【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は静電型アクチュエータ、液滴吐出ヘッド及びインクジェット記録装置並びにマイクロデバイスに関する。
【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、ＤＮＡ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。
【０００４】
また、微小電気機械システム（マイクロデバイス）としては、液滴吐出ヘッド以外にも、光スイッチやプロジェクター等に用いられる光変調デバイス、薬液投与システム等に用いられるマイクロポンプ、その他、マイクロスイッチ（マイクロリレー）、マイクロ流量計、圧力センサなどがある。
【０００５】
ところで、液滴吐出ヘッドとしては、圧力発生手段（アクチュエータ）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（圧電型）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。
【０００６】
近年、環境問題から鉛フリーであるサーマル型、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多く提案されている。
【０００７】
この静電型アクチュエータを含む静電型ヘッドとしては、例えば特開平６−７１８８２公報に開示されているように、一対の電極対が微小な空隙を介して設けられ、片方の電極が可動板として働き、可動板が液室の壁面を形成し、電極対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（可動板）が変形し、電圧を除去すると可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知られている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述した静電型アクチュエータでは、可動板が空隙幅の１／３の以上変位すると、静電力が可動板の復元力に勝るようになるため、可動板は急激に対向電極側に変位し、対向電極と当接する現象がある。
【０００９】
ところが、可動板を対向電極側に当接させると、対向電極又は可動板上の絶縁保護膜への残留電荷が発生し、そのまま繰り返し駆動を続けると電荷が蓄積され、常に可動板が撓んだ状態になり、最後には可動板の変位がほとんどなくなる。この残留電荷を除去する方法としては、可動板と対向電極間の電圧極性を駆動毎に交互に変化させる方法があるが、ドライバコストが上昇するという問題がある。
【００１０】
さらに、微小スケールでは表面力の影響が大きくなるため、空気中の水分による液架橋力、また分子間力等により当接した可動板が対向電極に吸着して元の位置に復元しないという問題も発生する。
【００１１】
一方、インク滴体積／可動板変形量は、対向する電極間の空隙幅（ギャップ長）、可動板面積（可動板短辺幅、長辺幅）で主に規定されるが、対向する電極間に働く静電力は空隙幅の二乗に反比例するため、インク滴体積／可動板変形量を大きくするために空隙幅を広げると静電力が弱くなり可動板変位が少なくなる。そのため、上述した可動板と対向電極の当接現象を用いない場合、低電圧で十分な可動板の変位を得ることが困難となる。
【００１２】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、低コストで、信頼性の高い、安定した動作が得られる静電型アクチュエータ、この静電型アクチュエータを備えた安定した滴吐出動作が得られ、高画質記録が可能な液滴吐出ヘッド、この液滴吐出ヘッドを搭載したインクジェット記録装置並びにこの静電型アクチュエータを備えたマイクロデバイスを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明に係る静電型アクチュエータは、変形可能な可動板と、この可動板に形成した電極とを有し、可動板と電極との間で発生される静電力で可動板を変形させる構成とした。
【００１４】
ここで、電極は空隙を介して可動板に対向する部分を有していることが好ましく、この空隙は開放されていることが好ましい。また、電極は非対称形状であることが好ましい。さらに、電極の表面には保護絶縁膜が形成されていることが好ましい。さらにまた、可動板の電極が設けられる側に保護基板が接合されていることが好ましく、この場合、電極と保護基板との間には微小空隙が形成され、電極と保護基板との間で静電力を発生可能であることが好ましい。
【００１５】
本発明に係る液滴吐出ヘッドは、吐出室内の液体を加圧する圧力を発生する手段が本発明に係る静電型アクチュエータである構成としたものである。ここで、静電型アクチュエータの可動板は接地されることが好ましく、またこのヘッドはインクを供給するためのインクタンクが一体化されている構成とすることができる。
【００１６】
本発明に係るインクジェット記録装置は、本発明に係る液滴吐出ヘッドを備えたものである。
【００１７】
本発明に係るマイクロデバイスは、本発明に係る静電型アクチュエータによって液体を輸送するものである。また、本発明に係るマイクロデバイスは、本発明に係る静電型アクチュエータによって光の反射方向を変化させるものである。
【００１８】
【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。先ず、本発明に係る静電型アクチュエータの第１実施形態について図１及び図２を参照して説明する。なお、図１は同アクチュエータを説明する可動部分の説明図、図２は同アクチュエータの要部拡大説明図である。
このアクチュエータは、可動板１上に中間絶縁膜３を形成し、この中間絶縁膜３上に支柱部２ａ及びこの支柱部２ａと一体的な対向部２ｂとを有するかぎ型の電極２を多数配置し、電極２の可動板１と対向する部分である対向部２ｂと可動板１との間は、電極２の配列方向（図で左右方向）で一方のみが開放された空隙４となっている。
【００１９】
可動板１は、導電性材料から構成され、ポリシリコンや金属材料をスパッタリングやＣＶＤ、蒸着などの薄膜形成法で成膜したり、ＳＯＩ基板のシリコン活性層を可動板として用いたり、例えば高濃度のボロンを拡散したシリコン基板を水酸化カリウム水溶液などでエッチングストップさせて形成することもできる。ただし、膜応力による可動板１の撓みを抑制するためには、引っ張り性の応力を有する膜で形成することが好ましい。
【００２０】
中間絶縁膜３は、数十ボルトの駆動電圧の絶縁耐圧を有する程度の膜厚を有していれば良く、酸化シリコンや窒化シリコンなどを用いることができる。ただし、ここでも、可動板１と同様に引っ張り性の応力を有する膜が好ましく、窒化シリコン膜を用いるのが好適である。また、この窒化シリコンは比誘電率が６と比較的大きいので、電極２と可動板１との間の電気的な実効空隙が小さくなるため静電力が大きくなる。
【００２１】
複数のかぎ型の電極２は、可動板１の中心ａを対称として、対向部２ｂ先端がここでは可動板１の中心ａに向かう方向に配置している。この電極２は、ポリシリコンや金属などの導電性材料を用いることができる。
【００２２】
特に、電極２をポリシリコンで形成した場合には、図３に示すように塵等による電極２の短絡を防止するために電極２表面に保護絶縁膜５を形成するときに、熱酸化により容易に保護絶縁膜５を成膜することができる。
【００２３】
また、シリコンの酸化により、消費されたシリコンの厚さの２倍程度の酸化膜が形成されるため、電極２と可動板１間の空隙４をより狭く形成することが可能になる。例えば、０．１μｍの空隙でポリシリコン電極表面を０．１μｍ酸化すると、空隙４の幅は０．０５μｍとなり、酸化膜の比誘電率は４程度であるため、電極２と可動板１間の実効空隙は０．０７５μｍ程度に小さくすることが可能である。
【００２４】
さらに、個々の電極２の幅を短くした場合、電極剛性の面から、電極厚さを薄くすることが可能であり、製造コストを抑えることができる。
【００２５】
このように構成したこのアクチュエータにおいては、可動板１と各電極２との間に電圧を印加することにより、個々の電極２の対向部２ｂと可動板１との間に静電力に発生して電極２と可動板１とが引き合い、その変位が連結されて可動板１全体で電極２側に大きく撓む。
【００２６】
ここで、具体的な実施例について説明する。
（実施例１）
図２を参照して、可動板１をポリシリコンで厚さＨ１＝０．５μｍ、幅Ｌ１＝６４μｍに、中間絶縁膜３を窒化シリコンで厚さＨ２＝０．１μｍに、電極２をポリシリコンで高さＨ３＝０．５μｍ、電極間隔Ｌ２＝２μｍ、電極付け根幅Ｌ３＝０．５μｍ、電極間スペースＬ４＝０．５μｍで可動板１の中心から対称に３０個形成し、電極２と中間絶縁膜３の間の空隙４の幅Ｈ４＝０．０５〜０．１５μｍと４水準作製し、電極―可動板間に３０Ｖの高周波電圧を印加して可動板１の中央の変位をレーザードップラー変位計で測定した。この測定結果を図４に示している。
【００２７】
この結果、空隙４の幅Ｈ４を狭くすることにより静電力が強くなり、空隙幅以上の可動板変位が得られ、空隙幅が０．０５μｍのとき、０．１６μｍの可動板変位が得られることを確認した。
【００２８】
（実施例２）
上記実施例１の構成で、空隙幅Ｈ４を０．０５μｍとして、可動板１の中央から電極数を４〜３０個まで変化させたアクチュエータを作製し、各アクチュエータについて可動板変位の変化を同様にして測定した。この結果を図５に示している。
【００２９】
これより、電極２の数が増えるに従って可動板１の変位量が大きくなり、個々の電極２による可動板１のたわみが蓄積されて、可動板１全体で大きな変位が得られることが確認された。
【００３０】
ただし、電極数が２０個（可動板幅の２／３程度）で３０個（全面）の場合の変位とほぼ等しく、飽和していることも分かる。これにより、例えば、この静電型アクチュエータを、後述するような光学デバイス等、可動板１の変形形状のみを利用する場合には、電極２を可動板１の全面に形成する必要はなく、消費電力をより抑えることができる。これに対して、マイクロポンプや、インクジェットヘッドのように液体に圧力を伝達させる必要がある場合、電極数を増やした方が可動板１の電極接合部分の面積が増えるため可動板１の剛性が大きくなり、同じ可動板変位でも可動板１の復元による発生圧力を増やすことができる。
【００３１】
次に、本発明に係る静電型アクチュエータの第２実施形態について図６を参照して説明する。
このアクチュエータでは、複数のかぎ型の電極２は、可動板１の中心ａを対称として、対向部２ｂ先端がここでは可動板１の中心ａと反対側（可動板１の端部側）に向かう方向に配置している。ここでも、電極２の対向部２ｂと可動板１との間に形成される空隙４は、電極２の配列方向（図で左右方向）で一方のみが開放されている構成としている。
【００３２】
このアクチュエータについて、前記実施例１の空隙幅Ｈ４を０．０５μｍとした構成と同様の寸法で、電極形状が外向きになるように形成し、３０Ｖの電圧を印加した場合、電極２が形成されている方向に０．１３μｍの可動板１の変位が得られることを確認した。
【００３３】
これらの各実施形態においては、電極２の対向部２ｂと可動板１との間に形成される空隙４は電極２の配列方向の一方のみが開放された非対称形状に構成としている。これらの実施形態と比較するため、図７に示すように、個々の電極２をＴ字型の対称形状に形成した（電極配列方向の両方が開放された２つの空隙４を有する）場合、また、図８に示すように、電極２をコ字型の対称形状に形成した（電極配列方向の両方が閉じた空隙４を有する）場合についての動作確認を行った。これらの図７及び図８に示すアクチュエータでは、可動板１は波打つように変形するだけで、可動板１全体の変位はほとんど観察されなかった。
【００３４】
したがって、電極２は非対称形状に形成することで、所要の可動板変位を得ることができる。
【００３５】
次に、本発明に係る静電型アクチュエータの第３実施形態について図９を参照して説明する。なお、同図は同アクチュエータの断面説明図である。
このアクチュエータでは、可動板１上の電極２が形成されている面側にスペーサ部６ａによって凹部７を形成した保護基板６を接合している。なお、保護基板６とスペーサ部６ａは一体でも別体でもいずれでもよい。また、この保護基板６としては、ガラス、金属、シリコン、樹脂、セラミックスなどからなる基板などを使用することができる。
【００３６】
このように保護基板６を設けることで電極２の損傷、アクチュエータの動作不良を防止できる。すなわち、電極２と可動板１間の空隙４は非常に微小であり、空気中の塵や水滴が侵入した場合、可動板１および電極２の変位を阻害し、動作不良が発生する。また、可動板１、電極２もサブミクロンオーダーで形成するため破損しやすい。そこで、電極２が形成されている面に、保護基板６を接合することで、プロセス中に電極面が作業面に直接接触するのを防止し、また電極２と可動板１との間にちり・水分等が侵入することを防止でき、信頼性の高い安定した動作を得ることができる。
【００３７】
次に、本発明に係る静電型アクチュエータの第４実施形態について図１０を参照して説明する。なお、同図は同アクチュエータの断面説明図である。
このアクチュエータでは、上記第３実施形態と同様に、可動板１上の電極２が形成されている面側にスペーサ部６ａによって凹部７を形成した保護基板６を接合し、且つ、保護基板６と電極２とのギャップ長（第２空隙８の幅）を保護基板６と電極２との間に電圧を印加したときに静電力が発生する幅、例えば１μｍ以下にしている。また、保護基板６の電極２側表面には絶縁膜９を形成している。
【００３８】
このように構成したので、同図に示すように、可動板１と保護基板６とをそれぞれ接地し、電極２に対して駆動回路Ｖからパルス状駆動電圧を印加すると、電極２の対向部２ｂと可動板１との間で静電力が作用して可動板１が全体として撓むとともに、電極２と保護基板６との間にも静電力が作用するので、この静電力によって更に可動板１全体が撓むことになり、大きな可動板変位を得ることができる。
【００３９】
前述した実施例１の可動板変位が０．１６μｍ得られた構成において、保護基板６と電極２との間の第２空隙８の幅を０．７μｍに設定した場合、保護基板６と可動板１の電位をグラウンドに落とし、電極２のみに電圧を３０Ｖを印加すると、可動板変位は０．１６μｍから０．３μｍに増加することが確認できた。
【００４０】
次に、本発明に係る静電型アクチュエータを圧力発生手段として用いた本発明に係る液滴吐出ヘッドについて図１１及び図１２を参照して説明する。なお、図１１は同ヘッドの分解斜視図で、一部断面図で示してある。この実施形態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例を示すものである。また、図１２は組み立てられた全体装置の断面図を示すものであり、便宜上１つの吐出室のみ示してある。
【００４１】
このヘッドは、次のような構造を持つ３枚の第１基板１０、第２基板２０、第３基板３０を重ねて接合した積層構造となっている。
中間の第１の基板１０は、シリコン基板であり、底壁を可動板１１とする吐出室１８と、各々の吐出室１８にインクを供給するための共通液室１９を有する。可動板１１の下面には前述のように複数の電極１２が形成されており、可動板１１と電極１２は絶縁膜１３で電気的に分離されていて、電極１２と可動板１１との間には空隙１４が形成され、また電極１２の表面には絶縁保護膜１５が形成されている。
【００４２】
第１の基板１０の下面に接合される第２の基板２０は、前述の静電型アクチュエータの第３実施形態で説明した保護基板であり、第１の基板１０の可動板１１及び電極１２に対応して凹部２５が形成されている。
【００４３】
この第２の基板２０を設けることにより、液滴吐出ヘッド製造中、或いは例えばインクジェットプリンタ等に実装するときに、電極１２及び可動板１１の破損や大気中のダストや水分の侵入を防止している。また、液滴吐出ヘッドの場合、吐出室１８が形成されている第１の基板１０はインクの吐出効率の点から、１００μｍ以下に形成することが好ましく、第１基板１０のみでは非常に破損しやすいが、一定の強度を持つ保護基板である第２の基板２０を接合することで、製造中のハンドリングが容易になる。
【００４４】
第１の基板１０の上面に接合される第３の基板３０には、厚さ５０ミクロンのニッケル基板を用い、基板３０の面部に、吐出室１９と連通するようにそれぞれノズル孔３１、共通液室１９と吐出室１８を連通させる流体抵抗となる溝３２を設け、また共通インク室１９と連通するようにインク供給口３３を設けている。
【００４５】
上記のように構成した液滴吐出ヘッドの動作を説明する。電極１２に発振回路により０Ｖから３０Ｖのパルス電圧を印加すると、可動板１１と電極１２との間に静電力が作用して可動板１１が上方（電極１２側）に撓み、吐出室１８内容積が増加するので、インクが共通液室１９から補充され、この状態からパルス電圧の印加を停止すると、可動板１１と電極１２との間の静電力がなくなるので可動板１１が復元し、その結果、吐出室１８内の圧力が急激に上昇し、ノズル孔３１よりインク液滴を記録紙に向けて吐出する。
【００４６】
このヘッドにおいては、本発明に係る静電型アクチュエータを備えているので、安定した動作（滴吐出）を行うことができる。
【００４７】
なお、液滴吐出ヘッドにおいては、可動板１１の電位は０ボルトで電気的に接地されていることが好ましい。可動板１１に電位を与えると、接地電位になっているインクに電流が流れ、インクを構成している顔料成分が凝集したり、可動板１１の溶出が激しくなるという問題が発生する。可動板１１に電位を与える場合には電荷印加部分とインク部の間に別の接地導電層を形成すれば良いが、この場合には製造コストが上昇する。
【００４８】
また、可動板１１にシリコン系の薄膜を用いた場合、アルカリ性のインクに対しては溶出してしまうため、可動板のインク接液面にはポリイミド膜等の耐インク性を有する膜を形成することが好ましい。
【００４９】
次に、このヘッドの製造工程の一例について図１３ないし図１６を参照して説明する。
先ず、図１３（ａ）に示すように、（１１０）を面方位とする厚さ４００μｍのシリコン基板４１をベース基板とし、酸化膜４２を介して（１００）面方位のシリコンの厚さ０．５μｍの活性層４３を接合してなるＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウェハ４０を用意する。
【００５０】
そして、同図（ｂ）に示すように、活性層４３上に可動板と電極との間の絶縁膜となる窒化シリコン膜４４をＬＰ−ＣＶＤにより０．１μｍ厚みに形成する。この窒化シリコン膜４４は引っ張り性の膜応力を有しているため、可動板の撓みを発生させない。更に、窒化シリコン膜４４表面に電極−可動板間の空隙形成のための犠牲層となるシリコン酸化膜４５をプラズマＣＶＤで形成した後、電極を形成するためのポリシリコン層４６ａを熱ＣＶＤにより厚さ０．５μｍ成膜する。
【００５１】
次いで、同図（ｃ）に示すように、フォトリソによりポリシリコン層４６上にレジストパターンを形成し、ドライエッチングによりポリシリコン層４６をエッチングして、電極の支柱部となる溝４７及び電極間隔となる溝４８を形成する。このとき、シリコン酸化膜４５がエッチングストップ層をなす。続いて弗化水素水溶液でドライエッチング部のシリコン酸化膜４５を除去する。
【００５２】
その後、同図（ｄ）に示すように、ポリシリコン層４６ｂを再度成膜して、溝４７を埋め込む。
【００５３】
そして、図１４（ａ）に示すように、再度ドライエッチングを行って、２回目に成膜されたポリシリコン層４６ｂを除去する。このとき、狭い溝４７に埋め込まれたポリシリコン４６ｂはエッチングされずに残る。
【００５４】
次に、同図（ｂ）に示すように、弗化水素でポリシリコン層４６ａと窒化シリコン膜４４との間にあるシリコン酸化膜４５を除去することで、ポリシリコンからなる支柱部１２ａと対向部１２ｂとを有し、対向部１２ｂと窒化シリコン膜４４との間に空隙１４が形成される電極１２を形成する。続いて、ポリシリコンの表面を０．０５μｍ熱酸化して絶縁保護膜１５を形成する。
【００５５】
その後、同図（ｃ）に示すように、予め凹部２５及び表面に熱酸化膜２６が形成されている保護基板であるシリコン基板５２上にＢＳＧ膜を０．１μｍの厚さで成膜し、電極１２が形成されたＳＯＩ基板４０を常温でプリボンディングした後、１０００℃／２時間加熱処理をして接合する。
【００５６】
次いで、図１５（ａ）に示すように、ポリッシング、グラインディング等の研磨方法でベース基板４１を厚さ１００μｍまで研磨する。その後、ＬＰ−ＣＶＤで水酸化カリウムエッチングのマスクとなるシリコン窒化膜５３を形成する。このシリコン窒化膜５３上に吐出室１８や共通液室１９などの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５３をドライエッチによりエッチング除去し、続いてレジストを除去することにより、シリコン窒化膜５３のマスクパターンを得る。
【００５７】
その後、同図（ｂ）に示すように、例えば８０℃の２５ｗｔ％の水酸化カリウム水溶液でシリコン窒化膜５３の開口部をエッチングして、吐出室１８を形成する。エッチングが酸化膜４２に達すると、酸化膜４２はほとんどエッチングされないのでエッチングは停止する。ここでは、ベース基板４１には（１１０）面のシリコンウェハを用いているので、水酸化カリウムによる異方性エッチングによって（１１１）面の垂直壁が形成される。（１１０）面のウェハを用いることによって垂直壁が得られるので吐出室を高密度に並べることができる。
【００５８】
なお、ここでは、エッチングに水酸化カリウム水溶液を用いたが、ＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウムヒドロキシド溶液）、ＥＤＰ（エチレンジアミンピロカテコール）、水酸化リチウムなどのアルカリ液でも良い。
【００５９】
そして、シリコン窒化膜５３は熱リン酸、フッ酸などによって、酸化膜４２の露出している部分をフッ酸などで除去する。これにより、活性層４３からなる可動板１１が形成される。その後、同図（ｃ）に示すように、ノズル板（第３の基板）３０を接合してヘッドを完成する。
【００６０】
次に、本発明に係る液滴吐出ヘッドをインクタンクと一体にしたインクカートリッジ（インクタンク一体型ヘッド）について図１６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１０２と、このインクジェットヘッド１０２に対してインクを供給するインクタンク１０３とを一体化したものである。
【００６１】
このように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とインクタンクとを一体化することにより、低コストで、安定した滴吐出を行うことのできる液滴吐出ヘッドを一体化したインクカートリッジ（インクタンク一体型ヘッド）が得られる。
【００６２】
次に、本発明に係る液滴吐出ヘッドを搭載したインクジェット記録装置の一例について図１７及び図１８を参照して説明する。なお、図１７は同記録装置の斜視説明図、図１８は同記録装置の機構部の側面説明図である。
【００６３】
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１１２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１１６に排紙する。
【００６４】
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１８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ヘッド（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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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１１３を案内するガイド部材１３３と、給紙された用紙１１３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１３４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。
【００６９】
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１４４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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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に係る液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドを搭載しているので、安定した滴吐出動作を行うことができ、画像品質が向上した記録装置を低コストで得ることができる。
【００７４】
次に、本発明に係る静電型アクチュエータを備えたマイクロデバイスであるマイクロポンプの一例について図１９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可動板２０４（ヘッドの可動板１１に相当する。）を設けている。そして、この可動板２０４には絶縁膜２０５を介して可動板２０４との間で静電力を発生するための電極２０７を複数個設けることで本発明に係る静電型アクチュエータを構成している。また、可動板２０４の電極側には凹部２０８を形成した保護基板２０２を接合している。
【００７５】
このマイクロポンプの動作原理を説明すると、前述したように電極２０７にパルス状電圧を印加することで可動板２０４との間に静電力が作用して、可動板２０４が同図に示すように電極側（面外方向）に撓むので、流路２０３容積が大きくなり流体が流れ込み、電極２０７へのパルス状電圧の印加を停止することで、可動板２０４が元の位置に復元して流体を押圧する。そこで、可動板２０４を図中右側から順次駆動する（変形させる）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。
【００７６】
なお、この実施形態では静電型アクチュエータ（可動板の変形可能部分）を複数設けた例を示したが、静電型アクチュエータは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。
【００７７】
このように本発明に係る静電型アクチュエータを備えることによって、低コストで、小型で、低消費電力で安定した信頼性の高い液体輸送動作を行うことができるマイクロポンプが得られる。
【００７８】
次に、本発明に係る静電型アクチュエータを備えたマイクロデバイスとしての光学デバイスの実施形態について図２０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、変形可能な可動板であるミラー３０１と保護基板３０２とを重ねて接合している。そして、このミラー３０３には絶縁膜３０５を介して可動板であるミラー３０１との間で静電力を発生するための電極３０７を複数個設けることで本発明に係る静電型アクチュエータを構成している。なお、ミラー３０１の表面に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ことが好ましい。また、ミラー３０１の電極側には凹部３０８を形成した保護基板３０２を接合している。
【００７９】
この光学デバイスの原理を説明すると、ミラー３０１の電極３０７に電圧を印加することで、ミラー３０１と電極３０７との間に静電力が発生して、ミラー３０１は電極３０７側に凹状に撓む。
【００８０】
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を駆動した場合はその駆動された部分が凹面ミラーとなるので反射光は散乱光となる。これにより、低コストで、小型で、低消費電力で安定した信頼性の高い動作を行うことができる光変調デバイスが得られる。
【００８１】
そこで、この光学デバイスを応用した例を図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３０１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、４×４の配列を示しているが、これ以上配列することも可能である。
【００８２】
したがって、前述した図２０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３０５に電圧を印加してミラー３０１を凹状に変形させているところは、光は散乱し投影用レンズ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。
【００８３】
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、静電型アクチュエータを備えるマイクロデバイスとしては、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。
【００８４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る静電型アクチュエータによれば、可動板と電極との間で静電力を発生させて可動板を変形させるので、低コストで安定した信頼性の高い動作を行うアクチュエータを得ることができる。
【００８５】
本発明に係る液滴吐出ヘッドによれば、本発明に係る静電型アクチュエータを圧力発生手段として備えているので、低コストで、安定した信頼性の高い滴吐出動作を行うヘッドが得られる。
【００８６】
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ので、高画質記録を行うことができる。
【００８７】
本発明に係るマイクロデバイスによれば、本発明に係る静電型アクチュエータを備えているので、小型で、低コストで、低い消費電力で、安定した信頼性の高い動作を行うことができるデバイスが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る静電型アクチュエータの第１実施形態を説明する説明図
【図２】図１の要部拡大説明図
【図３】同実施形態の電極の他の例を説明する要部拡大説明図
【図４】同アクチュエータの作用説明に供する可動板変位量と空隙幅の関係の一例を説明する説明図
【図５】同アクチュエータの作用説明に供する可動板変位量と電極数の関係の一例を説明する説明図
【図６】本発明に係る静電型アクチュエータの第２実施形態を説明する説明図
【図７】電極形状の説明に供する比較例の静電型アクチュエータの説明図
【図８】電極形状の説明に供する他の比較例の静電型アクチュエータの説明図
【図９】本発明に係る静電型アクチュエータの第３実施形態を説明する説明図
【図１０】本発明に係る静電型アクチュエータの第４実施形態を説明する説明図
【図１１】本発明に係る液滴吐出ヘッドの実施形態を説明する分解斜視説明図
【図１２】同ヘッドの可動板短辺方向に沿う断面説明図
【図１３】同ヘッドの製造工程の一例の説明に供する可動板短辺方向に沿う断面説明図
【図１４】図１３に続く工程を説明する断面説明図
【図１５】図１４に続く工程を説明する断面説明図
【図１６】本発明に係る液滴吐出ヘッドを備えたインクタンク一体型ヘッドの説明に供する斜視説明図
【図１７】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１８】同記録装置の機構部の説明図
【図１９】本発明に係る静電型アクチュエータを備えたマイクロデバイスとしてのマイクロポンプの例を説明する断面説明図
【図２０】本発明に係る静電型アクチュエータを備えたマイクロデバイスとしての光学デバイスの例を説明する断面説明図
【図２１】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
【符号の説明】
１…可動板、２…電極、３…絶縁膜、４…空隙、５…保護絶縁膜、６…保護基板、８…第２の空隙、１０…第１の基板、１１…可動板、１２…電極、１８…吐出室、１９…共通液室、２０…第２の基板、３０…第３の基板、３１…ノズル孔、１００…タンク一体型ヘッド（インクカートリッジ）、１２４…インクジェットヘッド、２０１…流路基板、２０３…流路、２０４…可動板、２０７…電極、
３０１…ミラー、３０５…可動板、３０７…電極。[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to an electrostatic actuator, a droplet discharge head, an ink jet recording apparatus, and a micro device.
[0002]
[Prior art]
An inkjet head, which is a droplet ejection head used in an image recording apparatus such as a printer, a facsimile, and a copying apparatus or an inkjet recording apparatus used as an image forming apparatus, includes a single or a plurality of nozzle holes for discharging ink droplets, and the nozzle holes. Are provided with a discharge chamber (also referred to as an ink chamber, a liquid chamber, a pressurized liquid chamber, a pressure chamber, an ink flow path, etc.) and a pressure generating means for generating a pressure for pressurizing the ink in the discharge chamber. Ink is ejected from the nozzle holes by pressurizing the ink in the ejection chamber with the pressure generated by the pressure generating means.
[0003]
The droplet discharge head includes, for example, a droplet discharge head that discharges a liquid resist as droplets, a droplet discharge head that discharges a DNA sample as droplets, and the like. .
[0004]
Microelectromechanical systems (microdevices) include, besides liquid droplet ejection heads, optical modulation devices used in optical switches and projectors, micropumps used in drug solution administration systems, and other microswitches (microrelays). ), Micro flow meters, pressure sensors, etc.
[0005]
By the way, as a droplet discharge head, a piezoelectric element that discharges ink droplets by deforming and displacing a diaphragm forming a wall surface of a discharge chamber using an electromechanical transducer such as a piezoelectric element as a pressure generating means (actuator). Type (piezoelectric type), thermal type in which ink droplets are ejected by generating bubbles by ink film boiling using an electrothermal transducer such as a heating resistor disposed in the ejection, and the wall of the ejection chamber There is an electrostatic type in which an ink droplet is ejected by deforming a vibration plate that forms the ink droplet by electrostatic force.
[0006]
In recent years, attention has been paid to thermal and electrostatic types which are lead-free due to environmental issues, and many electrostatic types which have little influence on the environment from the viewpoint of low power consumption in addition to lead-free have been proposed.
[0007]
As an electrostatic head including this electrostatic actuator, for example, as disclosed in JP-A-6-71882, a pair of electrodes is provided through a minute gap, and one electrode is used as a movable plate. The movable plate forms the wall surface of the liquid chamber, and an electrostatic attraction acts between the electrodes by applying a voltage to the electrode pair. The electrode (movable plate) is deformed. There is known a device that returns to an original state and discharges ink droplets using the force.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
In the above-mentioned electrostatic actuator, when the movable plate is displaced by 1/3 or more of the gap width, the electrostatic force exceeds the restoring force of the movable plate. There is a phenomenon of contact with the electrode.
[0009]
However, when the movable plate is brought into contact with the counter electrode, a residual charge is generated on the counter electrode or the insulating protective film on the movable plate. If the driving is continued as it is, the charge is accumulated and the movable plate is always bent. State, and finally the displacement of the movable plate is almost eliminated. As a method of removing the residual charge, there is a method of alternately changing the voltage polarity between the movable plate and the counter electrode every driving, but there is a problem that a driver cost increases.
[0010]
Furthermore, since the effect of surface force becomes large at the micro scale, there is also a problem that the movable plate contacted by the liquid cross-linking force due to the moisture in the air or the intermolecular force is not adsorbed to the counter electrode and is not restored to the original position. appear.
[0011]
On the other hand, the volume of ink droplet / the amount of deformation of the movable plate is mainly determined by the gap width (gap length) between the opposed electrodes and the area of the movable plate (short side width and long side width of the movable plate). Since the electrostatic force acting on the gap is inversely proportional to the square of the gap width, if the gap width is increased to increase the ink droplet volume / movable plate deformation, the electrostatic force is weakened and the displacement of the movable plate is reduced. Therefore, it is difficult to obtain sufficient displacement of the movable plate at a low voltage unless the above-described contact phenomenon between the movable plate and the counter electrode is used.
[0012]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above points, and has a low cost, a reliable electrostatic actuator capable of obtaining a stable operation, and a stable droplet discharge operation including the electrostatic actuator. It is another object of the present invention to provide a droplet discharge head capable of performing high-quality recording, an inkjet recording apparatus equipped with the droplet discharge head, and a micro device including the electrostatic actuator.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, an electrostatic actuator according to the present invention has a deformable movable plate and an electrode formed on the movable plate, and an electrostatic force generated between the movable plate and the electrode. And the movable plate is deformed.
[0014]
Here, the electrode preferably has a portion facing the movable plate via a gap, and this gap is preferably open. Preferably, the electrodes have an asymmetric shape. Further, a protective insulating film is preferably formed on the surface of the electrode. Furthermore, it is preferable that a protective substrate is joined to the movable plate on the side where the electrodes are provided. In this case, a minute gap is formed between the electrodes and the protective substrate, and a static gap is formed between the electrodes and the protective substrate. Preferably, it can generate power.
[0015]
The droplet discharge head according to the present invention has a configuration in which the means for generating pressure for pressurizing the liquid in the discharge chamber is the electrostatic actuator according to the present invention. Here, the movable plate of the electrostatic actuator is preferably grounded, and the head may have a structure in which an ink tank for supplying ink is integrated.
[0016]
An ink jet recording apparatus according to the present invention includes the droplet discharge head according to the present invention.
[0017]
The micro device according to the present invention transports a liquid by the electrostatic actuator according to the present invention. Further, the micro device according to the present invention changes the light reflection direction by the electrostatic actuator according to the present invention.
[0018]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. First, a first embodiment of an electrostatic actuator according to the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is an explanatory view of a movable part for explaining the actuator, and FIG. 2 is an enlarged explanatory view of a main part of the actuator.
In this actuator, an intermediate insulating film 3 is formed on a movable plate 1, and a large number of key-shaped electrodes 2 having a support 2a and an opposing portion 2b integrated with the support 2a are arranged on the intermediate insulating film 3. A gap 4 is opened between the movable plate 1 and the opposing portion 2 b of the electrode 2, which is a portion facing the movable plate 1, only one of which is open in the direction in which the electrodes 2 are arranged (the left-right direction in the figure). .
[0019]
The movable plate 1 is made of a conductive material, and is formed by depositing polysilicon or a metal material by a thin film forming method such as sputtering, CVD, or vapor deposition, using a silicon active layer of an SOI substrate as a movable plate, The silicon substrate in which boron is diffused can be formed by stopping etching with an aqueous solution of potassium hydroxide or the like. However, in order to suppress the bending of the movable plate 1 due to the film stress, it is preferable to form the movable plate 1 with a film having a tensile stress.
[0020]
The intermediate insulating film 3 only needs to have a film thickness having a withstand voltage of a driving voltage of several tens of volts, and silicon oxide, silicon nitride, or the like can be used. However, also here, a film having a tensile stress like the movable plate 1 is preferable, and it is preferable to use a silicon nitride film. Further, since this silicon nitride has a relatively large relative dielectric constant of 6, the effective electric gap between the electrode 2 and the movable plate 1 becomes small, so that the electrostatic force becomes large.
[0021]
The plurality of key-shaped electrodes 2 are arranged such that the center a of the movable plate 1 is symmetrical and the tip of the facing portion 2b is directed to the center a of the movable plate 1 here. The electrode 2 can be made of a conductive material such as polysilicon or metal.
[0022]
In particular, when the electrode 2 is formed of polysilicon, when the protective insulating film 5 is formed on the surface of the electrode 2 to prevent a short circuit of the electrode 2 due to dust or the like as shown in FIG. Then, the protective insulating film 5 can be formed.
[0023]
In addition, since the oxidation of silicon forms an oxide film about twice the thickness of consumed silicon, the gap 4 between the electrode 2 and the movable plate 1 can be formed narrower. For example, if the surface of the polysilicon electrode is oxidized by 0.1 μm with a gap of 0.1 μm, the width of the gap 4 becomes 0.05 μm and the relative dielectric constant of the oxide film is about 4, so that the gap between the electrode 2 and the movable plate 1 is The effective gap can be reduced to about 0.075 μm.
[0024]
Furthermore, when the width of each electrode 2 is reduced, the electrode thickness can be reduced in terms of electrode rigidity, and the manufacturing cost can be reduced.
[0025]
In this actuator configured as described above, by applying a voltage between the movable plate 1 and each electrode 2, an electrostatic force is generated between the movable plate 1 and the opposing portion 2 b of each electrode 2. The electrode 2 and the movable plate 1 attract each other, and their displacements are connected, so that the entire movable plate 1 is largely bent toward the electrode 2.
[0026]
Here, a specific example will be described.
(Example 1)
Referring to FIG. 2, movable plate 1 is made of polysilicon to have a thickness H1 = 0.5 μm and width L1 = 64 μm, intermediate insulating film 3 is made of silicon nitride to have a thickness H2 = 0.1 μm, and electrode 2 is made of polysilicon. And height H3 = 0.5 μm, electrode interval L2 = 2 μm, electrode base width L3 = 0.5 μm, interelectrode space L4 = 0.5 μm, and symmetrically formed 30 pieces from the center of the movable plate 1, and intermediate with the electrode 2 The width H4 of the gap 4 between the insulating films 3 is made four levels of 0.05 to 0.15 μm, and a high frequency voltage of 30 V is applied between the electrode and the movable plate to displace the center of the movable plate 1 by laser Doppler displacement. It was measured with a meter. FIG. 4 shows the measurement results.
[0027]
As a result, by reducing the width H4 of the gap 4, the electrostatic force is increased, and a movable plate displacement larger than the gap width is obtained. When the gap width is 0.05 μm, a movable plate displacement of 0.16 μm is obtained. It was confirmed.
[0028]
(Example 2)
In the configuration of the first embodiment, an actuator is manufactured in which the gap width H4 is set to 0.05 μm and the number of electrodes is changed from 4 to 30 from the center of the movable plate 1, and the change of the displacement of the movable plate is similarly performed for each actuator. Measured. This result is shown in FIG.
[0029]
From this, it was confirmed that the displacement of the movable plate 1 increased as the number of the electrodes 2 increased, and the deflection of the movable plate 1 due to the individual electrodes 2 was accumulated, so that a large displacement was obtained in the entire movable plate 1. .
[0030]
However, it can be seen that the displacement is almost equal to the displacement when the number of electrodes is 20 (about 2/3 of the width of the movable plate) and 30 (the whole surface), and the electrodes are saturated. Thus, for example, when the electrostatic actuator uses only the deformed shape of the movable plate 1 such as an optical device as described later, it is not necessary to form the electrode 2 on the entire surface of the movable plate 1 and the Power can be further reduced. On the other hand, when pressure needs to be transmitted to the liquid as in the case of a micropump or an ink jet head, increasing the number of electrodes increases the area of the electrode joining portion of the movable plate 1, thereby increasing the rigidity of the movable plate 1. As a result, the pressure generated by restoring the movable plate 1 can be increased with the same displacement of the movable plate.
[0031]
Next, a second embodiment of the electrostatic actuator according to the present invention will be described with reference to FIG.
In this actuator, the plurality of hook-shaped electrodes 2 are arranged such that the center a of the movable plate 1 is symmetrical, and the tip of the opposing portion 2b faces the opposite side (the end side of the movable plate 1) here. It is arranged in the direction. Also in this case, the gap 4 formed between the opposing portion 2b of the electrode 2 and the movable plate 1 has a configuration in which only one is opened in the arrangement direction of the electrodes 2 (the left-right direction in the figure).
[0032]
This actuator is formed so as to have the same dimensions as the configuration of Example 1 except that the gap width H4 is 0.05 μm, and the electrode shape is outward. When a voltage of 30 V is applied, the electrode 2 is formed. It was confirmed that a displacement of the movable plate 1 of 0.13 μm was obtained in the direction in which the movable plate 1 was moved.
[0033]
In each of these embodiments, the gap 4 formed between the opposing portion 2b of the electrode 2 and the movable plate 1 has an asymmetric shape in which only one of the electrodes 2 in the arrangement direction is open. For comparison with these embodiments, as shown in FIG. 7, the individual electrodes 2 are formed in a T-shaped symmetrical shape (having two voids 4 that are open in both electrode arrangement directions), and As shown in FIG. 8, the operation was confirmed in a case where the electrode 2 was formed in a U-shaped symmetrical shape (having a closed space 4 in both electrode arrangement directions). In the actuators shown in FIGS. 7 and 8, the movable plate 1 was only deformed in a wavy manner, and almost no displacement of the entire movable plate 1 was observed.
[0034]
Therefore, by forming the electrode 2 in an asymmetric shape, a required movable plate displacement can be obtained.
[0035]
Next, a third embodiment of the electrostatic actuator according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3 is an explanatory sectional view of the actuator.
In this actuator, a protection substrate 6 in which a concave portion 7 is formed by a spacer portion 6a on the surface of the movable plate 1 on which the electrode 2 is formed is joined. The protective substrate 6 and the spacer 6a may be integrated or separate. Further, as the protective substrate 6, a substrate made of glass, metal, silicon, resin, ceramics, or the like can be used.
[0036]
By providing the protective substrate 6 in this manner, damage to the electrodes 2 and malfunction of the actuator can be prevented. That is, the gap 4 between the electrode 2 and the movable plate 1 is very small, and when dust or water drops in the air enters, the displacement of the movable plate 1 and the electrode 2 is hindered, resulting in malfunction. Further, since the movable plate 1 and the electrode 2 are also formed on the order of submicrons, they are easily damaged. Therefore, by bonding the protective substrate 6 to the surface on which the electrode 2 is formed, the electrode surface is prevented from directly contacting the working surface during the process, and the dust between the electrode 2 and the movable plate 1 is reduced. -Water and the like can be prevented from entering, and a highly reliable and stable operation can be obtained.
[0037]
Next, a fourth embodiment of the electrostatic actuator according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3 is an explanatory sectional view of the actuator.
In this actuator, as in the third embodiment, the protection substrate 6 having the concave portion 7 formed by the spacer portion 6a on the side of the movable plate 1 on which the electrode 2 is formed is joined to the actuator. The gap length (width of the second gap 8) with the electrode 2 is set to a width at which an electrostatic force is generated when a voltage is applied between the protective substrate 6 and the electrode 2, for example, 1 μm or less. An insulating film 9 is formed on the surface of the protective substrate 6 on the electrode 2 side.
[0038]
With such a configuration, as shown in the figure, when the movable plate 1 and the protection substrate 6 are grounded, respectively, and a pulse-like drive voltage is applied from the drive circuit V to the electrode 2, the facing portion 2 b of the electrode 2 The movable plate 1 is bent as a whole due to an electrostatic force acting between the movable plate 1 and the movable plate 1, and the electrostatic force also acts between the electrode 2 and the protection substrate 6. Is bent, and a large displacement of the movable plate can be obtained.
[0039]
In the configuration in which the movable plate displacement of 0.16 μm is obtained in Example 1 described above, when the width of the second gap 8 between the protective substrate 6 and the electrode 2 is set to 0.7 μm, the protective substrate 6 and the movable plate When the potential of No. 1 was dropped to the ground and a voltage of 30 V was applied only to the electrode 2, it was confirmed that the movable plate displacement increased from 0.16 μm to 0.3 μm.
[0040]
Next, a droplet discharge head according to the present invention using the electrostatic actuator according to the present invention as pressure generating means will be described with reference to FIGS. FIG. 11 is an exploded perspective view of the same head, partially shown in a sectional view. This embodiment shows an example of a side shooter type in which an ink droplet is ejected from a nozzle hole provided in a surface portion of a substrate. FIG. 12 is a cross-sectional view of the entire apparatus assembled, and shows only one discharge chamber for convenience.
[0041]
This head has a laminated structure in which three first substrates 10, second substrates 20, and third substrates 30 having the following structure are stacked and joined.
The intermediate first substrate 10 is a silicon substrate, and has a discharge chamber 18 whose bottom wall is a movable plate 11 and a common liquid chamber 19 for supplying ink to each discharge chamber 18. The plurality of electrodes 12 are formed on the lower surface of the movable plate 11 as described above, and the movable plate 11 and the electrodes 12 are electrically separated by the insulating film 13, and between the electrode 12 and the movable plate 11. A space 14 is formed, and an insulating protective film 15 is formed on the surface of the electrode 12.
[0042]
The second substrate 20 bonded to the lower surface of the first substrate 10 is the protection substrate described in the third embodiment of the above-described electrostatic actuator, and is provided on the movable plate 11 and the electrode 12 of the first substrate 10. A recess 25 is formed correspondingly.
[0043]
The provision of the second substrate 20 prevents breakage of the electrodes 12 and the movable plate 11 and intrusion of dust and moisture in the air during manufacture of the droplet discharge head or when mounting the device on an ink jet printer, for example. I have. In the case of a droplet discharge head, the first substrate 10 in which the discharge chamber 18 is formed is preferably formed to be 100 μm or less from the viewpoint of ink discharge efficiency. It is easy to handle, but the second substrate 20, which is a protection substrate having a certain strength, can be easily handled during manufacturing.
[0044]
As the third substrate 30 bonded to the upper surface of the first substrate 10, a nickel substrate having a thickness of 50 μm is used, and a nozzle hole 31 and a common liquid are provided on the surface of the substrate 30 so as to communicate with the discharge chamber 19. A groove 32 serving as a fluid resistance for communicating the chamber 19 with the ejection chamber 18 is provided, and an ink supply port 33 is provided so as to communicate with the common ink chamber 19.
[0045]
The operation of the droplet discharge head configured as described above will be described. When a pulse voltage of 0 V to 30 V is applied to the electrode 12 by an oscillating circuit, an electrostatic force acts between the movable plate 11 and the electrode 12 to bend the movable plate 11 upward (toward the electrode 12), and the inner volume of the discharge chamber 18 is reduced. When the application of the pulse voltage is stopped from this state, the electrostatic force between the movable plate 11 and the electrode 12 disappears, and the movable plate 11 is restored. Then, the pressure in the discharge chamber 18 rapidly rises, and the ink droplets are discharged from the nozzle holes 31 toward the recording paper.
[0046]
Since the head includes the electrostatic actuator according to the present invention, stable operation (droplet ejection) can be performed.
[0047]
In the droplet discharge head, the movable plate 11 is preferably electrically grounded at a potential of 0 volt. When a potential is applied to the movable plate 11, a current flows through the ink at the ground potential, causing a problem that the pigment component constituting the ink aggregates and the movable plate 11 elutes violently. When a potential is applied to the movable plate 11, another ground conductive layer may be formed between the charge application portion and the ink portion, but this increases the manufacturing cost.
[0048]
Further, when a silicon-based thin film is used for the movable plate 11, the film is eluted with alkaline ink, so that a film having ink resistance such as a polyimide film is formed on the ink contact surface of the movable plate. Is preferred.
[0049]
Next, an example of a manufacturing process of the head will be described with reference to FIGS.
First, as shown in FIG. 13A, a 400 μm-thick silicon substrate 41 having a plane orientation of (110) is used as a base substrate, and a silicon layer having a (100) plane orientation of 0. An SOI (Silicon on Insulator) wafer 40 formed by bonding an active layer 43 of 5 μm is prepared.
[0050]
Then, as shown in FIG. 3B, a silicon nitride film 44 serving as an insulating film between the movable plate and the electrode is formed on the active layer 43 to a thickness of 0.1 μm by LP-CVD. Since the silicon nitride film 44 has a tensile film stress, the movable plate does not bend. Further, after a silicon oxide film 45 serving as a sacrificial layer for forming a gap between the electrode and the movable plate is formed on the surface of the silicon nitride film 44 by plasma CVD, a polysilicon layer 46a for forming an electrode is formed by thermal CVD. A film having a thickness of 0.5 μm is formed.
[0051]
Next, as shown in FIG. 3C, a resist pattern is formed on the polysilicon layer 46 by photolithography, and the polysilicon layer 46 is etched by dry etching to form a groove 47 serving as a pole portion of the electrode and an electrode interval. A groove 48 is formed. At this time, the silicon oxide film 45 forms an etching stop layer. Subsequently, the silicon oxide film 45 in the dry etching portion is removed with an aqueous solution of hydrogen fluoride.
[0052]
Thereafter, as shown in FIG. 3D, a polysilicon layer 46b is formed again to fill the groove 47.
[0053]
Then, as shown in FIG. 14A, dry etching is performed again to remove the polysilicon layer 46b formed for the second time. At this time, the polysilicon 46b buried in the narrow groove 47 remains without being etched.
[0054]
Next, as shown in FIG. 2B, the silicon oxide film 45 between the polysilicon layer 46a and the silicon nitride film 44 is removed with hydrogen fluoride, so that the pillar portion 12a made of polysilicon is opposed. And an electrode 12 having a portion 12b and a gap 14 formed between the facing portion 12b and the silicon nitride film 44. Subsequently, the surface of the polysilicon is thermally oxidized by 0.05 μm to form an insulating protective film 15.
[0055]
Thereafter, as shown in FIG. 3C, a BSG film is formed to a thickness of 0.1 μm on the silicon substrate 52 which is a protection substrate in which the thermal oxide film 26 is formed on the concave portion 25 and the surface in advance. After the SOI substrate 40 on which the electrodes 12 are formed is pre-bonded at room temperature, a heat treatment is performed at 1000 ° C. for 2 hours to perform bonding.
[0056]
Next, as shown in FIG. 15A, the base substrate 41 is polished to a thickness of 100 μm by a polishing method such as polishing or grinding. Thereafter, a silicon nitride film 53 serving as a mask for potassium hydroxide etching is formed by LP-CVD. A resist pattern having a shape such as the discharge chamber 18 or the common liquid chamber 19 is obtained on the silicon nitride film 53, and the silicon nitride film 53 at the opening of the resist is removed by dry etching, followed by removing the resist. Then, a mask pattern of the silicon nitride film 53 is obtained.
[0057]
Thereafter, as shown in FIG. 2B, the opening of the silicon nitride film 53 is etched with, for example, a 25 wt% aqueous solution of potassium hydroxide at 80 ° C. to form the discharge chamber 18. When the etching reaches the oxide film 42, the etching is stopped because the oxide film 42 is hardly etched. Here, since a silicon wafer of the (110) plane is used for the base substrate 41, a vertical wall of the (111) plane is formed by anisotropic etching with potassium hydroxide. Since a vertical wall is obtained by using a wafer having the (110) plane, the discharge chambers can be arranged at a high density.
[0058]
Here, an aqueous solution of potassium hydroxide was used for etching, but an alkaline solution such as TMAH (tetramethylammonium hydroxide solution), EDP (ethylenediamine pyrocatechol), and lithium hydroxide may be used.
[0059]
Then, the exposed portions of the oxide film 42 of the silicon nitride film 53 are removed with hydrofluoric acid or the like using hot phosphoric acid, hydrofluoric acid, or the like. Thus, the movable plate 11 including the active layer 43 is formed. Thereafter, as shown in FIG. 2C, the nozzle plate (third substrate) 30 is joined to complete the head.
[0060]
Next, an ink cartridge (an ink tank integrated type head) in which a droplet discharge head according to the present invention is integrated with an ink tank will be described with reference to FIG.
The ink cartridge 100 integrates the ink jet head 102 having any one of the above-described embodiments having the nozzle holes 101 and the like, and the ink tank 103 that supplies ink to the ink jet head 102.
[0061]
As described above, by integrating the ink jet head, which is the droplet discharge head according to the present invention, with the ink tank, an ink cartridge (integrated with a droplet discharge head capable of performing stable droplet discharge at low cost) An ink tank integrated head) is obtained.
[0062]
Next, an example of an ink jet recording apparatus equipped with a droplet discharge head according to the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 17 is a perspective view of the recording apparatus, and FIG. 18 is a side view of a mechanism of the recording apparatus.
[0063]
The inkjet recording apparatus includes a carriage movable in the main scanning direction inside the recording apparatus main body 111, a recording head including the inkjet head according to the present invention mounted on the carriage, an ink cartridge for supplying ink to the recording head, and the like. A paper cassette (or a paper tray) 114 capable of loading a large number of sheets 113 from the front side is detachably attached to a lower portion of the apparatus main body 111. The manual feed tray 115 for manually feeding the paper 113 can be opened, and the paper 113 fed from the paper feed cassette 114 or the manual feed tray 115 is taken in. After the image is recorded, the sheet is discharged to a sheet discharge tray 116 mounted on the rear side.
[0064]
The printing mechanism 112 holds the carriage 123 slidably in the main scanning direction (the direction perpendicular to the paper of FIG. 18) by a main guide rod 121 and a sub guide rod 122, which are guide members that are laterally mounted on left and right side plates (not shown). On the carriage 123, a head 124 composed of an inkjet head, which is a droplet discharge head according to the present invention, which discharges ink droplets of each color of yellow (Y), cyan (C), magenta (M), and black (Bk). Are arranged in a direction intersecting the main scanning direction with a plurality of ink ejection ports, and are mounted with the ink droplet ejection direction facing downward. Each ink cartridge 125 for supplying each color ink to the head 124 is exchangeably mounted on the carriage 123. The head-integrated head (ink cartridge) according to the present invention may be mounted.
[0065]
The ink cartridge 125 has an upper air port that communicates with the atmosphere, a lower supply port for supplying ink to the inkjet head, and a porous body filled with ink inside. Maintains the ink supplied to the inkjet head at a slight negative pressure.
[0066]
Further, although the heads 124 of each color are used as the recording heads here, a single head having nozzles for ejecting ink droplets of each color may be used.
[0067]
Here, the carriage 123 is slidably fitted on the main guide rod 121 on the rear side (downstream side in the paper conveyance direction), and is slidably mounted on the front guide rod 122 on the front side (upstream side in the paper conveyance direction). are doing. In order to move and scan the carriage 123 in the main scanning direction, a timing belt 130 is stretched between a drive pulley 128 and a driven pulley 129 which are driven to rotate by a main scanning motor 127. , And the carriage 123 is reciprocally driven by forward and reverse rotation of the main scanning motor 127.
[0068]
On the other hand, in order to convey the paper 113 set in the paper feed cassette 114 to the lower side of the head 124, the paper 113 is guided by a paper feed roller 131 and a friction pad 132 for separating and feeding the paper 113 from the paper feed cassette 114. A guide member 133, a transport roller 134 that transports the fed paper 113 in a reversed state, a transport roller 135 pressed against the peripheral surface of the transport roller 134, and a leading end that defines an angle at which the paper 113 is fed from the transport roller 134. A roller 136 is provided. The transport roller 134 is driven to rotate by a sub-scanning motor 137 via a gear train.
[0069]
Further, an image receiving member 139 is provided as a paper guide member for guiding the paper 113 sent from the transport roller 134 below the recording head 124 in accordance with the movement range of the carriage 123 in the main scanning direction. On the downstream side of the printing receiving member 139 in the paper transport direction, there are provided a transport roller 141 and a spur 142 which are driven to rotate to transport the paper 113 in the paper discharge direction. Rollers 143 and spurs 144 and guide members 145 and 146 forming a paper discharge path are provided.
[0070]
At the time of recording, the recording head 124 is driven in accordance with an image signal while moving the carriage 123, thereby ejecting ink to the stopped paper 113 to record one line, and after transporting the paper 113 by a predetermined amount, Record the line. Upon receiving a recording end signal or a signal indicating that the rear end of the sheet 113 has reached the recording area, the recording operation is terminated and the sheet 113 is discharged.
[0071]
In addition, a recovery device 147 for recovering the ejection failure of the head 124 is disposed at a position outside the recording area on the right end side in the moving direction of the carriage 123. The recovery device 147 has a cap unit, a suction unit, and a cleaning unit. The carriage 123 is moved to the recovery device 147 side during printing standby, the head 124 is capped by the capping means, and the ejection port is kept in a wet state, thereby preventing ejection failure due to ink drying. In addition, by discharging ink that is not related to printing during printing or the like, the ink viscosity of all the discharge ports is kept constant, and stable discharge performance is maintained.
[0072]
In the event of a discharge failure, for example, the discharge port (nozzle) of the head 124 is sealed by a capping unit, and air bubbles and the like are sucked out of the discharge port by a suction unit through a tube, and ink or dust adhered to the discharge port surface. Is removed by the cleaning means, and the ejection failure is recovered. The sucked ink is discharged to a waste ink reservoir (not shown) provided at a lower portion of the main body, and is absorbed and held by an ink absorber inside the waste ink reservoir.
[0073]
As described above, since the inkjet recording apparatus is equipped with the inkjet head which is the droplet ejection head according to the present invention, a stable droplet ejection operation can be performed, and the recording apparatus with improved image quality can be manufactured at low cost. Can be obtained at
[0074]
Next, an example of a micropump which is a microdevice including the electrostatic actuator according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3 is an explanatory cross-sectional view of a main part of the micropump.
The micropump has a laminated structure in which a flow path substrate 201 and a protection substrate 202 are overlapped and joined, and a flow path 203 through which a fluid flows is formed in the flow path substrate 201, and one wall surface of the flow path 203 is formed. A deformable movable plate 204 to be formed (corresponding to the movable plate 11 of the head) is provided. The movable plate 204 is provided with a plurality of electrodes 207 for generating an electrostatic force between the movable plate 204 and the movable plate 204 via the insulating film 205 to constitute an electrostatic actuator according to the present invention. A protective substrate 202 having a concave portion 208 formed thereon is joined to the electrode side of the movable plate 204.
[0075]
The principle of operation of this micropump will be described. As described above, by applying a pulsed voltage to the electrode 207, an electrostatic force acts between the movable plate 204 and the movable plate 204 as shown in FIG. Since the fluid flows toward the side (out-of-plane direction), the volume of the channel 203 increases, and the fluid flows in, and the application of the pulse-like voltage to the electrode 207 is stopped. Press. Therefore, by sequentially driving (deforming) the movable plate 204 from the right side in the drawing, the fluid in the flow path 203 flows in the direction of the arrow, and the fluid can be transported.
[0076]
In this embodiment, an example is shown in which a plurality of electrostatic actuators (deformable portions of the movable plate) are provided, but one electrostatic actuator may be provided. In addition, one or more valves, for example, a check valve or the like can be provided between the movable parts to increase the transportation efficiency.
[0077]
As described above, by providing the electrostatic actuator according to the present invention, a micropump that can perform a stable and highly reliable liquid transport operation with low cost, small size, low power consumption, and the like can be obtained.
[0078]
Next, an embodiment of an optical device as a micro device including the electrostatic actuator according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of the device.
In this optical device, a mirror 301 which is a deformable movable plate and a protective substrate 302 are overlapped and joined. The mirror 303 is provided with a plurality of electrodes 307 for generating an electrostatic force between the mirror 303 and the movable plate 301 via the insulating film 305 to constitute the electrostatic actuator according to the present invention. I have. It is preferable to form a dielectric multilayer film or a metal film on the surface of the mirror 301 to increase the reflectance. A protection substrate 302 having a concave portion 308 is joined to the electrode side of the mirror 301.
[0079]
Explaining the principle of this optical device, when a voltage is applied to the electrode 307 of the mirror 301, an electrostatic force is generated between the mirror 301 and the electrode 307, and the mirror 301 is bent toward the electrode 307 in a concave shape.
[0080]
Therefore, when the light from the light source 310 irradiates the mirror 301 via the lens 311, when the mirror 301 is not driven, the light is reflected at the same angle as the incident angle, but when the mirror 301 is driven, the mirror 301 is driven. Since the portion becomes a concave mirror, the reflected light becomes scattered light. As a result, an optical modulation device that is low in cost, small in size, low in power consumption, and capable of performing stable and highly reliable operation can be obtained.
[0081]
Therefore, an example in which this optical device is applied will be described with reference to FIG. In this example, the above-described optical devices are arranged two-dimensionally, and each mirror 301 is driven independently. Although a 4 × 4 arrangement is shown here, more arrangements are possible.
[0082]
Therefore, similarly to FIG. 20 described above, the light from the light source 310 is applied to the mirror 301 via the lens 311, and the light that enters the place where the mirror 301 is not driven enters the projection lens 312. On the other hand, where a voltage is applied to the electrode 305 to deform the mirror 301 into a concave shape, the light is scattered and hardly enters the projection lens 312. The light incident on the projection lens 312 is projected on a screen (not shown) or the like, and an image can be displayed on the screen.
[0083]
In the above embodiment, an example in which the droplet discharge head is applied to an inkjet head has been described. However, as a droplet discharge head other than the inkjet head, for example, a droplet discharge head that discharges a liquid resist as a droplet, a DNA The present invention can be applied to other droplet discharge heads such as a droplet discharge head that discharges the sample as droplets. In addition to micro pumps and optical devices (optical modulation devices), micro switches (micro relays), multi-optical lens actuators (optical switches), micro flow meters, pressure sensors, as well as micro pumps and optical devices (optical modulation devices). It can also be applied to such as.
[0084]
【The invention's effect】
As described above, according to the electrostatic actuator according to the present invention, since the movable plate is deformed by generating an electrostatic force between the movable plate and the electrode, stable and reliable operation at low cost is achieved. It is possible to obtain an actuator that performs the operation.
[0085]
According to the droplet discharge head according to the present invention, since the electrostatic actuator according to the present invention is provided as the pressure generating means, a head that performs a stable and reliable droplet discharge operation at low cost can be obtained.
[0086]
The inkjet recording apparatus according to the present invention has a configuration in which the inkjet head that ejects ink droplets is the droplet ejection head according to the present invention, so that high-quality recording can be performed.
[0087]
According to the micro device according to the present invention, since the micro device according to the present invention includes the electrostatic actuator according to the present invention, a device that is small, can be operated at low cost, consumes low power, and performs stable and reliable operation can be provided. can get.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram illustrating a first embodiment of an electrostatic actuator according to the present invention.
FIG. 2 is an enlarged explanatory view of a main part of FIG. 1;
FIG. 3 is an enlarged explanatory view of a main part explaining another example of the electrode of the embodiment.
FIG. 4 is an explanatory diagram illustrating an example of a relationship between a displacement amount of a movable plate and a gap width for explaining the operation of the actuator.
FIG. 5 is an explanatory diagram for explaining an example of the relationship between the amount of displacement of a movable plate and the number of electrodes for explaining the operation of the actuator
FIG. 6 is an explanatory view illustrating a second embodiment of the electrostatic actuator according to the present invention.
FIG. 7 is an explanatory view of an electrostatic actuator of a comparative example for explaining the shape of an electrode.
FIG. 8 is an explanatory view of an electrostatic actuator of another comparative example for explaining the shape of an electrode.
FIG. 9 is an explanatory view illustrating a third embodiment of the electrostatic actuator according to the present invention.
FIG. 10 is an explanatory view illustrating a fourth embodiment of the electrostatic actuator according to the present invention.
FIG. 11 is an exploded perspective view illustrating an embodiment of a droplet discharge head according to the present invention.
FIG. 12 is an explanatory cross-sectional view of the head along a short side direction of a movable plate.
FIG. 13 is an explanatory cross-sectional view taken along a short side direction of a movable plate for explaining an example of a manufacturing process of the head.
FIG. 14 is an explanatory sectional view illustrating a step following FIG. 13;
FIG. 15 is an explanatory sectional view illustrating a step following FIG. 14;
FIG. 16 is a perspective explanatory view for explaining an ink tank integrated type head including a droplet discharge head according to the present invention;
FIG. 17 is a perspective explanatory view illustrating an example of an ink jet recording apparatus according to the present invention.
FIG. 18 is an explanatory diagram of a mechanism of the recording apparatus.
FIG. 19 is an explanatory cross-sectional view illustrating an example of a micropump as a microdevice provided with the electrostatic actuator according to the present invention.
FIG. 20 is an explanatory cross-sectional view illustrating an example of an optical device as a micro device including the electrostatic actuator according to the present invention.
FIG. 21 is an explanatory perspective view illustrating an example of a light modulation device using the optical device.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Movable plate, 2 ... Electrode, 3 ... Insulating film, 4 ... Void, 5 ... Protective insulating film, 6 ... Protective substrate, 8 ... Second gap, 10 ... First substrate, 11 ... Movable plate, 12 ... Electrodes, 18: discharge chamber, 19: common liquid chamber, 20: second substrate, 30: third substrate, 31: nozzle hole, 100: tank integrated head (ink cartridge), 124: inkjet head, 201 ... Flow path substrate, 203: flow path, 204: movable plate, 207: electrode,
301: mirror, 305: movable plate, 307: electrode.
