JP2010155379A

JP2010155379A - 静電アクチュエーター、液滴吐出ヘッド、液滴吐出装置、および電極基板の製造方法

Info

Publication number: JP2010155379A
Application number: JP2008334683A
Authority: JP
Inventors: Akira Sano; 朗佐野
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2008-12-26
Filing date: 2008-12-26
Publication date: 2010-07-15

Abstract

【課題】電極間で十分な絶縁耐圧を確保することができ、しかも絶縁膜表面の残留電荷を低減できる静電アクチュエーターを得ること。
【解決手段】可動電極を構成する可撓性の振動板１２が形成されたシリコン基板２と、振動板１２に空隙２２を介して対向する固定電極１７を有した電極基板３とを備えた静電アクチュエーターであって、固定電極１７の上面には複数の第一絶縁膜１６ａが隙間１６ｃを有して形成され、複数の第一絶縁膜１６ａの上面および各第一絶縁膜１６ａの周囲の固定電極１７の上面には第二絶縁膜１６ｂが形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、可動電極と可動電極に空隙を介して対向する固定電極とを有した静電アクチュエーター、その静電アクチュエーターを備えた液滴吐出ヘッド、液滴吐出装置などに関する。

空隙を隔てて対向する可動電極と固定電極との間に電界を掛け、静電力により可動電極を固定電極に吸引、当接させる静電アクチュエーターにおいては、電極間で十分な絶縁耐圧を確保することに加えて、可動電極と固定電極の張り付きを防止するため絶縁膜表面での残留電荷の低減が重要となっている。

このため例えば、可動電極、固定電極の両方の対向側表面に絶縁膜を形成し、かつ、その少なくとも一方を、酸化シリコンと酸化シリコンより誘電率の高い材料とが積層された絶縁膜としたものであって、可動電極側と固定電極側の絶縁膜の最表面にあって互いに接触する絶縁膜を同じ材料の酸化シリコンとしたものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−１１０５５９号公報

しかし、可動電極と固定電極の両電極の絶縁膜最表面を同材質としても、絶縁膜最表面での帯電を完全に防止できない場合があり、その場合に絶縁膜が複数の絶縁膜の積層により形成されていると、表面の絶縁膜と電極との間にある絶縁膜が、放電の障害となって、絶縁膜表面に残留電荷が滞留することも起こりえる。

本発明は、上記課題を解決することを目的としたもので、可動電極と固定電極から構成される静電アクチュエーターにおいて、電極間で十分な絶縁耐圧を確保することができ、しかも絶縁膜表面の残留電荷を低減できる静電アクチュエーター、液滴吐出ヘッド、および液滴吐出装置などを提案するものである。

本発明に係る静電アクチュエーターは、可動電極を構成する可撓性の振動板が形成されたシリコン基板と、前記振動板に空隙を介して対向する固定電極を有した電極基板とを備えた静電アクチュエーターであって、
前記固定電極の上面には複数の第一絶縁膜が隙間を有して形成され、前記複数の第一絶縁膜の上面および各第一絶縁膜の周囲の前記固定電極の上面には第二絶縁膜が形成されていることを特徴とする。
この発明によれば、振動板が直接、接触、離脱をする第二絶縁膜に帯電が生じても、第二絶縁膜が直接固定電極に接触しているため、その接触部を通して放電が行われ、残留電荷が大きく低減できる。従って、振動板の固定電極への貼り付きも防止される。

なお、前記第一絶縁膜の厚さが前記第二絶縁膜の厚さ以上とされており、前記第二絶縁膜が前記固定電極に直接接触している領域では、前記振動板の動作時においても、前記振動板が前記第二絶縁膜に当接しないようにされているのが好ましい。
これによれば、第二絶縁膜だけからなる絶縁耐圧の低い領域では振動板が固定電極に接触しないので、第一絶縁膜間に隙間が形成されていても絶縁耐圧を確保することが可能となる。

また、前記第一絶縁膜の絶縁耐圧は前記第二絶縁膜の絶縁耐圧より大きく、前記第一絶縁膜の誘電率は前記第二絶縁膜の誘電率より小さいことが好ましい。
この構成により、第一絶縁膜で絶縁耐圧を確保でき、第二絶縁膜で静電力の増大を図ることができ、かつ第二絶縁膜での残留電荷も抑制できる。

また、前記第二絶縁膜をセラミック系硬質膜または炭素系硬質膜としてもよい。電極の接触面をこれらの硬質膜で形成することで、当接と離脱動作の繰り返しによる絶縁膜の摩耗、破損が低減され、残留電荷の低減に加えて、静電アクチュエーターの耐久性も向上する。

さらに、前記複数の第一絶縁膜の前記隙間の幅は、前記振動板の中央部に対応する部分が前記振動板の端部に対応する部分より狭く形成されているのが好ましい。
このようにすることで、振動板が固定電極に絶縁膜を介して当接する部分において、絶縁膜が第二絶縁膜だけとなる領域が小さくなり、電極間の絶縁耐性を確保することが可能となる。

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ーを、液滴吐出用の圧力室に備えたものである。また、本発明の液滴吐出装置は、上記の液滴吐出ヘッドを備えたものである。
これらの液滴吐出ヘッドおよび液滴吐出装置は、上述した静電アクチュエーターの効果により、電極間の絶縁耐性が高く、また固定電極表面の絶縁膜における残留電荷の放電性もよいため、電極の張り付きも防止されて、信頼性が高まる。
また、本発明の静電アクチュエーター用の電極基板の製造方法は、ガラス基板の凹部内に形成した固定電極の上に第一絶縁膜を成膜し、前記第一絶縁膜をドライエッチングして隙間を形成することにより複数の第一絶縁膜に分割し、前記複数の第一絶縁膜の上面および各第一絶縁膜周囲の前記固定電極の上面に第二絶縁膜を形成して、前記第一絶縁膜の上面に形成される前記第二絶縁膜を、直接固定電極に接触させるようにしたものである。

実施の形態１．
図１〜図３に、本発明に係る静電アクチュエーターを液滴吐出ヘッドに適用した実施の形態を示す。図１は実施の形態１に係る液滴吐出ヘッドの分解斜視図、図２は図１の液滴吐出ヘッドの組立状態のＡ−Ａ方向断面図、図３は可動電極である振動板１２が固定電極１７側に当接した状態の図２に対応する図である。

実施の形態１に係る液滴吐出ヘッド１は、シリコンからなるキャビティ基板２（本明細書ではシリコン基板２ともいう）、ホウ珪酸ガラスなどからなる電極基板３、及びシリコンなどからなるノズル基板４が接合されることにより構成されている。

ノズル基板４は、円筒状の第１のノズル孔と、第１のノズル孔と同軸上に設けられて連通し第１のノズル孔よりも径の大きい円筒状の第２のノズル孔とからなるノズル８が形成されている。ノズル基板４のキャビティ基板２が接合される側の面には、細溝状のオリフィス５が形成されており、ノズル基板４をキャビティ基板２と接合した際に、後述のリザーバーと各圧力室を連通する作用を果たす。

キャビティ基板２は、可動電極を構成する可撓性の振動板１２を有した圧力室１３が、側壁１０を介して平行に並んで複数形成されている。また、キャビティ基板２には、各圧力室１３にインクなどの吐出液を、オリフィス５を介して供給する共通のリザーバー１４と、リザーバー１４に吐出液を供給する吐出液供給孔１８ａが形成されている。

キャビティ基板２の電極基板３に対向している側の面には、例えば、酸化シリコンなどの絶縁膜２ａがほぼ全面にわたって形成されており、液滴吐出ヘッド１が駆動する際に、電極間での絶縁破壊やショートを防止する作用を果たしている。
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、各振動板１２に対して共通の電極となっている共通電極２１が形成されている。なお、図示はされていないが、吐出液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吐出液保護膜も形成されている。

電極基板３には、キャビティ基板２に形成された振動板１２と対向する固定電極（対向電極あるいは個別電極ともいう）１７が空隙２２を介して複数形成されている。固定電極１７はキャビティ基板２から突出する部分まで引き出されており、その突出部分は電極引き出し部１７ａとなっていて回路部品などが実装される。各固定電極１７は、それぞれ対応する凹部２０内に、例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）により形成されている。固定電極１７の上面には複数の第一絶縁膜１６ａが隙間１６ｃを有して形成されており、複数の第一絶縁膜１６ａの上面および各第一絶縁膜１６ａの周囲（隙間１６ｃを含む）の固定電極１７の上面には第二絶縁膜１６ｂが形成されている。
さらに、電極基板３には、吐出液供給孔１８ａと連通する吐出液供給孔１８ｂが形成されている。符号１８ａ、１８ｂから構成される吐出液供給孔１８は、リザーバー１４にインクなどの吐出液を外部から供給する。

第一絶縁膜１６ａの厚さは、第二絶縁膜１６ｂの厚さ以上として、振動板１２の変形時（動作時）においても、振動板１２が第一絶縁膜１６ａ間の隙間１６ｃに入り込みづらくして、第二絶縁膜１６ｂと当接しないようにしている。これは、振動板１２と固定電極１７とが当接（絶縁膜を介して当接）する部分では電界が強くなるので、第二絶縁膜１６ｂだけで絶縁耐圧を確保することになるのを避けるためである。この観点から、複数の第一絶縁膜１６ａの隙間１６ｃの幅も、振動板１２の中央部に対応する部分の隙間１６ｃが、振動板１２の端部に対応する部分の隙間１６ｃより狭く形成されていることが好ましい。

また、第一絶縁膜１６ａの絶縁耐圧は第二絶縁膜１６ｂの絶縁耐圧より大きく、第一絶縁膜１６ａの誘電率は第二絶縁膜１６ｂの誘電率より小さいことが好ましい。例えば、第一絶縁膜１６ａに酸化シリコンを使用し、第二絶縁膜１６ｂには酸化シリコンより誘電率の高い酸化アルミニウム、酸化ハフニウムなど、または酸化タンタルを使用することができる。これにより、第一絶縁膜１６ａで絶縁耐圧を確保し、第二絶縁膜１６ｂにより静電力の向上が図れる。
ただし、第二絶縁膜１６ｂを絶縁膜の硬質化を目的に利用している場合には、第二絶縁膜１６ｂの誘電率は、第一絶縁膜１６ａの誘電率より低くてもよい。絶縁膜の硬質化を目的にする場合、第二絶縁膜１６ｂには、窒化チタン（ＴｉＮ）、炭化チタン（ＴｉＣ）、窒炭化チタン（ＴｉＣＮ）、窒化アルミチタン（ＴｉＡｌＮ）などのセラミック系硬質膜、またはダイヤモンドライクカーボンなどの炭素系硬質膜が使用できる。

キャビティ基板２と電極基板３とは、陽極接合などによって接合されており、キャビティ基板２と電極基板３との空隙２２は、封止材２３によって封止されている。そして、キャビティ基板２の共通電極２１と、各固定電極１７の電極引き出し部１７ａとの間に、それらの電極間に電圧を印加する駆動回路２４が接続されている。

次に、液滴吐出ヘッド１の動作の一例を説明する。駆動回路２４により、キャビティ基板２の共通電極２１と電極基板３の固定電極１７の間にパルス電圧が印加されると、振動板１２が固定電極１７の側に撓んで接触し、図３に示すような状態となる。これにより、リザーバー１４の内部に溜まっていた吐出液が圧力室１３に流れ込む。その後、キャビティ基板２と固定電極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圧力室１３の内部の圧力が高くなる。この圧力により、圧力室１３内の吐出液がノズル８から吐出される。

上記の液滴吐出ヘッド１は、振動板１２が接触および離脱をする第二絶縁膜１６ｂに帯電が生じても、第二絶縁膜１６ｂが第一絶縁膜１６ａ間の隙間１６ｃなどで直接固定電極１７に直接接触しているため、その接触部を通して放電が行われ、第二絶縁膜１６ｂ上の残留電荷が低減される。従って、振動板１２の固定電極１７への貼り付きも防止される。また、第二絶縁膜１６ｂの使用材料に応じて、静電アクチュエーターとしての静電力を向上させることや、電極部の耐摩耗性を向上させることも可能となる。
なお、本発明の静電アクチュエーターは、上記の液滴吐出ヘッド１への適用に限られるものではなく、可動電極と固定電極による静電力を利用した他の機器にも適用できる。

実施の形態２．
次に、実施の形態１で説明した静電アクチュエーターに使用される電極基板３の製造方法を説明する。以下、図４の工程図を基に説明する。

（ａ）電極基板となるガラス基板３（以下、電極基板３という）を用意する。
（ｂ）電極基板３をフッ酸水溶液などでエッチングして、固定電極配置用の凹部２０を複数形成する。
（ｃ）その凹部２０内にスパッタなどによりＩＴＯを成膜して、固定電極１７を、例えば、0.1μｍの厚さに形成する。
（ｄ）次に、酸化シリコンなどからなる第一絶縁膜１６ａを、プラズマＣＶＤなどにより、例えば、0.1μｍの厚さに形成する。
（ｅ）次に、フォトリソおよびドライエッチングなどを用いて、第一絶縁膜１６ａに対して隙間１６ｃを複数形成して、第一絶縁膜１６ａを複数の第一絶縁膜１６ａに分割する。この際、既に説明したように、第一絶縁膜１６ａの隙間１６ｃの幅は、振動板１２の中央部に対応する部分の隙間１６ｃが、振動板１２の端部に対応する部分の隙間１６ｃより狭く形成されるようにするとよい。たとえば、振動板１２の中央部に対応する部分の隙間１６ｃを1.0μｍ、振動板１２の両端部に対応する部分の隙間１６ｃを3.0μｍ、それらの中間部分の隙間１６ｃを2.0μｍなどとする。
（ｆ）続いて、複数の第一絶縁膜１６ａの上面および各第一絶縁膜１６ａ周囲の固定電極１７の上面に、第二絶縁膜１６ｂをプラズマＣＶＤなどにより、例えば、0.03μｍの厚さに形成する。第二絶縁膜１６ｂは、誘電率の向上を図る観点からは、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、または酸化タンタルとし、耐摩耗性の観点からは、上述したセラミック系硬質膜または炭素系硬質膜とする。これによって、第二絶縁膜１６ｂは、各第一絶縁膜１６ａの隙間１６ｃなど第一絶縁膜１６ａの周囲で、直接固定電極１７と接触された状態になる。
（ｇ）最後に、固定電極１７の端部に残っている、第一絶縁膜１６ａおよび／または第二絶縁膜１６ｂを除去して電極引き出し部１７ａを露出させ、電極基板３を完成させる。

なお、静電アクチュエーターを利用した液滴吐出ヘッド１を製造するには、完成した電極基板３にシリコン基板２を陽極接合し、そのシリコン基板２にパターニング、ウェットエッチングなどを施し、振動板１２（例えば厚さ2.0μｍ）、圧力室１３、リザーバー１４などの吐出液用の流路を形成しキャビティ基板２とする。そしてその後、キャビティ基板２の流路形成面に、ノズル孔８を有したノズル基板４を、接着剤を用いて接着する。以上により、静電アクチュエーター型液滴吐出ヘッド１を完成させることができる。

上記電極基板３の製造方法により、絶縁耐圧に優れ、かつ電極表面に残留する電荷を少なくできる静電アクチュエーターを得ることができる。
また、第一絶縁膜１６ａで絶縁耐圧を確保する一方、第二絶縁膜１６ｂを適宜選択して、静電力の向上や、絶縁膜の耐摩耗性の改善が図れる。

実施の形態３．
図５は、実施の形態１に係る液滴吐出ヘッドを搭載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は、実施の形態１の液滴吐出ヘッド１が有する効果をそのまま奏することができるため、プリンタとしての信頼性、耐久性に優れ、また小型化も図れる。
なお、実施の形態１に示す液滴吐出ヘッド１は、吐出液を種々変更することで、インクジェットプリンタの他、液晶ディスプレイのカラーフィルターの製造、有機ＥＬ表示装置の発光部分の形成、生体液体の吐出などのための各種装置にも適用することができる。

本発明の実施の形態１に係る液滴吐出ヘッド１の分解斜視図。図１の液滴吐出ヘッド１の組み立て状態を示すＡ−Ａ方向断面図。振動板１２が固定電極１７に当接した状態の図２に対応する図。電極基板３の製造プロセスを示す工程図。実施の形態１に係る液滴吐出ヘッドを搭載した液滴吐出装置の例示図。

符号の説明

１液滴吐出ヘッド、２キャビティ基板（シリコン基板）、２ａ絶縁膜、３電極基板（ガラス基板）、４ノズル基板、５オリフィス、８ノズル、１０圧力室の側壁、１２振動板、１３圧力室、１４リザーバー、１６ａ固定電極の第一絶縁膜、１６ｂ固定電極の第二絶縁膜、１６ｃ第一絶縁膜間の隙間、１７固定電極、１７ａ電極引き出し部、１８，１８ａ，１８ｂ吐出液供給孔、２０凹部、２１共通電極、２２空隙、２３封止材、２４駆動回路。

Claims

可動電極を構成する可撓性の振動板が形成されたシリコン基板と、前記振動板に空隙を介して対向する固定電極を有した電極基板とを備えた静電アクチュエーターであって、
前記固定電極の上面には複数の第一絶縁膜が隙間を有して形成され、前記複数の第一絶縁膜の上面および各第一絶縁膜周囲の前記固定電極の上面には第二絶縁膜が形成されていることを特徴とする静電アクチュエーター。
前記第一絶縁膜の厚さが前記第二絶縁膜の厚さ以上とされており、前記第二絶縁膜が前記固定電極に直接接触している領域では、前記振動板の動作時においても、前記振動板が前記第二絶縁膜に当接しないように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ー。
前記第一絶縁膜の絶縁耐圧は前記第二絶縁膜の絶縁耐圧より大きく、前記第一絶縁膜の誘電率は前記第二絶縁膜の誘電率より小さい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ー。
前記第二絶縁膜がセラミック系硬質膜または炭素系硬質膜であ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ー。
前記複数の第一絶縁膜の前記隙間の幅は、前記振動板の中央部に対応する部分が前記振動板の端部に対応する部分より狭く形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の静電アクチュエーター。
請求項１〜５のいずれかに記載の静電アクチュエーターを、液滴吐出用の圧力室に備えたことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
請求項６記載の液滴吐出ヘッドを備えた液滴吐出装置。
ガラス基板の凹部内に形成した固定電極の上に第一絶縁膜を成膜し、前記第一絶縁膜をドライエッチングして隙間を形成することにより複数の第一絶縁膜に分割し、前記複数の第一絶縁膜の上面および各第一絶縁膜周囲の前記固定電極の上面に第二絶縁膜を形成して、前記第一絶縁膜の上面に形成される前記第二絶縁膜を、前記固定電極に直接接触させるようにしたことを特徴とする静電アクチュエーター用の電極基板の製造方法。