JP2008168509A - Liquid droplet ejection head, ejection control method for liquid droplet ejector, and liquid droplet ejector - Google Patents
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Description
本発明は、微細加工素子である液滴吐出ヘッド等の吐出制御方法に関するものである。特に液滴の吐出量、吐出速度を変化させることができるように制御を行う方法に関するものである。 The present invention relates to a discharge control method for a droplet discharge head or the like that is a microfabricated element. In particular, the present invention relates to a method for performing control so that the discharge amount and discharge speed of droplets can be changed.
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。 For example, micro electro mechanical systems (MEMS) that process silicon or the like to form minute elements or the like have made rapid progress. Examples of microfabricated elements formed by microfabrication technology include, for example, a droplet discharge head (inkjet head), a micropump, and an optical variable filter used in a recording (printing) apparatus such as a droplet discharge type printer. There are electrostatic actuators such as motors.
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(OLEDs)、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。 Here, a droplet discharge head using an electrostatic actuator (electro-mechanical energy conversion element) will be described as an example of a microfabricated element. A droplet discharge type recording (printing) apparatus is used for printing in various fields regardless of whether it is for home use or industrial use. In the droplet discharge method, for example, a droplet discharge head having a plurality of nozzles is moved relative to an object, and droplets are discharged to a predetermined position of the object to record printing or the like. . This system is a microarray of biomolecules such as color filters for producing display devices using liquid crystals, display panels (OLEDs) using electroluminescent devices such as organic compounds, DNA, proteins, etc. Etc. are also used in the manufacture of
液滴吐出ヘッドにおいて、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。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)を発生させる。液滴吐出ヘッドでは、以上のような形で静電アクチュエータを利用している。 The droplet discharge head includes a plurality of discharge chambers for storing liquid in a part of the flow path, and is a wall on at least one surface of the discharge chamber (here, a bottom wall, hereinafter referred to as a diaphragm). There is a method in which the pressure in the discharge chamber is increased by changing the shape and the droplets are discharged from each communicating nozzle. As the force (energy) for displacing the diaphragm, which is a movable part, for example, the diaphragm is a movable electrode, and static electricity is generated between the diaphragm and a fixed electrode (hereinafter referred to as an individual electrode) facing each other with a certain distance. A force (in particular, electrostatic attraction is used here, hereinafter referred to as electrostatic force) is generated. In the droplet discharge head, the electrostatic actuator is used as described above.
静電アクチュエータを利用した液滴吐出ヘッドの吐出動作については、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、振動板を個別電極に引き寄せる。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、振動板が元の位置に変位する。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)。 Regarding the discharge operation of the droplet discharge head using the electrostatic actuator, for example, in the case of displacement driving, an electrostatic force is generated between the diaphragm and the individual electrode, and the diaphragm is attracted to the individual electrode. After that, if the electrostatic force is weakened or the generation is stopped, the restoring force (elastic force) that restores the shape of the discharge chamber (displaced diaphragm) to return to its original state becomes larger, so the diaphragm Is displaced to the original position. By repeating these, the diaphragm is driven (see, for example, Patent Document 1).
ここで、振動板の変位が大きければ、例えば、吐出室内の液体の変化が大きく、また、復元力も大きくなる。これを利用して、ノズルから吐出する液滴の吐出量等の吐出特性を変化させようとすることも試みられている。しかしながら、従来は、個別電極を階段状に形成する等、液滴吐出ヘッドの構造を変化させることによって、吐出特性を変化させようとするものであったため、製造の際には工数等を必要とするため、コストを高める要因となっていた。 Here, if the displacement of the diaphragm is large, for example, the change of the liquid in the discharge chamber is large, and the restoring force is also large. An attempt has been made to change the discharge characteristics such as the discharge amount of droplets discharged from the nozzle by utilizing this. However, conventionally, since the discharge characteristics have been changed by changing the structure of the droplet discharge head, such as by forming individual electrodes in a stepped manner, man-hours and the like are required for manufacturing. Therefore, it was a factor to increase the cost.
そこで、より簡単な方法で液滴の吐出量等の吐出特性を可変にすることができる液滴吐出ヘッド等の吐出制御方法を得ることを目的とする。 Accordingly, it is an object of the present invention to provide a discharge control method for a droplet discharge head or the like that can vary discharge characteristics such as a droplet discharge amount by a simpler method.
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、流路の一部に設けられた振動板とを備えた液滴吐出ヘッドの吐出制御方法において、振動板と個別電極との間に第1の電圧を印加して静電気力を発生させ、個別電極との間が所定の間隔となる位置に振動板を変位させる工程と、振動板と個別電極との間に液滴を吐出させるための第2の電圧をさらに印加して、振動板と個別電極との間に静電気力を発生させ、振動板を変位させて流路内の液体を加圧して液滴を吐出する工程とを有するものである。
本発明によれば、振動板と個別電極との間に第1の電圧を印加して、振動板を所定の間隔となる位置にあらかじめ変位させておき、その後、第2の電圧を印加して、流路内の液体を加圧し、ノズルから液滴を吐出させるようにしたので、例えば、段差構造の個別電極等、液滴吐出ヘッドの構造を複雑なものにしなくても、印加する電圧を変化させる制御を行うだけで、振動板の位置を変化させておき、吐出を行うことができる。
A droplet discharge head discharge control method according to the present invention includes a nozzle, a flow channel communicating with the nozzle, an individual electrode, and a diaphragm that is opposed to the individual electrode at a predetermined distance and is provided in a part of the flow channel. In the discharge control method of the droplet discharge head, the first voltage is applied between the diaphragm and the individual electrode to generate an electrostatic force, and the gap between the individual electrodes is at a predetermined distance. A step of displacing the diaphragm and a second voltage for discharging a droplet between the diaphragm and the individual electrode are further applied to generate an electrostatic force between the diaphragm and the individual electrode, thereby vibrating the diaphragm. And a step of displacing the plate to pressurize the liquid in the flow path and discharge the droplets.
According to the present invention, the first voltage is applied between the diaphragm and the individual electrode, the diaphragm is displaced in advance to a position having a predetermined interval, and then the second voltage is applied. Since the liquid in the flow path is pressurized and the liquid droplets are ejected from the nozzle, the applied voltage can be applied without complicating the structure of the liquid droplet ejection head, such as an individual electrode having a step structure. By simply performing control to change, it is possible to change the position of the diaphragm and perform discharge.
また、本発明に係る液滴吐出ヘッドの吐出制御方法は、第2の電圧の印加によって、液滴の吐出速度が最大となる個別電極と振動板との間隔に合わせて第1の電圧を印加し、振動板を変位させる。
本発明によれば、第2の電圧に対して、吐出速度が最大となるような位置に第1の電圧を印加して振動板を変位させておくようにしたので、第2の電圧印加によって吐出する液滴を安定したものにすることができる。
In addition, in the ejection control method of the droplet ejection head according to the present invention, the first voltage is applied in accordance with the interval between the individual electrode and the diaphragm that maximizes the droplet ejection speed by applying the second voltage. Then, the diaphragm is displaced.
According to the present invention, the diaphragm is displaced by applying the first voltage at a position where the discharge speed becomes maximum with respect to the second voltage. The discharged droplets can be made stable.
また、本発明に係る液滴吐出ヘッドの吐出制御方法は、第1の電圧を印加する時間を、第2の電圧を印加する時間よりも長くする。
本発明によれば、第1の電圧を印加する時間を、第2の電圧を印加する時間よりも長くするようにしたので、変位による振動板と液体の振動が減衰して静止等した後に第2の電圧を印加することができ、安定した吐出を行うことができる。
In the droplet discharge head ejection control method according to the present invention, the time for applying the first voltage is made longer than the time for applying the second voltage.
According to the present invention, the time for applying the first voltage is made longer than the time for applying the second voltage. A voltage of 2 can be applied, and stable ejection can be performed.
また、本発明に係る液滴吐出ヘッドの吐出制御方法は、複数の電圧値の中から任意に選択した電圧値により、第2の電圧を振動板と個別電極との間に印加して振動板を変位させ、液滴を吐出する。
本発明によれば、複数の電圧値の中から選択した電圧値で第2の電圧を印加し、液滴を吐出するようにしたので、液滴吐出量等の吐出特性を変化させ、使い分けて吐出を行うことができる。これにより、例えば、同じノズルから着弾位置毎に液滴吐出量の異なるインクを吐出することにより印刷等を行う場合には高精細、高画質の印刷を行うことができる。
Further, according to the discharge control method of the droplet discharge head according to the present invention, the second voltage is applied between the vibration plate and the individual electrode by a voltage value arbitrarily selected from a plurality of voltage values. Is displaced, and droplets are discharged.
According to the present invention, the second voltage is applied at a voltage value selected from a plurality of voltage values to eject the droplets. Therefore, the ejection characteristics such as the droplet ejection amount are changed and used separately. Discharging can be performed. Thereby, for example, when printing or the like is performed by ejecting ink having different droplet ejection amounts for each landing position from the same nozzle, high-definition and high-quality printing can be performed.
また、本発明に係る液滴吐出ヘッドの吐出制御方法は、複数の電圧値の中で最大値の電圧を第2の電圧として印加したときの液滴吐出量が最大となるように、あらかじめ振動板と個別電極との間隔を形成した液滴吐出ヘッドにおいて、最大の電圧を第2の電圧として印加するときの、第1の電圧を0Vとして、振動板の変位を0とする。
本発明によれば、液滴吐出ヘッドを、あらかじめ最大電圧を印加したときの液滴吐出量が最大となるように、振動板と個別電極との間隔を形成しておき、最大電圧を印加するときの第1の電圧を0Vとして実質的に電圧を印加しないようにし、振動板の変位を0とするようにしたので、最大電圧を印加するときの振動板の変位制御をさらに簡単にすることができる。また、各第2の電圧に対してどの程度振動板を変位させればよいかという基準を容易に設定することができる。
In addition, the droplet ejection head ejection control method according to the present invention vibrates in advance so that the droplet ejection amount is maximized when the maximum voltage of the plurality of voltage values is applied as the second voltage. In the droplet discharge head in which the distance between the plate and the individual electrode is formed, when the maximum voltage is applied as the second voltage, the first voltage is set to 0 V, and the displacement of the diaphragm is set to zero.
According to the present invention, the interval between the diaphragm and the individual electrode is formed so that the droplet discharge head has the maximum droplet discharge amount when the maximum voltage is applied in advance, and the maximum voltage is applied. Since the first voltage is set to 0V so that the voltage is not substantially applied and the displacement of the diaphragm is set to 0, the displacement control of the diaphragm when the maximum voltage is applied is further simplified. Can do. Further, it is possible to easily set a reference for how much the diaphragm should be displaced with respect to each second voltage.
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、液滴吐出ヘッドが有するノズルから、液滴毎に吐出特性を異ならせて吐出することができる。これにより、例えば液滴吐出装置により印刷等を行う場合には高精細、高画質の印刷を行うことができる。
In addition, the discharge control method of the droplet discharge device according to the present invention controls the discharge of the droplet discharge device by applying the discharge control method of the droplet discharge head described above.
According to the present invention, since the ejection control method for the droplet ejection head described above is applied, ejection can be performed with different ejection characteristics for each droplet from the nozzles of the droplet ejection head. Accordingly, for example, when printing is performed by a droplet discharge device, high-definition and high-quality printing can be performed.
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、同じノズルから着弾位置毎に吐出特性を異ならせて吐出し、例えば吐出対象物が紙等の印刷物の場合には、高精細、高画質の印刷が行える液滴吐出装置を得ることができる。
Further, a droplet discharge device according to the present invention performs discharge control by the above-described discharge control method of the droplet discharge head, and discharges droplets onto a discharge target.
According to the present invention, since the discharge control method of the droplet discharge head described above is applied, discharge is performed with different discharge characteristics for each landing position from the same nozzle. For example, when the discharge target is a printed matter such as paper In addition, it is possible to obtain a droplet discharge device that can perform high definition and high image quality printing.
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。
FIG. 1 is an exploded view of a droplet discharge head according to
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。
As shown in FIG. 1, the droplet discharge head according to the present embodiment is configured by laminating three substrates of an
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。ここで、振動板22(絶縁膜23)と個別電極12との間にできるギャップの間隔をギャップ長ということにする。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15となる貫通穴が設けられている。
The
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酸化シリコン(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。ここで、特に断らない限り、振動板22と絶縁膜23とは一体であるものとして説明する。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。
The
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。
The
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。
FIG. 2 is a cross-sectional view of the droplet discharge head. In FIG. 2, the discharge chamber 21 stores liquid to be discharged from the nozzle 31. By bending the diaphragm 22 which is the bottom wall of the discharge chamber 21, the pressure in the discharge chamber 21 is increased, and droplets are discharged from the nozzle 31. Here, a sealing
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。
FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration centering on the
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、振動板22と個別電極12との間に印加する電圧を指示する信号として、コネクタ47を経由してドライバIC48に送信される。
The head controller 41 includes a ROM 43a, a
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、電源及び電源回路60(以下、電源回路60という)から電力の供給を受け、前述した各種信号に基づいて、キャビティ基板20(各振動板22)及び各個別電極12への電荷供給の開始(充電)、電荷保持及び放電(これらが電荷供給制御となる)を実際に行う手段である。本実施の形態では、振動板22と個別電極12との間の電圧を変化させるような電荷供給制御を各個別電極12に対して行うことができる。そして、各ノズル31に対応する各振動板22と個別電極12との間の電荷供給(電圧印加)制御を行い、まず、第1の電圧(以下、待機変位電圧という)を印加して各振動板22を所定のギャップ長となるように変位させ、その後にノズル31から液滴を吐出させる第2の電圧(以下、駆動電圧という)を印加して振動板22をさらに変位させて液滴吐出を行うものである。
The
ドライバIC48は、キャビティ基板20(振動板22)、各個別電極12のそれぞれのパルス等の発生タイミングに基づいて、キャビティ基板20と各個別電極12との間に所定の電圧を印加する(電位差を発生させる)。電圧印加の方法としては、例えば、キャビティ基板20(振動板22側)又は個別電極12側の一方に正又は負の電荷供給等を行い、他方に電荷の供給を行わない状態等をつくることにより、電位差を発生させ、電圧を印加している。
The
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、吐出室21内の液体量も多くなり、また、振動板22が元に戻ろうとするときの復元力も大きくなる。この復元力による圧力が液体に加わり、ノズル31から液体を押し出して液滴として吐出される。この液滴が例えば記録対象となる記録紙に着弾することによって印刷等の記録が行われる。 An electrostatic force is generated between the diaphragm 22 and the individual electrode 12 by applying a voltage, and the diaphragm 22 is drawn toward the individual electrode 12 and bends. For this reason, the volume of the discharge chamber 21 increases, but if this deflection is large, the amount of liquid in the discharge chamber 21 increases, and the restoring force when the diaphragm 22 tries to return to the original state increases. Pressure due to this restoring force is applied to the liquid, and the liquid is pushed out from the nozzle 31 and discharged as droplets. Recording such as printing is performed when the droplets land on a recording sheet to be recorded, for example.
図4はギャップ長と液滴の吐出特性との関係を表す図である。図4における液滴の吐出特性は、基本的に液滴吐出量を表すものとする。また、振動板22の幅を100μm、厚さを2μm、長さを3mm(3000μm)としている。 FIG. 4 is a diagram illustrating the relationship between the gap length and the droplet ejection characteristics. The droplet discharge characteristics in FIG. 4 basically represent the droplet discharge amount. The diaphragm 22 has a width of 100 μm, a thickness of 2 μm, and a length of 3 mm (3000 μm).
例えば、図4(a)に示すように駆動電圧を一定とした場合、ギャップ長と液滴の吐出特性との関係をグラフで表すと、あるギャップ長において液滴吐出量がピークとなる、上に凸の曲線を描く。ここで、ピークとなるギャップ長が必ずしも一致するとは限らないものの、ギャップ長と液滴吐出速度との関係も、上に凸の曲線を描く傾向があると考えられる。 For example, when the drive voltage is constant as shown in FIG. 4A, the relationship between the gap length and the droplet discharge characteristics is represented by a graph, and the droplet discharge amount peaks at a certain gap length. Draw a convex curve. Here, although the peak gap lengths do not always coincide with each other, the relationship between the gap length and the droplet discharge speed is considered to tend to draw a convex curve.
基本的には、液滴吐出量が多ければ(又は液滴吐出速度が速ければ)、吐出された液滴は着弾まで安定して飛び続ける。したがって、吐出する液滴を安定させるには、所定の駆動電圧において、吐出特性がピークとなる所定のギャップ長にすればよい。例えば、図4において、駆動電圧が35Vのとき、吐出特性のピークにおけるギャップ長は200nm(0.2μm)となるものとする。そして、本実施の形態の液滴吐出ヘッドには、ドライバIC48から最大35Vの駆動電圧を印加するものとする。このような場合に、最適なギャップ長にするため、本実施の形態の液滴吐出ヘッドは、ギャップ長が200nm(0.2μm)となるように設計する。これにより、駆動電圧が35Vの場合には、変位を行わなくてもピークにおいて吐出を行うことができる。
Basically, if the droplet discharge amount is large (or if the droplet discharge speed is high), the discharged droplet continues to fly stably until landing. Therefore, in order to stabilize the ejected liquid droplets, a predetermined gap length at which the discharge characteristics reach a peak at a predetermined driving voltage may be used. For example, in FIG. 4, when the drive voltage is 35 V, the gap length at the peak of the ejection characteristics is 200 nm (0.2 μm). A driving voltage of a maximum of 35 V is applied from the
また、図4(a)に示すように、駆動電圧を変化させた場合、駆動電圧が高くなるほど、ギャップ長が長く、液滴吐出量が多い位置がピークとなる。そして曲線はグラフの右上方向に移行する(逆に駆動電圧が低くなるほど、曲線は左下方向に移行する)。 Further, as shown in FIG. 4A, when the drive voltage is changed, the higher the drive voltage, the longer the gap length and the greater the amount of liquid droplet ejected. The curve shifts in the upper right direction of the graph (in contrast, the curve shifts in the lower left direction as the drive voltage decreases).
図5はピークにおける駆動電圧、ギャップ長及び液滴の吐出特性の関係例を表す図である。図4、図5に示すように、駆動電圧を変化することにより、液滴吐出量(液滴吐出速度)を変化させることができる。ここで、図4(b)に示すように、ギャップ長を変化させずに駆動電圧のみを変化させて液滴を吐出させることもできるが、液滴吐出速度が大きく低下してしまう。そのため、例えば液体が増粘してしまって吐出できなくなる、例えば紙面への着弾位置のバラツキが大きくなる等の不具合が生じる可能性が高くなる。前述したように、安定した状態で液滴吐出量を変化させて吐出させるには、吐出特性がピークとなるようにすることが望ましい。そのため、吐出特性がピークとなる駆動電圧及びギャップ長の組み合わせで駆動(液滴吐出動作)をさせればよい。例えば、図5によれば、駆動電圧が35Vの場合にはギャップ長を200nm(0.2μm)、30Vの場合には170nm(0.17μm)、25Vの場合には140nm(0.14μm)となる組み合わせにする。 FIG. 5 is a diagram showing an example of the relationship between the driving voltage at the peak, the gap length, and the droplet ejection characteristics. As shown in FIGS. 4 and 5, the droplet discharge amount (droplet discharge speed) can be changed by changing the drive voltage. Here, as shown in FIG. 4B, it is possible to eject droplets by changing only the drive voltage without changing the gap length, but the droplet ejection speed is greatly reduced. For this reason, for example, there is a high possibility that the liquid becomes thickened and cannot be ejected, for example, a variation in landing position on the paper surface becomes large. As described above, in order to change the droplet discharge amount in a stable state and discharge the droplet, it is desirable that the discharge characteristics reach a peak. Therefore, the driving (droplet discharging operation) may be performed by a combination of the driving voltage and the gap length at which the discharge characteristics reach a peak. For example, according to FIG. 5, the gap length is 200 nm (0.2 μm) when the driving voltage is 35 V, 170 nm (0.17 μm) when 30 V, and 140 nm (0.14 μm) when 25 V. To a combination.
そこで、本実施の形態は、液滴を吐出させるための振動板22の変位を行う前の段階で、所定の待機変位電圧を印加して、振動板22を変位させ、あらかじめ所定のギャップ長(間隔)にしておく。そして、液滴を吐出させる振動板22の変位を行うため、振動板22と個別電極12との間にさらに所定の駆動電圧を印加し、所定のギャップ長から振動板22を変位させ、液体を加圧してノズル31から液滴を吐出させる。 Therefore, in the present embodiment, a predetermined standby displacement voltage is applied to displace the diaphragm 22 in a stage before the displacement of the diaphragm 22 for discharging droplets, and a predetermined gap length ( (Interval). Then, in order to displace the diaphragm 22 that discharges the liquid droplets, a predetermined driving voltage is further applied between the diaphragm 22 and the individual electrode 12 to displace the diaphragm 22 from a predetermined gap length, The liquid is discharged from the nozzle 31 under pressure.
図6はある駆動周期における駆動制御回路40(ドライバIC48)による振動板22と個別電極12との間に印加する電圧(発生する電位差)の波形例とその波形に対する各モードの設定例を表す図である。図6(a)は印加電圧の波形を表し、図6(b)は3つのモード設定例を表す。 FIG. 6 is a diagram showing a waveform example of a voltage (potential difference to be generated) applied between the diaphragm 22 and the individual electrode 12 by the drive control circuit 40 (driver IC 48) in a certain driving cycle and setting examples of each mode with respect to the waveform. It is. FIG. 6A shows the waveform of the applied voltage, and FIG. 6B shows three mode setting examples.
図6において、電圧V2は、液滴を吐出するために印加する電圧であり、前述した駆動電圧に相当する電圧である。図6(b)においては、モード1ではその値が35V、モード2では30V、モード3では25Vに設定される。また、電圧V1は、振動板22を変位させ、所定のギャップ長で待機させるための変位を与えるために印加する待機変位電圧に相当する電圧である。図6(b)においては、モード1では変位させる必要がない(変位を0とする)ため、その値が0V、モード2では5V、モード3では7Vに設定される。ここで、各モードにおける電圧V1(待機変位電圧)は、変位させたいギャップ長によって異なるが、液滴吐出ヘッド、駆動制御回路40を有する液滴吐出装置が製造され、出荷等の前に行う検査時に、駆動電圧とそのときの振動板22の変位(撓み量)との関係を測定することにより、例えば駆動制御回路40が設定を行うようにしてもよい。また、液滴吐出装置に搭載する駆動制御回路40等の構成によって、動作前に、その都度、ギャップ長を判断してその液滴吐出装置に応じた電圧V1を設定するようにしてもよい。ここで、ギャップ長は、振動板22と個別電極12との間の静電容量を測定することにより、演算により算出することができる。
In FIG. 6, a voltage V2 is a voltage applied to eject a droplet, and is a voltage corresponding to the drive voltage described above. In FIG. 6B, the value is set to 35V in
一方、各モードにおいては、印加する電圧は異なるが、電圧を変化させるタイミングは同じになるようにする。例えば、図6(b)の各モードでは、所定のギャップ長で待機させるための電圧を印加する時間T1を2μsとなるようにしている。また、液滴を吐出するために印加する電圧(駆動電圧)を印加する時間T2を30μsとなるようにしている。さらに、本実施の形態では、電圧印加を停止し、放電を行う時間T3を42μsとしている。 On the other hand, in each mode, the applied voltage is different, but the timing for changing the voltage is made the same. For example, in each mode of FIG. 6B, the time T1 for applying a voltage for waiting with a predetermined gap length is set to 2 μs. Further, the time T2 for applying the voltage (driving voltage) applied to eject the droplet is set to 30 μs. Furthermore, in the present embodiment, the voltage application is stopped and the discharge time T3 is set to 42 μs.
ここで、図6においてはT1とT2との間が28μsとなっている。これは、各モードに合わせた所定のギャップ長とするために振動板22を変位させたために生じた振動板22及び液体の振動を減衰させ、静止させるための時間を確保するためである。したがって、例えば、それよりも速い時間で振動板22等を静止させることができれば、時間を28μsに限定する必要はない。また、図6において、T2とT3との間が12μsとなっているが、この数値についても限定するものではない。基本的には、振動板22、液体の安定を目的とするものではないので、T2とT3との間はT1とT2との間よりも短い時間とする。 Here, in FIG. 6, the interval between T1 and T2 is 28 μs. This is to secure time for attenuating and stopping the vibrations of the diaphragm 22 and the liquid generated by displacing the diaphragm 22 to obtain a predetermined gap length according to each mode. Therefore, for example, if the diaphragm 22 and the like can be stopped in a faster time, it is not necessary to limit the time to 28 μs. In FIG. 6, the interval between T2 and T3 is 12 μs, but this value is not limited. Basically, it is not intended to stabilize the diaphragm 22 and the liquid, so the time between T2 and T3 is shorter than the time between T1 and T2.
以上のようにして、液滴吐出ヘッドの各ノズルから吐出させようとする液滴吐出量に基づいて、複数のモードを使い分け、駆動電圧に合わせた待機変位電圧を印加してあらかじめ振動板22を変位させ、安定した吐出を行うようにする。 As described above, based on the droplet discharge amount to be discharged from each nozzle of the droplet discharge head, a plurality of modes are selectively used, and the standby displacement voltage according to the drive voltage is applied to previously set the diaphragm 22 in advance. Displace it so that stable discharge is performed.
以上のように、実施の形態1によれば、駆動制御回路40(ICドライバ48)の制御により、液滴を吐出させるための振動板22の変位を行う前の段階で、振動板22と個別電極12との間に所定の待機変位電圧を印加して、振動板22を変位させてあらかじめ所定のギャップ長にしておき、その後、所定の駆動電圧を印加して、ノズル31から液滴を吐出させるような制御を行うようにしたので、例えば、段差構造の個別電極等、液滴吐出ヘッドの構造を複雑なものにしなくても、印加する電圧(波形)を変化させるだけで、ギャップ長を変化させることができる。そして、所定のギャップ長から振動板22が変位して液体を加圧し、液滴を吐出させることができる。また、駆動電圧を変更することによってその駆動電圧に応じて液滴吐出量を変化させることができる。そして、液滴の吐出を行う際、例えば、所定の駆動電圧において液滴吐出量又は液滴吐出速度がピークとなるギャップ長となるように待機変位電圧を印加して、振動板22を変位させておくようにすることで、所定の駆動電圧によって、吐出する液滴を安定させることができる。液滴を安定して吐出することにより、着弾位置の大きなずれ等が発生せず、例えば印刷等を行う場合には高精細、高画質の印刷を行うことができる。さらに、本実施の形態のような制御を行う液滴吐出ヘッドを製造する際、振動板22を変位させなくても、液滴の最大吐出量(吐出速度)に対応した駆動電圧に最適なギャップ長となるように凹部11を形成しておけば、変位させることなく、安定して最大吐出量の液滴を吐出することができる。 As described above, according to the first embodiment, the vibration plate 22 and the vibration plate 22 are individually separated at the stage before the displacement of the vibration plate 22 for discharging droplets by the control of the drive control circuit 40 (IC driver 48). A predetermined standby displacement voltage is applied between the electrode 12 and the diaphragm 22 is displaced to have a predetermined gap length in advance, and then a predetermined driving voltage is applied to eject a droplet from the nozzle 31. Therefore, for example, even if the structure of the droplet discharge head is not complicated, such as an individual electrode having a step structure, the gap length can be increased only by changing the applied voltage (waveform). Can be changed. Then, the diaphragm 22 can be displaced from a predetermined gap length to pressurize the liquid and discharge the liquid droplets. Further, by changing the drive voltage, the droplet discharge amount can be changed according to the drive voltage. When discharging droplets, for example, a standby displacement voltage is applied so that the gap discharge amount or the droplet discharge speed reaches a peak at a predetermined drive voltage, and the diaphragm 22 is displaced. By doing so, the ejected droplets can be stabilized by a predetermined driving voltage. By stably ejecting the droplets, a large shift of the landing position does not occur, and high-definition and high-quality printing can be performed, for example, when printing is performed. Further, when manufacturing a droplet discharge head that performs control as in the present embodiment, the gap optimal for the drive voltage corresponding to the maximum droplet discharge amount (discharge speed) can be obtained without displacing the diaphragm 22. If the concave portion 11 is formed so as to be long, it is possible to stably discharge a maximum amount of liquid droplets without being displaced.
実施の形態2.
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、液滴吐出ヘッドの構成についてはこれに限定されるものではない。例えば、リザーバを吐出室とは別の基板に形成し、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。
In the above-described embodiment, the liquid droplet ejection head configured by stacking the three substrates of the
実施の形態3.
上述の実施の形態では、例えば図6(a)のように、待機変位電圧として印加する電圧は、T1とT2との間で一定となるようにし、制御を簡単に行えるようにしたが、これに限定するものではない。例えば、変位による振動板22、液体の振動を抑えつつ、所定のギャップ長にできるような電圧波形となるようにしてもよい。
In the above-described embodiment, for example, as shown in FIG. 6A, the voltage applied as the standby displacement voltage is made constant between T1 and T2 so that the control can be easily performed. It is not limited to. For example, the voltage waveform may be such that a predetermined gap length can be obtained while suppressing vibration of the diaphragm 22 and liquid due to displacement.
また、放電開始時間のT3の後、電圧を0Vまで降下させずにV1までとし、そのまま次の吐出動作まで、V1の値に維持するようにしてもよい。その場合、放電時において、電圧変化及びアクチュエータ部分における容量変化を少なく抑え、ドライバIC48等の駆動回路に流れる電流値を抑制することができる。
Further, after the discharge start time T3, the voltage may be kept at V1 without being lowered to 0V and maintained at the value of V1 until the next discharge operation. In this case, during discharge, voltage change and capacitance change in the actuator portion can be suppressed to a small value, and the current value flowing in the drive circuit such as the
実施の形態4.
図7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8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9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。
FIG. 7 is an external view of a droplet discharge apparatus (printer 100) using the droplet discharge head manufactured in the above-described embodiment. FIG. 8 is a diagram illustrating an example of main components of the droplet discharge device. 8 and 9 is intended for printing by a droplet discharge method (inkjet method). Further, it is a so-called serial type device. In FIG. 9, a drum 101 that supports a printing paper 110 that is a substrate to be printed and a droplet discharge head 102 that discharges ink to the printing paper 110 and performs recording are mainly configured. Although not shown, there is an ink supply means for supplying ink to the droplet discharge head 102. The print paper 110 is held by being pressed against the drum 101 by a paper press roller 103 provided parallel to the axial direction of the drum 101. A feed screw 104 is provided parallel to the axial direction of the drum 101, and the droplet discharge head 102 is held. As the feed screw 104 rotates, the droplet discharge head 102 moves in the axial direction of the drum 101.
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COM及び各SEGを出力して振動板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。
On the other hand, the drum 101 is rotationally driven by a motor 106 via a
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。 Here, the liquid is ejected onto the print paper 110 as ink, but the liquid ejected from the droplet ejection head is not limited to ink. For example, in an application to be discharged onto a substrate to be a color filter, a light emitting element is used in an application to be discharged onto a substrate of a display panel (OLED or the like) using an electroluminescent element such as a liquid containing a color filter pigment or an organic compound. For example, a liquid containing a conductive metal and a liquid containing a conductive metal may be discharged from a droplet discharge head provided in each device. In addition, when the droplet discharge head is used as a dispenser and used for discharging onto a substrate that is a microarray of biomolecules, DNA (Deoxyribo Nucleic Acids: deoxyribonucleic acid), other nucleic acids (for example, Ribo Nucleic Acid: ribonucleic acid, Peptide (Nucleic Acids: peptide nucleic acids, etc.) A liquid containing a probe such as a protein may be discharged. In addition, it can also be used for discharging dyes such as cloth.
実施の形態5.
上述の実施の形態では、液滴吐出ヘッドの吐出制御について説明したが、例えば、モータ、センサ、SAWフィルタのような振動素子(レゾネータ)、ミラーデバイス等、他の種類の微細加工の静電アクチュエータ、圧力センサ等のセンサ等にも、平行平板の可動電極を、電圧印加によりあらかじめ所定の位置に静止等させて安定させておいてから、仕事をさせる駆動等を行わせる制御方法を適用することができる。
In the above-described embodiment, the discharge control of the droplet discharge head has been described. For example, other types of microfabricated electrostatic actuators such as a motor, a sensor, a vibration element (resonator) such as a SAW filter, a mirror device, and the like. In addition, a control method that applies a drive to perform work after the movable electrodes of the parallel plates are stabilized at a predetermined position by applying a voltage in advance is also applied to a sensor such as a pressure sensor. Can do.
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。
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記振動板と前記個別電極との間に第1の電圧を印加して静電気力を発生させ、前記個別電極との間が所定の間隔となる位置に前記振動板を変位させる工程と、
前記振動板と前記個別電極との間に液滴を吐出させるための第2の電圧をさらに印加して、前記振動板と前記個別電極との間に静電気力を発生させ、前記振動板を変位させて前記流路内の液体を加圧して液滴を吐出する工程と
を有することを特徴とする液滴吐出ヘッドの吐出制御方法。 Discharge control of a droplet discharge head comprising a nozzle, a flow path communicating with the nozzle, an individual electrode, and a diaphragm that is opposed to the individual electrode at a predetermined distance and is provided in a part of the flow path In the method
Applying a first voltage between the diaphragm and the individual electrode to generate an electrostatic force, and displacing the diaphragm to a position at a predetermined distance from the individual electrode;
A second voltage for discharging a droplet is further applied between the diaphragm and the individual electrode, an electrostatic force is generated between the diaphragm and the individual electrode, and the diaphragm is displaced. And a step of discharging the droplets by pressurizing the liquid in the flow path.
前記最大の電圧を前記第2の電圧として印加するときの、前記第1の電圧を0Vとして、前記振動板の変位を0とすることを特徴とする請求項4記載の液滴吐出ヘッドの吐出制御方法。 Droplets in which an interval between the diaphragm and the individual electrodes is formed in advance so that the droplet discharge amount is maximized when the maximum voltage among the plurality of voltage values is applied as the second voltage. In the discharge head,
5. The ejection of the droplet ejection head according to claim 4, wherein when the maximum voltage is applied as the second voltage, the first voltage is set to 0 V and the displacement of the diaphragm is set to 0. 6. Control method.
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