JP4172221B2 - インクジェットヘッドおよびその駆動方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インクジェットヘッドのインク液滴の吐出と分離を安定的に行うこと、およびインクジェットヘッドのインクノズル内で増粘または膜化したインクを拡散する動作を適切に行うことのできるインクジェットヘッド、およびその駆動方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
静電駆動式のインクジェットヘッドは、一般に、インクを加圧してインク液滴をインクノズルから吐出させるための圧力を発生する圧力室を備えている。この圧力室は各インクノズルに連通していると共に、インク供給経路を介してインク供給源に連通している。各圧力室の底壁部分には面外方向に弾性変形可能な共通電極としての振動板が形成されており、各振動板には一定の間隔で個別電極が対向配置されている。各振動板と個別電極の間に電圧パルスを印加することにより発生する静電気力により各振動板を個別に弾性変形させ、これにより各インクノズルからインク液滴を個別に吐出させることができるようになっている。
【０００３】
かかるインクジェットヘッドでは、一定時間以上に亘り、インクノズルからインク液滴が吐出されないと、印刷の際にインク液滴が吐出しなかったり、吐出不良になるという問題がある。また、インク液滴の吐出後の圧力室において大きなインク圧力の残留振動が発生すると、不必要なインク液滴の吐出や、後続のインク液滴の吐出動作に影響を与え、インク液滴の飛翔方向が偏向してしまうなどの問題がある。
【０００４】
このような問題を解消するために、本願人は、特開平１０−２８６９５２号公報、同２０００−３３４９４２号公報などにおいて、振動板と個別電極の間に、広い隙間部分と狭い隙間部分を形成した構成を提案している。インク液滴を吐出させる場合には、大きな振幅およびパルス幅の駆動電圧パルスを振動板および個別電極間に印加して、振動板が全体として個別電極に当接するように弾性変形させることで大きなインク吐出圧力を形成している。また、小さな振幅および幅の補助電圧パルスを印加して、狭い間隔で対向している振動板の一部分のみを個別電極に当接するように弾性変形させることで、インク液滴を吐出させることなく、インクノズルのインクメニスカスを振動させ、あるいは、インク液滴吐出後の残留圧力振動を抑制する空吐出駆動を行うようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、広い間隔で振動板に対向している個別電極の部分と、狭い間隔で振動板に対向している個別電極の部分とを電気的に分離して、それぞれと振動板との間の充放電を個別に制御する場合には、振動板の各部分を適切に振動させることができる。
【０００６】
しかるに、電気的に分離していない単一の個別電極を用いる場合には、個別電極の全体に電圧が印加されるので、狭い間隔部分で個別電極に対向している振動板部分のみを個別電極に当接させようとする場合、隣接している広い間隔部分に対向する振動板の部分も一緒に個別電極側に吸引され、個別電極に接近すると、これらの間に発生している静電吸引力によって当該部分も当接するような弾性変形を起こす惧れがある。かかる弾性変形が発生すると、振動板を適切に振動させることが出来なくなるので、所期の目的を達成できない場合もある。このような事態を回避するためには、印加される振幅の小さな補助電圧パルスの電圧値を精度良く制御する必要がある。換言すると、補助電圧パルスの許容設定電圧範囲を狭くする必要がある。
【０００７】
本発明の課題は、補助電圧パルスによる空吐出駆動を確実に行うことのできるインクジェットヘッド、およびその駆動方法を提案することにある。
【０００８】
また、本発明の課題は、インク液滴を吐出させない振幅の小さな補助電圧パルスの許容設定電圧範囲を狭くすることなく、振動板を適切な状態で振動させることのできるインクジェットヘッド、およびその駆動方法を提案することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、インクノズルに連通している圧力室の一部を規定している振動板と、この振動板に対向配置されている対向電極とを有し、前記振動板の前記対向電極側の面は平面であり、前記振動板および前記対向電極の間に電圧を印加することにより発生する前記振動板の振動により、前記インクノズルからインク液滴が吐出するインクジェットヘッドにおいて、
前記対向電極は、主電極部分と、補助電極部分と、これらの間に形成された電極接続部分とを備えており、
前記主電極部分の振動板側面と前記振動板の対向電極側面は第１の間隔で対向しており、前記補助電極部分の振動板側面と前記振動板の対向電極側面は前記第１の間隔よりも狭い第２の間隔で対向しており、前記電極接続部分の振動板側面と前記振動板の対向電極側面は前記第１の間隔よりも広い第３の間隔で対向していることを特徴としている。
【００１０】
本発明のインクジェットヘッドでは、広い間隔で振動板に対向している主電極部分と、狭い間隔で振動板に対向している補助電極部分との間に、最も広い間隔で振動板に対向している電極接続部分を形成してある。従って、補助電極部分に振動板が吸引された場合に、補助電極部分に吸着した振動板部分に隣接している振動板の部分は最も広い間隔の電極接続部分に対向しているので、当該部分が個別電極の側に吸着されることが防止される。また、振動板の補助電極部分に対向している部分のみを確実に当該補助電極部分に吸着させることができるので、振動板の補助電極部分に対向している部分のみを個別電極に吸着させるために印加する駆動電圧パルスの許容設定電圧範囲を広くすることができる。
【００１１】
ここで、一般的には、前記振動板は略平行四辺形のものとされ、前記インクノズルは前記振動板における長辺方向の一方の端部分に対応する位置に配置され、前記補助電極部分は前記振動板の前記端部分に対向配置される。
【００１２】
また、一般的なインクジェットヘッドは複数個のインクノズルを備えている。従って、複数個の前記インクノズルのそれぞれに連通した複数の前記圧力室と、各圧力室に形成された複数の前記振動板と、これら振動板のそれぞれに対向配置されている複数の前記対向電極とを備えた構成とされる。この場合には、前記振動板のそれぞれは共通の電位に保持される共通電極であり、前記対向電極のそれぞれは個別に電圧が印加される個別電極である。
【００１３】
さらに、インクジェットヘッドは半導体基板などを積層することにより構成することができ、この場合には、前記圧力室は半導体基板の表面に形成した凹部によって規定され、前記振動板は前記凹部の底壁部分に形成される。また、前記個別電極は、前記半導体基板の裏面に積層したガラス基板における各振動板に対向している部分に形成した凹部の底面に形成した導電性金属薄膜から形成される。さらに、前記ガラス基板の各凹部は、前記個別電極における前記補助電極部分が形成されている部分が最も浅く、前記電極接続部分が形成されている部分が最も深くなるように形成される。
【００１４】
次に、前記対向電極における前記電極接続部分の幅を最も狭くすれば、各部分が同一幅の対向電極を用いる場合に比べて、補助電極部分に振動板を吸着させるために加える補助電圧パルスの許容設定電圧範囲を上下に広げることができる。
【００１５】
また、前記対向電極における前記補助電極部分の幅を最も狭くすれば、各部分が同一幅の対向電極を用いる場合に比べて、補助電圧パルスの許容設定電圧範囲を広げることができる。また、電極接続部分の幅を最も狭くする場合に比べて、補助電圧パルスの許容設定電圧範囲を全体として上側の範囲にシフトさせることができる。
【００１６】
さらに、前記対向電極における前記補助電極部分の幅を最も広くすれば、各部分が同一幅の対向電極を用いる場合に比べて、補助電圧パルスの許容設定電圧範囲を広くすることができる。特に、許容設定電圧範囲の下限値を低くすることができる。
【００１７】
ここで、前記電極接続部分の長さは０．０１ｍｍ以上とすることが望ましい。
【００１８】
次に、本発明は、上記構成のインクジェットヘッドの駆動方法であって、
前記振動板と前記対向電極の間に、駆動電圧パルスを印加して、前記振動板を前記対向電極における前記主電極部分および前記補助電極部分に当接する状態まで弾性変形させることにより、前記インクノズルからインク液滴を吐出させ、
前記振動板と前記対向電極の間に、前記駆動電圧パルスに比べて少なくとも振幅の小さな補助電圧パルスを印加して、前記振動板を前記対向電極における前記補助電極部分にのみ当接する状態まで弾性変形させることにより、前記インクノズルのインクメニスカスの振動、および／またはインク液滴が吐出した後における前記圧力室の残留圧力振動の抑制を行うことを特徴としている。
【００１９】
ここで、前記対向電極における前記主電極部分の幅に対する、前記補助電極部分および／または前記電極接続部分の幅を調整することにより、前記補助電圧パルスの許容設定電圧範囲を調整できる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して、本発明を適用したインクジェットヘッドの一例を説明する。
【００２１】
図１は本例のインクジェットヘッドを示す分解斜視図であり、図２はそのＩＩ−ＩＩ線で切断した部分のの断面図であり、図３はそのガラス基板の平面図である。これらの図を参照して説明すると、インクジェッドヘッド１は、シリコン基板２を挟み、上側に同じくシリコン製のノズルプレート３、下側にシリコンと熱膨張率が近いホウ珪酸ガラス基板４がそれぞれ積層された３層構造となっている。中央のシリコン基板２には、その表面からエッチングを施すことにより、独立した複数、例えば５つの圧力室５と、１つの共通インク室６と、この共通インク室６を各圧力室５に連通しているインク供給路７としてそれぞれ機能する溝が加工されている。これらの溝がノズルプレート３によって塞がれて、各部分５、６、７が区画形成されている。
【００２２】
ノズルプレート３には、細長い略平行四辺形をした各圧力室５の長辺方向の先端側の端部分に対応する位置に、インクノズル８が形成されており、これらが各圧力室５に連通している。また、共通インク室６が形成されているシリコン基板２の部分には当該共通インク室６の底壁部分を貫通するインク供給口９が形成されている。インクは、外部のインクタンク（図示せず）から、インク供給口９を通って共通インク室６に供給される。共通インク室６に供給されたインクは、各インク供給路７を通って、独立した各圧力室５に供給される。
【００２３】
独立した各圧力室５は、その底壁部分５１が薄肉とされて、面外方向、すなわち、図２において上下方向に弾性変位可能な振動板として機能するように設定されている。したがって、この底壁５１の部分を、以後の説明の都合上、振動板と称して説明することもある。
【００２４】
次に、シリコン基板２の下側に位置しているガラス基板４においては、その上面であるシリコン基板２との接合面には、シリコン基板２の各圧力室５に対応した位置に、浅くエッチングされた凹部４１が形成されている。したがって、各圧力室５の振動板（底壁）５１は、非常に僅かの隙間を隔てて凹部４１が形成されたガラス基板４の表面に対峙している。
【００２５】
各圧力室５の振動板５１は各圧力室側の共通電極として機能する。この共通電極としての各振動板５１に対向する位置に形成されているガラス基板４の各凹部底面には、個別電極１１が形成されている。シリコン基板２の下面であるガラス基板４との接合面は無機ガラスからなる絶縁層（図示せず）により覆われている。導電性のあるシリコン基板２には共通電極端子１２形成されており、この共通電極端子１２と各個別電極１１との間に、後述の駆動制御装置６１によって駆動電圧パルスおよび補助電圧パルスが印加される。
【００２６】
図２を参照して説明すると、各振動板５１の裏面（シリコン基板２の裏面）は平坦面となっているが、ガラス基板４に形成した各凹部４１の側は、その深さが凹部長辺方向において三段階に切り替わっている。圧力室５の基端側、すなわち、振動板５１の長辺方向におけるインク供給路７の側の端から、先端側近傍までの凹部４１の底部分４２は深く、振動板５１の先端部分に対峙する凹部底部分４３のみが浅い。さらに、これらの底部分４２と底部分４３の間には、最も深い底部分４５が形成されている。この形状の凹部４１の底部分４２、４３、４５には同一厚さのＩＴＯなどの金属電極薄膜が積層されて、個別電極１１が形成されている。
【００２７】
従って、個別電極１１には、第１の間隔Ｇ１で振動板５１に対向している主電極部分２１と、これよりも狭い第２の間隔Ｇ２で振動板５１に対向している補助電極部分２２と、第１の間隔Ｇ１よりも広い第３の間隔Ｇ３で振動板５１に対向していると共に主電極部分２１および補助電極部分２２を接続している電極接続部分２３とが形成されている。主電極部分２１には凹部４１の底部分４２に沿って外部に引き出されているリード部分２４が連続しており、このリード部分２４の端がリード端子２４ａとなっている。
【００２８】
このように三段階の隙間Ｇ１ないしＧ３が形成されているので、振動板５１と個別電極１１の間に、同一の電圧を印加しても、その大きさによって、振動板５１における弾性変形して個別電極１１の側に吸着される部分が異なる。
【００２９】
図４を参照して、本例のインクジェットヘッド１の動作を説明する。駆動電圧波形として大波形のもの、即ち、図４（ｃ）に示すようにパルス高さＶ３１および幅Ｐｗ１が大きな駆動電圧パルスＰ１を対向電極間に印加した場合には、図４（ａ）に示すように、振動板５１が全体として弾性変形して個別電極１１の側に吸着される。かかる振動板５１の全体的な弾性変形によって、インクノズル８から所定質量のインク液滴が所定速度で吐出される。
【００３０】
これに対して、駆動電圧波形として小波形のもの、即ち、図４（ｄ）に示すようにパルス高さＶ３２および幅Ｐｗ２が小さい補助電圧パルスＰ２を電極間に印加した場合には、図４（ｂ）に示すように、最も小さな隙間Ｇ２で個別電極１１の補助電極部分２２に対向している振動板５１の部分５１ａのみが弾性変位して当該補助電極部分２２に吸着する。このように補助電圧パルスＰ２を印加することにより、インク液滴がインクノズルから吐出しない、所謂空吐出駆動を行うことができる。この空吐出駆動を例えばインク液滴の吐出動作の後に行うことにより、圧力室５内の残留圧力変動を短時間の間で抑制でき、後続のインク液滴の吐出方向が残留圧力振動に起因して偏向してしまうなどの弊害を回避できる。
【００３１】
ここで、本例のインクジェットヘッド１では、最も間隔の狭い補助電極部分２２と、主電極部分２１との間に、最も間隔が広い電極接続部分２３が形成されている。従って、図５（ａ）に示すように、補助電圧パルスＰ２を印加して補助電極部分２２に対向している振動板５１の部分５１ａを補助電極部分２２に吸着した際に、振動板５１の部分５１ａに隣接している部分５１ｂが、部分５１ａの変形に伴って一緒に変形しても、当該部分５１ｂに対向している電極部分、すなわち電極接続部分２３との距離が大きいので、当該部分５１ｂが個別電極１１の側に吸着することはない。
【００３２】
これに対して、図５（ｂ）に示すように補助電極部分２２と主電極部分２１が連続して隣接配置されている場合には、この図に示すように、振動板５１の部分５１ｂが補助電極部分２２に対向している振動板部分５１ａと共に弾性変形すると、当該部分５１ｂが主電極部分２１に近接した状態になるので、当該部分５１ｂが主電極部分２１に吸着される惧れがある。振動板５１がこのように弾性変形すると、インクノズル８から不必要なインク液滴が吐出する可能性があり、良好な印字品位を確保できない。また、このインク液滴は適正なインク液滴の吐出状態とは異なり、吐出速度が遅いので、インクノズル８の表面部分に付着して、記録媒体などを汚してしまう。
【００３３】
このように、本例のインクジェットヘット１では、インク液滴を吐出させない空吐出駆動を適切に行うことができる。これに加えて、補助電圧パルスＰ２の許容設定電圧範囲を図５（ｂ）に示す構成の場合に比べて広くとることができる。このことは、インクジェットヘッド１の駆動回路の設計において極めて有利である。
【００３４】
図６は、本例の場合および従来の場合における補助電圧パルスＰ２の許容設定電圧範囲を比較して示すグラフであり、図７は、図６に示す各許容設定電圧範囲が得られる構成例を示す説明図である。図６の縦軸は補助電圧パルスＰ２の振幅、すなわち電圧値を示す。許容設定電圧範囲の上限値は、補助電圧パルス印加時において、不必要なインク液滴が吐出しない、あるいは、振動板５１が主電極部分２１に吸着されることのない最大電圧値であり、下限値は、補助電圧パルス印加時において、空吐出駆動の効果がある、あるいは、振動板５１を補助電極部分２２に吸着させるために必要な最小電圧値である。
【００３５】
図６の範囲ａは、図７（ａ）、（ｂ）に示すように対向電極間隔が一定Ｇ１の従来例の場合に得られるものである。範囲ｃは、図７（ｃ）、（ｄ）に示すように補助電極部分２２と主電極部分２１の対向電極間間隔はＧ２、Ｇ１と異なっているがこれらが隣接配置されている従来の場合に得られるものである。対向電極間隔を二段階に変えると、振動板５１を補助電極部分２２に吸着させるために必要な電圧値（下限値）を下げることができ、全体としては範囲ａよりも広くなる。
【００３６】
これに対して、範囲ｅは本例のインクジェットヘッド１の場合のもの（図７（ｅ）、（ｆ）の構成）であり、従来における対向電極間隔を二段階に変えた場合（図７（ｃ）、（ｄ））に比べて、その上限値を上げ、下限値を下げることができ、全体として、補助電圧パルスＰ２の許容設定電圧範囲を大幅に広くできる。
【００３７】
次に、本例のインクジェットヘッド１では、図７（ｅ）、（ｆ）に示すように、個別電極１１の主電極部分２１、補助電極部分２２および電極接続部分２３の幅は同一である。これらの幅を調整することにより、補助電圧パルスＰ２の許容設定電圧範囲を変更することができる。
【００３８】
例えば、図７（ｇ）に示すように、個別電極１１における電極接続部分２３の幅を最も狭い幅Ｗ２にすれば、各部分が同一幅Ｗ１の場合（図７（ｅ））に比べて、補助電極部分２２に振動板５１を吸着させる際において主電極部分２１に対して振動板５１が吸着されにくくなるので、図６の範囲ｇに示すように、許容設定電圧範囲の上限値を上げることができる。
【００３９】
また、図７（ｈ）に示すように、個別電極１１における補助電極部分２３の幅を最も狭いＷ２とし、それ以外の部分を幅Ｗ１とすれば、許容設定電圧範囲は図６に示す範囲ｈとなり、同一幅の場合の範囲ｅに比べて補助電圧パルスの許容設定電圧範囲を広げることができる。また、電極接続部分２２の幅を最も狭くする場合（図７（ｇ））に比べて、補助パルス電圧の許容設定電圧範囲を全体として上側の範囲にシフトさせることができる。
【００４０】
さらに、図７（ｉ）に示すように、個別電極１１における補助電極部分２３の幅を最も広い幅Ｗ３とし、それ以外の部分を幅Ｗ１とすれば、その許容設定電圧範囲は図６の範囲ｉとなり、各部分が同一幅の場合に比べて、補助電圧パルスの許容設定電圧範囲を広くすることができ、特に、許容設定電圧範囲の下限値を低くすることができる。
【００４１】
このように、本例によれば、個別電極における主電極部分２１の幅に対する、補助電極部分２２および／または電極接続部分２３の幅を調整することにより、補助電圧パルスＰ２の許容設定電圧範囲を調整することができる。
【００４２】
ここで、電極接続部分の長さは０．０１ｍｍ以上とすることが望ましい。すなわち、後述にように半導体製造プロセスによってインクジェットヘッドを制作する加工プロセスにおける露光用マスクの合わせ精度、パターニング時やエッチング時のサイドエッチ量(補正量)を考慮した場合には、電極接続部分の長さを少なくとも１０μｍ(０．０１ｍｍ)にする必要がある。
【００４３】
（駆動制御装置）
次に、図８は本例のインクジェットヘッド１の駆動制御装置の例を示す概略ブロック図である。本例の駆動制御装置６１は、ＣＰＵを中心に構成されたインクジェットヘッド制御部６２を有している。ＣＰＵには外部装置６３からバスを介して印刷情報が供給され、また、内部バスを介してＲＯＭ、ＲＡＭおよびキャラクタジェネレータ６４が接続されている。
【００４４】
インクジェットヘッド制御部６２では、ＲＡＭ内の記憶領域を作業領域として用いて、ＲＯＭ内に格納されている制御プログラムを実行し、キャラクタージェネレータ６４から発生するキャラクター情報に基づき、インクジェットヘッド駆動用の制御信号を生成する。制御信号は論理ゲートアレイ６５および駆動パルス発生回路６６を介して、印刷情報に対応した駆動制御信号となって、コネクタ６７を経由して、ヘッド基板６８に形成されたヘッドドライバＩＣ６９に供給される。また、ヘッドドライバＩＣ６９には、駆動電圧パルス信号Ｖ３、制御信号ＬＰ、極性反転制御信号ＲＥＶも供給される。
【００４５】
ヘッドドライバＩＣ６９では、供給された上記の各信号および電源回路７０から供給される駆動電圧Ｖｐに基づき、インクジェットヘッド１の各振動板５１、すなわち共通電極に印加すべき駆動電圧パルスをその共通出力端子ＣＯＭから出力し、各インクノズル８に対応する各個別電極に印加すべき駆動電圧パルスを、各個別電極に対応した個数の個別出力端子ＳＥＧから出力する。共通出力端子ＣＯＭの出力と個別出力端子ＳＥＧの出力との電位差が各インクノズルに対応した各振動板５１と、それぞれに対峙している個別電極の間に印加される。駆動時（インク液滴の吐出時）には指定された向きの駆動電位差波形を与え、非駆動時には駆動電位差を与えないようになっている。
【００４６】
駆動パルス発生回路６６では、所定のパルス幅を有する駆動電圧パルスおよび決定された吐出回数で印字１画素を形成するような制御信号ＬＰを生成してヘッドドライバＩＣ６９に出力する。本例では、前述のように、インク液滴を吐出するための駆動電圧パルスＰ１および空吐出駆動を行うための補助電圧パルスＰ２を対向電極間に印加することができる。
【００４７】
すなわち、駆動制御装置６１では、振動板５１と各個別電極１１の間に、第１の駆動電圧パルスＰ１を印加して、振動板５１を個別電極１１における主電極部分２１および補助電極部分２３に当接する状態まで弾性変形させることにより、インクノズル８からインク液滴を吐出させる。また、振動板５１と個別電極１１の間に、駆動電圧パルスＰ１に比べて少なくとも振幅の小さな補助電圧パルスＰ２を印加して、振動板５１を個別電極１１における補助電極部分２３にのみ当接する状態まで弾性変形させることにより、インクノズルのインクメニスカスの振動、および／またはインク液滴が吐出した後における圧力室５の残留圧力振動の抑制を行う。
【００４８】
（ガラス基板の製造方法）
なお、本例のインクジェットヘッド１のガラス基板４の表面には、次のようにして三段階に深さが切り替わっている凹部４１を形成することができる。
【００４９】
図９はその形成プロセスの一例を示す工程図である。この図に示す製造工程では、まず、ガラス基板素材４００を用意し（ステップＳＴ１）、この表面に金薄膜Ａｕ、クロム薄膜Ｃｒ、およびレジスト膜４０２をこの順序でスパッタし（ステップＳＴ２）、レジスト膜４０２を介して露光し、弱アルカリ性溶液を用いて現像した後に、クロム薄膜Ｃｒおよび金薄膜Ａｕをそれぞれ硝酸セリウムアンモニウムおよびヨウ化カリウム水溶液を用いてパターニングする（ステップＳＴ３）。この後に、フッ酸を用いて露出したガラス基板素材４００の表面部分に第１回目のエッチングを施し、第１の凹部４０３を形成する（ステップＳＴ４）。
【００５０】
次に、レジスト膜４０２を剥離した後に新たなレジスト膜４０４を塗布した後に（ステップＳＴ５、６）、再び、ステップ３と同様にして、クロム薄膜Ｃｒおよび金薄膜Ａｕのパターニングを行い（ステップＳＴ７）、しかる後に、第２回目のガラス基板素材４００の表面露出部分のエッチングを行う（ステップＳＴ８）。これにより第１の凹部４０３を深くすると共に、これに隣接する部分に浅い第２の凹部４０５を形成する。
【００５１】
この後は、ステップＳＴ５、６と同様にレジスト膜４０４を剥離した後に再度新たなレジスト膜４０６を塗布し（ステップＳＴ９）、ステップＳＴ７と同様にしてクロム薄膜Ｃｒおよび金薄膜Ａｕのパターニングを行った後に（ステップＳＴ１０）、ガラス基板素材４００の露出表面に対して第３回目のエッチングを施し（ステップＳＴ１１）、これにより、ガラス基板素材４００の表面に、最も深い底部分４５、それよりも浅い底部分４２および最も浅い底部分４３を備えた凹部４１が形成される。
【００５２】
この後は、クロム薄膜Ｃｒおよび金薄膜Ａｕをそれぞれ硝酸セリウムアンモニウムおよびヨウ化カリウム水溶液を用いて除去した後に（ステップＳＴ１２）、ガラス基板素材表面にＩＴＯ薄膜４０８をスパッタすると共にその上にレジスト膜４０９を塗布する（ステップＳＴ１３）。しかる後に、レジスト膜を露光・現像して、王水を用いてＩＴＯ薄膜のパターニングを行い（ステップＳＴ１４、１５）、最後にレジスト膜を剥離液（ジメチルスルオキシド＋Ｎ−メチルー２−ビロリドン）により剥離することで、凹部４１の底面に個別電極１１が形成される（ステップＳＴ１６）。
【００５３】
この工程では、ガラス基板素材の表面に対して３回のエッチングを行う必要がある。しかるに、クロム薄膜Ｃｒおよび金薄膜Ａｕのスパッタリングは１回だけであるので、エッチングに先立つ３回のレジスト薄膜の現像によって、これらの保護膜がダメージを受けてパターニング精度が低下する惧れがある。この弊害を防止するためには、図１０に示す工程を採用することが望ましい。
【００５４】
図１０に示す工程において、ステップＳＴ２１、２２は上記のステップＳＴ１、２と同様に、金薄膜Ａｕ、クロム薄膜Ｃｒ、レジスト膜４０１をガラス基板素材４００の表面に形成する。この後は、形成すべき凹部４１における最も浅い底部分４３を除く部分に対応するパターニングを行い、底部分４２に対応する深さの凹部４１０をガラス基板素材表面に形成するための第１回目のエッチングを行う（ステップＳＴ２３、２４）。
【００５５】
この後は、レジスト膜４０２、クロム薄膜Ｃｒおよび金薄膜Ａｕを除去した後（ステップＳＴ２５、２６）、ステップＳＴ２２と同様に、ガラス基板素材表面に金薄膜Ａｕ、クロク薄膜Ｃｒおよびレジスト膜４１１をこの順序で積層し（ステップＳＴ２７）、パターニングを行い（ステップＳＴ２８）、第２回目のエッチングをガラス基板素材表面に施して、最も深い底部分４５および最も浅い底部分４３に対応する部分を形成する（ステップＳＴ２９）。
【００５６】
この後は、図９に示すステップＳＴ１２〜ＳＴ１６と同様のステップＳＴ３０〜ＳＴ３３を経て、ＩＴＯ薄膜からなる個別電極が形成される。
【００５７】
この工程では、ガラス基板素材表面のエッチング回数を２回に減らすことができ、また、クロク薄膜Ｃｒおよび金薄膜Ａｕのスパッタリングが２回に増えるので、保護膜としてのクロク薄膜および金薄膜のダメージを少なくでき、パターニング精度を上げることができる。しかるに、高価なクロク薄膜、金薄膜のスパッタリング回数が増えてしまう。
【００５８】
図１１には別のガラス基板の製造工程を示してある。この工程は高価な金の使用を省略したものである。この図の工程において、ステップＳＴ４１〜ＳＴ４５の各ステップは、図１０におけるステップＳＴ３１〜ＳＴ３５において金薄膜を省略した以外は同一である。しかるに、本例の工程では、この後に、クロク薄膜を除去することなく、その上に新たなレジスト膜を塗布し（ステップＳＴ４６）、しかる後は、図１０におけるステップＳＴ２８、２９、３０に対応するステップＳＴ４７、４８、４９を行い、凹部４１をガラス基板素材表面に形成するようにしている。この後の個別電極の形成工程であるステップＳＴ５０〜５３は図１０のステップＳＴ３１〜３３と同一である。
【００５９】
この図１１に示す工程によれば、ガラスエッチング回数は２回でよく、高価な金薄膜を使用しなくて済み、さらにはクロク薄膜のスパッタリングも１回ですむ。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のインクジェットヘッドにおいては、対向電極に、主電極部分と、補助電極部分と、これらの間に形成された電極接続部分とを形成し、主電極部分と振動板を第１の間隔で対向させ、補助電極部分と振動板を第１の間隔よりも狭い第２の間隔で対向させ、さらに、電極接続部分と振動板を第１の間隔よりも広い第３の間隔で対向させた構成となっている。
【００６１】
広い間隔で振動板に対向している主電極部分と、狭い間隔で振動板に対向している補助電極部分との間に、最も広い間隔で振動板に対向している電極接続部分を形成されているので、補助電極部分に振動板が吸引された場合に、補助電極部分に吸着した振動板部分に隣接している振動板の部分が最も広い間隔の電極接続部分に対向する。よって、当該部分が個別電極の側に吸着されてしまうことを確実に防止できる。
【００６２】
この結果、振動板の補助電極部分に対向している部分のみを確実に当該補助電極部分に吸着させることができるので、補助電圧パルスを用いて、不要なインク液滴を吐出させることなく、インクノズルのインクメニスカスを振動させることができ、インク液滴吐出後の残留圧力変動を速やかに抑制することができる。
【００６３】
また、振動板の補助電極部分に対向している部分のみを個別電極に吸着させるために印加する補助電圧パルスの許容設定電圧範囲を広くとることができるので、インクジェットヘッドの駆動電圧パスル発生回路などの回路設計にとって極めて有利になる。
【００６４】
さらに、本発明によれば、対向電極における主電極部分の幅に対する、補助電極部分および／または電極接続部分の幅を調整することにより、補助電圧パルスの許容設定電圧範囲を調整できるので、補助電圧パルスの電圧値設定などの自由度が増すなどの回路設計上の利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用したインクジェットヘッドの一例を示す斜視図である。
【図２】図１のインクジェットヘッドのＩＩ−ＩＩ線に沿って切断した部分の断面図である。
【図３】図１のインクジェットヘッドにおけるガラス基板表面に形成されている個別電極のパターンを示す説明図である。
【図４】（ａ）および（ｂ）は図１のインクジェットヘッドの振動板の動作を示す説明図であり、（ｃ）および（ｄ）はインク吐出用の駆動電圧パルスを示す信号波形図および空駆動用の補助電圧パルスを示す信号波形図である。
【図５】図１のインクジェットヘッドの特徴を示す説明図、および従来のインクジェットヘッドにおける弊害を示す説明図である。
【図６】図１のインクジェットヘッドにおける補助電圧パルスの許容設定電圧範囲を、従来のインクジェットヘッドの場合と共に示すグラフである。
【図７】図６のグラフにおける各許容設定電圧範囲に対応する対向電極部分の構成を示す説明図である。
【図８】図１のインクジェットヘッドの駆動制御装置の一例を示す概略ブロック図である。
【図９】図１のインクジェットヘッドのガラス基板の製造プロセスの例を示す工程図である。
【図１０】図１のインクジェットヘッドのガラス基板の製造プロセスの別の例を示す工程図である。
【図１１】図１のインクジェットヘッドのガラス基板の製造プロセスの更に別の例を示す工程図である。
【符号の説明】
１ インクジェットヘッド
２ シリコン基板
３ ノズル基板
４ ガラス基板
４１ 凹部
４２、４３、４５ 凹部の底部分
５ 圧力室
５１ 振動板
５１ａ 補助電極部分に対向している振動板部分
８ インクノズル
１１ 個別電極
２１ 主電極部分
２２ 補助電極部分
２３ 電極接続部分
６１ 駆動制御装置
Ｐ１ 駆動電圧パルス
Ｐ２ 補助電圧パルス
ａ、ｃ、ｅ、ｇ、ｈ、ｉ 補助電圧パルスの許容設定電圧範囲
Ｇ１ 主電極部分と振動板の間隔
Ｇ２ 補助電極部分と振動板の間隔
Ｇ３ 電極接続部分と振動板の間隔
Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３ 個別電極の各部分の幅
【発明の属する技術分野】
本発明は、インクジェットヘッドのインク液滴の吐出と分離を安定的に行うこと、およびインクジェットヘッドのインクノズル内で増粘または膜化したインクを拡散する動作を適切に行うことのできるインクジェットヘッド、およびその駆動方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
静電駆動式のインクジェットヘッドは、一般に、インクを加圧してインク液滴をインクノズルから吐出させるための圧力を発生する圧力室を備えている。この圧力室は各インクノズルに連通していると共に、インク供給経路を介してインク供給源に連通している。各圧力室の底壁部分には面外方向に弾性変形可能な共通電極としての振動板が形成されており、各振動板には一定の間隔で個別電極が対向配置されている。各振動板と個別電極の間に電圧パルスを印加することにより発生する静電気力により各振動板を個別に弾性変形させ、これにより各インクノズルからインク液滴を個別に吐出させることができるようになっている。
【０００３】
かかるインクジェットヘッドでは、一定時間以上に亘り、インクノズルからインク液滴が吐出されないと、印刷の際にインク液滴が吐出しなかったり、吐出不良になるという問題がある。また、インク液滴の吐出後の圧力室において大きなインク圧力の残留振動が発生すると、不必要なインク液滴の吐出や、後続のインク液滴の吐出動作に影響を与え、インク液滴の飛翔方向が偏向してしまうなどの問題がある。
【０００４】
このような問題を解消するために、本願人は、特開平１０−２８６９５２号公報、同２０００−３３４９４２号公報などにおいて、振動板と個別電極の間に、広い隙間部分と狭い隙間部分を形成した構成を提案している。インク液滴を吐出させる場合には、大きな振幅およびパルス幅の駆動電圧パルスを振動板および個別電極間に印加して、振動板が全体として個別電極に当接するように弾性変形させることで大きなインク吐出圧力を形成している。また、小さな振幅および幅の補助電圧パルスを印加して、狭い間隔で対向している振動板の一部分のみを個別電極に当接するように弾性変形させることで、インク液滴を吐出させることなく、インクノズルのインクメニスカスを振動させ、あるいは、インク液滴吐出後の残留圧力振動を抑制する空吐出駆動を行うようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、広い間隔で振動板に対向している個別電極の部分と、狭い間隔で振動板に対向している個別電極の部分とを電気的に分離して、それぞれと振動板との間の充放電を個別に制御する場合には、振動板の各部分を適切に振動させることができる。
【０００６】
しかるに、電気的に分離していない単一の個別電極を用いる場合には、個別電極の全体に電圧が印加されるので、狭い間隔部分で個別電極に対向している振動板部分のみを個別電極に当接させようとする場合、隣接している広い間隔部分に対向する振動板の部分も一緒に個別電極側に吸引され、個別電極に接近すると、これらの間に発生している静電吸引力によって当該部分も当接するような弾性変形を起こす惧れがある。かかる弾性変形が発生すると、振動板を適切に振動させることが出来なくなるので、所期の目的を達成できない場合もある。このような事態を回避するためには、印加される振幅の小さな補助電圧パルスの電圧値を精度良く制御する必要がある。換言すると、補助電圧パルスの許容設定電圧範囲を狭くする必要がある。
【０００７】
本発明の課題は、補助電圧パルスによる空吐出駆動を確実に行うことのできるインクジェットヘッド、およびその駆動方法を提案することにある。
【０００８】
また、本発明の課題は、インク液滴を吐出させない振幅の小さな補助電圧パルスの許容設定電圧範囲を狭くすることなく、振動板を適切な状態で振動させることのできるインクジェットヘッド、およびその駆動方法を提案することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、インクノズルに連通している圧力室の一部を規定している振動板と、この振動板に対向配置されている対向電極とを有し、前記振動板の前記対向電極側の面は平面であり、前記振動板および前記対向電極の間に電圧を印加することにより発生する前記振動板の振動により、前記インクノズルからインク液滴が吐出するインクジェットヘッドにおいて、
前記対向電極は、主電極部分と、補助電極部分と、これらの間に形成された電極接続部分とを備えており、
前記主電極部分の振動板側面と前記振動板の対向電極側面は第１の間隔で対向しており、前記補助電極部分の振動板側面と前記振動板の対向電極側面は前記第１の間隔よりも狭い第２の間隔で対向しており、前記電極接続部分の振動板側面と前記振動板の対向電極側面は前記第１の間隔よりも広い第３の間隔で対向していることを特徴としている。
【００１０】
本発明のインクジェットヘッドでは、広い間隔で振動板に対向している主電極部分と、狭い間隔で振動板に対向している補助電極部分との間に、最も広い間隔で振動板に対向している電極接続部分を形成してある。従って、補助電極部分に振動板が吸引された場合に、補助電極部分に吸着した振動板部分に隣接している振動板の部分は最も広い間隔の電極接続部分に対向しているので、当該部分が個別電極の側に吸着されることが防止される。また、振動板の補助電極部分に対向している部分のみを確実に当該補助電極部分に吸着させることができるので、振動板の補助電極部分に対向している部分のみを個別電極に吸着させるために印加する駆動電圧パルスの許容設定電圧範囲を広くすることができる。
【００１１】
ここで、一般的には、前記振動板は略平行四辺形のものとされ、前記インクノズルは前記振動板における長辺方向の一方の端部分に対応する位置に配置され、前記補助電極部分は前記振動板の前記端部分に対向配置される。
【００１２】
また、一般的なインクジェットヘッドは複数個のインクノズルを備えている。従って、複数個の前記インクノズルのそれぞれに連通した複数の前記圧力室と、各圧力室に形成された複数の前記振動板と、これら振動板のそれぞれに対向配置されている複数の前記対向電極とを備えた構成とされる。この場合には、前記振動板のそれぞれは共通の電位に保持される共通電極であり、前記対向電極のそれぞれは個別に電圧が印加される個別電極である。
【００１３】
さらに、インクジェットヘッドは半導体基板などを積層することにより構成することができ、この場合には、前記圧力室は半導体基板の表面に形成した凹部によって規定され、前記振動板は前記凹部の底壁部分に形成される。また、前記個別電極は、前記半導体基板の裏面に積層したガラス基板における各振動板に対向している部分に形成した凹部の底面に形成した導電性金属薄膜から形成される。さらに、前記ガラス基板の各凹部は、前記個別電極における前記補助電極部分が形成されている部分が最も浅く、前記電極接続部分が形成されている部分が最も深くなるように形成される。
【００１４】
次に、前記対向電極における前記電極接続部分の幅を最も狭くすれば、各部分が同一幅の対向電極を用いる場合に比べて、補助電極部分に振動板を吸着させるために加える補助電圧パルスの許容設定電圧範囲を上下に広げることができる。
【００１５】
また、前記対向電極における前記補助電極部分の幅を最も狭くすれば、各部分が同一幅の対向電極を用いる場合に比べて、補助電圧パルスの許容設定電圧範囲を広げることができる。また、電極接続部分の幅を最も狭くする場合に比べて、補助電圧パルスの許容設定電圧範囲を全体として上側の範囲にシフトさせることができる。
【００１６】
さらに、前記対向電極における前記補助電極部分の幅を最も広くすれば、各部分が同一幅の対向電極を用いる場合に比べて、補助電圧パルスの許容設定電圧範囲を広くすることができる。特に、許容設定電圧範囲の下限値を低くすることができる。
【００１７】
ここで、前記電極接続部分の長さは０．０１ｍｍ以上とすることが望ましい。
【００１８】
次に、本発明は、上記構成のインクジェットヘッドの駆動方法であって、
前記振動板と前記対向電極の間に、駆動電圧パルスを印加して、前記振動板を前記対向電極における前記主電極部分および前記補助電極部分に当接する状態まで弾性変形させることにより、前記インクノズルからインク液滴を吐出させ、
前記振動板と前記対向電極の間に、前記駆動電圧パルスに比べて少なくとも振幅の小さな補助電圧パルスを印加して、前記振動板を前記対向電極における前記補助電極部分にのみ当接する状態まで弾性変形させることにより、前記インクノズルのインクメニスカスの振動、および／またはインク液滴が吐出した後における前記圧力室の残留圧力振動の抑制を行うことを特徴としている。
【００１９】
ここで、前記対向電極における前記主電極部分の幅に対する、前記補助電極部分および／または前記電極接続部分の幅を調整することにより、前記補助電圧パルスの許容設定電圧範囲を調整できる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して、本発明を適用したインクジェットヘッドの一例を説明する。
【００２１】
図１は本例のインクジェットヘッドを示す分解斜視図であり、図２はそのＩＩ−ＩＩ線で切断した部分のの断面図であり、図３はそのガラス基板の平面図である。これらの図を参照して説明すると、インクジェッドヘッド１は、シリコン基板２を挟み、上側に同じくシリコン製のノズルプレート３、下側にシリコンと熱膨張率が近いホウ珪酸ガラス基板４がそれぞれ積層された３層構造となっている。中央のシリコン基板２には、その表面からエッチングを施すことにより、独立した複数、例えば５つの圧力室５と、１つの共通インク室６と、この共通インク室６を各圧力室５に連通しているインク供給路７としてそれぞれ機能する溝が加工されている。これらの溝がノズルプレート３によって塞がれて、各部分５、６、７が区画形成されている。
【００２２】
ノズルプレート３には、細長い略平行四辺形をした各圧力室５の長辺方向の先端側の端部分に対応する位置に、インクノズル８が形成されており、これらが各圧力室５に連通している。また、共通インク室６が形成されているシリコン基板２の部分には当該共通インク室６の底壁部分を貫通するインク供給口９が形成されている。インクは、外部のインクタンク（図示せず）から、インク供給口９を通って共通インク室６に供給される。共通インク室６に供給されたインクは、各インク供給路７を通って、独立した各圧力室５に供給される。
【００２３】
独立した各圧力室５は、その底壁部分５１が薄肉とされて、面外方向、すなわち、図２において上下方向に弾性変位可能な振動板として機能するように設定されている。したがって、この底壁５１の部分を、以後の説明の都合上、振動板と称して説明することもある。
【００２４】
次に、シリコン基板２の下側に位置しているガラス基板４においては、その上面であるシリコン基板２との接合面には、シリコン基板２の各圧力室５に対応した位置に、浅くエッチングされた凹部４１が形成されている。したがって、各圧力室５の振動板（底壁）５１は、非常に僅かの隙間を隔てて凹部４１が形成されたガラス基板４の表面に対峙している。
【００２５】
各圧力室５の振動板５１は各圧力室側の共通電極として機能する。この共通電極としての各振動板５１に対向する位置に形成されているガラス基板４の各凹部底面には、個別電極１１が形成されている。シリコン基板２の下面であるガラス基板４との接合面は無機ガラスからなる絶縁層（図示せず）により覆われている。導電性のあるシリコン基板２には共通電極端子１２形成されており、この共通電極端子１２と各個別電極１１との間に、後述の駆動制御装置６１によって駆動電圧パルスおよび補助電圧パルスが印加される。
【００２６】
図２を参照して説明すると、各振動板５１の裏面（シリコン基板２の裏面）は平坦面となっているが、ガラス基板４に形成した各凹部４１の側は、その深さが凹部長辺方向において三段階に切り替わっている。圧力室５の基端側、すなわち、振動板５１の長辺方向におけるインク供給路７の側の端から、先端側近傍までの凹部４１の底部分４２は深く、振動板５１の先端部分に対峙する凹部底部分４３のみが浅い。さらに、これらの底部分４２と底部分４３の間には、最も深い底部分４５が形成されている。この形状の凹部４１の底部分４２、４３、４５には同一厚さのＩＴＯなどの金属電極薄膜が積層されて、個別電極１１が形成されている。
【００２７】
従って、個別電極１１には、第１の間隔Ｇ１で振動板５１に対向している主電極部分２１と、これよりも狭い第２の間隔Ｇ２で振動板５１に対向している補助電極部分２２と、第１の間隔Ｇ１よりも広い第３の間隔Ｇ３で振動板５１に対向していると共に主電極部分２１および補助電極部分２２を接続している電極接続部分２３とが形成されている。主電極部分２１には凹部４１の底部分４２に沿って外部に引き出されているリード部分２４が連続しており、このリード部分２４の端がリード端子２４ａとなっている。
【００２８】
このように三段階の隙間Ｇ１ないしＧ３が形成されているので、振動板５１と個別電極１１の間に、同一の電圧を印加しても、その大きさによって、振動板５１における弾性変形して個別電極１１の側に吸着される部分が異なる。
【００２９】
図４を参照して、本例のインクジェットヘッド１の動作を説明する。駆動電圧波形として大波形のもの、即ち、図４（ｃ）に示すようにパルス高さＶ３１および幅Ｐｗ１が大きな駆動電圧パルスＰ１を対向電極間に印加した場合には、図４（ａ）に示すように、振動板５１が全体として弾性変形して個別電極１１の側に吸着される。かかる振動板５１の全体的な弾性変形によって、インクノズル８から所定質量のインク液滴が所定速度で吐出される。
【００３０】
これに対して、駆動電圧波形として小波形のもの、即ち、図４（ｄ）に示すようにパルス高さＶ３２および幅Ｐｗ２が小さい補助電圧パルスＰ２を電極間に印加した場合には、図４（ｂ）に示すように、最も小さな隙間Ｇ２で個別電極１１の補助電極部分２２に対向している振動板５１の部分５１ａのみが弾性変位して当該補助電極部分２２に吸着する。このように補助電圧パルスＰ２を印加することにより、インク液滴がインクノズルから吐出しない、所謂空吐出駆動を行うことができる。この空吐出駆動を例えばインク液滴の吐出動作の後に行うことにより、圧力室５内の残留圧力変動を短時間の間で抑制でき、後続のインク液滴の吐出方向が残留圧力振動に起因して偏向してしまうなどの弊害を回避できる。
【００３１】
ここで、本例のインクジェットヘッド１では、最も間隔の狭い補助電極部分２２と、主電極部分２１との間に、最も間隔が広い電極接続部分２３が形成されている。従って、図５（ａ）に示すように、補助電圧パルスＰ２を印加して補助電極部分２２に対向している振動板５１の部分５１ａを補助電極部分２２に吸着した際に、振動板５１の部分５１ａに隣接している部分５１ｂが、部分５１ａの変形に伴って一緒に変形しても、当該部分５１ｂに対向している電極部分、すなわち電極接続部分２３との距離が大きいので、当該部分５１ｂが個別電極１１の側に吸着することはない。
【００３２】
これに対して、図５（ｂ）に示すように補助電極部分２２と主電極部分２１が連続して隣接配置されている場合には、この図に示すように、振動板５１の部分５１ｂが補助電極部分２２に対向している振動板部分５１ａと共に弾性変形すると、当該部分５１ｂが主電極部分２１に近接した状態になるので、当該部分５１ｂが主電極部分２１に吸着される惧れがある。振動板５１がこのように弾性変形すると、インクノズル８から不必要なインク液滴が吐出する可能性があり、良好な印字品位を確保できない。また、このインク液滴は適正なインク液滴の吐出状態とは異なり、吐出速度が遅いので、インクノズル８の表面部分に付着して、記録媒体などを汚してしまう。
【００３３】
このように、本例のインクジェットヘット１では、インク液滴を吐出させない空吐出駆動を適切に行うことができる。これに加えて、補助電圧パルスＰ２の許容設定電圧範囲を図５（ｂ）に示す構成の場合に比べて広くとることができる。このことは、インクジェットヘッド１の駆動回路の設計において極めて有利である。
【００３４】
図６は、本例の場合および従来の場合における補助電圧パルスＰ２の許容設定電圧範囲を比較して示すグラフであり、図７は、図６に示す各許容設定電圧範囲が得られる構成例を示す説明図である。図６の縦軸は補助電圧パルスＰ２の振幅、すなわち電圧値を示す。許容設定電圧範囲の上限値は、補助電圧パルス印加時において、不必要なインク液滴が吐出しない、あるいは、振動板５１が主電極部分２１に吸着されることのない最大電圧値であり、下限値は、補助電圧パルス印加時において、空吐出駆動の効果がある、あるいは、振動板５１を補助電極部分２２に吸着させるために必要な最小電圧値である。
【００３５】
図６の範囲ａは、図７（ａ）、（ｂ）に示すように対向電極間隔が一定Ｇ１の従来例の場合に得られるものである。範囲ｃは、図７（ｃ）、（ｄ）に示すように補助電極部分２２と主電極部分２１の対向電極間間隔はＧ２、Ｇ１と異なっているがこれらが隣接配置されている従来の場合に得られるものである。対向電極間隔を二段階に変えると、振動板５１を補助電極部分２２に吸着させるために必要な電圧値（下限値）を下げることができ、全体としては範囲ａよりも広くなる。
【００３６】
これに対して、範囲ｅは本例のインクジェットヘッド１の場合のもの（図７（ｅ）、（ｆ）の構成）であり、従来における対向電極間隔を二段階に変えた場合（図７（ｃ）、（ｄ））に比べて、その上限値を上げ、下限値を下げることができ、全体として、補助電圧パルスＰ２の許容設定電圧範囲を大幅に広くできる。
【００３７】
次に、本例のインクジェットヘッド１では、図７（ｅ）、（ｆ）に示すように、個別電極１１の主電極部分２１、補助電極部分２２および電極接続部分２３の幅は同一である。これらの幅を調整することにより、補助電圧パルスＰ２の許容設定電圧範囲を変更することができる。
【００３８】
例えば、図７（ｇ）に示すように、個別電極１１における電極接続部分２３の幅を最も狭い幅Ｗ２にすれば、各部分が同一幅Ｗ１の場合（図７（ｅ））に比べて、補助電極部分２２に振動板５１を吸着させる際において主電極部分２１に対して振動板５１が吸着されにくくなるので、図６の範囲ｇに示すように、許容設定電圧範囲の上限値を上げることができる。
【００３９】
また、図７（ｈ）に示すように、個別電極１１における補助電極部分２３の幅を最も狭いＷ２とし、それ以外の部分を幅Ｗ１とすれば、許容設定電圧範囲は図６に示す範囲ｈとなり、同一幅の場合の範囲ｅに比べて補助電圧パルスの許容設定電圧範囲を広げることができる。また、電極接続部分２２の幅を最も狭くする場合（図７（ｇ））に比べて、補助パルス電圧の許容設定電圧範囲を全体として上側の範囲にシフトさせることができる。
【００４０】
さらに、図７（ｉ）に示すように、個別電極１１における補助電極部分２３の幅を最も広い幅Ｗ３とし、それ以外の部分を幅Ｗ１とすれば、その許容設定電圧範囲は図６の範囲ｉとなり、各部分が同一幅の場合に比べて、補助電圧パルスの許容設定電圧範囲を広くすることができ、特に、許容設定電圧範囲の下限値を低くすることができる。
【００４１】
このように、本例によれば、個別電極における主電極部分２１の幅に対する、補助電極部分２２および／または電極接続部分２３の幅を調整することにより、補助電圧パルスＰ２の許容設定電圧範囲を調整することができる。
【００４２】
ここで、電極接続部分の長さは０．０１ｍｍ以上とすることが望ましい。すなわち、後述にように半導体製造プロセスによってインクジェットヘッドを制作する加工プロセスにおける露光用マスクの合わせ精度、パターニング時やエッチング時のサイドエッチ量(補正量)を考慮した場合には、電極接続部分の長さを少なくとも１０μｍ(０．０１ｍｍ)にする必要がある。
【００４３】
（駆動制御装置）
次に、図８は本例のインクジェットヘッド１の駆動制御装置の例を示す概略ブロック図である。本例の駆動制御装置６１は、ＣＰＵを中心に構成されたインクジェットヘッド制御部６２を有している。ＣＰＵには外部装置６３からバスを介して印刷情報が供給され、また、内部バスを介してＲＯＭ、ＲＡＭおよびキャラクタジェネレータ６４が接続されている。
【００４４】
インクジェットヘッド制御部６２では、ＲＡＭ内の記憶領域を作業領域として用いて、ＲＯＭ内に格納されている制御プログラムを実行し、キャラクタージェネレータ６４から発生するキャラクター情報に基づき、インクジェットヘッド駆動用の制御信号を生成する。制御信号は論理ゲートアレイ６５および駆動パルス発生回路６６を介して、印刷情報に対応した駆動制御信号となって、コネクタ６７を経由して、ヘッド基板６８に形成されたヘッドドライバＩＣ６９に供給される。また、ヘッドドライバＩＣ６９には、駆動電圧パルス信号Ｖ３、制御信号ＬＰ、極性反転制御信号ＲＥＶも供給される。
【００４５】
ヘッドドライバＩＣ６９では、供給された上記の各信号および電源回路７０から供給される駆動電圧Ｖｐに基づき、インクジェットヘッド１の各振動板５１、すなわち共通電極に印加すべき駆動電圧パルスをその共通出力端子ＣＯＭから出力し、各インクノズル８に対応する各個別電極に印加すべき駆動電圧パルスを、各個別電極に対応した個数の個別出力端子ＳＥＧから出力する。共通出力端子ＣＯＭの出力と個別出力端子ＳＥＧの出力との電位差が各インクノズルに対応した各振動板５１と、それぞれに対峙している個別電極の間に印加される。駆動時（インク液滴の吐出時）には指定された向きの駆動電位差波形を与え、非駆動時には駆動電位差を与えないようになっている。
【００４６】
駆動パルス発生回路６６では、所定のパルス幅を有する駆動電圧パルスおよび決定された吐出回数で印字１画素を形成するような制御信号ＬＰを生成してヘッドドライバＩＣ６９に出力する。本例では、前述のように、インク液滴を吐出するための駆動電圧パルスＰ１および空吐出駆動を行うための補助電圧パルスＰ２を対向電極間に印加することができる。
【００４７】
すなわち、駆動制御装置６１では、振動板５１と各個別電極１１の間に、第１の駆動電圧パルスＰ１を印加して、振動板５１を個別電極１１における主電極部分２１および補助電極部分２３に当接する状態まで弾性変形させることにより、インクノズル８からインク液滴を吐出させる。また、振動板５１と個別電極１１の間に、駆動電圧パルスＰ１に比べて少なくとも振幅の小さな補助電圧パルスＰ２を印加して、振動板５１を個別電極１１における補助電極部分２３にのみ当接する状態まで弾性変形させることにより、インクノズルのインクメニスカスの振動、および／またはインク液滴が吐出した後における圧力室５の残留圧力振動の抑制を行う。
【００４８】
（ガラス基板の製造方法）
なお、本例のインクジェットヘッド１のガラス基板４の表面には、次のようにして三段階に深さが切り替わっている凹部４１を形成することができる。
【００４９】
図９はその形成プロセスの一例を示す工程図である。この図に示す製造工程では、まず、ガラス基板素材４００を用意し（ステップＳＴ１）、この表面に金薄膜Ａｕ、クロム薄膜Ｃｒ、およびレジスト膜４０２をこの順序でスパッタし（ステップＳＴ２）、レジスト膜４０２を介して露光し、弱アルカリ性溶液を用いて現像した後に、クロム薄膜Ｃｒおよび金薄膜Ａｕをそれぞれ硝酸セリウムアンモニウムおよびヨウ化カリウム水溶液を用いてパターニングする（ステップＳＴ３）。この後に、フッ酸を用いて露出したガラス基板素材４００の表面部分に第１回目のエッチングを施し、第１の凹部４０３を形成する（ステップＳＴ４）。
【００５０】
次に、レジスト膜４０２を剥離した後に新たなレジスト膜４０４を塗布した後に（ステップＳＴ５、６）、再び、ステップ３と同様にして、クロム薄膜Ｃｒおよび金薄膜Ａｕのパターニングを行い（ステップＳＴ７）、しかる後に、第２回目のガラス基板素材４００の表面露出部分のエッチングを行う（ステップＳＴ８）。これにより第１の凹部４０３を深くすると共に、これに隣接する部分に浅い第２の凹部４０５を形成する。
【００５１】
この後は、ステップＳＴ５、６と同様にレジスト膜４０４を剥離した後に再度新たなレジスト膜４０６を塗布し（ステップＳＴ９）、ステップＳＴ７と同様にしてクロム薄膜Ｃｒおよび金薄膜Ａｕのパターニングを行った後に（ステップＳＴ１０）、ガラス基板素材４００の露出表面に対して第３回目のエッチングを施し（ステップＳＴ１１）、これにより、ガラス基板素材４００の表面に、最も深い底部分４５、それよりも浅い底部分４２および最も浅い底部分４３を備えた凹部４１が形成される。
【００５２】
この後は、クロム薄膜Ｃｒおよび金薄膜Ａｕをそれぞれ硝酸セリウムアンモニウムおよびヨウ化カリウム水溶液を用いて除去した後に（ステップＳＴ１２）、ガラス基板素材表面にＩＴＯ薄膜４０８をスパッタすると共にその上にレジスト膜４０９を塗布する（ステップＳＴ１３）。しかる後に、レジスト膜を露光・現像して、王水を用いてＩＴＯ薄膜のパターニングを行い（ステップＳＴ１４、１５）、最後にレジスト膜を剥離液（ジメチルスルオキシド＋Ｎ−メチルー２−ビロリドン）により剥離することで、凹部４１の底面に個別電極１１が形成される（ステップＳＴ１６）。
【００５３】
この工程では、ガラス基板素材の表面に対して３回のエッチングを行う必要がある。しかるに、クロム薄膜Ｃｒおよび金薄膜Ａｕのスパッタリングは１回だけであるので、エッチングに先立つ３回のレジスト薄膜の現像によって、これらの保護膜がダメージを受けてパターニング精度が低下する惧れがある。この弊害を防止するためには、図１０に示す工程を採用することが望ましい。
【００５４】
図１０に示す工程において、ステップＳＴ２１、２２は上記のステップＳＴ１、２と同様に、金薄膜Ａｕ、クロム薄膜Ｃｒ、レジスト膜４０１をガラス基板素材４００の表面に形成する。この後は、形成すべき凹部４１における最も浅い底部分４３を除く部分に対応するパターニングを行い、底部分４２に対応する深さの凹部４１０をガラス基板素材表面に形成するための第１回目のエッチングを行う（ステップＳＴ２３、２４）。
【００５５】
この後は、レジスト膜４０２、クロム薄膜Ｃｒおよび金薄膜Ａｕを除去した後（ステップＳＴ２５、２６）、ステップＳＴ２２と同様に、ガラス基板素材表面に金薄膜Ａｕ、クロク薄膜Ｃｒおよびレジスト膜４１１をこの順序で積層し（ステップＳＴ２７）、パターニングを行い（ステップＳＴ２８）、第２回目のエッチングをガラス基板素材表面に施して、最も深い底部分４５および最も浅い底部分４３に対応する部分を形成する（ステップＳＴ２９）。
【００５６】
この後は、図９に示すステップＳＴ１２〜ＳＴ１６と同様のステップＳＴ３０〜ＳＴ３３を経て、ＩＴＯ薄膜からなる個別電極が形成される。
【００５７】
この工程では、ガラス基板素材表面のエッチング回数を２回に減らすことができ、また、クロク薄膜Ｃｒおよび金薄膜Ａｕのスパッタリングが２回に増えるので、保護膜としてのクロク薄膜および金薄膜のダメージを少なくでき、パターニング精度を上げることができる。しかるに、高価なクロク薄膜、金薄膜のスパッタリング回数が増えてしまう。
【００５８】
図１１には別のガラス基板の製造工程を示してある。この工程は高価な金の使用を省略したものである。この図の工程において、ステップＳＴ４１〜ＳＴ４５の各ステップは、図１０におけるステップＳＴ３１〜ＳＴ３５において金薄膜を省略した以外は同一である。しかるに、本例の工程では、この後に、クロク薄膜を除去することなく、その上に新たなレジスト膜を塗布し（ステップＳＴ４６）、しかる後は、図１０におけるステップＳＴ２８、２９、３０に対応するステップＳＴ４７、４８、４９を行い、凹部４１をガラス基板素材表面に形成するようにしている。この後の個別電極の形成工程であるステップＳＴ５０〜５３は図１０のステップＳＴ３１〜３３と同一である。
【００５９】
この図１１に示す工程によれば、ガラスエッチング回数は２回でよく、高価な金薄膜を使用しなくて済み、さらにはクロク薄膜のスパッタリングも１回ですむ。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のインクジェットヘッドにおいては、対向電極に、主電極部分と、補助電極部分と、これらの間に形成された電極接続部分とを形成し、主電極部分と振動板を第１の間隔で対向させ、補助電極部分と振動板を第１の間隔よりも狭い第２の間隔で対向させ、さらに、電極接続部分と振動板を第１の間隔よりも広い第３の間隔で対向させた構成となっている。
【００６１】
広い間隔で振動板に対向している主電極部分と、狭い間隔で振動板に対向している補助電極部分との間に、最も広い間隔で振動板に対向している電極接続部分を形成されているので、補助電極部分に振動板が吸引された場合に、補助電極部分に吸着した振動板部分に隣接している振動板の部分が最も広い間隔の電極接続部分に対向する。よって、当該部分が個別電極の側に吸着されてしまうことを確実に防止できる。
【００６２】
この結果、振動板の補助電極部分に対向している部分のみを確実に当該補助電極部分に吸着させることができるので、補助電圧パルスを用いて、不要なインク液滴を吐出させることなく、インクノズルのインクメニスカスを振動させることができ、インク液滴吐出後の残留圧力変動を速やかに抑制することができる。
【００６３】
また、振動板の補助電極部分に対向している部分のみを個別電極に吸着させるために印加する補助電圧パルスの許容設定電圧範囲を広くとることができるので、インクジェットヘッドの駆動電圧パスル発生回路などの回路設計にとって極めて有利になる。
【００６４】
さらに、本発明によれば、対向電極における主電極部分の幅に対する、補助電極部分および／または電極接続部分の幅を調整することにより、補助電圧パルスの許容設定電圧範囲を調整できるので、補助電圧パルスの電圧値設定などの自由度が増すなどの回路設計上の利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用したインクジェットヘッドの一例を示す斜視図である。
【図２】図１のインクジェットヘッドのＩＩ−ＩＩ線に沿って切断した部分の断面図である。
【図３】図１のインクジェットヘッドにおけるガラス基板表面に形成されている個別電極のパターンを示す説明図である。
【図４】（ａ）および（ｂ）は図１のインクジェットヘッドの振動板の動作を示す説明図であり、（ｃ）および（ｄ）はインク吐出用の駆動電圧パルスを示す信号波形図および空駆動用の補助電圧パルスを示す信号波形図である。
【図５】図１のインクジェットヘッドの特徴を示す説明図、および従来のインクジェットヘッドにおける弊害を示す説明図である。
【図６】図１のインクジェットヘッドにおける補助電圧パルスの許容設定電圧範囲を、従来のインクジェットヘッドの場合と共に示すグラフである。
【図７】図６のグラフにおける各許容設定電圧範囲に対応する対向電極部分の構成を示す説明図である。
【図８】図１のインクジェットヘッドの駆動制御装置の一例を示す概略ブロック図である。
【図９】図１のインクジェットヘッドのガラス基板の製造プロセスの例を示す工程図である。
【図１０】図１のインクジェットヘッドのガラス基板の製造プロセスの別の例を示す工程図である。
【図１１】図１のインクジェットヘッドのガラス基板の製造プロセスの更に別の例を示す工程図である。
【符号の説明】
１ インクジェットヘッド
２ シリコン基板
３ ノズル基板
４ ガラス基板
４１ 凹部
４２、４３、４５ 凹部の底部分
５ 圧力室
５１ 振動板
５１ａ 補助電極部分に対向している振動板部分
８ インクノズル
１１ 個別電極
２１ 主電極部分
２２ 補助電極部分
２３ 電極接続部分
６１ 駆動制御装置
Ｐ１ 駆動電圧パルス
Ｐ２ 補助電圧パルス
ａ、ｃ、ｅ、ｇ、ｈ、ｉ 補助電圧パルスの許容設定電圧範囲
Ｇ１ 主電極部分と振動板の間隔
Ｇ２ 補助電極部分と振動板の間隔
Ｇ３ 電極接続部分と振動板の間隔
Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３ 個別電極の各部分の幅
Claims (10)
- インクノズルに連通している圧力室の一部を規定している振動板と、この振動板に対向配置されている対向電極とを有し、前記振動板の前記対向電極側の面は平面であり、前記振動板および前記対向電極の間に電圧を印加することにより発生する前記振動板の振動により、前記インクノズルからインク液滴が吐出するインクジェットヘッドにおいて、
前記対向電極は、主電極部分と、補助電極部分と、これらの間に形成された電極接続部分とを備えており、
前記主電極部分の振動板側面と前記振動板の対向電極側面は第１の間隔で対向しており、前記補助電極部分の振動板側面と前記振動板の対向電極側面は前記第１の間隔よりも狭い第２の間隔で対向しており、前記電極接続部分の振動板側面と前記振動板の対向電極側面は前記第１の間隔よりも広い第３の間隔で対向していることを特徴とするインクジェットヘッド。 - 請求項１において、
前記振動板は略平行四辺形のものであり、
前記インクノズルは前記振動板における長辺方向の一方の端部分に対応する位置に配置されており、
前記補助電極部分は前記振動板の前記端部分に対向配置されていることを特徴とするインクジェットヘッド。 - 請求項２において、
複数個の前記インクノズルのそれぞれに連通した複数の前記圧力室と、各圧力室に形成された複数の前記振動板と、これら振動板のそれぞれに対向配置されている複数の前記対向電極とを備えており、
前記振動板のそれぞれは共通の電位に保持される共通電極であり、前記対向電極のそれぞれは個別に電圧が印加される個別電極であることを特徴とするインクジェットヘッド。 - 請求項３において、
前記圧力室は半導体基板の表面に形成した凹部を備え、
前記振動板は前記凹部の底壁部分に形成されており、
前記個別電極は、前記半導体基板の裏面に積層したガラス基板における各振動板に対向している部分に形成した凹部の底面に形成した導電性金属薄膜から形成されており、
前記ガラス基板の各凹部は、前記個別電極における前記補助電極部分が形成されている部分が最も浅く、前記電極接続部分が形成されている部分が最も深いことを特徴とするインクジェットヘッド。 - 請求項１ないし４のうちのいずれかの項において、
前記対向電極は、前記電極接続部分の幅が最も狭いことを特徴とするインクジェットヘッド。 - 請求項１ないし４のうちのいずれかの項において、
前記対向電極は、前記補助電極部分の幅が最も狭いことを特徴とするインクジェットヘッド。 - 請求項１ないし４のうちのいずれかの項において、
前記対向電極は、前記補助電極部分の幅が最も広いことを特徴とするインクジェットヘッド。 - 請求項１ないし７のうちのいずれかの項において、
前記電極接続部分の長さは０．０１ｍｍ以上であることを特徴とするインクジェットヘッド。 - 請求項１ないし８のうちのいずれかの項に記載のインクジェットヘッドの駆動方法であって、
前記振動板と前記対向電極の間に、駆動電圧パルスを印加して、前記振動板を前記対向電極における前記主電極部分および前記補助電極部分に当接する状態まで弾性変形させることにより、前記インクノズルからインク液滴を吐出させ、
前記振動板と前記対向電極の間に、前記駆動電圧パルスに比べて少なくとも振幅の小さな補助電圧パルスを印加して、前記振動板を前記対向電極における前記補助電極部分にのみ当接する状態まで弾性変形させることにより、前記インクノズルのインクメニスカスの振動、および／またはインク液滴が吐出した後における前記圧力室の残留圧力振動の抑制を行うことを特徴とするインクジェットヘッドの駆動方法。 - 請求項９において、
前記対向電極における前記主電極部分の幅に対する、前記補助電極部分および／または前記電極接続部分の幅を調整することにより、前記補助電圧パルスの許容設定電圧範囲を調整することを特徴とするインクジェットヘッドの駆動方法。
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