JP4120954B2 - Electrostatic actuator, inkjet head, and image forming apparatus - Google Patents
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は静電型アクチュエータ及びインクジェットヘッド、画像形成装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
プリンタ、ファクシミリ、複写装置、プロッタ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インクジェットヘッドとしては、インク滴を吐出するノズルと、このノズルが連通する加圧液室(液室、加圧室、圧力室、吐出室、インク流路等とも称される。)と、加圧液室の壁面を形成する振動板及びこの振動板に対向する電極とを有する静電型アクチュエータとを備え、振動板を静電力で変形させることで加圧液室内インクを加圧してノズルからインク滴を吐出させる静電型インクジェットヘッドがある。
【0003】
また、振動板を可動部分する静電型アクチュエータは、インクジェットヘッド以外にも、マイクロ静電ポンプ、マイクロリレー、光スイッチ、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などにも用いられる。
【0004】
従来の静電型インクジェットヘッドとして、例えば特開平6−71882号公報に記載されているように、液室の壁面を形成する振動板と電極とを平行に配置し(これにより形成されるギャップを「平行ギャップ」と称する。)したもの、特開平9−39235号公報に記載されているように、振動板と電極との間にギャップを設け、且つ、電極を階段状に配置することでギャップ寸法が段階的に変化するようにしたもの、或いは、特開平9−193375号公報に記載されているように振動板に対して電極を斜めに傾斜させて配置することで振動板と電極との間のギャップの断面形状が振動板側の面(辺)と電極側の面(辺)とで少なくとも一部が非平行になる(このようなギャップを「非平行ギャップ」と称する。)ようにしたものも知られている。
【0005】
このような静電型インクジェットヘッド(静電型アクチュエータも同様)においては、振動板と電極との間に形成されるギャップを高精度に形成することはもとより、振動板の剛性も高精度に作製・維持しなければならない。振動板の剛性は振動板材料のヤング率、内部応力、振動板厚によってほぼ決まるが、特に振動板厚のバラツキによる影響が大きい。
【0006】
そこで、上述した従来のインクジェットヘッドにおいては、振動板厚を高精度に作製するため、シリコン(110)基板にボロン拡散層を形成し、アルカリエッチングストップ(一般にボロンストップ法と呼ばれる)によりボロン拡散層からなる振動板を形成するようにしている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したボロン拡散層によるエッチングストップ技術を用いて振動板を形成しても、厚さ5μm程度以下、より具体的には厚さ2μm程度の振動板を数%以下の厚さバラツキで高歩留まりで生産することは容易でない。
【0008】
このように振動板を有するアクチュエータにおいて振動板厚にバラツキが生じると、例えばインクジェットヘッドにおいては、インク滴吐出体積やインク滴速度などの噴射特性にバラツキが生じ、インク着弾位置がバラついたりして、画像品質が低下することになる。
【0009】
本発明者らは従来の単に「バラツキを極力抑える」という観点ではなく、「バラツキを検出して回路的に補正する」という観点からの検討が不可欠であると認識して本発明を完成するに至ったものであり、本発明は、上記の課題解決するため、不良アクチュエータの排除、適切な回路補正値の設定による特性バラツキの低減が可能で、歩留まりを向上できる静電型アクチュエータ及びインクジェットヘッド、同ヘッドを備える画像形成装置を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明に係る静電型アクチュエータは、可動部分となる振動板と同じメンブレンで1つの壁面が形成されている密閉空室を有する構成としたものである。
【0011】
ここで、メンブレンの固定端幅が密閉空室の幅で規定されていることが好ましい。また、振動板及び/又は振動板を形成する筐体が(110)面方位のシリコン基板から形成されていることが好ましい。さらに、メンブレンの固定端幅が異なる1又は複数の密閉空室を設けることが好ましい。
【0012】
また、メンブレンを形成する筐体の幅が駆動ビットの側壁間の幅と同じであることが好ましい。さらに、密閉空室内の密閉圧力が1気圧より低いことが好ましく、この場合より好ましくは密閉空室内の密閉圧力を1/100気圧以下にする。さらにまた、密閉空間のギャップ長がメンブレンの厚さと略同等以下であることが好ましい。
【0013】
本発明に係るインクジェットヘッドは、本発明に係る静電型アクチュエータを備えたものである。本発明に係る画像形成装置は、本発明に係るインクジェットヘッドを搭載したものである。
【0014】
【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。先ず、本発明の第1実施形態について図1乃至図4を参照して説明する。なお、図1は同実施形態に係るインクジェットヘッドの上面概略図、図2は図1のA−A線に沿う振動板長手方向の断面説明図、図3は図1のB−B線に沿う振動板短手方向の断面説明図、図4は図1のC−C線に沿う振動板短手方向の断面説明図である。
【0015】
このインクジェットヘッドは、振動板基板1と、ベース基板2と、ノズル板4とを備えており、これらによりインク滴を吐出する複数のノズル5が連通する加圧液室6、加圧液室6に流体抵抗部7を介してインクを供給する共通液室8などを形成し、インクはベース基板2に形成した裏面流路(インク供給路)9から供給されて、共通液室8、流体抵抗部7、加圧液室6を経て、ノズル5より液滴として噴射される。
【0016】
振動板基板1には加圧液室6となる凹部、加圧液室6の壁面である底面を形成する振動板10、共通液室8を形成する開口部などを設けている。この振動板基板1は結晶面方位(110)のシリコン基板から形成している。
【0017】
この振動板基板1は、例えば、シリコン基板を酸化膜を介して接合したSOI基板を用いて形成することができる。この場合、液室6となる凹部をKOH水溶液などのエッチング液を用いて異方性エッチングすることにより、酸化膜層をエッチストップ層として振動板10を形成できる。すなわち、振動板基板1は振動板10を形成する筐体である。
【0018】
また、シリコン基板に高濃度P型不純物拡散層、例えばボロン拡散層を形成し、このボロン拡散層をエッチングストップ層としてエッチストップ(以下、ボロンストップという)することによれば振動板10をより高精度に形成することができる。
【0019】
なお、数μm以下の活性層を有するSOI基板はすでに市販されているが、静電型で駆動するインクジェットで使用するに至っては、その仕様値にはまだ厳しいものがある。例えば、活性層2μmの基板の場合、そのバラツキ仕様値は±0.5μm程度以下である。もちろん、歩留まりコストを考慮しない場合にはこの限りではない。これに対し、ボロンストップの方法を用いた場合には、たとえば2μm±0.1〜0.2μm程度、或いはそれ以下の制御が可能であり、現状ではボロンストップの方法のほうが薄膜振動板を高精度に形成する方法として有利な方法といえる。
【0020】
ベース基板2にはシリコン基板を用いて熱酸化法などにより熱酸化膜2aを形成し、この酸化膜2aに静電ギャップの彫り込み14を形成し、この彫り込み部14底面に、振動板10に所定の静電ギャップ16をおいて対向する電極15を配置して、振動板10と電極とで静電型アクチュエータを構成している。また、電極15の表面には保護絶縁膜17が形成され、更に電極15は電極取り出し部(以下、PADコンタクト部と称す)18まで延設している。なお、彫り込み部14間の部分などが振動板基板1と接合するためのギャップスペーサ部となる。
【0021】
ここでは、電極15をTiN層で、保護絶縁膜17をプラズマ酸化膜で形成しているが、これに限らず、電極15として金、或いは、通常半導体素子の形成プロセスで一般的に用いられるAl、Cr、Ni等の金属材料や、Ti、W等の高融点金属などを、保護絶縁膜17として、プラズマ窒化膜、スパッタ系絶縁膜、或いはそれらの積層膜等を用いることもできる。
【0022】
そして、このインクジェットヘッドでは、振動板基板1に加圧液室6となる凹部と同様な方法で加圧液室6の幅(駆動ビットの側壁の幅)と略同じ幅の振動板剛性評価用の彫り込み部6mを形成している。また、ベース基板2には静電ギャップの彫り込み部14と同様な方法で振動板剛性評価用の彫り込み部14mを形成している。この彫り込み部14mの上面には駆動ビットの振動板10と同等のメンブレン10mが配されている。これにより、可動部分となる振動板10と同じメンブレン10mで1つの壁面が形成されている評価用パターンとなる密閉空室20を形成している。
【0023】
また、ベース基板2にはこのベース基板2の電位をとるための彫り込み部14gを形成し、この彫り込み部14gにはベース基板2に電気的に接続した取り出し電極15g及びその絶縁保護膜17gを形成し、電極15gはベース基板2の電極取り出し部18gまで延設している。
【0024】
なお、図中ではギャップ16の彫り込み部14等を顕著に図示しているが、実際のディメンジョンは、たとえば、振動板10の厚さ2μm、振動板10の幅125μm、振動板10の長さ800μm、静電ギャップ16の深さ0.2μm、電極15の厚さ0.15μm、電極15の保護絶縁膜17の厚さ0.2μm、ギャップスぺーサの幅(直接接合される領域の幅)44μmであり、図の印象とはかなり異なる。
【0025】
また、ノズル5を有するノズル板4は、金属層、或いは金属層と高分子層あるいは樹脂部材とを接合した積層部材、或いは、樹脂部材、或いは、ニッケル電鋳などで形成されている。このノズル面(吐出方向の表面:吐出面)には、インクとの撥水性を確保するため、メッキ被膜、あるいは撥水剤コーティングなどの周知の方法で撥水膜を形成している。
【0026】
ここで、振動板基板1とベース基板2(より具体的には絶縁膜2a)間の接合はシリコンの直接接合(DB:Silicon Direct-Bonding)なる方法を用いている。振動板基板1とノズル板4との接合は耐インク性のある接着剤で行っている。
【0027】
このように構成したインクジェットヘッドにおいては、振動板10を共通電極とし、電極15を個別電極として、振動板10と電極15との間に駆動電圧を印加することによって、振動板10と電極15との間に発生する静電力によって振動板10が電極15側に変形変位し、この状態から振動板10と電極15間の電荷を放電させる(駆動電圧を0にする)ことによって振動板10が復帰変形して、液室6の内容積(体積)/圧力が変化し、ノズル5からインク滴が吐出される。
【0028】
次に、この第1実施形態に係るインクジェットヘッドの製造工程について図5及び図6を参照して説明する。
先ず、図5(a)に示すように、ベース基板2と個別電極となる電極15との間の絶縁を図るためのベース酸化膜2aを形成する。ここでは、膜厚0.5〜2.0μm程度の熱酸化膜を形成したが、酸化膜種はこれに限定されるものではない。また、上記膜厚は電極間の容量カップリングを減らすため、比較的厚い方が好ましいが、各ビットの静電容量や抵抗、これを駆動するドライバー容量、電圧で適宜設定されるもので、これに限るものではない。
【0029】
次に、基板電位をとるためのコンタクトホール14chを開口する。
【0030】
そして、同図(b)に示すように、上記酸化膜2a上に、静電ギャップのための彫り込み部14、評価用パターンとなる空室20を形成するための彫り込み部14m、基板電位取り出し用の彫り込み部14gを形成する。これらの各彫り込み部14、14m、14gは同時に形成することから、彫り込み量は、所望の静電ギャップ量に電極15の厚さ、電極保護膜17の厚さ加えた量となる。
【0031】
次に、同図(c)に示すように、ベース基板2の酸化膜2a上にTiN膜からなる電極15、プラズマ酸化膜からなる電極保護膜17を形成する。ここで、酸化膜表面2sは、振動板基板1との接合面になるため、ドライエッチング等にさらされないような配慮がなされている。なお、電極材料はTiNに限るものではないが、振動板基板1との接合を高温で行うため、高融点材料であることが好ましい。
【0032】
このとき、電極15及び電極保護膜17とともに、基板電位をとるための電極15g及び電極保護膜17gも同時に形成する。評価用の彫り込み部14mの部分には、本実施形態では電極を形成していない。
【0033】
次に、同図(d)に示すように、シリコン基板に所望深さのボロン拡散層10sを形成した振動板基板1と上記ベース基板2をシリコン直接接合法により接合する。具体的には、両基板をアンモニア過水処理及び/又は硫酸過水処理(親水化処理)し、所定の時間内に減圧下(真空状態)でプリ接合して、窒素中(大気圧)で700〜1100℃程度で焼成する。所望の要領でプリ接合した場合には、焼成時に大気圧に戻しても、前述の彫り込み部14、14m、14gが大気圧に戻ることはない。
【0034】
次いで、図6(a)に示すように、シリコン窒化膜でアルカリエッチングマスクを形成してアルカリエッチングを行い、所望の加圧液室6、評価用彫り込み部6m、振動板10、評価用メンブレン10mを得る。ここでは、振動板基板1として結晶面方位(110)のシリコン基板を用いて、10wt%〜30wt%程度のKOH液にて異方性エッチングをしている。異方性エッチングの際のマスクは、減圧CVD或いはプラズマCVDによる窒化膜、或いは酸化膜と前記窒化膜の積層膜をIRアライメントによるパターニングで形成している。
【0035】
その後、同図(b)に示すようにノズル板4を振動板基板1上に接合して、所望のインクジェットヘッドを得る。
【0036】
なお、ここでは、評価パターンとなる密閉空室20を形成する部分には、電極及び保護膜を形成していない。電極及び電極保護膜を形成した場合には、シリコン直接接合時(プリ接合後)に少なからずその部分から出ガスが生じ、評価パターンの空室20内を歩留まり良く所望の真空状態にするのが難しくなる。出ガスを減らすために、プリ接合前に空焼きを行って出ガスを行うのであるが、電極保護膜にピンホール等の欠陥があると、上記のようなWET法にて親水化処理した場合には、その部分に水分が残存したりして希に正圧なる場合がある。
【0037】
また、空室20内は密閉状態にする必要があるため、この実施形態の場合では電極を空室20内から引き出すことは難しい。これに対し、後述する第3実施形態ではこれらを解決している。
【0038】
以上のように、本実施形態では、静電型アクチュエータを形成する際に、同ヘッド(チップ)上に、振動板剛性評価用のパターンとなる密閉空室20を形成している。その評価パターンは前述したように、メンブレン10mを一壁とする空室20内が減圧状態に密閉して保たれている。
【0039】
本実施例の場合、プリボンド時の圧力は10‐3Torr以下で行っており、通常、この空室20内は大気圧に比べて十分小さく維持されており、振動板10、メンブレン10mには丁度1気圧がかかり、それに応じて振動板10、メンブレン10mが変形する。予めその変形量を調べておくことにより、振動板10の剛性の評価を光学的に容易に行うことができる。この変形量には、振動板厚の他に、固定端幅、圧力等が影響が含まれるが、アクチュエータの駆動の観点から言えば最も合理的な評価法である。
【0040】
また、メンブレン10mの固定端幅を正確にするためには、振動板基板1に形成する彫り込み部6mの幅ではなく、ベース基板2に形成する彫り込み部14mの幅、すなわち空室20の幅で規定することが好ましい。これは彫り込み部14mは、高精度な半導体プロセスを利用できるためである。彫り込み部14mをメンブレン10mの固定端にした場合には、異方性エッチングの角度ずれの影響が出てしまい(通常のウェハのオリフラ精度は1deg程度とあまり良くない。)、実験室レベルでは種々の手法により適当な精度が得られるが、安価に量産する場合にはバラツキが大きくなってしまう。
【0041】
また、通常、振動板基板1には結晶面方位(110)のシリコン基板を用いる。(110)基板は、基板面と垂直な面に、側壁のエッチングストップ面となるSi(111)面が存在するため、チップ面積を小さくできる。評価パターンとなる空室20を含む場合においても、検査のための余分な領域を極力抑えることができる。
【0042】
次に、本発明の第2実施形態の異なる例について図7乃至図14を参照して説明する。この第2実施形態はいずれもメンブレン10mの固定端が異なる評価パターンを複数設けたものである。
【0043】
すなわち、図7及び図8に示す第1例は、平面形状が矩形状であって振動板短手方向の長さ(幅)の異なる空室20a、20b、20cを振動板短手方向に配列したものであり、彫り込み部6mは3個形成している。また、図9及び図10に示す第2例は、平面形状が矩形状であって平断面積の異なる空室20d、20e、20fを振動板長手方向に配列したものであり、彫り込み部6mは1個形成している。
【0044】
また、図11及び図12に示す第3例は、平面形状が円形状であって平断面積の異なる空室20g、20h、20iを振動板長手方向に配列したものであり、彫り込み部6mは1個形成している。図13及び図14に示す第4例は、平面形状が台形状であって一端部側から他端部側に向かって平断面積が連続的に狭くなる1個の空室20jを振動板長手方向に設けたものであり、彫り込み部6mは1個形成している。
【0045】
この実施形態においては、各空室20のメンブレン10mの変形量を比較する事により、より正確に振動板10の剛性量を評価することができるばかりでなく、ラフには変形量の測定をせずに、変形有無のみを評価して検査を完了することもできる。
【0046】
すなわち、本パターンの駆動ビットのそれより、固定端幅を小さくし剛性を高く設定しておき、この評価パターンの変形有無により、振動板厚バラツキが許容範囲を超えた場合にのみ検出するというものである。例えば、振動板10が所望の厚さの許容範囲以上になった場合には全ビットが変形せず、振動板10が所望の厚さの許容の範囲以内の場合には固定端の幅の一番広いビットのみが変形し、振動板が所望の厚さの許容の範囲以下になった場合、全ビットが変形するように設定すればよい。
【0047】
ここで、上記の方法を使う仮定として、本パターンの振動板厚と上記評価パターンのメンブレン厚が等しいことが前提となる。通常、1つのヘッド(チップ)内でのメンブレン厚のバラツキはそれほど顕著でないのであるが、評価パターンの彫り込み部6mを、本パターンの液室6の幅と同じにすることによって、振動板厚のバラツキは殆どなくなる。これはアルカリエッチング時の気泡の付着によってエッチング量(残存する振動板厚)が変化するためで、液室幅に依存する。通常、液室幅が大きくなると気泡が付着しやすくなりエッチング量が低下する(メンブレン厚が厚くなる)。
【0048】
また、メンブレンの変形量は、大まかに、メンブレン圧力に比例(メンブレンの厚さの3乗に反比例、メンブレンの4乗に比例)する。したがって、評価パターンの変形量を大まかに1%程度以下にするためには、空室20内圧を1/100気圧程度以下にすることが好ましい。
【0049】
さらに、メンブレン10m下のギャップ(空室20)が大きいと、製造工程中にメンブレンが破損する場合がある。実験によると、チップダイシング時の洗浄時(ノズルからのシャワー洗浄)での破損が顕著に発生した。メンブレン幅125μm、メンブレン厚2μmの場合、ギャップ長1.2μmでは破損ゼロ、ギャップ長2.0でμmでは破損率90%程度となった。破損の詳細な未だ解明されていないが、これらの結果から、メンブレン厚と略同等以下にギャップ長を抑えておくことが好ましい。
【0050】
次に、本発明の第3実施形態について図15乃至図19を参照して説明する。なお、図15は同実施形態に係るインクジェットヘッドの上面概略図、図16は図15のD−D線に沿う振動板長手方向の断面説明図、図17は図15のE−E線に沿う振動板短手方向の断面説明図、図18は図15のF−F線に沿う振動板短手方向の断面説明図、図19は図15のG−G線に沿う振動板短手方向の断面説明図である。
【0051】
このインクジェットヘッドにおいては、ベース基板2にはシリコン基板を用いて熱酸化法などにより熱酸化膜2aを形成し、この酸化膜2a上に電極15、評価用電極15m及び基板電位取り出し用電極15gを形成し、更に保護絶縁膜41を形成してこれらの電極15、15gを埋め込み、さらに、この保護絶縁膜41に静電ギャップ用の彫り込み部14、評価用の彫り込み部14m、基板電位取り出し用の彫り込み部14gを形成している。したがって、このヘッドにおいては、ギャップ16の開口部がギャップスペーサとなる保護絶縁膜41で封止され、特別な封止工程が不要になる。
【0052】
ここでは、電極15をポリシリコン層で、保護絶縁膜41をHTO(高温酸化膜:High−Temperature-Oxide)膜で形成しており、少なくともギャップ用の彫り込み部14より広い(大きい)領域で平坦に形成している。
【0053】
なお、電極15は、ポリシリコンのみならず、タングステンシリサイド、あるいはチタンシリサイド、或いはそれらの積層膜であってもよい。また、保護絶縁膜41としては、ポリシリコンを熱酸化して得られるポリシリコン酸化膜、或いは、高温の熱CVDで形成される高温酸化膜(HTO)を用いることが好ましい。
【0054】
この他、保護絶縁膜41としては、例えば、LP−CVD窒化膜、プラズマ酸化膜、プラズマ窒化膜、スパッタ系絶縁膜、或いはそれらの積層膜等があるが、これらの絶縁膜では膜中の電子トラップレベルが多く、電気的劣化が早くなる。この場合、この電気的劣化を緩和するために膜厚を厚くする手段がとられるが静電実効ギャップが増加するため駆動電圧が高くなる。
【0055】
また、ここでは静電ギャップ用の彫り込み部14は断面略半円形状に形成して非平行ギャップ16を形成しているが、前記実施形態と同様な平行ギャップでも良い。さらに、ベース基板2の絶縁保護膜41にはギャップ16内に連通する連通路42、各連通路42が連通する共通連通路43、共通連通路43の端部44を形成し、流路基板1には共通連通路43の端部44が臨む大気開放口45を形成して、製造途中でギャップ16内を大気開放できるようにしている。
【0056】
このように構成したので、密閉空間20の下にも評価用電極15mを配することが可能になり、第1実施形態のそれと比べて様々検査が可能となる。
【0057】
また、上記のように、本実施例の場合、静電ギャップ16は製造過程において減圧状態になる。そこで、これを一度大気圧下に戻すため、連通路42及び共通連通路43を設け、共通連通路43の端部44に対応する流路基板1側の大気開放口45のメンブレンをレーザー加工などで貫通させることにより静電ギャップ16を大気圧に戻すことができる。大気圧に戻した後は、大気開放口45を再度封止するのが通常であるが、場合によっては大気開放口45を一度も貫通させずに、静電ギャップ16を減圧下のままで使用することもできる。
【0058】
なお、上記各実施形態においては、本発明に係る静電型アクチュエータをインクジェットヘッドに適用した例で説明したが、マイクロポンプ、マイクロモータ、マイクロリレーなどに用いるマイクロアクチュエータにも同様に適用することができる。また、インクジェットヘッドとしてはインク滴吐出方向が振動板変位方向と直交する方向になるエッジシュータ方式のものでもよい。また、前述したようにプリンタ、ファクシミリ、複写装置、プロッタ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。
【0059】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る静電型アクチュエータによれば、可動部分となる振動板と同じメンブレンで1つの壁面が形成されている密閉空室を有する構成としたので、振動板厚を検査することが可能になって、スクリーニングや分類(厚さやそのバラツキ別の分類)、不良アクチュエータの排除、適切な回路補正値の設定による特性バラツキの低減が可能で、しいては歩留まりが向上する。
【0060】
ここで、メンブレンの固定端幅が密閉空室の幅で規定されていることで、メンブレンの固定端幅が高精度になり、高精度の振動板厚の検査精度が向上する。また、振動板及び/又は振動板を形成する筐体が結晶面方位(110)のSi基板から形成することで、密閉空室を設けることによるヘッドの大型化を抑制することができる。さらに、メンブレンの固定端幅が異なる1又は複数の密閉空室を設けることで、より高精度の振動板厚の検査が可能になる。
【0061】
また、メンブレンを形成する筐体の幅が駆動ビットの側壁間の幅と同じであることで、メンブレンを振動板と同等にすることができる。さらに、密閉空室内の密閉圧力が1気圧より低いことで、特別な手段を講じなくともメンブレンが変形する。この場合より好ましくは密閉空室内の密閉圧力を1/100気圧以下にすることで、高精度な厚みの評価が可能になる。さらにまた、密閉空間のギャップ長がメンブレンの厚さと略同等以下であることで、メンブレンの破損を防止することができる。
【0062】
本発明に係るインクジェットヘッドによれば、本発明に係る静電型アクチュエータを備えたので、振動板厚のバラツキに対する回路的な補正が容易になって、インク滴吐出特性に優れ、高品質画像を記録することができるようになる。本発明に係る画像形成装置によれば、本発明に係るインクジェットヘッドを備えたので、高品質画像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態に係る静電型アクチュエータを含む静電型インクジェットヘッドの一例を示す上面概略説明図
【図2】図1のA−A線に沿う同ヘッドの振動板長手方向の模式的断面説明図
【図3】図2のB−B線に沿う同ヘッドの振動板短手方向の模式的断面説明図
【図4】図2のC−C線に沿う同ヘッドの振動板短手方向の模式的断面説明図
【図5】同ヘッドの製造工程の説明に供する説明図
【図6】図5の工程に続く工程の説明に供する説明図
【図7】本発明の第2実施形態に係る静電型アクチュエータを含む静電型インクジェットヘッドの第1例を示す要部上面説明図
【図8】同第1例の要部断面説明図
【図9】本発明の第2実施形態に係る静電型アクチュエータを含む静電型インクジェットヘッドの第2例を示す要部上面説明図
【図10】同第2例の要部断面説明図
【図11】本発明の第2実施形態に係る静電型アクチュエータを含む静電型インクジェットヘッドの第3例を示す要部上面説明図
【図12】同第3例の要部断面説明図
【図13】本発明の第2実施形態に係る静電型アクチュエータを含む静電型インクジェットヘッドの第4例を示す要部上面説明図
【図14】同第4例の要部断面説明図
【図15】本発明の第3実施形態に係る静電アクチュエータを含む静電型インクジェットヘッドの他の例を示す上面概略説明図
【図16】図15のD−D線に沿う同ヘッドの振動板長手方向の模式的断面説明図
【図17】図15のE−E線に沿う同ヘッドの振動板短手方向の模式的断面説明図
【図18】図15のF−F線に沿う同ヘッドの振動板短手方向の模式的断面説明図
【図19】図15のG−G線に沿う同ヘッドの振動板短手方向の模式的断面説明図
【符号の説明】
1…振動板基板、2…ベース基板、2a…酸化膜、5…ノズル、6…加圧液室、10…振動板、10m…メンブレン、14…静電ギャップ用彫り込み部、14m…評価パターン用彫り込み部、15…電極、20…密閉空室。[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to an electrostatic actuator and an inkjet head., Image forming apparatusAbout.
[0002]
[Prior art]
An ink jet head used in an image recording apparatus such as a printer, a facsimile machine, a copying apparatus, or a plotter, or an ink jet recording apparatus used as an image forming apparatus includes a nozzle that ejects ink droplets and a pressurized liquid chamber (liquid chamber) that communicates with the nozzle. , A pressurizing chamber, a pressure chamber, a discharge chamber, an ink flow path, etc.), a diaphragm that forms a wall surface of the pressurizing liquid chamber, and an electrode facing the diaphragm, There is an electrostatic ink jet head that pressurizes ink in a pressurized liquid chamber and deforms a diaphragm with an electrostatic force to eject ink droplets from a nozzle.
[0003]
In addition to the ink jet head, the electrostatic actuator having a movable part of the diaphragm is used for a micro electrostatic pump, a micro relay, an optical switch, a micro switch (micro relay), an actuator for a multi-optical lens, and the like.
[0004]
As a conventional electrostatic ink-jet head, for example, as described in JP-A-6-71882, a diaphragm that forms the wall surface of a liquid chamber and an electrode are arranged in parallel (the gap formed thereby). As described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-39235, a gap is provided between the diaphragm and the electrode, and the electrodes are arranged in a staircase shape. The dimension is changed stepwise, or as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-193375, the electrodes are arranged obliquely with respect to the diaphragm so that the diaphragm and the electrode The cross-sectional shape of the gap is at least partially non-parallel between the diaphragm side surface (side) and the electrode side surface (side) (such a gap is referred to as a “non-parallel gap”). Also known It has been.
[0005]
In such electrostatic inkjet heads (as well as electrostatic actuators), the gap formed between the diaphragm and the electrode is formed with high precision, and the rigidity of the diaphragm is also manufactured with high precision. • Must be maintained. The rigidity of the diaphragm is almost determined by the Young's modulus, internal stress, and diaphragm thickness of the diaphragm material, but is particularly affected by variations in diaphragm thickness.
[0006]
Therefore, in the conventional ink jet head described above, a boron diffusion layer is formed on a silicon (110) substrate and the boron diffusion layer is formed by alkali etching stop (generally referred to as a boron stop method) in order to produce a diaphragm thickness with high accuracy. The diaphragm which consists of is formed.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, even if the diaphragm is formed by using the above-described etching stop technique using the boron diffusion layer, the diaphragm having a thickness of about 5 μm or less, more specifically, a thickness of about 2 μm is high with a thickness variation of several percent or less. It is not easy to produce with yield.
[0008]
When the vibration plate thickness varies in an actuator having a vibration plate in this way, for example, in an ink jet head, there are variations in ejection characteristics such as ink droplet ejection volume and ink droplet velocity, and ink landing positions vary. As a result, the image quality will deteriorate.
[0009]
The present inventors recognize that it is indispensable to study from the viewpoint of "detecting variations and correcting them in a circuit" rather than simply from the conventional viewpoint of "suppressing variations as much as possible" to complete the present invention. In order to solve the above-described problems, the present invention can eliminate a defective actuator, reduce characteristic variation by setting an appropriate circuit correction value, and improve the yield., Image forming apparatus including the headThe purpose is to provide.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, the electrostatic actuator according to the present invention has a sealed vacant space in which one wall surface is formed of the same membrane as a diaphragm serving as a movable part.
[0011]
Here, it is preferable that the fixed end width of the membrane is defined by the width of the sealed vacant chamber. Moreover, it is preferable that the diaphragm and / or the casing forming the diaphragm is formed of a silicon substrate having a (110) plane orientation. Furthermore, it is preferable to provide one or a plurality of sealed vacancies with different fixed end widths of the membrane.
[0012]
Moreover, it is preferable that the width | variety of the housing | casing which forms a membrane is the same as the width | variety between the side walls of a drive bit. Furthermore, it is preferable that the sealing pressure in the sealed vacant chamber is lower than 1 atm. More preferably, the sealed pressure in the sealed vacant chamber is set to 1/100 atm or less. Furthermore, it is preferable that the gap length of the sealed space is substantially equal to or less than the thickness of the membrane.
[0013]
An ink jet head according to the present invention includes the electrostatic actuator according to the present invention.The image forming apparatus according to the present invention is equipped with the ink jet head according to the present invention.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. First, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 is a schematic top view of the inkjet head according to the embodiment, FIG. 2 is a cross-sectional explanatory view in the longitudinal direction of the diaphragm along the line AA in FIG. 1, and FIG. 3 is along the line BB in FIG. FIG. 4 is a cross-sectional explanatory diagram of the diaphragm in the lateral direction along the line CC in FIG.
[0015]
The ink jet head includes a
[0016]
The
[0017]
The
[0018]
Further, by forming a high-concentration P-type impurity diffusion layer, for example, a boron diffusion layer on a silicon substrate, and using this boron diffusion layer as an etching stop layer and performing an etch stop (hereinafter referred to as a boron stop), the
[0019]
An SOI substrate having an active layer of several μm or less is already on the market, but its specification value is still strict when it is used in an inkjet driven by an electrostatic type. For example, in the case of a substrate having an active layer of 2 μm, the variation specification value is about ± 0.5 μm or less. Of course, this is not the case when the yield cost is not considered. On the other hand, when the boron stop method is used, it is possible to control, for example, about 2 μm ± 0.1 to 0.2 μm or less, and at present, the boron stop method is more expensive than the thin film diaphragm. It can be said that it is an advantageous method as a method of forming accurately.
[0020]
A
[0021]
Here, the
[0022]
In this ink jet head, for diaphragm rigidity evaluation having substantially the same width as the width of the pressurizing fluid chamber 6 (the width of the side wall of the drive bit) in the same manner as the concave portion serving as the pressurizing
[0023]
Further, a carved
[0024]
In the figure, the engraved
[0025]
The
[0026]
Here, the bonding between the
[0027]
In the ink jet head configured as described above, the
[0028]
Next, the manufacturing process of the inkjet head according to the first embodiment will be described with reference to FIGS.
First, as shown in FIG. 5A, a
[0029]
Next, a contact hole 14ch for taking the substrate potential is opened.
[0030]
Then, as shown in FIG. 4B, on the
[0031]
Next, as shown in FIG. 2C, an
[0032]
At this time, together with the
[0033]
Next, as shown in FIG. 4D, the
[0034]
Next, as shown in FIG. 6A, an alkali etching mask is formed with a silicon nitride film and alkali etching is performed to obtain a desired pressurized
[0035]
Thereafter, as shown in FIG. 2B, the
[0036]
Here, the electrode and the protective film are not formed in the portion where the sealed
[0037]
Moreover, since it is necessary to make the inside of the
[0038]
As described above, in the present embodiment, when forming the electrostatic actuator, the sealed
[0039]
In the case of this embodiment, the pressure at the time of prebonding is 10 −3 Torr or less, and normally the inside of the
[0040]
In order to make the fixed end width of the
[0041]
Usually, a silicon substrate having a crystal plane orientation (110) is used as the
[0042]
Next, different examples of the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In the second embodiment, a plurality of evaluation patterns having different fixed ends of the
[0043]
That is, in the first example shown in FIGS. 7 and 8, the
[0044]
In addition, the third example shown in FIGS. 11 and 12 is an arrangement in which
[0045]
In this embodiment, not only can the rigidity of the
[0046]
In other words, the fixed end width is set smaller and the rigidity is set higher than that of the drive bit of this pattern, and detection is performed only when the variation in diaphragm thickness exceeds the allowable range due to the presence or absence of deformation of this evaluation pattern. It is. For example, when the
[0047]
Here, it is assumed that the diaphragm thickness of this pattern is equal to the membrane thickness of the evaluation pattern as an assumption to use the above method. Usually, the variation in the thickness of the membrane within one head (chip) is not so remarkable, but by making the
[0048]
The amount of deformation of the membrane is roughly proportional to the membrane pressure (inversely proportional to the cube of the thickness of the membrane and proportional to the fourth power of the membrane). Therefore, in order to make the deformation amount of the evaluation pattern roughly 1% or less, it is preferable to set the internal pressure of the
[0049]
Furthermore, if the gap (vacant space 20) under the
[0050]
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 15 is a schematic top view of the inkjet head according to the embodiment, FIG. 16 is a cross-sectional explanatory view in the longitudinal direction of the diaphragm along the line DD in FIG. 15, and FIG. 17 is along the line EE in FIG. FIG. 18 is a cross-sectional explanatory view of the diaphragm along the FF line of FIG. 15, FIG. 19 is a cross-sectional explanatory view of the diaphragm along the GG line of FIG. FIG.
[0051]
In this ink jet head, a
[0052]
Here, the
[0053]
The
[0054]
In addition, the protective insulating
[0055]
Here, the engraved
[0056]
Since it comprised in this way, it becomes possible to arrange | position the
[0057]
Further, as described above, in the present embodiment, the
[0058]
In each of the above embodiments, the electrostatic actuator according to the present invention has been described as an example applied to an ink jet head. However, the electrostatic actuator according to the present invention may be similarly applied to a microactuator used for a micropump, a micromotor, a microrelay, or the like. it can. The ink jet head may be of an edge shooter type in which the ink droplet ejection direction is orthogonal to the vibration plate displacement direction.Further, as described above, the present invention can also be applied to an image forming apparatus such as a printer, a facsimile, a copying apparatus, and a plotter, and an apparatus that ejects droplets.
[0059]
【The invention's effect】
As described above, according to the electrostatic actuator according to the present invention, the diaphragm has a sealed vacant space in which one wall surface is formed of the same membrane as the diaphragm serving as the movable part. It is possible to inspect, and screening and classification (classification by thickness and its variation), elimination of defective actuators, and reduction of characteristic variation by setting appropriate circuit correction values, which in turn improves yield. .
[0060]
Here, since the fixed end width of the membrane is defined by the width of the sealed vacant space, the fixed end width of the membrane becomes high accuracy, and the inspection accuracy of the highly accurate diaphragm thickness is improved. In addition, since the diaphragm and / or the casing for forming the diaphragm is formed of a Si substrate having a crystal plane orientation (110), an increase in the size of the head due to the provision of the sealed vacancy can be suppressed. Further, by providing one or a plurality of sealed vacancies with different fixed end widths of the membrane, it is possible to inspect the diaphragm thickness with higher accuracy.
[0061]
Further, since the width of the casing forming the membrane is the same as the width between the side walls of the drive bit, the membrane can be made equivalent to the diaphragm. Furthermore, since the sealing pressure in the sealed empty chamber is lower than 1 atm, the membrane is deformed without taking special measures. In this case, more preferably, the thickness can be evaluated with high accuracy by setting the sealing pressure in the sealed empty chamber to 1/100 atm or less. Furthermore, since the gap length of the sealed space is substantially equal to or less than the thickness of the membrane, the membrane can be prevented from being damaged.
[0062]
According to the ink jet head of the present invention, since the electrostatic actuator according to the present invention is provided, it is easy to correct the circuit with respect to the variation of the diaphragm thickness, and the ink droplet ejection characteristics are excellent, and a high quality image is obtained. It becomes possible to record.According to the image forming apparatus according to the present invention, since the inkjet head according to the present invention is provided, a high-quality image can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic top view illustrating an example of an electrostatic ink jet head including an electrostatic actuator according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional explanatory diagram of the head in the longitudinal direction of the head along the line AA in FIG.
3 is a schematic cross-sectional explanatory diagram of the head in the short direction of the diaphragm along the line BB in FIG. 2;
4 is a schematic cross-sectional explanatory view of the head in the lateral direction of the diaphragm along the line CC in FIG. 2;
FIG. 5 is an explanatory diagram for explaining the manufacturing process of the head.
6 is an explanatory diagram for explaining a process following the process of FIG. 5;
FIG. 7 is a top view of relevant parts showing a first example of an electrostatic inkjet head including an electrostatic actuator according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a cross-sectional explanatory view of the main part of the first example.
FIG. 9 is a top plan view of relevant parts showing a second example of an electrostatic inkjet head including an electrostatic actuator according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a cross-sectional explanatory view of the main part of the second example.
FIG. 11 is a top plan view of relevant parts showing a third example of an electrostatic inkjet head including an electrostatic actuator according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a cross-sectional explanatory view of the main part of the third example.
FIG. 13 is a top plan view of relevant parts showing a fourth example of an electrostatic inkjet head including an electrostatic actuator according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a cross-sectional explanatory view of an essential part of the fourth example.
FIG. 15 is a schematic top view illustrating another example of an electrostatic inkjet head including an electrostatic actuator according to a third embodiment of the present invention.
16 is a schematic cross-sectional explanatory view in the longitudinal direction of the diaphragm of the head along the line DD in FIG. 15;
17 is a schematic cross-sectional explanatory view of the head in the short direction of the diaphragm along the line EE in FIG. 15;
18 is a schematic cross-sectional explanatory view of the head in the short direction of the diaphragm along the line FF in FIG. 15;
19 is a schematic cross-sectional explanatory view of the head in the short direction of the diaphragm along the line GG in FIG. 15;
[Explanation of symbols]
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