JP4227735B2 - Actuator, inkjet head, inkjet recording apparatus - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アクチュエータ及びインクジェットヘッド並びにインクジェット記録装置に関し、詳細には、静電引力を利用して振動板を変位させるアクチュエータ及び当該振動板上の液室を圧縮してインク滴を吐出するインクジェットヘッド並びにインクジェット記録装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
インクジェット記録装置は、現像・定着等のプロセスを必要とせず、非接触で記録を行うことができるために、記録時の騒音が極めて小さいこと、インクの自由度が高く、安価な普通紙を使用できることなど多くの利点を有していることから、プリンタ、ファクシミリ装置、複写装置等の画像記録装置として利用されるようになってきている。
【0003】
このようなインクジェット記録装置において使用するインクジェットヘッドは、インク滴を吐出するノズル孔と、このノズル孔が連通する吐出室(圧力室、加圧液室、液室、インク流路等とも称される。)と、この吐出室内のインクを加圧するエネルギーを発生するエネルギー発生手段(アクチュエータ)と、を備えて、アクチュエータを駆動することで吐出室内のインクを加圧して、ノズル孔からインク滴を吐出させるものであり、記録の必要なときにのみインク滴を吐出するインク・オン・デマンド方式のものが主流である。
【0004】
アクチュエータやインクジェットヘッドは、インク滴(記録液体)の発生方法及び飛翔方向を制御する制御方法により、いくつかの方式に大別されるるが、静電気力でインク滴を発生させる静電型アクチュエータ及び静電型アクチュエータを用いたインクジェットヘッドが多く用いられている(例えば、特開平4−52214号公報及び特開平3−293141号公報等参照)。
【0005】
この静電型アクチュエータは、一般に、シリコン基板からなる第1の基板(振動板基板)にエッチングによって液室とこの液室の一壁面を形成する振動板とを形成し、この第1の基板の下側に電極を形成した第2の基板(電極基板)を配置して、振動板に所定ギャップをおいて電極を対向させることで静電型アクチュエータを構成し、静電型アクチュエータの振動板と電極間に電圧を印加することで、静電気力によって振動板を撓ませて液室の内容積を変化させて液室に連通するノズルからインク滴を吐出させる。
【0006】
そして、静電型インクジェットヘッドのアクチュエータの駆動方式は、振動板を静電気力で引いたときの変位の限度によって方式が2種類に区別され、特開平7−10470号公報等に開示されているように、振動板が対向する電極(対向電極)に接触(当接)するまで変位させる方式(「当接駆動」方式と呼ばれる。)と、振動板の変位を対向電極に接触しない範囲に限定する方式(「非当接駆動」方式と呼ばれる。)とがある。
【0007】
当接駆動方式は、非当接駆動方式にひ比較して、振動板とそれに対向する電極との間の間隔が同じであれば、振動板の変位量が3倍程度に拡大するため、間隔を小さくしても非当接駆動と同等の噴射量が得られ、結果的により低い電圧で駆動可能になるという利点を持っている。また、当接駆動方式は、振動板の変位量が振動板とそれに対向する電極の間のギヤップサイズによって規制されるため、液滴の噴射量を一定に保たれやすいという点においても、非当接駆動方式に対して優れている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、静電型アクチュエータでは、振動板とそれに対向する電極との間に気体が存在し、振動板が電極に近づくとこの気体が圧縮されるために振動板に反発力を生じる。これをエアダンパ効果といわれており、振動板とそれに対向する電極の間の空間が密閉されているか、あるいは密閉されていなくても気体が逃げる時間が無い程の高速で振動板を動かすときに顕著に観測される。特に、アクチュエータが密閉されているときには、大気圧の変化やアクチュエータの温度変化により、振動板とそれに対向する電極との間の空間の体積が変化して、エアダンパ効果も著しく変化し、アクチュエータの変位量にばらつきが発生する原因になる。
【0009】
また、このエアダンパ効果は、当接駆動方式の場合には非当接駆動方式と比較して振動板が空気を圧縮する量が多いため、特に顕著に観測され、駆動に必要な電圧を高くする主な原因となっている。
【0010】
そこで、従来、電極またはその周辺に凹みを設けて、この窪みを空気の逃げ場にしたり、あるいは、振動板と振動板に対向する電極との間の空間を密閉しない大気開放の状態として、十分遅い速度で駆動したりしている。
【0011】
しかしながら、前者の方法では、エアダンパ効果の絶対値をある程度減らすことはできるが、十分ではなく、また、振動板とそれに対向する電極のと間の空間の体積が増えるため、アクチュエータの温度や大気圧の変化によるアクチュエータの変位量のばらつきがさらに大きくなるという問題があった。また、後者の方法では、アクチュエータが遅いという根本的な問題があるだけでなく、アクチュエータ内に埃などの異物が進入し、また、大気中の水分や酸素等により電極や振動板表面が劣化して、アクチュエータの信頼性が低下するという問題があった。その結果、これらのいずれの方法も解決策として十分ではない。
【0012】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、振動板の変位に対するエアダンパ効果を低減して、低い駆動電圧で駆動できるようにすることを目的とする。
【0021】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明に係るアクチュエータは、
振動板と電極とを気体室を形成する所定のギャップを介して対向配置し、前記振動板と前記電極との間に電圧を印加することで静電気力で前記振動板が前記電極方向に変位し、前記電圧の印加を停止することで前記振動板が復元するアクチュエータにおいて、
前記気体室と外部との間は封止部材で封止され、
前記封止部材には、前記気体室と外部との間を連通する連通孔が形成され、
前記連通孔には、前記気体室から前記外部へ気体が流出するときに開き、前記外部から前記気体室へ気体が流入するときに閉じる開閉弁が設けられ、
前記振動板が繰り返し変位されることで前記気体室が減圧される
構成とした。
【0022】
本発明に係るインクジェットヘッドは、本発明に係るアクチュエータを備えたものである。
【0023】
本発明に係るインクジェット記録装置は、本発明に係るインクジェットヘッドを備えたものである。
【0039】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下に述べる実施の形態は、本発明の好適な実施の形態であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。
【0040】
図1及び図2は、本発明のアクチュエータ及びインクジェットヘッドの第1の実施の形態を示す図であり、図1は、本発明のアクチュエータ及びインクジェットヘッドの第1の実施の形態を適用したインクジェットヘッド1の短辺方向要部断面図である。
【0041】
図1において、インクジェットヘッド1は、電極基板2上に、振動板基板3、液室基板4及びノズルプレート5が順次積層されており、振動板基板3と液室基板4とノズルプレート5により、図1の紙面に表裏方向に複数の加圧液室6が画成されている。ノズルプレート5には、各加圧液室6に連通する複数のノズル7が形成されている。
【0042】
振動板基板3は、加圧液室6となる凹部8が形成され、この凹部8の底面が振動板9として形成されている。また、振動板基板3には、図示しないが、各加圧液室6にインクを供給する共通インク室、共通インク室と加圧液室6とを連通する流体抵抗部等を形成する凹部や溝等が形成されている。振動板基板3は、SUS基板などの金属基板、シリコン基板等をエッチングすることで所望の微細な液室パターンが形成されて、加圧液室6や上記凹部及び溝等が形成されている。
【0043】
液室基板4には、振動板基板3の凹部8とともに加圧液室6を形成する孔10が形成されており、この液室基板4の上部にノズルプレート5が接合されて加圧液室(液室)6が画成されている。
【0044】
電極基板2、凹部11が形成されており、凹部11の底面であって振動板9に対向する位置に、所定(例えば、0.2μm)のギャップをおいて第2の電極となる個別電極12が形成されており、個別電極12と振動板9との間のギャップ部分に気体室13を画成する状態で封止部材14で封止されている。個別電極12と振動板9によって、振動板9を変位させて加圧液室6の内容積を変化させるアクチュエータ部(アクチュエータ)15を構成している。電極基板2は、SUS等の金属、ガラス、Si等をエッチングして、凹部11を形成し、凹部11にNi、Al、Ti、Pt、Cu等の電極材料を、スパッタ、CVD、蒸着等の成膜技術で所望の厚さに成膜した後、フォトレジストを形成してエッチングすることで、凹部11にのみ個別電極12が形成されている。また、電極基板2の個別電極12上には短絡、放電によって個別電極12が破損するのを防止するために、SiO2等の絶縁層16が成膜されている。
【0045】
ノズルプレート5は、NiやSUSなどの金属板、ガラス、あるいは、樹脂等で形成されており、エッチングやニッケルのエレクトロフオーミング法等の周知の方法で作製されている。ノズルプレート5には、上記ノズル7が2列千鳥状に配列して、ノズル密度が高く形成されており、これに対応して、上記振動板基板3及び液室基板2には、加圧液室6、振動板9が、電極基板2には、個別電極12が、それぞれ2列配列して形成されている。さらに、ノズルプレート5のノズル面(吐出方向の表面)には、インクとの撥水性を確保するために、メッキ被膜、あるいは、撥水剤コーティング等の周知の方法で撥水膜が形成されている。
【0046】
上記振動板基板3、液室基板4、電極基板2及びノズルプレート5は、接着剤や陽極接合等の直接接合法、共晶接合法等によって接合されている。
【0047】
このインクジェットヘッド1は、振動板9と個別電極12の間に電圧を印加して充電することで電荷によるクーロンカを発生させて、振動板9を個別電極12に当接(接触)するまで撓ませ、加圧液室6の容積を拡大させる。インクジェットヘッド1は、この状態から、個別電極12と振動板9との間の電荷を急激に放電させることにより、振動板9をその弾性復元力によって復帰させて、加圧液室6内の容積を急激に収縮させ、このとき加圧液室6内に発生するインク圧力によってノズル7からインク滴を吐出させる。インクジェットヘッド1は、再度、振動板9と個別電極12の間に電圧を印加して振動板9を個別電極12に接触するまで変位させてその状態に保持し、インク滴吐出により加圧液室6内に負圧が生じて共通インク流路からインク供給路(流体抵抗部)を通して加圧液室6内にインクを供給させ、ノズル7のインクメニスカスがある程度安定させた状態で、次のインク滴吐出行程へと移行する。
【0048】
そして、振動板9と個別電極12の間の気体室13には、所定の気体、例えば、不活性ガスや空気が充満されている。そして、気体室13内の気体の圧力は、従来では、振動板9に静電気力がかからずかつ振動板9が静止している状態において大気圧と同じ圧力となっている。
【0049】
ところが、本実施の形態のインクジェットヘッド1では、気体室13内の圧力を、振動板9に静電気力がかからずかつ振動板9が静止している状態において大気圧より低く、好適には、大気圧の95%よりも低く設定している。
【0050】
そこで、インクジェットヘッド1では、気体室13を上述のように封止部材14で密閉して気体室13内の気体を減圧するか、または、図2に示すように、気体室13を封止材14で密封することなく、チャンバー20内にアクチュエータ部15ごと入れて、チャンバー20と減圧ポンプ21とを導気管22で接続し、減圧ポンプ21でチャンバー20内を減圧して、気体室13を減圧する。
【0051】
次に、本実施の形態の作用を説明する。本実施の形態のインクジェットヘッド1は、上述のように、気体室13を上述のように封止部材14で密閉して気体室13内の気体を減圧するか、または、図2に示すように、気体室13を封止材14で密封することなく、チャンバー20内にアクチュエータ部15ごと入れて、チャンバー20と減圧ポンプ21とを導気管22で接続し、減圧ポンプ21でチャンバー20内を減圧して、気体室13を減圧している。
【0052】
一方、振動板9が個別電極12に近づくことによって生じるエアダンパ効果は、振動板9によって気体室13内の気体が圧縮されるために生ずる反発力であり、気体の圧縮による圧力の変化は、温度が一定のときには、次式のボイルの式であらわされる。
【0053】
PV=一定・・・(1)
ここで、Pは、気体の圧力、Vは、気体の体積である。
【0054】
このボイルの式を変形させると、エアダンパ効果は、温度Tが一定という条件の下では、振動板9によって気体室13の体積Vが、ΔVだけ小さくなることにより、圧力Pが次式(2)で示されるΔPだけ大きくなる現象として、説明することができる。
【0055】
ΔP=PV/(V+ΔV)−P・・・(2)
この式(2)において、気体の圧力Pを小さくすると、圧力変化量ΔVと同じだけ体積を変化させても、図3に示すように、圧力変化量ΔPが小さくなる。
【0056】
ここで、図3は、体積変化量ΔVが、気体室13の体積Vの80%のときの圧力Pと圧力変化量ΔPの関係を示す線図であり、横軸が気体の圧力(気圧)P、縦軸が気体の圧力変化量ΔPであって、気体の圧力Pも圧力変化量ΔPも大気圧を1としたときの圧力として正規化したものである。
【0057】
図3で分かるように、圧力Pは、低ければ低いほど、エアダンパ効果を軽減させる効果が高い。例えば、極端な例として、気体室13内が真空であると、エアダンパ効果は、0になる。アクチュエータ部15をインクジェットヘッド1に用いた場合の実用上の目安としては、図3において大気圧の95%程度以下からエアダンパ効果の軽減度合いが、顕著化する。
【0058】
また、インクジェットヘッド1は、アクチュエータ部15内の温度が変化すると、温度に比例して気体室13の圧力Pと体積Vの積が上昇するため、元の圧力Pが小さいほど温度変化による体積Vの変化が小さくなり、結果として、エアダンパ効果の変動も小さくなる。例えば、気体室13内が真空であると、温度にかかわらず真空のままであるため、変動は0になる。
【0059】
そして、本実施の形態のインクジェットヘッド1は、上述のように、振動板9に静電気力がかからずかつ振動板9が静止している状態において大気圧より低く、好適には、大気圧の95%よりも低く設定している。
【0060】
したがって、エアダンパ効果を軽減させることができ、低い駆動電圧で駆動することができる。
【0061】
図4及び図5は、本発明のアクチュエータ及びインクジェットヘッドの第2の実施の形態を示す図であり、図4は、本発明のアクチュエータ及びインクジェットヘッドの第2の実施の形態を適用したインクジェットヘッド30の短辺方向要部断面図、図5は、図4のインクジェットヘッド30の部分断面平面図である。
【0062】
なお、本実施の形態は、上記第1の実施の形態のインクジェットヘッド1と同様のインクジェットヘッドに適用したものであり、本実施の形態の説明においては、上記第1の実施の形態のインクジェットヘッド1と同様の構成部分には、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。
【0063】
図4において、本実施の形態のインクジェットヘッド30は、気体室31に連通路32を介して共通気体室33に連通されており、各気体室31は、図5に示すように、さらに、気体室31を画成する電極基板2の隔壁に形成された所定開口径の室間連通路34で連通されている。
【0064】
したがって、本実施の形態のインクジェットヘッド30は、各々の気体室31内の圧力変化が、連通路32を通して共通気体室33に逃げ、また、室間連通路34を通して隣接する気体室31に逃げて、各気体室31内の圧力を均一に保つことができる。
【0065】
なお、本実施の形態では、共通気体室33と連通路32を介して各気体室31を連通するとともに、室間連通路34を介しても各気体室31を連通しているが、いずれか一方のみであってもよい。
【0066】
図6は、本発明のアクチュエータ及びインクジェットヘッドの第3の実施の形態を適用したインクジェットヘッド40の短辺方向要部断面図である。
【0067】
なお、本実施の形態は、上記第1の実施の形態のインクジェットヘッド1と同様のインクジェットヘッドに適用したものであり、本実施の形態の説明においては、上記第1の実施の形態のインクジェットヘッド1と同様の構成部分には、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。
【0068】
図6において、本実施の形態のインクジェットヘッド40は、気体室13を封止する封止部材14に貫通口41が形成されており、貫通口41には、導気管42が取り付けられている。導気管42は、減圧ポンプ43に接続されており、気体室13は、導気管42及び貫通口41を通して減圧ポンプ43により減圧される。
【0069】
インクジェットヘッド40は、少なくともアクチュエータ部15の駆動中においては、所定の減圧状態を維持するために、アクチュエータ部15の駆動中に減圧するか、または、アクチュエータ部15の駆動前から減圧を開始して所定の減圧状態としてからアクチュエータ部15の駆動を開始する。
【0070】
したがって、インクジェットヘッド40は、気体室13の気密が不完全であっても、所定の減圧状態でアクチュエータ部15を駆動することができるとともに、大気圧が変動したときにも、減圧の設定圧力を変更することにより容易に補正することができる。
【0071】
図7は、本発明のアクチュエータ及びインクジェットヘッドの第4の実施の形態を適用したインクジェットヘッド50の短辺方向要部断面図である。
【0072】
なお、本実施の形態は、上記第1の実施の形態のインクジェットヘッド1と同様のインクジェットヘッドに適用したものであり、本実施の形態の説明においては、上記第1の実施の形態のインクジェットヘッド1と同様の構成部分には、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。
【0073】
図7において、本実施の形態のインクジェットヘッド50は、各気体室13と外部との間を封止する封止部材14に、気体室13と外部との間を連通する連通孔である貫通口51が形成されており、貫通口51の形成された封止部材14の外側には、外方に開閉動作して、気体室13から外部へ気体が流出するときに開き、外部から気体室13へ気体が流入するときに閉じるように当該貫通口51を開閉する逆止弁52が取り付けられている。
【0074】
また、インクジェットヘッド50は、各気体室13を仕切る電極基板2の隔壁には所定開口径の連通路53が形成されており、各気体室13は、隣接する気体室13と連通路53により連通されている。
【0075】
本実施の形態のインクジェットヘッド50は、振動板9の撓みにより気体室13の圧力が高くなると、逆止弁52が開いて気体室13内の気体が外部に流出し、気体室13内の圧力が下がると、逆止弁52が閉じて、気体室13内への気体の流入を防止する。また、インクジェットヘッド50は、ある気体室13内の圧力が高くなると、当該気体室13内の気体が連通孔53を介してより圧力の低い隣接する気体室13内に逃げ、また、当該気体室13内の圧力が隣接する気体室13の圧力よりも低くなると、当該隣接する気体室13から気体が流入する。
【0076】
したがって、このアクチュエータ部15は、貫通口51、逆止弁52及び連通孔53が形成されることで、各気体室13を減圧する減圧ポンプとして動作し、外部に減圧ポンプを設けることなく、気体室13を減圧することができる。その結果、インクジェットヘッド50を小型で安価なものとすることができる。
【0077】
図8は、本発明のアクチュエータ及びインクジェットヘッドの第5の実施の形態を適用したインクジェットヘッド60の短辺方向要部断面図である。
【0078】
なお、本実施の形態は、上記第1の実施の形態のインクジェットヘッド1と同様のインクジェットヘッドに適用したものであり、本実施の形態の説明においては、上記第1の実施の形態のインクジェットヘッド1と同様の構成部分には、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。
【0079】
図8において、本実施の形態のインクジェットヘッド60は、各気体室13を封止する封止部材14に貫通口61が形成されており、貫通口61の形成された封止部材14の外側には、外方に開閉動作して当該貫通口61を開閉する逆止弁62が取り付けられている。
【0080】
本実施の形態のインクジェットヘッド60は、振動板9の撓みにより気体室13の圧力が高くなると、逆止弁62が開いて気体室13内の気体が外部に流出し、気体室13内の圧力が下がると、逆止弁62が閉じて、気体室13内への気体の流入を防止する。
【0081】
したがって、このアクチュエータ部15は、貫通口61と逆止弁62が形成されることで、各気体室13を個別に減圧する減圧ポンプとして動作し、外部に減圧ポンプを設けることなく、気体室13を減圧することができる。その結果、インクジェットヘッド60を小型で安価なものとすることができる。
【0082】
図9は、アクチュエータ及びインクジェットヘッドの第6の実施の形態を適用したインクジェットヘッド70の短辺方向要部断面図である。
【0083】
なお、本実施の形態は、上記第1の実施の形態のインクジェットヘッド1と同様のインクジェットヘッドに適用したものであり、本実施の形態の説明においては、上記第1の実施の形態のインクジェットヘッド1と同様の構成部分には、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。
【0084】
図9において、本実施の形態のインクジェットヘッド70は、各気体室13を封止する封止部材14に貫通口71が形成されている。
【0085】
本実施の形態のインクジェットヘッド70は、アクチュエータ部15が駆動すると、振動板9の動きが遅いときには、振動板9が個別電極12側に下がると、封止部材14の貫通孔71から気体が排出され、振動板9が個別電極12から離れる方向に上がると、吸入される。したがって、気体室13内の圧力は、脈打つだけであって、平均的には圧力が上昇も下降もしない。
【0086】
ところが、振動板9の速度が上がるにつれて、封止部材14の貫通孔71を通過する気体の速度が振動板9の速度に追いつかなくなり、振動板9の速度が十分速いときには、気体室13内の平均圧力は、外側の大気圧よりも低い一定の圧力になる。
【0087】
したがって、アクチュエータ部15が減圧ポンプとして作用し、コンパクトで部品点数の少ない減圧ポンプが形成されることになる。
【0088】
このときの気体室13内の平均圧力は、振動板9の行程容積と気体室13の容積の比に比例し、また、アクチュエータ部15を矩形パルス状の電圧波形で駆動するときには、そのデューティーに比例する。デューティーは、好適には20%以上、好適には50%以上が望ましい。これより少ないと、空気の粘性によるロスで、減圧ポンプとしての効果が低下するからである。
【0089】
以上、本発明者によってなされた発明を好適な実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記のものに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【0090】
例えば、上記各実施の形態においては、アクチュエータ部をインクジェットヘッドに適用した場合について説明しているが、アクチュエータ部の用途としては、インクジェットヘッドに限られるものではない。
【0091】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るアクチュエータによれば、気体室と外部との間は封止部材で封止され、封止部材には、気体室と外部との間を連通する連通孔が形成され、連通孔には、気体室から外部へ気体が流出するときに開き、外部から気体室へ気体が流入するときに閉じる開閉弁が設けられ、振動板が繰り返し変位されることで気体室が減圧される構成としたので、振動板の変位に対するエアダンパ効果を低減して、低い駆動電圧で駆動できる。
【0092】
本発明に係るインクジェットヘッドによれば、本発明に係るアクチュエータを備えているので、噴射性能が向上する。本発明に係るインクジェット記録装置によれば、本発明に係るインクジェットヘッドを備えているので、画像品質が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のアクチュエータ及びインクジェットヘッドの第1の実施の形態を適用したインクジェットヘッドの短辺方向要部断面図。
【図2】図1のインクジェットヘッドの気体室を密閉しないでアクチュエータをチャンバー内に入れて気体室を減圧する場合の一例を示す要部断面図。
【図3】図1の気体室の体積の80%のときの圧力と圧力変化量の関係を示す線図。
【図4】本発明のアクチュエータ及びインクジェットヘッドの第2の実施の形態を適用したインクジェットヘッドの短辺方向要部断面図。
【図5】図4のインクジェットヘッドの部分断面平面図。
【図6】本発明のアクチュエータ及びインクジェットヘッドの第3の実施の形態を適用したインクジェットヘッドの短辺方向要部断面図。
【図7】本発明のアクチュエータ及びインクジェットヘッドの第4の実施の形態を適用したインクジェットヘッドの短辺方向要部断面図。
【図8】本発明のアクチュエータ及びインクジェットヘッドの第5の実施の形態を適用したインクジェットヘッドの短辺方向要部断面図。
【図9】本発明のアクチュエータ及びインクジェットヘッドの第6の実施の形態を適用したインクジェットヘッドの短辺方向要部断面図。
【符号の説明】
1 インクジェットヘッド
2 電極基板
3 振動板基板
4 液室基板
5 ノズルプレート
6 加圧液室
7 ノズル
8 凹部
9 振動板
10 孔
11 凹部
12 個別電極
13 気体室
14 封止部材
15 アクチュエータ部
16 絶縁層
20 チャンバー
21 減圧ポンプ
22 導気管
30 インクジェットヘッド
31 気体室
32 連通路
33 共通気体室
34 室間連通路
40 インクジェットヘッド
41 貫通口
42 導気管
43 減圧ポンプ
50 インクジェットヘッド
51 貫通口
52 逆止弁
53 連通路
60 インクジェットヘッド
61 貫通口
62 逆止弁
70 インクジェットヘッド
71 貫通孔[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an actuator, an inkjet head , and an inkjet recording apparatus , and more specifically, an actuator that displaces a diaphragm using electrostatic attraction and an inkjet head that discharges ink droplets by compressing a liquid chamber on the diaphragm. The present invention also relates to an ink jet recording apparatus .
[0002]
[Prior art]
Inkjet recording devices do not require processes such as development and fixing, and can perform non-contact recording, so the recording noise is extremely low, the degree of freedom of ink is high, and inexpensive plain paper is used. Since it has many advantages, it can be used as an image recording apparatus such as a printer, a facsimile machine, and a copying machine.
[0003]
An ink jet head used in such an ink jet recording apparatus is also referred to as a nozzle hole for discharging ink droplets and a discharge chamber (pressure chamber, pressurized liquid chamber, liquid chamber, ink flow path, etc.) through which the nozzle hole communicates. And an energy generating means (actuator) for generating energy for pressurizing the ink in the discharge chamber, and driving the actuator to pressurize the ink in the discharge chamber and discharge ink droplets from the nozzle holes. An ink-on-demand system that ejects ink droplets only when recording is necessary is the mainstream.
[0004]
Actuators and inkjet heads are roughly classified into several methods depending on the method for generating ink droplets (recording liquid) and the control method for controlling the flight direction. Ink jet heads using electric actuators are often used (see, for example, JP-A-4-52214 and JP-A-3-293141).
[0005]
This electrostatic actuator generally forms a liquid chamber and a diaphragm that forms one wall surface of the liquid chamber by etching on a first substrate (vibrating plate substrate) made of a silicon substrate. An electrostatic actuator is configured by disposing a second substrate (electrode substrate) on which an electrode is formed on the lower side and making the electrode face each other with a predetermined gap between the diaphragm and the diaphragm of the electrostatic actuator. By applying a voltage between the electrodes, the diaphragm is deflected by an electrostatic force to change the internal volume of the liquid chamber, and ink droplets are ejected from nozzles communicating with the liquid chamber.
[0006]
The driving method of the actuator of the electrostatic ink jet head is classified into two types according to the limit of displacement when the diaphragm is pulled by electrostatic force, and is disclosed in JP-A-7-10470 and the like. In addition, a method of displacing the diaphragm until it contacts (abuts) the opposing electrode (opposite electrode) (referred to as a “contact driving” system) and a displacement of the diaphragm are limited to a range not contacting the counter electrode. System (referred to as “non-contact drive” system).
[0007]
Compared to the non-contact driving method, the contact driving method increases the displacement of the diaphragm about three times if the distance between the diaphragm and the electrode facing it is the same. Even if it is made small, an injection amount equivalent to non-contact driving can be obtained, and as a result, there is an advantage that driving can be performed at a lower voltage. In addition, the contact drive method is not appropriate because the amount of displacement of the diaphragm is regulated by the gap size between the diaphragm and the electrode facing the diaphragm, and the droplet ejection amount is easily kept constant. Excellent for contact drive.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the electrostatic actuator, gas exists between the diaphragm and the electrode facing the diaphragm, and when the diaphragm approaches the electrode, the gas is compressed, and thus a repulsive force is generated in the diaphragm. This is said to be the air damper effect, and is conspicuous when the diaphragm is moved at a high speed so that the space between the diaphragm and the electrode facing it is sealed or there is no time for gas to escape even if it is not sealed. Observed at. In particular, when the actuator is sealed, the volume of the space between the diaphragm and the electrode facing it changes due to changes in atmospheric pressure or changes in temperature of the actuator, and the air damper effect changes significantly, resulting in displacement of the actuator. This causes the amount to vary.
[0009]
In addition, this air damper effect is particularly noticeable in the case of the contact drive method because the diaphragm compresses air more than the non-contact drive method, and increases the voltage required for driving. It is the main cause.
[0010]
Therefore, conventionally, the electrode or its periphery is provided with a recess, and this recess is used as an air escape place, or the space between the diaphragm and the electrode facing the diaphragm is in a state of opening to the atmosphere that is not sufficiently sealed. Or drive at speed.
[0011]
However, with the former method, the absolute value of the air damper effect can be reduced to some extent, but it is not sufficient, and the volume of the space between the diaphragm and the electrode facing it increases, so the temperature and atmospheric pressure of the actuator There is a problem that the variation in the displacement amount of the actuator due to the change of the actuator becomes further larger. In addition, the latter method not only has a fundamental problem that the actuator is slow, but also dust and other foreign matters enter the actuator, and the surface of the electrode and the diaphragm is deteriorated by moisture, oxygen, etc. in the atmosphere. As a result, the reliability of the actuator is reduced. As a result, neither of these methods is sufficient as a solution.
[0012]
The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to reduce the air damper effect with respect to the displacement of the diaphragm so that it can be driven with a low driving voltage.
[0021]
[Means for Solving the Problems]
To solve the above problems, an actuator according to the present invention,
The diaphragm and the electrode are arranged opposite to each other with a predetermined gap forming a gas chamber, and the diaphragm is displaced in the electrode direction by electrostatic force by applying a voltage between the diaphragm and the electrode. In the actuator where the diaphragm is restored by stopping the application of the voltage ,
The space between the gas chamber and the outside is sealed with a sealing member,
The sealing member is formed with a communication hole that communicates between the gas chamber and the outside.
The communication hole is provided with an opening / closing valve that opens when gas flows out from the gas chamber to the outside, and closes when gas flows from the outside into the gas chamber,
The gas chamber is depressurized by repeatedly displacing the diaphragm.
The configuration.
[0022]
The ink jet head according to the present invention includes the actuator according to the present invention.
[0023]
An ink jet recording apparatus according to the present invention includes the ink jet head according to the present invention.
[0039]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The embodiments described below are preferred embodiments of the present invention, and thus various technically preferable limitations are given. However, the scope of the present invention is particularly limited in the following description. As long as there is no description which limits, it is not restricted to these aspects.
[0040]
1 and 2 are views showing a first embodiment of an actuator and an inkjet head according to the present invention. FIG. 1 is an inkjet head to which the first embodiment of the actuator and the inkjet head according to the present invention is applied. FIG.
[0041]
In FIG. 1, an
[0042]
The
[0043]
The liquid chamber substrate 4 is formed with a
[0044]
The
[0045]
The nozzle plate 5 is formed of a metal plate such as Ni or SUS, glass, resin, or the like, and is manufactured by a known method such as etching or an electroforming method of nickel. In the nozzle plate 5, the
[0046]
The
[0047]
The
[0048]
A
[0049]
However, in the
[0050]
Therefore, in the
[0051]
Next, the operation of the present embodiment will be described. As described above, the
[0052]
On the other hand, the air damper effect generated when the diaphragm 9 approaches the
[0053]
PV = constant (1)
Here, P is the pressure of the gas, and V is the volume of the gas.
[0054]
When this Boyle equation is modified, the air damper effect is that, under the condition that the temperature T is constant, the volume V of the
[0055]
ΔP = PV / (V + ΔV) −P (2)
In this equation (2), when the gas pressure P is reduced, the pressure change amount ΔP is reduced as shown in FIG. 3 even if the volume is changed by the same amount as the pressure change amount ΔV.
[0056]
Here, FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the pressure P and the pressure change amount ΔP when the volume change amount ΔV is 80% of the volume V of the
[0057]
As can be seen from FIG. 3, the lower the pressure P, the higher the effect of reducing the air damper effect. For example, as an extreme example, if the
[0058]
Moreover, since the product of the pressure P and the volume V of the
[0059]
In addition, as described above, the
[0060]
Therefore, the air damper effect can be reduced and driving can be performed with a low driving voltage.
[0061]
4 and 5 are diagrams showing a second embodiment of the actuator and the ink jet head of the present invention, and FIG. 4 is an ink jet head to which the second embodiment of the actuator and the ink jet head of the present invention is applied. FIG. 5 is a partial cross-sectional plan view of the
[0062]
The present embodiment is applied to an ink jet head similar to the
[0063]
In FIG. 4, the
[0064]
Therefore, in the
[0065]
In the present embodiment, the
[0066]
FIG. 6 is a cross-sectional view of an essential part in the short side direction of an
[0067]
The present embodiment is applied to an ink jet head similar to the
[0068]
In FIG. 6, in the
[0069]
In order to maintain a predetermined reduced pressure state, at least during the driving of the
[0070]
Accordingly, the
[0071]
FIG. 7 is a cross-sectional view of an essential part in the short side direction of an
[0072]
The present embodiment is applied to an ink jet head similar to the
[0073]
In FIG. 7, the
[0074]
Further, in the
[0075]
In the
[0076]
Therefore, the
[0077]
FIG. 8 is a cross-sectional view of an essential part in the short side direction of an
[0078]
The present embodiment is applied to an ink jet head similar to the
[0079]
In FIG. 8, in the
[0080]
In the
[0081]
Therefore, the
[0082]
FIG. 9 is a cross-sectional view of the main part in the short side direction of an
[0083]
The present embodiment is applied to an ink jet head similar to the
[0084]
In FIG. 9, in the
[0085]
In the
[0086]
However, as the speed of the diaphragm 9 increases, the speed of the gas passing through the through
[0087]
Therefore, the
[0088]
The average pressure in the
[0089]
The invention made by the present inventor has been specifically described based on the preferred embodiments. However, the present invention is not limited to the above, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.
[0090]
For example, in each of the above embodiments, the case where the actuator unit is applied to an ink jet head has been described, but the use of the actuator unit is not limited to the ink jet head.
[0091]
【The invention's effect】
As described above, according to the actuator of the present invention, the gas chamber and the outside are sealed with the sealing member, and the sealing member has the communication hole that communicates between the gas chamber and the outside. An open / close valve is formed in the communication hole that opens when the gas flows out from the gas chamber and closes when the gas flows from the outside into the gas chamber. Since the pressure is reduced, the air damper effect with respect to the displacement of the diaphragm can be reduced and driven with a low driving voltage.
[0092]
According to the ink jet head according to the present invention, since the actuator according to the present invention is provided, the ejection performance is improved. According to the ink jet recording apparatus of the present invention, since the ink jet head according to the present invention is provided, the image quality is improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of an essential part in a short side direction of an ink jet head to which a first embodiment of an actuator and an ink jet head of the present invention is applied.
2 is a cross-sectional view of an essential part showing an example in which the gas chamber is decompressed by inserting an actuator into the chamber without sealing the gas chamber of the inkjet head of FIG. 1;
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the pressure and the amount of change in pressure when the volume of the gas chamber in FIG. 1 is 80%.
FIG. 4 is a cross-sectional view of an essential part in the short side direction of an ink jet head to which a second embodiment of an actuator and an ink jet head of the present invention is applied.
5 is a partial cross-sectional plan view of the inkjet head of FIG. 4;
FIG. 6 is a cross-sectional view of an essential part in the short side direction of an inkjet head to which a third embodiment of an actuator and an inkjet head of the present invention is applied.
FIG. 7 is a cross-sectional view of an essential part in a short side direction of an ink jet head to which a fourth embodiment of an actuator and an ink jet head of the present invention is applied.
FIG. 8 is a cross-sectional view of an essential part in a short side direction of an ink jet head to which a fifth embodiment of an actuator and an ink jet head of the present invention is applied.
FIG. 9 is a cross-sectional view of an essential part in a short side direction of an ink jet head to which a sixth embodiment of an actuator and an ink jet head of the present invention is applied.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記気体室と外部との間は封止部材で封止され、
前記封止部材には、前記気体室と外部との間を連通する連通孔が形成され、
前記連通孔には、前記気体室から前記外部へ気体が流出するときに開き、前記外部から前記気体室へ気体が流入するときに閉じる開閉弁が設けられ、
前記振動板が繰り返し変位されることで前記気体室が減圧される
ことを特徴とするアクチュエータ。 The diaphragm and the electrode are arranged opposite to each other with a predetermined gap forming a gas chamber, and the diaphragm is displaced in the electrode direction by electrostatic force by applying a voltage between the diaphragm and the electrode. In the actuator where the diaphragm is restored by stopping the application of the voltage ,
The space between the gas chamber and the outside is sealed with a sealing member,
The sealing member is formed with a communication hole that communicates between the gas chamber and the outside.
The communication hole is provided with an opening / closing valve that opens when gas flows out from the gas chamber to the outside, and closes when gas flows from the outside into the gas chamber,
The actuator, wherein the gas chamber is depressurized by repeatedly displacing the diaphragm.
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