JP4380777B2 - 静電式液体噴射装置及び静電アクチュエータの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、静電気力により振動板を変位させることにより圧力を発生させる静電アクチュエータの製造方法に関するものであり、また、これを応用した、インクジェット等の液滴を吐出する静電式液体噴射装置に関するものである。さらに詳しくは、外気圧変動にかかわりなく常に適正な液滴の吐出動作を行うことのできる、例えばインクジェットヘッド・プリンタ等の静電式液体噴射装置に関するものである。

静電式液体装置の一例として、インクジェットプリンタを例にとり以下、背景技術を説明する。静電式インクジェットヘッドを備えたインクジェットプリンタは、例えば、特開平６−５５７３２号公報に開示されている。この形式のインクジェットヘッドは、静電気力によってインク液が貯留されている圧力室の一部を形成している振動板を振動させることにより、圧力室内のインクをインクノズルから吐出するものである。従って、外気圧が変化すると、それに伴って、インク液滴の吐出特性が変動し、所望のインク液滴を吐出できないおそれがある。

すなわち、静電式のインクジェットヘッドでは、圧力室の一部を規定している振動板を、電極板に対して狭いギャップで対峙させ、これらの間に駆動電圧を印加することにより、振動板を静電気力により振動させるようになっている。振動板と電極板のギャップは１ないし２μｍ程度と極めて狭いので、これらの間に塵などが侵入して振動板の振動が阻害されることのないように、振動板と電極板の間が封止されて密閉室となっている。

外気圧が変動すると、圧力室と密閉室を仕切っている振動板は、密閉室の内圧が外気圧に一致する方向に変位する。この結果、電圧が印加されていない状態において既に振動板が変位した状態となる。よって、外気圧が変動すると、同一の駆動電圧を印加した場合においても、振動板の振動特性が異なり、インク液滴の吐出特性（吐出一回当たりの液滴の量、液滴の吐出速度）が変動してしまう。

ここで、インクジェットプリンタとしては、特開平４−２８４２５５号公報に開示されているバブルジェット（登録商標）式のインクジェットヘッドを備えたものが知られている。当該公開特許公報には、周囲の気圧を検出し、電気熱変換体に印加する電圧波形、すなわち、インクジェットヘッドの駆動電圧波形を外気圧に応じて変化させ、これにより、外気圧の変動に関わらずに常に安定したインク液滴の吐出動作を行わせる方法が開示されている。

この方法は、圧力室内のインク液を加熱・発泡するバブルジェット（登録商標）方式のインクジェットヘッドには有効であるが、静電式インクジェットヘッドに適用した場合には効果が少ない。特に、高地のように著しく気圧が通常と異なる環境では振動板を駆動する駆動電圧波形を調整するのみでは、液滴の吐出を適切に行うことができない場合がある。

ここで例示した、インクジェットプリンタ以外にも、例えば、内燃機関等の燃料噴射装置、香料等の液体を吐出する噴射装置、マイクロポンプ等にも静電アクチュエータを適用できるが、これらの装置においても、外気圧の変動によって、液滴の吐出特性が変動することが考えられる。

特開平４−２８４２５５号公報

本発明の目的は、外気圧の変動に影響されることなく、常に所望の圧力が発生できる静電アクチュエータ、液滴の吐出を適切に行うことのできる静電式液体噴射装置を提案することにある。

上記の目的を達成するために、本発明の静電アクチュエータは、振動板と、この振動板に対峙している電極板と、この電極板および前記振動板の間に形成された密閉室とを有し、前記振動板および前記電極板の間に電圧を印加することにより前記振動板を静電気力により変位させる静電アクチュエータにおいて、前記密閉室の内圧と外気圧の圧力差を低減するための圧力補償手段を有していることを特徴としている。

前記圧力補償手段としては、前記密閉室に連通していると共に外気圧に応じて容積を増減可能な圧力補償室を採用することができる。この場合、圧力補償室の全体を膨張収縮可能な素材から形成することもできるが、前記圧力補償室の一部を、外気圧に応じて面外方向に変位可能な変位板により規定すればよい。

ここで、前記変位板は、前記圧力補償室の対向内壁から僅かに離れているのみなので、外気圧が高い場合には当該変位板が変位して対向内壁に当たり、圧力補償機能が阻害されるおそれがある。また、前記変位板が凹状に変位するとそのコンプライアンスが小さくなり、やはり圧力補償機能が阻害されるおそれがある。そこで、当該変位板は、前記圧力補償室の対向内壁から離れる方向に凸となった曲面形状となっていることが望ましい。

次に、前記圧力補償室の一部に、外気圧に応じて変位する変位板の代わりに、面外方向に変位可能な変位板を配置し、当該変位板と電極板とを対向配置し、静電気力によって当該変位板を外気圧の変化に応じて変位させるようにしてもよい。

一方、前記圧力補償手段は、前記圧力補償室の代わりに、前記密閉室の封入気体を少なくとも加熱可能な発熱体を備えた構成とすることができる。発熱体によって封入気体を加熱すれば、密閉室の内圧が高まるので、外気圧との圧力差を緩和することができる。

静電アクチュエータを構成する材料には、精密な加工を施すことが可能な半導体基板を用いることが好ましい。これにより、例えば、半導体基板にボロンをドープした後、エッチングし、ボロンドープ層を変位板とすれば、好ましい特性（コンプライアンス）の変位板を得ることができる。また、静電アクチュエータをコンパクトに構成するためには、前記振動板、変位板を、共通の半導体基板を用いて区画形成することが望ましい。

また、本発明の静電式液体噴射装置は、上述の圧力補償機能を備えた静電アクチュエータを液滴を吐出するための圧力発生源として用いたものである。即ち、液滴を吐出するためのノズルと、ノズルが連通していると共に液体を保持している圧力室を備え、この圧力室の一部を設けられた振動板を上述の静電アクチュエータにより振動させて、前記圧力室内の液体に対して、液滴を吐出するための圧力変動を与えるものである。

液体吐出装置として一般的なインクジェットヘッドには、複数個のインクノズルが備わっており、各インクノズルにそれぞれ前記圧力室が対応して設けられて、各圧力室に対してインク液を供給するための共通インク室（共通液室）が設けられる。

ここで、共通インク室には、そこに連通している各圧力室の圧力変動が当該共通インク室を経由して隣接した圧力室の側に伝搬することのないように、面外方向に変位可能なダイヤフラムが形成される場合がある。この様なインクジェットヘッドに、本発明を適用する場合は、ダイヤフラムと前記変位板とを兼用することができる。また、装置もしくはその一部（インクジェットヘッド）をコンパクトに構成するためには、前記圧力室、前記共通インク室および前記圧力補償室を、共通の半導体基板を用いて区画形成することが望ましい。

特に、前記の静電気力によって圧力補償室の前記変位板を変位させる構成の静電アクチュエータを備えた液体噴射装置においては、外気圧を検出する外気圧検出手段と、検出された外気圧に応じて前記変位板を駆動する制御手段とを有する構成とすることができる。

また、前記の発熱体を備えた静電アクチュエータを有する液体噴射装置においては、外気圧を検出する外気圧検出手段と、検出されが外気圧に応じて前記発熱体を駆動する制御手段とを有する構成とすることができる。

ここで、前記外気圧検出手段としては、前記振動板および前記電極板の間の静電容量を検出する静電容量検出手段を備え、検出された前記静電容量に基づき外気圧を推定する構成のものを採用してもよい。

本発明の静電アクチュエータの製造方法は、振動板と、この振動板に対峙している電極板と、この電極板および前記振動板の間に形成された振動室とを有し、前記振動板および前記電極板の間に電圧を印加することにより前記振動板を静電気力により変位させる静電アクチュエータの製造方法において、前記振動室に連通する圧力補償室を形成する工程と、当該圧力補償室の一部に、外気圧に応じて変位可能な変位板を、前記圧力補償室の対向内壁から離れる方向に、凸となった曲面形状に撓んだ形状に形成する工程と、前記振動室と共に、前記圧力補償室を、外気から遮断し封止する工程とを有することを特徴としている。更に、前記圧力補償室を封止する気圧を調整してもよい。これにより、変位板の初期的な撓みが調整され、所望のコンプライアンス特性を有する変位板を得ることができる。

以下に図面を参照して本発明の実施例を説明する。なお、これらの実施例は、インクジェットプリンタを例にとって説明されているが、インクジェットプリンタ以外の液体吐出装置、例えば燃料、香料等を噴射する装置、液状の薬品等に圧力を加える装置等にも、静電アクチュエータを用いた装置であれば、本発明は適用可能である。

また、これらの実施例は説明のためにあげるものである。従って、当業者であれば、この例の各要素を均等なものに置換することが可能であり、これらの実施例も本発明の範囲に含まれる。

［第１の実施例］
図１〜図６には、本発明の第１の実施例に係るインクジェットヘッドが搭載されたインクジェットプリンタを示してある。

（機構系の概要）
図１は本発明を適用したインクジェットプリンタの機構系の全体構成を示す概略構成図である。本例のインクジェットプリンタ３００の機構系は一般的なものであり、記録紙１０５を搬送するための搬送手段の構成要素であるプラテンローラ３００と、このプラテンローラ３００に対峙しているインクジェットヘッド１と、このインクジェットヘッド１をプラテンローラ３００の軸線方向である行方向（主走査方向）に往復移動させるキャリッジ３０２と、インクジェットヘッド１に対してインクチューブ３０６を介してインクを供給するインクタンク３０１を有している。

３０３はポンプであり、インクジェットヘッド１にインク吐出不良が発生した場合等において、キャップ３０４、廃インクチューブ３０８を介して、インクを吸引して廃インク溜め３０５に回収するために使用する。

（インクジェットヘッド）
図２は本例のインクジェットヘッドの分解斜視図、図３は組み立てられたインクジェットヘッドの概略縦断面図、図４はその概略縦断面図であり、図５はその電極配置を示す説明図である。

これらの図に示すように、インクジェットヘッド１は、インク液滴を基板の上面に設けたインクノズルから吐出させるフェイスインクジェットタイプの静電式インクジェットヘッドである。このインクジェットヘッド１は、キャビティプレート３を挟み、上側のノズルプレート２、下側にガラス基板４がそれぞれ積層された３層構造となっている。

キャビティプレート３は例えばシリコン基板であり、当該プレートの表面には、底板が振動板５として機能する圧力室６を構成することになる凹部７と、凹部７の後部に設けられたインク供給口８を形成することになる細溝９と、各々の圧力室６にインクを供給するための共通インク室１０を構成することになる凹部１１とがエッチングによって形成されている。

これに加えて、大気に連通した大気圧室１２を構成することになる凹部１３が、最も端に位置している圧力室用の凹部７の隣接位置にエッチングによって形成されている。この大気圧室１２の底板部分が外気圧変動に応じて変位する変位板１６として機能する。本例では、この変位板１６のコンプライアンスを、各振動板５のコンプライアンスの総和の約１万倍以上となるように設定している。

さらに、大気圧室１２を外部に連通するための連通孔１４を構成することになる細溝１５も形成されている。キャビティプレート３の下面は鏡面研磨によって平滑化されている。

キャビティプレート３の上側に接合されるノズルプレート２は、キャビティプレート３と同様に例えばシリコン基板である。ノズルプレート２において、圧力室６の上面を規定している部分には各圧力室６に連通する複数のインクノズル２１が形成されている。また、共通インク室１０の上面を規定する部分には共通インク室１０にインクを供給するインク供給孔２２が形成されている。

ノズルプレート２をキャビティプレート３に接合することにより、上記の凹部７，１１，１３および細溝９，１５が塞がれて、圧力室６、インク供給口８、共通インク室１０、大気圧室１２および連通孔１４のそれぞれが区画形成される。

なお、インク供給孔２２は、接続パイプ２３およびインクチューブ３０６（図１参照）を介してインクタンク３０１（図１参照）に接続される。インク供給孔２２から供給されたインクは、各インク供給口８を経由して独立した各圧力室６に供給される。

キャビティプレート３の下側に接合されるガラス基板４は、シリコンと熱膨張率が近いホウ珪酸ガラス基板である。ガラス基板４において、各々の振動板５に対向する部分には密閉室としての振動室４１を構成することになる凹部４２が形成されている。各凹部４２の底面には、各振動板５に対応する個別電極４３が形成されている。個別電極４３は、ＩＴＯからなるセグメント電極部４４と端子部４５を有している。

また、ガラス基板４における大気圧室１２の底板部分である変位板１６に対向する部分にも、凹部４２と同一の深さの凹部４６が形成されており、この凹部４６は連通用凹部４７を介して各凹部４２に繋がっている。凹部４６にもＩＴＯからなるダミー電極４８が形成されている。

ガラス基板４をキャビティプレート３に接合することにより、各圧力室６の底面を規定している振動板５と個別電極４３のセグメント電極部４４は、非常に狭い隙間Ｇを隔てて対向する。この隙間Ｇはキャビティプレート３とガラス基板４の間に配置された封止剤２０によって封止され、密閉状態の振動室４１が形成される。また、大気圧室１２の底板部分である変位板１６によって凹部４６が塞がれて、外気圧の変動による各振動室４１の圧力を補償するための圧力補償室４９が形成される。この圧力補償室４９は連通用凹部４７によって形成された連通部５０を介して各振動室４１に連通した状態になる。

振動板５は薄肉とされており、面外方向、すなわち、図３において上下方向に弾性変形可能となっている。この振動板５は、各圧力室側の共通電極として機能する。隙間Ｇを挟み、振動板５と、対応する各セグメント電極部４４とによって、対向電極が形成されている。

振動板５と個別電極４３との間には後述のヘッドドライバ２２０（図６参照）が接続されている。ヘッドドライバ２２０の一方の出力は各個別電極４３の端子部４５に接続され、他方の出力はキャビティプレート３に形成された共通電極端子２６に接続されている。キャビティプレート自体は導電性をもつために、この共通電極端子２６から振動板５に電圧を供給することができる。なお、より低い電気抵抗で振動板５に電圧を供給する必要がある場合には、例えば、キャビティプレート３の一方の面に金等の導電性材料の薄膜を蒸着やスパッタリングで形成すればよい。本例では、キャビティプレート３とガラス基板４の接続に陽極接合を用いているので、キャビティプレート３の流路形成面側に導電膜を形成してある。また、前述のダミー電極４８も、陽極接合時に変位板１６がガラス基板の側に貼りついてしまうことを防止するためのものである。

（圧力補償動作）
この構成のインクジェットヘッド１においては、ヘッドドライバ２２０からの駆動電圧が対向電極間に印加されると、対向電極間に充電された電荷による静電気力が発生し、振動板５はセグメント電極部４４の側へ撓み、圧力室６の容積が増加する。次にヘッドドライバ２２０からの駆動電圧を解除して対向電極間の電荷を放電すると、振動板はその弾性復帰力によって復帰し、圧力室６の容積が急激に収縮する。この時に発生する内圧変動により、圧力室６に貯留されたインクの一部が、圧力室６に連通しているインクノズル２１から記録紙に向かって吐出する。

ここで、外気圧が変動した場合について説明する。例えば、平地から高地に移動した場合には外気圧が低下する。この場合、各振動室４１の内圧が変動しないとすると、当該内圧は外気圧に比べて大幅に高くなる。この結果、圧力平衡状態を得るために、各振動室４１の振動板５は図４において上方に撓み、各振動室４１の容積を増加させることになる。

しかしながら、本例では、各振動室４１は連通部５０を介して、圧力補償室４９に連通している。この圧力補償室４９は変位板１６を挟み、大気側に連通した大気圧室１２に面している。変位板１６のコンプライアンスは各振動板５に比べて非常に大きい。よって、振動板５が変位する前に、当該変位板１６が図４において上方に変位して圧力補償室４９の容積が増加し、外気圧との圧力平衡状態が形成される。従って、各振動板５と個別電極４３のギャップが外気圧の変動に関係なく常に一定の値に保持される。

以上のように、本例のインクジェットヘッド１においては、外気圧が変動しても、それが各振動板の振動特性に悪影響を及ぼすことが実質的に無い。よって、外気圧の変動にかかわりなく、常に安定したインク吐出特性を得ることができる。

なお、本例のインクジェットヘッドにおいては、振動室４１および圧力補償室４９を平面方向に形成している。すなわち、キャビティプレート３に圧力室用の凹部７を形成する際、すなわち振動板５を形成する際に、同時に、振動板５の厚みとほぼ等しい変位板１６を形成している。よって、圧力補償機能を備えたインクジェットヘッドの製造が容易である。また、変位板１６は、ノズルプレート２によって覆われているので、この部分が破損することの無い様に確実に保護できるという利点もある。さらに、このような保護部分はノズルプレート２の一部を利用しているので、別途、保護プレート等を設ける場合に比べて製造が容易であるという利点もある。

（制御系）
なお、図６は本例のインクジェットプリンタ３００の制御系の概略構成図である。この制御系の中心をなす回路部分は例えば１チップマイクロコンピュータにより構成することができる。図を参照して本例の制御系の概要を簡単に説明すると、２０１はプリンタ制御回路であり、このプリンタ制御回路２０１には、アドレスバスおよびデータバスを含む内部バス２０２，２０３，２０４を介して、ＲＡＭ２０５、ＲＯＭ２０６およびキャラクタジェネレータＲＯＭ（以降、ＣＧ−ＲＯＭという）２０７が接続されている。

ＲＯＭ２０６内には制御プログラムが格納されており、ここから呼び出されて起動する制御プログラムに基づき、インクジェットヘッド１の駆動制御動作が実行される。ＲＡＭ２０５は駆動制御における作業領域として利用され、ＣＧ−ＲＯＭ２０７には入力文字に対応したドットパターンが展開されている。

２１０はヘッド駆動制御回路であり、内部バス２０９を介して接続されているプリンタ制御回路２０１の制御の下に、ヘッドドライバ２２０に対して駆動信号、クロック信号等を出力する。また、データバス２１１を介して印刷データＤＡＴＡが供給される。

ヘッドドライバ２２０は例えばＴＴＬアレイから構成されており、入力される駆動信号に対応した駆動電圧パルスを生成して、これらを駆動対象となる個別電極４３および共通電極端子２６に印加して、対応するインクノズル２１からインク液滴の吐出を行わせる。駆動電圧パルスを生成するために、ヘッドドライバ２２０には、接地電圧ＧＮＤ、駆動電圧Ｖｎ等が供給されている。これらの電圧は電源回路２３０の駆動電圧Ｖｃｃから生成されるものである。

次に、プリンタ制御回路２０１には、内部バス２３１を介してキャリッジモータ駆動制御回路２３２が接続されている。キャリッジモータ駆動制御回路２３２は、モータドライバ２３３を介して、インクジェットヘッド１を担持しているキャリッジ３０２を往復移動させるためのキャリッジモータ（図示せず）を駆動して、図において矢印２３４で示す行方向にインクジェットヘッド１を移動させる。また、プリンタ制御回路２０１には、内部バス２４１を介して搬送モータ駆動制御回路２４２が接続されている。搬送モータ駆動制御回路２４２は、モータドライバ２４３を介して、搬送モータを駆動して、プラテンローラ３００に沿って記録紙１０５を図の矢印２４４で示す搬送方向に搬送制御する。

［第２の実施例］
ここで、上記のインクジェットヘッド１における圧力補償用の変位板１６は次に述べるように、平地における標準的な外気圧の下で平板状ではなく曲面状とすることもできる。

図７は大気圧室１２の側に凸状態に湾曲した曲面状の変位板１６Ａを備えたインクジェットヘッド１Ａの部分断面図である。この変位板１６Ａ以外の部位は図２〜図５に示すインクジェットヘッド１と同一である。

このような形状をした変位板１６Ａは次のように製造することができる。キャビティプレート３のエッチングに先立って、変位板１６Ａを形成する部分に、ボロンをドープすることにより、シリコンのボロンドープ層を形成しておく。振動板５を形成するためのエッチング時に同時に当該ボロンドープ層をエッチングして変位板１６Ａを形成する。

ボロンドープ層の部分は、ボロンが拡散されているので、他のシリコン部分に比べて膨張している。また、当該ボロンドープ層が形成されている部位の両側部分はボロンがドープされていないシリコン部分によって膨張が拘束された状態にある。従って、当該ボロンドープ層の部分に薄い変位板１６Ａを形成すると、当該変位板１６Ａは、全体として面外方向に凸状あるいは凹状に湾曲した曲面状になる。

変位板１６Ａが形成されたキャビティプレート３の下側にはガラス基板４が陽極接合され、変位板１６Ａと、これに対峙するガラス基板の部分とによって密閉された圧力補償室４９が区画形成される。変位板１６Ａの反対側は大気圧室１２に面している。従って、変位板１６Ａは、図７に示すように、大気圧室１２の側に凸の曲面状に撓む。

このように大気圧室１２の側に凸状に撓んだ変位板１６Ａを備えたインクジェットヘッド１Ａにおいては、外気圧が高い場合には、変位板１６Ａは圧力補償室４９の側に押されて撓む。よって、平坦な変位板１６の場合に比べて、外気圧が高い場合の気圧変動をより効果的に補償できる。

しかしながら、このように大気圧側に凸の変位板１６Ａは、外気圧が圧力補償室４９の内圧（当該圧力補償室４９を封止したときの気圧）よりも低い場合には、より凸状態となる方向に撓む必要があるので、そのコンプライアンスが小さくなる。このために、充分な圧力補償機能を発揮できない場合が考えられる。

図８は、変位板１６Ａの外気圧に対するコンプライアンスの変動特性を定性的に示す特性曲線を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は外気圧を示し、縦軸はコンプライアンスを示している。このグラフから分かるように、圧力補償室４９の封止時の気圧よりも外気圧が低下する程、変位板１６Ａのコンプライアンスは小さくなり、非線形状態で急激に低下する。すなわち、変位板１６Ａが撓みにくくなり、従って、圧力補償機能が急激に低下してしまう。

外気圧が低い場合、例えば高地においても変位板１６Ａのコンプライアンスが充分に高くなるようにするためには、圧力補償室４９を減圧封止することが望ましい。例えば、絶対圧で６５０ｈＰａ±５０ｈＰａ程度の圧力状態で圧力補償室４９を減圧封止することが望ましい。

図９は減圧封止した場合の変位板１６Ａの挙動を示すための説明図である。この図において、実線は気密封止前の変位板１６Ａの状態を示し、点線は減圧封止を行った後の変位板１６Ａの状態を示し、一点鎖線は、外気圧が高い場合の変位板１６Ａの状態を示す。

このように、外気圧が高圧の場合においても、変位板１６Ａが、圧力補償室４９の底面（ダミー電極４８の表面）に当たって機能しなくなることがない。また、図８のグラフから分かるように、外気圧の変動に対して変位板１６Ａのコンプライアンスをほぼ線形関係に保持することができるので、外気圧の変動に伴う補償を確実に行うことが可能になる。

［第３の実施例］
図１０および図１１は、本発明を適用したインクジェットヘッドの第３の実施例を示す概略断面図、および振動室と圧力補償室の配置関係を示す説明図である。本例のインクジェットヘッド１Ｂの基本的な構造は上記のインクジェットヘッド１，１Ａと同様であり、キャビティプレート３Ｂを挟み、上下にそれぞれ、ノズルプレート２Ｂおよびガラス基板４Ｂが積層された構造となっている。

ノズルプレート２Ｂにはインクノズル２１Ｂが形成されている。ノズルプレート２Ｂとキャビティプレート３Ｂの間には、インクノズル２１Ｂに連通している圧力室６Ｂと、各圧力室６Ｂに対してインク供給室８Ｂを介して連通している共通インク室１０Ｂが区画形成されている。また、共通インク室１０Ｂに隣接した位置には、大気圧室１２Ｂが区画形成されており、この大気圧室１２Ｂは大気連通孔１４Ｂを介して大気に連通している。

大気圧室１２Ｂの底面部分には薄い変位板１６Ｂが形成されており、各圧力室６Ｂの底面部分にも振動板５Ｂが形成されている。キャビティプレート３Ｂの下面とガラス基板４Ｂの間には、振動板５Ｂを変位させるためのギャップを備えた振動室４１Ｂと、変位板１６Ｂを変位させるためのギャップを備えた圧力補償室４９Ｂが区画形成されている。各振動室４１Ｂに圧力補償室４９Ｂが連通している。これら振動室４１Ｂの底面にはＩＴＯからなる個別電極４３Ｂが形成され、圧力補償室４９Ｂの底面にもＩＴＯからなるダミー極４８Ｂが形成されている。ここで、共通インク室１０Ｂを形成しているノズルプレート２Ｂの部分は面外方向に変位可能な変位板１０ａとされている。この変位板１０ａは、各圧力室６Ｂ内での圧力変動が共通インク室１０Ｂを介して隣接している圧力室６Ｂに伝搬するのを防止するためのものであり、圧力変動に応じて面外方向に弾性変位する。

本例のインクジェットヘッド１Ｂにおいても、圧力補償室４９Ｂを区画している変位板１６Ｂが外気圧の変動に応じて変位する。よって、各振動板５Ｂが外気圧の変動により変位することを防止して、安定したインク吐出特性を保持できる。

なお、大気圧室１２Ｂ、圧力補償室４９Ｂを複数形成する構成を採用することもできる。図１２には、２個の大気圧室と、これらに対応する２個の圧力補償室とを形成し、これに応じて、２つの変位板を配置した例を示してある。

図１３には、インクジェットヘッド１Ｂの改良例を示してある。このインクジェットヘッド１Ｃも、キャビティプレート３Ｃを挟み、上下にそれぞれ、ノズルプレート２Ｃおよびガラス基板４Ｃが積層された構造となっている。ノズルプレート２Ｃにはインクノズル２１Ｃが形成されている。ノズルプレート２Ｃとキャビティプレート３Ｃの間には、インクノズル２１Ｃが連通している圧力室６Ｃと、各圧力室６Ｃに対してインク供給室８Ｃを介して連通している共通インク室１０Ｃが区画形成されている。

各圧力室６Ｃの底面部分には振動板５Ｃが形成されている。また、共通インク室１０Ｃの底面部分には当該振動板５Ｃに比べて遥かにコンプライアンスが大きな変位板１６Ｃが形成されている。キャビティプレート３Ｃの下面とガラス基板４Ｃの間には、振動板５Ｃを変位させるためのギャップを備えた振動室４１Ｃと、変位板１６Ｃを変位させるためのギャップを備えた圧力補償室４９Ｃが区画形成されている。各振動室４１Ｃに圧力補償室４９Ｃが連通している。これら振動室４１Ｃの底面にはＩＴＯからなる個別電極４３Ｃが形成され、圧力補償室４９Ｃの底面にもＩＴＯからなるダミー電極４８Ｃが形成されている。

本例のインクジェットヘッド１Ｃにおいては、共通インク室１０Ｃの底面部分に変位板１６Ｃを形成してある。従って、この変位板１６Ｃは、上記のインクジェットヘッド１Ｂにおける変位板１６Ｂと変位板１０ａの双方の機能を兼ね備えている。すなわち、この変位板１６Ｃは、各圧力室６Ｃ内での圧力変動が共通インク室１０Ｃを介して隣接している圧力室６Ｃに伝搬するのを防止する。また、外気圧の変動に応じて変位して、各振動板５Ｃが外気圧の変動により変位することを防止して、安定したインク吐出特性を保持している。

本例のインクジェットヘッド１Ｃは、前述のインクジェットヘッド１Ｂに比べて、小型コンパクトに構成できる。すなわち、大気圧室を別途設ける必要がなく、また、単一の変位板１６Ｃによって、外気初の変動補償および共通インク室内の内圧変動を吸収しているからである。

［第４の実施例］
図１４（Ａ）および図１４（Ｂ）は，本発明を適用したインクジェットヘッドの第４の実施例を示す部分断面図および、その振動室と圧力補償室の配置関係を示す説明図である。このインクジェットヘッド１Ｄも、キャビティプレート３Ｄを挟み、上下にそれぞれ、ノズルプレート２Ｄおよびガラス基板４Ｄが積層された構造となっている。ノズルプレート２Ｄにはインクノズル２１Ｄが形成されている。ノズルプレート２Ｄとキャビティプレート３Ｄの間には、インクノズル２１Ｄが連通している圧力室６Ｄと、各圧力室６Ｄに対してインク供給室８Ｄを介して連通している共通インク室１０Ｄと、大気に連通した大気圧室１２Ｄとが区画形成されている。

各圧力室６Ｄの底面部分には振動板５Ｄが形成されている。また、共通インク室１０Ｄの底面部分には第１の変位板１６Ｄ１が形成されている。同様に大気圧室１２Ｄの底面部分にも第２の変位板１６Ｄ２が形成されている。

キャビティプレート３Ｄの下面とガラス基板４Ｄの間には、振動板５Ｃを変位させるためのギャップを備えた振動室４１Ｄと、第１の変位板１６Ｄ１を変位させるためのギャップを備えた第１の圧力補償室４９Ｄ１と、第２の変位板１６Ｄ２を変位させるためのギャップを備えた第２の圧力補償室４９Ｄ２が区画形成されている。各振動室４１Ｄに第１の圧力補償室４９Ｄ１が連通しており、この第１の圧力補償室４９Ｄ１には第２の圧力補償室４９Ｄ２が連通している。

各振動室４１Ｄの底面にはＩＴＯからなる個別電極４３Ｄが形成され、第１の圧力補償室４９Ｄ１、第２の圧力補償室４９Ｄ２の底面にもそれぞれＩＴＯからなる電極４８Ｄ１，４８Ｄ２が形成されている。

図１５（Ａ）に示すように、第１の変位板１６Ｄ１と電極４８Ｄ１の間に電圧を印加すると、静電吸引力が発生して第１の変位板１６Ｄ１が電極側に吸引されて撓む。この結果、第１の圧力補償室４９Ｄ１の容積が減少して、連通している振動室４１Ｄの内圧を高める。電圧の印加を停止すると、第１の変位板１６Ｄ１が弾性復帰するので、振動室４１Ｄの内圧も元に戻る。

例えば、周囲の気圧が所定の値である場合に、図１５（Ｂ）に示すように、第１の変位板１６Ｄ１と電極４８Ｄ１の間に電圧を印加して第１の変位板１６Ｄ１を電極４８Ｄ１に吸引しておく。外気圧が低くなった場合には、印加電圧を低下させるか、あるいは電圧印加を停止すると、各振動室４１Ｄの内圧が低下するので、外気圧との圧力差が小さくなる。よって、振動板５Ｄの振動特性を一定に保持して、インクの吐出特性の変化を抑制できる。

一方、外気圧が高くなった場合には、印加電圧を高くすると、第１の変位板１６Ｄ１の撓みが大きくなり、振動室４１Ｄの圧力を上昇させることができるので、外気圧との圧力差を小さくでき、この場合においてもインクの吐出特性の変動を抑制できる。

ここで、外気圧の変化量が大きい場合には次のように第２の圧力補償室１２Ｄ２の容積変化を利用すればよい。すなわち、外気圧が所定の値である場合に、図１５（Ａ）に示すように、第１の変位板１６Ｄ１と電極４８Ｄ１の間に電圧を印加し、第１の変位板１６Ｄ１を電極４８Ｄ１に吸引した状態に保持しておく。外気圧が高くなった場合には、第２の変位板１６Ｄ２と電極４８Ｄ２の間に電圧を印加して第２の変位板１６Ｄ２も撓ませる。この結果、第２の圧力補償室１２Ｄ２の容積も減少するので、各振動室４１Ｄの圧力を外気圧の上昇に合わせて大幅に増加させることができる。これにより、大幅に上昇した外気圧と各振動室の内圧との圧力差を減少あるいは無くすことができる。

逆に、外気圧が低下した場合には、電圧印加を停止して、第１の変位板１６Ｄ１を元の状態に復帰させることにより、第１の圧力補償室４９Ｄ１の容積を増加させる。この結果、各振動室４１Ｄの内圧が低下して、外気圧との圧力差が減少あるいは無くなる。

このような第１の圧力補償室１２Ｄ１および第２の圧力補償室１２Ｄ２の容積を増減するための各電極４８Ｄ１，４８Ｄ２に対する電圧印加制御は、次のような制御機構によって行うことができる。

すなわち、図１６に示すように、気圧検出手段４０１により外気圧を検出し、圧力比較手段４０２により設定気圧と検出された外気圧を比較し、比較結果に基づき、変位板駆動手段４０３によって各第１の変位板１６Ｄ１、第２の変位板１６Ｄ２を変位させればよい。

なお、気圧検出手段としては、例えば静電容量式の気圧センサ、圧電式の気圧センサ等の各種のセンサを用いることができる。また、気圧検出手段の取り付け位置は、インクジェットヘッド１Ｄの近傍に限定されるものではなく、同様な気圧測定ができる位置ならばいずれの位置でもよい。
また、外気圧は、変位板と電極間の電気容量を検出することによって算出することが可能である。

［第５の実施例］
図１７は本発明を適用したインクジェットヘッドの第５の実施例の主要部分を示す部分構成図である。本例のインクジェットヘッド１Ｅの基本的な構造は上記の各例における場合と同様であり、キャビティプレート３Ｅを挟み、上下にそれぞれ、ノズルプレート２Ｅおよびガラス基板４Ｅが積層された構造となっている。ノズルプレート２Ｅにはインクノズル２１Ｅが形成されている。ノズルプレート２Ｅとキャビティプレート３Ｅの間には、インクノズル２１Ｅが連通している圧力室６Ｅと、各圧力室６Ｅに対してインク供給室８Ｅを介して連通している共通インク室１０Ｅとが区画形成されている。各圧力室６Ｅの底面部分には振動板５Ｅが形成されている。

キャビティプレート３Ｅの下面とガラス基板４Ｅの間には、振動板５Ｅを変位させるためのギャップを備えた振動室４１Ｅが区画形成されている。各振動室４１Ｅの底面にはＩＴＯからなる個別電極４３Ｅが形成されている。

本例の特徴は、圧力補償手段として、変位板によって容積が変動する圧力補償室を設ける代わりに、熱制御体１６０を用いて、振動室４１Ｅの封入気体を加熱冷却することにより、当該振動室４１Ｅの内圧を増減させ、これにより、外気圧との圧力差を低減あるいは解消している点にある。

ボイル・シャルルの法則で周知であるが、気圧は温度によっても制御可能である。例えば、外気圧が高くなった場合には、熱制御体１６０を発熱させ、ガラス基板４Ｅにおける振動室形成部分を加熱すると、振動室内の気体が温められて膨張しようとする。しかし、振動室４１Ｅは密閉状態にあるので内圧が高まり、外気圧との圧力差が緩和される。

逆に、外気圧が低下した場合には、熱制御体１６０により吸熱あるいは冷却動作を行い、ガラス基板４Ｅを冷却し、振動室内の気体を冷却して、その内圧を低下させる。これによって、外気圧との圧力差を解消できる。

熱制御体としては、例えば、窒化タンタル薄膜にように発熱体であってもよい。又は、ペルチエ素子のように吸熱も行えるものでもよい。

図１８は熱制御体の駆動制御機構の概略図である。この図に示すように、気圧検出手段５０１により外気圧を検出する。検出された外気圧を、気圧・温度換算手段５０２において、振動室４１Ｅの内部温度に換算する。換算された温度を、温度比較手段５０３において、予め設定されている目標温度と比較する。熱制御体駆動手段５０４では、比較結果に基づき、振動室内の温度が目標温度となるように熱制御体１６０を駆動する。

なお、ガラス基板４Ｅに温度検出手段５０５を取り付け（図１７参照）、この検出値を目標温度と比較することにより、より正確な温度管理を実行することができる。

また、気圧の検出は、気圧センサ等をインクジェットプリンタに搭載する代わりに、振動室４１Ｅにおける振動板５Ｅと個別電極４３Ｅの間の電気容量に基づき算出することもできる。

この場合には、図１９に示すように、振動板と電極間の電気容量を、電気容量検出手段６０１によって検出し、検出された電気容量を、比較手段６０２により予め定めた目標値と比較し、この比較結果に基づき、熱制御体駆動手段６０３によって熱発熱体を駆動制御すればよい。

［その他の実施の形態］
なお、前述の実施例においては、圧力補償室の一部に変位板を形成し、外気圧変動に応じて当該変位板が変位することにより圧力補償室の容積が増減するようになっている。この代わりに、図２０に示すように、圧力補償室７０１の全体を伸縮性の素材から形成し、外気圧変動に応じて全体を膨張および縮小させるようにしてもよい。

以上説明したように、本発明の静電アクチュエータは、振動板によって仕切られている振動室の内圧と外気圧の圧力差を減少あるいは無くすための圧力補償手段を備えているため、振動板の振動特性が外気圧の変動によって変化することが無い。従って、本発明を適用した液滴吐出装置は、外気圧の変動にかかわりなく、常に安定した液滴の吐出動作を行うことのできる。例えば、本発明を用いたインクジェットプリンタは、高地、低地等の使用場所に左右されることなく、常に高品位の画像形成を行うことができる。

本発明を適用可能なインクジェットプリンタの機構の概要を示す概略構成図。 本発明の第１の実施例に係るインクジェットプリンタのインクジェットヘッドを示す分解斜視図。 図２のインクジェットヘッドの概略縦断面図。 図２のインクジェットヘッドの概略横断面図。 図２のインクジェットヘッドの電極配置を示す説明図である。 図１のインクジェットプリンタの制御系を示す概略構成図。 本発明の第２の実施例に係るインクジェットヘッドの圧力補償手段の主要部分を示す概略部分断面図。 図７のインクジェットヘッドの変位板のコンプライアンス特性を示すグラフ。 図７のインクジェットヘッドの変位板の挙動を示す説明図。 本発明の第３の実施例に係るインクジェットヘッドの主要部分を示す概略部分断面図。 図１０のインクジェットヘッドの振動室と圧力補償室の配置関係を示す説明図。 振動室と圧力補償室の配置の別の例を示す説明図。 図１０のインクジェットヘッドの改良例を示す概略部分断面図。 （Ａ）、（Ｂ）は、本発明の第４の実施例に係るインクジェットヘッドの概略部分断面図、および振動室と圧力補償室の配置関係を示す説明図。 （Ａ）、（Ｂ）は、図１４のインクジェットヘッドの圧力補償動作を示す説明図。 図１４のインクジェットヘッドの変位板の駆動制御機構を示す概略構成図。 本発明の第５の実施例に係るインクジェットヘッドの主要部分の概略部分断面図。 図１７のインクジェットヘッドの熱制御体の制御機構の概略構成図。 図１７のインクジェットヘッドの熱制御体の制御機構の別の例を示す概略構成図。 本発明のインクジェットヘッドの別の例を示すための説明図。

符号の説明

１，１Ａ〜１Ｅ…インクジェットヘッド、２，２Ｂ〜２Ｅ…ノズルプレート、３，３Ｂ〜３Ｅ…キャビティプレート、４，４Ｂ〜４Ｅ…ガラス基板、５，５Ｂ〜５Ｅ…振動板、６，６Ｂ〜６Ｅ…圧力室、７，１１，１３，４２，４６…凹部、８…インク供給口、８Ｂ〜８Ｅ…インク供給室、９，１５…細溝、１０，１０Ｂ〜１０Ｅ…共通インク室、１０ａ，１６，１６Ａ〜１６Ｃ…変位板、１２，１２Ｂ，１２Ｄ…大気圧室、１２Ｄ１，４９Ｄ１…第１の圧力補償室、１２Ｄ２，４９Ｄ２…第２の圧力補償室、１４…連通孔、１４Ｂ…大気連通孔、１６Ｄ１…第１の変位板、１６Ｄ２…第２の変位板、２０…封止剤、２１，２１Ｂ〜２１Ｅ…インクノズル、２２…インク供給孔、２３…接続パイプ、２６…共通電極端子、４１…密閉室としての振動室、４１Ｂ〜４１Ｅ…振動室、４３，４３Ｂ〜４３Ｅ…個別電極、４４…セグメント電極部、４５…端子部、４７…連通用凹部、４８，４８Ｃ…ダミー電極、４８Ｂ…ダミー極、４８Ｄ１，４８Ｄ２…電極、４９，４９Ｂ，４９Ｃ，７０１…圧力補償室、５０…連通部、１０５…記録紙、１６０…熱制御体、２０１…プリンタ制御回路、２０２〜２０４，２０９，２３１，２４１…内部バス、２０５…ＲＡＭ、２０６…ＲＯＭ、２０７…ＣＧ−ＲＯＭ、２１１…データバス、２２０…ヘッドドライバ、２３０…電源回路、２３２…キャリッジモータ駆動制御回路、２３３，２４３…モータドライバ、２３４，２４４…矢印、２４２…搬送モータ駆動制御回路、３００…インクジェットプリンタ、３０１…インクタンク、３０２…キャリッジ、３０４…キャップ、３０６…インクチューブ、３０８…廃インクチューブ、４０１，５０１…気圧検出手段、４０２…圧力比較手段、４０３…変位板駆動手段、５０２…気圧・温度換算手段、５０３…温度比較手段、５０４，６０３…熱制御体駆動手段、５０５…温度検出手段、６０１…電気容量検出手段、６０２…比較手段、ＤＡＴＡ…印刷データ、Ｇ…隙間、ＧＮＤ…接地電圧、ＲＯＭ…キャラクタジェネレータ、Ｖｃｃ，Ｖｎ…駆動電圧。

Claims (9)

1. ノズルを形成したノズルプレートと、キャビティプレートと、電極板とが積層され、前記キャビティプレートに形成された凹部により前記ノズルプレートとの間に設けられた圧力室と、前記電極板に形成された凹部により前記電極板との間に設けられた密閉形成された振動室とを備え、前記振動板と前記電極板との間に電圧を印加することにより前記キャビティプレートの前記凹部に形成された振動板を変位させることにより前記圧力室の液体を前記ノズルから吐出させる静電式液体噴射装置において、
   前記ノズルプレートと前記キャビティプレートとの間に形成された外気連通孔を有する大気圧室と、
   前記キャビティプレートと前記電極板との間に形成され、前記振動室に連通すると共に、
   前記大気圧室を形成する変位板を挟んで前記変位板の変位により外気圧に応じて容積を増減し前記振動室の内圧と外気圧の圧力差を低減する圧力補償室とを備え、
   前記変位板は平地における標準的な外気圧の下で曲面状に撓むよう構成されていることを特徴とする静電式液体噴射装置。
2. 前記変位板は前記大気圧室側に凸状に撓んでいることを特徴とする請求項１記載の静電式液体噴射装置。
3. 前記キャビティプレートを半導体基板で構成し、前記変位板は前記半導体基板にボロンをドープした部分で形成したことを特徴とする請求項１記載の静電式液体噴射装置。
4. 振動板と、前記振動板に対峙している電極板と、前記電極板および前記振動板の間に密閉形成された振動室とを有し、前記振動板および前記電極板の間に電圧を印加することにより前記振動板を静電気力により変位させる静電式液体噴射装置において、
   前記振動室に連通すると共に外気圧に応じて容積を増減し前記振動室の内圧と外気圧の圧力差を低減する圧力補償室を有し、
   前記圧力補償室の一部が、外気圧に応じて変位可能な変位板により構成され、
   前記変位板は平地における標準的な外気圧の下で曲面状に撓むよう構成されていることを特徴とする静電式液体噴射装置。
5. 前記変位板は前記大気圧室側に凸状に撓んでいることを特徴とする請求項４記載の静電式液体噴射装置。
6. 前記キャビティプレートを半導体基板で構成し、前記変位板は前記半導体基板にボロンをドープした部分で形成したことを特徴とする請求項４記載の静電式液体噴射装置。
7. 振動板と、前記振動板に対峙している電極板と、前記電極板および前記振動板の間に密閉形成された振動室とを有し、前記振動板および前記電極板の間に電圧を印加することにより前記振動板を静電気力により変位させる静電アクチュエータの製造方法において、
   前記振動室に連通する圧力補償室を形成する工程と、
   当該圧力補償室の一部に、外気圧に応じて変位可能な変位板を、前記圧力補償室の対向内壁から離れる方向に、凸となった曲面形状に撓んだ形状に形成する工程と、
   前記振動室と共に、前記圧力補償室を、外気から遮断し封止する工程とを有することを特徴とする静電アクチュエータの製造方法。
8. 前記振動板を半導体基板で構成し、前記変位板は半導体基板にドープされたボロンドープ層から形成されることを特徴とする請求項７記載の静電アクチュエータの製造方法。
9. 請求の範囲第７項または第８項において、更に、前記圧力補償室を封止する気圧を調整する工程を有する静電アクチュエータの製造方法。

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