JP4529275B2 - Electrostatic actuator manufacturing method, electrostatic actuator, and electrostatically driven inkjet head - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、対向電極間に駆動電圧を印加することにより発生する静電気力によって動作する静電アクチュエータ、および当該静電アクチュエータをインク液滴の吐出機構としている静電駆動式インクジェットヘッドに関するものである。
【0002】
さらに詳しくは、静電アクチュエータとその駆動装置間の配線数、およびインクジェットヘッドとそのヘッド駆動装置間の配線数を低減するのに有利な静電アクチュエータおよびインクジェットヘッドに関するものである。また、駆動電圧波形の形状によらずに低インピーダンス駆動が可能な静電アクチュエータおよびインクジェットヘッドに関するものである。
【0003】
【従来の技術】
静電アクチュエータをインク液滴吐出用の駆動機構として備えている静電駆動式インクジェットヘッドは、インクノズルに連通したインク圧力室の底面に形成された共通電極としての振動板と、この振動板に対して僅な隙間を隔てて対峙している個別電極としての電極板とを有している。これらの対向電極間に駆動電圧を印加し静電力を作用させて振動板を撓ませることによりインク圧力室内の容積を変化させ、これにより生ずるインク圧力変動を利用して、インク圧力室に連通しているインクノズルからインク液滴を吐出させて記録を行うようにしている。
【0004】
静電駆動式インクジェットヘッドにおいて、出力画像の高品質化を図るためには多数のインクノズルを高密度配置する必要がある。インクノズルを高密度化すると、個別電極に駆動電圧を供給するための電極端子数が多くなり、インクジェットヘッドと、ここに駆動電圧を供給するヘッド駆動装置との間の配線数が増加し、結果として、配線占有面積や接続面積、接続密度が増え、インクジェットヘッドの寸法が増加し、配線接続が困難になったり、配線接続の信頼性が低下するという弊害が発生する。
【0005】
ここで、特開平11―170512号公報には、圧電素子を駆動機構として利用しているイクジェットヘッドが開示されており、各圧電素子にダイオードを直列接続した構成の回路素子をマトリックス接続すると共に、各圧電素子を駆動するためのスイッチング用トランジスタをインクジェットヘッド側に搭載した構成が提案されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の公開公報に記載されている構成は、圧電素子駆動用のものであり、静電アクチュエータあるいは静電駆動式インクジェットヘッドに適していない。例えば、圧電素子の駆動はダイオードマトリックスを用いて単純にオンオフ駆動すればよいが、静電アクチュエータでは、駆動電圧波形の立ち上がり、立ち下がりの制御、換言すると電極間の充放電の制御を正確に行なう必要がある。
【0007】
本発明の課題は、このような点に鑑みて、駆動電圧を供給する駆動回路との間の配線数を低減可能な静電アクチュエータおよび静電駆動式インクジェットヘッドを提案することにある。
【0008】
また、本発明の課題は、対向電極間に印加される駆動電圧の充放電を正確に制御可能なスイッチング素子を備えた静電アクチュエータおよび静電駆動式インクジェットヘッドを提案することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明は、共通電極が形成された第1の基板と、この共通電極に対して一定の隙間で対峙している個別電極が形成された第2の基板と、前記個別電極に対する駆動電圧の供給を制御するスイッチング素子とを有する静電アクチュエータにおいて、前記スイッチング素子は、前記第2の基板に形成されていることを特徴としている。
【0010】
スイッチング素子を基板側に配置することにより、共通電極および個別電極間に印加する駆動電圧を発生する駆動装置と、静電アクチュエータとの間の配線接続数を低減できる。よって、多数の個別電極を高密度配置した場合等に有利である。
【0011】
ここで、前記スイッチング素子は、MOS・FETから構成されたインバータおよびトランスミッションゲートからなる双方向アナログスイッチであることが望ましい。かかる素子を用いると、対向電極間に印加される駆動電圧波形の形状の如何に拘らず、低インピーダンス駆動が可能となる。よって、対向電極間の充放電を精密に制御できる。
【0012】
また、前記第2の基板に、複数の前記個別電極と、当該個別電極に対応する個数の前記スイッチング素子が形成されている場合には、これらのスイッチング素子によりマトリッククス回路を構成することが望ましい。このようにすれば、マトリックス回路からは行および列選択ラインを引き出して、対向電極間に印加される駆動電圧を発生する駆動装置の側に接続すればよい。よって、個別電極の数に比べて、静電アクチュエータとその駆動装置の間の接続配線数を大幅に低減できる。
【0013】
次に、本発明は上記構成の静電アクチュエータをインク吐出用の駆動機構として利用している静電駆動式インクジェットヘッドに関するものである。すなわち、本発明は、インクノズルに連通しているインク圧力室に圧力変動を与える共通電極として振動板が形成された第1の基板と、この共通電極に対して一定の隙間で対峙している複数の個別電極が形成された第2の基板と、インク液滴を吐出すべきインクノズルに対応する前記各個別電極に対する駆動電圧の供給を制御するためのスイッチング素子群とを有する静電駆動式インクジェットヘッドにおいて、前記スイッチング素子群の各スイッチング素子は、MOS・FETから構成されたインバータおよびトランスミッションゲートを備え双方向性アナログスイッチであり、これらアナログスイッチによりマトリックス回路が構成されていることを特徴としている。
【0014】
この構成によれば、インクジェットヘッドと、当該インクジェットヘッドにおける共通電極および各個別電極間に駆動電圧を供給するためのヘッド駆動回路との間の配線数を低減できる。また、トランスミッションゲートからなる双方向アナログスイッチを用いているので、駆動電圧波形の形状に関わりなく、低インピーダンスでスイッチングを行なうことができる。よって、電極間に印加される駆動電圧の充放電制御を適切に行なうことが可能になる。
【0015】
なお、スイッチング素子群によってマトリックス回路を構成した場合には、その行選択ライン群および列選択ライン群の一方がデータ線とされ、他方が駆動電圧線とされる。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して、本発明を適用した静電駆動式インクジェットヘッドの一例を説明する。
【0017】
(静電駆動式インクジェットヘッド)
まず、図1および図2を参照して、本例の静電駆動式インクジェットヘッドの構成を説明する。図1は本例の静電駆動式インクジェットヘッドの断面図であり、図2はその分解斜視図である。
【0018】
これらの図に示すように、静電駆動式インクジェットヘッド1は、シリコン基板2を挟み、上側に同じくシリコン製のノズル基板3、下側にシリコンと熱膨張率が近いホウ珪酸ガラスからなる電極ガラス基板4がそれぞれ積層された3層構造となっている。
【0019】
中央のシリコン基板2の表面には、異方性のエッチングを施すことにより、独立した複数の細長いインク圧力室5と、1つの共通インク室6と、この共通インク室6を各インク圧力室5に連通しているインク供給口7としてそれぞれ機能する溝が加工されている。これらの溝がノズル基板3によって塞がれ、各部分5、6、7が区画形成されている。各インク圧力室5は隔離壁によって仕切られている。
【0020】
また、インク供給口7に連通するように、共通インク室6の上面を規定する部分に、インク取入れ口12が形成されている。したがって、インクは、外部のインクタンク(不図示)から、インク取入れ口12を通って共通インク室6に供給され、さらにここから各インク供給口7を通って、独立した各インク圧力室5に供給される。
【0021】
ノズル基板3には、各インク圧力室5の先端側の部分に対応する位置、すなわち、インク供給口7とは反対側となる位置に、インクノズル11が形成されており、これらがそれぞれ対応する各圧力室5に連通している。独立した各インク圧力室5の底面は、薄肉で、面外方向、すなわち、図1において上下方向に弾性変位可能な振動板51として機能するように設定されている。
【0022】
次に、シリコン基板2の下側に位置しているガラス基板4において、シリコン基板2に接合されるその上面には、シリコン基板2の各圧力室5の底面を規定している各振動板51に対峙する位置に、浅くエッチングされた凹部9がそれぞれ形成されている。各凹部9の底面には振動板51にそれぞれ対応する個別電極10が形成されている。各個別電極10は、それぞれ、ITOからなるセグメント電極10aと、ここから外部に引き出された端子部10bを有している。
【0023】
ガラス基板4をシリコン基板2に接合することにより、各インク圧力室5の底面を規定している振動板51と、対応する個別電極におけるセグメント電極10aとは、非常に狭い隙間を隔てて対向している。この隙間は、シリコン基板2とガラス基板4の間に配置された封止剤60によって封止され、密閉状態とされている。
【0024】
シリコン基板2には、ノズル基板3側のその表面に白金等の貴金属薄膜を付着させて共通電極端子22が形成されており、ここと各個別電極10との間には、後述する駆動装置の側から供給される駆動電圧パルスが印加される。シリコン基板2は導電性があるので、各振動板51は共通電極として機能する。
【0025】
振動板51と個別電極10の間に駆動電圧を印加することにより発生する静電力により、各振動板51を個別電極側に吸引すると、振動板51が弾性変位してセグメント電極10aの側に撓み、当該セグメント電極10aの表面に吸着する。この結果、インク圧力室5の容積が拡大して、インク供給口7からインク圧力室5にインクが供給される。
【0026】
静電吸引力が解除されると、振動板51はその弾性力によってセグメント電極10aの表面から離れて初期状態に復帰し、インク圧力室5の容積が急激に減少する。このときインク圧力室内に発生するインク圧力振動により、インク圧力室内のインクの一部が、このインク圧力室5に連通しているインクノズル11からインク液滴として吐出される。
【0027】
ここで、本例のインクジェットヘッド1では、そのガラス基板4の後端部分はシリコン基板2よりも後方に延びており、この部分の表面には、各個別電極10に対する駆動電圧パルスの印加を制御するためのスイッチング素子群をマトリックス状に接続配列したアクティブマトリックス回路部14が形成されている。本例の各スイッチング素子は、後述のように、MOS・FETから構成したインバータおよびトランスミッションゲートからなる双方向アナログスイッチからなっている。このアクティブマトリックス回路部14は、ガラス基板4の表面に配置した等電位配線パターン15の上を覆う保護膜16の上に積層されている。このアクティブマトリックス回路部14には、各個別電極10の端子部10bが接続されていると共に、外部接続用の入力端子部17が接続されている。この入力端子部17および上記の共通電極端子部22は、フレキシブル配線基板18を介して、後述のヘッド駆動装置(図3参照)に接続されている。
【0028】
なお、本例のインクジェットヘッド1は、基板3の上面に設けたノズル孔からインク液滴を吐出させるフェイスイジェクトタイプであるが、インク液滴を基板の端部に設けたノズル孔から吐出させるエッジイジェクトタイプであっても本発明を同様に適用できることは勿論である。
【0029】
(ヘッド駆動装置)
次に、図3は、静電駆動式インクジェットヘッドを駆動するためのヘッド駆動装置の一例を示す概略ブロック図である。本例のヘッド駆動装置100はインクジェットヘッド制御部102を有し、このインクジェットヘッド制御部102は、CPUを中心に構成され、CPUには外部装置103からバスを介して印刷情報が供給されている。また、CPUには、内部バスを介して、ROM,RAM,およびキャラクタージェネレータ104が接続されており、RAM内の記憶領域を作業領域として用いて、ROM内に格納されている制御プログラムを実行し、キャラクタージェネレータ104から発生するキャラクター情報に基づき、インクジェットヘッド駆動用の制御信号を生成する。論理ゲートアレイ105はCPUからの制御信号に基づきヘッドドライバであるアクティブマトリックス回路部14へ印刷情報に対応した駆動制御信号を供給すると共に、駆動電圧パルス発生回路106へ、駆動電圧パルスを生成するための制御信号を供給する。
【0030】
駆動電圧パルス発生回路106は論理ゲートアレイ106から制御信号を供給されて、駆動電圧パルスを発生し、ヘッドドライバであるアクティブマトリックス回路部14へ駆動電圧パルスVpを供給する。駆動電圧パルス発生回路106では、デジタル情報としての制御信号をD/A(デジタル−アナログ)変換器により、アナログの駆動電圧パルス波形へと変換する。すなわち、駆動電圧パルス発生回路106では駆動電圧パルスのパルス長、電圧、パルスの立ち上がり時間、立ち下がり時間等、パルス信号生成条件に関する制御信号より、駆動パルス波形を生成する。
【0031】
駆動電圧パルス発生回路106をD/A変換器により構成することにより、駆動電圧パルス波形を精度良く生成するには、波形の分解能を上げるために使用するD/A変換器のビット数を増やすのみでよいので、駆動電圧パルス波形の精度を容易に向上することが可能である。駆動電圧パルス発生回路106をCR回路により構成してもよい。駆動電圧パルス発生回路106をCR回路により構成すれば、D/A変換器により構成する場合より安価な回路構成とすることが可能である。
【0032】
駆動制御信号および駆動電圧パルスは、コネクタ107を経由して、インクジェットヘッド1の電極ガラス基板4の上に形成されているアクティブマトリックス回路部14に供給される。このアクティブマトリックス回路14は、電源回路110から高耐圧系の駆動電源Vhおよび論理回路系の駆動電圧Vccを供給されて動作し、供給された駆動制御信号により、駆動電圧パルスと接地電位GNDとを切り換えて、インクジェットヘッド1の各インクノズルに対応する対向電極間に印加する。この結果、対向電極間において、印加された駆動電圧パルスにより電位差が生じた振動板51は個別電極に吸引される。電位差が保持されている対向電極間では、振動板51が個別電極10に吸引されてそこに吸着した状態に保持される。電位差が急激に解除されると、振動板51が振動してインク液滴が対応するインクノズル11から吐出される。
【0033】
次に、図4は、ヘッドドライバであるアクティブマトリックス回路部14を構成している双方向アナログスイッチを示す部分回路ブロック図である。この図に示すように、本例では、各個別電極10に対する駆動電圧パルスの印加を制御するための一つのスイッチング素子140が、P−MOS・FETおよびN−MOS・FETからなるC−MOSインバータ141と、同じくP−MOS・FETおよびN−MOS・FETからなる双方向トランスミッションゲート142とから構成されている。かかる構成のスイッチング素子140が、マトリックス接続されており、その行選択ラインとして複数本のデータ線Dkが配列され、その列選択ラインとして複数本の駆動制御信号ラインVnが配列されている。
【0034】
(駆動電圧パルス波形の例)
ここで、図5(a)、(b)は、高耐圧系駆動電圧(Vn)に入力する駆動電圧波形を示す図である。図5(a)は基本波形を示し、図5(b)は別の駆動波形を示す。これらの図において、横軸は時間であり、縦軸は電圧である。
【0035】
図5(a)において、VHは駆動電圧、Pwは駆動パルス幅、Pwcは充電時間、Pwdは放電時間を示す。図において、充電、放電が直線的に行われ、充電または放電のタイミングにおいて、インク液滴が効率良く吐出するように、VH、Pw、Pwc、Pwdの各値が設定される。例えば、VH=26V、Pw=12μsecとされる。
【0036】
図5(b)においては、VH1は駆動電圧、VH2は保持電圧、Pw1、Pw2はそれぞれの駆動パルス幅、Pwcは充電時間、Pwd1、Pwd2はそれぞれの放電時間を示す。図において、インク液滴の吐出が安定的になされるように、振動板51の保持時間を決定している駆動パルス幅Pw2等が設定される。この図に示す駆動波形により駆動を行なうことにより、インク液滴の量や速度を図5(a)に示す基本波形よりも精密に制御できる。なお、いずれの波形を採用する場合においても、充電時間、保持時間、放電時間、電圧を精密に制御して、振動板51を駆動して、インク液滴を吐出させることが必要である。
【0037】
次に、図6は、インクジェットヘッド1の駆動方法の例を示すタイミングチャートである。図示の例では、アクティブマトリックス回路部14によってマトリックス駆動するパラメータをn=k=16としたものである。すなわち、16行・16列からなる256個のスイッチング素子をマトリックス駆動することにより、256個のインクノズル11に対応する静電アクチュエータ、すなわち、振動板51を駆動制御するものである。
【0038】
図のタイミングチャートでは、図4に示すアクティブマトリックス回路部14における駆動電圧線Vn(n=1ないし16)と、データ線Dk(k=1ないし16)のうち、駆動電圧線V5,6と、データ線D5により、対応する個別電極10(a69)と個別電極10(a85)に駆動電圧パルスを印加して、それぞれが対向している振動板51を駆動する場合のものである。
【0039】
駆動電圧線V5、6には、駆動パルス発生回路106から出力される波形が、データ線D5には、論理ゲートアレイ105からのデータ信号が、それぞれ、入力される。データ線D5が高論理レベルの時に、個別電極に駆動電圧線V5,6の電位が出力される。逆に、データ線D5が低論理レベルの時には、個別電極には接地電位GNDが出力される。
【0040】
本例では、256個の個別電極10に駆動電圧を制御するための配線は256本必要となるが、これに対する、ヘッド駆動装置100の側からフレキシブル配線基板18を介しての入力線の本数は、基本的には16本のデータ線と16本の駆動電圧線の合計32本でよい。従って、フレキシブル配線基板18と、インクジェットヘッドのガラス基板4の表面に形成されている入力端子部17との接続本数が少なくて済む。よって、狭ピッチ配線を行なう必要がなくなる。
【0041】
なお、図6に示すタイミングチャートでは、共通電極Comは常に接地電位となるように制御されている。この共通電極電位も駆動するようにして、マトリックス駆動すれば、インクジェットヘッドの電位反転制御を行なうことも可能である。
【0042】
(製造方法)
次に、図7は本例のインクジェットヘッド1の製造工程の概略フローチャートであり、図8は電極ガラス基板を切り出す前の状態のガラス基板素材を示す部分斜視図である。これらの図を参照して、本例のインクジェットヘッド1の製造手順の一例を説明する。
【0043】
まず、図7(a)はインクジェットヘッド1の製造手順を示すものであり、複数のインクジェットヘッドにそれぞれ対応する個別電極10、トランスミッションゲート142等が区画形成された電極ガラス基板素材を用意し(工程S1)、また、インク流路を形成するための各溝および振動板51をシリコンの異方性エッチングにより同じくインクジェットヘッド毎に区画形成したシリコン基板素材を用意する(工程S2)。
【0044】
次に、これらの基板素材を陽極接合により接合する(工程S3)。陽極接合は、シリコン基板素材と電極ガラス基板素材のそれぞれの表面に設けた等電位配線パターン15が同電位となるようにして行われる。次に、ダイシングにより、各インクジェットヘッドを切り出す(工程S4)。ダイシングは例えば、0.3mm幅のダイシングブレードを用いて行い、当該ダイシングと同時に、等電位配線パターンを切断、除去して、インクジェットヘッドの個別電極をそれぞれ独立させる。しかる後に、各インクジェットヘッドの入力配線17に異方性導電接着剤により、フレキシブルプリント基板18を接続する(工程S5)。
【0045】
なお、陽極接合したシリコン基板素材および電極ガラス基板素材をダイシングする前に、そのシリコン基板素材の表面に、インクノズル溝などが形成されているノズル基板素材に重ね合わせて、陽極接合、接着接合あるいはフッ素接合等の方法により接合して、インク圧力室、共通インク室等を区画形成してもよい。
【0046】
次に、図7(b)には電極ガラス基板4の製造手順を示してある。この図7(b)と図8を参照して説明すると、まず、電極ガラス基板素材4Aの表面に、シリコン基板側の振動板51に対して個別電極10を所定のギャップで対峙させるための電極ガラス溝(凹部9)を等方性エッチングにより形成する(工程11)。次に、等電位パターン(等電位配線15および等電位配線パッド15A)をクロム(Cr)をスパッタして第二硝酸セリウム水溶液でエッチングしてパターン形成する(工程S12)。
【0047】
次に、SiO2をTEOS−PECVD法により成膜し、HF(フッ素)によりパターニングして、等電位パターン15,15Aと、次の工程で形成するスイッチング素子140のMOS−FET群とを絶縁分離するための絶縁膜16とする(工程S13)。絶縁膜16は、このトランジスタ群形成時に下地の電極ガラス基板のアルカリ金属イオンの影響を無くし、トランジスタ群の動作限界電圧Vthを安定化させるためのパッシベーション膜としても機能する。
【0048】
トランジスタ群の形成過程(工程S14)では、低温ポリシリコンTFTプロセスが適用可能である。低温ポリシリコンTFTプロセスを適用することにより、アモルファスシリコンTFTプロセスよりも電流駆動能力が高く、低インピーダンスのトランジスタ群を形成することができ、静電アクチュエータの駆動を切り換えるトランジスタ群を製造するのに適している。
【0049】
最後に、個別電極10をITOスパッタし、塩酸と硝酸の混合溶液(王水)によりエッチングしてパターニングする(工程S15,16)。この際、個別電極10は、前述のトランジスタ群(140)の出力および等電位パターン15に対して電気的に接続されたパターンとされる。また、この工程では、同時に、トランジスタ群(14)への入力配線のパターンをITOパターンにより形成する。
【0050】
かかるプロセスを経てインクジェットヘッド1を製造することによって、個別電極10とトランスミッションゲート142を同一基板素材4A上に形成し、かつ、陽極接合工程で生ずる振動板51の撓みを無くし、振動板51と個別電極10のギャップが均一な静電アクチュエータを製造できる。さらには、製造工程で生ずる静電気によるトランスミッションゲート等の能動素子の破壊を防止し、インクジェットヘッド1の不良を少なくすることができる。
【0051】
(その他の実施の形態)
なお、上記の例は、静電駆動式のインクジェットヘッドに対して本発明を適用したものである。しかし、本発明は、インクジェットヘッド以外の静電アクチュエータ、例えば、静電駆動式のセンサに対しても同様に適用することができる。
【0052】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の静電アクチュエータおよび静電駆動式インクジェットヘッドでは、個別電極が形成されている基板(電極ガラス基板)に、各個別電極に対する駆動電圧印加を制御するスイッチング素子を配置した構成を採用している。従って、共通電極および個別電極間に印加される駆動電圧を発生するヘッド駆動装置とインクジェットヘッドとの間の配線接続数を低減できるので、多数の個別電極を高密度配置した場合等に有利である。
【0053】
また、本発明では、スイッチング素子として、トランスミッションゲートからなる双方向アナログスイッチを用いているので、対向電極間に印加される駆動電圧波形の形状の如何に拘らず、低インピーダンス駆動が可能となる。よって、対向電極間の充放電を精度良く制御できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を適用した静電駆動式インクジェットヘッドの一例を示す概略断面図である。
【図2】図1に示す静電駆動式インクジェットヘッドの分解斜視図である。
【図3】図1に示す静電駆動式インクジェットヘッドの駆動制御系を示す概略ブロック図である。
【図4】図1の静電駆動式インクジェットヘッドに搭載されているアナログスイッチ群からなるマトリックス回路部の一部を示す回路ブロック図である。
【図5】図1の静電駆動式インクジェットヘッドを駆動するための駆動電圧波形の例を示す波形図である。
【図6】図4のマトリックス回路部の動作を示すタイミングチャートである。
【図7】本発明によるインクジェットヘッドの製造工程を示す概略フローチャートである。
【図8】電極ガラス基板を切り出す前の基板素材を示す部分斜視図である。
【符号の説明】
1 静電駆動式インクジェットヘッド
2 シリコン基板
3 ノズル基板
4 ガラス基板
5 インク圧力室
6 共通インク室
7 インク供給口
9 凹部
10 個別電極
10a セグメント電極
10b 端子部
11 インクノズル
12 インク取出し口
14 マトリックス回路部
15 等電位配線
16 絶縁膜
17 入力端子部
18 フレキシブル配線基板
22 共通電極端子
51 振動板
60 封止剤
100 ヘッド駆動装置
102 インクジェット制御部
103 外部装置
106 駆動パルス発生回路
140 双方向アナログスイッチ
141 C−MOSインバータ
142 トランスミッションゲート[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an electrostatic actuator that operates by an electrostatic force generated by applying a driving voltage between opposed electrodes, and an electrostatically driven ink jet head that uses the electrostatic actuator as an ink droplet ejection mechanism. .
[0002]
More particularly, the present invention relates to an electrostatic actuator and an ink jet head that are advantageous in reducing the number of wires between an electrostatic actuator and its driving device and the number of wires between an ink jet head and its head driving device. The present invention also relates to an electrostatic actuator and an inkjet head that can be driven with low impedance regardless of the shape of the drive voltage waveform.
[0003]
[Prior art]
An electrostatic drive type inkjet head having an electrostatic actuator as a drive mechanism for discharging ink droplets includes a diaphragm as a common electrode formed on the bottom surface of an ink pressure chamber communicating with an ink nozzle, It has an electrode plate as an individual electrode facing each other with a slight gap. The volume of the ink pressure chamber is changed by applying a driving voltage between these counter electrodes and applying an electrostatic force to bend the diaphragm, and the ink pressure fluctuation caused thereby is communicated with the ink pressure chamber. Recording is performed by discharging ink droplets from the ink nozzles.
[0004]
In an electrostatic drive type ink jet head, in order to improve the quality of an output image, it is necessary to arrange a large number of ink nozzles at a high density. When the density of ink nozzles is increased, the number of electrode terminals for supplying drive voltage to individual electrodes increases, and the number of wires between the inkjet head and the head drive device that supplies the drive voltage to this increases. As a result, the wiring occupation area, the connection area, and the connection density increase, the dimensions of the inkjet head increase, the wiring connection becomes difficult, and the reliability of the wiring connection decreases.
[0005]
Here, JP-A-11-170512 discloses an inkjet head using piezoelectric elements as a driving mechanism, and circuit elements having a structure in which a diode is connected in series to each piezoelectric element are connected in a matrix. A configuration in which a switching transistor for driving each piezoelectric element is mounted on the inkjet head side has been proposed.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, the configuration described in the above publication is for driving a piezoelectric element and is not suitable for an electrostatic actuator or an electrostatically driven ink jet head. For example, the piezoelectric element may be simply driven on and off using a diode matrix, but the electrostatic actuator accurately controls the rise and fall of the drive voltage waveform, in other words, the charge / discharge control between the electrodes. There is a need.
[0007]
In view of the above, an object of the present invention is to propose an electrostatic actuator and an electrostatically driven ink jet head that can reduce the number of wirings with a drive circuit that supplies a drive voltage.
[0008]
Another object of the present invention is to propose an electrostatic actuator and an electrostatically driven ink jet head provided with a switching element capable of accurately controlling charging / discharging of a driving voltage applied between opposing electrodes.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention provides a first substrate on which a common electrode is formed, and a second substrate on which an individual electrode facing the common electrode with a certain gap is formed. An electrostatic actuator having a switching element for controlling supply of a driving voltage to the individual electrode is characterized in that the switching element is formed on the second substrate.
[0010]
By arranging the switching element on the substrate side, it is possible to reduce the number of wiring connections between the electrostatic actuator and a driving device that generates a driving voltage to be applied between the common electrode and the individual electrodes. Therefore, it is advantageous when a large number of individual electrodes are arranged at high density.
[0011]
Here, it is preferable that the switching element is a bidirectional analog switch including an inverter and a transmission gate formed of a MOS • FET. When such an element is used, low-impedance driving is possible regardless of the shape of the driving voltage waveform applied between the counter electrodes. Therefore, charge / discharge between the counter electrodes can be precisely controlled.
[0012]
Further, when a plurality of the individual electrodes and the number of the switching elements corresponding to the individual electrodes are formed on the second substrate, it is desirable that a matrix circuit is configured by these switching elements. . In this way, the row and column selection lines may be drawn from the matrix circuit and connected to the side of the driving device that generates the driving voltage applied between the counter electrodes. Therefore, compared to the number of individual electrodes, the number of connection wires between the electrostatic actuator and its driving device can be greatly reduced.
[0013]
Next, the present invention relates to an electrostatic drive type ink jet head that uses the electrostatic actuator having the above configuration as a drive mechanism for discharging ink. That is, in the present invention, the first substrate on which the diaphragm is formed as a common electrode that gives pressure fluctuation to the ink pressure chamber communicating with the ink nozzle is opposed to the common electrode with a certain gap. An electrostatic drive type having a second substrate on which a plurality of individual electrodes are formed, and a switching element group for controlling the supply of a drive voltage to the individual electrodes corresponding to the ink nozzles to which ink droplets are to be ejected. In the inkjet head, each switching element of the switching element group is a bidirectional analog switch including an inverter and a transmission gate made of MOS / FET, and a matrix circuit is configured by these analog switches. Yes.
[0014]
According to this configuration, it is possible to reduce the number of wirings between the inkjet head and a head drive circuit for supplying a drive voltage between the common electrode and each individual electrode in the inkjet head. In addition, since a bidirectional analog switch comprising a transmission gate is used, switching can be performed with low impedance regardless of the shape of the drive voltage waveform. Therefore, it is possible to appropriately perform charge / discharge control of the drive voltage applied between the electrodes.
[0015]
When a matrix circuit is configured by the switching element group, one of the row selection line group and the column selection line group is a data line, and the other is a drive voltage line.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an example of an electrostatic drive type inkjet head to which the present invention is applied will be described with reference to the drawings.
[0017]
(Electrostatically driven inkjet head)
First, with reference to FIG. 1 and FIG. 2, the structure of the electrostatic drive type inkjet head of this example is demonstrated. FIG. 1 is a cross-sectional view of the electrostatically driven ink jet head of this example, and FIG. 2 is an exploded perspective view thereof.
[0018]
As shown in these drawings, the electrostatic drive type
[0019]
The surface of the
[0020]
Further, an
[0021]
In the nozzle substrate 3,
[0022]
Next, in the
[0023]
By bonding the
[0024]
A
[0025]
When each
[0026]
When the electrostatic attraction force is released, the
[0027]
Here, in the
[0028]
The
[0029]
(Head drive device)
Next, FIG. 3 is a schematic block diagram showing an example of a head drive device for driving an electrostatic drive type ink jet head. The head driving device 100 of this example has an ink jet
[0030]
The drive voltage
[0031]
In order to generate the drive voltage pulse waveform with high accuracy by configuring the drive voltage
[0032]
The drive control signal and the drive voltage pulse are supplied to the active
[0033]
Next, FIG. 4 is a partial circuit block diagram showing a bidirectional analog switch constituting the active
[0034]
(Example of drive voltage pulse waveform)
Here, FIGS. 5A and 5B are diagrams showing drive voltage waveforms input to the high breakdown voltage system drive voltage (Vn). FIG. 5A shows a basic waveform, and FIG. 5B shows another drive waveform. In these figures, the horizontal axis is time, and the vertical axis is voltage.
[0035]
In FIG. 5A, VH is a driving voltage, Pw is a driving pulse width, Pwc is a charging time, and Pwd is a discharging time. In the figure, charging and discharging are performed linearly, and values of VH, Pw, Pwc, and Pwd are set so that ink droplets are efficiently ejected at the timing of charging or discharging. For example, VH = 26V and Pw = 12 μsec.
[0036]
In FIG. 5B, VH1 is a drive voltage, VH2 is a holding voltage, Pw1 and Pw2 are drive pulse widths, Pwc is a charge time, and Pwd1 and Pwd2 are discharge times. In the figure, the drive pulse width Pw2 and the like for determining the holding time of the
[0037]
Next, FIG. 6 is a timing chart showing an example of a method for driving the
[0038]
In the timing chart of the figure, among the drive voltage lines Vn (n = 1 to 16) and the data lines Dk (k = 1 to 16) in the active
[0039]
A waveform output from the drive
[0040]
In this example, 256 wires for controlling the drive voltage are required for the 256
[0041]
In the timing chart shown in FIG. 6, the common electrode Com is controlled so as to be always at the ground potential. If the common electrode potential is also driven and matrix driving is performed, the potential reversal control of the inkjet head can be performed.
[0042]
(Production method)
Next, FIG. 7 is a schematic flowchart of the manufacturing process of the
[0043]
First, FIG. 7A shows a manufacturing procedure of the
[0044]
Next, these substrate materials are bonded by anodic bonding (step S3). The anodic bonding is performed so that the
[0045]
Before dicing the anodically bonded silicon substrate material and electrode glass substrate material, the surface of the silicon substrate material is superposed on the nozzle substrate material on which ink nozzle grooves and the like are formed, so that anodic bonding, adhesive bonding or The ink pressure chamber, the common ink chamber, and the like may be partitioned by bonding by a method such as fluorine bonding.
[0046]
Next, FIG. 7B shows a manufacturing procedure of the
[0047]
Next, SiO2 is deposited by TEOS-PECVD and patterned by HF (fluorine) to insulate and isolate
[0048]
In the process of forming the transistor group (step S14), a low-temperature polysilicon TFT process can be applied. By applying the low-temperature polysilicon TFT process, it is possible to form a low-impedance transistor group that has higher current drive capability than the amorphous silicon TFT process, and is suitable for manufacturing a transistor group that switches driving of an electrostatic actuator. ing.
[0049]
Finally, the
[0050]
By manufacturing the
[0051]
(Other embodiments)
In the above example, the present invention is applied to an electrostatic drive type ink jet head. However, the present invention can be similarly applied to electrostatic actuators other than the inkjet head, for example, electrostatic drive type sensors.
[0052]
【The invention's effect】
As described above, in the electrostatic actuator and the electrostatically driven ink jet head of the present invention, the switching element for controlling the driving voltage application to each individual electrode is arranged on the substrate (electrode glass substrate) on which the individual electrode is formed. The configuration is adopted. Accordingly, the number of wiring connections between the head driving device that generates a driving voltage applied between the common electrode and the individual electrodes and the inkjet head can be reduced, which is advantageous when a large number of individual electrodes are arranged at high density. .
[0053]
In the present invention, since a bidirectional analog switch including a transmission gate is used as the switching element, low impedance driving is possible regardless of the shape of the driving voltage waveform applied between the counter electrodes. Therefore, charge / discharge between the counter electrodes can be controlled with high accuracy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of an electrostatically driven inkjet head to which the present invention is applied.
2 is an exploded perspective view of the electrostatically driven inkjet head shown in FIG. 1. FIG.
3 is a schematic block diagram showing a drive control system of the electrostatic drive type inkjet head shown in FIG. 1;
4 is a circuit block diagram showing a part of a matrix circuit unit composed of analog switch groups mounted on the electrostatic drive type ink jet head of FIG. 1. FIG.
5 is a waveform diagram showing an example of a drive voltage waveform for driving the electrostatic drive type ink jet head of FIG. 1. FIG.
6 is a timing chart showing the operation of the matrix circuit section of FIG.
FIG. 7 is a schematic flowchart showing a manufacturing process of an ink jet head according to the present invention.
FIG. 8 is a partial perspective view showing a substrate material before cutting out an electrode glass substrate.
[Explanation of symbols]
1 Electrostatically driven inkjet head
2 Silicon substrate
3 Nozzle substrate
4 Glass substrate
5 Ink pressure chamber
6 Common ink chamber
7 Ink supply port
9 recess
10 Individual electrodes
10a Segment electrode
10b Terminal section
11 Ink nozzle
12 Ink outlet
14 Matrix circuit
15 Equipotential wiring
16 Insulating film
17 Input terminal
18 Flexible wiring board
22 Common electrode terminal
51 Diaphragm
60 Sealant
100 head drive device
102 Inkjet control unit
103 External device
106 Drive pulse generation circuit
140 Bidirectional analog switch
141 C-MOS inverter
142 Transmission Gate
Claims (3)
振動板を前記対応静電アクチュエータに毎に形成したシリコン基板素材を用意する工程と、 Preparing a silicon substrate material in which a diaphragm is formed for each of the corresponding electrostatic actuators;
前記電極ガラス基板素材と前記シリコン基板素材とを陽極接合により接合する工程と、 Bonding the electrode glass substrate material and the silicon substrate material by anodic bonding;
前記陽極接合は、前記シリコン基板素材と前記電極ガラス基板素材のそれぞれの表面に設けた等電位配線パターンが同電位となるようにして行われ、前記陽極接合の後に、ダイシングにより、各前記静電アクチュエータを切り出す工程と、The anodic bonding is performed so that equipotential wiring patterns provided on the respective surfaces of the silicon substrate material and the electrode glass substrate material have the same potential. After the anodic bonding, each electrostatic Cutting out the actuator;
当該ダイシングと同時に、等電位配線パターンを切断して、前記静電アクチュエータの個別電極をそれぞれ独立させ、各前記静電アクチュエータの入力配線に異方性導電接着剤により、フレキシブルプリント基板を接続する工程、とを有する静電アクチュエータの製造法。 Simultaneously with the dicing, the equipotential wiring pattern is cut, the individual electrodes of the electrostatic actuator are made independent, and the flexible printed circuit board is connected to the input wiring of each electrostatic actuator by an anisotropic conductive adhesive. , And a method of manufacturing an electrostatic actuator.
前記スイッチング素子は、前記第2の基板に形成され、MOS・FETから構成されたインバータおよびトランスミッションゲートからなる双方向アナログスイッチであり、
前記第2の基板には、複数の前記個別電極と、当該個別電極に対応する個数の前記スイッチング素子が形成されており、
前記スイッチング素子は、複数本のデータ信号線と複数本の駆動制御信号線とがマトリックス接続されており、
請求項1に記載された静電アクチュエータの製造方法により製造されたことを特徴とする静電アクチュエータ。 Wherein controlling a first substrate on which common electrodes are formed, a second substrate the individual electrodes are opposed is formed with a constant gap with respect to the common electrode, the supply of the drive voltage to the individual electrodes an electrostatic actuator having a switching element,
The switching element is a bidirectional analog switch formed on the second substrate and composed of an inverter and a transmission gate made of MOS / FET,
A plurality of the individual electrodes and a number of the switching elements corresponding to the individual electrodes are formed on the second substrate,
The switching element has a matrix connection of a plurality of data signal lines and a plurality of drive control signal lines,
An electrostatic actuator manufactured by the method for manufacturing an electrostatic actuator according to claim 1 .
前記スイッチング素子群の各スイッチング素子は、MOS・FETから構成されたインバータおよびトランスミッションゲートを備え双方向性アナログスイッチであり、
前記第2の基板には、複数の前記個別電極と、当該個別電極に対応する個数の前記スイッチング素子が形成されており、
これらのスイッチング素子は、複数本のデータ信号線と複数本の駆動制御信号線とがマトリックス接続されており、
請求項1に記載された静電アクチュエータの製造方法により製造されたことを特徴とする静電アクチュエータ静電駆動式インクジェットヘッド。A first substrate on which a diaphragm is formed as a common electrode that applies pressure fluctuation to an ink pressure chamber communicating with the ink nozzle, and a plurality of individual electrodes that are opposed to the common electrode with a certain gap are formed. a second substrate which is, an electrostatic drive type ink jet head having a switching element group for controlling the supply of the drive voltage to the individual electrode corresponding to the ink nozzles to eject ink droplets,
Each switching element of the switching element group is a bidirectional analog switch including an inverter and a transmission gate composed of a MOS-FET,
A plurality of the individual electrodes and a number of the switching elements corresponding to the individual electrodes are formed on the second substrate,
These switching elements have a matrix connection of a plurality of data signal lines and a plurality of drive control signal lines,
An electrostatic actuator electrostatically driven ink jet head manufactured by the method for manufacturing an electrostatic actuator according to claim 1 .
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