JP4067891B2 - Electrostatic actuator, droplet discharge head, ink jet recording apparatus - Google Patents
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は静電型アクチュエータ、液滴吐出ヘッド、インクジェット記録装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、半導体装置や液晶表示装置の製造技術を応用した微細な電気機械システム(一般的にMEMS:Mirco Electro Mechanical Systems)の開発、特に微細な光学システムや生体分析用システムにおける応用を目指して開発が盛んであり、また、画像出力のためのインクジェット記録装置に使われているインクジェットヘッドやその他の液滴吐出ヘッドとして実用化されている。
【0003】
液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドとしては、加圧手段(圧力発生手段、アクチュエータ)として圧電素子などの電気機械変換素子(圧電型アクチュエータ)を用いて吐出室の壁面を形成している振動板を変形変位させることでインク滴を吐出させるピエゾ型のもの、吐出室内に配設した発熱抵抗体などの電気熱変換素子(サーマル型アクチュエータ)を用いてインクの膜沸騰でバブルを発生させてインク滴を吐出させるサーマル型のもの、吐出室の壁面を形成する振動板とこれに対向する電極(静電型アクチュエータ)を用いて振動板を静電力で変形させることでインク滴を吐出させる静電型のものなどがある。また、インクに電荷を付与して被記録媒体側に配置した電極(静電吸引アクチュエータ)を用いて静電引力でインク滴を吐出させる静電吸引型のものなどがある。
【0004】
このようなインクジェットヘッドにおいては、アクチュエータは全て複数のノズル孔それぞれに対応して一対一で設置されていることが通常であり、そのためアクチュエータを駆動する駆動装置も同数必要となるのが通常である。ただし、サーマルアクチュエータにおいては過剰発熱を抑制するため、マトリクス駆動により複数のノズルに対応する複数のサーマルアクチュエータを一つの駆動装置で駆動する場合もある。
【0005】
このように、アクチュエータとほぼ同数の駆動装置は、圧電アクチュエータや静電アクチュエータや静電吸引アクチュエータにおいてはアクチュエータとは別基板に構成される駆動回路チップにて構成されることが一般的であり、サーマルアクチュエータにおいては同一基板内に構成されることが一般的である。
【0006】
この違いはサーマルアクチュエータが集積化が容易なシリコン基板に構成されるのに対し、圧電アクチュエータ、静電アクチュエータや静電吸引アクチュエータは製造工程の都合により該シリコン基板上に形成が困難なためである。
【0007】
すなわち、駆動するアクチュエータに選択的に画像情報を伝達する駆動回路を同一基板上に形成できない上記素子(サーマルアクチュエータ以外)は、駆動回路チップ内の駆動装置と一対一でFPC(Flexible Printed Circuits、フレキシブルなプリント配線板)やワイヤボンディングにより接続することが必要となる。
【0008】
この場合、アクチュエータの電位供給取り出し部位(一般的にパッドと称される)に対し駆動回路チップを一対一でFPCやワイヤボンディングにより接続する工程歩留りは、パッド数やパッド寸法に強く依存し、ヘッドの高密度化(高集積化)や大面積化(1チップ内のアクチュエータ数の増大)によって特に製品の歩留を低下させる問題を有している。
【0009】
また、上記FPCやワイヤボンディングによる接続の微細な限界は現状約30〜40μmであり、このことがアクチュエータ及びそれを用いた製品の高密度化や大面積化の進展を阻止しているといえる。
【0010】
さらに、例えばライン型のインクジェットヘッド(印字領域が用紙の一辺方向に亘り形成され、ヘッド自体移動する必要がないヘッド)を構成する場合、用紙がA4やA3サイズになると1000ピンの駆動回路チップが数十個必要となり、それにより製品のコストを大幅に上昇させる問題もある。なお、ライン型インクジェットヘッドはヘッド自体が移動する必要がないので、それを保持する機構の強度を低減でき、同時に移動に伴う振動も発生せず、用紙の一辺方向を同時に印字するので、軽量で低振動で高速なインクジェット記録装置を提供することが可能であり、今後実用化を目指さなければならないヘッドである。
【0011】
上記のように、駆動回路をアクチュエータと同一基板上又はアクチュエータ基板に接合して設置することは重要であるが、現状で可能なものは上記サーマルアクチュエータである。しかしながら、サーマルアクチュエータは動作時に大量の発熱があるために連続した素子の同時駆動が困難であったり、消費電力が高いという問題を有している。さらに、シリコン基板上に形成することが必要なため、1チップの大面積化が困難である問題を有している。
【0012】
上記サーマルアクチュエータ以外で駆動装置を同一基板上に形成する方法としては、ガラス基板上に形成されたアクチュエータと同一基板上に、1アクチュエータごとに薄膜トランジスタを複数設置して駆動装置とする方法が考えられるが、例えばアクチュエータが画像形成装置や映像表示装置の場合は、複数あるアクチュエータを画像入力信号に合わせて適時動作させることが必要となり、画像情報を記憶する素子(メモリ)も同時に形成することが必須となる。
【0013】
そのため、1アクチュエータを適時動作させるための駆動装置に含まれる上記機能素子の数が増大し、製造歩留りを大幅に低下させる問題を有している。また、増大した上記機能素子の占める面積割合が大きく、製品の高密度化を阻害する問題もある。さらに、薄膜によるメモリ素子も現状では良好なものが得られていない。
【0014】
ここで、従来のインクジェットヘッドを搭載したインクジェット記録装置としては、例えば、特開平8−238774号公報に開示されているように、静電吸引型アクチュエータを用いたインクジェットヘッドを搭載したインクジェット記録装置において、インク噴射室の側壁に埋設された静電界印加用電極部とその電圧を印加するための高圧電源部の間に、インクの吐出を制御する制御素子部とその制御素子部を制御するプロセス制御部を配置し、さらに制御素子部が発光部と光導電部を具備し、別途プロセス制御部に具備された発光量制御部により発光部の動作を制御して光導電部に受光させ光導電部の抵抗を変化させ、インク噴射室の側壁に埋設された静電界印加用電極部の電圧を制御するようにして、静電界印加用電極とノズル孔前方に配置された対向電極部との間の電位差を制御し、インク噴射室中のインクに電荷を付与し、電荷を有するインクが対向電極部に向けて静電吸引されるようにしたものが知られている。
【0015】
また、特許第3030787号公報に開示されているように、圧電アクチュエータを複数個並列に配置したインクジェットヘッドにおいて、圧電アクチュエータの一方の電極を各々独立して光導電体に接続し、他方の電極を共通に任意の電位に接続し、光走査手段により前記複数の光導電体に選択的に光照射を行い、それにより圧電アクチュエータを選択的に変形させてインク滴を噴射させるものが知られている。
【0016】
上述した液滴吐出ヘッド以外に、MEMSに属するものとしては、光伝送装置として用いられる光クロスコネクトが実用化されている。現在、情報を伝達する手段は主に電気機器によるところが多いが、情報量の増大に伴い徐々に光による伝達手段すなわち光伝送装置を用いることが増えてきている。現在の光伝送の主な用途は都市間や国間や大陸間を光ファイバーにより伝送することであり、その中で光クロスコネクトは複数の反射ミラーを個別に動作させ光路を選択し光ファイバから別の光ファイバへ光情報を伝達する目的で使われている。
【0017】
【発明が解決しようとする課題】
先ず、上述した従来のインクジェット記録装置にあっては、光によりアクチュエータである静電界印加用電極の電位を制御しているが、同装置では制御素子部はアクチュエータと同一基板上には設置されておらず、前述したFPCやワイヤボンディングによる接続歩留りの低下やコスト増加を招くという課題があり、更に静電吸引方式であるために高い駆動電圧(数千V)が必要となり、それによる電磁ノイズが発生するという課題や電荷をインクに付与するために消費電力が大きいという課題がある。
【0018】
また、圧電型アクチュエータと光導電体とを組み合わせたインクジェットヘッドにあっては、そもそも圧電型アクチュエータは微細なパターン化が困難であり、現状の印刷ピエゾ方式では400dpi(dots per inch)が限界であり、また積層ピエゾ素子のダイシング加工方式では300dpiが限界と考えられるため、ヘッドの高密度化、特に1200dpi以上の高密度化を図ることが困難であるという課題がある。
【0019】
次に、上述した光伝送技術は今後の情報量の増大に伴ってオフィス内や機器内でも用いられることが考えられ、この場合には上記大規模光通信網で用いられている光クロスコネクト装置と同様にオフィス内や機器内でも光路の切替装置が必要となり、その光路切替装置としては現状の光クロスコネクト装置に代表されるように、電気信号により駆動装置を動作させ光路切替用アクチュエータを動作させるものが考えられる。
【0020】
ところが、光路切替装置を電気信号により駆動動作させることは、駆動装置内で多数の金属配線を経由することに起因する情報伝達の遅延を発生させるので、光路切替の応答性の高速化を阻害するという課題が表面化すると考えられる。また、駆動装置に起因する電磁ノイズは高速動作に合わせて増大することが予想され、その低減をいかに図るかという課題が生じる。
【0021】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、高密度化、大面積化、高歩留り化、低コスト化を図れる静電型アクチュエータ、液滴吐出ヘッド、インクジェット記録装置を提供することを目的とする。
【0022】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明に係る静電型アクチュエータは、
可動部材とこの可動部材に対向する固定の導電性部材とを有し、導電性部材に電位を与えることで可動部材が静電力によって変形又は変位するアクチュエータ部を備えている静電型アクチュエータにおいて、
光を透過する部材からなるアクチュエータ基板上に、光を透過する部材からなる導電性部材が設けられ、この導電性部材上に光に応答する光応答部材が一体的に設けられ、アクチュエータ基板及び導電性部材を介して光が照射される光応答部材を介して導電性部材に電位が与えられる
構成とした。
【0023】
ここで、光応答部材が整流性を有する光導電体であることが好ましく、また、光応答部材がシリコン系膜により形成されていることが好ましい。また、複数のアクチュエータ部及び各アクチュエータ部に対応する光応答部材を有し、各光応答部材の電位入力側は共通に接続されていることが好ましい。
【0027】
本発明に係る液滴吐出ヘッドは、液室内の液を加圧する加圧手段を本発明に係る静電型アクチュエータのアクチュエータ部で構成したものである。ここで、このヘッドはライン型ヘッドであることが好ましい。
【0028】
本発明に係るインクジェット記録装置は、ノズルからインク滴を吐出させるインクジェットヘッドを本発明に係る液滴吐出ヘッドで構成した。
【0029】
ここで、駆動情報に応じて光を出射する光源と、この光源から出射された光を複数のアクチュエータ部の各光応答部材に対して走査するための走査手段を備えている構成とできる。この場合、液滴吐出ヘッドのアクチュエータ部の光応答部材に光を照射して導電性部材に電位を与え、可動部材の電位との電位差で光照射とほぼ同時に可動部材を変位又は変形させる構成とできる。あるいは、液滴吐出ヘッドのアクチュエータ部の光応答部材に光を照射して導電性部材に電位を与え、光照射後に可動部材に所定の電位を与えて導電性部材と可動部材との間に電位差を発生させ、光照射の後に可動部材を変位又は変形させる構成とできる。また、可動部材の変位又は変形後に導電性部材の電位を初期の電位にリセットする構成とできる。さらに、1つの液滴吐出ヘッドに対する光源が1つである構成とできる。
【0032】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。本発明の静電型アクチュエータの第1実施形態について図1ないし図3を参照して説明する。なお、図1は同アクチュエータの可動部材長手方向に沿う断面説明図、図2は同アクチュエータの平面説明図、図3は同アクチュエータの光応答部材の層構造の説明に供する説明図である。
【0033】
この静電型アクチュエータは、アクチュエータ基板1上に絶縁性膜2を設け、この絶縁性膜2に形成した凹部2aの開口部側に可動部材3を設けるととも、アクチュエータ基板1上で凹部2aの底面側に導電性部材4を設けて、これらの可動部材3と導電性部材4とを絶縁性膜2に設けた凹部2aで構成されるギャップ5を介して対向させ、これらの可動部材3と対向する導電性部材5とによって可動部材3を静電力で変形、変位させる静電型のアクチュエータ部6を構成している。
【0034】
また、アクチュエータ基板1上の導電性部材4はアクチュエータ部6外に引き出して引出し部4aを形成し、この引出し部4a上には光に対して応答する光応答部材7を電気的接続状態で設けることで導電性部材4を光応答部材7に接して設け、また、光応答部材7の電位入力側には絶縁性膜2上に形成した電位供給線(部材)8を接続している。これらの光応答部材7と導電性部材4の引出し部4aと電位供給線8によってアクチュエータ部6を駆動/非駆動にするための駆動部9を構成している。このようにアクチュエータ基板1上に光応答部材7を設けることで、この静電型アクチュエータは光応答部材7を一体的に設けている。
【0035】
ここで、アクチュエータ基板1としては微細化を図るためにシリコン基板やガラス基板などの一般に半導体プロセスや液晶プロセスにて用いられている基板を用いることが好ましく、この実施形態では、アクチュエータ基板1の外側から光応答部材7に光(光駆動信号)10を入射させるので、光を透過する部材、例えば透明なガラス基板を用いている。
【0036】
絶縁性膜2は、アクチュエータ基板1上に形成できるものであればよく、基板1上に堆積して形成しても良いし、あるいは基板1が絶縁性基板の場合には基板1自体をエッチングにより加工して形成してもよい。
【0037】
可動部材3は、少なくとも一部が導電性を有する部材で形成している。なお、一部が導電性を有していることには、絶縁性の基材に導電性を有する部材を堆積、或いは絶縁性の基材に導電性の膜(層)を積層する場合も含まれる。この実施形態では、可動部材3としては、ニッケル、チタン、アルミニウム、多結晶シリコン、結晶シリコン、窒化シリコン膜の単層又は積層のいずれかで構成している。
【0038】
また、導電性部材4は、導電性を有する部材であれば、特に限定されるものではないが、アクチュエータ基板1の外側から光応答部材7に光(光駆動信号)10を入射させる場合、導電性部材4も光を透過する部材、例えば透明な部材で形成する。なお、この導電性部4は、ここでは両端が光応答部材7とアクチュエータ部6で終端しており、電気的に浮いている構造となっている。
【0039】
このように、導電性部材(又はその一部)を光応答部材の光が照射される部位に接して設け、かつ導電性部材を光を透過する部材で形成することにより、導電性部材を透過して光応答部材に光照射を行うことが可能になり、静電型アクチュエータ及びその駆動装置の小型化を図ることができる。
【0040】
光応答部材7は、光導電体や光起電力膜で構成している。この光応答部材7の材質としては、照射される光駆動信号10の照射時間や発生キャリアの移動時間、すなわち、光応答部材7中を移動し導電性部材4の電位を決定する時間、導電性部材4の電位(この導電性部材4の電位は光駆動信号照射時のオン抵抗による分圧により決定される。)などにより決定される。例えば、無機感光体である非晶質シリコン、非晶質セレンや、有機感光体や、多層非晶質シリコン薄膜や、結晶シリコン等を用いることができる。
【0041】
この光応答部材7は、複数のアクチュエータ部6に対してはそれぞれ設けられ、かつ、互いに分離して設けられている。
【0042】
この光応答部材7は、pn接合pin構造などの整流性を有する光導電体であることが好ましく、例えば非晶質シリコン系の積層膜や結晶シリコンのp型n型接合膜を用いることが好ましい。
【0043】
例えば、図3に示すように、光応答部材7は、非晶質シリコン膜11、12、13の積層膜で構成し、導電性部材4の引出し部4aと接している非晶質シリコン11はボロン(硼素)を混入させたp型半導体の非晶質シリコン膜とし、その上方の膜12はi型(真性)半導体で不純物を混入させていない非晶質シリコン膜とし、更にその上方の膜13はリン(燐)を混入させたn型半導体の非晶質シリコン膜としている。
【0044】
このように光応答部材7をpin構造の非晶質シリコン系積層膜とすることで、pinを順方向にバイアスした場合、すなわちp型半導体11を相対的に正電位にした場合には電流が流れ、逆方向にバイアスした場合、すなわちn型半導体13を相対的に正電位にした場合には電流が流れない整流性を有した光導電体となる。
【0045】
この光応答部材7に光を照射した場合、上記逆方向にバイアスした場合でも光照射に伴いキャリアが発生し、光応答部材7の抵抗が低下して電流が流れ、導電性部材4を任意の電位とすることができる。また、p型半導体11を順方向にバイアスすることにより、導電性部材4の電位を初期値にリセットすることができる。なお、上記非晶質シリコン膜は各層成膜条件を変えて、例えばプラズマCVD法による連続成膜にて形成することができる。
【0046】
このように、光応答部材をpn接合やpin構造などの整流性を有する光導電体とすることにより、光照射に応じた抵抗変化により静電アクチュエータの導電性部材の電位を決定することができ、かつp型半導体を相対的に正バイアスすることにより、導電性部材の電位を初期値にリセットすることができ、静電型アクチュエータの動作を任意に制御することができるようになる。
【0047】
また、光応答部材7をシリコン系膜により構成することで、静電型アクチュエータの作製工程に応じた光応答部材7を得ることができる。すなわち、アクチュエータ部6の作製工程の上限温度がおよそ400度以下の場合は非晶質シリコン膜を用いてpin構造の光応答部材を構成でき、アクチュエータ部6の作製工程の上限温度がおよそ600度以下の場合はレーザー照射により再結晶化させた再結晶シリコン膜を用いてpn接合構造の光応答部材7を構成でき、アクチュエータが作製工程がシリコン基板を用いる場合は、結晶シリコンによるpn接合構造の光応答部材7を構成できる。
【0048】
すなわち、光応答部材7をシリコン系膜とすることによりアクチュエータの作製工程に適した光応答部材7を得ることができる。また、光応答部材7に照射される光駆動信号10の照射時間に応じて、最適な光応答部材7を得ることができる。つまり、光応答部材7に照射される光駆動信号10の照射時間が数十nsec〜数μsecと比較的長い場合は移動度が0.5〜10cm2/V/secと比較的遅い非晶質シリン膜を用いてpin構造の光応答部材を構成でき、光駆動信号10の照射時間が数nsec以下と比較的短い場合は移動度が400〜1000cm2/V/secと速い再結晶シリコン膜又は結晶シリコン膜を用いてpn接合構造の光応答部材7を構成することができる。
【0049】
電位供給線8は、アルミニウム、クロム、チタン、窒化チタン等の金属配線により形成している。この電位供給線8には外部から導電性部材4に与える電位が印加される。ここでは、電位供給線8は各アクチュエータ部6の各導電性部材4毎に設けている。
【0050】
このように構成した静電型アクチュエータにおいては、例えば、可動部材3を接地電位とし、電位供給線8に外部から所定の電位(第1の電位)を供給した状態で、光駆動信号10をアクチュエータ基板1の外側から導電性部材4を介して光応答部材7に入射(光照射)することによって、光応答部材7の抵抗値が変化し、導電性部材4に第1の電位が与えられ、可動部材3の電位との電位差によって、可動部材3と導電性部材4との間に静電力が生じて、可動部材3は導電性部材4側に変形変位する。
【0051】
このとき、目的とするアクチュエータ部6に対応する駆動部9の光応答部材7に対してのみ光駆動信号10を入射する(選択的に光を照射する)ことによって、所要のアクチュエータ部6の可動部材3を選択的に変形変位(動作)させることができる。
【0052】
このように、この静電型アクチュエータにおいては、一次元(又は二次元状でもよい。)に複数個配置されたアクチュエータ部の可動部材に対向する導電性部材に、アクチュエータ部と同一基板上(又は該アクチュエータ基板に接合してもよい。)に設けた光応答部材を介して所要の電位を与えるようにしたので、光応答部材に入射する光駆動信号により任意のアクチュエータ部を動作させることが可能となり、高価な駆動チップを多数ワイヤボンディングなどにより接続する必要がなくなる。
【0053】
これにより、アクチュエータ部の駆動電圧が高い場合や数万個のアクチュエータ部を駆動する場合でも対応することができ、アクチュエータの高密度化(高集積化)、大面積化(1チップ内のアクチュエータ数の増大)、高歩留化、低コスト化を図ることができる。
【0054】
つまり、アクチュエータ部と同一基板上又はアクチュエータ基板と接合して光応答部材を含む駆動部を設け、光応答部材に目的に応じた光を入射させアクチュエータ部を適時動作させることができるので、複数のアクチュエータ部を駆動するそれぞれの駆動部を同一基板上又は接合して簡単に構成でき、従来のように別チップで構成する場合に比べ、ワイヤボンディング数及びFPC接続を大幅に低減でき、高密度化したアクチュエータの製品歩留を向上でき、また接続手段との接続面積の制限をなくすことができるので、高密度化や大面積化が可能となり、コストの低減を図ることができる。また、複雑な駆動回路が不要である点でも、アクチュエータの面積割合を増大でき、高密度化を図れる。
【0055】
また、静電型アクチュエータの駆動を光駆動信号により行うことができるので、各アクチュエータ部に作用させる駆動電圧が駆動部(駆動装置)の制限を受けなくなり、駆動電圧を容易に大きくすることが可能になり、それによりアクチュエータ性能を向上させることができる。従来のように駆動部を別チップで構成する場合は、駆動電圧の上昇は駆動部のコスト上昇を招くのに対し、このようなコスト上昇もなくなる。
【0056】
さらに、複数のアクチュエータ部を駆動するそれぞれの駆動部を同一基板上又は接合して簡単に構成できるので、駆動部を別チップで構成する場合はアクチュエータ数が増えるに従い駆動チップ数も増大するが、本発明の静電型アクチュエータでは光駆動信号のオン/オフ制御用の駆動手段(駆動回路)を1個で構成することができて、大幅なコスト低減を図れる。
【0057】
さらにまた、アクチュエータ部を駆動するための駆動部の構成が簡単で、多数の金属配線を経由することが不要となり、金属配線に起因する情報伝達の遅延を抑制でき、アクチュエータ動作の高速化が可能となるとともに、電磁ノイズの発生も抑制できる。
【0058】
次に、本発明に係る静電型アクチュエータの第2実施形態について図4ないし図6を参照して説明する。なお、図4は同アクチュエータの可動部材長手方向に沿う断面説明図、図5は同アクチュエータの平面説明図、図6は同アクチュエータの光応答部材の層構造の説明に供する説明図である。
【0059】
この静電型アクチュエータにおいては、アクチュエータ基板1は光駆動信号10を上方から入射するので透明である必要がなく、ここではシリコン基板を用いている。また、アクチュエータ基板1上の絶縁性膜2としてはシリコン酸化膜を用いている。
【0060】
そして、アクチュエータ基板1にエッチングで彫り込み部1aを形成して、この彫り込み部1a内に光応答部材17を設けている。この光応答部材17は、図6に示すように、結晶シリコンのpn接合膜としている。すなわち、導電性部材4と接している部分はボロン(硼素)を混入させたp型半導体である結晶シリコン膜21とし、電位供給線8と接合する部分はリン(燐)を混入させたn型半導体である結晶シリコン膜23としている。
【0061】
そして、アクチュエータ基板1の表面側で光応答部材17の結晶シリコン膜21に導電性部材4の引出し部4aを接触(電気的接合)し、結晶シリコン膜23に電位供給線8を接触(電気的接合)し、電位供給線8に外部から与えられる電位を光応答部材17を介してアクチュエータ部6の導電性部材4に与えるようにしている。
【0062】
このように構成した静電型アクチュエータにおいては、光応答部材17は、pnを順方向にバイアスした場合、すなわちp型半導体21を相対的に正電位にした場合には電流が流れ、逆方向にバイアスした場合、すなわちn型半導体23を相対的に正電位にした場合には電流が流れない整流性を有した光導電体となる。
【0063】
ここで、光応答部材17に光を照射した場合、上記逆方向にバイアスした場合でも、光照射に伴いキャリアが発生し、光応答部材17の抵抗が低下して電流が流れ、導電性部材4を任意の電位とすることができる。さらに、p型半導体21を順方向にバイアスすることにより、該導電性部材4の電位を初期値にリセットすることができる。
【0064】
なお、光応答部材17として結晶シリコンによるpn接合構造の光応答部材を構成したことにより、光駆動信号10の照射時間が数nsec以下と比較的短い場合でも移動度が500〜1000cmm2/V/secと速いことに起因して電位供給線8の電位を導電性部材4へ供給することが可能となる。
【0065】
次に、本発明に係る液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドの第1実施形態について図7及び図8を参照して説明する。なお、図7は同ヘッドの可動部材(振動板)長手方向に沿う断面説明図、図8は同ヘッドの平面説明図である。
【0066】
このインクジェットヘッドは、サイドシュータ方式のヘッドであり、前述した本発明に係る静電型アクチュエータの第1実施形態で説明した静電型アクチュエータと、流路基板41及びノズル板42を組み合わせたものである。
【0067】
すなわち、静電型アクチュエータのアクチュエータ基板31上に設けた絶縁性膜32上に流路基板41を積層し、更に流路基板41上にノズル板42を積層した構造をなし、これらによってインク滴を吐出するノズル45が連通する流路である加圧液室46、加圧液室46に流体抵抗部47を介してインクを供給する共通液室48を形成している。
【0068】
流路基板41は、単結晶シリコン基板からなり、加圧液室46及び加圧液室46の壁面である底面を構成する可動部材である振動板50を形成するための凹部と、各々の加圧液室46にインクを供給するための共通液室48を形成するための凹部と、加圧液室46と共通液室48とを連通する流体抵抗部47となる溝部を有する。
【0069】
なお、振動板50は、流路基板41を形成するシリコン基板に高濃度ボロンをドープして形成したボロン原子を1E20/cm3以上含有する高濃度ボロン拡散層で形成することもでき、あるいは、振動板50は、この他、SOI(Silicon on Insulator)基板の活性層、金属等の導電性を有する薄膜などで形成することもできる。この振動板50の外面側(加圧液室と反対側の面)には絶縁性薄膜、例えばシリコン酸化膜やシリコン窒化膜を形成している。
【0070】
そして、アクチュエータ基板31には前述した静電型アクチュエータの第1実施形態と同様に、可動部材である振動板50に絶縁性膜32に形成した凹部で形成される所定のギャップ35を介して対向する導電性部材34を設けて、振動板50と導電性部材34とによって振動板50を静電力で変形、変位させて加圧液室46内の液体であるインクを加圧するための加圧手段となるアクチュエータ部36を構成している。
【0071】
また、導電性部材34をアクチュエータ部36外に引き出した引出し部46aを光応答部材37に電気的に接続し、この光応答部材37の電位入力側に電位供給線38を接続して、これらによってアクチュエータ部36を駆動するための駆動部39を構成している。ここで、各アクチュエータ部36に対応する電位供給線38は共通接続部38aを介してすべてのチャンネル(アクチュエータ部36)で共通に接続している。なお、光応答部材37は前述した光応答部材7と同じ構成としている。
【0072】
ノズル板43にはインク滴を吐出する複数のノズル45を配置形成している。このノズル板43としては、ステンレス、ニッケルなどの金属、ポリイミド樹脂フィルム等の樹脂、シリコンウエハ等及びそれらの組み合わせからなるものを用いることができる。また、ノズル面(吐出方向の表面:吐出面)には、インクとの撥水性を確保するため、メッキ被膜、あるいは撥水剤コーティングなどの周知の方法で撥水膜を形成している。
【0073】
このように構成したインクジェットヘッドにおいては、例えば、振動板50を接地電位とし、電位供給線38に外部から所要の電位を供給した状態で、アクチュエータ基板31の外側から導電性部材34を介して光応答部材37に光駆動信号40を入射することによって、光応答部材37の抵抗値が変化し、導電性部材34に所要の電位が与えられ、振動板50の電位との電位差によって振動板50と導電性部材34との間に静電力が生じて、振動板50は導電性部材34側に変形変位する。
【0074】
これにより、加圧液室46の内容積が増大して共通液室48から流体抵抗部47を介してインクが加圧液室46内に補充され、この状態で導電性部材34の電位を例えば振動板50の電位と同じにする(振動板50と導電性部材34との間に電位差が生じない電位を導電性部材34に与える。)ことによって、振動板50と導電性部材34との間の静電力が消失して、振動板50が復帰変形するので、加圧液室46内のインクが加圧されてノズル45からインク滴が吐出される。
【0075】
このとき、目的とするアクチュエータ部36に対応する駆動部39の光応答部材37に対してのみ光駆動信号40を入射することによって、所要のアクチュエータ部36の振動板50を選択的に変形変位させて、インク滴を吐出させることができる。
【0076】
このように液滴吐出ヘッドにおいて本発明に係る静電型アクチュエータを備えることによって、光応答部材に入射する光駆動信号により任意のアクチュエータ部(加圧手段)を動作させることが可能となり、高価な駆動チップを多数ワイヤボンディングなどにより接続する必要がなくなり、インクジェットヘッド(液滴吐出ヘッド)の高密度化(高集積化)、大面積化、高歩留化、低コスト化を図ることができる。
【0077】
次に、本発明に係る液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドの第2実施形態について図9及び図10を参照して説明する。なお、図9は同ヘッドの可動部材長手方向に沿う断面説明図、図10は同ヘッドの平面説明図である。なお、第1実施形態と対応する部分には同一符号を付して説明する。
【0078】
このインクジェットヘッドは、エッジシューター方式のヘッドであり、前述した本発明に係る静電型アクチュエータの第2実施形態で説明した静電型アクチュエータと、流路基板41及び天板44を組み合わせたものである。
【0079】
すなわち、静電型アクチュエータのアクチュエータ基板31上に設けた絶縁性膜32上に流路基板41を積層し、更に流路基板41上に天板44を積層した構造をなし、これらによってインク滴を吐出するノズル45が連通する流路である加圧液室46、加圧液室46に流体抵抗部となるインク供給路(連通部)47を介してインクを供給する共通液室48を形成している。
【0080】
流路基板41は、単結晶シリコン基板からなり、ノズル45となる溝部と、ノズル45が連通する加圧液室46及び加圧液室46の壁面である底面を構成する可動部材である振動板50を形成するための凹部と、各々の加圧液室46にインクを供給するための共通液室48を形成するための凹部と、加圧液室46と共通液室48とを連通する流体抵抗部47となる溝部を有する。なお、ノズル45の周辺には前記第1実施形態と同様に撥水性膜を形成している。
【0081】
なお、ここでも、振動板50は、流路基板41を形成するシリコン基板に高濃度ボロンをドープして形成したボロン原子を1E20/cm3以上含有する高濃度ボロン拡散層で形成することもでき、あるいは、振動板50は、この他、SOI(Silicon on Insulator)基板の活性層、金属等の導電性を有する薄膜などで形成することもできる。この振動板50の外面側(加圧液室と反対側の面)には絶縁性薄膜、例えばシリコン酸化膜やシリコン窒化膜を形成している。
【0082】
そして、アクチュエータ基板31には前述した静電型アクチュエータの第2実施形態と同様に、可動部材である振動板50に絶縁性膜32に形成した凹部で形成される所定のギャップ35を介して対向する導電性部材34を設けて、振動板50と導電性部材34とによって振動板50を静電力で変形、変位させて液室46内の液体であるインクを加圧するための加圧手段となるアクチュエータ部36を構成している。
【0083】
また、導電性部材34をアクチュエータ部36外に引き出した引出し部34aをアクチュエータ基板31に埋め込んだ光応答部材37に電気的に接続し、この光応答部材37に絶縁性膜32上に形成した電位供給線38を接続して、これらによってアクチュエータ部36を駆動するための駆動部39を構成している。ここで、各アクチュエータ部36に対応する電位供給線38は共通接続部38aを介してすべてのチャンネルで共通に接続している。なお、光応答部材37は前述した光応答部材17と同じ構成としている。
【0084】
このように構成したインクジェットヘッドにおいては、例えば、電位供給線38に外部から所要の電位を供給した状態で、アクチュエータ基板31の上方から光応答部材37に光駆動信号40を入射することによって、光応答部材37の抵抗値が変化し、導電性部材34が任意の電位に決定される。このとき、振動板50と導電性部材34との間の電位差は振動板(可動部材)50が大きく変位変形するには至らない電位差に設定してあるので、振動板50が導電性部材34側に大きく引き寄せられることはない。そのため、この段階では流体抵抗部37を介してインクが加圧液室46に供給されない。
【0085】
そして、すべての印字領域に対する光駆動信号40の走査が終了した時点で、振動板50に別の任意の電位を供給すると、振動板50と導電性部材34の電位差が大きくなり、振動板50が変位変形して導電性部材34側に引き寄せられる。それにより、インクが加圧液室36に供給される。すなわち、アクチュエータ部の第一の動作が行われる。この第一の動作は選択された全てのアクチュエータ部で同時に行われる。
【0086】
その後、電位供給線38に別の任意の電位を供給すると、光応答部材37が順方向にバイアスされて導電性部材34の電位が初期値にリセットされ、導電性部材34側に引き寄せられた全てのアクチュエータ部36の振動板50が元の位置に戻り、選択された素子(チャンネル)に対応するノズル45からインク滴が吐出される。
【0087】
このとき、目的とするアクチュエータ部36に対応する駆動部39の光応答部材37に対してのみ光駆動信号40を入射することによって、所要のアクチュエータ部36の振動板50を選択的に変形変位させてインク滴を吐出することができる。
【0088】
次に、本発明に係る静電型アクチュエータの駆動装置の第1実施形態に係る駆動装置を含む本発明に係るインクジェット記録装置について図11ないし図13を参照して説明する。なお、図11は同記録装置の概略斜視説明図、図12は同記録装置の概略構成図、図13は同記録装置のヘッド部の概略構成図である。
このインクジェット記録装置は、記録装置本体61内に、印字(記録)する被記録媒体である用紙62と略同じ幅を有する本発明に係る液滴吐出ヘッドである長尺状のライン型インクジェットヘッド63を配置し、給紙ローラ64で用紙62を給紙し、搬送ローラ65で用紙62を搬送しながらライン型インクジェットヘッド63で用紙62上に所要の画像を記録して排紙トレイ66に排紙する。
【0089】
ここで、ライン型インクジェットヘッド62は、図13に示すように、本発明に係る液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッド71とこのインクジェットヘッド71の各光応答部材に走査光を照射するための本発明に係る静電型アクチュエータの駆動装置を構成する走査光源システム72とを一体化したものである。
【0090】
インクジェットヘッド71は、前述した本発明に係る液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドの第1実施形態又は第2実施形態で説明したインクジェットヘッドと同様な構成とし、ノズル45を副走査方向(用紙62の搬送方向)と直交する方向に用紙62と略同じ幅領域に所定のピッチで形成している。なお、一列のノズル配置で所定の画像密度が得られない場合には、2列のノズルを千鳥状に配置する。この場合、走査光源システム72は各列のノズルに対応する光応答部材に光駆動信号を与えるために2組用いれば良い。
【0091】
走査光源システム72は、駆動情報である印字情報(画像情報)に応じてレーザー光(光駆動信号)を出射する半導体レーザー光源81と、このレーザー光源81からのレーザー光をインクジェットヘッド71の各光応答部材37に入射させるためのコリメートレンズ82、ポリゴンミラー83、走査レンズ84及び折り返しレンズ85から構成される走査手段である走査光学系とを有し、ライン型インクジェットヘッド71の各光応答部材37をライン方向に光走査する。
【0092】
次に、このインクジェット記録装置の作用について本発明に係る静電型アクチュエータの駆動装置の作用を含めて説明する。
まず、走査光源システム72において、印字情報(記録情報)に対応する光駆動信号(レーザー光)が半導体レーザー光源81より出射され、コリメートレンズ82を経由しポリゴンミラー83に入射する。ポリゴンミラー83の回転に応じて光駆動信号40は走査され、走査レンズ84にて印字領域に拡大して、折返しミラー85にて折返し反射され、インクジェットヘッド71の整列した光応答部材37のうちの所要の光応答部材37に照射される。
【0093】
ここで、インクジェットヘッド71は、前述したように、光駆動信号40が照射された光応答部材37の抵抗が変化し、導電性部材34の電位が任意の値に決定される。このとき、第2の電位である振動板(可動部材)50との電位差により振動板50と導電性部材34との間に静電力が生じて、振動板50が導電性部材34側に変位変形し導電性部材34側に引き寄せられる。これにより、共通液室48から流体抵抗部47を経由してインクが加圧液室46内に供給される。すなわち静電型アクチュエータ36の第一の動作が行われる。
【0094】
次に、全ての印字領域に対する光駆動信号40の走査が終了した時点で、電位供給線38に別の任意の電位を与える。これにより、光応答部材37が順方向にバイアスされて導電性部材34の電位が初期値にリセットされ、導電性部材34側に引き寄せられた全ての静電型アクチュエータの可動部材である振動板50が元の位置に戻り、選択されたアクチュエータ部36(チャンネル)に対応するノズル孔45からインク滴86が吐出される。すなわち、静電型アクチュエータの第二の動作が行われる。
【0095】
このように、駆動情報に応じて光を出射する1つの光源と、この光源からの出射光を複数のアクチュエータ部の各光応答部材に対して走査する手段とを備えることにより、画像情報(印字情報)に応じて各光応答部材に対して照射する光をオン/オフしながら各光応答部材を走査することができ、光源を必要最小限の数とすることができ、低コスト化及び小型化を図ることができる。なお、ここでは、光応答部材に照射する光をポリゴンミラーを用いて走査する構成としたが、ガルバノミラー等を用いて走査する構成とすることもできる。
【0096】
これにより、ライン型インクジェットヘッドを用いる場合に、各光応答部材が各アクチュエータ部間或いはヘッド間(複数のヘッドチップを用いる場合)を通して用紙の一辺方向に整列しており、光源は各アクチュエータ部間あるいはヘッド間を通して走査される構成とすることで、光応答部材に対する光走査を用紙の一辺を通して行うことが可能となり、走査光源数を低減できより低コスト化を図ることができる。
【0097】
また、光応答部材に必要に応じて光駆動信号を照射することにより導電性部材の電位を電位供給線の任意の電位と等しくし、対向する可動部材(振動板)に供給される異なる電位との電位差により、光照射とほぼ同時に振動板が変位又は変形する構成としているので、光照射とほぼ同時に加圧液室にインクの供給を行うことができる。
【0098】
さらに、振動板の変位又は変形後に、導電性部材の電位供給線に任意の異なる電位を与えることにより、光応答部材を介して接続される導電性部材の電位を初期電位にリセットすることができ、選択したチャンネルのノズルからインク滴を吐出させることができる。
【0099】
さらにまた、振動板の変位変形動作又は導電性部材の電位のリセット動作を複数個設置された静電型アクチュエータの駆動部で同時に行うようにしているので、用紙の幅に亘り配置されたチャンネル(ノズル)のうちの選択されたチャンネルのノズルからインク滴の吐出を同時に行うことができ、各チャンネル(アクチュエータ部)の動作の均一性を向上することができる。
【0100】
また、本発明に係る液滴吐出ヘッドを用いたインクジェットヘッドをライン型インクジェットヘッドとして構成する、つまりインクジェットヘッドが画像を印字する用紙の一辺のほぼ全域に渡り一個又は複数個整列して配置されているヘッドとすることにより、高歩留及び高密度なライン型インクジェットヘッドを得ることができ、高速記録が可能で、しかも高精彩な画像を記録することができるヘッドを低コストで得ることができ、更にヘッドの移動がないので低騒音化、低振動化を図ることができる。
【0101】
次に、このインクジェット記録装置における静電型アクチュエータの駆動装置の第2実施形態について図14をも参照して説明する。
まず、記録する用紙サイズをA4サイズとしたとき、インクジェットヘッド71のノズル45は直列にA4サイズの用紙の一辺方向の幅(210mm)に亘り一列に整列配置される。ここで、インクジェットヘッド71の密度を1200dpiとすると、210mm幅内に総数9922個の素子(駆動部39、アクチュエータ部36、加圧液室46、ノズル孔45:チャンネル)が配置される。
【0102】
そして、インクジェット記録装置の仕様を5ppm(print per min)とすると、A4サイズの用紙1枚に印字時間として許される時間は約10secである。このとき、上記一列のノズルを有するインクジェットヘッド71で印字に許される時間は、10sec/(1200×297/25.4)=10/14032=0.000713sec、すなわち、713μsecである。したがって、この713μsecの間に光駆動信号40の走査を終了させ、インク滴を吐出させることが必要となる。
【0103】
このとき、1列の印字時間713μsecの内、光走査時間が700μsec、リセット時間が13μsecとすると、光走査時間の内1素子(1チャンネル)の光応答部材37に光駆動信号(光)が照射される時間は70.6nsecとなる。
【0104】
また、上記インクジェットヘッド71は、各アクチュエータ部36の振動板50をシリコン基板からなる流路基板41から形成しているので、流路基板41に電位を印加することですべての振動板50は略同じ電位となり、また、電位供給線38は共通接続部38aですべてのチャンネルで共通にしているので、電位供給線38に電位を印加することですべての電位供給線38は略同じ電位になる。
【0105】
まず、時点T1において、電位供給線38に図14(a)に示すように+20Vの電位V1を与え、また振動板50に同図(b)に示すように−20Vの電位V2を与える。また、導電性部材34の電位Vxには所期状態で−20Vの電位が与えられる。したがって、この時点T1においては、V1=20V、V2=−20V、Vx=−20Vであるので、|V2−Vx|=0Vであって、導電性部材34と振動板50との間には静電力は生じない。
【0106】
ここで、光駆動信号40は、画像情報に対応して、インク滴を吐出させるアクチュエータ部36(チャンネル)に対応する光応答部材37を走査するときにレーザーオン状態(Leaser on)になり、インク滴を吐出させないアクチュエータ部36に対応する光応答部材37を走査するときにレーザーオフ状態(Leaser off)になる信号である。
【0107】
したがって、光駆動信号40が照射されたチャンネルでは、同図(c)に示すように、光応答部材37に対応する導電性部材34の電位VxはVx=20Vとなるので、同図(e)に示すように導電性部材34と振動板50の電位差が|V2−Vx|=40Vとなり、振動板50と導電性部材34の間に静電引力が作用し、振動板50が導電性部材34側に変形変位し、対応する加圧液室46にインクが供給される。
【0108】
一方、光駆動信号40が照射されないチャンネルでは、同図(d)に示すように導電性部材34の電位VxはVx=−20Vのままであるので、同図(f)に示すように導電性部材34と振動板50の電位差は|V2−Vx|=0Vとなり、振動板50と導電性部材34の間に静電引力が発生せず、振動板50は変形変位しない。
【0109】
そして、各チャンネルについて光駆動信号40に対応した振動板50の状態を保持したまま、すべてのチャンネルに対する光駆動信号40の走査が終了した同図の時点T2からリセット時間となる。
【0110】
このリセット時間において、電位供給線38に対する電位V1をV1=−20Vにすると、光応答部材37のpin構造が順方向にバイアスされるので、導電性部材34の電位VxがVx=−20Vとなる。それによって、すべてのチャンネルで導電性部材34と振動板50の電位差が|V2−Vx|=0Vとなり、変形変位していた振動板50が元の位置に復元して、対応するノズル45からインク滴が吐出される。
【0111】
次に、このインクジェット記録装置における静電型アクチュエータの駆動装置の第3実施形態について図15をも参照して説明する。
まず、記録する用紙サイズをA4サイズとしたとき、インクジェットヘッド71のノズル45は直列にA4サイズの用紙の一辺方向の幅(210mm)に亘り一列に整列配置される。ここで、インクジェットヘッド71の密度を1200dpiとすると、210mm幅内に総数9922個の素子(駆動部39、アクチュエータ部36、加圧液室46、ノズル孔45:チャンネル)が配置される。
【0112】
そして、インクジェット記録装置の仕様を50ppm(print per min)とすると、A4サイズの用紙1枚に印字時間として許される時間は約1secである。このとき、上記一列のノズルを有するインクジェットヘッド71で印字に許される時間は、1sec/(1200×297/25.4)=1/14032=0.0000713sec、すなわち、71.3μsecである。したがって、この71.3μsecの間に光駆動信号40の走査を終了させ、インク滴を吐出させることが必要となる。
【0113】
このとき、1列の印字時間71.3μsecの内、光走査時間が40μsec、変形変位時間が20μsec、リセット時間が11.3μsecとすると、光走査時間の内1素子(1チャンネル)の光応答部材37に光駆動信号(光)が照射される時間は4nsecとなる。このように比較的短い照射時間で良好に導電性部材34に所要の電位Vxを与えるためには、光応答部材37として、前記第2実施形態のインクジェットヘッドのように移動度の高い単結晶シリコンによる光応答部材を用いることが好ましい。
【0114】
また、上記インクジェットヘッド71は、各アクチュエータ部36の振動板50はシリコン基板からなる流路基板41から形成しているので、流路基板41に電位を印加することですべての振動板50は略同じ電位となり、また、電位供給線38は共通接続部38aですべてのチャンネルで共通にしているので、電位供給線38に電位を印加することですべての電位供給線38は略同じ電位になる。
【0115】
まず、時点T1において、電位供給線38に図15(a)に示すように+20Vの電位V1を与え、また振動板50に同図(b)に示すように0Vの電位V2を与える。また、導電性部材34の電位Vxには所期状態で−20Vの電位が与えられる。したがって、この時点T1においては、V1=20V、V2=0V、Vx=−20Vであるので、|V2−Vx|=20Vである。
【0116】
このとき、導電性部材34と振動板50との間にはこの20Vの電位差による静電力が生じるが、振動板50のパラメータ(厚さ、剛性など)及び振動板50と導電性部材34との間のギャップ長を設定することによって、この20Vの電位差による静電力では振動板50が大幅に変形変位しない(わずかに変形する)ようにしているので、加圧液室46へのインク供給は行われない。
【0117】
ここで、光駆動信号40は、画像情報に対応して、インク滴を吐出させるアクチュエータ部36(チャンネル)に対応する光応答部材37を走査するときにレーザーオン状態(Leaser on)になり、インク滴を吐出させないアクチュエータ部36に対応する光応答部材37を走査するときにレーザーオフ状態(Leaser off)になる信号である。
【0118】
したがって、光駆動信号40が照射されたチャンネルでは、同図(c)に示すように、光応答部材37に対応する導電性部材34の電位Vxは−20Vから20Vに変化し、同図(e)に示すように導電性部材34と振動板50の電位差|V2−Vx|は光照射に応じて20Vから0Vに減少しそして20Vに戻る。このときもインク供給は行われない。
【0119】
一方、光駆動信号40が照射されないチャンネルでは、同図(d)に示すように導電性部材34の電位VxはVx=−20Vのままであるので、同図(f)に示すように導電性部材34と振動板50の電位差が|V2−Vx|=20Vとなるが、前述したように、振動板50はほとんど変形変位せず、インク供給は行われない。
【0120】
そして、各チャンネルについて光駆動信号40に対応した振動板50の状態を保持したまま、すべてのチャンネルに対する光駆動信号40の走査が終了した同図の時点T2において、同図(b)に示すように、振動板50の電位V2を−20Vにすることで、光駆動信号40が照射されたチャンネルでは、同図(e)に示すように、光応答部材37に対応する導電性部材34の電位Vxが20Vになっているので、同図(e)に示すように導電性部材34と振動板50の電位差が|V2−Vx|=40Vとなり、振動板50と導電性部材34の間に静電引力が作用し、光駆動信号40が照射された(レーザーオンの)すべての光応答部材37に対応するアクチュエータ部36のすべての振動板50が導電性部材34側に略同時に変形変位し、対応する加圧液室46にインクが供給される。
【0121】
その後、時点T3において、電位供給線38に対する電位V1をV1=−20Vにすると、光応答部材37のpin構造が順方向にバイアスされるので、導電性部材34の電位VxがVx=−20Vとなる。それによって、すべてのチャンネルで導電性部材34と振動板50の電位差は|V2−Vx|=0Vとなり、変形変位していた振動板50が元の位置に復元して、選択されたすべてのチャンネルのノズル45からインク滴が吐出される。
【0122】
このように、光応答部材に必要に応じて光を照射することにより導電性部材の電位を電位供給線の任意の電位と等しくし、光照射終了後対向する可動部材に異なる電位を供給して導電性部材と可動部材の間に任意の電位差を発生させ、光照射の後に可動部材を変位又は変形することにより、インクの供給(共通液室からの流体抵抗部位を経由した加圧液室への供給)などのアクチュエータの第一の動作を光照射後に行うことができ、全てのアクチュエータの光走査後に選択したアクチュエータに対するインク供給を同一時間で均一に行うことができるようになる。
【0123】
次に、本発明に係る光デバイスである光偏向デバイスの第1実施形態について図16を参照して説明する。なお、同図は同光偏向デバイスの断面説明図である。
この光偏向デバイスは、基板101上に絶縁性膜102を形成し、この絶縁性膜102に形成した凹部の開口側に可動部材である少なくとも表面が光を反射することが可能なミラー部材103を変位可能に配置し、このミラー部材103に所定のギャップ105を置いて凹部底面に導電性部材104を配置して、これらのミラー部材103と導電性部材104とでアクチュエータ部106を構成している。
【0124】
なお、ここでは可動部材全体をミラー部材103としているが、可動部材の一部或いは表面にのみ光を反射するミラー部材103を設けた構成とすることもできる。また、ミラー部材103を含むアクチュエータ部106は一次元状に複数配置しても良いし、二次元状に複数配置しても良い。
【0125】
ここで、基板101は光を透過する基板、例えば前述した透明のガラス基板を用いて外部から基板101を介して内部に光駆動信号110が入射できるようにしている。ミラー部材103は、例えばアルミニウム系金属を用いたり、導電性材料の表面に反射率を増加させるため誘電体多層膜や金属膜を形成したものを用いることが好ましい。導電性部材104もここでは光を透過する部材、例えば透明部材で形成し、また任意の電位を与えることができる構造とし、前述した静電型アクチュエータの各実施形態と異なり電気的に浮いてない構成としている。
【0126】
また、導電性部材104上には光応答部材107を配置し、これらの導電性部材104と光応答部材107でアクチュエータ部106を駆動する駆動部109を構成している。この光応答部材107は、導電性部材104と電気的に接続され、光の照射の有無、照射する光の強弱、あるいは照射する光の波長によって抵抗値が変化する部材である。
【0127】
このように構成した光偏向デバイスの作用について説明すると、ミラー部材103と導電性部材104にそれぞれに任意の電圧を印加し、ミラー部材103と導電性部材104との間に電位差を生じさせることで、ミラー部材103でもある可動部材に静電引力が作用する。
【0128】
このとき、透明な基板101及び導電性部材104を透過して光駆動信号110が光応答部材107に入射すると、発生するキャリアにより光応答部材107の抵抗が下がり、見掛け上導電性部材104とミラー部材103との距離が近づいたことになる。そうすると、光駆動信号110を光応答部材107に入射すると略同時にミラー部材103に作用する静電引力が大きくなり、ミラー部材103である可動部材が導電性部材104側に強く引き寄せられ、それに応じて光情報信号111の反射方向が変化し、光偏向される。
【0129】
このように、光の進行方向を変えるために可動部材の少なくとも一部にミラー部材を有し、かつ光応答部材を有し、この光応答部材の少なくとも一部が可動部材に対向する導電性部材に電気的に接続され、それにより光応答部材への光の照射の有無又は強弱或いは波長の差にて、アクチュエータ部の動作すなわち駆動を制御する構成であることにより、電気信号のみによる複雑な駆動装置を構成する必要がなく、金属配線による遅延が低減されて高速であり、かつ低コストで小型化できる光偏向デバイスが得られる。
【0130】
次に、本発明に係る光デバイスである光偏向デバイスの第2実施形態について図17を参照して説明する。なお、同図は同光デバイスの断面説明図である。
この光偏向デバイスは、基板121上に絶縁性膜122を形成し、この絶縁性膜122に形成した凹部内に、基板121表面側から導電性部材123、光応答部材124、光偏向部材125及び導電性部材126を順次積層して、これらによってアクチュエータ部127及び駆動部128を構成している。
【0131】
ここで、基板121は透明基板、例えば前述した透明のガラス基板を用いて外部から基板121を介して内部に光駆動信号130及び光情報信号131が入射できるようにしている。導電性部材123及び126は光を透過する部材で形成し、また光応答部材124及び光偏向部材125それぞれ任意の電位を与えることができる構造としている。
【0132】
なお、光情報信号131は、光駆動信号130と同様に導電性部材123を透過し、また光応答部材124及び光偏向部材125並びに導電性部材126を透過する波長の光を用いている。この場合、光情報信号131と光駆動信号130は同じ光束であってもよいが、波長は異ならせる必要がある。
【0133】
光応答部材124は、光の照射の有無、照射する光の強弱、あるいは照射する光の波長によって抵抗値が変化する部材であり、かつ、光を透過する部材で形成している。光偏向部材124は、電圧に応じて屈折率が変化する部材であり、かつ、光を透過する部材、例えばここでは液晶部材を用いている。
【0134】
このように構成した光デバイスにおいては、導電性部材123と導電性部材126のそれぞれに任意の電圧を印加することにより、光偏向部材125と光応答部材124はその抵抗により分圧される。すなわち、光偏向部材125には任意の電位差が生じ、光情報信号131は任意の方向へ変更される。
【0135】
このとき、透明な導電性部材123を透過して光駆動信号130が光応答部材125に入射すると、発生するキャリアにより光応答部材124の抵抗が下がり、光偏向部材125に作用する電圧が上昇することとなる。これにより、光応答部材125に対する光の照射とほぼ同時に光偏向部材125の屈折率が変化し、光情報信号131の偏向方向が変更される。
【0136】
このように、アクチュエータの少なくとも一部に電圧に応じて屈折率が変化する光偏向部材を有し、かつアクチュエータを駆動するための光応答部材を有し、かつ光応答部材の少なくとも一部がアクチュエータと電気的に接続しており、それにより光応答部材への光の照射の有無又は強弱或いは波長の差にてアクチュエータの動作すなわち駆動を制御する構成とすることにより、、必要に応じて光情報信号に波長多重させて又は先立って光駆動信号を同一光束で伝送することができるので、前記第1実施形態に係る光デバイスに比べてもさらなる高速かつ小型化した光偏向装置が得られる。
【0137】
次に、本発明に係る光デバイスである光偏向デバイスの第3実施形態について図18を参照して説明する。なお、同図は同光デバイスの断面説明図である。
この光デバイスは、前述した本発明に係る静電型アクチュエータの第1実施形態と本発明に係る光偏向デバイスの第1実施形態とを組み合わせて適用したものであり、基板141上に絶縁性膜142を形成し、この絶縁性膜142に形成した凹部の開口側に可動部材である少なくとも表面で光を反射することが可能なミラー部材143を変位可能に配置し、このミラー部材143に所定のギャップ145を置いて凹部底面に導電性部材144を配置して、これらのミラー部材143と導電性部材144とでアクチュエータ部146を構成している。
【0138】
なお、ここでは可動部材全体をミラー部材143としているが、可動部材の一部や表面だけに光を反射するミラー部材143を設けた構成とすることもできる。また、ミラー部材143を含むアクチュエータ部146は一次元状に複数配置しても良いし、二次元状に複数配置しても良い。
【0139】
ここで、基板141は透明基板、例えば前述した透明のガラス基板を用いて外部から基板141を介して内部に光駆動信号150が入射できるようにしている。ミラー部材143は、例えばアルミニウム系金属を用いたり、導電性材料の表面に反射率を増加させるため誘電体多層膜や金属膜を形成したものを用いることが好ましい。導電性部材144もここでは透明部材で形成し、また任意の電位を与えることができる構造とし、前述した静電型アクチュエータの各実施形態と異なり電気的に浮いてない構成としている。
【0140】
また、導電性部材144はアクチュエータ部146の外部に引き出して引出し部144aとし、この引出し部144a上には光応答部材147を配置し、更に光応答部材147には電位供給線148を接続して、これらの導電性部材144と光応答部材147及び電位供給線148でアクチュエータ部146を駆動する駆動部149を構成している。この光応答部材147は、導電性部材144と電気的に接続され、光の照射の有無、照射する光の強弱、あるいは照射する光の波長によって抵抗値が変化する部材である。
【0141】
このように構成した光偏向デバイスの作用について説明すると、ミラー部材143に所要の電位を与え、電位供給線148に所定の電位を与えた状態で、光応答部材147に光駆動信号150を照射することによって、導電性部材144の電位が電位供給線148の電位に等しくなり、ミラー部材143と導電性部材144との間に電位差を生じさせることで、ミラー部材143でもある可動部材に静電引力が作用して、ミラー部材143が導電性部材144側に変形変位する。
【0142】
これにより、光応答部材147に光駆動信号150を照射すると略同時にミラー部材143に入射される光情報信号151の反射方向が変化し、光偏向される。
【0143】
このように、光応答部材をアクチュエータ部の導電性部材と電気的に接続し、さらに光応答部材を電位供給線と接続して、光応答部材に入射する光駆動信号に依存して光応答部材の抵抗を変化させ、導電性部材の電位を電位供給線の電位と同一にする構成とすることで、安定した光偏向動作を容易に行わせることができる。
【0144】
次に、本発明に係る光デバイスである光偏向デバイスの第4実施形態について図19を参照して説明する。なお、同図は同光デバイスの断面説明図である。なお、第3実施形態と対応する部分には同一符号を付している。
この光偏向デバイスは、前述した本発明に係る静電型アクチュエータの第1実施形態と本発明に係る光偏向デバイスの第2実施形態とを組み合わせて適用したものであり、基板141上の絶縁性膜142に形成した凹部に光を透過する導電性部材144、光偏向部材165、透明の導電性部材166を順次積層し、これらによってアクチュエータ部167を構成している。なお、光偏向部材165は前記光デバイスの第2実施形態の光偏向部材125と同様である。また、その他は前記第3実施形態と同様である。
【0145】
このように構成した光偏向デバイスの作用について説明すると、電位供給線148に所定の電位を与えた状態で、光応答部材147に光駆動信号150を照射することによって、導電性部材144の電位が電位供給線148の電位に等しくなり、光偏向部材165の両側に印加される導電性部材144と166との間の電位が変化するので、光応答部材147に光駆動信号150を照射すると略同時にアクチュエータ部167に入射される光情報信号151の反射方向が変化し、光偏向される。
【0146】
このように、光情報に応じた光駆動信号の照射とほぼ同時にアクチュエータ部を動作させることにより、時間遅れを生じさせない光偏向動作を行うことができる。
【0147】
次に、光デバイスの他の駆動方法について簡単に説明すると、例えば、光駆動信号の照射により得られた光駆動情報を任意の時間保持した後、アクチュエータ部(光偏向部)を動作させることもできる。
【0148】
これは、例えば図18で説明した第3実施形態に係る光デバイスにおいて、前述した図14で説明したタイミングチャートに従って駆動することにより実現することができる。すなわち、図14に記載の光走査時間が光駆動情報の任意の時間の保持に対応し、その後の変位変形時間が上記アクチュエータ部(光偏向部)の動作時間に対応する。
【0149】
また、光の照射により得られた光駆動情報を任意の時間保持した後、複数個のアクチュエータ部に同時に任意の信号を入力し、光駆動信号に従った各アクチュエータ部の動作をさせることもできる。
【0150】
これは、例えば図18で説明した第3実施形態に係る光デバイスにおいて、アクチュエータ部を複数設けて、導電性部材144の電位供給線148及びミラー部材143のそれぞれの電位が複数のアクチュエータ部146間で共通になる構造とすることにより、図14に記載のタイミングチャートに従って駆動することにより実現することができる。すなわち、図14に記載の光走査時間が光駆動情報の任意の時間の保持に対応し、その後の変位変形時間が上記複数のアクチュエータ部の動作時間に対応する。
【0151】
次に、本発明の光デバイスである光伝送装置の実施形態について図20を参照して説明する。なお、同図は同光伝送装置の概略構成図である。
この光伝送装置201は、光情報信号を複数のポート202から入力し、それぞれの光路を決定して複数のポート203から出力伝送する。ここで、入力された光情報信号の進行方向を変える光偏向を行なって出力する光情報信号のポートを決定する光路切替手段204として、上述した本発明に係る光デバイスである光偏向装置を備えている。これにより、高速な光偏向が行えるので、光伝送装置自体の高速化が可能となる。
【0152】
なお、上記実施形態においては、液滴吐出ヘッドとしてインクジェットヘッドに適用した例で説明したが、インクジェットヘッド以外の液滴吐出ヘッドとして、例えば、液体レジストを液滴として吐出する液滴吐出ヘッド、DNAの試料を液滴として吐出する液滴吐出ヘッドなどの他の液滴吐出ヘッドにも適用できる。
【0153】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る静電型アクチュエータによれば、光を透過する部材からなるアクチュエータ基板上に、光を透過する部材からなる導電性部材が設けられ、この導電性部材上に光に応答する光応答部材が一体的に設けられ、アクチュエータ基板及び導電性部材を介して光が照射される光応答部材を介して導電性部材に電位が与えられる構成としたので、高密度化、大面積化、低コスト化を図れる。
【0154】
本発明に係る液滴吐出ヘッドによれば、液室内の液を加圧する加圧手段を本発明に係る静電型アクチュエータのアクチュエータ部で構成したので、高密度化、大面積化、低コスト化を図れる。
【0155】
本発明に係るインクジェット記録装置によれば、ノズルからインク滴を吐出させるインクジェットヘッドを本発明に係る液滴吐出ヘッドで構成し、この液滴吐出ヘッドを構成する静電型アクチュエータを駆動する本発明に係る静電型アクチュエータの駆動装置を備えているので、高画質画像を高速で記録することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る静電型アクチュエータの第1実施形態の可動部材長手方向に沿う断面説明図
【図2】同アクチュエータの平面説明図
【図3】同アクチュエータの光応答部材の構成の説明に供する要部拡大断面説明図
【図4】本発明に係る静電型アクチュエータの第2実施形態の可動部材長手方向に沿う断面説明図
【図5】同アクチュエータの平面説明図
【図6】同アクチュエータの光応答部材の構成の説明に供する要部拡大断面説明図
【図7】本発明に係る液滴吐出ヘッドの第1実施形態の振動板長手方向に沿う断面説明図
【図8】同ヘッドの平面説明図
【図9】本発明に係る液滴吐出ヘッドの第2実施形態の振動板長手方向に沿う断面説明図
【図10】同ヘッドの平面説明図
【図11】本発明に係るインクジェット記録装置の実施形態を説明する概略斜視説明図
【図12】同記録装置の側面概略説明図
【図13】同記録装置のライン型インクジェットヘッドの概略構成図
【図14】同記録装置におけるヘッド駆動の他の例の説明に供する説明図
【図15】同記録装置におけるヘッド駆動の更に他の例の説明に供する説明図
【図16】本発明に係る光偏向デバイスの第1実施形態の断面説明図
【図17】本発明に係る光偏向デバイスの第2実施形態の断面説明図
【図18】本発明に係る光偏向デバイスの第3実施形態の断面説明図
【図19】本発明に係る光偏向デバイスの第4実施形態の断面説明図
【図20】本発明に係る光伝送デバイスの実施形態の断面説明図
【符号の説明】
1…アクチュエータ基板、3…可動部材、4…導電性部材、7、17…光応答部材、8…電位供給線、31…アクチュエータ基板、34…導電性部材、37…光応答部材、41…流路基板、43…ノズル板、44…天板、45…ノズル、46…加圧液室、47…インク供給路(連通部)、48…共通液室、63…ライン型インクジェットヘッド、71…インクジェットヘッド、72…走査光源システム、103…ミラー部材、104…導電性部材、107…光応答部材、124、127…導電性部材、125…光応答部材、126…光偏向部材、201…光伝送デバイス。[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to an electrostatic actuator, a droplet discharge head, and an ink jet recording apparatus.
[0002]
[Prior art]
In recent years, the development of fine electromechanical systems (generally MEMS: Mirco Electro Mechanical Systems) using manufacturing technology for semiconductor devices and liquid crystal display devices has been developed, especially for applications in fine optical systems and bioanalytical systems. In addition, it has been put to practical use as an ink jet head used in an ink jet recording apparatus for image output and other liquid droplet ejection heads.
[0003]
As an ink jet head that is a droplet discharge head, a diaphragm that forms a wall surface of a discharge chamber using an electromechanical transducer (piezoelectric actuator) such as a piezoelectric element as a pressurizing unit (pressure generating unit, actuator) is used. Ink droplets are generated by ink film boiling using an electrothermal transducer (thermal actuator) such as a piezo-type device that discharges ink droplets by deformation and displacement, or a heating resistor disposed in the discharge chamber. A thermal type that discharges ink, and an electrostatic type that discharges ink droplets by deforming the vibration plate with electrostatic force using a diaphragm that forms the wall surface of the discharge chamber and an electrode (electrostatic actuator) facing the diaphragm There are things. In addition, there is an electrostatic attraction type in which an ink droplet is ejected by electrostatic attraction using an electrode (electrostatic attraction actuator) that is provided on the recording medium side by applying an electric charge to the ink.
[0004]
In such an ink jet head, it is normal that all the actuators are installed on a one-to-one basis corresponding to each of the plurality of nozzle holes, and therefore, the same number of driving devices for driving the actuators are usually required. . However, in order to suppress excessive heat generation in a thermal actuator, a plurality of thermal actuators corresponding to a plurality of nozzles may be driven by a single driving device by matrix driving.
[0005]
Thus, in general, the number of drive devices equal to the number of actuators is generally composed of a drive circuit chip configured on a separate substrate from the actuators in piezoelectric actuators, electrostatic actuators, and electrostatic attraction actuators. A thermal actuator is generally configured on the same substrate.
[0006]
This difference is because the thermal actuator is configured on a silicon substrate that can be easily integrated, whereas the piezoelectric actuator, electrostatic actuator, and electrostatic attraction actuator are difficult to form on the silicon substrate due to the manufacturing process. .
[0007]
In other words, the above-described elements (other than the thermal actuator) that cannot form a drive circuit that selectively transmits image information to the actuator to be driven on the same substrate are one-to-one with the drive device in the drive circuit chip, and FPC (Flexible Printed Circuits) Need to be connected by wire bonding).
[0008]
In this case, the process yield in which the drive circuit chips are connected one-to-one to the potential supply / extraction portion (generally referred to as a pad) of the actuator by FPC or wire bonding strongly depends on the number of pads and the pad size, and the head In particular, there is a problem that the yield of products is lowered by increasing the density (high integration) and increasing the area (increasing the number of actuators in one chip).
[0009]
Moreover, the fine limit of the connection by the FPC or wire bonding is about 30 to 40 μm at present, and it can be said that this prevents an increase in the density and area of the actuator and a product using the actuator.
[0010]
Furthermore, for example, when configuring a line-type inkjet head (a print area is formed over one side of the paper and the head itself does not need to move), a 1000-pin drive circuit chip is formed when the paper is A4 or A3 size. There are also problems that dozens of them are required, thereby significantly increasing the cost of the product. In addition, since the line-type inkjet head does not need to move, the strength of the mechanism that holds it can be reduced, and at the same time, there is no vibration associated with the movement, and printing is performed simultaneously on one side of the paper. It is possible to provide a low-vibration and high-speed inkjet recording apparatus, and it is a head that should be put to practical use in the future.
[0011]
As described above, it is important to install the drive circuit on the same substrate as the actuator or bonded to the actuator substrate, but what is possible at present is the thermal actuator. However, since the thermal actuator generates a large amount of heat during operation, it has a problem that it is difficult to simultaneously drive the continuous elements and the power consumption is high. Furthermore, since it is necessary to form on a silicon substrate, there is a problem that it is difficult to increase the area of one chip.
[0012]
As a method of forming a driving device on the same substrate other than the above thermal actuator, a method can be considered in which a plurality of thin film transistors are provided for each actuator on the same substrate as the actuator formed on the glass substrate. However, for example, when the actuator is an image forming device or a video display device, it is necessary to operate a plurality of actuators in time according to the image input signal, and it is essential to simultaneously form an element (memory) for storing image information. It becomes.
[0013]
For this reason, there is a problem that the number of functional elements included in the driving device for operating one actuator in a timely manner is increased, and the manufacturing yield is significantly reduced. In addition, the area ratio occupied by the increased functional elements is large, and there is a problem that obstructs high density of products. Furthermore, a good memory element using a thin film has not been obtained at present.
[0014]
Here, as an ink jet recording apparatus equipped with a conventional ink jet head, for example, as disclosed in JP-A-8-238774, an ink jet recording apparatus equipped with an ink jet head using an electrostatic suction actuator is used. A control element for controlling the ejection of ink and a process control for controlling the control element between an electrode for electrostatic field application embedded in the side wall of the ink ejection chamber and a high-voltage power supply for applying the voltage The control element unit further includes a light emitting unit and a photoconductive unit, and the operation of the light emitting unit is controlled by a light emission amount control unit provided separately in the process control unit so that the photoconductive unit receives light. The resistance of the electrostatic field application electrode and the voltage in front of the nozzle hole are controlled by controlling the voltage of the electrostatic field application electrode part embedded in the side wall of the ink ejection chamber. Is known to control the potential difference with the counter electrode portion disposed in the nozzle, to apply charge to the ink in the ink ejection chamber, so that the charged ink is electrostatically attracted toward the counter electrode portion. It has been.
[0015]
Patent No. 3030787In the newsAs disclosed, in an inkjet head in which a plurality of piezoelectric actuators are arranged in parallel, one electrode of each piezoelectric actuator is independently connected to a photoconductor, and the other electrode is commonly connected to an arbitrary potential. It is known that a plurality of photoconductors are selectively irradiated with light by an optical scanning means, and thereby a piezoelectric actuator is selectively deformed to eject ink droplets.
[0016]
In addition to the droplet discharge heads described above, optical cross-connects used as optical transmission devices have been put into practical use as belonging to MEMS. At present, the means for transmitting information is mainly based on electrical equipment, but as the amount of information increases, the use of light transmitting means, that is, optical transmission devices, is gradually increasing. The main application of optical transmission at present is to transmit between cities, countries, and continents using optical fibers. Among them, optical cross-connects operate multiple reflecting mirrors individually to select optical paths and separate them from optical fibers. It is used for the purpose of transmitting optical information to the optical fiber.
[0017]
[Problems to be solved by the invention]
First, in the above-described conventional inkjet recording apparatus, the electric potential of the electrostatic field applying electrode, which is an actuator, is controlled by light. In this apparatus, the control element unit is installed on the same substrate as the actuator. In addition, there is a problem that the connection yield is reduced and the cost is increased due to the FPC and wire bonding described above, and furthermore, since it is an electrostatic attraction method, a high drive voltage (several thousand volts) is required, and electromagnetic noise due to it is reduced. There is a problem that the power consumption is large in order to impart the ink to the problem of generation and charge.
[0018]
In addition, in an inkjet head that combines a piezoelectric actuator and a photoconductor, it is difficult to make a fine pattern in the first place, and the current printing piezo method has a limit of 400 dpi (dots per inch). Moreover, since 300 dpi is considered to be the limit in the dicing method of the laminated piezo element, there is a problem that it is difficult to increase the density of the head, particularly 1200 dpi or more.
[0019]
Next, it is considered that the above-described optical transmission technology can be used in offices and devices as the amount of information increases in the future. In this case, the optical cross-connect device used in the large-scale optical communication network is used. In the same way as in the office and equipment, an optical path switching device is required. As represented by the current optical cross-connect device, the optical path switching device is operated by an electrical signal to operate the optical path switching actuator. What can be considered.
[0020]
However, driving the optical path switching device with an electric signal causes a delay in information transmission caused by passing through a large number of metal wirings in the driving device, and thus hinders speeding up of the response of the optical path switching. It is thought that this problem will surface. In addition, electromagnetic noise caused by the driving device is expected to increase in accordance with high-speed operation, and there arises a problem of how to reduce the electromagnetic noise.
[0021]
The present invention has been made in view of the above problems, and an electrostatic actuator that can achieve high density, large area, high yield, and low cost.,Droplet discharge head, inkjet recording devicePlaceThe purpose is to provide.
[0022]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, an electrostatic actuator according to the present invention is:
Opposing to the movable member and this movable memberFixedA conductive member, and an actuator unit that deforms or displaces the movable member by electrostatic force by applying a potential to the conductive member.In the electrostatic actuator
A conductive member made of a light transmissive member is provided on the actuator substrate made of a light transmissive member.An optical response member that responds to light is provided integrally,Light is irradiated through the actuator substrate and the conductive memberVia photoresponsive memberLeadElectric potential is applied to the electric member
The configuration.
[0023]
Here, the photoresponsive member is preferably a rectifying photoconductor, and the photoresponsive member is preferably formed of a silicon-based film.. MaIn addition, it is preferable that a plurality of actuator units and optical response members corresponding to the actuator units are provided, and the potential input sides of the optical response members are connected in common.
[0027]
In the liquid droplet ejection head according to the present invention, the pressurizing means for pressurizing the liquid in the liquid chamber is constituted by the actuator portion of the electrostatic actuator according to the present invention. Here, the head is preferably a line type head.
[0028]
The ink jet recording apparatus according to the present invention comprises an ink jet head that ejects ink droplets from a nozzle, using the liquid droplet ejection head according to the present invention.It was.
[0029]
Here, a light source that emits light in accordance with drive information and a scanning unit that scans the light emitted from the light source with respect to each light response member of the plurality of actuator units can be used. In this case, the light responsive member of the actuator unit of the droplet discharge head is irradiated with light to give a potential to the conductive member, and the movable member is displaced or deformed almost simultaneously with the light irradiation by the potential difference with the potential of the movable member. it can. Alternatively, light is applied to the photoresponsive member of the actuator unit of the droplet discharge head to apply a potential to the conductive member, and after the light is applied, a predetermined potential is applied to the movable member to cause a potential difference between the conductive member and the movable member. And the movable member can be displaced or deformed after light irradiation. In addition, the potential of the conductive member can be reset to the initial potential after the movable member is displaced or deformed. further,One light source for one droplet discharge head can be configured as one.
[0032]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. A first embodiment of an electrostatic actuator according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 is a cross-sectional explanatory diagram along the longitudinal direction of the movable member of the actuator, FIG. 2 is a plan explanatory diagram of the actuator, and FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining a layer structure of a light response member of the actuator.
[0033]
In this electrostatic actuator, the insulating
[0034]
Further, the
[0035]
Here, as the
[0036]
The insulating
[0037]
The
[0038]
The
[0039]
In this way, the conductive member (or part thereof) is provided in contact with the portion of the light-responsive member that is irradiated with light, and the conductive member is formed of a member that transmits light, thereby transmitting the conductive member. Thus, it is possible to irradiate the light response member with light, and the electrostatic actuator and its driving device can be miniaturized.
[0040]
The
[0041]
The
[0042]
The
[0043]
For example, as shown in FIG. 3, the
[0044]
Thus, by using the amorphous silicon-based laminated film having the pin structure as the
[0045]
When the light
[0046]
In this way, by making the photoresponsive member a rectifying photoconductor such as a pn junction or a pin structure, the potential of the conductive member of the electrostatic actuator can be determined by resistance change according to light irradiation. In addition, by relatively positively biasing the p-type semiconductor, the potential of the conductive member can be reset to the initial value, and the operation of the electrostatic actuator can be arbitrarily controlled.
[0047]
Moreover, the
[0048]
That is, the
[0049]
The
[0050]
In the electrostatic actuator configured as described above, for example, the
[0051]
At this time, the
[0052]
As described above, in this electrostatic actuator, a plurality of one-dimensional (or two-dimensional) actuator members arranged on the same substrate (or the actuator member) as opposed to the movable member of the actuator unit are arranged. Since the required potential is applied via the photoresponsive member provided in the actuator substrate, any actuator unit can be operated by the optical drive signal incident on the photoresponsive member. Therefore, it is not necessary to connect a large number of expensive driving chips by wire bonding or the like.
[0053]
As a result, even when the drive voltage of the actuator unit is high or when driving tens of thousands of actuator units, it is possible to cope with high density (high integration) and large area of actuators (the number of actuators in one chip). Increase), high yield, and low cost.
[0054]
In other words, a drive unit including a light response member can be provided on the same substrate as the actuator unit or bonded to the actuator substrate, and light can be incident on the light response member according to the purpose to operate the actuator unit in a timely manner. Each drive unit that drives the actuator unit can be easily configured on the same substrate or bonded, and the number of wire bonding and FPC connection can be greatly reduced compared to the conventional configuration with separate chips, resulting in higher density The product yield of the actuator can be improved, and the restriction of the connection area with the connection means can be eliminated. Therefore, the density and area can be increased, and the cost can be reduced. Further, the area ratio of the actuator can be increased and the density can be increased in that a complicated drive circuit is not required.
[0055]
In addition, since the electrostatic actuator can be driven by an optical drive signal, the drive voltage applied to each actuator unit is not limited by the drive unit (drive device), and the drive voltage can be easily increased. Thus, the actuator performance can be improved. When the drive unit is configured as a separate chip as in the prior art, an increase in the drive voltage causes an increase in the cost of the drive unit, but such a cost increase is eliminated.
[0056]
Furthermore, since each drive unit that drives a plurality of actuator units can be easily configured on the same substrate or bonded, when the drive unit is configured with another chip, the number of drive chips increases as the number of actuators increases. In the electrostatic actuator according to the present invention, the drive means (drive circuit) for on / off control of the optical drive signal can be configured by one, and the cost can be greatly reduced.
[0057]
Furthermore, the structure of the drive unit for driving the actuator unit is simple, and it is not necessary to go through a large number of metal wires, delaying information transmission caused by metal wires can be suppressed, and the actuator operation speed can be increased. In addition, generation of electromagnetic noise can be suppressed.
[0058]
Next, a second embodiment of the electrostatic actuator according to the present invention will be described with reference to FIGS. 4 is a cross-sectional explanatory diagram along the longitudinal direction of the movable member of the actuator, FIG. 5 is a plan explanatory diagram of the actuator, and FIG. 6 is an explanatory diagram for explaining the layer structure of the optical response member of the actuator.
[0059]
In this electrostatic actuator, the
[0060]
An
[0061]
Then, the
[0062]
In the electrostatic actuator configured as described above, when the pn is biased in the forward direction, that is, when the p-
[0063]
Here, when the light
[0064]
Since the light-
[0065]
Next, a first embodiment of an inkjet head, which is a droplet discharge head according to the present invention, will be described with reference to FIGS. 7 is a cross-sectional explanatory diagram along the longitudinal direction of the movable member (diaphragm) of the head, and FIG. 8 is a plan explanatory diagram of the head.
[0066]
This ink jet head is a side shooter type head, and is a combination of the electrostatic actuator described in the first embodiment of the electrostatic actuator according to the present invention, the
[0067]
That is, a structure in which a
[0068]
The
[0069]
The
[0070]
The
[0071]
In addition, a lead-out portion 46a that pulls the
[0072]
A plurality of
[0073]
In the ink jet head configured as described above, for example, light is transmitted from the outside of the
[0074]
As a result, the internal volume of the pressurizing
[0075]
At this time, the
[0076]
Thus, by providing the droplet discharge head with the electrostatic actuator according to the present invention, it becomes possible to operate an arbitrary actuator unit (pressurizing means) by an optical drive signal incident on the optical response member, which is expensive. It is not necessary to connect a large number of drive chips by wire bonding or the like, and it is possible to achieve high density (high integration), large area, high yield, and low cost of the ink jet head (droplet discharge head).
[0077]
Next, a second embodiment of an inkjet head, which is a droplet discharge head according to the present invention, will be described with reference to FIGS. FIG. 9 is an explanatory sectional view of the head along the longitudinal direction of the movable member, and FIG. 10 is an explanatory plan view of the head. In addition, the same code | symbol is attached | subjected and demonstrated to the part corresponding to 1st Embodiment.
[0078]
This inkjet head is an edge shooter type head, and is a combination of the electrostatic actuator described in the second embodiment of the electrostatic actuator according to the present invention, the
[0079]
That is, a structure in which a
[0080]
The
[0081]
In this case as well, the
[0082]
The
[0083]
In addition, a
[0084]
In the ink jet head configured as described above, for example, a
[0085]
When another arbitrary potential is supplied to the
[0086]
Thereafter, when another arbitrary potential is supplied to the
[0087]
At this time, the
[0088]
Next, an ink jet recording apparatus according to the present invention including the driving apparatus according to the first embodiment of the electrostatic actuator driving apparatus according to the present invention will be described with reference to FIGS. 11 is a schematic perspective explanatory view of the recording apparatus, FIG. 12 is a schematic configuration diagram of the recording apparatus, and FIG. 13 is a schematic configuration diagram of a head portion of the recording apparatus.
This ink jet recording apparatus has a long line type
[0089]
Here, as shown in FIG. 13, the line type
[0090]
The ink-jet head 71 has the same configuration as that of the ink-jet head described in the first or second embodiment of the ink-jet head, which is the droplet discharge head according to the present invention described above, and the
[0091]
The scanning
[0092]
Next, the operation of the ink jet recording apparatus will be described including the operation of the electrostatic actuator driving apparatus according to the present invention.
First, in the scanning
[0093]
Here, as described above, in the inkjet head 71, the resistance of the
[0094]
Next, another arbitrary potential is applied to the
[0095]
As described above, image information (printing) is provided by including one light source that emits light according to drive information and means for scanning the light response members of the plurality of actuator units with the light emitted from the light source. Each light responsive member can be scanned while turning on / off the light applied to each light responsive member according to the information), the number of light sources can be reduced to the minimum necessary, and the cost can be reduced and the size can be reduced. Can be achieved. In this case, the light irradiating the light response member is scanned using a polygon mirror. However, the scanning may be performed using a galvanometer mirror or the like.
[0096]
Thus, when using a line-type inkjet head, the light response members are aligned in the direction of one side of the paper through the actuator sections or between the heads (when using a plurality of head chips), and the light source is between the actuator sections. Alternatively, by adopting a configuration in which scanning is performed between the heads, it is possible to perform optical scanning with respect to the optical response member through one side of the paper, and the number of scanning light sources can be reduced, and cost can be further reduced.
[0097]
Further, by irradiating the optical response member with an optical drive signal as necessary, the potential of the conductive member is made equal to an arbitrary potential of the potential supply line, and a different potential supplied to the opposing movable member (vibrating plate) Due to this potential difference, the diaphragm is displaced or deformed almost simultaneously with the light irradiation, so that the ink can be supplied to the pressurized liquid chamber almost simultaneously with the light irradiation.
[0098]
Furthermore, the potential of the conductive member connected via the photoresponsive member can be reset to the initial potential by applying any different potential to the potential supply line of the conductive member after the diaphragm is displaced or deformed. Ink droplets can be ejected from the nozzle of the selected channel.
[0099]
Furthermore, since the displacement deformation operation of the diaphragm or the reset operation of the electric potential of the conductive member is simultaneously performed by the drive unit of the electrostatic actuator installed in plural, the channel ( Ink droplets can be simultaneously ejected from the nozzles of the selected channel among the nozzles), and the uniformity of the operation of each channel (actuator unit) can be improved.
[0100]
In addition, the inkjet head using the droplet discharge head according to the present invention is configured as a line-type inkjet head, that is, one or a plurality of inkjet heads are arranged over almost the entire area of one side of a sheet on which an image is printed. Therefore, a high-yield and high-density line-type inkjet head can be obtained, and a head capable of high-speed recording and recording high-definition images can be obtained at low cost. Furthermore, since there is no movement of the head, noise and vibration can be reduced.
[0101]
Next, a second embodiment of the electrostatic actuator driving apparatus in the ink jet recording apparatus will be described with reference to FIG.
First, when the paper size to be recorded is A4 size, the
[0102]
If the specification of the ink jet recording apparatus is 5 ppm (print per min), the time allowed as a printing time for one A4 size sheet is about 10 seconds. At this time, the time allowed for printing by the inkjet head 71 having the nozzles in one row is 10 sec / (1200 × 297 / 25.4) = 10/14032 = 0.000713 sec, that is, 713 μsec. Therefore, it is necessary to finish scanning the
[0103]
At this time, if the optical scanning time is 700 μsec and the reset time is 13 μsec within one row printing time of 713 μsec, the
[0104]
In the inkjet head 71, the
[0105]
First, at time T1, a potential V1 of + 20V is applied to the
[0106]
Here, the
[0107]
Therefore, in the channel irradiated with the
[0108]
On the other hand, in the channel where the
[0109]
Then, the reset time is reached from the time point T2 in the figure when the scanning of the optical drive signals 40 for all the channels is completed while maintaining the state of the
[0110]
In this reset time, when the potential V1 with respect to the
[0111]
Next, a third embodiment of the electrostatic actuator driving device in the ink jet recording apparatus will be described with reference to FIG.
First, when the paper size to be recorded is A4 size, the
[0112]
If the specification of the ink jet recording apparatus is 50 ppm (print per min), the time allowed for one A4 size sheet as the printing time is about 1 sec. At this time, the time allowed for printing by the inkjet head 71 having the nozzles in the row is 1 sec / (1200 × 297 / 25.4) = 11/14032 = 0.0000713 sec, that is, 71.3 μsec. Therefore, it is necessary to finish scanning the
[0113]
At this time, if the optical scanning time is 40 μsec, the deformation displacement time is 20 μsec, and the reset time is 11.3 μsec within one row printing time of 71.3 μsec, the optical response member of one element (one channel) of the optical scanning time. The time during which 37 is irradiated with the light drive signal (light) is 4 nsec. Thus, in order to satisfactorily apply the required potential Vx to the
[0114]
Further, in the inkjet head 71, the
[0115]
First, at time T1, a potential V1 of +20 V is applied to the
[0116]
At this time, an electrostatic force is generated between the
[0117]
Here, the
[0118]
Therefore, in the channel irradiated with the
[0119]
On the other hand, in the channel where the
[0120]
Then, at the time T2 in the figure when scanning of the optical drive signals 40 for all the channels is completed while maintaining the state of the
[0121]
After that, when the potential V1 with respect to the
[0122]
In this way, the potential of the conductive member is made equal to an arbitrary potential of the potential supply line by irradiating the light response member with light as necessary, and a different potential is supplied to the opposing movable member after the light irradiation ends. An arbitrary potential difference is generated between the conductive member and the movable member, and the movable member is displaced or deformed after light irradiation, thereby supplying ink (from the common liquid chamber to the pressurized liquid chamber via the fluid resistance portion). The first operation of the actuator, such as supply of ink, can be performed after light irradiation, and ink supply to the selected actuator can be performed uniformly in the same time after optical scanning of all actuators.
[0123]
Next, a first embodiment of an optical deflection device which is an optical device according to the present invention will be described with reference to FIG. This figure is a cross-sectional explanatory view of the same optical deflection device.
In this optical deflection device, an insulating
[0124]
Although the entire movable member is the
[0125]
Here, the
[0126]
Further, a
[0127]
The operation of the thus configured optical deflection device will be described. By applying an arbitrary voltage to each of the
[0128]
At this time, when the
[0129]
Thus, in order to change the traveling direction of light, at least a part of the movable member has a mirror member, and has a light response member, and at least a part of the light response member faces the movable member. The actuator is configured to control the operation of the actuator unit, that is, the drive by the presence or absence, intensity, or wavelength difference of the light responsive member. There is no need to configure the apparatus, and the optical deflection device can be obtained that has a reduced delay due to the metal wiring, is high-speed, and can be miniaturized at low cost.
[0130]
Next, a second embodiment of an optical deflection device which is an optical device according to the present invention will be described with reference to FIG. The figure is a cross-sectional explanatory view of the optical device.
In this optical deflection device, an insulating
[0131]
Here, the
[0132]
The optical information signal 131 uses light having a wavelength that passes through the conductive member 123 and passes through the
[0133]
The
[0134]
In the optical device configured as described above, by applying an arbitrary voltage to each of the conductive member 123 and the
[0135]
At this time, when the
[0136]
Thus, at least a part of the actuator has a light deflecting member whose refractive index changes according to the voltage, and has a light responsive member for driving the actuator, and at least a part of the light responsive member is an actuator. By controlling the operation of the actuator, that is, the drive according to the presence or absence, intensity, or wavelength difference of the light responsive member. Since the optical drive signal can be transmitted with the same light flux after being wavelength-multiplexed with the signal, an optical deflection apparatus that is even faster and smaller than the optical device according to the first embodiment can be obtained.
[0137]
Next, a third embodiment of an optical deflection device that is an optical device according to the present invention will be described with reference to FIG. The figure is a cross-sectional explanatory view of the optical device.
This optical device is a combination of the first embodiment of the electrostatic actuator according to the present invention described above and the first embodiment of the optical deflection device according to the present invention, and an insulating film on the
[0138]
Note that although the entire movable member is the mirror member 143 here, a configuration in which a mirror member 143 that reflects light only on a part or the surface of the movable member may be provided. In addition, a plurality of
[0139]
Here, the
[0140]
In addition, the
[0141]
The operation of the thus configured optical deflecting device will be described. The
[0142]
Thereby, when the
[0143]
In this way, the optical response member is electrically connected to the conductive member of the actuator portion, and the optical response member is further connected to the potential supply line, and the optical response member depends on the optical drive signal incident on the optical response member. By changing the resistance of the conductive member and making the potential of the conductive member the same as the potential of the potential supply line, a stable light deflection operation can be easily performed.
[0144]
Next, a fourth embodiment of an optical deflection device which is an optical device according to the present invention will be described with reference to FIG. The figure is a cross-sectional explanatory view of the optical device. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the part corresponding to 3rd Embodiment.
This optical deflection device is a combination of the first embodiment of the electrostatic actuator according to the present invention described above and the second embodiment of the optical deflection device according to the present invention. A
[0145]
The operation of the thus configured optical deflection device will be described. By irradiating the
[0146]
In this way, by operating the actuator unit almost simultaneously with the irradiation of the optical drive signal corresponding to the optical information, it is possible to perform an optical deflection operation without causing a time delay.
[0147]
Next, another method for driving the optical device will be briefly described. For example, after holding the optical drive information obtained by the irradiation of the optical drive signal for an arbitrary time, the actuator unit (optical deflection unit) may be operated. it can.
[0148]
This can be realized, for example, by driving the optical device according to the third embodiment described with reference to FIG. 18 according to the timing chart described with reference to FIG. That is, the optical scanning time shown in FIG. 14 corresponds to the holding of the optical drive information for an arbitrary time, and the subsequent displacement deformation time corresponds to the operating time of the actuator unit (optical deflecting unit).
[0149]
In addition, after holding the light drive information obtained by light irradiation for an arbitrary time, it is also possible to simultaneously input an arbitrary signal to a plurality of actuator units to operate each actuator unit according to the light drive signal. .
[0150]
For example, in the optical device according to the third embodiment described with reference to FIG. 18, a plurality of actuator portions are provided, and the potentials of the
[0151]
Next, an embodiment of an optical transmission apparatus which is an optical device of the present invention will be described with reference to FIG. In addition, the figure is a schematic block diagram of the optical transmission apparatus.
The
[0152]
In the above-described embodiment, the example in which the ink jet head is applied as a liquid droplet ejection head has been described. However, as a liquid droplet ejection head other than the ink jet head, for example, a liquid droplet ejection head that ejects liquid resist as liquid droplets, DNA The present invention can also be applied to other droplet discharge heads such as a droplet discharge head that discharges the sample as droplets.
[0153]
【The invention's effect】
As described above, according to the electrostatic actuator according to the present invention,A conductive member made of a light transmissive member is provided on the actuator substrate made of a light transmissive member.An optical response member that responds to light is provided integrally,Light is irradiated through the actuator substrate and the conductive memberVia photoresponsive memberLeadSince the electric member is configured to be supplied with electric potential, high density, large area, and low cost can be achieved..
[0154]
According to the droplet discharge head according to the present invention, the pressurizing means for pressurizing the liquid in the liquid chamber is constituted by the actuator portion of the electrostatic actuator according to the present invention, so that the density is increased, the area is increased, and the cost is reduced. Can be planned.
[0155]
According to the ink jet recording apparatus according to the present invention, the ink jet head for ejecting ink droplets from the nozzles is configured by the liquid droplet ejecting head according to the present invention, and the electrostatic actuator constituting the liquid droplet ejecting head is driven. Therefore, the high-quality image can be recorded at high speed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional explanatory view along the longitudinal direction of a movable member of a first embodiment of an electrostatic actuator according to the present invention.
FIG. 2 is an explanatory plan view of the actuator.
FIG. 3 is an enlarged cross-sectional explanatory view of a main part for explaining a configuration of a light response member of the actuator.
FIG. 4 is an explanatory cross-sectional view along the longitudinal direction of a movable member of a second embodiment of an electrostatic actuator according to the present invention.
FIG. 5 is an explanatory plan view of the actuator.
FIG. 6 is an enlarged cross-sectional explanatory view of a main part for explaining a configuration of a light response member of the actuator.
FIG. 7 is a cross-sectional explanatory view of the first embodiment of the droplet discharge head according to the present invention along the longitudinal direction of the diaphragm.
FIG. 8 is an explanatory plan view of the head.
FIG. 9 is a cross-sectional explanatory view along the longitudinal direction of the diaphragm of the second embodiment of the droplet discharge head according to the present invention.
FIG. 10 is an explanatory plan view of the head.
FIG. 11 is a schematic perspective explanatory view illustrating an embodiment of an ink jet recording apparatus according to the present invention.
FIG. 12 is a schematic side view of the recording apparatus.
FIG. 13 is a schematic configuration diagram of a line-type inkjet head of the recording apparatus.
FIG. 14 is an explanatory diagram for explaining another example of head driving in the recording apparatus.
FIG. 15 is an explanatory diagram for explaining another example of head driving in the recording apparatus.
FIG. 16 is a cross-sectional explanatory view of a first embodiment of an optical deflection device according to the present invention.
FIG. 17 is a cross-sectional explanatory view of a second embodiment of an optical deflection device according to the present invention.
FIG. 18 is a cross-sectional explanatory view of a third embodiment of an optical deflection device according to the present invention.
FIG. 19 is a cross-sectional explanatory view of a fourth embodiment of an optical deflection device according to the present invention.
FIG. 20 is an explanatory cross-sectional view of an embodiment of an optical transmission device according to the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (12)
光を透過する部材からなるアクチュエータ基板上に、光を透過する部材からなる前記導電性部材が設けられ、この導電性部材上に光に応答する光応答部材が一体的に設けられ、前記アクチュエータ基板及び前記導電性部材を介して光が照射される前記光応答部材を介して前記導電性部材に電位が与えられる
ことを特徴とする静電型アクチュエータ。An electrostatic actuator having a movable member and a fixed conductive member opposed to the movable member, and having an actuator unit that deforms or displaces the movable member by electrostatic force by applying a potential to the conductive member In
The conductive member made of a light transmissive member is provided on the actuator substrate made of a light transmissive member, and the light responsive member responsive to light is integrally provided on the conductive member. And an electric potential is applied to the conductive member through the photoresponsive member irradiated with light through the conductive member.
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