JP2008030341A - 静電アクチュエータ及び静電駆動デバイスの駆動制御方法並びに液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置の吐出制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】振動板等の可動電極の変位制御を実現することができる方法等を得る。
【解決手段】固定電極となる個別電極１２と、個別電極１２と所定の距離で対向して支持され、固定電極との間で生じさせた電位差に基づいて発生した静電気力により動作する可動電極となる振動板２２を備えた液滴吐出ヘッド等の静電アクチュエータに対し、個別電極１２と振動板２２との間の電圧に基づく静電気力を発生させて振動板２２を駆動させる駆動制御方法において、静電気力により個別電極１２に引き寄せられた振動板２２に対し、支持された振動板２２に加わる復元力により個別電極１２から振動板２２を離間させるために一度印加電圧を降下させた後、振動板２２の変位に対応した電圧を印加して、個別電極１２から離れていく振動板２２の変位を駆動制御回路４０が制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、微細加工素子において、加わった力により可動部が変位等し、動作（駆動）等を行う静電アクチュエータ、液滴吐出ヘッド等の静電駆動デバイスの駆動制御方法等に関するものである。

例えばシリコン等を加工して微小な素子等を形成する微細加工技術（ＭＥＭＳ：Micro Electro Mechanical Systems）が急激な進歩を遂げている。微細加工技術により形成される微細加工素子の例としては、例えば液滴吐出方式のプリンタのような記録（印刷）装置で用いられている液滴吐出ヘッド（インクジェットヘッド）、マイクロポンプ、光可変フィルタ、モータのような静電アクチュエータ等がある。

ここで、微細加工素子の一例として静電アクチュエータ（電気−機械エネルギ変換素子）を利用した液滴吐出ヘッドについて説明する。液滴吐出方式の記録（印刷）装置は、家庭用、工業用を問わず、あらゆる分野の印刷に利用されている。液滴吐出方式とは、例えば複数のノズルを有する液滴吐出ヘッドを対象物との間で相対移動させ、対象物の所定の位置に液滴を吐出させて印刷等の記録をするものである。この方式は、液晶（Liquid Crystal）を用いた表示装置を作製する際のカラーフィルタ、有機化合物等の電界発光（ElectroLuminescence ）素子を用いた表示パネル（ＯＬＥＤ）、ＤＮＡ、タンパク質等、生体分子のマイクロアレイ等の製造にも利用されている。

液滴吐出ヘッドの中で、流路の一部に液体を溜めておく複数の吐出室を備え、吐出室の少なくとも一面の壁（ここでは、底部の壁とし、以下、この壁のことを振動板ということにする）を撓ませて（駆動させて）形状変化により吐出室内の圧力を高め、連通する各ノズルから液滴を吐出させる方法がある。静電アクチュエータの場合、可動部位である振動板を変位させる力（エネルギ）として、例えば、振動板を可動電極とし、振動板と一定距離を空けて個別に対向する固定電極（以下、個別電極という）との間に発生する静電気力（ここでは特に静電引力を用いている。以下、静電力という）を利用している。

静電アクチュエータの駆動については、例えば変位駆動の場合、振動板と個別電極との間に静電力を発生させ、振動板を固定電極に引きつける。ここで振動板は吐出室の壁面であるためその周縁の位置は変化しない（固定されたままである）。その後、静電力を弱める又は発生を停止させると、形状変化した吐出室（変位した振動板）が元に戻って平衡状態になろうとする復元力（弾性力）の方が大きくなるため、振動板が個別電極から離間し、元の位置に戻るために変位する。これらを繰り返すことで振動板を駆動させる（例えば特許文献１参照）。

特開２００１−２３２７９０号公報

ここで、振動板が元の位置に戻ろうとするのを復元力に任せると、基本的にはノズルからの液滴の吐出量は一定となる。また、振動板はすぐに元の位置に戻るのではなく、元の位置に対してオーバーシュートを繰り返しながら減衰していき、最終的に元の位置に収束する自由振動を行う。最初に元の位置に戻ろうとする変位以外の振動（以下、残留振動という）は、液滴の吐出には必要がないばかりでなく、次周期の動作、隣接する他のノズルにおける吐出にも悪影響を及ぼすことになる。

そこで振動板を元に戻す際、印加する電圧を徐々に下げ、振動板が個別電極から離れていくタイミングを制御して液滴の吐出特性を変化させ、また残留振動を抑えようとする方法もある。

しかしながら、この方法は、振動板の戻り速度を十分に抑えるために時間を要し、例えば、駆動周波数を高くし（駆動周期を短くし）、時間当たりの吐出回数を増やそうとする際の妨げになる。このことは他の静電アクチュエータでも同様である。

そこで、本発明では、時間を費やすことなく、振動板等の可動部分（可動電極）の変位制御を実現することができる方法等を得ることを目的とする。

本発明に係る静電アクチュエータの駆動制御方法は、固定電極と、固定電極と所定の距離で対向して支持され、固定電極との間で生じさせた電位差に基づいて発生した静電気力により動作する可動電極とを備えた静電アクチュエータの駆動制御方法において、静電気力により固定電極に引き寄せられた可動電極に対し、支持された可動電極に加わる復元力により固定電極から可動電極を離間させるために一度電位差を小さくした後、可動電極の変位に対応した電位差により、固定電極から離れていく可動電極の変位を制御する。
本発明によれば、一度電位差を小さくした後、可動電極の変位に対応した電位差により静電気力を発生させることにより、固定電極から離れていく可動電極の変位を制御し、所望する挙動を行わせることができる。

また、本発明に係る液滴吐出ヘッドの吐出制御方法は、ノズルと、ノズルに連通する流路と、個別電極と、個別電極と所定の距離で対向して流路の一部として支持された振動板とを備えた液滴吐出ヘッドに対し、個別電極と振動板との間で生じさせた電位差に基づく静電気力を発生させて振動板を変位させ、流路内の液体を加圧する液滴吐出ヘッドの吐出制御方法において、静電気力により個別電極に引き寄せられた振動板に対し、支持された振動板に加わる復元力により個別電極から振動板を離間させるために一度電位差を小さくした後、振動板の変位に対応した電位差により、個別電極から離れていく振動板の変位を制御する。
本発明によれば、一度電位差を小さくした後、振動板の変位に対応した電位差により静電気力を発生させることにより、個別電極から離れていく振動板の変位を制御し、所望する挙動を行わせることができる。

また、本発明に係る液滴吐出ヘッドの吐出制御方法は、ε₀ を真空の誘電率、ε₁ を振動板に成膜した絶縁膜の比誘電率、ｔｓを絶縁膜の厚さ、ｇを電極間距離、Ｓを振動板の面積、Ｃをコンプライアンスとし、
Ｅ＝［２Ｓｘ｛ｇ＋（ｔｓ／ε₁）−ｘ｝²／ε₀Ｃ］^1/2
の式を満たすように、振動板の変位ｘに対する電位差Ｅを定め、個別電極から離れていく振動板の変位を制御する。
本発明によれば、上記の式に基づいて振動板の変位を制御するようにしたので、静電力と復元圧力とのバランスにおいて制御を行うことができる。

また、本発明に係る液滴吐出ヘッドの吐出制御方法は、一度電位差を小さくして振動板を離間させた後、液滴としてノズルから吐出しようとする液体の後端部分を流路内に引き込ませるために電位差を大きくして振動板を個別電極側に引き寄せる。
本発明によれば、液体の後端部分を流路内に引き込ませるように制御するようにしたので、液体の後端部分がカットされ、液滴の吐出量を減らすことができ、これにより吐出量の制御を行うことができる。例えば、画像印刷等の場合には紙面上の各位置の吐出量調整により高画質化を図ることができる。

また、本発明に係る液滴吐出ヘッドの吐出制御方法は、振動板の残留振動を抑制するため、液滴を吐出させるために液体加圧した後の復元力による振動板の変位速度を、静電力発生により減速させる。
本発明によれば、電位差による静電力により、変位速度を減速させ、振動板のオーバーシュートを抑えるようにして残留振動を抑制するようにしたので、次の吐出動作までの時間（駆動周期）を短くすることができ、高速化等を図ることができる。

また、本発明に係る液滴吐出ヘッドの吐出制御方法は、流路内の液体に振動を加えるために静電気力により個別電極側に引き寄せた振動板に対し、液滴を吐出させず、かつ残留振動を抑制させるような電位差を生じさせて静電気力を発生させ、個別電極から離れていく振動板の変位速度を制御する。
本発明によれば、液滴を吐出しない場合、振動を与えることにより液体を攪拌し、例えば水分蒸発による液体の増粘化を防ぎ、ノズルから液滴吐出が不能になってしまうのを防ぐことができる。そして、その振動による液滴吐出を抑制するように振動板の離間動作を制御するようにしたので、余剰な液滴吐出無しに液体に強い振動を与えることができ、攪拌の効果を高めることができる。

また、本発明に係る液滴吐出ヘッドの吐出制御方法は、複数の吐出特性に合わせ、振動板の位置に基づく電位差と時間との関係をそれぞれ規定し、吐出特性を使い分けた液滴吐出制御を行う。
本発明によれば、複数の吐出特性について、振動板の位置に基づく電位差と時間との関係をそれぞれ規定し、吐出特性を使い分けるようにしたので、吐出量、吐出速度等に合わせて、例えば一定の周期毎に使い分けることができる。また、特に制御を行わない従来と同様のパルスによる吐出との組み合わせ等、様々な吐出形態での吐出を行うように制御することができる。

また、本発明に係る液滴吐出装置の吐出制御方法は、上記の液滴吐出ヘッドの吐出制御方法を適用して液滴吐出装置の吐出を制御する。
本発明によれば、上記の液滴吐出ヘッドの吐出制御方法を適用したので、所望する振動板の挙動を行わせることができ、吐出量制御、残留振動制御等による高速化、画像印刷の高画質化等を図ることができる。

また、本発明に係る静電駆動デバイスの駆動制御方法は、上記の静電アクチュエータの駆動制御方法を適用してデバイスを駆動制御する。
本発明によれば、上記の駆動方法を適用したので、可動電極に対し、所望する駆動を行わせることができるため、多様なデバイスの駆動制御を行うことができる。

また、本発明に係る液滴吐出装置は、上記の液滴吐出ヘッドの吐出制御方法による吐出制御を行って、吐出対象物への液滴吐出を行う。
本発明によれば、上記の液滴吐出ヘッドの吐出制御方法を適用したので、所望する振動板の挙動を行わせることができ、吐出量制御、残留振動制御等による高速化、画像印刷の高画質化等を実現した装置を得ることができる。

また、本発明に係る静電駆動デバイスは、上記の静電アクチュエータの駆動制御方法による制御を行ってアクチュエータを駆動する。
本発明によれば、上記の駆動方法を適用したので、可動電極に対し、所望する駆動を行わせることができるため、多様な駆動制御を行うデバイスを得ることができる。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る液滴吐出ヘッドを分解して表した図である。図１では液滴吐出ヘッドの一部を示している。本実施の形態では、例えば静電方式で駆動する静電アクチュエータを用いるデバイスの代表として、プリンタ等、液滴吐出装置に用いられるフェイスイジェクト型の液滴吐出ヘッドについて説明する。液滴吐出ヘッドは、例えば液滴を吐出して画像を形成する等の目的のために、複数の静電アクチュエータが集約されたデバイスである。なお、構成部材を図示し、見やすくするため、図１を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものと異なる場合がある。また、図の上側を上とし、下側を下として説明する。

図１に示すように本実施の形態に係る液滴吐出ヘッドは、電極基板１０、キャビティ基板２０及びノズル基板３０の３つの基板が下から順に積層されて構成される。本実施の形態では、電極基板１０とキャビティ基板２０とは陽極接合により接合する。また、キャビティ基板２０とノズル基板３０とはエポキシ樹脂等の接着剤を用いて接合する。

電極基板１０は、厚さ約１ｍｍの例えばホウ珪酸系の耐熱硬質ガラス等の基板を主要な材料としている。本実施形態では、ガラス基板とするが、例えば単結晶シリコンを基板とすることもできる。電極基板１０の表面には、後述するキャビティ基板２０の吐出室２１となる凹部に合わせ、例えば深さ約０．３μｍを有する複数の凹部１１が形成されている。そして、凹部１１の内側（特に底部）に、キャビティ基板２０の各吐出室２１（振動板２２）と対向するように固定電極となる個別電極１２が設けられ、さらにリード部１３及び端子部１４が一体となって設けられている（以下、特に区別する必要がない限り、これらを合わせて個別電極１２として説明する）。振動板２２と個別電極１２との間には、振動板２２が撓む（変位する）ことができる一定のギャップ（空隙）が凹部１１により形成されている。個別電極１２は、例えばスパッタ法により、ＩＴＯを０．１μｍの厚さで凹部１１の内側に成膜することで形成される。また、電極基板１０には、外部のタンク（図示せず）から供給された液体を取り入れる流路となる液体供給口１６となる貫通穴が設けられている。

キャビティ基板２０は、例えば表面が（１１０）面方位のシリコン単結晶基板（以下、シリコン基板という）を主要な材料としている。キャビティ基板２０には、吐出させる液体を一時的にためる吐出室２１となる凹部（底壁が可動電極となる振動板２２となっている）及びリザーバ２４となる凹部が形成されている。さらに、キャビティ基板２０の下面（電極基板１０と対向する面）には、個別電極１２との間を電気的に絶縁等するため、ＴＥＯＳ膜（ここでは、Tetraethyl orthosilicate Tetraethoxysilane：テトラエチルオルソシリケート（珪酸エチル）を原料ガスとして用いてできるＳｉＯ₂ 膜をいう）による絶縁膜２３を０．１μｍ成膜している。ここでは絶縁膜２３をＴＥＯＳ膜で成膜しているが、例えばＡｌ₂Ｏ₃（酸化アルミニウム（アルミナ））等を用いてもよい。また、各吐出室２１に液体を供給するリザーバ（共通液室）２４となる凹部が形成されている。さらに、外部の電力供給手段（図示せず）からキャビティ基板２０（振動板２２）に電荷を供給する際の端子となる共通電極端子２７を備えている。

ノズル基板３０についても、例えばシリコン基板を主要な材料とする。ノズル基板３０には、複数のノズル３１が形成されている。各ノズル３１は、振動板２２の変位により加圧された液体を液滴として外部に吐出する。本実施の形態では、吐出した液滴の直進性向上を図るため、ノズル３１の孔を複数段で形成する。また、振動板２２が撓むことでリザーバ２４方向に加わる圧力を緩衝するダイヤフラム３２がさらに設けられている。また、吐出室２１とリザーバ２４とを連通させるための溝となるオリフィス３３が設けられている。

図２は液滴吐出ヘッドの断面図である。図２において、吐出室２１はノズル３１から吐出させる液体をためておく。吐出室２１の底壁である振動板２２を撓ませることにより、吐出室２１内の圧力を高め、ノズル３１から液滴を吐出させる。ここで、異物、水分（水蒸気）等がギャップに入り込まないように、ギャップを外気から遮断し、密閉するために電極取り出し口２６に封止材２５が設けられている。

図３は駆動制御回路４０を中心とする構成を表す図である。図３に基づいて、液滴吐出ヘッドから液滴を吐出させるための制御を行う手段等について説明する。駆動制御回路４０はＣＰＵ４２ａを中心に構成されたヘッド制御部４１を備えている。ヘッド制御部４１のＣＰＵ４２ａには、例えばコンピュータ等の外部装置５０からバス５１を介し、印刷用データ等を含む信号が送信される。

また、ヘッド制御部４１はＲＯＭ４３ａ、ＲＡＭ４３ｂ及びキャラクタジェネレータ４３ｃを有しており、内部バス４２ｂを介してＣＰＵ４２ａと接続されている。ＣＰＵ４２ａは、ＲＯＭ４３ａ内に格納されている制御プログラムに基づいて処理を実行し、印刷用データに対応した吐出制御信号を生成する。その際、ＲＡＭ４３ｂ内の記憶領域を作業領域として用い、また、文字等を印刷する等の場合、キャラクタジェネレータ４３ｃに記憶されたキャラクタデータ等に基づく処理を行う。ＣＰＵ４２ａが生成した吐出制御信号は、内部バス４２ｂを介して論理ゲートアレイ４５に送信される。論理ゲートアレイ４５は、吐出制御信号に基づいて、後述するように、各個別電極１２に対する電荷供給に関する信号を生成する。また、ＣＯＭ発生回路４６ａからは、後述するようにキャビティ基板２０（振動板２２）に対する電荷供給に関する信号を生成する。駆動パルス発生回路４６ｂは同期のための信号を生成する。これらの信号は、コネクタ４７を経由して、ドライバＩＣ４８に送信される。

そして、ドライバＩＣ４８は、直接又はＦＰＣ（Flexible Print Circuit）、ワイヤ等の配線４９を介して電気的に端子部１４、共通電極端子２７と接続される。ドライバＩＣ４８の端子数が液滴吐出ヘッドのノズル３１の数に足りなければ、複数のドライバＩＣ４８で構成されている場合もある。ドライバＩＣ４８は、電源回路６０から電力の供給を受け（電圧が印加され）、前述した各種信号に基づいて、キャビティ基板２０（振動板２２）及び各個別電極１２への電荷供給に関し、開始（充電）、保持及び放電を実際に行う手段である。電荷供給、保持、放電を繰り返すことにより、例えば、キャビティ基板２０側に電荷が供給される一方で、個別電極１２側に供給されていない状態をつくることにより電位差を生じさせている。

電圧印加により振動板２２と個別電極１２との間に静電力が発生し、振動板２２は個別電極１２側に引き寄せられて撓む。このため吐出室２１の容積は広がるが、この撓みが大きければ、振動板２２が元に戻ろうとするときの復元力も大きく、その圧力（以下、復元圧力という）が液体に加わり、ノズル３１から液体を押し出して液滴が吐出される。この液滴が例えば記録対象となる記録紙に着弾させることによって印刷等の記録が行われる。

図４は本実施の形態における振動板２２の変位と発生する電位差（以下、印加電圧という）の関係について概略的に示した図である。図４（ａ）は、振動板２２を個別電極１２に当接する場合の関係を表し、図４（ｂ）は当接しない場合の関係を表す。本実施の形態は、例えば駆動周期において、今までは振動板２２の復元の際の変位を、振動板２２が有する復元力のみに任せていたが、これを所望の挙動になるように制御しようとするものである。そのため、振動板２２が復元する際にも振動板２２と個別電極１２との間に電位差を発生させる。ここでは、駆動周期における振動板２２の挙動（変位の時間推移）をあらかじめ定めておき、その挙動を示すように振動板２２と個別電極１２との間に電位差を発生させる。これにより、液滴吐出量の制御、振動板２２の残留振動の低減等、実現したい振動板２２の挙動に合わせた制御を行うことができる。

本実施の形態における挙動に対応した印加電圧を求めるための具体的な方法として以下に示すように、振動板２２の変位と印加電圧との関係を導き出す。まず、静電力Ｐｅは次式（１）で表される。ここで、ε₀ は真空の誘電率、ε₁ は絶縁膜２３の比誘電率、ｔｓは絶縁膜２３の厚さ、ｇは電極間距離、Ｅは印加電圧、ｘは振動板２２の変位を表す。
Ｐｅ＝ε₀［Ｅ／｛ｇ＋（ｔｓ／ε₁）−ｘ｝］² ／２ …（１）

一方、振動板２２の復元圧力Ｐｐは次式（２）で表される。ここで、Ｃは振動板２２のコンプライアンス、Ｓは振動板の面積を表す。また、（２）式におけるコンプライアンスＣは、振動板２２の材料定数、寸法、厚さ等から定められるものであり、一般的には次式（３）で表される。ここで、Ｗは振動板２２の幅（短辺方向）、Ｌは振動板２２の長さ（長辺方向）、Ｅ₁ はヤング率、ｔは振動板２２の厚さを表す。なお、振動板２２の固有周期は、コンプライアンスＣの平方根に比例する。
Ｐｐ＝Ｓｘ／Ｃ …（２）
Ｃ＝Ｗ⁵・Ｌ／６０Ｅ₁ｔ³ …（３）

ここで、本実施の形態では、各変位において静電力と復元圧力とが釣り合っているものと考える。このときＰｅ＝Ｐｐであるので、次式（４）のようになる。
ε₀［Ｅ／｛ｇ＋（ｔｓ／ε₁）−ｘ｝］² ／２＝Ｓｘ／Ｃ …（４）

（４）式を印加電圧Ｅについて展開すると、変位ｘのときの印加電圧Ｅは次式（５）で表される。
Ｅ＝［２Ｓｘ｛ｇ＋（ｔｓ／ε₁）−ｘ｝²／ε₀Ｃ］^1/2 …（５）

図５は振動板２２の変位（振動板２２の挙動）と（５）式に基づいて算出した印加電圧との関係を表す図である。図５（ａ）は、所望する振動板２２の変位する位置と時間との関係例を表している。そして、図５（ｂ）は振動板２２の位置に対応する印加電圧を表す。例えば、液滴吐出させるだけの加圧を液体に加えた後、振動板２２を復元させる際、線形的な軌跡が描かれるような、時間に対する変位が行われるようにする。これにより、振動板２２が急激に戻ることなく、オーバーシュートを防ぎ、残留振動を抑えることができる。このとき（５）式に基づけば、印加電圧Ｅを最も高くしなければならない箇所は、振動板２２の元の位置と当接位置の間（ｇ＋（ｔｓ／ε₁ ）の約１／３変位した部分）にあるため、それに合わせて、離間させるために一度低くした印加電圧を再度高くし、また、低くして、上に凸となる形で印加電圧を制御する。ここで印加電圧の高低は、電圧の絶対値に対して述べているものとする。したがって印加電圧が高いということは電位差が大きく、印加電圧が低いということは電位差が小さいこととなる（そのため電圧が負の場合にはその形状は下に凸の形となる）。なお、現実に振動板２２を変位させる場合、振動板２２は各位置において静止して釣り合いを保っているわけではなく、移動しているため、（５）式に沿った上で、液滴の飛翔状態、量等を測定した上で調整を行った方が、より正確に挙動制御を行うことができる。

図６は残留振動抑制のための制御の有無に基づく振動板２２の変位を表す図である。従来と同様に、離れていく（離間する）振動板２２の変位を制御しなかった場合には、図６（ａ）のように残留振動が収束まで時間を要し、次の吐出を行う動作に移行するための時間がかかる（駆動周期が長くなる）。一方、残留振動を抑えるように振動板２２の変位を制御すれば、駆動周期を短くすることができ、図６（ｂ）に示すように、駆動周期が短くなり、時間当たりの吐出回数を増やすことができるため、例えば高速化等、効率化を図ることができる（例えば減衰時間が１／２になると吐出回数を２倍に増やすことができ効率がよくなる）。

図７は制御による印加電圧について具体的に示した図である。この図では、液滴吐出に際して液体の後端カット（切り取り）を行っている。また、残留振動を抑制するための印加電圧の制御も行っている。吐出された液滴は、最初は、柱状を成しており、その後、液体の表面張力等で球状になって液滴吐出ヘッドから分離していく。そこで、液体が液滴吐出ヘッドから分離する前に、再度の電圧印加により静電力を発生させ、吐出室２１側に向けた力を加える。復元圧力により加圧された柱状の液体の先端側はその勢いを保ってヘッドから離れていくが、後端側は吐出室２１（ノズル３１）に引き込まれる。これにより、制御しない場合の液滴の吐出量と比して、吐出量（液滴の大きさ）を減らすようにすることができる。残留振動を抑制するための電圧印加制御については、図５における説明と同様であるので説明を省略する。

上記のような制御を行うため、各個別電極１２の電荷供給量を駆動制御回路４０（ドライバＩＣ４８）が制御し、液滴吐出ヘッドにおける各ノズル３１からの液滴吐出制御等を行う。

以上のように実施の形態１によれば、ある時間における振動板２２の変位の位置における振動板２２と個別電極１２との間の印加電圧を任意に高く及び／又は低くできるように設定し、駆動制御回路４０（ドライバＩＣ４８）がその設定電圧を液滴吐出ヘッドの各振動板と各個別電極１２に印加して、特に振動板２２が個別電極１２から離間する方向に対して、各振動板２２（液滴吐出ヘッド）の変位を制御するようにしたので、各振動板２２に所望の挙動を行わせることができる。このとき、振動板２２が変位する位置における印加電圧を、（５）式のように静電力と復元圧力とのバランスにおいて決定するようにし、そのバランスを保つため、例えば、個別電極１２に当接した振動板２２を離間させるために低くした電圧を再度高くし、上（下）に凸となるような形状となるように電圧を印加するようにしたので、振動板２２の時間に対する変位が急峻となる部分がなくなり、線形的に穏やかに戻る挙動とすることができる。

このようにして、残留振動を抑制し、素早く平衡状態に移行することができるため、駆動周波数を高める（駆動周期を短くする）ことができ、高速化等を図ることができる。また、液滴吐出ヘッドにおいては、残留振動が吐出室２１にためられた液体を加圧してノズル３１から吐出させてしまったり、他の吐出室２１の液体、振動等に悪影響を及ぼすこともない。また、ノズル３１からの液滴吐出タイミングに合わせて、吐出しようとする液体の後端切り取りを行うようにしたので、さらに微小な液滴をノズル３１から吐出することができる。そして、例えば通常行っている吐出と組み合わせることで、１度の吐出において、複数の液滴吐出量の使い分けを行うことができる。

実施の形態２．
図８は本発明の実施の形態２に係る液体を吐出させない場合の振動板２２の変位（振動板２２の挙動）と印加電圧との関係を表す図である。吐出させない場合でも、ノズル３１から液滴が吐出しない程度の復元圧力を液体に加えるようにするとよい。これにより、液滴を吐出させない場合でも液体に振動を発生させて、液体を攪拌することで、液体が長時間同じ状態で停止するのを防ぐ。そのため外気に水分を蒸発させて増粘してしまうのを防ぎ、ノズル３１の目詰まり等による吐出不能状態になることを防止することができる。ここで、残留振動を生じさせないように、吐出させない場合においても上（下）に凸となるような波形とし、線形的に変位させるように印加する電圧を制御する。また、通常、図８のように、このような振動を発生させる場合には振動板２２を個別電極１２に当接させずに行うが、本実施の形態の方法では、復元しようとする振動板２２を穏やかに戻すようにすることで、液体に加える圧力を小さくすることができるので、当接させてもよい。

以上のように実施の形態２によれば、液滴を吐出しない場合でも、液体がノズル孔内の一定位置に長時間留まらないように、静電力発生時間（電圧印加時間）を振動板２２を少しだけ変位させて液体を振動させるようにするので、例えば水分蒸発によって液体が増粘し、ノズル３１から液滴吐出が不能になってしまうのを防ぐことができる。特に攪拌を大きくしようと大きな振動を与えるために高い電圧を印加することもできる。そして、その際にも上（下）に凸となるような形状となるように電圧を印加するようにしたので、振動板２２の時間に対する変位が急峻となる部分がなくなり、線形的に穏やかに戻る挙動とすることができる。

実施の形態３．
上述の実施の形態１においては、残留振動抑制、吐出する液体の後端切り取りの際に印加する電圧制御について説明した。また、実施の形態２では、液滴を吐出させない場合の印加電圧制御について説明した。本発明はこれらの制御だけに限定するものではなく、他の制御を行うため、電圧制御を行うようにしてもよい。

実施の形態４．
上述の実施の形態では、電極基板１０、キャビティ基板２０及びノズル基板３０の３つの基板が積層されて構成された液滴吐出ヘッドについて説明したがこれに限定されるものではない。例えば、吐出室とリザーバとをそれぞれ別の基板に形成し、積層した４層の基板で構成した液滴吐出ヘッドについても適用することができる。

実施の形態５．
図９は上述の実施の形態で製造した液滴吐出ヘッドを用いた液滴吐出装置（プリンタ１００）の外観図である。また、図１０は液滴吐出装置の主要な構成手段の一例を表す図である。図８及び図９の液滴吐出装置は液滴吐出方式（インクジェット方式）による印刷を目的とする。また、いわゆるシリアル型の装置である。図１０において、被印刷物であるプリント紙１１０が支持されるドラム１０１と、プリント紙１１０にインクを吐出し、記録を行う液滴吐出ヘッド１０２とで主に構成される。また、図示していないが、液滴吐出ヘッド１０２にインクを供給するためのインク供給手段がある。プリント紙１１０は、ドラム１０１の軸方向に平行に設けられた紙圧着ローラ１０３により、ドラム１０１に圧着して保持される。そして、送りネジ１０４がドラム１０１の軸方向に平行に設けられ、液滴吐出ヘッド１０２が保持されている。送りネジ１０４が回転することによって液滴吐出ヘッド１０２がドラム１０１の軸方向に移動するようになっている。

一方、ドラム１０１は、ベルト１０５等を介してモータ１０６により回転駆動される。また、駆動制御回路４０は、印刷用データ及び制御信号に基づいて送りネジ１０４、モータ１０６を駆動させる。また、ここでは図示していないが、実施の形態１で説明したようにドライバＩＣ４８から各個別電極１２に対して電荷供給を制御して任意の電圧を印加して各振動板２２を振動させ、制御をしながらプリント紙１１０に印刷を行わせる。

ここでは液体をインクとしてプリント紙１１０に吐出するようにしているが、液滴吐出ヘッドから吐出する液体はインクに限定されない。例えば、カラーフィルタとなる基板に吐出させる用途においては、カラーフィルタ用の顔料を含む液体、有機化合物等の電界発光素子を用いた表示パネル（ＯＬＥＤ等）の基板に吐出させる用途においては、発光素子となる化合物を含む液体、基板上に配線する用途においては、例えば導電性金属を含む液体を、それぞれの装置において設けられた液滴吐出ヘッドから吐出させるようにしてもよい。また、液滴吐出ヘッドをディスペンサとし、生体分子のマイクロアレイとなる基板に吐出する用途に用いる場合では、ＤＮＡ（Deoxyribo Nucleic Acids ：デオキシリボ核酸）、他の核酸（例えば、Ribo Nucleic Acid：リボ核酸、Peptide Nucleic Acids：ペプチド核酸等）タンパク質等のプローブを含む液体を吐出させるようにしてもよい。その他、布等の染料の吐出等にも利用することができる。

実施の形態６．
図１１は本発明を利用した波長可変光フィルタを表す図である。上述の実施の形態は、液滴吐出ヘッドを例として説明したが、本発明は液滴吐出ヘッドだけに限定されず、他の微細加工による静電アクチュエータを利用した静電型のデバイスにも適用することができる。例えば、図９の波長可変光フィルタは、ファブリ・ペロー干渉計の原理を利用し、可動鏡１２０と固定鏡１２１との間隔を変化させながら選択した波長の光を出力するものである。可動鏡１２０を変位させるためには、可動鏡１２０が設けられている、シリコンを材料とする可動体１２２（可動電極となる）を変位させる。そのために固定電極１２３と可動体１２２（可動鏡１２０）とを所定の間隔（ギャップ）で対向配置する。可動体には支持部１２６が一体形成されており、支持部１２６の弾性力が復元力となる。静電力により固定電極１２３側に引き寄せられた可動体１２２が元の位置に戻ろうとするときに、前述したように、駆動制御回路４０Ａが印加電圧を制御することにより可動体１２２の変位を制御する。

同様にモータ、センサ、ＳＡＷフィルタのような振動素子（レゾネータ）、波長可変光フィルタ、ミラーデバイス等、他の種類の微細加工のアクチュエータ等にも適用することができる。

実施の形態１に係る液滴吐出ヘッドを分解して表した図である。 液滴吐出ヘッドの断面図である。 駆動制御回路４０を中心とする構成を表す図である。 振動板２２の変位と印加する電圧の関係を概略的に示した図である。 振動板２２の変位と（５）式に基づく印加電圧との関係を表す図である。 残留振動抑制の制御の有無に基づく振動板２２の変位を表す図である。 制御による電圧印加について具体的に示した図である。 液体を吐出させない場合の振動板の変位と電圧との関係を表す図である。 液滴吐出ヘッドを用いた液滴吐出装置の外観図である。 液滴吐出装置の主要な構成手段の一例を表す図である。 本発明を利用した波長可変光フィルタを表す図である。

符号の説明

１０ 電極基板、１１ 凹部、１２ 個別電極、１３ リード部、１４ 端子部、１５ 液体供給口、２０ キャビティ基板、２１ 吐出室、２２ 振動板、２３ 絶縁膜、２４ リザーバ、２５ 封止材、２６ 電極取り出し口、２７ 共通電極端子、３０ ノズル基板、３１ ノズル、３２ ダイヤフラム、３３ オリフィス、４０ 駆動制御回路、４１ ヘッド制御部、４２ａ ＣＰＵ、４２ｂ バス、４３ａ ＲＯＭ、４３ｂ ＲＡＭ、４３ｃ キャラクタジェネレータ、４５ 論理ゲートアレイ、４６ａ ＣＯＭ発生回路、４６ｂ 駆動パルス発生回路、４７ コネクタ、４８ ドライバＩＣ、４９ 配線、５０ 外部装置、５１ バス、６０ 電源回路、１００ プリンタ、１０１ ドラム、１０２ 液滴吐出ヘッド、１０３ 紙圧着ローラ、１０４ 送りネジ、１０５ ベルト、１０６ モータ、１０７ プリント制御手段、１１０ プリント紙、１２０ 可動鏡、１２１ 固定鏡、１２２ 可動体、１２３ 固定電極、１２４ 固定電極端子。

Claims (11)

1. 固定電極と、該固定電極と所定の距離で対向して支持され、前記固定電極との間で生じさせた電位差に基づいて発生した静電気力により動作する可動電極とを備えた静電アクチュエータの駆動制御方法において、
   前記静電気力により前記固定電極に引き寄せられた前記可動電極に対し、支持された前記可動電極に加わる復元力により前記固定電極から前記可動電極を離間させるために一度電位差を小さくした後、前記可動電極の変位に対応した電位差により、前記固定電極から離れていく前記可動電極の変位を制御することを特徴とする静電アクチュエータの駆動制御方法。
2. ノズルと、該ノズルに連通する流路と、個別電極と、該個別電極と所定の距離で対向して前記流路の一部として支持された振動板とを備えた液滴吐出ヘッドに対し、前記個別電極と前記振動板との間で生じさせた電位差に基づく静電気力を発生させて前記振動板を変位させ、前記流路内の液体を加圧する液滴吐出ヘッドの吐出制御方法において、
   前記静電気力により前記個別電極に引き寄せられた前記振動板に対し、支持された前記振動板に加わる復元力により前記個別電極から前記振動板を離間させるために一度電位差を小さくした後、前記振動板の変位に対応した電位差により、前記個別電極から離れていく前記振動板の変位を制御することを特徴とする液滴吐出ヘッドの吐出制御方法。
3. ε₀ を真空の誘電率、ε₁ を前記振動板に成膜した絶縁膜の比誘電率、ｔｓを前記絶縁膜の厚さ、ｇを電極間距離、Ｓを振動板の面積、Ｃをコンプライアンスとし、以下に示す式を満たすように、前記振動板の変位ｘに対する電位差Ｅを定め、前記個別電極から離れていく前記振動板の変位を制御することを特徴とする請求項２記載の液滴吐出ヘッドの吐出制御方法。
   Ｅ＝［２Ｓｘ｛ｇ＋（ｔｓ／ε₁）−ｘ｝²／ε₀Ｃ］^1/2
4. 一度電位差を小さくして前記振動板を離間させた後、液滴として前記ノズルから吐出しようとする液体の後端部分を前記流路内に引き込ませるために電位差を大きくして前記振動板を前記個別電極側に引き寄せることを特徴とする請求項２又は３記載の液滴吐出ヘッドの吐出制御方法。
5. 前記振動板の残留振動を抑制するため、液滴を吐出させるために液体加圧した後の前記復元力による振動板の変位速度を、前記静電力を発生させて減速させることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドの吐出制御方法。
6. 前記流路内の液体に振動を加えるために前記静電気力により前記個別電極側に引き寄せた前記振動板に対し、液滴を吐出させないように、かつ、残留振動を抑制させるような電位差を生じさせて静電気力を発生させ、前記個別電極から離れていく前記振動板の変位速度を制御することを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドの吐出制御方法。
7. 複数の吐出特性に合わせ、前記振動板の位置に基づく前記電位差と時間との関係をそれぞれ規定し、前記吐出特性を使い分けた液滴吐出制御を行うことを特徴とする請求項２〜６のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドの吐出制御方法。
8. 請求項２〜７のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドの吐出制御方法を適用して液滴吐出装置の吐出を制御することを特徴とする液滴吐出装置の吐出制御方法。
9. 請求項１記載の静電アクチュエータの駆動制御方法を適用してデバイスを駆動制御することを特徴とする静電駆動デバイスの駆動制御方法。
10. 請求項２〜７のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドの吐出制御方法による吐出制御を行って、吐出対象物への液滴吐出を行うことを特徴とする液滴吐出装置。
11. 請求項１記載の静電アクチュエータの駆動制御方法による制御を行ってアクチュエータを駆動することを特徴とする静電駆動デバイス。
    

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