JP4557667B2 - 静電型アクチュエータ、静電型アクチュエータの製造方法、液滴吐出ヘッド、液体カートリッジ、画像形成装置、マイクロポンプ及び光学デバイス - Google Patents

静電型アクチュエータ、静電型アクチュエータの製造方法、液滴吐出ヘッド、液体カートリッジ、画像形成装置、マイクロポンプ及び光学デバイス Download PDF

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Description

本発明は静電型アクチュエータ、静電型アクチュエータの製造方法、液滴吐出ヘッド、液体カートリッジ、画像形成装置、マイクロポンプ及び光学デバイスに関する。
例えば、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は、液滴を吐出するノズルと、このノズルが連通する液室(吐出室、圧力室、加圧液室、インク流路とも称される)と、この液室内のインクを加圧するためのエネルギーを発生するアクチュエータ手段とを備えて、エネルギーを発生することによって液室内の記録液に圧力を作用させ、ノズルから液滴を吐出させるものである。
液滴吐出ヘッドとしては、電気機械変換素子などの圧電型アクチュエータを用いたもの、電気熱変換素子に膜沸騰を利用するサーマル型アクチュエータを用いたもの、振動板と電極間の静電力を利用する静電型アクチュエータを用いたものなどがあり、この中でも静電型アクチュエータを用いた液滴吐出ヘッドは、小型化、高速化、高密度化、省電力化において他の方式のヘッドに比べて優位であることから、現在開発が盛んに行われている。
このような、静電型アクチュエータを用いた液滴吐出ヘッドにおいては、振動板と電極との間の空隙(ギャップ)の寸法(ギャップ長)精度がその特性に大きく影響を及ぼし、特に、インクジェットヘッドの場合、各アクチュエータの特性のバラツキが大きければ、印字精度、画質の再現性が著しく低下することとなる。また、低電圧化を図るためには、空隙間隔を0.1〜0.5μm程度にしなければならず、より高い寸法精度が求められる。
ところで、従来のインクジェットヘッドとしては、特許文献1に記載されているように、加圧液室と振動板を形成した基板(キャビティプレート)と、空隙(振動室)となる凹部及びセグメント電極を形成した基板(ガラス基板)とを接合して形成している。
特開平11−263012号公報
しかしながら、このように2枚の基板を接合して振動板と電極との間の空隙を形成するヘッドにあっては、凹部形成、電極形成、接合等、多くの工程における加工時の寸法バラツキによって空隙の高さ(ギャップ長)の寸法バラツキが大きくなり、その結果、高精度で高い信頼性を有するアクチュエータを得ることが困難である。
そこで、特許文献2に記載されているように、第1の基板に犠牲層エッチングにより、個別電極と、犠牲層エッチングにより形成された空隙部を介して個別電極に対峙する振動板を形成し、第2の基板に圧力室用の溝部を形成して、第1の基板上に第2の基板を接合してインクジェットヘッドを構成することにより、空隙の高さ寸法のバラツキを抑制することが知られている。
特開2001−18383号公報
ところで、静電型アクチュエータにおいては、空隙内圧と大気圧の差圧の解消、あるいはアクチュエータの信頼性向上を目的として、空隙内へのガス導入のために各空隙を連通する連通路を設けることが行われている。
例えば、上記特許文献1に開示されているように、振動板と電極との間の振動室(空隙)内部に疎水膜を形成するために、アクチュエータ外部と連通した連通路を各振動室に連通させて、この連通路を介して疎水膜となるガスを振動室に導入した後連通路を封止材にて封止したものが知られている。
この場合、疎水膜を形成するガスを効率的に振動室に導入するためには連通路の断面積を大きくすることが必要であることから、例えば特許文献3に開示されているように凹部及び電極を形成した電極基板を掘り込むことによって断面積の大きな連通路の形成することが知られている。
特開2003−72070号公報
上述した特許文献2に記載されている犠牲層エッチングで空隙を形成した静電型アクチュエータにおいては、振動板と電極との間の空隙を犠牲層の高さで決定することができて寸法精度の高い空隙を得ることができるが、他方、特許文献1、2に記載されているような連通路を形成しようとすると、連通路の高さは空隙を形成するための犠牲層の高さによる制約を受けることになるため、断面積の大きな連通路を形成することが困難であるという課題がある。
このように、従来の静電型アクチュエータ及びこれを用いた液滴吐出ヘッドにあっては、空隙の寸法バラツキを抑え、かつ、断面積の大きな連通路を形成することができず、信頼性が十分でないという課題があった。
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、高い信頼性が得られる静電型アクチュエータ、この静電型アクチュエータを備えた液滴吐出ヘッド、この液滴吐出ヘッドを一体化した液体カートリッジ、この液滴吐出ヘッド又は液体カートリッジを搭載した画像形成装置、及びこの静電型アクチュエータを用いたマイクロポンプ、光学デバイスを提供することを目的とする。
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、
変形可能な振動板と、この振動板に犠牲層エッチングにより形成された空隙を介して対向する電極とを備え、前記振動板を静電力で変形させる静電型アクチュエータにおいて、
複数の前記空隙が共通連通路で相互に連通され、
前記共通連通路は、前記空隙を形成する犠牲層が除去されて形成されている第1部分と、前記第1部分に通じ、前記電極を形成する電極形成層が除去されて形成されている第2部分とを有し、
前記共通連通路の前記第1部分の短辺側断面の長さよりも前記第2部分の短辺側断面の長さが長い
構成とした。
ここで、前記共通連通路は外部又はバッファ室に連通している構成とできる。また、前記共通連通路は分岐している構成とできる。
本発明に係る静電型アクチュエータの製造方法は、本発明に係る静電型アクチュエータを製造する方法であって、共通連通路は空隙を犠牲層エッチングで形成するときに同時に形成する構成としたものである。
本発明に係る液滴吐出ヘッドは、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。
本発明に係る液体カートリッジは、本発明に係る液滴吐出ヘッドとこの液滴吐出ヘッドに液体を供給する液体タンクを一体化したものである。
本発明に係る画像形成装置は、液滴を吐出する本発明に係る液滴吐出ヘッド、又は本発明に係る液体カートリッジを搭載したものである。
本発明に係るマイクロポンプは、液体を輸送する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。
本発明に係る光学デバイスは、光の反射方向を変化させる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。
本発明に係る静電型アクチュエータによれば、複数の空隙が共通連通路で相互に連通され、共通連通路は、空隙を形成する犠牲層が除去されて形成されている第1部分と、第1部分に通じ、電極を形成する電極形成層が除去されて形成されている第2部分とを有し、共通連通路の第1部分の短辺側断面の長さよりも第2部分の短辺側断面の長さが長い構成としたので、断面積の大きな連通路を得ることができ、信頼性が向上する。
本発明に係る静電型アクチュエータの製造方法によれば、空隙と共通連通路を犠牲層エッチングで同時に形成するようにしたので、製造工程を短縮し、かつ、製造不良の低減と低コスト化を図ることができる。
本発明に係る液滴吐出ヘッドによれば、本発明に係る静電型アクチュエータを備えているので、滴吐出特性のバラツキが低減し、信頼性の向上を図ることができる。
本発明に係る液体カートリッジによれば、本発明に係る液滴吐出ヘッドとこの液滴吐出ヘッドに液体を供給する液体タンクを一体化したので、滴吐出特性のバラツキが少なく、信頼性の高い液滴吐出ヘッドを一体化した液体カートリッジ(液体タンク一体型ヘッド)を低コストで得ることができる。
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又は液体カートリッジを備えているので、高画質画像を形成することができる。
本発明に係るマイクロポンプによれば、本発明に係る静電型アクチュエータを備えているので、小型で低消費電力のマイクロポンプが得られる。
本発明に係る光学デバイスによれば、本発明に係る静電型アクチュエータを備えているので、小型で低消費電力の光学デバイスが得られる。
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。図1は本発明の第1実施形態に係る静電型アクチュエータを含む本発明に係る液滴吐出ヘッドとしてのインクジェットヘッドの斜視説明図、図2は同ヘッドの分解斜視説明図、図3は図1の面S1に沿う液室長辺方向の断面説明図、図4は図1の面S2に沿う液室長辺方向の断面説明図である。
このインクジェットヘッドは、基板の面部に設けたノズル孔から液滴を吐出させるサイドシュータタイプのものであり、第1の基板であるアクチュエータ基板1と第2の基板である流路基板2と第3の基板であるノズル基板3を順次積層して構成し、これら3枚の基板1、2、3を接合することで、液滴を吐出するノズル4がノズル連通路5を介して連通する液室(吐出室)6、液室6に液体(インク)を供給するための流体抵抗部7及び共通液室8を形成している。各液室6は液室間隔壁9で仕切られている。
アクチュエータ基板1は、液室6の一部の壁面を形成する振動板領域(変形可能領域)12Aを形成する振動板12と、この振動板12の振動板領域12Aに犠牲層エッチングによって形成した空隙(ギャップ)13を介して対向する個別電極14を備え、これらの振動板12と個別電極14によって各液室6に対応する本発明に係る静電型アクチュエータを構成している。
また、アクチュエータ基板1にはノズル4の並び方向に、各空隙13を相互に連通させるとともにアクチュエータ基板1自体の外部又に連通させるための共通連通路(連通管)15を形成し、この共通連通路15に個別連通路15Aを介して空隙13を連通させ、また、共通連通路15の他端部にはアクチュエータ基板1の外部に開口するガス導入孔16を形成している。
このアクチュエータ基板1の詳細は後述するが、シリコン基板21上に絶縁膜22を介して個別電極14となるエッチング可能な電極形成層24を形成し、この電極形成層24上に絶縁膜25を形成し、この絶縁膜25には共通連通路15を形成するための開口26を形成し、更に、絶縁膜26上に空隙13を形成するための犠牲層27を形成し、この犠牲層27上に絶縁膜28を形成して、この絶縁膜28に犠牲層除去孔29を形成し、この犠牲層除去孔29から犠牲層27を除去して空隙13及び個別連通路15Aを形成するとともに、絶縁膜25の開口26を通じて電極形成層24も除去することによって共通連通路15を形成した後、絶縁膜28上に振動板部材30を積層形成している。
なお、個別電極14の表面に形成した絶縁膜22は、振動板12との電気的短絡を防止するとともに、空隙13を形成するための犠牲層エッチング時に個別電極14を保護するためのものであり、また、振動板12側の絶縁膜28も個別電極14との電気的短絡を防止するとともに、空隙13を形成するための犠牲層エッチング時に絶縁膜28上に形成される振動板部材30の一部の層を保護するためのものである。
これにより、共通連通路15の高さは空隙13を形成するための犠牲層27の高さ及びその下層部である電極形成層24と絶縁膜25の高さを加えたものになり、犠牲層27の高さ(空隙13の高さ)よりも高くなる。この場合、下層部である電極形成層24と絶縁膜25の厚みを犠牲層27の高さより厚くすることにより、共通連通路15の高さは空隙13の高さの2倍より高く形成される。
さらに、アクチュエータ基板1には流路基板2の共通液室8に外部からインクを供給するための供給口18を形成している。
アクチュエータ基板1の上に接合する流路基板2は、例えば、結晶面方位(110)のシリコン基板に、液室(吐出室)6と、各々の液室6に流体抵抗部7を介して連通する共通液室10を設けている(実際に溝部又は凹部である。)。
流路基板2の上に接合するノズル基板3は、例えば、厚さ50μmのニッケルを用い、ノズル4はドライ又はウェットエッチングやレーザー加工など周知の方法で形成することができる。
このように構成した液滴吐出ヘッドにおいては、各液室6内に記録液(インク)が満たされた状態で、図示しない制御部からの画像データに基づいて、記録液の吐出を行いたいノズル4に対応する個別電極14に対して、発振回路により40Vのパルス電圧を印加する。この電圧を印加することにより個別電極14の表面にプラス電荷が帯電し、個別電極14と、振動板電極を含む振動板12との間に静電力による吸引作用が働いて、振動板12が下方へ撓む。これにより、液室6の容積が広げられることから、その容積分の記録液が共通液室10より流体抵抗部7を介して液室6へ流入する。
その後、個別電極14へのパルス電圧を0Vにする(印加を止める)ことにより、静電力により下方へ撓んだ振動板12は自身の剛性により元の位置に戻る。これにより、液室6内の圧力が急激に上昇して、液室6に連通するノズル孔4より記録液の液滴が吐出される。そして、この動作を繰り返してノズル4から記録液を連続的に吐出することにより、液滴吐出ヘッドに対向して配置した被記録媒体(用紙)に画像を形成する。
ここで、静電型アクチュエータにおいて、個別電極14と振動板12との間に作用する静電力は、次に示す(1)式で与えられる。ここで、F:電極間に働く静電力、ε:誘電率、S:電極の対抗する面の面積、d:電極間距離、V:印加電圧である。
Figure 0004557667
つまり、静電力Fは、電極間距離dの2乗に反比例し、印加電圧Vの2乗に正比例していることが分かる。すなわち、静電型アクチュエータ、又はそれを搭載した液滴吐出ヘッドの駆動電圧の低電圧化を図るためには、個別電極14と振動板12との間隔(空隙の高さ:ギャップ長)を小さく形成することが重要となる。
そこで、上述したように、空隙13を犠牲層エッチングで形成することにより、微小な空隙間隔を精度良くバラツキなく安定して形成することができるので、各アクチュエータ間での動作特性のバラツキが少ない静電型アクチュエータを得ることができ、また、この静電型アクチュエータを液滴吐出ヘッドに適用することで、ノズル間での液滴吐出特性にバラツキが少なくなって、高品質画像を形成することができるようになる。
ここで、このように犠牲層エッチングで空隙13を形成する場合、各空隙13を連通させる共通連通路を犠牲層エッチングで形成しようとした場合、空隙13の高さに制限されることになる。
そこで、本実施形態の液滴吐出ヘッドの静電型アクチュエータでは、犠牲層エッチングで除去する層の下側の下層部を構成している個別電極14を形成する電極形成層24も犠牲層エッチングで除去できる材料(犠牲層と同じ材料)で形成し、この個別電極14の表面を保護する絶縁膜25に開口26を形成することで、電極形成層24及び空隙13を形成するための犠牲層を一体化し、犠牲層エッチングで同時に除去して共通連通路15を形成しているので、全体として、共通連通路15の高さが空隙13の高さよりも高く形成され、これによって、断面積の大きな連通路を得ることができ、信頼性の高いアクチュエータ及び液滴吐出ヘッドが得られる。
また、空隙を形成する犠牲層の下層部を、犠牲層と同じ材料からなる下層膜と、この下層膜と犠牲層との間に介在する中間膜で構成し、中間膜に開口を設けて共通連通路の壁面を形成するようにすることで、犠牲層と下層膜とを同時にエッチングで除去することができ、空隙よりも高さの高い共通連通路を容易に形成することができる。しかも、下層部の部分で共通連通路に一部を形成することによって、容易に共通連通路の高さを空隙の高さよりも高くすることができ、下層部の膜厚(層厚)を選択することによって、簡単に、空隙の高さの2倍を越える高さの共通連通路を形成することができる。また、このような空隙の高さの2倍を越える高さの共通連通路を形成することで、共通連通路の流体抵抗を大幅に低減することができる。
次に、アクチュエータ基板1の詳細について図5ないし8をも参照して説明する。なお、図5は同基板を透過状態で示す平面説明図、図6は図5のA−A線に沿う断面説明図、図7は図5のB−B線に沿う断面説明図、図8は連通路周辺の拡大説明図である。
このアクチュエータ基板1の振動板12は、前述したように絶縁膜28及び振動板部材30で構成され、この振動板部材30は、絶縁膜28上に振動板電極(上部電極)32、撓み防止膜(窒化膜)33、膜剛性調整膜34及び樹脂膜35を順次積層形成して構成している。
この振動板12は、図5に示すように、各液室6間の隔壁部9に対応して形成される隔壁部31で分離される変形可能な各振動板領域12Aを有している。ここで、1つの振動板領域12Aの短辺長a及び長辺長bは、例えば、短辺長aが60μm、長辺長bが1000μmとしている。
一方、前述したように、シリコン基板21表面に形成した絶縁膜22上には、各振動板領域12Aに対向して個別的に分離された個別電極14が形成され、この個別電極14の表面には絶縁膜25が形成されている。
これらの振動板領域12Aと個別電極14との間の空隙13は、犠牲層エッチングで形成する。犠牲層エッチングは、絶縁膜25上に空隙13の高さの厚みを有する犠牲層27を形成した後、絶縁膜28、振動板電極32、撓み防止膜(窒化膜)33を順次積層形成して、これらを貫通する犠牲層除去孔29を形成し、この犠牲層除去孔29を介して空隙13部分の犠牲層27を除去して行なう。
この犠牲層除去孔29は、図5にも示すように、振動板領域12Aの長辺方向で、等間隔に振動板領域12Aの短辺長a以下の間隔で、かつ、対向する辺の同位置に形成している。犠牲層エッチングは、等方性のため、振動板領域12Aの中央に犠牲層除去孔29が並んでいる方が犠牲層の除去効率は高いが、振動板領域12Aに犠牲層除去孔29があると、アクチュエータの振動特性に影響を及ぼす可能性があるため、犠牲層除去孔29は振動板領域12Aの外側に配置することが好ましい。また、犠牲層除去孔29を複数配置することにより、効率的に犠牲層27を除去することができて空隙13を効率良く形成することができる。
また、犠牲層エッチング後は、犠牲層除去孔29は膜剛性調整膜34で完全封止する。その後、図示しないが、外部電極への取出しのため配線層と、共通液室8に記録液を供給する供給口18を形成し、このアクチュエータ基板1の全面に蒸着重合法などで接液膜としての樹脂膜35が形成される。
さらに、アクチュエータの信頼性を確保するため、ここで形成した共通連通路15及びガス導入孔16を介して、外部より空隙13内に疎水膜形成材料である、例えば、ヘキサメチルジシラザン(HMDS)を導入する。
これにより、図8に示すように、共通連通路15の高さH1は、(電極形成層24の厚さ+絶縁膜25の厚さ+犠牲層27の厚さ)となり、犠牲層27の厚さH2と同じである空隙13の高さH2よりも高くなる(H1>H2)。これに対して、図9に示すように、共通連通路15´を空隙13を形成するための犠牲層27だけのエッチングで形成した場合には、共通連通路15の高さH1´は空隙の高さH2と同じになる(H1´=H2)。
つまり、空隙を形成するための犠牲層だけで共通連通路15´を形成した場合に比べて、共通連通路15の高さが高くなるので、断面積が大きくなり、大きなコンダクタンスを確保することができる。
これによって、例えば、共通連通路を介して外部から空隙内への疎水膜形成材料を導入する場合、疎水膜形成材料のガスの導入が容易になる。また、共通連通路を外部に開口させた状態で、犠牲層除去孔を封止することにより、大気圧と空隙内部圧力の差圧による振動板の撓みを解消することもできる。さらに、共通連通路を十分な容積を有するバッファ室内に連通させることにより、環境温度、大気圧の変動による外部と空隙内部との差圧解消を応答性良く行なうことができる。
次に、本発明に係る製造方法を適用したアクチュエータ基板1の製造工程について図10ないし図15をも参照して説明する。なお、図10ないし図12は図5のA−A線に沿う断面に相当する断面説明図、図13ないし図15は図5のB−B線に沿う断面に相当する断面説明図である。
まず、図10(a)及び図13(a)に示すように、例えば厚さ400μmのシリコン(Si)基板21の表面(ここでは両面)に厚さ1.6μmの絶縁膜(熱酸化膜)22を形成し、この絶縁膜22上に個別電極14を形成する電極形成層24としてPドープポリシリコンを厚さ0.6μmに成膜する。
そして、各図(b)に示すように、ポリシリコン(電極形成層)24を、リソエッチ法によって分離溝40を形成して、個別電極14と、隔壁を構成する部分41と、共通連通路15となる部分42とに分離及びパターニングするとともに、後にシリコン基板21を貫通し供給口18を形成する部分43に対応する部分を除去する。
そして、各図(c)に示すように、CVD酸化膜を厚さ0.2μmで堆積させて、ポリシリコン24aで形成された個別電極14、隔壁を構成する部分41と、連通路となる部分42上に絶縁膜25を形成する。このとき、絶縁膜25は個別電極14、隔壁を構成する部分41及び、共通連通路となる部分42をそれぞれ分離している分離溝40内にも形成される。その後、共通連通路となる部分42上の絶縁膜25をリソエッチ法によって除去して開口26を形成して、共通連通路となる部分42を露出させる。
次に、図11(a)及び図14(a)に示すように、絶縁層(膜)25上に犠牲層27としてノンドープポリシリコンを空隙間隔である0.2μm厚さにCVD法により成膜する。そして、ポリシリコンをリソエッチ法により空隙13となる部分45と、隔壁を構成する部分46と、個別連通路15Aとなる部分47、共通連通路15となる部分48とに分離及びパターニングするとともに、供給口18となる部分43に対応する部分を除去する。
このとき、ポリシリコンからなる犠牲層27で形成される共通連通路15を形成する部分48と下層部を構成するポリシリコンからなる電極形成層24で形成される共通連通路15を形成する部分42は、中間膜である絶縁膜25に開口26を形成しているので、下層膜である電極形成層24を形成するポリシリコン上に犠牲層27を形成するポリシリコンが直接成膜されて、つまり、犠牲層と電極形成層とは接した状態になり、一体化する。
このように、犠牲層を形成する材料をポリシリコンとすることにより、犠牲層の除去工程として一般的に知られた汎用技術を用いることができ、他材料との選択性があり、プロセスの自由度が高く、低コストで、量産性に優れ、安定したアクチュエータを得ることができる。
その後、犠牲層27で形成して、空隙となる部分45、隔壁を構成する部分46、個別連通路15A及び共通連通路15となる部分47,48上に、のCVD酸化膜を堆積させて絶縁膜28を厚さ0.1μmで形成する。
次に、各図(b)に示すように、絶縁膜28上に振動板電極層32となるPドープポリシリコン層を厚さ0.1μmで形成し、このポリシリコン層を、リソエッチ法により、振動板電極層32と、隔壁を構成する部分49とに分離するとともに、供給口18となる部分43は除去して開口を形成する。
このとき、同時に、犠牲層27と同じ材料からなる振動板電極層32が犠牲層エッチング時にエッチングされないようにするため、後に形成する犠牲層除去孔29よりも大きな開口径を有する開口50を形成する。そして、振動板電極層32上に振動板12の撓み防止層33として、LP−CVD法により0.15μmの厚さの窒化膜33aを堆積させる。この窒化膜からなる撓み防止層33は、開口50内にも形成されることで振動板電極層32の開口50の端面側を被覆する。
その後、各図(c)に示すように、リソエッチ法により撓み防止層33である窒化膜33a及び絶縁膜28を通じて開口径2μmの犠牲層除去孔29を形成し、また、供給口18となる部分の窒化膜33a、絶縁膜28及び絶縁膜25を除去して供給口18の加工孔51を形成する。
そして、例えば、SFプラズマ処理やXeFガスによるドライエッチなどの犠牲層エッチングを行なって空隙13となる部分45の犠牲層27、個別連通路15Aとなる分部47の犠牲層27、共通連通路15となる部分48の犠牲層27、並びに共通連通路15となる部分42の電極形成層24を完全に除去することにより、空隙13と個別連通路15A及び共通連通路15を形成する。なお、ここでは、犠牲層エッチングをドライエッチで行なっているが、TMAH溶液、KOH溶液のウェットエッチを用いても構わない。
このように、犠牲層27の下層部を、個別電極14を形成するエッチング除去可能な電極形成層24及び個別電極14を保護するための中間層である絶縁膜25で形成し、共通連通路に対応する部分では絶縁膜25を除去して開口26を形成することで下層の電極形成層24を露出させて、空隙13を形成するための犠牲層27に連続させた状態にした後、犠牲層エッチングを行なって、空隙13を形成するための犠牲層27と犠牲層27の下側に位置する下層膜である共通連通路15に対応する部分の電極形成層24を同時に除去することにより、形成された共通連通路15の高さは下層部(絶縁膜25と電極形成層24の厚さの合計)の高さ分だけ、空隙13の高さよりも高くなることとなり、犠牲層24だけで共通連通路15を形成した場合よりも、断面積の大きな共通連通路15を形成できて、共通連通路15のコンダクタンスを十分確保することができる。
このように、下層部は犠牲層と同じ材料からなる下層膜と、この下層膜と犠牲層との間に介在する中間膜で構成され、中間膜には連通路を形成する開口が形成されることにより、空隙を形成する犠牲層エッチングの一工程で、空隙と連通路を同時に形成することができるため、寸法ばらつきの少ない、信頼性の高いアクチュエータを得ることができ、また製造工程を短縮することができる。
また、空隙と高さの異なる十分なコンダクタンスが得られる連通路を、空隙と同じ工程で形成できるため、量産化と低コスト化を図ることができる。
次に、図12(a)及び図15(a)に示すように、犠牲層除去孔29の封止、及び振動板12の剛性調整を目的として、常圧CVD法により剛性調整膜34を形成する。このときの膜厚は、犠牲層除去孔29を封止可能な膜厚、例えば、厚さ0.6μmとする。なお、この工程を実施することにより空隙13は封止され、外気と完全に遮断される。
その後、各図(b)に示すように、リソエッチ法により供給口18となる部分の剛性調整膜34と絶縁膜22、28を除去した後、異方性エッチ、例えば、ICPエッチャーにより、シリコン基板21を表面から背面まで貫通するようにエッチングして、供給口18を形成する。ここで、異方性エッチで供給口18を形成することにより、加工形状制御性、微細加工性及び加工精度、並びに高密度化の面等において高い効果を得ることができる。
次に、各図(c)に示すように、このアクチュエータ基板1の表面全体に、被覆性の優れた蒸着重合法により接液膜としての樹脂膜35を厚さ1μmで成膜する。その後、図示しない電極配線取り出しパッド部のみリソエッチ法により開口する。ここで、樹脂膜35として用いる材料としては、例えば、PBO膜(ポリベンゾオキサゾール)、ポリイミド膜、ポリパラキシリレンなどが挙げられるが、液滴に対する耐腐食性があり、蒸着重合法で形成できる材料であれば他のものでも良い。
その後、図示しないが、前述のガス導入孔16より、共通連通路15及び個別連通路15Aを介して空隙13へ疎水性膜を形成する材料として、例えば、HMDSを導入した後、ガス導入孔16を、例えば、エポキシ系接着剤等を用いて封止する。この場合、封止剤は、空隙13へは侵入せず、共通連通路15内部で止まるようにする。
このように、共通連通路15を封止剤で封止することにより、空隙13内へ導入したガスが外部へ拡散することを防止し、かつ、外界からの異物や水分等の混入を防止することができ、信頼性の高いアクチュエータを得ることができる。
以上の工程により、本発明に係る静電型アクチュエータを形成したアクチュエータ基板1が完成する。
そして、このアクチュエータ基板1と、前述の流路基板2と、ノズル基板3を順次積層することにより、本発明に係る静電型アクチュエータを含む本発明に係る液滴吐出ヘッドを製造することができる。
次に、本発明に係る静電型アクチュエータの第2の実施形態について図16ないし図18をも参照して説明する。なお、図16は同静電型アクチュエータのアクチュエータ基板の平面説明図、図17は図16のC−C線に沿う断面説明図、図18は図16のD−D線に沿う断面説明図である。
この実施形態の共通連通路15は、電極形成層24の犠牲層エッチングで形成される下側部分15aと、絶縁膜25及び犠牲層27の犠牲層エッチングで形成される上側部分15bとで、ノズルの並び方向に直交する方向の幅(液室長辺方向に沿う方向の幅、これを「長さ」という。)を異ならせたものである。つまり、図16及び図18に示すように、共通連通路15の短辺断面における上辺長cと下辺長dの関係が、上辺長c<下辺長dとなるように、電極形成層24の犠牲層エッチングで形成する下側部分15aの長さを長くしている。
このように、共通連通路15の短辺断面における上辺長cと下辺長dの関係が上辺長c<下辺長dとなるように形成することで、共通連通路15の断面積を前記第1実施形態の場合よりも更に大きくすることができ、より十分なコンダクタンスを確保することができる。
なお、共通連通路15の短辺断面における上辺長cの長さも長くすることにより、共通連通路15の断面積をさらに大きくすることができるが、ここで、上辺長cをあまり大きくすると、振動板12の強度を十分に確保することができなくなり、アクチュエータ基板1上に構造体、例えば、流路基板2を接合する場合に共通連通路15上の振動板12が割れるおそれがある。
そこで、ここでは、共通連通路15の上辺長cは長くせずに、下辺長dを長くすることによって、共通連通路15上の振動板12の強度を維持しつつ、共通連通路15の断面積を大きくして、十分なコンダクタンスを確保できるようにしている。
なお、この第2実施形態のその他の構成は前記第1の実施形態と同様である。また、そ製造工程は、前述の図10(b)及び図13(b)の工程で、電極形成層24であるポリシリコンをパターニングするときに、共通連通路15となる部分42の長さ(幅)を上記下辺長dに相当する長さ(幅)に形成する点が異なるだけで、その他の工程は同様である。
次に、上記各実施形態におけるガス導入孔と共通連通路の配置の異なる例について図19ないし図22を参照して説明する。
図19は各空隙13の一端部側を個別連通路15Aを介して1つの共通連通路15に連通させ、共通連通路15の一端部にガス導入孔16を形成した例である。図20は各空隙13の一端部側を個別連通路15Aを介して1つの共通連通路15に連通させ、共通連通路15の両側端部にガス導入孔16、16を形成した例である。
図21は各空隙13の両端部をそれぞれ個別連通路15A、15Aを介して共通連通路15、15に連通させ、各共通連通路15、15の両端部にガス導入孔16、16を形成した例である。図22は各空隙13の両端部をそれぞれ個別連通路15A、15Aを介して共通連通路15、15に連通させ、各共通連通路15、15の一端部にガス導入孔16を形成した例である。
なお、これらの例では、相対的に、ガス導入孔の数、共通連通路の数が多いほど、空隙内への効率的なガス導入が可能になる。
次に、上記各実施形態におけるガス導入孔と共通連通路の配置の更に他の例について図図23を参照して説明する。
この例では、各空隙13をそれぞれ所要数毎にグループ化して空隙群13G1〜13Gnとし、各空隙群13G1〜13Gn毎にサブ共通連通路15S1〜15Snを形成し、更にサブ共通連通路15S1〜15Snを1つのメイン共通連通路15M2に連通し、このメイン共通連通路15M2をメイン共通連通路15M1を介してガス導入孔16に接続している。
つまり、ガス導入孔に共通連通路を枝分かれさせながら、所要数毎にグループ化した空隙群の空隙に連通させるようにしている。これによって、各空隙13へのガス導入をより均一に行なうことができる。
次に、本発明に係る静電型アクチュエータの他の例について図24を参照して説明する。なお、同図は同アクチュエータの要部平面説明図である。
この例では、共通連通路15とは別に、各空隙13の間の隔壁部31の一部を除去して連通路71を形成することにより、各空隙13を隣接する空隙13と連通させている。ここでは、各空隙13間の犠牲層除去孔29が存在する隔壁部31の一部を除去している。
これにより、各空隙13へのガス導入、あるいは排気効率を向上させることができる。ただし、この場合、各アクチュエータ間のクロストークが生じない範囲で連通させることが重要である。
次に、本発明に係る液体カートリッジについて図25を参照して説明する。
この液体カートリッジ一体型ヘッド100は、ノズル孔101等を有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102と、このインクジェットヘッド102に対して記録液(インク)を供給するインクタンク(液体タンク)103とを一体化したものである。
このように本発明に係る液滴吐出ヘッドに記録液(インク)を供給するインクタンク(液体タンク)を一体化することにより、滴吐出特性のバラツキが少なく、信頼性の高い液滴吐出ヘッドを一体化した液体カートリッジ(インクタンク一体型ヘッド)を低コストで得ることができる。
次に、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を搭載した本発明に係る画像形成装置の一例について図26及び図27を参照して説明する。なお、図26は同画像形成装置の斜視説明図、図27は同画像形成装置の機構部の側面説明図である。
この画像形成装置は、記録装置本体111の内部に主走査方向に移動可能なキャリッジ、キャリッジに搭載した本発明に係る液滴吐出ヘッドからなる記録ヘッド、記録ヘッドへ記録液を供給する液体カートリッジ等で構成される印字機構部112等を収納し、装置本体111の下方部には前方側から多数枚の用紙113を積載可能な給紙カセット(或いは給紙トレイでもよい。)114を抜き差し自在に装着することができ、また、用紙113を手差しで給紙するための手差しトレイ115を開倒することができ、給紙カセット114或いは手差しトレイ115から給送される用紙113を取り込み、印字機構部112によって所要の画像を記録した後、後面側に装着された排紙トレイ116に排紙する。
印字機構部112は、図示しない左右の側板に横架したガイド部材である主ガイドロッド121と従ガイドロッド122とでキャリッジ123を主走査方向に摺動自在に保持し、このキャリッジ123にはイエロー(Y)、シアン(C)、マゼンタ(M)、ブラック(Bk)の各色の記録液の液滴(インク滴)を吐出する本発明に係る液滴吐出ヘッドからなる記録ヘッド124を複数の液滴吐出口を主走査方向と交叉する方向に配列し、液滴吐出方向を下方に向けて装着している。またキャリッジ123にはヘッド124に各色の記録液を供給するための各液体カートリッジ125を交換可能に装着している。なお、本発明に係る液体カートリッジを搭載する構成とすることもできる。
液体カートリッジ125は上方に大気と連通する大気口、下方には液滴吐出ヘッドへ記録液を供給する供給口を、内部には記録液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液滴吐出ヘッドへ供給される記録液をわずかな負圧に維持している。
また、記録ヘッドとしてここでは各色のヘッド124を用いているが、各色の記録液滴を吐出するノズルを有する1個のヘッドでもよい。
ここで、キャリッジ123は後方側(用紙搬送方向下流側)を主ガイドロッド121に摺動自在に嵌装し、前方側(用紙搬送方向上流側)を従ガイドロッド122に摺動自在に載置している。そして、このキャリッジ123を主走査方向に移動走査するため、主走査モータ127で回転駆動される駆動プーリ128と従動プーリ129との間にタイミングベルト130を張装し、このタイミングベルト130をキャリッジ123に固定しており、主走査モータ127の正逆回転によりキャリッジ123が往復駆動される。
一方、給紙カセット114にセットした用紙113をヘッド124の下方側に搬送するために、給紙カセット114から用紙113を分離給装する給紙ローラ131及びフリクションパッド132と、用紙113を案内するガイド部材133と、給紙された用紙113を反転させて搬送する搬送ローラ134と、この搬送ローラ134の周面に押し付けられる搬送コロ135及び搬送ローラ134からの用紙113の送り出し角度を規定する先端コロ136とを設けている。搬送ローラ134は副走査モータ137によってギヤ列を介して回転駆動される。
そして、キャリッジ123の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラ134から送り出された用紙113を記録ヘッド124の下方側で案内する用紙ガイド部材である印写受け部材139を設けている。この印写受け部材139の用紙搬送方向下流側には、用紙113を排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送コロ141、拍車142を設け、さらに用紙113を排紙トレイ116に送り出す排紙ローラ143及び拍車144と、排紙経路を形成するガイド部材145,146とを配設している。
記録時には、キャリッジ123を移動させながら画像信号に応じて記録ヘッド124を駆動することにより、停止している用紙113に記録液を吐出して1行分を記録し、用紙113を所定量搬送後次の行の記録を行う。記録終了信号または、用紙113の後端が記録領域に到達した信号を受けることにより、記録動作を終了させ用紙113を排紙する。
また、キャリッジ123の移動方向右端側の記録領域を外れた位置には、ヘッド124の吐出不良を回復するための回復装置147を配置している。回復装置147はキャップ手段と吸引手段とクリーニング手段を有している。キャリッジ123は印字待機中にはこの回復装置147側に移動されてキャッピング手段でヘッド124をキャッピングされ、吐出口部を湿潤状態に保つことにより記録液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記録液を吐出することにより、全ての吐出口の記録液粘度を一定にし、安定した吐出性能を維持する。
吐出不良が発生した場合等には、キャッピング手段でヘッド124の吐出口(ノズル)を密封し、チューブを通して吸引手段で吐出口から記録液とともに気泡等を吸い出し、吐出口面に付着した記録液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、吸引された記録液は、本体下部に設置された図示しない廃液受け部に排出され、廃液受け部の液体吸収体に吸収保持される。
このように、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又は液体カートリッジを備えているので、高画質記録を行うことができる。
次に、本発明に係る静電型アクチュエータを備えたマイクロデバイスとしてのマイクロポンプについて図28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、本発明に係る静電型アクチュエータで構成したアクチュエータ基板201と、流路基板202とを有し、流路基板202には流体が流れる流路203を形成している。アクチュエータ基板201は、流路203の壁面を形成する振動板212と、この振動板212の変形可能領域212Aに犠牲層エッチングで形成した空隙213を介して対向する個別電極214とを備えている。
このアクチュエータ基板1の構成も前記各実施形態と同様であり、シリコン基板221上に絶縁膜222を形成し、この絶縁膜222上に個別電極214を形成して絶縁膜225で被覆し、この絶縁膜225上に犠牲層227を形成し、更に振動板212のうちの一部の膜を形成した後犠牲層エッチングを行なって空隙213を形成したものである。図示しないが、各空隙213を連通する共通連通路を形成している。
このマイクロポンプの動作原理を説明すると、前述した液滴吐出ヘッドの場合と同様に、個別電極214に対して選択的にパルス電位を与えることによって振動板212との間で静電力による吸引作用が生じるので、振動板212の変形可能領域212Aが電極214側に変形する。ここで、振動板212の変形可能領域212Aを図中右側から順次駆動することによって流路203内の流体は、矢印方向へ流れが生じ、流体の輸送が可能となる。
このように、本発明に係る静電型アクチュエータを備えることで、安定した液体輸送が可能な小型で低消費電力のマイクロポンプを得られる。なお、輸送効率を上げるために、変形可能領域間に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。
次に、本発明に係る静電型アクチュエータを備えた光学デバイスの一例について図29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、表面が光を反射可能でかつ変形可能な振動板に相当するミラー300を含むアクチュエータ基板301を有している。ミラー300の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(これらは樹脂膜表面に形成する)と良い。
アクチュエータ基板301は、絶縁膜322を形成したベース基板321上に、変形可能なミラー300(ヘッドの振動板に相当する。)と、このミラー300の変形可能領域300Aに所定の空隙313を介して対向する電極314とを備えている。また、電極314上には絶縁膜325を形成し、空隙313は犠牲層327をエッチングして形成している。その他の構成についても、振動板がミラー面を有する構成となっている点が、前述の静電型アクチュエータの実施形態で説明したものと異なるだけであるので、詳細な図示及び説明は省略する。
この光学デバイスの原理を説明すると、前述した静電型アクチュエータの場合と同様に、電極314に対して選択的にパルス電位を与えることによって、電極314と対向するミラー300の変形可能領域300A間で静電力による吸引作用が生じるので、ミラー300の変形可能領域300Aが凹状に変形して凹面ミラーとなる。したがって、光源330からの光がレンズ331を介してミラー300に照射された場合、ミラー300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300を駆動した場合は駆動された変形可能領域300Aが凹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。
このように、本発明に係る静電型アクチュエータを備えることで、小型で低消費電力の光学デバイスを得ることができる。
そこで、この光学デバイスを応用した例を図30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300の変形可能領域300A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。
したがって、前述した図29と同様に、光源330からの光はレンズ331を介してミラー300に照射され、ミラー300を駆動していないところに入射した光は、投影用レンズ332へ入射する。一方、電極314に電圧を印加してミラー300の変形可能領域Aを変形させている部分は凹面ミラーとなるので光は発散し投影用レンズ732にほとんど入射しない。この投影用レンズ332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。
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、静電型アクチュエータ及びその製造方法は、マイクロポンプ、光学デバイス(光変調デバイス)のみならず、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。
本発明の第1実施形態に係る静電型アクチュエータを備えた本発明に係る液滴吐出ヘッドの斜視説明図である。 同ヘッドの分解斜視説明図である。 図1の面S1に沿う断面説明図である。 図1の面S2に沿う断面説明図である。 同静電型アクチュエータを構成するアクチュエータ基板の要部平面説明図である。 図5のA−A線に沿う断面説明図である。 図5のB−B線に沿う断面説明図である。 図7の要部拡大断面説明図である。 比較例の説明に供する図7と同様な要部拡大断面説明図である。 本発明に係る製造方法を適用した同アクチュエータ基板の製造工程の説明に供する図5のA−A線に沿う断面に相当する断面説明図である。 図10に続く工程の説明に供する説明図である。 図11に続く工程の説明に供する説明図である。 同じく同アクチュエータ基板の製造工程の説明に供する図5のB−B線に沿う断面に相当する断面説明図である。 図13に続く工程の説明に供する説明図である。 図14に続く工程の説明に供する説明図である。 本発明の第2実施形態に係る静電型アクチュエータを構成するアクチュエータ基板の説明に供する平面説明図である。 図16のC−C線に沿う断面説明図である。 図16のD−D線に沿う断面説明図である。 各実施形態における共通連通路とガス導入孔の配置の第1例の説明に供する模式的説明図である。 同じく第2例の説明に供する模式的説明図である。 同じく第3例の説明に供する模式的説明図である。 同じく第4例の説明に供する模式的説明図である。 各実施形態における共通連通路とガス導入孔の配置の他の例の説明に供する模式的説明図である。 本発明に係る静電型アクチュエータの他の例の説明に供する平面説明図である。 本発明に係る液体カートリッジの説明に供する斜視説明図である。 本発明に係る画像形成装置の一例を説明する斜視説明図である。 同画像形成装置の機構部の説明図である。 本発明に係るマイクロポンプの一例を説明する説明図である。 本発明に係る光学デバイスの一例を説明する説明図である。 同光学デバイスの応用例の説明に供する斜視説明図である。
符号の説明
1…アクチュエータ基板
2…流路基板
3…ノズル基板
4…ノズル孔
5…ノズル連通路
6…液室(吐出室)
7…流体抵抗部
9…液室間隔壁
10…共通液室
11…アクチュエータ素子
12…振動板
13…空隙
14…個別電極
15…共通連通路
15A…個別連通路
24…電極形成層(下層膜)
25…絶縁膜(中間膜)
26…開口
27…犠牲層
28…絶縁膜
29…犠牲層除去孔
32…振動板電極(上部電極)
33…膜撓み防止膜(窒化膜)
34…膜剛性調整膜
35…樹脂膜
100…液体カートリッジ
111…画像形成装置
124…記録ヘッド
201、301…アクチュエータ基板

Claims (9)

  1. 変形可能な振動板と、この振動板に犠牲層エッチングにより形成された空隙を介して対向する電極とを備え、前記振動板を静電力で変形させる静電型アクチュエータにおいて、
    複数の前記空隙が共通連通路で相互に連通され、
    前記共通連通路は、前記空隙を形成する犠牲層が除去されて形成されている第1部分と、前記第1部分に通じ、前記電極を形成する電極形成層が除去されて形成されている第2部分とを有し、
    前記共通連通路の前記第1部分の短辺側断面の長さよりも前記第2部分の短辺側断面の長さが長い
    ことを特徴とする静電型アクチュエータ。
  2. 請求項に記載の静電型アクチュエータにおいて、前記共通連通路は外部又はバッファ室に連通していることを特徴とする静電型アクチュエータ。
  3. 請求項1又は2に記載の静電型アクチュエータにおいて、前記共通連通路は分岐していることを特徴とする静電型アクチュエータ。
  4. 請求項1ないし3のいずれかに記載の静電型アクチュエータを製造する製造方法において、前記共通連通路は前記空隙を犠牲層エッチングで形成するときに同時に形成することを特徴とする静電型アクチュエータの製造方法。
  5. ノズルから液滴を吐出させるための静電型アクチュエータを備えた液滴吐出ヘッドにおいて、前記静電型アクチュエータが請求項1ないしのいずれかに記載の静電型アクチュエータであることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
  6. 液滴を吐出する液滴吐出ヘッドとこの液滴吐出ヘッドに記録液を供給するインクタンクを一体化した液体カートリッジにおいて、前記液滴吐出ヘッドが請求項に記載の液滴吐出ヘッドであることを特徴とする液体カートリッジ。
  7. 液滴を吐出する液滴吐出ヘッドを搭載した画像形成装置において、前記液滴吐出ヘッドが請求項に記載の液滴吐出ヘッド又は請求項に記載の液体カートリッジ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。
  8. 静電型アクチュエータによって液体を輸送するマイクロポンプにおいて、前記静電型アクチュエータが請求項1ないしのいずれかに記載の静電型アクチュエータであることを特徴とするマイクロポンプ。
  9. 静電型アクチュエータによって光の反射方向を変化させる光学デバイスにおいて、前記静電型アクチュエータが請求項1ないしのいずれかに記載の静電型アクチュエータであることを特徴とする光学デバイス。
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