JP2010173080A - Electrostatic actuator, liquid droplet delivering head, and liquid droplet delivering device - Google Patents

Electrostatic actuator, liquid droplet delivering head, and liquid droplet delivering device Download PDF

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友紀 松下
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrostatic actuator capable of obtaining a large amount of displacement of an oscillating plate by achieving low voltage driving, and a liquid droplet delivering head and a liquid droplet delivering device including the electrostatic actuator. <P>SOLUTION: The electrostatic actuator includes: the oscillating plate 4 functioning as a first electrode; an individual electrode 11 opposed to the oscillating plate 4 through a gap G and functioning as a second electrode where voltage is applied between the oscillating plate 4 and the individual electrode 11; an insulating film 4a formed on an opposed surface of the oscillating plate 4 to the individual electrode 11; and an insulating film 11a formed on an opposed surface of the individual electrode 11 to the oscillating plate 4, and the insulating film 4a and the insulating film 11a are formed of material of the same kind, and made to be an electret. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、インクジェットヘッド等の駆動機構として用いられている静電アクチュエータ、液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置に関するものである。   The present invention relates to an electrostatic actuator, a droplet discharge head, and a droplet discharge device that are used as a drive mechanism for an inkjet head or the like.

従来より、液滴吐出ヘッドとして、駆動手段に発熱素子等を利用したサーマル方式や、アクチュエータ駆動方式の液滴吐出ヘッドがある。アクチュエータ駆動方式としては、駆動手段に静電気力を利用した、いわゆる静電駆動方式や、圧電素子(ピエゾ素子)を利用した、いわゆる圧電駆動方式がある。   Conventionally, as a droplet discharge head, there are a thermal method using a heat generating element or the like as a driving unit and an actuator drive method droplet discharge head. As an actuator driving method, there are a so-called electrostatic driving method using electrostatic force as a driving means and a so-called piezoelectric driving method using a piezoelectric element (piezo element).

アクチュエータ駆動方式の液滴吐出ヘッドでは、吐出室の一部を構成する振動板を静電気力や圧電素子の圧電効果によって弾性変位させ、吐出室内に圧力を発生させることによりノズルから液滴を吐出させるようにしている。この種の液滴吐出ヘッドでは、近年、高速印字に対応するため多ノズル化が進んでおり、また高解像度化の要求から微小なアクチュエータが求められている。しかしながら、アクチュエータが小型化、高密度化されると、振動板の変位量が不十分となり、これにより吐出室内に十分な圧力が発生せず必要な液滴吐出量を得ることができないという問題があった。   In an actuator-driven droplet discharge head, a diaphragm constituting a part of the discharge chamber is elastically displaced by electrostatic force or the piezoelectric effect of a piezoelectric element, and a droplet is discharged from the nozzle by generating pressure in the discharge chamber. I am doing so. In this type of droplet discharge head, in recent years, the number of nozzles has been increased in order to cope with high-speed printing, and a minute actuator has been demanded from the demand for higher resolution. However, when the actuator is downsized and densified, the amount of displacement of the diaphragm becomes insufficient, which causes a problem that sufficient pressure is not generated in the discharge chamber and the required droplet discharge amount cannot be obtained. there were.

そこで、圧電駆動方式のアクチュエータでは、振動板上に無機エレクトレット層を多層化することで大きな機械的駆動力を得て振動板の変位量を大きくするようにしていた(例えば、特許文献1参照)。   Therefore, in the piezoelectric drive type actuator, an inorganic electret layer is multilayered on the vibration plate to obtain a large mechanical driving force to increase the displacement amount of the vibration plate (see, for example, Patent Document 1). .

また、静電駆動方式のアクチュエータでは、振動板と振動板に対向して配置した対向電極(個別電極)との互いの対向面の何れか一方に絶縁膜を設け、その絶縁膜をエレクトレット化(永久的電気分極を有する誘電体)して絶縁膜部分を予め帯電させることにより、低電圧駆動で大きな振動板変位量を確保するようにしていた(例えば、特許文献2参照)。 なお、静電アクチュエータを適用した液滴吐出ヘッドでは、一般的に、振動板が変位したときに振動板と個別電極とが当接するようになっている。   Further, in an electrostatic drive type actuator, an insulating film is provided on one of opposing surfaces of a diaphragm and a counter electrode (individual electrode) disposed opposite to the diaphragm, and the insulating film is electretized ( The dielectric film having a permanent electric polarization) is charged in advance so as to secure a large diaphragm displacement by low voltage driving (see, for example, Patent Document 2). In a droplet discharge head to which an electrostatic actuator is applied, generally, the diaphragm and the individual electrode come into contact when the diaphragm is displaced.

特開2004−255605号公報(第4頁、図1)JP 2004-255605 A (page 4, FIG. 1) 特開2007−105971号公報(第6頁、図2)JP2007-105971A (6th page, FIG. 2)

特許文献1の技術では、無機エレクトレット層を振動板上に多層化していることから、それを支えるために振動板の厚みを厚くする必要がある。このため、機械的な抵抗が大きくなり、実際には液滴の安定吐出に十分な振動板変位を得るのが難しい。従って、十分な振動板変位を得るために、駆動電圧を大きくする必要があるという課題があった。また、製造工程が複雑で製造コストを要するという課題があった。   In the technique of Patent Document 1, since the inorganic electret layer is multilayered on the diaphragm, it is necessary to increase the thickness of the diaphragm in order to support it. For this reason, the mechanical resistance is increased, and it is actually difficult to obtain a diaphragm displacement sufficient for stable ejection of droplets. Accordingly, there is a problem that it is necessary to increase the drive voltage in order to obtain a sufficient diaphragm displacement. In addition, the manufacturing process is complicated and requires a manufacturing cost.

また、特許文献2の技術では、振動板と個別電極との接触面が異種材料で形成された構造となるため、駆動により振動板と個別電極との接触・離脱が繰り返されると、意図しない帯電が生じてしまう。すなわち、絶縁膜に電荷が残留し、この残留電荷が作り出す電界により振動板が撓んで初期と特性が変わってしまったり(駆動特性の低下)、振動板と個別電極とが貼り付いて動作不能(駆動耐久性の低下)となる等の不都合が生じるという課題があった。   Further, in the technique of Patent Document 2, since the contact surface between the diaphragm and the individual electrode has a structure formed of a different material, unintentional charging is caused when contact and separation between the diaphragm and the individual electrode are repeated by driving. Will occur. In other words, the electric charge remains in the insulating film, and the diaphragm is bent by the electric field created by the residual charge and the characteristics change from the initial stage (decrease in driving characteristics), or the diaphragm and the individual electrodes are stuck together and cannot operate ( There has been a problem that inconvenience such as reduction in driving durability occurs.

本発明はこのような点に鑑みなされたもので、低電圧駆動を可能とし、大きな振動板変位量を得ることが可能な静電アクチュエータを提供することを目的とする。また、この静電アクチュエータを備えた液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of these points, and an object of the present invention is to provide an electrostatic actuator that can be driven at a low voltage and can obtain a large displacement of the diaphragm. It is another object of the present invention to provide a droplet discharge head and a droplet discharge apparatus provided with this electrostatic actuator.

本発明に係る静電アクチュエータは、第1の電極として機能する振動板と、振動板にギャップを隔てて対向し、振動板との間で電圧が印加される第2の電極と、振動板の第2の電極との対向面に形成された第1の絶縁膜と、第2の電極の振動板との対向面に形成された第2の絶縁膜とを備え、第1の絶縁膜及び第2の絶縁膜とが同種材料で形成され、且つエレクトレット化されているものである。
このように、振動板と第2の電極との互いの対向面の双方に、同種材料で構成された絶縁膜を設けたので、接触帯電を防止することが可能である。よって、駆動特性の低下を防止し、駆動耐久性を向上することが可能となる。
また、第1の絶縁膜及び第2の絶縁膜がエレクトレット化されているため、電圧非印加時に振動板と第2の電極との間に電界が形成され、その電界を通常の電圧印加で発生させるのに必要な電圧分、低電圧駆動が可能となる。従って、低電圧駆動が可能となる分だけ、逆に振動板変位量を大きくすることが可能となる。
An electrostatic actuator according to the present invention includes a diaphragm that functions as a first electrode, a second electrode that faces the diaphragm with a gap therebetween, and a voltage is applied between the diaphragm and the diaphragm. A first insulating film formed on the surface facing the second electrode, and a second insulating film formed on the surface facing the diaphragm of the second electrode. The two insulating films are made of the same material and are electretized.
As described above, since the insulating films made of the same kind of material are provided on both surfaces of the diaphragm and the second electrode facing each other, it is possible to prevent contact charging. Accordingly, it is possible to prevent the drive characteristics from being deteriorated and to improve the drive durability.
In addition, since the first insulating film and the second insulating film are electretized, an electric field is formed between the diaphragm and the second electrode when no voltage is applied, and the electric field is generated by applying a normal voltage. Low voltage driving is possible for the voltage required to achieve this. Accordingly, the amount of displacement of the diaphragm can be increased as much as low voltage driving is possible.

また、本発明に係る静電アクチュエータは、第1の絶縁膜と第2の絶縁膜のエレクトレットの極性がそれぞれ異なるものである。
これにより、ギャップ内で同じ向きの電界が形成され、静電吸引力を発生させることができる。
In the electrostatic actuator according to the present invention, the electrets of the first insulating film and the second insulating film have different polarities.
Thereby, the electric field of the same direction is formed in a gap, and an electrostatic attraction force can be generated.

また、本発明に係る静電アクチュエータは、第1の絶縁膜と第2の絶縁膜がシリコン酸化膜であるものである。
このようにエレクトレット化する絶縁膜としてシリコン酸化膜を用いることができる。
In the electrostatic actuator according to the present invention, the first insulating film and the second insulating film are silicon oxide films.
Thus, a silicon oxide film can be used as an insulating film to be electretized.

また、本発明に係る静電アクチュエータは、第1の絶縁膜と第2の絶縁膜は、High−k材で構成されているものである。
このようにエレクトレット化する絶縁膜としてHigh−k材を用いることができる。High−k材を用いることにより、静電アクチュエータの絶縁性及び動作特性を向上させることが可能である。
In the electrostatic actuator according to the present invention, the first insulating film and the second insulating film are made of a high-k material.
Thus, a High-k material can be used as the insulating film to be electretized. By using a High-k material, it is possible to improve the insulation and operating characteristics of the electrostatic actuator.

また、本発明に係る液滴吐出ヘッドは、上記の静電アクチュエータと、液滴が吐出されるノズルと、ノズルに連通し振動板が一部に形成されている液体流路とを備えたものである。
このように上記の静電アクチュエータを備えたため、低電圧駆動及び大きな振動板変位量を得ることが可能で、駆動耐久性にも優れた液滴吐出ヘッドを得ることができる。
Further, a liquid droplet ejection head according to the present invention includes the electrostatic actuator described above, a nozzle from which liquid droplets are ejected, and a liquid flow channel that communicates with the nozzle and has a diaphragm formed in part. It is.
As described above, since the electrostatic actuator is provided, it is possible to obtain a liquid droplet ejection head that can obtain low voltage driving and a large displacement amount of the diaphragm, and is excellent in driving durability.

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が搭載されているものである。
このように上記の液滴吐出ヘッドを備えたので、上記液滴吐出ヘッドが有する効果を奏する液滴吐出装置を得ることができる。
A droplet discharge apparatus according to the present invention is equipped with the above-described droplet discharge head.
Since the liquid droplet ejection head is provided as described above, a liquid droplet ejection device that exhibits the effects of the liquid droplet ejection head can be obtained.

実施の形態1の静電アクチュエータを備えた液滴吐出ヘッドの分解斜視図。FIG. 3 is an exploded perspective view of a droplet discharge head including the electrostatic actuator according to the first embodiment. 図1に示す液滴吐出ヘッドの概略縦断面図。FIG. 2 is a schematic longitudinal sectional view of the droplet discharge head shown in FIG. 1. 図2のA−A断面図。AA sectional drawing of FIG. コロナ帯電による帯電装置の構成を示す図。The figure which shows the structure of the charging device by corona charging. 実施の形態1の静電アクチュエータを備えた液滴吐出装置の一例図。FIG. 3 is an example diagram of a droplet discharge device including the electrostatic actuator according to the first embodiment.

実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1の静電アクチュエータを備えた液滴吐出ヘッドの分解斜視図である。図2は、図1に示す液滴吐出ヘッドの概略縦断面図である。図3は、図2のA−A断面図である。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is an exploded perspective view of a droplet discharge head including an electrostatic actuator according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 2 is a schematic longitudinal sectional view of the droplet discharge head shown in FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG.

実施の形態1の液滴吐出ヘッド100は、主にキャビティ基板1、電極基板2及びノズル基板3が接合されることにより構成されている。キャビティ基板1は、例えば単結晶シリコン基板(以下、単にシリコン基板という)からなり、以下に示す所定の加工が施されている。なお、図1では、キャビティ基板1として例えば厚さ約50μmの(110)面方位のシリコン基板を使用している。キャビティ基板1には、シリコン基板を異方性ウェットエッチングすることにより、底壁が振動板4として形成された吐出室5となる凹部5aと、各吐出室5に供給すべき液滴を溜めるリザーバー6を構成する凹部6aとが形成されている。そして、吐出室5、リザーバー6及び後述のオリフィス21により液体流路が形成されている。   The droplet discharge head 100 according to the first embodiment is mainly configured by bonding a cavity substrate 1, an electrode substrate 2, and a nozzle substrate 3. The cavity substrate 1 is made of, for example, a single crystal silicon substrate (hereinafter simply referred to as a silicon substrate), and is subjected to the following predetermined processing. In FIG. 1, for example, a silicon substrate having a (110) plane orientation of about 50 μm in thickness is used as the cavity substrate 1. In the cavity substrate 1, a silicon substrate is anisotropically etched to form a recess 5 a that forms a discharge chamber 5 whose bottom wall is formed as a diaphragm 4, and a reservoir that stores droplets to be supplied to each discharge chamber 5. 6 is formed. A liquid flow path is formed by the discharge chamber 5, the reservoir 6, and an orifice 21 described later.

なお、振動板4は、高濃度のボロン・ドープ層から形成されている。このボロン・ドープ層は、ボロンを高濃度(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。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ため、振動板4の厚み及び吐出室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。なお、この振動板4は本例では厚さ4μmで形成されている。かかる構成の振動板4は、各吐出室5側の共通電極(第1の電極)として機能する。 The diaphragm 4 is formed of a high-concentration boron-doped layer. This boron-doped layer is formed by doping boron at a high concentration (about 5 × 10 19 atoms / cm 3 or more). For example, when single crystal silicon is etched with an alkaline aqueous solution, the etching rate is extremely low. This is a so-called etching stop layer that is delayed. Since the boron-doped layer functions as an etching stop layer, the thickness of the diaphragm 4 and the volume of the discharge chamber 5 can be formed with high accuracy. The diaphragm 4 is formed with a thickness of 4 μm in this example. The diaphragm 4 having such a configuration functions as a common electrode (first electrode) on each discharge chamber 5 side.

また、キャビティ基板1の電極基板2側の面全体には絶縁膜4aが形成されている。この絶縁膜4aは、各吐出室5側の共通電極として機能する振動板4と後述の個別電極(第2の電極)11との短絡及び絶縁破壊を防止する目的で設けられる。本発明では更に、この絶縁膜4aがエレクトレット化(永久的電気分極を有する誘電体)されている。エレクトレットは、電圧が印加されず外部に電界が存在しない状態でも恒久的に分極を保持し、周囲に対して電界を形成する作用を有するものである。   An insulating film 4a is formed on the entire surface of the cavity substrate 1 on the electrode substrate 2 side. The insulating film 4a is provided for the purpose of preventing a short circuit and a dielectric breakdown between the diaphragm 4 functioning as a common electrode on each discharge chamber 5 side and an individual electrode (second electrode) 11 described later. In the present invention, the insulating film 4a is further electretized (a dielectric having permanent electric polarization). The electret has an action of permanently maintaining polarization even in a state where no voltage is applied and no electric field exists outside, and forms an electric field with respect to the surroundings.

絶縁膜4aは、熱酸化によりシリコン酸化膜(SiO2 膜)で形成されている。絶縁膜4aの材料としては、他に例えばプラズマCVD(Chemical Vapor Deposition法)により厚さ約0.1μmのTEOS(Tetraethylorthosillicate Tetraethoxysilane:テトラエトキシシラン、珪酸エチル)膜で形成してもよいし、酸化シリコンよりも比誘電率の高い誘電材料、すなわちアルミナ等の、いわゆるHigh−K(高誘電率ゲート絶縁膜)材で形成してもよい。High−K材からなる絶縁膜は、酸化シリコンよりも高い比誘電率を有するため、静電アクチュエータの絶縁性及び動作特性を向上させることが可能である。他には、酸窒化シリコン、酸化タンタル、窒化ハフニウムシリケート、又は酸窒化ハフニウムシリケート等の他の膜を用いても良く、要はエレクトレット化が可能な絶縁膜であればよい。絶縁膜4aのエレクトレット化については後に後述する。 The insulating film 4a is formed of a silicon oxide film (SiO 2 film) by thermal oxidation. As the material of the insulating film 4a, for example, a TEOS (Tetraethylorthosillicate Tetraethoxysilane) film having a thickness of about 0.1 μm may be formed by plasma CVD (Chemical Vapor Deposition method), or silicon oxide. Alternatively, a dielectric material having a higher relative dielectric constant, that is, a so-called High-K (high dielectric constant gate insulating film) material such as alumina may be used. Since the insulating film made of a High-K material has a higher dielectric constant than silicon oxide, it is possible to improve the insulating properties and operating characteristics of the electrostatic actuator. In addition, other films such as silicon oxynitride, tantalum oxide, hafnium nitride silicate, or hafnium oxynitride silicate may be used as long as they are insulating films that can be converted into electrets. The electretization of the insulating film 4a will be described later.

電極基板2は、例えば厚さが1mmのホウ珪酸ガラスからなり、キャビティ基板1の振動板4側に接合されている。この電極基板2には、振動板4との間にギャップGを構成する例えば深さが0.2μmの電極用凹部8がエッチングにより形成されている。そして、この電極用凹部8の内部には、振動板(第1の電極)4に対向して個別電極(第2の電極)11が形成されている。個別電極11は、酸化錫をドープしたITO(Indium Tin Oxide:インジウム錫酸化物)等からなり、例えばスパッタにより厚さ0.1μmで形成されている。   The electrode substrate 2 is made of, for example, borosilicate glass having a thickness of 1 mm, and is joined to the diaphragm 4 side of the cavity substrate 1. In this electrode substrate 2, an electrode recess 8 having a depth of, for example, 0.2 μm and forming a gap G with the diaphragm 4 is formed by etching. An individual electrode (second electrode) 11 is formed inside the electrode recess 8 so as to face the diaphragm (first electrode) 4. The individual electrode 11 is made of ITO (Indium Tin Oxide) doped with tin oxide or the like, and is formed with a thickness of 0.1 μm by sputtering, for example.

また、個別電極11上において振動板4と対向する部分には絶縁膜11aが形成されている。絶縁膜11aも絶縁膜4aと同様にエレクトレット化されている。絶縁膜4aと絶縁膜11aとは同種材料で構成され、駆動時の接触帯電の防止を図っている。また、絶縁膜4aと絶縁膜11aとは、図3に示すようにそのエレクトレットの極性が互いに異なるように構成されている。図3では絶縁膜4a側を極性+とし、絶縁膜11a側を極性−としているが、逆でも良い。このように振動板4側のエレクトレットと個別電極11側のエレクトレットの極性を逆とすることにより、それぞれがギャップG内で作り出す電界の向きが同じとなる。従って、電圧非印加時に作り出す電界の大きさが大きくなり、低電圧駆動が可能となる。   In addition, an insulating film 11 a is formed on the individual electrode 11 at a portion facing the diaphragm 4. The insulating film 11a is also electreted like the insulating film 4a. The insulating film 4a and the insulating film 11a are made of the same kind of material to prevent contact charging during driving. Further, the insulating film 4a and the insulating film 11a are configured so that the polarities of the electrets are different from each other as shown in FIG. In FIG. 3, the insulating film 4a side has a positive polarity and the insulating film 11a side has a negative negative polarity. Thus, by reversing the polarities of the electret on the diaphragm 4 side and the electret on the individual electrode 11 side, the directions of the electric fields created in the gap G are the same. Therefore, the magnitude of the electric field generated when no voltage is applied is increased, and low voltage driving is possible.

また、電極基板2には、リザーバー6に液滴を供給するための液体供給穴14が設けられている。さらに、個別電極11は、FPC(図示せず)によりリード部12及び端子部13(図1参照)を介して発振回路23と接続されている。発振回路23とキャビティ基板1に設けた共通電極端子7もFPCを介して接続されている。また、ギャップGは封止材9によって封止されている。なお、電極基板2は、ホウ珪酸ガラスではなくシリコン基板等で形成してもよい。   The electrode substrate 2 is provided with a liquid supply hole 14 for supplying a droplet to the reservoir 6. Further, the individual electrode 11 is connected to the oscillation circuit 23 via the lead portion 12 and the terminal portion 13 (see FIG. 1) by FPC (not shown). The common electrode terminal 7 provided on the oscillation circuit 23 and the cavity substrate 1 is also connected through the FPC. The gap G is sealed with a sealing material 9. The electrode substrate 2 may be formed of a silicon substrate or the like instead of borosilicate glass.

ノズル基板3は、例えば厚さ180μmのシリコン基板からなり、ノズル基板3の厚さ方向に貫通するノズル20が形成されている。ノズル20は、ノズル基板3の下面側が吐出室5に連通し、ノズル基板3の上面側が液滴を吐出するための開口部となっている。このノズル20は、ノズル基板3の上面側が横断面の面積の小さい第1の溝20aからなり、ノズル基板3の下面側が横断面の面積の広い第2の溝20bとなっており、階段状の2段ノズルとなっている。   The nozzle substrate 3 is made of, for example, a silicon substrate having a thickness of 180 μm, and a nozzle 20 penetrating in the thickness direction of the nozzle substrate 3 is formed. In the nozzle 20, the lower surface side of the nozzle substrate 3 communicates with the discharge chamber 5, and the upper surface side of the nozzle substrate 3 is an opening for discharging droplets. The nozzle 20 includes a first groove 20a having a small cross-sectional area on the upper surface side of the nozzle substrate 3, and a second groove 20b having a large cross-sectional area on the lower surface side of the nozzle substrate 3, and is stepped. It is a two-stage nozzle.

また、ノズル基板3の下面には、吐出室5とリザーバー6を連通するためのオリフィス21となる凹部21aと、リザーバーダイヤフラム22を設けるための凹部22aが設けられている。ノズル基板3の上面のリザーバーダイヤフラム22に対応する部分は凹部になっている。このようにしてリザーバーダイヤフラム22の部分を薄くすることにより、外気圧の変動があった場合でも液滴の吐出が安定して行えるようになっている。   In addition, on the lower surface of the nozzle substrate 3, a recess 21 a serving as an orifice 21 for communicating the discharge chamber 5 and the reservoir 6 and a recess 22 a for providing the reservoir diaphragm 22 are provided. A portion of the upper surface of the nozzle substrate 3 corresponding to the reservoir diaphragm 22 is a recess. By thinning the reservoir diaphragm 22 in this way, it is possible to stably discharge droplets even when there is a change in the external pressure.

なお、実際にはノズル基板3の外表面全体にシリコン酸化膜が形成されているが、図1及び図2においてその図示は省略している。また、図1では、ノズル20及び吐出室5が2列に並んだ液滴吐出ヘッドを示しているが、ノズル20及び吐出室5が1列に並んだものであってもよい。また、図1及び図2では、吐出方式が、ノズル基板3に平行に液滴を吐出するフェイスイジェクトタイプのものを例に挙げて説明したが、サイドイジェクトタイプのものであってもよい。   In practice, a silicon oxide film is formed on the entire outer surface of the nozzle substrate 3, but the illustration thereof is omitted in FIGS. 1 and 2. Further, FIG. 1 shows a droplet discharge head in which the nozzles 20 and the discharge chambers 5 are arranged in two rows, but the nozzles 20 and the discharge chambers 5 may be arranged in one row. In FIGS. 1 and 2, the ejection method has been described by taking the face ejection type of ejecting droplets in parallel to the nozzle substrate 3 as an example, but it may be a side ejection type.

次に、図1及び図2に示す液滴吐出ヘッドの動作について説明する。
発振回路23は例えば24kHzで発振し、キャビティ基板1の共通電極端子7と個別電極11の間にパルス電圧を印加して個別電極11に電荷供給を行う。個別電極11に電荷を供給して正に帯電させると、振動板4は負に帯電し、振動板4と個別電極11との間に静電気力が発生する。この静電気力の吸引作用により振動板4が個別電極11側に引き寄せられて撓み、吐出室5の容積が拡大する。これによりリザーバー6の内部に溜まっていたインク等の液滴がオリフィス21を通じて吐出室5に流れ込む。次に、個別電極11への電圧の印加を停止すると、静電吸引力が消滅して振動板4が復元し、吐出室5の容積が急激に収縮する。これにより、吐出室5内の圧力が急激に上昇し、この吐出室5に連通しているノズル20からインク等の液滴が吐出される。なお、このような方法は引き打ちと呼ばれるものであるが、バネ等を用いて液滴を吐出する押し打ちと呼ばれる方法もある。
Next, the operation of the droplet discharge head shown in FIGS. 1 and 2 will be described.
The oscillation circuit 23 oscillates at 24 kHz, for example, and supplies a charge to the individual electrode 11 by applying a pulse voltage between the common electrode terminal 7 and the individual electrode 11 of the cavity substrate 1. When a charge is supplied to the individual electrode 11 to be positively charged, the diaphragm 4 is negatively charged, and an electrostatic force is generated between the diaphragm 4 and the individual electrode 11. Due to the suction action of the electrostatic force, the diaphragm 4 is attracted and bent toward the individual electrode 11 side, and the volume of the discharge chamber 5 is increased. As a result, droplets of ink or the like accumulated in the reservoir 6 flow into the discharge chamber 5 through the orifice 21. Next, when the application of voltage to the individual electrode 11 is stopped, the electrostatic attraction force disappears, the diaphragm 4 is restored, and the volume of the discharge chamber 5 contracts rapidly. As a result, the pressure in the discharge chamber 5 rapidly increases, and droplets such as ink are discharged from the nozzles 20 communicating with the discharge chamber 5. Such a method is called pulling, but there is also a method called pushing that discharges droplets using a spring or the like.

ここで、本例の液滴吐出ヘッド100は、絶縁膜4a及び絶縁膜11aが図3に示したようにエレクトレット化され、一方が正極、他方が負極に帯電した状態にある。このため、振動板4と個別電極11との間に常に電界が作られ、静電気力が発生しており、実際には撓まない程度に振動板4が個別電極11側に引き寄せる力が働いている。よって、通常の振動板4の駆動に必要な当接電圧よりも低い電圧で駆動が可能となる。従って、通常の当接電圧を印加した場合には、エレクトレット部4a,4bの作用により低電圧駆動が可能となる分だけ、振動板変位量を大きくすることが可能となる。   Here, in the droplet discharge head 100 of this example, the insulating film 4a and the insulating film 11a are electretized as shown in FIG. 3, and one is charged to the positive electrode and the other is charged to the negative electrode. For this reason, an electric field is always generated between the diaphragm 4 and the individual electrode 11, and an electrostatic force is generated, and a force that the diaphragm 4 pulls toward the individual electrode 11 side works to such an extent that it does not actually bend. Yes. Therefore, it is possible to drive at a voltage lower than the contact voltage necessary for driving the normal diaphragm 4. Therefore, when a normal contact voltage is applied, the diaphragm displacement can be increased by the amount that enables low voltage driving by the action of the electret portions 4a and 4b.

以上説明したように、本実施の形態1によれば、振動板4と個別電極11との互いの対向面の双方に、同種材料で構成された絶縁膜4aと絶縁膜11aとを設けたので、接触帯電を防止することが可能である。よって、駆動特性の低下を防止し、駆動耐久性を向上することが可能となる。   As described above, according to the first embodiment, the insulating film 4a and the insulating film 11a made of the same kind of material are provided on both opposing surfaces of the vibration plate 4 and the individual electrode 11. It is possible to prevent contact charging. Accordingly, it is possible to prevent the drive characteristics from being deteriorated and to improve the drive durability.

また、両絶縁膜4a、11aをエレクトレット化し、そのエレクトレットの極性が互いに異なるように構成したので、ギャップG内で同じ向きの電界が形成され、静電吸引力を発生させることができる。このため、その電界を通常の電圧印加で発生させるのに必要な電圧分、低電圧駆動が可能となる。従って、低電圧駆動が可能となる分だけ、逆に振動板変位量を大きくすることが可能となる。   In addition, since both insulating films 4a and 11a are electretized and the electrets have different polarities, an electric field in the same direction is formed in the gap G, and an electrostatic attractive force can be generated. For this reason, it is possible to drive at a low voltage by a voltage necessary for generating the electric field by applying a normal voltage. Accordingly, the amount of displacement of the diaphragm can be increased as much as low voltage driving is possible.

ところで、絶縁膜4a及び絶縁膜11aをエレクトレット化するための帯電方法としては、コロナ放電、熱エレクトレット法、電子ビーム法があるが、本例ではコロナ放電により帯電させるようにしている。ここで、コロナ放電による帯電方法について簡単に説明しておく。   Incidentally, as a charging method for electretizing the insulating film 4a and the insulating film 11a, there are a corona discharge, a thermal electret method, and an electron beam method. In this example, charging is performed by corona discharge. Here, a charging method using corona discharge will be briefly described.

図4は、コロナ放電による帯電装置の構成を示す図である。
この帯電装置は、タングステンからなるワイヤー電極31と、格子状に構成されたグリッド電極32とを有し、ワイヤー電極31に高電圧V1を、グリッド電極32に低電圧V2を印加することで、ステージ33上に載置されたシリコン基板34上の絶縁膜34aに帯電を行うものである。正の帯電を行う場合、高電圧V1及び低電圧V2に正の電圧を印加し、負の帯電を行う場合、高電圧V1及び低電圧V2に負の電圧を印加する。高電圧V1は、ワイヤーがコロナ放電を起こすのに十分な電圧を印加し、低電圧V2は、エレクトレットが絶縁破壊を起こさない範囲の値を設定する。本例では、この帯電装置を用いて、100℃雰囲気で2kVの電圧印加を1時間程度行い、絶縁膜4aに24Vに相当する電荷を帯電させ、エレクトレット化された絶縁膜4aを得るようにしている。絶縁膜11bも同様にエレクトレット化し、絶縁膜4aとは極性を入れ替えて帯電させる。絶縁膜4a及び絶縁膜11aのエレクトレット化は、キャビティ基板1と電極基板2とを接合する前の段階で行っておけばよい。
FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration of a charging device using corona discharge.
The charging device includes a wire electrode 31 made of tungsten and a grid electrode 32 configured in a lattice shape, and a high voltage V1 is applied to the wire electrode 31 and a low voltage V2 is applied to the grid electrode 32, thereby providing a stage. The insulating film 34 a on the silicon substrate 34 placed on the substrate 33 is charged. When positive charging is performed, a positive voltage is applied to the high voltage V1 and the low voltage V2, and when negative charging is performed, a negative voltage is applied to the high voltage V1 and the low voltage V2. The high voltage V1 applies a voltage sufficient for the wire to cause corona discharge, and the low voltage V2 sets a value within a range where the electret does not cause dielectric breakdown. In this example, by using this charging device, a voltage of 2 kV is applied in an atmosphere of 100 ° C. for about 1 hour to charge the insulating film 4a with a charge corresponding to 24V, thereby obtaining an electretized insulating film 4a. Yes. The insulating film 11b is also electreted in the same manner, and is charged by switching the polarity with the insulating film 4a. The insulating film 4a and the insulating film 11a may be electretized at a stage before the cavity substrate 1 and the electrode substrate 2 are bonded.

実施の形態2.
図5は、本発明の実施の形態2に係る液滴吐出装置の一例を示す図で、図5では、特にインクを吐出するインクジェット記録装置の例で示している。図5に示されるインクジェット記録装置110は、インクジェットプリンターであり、実施の形態1の静電アクチュエータを備えた液滴吐出ヘッド100を搭載している。このため、低電圧駆動が可能で、大きな振動板変位量を得ることができ、吐出室5内の発生圧力を高くすることができる。よって、安定した吐出特性を得ることが可能となり、高解像度の印字が可能となる。従って、本実施の形態2では、安定して高品質の印字が可能なインクジェット記録装置110を得ることができる。
Embodiment 2. FIG.
FIG. 5 is a view showing an example of a droplet discharge apparatus according to Embodiment 2 of the present invention. FIG. 5 shows an example of an inkjet recording apparatus that discharges ink in particular. An ink jet recording apparatus 110 shown in FIG. 5 is an ink jet printer, and is equipped with a droplet discharge head 100 including the electrostatic actuator of the first embodiment. For this reason, low voltage driving is possible, a large diaphragm displacement can be obtained, and the generated pressure in the discharge chamber 5 can be increased. Therefore, stable discharge characteristics can be obtained, and high-resolution printing can be performed. Therefore, in the second embodiment, it is possible to obtain the ink jet recording apparatus 110 that can stably perform high-quality printing.

また、駆動耐久性の良い静電アクチュエータを搭載しているため、信頼性の高いインクジェット記録装置110を得ることができる。   In addition, since an electrostatic actuator with good driving durability is mounted, a highly reliable ink jet recording apparatus 110 can be obtained.

なお、実施の形態1に係る静電アクチュエータを備えた液滴吐出ヘッド100は、図5に示すインクジェットプリンターの他に、吐出する液体を種々変更することで、カラーフィルタのマトリクスパターンの形成、有機EL表示装置の発光部の形成、生体液体試料の吐出等を行う液滴吐出装置にも適用することができる。   In addition to the ink jet printer shown in FIG. 5, the droplet discharge head 100 provided with the electrostatic actuator according to the first embodiment can change the liquid to be discharged in various ways, thereby forming a matrix pattern of the color filter, organic The present invention can also be applied to a droplet discharge device that forms a light emitting portion of an EL display device, discharges a biological liquid sample, and the like.

1 キャビティ基板、2 電極基板、4 振動板、4a 絶縁膜、5 吐出室、5a 凹部、6 リザーバー、6a 凹部、7 共通電極端子、8 電極用凹部、9 封止材、11 個別電極、11a 絶縁膜、12 リード部、13 端子部、14 液体供給穴、20 ノズル、20a 第1の溝、20b 第2の溝、21 オリフィス、21a 凹部、22 リザーバーダイヤフラム、22a 凹部、23 発振回路、31 ワイヤー電極、32 グリッド電極、33 ステージ、34 シリコン基板、34a 絶縁膜、100 液滴吐出ヘッド、110 インクジェット記録装置、G ギャップ。   1 cavity substrate, 2 electrode substrate, 4 diaphragm, 4a insulating film, 5 discharge chamber, 5a recess, 6 reservoir, 6a recess, 7 common electrode terminal, 8 electrode recess, 9 sealing material, 11 individual electrode, 11a insulation Membrane, 12 Lead portion, 13 Terminal portion, 14 Liquid supply hole, 20 Nozzle, 20a First groove, 20b Second groove, 21 Orifice, 21a Recess, 22 Reservoir diaphragm, 22a Recess, 23 Oscillation circuit, 31 Wire electrode , 32 grid electrode, 33 stage, 34 silicon substrate, 34a insulating film, 100 droplet discharge head, 110 inkjet recording apparatus, G gap.

Claims (6)

第1の電極として機能する振動板と、
該振動板にギャップを隔てて対向し、前記振動板との間で電圧が印加される第2の電極と、
前記振動板の前記第2の電極との対向面に形成された第1の絶縁膜と、
前記第2の電極の前記振動板との対向面に形成された第2の絶縁膜とを備え、
前記第1の絶縁膜及び前記第2の絶縁膜とが同種材料で形成され、且つエレクトレット化されていることを特徴とする静電アクチュエータ。
A diaphragm functioning as a first electrode;
A second electrode that is opposed to the diaphragm with a gap and to which a voltage is applied to the diaphragm;
A first insulating film formed on a surface of the diaphragm facing the second electrode;
A second insulating film formed on a surface of the second electrode facing the diaphragm,
The electrostatic actuator, wherein the first insulating film and the second insulating film are made of the same material and are electretized.
前記第1の絶縁膜と前記第2の絶縁膜のエレクトレットの極性は、それぞれ異な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。   The electrostatic actuator according to claim 1, wherein polarities of electrets of the first insulating film and the second insulating film are different from each other. 前記第1の絶縁膜と前記第2の絶縁膜は、シリコン酸化膜であることを特徴とする請求項1又は請求項2記載の静電アクチュエータ。   The electrostatic actuator according to claim 1, wherein the first insulating film and the second insulating film are silicon oxide films. 前記第1の絶縁膜と前記第2の絶縁膜は、High−k材であることを特徴とする請求項1又は請求項2記載の静電アクチュエータ。   The electrostatic actuator according to claim 1, wherein the first insulating film and the second insulating film are high-k materials. 請求項1乃至請求項4の何れかに記載の静電アクチュエータと、液滴が吐出されるノズルと、前記ノズルに連通し前記振動板が一部に形成されている液体流路とを備えたことを特徴とする液滴吐出ヘッド。   5. An electrostatic actuator according to claim 1, a nozzle from which liquid droplets are ejected, and a liquid flow channel that communicates with the nozzle and in which the vibration plate is partially formed. A droplet discharge head characterized by that. 請求項5記載の液滴吐出ヘッドが搭載されていることを特徴とする液滴吐出装置。   A liquid droplet ejection apparatus, comprising the liquid droplet ejection head according to claim 5.
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