JP2001287357A - 液滴吐出ヘッド及びインクジェット記録装置及びマイクロアクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 静電力で振動板を変位させる、インクジェッ
トヘッドおよびマイクロアクチュエータにおいて、低電
圧駆動で安定した振動板変位が得られる液滴吐出ヘッド
及びこのヘッドを搭載したインクジェット記録装置の提
供、並びに低電圧駆動で安定した振動板変位が得られる
マイクロアクチュエータの提供。 【解決手段】 電極基板２に第１凹部１１を形成し、第
１凹部１１の底面に第２凹部を形成して、第２凹部１２
の底面に電極１３を設けて、振動板１０が変位したとき
に当接する電極１３より高い当接部１５を形成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は液滴吐出ヘッド、インク
ジェット記録装置及びマイクロアクチュエータに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】一般に、プリンタ、ファクシミリ、複写
装置、プロッタ等の画像記録装置（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
吐出ヘッドの１つであるインクジェットヘッドとして、
インク滴を吐出するノズルと、このノズルが連通する液
室（インク流路、加圧室、吐出室、圧力室、加圧液室等
とも称される。）と、この液室の壁面を形成する振動板
と、この振動板に対向する電極を有し、振動板と電極と
の間に電圧を印加することで発生する静電力により振動
板を変形させて、液室内の圧力／体積を変化させること
によりノズルからインク滴を吐出させる静電型インクジ
ェットヘッドがある。

【０００３】従来の静電型インクジェットヘッドとして
は、特開平２−２８９３５１号公報に記載されているよ
うに、振動板と電極とを平行に配置したもの（平行な振
動板と電極との間に形成されるギャップを「平行ギャッ
プ」と称する。）、或いは、特開平９−１９３３７５号
公報に記載されているように、振動板と電極とを短手方
向又は長手方向で非平行に配置したもの（非平行な振動
板と電極との間に形成されるギャップを「非平行ギャッ
プ」と称する。）が知られている。

【０００４】また、このような静電型インクジェットヘ
ッドの駆動方式としては、振動板が電極に当接する（実
際には電極表面の保護膜に当接する）まで変形変位させ
る当接駆動方式と、振動板が電極に当接しない位置まで
変形変位させる当接駆動方式とがある。このうち、当接
駆動方式によれば振動板の変形量（変位量）を一定にす
ることができるという利点がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来の静電
型インクジェットヘッドにあっては、当接駆動方式で振
動板を数ｋＨｚから数十ｋＨｚの駆動周波数でダイナミ
ックに駆動した場合に、振動板が電極の保護膜に接触を
開始するときの駆動電圧（当接電圧）が静的な計算から
求めた電圧より高くなる。この原因の一つには、振動板
が変形したときの容積ΔＶと振動板変形前のギャップ空
間の容積Ｖの比ΔＶ／Ｖが大きいために、ダイナミック
な駆動変位がギャップ内の圧力上昇により低下すること
にある。

【０００６】また、従来の非平行ギャップを有する静電
型インクジェットヘッドにあっては、当接駆動方式で駆
動すると、振動板が電極表面の保護膜（絶縁膜）と接触
する面積が大きくなるため、振動板接触時の静電容量変
化が大きく、結果として電流値が大きくなって駆動ドラ
イバＩＣに対する制約が生じたり、消費電力が大きくな
る。

【０００７】さらに、従来の平行ギャップ及び非平行ギ
ャップを有するいずれの静電型インクジェットヘッドに
あっても、当接駆動方式で駆動すると、同一極性の電圧
を印加することによって、振動板と電極との間の絶縁膜
に電荷が残留して、時間の経過と共に静電力が低減して
所望の振動板変位量を確保するためには駆動電圧を高く
しなければならなくなる。

【０００８】この場合、極性の異なる駆動電圧を交互に
印加すれば、絶縁膜の残留電荷を消去することができ
て、残留電荷の影響を大幅に低減することができるが、
このように逆極性の駆動電圧を印加するためには、逆極
性の電源を必要とするし、また実際の駆動状態ではイン
ク滴を吐出させるノズルとの関係で同一極性の電圧が連
続して印加されることあり、有効な解決手段ではない。

【０００９】さらにまた、当接駆動方式で駆動する場
合、振動板と電極保護膜との接触面積が大きくなると、
振動板或いは電極保護膜表面の水分の影響によって振動
板が電極保護膜に吸着してしまい、振動板が変形し難く
なることがある。

【００１０】本発明は、上記の課題に鑑みてなされたも
のであり、低電圧駆動で安定した振動板変位が得られる
液滴吐出ヘッド及びこのヘッドを搭載したインクジェッ
ト記録装置並びに低電圧駆動で安定した振動板変位が得
られるマイクロアクチュエータを提供することを目的と
する。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、本発明に係る液滴吐出ヘッドは、電極側に振動板が
当接する電極よりも高い当接部を設けたものである。

【００１２】ここで、電極基板には振動板に対応する第
１凹部を形成し、更にこの第１凹部底面に複数の第２凹
部を形成し、この第２凹部の底面に電極を形成すること
が好ましい。

【００１３】第１凹部の底面形状が振動板に対して非平
行であることが好ましい。また、第１凹部の底面が振動
板短手方向の断面形状で、振動板にかける当分布荷重を
ｗ、振動板の短手方向の長さをｌ、振動板のヤング率を
Ｅ、振動板の断面二次モーメントをＩ、振動板の短手方
向の端部からの距離をｘとしたとき、次の（１）式で示
される形状であることが好ましい。

【００１４】

【数３】

【００１５】また、第２凹部の底面に更にスリット溝
(スリット、切欠きとも称される。)を形成することが好
ましい。さらに、第２凹部を振動板短手方向に配置して
いることが好ましい。ここで、第２凹部の数が振動板短
手方向で２個以上９個以下であることが好ましい。

【００１６】さらに、第２凹部を振動板長手方向にも配
置していることが好ましい。この場合、振動板長手方向
の第２凹部の幅が振動板短手方向の第２凹部の幅の２／
３を越えないことが好ましい。また、第１凹部の底面と
電極側表面（保護膜上面又は電極表面）との距離が０．
０１μｍ以上であることが好ましい。

【００１７】本発明に係るインクジェット記録装置は、
インクジェットヘッドとして本発明に係る液滴吐出ヘッ
ドを備えたものである。

【００１８】本発明に係るマイクロアクチュエータは、
電極基板には振動板に対応する第１凹部を形成し、更に
この第１凹部底面に複数の第２凹部を形成し、この第２
凹部の底面に電極を形成したものである。

【００１９】ここで、第１凹部の底面が振動板短手方向
の断面形状で、振動板にかける当分布荷重をｗ、振動板
の短手方向の長さをｌ、振動板のヤング率をＥ、振動板
の断面二次モーメントをＩ、振動板の短手方向の端部か
らの距離をｘとしたとき、次の（１）式で示される形状
であることが好ましい。

【００２０】

【数４】

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付
図面を参照して説明する。図１は、本発明を適用した静
電型インクジェットヘッドの振動板長手方向の模式的断
面説明図、図２は、同ヘッドの振動板短手方向の模式的
断面説明図である。

【００２２】この静電型インクジェットヘッドは、振動
板基板１と、この振動板基板１の下面に接合した電極基
板２と、振動板基板１の上面に接合した天板３とを備
え、液滴であるインク滴を吐出するノズル４と、ノズル
４に連通する液室５と、液室５に流体抵抗部６を介して
インクを供給する共通液室７などを形成している。

【００２３】振動板基板１には、ノズル４を形成するノ
ズル溝と、液室５及びこの液室５の壁面（底面）となる
振動板１０を形成する凹部と、流体抵抗部６を形成する
溝及び共通液室８を形成する凹部を形成している。

【００２４】ここで、振動板基板１は、シリコン基板を
酸化膜を介して接合したＳＯＩ基板を用いて形成するこ
とができる。この場合、液室５となる凹部をＫＯＨ水溶
液などのエッチング液を用いてエッチングすることによ
り、熱酸化膜をエッチストップ層として振動板１０を高
精度に形成できる。

【００２５】なお、振動板１０に別途電極膜を形成して
もよいが、上述したように不純物の拡散などによって振
動板が電極を兼ねるようにしている。また、振動板１０
の電極基板２側の面に絶縁膜を形成することもできる。
この絶縁膜としてはＳiＯ₂等の酸化膜系絶縁膜、Ｓi₃Ｎ
₄等の窒化膜系絶縁膜などを用いることができる。絶縁
膜の成膜は、振動板表面を熱酸化して酸化膜を形成した
り、成膜手法を用いたりすることができる。

【００２６】また、電極基板２にはシリコン基板を用い
て熱酸化法などにより酸化膜層２ａを形成し、この酸化
膜層２ａに振動板１０に対応し、振動板１０の最大変位
量を規定するための第１凹部１１を形成し、この第１凹
部１１の底面に複数の第２凹部１２を形成し、この第２
凹部１２の底面に、振動板１０に所定のギャップ１４を
おいて対向する電極１３を配置している。これらの振動
板１０と電極１３によって静電力で振動板１０を変形変
位させるマイクロアクチュエータ部を構成している。

【００２７】したがって、振動板１０が変位したとき、
振動板１０は第１凹部１１の底面のうちの第２凹部１２
が形成されていない残存部分に当接することで変位が規
制される。すなわち、第１凹部１１の残存部分（振動板
短手方向中央部分では第２凹部１２間の隔壁となる部
分）は振動板１０が当接する電極１３より高い当接部１
５となる。また、第２凹部１２の電極１３を形成してい
ない底面にはスリット溝１６を形成している。

【００２８】さらに、電極１３の表面には振動板１０と
の接触による損傷などを防止するためにＳiＯ₂膜などの
酸化膜系絶縁膜、Ｓi₃Ｎ₄膜などの窒化膜系絶縁膜から
なる保護膜（絶縁膜）１７を成膜している。さらにま
た、電極１３表面に保護膜１７を形成しないで、振動板
１０側に絶縁膜を形成することもできるし、後述する図
７の実施形態のように電極１３及び振動板１０に保護膜
を形成しない構成とすることもできる

【００２９】ここで、振動板１０の短手方向での変位量
は第１凹部１１の底面形状によって規定されることにな
る。この場合、振動板１０を当接させる第１凹部１１の
底面形状（ギャップ１４の電極側形状）を振動板１０に
当分布荷重が加わった場合の振動板変位分布に一致させ
ている。すなわち、この第１凹部１１の底面の振動板短
手方向での断面形状は、振動板１０の変位量δとして表
わすとき、次の（１）式で示される形状にしている。こ
れにより、ギャップ１４の断面形状は振動板１０側と電
極１３側の辺（面）が非平行な非平行ギャップとなり、
この非平行なギャップ１４に沿って電極１３を配置す
る。

【００３０】

【数５】

【００３１】ただし、（１）式で、ｗは荷重、ｌは振動
板１０の短手方向の長さ、Ｅは振動板１０のヤング率、
Ｉは振動板１０の断面二次モーメント、ｘは振動板１０
の短手方向の端部からの距離である。このように、非平
行ギャップの電極側形状を振動板１０に当分布荷重が加
わった場合の振動板変位分布に一致させることで、更な
る低電圧駆動化を図れるが、単純な傾斜面にすることも
できる。

【００３２】さらに、電極基板２と振動板基板１との間
の開口部はギャップ１４内に水分等が浸入するのを防止
するために封止剤１９によって封止している。また、天
板３には共通液室７に外部からインクを供給するための
インク供給口２０を形成している。

【００３３】ここで、このインクジェットヘッドの電極
基板２の製造過程について図３及び図４をも参照して説
明する。先ず、Ｓｉ基板からなる電極基板２に２μｍ程
度の酸化膜層２ａを形成し、この熱酸化膜層２ａにフォ
トレジスト層を形成し、このフォトレジスト層をフォト
リングラフィーにより非平行なギャップ形状とし、この
フォトレジスト層をマスクとして熱酸化膜層２ａをエッ
チングして、振動板１０に対応して底面形状が前記
（１）式で表される形状となる第１凹部１１を形成す
る。

【００３４】そして、この第１凹部１１の底面にウエッ
ト又はドライエッチングによって複数の第２凹部１２を
形成する。その後、図３に示すように、第２凹部１２の
底面に電極１３となるＴｉＮ膜２０をスパッタリング法
により０．１５μｍの厚みに成膜し、第２凹部１２の立
ち上がり部との間にスリット溝１６を形成する部分など
を残してレジストパターンを形成し、ドライエッチング
を行うことによって第２凹部１２の底面に所要の形状の
電極１３を形成する。

【００３５】次いで、このＴｉＮ膜２０（電極１３を含
む）上にＰ−ＣＶＤ法により保護膜１７となるＳｉＯ₂
膜を全面に０．１５μｍの厚みに成膜し、電極１３を被
覆する形状にレジストをパターンニングし、このＳｉＯ
₂膜のドライエッチングを行って保護膜１７を形成する
とともに、レジストパターンとＴｉＮ膜２０とをマスク
として、第２凹部１２の底面にスリット溝１６を形成す
る。なお、ここではスリット溝１６の振動板短手方向の
幅は２μｍとした。その後、ＴｉＮ膜２０をウエットエ
ッチングにより除去する。

【００３６】このように構成したインクジェットヘッド
においては、振動板１０を共通電極とし、電極１３を個
別電極として、図１に示すようにドライバＩＣ２５から
振動板１０と電極１３との間に駆動電圧を印加すること
によって、振動板１０と電極１３との間に発生する静電
力によって振動板１０が電極１３側に変形変位し、この
状態から振動板１０と電極１３間の電荷を放電させるこ
とによって振動板１０が復帰変形して、液室５の内容積
（体積）／圧力が変化することによって、ノズル４から
インク滴が吐出される。

【００３７】すなわち、個別電極とする電極１３にパル
ス電圧を印加すると、共通電極となる振動板１０との間
に電位差が生じて、個別電極１３と振動板１０の間に静
電力が生じる。この結果、振動板１０は印加した電圧の
大きさに応じて変位する。その後、印加したパルス電圧
を立ち下げることで、振動板１０の変位が復元して、そ
の復元力により液室５内の圧力が高くなり、ノズル４か
らインク滴が吐出される。

【００３８】このインクジェットヘッドの場合、前述し
たようにギャップ１４が非平行であるので、振動板１０
は電極１３との間のギャップ長が短い短手方向両端部か
ら変位を開始し、振動板１０が変位することで漸次電極
１３との間のギャップ長が短くなるので、低い駆動電圧
で発生する静電力でも振動板１３を変位させることがで
き、低電圧駆動化を図ることができる。

【００３９】ここで、振動板１０は図２に破線で示すよ
うに第１凹部１１の底面（当接部１５）に当接してその
最大変位量が規定されるので、振動板１０が電極１３の
保護膜（絶縁膜）１７に当接することが防止される。し
たがって、従前のように振動板を電極表面の保護膜（絶
縁膜）に接触させる場合に比べて、振動板当接時の静電
容量変化が小さくなるので、駆動ドライバＩＣに対する
制約や消費電力の増大を小さくすることができる。

【００４０】また、振動板１０と絶縁膜１７が接触しな
いので、残留電荷が低減し、同一極性の駆動波形を印加
しても低電圧で駆動することが可能になって、低電圧駆
動化を図れる。この場合、極性の異なる電源を用いて極
性の異なる駆動波形を交互に印加するというような特殊
な駆動方法を用いる必要もなく、低電圧駆動化のための
構成も簡単になる。

【００４１】さらに、振動板１０と第１凹部１１の接触
面積は第２凹部１２により大幅に低減するため、振動板
１０と第１凹部１１の吸着も防止され、低電圧で安定し
て駆動することができるようになる。

【００４２】さらにまた、このインクジェットヘッドに
おいては、電極１３を形成した第２凹部１２の底面にス
リット溝１６を形成しているので、このスリット溝１６
によりギャップ部容積Ｖが大きくなり、振動板が変形し
たときの容積変化ΔＶとギャップ部容積Ｖの比ΔＶ／Ｖ
が小さくなり、ギャップ内の圧力上昇によって振動板変
位が抑制されることを防止でき、低電圧駆動化を図れ
る。

【００４３】次に、電極基板２の第１凹部１１の底面と
保護膜１７表面（電極側表面）との間隔について図４を
も参照して説明する。なお、図４は電極基板の凹部部分
の模式的説明図である。上述したように、このインクジ
ェットヘッドでは残留電荷を低減するために振動板１０
と保護膜１７とが接触しないようにしている。そのため
には、振動板１０が当接部１５上面（第１凹部底面）に
当接するときの電圧と振動板１０が当接部１５を越えて
変形変位して保護膜１７に当接するときの電圧とのマー
ジンを大きくとる必要があり、換言すれば、当接部１５
上面（第１凹部底面）と保護膜１７表面との間隔をある
程度確保する必要がある。

【００４４】ここで、振動板１０が当接部１５上面に当
接しているとき、図４に示すように、第２凹部１２の幅
をｌ、電極１３の厚みをｔｄ、保護膜１７の厚みをｔ
ｃ、スリット１６によって電極１３がない領域の幅をｌ
ｃ、保護膜保護膜１７表面から第１凹部１１の底面（当
接部１５上面）までの高さ（間隔）をｃとすると、保護
膜１７表面から第１凹部１１底面までの高さｃには、振
動板１０の厚さ、保護膜１７の厚さｔｃ及びスリット溝
１６の幅などから定まる最適値が存在する。

【００４５】そこで、これらの各種パラメータを考慮し
て、電圧マージンを計算したところ、保護膜１７上面か
ら第１凹部１１底面までの高さｃの実用的な寸法として
は、ｃ＝０．０１μｍ以上であることが得られた。さら
に、振動板１０と保護膜１７との接触を確実に防止する
ためには、ｃ＝０．０５μｍ以上にすることが好まし
い。また、この高さｃがあまり高くなりすぎると、振動
板１０の変位量δとして必要な変位量を確保できなかっ
たり、駆動電圧が高くなるので、最大高さｃmaxとして
はｃmax＝０．１５μｍ以下にすることが好ましく、よ
り好ましくはｃmax＝０．１μｍ以下である。

【００４６】次に、電極１３を配置するための第２凹部
１２の数について説明する。この第２凹部１２の数を増
加することは、それだけ凹部１２間の隔壁部分（当接部
１５を形成する。）が多くなり、また、各第２凹部１２
の底面に電極１３の両側にスリット溝１６を形成する構
造にすると、第２凹部１２の増加に従って電極１３の総
面積が減少することになるので、振動板１０を変形変位
させるための静電力が電極１３の面積に比例して減少す
る。

【００４７】ここで、第２凹部１２の最適な数は、振動
板１０の短手方向の幅、振動板１０の厚さ、第２凹部１
２間隔壁（当接部１５）の幅、保護膜１７の厚さなどの
各パラメータの値によって異なるが、１００ｄｐｉ以上
の吐出密度の構成にした場合の第２凹部１２の数と駆動
電圧との関係を計算で求めたところ、第２凹部１２の数
は２個以上９個以下とすることが好ましいという結果が
得られた。第２凹部１２の数を１０個以上にすると、振
動板１０を第１凹部１１底面に当接させるために必要な
駆動電圧が急激に上昇する。更に、より好ましくは、第
２凹部１２の数は７個以下である。

【００４８】次に、本発明の他の実施形態について図５
を参照して説明する。なお、同図は同実施形態に係るイ
ンクジェットヘッドの振動板長手方向の断面説明図であ
る。このインクジェットヘッドの振動板短手方向の断面
は前述した実施形態の図２と同様である。

【００４９】このインクジェットヘッドにおいては、電
極基板２の第１凹部１１の底面に振動板長手方向でも第
２凹部１２を形成している。したがって、電極基板２に
は図６に示すように第２凹部１２の底面を基準面とする
と、第２凹部１２の底面から立ち上がった略柱状の当接
部１５が形成される。なお、その他の構成は前記実施形
態と同様である。

【００５０】これによって、第２凹部１２底面に電極１
３を配置することによる電極面積の減少を抑えることが
できる。すなわち、第１凹部１１の底面に形成した第２
凹部１２の底面に電極１３を配置する構成にした場合に
は、上述したように振動板１０に対向する電極面積が第
１凹部１１底面に電極を形成する場合に比べて減少する
ことになり、その分振動板１０を変形変位させるための
駆動電圧が高くなる。そこで、第２凹部１２を振動板短
手方向に配置するとともに第２凹部１２を振動板長手方
向にも配置することによって、第２凹部１２底面の面積
が増加するので、電極１３の面積を前記実施形態よりも
増加させることができて、振動板１０の変位に要する駆
動電圧の上昇を抑制することができる。

【００５１】この場合、振動板長手方向の第２凹部１２
の幅Ｌを長くし過ぎると、振動板１０が長手方向に撓ん
でしまい、振動板１０が保護膜１７に接触するおそれが
ある。そこで、第２凹部１２の振動板短手方向の幅Ｗと
長手方向の幅Ｌとの関係について説明する。

【００５２】振動板１０の変形挙動は、四辺が振動板基
板１に固定されているので、四辺固定の長方形板の「作
用力−変位特性」に従うが、振動板１０が電極基板２の
当接部１５に接触している場合は、四辺単純支持の長方
形板の変位特性に従うことになる。ここで、振動板１０
を「板バネ」として見た場合の曲げ強さは、四辺支持の
場合には、四辺固定の場合の約１／５．０７になる。そ
して、曲げ強さは板バネの幅の４乗に反比例する。した
がって、振動板長手方向の第２凹部１２の幅Ｌは、少な
くとも振動板短手方向の第２凹部１２の幅Ｗに対して、
１／⁴√５．０７≒０．６７倍以下、すなわち約２／３
以下（Ｌ＝Ｗ・２／３以下）にすることが好ましい。こ
のように、Ｌ＝Ｗ・２／３以下にすることで、振動板１
０が保護膜１７に接触することを確実に防止でき、残留
電荷の発生を低減することができる。

【００５３】そこで、具体的に、振動板１０の短手方向
の長さを１３０μｍ、振動板１０の長手方向の長さを１
５ｍｍ、振動板１０の中央の最大変位量δmaxを０．２
５μm、電極１３の厚みを０．１５μｍ、保護膜１７の
厚みを０．１５μｍ、第１凹部１１底面と保護膜１７の
上面との間隔（高さ）ｃを０．０５μｍ、第２凹部１２
の数を３個、第２凹部１２の振動板長手方向幅Ｌを短手
方向幅Ｗの２／３としたインクジェットヘッドを製作
し、振動板１０の振動変位を測定した。

【００５４】この結果、駆動電圧３０Ｖｏｌｔ以下でも
振動板１０が当接部１５に当接することを確認した。ま
た、この場合、第２凹部１２及びスリット溝１６を設け
たことによる容積増加による駆動電圧の低電圧化効果と
して、駆動電圧を５Ｖｏｌｔ下げることができることを
確認できた。

【００５５】さらに、振動板１０が当接部１５に当接し
た後、駆動電圧を増加させた場合でも振動板１０が保護
膜１７に接触するときの駆動電圧は５０Ｖ程度となり、
駆動電圧のマージンは約２０Ｖｏｌｔ以上と非常に大き
くなることを確認した。また、単一極性の駆動電圧を印
加した場合、振動板短手方向両端部の保護膜に振動板１
０が接触して電圧が印加されるため、残留電荷が多少発
生するが、実用上では振動板１０を安定して変位できる
ことを確認した。

【００５６】さらにまた、液室５及び共通液室７等の流
路に粘度２．５センチポアズのインクを充填してインク
滴を吐出させたところ、インク滴速度８ｍ／ｓｅｃでイ
ンク滴を吐出することができ、このとき駆動周波数を３
０ｋＨｚまで増加させても滴速度が殆どないことを確認
した。

【００５７】次に、本発明の更に他の実施形態について
図７を参照して説明する。なお、同図は同実施形態に係
るインクジェットヘッドの振動板短手方向の模式的断面
説明図である。この実施形態では、上記各実施形態にお
ける振動板短手方向両端部側の電極１３を除くことによ
って、振動板１０が変位した時に電極１３と振動板１０
との間に介在することになる上記各実施形態の絶縁膜を
なくして、電極基板２の酸化膜層２ａ自体で第１凹部１
１の底面を形成した。

【００５８】これによって、振動板１０を変位したとき
の残留電荷の発生を大幅に低減することができる。具体
的に、前記具体例と同様に、振動板１０の短手方向の長
さを１３０μｍ、振動板１０の長手方向の長さを１５ｍ
ｍ、振動板１０の中央の最大変位量δmaxを０．２５μ
m、電極１３の厚みを０．１５μｍ、保護膜１７の厚み
を０．１５μｍ、第１凹部１１底面と保護膜１７の上面
との間隔（高さ）ｃを０．０５μｍ、第２凹部１２の数
を３個、第２凹部１２の振動板長手方向幅Ｌを短手方向
幅Ｗの２／３とし、電極１３の幅及び当接部１５の幅を
新たに決定したインクジェットヘッドを製作し、振動板
１０の振動変位を測定した。

【００５９】この結果、第２凹部１２及びスリット溝１
６を設けたことによる容積増加による効果、及び駆動電
圧のマージンとしては上記具体例と同様の結果が得られ
た。また、単一極性の駆動電圧を印加した場合、残留電
荷が発生せず、非常に安定した振動板変位を得られるこ
とを確認できた。

【００６０】また、液室５及び共通液室７等の流路に粘
度２．５センチポアズのインクを充填してインク滴を吐
出させたところ、インク滴速度８ｍ／ｓｅｃでインク滴
を吐出することができ、このとき駆動周波数を３０ｋＨ
ｚまで増加させても滴速度の変動が殆どないことも確認
できた。

【００６１】次に、本発明に係るインクジェット記録装
置について図８及び図９を参照して簡単に説明する。な
お、図８は同記録装置の機構部の概略斜視説明図、図９
は同機構部の側面説明図である。

【００６２】このインクジェット記録装置は、記録装置
本体３１の内部に主走査方向に移動可能なキャリッジ、
キャリッジに搭載した本発明に係る液滴吐出ヘッドであ
るインクジェットヘッドからなる記録ヘッド、記録ヘッ
ドへのインクを供給するインクカートリッジ等で構成さ
れる印字機構部３２等を収納し、装置本体３１の下方部
には前方側から多数枚の用紙３３を積載可能な給紙カセ
ット（或いは給紙トレイでもよい。）３４を抜き差し自
在に装着することができ、また、用紙３３を手差しで給
紙するための手差しトレイ３５を開倒することができ、
給紙カセット３４或いは手差しトレイ３５から給送され
る用紙３３を取り込み、印字機構部３２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３６
に排紙する。

【００６３】印字機構部３２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４１と従ガ
イドロッド４２とでキャリッジ４３を主走査方向（図９
で紙面垂直方向）に摺動自在に保持し、このキャリッジ
４３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
本発明に係る液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッ
ドからなるヘッド４４をインク滴吐出方向を下方に向け
て装着し、キャリッジ４３の上側にはヘッド４４に各色
のインクを供給するための各インクタンク（インクカー
トリッジ）４５を交換可能に装着している。このインク
カートリッジ４５から前記インク供給口２０を介してイ
ンクをヘッド４４内に供給する。

【００６４】ここで、キャリッジ４３は後方側（用紙搬
送方向下流側）を主ガイドロッド４１に摺動自在に嵌装
し、前方側（用紙搬送方向下流側）を従ガイドロッド４
２に摺動自在に載置している。そして、このキャリッジ
４３を主走査方向に移動走査するため、主走査モータ４
７で回転駆動される駆動プーリ４８と従動プーリ４９と
の間にタイミングベルト５０を張装し、このタイミング
ベルト５０をキャリッジ４３に固定している。また、記
録ヘッドとしてここでは各色のヘッド４４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個のヘ
ッドでもよい。

【００６５】一方、給紙カセット３４にセットした用紙
３３をヘッド４４の下方側に搬送するために、給紙カセ
ット４４から用紙４３を分離給装する給紙ローラ５１及
びフリクションパッド５２と、用紙３３を案内するガイ
ド部材５３と、給紙された用紙３３を反転させて搬送す
る搬送ローラ２４と、この搬送ローラ２４の周面に押し
付けられる搬送コロ５５及び搬送ローラ５４からの用紙
３３の送り出し角度を規定する先端コロ５６とを設けて
いる。搬送ローラ５４は副走査モータ５７によってギヤ
列を介して回転駆動される。

【００６６】そして、キャリッジ４３の主走査方向の移
動範囲に対応して搬送ローラ５４から送り出された用紙
３３を記録ヘッド４４の下方側で案内する用紙ガイド部
材である印写受け部材５９を設けている。この印写受け
部材５９の用紙搬送方向下流側には、用紙３３を排紙方
向へ送り出すために回転駆動される搬送コロ６１、拍車
６２を設け、さらに用紙３３を排紙トレイ３６に送り出
す排紙ローラ６３及び拍車６４と、排紙経路を形成する
ガイド部材６５，６６とを配設している。

【００６７】また、キャリッジ４３の移動方向右端側に
はヘッド４４の信頼性を維持、回復するための信頼性維
持回復機構（以下「サブシステム」という。）６７を配
置している。キャリッジ４３は印字待機中にはこのサブ
システム６７側に移動されてキャッピング手段などでヘ
ッド４４をキャッピングされる。

【００６８】なお、上記各実施形態においては、本発明
に係る液滴吐出ヘッド及びマイクロアクチュエータとし
て静電型インクジェットヘッドに適用した例で説明した
が、これに限るものではなく、例えば、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
液滴吐出ヘッドにも適用でき、或いはマイクロアクチュ
エータとしてはマイクロモータのアクチュエータ部など
にも適用することができる。

【００６９】また、液滴吐出ヘッドとして、振動板変位
方向とノズル滴吐出方向が直交するエッジシュータ方式
で説明しているが、振動板変位方向とノズル滴吐出方向
が同じになるサイドシュータ方式にすることもできる。
さらに、上記実施形態では非平行ギャップの液滴吐出ヘ
ッドに本発明を適用したが、平行ギャップの液滴吐出ヘ
ッドにも適用することができる。

【００７０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る液滴
吐出ヘッドによれば、電極側に振動板が当接する電極よ
りも高い当接部を設けたので、振動板の変位量を一定に
規定しながら振動板及び電極が共に絶縁膜に接触するこ
とによる残留電荷を低減し、また吸着を防止でき、低電
圧駆動で安定した振動板変位を得ることができるととも
に、静電容量変化による消費電力の増加を抑えることが
できる。

【００７１】ここで、電極を設ける電極基板に振動板に
対応する第１凹部を形成し、更にこの第１凹部底面に複
数の第２凹部を形成し、この第２凹部の底面に電極を形
成して、第２凹部間の隔壁部分を当接部としたので、振
動板が当接する電極よりも高い当接部を容易に形成する
ことができる。

【００７２】また、第１凹部の底面形状を振動板に対し
て非平行にすることにより、より低電圧駆動化を図れ
る。さらに、第１凹部の底面が振動板短手方向の断面形
状で前記（１）式で示される形状とすることによって、
更なる低電圧駆動化を図れる。

【００７３】さらに、第２凹部の底面に更にスリット溝
を形成することにより、ギャップ空間の容積を増加する
ことができて、振動板変位の低下を防止でき、更に低電
圧駆動化を図れる。また、第２凹部を振動板短手方向に
配置することにより、更なる低電圧駆動化を図れる。

【００７４】また、第２凹部の数を振動板短手方向で２
個以上９個以下にすることにより、振動板が当接部に当
接した後に更に変形して絶縁膜或いは電極に接触するこ
とを防止できるとともに、電極面積の減少による静電力
の低下を小さくすることができる。

【００７５】さらに、第２凹部を振動板長手方向にも配
置することにより、電極面積の減少による静電力の低下
を更に小さくして駆動電圧の上昇を抑えることができ
る。この場合、振動板長手方向の第２凹部の幅を振動板
短手方向の第２凹部の幅の２／３以下にすることによ
り、振動板が当接部に当接した後に更に変形して絶縁膜
或いは電極に接触することを防止できるとともに、電極
面積の減少による静電力の低下を小さくすることができ
る。

【００７６】また、第１凹部の底面と電極側表面との距
離を０．０１μｍ以上にすることで、振動板が電極表面
或いは絶縁膜表面に接触することを確実に防止できる。

【００７７】本発明に係るインクジェットヘッド記録装
置によれば、インク滴を吐出させるインクジェットヘッ
ドとして本発明に係る液滴吐出ヘッドを用いたので、振
動板変位のバラツキによる液滴吐出特性のバラツキがな
くなり、安定して高画像品質を得ることができる。

【００７８】本発明に係るマイクロアクチュエータによ
れば、振動板に対応する第１凹部を形成し、更にこの第
１凹部底面に複数の第２凹部を形成し、この第２凹部の
底面に電極を形成したので、振動板の変位量を一定に規
定しながら振動板及び電極が共に絶縁膜に接触すること
による残留電荷を低減し、また吸着を防止でき、低電圧
駆動で安定した振動板変位を得ることができるととも
に、静電容量変化による消費電力の増加を抑えることが
できる。

【００７９】ここで、第１凹部の底面を振動板短手方向
の断面形状で次の（１）式で示される形状にすることに
より、更なる低電圧駆動化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る静電型インクジェットヘッドの振
動板長手方向の模式的断面説明図

【図２】同ヘッドの振動板短手方向の模式的断面説明図

【図３】同ヘッドの製造工程の説明に供する要部模式的
説明図

【図４】同ヘッドの当接部と保護膜との間の距離の説明
に供する要部模式的説明図

【図５】本発明の他の実施形態に係る静電型インクジェ
ットヘッドの振動板長手方向の模式的断面説明図

【図６】同ヘッドの第２凹部の幅の説明に供する説明図

【図７】本発明の更に他の実施形態に係る静電型インク
ジェットヘッドの振動板長手方向の模式的断面説明図

【図８】本発明に係るインクジェット記録装置の機構部
を示す概略斜視説明図

【図９】同記録装置の側断面説明図

【符号の説明】

１…振動板基板、２…電極基板、３…天板、４…ノズ
ル、５…液室、６…流体抵抗部、７…共通液室、１０…
振動板、１１…第１凹部、１２…第２凹部、１３…電
極、１４…ギャップ、１５…当接部、１６…スリット
溝、１７…保護膜（絶縁膜）、４３…キャリッジ、４４
…ヘッド。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2C057 AF54 AF55 AG39 AG54 AG55 AG60 AN01 AP02 AP14 AP32 AP33 AP52 AP53 AP56 AQ02 BA03 BA15

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 液滴を吐出するノズルに連通している液
   室の壁面を形成する振動板と、この振動板に対向する電
   極と、前記振動板を静電力で変形変位させて前記ノズル
   から液滴を吐出させる液滴吐出ヘッドにおいて、前記電
   極側に前記振動板を当接させる前記電極よりも高い当接
   部を設けたことを設けたことを特徴とする液滴吐出ヘッ
   ド。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の液滴吐出ヘッドにおい
   て、前記電極を設ける電極基板に第１凹部を形成し、更
   にこの第１凹部底面に複数の第２凹部を形成し、この第
   ２凹部の底面に前記電極を形成したことを特徴とする液
   滴吐出ヘッド。
3. 【請求項３】 請求項２に記載の液滴吐出ヘッドにおい
   て、前記第１凹部の底面形状が前記振動板に対して非平
   行であることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
4. 【請求項４】 請求項３に記載の液滴吐出ヘッドにおい
   て、前記第１凹部の底面が振動板短手方向の断面形状
   で、前記振動板にかける当分布荷重をｗ、振動板の短手
   方向の長さをｌ、振動板のヤング率をＥ、振動板の断面
   二次モーメントをＩ、振動板の短手方向の端部からの距
   離をｘとしたとき、次の（１）式で示される形状である
   ことを特徴とする液滴吐出ヘッド。 【数１】
5. 【請求項５】 請求項２乃至４のいずれかに記載の液滴
   吐出ヘッドにおいて、前記第２凹部の底面に更にスリッ
   ト溝を形成したことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
6. 【請求項６】 請求項２乃至５のいずれかに記載の液滴
   吐出ヘッドにおいて、前記第２凹部を振動板短手方向に
   配置していることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
7. 【請求項７】 請求項２乃至６のいずれかに記載の液滴
   吐出ヘッドにおいて、前記第２凹部の数が振動板短手方
   向で２個以上９個以下であることを特徴とする液滴吐出
   ヘッド。
8. 【請求項８】 請求項２乃至７のいずれかに記載の液滴
   吐出ヘッドにおいて、前記第２凹部を振動板長手方向に
   も配置していることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
9. 【請求項９】 請求項８に記載の液滴吐出ヘッドにおい
   て、前記振動板長手方向の第２凹部の幅が振動板短手方
   向の第２凹部の幅の２／３を越えないことを特徴とする
   液滴吐出ヘッド。
10. 【請求項１０】 請求項２乃至９のいずれかに記載の液
    滴吐出ヘッドにおいて、前記第１凹部の底面と電極側表
    面との距離が０．０１μｍ以上であることを特徴とする
    液滴吐出ヘッド。
11. 【請求項１１】 インク滴を吐出するインクジェットヘ
    ッドを搭載したインクジェット記録装置において、前記
    インクジェットヘッドが前記請求項１乃至１０のいずれ
    かの液滴吐出ヘッドであることを特徴とするインクジェ
    ット記録装置。
12. 【請求項１２】 振動板と、この振動板に対向する電極
    とを備えて、前記振動板を静電力で変形変位させるマイ
    クロアクチュエータにおいて、電極基板に前記振動板に
    対応する第１凹部を形成し、更にこの第１凹部底面に複
    数の第２凹部を形成し、この第２凹部の底面に前記電極
    を形成したことを特徴とするマイクロアクチュエータ。
13. 【請求項１３】 請求項１２に記載のマイクロアクチュ
    エータにおいて、前記第１凹部の底面が振動板短手方向
    の断面形状で、前記振動板にかける当分布荷重をｗ、振
    動板の短手方向の長さをｌ、振動板のヤング率をＥ、振
    動板の断面二次モーメントをＩ、振動板の短手方向の端
    部からの距離をｘとしたとき、次の（１）式で示される
    形状であることを特徴とするマイクロアクチュエータ。 【数２】