JP2003259662A - 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】 低コストで安定した高い駆動効率及び動作特
性が得られない。 【解決手段】 振動板１０の変形可能領域は平面形状が
略円形に形成され、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１
４ａ、１４ｂを設け、電極１４ａ、１４ｂ間に作用する
静電力によって振動板１０を変形させる。

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は、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】この静電型インクジェットヘッドとして
は、例えば、特開平６−７１８８２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滴を吐出するも
のがある。

【０００７】また、特開２０００−１５８０５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、インク滴を吐出する
ものとするものもある。

【０００８】さらに、特開２００１−４７６２４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、上述し
た振動板とこれに対向する電極（電極対）を用いるヘッ
ドにあっては、振動板の変位を大きくすることができ
ず、大きな排除体積を得ることが難しく、大きなインク
液滴を吐出することが困難である。また、インク液吐出
の圧力発生手段として振動板の戻りバネ力を利用してい
るため、液吐出のための圧力制御性が良くなく高精度の
液滴量制御が難しく、高画質化を達成することが困難で
ある。さらに、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。

【００１０】また、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たヘッドにあっては、
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、インク滴を吐出する
だけの発生力を得ようとした場合、非常に電圧が高くな
ってしまうという課題がある。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
う課題もある。

【００１１】さらに、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
材の電極を形成したヘッドにあっては、そもそもシリコ
ン振動板を介して各電極間が同電位になってしまうため
に電極間で静電力が発生せず、振動板を変形できないと
いう課題がある。

【００１２】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。

【００１３】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。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。

【００１４】また、従来の振動板を用いるインクジェッ
トヘッドにあっては、振動板（可動部分、変形可能領
域）は平面形状で長方形或いは平行四辺形状に形成され
て、短冊状に配置されるいるが、このような角を有する
振動板では、振動板が変位する際にその角部分に応力が
集中するため、数億回以上のインク滴吐出が必要なイン
クジェットヘッドにおける信頼性確保が難しいという課
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、駆動効率が高く、安定した動作特
性が得られ、振動耐久性に優れた静電アクチュエータ、
この静電アクチュエータを備えることで、滴吐出効率が
高く、安定した滴吐出特性が得られ、長期信頼性が高い
液滴吐出ヘッド、この液滴吐出ヘッドを備えることで高
画質記録を長期に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、可動部分は平
面形状が略円形又は略楕円形に形成され、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
らなる複数の電極を設け、電極間に作用する静電力によ
って可動部分を変形させるものである。

【００１７】ここで、可動部分の略中心に対して電極が
略同心円状又は略同心楕円状に配置されていることが好
ましい。また、電極は可動部分内では一定の間隔を隔て
て配置されていることが好ましい。さらに、電極は可動
部分内で断面形状が略Ｔ型又はＬ型の形状に形成されて
いることが好ましい。

【００１８】また、電極は隣接する電極間で異なる電位
が与えられることが好ましい。さらに、電極と可動部分
との間で静電引力を生じさせることが好ましく、この場
合、電極は略同心円状に配置され、外周側の電極の一部
が内周側の電極の内側にまで延びていることが好まし
い。

【００１９】さらに、電極は可動部分よりも剛性が高い
ことが好ましい。また、電極には抜き穴が設けられてい
ることが好ましい。

【００２０】本発明に係る液滴吐出ヘッドは、振動板の
可動部分を変形させる本発明に係る静電アクチュエータ
を備えているものである。

【００２１】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ヘッドが本発明に係
る液滴吐出ヘッドである構成としたものである。

【００２２】

【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は液室パターンを説明する
平面説明図、図５は同ヘッドの電極形状及び配置パター
ンを示す平面説明図、図６はどうヘッドの要部拡大説明
図である。

【００２３】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。なお、基板の
端部に設けたノズル孔からインク滴を吐出させるエッジ
シュータタイプとすることもできる。

【００２４】中間の第１基板１は、吐出室６を形成する
ための貫通部と、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部を形成してい
る。この第１基板１の底面に吐出室６及び共通液室８な
どの底壁ともなる振動板１０を設けている。この場合、
図４に示すように、吐出室６は平面形状で楕円形状に形
成しているので、振動板１０の変形可能領域（可動部
分）も楕円形状をなしている。

【００２５】この振動板１０は内部応力が引っ張り応力
であるシリコン窒化膜１０ａで形成している。シリコン
窒化膜１０ａを堆積膜で形成した場合、１〜１．２ＧＰ
ａ程度の引っ張り応力である。振動板１０を引っ張り応
力のシリコン窒化膜１０ａで形成することにより、振動
板１０が座屈することを防止でき、振動板１０の座屈に
よる不規則な変形が抑制され、電極間距離も略一定に保
つことができて安定した低電圧駆動が可能になる。

【００２６】この場合、振動板１０の引っ張り応力が大
きいと振動板１０は変形が小さくなる。したがって、好
ましくは１ＧＰａ以下の引張り応力、特に好ましくは
０．１ＧＰａ以下の引っ張り応力にする。振動板１０を
形成するシリコン窒化膜１０ａの応力を下げるために
は、シリコン窒化膜１０ａにボロン、リン、水素などの
不純物を注入する。例えば、シリコン窒化膜１０ａの膜
厚１５００Åを用いた場合、ボロン原子を１Ｅ１４〜３
Ｅ１５／ｃｍ^２度のドーズ量で５０ＫｅＶのエネルギー
を注入することで応力の緩和ができる。また、シリコン
窒化膜の膜厚が３０００Åの場合はボロン原子を２Ｅ１
４〜６Ｅ１５／ｃｍ^２程度のドーズ量で８０ＫｅＶのエ
ネルギーを注入することで応力の緩和ができる。

【００２７】なお、振動板１０は、この他、金属等の導
電性を有する膜、或いは、シリコン酸化膜やシリコン窒
化膜等の絶縁性膜、或いはその積層膜、樹脂フィルムな
ど、液吐出圧力に耐え得る強度を有する膜であれば特に
限定されるものではない。ただし、振動板１０に導電性
の膜を用いた場合には吐出室６と反対側の面（外面）に
絶縁膜（層）を形成する。

【００２８】この振動板１０の下面（吐出室と反対側の
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を設けている。この場
合、振動板１０自体が絶縁膜であるので、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。これらの振動板１０（吐出
室６に対応する部分が可動部分となる。）と複数の電極
１４によって本発明に係る静電アクチュエータが構成さ
れる。

【００２９】ここで、互いに電気的に分離した相隣り合
う電極１４ａと電極１４ｂは、図５に示すように、平面
形状で略楕円形状に同心円（同心楕円）状に形成配置し
ている。この場合、電極１４ａと電極１４ｂの間隔（電
極間隔）は、振動板１０の面内で変化させることが好ま
しい。すなわち、振動板１０の変位が最も大きく取れる
振動板１０の中心部の電極１４ａ、１４ｂ間に対して、
振動板１０が最も変位し難い振動板１０の固定端近傍
（周辺部）での電極１４ａ、１４ｂ間の距離を最も狭く
する。

【００３０】また、図６にも示すように、振動板１０と
電極１４ａ、１４ｂとの間には電極引出し層（取り出し
電極）１４Ａ、１４Ｂを形成し、これらの取り出し電極
１４Ａ、１４Ｂはシリコン酸化膜１３などの絶縁膜で他
方の電極と絶縁している。そして、これらの取り出し電
極１４Ａ、１４Ｂを介して、図５に示すように、これら
の電極１４ａと電極１４ｂとには、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。

【００３１】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
さの凹部１６を形成している。ただし、必ずしも振動板
１０ごとに凹部１６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。

【００３２】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。

【００３３】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に発振回路１５により０Ｖから４０Ｖのパルス電位
を印加すると、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隣り合う電極１４ｂとの間で
静電力が発生して、静電気の吸引作用が働き、図７に示
すように、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。

【００３４】そして、電極１４ａの電位が０Ｖに戻る
と、電極１４ｂとの間に電位差はなくなり、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。

【００３５】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。

【００３６】

【数１】

【００３７】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。

【００３８】このように、絶縁性薄膜で形成した振動板
１０の一方の面にそれぞれ電気的に分離独立した電極１
４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１４ｂ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、安定した滴吐出特性が得られ、
滴吐出効率が向上し、高画質記録が可能になる。

【００３９】ここで、振動板１０（可動部分）を平面形
状で楕円形状に形成しているので、振動板１０を変形さ
せたときの応力集中部が無くなり、振動耐久性が向上す
るとともに、吐出量を多くすることができる。すなわ
ち、一般的な長方形或いは平行四辺形の振動板では、変
位を与えた時に、その角に近い部分で応力が大きくな
る。また、変位自体は振動板の短辺方向の影響でほぼ決
定される。したがって、振動板の変形効率が最も良いの
は円形の振動板ということになる。ただし、円形の振動
板では液室の容量が制限されるため吐出量が少なくな
る。そこで、振動板形状を楕円形状とすることで、吐出
量を多くでき、しかも振動板を変位させやすくなる。

【００４０】また、振動板１０に設ける電極１４も平面
形状で楕円形状に配置しているので、振動板１０の中心
部に向けて盛り上がるように変形しやすくなり、更に電
極１４による振動板１０の変形阻害を小さくすることが
できて、振動板１０の変位効率が向上する。さらに、電
極１４自体が曲率を持つことで曲げ剛性が高くなり、駆
動時の電極１４の倒れ等が防止される。さらに、電極１
４は所定の間隔をおいて配置しているので振動板変位を
阻害することがなく、震央効率が高くなる。

【００４１】そして、振動板１０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
程が必要がなく、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。

【００４２】さらに、振動板１０と電極１４との間を電
気的に分離しているので、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１
４に電圧を印加することができる。また、振動板１０が
電極１４と絶縁分離されていることで、駆動電圧が液
（ここではインク）に印加されることがなく、駆動電圧
印加時の電気分解による液の変質が発生することがな
く、信頼性が向上し、高画質記録が可能になる。

【００４３】次に、同第２実施形態に係るインクジェッ
トヘッドについて図８ないし図１０参照して説明する。
なお、図８は同ヘッドの液室パターンの平面説明図、図
９は同ヘッドの静電アクチュエータ部の振動板（可動部
分）を透過した状態で示す平面説明図、図１０は図９の
Ａ−Ａ線に沿う断面説明図である。

【００４４】このヘッドにおいては、吐出室６は平面形
状で円形状に形成し、振動板１０の変形可能領域（可動
部分）も円形状に形成している。また、複数の吐出室６
はそれぞれ千鳥状に配置し、共通液室８からの距離が長
い吐出室６への流体抵抗部７Ａと共通液室８からの距離
が短い吐出室６への流体抵抗部７Ｂとは抵抗値を同じに
するために形状（ここでは幅）を異ならせている。

【００４５】このように、振動板１０の平面形状を円形
状とすることによって変形時の応力集中部が無くなり、
効率的な変位を行うことができる。また、最小ドット形
に近い円形の振動板１０とすることで、吐出室６を高密
度に配置することができて、高密度ドットの記録を容易
に行うことができる。さらに、千鳥状に配置することで
も高密度化を図れる。

【００４６】そこで、このヘッドの静電アクチュエータ
部について図９及び図１０を参照して説明すると、円形
の振動板１０に対して電極１４ａ、１４ｂも円形状（環
状）に形成して同心円状に配置している。

【００４７】したがって、電極１４ａ、１４ｂに対して
取り出し電極１４Ａ、１４Ｂを介して異なる電位を印加
することによって、図１１に示すように、電極１４ａ、
１４ｂ同士が電極間静電引力によって引き合って自由端
が変位し、振動板１０が上側（矢示方向）に凸形状に変
形して、これによりインク滴が吐出される。つまり、こ
の場合押し打ちでインク滴を吐出させる。

【００４８】この実施形態の他の例を図１２を参照して
説明すると、この例では円形の振動板１０の外周部に対
して電極１４ａ、１４ｂも円形状（環状）に形成して同
心円状に配置している。

【００４９】したがって、電極１４ａ、１４ｂ間に異な
る電位を印加すると、電極１４ａ、１４ｂ同士が電極間
静電引力によって引き合って自由端が変位し、振動板１
０が下側（矢示方向）に凹形状に変形し、吐出室６内に
インクが補充され、この状態から電極１４ａ、１４ｂへ
の電圧印加を停止することにより、振動板１０は自身の
復元力で上方に変形して吐出室６内のインクを圧力する
ので、インク滴が吐出される。つまり、この場合は、引
き打ちが可能となるのである。

【００５０】なお、振動板１０の外周部及び内周部に電
極１４、１４を配置して、振動板１０の外周部の電極１
４ａ、１４ｂ、内周部の電極１４ａ、１４ｂに対して選
択的に電圧印加を行えるようにすることで、上述した押
し打ちと引き打ちの他に、外周部の電極１４ａ、１４ｂ
に電圧印加をして図１２の状態にした後、内周部の電極
１４ａ、１４ｂに電圧印加をして図１１の状態にし、イ
ンク滴を吐出させる引き−押し打ちをも行うことができ
る。

【００５１】このように複数の電極に異なる電位を与え
て静電引力で引き合わせることで振動板（可動部分）を
変形させることにより、電極同士を当接するまで可動さ
せる必要が無く、電極の信頼性が向上し、また、押し打
ちや引き打ちなどの駆動方法も可能になる。

【００５２】次に、同第３実施形態に係るインクジェッ
トヘッドについて図１３及び図１４参照して説明する。
なお、図１３は同ヘッドの静電アクチュエータ部の振動
板（可動部分）を透過した状態で示す平面説明図、図１
４は図１３のＢ−Ｂ線に沿う断面説明図である。

【００５３】このヘッドにおいては、円形状の振動板１
０に対して円板を４分割した形状をなす振動板１０より
も剛性の高い電極（個別電極）２４ａ、２４ｂを、電極
２４ａ、２４ｂ相互間及び対振動板１０との間で所定の
ギャップを置いて平行に配置している。各電極２４ａ、
２４ｂの外周部は支柱部２５を介して振動板１０に固定
している。つまり、電極２４ａ、２４ｂは支柱部２５を
含めて見た状態では略Ｌ字状に形成している。また、各
電極２４ａ、２４ｂには取出し電極２４Ａ、２４Ｂを接
続している。なお、電極２４ａ、２４ｂと支柱部２５と
は一体的に形成する。

【００５４】このように構成したので、隣接する電極２
４ａ、２４ｂ間に、静電引力が働くように電圧を印加す
ると、図１５（ａ）に示すように、電極２４ａ、２４ｂ
同士が引き合うことで、振動板１０が上側（矢示方向）
に凸状になるように変形し、押し打ちでのインク滴吐出
が可能となる。

【００５５】これに対し、電極２４ａ、２４ｂと振動板
１０との間に異なる電位を印加することで、図１５
（ｂ）に示すように、電極２４ａ、２４ｂと振動板１０
との間に静電引力が働いて引き合い、振動板１０が下方
（矢示方向）に変形する。このような構成では振動板１
０の変形によって電極２４自体も下方向に曲がるため、
固定電極間で静電吸引させるよりも大きい変位を得るこ
とができる。この状態で電位を遮断すると、振動板１０
の持つ復元力で吐出室６内インクに圧力が加わり、イン
ク滴が吐出する。つまり、引き打ちが可能となる。

【００５６】このように電極と振動板との間で静電引力
を作用させることで、広い対向面積を確保することがで
き、静電引力を効果的に振動板の変形に用いることがで
きる。また、電極と振動板との間で静電引力を作用させ
る場合、電極の剛性を振動板の剛性よりも高くすること
で、振動板は必ず電極側に撓むことになり、変位効率が
向上する。

【００５７】また、前記第２実施形態と同様に、先ず、
電極２４ａ、２４ｂと振動板１０との間に異なる電位を
印加して振動板１０を引いてインクを吐出室内に補充し
た後、電極２４ａ、２４ｂ間に異なる電位を印加して振
動板１０を吐出室方向に押してインク滴を吐出させる引
き−押し打ち方式も行うことができる。

【００５８】なお、電極をＬ字状にしているが、この他
Ｔ字に形成することでも、静電引力の発生方向を変え
て、より効率的な駆動を行うことができる。また、ここ
では、個別電極が１段のみであるが、多段になるように
組み合わせても良い。多段的に配置することで、変位量
を累積に稼ぐことができて大きな変位を得ることができ
るようになる。

【００５９】次に、同第４実施形態に係るインクジェッ
トヘッドについて図１６ないし図１８参照して説明す
る。なお、図１６は同ヘッドの静電アクチュエータ部の
振動板（可動部分）を透過した状態で示す平面説明図、
図１７は図１６のＣ−Ｃ線に沿う断面説明図、図１８は
図１６のＤ−Ｄ線に沿う断面説明図である。

【００６０】このヘッドにおいては、円形状の振動板１
０に対して円板を４分割した形状をなす内部電極（個別
電極）３４ａｂと、略扇形状をなす外部電極（個別電
極）３４ｂとを、対振動板１０との間で所定のギャップ
を置いて平行に配置している。この場合、外部個別電極
３４ｂの一部（延出部）３４ｃは内部個別電極３４ａ間
まで延びている。また、電極３４ａ、３４ｂの外周部は
支柱部３５を介して振動板１０に固定している。つま
り、ここでも、電極３４ａ、３４ｂは支柱部３５を含め
て見た状態では略Ｌ字状に形成している。また、各電極
３４ａ、３４ｂには取出し電極３４Ａを接続している。

【００６１】このように構成したので、電極３４ａ、３
４ｂと振動板１０との間に異なる電位を印加すること
で、図１９に示すように、電極３４ａ、３４ｂと振動板
１０との間に静電引力が働いて引き合い、振動板１０が
下方（矢示方向）に変形する。このような構成では振動
板１０の変形によって電極１４自体も下方向に曲がるた
め、固定電極間で静電吸引させるよりも大きい変位を得
ることができる。この状態で電位を遮断すると、振動板
１０の持つ復元力で吐出室６内インクに圧力が加わり、
インク滴が吐出する。つまり、引き打ちが可能となる。

【００６２】ここで、外部個別電極３４ｂの延出部３４
ｃを内部個別電極３４ａ間に延ばして電極同士がオーバ
ーラップするように配置しているので、振動板１０は滑
らかに変形する。

【００６３】すなわち、上記構成で、延出部３４ｃのな
い２段構成の個別電極に電圧を印加して変形させると、
それぞれの個別電極３４ａ、３４ｂと振動板１０の間で
静電吸引力が発生し振動板１０が変形するが、個別電極
３４ａ、３４ｂの切れ目では、静電吸引力が無いため、
振動板１０は元の平行な状態に戻ろうとするため、図２
０に示すように、振動板１０の変形は段付き状になる。

【００６４】この振動板１０の段付きをなくし、より大
きく変形させるためには、段付きとなる静電力のとぎれ
目が生じないように、電極同士をオーバーラップさせ
る。これにより、他方の個別電極部も下方向に曲がるた
め、段差ができることなく大きい変位を得ることができ
るようになる。

【００６５】次に、本発明に係るインクジェットヘッド
の製造工程の一例について図２１ないし図２３を参照し
て説明する。先ず、図２１（ａ）に示すように、第１基
板１となる（１１０）を面方位とする厚さ４００μｍの
シリコン基板をベース基板４１とし、酸化膜４３を介し
て（１００）面方位の厚さ１μｍのシリコン基板である
活性層４２を接合したＳＯＩ（Silicon on Insulator）
ウェハ４０を用意する。なお、第１基板１となる基板と
しては、（１１０）面方位のシリコン基板に代えて、
（１００）面方位のシリコン基板を用いても良い。

【００６６】そして、同図（ｂ）に示すように、ＳＯＩ
ウエハ４０に９００℃／５分のウェット酸化により熱酸
化膜４４を５０ｎｍ厚みで形成する。ここで、酸化膜の
成膜方法としては、プラズマＣＶＤ、スパッタ、ＨＴ
Ｏ、ＴＥＯＳなどがあるが、絶縁耐圧、欠陥、残留電
荷、耐久性などの点で熱酸化膜が好ましい。

【００６７】次いで、同図（ｃ）に示すように、熱酸化
膜４４の表面にポリシリコン４５を約２μｍの厚さにＣ
ＶＤなどの方法で堆積させた。そして、同図（ｄ）に示
すように、ポリシリコン４５の表面にフォトリソグラフ
ィーを施し、振動板との境界領域になる部分及び電極支
柱部のギャップとなる部分のポリシリコン４４をエッチ
ング除去して電極支柱部５５及び隔壁部５６を形成す
る。このとき、エッチングは酸化膜４４がストップ層と
なる。非常に深い溝を細くエッチングする必要があるの
でドライエッチングはＩＣＰが有効である。

【００６８】その後、図２２（ａ）に示すように、ポリ
シリコン４５面側に犠牲層となるＳＯＧなどの酸化膜４
８を電極支柱部５５間及び隔壁部５６の溝部４７が完全
に埋まるまで堆積させた後、同図（ｂ）に示すように、
ＣＭＰ等の方法で、ポリシリコン４５面（電極支柱部５
５及び隔壁部５６表面）が露出するまで研磨し、更にこ
の後、酸化膜４８表面にポリシリコン４９を堆積させ
る。

【００６９】そして、同図（ｃ）に示すように、ポリシ
リコン４９を所望の電極形状にパターニングして、電極
支柱部５５と一体の電極５４を形成する。この工程によ
って電極の積層化が図れる。このように２層構造の電極
とすることで、Ｔ型断面、Ｌ型断面、更に発展型として
Ｙ型断面などの形状を持った電極を形成することも可能
となる。このような断面形状を有する電極は振動板に固
定される部分が小さくできるので、一層、振動板変形効
率を高めることができる。

【００７０】続いて、図２３（ａ）に示すように、ＬＰ
−ＣＶＤでマスクとなるシリコン窒化膜５０を形成し、
シリコン窒化膜５０上に吐出室６や共通液室８などの液
室形状のレジストパターンを得て、レジストの開口部の
シリコン窒化膜５０と酸化膜４４、４８をドライエッチ
によりエッチング除去し、レジストを除去する。

【００７１】そして、同図（ｂ）に示すように、ＩＣＰ
エッチャーを利用し、シリコン窒化膜５０、酸化膜４
４、４８の開口部を活性層４２の前層のインシュレータ
層（酸化層）４３に達するまでエッチングを行って吐出
室６を形成する。

【００７２】その後、同図（ｃ）に示すように、シリコ
ン窒化膜５０は熱リン酸、フッ酸などによって、酸化膜
４４、４８をフッ酸などで除去することで、電極５４間
に埋め込まれた酸化膜４８も除去される。この場合、電
極５４にスリット穴など設けることによって、埋め込ま
れた酸化膜（犠牲層）の除去効率を高めることができ
る。

【００７３】次に、本発明に係る液滴吐出ヘッドを含む
ヘッド一体型インクカートリッジについて図２４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。

【００７４】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を図り、長期耐久性を確
保し、高い信頼性を確保することで、インクカートリッ
ジ全体の歩留まり、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。

【００７５】次に、本発明に係るインクジェットヘッド
（ヘッド一体型の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機構の一例について図２
５及び図２６を参照して説明する。なお、図２５は同記
録装置の斜視説明図、図２６は同記録装置の機構部の側
面説明図である。

【００７６】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。

【００７７】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２６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。

【００７８】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。

【００７９】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。

【００８０】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。

【００８１】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。

【００８２】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。

【００８３】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。

【００８４】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。

【００８５】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。

【００８６】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、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。

【００８７】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としてのマイクロポンプについて
図２７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２０３の一壁面を
形成する変形可能な平面形状が円形又は楕円形状である
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。

【００８８】そして、可動部分２０５には絶縁膜２０６
を介して外面側に、インクジェットヘッドと同様に、複
数の電極２０７、２０７を所定の間隔を置いて可動部分
２０５の形状と同様な円形状或いは楕円形状に形成配置
している。なお、可動部分２０５との間で静電力を発生
するような形状（前記ヘッドの第３、第４、第５実施形
態と同様）の電極２０７を設けることもできる。

【００８９】保護基板２０２はヘッドの第２基板２と同
様な機能を有するものであり、電極２０７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２
０２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。

【００９０】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、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２０
７、２０７間で静電吸引力が生じる（前記電極の形状に
よっては振動板と電極間の静電力も発生させることがで
きる。）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。

【００９１】この場合、可動部分２０５と電極２０７と
で構成される静電アクチュエータは、前述した液滴吐出
ヘッドの場合と同様に、可動部分２０５が円形状又は楕
円形状をなすので、応力集中部がなくなって、駆動効率
が向上し、安定した駆動特性が得られ、流体を安定して
効率的に移送することができる。

【００９２】なお、この例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。

【００９３】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は、マイクロポンプ以外にも、
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。

【００９４】

【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、可動部分は平面形状が略円形
又は略楕円形に形成され、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複数の電
極を設け、電極間に作用する静電力によって可動部分を
変形させるので、低コストで、駆動効率が高く、安定し
た動作特性が得られ、振動耐久性にも優れる。

【００９５】本発明に係る液滴吐出ヘッドによれば、振
動板の可動部分を変形させる本発明に係る静電アクチュ
エータを備えているので、低コストで、滴吐出効率が高
く、安定した滴吐出特性が得られ、振動耐久性にも優れ
たヘッドが得られる。

【００９６】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ヘッドが本発
明に係る液滴吐出ヘッドである構成としたので、高画質
記録を長期信頼性高く行うことができる。

【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】同ヘッドの液室形状を説明する平面説明図

【図５】同ヘッドの電極形状及び配置パターンを説明す
る平面説明図

【図６】同ヘッドの電極部分の拡大説明図

【図７】同ヘッドの作用説明に供する要部拡大断面説明
図

【図８】同第２実施形態に係るインクジェットヘッドの
液室形状を説明する平面説明図

【図９】同ヘッドの静電アクチュエータ部を説明する平
面説明図

【図１０】図９のＡ−Ａ線に沿う断面説明図

【図１１】同静電アクチュエータの作用説明に供する説
明図

【図１２】同実施形態の他の例における静電アクチュエ
ータの作用説明に供する説明図

【図１３】同第３実施形態に係るインクジェットヘッド
の静電アクチュエータ部を説明する平面説明図

【図１４】図１３のＢ−Ｂ線に沿う断面説明図

【図１５】同静電アクチュエータの作用説明に供する説
明図

【図１６】同第４実施形態に係るインクジェットヘッド
の静電アクチュエータ部を説明する平面説明図

【図１７】図１６のＣ−Ｃ線に沿う断面説明図

【図１８】図１６のＤ−Ｄ線に沿う断面説明図

【図１９】同静電アクチュエータの作用説明に供する説
明図

【図２０】同静電アクチュエータの作用説明に供する比
較のための説明図

【図２１】本発明に係る液滴吐出ヘッドであるインクジ
ェットヘッドの製造工程の一例を説明する平面説明図

【図２２】図２１に続く工程を説明する説明図

【図２３】図２２に続く工程を説明する説明図

【図２４】本発明に係る液滴吐出ヘッドを含むヘッド一
体型インクカートリッジの説明に供する斜視説明図

【図２５】本発明に係る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２６】同記録装置の機構部の説明図

【図２７】本発明に係る静電アクチュエータを含むマイ
クロポンプの一例を説明する説明図

【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…振動板、１４、１４ａ、１４ｂ、２４ａ、２４ｂ、
３４ａ、３４ｂ…電極。

フロントページの続き (72)発明者 入野田 貢 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 AF38 AF55 AF65 AF93 AG15 AG31 AG38 AG40 AG43 AG52 AG54 AG59 AG70 AG93 AN01 AP22 AP32 AP53 AP56 AQ02 BA04 BA15 3H077 AA06 CC02 CC09 DD01 FF31

Claims (11)

【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
   タにおいて、前記可動部分は平面形状が略円形又は略楕
   円形に形成され、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複数の電極を
   設け、前記電極間に作用する静電力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、前記可動部分の略中心に対して前記電極が略同
   心円状又は略同心楕円状に配置されていることを特徴と
   する静電アクチュエータ。
3. 【請求項３】 請求項１又は２に記載の静電アクチュエ
   ータにおいて、前記電極は可動部分内では一定の間隔を
   隔てて配置されてい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１ないし３のいずれかに記載の静
   電アクチュエータにおいて、前記電極は可動部分内で断
   面形状が略Ｔ型又はＬ型の形状に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１ないし４のいずれかに記載の静
   電アクチュエータにおいて、前記電極は隣接する電極間
   で異なる電位が与えられ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、前記電極と可動部分との間
   で静電引力を生じさせ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６に記載の静電アクチュエータに
   おいて、前記電極は略同心円状に配置され、外周側の電
   極の一部が内周側の電極の内側にまで延びていることを
   特徴とする静電アクチュエータ。
8. 【請求項８】 請求項１ないし７のいずれかに記載の静
   電アクチュエータにおいて、前記電極は前記可動部分よ
   りも剛性が高いことを特徴とする静電アクチュエータ。
9. 【請求項９】 請求項１ないし８のいずれかに記載の静
   電アクチュエータにおいて、前記電極には抜き穴が設け
   られていることを特徴とする静電アクチュエータ。
10. 【請求項１０】 液滴を吐出するノズル孔が連通する吐
    出室の壁面の一部を形成する可動部分を有する振動板を
    備え、この振動板を変形させることで前記液滴を吐出さ
    せる液滴吐出ヘッドにおいて、前記振動板の可動部分を
    変形させる請求項１ないし９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。
11. 【請求項１１】 インク滴を吐出させるインクジェット
    ヘッドを備え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１０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。