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JP2004098178A - Electrostatic actuator, droplet discharge head, ink jet recording apparatus, and liquid supply cartridge - Google Patents

Electrostatic actuator, droplet discharge head, ink jet recording apparatus, and liquid supply cartridge Download PDF

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JP2004098178A
JP2004098178A JP2002259573A JP2002259573A JP2004098178A JP 2004098178 A JP2004098178 A JP 2004098178A JP 2002259573 A JP2002259573 A JP 2002259573A JP 2002259573 A JP2002259573 A JP 2002259573A JP 2004098178 A JP2004098178 A JP 2004098178A
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pressure
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Ricoh Co Ltd
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Abstract

【課題】圧力補正室の変形可能板が対向面に吸着して補正動作を行えなくなる。
【解決手段】振動板10を一つの面とする振動室11と、振動板10に所定のギャップを置いて対向する電極12と、外気圧に応じて変位する変形可能部である変形可能板14を一つの面として各振動室11に連通する圧力補正室13と、各振動室11間及び圧力補正室13を連通する連通路15とを有し、変形可能板14には圧力補正室13側表面に微小突起16を形成した。
【選択図】 図4
An object of the present invention is to prevent a deformable plate of a pressure correction chamber from adsorbing to a facing surface to perform a correction operation.
Kind Code: A1 A vibrating chamber having a vibrating plate as one surface, an electrode facing a vibrating plate with a predetermined gap therebetween, and a deformable plate which is a deformable portion that is displaced in accordance with an external pressure. As a surface, a pressure correction chamber 13 communicating with each vibration chamber 11, and a communication path 15 communicating between each vibration chamber 11 and communicating the pressure correction chamber 13. The deformable plate 14 has a pressure correction chamber 13 side. Micro projections 16 were formed on the surface.
[Selection diagram] Fig. 4

Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は静電型アクチュエータ、液滴吐出ヘッド、インクジェット記録装置及び液供給カートリッジに関する。
【0002】
【従来の技術】
【特許文献1】特開2001−300421号公報
【0003】
プリンタ、ファクシミリ、複写装置等の画像記録装置或いは画像形成装置として用いるインクジェット記録装置において使用する液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドは、インク滴を吐出する単一又は複数のノズル孔と、このノズル孔が連通する吐出室(インク室、液室、加圧液室、圧力室、インク流路等とも称される。)と、吐出室内のインクを加圧する圧力を発生するアクチュエータ手段とを備えて、アクチュエータ手段で発生した圧力で吐出室内インクを加圧することによってノズル孔からインク滴を吐出させる。
【0004】
なお、液滴吐出ヘッドとしては、例えば液体レジストを液滴として吐出する液滴吐出ヘッド、DNAの試料を液滴として吐出する液滴吐出ヘッドなどもあるが、以下ではインクジェットヘッドを中心に説明する。また、液滴吐出ヘッドのアクチュエータ部分を構成するアクチュエータは、例えばマイクロポンプ、マイクロ光変調デバイスなどの光学デバイス、マイクロスイッチ(マイクロリレー)、マルチ光学レンズのアクチュエータ(光スイッチ)、マイクロ流量計、圧力センサなどのマイクロデバイスにも適用することができる。
【0005】
このような液滴吐出ヘッドなどに使用される静電型アクチュエータとして、例えば振動板とこれに対向する電極とを所定のギャップ置いて配置し、振動板と電極間との間に駆動電圧を印加することで静電力を発生させて振動板を静電力で電極側に変形変位させるようにしたものが知られている。
【0006】
このような静電型アクチュエータを用いた液滴吐出ヘッドは、他の方式に比べて消費電力が少ないが、更なる低消費電力化を進めるためには低電圧駆動化を図る必要があり、この低電圧駆動化のためには、電極−振動板間の距離(以下、「ギャップ長」という。)を狭くし、振動板の厚みを薄くする必要がある。
【0007】
しかしながら、このようにした場合、駆動電圧の低電圧化は図れるが、ギャップ長が狭く、一方で振動板の薄膜化によって剛性が低くなるため、振動板と電極間が臨む空間(以下、「振動室」という。)に水分が存在すると、液架橋力もしくは水素結合力により、振動板が一度電極に接触すると、振動板が電極に接したままのスティキング状態になり、アクチュエータとして機能しなくなる。そのため、振動室は、外気から流体が侵入できない構成としなければならない。
【0008】
そこで、振動室の開口を封止材を用いて封止することによって、振動室を密閉状態にすることが考えられるが、振動室に連通する全空間(以下、「アクチュエータ室」という。)にヘッド外の気体が出入りできない構成を採る場合には、新たな問題が生じる。
【0009】
つまり、アクチュエータ室内の気体と外界の気体が自由に行き来できないため、外界の気圧,温度が変化すると、アクチュエータ室内と外界の気圧に差が生じ、この気圧差の大きさに応じて振動板の平衡位置が変化する。例えば、アクチュエータ室内の内圧が外気圧よりも小さければ、振動板の平衡位置は電極側に近づき、アクチュエータ室内の内圧が外気圧よりも大きければ、振動板の平衡位置は電極から遠ざかる。
【0010】
このように振動板の平衡位置が変動する結果として、ヘッドから吐出される液滴の吐出量,速度は、アクチュエータ室と外界の気圧差により変化することになり、液滴吐出ヘッドは安定した吐出特性を維持できず、画像品質が低下することになる。
【0011】
そこで、更に例えば
【特許文献1】に開示されているように、大気に通じる変位板(変形可能板)をキャビティプレートと称する振動板を形成する基板内に設けて、変位板を挟んで大気と逆側の圧力補償室(圧力補正室)を振動室と連通させた構成を採り、圧力補正室の一方の面を形成する変位可能板は、振動板よりも剛性が低く、外気圧に応じて変位できるようにしたものが知られている。
【0012】
このような構成を採ることにより、圧力補正室と振動室を含むヘッド内空間が、大気から気密に遮断された構成であっても、振動室と外界に気圧差が発生した際に、振動板の平衡位置が変化するのではなく、変形可能板の平衡位置が大きく変化することで、振動板の変位を抑制させることができる。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
上述した
【特許文献1】に開示のものは、ヘッドが若干大きくなるものの、ヘッド構成のみで振動板の平衡位置のバラツキを低減しようとするものであり、例えば気圧センサを設けるというような原理的に所望の効果が望めない方法とは異なり十分な効果を期待できる。
【0014】
しかしながら、このような構成でも、変形可能板の剛性が振動板の剛性よりも十分低いために新たな課題が生じる。すなわち、変形可能板とその対向面の距離が狭い場合、ヘッド内外の気圧差の発生により、変形可能板は対向面に容易に接触してしまう。このとき、変形可能板の剛性は非常に低いため、一度接触すると変形可能板と対向面に働くファンデルワールス力により、変形可能板は対向面にスティキングされてしまい、その機能を失ってしまうことになる。また、変形可能板と対向面間に、吸着水,残留電荷が存在する場合は、さらにスティキングされ易いくなる。
【0015】
一方、変形可能板とその対向面の距離が広い場合、変形可能板が対向面に接触することを避けられるので、スティキングを防止することはできるが、圧力補正室の体積が大きくなる、つまりアクチュエータ室の体積が大きく増加するため、アクチュエータ室と外気の気圧差がより大きく影響することとなり、結果として圧力補正室のスペースとして より広い面積が必要となり、ヘッドのサイズが増大し、ヘッドコストが高くなってしまうことになる。
【0016】
このように、従来の静電型アクチュエータないしはインクジェットヘッドにあっては、ヘッドサイズの不要な大型化を招くことなく、変形可能板と対向面の距離は狭くして、かつスティキング防止を図ることができない、すなわち安定した動作特性が得られないという課題がある。
【0017】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、安定した動作特性が得られる小型の静電型アクチュエータ、この静電型アクチュエータを備えた安定した滴吐出特性が得られ、高画質記録が可能な液滴吐出ヘッド、この液滴吐出ヘッドを搭載したインクジェット記録装置、液滴吐出ヘッドを一体化した液供給カートリッジを提供することを目的とする。
【0018】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明に係る静電型アクチュエータは、振動室に連通する圧力補正室の少なくとも一つの面には外気圧に応じて変位し得る変形可能部が設けられ、この変形可能部が対向する面と接触するときの接触面積を低減する手段を有する構成としたものである。
【0019】
ここで、接触面積を低減する手段としては、変形可能部の圧力補正室側に微小突起を形成した構成、あるいは、変形可能部と対向する面に微小突起を形成した構成とすることができる。この微小突起の材質は酸化シリコン又は窒化シリコンであることが好ましい。また、接触面積を低減する手段としては、圧力補正室の変形可能板が接触する面に表面粗さを大きくする粗面化処理を施す構成とすることができる。
【0020】
本発明に係る静電型アクチュエータは、振動室に連通する圧力補正室の少なくとも一つの面には外気圧に応じて変位し得る変形可能部が設けられ、圧力補正室の変形可能部が接触する面に疎水膜が形成されている構成としたものである。
【0021】
本発明に係る静電型アクチュエータは、振動室に連通する圧力補正室の少なくとも一つの面には外気圧に応じて変位し得る変形可能部が設けられ、圧力補正室の変形可能部が接触する面に導電層が形成されている構成としたものである。
【0022】
本発明に係る液滴吐出ヘッドは、液滴を吐出するノズルと、このノズルが連通する吐出室と、この吐出室の液体を加圧するための本発明に係る静電型アクチュエータとを備えたものである。
【0023】
本発明に係るインクジェット記録装置は、インク滴を吐出するインクジェットヘッドとして本発明に係る液滴吐出ヘッドを搭載したものである。
【0024】
本発明に係る液供給カートリッジは、液滴を吐出する本発明に係る液滴吐出ヘッドとこの液滴吐出ヘッドに液を供給する液供給タンクを一体化したものである。
【0025】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。本発明の液滴吐出ヘッドの第1実施形態に係るインクジェットヘッドについて図1ないし図5を参照して説明する。なお、図1は同ヘッドの分解斜視説明図、図2は同ヘッドの吐出室部の振動板長手方向に沿う断面説明図、図3は同ヘッドの吐出部の振動板短手方向に沿う断面説明図、図4は同ヘッドの圧力補正部の変形可能板長手方向に沿う断面説明図、図5は同ヘッドの変形可能板の圧力補正室側の平面説明図である。
【0026】
このヘッドは、インク液滴を基板の面部に設けたノズル孔から吐出させるサイドシュータタイプのものであり、流路基板1と、電極基板2と、ノズル基板3とを接合した積層構造となっている。流路基板1とノズル基板3を接合することによって、インク滴を吐出する複数のノズル孔4が連通する吐出室6、及び図示しないが、各吐出室6に流体抵抗部を介してインクを供給する共通液室(共通インク室)などを形成している。なお、エッジシュータタイプとすることもできる。
【0027】
また、流路基板1と電極基板2とを接合することによって、振動板10を一つの面とする振動室11と、振動板10に所定のギャップを置いて対向する電極12と、外気圧に応じて変位する変形可能部である変形可能板14を一つの面として各振動室11に連通する圧力補正室13と、各振動室11間及び圧力補正室13を連通する連通路15とを形成している。これらの振動板10、振動室11、電極12、圧力補正室13、変形可能板14、連通路15によって本発明に係る静電型アクチュエータを構成している。
【0028】
ここで、流路基板1は、例えばシリコン基板からなり、ボロンなどの高濃度p型拡散層を形成してKOH水溶液等で異方性エッチングを行うことで、高濃度p型拡散層がエッチングストップ層となる技術を用いて、吐出室6となる凹部を形成すると同時に振動板10を形成している。また、流路基板1には底部を変形可能板14とする凹部を形成したものである。
【0029】
電極基板2は、シリコン基板21上にシリコン酸化膜などの絶縁膜22を形成し、この絶縁膜22に振動室11となる凹部を形成して、この凹部の底面に振動板10に対向する電極12を形成し、また圧力補正室13となる凹部を形成している。なお、少なくとも電極12の表面には図示しないがシリコン酸化膜などの絶縁膜を形成して、振動板11との当接による電気的ショートなどを防止している。
【0030】
これらの流路基板1と電極基板2とを接合した後振動室となる凹部及び圧力補正室13となる凹部を封止剤25で封止して、振動室11及び圧力補正室13を画成している。
【0031】
ここで、圧力補正室13の壁面を形成する変形可能板14は振動板11よりも剛性が低く、外気圧の変化に応じて変形変位できる構成とする。そして、この変形可能板14の圧力補正室13側表面には、図5にも示すように、変形可能板14が対向する面である圧力補正室13の壁面13aと接触するときの接触面積を低減させる手段である多数の微小突起16を形成している。
【0032】
ノズル基板3は、例えば厚さ50μmのッケル基板を用い、ノズル基板3の面部に、吐出室6と連通するようにそれぞれノズル孔4を設けている。なお、ノズル基板3は、その他の金属材料、樹脂材料、これらの複層構造で構成することができる。
【0033】
このように構成したこのヘッドにおいては、電極12に発振回路により0Vから40Vのパルス電位を印加し、電極12の表面がプラスに帯電すると、パルス電位を印加していない振動板10との間に静電気の吸引作用が働き、振動板10は電極12側へ撓み、振動板10が図示しない絶縁膜を介して電極12と当接する。
【0034】
このとき、インクが共通液室より流体抵抗部を通じて吐出室6内へ供給される。その後、電極12への電位を0Vに戻すことにより、電極12と振動板10との間で働いていた静電気力が0となり、撓んでいた振動板10が自身の復元力で元の状態へ戻る時に吐出室6内の圧力が急激に上昇し、ノズル孔4よりインク液滴が吐出される。
【0035】
ここで外気圧が変動して振動室11と外気圧との間に気圧差が発生した場合、変形可能板14が振動板10よりも剛性が低く外気圧に応じて変形変位できるものであるから、振動室11内の圧力が外気圧よりも高くなると圧力補正室13の壁面をなす変形可能板14が圧力補正室13の容積を拡大する方向に変形変位して振動板10の変形が抑制され、外気圧が振動室11内の圧力よりも高くなると圧力補正室13の壁面をなす変形可能板14が圧力補正室13の容積を縮小する方向に変形変位して振動板10の変形が抑制される。
【0036】
この場合、変形可能板14と圧力補正室13の対向面13aとのギャップが狭いため、変形可能板14は容易に圧力補正室13の対向面13aに接触するが、変形可能板14の圧力補正室13側表面には微小突起16を設けているので、この微小突起16が圧力補正室13の対向面13aに接触することになり、接触面積は変形可能板14表面が直接圧力補正室13の対向面13aに接触する場合に比べて格段に低減する。
【0037】
これにより、変形可能板14が圧力補正室13の対向面13aに接触した場合でも、接触面積が小さいことから、接触した際に働くファンデルワールス力,吸着水,残留電荷による吸着力が実質的抑制され、変形可能板14のスティキングを抑えることができる。この結果、変形可能板14の機能、つまりは圧力補正室13の機能を損なうことを避けることができ、長期にわたり安定した補正動作を行うことができ、しかも変形可能板14表面と圧力補正室13の対向面13aとのギャップを狭くできるので、ヘッドの大型化を招くこともない。
【0038】
このように、このヘッドでは、圧力補正室の変形可能板に接触面積を低減する手段を設けることで、安定した補正動作を行うことができて、外部環境の変化による振動室と外気圧との圧力差による振動板の初期位置の変動を抑制でき、インク吐出特性のバラツキを抑え、安定した滴吐出が行うことができ、且つ高精度で信頼性の高い液滴吐出ヘッドを実現できる。したがって、また、この液滴吐出ヘッドの静電型アクチュエータを用いたマイクロポンプや光変調デバイスにおいても高精度で信頼性の高い素子を提供できる。
【0039】
ここで、微小突起16の形状は特に限定されるものではない。縦断面形状としては、例えば図6(a)に示すように矩形状(四角形状)、同図(b)に示すように三角形状、同図(c)に示すように台形状(変形可能板14側が幅広)などとすることができる。この場合、製造歩留まり、構造の安定性、接触面積を小さくするという機能の観点からは、縦断面形状を台形状にして、つまり接触面がさらに狭くなるようにするのが特に好ましい。
【0040】
また、横断面形状としても、例えば図7(a)に示すように矩形状(四角形状)、同図(b)に示すように円形状、同図(c)に示すように三角形状とすることができ、さらにこれらの点状に限らず、図8に示すように長尺形状(線状形状)などとすることができる。
【0041】
さらに、微小突起16の配置は、前述した図5に示すような配置例に限るものではなく、1列,2列,3列などの列状配置、千鳥状配置、環状配置,ランダム配置とすることができる。ただし、微小突起16を設ける配置として、変形可能板14の厚み,短辺幅,対向面との距離を考慮して、圧力補正室13と外気の圧力差により変形可能板14が対向部の微小突起16以外には接触しない配置とすることが好ましい。
【0042】
また、上記実施形態では、ヘッド内で複数のアクチュエータの各振動室が相互に連通している例で説明しているが、各アクチュエータの振動室が独立している場合にも適用できる。ただし、各振動室が独立している場合には、各独立部分毎に圧力補正室を設け、各圧力補正室毎に変形可能部の接触面積を低減する手段を設ける必要がある。
【0043】
さらに、振動板のスティキング防止を兼ねて、振動板の裏面(振動室側面)にも微小突起を設ける構成を採用した場合には、振動板裏面と変形可能板の圧力補正室側表面に、同時に、つまりは同じ材料を用いて同じプロセスで微小突起を設けることができ、このようにすれば、プロセスの増加を防ぐことができる。
【0044】
ここで、微小突起の形成方法としては、平面に突起を直接形成する方法でも良く、或いは、平面に彫り込みを形成して、残った部分を微小突起とする方法のいずれでも良い。
【0045】
次に、本発明の液滴吐出ヘッドの第2実施形態に係るインクジェットヘッドについて図9を参照して説明する。なお、同図は同ヘッドの圧力補正部の変形可能板長手方向に沿う断面説明図である。
このヘッドでは、変形可能板14に対向する圧力補正室13の対向面13a上に微小突起16を設けている。このようにしても、前記第1実施形態と同様の作用効果が得られ、また、製造プロセスにより、変形可能板側に微小突起を形成できない若しくは困難な場合でも対応することができる。
【0046】
また、振動板のスティキング防止を兼ねて、振動板に対向する面(電極側)に微小突起を設ける構成を採用する場合、振動板対向面と変形可能板の対向面に、同時に、つまりは同じ材料を用いて同じプロセスで微小突起を設けるようにすることができ、このようにすれば、プロセスの増加を防ぐことができる。
【0047】
次に、本発明の液滴吐出ヘッドの第3実施形態に係るインクジェットヘッドについて図10を参照して説明する。なお、同図は同ヘッドの圧力補正部及び振動室の変形可能板短手方向に沿う要部断面説明図である。
このヘッドでは、振動板10に対向する電極12表面にシリコン酸化膜からなる絶縁膜18を形成し、この絶縁膜18を形成するときに圧力補正室13の変形可能板14に対向する対向面13aにシリコン酸化膜からなる微小突起16を形成している。
【0048】
すなわち、インクジェットヘッドのような微小構造の形成には、半導体技術を利用することが好ましく、アクチュエータ部の形成と共に、圧力補正室の形成ができれば、プロセス数の増加を抑えることができ、コストダウンを図ることができる。
【0049】
この場合、振動室11の形成と同時に圧力補正室13を形成するとすれば、圧力補正室13の構成として幾つかの制限が生じる。振動室11において、駆動の際電極12がその対向する面(振動板10側表面)に当接する場合には、電気的なショートが生じないように、電極表面もしくはその対向面の少なくとも一方には絶縁層が形成されていなくてはならない。当接しない場合も、放電が危惧されるので、絶縁層があると信頼性が増す。この絶縁層の材質を酸化シリコン(シリコン酸化膜)とすると、多様な半導体プロセスでは形成方法を用いることができる。
【0050】
そこで、この実施形態では、酸化シリコン膜をアクチュエータ部(振動室11)の絶縁層(絶縁膜)18として形成し、同時に圧力補正室13にも形成し、その後、圧力補正室13の絶縁層の微小突起16に相当する部分以外を、エッチングにより除去することで微小突起16を形成している。
【0051】
この場合、絶縁膜18を形成するための酸化シリコン層を形成する段階で、つまり、エッチッグ無しで、微小突起16を形成することもできる。この場合の例を図11に示している。
【0052】
なお、アクチュエータ部の絶縁膜と圧力補正室の微小突起材料層は同時に形成する必要はなく、また、圧力補正室の微小突起材料層を酸化シリコン膜とする場合でもアクチュエータ部の絶縁層を酸化シリコン膜とする必要もない。
【0053】
また、振動板側に絶縁層を形成するような場合には、絶縁層として窒化シリコンを用いることが好ましい。このような場合には、圧力補正室13の変形可能板14にも窒化シリコン膜からなる微小突起16を形成することが好ましい。
【0054】
すなわち、酸化シリコン膜を剛性の低い部位上に形成すると、材料間に圧縮応力が生じ、剛性の低い部位は撓んでしまう。静電型アクチュエータは静電力の働く電極間のギャップ長を精度良く形成しないと、所望の特性が得られないので、酸化シリコン膜により剛性の低い部位が撓んで、結果としてギャップ長が所望しない値に変化するとアクチュエータとして十分な機能が期待できない。
【0055】
これに対し、窒化シリコン膜は引張り応力の膜であるので、剛性の低い部位に形成しても、この剛性の低い部位が撓むことがなく、静電力の働く電極間のギャップ長は変化せず、結果としてアクチュエータの機能を損なうことがない。
【0056】
したがって、上述したように、アクチュエータ部に必要な絶縁層として窒化シリコンを用いた場合には、同時に圧力補正室にも窒化シリコン膜を形成して、この窒化シリコン膜圧力補正室の微小突起の材料として用いると良い。
【0057】
ただし、この場合も、アクチュエータ部の絶縁膜と圧力補正室の微小突起材料層は同時に形成する必要はなく、また、微小突起材料を窒化シリコン膜とする場合でもアクチュエータ部の絶縁層を窒化シリコン膜で形成する必要もない。
【0058】
次に、具体的なヘッド構成とその評価について説明する。
(実施例1)
次の作製方法で微小突起を形成したヘッドを作製した。この作製方法を図12を参照して説明する。なお、同図(a)は1ビットのアクチュエータ部の断面説明図、同図(b)は圧力補正室の断面説明図である。
【0059】
同図(a)において、先ずシリコン基板31上にSiO膜32を形成し、次に、電極及び隔壁となるポリシリコン層33を形成した後、SiN層34が形成できるようエッチングにより彫り込みを形成して、ポリシリコン層33からなる電極12を形成する。このとき、電極12が各アクチュエータ部で電気的に独立するようする。その後、SiN34をCVDで形成し、SiO35で彫り込み部を埋め込む。そして、表面を研磨した後SiN層36を形成し、更にポリシリコン層37を形成する。その後、図示するように設けられた抜き孔38から、内部のSiO35をエッチング除去することで振動室11が形成される。
【0060】
同図(b)において、圧力補正室の形成もアクチュエータ部とほぼ同様の工程で行う。異なる点は、電極12を形成しないために圧力補正室の底面に相当する部分のポリシリコン層33を除去する点、SiO35形成し表面を研磨した後、微小突起16を形成する位置の彫り込みを形成した後、SiN層36を形成し、更にポリシリコン層37を形成する点である。これにより、SiN層36で微小突起16を一体形成した変形可能板14が形成され、SiO35を除去することで変形可能板14の裏面に微小突起16を有する圧力補正室13が形成される。
【0061】
このヘッドにおける各部のパラメータは次のとおりとした。
振動板:厚みt=2μm,短辺長a=125μm,長辺長b=1000μm
変形可能板:厚みt=2μm,短辺長a=2000μm,長辺長b=10mm
電極形状:電極は振動板に対して平行となるように形成した。また、電極と振動板間のエアGap長は、仕様上 0.2μmとなるよう設計した。
微小突起:高さt=0.2μm,面積3×3μmとした。
配置は、前後左右60μmピッチとなるマトリクス状とした。
変形可能板の裏面に形成した。
【0062】
(比較例1)
上記実施例1と同様の製作工程で、微小突起を有しないヘッドを作製した。微小突起を作製しないため、SiO35形成し表面を研磨した後はそのまま微小突起16を形成する位置の彫り込みを形成しないでSiN36を成膜する。
【0063】
(評価方法と結果)
上述した実施例1のヘッドと比較例1のヘッドについて、大気中で、変形可能板をニードルで押し、変形可能板を対向面に接触させ、その後、変形可能板が対向面にスティキングされるかどうかを確認した。
【0064】
このとき、複数のヘッドについて評価を行ったところ、実施例1のヘッドではスティキングが生じなかったが、比較例1のヘッドではほぼ確実にスティキングが生じた。
【0065】
ここで、スティキングが生じた主な原因としては、原子間力,液架橋力,水素結合力が考えられる。このようなスティキングを生じる変形可能部では、所望の圧力補正が得られず、ヘッドとしての信頼性が期待できない。
【0066】
(実施例2)
次の作製方法で微小突起を形成したヘッドを作製した。すなわち、シリコン基板上に酸化膜を形成後、酸化膜を彫り込み、この彫り込みにTiNの成膜により電極を形成し、電極上にシリコン酸化膜を絶縁層として形成した。ここで、圧力補正室にはTiNが形成されていても良いが、形成していない。圧力補正室のシリコン酸化膜をエッチングして、微小突起を形成し、これを電極基板とする。
【0067】
他方、別のシリコン基板にエッチングにより振動板,共通液室,それに伴う変形可能板等を形成し、これを流路基板とする。このとき、振動板と変形可能板は、全くの同一プロセスにおいて形成した。
【0068】
その後、電極基板上に流路基板を直接接合により接合した。なお、1ヘッドに形成されたアクチュエータ数は1列192である。ここでは、1列全ての振動室が、1つの圧力補正室に連通する構成とした。
【0069】
(比較例2)
上記実施例2と同様の製作工程で、微小突起を有しないヘッドを作製した。微小突起を作製しないため、電極基板の作製工程での微小突起形成工程は行わない。
【0070】
このヘッドにおける各部のパラメータは次のとおりとした。
振動板:厚みt=2μm,短辺長a=125μm,長辺長b=1000μm
変形可能板:厚みt=2μm,短辺長a=2000μm,長辺長b=10mm
電極形状:電極は振動板に対して平行となるように形成した。また、電極と振動板間のエアギャップ長は、仕様上 0.2μmとなるよう設計した。
微小突起:高さt=0.2μm,面積3×3μmとした。
配置は、前後左右60μmピッチとなるマトリクス状とした。
変形可能部の裏面に形成した。
【0071】
(評価方法と結果)
上述した実施例2のヘッドと比較例2のヘッドについて、大気中で、変形可能板をニードルで押し、変形可能板を対向面に接触させ、その後、変形可能板が対向面にスティキングされるかどうかを確認した。
【0072】
このとき、複数のヘッドについて評価を行ったところ、実施例2のヘッドではスティキングが生じなかったが、比較例2のヘッドではほぼ確実にスティキングが生じた。
【0073】
次に、本発明の液滴吐出ヘッドの第4実施形態に係るインクジェットヘッドについて図13を参照して説明する。なお、同図は同ヘッドの変形可能板長手方向に沿う断面説明図である。
このヘッドでは、圧力補正室13の変形可能板14に対向する対向面13bに表面粗さを大きくする粗面化処理を施している。この場合、対向面13bの表面粗さは、振動室内の表面粗さと同じ(振動室内の表面にも粗面化処理を施した場合)若しくは振動室内の表面粗さよりも大きく(振動室内の表面にも粗面化処理を施さない場合)なる。
【0074】
このように、変形可能板14が接触する圧力補正室13の対向面13bに粗面化処理を施すことによって接触時の接触面積を低減することができ、前記各実施形態と同様に、変形可能板14が圧力補正室13の対向面13bに接触した場合でも、接触面積が小さいことから、接触した際に働くファンデルワールス力,吸着水,残留電荷による吸着力が実質的抑制され、変形可能板14のスティキングを抑えることができ、この結果、変形可能板14の機能、つまりは圧力補正室13の機能を損なうことを避けることができ、長期にわたり安定した補正動作を行うことができる。
【0075】
次に、具体的なヘッド構成とその評価について説明する。
(実施例3)
ヘッドの作製方法は前述した実施例2で説明したと同様であるが、微小突起を形成する代わりに、電極基板と振動基板の直接接合の前に、変形可能部の対向面となる部分をArガスを用いてドライエッチングにより粗す、という粗面化処理工程を行っている。
【0076】
(比較例3)
実施例3の製作方法と同様にして製作したが、微小突起を設けず、また、対向面に粗面化処理を施さなかった。
【0077】
このヘッドにおける各部のパラメータは次のとおりとした。
振動板:厚みt=2μm,短辺長a=125μm,長辺長b=1000μm
変形可能板:厚みt=2μm,短辺長a=1000μm,長辺長b=10mm
電極形状:電極は振動板に対して平行となるように形成した。また、電極と振動板間のエアギャップ長は、仕様上 0.2μmとなるよう設計した。
【0078】
(評価方法と結果)
上述した実施例3のヘッドと比較例3のヘッドについて、大気中で、変形可能板をニードルで押し、変形可能板を対向面に接触させ、その後、変形可能板が対向面にスティキングされるかどうかを確認した。
【0079】
このとき、複数のヘッドについて評価を行ったところ、実施例3のヘッドではスティキングが生じなかったが、比較例3のヘッドではほぼ確実にスティキングが生じた。
【0080】
次に、本発明の液滴吐出ヘッドの第5実施形態に係るインクジェットヘッドについて図14を参照して説明する。なお、同図は同ヘッドの変形可能板長手方向に沿う断面説明図である。
このヘッドでは、圧力補正室13の変形可能板14に対向する対向面13aに疎水膜26を形成している。疎水膜26の材料としては、パーフルオロデカン酸(PFDA)、ヘキサメチルシジラザン(HMDS)等を挙げることができ、HMDSの方が分子が小さく、狭い空間に膜を形成するには好適である。
【0081】
このように、変形可能板14が接触する圧力補正室13の対向面13aに疎水膜26を形成することによって、液架橋力、水素結合力によるスティキング(吸着水によるスティキング)を防止することができる。この結果、変形可能板14の機能、つまりは圧力補正室13の機能を損なうことを避けることができ、長期にわたり安定した補正動作を行うことができる。
【0082】
次に、具体的なヘッド構成とその評価について説明する。
(実施例4)
ヘッドの作製方法は前述した実施例2で説明したと同様であるが、微小突起を形成せず、接合後、HMDS中にディッピングして、圧力補正室にHMDSの膜を形成した。
【0083】
(比較例4)
実施例4の製作方法と同様にして製作したが、微小突起を設けず、また、疎水膜も形成しなかった。
【0084】
このヘッドにおける各部のパラメータは次のとおりとした。
振動板:厚みt=2μm,短辺長a=125μm,長辺長b=1000μm
変形可能板:厚みt=2μm,短辺長a=300μm,長辺長b=10mm
電極形状:電極は振動板に対して平行となるように形成した。また、電極と振動板間のエアギャップ長は、仕様上 0.2μmとなるよう設計した。
【0085】
(評価方法と結果)
上述した実施例4のヘッドと比較例4のヘッドについて、大気中で、変形可能板をニードルで押し、変形可能板を対向面に接触させ、その後、変形可能板が対向面にスティキングされるかどうかを確認した。
【0086】
次に、30℃相対湿度60%の環境試験室において、実施例4のヘッドと比較例4のヘッドを1時間放置後、両ヘッドの変形可能部をニードルで押し、変形可能部を対向面に接触させ、変形可能部がスティキングされるかどうかを確認した。
【0087】
このとき、複数のヘッドについて評価を行ったところ、比較例4のヘッドは、大気中ではスティキングを起こさないが、環境試験室ではスティキングが生じることが確認された。一方、HMDS膜を形成した実施例4のヘッドでは、大気中でも、環境試験室でも、スティキングが生じないことが確認された。
【0088】
次に、本発明の液滴吐出ヘッドの第6実施形態に係るインクジェットヘッドについて図15を参照して説明する。なお、同図は同ヘッドの変形可能板長手方向に沿う断面説明図である。
このヘッドでは、圧力補正室13の変形可能板14に対向する対向面13aに導電層(導電性膜)27を形成している。導電層27としては、TiNなどの金属材料、ポリシリコンなどの半導体材料を挙げることができる。そして、ここでは、導電層27はGNDに接続している(接地している)。
【0089】
このように、変形可能板14が接触する圧力補正室13の対向面13aに導電層27を形成することによって、スティキングを生じる原因の一つとして考えられる、何らかの理由で接触部に発生する静電荷を逃がすことができ、静電荷によるスティキングを防止することができる。この結果、変形可能板14の機能、つまりは圧力補正室13の機能を損なうことを避けることができ、長期にわたり安定した補正動作を行うことができる。
【0090】
次に、具体的なヘッド構成とその評価について説明する。
(実施例5)
ヘッドの作製方法は前述した実施例3で説明したと同様である。ただし、ここではアクチュエータ部の電極形成と同時に、圧力補正部にTiN層を形成した。その後、直接接合の前に、TiN層の酸化膜をドライエッチングにより除去した。
【0091】
このヘッドにおける各部のパラメータは次のとおりとした。
振動板:厚みt=2μm,短辺長a=125μm,長辺長b=1000μm
変形可能板:厚みt=2μm,短辺長a=300μm,長辺長b=10mm
電極形状:電極は振動板に対して平行となるように形成した。また、電極と振動板間のエアギャップ長は、仕様上 0.2μmとなるよう設計した。
【0092】
(評価方法と結果)
圧力補正室のTiN層(導電層27)と変形可能板間に電位差を与え、静電引力により変形可能板をTiN層に当接させる。その後、変形可能板とTiN層を直接フロートの状態にすると、変形可能板は対向面スティキングしたままであった。しかし、TiN層をGNDにおとすと、変形可能板は対向面から外れて、スティキングが解消されることが確認された。
【0093】
次に、本発明を適用する他の形態の静電型ヘッドの一例について図16を参照して説明する。
このヘッドは、振動板10の吐出室6とは反対面に絶縁膜10aを介して、振動板10と電気的に分離され、また、相互に電気的に互いに分離された、複数の構造体からなる電極42を設けている。
【0094】
このヘッドにおいては、隣り合う電極42、42の一方に0Vから40Vのパルス電位を印加し、他方に0Vを印加すると、隣り合う電極42、42間で静電力が発生して、自由端側が引き合うので、振動板10が撓むことになる。これにより、吐出室6内の圧力が急激に上昇してインク滴が吐出される。
【0095】
このようなヘッドにおいても、前記各実施形態と同様に振動室11に連通する圧力補正室を設けて、この圧力補正室の少なくとも1つの面を外気圧に応じて変形可能な変形可能部とし、この変形可能部と圧力補正室との対向する面との接触面積を低減する手段を設けることによって、長期にわたり安定した滴吐出動作を行うことができるようになる。
【0096】
次に、本発明に係る液供給カートリッジとしてのインクカートリッジ(インクタンク一体型ヘッド)について図17を参照して説明する。
このインクカートリッジ100は、ノズル孔101等を有する上記各実施形態のいずれかのインクジェットヘッド102と、このインクジェットヘッド102に対してインクを供給するインクタンク103とを一体化したものである。
【0097】
このように本発明に係る液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドとインクタンクとを一体化することにより、安定した滴吐出特性を有し、信頼性の高い液滴吐出ヘッドを一体化したインクカートリッジ(インクタンク一体型ヘッド)が得られ、タンク一体型ヘッドの低コスト化を図れる。
【0098】
次に、本発明に係る液滴吐出ヘッドを搭載したインクジェット記録装置の一例について図18及び図19を参照して説明する。なお、図18は同記録装置の斜視説明図、図19は同記録装置の機構部の側面説明図である。
【0099】
このインクジェット記録装置は、記録装置本体111の内部に主走査方向に移動可能なキャリッジ、キャリッジに搭載した本発明に係るインクジェットヘッドからなる記録ヘッド、記録ヘッドへインクを供給するインクカートリッジ等で構成される印字機構部112等を収納し、装置本体111の下方部には前方側から多数枚の用紙113を積載可能な給紙カセット(或いは給紙トレイでもよい。)114を抜き差し自在に装着することができ、また、用紙113を手差しで給紙するための手差しトレイ115を開倒することができ、給紙カセット114或いは手差しトレイ115から給送される用紙113を取り込み、印字機構部112によって所要の画像を記録した後、後面側に装着された排紙トレイ116に排紙する。
【0100】
印字機構部112は、図示しない左右の側板に横架したガイド部材である主ガイドロッド121と従ガイドロッド122とでキャリッジ123を主走査方向(図19で紙面垂直方向)に摺動自在に保持し、このキャリッジ123にはイエロー(Y)、シアン(C)、マゼンタ(M)、ブラック(Bk)の各色のインク滴を吐出する本発明に係る液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドからなるヘッド124を複数のインク吐出口を主走査方向と交叉する方向に配列し、インク滴吐出方向を下方に向けて装着している。またキャリッジ123にはヘッド124に各色のインクを供給するための各インクカートリッジ125を交換可能に装着している。なお、本発明に係るヘッド一体型ヘッド(インクカートリッジ)を搭載するようにすることもできる。
【0101】
インクカートリッジ125は上方に大気と連通する大気口、下方にはインクジェットヘッドへインクを供給する供給口を、内部にはインクが充填された多孔質体を有しており、多孔質体の毛管力によりインクジェットヘッドへ供給されるインクをわずかな負圧に維持している。
【0102】
また、記録ヘッドとしてここでは各色のヘッド124を用いているが、各色のインク滴を吐出するノズルを有する1個のヘッドでもよい。
【0103】
ここで、キャリッジ123は後方側(用紙搬送方向下流側)を主ガイドロッド121に摺動自在に嵌装し、前方側(用紙搬送方向上流側)を従ガイドロッド122に摺動自在に載置している。そして、このキャリッジ123を主走査方向に移動走査するため、主走査モータ127で回転駆動される駆動プーリ128と従動プーリ129との間にタイミングベルト130を張装し、このタイミングベルト130をキャリッジ123に固定しており、主走査モーター127の正逆回転によりキャリッジ123が往復駆動される。
【0104】
一方、給紙カセット114にセットした用紙113をヘッド124の下方側に搬送するために、給紙カセット114から用紙113を分離給装する給紙ローラ131及びフリクションパッド132と、用紙113を案内するガイド部材133と、給紙された用紙113を反転させて搬送する搬送ローラ134と、この搬送ローラ134の周面に押し付けられる搬送コロ135及び搬送ローラ134からの用紙113の送り出し角度を規定する先端コロ136とを設けている。搬送ローラ134は副走査モータ137によってギヤ列を介して回転駆動される。
【0105】
そして、キャリッジ123の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラ134から送り出された用紙113を記録ヘッド124の下方側で案内する用紙ガイド部材である印写受け部材139を設けている。この印写受け部材139の用紙搬送方向下流側には、用紙113を排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送コロ141、拍車142を設け、さらに用紙113を排紙トレイ116に送り出す排紙ローラ143及び拍車144と、排紙経路を形成するガイド部材145,146とを配設している。
【0106】
記録時には、キャリッジ123を移動させながら画像信号に応じて記録ヘッド124を駆動することにより、停止している用紙113にインクを吐出して1行分を記録し、用紙113を所定量搬送後次の行の記録を行う。記録終了信号または、用紙113の後端が記録領域に到達した信号を受けることにより、記録動作を終了させ用紙113を排紙する。この場合、ヘッド124を構成する本発明に係るインクジェットヘッドはインク滴噴射の制御性が向上し、特性変動が抑制されているので、安定して高い画像品質の画像を記録することができる。
【0107】
また、キャリッジ123の移動方向右端側の記録領域を外れた位置には、ヘッド124の吐出不良を回復するための回復装置147を配置している。回復装置147はキャップ手段と吸引手段とクリーニング手段を有している。キャリッジ123は印字待機中にはこの回復装置147側に移動されてキャッピング手段でヘッド124をキャッピングされ、吐出口部を湿潤状態に保つことによりインク乾燥による吐出不良を防止する。また、記録途中などに記録と関係しないインクを吐出することにより、全ての吐出口のインク粘度を一定にし、安定した吐出性能を維持する。
【0108】
吐出不良が発生した場合等には、キャッピング手段でヘッド124の吐出口(ノズル)を密封し、チューブを通して吸引手段で吐出口からインクとともに気泡等を吸い出し、吐出口面に付着したインクやゴミ等はクリーニング手段により除去され吐出不良が回復される。また、吸引されたインクは、本体下部に設置された廃インク溜(不図示)に排出され、廃インク溜内部のインク吸収体に吸収保持される。
【0109】
このように、このインクジェット記録装置においては本発明に係る液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドを搭載しているので、長期に亘って安定した滴吐出特性が得られ、高い画像品質で記録することができる。
【0110】
なお、上記実施形態においては、液滴吐出ヘッドとしてインクジェットヘッドに適用した例で説明したが、インクジェットヘッド以外の液滴吐出ヘッドとして、例えば、液体レジストを液滴として吐出する液滴吐出ヘッド、DNAの試料を液滴として吐出する液滴吐出ヘッドなどの他の液滴吐出ヘッドにも適用できる。また、静電型アクチュエータを備えるマイクロデバイスとして、マイクロポンプ、光学デバイス(光変調デバイス)、マイクロスイッチ(マイクロリレー)、マルチ光学レンズのアクチュエータ(光スイッチ)、マイクロ流量計、圧力センサなどにも適用することができる。
【0111】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る静電型アクチュエータによれば、振動室に連通する圧力補正室の少なくとも一つの面には外気圧に応じて変位し得る変形可能部が設けられ、この変形可能部が対向する面と接触するときの接触面積を低減する手段を有する構成としたので、安定した動作特性を有する小型のアクチュエータを得ることができる。
【0112】
本発明に係る静電型アクチュエータによれば、振動室に連通する圧力補正室の少なくとも一つの面には外気圧に応じて変位し得る変形可能部が設けられ、圧力補正室の変形可能部が接触する面に疎水膜が形成されている構成としたので、安定した動作特性を有する小型のアクチュエータを得ることができる。
【0113】
本発明に係る静電型アクチュエータによれば、振動室に連通する圧力補正室の少なくとも一つの面には外気圧に応じて変位し得る変形可能部が設けられ、圧力補正室の変形可能部が接触する面に導電層が形成されている構成としたので、安定した動作特性を有する小型のアクチュエータを得ることができる。
【0114】
本発明に係る液滴吐出ヘッドによれば、本発明に係る静電型アクチュエータを備えているので、安定した滴吐出特性が得られ、信頼性及び画像品質が向上する。
【0115】
本発明に係るインクジェット記録装置によれば、インク滴を吐出するインクジェットヘッドが本発明に係る液滴吐出ヘッドであるので、高画質記録を行うことができる。
【0116】
本発明に係る液供給カートリッジによれば、本発明に係る液滴吐出ヘッドと駅供給タンクを一体化したので、安定した滴吐出特性が得られ、信頼性及び画像品質が向上するヘッドを有するカートリッジが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の静電型アクチュエータを含む本発明に係る液滴吐出ヘッドの第1実施形態に係るインクジェットヘッドの分解斜視説明図
【図2】同ヘッドのアクチュエータ部の振動板長手方向に沿う断面説明図
【図3】同ヘッドのアクチュエータ部の振動板短手方向に沿う断面説明図
【図4】同ヘッドの圧力補正部の変形可能板長手方向に沿う断面説明図
【図5】同ヘッドの圧力補正部の変形可能板短手方向に沿う断面説明図
【図6】微小突起の縦断面形状の異なる例を説明する説明図
【図7】微小突起の横断面形状の異なる例を説明する説明図
【図8】微小突起の横断面形状及び配置例の他の例を説明する平面説明図
【図9】同第2実施形態に係るインクジェットヘッドの圧力補正部の変形可能板長手方向に沿う断面説明図
【図10】同第3実施形態に係るインクジェットヘッドの振動板短手方向に沿う断面説明図
【図11】同実施形態の他の例の説明に供するインクジェットヘッドの圧力補正部の変形可能板長手方向に沿う断面説明図
【図12】本発明に係る液滴吐出ヘッドの製作工程の説明に供する断面説明図
【図13】同第4実施形態に係るインクジェットヘッドの圧力補正部の変形可能板長手方向に沿う断面説明図
【図14】同第5実施形態に係るインクジェットヘッドの圧力補正部の変形可能板長手方向に沿う断面説明図
【図15】同第6実施形態に係るインクジェットヘッドの圧力補正部の変形可能板長手方向に沿う断面説明図
【図16】本発明を適用する他の形式の静電型液滴吐出ヘッドの一例を説明する振動板短手方向に沿う断面説明図
【図17】本発明に係る液供給カートリッジの説明に供する斜視説明図
【図18】本発明に係るインクジェット記録装置の一例を説明する斜視説明図
【図19】同記録装置の機構部の説明図
【符号の説明】
1…流路基板、2…電極基板、3…ノズル基板、4…ノズル孔、6…吐出室、7…流体抵抗部、8…共通液室、10…振動板、11…振動室、12…電極、13…圧力補正室、14…変形可能板、15…連通路、16…微小突起、26…疎水膜、27…導電層、100…インクカートリッジ、124…記録ヘッド。
[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to an electrostatic actuator, a droplet discharge head, an inkjet recording device, and a liquid supply cartridge.
[0002]
[Prior art]
[Patent Document 1] Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-300421
[0003]
An inkjet head, which is a droplet ejection head used in an image recording apparatus such as a printer, a facsimile, and a copying apparatus or an inkjet recording apparatus used as an image forming apparatus, includes a single or a plurality of nozzle holes for discharging ink droplets, and the nozzle holes. Are provided with an ejection chamber (also referred to as an ink chamber, a liquid chamber, a pressurized liquid chamber, a pressure chamber, an ink flow path, etc.) and actuator means for generating pressure for pressurizing ink in the ejection chamber. The ink droplets are ejected from the nozzle holes by pressurizing the ink in the ejection chamber with the pressure generated by the actuator means.
[0004]
The droplet discharge head includes, for example, a droplet discharge head that discharges a liquid resist as droplets, a droplet discharge head that discharges a DNA sample as droplets, and the like. . The actuators that constitute the actuator portion of the droplet discharge head include optical devices such as a micropump and a micro light modulation device, micro switches (micro relays), multi-optical lens actuators (optical switches), micro flow meters, pressure It can also be applied to micro devices such as sensors.
[0005]
As an electrostatic actuator used for such a droplet discharge head, for example, a diaphragm and an electrode facing the diaphragm are arranged at a predetermined gap, and a drive voltage is applied between the diaphragm and the electrode. There has been known a device in which an electrostatic force is generated to deform and displace the diaphragm toward the electrode by the electrostatic force.
[0006]
A droplet discharge head using such an electrostatic actuator consumes less power than other methods. However, in order to further reduce power consumption, it is necessary to drive at a lower voltage. For low-voltage driving, it is necessary to reduce the distance between the electrode and the diaphragm (hereinafter, referred to as “gap length”) and reduce the thickness of the diaphragm.
[0007]
However, in such a case, although the driving voltage can be reduced, the gap length is narrow, and the rigidity is reduced by thinning the diaphragm, so that the space between the diaphragm and the electrode (hereinafter referred to as “vibration”). If water is present in the chamber, the vibrating plate once contacts the electrode due to liquid bridging force or hydrogen bonding force, and the vibrating plate enters a sticking state in contact with the electrode, and does not function as an actuator. For this reason, the vibration chamber must be configured so that fluid cannot enter from outside air.
[0008]
Therefore, it is conceivable that the vibration chamber is closed by sealing the opening of the vibration chamber with a sealing material. However, the entire space (hereinafter, referred to as “actuator chamber”) communicating with the vibration chamber is considered. If a configuration is adopted in which gas outside the head cannot enter or exit, a new problem arises.
[0009]
In other words, since the gas in the actuator chamber and the gas in the outside cannot move freely, if the pressure and temperature in the outside change, a difference is created between the pressure in the actuator and the outside, and the balance of the diaphragm depends on the magnitude of the difference in pressure. The position changes. For example, if the internal pressure in the actuator chamber is lower than the external pressure, the equilibrium position of the diaphragm approaches the electrode side, and if the internal pressure in the actuator chamber is higher than the external pressure, the equilibrium position of the diaphragm moves away from the electrode.
[0010]
As a result of the fluctuation of the equilibrium position of the vibration plate, the ejection amount and speed of the droplet ejected from the head change due to the pressure difference between the actuator chamber and the outside world. The characteristics cannot be maintained, and the image quality deteriorates.
[0011]
So, for example,
As disclosed in Patent Document 1, a displacement plate (deformable plate) that communicates with the atmosphere is provided in a substrate that forms a vibration plate called a cavity plate, and a pressure on the opposite side of the displacement plate to the atmosphere is provided. The compensation chamber (pressure compensation chamber) is connected to the vibration chamber, and the displaceable plate that forms one surface of the pressure compensation chamber has lower rigidity than the vibration plate, and can be displaced in accordance with the outside air pressure. Is known.
[0012]
By adopting such a configuration, even if the internal space of the head including the pressure correction chamber and the vibration chamber is configured to be air-tightly shielded from the atmosphere, when a pressure difference occurs between the vibration chamber and the outside, the vibration plate The displacement of the diaphragm can be suppressed by changing the equilibrium position of the deformable plate rather than changing the equilibrium position of the diaphragm.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
Mentioned above
The technique disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open Publication No. H11-157,979 seeks to reduce the variation in the equilibrium position of the diaphragm only with the head configuration, although the head is slightly larger. A sufficient effect can be expected unlike the method in which the effect cannot be expected.
[0014]
However, even with such a configuration, a new problem arises because the rigidity of the deformable plate is sufficiently lower than the rigidity of the diaphragm. That is, when the distance between the deformable plate and its opposing surface is small, the pressure difference between the inside and outside of the head causes the deformable plate to easily contact the opposing surface. At this time, since the rigidity of the deformable plate is very low, once deformed, the deformable plate sticks to the facing surface due to van der Waals force acting on the facing surface and loses its function. Will be. Further, when there is adsorbed water and residual charge between the deformable plate and the facing surface, sticking is more likely to occur.
[0015]
On the other hand, if the distance between the deformable plate and its opposing surface is large, the deformable plate can be prevented from contacting the opposing surface, so that sticking can be prevented, but the volume of the pressure compensation chamber becomes large, Since the volume of the actuator chamber is greatly increased, the pressure difference between the actuator chamber and the outside air has a greater effect. As a result, a larger area is required for the space for the pressure compensation chamber, the head size increases, and the head cost increases. It will be higher.
[0016]
As described above, in the conventional electrostatic actuator or the ink jet head, the distance between the deformable plate and the facing surface is reduced and sticking is prevented without unnecessarily increasing the head size. However, there is a problem that stable operation characteristics cannot be obtained.
[0017]
The present invention has been made in view of the above points, and has a small electrostatic actuator capable of obtaining stable operation characteristics, a stable droplet discharge characteristic including the electrostatic actuator, and high-quality recording. It is an object of the present invention to provide a possible droplet discharge head, an ink jet recording apparatus equipped with the droplet discharge head, and a liquid supply cartridge integrating the droplet discharge head.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the electrostatic actuator according to the present invention is provided with a deformable portion that can be displaced in accordance with an external pressure on at least one surface of a pressure correction chamber that communicates with a vibration chamber. This is a configuration having means for reducing the contact area when the possible portion comes into contact with the facing surface.
[0019]
Here, as a means for reducing the contact area, a configuration in which minute projections are formed on the pressure correction chamber side of the deformable portion, or a configuration in which minute projections are formed on a surface facing the deformable portion can be employed. The material of the microprojections is preferably silicon oxide or silicon nitride. Further, as a means for reducing the contact area, it is possible to adopt a configuration in which a surface of the pressure compensation chamber with which the deformable plate comes into contact is subjected to a surface roughening treatment for increasing the surface roughness.
[0020]
In the electrostatic actuator according to the present invention, at least one surface of the pressure correction chamber communicating with the vibration chamber is provided with a deformable portion that can be displaced in accordance with the outside air pressure, and the deformable portion of the pressure correction chamber comes into contact with the deformable portion. In this configuration, a hydrophobic film is formed on the surface.
[0021]
In the electrostatic actuator according to the present invention, at least one surface of the pressure correction chamber communicating with the vibration chamber is provided with a deformable portion that can be displaced in accordance with the outside air pressure, and the deformable portion of the pressure correction chamber comes into contact with the deformable portion. In this configuration, a conductive layer is formed on the surface.
[0022]
A droplet discharge head according to the present invention includes a nozzle for discharging droplets, a discharge chamber communicating with the nozzle, and an electrostatic actuator according to the present invention for pressurizing liquid in the discharge chamber. It is.
[0023]
An ink jet recording apparatus according to the present invention has the droplet discharge head according to the present invention mounted thereon as an ink jet head for discharging ink droplets.
[0024]
A liquid supply cartridge according to the present invention integrates the droplet discharge head according to the present invention for discharging liquid droplets and a liquid supply tank for supplying liquid to the droplet discharge head.
[0025]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. An ink jet head according to a first embodiment of the droplet discharge head of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 is an exploded perspective view of the head, FIG. 2 is a cross-sectional view of the discharge chamber of the head along the longitudinal direction of the diaphragm, and FIG. 3 is a cross-section of the discharge part of the head along the lateral direction of the diaphragm. FIG. 4 is an explanatory cross-sectional view of the pressure correction unit of the head along the longitudinal direction of the deformable plate, and FIG. 5 is a plan explanatory view of the deformable plate of the head on the side of the pressure correction chamber.
[0026]
This head is of a side shooter type that discharges ink droplets from nozzle holes provided on the surface of the substrate, and has a laminated structure in which a flow path substrate 1, an electrode substrate 2, and a nozzle substrate 3 are joined. I have. By joining the flow path substrate 1 and the nozzle substrate 3, an ink is supplied to each of the ejection chambers 6 through a fluid resistance portion, which is not shown, and to each of the ejection chambers 6 (not shown) through which a plurality of nozzle holes 4 for ejecting ink droplets communicate. A common liquid chamber (common ink chamber) is formed. Note that an edge shooter type can also be used.
[0027]
Further, by joining the flow path substrate 1 and the electrode substrate 2, a vibration chamber 11 having the vibration plate 10 as one surface, an electrode 12 facing the vibration plate 10 with a predetermined gap therebetween, and A pressure correction chamber 13 communicating with each vibration chamber 11 and a communication passage 15 communicating between the vibration chambers 11 and the pressure correction chamber 13 are formed by using a deformable plate 14 that is a deformable portion that is displaced in response to one surface. are doing. The vibrating plate 10, the vibrating chamber 11, the electrode 12, the pressure correcting chamber 13, the deformable plate 14, and the communication path 15 constitute an electrostatic actuator according to the present invention.
[0028]
Here, the flow path substrate 1 is made of, for example, a silicon substrate, and a high-concentration p-type diffusion layer such as boron is formed and anisotropically etched with a KOH aqueous solution or the like to stop the high-concentration p-type diffusion layer from being etched. The diaphragm 10 is formed at the same time as the concave portion serving as the discharge chamber 6 is formed by using the layer forming technique. The flow path substrate 1 is formed with a concave portion having a deformable plate 14 at the bottom.
[0029]
The electrode substrate 2 has an insulating film 22 such as a silicon oxide film formed on a silicon substrate 21, a concave portion serving as the vibration chamber 11 is formed in the insulating film 22, and an electrode facing the diaphragm 10 is formed on the bottom surface of the concave portion. 12 are formed, and a concave portion serving as the pressure correction chamber 13 is formed. Although not shown, an insulating film such as a silicon oxide film is formed on at least the surface of the electrode 12 to prevent an electrical short circuit or the like due to contact with the vibration plate 11.
[0030]
After joining the flow path substrate 1 and the electrode substrate 2, the concave portion serving as the vibration chamber and the concave portion serving as the pressure correction chamber 13 are sealed with a sealant 25 to define the vibration chamber 11 and the pressure correction chamber 13. are doing.
[0031]
Here, the deformable plate 14 forming the wall surface of the pressure correction chamber 13 has a lower rigidity than the diaphragm 11 and can be deformed and displaced in accordance with a change in the outside air pressure. As shown in FIG. 5, the surface area of the deformable plate 14 on the pressure correction chamber 13 side has a contact area when the deformable plate 14 comes into contact with the wall surface 13 a of the pressure correction chamber 13. A large number of minute projections 16 as means for reducing the number of protrusions are formed.
[0032]
The nozzle substrate 3 uses, for example, a 50 μm-thick nickel substrate, and has a nozzle hole 4 on the surface of the nozzle substrate 3 so as to communicate with the discharge chamber 6. In addition, the nozzle substrate 3 can be formed of another metal material, a resin material, or a multilayer structure thereof.
[0033]
In this head thus configured, a pulse potential of 0 V to 40 V is applied to the electrode 12 by an oscillation circuit, and when the surface of the electrode 12 is positively charged, the head and the diaphragm 10 to which no pulse potential is applied are applied. The function of attracting static electricity acts, and the diaphragm 10 bends toward the electrode 12, and the diaphragm 10 contacts the electrode 12 via an insulating film (not shown).
[0034]
At this time, the ink is supplied from the common liquid chamber into the ejection chamber 6 through the fluid resistance part. Thereafter, by returning the potential to the electrode 12 to 0 V, the electrostatic force acting between the electrode 12 and the diaphragm 10 becomes zero, and the flexed diaphragm 10 returns to its original state with its own restoring force. At times, the pressure in the ejection chamber 6 rises rapidly, and ink droplets are ejected from the nozzle holes 4.
[0035]
Here, when the external pressure fluctuates and a pressure difference occurs between the vibration chamber 11 and the external pressure, the deformable plate 14 has a lower rigidity than the vibration plate 10 and can be deformed and displaced in accordance with the external pressure. When the pressure in the vibration chamber 11 becomes higher than the outside air pressure, the deformable plate 14 forming the wall surface of the pressure correction chamber 13 is deformed and displaced in a direction to enlarge the volume of the pressure correction chamber 13 and the deformation of the vibration plate 10 is suppressed. When the outside air pressure becomes higher than the pressure in the vibration chamber 11, the deformable plate 14 forming the wall surface of the pressure correction chamber 13 is deformed and displaced in a direction to reduce the volume of the pressure correction chamber 13, and the deformation of the vibration plate 10 is suppressed. You.
[0036]
In this case, since the gap between the deformable plate 14 and the opposing surface 13a of the pressure correction chamber 13 is narrow, the deformable plate 14 easily contacts the opposing surface 13a of the pressure correction chamber 13; Since the minute projections 16 are provided on the surface on the side of the chamber 13, the minute projections 16 come into contact with the opposing surface 13 a of the pressure compensation chamber 13. This is significantly reduced as compared with the case where the contact surface 13a comes into contact with the facing surface 13a.
[0037]
Thereby, even when the deformable plate 14 comes into contact with the opposing surface 13a of the pressure compensation chamber 13, the contact area is small, so that the van der Waals force, the adsorbed water, and the adsorbing force due to the residual charge acting upon the contact are substantially reduced. Thus, the sticking of the deformable plate 14 can be suppressed. As a result, it is possible to avoid impairing the function of the deformable plate 14, that is, the function of the pressure compensation chamber 13, and to perform a stable compensation operation for a long time. The gap with the opposing surface 13a can be narrowed, so that the size of the head is not increased.
[0038]
Thus, in this head, by providing a means for reducing the contact area on the deformable plate of the pressure correction chamber, a stable correction operation can be performed. Variations in the initial position of the diaphragm due to pressure differences can be suppressed, variations in ink ejection characteristics can be suppressed, stable droplet ejection can be performed, and a highly accurate and highly reliable droplet ejection head can be realized. Therefore, a highly accurate and highly reliable element can be provided also in a micropump or a light modulation device using the electrostatic actuator of the droplet discharge head.
[0039]
Here, the shape of the minute projection 16 is not particularly limited. As the vertical cross-sectional shape, for example, a rectangular shape (square shape) as shown in FIG. 6A, a triangular shape as shown in FIG. 6B, and a trapezoidal shape (deformable plate) as shown in FIG. 14 is wider). In this case, from the viewpoint of the production yield, the stability of the structure, and the function of reducing the contact area, it is particularly preferable that the vertical cross-sectional shape is trapezoidal, that is, the contact surface is further narrowed.
[0040]
The cross-sectional shape is, for example, rectangular (square) as shown in FIG. 7A, circular as shown in FIG. 7B, and triangular as shown in FIG. The shape is not limited to these point shapes, and may be a long shape (linear shape) as shown in FIG.
[0041]
Further, the arrangement of the microprojections 16 is not limited to the arrangement example shown in FIG. 5 described above, but may be a line arrangement such as one row, two rows, three rows, a staggered arrangement, a ring arrangement, or a random arrangement. be able to. However, in the arrangement where the minute projections 16 are provided, the thickness of the deformable plate 14, the short side width, and the distance between the deformable plate 14 and the opposing surface are taken into consideration, and the deformable plate 14 is formed by the pressure difference between the pressure correction chamber 13 and the outside air. It is preferable that the arrangement besides the protrusion 16 does not make contact.
[0042]
In the above-described embodiment, an example is described in which the vibration chambers of a plurality of actuators communicate with each other in the head. However, the present invention can also be applied to a case where the vibration chambers of each actuator are independent. However, when each of the vibration chambers is independent, it is necessary to provide a pressure correction chamber for each independent portion, and to provide a means for reducing the contact area of the deformable portion for each pressure correction chamber.
[0043]
Further, in the case where a configuration in which minute projections are provided also on the rear surface (side surface of the vibration chamber) of the diaphragm to prevent sticking of the diaphragm is adopted, the rear surface of the diaphragm and the surface of the deformable plate on the pressure correction chamber side are At the same time, that is, the minute projections can be provided by the same process using the same material, and in this case, an increase in the process can be prevented.
[0044]
Here, as a method of forming the minute projections, either a method of directly forming the projections on the plane, or a method of forming the engraving on the plane and forming the remaining portions as the minute projections may be used.
[0045]
Next, an ink jet head according to a second embodiment of the droplet discharge head of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3 is an explanatory cross-sectional view of the pressure correction unit of the head along the longitudinal direction of the deformable plate.
In this head, minute projections 16 are provided on the opposing surface 13a of the pressure correction chamber 13 opposing the deformable plate 14. Even in this case, the same operation and effect as those of the first embodiment can be obtained, and it is possible to cope with a case where it is difficult or difficult to form minute projections on the deformable plate side by a manufacturing process.
[0046]
In addition, in the case of employing a configuration in which minute projections are provided on the surface (electrode side) facing the diaphragm to also prevent sticking of the diaphragm, the diaphragm facing surface and the deformable plate are simultaneously placed on the facing surface. The minute projections can be provided by the same process using the same material, and this can prevent an increase in the number of processes.
[0047]
Next, an ink jet head according to a third embodiment of the droplet discharge head of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view of a main portion of the pressure compensating portion of the head and the vibrating chamber along a lateral direction of the deformable plate.
In this head, an insulating film 18 made of a silicon oxide film is formed on the surface of the electrode 12 facing the vibration plate 10, and when the insulating film 18 is formed, the opposing surface 13 a of the pressure compensation chamber 13 facing the deformable plate 14. The micro projections 16 made of a silicon oxide film are formed on the substrate.
[0048]
That is, it is preferable to use a semiconductor technology for forming a microstructure such as an ink jet head. If a pressure compensation chamber can be formed together with the formation of an actuator section, an increase in the number of processes can be suppressed, and cost reduction can be achieved. Can be planned.
[0049]
In this case, if the pressure compensation chamber 13 is formed at the same time as the formation of the vibration chamber 11, there are some restrictions on the configuration of the pressure compensation chamber 13. In the vibration chamber 11, when the electrode 12 abuts on the opposing surface (the surface on the side of the diaphragm 10) at the time of driving, at least one of the electrode surface and the opposing surface is provided so as not to cause an electric short circuit. An insulating layer must be formed. Even when they are not in contact with each other, there is a fear of discharge, so that the presence of an insulating layer increases reliability. When the material of the insulating layer is silicon oxide (silicon oxide film), a forming method can be used in various semiconductor processes.
[0050]
Therefore, in this embodiment, a silicon oxide film is formed as an insulating layer (insulating film) 18 of the actuator section (vibration chamber 11), and is also formed in the pressure correction chamber 13 at the same time. The minute protrusions 16 are formed by removing portions other than the portions corresponding to the minute protrusions 16 by etching.
[0051]
In this case, the minute projections 16 can be formed at the stage of forming a silicon oxide layer for forming the insulating film 18, that is, without any etching. FIG. 11 shows an example of this case.
[0052]
Note that it is not necessary to form the insulating film of the actuator section and the microprojection material layer of the pressure compensation chamber at the same time. Even when the microprojection material layer of the pressure compensation chamber is a silicon oxide film, the insulating layer of the actuator section is formed of silicon oxide. It does not need to be a membrane.
[0053]
In the case where an insulating layer is formed on the diaphragm side, it is preferable to use silicon nitride as the insulating layer. In such a case, it is preferable to form minute projections 16 made of a silicon nitride film also on the deformable plate 14 of the pressure compensation chamber 13.
[0054]
That is, when the silicon oxide film is formed on a low rigidity portion, a compressive stress is generated between the materials, and the low rigidity portion is bent. If the electrostatic actuator does not accurately form the gap length between the electrodes on which the electrostatic force acts, the desired characteristics cannot be obtained. Therefore, the silicon oxide film bends a portion having low rigidity, and as a result, the gap length becomes an undesired value. , Sufficient function as an actuator cannot be expected.
[0055]
On the other hand, since the silicon nitride film is a film having a tensile stress, even if the silicon nitride film is formed at a low rigidity portion, the low rigidity portion does not bend, and the gap length between the electrodes on which electrostatic force acts is changed. As a result, the function of the actuator is not impaired.
[0056]
Therefore, as described above, when silicon nitride is used as an insulating layer necessary for the actuator section, a silicon nitride film is simultaneously formed in the pressure compensation chamber, and the material of the minute projections in the silicon nitride film pressure compensation chamber is formed. It is good to use as.
[0057]
However, also in this case, it is not necessary to simultaneously form the insulating film of the actuator section and the microprojection material layer of the pressure compensation chamber. Even when the microprojection material is a silicon nitride film, the insulating layer of the actuator section is formed of a silicon nitride film. It is not necessary to form with.
[0058]
Next, a specific head configuration and its evaluation will be described.
(Example 1)
A head having fine projections was formed by the following method. This manufacturing method will be described with reference to FIG. FIG. 1A is a cross-sectional view of a 1-bit actuator section, and FIG. 2B is a cross-sectional view of a pressure correction chamber.
[0059]
In FIG. 1A, first, a silicon substrate 31 is coated with SiO 2. 2 After a film 32 is formed, a polysilicon layer 33 serving as an electrode and a partition is formed, and then engraving is formed by etching so as to form a SiN layer 34, thereby forming the electrode 12 made of the polysilicon layer 33. At this time, the electrodes 12 are electrically independent in each actuator section. Thereafter, SiN 34 is formed by CVD, and SiO 2 Embed the engraving at 35. Then, after polishing the surface, an SiN layer 36 is formed, and further a polysilicon layer 37 is formed. Thereafter, the internal SiO 2 is formed through a hole 38 provided as shown in FIG. 2 The vibration chamber 11 is formed by etching and removing 35.
[0060]
In FIG. 2B, formation of the pressure correction chamber is performed in substantially the same process as that of the actuator section. The difference is that the portion of the polysilicon layer 33 corresponding to the bottom surface of the pressure compensation chamber is removed because the electrode 12 is not formed. 2 After forming the surface 35 and polishing the surface, forming the engraving at the position where the minute projection 16 is to be formed, the SiN layer 36 is formed, and the polysilicon layer 37 is further formed. As a result, the deformable plate 14 in which the minute protrusions 16 are integrally formed by the SiN layer 36 is formed, 2 By removing 35, the pressure compensation chamber 13 having the minute projections 16 is formed on the back surface of the deformable plate 14.
[0061]
The parameters of each part of the head were as follows.
Diaphragm: thickness t = 2 μm, short side length a = 125 μm, long side length b = 1000 μm
Deformable plate: thickness t = 2 μm, short side length a = 2000 μm, long side length b = 10 mm
Electrode shape: The electrode was formed so as to be parallel to the diaphragm. The air gap length between the electrode and the diaphragm was designed to be 0.2 μm in specifications.
Microprojections: height t = 0.2 μm, area 3 × 3 μm.
The arrangement was in the form of a matrix having a pitch of 60 μm before, after, left and right.
Formed on the back of a deformable plate.
[0062]
(Comparative Example 1)
In the same manufacturing process as in Example 1, a head having no fine protrusions was manufactured. Since no minute projections are produced, SiO 2 After forming 35 and polishing the surface, the SiN 36 is deposited without forming an engraving at the position where the minute projection 16 is to be formed.
[0063]
(Evaluation method and results)
With respect to the head of Example 1 and the head of Comparative Example 1, the deformable plate is pressed with a needle in the air to bring the deformable plate into contact with the opposing surface, and thereafter, the deformable plate is stuck on the opposing surface. Checked whether.
[0064]
At this time, when evaluation was performed on a plurality of heads, sticking did not occur in the head of Example 1, but sticking occurred almost certainly in the head of Comparative Example 1.
[0065]
Here, the main causes of sticking are considered to be an atomic force, a liquid bridging force, and a hydrogen bonding force. In a deformable portion that causes such sticking, a desired pressure correction cannot be obtained, and reliability as a head cannot be expected.
[0066]
(Example 2)
A head having fine projections was formed by the following method. That is, after an oxide film was formed on a silicon substrate, the oxide film was carved, an electrode was formed by forming TiN on the carved film, and the silicon oxide film was formed as an insulating layer on the electrode. Here, TiN may be formed in the pressure compensation chamber, but is not formed. The silicon oxide film in the pressure compensation chamber is etched to form minute projections, which are used as an electrode substrate.
[0067]
On the other hand, a vibration plate, a common liquid chamber, a deformable plate accompanying the vibration plate, and the like are formed on another silicon substrate by etching, and this is used as a flow path substrate. At this time, the diaphragm and the deformable plate were formed in exactly the same process.
[0068]
Thereafter, the flow channel substrate was directly bonded on the electrode substrate. The number of actuators formed in one head is 192 in one row. Here, all the vibration chambers in one row communicate with one pressure compensation chamber.
[0069]
(Comparative Example 2)
A head having no minute projections was manufactured in the same manufacturing process as in Example 2 described above. Since the fine projections are not formed, the fine projection forming step in the manufacturing process of the electrode substrate is not performed.
[0070]
The parameters of each part of the head were as follows.
Diaphragm: thickness t = 2 μm, short side length a = 125 μm, long side length b = 1000 μm
Deformable plate: thickness t = 2 μm, short side length a = 2000 μm, long side length b = 10 mm
Electrode shape: The electrode was formed so as to be parallel to the diaphragm. The air gap length between the electrode and the diaphragm was designed to be 0.2 μm in specifications.
Microprojections: height t = 0.2 μm, area 3 × 3 μm.
The arrangement was in the form of a matrix having a pitch of 60 μm before, after, left and right.
It was formed on the back surface of the deformable part.
[0071]
(Evaluation method and results)
Regarding the head of Example 2 and the head of Comparative Example 2 described above, the deformable plate is pressed with a needle in air to bring the deformable plate into contact with the opposing surface, and then the deformable plate is stuck on the opposing surface. Checked whether.
[0072]
At this time, when a plurality of heads were evaluated, sticking did not occur in the head of Example 2 but sticking occurred almost certainly in the head of Comparative Example 2.
[0073]
Next, an ink jet head according to a fourth embodiment of the droplet discharge head of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3 is an explanatory cross-sectional view of the head along a deformable plate longitudinal direction.
In this head, the surface 13b of the pressure compensation chamber 13 facing the deformable plate 14 is subjected to a surface roughening process for increasing the surface roughness. In this case, the surface roughness of the facing surface 13b is the same as the surface roughness in the vibration chamber (when the surface in the vibration chamber is also subjected to the surface roughening process) or is larger than the surface roughness in the vibration chamber (the surface roughness in the vibration chamber). Also when no roughening treatment is performed).
[0074]
In this manner, by performing the surface roughening treatment on the opposing surface 13b of the pressure compensation chamber 13 with which the deformable plate 14 contacts, the contact area at the time of contact can be reduced. Even when the plate 14 contacts the opposing surface 13b of the pressure compensation chamber 13, since the contact area is small, the van der Waals force, adsorption water, and adsorption force due to adsorbed water and residual charges that act upon the contact are substantially suppressed and can be deformed. Sticking of the plate 14 can be suppressed, and as a result, the function of the deformable plate 14, that is, the function of the pressure correction chamber 13 can be prevented from being impaired, and a stable correction operation can be performed for a long time.
[0075]
Next, a specific head configuration and its evaluation will be described.
(Example 3)
The method of fabricating the head is the same as that described in the second embodiment, but instead of forming minute projections, before the direct bonding between the electrode substrate and the vibration substrate, the portion to be the facing surface of the deformable portion is Ar A surface roughening process step of performing roughening by dry etching using a gas is performed.
[0076]
(Comparative Example 3)
The device was manufactured in the same manner as in Example 3, except that no fine protrusions were provided, and the facing surface was not subjected to a roughening treatment.
[0077]
The parameters of each part of the head were as follows.
Diaphragm: thickness t = 2 μm, short side length a = 125 μm, long side length b = 1000 μm
Deformable plate: thickness t = 2 μm, short side length a = 1000 μm, long side length b = 10 mm
Electrode shape: The electrode was formed so as to be parallel to the diaphragm. The air gap length between the electrode and the diaphragm was designed to be 0.2 μm in specifications.
[0078]
(Evaluation method and results)
Regarding the head of Example 3 and the head of Comparative Example 3 described above, the deformable plate is pressed with a needle in the air to bring the deformable plate into contact with the opposing surface, and then the deformable plate is stuck on the opposing surface. Checked whether.
[0079]
At this time, when a plurality of heads were evaluated, sticking did not occur in the head of Example 3, but sticking occurred almost certainly in the head of Comparative Example 3.
[0080]
Next, an ink jet head according to a fifth embodiment of the droplet discharge head of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3 is an explanatory cross-sectional view of the head along a deformable plate longitudinal direction.
In this head, a hydrophobic film 26 is formed on a surface 13a of the pressure compensation chamber 13 facing the deformable plate 14. Examples of the material of the hydrophobic film 26 include perfluorodecanoic acid (PFDA) and hexamethyl zirazazane (HMDS). HMDS has smaller molecules and is suitable for forming a film in a narrow space. .
[0081]
Thus, by forming the hydrophobic film 26 on the opposing surface 13a of the pressure compensation chamber 13 with which the deformable plate 14 contacts, it is possible to prevent sticking due to liquid bridging force and hydrogen bonding force (sticking due to adsorbed water). Can be. As a result, it is possible to avoid impairing the function of the deformable plate 14, that is, the function of the pressure correction chamber 13, and to perform a stable correction operation for a long period of time.
[0082]
Next, a specific head configuration and its evaluation will be described.
(Example 4)
The method of fabricating the head was the same as that described in Example 2 above, except that no fine protrusions were formed, and after bonding, dipping was performed in HMDS to form a HMDS film in the pressure compensation chamber.
[0083]
(Comparative Example 4)
The device was manufactured in the same manner as in Example 4, except that no fine protrusions were formed and no hydrophobic film was formed.
[0084]
The parameters of each part of the head were as follows.
Diaphragm: thickness t = 2 μm, short side length a = 125 μm, long side length b = 1000 μm
Deformable plate: thickness t = 2 μm, short side length a = 300 μm, long side length b = 10 mm
Electrode shape: The electrode was formed so as to be parallel to the diaphragm. The air gap length between the electrode and the diaphragm was designed to be 0.2 μm in specifications.
[0085]
(Evaluation method and results)
Regarding the head of Example 4 and the head of Comparative Example 4, the deformable plate is pressed with a needle in the air to bring the deformable plate into contact with the opposing surface, and then the deformable plate is stuck on the opposing surface. Checked whether.
[0086]
Next, after leaving the head of Example 4 and the head of Comparative Example 4 for 1 hour in an environment test room at 30 ° C. and 60% relative humidity, the deformable portions of both heads are pushed with a needle, and the deformable portions are placed on the opposing surfaces. The contact was made to check whether the deformable portion was sticked.
[0087]
At this time, when a plurality of heads were evaluated, it was confirmed that the head of Comparative Example 4 did not stick in the air, but did stick in the environmental test room. On the other hand, in the head of Example 4 in which the HMDS film was formed, it was confirmed that sticking did not occur in the air and in the environmental test chamber.
[0088]
Next, an ink jet head according to a sixth embodiment of the droplet discharge head of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3 is an explanatory cross-sectional view of the head along a deformable plate longitudinal direction.
In this head, a conductive layer (conductive film) 27 is formed on a surface 13a of the pressure compensation chamber 13 facing the deformable plate 14. Examples of the conductive layer 27 include a metal material such as TiN and a semiconductor material such as polysilicon. Here, the conductive layer 27 is connected to GND (grounded).
[0089]
As described above, by forming the conductive layer 27 on the opposing surface 13a of the pressure compensation chamber 13 with which the deformable plate 14 contacts, static electricity generated in the contact portion for some reason is considered as one of the causes of sticking. Charge can be released, and sticking due to static charge can be prevented. As a result, it is possible to avoid impairing the function of the deformable plate 14, that is, the function of the pressure correction chamber 13, and to perform a stable correction operation for a long period of time.
[0090]
Next, a specific head configuration and its evaluation will be described.
(Example 5)
The method of manufacturing the head is the same as that described in the third embodiment. However, here, a TiN layer was formed in the pressure compensating section simultaneously with the formation of the electrodes in the actuator section. Thereafter, before direct bonding, the oxide film of the TiN layer was removed by dry etching.
[0091]
The parameters of each part of this head were as follows.
Diaphragm: thickness t = 2 μm, short side length a = 125 μm, long side length b = 1000 μm
Deformable plate: thickness t = 2 μm, short side length a = 300 μm, long side length b = 10 mm
Electrode shape: The electrode was formed so as to be parallel to the diaphragm. The air gap length between the electrode and the diaphragm was designed to be 0.2 μm in specification.
[0092]
(Evaluation method and results)
A potential difference is applied between the TiN layer (conductive layer 27) of the pressure compensation chamber and the deformable plate, and the deformable plate is brought into contact with the TiN layer by electrostatic attraction. Thereafter, when the deformable plate and the TiN layer were directly floated, the deformable plate remained sticking to the facing surface. However, when the TiN layer was set to GND, it was confirmed that the deformable plate was detached from the opposing surface and sticking was eliminated.
[0093]
Next, an example of an electrostatic head of another embodiment to which the present invention is applied will be described with reference to FIG.
The head is electrically separated from the vibration plate 10 via an insulating film 10 a on the surface of the vibration plate 10 opposite to the discharge chamber 6, and from a plurality of structures electrically separated from each other. Electrode 42 is provided.
[0094]
In this head, when a pulse potential of 0 V to 40 V is applied to one of the adjacent electrodes 42 and 42 and 0 V is applied to the other, an electrostatic force is generated between the adjacent electrodes 42 and 42 and the free end side attracts. Therefore, the diaphragm 10 bends. As a result, the pressure in the ejection chamber 6 rises sharply, and ink droplets are ejected.
[0095]
In such a head as well, a pressure correction chamber communicating with the vibration chamber 11 is provided as in the above-described embodiments, and at least one surface of the pressure correction chamber is a deformable portion that can be deformed in accordance with the outside air pressure. By providing a means for reducing the contact area between the deformable portion and the surface facing the pressure compensation chamber, a stable droplet ejection operation can be performed for a long period of time.
[0096]
Next, an ink cartridge (ink tank integrated type head) as a liquid supply cartridge according to the present invention will be described with reference to FIG.
The ink cartridge 100 integrates the ink jet head 102 having any one of the above-described embodiments having the nozzle holes 101 and the like, and the ink tank 103 that supplies ink to the ink jet head 102.
[0097]
As described above, by integrating the ink jet head, which is the droplet discharge head according to the present invention, with the ink tank, an ink cartridge (which integrates a highly reliable droplet discharge head having stable droplet discharge characteristics) An ink tank integrated head) can be obtained, and the cost of the tank integrated head can be reduced.
[0098]
Next, an example of an ink jet recording apparatus equipped with the droplet discharge head according to the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 18 is a perspective view of the recording apparatus, and FIG. 19 is a side view of a mechanism of the recording apparatus.
[0099]
The inkjet recording apparatus includes a carriage movable in the main scanning direction inside the recording apparatus main body 111, a recording head including the inkjet head according to the present invention mounted on the carriage, an ink cartridge for supplying ink to the recording head, and the like. A paper cassette (or a paper tray) 114 capable of loading a large number of sheets 113 from the front side is detachably attached to a lower portion of the apparatus main body 111. The manual feed tray 115 for manually feeding the paper 113 can be opened, and the paper 113 fed from the paper feed cassette 114 or the manual feed tray 115 is taken in. After the image is recorded, the sheet is discharged to a sheet discharge tray 116 mounted on the rear side.
[0100]
The printing mechanism 112 holds the carriage 123 slidably in the main scanning direction (the direction perpendicular to the paper surface of FIG. 19) by a main guide rod 121 and a sub guide rod 122, which are guide members that are horizontally mounted on left and right side plates (not shown). On the carriage 123, a head 124 composed of an inkjet head, which is a droplet discharge head according to the present invention, which discharges ink droplets of each color of yellow (Y), cyan (C), magenta (M), and black (Bk). Are arranged in a direction intersecting the main scanning direction with a plurality of ink ejection ports, and are mounted with the ink droplet ejection direction facing downward. Each ink cartridge 125 for supplying each color ink to the head 124 is exchangeably mounted on the carriage 123. The head-integrated head (ink cartridge) according to the present invention may be mounted.
[0101]
The ink cartridge 125 has an upper air port that communicates with the atmosphere, a lower supply port for supplying ink to the inkjet head, and a porous body filled with ink inside. Maintains the ink supplied to the inkjet head at a slight negative pressure.
[0102]
Further, although the heads 124 of each color are used as the recording heads here, a single head having nozzles for ejecting ink droplets of each color may be used.
[0103]
Here, the carriage 123 is slidably fitted on the main guide rod 121 on the rear side (downstream side in the paper conveyance direction), and is slidably mounted on the front guide rod 122 on the front side (upstream side in the paper conveyance direction). are doing. In order to move and scan the carriage 123 in the main scanning direction, a timing belt 130 is stretched between a drive pulley 128 and a driven pulley 129 which are driven to rotate by a main scanning motor 127. , And the carriage 123 is reciprocally driven by forward and reverse rotation of the main scanning motor 127.
[0104]
On the other hand, in order to convey the paper 113 set in the paper feed cassette 114 to the lower side of the head 124, the paper 113 is guided by a paper feed roller 131 and a friction pad 132 for separating and feeding the paper 113 from the paper feed cassette 114. A guide member 133, a transport roller 134 that transports the fed paper 113 in a reversed state, a transport roller 135 pressed against the peripheral surface of the transport roller 134, and a leading end that defines an angle at which the paper 113 is fed from the transport roller 134. A roller 136 is provided. The transport roller 134 is driven to rotate by a sub-scanning motor 137 via a gear train.
[0105]
Further, an image receiving member 139 is provided as a paper guide member for guiding the paper 113 sent from the transport roller 134 below the recording head 124 in accordance with the movement range of the carriage 123 in the main scanning direction. On the downstream side of the printing receiving member 139 in the paper transport direction, there are provided a transport roller 141 and a spur 142 which are driven to rotate to transport the paper 113 in the paper discharge direction. Rollers 143 and spurs 144 and guide members 145 and 146 forming a paper discharge path are provided.
[0106]
At the time of recording, the recording head 124 is driven in accordance with an image signal while moving the carriage 123, thereby ejecting ink to the stopped paper 113 to record one line, and after transporting the paper 113 by a predetermined amount, Record the line. Upon receiving a recording end signal or a signal indicating that the rear end of the sheet 113 has reached the recording area, the recording operation is terminated and the sheet 113 is discharged. In this case, the inkjet head according to the present invention, which forms the head 124, has improved controllability of ink droplet ejection and suppresses characteristic fluctuation, so that an image of high image quality can be stably recorded.
[0107]
In addition, a recovery device 147 for recovering the ejection failure of the head 124 is disposed at a position outside the recording area on the right end side in the moving direction of the carriage 123. The recovery device 147 has a cap unit, a suction unit, and a cleaning unit. The carriage 123 is moved to the recovery device 147 side during printing standby, the head 124 is capped by the capping means, and the ejection port is kept in a wet state, thereby preventing ejection failure due to ink drying. In addition, by discharging ink that is not related to printing during printing or the like, the ink viscosity of all the discharge ports is kept constant, and stable discharge performance is maintained.
[0108]
In the event of a discharge failure, for example, the discharge port (nozzle) of the head 124 is sealed by a capping unit, and air bubbles and the like are sucked out of the discharge port by a suction unit through a tube, and ink or dust adhered to the discharge port surface. Is removed by the cleaning means, and the ejection failure is recovered. The sucked ink is discharged to a waste ink reservoir (not shown) provided at a lower portion of the main body, and is absorbed and held by an ink absorber inside the waste ink reservoir.
[0109]
As described above, since the inkjet recording apparatus is equipped with the inkjet head, which is the droplet ejection head according to the present invention, stable droplet ejection characteristics can be obtained over a long period, and recording with high image quality can be performed. it can.
[0110]
In the above embodiment, an example in which the droplet discharge head is applied to an inkjet head has been described. However, as a droplet discharge head other than the inkjet head, for example, a droplet discharge head that discharges a liquid resist as a droplet, a DNA The present invention can be applied to other droplet discharge heads such as a droplet discharge head that discharges the sample as droplets. Also applicable to micro pumps, optical devices (optical modulation devices), micro switches (micro relays), multi-optical lens actuators (optical switches), micro flow meters, pressure sensors, etc. can do.
[0111]
【The invention's effect】
As described above, according to the electrostatic actuator of the present invention, at least one surface of the pressure correction chamber communicating with the vibration chamber is provided with a deformable portion that can be displaced in accordance with the external pressure. Since the configuration is provided with means for reducing the contact area when the possible portion comes into contact with the facing surface, a small actuator having stable operation characteristics can be obtained.
[0112]
According to the electrostatic actuator according to the present invention, at least one surface of the pressure correction chamber communicating with the vibration chamber is provided with a deformable portion that can be displaced in accordance with an external pressure, and the deformable portion of the pressure correction chamber is provided. Since the configuration is such that the hydrophobic film is formed on the contacting surface, a small actuator having stable operation characteristics can be obtained.
[0113]
According to the electrostatic actuator according to the present invention, at least one surface of the pressure correction chamber communicating with the vibration chamber is provided with a deformable portion that can be displaced in accordance with the outside air pressure, and the deformable portion of the pressure correction chamber is provided. Since the conductive layer is formed on the contacting surface, a small actuator having stable operation characteristics can be obtained.
[0114]
According to the droplet discharge head according to the present invention, since the droplet discharge head includes the electrostatic actuator according to the present invention, stable droplet discharge characteristics are obtained, and reliability and image quality are improved.
[0115]
According to the inkjet recording apparatus of the present invention, since the inkjet head that ejects ink droplets is the droplet ejection head of the present invention, high-quality recording can be performed.
[0116]
According to the liquid supply cartridge according to the present invention, since the droplet discharge head according to the present invention and the station supply tank are integrated, a cartridge having a head that achieves stable droplet discharge characteristics and improves reliability and image quality Is obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an exploded perspective view of an inkjet head according to a first embodiment of a droplet discharge head according to the present invention including an electrostatic actuator according to the present invention.
FIG. 2 is an explanatory cross-sectional view of an actuator section of the head along a longitudinal direction of a diaphragm.
FIG. 3 is an explanatory cross-sectional view of the actuator section of the head taken along the lateral direction of the diaphragm.
FIG. 4 is an explanatory cross-sectional view of a pressure compensating portion of the head along a deformable plate longitudinal direction.
FIG. 5 is an explanatory cross-sectional view of the pressure compensating section of the head along the width direction of the deformable plate.
FIG. 6 is an explanatory view illustrating an example in which the vertical projections of the minute projections are different.
FIG. 7 is an explanatory view illustrating an example in which the cross-sectional shape of the minute projection is different.
FIG. 8 is an explanatory plan view for explaining another example of the cross-sectional shape and arrangement example of the minute projections.
FIG. 9 is an explanatory cross-sectional view of the pressure correction unit of the inkjet head according to the second embodiment along the longitudinal direction of the deformable plate;
FIG. 10 is an explanatory cross-sectional view of the inkjet head according to the third embodiment, taken along the lateral direction of the diaphragm.
FIG. 11 is an explanatory cross-sectional view of the pressure correction unit of the inkjet head along the longitudinal direction of the deformable plate for explaining another example of the embodiment;
FIG. 12 is an explanatory sectional view for explaining a manufacturing process of the droplet discharge head according to the present invention;
FIG. 13 is an explanatory cross-sectional view of the pressure correction unit of the inkjet head according to the fourth embodiment along the longitudinal direction of the deformable plate;
FIG. 14 is an explanatory cross-sectional view of the pressure correction unit of the inkjet head according to the fifth embodiment along the longitudinal direction of the deformable plate;
FIG. 15 is an explanatory cross-sectional view of the pressure correction unit of the inkjet head according to the sixth embodiment along the longitudinal direction of the deformable plate;
FIG. 16 is an explanatory cross-sectional view taken along the transverse direction of a diaphragm, illustrating an example of another type of electrostatic liquid droplet ejection head to which the present invention is applied.
FIG. 17 is a perspective explanatory view for explaining a liquid supply cartridge according to the present invention.
FIG. 18 is a perspective explanatory view illustrating an example of an ink jet recording apparatus according to the present invention.
FIG. 19 is an explanatory diagram of a mechanism of the recording apparatus.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Flow path board, 2 ... Electrode board, 3 ... Nozzle board, 4 ... Nozzle hole, 6 ... Discharge chamber, 7 ... Fluid resistance part, 8 ... Common liquid chamber, 10 ... Vibration plate, 11 ... Vibration chamber, 12 ... Electrodes, 13: pressure compensation chamber, 14: deformable plate, 15: communication path, 16: minute projection, 26: hydrophobic film, 27: conductive layer, 100: ink cartridge, 124: recording head.

Claims (10)

変形可能な振動板を少なくとも一つの面とする振動室と、前記振動板に対向する電極と、前記振動室に連通する圧力補正室とを有し、前記圧力補正室の少なくとも一つの面には外気圧に応じて変位し得る変形可能部が設けられ、前記振動板を静電力で変形させる静電型アクチュエータにおいて、前記変形可能部が対向する面と接触するときの接触面積を低減する手段を有することを特徴とする静電型アクチュエータ。A vibration chamber having a deformable diaphragm as at least one surface, an electrode facing the diaphragm, and a pressure correction chamber communicating with the vibration chamber, wherein at least one surface of the pressure correction chamber has A deformable portion that can be displaced in accordance with an external pressure is provided, and in an electrostatic actuator that deforms the vibration plate with electrostatic force, means for reducing a contact area when the deformable portion comes into contact with an opposing surface. An electrostatic actuator comprising: 請求項1に記載の静電型アクチュエータにおいて、前記変形可能部の圧力補正室側に微小突起が形成されていることを特徴とする静電型アクチュエータ。2. The electrostatic actuator according to claim 1, wherein minute projections are formed on the pressure correcting chamber side of the deformable portion. 請求項1又は2に記載の静電型アクチュエータにおいて、前記変形可能部と対向する面に微小突起が形成されていることを特徴とする静電型アクチュエータ。3. The electrostatic actuator according to claim 1, wherein minute projections are formed on a surface facing the deformable portion. 請求項2又は3に記載の静電型アクチュエータにおいて、前記微小突起の材質が酸化シリコン又は窒化シリコンであることを特徴とする静電型アクチュエータ。4. The electrostatic actuator according to claim 2, wherein a material of the minute projection is silicon oxide or silicon nitride. 5. 請求項1に記載の静電型アクチュエータにおいて、前記圧力補正室の前記変形可能板が接触する面に表面粗さを大きくする粗面化処理が施されていることを特徴とする静電型アクチュエータ。2. The electrostatic actuator according to claim 1, wherein a surface of the pressure correction chamber with which the deformable plate comes into contact is subjected to a surface roughening process for increasing a surface roughness. 3. . 変形可能な振動板を少なくとも一つの面とする振動室と、前記振動板に対向する電極と、前記振動室に連通する圧力補正室とを有し、前記圧力補正室の少なくとも一つの面には外気圧に応じて変位し得る変形可能部が設けられ、前記振動板を静電力で変形させる静電型アクチュエータにおいて、前記圧力補正室の前記変形可能部が接触する面に疎水膜が形成されていることを特徴とする静電型アクチュエータ。A vibration chamber having a deformable diaphragm as at least one surface, an electrode facing the diaphragm, and a pressure correction chamber communicating with the vibration chamber, wherein at least one surface of the pressure correction chamber has A deformable portion that can be displaced in accordance with an outside air pressure is provided, and in an electrostatic actuator that deforms the diaphragm with electrostatic force, a hydrophobic film is formed on a surface of the pressure correction chamber where the deformable portion contacts. An electrostatic actuator. 変形可能な振動板を少なくとも一つの面とする振動室と、前記振動板に対向する電極と、前記振動室に連通する圧力補正室とを有し、前記圧力補正室の少なくとも一つの面には外気圧に応じて変位し得る変形可能部が設けられ、前記振動板を静電力で変形させる静電型アクチュエータにおいて、前記圧力補正室の前記変形可能部が接触する面に導電層が形成されていることを特徴とする静電型アクチュエータ。A vibration chamber having a deformable diaphragm as at least one surface, an electrode facing the diaphragm, and a pressure correction chamber communicating with the vibration chamber, wherein at least one surface of the pressure correction chamber has A deformable portion capable of being displaced in accordance with an external pressure is provided, and in an electrostatic actuator that deforms the diaphragm with electrostatic force, a conductive layer is formed on a surface of the pressure correction chamber where the deformable portion contacts. An electrostatic actuator. 液滴を吐出するノズルと、このノズルが連通する吐出室と、この吐出室の液体を加圧するための静電型アクチュエータとを備えた液滴吐出ヘッドにおいて、前記静電型アクチュエータが請求項1ないし7のいずれかに記載の静電型アクチュエータであることを特徴とする液滴吐出ヘッド。2. A droplet discharge head comprising a nozzle for discharging droplets, a discharge chamber communicating with the nozzle, and an electrostatic actuator for pressurizing the liquid in the discharge chamber, wherein the electrostatic actuator is provided. 8. A droplet discharge head, which is the electrostatic actuator according to any one of items 7 to 7. インク滴を吐出するインクジェットヘッドを搭載したインクジェット記録装置において、前記インクジェットヘッドが請求項8に記載の液滴吐出ヘッドであることを特徴とするインクジェット記録装置。An inkjet recording apparatus equipped with an inkjet head for ejecting ink droplets, wherein the inkjet head is the droplet ejection head according to claim 8. 液滴を吐出する液滴吐出ヘッドとこの液滴吐出ヘッドに液を供給する液供給タンクを一体化した液供給カートリッジにおいて、前記液滴吐出ヘッドが請求項8に記載の液滴吐出ヘッドであることを特徴とする液供給カートリッジ。9. A droplet discharge head according to claim 8, wherein the droplet discharge head is a liquid supply cartridge in which a droplet discharge head that discharges droplets and a liquid supply tank that supplies liquid to the droplet discharge head are integrated. A liquid supply cartridge characterized by the above-mentioned.
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