DE602004007605T2

DE602004007605T2 - Elektrostatischer Betätiger, Tröpfchenausstosskopf, und Tröpfchenausstossgerät

Info

Publication number: DE602004007605T2
Application number: DE602004007605T
Authority: DE
Inventors: Akira Suwa-shi Sano; Fujii Suwa-shi Masahiro
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2003-12-17
Filing date: 2004-11-30
Publication date: 2008-04-10
Anticipated expiration: 2024-12-01
Also published as: US7188932B2; EP1543973B1; US20050134653A1; JP2005184903A; DE602004007605D1; ATE367268T1; EP1543973A1

Description

[Gebiet der Erfindung]
Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrostatisches Stellglied, das als Antriebsmechanismus eines Tintenstrahlkopfes oder dergleichen verwendet wird; einen Tröpfchenausstoßkopf, der dieses elektrostatische Stellglied aufweist; sowie eine Tröpfchenausstoßeinrichtung, die diesen Tröpfchenausstoßkopf hat.
[Hintergrund]
Im Allgemeinen hat ein Tröpfchenausstoßkopf mit einem elektrostatischen Stellglied eine Druckerzeugungskammer zum Ausstoßen von Tröpfchen durch Aufbringen von Druck. Indem ein Teil der Druckerzeugungskammer (eine Membran) unter Verwendung einer elektrostatischen Kraft elastisch ausgelenkt wird, wird ein Druck zum Ausstoßen von Tröpfchen aus einer Öffnung einer Düse erzeugt.
In den letzten Jahren sind Tintenstrahlköpfe, ein konkretes und typisches Beispiel dieser Art von Tröpfchenausstoßkopf, verwendet worden, die eine steigende Anzahl von Düsen haben, um einen Hochgeschwindigkeits-Druckvorgang zu ermöglichen. Als Antwort auf Anforderungen an eine höhere Auflösung sind außerdem Antriebsmechanismen (Stellglieder) mit einer sehr kleinen Baugröße erforderlich geworden. Wie oben beschrieben, wird, da der Antriebsmechanismus kleiner und dichter wird, der Flächenbereich der Membran jeder Druckerzeugungskammer natürlich kleiner, und daher wird der in der Druckerzeugungskammer durch die Auslenkung der Membran erzeugte Druck ebenfalls kleiner, was die auf auszustoßende Tröpfchen aufgebrachte Energie weiter vermindert. In diesem Fall wird das Sicherstellen einer Stabilität beim Tröpfchenlanden schwierig, weil die Masse der ausgegebenen Tinte vermindert wird, begleitet von der Verminderung der Ausgabegeschwindigkeit. Daher ist gefordert worden, den in der Druckkammer entwickelten Druck durch Erhöhen des Betrags der Auslenkung der Membran zu steigern.
Als ein Tintenstrahlaufzeichnungskopf, der darauf abzielt, die Bewegungsgeschwindigkeit von Tintentröpfchen sicherzustellen und die Auslenkung der Membran zu steuern, gibt es außerdem eine Technik, bezüglich eines gegenüber dem Substrat mit der Membran platzierten Substrats eine zweistufige Höhlung zu machen, die dazu vorgesehen ist, eine Vibrationskammer für die Membran auszugestalten, und zwar indem in zwei Stufen geschabt wird, um eine flache und eine tiefere Höhlung auszubilden, worin eine Elektrode für jede Höhlung vorgesehen ist (siehe beispielsweise JP 10-286952 ).
Gemäß der obigen Technik kann aufgrund der Konfiguration mit der tiefen Höhlung und der flachen Höhlung verglichen mit einer Technik, die nur eine flache Höhlung verwendet, eine größere Auslenkung der Membran sichergestellt werden. Daher wird erwartet, dass eine solche Konfiguration zur Verbesserung eines entwickelten Drucks innerhalb der Druckkammer beiträgt.
JP 11-165412 offenbart einen Tintenstrahlkopf mit einer Vibrationsplatte und einer gegenüberliegenden Elektrode. Wenn eine Spannung über die Vibrationsplatte und die Elektrode hinweg angelegt wird, wird die leitende Platte angezogen und verformt sich, um ein Tintentröpfchen aus einer Düse auszustoßen, die in einem Raum oberhalb der Platte befindlich ist. Eine Ausnehmung ist in einer Längsrichtung der Platte ausgebildet, um eine starke Auslenkung der Vibrationsplatte zu ermöglichen. Es ist aber keine Isolierung vorgesehen, so dass die Einrichtung anfällig für Kurzschlüsse ist und die notwendige Antriebsspannung sich weiter erhöht.
JP 2000-052548 offenbart einen Tintenstrahlkopf mit einer Membran und einer Gegenelektrode gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
[Offenbarung der Erfindung]
[Zu lösendes Problem]
Wie die Technik in der Patentschrift 1 erfordert das Ausbilden mehrerer Höhlungen mit tieferen Tiefen auf einem gegenüber platzierten Substrat aber mehrere Schritte zur Ausrichtung von Fotoresistmustern bei der Herstellung der Höhlungen. Bei einer solchen Ausrichtung von Fotoresistmustern tritt ein geringer Fehlerbetrag in dem eigentlichen Vorgang auf. Daher erfordert eine Konfiguration mit mehreren Höhlungen eine Ausgestaltung des Bauteils hinsichtlich seiner Abmaße, wo der bei jeder Ausbildung einer Höhlung auftretende Fehler berücksichtigt wird, was zu einem Ergebnis führt, das dem Konzept von Antriebsmechanismen mit kleineren Größen und höheren Dichten entgegenläuft.
Die vorliegende Erfindung ist unter der Berücksichtigung eines solchen Problems entwickelt worden, und sie soll ein einfach herstellbares elektrostatisches Stellglied schaffen, das den Betrag der Auslenkung der Membran erhöhen kann und daher den Ausstoßdruck verbessern kann, wenn es als Antriebsmechanismus eines Tröpfchenausstoßkopfes verwendet wird. Außerdem zielt die vorliegende Erfindung darauf ab, einen Tröpfchenausstoßkopf und eine Tröpfchenausstoßeinrichtung mit einem solchen elektrostatischen Stellglied zu schaffen.
[Mittel zum Lösen des Problems]
Das elektrostatische Stellglied gemäß der vorliegenden Erfindung weist das erste Substrat mit einer Membran auf, die als die erste Elektrode funktioniert, und das zweite Substrat, das mit dem ersten Substrat gekoppelt ist und eine zweite Elektrode hat, die gegenüber der ersten Elektrode platziert ist, wobei die Membran mit einer elektrostatischen Kraft ausgelenkt wird, die durch Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden erzeugt wird. In dem ersten Substrat ist außerdem auf einer Kopplungsfläche mit dem zweiten Substrat ein isolierender Film vorgesehen, und ein Membranbereich des isolierenden Films, der der Membran entspricht, hat einen Bereich, der dünner ist als der verbleibende Bereich des Membranbereichs. Dieser dünnere Bereich wird im Folgenden als "Bereich mit dünner Filmdicke" bezeichnet. Mit einer solchen Ausgestaltung kann der Betrag der Auslenkung der Membran erhöht werden. Wenn ein Tröpfchenausstoßkopf mit dem obigen elektrostatischen Stellglied versehen wird, kann daher der entwickelte Druck innerhalb der Druckerzeugungskammer, die unter Verwendung der Auslenkung der Membran Druck erzeugt, erhöht werden, und so kann eine Konfiguration eines Tröpfchenausstoßkopfes mit stabilisierten Ausgabeeigenschaften erzielt werden. Da der Bereich mit der dünnen Filmdicke irgendwo innerhalb des Bereichs ausgebildet werden kann, der der Membran entspricht, ist außerdem ein geringer Fehlerbetrag, der bei dem Herstellvorgang verursacht wird, akzeptabel, was die Anforderungen an die Herstellungsgenauigkeit lockert und eine einfache Herstellung ermöglicht.
Im dem elektrostatischen Stellglied gemäß der vorliegenden Erfindung ist außerdem der Bereich mit der dünnen Filmdicke in Richtung der Breite ungefähr in der Mitte des Membranbereichs vorgesehen, der der Membran entspricht. Mit einer solchen Konfiguration ist der Bereich mit der dünnen Filmdicke sicherlich innerhalb des Bereichs gegenüber der zweiten Elektrode platziert, so dass verhindert wird, dass die Membran nicht funktioniert, um den Betrag der Auslenkung zu erhöhen, wenn ein Versatz in Richtung der Breite von dem Bereich vorhanden ist, der gegenüber der zweiten Elektrode platziert ist.
In dem elektrostatischen Stellglied gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Bereich mit der dünnen Filmdicke außerdem in Richtung der Länge ungefähr in der Mitte des Membranbereichs vorgesehen, der der Membran entspricht. Mit einer solchen Konfiguration kann die Membran gleichmäßig ausgelenkt werden. Wenn ein solches elektrostatisches Stellglied in einem Tröpfchenausstoßkopf verwendet wird, wird daher ein Tröpfchenausstoßkopf mit einer Konfiguration, die den entwickelten Druck innerhalb der gesamten Druckerzeugungskammer, die durch Auslenken der Membran Druck erzeugt, gleichmäßig erhöht, erzielt werden.
Außerdem ist der isolierende Film des elektrostatischen Stellglieds gemäß der vorliegenden Erfindung aus einem SiO₂-Film oder einem SiN-Film gebildet. Daher kann ein SiO₂-Film oder ein SiN-Film als isolierender Film verwendet werden. Da ein SiN-Film eine höhere dielektrische Ausfallspannung hat verglichen mit einem SiO₂-Film, wird bevorzugt, einen SiN-Film zu verwenden.
Der Tröpfchenausstoßkopf gemäß der vorliegenden Erfindung weist das erste Substrat mit einer Membran auf, die als die erste Elektrode funktioniert, und das zweite Substrat, das mit dem ersten Substrat gekoppelt ist und eine zweite Elektrode hat, die gegenüber der ersten Elektrode platziert ist, wobei die Membran unter Verwendung einer elektrostatischen Kraft ausgelenkt wird, die durch Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden erzeugt wird, was Tröpfchen, die aus einer Düse ausgestoßen werden, welche mit einer Druckerzeugungskammer in Verbindung steht, die einen Druck zum Ausstoßen von Tröpfchen erzeugt, macht. In dem ersten Substrat ist außerdem ein isolierender Film auf der Kopplungsfläche mit dem zweiten Substrat vorgesehen, und ein Membranbereich des isolierenden Films entsprechend der Membran hat einen Bereich mit einer dünnen Filmdicke, d.h. einen Bereich des isolierenden Films, der dünner ist als der verbleibende Bereich des Membranbereichs. Mit einer solchen Konfiguration kann der Betrag der Auslenkung der Membran erhöht werden, und der entwickelte Druck innerhalb der Druckerzeugungskammer kann erhöht werden. So wird eine Konfiguration eines Tröpfchenausstoßkopfes mit stabilisierten Ausstoßeigenschaften erzielt. Da der Bereich mit der dünnen Filmdicke irgendwo innerhalb des Bereichs entsprechend der Membran ausgebildet werden kann, ist außerdem ein geringer Fehlerbetrag, der bei der Herstellung verursacht wird, akzeptabel, was die Anforderungen an die Herstellungsgenauigkeit lockert und zu einer einfacheren Herstellung führt.
Außerdem ist in dem Tröpfchenausstoßkopf gemäß der vorliegenden Erfindung der Bereich mit der dünnen Filmdicke in Richtung der Breite ungefähr in der Mitte des Membranbereichs vorgesehen, der der Membran entspricht. Mit einer solchen Konfiguration ist der Bereich mit der dünnen Filmdicke sicherlich innerhalb des Bereichs gegenüber der zweiten Elektrode platziert, so dass verhindert wird, dass die Membran nicht funktioniert, um den Betrag der Auslenkung zu erhöhen, wenn ein Versatz in Richtung der Breite von dem Bereich vorhanden ist, der gegenüber der zweiten Elektrode platziert ist.
In dem Tröpfchenausstoßkopf gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Bereich mit der dünnen Filmdicke außerdem in Richtung der Länge ungefähr in der Mitte des Membranbereichs vorgesehen, der der Membran entspricht. Mit einer solchen Konfiguration kann die Membran gleichmäßig ausgelenkt werden, und der entwickelte Druck innerhalb der gesamten Druckerzeugungskammer kann gleichmäßig erhöht werden.
In dem Tröpfchenausstoßkopf gemäß der vorliegenden Erfindung ist außerdem der Bereich mit der dünnen Filmdicke an einer Stelle vorgesehen, die näher an der Düse liegt als eine ungefähre Mitte des Membranbereichs, der der Membran entspricht, in Längsrichtung. Mit einer solchen Ausgestaltung kann der Druck in der Druckerzeugungskammer, der in der Nähe der Düse erzeugt wird, erhöht werden, und daher kann die Tröpfchenausstoßgeschwindigkeit beschleunigt werden.
Außerdem ist in dem Tröpfchenausstoßkopf gemäß der vorliegenden Erfindung der dünnere Bereich an einer Stelle vorgesehen, die weiter entfernt von der Düse liegt als eine ungefähre Mitte des Membranbereichs, der der Membran entspricht, in Längsrichtung.
Mit einer solchen Ausgestaltung kann der entwickelte Druck auf der Seite gegenüber der Düse in der Druckerzeugungskammer, das heißt der entwickelte Druck auf der Reservoirseite gemäß der später beschriebenen Ausführungsform, erhöht werden, und mehr Fluid kann die Druckerzeugungskammer aus dem Reservoir hinein gezogen werden.
Außerdem ist in dem Tröpfchenausstoßkopf gemäß der vorliegenden Erfindung der isolierende Film aus einem SiO2-Film oder einem SiN-Film gebildet. Daher kann ein SiO2-Film oder ein SiN-Film als isolierender Film verwendet werden. Da ein SiN-Film eine höhere dielektrische Ausfallspannung hat verglichen mit einem SiO2-Film, wird bevorzugt, einen SiN-Film zu verwenden.
Schließlich hat die Tröpfchenausstoßeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung einen der eben beschriebenen Tröpfchenausstoßköpfe. Wie oben beschrieben, kann aufgrund eines Tröpfchenausstoßkopfes mit einem hohen entwickelten Druck in der Druckerzeugungskammer und mit stabilisierten Ausstoßeigenschaften eine Tröpfchenausstoßeinrichtung erhalten werden, die einen stabilisierten Hochqualitätsdruck erzielt.
[Kurze Beschreibung der Zeichnungen]
1 ist eine Zeichnung eines Tröpfchenausstoßkopfes mit einem elektrostatischen Stellglied gemäß der ersten Ausführungsform.
2 ist eine Querschnittsansicht des Tröpfchenausstoßkopfes in 1.
3 ist eine Zeichnung eines isolierenden Films, der auf einem Siliziumsubstrat in 2 ausgebildet ist, gesehen von der Seite der Vibrationskammer aus.
4 ist eine Zeichnung eines Ausbildevorgangs des isolierenden Films, der auf dem Siliziumsubstrat in 2 ausgebildet ist.
5 ist eine Zeichnung des Auslenkungsverhaltens einer Membran (Teil 1).
6 ist eine Zeichnung des Auslenkungsverhaltens einer Membran (Teil 2).
7 ist eine Beispielzeichnung einer Tröpfchenausstoßeinrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
8 ist eine Zeichnung einer Druckeinheit einer in 7 dargestellten Tintenstrahlaufzeichnungseinrichtung.
[Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung]
Erste Ausführungsform
1 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines Tröpfchenausstoßkopfes mit einem elektrostatischen Stellglied gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Wie in diesen Zeichnungen dargestellt, hat ein Tröpfchenausstoßkopf 1 ein Siliziumsubstrat 2, das als das erste Substrat funktioniert, welches mittels einer Siliziumdüsenplatte 3 auf der oberen Seite und eines Borosilikatglassubstrats 4 sandwichartig angeordnet ist, das einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten nahe dem von Silizium hat und als das zweite Substrat funktioniert, auf der unteren Seite, so dass eine dreischichtige Ausgestaltung gebildet wird. Auf der Oberfläche des Siliziumsubstrats 2 sind in der Mitte Nuten geätzt. Diese Nuten funktionieren als eine unabhängige Druckerzeugungskammer 21, ein Reservoir 22 bzw. eine Öffnung 23, die das Reservoir 22 mit jeder Druckerzeugungskammer 21 in Verbindung setzt. Indem diese Nuten mit der Düsenplatte 3 bedeckt werden, werden die Bereiche 21, 22 und 23 abgeteilt.
Auf der Düsenplatte 3 ist eine Düse 31 an einer Stelle entsprechend der Spitze jeder Druckerzeugungskammer 21 ausgebildet. Jede Düse 31 kommuniziert mit jeder Druckerzeugungskammer 21. An einer Position auf dem Glassubstrat 4, wo sich das Reservoir 22 befindet, ist außerdem eine Fluidzuleiteöffnung 41 ausgebildet, die mit dem Reservoir 22 kommuniziert.
Das auszustoßende Fluid wird von einem externen Tank, der nicht dargestellt ist, durch die Fluidzuleiteöffnung 41 in das Reservoir 22 hinein geleitet. Das zu dem Reservoir 22 geleitete Fluid wird weiter durch jede Öffnung 23 in jede unabhängige Druckerzeugungskammer 21 hinein geleitet.
Eine Sohle 25 jeder unabhängigen Druckerzeugungskammer 21 ist dünnwändig und funktioniert als Membran 25, die eine elastische Auslenkung in Auswärtsrichtung ausführen kann mit Bezug auf ihre Oberfläche, das heißt in der vertikalen Richtung in 2.
Daher kann die Sohle 25 als Membran 25 bezeichnet werden, was aus Gründen der Einfachheit in der folgenden Beschreibung auch so geschieht.
Hier funktioniert die Membran 25 als gemeinsame Elektrode (die erste Elektrode). Auf der Oberfläche des Glassubstrats 4 ist, gegenüber jeder Membran 25 platziert, eine Höhlung 42 ausgebildet, die eine hermetisch verschlossene Vibrationskammer 42a konfiguriert. Auf der Bodenfläche der Vibrationskammer 42a ist eine einzelne Elektrode (die zweite Elektrode) 43, die, beispielsweise als transparente Elektrode, aus einem Indiumzinnoxid-(ITO-)Film gebildet ist, gegen der Membran 25 vorgesehen.
Obwohl dies in 1 nicht im Detail veranschaulicht ist, ist auf dem Siliziumsubstrat 2 der ersten Ausführungsform ein isolierender Film 26 auf der Kopplungsfläche mit dem Glassubstrat 4 ausgeformt. Außerdem kann der isolierende Film 26, der auf der gesamten Oberfläche des Siliziumsubstrats 2 in der vorliegenden Ausführungsform ausgebildet ist, auch nur an dem Bereich gegenüber der einzelnen Elektrode 43 ausgebildet sein.
Hier wird der isolierende Film 26 gefolgt von der herkömmlichen Technik als Merkmal zum Verhindern eines Kurzschlusses, der auftritt, wenn die Membran 25 die einzelne Elektrode 43 berührt, und zum Verhindern eines Zerbrechens der einzelnen Elektrode 43 und der Membran 25. Die erste Ausführungsform versucht, den entwickelten Druck innerhalb der Druckerzeugungskammer 21 zu verbessern, indem die Gestalt des isolierenden Films 26 entsprechend gewählt wird. Die Gestalt des isolierenden Films 26 wird nun im Detail beschrieben.
2 ist eine Querschnittsansicht des Tröpfchenausstoßkopfes in 1. 3 ist eine Zeichnung des auf dem Siliziumsubstrat in 1 ausgebildeten isolierenden Films, gesehen von der Seite der Vibrationskammer aus. Außerdem ist in dem isolierenden Film in 3 ein Bereich entsprechend der Membran 25 (im Folgenden als "Membranbereich 29" bezeichnet) durch eine gepunktete Linie dargestellt. Mit Bezug auf diese Zeichnungen werden Merkmale der vorliegenden Erfindung nun im Detail beschrieben werden.
Der isolierende Film 26 hat einen Bereich 27 mit einer dünnen Filmdicke, der in der vorliegenden Ausführungsform ungefähr in der Mitte des Membranbereichs 29 liegt. Außerdem ist in 2 ein Bereich mit einer dünnen Filmdicke in dem Membranbereich 29 durch die Bezugsziffer 28 bezeichnet. Die Form des Bereichs 27 mit der dünnen Filmdicke ist in 2 ein Rechteck, was aber nur ein Beispiel ist, und der Bereich ist nicht auf ein Rechteck eingeschränkt. Außerdem wird die Größe des Bereichs 27 mit der dünnen Filmdicke größer bevorzugt, und zwar aus dem folgenden Grund. Die Größe muss aber innerhalb des Membranbereichs 29 liegen.
Der isolierende Film 26 ist insbesondere aus einem Oxidfilm SiO₂ oder einem Nitridfilm SiN gemacht. Der SiO₂-Film kann relativ einfach und stabil mittels einer thermischen Oxidation bei einer relativ geringen Temperatur von ungefähr 900°C ausgebildet werden. Andererseits kann ein SiN-Film durch Erhitzen von Silizium in einer Stickstoffatmosphäre ausgebildet werden.
In dem isolierenden Film 26 ist die Filmdicke des Bereichs 27 mit der dünnen Filmdicke dick genug gewählt, um die Spannung auszuhalten, die gemäß der dielektrischen Ausfallspannung angelegt und bestimmt wird, welche abhängig von dem Material des isolierenden Films 26 bestimmt wird. Die Dicke des Bereichs 27 mit der dünnen Filmdicke wird so dünn wie möglich bevorzugt, und zwar aus dem folgenden Grund. Da SiN verglichen mit SiO₂ eine höhere dielektrische Ausfallspannung hat, kann aber die Filmdicke des Bereichs 27 mit der dünnen Filmdicke unter Verwendung des SiN viel dünner gemacht werden. Daher wird bevorzugt, einen SiN-Film zu verwenden. Außerdem ist in dem isolierenden Film 26 die Dicke des Bereichs 28 mit der dünnen Filmdicke bevorzugt gleichmäßig und dick. Mit einer solchen Form können eine hohe dielektrische Ausfallspannung des gesamten Siliziumsubstrats 2 und die Luftdichtheit der Vibrationskammer 42a sichergestellt werden. In der vorliegenden Ausführungsform ist der isolierende Film 26 durch einen SiN-Film gebildet. Außerdem beträgt die Dicke des Bereichs 28 mit der dicken Filmdicke ungefähr 100 nm, und die Dicke des Bereichs 27 mit der dünnen Filmdicke beträgt ungefähr 60 nm. Außerdem bezeichnet die Bezugsziffer 10 in 2 einen Antriebsschaltkreis, der mit dem Siliziumsubstrat 2 und der einzelnen Elektrode 43 gekoppelt ist.
Es wird nun der Vorgang zur Ausbildung des isolierenden Films 26, der auf dem Siliziumsubstrat 2 ausgebildet wird, mit Bezug auf die 4 beschrieben. Hinsichtlich des Vorgangs zur Ausbildung der anderen Bauteile wird außerdem das bisher bekannte Verfahren verwendet, und auf eine Beschreibung davon wird verzichtet.

(A) Ein isolierender Film 26a wird auf der rückwärtigen Oberfläche des Siliziumsubstrats 2 unter Verwendung einer CVD-Einrichtung ausgebildet;
(B) Ein Fotoresistfilm 50 wird auf dem isolierenden Film 26a ausgebildet;
(C) Der Fotoresistfilm 50 wird belichtet, um den Fotoresistfilm entsprechend einem Bereich 51 zu entfernen, der den Bereich 27 mit der dünnen Filmdicke des isolierenden Films 26a bildet;
(D) eine Öffnung 52 wird auf dem isolierenden Film 26a ausgebildet, indem der isolierende Film 26a unter Verwendung des auf dem isolierenden Film 26a verbleibenden Fotoresistfilms 50 als Ätzmaske geätzt wird;
(E) der Fotoresistfilm 50 wird entfernt; und
(F) auf dem isolierenden Film 26a mit der Öffnung 52 wird mittels der CVD-Einrichtung wiederum ein isolierender Film 26b ausgebildet.

In diesem Vorgang kann der isolierende Film 26 mit dem Bereich 27 mit der teilweise dünnen Filmdicke auf dem Siliziumsubstrat 2 ausgebildet werden.
Es wird nun die Arbeitsweise des Tröpfchenausstoßkopfes 1 mit Bezug auf 2 beschrieben, der das Siliziumsubstrat 2 hat, das mit dem isolierenden Film 26 bedeckt ist, der in dem obigen Verfahren ausgebildet worden ist.
Durch Anlegen einer Spannung an die einzelne Elektrode 43 unter Verwendung des Antriebsschaltkreises 10 wird eine elektrostatische Anziehungskraft zwischen der Membran 25 und der einzelnen Elektrode 43 erzeugt. Dann wird die Membran 25 mittels der einzelnen Elektrode 43 gezogen, so dass sie abwärts gewölbt wird, was die Kapazität der Druckerzeugungskammer 21 erhöht. Das auszustoßende Fluid wird aus dem Reservoir 22 durch die Öffnung 23 in die Druckerzeugungskammer 21 hindurch nachgefüllt. Durch Anhalten der Anlegung der Spannung an die einzelne Elektrode 43 verschwindet anschließend die elektrostatische Anziehungskraft, und die Membran 25 kehrt zu ihrer ursprünglichen Gestalt zurück, was die Kapazität der Druckerzeugungskammer 21 schnell vermindert, was den Druck innerhalb der Druckerzeugungskammer 21 schnell erhöht, und ein Teil des in der Druckerzeugungskammer 21 eingefüllten Fluids wird als Tröpfchen 32 durch die Düse 31 hindurch ausgestoßen, die mit der Druckerzeugungskammer 21 kommuniziert.
Da der Tröpfchenausstoßkopf 1 der vorliegenden Ausführungsform den Bereich 27 mit der dünnen Filmdicke auf dem isolierenden Film 26 hat, ist es möglich, die Auslenkung der Membran 25 um den Betrag eines Raums A zu erhöhen, der durch den Bereich 27 ausgebildet wird (siehe die später beschriebene 5), verglichen mit dem Fall, in dem der isolierende Film 26 mit einer gleichmäßigen Dicke ausgebildet ist, und zwar durch den Bereich 28 mit der dicken Filmdicke, ohne den Bereich 27 vorzusehen. Daher ist es möglich, den entwickelten Druck innerhalb der Druckerzeugungskammer 21 zu erhöhen. Details werden nun im Detail mit Bezug auf 5 beschrieben.
Die 5 und 6 sind Zeichnungen eines Auslenkungsverhaltens einer Membran. 5 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht des relevanten Bereichs in 2. 6 ist eine vergrößerte Ansicht des relevanten Bereichs in 2, geschnitten mittels einer Ebene rechtwinklig zur Ebene der 2.
Die Membran 25 vor der Auslenkung, gezeigt in 5A und 6A, ist mittels der zwischen der Membran 25 und der einzelnen Elektrode 43 erzeugten elektrostatischen Anziehungskraft abwärts gewölbt. Wenn der Bereich 27 mit der dünnen Filmdicke nicht auf dem isolierenden Film 26 vorgesehen ist, ist hier die Membran 25 nicht weiter als in den 5B und 6B dargestellt zu wölben. Andererseits kann in der vorliegenden Ausführungsform, da der Bereich 27 mit der dünnen Filmdicke vorgesehen ist, die Membran 25 stärker gewölbt werden, und zwar um den Betrag des durch den Bereich 27 ausgebildeten Raums A. Das heißt, wie in 5C und 6C dargestellt, der Übergang zwischen dem Bereich 28 mit der dicken Filmdicke und dem Bereich 27 mit der dünnen Filmdicke berührt zunächst die einzelne Elektrode 43. Mit einer weiteren Wölbung, wie in den 5B und 6B dargestellt, berührt dann der Bereich 27 mit der dünnen Filmdicke die einzelne Elektrode 43.
Wie oben beschrieben, kann, da die Auslenkung der Membran 25 durch Vorsehen des Bereichs 25 mit der dünnen Filmdicke auf dem isolierenden Film 26 erhöht werden kann, der entwickelte Druck innerhalb der Druckerzeugungskammer 21 erhöht werden.
Der Anstieg des entwickelten Drucks innerhalb der Druckerzeugungskammer 21, verursacht durch das Vorsehen des Bereichs 27 mit der dünnen Filmdicke auf dem isolierenden Film 26, wird unter dem Gesichtspunkt der zwischen der Membran 25 und der einzelnen Elektrode 43 erzeugten elektrostatischen Kraft beschrieben werden. Hier drückt die folgende Gleichung (1) die zwischen der Membran 25 und der einzelnen Elektrode 43 erzeugte elektrostatische Kraft aus. F = 1/2·ε0·{E/(g + h/ε1)}2·S (1)mit

ε0:: Dielektrizitätskonstante im Vakuum;
E:: Spannung;
g:: Abstand zwischen dem isolierenden Film und der einzelnen Elektrode (Hohlraumabstand);
h:: Dicke des isolierenden Films;
ε1:: dielektrische Konstante des isolierenden Films; und
S:: Flächenbereich der Membran.

Da der isolierende Film 26 sowohl den Bereich 28 mit der dicken Filmdicke als auch den Bereich 27 mit der dünnen Filmdicke hat, muss außerdem die elektrostatische Kraft für jeden Bereich unter Verwendung der Gleichung (1) berechnet werden.
Das heißt, die elektrostatische Kraft des Bereichs 28 mit der dicken Filmdicke wird berechnet unter Berücksichtigung der Filmdicke h als Filmdicke des Bereichs 28; und der Fläche der Membran S als Fläche der Membran entsprechend dem Bereich 28 (das heißt Äquivalenz zur Fläche des Bereichs 28). Die elektrostatische Kraft des Bereichs 27 mit der dünnen Filmdicke wird auf gleiche Art und Weise durch Ersetzen jedes entsprechenden Werts berechnet. Da der Abstand g zwischen dem isolierenden Film 26 und der einzelnen Elektrode 43 zu jedem Moment abhängig von der Auslenkung der Membran 25 variiert, ist die in der Gleichung (1) berechnete elektrostatische Kraft außerdem nur ein Wert zu einem bestimmten Zeitpunkt.
Gemäß der Gleichung (1) ist es offensichtlich, dass eine höhere elektrostatische Kraft in dem Fall einer dünneren Filmdicke des isolierenden Films 26 erhalten werden kann verglichen mit dem Fall einer dickeren Filmdicke, und auch in dem Fall eines kürzeren Abstands zwischen dem isolierenden Film 26 und der einzelnen Elektrode 43.
Die Auslenkung der Membran 25, gezeigt in den 5 und 6, wird nun unter Berücksichtigung der obigen Tatsachen erneut betrachtet werden. In einem Übergang von der 5A zur 5B, gezeigt als frühe Stufe der Auslenkung der Membran 25, ist der Bereich 28 mit der dicken Filmdicke näher an der einzelnen Elektrode 43 verglichen mit dem Bereich 27 mit der dünnen Filmdicke. Daher ist die zwischen dem Membranbereich entsprechend dem Bereich 28 mit der dicken Filmdicke und der einzelnen Elektrode 43 erzeugte elektrostatische Kraft größer als die auf der Seite des Bereichs 27 mit der dünnen Filmdicke, was effektiv zum Wölben der Membran 25 in der frühen Stufe der Auslenkung der Membran 25 arbeitet.
Wenn die Wölbung der Membran 25 wie in den 5B und 5C sowie 6B und 6C dargestellt fortschreitet, gerät dann der Bereich 27 mit der dünnen Filmdicke näher an die einzelne Elektrode 43 heran, was den Abstand zwischen dem Bereich 27 auf dem isolierenden Film 26 und der einzelnen Elektrode 43 verkürzt. Da der relevante Bereich 27 eine dünne Filmdicke hat, wird außerdem die zwischen dem Membranbereich entsprechend dem Bereich 27 und der einzelnen Elektrode 43 erzeugte elektrostatische Kraft größer verglichen mit dem Fall ohne den Bereich 27 (das heißt, mit dem Fall, wo der gesamte Teil des isolierenden Films 26 mit einer Dicke des Bereichs 28 mit der dicken Filmdicke ausgebildet ist). Die in einer solchen Situation erzeugte elektrostatische Kraft zieht die Membran 25 stark an die einzelne Elektrode 43 an. Eine solche große elektrostatische Kraft mit einer starken Anziehung verschwindet dann, wenn das Fluid ausgestoßen wird. Der in der Druckerzeugungskammer 21 erzeugte Druck kann daher erhöht werden, und stabilisierte Ausstoßeigenschaften (Ausstoßgeschwindigkeit) können sichergestellt werden.
Wie oben beschrieben, ist es gemäß der ersten Ausführungsform möglich, die Auslenkung der Vibrationsplatte 25 um den Betrag des Raums A zu erhöhen, aufgrund des Vorsehens des Bereichs 27 mit der dünnen Filmdicke auf dem isolierenden Film 26, verglichen mit dem Fall, wo der isolierende Film 26 gleichmäßig mit einer Dicke des Bereichs 28 mit der dicken Filmdicke ausgebildet ist. Da die vom Beginn der Auslenkung der Membran 25 an erzeugte elektrostatische Kraft, gefolgt von einem Kontakt mit der einzelnen Elektrode 43, und bis zur Wiederherstellung der Gestalt insgesamt erhöht werden kann, kann der Druck innerhalb der Druckerzeugungskammer 21 erhöht werden. Daher können stabilisierte Ausstoßeigenschaften beschafft werden.
Außerdem kann der Bereich 27 mit der dünnen Filmdicke bei jedem Bereich innerhalb des Membranbereichs 29 ausgebildet werden, ein geringer Fehlerbetrag bei der Ausrichtung des Fotoresistfilms, verursacht beim Ausbilden des isolierenden Films 26 mit dem Bereich 25 mit der dünnen Filmdicke ist zulässig. Daher besteht keine Notwendigkeit zur dimensionellen Ausgestaltung unter Berücksichtigung von Fehlern, was stärker verdichtete Stellglieder ermöglicht und die Anforderungen an die Herstellgenauigkeit lockert, was zu einer einfacheren Herstellung führt.
Da der Bereich 27 mit der dünnen Filmdicke ungefähr in der Mitte des Membranbereichs 29 ausgebildet ist, kann außerdem die Membran 25 gleichmäßig ausgelenkt werden, und der entwickelte Druck innerhalb der gesamten Druckerzeugungskammer 21 kann gleichmäßig erhöht werden.
In der ersten Ausführungsform ist außerdem, obwohl der Bereich 27 mit der dünnen Filmdicke ungefähr in der Mitte des Membranbereichs 29 ausgebildet ist, die Position an sich nicht eingeschränkt. In Richtung der Breite des Membranbereichs 29 wird aber bevorzugt, den Bereich 27 ungefähr in der Mitte vorzusehen, weil, wenn der Bereich 27 stark in Richtung der Breite versetzt ist, der versetzte Teil von der Position gegenüber der einzelnen Elektrode 43 verschoben ist, so dass die Effektivität der Erhöhung der Auslenkung der Membran 25 verloren geht. Durch Ausbilden des Bereichs 27 mit der dünnen Filmdicke ungefähr in der Mitte des Membranbereichs 29 kann in anderen Worten der Bereich 27 mit der dünnen Filmdicke sicher innerhalb des Bereichs gegenüber der einzelnen Elektrode 43 platziert werden, was verhindert, dass die Membran 25 nicht dazu funktioniert, den Betrag der Auslenkung zu erhöhen, wenn sie in Richtung der Breite von dem Bereich gegenüber der einzelnen Elektrode 43 versetzt ist.
Andererseits kann der Bereich 27 mit der dünnen Filmdicke näher an der Düse 31 positioniert werden als die Mitte des Membranbereichs 29 in Längsrichtung. Mit einer solchen Konfiguration kann der in der Nähe der Düse 31 erzeugte Druck in der Druckerzeugungskammer 21 erhöht werden, und daher kann die Tröpfchenausstoßgeschwindigkeit erhöht werden. Der Bereich 27 mit der dünnen Filmdicke kann außerdem weiter entfernt von der Düse 31 positioniert werden als die Mitte in Längsrichtung (das heißt auf der Seite des Reservoirs 22). Mit einer solchen Ausgestaltung kann der entwickelte Druck auf der Seite des Reservoirs 22 in der Druckerzeugungskammer 21 erhöht werden, und daher kann mehr Fluid in die Druckerzeugungskammer 21 aus dem Reservoir 22 gezogen werden. Wie oben beschrieben, kann es, weil der Effekt mit Positionen schwankt, wo die dünne Filmdicke 27 vorgesehen ist, es bevorzugt sein, die Position des Bereichs 27 mit der dünnen Filmdicke dem Zweck gemäß auszuwählen.
Zweite Ausführungsform
7 ist eine Beispielzeichnung einer Tröpfchenausstoßeinrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, insbesondere eines Beispiels unter Verwendung einer Tintenstrahlaufzeichnungseinrichtung, die Tinte ausstößt. Eine Tintenstrahlaufzeichnungseinrichtung 100 in 7 ist ein Tintenstrahldrucker, an dem der Tröpfchenausstoßkopf 1 mit dem elektrostatischen Stellglied gemäß der ersten Ausführungsform angebracht ist. Der Tröpfchenausstoßkopf 1 mit dem elektrostatischen Stellglied gemäß der ersten Ausführungsform hat einen hohen entwickelten Druck innerhalb der Druckerzeugungskammer 21 und kann stabilisierte Ausstoßeigenschaften erzielen, was einen Druck mit einer hohen Auflösung erlaubt. In der vierten Ausführungsform kann daher die Tintenstrahlaufzeichnungseinrichtung 100 erzielt werden, mittels der ein Druck mit einer hohen Auflösung stabil erzielt wird.
8 ist eine Zeichnung einer Druckeinheit der in 7 dargestellten Tintenstrahlaufzeichnungseinrichtung. Ein Tintenstrahlkopf 200 ist in einem Laufwagen 201 angebracht. Der Laufwagen 201 kann eine seitliche Bewegung entlang einer Führungsschiene 202 ausführen. Ein Aufzeichnungspapier 203 gleitet mit der Drehung einer Walze 204 in der Richtung rechtwinklig zu der Führungsschiene 202. Wenn Tintentröpfchen aus dem Tintenstrahlkopf 200 mit der seitlichen Bewegung des Laufwagens 201 ausgestoßen werden und mit der Drehung der Walze 204, können Buchstaben und Bilder gedruckt werden.
Der Tröpfchenausstoßkopf 1 mit dem elektrostatischen Stellglied gemäß der ersten Ausführungsform kann auch bei der Herstellung von organischen Elektrolumineszenz-Anzeigeeinrichtungen, Farbfiltern für Flüssigkristallanzeige-Einrichtungen, etc., abgesehen von dem in 7 dargestellten Tintenstrahldrucker, eingesetzt werden.

1: Tröpfchenausstoßkopf
2: Siliziumsubstrat (erstes Substrat)
2: Druckerzeugungskammer
4: Glassubstrat (zweites Substrat)
21: Druckerzeugungskammer
25: Membran (erste Elektrode)
26: isolierender Film
27: Bereich mit dünner Filmdicke
29: Membranbereich
31: Düse
43: einzelne Elektrode (zweite Elektrode)
100: Tintenstrahlaufzeichnungseinrichtung (Tröpfchenausstoßeinrichtung)

Claims

Elektrostatisches Stellglied mit: einem ersten Substrat (2) mit einer Membran (25), die die Funktion einer ersten Elektrode erfüllt; und einem zweiten Substrat (4), das mit dem ersten Substrat gekoppelt ist und eine zweite Elektrode (43) hat, die gegenüber der erste Elektrode platziert ist, wobei die Membran mit einer elektrostatischen Kraft ausgelenkt wird, die durch Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden erzeugt wird; und in dem ersten Substrat auf einer Kopplungsfläche mit dem zweiten Substrat ein isolierender Film (26) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Membranbereich (29) des isolierenden Films, der der Membran entspricht, einen Bereich (27) hat, der dünner ist als der verbleibende Bereich (28) des Membranbereichs (29).
Elektrostatisches Stellglied nach Patentanspruch 1, bei welchem der dünnere Bereich (27) in Richtung der Breite ungefähr in der Mitte des Membranbereichs (29) vorgesehen ist, der der Membran entspricht.
Elektrostatisches Stellglied nach Patentanspruch 2, bei welchem der dünnere Bereich (27) in Richtung der Länge ungefähr in der Mitte des Membranbereichs (29) vorgesehen ist, der der Membran entspricht.
Elektrostatisches Stellglied nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, bei welchem der isolierende Film (26) aus einem SiO₂-Film oder einem SiN-Film gemacht ist.
Tröpfchenausstoßkopf (1) mit einem elektrostatischen Stellglied nach einem der Patentansprüche 1 bis 4 und einer Düse (31), die mit einer Druckerzeugungskammer (21) kommuniziert, welche aufgrund der Auslenkung der Membran (25) einen Druck zum Ausstoßen von Tröpfchen (32) aus der Düse erzeugt.
Tröpfchenausstoßkopf (1) nach Patentanspruch 5, bei welchem der dünnere Bereich (27) an einer Stelle vorgesehen ist, die näher an der Düse (31) liegt als eine ungefähre Mitte des Membranbereichs (29), der der Membran (25) entspricht, in Längsrichtung.
Tröpfchenausstoßkopf (1) nach Patentanspruch 5, bei welchem der dünnere Bereich (27) an einer Stelle vorgesehen ist, die weiter entfernt von der Düse (31) liegt als eine ungefähre Mitte des Membranbereichs (29), der der Membran (25) entspricht, in Längsrichtung.
Tröpfchenausstoßeinrichtung mit dem Tröpfchenausstoßkopf (1) nach einem der Patentansprüche 5 bis 7.