JP2009081944A - Electrostatic actuator, droplet discharging head, and droplet discharging device having the head - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、静電駆動式の静電アクチュエータ、そのアクチュエータを適用した液滴吐出ヘッド、及びその液滴吐出ヘッドを備えた液滴吐出装置に関する。 The present invention relates to an electrostatic drive type electrostatic actuator, a droplet discharge head to which the actuator is applied, and a droplet discharge apparatus including the droplet discharge head.
静電アクチュエータを利用したインクジェットヘッドは、インク吐出用圧力室の一面を構成する振動板とそれに対向する対向電極との間で、電圧をON/OFFさせることにより、そこに発生した静電気力を利用して振動板を変形させて、その変形による圧力変化を利用してインクをノズルから吐出するようにしている。そして、振動板の変形を制御できるように、対向電極の構造にポイントをおいた発明が開示されている。
例えば、対向電極を、第1の対向電極と第2の対向電極と2つに分割して、第1の対向電極によりインクを吐出させ、第2の対向電極によりノズル部分のインクを振動させるようにしたものがある(例えば、特許文献1)。これは、メニスカスにおけるインクの膜化を防止し、粘度増加を防止して印刷品位の向上を可能としている。
また、対向電極を、振動板の長手方向に沿って複数形成した分割電極から構成し、それぞれの分割電極を駆動することによって、振動板の電極との間に電位差を生ぜしめ、静電力で振動板を変形させてノズルからインクを吐出するようにしたものもある(例えば、特許文献2)。
For example, the counter electrode is divided into two, a first counter electrode and a second counter electrode, and ink is ejected by the first counter electrode, and ink in the nozzle portion is vibrated by the second counter electrode. (For example, Patent Document 1). This prevents ink from forming on the meniscus, prevents an increase in viscosity, and improves printing quality.
In addition, the counter electrode is composed of a plurality of divided electrodes formed along the longitudinal direction of the diaphragm. By driving each of the divided electrodes, a potential difference is generated between the electrodes of the diaphragm and vibration is caused by electrostatic force. There is also one in which a plate is deformed to eject ink from a nozzle (for example, Patent Document 2).
しかし、特許文献1の場合、振動板の長手方向を左右方向とした場合に、第1の対向電極と第2の対向電極は左右2つに分割されているため、第1の対向電極と第2の対向電極の振動中心が異なる。したがって、第1の対向電極と第2の対向電極を駆動したそれぞれにおいて、固有振動数が異なり、振動特性が変化するためその制御が難しかった。
一方、特許文献2では、分割電極が長方形の振動板の長手方向に沿って複数配置されているが、そこでは、振動板の長手方向に沿った中央部分の分割電極に印加する電圧より、振動板が支持されている振動板の長手方向に沿った端部の分割電極に印加する電圧が低くなっている。そのため、振動板の長手方向に沿った端部では、振動板がその中央部分に対して変位しにくく、振動板を変位させるための補助電極としての効果が十分に得られないこととなっている。
However, in the case of
On the other hand, in
本発明は上記課題に対応したもので、静電アクチュエータを構成する振動板の大変位かつ安定的な変位を可能とすることを目的とする。また、静電アクチュエータを利用した液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置において、振動板の変位態様を制御可能として、液滴の吐出変調を図ることも目的とする。 The present invention addresses the above-described problems, and an object thereof is to enable a large displacement and a stable displacement of a diaphragm constituting an electrostatic actuator. Another object of the present invention is to control droplet displacement by controlling the displacement mode of a diaphragm in a droplet discharge head and a droplet discharge device using an electrostatic actuator.
本発明の静電アクチュエータは、静電力によって変形する振動部が板面内に横長形状に形成されている振動基板と、振動部との間に隙間を有して振動基板に対向配置され、振動部の対向部分に静電力を発生させる個別電極が形成されている電極基板とを備え、個別電極は、振動部の横長形状の長手方向に沿って振動部の中央部分に対向配置された第一個別電極と、振動部の横長形状の長手方向に沿って振動部の中央部分の両側部分に対向配置された第二個別電極とを有し、第一個別電極と第二個別電極とが独立して制御可能とされており、第一個別電極と第二個別電極との同時駆動時には、振動部と第二個別電極との間で発生する静電力が、振動部と第一個別電極との間で発生する静電力より大きくなるようにしているものである。 The electrostatic actuator according to the present invention is arranged so as to be opposed to the vibration substrate with a gap between the vibration portion in which the vibration portion deformed by the electrostatic force is formed in a horizontally long shape in the plate surface and the vibration portion, and vibrates. And an electrode substrate on which an individual electrode for generating an electrostatic force is formed at an opposing portion of the vibrating portion, and the individual electrode is disposed opposite to the central portion of the vibrating portion along the longitudinal direction of the horizontally long shape of the vibrating portion. An individual electrode, and a second individual electrode disposed opposite to both sides of the central portion of the vibration part along the longitudinal direction of the horizontally long shape of the vibration part, the first individual electrode and the second individual electrode being independent When the first individual electrode and the second individual electrode are driven simultaneously, the electrostatic force generated between the vibration unit and the second individual electrode is generated between the vibration unit and the first individual electrode. It is designed to be larger than the electrostatic force generated in
このように個別電極を第一個別電極と第二個別電極とに分割してそれらを独立して制御することにより、振動板の変位量及び変位態様を変化させることが可能となる。また、第一個別電極と第二個別電極との同時駆動時には、変形しにくい振動部の中央部分の両側部分(端部)と第二個別電極との間で発生する静電力が、振動部の中央部分と第一個別電極との間で発生する静電力より大きくなるようにしているため、振動部(振動板)の端部を含めて振動板の大きな変位量を得ることができる。しかも、それらの電極は振動板の長手方向に沿って分割されていることから、駆動時の振動中心は長手方向でいずれも同じとなり、固有振動数が異なるなどの振動特性が変化することはなく、制御性も向上している。このため、この静電アクチュエータをインクの吐出用に用いた場合には、吐出インク量を増大させることができるほか、振動板の変位量を第一個別電極と第二個別電極に応じて相違させるなどして、吐出インク量の調整やメニスカス振動によりインクの膜化を防止して、安定吐出を実現することができる。 Thus, by dividing the individual electrode into the first individual electrode and the second individual electrode and controlling them independently, the displacement amount and the displacement mode of the diaphragm can be changed. In addition, when the first individual electrode and the second individual electrode are simultaneously driven, the electrostatic force generated between both side portions (end portions) of the central portion of the vibration part that is difficult to deform and the second individual electrode is Since the electrostatic force generated between the central portion and the first individual electrode is made larger, it is possible to obtain a large displacement amount of the diaphragm including the end of the diaphragm (diaphragm). Moreover, since these electrodes are divided along the longitudinal direction of the diaphragm, the center of vibration during driving is the same in the longitudinal direction, and vibration characteristics such as different natural frequencies do not change. The controllability is also improved. For this reason, when this electrostatic actuator is used for ink ejection, the amount of ink ejected can be increased, and the displacement of the diaphragm is made different depending on the first individual electrode and the second individual electrode. Thus, it is possible to prevent ink from being formed by adjusting the amount of ejected ink or by vibrating the meniscus, thereby realizing stable ejection.
上記静電アクチュエータにおいて、振動部と個別電極の隙間のうち、振動部と第二個別電極との間の隙間幅を、振動部と第一個別電極との間の隙間幅より狭くするのが好ましい。静電力は対向する電極間距離の2乗に反比例して増加するため、第一個別電極と第二個別電極に同じ電圧を印加しても、振動部と第二個別電極との間で発生する静電力が、振動部と第一個別電極との間で発生する静電力より大きくなり、振動板の全体を大きくたわませてその変位を大きくすることができるからである。
また、振動部表面に絶縁膜が形成されている場合には、第二個別電極に対応する部分の誘電率を、第一個別電極に対応する部分の誘電率より高くするのが好ましい。電極に貯えられる電荷は電極間の誘電率に比例して増加するため、第一個別電極と第二個別電極に同じ電圧を印加しても、振動部と第二個別電極との間で発生する静電力が、振動部と第一個別電極との間で発生する静電力より大きくなり、振動板の全体を大きくたわませてその変位を大きくすることができるからである。同様の理由から、第一個別電極と第二個別電極との表面に絶縁膜が形成されている場合には、第二個別電極の誘電率を、第一個別電極の誘電率より高くするのが好ましい。
In the electrostatic actuator, it is preferable that a gap width between the vibration part and the second individual electrode is narrower than a gap width between the vibration part and the first individual electrode in the gap between the vibration part and the individual electrode. . Since the electrostatic force increases in inverse proportion to the square of the distance between the opposing electrodes, even if the same voltage is applied to the first individual electrode and the second individual electrode, it is generated between the vibrating part and the second individual electrode. This is because the electrostatic force is larger than the electrostatic force generated between the vibrating portion and the first individual electrode, and the displacement of the entire diaphragm can be greatly increased.
Further, when an insulating film is formed on the surface of the vibration part, it is preferable that the dielectric constant of the part corresponding to the second individual electrode is higher than the dielectric constant of the part corresponding to the first individual electrode. Since the electric charge stored in the electrode increases in proportion to the dielectric constant between the electrodes, even if the same voltage is applied to the first individual electrode and the second individual electrode, it is generated between the vibrating part and the second individual electrode. This is because the electrostatic force is larger than the electrostatic force generated between the vibrating portion and the first individual electrode, and the displacement of the entire diaphragm can be greatly increased. For the same reason, when an insulating film is formed on the surface of the first individual electrode and the second individual electrode, the dielectric constant of the second individual electrode should be higher than the dielectric constant of the first individual electrode. preferable.
さらに、上記静電アクチュエータにおいて、第一個別電極と第二個別電極とを選択的に駆動するようにしてもよい。第一個別電極と第二個別電極とを選択的に制御することにより、振動板の変位量及び変位態様を部分的に相違させることができるため、この静電アクチュエータをインクの吐出用に用いた場合には、吐出インク量の調整やメニスカス振動によりインクの膜化を防止して、安定吐出を実現することができる。
また、第一個別電極と第二個別電極の駆動電圧を相違させて、振動板の変形を所望の態様に変化させてもよい。例えば、他の条件が同じ場合、第一個別電極の駆動電圧より第二個別電極の駆動電圧を高くすれば、第一個別電極と第二個別電極との同時駆動時、振動部の中央部分の両側部分と第二個別電極との間で発生する静電力が、振動部の中央部分と第一個別電極との間で発生する静電力より大きくなり、振動板の変位量を大きくできる。
Furthermore, in the electrostatic actuator, the first individual electrode and the second individual electrode may be selectively driven. By selectively controlling the first individual electrode and the second individual electrode, the displacement amount and displacement mode of the diaphragm can be partially different. Therefore, this electrostatic actuator was used for ink ejection. In this case, the ink can be prevented from being formed by adjusting the amount of ink ejected or by meniscus vibration, and stable ejection can be realized.
Alternatively, the drive voltage of the first individual electrode and the second individual electrode may be made different to change the deformation of the diaphragm into a desired mode. For example, when the other conditions are the same, if the drive voltage of the second individual electrode is made higher than the drive voltage of the first individual electrode, the central portion of the vibration part can be The electrostatic force generated between the both side portions and the second individual electrode becomes larger than the electrostatic force generated between the central portion of the vibrating portion and the first individual electrode, and the displacement amount of the diaphragm can be increased.
本発明の液滴吐出ヘッドは、上記いずれかの静電アクチュエータを備え、その振動部が、吐出液を取り込んでノズルから吐出させる圧力室の一部を構成しているものである。さらに、第二個別電極がノズルの部分に貯えられている吐出液のメニスカスの振動制御に供されているものである。そして、本発明の液滴吐出装置はそれらの液滴吐出ヘッドを備えたものである。これらの液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置は、先に説明した静電アクチュエータが備える特性により、吐出液量を増大させることができ、さらに、吐出液量の調整やメニスカス振動によって、安定した吐出を実現することができる。 The droplet discharge head according to the present invention includes any one of the electrostatic actuators described above, and its vibration part constitutes a part of a pressure chamber that takes in the discharge liquid and discharges it from the nozzle. Furthermore, the second individual electrode is used for vibration control of the meniscus of the discharge liquid stored in the nozzle portion. The droplet discharge device of the present invention includes those droplet discharge heads. These droplet ejection heads and droplet ejection devices can increase the amount of ejected liquid due to the characteristics of the electrostatic actuator described above. Furthermore, stable ejection can be achieved by adjusting the amount of ejected liquid and meniscus vibration. Can be realized.
実施の形態1.
図1は本発明の実施の形態1に係る静電駆動式の液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドの分解斜視図、図2は図1に示すインクジェットヘッドを構成する電極基板に形成されている個別電極の説明図(平面図)、図3はそのインクジェットヘッドのX−X方向組み立て断面図である。なお、この以下に示す各図において、同じ符号は、同一物または相当物をあらわしている。
図1〜図3に示すように、インクジェッドヘッド1は、シリコン基板2を挟み、上側にノズル11を有したシリコン等からなるノズル基板3、下側にシリコンと熱膨張率が近いホウ珪酸ガラス基板等からなる電極基板4がそれぞれ積層された3層構造となっている。中央のシリコン基板2には、その表面からエッチングを施すことにより、ノズル基板3のノズル11に連通する独立した複数の圧力室5と、各圧力室5に送られるインクを貯えるリザーバ6と、このリザーバ6を各圧力室5に連通させるインク供給路7とが溝として形成され流路を構成している。そして、これらの溝がノズル基板3によって塞がれて、各部分5、6、7が区画形成されている。シリコン基板2はこのような流路の各部分が形成されているため、キャビティ基板とも呼ばれる。
FIG. 1 is an exploded perspective view of an inkjet head that is an electrostatically driven droplet discharge head according to
As shown in FIGS. 1 to 3, the
ノズル基板3には、各圧力室5の先端側の部分に対応する位置に、インクを吐出するノズル11が形成されており、それらが各圧力室5に連通している。また、リザーバ6が位置している電極基板4の対応部分には、これに連通するインク供給口12が形成されており、インクは、外部のインクタンクからインク供給口12を通ってリザーバ6に供給される。そして、リザーバ6に供給されたインクは、各インク供給路7を通って各圧力室5に供給される。
In the
独立した各圧力室5は、横長溝形状を有し、その底壁51が薄肉とされて、その面外方向に、図1においては上下方向に、弾性変形可能な振動部として機能するように形成されている。したがって、底壁51は、シリコン基板2の板面内に横長形状(一般的な長方形状を含む)に形成された振動板として作用する。この明細書では、底壁51を必要に応じて振動板51とも称する。また、このような振動部が形成されたシリコン基板2を振動基板とも称する。各圧力室5の底壁51は、後述する個別電極10と対になって静電アクチュエータを構成する。
Each
シリコン基板2の下側に位置している電極基板4においては、その上面であるシリコン基板2との接合面であって、シリコン基板2の各圧力室5に対応した位置に、浅くエッチングされた凹部9がそれぞれ形成されていて、その凹部9内には個別電極10が形成されている。各圧力室5の底壁51は、非常に僅かの隙間(ギャップ)8を隔てて、その個別電極10に対峙している。なお、隙間8は封止材15A,15Bにより密閉されている。
The
各圧力室5の底壁51は電気的につながっており共通電極として機能する。そして、その底壁51に対向する個別電極10は、第一個別電極10Aと第二個別電極10Bとから構成されている。
図2の電極基板の説明図に示すように、第一個別電極10Aは、振動板51の横長形状の長手方向に沿って振動板51の中央部分に対向配置されており、第二個別電極10Bは、振動板51の横長形状の長手方向に沿って振動板51の中央部分の両側部分に対向配置されている。またここでは、第一個別電極10Aは振動板51の長手方向の一端側から延びており、第二個別電極10Bはその他端側から延びていて、振動板51と対向する部分では、第一個別電極10Aを中心にして、その両側に第二個別電極10Bが対称に配置された状態とされている。
なお、底壁51と個別電極10との貼り付きを防止するため、それらの少なくとも一方には絶縁膜を備える必要があり、ここでは底壁51に絶縁膜52が形成されている。
The
As shown in the explanatory view of the electrode substrate in FIG. 2, the first
In order to prevent sticking between the
次に、第一個別電極10A及び第二個別電極10Bと振動板51との関係を明確にするため、図3のY−Y方向断面図であって1つの圧力室5に対応した部分断面図を図4に示す。図4に示すように、この例では、圧力室5の底壁51に絶縁膜52が形成されており、底壁51と第一個別電極10A及び第二個別電極10Bとの間の隙間8の幅は基本的に同じとなっている。
このように構成した個別電極10において、第一個別電極10Aは主電極として使用し、第二個別電極10Bは補助電極として使用する。そして、これらの第一個別電極10Aと第二個別電極10Bは、それぞれ別々の駆動源である電圧印加手段21A,21Bに接続されて、それぞれ独立して制御可能とされている。
なお、第一個別電極10Aを主電極として作用させるため、第一個別電極10Aの電極幅は、第一個別電極10Aの両側に配置された各第二個別電極10Bの各電極幅以上とするのが好ましい。
Next, in order to clarify the relationship between the first
In the
In order to make the first
図3に示すように、これらの対向する電極の間に駆動電圧を印加するための電圧印加手段21A,21Bは、図示していない外部からの印字信号に応じて、これらの対向電極間の充放電を行う。すなわち、電圧印加手段21Aの一方の出力は第一個別電極10Aに接続され、その他方の出力はシリコン基板2に形成された共通電極端子22に接続されている。同様に、電圧印加手段21Bの一方の出力は第二個別電極10Bに接続され、その他方の出力は共通電極端子22に接続されている。
シリコン基板2自体は導電性をもつため、共通電極端子22から底壁51の共通電極に電圧を供給することができる。より低い電気抵抗で共通電極に電圧を供給する必要がある場合には、例えば、シリコン基板2の一方の面に金等の導電性材料の薄膜を蒸着やスパッタリングで形成すればよい。
As shown in FIG. 3, the voltage applying means 21A and 21B for applying a driving voltage between these opposing electrodes are charged between these opposing electrodes according to an external print signal (not shown). Discharge. That is, one output of the
Since the
上記のインクジェットヘッド1は、以下のように作用する。例えば、振動板51と第一個別電極10Aとの間に電圧印加手段21Aから駆動電圧が印加されると、第一個別電極10Aに対向した部分の振動板51が、そこに発生した電荷による静電力(クーロン力)により第一個別電極10A側へ撓み、圧力室5の容積が拡大する。次に、その駆動電圧を解除して対向電極間の電荷を放電すると、振動板51はその弾性復帰力によって復帰し、圧力室5の容積が急激に収縮する。この時発生するインク圧力を利用して、圧力室5を満たすインクの一部を、圧力室5に連通しているノズル11からインク滴として吐出する。
The
同様に、振動板51と第二個別電極10Bとの間に電圧印加手段21Bから駆動電圧が印加されると、第二個別電極10Bに対向した部分の振動板51が、そこに発生した電荷による静電力(クーロン力)により第二個別電極10B側へ撓み、圧力室5の容積が拡大する。次に、その駆動電圧を解除して対向電極間の電荷を放電すると、振動板51はその弾性復帰力によって復帰し、圧力室5の容積が収縮し、圧力室5やノズル11に貯えられているインクに振動を生じさせる。第二個別電極10Bは既に説明したように、補助電極として作用するように設計されており、第二個別電極10Bの駆動だけではノズル11からインクを吐出させることはできない。しかし、第一個別電極10Aと同時に使用すれば、それと一体となって、振動板51の変位量を増大させて、ノズル11から吐出するインク量を増大させる作用を果たす。
Similarly, when a driving voltage is applied between the
ところで、第一個別電極10Aと第二個別電極10Bとの同時駆動時には、第一個別電極10Aに印加する電圧より第二個別電極10Bへ印加する電圧を大きくして、振動板51と第二個別電極10Bとの間で発生する静電力が、振動板51と第一個別電極10Aとの間で発生する静電力より大きくなるようにする。これは、振動板51の長手方向に沿った端部はシリコン基板2に保持されているため、第一個別電極10Aが対応している中央部に比べて変形がしづらいためである。このようにすることによって、振動板51の大変位が可能となり、インクの吐出量を多くすることができる。
一方、第二個別電極10Bを単独で動作させる場合には、振動板51の変位が振動板51の長手方向端部に限定されるため、ノズル11からインクが吐出するには到らずに、圧力室5からノズル11に至る流路に貯えられているインクを振動させるとともに、ノズル11部分のインクメニスカスを振動させる作用を果たす。
By the way, when the first
On the other hand, when the second
実施の形態2.
図5は本発明の実施の形態2に係る液滴吐出ヘッドを説明する図4に対応した図である。実施の形態2においては、底壁51と第二個別電極10Bとの間の隙間8の幅が、底壁51と第一個別電極10Aとの間の隙間8の幅より狭く構成されている点で、実施の形態1と相違する。対向する電極間に発生する静電力は、その電極間の間隔の2乗に反比例して大きくなる。そのため、この構成によれば、第一個別電極10Aと第二個別電極10Bとに同じ大きさの電圧を印加した場合でも、振動板51の長手方向に沿った端部と第二個別電極10Bとの間で発生する静電力が、振動板51の長手方向に沿った中央部と第一個別電極10Aとの間で発生する静電力より大きくなる。そのため、第一個別電極10Aと第二個別電極10Bとを同時に駆動させた場合には、振動板51の長手方向端部も含めて振動板51のより大きな変位量を得ることが可能となり、インクの吐出量を多くすることができる。
FIG. 5 is a view corresponding to FIG. 4 for explaining the droplet discharge head according to
実施の形態3.
図6は本発明の実施の形態3に係る液滴吐出ヘッドを説明する図4に対応した図である。実施の形態3においては、底壁51の表面に形成された絶縁膜のうち、第二個別電極10Bに対向する絶縁膜52Bの誘電率が、第一個別電極10Aに対向する絶縁膜52Aの誘電率より高く構成されている点で、実施の形態1と相違する。電極に発生する電荷量は、電極間の誘電率に比例して増大する。そのため、この構成によれば、第一個別電極10Aと第二個別電極10Bとに同じ大きさの電圧を印加した場合でも、振動板51の長手方向に沿った端部と第二個別電極10Bとの間で発生する静電力が、振動板51の長手方向に沿った中央部と第一個別電極10Aとの間で発生する静電力より大きくなる。そのため、第一個別電極10Aと第二個別電極10Bとを同時に駆動させた場合には、振動板51の長手方向端部も含めて振動板51のより大きな変位量を得ることが可能となる。
FIG. 6 is a view corresponding to FIG. 4 for explaining a droplet discharge head according to
実施の形態4.
図7は本発明の実施の形態4に係る液滴吐出ヘッドを説明する図4に対応した図である。実施の形態4においては、シリコン基板2の底壁51の表面ではなく、第一個別電極10A及び第二個別電極10Bの表面に絶縁膜が形成されており、第二個別電極10Bに対応する絶縁膜53Bの誘電率が、第一個別電極10Aに対応する絶縁膜53Aの誘電率より高く構成されている点で、実施の形態1と相違する。この構成によれば、実施の形態3と同様の作用により、第一個別電極10Aと第二個別電極10Bとに同じ大きさの電圧を印加した場合でも、振動板51の長手方向に沿った端部と第二個別電極10Bとの間で発生する静電力が、振動板51の長手方向に沿った中央部と第一個別電極10Aとの間で発生する静電力より大きくなる。そのため、第一個別電極10Aと第二個別電極10Bとを同時に駆動させた場合には、振動板51の長手方向端部も含めて振動板51のより大きな変位量を得ることが可能となる。
FIG. 7 is a view corresponding to FIG. 4 for explaining a droplet discharge head according to
実施の形態5.
ここでは、上記で説明したインクジェットヘッド1の駆動態様について説明する。なお、以下において説明するものは一例であり、分割された各個別電極10A,10Bを利用し行う制御が、以下の態様に限定されるものではない。
図8は第一個別電極10Aと第二個別電極10Bの駆動制御の一例を示す実施の形態5に係る駆動波形説明図である。実施の形態1のインクジェットヘッド1により、大容量のインクを吐出させたい場合には、第一個別電極10Aと第二個別電極10Bの両方に同時にパルス電圧を印加する。この場合、振動板51と第二個別電極10Bとの間で発生する静電力が、振動板51と第一個別電極10Aとの間で発生する静電力より大きくなるようにする。そのため、実施の形態1に示したインクジェットヘッドの場合には、図8のなかの「大インク吐出」の欄に示したように、第二個別電極10Bに印加する電圧を第一個別電極10Aに印加する電圧より高くする。このような電圧を第一個別電極10Aと第二個別電極10Bとの両方に印加し、それらを同時に駆動することにより、振動板51はその長手方向端部を含めて全体に吸引力が作用して、振動板51が大きく変形し、振動板51の大部分が個別電極10に当接するようになる。このため、ノズル11からのインク吐出量を多くできる。
振動板51の長手方向端部は振動板51の固定部位に近いことからたわみにくい構造であるが、第二個別電極10Bの駆動電圧を高くして駆動することにより、その部位の変位量を増大させることができ、第一個別電極10Aによる振動板51の中央部の変位と相まって、振動板51を大きくたわませて吐出量を大きくすることが可能である。
一方、インクジェットヘッド1により、小容量のインクを吐出させたい場合には、図8のなかの「小インク吐出」の欄に示したように、第一個別電極10Aのみにパルス電圧を印加し、第二個別電極10Bには電圧を印加しない。これによれば、振動板51の第二個別電極10Bに対応する部分には吸引力が作用せず、振動板51の第一個別電極10Aに対向する中央部分のみが第一個別電極10Aに吸引されて、その一部が第一個別電極10Aに当接する。このため、ノズル11からのインク吐出量は、第一個別電極10Aと第二個別電極10Bとを同時に駆動する場合に比べて少なくすることができる。
また、図8のなかの「メニスカスインク振動」の欄に示したように、第一個別電極10Aには電圧を印加せず、第二個別電極10Bにのみ電圧を印加した場合には、振動板51は、第二個別電極10Bに対向する端部部分のみに吸引力が作用する。第二個別電極10Bに対向する振動板の部分はそれを固定している部位に近いことから、その部分に吸引力が作用しても、振動板51が第二個別電極10Bに当接するようなことはない。このため、第二個別電極10Bに対して電圧印加を繰り返すことで、微小なインク振動が可能となり、インクを吐出することなく、ノズル11部分に留まっているインクのメニスカスの微振動制御が可能となる。すなわち、第二個別電極10Bと振動板51との間の充放電を繰り返すことにより、メニスカスを継続的に振動させ、ノズル11近傍のインクと圧力室5を満たすインクを攪拌することができる。
Here, the drive aspect of the
FIG. 8 is an explanatory diagram of drive waveforms according to the fifth embodiment showing an example of drive control of the first
The longitudinal end portion of the
On the other hand, when a small volume of ink is to be ejected by the
Further, as shown in the column of “meniscus ink vibration” in FIG. 8, when a voltage is not applied to the first
実施の形態6.
図9は第一個別電極10Aと第二個別電極10Bの駆動制御の他の例を示す実施の形態6に係る駆動波形説明図である。実施の形態2〜4のインクジェットヘッド1により、大容量のインクを吐出させたい場合には、第一個別電極10Aと第二個別電極10Bの両方に同時にパルス電圧を印加し、振動板51と第二個別電極10Bとの間で発生する静電力が、振動板51と第一個別電極10Aとの間で発生する静電力より大きくなるようにする。実施の形態2〜4に示したインクジェットヘッドの場合には、図9のなかの「大インク吐出」の欄に示したように、第一個別電極10Aと第二個別電極10Bに同じ高さの電圧を印加しても、それらの構造上、振動板51と第二個別電極10Bとの間で発生する静電力が、振動板51と第一個別電極10Aとの間で発生する静電力より大きくなる。従って、例えば同じ高さの電圧を第一個別電極10Aと第二個別電極10Bとに印加し、それらを同時に駆動することにより、振動板51はその長手方向端部を含めて全体に吸引力が作用して、振動板51が大きく変形し、振動板51の大部分が個別電極10に当接するようになる。このため、ノズル11からのインク吐出量を多くできる。
一方、インクジェットヘッド1により、小容量のインクを吐出させたい場合には、図9のなかの「小インク吐出」の欄に示したように、第一個別電極10Aのみにパルス電圧を印加し、第二個別電極10Bには電圧を印加しない。これによれば、振動板51の第二個別電極10Bに対応する部分には吸引力が作用せず、振動板51の第一個別電極10Aに対向する中央部分のみが第一個別電極10Aに吸引されて、その一部が第一個別電極10Aに当接する。このため、ノズル11からのインク吐出量は、第一個別電極10Aと第二個別電極10Bとを同時に駆動する場合に比べて少なくすることができる。
また、図9のなかの「メニスカスインク振動」の欄に示したように、第一個別電極10Aには電圧を印加せず、第二個別電極10Bにのみパルス電圧を印加した場合には、振動板51は、第二個別電極10Bに対向する部分のみに吸引力が作用する。第二個別電極10Bに対向する振動板の部分はそれを固定している部位に近いことから、その部分に吸引力が作用しても、振動板51が第二個別電極10Bに当接するようなことはない。このため、第二個別電極10Bに対して電圧印加を繰り返すことで、微小なインク振動が可能となり、インクを吐出することなく、ノズル11部分に留まっているインクのメニスカスの微振動制御が可能となる。すなわち、第二個別電極10Bと振動板51との間の充放電を繰り返すことにより、メニスカスを継続的に振動させ、ノズル11近傍のインクと圧力室5を満たすインクを攪拌することができる。
FIG. 9 is a drive waveform explanatory diagram according to
On the other hand, when it is desired to eject a small volume of ink by the
Further, as shown in the column of “meniscus ink vibration” in FIG. 9, when no voltage is applied to the first
なお、第一個別電極10Aと第二個別電極10Bとは、振動板51の長手方向に沿って平行に分割されているため、実施の形態5及び6におけるそれぞれの駆動態様の場合に、振動板51の振動中心はその長手方向で同じ部位となり、したがって、固有振動数が異なる等の振動特性が変化することはなく、制御性も向上する。
Since the first
ここで、実施の形態1に示したインクジェットヘッド1の製造方法を図10〜図12に基づいて簡単に説明しておく。
図10は電極基板4の製造工程の一例を示すフローチャートである。まず、ホウ珪酸ガラス等のガラス基板に、クロムをスパッタで成膜し(S1)、クロムをエッチングし個別電極形成部となる部分をパターニングする(S2)。その後、ガラス基板をエッチングして、個別電極形成部となるガラス溝(凹部9)を形成する(S3)。続いて、クロムを剥離して除去した後(S4)、凹部9が形成された側のガラス基板の表面全体に、後に個別電極となるITOをスパッタで成膜する(S5)。さらに、ガラス基板のITO側表面をパターニングして、第一個別電極10A、第二個別電極10B、及びそれらのリード部及び端子部となる部分だけを残して、残りのITOを除去する(S6)。最後に、インク供給口13となる貫通孔を形成して(S7)、電極基板が完成する(S8)。
なお、実施の形態2のインクジェットヘッドの場合には、凹部9のエッチングをエッチング保護膜を利用してエッチングを複数回行って、第一個別電極10Aと第二個別電極10Bに対応する面の深さを相違させる。
また、実施の形態4のインクジェットヘッドの場合には、マスクなどを利用して、第一個別電極10Aと第二個別電極10Bの表面に、それぞれ異なった絶縁膜を形成する。
Here, the manufacturing method of the
FIG. 10 is a flowchart showing an example of the manufacturing process of the
In the case of the inkjet head of the second embodiment, the depth of the surface corresponding to the first
In the case of the inkjet head of the fourth embodiment, different insulating films are formed on the surfaces of the first
図11はシリコン基板2の製造工程の一例を示すフローチャートである。まず、シリコンウェハの片側面に、ボロンをドープするボロン拡散処理を行う(S11)。続いて、シリコン基板を熱処理してその両面にSiO2 の熱酸化膜を形成する(S12)。この熱酸化膜はシリコン基板をエッチングする際のハードマスクとなるものである。続いて、熱酸化膜をパターニングして、圧力室5、リザーバ6及び電極取出部となる部分を形成する(S13)。その後、シリコン基板をKOH液などでエッチングして、圧力室5、リザーバ6、電極取出部となる流路部分を形成する(S14)。この場合、ボロンがドープされた部分では、ボロンドープ層がエッチングストップ層として作用しKOH液によるエッチングが停止する。したがってそのボロンドープ層が圧力室5の底壁、すなわち振動板51となる。最後に、シリコン基板2上に残っている熱酸化膜を一旦除去した後、再度、熱酸化膜(又はTEOS酸化膜)をシリコン基板の両面に形成する(S15)。その酸化膜は、圧力室5及びリザーバ6側ではインク保護膜として作用し、その反対側面では絶縁膜として作用する。以上で、インクの流路を構成するキャビティが形成されたシリコン基板2が完成する(S16)。
なお、実施の形態3のインクジェットヘッドの場合には、マスクなどを利用して、第一個別電極10Aと対向する部分と、第二個別電極10Bと対向する部分とに、それぞれ異なった絶縁膜を形成する。
FIG. 11 is a flowchart showing an example of the manufacturing process of the
In the case of the ink jet head according to the third embodiment, different insulating films are respectively formed on the portion facing the first
図12はインクジェットヘッドの組立工程の一例を示すフローチャートである。図10のようにして製作した電極基板4と、図11のようにして製作したシリコン基板2とを陽極接合により積層する(S21)。そして、その積層により形成された個別電極(第一個別電極10A及び第二個別電極10B)と振動板51との間の隙間8を封止材で封止する(S22)。その後、シリコン基板2側にノズル基板3を接着接合する(S23)。さらに、シリコンのウェハ単位で製造されてきたシリコン基板2、電極基板4及びノズル基板3からなる積層基板を所定の単位毎に切断する(S24)。その後、各電極に信号及び電力供給用のケーブル付き端子(FPC)を装着することで(S25)、インクジェットヘッド1の基本形が完成する(S26)。
FIG. 12 is a flowchart showing an example of the assembly process of the inkjet head. The
以上説明したように、本発明の液滴吐出ヘッドの一態様であるインクジェットヘッド1は、静電アクチュエータを構成している振動板51と第一個別電極10A、及び静電アクチュエータを構成している振動板51と第二個別電極10Bとの間でそれらの電極間の充放電の態様を制御することにより、ノズル11から吐出するインク量の制御や、ノズル11部分のインクのメニスカスの振動制御が可能となる。すなわち、インク吐出量を多くできる効果や、ノズルの不使用により一定時間以上ノズルからインク滴を吐出しない状態が続いた後でも、インク不吐出や異常吐出による印刷の不具合を生じさせない効果を有する。静電アクチュエータを構成している電極の充放電の態様としては、既に説明したように、第一個別電極10Aと第二個別電極10Bとを同時にまたは選択的に駆動したり、第一個別電極10Aと第二個別電極10Bの駆動電圧を相違させるなど、各種の態様が適用できる。
As described above, the
なお、上記実施の形態では、振動板51と第一個別電極10A、及び振動板51と第二個別電極10Bとが、液滴吐出ヘッドに適用される例を示したが、このような構成の静電アクチュエータは、液滴吐出ヘッドへの適用に限られるものではなく、振動板の変形を利用して操作を行わしめる他の機器にも適用できる。
In the above embodiment, the example in which the
実施の形態7.
図13は本発明の実施の形態7に係る液滴吐出装置の一例を示すインクジェットヘッド1を備えたプリンタ100の斜視図である。このプリンタ100は、前述したインクジェットヘッド1の効果を奏するため、耐久性および印刷特性に優れている。
なお、上記実施の形態で説明してきた液滴吐出ヘッドは、図13に示したようなプリンタへの適用の他に、吐出する液滴を種々変更することで、液晶ディスプレイのカラーフィルタの製造装置、有機EL表示装置の発光部分の形成装置、生体液体の吐出装置等、様々な液滴の吐出に応用することができる。
FIG. 13 is a perspective view of a
In addition to the application to the printer as shown in FIG. 13, the liquid droplet ejection head described in the above embodiment can be used for variously changing the liquid droplets to be ejected to produce a color filter manufacturing apparatus for a liquid crystal display. The present invention can be applied to the discharge of various droplets such as a device for forming a light emitting portion of an organic EL display device and a discharge device for biological liquid.
1 インクジェットヘッド、2 シリコン基板(キャビティ基板)、3 ノズル基板、4 電極基板、5 圧力室、6 リザーバ、7 インク供給路、8 振動板と個別電極との間の隙間、9 電極基板の凹部、10 個別電極、10A 第一個別電極、10B 第二個別電極、11 ノズル、12 シリコン基板のインク供給口、13 電極基板のインク供給口、21A,21B 電圧印加手段、22 共通電極端子、51 圧力室の底壁(振動板)、52A,52B,53A,53B 絶縁膜、100 プリンタ。
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記振動部との間に隙間を有して前記振動基板に対向配置され、前記振動部の対向部分に静電力を発生させる個別電極が形成されている電極基板とを備え、
前記個別電極は、前記振動部の横長形状の長手方向に沿って前記振動部の中央部分に対向配置された第一個別電極と、前記振動部の横長形状の長手方向に沿って前記振動部の中央部分の両側部分に対向配置された第二個別電極とを有し、
前記第一個別電極と前記第二個別電極とが独立して制御可能とされており、
前記第一個別電極と前記第二個別電極との同時駆動時には、前記振動部と前記第二個別電極との間で発生する静電力が、前記振動部と前記第一個別電極との間で発生する静電力より大きくなるようにしている、ことを特徴とする静電アクチュエータ。 A vibrating substrate in which a vibrating portion deformed by an electrostatic force is formed in a horizontally long shape in the plate surface;
An electrode substrate that is disposed opposite to the vibration substrate with a gap between the vibration portion and an individual electrode that generates an electrostatic force at an opposing portion of the vibration portion;
The individual electrode includes a first individual electrode disposed opposite to a central portion of the vibrating portion along a longitudinal direction of the vibrating portion of the vibrating portion, and a vibrating portion of the vibrating portion along the longitudinal direction of the vibrating portion of the vibrating portion. A second individual electrode disposed opposite to both sides of the central portion,
The first individual electrode and the second individual electrode are independently controllable,
During simultaneous driving of the first individual electrode and the second individual electrode, an electrostatic force generated between the vibration unit and the second individual electrode is generated between the vibration unit and the first individual electrode. An electrostatic actuator characterized in that the electrostatic actuator is larger than the electrostatic force.
前記振動部が、吐出液を取り込んでノズルから吐出させる圧力室の一部を構成している、ことを特徴とする液滴吐出ヘッド。 An electrostatic actuator according to any one of claims 1 to 7,
The liquid droplet ejection head, wherein the vibration part constitutes a part of a pressure chamber that takes in the ejection liquid and ejects it from the nozzle.
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