JP2005279784A - 静電memsアクチュエータ、マイクロポンプを含む微小流体駆動装置、インクジェットプリンタヘッドを含む微量流体吐出装置及びインクジェットプリンタを含む印刷装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 静電MEMSアクチュエータにおいて、隣接する複数のMEMS素子における下部電極35〔35A,35B〕及び振動板39〔39A,39B〕の上部電極38〔38A,38B〕をそれぞれ独立に形成する。下部電極35の幅Lを、振動板が支持される両アンカー部46間の間隔Wより大に設定する。隣接するMEMS素子において、一方のMEMS素子の振動板の上部電極38Bと、他方のMEMS素子の下部電極35Aとを電気的に接続する。
これらの構成を適宜組み合わせて静電MEMSアクチュエータを構成する。
【選択図】 図4
Description
図10の静電MEMS素子1は、シリコン基板2の表面に絶縁膜(例えばシリコン酸化膜)3を有する基板4上に下部電極5を形成し、さらに下部電極5の表面に絶縁膜(例えばシリコン酸化膜)6を形成し、この下部電極5に対して空間7を挟んで対向するように上部電極8を有する振動板9を配置して構成される。静電MEMS素子1は、同様の構成をとる複数の静電MEMS素子1A,1B・・を共通の基板4上に形成して構成される。この場合、下部電極5は各MEMS素子1A,1B・・に共通に形成され、振動板9を構成する上部電極8は各MEMS素子1A,1B・・において個別の電極8A,8B・・に形成される。各振動板9は、両端をアンカー部10を介して基板4上に支持され、いわゆる両持ち梁構造として形成される。振動板9は、絶縁膜と上部電極との組み合わせ、例えばシリコン酸化膜11、上部電極8〔8A,8B・・〕、シリコン酸化膜12、シリコン窒化膜13及び最表面のシリコン酸化膜14からなる。アンカー部10は、振動板9を構成するシリコン酸化膜11、12、シリコン窒化膜13及びシリコン酸化膜14の積層膜で振動板9と一体に形成される。さらに全面にわたりプラズマ・シリコン窒化(SiN)膜が積層される場合もある。
また、静電MEMS素子には、チャージングという問題が付きまとい、この対策として特殊な駆動波形を使用する場合が多い。チャージングについて説明する。図13に示すように、静電MEMS素子1を連続的に繰り返し駆動すると、プラス電圧(+V)が印加される上部電極8の絶縁膜23にはマイナス電荷24がチャージし、接地電圧(0V)が印加される下部電極5の絶縁膜25にはプラス電荷26がチャージされる。従って、連続的に繰り返し動作すると、チャージした残留電荷24、26により、振動板8の振幅が小さくなるから反発力が弱くなり、例えばインクジェットプリンタヘッドに適用した場合、インク吐出量に変動を来す。
さらに、図11に示す下部電極5A,5Bを各MEMS素子毎に独立に形成した場合、振動板9に電極の厚みが転写されて振動板9が平坦に形成されず、両端に段差部18が発生する。図14に模式的に段差部18を有する両持ち梁構造の振動板9を示す。このような振動板9の場合、振動板9の張力が段差部18で吸収され、振動板の強度、寿命に悪影響を及ぼす。また、振動板9に段差部18が発生すると、振動板9に不要な応力による反りが発生し、ギャップ20(図11参照)の高さが低下する。このような静電MEMSアクチュエータを例えばインクジェットプリンタヘッドに適用した場合、変位容量が不足し液滴の吐出速度、吐出量が低下してしまう。
また、本発明は、このような微小流体へのエネルギー伝達及び駆動に適した静電MEMSアクチュエータを用いたスピーカー・マイクロポンプを含む微小流体駆動装置及びインクジェットプリンタヘッドを含む微量流体吐出装置、さらにこの微量流体吐出装置を搭載したインクジェットプリンタを含む印刷装置を提供するものである。
本発明に係る静電MEMSアクチュエータは、基板に形成された下部電極に対向して、基板上に両端をアンカー部により支持した上部電極を有する振動板が配置され、下部電極の幅が、振動板を支持する両アンカー部間の間隔より大に設定された構成とする。
本発明に係る静電MEMSアクチュエータは、隣接するMEMS素子において、一方のMEMS素子の振動板の上部電極と、他方のMEMS素子の下部電極とが電気的に接続された構成する。
即ち、静電MEMSアクチュエータとしては、隣接する複数のMEMS素子における下部電極及び振動板の上部電極をそれぞれ独立に形成し、下部電極の幅を、振動板を支持する両アンカー部間の間隔より大に設定して構成することができる。
静電MEMSアクチュエータとしては、隣接する複数のMEMS素子における下部電極及び振動板の上部電極をそれぞれ独立に形成し、隣接するMEMS素子において、一方のMEMS素子の振動板の上部電極と、他方のMEMS素子の下部電極とを電気的に接続して構成することができる。
静電MEMSアクチュエータとしては、隣接する複数のMEMS素子における下部電極及び振動板の上部電極をそれぞれ独立に形成し、下部電極の幅を、振動板を支持する両アンカー部間の間隔より大に設定し、隣接するMEMS素子において、一方のMEMS素子の振動板の上部電極と他方のMEMS素子の下部電極とを電気的に接続して構成することができる。
即ち、本発明に係る微小流体駆動装置は、隣接する複数のMEMS素子における下部電極及び振動板の上部電極がそれぞれ独立に形成されてなる静電MEMSアクチュエータと、静電MEMSアクチュエータ上に配置された流体の流路とを備えた構成とする。
本発明に係る微小流体駆動装置は、基板に形成された下部電極に対向して基板上に両端をアンカー部により支持した上部電極を有する振動板が配置され、下部電極の幅が振動板を支持する両アンカー部間の間隔より大に設定されてなる静電MEMSアクチュエータと、静電MEMSアクチュエータ上に配置された流体の流路とを備えた構成とする。
本発明に係る微小流体駆動装置は、隣接するMEMS素子において一方のMEMS素子の振動板の上部電極と他方のMEMS素子の下部電極とが電気的に接続されてなる静電MEMSアクチュエータと、静電MEMSアクチュエータ上に配置された流体の流路とを備えた構成とする。
即ち、微小流体駆動装置としては、隣接する複数のMEMS素子における下部電極及び振動板の上部電極をそれぞれ独立に形成し、MEMS素子の下部電極の幅を振動板の両端を支持する両アンカー部間の間隔より大に設定してなる静電MEMSアクチュエータと、静電MEMSアクチュエータ上に配置された流体の流路とを備えて構成することができる。
微小流体駆動装置としては、隣接する複数のMEMS素子における下部電極及び振動板の上部電極をそれぞれ独立に形成し、隣接するMEMS素子において一方のMEMS素子の振動板の上部電極と他方のMEMS素子の下部電極とを電気的に接続してなる静電MEMSアクチュエータと、静電MEMSアクチュエータ上に配置された流体の流路とを備えて構成することができる。
微小流体駆動装置としては、隣接する複数のMEMS素子における下部電極及び振動板の上部電極をそれぞれ独立に形成し、下部電極の幅を、振動板を支持する両アンカー部間の間隔より大に設定し、隣接するMEMS素子において、一方のMEMS素子の振動板の上部電極と他方のMEMS素子の下部電極とを電気的に接続してなる静電MEMSアクチュエータと、静電MEMSアクチュエータ上に配置された流体の流路とを備えて構成することができる。
本発明に係る微量流体吐出装置は、基板に形成された下部電極に対向して基板上に両端をアンカー部により支持した上部電極を有する振動板が配置され、下部電極の幅が振動板を支持する両アンカー部間の間隔より大に設定されてなる静電MEMSアクチュエータと、静電MEMSアクチュエータ上に配置されたノズルを有する液室とを備えた構成とする。
本発明に係る微量流体吐出装置は、隣接するMEMS素子において、一方のMEMS素子の振動板の上部電極と他方のMEMS素子の下部電極とが電気的に接続されてなる静電MEMSアクチュエータと、静電MEMSアクチュエータ上に配置されたノズルを有する液室とを備えた構成とする。
即ち、インクジェットプリンタヘッドを含む微量流体吐出装置としては、隣接する複数のMEMS素子における下部電極及び振動板の上部電極をそれぞれ独立に形成し、MEMS素子の下部電極の幅を振動板の両端を支持する両アンカー部間の間隔より大に設定してなる静電MEMSアクチュエータと、静電MEMSアクチュエータ上に配置されたノズルを有する液室とを備えて構成することができる。
微量流体吐出装置としては、隣接する複数のMEMS素子における下部電極及び振動板の上部電極をそれぞれ独立に形成し、隣接するMEMS素子において一方のMEMS素子の振動板の上部電極と他方のMEMS素子の下部電極とを電気的に接続してなる静電MEMSアクチュエータと、静電MEMSアクチュエータ上に配置されたノズルを有する液室とを備えて構成することができる。
微量流体吐出装置としては、隣接する複数のMEMS素子における下部電極及び振動板の上部電極をそれぞれ独立に形成し、下部電極の幅を、振動板を支持する両アンカー部間の間隔より大に設定し、隣接するMEMS素子において、一方のMEMS素子の振動板の上部電極と他方のMEMS素子の下部電極とを電気的に接続してなる静電MEMSアクチュエータと、静電MEMSアクチュエータ上に配置されたノズルを有する液室とを備えて構成することができる。
図2において、図1と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
この結果、振動板の信頼性が上がり、静電MEMSアクチュエータの高性能化を図ることができる。
本実施の形態に係る静電MEMSアクチュエータ61は、共通の基板42上にそれぞれ独立した複数の(図3では2つを示す)下部電極35〔35A,35B〕を配置し、絶縁膜の例えばシリコン酸化膜36′で被覆された各下部電極35〔35A,35B〕に対して空間37を介して対向するように、それぞれ独立の上部電極38〔38A,38B〕を有す振動板39〔39A,39B〕を配置して、静電MEMSアクチュエータとなる複数の静電MEMS素子61A,61Bを形成するようにして構成される。そして、静電MEMS素子31A,31Bの下部電極35A,35Bの電極幅Lが、振動板39〔39A,39B〕を支持する両アンカー部46間の間隔Wより長く設定される。
なお、図3において、図1と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
図5Aは、端子Aと端子Bを接続して0Vとプラス電圧(+V)の2値のパルスP1 を印加し、端子Cに接地電圧(0V)を印加するように構成される。この回路では、例えばスイッチ素子SW11〜SW14を選択的にオンした時に、端子A,BにパルスP1 の1周期分が同期して印加される。選択された静電MEMS素子においては、パルスP1 の+Vで上部電極38従って振動板39が下に変位し、0Vで振動板39が元に戻る。
今、例えば隣接2つの静電MEMS素子31A,31Bを同時に駆動する場合を考えると、図6に示すように、一方の静電MEMS素子31Aの+Vが印加される上部電極38Aを覆う絶縁膜100にマイナス電荷e―がチャージし、他方の静電MEMS素子31Bの0Vが印加される上部電極38Bを覆う絶縁膜101にプラス電荷h+がチャージする。ここで、振動板及びアンカー部を構成する絶縁膜100、101の絶縁抵抗を駆動に影響しない程度に低下させておけば(例えば、不純物をドーピングして絶縁抵抗を低下させる)、電荷e―,h+は隣接する上部電極38A及び38B間でリークし、短時間で残留電荷e―,h+が消滅される。隣接する静電MEMS素子31Aと31Bをそれぞれスイッチ素子SW11,SW12を介して選択的に駆動される場合にも、多少の時間の遅れはあるももの、残留電荷e―,h+を消滅させることができる。
この構成においても、図5Aの場合と同様に短時間で残留電荷e,hが消滅される。
今、例えば隣接する2つの静電MEMS素子31A,31Bを同時に駆動する場合を考えると、下部電極35A,35Bを覆う絶縁膜の絶縁抵抗を駆動に影響を与えない程度に低下させて置けば、隣接する下部電極35A及び35B間でリークし、同様に残留電荷e―,h+が消滅される。隣接する静電MEMS素子31Aと31Bをそれぞれスイッチ素子SW11,SW12を介して選択的に駆動される場合にも、残留電荷e―,h+を消滅させることができる。
今、例えば隣接する2つの静電MEMS素子31A,31Bを同時に駆動する場合を考えると、パルスP3 で静電MEMS素子31A,31Bの振動板が駆動し、パルスP4 で残留電荷e―,h+を逃がすことができる。すなわち、パルスP3が印加されてオフした直後(TA)に振動板が戻るので、インクが吐出される。このインクの吐出が終わったところでパルスP4が印加されオフされる。このパルスP4のオン・オフでは振動板は僅かに振動するもインクを吐出するに至らない。パルスP3と逆極性のパルスP4が印加されることにより、残留電荷e―,h+を逃がすことができる。また、タイミングの調整により振動板及び液室内の残留振動を低減することも可能となる。
即ち、下部電極35A,35B、35C,35D及び上部電極38A,38B,38C,38Dを構成上個別にしても、配線、外部からの電極を増やさないため、隣接する静電MEMS素子31A,31B、静電MEMS素子31C,31Dに共通電極を配線する場合に、隣接する静電MEMS素子31A,31Bの下部電極35A,上部電極38Bを接続し、静電MEMS素子31C,31Dの下部電極35C,38Dを接続することにより、チャージされた電荷e,hを逃がすことができる。
更に、上述した本実施の形態の静電MEMSアクチュエータ上に流体の流路を配置することにより、各種の微小流体駆動装置(いわゆるマイクロポンプ)を構成することができる。本実施の形態の微小流体駆動装置は、例えば、インクジェットプリンタヘッドを含む微量流体吐出装置、CPU等の半導体装置の冷却用として半導体装置上に冷却液を流して冷却するための冷却ポンプ、熱拡散装置、産業用では有機EL等の高分子、低分子有機材料塗布装置、プリント配線印刷装置、ハンダバンプ印刷装置、3次元モデリング装置、μTAS(Micro Total Analysis Systems)として薬液その他の液体をpl(ピコリットル)以下の微小単位にてコントロールして供給する供給ヘッド、さらには気体を微小量精度良くコントロールして供給する供給ヘッド等に適用することができる。
本実施の形態の微小流体駆動装置に適用する静電MEMSアクチュエータとしては、前述した図1、図2、図3、図4の構成、あるいはこれらを適宜組み合わせた構成の静電MEMSアクチュエータを用いることができる。
本実施の形態に係る微量流体吐出装置71は、高密度に並列配置した複数の静電MEMSアクチュエータ72〔721、722・・〕と、その各静電MEMSアクチュエータ72〔721、722、・・〕の振動板に対応する位置に液室73、液滴を外部に吐出するノズル74が形成された隔壁構体75が配置され、各液室73に連通し吐出対象流体供給機構(図示せず)より流体76を供給する流路77を有して構成される。各流路77は、吐出対象流体供給機構からの共通の流路78から分岐される(図7参照)。流路77の液室73の入り口近傍に逆流を抑制するためのオリフィス79が設けられる(図8の模式図参照)。
下部電極35及び上部電極38を独立形成する際に、両アンカー部82及び82間の間隔Wよりも下部電極35〔35A,35B〕の電極幅を若干長くすることにより、振動板39〔39A,39B〕に対してその膜厚方向の応力差による反りの発生が抑制され、振動板39として所要の振幅を確保することができる。また、下部電極35の厚みによる段差はアンカー部82、83に形成され、振動板39から外れるので、段差の影響が無視され、振動板39の強度、寿命への段差の影響を低減することができる。
一方の静電MEMSアクチュエータ72Aの下部電極35Aを他方の静電MEMSアクチュエータ72Bの上部電極38Bに接続するので、下部電極35〕35A,35B〕及び上部電極38〔38A,38B〕を覆う絶縁膜に発生する電荷を消滅することができ、振動板39の反発力の変動、振幅変動、これに基づくインク76の吐出速度及び吐出量の変動が回避される。従って、高性能の微量流体吐出装置を提供することができる。
上記移動する機構としては、ラインヘッドを固定にして印画対象物を移送するような機構、あるいは逆に印画対象物を固定にしてラインヘッドを移動するようにした機構とすることができる。
なお、本発明の他のインクジェットプリンタ及び印刷装置は、印画対象物の相対的な移送方向に対して微量流体吐出装置を垂直の動作させるようにしたシリアル走査方式の微量流体吐出装置を採用することもできる。
特に、インクジェットプリンタを携帯可能にするには電池駆動としたい。また、その寿命も長いほど良い。このため、静電駆動のMEMS方式の微量流体吐出装置は、原理的に消費電力が少ないので非常に有効である。従来のインクジェットプリンタ方式では前述したように電荷が無駄に消費されているが、本実施の形態の静電MEMS微量流体吐出装置を搭載することにより、消費電力の低減が可能になる。従って、携帯可能なインクジェットプリンタを提供することができる。
また、本発明に係る微小流体駆動装置はポンプ、インクジェットプリンタヘッドを含む微量流体吐出装置、さらにはインクジェトプリンタを含む印刷装置、に適用することができる。微量流体吐出装置としては、インクの吐出に限らず、半田ペースト材、有機半導体材料、配線材料、室内の香りの雰囲気を調整するための香水、その他の種々の吐出対象流体の吐出に適用できる。
本発明で対象とするMEMS構造は、マイクロ・ナノスケールの構造である。
Claims (20)
- 隣接する複数のMEMS素子における下部電極及び振動板の上部電極がそれぞれ独立に形成されて成る
ことを特徴とする静電MEMSアクチュエータ。 - 基板に形成された下部電極に対向して、前記基板上に両端をアンカー部により支持した上部電極を有する振動板が配置され、
前記下部電極の幅が、前記振動板を支持する両アンカー部間の間隔より大に設定されて成る
ことを特徴とする静電MEMSアクチュエータ。 - 隣接するMEMS素子において、一方のMEMS素子の振動板の上部電極と、他方のMEMS素子の下部電極とが電気的に接続されて成る
ことを特徴とする静電MEMSアクチュエータ。 - 前記MEMS素子の下部電極の幅が、前記振動板の両端を支持する両アンカー部間の間隔より大に設定されて成る
ことを特徴とする請求項1記載の静電MEMSアクチュエータ。 - 隣接するMEMS素子において、一方のMEMS素子の振動板の上部電極と、他方のMEMS素子の下部電極とが電気的に接続されて成る
ことを特徴とする請求項1記載の静電MEMSアクチュエータ。 - 隣接するMEMS素子において、一方のMEMS素子の振動板の上部電極と、他方のMEMS素子の下部電極とが電気的に接続されて成る
ことを特徴とする請求項4記載の静電MEMSアクチュエータ。 - 隣接する複数のMEMS素子における下部電極及び振動板の上部電極がそれぞれ独立に形成されてなる静電MEMSアクチュエータと、
前記静電MEMSアクチュエータ上に配置された流体の流路とを備えて成る
ことを特徴とする微小流体駆動装置。 - 基板に形成された下部電極に対向して、前記基板上に両端をアンカー部により支持した上部電極を有する振動板が配置され、
前記下部電極の幅が、前記振動板を支持する両アンカー部間の間隔より大に設定されてなる静電MEMSアクチュエータと、
前記静電MEMSアクチュエータ上に配置された流体の流路とを備えて成る
ことを特徴とする微小流体駆動装置。 - 隣接するMEMS素子において、一方のMEMS素子の振動板の上部電極と、他方のMEMS素子の下部電極とが電気的に接続されてなる静電MEMSアクチュエータと、
前記静電MEMSアクチュエータ上に配置された流体の流路とを備えて成る
ことを特徴とする微小流体駆動装置。 - 前記MEMS素子の下部電極の幅が、前記振動板の両端を支持する両アンカー部間の間隔より大に設定されて成る
ことを特徴とする請求項7記載の微小流体駆動装置。 - 隣接するMEMS素子において、一方のMEMS素子の振動板の上部電極と、他方のMEMS素子の下部電極とが電気的に接続されて成る
ことを特徴とする請求項7記載の微小流体駆動装置。 - 隣接するMEMS素子において、一方のMEMS素子の振動板の上部電極と、他方のMEMS素子の下部電極とが電気的に接続されて成る
ことを特徴とする請求項10記載の微小流体駆動装置。 - 隣接する複数のMEMS素子における下部電極及び振動板の上部電極がそれぞれ独立に形成された静電MEMSアクチュエータと、
前記静電MEMSアクチュエータ上に配置されたノズルを有する液室とを備えて成る
ことを特徴とする微量流体吐出装置。 - 基板に形成された下部電極に対向して、前記基板上に両端をアンカー部により支持した上部電極を有する振動板が配置され、
前記下部電極の幅が、前記振動板を支持する両アンカー部間の間隔より大に設定されてなる静電MEMSアクチュエータと、
前記静電MEMSアクチュエータ上に配置されたノズルを有する液室とを備えて成る
ことを特徴とする微量流体吐出装置。 - 隣接するMEMS素子において、一方のMEMS素子の振動板の上部電極と、他方のMEMS素子の下部電極とが電気的に接続されてなる静電MEMSアクチュエータと、
前記静電MEMSアクチュエータ上に配置されたノズルを有する液室とを備えて成る
ことを特徴とする微量流体吐出装置。 - 前記MEMS素子の下部電極の幅が、前記振動板の両端を支持する両アンカー部間の間隔より大に設定されて成る
ことを特徴とする請求項13記載の微量流体吐出装置。 - 隣接するMEMS素子において、一方のMEMS素子の振動板の上部電極と、他方のMEMS素子の下部電極とが電気的に接続されて成る
ことを特徴とする請求項13記載の微量流体吐出装置。 - 隣接するMEMS素子において、一方のMEMS素子の振動板の上部電極と、他方のMEMS素子の下部電極とが電気的に接続されて成る
ことを特徴とする請求項16記載の微量流体吐出装置。 - 静電MEMSアクチュエータと1つの液室とからなるマイクロポンプが、印画する対象物の幅以上にわたり複数個ライン状に配列されて成る
ことを特徴とする請求項13乃至15のいずれかに記載の微量流体吐出装置。 - 微量流体吐出装置と、吐出対象流体供給機構と、印画対象物と前記微量流体吐出装置とを相対的に移動する機構を備え、
前記微量流体吐出装置が、請求項13乃至15のいずれかに記載の微量流体吐出装置で形成されて成る
ことを特徴とする印刷装置。
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