JP2008284824A - 静電アクチュエータ及び液滴吐出ヘッド - Google Patents
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Abstract
クチュエータ及び液滴吐出ヘッドを提供する。
【解決手段】振動板4と、振動板4にギャップGを隔てて対向する個別電極10と有し、
振動板4と個別電極10との間に駆動電圧を印加することにより振動板4を静電吸引力に
より変形させる静電アクチュエータであって、振動板4と個別電極10との距離が、個別
電極の中央部10aより外周部10b側で長くなる構成としたものである。
【選択図】図1
Description
れるインクジェットヘッドが知られている。静電駆動方式のインクジェットヘッドは、液
滴を貯留する圧力室の一部を構成する振動板と、該振動板に対向して所定のギャップをも
って配設された個別電極を有し、個別電極と振動板との間にパルス電圧を印加して振動板
を静電力により変位させ、振動板の機械的な復元力により圧力室内の液滴を加圧して液滴
を吐出している。
更に高めて高精細な印刷を行うとともに、記録速度の向上を図りたいという要求があった
。記録速度を速めるためには、インク流路の固有振動数を高くして駆動周波数を上げる必
要がある。しかしながら、駆動周波数を上げるべくアクチュエータ構造開発を行った場合
、インク液滴の吐出量を減少させてしまう傾向があった。これでは、駆動周波数を高めて
高速印字を行うことができるものの、印字品位が低下してしまう。
り、従来、個別電極と振動板との間のギャップを長くして振動板の変形量を大きくし、イ
ンク吐出量を確保することが提案されている。しかしながら、この場合、振動板の撓み変
形が大きくなり、振動板の固定端(外周部分)に応力が集中して振動板が破壊する恐れが
あるという新たな問題が発生した。
滑らかな形状の凹部とし、振動板の外周部に応力が集中して振動板の破壊を防止しようと
するものがあった(例えば、特許文献1参照)。
なる高密度化に対応して、振動板の破壊防止能力の一層の向上が望まれている。
変形量を最大化することが可能な静電アクチュエータ及び液滴吐出ヘッドを提供すること
を目的とする。
別電極とを有し、振動板と個別電極との間に駆動電圧を印加することにより振動板を静電
吸引力により変形させる静電アクチュエータであって、振動板と個別電極との距離が、個
別電極の中央部よりも個別電極の外周部側で長くなる構成としたものである。
これにより、振動板外周部と個別電極外周部との間に発生する静電吸引力を弱めること
ができ、振動板の個別電極に対する当接幅を、個別電極中央部の幅よりも狭くなるように
静電吸引力を制御することができる。その結果、振動板外周部に応力が集中して振動板破
壊が生じるのを防止することができる。また、個別電極外周部の作用により、振動板の変
形量を最大化することができる。
央部に比べて薄くなるようにしたものである。
このようにして、振動板と個別電極との距離を、個別電極の中央部よりも個別電極の外
周部側で長くする構成とすることができる。
その凹部の底面に個別電極が形成された電極基板を備え、凹部の底面中央部に凸部を形成
し、凸部を含む凹部の底面に個別電極が一定の厚みで形成されているものである。
これにより、振動板と個別電極との距離を、個別電極の中央部よりも個別電極の外周部
側で長くする構成とすることができる。また、振動板を有する基板(キャビティ基板)と
電極基板とを接合する際に、振動板と個別電極中央部との位置あわせが容易となり、精度
良く組み立てることが可能となる。
央部から個別電極の外周部に向かって連続して薄くなるように形成したものである。
これにより、振動板の個別電極に対する当接幅を、より確実に個別電極中央部の幅と等
しくなるようにすることができ、振動板の変形量を最大化することが可能となる。
部の内側が個別電極の中央部となっているものである。
このような構造としても、振動板破壊を防止し、振動板の変形量を更に最大化できる。
端部との平面方向の距離と、個別電極の中央部と振動板との距離とが、駆動時に振動板の
破壊が生じない寸法に設定されているものである。
これにより、振動板の所定の変形量をより低電圧で確保しつつ、高い駆動周波数で駆動
可能な静電アクチュエータを構成することができる。
ズル孔に連通して設けられて液滴に圧力を加えるための圧力室と、圧力室に液滴を供給す
る液滴供給路と、上記の何れかの静電アクチュエータとを備え、静電アクチュエータで圧
力室に圧力を加えることによりノズル孔から液滴を吐出するものである。
これにより、液滴吐出量を確保しつつ高い駆動周波数で駆動可能な液滴吐出ヘッドを得
ることができる。
以下、本発明の静電アクチュエータを備えた液滴吐出ヘッドを図面に基づいて説明する
。ここでは、液滴吐出ヘッドの一例として、インクジェットヘッドについて図1乃至図3
を参照して説明する。なお、ここではノズル基板の表面に設けられたインクノズルからイ
ンク液滴を吐出するフェイス吐出型のインクジェットヘッドについて図1乃至図3を参照
して説明する。また、本発明は、以下の図に示す構造、形状に限定されるものではなく、
ノズル基板の端部に設けられたインクノズルからインク液滴を吐出するエッジ吐出型のイ
ンクジェットヘッドにも適用できるものである。
部を拡大して示している。図2(a)は、図1のインクジェットヘッドの長手方向の断面
図、図2(b)は、図1のインクジェットヘッドの短手方向の要部断面図である。また、
図3は、図1の個別電極の平面図である。
本実施の形態のインクジェットヘッドは、キャビティ基板1と、電極ガラス基板2と、
ノズル基板3とが積層された三層構造となっている。
キャビティ基板1は例えば厚さ約50μmの(110)面方位のシリコン単結晶基板(
以下、単にシリコン基板という)で構成されている。シリコン基板に異方性ウェットエッ
チングを施すことにより、底壁が振動板4となる圧力室5、各ノズル共通に吐出する液体
を溜めておくためのリザーバ6が形成されている。また、キャビティ基板1には電極端子
7が形成され、図2に示す発振回路11と接続される。ここで、キャビティ基板1の下面
(電極ガラス基板2と対向する面)には、絶縁膜8が形成される。この絶縁膜8は、本例
ではTEOS(Tetraethyl orthosilicate Tetraeth
oxysilane:テトラエトキシシラン、珪酸エチル)膜0.1μmでプラズマCV
D(Chemical Vapor Deposition)法により成膜している。こ
れは、インクジェットヘッドを駆動させた時の絶縁膜破壊及び短絡を防止するためである
。
ンを高濃度(約5×1019atoms/cm3以上)にドープして形成されており、例え
ばアルカリ性水溶液で単結晶シリコンをエッチングしたときに、エッチング速度が極端に
遅くなるいわゆるエッチングストップ層となっている。そして、ボロンドープ層がエッチ
ングストップ層として機能することにより、振動板4の厚み及び圧力室5の容積を高精度
で形成することができるようになっている。
される。ここで電極ガラス基板2となるガラスにはホウ珪酸系の耐熱硬質ガラスを用いる
ことにする。電極ガラス基板2には、キャビティ基板1に形成される各圧力室5に対向す
る位置に凹部9が設けられる。この凹部9は、短辺と長辺を有する長方形状に形成され、
本例では、凹部9の長辺方向の底面が長辺方向の中央部に向かうに従って深さが深くなる
階段状に形成されている。また、凹部9の底面には、個別電極10が形成され、振動板4
と個別電極10との間に本例では3段の階段状のギャップ(空隙)Gを形成している。こ
のような階段状とすることで、振動板4の変位量を増加させてインク液滴の吐出エネルギ
ーを増加させ、吐出特性を安定させることが可能となる。
また、ここでは、振動板4と、振動板4に一定距離(ギャップG)を隔てて対向配置さ
れた個別電極10とで静電アクチュエータが構成されており、振動板4と個別電極10と
の間に電圧を印加することにより発生する静電気力によって振動板4を変位させるように
している。
板4と個別電極10との距離が、個別電極中央部10aよりも個別電極外周部10b側で
長くなるように構成されている。すなわち、個別電極外周部10bの膜厚が個別電極中央
部10aの膜厚に比べて薄く形成されている。このようにすることにより、動作時の振動
板4の破壊を防止するとともに、インク液滴の排除体積を最大化することを可能としてい
る。この点に関しては、以下の動作説明で詳述する。
深さ約0.24μmの凹部9Aが形成されており、凹部9Aの底面には、個別電極10か
ら延びるリード部110a及び端子部110bが形成されている(以下、個別電極10、
リード部110a、端子部110bを合わせて電極部と呼ぶ)。端子部110bは、図2
に示すように、配線のためにキャビティ基板1の末端部が開口された貫通穴21内に露出
しており、FPC(Flexible Print Circuit)(図示せず)を介
して発振回路11に接続されている。発振回路11は、端子部110bを介して個別電極
10に電荷の供給及び停止を制御する。また、ギャップGの開放端部には封止材12が充
填されており、個別電極10単位で封止が行われるようになっている。このように封止を
行うことにより、振動板4の底面や個別電極10の表面に水分が付着するのを防止し、水
分付着に起因した電極と振動板4の貼り付き等の防止を図っている。
した透明のITO(Indium Tin Oxide:インジウム錫酸化物)を用い、
凹部9内に例えば0.1μmの厚さにスパッタ法を用いて成膜する。したがって、絶縁膜
8と個別電極10との間に形成されるギャップGは、この凹部9の深さ及び電極部の厚さ
により決まることになる。ここで、電極部の材料はITOに限定するものではなく、クロ
ム等の金属等を材料に用いてもよいが、本実施の形態では、透明であるのでギャップGが
均一に形成できているかどうかの確認が行い易い等の理由でITOを用いることとする。
また、電極ガラス基板2には、リザーバ6と連通するインク供給口13が設けられている
。
連通するノズル孔14が形成されている。また、ノズル基板3の図1において下面(キャ
ビティ基板1と接合される接合側の面)には、圧力室5とリザーバ6とを連通させるため
のオリフィス15が形成されている。また、ノズル基板3の両端には、キャビティ基板1
に形成されているリザーバ6に対向してリザーバ6内の圧力変動を抑制するダイアフラム
16が形成されている。
り合わせることによりインクジェットヘッドの本体部が作製される。すなわち、キャビテ
ィ基板1と電極ガラス基板2は陽極接合により接合され、そのキャビティ基板1の上面(
図2において上面)にノズル基板1が接着等により接合される。さらに、上述したように
、振動板4と個別電極10との間に形成されるギャップGの開放端部が封止材12で封止
され、インクジェットヘッドの本体部が作製される。
発振回路11は例えば24kHzで発振し、個別電極10に0Vと30Vのパルス電位
を印加して電荷供給を行う。このように発振回路11が駆動し、振動板4と個別電極10
の間に電圧を印加すると、それぞれの間で電界が発生し、その電界による静電吸引力によ
り振動板4は個別電極10に引き寄せられて撓む。これにより圧力室5の容積は広がる。
そして個別電極10への電荷供給を止めると振動板4は元に戻る。このとき、圧力室5の
容積も元に戻るため、その圧力により差分のインク液滴が吐出し、例えば記録対象となる
記録紙に着弾することによって記録が行われる。
次に、ノズル孔14でのメニスカスがインクの表面張力によって再び待機位置に戻るこ
とにより、インクがリザーバ6よりオリフィス15を通じて圧力室5内に補給される。ま
た、インクジェットヘッドへのインクの供給は、電極ガラス基板2上に形成したインク供
給口13により行う。
、静電アクチュエータの幅方向(凹部9の短辺方向)の拡大断面図である。
定端とした両端固定の梁として変形する。振動板4の変形により振動板4に生ずる応力は
、それぞれの両端固定部で最大となる。梁としての振動板4の変形量(変位)はg1(個
別電極中央部10aと振動板4との距離)で決まるため、発生する最大の応力はg1に依
存する。また、振動板4が静電吸引力により撓んで個別電極10と当接するときの当接幅
は、個別電極中央部10aの幅b1が関係してくる。すなわち、この幅b1と振動板4の
幅b2の差を小さくすると(つまり振動板4の両端固定部と個別電極中央部10aの周辺
端部10aaとの距離であって、振動板外周部4bの幅Δ2を狭くすると)振動板4に対
する静電吸引力も大きくなり、振動板4の固定端(振動板外周部4b)に作用する応力も
大きくなる(図5参照)。従って、本例では、振動板4の最大応力がその材料の破壊応力
を超えないように、これらg1およびΔ2が設定されている。
振動板4とが、個別電極中央部10aに比べて更にg2だけギャップGが広がるように設
けられている。さらに、個別電極中央部10aの幅b1は、振動板4の幅b2よりも幅方
向両端部(長手方向両端部でも同様)でΔ2だけ狭く形成されている。また、電極ガラス
基板2の凹部9の幅b4が振動板幅b2よりも広く形成され、個別電極10全体の幅b3
が、振動板4の幅b2よりも幅方向両端部(長手方向両端部でも同様)でΔ1だけ広く形
成されている。これらの理由については、以下に詳述する。
図5は、静電アクチュエータの振動板の動作説明図である。
振動板4は、上述したように、個別電極10との間に発生する静電吸引力により変形し
、個別電極10に当接する。この時、振動板4は、まず、振動板中央部4aで個別電極1
0と接触する。その接触した付近は電界が集中し、より強い吸引力が発生するため、振動
板4は、振動板中央部4aから更に外側へと当接幅が広がっていく。ここで、当接幅が広
がり過ぎると、振動板外周部4bに必要以上の応力が作用し、振動板破壊が生じるが、本
例の構造によれば、以下の動作となり、破損を防止できるようになっている。
プg2(図4参照)の作用により、すなわちギャップg2分だけ個別電極外周部10bの
膜厚が個別電極中央部10aに比べて薄くなることにより、振動板外周部4bに作用する
電界が弱まる。このため、振動板4の当接幅の拡大が止まる。すなわち、振動板4の当接
幅は、個別電極中央部10aの幅b1により規制され、最大でも個別電極中央部10aの
幅b1以下となり、必要以上に当接幅が広がることはない。したがって、この幅b1を振
動板4の幅b2に対して適切に設定することにより、振動板破壊を防止することができる
。
4との間には電界自体は作用している。このため、図5の矢印に示すように振動板外周部
4bに対して静電吸引力が作用し、振動板4の剛性と、電界による静電吸引圧力が釣り合
うまで振動板4の撓みが図5の点線aで示すように拡大する。すなわち、個別電極10を
、個別電極外周部10bを設けず、個別電極中央部10aのみの構成とした場合に比べて
、振動板4の未当接部(外周部4b)を個別電極10側に更に撓ませることができる。し
たがって、確実に振動板4の個別電極10への当接幅を個別電極中央部10aの幅b1と
等しくなるように安定化させて振動板4の変形量を最大化することができ、インク液滴の
排除体積を最大化することができる。
を確保すると共に、振動板4が必要十分に撓んで個別電極中央部10aにて全面当接する
ように設定すればよい。さらに、本例では、個別電極10全体の幅b3が、振動板4の幅
b2よりも幅方向両端部(長手方向両端部でも同様)でΔ1だけ広く形成されているが、
これは、振動板4と個別電極10との製造上の位置ズレにより振動板4と対向する部分に
個別電極10が存在しないことが無いようにするためである。すなわち、振動板4と対向
する部分に個別電極10が存在せず、凹部9の底面が露出していると、キャビティ基板1
と電極ガラス基板2とを陽極接合する際に、その露出部分と振動板4とが陽極接合されて
しまうためである。
の幅方向と直交する方向についても同様である。すなわち、本例では、凹部9を階段状と
しており、階段の深さが一番浅い部分上に形成された個別電極10部分において、図2(
a)に示すように、振動板4と個別電極10との距離が、個別電極中央部10aの外周端
10aaよりもその外側の外周部10b側で長くなる構成となっている。なお、凹部9は
、このように階段状とした形状に限られたものではなく、単純な凹状としても良い。
個別電極外周部10bの方が、個別電極中央部10aに比べて長くなる構造としたので、
振動板外周部4bと個別電極外周部10bとの間に発生する静電吸引力を弱めることがで
き、振動板外周部4bに応力が集中して振動板破壊が生じるのを防止することができる。
中央部10aの幅b1に制限されるため、振動板4の幅b2に対する個別電極中央部10
aの幅b1と、個別電極中央部10aと振動板4との間のギャップg1とを適切に設定す
ることにより、振動板4の固定端で発生する応力を制限でき、振動板4の破壊を防止する
ことができる。
かせることができ、個別電極外周部10bを設けなかった場合に比べて、振動板4を更に
撓ませることができる。これにより、振動板4の変形量を最大化し、インク液滴の排除体
積を最大化することができる。
となるため、インク液適量を確保しつつ高い駆動周波数で駆動可能な液滴吐出ヘッドを得
ることができる。
造であるので、キャビティ基板1と電極ガラス基板2とを陽極接合する際に、振動板4が
凹部9に陽極接合されてしまう(貼り付いてしまう)のを防止することができる。
図6は、実施の形態2の静電アクチュエータの要部拡大断面図で、ここでは、凹部9の
短辺方向の断面図を示している。
実施の形態1では、個別電極10の厚みを個別電極外周部10b側で減らすことにより
、個別電極外周部10bと振動板4との距離を個別電極中央部10aと振動板4との距離
に比べて長くなるようにしたが、実施の形態2では、電極ガラス基板2の凹部9の底面中
央に凸部210を設け、その凸部210を有する凹部9の底面に、一定の厚みで個別電極
211を形成するようにしたものである。個別電極211には、実施の形態1と同様のI
TOが用いられ、凹部9内に例えば0.1μmの厚さにスパッタ法を用いて成膜すること
により形成される。
個別電極中央部211aの幅及び位置が、凸部210の幅及び位置により決まるため、キ
ャビティ基板1と電極ガラス基板2とを接合する際に、より振動板4と個別電極中央部2
11aとの位置あわせが容易となり、精度良く組み立てすることが可能となる。すなわち
、キャビティ基板1と電極ガラス基板2との接合は、凹部9と振動板4とが対向するよう
に接合する必要があり、元々精度良く組み立てられるようになっている。具体的には、キ
ャビティ基板1に圧力室5を形成するのと同時に形成した位置合わせマークと、電極ガラ
ス基板2に凹部9を形成するのと同時に形成した位置合わせマークとを合わせて組み立て
(接合)られている。このため、凸部210及び個別電極中央部211aは、組立精度の
高い凹部9内に対して位置合わせして形成されるため、個別電極中央部211aと、振動
板4との位置合わせも容易となる。
図7は、実施の形態3の静電アクチュエータの要部拡大断面図で、ここでは、凹部9の
短辺方向の断面図を示している。
図7に示す静電アクチュエータは、図5に示した静電アクチュエータのように振動板外
周部4bと個別電極外周部10bとの距離を急激な段差を以て長くするようにしたのに代
えて、徐々に長くなるようにしたものである。すなわち、個別電極310において、個別
電極外周部310bの膜厚を、その内側の個別電極中央部310aから個別電極外周部3
10bに向かって連続して薄くなるように形成したものである。これにより、実施の形態
1と同様に、振動板4の動作時の当接幅を、個別電極中央部310aで制限することがで
きるとともに、必要最大限まで振動板4を撓ませることが可能となる。すなわち、振動板
4に作用する静電吸引力が、個別電極中央部310aから個別電極外周部310bに向か
うにしたがって急激に弱くなるのではなく、徐々に弱くなるため、図5の構造に比べて振
動板4の当接幅を、より確実に個別電極中央部310aの幅と等しくなるようにすること
ができ、インク液滴の排除体積を最大化することが可能となる。
みで形成した後、個別電極外周部310bを、RIEや不活性ガスによる逆スパッタ等の
ドライエッチングにより、徐々に薄くなるように形成すればよい。ドライエッチングによ
るサイドエッチングの作用により、上記形状を容易に形成することができる。
図8は、実施の形態4の静電アクチュエータの要部拡大断面図で、ここでは、凹部9の
短辺方向の断面図を示している。
図8に示す静電アクチュエータは、図6に示した静電アクチュエータに対して、更に、
振動板4の変形量を大きくしてインク液滴の排除体積を大きくすることができるよう工夫
したもので、振動板4との距離が一定に形成された個別電極410の表面において、個別
電極410の外周部に周状の凹部410bを形成した構造を有している。個別電極410
の個別電極中央部410aの幅は、上記実施の形態1と同様に、振動板破壊が生じない所
定の当接幅となるようにその幅が設定されている。振動板動作時の当接幅の設定は、個別
電極中央部410aの外周側に設けられた凹部410bの位置と深さの設定により行う。
の間の電界の集中が、この凹部410bによって緩和され、振動板4の当接幅の拡大は制
御(抑止)される。したがって、振動板外周部4bに対する応力の集中が防止され、振動
板4の破壊を防止することができる。また、個別電極中央部410aの外周側に設けられ
た凹部410b及びその最端部410cによって発生される電界の吸引力により、未当接
となる振動板4の外周部4bの変位を未当接のまま拡大することができる。これにより、
振動板4の排除体積(撓み)を更に最大化することができる。更に、凹部410bをより
深く形成すれば、ギャップG内の圧縮空気による振動板4の撓みの阻害を、緩和、回避す
ることも可能となる効果を有する。
10側の表面にシリコン酸化膜にて形成したが、絶縁膜形成個所は、この他に、個別電極
10の表面でもよい。また、絶縁膜材質としては、酸化アルミニウムや酸化ハフニウム等
を用いても良い。
有機EL表示装置の発光部分形成装置に用いられるヘッドの駆動手段としての応用が可能
である。そして、本発明に係る静電アクチュエータをこれらの装置に適用することにより
、これら装置の小型化や高密度化、製造スループット向上による品質向上、生産性向上を
可能とする。また、プロジェクタスキャンミラー、レーザープリンタ用のスキャンミラー
用の静電アクチュエータへの応用も可能で、変位角の大きな微少ミラー装置を提供し、消
費電力が小さくて効率良く駆動可能なプロジェクタやレーザープリンタの駆動部を提供で
きる。
板中央部、4b 振動板外周部、5 圧力室、9 凹部、10 個別電極、10a 個別
電極中央部、10aa 外周端、10b 個別電極外周部、14 ノズル孔、210 凸
部、211 個別電極、211a 個別電極中央部、310 個別電極、310a 個別
電極中央部、310b 個別電極外周部、410 個別電極、410a 個別電極中央部
、410b 個別電極凹部、410c 最端部。
Claims (7)
- 振動板と、前記振動板にギャップを隔てて対向する個別電極とを有し、前記振動板と前
記個別電極との間に駆動電圧を印加することにより前記振動板を静電吸引力により変形さ
せる静電アクチュエータであって、
前記振動板と前記個別電極との距離が、前記個別電極の中央部よりも前記個別電極の外
周部側で長くなっていることを特徴とする静電アクチュエータ。 - 前記個別電極の外周部の膜厚が、前記個別電極の中央部に比べて薄くなっていることを
特徴とする請求項1記載の静電アクチュエータ。 - 前記振動板と対向する位置に凹部が形成され、該凹部の底面に前記個別電極が形成され
た電極基板を備え、前記凹部の底面中央部に凸部を形成し、該凸部を含む前記凹部の底面
に前記個別電極が一定の厚みで形成されていることを特徴とする請求項1記載の静電アク
チュエータ。 - 前記個別電極の外周部の膜厚が、前記個別電極の中央部から前記個別電極の外周部に向
かって連続して薄くなっていることを特徴とする請求項1記載の静電アクチュエータ。 - 前記個別電極の外周部に周状の凹部を有し、該凹部の内側が前記個別電極の中央部とな
っていることを特徴とする請求項1記載の静電アクチュエータ。 - 前記個別電極の中央部の外周端と前記振動板の固定端部との平面方向の距離と、前記個
別電極の中央部と前記振動板との距離とが、駆動時に前記振動板の破壊が生じない寸法に
設定されていることを特徴とする請求項1乃至請求項5の何れかに記載の静電アクチュエ
ータ。 - 液滴を吐出するための複数のノズル孔と、該各ノズル孔に連通して設けられて液滴に圧
力を加えるための圧力室と、該圧力室に液滴を供給する液滴供給路と、請求項1乃至請求
項6の何れかに記載の静電アクチュエータとを備え、該静電アクチュエータで前記圧力室
に圧力を加えることにより前記ノズル孔から液滴を吐出することを特徴とする液滴吐出ヘ
ッド。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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