JP4967609B2

JP4967609B2 - 液滴吐出ヘッドの駆動方法

Info

Publication number: JP4967609B2
Application number: JP2006301456A
Authority: JP
Inventors: 正寛藤井; 朗佐野
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2006-11-07
Filing date: 2006-11-07
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2026-11-07
Also published as: JP2008114533A

Description

本発明は、静電駆動方式の静電アクチュエータの駆動方法、液滴吐出ヘッドの駆動方法、液滴吐出装置の駆動方法及び静電駆動デバイスの駆動方法に関し、特に振動板の待機位置を変化させて階調数を増加させた静電アクチュエータの駆動方法、液滴吐出ヘッドの駆動方法、液滴吐出装置の駆動方法及び静電駆動デバイスの駆動方法に関するものである。

近年、シリコン等を加工して微小な素子等を形成する微細加工技術（ＭＥＭＳ：ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）が急激に進歩している。この微細加工技術により形成される微細加工素子には、たとえば、液滴吐出方式のプリンタのような記録（印刷）装置で用いられている液滴吐出ヘッド（インクジェットヘッド）やマイクロポンプ、光可変フィルタ、モータのようなアクチュエータ、圧力センサ等がある。

このうち、インクジェットヘッドは、一般にインク滴を吐出するための複数のノズル孔が形成されたノズル基板と、このノズル基板に接合されノズル孔に連通する圧力室や、リザーバ等のインク流路が形成されたキャビティ基板とを備え、圧力室に圧力を加えることによりインク滴を選択されたノズル孔より吐出するように構成されている。このようにインク滴を吐出させる方式としては、静電気力を利用する静電駆動方式や、圧電素子による圧電（ＰＺＴ）方式、発熱素子を利用するバブルジェット（登録商標）方式等がある。

静電駆動方式のインクジェットヘッドにおいては、圧力室の底部を振動板としたキャビティ基板と、この振動板に所定のギャップ（空隙）を介して対向する個別電極を形成した電極基板とを接合させた構成となっている。インク滴を吐出する際には、個別電極に駆動電圧を印加してプラスに帯電させ、対応する振動板に駆動電圧を印加してマイナスに帯電させる。そうすると、この時に生じる静電引力により振動板が個別電極側に弾性変形する。そして、この駆動電圧をオフにすると、振動板が復元する。このとき、圧力室の内部の圧力が急激に上昇し、圧力室内のインクの一部をインク滴としてノズル孔から吐出されることになる。

圧電方式と、静電駆動方式との違いについて簡単に説明する。圧電方式では、インク滴の引き及び押しのいずれの圧力も機械抵抗、つまり振動板のバネ圧による。これに対して、静電駆動方式では、インク滴の引きは静電気力（クーロン力）であり、押しは振動板のバネ圧による。この結果として、静電駆動方式は、圧電方式に比べてインク滴の吸引圧力は大きくなるのに反し、クーロン力を大きくするようにギャップの距離を短く構成すると、振動板のバネ力によるインク滴に加わる圧力は、比較的小さくなる傾向にある。このような相違は、作用する力の構成及びそれを利用するための構造によるものである。

特に、静電駆動方式のインクジェットヘッドは、チップサイズの小型高密度化、印字性能の高品質化及び長寿命化の点で圧電方式や他の方式のインクジェットヘッドよりも優れているという性質を有している。そこで、静電駆動方式のインクジェットヘッドでは、インク滴に圧電方式のインクジェットヘッドと同じような圧力を加えてインク滴の吐出制御を行うのではなく、静電駆動方式の有する長所を活かしてインク滴の吐出制御を行うことが要求されている。すなわち、静電駆動方式を採用したことにより多様なインク滴を吐出できるように制御するには、振動板を多様に駆動させて、インク滴に多様な圧力を加えなければならないのである。

また、近年の液滴吐出方式のプリンタのような記録装置においては、インク滴の吐出量を多様に変化、つまり階調数を増加させてドット変調を行ない表現力を向上させることが要求されている。また、表現力を向上させることを可能にしつつ、ノズル孔の高密度化及び駆動周波数の高周波化が要求されている。すなわち、液滴吐出方式のプリンタのような記録装置に用いられるインクジェットヘッドの高画質化及び高速化を同時に実現することが要求されているのである。

圧電方式を採用したものとして、「圧電素子に電圧を印加し、該圧電素子の伸縮によってインク室の体積を変化させインク滴を吐出させるインクジェット記録ヘッドの駆動装置において、階調を持ったＮビットの情報を持つ印字データと、所望の出力波形を生成する為の波形情報を持つ波形情報メモリと、前記印字データの情報により前記波形情報を選択する為の選択手段と、ピエゾ特性及びインクジェット記録ヘッド環境情報を持つ特性情報メモリと、前記選択された波形情報を前記特性情報により所望の印字時のドット径及び吐出スピードを生成する為の波形情報に補正する補正手段と、前記補正された波形情報を各ピエゾ毎の波形生成部に振り分ける為のマルチプレクサと、前記マルチプレクサによって振り分けられた波形情報に従って、所望の出力波形を生成する波形生成手段とを持つインクジェット記録ヘッドの駆動装置」が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

静電駆動方式を採用したものとして、「インクを吐出するインクノズルと、このノズルに連通していると共にインクを保持しているインク室と、このインク室にインクを供給するインク供給路と、前記インク室を区画形成している周壁に形成され、面外方向に弾性変位可能となっている振動板と、前記インク室の外側において前記振動板に対して隙間を置いて対向配置されている対向壁とを有し、前記振動板の振動に応じて前記インク室に発生する圧力変動を利用して、前記インクノズルからインク滴を吐出させるインクジェットヘッドにおいて、前記振動板と前記対向壁の隙間として、相対的に、大きな隙間部分と小さな隙間部分とを備えているインクジェットヘッド」が提案されている（たとえば、特許文献２参照）。

また、「振動板と該振動板とギャップを介して接合された電極基板上に前記振動板に対向して設けられた個別電極を有し、前記振動板と前記個別電極間に駆動電圧を印加し、前記振動板を静電力により変形させる静電型アクチュエータであって、短辺と長辺の長方形で構成された前記振動板と個別電極との間に空隙を形成しているギャップを有し、該ギャップの短辺は凹形状であって、かつ、少なくとも二つ以上のギャップ長を持つ階段状に形成されている静電型アクチュエータ」が提案されている（たとえば、特許文献３参照）。

さらに、「インクが充填されたノズルを有する液室と、該液室の一部に形成された振動板と、該振動板に設けられた第１の電極と、該第１の電極と微小間隔隔てて対向して設けられた第２の電極とを備え、前記第１及び第２の電極の間に電位差を生ぜしめ、静電力で該振動板を変形させて前記ノズルからインクを吐出するインクジェットヘッドにおいて、１つの振動板に対して前記第１の電極あるいは前記第２の電極の少なくとも一方が複数個に分割した構造の分割電極であるインクジェットヘッド」が提案されている（たとえば、特許文献４参照）。

また、「インクを吐出するためのノズルと、該ノズルに連通するインク吐出室と、該インク吐出室の一部に設けられた振動板と、該振動板に対向して設けられた電極とを有し、前記振動板と前記電極との間に生じる静電気力を利用して、前記振動板を変形させ、前記ノズルからインク液滴を吐出するインクジェットヘッドの駆動方法において、前記振動板と前記電極との間に１駆動周期内に複数のパルス電圧からなり複数のインク液滴を吐出させる駆動形態で少なくとも第２番目以降の各パルス電圧は、前のパルス電圧から非当接時の固有振動周期をＴａとしたとき１／４×Ｔａ以上Ｔａ以下の駆動間隔で印加され、そのパルス幅は当接時の固有振動周期をＴｂとしたとき１／２Ｔｂ＋（ｎ−１）Ｔｂ以上ｎＴｂ以下（ｎは１以上の整数）までの時間であるインクジェットヘッドの駆動方法」が提案されている（たとえば、特許文献５参照）。

特開平１０−２３５８５９号公報（第２頁及び第２図）特許第３３９５４６３号（第４頁及び第１図）特開２０００−３１８１５５号公報（第４頁及び第２図）特開２０００−１５８０１号公報（第５頁及び第５図）特開２００２−６７３５８号公報（第４頁及び第１２図）

特許文献１に記載のインクジェット記録ヘッドの駆動装置は、階調を表現する方法、ピエゾ毎の特性及びインクジェット記録ヘッド環境を補正し、印字品質を向上させることを可能にしたものである。しかしながら、このような圧電方式を採用したものに比べて、静電駆動方式を採用したものの方がチップサイズの小型高密度化、印字性能の高品質化及び長寿命化という観点において優れている。

特許文献２に記載のインクジェットヘッドは、放電速度を制御することによって、振動板の各部分と対向壁の各表面との当接状態を変更し、インクの振動系のコンプライアンスを変えるようにしたものである。つまり、インクの振動系のコンプライアンスを変えることにより、インク滴の吐出量等の吐出特性を多様に変化させることを可能にしたものである。しかしながら、インク滴の吐出量等の吐出特性を多様に変化させつつ、高速化を実現することが難しいという課題があった。

特許文献３に記載の静電型アクチュエータは、個別電極と絶縁膜とはｎ段の段差位置まで形成することで、振動板と電極基板の静電引力の作用する面積を広げることができ、駆動電圧の上昇を引き起こすことなく、インク吐出量を可変できるようにしたものである。しかしながら、特許文献１と同様なインク滴の吐出量等の吐出特性を多様に変化させつつ、高速化を実現することが難しいという課題があった。

特許文献４に記載のインクジェットヘッドは、分割電極を構成するそれぞれの電極を駆動することによって、第１及び電極間に電位差が生じ、静電力で振動板を変形させてノズルからインクを吐出するので、インクジェットヘッドの振動板を安定よく大変位可能にすると共に多様な制御を可能にしたものである。しかしながら、インク滴の吐出量等の吐出特性を多様に変化させつつ、高速化を実現することが難しいという課題とともに、駆動制御する配線数が増加するため、駆動制御やその処理に時間を要し、処理速度を高めなければならないといった課題もあった。

特許文献５に記載のインクジェットヘッドの駆動方法は、同一ノズルから吐出されるインク滴量を制御して、印字速度の高速化と高品位の階調印刷を実現したものである。しかしながら、インク滴の吐出量等の吐出特性を多様に変化させつつ、高速化を実現することが難しいという課題とともに、液滴の吐出周波数を非常に高めなければならないといった課題もあった。

本発明は、上記のような問題を解決するためになされたもので、静電駆動方式の長所を生かして、液滴吐出装置の階調数の増加及び印刷速度の向上を容易に両立する静電アクチュエータの駆動方法、液滴吐出ヘッドの駆動方法、液滴吐出装置の駆動方法及び静電駆動デバイスの駆動方法を提供することを目的とするものである。

本発明に係る静電アクチュエータの駆動方法は、ギャップを隔てて対向配置されている固定電極と可動電極との間に、電圧を印加し、これらの電極間に発生する静電気力によって可動電極を駆動させる静電アクチュエータの駆動方法であって、固定電極に段差を設け、ギャップの深さを固定電極の段差に応じて相違させ、可動電極をギャップの深さの中間位置に対応する固定電極に当接させる電圧である第１電位を固定電極に印加して静電気力を発生させ、可動電極をギャップの深さの中間位置に対応する固定電極に当接保持させた状態で待機させておき、その後、第１電位よりも低い電位を固定電極に印加し、可動電極を固定電極から一端離脱した状態にし、可動電極を駆動させる際には、第１電位よりも低い電位にしている状態で、第１電位よりも高い第２電位を可動電極に印加することで可動電極を駆動し、その後、前記可動電極を前記固定電極から離脱させることを特徴とする。

したがって、静電駆動する可動電極（たとえば、振動板）をギャップの深さの中間位置に対応する固定電極に当接させる電圧である第１電位を固定電極に印加して静電気力を発生させて待機させておくので、可動電極の変位量を容易かつ多様に調整することができるとともに、可動電極の駆動速度の高速化を実現することができる。また、高駆動周波数化を図ることが可能になる。さらに、静電駆動方式を採用しているので、高密度化及び低消費電力化を実現することができるとともに、小型で安価な静電アクチュエータを提供できる。

本発明に係る静電アクチュエータの駆動方法は、ギャップの長手方向の中央部を最深部としたことを特徴とする。したがって、可動電極の変位量を容易かつ多様に調整することができるとともに、可動電極の駆動速度の更に高速化することができる。また、個別電極を形成する電極ガラス基板等の加工だけで済み、複雑な構造とすることなく、製造に要する手間及び費用を低減することができる。

本発明に係る液滴吐出ヘッドの駆動方法は、ギャップを隔てて対向配置されている固定電極と可動電極である振動板とからなる静電アクチュエータに駆動電圧を印加して、これらの電極間に静電気力を発生させ、振動板を固定電極に当接させ、その後、振動板を固定電極から離脱させて振動板を振動させ、これにより発生する液体圧力変動を利用して、液滴をノズル孔より吐出させる液滴吐出ヘッドの駆動方法であって、固定電極に段差を設け、ギャップの深さを固定電極の段差に応じて相違させ、振動板をギャップの深さの中間位置に対応する固定電極に当接させる電圧である第１電位を固定電極に印加して静電気力を発生させ、振動板をギャップの深さの中間位置に対応する固定電極に当接保持させた状態で待機させる工程と、第１電位よりも低い電位を固定電極に印加し、振動板を固定電極から離脱させて振動板を振動させて液体圧力変動を発生させる工程と、振動板をギャップの最深部に対応する固定電極に当接させる電位である第２電位を固定電極に印加して静電気力を発生させ、振動板をギャップの最深部に対応する固定電極に当接保持させる工程と、液体圧力変動の位相と同位相の振動となるように振動板を固定電極から離脱させて液滴をノズル孔から吐出する工程とを有することを特徴とする。

したがって、静電駆動する振動板をギャップの深さの中間位置に対応する固定電極に当接させる電圧である第１電位を固定電極に印加して静電気力を発生させて待機させておくので、振動板の変位量を容易かつ多様に調整することができるとともに、振動板の駆動速度の高速化を実現することができる。つまり、吐出させる液滴一滴の量を容易に最大にすることができるので、画素の階調数を増加させることができ、プリントの表現力を向上させることができる。また、高駆動周波数化を図り、インクジェットプリンタの高画質化及び高速化を同時に実現することが可能となる。さらに、静電駆動方式を採用しているので、高密度化及び低消費電力化を実現することができるとともに、小型で安価なインクジェットプリンタを提供できる。

本発明に係る液滴吐出ヘッドの駆動方法は、ギャップを隔てて対向配置されている固定電極と可動電極である振動板とからなる静電アクチュエータに駆動電圧を印加して、これらの電極間に静電気力を発生させ、振動板を固定電極に当接させ、その後、振動板を固定電極から離脱させて振動板を振動させ、これにより発生する液体圧力変動を利用して、液滴をノズル孔より吐出させる液滴吐出ヘッドの駆動方法であって、固定電極に段差を設け、ギャップの深さを固定電極の段差に応じて相違させ、振動板をギャップの深さの中間位置に対応する固定電極に当接させる電圧である第１電位を固定電極に印加して静電気力を発生させ、振動板をギャップの深さの中間位置に対応する固定電極に当接保持させた状態で待機させる工程と、第１電位よりも低い電位を固定電極に印加し、振動板の一部を固定電極から離脱させて振動板を振動させて液体圧力変動を発生させる工程と、振動板をギャップの最深部に対応する固定電極に当接させる電位である第２電位を固定電極に印加して静電気力を発生させ、振動板をギャップの最深部に対応する固定電極に当接保持させる工程と、液体圧力変動の位相と同位相の振動となるように振動板を固定電極から離脱させて液滴をノズル孔から吐出する工程とを有することを特徴とする。

したがって、静電駆動する振動板をギャップの深さの中間位置に対応する固定電極に当接させる電圧である第１電位を固定電極に印加して静電気力を発生させて待機させておくので、振動板の変位量を容易かつ多様に調整することができるとともに、振動板の駆動速度の高速化を実現することができる。つまり、吐出させる液滴一滴の量を容易に中程度にすることができるので、画素の階調数を増加させることができ、プリントの表現力を向上させることができる。また、高駆動周波数化を図り、インクジェットプリンタの高画質化及び高速化を同時に実現することが可能となる。さらに、静電駆動方式を採用しているので、高密度化及び低消費電力化を実現することができるとともに、小型で安価なインクジェットプリンタを提供できる。

本発明に係る液滴吐出ヘッドの駆動方法は、ギャップを隔てて対向配置されている固定電極と可動電極である振動板とからなる静電アクチュエータに駆動電圧を印加して、これらの電極間に静電気力を発生させ、振動板を固定電極に当接させ、その後、振動板を固定電極から離脱させて振動板を振動させ、これにより発生する液体圧力変動を利用して、液滴をノズル孔より吐出させる液滴吐出ヘッドの駆動方法であって、固定電極に段差を設け、ギャップの深さを固定電極の段差に応じて相違させ、振動板をギャップの深さの中間位置に対応する固定電極に当接させる電圧である第１電位を固定電極に印加して静電気力を発生させ、振動板をギャップの深さの中間位置に対応する固定電極に当接保持させた状態で待機させる工程と、第１電位よりも低い電位を固定電極に印加し、振動板を固定電極から離脱させて振動板を振動させて液体圧力変動を発生させる工程と、振動板をギャップの最深部に対応する固定電極に当接させる電位である第２電位を固定電極に印加して静電気力を発生させ、振動板をギャップの最深部に対応する固定電極に当接保持させる工程と、液体圧力変動の位相と同位相の振動となるように振動板をギャップの深さの中間位置に対応する固定電極に当接させたままの状態で、ギャップの最深部に対応する固定電極から離脱させて液滴をノズル孔から吐出する工程とを有することを特徴とする。

したがって、静電駆動する振動板をギャップの深さの中間位置に対応する固定電極に当接させる電圧である第１電位を固定電極に印加して静電気力を発生させて待機させておくので、振動板の変位量を容易かつ多様に調整することができるとともに、振動板の駆動速度の高速化を実現することができる。つまり、吐出させる液滴一滴の量を容易に最小にすることができるので、画素の階調数を増加させることができ、プリントの表現力を向上させることができる。また、高駆動周波数化を図り、インクジェットプリンタの高画質化及び高速化を同時に実現することが可能となる。さらに、静電駆動方式を採用しているので、高密度化及び低消費電力化を実現することができるとともに、小型で安価なインクジェットプリンタを提供できる。

本発明に係る液滴吐出ヘッドの駆動方法は、ノズル孔から液滴を吐出した後に、液滴のメニスカスの残留振動と逆位相の振動を与えるために、ギャップの深さの中間位置に対応する固定電極に第１電位を印加して静電気力を発生させ、振動板を固定電極に当接保持させることを特徴とする。したがって、液滴を吐出させた直後に、メニスカスの残留振動と逆位相の振動を積極的に加えて、残留振動を素早く減衰させることができるので、駆動周波数をより高めることができ、高速動作が可能となる。

本発明に係る液滴吐出装置の駆動方法は、上記の液滴吐出ヘッドの駆動方法を適用したことを特徴とする。したがって、上記の液滴吐出ヘッドの駆動方法の効果をすべて有している。本発明の係る静電駆動デバイスの駆動方法は、上記の静電アクチュエータの駆動方法を適用したことを特徴とする。したがって、上記の静電アクチュエータの駆動方法の効果をすべて有している。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る液滴吐出ヘッド１００を分解した状態を示す分解斜視図である。図１に基づいて、液滴吐出ヘッド１００の構成について説明する。この液滴吐出ヘッド１００は、静電気力により駆動される静電駆動方式の静電アクチュエータの代表として、ノズル基板の表面側に設けられたノズル孔から液滴を吐出するフェイスイジェクトタイプの液滴吐出ヘッドを表している。また、図１を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。また、図の上側を上とし、下側を下として説明するものとする。

図１に示すように、この液滴吐出ヘッド１００は、ノズルプレート１０、キャビティプレート２０及び電極ガラス基板３０の３つの基板が順に積層されるように接合された３層構造を特徴としている。このキャビティプレート２０の一方の面（上面）にはノズルプレート１０が接合されており、他方の面（下面）には電極ガラス基板３０が接合されている。すなわち、キャビティプレート２０を電極ガラス基板３０とノズルプレート１０とが上下から挟む構造となっている。

この実施の形態１では、電極ガラス基板３０とキャビティプレート２０とは陽極接合により接合するものとし、キャビティプレート２０とノズルプレート１０とはエポキシ樹脂等の接着剤を用いて接合するものとして説明する。また、液滴吐出ヘッド１００の電極ガラス基板３０に形成する個別電極３１は、図示省略のドライバＩＣ等の電力供給手段によって駆動信号（パルス電圧）が供給されるようになっている。

［電極ガラス基板３０］
電極ガラス基板３０は、たとえば、厚さ１ｍｍのホウ珪酸ガラス等のガラスを主要な材料として形成するとよい。ここでは、電極ガラス基板３０がホウ珪酸ガラスで形成されている場合を例に示すが、たとえば、電極ガラス基板３０を単結晶シリコンで形成してもよい。この電極ガラス基板３０の表面には、後述するキャビティプレート２０の圧力室２１の形状に合わせた凹部（ガラス溝）３２が形成されている。この凹部３２は、たとえばエッチングにより深さ０．３μｍで形成するとよい。

また、この凹部３２の内部（特に底部）には、固定電極となる個別電極３１が、一定の間隔を有して後述のキャビティプレート２０の各圧力室２１（可動電極である振動板２２）と対向するように作製されている。そして、この凹部３２は、その一部が個別電極３１を装着できるように、これらの形状に類似したやや大きめの形状にパターン形成されている。この個別電極３１は、たとえばＩＴＯ（ＩｎｄｉｕｍＴｉｎＯｘｉｄｅ：インジウム錫酸化物）を０．１μｍの厚さでスパッタして作製するとよい。このようにＩＴＯで個別電極３１作製すると、透明なので放電したかどうかの確認が行いやすいという利点がある。

また、個別電極３１は、リード部３３及び端子部３４が一体となって作製されている。そして、個別電極３１の一端（端子部３４）が電力供給手段である図示省略のドライバＩＣと接続されており、そのドライバＩＣから個別電極３１に駆動信号が供給されるようになっている。なお、特に区別する必要がない限り、個別電極３１は、リード部３３と端子部３４とを含んだものとして説明するものとする。なお、ドライバＩＣは、液滴吐出ヘッド１００の内部に搭載してもよく、外部に設けられていてもよい。また、液滴吐出ヘッド１００には、ドライバＩＣに電力を供給するためのＦＰＣ（ＦｌｅｘｉｂｌｅＰｒｉｎｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）を搭載してもよい。

この凹部３２の底面には、凹部３２（または、個別電極３１）の長手方向（長辺方向）に４段の階段状の浅い方から順に段面部３２ａ、３２ｂ、３２ｃ及び３２ｄが設けられている。ここで説明する段面とは、所定の高さの段差を有する面のことをいうものとする。そして、これらの段面部３２ａ、３２ｂ、３２ｃ及び３２ｄ上に個別電極３１が形成されている。つまり、液滴吐出ヘッド１００は、多段ギャップ構成を特徴としているのである（図２で詳細に説明する）。

電極ガラス基板３０とキャビティプレート２０とを接合して積層体を形成すると、振動板２２と個別電極３１との間には、振動板２２を撓ませる（変位させる）ことができる一定のギャップ（空隙）Ｇが、電極ガラス基板３０の凹部３２により形成されるようになっている。この凹部３２は、上述したように、階段状の段面部が設けられているので、ギャップＧは、その段面部に応じたギャップの深さ（すなわち、図２で示すようなギャップＧ１、Ｇ２、Ｇ３及びＧ４）を有するようになっている。

また、このギャップＧは、凹部３２の深さ、個別電極３１及び振動板２２の厚さにより決まることになる。このギャップＧは、液滴吐出ヘッド１００の吐出特性に大きく影響するため、厳格な精度管理が要求される。つまり、ギャップＧは、各振動板２２に対向する位置に細長く所定の深さを有するように形成されている。なお、ギャップＧは、電極ガラス基板３０に凹部３２を形成する他に、キャビティプレート２０となるシリコン基板に凹部を形成したり、スペーサを挟むことによって設けたりすることも可能である。

この液滴吐出ヘッド１００は、複数の個別電極３１が長辺及び短辺を有する長方形状に形成されており、この個別電極３１が、互いの長辺が平行になるように配置されている。そして、図１では、個別電極３１の短辺方向に伸びる１つの電極列を示している。なお、個別電極３１の短辺が長辺に対して斜めに形成されており、個別電極３１が細長い平行四辺形状になっている場合には、長辺方向に直角方向に伸びる電極列を形成するようにすればよい。

なお、電極ガラス基板３０には、図示省略の外部のインクタンクから供給される液体を取り入れる流路となるインク供給孔２５が設けられている。このインク供給孔２５は、電極ガラス基板３０を貫通するように形成されている。また、個別電極３１をＩＴＯで作製した場合を例に示したが、これに限定するものではなく、クロム等の金属等で作製してもよい。さらに、ここで示した凹部３２の深さやギャップＧの長辺方向の長さ、個別電極３１の厚さは一例であり、ここで示す値に限定するものではない。

［キャビティプレート２０］
キャビティプレート２０は、たとえば厚さ約５０μｍ（マイクロメートル）の（１１０）面方位のシリコン単結晶基板（以下、単にシリコン基板という）を主要な材料として構成されている。このシリコン基板にドライエッチングまたは異方性ウエットエッチングのいずれかあるいは双方を行い、底壁が可撓性を有する振動板２２となる圧力室（または、吐出室）２１が複数形成されている。この圧力室２１は、個別電極３１の電極列に対応して形成されており、インク等の液滴が保持されて吐出圧が加えられるようになっている。また、圧力室２１は、紙面手前側から奥側にかけて平行に並んで形成されているものとする。

また、キャビティプレート２０には、各圧力室２１にインク等の液滴を供給するための共通インク室であるリザーバ２３が形成されている。このリザーバ２３の底面には、リザーバ２３の底面を貫通するインク供給孔２５が形成されている。さらに、キャビティ２０とノズルプレート１０とを接合すると、リザーバ２３から各圧力室２１に液滴を移送するために、リザーバ２３と各圧力室２１とを連通させるオリフィス２４（図２参照）が、キャビティプレート２０とノズルプレート１０との間に形成されるようになっている。

なお、キャビティプレート２０の下面（電極ガラス基板３０と対向する面）には、振動板２２と個別電極３１との間を電気的に絶縁するためのＴＥＯＳ膜（ここでは、ＴｅｔｒａｅｔｈｙｌｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅＴｅｔｒａｅｔｈｏｘｙｓｉｌａｎｅ：テトラエトキシシラン（珪酸エチル）を用いてできるＳｉＯ₂膜をいう）である絶縁膜（図示省略）をプラズマＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＴＥＯＳ−ｐＣＶＤともいう）法を用いて、０．１μｍ成膜している。これは、振動板２２の駆動時における絶縁破壊及びショートを防止するためと、インク等の液滴によるキャビティプレート２０のエッチングを防止するためのものである。

ここでは、絶縁膜がＴＥＯＳ膜である場合を例に説明するが、これに限定するものではなく、絶縁性能が向上する物質であればよい。たとえば、Ａｌ₂Ｏ₃（酸化アルミニウム（アルミナ））を用いてもよい。また、キャビティプレート２０の上面にも、図示省略の液体保護膜となるＳｉＯ₂膜（ＴＥＯＳ膜を含む）を、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法により成膜するとよい。このような液体保護膜を成膜することによって、インク滴で流路が腐食されるのを防止できるからである。この液体保護膜の応力と絶縁膜の応力とを相殺させ、振動板２２の反りを小さくできるという効果もある。

なお、振動板２２は、高濃度のボロンドープ層で形成するようにしてもよい。水酸化カリウム水溶液等のアルカリ溶液による単結晶シリコンのエッチングにおけるエッチングレートは、ドーパントがボロンの場合、約５×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上の高濃度の領域において、非常に小さくなる。このため、振動板２２の部分を高濃度のボロンドープ層とし、アルカリ溶液による異方性エッチングによって圧力室２１を形成する際に、ボロンドープ層が露出してエッチングレートが極端に小さくなる、いわゆるエッチングストップ技術を用いることにより、振動板２２を所望の厚さに形成することができる。

また、キャビティプレート２０にも、インク供給孔２５が設けられている（電極ガラス基板３０に設けられたインク供給孔２５と連通するようになっている）。さらに、キャビティプレート２０には、外部電極端子としての共通電極端子２７が形成されている。この共通電極端子１６は、図示省略の外部の発振回路等から振動板２２に個別電極３１と反対の極性の電荷が供給する際の端子となるものである。

［ノズルプレート１０］
ノズルプレート１０は、たとえば厚さ約１００μｍのシリコン基板を主要な材料として構成されている。そして、キャビティプレート２０の上面（電極ガラス基板３０を接合する面の反対面）と接合している。ノズルプレート１０の上面には、圧力室２１と連通するノズル孔１１が複数形成されている。各ノズル孔１１は、圧力室２１から移送された液滴を外部に吐出するようになっている。なお、ノズル孔１１を複数段（たとえば、２段）で形成すると、液滴を吐出する際の直進性の向上が期待できる。

ここでは、ノズルプレート１０を上面とし、電極ガラス基板３０を下面として説明しているが、実際に用いられる場合には、ノズルプレート１０の方が電極ガラス基板３０よりも下面となることが多い。なお、実施の形態１では、キャビティプレート２０にオリフィス２４を形成した場合を例に示したが、ノズルプレート１０にオリフィス２４を形成するようにしてもよい。また、ノズルプレート１０には、振動板２２によりリザーバ２３側の液体に加わる圧力を緩衝するためのダイヤフラム１３を設けるとよい。

なお、電極ガラス基板３０、キャビティプレート２０及びノズルプレート１０を接合するときに、シリコンからなる基板とホウ珪酸ガラスからなる基板を接合する場合（電極ガラス基板３０とキャビティプレート２０とを接合する場合）は陽極接合により、シリコンからなる基板同士を接合する場合（キャビティプレート２０とノズルプレート１０）は直接接合によって接合することができる。また、シリコンからなる基板同士は、接着剤を用いて接合することもできる。

図２は、液滴吐出ヘッド１００の断面構成を示す縦断面図である。この図は、液滴吐出ヘッド１００が組み立てられた状態のＡ−Ａ断面（図１参照）を示す縦断面図である。図２に基づいて、液滴吐出ヘッド１００の組み立てられた状態の構成及び動作について説明する。この図２に示すように、液滴吐出ヘッド１００の電極ガラス基板３０の凹部３２は、多段に、つまり中央部が深くなるような階段状に形成されている。また、個別電極３１も凹部３２の階段状に合わせて形成されている。

したがって、電極ガラス基板３０とキャビティプレート２０とが接合された状態において形成されるギャップＧは、深さの相違する、つまり個別電極３１の段差に対応するギャップＧ１、Ｇ２、Ｇ３及びＧ４で構成されるようになっている。つまり、ギャップＧ１、Ｇ２、Ｇ３及びＧ４は、振動板２２の下面に形成された図示省略の絶縁膜の表面（下面）と階段状に形成された個別電極３１の表面との距離が相違するということを示しているのである。ここでは、最浅部をギャップＧ１、最深部をギャップＧ４とし、ギャップの深さが短い方からギャップＧ２、ギャップＧ３としている。また、階段状に形成された個別電極３１は、ギャップＧの浅い方から順に個別電極３１ａ、個別電極３１ｂ、個別電極３１ｃ、個別電極３１ｄとして説明するものとする。

なお、ギャップＧの相違する深さを図２で示す４つに限定するものではない。たとえば、ギャップＧを３つの深さで構成してもよく、５つの深さ以上で構成してもよい。また、このギャップＧは、内部に湿気や埃等が侵入しないようエポキシ樹脂等の封止部４０で気密に封止されている。この封止部４０に使用する材料を特に限定するものではなく、ギャップＧを気密封止できる材料であればよい。たとえば、水分透過性の低い酸化シリコン（ＳｉＯ₂）や、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、ポリパラキシリレン等で封止部４０を形成するとよい。

ここで、液滴吐出ヘッド１００の動作について説明する。キャビティプレート２０のリザーバ２３には、インク供給孔２５を介して外部からインク等の液滴が供給されている。また、キャビティプレート２０の圧力室２１には、オリフィス２４を介してリザーバ２３から液滴が供給されている。そして、図示省略のドライバＩＣ等の電力供給手段によって選択された個別電極３１には０Ｖ〜４０Ｖ程度のパルス電圧が印加され、その個別電極３１を正に帯電させる。

このとき、共通電極端子２７を介してキャビティプレート２０には負の極性を有する電荷が供給され、正に帯電された個別電極３１に対応する振動板２２を相対的に負に帯電させる。そのため、選択された個別電極３１と振動板２２との間では静電気力が発生することになる。そうすると、振動板２２は、静電気力によって個別電極３１側に引き寄せられて撓むことになる。これによって圧力室２１の容積が増大する。つまり、個別電極３１は前述のように長手方向の中央部が最も低くなるように複数段の階段状に形成されており、それに対応してギャップＧの深さも相違（ギャップＧ１〜Ｇ４）しているので、振動板２２がギャップＧ１からギャップＧ４まで順送りで変位していき、個別電極３１に引き寄せられて当接することになる。これによって圧力室２１の容積が増大する。

その後、個別電極３１への電荷の供給を止めると、振動板２２と個別電極３１との間の静電気力がなくなり、振動板２２はその弾性力により元の状態に復元する。このとき、圧力室２１の容積が急激に減少するため、圧力室２１内部の圧力が急激に上昇する。これにより、圧力室２１内のインクの一部がインク滴１２としてノズル孔１１より吐出されることになる。このインク滴が１２、たとえば記録紙に着弾することによって印刷等が行われるようになっている。その後、液滴がリザーバ２３から供給口３２を通じて圧力室２１内に補給され、初期状態に戻る。つまり、このように振動板２２が駆動することによって、静電アクチュエータを構成しているのである。このような方法は、引き打ちと呼ばれるものであるが、バネ等を用いて液滴を吐出する押し打ちと呼ばれる方法もある。

ここで、吐出するインク滴１２の液滴の量を制御する駆動方法について説明する。この実施の形態１にかかる液滴吐出ヘッド１００は、静電駆動方式を採用している。したがって、インク孔１１のメニスカスを一旦引き込んでインク滴１２を押し出して吐出させ、その後、メニスカスを再度引き込ませて、メニスカスを静定させるようになっている。つまり、振動板２２をＰｕｌｌ−Ｐｕｓｈ−Ｐｕｌｌ駆動させてメニスカス制御を行なうようになっているのである。このような駆動方法を採用することによって、吐出するインク滴１２の量を制御するようになっているのである。

インク滴１２の吐出量の制御について更に詳しく説明する。静電駆動方式では、振動板２２をＰｕｌｌする力（個別電極３１側に引き寄せられる力）が、Ｐｕｓｈする力（振動板２２の復元力）に勝る。そのために、中間電位（ギャップＧの中間位置に対応する個別電極３１、つまり個別電極３１ｂや個別電極３１ｃに振動板２２が当接するときの電位：第１電位）にて、一部当接させている振動板２２を一旦解除して振動板２２をＰｕｓｈし、圧力室２１内のインクに振動を与え、この振動にタイミングを合わせて（つまり、同位相となるように）Ｐｕｌｌすることでインク滴１２の吐出量を制御している。

こうすることにより、インク滴１２の吐出前のメニスカス引き込みを行うと同時に、静電エネルギーを振動エネルギーとしてインク内に蓄えることができる。すなわち、このメニスカス引き込み後に、圧力室２１内のインクの振幅にタイミングを合わせて振動板２２を解除してインク滴１２を押し出し、ノズル孔１１からインク滴１２を吐出させるのである。そして、インク吐出後、振動板２２の一部を（逆位相となるように）吸引して、メニスカスを再度引き込ませて、速やかにメニスカスを静定させる（待機状態に戻す）ようにしている。

最大量のインク滴１２を吐出させる場合、振動板２２のＰｕｌｌを大きく急激に行ない、メニスカスを急激に圧力室２１側に後退させて、振幅を最大にしてから振動板２２をＰｕｓｈする（図５参照）。また、中程度の量のインク滴１２を吐出させる場合、振動板２２のＰｕｌｌを小さく緩やかに行い、メニスカスを圧力室２１側に比較的緩やかに少し後退させて、振幅を中程度にしてから振動板２２をＰｕｓｈする（図６参照）。さらに、最小量のインク滴１２を吐出させる場合、メニスカスを急激に圧力室２１側に後退させて、小さい振幅の状態で振動板２２を急激に小さくＰｕｓｈする（図７参照）。このようにインク量を制御することが、この実施の形態１にかかる液滴吐出ヘッドの特徴となっている。

図３は、液滴吐出ヘッド１００が搭載された液滴吐出装置の制御系を示す概略ブロック図である。なお、この液滴吐出装置が一般的なインクジェットプリンタである場合を例に示す。図に基づいて、液滴吐出ヘッド１００が搭載された液滴吐出装置の制御系について説明する。ただし、液滴吐出ヘッド１００が搭載された液滴吐出装置の制御系を、ここで示した場合に限定するものではない。

インクジェットプリンタは、液滴吐出ヘッド１００を駆動制御するための駆動制御装置４１を備えている。この駆動制御装置４１は、ＣＰＵ（中央処理装置）４２ａを中心に構成された制御部４２を備えている。ＣＰＵ４２ａは、パーソナルコンピュータや遠隔制御装置（リモコン）等の外部装置４３から印刷情報が入力されるようになっている。この印刷情報は、バス５２を介して入力されたり、赤外線信号等の無線信号で入力されたりするようになっている。また、ＣＰＵ４２ａには、内部バス５３を介してＲＯＭ４４ａ、ＲＡＭ４４ｂ及びキャラクタジェネレータ４４ｃが接続されている。

制御部４２では、ＲＡＭ４４ｂ内の記憶領域を作業領域として用いて、ＲＯＭ４４ａ内に格納されている制御プログラムを実行し、キャラクタジェネレータ４４ｃから発生するキャラクタ情報に基づき、液滴吐出ヘッド１００を駆動するための制御信号を生成する。制御信号は、論理ゲートアレイ４５及び駆動パルス発生回路４６を介して、印刷情報に対応した駆動制御信号となって、コネクタ４７を経由して液滴吐出ヘッド１００に内蔵されたドライバＩＣ１５に供給されるほか、ＣＯＭ発生回路４６ａに供給される。また、ドライバＩＣ１５には、印字用の駆動パルス信号Ｖ３、制御信号ＬＰ、極性反転制御信号ＲＥＶ等（図４参照）も供給されるようになっている。なお、ＣＯＭ発生回路４６ａは、たとえば駆動パルスを発生するための図示省略の共通電極ＩＣで構成するとよい。

ＣＯＭ発生回路４６ａでは、供給された上記の各信号に基づき、液滴吐出ヘッド１００の共通電極端子１６、すなわち各振動板２２に印加すべき駆動信号（駆動電圧パルス）をその図示省略の共通出力端子ＣＯＭから出力するようになっている。また、ドライバＩＣ１５では、供給された上記の各信号及び電源回路７０から供給される駆動電圧Ｖｐに基づき、各個別電極３１に印加すべき駆動信号（駆動電圧パルス）を、各個別電極３１に対応した個数の個別出力端子ＳＥＧから出力するようになっている。そして、共通出力端子ＣＯＭの出力と個別出力端子ＳＥＧの出力との電位差が、各振動板２２とそれに対向する個別電極３１との間に印加される。振動板２２の駆動時（液滴の吐出時）には指定された向きの駆動電位差波形を与え、非駆動時には駆動電位差を与えないようになっている。

図４は、ドライバＩＣ１５及びＣＯＭ発生回路４６ａの内部構成の一例を示す概略ブロック図である。なお、ドライバＩＣ１５及びＣＯＭ発生回路４６ａは、１組で６４個の個別電極３１及び振動板２２に駆動信号を供給するものとする。また、ドライバＩＣ１５が、電源回路７０から高電圧系の駆動電圧Ｖｐ及び論理回路系の駆動電圧Ｖｃｃが供給されて動作するＣＭＯＳの６４ビット出力の高耐圧ドライバである場合を例に示している。

ドライバＩＣ１５は、供給された駆動制御信号に応じて、駆動電圧パルスとＧＮＤ電位の一方を、個別電極３１に印加する。ドライバＩＣ１５は、６４ビットのシフトレジスタ６１を有し、シフトレジスタ６１はシリアルデータとして論理ゲートアレイ４５より送信された６４ビット長のＤＩ信号入力を、ＤＩ信号に同期する基本クロックパルスであるＸＳＣＬパルス信号入力によりデータをシフトアップし、シフトレジスタ８１内のレジスタに格納するスタティクシフトレジスタとなっている。ＤＩ信号は、６４個の個別電極３１のそれぞれを選択するための選択情報をオン／オフにより示す制御信号であり、この信号がシリアルデータとして送信される。

また、ドライバＩＣ１５は、６４ビットのラッチ回路６２を有し、ラッチ回路６２はシフトレジスタ６１内に格納された６４ビットデータを制御信号（ラッチパルス）ＬＰによりラッチしてデータを格納し、格納されたデータを６４ビット反転回路６３に信号出力するスタティクラッチである。ラッチ回路６２では、シリアルデータのＤＩ信号が各振動板２２の駆動を行うための６４セグメント出力を行うための６４ビットのパラレル信号へと変換される。

反転回路６３では、ラッチ回路６２から入力される信号と、ＲＥＶ信号との排他的論理和をレベルシフタ６４へ出力する。レベルシフタ６４は、反転回路６３からの信号の電圧レベルをロジック系の電圧レベル（５Ｖレベル又は３．３Ｖレベル）からヘッド駆動系の電圧レベル（０〜４５Ｖレベル）に変換するレベルインターフェイス回路である。ＳＥＧドライバ６５は、６４チャンネルのトランスミッションゲート出力となっていて、レベルシフタ６４の入力によりＳＥＧ１〜ＳＥＧ６４のセグメント出力に対して、駆動電圧パルス入力か又はＧＮＤ入力のいずれかを出力する。ＣＯＭ発生回路４６ａに内蔵されたＣＯＭドライバ６６は、ＲＥＶ入力に対して駆動電圧パルスか又はＧＮＤ入力のいずれかをＣＯＭへ出力する。

ＸＳＣＬ、ＤＩ、ＬＰ及びＲＥＶの各信号は、ロジック系の電圧レベルの信号であり、論理ゲートアレイ４５よりドライバＩＣ１５に送信される信号である。このように、ドライバＩＣ１５及びＣＯＭ発生回路４６ａを構成することにより、駆動するセグメント数（振動板２２の数）が増加した場合においても容易に液滴吐出ヘッド１００の振動板２２の駆動する駆動電圧パルスとＧＮＤとを切り替えることが可能となる。

図５は、最大量のインクを吐出させる場合の駆動波形を示すグラフである。図６は、中程度の量のインクを吐出させる場合の駆動波形を示すグラフである。図７は、最小量のインクを吐出させる場合の駆動波形を示すグラフである。図５〜図７に基づいて、この実施の形態１に係る液滴吐出ヘッド１００の特徴である駆動方法について説明する。図５〜図７では、縦軸が個別電極３１（ｓｅｇ）に印加する電圧を、横軸が時間（ｔ）をそれぞれ示している。なお、この実施の形態１では、共通電極端子２７（ＣＯＭ）の電圧は、ＧＮＤとして示している。

また、個別電極３１への印加電圧は、振動板２２が個別電極３１ａに当接する電圧をＶ１、個別電極３１ｂに当接する電圧をＶ２、個別電極３１ｃに当接する電圧をＶ３、個別電極３１ｄに当接する電圧をＶ４として示している。つまり、振動板２２を階段状の個別電極３１に当接させるために必要な印加電圧は、個別電極３１と振動板２２との距離が離れる（電極間空隙距離、つまりギャップＧの深さが大きくなる）に従い、高いものとなっている。

まず、図５に基づいて最大量のインクを吐出させる場合における個別電極３１への印加電圧の駆動波形について説明する。液滴吐出ヘッド１００が印刷動作を開始するまでは、個別電極３１には、ＧＮＤからＶ２までの電圧が印加されている（ｔ０〜ｔ１）。このようにして、静電アクチュエータに充電し、振動板２２を２段目の個別電極３１ｂに当接させる。つまり、振動板２２を多段ギャップＧの中間（個別電極３１ｂや個別電極３１ｂ）で保持させて、待機するのである。なお、この図５では、印加電圧がＶ２のときを中間電位（第１電位）としている。

そして、液滴吐出ヘッド１００が印刷動作を開始すると、個別電極３１への印加電圧をＶ２からＧＮＤに降下させて、振動板２２を一旦離脱、解放して、圧力室２１内のインクに自由振動を与える（ｔ２〜ｔ３）。この時、ノズル孔１１の先端では、インクが若干盛り上がった状態となる。なお、中間電位は、個別電極３１ｂに当接していた振動板２２の全部を一旦離脱した際に、インク滴１２が吐出しない程度の範囲で設定するとよい。また、中間電位は、液滴吐出ヘッド１００の用途及び目的に応じて変更可能にしておくとよい。

このインクの自由振動に合わせて、個別電極３１への印加電圧をＧＮＤから最大電位（第３電位）のＶ４にする（ｔ４〜ｔ５）。こうすることにより、最浅部にある、つまり個別電極３１に当接していない振動板２２を急激に最深部の個別電極３１ｄに当接させる。つまり、圧力室２１内に最大の負圧を発生させるのである。そして、ノズル孔１１の先端のメニスカスを急激に大きく圧力室２１側に引き込んで、待機させる（ｔ５〜ｔ６）。このとき、圧力室２１内では、インクが振動板２２当接時の固有振動数により振動している。つまり、この振動による圧力が負圧から正圧に変化するまでの間、振動板２２を保持するのである。なお、第３電位が最大電位である場合を例に説明したが、第２電位が最大電位であってもよい。

この振動による圧力が負圧から正圧に変化すると（ｔ６〜ｔ７）、最大圧力になるタイミングで、個別電極３１への印加電圧をＶ４からＧＮＤとして、振動板２２と個別電極３１とを離脱させる。そうすると、圧力室２１内のインクを押すとともに、ノズル孔１１から最大量のインク滴１２を吐出させることができる。つまり、圧力室２１内のインクに与える自由振動の振幅が最大となったところで、個別電極３１に最大電位Ｖ４を印加し、圧力室２１内の負圧を最大にした後、最大圧力となるタイミングで個別電極３１への印加電圧をＧＮＤにすることによって最大量のインク滴１２を吐出するのである。

インク滴１２の吐出後（ｔ７〜ｔ８）では、振動板２２及び圧力室２１内のインクは、自由振動している。すなわち、インク滴１２を吐出し、メニスカスが大きく圧力室２１側に引き込んだ後、再度メニスカスはノズル孔１１から盛り上がろうとして、待機位置まで戻り始めるのである。そこで、メニスカスがオーバーシュートしてインク孔１１から吐出しないように圧力室２１の自由振動に対して、逆位相の圧力を与える（ｔ８〜ｔ９）。つまり、再度、個別電極３１に中間電位Ｖ２を印加して、個別電極３１の２段目に振動板２２を当接、保持させて、メニスカスを速やかに待機位置に減衰させて戻すのである。そして、印刷の終了とともに、個別電極３１への印加電圧をＧＮＤにする（ｔ１０〜ｔ１１）。このとき、インク滴１２がノズル孔１１から吐出したりすることのないように、緩やかに、ゆっくりと放電させるとよい。

次に、図６に基づいて中程度の量のインクを吐出させる場合における個別電極３１への印加電圧の駆動波形について説明する。液滴吐出ヘッド１００が印刷動作を開始するまでは、個別電極３１には、ＧＮＤからＶ２までの電圧が印加されている（ｔ０〜ｔ１）。このようにして、静電アクチュエータに充電し、振動板２２を２段目の個別電極３１ｂに当接させる。つまり、振動板２２を多段ギャップＧの中間（個別電極３１ｂや個別電極３１ｂ）で保持させて、待機するのである。なお、この図６では、図５と同様に印加電圧がＶ２のときを中間電位（第１電位）としている。

そして、液滴吐出ヘッド１００が印刷動作を開始すると、個別電極３１への印加電圧をＶ２からＶ１に降下させて、一部のアクチュエータの電荷を放電させる。つまり、振動板２２を１段目の個別電極３１ａに当接、保持させた状態のままで２段目の個別電極３１ｂの部分を離脱、解放して、圧力室２１内のインクに自由振動を与える（ｔ２〜ｔ３）。この時、ノズル孔１１の先端では、インクが若干盛り上がった状態となる。なお、中間電位は、個別電極３１ｂに当接していた振動板２２の一部を一旦離脱した際に、インク滴１２が吐出しない程度の範囲で設定するとよい。また、中間電位は、図５の場合と同様に液滴吐出ヘッド１００の用途及び目的に応じて変更可能にしておくとよい。

このインクの自由振動に合わせて、個別電極３１への印加電圧をＶ１から最大電位（第３電位）のＶ４にする（ｔ４〜ｔ６）。こうすることにより、個別電極３１ａに当接している振動板２２を急激に最深部の個別電極３１ｄに当接させる。つまり、圧力室２１内に中程度の負圧を発生させるのである。そして、ノズル孔１１の先端のメニスカスを比較的緩やかに圧力室２１側に引き込んで、待機させる（ｔ６〜ｔ７）。このとき、圧力室２１内では、インクが振動板２２当接時の固有振動数により振動している。つまり、この振動による圧力が負圧から正圧に変化するまでの間、振動板２２を保持するのである。なお、第３電位が最大電位である場合を例に説明したが、第２電位が最大電位であってもよい。

なお、ｔ２〜ｔ５で印加電圧をＶ２に保持したまま、ｔ５〜ｔ６にかけて印加電圧をＶ４に変化させることにより、圧力室２１内に発生する負圧をより小さくして、ノズル孔１１の先端のメニスカスを更に緩やかに圧力室２１側に引き込んでもよい。そして、圧力室２１内のインクの振動による圧力が負圧から正圧に変化すると（ｔ７〜ｔ８）、最大圧力になるタイミングで、個別電極３１への印加電圧をＶ４からＶ１として、振動板２２を個別電極３１ａに当接させた状態で、個別電極３１ｄから離脱させる。そうすると、圧力室２１内のインクを押すとともに、ノズル孔１１から中程度の量のインク滴１２を吐出させることができる。

インク滴１２の吐出後（ｔ８〜ｔ９）では、振動板２２及び圧力室２１内のインクは、自由振動している。すなわち、インク滴１２を吐出し、メニスカスが大きく圧力室２１側に引き込んだ後、再度メニスカスはノズル孔１１から盛り上がろうとして、待機位置まで戻り始めるのである。そこで、メニスカスがオーバーシュートしてインク孔１１から吐出しないように圧力室２１の自由振動に対して、逆位相の圧力を与える（ｔ９〜ｔ１０）。つまり、再度、個別電極３１に中間電位Ｖ２を印加して、個別電極３１ｂに振動板２２を当接、保持させて、メニスカスを速やかに待機位置に減衰させて戻すのである。そして、印刷の終了とともに、個別電極３１への印加電圧をＧＮＤにする（ｔ１１〜ｔ１２）。このとき、インク滴１２がノズル孔１１から吐出したりすることのないように、緩やかに、ゆっくりと放電させるとよい。

最後に、図７に基づいて最小量のインクを吐出させる場合における個別電極３１への印加電圧の駆動波形について説明する。液滴吐出ヘッド１００が印刷動作を開始するまでは、個別電極３１には、ＧＮＤからＶ２までの電圧が印加されている（ｔ０〜ｔ１）。このようにして、静電アクチュエータに充電し、振動板２２を２段目の個別電極３１ｂに当接させる。つまり、振動板２２を多段ギャップＧの中間（個別電極３１ｂや個別電極３１ｂ）で保持させて、待機するのである。なお、この図７では、図５及び図６と同様に印加電圧がＶ２のときを中間電位（第１電位）としている。

そして、液滴吐出ヘッド１００が印刷動作を開始すると、個別電極３１への印加電圧をＶ２からＧＮＤに降下させて、振動板２２を一旦離脱、解放して、圧力室２１内のインクに自由振動を与える（ｔ２〜ｔ３）。この時、ノズル孔１１の先端では、インクが若干盛り上がった状態となる。なお、中間電位は、個別電極３１ｂに当接していた振動板２２の全部を一旦離脱した際に、インク滴１２が吐出しない程度の範囲で設定するとよい。また、中間電位は、図５及び図６の場合と同様に液滴吐出ヘッド１００の用途及び目的に応じて変更可能にしておくとよい。

この振動による圧力が負圧から正圧に変化すると（ｔ６〜ｔ７）、最大圧力になるタイミングで、個別電極３１への印加電圧をＶ４からＶ２として、振動板２２を個別電極３１ｂに当接させた状態で、個別電極３１ｄとを離脱させる。そうすると、圧力室２１内のインクを押すとともに、ノズル孔１１から最小量のインク滴１２を吐出させることができる。つまり、ｔ４〜ｔ７では、ノズル孔１１からインク滴１２を押し出そうとする圧力が小さいために、主にインクの圧縮力を解放する圧力の増大によって、インク滴１２を吐出することができるのである。このため、インク滴１２の吐出量は少なく、吐出速度は速くなる。結果として、微小なインク滴１２が安定してノズル孔１１から吐出されることになる。

インク滴１２の吐出後（ｔ７〜ｔ８）では、振動板２２及び圧力室２１内のインクは、自由振動している。すなわち、インク滴１２を吐出し、メニスカスが大きく圧力室２１側に引き込んだ後、再度メニスカスはノズル孔１１から盛り上がろうとして、待機位置まで戻り始めるのである。ただし、ノズル孔１１から吐出したインク滴１２の量が比較的少ないので、メニスカスが待機位置まで戻る時間は比較的小さい。そこで、メニスカスがオーバーシュートしてインク孔１１から吐出しないように圧力室２１の自由振動に対して、逆位相の圧力を与える（ｔ８〜ｔ９）。

そのために、図４の破線（ｔ８〜ｔ１１）で示したように、個別電極３１への印加電位をＶ３にして、３段目の個別電極３１ｃに振動板２２を当接、保持させて、メニスカスをノズル孔１１の内部の待機位置に減衰させて戻しても良い。つまり、残留振動が大きく、ノズル孔１１からのインク滴１２の吐出量が少ないため、オーバーシュート量が大きくなる場合、インクの粘度や流路抵抗が小さい高温の場合に用いると効果的にノズル孔１１の内部のメニスカスの振動を速やかに抑制することが可能なのである。そして、印刷の終了とともに、個別電極３１への印加電圧をＧＮＤにする（ｔ１２〜ｔ１３）。このとき、インク滴１２がノズル孔１１から吐出したりすることのないように、緩やかに、ゆっくりと放電させるとよい。

以上より、インク滴１２の一滴の吐出量を調整することで、画素の階調数を増加させることができ、プリントの表現力を向上させることが可能なのである。また、高駆動周波数化を図り、インクジェットプリンタの高画質化及び高速化を同時に実現することが可能となる。さらに、静電駆動方式を採用しているので、高密度化及び低消費電力化を実現することができるとともに、小型で安価なインクジェットプリンタを提供できる。

実施形態２．
図８は、上述した液滴吐出ヘッド１００を搭載した液滴吐出装置１５０の一例を示した斜視図である。図８に示す液滴吐出装置１５０は、一般的なインクジェットプリンタである。なお、この液滴吐出装置１５０は、周知の製造方法によって製造することができる。上述した液滴吐出ヘッド１００は、インクを吐出するときの駆動方法に特徴を有するものである。

なお、液滴吐出ヘッド１００は、図８に示す液滴吐出装置１５０の他に、液滴を種々変更することで、液晶ディスプレイのカラーフィルタの製造、有機ＥＬ表示装置の発光部分の形成、生体液体の吐出等にも適用することができる。また、液滴吐出ヘッド１００は、圧電駆動方式の液滴吐出装置や、バブルジェット（登録商標）方式の液滴吐出装置にも使用できる。

たとえば、液滴吐出ヘッド１００をディスペンサとし、生体分子のマイクロアレイとなる基板に吐出する用途に用いる場合では、ＤＮＡ（ＤｅｏｘｙｒｉｂｏＮｕｃｌｅｉｃＡｃｉｄｓ：デオキシリボ核酸）、他の核酸（例えば、ＲｉｂｏＮｕｃｌｅｉｃＡｃｉｄ：リボ核酸、ＰｅｐｔｉｄｅＮｕｃｌｅｉｃＡｃｉｄｓ：ペプチド核酸等）タンパク質等のプローブを含む液体を吐出させるようにしてもよい。

実施の形態３．
図９は、本発明の実施の形態３に係る光スイッチ２００の構成を示す斜視図である。図１０は、光スイッチ２００の断面構成を示す縦断面図である。図９及び図１０に基づいて、光スイッチ２００の特徴である駆動方法について説明する。上述の実施の形態は、静電アクチュエータを用いた液滴吐出ヘッド及びその液滴吐出ヘッドを搭載した液滴吐出装置を例として説明したが、この実施の形態３では、静電アクチュエータを用いた光スイッチを例に説明する。なお、本発明をそれだけに限定させるものではなく、ミラーデバイスやレーザプリンタのレーザ操作ミラーの駆動部、他の微細加工の素子（デバイス）、装置にも適用することができる。

たとえば、光通信や光演算、光記憶装置、光プリンタ、映像表示装置等に用いられている光スイッチ２００は、マイクロミラー２０１の傾斜角度を変化させ、選択した方向に光を反射させ、光によるスイッチング素子を利用したものとしての役割を果たすものである。マイクロミラー２０１の傾斜角度を制御するため、マイクロミラー２０１を支える支軸２０２を中心として、たとえば線対称の位置に被駆動部である可動電極２０３を設け、電極ガラス基板２０４に形成した、駆動部である固定電極である個別電極２０５と所定の間隔（ギャップ）で対向配置させている。

この光スイッチ２００は、静電アクチュエータの特性である静電気力を利用して、支軸２０２を回転させることで、マイクロミラー２０１の傾斜角度を制御するようになっている。その際、実施の形態１のように、電極ガラス基板２０４の凹部２０６を階段状に、つまり個別電極２０５を階段状に形成しておくことで（図１０参照）、従来に比べて、駆動電圧に対して可動電極２０３の変位を大きくすることができ、マイクロミラー２０１の傾斜角度を所望の角度に変化させることができる。

また、同様にモータやセンサ、ＳＡＷフィルタのような振動素子（レゾネータ）、波長可変光フィルタや他のミラーデバイス等、他の種類の微細加工の静電アクチュエータにも上述の可動電極、固定電極の組み合わせを適用することができる。特に、液滴吐出ヘッドでは、可動電極となる振動板については、長辺においてその両端が支持されているが、片端を支持する構造のアクチュエータ等にも利用することができる。

図１０に示すように、光スイッチ２００の電極ガラス基板２０４に形成されている凹部２０６は、多段に、つまり中央部が深くなるような階段状に形成されている。また、個別電極２０５も凹部２０６の階段状に合わせて形成されている。したがって、個別電極２０５と可動電極２０３、個別電極２０５とマイクロミラー２０１との間に形成されるギャップＧ’は、深さの相違するギャップＧ１’、Ｇ２’及びＧ３’で構成されるようになっている。

つまり、ギャップＧ１’、Ｇ２’及びＧ３’は、可動電極２０３と個別電極２０５との距離、マイクロミラー２０１と個別電極２０５との距離が相違するということを示しているのである。ここでは、最浅部をギャップＧ１’、最深部をギャップＧ３’とし、中間部をギャップＧ２’としている。また、階段状に形成された個別電極２０５は、ギャップＧ’の浅い方から順に個別電極２０５ａ、個別電極２０５ｂ、個別電極２０５ｃとして説明するものとする。なお、ギャップＧ’の相違する深さを図１０で示す３つに限定するものではない。たとえば、ギャップＧ’を２つの深さで構成してもよく、４つの深さ以上で構成してもよい。

このように構成された光スイッチ２００に、図５〜図７で説明したような駆動方法を採用すれば、駆動電圧に対して可動電極２０３の変位を大きくすることができ、マイクロミラー２０１の傾斜角度を所望の角度に変化させることができるとともに、マイクロミラー２０１の角度調整を正確かつ緻密に行なうことができる。つまり、可動電極２０３を多段ギャップＧ’の中間で保持させて、待機することで、マイクロミラー２０１の角度の大きさを緻密に調整可能なのである。

なお、本発明の実施の形態に係る静電アクチュエータの駆動方法、液滴吐出ヘッドの駆動方法及び液滴吐出装置の駆動方法は、上述の実施の形態で説明した内容に限定されるものではなく、本発明の思想の範囲内において変更することができる。また、液滴吐出ヘッド１００が電極ガラス基板、キャビティ基板及びノズル基板からなる３層構造を例に説明するが、これに限定するものではなく、電極ガラス基板、キャビティ基板、リザーバ基板及びノズル基板からなる４層構造であってもよい。

実施の形態１に係る液滴吐出ヘッドの分解した状態を示す分解斜視図である。液滴吐出ヘッドの断面構成を示す縦断面図である。液滴吐出ヘッドが搭載された液滴吐出装置の制御系を示す概略ブロック図である。ドライバＩＣ及びＣＯＭ発生回路の内部構成の一例を示す概略ブロック図である。最大量のインクを吐出させる場合の駆動波形を示すグラフである。中程度の量のインクを吐出させる場合の駆動波形を示すグラフである。最小量のインクを吐出させる場合の駆動波形を示すグラフである。液滴吐出ヘッドを搭載した液滴吐出装置の一例を示した斜視図である。実施の形態３に係る光スイッチの構成を示す斜視図である。光スイッチの断面構成を示す縦断面図である。

符号の説明

１０ノズルプレート、１１ノズル孔、１２インク滴、１３ダイヤフラム、２０キャビティプレート、２１圧力室、２２振動板、２３リザーバ、２４オリフィス、２５インク供給孔、２７共通電極端子、３０電極ガラス基板、３１個別電極、３１ａ個別電極、３１ｂ個別電極、３１ｃ個別電極、３１ｄ個別電極、３２凹部、３２ａ断面部、３２ｂ断面部、３２ｃ断面部、３２ｄ断面部、３３リード部、３４端子部、４０封止部、４１駆動制御装置、４２制御部、４２ａＣＰＵ、４３外部装置、４４ａＲＯＭ、４４ｂＲＡＭ、４４ｃキャラクタジェネレータ、４５論理ゲートアレイ、４６駆動パルス発生回路、４６ａＣＯＭ発生回路、４７コネクタ、５２バス、５３内部バス、６１シフトレジスタ、６２ラッチ回路、６３反転回路、６４レベルシフタ、６５ＳＥＧドライバ、６６ＣＯＭドライバ、７０電源回路、１５０液滴吐出装置、２００光スイッチ、２０１マイクロミラー、２０２支軸、２０３可動電極、２０４電極ガラス基板、２０５個別電極、２０６凹部。

Claims

ギャップを隔てて対向配置されている固定電極と可動電極である振動板とからなる静電アクチュエータに駆動電圧を印加して、これらの電極間に静電気力を発生させ、前記振動板を前記固定電極に当接させ、その後、前記振動板を前記固定電極から離脱させて前記振動板を振動させ、これにより発生する液体圧力変動を利用して、液滴をノズル孔より吐出させる液滴吐出ヘッドの駆動方法であって、
前記固定電極に段差を設け、前記ギャップの深さを前記固定電極の段差に応じて相違させ、
前記振動板を前記ギャップの深さの中間位置に対応する固定電極に当接させる電圧である第１電位を前記固定電極に印加して静電気力を発生させ、前記振動板を前記ギャップの深さの中間位置に対応する前記固定電極に当接保持させた状態で待機させる工程と、
前記第１電位よりも低い電位を前記固定電極に印加し、前記振動板の一部を前記固定電極から離脱させて前記振動板を振動させて液体圧力変動を発生させる工程と、
前記振動板を前記ギャップの最深部に対応する固定電極に当接させる電位である第２電位を前記固定電極に印加して静電気力を発生させ、前記振動板を前記ギャップの最深部に対応する前記固定電極に当接保持させる工程と、
前記液体圧力変動の位相と同位相の振動となるように前記振動板を前記固定電極から離脱させて液滴を前記ノズル孔から吐出する工程とを有する
ことを特徴とする液滴吐出ヘッドの駆動方法。
ギャップを隔てて対向配置されている固定電極と可動電極である振動板とからなる静電アクチュエータに駆動電圧を印加して、これらの電極間に静電気力を発生させ、前記振動板を前記固定電極に当接させ、その後、前記振動板を前記固定電極から離脱させて前記振動板を振動させ、これにより発生する液体圧力変動を利用して、液滴をノズル孔より吐出させる液滴吐出ヘッドの駆動方法であって、
前記固定電極に段差を設け、前記ギャップの深さを前記固定電極の段差に応じて相違させ、
前記振動板を前記ギャップの深さの中間位置に対応する固定電極に当接させる電圧である第１電位を前記固定電極に印加して静電気力を発生させ、前記振動板を前記ギャップの深さの中間位置に対応する前記固定電極に当接保持させた状態で待機させる工程と、
前記第１電位よりも低い電位を前記固定電極に印加し、前記振動板を前記固定電極から離脱させて前記振動板を振動させて液体圧力変動を発生させる工程と、
前記振動板を前記ギャップの最深部に対応する固定電極に当接させる電位である第２電位を前記固定電極に印加して静電気力を発生させ、前記振動板を前記ギャップの最深部に対応する前記固定電極に当接保持させる工程と、
前記液体圧力変動の位相と同位相の振動となるように前記振動板を前記ギャップの深さの中間位置に対応する固定電極に当接させたままの状態で、前記ギャップの最深部に対応する固定電極から離脱させて液滴を前記ノズル孔から吐出する工程とを有する
ことを特徴とする液滴吐出ヘッドの駆動方法。