(57)【要約】      （修正有）【課題】よりコストの安い加工法が可能な、ノズルの間隔を開けた、高密度の印刷ヘッドの設計を用いて加工可能な印刷ヘッドを有するプリンタを提供する。【解決手段】印刷ヘッドは、複数のアクチュエータ１０を含み、これらの複数のアクチュエータの各アクチュエータは複数の駆動電極２０Ａ〜２０Ｃ、複数の隔膜１８Ａ〜１８Ｃ、および単一のノズル１４を含む。各駆動電極は、これらの隔膜のうちの１枚の隔膜と一意的に対を成す。単一のアクチュエータに関する全ての駆動電極が同時に起動して、単一のノズルからインクを吐出させるよう印刷ヘッドを構成するか、単一のアクチュエータに関する複数の駆動電極の各駆動電極が個々にアドレス指定可能であり、単一のアクチュエータのその他の駆動電極とは独立して起動できるよう印刷ヘッドを構成する。【選択図】図２
2015160436.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のアクチュエータシステムを含む少なくとも１つの印刷ヘッドであって、各アクチュエータシステムが、
間隔を開けて配置される複数の駆動電極と、
複数の隔膜であって、間隔を開けて配置される前記複数の駆動電極の各駆動電極が、複数の隔膜のうちの１枚の隔膜と一意的に対を成す、複数の隔膜と、
前記複数の隔膜、および前記複数の隔膜と物理的に接触する本体チャンバ内の複数のノードにより部分的に画定され、印刷中はインクで満たされるよう構成される本体チャンバと、
ノズルであって、複数の隔膜の各隔膜が、このノズルを通してインクを吐出させるよう構成される、ノズルと、を含む少なくとも１つの印刷ヘッドと、
前記印刷ヘッドを収納するプリンタ筺体と、を含むプリンタ。
【請求項２】
各本体チャンバが、平面視において、
全長寸法と
幅寸法と、をさらに含み、前記全長寸法を前記幅寸法で除算した値、および前記幅寸法を前記全長寸法で除算した値のうちの少なくとも一方が、１．０から２．０の間である、請求項１に記載のプリンタ。
【請求項３】
約１．０μｍから約１０．０μｍの間の厚さを有し、前記複数の隔膜を形成する連続隔膜層をさらに含む請求項２に記載のプリンタ。
【請求項４】
前記複数のアクチュエータシステムの各アクチュエータシステムの間隔を開けて配置される各駆動電極が、個々にアドレス指定可能な、請求項１に記載のプリンタ。
【請求項５】
前記本体チャンバ内の前記複数のノードは第１の複数のノードであり、各アクチュエータシステムが、
前記複数の隔膜を形成する連続隔膜層と、
前記連続隔膜層と物理的に接触する第２の複数のノードであって、前記第２の複数のノードのうちの１つのノードが、間隔を開けて配置される前記複数の駆動電極の各駆動電極の間で横に挟まれる、第２の複数のノードと、
前記本体チャンバと流体連通するインク入口と、
前記インク入口および前記ノズルと流体連通するインク出口と、をさらに含む、請求項１に記載のプリンタ。
【請求項６】
各アクチュエータが、圧電アクチュエータを含み、各圧電アクチュエータが、間隔を開けて配置された複数の圧電部をさらに含み、前記圧電部のうちの１つの圧電部が、各駆動電極と、前記駆動電極と一意的に対を成す前記隔膜との間に挟まれる、請求項１に記載のプリンタ。
【請求項７】
各アクチュエータシステムが、静電アクチュエータを含み、
各静電アクチュエータシステムが、前記複数の隔膜を覆う基板をさらに含み、
前記複数の駆動電極の各駆動電極が、前記基板の上に形成され、
アクチュエータの空気チャンバにより、各駆動電極がそれと対を成す隔膜から隔てられて、印刷中に前記隔膜がそれと対を成す駆動電極に向けて歪むよう構成されるようにする、請求項１に記載のプリンタ。
【請求項８】
各駆動電極は個々にアドレス指定可能であり、前記印刷ヘッドが、
前記複数の隔膜のうちの第１の数の隔膜を選択的に歪ませて、第１の体積および第１の速度のうちの少なくとも一方を有する第１のインク滴を前記ノズルから吐出し、
前記複数の隔膜のうちの前記第１の数より大きな第２の数の隔膜を選択的に歪ませて、前記第１の体積より大きな第２の体積および前記第１の速度より速い第２の速度のうちの少なくとも一方を有する第２のインク滴を吐出させるよう構成される、請求項１に記載のプリンタ。
【請求項９】
前記複数の隔膜を形成する連続隔膜層と、
前記隔膜と物理的に接触する、前記本体チャンバ内の複数のノードの各ノードの第１の端と、
下部印刷ヘッド層と物理的に接触する、前記複数のノードの各ノードの第２の端と、をさらに含む請求項１に記載のプリンタ。
【請求項１０】
インクを印刷する方法であって、
第１のアクチュエータシステムの第２の駆動電極を非起動のままにして、アクチュエータシステムのアレイの一部である前記第１のアクチュエータシステムの第１の駆動電極を起動させて、前記アクチュエータシステムの第１の駆動電極と一意的に対を成す第１の隔膜を歪ませて、第１の体積および第１の速度のうちの少なくとも一方を有する第１のインク滴を開口プレート内のノズルから吐出させるステップと、
前記第１のアクチュエータシステムの前記第２の駆動電極を起動さて、前記アクチュエータシステムの第２の駆動電極と一意的に対を成す第２の隔膜を歪ませて、同時に、前記第１の駆動電極を起動させて、第２の体積、第２の速度、および第２の方向性のうちの少なくとも１つを有する第２のインク滴を前記開口プレート内の前記ノズルから吐出させるステップであって、前記第２の体積、前記第２の速度、および前記第２の方向性のうちの前記少なくとも１つは、前記第１の体積、前記第１の速度、および前記第１の方向性のうちの前記少なくとも１つとは異なる、ステップと、を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本教示はインクジェット印刷装置の分野に関し、より具体的には、高密度のインクジェット印刷ヘッド、および高密度のインクジェット印刷ヘッドを含むプリンタに関する方法および構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
印刷業界では、ドロップ・オン・デマンドのインクジェット技術が広く使用されている。ドロップ・オン・デマンドのインクジェット技術を用いたプリンタでは、サーマル技術、静電技術、または圧電技術を使用可能である。
【０００３】
圧電インクジェット印刷ヘッドは、インクで満たされた本体チャンバを覆う圧電要素（すなわち、トランスデューサ、ＰＺＴ、またはアクチュエータ）のアレイを含む。一般に、圧電インクジェット印刷ヘッドは、可撓性の隔膜すなわち薄膜をさらに含むことができ、その隔膜には圧電要素のアレイが取り付けられている。一般に電源と電気接続した上端電極に電気を通して、圧電要素に電圧をかけると、その圧電要素が曲がり、すなわち歪み、隔膜を屈曲させる。これにより、一定量のインクがチャンバからノズルすなわち噴射口を通って放出される。さらに、この屈曲により、別のインクがメインのインク容器から開口を通ってチャンバ内に引き込まれ、放出されたインクと入れ替わる。
【０００４】
静電吐出では、静電アクチュエータが基板組立体の上に形成され、これらの各静電アクチュエータは、一般に、可撓性の隔膜すなわち薄膜と、インクで満たされたインクチャンバと、空気で満たされた空気チャンバとを含み、インクチャンバが開口プレートと薄膜の間に配置され、空気チャンバがアクチュエータの薄膜と基板組立体の間に配置されている。静電アクチュエータは、基板組立体の上に形成されたアクチュエータの上端電極をさらに含む。電圧をかけてアクチュエータの上端電極を起動させると、薄膜が電界により上端電極に向けて引き寄せられ、この薄膜が弛緩状態から屈曲状態になり、これにより、インクチャンバの容積が増加し、インクがインク供給部すなわち容器からインクチャンバ内に引き込まれる。電圧を止めてアクチュエータの上端電極の起動を停止させると、薄膜が弛緩しインクチャンバ内の容積が減少し、開口プレート内のノズルからインクが吐出される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
いくつかの印刷ヘッドは、２〜４ｍｉｌ（５０〜１００μｍ）の厚さのバルク圧電材料、および２０ミクロン以上の厚のステンレス鋼の隔膜を使用している。これらの印刷ヘッドの隔膜は本体チャンバを覆い、この本体チャンバの形状は正方形または台形でよく、一辺当たり約４００〜８００ミクロンのチャンバ寸法を有する。一般に、これらのシステムは全長と幅の比率が１．０から１．５の間の低い縦横比の本体チャンバを有する。その他の薄膜圧電システムの中には、約１．０〜５．０ミクロンの厚さ、または１．０〜３．０ミクロンの厚さの非常に薄い隔膜を使用するものもある。この薄い隔膜材料が高い可撓性を有するため、薄膜の圧電システムの本体チャンバは、高い縦横比を有する長く薄い長方形の形状に設計され、この本体チャンバを覆う隔膜の振動モードを制御する。例えば、各本体チャンバは、１００ミクロン未満の幅と、６００ミクロンより長い全長と、を有することができる。これらの設計には、各本体チャンバの上に配置される上端電極を組み込むことができ、この上端電極も同じく長くて薄い。薄膜の圧電材料により、上端電極は下端電極から隔てられている。薄い隔膜材料を用いて正方形または台形の本体チャンバを形成することにより、インクがノズルから吐出されるとき、隔膜が余剰な振幅で歪み、すなわち、好ましくない振動モードとなり、インクの噴射を簡単に制御できなくなってしまう。高い縦横比の本体チャンバを使用する薄膜の装置は、通常、非常に狭い間隔で配置されたノズルのアレイを有する。ノズルが非常に狭い間隔で配置されている場合は、大抵の場合、流体経路はシリコン構造および微細加工法を用いて作られるが、これらのシリコン構造および微細加工法は、非常に大きな容積を作るには費用効率が良いが、小さな容積を作るには費用効率があまり良くはない。よりコストの安い加工法が可能な、ノズルの間隔を開けた、高密度の印刷ヘッドの設計を用いて加工可能な薄膜の圧電駆動システムが所望される。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
次に、本教示の１つ以上の実施形態のうちのいくつかの様態の基本的な理解を得るために、簡略化した概要を提示する。この概要は包括的な全体像ではなく、また本教示の主要すなわち重要な要素を識別することや、本開示の範囲を示すことを意図するものでもない。むしろ、この概要の主な目的は、簡略化した形で１つ以上の概念を後述する詳細な説明への前置きとして提示しているに過ぎない。
【０００７】
本開示の実施形態には、複数のアクチュエータシステムが含まれ得、各アクチュエータシステムは、間隔を開けて配置される複数の駆動電極と、間隔を開けて配置される複数の駆動電極の各駆動電極が、複数の隔膜のうちの１枚の隔膜と一意的に対を成す複数の隔膜と、複数の隔膜およびこれらの複数の隔膜と物理的に接触する本体チャンバ内の複数のノードにより部分的に画定され、印刷中はインクで満たされるよう構成される本体チャンバと、ノズルであって、複数の隔膜の各隔膜がこのノズルを通してインクを吐出させるよう構成されるノズルと、を含む。
【０００８】
別の実施形態には、少なくとも１つの印刷ヘッドを有するプリンタが含まれ得、これらの印刷ヘッドは複数のアクチュエータシステムを含み、各アクチュエータシステムは、間隔を開けて配置される複数の駆動電極と、間隔を開けて配置される複数の駆動電極の各駆動電極が複数の隔膜のうちの１枚の隔膜と一意的に対を成す複数の隔膜と、複数の隔膜およびこれらの複数の隔膜と物理的に接触する本体チャンバ内の複数のノードにより部分的に画定され、印刷中はインクで満たされるよう構成される本体チャンバと、ノズルであって、複数の隔膜の各隔膜がこのノズルを介してインクを吐出させるよう構成されるノズルと、を含む。このプリンタは、印刷ヘッドを収納するプリンタ筺体をさらに含むことができる。
【０００９】
別の実施形態には、インクを印刷する方法が含まれ得、この方法には、第１のアクチュエータシステムの第２の駆動電極は非起動のままにして、アクチュエータシステムのアレイの一部である第１のアクチュエータシステムの第１の駆動電極を起動させて、アクチュエータシステムの第１の駆動電極と一意的に対を成す第１の隔膜を歪ませて、第１の体積および第１の速度のうちの少なくとも一方を有する第１のインク滴を開口プレート内のノズルから吐出させるステップと、第１のアクチュエータシステムの第２の駆動電極を起動させて、アクチュエータシステムの第２の駆動電極と一意的に対を成す第２の隔膜を歪ませ、同時に第１の駆動電極を起動させて第２の体積、第２の速度、および開口プレート内のノズルからの第２の方向性のうちの少なくとも１つを有する第２のインク滴を吐出させるステップであって、第２の体積、第２の速度、第２の方向性のうちの少なくとも１つは、第１の体積、第１の速度、および第１の方向性のうちの少なくとも１つとは異なる、ステップと、が含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
本明細書に組み込まれその一部を構成する添付図面は、本教示の実施形態を示し、本明細書と共に本開示の原理を説明する役割を果たしている。
【００１１】
【図１】図１は、本教示の実施形態による、印刷ヘッドのアクチュエータシステムのアレイの一部を示す平面図である。
【図２】図２は、本教示の実施形態による、印刷ヘッドのアクチュエータシステムのアレイの一部を示す断面図である。
【図３】図３は、本教示の実施形態による、アクチュエータシステムを示す平面図である。
【図４】図４は、本教示の実施形態による、別のアクチュエータシステムを示す平面図である。
【図５】図５は、本教示の別の実施形態による、アクチュエータシステムの実施形態を示す断面図である。
【図６】図６は、本教示の別の実施形態による、アクチュエータシステムの実施形態を示す断面図である。
【図７】図７は、本教示の別の実施形態による、アクチュエータシステムの実施形態を示す断面図である。
【図８】図８は、本教示の実施形態による、印刷ヘッドを含むプリンタの透視図である。
【００１２】
なお、これらの図面のいくつかの詳細は簡略化され、構造の正確さ、詳細、および縮尺を厳格に維持するよりもむしろ本教示の理解を容易にするよう描かれている。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
次に、本教示の例示的な実施形態を詳細に参照するが、これらの実施形態の例は、添付図面に示されており、可能な場合は常に、図面全体を通して、同じ参照符号を用いて同じ部品または同様の部品を指す。
【００１４】
本明細書で使用されている用語「プリンタ」は、別段の定めがない限り、デジタル複写機、製本機、ファクシミリ、多機能装置、積層造形装置（例えば、３Ｄプリンタ）、静電写真装置などのあらゆる目的で印刷出力機能を実行する全ての装置を包含する。
【００１５】
本教示の実施形態には、動作中はインクで満たされる本体チャンバを覆う薄い隔膜を用いた、インクジェットのアクチュエータのアレイの形成が含まれ得る。ある実施形態では、この隔膜は１ミクロン〜１０ミクロンの厚さ、あるいは１ミクロン以下の厚さでよい。アクチュエータのアレイ内の各アクチュエータシステム、および各イジェクタの本体チャンバは、従来の薄い隔膜の設計による長く薄い長方形の形状よりは、むしろ正方形または台形の形状あるいはその他の形状で形成することができる。さらに、噴射口ごとの各アクチュエータシステムは、複数（２つ以上）の薄膜の駆動要素（上端電極、駆動電極、上端プレート、または上端電極部）を含むことができる。実施形態では、アクチュエータシステムに関する複数の上端電極部の各上端電極部を一緒に電気接続させて、アクチュエータのアレイに対して共通の、上端プレートに関して１つの電気相互接続、および下端プレート（下端電極）に関して１の電気相互接続だけが、各アクチュエータシステムを個々にアドレス指定する必要があるようにすることができる。別の実施形態では、例えば、様々なインク滴のサイズの形成、または同じ噴射口からのインク滴の速度の変更を可能にするために、アクチュエータシステムに関する複数の上端電極部はそれぞれ独自で個々にアドレス指定可能である。実施形態は圧電アクチュエータおよび静電アクチュエータの両方を包含する。
【００１６】
図１は、本教示の実施形態による、圧電アクチュエータのレイアウト１０の一部のレイアウトを示す概略平面図であり、図２は、圧電アクチュエータのレイアウト１０の一部のレイアウトを示す概略断面図ある。図１には、８個の圧電アクチュエータシステム１２が示され、これらの圧電アクチュエータシステム１２は、開口プレート１６内の８個のノズル１４のうちの１つから個々にインクを吐出させるよう構成されるが、アクチュエータのアレイには、数百または数千のアクチュエータシステム１２が含まれ得ることは理解されよう。
【００１７】
各アクチュエータシステム１２は、２枚以上の隔膜１８Ａ〜１８Ｃと、間隔を開けて配置された２つ以上の上端電極部２０Ａ〜２０Ｃと、間隔を開けて配置された２つ以上の薄膜圧電部２２Ａ〜２２Ｃと、をさらに含むことができる。図示される通り、圧電部２２のうちの１つにより、各上端電極部２０はそれと対を成す隔膜１８から隔てられている。各上端電極部２０を、その上端電極部２０と対を成す隔膜１８だけを作動させるよう設計することができる。図２に示される通り、複数のアクチュエータシステム１２に関する隔膜１８は、同じ連続隔膜層２１から形成される。しかし、少なくとも一対の構造体ノード（振動ノード）２４が、隔膜１８と物理的に接触し、この連続隔膜層２１を個々の機能的に分離された隔膜１８に分割することにより、断面において各分離隔膜１８が画定される。さらに、実施形態では、アクチュエータ１２に関する構造体ノード２４は、アクチュエータ１２に関する本体チャンバ２５を少なくとも部分的に画定することもできる。この本体チャンバ２５は、隔膜層２１により、少なくとも部分的にさらに画定され得る。
【００１８】
単一のアクチュエータシステム１２に関する本体チャンバ２５の個々の部分は端どうしで接続され、これにより、単一のアクチュエータシステム１２に関する各本体チャンバ２５はインク入口２７とインク出口２９の間は連続するインク流路を形成し、各インク出口の端が単一のノズル１４に繋がる。この実施形態では、１か所以上の第１の位置における断面は、図２に示される断面と類似し得るが、１か所以上の第２の位置における断面は図６に示される断面と類似し得る。この実施形態では、図示される通り、ノード２４が隔膜層２１と下部印刷ヘッド層すなわち構造体の間に挟まれ、これらと物理的に接触している。さらに、これらの複数のノード２４により本体チャンバ２５内に複数のサブチャンバが画定されて、単一のアクチュエータシステムそれぞれが、複数のサブチャンバを含むようにする。この実施形態では、これらのノード２４が各隔膜１８を画定し、かつ、上端電極２０のうちの１つが起動しているときに、対を成していない隔膜１８へのクロストークを抑える。すなわち、各ノード２４がその全長の大部分に沿ってその上端と下端で完全に支持されるところでは、単一のアクチュエータシステムに関する隔膜１８は完全に分離されて、上端電極のうちの１つを起動することにより、その上端電極と対を成す隔膜は完全な振幅で歪むことができるが、その他の対を成さない隔膜は歪められないようにする。
【００１９】
さらに、単一のアクチュエータシステム１２ごとの複数の隔膜１８を、単一の本体チャンバ２５を通して供給されるインクを吐出させるよう構成することができる。使用中、各隔膜の振動の最大振幅は、その２つのノード２４から等距離の隔膜１８のほぼ中心に位置する。ノード２４は１枚以上の誘電材料の層から形成することができる。本体チャンバ２５を複数のサブチャンバに分割するノード２４を貫通する複数の開口を設けることで、インク入口２７とインク出口２９との間のインクの流れを向上させることができる。
【００２０】
図１の平面図で示される通り、アクチュエータシステムのアレイ内の各本体チャンバ２５は、ほぼ同じ全長（Ｘ方向）と幅（Ｙ方向）の寸法、あるいは互いにわずか１０％だけ異なる全長と幅の寸法を有し得る。本体チャンバ２５の形状は、一般に正方形（全長の寸法と幅の寸法の違いは０％）、あるいは若干長方形の形状（全長の寸法が幅の寸法の２．０倍まで、または１．５倍まで、あるいは幅の寸法が全長の寸法の２．０倍まで、または１．５倍まで）であり得る。すなわち、本体チャンバまたは隔膜（全長／幅または幅／全長）の縦横比は、１．０から２．０の間、あるいは１．０から１．５の間でよい。
【００２１】
実施形態では、隔膜層２１は、ステンレス鋼、シリコン、インバー、またはその他の材料から形成され得、その厚さは約１μｍから約１５μｍの間の厚さ、または約１μｍから約１０μｍの間の厚さ、あるいは約１μｍから約３μｍの間の厚さでよい。薄膜の圧電材料の厚さは、約１μｍから約２０μｍの間の厚さ、または約１μｍから約１０μｍの間の厚さ、あるいは約３μｍから約１０μｍの間の厚さでよい。上端電極部２０は、一般に約２．５μｍ未満の厚さを有するニッケルまたは他の導電材料でよい。ある実施形態では、各アクチュエータの本体チャンバは、ほぼ正方形または台形でよく、全長（Ｘ寸法）と幅（図１のＹ寸法）は両方とも約３００μｍから約５００μｍの間で、かつ全長は約４００μｍから１０００μｍの間でよい。ある実施形態では、上端電極部２０のサイズは、その下の圧電材料より若干小さくてよい。図示されるその他の様々な印刷ヘッド構造体２６（例えば、本体プレート、微粒子フィルタ）、またはその他の図示されない構造体は、当技術分野では既知の技術によって形成することができる。これらの構造体２６は隔膜層２１と開口プレート１６の間に配置される。簡略化のため個々に図示されていないが、駆動素子、インク供給構造体などのその他の印刷ヘッドの構造体が、図２の構造体の上部を覆うことができる。さらに、これらの図面は概略図であり、その他の構造体を追加しても、既存の構造を取り除いても、あるいは修正してもよいことは理解されよう。
【００２２】
図１では、アクチュエータシステム１２ごとに、単一のアクチュエータシステム１２に関する全ての上端電極に対して制御線２８Ａ〜２８Ｈが１本だけ示されている。この実施形態では、各制御線２８は複数の相互接続線３０に枝分かれし、各相互接続線３０は関連するアクチュエータシステム１２に関する上端電極部２０Ａ〜２０Ｃのうちの１つに接続する。隔膜層２１は、アクチュエータシステムのアレイ内の複数のアクチュエータシステム１２に関する共通の下端電極として機能する。印刷ヘッドの動作中、制御線２８のうちの１本以上が起動され、これにより、起動したアクチュエータシステムに関する複数の上端電極部２０に電圧が供給される。複数の上端電極部２０にかかる電圧により、起動したアクチュエータシステムに関する複数の間隔を開けて配置された圧電層２２が曲がり、すなわち歪み、これにより次に、起動したアクチュエータシステム１２に関する隔膜１８がそれぞれ曲がる、すなわち歪む。隔膜１８を曲げることにより、本体チャンバ２７内にインクを通した圧力パルスが生成され、これにより、起動したアクチュエータシステム１２に関するノズル１４からインクが吐出される。ドロップ・オン・デマンド（ＤＯＤ）の印刷を提供するために、各アクチュエータシステム１２は個々にアドレス指定可能である。
【００２３】
薄い隔膜（すなわち、３ミクロン以下の厚さ、または１ミクロン以下の厚さの隔膜）を用いるアクチュエータの従来の設計で、大きな寸法および低い縦横比（例えば、約１．０から約２．０の間、または約１．０から約１．５の間）のアクチュエータの本体チャンバを形成することは、実行可能な設計選択ではない。薄い隔膜は厚い隔膜よりも極めて剛性が低いため、従来の装置内のアクチュエータに関する薄い隔膜の屈曲を制御することは難しく、したがって、低い縦横比を有する本体チャンバを用いて、良好に隔膜を制御可能な機能アクチュエータはうまく形成できない。上記で議論した通り、薄い隔膜を用いて形成されるアクチュエータの本体チャンバは、一般に、高い縦横比（長く薄い、例えば６００μｍの全長と７０μｍの幅、８．５よりも高い全長／幅の縦横比）で設計される。
【００２４】
図３の平面図で示される別の実施形態では、各圧電アクチュエータシステム１２の本体チャンバ２５は台形または平行四辺形の形状を有し得る。本体チャンバ２５の全長および幅の寸法と、上端電極部およびその他の構造体の寸法は、図１および図２の実施形態を参照して説明した寸法と同様でよい。
【００２５】
上記の実施形態では、各上端プレートに同時に電気が流され起動すると、アクチュエータが起動し、これにより、アクチュエータシステム内の複数の隔膜の各隔膜を同時に歪む。これにより、アクチュエータが起動中にインクを通した単一の圧力パルスが本体チャンバ内に生成され、この圧力パルスはそのアクチュエータの全ての動作中でほとんど、あるいは全くばらつきがなく同じまたは同様である。薄い隔膜を用いた低い縦横比の本体チャンバの形成が可能になることに加えて、アクチュエータの作動中に複数の隔膜を起動させて単一のノズルからインクを吐出させることにより、例えば４００μｍ以上の比較的大きな間隔でノズルが配置される高密度の印刷ヘッドシステム内に薄膜の駆動技術を用いることができる。これにより、ステンレス鋼またはポリマー層を用いて流体経路を作ることが可能となり、さらに比較的低コストの作成体積の範囲内で液体経路が作成可能となる。
【００２６】
図４の平面図には、別の圧電アクチュエータシステムの設計が示されている。この実施形態では、個々にアドレス指定可能な単一のアクチュエータシステム１２に関する、複数の上端電極２０と、それに伴って複数の隔膜１８とのそれぞれ自体が、個々にアドレス指定可となるように、各圧電アクチュエータシステム１２の各上端電極部２０は分離した相互接続線４０Ａ〜４０Ｃと電気接続している。これにより、例えば、単一のアクチュエータシステムに関する複数の隔膜により生成された圧力パルスを調整して、インク滴のサイズ、速度、方向性などを調整するために、各アクチュエータシステム１２の各隔膜１８を異なる時間で起動させることができる。ある実施形態では、個々にアドレス指定可能な３枚の隔膜をアクチュエータごとに有することにより、他の駆動電極が非起動のままで、駆動電極を１つだけ起動させて単一の隔膜を歪めることにより、第１のインク体積、第１の速度、および／または第１の方向性を有する第１のインク滴をノズルから吐出させることができ、２枚の膜を同時に起動させることにより、第１のインク滴とは異なる（すなわち、より大きな体積、より速い速度、または異なる吐出経路による異なる方向性の）第２のインク体積、第２の速度、および／または第２の方向性を有する第２のインク滴をノズルから吐出させることができ、３枚の隔膜を起動させることにより、第１のインク滴および第２のインク滴とは異なる第３のインク体積、第３の速度、および／または第３の方向性を有する第３のインク滴をノズルから吐出させることができる。
【００２７】
さらに、各相互接続線４０に送信される各信号の電気特性を変えて隔膜により生成される圧力パルスの波形をカスタマイズし、例えば、隔膜の歪みの振幅を増やしたり減らしたりして、ノズルから吐出されるインク滴のサイズまたは速度をさらに調整することができる。例えば、３枚の隔膜のアクチュエータシステムでは、中心の隔膜を作動させて、より小さい圧力パルスを作り、２枚以上の隔膜を同時に作動させて大きなパルスを作ることができる。これにより、特定の使用に合わせて小滴の吐出を調整することができる。
【００２８】
本教示に従って、その他の構造の実装形態を考察して印刷ヘッドを形成する。例えば、図５には隔膜ノード５０を含む圧電アクチュエータシステムの実施形態が示されている。この隔膜ノード５０は隔膜層２１から垂れ下がっているが、ノード５０の少なくとも一部の底面は何にも支持されていない。また、この実施形態には支持された他のノード２４が含まれ得る。このことは、全てのノード２４が完全に支持されている図２の実施形態とは対照的である。上記の通り、支持されているノードを有するシステムでも、共通の本体チャンバ全体に渡ってインクが自由に流れることができるように、支持部の周りまたは支持部を通して流体経路を含むことができるが、支持されていないノードを含むことにより本体チャンバ５２が開かれ、これにより、インク入口２７からインク出口２９までの間のインクの流れが改善される。
【００２９】
図６には、圧電アクチュエータシステムのアレイの実施形態が示されており、この圧電アクチュエータシステムのアレイは、隔膜１８および上端電極部２０を覆う１つ以上のキャップ構造体６０と、隔膜層２１とキャップ構造体６０の間に挟まれる支持ノード６２とを含む。図示されている通り、ノード６２の少なくとも１つは、横方向に隣接する各上端電極部２０の間に直接挟まれている。このことは、ノードの一部が本体チャンバ内に形成されている図２および図５の実施形態とは対照的である。図６の実施形態では、本体チャンバ６４が開き、隣接する上端電極部２０間のノード６２の一部が本体チャンバ６４内には挿入されていない。これにより、インク入口２７からインク出口２９の間のインクの流れを改善することができる。この実施形態では、キャップ構造体６０に覆われてなく露出したままの上端プレート部２０の端に相互接続線３０（図１）を接続することができる。この実施形態では、アクチュエータシステムは、本体チャンバの全ての位置において、図６の本体チャンバ６４の断面を有し得る。この実施形態では、上端電極のうちの１つを起動させることにより、それと対を成す隔膜を完全な振幅で歪ませ、その他の対を成さない隔膜を不完全な振幅で歪ませることができるように、単一のアクチュエータシステムに関する隔膜１８を部分的にだけ分離させることができる。上記に記載した通り、別の実施形態では、アクチュエータシステムのアレイは、第１の位置で図６の断面を有し得、第２の位置で図２の断面を有し得る。
【００３０】
種々の実装形態は、本明細書で示され、説明のため上記に記載された圧電アクチュエータシステムの印刷ヘッドではなく、静電アクチュエータシステムの印刷ヘッドを用いるようさらに適用し得る。例えば、図７には、静電アクチュエータシステムのアレイ７０の一部を示す断面図が示されている。この実施形態には、基板７２、および複数の静電アクチュエータシステム７４が含まれ、これらの静電アクチュエータシステム７４はアクチュエータシステムのアレイの一部として形成されている。各アクチュエータシステム７４は、間隔を開けて配置された複数の駆動電極７６Ａ〜７６Ｃと、複数の隔膜１８Ａ〜１８Ｃと、複数のノード７８とを含み、これらの複数のノード７８が複数の隔膜１８Ａ〜１８Ｃを画定し、隔膜層２１を複数の隔膜１８に分割する。各アクチュエータシステム７４は本体チャンバ８０をさらに含むことができ、この本体チャンバ８０の中にはノード７８が形成されておらず、これにより、インク入口２７からインク出口２９の間のインクの流れを改善し、印刷ヘッド内の圧力を下げることができる。別の実施形態では、各静電アクチュエータシステムは、例えば、ノード２４（図２）と類似するノードを本体チャンバ８０内にさらに含むことができ、このノードは、上部端では隔膜層２１と物理的に接触して延在し、下部端では下部構造と物理的に接触して延在する。あるいは、各静電アクチュエータシステムは、ノード５０（図５）と類似するノードを本体チャンバ８０内にさらに含むことができ、このノードは、図示される通り、上部端では隔膜層２１と物理的に接触して延在するが下部端では支持されていない。複数の駆動電極７６は、アクチュエータシステムの空気チャンバにより、複数の隔膜１８から間隔を開けて配置され、このアクチュエータシステムの空気チャンバは基板７２および隔膜層２１により部分的に画定されている。アクチュエータシステムの空気チャンバにより、印刷中に隔膜１８が駆動電極７６に向かって歪むことができる。
【００３１】
電圧をかけることにより、電極７６のうちの１つ以上が起動すると、起動した電極７６と対を成す隔膜１８が起動した電極７６に向けて引き寄せられ屈曲状態となる。これにより、本体チャンバ８０内の圧力が下がり、インクがインク入口２７を通り本体チャンバ内に吸い込まれる。その後、電極７６の電圧を止めて電極７６の起動を停止させると、この電極７６から隔膜１８が解放され弛緩状態になり、本体チャンバ８０内の圧力が増加してノズル１４からインクが吐出される。
【００３２】
静電アクチュエータシステムのアレイ７０の実施形態は、図１に示されるような相互接続線３０を含むことができ、これらの相互接続線３０により、起動したアクチュエータシステム７４内の全ての電極７６を同時に起動する。静電アクチュエータシステムのアレイ７０の実施形態は、図４に示されるような相互接続線４０をさらに含むことができ、これらの相互接続線４０により、アクチュエータシステム７４内の各電極７６に個々にアドレ指定して、各隔膜１８を個々にアドレス指定し起動させることができるようにすることができる。
【００３３】
したがって、本教示の実施形態では、それぞれが低い縦横比の本体チャンバ（１．０から２．０、または１．０から１．５）を有し、薄い隔膜を含む、アクチュエータシステムのアレイを形成することができる。各アクチュエータシステムは、間隔を開けて配置された複数の（２つ以上、例えば、３つ、４つ、５つ、またはそれ以上）の電極部および単一のインク吐出ノズルをさらに含み、各電極部は個々の隔膜と一意的に対を成す。単一のアクチュエータシステムに関する複数の隔膜は、連続隔膜層から形成され得、この連続隔膜層は隔膜層と物理的に接触する複数のノードにより分割した機能的隔膜に区分される。隔膜の最大振幅（最大屈曲）点は、隔膜を画定する２つのノード間の中心点またはその近辺でよい。単一のアクチュエータシステムの複数の電極のうちの１つ以上を起動させることにより、単一のアクチュエータシステムの複数の隔膜のうちの１枚以上が歪み、各電極は隔膜のうちの１枚と一意的に対を成す。各アクチュエータシステムは１つだけのノズルと一意的に対を成し、単一のアクチュエータシステムに関する起動する全ての電極により、この１つだけのノズルからインクが吐出されるよう印刷ヘッドは構成される。
【００３４】
他の変更形態について考察する。本教示の実施形態によるアクチュエータシステムは、アクチュエータシステムごとに複数の隔膜を含むことができ、上記に開示された複数の上端電極ではなく、アクチュエータシステムごとの複数の下端電極のうちの１つの下端電極をアドレス指定し起動させることにより、各隔膜を一度に、または個々にアドレス指定可能であることは理解されよう。したがって、このシステムでは、「駆動電極」とは、アクチュエータシステムの隔膜のうちの１枚を駆動させる複数の下端電極のうちの１つのことを指す。アクチュエータシステムごとに、分離した下端電極を含むアクチュエータシステムのアレイは、同一の出願人による米国特許第７，０４８，３６１号明細書により開示され、その全ては引用することにより本明細書に組み込まれるものとする。さらに、上端電極または下端電極のどちらかが駆動電極である、他の電極の構成を考察する。
【００３５】
図８には、本教示の実施形態を含む、少なくとも１つの印刷ヘッド９４が収納されたプリンタ筺体９２を含むプリンタ９０が示されている。この筺体９２は、印刷ヘッド９４を収納することができる。動作中、１つ以上の印刷ヘッド９４からインク９６が吐出される。紙のシート、プラスチックなどの印刷媒体９８上に所望の画像を作成するためのデジタル命令に従って、印刷ヘッド９４は動作する。印刷ヘッド９４は、走査運動中、印刷媒体９８に対して前後に動いて、走査幅ごとに印刷画像を生成することができる。あるいは、この印刷ヘッド９４は固定されて保持され、それに対して印刷媒体９８が移動し、単一のパスで印刷ヘッド９４の幅の画像を作成する。印刷ヘッド９４は、印刷媒体９８の幅より狭くても、あるいは印刷媒体９８の幅と同じでもよい。別の実施形態では、印刷ヘッド９４は、その後、印刷媒体に転写するために、回転ドラムまたは回転ベルト（簡略化のため図示せず）などの中間面に画像を印刷することができる。
【００３６】
本教示の広い範囲を記載する数値範囲およびパラメータは近似値である。また、本明細書に開示される全ての範囲は、その中に包含される任意および全ての部分範囲を包含すると理解されるものとする。例えば、「１０未満」の範囲は、ゼロの最小値と１０の最大値の間（および含む）の任意および全てのサブ範囲、すなわち、例えば、１から５などのゼロ以上の最小値および１０以下の最大値を有する任意および全てのサブ範囲を含むことができる。特定の場合において、パラメータに関して記載された数値は負の値をとり得る。この場合、「１０未満」と記載された範囲の例示的な値は、例えば、−１、−２、−３、−１０、−２０、−３０などの負の値と想定可能である。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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