JP2007313731A - 静電アクチュエータ、液滴吐出ヘッド及びそれらの製造方法並びに液滴吐出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁膜の形成が基板材料に依存することなくガラス基板にも適用でき、低コストのもとで静電アクチュエータの駆動の安定性および駆動耐久性の向上を図る。
【解決手段】基板上に形成された個別電極５と、この個別電極５に所定のギャップを介して対向配置された振動板６と、前記個別電極５と前記振動板６との間に静電気力を発生させて該振動板６に変位を生じさせる駆動手段とを備えた静電アクチュエータにおいて、前記個別電極５の対向面に、トリメトキシシランを原料ガスとして用いたシリコン酸化膜からなる絶縁膜７を設ける。
【選択図】図２

Description

本発明は、静電駆動方式のインクジェットヘッド等に用いられる静電アクチュエータ、液滴吐出ヘッド及びそれらの製造方法並びに液滴吐出装置に関する。

液滴を吐出するための液滴吐出ヘッドとして、例えばインクジェット記録装置に搭載される静電駆動方式のインクジェットヘッドが知られている。静電駆動方式のインクジェットヘッドは、一般に、ガラス基板上に形成された個別電極（固定電極）と、この個別電極に所定のギャップを介して対向配置されたシリコン製の振動板（可動電極）とから構成される静電アクチュエータ部を備えている。そして、インク滴を吐出するための複数のノズル孔が形成されたノズル基板と、このノズル基板に接合されノズル基板との間で上記ノズル孔に連通する吐出室、リザーバ等のインク流路が形成されたキャビティ基板とを備え、上記静電アクチュエータ部に静電気力を発生させることにより吐出室に圧力を加えて、選択されたノズル孔よりインク滴を吐出するようになっている。

従来の静電アクチュエータにおいては、アクチュエータの絶縁膜の絶縁破壊や短絡を防止して駆動の安定性と駆動耐久性を確保するため、振動板や個別電極の対向面に絶縁膜が形成されている。絶縁膜には、一般にシリコンの熱酸化膜が使用されている。その理由としては製造プロセスの簡便さや、絶縁膜特性がシリコン熱酸化膜は優れているという理由からである。また、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法によりＴＥＯＳ（Tetraethoxysilane：テトラエトキシシラン）を原料ガスとするシリコン酸化膜により絶縁膜を振動板の対向面に形成することも提案されている（例えば、特許文献１参照）。さらに、振動板側の片方だけに絶縁膜を形成するのでは誘電体の絶縁膜内に残留電荷が生じてアクチュエータの駆動の安定性や駆動耐久性が低下することから、振動板側と個別電極側の両方に絶縁膜を形成する静電アクチュエータも提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。

特開２００２−１９１２９号公報 特開平８−１１８６２６号公報 特開２００３−８０７０８号公報

上記の従来技術において、静電アクチュエータの電極の絶縁膜として、シリコン熱酸化膜を用いる場合は、適用がシリコン基板に限られるという適用上の問題がある。したがって、可動電極である振動板側にしかシリコン熱酸化膜を形成することができない。一方、特許文献１に示すようにＴＥＯＳ膜を用いる場合は、ＣＶＤ法という膜の製法上、膜中に多くのカーボン系不純物が混入してしまい、駆動耐久性試験の結果、膜の安定性に課題がある場合が多いということがわかった。

特許文献２では、振動板側に熱酸化膜を、個別電極側にスパッタ法によりシリコン酸化膜（ここではスパッタ膜と記す）を形成するものであるが、スパッタ膜では絶縁耐圧が低くなるため、静電アクチュエータの絶縁破壊を防止するためには、膜厚を厚くするか、振動板側に熱酸化膜のような絶縁耐圧に優れた膜を別に形成する必要があった。

また、特許文献３では、振動板および個別電極の両電極が共にシリコン基板で構成され、振動板側だけでなく、個別電極側にも熱酸化膜からなる絶縁膜を構成し、さらにシリコン基板の接合面には絶縁膜が設けられていない構成とするものである。しかし、シリコン基板はガラス基板よりも高価であり、コスト高になる問題がある。

一方、静電アクチュエータを備える静電駆動方式のインクジェットヘッドにあっては、近年、高解像度化に伴い高密度化、高速度駆動の要求が一段と高まり、それに伴い静電アクチュエータもますます微小化する傾向にある。このような要求に応えるためには、絶縁膜の形成が基板材料に依存することなくガラス基板にも適用でき、低コストのもとで静電アクチュエータの駆動の安定性および駆動耐久性の更なる向上を図ることが重要な課題となる。

本発明は、上記のような課題を解決する静電アクチュエータを提供することを目的とし、さらには高解像度化に伴う高密度化、高速駆動に対応し得る液滴吐出ヘッド及びそれらの製造方法並びに液滴吐出装置を提供することを目的としている。

前記課題を解決するため、本発明に係る静電アクチュエータは、基板上に形成された固定電極と、この固定電極に所定のギャップを介して対向配置された可動電極と、前記固定電極と前記可動電極との間に静電気力を発生させて該可動電極に変位を生じさせる駆動手段とを備えた静電アクチュエータにおいて、前記固定電極の対向面に、トリメトキシシランを原料ガスとして用いたシリコン酸化膜からなる絶縁膜を設けたものである。

本発明では、静電アクチュエータの絶縁膜として、ＣＶＤ法で形成可能な、ＳｉＯ₂膜中に存在するカーボン系不純物がＴＥＯＳ（Tetraethoxysilane：テトラエトキシシラン）に比べて少ないトリメトキシシラン（Trimethoxysilane：「ＴＭＳ」と略記する）を原料ガスとして用いてシリコン酸化膜を固定電極上に形成するものである。ここで、トリメトキシシランを原料ガスとして用いたシリコン酸化膜を、他の絶縁膜と区別するために便宜上、ＴＭＳ−ＳｉＯ₂膜と略記するものとする。
ＴＭＳの化学式はＳｉ（ＯＣＨ₃）₃Ｈであり、ＴＥＯＳの化学式はＳｉ（ＯＣ₂Ｈ₅）₄であることから、ＴＭＳは炭素（Ｃ）の数がＴＥＯＳよりも少ないため、ＳｉＯ₂膜中に存在するカーボン系不純物の発生量がＴＭＳの方が少なくなる。したがって、絶縁膜としてＴＭＳ−ＳｉＯ₂膜を形成することにより、残留電荷を抑制でき、かつ絶縁性能に優れた絶縁膜を構成することができる。その結果、静電アクチュエータの駆動の安定性及び駆動耐久性が向上する。

ＴＭＳ−ＳｉＯ₂膜は可動電極側に形成してもよいものである。したがって、本発明ではＴＭＳ−ＳｉＯ₂膜の絶縁膜を可動電極の対向面に設けた静電アクチュエータとするものである。
ＴＭＳ−ＳｉＯ₂膜は、上記のように優れた絶縁性能を有するので、固定電極または可動電極のいずれか一方の対向面に形成すればよい。したがって、静電アクチュエータのコスト低減が可能となる。

また、ＴＭＳ−ＳｉＯ₂膜を固定電極の対向面に設けた場合、可動電極の対向面に第２の絶縁膜を設けてもよい。この場合、第２の絶縁膜は、シリコン熱酸化膜とすることができる。これによって、さらに絶縁性能が向上するので、静電アクチュエータの駆動の安定性及び駆動耐久性をより一層向上させることができる。

また、絶縁性能を向上させるためには、ＴＭＳ−ＳｉＯ₂膜の絶縁膜または第２の絶縁膜を多層構造としてもよい。

ＴＭＳ−ＳｉＯ₂膜の絶縁膜または第２の絶縁膜が多層構造の場合は、表層部はＴＭＳ−ＳｉＯ₂膜とし、下層部を酸化シリコンよりも比誘電率の高い誘電体層、すなわちアルミナ等の、いわゆるＨｉｇｈ−Ｋ（高誘電率ゲート絶縁膜）材と呼ばれる誘電体層とするものである。
Ｈｉｇｈ−Ｋ材からなる誘電体層は、酸化シリコンよりも高い比誘電率を有するため、静電アクチュエータの絶縁性及び動作特性を向上させることができる反面、親水化が困難で、そのため陽極接合が難しく接合強度の確保が難しいため、表層部をＴＭＳ−ＳｉＯ₂膜として、静電アクチュエータの駆動の安定性及び駆動耐久性の向上と接合強度の確保の両立を図るものである。

以上により、本発明の静電アクチュエータにおいては、固定電極が形成された基板は、陽極接合が可能な安価なガラス基板であることが好ましい。

本発明に係る静電アクチュエータの第１の製造方法は、基板上に形成された固定電極と、この固定電極に所定のギャップを介して対向配置された可動電極と、前記固定電極と前記可動電極との間に静電気力を発生させて該可動電極に変位を生じさせる駆動手段とを備えた静電アクチュエータの製造方法において、ガラス基板に前記固定電極を形成する工程と、前記固定電極が形成された前記ガラス基板の片面全面に、ＣＶＤ法によりトリメトキシシランを原料ガスとして用いたシリコン酸化膜を形成する工程と、シリコン基板と前記ガラス基板とを前記シリコン酸化膜を介して陽極接合する工程と、前記シリコン基板を薄板に加工する工程と、前記陽極接合後に、前記シリコン基板の接合面と反対の表面からエッチング加工して前記可動電極を形成する工程と、前記固定電極と前記可動電極との間に形成されるギャップ内の水分を除去する工程と、前記ギャップの開放端部を気密に封止する工程と、を有することを特徴とする。

この第１の製造方法により、駆動の安定性及び駆動耐久性に優れた静電アクチュエータを安価に得ることができる。

本発明の静電アクチュエータの第２の製造方法は、可動電極側にＴＭＳ−ＳｉＯ₂膜を形成するものである。すなわち、ガラス基板に前記固定電極を形成する工程と、シリコン基板の片面全面に、ＣＶＤ法によりトリメトキシシランを原料ガスとして用いたシリコン酸化膜を形成する工程と、前記シリコン基板と前記ガラス基板とを前記シリコン酸化膜を介して陽極接合する工程と、前記陽極接合後に、前記シリコン基板の接合面と反対の表面からエッチング加工して前記可動電極を形成する工程と、前記固定電極と前記可動電極との間に形成されるギャップ内の水分を除去する工程と、前記ギャップの開放端部を気密に封止する工程と、を有するものである。
第２の製造方法によっても同様の効果がある。

また、本発明の静電アクチュエータの第１の製造方法では、前記シリコン基板を前記ガラス基板と陽極接合する前において、該シリコン基板にシリコン熱酸化膜を形成する工程を有するものとすることができる。

さらにまた、本発明の静電アクチュエータの第１の製造方法では、シリコン基板をガラス基板と陽極接合する前において、シリコン基板の接合側表面全面に、酸化シリコンよりも比誘電率の高い誘電体層を形成し、更にその上にテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）を原料ガスとして用いたシリコン酸化膜を形成することもできる。
ここで、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）を原料ガスとして用いたシリコン酸化膜を、ＴＥＯＳ−ＳｉＯ₂膜と略記するものとする。
前述のように、可動電極側の絶縁膜を多層構造とする場合は、接合強度を確保するためにシリコン基板の接合側表面全面に、Ｈｉｇｈ−Ｋ材の誘電体層を形成し、その上にＴＥＯＳ−ＳｉＯ₂膜を形成する。

また、固定電極側の絶縁膜を多層構造とする場合は、シリコン基板をガラス基板と陽極接合する前において、ガラス基板上の固定電極上に、酸化シリコンよりも比誘電率の高い誘電体層を形成し、更にその上にＴＭＳ−ＳｉＯ₂膜を形成する。
さらに、前記ギャップの封止は窒素雰囲気下で行うことが望ましい。これによって、ギャップ内、つまり静電アクチュエータ内部の絶縁膜上に水分が存在することはないので、静電気力により可動電極が固定電極に吸着したままの状態となることを防止することができる。

本発明に係る液滴吐出ヘッドは、液滴を吐出する単一または複数のノズル孔を有するノズル基板と、前記ノズル基板との間で、前記ノズル孔のそれぞれに連通する吐出室となる凹部が形成されたキャビティ基板と、前記吐出室の底部にて構成される可動電極の振動板に所定のギャップを介して対向配置される固定電極の個別電極が形成された電極基板とを備えた液滴吐出ヘッドにおいて、上記のいずれかの静電アクチュエータを備えたものである。

本発明の液滴吐出ヘッドは、上述のように優れた駆動の安定性及び駆動耐久性を有する静電アクチュエータを備えているので、信頼性の高い、液滴吐出特性に優れた液滴吐出ヘッドが得られる。

本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、液滴を吐出する単一または複数のノズル孔を有するノズル基板と、前記ノズル基板との間で、前記ノズル孔のそれぞれに連通する吐出室となる凹部が形成されたキャビティ基板と、前記吐出室の底部にて構成される可動電極の振動板に所定のギャップを介して対向配置される固定電極の個別電極が形成された電極基板とを備えた液滴吐出ヘッドの製造方法において、上記のいずれかの静電アクチュエータの製造方法を有するものである。
これにより、信頼性の高い、液滴吐出特性に優れた液滴吐出ヘッドを安価に製造することができる。

また、本発明に係る液滴吐出装置は、上記の液滴吐出ヘッドを備えたものであるので、高解像度、高密度、高速度のインクジェットプリンタ等を実現できる。

以下、本発明を適用した静電アクチュエータを備える液滴吐出ヘッドの実施形態を図面に基づいて説明する。ここでは、液滴吐出ヘッドの一例として、ノズル基板の表面に設けられたノズル孔からインク滴を吐出するフェイス吐出型の静電駆動方式のインクジェットヘッドについて図１から図５を参照して説明する。なお、本発明は、以下の図に示す構造、形状に限定されるものではなく、基板の端部に設けられたノズル孔からインク滴を吐出するエッジ吐出型の液滴吐出ヘッドにも同様に適用することができるものである。

実施形態１．
図１は実施形態１に係るインクジェットヘッドの概略構成を分解して示す分解斜視図であり、一部を断面で表してある。図２は図１の略右半分の概略構成を示すインクジェットヘッドの断面図、図３は図２のＡ部の拡大断面図、図４は図２のａ−ａ拡大断面図、図５は図２のインクジェットヘッドの上面図である。なお、図１および図２では、通常使用される状態とは上下逆に示されている。

本実施形態のインクジェットヘッド（液滴吐出ヘッドの一例）１０は、図１および図２に示すように、複数のノズル孔１１が所定のピッチで設けられたノズル基板１と、各ノズル孔１１に対して独立にインク供給路が設けられたキャビティ基板２と、キャビティ基板２に設けられた振動板６に対峙して個別電極５が配設された電極基板３とを貼り合わせることにより構成されている。

インクジェットヘッド１０のノズル孔１１ごとに設けられる静電アクチュエータ部４は、図２から図４に示すように、固定電極として、ガラス製の電極基板３の凹部３２内に形成された個別電極５と、可動電極として、シリコン製のキャビティ基板２の吐出室２１の底壁で構成され、個別電極５に所定のギャップＧを介して対向配置される振動板６とを備え、各々の個別電極５の対向面（表面）には、トリメトキシシラン（Trimethoxysilane：以下、「ＴＭＳ」と略記する）を原料ガスとして用いたシリコン酸化膜（以下、便宜上「ＴＭＳ−ＳｉＯ₂膜」と略記する）７が形成されている。ＴＭＳ−ＳｉＯ₂膜７はいうまでもなく絶縁膜である。

また、シリコン製のキャビティ基板２とガラス製の電極基板３とは、ＴＭＳ−ＳｉＯ₂膜７を介して、あるいは図示は省略するがＴＭＳ−ＳｉＯ₂膜７を介さず直接に、陽極接合されている。そして、電極基板３に形成された個別電極５の端子部５ａと、キャビティ基板２の接合面と反対の上面に形成された共通電極２６とに、駆動手段として、ドライバＩＣなどの駆動制御回路９が図２、図３、図５に示すように配線接続される。
以上により、インクジェットヘッド１０の静電アクチュエータ部４が構成される。

以下、各基板の構成についてさらに詳細に説明する。
ノズル基板１は、例えばシリコン基板から作製されている。インク滴を吐出するためのノズル孔１１は、例えば径の異なる２段の円筒状に形成されたノズル孔部分、すなわち径の小さい噴射口部分１１ａとこれよりも径の大きい導入口部分１１ｂとから構成されている。噴射口部分１１ａおよび導入口部分１１ｂは基板面に対して垂直にかつ同軸上に設けられており、噴射口部分１１ａは先端がノズル基板１の表面に開口し、導入口部分１１ｂはノズル基板１の裏面（キャビティ基板２と接合される接合側の面）に開口している。
また、ノズル基板１には、キャビティ基板２の吐出室２１とリザーバ２３とを連通するオリフィス１２とリザーバ２３部の圧力変動を補償するためのダイヤフラム部１３が形成されている。

ノズル孔１１を噴射口部分１１ａとこれよりも径の大きい導入口部分１１ｂとから２段に構成することにより、インク滴の吐出方向をノズル孔１１の中心軸方向に揃えることができ、安定したインク吐出特性を発揮させることができる。すなわち、インク滴の飛翔方向のばらつきがなくなり、またインク滴の飛び散りがなく、インク滴の吐出量のばらつきを抑制することができる。また、ノズル密度を高密度化することが可能である。

キャビティ基板２は、例えば面方位が（１１０）のシリコン基板から作製されている。キャビティ基板２には、インク流路に設けられる吐出室２１となる凹部２２、およびリザーバ２３となる凹部２４がエッチングにより形成されている。凹部２２は前記ノズル孔１１に対応する位置に独立に複数形成される。したがって、図２に示すようにノズル基板１とキャビティ基板２を接合した際、各凹部２２は吐出室２１を構成し、それぞれノズル孔１１に連通しており、またインク供給口である前記オリフィス１２ともそれぞれ連通している。そして、吐出室２１（凹部２２）の底部が上記振動板６となっている。また、この振動板６は、シリコン基板の表面からボロン（Ｂ）を拡散させてボロン拡散層を形成し、ウェットエッチングによりエッチングストップしてそのボロン拡散層の厚さで薄く仕上げられている。

凹部２４は、インク等の液状材料を貯留するためのものであり、各吐出室２１に共通のリザーバ（共通インク室）２３を構成する。そして、リザーバ２３（凹部２４）はそれぞれオリフィス１２を介して全ての吐出室２１に連通している。また、リザーバ２３の底部には後述する電極基板３を貫通する孔が設けられ、この孔のインク供給孔３３を通じて図示しないインクカートリッジからインクが供給されるようになっている。

電極基板３は、例えばガラス基板から作製される。中でも、キャビティ基板２のシリコン基板と熱膨張係数の近い硼珪酸系の耐熱硬質ガラスを用いるのが適している。これは、電極基板３とキャビティ基板２を陽極接合する際、両基板の熱膨張係数が近いため、電極基板３とキャビティ基板２との間に生じる応力を低減することができ、その結果剥離等の問題を生じることなく電極基板３とキャビティ基板２を強固に接合することができるからである。

電極基板３には、キャビティ基板２の各振動板６に対向する表面位置にそれぞれ凹部３２が設けられている。凹部３２は、エッチングにより所要の深さで形成されている。そして、各凹部３２内には、一般に、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide：インジウム錫酸化物）からなる個別電極５が、例えば１００ｎｍの厚さでスパッタにより形成される。したがって、振動板６と個別電極５との間に形成されるギャップ（空隙）Ｇは、この凹部３２の深さ、個別電極５の厚さおよび個別電極５の表面に形成される前記のＴＭＳ−ＳｉＯ₂膜７の厚さにより決まることになる。このギャップＧはインクジェットヘッドの吐出特性に大きく影響するので、凹部３２の深さ、個別電極５の厚さ、ＴＭＳ−ＳｉＯ₂膜７の厚さを高精度に加工する必要がある。
本実施形態では、ＴＭＳ−ＳｉＯ₂膜７の厚さを１５０ｎｍとし、ギャップＧの距離を２００ｎｍとしている。また、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide：インジウム錫酸化物）からなる個別電極５の厚さは１００ｎｍとしている。したがって、凹部３２は４５０ｎｍの深さでエッチングされることになる。

個別電極５は、フレキシブル配線基板（図示せず）に接続される端子部５ａを有する。端子部５ａは、図２、図５に示すように、配線のためにキャビティ基板２の末端部が開口された電極取り出し部３４内に露出している。
また、振動板６と個別電極５との間に形成されるギャップＧの開放端部はエポキシ等の樹脂による封止材３５で封止される。これにより、湿気や塵埃等が電極間ギャップへ侵入するのを防止することができ、インクジェットヘッド１０の信頼性を高く保持することができる。

上述したように、ノズル基板１、キャビティ基板２、および電極基板３は、図２に示すように貼り合わせることによりインクジェットヘッド１０の本体部が作製される。すなわち、キャビティ基板２と電極基板３はＴＭＳ−ＳｉＯ₂膜７を介して陽極接合により接合され、そのキャビティ基板２の上面（図２において上面）にノズル基板１が接着等により接合される。

そして最後に、図２、図５に簡略化して示すように、ドライバＩＣ等の駆動制御回路９が各個別電極５の端子部５ａとキャビティ基板２上面の共通電極２６とに上記フレキシブル配線基板（図示せず）を介して接続される。
以上により、インクジェットヘッド１０が完成する。

次に、以上のように構成されるインクジェットヘッド１０の動作を説明する。
駆動制御回路９により個別電極５とキャビティ基板２の共通電極２６の間にパルス電圧を印加すると、振動板６は個別電極５側に引き寄せられて吸着し、吐出室２１内に負圧を発生させて、リザーバ２３内のインクを吸引し、インクの振動（メニスカス振動）を発生させる。このインクの振動が略最大となって時点で、電圧を解除すると、振動板６は離脱して、インクをノズル１１から押出し、インク液滴を吐出する。

その際、振動板６はＴＭＳ−ＳｉＯ₂膜７を介して個別電極５に吸着する。本実施形態ではＣＶＤ法で形成可能なシリコン酸化膜として、不純物が少ない膜を形成できる、ＴＭＳを原料として用いたシリコン酸化膜、すなわちＴＭＳ−ＳｉＯ₂膜７をＩＴＯからなる個別電極５上に形成する構成であるので、振動板６側に絶縁膜を形成しなくても、電荷の蓄積を抑制でき絶縁耐圧が向上する。そのため、振動板６が個別電極５に吸着したときの放電による静電アクチュエータ部４の絶縁破壊を防止できるとともに、常に一定の振動板変位量を長期間安定して保持することができる。
したがって、このインクジェットヘッド１０は、上記のように構成された静電アクチュエータ部４を備えているので、静電アクチュエータ部４を微小化しても駆動耐久性および駆動の安定性に優れ、高速駆動および高密度化が可能となる。

ここで、参考のために主なＳｉＯ₂膜の特性等についての比較を表１に示す。表１において、「スパッタ膜」とは、スパッタ法により形成されるＳｉＯ₂膜（絶縁膜）を指し、「ＴＥＯＳ−ＳｉＯ₂膜」とは、上記のようにＴＥＯＳを原料ガスとしてＣＶＤ法により形成されるＳｉＯ₂膜（絶縁膜）を指す。なお、ＣＶＤ法はプラズマＣＶＤ法が適しているが、熱ＣＶＤ法その他のＣＶＤ法を使用してもよい。

熱酸化膜は、先に述べたように絶縁耐圧等の膜特性は優れているが、ガラス基板に適用できないことが問題である。スパッタ膜は、基板材料に関係なく比較的に低温で成膜できるものの、他の３つのＳｉＯ₂膜に比べて膜特性が劣る。一方、ＴＥＯＳ−ＳｉＯ₂膜とＴＭＳ−ＳｉＯ₂膜は、ほぼ同様の膜特性、基板適用性、成膜条件を有する。ただし、両シリコン酸化膜共に副生成物が生じる。この副生成物が不純物として膜中に存在することにより残留電荷の発生原因となる。この副生成物の発生量は、以下に示す化学構造式および反応式から明らかなように炭素（Ｃ）の数に依存している。

ＴＭＳとＴＥＯＳの化学構造式を以下に示す。

反応式は次のとおりである。プラズマＣＶＤ法におけるアシストガスとして亜酸化窒素（Ｎ₂Ｏ）または酸素（Ｏ₂）ガスを用いる。
（ＴＭＳの場合）
Ｓｉ（ＯＣＨ₃）₃Ｈ＋１０Ｎ₂Ｏ→ＳｉＯ₂＋３ＣＯ₂＋５Ｈ₂Ｏ＋１０Ｎ₂ （式１）
Ｓｉ（ＯＣＨ₃）₃Ｈ＋５Ｏ₂→ＳｉＯ₂＋３ＣＯ₂＋５Ｈ₂Ｏ （式２）
（ＴＥＯＳの場合）
Ｓｉ（ＯＣ₂Ｈ₄）₄＋２４Ｎ₂Ｏ→ＳｉＯ₂＋８ＣＯ₂＋１０Ｈ₂Ｏ＋２４Ｎ₂ （式３）
Ｓｉ（ＯＣ₂Ｈ₄）₄＋１０Ｏ₂→ＳｉＯ₂＋８ＣＯ₂＋１０Ｈ₂Ｏ （式４）

また、駆動耐久性の実験によると、インク重量が１０％低下するまでのショット数は、ＴＥＯＳの場合２億ショットであるのに対して、ＴＭＳの場合８億ショットと大幅に向上する。

実施形態２．
図６は本発明の実施形態２に係るインクジェットヘッド１０の概略断面図、図７は図６のＢ部の拡大断面図、図８は図６のｂ−ｂ拡大断面図である。
本実施形態における静電アクチュエータ部４は、実施形態１の場合とは反対に、振動板６側の対向面、すなわちキャビティ基板２の電極基板３と接合する側の対向面全面に前記のＴＭＳ−ＳｉＯ₂膜７を形成する構成である。電極基板３上の個別電極５側にはＴＭＳ−ＳｉＯ₂膜を形成しなくてもよい。
このように、ＴＥＯＳ−ＳｉＯ₂膜７は振動板６または個別電極５のいずれか一方の対向面に形成されていればよい。ただし、ＴＭＳ−ＳｉＯ₂膜７はシリコン熱酸化膜に比べて膜特性が若干劣るので、膜厚は若干厚く１５０ｎｍとし、ギャップＧの距離は２００ｎｍとしている。個別電極５は１００ｎｍの厚さである。その他の構成は実施形態１と同様であるので、対応部分には同一符号を付して説明は省略する。
本実施形態でも実施形態１と同様の効果がある。

実施形態３．
図９は本発明の実施形態３に係るインクジェットヘッド１０の概略断面図、図１０は図９のＣ部の拡大断面図、図１１は図９のｃ−ｃ拡大断面図である。

本実施形態における静電アクチュエータ部４は、キャビティ基板２の電極基板３と接合する側の対向面全面にシリコン熱酸化膜（熱酸化ＳｉＯ₂）からなる絶縁膜（第２の絶縁膜）８を形成し、個別電極５側の対向面には実施形態１と同様にＴＭＳ−ＳｉＯ₂膜７を形成する構成である。すなわち、絶縁膜の構成を、振動板６側はシリコン熱酸化膜とし、個別電極５側はＴＭＳ−ＳｉＯ₂膜とする組み合わせである。膜厚については、ＴＭＳ−ＳｉＯ₂膜７を３０ｎｍ、シリコン熱酸化膜の絶縁膜８を８０ｎｍとし、ギャップＧの距離は２００ｎｍとしている。個別電極５は１００ｎｍの厚さである。その他の構成は実施形態１と同様であるので、対応部分には同一符号を付して説明は省略する。

本実施形態でも実施形態１と同様の効果がある。また、振動板６側に膜の特性が優れたシリコン熱酸化膜が設けられているので、ＴＭＳ−ＳｉＯ₂膜７を薄くしてもよいというメリットがある。なお、図示は省略するが、電極基板３の接合面にはＴＭＳ−ＳｉＯ₂膜７を設けない構成としてもよい。すなわち、シリコン熱酸化膜を介してキャビティ基板２と電極基板３を陽極接合してもよい。

実施形態４．
図１２は本発明の実施形態４に係るインクジェットヘッド１０の概略断面図、図１３は図１２のＣ部の拡大断面図である。
本実施形態では、絶縁膜の構成を、多層構造の絶縁膜とＴＭＳ−ＳｉＯ₂膜の組み合わせとする構成である。多層構造の絶縁膜としては、例えば、アルミナに代表される、いわゆるＨｉｇｈ−Ｋ材と呼ばれる酸化シリコンよりも比誘電率の高い誘電材料をシリコン基板側の絶縁膜として用いる場合である。しかしこの場合、アルミナ等のＨｉｇｈ−Ｋ材は、シリコン酸化膜と異なり、絶縁膜表面の親水化が困難であり、陽極接合の接合強度が低下するなどの問題がある。
そこで、本実施形態における静電アクチュエータ部４は、キャビティ基板２の電極基板３と接合する側の対向面全面にＨｉｇｈ−Ｋ材からなる絶縁膜としてアルミナ誘電体層８ｂを形成し、更にその上に親水化が容易で陽極接合が容易なＴＥＯＳ−ＳｉＯ₂膜８ａを形成する構成である。すなわち、絶縁膜８の多層構造を下層部はＨｉｇｈ−Ｋ材の高誘電体層とし、表層部はシリコン酸化膜を設ける構成とするものである。個別電極５側の対向面には実施形態１と同様にＴＭＳ−ＳｉＯ₂膜７が形成されている。膜厚については、アルミナ誘電体層８ｂを６０ｎｍ、ＴＥＯＳ−ＳｉＯ₂膜８ａを３０ｎｍ、ＴＭＳ−ＳｉＯ₂膜７を３０ｎｍとし、ギャップＧの距離は２００ｎｍとしている。個別電極５は１００ｎｍの厚さである。その他の構成は実施形態１と同様であるので、対応部分には同一符号を付して説明は省略する。

Ｈｉｇｈ−Ｋ材としては、上記のアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）のほかに、例えば酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ₂）、酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₃）、窒化ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉＮ）、酸窒化ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉＯＮ）、窒化アルミ（ＡｌＮ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）、酸化セリウム（ＣｅＯ₂）、酸化チタン（ＴｉＯ₂）、酸化イットリウム（Ｙ₂Ｏ₃）、ジルコニウムシリケート（ＺｒＳｉＯ）、ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉＯ）、ジルコニウムアルミネート（ＺｒＡｌＯ）、窒素添加ハフニウムアルミネート（ＨｆＡｌＯＮ）等を挙げることができ、その中でも膜の低温成膜性、膜の均質性、プロセス適応性等を考慮した場合、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ₂）、酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₃）、窒化ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉＮ）、酸窒化ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉＯＮ）を使用することが望ましい。

このように、本実施形態では、振動板６側の絶縁膜８がアルミナに代表されるＨｉｇｈ−Ｋ材とシリコン酸化膜の多層構造となっているので、静電アクチュエータの駆動特性の向上、駆動耐久性の向上、およびキャビティ基板２と電極基板３の接合強度の確保が可能となる。したがって、高速駆動、小型高密度化に十分に対応し得るインクジェットヘッドを得ることができる。

なお、個別電極５側についても絶縁膜を多層構造にすることができる。この場合は、個別電極５上にアルミナに代表されるＨｉｇｈ−Ｋ材の高誘電体層を形成し、その上にＴＭＳ−ＳｉＯ₂膜を形成する。また、上述の絶縁膜の多層構造は、振動板６または個別電極５のいずれか一方の対向面に設ければ十分である。

次に、このインクジェットヘッド１０の製造方法について図１４から図１６を参照して概要を説明する。図１４はインクジェットヘッド１０の製造工程の概略の流れを示すフローチャート、図１５は電極基板３の製造工程の概要を示す断面図、図１６はインクジェットヘッド１０の製造工程の概要を示す断面図である。

図１４において、ステップＳ１とＳ２は電極基板３の製造工程を示すものであり、ステップＳ３はキャビティ基板２の元になるシリコン基板の製造工程を示すものである。
ここでは、主に実施形態１に示したインクジェットヘッド１０の製造方法について説明するが、必要に応じて他の実施形態２〜４についても言及する。

電極基板３は以下のようにして製造される。
まず、硼珪酸ガラス等からなる板厚約１ｍｍのガラス基板３００に、例えば金・クロムのエッチングマスクを使用してフッ酸によってエッチングすることにより所望の深さの凹部３２を形成する。なお、この凹部３２は個別電極３１の形状より少し大きめの溝状のものであり、個別電極５ごとに複数形成される。
そして、例えば、スパッタ法によりＩＴＯ（Indium Tin Oxide）膜を１００ｎｍの厚さで形成し、このＩＴＯ膜をフォトリソグラフィーによりパターニングして個別電極５となる部分以外をエッチング除去して、凹部３２の内部に個別電極５を形成する（図１４のＳ１、図１５（ａ））。

次に、個別電極５の絶縁膜として、ＴＭＳを原料ガスとして用いたＴＭＳ−ＳｉＯ₂膜７をプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により例えば１５０ｎｍの厚さでガラス基板３００の表面全体に形成する（図１４のＳ２、図１５（ｂ））。ＴＭＳ−ＳｉＯ₂膜７の成膜条件は、ＴＭＳ：３０ｓｃｃｍ、Ｎ₂Ｏ：５００ｓｃｃｍ、ＲＦ：３００Ｗ、温度：３００℃、圧力８０Ｐａとした。ＴＭＳ−ＳｉＯ₂膜７は個別電極５が形成された凹部３２内だけでなくガラス基板３００表面のシリコン基板との接合面にも形成される。
その後、ブラスト加工等によってインク供給孔３３となる孔部３３ａを形成する。
以上により、電極基板３が作製される。

キャビティ基板２は上記により作製された電極基板３にシリコン基板２００を陽極接合してから作製される。

まず、例えば厚さが２８０μｍのシリコン基板２００の片面全面に、例えば厚さが０．８μｍのボロン拡散層２０１を形成したシリコン基板２００を作製する（図１４のＳ３、図１５（ａ））。
なお、実施形態２の場合は、シリコン基板２００の電極基板３と接合する側の表面全面に上記ＴＭＳ−ＳｉＯ₂膜７を形成する。
実施形態３の場合は、シリコン基板２００を熱酸化して基板全体に所望の厚さの熱酸化膜を形成する。
実施形態４の場合は、シリコン基板２００の電極基板３と接合する側の表面全面に、アルミナ誘電体層８ｂをスパッタ法により所望の厚さで形成後、その上にＴＥＯＳ−ＳｉＯ₂膜８ａをプラズマＣＶＤ法により所望の厚さで形成する。
次に、以上により作製されたシリコン基板２００を上記電極基板３上にアライメントして陽極接合する（図１４のＳ４、図１５（ｂ））。

次に、この接合済みシリコン基板２００の表面全面を研磨加工して、厚さを例えば５０μｍ程度に薄くし（図１４のＳ５、図１５（ｃ））、さらにこのシリコン基板２００の表面全面をウエットエッチングによりライトエッチングして加工痕を除去する（図１４のＳ６）。

次に、薄板に加工された接合済みシリコン基板２００の表面にフォトリソグラフィーによってレジストパターニングを行い（図１４のＳ７）、ウェットエッチングまたはドライエッチングによってインク流路溝を形成する（図１４のＳ８）。これによって、吐出室２１となる凹部２２、リザーバ２３となる凹部２４および電極取り出し部３４となる凹部２７が形成される（図１５（ｄ））。その際、ボロン拡散層２０１の表面でエッチングストップがかかるので、振動板６の厚さを高精度に形成することができるとともに、表面荒れを防ぐことができる。

次に、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）ドライエッチングにより、凹部２７の底部を除去して電極取り出し部３４を開口し、さらに個別電極５の端子部５ａ上のＴＭＳ−ＳｉＯ₂膜７をＩＣＰドライエッチングにより除去して端子部５ａを露出させた後（図１５（ｅ））、静電アクチュエータの内部に付着している水分を除去する（図１４のＳ９）。水分除去はこのシリコン基板を例えば真空チャンバ内に入れ、窒素雰囲気にして行う。そして、所要時間経過後、窒素雰囲気下でギャップ開放端部にエポキシ樹脂等の封止材３５を塗布して気密に封止する（図１４のＳ１０、図１５（ｆ））。このように静電アクチュエータ内部（ギャップ内）の付着水分を除去した後、気密封止することによって、静電アクチュエータの駆動耐久性を向上させることができる。
また、マイクロブラスト加工等により凹部２４の底部を貫通させてインク供給孔３３を形成する。さらに、インク流路溝の腐食を防止するため、このシリコン基板の表面にプラズマＣＶＤによりＴＥＯＳ膜からなるインク保護膜（図示せず）を形成する。また、シリコン基板上に金属からなる共通電極２６を形成する。

以上の工程を経て電極基板３に接合されたシリコン基板２００からキャビティ基板２が作製される。
その後、このキャビティ基板２の表面上に、予めノズル孔１１等が形成されたノズル基板１を接着により接合する（図１４のＳ１１、図１５（ｇ））。そして最後に、ダイシングにより個々のヘッドチップに切断すれば、上述したインクジェットヘッド１０の本体部が完成する（図１４のＳ１２）。

本実施形態のインクジェットヘッド１０の製造方法によれば、キャビティ基板２と電極基板３との接合部はシリコン酸化膜であるＴＭＳ−ＳｉＯ₂膜７を介して陽極接合されているため、接合強度を高い信頼性で保持することができるとともに、静電アクチュエータ部４は振動板６に対向する個別電極５上にＴＭＳ−ＳｉＯ₂膜７が形成されているため、駆動耐久性および吐出性能に優れたインクジェットヘッドを安価に製造することができる。
また、キャビティ基板２を、予め作製された電極基板３に接合した状態のシリコン基板２００から作製するものであるので、その電極基板３によりキャビティ基板２を支持した状態となるため、キャビティ基板２を薄板化しても、割れたり欠けたりすることがなく、ハンドリングが容易となる。したがって、キャビティ基板２を単独で製造する場合よりも歩留まりが向上する。

上記の実施形態では、静電アクチュエータおよびインクジェットヘッド、ならびにこれらの製造方法について述べたが、本発明は上記の実施形態に限定されるものでなく、本発明の思想の範囲内で種々変更することができる。例えば、本発明の静電アクチュエータは、光スイッチやミラーデバイス、マイクロポンプ、レーザプリンタのレーザ操作ミラーの駆動部などにも利用することができる。また、ノズル孔より吐出される液状材料を変更することにより、インクジェットプリンタのほか、液晶ディスプレイのカラーフィルタの製造、有機ＥＬ表示装置の発光部分の形成、遺伝子検査等に用いられる生体分子溶液のマイクロアレイの製造など様々な用途の液滴吐出装置として利用することができる。

例えば、図１７は本発明のインクジェットヘッドを備えるインクジェットプリンタの概要を示すものである。
このインクジェットプリンタ５００は、記録紙５０１を副走査方向Ｙに向けて搬送するプラテン５０２と、このプラテン５０２にインクノズル面が対峙しているインクジェットヘッド１０と、このインクジェットヘッド１０を主走査方向Ｘに向けて往復移動させるためのキャリッジ５０３と、インクジェットヘッド１０の各インクノズルにインクを供給するインクタンク５０４とを有している。
したがって、高解像度、高速駆動のインクジェットプリンタを実現できる。

本発明の実施形態１に係るインクジェットヘッドの概略構成を示す分解斜視図。 図１の略右半分の概略構成を示すインクジェットヘッドの断面図。 図２のＡ部の拡大断面。 図２のａ−ａ拡大断面図。 図２のインクジェットヘッドの上面図。 本発明の実施形態２に係るインクジェットヘッドの概略断面図。 図６のＢ部の拡大断面図。 図６のｂ−ｂ拡大断面図。 本発明の実施形態３に係るインクジェットヘッドの概略断面図。 図９のＣ部の拡大断面図。 図９のｃ−ｃ拡大断面図。 本発明の実施形態４に係るインクジェットヘッド１０の概略断面図。 図１２のＣ部の拡大断面図。 インクジェットヘッドの製造工程の概略の流れを示すフローチャート。 電極基板の製造工程の概要を示す断面図。 インクジェットヘッドの製造工程の概要を示す断面図。 インクジェットプリンタの概略斜視図。

符号の説明

１ ノズル基板、２ キャビティ基板、３ 電極基板、４ 静電アクチュエータ部、５ 個別電極（固定電極）、６ 振動板（可動電極）、７ ＴＭＳ−ＳｉＯ₂膜（絶縁膜）、８ 絶縁膜（第２の絶縁膜）、８ａ ＴＥＯＳ−ＳｉＯ₂膜、８ｂ アルミナ誘電体層、９ 駆動制御回路（駆動手段）、１０ インクジェットヘッド、１１ ノズル孔、１２ オリフィス、１３ ダイヤフラム部、２１ 吐出室、２３ リザーバ、２６ 共通電極、３２ 凹部、３３ インク供給孔、３４ 電極取り出し部、３５ 封止材、２００ シリコン基板、３００ ガラス基板、５００ インクジェットプリンタ。

Claims (16)

1. 基板上に形成された固定電極と、この固定電極に所定のギャップを介して対向配置された可動電極と、前記固定電極と前記可動電極との間に静電気力を発生させて該可動電極に変位を生じさせる駆動手段とを備えた静電アクチュエータにおいて、
   前記固定電極の対向面に、トリメトキシシランを原料ガスとして用いたシリコン酸化膜からなる絶縁膜を設けたことを特徴とする静電アクチュエータ。
2. 基板上に形成された固定電極と、この固定電極に所定のギャップを介して対向配置された可動電極と、前記固定電極と前記可動電極との間に静電気力を発生させて該可動電極に変位を生じさせる駆動手段とを備えた静電アクチュエータにおいて、
   前記可動電極の対向面に、トリメトキシシランを原料ガスとして用いたシリコン酸化膜からなる絶縁膜を設けたことを特徴とする静電アクチュエータ。
3. 前記可動電極の対向面に第２の絶縁膜を設けたことを特徴とする請求項１記載の静電アクチュエータ。
4. 前記第２の絶縁膜は、シリコン熱酸化膜であることを特徴とする請求項３記載の静電アクチュエータ。
5. 前記絶縁膜または前記第２の絶縁膜が、多層構造であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の静電アクチュエータ。
6. 前記絶縁膜または前記第２の絶縁膜が多層構造の場合は、表層部は前記トリメトキシシランまたはテトラエトキシシランを原料ガスとして用いたシリコン酸化膜であり、下層部は酸化シリコンよりも比誘電率の高い誘電体層であることを特徴とする請求項５記載の静電アクチュエータ。
7. 前記固定電極が形成された基板は、ガラス基板であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の静電アクチュエータ。
8. 基板上に形成された固定電極と、この固定電極に所定のギャップを介して対向配置された可動電極と、前記固定電極と前記可動電極との間に静電気力を発生させて該可動電極に変位を生じさせる駆動手段とを備えた静電アクチュエータの製造方法において、
   ガラス基板に前記固定電極を形成する工程と、
   前記固定電極が形成された前記ガラス基板の片面全面に、ＣＶＤ法によりトリメトキシシランを原料ガスとして用いたシリコン酸化膜を形成する工程と、
   シリコン基板と前記ガラス基板とを前記シリコン酸化膜を介して陽極接合する工程と、
   前記シリコン基板を薄板に加工する工程と、
   前記陽極接合後に、前記シリコン基板の接合面と反対の表面からエッチング加工して前記可動電極を形成する工程と、
   前記固定電極と前記可動電極との間に形成されるギャップ内の水分を除去する工程と、
   前記ギャップの開放端部を気密に封止する工程と、
   を有することを特徴とする静電アクチュエータの製造方法。
9. 基板上に形成された固定電極と、この固定電極に所定のギャップを介して対向配置された可動電極と、前記固定電極と前記可動電極との間に静電気力を発生させて該可動電極に変位を生じさせる駆動手段とを備えた静電アクチュエータの製造方法において、
   ガラス基板に前記固定電極を形成する工程と、
   シリコン基板の片面全面に、ＣＶＤ法によりトリメトキシシランを原料ガスとして用いたシリコン酸化膜を形成する工程と、
   前記シリコン基板と前記ガラス基板とを前記シリコン酸化膜を介して陽極接合する工程と、
   前記陽極接合後に、前記シリコン基板の接合面と反対の表面からエッチング加工して前記可動電極を形成する工程と、
   前記固定電極と前記可動電極との間に形成されるギャップ内の水分を除去する工程と、
   前記ギャップの開放端部を気密に封止する工程と、
   を有することを特徴とする静電アクチュエータの製造方法。
10. 前記シリコン基板を前記ガラス基板と陽極接合する前において、該シリコン基板にシリコン熱酸化膜を形成する工程を有することを特徴とする請求項８記載の静電アクチュエータの製造方法。
11. 前記シリコン基板を前記ガラス基板と陽極接合する前において、該シリコン基板の接合側表面全面に、酸化シリコンよりも比誘電率の高い誘電体層を形成し、更にその上にＣＶＤ法によりテトラエトキシシランを原料ガスとして用いたシリコン酸化膜を形成する工程を有することを特徴とする請求項８記載の静電アクチュエータの製造方法。
12. 前記シリコン基板を前記ガラス基板と陽極接合する前において、該ガラス基板上の前記固定電極上に、酸化シリコンよりも比誘電率の高い誘電体層を形成し、更にその上にＣＶＤ法によりトリメトキシシランを原料ガスとして用いたシリコン酸化膜を形成する工程を有することを特徴とする請求項９または１０記載の静電アクチュエータの製造方法。
13. 前記ギャップの封止は窒素雰囲気下で行うことを特徴とする請求項８乃至１２のいずれかに記載の静電アクチュエータの製造方法。
14. 液滴を吐出する単一または複数のノズル孔を有するノズル基板と、前記ノズル基板との間で、前記ノズル孔のそれぞれに連通する吐出室となる凹部が形成されたキャビティ基板と、前記吐出室の底部にて構成される可動電極の振動板に所定のギャップを介して対向配置される固定電極の個別電極が形成された電極基板とを備えた液滴吐出ヘッドにおいて、
    請求項１乃至７のいずれかに記載の静電アクチュエータを備えたことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
15. 液滴を吐出する単一または複数のノズル孔を有するノズル基板と、前記ノズル基板との間で、前記ノズル孔のそれぞれに連通する吐出室となる凹部が形成されたキャビティ基板と、前記吐出室の底部にて構成される可動電極の振動板に所定のギャップを介して対向配置される固定電極の個別電極が形成された電極基板とを備えた液滴吐出ヘッドの製造方法において、
    請求項８乃至１３のいずれかに記載の静電アクチュエータの製造方法を有することを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。
16. 請求項１４記載の液滴吐出ヘッドを備えたことを特徴とする液滴吐出装置。
    

Images