JP2008055666A

JP2008055666A - 静電アクチュエータ、液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置

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Publication number: JP2008055666A
Application number: JP2006233259A
Authority: JP
Inventors: Tomonori Matsushita; 友紀松下
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2006-08-30
Filing date: 2006-08-30
Publication date: 2008-03-13

Abstract

【課題】一方の電極を構成する振動板とそれに対向する個別電極との間に、電圧を印可して振動板を駆動させるアクチュエータにおいて、振動板の変形による体積変化量を確保しつつ、振動板の個別電極への貼り付きを抑制する。
【解決手段】個別電極１８の長手方向に沿う中央部分が、その両側部分より振動板５側に突出した電極中央凸部１８ａとして形成されており、対向する電極間に電圧を印加時、振動板５の長手方向に沿う長手方向中央部分が電極中央凸部１８ａと接触するとともに、振動板５の長手方向中央部分の両側部分が、電極中央凸部１８ａの表面とその両側部分の表面との間の位置まで引き寄せられた状態となる静電アクチュエータ。
【選択図】図４

Description

本発明は振動板と個別電極を備えた静電アクチュエータ、その静電アクチュエータを適用した液滴吐出ヘッド、及びその液滴吐出ヘッドを搭載した液滴吐出装置に関する。

インクジェット記録装置におけるインクを吐出させる方法として、駆動手段に静電気力を利用した、いわゆる静電駆動方式のインクジェット記録装置がある。静電駆動方式のインクジェット記録装置では、圧力室の一面を構成している振動板とそれに対向する個別電極を帯電させることにより、振動板を個別電極側に吸引して当接させ、その後振動板を個別電極から引き離すことにより、インクを圧力室に引き込み、かつインクに吐出圧力を加えて、インクをノズルから吐出させるものである。従って、この振動板と個別電極からなる駆動機構は、静電気力を利用したアクチュエータとして作用している。
ところで、静電気力を利用したアクチュエータにおいて、振動板が個別電極に当接した際に、その接触面積が大きいと振動板の貼り付きが起きる可能性が大きくなるという課題があった。その貼り付きを防止するため、従来より各種の提案がなされている。

例えば、個別電極を構成するＩＴＯ（Indium Tin Oxide）の成膜条件を制御することにより、ＩＴＯ表面に凹凸をランダムに形成して、振動板と個別電極との接触面積を減少させる提案がある（例えば、特許文献１参照）。
また、振動板の貼り付き防止を直接の目的にしてはいないが、ウェットエッチングまたはドライエッチングにて振動板に凹部を形成し、振動板を低電圧で適切に変形させようとする発明があり（例えば、特許文献２参照）、これも振動板と個別電極との接触面積を減少させるのに寄与している。
特開２００１−１００５２号公報特開２００２−７９６６９号公報

しかし、特許文献１のように成膜条件を制御して個別電極の表面に凹凸をランダムに形成する方法では、凹凸の量や位置を制御することができない。また、凹凸が多量になると、吐出液の排除体積が減少してしまう。
一方、特許文献２のように振動板に凹部を形成することは、アクチュエータの小型化に伴い振動板の厚みも薄くなるため、この方法で振動板に凹部を精度良く形成することが難しい。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、吐出液の排除体積を適切に保つことができ、しかも、振動板と個別電極との貼り付きを抑制できる、静電アクチュエータ、該静電アクチュエータを適用した液滴吐出ヘッド、及びその液滴吐出ヘッドを搭載した液滴吐出装置を提供することを目的とする。

本発明の静電アクチュエータは、電極を構成する細長形状で可撓性を有した振動板と、前記振動板にギャップを隔てて対向配置された細長形状の個別電極とを備え、電圧印加のＯＮ／ＯＦＦにより前記振動板を前記個別電極に接離させる静電アクチュエータであって、前記個別電極の長手方向の中央部分が、前記中央部分の両側部分より前記振動板側に突出した電極中央凸部として形成されており、前記電極間に電圧を印加時、前記振動板の長手方向に沿う長手方向中央部分が前記電極中央凸部と接触するとともに、前記振動板の長手方向中央部分の両側部分が、前記電極中央凸部の表面とその両側部分の表面との間の位置まで引き寄せられた状態となるものである。

上記静電アクチュエータによれば、振動板の動作時、振動板と個別電極の接触面積が減少して振動板の個別電極に対する貼り付きが防止され、長期に亘り高い安定した信頼性の駆動状態を確保できる。
また、振動板と個別電極の接触面積や位置を適切に制御できるため、振動板の挙動が制御でき、複数配列したすべてのアクチュエータで同じ駆動が可能となる。
さらに、振動板の長手方向に沿う長手方向中央部分が個別電極の電極中央凸部と接触するとともに、振動板の長手方向中央部分の両側部分が、電極中央凸部の表面とその両側部分の表面との間の位置まで引き寄せられた状態となるようにしているため、静電アクチュエータを、吐出液を引き込んでそれを吐出させる作用を果たす液滴吐出ヘッドとして使用する場合に、吐出液の排除体積を確保してその吐出性能を向上させることができる。

なお、前記個別電極の電極中央凸部と前記中央凸部の両側端部との間に、前記電極中央凸部の突出高さより低い高さの電極側凸部が、前記電極中央凸部に沿って形成されていてもよい。
これにより、振動板の長手方向中央部分の両側部分を確実に個別電極側に引きつけることができ、吐出液の排除体積が保証される。

前記個別電極がガラス基板上に形成されている場合、前記個別電極の電極中央凸部または電極側凸部は、前記ガラス基板に形成された凸部面に電極材料が成膜されて形成されてよい。個別電極は、通常、ガラス基板の表面に形成された溝部に形成されるため、その溝部をエッチングにより形成する際に、併せてガラス基板に凸部を形成しておけば、一回の電極成膜工程で、個別電極を中央凸部または側凸部まで含んで形成できる。
また、前記個別電極の電極中央凸部または電極側凸部は、電極材料が前記各凸部の周囲より厚く成膜されて形成されてもよい。この場合には、電極の成膜作業を繰り返すことで、個別電極を中央凸部または側凸部まで含んで形成できる。

本発明の液滴吐出ヘッドは、上記いずれかに記載の静電アクチュエータが、液滴吐出室（圧力室）の一部を構成しているものである。
そして本発明の液滴吐出装置は、上記の液滴吐出ヘッドが搭載されているものである。
これらの液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置によれば、振動板の変形による体積変化量を確保しつつ、振動板の個別電極への貼り付きが抑制される。従って、ノズルから吐出されるインク等の液滴の量及び吐出方向が安定し、また吐出液滴の分離も安定するので、余分な液滴や不要なインクミストの発生が防止でき、プリンタに使用する場合には長期に亘り安定して優れた印字品位が確保される。

（静電アクチュエータを適用した静電駆動型のインクジェットヘッド）
以下に図面を参照して、本発明の静電アクチュエータを適用した静電駆動型のインクジェットヘッドの一例を説明する。
図１は本発明の実施形態に係る静電型アクチュエータを適用したインクジェットヘッドの分解斜視図である。また、図２は組み立てられたインクジェットヘッドの断面構成図（図３のＩＩ−ＩＩ線断面）、図３は組み立てられたインクジェットヘッドの平面上での主要な構成要素の配置関係を説明する平面図、図４はその部分断面図（ＩＶ−ＩＶ線断面）である。

これらの図に示すように、このインクジェットヘッド１は、基板の上面に形成したインクノズルからインク液滴を吐出するフェイスイジェクトタイプのものである。なお、基板の端部に設けたインクノズルからインク液滴を吐出させるエッジイジェクトタイプのものにも、本発明の静電アクチュエータが適用できることは勿論である。
インクジェットヘッド１は、キャビティープレート３を挟み、一方にノズルプレート２、他方にガラス基板４がそれぞれ積層された３層構造となっている。

キャビティープレート３は、例えばシリコン基板であり、プレートの表面には底壁が振動板５として機能するインク室（圧力室ともいう）６を構成することになる凹部７と、凹部７の後方に設けられたインク供給口８を形成することになる細溝９と、各々のインク室６にインクを供給するためのリザーバ１０を構成することになる凹部１１とがエッチングによって形成されている。このキャビティープレート３のガラス基板４と対向する面には、絶縁膜２２が成膜されている。

キャビティープレート３の上側に接合されるノズルプレート２は、例えば、キャビティープレート３と同様にシリコン基板から形成されている。ノズルプレート２において、インク室６の上面を規定している部分には各インク室６に連通する複数のインクノズル２１が形成されている。

ノズルプレート２をキャビティープレート３に接合することにより、上記の凹部７、１１及び細溝９が塞がれて、インク室６、インク供給口８、リザーバ１０がそれぞれ区画形成される。リザーバ１０の底面を規定する部分にはリザーバ１０にインクを供給するための孔１２ａが設けられており、基板接合後、後述するガラス基板４に設けられた孔１２ｂと共にインク供給孔１２を形成する。インク供給孔１２には、不図示の接続チューブを介して不図示のインクタンクが接続される。インク供給孔１２から供給されたインクは、各インク供給口８を経由して独立した各インク室６に供給される。

ここで、静電型アクチュエータは、一時的に各インク室６内の圧力を上昇させて、対応するインクノズル２１からインク滴を吐出させるために、各インク室６にそれぞれ設けられている。各静電アクチュエータは微小なギャップをもって対向配置された一対の電極部材から構成される。この電極部材の一方は、ガラス基板４の凹部１６に形成された細長形状の個別電極１８であり、他方はインク室６の底面を構成している細長形状の振動板５である。振動板５は可撓性を有して変形可能となっている。

キャビティープレート３の下側に接合されるガラス基板４は、通常、シリコンと熱膨張率が近いホウ珪酸ガラス基板からなる。このガラス基板４において、それぞれの振動板５に対向する部位にはギャップ１５を構成することになる凹部１６が形成されている。この凹部１６の底面には、振動板５に対向する個別電極１８が形成されている。個別電極１８は、通常、ＩＴＯからなり、その一端は端子部１９として形成されている。

ガラス基板４をキャビティープレート３に接合することにより、各インク室６の底面を規定している振動板５と個別電極１８は、非常に狭いギャップ１５を隔てて対峙する。この接合された後のギャップ１５による空間は、キャビティープレート３とガラス基板４の間に配置した封止剤２０によって封止されている。

振動板５は薄肉とされており、面外方向、すなわち、図２において上下方向に弾性変形可能となっている。この振動板５は、各インク室６側の共通電極として機能する。この共通電極としての振動板５の底面５１にはＳｉＯ２からなる絶縁層２２が形成されている。そして、ギャップ１５を挟み、各振動板５とそれに対応する各個別電極１８とによってアクチュエータが形成されている。

振動板５と個別電極１８の間には電圧印加装置２５が接続されている。電圧印加装置２５の一方の出力は各個別電極１８の端子部１９に接続され、他方の出力はキャビティープレート３に形成された共通電極端子２６に接続されている。キャビティープレート３自体は導電性を持つので、この共通電極端子２６から振動板５に電圧を供給することができる。

なお、より低い電気抵抗で振動板５に電圧を供給する必要がある場合には、例えば、キャビティープレート３の一方の面に、金等の導電性材料の薄膜を蒸着やスパッタリングで形成すればよい。本例では、キャビティープレート３とガラス基板４との接続に陽極接合を用いているので、陽極接合時に接合電圧を印可するための電極としてキャビティープレート３の流路形成面側に導電膜を形成してあり、この導電膜は共通電極端子２６と共用することができる。

（個別電極の形態１）
図４は個別電極１８の態様を説明するための図であって、図３のIV−IV方向（個別電極の短手（短辺）方向）からみた図（ａ）及び（ｂ）と、（ｂ）のガラス基板４の斜視図（ｃ）である。図４（ａ）に示すように、個別電極１８は、その長手（長辺）方向に沿う中央部分が、その両側部分より振動板５側に突出した電極中央凸部１８ａとして形成されている。この電極中央凸部１８ａは、図４（ａ）に示すように、ガラス基板４に形成した凸部を利用して形成してもよく、あるいは図４（ｂ）に示すように、個別電極１８の電極材料を部分的に厚く積層して形成してもよい。また、個別電極１８中の電極中央凸部１８ａの位置を明らかにするため、図４（ｃ）において図４（ｂ）のガラス基板４の斜視図を示した。なお、個別電極１８中における電極中央凸部１８ａの位置は、図４（ａ）においてもこれと同じである。

個別電極１８と振動板５との関係は、振動板５と個別電極１８間に電圧を印加時、振動板５の長手方向に沿う長手方向中央部分が個別電極１８の電極中央凸部１８ａでのみ接触し、それ以外の部分では両者は接触しない。ただし、振動板５の長手方向中央部分の両側の底面部分は、個別電極１８の電極中央凸部１８ａの表面とその両側部分（平坦部）の表面との間の位置まで、十分に引き寄せられた状態（図４（ａ）参照）となるようにする。

図４の個別電極１８を有したインクジェットヘッド１においては、電圧印加装置２５からの駆動電圧が印加されると、振動板５と個別電極１８との間に充電された電荷によるクーロン力が発生し、振動板５は個別電極１８側に撓んで電極中央凸部１８ａと当接し、振動板５の長手方向中央部分の両側部分は、個別電極１８の電極中央凸部１８ａの表面とその両側部分（平坦部）の表面との間の位置まで、十分に引き寄せられた状態となり、インク室６の容積が拡大する。次に、電圧印加装置２５からの駆動電圧を解除して放電すると、振動板５は電極中央凸部１８ａから離れ、その弾性復帰力によって復帰し、インク室６の容積が急激に縮小する。この時発生する内圧変動により、インク室６に貯留されたインクの一部がインク室６に連通しているインクノズル２１から記録紙に向かって吐出する。

このように、静電アクチュエータを構成している振動板５と個別電極１８とが電極中央凸部１８ａで点接触状態となるため、振動板５の個別電極１８への貼り付きが抑制される。また、振動板５は個別電極１８側に十分に引き寄せられるため、インク室６の体積変化量を確保できる。従って、インク吐出特性が向上するとともに、振動板５の長期に渡る安定駆動が可能となる。

（個別電極の形態２）
本発明において個別電極の態様は、図５（ａ）、（ｂ）に示す態様としてもよい。図５（ａ）は図４（ａ）に、図５（ｂ）は図４（ｂ）にそれぞれ対応する図面であって、ここでは、個別電極１８の電極中央凸部１８ａに加えて、電極中央凸部１８ａとその両側端部との間に、電極中央凸部１８ａの突出高さより低い高さの電極側凸部１８ｂが、電極中央凸部１８ａに沿って形成されている。電極側凸部１８ｂは、電極中央凸部１８ａの両側に１つ以上形成してもよい。ただし、多すぎると凸部を形成している意味が無くなるので、その点を考慮して設計する必要がある。

図５の個別電極１８を有したインクジェットヘッド１においては、電圧印加装置２５からの駆動電圧が個別電極間に印加されると、振動板５と個別電極１８との間に充電された電荷によるクーロン力が発生し、振動板５は個別電極１８側に撓んでその電極中央凸部１８ａ及び電極側凸部１８ｂと当接し、振動板５の長手方向中央部分の両側部分は、個別電極１８の電極中央凸部１８ａの表面とその両側部分（平坦部）の表面との間の位置まで、十分に引き寄せられた状態となり、インク室６の容積が拡大する。次に、電圧印加装置２５からの駆動電圧を解除して放電すると、振動板５は電極中央凸部１８ａ及び電極側凸部１８ｂから離れ、その弾性復帰力によって復帰し、インク室６の容積が急激に縮小する。この時発生する内圧変動により、インク室６に貯留されたインクの一部が、インク室６に連通しているインクノズル２１から記録紙に向かって吐出する。

このように、静電アクチュエータを構成している振動板５と個別電極１８とが電極中央凸部１８ａ及び電極側凸部１８ｂで点接触状態となるため、振動板５の個別電極１８への貼り付きが抑制される。また、振動板５は個別電極１８側に十分に引き寄せられるため、インク室６の体積変化量を確保できる。従って、インク吐出特性が向上するとともに、振動板５の長期に渡る安定駆動が可能となる。
なお、個別電極の形態１、２で説明した電極中央凸部１８ａ及び電極側凸部１８ｂの突出高さは、少なくとも個別電極１８表面の平均面粗さの値を超える値において、可能な限り低く設定するものとする。

（静電アクチュエータを適用したインクジェットヘッドの製造方法）
ここでは静電アクチュエータを適用したインクジェットヘッドの一例として、個別電極１８の端子部１９を他の部分より一段低くしたインクジェットヘッドに関する製造方法を用いて説明する。なお、本発明の静電アクチュエータを適用したインクジェットヘッド及びその製造方法は、これに限られるものではない。

まず、ガラス基板４の製造方法を図６に従って説明する。
（ａ）約１ｍｍのガラス基板４を用意し、エッチングマスクとなるクロム（Ｃｒ）膜３１をガラス基板４の片面に０．１μｍ程度成膜する。
（ｂ）次に、成膜したクロム膜３１の表面にレジスト３２を塗布し、凹面（以下、電極形成溝という）１６を形成する為のレジストパターニングを施して、クロム膜３１を硝酸セリウムアンモニウム水溶液でエッチングしてパターニングする。
（ｃ）次に、レジストを付けた状態でガラス基板４をフッ化アンモニウム水溶液に浸し、ガラス基板４の端部を１μｍ以上エッチングして、中央域表面より凹んだ凹面４ｂを端部形成する。その後レジストを剥離する。
（ｄ）続いて、クロム膜３１面側にレジスト３２を塗布し、電極中央凸部１８ａ対応域にレジストを残したまま、電極形成溝４ａを形成する為のレジストパターニングを施して、クロム膜３１を硝酸セリウムアンモニウム水溶液でエッチングしてパターニングする。
（ｅ）次に、レジストを付けた状態でガラス基板４をフッ化アンモニウム水溶液に浸し、個別電極１８の形状パターンに合わせて例えば０．０５μｍ程度の溝をエッチングにより形成する。このとき電極中央凸部１８ａはエッチングされない。その後、電極中央凸部１８ａ対応域のレジストを除去して、再度ガラス基板４をフッ化アンモニウム水溶液に浸し、上記溝に対して、さらに０．２μｍ程度追加エッチングを行う。これにより、０．２５μｍの深さの電極形成溝１６が形成されるとともに、電極形成溝１６内に、０．０５μｍ程度のガラス凸部が形成される。
（ｆ）電極形成溝１６及び凸部の形成後、ガラス基板４の全面に導電部材を成膜する。導電部材としてはＩＴＯが好ましく、それをスパッタ法などを用いて０．１μｍの厚さに成膜する。導電部材をこの厚さに成膜することで、ガラス基板４に接合されるキャビティープレート３との最小ギャップが、０．１μｍ程度になることとなる。なお、ＩＴＯに代えて他の導電部材を使用しても良い。
（ｇ）その後、成膜されたＩＴＯ膜をパターニングし、個別電極１８、電極端子１９及び等電位接点等を形成する。
（ｈ）最後に液体供給用の穴１２ｂ及び大気連通穴２８をサンドブラスト法または切削加工により形成する。これにより、個別電極１８を有したガラス基板４が作製できる。
なお、ここでは、電極側凸部１８ｂがないものとしたが、電極側凸部１８ｂを備える場合には、電極中央凸部１８ａと同様にしてそれを形成することができる。また、これらの電極凸部は、ガラス基板の凸部を利用することなく、その部分の導電部材の積層厚みを、他の部分より厚くすることで形成してもよい。

次に、図７〜図９の（ａ）〜（ｔ）に従って、本発明の実施の形態に係るインクジェットヘッドの製造方法を説明する。
（ａ）まず、図７のようにして作製されたガラス基板４に接合されてキャビティプレート３となるシリコン基板４１を準備する。そのシリコン基板４１は、（１１０）を面方位とする酸素濃度の低いシリコン基板とし、ガラス基板４との接合面側となる面を鏡面研磨し、２２０μｍの厚みのシリコン基板４１を作製する。この基板４１を、酸素及び水蒸気雰囲気中において、１０７５℃の温度条件で４時間酸化することで、シリコン基板４１の両面に約１．２μｍのＳｉＯ₂膜４１Ａを成膜する。
（ｂ）シリコン基板４１の両面にレジストを塗布し、電極取出し口２９となる部分のＳｉＯ₂膜４１Ａを除去すべくレジストパターニングを施し、ふっ酸水溶液でエッチングして、ＳｉＯ₂膜４１Ａをパターニングする。その後、シリコン基板４１からレジストを剥離する。
（ｃ）続いて、ウェットエッチングまたはドライエッチングを行い、電極取出し口２９となる部分のシリコンを１μｍ以上エッチングして凹部２９ａを形成する。本実施例では５μｍ程度エッチングする。
（ｄ）パターニングをした面と反対面にレジストを塗布した後、シリコン基板４１をふっ酸水溶液に浸し、鏡面側のＳｉＯ₂膜４１Ａをエッチングにて除去する。そして、レジストを剥離する。

（ｅ）次に、シリコン基板４１の振動板４となるボロンドープ層４２を形成する面を、Ｂ₂Ｏ₃を主成分とする固体の拡散源に対向させて石英ボートにセットする。さらに縦型炉に石英ボートをセットして、炉内を窒素雰囲気にし、温度を１０５０℃に上昇させて７時間保持することで、ボロンをシリコン基板４１の片側面に拡散させて、０．８μｍの厚さにボロンドープ層４２を形成する。ボロンドープ層４２の形成工程においては、炉へのシリコン基板４１（石英ボート）の投入温度を８００℃とし、さらにシリコン基板４１の取出し温度も８００℃とする。これにより、シリコン基板４１内の酸素による酸素欠陥の成長速度が速い領域（６００℃から８００℃）をすばやく通過させることができるため、酸素欠陥の発生を抑えることができる。なお、この時、シリコン基板４１の拡散面と反対面にはＳｉＯ₂膜４１Ａが残っているため、ボロンが反対面に回り込んでも、ＳｉＯ₂膜４１Ａがマスクとなって反対面にボロンが拡散されることが無い。

（ｆ）ボロンドープ層４２の表面にはボロン化合物が形成されているが（図示なし）、酸素及び水蒸気雰囲気中、６００℃の条件で１時間３０分酸化することで、ふっ酸水溶液によるエッチングが可能なＢ₂Ｏ₃＋ＳｉＯ₂ に化学変化させることができる。その後、シリコン基板４１をふっ酸水溶液に１０分間浸すと、ボロン拡散部のＢ₂Ｏ₃＋ＳｉＯ₂膜及び反対面側のＳｉＯ₂膜４１Ａがエッチング除去される。

（ｇ）その後、ボロンドープ層４２を形成した面に、プラズマＣＶＤ法により、ＴＥＯＳ膜（絶縁膜）２２を、成膜時の処理温度は３６０℃、高周波出力は２５０Ｗ、圧力は６６．７Ｐａ（０．５Ｔｏｒｒ）、ガス流量はＴＥＯＳ流量１００ｃｍ³ ／ｍｉｎ（１００ｓｃｃｍ）、酸素流量１０００ｃｍ³ ／ｍｉｎ（１０００ｓｃｃｍ）の条件で０．１μｍ成膜する。さらに、成膜したＴＥＯＳ膜２２の表面にレジストを塗布し、等電位接点に対応する接点となる部分（窓）をシリコン基板４１に露出させるためのレジストパターニングを施す。そして、ふっ酸水溶液でウェットエッチングを行ってＴＥＯＳ膜２２をパターニングし窓を形成する。その後、レジストを剥離する。

（ｈ）続いて、シリコン基板４１とガラス基板４を３６０℃に加熱した後、ガラス基板４に負極、シリコン基板４１に正極を接続して、８００Ｖの電圧を印加して、シリコン基板４１とガラス基板４との陽極接合を行う。この陽極接合時に、シリコン基板４１とガラス基板４の界面において、ガラスが電気化学的に分解され酸素が気体となって発生する場合がある。また加熱によって表面に吸着していたガス（気体）が発生する場合もある。しかしながら、これらの気体は大気開放穴２８から逃げるため、ギャップ１５内が正圧になることは無い。また、この陽極接合時、各個別電極１８とシリコン基板４１は前述した等電位接点と窓を介して接触し、それらは等電位となる。したがって、陽極接合中にギャップ１５内で放電が起こることもない。

（ｉ）陽極接合後、シリコン基板４１の厚みが約６０μｍになるまでシリコン基板４１表面の研削加工を行う。その後、加工変質層を除去するために、３２ｗ％の濃度の水酸化カリウム溶液でシリコン基板４１を約１０μｍエッチングする。これによりシリコン基板４１の厚みを約５０μｍにする。
なお、この研削工程及び加工変質層除去工程においては、大気開放穴２８から液体がギャップに入り込まないように、片面保護治具、テープ等を用いて大気開放穴２８を塞ぎ、ギャップを保護する。

（ｊ）次に、ウェットエッチングを行った面に対し、ＴＥＯＳによるエッチングマスク（以下、ＴＥＯＳエッチングマスクという）４３をプラズマＣＶＤ法により成膜する。成膜条件としては、例えば、成膜時の処理温度は３６０℃、高周波出力は７００Ｗ、圧力は３３．３Ｐａ（０．２５Ｔｏｒｒ）、ガス流量はＴＥＯＳ流量１００ｃｍ³ ／ｍｉｎ（１００ｓｃｃｍ）、酸素流量１０００ｃｍ³ ／ｍｉｎ（１０００ｓｃｃｍ）の条件で１．０μｍ成膜する。

（ｋ）続いて、大気開放穴２８に例えばエポキシ系接着剤を流し込み、大気開放穴２８を封止する。これによりギャップ１５は密閉状態となるため、以後の工程で大気開放穴２８から液体等が入り込むことが無くなる。なお、大気開放穴２８の封止は、ＴＥＯＳエッチングマスクを成膜した後に行うのが好ましい。ＴＥＯＳエッチングマスクの成膜前に大気開放穴２８の封止を行うと、閉じこめられたギャップ１５内の気圧が、ＴＥＯＳエッチングマスク成膜時に膨張し、薄くなったシリコン基板を押し上げて、シリコン基板４１が割れる可能性があるからである。
さらに、ＴＥＯＳエッチングマスク４３にレジストパターニングを施し、ふっ酸水溶液中に浸して、インク室６となる部分のＴＥＯＳエッチングマスク４３が無くなるまで、その部分をエッチングする。その後レジストを剥離する。

（ｌ）続いて、リザーバ１０及び電極取出し口２９となる部分のＴＥＯＳエッチングマスク４３をエッチングするため、レジストパターニングを施す。そして、ふっ酸水溶液でそれらの部分のＴＥＯＳエッチングマスク４３を０．７μｍだけエッチングしてパターニングする。これによりリザーバ７及び電極取出し口２９となる部分に残っているＴＥＯＳエッチングマスク４３の厚みは０．３μｍとなる。このようにするのは、リザーバ１０となる部分と電極取出し口２９となる部分の底面に厚みを持たせ、それらの剛性を高めるためである。この後、レジストを剥離する。

（ｍ）次に、シリコン基板４１とガラス基板４との接合基板を、３５ｗｔ％の濃度の水酸化カリウム水溶液に浸し、インク室６の底面厚みが約５μｍになるまでウェットエッチングを行う。このとき、リザーバ１０となる部分及び電極取出し口２９となる部分はマスクされており、エッチングがまだ始まっていない。

（ｎ）続いて、ふっ酸水溶液に接合基板を浸して、リザーバ１０となる部分及び電極取出し口２９となる部分のＴＥＯＳエッチングマスク４３を除去する。

（ｏ）さらに、接合基板を３ｗｔ％の濃度の水酸化カリウム水溶液に２０分程度浸し、ボロンドープ層４２によるエッチングレート低下が表れるまでエッチングを続ける。このように、２種類の濃度の異なる水酸化カリウム水溶液を用いたエッチングを行うことによって、形成される振動板５の面荒れを抑制し、振動板５の厚み精度を０．８０±０．０５μｍ以下にすることができる。その結果、液滴吐出ヘッドの吐出性能を安定化することができる。
このエッチングにより、リザーバ１０及び電極取出し部２９となる部分の深さは約３０μｍとなる。従って、リザーバ部の厚みは約２０μｍとなり、電極取出し口部の厚みは約１５μｍ（５μｍの凹部２９ａがあるため）となる。この厚みのため、インク室６より広い面積を有するこれらの部分でその強度が高まり、製造過程での割れが低減される。また、電極取出し口２９となる部分の、ガラス基板４とシリコン基板４１のギャップ１５が、他の部分のギャップ１５より拡大されているため、その部分における加工屑など異物の噛み込みも低減されて、シリコン基板４１が製造過程で割れることも低減される。従って、製造歩留まりを向上させることができる。
（ｐ）ウェットエッチングを終了すると、ガラス基板４とシリコン基板４１の接合基板をふっ酸水溶液に浸し、シリコン基板４１表面のＴＥＯＳエッチングマスク４３を剥離する。

（ｑ）次に、シリコン基板４１の電極取出し口２９を開口させるため、電極取出し口２９となる部分の残留シリコンを除去する。そのため、電極取出し口２９となる部分が開口したシリコンマスクを接合基板のシリコン基板４１側の表面に取り付ける。そして、例えば、ＲＦパワー２００Ｗ、圧力４０Ｐａ（０．３Ｔｏｒｒ）、ＣＦ₄流量３０ｃｍ³ ／ｍｉｎ（３０ｓｃｃｍ）の条件で、ＲＩＥドライエッチング（異方性ドライエッチング）を１時間行い、電極取出し口２９となる部分のみにプラズマを当てて開口する。これにより、シリコン基板４１は図１に示したキャビティプレート３の状態になる。また、個別電極１８とシリコン基板４１とのギャップ１５も大気開放される。

（ｒ）次に、例えばエポキシ樹脂からなる封止剤２０を、キャビティプレート３とガラス基板４の個別電極１８との間で形成されるギャップ１５の開口端部に沿って流し込み、ギャップ１５を封止する。これによりギャップ１５は再び密閉状態となる。また、ギャップ１５と大気開放穴２８へ連通する溝も、この封止剤２０によって遮断される。

（ｓ）その後、ノズル孔２１があらかじめ形成されたノズルプレート２を、例えばエポキシ系接着剤により、接合基板のキャビティプレート３側に接着する。
（ｔ）最後に、ダイシングラインに沿ってダイシングを行い、個々の液滴吐出ヘッド毎に裁断し、液滴吐出ヘッドが完成する。

（静電アクチュエータを適用した液滴吐出装置）
図１０は本発明に係る液滴吐出ヘッドを組み込んだ液滴吐出装置であるインクジェットプリンタの概略構成図である。図１０において、被印刷物であるプリント紙１１０が支持されるドラム１０１と、プリント紙１１０にインクを吐出し、記録を行う液滴吐出ヘッド１０２とで主に構成される。また、図示していないが、液滴吐出ヘッド１０２にインクを供給するためのインク供給手段がある。プリント紙１１０は、ドラム１０１の軸方向に平行に設けられた紙圧着ローラ１０３により、ドラム１０１に圧着して保持される。そして、送りネジ１０４がドラム１０１の軸方向に平行に設けられ、液滴吐出ヘッド１０２が保持されている。送りネジ１０４が回転することによって、液滴吐出ヘッド１０２がドラム１０１の軸方向に移動するようになっている。
一方、ドラム１０１は、ベルト１０５などを介してモータ１０６により回転駆動される。また、プリント制御手段１０７は、印画データ及び制御信号に基づいて送りネジ１０４及びモータ１０６を駆動させ、また、ここでは図示していない発振駆動回路を駆動させて液滴吐出ヘッドの振動板を駆動させて、プリント紙１１０に印刷を行わせる。

なお、上記の例は、本発明の静電アクチュエータをインクジェットプリンタに適用した例であるが、本発明の静電型アクチュエータはそれ以外にも適用できる。例えば、特開平７−５４２５９号公報に開示されているようなマイクロメカニカル装置、静電型アクチュエータを用いた表示装置、マイクロポンプ等に対して同様に適用できる。また、吐出液は、インクに限らず各種の液滴を吐出させることもできる。

さらには、個別電極間に発生する電圧変化を、個別電極の相対変位量として検出する静電型センサに対しても本発明を同様に適用できる。本明細書における「静電アクチュエータ」という用語は、このような静電型センサの検出部も含む広い意味を有するものとして用いている。

本発明を適用したインクジェットヘッドの分解斜視図。図１のインクジェットヘッドの個別電極の長辺方向に沿う断面図。図１のインクジェットヘッドを構成する主要な構成要素の平面配置関係を示す平面図。本発明における個別電極の態様を説明する、図１のインクジェットヘッドの個別電極の短辺方向に沿う断面模式図。本発明における個別電極の別の態様を説明する、図１のインクジェットヘッドの個別電極の短辺方向に沿う断面模式図。ガラス基板の製造工程図。キャビティープレートの製造工程図。図７に続くキャビティープレートの製造工程図。図８に続くキャビティープレートの製造工程図。本発明を適用した液滴吐出装置を示す模式図。

符号の説明

１インクジェットヘッド、２ノズルプレート、３キャビティープレート、４ガラス基板、５振動板、６インク室（圧力室）、１０リザーバ、１２インク供給孔、１２ａ、１２ｂ孔、１５ギャップ、１６凹面（電極形成溝）、１８個別電極、１８ａ電極中央凸部、１８ｂ電極側凸部、１９個別電極の端子部、２０封止剤、２１インクノズル、２２絶縁膜、２５電圧印加装置、２６共通電極端子。

Claims

電極を構成する細長形状で可撓性を有した振動板と、前記振動板にギャップを隔てて対向配置された細長形状の個別電極とを備え、電圧印加のＯＮ／ＯＦＦにより前記振動板を前記個別電極に接離させる静電アクチュエータであって、
前記個別電極の長手方向の中央部分が、前記中央部分の両側部分より前記振動板側に突出した電極中央凸部として形成されており、
前記電極間に電圧を印加時、前記振動板の長手方向に沿う長手方向中央部分が前記電極中央凸部と接触するとともに、前記振動板の長手方向中央部分の両側部分が、前記電極中央凸部の表面とその両側部分の表面との間の位置まで引き寄せられた状態となる、ことを特徴とする静電アクチュエータ。
前記個別電極の電極中央凸部と前記中央凸部の両側端部との間に、前記電極中央凸部の突出高さより低い高さの電極側凸部が、前記電極中央凸部に沿って形成されている、ことを特徴とする請求項１記載の静電アクチュエータ。
前記個別電極はガラス基板上に形成されており、前記個別電極の電極中央凸部または電極側凸部は、前記ガラス基板に形成された凸部面に電極材料が成膜されて形成されている、ことを特徴とする請求項１または２記載の静電アクチュエータ。
前記個別電極の電極中央凸部または電極側凸部は、電極材料が前記各凸部の周囲より厚く成膜されて形成されている、ことを特徴とする請求項１または２記載の静電アクチュエータ。
請求項１〜４のいずれかに記載の静電アクチュエータを備え、前記振動板を、吐出液を引き込んで吐出させる圧力室の一部としていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
請求項５記載の液滴吐出ヘッドが搭載されていることを特徴とする液滴吐出装置。