JP2009124840A - Electrostatic actuator, droplet discharge head, and droplet discharge device - Google Patents

Electrostatic actuator, droplet discharge head, and droplet discharge device Download PDF

Info

Publication number
JP2009124840A
JP2009124840A JP2007295408A JP2007295408A JP2009124840A JP 2009124840 A JP2009124840 A JP 2009124840A JP 2007295408 A JP2007295408 A JP 2007295408A JP 2007295408 A JP2007295408 A JP 2007295408A JP 2009124840 A JP2009124840 A JP 2009124840A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
diaphragm
counter electrode
droplet discharge
substrate
electrostatic actuator
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
JP2007295408A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Tomonori Matsushita
友紀 松下
Masahiro Fujii
正寛 藤井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Seiko Epson Corp
Original Assignee
Seiko Epson Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Seiko Epson Corp filed Critical Seiko Epson Corp
Priority to JP2007295408A priority Critical patent/JP2009124840A/en
Publication of JP2009124840A publication Critical patent/JP2009124840A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrostatic actuator that obtains a larger displacement of diaphragm at a lower voltage, and to provide a droplet discharge head using the actuator. <P>SOLUTION: The actuator includes the diaphragm 101 having flexibility, a counter electrode 103 confronted with the diaphragm 101 across a gap 102 and an insulating film formed in a facing part of the diaphragm 101 with the counter electrode 103. The insulating film is a film 104 of a piezoelectric material which has a higher dielectric constant compared to silicon oxides and warpages in accordance with a voltage applied between the diaphragm 101 and the counter electrode 103. The droplet discharge head uses the electrostatic actuator. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、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、その静電アクチュエータを備えた液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置に関する。   The present invention relates to an electrostatic actuator used for an inkjet head or the like, a droplet discharge head and a droplet discharge device including the electrostatic actuator.

インクジェット記録装置は、高速印字が可能、記録時の騒音が極めて小さい、インクの自由度が高い、安価な普通紙を使用できる等の多くの利点を有する。近年、インクジェット記録装置の中でも、記録が必要なときにのみインク液滴を吐出する、いわゆるインク・オン・デマンド方式のインクジェット記録装置が主流となっている。このインク・オン・デマンド方式のインクジェット記録装置は、記録に不要なインク液滴の回収を必要としない等の利点がある。   An ink jet recording apparatus has many advantages such as high-speed printing, extremely low noise during recording, high degree of freedom of ink, and use of inexpensive plain paper. In recent years, so-called ink-on-demand ink jet recording apparatuses, which eject ink droplets only when recording is necessary, have become mainstream among ink jet recording apparatuses. This ink-on-demand ink jet recording apparatus has an advantage that it does not require collection of ink droplets unnecessary for recording.

このインク・オン・デマンド方式のインクジェット記録装置には、インク液滴を吐出させる方法として、駆動手段に振動板とそれに対向する個別電極を備えた静電アクチュエータを利用した、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。また、駆動手段に圧電素子(ピエゾ素子)を利用した、いわゆる圧電駆動方式のインクジェット記録装置や、発熱素子等を利用した、いわゆるバブルジェット(登録商標)方式のインクジェット記録装置等がある。   In this ink-on-demand ink jet recording apparatus, as a method for ejecting ink droplets, a so-called electrostatic drive system using an electrostatic actuator having a vibration plate and an individual electrode facing the drive means as a drive means. There is an ink jet recording apparatus. In addition, there are so-called piezoelectric drive type ink jet recording apparatuses that use piezoelectric elements (piezo elements) as driving means, and so-called bubble jet (registered trademark) type ink jet recording apparatuses that use heating elements and the like.

静電駆動方式の記録装置のインクジェットヘッドは、振動板と個別電極と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撓ませ、その後、帯電を停止させて振動板を元の状態に復帰させることでインク吐出圧力を得ている。この際、振動板が個別電極に貼り付かないように、振動板と個別電極との間には、短絡を防止するための絶縁膜が形成されている。   The inkjet head of the electrostatic drive type recording device charges the diaphragm and the individual electrodes, attracts the diaphragm to the individual electrode side and bends it, and then stops charging to return the diaphragm to its original state. The ink discharge pressure is obtained by returning to. At this time, an insulating film for preventing a short circuit is formed between the diaphragm and the individual electrode so that the diaphragm does not stick to the individual electrode.

静電駆動方式のインクジェットヘッドでは、できるだけ低い電圧で振動板を大きく変位させて、多くの液滴を吐出させることが効率的である。このため、振動板を駆動するための個別電極を、振動板の短辺または長辺方向に沿って階段状に形成することで、比較的低い電圧でより大きな振動板の変位を得る等の発明が従来から提案されている(例えば、特許文献1参照)。
特開2000−318155号公報(第2頁、図2等)
In an electrostatic drive type ink jet head, it is efficient to discharge a large number of liquid droplets by largely displacing the diaphragm with a voltage as low as possible. For this reason, by forming individual electrodes for driving the diaphragm stepwise along the short side or the long side direction of the diaphragm, an invention such as obtaining a larger displacement of the diaphragm at a relatively low voltage, etc. Has been conventionally proposed (see, for example, Patent Document 1).
JP 2000-318155 A (the second page, FIG. 2 etc.)

しかしながら、特許文献1のように個別電極を階段状に形成することは、個別電極を形成している電極基板に予め複数の段差を形成すること等が必要となり、その構造も複雑化する。   However, forming individual electrodes in a stepped manner as in Patent Document 1 requires forming a plurality of steps in advance on the electrode substrate on which the individual electrodes are formed, which complicates the structure.

本発明は、上記課題に鑑み、簡易な構成でありながら、より低い電圧でより大きな振動板の変位を得ることができる静電アクチュエータを提案し、さらに、それを利用した液滴吐出ヘッドや液滴吐出装置を得ることを目的とする。   In view of the above problems, the present invention proposes an electrostatic actuator that can obtain a larger displacement of a diaphragm at a lower voltage while having a simple configuration, and further, a droplet discharge head and a liquid using the electrostatic actuator. It aims at obtaining a droplet discharge device.

本発明に係る静電アクチュエータは、可撓性を有した振動板と、振動板にギャップを隔てて対向する対向電極と、振動板の対向電極との対峙部に形成された絶縁膜とを備え、絶縁膜を、酸化シリコンよりも比誘電率が高く、振動板と対向電極との間に印加した電圧に応じて歪む圧電体の膜としたものである。
この構成の静電アクチュエータは、振動板と対向電極との間に電圧を印加すると、圧電体の膜が歪むため、それに伴って(それに起因して)振動板が撓み、振動板と対向電極との間のギャップが狭まる。さらに、その狭くなったギャップに静電力が作用して、振動板が対向電極側に撓む。静電力はギャップの2乗に反比例するため、ギャップが狭くなった分少ない電圧で振動板を変位させることができる。これにより、従来必要とされた電圧より低い電圧で大きな振動板の変位を得ることが可能となる。
An electrostatic actuator according to the present invention includes a flexible diaphragm, a counter electrode facing the diaphragm with a gap therebetween, and an insulating film formed on a facing portion of the counter electrode of the diaphragm. The insulating film is a piezoelectric film having a relative dielectric constant higher than that of silicon oxide and distorted according to the voltage applied between the diaphragm and the counter electrode.
In the electrostatic actuator having this configuration, when a voltage is applied between the diaphragm and the counter electrode, the piezoelectric film is distorted. The gap between is narrowed. Furthermore, an electrostatic force acts on the narrow gap, and the diaphragm bends toward the counter electrode. Since the electrostatic force is inversely proportional to the square of the gap, the diaphragm can be displaced with a smaller voltage as the gap becomes narrower. Thereby, it is possible to obtain a large displacement of the diaphragm at a voltage lower than that conventionally required.

また、電圧印加前の振動板と対向電極との間のギャップ量を、振動板と対向電極とに予め定めた電圧を印加した際に、圧電体の膜の圧電力による振動板の撓み量と、振動板と対向電極との間に生じた静電力による振動板の撓み量とを足した量とするのが好ましい。
これにより、振動板と対向電極とに予め定めた電圧を印加したときに、振動板が対向電極に当接し、振動板の大きな変位量が確保できることになる。
The amount of gap between the diaphragm and the counter electrode before voltage application is determined by the amount of deflection of the diaphragm due to the piezoelectric film's piezoelectric power when a predetermined voltage is applied to the diaphragm and the counter electrode. It is preferable to add the amount of deflection of the diaphragm due to the electrostatic force generated between the diaphragm and the counter electrode.
Thereby, when a predetermined voltage is applied to the diaphragm and the counter electrode, the diaphragm comes into contact with the counter electrode, and a large displacement amount of the diaphragm can be secured.

また、振動板がシリコン基板に形成され、対向電極がガラス基板に形成されており、圧電体の膜が振動板の対向電極との対峙部にのみ形成されていて、シリコン基板とガラス基板とが、圧電体の膜のない部分で陽極接合されていることが好ましい。
このように、圧電体の膜が振動板の対向電極との対峙部にのみ配置されて、シリコン基板とガラス基板とが圧電体の膜のない部分で陽極接合されていれば、その接合品質が向上し、静電アクチュエータの品質も向上する。
In addition, the diaphragm is formed on the silicon substrate, the counter electrode is formed on the glass substrate, the piezoelectric film is formed only on the opposite side of the counter electrode of the diaphragm, and the silicon substrate and the glass substrate are It is preferable that anodic bonding is performed at a portion where no piezoelectric film is present.
In this way, if the piezoelectric film is disposed only at the opposite portion of the diaphragm with respect to the counter electrode, and the silicon substrate and the glass substrate are anodically bonded at the portion without the piezoelectric film, the bonding quality is improved. And the quality of the electrostatic actuator is improved.

本発明に係る液滴吐出ヘッドは、上記いずれかに記載の静電アクチュエータを備え、振動板が液体吐出のために圧力変動を生じさせる吐出室の一面を構成しているものである。
さらに、本発明に係る液滴吐出装置は、液体の吐出部に上記の液滴吐出ヘッドを備えたものである。
これらの液滴吐出ヘッドおよび液滴吐出装置は、上記静電アクチュエータを備えているため、比較的低い印加電圧で大きな振動板の変位を生じさせることができるため、液体の吐出量を安定的に多くすることができる。
A droplet discharge head according to the present invention includes any one of the electrostatic actuators described above, and the vibration plate constitutes one surface of a discharge chamber in which a pressure fluctuation is generated for liquid discharge.
Furthermore, a liquid droplet ejection apparatus according to the present invention includes the above liquid droplet ejection head in a liquid ejection unit.
Since these droplet discharge heads and droplet discharge devices include the electrostatic actuator, a large displacement of the diaphragm can be generated with a relatively low applied voltage. Can do a lot.

実施の形態1.
図1は本願発明の静電アクチュエータの構成および作用を示す説明図である。
この静電アクチュエータ100は、図1(a)に示すように、可撓性を有した振動板101と、振動板101にギャップ102を隔てて対向する対向電極103と、振動板101の対向電極103との対峙部に形成された絶縁膜である圧電体の膜104とを備えている。圧電体の膜104は電圧の印加に応じて歪む物質であり、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)等が使用できる。
振動板101はシリコン基板110から形成され、対向電極103はガラス基板120に形成された凹部内に導電体(例えばITO)によって形成されている。そして、その凹部に起因して、振動板101と対向電極103との間にギャップ102が形成されている。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is an explanatory diagram showing the configuration and operation of the electrostatic actuator of the present invention.
As shown in FIG. 1A, the electrostatic actuator 100 includes a diaphragm 101 having flexibility, a counter electrode 103 facing the diaphragm 101 with a gap 102 therebetween, and a counter electrode of the diaphragm 101. And a piezoelectric film 104 which is an insulating film formed on a portion facing the substrate 103. The piezoelectric film 104 is a material that is distorted in response to application of a voltage. For example, lead zirconate titanate (PZT) can be used.
The diaphragm 101 is formed from a silicon substrate 110, and the counter electrode 103 is formed of a conductor (for example, ITO) in a recess formed in the glass substrate 120. A gap 102 is formed between the diaphragm 101 and the counter electrode 103 due to the recess.

なお、この例では、圧電体の膜104を振動板101の対向電極103との対峙部にのみ配置するようにして、シリコン基板110とガラス基板120とを、圧電体の膜104のない部分において、酸化シリコンであるシリコン酸化膜105を介して陽極接合している。陽極接合は精密接合に適した接合方法としてよく知られている。   In this example, the silicon film 110 and the glass substrate 120 are disposed in a portion where the piezoelectric film 104 is not provided so that the piezoelectric film 104 is disposed only on a portion facing the counter electrode 103 of the vibration plate 101. Anodic bonding is performed through a silicon oxide film 105 which is silicon oxide. Anodic bonding is well known as a bonding method suitable for precision bonding.

図1(a)の静電アクチュエータ100において、振動板101と対向電極103との間に電圧を印加すると、図1(b)のように、圧電体の膜104に電界が印加されるため、圧電体の膜104が歪んで変形し、その変形に応じて振動板101が撓む。これにより、振動板101と対向電極103との間のギャップ102が狭まる。   In the electrostatic actuator 100 of FIG. 1A, when a voltage is applied between the diaphragm 101 and the counter electrode 103, an electric field is applied to the piezoelectric film 104 as shown in FIG. The piezoelectric film 104 is distorted and deformed, and the diaphragm 101 bends in accordance with the deformation. Thereby, the gap 102 between the diaphragm 101 and the counter electrode 103 is narrowed.

さらに、図1(c)のように、振動板101が静電力により対向電極103側に引きつけられて撓み、圧電体の膜104を介して対向電極103に接触する。
このように、振動板101が図1の(a)→(b)→(c)のように変位することで、振動板101を静電力のみで図1の(a)から(c)の状態に変位させる場合に比べて、より低い電圧で振動板101を同量以上変位させることができる。
Further, as shown in FIG. 1C, the vibration plate 101 is attracted to the counter electrode 103 side by the electrostatic force and bent, and comes into contact with the counter electrode 103 through the piezoelectric film 104.
As described above, the vibration plate 101 is displaced as shown in FIGS. 1A to 1C, so that the vibration plate 101 is in the state shown in FIGS. The diaphragm 101 can be displaced by the same amount or more with a lower voltage compared to the case of displacing it.

したがって、電圧印加前の振動板101と対向電極103との間のギャップ量を、振動板101と対向電極103とに予め定めた電圧を印加した際に、圧電体の膜104の圧電力による振動板101の撓み量と、振動板101と対向電極103との間に生じた静電力による振動板101の撓み量とを足した量としておくと、振動板101に関して最も効率的な変位を得ることが可能となる。   Therefore, when a predetermined voltage is applied to the diaphragm 101 and the counter electrode 103, the vibration due to the piezoelectric power of the piezoelectric film 104 is determined between the diaphragm 101 and the counter electrode 103 before voltage application. When the amount of bending of the plate 101 and the amount of bending of the vibration plate 101 due to the electrostatic force generated between the vibration plate 101 and the counter electrode 103 are added, the most efficient displacement with respect to the vibration plate 101 is obtained. Is possible.

図2は図1の静電アクチュエータの等価回路を表す回路図である。この等価回路では、符号「E」は印加電圧を、「C1」は圧電体の膜104に起因する容量(キャパシタ)を、「C2」はギャップ102に起因する容量(キャパシタ)を表している。この等価回路で、圧電体の膜104に印加される電圧Vaは、以下の式で表せる。
Va=[(εg/dg)/((εg/dg)+(εa/da))]・E
上記の式の中で、dは振動板101と対向電極103との間の距離、εは圧電体の膜104やギャップ102の比誘電率を表す。また、添え字のaは圧電体の膜104を、gはギャップ102を表している。
ここで、圧電体の膜104の厚さを200μm、電圧を印加していないときのギャップ102の量(または幅)を400nm、振動板101の厚みを1μm、印加電圧(入力電圧)Eを45Vとして試算してみると、圧電体の膜104に印加される電圧Vaは約15Vとなる。
FIG. 2 is a circuit diagram showing an equivalent circuit of the electrostatic actuator of FIG. In this equivalent circuit, “E” represents an applied voltage, “C1” represents a capacitance (capacitor) caused by the piezoelectric film 104, and “C2” represents a capacitance (capacitor) caused by the gap 102. In this equivalent circuit, the voltage Va applied to the piezoelectric film 104 can be expressed by the following equation.
Va = [(ε g / d g ) / ((ε g / d g ) + (ε a / d a ))] · E
In the above formula, d represents the distance between the diaphragm 101 and the counter electrode 103, and ε represents the relative dielectric constant of the piezoelectric film 104 and the gap 102. The subscript a represents the piezoelectric film 104 and g represents the gap 102.
Here, the thickness of the piezoelectric film 104 is 200 μm, the amount (or width) of the gap 102 when no voltage is applied is 400 nm, the thickness of the diaphragm 101 is 1 μm, and the applied voltage (input voltage) E is 45V. As a trial calculation, the voltage Va applied to the piezoelectric film 104 is about 15V.

圧電体の膜104に15Vの電圧が印加された場合の振動板101の変位量が200nmとすると、残りのギャップ102の量は200nmに狭まる。この状態で、静電力により振動板101を対向電極103に当接させるためには、20V程度の電圧が必要である。この例ではギャップ102の部分に、30V(45V−15V)の電圧が印加されていると見なせるため、振動板101は静電力によって対向電極103に当接され得る。
このため、電圧印加前の振動板101と対向電極103との間のギャップ量を、振動板101と対向電極103とに予め定めた電圧(例えば上記の45V)を印加した際に、圧電体の膜104の圧電力による歪みに起因する振動板101の撓み量と、振動板101と対向電極103との間に生じた静電力による振動板101の撓み量とを足した量にしておくのが好ましい。
If the displacement amount of the diaphragm 101 when a voltage of 15 V is applied to the piezoelectric film 104 is 200 nm, the amount of the remaining gap 102 is narrowed to 200 nm. In this state, a voltage of about 20 V is required to bring the diaphragm 101 into contact with the counter electrode 103 by electrostatic force. In this example, since it can be considered that a voltage of 30 V (45 V-15 V) is applied to the gap 102, the diaphragm 101 can be brought into contact with the counter electrode 103 by electrostatic force.
For this reason, when a predetermined voltage (for example, 45 V described above) is applied to the diaphragm 101 and the counter electrode 103, the gap amount between the diaphragm 101 and the counter electrode 103 before voltage application is applied. The amount of deflection of the diaphragm 101 caused by the distortion due to the piezoelectric power of the membrane 104 and the amount of deflection of the diaphragm 101 due to the electrostatic force generated between the diaphragm 101 and the counter electrode 103 should be added. preferable.

これに対して、圧電体の膜104の歪を考慮しない場合には、ギャップ102の量が当初の400nmのままであるため、振動板101を対向電極103に当接させるためには電圧が50V程度必要となり、圧電体の膜104を備えた構造に比べてより高い印加電圧が必要となる。
なお、圧電体はシリコン酸化膜等に比べて瞬時絶縁破壊強度(TZDB)が低いが、その膜厚を十分厚くすることで静電アクチュエータへの適用が可能となる。
On the other hand, when the distortion of the piezoelectric film 104 is not taken into account, the amount of the gap 102 remains at the initial 400 nm, so that the voltage is 50 V in order to bring the diaphragm 101 into contact with the counter electrode 103. Therefore, a higher applied voltage is required as compared with the structure including the piezoelectric film 104.
Although the piezoelectric body has a lower instantaneous dielectric breakdown strength (TZDB) than a silicon oxide film or the like, application to an electrostatic actuator is possible by sufficiently increasing the film thickness.

本実施の形態1では、絶縁膜として、振動板101の対向電極103との対峙部に圧電体の膜104を配置するという簡易な構成により、圧電体の膜104がない場合よりも低い電圧で大きな振動板101の変位を得ることが可能となった。
また、圧電体の膜104を振動板101の対向電極103との対峙部にのみ配置することで、シリコン基板110とガラス基板120との陽極接合も可能にしている。
In the first embodiment, the piezoelectric film 104 is disposed as an insulating film in a portion facing the counter electrode 103 of the vibration plate 101, and the voltage is lower than that in the case where the piezoelectric film 104 is not provided. A large displacement of the diaphragm 101 can be obtained.
In addition, by arranging the piezoelectric film 104 only on the opposite side of the diaphragm 101 to the counter electrode 103, anodic bonding between the silicon substrate 110 and the glass substrate 120 is also possible.

実施の形態2.
図3は本願発明の実施の形態2に係る液滴吐出ヘッド1であって、実施の形態1で説明した構成の静電アクチュエータを液滴吐出部に適用したものである。なお、本発明の液滴吐出ヘッドは、以下の図3に示す構造、形状に限定されるものではなく、吐出室とリザーバ部が別々の基板に設けられた4枚の基板を積層した4層構造のものや、基板の端部にノズル孔を設けた液滴吐出ヘッドにも適用することができる。この液滴吐出ヘッド1は、キャビティ基板2、電極基板3、及びノズル基板4の3つの基板が3層に接合されて構成されている。また、図3では駆動回路21の部分を模式的に表している。
Embodiment 2. FIG.
FIG. 3 shows a droplet discharge head 1 according to the second embodiment of the present invention, in which the electrostatic actuator having the configuration described in the first embodiment is applied to a droplet discharge portion. The droplet discharge head of the present invention is not limited to the structure and shape shown in FIG. 3 below, and is a four-layer structure in which four substrates each having a discharge chamber and a reservoir portion provided on separate substrates are stacked. The present invention can also be applied to a structure or a liquid droplet ejection head in which nozzle holes are provided at the edge of the substrate. The droplet discharge head 1 is configured by bonding three substrates of a cavity substrate 2, an electrode substrate 3, and a nozzle substrate 4 in three layers. FIG. 3 schematically shows the drive circuit 21 portion.

ノズル基板4はシリコンからなり、例えば、円筒状の第1のノズル孔6と、第1のノズル孔6と連通し、第1のノズル孔6よりも径の大きい円筒状の第2のノズル孔7とを有するノズル8が形成されている。第1のノズル孔6は、液滴吐出面10(キャビティ基板2との接合面11の反対面)に開口するように形成されており、第2のノズル孔7は、キャビティ基板2との接合面11に開口するように形成されている。   The nozzle substrate 4 is made of silicon, for example, a cylindrical first nozzle hole 6 and a cylindrical second nozzle hole that communicates with the first nozzle hole 6 and has a larger diameter than the first nozzle hole 6. 7 is formed. The first nozzle hole 6 is formed so as to open on the droplet discharge surface 10 (the surface opposite to the bonding surface 11 with the cavity substrate 2), and the second nozzle hole 7 is bonded with the cavity substrate 2. It is formed so as to open on the surface 11.

キャビティ基板2は、例えば単結晶シリコンからなり、底壁が振動板12(図1の振動板101に対応)として作用する吐出室13となる凹部が複数形成されている。なお複数の吐出室13は、図3の紙面手前側から紙面奥側にかけて平行に並んで形成されているものとする。またキャビティ基板2には、各吐出室13にインク等の液滴を供給するためのリザーバ14となる凹部と、このリザーバ14と各吐出室13を連通する細溝状のオリフィス15となる凹部が形成されている。図3に示す液滴吐出ヘッド1では、リザーバ14は単一の凹部から形成されており、オリフィス15は各吐出室13に対して1つずつ形成されている。なお、オリフィス15は、ノズル基板4の接合面11に形成するようにしてもよい。   The cavity substrate 2 is made of, for example, single crystal silicon, and a plurality of recesses serving as discharge chambers 13 whose bottom wall functions as the diaphragm 12 (corresponding to the diaphragm 101 in FIG. 1) are formed. It is assumed that the plurality of discharge chambers 13 are formed in parallel from the front side to the back side in FIG. In addition, the cavity substrate 2 has a recess serving as a reservoir 14 for supplying a droplet of ink or the like to each discharge chamber 13 and a recess serving as a narrow groove-like orifice 15 that communicates the reservoir 14 with each discharge chamber 13. Is formed. In the droplet discharge head 1 shown in FIG. 3, the reservoir 14 is formed from a single recess, and one orifice 15 is formed for each discharge chamber 13. The orifice 15 may be formed on the bonding surface 11 of the nozzle substrate 4.

キャビティ基板2の電極基板3が接合される側の表面には、絶縁膜が形成されている。その絶縁膜は同じ物質が一様に形成されているわけではなく、後述する対向電極17(図1の対向電極103に対応)に対峙する部分は圧電体の膜104が形成されて絶縁膜となっており、それ以外の部分は酸化シリコンであるシリコン酸化膜16(図1のシリコン酸化膜105に対応)が形成されて絶縁膜となっている。
一方、キャビティ基板2のノズル基板4が接合される側の面には、耐液滴保護膜19が形成されている。この耐液滴保護膜19は、吐出室13やリザーバ14の内部の液滴によりキャビティ基板2がエッチングされるのを防止するためのものである。
An insulating film is formed on the surface of the cavity substrate 2 on the side where the electrode substrate 3 is bonded. The same material is not uniformly formed in the insulating film, and a piezoelectric film 104 is formed on a portion facing a counter electrode 17 (corresponding to the counter electrode 103 in FIG. 1) to be described later. In other portions, a silicon oxide film 16 (corresponding to the silicon oxide film 105 in FIG. 1) made of silicon oxide is formed and becomes an insulating film.
On the other hand, a droplet-proof protective film 19 is formed on the surface of the cavity substrate 2 on the side where the nozzle substrate 4 is bonded. The droplet-resistant protective film 19 is for preventing the cavity substrate 2 from being etched by droplets inside the discharge chamber 13 and the reservoir 14.

キャビティ基板2の振動板12側には、例えばホウ珪酸ガラスからなる電極基板3が接合されている。電極基板3には、ギャップ20(図1のギャップ102に対応)を介して振動板12と対向する複数の対向電極(個々に独立しているため個別電極ともいう)17が形成されている。この対向電極17は、導電材料、例えばITO(Indium Tin Oxide)をスパッタすることにより形成する。また電極基板3には、リザーバ14と連通する液体供給孔18が形成されている。この液体供給孔18は、リザーバ14の底壁に設けられた孔と繋がっており、リザーバ14にインク等の吐出液を外部から供給するために設けられている。   An electrode substrate 3 made of borosilicate glass, for example, is bonded to the cavity substrate 2 side of the cavity substrate 2. On the electrode substrate 3, a plurality of counter electrodes (also referred to as individual electrodes because they are independent from each other) 17 facing the diaphragm 12 through gaps 20 (corresponding to the gaps 102 in FIG. 1) are formed. The counter electrode 17 is formed by sputtering a conductive material, for example, ITO (Indium Tin Oxide). A liquid supply hole 18 that communicates with the reservoir 14 is formed in the electrode substrate 3. The liquid supply hole 18 is connected to a hole provided in the bottom wall of the reservoir 14, and is provided to supply a discharge liquid such as ink to the reservoir 14 from the outside.

電極基板3とキャビティ基板2との接合方法は特に問わないが、電極基板3がホウ珪酸ガラスからなり、キャビティ基板2がシリコン基板からなる場合には、シリコン酸化膜16を介してそれらを陽極接合によって接合すると、高品質に精密接合できる。   The bonding method of the electrode substrate 3 and the cavity substrate 2 is not particularly limited. However, when the electrode substrate 3 is made of borosilicate glass and the cavity substrate 2 is made of a silicon substrate, they are anodic bonded through the silicon oxide film 16. Can be joined with high quality.

次に、液滴吐出ヘッド1の動作について説明する。キャビティ基板2と個々の対向電極17には駆動回路21が接続されている。駆動回路21によりキャビティ基板2と対向電極17の間にパルス電圧が印加されると、図1の(a)〜(c)に示したようにして、振動板12が対向電極17の側に撓んでそれが圧電体の膜104を介して対向電極17に当接する。これにより、リザーバ14の内部に溜まっていたインク等の液滴が吐出室13に流れ込む。そして、振動板12と対向電極17の間に印加されていた電圧がなくなると、振動板12が元の位置に戻って吐出室13の内部の圧力が高くなり、ノズル8からインク等の液滴が吐出される。
この液滴吐出ヘッド1は、実施の形態1の静電アクチュエータの作用で説明したように、圧電体の膜104がない場合に比べて低い印加電圧で振動板12を大きく変位させることができるため、比較的低い印加電圧で液体の吐出量を安定的に多くすることができる。
Next, the operation of the droplet discharge head 1 will be described. A drive circuit 21 is connected to the cavity substrate 2 and each counter electrode 17. When a pulse voltage is applied between the cavity substrate 2 and the counter electrode 17 by the drive circuit 21, the diaphragm 12 is bent toward the counter electrode 17 as shown in FIGS. Then, it comes into contact with the counter electrode 17 through the piezoelectric film 104. As a result, ink droplets or the like that have accumulated in the reservoir 14 flow into the ejection chamber 13. When the voltage applied between the diaphragm 12 and the counter electrode 17 disappears, the diaphragm 12 returns to its original position, the pressure inside the discharge chamber 13 increases, and a droplet such as ink from the nozzle 8. Is discharged.
As described with reference to the action of the electrostatic actuator according to the first embodiment, the droplet discharge head 1 can greatly displace the diaphragm 12 with a lower applied voltage than when the piezoelectric film 104 is not provided. The liquid discharge amount can be stably increased with a relatively low applied voltage.

ここで、液滴吐出ヘッド1の製造方法の一例を簡単に説明しておく。なお、説明中の符号は図3に対応する符号である。
まず、例えば厚さが525μmのシリコン基板(後にキャビティ基板2となるもの)の両面を鏡面研磨した後に、ECR(Electron Cyclotron Resonance)スパッタやプラズマCVD、AD法(Aerosol Depositon法)等によって、圧電体の膜104(例えばPZT膜)を、例えば厚さ200μmでシリコン基板の片側表面に直接形成する。ここでAD法を用いた場合には、比較的低温または常温で低応力の絶縁膜を形成することができ、ECRスパッタを用いた場合には、緻密な絶縁膜を形成することができる。
なお、シリコン基板に圧電体の膜104を形成する前に、その形成面側表面にボロンを拡散して、ボロンドープ層を形成するようにしてもよい。
Here, an example of a method for manufacturing the droplet discharge head 1 will be briefly described. In addition, the code | symbol in description is a code | symbol corresponding to FIG.
First, for example, after both surfaces of a silicon substrate having a thickness of 525 μm (which will later become the cavity substrate 2) are mirror-polished, the piezoelectric material is obtained by ECR (Electron Cyclotron Resonance) sputtering, plasma CVD, AD method (Aerosol Deposition method), or the like. The film 104 (for example, PZT film) is directly formed on one surface of the silicon substrate, for example, with a thickness of 200 μm. Here, when the AD method is used, a low-stress insulating film can be formed at a relatively low temperature or normal temperature, and when ECR sputtering is used, a dense insulating film can be formed.
Note that before forming the piezoelectric film 104 on the silicon substrate, boron may be diffused on the surface of the formation surface to form a boron doped layer.

次に、圧電体の膜104の表面を、後のエッチング工程で、対向電極17に対峙することになる部分だけに圧電体の膜104が残るように、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施す。
続いて、例えば緩衝フッ酸水溶液で圧電体の膜104をウェットエッチングすることにより、対向電極17と対峙することとなる部分に圧電体の膜104を形成する。なお、緩衝フッ酸水溶液によるウェットエッチングの代わりに、CHF3を用いたRIE(Reactive Ion Etching)を利用してもよい。それから、パターニングに使用したレジストを酸素プラズマ等により除去する。
その後、シリコン基板の圧電体の膜104が形成された側の表面に対して、圧電体の膜104が形成されている部分以外の全面に、例えばTEOS(Tetra Ethyl Ortho Silicate)プラズマCVDによって厚さ100nm程度のシリコン酸化膜16を形成する。
Next, resist patterning is performed on the surface of the piezoelectric film 104 by photolithography so that the piezoelectric film 104 remains only in a portion that will face the counter electrode 17 in a later etching process.
Subsequently, the piezoelectric film 104 is wet-etched with, for example, a buffered hydrofluoric acid solution, thereby forming the piezoelectric film 104 in a portion that faces the counter electrode 17. Note that RIE (Reactive Ion Etching) using CHF3 may be used instead of wet etching using a buffered hydrofluoric acid aqueous solution. Then, the resist used for patterning is removed by oxygen plasma or the like.
Thereafter, the surface of the silicon substrate on the side where the piezoelectric film 104 is formed is formed on the entire surface other than the portion where the piezoelectric film 104 is formed by, for example, TEOS (Tetra Ethyl Ortho Silicate) plasma CVD. A silicon oxide film 16 of about 100 nm is formed.

続いて、シリコン基板と、対向電極17が形成された電極基板3を例えば360℃に加熱し、シリコン基板に陽極、電極基板3に陰極を接続して800V程度の電圧を印加して陽極接合を行う。なお、電極基板3は、例えば金・クロムのエッチングマスクを使用してホウ珪酸ガラスからなるガラス基板をフッ酸水溶液等でエッチングして凹部を形成した後に、その凹部内にスパッタ等により導電材料(例えばITO)からなる対向電極17を形成することで作製することができる。
シリコン基板と電極基板3を陽極接合した後に、例えば機械研削によってシリコン基板の全体を例えば厚さ140μmになるまで薄板化する。なお、機械研削を行った後は、加工変質層を除去するため、水酸化カリウム水溶液等でライトエッチングを行うのが望ましい。
Subsequently, the silicon substrate and the electrode substrate 3 on which the counter electrode 17 is formed are heated to, for example, 360 ° C., an anode is connected to the silicon substrate, and a cathode is connected to the electrode substrate 3 to apply a voltage of about 800 V to perform anodic bonding. Do. The electrode substrate 3 is formed by etching a glass substrate made of borosilicate glass with a hydrofluoric acid aqueous solution or the like using a gold / chromium etching mask, for example, and then forming a recess in the recess by sputtering or the like. For example, the counter electrode 17 made of ITO can be formed.
After anodic bonding of the silicon substrate and the electrode substrate 3, the entire silicon substrate is thinned to a thickness of, for example, 140 μm by, for example, mechanical grinding. After mechanical grinding, it is desirable to perform light etching with a potassium hydroxide aqueous solution or the like in order to remove the work-affected layer.

それから、シリコン基板の上面(電極基板3が接合されている面の反対面)の全面にTEOSプラズマCVDによって例えば厚さ1.5μmのシリコン酸化膜を形成する。そしてこのシリコン酸化膜に、吐出室13となる凹部、リザーバ14となる凹部及びオリフィス15となる凹部を形成するためのレジストをパターニングし、この部分のシリコン酸化膜をエッチング除去する。
その後、シリコン基板を水酸化カリウム水溶液等でウェットエッチングすることにより、吐出室13となる凹部、リザーバ14となる凹部及びオリフィス15となる凹部を形成した後、シリコン酸化膜を除去する。なお、上記ウェットエッチングの工程では、例えば初めに35重量%の水酸化カリウム水溶液を使用し、その後3重量%の水酸化カリウム水溶液を使用することで、振動板12の面荒れを抑制することができる。
その後、シリコン基板の吐出室13となる凹部等が形成された面に、例えばCVDによってシリコン酸化膜等からなる耐液滴保護膜19を例えば厚さ0.1μmで形成する。
Then, a silicon oxide film having a thickness of, for example, 1.5 μm is formed on the entire upper surface of the silicon substrate (the surface opposite to the surface to which the electrode substrate 3 is bonded) by TEOS plasma CVD. Then, the silicon oxide film is patterned with a resist for forming a recess serving as the discharge chamber 13, a recess serving as the reservoir 14, and a recess serving as the orifice 15, and the silicon oxide film in this portion is removed by etching.
Thereafter, the silicon substrate is wet-etched with a potassium hydroxide aqueous solution or the like to form a recess serving as the discharge chamber 13, a recess serving as the reservoir 14, and a recess serving as the orifice 15, and then the silicon oxide film is removed. In the wet etching step, the surface roughness of the diaphragm 12 can be suppressed by using, for example, a 35% by weight potassium hydroxide aqueous solution first and then using a 3% by weight potassium hydroxide aqueous solution. it can.
Thereafter, a droplet-proof protective film 19 made of a silicon oxide film or the like is formed with a thickness of, for example, 0.1 μm on the surface of the silicon substrate where the recesses or the like serving as the discharge chamber 13 are formed.

次に、ノズル8が形成されたノズル基板4を、接着剤等により、シリコン基板の吐出室13となる凹部等が形成された面に接合する。
そして最後に、シリコン基板、電極基板3、及びノズル基板4が接合された接合基板をダイシング(切断)により分離して、キャビティ基板2、電極基板3、及びノズル基板4が積層された液滴吐出ヘッド1が完成する。
Next, the nozzle substrate 4 on which the nozzles 8 are formed is bonded to the surface of the silicon substrate on which the recesses and the like serving as the discharge chambers 13 are formed, using an adhesive or the like.
Finally, the bonded substrate to which the silicon substrate, the electrode substrate 3 and the nozzle substrate 4 are bonded is separated by dicing (cutting), and the droplet discharge in which the cavity substrate 2, the electrode substrate 3 and the nozzle substrate 4 are laminated is performed. The head 1 is completed.

以上の工程により、振動板12と対向電極17との間に絶縁耐圧が確保され、かつアクチュエータ駆動電圧の低電圧化が実現された、小型でしかも駆動耐久性に優れた静電アクチュエータが製造できる。   Through the above steps, a small-sized electrostatic actuator excellent in driving durability can be manufactured in which the withstand voltage is secured between the diaphragm 12 and the counter electrode 17 and the actuator driving voltage is reduced. .

実施形態3.
図4は実施の形態2で説明した液滴吐出ヘッドを液滴吐出部に適用した液滴吐出装置であるインクジェットプリンタの斜視図である。
このインクジェットプリンタ200は、そこに適用されている液滴吐出ヘッドの作用により、従来利用していた電圧より低い電圧を利用して、より多くの液滴吐出量を得ることができる。従って、ドット抜け等がなく印刷品質が向上する。また、耐久性や吐出安定性にも優れ、さらに小型でしかも駆動耐久性にも優れたものとなる。
Embodiment 3. FIG.
FIG. 4 is a perspective view of an ink jet printer which is a droplet discharge device in which the droplet discharge head described in the second embodiment is applied to a droplet discharge unit.
The ink jet printer 200 can obtain a larger amount of ejected droplets by using a voltage lower than a conventionally used voltage due to the action of the droplet ejection head applied thereto. Therefore, there is no missing dot and the print quality is improved. Further, it is excellent in durability and discharge stability, and is further small in size and excellent in driving durability.

なお、実施の形態2に示した液滴吐出ヘッド1は、上記のインクジェットプリンタの他に、その吐出液を代えることで、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、生体液体の吐出等にも適用することができる。   In addition to the ink jet printer described above, the droplet discharge head 1 shown in Embodiment 2 can be used to produce a color filter for a liquid crystal display and to form a light emitting portion of an organic EL display device by replacing the discharge liquid. It can also be applied to the discharge of biological liquids.

本発明の実施の形態1に係る静電アクチュエータの構成および作用を示す図である。It is a figure which shows the structure and effect | action of an electrostatic actuator which concern on Embodiment 1 of this invention. 図1の静電アクチュエータの等価回路図である。FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of the electrostatic actuator of FIG. 1. 本発明の実施の形態2に係る液滴吐出ヘッドの断面図である。It is sectional drawing of the droplet discharge head which concerns on Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態3に係るインクジェットプリンタの斜視図である。It is a perspective view of the inkjet printer which concerns on Embodiment 3 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 液滴吐出ヘッド、2 キャビティ基板、3 電極基板、4 ノズル基板、6 第1のノズル孔、7 第2のノズル孔、8 ノズル、10 液滴吐出面、11 接合面、12 振動板、13 吐出室、14 リザーバ、15 オリフィス、16 シリコン酸化膜、17 対向電極、18 液体供給孔、19 耐液滴保護膜、20 ギャップ、21 駆動回路、100 静電アクチュエータ、101 振動板、102 ギャップ、103 対向電極 104 圧電体の膜、105 シリコン酸化膜、110 シリコン基板、120 ガラス基板、200 インクジェットプリンタ。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Droplet discharge head, 2 Cavity substrate, 3 Electrode substrate, 4 Nozzle substrate, 6 1st nozzle hole, 7 2nd nozzle hole, 8 Nozzle, 10 Droplet discharge surface, 11 Joining surface, 12 Vibration plate, 13 Discharge chamber, 14 reservoir, 15 orifice, 16 silicon oxide film, 17 counter electrode, 18 liquid supply hole, 19 droplet-resistant protective film, 20 gap, 21 drive circuit, 100 electrostatic actuator, 101 diaphragm, 102 gap, 103 Counter electrode 104 Piezoelectric film, 105 Silicon oxide film, 110 Silicon substrate, 120 Glass substrate, 200 Inkjet printer.

Claims (5)

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する対向電極と、前記振動板の前記対向電極との対峙部に形成された絶縁膜とを備え、
前記絶縁膜を、酸化シリコンよりも比誘電率が高く、前記振動板と前記対向電極との間に印加した電圧に応じて歪む圧電体の膜としたことを特徴とする静電アクチュエータ。
A diaphragm having flexibility, a counter electrode facing the diaphragm with a gap, and an insulating film formed at a facing portion of the counter electrode of the diaphragm,
An electrostatic actuator characterized in that the insulating film is a piezoelectric film having a relative dielectric constant higher than that of silicon oxide and distorted according to a voltage applied between the diaphragm and the counter electrode.
電圧印加前の前記振動板と前記対向電極との間のギャップ量を、前記振動板と前記対向電極とに予め定めた電圧を印加した際に、前記圧電体の膜の圧電力による前記振動板の撓み量と、前記振動板と前記対向電極との間に生じた静電力による前記振動板の撓み量とを足した量とし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。   The diaphragm by the piezoelectric power of the piezoelectric film when a predetermined voltage is applied to the diaphragm and the counter electrode to determine the gap amount between the diaphragm and the counter electrode before voltage application 2. The electrostatic actuator according to claim 1, wherein an amount of bending of the diaphragm and an amount of deflection of the diaphragm due to an electrostatic force generated between the diaphragm and the counter electrode are added. 前記振動板がシリコン基板に形成され、前記対向電極がガラス基板に形成されており、前記圧電体の膜が前記振動板の前記対向電極との対峙部にのみ形成されていて、前記シリコン基板と前記ガラス基板とが、前記圧電体の膜のない部分で陽極接合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。   The diaphragm is formed on a silicon substrate, the counter electrode is formed on a glass substrate, and the piezoelectric film is formed only on a portion of the diaphragm facing the counter electrode, and the silicon substrate 3. The electrostatic actuator according to claim 1, wherein the glass substrate is anodically bonded at a portion of the piezoelectric body where no film is formed. 請求項1〜3のいずれかに記載の静電アクチュエータを備え、前記振動板が液体吐出のために圧力変動を生じさせる吐出室の一面を構成していることを特徴とする液滴吐出ヘッド。   A droplet discharge head comprising the electrostatic actuator according to claim 1, wherein the vibration plate constitutes one surface of a discharge chamber that causes a pressure fluctuation for liquid discharge. 液体の吐出部に請求項4に記載の液滴吐出ヘッドを備えた液滴吐出装置。   A droplet discharge device comprising the droplet discharge head according to claim 4 in a liquid discharge portion.
JP2007295408A 2007-11-14 2007-11-14 Electrostatic actuator, droplet discharge head, and droplet discharge device Withdrawn JP2009124840A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2007295408A JP2009124840A (en) 2007-11-14 2007-11-14 Electrostatic actuator, droplet discharge head, and droplet discharge device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2007295408A JP2009124840A (en) 2007-11-14 2007-11-14 Electrostatic actuator, droplet discharge head, and droplet discharge device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2009124840A true JP2009124840A (en) 2009-06-04

Family

ID=40816406

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2007295408A Withdrawn JP2009124840A (en) 2007-11-14 2007-11-14 Electrostatic actuator, droplet discharge head, and droplet discharge device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2009124840A (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20060232655A1 (en) Electrostatic actuator, liquid-jet head, liquid-jet apparatus, device including electrostatic actuator, method for manufacturing liquid-jet head
JP4363150B2 (en) Method for manufacturing droplet discharge head
JP2009124840A (en) Electrostatic actuator, droplet discharge head, and droplet discharge device
JP5163144B2 (en) Electrostatic actuator
JP2008265013A (en) Liquid droplet ejection head, liquid droplet ejector, manufacturing method for liquid droplet ejection head, and manufacturing method for liquid droplet ejector
JP2009269331A (en) Liquid droplet discharge head, liquid droplet discharge device and method for manufacturing liquid droplet discharge head
JP2006187934A (en) Electrostatic actuator and its manufacturing method, droplet ejection head and its manufacturing method, droplet ejector, and device
JP2009190241A (en) Electrostatic actuator, liquid droplet discharge head and liquid droplet discharge device
JP2001277505A (en) Ink jet head
JP2013000911A (en) Method for manufacturing liquid jet head
JP2007105860A (en) Electrode substrate, electrostatic actuator, droplet discharge head, and manufacturing method thereof
JP2010179470A (en) Electrostatic actuator, liquid droplet ejecting head, liquid droplet ejecting apparatus and driving method of electrostatic actuator
JP2005225059A (en) Method for manufacturing inkjet head, inkjet head and inkjet recording device
JP2007260929A (en) Liquid droplet jet head, method for manufacturing the same, and liquid droplet jet device
KR100698347B1 (en) Electrostatic actuator formed by a semiconductor manufacturing process
JP2006103167A (en) Liquid drop ejection head, its manufacturing process and liquid drop ejector
JP2009006617A (en) Electrostatic actuator, liquid droplet discharge head, liquid droplet discharge device, manufacturing method of electrostatic actuator, manufacturing method of liquid droplet discharge head, and manufacturing method of liquid droplet discharge device
JP2009023157A (en) Liquid droplet discharge head, liquid-droplet discharge apparatuses, and their production methods
JP5200746B2 (en) Electrostatic actuator, droplet discharge head, droplet discharge device, and method for manufacturing droplet discharge head
JP2010179471A (en) Electrostatic actuator, liquid droplet ejecting head, liquid droplet ejecting apparatus, and driving method of electrostatic actuator
JP5262667B2 (en) Electrostatic actuator, droplet discharge head, droplet discharge apparatus, and electrostatic device
JP2010155379A (en) Electrostatic actuator, liquid droplet delivering head, liquid droplet delivering device, and method for manufacturing electrode substrate
JP2010221528A (en) Method for manufacturing electrostatic actuator, method for manufacturing liquid droplet discharging head, and method for manufacturing liquid droplet discharging apparatus
JP2009029063A (en) Electrostatic actuator, droplet discharge head, droplet discharge device, manufacturing method of electrostatic actuator, and manufacturing method of droplet discharge head
JP2010288409A (en) Electrostatic actuator, liquid droplet discharge head, liquid droplet discharge device, and manufacturing method of electrostatic actuator

Legal Events

Date Code Title Description
A300 Withdrawal of application because of no request for examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300

Effective date: 20110201