JP2002178516A - 静電アクチュエータの駆動方法および該駆動方法を適用したインクジェット記録装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 低電圧で変位を広範囲に制御可能な静電アク
チュエータ、および、それを用いた低電圧駆動可能なイ
ンクジェット記録装置を提供する。 【解決手段】 少なくとも振動板４と該振動板４に対向
して設けられた対向電極を５備え、該振動板４と対向電
極５との間に電圧を印加することにより発生する静電気
力で該振動板４を変位させ、また、該振動板４と対向電
極５との間の電圧を下げることにより振動板４の変位を
元に戻すように駆動する静電アクチュエータの駆動方法
であり、前記振動板４と対向電極５とが静的に当接する
電圧よりも高い電圧を印加し、かつ、振動板４が対向電
極５に当接する前に電圧を下げるように電圧を印加す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、静電気力を駆動元
に用いた静電アクチュエータ、および、該静電アクチュ
エータを応用した装置としてインクジェットプリンタに
おける前記静電アクチュエータの駆動方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】静電気力を利用したアクチュエータは、
特にマイクロマシンへの応用などで、近年にわかに注目
を集めている。静電アクチュエータにはリニアに動くも
のや回転するものなど実に多種多様な種類が提案されて
いるが、なかでも本発明者らはインクジェットプリント
ヘッドへの応用として、４辺を固定された振動板とその
対向電極を組み合わせたアクチュエータに注目してい
る。

【０００３】図６は、静電アクチュエータの基本構成を
示す要部概略構成図で、図中、１はノズル孔、２は加圧
液室、３は流体抵抗流路、４は振動板、５は対向電極、
６は絶縁保護膜で、加圧液室２の壁の一部を振動板４と
し、該振動板４と対向電極５との間に印加された電圧に
よって生じる静電力で振動板４を対向電極５側に吸引し
た後に、該振動板４が元に戻ろうとする力により液を押
し出してノズル１から吐出せしめる。

【０００４】上述のごときアクチュエータに電圧を印加
すると、振動板４は静的には図７に示すような変位を起
こす。さらに、この変位と駆動電圧の関係をプロットす
ると図８のようになる。２つの図から判るように、振動
板４の変位は振動板４と対向電極５の実効間隔ｇｅ（＝
ｇａ＋ｇｉ／εｉ 、ただしεｉは絶縁保護膜６の比誘
電率）の約１／３までは電圧に対応して連続的に上がっ
ていくが、それ以上の電圧を印加すると振動板の機械的
強度が静電気力の急峻な上昇に抗しきれなくなり、一気
に対向電極に当接してしまう。

【０００５】したがって、電圧によって振動板の変位を
制御する方法としては、従来は、「変位を０から振動板
４と対向電極５の間隔ｇｅの約１／３までの範囲で制御
する」か、あるいは、「振動板４を対向電極５に当接さ
せる」のどちらかしかなく、本発明者らは前者を「非当
接駆動」、後者を「当接駆動」とそれぞれ呼んでいる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】非当接駆動は、駆動電
圧によって振動板の変位を調整することが可能という利
点を持つが、必要な排除体積を得るために当接駆動と比
べて振動板と対向電極の間の距離を大きくとる必要があ
り、結果として当接駆動との比較で２倍以上もの高い駆
動電圧を必要とする。

【０００７】当接駆動では、非当接駆動に比べて同じ排
除体積を得るためのギャップを小さく出来るので駆動電
圧も小さくなるが、一度当接させると振動板／電極間に
電荷が残留するため、その対策を講じる必要が有る。ま
た、駆動電圧による変位の調整が出来ないなどの欠点も
有する。

【０００８】インクジェットプリンタのヘッドに用いる
アクチュエータとして求められる特性としては、駆動電
圧が低くて、かつ電荷の残留などの余計な問題がなく、
変位の調整が容易なことであると考えられるため、これ
ら２種類の駆動方法ではまだどちらも十分適していると
は云えず、新しい駆動方法が求められている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、少な
くとも振動板と該振動板に対向して設けられた対向電極
を備え、前記振動板と対向電極との間に電圧を印加する
ことにより発生する静電気力で前記振動板を変位させ、
前記振動板と対向電極との間の電圧を下げることにより
前記振動板の変位を元に戻す静電アクチュエータの駆動
方法において、前記振動板が前記対向電極に静的に当接
する電圧よりも高い電圧を印加し、かつ、前記振動板が
最大変位に達するかまたは前記対向電極に当接する前に
前記電圧を下げることを特徴としたものである。

【００１０】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、前記振動板と前記対向電極との間に印加する電圧
（駆動パルス）の波形が矩形パルス波形である場合にお
いて、前記駆動パルスのパルス幅Ｐｗと、前記振動板の
固有振動周期又は、該振動板と該振動板に接する要素か
らなる連成系の固有振動周期Ｔｐの関係が Ｔｐ×１／８≦Ｐｗ＜Ｔｐ×１／２ となるように前記Ｐｗを設定することを特徴としたもの
である。

【００１１】請求項３の発明は、請求項１または２の発
明において、駆動パルスの電圧Ｖおよび／または駆動パ
ルスのパルス幅Ｐｗの調整により、前記振動板の変位
を、０から当接する変位までの連続した任意の値に調整
することを特徴としたものである。

【００１２】請求項４の発明は、インク滴を吐出するノ
ズルと、該ノズルが連通する加圧室と、該加圧室内のイ
ンクを加圧して前記ノズルからインク滴を吐出させる圧
力を発生させるアクチュエータを備えたインクジェット
ヘッドを用いたインクジェット駆動装置において、前記
アクチュエータの駆動方法が請求項１ないし３のいずれ
かに記載の駆動方法であることを特徴としたものであ
る。

【００１３】

【発明の実施の形態】前述の２種類の駆動方法は、いず
れも静的な変位で考えた場合の駆動方法である。しか
し、実際の振動板の変位は動的なものであり、駆動電圧
だけではなく駆動パルスの波形、特にパルスの幅Ｐｗに
も影響を受ける。

【００１４】本発明者らは、メニスカス振動の実測、お
よび液噴射実験による動的振動板変位の予測を繰り返し
た結果、駆動パルスのパルス幅Ｐｗを振動板の固有振動
周期Ｔｐの１／２以下にまで短くすると、図１に示すよ
うに静的に当接する電圧で駆動した場合でもパルス幅Ｐ
ｗの期間中には当接には至らず、パルス幅Ｐｗの期間終
了後に当接または最大変位に達することにより、当接し
ても残留電荷の発生を軽減可能であり、また従来の非当
接駆動の変位と当接駆動の変位の中間の変位を得ること
が可能であることを知見して本発明に至った。

【００１５】すなわち、本発明は、少なくとも振動板と
該振動板に対向して設けられた対向電極を備え、前記振
動板と対向電極との間に電圧を印加することにより発生
する静電気力で該振動板を変位させ、また、該振動板と
対向電極との間の電圧を下げることにより該振動板の変
位を元に戻す静電アクチュエータの駆動方法において、
前記振動板と対向電極とが静的に当接する電圧よりも高
い電圧を印加し、かつ、該振動板が最大変位に達するか
または対向電極に当接する前に電圧を下げることを特徴
とする駆動方法である。

【００１６】従来技術で述べたように、本発明は、静電
アクチュエータ、特に梁や板などを単純に振動させるア
クチュエータに関するものである。従来、このようなア
クチュエータでは、静的な変位を論じることが多く、動
的な変位を静的変位と分けて議論することは本発明者ら
の知る限りではほとんど無かった。

【００１７】これは、変位させる梁や振動板の固有振動
周期が非常に短くて、例えば１μｓ以下などという場合
が多く、動的な変位の検討を行おうとすると、駆動も測
定も１μｓ以下のオーダーで行う必要が有ってあまり現
実的でないことや、スイッチ動作を目的とした検討が主
流だったためにスイッチＯＮとＯＦＦの中間にあたる変
位には関心が向けられなかったことなどの理由からだろ
うと思われる。

【００１８】図２は、振動板の時刻歴変位を示すグラフ
で、図２（Ａ）は振動板単体での振動、図２（Ｂ）はイ
ンクが振動板に接しているときの振動を夫々示してい
る。インクジェットプリントヘッドに用いる振動板の固
有振動周期は単体（図２（Ａ））では概ね０．５μＳ程
度だが、振動板がインクと接する（図２（Ｂ））とイン
クと振動板とで連成された振動系に変化し、これにより
図では約５０μｓと２桁あまりも振動周期が遅くなって
いる。これは、ちょうど振動板におもりを付けた状態に
（全く同じではないが）似ている。

【００１９】図１は、本発明の駆動方法による振動板の
時刻歴変位を示すグラフで、図では矩形パルス波形の電
圧でアクチュエータを駆動していて、振動板の変位が最
下点に達する前に駆動電圧を０に戻している（グラフの
実線の期間）。そして、駆動電圧が０になった後も振動
板は惰性で変位を続け、Ｔｐ／２付近の時間で最大変位
に達する（グラフの破線の期間）。あるいは、図には無
いが、駆動電圧が０になった後も振動板は惰性で変位を
続け、対向電極に当接する。これが、本発明の駆動方法
である。この方法により、振動板が対向電極に当接して
いるときには駆動電圧が印加されていない為、残留電荷
の発生を低減することが可能となる。

【００２０】ここで、振動板が最大変位または対向電極
に当接する前に駆動電圧を０にするには、振動板の変位
をレーザー変位計などの測定装置で測定して、パルス幅
を決定するのが一番確実だが、諸般の事情により直接測
定が不可能な場合には、以下のような代用方法が有る。

【００２１】（１）最大変位の前に駆動電圧を０にでき
るパルス幅 図３は、駆動時および非駆動時において振動板が振動し
ている場合の時刻歴変位を模式的に示した図である。非
駆動時、すなわち振動板に何も力を加えない場合の振動
は実線で、また駆動時の振動板の変位は破線でそれぞれ
示している。ここで、駆動は下向きに一定の力を時間０
から印加しつづけるという条件にしている。図から判る
とおり、少なくとも矩形波のパルスでアクチュエータを
駆動した場合には、その振動周期は非駆動時と同じにな
る。そして、非駆動時のまたはごく低電圧で駆動時の振
動板の振動周期をＴｐと置いたとき、振動板が最下点に
達する時間は駆動開始からＴｐ／２後になる。すなわ
ち、駆動パルス幅をＴｐ／２より短くすれば、本発明の
駆動方法が実現する。

【００２２】なお厳密には、振動板が対向電極に近づく
にしたがって静電力が増加する為、当然の事ながら、振
動板が最下点に達する時間は駆動開始のＴｐ／２後より
も若干遅くなる。

【００２３】さらに、静電アクチュエータを用いたイン
クジェットヘッドでは、インク液室の壁の中で一番柔ら
かくかつ変位が大きいのは振動板であるので、体積変化
は主として振動板の変位で決定される。したがって、振
動板の振動周期はメニスカスの振動周期と一致し、この
ことから、非駆動時またはごく低電圧で駆動時のメニス
カスの振動周期をＴｐと置き、駆動パルスのパルス幅を
Ｐｗ＜Ｔｐ／２とすることにより、本発明の駆動方法が
実現する。

【００２４】（２）当接する前に駆動電圧を０にできる
パルス幅 当接する前に駆動電圧を０にできるパルス幅の条件とし
ては、まず第１に前述のＰｗ＜Ｔｐ／２を満たす必要が
有るが、さらに厳密には、アクチュエータを駆動したと
きの過渡電流特性を元にパルス幅を決定する。図４に、
過渡電流特性の例を模式的に示す。図の最初の電流ピー
クはアクチュエータのキャパシタ成分が充電されている
ために生じるピークで、２番目のピークが当接を示して
いる。当接時のピークは、振動板と対向電極が急接近し
てキャパシタが急増するために生じている。駆動開始か
らこの２番目のピークが生じるまでの時間をＴｔとおく
とき、駆動パルスのパルス幅をＰｗ＜Ｔｔとすることに
より本発明の駆動方法が実現する。

【００２５】駆動パルスの巾Ｐｗの値としては、Ｔｐの
１／８倍以上１／２倍未満が望ましい。この範囲よりも
Ｐｗが長いと前述のごとく駆動電圧印加中に振動板が対
向電極に当接してしまって、残留電荷が発生する。ま
た、逆にＰｗが短いと駆動電圧を極端に高くする必要が
ある。Ｐｗの範囲としてさらに望ましくは、Ｔｐの１／
５倍以上１／３倍未満が良い。なお、この駆動方法は、
非当接の変位から当接の変位に至る遷移状態で駆動する
方法なので、本発明者らは遷移駆動と呼んでいる。

【００２６】図５は、本発明で使用したヘッドモデルの
基本部分について斜め上から見た模式図で、振動板４お
よび対向電極５は両者ともほぼ同じ寸法の長方形をして
おり、振動板４は加圧液室２の隔壁の一部になってい
る。構成寸法のうち代表的な数値をあげると、 振動板の厚み ｈ＝３μｍ 短辺巾 ａ＝１２５μｍ 長辺巾 ｂ＝４０００μｍ 液室の高さ Ｈ＝１００μｍ 振動板／電極間隔の空気部分 ｇａ＝０．３５μｍ 振動板／電極間隔の絶縁体部分 ｇｉ＝０．２μｍ 有効振動板／電極間隔 ｇｅ≒０．４μｍ となっている。

【００２７】上記の実施例ではインクジェット記録装置
における静電アクチュエータについて説明したが、言う
までもなく、それ以外の静電アクチュエータでも、本発
明は適用できる。

【００２８】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、低電圧
で動作し、かつ当接時の残留電荷を防止可能な静電アク
チュエータ、および、それを用いた低電圧駆動可能なイ
ンクジェット記録装置を得ることが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の駆動方法による振動板の変位を示す
実施例を示した図である。

【図２】 液が接しているときと接していないときの、
振動板の振動周期の違いを示した図である。

【図３】 駆動時と非駆動時の振動板変位を示した図で
ある。

【図４】 振動板が対向電極に当接する場合の振動板変
位と駆動電流の関係を示した図である。

【図５】 評価に用いたヘッド構造・寸法の説明図であ
る。

【図６】 静電型インクジェットヘッド構造の概略図
（長手方向断面）である。

【図７】 アクチュエータの振動板静的変位模式図（短
手方向断面）である。

【図８】 準静的な駆動における駆動電圧と変位の関係
を示した図である。

【符号の説明】

１…ノズル孔、２…加圧液室、３…流体抵抗、４…振動
板、５…対向電極、６…絶縁保護膜、ａ…振動板の短手
方向寸法、ｂ…振動板の長手方向寸法、Ｈ…加圧液室の
高さ、ｈ…振動板の板厚、ｇａ…振動板と絶縁保護膜の
間隔、ｇｉ…絶縁保護膜の厚み。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも振動板と該振動板に対向して
   設けられた電極を備え、前記振動板と電極との間に電圧
   を印加することにより発生する静電気力で前記振動板を
   変位させ、前記振動板と電極との間の電圧を下げること
   により前記振動板の変位を元に戻す静電アクチュエータ
   の駆動方法において、前記振動板が前記電極に静的に当
   接する電圧よりも高い電圧を印加し、かつ、前記振動板
   が最大変位に達するかまたは対向電極に当接する前に前
   記電圧を下げることを特徴とする静電アクチュエータの
   駆動方法。
2. 【請求項２】 前記振動板と前記電極の間に印加する電
   圧（駆動パルス）の波形が矩形パルス波形である場合に
   おいて、駆動パルスのパルス幅Ｐｗと、前記振動板また
   は該振動板と該振動板に接する要素からなる連成系の固
   有振動周期Ｔｐの関係が Ｔｐ×１／８≦Ｐｗ＜Ｔｐ×１／２ となるようにＰｗを設定することを特徴とする請求項１
   に記載の静電アクチュエータの駆動方法。
3. 【請求項３】 駆動パルスの電圧Ｖおよび／または駆動
   パルスのパルス幅Ｐｗの調整により、前記振動板の変位
   を、０から当接する変位までの連続した任意の値に調整
   することを特徴とする請求項１または２に記載の静電ア
   クチュエータの駆動方法。
4. 【請求項４】 インク滴を吐出するノズルと、該ノズル
   が連通する加圧室と、該加圧室内のインクを加圧して前
   記ノズルからインク滴を吐出させる圧力を発生させるア
   クチュエータを備えたインクジェットヘッドを用いたイ
   ンクジェット記録装置において、前記アクチュエータの
   駆動方法が請求項１ないし３のいずれかに記載の駆動方
   法であることを特徴とするインクジェット記録装置。