JP3851549B2 - 液滴吐出ヘッド、インクカートリッジ、インクジェット記録装置、マイクロアクチュエータ、マイクロポンプ、光学デバイス、画像形成装置、液滴を吐出する装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は液滴吐出ヘッド、インクカートリッジ、インクジェット記録装置、マイクロアクチュエータ、マイクロポンプ、光学デバイス、画像形成装置、液滴を吐出する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プリンタ、ファクシミリ、複写装置等の画像記録装置或いは画像形成装置として用いるインクジェット記録装置において使用する液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドは、インク滴を吐出する単一又は複数のノズル孔と、このノズル孔が連通する吐出室（インク室、液室、加圧液室、圧力室、インク流路等とも称される。）と、吐出室内のインクを加圧する圧力を発生する圧力発生手段とを備えて、圧力発生手段で発生した圧力で吐出室内インクを加圧することによってノズル孔からインク滴を吐出させる。
【０００３】
なお、液滴吐出ヘッドとしては、例えば液体レジストを液滴として吐出する液滴吐出ヘッド、ＤＮＡの試料を液滴として吐出する液滴吐出ヘッドなどもあるが、以下ではインクジェットヘッドを中心に説明する。また、液滴吐出ヘッドのアクチュエータ部分を構成するマイクロアクチュエータ、例えばマイクロポンプ、マイクロ光変調デバイスなどの光学デバイス、マイクロスイッチ（マイクロリレー）、マルチ光学レンズのアクチュエータ（光スイッチ）、マイクロ流量計、圧力センサなどにも適用することができる。
【０００４】
ところで、液滴吐出ヘッドとしては、圧力発生手段として圧電素子などの電気機械変換素子を用いて吐出室の壁面を形成している振動板を変形変位させることでインク滴を吐出させるピエゾ型のもの、吐出室内に配設した発熱抵抗体などの電気熱変換素子を用いてインクの膜沸騰でバブルを発生させてインク滴を吐出させるバブル型（サーマル型）のもの、吐出室の壁面を形成する振動板を静電力で変形させることでインク滴を吐出させる静電型のものなどがある。
【０００５】
近年、環境問題から鉛フリーであるバブル型、静電型が注目を集め、鉛フリーに加え、低消費電力の観点からも環境に影響が少ない、静電型のものが複数提案されている。
【０００６】
この静電型ヘッドの中には、振動板をインク室側に押し込みインク室内の内容積を小さくすることでインク滴を吐出させる押し打ち法で駆動するものと、振動板をインク室の外側方向の力で変形させインク室内の内容積を広げた状態から元の内容積になるように振動板の変位を元に戻すことでインク滴を吐出させる引き打ち法で駆動するものとがある。
【０００７】
押し打ち法タイプの静電型ヘッドとしては、例えば特開平２−２６６９４３号公報に記載されているように、一対の電極対の間にインクが充填されており、片方あるいは両方の電極が振動板として働く形態で、電極間に電圧を印加することによって電極間に静電引力が働き、電極（振動板）が変形しそれによってインクが押し出され吐出するものがある。また、特開２０００−１５８０５号公報に記載されているように、シリコン基板からなる振動板表面に突起部を設け、この突起部に電極を形成し、電極に電圧を印加することによって突起部間に作用するという静電力によって振動板を変形させ、インクを吐出するものもある。
【０００８】
引き打ち法としては、例えば特開平６−７１８８２号公報に記載されているように、一対の電極対がエアギャップを介して設けられており、片方の電極が振動板として働き、振動板の対向する電極と反対側にインクが充填されるインク室が形成され、電極間（振動板−電極間）に電圧を印加することによって電極間に静電引力が働き、電極（振動板）が変形し、電圧を除去すると振動板が弾性力によってもとの状態に戻り、その力を用いてインクを吐出するものがある。また、特開２００１−４７６２４号公報に記載されているように、櫛歯状に形成され互いに入れ子になった電極対の片方に振動板を備え、電極対に電圧を印加することによって櫛歯間に静電力引力を発生させ、電極の変位により振動板を変形させ、電圧を切った時に振動板の弾性力でインクを吐出するものもある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記特開平２−２６６９４３号公報記載の液滴吐出ヘッドにあっては、電極間にインクを充填しているので必然的に電極間距離が大きくなる。電極間に働く静電力は電極間距離の２乗に反比例するので電極間距離が大きくなると必要な電圧が非常に大きくなってしまうという問題がある。この場合、インクの誘電率によってある程度電圧を下げることはできるが、電極間距離の影響が大きいのであまり効果がない。また、インクの誘電率を大きくする必要がある、あるいはインクに電界がかかることよりインクの自由度は小さくなる。そのため、インクの色、ｐＨ、粘度などのインク物性に制限が加わり、高画質化が困難であるという課題がある。
【００１０】
また、前記特開平６−７１８８２号公報記載の液滴吐出ヘッドにあっては、電極間にインクを充填していないのでインクに対する制限が少なく高画質化には有利である。しかしながら、低電圧化のためには電極間のエアギャップを非常に小さくしなければならず、そのような微小なギャップを精度良く、バラツキ少なく形成するのは非常に困難であり、歩留まりが上がらないといった問題がある。また振動板の弾性力によってインクを吐出する、いわゆる引き打ちの方法であるので、振動板はインクを吐出するだけの剛性が必要であり、そのような剛性の振動板を静電力で引き付けるため電圧が高くなってしまうといった課題がある。
【００１１】
さらに、前記特開２００１−４７６２４号公報記載の液滴吐出ヘッドにあっては、櫛歯状電極を用いているので変位量は大きくすることができるが、発生力は非常に小さく、インクを吐出するだけの発生力を得ようとした場合、非常に電圧が高くなってしまう。しかも、構造が複雑であるので作製が困難であり、コスト高となってしまうという課題がある。
【００１２】
また、前記特開２０００−１５８０５号公報記載の液滴吐出ヘッドにあっては、導電性を有するシリコン基板で形成した振動板に突起部を設けて、この突起部に導電性部材の電極を形成しているので、シリコン振動板を介して各電極間が同電位になって静電力が発生せず、振動板を変形できないという課題がある。しかも、振動板に突起部を形成して、この突起部に電極を付けなければならず、そのような立体微細構造の表面に電極を付けるのは困難であり、電極がうまく形成されない部分ができたり、バラツキが生じたりで、安定して製造できなく歩留まりが悪いという課題がある。さらに、低電圧化のためには突起間の間隔は狭くしなければならないが、そのような狭い間隔の中に電極を形成するのは困難であり、また狭い突起間に電極を形成するとショートしてしまうという不良が生じたりする。また、突起部に電極を形成することは、立体構造でのフォトリソ工程はレジストコート、露光などが困難であることから、一般的な方法では不可能であり、そのため特別な装置を使用したり、製造工程が長くなったりしてコスト高となってしまうという課題がある。
【００１３】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、低コストで、滴吐出効率が高く、高画質印字が可能な液滴吐出ヘッド、このヘッドを一体化したインクカートリッジ、高画質記録が可能なインクジェット記録装置、低コストで、駆動効率が高いマイクロアクチュエータ、マイクロポンプ、光学デバイス、高画質記録が可能な画像形成装置、滴吐出効率が高い液滴を吐出する装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明に係る液滴吐出ヘッドは、振動板の両面、または、片方の面に絶縁膜を設け、この絶縁膜を介して振動板と対向する位置に複数の構造体を設け、構造体間に静電力を発生させることによって振動板を変形させる構成とした。
【００１５】
本発明に係る液滴吐出ヘッドは、振動板の両面、または、片方の面に絶縁膜を設け、この絶縁膜を介して振動板と対向する位置に構造体を少なくとも１つ設けるとともに、構造体に対して所定の間隔を置いて対向する電極を固定部に設け、構造体と電極の間に静電力を発生させることによって振動板を変形させる構成とした。
【００１６】
これらの本発明に係る液滴吐出ヘッドにおいては、構造体が導電材料で形成されている構成とできる。また、複数の構造体を設ける液滴吐出ヘッドにおいては、互いに隣り合う構造体に電位差を生じる電圧を印加して隣り合う構造体間で静電力を発生させることがこのましい。また、これらの本発明に係る液滴吐出ヘッドにおいては、構造体と同一材料の層が、構造体の形成される面と略同一平面で振動板以外の領域に形成されていることが好ましい。この場合、構造体と同一材料の層の厚さが構造体の厚さよりも厚いことが好ましい。
【００１７】
また、構造体はポリシリコン或いは単結晶シリコンからなることが好ましい。この場合、電極は伝導型がｎ型またはｐ型の不純物原子を含むことができる。また、絶縁膜はシリコン熱酸化膜であること、シリコン熱酸化膜の膜厚が５０〜１０００ｎｍであることが好ましい。或いは、絶縁膜はシリコン窒化膜であること、シリコン窒化膜の膜厚が５０〜１０００ｎｍであることが好ましい。
【００１８】
さらに、構造体の表面に絶縁膜が形成されていることが好ましい。この場合、絶縁膜は熱酸化膜、或いは堆積膜、特にＣＶＤ法により形成された膜であることが好ましい。また、構造体表面に導電性膜を形成することができる。
【００１９】
本発明に係るインクカートリッジは、インク滴を吐出する本発明に係る液滴吐出ヘッドとこの液滴吐出ヘッドにインクを供給するインクタンクを一体化したものである。
【００２０】
本発明に係るインクジェット記録装置は、インク滴を吐出するインクジェットヘッドが本発明に係る液滴吐出ヘッド又はインクカートリッジであるものである。
本発明に係る画像形成装置、液滴を吐出する装置は、本発明に係る液滴吐出ヘッドを備えたものである。
【００２１】
本発明に係るマイクロアクチュエータは、可動部分の両面、または、片方の面に絶縁膜を設け、この絶縁膜を介して可動部と対向する位置に複数の構造体を設け、構造体間に静電力を発生させることによって可動部分を変形させるものである。
【００２２】
本発明に係るマイクロアクチュエータは、可動部分の両面、または、片方の面に絶縁膜を設け、この絶縁膜を介して可動部分と対向する位置に構造体を少なくとも１つ設けるとともに、固定部に構造体に所定の間隔を置いて対向する電極を設け、構造体と電極の間に静電力を発生させることによって可動部分を変形させるものである。
【００２３】
本発明に係るマイクロポンプは、可動部分の変形によって液体を輸送するマイクロポンプであって、可動部分の両面、または、片方の面に絶縁膜を設け、この絶縁膜を介して可動部分と対向する位置に複数の構造体を設け、構造体間に静電力を発生させることによって可動部分を変形させるものである。
【００２４】
本発明に係る光学デバイスは、可動部分に形成したミラーの変位によって光の反射方向を変化させる光学デバイスであって、可動部分の両面、または、片面に絶縁膜を設け、この絶縁膜を介して可動部と対向する位置に複数の構造体を設け、構造体間に静電力を発生させることによって可動部分を変形させるものである。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の液滴吐出ヘッドの第１実施形態に係るインクジェットヘッドの分解斜視図で、一部断面図で示している。図２は同ヘッドの振動板長手方向の断面説明図、図３は同ヘッドの振動板短手方向の断面説明図、図４は同ヘッドの電極配置パターンを示す平面説明図である。
【００２６】
このインクジェットヘッドは、インク液滴を基板の面部に設けたノズル孔から吐出させるサイドシュータタイプのものであり、下記に詳述する構造を持つ３枚の第１、第２、第３基板１、２、３を重ねて接合した積層構造となっており、インク滴を吐出する複数のノズル孔４、各ノズル孔４が連通する吐出室６、各吐出室６に流体抵抗部７を介してインクを供給する共通液室（共通インク室）８などを形成している。
【００２７】
中間の第１基板１は、シリコン基板からなり、底壁を振動板１０とする吐出室６を形成するための凹部と、各々の吐出室６にインクを供給するための共通液室８を形成するための凹部を有する。
【００２８】
振動板１０の下面には、熱酸化膜、シリコン窒化膜などの絶縁膜１１を形成して設け、この絶縁膜１１表面に、つまり、絶縁膜１１を介して振動板１０と対向する位置に複数の構造体である電極１４を所定の間隔を置いて形成して、振動板１０と各電極１４とを電気的に分離して設けるとともに各電極１４のうちの相隣り合う２つの電極（これを相対的に電極１４ａ、１４ｂという。）は相互に電気的に分離している。なお、電極１４は、例えばポリシリコン、或いは単結晶シリコンから形成している。この振動板１０と複数の構造体である電極１４によって可動部分である振動板１０を変形させる本発明に係るマイクロアクチュエータを構成している。
【００２９】
ここで、図４は第１基板１の電極１４側から見た場合の一つの振動板に対する電極配置パターンの一例を示すものである。同図に示すように、互いに電気的に分離した相隣り合う電極１４ａと電極１４ｂには、駆動回路（ここでは発信回路で図示）１５から互いに電位差を生じる駆動電圧（異なる電位の電圧）が印加されるようになっている。
【００３０】
この第１基板１の下面に接合される第２基板２は、電極１４を外部からの衝撃やホコリなどから保護したり、第１基板１の強度を補強したりするための保護基板である。この第２基板２には、ガラス、金属、シリコン、樹脂などからなる基板などを使用し、この基板２には各振動板１０に対応する位置に例えば０．１ｍｍの深さの凹部１６を形成している。ただし、必ずしも振動板１０ごとに凹部１６を形成する必要はなく、振動板配列を囲む凹部、あるいはチップの縁のみ接合される凹部を形成する構成でも良い。
【００３１】
また、第１基板１の上面に接合される第３基板３には、例えば厚さ５０μｍのニッケル基板を用い、第３基板３の面部に、吐出室６と連通するようにそれぞれノズル孔４、共通液室８と吐出室６を連通させる流体抵抗部７となる溝を設け、また共通液室８と連通するようにインク供給口９を設けている。
【００３２】
このように構成したインクジェットヘッドの動作を説明する。例えば図４の構成において、電極１４ａに発振回路１５により０Ｖから４０Ｖのパルス電位を印加すると、電極１４ａの表面がプラスに帯電し、パルス電位を印加していない隣り合う電極１４ｂとの間で、図５に示すように、静電力が発生して、静電気の吸引作用が働き、電極１４の自由端（振動板１０側が固定端）が引き合って電極１４が変位し、これらの電極１４の自由端側が変位することで、電極１４の固定端側である振動板１０が上方へたわむことになる。その結果、吐出室６内の圧力が急激に上昇し、図３に示すように、ノズル孔４よりインク液滴２２を記録紙２３に向けて吐出する。
【００３３】
そして、電極１４ａの電位が０Ｖに戻ると、電極１４ｂとの間に電位差はなくなり、振動板１０は元の状態に復元する。振動板１０が復元することにより、インクが共通液室８より流体抵抗部７を通じて吐出室６内に補給される。すなわち、この実施形態では押し打ち法でインク滴を吐出させる。
【００３４】
ここで、電極間に働く力Ｆは、次の（１）式に示すように電極間距離ｄの２乗に反比例して大きくなる。低電圧で駆動するためには、電極１４ａと電極１４ｂとの間隔、つまり電極１４間の溝を狭く形成することが重要となる。
【００３５】
【数１】

【００３６】
なお、（１）式において、Ｆ：電極間に働く力、ε：誘電率、Ｓ：電極の対向する面の面積、ｄ：電極間距離、 Ｖ：印加電圧である。
【００３７】
このように、このインクジェットヘッドにおいては、振動板１０の一方の面に絶縁膜１１を介してそれぞれ電気的に分離独立した電極１４を設け、電極１４の対向する電極１４ａと電極１４ｂ間に電位差を生じる電圧を印加することによって、隣り合う電極１４ａと電極１４ｂとの間で静電引力が発生し、電極１４のわずかな変位により振動板１０の大きな変位を得ることができ、滴吐出効率が向上し、高画質記録が可能になる。
【００３８】
そして、このヘッドのマイクロアクチュエータにおいては、振動板１０に設けた構造体自体が電極１４として働くので、従前のようにシリコン構造体に電極を成膜などの方法により形成するという困難な工程の必要がなく、コストダウンを図ることが可能であり、また、構造体間の非常に狭い間隔に電極を形成することによって生じるショートなどの不良も低減できる。さらに、構造体に電極を形成した後に電極を櫛の歯状に分離するという工程も必要がなく、低コスト化、大量生産が容易である。
【００３９】
さらに、振動板１０と電極１４は絶縁膜１１などで電気的に分離しているので、従来のように電極に電圧を印加しても振動板を介してすべての電極が同電位になって作動不良になることもなく、電極１４に印加した電圧が振動板１０側にリークすることもなく、効率良く電極１４に電圧を印加することができる。この場合、振動板１０と電極１４を電気的に分離する一例として振動板１０と電極１４の間に絶縁膜１１を形成することによって、容易に絶縁することができ信頼性の高い液滴吐出ヘッドを得ることができる。なお、振動板自体を絶縁性部材で形成すれば、絶縁膜を設けないでも良い。
【００４０】
次に、第２実施形態に係るインクジェットヘッドについて図６を参照して説明する。なお、同図は同ヘッドの振動板短手方向に沿う断面説明図である。
この実施形態においては、電極１４と同一材料の層又は構造体であるスペーサ２５を振動板１０以外の領域で電極１４を形成する面と略同一平面に形成している。このスペーサ２５は電極１４と同時に形成することができ、振動板領域以外の電極材料を除去しないことで形成することができる。
【００４１】
このようなスペーサ２５を設けることにより第１基板１を第２基板２に接合する前の工程において、微小な構造体である電極１４を保護することができ、製造工程においてウェハ搬送や、プロセス中における電極１４の破損による不良を低減することができる。
【００４２】
次に、第３実施形態に係るインクジェットヘッドについて図７を参照して説明する。なお、同図は同ヘッドの振動板短手方向に沿う断面説明図である。
この実施形態においては、電極１４と同一材料の層又は構造体であるスペーサ２５を振動板１０以外の領域で電極１４を形成する面と略同一平面に形成するとともに、このスペーサ２５の厚さを電極１４の厚さよりも厚く形成している。この場合、第２基板２は平板板基板をそのまま用いることができ凹部を形成する必要がなくなる。
【００４３】
このような構造とすることによって第２実施形態よりもさらに電極１４はスペーサ２５のために接触して破損することが少なくなり、電極破損による不良を低減することができる。また、第１基板１の下に保護基板（第２基板２）を接合する場合、保護基板に凹部を形成しなくても良いという利点もある。
【００４４】
次に、上述した第２実施形態に係るインクジェットヘッドの製造工程について図８及び図９を参照して説明する。
ここでは、電極１４をポリシリコン（多結晶シリコン）で形成している。すなわち、図８（ａ）に示すように、第１基板１となる（１１０）を面方位とする厚さ４００μｍのシリコン基板をベース基板３１とし、酸化膜３２を介して（１００）面方位の厚さ１μｍのシリコン基板である活性層３３を接合したＳＯＩ（Silicon on Insulator）ウェハ３０を用意する。なお、第１基板１となる基板としては、（１１０）面方位のシリコン基板に代えて、（１００）面方位のシリコン基板を用いても良い。
【００４５】
そして、同図（ｂ）に示すように、ＳＯＩウエハ３０に９００℃／５分のウェット酸化により絶縁膜１１となる熱酸化膜３４を５０ｎｍ厚みで形成する。ここで、酸化膜の成膜方法としては、プラズマＣＶＤ、スパッタ、ＨＴＯ、ＴＥＯＳなどがあるが、絶縁耐圧、欠陥、残留電荷、耐久性などの点で熱酸化膜が好ましい。
【００４６】
次いで、同図（ｃ）に示すように、表面にポリシリコン層３５を５μｍ厚みで成膜し、上面のポリシリコン層３５をエッチング除去して、活性層３３側に熱酸化膜３４を介してポリシリコン層３５を形成する。
【００４７】
その後、同図（ｄ）に示すように、フォトリソによりポリシリコン層３５上にレジストパターンを形成し、ドライエッチングによりポリシリコン層３５を間隔１μｍ、０．５μｍの線幅でエッチングして、電極１４を形成するとともに、スペーサ２５を形成する。このとき、酸化膜３４がエッチングストップ層をなす。電極１４の配置パターン形状は例えば前述した図４に示すように櫛の歯形状となっている。
【００４８】
次に、図９（ａ）に示すように、全体にＬＰ−ＣＶＤで水酸化カリウムエッチングのマスクとなるシリコン窒化膜３６を形成する。そして、同図（ｂ）に示すように、シリコン窒化膜３６上に吐出室６や共通液室８などの形状のレジストパターンを得て、レジストの開口部のシリコン窒化膜３６と熱酸化膜３４をドライエッチによりエッチング除去し、レジストを除去する。
【００４９】
そして、同図（ｃ）に示すように、例えば８０℃の２５ｗｔ％の水酸化カリウム水溶液でシリコン窒化膜３６および酸化膜３４の開口部からベース基板３１をエッチングする。エッチングが酸化膜３２に達すると酸化膜３２はほとんどエッチングされないのでエッチングは停止する。この場合、ベース基板３１には（１１０）面のシリコンウェハを用いているので、水酸化カリウムによる異方性エッチングによって（１１１）面の垂直壁が形成される。（１１０）面のウェハを用いることによって垂直壁が得られるので吐出室６を高密度に並べることができる。
【００５０】
なお、ここでは水酸化カリウム水溶液を用いたが、ＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウムヒドロキシド溶液）、ＥＤＰ（エチレンジアミンピロカテコール）、水酸化リチウムなどのアルカリ液でも良い。
【００５１】
その後、同図（ｄ）に示すように、シリコン窒化膜３６は熱リン酸、フッ酸などによって、熱酸化膜３４および酸化膜３２の露出している部分をフッ酸などで除去して、吐出室６及び吐出室６の底壁をなす１μｍの厚さのシリコンの振動板１０を形成する。
【００５２】
このように、電極１４をポリシリコンで形成することにより、比較的厚い電極１４を容易に形成することができ、また、ドライエッチングにより電極１４間の細い溝を形成することができる。つまり、電極１４間の距離（ギャップ）を小さくできるので、前述したように大きな力を発生することができ、低電圧で駆動することが可能となる。
【００５３】
また、ここでは、振動板１０と電極１４の間の絶縁膜１１に熱酸化膜３４を用いているので、絶縁性が良く高耐圧なので、信頼性の高い液滴吐出ヘッドが得られる。ここで、絶縁性を確保するためには、熱酸化膜３４の厚みとしては５０ｎｍ以上の膜厚が必要である。また、量産工程で現実的に形成できる厚さは１０００ｎｍ以下である。したがって、熱酸化膜３４の厚さは５０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲内であることが好ましい。
【００５４】
さらに、多数の吐出室６を配列して高速印字可能な液滴吐出ヘッドを実現する場合、電極１４から振動板１０へのカップリングが問題となることがある。そのような場合には熱酸化膜は３００ｎｍ以上の膜厚とすることが好ましい。他方、シリコンの振動板１０が薄い場合（２μｍ以下の場合）、熱酸化膜の圧縮応力により、振動板１０が座屈するという問題が生じることがある。その場合、熱酸化膜の厚さは薄いほうが良く、８００ｎｍ以下とすることが好ましい。したがって、熱酸化膜３４の膜厚は、より好ましくは、３００ｎｍ〜８００ｎｍの範囲内である。
【００５５】
また、熱酸化膜以外にも絶縁性にすぐれたシリコン窒化膜を用いることもできる。シリコン窒化膜も熱酸化膜同様、絶縁性が良く高耐圧であり、信頼性の高い液滴吐出ヘッドが得られる。シリコン窒化膜の膜厚も熱酸化膜と同様の理由により５０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲内であることが好ましい。。
【００５６】
また、電極１４から振動板１０へのカップリングが問題となる場合には、シリコン窒化膜の膜厚は３００ｎｍ以上であることが好ましい。シリコン窒化膜は、熱酸化膜と反対に引っ張り応力の膜であるので、シリコン窒化膜の応力により振動板が座屈することはないが、引っ張り応力によって振動板１０を変形させることができないことがある。そのような場合には、シリコン窒化膜にボロン、リン、水素などの不純物をドープして応力緩和することができる。
【００５７】
次に、上述した第２実施形態に係るインクジェットヘッドの製造工程の他の例について図１０乃至図１２を参照して説明する。
ここでは、電極１４を単結晶シリコンで形成している。また、振動板１０は、高濃度ｐ型不純物層、例えば高濃度ボロン拡散層であって、高濃度ｐ型不純物層は所望の振動板厚と同じだけの厚さ、ここでは１μｍを有している。
【００５８】
すなわち、図１０（ａ）に示すように第１基板１となる（１１０）を面方位とする厚さ４００μmのシリコン基板４１にイオン注入法によりボロンを拡散し、高濃度ボロン拡散層４２を形成する。ここでは、深さ１μｍの高濃度ボロン拡散層４２を形成した。高濃度ボロン拡散層４２の表面にはシリコンとボロンの化合物層が形成されるが、この層を除去するためには、化合物層を熱酸化し、フッ酸系エッチング液によりエッチングすることによって除去できる。シリコンの拡散した面は面荒れが生じ、後の直接接合で強固な接合が得られないことがある。そのために拡散面をポリッシュして平滑な面を形成しておく。なお、第１基板１となる基板としては、（１１０）面方位のシリコン基板に代えて、（１００）面方位のシリコン基板を用いても良い。
【００５９】
次いで、同図（ｂ）に示すように化合物層を除去しポリッシュした後に９００℃／５分のウェット酸化により絶縁膜１１となる熱酸化膜４３を５０ｎｍ厚みで形成する。ここで、酸化膜の成膜方法としては、プラズマＣＶＤ、スパッタ、ＨＴＯ、ＴＥＯＳなどがあるが、絶縁耐圧、欠陥、残留電荷、耐久性などの点で熱酸化膜が好ましい。
【００６０】
そして、同図（ｃ）に示すように、電極１４を形成するための別のシリコン基板４４を用意し、このシリコン基板４４をシリコン基板４１の高濃度ボロン拡散層４２側に直接接合する。ここでは、シリコン基板４４として（１００）面方位のシリコンウェハを用いた。表面性の良いシリコンウェハを貼り合わせ高温加熱することによって２枚のウェハは強固に接合される。ここでは１０００℃／２時間の加熱処理をした。
【００６１】
その後、同図（ｄ）に示すように、シリコン基板４４を所望の電極１４の長さ（高さ）となる厚さ２０μｍまで研磨する。
【００６２】
次いで、図１１（ａ）に示すように、フォトリソにより研磨したシリコン基板４４上にレジストパターンを形成し、ドライエッチングによりシリコン基板４４を間隔０．５μｍ、幅０．５μｍの線幅でエッチングし電極１４を形成するとともに、スペーサ２５を形成する。電極１４の形状は、例えば図４のように櫛の歯形状となっている。エッチングは酸化膜４３がストップ層となる。非常に深い溝を細くエッチングする必要があるのでドライエッチングはＩＣＰが有効である。
【００６３】
そして、同図（ｂ）に示すようにＬＰ−ＣＶＤで水酸化カリウムエッチングのマスクとなるシリコン窒化膜４６を形成する。その後、同図（ｃ）に示すように、シリコン窒化膜４６上に吐出室６や共通液室８などの形状のレジストパターンを得て、レジストの開口部のシリコン窒化膜４６と酸化膜４３をドライエッチによりエッチング除去し、レジストを除去する。
【００６４】
その後、図１２（ａ）に示すように、例えば８０℃の２５ｗｔ％の水酸化カリウム水溶液でシリコン窒化膜４６および酸化膜４３の開口部からシリコン基板４１を高濃度ボロン拡散層４２に達する直前（残り１０μｍ程度）まで、エッチングを行う。次に、エッチング液をＩＰＡを過飽和状態にした８０℃の３０ｗｔ％の水酸化カリウム水溶液に変え、エッチングを継続して、高濃度ボロン拡散層４２に達するとエッチングは自発的に停止する。２５ｗｔ％の水酸化カリウム水溶液ではエッチレートが大きく、また安定したエッチングが得られる。またＩＰＡ添加３０ｗｔ％の水酸化カリウム水溶液ではシリコン基板と高濃度ボロン層のエッチング選択比が大きく、精度よくエッチングストップができる。ＩＰＡは沸点が低く熱を加えると蒸発が激しいので、蒸気を冷却して液化しエッチング槽に戻してやる環流装置を付けるのが好ましい。高濃度ボロン拡散層のエッチング選択比を大きくできるエッチング液としてはＩＰＡ添加の水酸化カリウム以外では、３wt％〜１０wt％程度の低濃度の水酸化カリウム水溶液やＥＤＰなどでも良い。
【００６５】
その後、同図（ｂ）に示すように、シリコン窒化膜４６は熱リン酸、フッ酸などによって、熱酸化膜４３をフッ酸などで除去して、吐出室６及び吐出室６の底壁をなす１μｍの厚さのシリコンの振動板１０を形成する。
【００６６】
ここでは、電極１４を単結晶シリコンで形成しているので、ウェハ貼り合わせ後の研磨により電極１４の厚さ（長さ）を決めることができ、成膜では不可能な厚さの厚い電極を形成することができる。電極が厚い（高さが高い）と小さな力で振動板を変形させることができ、低電圧で駆動することが可能となる。また、貼り合わせたシリコンウェハ４４の電極として用いていない領域を利用して、液滴吐出ヘッドの駆動回路を集積化することも可能である。シリコンウェハ４４は半導体素子形成に用いるものそのものなので駆動回路を形成するのに好適である。
【００６７】
また、高濃度ボロン拡散層の形成にはイオン注入のほかに固体拡散、塗布拡散やボロンをドープしたエピタキシャル層によっても形成することもできる。イオン注入では浅い拡散層を精度良く形成することができるので、薄い振動板を形成するのに好適である。また、エピタキシャル層では、シリコン基板の上にボロンをドープした層を成長させるので、固体拡散、イオン注入、塗布拡散に比べ、高濃度ボロン領域の境界が明確になり、急峻なエッチングストップを実現できより精度の良い振動板を形成することができる。
【００６８】
さらに、高濃度ボロンストップ以外には、Ｐ型シリコン基板にＮ型層あるいはＮ型シリコン基板のＰ型層を形成して電気化学エッチングストップを行う方法などを用いることもできる。
【００６９】
また、上述したように電極１４にポリシリコンや単結晶シリコンなどの半導体を用いた場合には、高周波数駆動、多チャンネル駆動を行うと電極の電気抵抗値が問題となることがある。この場合には、ｎ型又はｐ型の伝導型を有する不純物原子、例えばｎ型であればリン、砒素、ｐ型であればボロンやアンチモン等を導入することが好ましい。
【００７０】
次に、第４実施形態に係るインクジェットヘッドについて図１３を参照して説明する。なお、同図は同ヘッドの振動板短手方向に沿う断面説明図である。
この実施形態では、電極１４の表面に絶縁膜２６を形成している。すなわち、前述したように、駆動電圧を低くするためには、電極１４の間隔を小さくしなければならないが、そのような微小な間隔で電極１４を形成した場合、小さなダストであってもが電極１４上に載るとショートの原因となり、動作不良を起こすことがあり、また、非常に微小な間隔なので、空気の湿度によって電極１４表面に微小な水滴が発生した場合にも、ショートの原因となる。
【００７１】
そこで、電極１４の表面に絶縁膜２６を設けることによって、電極１４間のショートによる動作不良を低減することができる。また、電圧を印加した時の電極間１４の放電により動作不良を起こすことがあるが、これに対して絶縁膜２６を設けることによって、耐圧も向上することができ、信頼性の高い液滴吐出ヘッドが得られる。
【００７２】
次に、第５実施形態に係るインクジェットヘッドについて図１４を参照して説明する。なお、同図は同ヘッドの振動板短手方向に沿う電極部分の要部断面説明図である。
ここでは、第４実施形態の絶縁膜２６として熱酸化膜２７を用いている。すなわち、電極１４に単結晶シリコンやポリシリコンを用いた場合、熱酸化膜は電極表面に均一に精度良く形成することができる。また、熱酸化膜は機械的、電気的な信頼性が高く、信頼性の高い液滴吐出ヘッドが実現できる。
【００７３】
この場合、熱酸化膜２７は約４４％のシリコンを消費しながら成長する。図１４を参照して説明すると、酸化前の電極１４は点線Ａで示す状態にあり、ギャップＧ１の間隔を隔てて設けられている。これに厚さｔの熱酸化膜２７を形成すると、約０．４４ｔの厚さのシリコンが消費され、電極１４の間隔はＧ３、空間間隔はＧ２となる。
【００７４】
熱酸化膜２７を形成する前の電気的な電極間間隔である実効ギャップＧは、Ｇ＝Ｇ１であり、厚さｔの熱酸化膜２７形成した場合の実効ギャップＧ’は、熱酸化膜の誘電率をεとすると、次の（２）式で表される。
【００７５】
【数２】

【００７６】
ここで、熱酸化膜の誘電率εは３．７〜３．９であるので、Ｇ’＜Ｇ、となり、熱酸化膜を形成することによって、実効ギャップを小さくすることができる。前述したように、電極１４、１４間に働く力は実効ギャップが小さいほど大きくでき、電極１４、１４間に働く静電力は実効ギャップの２乗に反比例する。したがって、熱酸化膜を形成して実行ギャップを小さくすることによって力を大きくする、あるいは駆動電圧を低くすることができる。電極を加工して狭い間隔を形成するのには限界があり、ドライエッチングで溝を形成した場合には０．５μｍ程度が限界である。電極表面に絶縁膜を形成することによって、この限界値よりもさらに小さい実効ギャップを形成し、駆動電圧を下げることができる。
【００７７】
具体的に、ここで用いた熱酸化膜の誘電率は３．８であった。Ｇ１を０．５μｍ、絶縁膜厚さｔを０．４μｍとすると、実行ギャップＧ’は０．２６μｍとなり、実効ギャップを約１／２に小さくできる。前述した（１）式より、電極間に働く静電力に換算すると３．７倍となり、同じ静電力を得ようとした場合、電圧は約１／２に低電圧化することができる。
【００７８】
すなわち、Ｇ１＝０．５5μｍ（ε＝３．８）のとき
ｔ＝０．２μｍの場合：Ｇ２＝０．２８μｍ、Ｇ’＝０．３８μｍ
ｔ＝０．４μｍの場合：Ｇ２＝０．０６μｍ、Ｇ’＝０．２６μｍ
となる。
【００７９】
なお、シリコンを消費して成長する膜としては、熱酸化膜以外に熱窒化膜もあり、この熱窒化膜も機械的、電気的に信頼性が高く絶縁膜として用いることができる。
【００８０】
次に、第６実施形態に係るインクジェットヘッドについて図１５を参照して説明する。なお、同図は同ヘッドの振動板短手方向に沿う電極部分の要部断面説明図である。
ここでは、第４実施形態の電極１４表面に形成する絶縁膜２６として堆積絶縁膜２８を用いている。上記実施形態の熱酸化膜２７ではシリコンを消費して膜が形成されるが、本実施形態ではシリコンを消費せずに膜を堆積させるものである。例えば、高温熱ＣＶＤ、低温熱ＣＶＤによるシリコン酸化膜、ＰＥ−ＣＶＤによるシリコン酸化膜やシリコン窒化膜、ＬＰ−ＣＶＤによるシリコン窒化膜、スパッタによるシリコン酸化膜、酸化チタン、酸化モリブデン、酸化タングステンなどの金属酸化膜、あるいは真空蒸着による金属膜を酸化した膜などがあげられる。構造体表面にも均一に成膜できるという点でＣＶＤによる成膜が好ましい。
【００８１】
ここでは、堆積絶縁膜２８の例として高温ＣＶＤによるシリコン酸化膜を成膜している。高温ＣＶＤによるシリコン酸化膜は被成膜表面に堆積して成膜されるので、成膜する前の電極面と成膜後の電極面は変化しない。したがって、厚さｔだけ成膜した場合、成膜前後の電極間隔Ｇ１は変化せず、空間間隔は膜厚分だけ狭くなったＧ２となる。
【００８２】
ここで、堆積絶縁膜（酸化膜）２８を形成する前の電気的な電極間間隔である実効ギャップＧは、Ｇ＝Ｇ１である。厚さｔの酸化膜２８形成した場合の実効ギャップＧ’は、酸化膜の誘電率をε1とすると、次の（３）式で表される。
【００８３】
【数３】

【００８４】
高温ＣＶＤによるシリコン酸化膜の誘電率ε1は４．０〜４．５であるので、Ｇ’＜Ｇ、となり、酸化膜（堆積絶縁膜）を形成することによって、実効ギャップを小さくすることができる。しかも、第５実施形態の熱酸化膜のように電極の材料を消費せずに成膜することができるので、第５実施形態に示したものよりもさらに実効ギャップを小さくすることが可能であり、さらなる低電圧化が可能となる。ここで用いた酸化膜の誘電率は４．０であった。Ｇ１を０．５μｍ、ｔを０．２μｍとすると、Ｇ’は０．２μｍとなり実効ギャップを２／５に小さくできる。前述した（１）式より電極間に働く静電力に換算すると６倍となり、同じ静電力を得ようとした場合、電圧は２／５に低電圧化できる。
【００８５】
すなわち、Ｇ１＝０．５μｍ（ε=４．０）のとき
ｔ＝０．２μｍの場合：Ｇ２＝０．１μｍ、Ｇ’＝０．２μｍ
となる。
【００８６】
誘電率が高いほど実効ギャップを小さくする効果は大きく、その他、ＰＥ−ＣＶＤのシリコン酸化膜などさらに大きな誘電率の膜を使うことによって実効ギャップを小さくする効果が大きくなる。
【００８７】
次に、第７実施形態に係るインクジェットヘッドについて図１６を参照して説明する。なお、同図は同ヘッドの振動板短手方向に沿う電極部分の要部断面説明図である。
この実施形態では、電極１４の表面に導電性の膜２９を形成した。導電性の膜２９を電極表面に成膜することによって、成膜前に電極間隔がＧ１であったのに対し、厚さｔの成膜後電極間隔は成膜厚さの２倍だけ小さいＧ２となる。これにより、電極間隔を導電性膜の成膜により小さくすることができ、静電力の向上、駆動電圧の低電圧化が可能となる。また、上記第５、第６実施形態で説明した電極表面に絶縁膜を形成する方法と併用して、信頼性の向上、更なる低電圧化も実現することができる。
【００８８】
成膜する導電性膜としてはポリシリコン、あるいはスパッタや真空蒸着によるアルミニウム、ニッケル、タングステン金などの金属膜を用いることができるが、構造体である電極表面に均一に成膜できるポリシリコンがもっとも好ましい。この場合、ポリシリコン中にはｎ型又はｐ型の伝導型を有する不純物原子、例えばｎ型であればリン、砒素、ｐ型であればボロンやアンチモン等を導入することが好ましい。
【００８９】
次に、第８実施形態に係るインクジェットヘッドについて図１７を参照して説明する。なお、同図は同ヘッドの振動板短手方向に沿う断面説明図である。
この実施形態においては、第２基板２の凹部１６の壁面部分に電極（これを、固定電極という。）５４を設けるとともに、振動板１０の短手方向端部側に絶縁膜１１を介して固定電極５４から複数の電極（これを、可動電極という。）５５をそれぞれ所定の間隔を置いて設けている。つまり、ここでは、振動板１０の片方の面に絶縁膜１１を設け、この絶縁膜１１を介して振動板１０と対向する位置に構造体である可動電極５５を設けるとともに、構造体である可動電極５５に対して所定の間隔を置いて対向する固定電極５４を固定部としての壁面部分に設けた構成としている。
【００９０】
このように構成したインクジェットヘッドの動作を説明する。固定電極５４及び１つおきの可動電極５５に駆動回路により０Ｖから４０Ｖのパルス電位を印加すると、固定電極５４及び１つおきの可動電極５５の表面がプラスに帯電し、パルス電位を印加していない隣り合う可動電極５５との間で、図１８に示すように、静電気の吸引作用が働き、振動板１０が下方へたわむ。その結果、吐出室６の内容積が増加するので、インクが共通液室８より流体抵抗部７を通じて吐出室６内に補給される。
【００９１】
そして、電極５４、５５の電位が０Ｖに戻ると、電極５４、５５間、５５、５５間に電位差はなくなり、振動板１０は元の状態に復元する。振動板１０が復元することにより、吐出室６内の圧力が急激に上昇し、ノズル孔４よりインク液滴が吐出される。すなわち、この実施形態では引き打ち法でインク滴を吐出させることができる。
【００９２】
次に、第９実施形態に係るインクジェットヘッドについて図１９を参照して説明する。なお、同図は同ヘッドの振動板短手方向に沿う断面説明図である。
この実施形態においては、前記第１実施形態と前記第８実施形態とを組合せ、第２基板２の凹部１６の壁面部分に固定電極５４を設けるとともに、振動板１０に絶縁膜１１を介して固定電極５４から複数の可動電極５５をそれぞれ所定の間隔を置いて設けている。
【００９３】
このように構成したインクジェットヘッドの動作を説明すると、固定電極５４及び振動板短手方向端部側の可動電極５５の群（端部側可動電極群）の１つおきの可動電極５５に駆動回路により０Ｖから４０Ｖのパルス電位を印加すると、固定電極５４、及び端部側可動電極群の１つおきの可動電極５５の表面がプラスに帯電し、パルス電位を印加していない隣り合う可動電極５５との間で、前記図１８と同様に、静電気の吸引作用が働き振動板１０が下方へたわむ。その結果、吐出室６の内容積が増加するので、インクが共通液室８より流体抵抗部７を通じて吐出室６内に補給される。
【００９４】
そこで、固定電極５５への電圧印加を解除するとともに、中央部の可動電極５５を含めて、すべての可動電極５５に対して、１つおきに０Ｖから４０Ｖのパルス電位を印加すると、電圧印加した可動電極５５の表面がプラスに帯電し、パルス電位を印加していない隣り合う電極５５との間で、前述した図５に示すと同様に、静電気の吸引作用が働き、振動板１０が上方へたわむ。その結果、吐出室６内の圧力が急激に上昇し、ノズル孔４よりインク液滴が吐出される。すなわち、この実施形態では、引き−押し打ち法でインク滴を吐出させることができる。
【００９５】
次に、第１０実施形態に係るインクジェットヘッドについて図２０を参照して説明する。なお、同図は同ヘッドの振動板短手方向に沿う断面説明図である。
この実施形態においては、前記複数の電極１４を吐出室６側に設けたものである。この場合、第１基板１には前述したＳＯＩ基板を用いて絶縁膜１１をＳＯＩ基板の酸化膜３２で振動板１０と電極１４とを電気的に分離する絶縁膜を兼用している。また、電極１４がインクによって腐食等されるのを防止するため、電極１４の表面には耐液性膜（ここでは耐インク性膜）として窒化膜等の絶縁膜５７を形成している。
【００９６】
このように構成した場合、複数の電極１４に１つおきにパルス電位を印加することで、振動板１０が吐出室６と反対側に変形して、吐出室６内にインクが補給され、この状態から複数の電極１４に対するパルス電位の印加を停止することで振動板１０が復元してインク滴が吐出される。すなわち、この場合は、引き打ち法と同様にしてインク滴を吐出させることができる。
【００９７】
次に、第１１実施形態に係るインクジェットヘッドについて図２１を参照して説明する。なお、同図は同ヘッドの振動板短手方向に沿う断面説明図である。
この実施形態においては、振動板１０の短手方向中央部では吐出室６と反対側の面に前記複数の電極５５を設け、振動板１０の短手方向両端部では吐出室６側に前記複数の電極５５を設けるとともに、吐出室６側の最端部の電極５５に対向して固定電極５４を配置したものである。
【００９８】
ここでも、第１基板１には前述したＳＯＩ基板を用いて、振動板１０の吐出室側の絶縁膜１１をＳＯＩ基板の酸化膜３２で振動板１０と電極１４とを電気的に分離する絶縁膜を兼用し、振動板１０の吐出室６側と反対側には絶縁膜１１を形成している。また、電極５４、５５がインクによって腐食等されるのを防止するため、電極５４、５５の表面には耐液性膜（ここでは耐インク性膜）として窒化膜等の絶縁膜５７を形成している。
【００９９】
このように構成したので、固定電極５４と振動板１０の両端部側の電極５５に対して１つおきにパルス状電位を印加して静電力を発生させるとともに、振動板１０の中央部側の電極５５に対しても１つおきにパルス状電位を印加して静電力を発生させると、振動板１０は上下の電極５５の変位によって吐出室６側に変形する。この場合、振動板１０の両端部と中央部で異なる変形を受けることになり、振動板１０の変形形状を理想的なガウシャン形状に近くすることができ、より滴吐出特性が向上する。
【０１００】
次に、本発明に係るインクカートリッジについて図２２を参照して説明する。このインクカートリッジ１００は、ノズル孔１０１等を有する上記各実施形態のいずれかのインクジェットヘッド１０１と、このインクジェットヘッド１０１に対してインクを供給するインクタンク１０２とを一体化したものである。
【０１０１】
このようにインクタンク一体型のヘッドの場合、ヘッドの低コスト化、信頼性は、ただちにインクカートリッジ全体の低コスト化、信頼性につながるので、上述したように低コスト化、高信頼性化、製造不良低減することで、インクカートリッジの歩留まり、信頼性が向上し、ヘッド一体型インクカートリッジの低コスト化を図れる。
【０１０２】
本発明に係るインクジェットヘッド又はインクカートリッジを搭載した、本発明に係る液滴を吐出する装置を含む画像形成装置としてのインクジェット記録装置の一例について図２３及び図２４を参照して説明する。なお、図２３は同記録装置の斜視説明図、図２４は同記録装置の機構部の側面説明図である。
【０１０３】
このインクジェット記録装置は、記録装置本体１１１の内部に主走査方向に移動可能なキャリッジ、キャリッジに搭載した本発明に係るインクジェットヘッドからなる記録ヘッド、記録ヘッドへインクを供給するインクカートリッジ等で構成される印字機構部１１２等を収納し、装置本体１１１の下方部には前方側から多数枚の用紙１１３を積載可能な給紙カセット（或いは給紙トレイでもよい。）１１４を抜き差し自在に装着することができ、また、用紙１１３を手差しで給紙するための手差しトレイ１１５を開倒することができ、給紙カセット１１４或いは手差しトレイ１１５から給送される用紙１１３を取り込み、印字機構部１１２によって所要の画像を記録した後、後面側に装着された排紙トレイ１１６に排紙する。
【０１０４】
印字機構部１１２は、図示しない左右の側板に横架したガイド部材である主ガイドロッド１２１と従ガイドロッド１２２とでキャリッジ１２３を主走査方向（図２４で紙面垂直方向）に摺動自在に保持し、このキャリッジ１２３にはイエロー（Ｙ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、ブラック（Ｂｋ）の各色のインク滴を吐出する本発明に係る液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドからなるヘッド１２４を複数のインク吐出口を主走査方向と交叉する方向に配列し、インク滴吐出方向を下方に向けて装着している。またキャリッジ１２３にはヘッド１２４に各色のインクを供給するための各インクカートリッジ１２５を交換可能に装着している。なお、本発明に係るヘッド一体型のインクカートリッジを搭載するようにすることもできる。
【０１０５】
インクカートリッジ１２５は上方に大気と連通する大気口、下方にはインクジェットヘッドへインクを供給する供給口を、内部にはインクが充填された多孔質体を有しており、多孔質体の毛管力によりインクジェットヘッドへ供給されるインクをわずかな負圧に維持している。
【０１０６】
また、記録ヘッドとしてここでは各色のヘッド１２４を用いているが、各色のインク滴を吐出するノズルを有する１個のヘッドでもよい。
【０１０７】
ここで、キャリッジ１２３は後方側（用紙搬送方向下流側）を主ガイドロッド１２１に摺動自在に嵌装し、前方側（用紙搬送方向上流側）を従ガイドロッド１２２に摺動自在に載置している。そして、このキャリッジ１２３を主走査方向に移動走査するため、主走査モータ１２７で回転駆動される駆動プーリ１２８と従動プーリ１２９との間にタイミングベルト１３０を張装し、このタイミングベルト１３０をキャリッジ１２３に固定しており、主走査モーター１２７の正逆回転によりキャリッジ１２３が往復駆動される。
【０１０８】
一方、給紙カセット１１４にセットした用紙１１３をヘッド１２４の下方側に搬送するために、給紙カセット１１４から用紙１１３を分離給装する給紙ローラ１３１及びフリクションパッド１３２と、用紙１１３を案内するガイド部材１３３と、給紙された用紙１１３を反転させて搬送する搬送ローラ１３４と、この搬送ローラ１３４の周面に押し付けられる搬送コロ１３５及び搬送ローラ１３４からの用紙１１３の送り出し角度を規定する先端コロ１３６とを設けている。搬送ローラ１３４は副走査モータ１３７によってギヤ列を介して回転駆動される。
【０１０９】
そして、キャリッジ１２３の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラ１３４から送り出された用紙１１３を記録ヘッド１２４の下方側で案内する用紙ガイド部材である印写受け部材１３９を設けている。この印写受け部材１３９の用紙搬送方向下流側には、用紙１１３を排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送コロ１４１、拍車１４２を設け、さらに用紙１１３を排紙トレイ１１６に送り出す排紙ローラ１４３及び拍車１４４と、排紙経路を形成するガイド部材１４５，１４６とを配設している。
【０１１０】
記録時には、キャリッジ１２３を移動させながら画像信号に応じて記録ヘッド１２４を駆動することにより、停止している用紙１１３にインクを吐出して１行分を記録し、用紙１１３を所定量搬送後次の行の記録を行う。記録終了信号または、用紙１１３の後端が記録領域に到達した信号を受けることにより、記録動作を終了させ用紙１１３を排紙する。この場合、ヘッド１２４を構成する本発明に係るインクジェットヘッドはインク滴噴射の制御性が向上し、特性変動が抑制されているので、安定して高い画像品質の画像を記録することができる。
【０１１１】
また、キャリッジ１２３の移動方向右端側の記録領域を外れた位置には、ヘッド１２４の吐出不良を回復するための回復装置１４７を配置している。回復装置１４７はキャップ手段と吸引手段とクリーニング手段を有している。キャリッジ１２３は印字待機中にはこの回復装置１４７側に移動されてキャッピング手段でヘッド１２４をキャッピングされ、吐出口部を湿潤状態に保つことによりインク乾燥による吐出不良を防止する。また、記録途中などに記録と関係しないインクを吐出することにより、全ての吐出口のインク粘度を一定にし、安定した吐出性能を維持する。
【０１１２】
吐出不良が発生した場合等には、キャッピング手段でヘッド１２４の吐出口（ノズル）を密封し、チューブを通して吸引手段で吐出口からインクとともに気泡等を吸い出し、吐出口面に付着したインクやゴミ等はクリーニング手段により除去され吐出不良が回復される。また、吸引されたインクは、本体下部に設置された廃インク溜（不図示）に排出され、廃インク溜内部のインク吸収体に吸収保持される。
【０１１３】
このように、このインクジェット記録装置においては本発明を実施したインクジェットヘッド又はインクカートリッジを搭載しているので、振動板駆動不良によるインク滴吐出不良がなく、安定したインク滴吐出特性が得られて、画像品質が向上する。また、低電圧で駆動できるヘッドを搭載するので、インクジェット記録装置全体の消費電力も低減できる。
【０１１４】
次に、本発明に係るマイクロポンプについて図２５を参照して説明する。なお、同図は同マイクロポンプの要部断面説明図である。
このマイクロポンプは、流路基板２０１と保護基板２０２とを重ねて接合した積層構造となっており、流路基板２０１には流体が流れる流路２０３を形成するとともに、流路２０３の一壁面を形成する変形可能な可動板２０４（ヘッドの振動板に相当する。）を設け、可動板２０４の保護基板２０２と接合固定しない部分は可動部分２０５となっている。
【０１１５】
そして、可動部分２０５には絶縁膜２０６を介して外面側に、前記インクジェットヘッドと同様に、複数の電極２０７を所定の間隔を置いて設けている。保護基板２０２は前記ヘッドの第２基板２と同様な機能を有するものであり、電極２０７を配置するための凹部２０８を形成している。ここでは、保護基板２０２は平板板基板にスペーサ部２０９を設けることで凹部２０８を形成している。
【０１１６】
このマイクロポンプの動作原理を説明すると、前述したように複数の電極２０７に対して１つおきにパルス電位を与えることによって電極２０７間で静電吸引力が生じるので、可動部分２０５が流路２０３側に変形する。ここで、可動部分２０５を図中右側から順次駆動することによって流路２０３内の流体は、矢印方向へ流れが生じ、流体の輸送が可能となる。
【０１１７】
なお、この実施形態では可動部分を複数設けた例を示したが、可動部分は１つでも良い。また、輸送効率を上げるために、可動部分間に１又は複数の弁、例えば逆止弁などを設けることもできる。
【０１１８】
次に、本発明に係る光学デバイスの実施形態について図２６を参照して説明する。なお、同図は同デバイスの概略構成図である。
この光学デバイスは、変形可能なミラー３０１と保護基板３０２とを重ねて接合しており、ミラー３０１の保護基板３０２と接合固定しない部分は可動部分３０５となっている。そして、可動部分３０５には絶縁膜３０６を介して外面側に複数の電極３０７を所定の間隔を置いて設けている。保護基板３０２は前記ヘッドの第２基板２と同様な機能を有するものであり、電極３０７を配置するための凹部３０８を形成している。ここでは、保護基板３０２は平板板基板にスペーサ部３０９を設けることで凹部３０８を形成している。なお、ミラー３０１表面は反射率を増加させるため誘電体多層膜や金属膜を形成すると良い。
【０１１９】
この光学デバイスの原理を説明すると、ミラー３０１の可動部分３０５に設けた複数の電極３０７に対して１つおきにパルス電位を与えることによって、電極３０７間で静電吸引力が生じるので、可動部分３０５が凸状に変形して凸面ミラーとなる。したがって、光源３１０からの光がレンズ３１１を介してミラー３０１に照射した場合、ミラー３０１を駆動しないときには、光は入射角と同じ角度で反射するが、ミラー３０１を可動部分３０５を駆動した場合はその可動部分３０５が凸面ミラーとなるので反射光は発散光となる。これにより光変調デバイスが実現できる。
【０１２０】
そこで、この光学デバイスを応用した例を図２７及び図２８をも参照して説明する。この例は、上述した光学デバイスを２次元に配列し、各ミラーの可動部分３０５を独立して駆動するようにしたものである。なお、ここでは、４×４の配列を示しているが、これ以上配列することも可能である。
【０１２１】
したがって、前述した図２６と同様に、光源３１０からの光はレンズ３１１を介してミラー３０１に照射され、ミラー３０１を駆動していないところに入射した光は、投影用レンズ３１２へ入射する。一方、電極３０７に電圧を印加してミラー３０１の可動部分３０５を変形させているところは凸面ミラーとなるので光は発散し投影用レンズ３１２にほとんど入射しない。この投影用レンズ３１２に入射した光はスクリーン（図示しない）などに投影され、スクリーンに画像を表示することができる。
【０１２２】
これらのマイクロポンプや光学デバイスの実施形態においては、第１実施形態に係るインクジェットヘッドと同様な構成のアクチュエータとしたが、第２実施形態以降の実施形態に係るインクジェットヘッドと同様な構成のアクチュエータとすることもできる。
【０１２３】
なお、上記実施形態においては、液滴吐出ヘッドとしてインクジェットヘッドに適用した例で説明したが、インクジェットヘッド以外の液滴吐出ヘッドとして、例えば、液体レジストを液滴として吐出する液滴吐出ヘッド、ＤＮＡの試料を液滴として吐出する液滴吐出ヘッドなどの他の液滴吐出ヘッドにも適用できる。また、マイクロアクチュエータは、マイクロポンプ、光学デバイス（光変調デバイス）以外にも、マイクロスイッチ（マイクロリレー）、マルチ光学レンズのアクチュエータ（光スイッチ）、マイクロ流量計、圧力センサなどにも適用することができる。また、前述したようにプリンタ、ファクシミリ、複写装置等の画像形成装置及び液滴を吐出する装置にも本発明を適用することができる。
【０１２４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る液滴吐出ヘッドによれば、振動板の両面、または、片方の面に絶縁膜を設け、この絶縁膜を介して振動板と対向する位置に複数の構造体を設け、構造体間に静電力を発生させることによって振動板を変形させる構成としたので、低コストで、滴吐出効率が高く、高画質印字が可能なヘッドが得られる。
【０１２５】
本発明に係る液滴吐出ヘッドによれば、振動板の両面、または、片方の面に絶縁膜を設け、この絶縁膜を介して振動板と対向する位置に構造体を少なくとも１つ設けるとともに、構造体に対して所定の間隔を置いて対向する電極を固定部に設け、構造体と電極の間に静電力を発生させることによって振動板を変形させる構成としたので、低コストで、滴吐出効率が高く、高画質印字が可能なヘッドが得られる。
【０１２６】
これらの本発明に係る液滴吐出ヘッドにおいては、構造体が導電材料で形成されている構成とすることで、容易に構造体間に静電力を発生させることができる。また、複数の構造体を設ける液滴吐出ヘッドにおいては、互いに隣り合う構造体に電位差を生じる電圧を印加して隣り合う構造体間で静電力を発生させることで、電極のわずかな変位により振動板の大きな変形ないし変位を得ることができる。
【０１２７】
また、これらの本発明に係る液滴吐出ヘッドにおいては、構造体と同一材料の層が、構造体の形成される面と略同一平面で振動板以外の領域に形成されていることで、プロセスにおいて微小な構造体である電極を保護することができ、製造工程におけるウェハ搬送や、プロセス中における構造体の破損による不良を低減できる。この場合、構造体と同一材料の層の厚さが構造体の厚さよりも厚いことで、構造体の破損をより低減することができる。
【０１２８】
また、構造体をポリシリコンで形成することにより、比較的厚い構造体を容易に形成することができ、またドライエッチングにより構造体間の細い溝を形成することができる、つまり構造体間の距離を小さくできるので大きな力を発生することができ、低電圧駆動化を図れる。或いは、構造体を単結晶シリコンで形成することで、研磨により構造体の厚さを決めることができ、成膜では不可能な厚い構造体を形成することができ、低電圧駆動化を図れる。
【０１２９】
この場合、構造体は伝導型がｎ型またはｐ型の不純物原子を含むことで、構造体の電気抵抗値を小さくすることができ、高周波数駆動、多チャンネル駆動が可能になる。
【０１３１】
また、絶縁膜はシリコン熱酸化膜であること、シリコン熱酸化膜の膜厚が５０〜１０００ｎｍであること、或いは、絶縁膜はシリコン窒化膜であること、シリコン窒化膜の膜厚が５０〜１０００ｎｍであることで、信頼性を向上することができるとともに、低コストで安定して製造することが可能になる。
【０１３２】
さらに、構造体の表面に絶縁膜が形成されていることで、構造体のショートによる動作不良を低減することができ、耐圧も向上して、信頼性が向上する。この場合、絶縁膜を熱酸化膜とすることで、信頼性の向上、実効ギャップの狭小化による低電圧駆動化を図れ、堆積膜とすることで、更に実効ギャップを小さくして低電圧駆動化を図れ、特にＣＶＤ法により形成された膜を用いることで、均一な膜厚で成膜できて、バラツキや不良を低減できる。また、構造体表面に導電性膜を形成することで、構造体間間隔を小さくして低電圧駆動化を図れる。
【０１３３】
本発明に係るインクカートリッジによれば、インク滴を吐出する本発明に係る液滴吐出ヘッドとこの液滴吐出ヘッドにインクを供給するインクタンクを一体化したので、製造不良が減少し、低コスト化を図れる。
【０１３４】
本発明に係るインクジェット記録装置によれば、インク滴を吐出するインクジェットヘッドとして本発明に係る液滴吐出ヘッド又はインクカートリッジを搭載するので、装置の低コスト化を図れる。本発明に係る画像形成装置によれば、本発明に係る液滴吐出ヘッドを備えたので、低コスト化を図ることができる。本発明に係る液滴を吐出する装置によれば、本発明に係る液滴吐出ヘッドを備えたので、低コスト化を図れる。
【０１３５】
本発明に係るマイクロアクチュエータによれば、可動部分の両面、または、片方の面に絶縁膜を設け、この絶縁膜を介して可動部と対向する位置に複数の構造体を設け、構造体間に静電力を発生させることによって可動部分を変形させるので、低コストで、動作効率が高いアクチュエータが得られる。
【０１３６】
本発明に係るマイクロアクチュエータによれば、可動部分の両面、または、片方の面に絶縁膜を設け、この絶縁膜を介して可動部分と対向する位置に構造体を少なくとも１つ設けるとともに、固定部に構造体に所定の間隔を置いて対向する電極を設け、構造体と電極の間に静電力を発生させることによって可動部分を変形させるので、低コストで、動作効率が高いアクチュエータが得られる。
【０１３７】
本発明に係るマイクロポンプによれば、可動部分の変形によって液体を輸送するマイクロポンプであって、可動部分の両面、または、片方の面に絶縁膜を設け、この絶縁膜を介して可動部分と対向する位置に複数の構造体を設け、構造体間に静電力を発生させることによって可動部分を変形させるので、小型で、低消費電力化を図れるとともに、低コスト化を図れる。
【０１３８】
本発明に係る光学デバイスによれば、可動部分に形成したミラーの変位によって光の反射方向を変化させる光学デバイスであって、可動部分の両面、または、片面に絶縁膜を設け、この絶縁膜を介して可動部と対向する位置に複数の構造体を設け、構造体間に静電力を発生させることによって可動部分を変形させるので、小型で、低消費電力化を図れるとともに、低コスト化を図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の液滴吐出ヘッドの第１実施形態に係るインクジェットヘッドの分解斜視説明図
【図２】同ヘッドの振動板長手方向の断面説明図
【図３】同ヘッドの振動板短手方向の要部拡大断面説明図
【図４】同ヘッドの電極配置パターンを説明する平面説明図
【図５】同ヘッドの作用説明に供する要部拡大断面説明図
【図６】同第２実施形態に係るインクジェットヘッドの振動板短手方向に沿う要部断面説明図
【図７】同第３実施形態に係るインクジェットヘッドの振動板短手方向に沿う要部断面説明図
【図８】同第２実施形態に係るインクジェットヘッドの製造工程の一例を説明する説明図
【図９】図８に続く工程を説明する説明図
【図１０】同第２実施形態に係るインクジェットヘッドの製造工程の他の例を説明する説明図
【図１１】図１０に続く工程を説明する説明図
【図１２】図１１に続く工程を説明する説明図
【図１３】同第４実施形態に係るインクジェットヘッドの振動板短手方向に沿う要部断面説明図
【図１４】同第５実施形態に係るインクジェットヘッドの振動板短手方向に沿う電極部分の拡大説明図
【図１５】同第６実施形態に係るインクジェットヘッドの振動板短手方向に沿う電極部分の拡大説明図
【図１６】同第７実施形態に係るインクジェットヘッドの振動板短手方向に沿う電極部分の拡大説明図
【図１７】同第８実施形態に係るインクジェットヘッドの振動板短手方向に沿う要部拡大断面説明図
【図１８】同第８実施形態の作用説明に供する断面説明図
【図１９】同第９実施形態に係るインクジェットヘッドの振動板短手方向に沿う要部拡大断面説明図
【図２０】同第１０実施形態に係るインクジェットヘッドの振動板短手方向に沿う要部拡大断面説明図
【図２１】同第１１実施形態に係るインクジェットヘッドの振動板短手方向に沿う要部拡大断面説明図
【図２２】本発明に係るインクカートリッジの説明に供する斜視説明図
【図２３】本発明に係るインクジェット記録装置の一例を説明する斜視説明図
【図２４】同記録装置の機構部の説明図
【図２５】本発明に係るマイクロポンプの実施形態を説明する断面説明図
【図２６】本発明に係る光学デバイスの実施形態を説明する断面説明図
【図２７】同光学デバイスを用いた光変調デバイスの一例を説明する斜視説明図
【図２８】同光変調デバイスの要部斜視説明図
【符号の説明】
１…第１基板、２…第２基板、３…ノズル板、４…ノズル孔、６…吐出室、７…流体抵抗部、８…共通液室、１０…振動板、１４…電極、２６…絶縁膜、５４…固定電極、５５…可動電極、１００…インクカートリッジ、２０１…流路基板、２０３…流路、２０５…可動部分、２０７…電極、３０１…ミラー、３０５…可動部分、３０７…電極。

Claims (26)

1. 液滴を吐出する単一又は複数のノズル孔と、前記ノズル孔のそれぞれに連通する吐出室と、前記吐出室の少なくとも一方の壁を構成する振動板とを備え、前記振動板を変形させることによって液に圧力を加え液滴を吐出する液滴吐出ヘッドにおいて、前記振動板の両面、または、片方の面に絶縁膜を設け、この絶縁膜を介して振動板と対向する位置に複数の構造体を設け、前記構造体間に静電力を発生させることによって前記振動板を変形させることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
2. 液滴を吐出する単一又は複数のノズル孔と、前記ノズル孔のそれぞれに連通する吐出室と、前記吐出室の少なくとも一方の壁を構成する振動板とを備え、前記振動板を変形させることによって液に圧力を加え液滴を吐出する液滴吐出ヘッドにおいて、前記振動板の両面、または、片方の面に絶縁膜を設け、この絶縁膜を介して振動板と対向する位置に構造体を少なくとも１つ設けるとともに、前記構造体に対して所定の間隔を置いて対向する電極を固定部に設け、前記構造体と前記電極の間に静電力を発生させることによって前記振動板を変形させることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
3. 請求項１又は２に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記構造体が導電材料で形成されていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
4. 請求項１に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、互いに隣り合う構造体に電位差を生じる電圧を印加して隣り合う構造体間で静電力を発生させることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記構造体と同一材料の層が、前記構造体の形成される面と略同一平面で前記振動板以外の領域に形成されていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
6. 請求項５に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記構造体と同一材料の層の厚さが前記構造体の厚さよりも厚いことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記構造体はポリシリコンからなることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
8. 請求項１ないし６のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記構造体は単結晶シリコンからなることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
9. 請求項７又は８に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記構造体は伝導型がｎ型またはｐ型の不純物原子を含むことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
10. 請求項１ないし９のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記絶縁膜はシリコン熱酸化膜であることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
11. 請求項１０に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記シリコン熱酸化膜の膜厚が５０〜１０００ｎｍであることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
12. 請求項１ないし９のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記絶縁膜はシリコン窒化膜であることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
13. 請求項１２に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記シリコン窒化膜の膜厚が５０〜１０００ｎｍであることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
14. 請求項１ないし１３のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記構造体の表面に絶縁膜が形成されていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
15. 請求項１４に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記絶縁膜は熱酸化膜であることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
16. 請求項１４に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記絶縁膜は堆積膜であることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
17. 請求項１６に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記絶縁膜はＣＶＤ法により形成された膜であることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
18. 請求項１ないし１７のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記構造体表面に導電性膜が形成されていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
19. インク滴を吐出する液滴吐出ヘッドとこの液滴吐出ヘッドにインクを供給するインクタンクを一体化したインクカートリッジにおいて、前記液滴吐出ヘッドが請求項１ないし１８のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドであることを特徴とするインクカートリッジ。
20. インク滴を吐出するインクジェットヘッドを搭載したインクジェット記録装置において、前記インクジェットヘッドが請求項１ないし１８のいずれかに記載の液滴吐出ヘッド又は請求項１９に記載のインクカートリッジであることを特徴とするインクジェット記録装置。
21. 可動部分を変形させるマイクロアクチュエータであって、前記可動部分の両面、または、片方の面に絶縁膜を設け、この絶縁膜を介して前記可動部と対向する位置に複数の構造体を設け、前記構造体間に静電力を発生させることによって前記可動部分を変形させることを特徴とするマイクロアクチュエータ。
22. 可動部分を変形させるマイクロアクチュエータであって、前記可動部分の両面、または、片方の面に絶縁膜を設け、この絶縁膜を介して可動部分と対向する位置に構造体を少なくとも１つ設けるとともに、固定部に前記構造体に所定の間隔を置いて対向する電極を設け、前記構造体と前記電極の間に静電力を発生させることによって前記可動部分を変形させることを特徴とするマイクロアクチュエータ。
23. 可動部分の変形によって液体を輸送するマイクロポンプであって、前記可動部分の両面、または、片方の面に絶縁膜を設け、この絶縁膜を介して前記可動部分と対向する位置に複数の構造体を設け、前記構造体間に静電力を発生させることによって前記可動部分を変形させることを特徴とするマイクロポンプ。
24. 可動部分に形成したミラーの変位によって光の反射方向を変化させる光学デバイスであって、前記可動部分の両面、または、片面に絶縁膜を設け、この絶縁膜を介して前記可動部と対向する位置に複数の構造体を設け、前記構造体間に静電力を発生させることによって前記可動部分を変形させることを特徴とする光学デバイス。
25. 液滴吐出ヘッドを備えて画像を形成する画像形成装置において、前記液滴吐出ヘッドが請求項１ないし１８のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドであることを特徴とする画像形成装置。
26. 液滴吐出ヘッドから液滴を吐出する装置において、前記液滴吐出ヘッドが請求項１ないし１８のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドであることを特徴とする液滴を吐出する装置。

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