの用紙９２の送り出し角度を規定する先端コロ１１０とを有する。搬送ローラ１０８は副走査モータによってギヤ列を介して回転駆動される。
【００６０】
そして、キャリッジ９８の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラ１０８から送り出された用紙９２を液滴吐出ヘッド１００の下方側で案内するため用紙ガイド部材である印写受け部材１１１を設けている。この印写受け部材１１１の用紙搬送方向下流側には、用紙９２を排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送コロ１１２と拍車１１３を設け、さらに用紙９２を排紙トレイ９５に送り出す排紙ローラ１１４と拍車１１５と、排紙経路を形成するガイド部材１１６，１１７とを配設している。
【００６１】
このインクジェット記録装置９０で記録時には、キャリッジ９８を移動させながら画像信号に応じて液滴吐出ヘッド１００を駆動することにより、停止している用紙９２にインクを吐出して１行分を記録し、その後、用紙９２を所定量搬送後次の行の記録を行う。記録終了信号または用紙９２の後端が記録領域に到達した信号を受けることにより、記録動作を終了させ用紙９２を排紙する。
【００６２】
また、キャリッジ９８の移動方向右端側の記録領域を外れた位置には、液滴吐出ヘッド１００の吐出不良を回復するための回復装置１１７を配置している。回復装置１１７はキャップ手段と吸引手段とクリーニング手段を有している。キャリッジ９８は印字待機中にはこの回復装置１１７側に移動されてキャッピング手段で液滴吐出ヘッド１００をキャッピングして吐出口部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、記録途中などに記録と関係しないインクを吐出することにより、全ての吐出口のインク粘度を一定にし、安定した吐出性能を維持する。
【００６３】
また、吐出不良が発生した場合等には、キャッピング手段で液滴吐出ヘッド１００の吐出口（ノズル）を密封し、チューブを通して吸引手段で吐出口からインクとともに気泡等を吸い出し、吐出口面に付着したインクやゴミ等はクリーニング手段により除去され吐出不良が回復される。また、吸引されたインクは、本体下部に設置された廃インク溜（不図示）に排出され、廃インク溜内部のインク吸収体に吸収保持される。
【００６４】
このように、このインクジェット記録装置９０においては前記静電型アクチュエータを具備した液滴吐出ヘッド１００を搭載しているので、振動板駆動不良によるインク滴吐出不良がなく、安定したインク滴吐出特性が得られて、画像品質が向上する。また低電圧で駆動できるヘッドを搭載するので、インクジェット記録装置全体の消費電力も低減できる。
【００６５】
前記説明ではインクジェット記録装置９０に液滴吐出ヘッド１００を使用した場合について説明したが、インク以外の液滴、例えば、パターニング用の液体レジストを吐出する装置に液滴吐出ヘッド１００を適用しても良い。
【００６６】
次に液滴吐出ヘッド１００の静電型アクチュエータをマイクロポンプに適用した場合について図２３の断面図を参照して説明する。このマイクロポンプ２００は、電極２０１が設けられた振動板２０２が複数設けられており、流路２０３の中を流体が流れる構造となっている。そして振動板２０３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２０４方向へ流れが生じて流体の輸送が可能となる。なお、マイクロポンプ２００は振動板２０２を複数設けた場合について示したが振動板２０２は一つでも良く、また輸送効率を上げるために弁などを設けても良い。
【００６７】
また、液滴吐出ヘッド１００の静電型アクチュエータを光学デバイスに適用することもできる。例えば図２４の断面図に示すように、光学デバイス２１０は複数の電極２１１と、各電極２１１と対向して振動板２１２が設けられている。この振動板２１２はミラーを兼ねている。この振動板２１２の表面は反射率を増加させるため誘電体多層膜や金属膜を形成すると良い。この光学デバイス２１０に光源２１３から出射した光を、レンズ２１４を通して振動板２１２に照射する。振動板２１２に入射した光は電極２１１で振動板２１２を駆動しない場合、入射角と同じ角度で反射して投影用レンズ２１５へ入射する。この状態で電極２１１で振動板２１２を駆動すると、その部分の振動板２１２は凹面ミラーとなるので反射光は発散光となる。このようにして光変調デバイスを実現できる。
【００６８】
この光学デバイス２１０を応用した光変調デバイスを示す。図２５の斜視図に示すように、光変調デバイス２２０は光学デバイス２１０を２次元に配置する。そして光源２１３からの光をレンズ２１４を介して振動板２１２に入射し、各振動板２１２を独立に駆動する。このとき電極２１１で振動板２１２を駆動していない部分に入射した光は投影用レンズ２１５へ入射し、電極２１１に電圧を印加して振動板２１２を変形させている部分は振動板２１２が凹面ミラーとなり、入射した光は発散し投影用レンズ２１５にほとんど入射しない。この投影用レンズ２１５に入射した光をスクリーン（図示しない）などに投影することによりスクリーンに画像を表示できる。なお、図２５では電極２１１を４×４に配列した光変調デバイス２２０について示したが、この限りではなく、多数の電極２１１を配列しても良い。
【００６９】
また、前記液滴吐出ヘッド１００の静電型アクチュエータは、前記以外の光学デバイスやマイクロアクチュエータなどにも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】この発明の静電型アクチュエータを有する液滴吐出ヘッドの斜視図である。
【図２】液滴吐出ヘッドの分解斜視図である。
【図３】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図４】図１のＢ−Ｂ断面図である。
【図５】アクチュエータ基板を透過状態で示す平面図である。
【図６】図５のＸ１−Ｘ１断面図である。
【図７】図５のＸ２−Ｘ２断面図である。
【図８】アクチュエータ基板の大気開放部を示す平面図である。
【図９】図８のＸ３−Ｘ３断面図である。
【図１０】図のＹ３−Ｙ３断面図である。
【図１１】図５のＸ１−Ｘ１線に沿う部分を示す製造工程図である。
【図１２】図５のＸ２−Ｘ２線に沿う部分を示す製造工程図である。
【図１３】図８のＸ３−Ｘ３線に沿う部分を示す製造工程図である。
【図１４】図８のＹ３−Ｙ３線に沿う部分を示す製造工程図である。
【図１５】アクチュエータ基板の他の大気開放部の平面図である。
【図１６】図１５のＸ４−Ｘ４断面図である。
【図１７】図１５のＹ４−Ｙ４断面図である。
【図１８】図１５の犠牲層除去孔周辺の拡大平面図である。
【図１９】図１８のＹ５−Ｙ５断面図である。
【図２０】液滴吐出ヘッドを一体化したインクカートリッジの斜視図である。
【図２１】液滴吐出ヘッドを搭載したインクジェット記録装置の斜視図である。
【図２２】インクジェット記録装置の機構部の構成を示す側面図である。
【図２３】静電型アクチュエータを使用したマイクロポンプの構成を示す断面図である。
【図２４】静電型アクチュエータを使用した光学デバイスの構成を示す断面図である。
【図２５】２次元に配置した光学デバイスを示す斜視図である。
【符号の説明】
【００７１】
１００；液滴吐出ヘッド、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、５；液室(吐出室)、６；液室、７；液体抵抗部、
８；共通液室、９；液室間隔璧、１２；振動板、１３；空隙（ギャップ）、
１４；個別電極、１５；共通連通路（連通管）、１６；大気開放部、
２１；シリコン基板、２２；絶縁膜、２４；電極形成層、２５；絶縁膜、
２７；犠牲層、２８；絶縁膜、２９；犠牲層除去孔、３０；振動板部材、
３２；振動板電極（上部電極）、３３；膜剛性調整膜（窒化膜）、３４；撓み防止膜、
３５；樹脂膜、８０；インクカートリッジ、９０；インクジェット記録装置、
２００；マイクロポンプ、２１０；光学デバイス、２２０；光変調デバイス。
【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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【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】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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