JP4419639B2 - Electrostatic MEMS actuator, micro fluid drive device including micro pump, micro fluid ejection device including ink jet printer head, and printing device including ink jet printer - Google Patents

Electrostatic MEMS actuator, micro fluid drive device including micro pump, micro fluid ejection device including ink jet printer head, and printing device including ink jet printer Download PDF

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Description

本発明は、微小流体へのエネルギー伝達及び駆動に適した静電MEMSアクチュエータ、この静電MEMSアクチュエータを用いたスピーカーを含む圧力伝播装置、マイクロポンプを含む微小流体駆動装置及びインクジェットプリンタヘッドを含む微量流体吐出装置、さらにこの微量流体吐出装置を搭載したインクジェットプリンタを含む印刷装置に関する。   The present invention relates to an electrostatic MEMS actuator suitable for energy transfer and driving to a microfluid, a pressure propagation device including a speaker using the electrostatic MEMS actuator, a microfluidic driving device including a micropump, and a minute amount including an inkjet printer head. The present invention relates to a fluid ejecting apparatus and a printing apparatus including an ink jet printer equipped with the micro fluid ejecting apparatus.

近年、例えばインクジェットプリンタでは、高速印字、高精細印字が可能で、且つ小型を図るため、静電MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)アクチュエータを用いたインクジェットプリンタヘッドを搭載したものが開発されてきている。また、静電MEMSアクチュエータは、インクジェットプリンタヘッド以外にも、流体の流路と組み合わせて各種の微小流体駆動装置(いわゆるマイクロポンプ)に利用されることが考えられている。   2. Description of the Related Art In recent years, for example, an ink jet printer has been developed in which an ink jet printer head using an electrostatic electromechanical system (MEMS) actuator is mounted in order to achieve high-speed printing and high-definition printing and to reduce the size. In addition to the inkjet printer head, the electrostatic MEMS actuator is considered to be used in various microfluidic drive devices (so-called micropumps) in combination with fluid flow paths.

図10及び図11は、従来の静電MEMSアクチュエータとなる静電MEMS素子の例を示す。
図10の静電MEMS素子1は、シリコン基板2の表面に絶縁膜(例えばシリコン酸化膜)3を有する基板4上に下部電極5を形成し、さらに下部電極5の表面に絶縁膜(例えばシリコン酸化膜)6を形成し、この下部電極5に対して空間7を挟んで対向するように上部電極8を有する振動板9を配置して構成される。静電MEMS素子1は、同様の構成をとる複数の静電MEMS素子1A,1B・・を共通の基板4上に形成して構成される。この場合、下部電極5は各MEMS素子1A,1B・・に共通に形成され、振動板9を構成する上部電極8は各MEMS素子1A,1B・・において個別の電極8A,8B・・に形成される。各振動板9は、両端をアンカー部10を介して基板4上に支持され、いわゆる両持ち梁構造として形成される。振動板9は、絶縁膜と上部電極との組み合わせ、例えばシリコン酸化膜11、上部電極8〔8A,8B・・〕、シリコン酸化膜12、シリコン窒化膜13及び最表面のシリコン酸化膜14からなる。アンカー部10は、振動板9を構成するシリコン酸化膜11、12、シリコン窒化膜13及びシリコン酸化膜14の積層膜で振動板9と一体に形成される。さらに全面にわたりプラズマ・シリコン窒化(SiN)膜が積層される場合もある。
10 and 11 show an example of an electrostatic MEMS element serving as a conventional electrostatic MEMS actuator.
10 includes a lower electrode 5 formed on a substrate 4 having an insulating film (for example, silicon oxide film) 3 on the surface of a silicon substrate 2, and an insulating film (for example, silicon) An oxide film) 6 is formed, and a diaphragm 9 having an upper electrode 8 is arranged so as to face the lower electrode 5 with a space 7 in between. The electrostatic MEMS element 1 is configured by forming a plurality of electrostatic MEMS elements 1A, 1B,... Having the same configuration on a common substrate 4. In this case, the lower electrode 5 is formed in common to the MEMS elements 1A, 1B,... And the upper electrode 8 constituting the diaphragm 9 is formed in the individual electrodes 8A, 8B,. Is done. Each diaphragm 9 is supported on the substrate 4 at both ends via the anchor portion 10 and formed as a so-called doubly supported beam structure. The diaphragm 9 includes a combination of an insulating film and an upper electrode, for example, a silicon oxide film 11, an upper electrode 8 [8A, 8B,...], A silicon oxide film 12, a silicon nitride film 13, and an outermost silicon oxide film 14. . The anchor portion 10 is formed integrally with the vibration plate 9 by a laminated film of silicon oxide films 11 and 12, a silicon nitride film 13 and a silicon oxide film 14 constituting the vibration plate 9. Further, a plasma silicon nitride (SiN) film may be laminated over the entire surface.

図11の静電MEMS素子21は、下部電極5を各静電MEMS素子21A,21B・・において個別に形成し、振動板を構成する上部電極8を各MEMS素子21A,21B・・に共通に形成して構成される。即ち、静電MEMS素子21は、シリコン基板の表面に絶縁膜3を有する基板4上に個別の下部電極5〔5A,5B・・〕を形成し、各下部電極5A,5B・・の表面を絶縁膜6で被覆し、各下部電極5A,5B・・に対向するように共通の上部電極8を有する振動板9をアンカー部10を介して配置して構成される。この場合、振動板9とアンカー部10は、絶縁膜と上部電極の組み合わせ共通の積層膜、例えばシリコン酸化膜16、上部電極8及びシリコン酸化膜17を順次積層した共通の積層膜で構成される。この静電MEMS素子21においては、図示するように下部電極5〔5A,5B・・〕が個別に形成されるので、振動板9に製造時の下部電極5の段差に応じた段差部18が形成される。   In the electrostatic MEMS element 21 of FIG. 11, the lower electrode 5 is individually formed in each of the electrostatic MEMS elements 21A, 21B... And the upper electrode 8 constituting the diaphragm is shared by the MEMS elements 21A, 21B. Formed and configured. That is, the electrostatic MEMS element 21 forms the individual lower electrodes 5 [5A, 5B,...] On the substrate 4 having the insulating film 3 on the surface of the silicon substrate, and the surfaces of the lower electrodes 5A, 5B,. A diaphragm 9 having a common upper electrode 8 covered with an insulating film 6 and having a common upper electrode 8 facing each lower electrode 5A, 5B,... In this case, the diaphragm 9 and the anchor portion 10 are configured by a common laminated film in which the insulating film and the upper electrode are combined, for example, a common laminated film in which the silicon oxide film 16, the upper electrode 8, and the silicon oxide film 17 are sequentially laminated. . In this electrostatic MEMS element 21, since the lower electrodes 5 [5A, 5B,...] Are individually formed as shown in the drawing, the step portion 18 corresponding to the step of the lower electrode 5 at the time of manufacture is formed on the diaphragm 9. It is formed.

図12は、例えば図10の下部電極5を共通とし、上部電極8を個別に形成した静電MEMS素子1の配線構造を示す。各静電MEMS素子1A〜1Dの共通の下部電極5が接地され、各静電MEMS素子1A〜1Dの個別の上部電極8A〜8Dが夫々スイッチ素子19A〜19Dを介して所要のプラス電圧(+V)または所要のマイナス電圧(−V)が印加される。   FIG. 12 shows a wiring structure of the electrostatic MEMS element 1 in which, for example, the lower electrode 5 of FIG. 10 is shared and the upper electrode 8 is individually formed. The common lower electrode 5 of each of the electrostatic MEMS elements 1A to 1D is grounded, and the individual upper electrodes 8A to 8D of the electrostatic MEMS elements 1A to 1D are respectively connected to the required positive voltage (+ V via the switch elements 19A to 19D). ) Or a required negative voltage (−V) is applied.

図12の静電MEMS素子1の動作は次の通りである。例えば第1の静電MEMS素子1Aのスイッチ素子19Aをオンすると、上部電極8Aに+Vが印加され、下部電極5に接地電圧が印加されることにより、上部電極8Aと下部電極5との間に静電力が発生し、上部電極8Aを有する振動板9Aが下部電極5側に撓む。スイッチ素子19Aをオフすれば、振動板9Aは元の位置に戻る。このようにして振動板9Aが駆動する。スイッチ素子19A〜19Dを選択的にオン・オフさせることにより、各静電MEMS素子1A〜1Dの振動板9A〜9Dが選択的に駆動することになる。   The operation of the electrostatic MEMS element 1 of FIG. 12 is as follows. For example, when the switch element 19A of the first electrostatic MEMS element 1A is turned on, + V is applied to the upper electrode 8A, and a ground voltage is applied to the lower electrode 5, whereby the upper electrode 8A and the lower electrode 5 are interposed. An electrostatic force is generated, and the diaphragm 9A having the upper electrode 8A bends toward the lower electrode 5 side. When the switch element 19A is turned off, the diaphragm 9A returns to the original position. In this way, the diaphragm 9A is driven. By selectively turning on and off the switch elements 19A to 19D, the diaphragms 9A to 9D of the electrostatic MEMS elements 1A to 1D are selectively driven.

特許文献1には静電アクチュエータを用いたインクジェットプリンタヘッド、及びこれを搭載したインクジェットプリンタが記載されている。
再公表特許WO99/34979号公報
Patent Document 1 describes an ink jet printer head using an electrostatic actuator and an ink jet printer equipped with the ink jet printer head.
Republished patent WO99 / 34979

上述の静電MEMSアクチュエータとなる静電MEMS素子は、インクジェットプリンタ等に用いる場合、より高性能化が望まれている。例えば、静電MEMS素子は、消費電力が少ないことが特徴である。抵抗加熱方式、ピエゾ方式のインクジェットプリンタでは、消費電力が約500nJ/滴であり、更なる低消費電力化が求められている。静電MEMS方式であれば、約20nJ/滴が可能である。消費電力は、上部電極及び下部電極間の静電容量が影響している。
また、静電MEMS素子には、チャージングという問題が付きまとい、この対策として特殊な駆動波形を使用する場合が多い。チャージングについて説明する。図13に示すように、静電MEMS素子1を連続的に繰り返し駆動すると、プラス電圧(+V)が印加される上部電極8の絶縁膜23にはマイナス電荷24がチャージし、接地電圧(0V)が印加される下部電極5の絶縁膜25にはプラス電荷26がチャージされる。従って、連続的に繰り返し動作すると、チャージした残留電荷24、26により、振動板8の振幅が小さくなるから反発力が弱くなり、例えばインクジェットプリンタヘッドに適用した場合、インク吐出量に変動を来す。
さらに、図11に示す下部電極5A,5Bを各MEMS素子毎に独立に形成した場合、振動板9に電極の厚みが転写されて振動板9が平坦に形成されず、両端に段差部18が発生する。図14に模式的に段差部18を有する両持ち梁構造の振動板9を示す。このような振動板9の場合、振動板9の張力が段差部18で吸収され、振動板の強度、寿命に悪影響を及ぼす。また、振動板9に段差部18が発生すると、振動板9に不要な応力による反りが発生し、ギャップ20(図11参照)の高さが低下する。このような静電MEMSアクチュエータを例えばインクジェットプリンタヘッドに適用した場合、変位容量が不足し液滴の吐出速度、吐出量が低下してしまう。
When the electrostatic MEMS element serving as the electrostatic MEMS actuator described above is used in an inkjet printer or the like, higher performance is desired. For example, electrostatic MEMS elements are characterized by low power consumption. In the resistance heating type and piezo type ink jet printers, the power consumption is about 500 nJ / droplet, and further reduction in power consumption is required. If it is an electrostatic MEMS system, about 20 nJ / droplet is possible. The power consumption is affected by the capacitance between the upper electrode and the lower electrode.
In addition, the electrostatic MEMS element has a problem of charging, and a special drive waveform is often used as a countermeasure. Charging will be described. As shown in FIG. 13, when the electrostatic MEMS element 1 is continuously driven repeatedly, a negative charge 24 is charged in the insulating film 23 of the upper electrode 8 to which a positive voltage (+ V) is applied, and a ground voltage (0 V) is obtained. A positive charge 26 is charged to the insulating film 25 of the lower electrode 5 to which is applied. Therefore, when the operation is continuously repeated, the repulsive force is weakened because the amplitude of the diaphragm 8 is reduced due to the charged residual charges 24 and 26. For example, when applied to an ink jet printer head, the ink discharge amount varies. .
Furthermore, when the lower electrodes 5A and 5B shown in FIG. 11 are formed independently for each MEMS element, the thickness of the electrode is transferred to the diaphragm 9, so that the diaphragm 9 is not formed flat, and step portions 18 are formed at both ends. appear. FIG. 14 schematically shows a diaphragm 9 having a double-supported beam structure having a stepped portion 18. In the case of such a diaphragm 9, the tension of the diaphragm 9 is absorbed by the step portion 18 and adversely affects the strength and life of the diaphragm. Further, when the step portion 18 is generated in the diaphragm 9, warpage due to unnecessary stress is generated in the diaphragm 9, and the height of the gap 20 (see FIG. 11) is reduced. When such an electrostatic MEMS actuator is applied to, for example, an ink jet printer head, the displacement capacity is insufficient, and the discharge speed and the discharge amount of liquid droplets are reduced.

本発明は、上述の点に鑑み、より性能の向上が図れる静電MEMSアクチュエータを提供するものである。
また、本発明は、このような微小流体へのエネルギー伝達及び駆動に適した静電MEMSアクチュエータを用いたスピーカー・マイクロポンプを含む微小流体駆動装置及びインクジェットプリンタヘッドを含む微量流体吐出装置、さらにこの微量流体吐出装置を搭載したインクジェットプリンタを含む印刷装置を提供するものである。
In view of the above points, the present invention provides an electrostatic MEMS actuator capable of further improving performance.
The present invention also provides a microfluidic driving device including a speaker micropump using an electrostatic MEMS actuator suitable for energy transmission and driving to such a microfluid, and a microfluidic ejecting device including an ink jet printer head. The present invention provides a printing apparatus including an ink jet printer equipped with a micro fluid discharge device.

本発明に係る静電MEMSアクチュエータは、隣接する複数のMEMS素子と、各MEMS素子を構成するそれぞれ独立した下部電極及び振動板の上部電極と、各振動板に連続するように、上部電極の両面に形成された前記振動板の一部を構成する絶縁膜と、下部電極の上部電極に対向する表面を被覆する絶縁膜と、振動板一部を構成する絶縁膜から一体に延長する絶縁膜で形成され、振動板の両端を支持するアンカー部とを有し、下部電極の幅がアンカー部間の間隔より大に設定された構成とする。 The electrostatic MEMS actuator according to the present invention includes a plurality of adjacent MEMS elements, an independent lower electrode constituting each MEMS element, an upper electrode of a diaphragm, and both surfaces of the upper electrode so as to be continuous with each diaphragm. An insulating film that forms a part of the diaphragm, an insulating film that covers a surface of the lower electrode facing the upper electrode, and an insulating film that extends integrally from the insulating film that forms a part of the diaphragm And an anchor portion that supports both ends of the diaphragm, and the width of the lower electrode is set larger than the interval between the anchor portions .

本発明に係る静電MEMSアクチュエータは、上記静電アクチュエータにおいて、隣接する2つのMEMS素子を組として、各組内で一方のMEMS素子の下部電極と他方のMEMS素子の上部電極が電気的に接続され、各組の一方のMEMS素子の上部電極が第1のスイッチ素子を介して共通接続されて、第1端子が導出され、各組の他方のMEMS素子の下部電極が第2のスイッチ素子を介して共通接続されて、第2端子が導出され、各組の一方のMEMS素子の下部電極が共通接続されて、第3端子が導出された構成とする。 The electrostatic MEMS actuator according to the present invention is the above-mentioned electrostatic actuator, wherein two adjacent MEMS elements are grouped, and the lower electrode of one MEMS element and the upper electrode of the other MEMS element are electrically connected in each group. The upper electrode of one MEMS element in each group is connected in common through the first switch element, the first terminal is derived, and the lower electrode of the other MEMS element in each group is connected to the second switch element. And the second terminal is led out, and the lower electrode of one of the MEMS elements in each set is commonly connected to lead out the third terminal .

本発明に係る微小流体駆動装置は、隣接する複数のMEMS素子と、各MEMS素子を構成するそれぞれ独立した下部電極及び振動板の上部電極と、各振動板に連続するように、上部電極の両面に形成された振動板の一部を構成する絶縁膜と、下部電極の上部電極に対向する表面を被覆する絶縁膜と、振動板一部を構成する絶縁膜から一体に延長する絶縁膜で形成され、振動板の両端を支持するアンカー部とを有し、下部電極の幅がアンカー部間の間隔より大に設定されて成る静電MEMSアクチュエータと、静電MEMSアクチュエータ上に配置された流体の流路とを備えた構成とする。 The microfluidic drive device according to the present invention includes a plurality of adjacent MEMS elements, an independent lower electrode constituting each MEMS element, an upper electrode of a diaphragm, and both surfaces of the upper electrode so as to be continuous with each diaphragm. Formed of an insulating film that forms part of the diaphragm, an insulating film that covers the surface of the lower electrode facing the upper electrode, and an insulating film that extends integrally from the insulating film that forms part of the diaphragm An electrostatic MEMS actuator having an anchor portion for supporting both ends of the diaphragm, wherein the width of the lower electrode is set larger than the interval between the anchor portions, and a fluid disposed on the electrostatic MEMS actuator. It is set as the structure provided with the flow path.

本発明に係る微小流体駆動装置は、上記微小流体駆動装置において、隣接する2つのMEMS素子を組として、各組内で一方のMEMS素子の下部電極と他方のMEMS素子の上部電極が電気的に接続され、各組の前記一方のMEMS素子の上部電極が第1のスイッチ素子を介して共通接続されて、第1端子が導出され、各組の他方のMEMS素子の下部電極が第2のスイッチ素子を介して共通接続されて、第2端子が導出され、各組の一方のMEMS素子の下部電極が共通接続されて、第3端子が導出された構成とする。 In the microfluidic drive device according to the present invention, in the microfluidic drive device described above, two adjacent MEMS elements are grouped, and the lower electrode of one MEMS element and the upper electrode of the other MEMS element are electrically connected in each group. The upper electrodes of the one MEMS element in each set are connected in common via the first switch element, the first terminal is derived, and the lower electrode of the other MEMS element in each set is connected to the second switch The second terminal is led out commonly connected through the elements, the lower electrode of one MEMS element of each set is commonly connected, and the third terminal is led out.

本発明に係る微量流体吐出装置は、隣接する複数のMEMS素子と、各MEMS素子を構成するそれぞれ独立した下部電極及び振動板の上部電極と、各振動板に連続するように、上部電極の両面に形成された振動板の一部を構成する絶縁膜と、下部電極の上部電極に対向する表面を被覆する絶縁膜と、振動板一部を構成する絶縁膜から一体に延長する絶縁膜で形成され、振動板の両端を支持するアンカー部とを有し、下部電極の幅が前記アンカー部間の間隔より大に設定されて成る静電MEMSアクチュエータと、静電MEMSアクチュエータ上に配置されたノズルを有する液室と備えた構成とする。 A microfluidic discharge device according to the present invention includes a plurality of adjacent MEMS elements, independent lower electrodes constituting the MEMS elements, upper electrodes of diaphragms, and both surfaces of the upper electrode so as to be continuous with the diaphragms. Formed of an insulating film that forms part of the diaphragm, an insulating film that covers the surface of the lower electrode facing the upper electrode, and an insulating film that extends integrally from the insulating film that forms part of the diaphragm And an electrostatic MEMS actuator having an anchor portion for supporting both ends of the diaphragm, wherein the width of the lower electrode is set larger than the interval between the anchor portions, and a nozzle disposed on the electrostatic MEMS actuator It is set as the structure provided with the liquid chamber which has.

本発明に係る微量流体吐出装置は、上記微量流体吐出装置において、隣接する2つのMEMS素子を組として、各組内で一方のMEMS素子の下部電極と他方のMEMS素子の上部電極が電気的に接続され、各組の一方のMEMS素子の上部電極が第1のスイッチ素子を介して共通接続されて、第1端子が導出され、各組の他方のMEMS素子の下部電極が第2のスイッチ素子を介して共通接続されて、第2端子が導出され、各組の一方のMEMS素子の下部電極が共通接続されて、第3端子が導出された構成とする。
本発明に係る微量流体吐出装置は、上記微量流体吐出装置において、隣接する2つのMEMS素子の組を、ノズルを有する1つの液室に対応して配置する構成とすることができる。
The microfluidic discharge device according to the present invention is the above microfluidic discharge device, wherein two adjacent MEMS elements are grouped, and the lower electrode of one MEMS element and the upper electrode of the other MEMS element are electrically connected in each group. The upper electrodes of one of the MEMS elements in each set are connected in common via the first switch element, the first terminal is derived, and the lower electrode of the other MEMS element in each set is the second switch element And the second terminal is led out, the lower electrode of one of the MEMS elements in each set is commonly connected, and the third terminal is led out.
The microfluidic discharge device according to the present invention may be configured such that, in the microfluidic discharge device, a set of two adjacent MEMS elements is arranged corresponding to one liquid chamber having a nozzle.

本発明に係る微量流体吐出装置は、上述のいずれかの構成をとる静電MEMSアクチュエータと、ノズルを有する1つの液室とからなるマイクロポンプが、印画する対象物の幅以上にわたり複数個ライン状に配列された構成とする。 A microfluidic discharge device according to the present invention includes a plurality of line-shaped micro-pumps including an electrostatic MEMS actuator having one of the above-described configurations and a liquid chamber having a nozzle over the width of an object to be printed. The arrangement is as follows.

本発明に係るインクジェットプリンタを含む印刷装置は、微量流体吐出装置と、吐出対象流体供給機構と、印刷対象物と前記微量流体吐出装置と相対的に移動する機構とを備え、微量流体吐出装置を上述したいずれかの微量流体吐出装置で形成した構成とする。   A printing apparatus including an inkjet printer according to the present invention includes a microfluidic discharge device, a discharge target fluid supply mechanism, and a mechanism that moves relative to the print target and the microfluidic discharge device. The structure is formed by any one of the above-described microfluidic discharge devices.

本発明に係る静電MEMSアクチュエータによれば、複数の静電MEMS素子における下部電極及び振動板の上部電極がそれぞれ独立にされているので、下部電極及び上部電極の面積が低減し、下部電極と上部電極間の静電容量が低減する。この結果、静電MEMSアクチュエータの低消費電力化、駆動の高速化を実現することができ、高性能化を図ることができる。   According to the electrostatic MEMS actuator of the present invention, since the lower electrode and the upper electrode of the diaphragm in the plurality of electrostatic MEMS elements are made independent of each other, the area of the lower electrode and the upper electrode is reduced, The capacitance between the upper electrodes is reduced. As a result, low power consumption and high drive speed of the electrostatic MEMS actuator can be realized, and high performance can be achieved.

部電極の電極幅が振動板を支持する両アンカー部間の間隔より大に設定されることにより、下部電極に対向して駆動される振動板の実効領域には、下部電極の厚みが転写された段差が形成されず、平坦化される。下部電極の厚みが転写される段差は、段差の影響が無視できるアンカー部に形成される。これにより、振動板の張力は維持され、振動板の強度、寿命を向上することができる。また、振動板に不要な応力が発生しないので、振動板に不必要な反りも生じない。このため、例えばインクジェットプリンタヘッドを含む微量流体吐出装置に適用した場合、液滴の吐出速度、吐出量が損なわれることがない。このように、振動板の信頼性が上がり、静電MEMSアクチュエータの高性能化を図ることができる。 By the electrode width of the lower portion electrode is set greater than the distance between the anchor portion which supports the vibration plate, the effective area of the diaphragm is driven to face the lower electrode, the thickness of the lower electrode is transferred The stepped portion is not formed and is flattened. The step to which the thickness of the lower electrode is transferred is formed in an anchor portion where the influence of the step can be ignored. Thereby, the tension | tensile_strength of a diaphragm is maintained and the intensity | strength and lifetime of a diaphragm can be improved. Further, since unnecessary stress is not generated in the diaphragm, unnecessary warpage does not occur in the diaphragm. For this reason, for example, when applied to a micro fluid ejection device including an ink jet printer head, the ejection speed and the ejection amount of the droplets are not impaired. As described above, the reliability of the diaphragm is improved, and the performance of the electrostatic MEMS actuator can be improved.

本発明に係る静電MEMSアクチュエータによれば、一方のMEMS素子の振動板の上部電極と、他方のMEMS素子の下部電極とを電気的に接続するので、駆動の繰り返しにより発生する電荷、即ち下部電極及び上部電極を被覆する絶縁膜にチャージされる電荷が、隣接するMEMS素子の電極間でリークされ、短時間で消滅される。これにより、振動板の振幅が小さくなることで、反発力が弱まる現象が回避され、静電MEMSアクチュエータの高性能化を図ることができる。この結果、例えばインクジェットプリンタヘッドに適用した場合、インク吐出量の変動がなくなる。   According to the electrostatic MEMS actuator of the present invention, since the upper electrode of the diaphragm of one MEMS element and the lower electrode of the other MEMS element are electrically connected, the electric charge generated by repeated driving, that is, the lower electrode The charge charged in the insulating film covering the electrode and the upper electrode leaks between the electrodes of the adjacent MEMS elements and disappears in a short time. As a result, a phenomenon in which the repulsive force is weakened by reducing the amplitude of the diaphragm is avoided, and the performance of the electrostatic MEMS actuator can be improved. As a result, for example, when applied to an ink jet printer head, there is no fluctuation in the ink discharge amount.

本発明に係る微小流体駆動装置によれば、隣接する複数のMEMS素子における下部電極及び振動板の上部電極がそれぞれ独立に形成されてなる静電MEMSアクチュエータと、静電MEMSアクチュエータ上に配置された流体の流路とを備えた構成とすることにより、静電MEMSアクチュエータにおける下部電極及び上部電極の面積が低減し、下部電極と上部電極間の静電容量が低減する。この結果、微小流体駆動装置の低消費電力化、駆動の高速化を実現することができ、高性能化を図ることができる。   According to the microfluidic drive device of the present invention, the electrostatic MEMS actuator in which the lower electrode and the upper electrode of the diaphragm in the plurality of adjacent MEMS elements are independently formed, and the electrostatic MEMS actuator are disposed on the electrostatic MEMS actuator. With the configuration including the fluid flow path, the area of the lower electrode and the upper electrode in the electrostatic MEMS actuator is reduced, and the capacitance between the lower electrode and the upper electrode is reduced. As a result, low power consumption and high speed driving of the microfluidic drive device can be realized, and high performance can be achieved.

電MEMSアクチュエータにおける下部電極の幅が、振動板を支持する両アンカー部間の間隔より大に設定された構成とすることにより、下部電極に対向して駆動される振動板の実効領域に、下部電極の厚みが転写された段差が形成されず、平坦化される。下部電極の厚みが転写される段差は段差の影響が無視できるアンカー部に形成される。これにより、振動板の張力は維持され、振動板の強度、寿命を向上することができる。また、振動板に不要な応力が発生しないので、振動板と基板間の距離の変動もなく、駆動電圧も変動しない。このため、流体の流速、流量が変わることがなく、微小流体駆動装置の高性能化を図ることができる。 By setting the width of the lower electrode in the electrostatic MEMS actuator to be larger than the interval between the two anchor portions that support the diaphragm, the effective area of the diaphragm that is driven to face the lower electrode, The step where the thickness of the lower electrode is transferred is not formed, and is flattened. The step to which the thickness of the lower electrode is transferred is formed at an anchor portion where the influence of the step can be ignored. Thereby, the tension | tensile_strength of a diaphragm is maintained and the intensity | strength and lifetime of a diaphragm can be improved. Further, since unnecessary stress is not generated in the diaphragm, the distance between the diaphragm and the substrate does not vary, and the drive voltage does not vary. For this reason, the flow rate and flow rate of the fluid do not change, and the performance of the microfluidic drive device can be improved.

本発明に係る微小流体駆動装置によれば、静電MEMSアクチュエータにおける隣接するMEMS素子において、一方のMEMS素子の振動板の上部電極と他方のMEMS素子の下部電極とが電気的に接続される。これにより、静電MEMSアクチュエータの駆動の繰り返しにより発生する電荷、即ち下部電極及び上部電極を被覆する絶縁膜にチャージされる電荷が、隣接するMEMS素子の電極間でリークされ、短時間で消滅される。従って、振動板の反発力、振幅が弱まることが回避され、静電MEMSアクチュエータの駆動毎の流体の流量の変動がなくなる。この結果、微小流体駆動装置の高性能化を図ることができる。 According to the microfluidic drive device according to the present invention, in the adjacent MEMS element in the electrostatic MEMS actuator, the upper electrode of the diaphragm of one MEMS element and the lower electrode of the other MEMS element are electrically connected. As a result, the charge generated by the repeated driving of the electrostatic MEMS actuator, that is, the charge charged to the insulating film covering the lower electrode and the upper electrode, leaks between the electrodes of the adjacent MEMS elements and disappears in a short time. The Therefore, it is avoided that the repulsive force and amplitude of the diaphragm are weakened, and there is no fluctuation in the flow rate of the fluid every time the electrostatic MEMS actuator is driven. As a result, high performance of the microfluidic drive device can be achieved.

本発明に係る微量流体吐出装置によれば、隣接する複数のMEMS素子における下部電極及び振動板の上部電極がそれぞれ独立に形成されてなる静電MEMSアクチュエータと、静電MEMSアクチュエータ上に配置されたノズルを有する液室とを備えた構成とすることにより、静電MEMSアクチュエータにおける下部電極及び上部電極の面積が低減し、下部電極と上部電極間の静電容量が低減する。この結果、微量流体吐出装置の低消費電力化、駆動の高速化を実現することができ、高性能化を図ることができる。   According to the microfluidic discharge device according to the present invention, the electrostatic MEMS actuator in which the lower electrode and the upper electrode of the diaphragm in the plurality of adjacent MEMS elements are independently formed, and the electrostatic MEMS actuator are disposed on the electrostatic MEMS actuator. With the configuration including the liquid chamber having the nozzle, the area of the lower electrode and the upper electrode in the electrostatic MEMS actuator is reduced, and the capacitance between the lower electrode and the upper electrode is reduced. As a result, low-power consumption and high-speed driving of the micro fluid ejection device can be realized, and high performance can be achieved.

電MEMSアクチュエータにおける下部電極の幅が、振動板を支持する両アンカー部間の間隔より大に設定された構成とすることにより、下部電極に対向して駆動される振動板の実効領域に、下部電極の厚みが転写された段差が形成されず、平坦化される。下部電極の厚みが転写される段差は段差の影響が無視できるアンカー部に形成される。これにより、振動板の張力は維持され、振動板の強度、寿命を向上することができる。また、振動板に不要な応力が発生しないので、振動板と基板間の距離の変動もなく、駆動電圧も変動しない。このため、液滴の吐出速度、吐出量が損なわれることがなく、微量流体吐出装置の高性能化を図ることができる。 By setting the width of the lower electrode in the electrostatic MEMS actuator to be larger than the interval between the two anchor portions that support the diaphragm, the effective area of the diaphragm that is driven to face the lower electrode, The step where the thickness of the lower electrode is transferred is not formed, and is flattened. The step to which the thickness of the lower electrode is transferred is formed at an anchor portion where the influence of the step can be ignored. Thereby, the tension | tensile_strength of a diaphragm is maintained and the intensity | strength and lifetime of a diaphragm can be improved. Further, since unnecessary stress is not generated in the diaphragm, the distance between the diaphragm and the substrate does not vary, and the drive voltage does not vary. For this reason, it is possible to improve the performance of the microfluidic discharge device without impairing the discharge speed and discharge amount of the droplets.

本発明に係る微量流体吐出装置によれば、静電MEMSアクチュエータの隣接するMEMS素子において、一方のMEMS素子の振動板の上部電極と他方のMEMS素子の下部電極とが電気的に接続される。これにより、静電MEMSアクチュエータの駆動の繰り返しにより発生する電荷、即ち下部電極及び上部電極を被覆する絶縁膜にチャージされる電荷が、隣接するMEMS素子の電極間でリークされ、短時間で消滅される。従って、振動板の振幅、反発力が弱まることが回避され、静電MEMSアクチュエータのインク吐出速度、吐出量の変動がなくなる。この結果、微量流体吐出装置の高性能化を図ることができる。 According to the microfluidic ejection device according to the present invention, in the adjacent MEMS element of the electrostatic MEMS actuator, the upper electrode of the diaphragm of one MEMS element and the lower electrode of the other MEMS element are electrically connected. As a result, the charge generated by the repeated driving of the electrostatic MEMS actuator, that is, the charge charged to the insulating film covering the lower electrode and the upper electrode, leaks between the electrodes of the adjacent MEMS elements and disappears in a short time. The Therefore, it is avoided that the amplitude and repulsive force of the diaphragm are weakened, and the ink ejection speed and ejection amount of the electrostatic MEMS actuator are not changed. As a result, high performance of the micro fluid discharge device can be achieved.

本発明に係る微量流体吐出装置によれば、上述のいずれかの微量流体吐出装置において、静電MEMSアクチュエータと1つの液室とからなるマイクロポンプを、印画する対象物の幅以上にわたり複数個ライン状に配列した構成とすることにより、高性能のラインヘッドを提供することができる。   According to the microfluidic discharge device according to the present invention, in any of the microfluidic discharge devices described above, a plurality of micropumps including the electrostatic MEMS actuator and one liquid chamber are provided over the width of the object to be printed. A high-performance line head can be provided by adopting a configuration arranged in a shape.

本発明に係るインクジェットプリンタを含む印刷装置によれば、微量流体吐出装置と、吐出対象流体供給機構と、印画対象物と微量流体吐出装置とを相対的に移動する機構とを備え、微量流体吐出装置を上述のいずれかの微量流体吐出装置で形成することにより、消費電力が低減し、寿命が向上する。従って、例えば電池駆動する携帯用のインクジェットプリンタに用いることが可能になる。   According to a printing apparatus including an ink jet printer according to the present invention, a microfluidic discharge device includes a microfluidic discharge device, a discharge target fluid supply mechanism, and a mechanism that relatively moves the printing object and the microfluidic discharge device. By forming the device with any one of the above-described microfluidic discharge devices, the power consumption is reduced and the life is improved. Therefore, for example, it can be used for a portable inkjet printer driven by a battery.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

図1は、本発明に係る静電MEMSアクチュエータの一実施の形態を示す。本実施の形態に係る静電MEMSアクチュエータ31は、共通の基板34上に複数の静電アクチュエータとなるMEMS素子が形成される。即ち、共通の基板34上にそれぞれ個別(独立)の複数の(図1では2つを示す)下部電極35〔35A,35B〕が配列され、下部電極35〔35A,35B〕を被覆するように表面に絶縁膜36が形成される。本例では絶縁膜36が平坦化膜として形成される。この基板24上に各下部電極35A,35Bに対して夫々空間37を介して対向するように、個別(独立)の上部電極38〔38A,38B〕を有する振動板39〔39A,39B〕が配置される。この下部電極35Aと上部電極38Aを有する振動板39Aにより静電MEMS素子31Aが構成され、下部電極35Bと上部電極38Bを有する振動板39Bにより静電MEMS素子31Bが構成される。下部電極35は基板34に形成されているため、下部電極35への電圧印加時に空間変位を生じない。   FIG. 1 shows an embodiment of an electrostatic MEMS actuator according to the present invention. In the electrostatic MEMS actuator 31 according to the present embodiment, MEMS elements to be a plurality of electrostatic actuators are formed on a common substrate 34. That is, a plurality of individual (independent) lower electrodes 35 [35A, 35B] are arranged on the common substrate 34 so as to cover the lower electrodes 35 [35A, 35B]. An insulating film 36 is formed on the surface. In this example, the insulating film 36 is formed as a planarizing film. A diaphragm 39 [39A, 39B] having individual (independent) upper electrodes 38 [38A, 38B] is disposed on the substrate 24 so as to face the lower electrodes 35A, 35B via the space 37, respectively. Is done. The electrostatic MEMS element 31A is constituted by the diaphragm 39A having the lower electrode 35A and the upper electrode 38A, and the electrostatic MEMS element 31B is constituted by the diaphragm 39B having the lower electrode 35B and the upper electrode 38B. Since the lower electrode 35 is formed on the substrate 34, no spatial displacement occurs when a voltage is applied to the lower electrode 35.

振動板39〔39A,39B〕は、絶縁膜と上部電極との積層膜で形成され、例えばシリコン酸化膜42、上部電極38、シリコン酸化膜43、シリコン窒化膜44及び表面のシリコン酸化膜45とを積層した積層膜で形成される。振動板39〔39A,39B〕は、その両端を基板34上に形成したアンカー部46により支持して、いわゆる両持ち梁構造に形成される。アンカー部46は、例えば振動板39と同じ構成の絶縁膜、即ちシリコン酸化膜42、シリコン酸化膜43、シリコン窒化膜44及びシリコン酸化膜45の積層膜で形成され、振動板39と連続して一体に形成される。   The diaphragm 39 [39A, 39B] is formed of a laminated film of an insulating film and an upper electrode. For example, the silicon oxide film 42, the upper electrode 38, the silicon oxide film 43, the silicon nitride film 44, and the surface silicon oxide film 45 are formed. It is formed of a laminated film in which The diaphragm 39 [39A, 39B] is formed in a so-called doubly supported beam structure by supporting both ends thereof by anchor portions 46 formed on the substrate 34. The anchor portion 46 is formed of, for example, an insulating film having the same configuration as that of the diaphragm 39, that is, a laminated film of a silicon oxide film 42, a silicon oxide film 43, a silicon nitride film 44, and a silicon oxide film 45. It is integrally formed.

基板34は、例えばシリコン(Si)やガリウム砒素(GaAs)などの半導体基板上に絶縁膜を形成した基板や、石英基板を含むガラス基板のような絶縁性基板等の所要の基板を用いることができる。本例ではシリコン基板42上にシリコン酸化膜等による絶縁膜43を形成した基板34を用いている。下部電極35〔35A,35B〕は、導電性物質薄膜で形成し、例えば不純物をドーピングした多結晶シリコン膜、金属(多結晶Pt,Ti,Al,Au,Cg,Ni等の蒸着膜)、ITO(Indium Tin Oxide)膜、さらには半導体基板34内に形成した半導体層等で形成される。本例では不純物をドーピングした多結晶シリコン膜で形成される。上部電極38〔38A,38B〕は、導電性物質薄膜で形成し、例えば不純物をドーピングした多結晶シリコン膜、金属(多結晶Pt,Ti,Al,Au,Cg,Ni等の蒸着膜)、ITO(Indium Tin Oxide)膜等で形成される。本例では不純物をドーピングした多結晶シリコン膜で形成される。   The substrate 34 may be a required substrate such as a substrate in which an insulating film is formed on a semiconductor substrate such as silicon (Si) or gallium arsenide (GaAs), or an insulating substrate such as a glass substrate including a quartz substrate. it can. In this example, a substrate 34 in which an insulating film 43 such as a silicon oxide film is formed on a silicon substrate 42 is used. The lower electrode 35 [35A, 35B] is formed of a conductive material thin film, for example, a polycrystalline silicon film doped with impurities, a metal (deposited film of polycrystalline Pt, Ti, Al, Au, Cg, Ni, etc.), ITO It is formed of a (Indium Tin Oxide) film, a semiconductor layer formed in the semiconductor substrate 34, or the like. In this example, it is formed of a polycrystalline silicon film doped with impurities. The upper electrode 38 [38A, 38B] is formed of a conductive material thin film. For example, a polycrystalline silicon film doped with impurities, a metal (deposited film of polycrystalline Pt, Ti, Al, Au, Cg, Ni, etc.), ITO (Indium Tin Oxide) film or the like. In this example, it is formed of a polycrystalline silicon film doped with impurities.

上述の静電MEMSアクチュエータ31の動作は、前述したと同様であり、上部電極38と下部電極35間に所要の電圧を印加したときの静電力により、振動板39が駆動する。例えば、下部電極35に接地電圧(0V)を印加し、上部電極38にプラス電圧(+V)又はマイナス電圧(−V)を印加すれば振動板39は基板34側へ撓み、上部電極38に0Vを印加すれば振動板38は元の位置の戻る、という駆動を繰り返す。上部電極38と下部電極35への印加電圧は逆でもよい。   The operation of the electrostatic MEMS actuator 31 described above is the same as described above, and the diaphragm 39 is driven by the electrostatic force when a required voltage is applied between the upper electrode 38 and the lower electrode 35. For example, if a ground voltage (0 V) is applied to the lower electrode 35 and a positive voltage (+ V) or a negative voltage (−V) is applied to the upper electrode 38, the diaphragm 39 is bent toward the substrate 34, and 0 V is applied to the upper electrode 38. Is applied, the diaphragm 38 is repeatedly driven to return to its original position. The applied voltages to the upper electrode 38 and the lower electrode 35 may be reversed.

本実施の形態に係る静電MEMSアクチュエータ31によれば、各静電MEMS素子31A,31Bの夫々の下部電極35A,35B及び上部電極38A,38Bが独立に分離して形成されているので、下部電極35〔35A,35B〕及び上部電極38〔38A,38B〕の面積が低減し、下部電極35と上部電極38間の静電容量、及び下部電極35と基板34、本発明例ではシリコン基板32との間の寄生容量C0(図1参照)を低減することができる。この結果、静電MEMSアクチュエータの低消費電力化、駆動の高速化を実現し、高性能化を図ることができる。   According to the electrostatic MEMS actuator 31 according to the present embodiment, the lower electrodes 35A and 35B and the upper electrodes 38A and 38B of the respective electrostatic MEMS elements 31A and 31B are independently formed, so that the lower The area of the electrode 35 [35A, 35B] and the upper electrode 38 [38A, 38B] is reduced, the capacitance between the lower electrode 35 and the upper electrode 38, the lower electrode 35 and the substrate 34, and the silicon substrate 32 in the present invention example. The parasitic capacitance C0 between (see FIG. 1) can be reduced. As a result, the electrostatic MEMS actuator can be reduced in power consumption and driven at a higher speed to achieve higher performance.

図2は、本発明に係る静電MEMSアクチュエータの他の実施の形態を示す。本実施の形態に係る静電MEMSアクチュエータ51は、共通のシリコン基板34上に複数の静電アクチュエータとなる静電MEMS素子が形成される。即ち、共通の基板34上にそれぞれ個別(独立)の複数の(図2では2つを示す)下部電極52〔52A,52B〕が配列され、各下部電極52A,52Bの表面に絶縁膜、例えばシリコン酸化膜53が形成される。この基板34上に下部電極52A,52Bに対してそれぞれ空間54を介して上部電極55〔55A,55B〕を有した振動板56〔56A,56B〕が配置される。振動板55A,55Bは、上部電極55を共通として、絶縁膜と導電性物質薄膜(上部電極)との積層膜で形成される。振動板55〔55A,55B〕は、その両端を基板34上に形成したアンカー部57により支持して、両持ち梁構造に形成される。振動板56〔56A,56B〕とアンカー部57とは、同じ膜構造で形成され、例えばシリコン酸化膜58、多結晶シリコン膜の上部電極55〔55A,55B〕と表面のシリコン酸化膜59の積層膜で形成される。上部電極55を有する振動板56Aと下部電極52Aにより静電MEMS素子51Aが構成され、上部電極55を有する振動板56Bと下部電極52Bにより静電MEMS素子51Bが構成される。   FIG. 2 shows another embodiment of the electrostatic MEMS actuator according to the present invention. In the electrostatic MEMS actuator 51 according to the present embodiment, electrostatic MEMS elements serving as a plurality of electrostatic actuators are formed on a common silicon substrate 34. That is, a plurality of individual (independent) lower electrodes 52 [52A, 52B] are arranged on a common substrate 34, and an insulating film, for example, is formed on the surface of each lower electrode 52A, 52B. A silicon oxide film 53 is formed. A diaphragm 56 [56A, 56B] having an upper electrode 55 [55A, 55B] is arranged on the substrate 34 with respect to the lower electrodes 52A, 52B via spaces 54, respectively. The diaphragms 55A and 55B are formed of a laminated film of an insulating film and a conductive material thin film (upper electrode) with the upper electrode 55 in common. The diaphragm 55 [55A, 55B] is formed in a doubly-supported beam structure by supporting both ends thereof by anchor portions 57 formed on the substrate 34. The diaphragm 56 [56A, 56B] and the anchor portion 57 are formed with the same film structure. For example, a stack of a silicon oxide film 58, a polycrystalline silicon film upper electrode 55 [55A, 55B] and a surface silicon oxide film 59 is formed. Formed with a film. The diaphragm 56A having the upper electrode 55 and the lower electrode 52A constitute an electrostatic MEMS element 51A, and the diaphragm 56B having the upper electrode 55 and the lower electrode 52B constitute an electrostatic MEMS element 51B.

そして、本実施の形態においては、特に、MEMS素子51A,51Bの下部電極52A,52Bの電極幅Lが振動板56〔56A,56B〕を支持する両アンカー部57間の間隔Wより長く設定される。
図2において、図1と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
In the present embodiment, in particular, the electrode width L of the lower electrodes 52A and 52B of the MEMS elements 51A and 51B is set longer than the interval W between the two anchor portions 57 that support the diaphragm 56 [56A and 56B]. The
2, parts corresponding to those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.

本実施の形態に係る静電MEMSアクチュエータ51によれば、MEMS素子51A,51Bの下部電極52A,52Bの電極幅Lが振動板56〔56A,56B〕を支持する両アンカー部57間の間隔Wより長く設定されることにより、下部電極52A,52Bと対向して駆動に供される振動板56の実効領域には段差が形成されず、平坦化される。即ち、製造時に個別の下部電極52A,52Bの厚みが転写されて振動板52A,52Bに段差部60が形成されるも、この段差部60はアンカー部57に位置し、振動板56から外れる。即ち、段差部60は、段差の影響が無視できるアンカー部57上に形成される。これにより、振動板56の張力は維持され、振動板56の強度、寿命が向上する。また、振動板56に不要な応力が発生しないので、振動板56の反りが低減する。このため、例えば微量流体吐出装置に適用した場合、液滴の吐出速度、吐出量が損なわれることがない。
この結果、振動板の信頼性が上がり、静電MEMSアクチュエータの高性能化を図ることができる。
According to the electrostatic MEMS actuator 51 according to the present embodiment, the electrode width L of the lower electrodes 52A, 52B of the MEMS elements 51A, 51B is the distance W between the two anchor portions 57 that support the diaphragm 56 [56A, 56B]. By setting the length longer, no step is formed in the effective region of the diaphragm 56 that is driven to face the lower electrodes 52A and 52B, and is flattened. In other words, the thickness of the individual lower electrodes 52A and 52B is transferred during manufacturing to form the stepped portion 60 on the diaphragms 52A and 52B. However, the stepped portion 60 is located at the anchor portion 57 and is separated from the diaphragm 56. That is, the step portion 60 is formed on the anchor portion 57 where the influence of the step can be ignored. Thereby, the tension of the diaphragm 56 is maintained, and the strength and life of the diaphragm 56 are improved. Further, since unnecessary stress is not generated in the diaphragm 56, the warpage of the diaphragm 56 is reduced. For this reason, when applied to, for example, a microfluidic discharge device, the discharge speed and discharge amount of the droplets are not impaired.
As a result, the reliability of the diaphragm is improved, and the performance of the electrostatic MEMS actuator can be improved.

図3は、本発明に係る静電MEMSアクチュエータの他の実施の形態を示す。本例は図2に示す下部電極の電極幅をアンカー部間の間隔より長く設定した振動板の構成を、図1の各静電MEMS素子におけるそれぞれの上部電極及び下部電極を独立させた図1の静電MEMSアクチュエータに適用した場合である。
本実施の形態に係る静電MEMSアクチュエータ61は、共通の基板42上にそれぞれ独立した複数の(図3では2つを示す)下部電極35〔35A,35B〕を配置し、絶縁膜の例えばシリコン酸化膜36′で被覆された各下部電極35〔35A,35B〕に対して空間37を介して対向するように、それぞれ独立の上部電極38〔38A,38B〕を有す振動板39〔39A,39B〕を配置して、静電MEMSアクチュエータとなる複数の静電MEMS素子61A,61Bを形成するようにして構成される。そして、静電MEMS素子31A,31Bの下部電極35A,35Bの電極幅Lが、振動板39〔39A,39B〕を支持する両アンカー部46間の間隔Wより長く設定される。
なお、図3において、図1と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
FIG. 3 shows another embodiment of the electrostatic MEMS actuator according to the present invention. In this example, the configuration of the diaphragm in which the electrode width of the lower electrode shown in FIG. 2 is set to be longer than the interval between the anchor portions is shown in FIG. 1 in which the upper electrode and the lower electrode in each electrostatic MEMS element of FIG. This is a case where the present invention is applied to the electrostatic MEMS actuator.
In the electrostatic MEMS actuator 61 according to the present embodiment, a plurality of independent lower electrodes 35 (35A and 35B are shown) are arranged on a common substrate 42, and an insulating film such as silicon is provided. Diaphragms 39 [39A, 39B] having independent upper electrodes 38 [38A, 38B] so as to face the lower electrodes 35 [35A, 35B] coated with the oxide film 36 'via the space 37. 39B] is arranged to form a plurality of electrostatic MEMS elements 61A and 61B to be electrostatic MEMS actuators. And electrode width L of lower electrode 35A, 35B of electrostatic MEMS element 31A, 31B is set longer than the space | interval W between the both anchor parts 46 which support the diaphragm 39 [39A, 39B].
In FIG. 3, parts corresponding to those in FIG.

本実施の形態に係る静電MEMSアクチュエータ61によれば、各静電MEMS素子61A,61Bのそれぞれの下部電極35A,35B及び上部電極38A,38Bが独立に形成されるので、低消費電力化、駆動の高速化を実現する。同時に下部電極35A,35Bの電極幅Lが、振動板39〔39A,39B〕を支持する両アンカー部46間の間隔Wより長く設定されるので、図2で説明した理由によって振動板の信頼性が上がる。従って、両効果が相俟ってさらに静電MEMSアクチュエータの高性能化を図ることができる。   According to the electrostatic MEMS actuator 61 according to the present embodiment, the lower electrodes 35A and 35B and the upper electrodes 38A and 38B of the respective electrostatic MEMS elements 61A and 61B are independently formed. Achieves high-speed driving. At the same time, the electrode width L of the lower electrodes 35A and 35B is set to be longer than the interval W between the two anchor portions 46 that support the diaphragm 39 [39A, 39B]. Goes up. Therefore, the high performance of the electrostatic MEMS actuator can be further achieved by combining both the effects.

図4は、本発明に係る静電MEMSアクチュエータの他の実施の形態を示す。本実施の形態に係る静電MEMSアクチュエータ63は、図4Bに示すように、図1と同様の構成を採る。即ち、共通の基板上にそれぞれ独立した複数の下部電極35〔35A,35B,・・〕が配置され、この各下部電極35〔35A,35B,・・〕に対して空間37を介して対向するように、それぞれ独立の上部電極38〔38A,38B,・・〕を有す振動板39〔39A,39B,・・〕が配置されて、静電MEMSアクチュエータとなる複数の静電MEMS素子31A,31B・・を形成するようにして構成される。その他の構成は図1と同様であるので、重複説明を省略する。 FIG. 4 shows another embodiment of the electrostatic MEMS actuator according to the present invention. As shown in FIG. 4B , the electrostatic MEMS actuator 63 according to the present embodiment adopts the same configuration as that of FIG. That is, a plurality of independent lower electrodes 35 [35A, 35B,...] Are arranged on a common substrate, and are opposed to the respective lower electrodes 35 [35A, 35B,. As described above, the diaphragms 39 [39A, 39B,...] Having independent upper electrodes 38 [38A, 38B,. 31B .. is formed. Other configurations are the same as those in FIG.

そして、本実施の形態においては、特に、隣接する静電MEMS素子において、一方の静電MEMS素子の下部電極35と他方の静電MEMS素子の上部電極38とを電気的に接続して構成される。   In the present embodiment, in particular, in the adjacent electrostatic MEMS element, the lower electrode 35 of one electrostatic MEMS element and the upper electrode 38 of the other electrostatic MEMS element are electrically connected. The

即ち、図4Aに示すように、共通の基板34上に複数、本例では便宜的に4つの静電MEMS素子31A,31B,31C,31Dが配列されている場合、隣接する2つの静電MEMS素子を組とする。例えば静電MEMS素子31A,31Bを組とし、静電MEMS素子31C,31Dを組とする。この隣接する2つの静電MEMS素子31A,31Bにおいて、一方の静電MEMS素子31Aの下部電極35Aと他方の静電MEMS素子3Bの上部電極38Bとを電気的に接続する。また、隣接する2つの静電MEMS素子31C,31Dにおいて、一方の静電MEMS素子31Cの下部電極35Cと他方の静電MEMS素子3Dの上部電極38Dとを電気的に接続する。そして、各隣接する2つの静電MEMS素子のうち、一方の静電MEMS素子31A,31の上部電極38A,38Cをそれぞれスイッチ素子SW11,SW13を介して共通接続して端子Aを導出する。また、他方の静電MEMS素子31B,31Dの下部電極35B,35Dをそれぞれスイッチ素子SW12,SW14を介して共通接続して端子Bを導出する。さらに、一方の静電MEMS素子31A,31Cの下部電極35A,35Cを共通接続して端子Cを導出する。 That is, as shown in FIG. 4A, when a plurality of electrostatic MEMS elements 31A, 31B, 31C, and 31D are arranged on a common substrate 34 for convenience, two adjacent electrostatic MEMS elements are arranged. A set of elements. For example, the electrostatic MEMS elements 31A and 31B are set as a set, and the electrostatic MEMS elements 31C and 31D are set as a set. In the two adjacent electrostatic MEMS elements 31A and 31B, the lower electrode 35A of one electrostatic MEMS element 31A and the upper electrode 38B of the other electrostatic MEMS element 3B are electrically connected. Further, in two adjacent electrostatic MEMS elements 31C and 31D, the lower electrode 35C of one electrostatic MEMS element 31C and the upper electrode 38D of the other electrostatic MEMS element 3D are electrically connected. And, among the two adjacent electrostatic MEMS element, one of the electrostatic MEMS device 31A, 31 C of the upper electrode 38A, to derive a terminal A commonly connected via respective switching elements SW11, SW13 and 38C. Further, the lower electrodes 35B and 35D of the other electrostatic MEMS elements 31B and 31D are commonly connected through the switch elements SW12 and SW14, respectively, and the terminal B is derived. Further, the lower electrodes 35A and 35C of one of the electrostatic MEMS elements 31A and 31C are commonly connected to derive the terminal C.

本実施の形態では、この端子A、B及びCと、印加電圧となる接地電圧(0V)、プラス電圧(+V)及びマイナス電圧(−V)を組み合わせて配線回路を構成する。図5A〜Dは、図4Bにおける配線及び印加電圧の例を示す。
図5Aは、端子Aと端子Bを接続して0Vとプラス電圧(+V)の2値のパルスP1 を印加し、端子Cに接地電圧(0V)を印加するように構成される。この回路では、例えばスイッチ素子SW11〜SW14を選択的にオンした時に、端子A,BにパルスP1 の1周期分が同期して印加される。選択された静電MEMS素子においては、パルスP1 の+Vで上部電極38従って振動板39が下に変位し、0Vで振動板39が元に戻る。
今、例えば隣接2つの静電MEMS素子31A,31Bを同時に駆動する場合を考えると、図6に示すように、一方の静電MEMS素子31Aの+Vが印加される上部電極38Aを覆う絶縁膜100にマイナス電荷eがチャージし、他方の静電MEMS素子31Bの0Vが印加される上部電極38Bを覆う絶縁膜101にプラス電荷hがチャージする。ここで、振動板及びアンカー部を構成する絶縁膜100、101の絶縁抵抗を駆動に影響しない程度に低下させておけば(例えば、不純物をドーピングして絶縁抵抗を低下させる)、電荷e,hは隣接する上部電極38A及び38B間でリークし、短時間で残留電荷e,hが消滅される。隣接する静電MEMS素子31Aと31Bをそれぞれスイッチ素子SW11,SW12を介して選択的に駆動される場合にも、多少の時間の遅れはあるももの、残留電荷e,hを消滅させることができる。
In the present embodiment, the terminals A, B, and C are combined with the ground voltage (0 V), plus voltage (+ V), and minus voltage (−V) as applied voltages to form a wiring circuit. 5A to 5D show examples of the wiring and applied voltage in FIG. 4B.
FIG. 5A is configured to connect the terminal A and the terminal B, apply a binary pulse P1 of 0 V and a plus voltage (+ V), and apply a ground voltage (0 V) to the terminal C. In this circuit, for example, when the switch elements SW11 to SW14 are selectively turned on, one period of the pulse P1 is applied to the terminals A and B in synchronization. In the selected electrostatic MEMS element, the upper electrode 38 and hence the diaphragm 39 are displaced downward at + V of the pulse P1, and the diaphragm 39 returns to its original state at 0V.
Considering, for example, the case where two adjacent electrostatic MEMS elements 31A and 31B are driven simultaneously, as shown in FIG. 6, the insulating film 100 covering the upper electrode 38A to which + V of one electrostatic MEMS element 31A is applied. Is charged with a negative charge e −, and a positive charge h + is charged on the insulating film 101 covering the upper electrode 38B to which 0 V of the other electrostatic MEMS element 31B is applied. Here, if the insulation resistance of the insulating films 100 and 101 constituting the diaphragm and the anchor portion is lowered to such an extent that the drive is not affected (for example, the insulation resistance is lowered by doping impurities), the charge e ,. h + leaks between the adjacent upper electrodes 38A and 38B, and the residual charges e and h + disappear in a short time. Even when the adjacent electrostatic MEMS elements 31A and 31B are selectively driven via the switch elements SW11 and SW12, the residual charges e and h + are eliminated, although there is a slight time delay. Can do.

図5Bは、端子Aと端子Bを接続して0Vとプラス電圧(+V)とマイナス電圧(−V)の3値のパルスP2 を印加し、端子Cに接地電圧(0V)を印加するように構成される。この回路では、例えばスイッチ素子SW11〜SW14を選択的にオンした時に、端子A,BにパルスP2の半周期分が同期して印加される。選択された静電MEMS素子においては、パルスP2 の+Vまたは−Vで上部電極38従って振動板39が下に変位し、0Vで振動板39が元に戻る。
この構成においても、図5Aの場合と同様に短時間で残留電荷e,hが消滅される。
In FIG. 5B, the terminal A and the terminal B are connected, a ternary pulse P2 of 0 V, a positive voltage (+ V), and a negative voltage (-V) is applied, and a ground voltage (0 V) is applied to the terminal C. Composed. In this circuit, for example, when the switch elements SW11 to SW14 are selectively turned on, a half period of the pulse P2 is applied to the terminals A and B in synchronization. In the selected electrostatic MEMS element, the upper electrode 38 and hence the diaphragm 39 are displaced downward by + V or -V of the pulse P2, and the diaphragm 39 returns to its original state at 0V.
Also in this configuration, the residual charges e and h disappear in a short time as in the case of FIG. 5A.

図5Cは、端子Aと端子Bを接続してプラス電圧(+V)を印加し、端子Cに接地電圧(0V)を印加するように構成される。この回路では、例えばスイッチ素子SW11〜SW14を選択的にオン・オフして静電MEMS素子を駆動する。この場合は、スイッチ素子をオンすると、静電MEMS素子の上部電極に+Vが印加されて振動板39が下に変位し、スイッチ素子をオフすると振動板39が元に戻る。
今、例えば隣接する2つの静電MEMS素子31A,31Bを同時に駆動する場合を考えると、下部電極35A,35Bを覆う絶縁膜の絶縁抵抗を駆動に影響を与えない程度に低下させて置けば、隣接する下部電極35A及び35B間でリークし、同様に残留電荷e,hが消滅される。隣接する静電MEMS素子31Aと31Bをそれぞれスイッチ素子SW11,SW12を介して選択的に駆動される場合にも、残留電荷e,hを消滅させることができる。
FIG. 5C is configured to connect the terminal A and the terminal B, apply a plus voltage (+ V), and apply a ground voltage (0 V) to the terminal C. In this circuit, for example, the switch elements SW11 to SW14 are selectively turned on / off to drive the electrostatic MEMS element. In this case, when the switch element is turned on, + V is applied to the upper electrode of the electrostatic MEMS element and the diaphragm 39 is displaced downward, and when the switch element is turned off, the diaphragm 39 returns to its original state.
Now, for example, considering the case where two adjacent electrostatic MEMS elements 31A and 31B are driven simultaneously, if the insulation resistance of the insulating film covering the lower electrodes 35A and 35B is lowered to a level that does not affect driving, Leakage occurs between the adjacent lower electrodes 35A and 35B, and the residual charges e and h + disappear in the same manner. Even when the adjacent electrostatic MEMS elements 31A and 31B are selectively driven via the switch elements SW11 and SW12, the residual charges e and h + can be eliminated.

図5Dは、端子Aと端子Bを接続して0Vとプラス電圧(+V1 )の2値のパルスP3 を印加し、端子Cに0Vとプラス電圧(+V2 )の2値のパルスP4 を印加する。静電MEMSアクチュエータを例えば微量流体吐出装置に適用した場合、+V1はインク吐出可能な電圧であり、+V2 はインクを吐出しないけれども振動板が動く電圧である。+V1 >+V2 である。このパルスP3 とパルスP4 は、位相をずらして+V1 と+V2 が交互に印加されるように供給される。このとき、+V1 の印加期間t1 、+V2 の印加時間t2 とすると、(+V1)×印加時間t1 =(+V2 )×印加時間t2に設定して置くと、供給されるチャージ量が同じになって、残留電荷e,hを容易に逃がすことができる。
今、例えば隣接する2つの静電MEMS素子31A,31Bを同時に駆動する場合を考えると、パルスP3 で静電MEMS素子31A,31Bの振動板が駆動し、パルスP4 で残留電荷e,hを逃がすことができる。すなわち、パルスP3が印加されてオフした直後(TA)に振動板が戻るので、インクが吐出される。このインクの吐出が終わったところでパルスP4が印加されオフされる。このパルスP4のオン・オフでは振動板は僅かに振動するもインクを吐出するに至らない。パルスP3と逆極性のパルスP4が印加されることにより、残留電荷e,hを逃がすことができる。また、タイミングの調整により振動板及び液室内の残留振動を低減することも可能となる。
In FIG. 5D, the terminal A and the terminal B are connected to apply a binary pulse P3 of 0 V and a positive voltage (+ V1), and a binary pulse P4 of 0 V and a positive voltage (+ V2) is applied to the terminal C. When the electrostatic MEMS actuator is applied to, for example, a microfluidic ejection device, + V1 is a voltage at which ink can be ejected, and + V2 is a voltage at which the diaphragm moves although ink is not ejected. + V1> + V2. The pulses P3 and P4 are supplied so that + V1 and + V2 are alternately applied with their phases shifted. At this time, if the application period t1 of + V1 and the application time t2 of + V2 are set to (+ V1) × application time t1 = (+ V2) × application time t2, the supplied charge amount becomes the same. Residual charges e and h + can be easily released.
Now, for example, considering the case where two adjacent electrostatic MEMS elements 31A and 31B are driven simultaneously, the diaphragms of the electrostatic MEMS elements 31A and 31B are driven by the pulse P3, and the residual charges e and h + are generated by the pulse P4. Can escape. That is, since the diaphragm returns immediately after the pulse P3 is applied and turned off (TA), ink is ejected. When the ink ejection is finished, the pulse P4 is applied and turned off. When the pulse P4 is turned on / off, the vibration plate slightly vibrates but does not discharge ink. By applying a pulse P4 having a polarity opposite to that of the pulse P3, the residual charges e and h + can be released. Further, residual vibration in the diaphragm and the liquid chamber can be reduced by adjusting the timing.

上述の本実施の形態に係る静電MEMSアクチュエータ63によれば、隣接する静電MEMS素子31A及び31B、31C及び31Dにおいて、一方の静電MEMS素子31A,31Cの下部電極35A、35Cと他方の静電MEMS素子31B、31Dの上部電極38B、38Dとを夫々電気的に接続した構成とすることにより、チャージされた電荷を隣接する静電MEMS素子31Aと31Bの電極間、静電MEMS素子31Cと31Dの電極間で夫々短時間に逃がすことができる。
即ち、下部電極35A,35B、35C,35D及び上部電極38A,38B,38C,38Dを構成上個別にしても、配線、外部からの電極を増やさないため、隣接する静電MEMS素子31A,31B、静電MEMS素子31C,31Dに共通電極を配線する場合に、隣接する静電MEMS素子31A,31Bの下部電極35A,上部電極38Bを接続し、静電MEMS素子31C,31Dの下部電極35C,38Dを接続することにより、チャージされた電荷e,hを逃がすことができる。
According to the electrostatic MEMS actuator 63 according to the above-described embodiment, in the adjacent electrostatic MEMS elements 31A and 31B, 31C and 31D, the lower electrodes 35A and 35C of one electrostatic MEMS element 31A and 31C and the other By configuring the upper electrodes 38B and 38D of the electrostatic MEMS elements 31B and 31D to be electrically connected to each other, the charged electric charge is transferred between the electrodes of the adjacent electrostatic MEMS elements 31A and 31B, and the electrostatic MEMS element 31C. And 31D electrodes can be escaped in a short time.
That is, even if the lower electrodes 35A, 35B, 35C, and 35D and the upper electrodes 38A, 38B, 38C, and 38D are individually configured, the number of wires and external electrodes is not increased, so that the adjacent electrostatic MEMS elements 31A, 31B, When wiring common electrodes to the electrostatic MEMS elements 31C and 31D, the lower electrodes 35A and upper electrodes 38B of the adjacent electrostatic MEMS elements 31A and 31B are connected, and the lower electrodes 35C and 38D of the electrostatic MEMS elements 31C and 31D are connected. By connecting, the charged charges e and h can be released.

本実施の形態に係る静電MEMSアクチュエータ63は、例えば微量流体吐出装置に適用した場合、1つの液室に対して同時駆動する2つの静電MEMSアクチュエータを用いて1つのマイクロポンプを構成する場合に好適である。その他、1つの液室に1つの静電MEMSアクチュエータで1つのマイクロポンプを構成する場合にも、隣接するマイクロポンプの静電MEMSアクチュエータ間で図5に示すように接続配線することにより、上記構成に比べて多少時間がかかるもチャージする電荷を隣接する静電MEMSアクチュエータの電極間で逃がすことができる。   When the electrostatic MEMS actuator 63 according to the present embodiment is applied to, for example, a microfluidic discharge device, a single micropump is configured using two electrostatic MEMS actuators that are simultaneously driven with respect to one liquid chamber. It is suitable for. In addition, when one micropump is configured with one electrostatic MEMS actuator in one liquid chamber, the above configuration is achieved by connecting and wiring between the electrostatic MEMS actuators of adjacent micropumps as shown in FIG. Although it takes a little time compared to the above, the charge to be charged can be released between the electrodes of the adjacent electrostatic MEMS actuator.

本発明においては、上述した本実施の形態の静電MEMSアクチュエータ単体をスピーカーなどの圧力伝播装置として利用することが出来る。
更に、上述した本実施の形態の静電MEMSアクチュエータ上に流体の流路を配置することにより、各種の微小流体駆動装置(いわゆるマイクロポンプ)を構成することができる。本実施の形態の微小流体駆動装置は、例えば、インクジェットプリンタヘッドを含む微量流体吐出装置、CPU等の半導体装置の冷却用として半導体装置上に冷却液を流して冷却するための冷却ポンプ、熱拡散装置、産業用では有機EL等の高分子、低分子有機材料塗布装置、プリント配線印刷装置、ハンダバンプ印刷装置、3次元モデリング装置、μTAS(Micro Total Analysis Systems)として薬液その他の液体をpl(ピコリットル)以下の微小単位にてコントロールして供給する供給ヘッド、さらには気体を微小量精度良くコントロールして供給する供給ヘッド等に適用することができる。
本実施の形態の微小流体駆動装置に適用する静電MEMSアクチュエータとしては、前述した図1、図2、図3、図4の構成、あるいはこれらを適宜組み合わせた構成の静電MEMSアクチュエータを用いることができる。
In the present invention, the electrostatic MEMS actuator alone according to the present embodiment described above can be used as a pressure propagation device such as a speaker.
Furthermore, various microfluidic drive devices (so-called micropumps) can be configured by disposing a fluid flow path on the electrostatic MEMS actuator of the present embodiment described above. The microfluidic drive device of the present embodiment includes, for example, a microfluidic discharge device including an ink jet printer head, a cooling pump for cooling a semiconductor device by flowing a cooling liquid over the semiconductor device for cooling a semiconductor device such as a CPU, and thermal diffusion For equipment and industrial use, polymers such as organic EL, low molecular organic material coating device, printed wiring printing device, solder bump printing device, three-dimensional modeling device, μTAS (Micro Total Analysis Systems) pl (picoliter) The present invention can be applied to a supply head that is controlled and supplied in the following minute units, and a supply head that is controlled and supplied with a very small amount of gas.
As the electrostatic MEMS actuator applied to the microfluidic drive device according to the present embodiment, the electrostatic MEMS actuator having the configuration shown in FIG. 1, FIG. 2, FIG. 3, or FIG. Can do.

図7〜図9は、上述の静電MEMSアクチュエータを用いて微量流体吐出装置を構成した場合の実施の形態を示す。
本実施の形態に係る微量流体吐出装置71は、高密度に並列配置した複数の静電MEMSアクチュエータ72〔721、722・・〕と、その各静電MEMSアクチュエータ72〔721、722、・・〕の振動板に対応する位置に液室73、液滴を外部に吐出するノズル74が形成された隔壁構体75が配置され、各液室73に連通し吐出対象流体供給機構(図示せず)より流体76を供給する流路77を有して構成される。各流路77は、吐出対象流体供給機構からの共通の流路78から分岐される(図7参照)。流路77の液室73の入り口近傍に逆流を抑制するためのオリフィス79が設けられる(図8の模式図参照)。
7 to 9 show an embodiment in which a microfluidic discharge device is configured using the above-described electrostatic MEMS actuator.
The microfluidic discharge device 71 according to the present embodiment includes a plurality of electrostatic MEMS actuators 72 [721, 722,...] Arranged in parallel at high density, and the electrostatic MEMS actuators 72 [721, 722,. A liquid chamber 73 and a partition wall structure 75 in which a nozzle 74 for discharging liquid droplets to the outside is formed are arranged at positions corresponding to the diaphragm of the liquid, and communicates with each liquid chamber 73 from a discharge target fluid supply mechanism (not shown). A flow path 77 for supplying the fluid 76 is provided. Each flow path 77 is branched from a common flow path 78 from the discharge target fluid supply mechanism (see FIG. 7). An orifice 79 is provided in the vicinity of the entrance of the liquid chamber 73 in the flow channel 77 to suppress backflow (see the schematic diagram in FIG. 8).

微量流体吐出装置71は、一組の液室73及び静電MEMSアクチュエータ72で1つのマイクロポンプ(例えば、プリンタヘッド素子)81が形成され、複数のマイクロポンプ81〔81A,81B,・・〕が所定の配列をもって配置されて成る。微量流体吐出装置71は、例えば複数のマイクロポンプ81A,81B・・を印画する対象物の幅以上にわたってライン状に配列したライン・微量流体吐出装置(例えば、ラインヘッド)として構成することができる。印画する対象物としては、紙、フレキシブルな樹脂フィルム、印刷配線基板用のフレキシブルシート等がある。   The microfluidic discharge device 71 includes a pair of liquid chambers 73 and an electrostatic MEMS actuator 72 to form one micropump (for example, a printer head element) 81, and a plurality of micropumps 81 [81A, 81B,. It is arranged with a predetermined arrangement. The microfluidic discharge device 71 can be configured as, for example, a line / microfluidic discharge device (for example, a line head) arranged in a line over the width of an object to be printed with a plurality of micropumps 81A, 81B,. Examples of objects to be printed include paper, flexible resin films, and flexible sheets for printed wiring boards.

本実施の形態では、液室73及び静電MEMSアクチュエータ72で構成される1つのマイクロポンプ81に対応して複数の静電MEMSアクチュエータが設けられる。即ち、1つの液室73に対応する静電MEMSアクチュエータ721、722・・が、夫々複数、本例では2つの静電MEMSアクチュエータ72A,72Bで構成される。これら2つの静電MEMSアクチュエータ72A,72Bは、図9に示すように、共通の基板34上にそれぞれ独立した2つの下部電極35A,35Bが形成され、この2つの下部電極35A,35Bに対して空間37を挟んで独立した2つの上部電極38A,38Bを有する振動板39A,39Bを配置して形成される。振動板39A,39Bは両端をアンカー部で支持された両持ち梁構造に形成される。   In the present embodiment, a plurality of electrostatic MEMS actuators are provided corresponding to one micropump 81 composed of the liquid chamber 73 and the electrostatic MEMS actuator 72. That is, a plurality of electrostatic MEMS actuators 721, 722,... Corresponding to one liquid chamber 73 are constituted by two electrostatic MEMS actuators 72A, 72B in this example. As shown in FIG. 9, these two electrostatic MEMS actuators 72A and 72B are formed with two independent lower electrodes 35A and 35B on a common substrate 34, respectively, with respect to the two lower electrodes 35A and 35B. The diaphragms 39A and 39B having the two independent upper electrodes 38A and 38B with the space 37 interposed therebetween are arranged and formed. The diaphragms 39A and 39B are formed in a doubly supported beam structure in which both ends are supported by anchor portions.

1つの液室73に対応した2つの振動板39A,39Bは副アンカー(支柱)82により支持され、隣接マイクロポンプ81間において振動板39〔39A,39B〕は主アンカー部83により支持される。この例では、主アンカー部83及び副アンカー部82が、振動板39の長手方向に沿って所定間隔を置いて複数設けられる。主アンカー部83及び副アンカー部82は、振動板39を構成する同じ絶縁膜によって振動板39と一体に形成される。   The two diaphragms 39A and 39B corresponding to one liquid chamber 73 are supported by the sub-anchors (supports) 82, and the diaphragm 39 [39A, 39B] is supported by the main anchor portion 83 between the adjacent micropumps 81. In this example, a plurality of main anchor portions 83 and sub anchor portions 82 are provided at predetermined intervals along the longitudinal direction of the diaphragm 39. The main anchor portion 83 and the sub-anchor portion 82 are integrally formed with the diaphragm 39 by the same insulating film constituting the diaphragm 39.

静電MEMSアクチュエータ72は、前述の図3で説明したように、下部電極35の電極幅Lを振動板39A,39Bの両端を支持する両アンカー部82及び83の間の間隔Wより長く設定する構成、また、隣接する一対の静電MEMSアクチュエータ72A,72Bにおいて、一方の静電MEMSアクチュエータ72Aの下部電極35Aと他方の静電MEMSアクチュエータ72Bの上部電極38Bとを電気的に接続し、前述の図5で説明したような配線及び印加電圧を採用して構成することができる。   As described with reference to FIG. 3, the electrostatic MEMS actuator 72 sets the electrode width L of the lower electrode 35 to be longer than the interval W between the two anchor portions 82 and 83 that support both ends of the diaphragms 39A and 39B. In the configuration and the adjacent pair of electrostatic MEMS actuators 72A and 72B, the lower electrode 35A of one electrostatic MEMS actuator 72A and the upper electrode 38B of the other electrostatic MEMS actuator 72B are electrically connected, The wiring and applied voltage described with reference to FIG. 5 can be adopted.

本実施の形態に係る微量流体吐出装置71では、両静電MEMSアクチュエータ72A,72Bが同時に駆動し、振動板39A,39Bが同時に下部電極35側に変位したとき、液室73内の体積が増加しオリフィス79を通じてインク76が液室73内に供給される。次いで振動板39A,39Bが元の位置に戻ると液室73内の体積が収縮し液室73内が加圧されることによって、体積変動量に基づく所要量のインク76がノズル73より吐出する。   In the microfluidic discharge device 71 according to the present embodiment, when both electrostatic MEMS actuators 72A and 72B are driven simultaneously and the diaphragms 39A and 39B are simultaneously displaced toward the lower electrode 35, the volume in the liquid chamber 73 increases. The ink 76 is supplied into the liquid chamber 73 through the orifice 79. Next, when the diaphragms 39A and 39B return to their original positions, the volume in the liquid chamber 73 contracts and the inside of the liquid chamber 73 is pressurized, so that a required amount of ink 76 based on the volume fluctuation amount is ejected from the nozzle 73. .

本実施の形態に係る微量流体吐出装置71によれば、隣接する静電MEMSアクチュエータ72A,72Bの下部電極35A,35B及び上部電極38A,38Bをそれぞれ独立に形成することにより、電極面積が低減し、下部電極35〔35A,35B〕及び上部電極38〔38A,38B〕間の静電容量、及び下部電極35と基板32との間の寄生容量を低減することができる。これによって、微量流体吐出装置71の低消費電力化、長寿命化を図ることができる。
下部電極35及び上部電極38を独立形成する際に、両アンカー部82及び82間の間隔Wよりも下部電極35〔35A,35B〕の電極幅を若干長くすることにより、振動板39〔39A,39B〕に対してその膜厚方向の応力差による反りの発生が抑制され、振動板39として所要の振幅を確保することができる。また、下部電極35の厚みによる段差はアンカー部82、83に形成され、振動板39から外れるので、段差の影響が無視され、振動板39の強度、寿命への段差の影響を低減することができる。
一方の静電MEMSアクチュエータ72Aの下部電極35Aを他方の静電MEMSアクチュエータ72Bの上部電極38Bに接続するので、下部電極35〕35A,35B〕及び上部電極38〔38A,38B〕を覆う絶縁膜に発生する電荷を消滅することができ、振動板39の反発力の変動、振幅変動、これに基づくインク76の吐出速度及び吐出量の変動が回避される。従って、高性能の微量流体吐出装置を提供することができる。
According to the microfluidic discharge device 71 according to the present embodiment, the lower electrodes 35A and 35B and the upper electrodes 38A and 38B of the adjacent electrostatic MEMS actuators 72A and 72B are independently formed, thereby reducing the electrode area. The electrostatic capacitance between the lower electrode 35 [35A, 35B] and the upper electrode 38 [38A, 38B] and the parasitic capacitance between the lower electrode 35 and the substrate 32 can be reduced. Thereby, low power consumption and long life of the micro fluid discharge device 71 can be achieved.
When the lower electrode 35 and the upper electrode 38 are formed independently, the electrode width of the lower electrode 35 [35A, 35B] is made slightly longer than the distance W between the anchor portions 82 and 82, so that the diaphragm 39 [39A, 39B], the occurrence of warpage due to the stress difference in the film thickness direction is suppressed, and the diaphragm 39 can ensure a required amplitude. Further, the step due to the thickness of the lower electrode 35 is formed in the anchor portions 82 and 83 and is detached from the diaphragm 39, so that the influence of the step is ignored and the influence of the step on the strength and life of the diaphragm 39 can be reduced. it can.
Since the lower electrode 35A of one electrostatic MEMS actuator 72A is connected to the upper electrode 38B of the other electrostatic MEMS actuator 72B, an insulating film covering the lower electrode 35] 35A, 35B] and the upper electrode 38 [38A, 38B] is used. The generated charges can be eliminated, and fluctuations in the repulsive force and amplitude fluctuations of the vibration plate 39, and fluctuations in the ejection speed and ejection amount of the ink 76 based thereon are avoided. Therefore, a high-performance microfluidic discharge device can be provided.

この微量流体吐出装置71に用いる静電MEMSアクチュエータ72としては、図1〜図5で説明した構成、あるいはこれらの構成を適宜組み合わせたて構成の静電MEMSアクチュエータを採用することができる。   As the electrostatic MEMS actuator 72 used for the microfluidic discharge device 71, the electrostatic MEMS actuator having a configuration described with reference to FIGS. 1 to 5 or a combination of these configurations can be adopted.

本発明に係る実施の形態おいては、上述の微量流体吐出装置を搭載した印刷装置の1つであるインクジェットプリンタを構成することができる。本実施の形態のインクジェットプリンタは、例えば、プリント用紙の幅と同じ長さに複数のノズルが並列されて成る、上述した本発明のライン・微量流体吐出装置と、吐出対象流体供給機構と、印画対象物と微量流体吐出装置とを相対的に移動する機構とを備えたラインヘッド方式のインクジェットプリンタとして構成することができる。印画対象物としては、前述したように、紙、フレキシブルな樹脂フィルム、印刷配線基板用のフレキシブルシート等がある。
上記移動する機構としては、ラインヘッドを固定にして印画対象物を移送するような機構、あるいは逆に印画対象物を固定にしてラインヘッドを移動するようにした機構とすることができる。
なお、本発明の他のインクジェットプリンタ及び印刷装置は、印画対象物の相対的な移送方向に対して微量流体吐出装置を垂直の動作させるようにしたシリアル走査方式の微量流体吐出装置を採用することもできる。
In the embodiment according to the present invention, an ink jet printer which is one of printing apparatuses equipped with the above-described microfluidic discharge device can be configured. The ink jet printer according to the present embodiment includes, for example, the above-described line / trace fluid ejecting apparatus according to the present invention in which a plurality of nozzles are arranged in the same length as the width of the print paper, the ejection target fluid supplying mechanism, and the printing It can be configured as a line head type ink jet printer provided with a mechanism for relatively moving the object and the micro fluid discharge device. Examples of the printing object include paper, a flexible resin film, and a flexible sheet for a printed wiring board as described above.
The moving mechanism may be a mechanism that fixes the line head and transports the printing object, or a mechanism that moves the line head while fixing the printing object.
In addition, other inkjet printers and printing apparatuses of the present invention employ a serial scanning type microfluidic ejection device in which the microfluidic ejection device is operated vertically with respect to the relative transfer direction of an object to be printed. You can also.

本実施の形態に係るインクジェットプリンタ及び印刷装置によれば、上述の本発明の微量流体吐出装置を搭載することにより、高信頼性、高性能のインクジェットプリンタ及び印刷装置を提供することができる。
特に、インクジェットプリンタを携帯可能にするには電池駆動としたい。また、その寿命も長いほど良い。このため、静電駆動のMEMS方式の微量流体吐出装置は、原理的に消費電力が少ないので非常に有効である。従来のインクジェットプリンタ方式では前述したように電荷が無駄に消費されているが、本実施の形態の静電MEMS微量流体吐出装置を搭載することにより、消費電力の低減が可能になる。従って、携帯可能なインクジェットプリンタを提供することができる。
According to the ink jet printer and the printing apparatus according to the present embodiment, a highly reliable and high performance ink jet printer and printing apparatus can be provided by mounting the above-described microfluidic discharge device of the present invention.
In particular, it is desired to use a battery to make an inkjet printer portable. Moreover, the longer the lifetime, the better. For this reason, an electrostatically driven MEMS microfluidic discharge device is very effective because it consumes less power in principle. In the conventional ink jet printer system, as described above, electric charge is wasted, but by mounting the electrostatic MEMS microfluidic discharge device of this embodiment, power consumption can be reduced. Therefore, a portable inkjet printer can be provided.

なお、本発明に係る静電MEMSアクチュエータは、スピーカーを含む圧力伝達装置、光学MEMS(光スイチ、光強度変調器など)、高周波フィルタ、高周波スイッチ、また加速度センサ、圧力センサ、温度センサなどに適用される振動子、さらには微小流体駆動装置等、に適用することが出来る。
また、本発明に係る微小流体駆動装置はポンプ、インクジェットプリンタヘッドを含む微量流体吐出装置、さらにはインクジェトプリンタを含む印刷装置、に適用することができる。微量流体吐出装置としては、インクの吐出に限らず、半田ペースト材、有機半導体材料、配線材料、室内の香りの雰囲気を調整するための香水、その他の種々の吐出対象流体の吐出に適用できる。
本発明で対象とするMEMS構造は、マイクロ・ナノスケールの構造である。
The electrostatic MEMS actuator according to the present invention is applied to a pressure transmission device including a speaker, an optical MEMS (optical switch, optical intensity modulator, etc.), a high frequency filter, a high frequency switch, an acceleration sensor, a pressure sensor, a temperature sensor, and the like. The present invention can be applied to a vibrator, a microfluidic drive device, and the like.
The microfluidic drive device according to the present invention can be applied to a pump, a microfluidic discharge device including an ink jet printer head, and a printing device including an inkjet printer. The micro fluid ejection device is not limited to ink ejection, but can be applied to ejection of solder paste material, organic semiconductor material, wiring material, perfume for adjusting the scent atmosphere in the room, and other various ejection target fluids.
The MEMS structure targeted by the present invention is a micro / nanoscale structure.

本発明に係る静電MEMSアクチュエータの一実施の形態を示す構成図である。It is a block diagram which shows one Embodiment of the electrostatic MEMS actuator which concerns on this invention. 本発明に係る静電MEMSアクチュエータの他の実施の形態を示す構成図である。It is a block diagram which shows other embodiment of the electrostatic MEMS actuator which concerns on this invention. 本発明に係る静電MEMSアクチュエータの他の実施の形態を示す構成図である。It is a block diagram which shows other embodiment of the electrostatic MEMS actuator which concerns on this invention. A 本発明に係る静電MEMSアクチュエータの他の実施の形態の接続配線を示す回路図である。 B 本発明に係る静電MEMSアクチュエータの他の実施の形態を示す構成図である。A is a circuit diagram showing connection wiring of another embodiment of the electrostatic MEMS actuator according to the present invention. B is a block diagram showing another embodiment of the electrostatic MEMS actuator according to the present invention. FIG. A〜D 図4Bの静電MEMSアクチュエータの接続配線の各実施の形態を示す回路図である。4A to 4D are circuit diagrams each showing a connection wiring of the electrostatic MEMS actuator of FIG. 4B. 本発明の静電MEMSアクチュエータの動作説明図である。It is operation | movement explanatory drawing of the electrostatic MEMS actuator of this invention. 本発明に係る微量流体吐出装置の一実施の形態を示す概略上面図である。It is a schematic top view which shows one Embodiment of the trace fluid discharge apparatus which concerns on this invention. 図7のAーA線上の模式的な断面図である。It is typical sectional drawing on the AA line of FIG. 図7のBーB線上の断面図である。It is sectional drawing on the BB line of FIG. 従来の静電MEMSアクチュエータの一例を示す構成図である。It is a block diagram which shows an example of the conventional electrostatic MEMS actuator. 従来の静電MEMSアクチュエータの他の例を示す構成図である。It is a block diagram which shows the other example of the conventional electrostatic MEMS actuator. 図10の従来の静電MEMSアクチュエータの接続配線を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the connection wiring of the conventional electrostatic MEMS actuator of FIG. 従来の静電MEMSアクチュエータの動作説明図である。It is operation | movement explanatory drawing of the conventional electrostatic MEMS actuator. 従来の静電MEMSアクチュエータにおいて、段差部のある振動板の問題点の説明図である。In the conventional electrostatic MEMS actuator, it is explanatory drawing of the problem of a diaphragm with a level | step-difference part.

31・・静電MEMSアクチュエータ、31A,31B・・静電MEMS素子(静電MEMS素子アクチュエータ)、32・・シリコン基板、33・・絶縁膜、34・・基板、35〔35A,35B〕・・下部電極、36,36′・・絶縁膜、37・・空間、38〔38A,38B〕・・上部電極、39〔39A,39B〕・・振動板、42,43,44,45・・絶縁膜、46・・アンカー部、51・・静電MEMSアクチュエータ、51A,51B・・静電MEMS素子(静電MEMSアクチュエータ)、52〔52A,52B〕・・下部電極、53・・絶縁膜、55〔55A,55B〕・・上部電極、57・・アンカー部、58,59・・絶縁膜、60・・段差部、61,63・・静電MEMSアクチュエータ、61A,61B・・静電MEMS素子(静電MEMSアクチュエータ)、100,101・・絶縁膜、e,h・・電荷、71・・微量流体吐出装置、72A,72B・・静電MEMSアクチュエータ、72〔721,722〕・・静電MEMSアクチュエータ、73・・液室、74・・ノズル、75・・隔壁構体、76・・インク、77,78・・流路、79・・オリフィス、81〔81A,81B〕・・マイクロポンプ   31..Electrostatic MEMS actuator, 31A, 31B..Electrostatic MEMS element (electrostatic MEMS element actuator), 32..Silicon substrate, 33..Insulating film, 34..Substrate, 35 [35A, 35B] .. Lower electrode, 36, 36 '.. Insulating film, 37 .. Space, 38 [38A, 38B] ... Upper electrode, 39 [39A, 39B] ... Vibration plate, 42, 43, 44, 45 ... Insulating film , 46 ··· Anchor portion, 51 ·· Electrostatic MEMS actuator, 51A, 51B · · Electrostatic MEMS element (electrostatic MEMS actuator), 52 [52A, 52B] · · Lower electrode, 53 · · Insulating film, 55 [ 55A, 55B] ... Upper electrode, 57 ... Anchor part, 58,59 ... Insulating film, 60 ... Step part, 61,63 ... Electrostatic MEMS actuator, 61A, 61B ... Static MEMS element (electrostatic MEMS actuator), 100, 101 .. Insulating film, e, h .. charge, 71 .. Trace fluid ejection device, 72A, 72B .. Electrostatic MEMS actuator, 72 [721, 722] .. Electrostatic MEMS actuator, 73 ... Liquid chamber, 74 ... Nozzle, 75 ... Bulkhead structure, 76 ... Ink, 77, 78 ... Flow path, 79 ... Orifice, 81 [81A, 81B] ... Micro pump

Claims (9)

隣接する複数のMEMS素子と、
各MEMS素子を構成するそれぞれ独立した下部電極及び振動板の上部電極と、
各振動板に連続するように、前記上部電極の両面に形成された前記振動板の一部を構成する絶縁膜と、
前記下部電極の前記上部電極に対向する表面を被覆する絶縁膜と、
前記振動板一部を構成する絶縁膜から一体に延長する絶縁膜で形成され、前記振動板の両端を支持するアンカー部とを有し、
前記下部電極の幅が前記アンカー部間の間隔より大に設定される
静電MEMSアクチュエータ。
A plurality of adjacent MEMS elements;
An independent lower electrode and an upper electrode of a diaphragm constituting each MEMS element;
An insulating film constituting part of the diaphragm formed on both surfaces of the upper electrode so as to be continuous with each diaphragm;
An insulating film covering a surface of the lower electrode facing the upper electrode;
Formed of an insulating film integrally extending from an insulating film constituting a part of the diaphragm, and having an anchor portion for supporting both ends of the diaphragm,
An electrostatic MEMS actuator in which a width of the lower electrode is set larger than an interval between the anchor portions .
隣接する2つのMEMS素子を組として、各組内で一方のMEMS素子の下部電極と他方のMEMS素子の上部電極が電気的に接続され、
各組の前記一方のMEMS素子の上部電極が第1のスイッチ素子を介して共通接続されて、第1端子が導出され、
各組の前記他方のMEMS素子の下部電極が第2のスイッチ素子を介して共通接続されて、第2端子が導出され、
各組の前記一方のMEMS素子の下部電極が共通接続されて、第3端子が導出される
請求項1記載の静電MEMSアクチュエータ。
Two adjacent MEMS elements are grouped, and in each group, the lower electrode of one MEMS element and the upper electrode of the other MEMS element are electrically connected,
The upper electrodes of the one MEMS element of each set are commonly connected via the first switch element, and the first terminal is derived,
The lower electrode of the other MEMS element of each set is commonly connected via the second switch element, and the second terminal is derived,
The lower electrodes of the one MEMS element of each set are connected in common and the third terminal is derived.
The electrostatic MEMS actuator according to claim 1 .
隣接する複数のMEMS素子と、各MEMS素子を構成するそれぞれ独立した下部電極及び振動板の上部電極と、各振動板に連続するように、前記上部電極の両面に形成された前記振動板の一部を構成する絶縁膜と、前記下部電極の前記上部電極に対向する表面を被覆する絶縁膜と、前記振動板一部を構成する絶縁膜から一体に延長する絶縁膜で形成され、前記振動板の両端を支持するアンカー部とを有し、前記下部電極の幅が前記アンカー部間の間隔より大に設定されて成る静電MEMSアクチュエータと、
前記静電MEMSアクチュエータ上に配置された流体の流路と
を備えた微小流体駆動装置。
A plurality of adjacent MEMS elements, independent lower electrodes constituting the MEMS elements and upper electrodes of the diaphragm, and one of the diaphragms formed on both surfaces of the upper electrode so as to be continuous with each diaphragm. The diaphragm is formed of an insulating film that forms a part, an insulating film that covers a surface of the lower electrode that faces the upper electrode, and an insulating film that integrally extends from the insulating film that forms part of the diaphragm An electrostatic MEMS actuator having an anchor portion that supports both ends of the lower electrode, wherein the width of the lower electrode is set larger than the interval between the anchor portions;
A fluid flow path disposed on the electrostatic MEMS actuator;
A microfluidic drive device comprising:
隣接する2つのMEMS素子を組として、各組内で一方のMEMS素子の下部電極と他方のMEMS素子の上部電極が電気的に接続され、
各組の前記一方のMEMS素子の上部電極が第1のスイッチ素子を介して共通接続されて、第1端子が導出され、
各組の前記他方のMEMS素子の下部電極が第2のスイッチ素子を介して共通接続されて、第2端子が導出され、
各組の前記一方のMEMS素子の下部電極が共通接続されて、第3端子が導出される
請求項3記載の微小流体駆動装置。
Two adjacent MEMS elements are grouped, and in each group, the lower electrode of one MEMS element and the upper electrode of the other MEMS element are electrically connected,
The upper electrodes of the one MEMS element of each set are commonly connected via the first switch element, and the first terminal is derived,
The lower electrode of the other MEMS element of each set is commonly connected via the second switch element, and the second terminal is derived,
The lower electrodes of the one MEMS element of each set are connected in common and the third terminal is derived.
The microfluidic drive device according to claim 3 .
隣接する複数のMEMS素子と、各MEMS素子を構成するそれぞれ独立した下部電極及び振動板の上部電極と、各振動板に連続するように、前記上部電極の両面に形成された前記振動板の一部を構成する絶縁膜と、前記下部電極の前記上部電極に対向する表面を被覆する絶縁膜と、前記振動板一部を構成する絶縁膜から一体に延長する絶縁膜で形成され、前記振動板の両端を支持するアンカー部とを有し、前記下部電極の幅が前記アンカー部間の間隔より大に設定されて成る静電MEMSアクチュエータと、
前記静電MEMSアクチュエータ上に配置されたノズルを有する液室と
を備えた微量流体吐出装置。
A plurality of adjacent MEMS elements, independent lower electrodes constituting the MEMS elements and upper electrodes of the diaphragm, and one of the diaphragms formed on both surfaces of the upper electrode so as to be continuous with each diaphragm. The diaphragm is formed of an insulating film that forms a part, an insulating film that covers a surface of the lower electrode that faces the upper electrode, and an insulating film that integrally extends from the insulating film that forms part of the diaphragm An electrostatic MEMS actuator having an anchor portion that supports both ends of the lower electrode, wherein the width of the lower electrode is set larger than the interval between the anchor portions;
A liquid chamber having a nozzle disposed on the electrostatic MEMS actuator;
A microfluidic discharge device.
隣接する2つのMEMS素子を組として、各組内で一方のMEMS素子の下部電極と他方のMEMS素子の上部電極が電気的に接続され、
各組の前記一方のMEMS素子の上部電極が第1のスイッチ素子を介して共通接続されて、第1端子が導出され、
各組の前記他方のMEMS素子の下部電極が第2のスイッチ素子を介して共通接続されて、第2端子が導出され、
各組の前記一方のMEMS素子の下部電極が共通接続されて、第3端子が導出される
請求項5記載の微量流体吐出装置。
Two adjacent MEMS elements are grouped, and in each group, the lower electrode of one MEMS element and the upper electrode of the other MEMS element are electrically connected,
The upper electrodes of the one MEMS element of each set are commonly connected via the first switch element, and the first terminal is derived,
The lower electrode of the other MEMS element of each set is commonly connected via the second switch element, and the second terminal is derived,
The lower electrodes of the one MEMS element of each set are connected in common and the third terminal is derived.
The microfluidic discharge device according to claim 5 .
前記隣接する2つのMEMS素子の組が、ノズルを有する1つの液室に対応して配置される
請求項6記載の微量流体吐出装置。
The set of two adjacent MEMS elements is arranged corresponding to one liquid chamber having a nozzle.
The microfluidic discharge device according to claim 6 .
静電MEMSアクチュエータと、ノズルを有する1つの液室とからなるマイクロポンプが、印画する対象物の幅以上にわたり複数個ライン状に配列された
請求項5乃至7のいずれかに記載の微量流体吐出装置。
A plurality of micropumps composed of electrostatic MEMS actuators and one liquid chamber having a nozzle are arranged in a line shape over the width of the object to be printed.
A microfluidic discharge device according to any one of claims 5 to 7 .
微量流体吐出装置と、吐出対象流体供給機構と、印刷対象物と前記微量流体吐出装置と相対的に移動する機構とを備え、
前記微量流体吐出装置が、請求項5乃至7のいずれかに記載の微量流体吐出装置で形成されている
印刷装置。
A microfluidic discharge device, a discharge target fluid supply mechanism, a printing object and a mechanism that moves relative to the microfluidic discharge device,
A printing apparatus, wherein the microfluidic discharge device is formed of the microfluidic discharge device according to any one of claims 5 to 7 .
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