静電アクチュエータ及び液滴吐出ヘッド
【課題】振動板破壊を起こすことなく、振動板の変形量を最大化することが可能な静電アクチュエータ及び液滴吐出ヘッドを提供する。
【解決手段】振動板４と、振動板４にギャップＧを隔てて対向する個別電極１０と有し、振動板４と個別電極１０との間に駆動電圧を印加することにより振動板４を静電吸引力により変形させる静電アクチュエータであって、振動板４と個別電極１０との距離が、個別電極の中央部１０ａより外周部１０ｂ側で長くなる構成としたものである。
【解決手段】振動板４と、振動板４にギャップＧを隔てて対向する個別電極１０と有し、振動板４と個別電極１０との間に駆動電圧を印加することにより振動板４を静電吸引力により変形させる静電アクチュエータであって、振動板４と個別電極１０との距離が、個別電極の中央部１０ａより外周部１０ｂ側で長くなる構成としたものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電アクチュエータ及び液滴吐出ヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
液滴を吐出するための液滴吐出ヘッドとして、例えばインクジェット記録装置に搭載されるインクジェットヘッドが知られている。静電駆動方式のインクジェットヘッドは、液滴を貯留する圧力室の一部を構成する振動板と、該振動板に対向して所定のギャップをもって配設された個別電極を有し、個別電極と振動板との間にパルス電圧を印加して振動板を静電力により変位させ、振動板の機械的な復元力により圧力室内の液滴を加圧して液滴を吐出している。
【０００３】
近年、この種の静電アクチュエータを使用したインクジェットヘッドでは、記録密度を更に高めて高精細な印刷を行うとともに、記録速度の向上を図りたいという要求があった。記録速度を速めるためには、インク流路の固有振動数を高くして駆動周波数を上げる必要がある。しかしながら、駆動周波数を上げるべくアクチュエータ構造開発を行った場合、インク液滴の吐出量を減少させてしまう傾向があった。これでは、駆動周波数を高めて高速印字を行うことができるものの、印字品位が低下してしまう。
【０００４】
そこで、インク液滴の吐出量を減らすことなく駆動周波数を上げることが求められており、従来、個別電極と振動板との間のギャップを長くして振動板の変形量を大きくし、インク吐出量を確保することが提案されている。しかしながら、この場合、振動板の撓み変形が大きくなり、振動板の固定端（外周部分）に応力が集中して振動板が破壊する恐れがあるという新たな問題が発生した。
【０００５】
そこで、従来の静電アクチュエータとして、振動板の個別電極に対向する側の外周部を滑らかな形状の凹部とし、振動板の外周部に応力が集中して振動板の破壊を防止しようとするものがあった（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−２７７７４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献１の技術により、振動板の破壊を防止することが期待できる。しかし、更なる高密度化に対応して、振動板の破壊防止能力の一層の向上が望まれている。
【０００８】
本発明はこのような点に鑑みなされたもので、振動板破壊を起こすことなく、振動板の変形量を最大化することが可能な静電アクチュエータ及び液滴吐出ヘッドを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る静電アクチュエータは、振動板と、振動板にギャップを隔てて対向する個別電極とを有し、振動板と個別電極との間に駆動電圧を印加することにより振動板を静電吸引力により変形させる静電アクチュエータであって、振動板と個別電極との距離が、個別電極の中央部よりも個別電極の外周部側で長くなる構成としたものである。
これにより、振動板外周部と個別電極外周部との間に発生する静電吸引力を弱めることができ、振動板の個別電極に対する当接幅を、個別電極中央部の幅よりも狭くなるように静電吸引力を制御することができる。その結果、振動板外周部に応力が集中して振動板破壊が生じるのを防止することができる。また、個別電極外周部の作用により、振動板の変形量を最大化することができる。
【００１０】
また、本発明に係る静電アクチュエータは、個別電極の外周部の膜厚が、個別電極の中央部に比べて薄くなるようにしたものである。
このようにして、振動板と個別電極との距離を、個別電極の中央部よりも個別電極の外周部側で長くする構成とすることができる。
【００１１】
また、本発明に係る静電アクチュエータは、振動板と対向する位置に凹部が形成され、その凹部の底面に個別電極が形成された電極基板を備え、凹部の底面中央部に凸部を形成し、凸部を含む凹部の底面に個別電極が一定の厚みで形成されているものである。
これにより、振動板と個別電極との距離を、個別電極の中央部よりも個別電極の外周部側で長くする構成とすることができる。また、振動板を有する基板（キャビティ基板）と電極基板とを接合する際に、振動板と個別電極中央部との位置あわせが容易となり、精度良く組み立てることが可能となる。
【００１２】
また、本発明に係る静電アクチュエータは、個別電極の外周部の膜厚が、個別電極の中央部から個別電極の外周部に向かって連続して薄くなるように形成したものである。
これにより、振動板の個別電極に対する当接幅を、より確実に個別電極中央部の幅と等しくなるようにすることができ、振動板の変形量を最大化することが可能となる。
【００１３】
また、本発明に係る静電アクチュエータは、個別電極の外周部に周状の凹部を有し、凹部の内側が個別電極の中央部となっているものである。
このような構造としても、振動板破壊を防止し、振動板の変形量を更に最大化できる。
【００１４】
また、本発明に係る静電アクチュエータは、個別電極の中央部の外周端と振動板の固定端部との平面方向の距離と、個別電極の中央部と振動板との距離とが、駆動時に振動板の破壊が生じない寸法に設定されているものである。
これにより、振動板の所定の変形量をより低電圧で確保しつつ、高い駆動周波数で駆動可能な静電アクチュエータを構成することができる。
【００１５】
また、本発明に係る液滴吐出ヘッドは、液滴を吐出するための複数のノズル孔と、各ノズル孔に連通して設けられて液滴に圧力を加えるための圧力室と、圧力室に液滴を供給する液滴供給路と、上記の何れかの静電アクチュエータとを備え、静電アクチュエータで圧力室に圧力を加えることによりノズル孔から液滴を吐出するものである。
これにより、液滴吐出量を確保しつつ高い駆動周波数で駆動可能な液滴吐出ヘッドを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施の形態１の静電アクチュエータを備えたインクジェットヘッドの分解斜視図。
【図２】図１のインクジェットヘッドの断面図。
【図３】図１の個別電極の平面図。
【図４】静電アクチュエータの幅方向（凹部９の短辺方向）の拡大断面図。
【図５】静電アクチュエータの振動板の動作説明図。
【図６】実施の形態２の静電アクチュエータの要部拡大断面図。
【図７】実施の形態３の静電アクチュエータの要部拡大断面図。
【図８】実施の形態４の静電アクチュエータの要部拡大断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
実施の形態１．
以下、本発明の静電アクチュエータを備えた液滴吐出ヘッドを図面に基づいて説明する。ここでは、液滴吐出ヘッドの一例として、インクジェットヘッドについて図１乃至図３を参照して説明する。なお、ここではノズル基板の表面に設けられたインクノズルからインク液滴を吐出するフェイス吐出型のインクジェットヘッドについて図１乃至図３を参照して説明する。また、本発明は、以下の図に示す構造、形状に限定されるものではなく、ノズル基板の端部に設けられたインクノズルからインク液滴を吐出するエッジ吐出型のインクジェットヘッドにも適用できるものである。
【００１８】
図１は、本発明の実施の形態１に係るインクジェットヘッドを分解して表した図で、要部を拡大して示している。図２（ａ）は、図１のインクジェットヘッドの長手方向の断面図、図２（ｂ）は、図１のインクジェットヘッドの短手方向の要部断面図である。また、図３は、図１の個別電極の平面図である。
本実施の形態のインクジェットヘッドは、キャビティ基板１と、電極ガラス基板２と、ノズル基板３とが積層された三層構造となっている。
【００１９】
以下、各基板の構成を更に詳しく説明する。
キャビティ基板１は例えば厚さ約５０μｍの（１１０）面方位のシリコン単結晶基板（以下、単にシリコン基板という）で構成されている。シリコン基板に異方性ウェットエッチングを施すことにより、底壁が振動板４となる圧力室５、各ノズル共通に吐出する液体を溜めておくためのリザーバ６が形成されている。また、キャビティ基板１には電極端子７が形成され、図２に示す発振回路１１と接続される。ここで、キャビティ基板１の下面（電極ガラス基板２と対向する面）には、絶縁膜８が形成される。この絶縁膜８は、本例ではＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌ ｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ Ｔｅｔｒａｅｔｈｏｘｙｓｉｌａｎｅ：テトラエトキシシラン、珪酸エチル）膜０．１μｍでプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により成膜している。これは、インクジェットヘッドを駆動させた時の絶縁膜破壊及び短絡を防止するためである。
【００２０】
振動板４は、高濃度のボロンドープ層で構成されている。このボロンドープ層は、ボロンを高濃度（約５×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上）にドープして形成されており、例えばアルカリ性水溶液で単結晶シリコンをエッチングしたときに、エッチング速度が極端に遅くなるいわゆるエッチングストップ層となっている。そして、ボロンドープ層がエッチングストップ層として機能することにより、振動板４の厚み及び圧力室５の容積を高精度で形成することができるようになっている。
【００２１】
電極ガラス基板２は厚さ約１ｍｍであり、図１で見るとキャビティ基板１の下面に接合される。ここで電極ガラス基板２となるガラスにはホウ珪酸系の耐熱硬質ガラスを用いることにする。電極ガラス基板２には、キャビティ基板１に形成される各圧力室５に対向する位置に凹部９が設けられる。この凹部９は、短辺と長辺を有する長方形状に形成され、本例では、凹部９の長辺方向の底面が長辺方向の中央部に向かうに従って深さが深くなる階段状に形成されている。また、凹部９の底面には、個別電極１０が形成され、振動板４と個別電極１０との間に本例では３段の階段状のギャップ（空隙）Ｇを形成している。このような階段状とすることで、振動板４の変位量を増加させてインク液滴の吐出エネルギーを増加させ、吐出特性を安定させることが可能となる。
また、ここでは、振動板４と、振動板４に一定距離（ギャップＧ）を隔てて対向配置された個別電極１０とで静電アクチュエータが構成されており、振動板４と個別電極１０との間に電圧を印加することにより発生する静電気力によって振動板４を変位させるようにしている。
【００２２】
本例の個別電極１０は、中央部１０ａとその外側の外周部１０ｂとを有しており、振動板４と個別電極１０との距離が、個別電極中央部１０ａよりも個別電極外周部１０ｂ側で長くなるように構成されている。すなわち、個別電極外周部１０ｂの膜厚が個別電極中央部１０ａの膜厚に比べて薄く形成されている。このようにすることにより、動作時の振動板４の破壊を防止するとともに、インク液滴の排除体積を最大化することを可能としている。この点に関しては、以下の動作説明で詳述する。
【００２３】
また、電極ガラス基板２には、階段状の凹部９から電極ガラス基板２の端部まで延びる深さ約０．２４μｍの凹部９Ａが形成されており、凹部９Ａの底面には、個別電極１０から延びるリード部１１０ａ及び端子部１１０ｂが形成されている（以下、個別電極１０、リード部１１０ａ、端子部１１０ｂを合わせて電極部と呼ぶ）。端子部１１０ｂは、図２に示すように、配線のためにキャビティ基板１の末端部が開口された貫通穴２１内に露出しており、ＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｐｒｉｎｔ Ｃｉｒｃｕｉｔ）（図示せず）を介して発振回路１１に接続されている。発振回路１１は、端子部１１０ｂを介して個別電極１０に電荷の供給及び停止を制御する。また、ギャップＧの開放端部には封止材１２が充填されており、個別電極１０単位で封止が行われるようになっている。このように封止を行うことにより、振動板４の底面や個別電極１０の表面に水分が付着するのを防止し、水分付着に起因した電極と振動板４の貼り付き等の防止を図っている。
【００２４】
本例では、凹部９の底面に形成する電極部の材料として、酸化錫を不純物としてドープした透明のＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ：インジウム錫酸化物）を用い、凹部９内に例えば０．１μｍの厚さにスパッタ法を用いて成膜する。したがって、絶縁膜８と個別電極１０との間に形成されるギャップＧは、この凹部９の深さ及び電極部の厚さにより決まることになる。ここで、電極部の材料はＩＴＯに限定するものではなく、クロム等の金属等を材料に用いてもよいが、本実施の形態では、透明であるのでギャップＧが均一に形成できているかどうかの確認が行い易い等の理由でＩＴＯを用いることとする。また、電極ガラス基板２には、リザーバ６と連通するインク供給口１３が設けられている。
【００２５】
ノズル基板３は例えば厚さ約１８０μｍのシリコン基板で構成されており、圧力室５と連通するノズル孔１４が形成されている。また、ノズル基板３の図１において下面（キャビティ基板１と接合される接合側の面）には、圧力室５とリザーバ６とを連通させるためのオリフィス１５が形成されている。また、ノズル基板３の両端には、キャビティ基板１に形成されているリザーバ６に対向してリザーバ６内の圧力変動を抑制するダイアフラム１６が形成されている。
【００２６】
これらキャビティ基板１、電極ガラス基板２及びノズル基板３は、図２に示すように貼り合わせることによりインクジェットヘッドの本体部が作製される。すなわち、キャビティ基板１と電極ガラス基板２は陽極接合により接合され、そのキャビティ基板１の上面（図２において上面）にノズル基板１が接着等により接合される。さらに、上述したように、振動板４と個別電極１０との間に形成されるギャップＧの開放端部が封止材１２で封止され、インクジェットヘッドの本体部が作製される。
【００２７】
上記のように構成されたインクジェットヘッドの動作を説明する。
発振回路１１は例えば２４ｋＨｚで発振し、個別電極１０に０Ｖと３０Ｖのパルス電位を印加して電荷供給を行う。このように発振回路１１が駆動し、振動板４と個別電極１０の間に電圧を印加すると、それぞれの間で電界が発生し、その電界による静電吸引力により振動板４は個別電極１０に引き寄せられて撓む。これにより圧力室５の容積は広がる。そして個別電極１０への電荷供給を止めると振動板４は元に戻る。このとき、圧力室５の容積も元に戻るため、その圧力により差分のインク液滴が吐出し、例えば記録対象となる記録紙に着弾することによって記録が行われる。
次に、ノズル孔１４でのメニスカスがインクの表面張力によって再び待機位置に戻ることにより、インクがリザーバ６よりオリフィス１５を通じて圧力室５内に補給される。また、インクジェットヘッドへのインクの供給は、電極ガラス基板２上に形成したインク供給口１３により行う。
【００２８】
ここで、本例の静電アクチュエータの特徴部分の構成について詳細に説明する。図４は、静電アクチュエータの幅方向（凹部９の短辺方向）の拡大断面図である。
【００２９】
振動板４は、個別電極１０との間に発生する静電吸引力により、圧力室５の両側壁を固定端とした両端固定の梁として変形する。振動板４の変形により振動板４に生ずる応力は、それぞれの両端固定部で最大となる。梁としての振動板４の変形量（変位）はｇ１（個別電極中央部１０ａと振動板４との距離）で決まるため、発生する最大の応力はｇ１に依存する。また、振動板４が静電吸引力により撓んで個別電極１０と当接するときの当接幅は、個別電極中央部１０ａの幅ｂ１が関係してくる。すなわち、この幅ｂ１と振動板４の幅ｂ２の差を小さくすると（つまり振動板４の両端固定部と個別電極中央部１０ａの周辺端部１０ａａとの距離であって、振動板外周部４ｂの幅Δ２を狭くすると）振動板４に対する静電吸引力も大きくなり、振動板４の固定端（振動板外周部４ｂ）に作用する応力も大きくなる（図５参照）。従って、本例では、振動板４の最大応力がその材料の破壊応力を超えないように、これらｇ１およびΔ２が設定されている。
【００３０】
また、本例の静電アクチュエータにおいて、個別電極１０は、個別電極外周部１０ｂと振動板４とが、個別電極中央部１０ａに比べて更にｇ２だけギャップＧが広がるように設けられている。さらに、個別電極中央部１０ａの幅ｂ１は、振動板４の幅ｂ２よりも幅方向両端部（長手方向両端部でも同様）でΔ２だけ狭く形成されている。また、電極ガラス基板２の凹部９の幅ｂ４が振動板幅ｂ２よりも広く形成され、個別電極１０全体の幅ｂ３が、振動板４の幅ｂ２よりも幅方向両端部（長手方向両端部でも同様）でΔ１だけ広く形成されている。これらの理由については、以下に詳述する。
【００３１】
ここで、上記のように構成した静電アクチュエータの振動板４の動作について考える。
図５は、静電アクチュエータの振動板の動作説明図である。
振動板４は、上述したように、個別電極１０との間に発生する静電吸引力により変形し、個別電極１０に当接する。この時、振動板４は、まず、振動板中央部４ａで個別電極１０と接触する。その接触した付近は電界が集中し、より強い吸引力が発生するため、振動板４は、振動板中央部４ａから更に外側へと当接幅が広がっていく。ここで、当接幅が広がり過ぎると、振動板外周部４ｂに必要以上の応力が作用し、振動板破壊が生じるが、本例の構造によれば、以下の動作となり、破損を防止できるようになっている。
【００３２】
すなわち、振動板４の当接が個別電極中央部１０ａの外周端１０ａａに及ぶと、ギャップｇ２（図４参照）の作用により、すなわちギャップｇ２分だけ個別電極外周部１０ｂの膜厚が個別電極中央部１０ａに比べて薄くなることにより、振動板外周部４ｂに作用する電界が弱まる。このため、振動板４の当接幅の拡大が止まる。すなわち、振動板４の当接幅は、個別電極中央部１０ａの幅ｂ１により規制され、最大でも個別電極中央部１０ａの幅ｂ１以下となり、必要以上に当接幅が広がることはない。したがって、この幅ｂ１を振動板４の幅ｂ２に対して適切に設定することにより、振動板破壊を防止することができる。
【００３３】
また、ギャップｇ２の作用により電界は弱まるものの、個別電極外周部１０ｂと振動板４との間には電界自体は作用している。このため、図５の矢印に示すように振動板外周部４ｂに対して静電吸引力が作用し、振動板４の剛性と、電界による静電吸引圧力が釣り合うまで振動板４の撓みが図５の点線ａで示すように拡大する。すなわち、個別電極１０を、個別電極外周部１０ｂを設けず、個別電極中央部１０ａのみの構成とした場合に比べて、振動板４の未当接部（外周部４ｂ）を個別電極１０側に更に撓ませることができる。したがって、確実に振動板４の個別電極１０への当接幅を個別電極中央部１０ａの幅ｂ１と等しくなるように安定化させて振動板４の変形量を最大化することができ、インク液滴の排除体積を最大化することができる。
【００３４】
ここで、ｇ２の設定は、振動板４の未当接部（外周部４ｂ）が十分に変形して排除体積を確保すると共に、振動板４が必要十分に撓んで個別電極中央部１０ａにて全面当接するように設定すればよい。さらに、本例では、個別電極１０全体の幅ｂ３が、振動板４の幅ｂ２よりも幅方向両端部（長手方向両端部でも同様）でΔ１だけ広く形成されているが、これは、振動板４と個別電極１０との製造上の位置ズレにより振動板４と対向する部分に個別電極１０が存在しないことが無いようにするためである。すなわち、振動板４と対向する部分に個別電極１０が存在せず、凹部９の底面が露出していると、キャビティ基板１と電極ガラス基板２とを陽極接合する際に、その露出部分と振動板４とが陽極接合されてしまうためである。
【００３５】
なお、ここでは、振動板４の幅方向を代表して構成及び動作説明を行ったが、振動板４の幅方向と直交する方向についても同様である。すなわち、本例では、凹部９を階段状としており、階段の深さが一番浅い部分上に形成された個別電極１０部分において、図２（ａ）に示すように、振動板４と個別電極１０との距離が、個別電極中央部１０ａの外周端１０ａａよりもその外側の外周部１０ｂ側で長くなる構成となっている。なお、凹部９は、このように階段状とした形状に限られたものではなく、単純な凹状としても良い。
【００３６】
以上説明したように、本実施の形態１によれば、個別電極１０と振動板４との距離を、個別電極外周部１０ｂの方が、個別電極中央部１０ａに比べて長くなる構造としたので、振動板外周部４ｂと個別電極外周部１０ｂとの間に発生する静電吸引力を弱めることができ、振動板外周部４ｂに応力が集中して振動板破壊が生じるのを防止することができる。
【００３７】
また、本例の構造によれば、振動板４が個別電極１０に当接した際の当接幅が個別電極中央部１０ａの幅ｂ１に制限されるため、振動板４の幅ｂ２に対する個別電極中央部１０ａの幅ｂ１と、個別電極中央部１０ａと振動板４との間のギャップｇ１とを適切に設定することにより、振動板４の固定端で発生する応力を制限でき、振動板４の破壊を防止することができる。
【００３８】
また、個別電極外周部１０ｂの作用により、振動板外周部４ｂとの間に静電吸引力を働かせることができ、個別電極外周部１０ｂを設けなかった場合に比べて、振動板４を更に撓ませることができる。これにより、振動板４の変形量を最大化し、インク液滴の排除体積を最大化することができる。
【００３９】
このように、振動板破壊を起こすことなく、振動板４の変形量を最大化することが可能となるため、インク液適量を確保しつつ高い駆動周波数で駆動可能な液滴吐出ヘッドを得ることができる。
【００４０】
また、振動板４と対向する電極ガラス基板２の凹部９全体に個別電極１０を形成した構造であるので、キャビティ基板１と電極ガラス基板２とを陽極接合する際に、振動板４が凹部９に陽極接合されてしまう（貼り付いてしまう）のを防止することができる。
【００４１】
実施の形態２．
図６は、実施の形態２の静電アクチュエータの要部拡大断面図で、ここでは、凹部９の短辺方向の断面図を示している。
実施の形態１では、個別電極１０の厚みを個別電極外周部１０ｂ側で減らすことにより、個別電極外周部１０ｂと振動板４との距離を個別電極中央部１０ａと振動板４との距離に比べて長くなるようにしたが、実施の形態２では、電極ガラス基板２の凹部９の底面中央に凸部２１０を設け、その凸部２１０を有する凹部９の底面に、一定の厚みで個別電極２１１を形成するようにしたものである。個別電極２１１には、実施の形態１と同様のＩＴＯが用いられ、凹部９内に例えば０．１μｍの厚さにスパッタ法を用いて成膜することにより形成される。
【００４２】
このように構成することにより、実施の形態１と同様の作用効果が得られるとともに、個別電極中央部２１１ａの幅及び位置が、凸部２１０の幅及び位置により決まるため、キャビティ基板１と電極ガラス基板２とを接合する際に、より振動板４と個別電極中央部２１１ａとの位置あわせが容易となり、精度良く組み立てすることが可能となる。すなわち、キャビティ基板１と電極ガラス基板２との接合は、凹部９と振動板４とが対向するように接合する必要があり、元々精度良く組み立てられるようになっている。具体的には、キャビティ基板１に圧力室５を形成するのと同時に形成した位置合わせマークと、電極ガラス基板２に凹部９を形成するのと同時に形成した位置合わせマークとを合わせて組み立て（接合）られている。このため、凸部２１０及び個別電極中央部２１１ａは、組立精度の高い凹部９内に対して位置合わせして形成されるため、個別電極中央部２１１ａと、振動板４との位置合わせも容易となる。
【００４３】
実施の形態３．
図７は、実施の形態３の静電アクチュエータの要部拡大断面図で、ここでは、凹部９の短辺方向の断面図を示している。
図７に示す静電アクチュエータは、図５に示した静電アクチュエータのように振動板外周部４ｂと個別電極外周部１０ｂとの距離を急激な段差を以て長くするようにしたのに代えて、徐々に長くなるようにしたものである。すなわち、個別電極３１０において、個別電極外周部３１０ｂの膜厚を、その内側の個別電極中央部３１０ａから個別電極外周部３１０ｂに向かって連続して薄くなるように形成したものである。これにより、実施の形態１と同様に、振動板４の動作時の当接幅を、個別電極中央部３１０ａで制限することができるとともに、必要最大限まで振動板４を撓ませることが可能となる。すなわち、振動板４に作用する静電吸引力が、個別電極中央部３１０ａから個別電極外周部３１０ｂに向かうにしたがって急激に弱くなるのではなく、徐々に弱くなるため、図５の構造に比べて振動板４の当接幅を、より確実に個別電極中央部３１０ａの幅と等しくなるようにすることができ、インク液滴の排除体積を最大化することが可能となる。
【００４４】
なお、同構成を形成する場合、個別電極３１０をウエットエッチング等により一定の厚みで形成した後、個別電極外周部３１０ｂを、ＲＩＥや不活性ガスによる逆スパッタ等のドライエッチングにより、徐々に薄くなるように形成すればよい。ドライエッチングによるサイドエッチングの作用により、上記形状を容易に形成することができる。
【００４５】
実施の形態４．
図８は、実施の形態４の静電アクチュエータの要部拡大断面図で、ここでは、凹部９の短辺方向の断面図を示している。
図８に示す静電アクチュエータは、図６に示した静電アクチュエータに対して、更に、振動板４の変形量を大きくしてインク液滴の排除体積を大きくすることができるよう工夫したもので、振動板４との距離が一定に形成された個別電極４１０の表面において、個別電極４１０の外周部に周状の凹部４１０ｂを形成した構造を有している。個別電極４１０の個別電極中央部４１０ａの幅は、上記実施の形態１と同様に、振動板破壊が生じない所定の当接幅となるようにその幅が設定されている。振動板動作時の当接幅の設定は、個別電極中央部４１０ａの外周側に設けられた凹部４１０ｂの位置と深さの設定により行う。
【００４６】
このように構成された静電アクチュエータでは、当接時の振動板４と個別電極４１０との間の電界の集中が、この凹部４１０ｂによって緩和され、振動板４の当接幅の拡大は制御（抑止）される。したがって、振動板外周部４ｂに対する応力の集中が防止され、振動板４の破壊を防止することができる。また、個別電極中央部４１０ａの外周側に設けられた凹部４１０ｂ及びその最端部４１０ｃによって発生される電界の吸引力により、未当接となる振動板４の外周部４ｂの変位を未当接のまま拡大することができる。これにより、振動板４の排除体積（撓み）を更に最大化することができる。更に、凹部４１０ｂをより深く形成すれば、ギャップＧ内の圧縮空気による振動板４の撓みの阻害を、緩和、回避することも可能となる効果を有する。
【００４７】
なお、上記各実施の形態中にて静電アクチュエータの絶縁膜８を、振動板４の個別電極１０側の表面にシリコン酸化膜にて形成したが、絶縁膜形成個所は、この他に、個別電極１０の表面でもよい。また、絶縁膜材質としては、酸化アルミニウムや酸化ハフニウム等を用いても良い。
【００４８】
また、本発明に係る静電アクチュエータは、液晶表示装置のカラーフィルタ製造装置や有機ＥＬ表示装置の発光部分形成装置に用いられるヘッドの駆動手段としての応用が可能である。そして、本発明に係る静電アクチュエータをこれらの装置に適用することにより、これら装置の小型化や高密度化、製造スループット向上による品質向上、生産性向上を可能とする。また、プロジェクタスキャンミラー、レーザープリンタ用のスキャンミラー用の静電アクチュエータへの応用も可能で、変位角の大きな微少ミラー装置を提供し、消費電力が小さくて効率良く駆動可能なプロジェクタやレーザープリンタの駆動部を提供できる。
【符号の説明】
【００４９】
１ キャビティ基板、２ 電極ガラス基板、３ ノズル基板、４ 振動板、４ａ 振動板中央部、４ｂ 振動板外周部、５ 圧力室、９ 凹部、１０ 個別電極、１０ａ 個別電極中央部、１０ａａ 外周端、１０ｂ 個別電極外周部、１４ ノズル孔、２１０ 凸部、２１１ 個別電極、２１１ａ 個別電極中央部、３１０ 個別電極、３１０ａ 個別電極中央部、３１０ｂ 個別電極外周部、４１０ 個別電極、４１０ａ 個別電極中央部、４１０ｂ 個別電極凹部、４１０ｃ 最端部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電アクチュエータ及び液滴吐出ヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
液滴を吐出するための液滴吐出ヘッドとして、例えばインクジェット記録装置に搭載されるインクジェットヘッドが知られている。静電駆動方式のインクジェットヘッドは、液滴を貯留する圧力室の一部を構成する振動板と、該振動板に対向して所定のギャップをもって配設された個別電極を有し、個別電極と振動板との間にパルス電圧を印加して振動板を静電力により変位させ、振動板の機械的な復元力により圧力室内の液滴を加圧して液滴を吐出している。
【０００３】
近年、この種の静電アクチュエータを使用したインクジェットヘッドでは、記録密度を更に高めて高精細な印刷を行うとともに、記録速度の向上を図りたいという要求があった。記録速度を速めるためには、インク流路の固有振動数を高くして駆動周波数を上げる必要がある。しかしながら、駆動周波数を上げるべくアクチュエータ構造開発を行った場合、インク液滴の吐出量を減少させてしまう傾向があった。これでは、駆動周波数を高めて高速印字を行うことができるものの、印字品位が低下してしまう。
【０００４】
そこで、インク液滴の吐出量を減らすことなく駆動周波数を上げることが求められており、従来、個別電極と振動板との間のギャップを長くして振動板の変形量を大きくし、インク吐出量を確保することが提案されている。しかしながら、この場合、振動板の撓み変形が大きくなり、振動板の固定端（外周部分）に応力が集中して振動板が破壊する恐れがあるという新たな問題が発生した。
【０００５】
そこで、従来の静電アクチュエータとして、振動板の個別電極に対向する側の外周部を滑らかな形状の凹部とし、振動板の外周部に応力が集中して振動板の破壊を防止しようとするものがあった（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−２７７７４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献１の技術により、振動板の破壊を防止することが期待できる。しかし、更なる高密度化に対応して、振動板の破壊防止能力の一層の向上が望まれている。
【０００８】
本発明はこのような点に鑑みなされたもので、振動板破壊を起こすことなく、振動板の変形量を最大化することが可能な静電アクチュエータ及び液滴吐出ヘッドを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る静電アクチュエータは、振動板と、振動板にギャップを隔てて対向する個別電極とを有し、振動板と個別電極との間に駆動電圧を印加することにより振動板を静電吸引力により変形させる静電アクチュエータであって、振動板と個別電極との距離が、個別電極の中央部よりも個別電極の外周部側で長くなる構成としたものである。
これにより、振動板外周部と個別電極外周部との間に発生する静電吸引力を弱めることができ、振動板の個別電極に対する当接幅を、個別電極中央部の幅よりも狭くなるように静電吸引力を制御することができる。その結果、振動板外周部に応力が集中して振動板破壊が生じるのを防止することができる。また、個別電極外周部の作用により、振動板の変形量を最大化することができる。
【００１０】
また、本発明に係る静電アクチュエータは、個別電極の外周部の膜厚が、個別電極の中央部に比べて薄くなるようにしたものである。
このようにして、振動板と個別電極との距離を、個別電極の中央部よりも個別電極の外周部側で長くする構成とすることができる。
【００１１】
また、本発明に係る静電アクチュエータは、振動板と対向する位置に凹部が形成され、その凹部の底面に個別電極が形成された電極基板を備え、凹部の底面中央部に凸部を形成し、凸部を含む凹部の底面に個別電極が一定の厚みで形成されているものである。
これにより、振動板と個別電極との距離を、個別電極の中央部よりも個別電極の外周部側で長くする構成とすることができる。また、振動板を有する基板（キャビティ基板）と電極基板とを接合する際に、振動板と個別電極中央部との位置あわせが容易となり、精度良く組み立てることが可能となる。
【００１２】
また、本発明に係る静電アクチュエータは、個別電極の外周部の膜厚が、個別電極の中央部から個別電極の外周部に向かって連続して薄くなるように形成したものである。
これにより、振動板の個別電極に対する当接幅を、より確実に個別電極中央部の幅と等しくなるようにすることができ、振動板の変形量を最大化することが可能となる。
【００１３】
また、本発明に係る静電アクチュエータは、個別電極の外周部に周状の凹部を有し、凹部の内側が個別電極の中央部となっているものである。
このような構造としても、振動板破壊を防止し、振動板の変形量を更に最大化できる。
【００１４】
また、本発明に係る静電アクチュエータは、個別電極の中央部の外周端と振動板の固定端部との平面方向の距離と、個別電極の中央部と振動板との距離とが、駆動時に振動板の破壊が生じない寸法に設定されているものである。
これにより、振動板の所定の変形量をより低電圧で確保しつつ、高い駆動周波数で駆動可能な静電アクチュエータを構成することができる。
【００１５】
また、本発明に係る液滴吐出ヘッドは、液滴を吐出するための複数のノズル孔と、各ノズル孔に連通して設けられて液滴に圧力を加えるための圧力室と、圧力室に液滴を供給する液滴供給路と、上記の何れかの静電アクチュエータとを備え、静電アクチュエータで圧力室に圧力を加えることによりノズル孔から液滴を吐出するものである。
これにより、液滴吐出量を確保しつつ高い駆動周波数で駆動可能な液滴吐出ヘッドを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施の形態１の静電アクチュエータを備えたインクジェットヘッドの分解斜視図。
【図２】図１のインクジェットヘッドの断面図。
【図３】図１の個別電極の平面図。
【図４】静電アクチュエータの幅方向（凹部９の短辺方向）の拡大断面図。
【図５】静電アクチュエータの振動板の動作説明図。
【図６】実施の形態２の静電アクチュエータの要部拡大断面図。
【図７】実施の形態３の静電アクチュエータの要部拡大断面図。
【図８】実施の形態４の静電アクチュエータの要部拡大断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
実施の形態１．
以下、本発明の静電アクチュエータを備えた液滴吐出ヘッドを図面に基づいて説明する。ここでは、液滴吐出ヘッドの一例として、インクジェットヘッドについて図１乃至図３を参照して説明する。なお、ここではノズル基板の表面に設けられたインクノズルからインク液滴を吐出するフェイス吐出型のインクジェットヘッドについて図１乃至図３を参照して説明する。また、本発明は、以下の図に示す構造、形状に限定されるものではなく、ノズル基板の端部に設けられたインクノズルからインク液滴を吐出するエッジ吐出型のインクジェットヘッドにも適用できるものである。
【００１８】
図１は、本発明の実施の形態１に係るインクジェットヘッドを分解して表した図で、要部を拡大して示している。図２（ａ）は、図１のインクジェットヘッドの長手方向の断面図、図２（ｂ）は、図１のインクジェットヘッドの短手方向の要部断面図である。また、図３は、図１の個別電極の平面図である。
本実施の形態のインクジェットヘッドは、キャビティ基板１と、電極ガラス基板２と、ノズル基板３とが積層された三層構造となっている。
【００１９】
以下、各基板の構成を更に詳しく説明する。
キャビティ基板１は例えば厚さ約５０μｍの（１１０）面方位のシリコン単結晶基板（以下、単にシリコン基板という）で構成されている。シリコン基板に異方性ウェットエッチングを施すことにより、底壁が振動板４となる圧力室５、各ノズル共通に吐出する液体を溜めておくためのリザーバ６が形成されている。また、キャビティ基板１には電極端子７が形成され、図２に示す発振回路１１と接続される。ここで、キャビティ基板１の下面（電極ガラス基板２と対向する面）には、絶縁膜８が形成される。この絶縁膜８は、本例ではＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌ ｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ Ｔｅｔｒａｅｔｈｏｘｙｓｉｌａｎｅ：テトラエトキシシラン、珪酸エチル）膜０．１μｍでプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により成膜している。これは、インクジェットヘッドを駆動させた時の絶縁膜破壊及び短絡を防止するためである。
【００２０】
振動板４は、高濃度のボロンドープ層で構成されている。このボロンドープ層は、ボロンを高濃度（約５×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上）にドープして形成されており、例えばアルカリ性水溶液で単結晶シリコンをエッチングしたときに、エッチング速度が極端に遅くなるいわゆるエッチングストップ層となっている。そして、ボロンドープ層がエッチングストップ層として機能することにより、振動板４の厚み及び圧力室５の容積を高精度で形成することができるようになっている。
【００２１】
電極ガラス基板２は厚さ約１ｍｍであり、図１で見るとキャビティ基板１の下面に接合される。ここで電極ガラス基板２となるガラスにはホウ珪酸系の耐熱硬質ガラスを用いることにする。電極ガラス基板２には、キャビティ基板１に形成される各圧力室５に対向する位置に凹部９が設けられる。この凹部９は、短辺と長辺を有する長方形状に形成され、本例では、凹部９の長辺方向の底面が長辺方向の中央部に向かうに従って深さが深くなる階段状に形成されている。また、凹部９の底面には、個別電極１０が形成され、振動板４と個別電極１０との間に本例では３段の階段状のギャップ（空隙）Ｇを形成している。このような階段状とすることで、振動板４の変位量を増加させてインク液滴の吐出エネルギーを増加させ、吐出特性を安定させることが可能となる。
また、ここでは、振動板４と、振動板４に一定距離（ギャップＧ）を隔てて対向配置された個別電極１０とで静電アクチュエータが構成されており、振動板４と個別電極１０との間に電圧を印加することにより発生する静電気力によって振動板４を変位させるようにしている。
【００２２】
本例の個別電極１０は、中央部１０ａとその外側の外周部１０ｂとを有しており、振動板４と個別電極１０との距離が、個別電極中央部１０ａよりも個別電極外周部１０ｂ側で長くなるように構成されている。すなわち、個別電極外周部１０ｂの膜厚が個別電極中央部１０ａの膜厚に比べて薄く形成されている。このようにすることにより、動作時の振動板４の破壊を防止するとともに、インク液滴の排除体積を最大化することを可能としている。この点に関しては、以下の動作説明で詳述する。
【００２３】
また、電極ガラス基板２には、階段状の凹部９から電極ガラス基板２の端部まで延びる深さ約０．２４μｍの凹部９Ａが形成されており、凹部９Ａの底面には、個別電極１０から延びるリード部１１０ａ及び端子部１１０ｂが形成されている（以下、個別電極１０、リード部１１０ａ、端子部１１０ｂを合わせて電極部と呼ぶ）。端子部１１０ｂは、図２に示すように、配線のためにキャビティ基板１の末端部が開口された貫通穴２１内に露出しており、ＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｐｒｉｎｔ Ｃｉｒｃｕｉｔ）（図示せず）を介して発振回路１１に接続されている。発振回路１１は、端子部１１０ｂを介して個別電極１０に電荷の供給及び停止を制御する。また、ギャップＧの開放端部には封止材１２が充填されており、個別電極１０単位で封止が行われるようになっている。このように封止を行うことにより、振動板４の底面や個別電極１０の表面に水分が付着するのを防止し、水分付着に起因した電極と振動板４の貼り付き等の防止を図っている。
【００２４】
本例では、凹部９の底面に形成する電極部の材料として、酸化錫を不純物としてドープした透明のＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ：インジウム錫酸化物）を用い、凹部９内に例えば０．１μｍの厚さにスパッタ法を用いて成膜する。したがって、絶縁膜８と個別電極１０との間に形成されるギャップＧは、この凹部９の深さ及び電極部の厚さにより決まることになる。ここで、電極部の材料はＩＴＯに限定するものではなく、クロム等の金属等を材料に用いてもよいが、本実施の形態では、透明であるのでギャップＧが均一に形成できているかどうかの確認が行い易い等の理由でＩＴＯを用いることとする。また、電極ガラス基板２には、リザーバ６と連通するインク供給口１３が設けられている。
【００２５】
ノズル基板３は例えば厚さ約１８０μｍのシリコン基板で構成されており、圧力室５と連通するノズル孔１４が形成されている。また、ノズル基板３の図１において下面（キャビティ基板１と接合される接合側の面）には、圧力室５とリザーバ６とを連通させるためのオリフィス１５が形成されている。また、ノズル基板３の両端には、キャビティ基板１に形成されているリザーバ６に対向してリザーバ６内の圧力変動を抑制するダイアフラム１６が形成されている。
【００２６】
これらキャビティ基板１、電極ガラス基板２及びノズル基板３は、図２に示すように貼り合わせることによりインクジェットヘッドの本体部が作製される。すなわち、キャビティ基板１と電極ガラス基板２は陽極接合により接合され、そのキャビティ基板１の上面（図２において上面）にノズル基板１が接着等により接合される。さらに、上述したように、振動板４と個別電極１０との間に形成されるギャップＧの開放端部が封止材１２で封止され、インクジェットヘッドの本体部が作製される。
【００２７】
上記のように構成されたインクジェットヘッドの動作を説明する。
発振回路１１は例えば２４ｋＨｚで発振し、個別電極１０に０Ｖと３０Ｖのパルス電位を印加して電荷供給を行う。このように発振回路１１が駆動し、振動板４と個別電極１０の間に電圧を印加すると、それぞれの間で電界が発生し、その電界による静電吸引力により振動板４は個別電極１０に引き寄せられて撓む。これにより圧力室５の容積は広がる。そして個別電極１０への電荷供給を止めると振動板４は元に戻る。このとき、圧力室５の容積も元に戻るため、その圧力により差分のインク液滴が吐出し、例えば記録対象となる記録紙に着弾することによって記録が行われる。
次に、ノズル孔１４でのメニスカスがインクの表面張力によって再び待機位置に戻ることにより、インクがリザーバ６よりオリフィス１５を通じて圧力室５内に補給される。また、インクジェットヘッドへのインクの供給は、電極ガラス基板２上に形成したインク供給口１３により行う。
【００２８】
ここで、本例の静電アクチュエータの特徴部分の構成について詳細に説明する。図４は、静電アクチュエータの幅方向（凹部９の短辺方向）の拡大断面図である。
【００２９】
振動板４は、個別電極１０との間に発生する静電吸引力により、圧力室５の両側壁を固定端とした両端固定の梁として変形する。振動板４の変形により振動板４に生ずる応力は、それぞれの両端固定部で最大となる。梁としての振動板４の変形量（変位）はｇ１（個別電極中央部１０ａと振動板４との距離）で決まるため、発生する最大の応力はｇ１に依存する。また、振動板４が静電吸引力により撓んで個別電極１０と当接するときの当接幅は、個別電極中央部１０ａの幅ｂ１が関係してくる。すなわち、この幅ｂ１と振動板４の幅ｂ２の差を小さくすると（つまり振動板４の両端固定部と個別電極中央部１０ａの周辺端部１０ａａとの距離であって、振動板外周部４ｂの幅Δ２を狭くすると）振動板４に対する静電吸引力も大きくなり、振動板４の固定端（振動板外周部４ｂ）に作用する応力も大きくなる（図５参照）。従って、本例では、振動板４の最大応力がその材料の破壊応力を超えないように、これらｇ１およびΔ２が設定されている。
【００３０】
また、本例の静電アクチュエータにおいて、個別電極１０は、個別電極外周部１０ｂと振動板４とが、個別電極中央部１０ａに比べて更にｇ２だけギャップＧが広がるように設けられている。さらに、個別電極中央部１０ａの幅ｂ１は、振動板４の幅ｂ２よりも幅方向両端部（長手方向両端部でも同様）でΔ２だけ狭く形成されている。また、電極ガラス基板２の凹部９の幅ｂ４が振動板幅ｂ２よりも広く形成され、個別電極１０全体の幅ｂ３が、振動板４の幅ｂ２よりも幅方向両端部（長手方向両端部でも同様）でΔ１だけ広く形成されている。これらの理由については、以下に詳述する。
【００３１】
ここで、上記のように構成した静電アクチュエータの振動板４の動作について考える。
図５は、静電アクチュエータの振動板の動作説明図である。
振動板４は、上述したように、個別電極１０との間に発生する静電吸引力により変形し、個別電極１０に当接する。この時、振動板４は、まず、振動板中央部４ａで個別電極１０と接触する。その接触した付近は電界が集中し、より強い吸引力が発生するため、振動板４は、振動板中央部４ａから更に外側へと当接幅が広がっていく。ここで、当接幅が広がり過ぎると、振動板外周部４ｂに必要以上の応力が作用し、振動板破壊が生じるが、本例の構造によれば、以下の動作となり、破損を防止できるようになっている。
【００３２】
すなわち、振動板４の当接が個別電極中央部１０ａの外周端１０ａａに及ぶと、ギャップｇ２（図４参照）の作用により、すなわちギャップｇ２分だけ個別電極外周部１０ｂの膜厚が個別電極中央部１０ａに比べて薄くなることにより、振動板外周部４ｂに作用する電界が弱まる。このため、振動板４の当接幅の拡大が止まる。すなわち、振動板４の当接幅は、個別電極中央部１０ａの幅ｂ１により規制され、最大でも個別電極中央部１０ａの幅ｂ１以下となり、必要以上に当接幅が広がることはない。したがって、この幅ｂ１を振動板４の幅ｂ２に対して適切に設定することにより、振動板破壊を防止することができる。
【００３３】
また、ギャップｇ２の作用により電界は弱まるものの、個別電極外周部１０ｂと振動板４との間には電界自体は作用している。このため、図５の矢印に示すように振動板外周部４ｂに対して静電吸引力が作用し、振動板４の剛性と、電界による静電吸引圧力が釣り合うまで振動板４の撓みが図５の点線ａで示すように拡大する。すなわち、個別電極１０を、個別電極外周部１０ｂを設けず、個別電極中央部１０ａのみの構成とした場合に比べて、振動板４の未当接部（外周部４ｂ）を個別電極１０側に更に撓ませることができる。したがって、確実に振動板４の個別電極１０への当接幅を個別電極中央部１０ａの幅ｂ１と等しくなるように安定化させて振動板４の変形量を最大化することができ、インク液滴の排除体積を最大化することができる。
【００３４】
ここで、ｇ２の設定は、振動板４の未当接部（外周部４ｂ）が十分に変形して排除体積を確保すると共に、振動板４が必要十分に撓んで個別電極中央部１０ａにて全面当接するように設定すればよい。さらに、本例では、個別電極１０全体の幅ｂ３が、振動板４の幅ｂ２よりも幅方向両端部（長手方向両端部でも同様）でΔ１だけ広く形成されているが、これは、振動板４と個別電極１０との製造上の位置ズレにより振動板４と対向する部分に個別電極１０が存在しないことが無いようにするためである。すなわち、振動板４と対向する部分に個別電極１０が存在せず、凹部９の底面が露出していると、キャビティ基板１と電極ガラス基板２とを陽極接合する際に、その露出部分と振動板４とが陽極接合されてしまうためである。
【００３５】
なお、ここでは、振動板４の幅方向を代表して構成及び動作説明を行ったが、振動板４の幅方向と直交する方向についても同様である。すなわち、本例では、凹部９を階段状としており、階段の深さが一番浅い部分上に形成された個別電極１０部分において、図２（ａ）に示すように、振動板４と個別電極１０との距離が、個別電極中央部１０ａの外周端１０ａａよりもその外側の外周部１０ｂ側で長くなる構成となっている。なお、凹部９は、このように階段状とした形状に限られたものではなく、単純な凹状としても良い。
【００３６】
以上説明したように、本実施の形態１によれば、個別電極１０と振動板４との距離を、個別電極外周部１０ｂの方が、個別電極中央部１０ａに比べて長くなる構造としたので、振動板外周部４ｂと個別電極外周部１０ｂとの間に発生する静電吸引力を弱めることができ、振動板外周部４ｂに応力が集中して振動板破壊が生じるのを防止することができる。
【００３７】
また、本例の構造によれば、振動板４が個別電極１０に当接した際の当接幅が個別電極中央部１０ａの幅ｂ１に制限されるため、振動板４の幅ｂ２に対する個別電極中央部１０ａの幅ｂ１と、個別電極中央部１０ａと振動板４との間のギャップｇ１とを適切に設定することにより、振動板４の固定端で発生する応力を制限でき、振動板４の破壊を防止することができる。
【００３８】
また、個別電極外周部１０ｂの作用により、振動板外周部４ｂとの間に静電吸引力を働かせることができ、個別電極外周部１０ｂを設けなかった場合に比べて、振動板４を更に撓ませることができる。これにより、振動板４の変形量を最大化し、インク液滴の排除体積を最大化することができる。
【００３９】
このように、振動板破壊を起こすことなく、振動板４の変形量を最大化することが可能となるため、インク液適量を確保しつつ高い駆動周波数で駆動可能な液滴吐出ヘッドを得ることができる。
【００４０】
また、振動板４と対向する電極ガラス基板２の凹部９全体に個別電極１０を形成した構造であるので、キャビティ基板１と電極ガラス基板２とを陽極接合する際に、振動板４が凹部９に陽極接合されてしまう（貼り付いてしまう）のを防止することができる。
【００４１】
実施の形態２．
図６は、実施の形態２の静電アクチュエータの要部拡大断面図で、ここでは、凹部９の短辺方向の断面図を示している。
実施の形態１では、個別電極１０の厚みを個別電極外周部１０ｂ側で減らすことにより、個別電極外周部１０ｂと振動板４との距離を個別電極中央部１０ａと振動板４との距離に比べて長くなるようにしたが、実施の形態２では、電極ガラス基板２の凹部９の底面中央に凸部２１０を設け、その凸部２１０を有する凹部９の底面に、一定の厚みで個別電極２１１を形成するようにしたものである。個別電極２１１には、実施の形態１と同様のＩＴＯが用いられ、凹部９内に例えば０．１μｍの厚さにスパッタ法を用いて成膜することにより形成される。
【００４２】
このように構成することにより、実施の形態１と同様の作用効果が得られるとともに、個別電極中央部２１１ａの幅及び位置が、凸部２１０の幅及び位置により決まるため、キャビティ基板１と電極ガラス基板２とを接合する際に、より振動板４と個別電極中央部２１１ａとの位置あわせが容易となり、精度良く組み立てすることが可能となる。すなわち、キャビティ基板１と電極ガラス基板２との接合は、凹部９と振動板４とが対向するように接合する必要があり、元々精度良く組み立てられるようになっている。具体的には、キャビティ基板１に圧力室５を形成するのと同時に形成した位置合わせマークと、電極ガラス基板２に凹部９を形成するのと同時に形成した位置合わせマークとを合わせて組み立て（接合）られている。このため、凸部２１０及び個別電極中央部２１１ａは、組立精度の高い凹部９内に対して位置合わせして形成されるため、個別電極中央部２１１ａと、振動板４との位置合わせも容易となる。
【００４３】
実施の形態３．
図７は、実施の形態３の静電アクチュエータの要部拡大断面図で、ここでは、凹部９の短辺方向の断面図を示している。
図７に示す静電アクチュエータは、図５に示した静電アクチュエータのように振動板外周部４ｂと個別電極外周部１０ｂとの距離を急激な段差を以て長くするようにしたのに代えて、徐々に長くなるようにしたものである。すなわち、個別電極３１０において、個別電極外周部３１０ｂの膜厚を、その内側の個別電極中央部３１０ａから個別電極外周部３１０ｂに向かって連続して薄くなるように形成したものである。これにより、実施の形態１と同様に、振動板４の動作時の当接幅を、個別電極中央部３１０ａで制限することができるとともに、必要最大限まで振動板４を撓ませることが可能となる。すなわち、振動板４に作用する静電吸引力が、個別電極中央部３１０ａから個別電極外周部３１０ｂに向かうにしたがって急激に弱くなるのではなく、徐々に弱くなるため、図５の構造に比べて振動板４の当接幅を、より確実に個別電極中央部３１０ａの幅と等しくなるようにすることができ、インク液滴の排除体積を最大化することが可能となる。
【００４４】
なお、同構成を形成する場合、個別電極３１０をウエットエッチング等により一定の厚みで形成した後、個別電極外周部３１０ｂを、ＲＩＥや不活性ガスによる逆スパッタ等のドライエッチングにより、徐々に薄くなるように形成すればよい。ドライエッチングによるサイドエッチングの作用により、上記形状を容易に形成することができる。
【００４５】
実施の形態４．
図８は、実施の形態４の静電アクチュエータの要部拡大断面図で、ここでは、凹部９の短辺方向の断面図を示している。
図８に示す静電アクチュエータは、図６に示した静電アクチュエータに対して、更に、振動板４の変形量を大きくしてインク液滴の排除体積を大きくすることができるよう工夫したもので、振動板４との距離が一定に形成された個別電極４１０の表面において、個別電極４１０の外周部に周状の凹部４１０ｂを形成した構造を有している。個別電極４１０の個別電極中央部４１０ａの幅は、上記実施の形態１と同様に、振動板破壊が生じない所定の当接幅となるようにその幅が設定されている。振動板動作時の当接幅の設定は、個別電極中央部４１０ａの外周側に設けられた凹部４１０ｂの位置と深さの設定により行う。
【００４６】
このように構成された静電アクチュエータでは、当接時の振動板４と個別電極４１０との間の電界の集中が、この凹部４１０ｂによって緩和され、振動板４の当接幅の拡大は制御（抑止）される。したがって、振動板外周部４ｂに対する応力の集中が防止され、振動板４の破壊を防止することができる。また、個別電極中央部４１０ａの外周側に設けられた凹部４１０ｂ及びその最端部４１０ｃによって発生される電界の吸引力により、未当接となる振動板４の外周部４ｂの変位を未当接のまま拡大することができる。これにより、振動板４の排除体積（撓み）を更に最大化することができる。更に、凹部４１０ｂをより深く形成すれば、ギャップＧ内の圧縮空気による振動板４の撓みの阻害を、緩和、回避することも可能となる効果を有する。
【００４７】
なお、上記各実施の形態中にて静電アクチュエータの絶縁膜８を、振動板４の個別電極１０側の表面にシリコン酸化膜にて形成したが、絶縁膜形成個所は、この他に、個別電極１０の表面でもよい。また、絶縁膜材質としては、酸化アルミニウムや酸化ハフニウム等を用いても良い。
【００４８】
また、本発明に係る静電アクチュエータは、液晶表示装置のカラーフィルタ製造装置や有機ＥＬ表示装置の発光部分形成装置に用いられるヘッドの駆動手段としての応用が可能である。そして、本発明に係る静電アクチュエータをこれらの装置に適用することにより、これら装置の小型化や高密度化、製造スループット向上による品質向上、生産性向上を可能とする。また、プロジェクタスキャンミラー、レーザープリンタ用のスキャンミラー用の静電アクチュエータへの応用も可能で、変位角の大きな微少ミラー装置を提供し、消費電力が小さくて効率良く駆動可能なプロジェクタやレーザープリンタの駆動部を提供できる。
【符号の説明】
【００４９】
１ キャビティ基板、２ 電極ガラス基板、３ ノズル基板、４ 振動板、４ａ 振動板中央部、４ｂ 振動板外周部、５ 圧力室、９ 凹部、１０ 個別電極、１０ａ 個別電極中央部、１０ａａ 外周端、１０ｂ 個別電極外周部、１４ ノズル孔、２１０ 凸部、２１１ 個別電極、２１１ａ 個別電極中央部、３１０ 個別電極、３１０ａ 個別電極中央部、３１０ｂ 個別電極外周部、４１０ 個別電極、４１０ａ 個別電極中央部、４１０ｂ 個別電極凹部、４１０ｃ 最端部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動板と、前記振動板にギャップを隔てて対向する個別電極とを有し、前記振動板と前
記個別電極との間に駆動電圧を印加することにより前記振動板を静電吸引力により変形さ
せる静電アクチュエータであって、
前記振動板と前記個別電極との距離が、前記個別電極の中央部よりも前記個別電極の外
周部側で長くなっており、
前記個別電極の外周部の膜厚が、前記個別電極の中央部に比べて薄くなっていることを
特徴とする静電アクチュエータ。
【請求項２】
振動板と、前記振動板にギャップを隔てて対向する個別電極とを有し、前記振動板と前
記個別電極との間に駆動電圧を印加することにより前記振動板を静電吸引力により変形さ
せる静電アクチュエータであって、
前記振動板と前記個別電極との距離が、前記個別電極の中央部よりも前記個別電極の外
周部側で長くなっており、
前記振動板と対向する位置に凹部が形成され、該凹部の底面に前記個別電極が形成され
た電極基板を備え、前記凹部の底面中央部に凸部を形成し、該凸部を含む前記凹部の底面
に前記個別電極が一定の厚みで形成されていることを特徴とする静電アクチュエータ。
【請求項３】
振動板と、前記振動板にギャップを隔てて対向する個別電極とを有し、前記振動板と前
記個別電極との間に駆動電圧を印加することにより前記振動板を静電吸引力により変形さ
せる静電アクチュエータであって、
前記振動板と前記個別電極との距離が、前記個別電極の中央部よりも前記個別電極の外
周部側で長くなっており、
前記個別電極の外周部の膜厚が、前記個別電極の中央部から前記個別電極の外周部に向
かって連続して薄くなっていることを特徴とする静電アクチュエータ。
【請求項４】
前記振動板の幅と、前記個別電極中央部の幅と、前記個別電極の中央部と前記振動板と
の距離とが、駆動時に前記振動板の破壊が生じない寸法に設定されていることを特徴とす
る請求項１乃至請求項３の何れかに記載の静電アクチュエータ。
【請求項５】
液滴を吐出するための複数のノズル孔と、該各ノズル孔に連通して設けられて液滴に圧
力を加えるための圧力室と、該圧力室に液滴を供給する液滴供給路と、請求項１乃至請求
項４の何れかに記載の静電アクチュエータとを備え、該静電アクチュエータで前記圧力室
に圧力を加えることにより前記ノズル孔から液滴を吐出することを特徴とする液滴吐出ヘ
ッド。
【請求項１】
振動板と、前記振動板にギャップを隔てて対向する個別電極とを有し、前記振動板と前
記個別電極との間に駆動電圧を印加することにより前記振動板を静電吸引力により変形さ
せる静電アクチュエータであって、
前記振動板と前記個別電極との距離が、前記個別電極の中央部よりも前記個別電極の外
周部側で長くなっており、
前記個別電極の外周部の膜厚が、前記個別電極の中央部に比べて薄くなっていることを
特徴とする静電アクチュエータ。
【請求項２】
振動板と、前記振動板にギャップを隔てて対向する個別電極とを有し、前記振動板と前
記個別電極との間に駆動電圧を印加することにより前記振動板を静電吸引力により変形さ
せる静電アクチュエータであって、
前記振動板と前記個別電極との距離が、前記個別電極の中央部よりも前記個別電極の外
周部側で長くなっており、
前記振動板と対向する位置に凹部が形成され、該凹部の底面に前記個別電極が形成され
た電極基板を備え、前記凹部の底面中央部に凸部を形成し、該凸部を含む前記凹部の底面
に前記個別電極が一定の厚みで形成されていることを特徴とする静電アクチュエータ。
【請求項３】
振動板と、前記振動板にギャップを隔てて対向する個別電極とを有し、前記振動板と前
記個別電極との間に駆動電圧を印加することにより前記振動板を静電吸引力により変形さ
せる静電アクチュエータであって、
前記振動板と前記個別電極との距離が、前記個別電極の中央部よりも前記個別電極の外
周部側で長くなっており、
前記個別電極の外周部の膜厚が、前記個別電極の中央部から前記個別電極の外周部に向
かって連続して薄くなっていることを特徴とする静電アクチュエータ。
【請求項４】
前記振動板の幅と、前記個別電極中央部の幅と、前記個別電極の中央部と前記振動板と
の距離とが、駆動時に前記振動板の破壊が生じない寸法に設定されていることを特徴とす
る請求項１乃至請求項３の何れかに記載の静電アクチュエータ。
【請求項５】
液滴を吐出するための複数のノズル孔と、該各ノズル孔に連通して設けられて液滴に圧
力を加えるための圧力室と、該圧力室に液滴を供給する液滴供給路と、請求項１乃至請求
項４の何れかに記載の静電アクチュエータとを備え、該静電アクチュエータで前記圧力室
に圧力を加えることにより前記ノズル孔から液滴を吐出することを特徴とする液滴吐出ヘ
ッド。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−２８１７５（Ｐ２０１３−２８１７５Ａ）
【公開日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２１６０６９（Ｐ２０１２−２１６０６９）
【出願日】平成２４年９月２８日（２０１２．９．２８）
【分割の表示】特願２００７−１３３７９９（Ｐ２００７−１３３７９９）の分割
【原出願日】平成１９年５月２１日（２００７．５．２１）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年９月２８日（２０１２．９．２８）
【分割の表示】特願２００７−１３３７９９（Ｐ２００７−１３３７９９）の分割
【原出願日】平成１９年５月２１日（２００７．５．２１）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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