JP3904438B2 - Droplet ejection head, ink cartridge, ink jet recording apparatus, microactuator, micropump, optical device, image forming apparatus, apparatus for ejecting droplets - Google Patents

Droplet ejection head, ink cartridge, ink jet recording apparatus, microactuator, micropump, optical device, image forming apparatus, apparatus for ejecting droplets Download PDF

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    • B81B2203/00Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/04Electrodes

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、絶縁性薄膜で形成した振動板の両面、または、片方の面に電気的に互いに絶縁分離された導電性を有する構造体からなる少なくとも2つの電極を設け、電極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ものである。
【0015】
また、本発明に係る液滴吐出ヘッドは、絶縁性薄膜で形成された振動板の両面、または、片方の面に導電性を有する構造体からなる少なくとも1つの電極を設けるとともに、振動板を固定する壁面部に電極に所定の間隔を置いて対向する電極を設け、電極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ものである
【0016】
これらの本発明に係る液滴吐出ヘッドにおいては、振動板を形成する絶縁性薄膜は絶縁膜の積層膜であることが好ましい。また、振動板を形成する絶縁性薄膜は絶縁膜は引張り応力を有していることが好ましく、この場合、引張り応力を有する絶縁膜は窒化シリコン膜であること、この窒化シリコン膜の厚さは10nm〜900nmの範囲内であること、更に窒化シリコン膜には不純物原子が含まれていることが好ましい。
【0017】
また、振動板を形成する絶縁性薄膜は有機樹脂膜であること、有機樹脂膜はポリイミド膜であることが好ましい。
【0018】
本発明に係る液滴吐出ヘッドは、シリコンとこのシリコンの吐出室と反対側の面に設けた絶縁性薄膜の積層膜で形成した振動板の絶縁性薄膜の面に電気的に互いに絶縁分離された導電性を有する構造体からなる少なくとも2つの電極を設け、電極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ものである。
【0019】
また、本発明に係る液滴吐出ヘッドは、シリコンとこのシリコンの吐出室と反対側の面に設けた絶縁性薄膜の積層膜で形成した振動板の絶縁性薄膜の面に導電性を有する構造体からなる少なくとも1つの電極を設けるとともに、振動板を固定する壁面部に電極に所定の間隔を置いて対向する電極を設け、電極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ものである。
【0020】
これらの各本発明に係る液滴吐出ヘッドにおいては、振動板のシリコンには伝導型がn型又はp型の不純物原子が含まれていることが好ましい。
【0021】
本発明に係る液滴吐出ヘッドは、主たる層とシリコンエッチングに対して選択性を有する膜で形成した振動板の両面、または、片方の面に電気的に互いに絶縁分離された導電性を有する構造体からなる少なくとも2つの電極を設け、電極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ものである。
【0022】
また、本発明に係る液滴吐出ヘッドは、主たる層とシリコンエッチングに対して選択性を有する膜とからなる振動板の両面、または、片方の面に導電性を有する構造体からなる少なくとも1つの電極を設けるとともに、振動板を固定する壁面部に電極に所定の間隔を置いて対向する電極を設け、電極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ものである。
【0023】
さらに、本発明に係る液滴吐出ヘッドは、シリコンエッチングに対してエッチング選択性を有する膜/主たる層/電極材料のエッチングに対して選択性を有する膜で形成した振動板の両面、または、片方の面に電気的に互いに絶縁分離された導電性を有する構造体からなる少なくとも2つの電極を設け、電極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ものである。
【0024】
さらにまた、本発明に係る液滴吐出ヘッドは、シリコンエッチングに対してエッチング選択性を有する膜/主たる層/電極材料のエッチングに対して選択性を有する膜とからなる振動板の両面、または、片方の面に導電性を有する構造体からなる少なくとも1つの電極を設けるとともに、振動板を固定する壁面部に電極に所定の間隔を置いて対向する電極を設け、電極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ものである。
【0025】
これらの各本発明に係る液滴吐出ヘッドにおいて、シリコンエッチングに対してエッチング選択性を有する膜は、シリコン酸化膜、或いはシリコン窒化膜とシリコン酸化膜の積層膜であることが好ましい。また、電極材料のエッチングに対してエッチング選択性を有する膜はシリコン酸化膜であることが好ましい。さらに、主たる層が引張り応力を有していることが好ましい。
【0026】
また、主たる層は窒化シリコン膜、或いはシリコンであることが好ましい。さらに、振動板の厚みが5μm以下であることが好ましい。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
本発明に係るマイクロアクチュエータは、絶縁性薄膜で形成した可動部分の両面、または、片方の面に電気的に互いに絶縁分離された導電性を有する構造体からなる少なくとも2つの電極を設け、電極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。
【0030】
本発明に係るマイクロアクチュエータは、絶縁性薄膜からなる可動部分の両面、または、片方の面に導電性を有する構造体からなる少なくとも1つの電極を設けるとともに、可動部分を固定する壁面部に可動部分の電極に所定の間隔を置いて対向する電極を設け、電極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。
【0031】
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、絶縁性薄膜で形成した可動部分の両面、または、片方の面に電気的に互いに絶縁分離された2つの電極を設け、電極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ものである。
【0032】
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、絶縁性薄膜で形成した可動部分の両面、または、片面に電気的に互いに絶縁分離された2つの電極を設け、電極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。
【0033】
【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。
【0034】
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。
【0035】
中間の第1基板1は、シリコン基板からなり、吐出室6を形成するための貫通部と、各々の吐出室6にインクを供給するための共通液室8を形成するための貫通部を形成し、この第1基板1の底面に吐出室6及び共通液室8などの底壁ともなる絶縁性薄膜で形成した振動板10を接合している。
【0036】
この振動板10を形成する絶縁性薄膜は、引張り応力を有する絶縁膜である窒化シリコン膜10Aで形成している。この窒化シリコン膜10Aの膜厚は10nm〜900nmの範囲内としている。この範囲内とすることで、振動板10の十分な剛性を確保しつつ、かつ、低電圧で駆動する(振動板10を変形させる)ことができる。
【0037】
また、窒化シリコン膜10Aには不純物原子を導入している。ここで、不純物原子を導入するのは、窒化シリコン膜10Aの引張り応力を維持したまま応力を緩和するためである。この原子の導入法を熱拡散法やイオン注入法等の種々の原子導入法を用いて検討したところ、中でもイオン注入法により不純物原子を導入した場合に応力制御性が一番良好であることを確認できた。
【0038】
そこで、本実施形態では、イオン注入法を用いて、ボロン原子を注入エネルギー50kev、ドーズ量1E15cm-2で導入し、引っ張り応力の窒化シリコン膜10Aを形成した。引っ張り応力の窒化膜10Aを用いることで挫屈による振動板10の撓み変形が発生しないことを確認できた。なお、窒化シリコン膜10Aに導入する不純物原子としては、ボロン原子の他、リン原子、砒素原子、水素原子などを用いることもできる。
【0039】
また、第1基板1に窒化シリコン膜10Aを設けた状態で、シリコンの異方性エッチングを用いて吐出室6などを形成した場合、窒化シリコン膜10Aはエッチング選択性を有するためダメージがないことを確認できた。さらに、振動板10の厚さを150nmに設定することで300dpiや600dpiに微細化した場合でも十分な剛性が得られ、液滴吐出速度、吐出量ともに十分マージンをもって吐出することが確認できた。
【0040】
この単層の絶縁膜で構成した絶縁性薄膜からなる振動板10の下面(表面)に導電性を有する複数の電極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、ここでは、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。
【0041】
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。
【0042】
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。
【0043】
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。
【0044】
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。
【0045】
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。
【0046】
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。
【0047】
【数1】

Figure 0003904438
【0048】
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。
【0049】
このように、このインクジェットヘッドにおいては、絶縁性薄膜で形成した振動板10の一方の面に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。
【0050】
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。
【0051】
さらに、振動板10が絶縁性薄膜からなり、振動板10と電極14と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シリコン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。また、振動板10が絶縁性を有し、電極14と絶縁分離されていることで、駆動電圧が液(ここではインク)に印加されることがなく、駆動電厚印加時の電気分解による液の変質が発生することがなく、信頼性が向上し、高画質記録が可能になる。
【0052】
次に、本発明の第2実施形態に係るインクジェットヘッドについて図6及び図7を参照して説明する。図6は同ヘッドの振動板長手方向の断面説明図、図7は同ヘッドの振動板短手方向の断面説明図である。
この実施形態では、振動板10を形成する絶縁性薄膜として、引っ張り応力を有し、絶縁性を有する有機樹脂膜であるポリイミド膜10Bを用いている。このポリイミド膜10Bの膜厚は3μmとした。
【0053】
このように、引っ張り応力のポリイミド膜10Bで振動板10を形成することによって挫屈による振動板10の変形が発生せず、振動板10を形成することができた。また、ヤング率が小さいので厚さ3μmで形成することができたため、振動板10のピンホールの発生がなくなる。さらに、振動板10を形成するポリイミド(有機樹脂材料)は、液に対する耐腐食性に優れるので、アルカリ性や酸性の種々の化学的性質を有する液に対しても溶出することがなく、十分な信頼性をもって液滴を吐出することができる。
【0054】
次に、本発明の第3実施形態に係るインクジェットヘッドについて図8及び図9を参照して説明する。図8は同ヘッドの振動板長手方向の断面説明図、図9は同ヘッドの振動板短手方向の断面説明図である。
この実施形態では、絶縁性を有する振動板10を絶縁性薄膜の積層膜で構成したものである。すなわち、振動板10は、引っ張り応力を有する絶縁性を有する膜である窒化シリコン膜10Aと圧縮応力を有する膜である酸化シリコン膜10Cとの積層膜で形成している。
【0055】
ここでは、窒化シリコン膜10Aの膜厚は150nm、酸化シリコン膜10Cの膜厚は150nmとした。また、窒化シリコン膜10Aの引っ張り応力の維持したまま応力を緩和するために、第1実施形態の結果からイオン注入法により不純物原子であるリン原子を導入した。
【0056】
このように、振動板10を絶縁膜の積層膜である絶縁性薄膜で形成し、特に引っ張り応力の膜(ここでは窒化シリコン膜)と圧縮応力の膜(ここでは酸化シリコン膜)との積層膜とすることで、各膜の異なる内部応力を独立に制御することによって、振動板10の挫屈による撓み変形を防止することができる。
【0057】
また、シリコンの異方性エッチングを用いて吐出室6を形成する場合、窒化シリコン膜10Aがエッチングストッパーとして機能するので振動板10にダメージを与えることがなくなる。さらに、酸化シリコン膜10Cを厚さを150nm、窒化シリコン膜10Aの厚さを150nmに設定することで300dpiや600dpiに微細化した場合でも十分な剛性が得られ、液滴吐出速度、吐出量ともに十分マージンをもって吐出することが確認できた。さらにまた、窒化シリコン膜10Aと酸化シリコン膜10Bの積層振動板であることからピンホールの発生を防止することができる。
【0058】
次に、本発明の第4実施形態に係るインクジェットヘッドについて図10及び図11を参照して説明する。図10は同ヘッドの振動板長手方向の断面説明図、図11は同ヘッドの振動板短手方向の断面説明図である。
この実施形態では、振動板20を主たる層であって導電性膜でもあるシリコン膜と絶縁膜との積層膜としたものである。すなわち、振動板20は、主たる層であるシリコン膜20Aとこのシリコン膜20Aの吐出室6と反対の面(電極側面)に形成した絶縁性薄膜であるシリコン酸化膜20Bとで形成し、シリコン酸化膜20Bの表面に複数の電極14を設けている。
【0059】
シリコン膜20Aは、ここでは、第1基板1を形成するシリコン基板にボロン原子を0.5μmの深さまで1E20/cm3個含有させた高濃度ボロン拡散層である。ボロン原子の導入法として塗布拡散法や気相拡散法等の熱拡散法やイオン注入法を検討したが、中でもイオン注入法がシリコン膜厚を決定する拡散深さの制御が一番良好であることが確認された。そこで、ここでは、イオン注入法を用いてボロン原子をイオン注入法によって導入した。シリコン膜20Aの膜厚はボロン原子をイオン注入法によって導入した拡散深さによって制御したため設計値通りのシリコン厚に高精度で形成することができた。
【0060】
ここで、振動板の主たる層をシリコンで形成する場合、その厚みを5μm以下にすることによって、振動板の剛性を確保しながら、かつ、低電圧駆動を行うことができるようになる。
【0061】
また、このように振動板20の主たる層が導電性を有するシリコン膜20Aであっても、絶縁性薄膜であるシリコン酸化膜20Bを形成して、このシリコン酸化膜20Bの表面に複数の電極14を設けるため、シリコン膜20Aと電極14とは電気的に絶縁分離され、電極14に駆動電圧を印加した場合に、従前のようにシリコン振動板の凸部に電極膜を形成するために各電極間が略同電位になるという不都合もなく、電極14に印加した電圧がシリコン膜20Aにリークすることなしに電圧を印加でき、効率的な駆動を行うことができる。
【0062】
次に、本発明の第5実施形態に係るインクジェットヘッドについて説明する。なお、この実施形態は第4実施形態のシリコン膜20Aに注入する原子を変更したものであるので前述した図10及び図11を兼用して説明する。
すなわち、この実施形態においては、振動板20の主たる層であるシリコン膜20Aは、シリコン基板にイオン注入法によってリン原子を0.5μmの深さまで1E20/cm3個含有させ電気化学エッチング法を用いて吐出室6を形成すると同時に形成したものである。シリコン膜20Aの膜厚はイオン注入法によって導入したリン原子の拡散深さによって制御しているため設計値通りの高精度のシリコン厚を形成することができる。
【0063】
また、第4実施形態と同様に、振動板20の主たる層が導電性を有するシリコン膜20Aであっても、絶縁性薄膜であるシリコン酸化膜20Bを形成して、このシリコン酸化膜20Bの表面に電極14を設けるため、シリコン膜20Aと電極14とは電気的に絶縁分離され、電極14に駆動電圧を印加した場合に、従前のようにシリコン基板からなる振動板の凸部に電極膜を形成するために各電極間が略同電位になるという不都合もなく、電極14に印加した電圧がシリコン膜20Aにリークすることなしに電圧を印加でき、効率的な駆動を行うことができる。
【0064】
次に、これらの第4、第5実施形態の他の例に係るインクジェットヘッドについて図12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。
この例においては、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20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。
【0065】
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。
【0066】
次に、これらの第4、第5実施形態の更に他の例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。
この例においては、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20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。
【0067】
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。
【0068】
ここで、上記第4及び第5実施形態の他の例に係るインクジェットヘッドの製造工程について図14乃至図16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20を形成する主たる膜であるシリコン膜20Aは、高濃度p型不純物層であって、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1.0μmを有している。
【0069】
すなわち、図14(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又はリンを拡散し、シリコン膜20Aである高濃度ボロン拡散層又は高濃度リン拡散層(これらを「高濃度不純物拡散層」という。)42を形成する。ここでは、深さ1.0μmの高濃度不純物拡散層42を形成した。
【0070】
なお、高濃度不純物拡散層42が高濃度ボロン拡散層の場合、拡散層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。また、ボロン又はリンがシリコン中に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。さらに、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。
【0071】
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シリコン酸化膜20B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。
【0072】
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の高濃度不純物拡散層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。
【0073】
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。
【0074】
次いで、図15(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。
【0075】
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。
【0076】
その後、図16(a)に示すように、高濃度不純物拡散層42が高濃度ボロン拡散層の場合には、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に達するとエッチングは自発的に停止する。
【0077】
ここで、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。
【0078】
また、高濃度不純物拡散層42が高濃度リン拡散層の場合には、80℃の25wt%の水酸化カリウム水溶液中に基準電極を設置し、ベース基板と高濃度リン拡散層との間に逆バイアスを印加しながら、シリコン窒化膜46及び酸化膜43の開口部をマスクとして高濃度リン拡散層に達するまで、電気化学エッチングを行う。電気化学エッチングを行うことにより高濃度リン拡散層の深さでエッチングは自発的にストップする
【0079】
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(振動板部分は残る)して、吐出室6及び吐出室6の底壁をなす1μmの厚さのシリコン膜20Aである高濃度不純物拡散層42とシリコン酸化膜20Bである熱酸化膜43からなるシリコンの振動板20を形成する。
【0080】
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。
【0081】
また、高濃度ボロン拡散層或いは高濃度リン拡散層の形成にはイオン注入のほかに固体拡散、塗布拡散やボロン又はリ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又はリ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、高濃度ボロン領域又は高濃度リ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。
【0082】
なお、上述したように電極14に単結晶シリコン(或いはポリシリコンの場合も同様)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。
【0083】
次に、本発明の第6実施形態に係るインクジェットヘッドについて図17及び図18を参照して説明する。なお、図17は同ヘッドの振動板長手方向の断面説明図、図18は同ヘッドの振動板短手方向の断面説明図である。
この実施形態では、振動板50は、液室形成時のシリコンエッチングに対してエッチング選択性を有する膜である酸化シリコン膜50Aと、主たる層である引っ張り応力を有する窒化シリコン膜50Bと、電極14形成時に電極材であるシリコンエッチングに対してエッチング選択性を有する酸化シリコン膜50Cとの積層膜で構成し、酸化シリコン膜50Cの面に複数の電極14を設けている。
【0084】
なお、酸化シリコン膜50Aの厚さは50nm、窒化シリコン膜50Bの厚さは150nm、酸化シリコン膜50Cの厚さは50nmとしている。また、窒化シリコン膜50Bの引っ張り応力の維持したまま応力を緩和するために、ここでもイオン注入法により不純物原子としてリンを導入している。
【0085】
このように、第1基板1にシリコン基板を用いて、液室形成時のシリコンエッチング時や電極材のシリコンエッチングに選択性を有する酸化シリコン膜50A、50Cを設けたので、各エッチング工程時に振動板50の主たる層となる窒化シリコン膜50Bへのエッチングダメージを防止することができて、より高精度の振動板50を形成することができる。また、酸化シリコン膜50Aは、液に対する耐腐食性膜として作用するため、新たに耐腐食性膜を形成する必要がなく工程を短縮できる。
【0086】
また、振動板50の主たる層である窒化シリコン膜50Bは引張り応力を有しているので、挫屈による撓み変形が発生せず電極14、14間に発生する静電引力の振動板面内でのバラツキを低減することができる。さらに、窒化シリコン膜50Bを基体となる振動板50の一部に用いているため、実効的な剛性を向上させることができ、より薄い振動板で300dpi、600dpiの微細化した場合においても液滴の吐出を確実に効率的に行うことができる。
【0087】
次に、本発明の第7実施形態に係るインクジェットヘッドについて図19及び図20を参照して説明する。なお、図19は同ヘッドの振動板長手方向の断面説明図、図20は同ヘッドの振動板短手方向の断面説明図である。
この実施形態では、振動板60は、液室形成時のシリコンエッチングに対してエッチング選択性を有する膜60Aとしての窒化シリコン膜60Aaと酸化シリコン膜60Abとの積層膜と、主たる層である引っ張り応力を有する窒化シリコン膜60Bと、電極14形成時に電極材であるシリコンエッチングに対してエッチング選択性を有する酸化シリコン膜60Cとの積層膜で構成している。
【0088】
なお、膜60Aのうちの窒化シリコン膜60Aaは厚さ50nm、同じく酸化シリコン膜60Abは厚さ50nmとし、主たる層である引っ張り応力を有する窒化シリコン膜60Bは厚さ150nmとし、エッチング選択性を有する酸化シリコン膜60Cの厚さは50nmとした。また、ここで主たる層である窒化シリコン膜60Bの引っ張り応力を維持したまま応力を緩和するためにイオン注入法により不純物原子として砒素を導入している。
【0089】
このように液室形成時のシリコンエッチング時にシリコンエッチングに選択性を有する窒化シリコン膜60Aaと酸化シリコン膜60Abの積層膜と、電極材のシリコンエッチングに選択性を有する酸化シリコン膜60Cを設けたので、各エッチング時に振動板60の主たる層である窒化シリコン膜60Bへのエッチングダメージに対するマージンは第6実施形態の場合より向上する。その結果、振動板の主たる層である窒化シリコン膜60Bへのダメージはまったく発生せず、高精度の振動板を形成することができる。
【0090】
また、振動板60の主たる層である窒化シリコン膜60Bは引張り応力を有しているので、挫屈による撓み変形が発生せず電極14、14間に発生する静電引力の振動板面内でのバラツキを低減することができる。さらに、窒化シリコン膜60Bを基体となる振動板50の一部に用いているため、実効的な剛性を向上させることができ、シリコンの場合よりも薄い振動板で300dpi、600dpiの微細化した場合においても液滴の吐出を確実に効率的に行うことができる。
【0091】
次に、本発明の第8実施形態に係るインクジェットヘッドについて図21及び図22を参照して説明する。なお、図21は同ヘッドの振動板長手方向の断面説明図、図22は同ヘッドの振動板短手方向の断面説明図である。
この実施形態では、振動板70は、液室形成時のシリコンエッチングに対してエッチング選択性を有する酸化シリコン膜70Aと、主たる層である単結晶シリコン薄膜7Bと、電極14形成時に電極材であるシリコンエッチングに対してエッチング選択性を有する酸化シリコン膜7Cとの積層膜で構成している。
【0092】
なお、窒化シリコン膜70は厚さ50nm、主たる層である単結晶シリコン薄膜70Bは厚さ0.5μm、エッチング選択性を有する酸化シリコン膜70Cの厚さは50nmとした。
【0093】
このように、液室形成時のシリコンエッチング時や電極材のシリコンエッチングに選択性を有する酸化シリコン膜70A、70Cを設けたので各エッチング工程時に主たる層である単結晶シリコン薄膜70Bへのエッチングダメージは観察されず高精度の振動板が形成できる。また、酸化シリコン膜70Aは液に対する耐腐食性膜として作用するため新たに耐腐食性膜を形成する必要がなく工程が短縮できる。さらに、振動板70の主たる層である単結晶シリコン膜70Bは結晶粒界や結晶欠陥がないので振動板の長期信頼性を十分確保することができる。
【0094】
次に、本発明の第9実施形態に係るインクジェットヘッドについてその製造工程とともに図23乃至図25を参照して説明する。
この実施形態では主たる層をなすシリコン膜を多結晶シリコン膜で、電極14をポリシリコン(多結晶シリコン)で形成したものである。主たる層をなすシリコン膜を多結晶シリコン膜で形成することにより、CVD法により形成することができて膜厚制御性が向上する。
【0095】
すなわち、図23(a)に示すように、(110)を面方位とする厚さ400μmのシリコン基板81をベース基板とし、このシリコン基板81に酸化シリコン膜82を厚さ50nmで形成し、この酸化シリコン膜82の表面に膜厚1.0μmの多結晶シリコン膜83を形成した第1基板1となる基板80を用意する。
【0096】
ここで、多結晶シリコン膜83には、内部応力を緩和するために伝導型がn型、又はp型を示す原子であるボロンやリン原子を導入するのが好ましく、この実施形態ではボロン原子を導入した。一方、酸化シリコン膜82は、熱酸化法、CVD法、スパッタ法などによって形成する。この酸化シリコン膜82は、後工程のシリコン液室形成時のエッチング選択性を有する膜である。
【0097】
次いで、同図(b)に示すように、基板80の全面にCVD法により酸化シリコン膜84を形成する。ここで、酸化シリコン膜84の成膜方法としては、プラズマCVD、スパッタ、HTOなどがあるが、絶縁耐圧、耐久性などの点でHTOが好ましい。
【0098】
そして、同図(c)に示すように、酸化シリコン膜84の表面に電極14を形成するためのポリシリコン85を5μmの厚みに成膜し、上面のポリシリコン層をエッチング除去する。
【0099】
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85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を間隔1μm、0.5μmの線幅でエッチングして、電極14及び前述したスペーサ25を形成する。このとき、酸化シリコン膜84がエッチングストップ層をなすため、振動板の主たる層となる多結晶シリコン83に対するダメージが防止できた。なお、電極14の形状は図4に示したような櫛歯形状とした。
【0100】
次いで、図24(a)に示すように、全面に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86を形成し、同図(b)に示すようにシリコン窒化膜86上に吐出室6や共通液室8などの液室形状のレジストパターンを形成し、次に、レジストの開口部のシリコン窒化膜86と酸化シリコン膜83をドライエッチによりエッチング除去し、レジストを除去して、マスクパターンを形成する。
【0101】
その後、同図(c)に示すように、80℃の25wt%の水酸化カリウム水溶液でシリコン窒化膜86及び酸化シリコン膜83の開口部をエッチングする。エッチングが酸化シリコン膜82に達すると、酸化シリコン膜82はほとんどエッチングされないので、振動板の主たる層となる多結晶シリコン83へのエッチングダメージは発生しなかった。
【0102】
ここでは、ベース基板81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。また、ここでは、エッチング液として、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。
【0103】
その後、同図(d)に示すように、シリコン窒化膜86を熱リン酸によって除去する。
【0104】
このようにして、厚さ50nmの酸化シリコン膜82、500nmの厚さの多結晶シリコン膜83、50nmの酸化シリコン膜83の積層膜からなる振動板90及び吐出室6が完成する。
【0105】
次に、本発明の第10実施形態に係るインクジェットヘッドについて図25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要部断面説明図である。
この実施形態では、振動板100は、液室形成時のシリコンエッチングに対してエッチング選択性を有する膜100Aとしての窒化シリコン膜100Aaと酸化シリコン膜100Abとの積層膜と、主たる層であるCVD法によって形成した後にボロン原子を導入した多結晶シリコン膜100Bと、電極形成時に電極材であるシリコンエッチングに対してエッチング選択性を有する酸化シリコン膜100Cとからなる積層膜である。
【0106】
なお、液室形成時のシリコンエッチングに対してエッチング選択性を有する膜100Aとしての窒化シリコン膜100Aaの膜厚は50nm、同じく酸化シリコン膜100Abの膜厚は50nmとし、主たる層であるボロン原子を導入した多結晶シリコン膜100Bの膜厚は1.0μmとし、酸化シリコン膜100Cの膜厚は50nmとした。
【0107】
このように、液室形成時のシリコンエッチング時にシリコンエッチングに選択性を有する窒化シリコン膜100Aaと酸化シリコン膜100Abの積層膜と、電極材のシリコンエッチングに選択性を有する酸化シリコン膜100Cを設けたので、各エッチング工程時に多結晶シリコン膜100Bへのエッチングダメージは全く発生せず高精度の振動板を形成できる。
【0108】
また、CVD法によって多結晶シリコン膜100Bを形成したので、膜厚の制御性が良く高精度の振動板を形成できる。さらに、多結晶シリコン膜100Bにボロンを含有させることにより多結晶シリコン100Bの内部応力を制御することができるため、撓みのない平坦な振動板が実現でき、電極対(14、14)に発生する静電引力の振動板面内バラツキを低減できる。
【0109】
次に、本発明の第11実施形態に係るインクジェットヘッドについて図26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要部断面説明図である。
この実施形態では、振動板110は、液室形成時のシリコンエッチングに対してエッチング選択性を有する膜110Aとしての窒化シリコン膜110Aaと酸化シリコン膜110Abとの積層膜と、主たる層であるCVD法によって形成した後にボロン原子を導入した窒化シリコン膜110Bと、電極形成時に電極材であるシリコンエッチングに対してエッチング選択性を有する酸化シリコン膜110Cとからなる積層膜である。
【0110】
なお、液室形成時のシリコンエッチングに対してエッチング選択性を有する膜110Aとしての窒化シリコン膜110Aaの膜厚は50nm、同じく酸化シリコン膜110Abの膜厚は50nmとし、主たる層であるボロン原子を導入した窒化シリコン膜110Bの膜厚は150nmとし、酸化シリコン膜110Cの膜厚は50nmとした。
【0111】
このように、液室形成時のシリコンエッチング時にシリコンエッチングに選択性を有する窒化シリコン膜110Aaと酸化シリコン膜110Abの積層膜と、電極材のシリコンエッチングに選択性を有する酸化シリコン膜110Cを設けたので、各エッチング工程時に窒化シリコン膜110Bへのエッチングダメージは全く発生せず高精度の振動板を形成できる。
【0112】
また、CVD法によって窒化シリコン膜110Bを形成したので、膜厚の制御性が良く高精度の振動板を形成できる。さらに、窒化シリコン膜110Bにボロンを含有させることにより窒化シリコン110Bの内部応力を引張り応力に制御することができるため、撓みのない平坦な振動板が実現でき、電極対(14、14)に発生する静電引力の振動板面内バラツキを低減できる。
【0113】
次に、第12実施形態に係るインクジェットヘッドについてその製造工程とともの図27及び図28を参照して説明する。
先ず、図27(a)に示すように、(110)を面方位とする厚さ400μmのシリコン基板121をベース基板とし、液室形成時のシリコンエッチングに対して選択性を有する厚さ50nmの窒化シリコン膜122aと厚さ50nmの酸化シリコン膜122bの積層膜122を成膜し、この積層膜122に膜厚150nmで窒化シリコン膜123を形成した基板120を用意する。
【0114】
ここで、窒化シリコン膜123は引っ張り応力を維持したまま内部応力を緩和するするためにボロンやリン原子を導入するのが好ましいので、ボロン原子をイオン注入法によって導入した。また、窒化シリコン膜122aと酸化シリコン膜122bの積層膜122は後工程のシリコン液室形成時のエッチング選択性を有する膜である。さらに、窒化シリコン膜123、122aと酸化シリコン膜122bはCVD法によって形成する。
【0115】
次いで、同図(b)に示すように、全面にCVD法により酸化シリコン膜124を膜厚50nmに形成する。ここで、酸化シリコン膜124の成膜方法としては、プラズマCVD、スパッタ、HTOなどがあるが、絶縁耐圧、耐久性などの点でHTOが好ましい。
【0116】
その後、同図(c)に示すように、窒化シリコン膜124の表面にポリシリコン層125を5μmの膜厚で成膜し、上面のポリシリコン層125をエッチング除去する。
【0117】
そして、同図(d)に示すように、フォトリソによりポリシリコン層125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125を間隔1μm、0.55μmの線幅でエッチングし電極14及びスペーサ25を形成する。このとき酸化シリコン膜124がエッチングストップ層をなすため窒化シリコン膜123に対するダメージを防止できる。電極14の形状は図4に示すように櫛の形状とした。
【0118】
次いで、図28(a)に示すように、全面に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126を形成する。そして、同図(b)に示すように、シリコン窒化膜126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形成し、レジストの開口部のシリコン窒化膜126と酸化シリコン膜124をドライエッチによりエッチング除去し、レジストを除去して、マスクパターンを形成する。
【0119】
その後、同図(c)に示すように、80℃の25wt%の水酸化カリウム水溶液でシリコン窒化膜126及び酸化シリコン膜124の開口部をエッチングする。このとき、窒化シリコン膜122a上でエッチングはストップし、更に酸化シリコン膜122bが積層されていることからエッチング選択性が向上しマージンが向上した。この結果、更に下に形成されている窒化シリコン膜123に対しては全くダメージを与えることがなくなる。
【0120】
ここでは、ベース基板121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を高密度に並べることができる。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を用いることもできる。
【0121】
その後、同図(d)に示すように、シリコン窒化膜126を熱リン酸によって除去する。このようにして、厚さ50nmの窒化シリコン膜122aと50nmの酸化シリコン膜122b、150nmの厚さの引っ張り応力を有する窒化シリコン膜123、50nmの酸化シリコン膜124の積層振動板130および吐出室6が完成する。
【0122】
次に、第13実施形態に係るインクジェットヘッドについて図29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、第3実施形態のインクジェットヘッドにおける電極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。
【0123】
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。
【0124】
ここで、絶縁膜26としては熱酸化膜を用いることができる。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。
【0125】
この場合、熱酸化膜は約44%のシリコンを消費しながら成長する。図30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(絶縁膜26)を性膜すると、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。
【0126】
熱酸化膜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。
【0127】
【数2】
Figure 0003904438
【0128】
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。
【0129】
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。
【0130】
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。
【0131】
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。
【0132】
また、絶縁膜26としては堆積絶縁膜を用いることもできる。堆積絶縁膜は、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。
【0133】
堆積絶縁膜の例として高温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。
【0134】
ここで、堆積絶縁膜(絶縁膜26)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の堆積絶縁膜を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。
【0135】
【数3】
Figure 0003904438
【0136】
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、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、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。
【0137】
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。
【0138】
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。
【0139】
さらに、電極14の表面に導電性の膜を形成することもできる。導電性の膜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、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。
【0140】
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。
【0141】
次に、第14実施形態に係るインクジェットヘッドについて図31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。)154を設けるとともに、振動板10の短手方向端部側に固定電極154から複数の電極(これを、可動電極という。)155をそれぞれ所定の間隔を置いて設けている。なお、その他の構成は第3実施形態と同様である。
【0142】
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154及び1つおきの可動電極155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154及び1つおきの可動電極155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155との間で、図32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。
【0143】
そして、電極154、155の電位が0Vに戻ると、電極154、155間、155、155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。
【0144】
次に、第15実施形態に係るインクジェットヘッドについて図33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3実施形態と前記第14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154を設けるとともに、振動板10に固定電極154から複数の可動電極155をそれぞれ所定の間隔を置いて設けている。
【0145】
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154及び振動板短手方向端部側の可動電極155の群(端部側可動電極群)の1つおきの可動電極155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154、及び端部側可動電極群の1つおきの可動電極155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155との間で、前記図32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。
【0146】
そこで、固定電極155への電圧印加を解除するとともに、中央部の可動電極155を含めて、すべての可動電極155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155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155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。
【0147】
次に、第16実施形態に係るインクジェットヘッドについて図34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3実施形態の振動板10を用いて、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、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157を形成している。
【0148】
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。
【0149】
次に、第17実施形態に係るインクジェットヘッドについて図35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6実施形態の振動板50を用いて、振動板50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155を設け、振動板50の短手方向両端部では吐出室6側に前記複数の電極155を設けるとともに、吐出室6側の最端部の電極155に対向して固定電極154を配置したものである。なお、電極154、155がインクによって腐食等されるのを防止するため、電極154、155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157を形成している。
【0150】
このように構成したので、固定電極154と振動板50の両端部側の電極155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50の中央部側の電極155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50は上下の電極155の変位によって吐出室6側に変形する。この場合、振動板50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50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。
【0151】
次に、本発明に係るインクカートリッジについて図36を参照して説明する。このインクカートリッジ200は、ノズル孔201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201と、このインクジェットヘッド201に対してインクを供給するインクタンク202とを一体化したものである。
【0152】
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。
【0153】
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37及び図38を参照して説明する。なお、図37は同記録装置の斜視説明図、図38は同記録装置の機構部の側面説明図である。
【0154】
このインクジェット記録装置は、記録装置本体211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212等を収納し、装置本体211の下方部には前方側から多数枚の用紙213を積載可能な給紙カセット(或いは給紙トレイでもよい。)214を抜き差し自在に装着することができ、また、用紙213を手差しで給紙するための手差しトレイ215を開倒することができ、給紙カセット214或いは手差しトレイ215から給送される用紙213を取り込み、印字機構部212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216に排紙する。
【0155】
印字機構部212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221と従ガイドロッド222とでキャリッジ223を主走査方向(図38で紙面垂直方向)に摺動自在に保持し、このキャリッジ223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224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223にはヘッド224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225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。
【0156】
インクカートリッジ225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。
【0157】
また、記録ヘッドとしてここでは各色のヘッド224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。
【0158】
ここで、キャリッジ223は後方側(用紙搬送方向下流側)を主ガイドロッド221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222に摺動自在に載置している。そして、このキャリッジ223を主走査方向に移動走査するため、主走査モータ227で回転駆動される駆動プーリ228と従動プーリ229との間にタイミングベルト230を張装し、このタイミングベルト230をキャリッジ223に固定しており、主走査モーター227の正逆回転によりキャリッジ223が往復駆動される。
【0159】
一方、給紙カセット214にセットした用紙213をヘッド224の下方側に搬送するために、給紙カセット214から用紙213を分離給装する給紙ローラ231及びフリクションパッド232と、用紙213を案内するガイド部材233と、給紙された用紙213を反転させて搬送する搬送ローラ234と、この搬送ローラ234の周面に押し付けられる搬送コロ235及び搬送ローラ234からの用紙213の送り出し角度を規定する先端コロ236とを設けている。搬送ローラ234は副走査モータ237によってギヤ列を介して回転駆動される。
【0160】
そして、キャリッジ223の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラ234から送り出された用紙213を記録ヘッド224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239を設けている。この印写受け部材239の用紙搬送方向下流側には、用紙213を排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送コロ241、拍車242を設け、さらに用紙213を排紙トレイ216に送り出す排紙ローラ243及び拍車244と、排紙経路を形成するガイド部材245,246とを配設している。
【0161】
記録時には、キャリッジ223を移動させながら画像信号に応じて記録ヘッド224を駆動することにより、停止している用紙213にインクを吐出して1行分を記録し、用紙213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213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213を排紙する。この場合、ヘッド224を構成する本発明に係るインクジェットヘッドは滴吐出効率が高いので、安定して高い画像品質の画像を記録することができる。
【0162】
また、キャリッジ223の移動方向右端側の記録領域を外れた位置には、ヘッド224の吐出不良を回復するための回復装置247を配置している。回復装置247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223は印字待機中にはこの回復装置247側に移動されてキャッピング手段でヘッド224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。
【0163】
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224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。
【0164】
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。
【0165】
次に、本発明に係るマイクロポンプについて図39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301と保護基板302とを重ねて接合した積層構造となっており、流路基板301には流体が流れる流路303を形成するとともに、流路303の一壁面を形成する前記液滴吐出ヘッドの実施形態で説明したような変形可能な単層又は積層の絶縁性薄膜、主たる層(シリコン膜或いは窒化シリコン膜)と絶縁性薄膜の積層膜などの可動板304(ここでは窒化シリコン膜304Aと酸化シリコン膜304Bの積層膜で図示している。)を設け、可動板304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。
【0166】
そして、可動部分305の流路303側の反対の面に、前記インクジェットヘッドと同様に、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。
【0167】
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が流路303側に変形する。ここで、可動部分305を図中右側から順次駆動することによって流路303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。
【0168】
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。
【0169】
次に、本発明に係る光学デバイスの実施形態について図40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401と保護基板402とを重ねて接合している。ミラー401は、前記液滴吐出ヘッドの実施形態で説明したような変形可能な単層又は積層の絶縁性薄膜、主たる層(シリコン膜或いは窒化シリコン膜)と絶縁性薄膜の積層膜などで構成でき、ここでは主たる層401Aと絶縁性薄膜401Bの積層膜としている。
【0170】
このミラー401の保護基板402と接合固定しない部分は可動部分405となっている。そして、可動部分405には複数の電極407を所定の間隔を置いて設けている。保護基板402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407を配置するための凹部408を形成している。ここでは、保護基板402は平板板基板にスペーサ部409を設けることで凹部408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。
【0171】
この光学デバイスの原理を説明すると、ミラー401の可動部分405に設けた複数の電極407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407間で静電吸引力が生じるので、可動部分405が凸状に変形して凸面ミラーとなる。したがって、光源410からの光がレンズ411を介してミラー401に照射した場合、ミラー401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401を可動部分405を駆動した場合はその可動部分405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。
【0172】
そこで、この光学デバイスを応用した例を図41及び図42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405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。また、電極407は可動部分405の面において格子状に分離している(前記液滴吐出ヘッドの実施形態においても、この電極405と同様に、電極14を格子状に分離することもできる。)。
【0173】
したがって、前述した図40と同様に、光源410からの光はレンズ411を介してミラー401に照射され、ミラー401を駆動していないところに入射した光は、投影用レンズ412へ入射する。一方、電極407に電圧を印加してミラー401の可動部分405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412にほとんど入射しない。この投影用レンズ412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。
【0174】
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。
【0175】
【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、絶縁性薄膜で形成した振動板の両面、または、片方の面に電気的に互いに絶縁分離された導電性を有する構造体からなる少なくとも2つの電極を設け、電極間に静電力を発生させ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。
【0176】
本発明に係る液滴吐出ヘッドによれば、絶縁性薄膜で形成した振動板の両面、または、片方の面に導電性を有する構造体からなる少なくとも1つの電極を設けるとともに、振動板を固定する壁面部に前記電極に所定の間隔を置いて対向する電極を設け、前記電極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。
【0177】
これらの本発明に係る液滴吐出ヘッドにおいては、振動板を形成する絶縁性薄膜は絶縁膜の積層膜とすることで各膜の応力を個別に制御できて、内部応力による振動板の挫屈撓み変形が防止でき、また、積層膜のためピンホールの発生を防止できる。
【0178】
また、振動板を形成する絶縁性薄膜は絶縁膜は引張り応力を有していることで、振動板の挫屈による撓み変形を回避でき、電極対に発生する静電引力の振動板面内バラツキを低減でき、更に振動板の実効的な剛性をを向上させることができてより薄い振動板で液滴を吐出できるようになる。
【0179】
この場合、引張り応力を有する絶縁膜として窒化シリコン膜を用いることで、液室をシリコン基板で形成するときのエッチングストッパとして機能して高精度の振動板を形成できる。この窒化シリコン膜の厚さは10nm〜900nmの範囲内とすることで、剛性の確保と、低電圧駆動化を図れる。更に窒化シリコン膜には不純物原子が含まれていることで、容易に引っ張り応力を維持したまま応力緩和を実現できる。
【0180】
また、振動板を形成する絶縁性薄膜を有機樹脂膜とすることで、ヤング率が小さい材料が多いことからより厚い振動板を形成することができ、振動板のピンホール欠陥を防止できる。この有機樹脂膜としてポリイミド膜を用いることで、液の耐腐食性が向上し、化学的性質の液体も吐出することができる。
【0181】
本発明に係る液滴吐出ヘッドによれば、シリコンとこのシリコンの吐出室と反対側の面に設けた絶縁性薄膜の積層膜で形成した振動板の絶縁性薄膜の面に電気的に互いに絶縁分離された導電性を有する構造体からなる少なくとも2つの電極を設け、電極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、また振動板の厚み制御が容易になる。
【0182】
また、本発明に係る液滴吐出ヘッドによれば、シリコンとこのシリコンの吐出室と反対側の面に設けた絶縁性薄膜の積層膜で形成した振動板の絶縁性薄膜の面に導電性を有する構造体からなる少なくとも1つの電極を設けるとともに、固定部に前記電極に所定の間隔を置いて対向する電極を設け、電極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、また振動板の厚み制御が容易になる。
【0183】
これらの各本発明に係る液滴吐出ヘッドにおいて、振動板のシリコンには伝導型がn型又はp型の不純物原子が含まれていることで、異方性エッチングを行うときのエッチングストッパとして機能させて、高精度の振動板を形成することができる。
【0184】
本発明に係る液滴吐出ヘッドによれば、主たる層とシリコンエッチングに対して選択性を有する膜で形成した振動板の両面、または、片方の面に電気的に互いに絶縁分離された導電性を有する構造体からなる少なくとも2つの電極を設け、電極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、またエッチングで液室を形成するときの振動板の主たる層に対するエッチングダメージを防止でき、より高精度の振動板を形成できる。
【0185】
また、本発明に係る液滴吐出ヘッドによれば、主たる層とシリコンエッチングに対して選択性を有する膜で形成した振動板の両面、または、片方の面に導電性を有する構造体からなる少なくとも1つの電極を設けるとともに、振動板を固定する壁面部に前記電極に所定の間隔を置いて対向する電極を設け、電極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、またエッチングで液室を形成するときの振動板の主たる層に対するエッチングダメージを防止でき、より高精度の振動板を形成できる。
【0186】
さらに、本発明に係る液滴吐出ヘッドによれば、シリコンエッチングに対してエッチング選択性を有する膜/主たる層/電極材料のエッチングに対して選択性を有する膜で形成した振動板の両面、または、片方の面に電気的に互いに絶縁分離された導電性を有する構造体からなる少なくとも2つの電極を設け、電極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、またエッチングで液室及び電極を形成するときの振動板の主たる層に対するエッチングダメージを防止でき、より高精度の振動板を形成できる。
【0187】
さらにまた、本発明に係る液滴吐出ヘッドによれば、シリコンエッチングに対してエッチング選択性を有する膜/主たる層/電極材料のエッチングに対して選択性を有する膜で形成した振動板の両面、または、片方の面に導電性を有する構造体からなる少なくとも1つの電極を設けるとともに、振動板を固定する壁面部に前記電極に所定の間隔を置いて対向する電極を設け、電極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、またエッチングで液室及び電極を形成するときの振動板の主たる層に対するエッチングダメージを防止でき、より高精度の振動板を形成できる。
【0188】
これらの各本発明に係る液滴吐出ヘッドにおいては、シリコンエッチングに対してエッチング選択性を有する膜は、シリコン酸化膜、或いはシリコン窒化膜とシリコン酸化膜の積層膜であることで、振動板に対するエッチングダメージをより確実に防止できる。また、電極材料のエッチングに対してエッチング選択性を有する膜はシリコン酸化膜であることで、振動板に対するエッチングダメージをより確実に防止できる。さらに、主たる層が引張り応力を有していることで、振動板の挫屈による撓み変形を回避でき、電極対に発生する静電引力の振動板面内バラツキを低減でき、更に振動板の実効的な剛性をを向上させることができてより薄い振動板で液滴を吐出できるようになる。
【0189】
また、主たる層は窒化シリコン膜とすることで容易に引張り応力を維持したまま応力制御することができるようになり、或いはシリコンとすることで堆積法や研磨法を用い主たる層を形成できて厚み制御性が向上する。さらに、振動板の厚みが5μm以下とすることで、剛性を確保しつつ低電圧駆動化を図れる。
【0190】
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。
【0191】
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。
【0192】
本発明に係るマイクロアクチュエータによれば、絶縁性薄膜で形成した可動部分の両面、または、片方の面に電気的に互いに絶縁分離された導電性を有する構造体からなる少なくとも2つの電極を設け、前記電極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。
【0193】
本発明に係るマイクロアクチュエータによれば、絶縁性薄膜で形成した可動部分の両面、または、片方の面に導電性を有する構造体からなる少なくとも1つの電極を設けるとともに、可動部分を固定する壁面部に可動部分の電極に所定の間隔を置いて対向する電極を設け、電極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。
【0194】
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、絶縁性薄膜で形成した可動部分の両面、または、片方の面に電気的に互いに絶縁分離された2つの電極を設け、電極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。
【0195】
本発明に係る光変調デバイスによれば、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変調デバイスであって、絶縁性薄膜で形成した可動部分の両面、または、片面に電気的に互いに絶縁分離された2つの電極を設け、電極間に静電力を作用させることによって可動部分を変形させてミラーを変位させるので、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長手方向に沿う断面説明図
【図7】同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3実施形態に係るインクジェットヘッドの振動板長手方向に沿う断面説明図
【図9】同ヘッドの振動板短手方向に沿う要部断面説明図
【図10】同第4、第5実施形態に係るインクジェットヘッドの振動板長手方向に沿う断面説明図
【図11】同ヘッドの振動板短手方向に沿う要部断面説明図
【図12】同実施形態に係るインクジェットヘッドの他の例を示す振動板短手方向に沿う要部断面説明図
【図13】同実施形態に係るインクジェットヘッドの更に他の例を示す振動板短手方向に沿う要部断面説明図
【図14】同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15】図14に続く工程を説明する説明図
【図16】図15に続く工程を説明する説明図
【図17】同第6実施形態に係るインクジェットヘッドの振動板長手方向に沿う断面説明図
【図18】同ヘッドの振動板短手方向に沿う要部断面説明図
【図19】同第7実施形態に係るインクジェットヘッドの振動板長手方向に沿う断面説明図
【図20】同ヘッドの振動板短手方向に沿う要部断面説明図
【図21】同第8実施形態に係るインクジェットヘッドの振動板長手方向に沿う断面説明図
【図22】同ヘッドの振動板短手方向に沿う要部断面説明図
【図23】同第9実施形態に係るインクジェットヘッドをその製造工程とともに説明する振動板短手方向に沿う断面説明図
【図24】図23に続く工程を説明する説明図
【図25】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断面説明図
【図26】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断面説明図
【図27】同第12実施形態に係るインクジェットヘッドをその製造工程とともに説明する振動板短手方向に沿う断面説明図
【図28】図27に続く工程を説明する説明図
【図29】同第13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断面説明図
【図30】同ヘッドの電極部分の拡大説明図
【図31】同第14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断面説明図
【図32】同ヘッドの作用説明に供する説明図
【図33】同第15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34】同第16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35】同第17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36】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37】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38】同記録装置の機構部の説明図
【図39】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40】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41】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42】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、20、50、60、70、90、100、110…振動板、14…電極、154…固定電極、155…可動電極、200…インクカートリッジ、301…流路基板、303…流路、305…可動部分、307…電極、401…ミラー、405…可動部分、407…電極。[0001]
[Industrial application fields]
  The present invention relates to a droplet discharge head, an ink cartridge, an ink jet recording apparatus, a microactuator, a micropump, and an optical device., Image forming apparatus, and apparatus for ejecting liquid dropletsAbout.
[0002]
[Prior art]
An ink jet head, which is a liquid droplet ejection head used in an image recording apparatus such as a printer, a facsimile machine, a copying apparatus, or the like or an image forming apparatus, has a single or a plurality of nozzle holes for ejecting ink droplets, and the nozzle holes. A discharge chamber (also referred to as an ink chamber, a liquid chamber, a pressurized liquid chamber, a pressure chamber, an ink flow path, etc.) communicating with the pressure chamber, and a pressure generating means for generating a pressure for pressurizing the ink in the discharge chamber. Ink droplets are ejected from the nozzle holes by pressurizing the ink in the ejection chamber with the pressure generated by the pressure generating means.
[0003]
Examples of the droplet discharge head include a droplet discharge head that discharges a liquid resist as a droplet, and a droplet discharge head that discharges a DNA sample as a droplet. The following description will focus on an inkjet head. . Also, microactuators constituting the actuator part of the droplet discharge head, for example, optical devices such as micropumps and micro light modulation devices, micro switches (micro relays), actuators for multi optical lenses (optical switches), micro flow meters, pressures It can also be applied to sensors and the like.
[0004]
By the way, as a droplet discharge head, a piezoelectric type that discharges ink droplets by deforming and displacing a vibration plate forming a wall surface of a discharge chamber using an electromechanical conversion element such as a piezoelectric element as pressure generating means. A bubble type (thermal type) that discharges ink droplets by generating bubbles by boiling an ink film using an electrothermal conversion element such as a heating resistor disposed in the discharge, and forming the wall surface of the discharge chamber There is an electrostatic type that ejects ink droplets by deforming a diaphragm with an electrostatic force.
[0005]
In recent years, bubble-type and electrostatic types that are lead-free have attracted attention due to environmental problems, and in addition to lead-free, a plurality of electrostatic types that have little influence on the environment from the viewpoint of low power consumption have been proposed.
[0006]
Some of these electrostatic heads are driven by a pushing method in which ink droplets are ejected by pushing the vibration plate into the ink chamber side to reduce the internal volume of the ink chamber, and the vibration plate in the direction outside the ink chamber. Some of them are driven by a striking method in which ink droplets are ejected by returning the displacement of the diaphragm so that the inner volume of the ink chamber is expanded from the state in which the inner volume is expanded by the force of.
[0007]
As a press-type electrostatic head, for example, as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-266944, ink is filled between a pair of electrodes, and one or both electrodes are diaphragms. In some cases, electrostatic attraction works between the electrodes by applying a voltage between the electrodes, and the electrodes (vibrating plates) are deformed, thereby ejecting and ejecting ink. Further, as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-15805, a protrusion is provided on the surface of a diaphragm made of a silicon substrate, an electrode is formed on the protrusion, and a voltage is applied to the electrodes, thereby providing a gap between the protrusions. In some cases, the diaphragm is deformed by an electrostatic force acting on the ink, and ink is ejected.
[0008]
For example, as described in JP-A-6-71882, a pair of electrode pairs are provided via an air gap, and one electrode functions as a diaphragm, and the diaphragm is opposed to the diaphragm. An ink chamber filled with ink is formed on the opposite side of the electrode to be applied. By applying a voltage between the electrodes (between the diaphragm and the electrode), an electrostatic attractive force acts between the electrodes, and the electrode (the diaphragm) is deformed. In some cases, when the voltage is removed, the diaphragm returns to its original state by an elastic force, and ink is ejected using the force. Further, as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-47624, a vibration plate is provided on one side of an electrode pair which is formed in a comb shape and is nested, and a voltage is applied to the electrode pair so In some cases, an electrostatic force is generated at the same time, the diaphragm is deformed by the displacement of the electrode, and ink is ejected by the elastic force of the diaphragm when the voltage is turned off.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the liquid droplet ejection head described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-26643, the distance between the electrodes is inevitably increased because the ink is filled between the electrodes. Since the electrostatic force acting between the electrodes is inversely proportional to the square of the distance between the electrodes, there is a problem that the required voltage becomes very large as the distance between the electrodes increases. In this case, the voltage can be lowered to some extent depending on the dielectric constant of the ink, but it is not very effective because the influence of the distance between the electrodes is large. In addition, the degree of freedom of the ink is reduced because the dielectric constant of the ink needs to be increased or an electric field is applied to the ink. For this reason, there is a problem in that it is difficult to improve image quality due to restrictions on ink physical properties such as ink color, pH, and viscosity.
[0010]
Further, in the liquid droplet ejection head described in JP-A-6-71882, ink is not filled between the electrodes, so there are few restrictions on the ink and it is advantageous for high image quality. However, in order to reduce the voltage, the air gap between the electrodes must be made very small. It is very difficult to form such a small gap with high accuracy and little variation, and the yield does not increase. There is a problem. In addition, since the ink is ejected by the elastic force of the diaphragm, it is a so-called striking method. Therefore, the diaphragm needs to be rigid enough to eject ink, and the voltage is used to attract such a rigid diaphragm with electrostatic force. There is a problem that becomes high.
[0011]
Further, in the droplet discharge head described in Japanese Patent Laid-Open No. 2001-47624, since the comb-like electrode is used, the displacement can be increased, but the generated force is very small and the ink is discharged. If you try to get enough power to generate, the voltage will be very high. Moreover, since the structure is complicated, it is difficult to manufacture, and there is a problem that the cost becomes high.
[0012]
Further, in the droplet discharge head described in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-15805, a protrusion is provided on a diaphragm formed of a conductive silicon substrate, and an electrode of a conductive member is formed on the protrusion. Therefore, there is a problem that the electrodes have the same potential through the silicon diaphragm and no electrostatic force is generated, and the diaphragm cannot be deformed. Moreover, it is necessary to form a protrusion on the diaphragm and attach an electrode to this protrusion, and it is difficult to attach an electrode to the surface of such a three-dimensional microstructure, and there is a portion where the electrode is not well formed. There is a problem that the production cannot be stably performed and the yield is poor due to variations or variations. Furthermore, in order to reduce the voltage, the interval between the protrusions must be narrowed. However, it is difficult to form an electrode in such a narrow interval, and if an electrode is formed between the narrow protrusions, a short circuit occurs. Defects that occur may occur. In addition, it is impossible to form electrodes on the protrusions by a general method because a photolithographic process with a three-dimensional structure is difficult to perform resist coating, exposure, etc. There is a problem that the manufacturing process becomes long and the cost becomes high.
[0013]
  The present invention has been made in view of the above problems, and is a low-cost, high-efficiency droplet-discharging head capable of high-quality printing, an ink cartridge that integrates this head, and high-quality recording. Inkjet recording device, low cost, high driving efficiency microactuator, micropump, optical device, Image forming device capable of high-quality recording, device for ejecting droplets with high droplet ejection efficiencyThe purpose is to provide.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, a liquid droplet ejection head according to the present invention is formed from a conductive structure that is electrically insulated and separated from both surfaces of a diaphragm formed of an insulating thin film or one surface. The diaphragm is deformed by providing at least two electrodes and generating an electrostatic force between the electrodes.
[0015]
  In addition, the droplet discharge head according to the present invention is provided with at least one electrode made of a conductive structure on both surfaces of the diaphragm formed of an insulating thin film or on one surface,Wall part to fix the diaphragmAn electrode that is opposed to the electrode at a predetermined interval is provided, and the diaphragm is deformed by generating an electrostatic force between the electrodes.Is a thing.
[0016]
In these droplet discharge heads according to the present invention, the insulating thin film forming the vibration plate is preferably a laminated film of insulating films. In addition, the insulating thin film forming the diaphragm preferably has a tensile stress. In this case, the insulating film having the tensile stress is a silicon nitride film, and the thickness of the silicon nitride film is It is preferable that it is in the range of 10 nm to 900 nm, and that the silicon nitride film contains impurity atoms.
[0017]
The insulating thin film forming the diaphragm is preferably an organic resin film, and the organic resin film is preferably a polyimide film.
[0018]
The droplet discharge head according to the present invention is electrically insulated and separated from the surface of the insulating thin film of the diaphragm formed of a laminated film of silicon and an insulating thin film provided on the surface opposite to the silicon discharge chamber. The diaphragm is deformed by providing at least two electrodes made of a conductive structure and generating an electrostatic force between the electrodes.
[0019]
  Further, the droplet discharge head according to the present invention has a structure having conductivity on the surface of the insulating thin film of the diaphragm formed of a laminated film of silicon and an insulating thin film provided on the surface opposite to the silicon discharge chamber. Providing at least one electrode of the body,Wall part to fix the diaphragmAn electrode facing the electrode at a predetermined interval is provided, and the diaphragm is deformed by generating an electrostatic force between the electrodes.
[0020]
In the droplet discharge head according to each of the present inventions, it is preferable that the silicon of the vibration plate contains n-type or p-type impurity atoms.
[0021]
The droplet discharge head according to the present invention has a conductive structure in which both sides of a diaphragm formed of a main layer and a film having selectivity with respect to silicon etching, or one surface is electrically insulated and separated from each other. The diaphragm is deformed by providing at least two electrodes composed of a body and generating an electrostatic force between the electrodes.
[0022]
  In addition, the droplet discharge head according to the present invention includes a main layer and a film having selectivity with respect to silicon etching.Consisting ofWhile providing at least one electrode made of a conductive structure on both surfaces of the diaphragm or one surface,Wall part to fix the diaphragmAn electrode facing the electrode at a predetermined interval is provided, and the diaphragm is deformed by generating an electrostatic force between the electrodes.
[0023]
Furthermore, the liquid droplet ejection head according to the present invention includes a film having etching selectivity with respect to silicon etching / a main layer / both surfaces of a diaphragm formed with a film having selectivity with respect to etching of an electrode material, or one side. The diaphragm is deformed by providing at least two electrodes made of electrically conductive structures that are electrically insulated and separated from each other, and generating an electrostatic force between the electrodes.
[0024]
  Furthermore, the droplet discharge head according to the present invention includes a film having etching selectivity with respect to silicon etching / a main layer / film having selectivity with respect to etching of an electrode material.Consisting ofWhile providing at least one electrode made of a conductive structure on both surfaces of the diaphragm or one surface,Wall part to fix the diaphragmAn electrode facing the electrode at a predetermined interval is provided, and the diaphragm is deformed by generating an electrostatic force between the electrodes.
[0025]
In each of the droplet discharge heads according to the present invention, the film having etching selectivity with respect to silicon etching is preferably a silicon oxide film or a laminated film of a silicon nitride film and a silicon oxide film. The film having etching selectivity with respect to the etching of the electrode material is preferably a silicon oxide film. Furthermore, it is preferable that the main layer has a tensile stress.
[0026]
The main layer is preferably a silicon nitride film or silicon. Further, the thickness of the diaphragm is preferably 5 μm or less.
[0027]
The ink cartridge according to the present invention is obtained by integrating the droplet discharge head according to the present invention that discharges ink droplets and an ink tank that supplies ink to the droplet discharge head.
[0028]
  In the ink jet recording apparatus according to the present invention, the ink jet head for ejecting ink droplets is the liquid droplet ejecting head or the ink cartridge according to the present invention.
  The image forming apparatus and the apparatus for ejecting droplets according to the present invention include the droplet ejection head according to the present invention.
[0029]
The microactuator according to the present invention is provided with at least two electrodes composed of electrically conductive structures that are electrically insulated and separated from each other on one side or both sides of a movable part formed of an insulating thin film. The movable part is deformed by generating an electrostatic force.
[0030]
  The microactuator according to the present invention is an insulating thin film.Consist ofWhile providing at least one electrode made of a conductive structure on both sides of the movable part or one side,Wall part to fix the movable partAn electrode facing the electrode of the movable part with a predetermined interval is provided, and the movable part is deformed by generating an electrostatic force between the electrodes.
[0031]
The micropump according to the present invention is a micropump for transporting a liquid by deformation of a movable part, and two of the movable part formed of an insulating thin film and electrically insulated and separated from each other on one side. The movable part is deformed by providing an electrode and generating an electrostatic force between the electrodes.
[0032]
The optical device according to the present invention is an optical device that changes the reflection direction of light by displacement of a mirror formed on a movable part, and is electrically insulated from both sides or one side of the movable part formed of an insulating thin film. The two separated electrodes are provided, and the movable part is deformed by generating an electrostatic force between the electrodes.
[0033]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is an exploded perspective view of the ink jet head according to the first embodiment of the droplet discharge head of the present invention, and is a partial cross-sectional view. 2 is a sectional explanatory view of the head in the longitudinal direction of the diaphragm, FIG. 3 is a sectional explanatory view of the head in the lateral direction of the diaphragm, and FIG. 4 is an explanatory plan view showing an electrode arrangement pattern of the head.
[0034]
This ink jet head is of a side shooter type that discharges ink droplets from nozzle holes provided on the surface of the substrate, and includes three first, second, and third substrates 1 having the structure described in detail below. A plurality of nozzle holes 4 for discharging ink droplets, a discharge chamber 6 in which each nozzle hole 4 communicates, and each discharge chamber 6 via a fluid resistance portion 7 A common liquid chamber (common ink chamber) 8 for supplying the liquid is formed.
[0035]
The intermediate first substrate 1 is made of a silicon substrate and has a through portion for forming the discharge chamber 6 and a through portion for forming a common liquid chamber 8 for supplying ink to each discharge chamber 6. The diaphragm 10 formed of an insulating thin film that also serves as the bottom wall of the discharge chamber 6 and the common liquid chamber 8 is joined to the bottom surface of the first substrate 1.
[0036]
The insulating thin film forming the diaphragm 10 is formed of a silicon nitride film 10A which is an insulating film having a tensile stress. The thickness of the silicon nitride film 10A is in the range of 10 nm to 900 nm. By setting it within this range, the diaphragm 10 can be driven at a low voltage (deform the diaphragm 10) while ensuring sufficient rigidity.
[0037]
Impurity atoms are introduced into the silicon nitride film 10A. Here, the impurity atoms are introduced in order to relax the stress while maintaining the tensile stress of the silicon nitride film 10A. This atom introduction method was examined using various atom introduction methods such as thermal diffusion method and ion implantation method. Among them, the stress controllability is best when impurity atoms are introduced by the ion implantation method. It could be confirmed.
[0038]
Therefore, in this embodiment, by using the ion implantation method, boron atoms are implanted with an energy of 50 kev and a dose of 1E15 cm.-2The silicon nitride film 10A having a tensile stress was formed. It was confirmed that the bending deformation of the vibration plate 10 due to the buckling does not occur by using the nitride film 10A having a tensile stress. As impurity atoms introduced into the silicon nitride film 10A, phosphorus atoms, arsenic atoms, hydrogen atoms, and the like can be used in addition to boron atoms.
[0039]
Further, when the discharge chamber 6 or the like is formed by using anisotropic etching of silicon with the silicon nitride film 10A provided on the first substrate 1, the silicon nitride film 10A has etching selectivity and is not damaged. Was confirmed. Furthermore, it was confirmed that by setting the thickness of the diaphragm 10 to 150 nm, sufficient rigidity was obtained even when the diaphragm 10 was miniaturized to 300 dpi or 600 dpi, and both the droplet discharge speed and the discharge amount were discharged with a sufficient margin.
[0040]
A plurality of conductive electrodes 14 are formed at predetermined intervals on the lower surface (surface) of the diaphragm 10 made of an insulating thin film composed of this single-layer insulating film, and the diaphragm 10 and each electrode 14 Are electrically separated from each other, and two adjacent electrodes (which are relatively referred to as electrodes 14a and 14b) of each electrode 14 are electrically separated from each other. Here, the electrode 14 is formed of, for example, polysilicon or single crystal silicon. The diaphragm 10 and the plurality of electrodes 14 constitute a microactuator according to the present invention that deforms the diaphragm 10 that is a movable part.
[0041]
Here, FIG. 4 shows an example of an electrode arrangement pattern for one diaphragm when viewed from the electrode 14 side of the first substrate 1. As shown in the figure, drive voltages (voltages of different potentials) are applied to adjacent electrodes 14a and 14b that are electrically separated from each other from a drive circuit 15 (shown here as a transmission circuit). It has come to be.
[0042]
The second substrate 2 bonded to the lower surface of the first substrate 1 is a protective substrate for protecting the electrode 14 from external impacts and dust, and reinforcing the strength of the first substrate 1. For the second substrate 2, a substrate made of glass, metal, silicon, resin, or the like is used. A concave portion 16 having a depth of 1 mm, for example, is formed on the substrate 2 at a position corresponding to each vibration plate 10. Yes. However, it is not always necessary to form the concave portion 16 for each diaphragm 10, and a configuration in which a concave portion surrounding the diaphragm array or a concave portion joined only to the edge of the chip may be formed.
[0043]
Further, as the third substrate 3 bonded to the upper surface of the first substrate 1, for example, a nickel substrate having a thickness of 50 μm is used, and the nozzle hole 4, A groove serving as a fluid resistance portion 7 for communicating the common liquid chamber 8 and the discharge chamber 6 is provided, and an ink supply port 9 is provided so as to communicate with the common liquid chamber 8.
[0044]
The operation of the ink jet head configured as described above will be described. For example, in the configuration of FIG. 4, when a pulse potential of 0V to 40V is applied to the electrode 14a by the oscillation circuit 15, the surface of the electrode 14a is positively charged, and between the adjacent electrodes 14b to which no pulse potential is applied, As shown in FIG. 5, an electrostatic force is generated, an electrostatic attraction action works, the free ends of the electrodes 14 (the diaphragm 10 side is a fixed end) are attracted, and the electrodes 14 are displaced, and the free ends of these electrodes 14 When the side is displaced, the diaphragm 10 which is the fixed end side of the electrode 14 bends upward. As a result, the pressure in the discharge chamber 6 increases rapidly, and the ink droplets 22 are discharged from the nozzle holes 4 toward the recording paper 23 as shown in FIG.
[0045]
When the potential of the electrode 14a returns to 0V, there is no potential difference with the electrode 14b, and the diaphragm 10 is restored to the original state. When the diaphragm 10 is restored, ink is supplied from the common liquid chamber 8 into the discharge chamber 6 through the fluid resistance portion 7. In other words, in this embodiment, ink droplets are ejected by the pushing method.
[0046]
Here, the force F acting between the electrodes increases in inverse proportion to the square of the distance d between the electrodes as shown in the following equation (1). In order to drive at a low voltage, it is important to narrow the gap between the electrodes 14a and 14b, that is, the groove between the electrodes 14.
[0047]
[Expression 1]
Figure 0003904438
[0048]
In the equation (1), F: force acting between electrodes, ε: dielectric constant, S: area of opposing surfaces of electrodes, d: distance between electrodes, and V: applied voltage.
[0049]
As described above, in this inkjet head, the electrodes 14 that are electrically separated and independent from each other are provided on one surface of the diaphragm 10 formed of an insulating thin film, and a potential difference is generated between the electrodes 14a and 14b facing each other. By applying the generated voltage, an electrostatic attractive force is generated between the adjacent electrode 14a and the electrode 14b, and a large displacement of the diaphragm 10 can be obtained by a slight displacement of the electrode 14, thereby improving the droplet discharge efficiency. In addition, high-quality recording becomes possible.
[0050]
In the microactuator of this head, the structure itself provided on the vibration plate 10 functions as the electrode 14, so that a difficult process of forming the electrode on the silicon structure by a method such as film formation as before is necessary. Therefore, it is possible to reduce the cost, and it is possible to reduce defects such as a short circuit caused by forming electrodes at very narrow intervals between structures. Further, there is no need for a process of separating the electrodes into comb-like shapes after forming the electrodes on the structure, and cost reduction and mass production are easy.
[0051]
Furthermore, since the diaphragm 10 is made of an insulating thin film and is electrically separated from the diaphragm 10 and the electrode 14, all the electrodes can be connected via the silicon diaphragm even when voltage is applied to the electrodes as in the prior art. The voltage can be efficiently applied to the electrode 14 without causing malfunction due to the same potential and without the voltage applied to the electrode 14 leaking to the diaphragm 10 side. Further, since the diaphragm 10 is insulative and insulated from the electrode 14, the driving voltage is not applied to the liquid (here, ink), and the liquid by electrolysis when the driving thickness is applied. Therefore, the reliability is improved and high-quality recording is possible.
[0052]
Next, an inkjet head according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 6 is a cross-sectional explanatory view of the head in the longitudinal direction of the diaphragm, and FIG. 7 is a cross-sectional explanatory view of the head in the lateral direction of the diaphragm.
In this embodiment, a polyimide film 10B, which is an organic resin film having a tensile stress and having an insulating property, is used as the insulating thin film forming the diaphragm 10. The film thickness of this polyimide film 10B was 3 μm.
[0053]
In this way, by forming the diaphragm 10 with the tensile stress polyimide film 10B, the diaphragm 10 was not deformed by buckling, and the diaphragm 10 could be formed. Further, since the Young's modulus is small, it can be formed with a thickness of 3 μm. Furthermore, since the polyimide (organic resin material) forming the diaphragm 10 is excellent in corrosion resistance against liquids, it does not elute even in liquids having various alkaline and acidic chemical properties, and is sufficiently reliable. The liquid droplets can be discharged with good performance.
[0054]
Next, an inkjet head according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 8 is a cross-sectional explanatory view of the head in the longitudinal direction of the diaphragm, and FIG. 9 is a cross-sectional explanatory view of the head in the lateral direction of the diaphragm.
In this embodiment, the diaphragm 10 having an insulating property is constituted by a laminated film of insulating thin films. That is, the diaphragm 10 is formed of a laminated film of a silicon nitride film 10A that is an insulating film having tensile stress and a silicon oxide film 10C that is a film having compressive stress.
[0055]
Here, the silicon nitride film 10A has a thickness of 150 nm, and the silicon oxide film 10C has a thickness of 150 nm. Further, in order to relax the stress while maintaining the tensile stress of the silicon nitride film 10A, phosphorus atoms as impurity atoms were introduced from the result of the first embodiment by the ion implantation method.
[0056]
Thus, the diaphragm 10 is formed of an insulating thin film that is a laminated film of insulating films, and in particular, a laminated film of a tensile stress film (here, a silicon nitride film) and a compressive stress film (here, a silicon oxide film). Thus, by independently controlling different internal stresses of each film, it is possible to prevent bending deformation due to the bending of the diaphragm 10.
[0057]
When the discharge chamber 6 is formed by using anisotropic etching of silicon, the silicon nitride film 10A functions as an etching stopper, so that the diaphragm 10 is not damaged. Further, by setting the thickness of the silicon oxide film 10C to 150 nm and the thickness of the silicon nitride film 10A to 150 nm, sufficient rigidity can be obtained even when the silicon oxide film 10C is miniaturized to 300 dpi or 600 dpi, and both the droplet discharge speed and the discharge amount are obtained. It was confirmed that the ink was discharged with a sufficient margin. Furthermore, since it is a laminated diaphragm of the silicon nitride film 10A and the silicon oxide film 10B, the generation of pinholes can be prevented.
[0058]
Next, an inkjet head according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 10 is a sectional explanatory view of the head in the longitudinal direction of the diaphragm, and FIG. 11 is a sectional explanatory view of the head in the lateral direction of the diaphragm.
In this embodiment, the diaphragm 20 is a laminated film of a silicon film, which is a main layer and also a conductive film, and an insulating film. That is, the diaphragm 20 is formed by a silicon film 20A which is a main layer and a silicon oxide film 20B which is an insulating thin film formed on the surface (electrode side surface) opposite to the discharge chamber 6 of the silicon film 20A. A plurality of electrodes 14 are provided on the surface of the film 20B.
[0059]
Here, the silicon film 20A is formed of 1E20 / cm of boron atoms up to a depth of 0.5 μm on the silicon substrate forming the first substrate 1.ThreeThis is a high-concentration boron diffusion layer containing a single layer. We studied thermal diffusion methods such as coating diffusion method and vapor phase diffusion method and ion implantation method as boron atom introduction method, but ion implantation method has the best control of diffusion depth that determines silicon film thickness. It was confirmed. Therefore, here, boron atoms are introduced by ion implantation using ion implantation. Since the film thickness of the silicon film 20A was controlled by the diffusion depth in which boron atoms were introduced by the ion implantation method, the silicon film 20A could be formed with high precision to the silicon thickness as designed.
[0060]
Here, when the main layer of the diaphragm is formed of silicon, by setting the thickness to 5 μm or less, it is possible to perform low-voltage driving while ensuring the rigidity of the diaphragm.
[0061]
In addition, even if the main layer of the diaphragm 20 is the conductive silicon film 20A, a silicon oxide film 20B that is an insulating thin film is formed, and a plurality of electrodes 14 are formed on the surface of the silicon oxide film 20B. The silicon film 20A and the electrode 14 are electrically isolated from each other, and when a driving voltage is applied to the electrode 14, each electrode is formed to form an electrode film on the convex portion of the silicon diaphragm as before. There is no inconvenience that the voltage is substantially the same, and the voltage applied to the electrode 14 can be applied without leaking to the silicon film 20A, and efficient driving can be performed.
[0062]
Next, an inkjet head according to a fifth embodiment of the invention will be described. Since this embodiment is obtained by changing the atoms implanted into the silicon film 20A of the fourth embodiment, it will be described with reference to FIGS.
That is, in this embodiment, the silicon film 20A, which is the main layer of the vibration plate 20, has a phosphorus atom of 1E20 / cm up to a depth of 0.5 μm in the silicon substrate by ion implantation.ThreeThe discharge chamber 6 is formed at the same time as the discharge chamber 6 using the electrochemical etching method. Since the film thickness of the silicon film 20A is controlled by the diffusion depth of phosphorus atoms introduced by the ion implantation method, it is possible to form a silicon thickness with high accuracy as designed.
[0063]
Similarly to the fourth embodiment, even if the main layer of the diaphragm 20 is the conductive silicon film 20A, a silicon oxide film 20B which is an insulating thin film is formed, and the surface of the silicon oxide film 20B is formed. Since the electrode 14 is provided on the electrode 14, the silicon film 20A and the electrode 14 are electrically insulated and separated. When a drive voltage is applied to the electrode 14, the electrode film is formed on the convex portion of the diaphragm made of a silicon substrate as before. There is no inconvenience that the electrodes have substantially the same potential for formation, and the voltage applied to the electrodes 14 can be applied without leaking to the silicon film 20A, and efficient driving can be performed.
[0064]
Next, an inkjet head according to another example of the fourth and fifth embodiments will be described with reference to FIG. In addition, the figure is a cross-sectional explanatory drawing along the diaphragm lateral direction of the head.
In this example, a spacer 25 that is a layer or a structure of the same material as the electrode 14 is formed in a substantially same plane as a surface on which the electrode 14 is formed in a region other than the diaphragm 20. The spacer 25 can be formed at the same time as the electrode 14 and can be formed without removing the electrode material other than the diaphragm region.
[0065]
By providing such a spacer 25, it is possible to protect the electrode 14 which is a minute structure in the process before the first substrate 1 is bonded to the second substrate 2, and in the manufacturing process, the wafer is transported or during the process. Defects due to breakage of the electrode 14 can be reduced.
[0066]
Next, an inkjet head according to still another example of the fourth and fifth embodiments will be described with reference to FIG. In addition, the figure is a cross-sectional explanatory drawing along the diaphragm lateral direction of the head.
In this example, a spacer 25 that is a layer or a structure of the same material as the electrode 14 is formed in substantially the same plane as the surface on which the electrode 14 is formed in a region other than the diaphragm 20, and the thickness of the spacer 25 is set to the electrode 14 is formed thicker than 14. In this case, the 2nd board | substrate 2 can use a flat plate board as it is, and it becomes unnecessary to form a recessed part.
[0067]
By adopting such a structure, the electrode 14 is less likely to come into contact with the spacer 25 and be damaged as compared with the second embodiment, and defects due to electrode breakage can be reduced. In addition, when a protective substrate (second substrate 2) is bonded under the first substrate 1, there is also an advantage that it is not necessary to form a recess in the protective substrate.
[0068]
Here, an inkjet head manufacturing process according to another example of the fourth and fifth embodiments will be described with reference to FIGS.
Here, the electrode 14 is formed of single crystal silicon. The silicon film 20A, which is the main film forming the diaphragm 20, is a high-concentration p-type impurity layer, and the high-concentration p-type impurity layer is as thick as a desired diaphragm thickness. 0 μm.
[0069]
That is, as shown in FIG. 14A, boron or phosphorus is diffused by ion implantation into a silicon substrate 41 having a thickness of (110) serving as the first substrate 1 and having a surface orientation of (110) to form the silicon film 20A. A high-concentration boron diffusion layer or a high-concentration phosphorus diffusion layer (these are referred to as “high-concentration impurity diffusion layers”) 42 is formed. Here, a high concentration impurity diffusion layer 42 having a depth of 1.0 μm is formed.
[0070]
When the high concentration impurity diffusion layer 42 is a high concentration boron diffusion layer, a compound layer of silicon and boron is formed on the surface of the diffusion layer. To remove this layer, the compound layer is thermally oxidized. It can be removed by etching with a hydrofluoric acid-based etching solution. Further, the surface where boron or phosphorus is diffused in silicon is roughened, and a strong bond may not be obtained by subsequent direct bonding. For this purpose, the diffusion surface is polished to form a smooth surface. Further, as the substrate to be the first substrate 1, a (100) -oriented silicon substrate may be used instead of the (110) -oriented silicon substrate.
[0071]
Next, as shown in FIG. 2B, after removing the compound layer and polishing, a thermal oxide film 43 to be the silicon oxide film 20B is formed with a thickness of 50 nm by wet oxidation at 900 ° C./5 minutes. Here, as a method for forming an oxide film, there are plasma CVD, sputtering, HTO, TEOS, and the like, but a thermal oxide film is preferable in terms of withstand voltage, defects, residual charge, durability, and the like.
[0072]
Then, as shown in FIG. 3C, another silicon substrate 44 for forming the electrode 14 is prepared, and this silicon substrate 44 is directly bonded to the high concentration impurity diffusion layer 42 side of the silicon substrate 41. Here, a silicon wafer having a (100) plane orientation was used as the silicon substrate 44. By bonding a silicon wafer having a good surface property and heating at a high temperature, the two wafers are firmly bonded. Here, heat treatment was performed at 1000 ° C./2 hours.
[0073]
Thereafter, as shown in FIG. 4D, the silicon substrate 44 is polished to a thickness of 20 μm which is the desired length (height) of the electrode 14.
[0074]
Next, as shown in FIG. 15A, a resist pattern is formed on the silicon substrate 44 polished by photolithography, and the silicon substrate 44 is etched by dry etching with a line width of 0.5 μm and a width of 0.5 μm. 14 and the spacer 25 are formed. The shape of the electrode 14 is, for example, a comb-teeth shape as shown in FIG. In the etching, the oxide film 43 becomes a stop layer. ICP is effective for dry etching because it is necessary to etch very deep grooves.
[0075]
Then, as shown in FIG. 2B, a silicon nitride film 46 which becomes a mask for potassium hydroxide etching is formed by LP-CVD. Thereafter, as shown in FIG. 2C, a resist pattern having a shape such as the discharge chamber 6 or the common liquid chamber 8 is obtained on the silicon nitride film 46, and the silicon nitride film 46 and the oxide film 43 in the opening of the resist are formed. Etching is removed by dry etching to remove the resist.
[0076]
Thereafter, as shown in FIG. 16A, when the high-concentration impurity diffusion layer 42 is a high-concentration boron diffusion layer, the silicon nitride film 46 and the oxide film 43 are formed with a 25 wt% potassium hydroxide aqueous solution at 80 ° C., for example. Etching is performed from the opening until just before the silicon substrate 41 reaches the high-concentration boron diffusion layer (about 10 μm remaining). Next, the etching solution is changed to a 30 wt% potassium hydroxide aqueous solution at 80 ° C. in which IPA is supersaturated, and etching is stopped spontaneously when the high concentration boron diffusion layer is reached.
[0077]
Here, a 25 wt% potassium hydroxide aqueous solution has a high etch rate and provides stable etching. In addition, a 30 wt% potassium hydroxide aqueous solution containing IPA has a high etching selection ratio between the silicon substrate and the high-concentration boron layer, and the etching can be stopped with high accuracy. Since IPA has a low boiling point and evaporates rapidly when heat is applied, it is preferable to attach a reflux device that cools the vapor to liquefy it and return it to the etching tank. As an etchant that can increase the etching selectivity of the high-concentration boron diffusion layer, other than IPA-added potassium hydroxide, a low-concentration potassium hydroxide solution or EDP of about 3 wt% to 10 wt% may be used.
[0078]
When the high-concentration impurity diffusion layer 42 is a high-concentration phosphorus diffusion layer, a reference electrode is placed in a 25 wt% potassium hydroxide aqueous solution at 80 ° C., and the reverse is provided between the base substrate and the high-concentration phosphorus diffusion layer. While applying a bias, electrochemical etching is performed using the openings of the silicon nitride film 46 and the oxide film 43 as a mask until the high concentration phosphorus diffusion layer is reached. Etching stops spontaneously at the depth of the high-concentration phosphorus diffusion layer by electrochemical etching
[0079]
Thereafter, as shown in FIG. 4B, the silicon nitride film 46 is removed by hot phosphoric acid, hydrofluoric acid, etc., and the thermal oxide film 43 is removed by hydrofluoric acid, etc. (the diaphragm portion remains). A silicon vibration plate 20 is formed which includes a high-concentration impurity diffusion layer 42 which is a 1 μm-thick silicon film 20A and a thermal oxide film 43 which is a silicon oxide film 20B forming the bottom wall of the discharge chamber 6.
[0080]
Here, since the electrode 14 is formed of single crystal silicon, the thickness (length) of the electrode 14 can be determined by polishing after wafer bonding, and a thick electrode that cannot be formed by film formation can be determined. Can be formed. If the electrode is thick (height is high), the diaphragm can be deformed with a small force and can be driven at a low voltage. Further, it is possible to integrate the drive circuit of the droplet discharge head by utilizing a region not used as an electrode of the bonded silicon wafer 44. Since the silicon wafer 44 is used for forming semiconductor elements, it is suitable for forming a drive circuit.
[0081]
In addition to ion implantation, the high-concentration boron diffusion layer or the high-concentration phosphorus diffusion layer can be formed by solid diffusion, coating diffusion, or an epitaxial layer doped with boron or phosphorus. Since ion implantation can form a shallow diffusion layer with high accuracy, it is suitable for forming a thin diaphragm. In addition, in the epitaxial layer, since a layer doped with boron or phosphorus is grown on the silicon substrate, the boundary between the high-concentration boron region or the high-concentration phosphorus region becomes clearer than solid diffusion, ion implantation, and coating diffusion, A sharp etching stop can be realized, and a more accurate diaphragm can be formed.
[0082]
As described above, when a semiconductor such as single crystal silicon (or polysilicon) is used for the electrode 14, the electrical resistance value of the electrode becomes a problem when high-frequency driving or multi-channel driving is performed. Sometimes. In this case, it is preferable to introduce impurity atoms having n-type or p-type conductivity, for example, phosphorus or arsenic for n-type, boron or antimony for p-type.
[0083]
Next, an inkjet head according to a sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 17 is a cross-sectional explanatory diagram of the head in the longitudinal direction of the diaphragm, and FIG. 18 is a cross-sectional explanatory diagram of the head in the lateral direction of the diaphragm.
In this embodiment, the diaphragm 50 includes a silicon oxide film 50A which is a film having etching selectivity with respect to silicon etching at the time of forming the liquid chamber, a silicon nitride film 50B having tensile stress which is a main layer, and the electrode 14. It is composed of a laminated film with a silicon oxide film 50C having etching selectivity with respect to silicon etching as an electrode material at the time of formation, and a plurality of electrodes 14 are provided on the surface of the silicon oxide film 50C.
[0084]
The silicon oxide film 50A has a thickness of 50 nm, the silicon nitride film 50B has a thickness of 150 nm, and the silicon oxide film 50C has a thickness of 50 nm. In order to relieve the stress while maintaining the tensile stress of the silicon nitride film 50B, phosphorus is also introduced here as an impurity atom by the ion implantation method.
[0085]
As described above, since the silicon substrate is used as the first substrate 1 and the silicon oxide films 50A and 50C having selectivity for the silicon etching at the time of forming the liquid chamber and the silicon etching of the electrode material are provided, vibration is generated during each etching process. Etching damage to the silicon nitride film 50B, which is the main layer of the plate 50, can be prevented, and the vibration plate 50 with higher accuracy can be formed. Further, since the silicon oxide film 50A acts as a corrosion-resistant film against the liquid, it is not necessary to form a new corrosion-resistant film and the process can be shortened.
[0086]
In addition, since the silicon nitride film 50B, which is the main layer of the diaphragm 50, has a tensile stress, no bending deformation due to buckling occurs and the electrostatic attractive force generated between the electrodes 14 and 14 is within the diaphragm plane. Can be reduced. Furthermore, since the silicon nitride film 50B is used as a part of the diaphragm 50 as a base, the effective rigidity can be improved, and even when a thinner diaphragm is used to reduce the size to 300 dpi or 600 dpi, the droplets can be reduced. Can be reliably and efficiently performed.
[0087]
Next, an inkjet head according to a seventh embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 19 is a cross-sectional explanatory view of the head in the longitudinal direction of the diaphragm, and FIG. 20 is a cross-sectional explanatory view of the head in the short side of the diaphragm.
In this embodiment, the vibration plate 60 includes a laminated film of a silicon nitride film 60Aa and a silicon oxide film 60Ab as a film 60A having etching selectivity with respect to silicon etching at the time of forming a liquid chamber, and tensile stress as a main layer. And a silicon oxide film 60C having etching selectivity with respect to silicon etching as an electrode material when the electrode 14 is formed.
[0088]
Of the films 60A, the silicon nitride film 60Aa has a thickness of 50 nm, the silicon oxide film 60Ab has a thickness of 50 nm, and the main layer, the silicon nitride film 60B having tensile stress, has a thickness of 150 nm, and has etching selectivity. The thickness of the silicon oxide film 60C was 50 nm. Here, arsenic is introduced as impurity atoms by an ion implantation method in order to relieve the stress while maintaining the tensile stress of the silicon nitride film 60B as the main layer.
[0089]
As described above, the silicon nitride film 60Aa and the silicon oxide film 60Ab having selectivity for silicon etching and the silicon oxide film 60C having selectivity for silicon etching of the electrode material are provided at the time of silicon etching at the time of forming the liquid chamber. In each etching, the margin for etching damage to the silicon nitride film 60B, which is the main layer of the diaphragm 60, is improved as compared with the sixth embodiment. As a result, damage to the silicon nitride film 60B, which is the main layer of the diaphragm, does not occur at all, and a highly accurate diaphragm can be formed.
[0090]
In addition, since the silicon nitride film 60B, which is the main layer of the diaphragm 60, has a tensile stress, there is no bending deformation due to buckling, and within the diaphragm surface of the electrostatic attractive force generated between the electrodes 14 and 14. Can be reduced. Furthermore, since the silicon nitride film 60B is used as a part of the diaphragm 50 as a base, the effective rigidity can be improved, and the case where the thickness is reduced to 300 dpi and 600 dpi with a diaphragm thinner than that of silicon. In this case, the liquid droplets can be discharged efficiently and reliably.
[0091]
Next, an inkjet head according to an eighth embodiment of the invention will be described with reference to FIGS. 21 is a cross-sectional explanatory view of the head in the longitudinal direction of the diaphragm, and FIG. 22 is a cross-sectional explanatory view of the head in the lateral direction of the diaphragm.
In this embodiment, the diaphragm 70 is an electrode material when the silicon oxide film 70A having etching selectivity with respect to silicon etching at the time of forming the liquid chamber, the single crystal silicon thin film 7B as the main layer, and the electrode 14 are formed. It is composed of a laminated film with a silicon oxide film 7C having etching selectivity with respect to silicon etching.
[0092]
The silicon nitride film 70 has a thickness of 50 nm, the main layer single crystal silicon thin film 70B has a thickness of 0.5 μm, and the silicon oxide film 70C having etching selectivity has a thickness of 50 nm.
[0093]
As described above, since the silicon oxide films 70A and 70C having selectivity for the silicon etching at the time of forming the liquid chamber or the silicon etching of the electrode material are provided, the etching damage to the single crystal silicon thin film 70B which is the main layer at each etching step. Is not observed, and a highly accurate diaphragm can be formed. Further, since the silicon oxide film 70A acts as a corrosion resistant film against the liquid, it is not necessary to form a new corrosion resistant film, and the process can be shortened. Furthermore, since the single crystal silicon film 70B, which is the main layer of the diaphragm 70, has no crystal grain boundaries or crystal defects, the long-term reliability of the diaphragm can be sufficiently ensured.
[0094]
Next, an inkjet head according to a ninth embodiment of the invention will be described with reference to FIGS.
In this embodiment, the silicon film constituting the main layer is a polycrystalline silicon film, and the electrode 14 is formed of polysilicon (polycrystalline silicon). By forming the silicon film constituting the main layer from a polycrystalline silicon film, it can be formed by a CVD method, and the film thickness controllability is improved.
[0095]
That is, as shown in FIG. 23A, a silicon substrate 81 having a thickness of 400 μm with a plane orientation of (110) is used as a base substrate, and a silicon oxide film 82 is formed on the silicon substrate 81 with a thickness of 50 nm. A substrate 80 to be the first substrate 1 is prepared in which a polycrystalline silicon film 83 having a thickness of 1.0 μm is formed on the surface of the silicon oxide film 82.
[0096]
Here, in order to relieve internal stress, it is preferable to introduce boron or phosphorus atoms which are atoms of conductivity type of n-type or p-type into the polycrystalline silicon film 83. In this embodiment, boron atoms are introduced. Introduced. On the other hand, the silicon oxide film 82 is formed by a thermal oxidation method, a CVD method, a sputtering method, or the like. This silicon oxide film 82 is a film having etching selectivity when forming a silicon liquid chamber in a later step.
[0097]
Next, as shown in FIG. 2B, a silicon oxide film 84 is formed on the entire surface of the substrate 80 by the CVD method. Here, as a method for forming the silicon oxide film 84, there are plasma CVD, sputtering, HTO, and the like, but HTO is preferable in terms of withstand voltage and durability.
[0098]
Then, as shown in FIG. 2C, a polysilicon 85 for forming the electrode 14 is formed on the surface of the silicon oxide film 84 to a thickness of 5 μm, and the polysilicon layer on the upper surface is removed by etching.
[0099]
Thereafter, as shown in FIG. 4D, a resist pattern is formed on the polysilicon 85 by photolithography, and the polysilicon is etched by a dry etching to a line width of 1 μm and 0.5 μm, so that the electrode 14 and the above-described one are obtained. A spacer 25 is formed. At this time, since the silicon oxide film 84 forms an etching stop layer, damage to the polycrystalline silicon 83 which is the main layer of the diaphragm can be prevented. The electrode 14 was shaped like a comb as shown in FIG.
[0100]
Next, as shown in FIG. 24A, a silicon nitride film 86 serving as a mask for potassium hydroxide etching is formed on the entire surface by LP-CVD, and discharged onto the silicon nitride film 86 as shown in FIG. A resist pattern in the shape of a liquid chamber such as the chamber 6 or the common liquid chamber 8 is formed. Next, the silicon nitride film 86 and the silicon oxide film 83 in the opening of the resist are removed by dry etching, and the resist is removed. A mask pattern is formed.
[0101]
Thereafter, as shown in FIG. 2C, the openings of the silicon nitride film 86 and the silicon oxide film 83 are etched with a 25 wt% potassium hydroxide aqueous solution at 80 ° C. When the etching reaches the silicon oxide film 82, the silicon oxide film 82 is hardly etched, so that the etching damage to the polycrystalline silicon 83 which is the main layer of the vibration plate does not occur.
[0102]
Here, since the (110) plane silicon wafer is used for the base substrate 81, the (111) plane vertical wall is formed by anisotropic etching with potassium hydroxide. Since the vertical wall is obtained by using the (110) plane wafer, the discharge chambers 6 can be arranged with high density. Here, an aqueous potassium hydroxide solution is used as an etching solution, but an alkaline solution such as TMAH (tetramethylammonium hydroxide solution), EDP (ethylenediamine pyrocatechol), lithium hydroxide, or the like may be used.
[0103]
Thereafter, as shown in FIG. 4D, the silicon nitride film 86 is removed by hot phosphoric acid.
[0104]
In this way, the diaphragm 90 and the discharge chamber 6 composed of the laminated film of the silicon oxide film 82 having a thickness of 50 nm, the polycrystalline silicon film 83 having a thickness of 500 nm, and the silicon oxide film 83 having a thickness of 50 nm are completed.
[0105]
Next, an inkjet head according to a tenth embodiment of the invention will be described with reference to FIG. In addition, the figure is principal part cross-section explanatory drawing along the diaphragm short-side direction of the head.
In this embodiment, the diaphragm 100 is formed by a CVD method, which is a laminated film of a silicon nitride film 100Aa and a silicon oxide film 100Ab as a film 100A having etching selectivity with respect to silicon etching at the time of forming a liquid chamber, and a main layer. Is a laminated film composed of a polycrystalline silicon film 100B into which boron atoms have been introduced after being formed by the above process and a silicon oxide film 100C having etching selectivity with respect to silicon etching as an electrode material at the time of electrode formation.
[0106]
The film thickness of the silicon nitride film 100Aa as the film 100A having etching selectivity with respect to silicon etching at the time of forming the liquid chamber is 50 nm, and the film thickness of the silicon oxide film 100Ab is 50 nm. The introduced polycrystalline silicon film 100B has a thickness of 1.0 μm, and the silicon oxide film 100C has a thickness of 50 nm.
[0107]
As described above, the laminated film of the silicon nitride film 100Aa and the silicon oxide film 100Ab having selectivity for silicon etching at the time of silicon etching at the time of forming the liquid chamber, and the silicon oxide film 100C having selectivity for silicon etching of the electrode material are provided. Therefore, etching damage to the polycrystalline silicon film 100B does not occur at all during each etching step, and a highly accurate diaphragm can be formed.
[0108]
In addition, since the polycrystalline silicon film 100B is formed by the CVD method, a highly accurate diaphragm with good film thickness controllability can be formed. Furthermore, since the internal stress of the polycrystalline silicon film 100B can be controlled by incorporating boron into the polycrystalline silicon film 100B, a flat diaphragm without deflection can be realized and generated in the electrode pair (14, 14). It is possible to reduce the in-plane variation of electrostatic attraction.
[0109]
Next, an inkjet head according to an eleventh embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In addition, the figure is principal part cross-section explanatory drawing along the diaphragm short-side direction of the head.
In this embodiment, the diaphragm 110 is formed by a CVD method, which is a laminated film of a silicon nitride film 110Aa and a silicon oxide film 110Ab as a film 110A having etching selectivity with respect to silicon etching at the time of forming a liquid chamber, and a main layer. A silicon nitride film 110B into which boron atoms have been introduced after being formed by the above process, and a silicon oxide film 110C having etching selectivity with respect to silicon etching as an electrode material when forming the electrode.
[0110]
The film thickness of the silicon nitride film 110Aa as the film 110A having etching selectivity with respect to silicon etching at the time of forming the liquid chamber is 50 nm, and the film thickness of the silicon oxide film 110Ab is 50 nm. The introduced silicon nitride film 110B has a thickness of 150 nm, and the silicon oxide film 110C has a thickness of 50 nm.
[0111]
As described above, the silicon nitride film 110Aa and the silicon oxide film 110Ab having selectivity for silicon etching at the time of silicon etching at the time of forming the liquid chamber, and the silicon oxide film 110C having selectivity for silicon etching of the electrode material are provided. Therefore, etching damage to the silicon nitride film 110B does not occur at all during each etching step, and a highly accurate diaphragm can be formed.
[0112]
In addition, since the silicon nitride film 110B is formed by the CVD method, a highly accurate diaphragm with good film thickness controllability can be formed. Further, by incorporating boron into the silicon nitride film 110B, the internal stress of the silicon nitride 110B can be controlled to a tensile stress, so that a flat diaphragm without deflection can be realized and generated in the electrode pair (14, 14). The variation of the electrostatic attraction force on the diaphragm surface can be reduced.
[0113]
Next, an inkjet head according to a twelfth embodiment will be described with reference to FIGS.
First, as shown in FIG. 27A, a silicon substrate 121 having a surface orientation of (110) and having a thickness of 400 μm is used as a base substrate, and a thickness of 50 nm having selectivity for silicon etching at the time of forming a liquid chamber. A laminated film 122 of a silicon nitride film 122a and a silicon oxide film 122b with a thickness of 50 nm is formed, and a substrate 120 in which a silicon nitride film 123 with a thickness of 150 nm is formed on the laminated film 122 is prepared.
[0114]
Here, since it is preferable to introduce boron or phosphorus atoms in the silicon nitride film 123 in order to relieve internal stress while maintaining tensile stress, boron atoms are introduced by ion implantation. Further, the stacked film 122 of the silicon nitride film 122a and the silicon oxide film 122b is a film having etching selectivity when forming a silicon liquid chamber in a later step. Further, the silicon nitride films 123 and 122a and the silicon oxide film 122b are formed by a CVD method.
[0115]
Next, as shown in FIG. 2B, a silicon oxide film 124 is formed on the entire surface by a CVD method to a film thickness of 50 nm. Here, as a method for forming the silicon oxide film 124, there are plasma CVD, sputtering, HTO, and the like, but HTO is preferable in terms of withstand voltage and durability.
[0116]
Thereafter, as shown in FIG. 3C, a polysilicon layer 125 is formed to a thickness of 5 μm on the surface of the silicon nitride film 124, and the polysilicon layer 125 on the upper surface is removed by etching.
[0117]
Then, as shown in FIG. 4D, a resist pattern is formed on the polysilicon layer 125 by photolithography, and the polysilicon layer 125 is etched by dry etching with a line width of 1 μm and 0.55 μm to form electrodes 14 and spacers. 25 is formed. At this time, since the silicon oxide film 124 forms an etching stop layer, damage to the silicon nitride film 123 can be prevented. The shape of the electrode 14 was a comb shape as shown in FIG.
[0118]
Next, as shown in FIG. 28A, a silicon nitride film 126 serving as a mask for potassium hydroxide etching is formed on the entire surface by LP-CVD. Then, as shown in FIG. 5B, a resist pattern having a shape such as the discharge chamber 6 or the common liquid chamber 8 is formed on the silicon nitride film 126, and the silicon nitride film 126 and the silicon oxide film 124 in the opening of the resist are formed. Is removed by dry etching, the resist is removed, and a mask pattern is formed.
[0119]
Thereafter, as shown in FIG. 2C, the openings of the silicon nitride film 126 and the silicon oxide film 124 are etched with a 25 wt% potassium hydroxide aqueous solution at 80 ° C. At this time, etching was stopped on the silicon nitride film 122a, and the silicon oxide film 122b was further laminated, so that the etching selectivity was improved and the margin was improved. As a result, the silicon nitride film 123 formed further below is not damaged at all.
[0120]
Here, since the (110) plane silicon wafer is used for the base substrate 121, the (111) plane vertical wall is formed by anisotropic etching with potassium hydroxide. Since the vertical wall is obtained by using the (110) plane wafer, the discharge chambers can be arranged with high density. Although an aqueous potassium hydroxide solution is used here, an alkaline solution such as TMAH (tetramethylammonium hydroxide solution), EDP (ethylenediamine pyrocatechol), lithium hydroxide, or the like can also be used.
[0121]
Thereafter, as shown in FIG. 4D, the silicon nitride film 126 is removed by hot phosphoric acid. In this way, the laminated diaphragm 130 of the silicon nitride film 122a having a thickness of 50 nm, the silicon oxide film 122b having a thickness of 50 nm, the silicon nitride film 123 having a tensile stress of 150 nm, the silicon oxide film 124 having a thickness of 150 nm, and the discharge chamber 6 Is completed.
[0122]
Next, an inkjet head according to a thirteenth embodiment will be described with reference to FIG. In addition, the figure is a cross-sectional explanatory drawing along the diaphragm lateral direction of the head.
In this embodiment, an insulating film 26 is formed on the surface of the electrode 14 in the ink jet head of the third embodiment. That is, as described above, in order to reduce the driving voltage, the interval between the electrodes 14 must be reduced. However, when the electrodes 14 are formed at such a minute interval, even if the dust is small, the electrodes 14 may cause a short circuit and may cause a malfunction. Also, since the distance is very small, even when a minute water droplet is generated on the surface of the electrode 14 due to air humidity, it may cause a short circuit. .
[0123]
Therefore, by providing the insulating film 26 on the surface of the electrode 14, it is possible to reduce malfunction due to a short circuit between the electrodes 14. In addition, an operation failure may occur due to the discharge between the electrodes 14 when a voltage is applied. By providing the insulating film 26 against this, the breakdown voltage can be improved and the droplet discharge with high reliability. A head is obtained.
[0124]
Here, a thermal oxide film can be used as the insulating film 26. That is, when single crystal silicon or polysilicon is used for the electrode 14, the thermal oxide film can be uniformly and accurately formed on the electrode surface. Further, the thermal oxide film has high mechanical and electrical reliability, and a highly reliable droplet discharge head can be realized.
[0125]
In this case, the thermal oxide film grows while consuming about 44% of silicon. Referring to FIG. 30, the electrode 14 before oxidation is in a state indicated by a dotted line A, and is provided with a gap G1 therebetween. If a thermal oxide film (insulating film 26) having a thickness t is formed on this, silicon having a thickness of about 0.44t is consumed, and the distance between the electrodes 14 is G3 and the space distance is G2.
[0126]
The effective gap G, which is the electrical inter-electrode spacing before forming the thermal oxide film, is G = G1, and the effective gap G ′ when the thermal oxide film of thickness t is formed is the dielectric constant of the thermal oxide film. Is expressed by the following equation (2).
[0127]
[Expression 2]
Figure 0003904438
[0128]
Here, since the dielectric constant ε of the thermal oxide film is 3.7 to 3.9, G ′ <G, and the effective gap can be reduced by forming the thermal oxide film. As described above, the force acting between the electrodes 14 and 14 can be increased as the effective gap is smaller, and the electrostatic force acting between the electrodes 14 and 14 is inversely proportional to the square of the effective gap. Therefore, the force can be increased or the driving voltage can be lowered by forming the thermal oxide film and reducing the execution gap. There is a limit to processing the electrodes to form a narrow interval, and when grooves are formed by dry etching, the limit is about 0.5 μm. By forming an insulating film on the electrode surface, an effective gap smaller than this limit value can be formed, and the drive voltage can be lowered.
[0129]
Specifically, the dielectric constant of the thermal oxide film used here was 3.8. When G1 is 0.5 μm and the insulating film thickness t is 0.4 μm, the effective gap G ′ is 0.26 μm, and the effective gap can be reduced to about ½. From the above-described equation (1), when converted to the electrostatic force acting between the electrodes, it becomes 3.7 times, and when trying to obtain the same electrostatic force, the voltage can be reduced to about ½.
[0130]
That is, when G1 = 0.55 μm (ε = 3.8)
When t = 0.2 μm: G2 = 0.28 μm, G ′ = 0.38 μm
When t = 0.4 μm: G2 = 0.06 μm, G ′ = 0.26 μm
It becomes.
[0131]
As a film grown by consuming silicon, there is a thermal nitride film in addition to the thermal oxide film, and this thermal nitride film is also mechanically and electrically reliable and can be used as an insulating film.
[0132]
In addition, a deposited insulating film can be used as the insulating film 26. The deposited insulating film deposits a film without consuming silicon. For example, high temperature thermal CVD, silicon oxide film by low temperature thermal CVD, silicon oxide film or silicon nitride film by PE-CVD, silicon nitride film by LP-CVD, silicon oxide film by sputtering, titanium oxide, molybdenum oxide, tungsten oxide, etc. Examples thereof include a metal oxide film or a film obtained by oxidizing a metal film by vacuum deposition. Film formation by CVD is preferable in that a film can be uniformly formed on the surface of the structure.
[0133]
As an example of the deposited insulating film, a silicon oxide film is formed by high-temperature CVD. Since the silicon oxide film formed by high-temperature CVD is deposited on the surface to be formed, the electrode surface before film formation and the electrode surface after film formation do not change. Therefore, when the film is formed by the thickness t, the electrode interval G1 before and after the film formation does not change, and the space interval becomes G2 which is narrowed by the film thickness.
[0134]
Here, the effective gap G, which is the electrical inter-electrode spacing before forming the deposited insulating film (insulating film 26), is G = G1. The effective gap G 'when the deposited insulating film having the thickness t is formed is expressed by the following equation (3), where ε1 is the dielectric constant of the oxide film.
[0135]
[Equation 3]
Figure 0003904438
[0136]
Since the dielectric constant ε1 of the silicon oxide film by high-temperature CVD is 4.0 to 4.5, G ′ <G, and the effective gap can be reduced by forming the oxide film (deposited insulating film). . In addition, since the film can be formed without consuming the electrode material as in the case of the thermal oxide film, the effective gap can be further reduced, and the voltage can be further reduced. The dielectric constant of the oxide film used here was 4.0. When G1 is 0.5 μm and t is 0.2 μm, G ′ becomes 0.2 μm and the effective gap can be reduced to 2/5. When the electrostatic force acting between the electrodes is converted from the above-described equation (1), it becomes six times, and when trying to obtain the same electrostatic force, the voltage can be reduced to 2/5.
[0137]
That is, when G1 = 0.5 μm (ε = 4.0)
When t = 0.2 μm: G2 = 0.1 μm, G ′ = 0.2 μm
It becomes.
[0138]
The higher the dielectric constant, the greater the effect of reducing the effective gap. In addition, the effect of reducing the effective gap becomes larger by using a film having a larger dielectric constant such as a silicon oxide film of PE-CVD.
[0139]
Furthermore, a conductive film can be formed on the surface of the electrode 14. By forming a conductive film on the electrode surface, the electrode interval was G1 before film formation, whereas the electrode interval after film formation of thickness t is G2 which is smaller by twice the film formation thickness. Become. Thereby, the electrode interval can be reduced by forming the conductive film, and the electrostatic force can be improved and the drive voltage can be lowered. Further, in combination with the method of forming an insulating film on the electrode surface, it is possible to improve the reliability and further reduce the voltage.
[0140]
As the conductive film to be formed, polysilicon or a metal film such as aluminum, nickel, tungsten gold or the like by sputtering or vacuum deposition can be used. However, polysilicon that can be uniformly formed on the electrode surface which is a structure is the most preferable. preferable. In this case, it is preferable to introduce impurity atoms having n-type or p-type conductivity into the polysilicon, for example, phosphorus or arsenic for n-type, boron or antimony for p-type.
[0141]
Next, an inkjet head according to a fourteenth embodiment will be described with reference to FIG. In addition, the figure is a cross-sectional explanatory drawing along the diaphragm lateral direction of the head.
In this embodiment, an electrode (this is referred to as a fixed electrode) 154 is provided on the wall surface portion of the recess 16 of the second substrate 2, and a plurality of electrodes are formed from the fixed electrode 154 on the short-side end side of the diaphragm 10. (This is referred to as a movable electrode.) 155 are provided at predetermined intervals. Other configurations are the same as those of the third embodiment.
[0142]
The operation of the ink jet head configured as described above will be described. When a pulse potential of 0 V to 40 V is applied to the fixed electrode 154 and every other movable electrode 155 by the drive circuit, the surfaces of the fixed electrode 154 and every other movable electrode 155 are positively charged, and the pulse potential is applied. As shown in FIG. 32, the electrostatic attraction action works between the adjacent movable electrodes 155, and the diaphragm 10 bends downward. As a result, the internal volume of the discharge chamber 6 increases, so that ink is supplied from the common liquid chamber 8 into the discharge chamber 6 through the fluid resistance portion 7.
[0143]
When the potentials of the electrodes 154 and 155 return to 0 V, there is no potential difference between the electrodes 154 and 155 and 155 and 155, and the diaphragm 10 is restored to the original state. When the vibration plate 10 is restored, the pressure in the discharge chamber 6 rapidly increases, and ink droplets are discharged from the nozzle holes 4. That is, in this embodiment, ink droplets can be ejected by a pulling method.
[0144]
Next, an inkjet head according to a fifteenth embodiment will be described with reference to FIG. In addition, the figure is a cross-sectional explanatory drawing along the diaphragm lateral direction of the head.
In this embodiment, the third embodiment and the fourteenth embodiment are combined, a fixed electrode 154 is provided on the wall surface portion of the recess 16 of the second substrate 2, and a plurality of movable members are fixed to the diaphragm 10 from the fixed electrode 154. Electrodes 155 are provided at predetermined intervals.
[0145]
The operation of the ink jet head configured as described above will be described. The drive circuit is connected to every other movable electrode 155 of the group of movable electrodes 155 (end portion side movable electrode group) on the fixed electrode 154 and the diaphragm lateral end side. When a pulse potential of 0 V to 40 V is applied by the above, the surfaces of the fixed electrode 154 and every other movable electrode 155 of the end side movable electrode group are positively charged, and adjacent movable electrodes 155 to which no pulse potential is applied. In the same manner as in FIG. 32, electrostatic attraction acts and the diaphragm 10 bends downward. As a result, the internal volume of the discharge chamber 6 increases, so that ink is supplied from the common liquid chamber 8 into the discharge chamber 6 through the fluid resistance portion 7.
[0146]
Therefore, the voltage application to the fixed electrode 155 was canceled, and the voltage was applied by applying a pulse potential of 0V to 40V to every other movable electrode 155 including the movable electrode 155 at the center. The surface of the movable electrode 155 is positively charged, and the electrostatic attraction action works between the adjacent electrodes 155 to which no pulse potential is applied, as shown in FIG. 5, and the diaphragm 10 moves upward. Deflection. As a result, the pressure in the discharge chamber 6 rapidly increases and ink droplets are discharged from the nozzle holes 4. That is, in this embodiment, ink droplets can be ejected by a pull-push method.
[0147]
Next, an inkjet head according to a sixteenth embodiment will be described with reference to FIG. In addition, the figure is a cross-sectional explanatory drawing along the diaphragm lateral direction of the head.
In this embodiment, the plurality of electrodes 14 are provided on the discharge chamber 6 side using the diaphragm 10 of the third embodiment. In this case, in order to prevent the electrode 14 from being corroded by ink, an insulating film 157 such as a nitride film is formed on the surface of the electrode 14 as a liquid resistant film (here, an ink resistant film).
[0148]
In such a configuration, by applying a pulse potential to every other electrode 14, the diaphragm 10 is deformed to the opposite side to the discharge chamber 6, and ink is supplied into the discharge chamber 6. When the application of the pulse potential to the plurality of electrodes 14 is stopped from the state, the diaphragm 10 is restored and ink droplets are ejected. That is, in this case, ink droplets can be ejected in the same manner as the strike method.
[0149]
Next, an inkjet head according to a seventeenth embodiment will be described with reference to FIG. In addition, the figure is a cross-sectional explanatory drawing along the diaphragm lateral direction of the head.
In this embodiment, using the diaphragm 50 of the sixth embodiment, the plurality of electrodes 155 are provided on the surface opposite to the discharge chamber 6 at the center in the short side direction of the diaphragm 50, and the diaphragm 50 is short. The plurality of electrodes 155 are provided on the discharge chamber 6 side at both ends in the hand direction, and the fixed electrode 154 is disposed so as to face the electrode 155 at the endmost portion on the discharge chamber 6 side. In order to prevent the electrodes 154 and 155 from being corroded by ink, an insulating film 157 such as a nitride film is formed on the surfaces of the electrodes 154 and 155 as a liquid-resistant film (here, an ink-resistant film). ing.
[0150]
Since it comprised in this way, while applying every other pulse-like electric potential with respect to the electrode 155 of the both ends of the fixed electrode 154 and the diaphragm 50, an electrostatic force is generated, and the center part side of the diaphragm 50 is provided. When every other pulsed potential is applied to the electrode 155 to generate an electrostatic force, the diaphragm 50 is deformed to the discharge chamber 6 side by the displacement of the upper and lower electrodes 155. In this case, the diaphragm 50 undergoes different deformations at both end portions and the central portion thereof, so that the deformation shape of the vibration plate 50 can be made close to an ideal Gaussian shape, and the droplet discharge characteristics are further improved.
[0151]
Next, an ink cartridge according to the present invention will be described with reference to FIG. The ink cartridge 200 is obtained by integrating the ink jet head 201 according to any of the above embodiments having the nozzle hole 201 and the like, and the ink tank 202 that supplies ink to the ink jet head 201.
[0152]
As described above, in the case of an ink tank integrated head, the cost reduction and reliability of the head immediately leads to the cost reduction and reliability of the entire ink cartridge. By reducing manufacturing defects, the yield and reliability of the ink cartridge can be improved, and the cost of the head-integrated ink cartridge can be reduced.
[0153]
  Equipped with an inkjet head or ink cartridge according to the present inventionAs an image forming apparatus including an apparatus for discharging droplets according to the present inventionAn example of the ink jet recording apparatus will be described with reference to FIGS. FIG. 37 is a perspective explanatory view of the recording apparatus, and FIG. 38 is a side explanatory view of a mechanism portion of the recording apparatus.
[0154]
This ink jet recording apparatus includes a carriage movable in the main scanning direction inside the recording apparatus main body 211, a recording head comprising the ink jet head according to the present invention mounted on the carriage, an ink cartridge for supplying ink to the recording head, and the like. A paper feed cassette (or a paper feed tray) 214 on which a large number of sheets 213 can be stacked from the front side is detachably attached to the lower part of the apparatus main body 211. In addition, the manual feed tray 215 for manually feeding the paper 213 can be opened, the paper 213 fed from the paper feed cassette 214 or the manual feed tray 215 is taken in, and required by the printing mechanism unit 212. After the image is recorded, it is discharged to a discharge tray 216 mounted on the rear side.
[0155]
The printing mechanism 212 holds the carriage 223 slidably in the main scanning direction (the direction perpendicular to the paper in FIG. 38) with a main guide rod 221 and a sub guide rod 222 which are guide members horizontally mounted on left and right side plates (not shown). The carriage 223 includes a head 224 that is an ink jet head that is a droplet discharge head according to the present invention that discharges ink droplets of each color of yellow (Y), cyan (C), magenta (M), and black (Bk). Are arranged in a direction crossing the main scanning direction and the ink droplet discharge direction is directed downward. Also, each ink cartridge 225 for supplying ink of each color to the head 224 is replaceably mounted on the carriage 223. Note that the head-integrated ink cartridge according to the present invention may be mounted.
[0156]
The ink cartridge 225 has an air port that communicates with the atmosphere upward, a supply port that supplies ink to the inkjet head below, and a porous body filled with ink inside, and the capillary force of the porous body. Thus, the ink supplied to the inkjet head is maintained at a slight negative pressure.
[0157]
Further, although the heads 224 of the respective colors are used here as the recording heads, a single head having nozzles for ejecting ink droplets of the respective colors may be used.
[0158]
Here, the carriage 223 is slidably fitted to the main guide rod 221 on the rear side (downstream side in the paper conveyance direction), and is slidably mounted on the secondary guide rod 222 on the front side (upstream side in the paper conveyance direction). is doing. In order to move and scan the carriage 223 in the main scanning direction, a timing belt 230 is stretched between a driving pulley 228 and a driven pulley 229 that are rotationally driven by a main scanning motor 227, and the timing belt 230 is attached to the carriage 223. The carriage 223 is reciprocally driven by forward and reverse rotation of the main scanning motor 227.
[0159]
On the other hand, in order to convey the sheet 213 set in the sheet feeding cassette 214 to the lower side of the head 224, the sheet feeding roller 231 and the friction pad 232 for separating and feeding the sheet 213 from the sheet feeding cassette 214 and the sheet 213 are guided. A guide member 233, a conveyance roller 234 that inverts and conveys the fed paper 213, a conveyance roller 235 that is pressed against the circumferential surface of the conveyance roller 234, and a leading end that defines a feeding angle of the sheet 213 from the conveyance roller 234 A roller 236 is provided. The transport roller 234 is rotationally driven by a sub-scanning motor 237 via a gear train.
[0160]
A printing receiving member 239 is provided as a paper guide member for guiding the paper 213 fed from the transport roller 234 below the recording head 224 corresponding to the range of movement of the carriage 223 in the main scanning direction. On the downstream side of the printing receiving member 239 in the sheet conveyance direction, a conveyance roller 241 and a spur 242 that are rotationally driven to send the sheet 213 in the sheet discharge direction are provided, and the sheet 213 is further discharged to the sheet discharge tray 216. A roller 243 and a spur 244, and guide members 245 and 246 that form a paper discharge path are disposed.
[0161]
At the time of recording, the recording head 224 is driven according to the image signal while moving the carriage 223, thereby ejecting ink onto the stopped sheet 213 to record one line, and after the sheet 213 is conveyed by a predetermined amount, Record the line. Upon receiving a recording end signal or a signal that the trailing edge of the sheet 213 reaches the recording area, the recording operation is terminated and the sheet 213 is discharged. In this case, since the inkjet head according to the present invention constituting the head 224 has high droplet discharge efficiency, it is possible to stably record an image with high image quality.
[0162]
A recovery device 247 for recovering defective ejection of the head 224 is disposed at a position outside the recording area on the right end side in the movement direction of the carriage 223. The recovery device 247 includes a cap unit, a suction unit, and a cleaning unit. The carriage 223 is moved to the recovery device 247 side during printing standby and the head 224 is capped by the capping means, and the ejection port portion is kept in a wet state to prevent ejection failure due to ink drying. Further, by ejecting ink that is not related to recording during recording or the like, the ink viscosity of all the ejection ports is made constant and stable ejection performance is maintained.
[0163]
When a discharge failure occurs, the discharge port (nozzle) of the head 224 is sealed with a capping unit, and bubbles and the like are sucked out together with ink from the discharge port with a suction unit through the tube. Is removed by the cleaning means to recover the ejection failure. Further, the sucked ink is discharged to a waste ink reservoir (not shown) installed at the lower part of the main body and absorbed and held by an ink absorber inside the waste ink reservoir.
[0164]
Thus, in this ink jet recording apparatus, since the ink jet head or ink cartridge embodying the present invention is mounted, there is no ink droplet ejection failure due to vibration plate drive failure, and stable ink droplet ejection characteristics are obtained, Image quality is improved. In addition, since a head that can be driven at a low voltage is mounted, the power consumption of the entire inkjet recording apparatus can be reduced.
[0165]
Next, a micro pump according to the present invention will be described with reference to FIG. In addition, the figure is principal part cross-sectional explanatory drawing of the micropump.
This micro pump has a laminated structure in which a flow path substrate 301 and a protective substrate 302 are stacked and joined. A flow path 303 through which a fluid flows is formed on the flow path substrate 301 and one wall surface of the flow path 303 is formed. A movable plate 304 (such as a deformable single layer or laminated insulating thin film, a main layer (silicon film or silicon nitride film) and a laminated film of insulating thin film as described in the embodiment of the droplet discharge head to be formed). Here, a laminated film of a silicon nitride film 304A and a silicon oxide film 304B is provided), and a portion of the movable plate 304 that is not bonded and fixed to the protective substrate 302 is a movable portion 305.
[0166]
A plurality of electrodes 307 are provided at predetermined intervals on the opposite surface of the movable portion 305 on the flow path 303 side, like the ink jet head. The protective substrate 302 has a function similar to that of the second substrate 2 of the head, and has a recess 308 for disposing the electrode 307. Here, the protective substrate 302 forms a recess 308 by providing a spacer portion 309 on a flat plate substrate.
[0167]
The operation principle of the micropump will be described. Since the electrostatic attraction force is generated between the electrodes 307 by applying a pulse potential to every other electrode 307 as described above, the movable portion 305 is formed in the flow path 303. Deforms to the side. Here, by sequentially driving the movable portion 305 from the right side in the figure, the fluid in the flow path 303 flows in the direction of the arrow, and the fluid can be transported.
[0168]
In this embodiment, an example in which a plurality of movable parts are provided is shown, but one movable part may be provided. Further, in order to increase the transportation efficiency, one or more valves such as a check valve can be provided between the movable parts.
[0169]
Next, an embodiment of an optical device according to the present invention will be described with reference to FIG. This figure is a schematic configuration diagram of the device.
In this optical device, a deformable mirror 401 and a protective substrate 402 are overlapped and bonded. The mirror 401 can be composed of a deformable single layer or laminated insulating thin film as described in the embodiment of the droplet discharge head, a laminated layer of a main layer (silicon film or silicon nitride film) and an insulating thin film, or the like. Here, a laminated film of a main layer 401A and an insulating thin film 401B is used.
[0170]
A portion of the mirror 401 that is not bonded and fixed to the protective substrate 402 is a movable portion 405. The movable portion 405 is provided with a plurality of electrodes 407 at predetermined intervals. The protective substrate 402 has a function similar to that of the second substrate 2 of the head, and has a recess 408 in which the electrode 407 is disposed. Here, the protective substrate 402 forms a recess 408 by providing a spacer portion 409 on a flat plate substrate. The surface of the mirror 301 is preferably formed with a dielectric multilayer film or a metal film in order to increase the reflectance.
[0171]
The principle of this optical device will be described. An electrostatic attraction force is generated between the electrodes 407 by applying a pulse potential to every other electrode 407 provided on the movable part 405 of the mirror 401. 405 is deformed into a convex shape to form a convex mirror. Therefore, when the light from the light source 410 is applied to the mirror 401 via the lens 411, when the mirror 401 is not driven, the light is reflected at the same angle as the incident angle, but when the mirror 401 is driven to the movable portion 405. Since the movable part 405 becomes a convex mirror, the reflected light becomes divergent light. Thereby, an optical modulation device can be realized.
[0172]
Therefore, an example in which this optical device is applied will be described with reference to FIGS. In this example, the optical devices described above are two-dimensionally arranged, and the movable part 405 of each mirror is driven independently. Although a 4 × 4 array is shown here, it is possible to arrange more than this. Further, the electrode 407 is separated in a lattice shape on the surface of the movable portion 405 (in the embodiment of the droplet discharge head, the electrode 14 can also be separated in a lattice shape in the same manner as the electrode 405). .
[0173]
Therefore, similarly to FIG. 40 described above, the light from the light source 410 is applied to the mirror 401 via the lens 411, and the light incident on the position where the mirror 401 is not driven enters the projection lens 412. On the other hand, a portion where the movable portion 405 of the mirror 401 is deformed by applying a voltage to the electrode 407 becomes a convex mirror, so that light diverges and hardly enters the projection lens 412. The light incident on the projection lens 412 is projected on a screen (not shown) or the like, and an image can be displayed on the screen.
[0174]
  In the above embodiment, the example in which the ink jet head is applied as a liquid droplet ejecting head has been described. The present invention can also be applied to other droplet discharge heads such as a droplet discharge head that discharges the sample as droplets. In addition to micropumps and optical devices (light modulation devices), microactuators can also be applied to microswitches (microrelays), multi-optical lens actuators (optical switches), microflowmeters, pressure sensors, etc. it can.Further, as described above, the present invention can also be applied to an image forming apparatus such as a printer, a facsimile machine, and a copying apparatus, and an apparatus that discharges droplets.
[0175]
【The invention's effect】
As described above, according to the droplet discharge head according to the present invention, from the both sides of the diaphragm formed of the insulating thin film or the electrically conductive structure that is electrically insulated and separated from each other on one side. Since at least two electrodes are provided and an electrostatic force is generated between the electrodes to deform the diaphragm, a head capable of high cost printing with high droplet discharge efficiency can be obtained at low cost.
[0176]
  According to the droplet discharge head according to the present invention, at least one electrode made of a conductive structure is provided on both surfaces or one surface of the diaphragm formed of an insulating thin film, and the diaphragm is fixed. Since the wall surface is provided with an electrode facing the electrode at a predetermined interval and the diaphragm is deformed by generating an electrostatic force between the electrodes, the droplet discharge efficiency is high at a low cost. A head capable of image quality printing is obtained.
[0177]
In these droplet discharge heads according to the present invention, the insulating thin film forming the vibration plate is a laminated film of insulating films, so that the stress of each film can be individually controlled, and the vibration plate is bent by internal stress. The bending deformation can be prevented, and the occurrence of pinholes can be prevented because of the laminated film.
[0178]
In addition, since the insulating thin film that forms the diaphragm has a tensile stress, it can avoid bending deformation due to the bending of the diaphragm, and the in-plane variation of electrostatic attraction generated in the electrode pair can be avoided. In addition, the effective rigidity of the diaphragm can be improved and droplets can be ejected with a thinner diaphragm.
[0179]
In this case, by using a silicon nitride film as the insulating film having a tensile stress, it can function as an etching stopper when the liquid chamber is formed of a silicon substrate, and a highly accurate diaphragm can be formed. By setting the thickness of the silicon nitride film within the range of 10 nm to 900 nm, it is possible to ensure rigidity and drive at a low voltage. Furthermore, since the silicon nitride film contains impurity atoms, stress relaxation can be easily realized while maintaining tensile stress.
[0180]
Further, by using an organic resin film as the insulating thin film that forms the diaphragm, a thicker diaphragm can be formed because there are many materials having a low Young's modulus, and pinhole defects in the diaphragm can be prevented. By using a polyimide film as the organic resin film, the corrosion resistance of the liquid is improved and a liquid having a chemical property can be discharged.
[0181]
The droplet discharge head according to the present invention electrically insulates the surface of the insulating thin film of the diaphragm formed of the laminated film of silicon and the insulating thin film provided on the surface opposite to the silicon discharge chamber. The diaphragm is deformed by providing at least two electrodes consisting of separated conductive structures and generating an electrostatic force between the electrodes, so it is possible to achieve high-quality printing at low cost with high droplet ejection efficiency. Can be obtained, and the thickness of the diaphragm can be easily controlled.
[0182]
Further, according to the droplet discharge head according to the present invention, the surface of the insulating thin film of the diaphragm formed of the laminated film of silicon and the insulating thin film provided on the surface opposite to the silicon discharge chamber is made conductive. The structure is provided with at least one electrode, and the fixed portion is provided with an electrode facing the electrode at a predetermined interval, and the diaphragm is deformed by generating an electrostatic force between the electrodes. Thus, a head with high droplet discharge efficiency and high-quality printing can be obtained, and the thickness of the diaphragm can be easily controlled.
[0183]
In each of the droplet discharge heads according to the present invention, the silicon of the diaphragm contains n-type or p-type impurity atoms that function as an etching stopper when performing anisotropic etching. Thus, a highly accurate diaphragm can be formed.
[0184]
According to the droplet discharge head according to the present invention, the conductive layers that are electrically insulated and separated from each other on one side or both sides of the diaphragm formed by the main layer and a film having selectivity for silicon etching are provided. Since the diaphragm is deformed by providing at least two electrodes composed of a structure and generating an electrostatic force between the electrodes, a head capable of high cost printing with high droplet discharge efficiency is obtained at low cost. Further, etching damage to the main layer of the diaphragm when the liquid chamber is formed by etching can be prevented, and a more accurate diaphragm can be formed.
[0185]
  Further, according to the liquid droplet ejection head according to the present invention, at least the vibration plate formed of the main layer and the film having selectivity with respect to the silicon etching, or at least one of the structures having conductivity on one surface. While providing one electrode,Wall part to fix the diaphragmSince the diaphragm is deformed by providing an electrode facing the electrode at a predetermined interval and generating an electrostatic force between the electrodes, the head is capable of high cost printing with high droplet ejection efficiency at low cost. In addition, etching damage to the main layer of the diaphragm when the liquid chamber is formed by etching can be prevented, and a more accurate diaphragm can be formed.
[0186]
Furthermore, according to the liquid droplet ejection head according to the present invention, the film having etching selectivity with respect to the silicon etching / the main layer / both surfaces of the diaphragm formed of the film having selectivity with respect to the etching of the electrode material, or The diaphragm is deformed by providing at least two electrodes made of conductive structures that are electrically insulated and separated from each other on one surface and generating an electrostatic force between the electrodes. A head having high ejection efficiency and capable of high-quality printing is obtained, and etching damage to the main layer of the diaphragm when the liquid chamber and the electrode are formed by etching can be prevented, so that a highly accurate diaphragm can be formed.
[0187]
  Furthermore, according to the droplet discharge head according to the present invention, both sides of the diaphragm formed of a film having etching selectivity with respect to silicon etching / main layer / film having selectivity with respect to etching of the electrode material, Alternatively, at least one electrode made of a conductive structure is provided on one surface,Wall part to fix the diaphragmSince the diaphragm is deformed by providing an electrode facing the electrode at a predetermined interval and generating an electrostatic force between the electrodes, the head is capable of high cost printing with high droplet ejection efficiency at low cost. In addition, etching damage to the main layer of the diaphragm when the liquid chamber and the electrode are formed by etching can be prevented, and a more accurate diaphragm can be formed.
[0188]
In each of the droplet discharge heads according to the present invention, the film having etching selectivity with respect to the silicon etching is a silicon oxide film or a laminated film of a silicon nitride film and a silicon oxide film, so that Etching damage can be prevented more reliably. Further, since the film having etching selectivity with respect to the etching of the electrode material is a silicon oxide film, etching damage to the diaphragm can be prevented more reliably. Furthermore, since the main layer has a tensile stress, it is possible to avoid bending deformation due to the bending of the diaphragm, to reduce the in-plane variation of the electrostatic attraction generated in the electrode pair, and to further improve the effective vibration of the diaphragm. The rigidity can be improved, and the droplet can be ejected with a thinner diaphragm.
[0189]
In addition, the main layer can be a silicon nitride film, so that the stress can be easily controlled while maintaining the tensile stress, or the main layer can be formed by using a deposition method or a polishing method so as to have a thickness. Controllability is improved. Furthermore, when the thickness of the diaphragm is 5 μm or less, low voltage driving can be achieved while ensuring rigidity.
[0190]
According to the ink cartridge of the present invention, since the liquid droplet ejection head according to the present invention for ejecting ink droplets and the ink tank for supplying ink to the liquid droplet ejection head are integrated, manufacturing defects are reduced and the cost is reduced. Can be realized.
[0191]
  According to the ink jet recording apparatus according to the present invention, the liquid droplet ejection head or the ink cartridge according to the present invention is used as the ink jet head that ejects ink droplets.powered byTherefore, the cost of the apparatus can be reduced.According to the image forming apparatus of the present invention, since the liquid droplet ejection head according to the present invention is provided, the cost can be reduced. According to the apparatus for ejecting droplets according to the present invention, since the droplet ejection head according to the present invention is provided, the cost can be reduced.
[0192]
According to the microactuator of the present invention, at least two electrodes made of electrically conductive structures that are electrically insulated and separated from each other are provided on both surfaces of one of the movable parts formed of an insulating thin film, or one surface, Since the movable part is deformed by generating an electrostatic force between the electrodes, an actuator with high operating efficiency can be obtained at low cost.
[0193]
  According to the microactuator according to the present invention, at least one electrode made of a conductive structure is provided on both surfaces of the movable part formed of an insulating thin film or on one surface,Wall part to fix the movable partIn this case, the movable part is deformed by providing an electrode opposed to the electrode of the movable part at a predetermined interval and generating an electrostatic force between the electrodes. Therefore, an actuator with low cost and high operating efficiency can be obtained.
[0194]
According to the micropump of the present invention, the micropump transports liquid by deformation of the movable part, and is electrically insulated and separated from each other on one side or both sides of the movable part formed of an insulating thin film. Since the movable part is deformed by providing two electrodes and generating an electrostatic force between the electrodes, the size can be reduced, the power consumption can be reduced, and the cost can be reduced.
[0195]
According to the light modulation device of the present invention, the light modulation device changes the reflection direction of light by the displacement of the mirror formed on the movable part, and is electrically applied to both or one side of the movable part formed of an insulating thin film. Since two electrodes that are insulated and separated from each other and the mirror is displaced by deforming the movable part by applying an electrostatic force between the electrodes, it is possible to reduce the size and power consumption and reduce the cost. I can plan.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an exploded perspective view of an inkjet head according to a first embodiment of a droplet discharge head of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional explanatory view of the head in the longitudinal direction of the diaphragm.
FIG. 3 is an enlarged cross-sectional explanatory view of the main part of the head in the short direction of the diaphragm.
FIG. 4 is an explanatory plan view for explaining an electrode arrangement pattern of the head.
FIG. 5 is an enlarged sectional explanatory view of a main part for explaining the operation of the head.
FIG. 6 is a cross-sectional explanatory view along the longitudinal direction of the diaphragm of the inkjet head according to the second embodiment.
FIG. 7 is a cross-sectional explanatory diagram of a main part along the short side direction of the diaphragm of the head.
FIG. 8 is a cross-sectional explanatory view along the longitudinal direction of the diaphragm of the ink jet head according to the third embodiment.
FIG. 9 is a cross-sectional explanatory view of a main part along the short side direction of the diaphragm of the head.
FIG. 10 is a cross-sectional explanatory view along the longitudinal direction of the diaphragm of the ink jet head according to the fourth and fifth embodiments.
FIG. 11 is a cross-sectional explanatory diagram of a main part along the short side direction of the diaphragm of the head.
FIG. 12 is a cross-sectional explanatory view of a main part along the diaphragm lateral direction showing another example of the ink jet head according to the embodiment.
FIG. 13 is a cross-sectional explanatory view of a main part along the diaphragm lateral direction showing still another example of the ink jet head according to the embodiment.
FIG. 14 is an explanatory diagram for explaining an example of the manufacturing process of the inkjet head according to the embodiment;
FIG. 15 is an explanatory diagram for explaining a process following FIG.
FIG. 16 is an explanatory diagram for explaining the process following FIG.
FIG. 17 is a cross-sectional explanatory view along the longitudinal direction of the diaphragm of the inkjet head according to the sixth embodiment.
FIG. 18 is a cross-sectional explanatory view of a main part along the short side direction of the diaphragm of the head.
FIG. 19 is a cross-sectional explanatory view along the longitudinal direction of the diaphragm of the ink jet head according to the seventh embodiment.
FIG. 20 is a cross-sectional explanatory diagram of a main part along the short side direction of the diaphragm of the head.
FIG. 21 is a cross-sectional explanatory view along the longitudinal direction of the diaphragm of the inkjet head according to the eighth embodiment.
FIG. 22 is a cross-sectional explanatory view of a main part along the diaphragm short-side direction of the head.
FIG. 23 is a cross-sectional explanatory view along the transversal direction of the diaphragm for explaining the inkjet head according to the ninth embodiment together with the manufacturing process thereof.
FIG. 24 is an explanatory diagram for explaining the process following FIG.
FIG. 25 is a cross-sectional explanatory view along the transversal direction of the diaphragm of the inkjet head according to the tenth embodiment.
FIG. 26 is an explanatory cross-sectional view of the inkjet head according to the eleventh embodiment along the transversal direction of the diaphragm.
FIG. 27 is a cross-sectional explanatory view along the diaphragm lateral direction for explaining the inkjet head according to the twelfth embodiment together with the manufacturing process thereof.
FIG. 28 is an explanatory diagram for explaining the process following FIG.
FIG. 29 is an explanatory cross-sectional view of the inkjet head according to the thirteenth embodiment along the transversal direction of the diaphragm.
FIG. 30 is an enlarged explanatory view of an electrode portion of the head.
FIG. 31 is an explanatory cross-sectional view of the inkjet head according to the fourteenth embodiment along the short side of the diaphragm.
FIG. 32 is an explanatory diagram for explaining the operation of the head.
FIG. 33 is an enlarged cross-sectional explanatory view of a main part along the diaphragm lateral direction of the inkjet head according to the fifteenth embodiment.
FIG. 34 is an enlarged cross-sectional explanatory view of a main part along the diaphragm lateral direction of the inkjet head according to the sixteenth embodiment.
FIG. 35 is an enlarged cross-sectional explanatory view of a main part along the diaphragm lateral direction of the inkjet head according to the seventeenth embodiment.
FIG. 36 is an explanatory perspective view for explaining the ink cartridge according to the present invention.
FIG. 37 is an explanatory perspective view illustrating an example of an ink jet recording apparatus according to the present invention.
FIG. 38 is an explanatory diagram of a mechanism unit of the recording apparatus.
FIG. 39 is a cross-sectional explanatory view illustrating an embodiment of a micropump according to the present invention.
FIG. 40 is a cross-sectional explanatory view illustrating an embodiment of an optical device according to the present invention.
41 is an explanatory perspective view illustrating an example of a light modulation device using the optical device. FIG.
FIG. 42 is a perspective view of relevant parts of the optical modulation device.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... 1st board | substrate, 2 ... 2nd board | substrate, 3 ... Nozzle plate, 4 ... Nozzle hole, 6 ... Discharge chamber, 7 ... Fluid resistance part, 8 ... Common liquid chamber 10, 20, 50, 60, 70, 90 , 100, 110 ... diaphragm, 14 ... electrode, 154 ... fixed electrode, 155 ... movable electrode, 200 ... ink cartridge, 301 ... channel substrate, 303 ... channel, 305 ... movable part, 307 ... electrode, 401 ... mirror 405: movable part, 407 ... electrode.

Claims (29)

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、前記振動板は絶縁性薄膜であり、この振動板の両面、または、片方の面に電気的に互いに絶縁分離された導電性を有する構造体からなる少なくとも2つの電極を設け、前記電極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。  A single or a plurality of nozzle holes for discharging liquid droplets, a discharge chamber communicating with each of the nozzle holes, and a vibration plate constituting at least one wall of the discharge chamber, and deforming the vibration plate In the droplet discharge head that discharges droplets by applying pressure to the liquid, the diaphragm is an insulating thin film, and both sides of the diaphragm or one surface are electrically insulated and separated from each other. A droplet discharge head, comprising: at least two electrodes formed of a structure having a structure, and deforming the diaphragm by generating an electrostatic force between the electrodes. 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、前記振動板は絶縁性薄膜であり、この振動板の両面、または、片方の面に導電性を有する構造体からなる少なくとも1つの電極を設けるとともに、前記振動板を固定する壁面部に前記電極に所定の間隔を置いて対向する電極を設け、前記電極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。A single or a plurality of nozzle holes for discharging liquid droplets, a discharge chamber communicating with each of the nozzle holes, and a vibration plate constituting at least one wall of the discharge chamber, and deforming the vibration plate In the droplet discharge head that discharges droplets by applying pressure to the liquid, the vibration plate is an insulating thin film, and at least one of the vibration plate and a structure having conductivity on one or both surfaces thereof. An electrode is provided, an electrode facing the electrode at a predetermined interval is provided on a wall surface portion that fixes the diaphragm, and the diaphragm is deformed by generating an electrostatic force between the electrodes. Droplet discharge head. 請求項1又は2に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記振動板を形成する絶縁性薄膜は絶縁膜の積層膜であることを特徴とする液滴吐出ヘッド。  3. The droplet discharge head according to claim 1, wherein the insulating thin film forming the vibration plate is a laminated film of insulating films. 請求項1乃至3のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記振動板を形成する絶縁性薄膜を構成する絶縁膜は引張り応力を有していることを特徴とする液滴吐出ヘッド。  4. The liquid droplet ejection head according to claim 1, wherein the insulating film constituting the insulating thin film forming the diaphragm has a tensile stress. 請求項4に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記引張り応力を有する絶縁膜は窒化シリコン膜であることを特徴とする液滴吐出ヘッド。  5. The droplet discharge head according to claim 4, wherein the insulating film having tensile stress is a silicon nitride film. 請求項5に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記窒化シリコン膜の厚さが10nm〜900nmの範囲内であることを特徴とする液滴吐出ヘッド。  6. The droplet discharge head according to claim 5, wherein the silicon nitride film has a thickness in a range of 10 nm to 900 nm. 請求項5又は6に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記窒化シリコン膜には不純物原子が含まれていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。  7. The droplet discharge head according to claim 5, wherein the silicon nitride film contains impurity atoms. 請求項1乃至3のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記振動板を形成する絶縁性薄膜が有機樹脂膜であることを特徴とする液滴吐出ヘッド。  4. The droplet discharge head according to claim 1, wherein the insulating thin film forming the diaphragm is an organic resin film. 請求項に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記有機樹脂膜がポリイミド膜であることを特徴とする液滴吐出ヘッド。9. The droplet discharge head according to claim 8 , wherein the organic resin film is a polyimide film. 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、前記振動板はシリコンとこのシリコンの吐出室と反対側の面に設けた絶縁性薄膜の積層膜であり、この振動板の前記絶縁性薄膜の面に電気的に互いに絶縁分離された導電性を有する構造体からなる少なくとも2つの電極を設け、前記電極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。  A single or a plurality of nozzle holes for discharging liquid droplets, a discharge chamber communicating with each of the nozzle holes, and a vibration plate constituting at least one wall of the discharge chamber, and deforming the vibration plate In the liquid droplet ejection head for ejecting liquid droplets by applying pressure to the liquid, the vibration plate is a laminated film of silicon and an insulating thin film provided on the surface opposite to the silicon discharge chamber. It is characterized in that at least two electrodes composed of conductive structures which are electrically insulated and separated from each other are provided on the surface of the insulating thin film, and the diaphragm is deformed by generating an electrostatic force between the electrodes. Droplet discharge head. 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、前記振動板はシリコンとこのシリコンの吐出室と反対側の面に設けた絶縁性薄膜の積層膜であり、この振動板の前記絶縁性薄膜の面に導電性を有する構造体からなる少なくとも1つの電極を設けるとともに、前記振動板を固定する壁面部に前記電極に所定の間隔を置いて対向する電極を設け、前記電極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。A single or a plurality of nozzle holes for discharging liquid droplets, a discharge chamber communicating with each of the nozzle holes, and a vibration plate constituting at least one wall of the discharge chamber, and deforming the vibration plate In the droplet discharge head that discharges droplets by applying pressure to the liquid, the vibration plate is a laminated film of silicon and an insulating thin film provided on the surface opposite to the discharge chamber of the silicon. At least one electrode made of a conductive structure is provided on the surface of the insulating thin film, and an electrode facing the electrode at a predetermined interval is provided on a wall surface portion for fixing the diaphragm , and the electrode is interposed between the electrodes. A droplet discharge head, wherein the diaphragm is deformed by generating an electrostatic force. 請求項10又は11に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記振動板のシリコンには伝導型がn型又はp型の不純物原子が含まれていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。  12. The droplet discharge head according to claim 10, wherein the silicon of the vibration plate includes impurity atoms having a conductivity type of n-type or p-type. 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、前記振動板は主たる層とシリコンエッチングに対して選択性を有する膜とからなり、この振動板の両面、または、片方の面に電気的に互いに絶縁分離された導電性を有する構造体からなる少なくとも2つの電極を設け、前記電極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。  A single or a plurality of nozzle holes for discharging liquid droplets, a discharge chamber communicating with each of the nozzle holes, and a vibration plate constituting at least one wall of the discharge chamber, and deforming the vibration plate In the liquid droplet ejection head for ejecting liquid droplets by applying pressure to the liquid, the diaphragm is composed of a main layer and a film having selectivity for silicon etching, and is formed on both surfaces or one surface of the diaphragm. A droplet discharge head comprising: at least two electrodes made of a conductive structure that is electrically insulated and separated from each other, and deforming the diaphragm by generating an electrostatic force between the electrodes. 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、前記振動板は主たる層とシリコンエッチングに対して選択性を有する膜とからなり、この振動板の両面、または、片方の面に導電性を有する構造体からなる少なくとも1つの電極を設けるとともに、前記振動板を固定する壁面部に前記電極に所定の間隔を置いて対向する電極を設け、前記電極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。A single or a plurality of nozzle holes for discharging liquid droplets, a discharge chamber communicating with each of the nozzle holes, and a vibration plate constituting at least one wall of the discharge chamber, and deforming the vibration plate In the liquid droplet ejection head for ejecting liquid droplets by applying pressure to the liquid, the diaphragm is composed of a main layer and a film having selectivity with respect to silicon etching, and is formed on both surfaces or one surface of the diaphragm. Providing at least one electrode made of a conductive structure, and providing an electrode facing the electrode at a predetermined interval on a wall portion for fixing the diaphragm , and generating an electrostatic force between the electrodes A liquid droplet ejection head, wherein the vibration plate is deformed by: 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、前記振動板はシリコンエッチングに対してエッチング選択性を有する膜/主たる層/電極材料のエッチングに対して選択性を有する膜とからなり、この振動板の両面、または、片方の面に電気的に互いに絶縁分離された導電性を有する構造体からなる少なくとも2つの電極を設け、前記電極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。  A single or a plurality of nozzle holes for discharging liquid droplets, a discharge chamber communicating with each of the nozzle holes, and a vibration plate constituting at least one wall of the discharge chamber, and deforming the vibration plate In the liquid droplet ejection head for ejecting liquid droplets by applying pressure to the liquid, the diaphragm is composed of a film having etching selectivity for silicon etching / a main layer / a film having selectivity for etching of the electrode material. The vibration plate is provided with at least two electrodes made of electrically conductive structures that are electrically insulated and separated from each other on both surfaces or one surface of the diaphragm, and generating an electrostatic force between the electrodes. A droplet discharge head characterized by deforming a plate. 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、前記振動板はシリコンエッチングに対してエッチング選択性を有する膜/主たる層/電極材料のエッチングに対して選択性を有する膜とからなり、この振動板の両面、または、片方の面に導電性を有する構造体からなる少なくとも1つの電極を設けるとともに、前記振動板を固定する壁面部に前記電極に所定の間隔を置いて対向する電極を設け、前記電極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。A single or a plurality of nozzle holes for discharging liquid droplets, a discharge chamber communicating with each of the nozzle holes, and a vibration plate constituting at least one wall of the discharge chamber, and deforming the vibration plate In the liquid droplet ejection head for ejecting liquid droplets by applying pressure to the liquid, the diaphragm includes a film having etching selectivity for silicon etching / a main layer / a film having selectivity for etching the electrode material. And at least one electrode made of a conductive structure is provided on both surfaces or one surface of the diaphragm , and is opposed to the electrode at a predetermined interval on a wall surface portion to which the diaphragm is fixed. A liquid droplet ejection head, wherein electrodes are provided and the diaphragm is deformed by generating an electrostatic force between the electrodes. 請求項13乃至16のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記シリコンエッチングに対してエッチング選択性を有する膜がシリコン酸化膜又はシリコン窒化膜とシリコン酸化膜の積層膜であること特徴とする液滴吐出ヘッド。  17. The droplet discharge head according to claim 13, wherein the film having etching selectivity with respect to silicon etching is a silicon oxide film or a laminated film of a silicon nitride film and a silicon oxide film. Droplet discharge head. 請求項15又は16に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記電極材料のエッチングに対してエッチング選択性を有する膜がシリコン酸化膜であることを特徴とする液滴吐出ヘッド。  17. The droplet discharge head according to claim 15, wherein the film having etching selectivity with respect to the etching of the electrode material is a silicon oxide film. 請求項13乃至18のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記主たる層が引張り応力を有していることを特徴とする液滴吐出ヘッド。  19. The droplet discharge head according to claim 13, wherein the main layer has a tensile stress. 請求項13乃至19のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記主たる層が窒化シリコン膜又はシリコンであることを特徴とする液滴吐出ヘッド。  20. The droplet discharge head according to claim 13, wherein the main layer is a silicon nitride film or silicon. 請求項13乃至20のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記振動板の厚みが5μm以下であることを特徴とする液滴吐出ヘッド。  21. The droplet discharge head according to claim 13, wherein the vibration plate has a thickness of 5 [mu] m or less. 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乃至21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。  The droplet discharge head according to any one of claims 1 to 21, wherein the droplet discharge head is an ink cartridge in which a droplet discharge head that discharges ink droplets and an ink tank that supplies ink to the droplet discharge head are integrated. An ink cartridge which is a head. 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乃至21のいずれかに記載の液滴吐出ヘッド又は請求項22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。  An inkjet recording apparatus equipped with an inkjet head that ejects ink droplets, wherein the inkjet head is the droplet ejection head according to any one of claims 1 to 21 or the ink cartridge according to claim 22. Inkjet recording device. 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、前記可動部分が絶縁性薄膜からなり、この前記可動部分の両面、または、片方の面に電気的に互いに絶縁分離された導電性を有する構造体からなる少なくとも2つの電極を設け、前記電極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。  A microactuator for deforming a movable part, wherein the movable part is made of an insulating thin film, and is made of a conductive structure that is electrically insulated from and separated from both surfaces of the movable part or one of the surfaces. A microactuator characterized in that at least two electrodes are provided, and the movable part is deformed by generating an electrostatic force between the electrodes. 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、前記可動部分が絶縁性薄膜からなり、前記可動部分の両面、または、片方の面に導電性を有する構造体からなる少なくとも1つの電極を設けるとともに、前記可動部分を固定する壁面部に前記可動部分の電極に所定の間隔を置いて対向する電極を設け、前記電極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。A micro-actuator for deforming the movable part, the movable part is made of an insulating thin film, both surfaces of the moving part, or provided with at least one electrode made of structures having conductivity on one side, the A microactuator characterized in that an electrode facing the electrode of the movable part at a predetermined interval is provided on a wall surface portion for fixing the movable part, and the movable part is deformed by generating an electrostatic force between the electrodes. . 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、前記可動部分が絶縁性薄膜からなり、前記可動部分の両面、または、片方の面に電気的に互いに絶縁分離された2つの電極を設け、前記電極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。  A micropump for transporting liquid by deformation of a movable part, wherein the movable part is made of an insulating thin film, and two electrodes which are electrically isolated from each other are provided on both surfaces or one surface of the movable part. A micropump characterized by deforming the movable part by generating an electrostatic force between the electrodes. 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、前記可動部分が絶縁性薄膜からなり、前記可動部分の両面、または、片面に電気的に互いに絶縁分離された2つの電極を設け、前記電極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。  An optical device that changes the reflection direction of light by displacement of a mirror formed on a movable part, wherein the movable part is made of an insulating thin film and is electrically insulated and separated from each other on both sides or one side of the movable part. An optical device comprising two electrodes and deforming the movable portion by generating an electrostatic force between the electrodes. 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21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。  An image forming apparatus comprising a droplet discharge head to form an image, wherein the droplet discharge head is the droplet discharge head according to any one of claims 1 to 21. 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21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。  An apparatus for discharging droplets from a droplet discharge head, wherein the droplet discharge head is the droplet discharge head according to any one of claims 1 to 21.
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