(57)【要約】【課題】より低い電圧でより大きな振動板の変位を得ることができる静電アクチュエータ、およびそれを利用した液滴吐出ヘッドを提案すること。【解決手段】可撓性を有した振動板１０１と、振動板１０１にギャップ１０２を隔てて対向する対向電極１０３と、振動板１０１の対向電極１０３との対峙部に形成された絶縁膜とを備え、その絶縁膜を、酸化シリコンよりも比誘電率が高く、振動板１０１と対向電極１０３との間に印加した電圧に応じて歪む圧電体の膜１０４とした静電アクチュエータ。また、その静電アクチュエータを利用した液滴吐出ヘッド。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
可撓性を有した振動板と、前記振動板にギャップを隔てて対向する対向電極と、前記振動板の前記対向電極との対峙部に形成された絶縁膜とを備え、
前記絶縁膜を、酸化シリコンよりも比誘電率が高く、前記振動板と前記対向電極との間に印加した電圧に応じて歪む圧電体の膜としたことを特徴とする静電アクチュエータ。
【請求項２】
電圧印加前の前記振動板と前記対向電極との間のギャップ量を、前記振動板と前記対向電極とに予め定めた電圧を印加した際に、前記圧電体の膜の圧電力による前記振動板の撓み量と、前記振動板と前記対向電極との間に生じた静電力による前記振動板の撓み量とを足した量としていることを特徴とする請求項１記載の静電アクチュエータ。
【請求項３】
前記振動板がシリコン基板に形成され、前記対向電極がガラス基板に形成されており、前記圧電体の膜が前記振動板の前記対向電極との対峙部にのみ形成されていて、前記シリコン基板と前記ガラス基板とが、前記圧電体の膜のない部分で陽極接合されていることを特徴とする請求項１または２記載の静電アクチュエータ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の静電アクチュエータを備え、前記振動板が液体吐出のために圧力変動を生じさせる吐出室の一面を構成していることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項５】
液体の吐出部に請求項４に記載の液滴吐出ヘッドを備えた液滴吐出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インクジェットヘッド等に用いられる静電アクチュエータ、その静電アクチュエータを備えた液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
インクジェット記録装置は、高速印字が可能、記録時の騒音が極めて小さい、インクの自由度が高い、安価な普通紙を使用できる等の多くの利点を有する。近年、インクジェット記録装置の中でも、記録が必要なときにのみインク液滴を吐出する、いわゆるインク・オン・デマンド方式のインクジェット記録装置が主流となっている。このインク・オン・デマンド方式のインクジェット記録装置は、記録に不要なインク液滴の回収を必要としない等の利点がある。
【０００３】
このインク・オン・デマンド方式のインクジェット記録装置には、インク液滴を吐出させる方法として、駆動手段に振動板とそれに対向する個別電極を備えた静電アクチュエータを利用した、いわゆる静電駆動方式のインクジェット記録装置がある。また、駆動手段に圧電素子（ピエゾ素子）を利用した、いわゆる圧電駆動方式のインクジェット記録装置や、発熱素子等を利用した、いわゆるバブルジェット（登録商標）方式のインクジェット記録装置等がある。
【０００４】
静電駆動方式の記録装置のインクジェットヘッドは、振動板と個別電極とを帯電させることにより、振動板を個別電極側に吸引して撓ませ、その後、帯電を停止させて振動板を元の状態に復帰させることでインク吐出圧力を得ている。この際、振動板が個別電極に貼り付かないように、振動板と個別電極との間には、短絡を防止するための絶縁膜が形成されている。
【０００５】
静電駆動方式のインクジェットヘッドでは、できるだけ低い電圧で振動板を大きく変位させて、多くの液滴を吐出させることが効率的である。このため、振動板を駆動するための個別電極を、振動板の短辺または長辺方向に沿って階段状に形成することで、比較的低い電圧でより大きな振動板の変位を得る等の発明が従来から提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２０００−３１８１５５号公報（第２頁、図２等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１のように個別電極を階段状に形成することは、個別電極を形成している電極基板に予め複数の段差を形成すること等が必要となり、その構造も複雑化する。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑み、簡易な構成でありながら、より低い電圧でより大きな振動板の変位を得ることができる静電アクチュエータを提案し、さらに、それを利用した液滴吐出ヘッドや液滴吐出装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る静電アクチュエータは、可撓性を有した振動板と、振動板にギャップを隔てて対向する対向電極と、振動板の対向電極との対峙部に形成された絶縁膜とを備え、絶縁膜を、酸化シリコンよりも比誘電率が高く、振動板と対向電極との間に印加した電圧に応じて歪む圧電体の膜としたものである。
この構成の静電アクチュエータは、振動板と対向電極との間に電圧を印加すると、圧電体の膜が歪むため、それに伴って（それに起因して）振動板が撓み、振動板と対向電極との間のギャップが狭まる。さらに、その狭くなったギャップに静電力が作用して、振動板が対向電極側に撓む。静電力はギャップの２乗に反比例するため、ギャップが狭くなった分少ない電圧で振動板を変位させることができる。これにより、従来必要とされた電圧より低い電圧で大きな振動板の変位を得ることが可能となる。
【０００９】
また、電圧印加前の振動板と対向電極との間のギャップ量を、振動板と対向電極とに予め定めた電圧を印加した際に、圧電体の膜の圧電力による振動板の撓み量と、振動板と対向電極との間に生じた静電力による振動板の撓み量とを足した量とするのが好ましい。
これにより、振動板と対向電極とに予め定めた電圧を印加したときに、振動板が対向電極に当接し、振動板の大きな変位量が確保できることになる。
【００１０】
また、振動板がシリコン基板に形成され、対向電極がガラス基板に形成されており、圧電体の膜が振動板の対向電極との対峙部にのみ形成されていて、シリコン基板とガラス基板とが、圧電体の膜のない部分で陽極接合されていることが好ましい。
このように、圧電体の膜が振動板の対向電極との対峙部にのみ配置されて、シリコン基板とガラス基板とが圧電体の膜のない部分で陽極接合されていれば、その接合品質が向上し、静電アクチュエータの品質も向上する。
【００１１】
本発明に係る液滴吐出ヘッドは、上記いずれかに記載の静電アクチュエータを備え、振動板が液体吐出のために圧力変動を生じさせる吐出室の一面を構成しているものである。
さらに、本発明に係る液滴吐出装置は、液体の吐出部に上記の液滴吐出ヘッドを備えたものである。
これらの液滴吐出ヘッドおよび液滴吐出装置は、上記静電アクチュエータを備えているため、比較的低い印加電圧で大きな振動板の変位を生じさせることができるため、液体の吐出量を安定的に多くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
実施の形態１．
図１は本願発明の静電アクチュエータの構成および作用を示す説明図である。
この静電アクチュエータ１００は、図１（ａ）に示すように、可撓性を有した振動板１０１と、振動板１０１にギャップ１０２を隔てて対向する対向電極１０３と、振動板１０１の対向電極１０３との対峙部に形成された絶縁膜である圧電体の膜１０４とを備えている。圧電体の膜１０４は電圧の印加に応じて歪む物質であり、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等が使用できる。
振動板１０１はシリコン基板１１０から形成され、対向電極１０３はガラス基板１２０に形成された凹部内に導電体（例えばＩＴＯ）によって形成されている。そして、その凹部に起因して、振動板１０１と対向電極１０３との間にギャップ１０２が形成されている。
【００１３】
なお、この例では、圧電体の膜１０４を振動板１０１の対向電極１０３との対峙部にのみ配置するようにして、シリコン基板１１０とガラス基板１２０とを、圧電体の膜１０４のない部分において、酸化シリコンであるシリコン酸化膜１０５を介して陽極接合している。陽極接合は精密接合に適した接合方法としてよく知られている。
【００１４】
図１（ａ）の静電アクチュエータ１００において、振動板１０１と対向電極１０３との間に電圧を印加すると、図１（ｂ）のように、圧電体の膜１０４に電界が印加されるため、圧電体の膜１０４が歪んで変形し、その変形に応じて振動板１０１が撓む。これにより、振動板１０１と対向電極１０３との間のギャップ１０２が狭まる。
【００１５】
さらに、図１（ｃ）のように、振動板１０１が静電力により対向電極１０３側に引きつけられて撓み、圧電体の膜１０４を介して対向電極１０３に接触する。
このように、振動板１０１が図１の（ａ）→（ｂ）→（ｃ）のように変位することで、振動板１０１を静電力のみで図１の（ａ）から（ｃ）の状態に変位させる場合に比べて、より低い電圧で振動板１０１を同量以上変位させることができる。
【００１６】
したがって、電圧印加前の振動板１０１と対向電極１０３との間のギャップ量を、振動板１０１と対向電極１０３とに予め定めた電圧を印加した際に、圧電体の膜１０４の圧電力による振動板１０１の撓み量と、振動板１０１と対向電極１０３との間に生じた静電力による振動板１０１の撓み量とを足した量としておくと、振動板１０１に関して最も効率的な変位を得ることが可能となる。
【００１７】
図２は図１の静電アクチュエータの等価回路を表す回路図である。この等価回路では、符号「Ｅ」は印加電圧を、「Ｃ１」は圧電体の膜１０４に起因する容量（キャパシタ）を、「Ｃ２」はギャップ１０２に起因する容量（キャパシタ）を表している。この等価回路で、圧電体の膜１０４に印加される電圧Ｖａは、以下の式で表せる。
Ｖａ＝［（εg／ｄg）／（（εg／ｄg）＋（εa／ｄa））］・Ｅ
上記の式の中で、ｄは振動板１０１と対向電極１０３との間の距離、εは圧電体の膜１０４やギャップ１０２の比誘電率を表す。また、添え字のａは圧電体の膜１０４を、ｇはギャップ１０２を表している。
ここで、圧電体の膜１０４の厚さを２００μｍ、電圧を印加していないときのギャップ１０２の量（または幅）を４００ｎｍ、振動板１０１の厚みを１μｍ、印加電圧（入力電圧）Ｅを４５Ｖとして試算してみると、圧電体の膜１０４に印加される電圧Ｖａは約１５Ｖとなる。
【００１８】
圧電体の膜１０４に１５Ｖの電圧が印加された場合の振動板１０１の変位量が２００ｎｍとすると、残りのギャップ１０２の量は２００ｎｍに狭まる。この状態で、静電力により振動板１０１を対向電極１０３に当接させるためには、２０Ｖ程度の電圧が必要である。この例ではギャップ１０２の部分に、３０Ｖ（４５Ｖ−１５Ｖ）の電圧が印加されていると見なせるため、振動板１０１は静電力によって対向電極１０３に当接され得る。
このため、電圧印加前の振動板１０１と対向電極１０３との間のギャップ量を、振動板１０１と対向電極１０３とに予め定めた電圧（例えば上記の４５Ｖ）を印加した際に、圧電体の膜１０４の圧電力による歪みに起因する振動板１０１の撓み量と、振動板１０１と対向電極１０３との間に生じた静電力による振動板１０１の撓み量とを足した量にしておくのが好ましい。
【００１９】
これに対して、圧電体の膜１０４の歪を考慮しない場合には、ギャップ１０２の量が当初の４００ｎｍのままであるため、振動板１０１を対向電極１０３に当接させるためには電圧が５０Ｖ程度必要となり、圧電体の膜１０４を備えた構造に比べてより高い印加電圧が必要となる。
なお、圧電体はシリコン酸化膜等に比べて瞬時絶縁破壊強度(TZDB)が低いが、その膜厚を十分厚くすることで静電アクチュエータへの適用が可能となる。
【００２０】
本実施の形態１では、絶縁膜として、振動板１０１の対向電極１０３との対峙部に圧電体の膜１０４を配置するという簡易な構成により、圧電体の膜１０４がない場合よりも低い電圧で大きな振動板１０１の変位を得ることが可能となった。
また、圧電体の膜１０４を振動板１０１の対向電極１０３との対峙部にのみ配置することで、シリコン基板１１０とガラス基板１２０との陽極接合も可能にしている。
【００２１】
実施の形態２．
図３は本願発明の実施の形態２に係る液滴吐出ヘッド１であって、実施の形態１で説明した構成の静電アクチュエータを液滴吐出部に適用したものである。なお、本発明の液滴吐出ヘッドは、以下の図３に示す構造、形状に限定されるものではなく、吐出室とリザーバ部が別々の基板に設けられた４枚の基板を積層した４層構造のものや、基板の端部にノズル孔を設けた液滴吐出ヘッドにも適用することができる。この液滴吐出ヘッド１は、キャビティ基板２、電極基板３、及びノズル基板４の３つの基板が３層に接合されて構成されている。また、図３では駆動回路２１の部分を模式的に表している。
【００２２】
ノズル基板４はシリコンからなり、例えば、円筒状の第１のノズル孔６と、第１のノズル孔６と連通し、第１のノズル孔６よりも径の大きい円筒状の第２のノズル孔７とを有するノズル８が形成されている。第１のノズル孔６は、液滴吐出面１０（キャビティ基板２との接合面１１の反対面）に開口するように形成されており、第２のノズル孔７は、キャビティ基板２との接合面１１に開口するように形成されている。
【００２３】
キャビティ基板２は、例えば単結晶シリコンからなり、底壁が振動板１２（図１の振動板１０１に対応）として作用する吐出室１３となる凹部が複数形成されている。なお複数の吐出室１３は、図３の紙面手前側から紙面奥側にかけて平行に並んで形成されているものとする。またキャビティ基板２には、各吐出室１３にインク等の液滴を供給するためのリザーバ１４となる凹部と、このリザーバ１４と各吐出室１３を連通する細溝状のオリフィス１５となる凹部が形成されている。図３に示す液滴吐出ヘッド１では、リザーバ１４は単一の凹部から形成されており、オリフィス１５は各吐出室１３に対して１つずつ形成されている。なお、オリフィス１５は、ノズル基板４の接合面１１に形成するようにしてもよい。
【００２４】
キャビティ基板２の電極基板３が接合される側の表面には、絶縁膜が形成されている。その絶縁膜は同じ物質が一様に形成されているわけではなく、後述する対向電極１７（図１の対向電極１０３に対応）に対峙する部分は圧電体の膜１０４が形成されて絶縁膜となっており、それ以外の部分は酸化シリコンであるシリコン酸化膜１６（図１のシリコン酸化膜１０５に対応）が形成されて絶縁膜となっている。
一方、キャビティ基板２のノズル基板４が接合される側の面には、耐液滴保護膜１９が形成されている。この耐液滴保護膜１９は、吐出室１３やリザーバ１４の内部の液滴によりキャビティ基板２がエッチングされるのを防止するためのものである。
【００２５】
キャビティ基板２の振動板１２側には、例えばホウ珪酸ガラスからなる電極基板３が接合されている。電極基板３には、ギャップ２０（図１のギャップ１０２に対応）を介して振動板１２と対向する複数の対向電極（個々に独立しているため個別電極ともいう）１７が形成されている。この対向電極１７は、導電材料、例えばＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）をスパッタすることにより形成する。また電極基板３には、リザーバ１４と連通する液体供給孔１８が形成されている。この液体供給孔１８は、リザーバ１４の底壁に設けられた孔と繋がっており、リザーバ１４にインク等の吐出液を外部から供給するために設けられている。
【００２６】
電極基板３とキャビティ基板２との接合方法は特に問わないが、電極基板３がホウ珪酸ガラスからなり、キャビティ基板２がシリコン基板からなる場合には、シリコン酸化膜１６を介してそれらを陽極接合によって接合すると、高品質に精密接合できる。
【００２７】
次に、液滴吐出ヘッド１の動作について説明する。キャビティ基板２と個々の対向電極１７には駆動回路２１が接続されている。駆動回路２１によりキャビティ基板２と対向電極１７の間にパルス電圧が印加されると、図１の（ａ）〜（ｃ）に示したようにして、振動板１２が対向電極１７の側に撓んでそれが圧電体の膜１０４を介して対向電極１７に当接する。これにより、リザーバ１４の内部に溜まっていたインク等の液滴が吐出室１３に流れ込む。そして、振動板１２と対向電極１７の間に印加されていた電圧がなくなると、振動板１２が元の位置に戻って吐出室１３の内部の圧力が高くなり、ノズル８からインク等の液滴が吐出される。
この液滴吐出ヘッド１は、実施の形態１の静電アクチュエータの作用で説明したように、圧電体の膜１０４がない場合に比べて低い印加電圧で振動板１２を大きく変位させることができるため、比較的低い印加電圧で液体の吐出量を安定的に多くすることができる。
【００２８】
ここで、液滴吐出ヘッド１の製造方法の一例を簡単に説明しておく。なお、説明中の符号は図３に対応する符号である。
まず、例えば厚さが５２５μｍのシリコン基板（後にキャビティ基板２となるもの）の両面を鏡面研磨した後に、ＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）スパッタやプラズマＣＶＤ、ＡＤ法（Ａｅｒｏｓｏｌ  Ｄｅｐｏｓｉｔｏｎ法）等によって、圧電体の膜１０４（例えばＰＺＴ膜）を、例えば厚さ２００μｍでシリコン基板の片側表面に直接形成する。ここでＡＤ法を用いた場合には、比較的低温または常温で低応力の絶縁膜を形成することができ、ＥＣＲスパッタを用いた場合には、緻密な絶縁膜を形成することができる。
なお、シリコン基板に圧電体の膜１０４を形成する前に、その形成面側表面にボロンを拡散して、ボロンドープ層を形成するようにしてもよい。
【００２９】
次に、圧電体の膜１０４の表面を、後のエッチング工程で、対向電極１７に対峙することになる部分だけに圧電体の膜１０４が残るように、フォトリソグラフィーによってレジストパターニングを施す。
続いて、例えば緩衝フッ酸水溶液で圧電体の膜１０４をウェットエッチングすることにより、対向電極１７と対峙することとなる部分に圧電体の膜１０４を形成する。なお、緩衝フッ酸水溶液によるウェットエッチングの代わりに、ＣＨＦ３を用いたＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）を利用してもよい。それから、パターニングに使用したレジストを酸素プラズマ等により除去する。
その後、シリコン基板の圧電体の膜１０４が形成された側の表面に対して、圧電体の膜１０４が形成されている部分以外の全面に、例えばＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａ  Ｅｔｈｙｌ  Ｏｒｔｈｏ  Ｓｉｌｉｃａｔｅ）プラズマＣＶＤによって厚さ１００ｎｍ程度のシリコン酸化膜１６を形成する。
【００３０】
続いて、シリコン基板と、対向電極１７が形成された電極基板３を例えば３６０℃に加熱し、シリコン基板に陽極、電極基板３に陰極を接続して８００Ｖ程度の電圧を印加して陽極接合を行う。なお、電極基板３は、例えば金・クロムのエッチングマスクを使用してホウ珪酸ガラスからなるガラス基板をフッ酸水溶液等でエッチングして凹部を形成した後に、その凹部内にスパッタ等により導電材料（例えばＩＴＯ）からなる対向電極１７を形成することで作製することができる。
シリコン基板と電極基板３を陽極接合した後に、例えば機械研削によってシリコン基板の全体を例えば厚さ１４０μｍになるまで薄板化する。なお、機械研削を行った後は、加工変質層を除去するため、水酸化カリウム水溶液等でライトエッチングを行うのが望ましい。
【００３１】
それから、シリコン基板の上面（電極基板３が接合されている面の反対面）の全面にＴＥＯＳプラズマＣＶＤによって例えば厚さ１．５μｍのシリコン酸化膜を形成する。そしてこのシリコン酸化膜に、吐出室１３となる凹部、リザーバ１４となる凹部及びオリフィス１５となる凹部を形成するためのレジストをパターニングし、この部分のシリコン酸化膜をエッチング除去する。
その後、シリコン基板を水酸化カリウム水溶液等でウェットエッチングすることにより、吐出室１３となる凹部、リザーバ１４となる凹部及びオリフィス１５となる凹部を形成した後、シリコン酸化膜を除去する。なお、上記ウェットエッチングの工程では、例えば初めに３５重量％の水酸化カリウム水溶液を使用し、その後３重量％の水酸化カリウム水溶液を使用することで、振動板１２の面荒れを抑制することができる。
その後、シリコン基板の吐出室１３となる凹部等が形成された面に、例えばＣＶＤによってシリコン酸化膜等からなる耐液滴保護膜１９を例えば厚さ０．１μｍで形成する。
【００３２】
次に、ノズル８が形成されたノズル基板４を、接着剤等により、シリコン基板の吐出室１３となる凹部等が形成された面に接合する。
そして最後に、シリコン基板、電極基板３、及びノズル基板４が接合された接合基板をダイシング（切断）により分離して、キャビティ基板２、電極基板３、及びノズル基板４が積層された液滴吐出ヘッド１が完成する。
【００３３】
以上の工程により、振動板１２と対向電極１７との間に絶縁耐圧が確保され、かつアクチュエータ駆動電圧の低電圧化が実現された、小型でしかも駆動耐久性に優れた静電アクチュエータが製造できる。
【００３４】
実施形態３．
図４は実施の形態２で説明した液滴吐出ヘッドを液滴吐出部に適用した液滴吐出装置であるインクジェットプリンタの斜視図である。
このインクジェットプリンタ２００は、そこに適用されている液滴吐出ヘッドの作用により、従来利用していた電圧より低い電圧を利用して、より多くの液滴吐出量を得ることができる。従って、ドット抜け等がなく印刷品質が向上する。また、耐久性や吐出安定性にも優れ、さらに小型でしかも駆動耐久性にも優れたものとなる。
【００３５】
なお、実施の形態２に示した液滴吐出ヘッド１は、上記のインクジェットプリンタの他に、その吐出液を代えることで、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。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施の形態１に係る静電アクチュエータの構成および作用を示す図である。
【図２】図１の静電アクチュエータの等価回路図である。
【図３】本発明の実施の形態２に係る液滴吐出ヘッドの断面図である。
【図４】本発明の実施の形態３に係るインクジェットプリンタの斜視図である。
【符号の説明】
【００３７】
１  液滴吐出ヘッド、２  キャビティ基板、３  電極基板、４  ノズル基板、６  第１のノズル孔、７  第２のノズル孔、８  ノズル、１０  液滴吐出面、１１  接合面、１２  振動板、１３  吐出室、１４  リザーバ、１５  オリフィス、１６  シリコン酸化膜、１７  対向電極、１８  液体供給孔、１９  耐液滴保護膜、２０  ギャップ、２１  駆動回路、１００  静電アクチュエータ、１０１  振動板、１０２  ギャップ、１０３  対向電極  １０４  圧電体の膜、１０５  シリコン酸化膜、１１０  シリコン基板、１２０  ガラス基板、２００  インクジェットプリンタ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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