JP3959837B2

JP3959837B2 - Inkjet head

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Publication number: JP3959837B2
Application number: JP12088498A
Authority: JP
Inventors: 楠東野; 泰久藤井; 以清大澤; 雅己浅野
Original assignee: Konica Minolta Inc
Current assignee: Konica Minolta Inc
Priority date: 1998-04-30
Filing date: 1998-04-30
Publication date: 2007-08-15
Anticipated expiration: 2018-04-30
Also published as: JPH11309855A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、静電気力で振動板を変形させてインクを飛翔させる方式のインクジェットヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、インクジェット式記録装置に用いられるインクジェットヘッドには、静電アクチュエータを利用したものが知られている。
【０００３】
このインクジェットヘッドは、半導体装置製造プロセスを利用して成形されることは周知であるが（例えば、特開平６−７１８８２号公報，特開平７−２１４７６９号公報，特開平８−７２２４０号公報等）、ここで概説すれば、チャンネルプレート上に、複数の先端ノズル、当該ノズルにそれぞれ連通したインク搬送路及びこのインク搬送路にインクを供給するインク供給室を刻設し、このチャンネルプレート上を覆うようにカバープレートを設けるとともに前記インク搬送路の一部を構成するように設けられた振動板に第１電極を設け、この第１電極と対向する位置に第２電極を設けている。
【０００４】
そして、振動板を動作してインクの吐出を行なうときは、まず、第１及び第２電極間に電圧を印加し、電極間に作用する静電気力で振動板を第２電極側に引き付けることにより振動板を変形させ、インクを共通インク室からインク搬送路内に引き込む。
【０００５】
次に、対向電極間に印加した電圧を解除すると、振動板自身がその剛性により元の位置に戻る。これによりインク搬送路の容積が急峻に収縮されるので、インク搬送路内に充填しているインクは、ノズルから液滴として吐出、飛翔し、記録媒体上に着弾して画像形成が行われる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このインクジェットヘッドは、インク搬送路の先端にはノズルがあり、後端にはインク供給室からのインクが導入されるインレットが形成されているので、当該インク搬送路は前後に開口を有する構造となっており、このインク搬送路の一部を構成する振動板を電極に電圧を印加することにより上下動させても、インク搬送路内のインクは、確実に先端ノズル側に搬送されるものではなく、インクの一部はインレット側にも移動することになる。
【０００７】
この結果、インクは、確実にノズルから所定量吐出されず、インクの吐出効率は低く、場合によっては高速印字は不可能となり、また、振動板を振動させる駆動周波数を高めても、これに追随してインクが吐出されず、いわゆる周波数追随性が上がらないという問題がある。
【０００８】
本発明は、上記した従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、インクを後方から順次前方に押し出し、インクの流れを一方向化することによりインクの吐出効率を高め、周波数追随性の向上を図ることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、下記する手段により達成される。
【００１０】
（１）先端に設けられたノズルと、当該ノズルに連通したインク搬送路と、このインク搬送路の一部を構成するように設けられた振動板と、前記インク搬送路にインクを供給するインク供給室と、前記振動板に設けられた第１電極と、この第１電極と対向する位置に設けられた第２電極とを有し、前記第１及び第２電極間に電圧を印加することにより前記振動板を静電気力で変形させ、前記インク搬送路内のインクをノズルから液滴として吐出するようにしたインクジェットヘッドにおいて、前記インク搬送路は、当該インク搬送路が形成されているチャンネルプレートの前記振動板と、当該チャンネルプレート上に取り付けられるカバープレートとを、前記振動板が両電極により変形された部分が前記カバープレートに接するように近接し、振動板の変形部分とカバープレートとの間で形成される小部屋が振動板の変形により順次ノズルに向かって移動することにより形成したことを特徴とするインクジェットヘッド。
【００１１】
（２）前記両電極の少なくとも一方は、前記インク供給室とノズルとの間で前後に複数の個別電極に分割され、当該各個別電極に電圧を印加することによりインク供給室側から順次駆動するようにしたことを特徴とするインクジェットヘッド。
【００１３】
（３）前記両電極は、両電極間に蓄えられる電荷量を変化させることにより前記振動板が前記インク搬送路の後方からノズルに向かって次第に変形するようにしたことを特徴とするインクジェットヘッド。
【００１５】
（４）前記振動板は、前記インク搬送路の後方からノズルに向かって波形状の変形部分が蛇行しつつ進行するように前記電極への電圧印加を制御するようにしたことを特徴とするインクジェットヘッド。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
《実施の形態１》
図１はインクジェットプリンタの概略構成を示す斜視図、図２は図１のインクジェットヘッドを含むキャリッジ周辺の構成を示す斜視図、図３は本発明の実施形態１に係るインクジェットヘッドの分解斜視図、図４は同インクジェットヘッドの断面図、図５は個別電極の動作状態を示す説明図である。
【００１７】
インクジェットプリンタ１は、用紙やＯＨＰシートなどの記録媒体（以下記録シート）２に印字するものであって、インクジェットヘッド走査系と記録シート搬送系とから構成される。
【００１８】
インクジェットヘッド走査系は、インクジェット方式のプリントヘッドを単色あるいは多色（例えば３色、４色又は７色等）分含むヘッドユニット３と、ヘッドユニット３を保持するキャリッジ４と、キャリッジ４を記録シート２の記録面に平行に往復移動させるためのスキャン軸５及びガイド軸６と、キャリッジ４をガイド軸６に沿って往復駆動するパルスモータ７と、パルスモータ７の回転をキャリッジ４の往復動に変えるためのアイドルプーリ８及びタイミングベルト９とから構成されている。
【００１９】
一方、記録シート搬送系は、記録シート２を搬送経路に沿って案内するガイド板を兼ねるプラテン１０と、プラテン１０との間の記録シート２を押えて浮きを防止する押え板１１と、記録シート２を排出するための排出ローラ１２と、押えローラ１３と、ヘッドユニット３のインクを吐出するノズル面を洗浄しインク吐出不良を良好な状態に回復させるメンテナンス装置１４と、記録シート２を手動で搬送するための送りノブ１５とから構成されている。
【００２０】
記録シート２は、図示しない手差しあるいはカットシートフィーダ等によりヘッドユニット３とプラテン１０とが対向する記録部へ送り込まれる。
【００２１】
ヘッドユニット３のプリントヘッドには、後に詳細に説明するインクジェットヘッド３が組み込まれ、このインクジェットヘッド３から吐出したインク液滴が記録シート２に着弾して画像形成が行われる。
【００２２】
キャリッジ４は、パルスモータ７、アイドルプーリ８、タイミングベルト９により記録シート２を横方向に走査（主走査）し、キャリッジ４に取り付けられたヘッドユニット３は１ライン分の画像を記録する。１ライン分の記録が終わるごとに、記録シート２は縦方向に送られ（副走査）、次のラインが記録される。
【００２３】
このようにして記録シート２に画像が記録され、記録部を通過した記録シート２は、その搬送方向下流側に配置された排出ローラ１２とこれに一定の圧力で接する押えローラ１３とによって排出される。
【００２４】
図２に示すように、キャリッジ４周辺には、インクが内部に収容されかつ上部に通気口４０４が開設されたインクカートリッジ４０３と、このインクカートリッジ４０３が内部に収納されたケーシング４０１と、ケーシング蓋４０５と、インクカートリッジ４０３を着脱可能にしつつインクをインクジェットヘッド３に供給するインク供給管４０２と、ケーシング蓋４０５を閉じた際ケーシング４０１にケーシング蓋４０５を固定するためのフック４０６及び蓋止め４０７と、インクカートリッジ４０３を収納する向き（矢印Ｄ３の向き）とは反対の向きにインクカートリッジ４０３を付勢しつつインクカートリッジ４０３をケーシング蓋４０５との間でケーシング４０１内に保持する押えバネ４０８とが設けられている。
【００２５】
このキャリッジ４が、スキャン方向（矢印Ｄ１の向き）に移動することによって記録シート２は主走査され、また、記録シート２が送られることによって副走査方向（矢印Ｄ２の向き）に印字されることになる。
【００２６】
インクジェットヘッド３は、半導体装置製造プロセスを利用して成形されるが、全体としては、図３，４に示すように、チャンネルプレート５０、カバープレート６０及びガラス基板７０という３要素の積層構造である。
【００２７】
チャンネルプレート５０の上面側には、先端に形成された複数のノズル５４と、当該ノズル５４にそれぞれ連通されたインク搬送路５１と、このインク搬送路５１にインクを供給するようにインレット５３を介して連通された１つのインク供給室５２とが刻設され、前記インク搬送路５１の一部、つまり底壁が振動板５５となっている。
【００２８】
このチャンネルプレート５０の図示上側は、カバープレート６０により覆われ、ノズル５４からインク搬送路５１、インレット５３及びインク供給室５２に至る一連のインク搬送用の通路が形成されている。
【００２９】
また、チャンネルプレート５０下面側には、前記振動板５５の上下動を確実に行なわしめるための凹部５７が形成され、この振動板５５に直接第１電極５６が取り付けられている。
【００３０】
チャンネルプレート５０の図示下側は、ガラス基板７０により覆われ、このガラス基板７０の前記第１電極５６と対向する位置には第２電極７２が設けられている。
【００３１】
特に、本実施の形態１では、第２電極７２は、インク供給室５２とノズル５４との間で前後に複数の個別電極７２ａ，７２ｂ，７２ｃに分割され、各個別電極７２ａ，７２ｂ，７２ｃがそれぞれ独立して電圧が印加されるようにリード線７３等を介して端子７４と接続され、これら端子７４は、前記第１電極５６と配線８１，８２によってヘッド吐出駆動部１０５に接続されている。なお、本実施形態では、第１電極５６からの配線８１はアースされている。
【００３２】
そして、各個別電極７２ａ，７２ｂ，７２ｃは、図５に示すように、インク供給室５２に近い後方側の個別電極７２ｃから一定の時間差（Ｔｄ）を付けて次々と電圧が印加され、振動板５５が後方側から駆動変位するようにしている。
【００３３】
このように複数の個別電極７２ａ，７２ｂ，７２ｃに一定の時間差（Ｔｄ）を付けて振動板５５を駆動すれば、振動板５５による絞りだし効果が発揮されることになり、インク搬送路５１内のインクの流れを一方向化することができ、インクは、確実に先端ノズル５４側に搬送されることになる。
【００３４】
この結果、インクの吐出効率が向上し、場合によっては高速印字も可能となる。また、振動板を振動させる駆動周波数を高めても、これに追随してインクが吐出されることになり、いわゆる周波数追随性も上がることになる。
【００３５】
より具体的に説明すれば、例えば、本実施形態のインクジェットヘッド３として、インク搬送路５１の幅が３００μｍ、長さが５ｍｍ、高さ１００μｍとし、第２電極７２が、前後方向に３つ分割して設けられ、各個別電極の長さは１ｍｍ、間隔が０．５ｍｍで配置されている。そして、このインクジェットヘッドに３０Ｖ又は６０Ｖの駆動電圧をかける。
【００３６】
このとき、各個別電極７２ａ，７２ｂ，７２ｃ間に加える電圧の時間差Ｔｄを０〜５μｓで変えて、インクのドット径と追随周波数とを調べた結果、図６Ａ，Ｂに示すようになった。図６Ａはインクのドット径（μｍ）が変化する状態を、図６Ｂは追随周波数（ｆ）の大きさを示している。
【００３７】
この図６Ａ，Ｂから明らかなように、一定の時間差Ｔｄを付けて振動板５５を駆動すれば、インク径も追随周波数もほぼ一定となっていることから、インクの吐出効率が向上し、駆動周波数に追随してインクが吐出される高い周波数追随性が発揮されることが分かる。
【００３８】
この時間差Ｔｄの最適値としては、インクの固有周波数に依存すると考えられるが、このインクジェットヘッド３では、固有振動周期が約１２μｓであるために、効率良くインクを飛翔させるには、その１／２に相当する６μｓ以内に吐出動作を完了させることが必要となる。
【００３９】
したがって、本実施例では、３つの電極を駆動しているので、それぞれの時間差Ｔｄとしては、３μｓ以内が適当である。
【００４０】
次に、インクジェットヘッド３を製造するに当たっては、前述のように、半導体装置製造プロセスやマイクロマシーン製造プロセスなどが利用されるが、その方法は様々で、一例としては下記の方法がある。
【００４１】
図７Ａ，図７Ｂ，図７Ｃは、図３，４に対応するチャンネルプレート５０の製造方法工程順に示す断面図である。
【００４２】
まず、図７Ａに示すように、予め２００μｍ程度にラッピングしたシリコン基板を使用して、シリコン基板１００の全面に、熱酸化法により酸化膜１０１を形成する。
【００４３】
そして、シリコン基板１００の図示上側表面の酸化膜１０１に、公知のフォトリソグラフィー及びドライエッチングによって、インク搬送路５１、インク供給室５２、インレット５３及びノズル５４の形状を規定するための開口を設け、図７Ｂに示すように、エッチングマスク１０１ａとする。
【００４４】
次に、パターニングされた酸化膜１０１により形成されたエッチングマスク１０１ａを有するシリコン基板１００をＫＯＨ溶液により異方性エッチングする。
ここで使用したシリコン基板１００は、基板表面が（１１０）面（面方位を示す。以下同様。）または（１００）面を有するものである。このＫＯＨ溶液による異方性エッチングは、シリコン基板の（１１１）面が露出することにより自動的にエッチングが停止するため、前記エッチングマスク１０１ａの形成時において、ノズル５４やインレット５３のとなる部分の開口の大きさを調整することにより、これらの部分におけるエッチング深さを所望の深さとすることができる。
また、インク搬送路５１及びインク供給室５２の深さは、これらの部分の開口の大きさと共に、エッチング時間を調整することで、振動板５５となる部分の厚さが６．５μｍ程度取れるように設定する。
【００４５】
このＫＯＨ溶液によるエッチングによって、インク搬送路５１、インク供給室５２の側壁部分は（１１１）面が露出することにより、適度なテーパが形成される。その後、エッチングマスクとして使用した酸化膜は除去する。
【００４６】
このようにして、図７Ｃに示すように、インク搬送路５１、インク供給室５２、インレット５３、及びノズル５４がシリコン基板１００に形成される。ここで形成したチャンネルプレート５０には、図３のように、複数のインク搬送路５１と複数のノズル５４が形成されているので、１つのヘッドから複数のインク液滴を吐出するようになっている。
【００４７】
このシリコン基板１００の裏面側に、第２電極７２と第１電極５６との間の電極間ギャップ寸法Ｄ1 が０．３μｍとなるように、凹部５７を上記と同様の方法により形成すると、振動板５５がシリコン基板１００に形成される。
【００４８】
そして、振動板５５と、この振動板５５部分に形成される第１電極５６と電気的なコンタクトをとるための部分とが開口したレジストパターンをフォトリソグラフィーにより形成し、振動板５５とコンタクト部分にホウ素をイオン注入して、第１電極５６及びコンタクトラインとなる不純物拡散層を形成する。
【００４９】
その後、熱酸化工程により、シリコン基板１００の全面に酸化膜を形成することで、振動板５５の表面（シリコン基板の裏面側）に絶縁膜を形成する。この絶縁膜は、第２電極７２との短絡を防止するためである。
【００５０】
次に、第２電極７２を設けたガラス基板７０を形成する。このガラス基板７０には、ホウケイ酸ガラス基板を使用している。そして、図４に示した状態に接合されたときに、チャンネルプレート５０の振動板５５が対向する位置及びこれに隣接する所定位置に、ＩＴＯ（スズを含む酸化インジウム）膜を成膜する。
【００５１】
こうして、ガラス基板７０表面に、複数の個別電極からなる第２電極７２と、この第２電極７２に接続されるコンタクトラインとを形成する。このとき、複数のインク搬送路５１とノズル５４を有するヘッドの場合には、各インク搬送路５１ごとに第２電極７２とそれぞれのコンタクトラインとを形成する。
【００５２】
その後、電極が形成された面全面に、ＳｉＦＨ膜やＳｉＯ₂膜等の保護膜を約１μｍ成膜する。この保護膜は、パターン化せず、基板全面に設けて保護膜とするもので、これにより、周囲の湿度の影響による駆動電極の劣化を防止する。
【００５３】
前記凹部５７を形成する際の深さは、第２電極７２を形成したときに、凹部５７における第１電極５６（絶縁膜表面）から対向する第２電極７２（ＳｉＦＨ膜表面）までの間隔が０．１〜１μｍ、好ましくはより低い駆動電圧で駆動することができるように、０．１〜０．５μｍとなるようにする。本実施形態では、凹部５７は、上述した通り、上記第１及び第２電極の間隔が０．３μｍとなるように形成されている。
【００５４】
なお、この凹部５７は、前記したシリコン基板１００の振動板５５部分をシリコン基板１００の裏面（図示下側）からエッチングにより掘り込んで形成する代わりに、図４に示した状態に接合されたときに、ガラス基板７０のチャンネルプレート５０の振動板５５が対向する位置に、所定の深さの凹部を形成するようにしてもよい。
【００５５】
次に、カバープレート６０は、同じくホウケイ酸ガラス基板を使用したものであり、インク搬送路５２上部にインクカセットからのインクを導入させるためのインク供給口（図示せず）が形成されている。
【００５６】
以上のようにそれぞれ形成したチャンネルプレート５０、ガラス基板７０及びカバープレート６０を、図４に示す３層構造となるように陽極接合し、振動板５５に形成した不純物拡散層によるコンタクトラインと、カバープレート６０、ガラス基板７０に形成したコンタクトラインとにそれぞれ配線８１，８２等を接続して、インクジェットヘッドが完成する。
【００５７】
次に、本実施形態において使用するインクについて説明する。
本実施形態のインクは、下記表１に示す組成であり、黒（Ｋ）、イエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、及びシアン（Ｃ）の４色のインクを使用しており、表に示す通り、染料により各色調整したものであるが、染料に代わり顔料を用いたものであっても良い。
【００５８】
【表１】

【００５９】
次に、インクジェットプリンタの制御部を図８について脱明するが、この図８は、インクジェットプリンタ１の制御部のブロック図である。
【００６０】
制御部は、ＣＰＵ１０１、ＲＡＭ１０２、ＲＯＭ１０３、データ受信郭１０４、ヘッド吐出駆動部１０５、ヘッド移動駆動部１０６、紙送りモータ駆動部１０７、回復系モータ駆動部１０８、および各種センサ部１０９を有している。
【００６１】
全体を制御するＣＰＵ１０１は、必要に応じてＲＡＭ１０２を用い、ＲＯＭ１０３に記憶されているプログラムを実行する。このプログラムには、ホストとなるコンピュータ等に接続され記録すべき画像データを受信するデータ受信部１０４から読み込まれる画像データに基づいて、ヘッド吐出駆動部１０５、ヘッド移動駆動部１０６、紙送りモータ駆動部１０７及び各種センサ部１０９を制御し、記録シート２上に画像を記録するための部分と、必要により各種センサ部１０９からの情報を処理し、回復系モータ駆動部１０８を制御して、ヘッドユニット３のノズル面を良好な状態に回復させるための部分とが含まれる。
【００６２】
ＣＰＵ１０１の制御に基づいて、ヘッド吐出駆動部１０５は、画像データに対応するパルス電圧を印加することによりヘッドユニット３内のインクジェットヘッド３を駆動する。
【００６３】
具体的には、ヘッド吐出駆動部１０５から画像データに対応するパルス電圧が第２電極に所定のタイミングで印加される。なお、ヘッド吐出駆動部１０５には、図示しない遅延回路、充放電回路、反転回路、反転増幅回路が含まれる。
【００６４】
また、ＣＰＵ１０１の制御に基づいて、ヘッド移動駆動部１０６はヘッドユニット３を保持するキャリッジ４を移動させる駆動モータ７を駆動し、紙送りモータ駆動部１０７は紙送りローラを駆動する。さらに、ＣＰＵ１０１の制御に基づいて、回復系モータ駆動部１０８は、ヘッドユニット３のノズル面を良好な状態に回復させるために必要なモータ等を駆動する。
【００６５】
次に、前記実施の形態１の作用を説明する。
インク液滴の吐出を行なうには、まず、図４において、第１電極５６と、第２電極７２の内の最もインレット５３に近い電極である個別電極７２ｃとの間に電圧を印加する。
【００６６】
この駆動電圧の印加によって両電極５６，７２ｃ間に生じる静電気力Ｆ１によって振動板５５は、個別電極７２ｃ側に引き付けられ、図中点線で示すように、振動板５５の個別電極７２ｃに対応する部分が個別電極７２ｃ側に撓み変形する。これによりインク搬送路５１の容積が増大し、インク供給室５２内のインクがインレット５３を通りインク搬送路５１内に流入する。
【００６７】
この流入インクは、インク搬送路５１内で所定の固有周波数で振動することになる。つまり、個別電極７２ｃの撓み変形により一旦インク搬送路５１内に流入したインクは、次にインレット５３あるいはノズル５４という開口から出て行こうとし、所定の周期で振動することになる。
【００６８】
しかし、このインクの固有振動の周期よりも小さな時間差Ｔｄで次の個別電極７２ｂ、さらに次の個別電極７２ａと次々に電圧が印加され、これら各個別電極に対応する振動板５５が次々と局部的に撓み変形する。
【００６９】
この結果、一旦インク搬送路５１内に流入したインクは、インレット５３側に戻されることなく、ノズル５４に向けて送られることになる。
【００７０】
さらに具体的に述べると、前述した実験例では、インクの固有振動周期が約１２μｓである。つまり、振動板５５の変形によりインク搬送路５１内の容積が増大すると、インク搬送路５１内でインク流動が生じる。例えば、満液状態のインク搬送路５１が振動板５５により容積が増大すると、インレット５３等から流入したインクは、その反動によりインレット５３等から出ようとし、また再度インク搬送路５１に戻されるという振動状態が生じる。この振動状態の周期が約１２μｓである。
【００７１】
したがって、一旦インク搬送路５１内に流入したインクが、インレット５３等から出ようとする時間、つまり１／２周期に相当する６μｓ以内に吐出動作を完了させると、インクはインレット５３側に戻ることはなく、次々と送られるはずである。
【００７２】
そこで、本実施の形態では、電極７２ｃが駆動した後、所定の時間、つまり６μｓ以内に２つの電極７２ｂ，７２ａが駆動されるように、６μｓの１／２に相当する時間差Ｔｄである３μｓ以内に各個別電極７２ｂ，７２ａを駆動させるようになっている。
【００７３】
したがって、前記個別電極７２ｃで振動板５５が変形することにより取り込まれたインクは、各個別電極７２ｂ，７２ａによる振動板５５の変形により速やかにノズル５４に向けて送られることになる。
【００７４】
そして、最終的に個別電極７２ａに印加された電圧を解除すると、振動板５５の変形部分が急激に元の位置に戻る力によりインク搬送路５１の容積が急峻に収縮され、インク搬送路５１内のインクが、ノズル５４から液滴として吐出され、飛翔し、記録シート上に着弾して画像形成が行われる。
【００７５】
このように、本実施形態によれば、第１及び第２電極５６，７２の間に電圧を印加することにより振動板５５を静電気力で変形させ、インク搬送路５１内のインクをノズル５４から液滴として吐出する場合に、第２電極７２を複数の個別電極とし、当該個別電極に後方から次々と所定の時間差Ｔｄで電圧を印加するようにしたので、インク供給室５２から供給されるインクを確実にノズル５４より吐出することができ、ヘッドの応答性が向上し、周波数追随性も向上することになり、結果的に高速印字も可能になる。特に、従来の電極を複数に分割すれば良いために、簡単な構成で、前述したようなノズルより確実なインクの吐出を達成できる。
【００７６】
《実施の形態２》
図９は本発明の実施形態２に係るインクジェットヘッドの断面図、図１０は同実施形態２の変形例１に係るインクジェットヘッドの断面図、図１１は同変形例２に係るインクジェットヘッドの断面図、図１２は同変形例３に係るインクジェットヘッドの断面図であるが、前記図３，４に示す部材と共通する部材には同一符号を付している。
【００７７】
本実施形態２に係るインクジェットヘッド３は、図９に示すように、インクをインク搬送路５１内で搬送する場合に、両電極５６，７２間に電圧を印加することにより振動板５５をインク搬送路５１の後方からノズル５４に向かって次第に変形させ、この変形部分と他の部分とで流路断面積が大きく異なるようにインク搬送路５１の高さｈを低くしている。
【００７８】
図中、「ｈN 」で示すインク搬送路５１の高さｈが低くて狭小なインク搬送路５１では、インクは流れにくい。流れにくいと言うことは、逆にいえば、逆流を防止することができることを意味する。
【００７９】
なお、図中、「ｈW 」で示す部分は、振動板５５の変形により形成されたインク搬送路５１の高さｈが高い部分である。
【００８０】
したがって、インク搬送路５１の広い部分に多量に蓄えられたインクを、次々とノズル５４に向かって移動させると、狭い部分からインクが逃げ出すことなくノズル５４まで搬送できることになる。
【００８１】
ここにおいて、インク搬送路５１のインクの流路抵抗（Ｒ）は、一般に、断面が長方形の流路の場合、次式で表される。
【００８２】
Ｒ＝８ηＬ（ａ＋ｂ）²／ａ³ｂ³ ……（１）
η：粘度、Ｌ：流路長さ、ａ：流路幅、ｂ：流路高さ
つまり、この（１）式からすれば、流路抵抗Ｒは、流路高さｂの３乗に反比例することになる。
【００８３】
したがって、本実施形態２のように、流路高さｂを低くし、ａ＞＞ｂとなるように設定している場合には、変形後の流路高さが変形前の流路高さの半分以下になるように設定すると、その部分の流路抵抗は、８倍以上になるので、流路高さを低くすることよる効果は非常に大きくなる。
【００８４】
本実施形態２は、かかる点を考慮し、チャンネルプレート５０とカバープレート６０との間に形成されるインク搬送路５１の高さｈを低くすることにより、インクが逃げ出しにくい部分を形成し、振動板５５をインク搬送路５１の後方からノズル５４に向かって次第に変形させ、インクを逃がすことなくノズル５４まで搬送するようにしている。
【００８５】
なお、振動板５５の変形により取り込まれたインクがインレット５３から逆流しないように、インレット５３の部分も狭小にすると、さらに好ましいものとなる。
【００８６】
本実施形態２について、さらに具体的に述べる。静電気力による振動板５５の変形量は、数μｍ〜数百μｍであるので、このインク搬送路５１の高さｈは、その数倍程度でよい。そして、ｈN 部分の高さは、１０μｍ程度とすれば、前述した逆流防止効果を発揮する好ましいインクジェットヘッドとなる。
【００８７】
図１０に示す実施形態２の変形例１に係るインクジェットヘッドは、インレット５３部分の形成を廃止したものである。前述のようにインク搬送路５１の高さｈを小さくし、ある程度以上流路断面積を狭めると、インレット５３部分を形成しなくても、逆流防止効果が発揮されることになる。
【００８８】
したがって、この変形例１では、インレット５３の形成を廃止し、より構造の簡素化を図っている。
【００８９】
図１１，図１２に示すものは、実施形態２の変形例２と３に係るインクジェットヘッド３である。これらインクジェットヘッド３は、前記第２電極７２をインク搬送路５１を挾むように、カバープレート６０側に設けられている。
【００９０】
図１１に示す変形例２は、インク搬送路５１の高さｈを小さくしていると、インク搬送路５１内にインクが存在していても、静電気力が十分作用するので、第２電極７２を第１電極に対してより近くに配置できることから、カバープレート６０側に２電極７２を設け、振動板５５の変形がより容易にできるようにしている。この結果、消費電力の低減を図ることもできる。
【００９１】
図１２に示す変形例３は、前述した実施形態１のように第２電極７２をガラス基板７０側に設けると共にさらに複数の個別電極６１ａ，６１ｂ，６１ｃからなる第３電極６１をカバープレート６０側に設け、より振動板５５を強力に復元させるようにしたものである。この結果、本変形例３は、インクの吐出能力を高めることができる。
【００９２】
このように本実施形態２は、第２電極７２を複数の個別電極とするとともに、当該個別電極に後方から次々と所定の時間差Ｔｄで電圧を印加する場合に、インク搬送路５１の高さｈを低くし、インクが逃げ出しにくい構造としたので、振動板５５の変形により取り込まれたインクは、前記個別電極による振動板５５の変形の移動に伴って、インクが逆流することなく確実にノズル５４に向かって搬送され、インク供給室５２から供給されるインクを確実にノズル５４より吐出することができ、ヘッドの応答性が向上し、周波数追随性も向上する。
【００９３】
《実施の形態３》
前記実施形態２では、電極を複数設ける必要があり、それぞれの電極に対して個別に信号を与える必要があるが、本実施形態３では、これをさらに改良したものである。
【００９４】
図１３は本発明の実施形態３に係るインクジェットヘッドの断面図、図１４は同実施形態３の変形例に係るインクジェットヘッドの断面図である。なお、この図１３，１４においても前記図３，４に示す部材と共通する部材には同一符号を付している。
【００９５】
本実施形態３に係るインクジェットヘッド３は、両電極５６，７２間に蓄えられる電荷量を変化させることにより振動板５５がインク搬送路５１の後方からノズル５４に向かって次第に変形するようにしたものである。
【００９６】
図１３に示すように、前記第２電極、つまり駆動電極７２は、各インク搬送路５１に対して１つ設けられたものであり、インレット５３側でヘッド吐出駆動部１０５からの配線８１，８２に結線されている。
【００９７】
この駆動電極７２の電気抵抗は、高めに設定されている。ここにおいて、駆動電極７２の電気抵抗値（ｒ）と電極間のコンデンサ成分（Ｃ）とで決まる時定数（τ）は、次式（２）で表される。
【００９８】
τ＝１／ｒＣ ……（２）
両電極５６，７２間に電圧を印加すると、両電極間に電荷が蓄えられ、静電気力が作用し、振動板５５の変形が生じるが、この電荷の充電は、振動板５５の後方から前方へ順次充電されるので、振動板５５が後方から前方へ順次変形し、インクは前方へ送られることになる。
【００９９】
この時の電気抵抗値（ｒ）の最適値は、式（２）の時定数（τ）が圧力波伝播時間（ｔａ）以上で、かつインク滴が飛翔し終わるまでの時間（ｔｄ）以下にすると効果的である。つまり、
ｔｄ≧τ≧ｔａ ……（３）
となることが好ましい。
【０１００】
また、インク滴が飛翔し終わるまでの時間（ｔｄ）は、インク搬送路５１の長さ（Ｌ）、インク中の圧力波速度（ｖａ）（水系インクの場合はおよそ１５００ｍ／ｓ）とすると、
ｔａ＝Ｌ／Ｖａ ……（４）
である。
【０１０１】
図１４に示す本実施形態３の変形例のように、第２電極７２を複数に分割し、電極同士を上記条件に合う抵抗を介して結線するか、あるいは分割した電極同士をツェナーダイオード７５を介して結線し、両電極間に後方から順次電荷が溜まるようにしても良い。
【０１０２】
《実施の形態４》
図１５は本発明の実施形態４に係るインクジェットヘッドの断面図である。
本実施形態４は、インク搬送路５１を前述した実施形態のもののように所定の流通面積を有するものとせず、振動板５５とほぼ密着し、インク搬送路５１としては外観上存在しないものとなっている。
【０１０３】
ただし、本実施形態４のインク搬送路５１は、振動板５５の変形によってほぼ密封されたインク用の小部屋５８を位相差をつけて移動することによって形成してたもので、これにより実質的にインクを前方に搬送するようにしたものである。
【０１０４】
つまり、チャンネルプレート５０の振動板５５とカバープレート６０とを、振動板５５の変形部分が前記カバープレート６０に接するように近接し、振動板５５の変形部分とカバープレート６０との間で形成される小部屋５８が振動板の変形により順次ノズル５４に向かって位相差をつけて移動させ、インクを搬送するようにしている。
【０１０５】
この場合、１周期分の駆動電圧で、１つのインク滴を吐出させてもよいし、あるいは複数の高周波振動でインクをどんどん前方に送り出し、加えた振動数に応じた体積のインク滴を飛ばすようにしても良い。
【０１０６】
以上説明した種々の実施形態は、本発明を限定するために記載されたものではなく、本発明の技術的思想内において当業者により種々変更が可能である。
【０１０７】
例えば、上述した実施形態では、複数設けられた個別電極をあるいは一対の対向下電極の電荷を変化させることにより振動板を変形させているが、この変形は、極力波形状あるいは蛇行しつつ進行することがインクをスムーズに搬送することからすれば好ましいものである。
【０１０８】
【発明の効果】
以上述べたように、請求項１に記載の発明では、振動板をインク搬送路の後方からノズルに向かって次第に変形させるようにしたので、インク供給室から供給されるインクを確実にノズルより吐出することができる。したがって、ヘッドの応答性が向上し、結果的に高速印字も可能になる。また、カバープレートと振動板とを密着し、当該振動板が変形することにより形成される小部屋によりインク搬送路を形成したので、この小部屋が振動板の変形により順次ノズルに向かって移動するようにすれば、一層確実にノズルよりインクを吐出できる。
【０１０９】
請求項２に記載の発明では、振動板の駆動源となる電極を前後に複数の個別電極に分割して形成し、各個別電極をインク供給室側から順次駆動するようにしたので、簡単な構成で、前述したようなノズルより確実なインクの吐出を達成できる。
【０１１１】
請求項３に記載の発明では、両電極間に蓄えられる電荷の量を変化させることにより振動板が後方からノズルに向かって次第に変形するようにしたので、複雑に配線することなく、前述したようなノズルより確実なインクの吐出を達成できる。
【０１１３】
請求項４に記載の発明では、振動板の変形部分がインク搬送路の後方からノズルに向かって波形状となり、蛇行しつつ進行するようにしたので、インク搬送路内の液状のインクは滑らかに絞り出され、吐出がより円滑になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】インクジェットプリンタの概略構成を示す斜視図である。
【図２】図１のインクジェットヘッドを含むキャリッジ周辺の構成を示す斜視図である。
【図３】本発明の実施形態１の分解斜視図である。
【図４】同実施形態１のインクジェットヘッドの断面図である。
【図５】個別電極の動作状態を示す説明図である。
【図６】個別電極間に加える電圧の時間差を変えたときの実験結果であり、Ａはインクのドット径が変化する状態を、Ｂは追随周波数が変化する状態を示す。
【図７】チャンネルプレートの製造方法工程順に示す断面図である
【図８】インクジェットプリンタの制御部のブロック図である。
【図９】本発明の実施形態２の断面図である。
【図１０】同実施形態２の変形例１の断面図である。
【図１１】同実施形態２の変形例２の断面図である。
【図１２】同実施形態２の変形例３の断面図である。
【図１３】本発明の実施形態３の断面図である。
【図１４】同実施形態３の変形例の断面図である。
【図１５】本発明の実施形態４の断面図である。
【符号の説明】
３…インクジェットヘッド、
５０…チャンネルプレート、
５１…インク搬送路、
５２…インク供給室、
５４…ノズル、
５５…振動板、
５６…第１電極、
５７…凹部、
５８…小部屋、
６０…カバープレート、
７２…第２電極、
７２ａ，７２ｂ，７２ｃ…個別電極。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an ink jet head of a type in which ink is ejected by deforming a diaphragm with electrostatic force.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, an ink jet head used in an ink jet recording apparatus is known that uses an electrostatic actuator.
[0003]
  Although it is well known that this ink jet head is formed using a semiconductor device manufacturing process (for example, Japanese Patent Laid-Open Nos. 6-71882, 7-214769, and 8-72240). In general, a plurality of nozzles on the channel plate, an ink transport path communicating with the nozzles, and an ink supply chamber for supplying ink to the ink transport pathTheA cover plate is provided so as to cover the channel plate, and a first electrode is provided on a vibration plate provided so as to constitute a part of the ink transport path, at a position facing the first electrode. A second electrode is provided.
[0004]
When ink is ejected by operating the diaphragm, first, a voltage is applied between the first and second electrodes, and the diaphragm is attracted to the second electrode side by electrostatic force acting between the electrodes. The diaphragm is deformed to draw ink from the common ink chamber into the ink transport path.
[0005]
Next, when the voltage applied between the counter electrodes is released, the diaphragm itself returns to its original position due to its rigidity. As a result, the volume of the ink transport path is abruptly shrunk, so that the ink filled in the ink transport path is ejected and ejected as droplets from the nozzle and landed on the recording medium to form an image.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, this ink-jet head has a nozzle at the front end of the ink transport path, and an inlet into which ink from the ink supply chamber is introduced at the rear end. Therefore, the ink transport path has openings at the front and rear. Even if the diaphragm constituting a part of the ink transport path is moved up and down by applying a voltage to the electrodes, the ink in the ink transport path is reliably transported to the tip nozzle side. Not a thing but a part of ink will also move to an inlet side.
[0007]
As a result, the ink is not reliably ejected from the nozzle in a predetermined amount, the ink ejection efficiency is low, and high-speed printing is impossible in some cases, and even if the drive frequency for vibrating the diaphragm is increased, the ink follows. Thus, there is a problem that ink is not ejected, and so-called frequency tracking is not improved.
[0008]
The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and an object of the present invention is to increase the ink ejection efficiency by extruding the ink sequentially from the rear to the front and unidirectionally flowing the ink. The purpose is to improve the followability.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The object of the present invention is achieved by the following means.
[0010]
  (1) Nozzle provided at the tip, an ink conveyance path communicating with the nozzle, a diaphragm provided to constitute a part of the ink conveyance path, and ink for supplying ink to the ink conveyance path A supply chamber; a first electrode provided on the diaphragm; and a second electrode provided at a position facing the first electrode; and applying a voltage between the first and second electrodes. In the inkjet head, the diaphragm is deformed by electrostatic force, and the ink in the ink transport path is ejected as droplets from the nozzles.The ink transport path includes the diaphragm of the channel plate in which the ink transport path is formed and a cover plate attached on the channel plate, and a portion where the diaphragm is deformed by both electrodes is the cover plate. The small chamber formed between the deformed portion of the diaphragm and the cover plate moves toward the nozzles sequentially by deformation of the diaphragm.An ink-jet head formed by the above method.
[0011]
(2) At least one of the electrodes is divided into a plurality of individual electrodes before and after the ink supply chamber and the nozzle, and is sequentially driven from the ink supply chamber side by applying a voltage to each individual electrode. An ink-jet head characterized by being configured as described above.
[0013]
  (3)The inkjet head is characterized in that the diaphragm gradually deforms from the rear of the ink transport path toward the nozzle by changing the amount of charge stored between the electrodes.
[0015]
  (4)The inkjet head is configured to control voltage application to the electrodes so that a wave-shaped deformed portion advances while meandering from the rear of the ink conveyance path toward the nozzle.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
Embodiment 1
1 is a perspective view showing a schematic configuration of an inkjet printer, FIG. 2 is a perspective view showing a configuration around a carriage including the inkjet head of FIG. 1, and FIG. 3 is an exploded perspective view of the inkjet head according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 4 is a cross-sectional view of the ink jet head, and FIG. 5 is an explanatory view showing the operating state of the individual electrodes.
[0017]
The ink jet printer 1 prints on a recording medium (hereinafter referred to as a recording sheet) 2 such as paper or an OHP sheet, and includes an ink jet head scanning system and a recording sheet conveying system.
[0018]
The ink jet head scanning system includes a head unit 3 including ink jet print heads for one color or multiple colors (for example, three colors, four colors, or seven colors), a carriage 4 that holds the head unit 3, and a carriage 4 that is a recording sheet. The scanning shaft 5 and the guide shaft 6 for reciprocating parallel to the recording surface 2, the pulse motor 7 for reciprocating the carriage 4 along the guide shaft 6, and the rotation of the pulse motor 7 for reciprocating the carriage 4. It consists of an idle pulley 8 and a timing belt 9 for changing.
[0019]
On the other hand, the recording sheet conveying system includes a platen 10 that also serves as a guide plate for guiding the recording sheet 2 along the conveying path, a pressing plate 11 that presses the recording sheet 2 between the platen 10 and prevents floating, and a recording sheet. 2, a discharge roller 12 for discharging 2, a pressing roller 13, a maintenance device 14 that cleans the nozzle surface of the head unit 3 that discharges ink and recovers defective ink discharge to a good state, and the recording sheet 2 manually. It consists of a feed knob 15 for carrying.
[0020]
The recording sheet 2 is fed into a recording unit in which the head unit 3 and the platen 10 face each other by manual feed or a cut sheet feeder (not shown).
[0021]
The print head of the head unit 3 incorporates an inkjet head 3 to be described in detail later, and ink droplets discharged from the inkjet head 3 land on the recording sheet 2 to form an image.
[0022]
The carriage 4 scans the recording sheet 2 laterally (main scanning) by the pulse motor 7, idle pulley 8, and timing belt 9, and the head unit 3 attached to the carriage 4 records an image for one line. Each time recording for one line is completed, the recording sheet 2 is fed in the vertical direction (sub-scanning), and the next line is recorded.
[0023]
The image is recorded on the recording sheet 2 in this way, and the recording sheet 2 that has passed through the recording unit is discharged by the discharge roller 12 disposed on the downstream side in the conveyance direction and the press roller 13 that contacts the discharge roller 12 with a constant pressure. The
[0024]
As shown in FIG. 2, around the carriage 4, an ink cartridge 403 in which ink is housed and a vent hole 404 is opened at the top, a casing 401 in which the ink cartridge 403 is housed, a casing lid, 405, an ink supply pipe 402 for supplying ink to the inkjet head 3 while making the ink cartridge 403 detachable, a hook 406 and a lid stopper 407 for fixing the casing lid 405 to the casing 401 when the casing lid 405 is closed A presser spring 408 that holds the ink cartridge 403 in the casing 401 with the casing lid 405 while urging the ink cartridge 403 in a direction opposite to the direction in which the ink cartridge 403 is stored (the direction of the arrow D3). Is provided.
[0025]
When the carriage 4 moves in the scanning direction (direction of arrow D1), the recording sheet 2 is main-scanned, and when the recording sheet 2 is fed, printing is performed in the sub-scanning direction (direction of arrow D2). become.
[0026]
The ink-jet head 3 is formed by using a semiconductor device manufacturing process. As a whole, the ink-jet head 3 has a three-element laminated structure of a channel plate 50, a cover plate 60, and a glass substrate 70 as shown in FIGS. .
[0027]
On the upper surface side of the channel plate 50, a plurality of nozzles 54 formed at the tip, an ink transport path 51 communicated with each nozzle 54, and an inlet 53 so as to supply ink to the ink transport path 51. One ink supply chamber 52 communicated with each other is engraved, and a part of the ink transport path 51, that is, the bottom wall is a diaphragm 55.
[0028]
The upper side of the channel plate 50 in the figure is covered by a cover plate 60, and a series of ink transport paths from the nozzle 54 to the ink transport path 51, the inlet 53 and the ink supply chamber 52 are formed.
[0029]
Further, a recess 57 is formed on the lower surface side of the channel plate 50 so as to surely move the diaphragm 55 up and down, and the first electrode 56 is directly attached to the diaphragm 55.
[0030]
The lower side of the channel plate 50 in the figure is covered with a glass substrate 70, and a second electrode 72 is provided on the glass substrate 70 at a position facing the first electrode 56.
[0031]
In particular, in the first embodiment, the second electrode 72 is divided into a plurality of

individual electrodes

72a, 72b, 72c before and after the ink supply chamber 52 and the nozzle 54, and each

individual electrode

72a, 72b, 72c is divided. The terminals 74 are connected to terminals 74 through lead wires 73 and the like so that voltages are independently applied to each other, and these terminals 74 are connected to the head ejection driving unit 105 by the first electrode 56 and

wirings

81 and 82. . In the present embodiment, the wiring 81 from the first electrode 56 is grounded.
[0032]
Then, as shown in FIG. 5, each

individual electrode

72 a, 72 b, 72 c is successively applied with a voltage from the individual electrode 72 c on the rear side close to the ink supply chamber 52 with a certain time difference (Td). 55 is driven and displaced from the rear side.
[0033]
When the diaphragm 55 is driven with a certain time difference (Td) applied to the plurality of

individual electrodes

72 a, 72 b, 72 c in this way, the squeezing effect by the diaphragm 55 is exhibited, and the inside of the ink conveyance path 51 is exhibited. The ink flow can be unidirectional, and the ink is reliably conveyed to the tip nozzle 54 side.
[0034]
As a result, ink ejection efficiency is improved, and high-speed printing is possible in some cases. Further, even if the driving frequency for vibrating the diaphragm is increased, ink is ejected following this, and so-called frequency tracking is also improved.
[0035]
More specifically, for example, in the inkjet head 3 of the present embodiment, the width of the ink transport path 51 is 300 μm, the length is 5 mm, and the height is 100 μm, and the second electrode 72 is divided into three in the front-rear direction. The length of each individual electrode is 1 mm, and the interval is 0.5 mm. Then, a drive voltage of 30V or 60V is applied to the inkjet head.
[0036]
At this time, the time difference Td of the voltage applied between the

individual electrodes

72a, 72b, 72c was changed from 0 to 5 μs, and the dot diameter and the following frequency of the ink were examined. As a result, the results are as shown in FIGS. FIG. 6A shows a state in which the dot diameter (μm) of the ink changes, and FIG. 6B shows the magnitude of the tracking frequency (f).
[0037]
As is apparent from FIGS. 6A and 6B, if the diaphragm 55 is driven with a certain time difference Td, the ink diameter and the following frequency are substantially constant, so that the ink ejection efficiency is improved and the driving is performed. It can be seen that high frequency tracking performance is achieved in which ink is ejected following the frequency.
[0038]
The optimum value of the time difference Td is considered to depend on the natural frequency of the ink. However, in the inkjet head 3, since the natural vibration period is about 12 μs, 1/2 of that is required to efficiently fly the ink. It is necessary to complete the discharge operation within 6 μs corresponding to.
[0039]
Therefore, in the present embodiment, since three electrodes are driven, the time difference Td within 3 μs is appropriate.
[0040]
Next, when manufacturing the inkjet head 3, as described above, a semiconductor device manufacturing process, a micromachine manufacturing process, and the like are used. There are various methods, for example, the following method.
[0041]
7A, FIG. 7B, and FIG. 7C are cross-sectional views showing the order of the manufacturing method of the channel plate 50 corresponding to FIG.
[0042]
First, as shown in FIG. 7A, an oxide film 101 is formed on the entire surface of the silicon substrate 100 by a thermal oxidation method using a silicon substrate lapped to about 200 μm in advance.
[0043]
An opening for defining the shapes of the ink transport path 51, the ink supply chamber 52, the inlet 53, and the nozzle 54 is provided in the oxide film 101 on the upper surface of the silicon substrate 100 in the drawing by known photolithography and dry etching, As shown in FIG. 7B, an etching mask 101a is used.
[0044]
Next, the silicon substrate 100 having the etching mask 101a formed by the patterned oxide film 101 is anisotropically etched with a KOH solution.
The silicon substrate 100 used here has a substrate surface having a (110) plane (showing a plane orientation; the same applies hereinafter) or a (100) plane. The anisotropic etching with the KOH solution automatically stops when the (111) plane of the silicon substrate is exposed. Therefore, when the etching mask 101a is formed, the portion that becomes the nozzle 54 and the inlet 53 is formed. By adjusting the size of the opening, the etching depth in these portions can be set to a desired depth.
Further, the depth of the ink transport path 51 and the ink supply chamber 52 can be adjusted by adjusting the etching time together with the size of the opening of these portions, so that the thickness of the portion serving as the diaphragm 55 can be about 6.5 μm. Set to.
[0045]
By etching with the KOH solution, the ink transport path 51 and the side walls of the ink supply chamber 52 are exposed to the (111) plane, thereby forming an appropriate taper. Thereafter, the oxide film used as the etching mask is removed.
[0046]
In this manner, as shown in FIG. 7C, the ink transport path 51, the ink supply chamber 52, the inlet 53, and the nozzle 54 are formed on the silicon substrate 100. The channel plate 50 formed here has a plurality of ink transport paths 51 and a plurality of nozzles 54 as shown in FIG. 3, so that a plurality of ink droplets are ejected from one head. Yes.
[0047]
When the concave portion 57 is formed on the back side of the silicon substrate 100 by the same method as described above so that the interelectrode gap dimension D1 between the second electrode 72 and the first electrode 56 is 0.3 μm, the diaphragm 55 is formed on the silicon substrate 100.
[0048]
Then, a resist pattern in which the diaphragm 55 and a portion for making electrical contact with the first electrode 56 formed on the diaphragm 55 portion are formed by photolithography, and the diaphragm 55 and the contact portion are formed on the contact portion. Boron ions are implanted to form the first electrode 56 and an impurity diffusion layer to be a contact line.
[0049]
Thereafter, an oxide film is formed on the entire surface of the silicon substrate 100 by a thermal oxidation process, thereby forming an insulating film on the surface of the vibration plate 55 (the back surface side of the silicon substrate). This insulating film is for preventing a short circuit with the second electrode 72.
[0050]
Next, the glass substrate 70 provided with the second electrode 72 is formed. As the glass substrate 70, a borosilicate glass substrate is used. Then, when bonded to the state shown in FIG. 4, an ITO (indium oxide containing tin) film is formed at a position where the diaphragm 55 of the channel plate 50 faces and a predetermined position adjacent thereto.
[0051]
Thus, the second electrode 72 composed of a plurality of individual electrodes and the contact line connected to the second electrode 72 are formed on the surface of the glass substrate 70. At this time, in the case of a head having a plurality of ink transport paths 51 and nozzles 54, the second electrode 72 and the respective contact lines are formed for each ink transport path 51.
[0052]
After that, a SiFH film or a SiO2 film is formed on the entire surface on which the electrodes are formed.₂A protective film such as a film is formed to a thickness of about 1 μm. This protective film is not patterned and is provided on the entire surface of the substrate to form a protective film, thereby preventing deterioration of the drive electrode due to the influence of ambient humidity.
[0053]
The depth at which the recess 57 is formed is such that when the second electrode 72 is formed, the distance from the first electrode 56 (insulating film surface) to the second electrode 72 (SiFH film surface) facing the recess 57 is formed. 0.1-1 μm, preferably 0.1-0.5 μm so that it can be driven with a lower driving voltage. In this embodiment, as described above, the recess 57 is formed so that the distance between the first and second electrodes is 0.3 μm.
[0054]
The concave portion 57 is formed when the vibration plate 55 portion of the silicon substrate 100 described above is bonded to the state shown in FIG. 4 instead of being formed by etching from the back surface (the lower side in the drawing) of the silicon substrate 100. In addition, a concave portion having a predetermined depth may be formed at a position where the diaphragm 55 of the channel plate 50 of the glass substrate 70 faces.
[0055]
Next, the cover plate 60 also uses a borosilicate glass substrate, and an ink supply port (not shown) for introducing ink from the ink cassette is formed in the upper portion of the ink transport path 52.
[0056]
The channel plate 50, the glass substrate 70 and the cover plate 60 formed as described above are anodically bonded to form the three-layer structure shown in FIG.

Wiring

81 and 82 are connected to the plate 60 and the contact lines formed on the glass substrate 70, respectively, thereby completing the ink jet head.
[0057]
Next, the ink used in this embodiment will be described.
The ink of this embodiment has the composition shown in Table 1 below, and uses four colors of black (K), yellow (Y), magenta (M), and cyan (C), and is shown in the table. As described above, each color is adjusted with a dye, but a pigment may be used instead of the dye.
[0058]
[Table 1]

[0059]
Next, the control unit of the ink jet printer will be explained with reference to FIG. 8. FIG. 8 is a block diagram of the control unit of the ink jet printer 1.
[0060]
The control unit includes a CPU 101, a RAM 102, a ROM 103, a data reception box 104, a head ejection drive unit 105, a head movement drive unit 106, a paper feed motor drive unit 107, a recovery system motor drive unit 108, and various sensor units 109. Yes.
[0061]
The CPU 101 that controls the whole uses the RAM 102 as necessary, and executes a program stored in the ROM 103. This program includes a head ejection drive unit 105, a head movement drive unit 106, and a paper feed motor drive based on image data read from a data receiving unit 104 that is connected to a host computer or the like and receives image data to be recorded. Control unit 107 and various sensor units 109, process a part for recording an image on recording sheet 2, and process information from various sensor units 109 as necessary, control recovery system motor drive unit 108, and And a portion for restoring the nozzle surface of the unit 3 to a good state.
[0062]
Based on the control of the CPU 101, the head ejection driving unit 105 drives the inkjet head 3 in the head unit 3 by applying a pulse voltage corresponding to the image data.
[0063]
Specifically, a pulse voltage corresponding to the image data is applied from the head ejection driving unit 105 to the second electrode at a predetermined timing. The head discharge driving unit 105 includes a delay circuit, a charge / discharge circuit, an inverting circuit, and an inverting amplifier circuit (not shown).
[0064]
Further, based on the control of the CPU 101, the head movement drive unit 106 drives the drive motor 7 that moves the carriage 4 that holds the head unit 3, and the paper feed motor drive unit 107 drives the paper feed roller. Further, based on the control of the CPU 101, the recovery system motor drive unit 108 drives a motor and the like necessary for recovering the nozzle surface of the head unit 3 to a good state.
[0065]
Next, the operation of the first embodiment will be described.
In order to discharge ink droplets, first, in FIG. 4, a voltage is applied between the first electrode 56 and the individual electrode 72 c that is the electrode closest to the inlet 53 among the second electrodes 72.
[0066]
The diaphragm 55 is attracted to the individual electrode 72c side by the electrostatic force F1 generated between the

electrodes

56 and 72c by the application of the drive voltage, and a portion corresponding to the individual electrode 72c of the diaphragm 55 as indicated by a dotted line in the figure. Will bend and deform toward the individual electrode 72c. As a result, the volume of the ink transport path 51 increases, and the ink in the ink supply chamber 52 flows into the ink transport path 51 through the inlet 53.
[0067]
The inflow ink vibrates at a predetermined natural frequency in the ink conveyance path 51. That is, the ink once flowing into the ink transport path 51 due to the bending deformation of the individual electrode 72c tries to go out from the opening of the inlet 53 or the nozzle 54 and vibrates at a predetermined cycle.
[0068]
However, a voltage is successively applied to the next individual electrode 72b and then to the next individual electrode 72a with a time difference Td smaller than the period of the natural vibration of the ink, and the diaphragm 55 corresponding to each individual electrode is successively localized. To bend and deform.
[0069]
As a result, the ink once flowing into the ink transport path 51 is sent toward the nozzle 54 without being returned to the inlet 53 side.
[0070]
More specifically, in the experimental example described above, the natural vibration period of the ink is about 12 μs. That is, when the volume in the ink transport path 51 increases due to deformation of the vibration plate 55, ink flow occurs in the ink transport path 51. For example, when the volume of the ink transport path 51 in the full liquid state is increased by the vibration plate 55, the ink that flows in from the inlet 53 or the like tries to exit from the inlet 53 or the like due to the reaction, and is returned to the ink transport path 51 again. A vibration state occurs. The period of this vibration state is about 12 μs.
[0071]
Accordingly, once the ink that has flowed into the ink transport path 51 is about to exit from the inlet 53 or the like, that is, within 6 μs corresponding to a ½ cycle, the ink returns to the inlet 53 side. It should be sent one after another.
[0072]
Therefore, in this embodiment, after the electrode 72c is driven, the time difference Td corresponding to ½ of 6 μs is within 3 μs so that the two

electrodes

72b and 72a are driven within a predetermined time, that is, within 6 μs. The

individual electrodes

72b and 72a are driven.
[0073]
Therefore, the ink taken in by the vibration plate 55 being deformed by the individual electrode 72c is quickly sent toward the nozzle 54 by the deformation of the vibration plate 55 by the

individual electrodes

72b and 72a.
[0074]
When the voltage applied to the individual electrode 72a is finally released, the volume of the ink transport path 51 is sharply contracted by the force that the deformed portion of the diaphragm 55 suddenly returns to the original position, and the ink transport path 51 The ink is ejected as droplets from the nozzle 54, flies, and is landed on the recording sheet to form an image.
[0075]
Thus, according to this embodiment, the diaphragm 55 is deformed by electrostatic force by applying a voltage between the first and

second electrodes

56 and 72, and the ink in the ink transport path 51 is discharged from the nozzle 54. When discharging as droplets, the second electrode 72 is a plurality of individual electrodes, and a voltage is applied to the individual electrodes one after another with a predetermined time difference Td. Therefore, the ink supplied from the ink supply chamber 52 Can be reliably ejected from the nozzle 54, the response of the head is improved, and the frequency tracking is improved, resulting in high-speed printing. In particular, since it is sufficient to divide the conventional electrode into a plurality of parts, it is possible to achieve more reliable ink ejection than the nozzles described above with a simple configuration.
[0076]
<< Embodiment 2 >>
9 is a cross-sectional view of an inkjet head according to Embodiment 2 of the present invention, FIG. 10 is a cross-sectional view of an inkjet head according to Modification 1 of Embodiment 2, and FIG. 11 is a cross-sectional view of the inkjet head according to Modification 2. FIG. 12 is a cross-sectional view of the ink jet head according to the third modification, and members that are the same as those shown in FIGS. 3 and 4 are given the same reference numerals.
[0077]
As shown in FIG. 9, the ink jet head 3 according to the second embodiment applies the voltage between the

electrodes

56 and 72 to convey the diaphragm 55 to the ink when the ink is transported in the ink transport path 51. The ink conveyance path 51 is lowered in height so that the cross-sectional area of the flow path is greatly different between the deformed part and the other part.
[0078]
In the drawing, the ink does not flow easily in the narrow ink transport path 51 where the height h of the ink transport path 51 indicated by “hN” is low. To say that it is difficult to flow means that it is possible to prevent backflow.
[0079]
In the drawing, the portion indicated by “hW” is a portion where the height h of the ink transport path 51 formed by the deformation of the diaphragm 55 is high.
[0080]
Therefore, when a large amount of ink stored in a wide portion of the ink transport path 51 is moved toward the nozzle 54 one after another, the ink can be transported to the nozzle 54 without escaping from the narrow portion.
[0081]
Here, the ink flow path resistance (R) of the ink transport path 51 is generally expressed by the following equation when the flow path has a rectangular cross section.
[0082]
R = 8ηL (a + b)²/ A^Threeb^Three ...... (1)
η: viscosity, L: channel length, a: channel width, b: channel height
That is, according to this equation (1), the flow path resistance R is inversely proportional to the cube of the flow path height b.
[0083]
Therefore, when the channel height b is set to be low and a >> b as in the second embodiment, the channel height after deformation is the channel height before deformation. If it is set to be less than or equal to half of that, the flow resistance of that portion becomes 8 times or more, so the effect of lowering the flow path height becomes very large.
[0084]
In the second embodiment, in consideration of such a point, by reducing the height h of the ink transport path 51 formed between the channel plate 50 and the cover plate 60, a portion where ink does not easily escape is formed, and vibration is generated. The plate 55 is gradually deformed from the rear of the ink conveyance path 51 toward the nozzle 54 to convey the ink to the nozzle 54 without escaping the ink.
[0085]
In addition, it is more preferable that the portion of the inlet 53 is also narrowed so that the ink taken in due to the deformation of the diaphragm 55 does not flow backward from the inlet 53.
[0086]
The second embodiment will be described more specifically. Since the deformation amount of the diaphragm 55 due to electrostatic force is several μm to several hundred μm, the height h of the ink transport path 51 may be several times that. If the height of the hN portion is about 10 μm, the ink jet head that exhibits the above-described backflow prevention effect can be obtained.
[0087]
In the inkjet head according to the first modification of the second embodiment shown in FIG. 10, the formation of the inlet 53 portion is abolished. As described above, if the height h of the ink transport path 51 is reduced and the cross-sectional area of the flow path is narrowed to some extent, the backflow prevention effect is exhibited even if the inlet 53 portion is not formed.
[0088]
Therefore, in the first modification, the formation of the inlet 53 is abolished, and the structure is further simplified.
[0089]
11 and 12 show an inkjet head 3 according to

Modifications

2 and 3 of the second embodiment. These inkjet heads 3 are provided on the cover plate 60 side so that the second electrode 72 is sandwiched in the ink transport path 51.
[0090]
In Modification 2 shown in FIG. 11, if the height h of the ink transport path 51 is reduced, the electrostatic force acts sufficiently even if ink is present in the ink transport path 51. Since the two electrodes 72 are provided on the cover plate 60 side, the diaphragm 55 can be more easily deformed. As a result, power consumption can be reduced.
[0091]
In the third modification shown in FIG. 12, the second electrode 72 is provided on the glass substrate 70 side as in the first embodiment, and the third electrode 61 including a plurality of individual electrodes 61a, 61b, 61c is further provided on the cover plate 60 side. The diaphragm 55 is more powerfully restored. As a result, the third modification can increase the ink ejection capability.
[0092]
As described above, according to the second embodiment, when the second electrode 72 is a plurality of individual electrodes and a voltage is applied to the individual electrodes one after another at a predetermined time difference Td, the height h of the ink transport path 51 is increased. Therefore, the ink taken in by the deformation of the vibration plate 55 is surely prevented from flowing back as the vibration of the vibration plate 55 is moved by the individual electrodes. Thus, the ink supplied to the ink supply chamber 52 and supplied from the ink supply chamber 52 can be surely ejected from the nozzle 54, so that the responsiveness of the head is improved and the frequency tracking is improved.
[0093]
<< Embodiment 3 >>
In the second embodiment, it is necessary to provide a plurality of electrodes, and it is necessary to individually give a signal to each electrode. In the third embodiment, this is further improved.
[0094]
FIG. 13 is a cross-sectional view of an ink jet head according to Embodiment 3 of the present invention, and FIG. 14 is a cross-sectional view of an ink jet head according to a modification of Embodiment 3. In FIGS. 13 and 14, members that are the same as those shown in FIGS.
[0095]
In the ink jet head 3 according to the third embodiment, the vibration plate 55 is gradually deformed from the rear of the ink transport path 51 toward the nozzle 54 by changing the amount of charge stored between the

electrodes

56 and 72. It is.
[0096]
As shown in FIG. 13, one second electrode, that is, the drive electrode 72 is provided for each ink transport path 51, and wirings 81 and 82 from the head ejection drive unit 105 on the inlet 53 side. It is connected to.
[0097]
The electric resistance of the drive electrode 72 is set high. Here, the time constant (τ) determined by the electric resistance value (r) of the drive electrode 72 and the capacitor component (C) between the electrodes is expressed by the following equation (2).
[0098]
τ = 1 / rC (2)
When a voltage is applied between the

electrodes

56 and 72, electric charges are stored between the electrodes, an electrostatic force is applied, and the diaphragm 55 is deformed. This charge is charged from the rear of the diaphragm 55 to the front. Since the batteries are sequentially charged, the diaphragm 55 is sequentially deformed from the rear to the front, and the ink is sent forward.
[0099]
The optimum value of the electrical resistance value (r) at this time is set so that the time constant (τ) of the equation (2) is not less than the pressure wave propagation time (ta) and not more than the time (td) until the ink droplet finishes flying. It is effective. That means
td ≧ τ ≧ ta (3)
It is preferable that
[0100]
In addition, when the time (td) until the ink droplet finishes flying is assumed to be the length (L) of the ink conveyance path 51 and the pressure wave velocity (va) in the ink (approximately 1500 m / s in the case of water-based ink),
ta = L / Va (4)
It is.
[0101]
As in the modification of the third embodiment shown in FIG. 14, the second electrode 72 is divided into a plurality of parts, and the electrodes are connected via a resistor that meets the above conditions, or the divided electrodes are connected with a Zener diode 75. The electric charge may be accumulated sequentially from the rear between both electrodes.
[0102]
<< Embodiment 4 >>
FIG. 15 is a cross-sectional view of an inkjet head according to Embodiment 4 of the present invention.
In the fourth embodiment, the ink transport path 51 does not have a predetermined flow area as in the above-described embodiment, and is substantially in close contact with the diaphragm 55, and the ink transport path 51 does not exist in appearance. ing.
[0103]
However, the ink conveyance path 51 of the fourth embodiment is formed by moving the ink chamber 58 that is substantially sealed by the deformation of the vibration plate 55 with a phase difference. Ink is transported forward.
[0104]
That is, the diaphragm 55 and the cover plate 60 of the channel plate 50 are close to each other so that the deformed portion of the diaphragm 55 is in contact with the cover plate 60, and is formed between the deformed portion of the diaphragm 55 and the cover plate 60. The small chamber 58 is moved sequentially with a phase difference toward the nozzle 54 by deformation of the diaphragm so as to convey ink.
[0105]
In this case, one ink droplet may be ejected with a driving voltage for one cycle, or ink is sent forward and forward with a plurality of high-frequency vibrations so that a volume of ink droplets according to the applied frequency is ejected. Anyway.
[0106]
The various embodiments described above are not described to limit the present invention, and various modifications can be made by those skilled in the art within the technical idea of the present invention.
[0107]
For example, in the above-described embodiment, the diaphragm is deformed by changing the charge of a plurality of individual electrodes or a pair of opposed lower electrodes, but this deformation proceeds while making a wave shape or meandering as much as possible. This is preferable because the ink is smoothly conveyed.
[0108]
【The invention's effect】
  As described above, in the first aspect of the invention, since the diaphragm is gradually deformed from the rear of the ink transport path toward the nozzle, the ink supplied from the ink supply chamber is reliably discharged from the nozzle. can do. Therefore, the responsiveness of the head is improved, and as a result, high-speed printing is possible.Further, since the ink transport path is formed by the small chamber formed by closely contacting the cover plate and the diaphragm and deforming the diaphragm, the small chamber sequentially moves toward the nozzle by the deformation of the diaphragm. By doing so, ink can be ejected from the nozzles more reliably.
[0109]
According to the second aspect of the present invention, since the electrode serving as the driving source of the diaphragm is formed by dividing it into a plurality of individual electrodes in the front and rear, and each individual electrode is sequentially driven from the ink supply chamber side, With the configuration, it is possible to achieve more reliable ink ejection than the nozzles described above.
[0111]
  Claim3In the invention described in the above, since the diaphragm is gradually deformed from the rear toward the nozzle by changing the amount of electric charge stored between both electrodes, the above-described nozzle can be used without complicated wiring. Reliable ink ejection can be achieved.
[0113]
  Claim4In the invention described in the above, the deformed portion of the vibration plate has a wave shape from the rear of the ink conveyance path toward the nozzle and proceeds while meandering, so that the liquid ink in the ink conveyance path is smoothly squeezed out. , The discharge becomes smoother.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view illustrating a schematic configuration of an ink jet printer.
2 is a perspective view showing a configuration around a carriage including the ink jet head of FIG. 1. FIG.
FIG. 3 is an exploded perspective view of Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view of the ink jet head according to the first embodiment.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing an operation state of an individual electrode.
FIG. 6 shows the experimental results when the time difference of the voltage applied between the individual electrodes is changed. A shows the state where the ink dot diameter changes, and B shows the state where the tracking frequency changes.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing the order of the manufacturing method of the channel plate.
FIG. 8 is a block diagram of a control unit of the inkjet printer.
FIG. 9 is a cross-sectional view of Embodiment 2 of the present invention.
10 is a cross-sectional view of Modification 1 of Embodiment 2. FIG.
FIG. 11 is a cross-sectional view of a second modification of the second embodiment.
12 is a cross-sectional view of Modification 3 of Embodiment 2. FIG.
FIG. 13 is a cross-sectional view of Embodiment 3 of the present invention.
FIG. 14 is a cross-sectional view of a modified example of the third embodiment.
FIG. 15 is a cross-sectional view of Embodiment 4 of the present invention.
[Explanation of symbols]
3 ... inkjet head,
50 ... Channel plate,
51 ... Ink transport path,
52 ... Ink supply chamber,
54 ... Nozzle,
55 ... diaphragm,
56 ... first electrode,
57 ... recess,
58 ... small room,
60 ... cover plate,
72 ... the second electrode,
72a, 72b, 72c ... individual electrodes.

Claims

A nozzle provided at the tip, an ink conveyance path communicating with the nozzle, a diaphragm provided to constitute a part of the ink conveyance path, and an ink supply chamber for supplying ink to the ink conveyance path; A first electrode provided on the diaphragm and a second electrode provided at a position facing the first electrode, and applying the voltage between the first and second electrodes causes the vibration. In an ink jet head in which a plate is deformed by electrostatic force and ink in the ink transport path is ejected as droplets from a nozzle, the ink transport path is the vibration of the channel plate in which the ink transport path is formed. A plate and a cover plate mounted on the channel plate are placed close to each other so that a portion of the diaphragm deformed by both electrodes is in contact with the cover plate. An ink jet head small chamber which is formed between the deformed portion and the cover plate is characterized by being formed by Rukoto move toward sequentially nozzle by the deformation of the diaphragm.

At least one of the two electrodes is divided into a plurality of individual electrodes before and after the ink supply chamber and the nozzle, and is sequentially driven from the ink supply chamber side by applying a voltage to each individual electrode. The inkjet head according to claim 1.

Wherein both electrodes, according to claim 1 or 2, characterized in that the diaphragm by changing the amount of charge accumulated in between the electrodes was so that to deform gradually toward the nozzle from the rear of the ink conveying path The inkjet head described in 1.

The voltage applied to the electrode is controlled so that the vibrating plate advances in a meandering manner from the rear side of the ink conveyance path toward the nozzle. The inkjet head according to any one of 3 .