JP2010179471A

JP2010179471A - 静電アクチュエーター、液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置並びに静電アクチュエーターの駆動方法

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Publication number: JP2010179471A
Application number: JP2009022297A
Authority: JP
Inventors: Tomonori Matsushita; 友紀松下
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2009-02-03
Filing date: 2009-02-03
Publication date: 2010-08-19

Abstract

【課題】絶縁膜間に発生する界面分極による帯電を除去することにより、耐久性及び信頼性を向上させることが可能な構造とした静電アクチュエーターを提供する。
【解決手段】本発明に係る液滴吐出ヘッド１００は、個別電極１７を形成した電極ガラス基板４と、個別電極１７にギャップ１８を隔てて対向し、個別電極１７との間で発生させた静電気力により動作する振動板８を有するキャビティ基板３とを備え、個別電極１７及び振動板８の対向面のうち少なくとも一方に絶縁膜を多層に形成し、絶縁膜間に導電性の導線部２１を介在させている。
【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ー、液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置並びに静電アクチュエーターの駆動方法に関し、特に耐久性及び信頼性を向上させることが可能な構造の静電アクチュエーター、液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置並びに静電アクチュエーターの駆動方法に関するものである。

液滴を吐出するための液滴吐出ヘッドとして、たと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。この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（空隙）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ーを備えている。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、リザーバー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ー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。

このような静電駆動方式のアクチュエーターにおいては、長期駆動に対する耐久性及び信頼性の向上が望まれている。そこで、従来の静電駆動方式のアクチュエーターでは、アクチュエーター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を形成することが多い。この絶縁膜としては、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ことが挙げられる。また、プラズマＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）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多い。

そのようなものとして、「ノズルと、該ノズルに連通するインク流路と、該流路の一部に設けられた振動板と、該振動板に対向して設けられた電極とを有し、前記振動板を変形させ、前記ノズルからインク液滴を吐出し、記録を行うインクジェットヘッドの駆動方法において、前記振動板を静電気力により変形させ、通常の記録に用いる第１の電圧と、前記第１の電圧とは異なる第２の電圧とを有し、所定時に前記第２の電圧を用いて、前記振動板を駆動し、前記振動板の変位量を安定させるインクジェットヘッドの駆動方法」が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

また、「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ーにおいて、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静電アクチュエーター」が提案されている（たとえば、特許文献２参照）。

特開平０７−８１０８８号公報（第６頁、第１図）特開２００７−３１３７３１号公報（第１３頁、第１３図）

特許文献１に記載の技術は、駆動電圧を印加する以前に、その駆動電圧とは異なる電圧を振動板と電極間に印加することにより、残留電荷を消去し、残留電荷による振動板のたわみを除去するようにしたものである。しかしながら、特許文献１に記載の技術では、残留電荷をなくすことが可能であるが、非駆動時にも電圧を印加させるため、消費電力が増加してしまうことになる。つまり、特許文献１に記載の技術には、消費電力の増加に関しての改善の余地が残っている。

特許文献２に記載の技術は、振動板と個別電極の双方の表面にＳｉＯ₂絶縁膜を形成するようにしたものである。したがって、同種材料を接触面に利用することにより、駆動中の残留電荷量を減らすことが可能となり、帯電量を減少することができる。しかしながら、特許文献２に記載の技術は、駆動電圧の増加や、駆動ｓｈｏｔ数の増加に伴い、絶縁膜間の界面において分極が生じることになるため、駆動特性が低下したり、貼り付きが発生したりしてしまう可能性がある。つまり、絶縁膜間に発生する界面分極に関しての改善の余地が残っている。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、絶縁膜間に発生する界面分極による帯電を除去することにより、耐久性及び信頼性を向上させることが可能な構造とした静電アクチュエーター、液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置並びに静電アクチュエーターの駆動方法を提供することを目的としている。

本発明に係る静電アクチュエーターは、固定電極を形成した第１の基板と、固定電極にギャップを隔てて対向し、固定電極との間で発生させた静電気力により動作する可動電極を有する第２の基板とを備え、固定電極及び可動電極の対向面のうち少なくとも一方に絶縁膜を多層に形成し、絶縁膜間に導電性の導線部を介在させていることを特徴とする。

したがって、絶縁膜の界面に導電性の導線部を設けたので、絶縁膜の界面の帯電した電荷を除去することができ、非駆動時の可動電極（たとえば、振動板）のたわみをなくすことができる。また、帯電量が増加しないため、可動電極の貼り付きをなくすことができ、駆動の耐久性を向上できる。さらに、この静電アクチュエーターが液滴吐出ヘッドに搭載される場合、可動電極である振動板のたわみがなくなるため、吐出特性の安定性が向上する。

本発明に係る静電アクチュエーターは、ギャップを気密封止する導電性の封止部を設け、第２の基板に形成した導線部を、封止部を介して可動電極に電荷を供給する発振回路に接続していることを特徴とする。したがって、複雑な構成にすることなく、導線部を形成することができる。

本発明に係る静電アクチュエーターは、封止部と第２の基板との間に、封止部と可動電極との短絡を防止する第３の絶縁膜を形成していることを特徴とする。これにより、複雑な構成にすることなく、絶縁膜の界面に帯電した電荷を除去することができる。

本発明に係る静電アクチュエーターは、第１の基板に導線部を形成するものにおいて、封止部と第１の基板に形成した導線部との間に第４の絶縁膜を形成していることを特徴とする。したがって、複雑な構成にすることなく、封止部と第１の基板との短絡を防止することが可能になる。

本発明に係る静電アクチュエーターは、導線部を、発振回路のＧＮＤに接続していることを特徴とする。すなわち、第２の絶縁膜の電位をＧＮＤに接続することにより、簡易な構成で第２の絶縁膜の帯電を除去することができる。

本発明に係る静電アクチュエーターは、封止部と発振回路とを接続している配線を第２の基板の可動電極の形成側とは反対側に引き回していることを特徴とする。したがって、配線の引き回しを複雑化することがなく、発振回路に接続させることができる。

本発明に係る液滴吐出ヘッドは、上記の静電アクチュエーターを備え、第２の基板に液滴を溜めて吐出させる吐出室が形成されており、第２の基板には吐出室から移送される液滴を吐出するノズル孔が形成されたノズル基板が接合されていることを特徴とする。したがって、液滴吐出ヘッドは、上記の静電アクチュエーターが有している効果と同じ効果を有している。

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ことを特徴とする。したがって、液滴吐出装置は、上述の液滴吐出ヘッドが有している効果と同じ効果を有している。

本発明に係る静電アクチュエーターの駆動方法は、上記の静電アクチュエーターの駆動方法であって、アクチュエーターの非駆動時に、導線部を、発振回路のＧＮＤに接続することを特徴とする。したがって、第２の絶縁膜の耐電を静電アクチュエーターの非駆動時に除去することができるので、静電アクチュエーターの駆動の耐久性を向上することができる。

実施の形態１に係る液滴吐出ヘッドを分解した状態を示す分解斜視図である。液滴吐出ヘッドが組み立てられた状態の縦断面を示す縦断面図である。アクチュエーター部を拡大して示す部分断面図である。界面分極を説明するための説明図である。実施の形態１の液滴吐出ヘッドを搭載した液滴吐出装置の一例を示した斜視図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る液滴吐出ヘッド１００を分解した状態を示す分解斜視図である。図２は、液滴吐出ヘッド１００が組み立てられた状態の縦断面を示す縦断面図である。図１及び図２に基づいて、液滴吐出ヘッド１００の構成及び動作について説明する。なお、図１を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。この液滴吐出ヘッド１００は、静電気力により駆動される静電駆動方式の静電アクチュエーターの代表として、ノズル基板の表面側に設けられたノズル孔から液滴を吐出するフェイスイジェクトタイプの液滴吐出ヘッドを表している。

図１及び図２に示すように、この液滴吐出ヘッド１００は、ノズル基板１、第２の基板であるキャビティ基板３及び第１の基板である電極ガラス基板４の３つの基板が順に積層されるように接合された３層構造となっている。つまり、液滴吐出ヘッド１００は、キャビティ基板３の一方の面（上面）にはノズル基板１が接合されており、他方の面（下面）には電極ガラス基板４が接合され、キャビティ基板３を電極ガラス基板４とノズル基板１とが上下から挟む構造となっている。液滴吐出ヘッド１００には、電極ガラス基板４上に形成された個別電極１７（固定電極）と、この個別電極１７に所定のギャップ１８を介して対向配置されたキャビティ基板３の振動板８（可動電極）とから構成される静電アクチュエーターを備えている。

また、この実施の形態１に係る液滴吐出ヘッド１００は、電極ガラス基板４とキャビティ基板３とを陽極接合により接合するものとし、キャビティ基板３とノズル基板１とをエポキシ樹脂等の接着剤を用いて接合するものとして説明する。また、液滴吐出ヘッド１００の電極ガラス基板４に形成する固定電極である個別電極１７には、図２で示すドライバＩＣ等の電力供給手段である発振回路５０によって駆動信号（パルス電圧）が供給されるようになっている。発振回路５０には、３つの配線（配線５４〜配線５６）が接続されており、各配線はキャビティ基板３、封止部５１、個別電極１７に接続されている。

［キャビティ基板３］
第２の基板であるキャビティ基板３は、たとえば厚さ約５０μｍ（マイクロメートル）の（１１０）面方位のシリコン単結晶基板（以下、単にシリコン基板という）を主要な材料として構成されている。このシリコン基板にドライエッチングまたは異方性ウエットエッチングのいずれかあるいは双方を行ない、キャビティ基板３の各部材（吐出室７、リザーバー２９等）が形成されている。キャビティ基板３の各部材の一つである吐出室（圧力室）７は、底壁が可撓性を有する振動板８となっており、複数個形成されている。

吐出室７は、個別電極１７の電極列に対応して形成されており、インク等の液滴が保持されて吐出圧が加えられるようになっている。また、吐出室７は、紙面手前側から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３の各部材の一つであるリザーバー２９は、各吐出室７にインク等の液滴を供給するための共通インク室として機能している。このリザーバー２９の底面には、リザーバー２９の底面を貫通するインク供給孔２７が形成されている。このインク供給孔２７は、電極ガラス基板４のインク供給孔２８と連通するようになっている。

キャビティ基板３の下面（電極ガラス基板４と対向する面）には、振動板８と個別電極１７との間を電気的に絶縁するためのＴＥＯＳ膜（ここでは、ＴｅｔｒａｅｔｈｙｌｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅＴｅｔｒａｅｔｈｏｘｙｓｉｌａｎｅ：テトラエトキシシラン（珪酸エチル）を用いてできるＳｉＯ₂膜をいう）である絶縁膜１９（第１の絶縁膜）をプラズマＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＴＥＯＳ−ｐＣＶＤともいう）法を用いて、０．１μｍ程成膜している。これは、振動板８の駆動時における絶縁破壊及びショートを防止するためと、インク等の液滴によるキャビティ基板３のエッチングを防止するためのものである。

ここでは、絶縁膜１９がＴＥＯＳ膜である場合を例に説明するが、これに限定するものではなく、絶縁性能が向上する物質であればよい。たとえば、Ａｌ₂Ｏ₃（酸化アルミニウム（アルミナ））を用いてもよい。また、キャビティ基板３の上面にも、図示省略の液体保護膜となるＳｉＯ₂膜（ＴＥＯＳ膜を含む）を、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法により成膜するとよい。このような液体保護膜を成膜することによって、インク滴で流路が腐食されるのを防止できるからである。この液体保護膜の応力と絶縁膜１９の応力とを相殺させ、振動板８の反りを小さくできるという効果もある。

振動板８は、高濃度のボロンドープ層で構成されている。所望の厚さの振動板８を形成するために、同じだけの厚さのボロンドープ層を形成する。水酸化カリウム水溶液等のアルカリ溶液による単結晶シリコンのエッチングにおけるエッチングレートは、ドーパントがボロンの場合、約５×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上の高濃度の領域において、非常に小さくなる。このため、振動板８の部分を高濃度のボロンドープ層とし、アルカリ溶液による異方性エッチングによって吐出室７を形成する際に、ボロンドープ層が露出してエッチングレートが極端に小さくなる、いわゆるエッチングストップ技術を用いることにより、振動板８の厚さ及び吐出室の容積を高精度に形成することができる。

絶縁膜１９のアクチュエーター部分における表面には、絶縁膜２０（第２の絶縁膜）が形成されている。この絶縁膜２０が、アクチュエーター駆動中の当接面となる。この絶縁膜２０は、たとえばＨｉｇｈ−Ｋ材（アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）や、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）で形成するとよい。

また、キャビティ基板３には、導電性物質（たとえば、ＩＴＯやＣｒ、Ａｕ、Ｐｔ等）からなる導線部２１が形成されている。この導線部２１は、絶縁膜１９と絶縁膜２０との間、すなわち界面に設けられており、配線５５を介してヘッド外部で発振回路５０のＧＮＤに接続するようになっている（図３及び図４で詳細に説明する）。さらに、キャビティ基板３には、外部電極端子としての共通電極端子１６が形成されている。この共通電極端子１６は、発振回路５０から配線５４及び図示省略のＦＰＣ（ＦｌｅｘｉｂｌｅＰｒｉｎｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）を介して振動板８に個別電極１７と反対の極性の電荷が供給する際の端子となるものである。

［電極ガラス基板４］
第１の基板である電極ガラス基板４は、たとえば厚さ１ｍｍのホウ珪酸系の耐熱硬質ガラス等のガラスを主要な材料として形成するとよい。ここでは、電極ガラス基板４がホウ珪酸系の耐熱硬質ガラスで形成されている場合を例に示すが、たとえば電極ガラス基板４を単結晶シリコンで形成してもよい。この電極ガラス基板４の表面には、上述したキャビティ基板３の吐出室７の形状に合わせた凹部（ガラス溝）１２が、たとえばエッチングにより深さ０．２μｍ程度で形成されている。

また、この凹部１２の内部（特に底部）には、固定電極となる個別電極１７が、一定の間隔を有してキャビティ基板３の各吐出室７（可動電極である振動板８）と対向するように作製されている。そして、この凹部１２は、その内部に個別電極１７、リード部１４及び端子部１５（特に区別する必要がない限り、個別電極１７は、リード部１４と端子部１５とを含んだものとして説明する）を装着できるように、これらの形状に類似したやや大きめの形状にパターン形成するとよい。また、凹部１２の深さが約０．２μｍである場合を例に示しているが、凹部１２内に作製する個別電極１７の厚さに応じて、変更可能になっている。

個別電極１７は、たとえば酸化錫を不純物としてドープした透明のＩＴＯ（ＩｎｄｉｕｍＴｉｎＯｘｉｄｅ：インジウム錫酸化物）を０．１μｍの厚さでスパッタして作製するとよい。このように、ＩＴＯで個別電極１７を作製すると、透明なので放電したかどうかの確認が行いやすいという利点がある。なお、個別電極１７の材料をＩＴＯに限定するものではなく、クロム等の金属材料を用いてもよい。また、電極ガラス基板４には、リザーバー２９のインク供給孔２７と連通し、図示省略の外部のインクタンクから供給される液体を取り入れる流路となるインク供給孔２８が貫通形成されている。

さらに、電極ガラス基板４には、ＦＰＣ実装部３０及び気相処理溝３１もエッチングにより深さ約０．２μｍ程度で形成されている。そして、ＦＰＣ実装部３０に図示省略のＦＰＣを実装して、個別電極１７の一端（端子部１５）と発振回路５０とを配線５６を介して接続するようにしている。したがって、個別電極１７には、発振回路５０から配線５６及びＦＰＣを介して駆動信号が供給されるようになっている。なお、リード部１４の端部には、図示省略のリード部絶縁層が成膜されており、アクチュエーター駆動時の絶縁破壊及び短絡を防止している。

電極ガラス基板４とキャビティ基板３とを陽極接合して積層体を形成すると、振動板８と個別電極１７との間には、振動板８を撓ませる（変位させる）ことができる一定のギャップ（空隙）１８が、電極ガラス基板４の凹部１２により形成されるようになっている。このギャップ１８は、凹部１２の深さ、及び、個別電極１７の厚さにより決まることになる。このギャップ１８は、液滴吐出ヘッド１００の吐出特性に大きく影響するため、厳格な精度管理が要求される。つまり、ギャップ１８は、各振動板８に対向する位置に細長く所定の深さを有するように形成されている。このギャップ１８は、内部に湿気や埃等が侵入しないよう気密封止することが要求される（封止部５１に関しては図３及び図４で詳細に説明する）。

気相処理溝３１は、ギャップ１８内の気相処理（脱水処理及び疎水処理）を行うために形成されている。この気相処理溝３１は、外気と連通し、各凹部１２を繋ぐように形成されている。ＦＰＣ実装部３０及び気相処理溝３１の深さが約０．２μｍである場合を例に示しているが、これに限定するものではなく、凹部１２の深さに応じて変更するとよい。なお、気相処理は、ギャップ１８内の水分除去を行なった後に、疎水処理をするように実行される。また、ギャップ１８は、キャビティ基板３となるシリコン基板に凹部を形成したり、スペーサを挟むことによって形成することも可能である。

この液滴吐出ヘッド１００は、複数の個別電極１７が長辺及び短辺を有する長方形状に形成されており、この個別電極１７が、互いの長辺が平行になるように配置されている。そして、図１では、個別電極１７の短辺方向に伸びる１つの電極列を示している。なお、個別電極１７の短辺が長辺に対して斜めに形成されており、個別電極１７が細長い平行四辺形状になっている場合には、長辺方向に直角方向に伸びる電極列を形成するようにすればよい。

電極ガラス基板４の個別電極１７の表面には、キャビティ基板３に形成した絶縁膜２０と同様の絶縁膜（以下、キャビティ基板３の絶縁膜２０と区別するために絶縁膜２０ａと称する）が形成されている。なお、実施の形態１では、電極ガラス基板４に一層の絶縁膜２０ａが形成されている場合を例に示しているが、これに限定するものではない。たとえば、キャビティ基板３と同様に、第１の絶縁膜を個別電極１７の表面に形成し、導線部を挟んで絶縁膜２０を形成するようにしてもよい。この場合、発振回路５０からの配線を１つ増やし、この配線を導線部に接続させる。

［ノズル基板１］
第３の基板であるノズル基板１は、たとえば厚さ約１８０μｍのシリコン基板を主要な材料として構成されている。そして、キャビティ基板３の上面（電極ガラス基板４を接合する面の反対面）と接合している。ノズル基板１には、吐出室７のそれぞれと連通する複数のノズル孔５が貫通形成されている。各ノズル孔５は、吐出室７から移送された液滴を外部に吐出するようになっている。なお、ノズル孔５を複数段（たとえば、２段）で形成すると、液滴を吐出する際の直進性の向上が期待できる。

また、ノズル基板１の下面（キャビティ基板３との接合面）には、オリフィス２４及びダイアフラム２５が形成されている。オリフィス２４は、リザーバー２９から各吐出室７に液滴を移送させるために、リザーバー２９と各吐出室７とを連通させるものである。ダイアフラム２５は、振動板８によりリザーバー２９側の液体に加わる圧力を緩衝するためのものである。ここでは、ノズル基板１を上面とし、電極ガラス基板４を下面として説明しているが、実際に用いられる場合には、ノズル基板１の方が電極ガラス基板４よりも下面となることが多い。

なお、実施の形態１では、ノズル基板１にオリフィス２４を形成した場合を例に示したが、キャビティ基板３にオリフィス２４を形成するようにしてもよい。また、電極ガラス基板４、キャビティ基板３及びノズル基板１を接合するときに、シリコンからなる基板とホウ珪酸ガラスからなる基板を接合する場合（電極ガラス基板４とキャビティ基板３とを接合する場合）は陽極接合により、シリコンからなる基板同士を接合する場合（キャビティ基板３とノズル基板１）は接着剤を用いて直接接合によって接合することができる。

液滴吐出ヘッド１００の動作について簡単に説明する。キャビティ基板３のリザーバー２９には、インク供給孔２８及びインク供給孔２７を介して外部からインク等の液滴が供給されている。また、キャビティ基板３の吐出室７には、オリフィス２４を介してリザーバー２９から液滴が供給されている。発振回路５０は、ＦＰＣを介してＦＰＣ実装部３０と接続されており、個別電極１７への電荷の供給及び停止を制御するようになっている。この発振回路５０は、たとえば２４ｋＨｚで発振し、発振回路５０によって選択された個別電極１７に０Ｖ〜４０Ｖ程度のパルス電位を印加して電荷供給を行ない、その個別電極１７を正に帯電させる。

このとき、共通電極端子１６を介してキャビティ基板３には負の極性を有する電荷が供給され、正に帯電された個別電極１７に対応する振動板８を相対的に負に帯電させる。そのため、選択された個別電極１７と振動板８との間では静電気力が発生することになる。そうすると、振動板８は、静電気力によって個別電極１７側に引き寄せられて撓むことになる。これによって吐出室７の容積が増大する。つまり、個別電極１７は、個別電極１７に引き寄せられて当接することになる。これによって吐出室７の容積が増大する。

その後、個別電極１７への電荷の供給を止めると、振動板８と個別電極１７との間の静電気力がなくなり、振動板８はその弾性力により元の状態に復元する。このとき、吐出室７の容積が急激に減少するため、吐出室７内部の圧力が急激に上昇する。これにより、吐出室７内のインクの一部がインク滴としてノズル孔５より吐出されることになる。このインク滴が、たとえば記録紙に着弾することによって印刷等が行われるようになっている。その後、液滴がリザーバー２９からオリフィス２４を通じて吐出室７内に補給され、初期状態に戻る。このように振動板８を駆動させることで、静電アクチュエーターとして機能させているのである。このような方法は、引き打ちと呼ばれるものであるが、バネ等を用いて液滴を吐出する押し打ちと呼ばれる方法もある。

図３は、アクチュエーター部を拡大して示す部分断面図である。図４は、界面分極を説明するための説明図である。図３及び図４に基づいて、実施の形態１に係る液滴吐出ヘッド１００の特徴事項であるアクチュエーター部、封止部５１及び配線５５の引き回し例について詳細に説明する。なお、図４には、液滴吐出ヘッド１００の比較例として従来構造の液滴吐出ヘッドのアクチュエーター部を拡大して示している。界面分極とは、電気的性質（誘電率及び導電率）の異なる複数相の絶縁膜が接する界面に電荷が溜まってしまうことである。

上述したように、液滴吐出ヘッド１００では、電極ガラス基板４と対向する振動板８の表面には絶縁膜（絶縁膜１９、絶縁膜２０）が２層形成させている。そのため、絶縁膜間に界面分極が発生してしまう。また、電極ガラス基板４に形成した個別電極１７の表面にも絶縁膜２０ａが形成されている。このうち、絶縁膜２０と絶縁膜２０ａとがアクチュエーター駆動中の当接面となる。そして、アクチュエーター部の駆動を繰り返すことにより、絶縁膜２０及び絶縁膜２０ａが帯電をしていく。特に、絶縁膜の界面（絶縁膜１９と絶縁膜２０との間）には蓄積電荷が生じる（界面分極）。これは絶縁膜の誘電率及び導電率の違いによって生じる。

そこで、液滴吐出ヘッド１００では、絶縁膜間に導線部２１を形成し、この界面分極による電荷を除去するようにしている。図４に示すような従来構造の液滴吐出ヘッドでは、帯電した電荷が移動することができず、増加していくことになり、振動板の撓みや、貼り付きといった問題が発生する可能性が高いが、液滴吐出ヘッド１００では、絶縁膜の界面に導電性物質である導線部２１を設け、絶縁膜で挟むようにすることにより絶縁膜の界面の電荷を除去でき、振動板の撓みや、貼り付きといった問題が発生することがなく、駆動耐久性を確保できるようになっている。

また、液滴吐出ヘッド１００では、導線部２１が配線５５を介して発振回路５０のＧＮＤに接続するようになっている。すなわち、導線部２１をＧＮＤに接続することにより、絶縁膜の界面の帯電を除去することができるのである。なお、導線部２１をＧＮＤに接続するのは、アクチュエーターの非駆動時とする。このように、非駆動時に導線部２１を等電位にすることにより、絶縁膜の界面の帯電をなくし、駆動耐久性を向上させることできる。

さらに、液滴吐出ヘッド１００では、導線部２１に配線５５を接続するために封止部５１を絶縁性のものではなく、導電性の材料で形成している。つまり、液滴吐出ヘッド１００では、導電性の封止部５１及び配線５５を介して導線部２１をヘッド外部でＧＮＤに接続するようにしているのである。したがって、この封止部５１を通して、振動板８側の配線５５をキャビティ基板３の上部（ノズル基板１側）に引き回すことが可能になる。配線５５をキャビティ基板３の上部に引き回すことができるので、発振回路５０が容易に実装できることになる。

なお、電極ガラス基板４に導線部を形成する場合、導線部の表面には、導線部２１（詳しくは封止部５１）と導線部とが短絡しないようにするため、第４の絶縁膜（図示省略）を形成するとよい。この第４の絶縁膜は、たとえばＴＥＯＳ等で構成されており、導線部に積層される封止部５１の長さよりも長く形成するとよい。また、配線５４を介して電荷が供給された振動板８と導線部２１（詳しくは封止部５１）とが短絡しないようにするため、封止部５１の内側（アクチュエーター部側）にも第３の絶縁膜（以下、単に絶縁膜２３と称する）が形成されている。この絶縁膜２３は、たとえばＴＥＯＳ等で構成されており、封止部５１とキャビティ基板３とを絶縁するような形状に形成されている。

以上のように、液滴吐出ヘッド１００を構成しているので、複雑な構成とすることなく、絶縁膜１９と絶縁膜２０との界面の帯電をなくすことができ、非駆動時に振動板８が撓まなくなる。このため、液滴吐出ヘッド１００では、吐出特性の安定性が向上することになる。また、絶縁膜１９と絶縁膜２０の界面の帯電量が増加することがないため、振動板８の貼り付きがなくなる。このため、液滴吐出ヘッド１００では、駆動耐久性が向上することになる。さらに、振動板８の撓みや貼り付きがなくなるので、ギャップ１８の拡大にも効果的である。

界面分極について説明する。
液滴吐出ヘッド１００のように多層の絶縁膜構造の場合には、絶縁膜の界面に電荷が蓄積されることになる。１回の駆動によって発生する電荷密度をρ（０）とし、この電荷密度の時間変化をρ（ｔ）とすると、ガウスの法則と連続の式より式（１）のように表せる。

ここでεは誘電率、σは導電率を表している。また、これらの値は時間的に変動しない場合を想定している。

式（１）の解は、式（２）のようになる。

時間ｔがε／σよりも大きいときには電荷量は減衰して無視できる。つまり、帯電の減衰にはε／σ［ｓ］程度の時間が必要になる。式（２）に絶縁膜の特性を代入すると式（３）になる。

式（３）によって１０［ｓ］程度で帯電が減衰することになる。

一方、駆動ｓｈｏｔの間隔は、１００［ｕｓ］程度であるため、駆動を繰り返すと帯電した電荷は減衰せずに徐々に増加してしまう。そこで、導線部２１を用いると導電率が１０^6〜10倍程度大きくなるため、式（４）のようになる。

式（４）から、次の駆動までに帯電の減衰がおき、駆動を繰り返しても帯電が増加されないことがわかる。

実施の形態２．
図５は、実施の形態１の液滴吐出ヘッド１００を搭載した液滴吐出装置１５０の一例を示した斜視図である。図５に示す液滴吐出装置１５０は、一般的なインクジェットプリンターである。なお、この液滴吐出装置１５０は、周知の製造方法によって製造することができる。実施の形態１で得られた液滴吐出ヘッド１００は、多層の絶縁膜の界面に導線部を設け、この導線部をＧＮＤに接続することにより、多層の絶縁膜の界面に発生する電化を効率的に除去することを特徴としている。

なお、液滴吐出ヘッド１００は、図５に示す液滴吐出装置１５０の他に、液滴を種々変更することで、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。また、液滴吐出ヘッド１００は、圧電駆動方式の液滴吐出装置や、バブルジェット（登録商標）方式の液滴吐出装置にも使用できる。たとえば、液滴吐出ヘッド１００をディスペンサとし、生体分子のマイクロアレイとなる基板に吐出する用途に用いる場合では、ＤＮＡ（ＤｅｏｘｙｒｉｂｏＮｕｃｌｅｉｃＡｃｉｄｓ：デオキシリボ核酸）、他の核酸（例えば、ＲｉｂｏＮｕｃｌｅｉｃＡｃｉｄ：リボ核酸、ＰｅｐｔｉｄｅＮｕｃｌｅｉｃＡｃｉｄｓ：ペプチド核酸等）タンパク質等のプローブを含む液体を吐出させるようにしてもよい。

液滴吐出ヘッド１００に搭載されている静電アクチュエーターは、たとえば光通信や光演算、光記憶装置、光プリンター、映像表示装置等に用いられている光スイッチ、ミラーデバイス、レーザープリンターのレーザー操作ミラーの駆動部、その他の微細加工の素子（デバイス）、あるいは装置等にも適用することも可能である。いずれに適用される場合でもあっても、多層の絶縁膜の界面の帯電を防止し、振動板８の撓み及び貼り付きを防止することができ、吐出特性の安定性及び駆動耐久性の向上を図ることができる。

なお、本発明の実施の形態に係る静電アクチュエーター、液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置は、上述の実施の形態で説明した内容に限定されるものではなく、本発明の思想の範囲内において変更することができる。また、実施の形態１に係る液滴吐出ヘッド１００が電極ガラス基板４、キャビティ基板３及びノズル基板１からなる３層構造である場合を例に説明したが、ガラス基板、キャビティ基板、リザーバー基板及びノズルプレートからなる４層構造であってもよい。

１ノズル基板、３キャビティ基板、４電極ガラス基板、５ノズル孔、７吐出室、８振動板、１２凹部、１４リード部、１５端子部、１６共通電極端子、１７個別電極、１８ギャップ、１９絶縁膜、２０絶縁膜、２０ａ絶縁膜、２１導線部、２３絶縁膜、２４オリフィス、２５ダイアフラム、２７インク供給孔、２８インク供給孔、２９リザーバー、３０ＦＰＣ実装部、３１気相処理溝、５０発振回路、５１封止部、５４配線、５５配線、５６配線、１００液滴吐出ヘッド、１５０液滴吐出装置。

Claims

固定電極を形成した第１の基板と、
前記固定電極にギャップを隔てて対向し、前記固定電極との間で発生させた静電気力により動作する可動電極を有する第２の基板とを備え、
前記固定電極及び前記可動電極の対向面のうち少なくとも一方に絶縁膜を多層に形成し、前記絶縁膜間に導電性の導線部を介在させている
ことを特徴とする静電アクチュエーター。
前記ギャップを気密封止する導電性の封止部を設け、
前記第２の基板に形成した前記導線部を、前記封止部を介して前記可動電極に電荷を供給する発振回路に接続している
ことを特徴とする請求項１に記載の静電アクチュエーター。
前記封止部と前記第２の基板との間に、前記封止部と前記可動電極との短絡を防止する第３の絶縁膜を形成している
ことを特徴とする請求項２に記載の静電アクチュエーター。
前記第１の基板に前記導線部を形成するものにおいて、
前記封止部と前記第１の基板に形成した前記導線部との間に第４の絶縁膜を形成している
ことを特徴とする請求項２又は３に記載の静電アクチュエーター。
前記導線部を、前記発振回路のＧＮＤに接続している
ことを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載の静電アクチュエーター。
前記封止部と前記発振回路とを接続している配線を前記第２の基板の前記可動電極の形成側とは反対側に引き回している
ことを特徴とする請求項２〜５のいずれか一項に記載の静電アクチュエーター。
前記請求項１〜６のいずれか一項に記載の静電アクチュエーターを備え、
前記第２の基板に液滴を溜めて吐出させる吐出室が形成されており、前記第２の基板には前記吐出室から移送される液滴を吐出するノズル孔が形成されたノズル基板が接合されている
ことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
前記請求項７に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。
前記請求項５〜８のいずれか一項に記載の静電アクチュエーターの駆動方法であって、
前記アクチュエーターの非駆動時に、前記導線部を、前記発振回路のＧＮＤに接続する
ことを特徴とする静電アクチュエーターの駆動方法。