JP2003245897A - 静電アクチュエータ、液滴吐出ヘッド及びインクジェット記録装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 低コストで高吐出効率が得られない。 【解決手段】 振動板１０は弾性率が２Ｅ1１dyn/cm²を
越えない材料で形成し、振動板１０には電気的に互いに
絶縁分離された導電性を有する構造体からなる複数の電
極１４を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は静電アクチュエータ、液
滴吐出ヘッド及びインクジェット記録装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】プリンタ、ファクシミリ、複写装置等の
画像記録装置或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である
インクジェットヘッドは、インク滴を吐出する単一又は
複数のノズル孔と、このノズル孔が連通する吐出室（イ
ンク室、液室、加圧液室、圧力室、インク流路等とも称
される。）と、吐出室内のインクを加圧する圧力を発生
する圧力発生手段とを備えて、圧力発生手段で発生した
圧力で吐出室内インクを加圧することによってノズル孔
からインク滴を吐出させる。

【０００３】なお、液滴吐出ヘッドとしては、例えば液
体レジストを液滴として吐出する液滴吐出ヘッド、ＤＮ
Ａの試料を液滴として吐出する液滴吐出ヘッドなどもあ
るが、以下ではインクジェットヘッドを中心に説明す
る。また、液滴吐出ヘッドのアクチュエータ部分を構成
するマイクロアクチュエータ、例えばマイクロポンプ、
マイクロ光変調デバイスなどの光学デバイス、マイクロ
スイッチ（マイクロリレー）、マルチ光学レンズのアク
チュエータ（光スイッチ）、マイクロ流量計、圧力セン
サなどにも適用することができる。

【０００４】ところで、液滴吐出ヘッドとしては、圧力
発生手段として圧電素子などの電気機械変換素子を用い
て吐出室の壁面を形成している振動板を変形変位させる
ことでインク滴を吐出させるピエゾ型のもの、吐出内に
配設した発熱抵抗体などの電気熱変換素子を用いてイン
クの膜沸騰でバブルを発生させてインク滴を吐出させる
バブル型（サーマル型）のもの、吐出室の壁面を形成す
る振動板を静電力で変形させることでインク滴を吐出さ
せる静電型のものなどがある。

【０００５】近年、環境問題から鉛フリーであるバブル
型、静電型が注目を集め、鉛フリーに加え、低消費電力
の観点からも環境に影響が少ない、静電型のものが複数
提案されている。

【０００６】この静電型ヘッドの中には、振動板をイン
ク室側に押し込みインク室内の内容積を小さくすること
でインク滴を吐出させる押し打ち法で駆動するものと、
振動板をインク室の外側方向の力で変形させインク室内
の内容積を広げた状態から元の内容積になるように振動
板の変位を元に戻すことでインク滴を吐出させる引き打
ち法で駆動するものとがある。

【０００７】押し打ち法タイプの静電型ヘッドとして
は、例えば特開平２−２６６９４３号公報に記載されて
いるように、一対の電極対の間にインクが充填されてお
り、片方あるいは両方の電極が振動板として働く形態
で、電極間に電圧を印加することによって電極間に静電
引力が働き、電極（振動板）が変形しそれによってイン
クが押し出され吐出するものがある。また、特開２００
０−１５８０５号公報に記載されているように、シリコ
ン基板からなる振動板表面に突起部を設け、この突起部
に電極を形成し、電極に電圧を印加することによって突
起部間に作用するという静電力によって振動板を変形さ
せ、インクを吐出するものもある。

【０００８】引き打ち法としては、例えば特開平６−７
１８８２号公報に記載されているように、一対の電極対
がエアギャップを介して設けられており、片方の電極が
振動板として働き、振動板の対向する電極と反対側にイ
ンクが充填されるインク室が形成され、電極間（振動板
−電極間）に電圧を印加することによって電極間に静電
引力が働き、電極（振動板）が変形し、電圧を除去する
と振動板が弾性力によってもとの状態に戻り、その力を
用いてインクを吐出するものがある。また、特開２００
１−４７６２４号公報に記載されているように、櫛歯状
に形成され互いに入れ子になった電極対の片方に振動板
を備え、電極対に電圧を印加することによって櫛歯間に
静電力引力を発生させ、電極の変位により振動板を変形
させ、電圧を切った時に振動板の弾性力でインクを吐出
するものもある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記特
開平２−２６６９４３号公報記載の液滴吐出ヘッドにあ
っては、電極間にインクを充填しているので必然的に電
極間距離が大きくなる。電極間に働く静電力は電極間距
離の２乗に反比例するので電極間距離が大きくなると必
要な電圧が非常に大きくなってしまうという問題があ
る。この場合、インクの誘電率によってある程度電圧を
下げることはできるが、電極間距離の影響が大きいので
あまり効果がない。また、インクの誘電率を大きくする
必要がある、あるいはインクに電界がかかることよりイ
ンクの自由度は小さくなる。そのため、インクの色、ｐ
Ｈ、粘度などのインク物性に制限が加わり、高画質化が
困難であるという課題がある。

【００１０】また、前記特開平６−７１８８２号公報記
載の液滴吐出ヘッドにあっては、電極間にインクを充填
していないのでインクに対する制限が少なく高画質化に
は有利である。しかしながら、低電圧化のためには電極
間のエアギャップを非常に小さくしなければならず、そ
のような微小なギャップを精度良く、バラツキ少なく形
成するのは非常に困難であり、歩留まりが上がらないと
いった問題がある。また振動板の弾性力によってインク
を吐出する、いわゆる引き打ちの方法であるので、振動
板はインクを吐出するだけの剛性が必要であり、そのよ
うな剛性の振動板を静電力で引き付けるため電圧が高く
なってしまうといった課題がある。

【００１１】さらに、前記特開２００１−４７６２４号
公報記載の液滴吐出ヘッドにあっては、櫛歯状電極を用
いているので変位量は大きくすることができるが、発生
力は非常に小さく、インクを吐出するだけの発生力を得
ようとした場合、非常に電圧が高くなってしまう。しか
も、構造が複雑であるので作製が困難であり、コスト高
となってしまうという課題がある。

【００１２】また、前記特開２０００−１５８０５号公
報記載の液滴吐出ヘッドにあっては、導電性を有するシ
リコン基板で形成した振動板に突起部を設けて、この突
起部に導電性部材の電極を形成しているので、シリコン
振動板を介して各電極間が同電位になって静電力が発生
せず、振動板を変形できないという課題がある。

【００１３】しかも、振動板に突起部を形成して、この
突起部に電極を付けなければならず、そのような立体微
細構造の表面に電極を付けるのは困難であり、電極がう
まく形成されない部分ができたり、バラツキが生じたり
で、安定して製造できなく歩留まりが悪いという課題が
ある。さらに、低電圧化のためには突起間の間隔は狭く
しなければならないが、そのような狭い間隔の中に電極
を形成するのは困難であり、また狭い突起間に電極を形
成するとショートしてしまうという不良が生じたりす
る。

【００１４】また、突起部に電極を形成することは、立
体構造でのフォトリソ工程はレジストコート、露光など
が困難であることから、一般的な方法では不可能であ
り、そのため特別な装置を使用したり、製造工程が長く
なったりしてコスト高となってしまうという課題があ
る。

【００１５】本発明は上記の課題に鑑みてなされたもの
であり、低コストで、駆動効率が高い静電アクチュエー
タ、低コストで、滴吐出効率が高く、高画質印字が可能
な液滴吐出ヘッド及び高画質記録が可能なインクジェッ
ト記録装置を提供することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、本発明に係る静電アクチュエータは、可動部分の少
なくとも一部は弾性率が２Ｅ1１dyn/cm²を越えない材料
で形成し、可動部分には電気的に互いに絶縁分離された
導電性を有する構造体からなる少なくとも２つの電極を
設け、電極間に静電力を発生させることによって可動部
分を変形させるものである。

【００１７】ここで、可動部分の主たる材料が、ポリエ
チレン、ポリプロピレン、イオノマー材料、ポリカーボ
ネイト、ポリイミド、ポリアミド系材料、ポリ塩化ビニ
ル又はこれらの材料を含む化合物であることが好まし
い。

【００１８】本発明に係る静電アクチュエータは、可動
部分の少なくとも一部に薄い部分を形成し、可動部分に
は電気的に互いに絶縁分離された導電性を有する構造体
からなる少なくとも２つの電極を設け、電極間に静電力
を発生させることによって可動部分を変形させるもので
ある。

【００１９】ここで、可動部分の厚さが変形可能領域の
周辺部分で薄く形成されていることが好ましい。また、
可動部分は電極を設ける面と反対側の面に部分的に凹部
が形成されていることが好ましい。

【００２０】これらの本発明に係る静電アクチュエータ
においては、可動部分が複層膜から形成されていること
が好ましい。また、可動部分の変形可能領域の周辺部分
の弾性率が他の部分よりも弾性率が低いことが好まし
い。

【００２１】本発明に係る液滴吐出ヘッドは、ノズル孔
が連通する吐出室の少なくとも一つの壁を構成する振動
板を可動部分とする本発明に係る静電アクチュエータを
備えたものである。

【００２２】本発明に係るインクジェット記録装置は、
インク滴を吐出するインクジェット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。

【００２３】

【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、本発明に係る液滴吐
出ヘッドの第１実施形態に係るインクジェットヘッドの
分解斜視図で、一部断面図で示している。図２は同ヘッ
ドの振動板長手方向の断面説明図、図３は同ヘッドの振
動板短手方向の断面説明図、図４は同ヘッドの電極配置
パターンを示す平面説明図である。

【００２４】このインクジェットヘッドは、インク液滴
を基板の面部に設けたノズル孔から吐出させるサイドシ
ュータタイプのものであり、下記に詳述する構造を持つ
３枚の第１、第２、第３基板１、２、３を重ねて接合し
た積層構造となっており、インク滴を吐出する複数のノ
ズル孔４、各ノズル孔４が連通する吐出室６、各吐出室
６に流体抵抗部７を介してインクを供給する共通液室
（共通インク室）８などを形成している。

【００２５】中間の第１基板１は、シリコン基板からな
り、底壁を振動板１０とする吐出室６を形成するための
貫通穴と、各々の吐出室６にインクを供給するための共
通液室８を形成するための貫通穴を有する。振動板１０
は吐出室６に対応する領域が変形可能領域となる。

【００２６】振動板１０は、全体を弾性率が２Ｅ1１dyn
/cm²を越えない樹脂材料で形成したものである。弾性率
が２Ｅ1１dyn/cm²を越えない材料としては、例えば、ポ
リエチレンフィルム、ポリプロピレンフィルム、イオノ
マーフィルム、ポリカーボネイトフィルム、ポリイミド
フィルム、ポリアミド系フィルム、ポリ塩化ビニルフィ
ルムを挙げることができる。これら以外にも、ビニル系
フィルム類、ポリスチレンフィルム、セルロース系フィ
ルム類も使用できる。実際にはこれらフィルムの弾性率
は０．０５〜０．７ dyn/cm²である。また、これらの材
料に添加物、例えばボロン、カーボン等を添加して、振
動板としての剛性力を制御することもできる。

【００２７】この振動板１０の下面には電気的に互いに
絶縁分離された導電性を有する構造体からなる複数の電
極１４を所定の間隔を置いて設けている。この場合、振
動板１０自体が絶縁性フィルムであるので、各電極１４
が振動板１０を介して電気的に接続されることはない。
また、各電極１４のうちの相隣り合う２つの電極（これ
を相対的に電極１４ａ、１４ｂという。）も空隙を介し
て相互に電気的に分離される。なお、電極１４は、例え
ばポリシリコン、或いは単結晶シリコンから形成するこ
とが好ましい。この振動板１０と複数の電極１４によっ
て可動部分である振動板１０を変形させる本発明に係る
静電アクチュエータを構成している。

【００２８】ここで、各電極１４は、振動板１０側に固
定される固定端部１４Ａの幅（ここでは振動板短手方向
の幅）が自由端部１４Ｃの幅よりも狭くなるように形成
している。すなわち、電極１４、１４間の間隔は、電極
の固定端部側が自由端部側よりも広くなるように形成し
ている。

【００２９】また、１つの振動板１０について設けた複
数の電極１４は、図４に示すように、振動板の領域（振
動板変形可能領域）内では一定の間隔を隔てて略等間隔
に振動板長手方向に平行に配置している。そして、同図
に示すように、互いに電気的に分離した相隣り合う電極
１４ａと電極１４ｂには、駆動回路（ここでは発信回路
で図示）１５から互いに電位差を生じる駆動電圧（異な
る電位の電圧）が印加されるようになっている。

【００３０】この第１基板１の下面に接合される第２基
板２は、電極１４を外部からの衝撃やホコリなどから保
護したり、第１基板１の強度を補強したりするための保
護基板である。この第２基板２には、ガラス、金属、シ
リコン、樹脂などからなる基板などを使用し、この基板
２には各振動板１０に対応する位置に例えば１ｍｍの深
さの溝部（凹部）１９を形成している。ただし、必ずし
も振動板１０ごとに溝部１９を形成する必要はなく、振
動板配列を囲む凹部、あるいはチップの縁のみ接合され
る凹部を形成する構成でも良い。なお、第２基板２を導
電性材料で形成する場合には電極引出し部との間を絶縁
するための絶縁膜を介在して第１基板１と接合する。

【００３１】また、第１基板１の上面に接合される第３
基板３には、例えば厚さ５０μｍのニッケル基板を用
い、第３基板３の面部に、吐出室６と連通するようにそ
れぞれノズル孔４、共通液室８と吐出室６を連通させる
流体抵抗部７となる溝を設け、また共通液室８と連通す
るようにインク供給口９を設けている。

【００３２】このように構成したインクジェットヘッド
の動作を説明する。例えば図４の構成において、電極１
４ａに駆動回路１８により０〜４０Ｖのパルス電位を印
加すると、パスル電位が印加された（第１の電位が与え
られた）電極１４ａの表面がプラスに帯電し、パルス電
位を印加していない（第２の電位を与えられた）隣り合
う電極１４ｂとの間で、図６に示すように、静電力が発
生して、静電気の吸引作用が働き、電極１４の自由端
（振動板１０側が固定端）が引き合って電極１４が変位
し、これらの電極１４の自由端側が変位することで、電
極１４の固定端側である振動板１０が上方へたわむこと
になる。その結果、吐出室６内の圧力が急激に上昇し、
図３に示すように、ノズル孔４よりインク液滴２２を記
録紙２３に向けて吐出する。

【００３３】そして、電極１４ａの電位が０Ｖに戻る
と、電極１４ｂとの間に電位差がなくなり、振動板１０
は元の状態に復元する。振動板１０が復元することによ
り、インクが共通液室８より流体抵抗部７を通じて吐出
室６内に補給される。すなわち、この実施形態では押し
打ち法でインク滴を吐出させる。

【００３４】ここで、電極間に働く力Ｆは、次の（１）
式に示すように電極間距離ｄの２乗に反比例して大きく
なる。低電圧で駆動するためには、電極１４ａと電極１
４ｂとの間隔、つまり電極１４間の溝を狭く形成するこ
とが重要となる。

【００３５】

【数１】

【００３６】なお、（１）式において、Ｆ：電極間に働
く力、ε：誘電率、Ｓ：電極の対向する面の面積、ｄ：
電極間距離、 Ｖ：印加電圧である。

【００３７】また、電極（構造体（自体は曲がらないた
め、電極（構造体）の付け根部（振動板に固定された固
定端）の電極間隔を広く形成することにより、振動板の
変形可能領域を拡大することができて、振動板を効率良
く変位させることができるようになる。

【００３８】したがって、電極間距離（電極間隔）を振
動板側（電極の固定端部側）で広く、振動板と離れた側
（電極の自由端部側）で狭くなる構成とすることで、振
動板を効率良く大きく変位させることができる。

【００３９】このように、振動板１０の一方にそれぞれ
電気的に分離独立した電極１４を設け、電極１４の対向
する電極１４ａと電極１４ｂ間に電位差を生じる電圧を
印加することによって、隣り合う電極１４ａと電極１４
ｂとの間で静電引力が発生し、電極１４のわずかな変位
により振動板１０の大きな変位を得ることができ、静電
アクチュエータとしての駆動効率が向上し、ヘッドとし
ての滴吐出効率が向上し、高画質記録が可能になる。

【００４０】そして、このヘッドにおいては、振動板１
０に設けた構造体自体が電極１４として働くので、従前
のようにシリコン構造体に電極を成膜などの方法により
形成するという困難な工程の必要がなく、コストダウン
を図ることが可能であり、また、構造体間の非常に狭い
間隔に電極を形成することによって生じるショートなど
の不良も低減できる。さらに、構造体に電極を形成した
後に電極を櫛の歯状に分離するという工程も必要がな
く、低コスト化、大量生産が容易である。

【００４１】さらに、振動板１０に絶縁材料を用いてい
るので、従来のように電極に電圧を印加しても振動板を
介してすべての電極が同電位になって作動不良になるこ
ともなく、電極１４に印加した電圧が振動板１０側にリ
ークすることもなく、効率良く電極１４に電圧を印加す
ることができる。

【００４２】さらに、このヘッドにおいては、振動板１
０を全体を弾性率が２Ｅ1１dyn/cm²を越えない樹脂材料
で形成しているので、電極１４間の静電力が弱くとも振
動板１０を変形させることができるようになる。この場
合、振動板１０にポリエチレン、ポリプロピレン、イオ
ノマー材料、ポリカーボネイト、ポリイミド、ポリアミ
ド系材料、ポリ塩化ビニル又はこれらの材料を含む化合
物を用いることで、加工が容易で製造工程が簡単にな
る。

【００４３】次に、第２実施形態に係るインクジェット
ヘッドについて図６を参照して説明する。なお、同図は
同ヘッドの振動板短手方向に沿う断面説明図である。こ
の実施形態においては、電極１４と同一材料の層又は構
造体であるスペーサ１２を振動板１０以外の領域で電極
１４を形成する面と略同一平面に形成している。このス
ペーサ１２は電極１４と同時に形成することができ、振
動板領域以外の電極材料を除去しないことで形成するこ
とができる。

【００４４】このようなスペーサ１２を設けることによ
り第１基板１を第２基板２に接合する前の工程におい
て、微小な構造体である電極１４を保護することがで
き、製造工程においてウェハ搬送や、プロセス中におけ
る電極１４の破損による不良を低減することができる。

【００４５】次に、第３実施形態に係るインクジェット
ヘッドについて図７を参照して説明する。なお、同図は
同ヘッドの振動板短手方向に沿う断面説明図である。こ
の実施形態においては、電極１４と同一材料の層又は構
造体であるスペーサ１２を振動板１０以外の領域で電極
１４を形成する面と略同一平面に形成するとともに、こ
のスペーサ１２の厚さを電極１４の厚さよりも厚く形成
している。この場合、第２基板２は平板板基板をそのま
ま用いることができ凹部を形成する必要がなくなる。

【００４６】このような構造とすることによって第２実
施形態よりもさらに電極１４はスペーサ１２のために接
触して破損することが少なくなり、電極破損による不良
を低減することができる。また、第１基板１の下に保護
基板（第２基板２）を接合する場合、保護基板に凹部を
形成しなくても良いという利点もある。

【００４７】次に、第４実施形態に係るインクジェット
ヘッドについて図８を参照して説明する。なお、同図は
同ヘッドの振動板短手方向に沿う断面説明図である。こ
の実施形態では、振動板１０の変位可能領域の周辺部分
に弾性率が他の部分より低い低弾性部分１０ａを形成し
たものである。この低弾性部分１０ａは他の部分よりも
剛性率が低い部分でもある。

【００４８】ここで、低弾性部分１０ａは、例えば振動
板１０を前述したような樹脂フィルムで形成する場合、
低弾性部分１０ａにボロン、カーボン等の添加物を添加
して改質することで形成できる。

【００４９】このように、一様な振動板を部分的に改質
することで最適な振動特性（変位特性）に制御すること
ができ、また、振動板自体では所要の弾性率が得られな
いような材料で形成する場合にも、低弾性率化を図れ
る。

【００５０】次に、第５実施形態に係るインクジェット
ヘッドについて図９を参照して説明する。なお、同図は
同ヘッドの振動板短手方向に沿う断面説明図である。こ
の実施形態では、振動板２０を絶縁性薄膜で形成し、液
室側（電極を設ける面と反対の面側）に凹部２１を形成
して、振動板２０に部分的に薄い部分２０ａを形成した
ものである。

【００５１】このように、振動板２０に部分的に薄い部
分２０ａを形成することで、振動板２０に剛性が低下
し、弱い静電力でも変形することができるようになる。

【００５２】次に、第６実施形態に係るインクジェット
ヘッドについて図１０を参照して説明する。なお、同図
は同ヘッドの振動板短手方向に沿う断面説明図である。
この実施形態では、振動板２０を絶縁性薄膜で形成し、
この振動板２０の変形可能領域の周辺部分に、液室側
（電極を設ける面と反対の面側）から凹部２１を形成し
て、振動板２０の変形可能領域の周辺部分に部分的に薄
い部分２０ａを形成したものである。

【００５３】このように、振動板２０の変形可能領域の
周辺部分に部分的に薄い部分２０ａを形成することで、
振動板２０に剛性が低下し、弱い静電力でも変形するこ
とができるようになる。特に、振動板２０は四辺が固定
されているため吐出室６の隔壁に近い周辺部は変形しに
くくなるので、この部分に薄い部分２０ａを形成するこ
とで変形が容易になる。

【００５４】次に、第７実施形態に係るインクジェット
ヘッドについて図１１を参照して説明する。なお、同図
は同ヘッドの振動板短手方向に沿う断面説明図である。
この実施形態では、振動板３０を絶縁性薄膜３１と薄膜
（絶縁性に限らない）３２との複層膜（積層膜）で形成
し、この振動板３０の変形可能領域の周辺部分に対する
薄膜３２に液室側（電極を設ける面と反対の面側）から
凹部３４を形成して、振動板２０の変形可能領域の周辺
部分に絶縁性薄膜３１のみからなる部分的に薄い部分３
０ａを形成したものである。

【００５５】このように、振動板３０の変形可能領域の
周辺部分に部分的に薄い部分３０ａを形成することで、
振動板３０に剛性が低下し、弱い静電力でも変形するこ
とができるようになる。特に、振動板３０は四辺が固定
されているため吐出室６の隔壁に近い周辺部は変形しに
くくなるので、この部分に薄い部分３０ａを形成するこ
とで変形が容易になる。そして、振動板３０を積層膜
（複層膜）で形成することにより、簡単な工程で薄い部
分を形成することができる。

【００５６】次に、上述したようなインクジェットヘッ
ドの基本的な製造工程について図１２及び図１３を参照
して説明する。なお、同図は同ヘッドの振動板短手方向
に沿う断面説明図である。先ず、図１２（ａ）に示すよ
うに、凹部を形成する領域４１ｂ以外に高濃度ボロンを
ドープして高濃度ボロン拡散層４１ａを形成した（１１
０）シリコン基板４１にシリコン酸化膜４２、シリコン
窒化膜４３をそれぞれ２００ｎｍの厚みで成膜し、さら
にシリコン窒化膜４３上に犠牲層となるシリコン酸化膜
４４をＣＶＤ法により２．０μｍ厚みに成膜する。

【００５７】その後、同図（ｂ）に示すように、シリコ
ン酸化膜４４にリソエッチにより溝４５を形成した後、
同図（ｃ）に示すように、ポリシリコン４６を１．０μ
ｍ厚みで成膜する。そして、同図（ｄ）に示すように、
このポリシリコン４６をシリコン酸化膜４４上で分離す
るための溝４７をリソエッチにより形成する。

【００５８】次いで、図１３（ａ）に示すように、シリ
コン酸化膜４４をＨＦ水溶液を用いたウェットエッチで
除去しする。そして、同図（ｂ）に示すように、凹部を
形成した保護基板５２と直接接合した後、同図（ｃ）に
示すように、シリコン基板４１にＫＯＨ水溶液などのア
ルカリ水溶液による異方性エッチング法を行って、吐出
室６を形成する。

【００５９】このとき、異方性エッチングはシリコン基
板４１の高濃度ボロン拡散層４１ａがエッチストップ層
となって停止され、これにより高濃度ボロン拡散層４１
ａとシリコン酸化膜４２及びシリコン窒化膜４３からな
る振動板６０が形成される。それとともに、シリコン基
板４１の高濃度ボロンを拡散していない領域はエッチン
グが進むので除去されてシリコン酸化膜４２でエッチン
グストップされて、凹部６２が形成される。

【００６０】このような製造工程を経ることで、電極の
高さを保ったまま、電極材料の膜厚を薄くすることがで
き、またドライエッチング法による高アスペクトエッチ
ングを必要とせず、静電力を発生する電極間の距離を狭
く保ったまま振動板側の溝幅を広く形成することができ
るので、振動板の剛性を下げることができ、より低電圧
で振動板を変形させることがことが可能になる。

【００６１】なお、ここで説明した膜厚等の条件はこれ
に限ったものではない。電極材料はスパッタ法や高温ス
パッタ法により成膜される金属でも良いし、電鋳法によ
り電極を形成しても良い。また、電極部の狭い溝を介し
て対向している部分のみを選択ＣＶＤ法により形成して
も良い。基板４１と電極１４間の絶縁膜は、ＳｉＮ／Ｓ
ｉＯ₂の２層構造やそれ以上の複層構造とすることもで
きる。

【００６２】また、ここでは、犠牲層除去の際、選択性
の高い犠牲層エッチングが可能となるようにＨＦ水溶液
に対してエッチングスピードの遅いシリコン窒化膜を電
極側に形成している。これにより、エッチング時間を十
分に確保でき犠牲層を確実に除去することが可能とな
り、エッチング残等の不良を無くすことができる。

【００６３】次に、振動板に前述した樹脂フィルムを用
いる場合の製造工程について図１４を参照して説明す
る。この場合には、同図（ａ）に示すように、第２基板
２上に電極１４を形成した後、振動板１０を接着接合
し、同図（ｂ）に示すように、第１基板１を接合して、
この第１基板に吐出室６を形成した後、又は同時に第２
基板２の裏側から電極１４に対応する部分をエッチング
してリフトして形成することができる。

【００６４】次に、本発明に係る液滴吐出ヘッドを備え
たインクカートリッジについて図１５を参照して説明す
る。このインクカートリッジ１００は、ノズル孔１０１
等を有する上記各実施形態のいずれかのインクジェット
ヘッド１０１と、このインクジェットヘッド１０１に対
してインクを供給するインクタンク１０２とを一体化し
たものである。

【００６５】このようにインクタンク一体型のヘッドの
場合、ヘッドの低コスト化、信頼性は、ただちにインク
カートリッジ全体の低コスト化、信頼性につながるの
で、上述したように低コスト化、高信頼性化、製造不良
低減することで、インクカートリッジの歩留まり、信頼
性が向上し、ヘッド一体型インクカートリッジの低コス
ト化を図れる。

【００６６】次に、本発明に係るインクジェットヘッド
（ヘッド一体型インクカートリッジを含む）を搭載した
インクジェット記録装置の一例について図１６及び図１
７を参照して説明する。なお、図１６は同記録装置の斜
視説明図、図１７は同記録装置の機構部の側面説明図で
ある。

【００６７】このインクジェット記録装置は、記録装置
本体１１１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１１
２等を収納し、装置本体１１１の下方部には前方側から
多数枚の用紙１１３を積載可能な給紙カセット（或いは
給紙トレイでもよい。）１１４を抜き差し自在に装着す
ることができ、また、用紙１１３を手差しで給紙するた
めの手差しトレイ１１５を開倒することができ、給紙カ
セット１１４或いは手差しトレイ１１５から給送される
用紙１１３を取り込み、印字機構部１１２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１
１６に排紙する。

【００６８】印字機構部１１２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１２１と
従ガイドロッド１２２とでキャリッジ１２３を主走査方
向（図１７で紙面垂直方向）に摺動自在に保持し、この
キャリッジ１２３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１２４を複数のインク吐出口
を主走査方向と交叉する方向に配列し、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１２３
にはヘッド１２４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１２５を交換可能に装着している。な
お、本発明に係るヘッド一体型のインクカートリッジを
搭載するようにすることもできる。

【００６９】インクカートリッジ１２５は上方に大気と
連通する大気口、下方にはインクジェットヘッドへイン
クを供給する供給口を、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インクジ
ェットヘッドへ供給されるインクをわずかな負圧に維持
している。

【００７０】また、記録ヘッドとしてここでは各色のヘ
ッド１２４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。

【００７１】ここで、キャリッジ１２３は後方側（用紙
搬送方向下流側）を主ガイドロッド１２１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１２２に摺動自在に載置している。そして、このキャ
リッジ１２３を主走査方向に移動走査するため、主走査
モータ１２７で回転駆動される駆動プーリ１２８と従動
プーリ１２９との間にタイミングベルト１３０を張装
し、このタイミングベルト１３０をキャリッジ１２３に
固定しており、主走査モーター１２７の正逆回転により
キャリッジ１２３が往復駆動される。

【００７２】一方、給紙カセット１１４にセットした用
紙１１３をヘッド１２４の下方側に搬送するために、給
紙カセット１１４から用紙１１３を分離給装する給紙ロ
ーラ１３１及びフリクションパッド１３２と、用紙１１
３を案内するガイド部材１３３と、給紙された用紙１１
３を反転させて搬送する搬送ローラ１３４と、この搬送
ローラ１３４の周面に押し付けられる搬送コロ１３５及
び搬送ローラ１３４からの用紙１１３の送り出し角度を
規定する先端コロ１３６とを設けている。搬送ローラ１
３４は副走査モータ１３７によってギヤ列を介して回転
駆動される。

【００７３】そして、キャリッジ１２３の主走査方向の
移動範囲に対応して搬送ローラ１３４から送り出された
用紙１１３を記録ヘッド１２４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１３９を設けている。こ
の印写受け部材１３９の用紙搬送方向下流側には、用紙
１１３を排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送
コロ１４１、拍車１４２を設け、さらに用紙１１３を排
紙トレイ１１６に送り出す排紙ローラ１４３及び拍車１
４４と、排紙経路を形成するガイド部材１４５，１４６
とを配設している。

【００７４】記録時には、キャリッジ１２３を移動させ
ながら画像信号に応じて記録ヘッド１２４を駆動するこ
とにより、停止している用紙１１３にインクを吐出して
１行分を記録し、用紙１１３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１１３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１１３を排紙する。この場合、ヘッド１２
４を構成する本発明に係るインクジェットヘッドはイン
ク滴噴射の制御性が向上し、特性変動が抑制されている
ので、安定して高い画像品質の画像を記録することがで
きる。

【００７５】また、キャリッジ１２３の移動方向右端側
の記録領域を外れた位置には、ヘッド１２４の吐出不良
を回復するための回復装置１４７を配置している。回復
装置１４７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１２３は印字待機中にはこ
の回復装置１４７側に移動されてキャッピング手段でヘ
ッド１２４をキャッピングされ、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。

【００７６】吐出不良が発生した場合等には、キャッピ
ング手段でヘッド１２４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。

【００７７】このように、このインクジェット記録装置
においては本発明を実施したインクジェットヘッドを搭
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。

【００７８】次に、本発明に係る静電アクチュエータを
含むマイクロデバイスの実施形態としてマイクロポンプ
の例について図１８を参照して説明する。なお、同図は
同マイクロポンプの要部断面説明図である。このマイク
ロポンプは、流路基板２０１と保護基板２０２とを重ね
て接合した積層構造となっており、流路基板２０１には
流体が流れる流路２０３を形成するとともに、流路２０
３の一壁面を形成する変形可能な可動板２０４（ヘッド
の振動板に相当する。）を設け、可動板２０４の保護基
板２０２と接合固定しない部分は可動部分２０５となっ
ている。

【００７９】そして、可動部分２０５には絶縁膜２０６
を介して外面側に、前記インクジェットヘッドと同様
に、複数の電極２０７を所定の間隔を置いて設けてい
る。なお、この例では、電極２０７が３段階に可動部分
２０５から離れるに従って広くなり、電極間隔が狭くな
るように形成している。保護基板２０２は前記ヘッドの
第２基板２と同様な機能を有するものであり、電極２０
７を配置するための凹部２０８を形成している。ここで
は、保護基板２０２は平板板基板にスペーサ部２０９を
設けることで凹部２０８を形成している。

【００８０】このマイクロポンプの動作原理を説明する
と、前述したように複数の電極２０７に対して１つおき
にパルス電位を与えることによって電極２０７間で静電
吸引力が生じるので、可動部分２０５が流路２０３側に
変形する。ここで、可動部分２０５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、矢印方向
へ流れが生じ、流体の輸送が可能となる。

【００８１】なお、この実施形態では可動部分を複数設
けた例を示したが、可動部分は１つでも良い。また、輸
送効率を上げるために、可動部分間に１又は複数の弁、
例えば逆止弁などを設けることもできる。

【００８２】次に、本発明に係る静電アクチュエータを
含むマイクロデバイスの他の例として光学デバイスの実
施形態について図１９を参照して説明する。なお、同図
は同デバイスの概略構成図である。この光学デバイス
は、変形可能なミラー３０１と保護基板３０２とを重ね
て接合しており、ミラー３０１の保護基板３０２と接合
固定しない部分は可動部分３０５となっている。そし
て、可動部分３０５には絶縁膜３０６を介して外面側に
複数の電極３０７（ここでも、３段階で幅が広くなる電
極を用いている。）を所定の間隔を置いて設けている。
保護基板３０２は前記ヘッドの第２基板２と同様な機能
を有するものであり、電極３０７を配置するための凹部
３０８を形成している。ここでは、保護基板３０２は平
板板基板にスペーサ部３０９を設けることで凹部３０８
を形成している。なお、ミラー３０１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。

【００８３】この光学デバイスの原理を説明すると、ミ
ラー３０１の可動部分３０５に設けた複数の電極３０７
に対して１つおきにパルス電位を与えることによって、
電極３０７間で静電吸引力が生じるので、可動部分３０
５が凸状に変形して凸面ミラーとなる。したがって、光
源３１０からの光がレンズ３１１を介してミラー３０１
に照射した場合、ミラー３０１を駆動しないときには、
光は入射角と同じ角度で反射するが、ミラー３０１を可
動部分３０５を駆動した場合はその可動部分３０５が凸
面ミラーとなるので反射光は発散光となる。これにより
光変調デバイスが実現できる。

【００８４】そこで、この光学デバイスを応用した例を
図２０及び図２１をも参照して説明する。この例は、上
述した光学デバイスを２次元に配列し、各ミラーの可動
部分３０５を独立して駆動するようにしたものである。
なお、ここでは、電極３０７を４×４に配列して、２次
元に可動部分３０７が変形するようにしている（前記液
滴吐出ヘッドの実施形態においても、この電極３０５と
同様に、電極１４を格子状に分離することもでき
る。）。

【００８５】したがって、前述した図１９と同様に、光
源３１０からの光はレンズ３１１を介してミラー３０１
に照射され、ミラー３０１を駆動していないところに入
射した光は、投影用レンズ３１２へ入射する。一方、電
極３０７に電圧を印加してミラー３０１の可動部分３０
５を変形させているところは凸面ミラーとなるので光は
発散し投影用レンズ３１２にほとんど入射しない。この
投影用レンズ３１２に入射した光はスクリーン（図示し
ない）などに投影され、スクリーンに画像を表示するこ
とができる。

【００８６】これらのマイクロポンプや光学デバイスの
実施形態においては、第１実施形態とほぼ同様な構成の
アクチュエータとしたが、第１実施形態以降の実施形態
に係るインクジェットヘッドで用いた静電アクチュエー
タを用いることもできる。

【００８７】なお、上記実施形態においては、液滴吐出
ヘッドとしてインクジェットヘッドに適用した例で説明
したが、インクジェットヘッド以外の液滴吐出ヘッドと
して、例えば、液体レジストを液滴として吐出する液滴
吐出ヘッド、ＤＮＡの試料を液滴として吐出する液滴吐
出ヘッドなどの他の液滴吐出ヘッドにも適用できる。ま
た、静電アクチュエータを含むマイクロデバイスとし
て、マイクロポンプ、光学デバイス（光変調デバイス）
以外にも、マイクロスイッチ（マイクロリレー）、マル
チ光学レンズのアクチュエータ（光スイッチ）、マイク
ロ流量計、圧力センサなどにも適用することができる。

【００８８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る静電
アクチュエータによれば、可動部分の少なくとも一部は
弾性率が２Ｅ1１dyn/cm²を越えない材料で形成し、可動
部分には電気的に互いに絶縁分離された導電性を有する
構造体からなる少なくとも２つの電極を設け、電極間に
静電力を発生させることによって可動部分を変形させる
ので、駆動効率の高いアクチュエータを低コストで得ら
れる。

【００８９】ここで、可動部分の主たる材料を、ポリエ
チレン、ポリプロピレン、イオノマー材料、ポリカーボ
ネイト、ポリイミド、ポリアミド系材料、ポリ塩化ビニ
ル又はこれらの材料を含む化合物とすることで、加工が
容易で、低コスト化を図れる。

【００９０】本発明に係る静電アクチュエータによれ
ば、可動部分の少なくとも一部に薄い部分を形成し、可
動部分には電気的に互いに絶縁分離された導電性を有す
る構造体からなる少なくとも２つの電極を設け、電極間
に静電力を発生させることによって可動部分を変形させ
るので、駆動効率の高いアクチュエータを低コストで得
られる。

【００９１】ここで、可動部分の厚さが変形可能領域の
周辺部分で薄く形成されていることで、可動部分の変形
が容易になる。また、可動部分は電極を設ける面と反対
側の面に部分的に凹部が形成されていることで、加工が
容易になる。

【００９２】これらの本発明に係る静電アクチュエータ
においては、可動部分が複層膜から形成されていること
で、部分的に弾性率の低い領域を容易に形成することが
できる。また、可動部分の変形可能領域の周辺部分の弾
性率が他の部分よりも弾性率が低いことで、可動部分の
固定端近傍の変形が容易になり、駆動効率が向上する。

【００９３】本発明に係る液滴吐出ヘッドによれば、ノ
ズル孔が連通する吐出室の少なくとも一つの壁を構成す
る振動板を可動部分とする本発明に係る静電アクチュエ
ータを備えたので、低コストで、低電圧駆動が可能で、
液滴吐出特性が安定したヘッドが得られる。

【００９４】本発明に係るインクジェット記録装置によ
れば、インク滴を吐出するインクジェットとして本発明
に係る液滴吐出ヘッドを備えたので、高画質画像を記録
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の液滴吐出ヘッドの第１実施形態に係る
インクジェットヘッドの分解斜視説明図

【図２】同ヘッドの振動板長手方向の断面説明図

【図３】同ヘッドの振動板短手方向の要部拡大断面説明
図

【図４】同ヘッドの電極配置パターンを説明する平面説
明図

【図５】同ヘッドの作用説明に供する要部拡大断面説明
図

【図６】同第２実施形態に係るインクジェットヘッドの
振動板短手方向に沿う要部断面説明図

【図７】同第３実施形態に係るインクジェットヘッドの
振動板短手方向に沿う要部断面説明図

【図８】同第４実施形態に係るインクジェットヘッドの
振動板短手方向に沿う要部断面説明図

【図９】同第５実施形態に係るインクジェットヘッドの
振動板短手方向に沿う要部断面説明図

【図１０】同第６実施形態に係るインクジェットヘッド
の振動板短手方向に沿う要部断面説明図

【図１１】同第７実施形態に係るインクジェットヘッド
の振動板短手方向に沿う要部断面説明図

【図１２】本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造工程の一
例を説明する説明図

【図１３】図１２に続く工程を説明する説明図

【図１４】本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造工程の他
の例を説明する説明図

【図１５】本発明に係る液滴吐出ヘッドを含むインクカ
ートリッジの説明に供する斜視説明図

【図１６】本発明に係る液滴吐出ヘッドを備えたインク
ジェット記録装置の一例を説明する斜視説明図

【図１７】同記録装置の機構部の説明図

【図１８】本発明に係る静電アクチュエータを含むマイ
クロポンプの実施形態を説明する断面説明図

【図１９】本発明に係る静電アクチュエータを含む光学
デバイスの実施形態を説明する断面説明図

【図２０】同光学デバイスを用いた光変調デバイスの一
例を説明する斜視説明図

【図２１】同光変調デバイスの要部斜視説明図

【符号の説明】

１…第１基板、２…第２基板、３…ノズル板、４…ノズ
ル孔、６…吐出室、７…流体抵抗部、８…共通液室、１
０、２０、３０…振動板、１４…電極、１００…インク
カートリッジ、２０１…流路基板、２０３…流路、２０
５…可動部分、２０７…電極、３０１…ミラー、３０５
…可動部分、３０７…電極。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０４Ｂ 53/00 (72)発明者 西村 学 東京都大田区中馬込１丁目３番６号 株式 会社リコー内 Ｆターム(参考） 2C057 AF03 AF55 AF99 AG12 AG41 AG42 AG43 AG53 AG55 AG59 AG92 AG93 AP02 AP32 AP33 AP34 AP53 AP56 AQ02 BA04 BA15 3H071 AA05 BB01 CC11 DD04 EE07 3H075 AA07 BB01 CC25 DA05 DB02 3H077 AA06 BB10 CC09 DD06 EE02 FF08 FF36

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 可動部分を変形させる静電アクチュエー
   タであって、前記可動部分の少なくとも一部は弾性率が
   ２Ｅ1１dyn/cm²を越えない材料で形成し、前記可動部分
   には電気的に互いに絶縁分離された導電性を有する構造
   体からなる少なくとも２つの電極を設け、前記電極間に
   静電力を発生させることによって前記可動部分を変形さ
   せることを特徴とする静電アクチュエータ。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の静電アクチュエータに
   おいて、前記可動部分の主たる材料が、ポリエチレン、
   ポリプロピレン、イオノマー材料、ポリカーボネイト、
   ポリイミド、ポリアミド系材料、ポリ塩化ビニル又はこ
   れらの材料を含む化合物であることを特徴とする静電ア
   クチュエータ。
3. 【請求項３】 可動部分を変形させる静電アクチュエー
   タであって、前記可動部分の少なくとも一部に薄い部分
   を形成し、前記可動部分には電気的に互いに絶縁分離さ
   れた導電性を有する構造体からなる少なくとも２つの電
   極を設け、前記電極間に静電力を発生させることによっ
   て前記可動部分を変形させることを特徴とする静電アク
   チュエータ。
4. 【請求項４】 請求項３に記載の静電アクチュエータに
   おいて、前記可動部分の厚さが変形可能領域の周辺部分
   で薄く形成されていることを特徴とする静電アクチュエ
   ータ。
5. 【請求項５】 請求項３又は４に記載の静電アクチュエ
   ータにおいて、前記可動部分は前記電極を設ける面と反
   対側の面に部分的に凹部が形成されていることを特徴と
   する静電アクチュエータ。
6. 【請求項６】 請求項１ないし５のいずれかに記載の静
   電アクチュエータにおいて、前記可動部分が複層膜から
   形成されていることを特徴とする静電アクチュエータ。
7. 【請求項７】 請求項１ないし６のいずれかに記載の静
   電アクチュエータにおいて、前記可動部分の変形可能領
   域の周辺部分の弾性率が他の部分よりも弾性率が低いこ
   とを特徴とする静電アクチュエータ。
8. 【請求項８】 液滴を吐出するノズル孔と、前記ノズル
   孔のそれぞれに連通する吐出室と、前記吐出室の少なく
   とも一方の壁を構成する振動板とを備え、前記振動板を
   変形させることによって液に圧力を加え液滴を吐出する
   液滴吐出ヘッドにおいて、前記振動板を可動部分とする
   請求項１乃至７のいずれかに記載の静電アクチュエータ
   を備えていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
9. 【請求項９】 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請求項８に記載の液滴吐出ヘッド
   であることを特徴とするインクジェット記録装置。