JP3775047B2 - インクジェットヘッド - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、静電型インクジェットヘッドに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、基板上に固定された第1の電極と、第1の電極と間隔を置いて配置された第2の電極と、第2の電極を支持するダイヤフラムと、第1の電極と第2の電極との間に電圧を印加する駆動部とを有し、この駆動部から第1の電極と第2の電極との間に電圧(画像信号)を印加することによりダイヤフラムを変形し、この変形に基づいてインクを加圧して吐出する静電型インクジェットヘッドが知られている。
【0003】
この静電型インクジェットヘッドのインク吐出力は、第1の電極と第2の電極との間に生じる静電力(数1参照)により決まる。
【0004】
【数1】
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
この数式によれば、電極間電圧(V)を変化すると静電力が変化する。従って、理論的には、電極間電圧を調節することにより異なる量のインクを吐出することが可能である。しかし、電極間電圧を変化するには、例えば、低圧用ドライバ、中圧用ドライバ、高圧用ドライバといった複数のドライバを必要とする。また、ドライバの値段はその出力可能電圧に応じて飛躍的に上昇し、インクジェットヘッドの高価格化は避けられない。また、電極面積を変えることによりインク吐出量を調整することも可能であるが、高密度なインクジェットヘッドでは、面積差がインク吐出量に十分反映されない。
【0006】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明は、基板上に固定された第1の電極と、上記第1の電極と間隔を置いて配置された第2の電極と、上記第2の電極を支持するダイヤフラムと、上記第1の電極と第2の電極の間に電圧を印加し、これにより上記第1の電極と第2の電極との間に生じる静電力に基づいて上記ダイヤフラムを変形する駆動部とを備え、上記ダイヤフラムの変形に基づいて、上記ダイヤフラムの近傍に収容されているインクを加圧して吐出する静電型インクジェットヘッドにおいて、上記第1の電極又は第2の電極の少なくともいずれか一方は複数の互いに分離された複数の部分電極で構成され、他方の電極である第1の電極又は第2の電極と各部分電極との距離がそれぞれ異なり、上記複数の部分電極はそれぞれ、上記第1の電極と第2の電極の対向方向から見たときに、他の電極と少なくとも一部が重なるように配置されている。なお、本発明に係るインクジェットヘッドの他の形態では、互いに重ねられた部分電極の間には絶縁層が介在される。
【0007】
本発明に係るインクジェットヘッドの他の形態は、基板上に固定された第1の電極と、上記第1の電極と間隔を置いて配置された第2の電極と、上記第2の電極を支持するダイヤフラムと、上記第1の電極と第2の電極の間に電圧を印加し、これにより上記第1の電極と第2の電極との間に生じる静電力に基づいて上記ダイヤフラムを変形する駆動部とを備え、上記ダイヤフラムの変形に基づいて、上記ダイヤフラムの近傍に収容されているインクを加圧して吐出する静電型インクジェットヘッドにおいて、
上記第1の電極は複数の互いに分離された複数の部分電極で構成されており、
上記複数の互いに分離された複数の部分電極は上記ダイヤフラムに対向する傾斜部上に形成されており、これにより上記複数の部分電極と上記第2の電極との間にはそれぞれ異なる距離が形成されている。
【0009】
【発明の効果】
このように構成した本発明のインクジェットヘッドでは、第1の電極又は第2の一方の電極が複数の部分電極で構成されると共に、これら部分電極と他方の電極との距離がそれぞれ異なるようにしてある。したがって、電圧を印加する部分電極の数を変えることにより、第1の電極と第2の電極との間に形成される静電力が変化し、インクジェットヘッドから吐出するインクの量が変化する。そのため、同一の電圧を出力する電源にスイッチング回路を介して各部分電極を接続しておけば、このスイッチング回路で電圧を印加する部分電極を選択するだけで、吐出するインクの量を変化できる。これにより、ノズルを高密度に配置したインクジェットヘッドでも、安価な低電圧用のドライバだけでインク吐出量を可変できる。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図1と図2は、一実施形態のインクジェットヘッド10を示す。このインクジェットヘッド10は、3つの基板、すなわち、第1の基板12、第2の基板14、第3の基板16を積層して構成されている。これら3つの基板12、14、16は、シリコン、感光性ガラス、ニッケル、耐インク性に優れたポリイミド、ポリサルフォン等の樹脂で形成することができるが、本実施形態では、基板12はホウ珪酸ガラス、基板14はシリコン、基板16はホウ珪酸ガラスで形成されており、陽極接合でそれぞれ隣接する基板に接合されている。
【0011】
第2の基板14は、第1の基板12に対向する面を異方性エッチングで加工して、図3に詳細に示すように、インク20を収容することができる複数の窪み、すなわち、複数のインク室22、各インク室22を大気に連通するインク吐出用ノズル24、各インク室22に補給するインク20を収容しているインク補給室26、及び各インク室22をインク補給室26に接続するインク補給路28が形成し、これによりインク室22の底壁を薄肉(厚さ約3μm)のダイヤフラム30としてある。また、第3の基板16に隣接する第2の基板14の面は、ボロンをイオン注入し拡散してボロンドーピング層(共通電極32)が形成されている。なお、ボロンドーピング層を最初に形成し、その後にエッチングでインク室22を形成する場合、このボロンドーピング層がエッチングストップ層と機能する。
【0012】
第3の基板16は、第2の基板14と対向する面であって、ダイヤフラム30に対向するそれぞれの領域に、絶縁空間34が形成されている。この絶縁空間34の深さは、ノズル24の位置する前部から反対側に向けて段々に深くなるように、3つの段部36、38、40が形成されており、ダイヤフラム30から各段部36、38、40までの距離が段々に長くなるようにしてある。各段部36、38、40にはそれぞれ、以下の説明する成膜技術を用いて、個別電極(部分電極)42、44、46がそれぞれ形成され、これら個別電極42、44、46とダイヤフラム30との間隔がそれぞれ0.4μm、0.45μm、0.5μmに設定されている。
【0013】
各個別電極42、44、46は、SiN等の絶縁材料からなる厚さ約0.1μmの絶縁被膜48で覆われている。なお、図1は、各個別電極を表示するために、絶縁被膜48が除いてある。各個別電極42、44、46はまた、導電リード部56、58、60(図4参照)を介して、スイッチング回路62にそれぞれ接続されており、このスイッチング回路62により各個別電極42、44、46に対して個別的に一定の電圧が印加できるようにしてある。スイッチング回路62はまた、上述した共通電極32に接続されている。このスイッチング回路62はさらに駆動回路64に接続されており、この駆動回路64からスイッチング回路62に対して画像信号が出力されるようになっている。
【0014】
このように構成されたインクジェットヘッド10を用いてインク20を吐出する場合、駆動回路64からスイッチング回路62に画像信号が出力される。この画像信号は、インク20の吐出を指令する信号と、個別電極42、44、46のうちいずれの個別電極に電圧を印加するかを指令する信号が含まれている。スイッチング回路62は、後者の信号から電圧を印加すべき個別電極42、44又は46を選択し、共通電極32と選択された個別電極42、44又は46との間に電圧を印加する。これにより、共通電極32と選択された個別電極42、44又は46と間に静電力が発生し、共通電極32を支持している薄肉のダイヤフラム30が選択された個別電極42、44又は46に向けて変形する。このとき、絶縁被膜48により、共通電極32と個別電極42、44、46との接触が防止される。また、絶縁被膜48を形成しているSiNは比誘電率が空気の約20倍であるので、電極間の静電力を増大する効果がある。
【0015】
ダイヤフラム30の変形により、インク室22に負圧が発生し、インク補給室26のインク20がインク補給路28を介してインク室22に補給される。次に、画像信号をオフすると、個別電極42、44又は46と共通電極32との間の静電力が消滅し、ダイヤフラム30の弾性に基づいてこれが変形前の位置(図2参照)に復帰する。その結果、インク室22のインク20が加圧され、ノズル24からインク20が吐出する。
【0016】
上述した数式1から明らかなように、個別電極と共通電極との間に発生する静電力は、これら電極間の距離が大きくなるほど小さくなる。したがって、個別電極36、38、40にそれぞれ単独で一定の電圧を印加した場合、個別電極36に電圧を印加したときに生じる静電力及びこれによるダイヤフラム30の変位量は最も大きく、そのために吐出するインクの量も最も多いのに対して、個別電極40に電圧を印加したときに生じる静電力及びこれによるダイヤフラム30の変位量は最も小さく、そのために吐出するインクの量も最も少ない。換言すれば、通常の大きさのインク滴を吐出する場合は個別電極38に電圧を印加し、これよりも小径又は大径のインク滴を吐出する場合は個別電極40又は36に電圧を印加することにより、印刷される画像の画質を種々変えることができる。また、電圧を印加する個別電極を組み合わせることにより更に多段階にインク吐出量を変えることができる。
【0017】
因みに、40ボルトの電圧を各個別電極36、38、40にそれぞれ印加したところ、それぞれの場合のインク吐出量は60ピコリットル、38ピコリットル、20ピコリットルであった。また、個別電極36と38に同時に40ボルトを印加した場合のインク吐出量は105ピコリットル、個別電極38と40に同時に40ボルトを印加した場合のインク吐出量は65ピコリットル、すべての個別電極36、38、40に同時に40ボルトを印加した場合のインク吐出量は135ピコリットルであった。
【0018】
図4を参照して、基板16に個別電極42、44、46及びその配線を形成する手順の一例を説明する。図示するように、基板16に、サンドブラスト法を用いて、それぞれの個別電極に対応するスルーホール50、52、54を形成する。次に、基板16の電極形成面にレジスト層を成膜した後、適当なマスク(図示せず)を用いて個別電極46に対応する領域を露光して当該領域のレジスト層を除去し、さらにエッチングして窪み68を形成する。次に、個別電極44に対応する領域のレジストを除去し、エッチングして、この領域に窪み70を形成すると共に、すでに形成されている窪み68の深度を増す。同様にして更なる露光、エッチングを繰り返し、個別電極42に対応する領域に窪み72を形成すると共に、すでに形成されている窪み68と70の深度をそれぞれ増し、これにより段部36、38、40を形成する。その後、スパッタリング、CVD等の周知の成膜技術を用いて、各段部36、38、40にそれぞれ個別電極42、44、46を形成する。また、スパッタリング、CVD等の周知の成膜技術を用いて、スルーホール50、52、54に導電リード部56、58、60を形成する。最後に、これら個別電極42、44、46上に絶縁被膜48を形成し、レジスト膜を除去する。
【0019】
図5は他の形態のインクジェットヘッド10aを示す。このインクジェットヘッド10aでは、第3の基板16のダイヤフラム30に対向する領域には、一定の深さを有する窪み70が形成されている。また、窪み70の底部に3つの個別電極72、74、76が積層され、これにより各個別電極72、74、76からダイヤフラム30までの距離が違えてある。さらに、隣接する個別電極72と74、74と76の間と、最上層の個別電極76の上には絶縁膜78が形成され、これにより隣接する個別電極間と、ダイヤフラム30と共に変位する共通電極32と個別電極76との接触が防止されている。
【0020】
これらの窪みと個別電極は、例えば、図6に示す方法で形成される。この方法では、まず基板16の片面に窪み70をエッチングする。次に、窪み70にCrAuをスパッタリングして厚さ約0.1μmの個別電極76を形成し、その上にSiNをLP−CVD法により成膜して絶縁膜78を作る。その後、スパッタリングとCVDを繰り返して、個別電極74、72を形成すると共に、これらの間と最上層の個別電極76上に絶縁膜を78形成する。なお、最上層の絶縁膜78の厚さは約0.1μmとするのが好ましい。これらの個別電極72、74、76は、それぞれの成膜時に同時に形成された導電リード部を介してスイッチング回路62に接続される。したがって、上記実施形態のように、スルーホールを形成する必要がない。
【0021】
因みに、40ボルトの電圧を各個別電極72、74、76にそれぞれ印加したところ、それぞれの場合のインク吐出量は65ピコリットル、40ピコリットル、25ピコリットルであった。
【0022】
なお、以上で説明した実施形態の各部材の材料は限定的なものでない。例えば、電極の材料には、CrAuに限るものでなく、ITO、SnO2、Pt等の低抵抗材料であればよい。絶縁層の材料も、SiNに限らず、SiC、SiO2、MgO等を使用してもよい。
【0023】
また、複数の個別電極の配置状態は以上の実施形態に限るものでなく、例えば、図7に示すように、基板16には底部が斜めに傾斜した窪み80をエッチングで形成し、そこに傾斜方向に沿って順次3つの個別電極82、84、86を配置してもよいし、図8に示すように、基板16には底部がV字状に傾斜した窪み90をエッチングで形成し、中央部に個別電極92、その両側にそれぞれ個別電極94、96を配置してもよい。
【0024】
さらに、個別電極の数は3つに限るものでなく、2つ以上であればよい。
【0025】
さらにまた、共通電極32はイオンドーピング層を用いたが、個別電極と同様にスパッタリング等の公知の成膜技術により形成してもよい。なお、各電極は独立して設ける必要はなく、これを取り付けている基板を導電材料で形成している場合は、基板自体を電極として兼用することができる。
【0026】
そして、以上の説明では個別電極を複数設けたが、共通電極を複数個設けると共に、複数の共通電極に対してスイッチング回路を通じて選択的に電圧を印加できるようにしてもよい。
【0027】
また、複数の電極を積層した実施形態では、これらの電極を完全に重ね合わせたが、少なくとも一部分が重なっているだけもよい。この場合も、その重なり部分で距離が異なるので、上述の実施形態と同様に、電圧を印加する電極を違えることによりインク吐出量を可変できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 第1の実施形態に係るインクジェットヘッドの拡大分解斜視図。
【図2】 図1に示すインクジェットヘッドの拡大断面図。
【図3】 図1に示すインクジェットヘッドに用いた第2の基板の拡大部分平面図。
【図4】 個別電極の形成方法を示す工程図。
【図5】 インクジェットヘッドの他の実施形態の拡大断面図。
【図6】 図5に示す個別電極の形成方法を示す工程図。
【図7】 個別電極の他の配置例を示す拡大断面図。
【図8】 個別電極の他の配置例を示す拡大断面図。
【符号の説明】
10…インクジェットヘッド、12…第1の基板、14…第2の基板、16…第3の基板、20…インク、22…インク室、24…ノズル、30…ダイヤフラム、32…共通電極、36、38、40…個別電極。
Claims (3)
- 基板上に固定された第1の電極と、上記第1の電極と間隔を置いて配置された第2の電極と、上記第2の電極を支持するダイヤフラムと、上記第1の電極と第2の電極の間に電圧を印加し、これにより上記第1の電極と第2の電極との間に生じる静電力に基づいて上記ダイヤフラムを変形する駆動部とを備え、上記ダイヤフラムの変形に基づいて、上記ダイヤフラムの近傍に収容されているインクを加圧して吐出する静電型インクジェットヘッドにおいて、
上記第1の電極又は第2の電極の少なくともいずれか一方は複数の互いに分離された複数の部分電極で構成され、他方の電極である第1の電極又は第2の電極と各部分電極との距離がそれぞれ異なり、
上記複数の部分電極はそれぞれ、上記第1の電極と第2の電極の対向方向から見たときに、他の電極と少なくとも一部が重なるように配置されていることを特徴とするインクジェットヘッド。 - 上記第1の電極と第2の電極の対向方向から見たときに重なるように配置された部分電極の間に絶縁層が介在されていることを特徴とする請求項1のインクジェットヘッド。
- 基板上に固定された第1の電極と、上記第1の電極と間隔を置いて配置された第2の電極と、上記第2の電極を支持するダイヤフラムと、上記第1の電極と第2の電極の間に電圧を印加し、これにより上記第1の電極と第2の電極との間に生じる静電力に基づいて上記ダイヤフラムを変形する駆動部とを備え、上記ダイヤフラムの変形に基づいて、上記ダイヤフラムの近傍に収容されているインクを加圧して吐出する静電型インクジェットヘッドにおいて、
上記第1の電極は複数の互いに分離された複数の部分電極で構成されており、
上記複数の互いに分離された複数の部分電極は上記ダイヤフラムに対向する傾斜部上に形成されており、これにより上記複数の部分電極と上記第2の電極との間にはそれぞれ異なる距離が形成されていることを特徴とする静電型インクジェットヘッド。
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