JP2004255614A

JP2004255614A - 液滴吐出ヘッド及びアクチュエータ

Info

Publication number: JP2004255614A
Application number: JP2003046312A
Authority: JP
Inventors: Yoichiro Miyaguchi; 耀一郎宮口
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2003-02-24
Filing date: 2003-02-24
Publication date: 2004-09-16

Abstract

【課題】大きな機械的駆動力が得られる無鉛アクチュエータがない。
【解決手段】圧力室１の壁面を形成する振動板を金属薄膜１１及び１２からなる薄膜バイメタル３で構成し、薄膜バイメタル３を構成する金属薄膜１１，１２の一方はヒータとして、圧力室１に対応する形状にパターン加工し、バイメタル異種材料による熱膨張係数の違いによって、薄膜バイメタル３を屈曲させ、その変位量でアクチエータ駆動力を発生させ、液滴を吐出させる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は液滴吐出ヘッド及びアクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
インクジェットヘッドなどの液滴吐出ヘッド、マイクロポンプ、マイクロ光変調デバイス、光スイッチなどの光学デバイス、マイクロスイッチ（マイクロリレー）、マイクロ流量計、圧力センサ、マイクロモータなどの各種マイクロデバイスにおいては、マイクロアクチュエータが用いられる。
【０００３】
例えば、プリンタ、ファクシミリ、複写装置、プロッタ等の画像記録装置（画像形成装置）として用いるインクジェット記録装置に使用するインクジェットヘッドでは、インク流路内のインクを加圧するエネルギーを発生するアクチュエータ手段として振動板を変形させる圧電素子などの圧電型アクチュエータや静電型アクチュエータが用いられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、機械的駆動を行うことができるアクチュエータとしては、上述したようなＰＺＴを主体とする圧電型アクチュエータや静電力を用いる静電型アクチュエータがあるが、前者の圧電型アクチュエータは鉛を含むＰＺＴが主体であり、また後者の静電型アクチュエータは発生できる駆動力がさほど大きくないという課題がある。
【０００５】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、十分な滴吐出特性が得られる新規な液滴吐出ヘッド及びアクチュエータを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明に係る液滴吐出ヘッドは、液室の壁面を形成する振動板が薄膜バイメタルで構成されている構成とした。
【０００７】
本発明に係る液滴吐出ヘッドは、液室の壁面を形成する振動板を無機材料で形成し、この無機材料の外面側に薄膜バイメタルを設けた構成とした。
【０００８】
これらの薄膜バイメタルを備える本発明に係る液滴吐出ヘッドにおいては、１つの層の厚みが対となる層の厚みの５０〜１５０％の範囲内にあることが好ましい。また、薄膜バイメタルを構成する層間に絶縁膜を介在し、いずれか１つの層が液室に対応してパターン化されていることが好ましい。さらに、薄膜バイメタルを構成するいずれか１つの層がパターン化され、このいずれか１つの層の液室に対応する部分以外の領域には層間に絶縁膜が介在されていることが好ましい。
【０００９】
また、薄膜バイメタルの構成する層のうちの液体に接する層は金属不動態形成材料又は液体に対する不溶金属から形成されていることが好ましい。さらに、薄膜バイメタルの構成する層のうちの液体に接する層の表面は液体に対する不溶性を有する保護膜で被覆されていることが好ましい。
【００１０】
本発明に係る液滴吐出ヘッドは、無機エレクトレット層と薄膜金属加熱パターンとを積層したアクチュエータ手段を有する構成とした。
【００１１】
本発明に係る液滴吐出ヘッドは、無機エレクトレット層と薄膜バイメタルとを積層したアクチュエータ手段を有する構成とした。
【００１２】
本発明に係るアクチュエータは、変形可能な部材が無機エレクトレット層と薄膜金属加熱パターンとを積層してなる構成とした。
【００１３】
本発明に係るアクチュエータは、変形可能な部材が無機エレクトレット層と薄膜バイメタルとを積層してなる構成とした。
【００１４】
【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、図１を参照して本発明に液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドの第１実施形態について説明する。なお、同図は同ヘッドの要部断面説明図である。
【００１５】
このインクジェットヘッドは、液室である圧力室１の隔壁を形成する隔壁部材２と、圧力室１の壁面を形成する変形可能な部材である振動板を兼ねた薄膜バイメタル３と、圧力室１の他方の壁面を形成する部材を兼ねたノズル板４とを有し、薄膜バイメタル（振動板）３を変形させることで圧力室１内のインクを加圧してノズル５から液滴（インク滴）６を吐出させる。
【００１６】
ここで、薄膜バイメタル３は熱膨張係数が大きく異なる２以上の薄膜（ここでは、２つの金属膜１１，１２）を貼り合せたものである。薄膜バイメタル３を構成する金属膜１１，１２の一方はヒータ（加熱電極：ＥＬ）となり、圧力室１形状に対応する形状にパターン加工している（ヒートパターンとしている）。
【００１７】
薄膜バイメタル３を構成する金属膜１１、１２として使用可能な金属または合金は、加熱酸化が小さな特性があり、結晶構造が使用温度範囲で変化が少ない材料、剛性が適当であること、内部応力で結晶変化や脆化が起こりにくいものが好ましく、より好ましくは半導体ホトリソ技術が精度良く実施できて微細加工が可能であることである。
【００１８】
例えば、Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｍｏ，Ｒｈ，ＰＤ，Ｐｔ，Ａｕ等は単体での貼り合わせでも用いることができる。剛性向上と耐食性向上更に電気抵抗上昇のため、Ｆｅ８０Ｂ２０，Ｆｅ８０Ｐ２０，Ｃｏ８０Ｂ２０，Ｎｉ８０Ｐ２０，など金属：非金属の合金があり、またＦｅ９０Ｚｒ１０，Ｃｏ６０Ｚｒ４０、など高剛性と非晶質金属合金等、信頼性（寿命）向上材料がある。
【００１９】
合金材料としては、Ｆｅ−Ｎｉ，Ｆｅ−Ｐｔ，Ｎｉ−Ｃｕ，Ｎｉ−Ｃｒ，Ｓｎ−Ｃｕ，Ｚｎ−Ｃｕ，Ｆｅ−Ｃｒ，Ｗ−Ｍｏ，Ｆｅ−Ｔｉ，Ｎｉ−Ｃｏ、また３種以上の金属：非金属材料合金としては、Ｍｎ−Ｃｕ−Ｎｉ，Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ，Ｎｉ−Ｃｏ−Ｍｏ，Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｔｉ，Ｆｅ−Ｃｒ−Ｍｏ，Ｆｅ−Ｃｒ−Ｍｎ等多くの組み合わせ合金がある。もちろん、低膨張材料として、インバー材との組み合わせは公知の通りである。
【００２０】
各金属膜は０．１〜５０μｍ以下の膜厚であり、本発明では特に薄膜の熱蓄積と熱発散の時定数を小さくし、高速、高周波駆動を可能にすることを目的としている。そこで、そこで、金属膜は０．５〜５μｍ厚さで構成した。
【００２１】
製法の一例を挙げると、シリコン基板（Ｓｉ）に熱酸化膜（ＳｉＯ_２）１μｍを作製し、この上にモリブデン（Ｍｏ）３μｍ（熱膨張係数４．５×Ｅ−６）をスパッタ製膜する。次に、白金（Ｐｔ）−ロジウム１０％（Ｒｈ）（熱膨張係数８．７×Ｅ−６）を同様に３μｍ製膜する。そして、半導体技術のホトリソ工程で目的マイクロヒータ形状にするため、レジストパターンを焼き付け、公知のドライエッチング工法で微細加工する。このとき、振動板になる膜は熱酸化膜を介していることから、モリブデン膜は３μｍから１μｍまで薄膜化する。ドライエッチ法で５μｍ程度膜を掘り下げることになる。即ち、振動板の厚みを薄くすることで、アクチュエータ変位量を大きくし、振動子の固有駆動数を大きくすることで、高周波駆動が可能になる。
【００２２】
具体的には、例としてＳｉウエハ側を３００ｄｐｉのチャンネルに異方性エッチングし、ＳＩＯ_２膜まで溝加工を行い、圧力室１を形成した。このとき、ＳｉＯ_２膜は後述するように薄膜バイメタル３の保護膜とすることもできるが、ここでは、ＳｉＯ_２膜側を加圧振動板としている。このＳｉＯ_２膜上のマイクロバイモルフヒータの形状は、３００ｄｐｉ分割素子アクチエータでは、チャンネルピッチが８４．６μｍであり、支柱壁幅（隔壁幅）１５μｍを考慮すると、振動幅は振動素子５０μｍの両端に１０μｍが確保される。ＳｉＯ_２とＭｏで２μｍ厚さの１０μｍの振動幅を含むマイクロバイメタルアクチュエータが形成される。
【００２３】
この形状で個別チャンネルに３Ｖ、２０μｓの電圧を印加するとＰｔ−Ｒｈが約２００℃に達して、１．５ｍｍ長さのヒータの場合、約１．２μｍ程度Ｐｔ−Ｒｈが伸延する。この変形が外側に膨らみ、圧力室１にはプル・プッシュ駆動力を発生され、インク滴が噴射される。
【００２４】
このように液室の壁面を形成する振動板を薄膜バイメタルで構成し、少なくとも一層でヒータパターンを形成し、他層で振動板を兼備させ、バイメタル異種材料による熱膨張係数の違いによって、薄膜バイメタルを屈曲させ、その変位量でアクチエータ駆動力を発生させ、液滴を吐出させる。
【００２５】
このとき、薄膜バイメタルの加熱温度は１５０〜３００℃範囲で大きな屈曲変位量を確保でき、薄膜であることから放熱と加熱の時定数が小さく、高周波駆動と消費電力の低減化を図れる。また、インク等メディア材料の物性変化やコゲーション等分解蓄積物が発生しない。
【００２６】
なお、この液滴吐出ヘッドにおける薄膜バイメタル３は振動板を兼ねているので、放熱は液体側（インク側）又は大気中側で行われる。放熱が困難な大気中側でも１０ｋＨｚ以上の駆動は可能である。図２はＰｔ−Ｒｈの温度立下り特性の一例を示すものであり、実際には配線パターンを考慮していないので、実際の立下り時間は図２の３０〜４０％程度と推測される。
【００２７】
次に、図３及び図４を参照して本発明に液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドの第２実施形態について説明する。なお、図３は同ヘッドの要部斜視説明図、図４は同ヘッドのアクチュエータ部の斜視説明図である。
【００２８】
このインクジェットヘッドは、液室である圧力室１の隔壁を形成する隔壁部材２と、圧力室１の壁面を形成するセラミック、酸化膜等の無機材料で形成した変形可能な部材（振動板）である無機材料７を兼ねた薄膜バイメタル３と、圧力室１の他方の壁面を形成する部材を兼ねたノズル板４とを有し、薄膜バイメタル３を変形させることで圧力室１内のインクを加圧してノズル５から液滴（インク滴）６を吐出させる。
【００２９】
ここで、薄膜バイメタル３は熱膨張係数が大きく異なる２以上の薄膜を貼り合せたものである。薄膜バイメタル３を構成する金属膜の一方はヒータ（加熱電極：ＥＬ）となり、この薄膜バイメタル３は圧力室１形状に対応する形状にパターン加工している（ヒートパターンとしている）。そして、マルチノズルに対応して各チャンネルの薄膜バイメタル３の一方を個別電極１４に、他方を共通電極１５に接続（一体形成でも良い）している。
【００３０】
このような薄膜無機材料とメタルヒータパターンとの積層構成は、無機材料であるセラミックス、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、ＳｉＯＮ、ＳｉＮなどはその熱膨張係数が３〜７×Ｅ−６であるが、剛性は、金属は３０００〜８０００ｋｇ／ｍｍ^２であるが、無機材料は１００００〜１５０００ｋｇ／ｍｍ^２である。この組み合わせにより、アクチュエータ変位量としてバイメタル構成と同等であるが、剛性が大きいことから高周波駆動と瞬時の圧力上昇が可能であり、滴噴射の高速化（Ｖｊの向上）を図ることができる。
【００３１】
例えば、製法として、シリコン基板（Ｓｉ）に熱酸化膜（ＳｉＯ_２）１〜２μｍを成膜し、この上に白金（Ｐｔ）−ロジウム１０％（Ｒｈ）（熱膨張係数８．７×Ｅ−６）を３μｍ製膜する。そして、半導体技術のホトリソ工程で目的マイクロヒータ形状にするため、レジストパターンを焼き付け、公知のドライエッチ法で微細加工する。このとき、振動板になる膜は熱酸化膜を介していることから、白金（Ｐｔ）−ロジウム１０％（Ｒｈ）膜は３μｍからドライエッチ法で２．５〜２．８μｍ程度膜を掘り下げることになる。
【００３２】
すなわち、振動板を構成するＳｉＯ_２上に可撓性保護膜として金属膜を薄く残すことで、ＳｉＯ_２膜の亀裂発生を防止する。この場合はマイクロヒータが薄膜で隣接してはいるが、高抵抗であり、基本的には各マイクロヒータは独立して電圧印加で加熱と変形が発揮できる。各圧力室は上記と同様に作製することができる。
【００３３】
このように、無機材料の高い剛性により、振動板の固有駆動数を大きくすることによって、高周波駆動と滴速度Ｖｊの高速化が可能になる。
【００３４】
上述したように、薄膜バイメタル３を含むヘッドにおいて、薄膜バイメタル３の構成材料の選択により熱伝導係数と比熱、密度が大きく影響し、熱時定数が決定される。また、その熱変位量は熱膨張係数に依存する。このとき、２層の金属膜厚の基本は同一の層厚さであるが、一つの層に対して他の層の厚みを５０％〜１５０％範囲の層厚にすると、熱応力の歪み変形を大きくなり、変位量を大きくすることができ、または熱時定数が小さくなる。
【００３５】
この場合、各金属の剛性に合わせて金属厚みで補正し、歪み効果を確保することができる。例えばＮｉ−Ｃｒ合金８５００ｋｇ／ｍｍ^２に対してＰｔは６０００ｋｇ／ｍｍ^２である。この場合は、Ｐｔ金属膜を約１．４倍の膜厚にすることで大きな歪み効果を確保することができる。即ち、バイメタル構成の金属膜厚は一つの層厚さに対して対層の膜厚は５０％〜１５０％範囲とすることにより大きな歪み効果を確保することができる。
【００３６】
次に、図５及び図６を参照して本発明に液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドの第３実施形態について説明する。なお、図５は同ヘッドの要部断面説明図、図６は同ヘッドのアクチュエータ部の斜視説明図である。
【００３７】
このヘッドでは、薄膜バイメタル３として金属薄膜１１、１２の２層間に絶縁膜１３を介在し、ここでは外面側の金属薄膜１２を圧力室１に対応してパターン化してヒータパターン（マイクロヒータ）としている。金属薄膜１１は厚み１〜１０μｍの低膨張メタル、金属薄膜１２は厚み１〜２０μｍの高膨張メタルで形成し、絶縁膜１３としては厚み０．５〜２μｍのＳｉＯ_２やＳｉＯＮ、ＳｉＮを用いている。
【００３８】
このように、薄膜バイメタル構成で、２層間に絶縁膜を介在し、ヒータ形成の１層の金属膜は目的形状にパターン化し（各チャンネルで独立させ）、絶縁膜で他層と分離することにより、印加電位はヒータパターンのみに印加されるので、電流の漏れが無く、効率良く加熱制御を行うことができ、熱効率が高い少電力素子が得られ、隣接チャンネルへの熱拡散による干渉を低減することができる。また、絶縁膜の熱伝導率と熱膨張率、比熱、膜厚を制御することによって、熱時定数や変位量の調整が可能になる。
【００３９】
次に、図７及び図８を参照して本発明に液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドの第４実施形態の異なる例について説明する。なお、各図は各異なる例のヘッドの要部断面説明図である。
【００４０】
これらのヘッドは、薄膜バイメタル３として金属薄膜１１、１２の２層間に絶縁膜１３を介在し、金属薄膜１１、１２のいずれか一方は圧力室１に対応してパターン化してヒータパターン（マイクロヒータ）としている（ヒータとなる側の金属薄膜の符号に「ｈ」を付記する。）。そして、この実施形態では、第３実施形態と異なり、パターン化した部分では絶縁膜１３を介在させない構成としている。
【００４１】
ここで、図７の例では金属薄膜１２をヒートパターンとし、図８の例では金属薄膜１１をヒートパターンとしている。この図８の例では金属薄膜１１は耐インクに対して不溶性を有する材料で形成するか、後述するように接液面に保護膜を形成することが好ましい。なお、その他の構成は第３実施形態と同様である。
【００４２】
このように薄膜バイメタル構成で、２層間に絶縁膜を介在し、どちらか１層の金属薄膜は目的加熱形状にパターン化し、発熱部分では絶縁膜を設けない構成とすることにより、発熱昇温したバイメタルヒータ部分の熱拡散が早く伝達され、インクや空間に熱放出されるので、特に、高速駆動時の熱の授受が効率が向上し、効率的な駆動を行うことができる。
【００４３】
例えば、加熱されたマイクロヒータ部分の発熱と放熱は熱伝導率が８．４Ｊ／ｃｍ・ｓ・°Ｋ程度の酸化膜などの絶縁膜が無いので、０．３８〜０．５２Ｊ／ｃｍ・ｓ・°Ｋ程度である金属材料の熱拡散による熱の授受が高速化され、駆動周波数を高くして、高速でのインク滴噴射が可能になる。特に、マイクロヒータ（ヒータパターン）を圧力室側に形成することで、その熱の発熱と放散は熱容量が大きく流動廃熱されるので、より効率的に機能する。
【００４４】
次に、本発明に液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドの第５実施形態について説明する。
このヘッドでは、薄膜バイメタル３を構成する圧力室１側の金属薄膜１１の材料として、金属材料の表面は酸化物不働体を形成できる材料で形成し、あるいは不溶な保護膜を付着させた面を隔壁部材２に接合する。また、インクに不溶な合金膜や金属で形成する。
【００４５】
例えば液体（インク）に接する金属薄膜はクロム合金、マンガン合金、ステンレス合金組織の金属膜、ニッケル−クロム合金、ニッケル−コバルト−クロム合金、チタン−クロム合金等、金属不働態形成材料を用いることができる。あるいは、液体（インク）に不溶な白金、金、チタン、白金合金等、貴金属合金の金属を用いることができる。
【００４６】
この場合、保護膜等１〜２μｍの低熱伝導材料が介在されないので直接インクへの熱拡散が作用する。また、この金属不働態酸化物は接触角が小さく、インク濡れ性が良いことから、表面処理なくしてインク充填での残留気泡の発生を防止することができる。これにより、高速駆動と信頼性が大きなインクジェットヘッドを得ることができる。
【００４７】
次に、図９を参照して本発明に液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドの第６実施形態について説明する。なお、同図は同ヘッドの要部断面説明図である。
このヘッドでは、薄膜バイメタル３の２層の金属薄膜１１、１２間に絶縁膜１３を介在し、液体に接する面側の金属薄膜１１を加熱形状膜（ヒートパターン）に形成し、金属薄膜１１の圧力室１側の表面をインクに不溶な有機材料や無機材料からなる絶縁性の保護膜１８で被膜している。
【００４８】
これにより、薄膜バイメタル３を構成する金属薄膜の金属材料を目的によって自由に選択できるようにまり、また、圧力室１側表面の濡れ性、撥水性、耐熱性、等の選択性も大きくなる。
【００４９】
例えば、有機材料ではパリレン樹脂、ポリイミド樹脂、尿素樹脂、エポキシ樹脂、フッ素樹脂、シリコーン樹脂などを薄膜（０．２〜３μｍ厚み）製膜する。製膜法としては気相成長法では真空チャンバー装置で選択された、パリレン、尿素、フッ素樹脂等のペレットを加熱蒸着させて、微細加工された溝や壁面に均一に成膜させる。
【００５０】
また。溶媒に可溶な樹脂を用いる場合には、粘度調整し、不可なポリイミド、シリコーン樹脂は官能基を持った低分子ポリマーを噴霧、スプレー、静電噴霧、またはスピナー、ロール塗布、アニソロックロール塗布等で、薄膜塗布を行なう。このとき、液状塗布液が流動したり、部分的に厚膜にならないように、さらに接着力向上のため、部品加熱で、塗布された液の瞬時拡散（加熱による濡れ性向上と液の粘性低下）と乾燥（溶媒蒸発と薄膜の表面硬化促進）を速やかにする。成膜は均一に予備加熱乾燥され、本キュアで触媒反応で反応硬化膜が得られ、耐インク性が向上する。
【００５１】
また、触媒添加で不純物の心配が大きい場合は、ＥＢ（エレクトロビーム）照射でオリゴマーは重合、縮重合反応により硬化膜が得られる。この場合は部品に対する本キュアの様に高温（１５０〜３００℃）処理が無く、低温プロセスであり、部品変形が少ない。無機材料では、ＳｉＯ_２，ＳｉＯＮ，ＳｉＮ，ＢＮ，ＴｉＮ，ＢＣ，ＴｉＣ，Ｓｉｃ，Ｔａ_２Ｏ_５等の絶縁性化合物がある。
【００５２】
製膜法は真空蒸着法が好ましい。組成材料をスパッタ、イオンビーム、イオンプレーチング等で成膜することもできる。また、ＣＶＤ、ＬＰ−ＣＶＤは目的元素の有機材料を蒸発、プラズマ分解、酸素や窒素と気相反応させ、高分子化させて部品表面に蒸着反応させ、非晶膜や結晶膜、また混合組成膜を形成する。これはガス成分、部品加熱温度や膜成長速度、反応ガスの供給量で制御できる。条件設定で撥水性、密着性、膜硬度、耐化学薬品性、膜厚均一性等を制御できる。
【００５３】
次に、図１０及び図１１を参照して本発明に液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドの第７実施形態について説明する。なお、図１０は同ヘッドの要部断面説明図、図１１はそのヘッドの等価回路図である。
このヘッドは、無機材料エレクトレット層（無機エレクトレット層）２１の一方の面に薄膜金属加熱パターン（メタル膜ヒータ、マイクロヒータ）２２を、他方の面にエレクトレット電極２３を設けたものである。なお、無機エレクトレット層２１の詳細については後述する。また、ここでは圧力室１側をメタル膜ヒータ（マイクロヒータ）２２としているが、圧力室側と反対の面側にメタル膜ヒータを設けることもできる。
【００５４】
このように無機エレクトレット層２１に薄膜金属加熱パターン２２を付加し、エレクトレット層２１内材料の部分結晶の配向に対して、電気分極的に相反印加電場か、順印加電場を与える（図１１のスイッチ２４をオンして電源２５、２６から電位を与える）ことで、エレクトレット層２１の結晶配位は圧縮か伸延を受け、内部歪みが発生する。図１０中の両端矢印は延伸方向、向き合う矢印は内部方向に縮むことを表している。
【００５５】
このとき、一方の電極がヒータを兼ねることにより、熱膨張でエレクトレット層２１に対して、伸延の力が作用し、さらにエレクトレット層２１が内部歪みで縮む場合は、この膜構成でヒータ加熱時は常にエレクトレット層２１に対してコンプレッションの方向での変形が得られる。変形方向は決定される。
【００５６】
すなわち、エレクトレット層２１の内部歪みとマイクロヒータ２２の伸延作用が相乗した効果があり、大きな変位が得られる。また、剛性は無機材料であるエレクトレット層２１の剛性に支配され、屈曲と反発力が大きく、インク噴射速度が大きく（滴速度Ｖｊが向上し）、高速駆動が可能になる。
【００５７】
次に、図１２及び図１３を参照して本発明に液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドの第８実施形態について説明する。なお、図１２は同ヘッドの要部断面説明図、図１３はそのヘッドの等価回路図である。
このヘッドでは、前記図８で説明した第４実施形態の構造において、薄膜バイメタル３の外面側（圧力室１と反対側）に無機エレクトレット層２１とエレクトレット電極２３を積層している。
【００５８】
この場合、薄膜バイメタル３は金属薄膜１１がマイクロヒータを兼ねており、金属薄膜１２はエレクトレット層２１の電極も兼備している。また、この金属薄膜１２は低熱膨張率の金属材料である。
【００５９】
このように、無機エレクトレット層２１に薄膜バイメタル３を積層した構造とし、エレクトレット層２１との対向側にマイクロヒータ（金属薄膜１１）を形成し、薄膜バイメタル３のエレクトレット層２１とマイクロヒータ１１との間のより低熱膨張率の金属薄膜１２でエレクトレット層２１の電極を兼ねさせることで、図１３に示すように電源２５、２６からの電圧印加による熱膨張でマイクロヒータ（金属薄膜１１）が伸延し、さらにバイメタル効果で変位が増長され、同時に電圧印加されるエレクトレット層２１内材料の部分結晶の配向は、電気分極的に順印加電場において、エレクトレット層２１の結晶配位は圧縮を受け、内部歪みが発生する。なお、図１２中の両端矢印は延伸方向、向き合う矢印は内部方向に縮むことを表している。
【００６０】
このとき、バイメタル３の外側金属薄膜が加熱ヒータであり、熱膨張でエレクトレット層２１に対して、伸延の力が働き、さらにエレクトレット層２１が内部歪みで縮む場合は、この膜構成ではマイクロヒータ加熱時はバイメタル変位が常にエレクトレット層２１に対してコンプレッションの方向で変形する。変形方向は決定される。
【００６１】
即ち、エレクトレット層の内部歪みとバイメタルのマイクロヒータの伸延作用が相乗した効果が生じ、大きな変位が得られる。また、剛性は無機材料であるエレクトレット層の剛性に支配され、屈曲と反発力が大きく、インク噴射速度が大きく（滴速度Ｖｊが向上し）、高速駆動が可能になる。
【００６２】
上述した各実施形態におけるヘッドを長尺化したマルチチャンネルヘッドを構成し、圧力室へのインク供給部との一体化を図ることでカートリッジ交換方式で容易に交換可能な長尺ヘッドを得ることができる。この場合、ノズル配置は千鳥状でもよい。これにより、リアルマルチチャンネルの長尺ヘッドを半導体微細加工技術により作製することが可能になる。
【００６３】
次に、上記実施形態で説明した無機エレクトレット層について図１４以降を参照して説明する。
無機エレクトレット層３１は無機材料を配向分極、イオン分極、電子分極させたものである。
【００６４】
無機材料は陽イオン性、負イオン性の材料、または陽極性、負極性の分子団、或いは、電気陰性度の異なるイオン元素、または原子団を含ませて結晶化させて、電界を与え配向分極、イオン分極、電子分極させて無機エレクトレット層を構成する。この無機エレクトレット層の両面の電極間に矩形波、あるいは交番電圧を印加することで、全体としてモノモルフ振動或いはモノモルフ機械的駆動が生起する。
【００６５】
このような無機エレクトレット層の製造工程の一例について図１４及び図１５を参照して説明する。
先ず、図１４に示すように、例えば、コーデライトの２ＭｇＯ・２Ａｌ_２Ｏ_３・５ＳｉＯ_２複合酸化物の微粉末（平均粒径０．５〜３μｍ）に微粉末（平均粒径０．５〜３μｍ）のＬａ_２Ｏ_３を０．５〜１ｗｔ％混合した材料３２を、ベルト３３上に供給してプレスローラ３４で加圧、層厚規制をしながら厚み５０μｍのグリーンシート３１を形成し、このグリーンシート３１上にカバーシート３５を供給して加圧ローラ３６で加圧することで、図１５（ａ）に示すようなグリーンシート部材を得る。
【００６６】
そして、図１５（ｂ）に示すようにグリーンシート３１に脱水処理を施し、同図（ｂ）に示すように４００〜５００℃で一次焼成を行い、更に同図（ｄ）に示すように、８５０〜１２００℃で焼成させると、高剛性（８０００〜１５０００ｋｇ／ｍｍ^２）の結晶歪みの大きな材料４１が得られる。この材料４１は結晶性と非晶体の混合組成である。
【００６７】
その後、同図（ｅ）に示すように材料４１の両面に金属電極４２、４３を付け、同図（ｆ）に示すように大気中で、４５０℃雰囲気に置き、電極４２、４３間にＤＣ３００Ｖを印加させ、１時間保持した後、同（ｇ）に示すようにＤＣ３００Ｖ電界印加のまま除冷させ室温になるまで放置する。これにより、同図（ｈ）に示すように、配向、分極が生じて、結晶体部分は大きく歪みを保持したまま維持され、内部分極が大きい状態で無機エレクトレット化した無機エレクトレット層３０が得られる。
【００６８】
このように、無機材料を配向分極、イオン分極、電子分極させたエレクトレット層を含むことで、無鉛の機械的強度の大きなアクチュエータを得ることができる。
【００６９】
ここで、無機材料には、強誘電体、誘電体、または固体電解質材料を含む、さらに、これらの粒子配向セラミックスを包含するものである。具体的な材料としては、ＺｒＴｉＯ_４−ＳｎＯ_２ＴｉＯ_２、Ｆｅ_２Ｏ_３−ＮｉＯ、Ｚｎ_２ＴｉＯ_２、ＺｎＮｉＴｉＯ_４、ＺｎＦｅ_２Ｏ_４、Ｋ_２ＯＡｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２、ＣａＯＡｌ_２Ｏ_３、ＢａＴｉＯ_３、Ａｌ_２Ｏ_３ＴｉＯ_２、ＭｇＯＡｌ_２Ｏ_３等多くの分極性無機材料がある。
【００７０】
また、遷移金属系の添加により、多価原子団によるイオン化、配向分極化が可能である。結晶構造としてはスピネル構造、ぺロブスカイト構造や焼結体の部分的に結晶化し、立方体、長方体、斜方体、菱面体等が存在する。
【００７１】
焼結温度は材料の組み合わせと組成比や、原材料の出発材料、さらに材料の粒子依存性による。２００℃〜１２００℃程度であるが、通常は３００℃〜６００℃で良い結果が得られる。吸湿性や印加電圧による強電界による分極反転が起き機能劣化が発生するが、本例の雰囲気制御条件では、材料の脱水性、高酸化物状態であり、また表面電極金属膜保護により、信頼性、寿命は満足される。
【００７２】
工程としては、これらの結晶の一部に歪みを形成させることが必要であるが、膜厚１μｍ〜３００μｍ１μｍで、３００℃〜４００℃の加熱温度で、印加電圧はＤＣ５０Ｖ〜５００Ｖで十分である。
【００７３】
また、粒子配向セラミックスとは焼結させたイオン性の異方性微粉末を一次焼結させ、さらに高温の加圧方向性を持たせ、二次加圧焼結結晶化させると、配向性セラミックスが得られ分極した状態になる。
【００７４】
このように、無機材料が強誘電体、誘電体、又は固体電解質材料を含むことで、これらの材料は材料自体がダイポールモーメントを持ち分極配向性があるので、大きな変位量が得られる。
【００７５】
また、無機材料に目的金属イオンをイオン打ち込み装置で選択的に打ち込み組成化することもできる。
【００７６】
一般的には、有機材料では、コロナ放電によるものが多い。有機樹脂材料についてはフッソ樹脂系を始めナイロン（登録商標）１１等、雑多のブレンド樹脂の表面に、電子打ち込みやイオン打ち込みにより結晶構造に欠陥発生を誘起させ、歪みを形成してイオン分極や電荷分極を行っている。
【００７７】
これに対して、無機材料ではシリコンウエハの表面熱酸化膜ＳｉＯ_２（結晶性酸化シリコン膜）に電子線を照射し、格子欠陥を発生させ、電荷トラップ層を形成して、エレクトレット層を作成することができる。しかしながら、無機材料では電子打ち込みによる結晶歪みは小さく、効果が殆ど無い。
【００７８】
そこで、ここでは、減圧中で金属イオンを打ち込むようにしている。このようなエレクトレット層の製作工程について図１６を参照して説明する。
先ず、同図（ａ）に示すような複合酸化物５１に、同図（ｂ）に示すようにＢ、Ｓｂ、Ｐ、Ｔｉ、Ｂｉ、Ｗ、Ｍｎなどの加速イオンを打ち込むと、同図（ｃ）に示すように複合酸化物４１の表面から１００〜３０００Å程度までイオンが入るが、ここでは、金属は混在する状態でイオン化していない結晶歪みのみである。
【００７９】
さらに、同図（ｄ）に示すように、焼結拡散処理（加熱拡散処理）を行うことで、金属イオンは０．５〜１０μｍに達しイオン化する。これにより、結晶歪みとイオン効果の相効果が発揮できる。そして、同図（ｅ）に示すように電極４２，４３を付してエレクトレット化を行ってエレクトレット層３０を形成する。この場合、イオン分極と電荷分極、配向分極は大きいものが得られる。
【００８０】
このように、無機材料に目的金属イオンが選択的に打ち込まれて組成化されている構成とすることで、結晶歪みの増大と導入多価イオンの組成化でイオン配向と分極が大きくなる。
【００８１】
また、無機材料として、金属酸化物（ＴｉＯ_２、ＮｉＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＭｎＯ_２、Ｃｏ_２Ｏ３／ＣｏＯ、Ｓｎ_２Ｏ_３／ＳｎＯ、ＺｎＯ等）やアルカリ土類元素化合酸化物（ＢａＯ、Ｋ_２Ｏ、ＣａＯ、ＭｇＯ等）と強誘電体、誘電体、または固体電解質材料を含むＺｒＴｉＯ_４−ＳｎＯ_２ＴｉＯ_２、Ｆｅ_２Ｏ_３−ＮｉＯ、Ｚｎ_２ＴｉＯ_２、さらにＺｎＮｉＴｉＯ_４、ＺｎＦｅ_２Ｏ_４、Ｋ_２ＯＡｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２、ＣａＯＡｌ_２Ｏ_３、ＢａＴｉＯ_３、Ａｌ_２Ｏ_３ＴｉＯ_２、ＭｇＯＡｌ_２Ｏ_３等などの分極性無機材料の混合組成としたものを用いることができる。
【００８２】
特に、アルカリ土類元素の化合物は、その元素イオン団が陽イオンとして、他の無機材料が負イオンとして働き、その結晶性も大きく、イオン配向性が高い材料である。複合酸化物焼成時の酸化還元雰囲気制御で、イオン性の大きな材料が得られる。
【００８３】
この形態の概念を図１７に示している。同図の例はイオン団の陰性度による分極の例であり、配向、分極が容易に起こる。実際は、Ｍｇ_２Ａｌ_２Ｏ_４やＫ_２ＳｉＯ_３、ＢａＦｅ_２Ｏ_４等の複合塩の物質が高温と電界で分極する。
【００８４】
このように、無機材料が金属酸化物又はアルカリ土類金属酸化物を含む構成とすることで、イオン、電荷分極を大きくすることができる。
【００８５】
さらに、ＺｒＴｉＯ_４−ＳｎＯ_２ＴｉＯ_２、Ｆｅ_２Ｏ_３−ＮｉＯ、Ｚｎ_２ＴｉＯ_２、さらにＺｎＮｉＴｉＯ_４、ＺｎＦｅ_２Ｏ_４、Ｋ_２ＯＡｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２、ＣａＯＡｌ_２Ｏ_３、ＢａＴｉＯ_３、Ａｌ_２Ｏ_３ＴｉＯ_２、ＭｇＯＡｌ_２Ｏ_３等などの分極性無機材料と、非金属元素のＳｉＯ_２、Ｂ_２Ｏ_３、Ｐ_２Ｏ_５、Ｓｂ２Ｏ５、Ｂｉ２Ｏ３）の混合材料に、さらに遷移元素酸化物である（Ｖ_２Ｏ_５、Ｃｒ_２Ｏ_３、ＣｕＯ、Ｙ_２Ｏ_３、Ｚｒ_２Ｏ_３、Ｎｂ_２Ｏ_３、Ｍｏ_２Ｏ_３、ＰＤ_２Ｏ_３、Ｌａ_２Ｏ_３等を混成させた複合酸化物を用いることができ、この遷移元素を含む複合酸化物の焼成状態と雰囲気により、原子価制御が容易である。これは結晶歪みの大きさを結果として制御することができる。
【００８６】
この形態の概念図を図１８に示している。無機誘電体、多価非金属元素、遷移元素の混合酸化物は、焼成雰囲気、特に、多価原子と遷移元素は第２イオン化電位も低いことから、容易にイオン化し、加熱と電界でイオン分極、配向分極が生じる。
【００８７】
このように、無機材料が遷移金属酸化物を含む複合酸化物である構成とすることで、多価元素の持つ、結晶体の中で未結合イオンが保持でき、大きなイオン分極が得られる。
【００８８】
次に、無機エレクトレット層における無機材料の成膜について説明する。
例えば、気相成長法を用いることができる。この場合には、プラズマＣＶＤ装置を用いて、例えば図１９に示すように、無機材料の昇華性の高い有機金属、塩化物を減圧、加熱により下地電極を構成する基板６１を保持したチャンバー内６２に導入し、プラズマや酸化反応ガスと接触させ、気相成長させる。なお、同図中、６３はノズル、６４はアノード、６５はカソード、６６はモータ、６７はヒータ、６８は摺動接点である。
【００８９】
また、蒸着法を用いることができる。この場合には、目的の無機材料や金属を加熱昇華させ、酸化性ガスをチャンバー内に導入し、蒸着法成膜で膜を形成する。
さらに、スパッタ法で金属材料はＤＣ電源とスパッタガス（Ａｒ，Ｈｅ，Ｎ２のどれかとさらにＯ_２添加）による放電スパッタで行ない、導電性が無い無機材料は高周波電源を用いて同様のスパッタガスでＲＦスパッタを行なうことができる。
【００９０】
ＣＶＤ装置やスパッタ装置は、薄膜形成に適しており、その膜成長１０〜３００Å／分程度である。また、基板加熱により結晶成長させながら成膜することが容易にできる。
【００９１】
これらのいずれかの方法を用いて成膜するとき、目的に合わせて、１層或いは多層成膜し、成膜時に基板加熱と反応ガスを導入し、プラズマ反応による酸化物や、チッ化物を形成させ、結晶性や非晶性を制御する。
【００９２】
この場合、形成される薄膜は平坦であるので、次に上電極を蒸着法やホトリソ法で形成し、加熱と電界により、無機エレクトレット層とする。
【００９３】
また、薄膜で分極効果が大きいことからアクチエータとして、マルチ化で各素子化するとき、電極の個別化のみで、素子分割せずとも各素子間の相互干渉は小さくなる。
【００９４】
このように、無機材料を気相成長法又は蒸着法製膜で基板上に１層又は多層成膜し、成膜時に基板加熱と反応ガスを導入して、酸化物又はチッ化物を形成して結晶性又は非晶性を制御してエレクトレット層を形成することで、結晶性や非晶性を容易に制御することができる。
【００９５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る液滴吐出ヘッドは、薄膜バイメタルで振動板を構成し、あるいは薄膜バイメタルを無機材料と組み合わせ、若しくは、無機エレクトレット層と加熱形状パターン又は薄膜バイメタルを組み合わせたので、十分な滴吐出特性が得られる新規な液滴吐出ヘッド及び十分な駆動特性が得られるアクチュエータを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の要部断面説明図
【図２】Ｐｔ−Ｒｈの温度立下り特性のシミレーション結果の説明図
【図３】本発明の第２実施形態の要部斜視説明図
【図４】同じく要部斜視説明図
【図５】本発明の第３実施形態の要部斜視説明図
【図６】同じく要部断面説明図
【図７】本発明の第４実施形態の一例の要部斜視説明図
【図８】同実施形態の他の例の要部斜視説明図
【図９】本発明の第５実施形態の要部斜視説明図
【図１０】本発明の第６実施形態の要部斜視説明図
【図１１】同実施形態の等価回路説明図
【図１２】本発明の第７実施形態の要部斜視説明図
【図１３】同実施形態の等価回路説明図
【図１４】無機エレクトレット層の製造工程の一例の説明に供する説明図
【図１５】図１４に続く工程を説明する断面説明図
【図１６】同じく無機エレクトレット層の他の製造工程の説明に供する断面説明図
【図１７】同じく他の無機エレクトレット層の説明に供する概念図
【図１８】同じく更に他の無機エレクトレット層の説明に供する概念図
【図１９】同じく無機エレクトレット層の更に他の製造工程の説明に供するＣＶＤ装置の概略説明図
【符号の説明】
１…圧力室、２…薄膜バイメタル、２１…無機エレクトレット層。

Claims

ノズルが連通する液室の壁面を変形させることで前記ノズルから液滴を吐出する液滴吐出ヘッドにおいて、前記液室の壁面を形成する振動板が薄膜バイメタルで構成されていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
ノズルが連通する液室の壁面を変形させることで前記ノズルから液滴を吐出する液滴吐出ヘッドにおいて、前記液室の壁面を形成する振動板を無機材料で形成し、この無機材料の外面側に薄膜バイメタルを設けたことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
請求項１又は２に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記薄膜バイメタルの１つの層の厚みが対となる層の厚みの５０〜１５０％の範囲内にあることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
請求項１ないし３のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記薄膜バイメタルを構成する層間に絶縁膜を介在し、いずれか１つの層が前記液室に対応してパターン化されていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
請求項１ないし３のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記薄膜バイメタルを構成するいずれか１つの層がパターン化され、このいずれか１つの層の前記液室に対応する部分以外の領域には層間に絶縁膜が介在されていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
請求項１ないし５のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記薄膜バイメタルの構成する層のうちの液体に接する層は金属不動態形成材料又は液体に対する不溶金属から形成されていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
請求項１ないし５のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記薄膜バイメタルの構成する層のうちの液体に接する層の表面は液体に対する不溶性を有する保護膜で被覆されていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
ノズルが連通する液室の壁面を変形させることで前記ノズルから液滴を吐出する液滴吐出ヘッドにおいて、無機エレクトレット層と薄膜金属加熱パターンとを積層したアクチュエータ手段を有することを特徴とする液滴吐出ヘッド。
ノズルが連通する液室の壁面を変形させることで前記ノズルから液滴を吐出する液滴吐出ヘッドにおいて、無機エレクトレット層と薄膜バイメタルとを積層したアクチュエータ手段を有することを特徴とする液滴吐出ヘッド。
変形可能な部材を変形させるアクチュエータにおいて、前記変形可能な部材が無機エレクトレット層と薄膜金属加熱パターンとを積層してなることを特徴とするアクチュエータ。
変形可能な部材を変形させるアクチュエータにおいて、前記変形可能な部材が無機エレクトレット層と薄膜バイメタルとを積層してなることを特徴とするアクチュエータ。