JP2004284098A

JP2004284098A - 液滴吐出ヘッド、液滴吐出装置及び画像形成装置

Info

Publication number: JP2004284098A
Application number: JP2003076717A
Authority: JP
Inventors: Shinji Tanaka; 田中　　慎二
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2003-03-20
Filing date: 2003-03-20
Publication date: 2004-10-14

Abstract

【課題】振動板と電極との吸着防止のために形成する凸部の規定が十分でなく、信頼性が得られない。
【解決手段】凸部２１が対向面と接触するための最小印加電圧をＶ凸とし、振動板２１の短辺長をａ、凸部２５の高さをｔ凸、空隙長をＧａｉｒ、振動板２１と第２電極２２間のギャップ内の絶縁膜２３、２４の全厚みと比誘電率をそれぞれｔｓ及びεｓとし、振動板長辺方向において凸部２５が配置されない凸部２５間の間隔をＢｗとしたとき、次の（１）式が充足される。
【数１】

【選択図】図１１

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は液滴吐出ヘッド、液滴吐出装置及び画像形成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】特開平１１−１７０５０６号公報
【特許文献２】特開２００１−３２２２７３号公報
【特許文献３】特開２００１−２６０３４６号公報
【特許文献４】特開２００１−０１００５２号公報
【特許文献５】特開２００２−１６０３６３号公報
【０００３】
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。
【０００４】
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。また、液滴吐出ヘッドのアクチュエータ部分を構成する静電型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、圧力センサなどのマイクロデバイスにも適用することができる。
【０００５】
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（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】
この静電型のインクジェットヘッドの駆動方式としては、振動板が電極に当接する（実際には電極表面の保護膜である絶縁膜に当接する）まで変形変位させる当接駆動方式と、振動板が電極に当接しない非当接駆動方式とがある。当接駆動方式は、振動板の変位量を稼げて、且つ一定にすることができるため、低電圧化及びインク滴吐出量の均一化等が図られ、非当接駆動方式に比べ優れている。
【０００８】
ところが、この当接駆動方式では、振動板と電極保護膜との接触面積が大きくなると、振動板、或いは電極保護膜表面の水分の影響によって振動板が電極保護膜に吸着してしまい、振動板の変位量を低下させ、インク吐出量の不均一が生じ、著しく信頼性を低下させてしまうことがある。
【０００９】
そこで、例えば、
【特許文献１】ないし
【特許文献５】に開示されているように、振動板、或いは電極に凸構造を設けることにより、当接時の振動板と電極との当接面積を低減させ、吸着を抑制しようとするものがある。
【００１０】
ここで、
【特許文献１】では振動板と電極が接触することによる酸化膜損傷，電気的短絡を防止するために、電極側に凸構造を設け、振動板側と電極側は凸部でのみ接触する構成を採り、凸部の高さは電極よりも０．１〜０．０３μｍ高くしている。
【００１１】
【特許文献２】では絶縁膜が形成された振動板と電極が接触することにより、絶縁膜上には残留電荷が発生するのであるが、この残留電荷の発生を抑えることを目的として、凸部を振動板の裏面に設け、凸部に対向する電極部分は電気的にフロートにするなどし、凸部の高さは０．０１μｍ以上とし、凸配置は格子状，千鳥状などの形態を採っている。
【００１２】
【特許文献３】でも振動板と電極が接触することによる残留電荷の発生を抑えることを目的とし、凸部において、振動板と電極の電位が同じとなる構成を採っている。
【００１３】
【特許文献４】では振動板と電極が接触することによる残留電荷の発生を抑えることを目的として凸構成を形成しているが、凸は電極のラフネスに起因するものであり、その高さ，配置等は制御されていない。
【００１４】
【特許文献５】ではプロセス上発生する残留電荷，原子間力により、振動板が電極に張り付くスティキングを防止するために凸部を形成しており、凸部の高さは凸部の最小径の×０．１以下としている。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの
【特許文献１】ないし
【特許文献５】に開示されたものにあっては、凸部の高さ，配置は、ほぼ固定された構成において経験から導き出された値であって、振動板と電極が凸部以外で接触しない凸部構成であるとは言えない。特に、インクジェット記録装置のヘッドを構成するアクチュエータの集積度は、１００ｄｐｉから１５０ｄｐｉ，３００ｄｐｉ，６００ｄｐｉへと高密度化されているため、ある凸部構成（高さ，配置など）を採用したからといって高密度化に対応することができるものではないという課題がある。
【００１６】
すなわち、振動板と電極は凸部以外で接触してはならないが、凸部の高さ，配置を決めるためには、凸部において振動板と電極が接触する最小電圧Ｖ凸と、凸部以外で振動板と電極が接触する最小電圧Ｖｔｈが必要であり、これらのパラメータは、静電アクチュエータの短辺長，ギャップ（Ｇａｐ）長，絶縁膜厚み，振動板の厚み，材料定数など多数のパラメータに、加えて凸部の高さ，配置に関する多数のパラメータを全て固定しなければ導き出せないのである。
【００１７】
したがって、従来開示されているように凸部の高さの規定だけでは、振動板と電極が凸部以外で接触しない構成を得ることができない。
【００１８】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、信頼性の高液滴吐出ヘッド及びこの液滴吐出ヘッドを備えた信頼性の高い液体吐出装置、インクジェット記録装置を提供することを目的とする。
【００１９】
【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、凸部が対向面と接触するための最小印加電圧をＶ凸としたとき、凸部以外の部分で振動板が対向面に接触するための最小印加電圧が１．４×Ｖ凸以上である構成とした。
【００２０】
本発明に係る液滴吐出ヘッドは、凸部が対向面と接触するための最小印加電圧をＶ凸とし、振動板の短辺長をａ、凸部の高さをｔ凸、空隙長をＧａｉｒ、第１電極と第２電極間のギャップ内の絶縁膜の全厚みと比誘電率をそれぞれｔｓ及びεｓとし、振動板長辺方向において凸部が配置されない凸部間の間隔をＢｗとしたとき、次の（１）式が充足される構成とした。
【００２１】
【数４】

【００２２】
本発明に係る液滴吐出ヘッドは、凸部が対向面と接触するための最小印加電圧をＶ凸とし、振動板の短辺長をａ、凸部の高さをｔ凸、空隙長をＧａｉｒ、第１電極と第２電極間のギャップ内の絶縁膜の全厚みと比誘電率をそれぞれｔｓ及びεｓとし、このとき前記（１）式が満たされる間隔Ｂｗを用いて、振動板短辺端の或るＭ点から振動板長辺方向±Ｂｗとなる範囲において、Ｍ点とＭ点に最も近い凸部の端の振動板短辺方向間隔をＡｗとしたとき、次の（２）式が充足される構成とした。
【００２３】
【数５】

【００２４】
本発明に係る液滴吐出ヘッドは、凸部が対向面と接触するための最小印加電圧をＶ凸とし、振動板の短辺長をａ、凸部の高さをｔ凸、空隙長をＧａｉｒ、第１電極と第２電極間のギャップ内の絶縁膜の全厚みと比誘電率をそれぞれｔｓ及びεｓとし、このとき前記（１）式が満たされる間隔Ｂｗを用いて、振動板短辺端の或るＭ点から振動板長辺方向±Ｂｗとなる範囲において、Ｍ点とＭ点に最も近い前記凸部の端の振動板短辺方向間隔をＡｗとし、さらに異なる凸部の端の間隔をＣｗとしたとき、次の（３）式が充足される構成とした。
【００２５】
【数６】

【００２６】
本発明に係る液滴吐出装置は、本発明に係るいずれかの液滴吐出ヘッドを備えたものである。
【００２７】
本発明に係る画像形成装置は、本発明に係るいずれかの液滴吐出ヘッドを備えたものである。
【００２８】
【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、本発明の第１実施形態について図１及び図２をも参照して説明する。なお、図１は静電型液滴吐出ヘッドの基本構成を説明する振動板長手方向の断面説明図、図２は同じく振動板短辺方向の断面説明図である。
【００２９】
このヘッドは、第１基板１と、第２基板２と、第３基板３とを接合した積層構造となっており、これらの各基板１、２、３を接合することによって、インク滴を吐出する複数のノズル孔４が連通する液室６、各液室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。
【００３０】
第１基板１は、例えばシリコン基板からなり、液室６を形成するための凹部と、各々の液室６にインクを供給するための共通液室８を形成するための凹部と、液室６と共通液室８とを連通する流体抵抗部７となる溝部を有し、液室６の壁面である底面を形成するシリコンから形成した第１電極となる導電層である振動板１０を形成している。
【００３１】
第２基板２は、シリコン基板１１上に熱酸化膜などの絶縁膜１２を形成し、この絶縁膜１２に溝部１３を彫り込んで、この溝部１３の底面に振動板１０に所定の空隙１６（ギャップ長Ｇａｉｒ）を介して対向する第２電極１４を形成している。これらの第１電極である振動板１０とこれに対向する第２電極１４とで静電型アクチュエータを構成し、マルチノズルヘッドにおいては各ノズルに対応して複数の静電型アクチュエータを備える。
【００３２】
そして、振動板１０の電極側表面には凸部１７を形成し、振動板１０の電極側表面及び第２電極１４の振動板側表面にはそれぞれ当接時の電気的ショート等を防止するための酸化膜などの絶縁膜１８、１９を形成している。なお、凸部１７は第２電極１４側に形成することもでき、あるいは、振動板１０側及び第２電極１４側の両方に形成することもできる。
【００３３】
このようなヘッドにおいては、第１電極を兼ねる振動板１０と第２電極１４との間に所定の駆動電圧Ｖを印加することによって、振動板１０と第２電極１４との間に静電力が作用して振動板１０が変位量δだけ第２電極１４側に変位し（図３の仮想線図示の位置に変位し）、このとき液室６内にインクが補給され、この状態で駆動電圧Ｖを０にすることによって振動板１０が復元して液室６内のインクが加圧され、ノズル孔４からある滴速度Ｖｊで、滴体積Ｍｊのインク滴が吐出される。
【００３４】
なお、凸部１７を振動板１０に形成する代わりに、図４に示すように第２電極１４側の絶縁膜１９で形成したり、図５に示すように振動板１０側の絶縁膜１８で形成したりすることもできる。
【００３５】
そこで、まず、表１に示すパラメータ構成を有するヘッドを作製した。そして、このヘッドについて、駆動電圧Ｖを変化させたときの振動板変位量δ、滴速度Ｖｊ、滴体積Ｍｊを測定して、変位量δ−駆動電圧Ｖ特性（図６）、滴速度Ｖｊ−駆動電圧Ｖ特性（図７）、滴体積Ｍｊ−駆動電圧Ｖ特性（図８）を得た。
【００３６】
【表１】

【００３７】
ここで、図６に示す変位量δ−駆動電圧Ｖ特性から、振動板１４が第２電極１４に接触する最小電圧は３３Ｖ程度であることが分かる。また、図７に示す滴速度Ｖｊ−駆動電圧Ｖ特性において、Ｖｊ＝７ｍ／ｓの特性値に注目し、１０℃〜３５℃の範囲で液滴の吐出を考えると、温度補償に対して４Ｖのマージンが必要になることが分かる。したがって、割合にすると、４／３３＝１２％となる。
【００３８】
同様に、表２に示すパラメータ構成を有するヘッドを作製した。そして、このヘッドについて、駆動電圧Ｖを変化させたときの振動板変位量δ、滴速度Ｖｊを測定して、変位量δ−駆動電圧Ｖ特性（図９）、滴速度Ｖｊ−駆動電圧Ｖ特性（図１０）を得た。
【００３９】
【表２】

【００４０】
図９に示す変位量δ−駆動電圧Ｖ特性から振動板が電極に接触する最小電圧は６６Ｖ程度であることが分かる。また、図１０に示す滴速度Ｖｊ−駆動電圧Ｖ特性においてＶｊ＝７ｍ／ｓの特性値に注目し、１０℃〜３５℃の範囲で液滴の吐出を考える。図１０では、３５℃での特性値が得られていないが、図７の結果からの類推により、７．３Ｖのマージンが必要になると考えられる。割合にすると、７．３／６６＝１１％となる。
【００４１】
なお、図９では図６と異なり、駆動電圧Ｖが６５Ｖ→６６Ｖと変化したときに変位量δが急激に増加する。これは、静電力を利用したアクチュエータの特徴である。一方、図６の特性が得られるのは、酸化膜とエアギャップで構成される実効Ｇａｐに対して、エアギャップの比率が相対的に小さいことと、短辺長を加味した振動板の剛性が低いことに拠っている。
【００４２】
そこで、凸部が対向面と接触するための最小印加電圧Ｖ凸と、凸部以外の部分で振動板が対向面に接触するための最小印加電圧Ｖｔｈとの関係を検討する。
アクチュエーターにおいて、振動板と電極は凸部以外で接触してはならないので、最小印加電圧Ｖｔｈは実用最大電圧より大きくなければならない。
【００４３】
試作したアクチュエータの特性値から判断して、静電アクチュエータの特性バラツキを電圧で表すと、最小印加電圧Ｖ凸の値が仕様値に対して±５％のバラツキを生じる。振動板厚みの僅かなバラツキでも、最小印加電圧Ｖ凸には大きな影響を与えるため、この程度のバラツキは限界に近いと考えられる。
【００４４】
また、液滴吐出ヘッドは実用上吐出条件の変更を余儀なくされる場合があり、その最たる項目は環境温度の変化に対する補償であり、特に、低温時のインクの高粘度化に対しては、駆動電圧を上げて補償を行う必要がある。この温度補償における駆動電圧の上昇は、最小印加電圧Ｖ凸の１５％前後（１０〜２０％）程度である。
【００４５】
その他例えば画質モードの変更に対応する吐出条件の変更，ヘッド作製における接合バラツキに対する補償などに対して、最小印加電圧Ｖ凸の１０％程度の電圧をマージンとする必要がある。
【００４６】
ここで、インク粘度の違い、ノズル径などの流体パラメータなどによっても温度補償のための電圧は変わるように思われるが、このようなパラメータが変化した場合、最小印加電圧Ｖ凸そのものが変化するので、結果として、最小印加電圧Ｖ凸に対する比率そのものは大きく変化しない。すなわち、ヘッド，インクの全てのパラメータを反映した最小印加電圧Ｖ凸を基準とすることで、最小印加電圧Ｖｔｈが採るべき値が大きく変化していないと考えられる。
【００４７】
以上から、最小印加電圧Ｖｔｈの値は最小印加電圧Ｖ凸に対して、少なくとも（２×５％＋２０％＋１０％）大きく採った値とすることが好ましい。したがって、凸部が対向面と接触するための最小印加電圧をＶ凸としたとき、凸部以外の部分で振動板が対向面に接触するための最小印加電圧Ｖｔｈが１．４×Ｖ凸以上（Ｖｔｈ＞１．４×Ｖ凸）とすることで、凸部を設けた場合、振動板と電極が凸部以外で接触しないという条件を満たすことができ、ヘッドの信頼性が向上する。
【００４８】
次に、本発明に係る第２実施形態について説明する。ここでは、凸部が振動板の裏面に形成された場合で説明する。
まず、図１１ないし図１３に示すように各パラメータを定義する。なお、図１２は振動板短辺方向の説明図、図１２は凸部が１列形成された振動板の平面説明図、図１３は凸部が２列形成された振動板の平面説明図である。
【００４９】
この定義説明図のヘッドは、振動板２１と第２電極２２とを所定の空隙２６を介して配置し、振動板２１の電極側表面に絶縁膜２３を、第２電極２２の振動板側表面に絶縁膜２４をそれぞれ形成し、振動板２１側の絶縁膜２３上に凸部２４を形成した構成としている。
【００５０】
そして、凸部２５が対向面と接触するための最小印加電圧をＶ凸とし、振動板２１の短辺長をａ、凸部２５の高さをｔ凸、空隙長をＧａｉｒ、振動板２１と第２電極２２間のギャップ２６内の絶縁膜２３、２４の全体厚みと比誘電率をそれぞれｔｓ（ｔｓ＝ｔｓ１＋ｔｓ２）及びεｓ、振動板長辺方向において凸部２５が配置されない凸部２５、２５間の間隔をＢｗ、振動板短辺端の或るＭ点とＭ点に最も近い凸部２５の端の振動板短辺方向間隔をＡｗ、振動板２１の厚みをｔＤとする。
【００５１】
ここで、図１４に示すように、振動板２１の凸部２５が電極２２に接触した後の構成を見てみると、短辺幅がＢｗ、空隙長が凸部２５の高さｔ凸となった静電アクチュエータとみなすことができる。
【００５２】
アクチュエータの実用域において、振動板２１は凸部２５以外において電極２２に接触しない構成にするため、上述したようにＶｔｈ＞１．４×Ｖ凸の関係を充足しなくてはならない。しかしながら、アクチュエータが採り得る構成，材料定数は無限に有り、それぞれにおいて上記関係を満たす構成条件を逐一見出すことは困難であり、開発効率が著しく悪くなる。そこで、有限要素法によるシミュレータを用いることにより、多数の計算を行い、アクチュエーターの構成，材料定数に関する一般化された関係式を得ることにした。
【００５３】
ここで行った計算は、図１１ないし図１３において、パラメータとして振動板短辺長ａ，凸部２５の高さｔ凸，振動板長辺方向の凸部間間隔Ｂｗ，ギャップ内の絶縁膜の全体厚みｔｓ，絶縁膜の比誘電率εｓ，ギャップ長（空隙長）Ｇａｉｒ，振動板厚みｔＤ，振動板の材料定数を振って、凸部２５が対向面と接触するための最小印加電圧Ｖ凸，凸部２５以外の部分が対向面と接触する（Ｂ点が当接する）最小印加電圧Ｖｔｈの値を導出し、相関関係を検討した。この結果、Ｖ凸、Ｖｔｈ、及びその他のパラメータの間に次の（４）式の関係があることを見出した。
【００５４】
【数７】

【００５５】
したがって、凸部間隔Ｂｗに依存しない最小印加電圧Ｖ凸の値が分かれば、最小印加電圧Ｖ凸とスケールパラメータのみから最小印加電圧Ｖｔｈを導出できる。最小印加電圧Ｖ凸のみであれば、シミュレーションにより簡単に導出できる。さらに、利用価値が高い点は、最小印加電圧Ｖ凸の値が不明でも、最小印加電圧Ｖ凸に対する最小印加電圧Ｖｔｈの比を設定するだけで、採り得るスケールパラメータを知ることができることである。ちなみに、（４）式は、振動板の厚み，材料定数に依存しない関係式になっている。また、定義からも分かるが、（４）式は図１５に示すように、棒状の凸部２５が長辺方向の両端に伸びている場合には適用されない。
【００５６】
ここで、アクチュエーターは、Ｖｔｈ＞１．４×Ｖ凸の関係式を満たす必要があるため、最終的に次の（１）式の関係を満たす必要があることが分かる。
【００５７】
【数８】

【００５８】
次に、凸部がランダムに配置された場合について図１６を参照して説明する。図１６において、振動板長辺方向において凸部が配置されない凸部間間隔はＢｗ１、Ｂｗ２、…、Ｂｗ６の範囲である。これらのＢｗｉ（ｉ＝１、２、…、６）を各々（１）式のＢｗに代入にして、同式を満たす必要がある。
【００５９】
ここで、上述した凸部２５が規則正しく１列，２列に配置された場合においては、（１）式は満たすべき唯一の条件であったが、ランダムに配置された場合は、（１）式は満たすべき最低限の条件である。
【００６０】
これらの（１）式及び（４）式については次の点に注意しなければならない。これらは以下に導出する（５）式、（２）式、（３）式に対しても同様である。
凸部は振動板裏面，電極表面のどちらに設けられていても良いし、両方に設けられていても良い。また、凸部は１列のみに限る必要は無く、２列，３列、…と何列有していても良いし、千鳥配置でもランダムな配置でも良い。また、説明において、凸部は矩形の島状，棒状の形状を示しているが、形状は限定されるものではなく、棒状である場合も直線である必要はなく、曲線状であっても良い。
【００６１】
（４）式及び（１）式では、Ｇａｐ内絶縁層である電極上絶縁膜，振動板裏面絶縁膜を同一の材料として扱ったが、異なる材料で形成されていれば、それに応じてｔｓ／εｓの部分を変える必要がある。電極上，振動板裏面のどちらか一方の絶縁層が無い場合、もしくは多層である場合も同様の変更が必要である。
【００６２】
また、凸部の絶縁材料は、電極上，振動板裏面の絶縁層の材料と同一である必要はない。なお、凸部の総面積は、振動板の面積に対して十分小さいため、絶縁材料で形成された凸の存在がＶ凸に与える影響も僅かであり、（４）式及び（１）式には含まれていない。
【００６３】
（４）式を導出するためのシミュレーションにおいて、アクチュエータは真空中におけるもの、つまりＧａｐ内外に気体が存在しないものとして計算した。しかし、実際には、アクチュエータは大気中に存在し、通常Ｇａｐ内にもガスが封入されている。ここで、最小印加電位Ｖ凸、Ｖｔｈは、ガスが無いとした計算値と、大気中での実測値では各々同程度のズレが生じる。したがって、最小印加電圧Ｖ凸とＶｔｈの比で表した（４）式及び（１）式は、大気中でのアクチュエータの振る舞いに対しても同様に適用することが可能である。
【００６４】
凸部の形成目的に拠っては、第１電極，第２電極の少なくとも一方の凸部に対応する電極を無くした構成、或いはその部分のみ電気的にフロートにした構成が採られる。これらの場合も、最小印加電圧Ｖ凸，Ｖｔｈは変化するが、その比は大きく変化しないので、（４）式及び（１）式をそのまま用いることができる。
【００６５】
また、説明において、振動板短辺長と電極短辺長は同じ長さとして説明しているが、両者の長さが異なり、かつ凸部が電極上に形成された場合にも、注目すべきは振動板短辺長ａであって、（１）式におけるａは、振動板短辺長である。
【００６６】
凸部の高さｔ凸は（１）式を満たしていれば十分である。しかしながら、凸部が高すぎると吐出滴の体積Ｍｊに対する影響が大きい。したがって、経験的に、凸部の高さは空隙長Ｇａｉｒの１／３以下とするのが好ましい。
【００６７】
静電アクチュエータにおいて、振動板は内部応力を有する薄層であることが少なくない。そのために、振動板は四辺を固定されているものの、内部応力により撓んで凹凸形状を有する場合がある。このような場合は、Ｇａｉｒとして振動板短辺方向の中央部の空隙長をＧａｉｒとして（４）式及び（１）式に用いる必要がある。
【００６８】
振動板長辺方向の端部は難変位領域であり、必ずしも（１）を満たす必要はないが、長辺端を凸端と見なして同様の構成を採ると良い。
【００６９】
次に、本発明に係る第３実施形態について説明する。ここでも、凸部が振動板裏面面に形成された場合について説明する。
先ず簡単のために凸部が１列（図１２）もしくは２列（図１３）で形成された構成を示す。図１２及び図１３において、振動板短辺端と最短距離にある凸部の端との間の部分（Ｃ点）が電極に接触する最小印加電圧をＶｔｈとする。
【００７０】
アクチュエータの実用域において、振動板の凸部以外の部分は電極に接触しない構成にするため、Ｖｔｈ＞１．４×Ｖ凸の関係を満たさなくてはならない。ここでも、有限要素法によるシミュレータを用いることにより、多数の計算を行い、アクチュエーターの構成，材料定数に関する一般化された関係式を得ることにした。
【００７１】
ここで行った計算は、図１１ないし図１３において、パラメータとして振動板短辺長ａ，凸部２５の高さｔ凸，振動板短辺端のあるＭ点から振動板長辺方向に±Ｂｗとなる範囲においてＭ点に最も近い凸部２５の端と振動板端辺方向端との間隔Ａｗ，ギャップ内の絶縁膜の全体厚みｔｓ，絶縁膜の比誘電率εｓ，ギャップ長（空隙長）Ｇａｉｒ，振動板厚みｔＤ，振動板の材料定数を振って、凸部２５が対向面と接触するための最小印加電圧Ｖ凸，凸部２５以外の部分が対向面と接触する（Ｃ点が当接する）最小印加電圧Ｖｔｈの値を導出し、相関関係を検討した。この結果、Ｖ凸、Ｖｔｈ、及びその他のパラメータの間に次の（５）式の関係があることを見出した。
【００７２】
【数９】

【００７３】
したがって、振動板短辺端のあるＭ点から振動板長辺方向に±Ｂｗとなる範囲においてＭ点に最も近い凸部２５の端と振動板端辺方向端との間隔Ａｗに依存しない最小印加電圧Ｖ凸の値が分かれば、最小印加電圧Ｖ凸とスケールパラメータのみからＣ点が当接する最小印加電圧Ｖｔｈを導出できる。最小印加電圧Ｖ凸のみであれば、シミュレーションにより簡単に導出できる。
【００７４】
また、（４）式及び（１）式と同様に、最小印加電圧Ｖ凸の値が不明でも、最小印加電圧Ｖ凸に対する最小印加電圧Ｖｔｈの比を設定するだけで、採り得るスケールパラメータを知ることができ、利用価値が高い。ちなみに、（５）式は振動板の厚みｔＤ，材料定数に依存しない関係式になっている。また、定義からも分かるが、（５）式及び（２）式は図１５に示すように、棒状の凸部が振動板長辺方向の両端に伸びている場合にも適用される。
【００７５】
ここで、アクチュエータは、Ｖｔｈ＞１．４×Ｖ凸の関係式を満たす必要があるため、最終的に（２）式の関係を満たす必要があることが分かる。
【００７６】
【数１０】

【００７７】
次に、凸部がランダムに配置された場合について、図１７を参照して説明する。凸部２５ａに注目すると、凸部２５ａの端と振動板短辺端との間隔Ａｗ１１、Ａｗ１２を各々（２）式のＡｗに代入して、同式を満たす必要があるように見える。しかしながら、凸部２５ｂとの長辺方向間隔Ｂｗ１１を、（１）式のＢｗに代入して同式を満たすならば、凸部２５ａの端と振動板短辺端との間隔Ａｗ１１を（２）式のＡｗに代入して同式を満たす必要はなく、満たすべきは凸部２５ｂの端と振動板短辺端との間隔Ａｗ１３を（２）式のＡｗに代入した式である。一方、長辺方向間隔Ｂｗ１２を（１）式のＢｗに代入して同式を満たさないならば、やはり長辺方向間隔Ｂｗ１２（２）式のＡｗに代入して同式を満たす必要がある。
【００７８】
ここで、上述した凸部２５が規則正しく１列，２列に配置された場合においては、（２）式は満たすべき唯一の条件であったが、ランダムに配置された場合は、（２）式は満たすべき最低限の条件である。
【００７９】
ここで、表３に試作したアクチュエータの仕様と、実測された最低印加電圧Ｖ凸とＶｔｈを示している。ただし、同表中、「真空中での実測値」というのは、脱気中（１０ｍｍＨｇ）での実測値から比例導出した値である。同表から、最低印加電圧Ｖｔｈの実測値３６．５と計算値３６．７は非常に良く一致している（（Ｖｔｈ（実測）／Ｖｔｈ（計算）＝０．９９）。
【００８０】
【表３】

【００８１】
次に、本発明の第４実施形態について説明する。
先ず凸部２５が電極表面に２列形成された場合について図１８を参照して説明する。この場合、電極短辺長と振動板短辺長は同じとする。
図１８において、振動板端と最短距離にある凸部２５端の間の部分（Ｃ点）に振動板が接触する最小印加電圧をＶｔｈ１とし、２列の凸部２５間の部分（Ｄ点）に振動板２１が接触する最小印加電圧をＶｔｈ２とする。
【００８２】
このときアクチュエーターは、後述する理由により（６）式を満たす必要がある。
【００８３】
【数１１】

【００８４】
振動板２１が電極２２上の凸部２５に接触すると、図１９のような構図となるが、最小印加電圧Ｖｔｈ２が最小印加電圧Ｖｔｈ１よりも小さいと、電圧を上昇させた際に、振動板端−凸部端の部分（図中Ａｗの範囲）よりも、凸部間間隔Ｃｗの部分（図１９中Ｃｗの範囲）がより撓み易いことになる。このとき、振動板２１の凸部間の部分（Ｃｗ）は電極２１側に引かれるが、振動板端−凸部端の部分（Ａｗ）は凸部が構造上のストッパとなり、電圧の上昇に対して効果的に撓み難くなる、という不具合が生じる。
【００８５】
ここで、振動板端部を含む間隔Ａｗの部分の撓みは、振動板２１の戻り力に大きく影響するが、振動板端辺方向間隔Ｃｗの部分の撓みは、振動板端辺方向間隔Ｃｗが振動板短辺幅ａよりも狭く撓みが小さいこともあり、振動板２１の戻り力対する影響は間隔Ａｗの部分の撓み程ではない。
【００８６】
この結果、（６）式を満たさない構成の場合、電圧の上昇に対して振動板の戻り力の増加が、ひいては、液滴吐出において滴速度Ｖｊ，滴体積Ｍｊの増加が十分とはいえないものとなる。つまり、電圧を上昇させて、滴の吐出効率を上げるためには、間隔Ａｗの部分がより撓む構成にする必要がある。
【００８７】
そこで、（４）式及び（５）式を利用すると、（６）式は、（３）式のように書きなおせる。
【００８８】
【数１２】

【００８９】
凸部と凸部の振動板端辺方向間隔Ｃｗが広くなる場合には、凸部自身の幅を多少大きくして間隔Ｃｗを狭くするか、もしくは間隔Ｃｗ内にさらに１列配置して３列にすると良い。また、経験的には、振動板の短辺端と凸部端の間隔Ａｗは、振動板短辺長の１／３以上空けておいた方が好ましい。
【００９０】
次に、電極側の凸部がランダムに配置された場合について図２０を参照して説明する。
凸部２５ｄ，２５ｆに注目すると、間隔Ａｗ２１，Ａｗ２５を各々（３）式のＡｗに代入して、間隔Ａｗ２３を（３）式のＣｗに代入して、同式が成立する必要があるように見える。
【００９１】
しかし、ここで、凸部２５ｄと凸部２５ｇとの長辺方向間隔Ｂｗ２１を、（１）式Ｂｗに代入して同式を満たすならば、間隔Ａｗ２１を（３）式のＡｗに代入し、間隔Ａｗ２３を（３）式のＣｗに代入して、同式を満たす必要はない。満たすべき条件は、間隔Ａｗ２１，Ａｗ２５を各々（３）式のＡｗに代入し、間隔Ａｗ２３，Ａｗ２４を各々（３）式のＣｗに代入した場合の関係式である。
【００９２】
ここで、上述した凸部が規則正しく２列に配置された場合においては、（３）式は満たすべき唯一の条件であったが、ランダムに配置された場合は、（３）式は満たすべき最低限の条件である。
【００９３】
次に、画像形成装置としてのインクジェット記録装置について図２１及び図２２を参照して説明する。なお、図２１は本発明に係る画像形成装置としてのインクジェット記録装置の全体構成を説明する構成図、図２２は同記録装置の要部平面説明図である。
【００９４】
このインクジェット記録装置は、図示しない左右の側板に横架したガイド部材であるガイドロッド１０１とステー１０２とでキャリッジ１０３を主走査方向に摺動自在に保持し、主走査モータ１０４でタイミングベルト１０５を介して図２２で矢示方向（主走査方向）に移動走査する。
【００９５】
このキャリッジ１０３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４個のインクジェットヘッドからなる記録ヘッド１０７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。
【００９６】
また、キャリッジ１０３には、記録ヘッド１０７に各色のインクを供給するための各色のサブタンク１０８を搭載している。このサブタンク１０８には図示しないインク供給チューブを介してメインタンク（インクカートリッジ）からインクが補充供給される。
【００９７】
一方、給紙カセット１１０などの用紙積載部（圧板）１１１上に積載した用紙１１２を給紙するための給紙部として、用紙積載部１１１から用紙１１２を１枚づつ分離給送する半月コロ（給紙コロ）１１３及び給紙コロ１１３に対向し、摩擦係数の大きな材質からなる分離パッド１１４を備え、この分離パッド１１４は給紙コロ１１３側に付勢されている。
【００９８】
そして、この給紙部から給紙された用紙１１２を記録ヘッド１０７の下方側で搬送するための搬送部として、用紙１１２を静電吸着して搬送するための搬送ベルト１２１と、給紙部からガイド１１５を介して送られる用紙１１２を搬送ベルト１２１との間で挟んで搬送するためのカウンタローラ１２２と、略鉛直上方に送られる用紙１１２を略９０°方向転換させて搬送ベルト１２１上に倣わせるための搬送ガイド１２３と、押さえ部材１２４で搬送ベルト１２１側に付勢された先端加圧コロ１２５とを備えている。また、搬送ベルト１２１表面を帯電させるための帯電手段である帯電ローラ１２６を備えている。
【００９９】
ここで、搬送ベルト１２１は、無端状ベルトであり、搬送ローラ１２７とテンションローラ１２８との間に掛け渡されて、電動機である副走査モータ１３１からタイミングベルト１３２及びタイミングローラ１３３を介して搬送ローラ１２７が回転されることで、矢示方向（ベルト搬送方向）に周回するように構成している。
【０１００】
この搬送ベルト１２１は、抵抗制御を行っていない純粋な厚さ４０μｍ程度の樹脂材、例えばＥＴＦＥピュア材で形成した用紙吸着面となる表層２１ａと、この表層と同材質でカーボンによる抵抗制御を行った裏層（中抵抗層、アース層）とを有している。
【０１０１】
帯電ローラ１２６は、搬送ベルト１２１の表層に接触し、搬送ベルト２１の回動に従動して回転するように配置され、加圧力として軸の両端に各２．５Ｎをかけている。また、搬送ローラ１２７はアースローラの役目も担っており、搬送ベルト１２１の中抵抗層（裏層）と接触配置され接地している。
【０１０２】
また、搬送ベルト２１の裏側には、記録ヘッド４による印写領域に対応してガイド部材１３６を配置している。このガイド部材１３６は、上面が搬送ベルト１２１を支持する２つのローラ（搬送ローラ１２７とテンションローラ１２８）の接線よりも記録ヘッド１０７側に突出している。これにより、搬送ベルト１２１は印写領域ではガイド部材１３６の上面にて押し上げられてガイドされる。
【０１０３】
さらに、記録ヘッド１０７で記録された用紙１１２を排紙するための排紙部として、搬送ベルト１２１から用紙１１２を分離するための分離部と、排紙ローラ１４２及び排紙コロ１４３と、排紙される用紙１１２をストックする排紙トレイ１４４とを備えている。また、背部には両面給紙ユニット１５１が着脱自在に装着されている。この両面給紙ユニット１５１は搬送ベルト１２１の逆方向回転で戻される用紙１１２を取り込んで反転させて再度カウンタローラ１２２と搬送ベルト１２１との間に給紙する。
【０１０４】
このように構成したインクジェット記録装置においては、給紙部から用紙１１２が１枚ずつ分離給紙され、略鉛直上方に給紙された用紙１１２はガイド１１５で案内され、搬送ベルト１２１とカウンタローラ１２２との間に挟まれて搬送され、更に先端を搬送ガイド１２３で案内されて先端加圧コロ１２５で搬送ベルト１２１に押し付けられ、略９０°搬送方向を転換される。
【０１０５】
このとき、図示しない制御回路によって高圧電源から帯電ローラ１２６に対してプラス出力とマイナス出力とが交互に繰り返すように、つまり交番する電圧が印加され、搬送ベルト１２１が交番する帯電電圧パターン、すなわち、周回方向である副走査方向に、プラスとマイナスが所定の幅で帯状に交互に帯電されたものとなる。このプラス、マイナス交互に帯電した搬送ベルト１２１上に用紙１１２が給送されると、用紙１１２内で帯電パターンと反対の電荷に分極するので、平行接続されたコンデンサが形成されたこととなり、用紙１１２が搬送ベルト１２１に吸着され、搬送ベルト１２１の周回移動によって用紙１１２が副走査方向に搬送される。
【０１０６】
そこで、キャリッジ１０３を移動させながら画像信号に応じて記録ヘッド１０７を駆動することにより、停止している用紙１１２にインク滴を吐出して１行分を記録し、用紙１１２を所定量搬送後、次の行の記録を行う。記録終了信号又は用紙１１２の後端が記録領域に到達した信号を受けることにより、記録動作を終了して、用紙１２を排紙トレイ１４４に排紙する。
【０１０７】
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、このインクジェットヘッドを備えるインクジェット記録装置の例で説明したが、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、また、インクジェット記録装置以外の画像形成装置、液滴吐出装置にも適用できる。
【０１０８】
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。
【０１０９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る液滴吐出ヘッドによれば、（１）式、（２）式、あるいは（３）式を充足する関係に規定したので、信頼性の高いヘッドを得ることができ、この液滴吐出ヘッドを備えた液滴吐出装置あるいはインクジェット記録装置の信頼性も向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】静電型インクジェットヘッドの基本構成を説明する振動板長手方向に沿う模式的説明図
【図２】同じく振動板短辺方向に沿う模式的説明図
【図３】同ヘッドの動作説明に供する模式的説明図
【図４】他のヘッド構成を説明する模式的説明図
【図５】更に他のヘッド構成を説明する模式的説明図
【図６】本発明の第１実施形態の説明に供する変位量δ−駆動電圧Ｖ特性の一例を説明する説明図
【図７】同じく滴速度Ｖｊ−駆動電圧Ｖ特性の一例を説明する説明図
【図８】同じく滴体積Ｍｊ−駆動電圧Ｖ特性の一例を説明する説明図
【図９】同じく滴速度Ｖｊ−駆動電圧Ｖ特性の他の例を説明する説明図
【図１０】同じく滴速度Ｖｊ−駆動電圧Ｖ特性の他の例を説明する説明図
【図１１】本発明で用いるパラメータの定義の説明に供する振動板長辺方向の模式的説明図
【図１２】同じく凸部が１列の場合の振動板の平面説明図
【図１３】同じく凸部が２列の場合の振動板の平面説明図
【図１４】本発明の第２実施形態の説明に供する凸部当接時の状態を説明する説明図
【図１５】同じく凸部が長辺方向端部まで形成された場合の振動板の平面説明図
【図１６】凸部がランダムに配置された場合の説明に供する平面説明図
【図１７】本発明の第３実施形態の説明に供する凸部がランダムに配置された場合の説明に供する平面説明図
【図１８】本発明の第４実施形態の説明に供する凸部が電極側に配置された場合の説明に供する平面説明図
【図１９】同実施形態の計算方法の説明に供する模式的説明図
【図２０】同実施形態の説明に供する凸部がランダムに配置された場合の説明に供する平面説明図
【図２１】本発明に係る画像形成装置としてのインクジェット記録装置の機構部を説明する概略構成図
【図２２】同記録装置の要部概略平面説明図
【符号の説明】
１…第１基板、２…第２基板、３…第基板、４…ノズル孔、６…液室、１０、２１…振動板、１４、２２…第２電極、１７、２５…凸部、１８、１９、２３、２４…絶縁膜。

Claims

液滴を吐出するノズルが連通する液室と、この液室の少なくとも１つの壁面を形成する変形可能な第１電極として機能する導電層を含む振動板と、この振動板に対向して絶縁層と空隙をもって液室外に設けられた第２電極とを有し、前記振動板と第２電極間の対向する面の少なくとも一方には凸部を有し、前記第１電極と第２電極間に電圧を印加することにより振動板を変形させて前記ノズルから液滴を吐出することのできる静電アクチュエータを複数有する液滴吐出ヘッドにおいて、前記凸部が対向面と接触するための最小印加電圧をＶ凸としたとき、凸部以外の部分で振動板が対向面に接触するための最小印加電圧が１．４×Ｖ凸以上であることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
液滴を吐出するノズルが連通する液室と、この液室の少なくとも１つの壁面を形成する変形可能な第１電極として機能する導電層を含む振動板と、この振動板に対向して絶縁層と空隙をもって液室外に設けられた第２電極とを有し、前記振動板と第２電極間の対向する面の少なくとも一方には凸部を有し、前記第１電極と第２電極間に電圧を印加することにより振動板を変形させて前記ノズルから液滴を吐出することのできる静電アクチュエータを複数有する液滴吐出ヘッドにおいて、前記凸部が対向面と接触するための最小印加電圧をＶ凸とし、前記振動板の短辺長をａ、前記凸部の高さをｔ凸、空隙長をＧａｉｒ、前記第１電極と第２電極間のギャップ内の絶縁膜の全厚みと比誘電率をそれぞれｔｓ及びεｓとし、振動板長辺方向において凸部が配置されない凸部間の間隔をＢｗとしたとき、次の（１）式が充足されることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
液滴を吐出するノズルが連通する液室と、この液室の少なくとも１つの壁面を形成する変形可能な第１電極として機能する導電層を含む振動板と、この振動板に対向して絶縁層と空隙をもって液室外に設けられた第２電極とを有し、前記振動板と第２電極間の対向する面の少なくとも一方には凸部を有し、前記第１電極と第２電極間に電圧を印加することにより振動板を変形させて前記ノズルから液滴を吐出することのできる静電アクチュエータを複数有する液滴吐出ヘッドにおいて、前記凸部が対向面と接触するための最小印加電圧をＶ凸とし、前記振動板の短辺長をａ、前記凸部の高さをｔ凸、空隙長をＧａｉｒ、前記第１電極と第２電極間のギャップ内の絶縁膜の全厚みと比誘電率をそれぞれｔｓ及びεｓとし、このとき前記（１）式が満たされる間隔Ｂｗを用いて、振動板短辺端の或るＭ点から振動板長辺方向±Ｂｗとなる範囲において、Ｍ点とＭ点に最も近い前記凸部の端の振動板短辺方向間隔をＡｗとしたとき、次の（２）式が充足されることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
液滴を吐出するノズルが連通する液室と、この液室の少なくとも１つの壁面を形成する変形可能な第１電極として機能する導電層を含む振動板と、この振動板に対向して絶縁層と空隙をもって液室外に設けられた第２電極とを有し、前記振動板と第２電極間の対向する面の少なくとも一方には凸部を有し、前記第１電極と第２電極間に電圧を印加することにより振動板を変形させて前記ノズルから液滴を吐出することのできる静電アクチュエータを複数有する液滴吐出ヘッドにおいて、前記凸部が対向面と接触するための最小印加電圧をＶ凸とし、前記振動板の短辺長をａ、前記凸部の高さをｔ凸、空隙長をＧａｉｒ、前記第１電極と第２電極間のギャップ内の絶縁膜の全厚みと比誘電率をそれぞれｔｓ及びεｓとし、このとき前記（１）式が満たされる間隔Ｂｗを用いて、振動板短辺端の或るＭ点から振動板長辺方向±Ｂｗとなる範囲において、Ｍ点とＭ点に最も近い前記凸部の端の振動板短辺方向間隔をＡｗとし、さらに異なる凸部の端の間隔をＣｗとしたとき、次の（３）式が充足されることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
液滴を吐出する液滴吐出ヘッドを搭載した液滴吐出装置において、前記液滴吐出ヘッドが前記請求項２ないし４のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドであることを特徴とする液滴吐出装置。
インク滴を吐出するインクジェットヘッドを搭載した画像形成装置において、前記インクジェットヘッドが前記請求項２ないし４のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドであることを特徴とする画像形成装置。