(57)【要約】【課題】微細直径のインクを容易に吐出できるインク吐出装置を提供する。【解決手段】本発明のハイブリッド型インク吐出装置は、基板側にインクを吐出するための装置において、内部にインクを収容して一端に開口部を形成し他端にインクを吐出させるノズルチップを形成するノズルと、圧電アクチュエータ、上部電極、及び、圧電アクチュエータによって変形されノズル内部に物理的な圧力を加える膜電極を備える物理駆動部と、ノズルの外部に配置され膜電極との間に電界を形成するように電圧の印加を受ける対向電極と、対向電極と物理駆動部とにそれぞれ電圧を印加する電圧印加部とを有する。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板側にインクを吐出するための装置であって、
内部にインクを収容して、一端に開口部を形成し、他端に前記インクを吐出させるノズルチップを形成するノズルと、
前記開口部上に設けられる圧電アクチュエータ、前記圧電アクチュエータの上側に設けられ、前記圧電アクチュエータを駆動するために電圧の印加を受ける上部電極、前記ノズルの内部に向き合うように前記圧電アクチュエータの下側に設けられ、前記圧電アクチュエータによって変形して前記ノズル内部に物理的な圧力を加える膜電極を備える物理駆動部と、
ノズルの外部に配置され、前記膜電極との間に電界を形成するように電圧の印加を受ける対向電極と、
前記対向電極と前記物理駆動部とにそれぞれ電圧を印加する電圧印加部と、を含むことを特徴とするハイブリッド型インク吐出装置。
【請求項２】
前記膜電極は、前記対向電極との間で電位差が発生するように前記電圧印加部から前記対向電極に印加される電圧より大きい電圧が印加されることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド型インク吐出装置。
【請求項３】
前記ノズル上でノズルチップを囲むように配置されるゲート電極をさらに含むことを特徴とする請求項２に記載のハイブリッド型インク吐出装置。
【請求項４】
前記対向電極は、前記基板の前記ノズルと対向される面の反対の面側に配置されることを特徴とする請求項３に記載のハイブリッド型インク吐出装置。  
【請求項５】
前記上部電極には、前記膜電極に印加される電圧でパルス（pulse）電圧が重畳（superposition）される電圧が印加されることを特徴とする請求項４に記載のハイブリッド型インク吐出装置。
【請求項６】
前記膜電極と前記対向電極とには、直流または交流型電圧が印加されることを特徴とする請求項５に記載のハイブリッド型インク吐出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ハイブリッド型インク吐出装置（HYBRID-TYPE APPARATUS FOR INJECTING INK）に関するものであり、より詳細には微細直径のインク液滴を吐出することができるハイブリッド型インク吐出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に流体を液滴の形態で噴射させる液滴噴射装置は、主にインクジェットプリンタで様々に適用されてきており、最近ではディスプレイ工程装置、印刷回路基板工程装置及びＤＮＡチップ製造工程のような先端の高付加価値創出の分野に適用するために、応用開発されている。
【０００３】
前記インクジェットプリンタ（Ink Jet Printer）において、インクを液滴の形態で噴射させるためのインク噴射装置は、大きく熱駆動方式及び圧電アクチュエータ方式に分けられる。
【０００４】
このような熱駆動方式または圧電アクチュエータ方式のインク噴射装置は、吐出エネルギーの限界により、ノズルを介して噴射される液滴の大きさを小さくするのに限界があり、吐出することができる液体の粘度に限界があるという問題点がある。一般的に、これらのインク噴射装置は、２０μｍ以下の液滴を形成、吐出するのが難しく、５０ｃＰ以上の液体を吐出するのが困難であるとされている。
【０００５】
このような、従来のインク噴射方法の限界を解決するために、対向する電極に電圧を印加して電界を形成することにより、ノズルからインクが吐出するようにする静電気力を用いたインク噴射装置が開発された。
【０００６】
特に、特定の周期で液滴を吐出するための精巧な制御方法の一つとして、圧電アクチュエータなどの物理的制御装置を用いて液面を制御し、静電気力を用いて液滴を吐出するハイブリッド方式が提案された。
【０００７】
図１は、従来の静電気力を用いるハイブリッド方式の液滴噴射装置の一例である。
すなわち、図１を参照すると、従来の静電気力を用いるハイブリッド方式の液滴噴射装置は、ノズル内部に電極１３を設置し、対向電極１４との間で電圧を印加して電界を形成すると共に、ノズル１１の上段に配置された物理駆動部１２を介して液滴を吐出した。
【０００８】
しかし、図１に示す従来の静電気力を用いるハイブリッド方式の液滴噴射装置１０は、次のような問題点を克服しなければならないという欠点がある。
すなわち、従来のハイブリッドインク噴射方法においては、静電気力を印加する電極１３をノズル１１の内部に位置させるための実際の工程が非常に複雑であり、電源制御部への連結が容易ではないという問題を有している。
【０００９】
また、ノズルの上段に配置される物理駆動部１２から発生する振動を液体に伝達するための、別途の膜（membrane）構造物が必要となって、膜工程における不良が多く発生した。
【００１０】
さらに、膜構造の上段に物理駆動部を接着させる過程が非常に複雑であり、その過程で膜が破壊される問題点が発生している。また、従来の装置によれば、物理駆動部の上下に印加される高電圧の制御装置１５とノズル１１と基板との間の電界形成のための高電圧印加装置１６及び制御装置が別途に備えなければならないという欠点がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
よって、本発明の目的は、このような従来の問題点を解決するためであり、ノズルの上部を開放して物理駆動部を配置し、上下側に設けられる電極で物理駆動部を駆動させると同時に電界を形成することにより、微細直径のインクを容易に吐出することができるハイブリッド型インク吐出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記目的は、本発明に従って、基板側にインクを吐出するための装置において、内部にインクを収容して、一端に開口部を形成し、他端に前記インクを吐出させるノズルチップを形成するノズルと、前記開口部上に設けられる圧電アクチュエータ、前記圧電アクチュエータの上側に設けられ、前記圧電アクチュエータを駆動するために電圧の印加を受ける上部電極、前記ノズルの内部に向き合うように前記圧電アクチュエータの下側に設けられ、前記圧電アクチュエータによって変形して前記ノズル内部に物理的な圧力を加える膜電極（membrane electrode）を備える物理駆動部と、ノズルの外部に配置され、前記膜電極との間に電界を形成するように電圧の印加を受ける対向電極と、前記対向電極と前記物理駆動部とにそれぞれ電圧を印加する電圧印加部と、を含むことを特徴とするハイブリッド型インク吐出装置によって、達成される。
【００１３】
また、前記膜電極は、前記対向電極との間で電位差が発生するように前記電圧印加部から前記対向電極に印加される電圧より大きい電圧が印加されることができる。また、前記ノズル上でノズルチップを囲むように配置されるゲート電極をさらに含むことができる。
【００１４】
また、前記対向電極は、前記基板の前記ノズルと対向される面の反対の面側に配置されることができる。
【００１５】
また、前記上部電極には、前記膜電極に印加される電圧でパルス（pulse）電圧が重畳（superposition）される電圧が印加されることができる。
【００１６】
また、前記膜電極と前記対向電極とには、直流または交流型電圧が印加されることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、別途の膜なしでノズルの上部を開放して物理駆動部を配置し、物理駆動部自体を膜として用いることによって、容易に加工、製造することができるハイブリッド型インク吐出装置が提供される。
【００１８】
また、物理駆動部の下側に配置される電極を圧電アクチュエータの駆動及び電界を形成するための共通電極として用いることによって、微細直径液滴の容易な吐出が可能である。
【００１９】
また、ノズルチップを囲む別途のゲート電極を配置して基板とノズルとの間に形成される電界が外部のノイズに影響を受けないようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、従来の静電気力を用いるハイブリッド方式の液滴噴射装置の一例である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態に係るハイブリッド型インク吐出装置を概略的に示す図である。
【図３】図３は、図２のハイブリッド型インク吐出装置の変形例を概略的に示す図である。
【図４】図４は、図２のハイブリッド型インク吐出装置の各電極に印加される電圧の形態を概略的に示す図である。
【図５】図５は、図２のハイブリッド型インク吐出装置の変形例の各電極に印加される電圧の形態を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、添付の図面を参照して本発明の一実施形態に係るハイブリッド型インク吐出装置について詳細に説明する。
【００２２】
図２は、本発明の一実施形態に係るハイブリッド型インク吐出装置を概略的に示す図である。
図２を参照すると、本発明の一実施形態に係るハイブリッド型インク吐出装置１００は、別途の電圧が印加される電極を膜として使用して構造を単純化したインク吐出装置であって、ノズル１１０と物理駆動部１２０と対向電極１３０とゲート電極１４０と電圧印加部１５０と制御部１６０とを含む。
【００２３】
前記ノズル１１０は、インクを直接的に吐出するためのものであって、内部にインクが収容されるように所定の空間が形成される。また、内部圧力を調節する物理駆動部１２０が配置されるように開口部１１１が上段に形成され、下段には、インクを吐出することができるようにノズルチップ１１２が形成される。
【００２４】
一方、ノズル１１０の上段開口部１１１の面積及び形状は、後述する物理駆動部１２０の面積を考慮して決定する。また、本実施形態において、ノズル１１０下段のノズルチップ１１２は、断面が図２（ｂ）に示すように円形、または図２（ｃ）に示すように四角形に形成されるが、これに限定されず、吐出されるインク液滴の直径を考慮して決定することが好ましい。
【００２５】
図３は、図２のハイブリッド型インク吐出装置の変形例を概略的に示す図である。
【００２６】
また、本実施形態においては、ノズルチップ１１２は、ノズル１１０の下段面から垂直下方に延長されるが、図３に示すように、本実施形態の変形例においてノズルチップ１１２は、ノズル１１０の下段面から傾斜を形成して、幅がますます狭くなる形態に形成されることもできる。
【００２７】
前記物理駆動部１２０は、前述したノズル１１０内部の圧力を物理的に調節するためのものであって、ノズル１１０の開口部１１１上段に開口部１１１を遮断するように配置され、圧電アクチュエータ１２１と上部電極１２２と膜電極１２３とを含む。
【００２８】
前記圧電アクチュエータ１２１は、電気的エネルギーを物理的エネルギーに変換するための板形状のピエゾ（piezo）素子で設けられ、後述する上部電極１２２と膜電極１２３との間に介在される。
【００２９】
前記上部電極１２２は、下部電極１２３と共に圧電アクチュエータ１２１を駆動するための電圧の印加を受けるためのものであって、圧電アクチュエータ１２１の上側に設けられる薄膜の電極である。
【００３０】
前記膜電極１２３は、上部電極１２２と共に電圧の印加を受けて圧電アクチュエータ１２１を駆動させ、圧電アクチュエータ１２１と共に物理的に変形してノズル１１０内部の空間を加圧すると共に、印加を受ける電圧によって後述する対向電極１３０との間で電位差を形成するための薄膜の電極である。
【００３１】
したがって、圧電アクチュエータ１２１と上部電極１２２と膜電極１２３との３重積層式構造で構成される物理駆動部１２０は、ノズル１１０の開口部１１１を遮断して、インクの漏れを防止すると共に、物理的変形を起こすことによってノズル１１０内部の空間を加圧して圧力を増加させる役割をする。これと同時に、圧電アクチュエータ１２１の駆動の際に、印加される電圧によって膜電極１２３と対向電極１３０との間では電位差を形成する。このような作動については後述する。
【００３２】
前記対向電極１３０は、ノズル１１０と対向される基板（Ｓ）面の反対の面上に備えられる電極であって、電圧印加部１５０から電圧が提供され、前述した膜電極１２３との間で電位差を形成する。
【００３３】
前記ゲート電極１４０は、ノズル１１０上で、ノズルチップ１１２を囲む構造で設けられる電極であって、膜電極１２３と対向電極１３０との間で発生する電界を保護するための電極である。
【００３４】
一方、膜電極１２３と対向電極１３０との間、つまり、ノズル１１０と基板（Ｓ）との間に電界を形成することができる構造であれば、対向電極１３０の位置は、本実施形態で前述した内容に制限されない。
【００３５】
前記電圧印加部１５０は、前述した物理駆動部１２０の上部電極１２２及び膜電極１２３と、対向電極１３０及びゲート電極１４０とに電圧を提供する。
【００３６】
前記制御部１６０は、電圧印加部１５０と連結され、各電極に印加される電圧量、形態、タイミングなどの条件を制御する。
【００３７】
ここからは、前述したハイブリッド型インク吐出装置の一実施形態の作動について説明する。
図４は、図２のハイブリッド型インク吐出装置の各電極に印加される電圧の形態を概略的に示す図である。
【００３８】
まず、ノズル１１０内部にインクが供給され、制御部１６０は、電圧印加部１５０を制御してゲート電極１４０及び対向電極１３０と物理駆動部１２０の膜電極１２３に電圧が印加されるようにする。
【００３９】
この時、図４を参照すると、各電極には互いに異なる大きさの電圧が印加されるが、図４（ｂ）に示すように膜電極１２３には図４（ｃ）に示すゲート電極１４０及び図４（ｄ）に示す対向電極１３０に印加される直流電圧より高い直流電圧が印加される。
【００４０】
ノズル１１０の開口部１１１上に備えられる膜電極１２３と基板（Ｓ）下側に備えられる対向電極１３０との間に形成される電界により、ノズル内部のインクは、基板（Ｓ）側に押し出されることによって、インクはノズルチップ１１２上でメニスカス（meniscus）を形成する。
【００４１】
また、インクがノズルチップ１１２上でメニスカスを形成した状態で、制御部１６０が各電極により、さらに大きい電圧を印加して、ノズル１１０と基板（Ｓ）との間にさらに大きい電位差が形成されると、インクはノズルチップ１１２端部でテイラーコーン（Taylor's cone）を形成する。
【００４２】
これと同時に、制御部１６０は、物理駆動部１２０が駆動されるように電圧印加部１５０から上部電極１２２にパルス（pulse）電圧（p）が印加されるようにする。この時、図４（ａ）に示すように、上部電極１２２には、膜電極１２３に印加される直流電圧でパルス（pulse）電圧（ｐ）が重畳（superposition）される形態の電圧が印加される。
【００４３】
膜電極１２３に電圧が印加された状態で、上部電極１２２にパルス電圧（ｐ）が印加されると、上部電極１２３と接触した圧電アクチュエータ１２１が物理的に変形されて、圧電アクチュエータ１２１の下段に装着される膜電極１２３も物理的に変形を起こし、ノズル１１０内部を加圧する。
【００４４】
膜電極１２３によって加圧されるノズル１１０の内部は圧力が増加し、ノズル１１０内部に収容されるインクをノズルチップ１１２側に押し出し、前述した作動原理によってノズルチップ１１２の端部でテイラーコーンを形成するインクは、テイラーコーンから離れていくことによって、液滴の形態で基板（Ｓ）側に吐出される。
【００４５】
すなわち、ノズルからインク液滴が吐出されるタイミングは、制御部１６０が上部電極１２２に印加されるパルス電圧（ｐ）のタイミングを調節することにより制御されることができる。
【００４６】
一方、前述したように、電圧印加部１５０からゲート電極１４０に電圧が印加されると、ゲート電極１４０は、膜電極１２３と対向電極１３０との間で形成される電界を外部のノイズから保護する。
【００４７】
したがって、本実施形態によれば、膜電極１２３は、電界を形成する電極として用いると共に、物理駆動部１２０を駆動するための共通電極として用いることができ、電界を形成するための別途の電極を追加しないため、全体的に生産単価が節減され、加工が容易なインク吐出装置が提供されることができる。
【００４８】
図５は、図２のハイブリッド型インク吐出装置の変形例の各電極に印加される電圧の形態を概略的に示す図である。
【００４９】
一方、本実施形態においては、対向電極１３０、膜電極１２３に直流電圧が印加されることで説明したが、図５に示すように、本実施形態の変形例においては、制御部１６０が電圧印加部１５０を制御して、膜電極１２３（図５（ｂ））、対向電極１３０（図５（ｄ））交流電圧が印加されるようにして、上部電極１２２（図５（ａ））には、膜電極１２３に印加される交流電圧にパルス電圧（ｐ）が重畳された電圧を印加することもできる。
【００５０】
本発明の権利範囲は、前述した実施形態に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲内で様々な形態の実施形態で具現することができる。特許請求の範囲で請求する本発明の要旨を逸脱することなく、当該発明の属する技術分野における通常の知識を有する者であれば誰でも変形可能な多様な範囲まで本発明の請求範囲の記載の範囲内にあるものとみなす。
【符号の説明】
【００５１】
１１０       ノズル
１２０       物理駆動部
１３０       対向電極
１４０       ゲート電極
１５０       電圧印加部
１６０       制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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