(57)【要約】【課題】  排出穴の周囲は、面積と周囲との比が0.25μmなので、ほぼ480μmとなり、排出速度が非常に遅くなり、従って噴射、補充速度も遅い。【解決手段】  少量放出装置は、少量の液体が放射することができるノズル穴がある部屋を含む。変形可能な電極は、第１の方角への電極の移動が部屋の容積を増し、そして第２の方角への電極の移動が部屋の容積を減少してノズル穴を通じて少量を放出するように、部屋に関係している。固定電極は、両電極間の第２の部屋を決定するために変形可能な電極に対向し、両電極間相対的な電圧差の制御により、変形可能な電極は第１または第２の方向に移動する。容積の変化により、固定電極内の開口を通じて誘電性材料源に放出される。開口の横断面エリアと固定電極の周囲との比は0.25μmより大きく、好ましくは約5μmである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を受け取るために可変の容積で、そして受け取った液体の少量を放出できるためのノズル穴を有する第１の部屋と、
第１の方角への電極の移動が部屋の容積を増し、そして第２の方角への電極の移動が部屋の容積を減少してノズル穴を通じて少量を放出するように、第１の部屋に関係している、電気的にアドレス可能で変形可能な電極と、
所定の周囲長を有する固定電極であって、変形可能な電極に対向して変形可能な電極との間で第２の部屋を決定し、これにより両電極間の相対電位差の制御により、変形可能な電極は第１または第２の方向に移動し、前記可変の容積は、誘電性材料を含み、そして、固定電極内の所定の横断面エリアの開口を通じて誘電性材料源に放出され、開口の横断面エリアと固定電極の周囲との比は0.25μmより大きい、固定電極とを備えることを特徴とする少量の液体を放出するための放出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えばインクジェット・プリンターのようなマイクロ電気機械(MEM)の少量オン・デマンドの液体放出装置に一般的に関し、特に装置から液体を供給するために静電アクチュエーターを採用する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
静電アクチュエーターを備えた少量オン・デマンドの液体放出装置はインク印刷システムで公知である。米国の特許5,644,341番および5,668,579番(それぞれ1997年7月1日および1997年9月16日に Fuji その他により出願)は、単一のダイヤフラムおよび対向電極かになる静電アクチュエーターを有するような装置を開示している。ダイヤフラムは、２つの電極間で差動電圧の印加によって曲げられます。ダイヤフラムが弛緩すると、装置からインク小滴を出す。静電力の原理上で作動する他の装置は、米国の特許5,739,831番、6,127,198番および6,318,841番および米国出願2001/0023523番に開示されている。
【０００３】
米国の特許6,345,884番は、薄膜内にインク充填穴を有する、静電的に変形可能な薄膜を備えた装置を開示している。インクを横切って印加された電界は薄膜を変形させ、インク滴を吐き出す。
【０００４】
ドイツ、ハイデンベルグにて2002年1月25-29日に開催のIEEE先進会議「MEMS 1998」でのS.Darmisukiらによるタイトル名「低圧、小型の静電的駆動の商用インクジェットヘッド」は、インク噴射器を形成するために、３つの基板(その二つはガラスでその一つはシリコン)を陽極的に接合して作成されたヘッドを開示する。シリコン基板で形成された薄膜が、下位のグラス・プレート上のコンダクタと連絡をとるために最初に引き下ろされ、続いて開放される時に、インク穴からの少量が、トップにあるグラス・プレート中の穴を通って放出される。インク内に電場は存在しない。装置は大きなエリアを占有し、製造が高価である。
【０００５】
J.Kubbyらによる米国の特許6,357,865番は、置かれたポリシリコン層で作られた、表面のマイクロ機械加工された少量噴射器を開示する。下側のポリシリコン層がコンダクタと接続をとるために最初に引き下ろされ、続いて開放される場合、インク穴からの滴下は、上側のポリシリコン層の中の穴を通って放出される。
【０００６】
前述の米国の特許6,127,198番では、電圧が電極に印加された場合、変形可能なダイヤフラムと対向する固定電極との間でトラップされたエアーが圧縮される。エアー室は、圧縮空気を提供するために比較的大きな体積を持っていなければならず;与えられたエリアに位置することができる噴射ノズルの数を低減する。米国の特許6,235,212番は、変形可能なダイヤフラムと対向する固定電極との間に折り曲げられたスペースを提供する。その穴は装置の周囲のまわりの非常に薄いスロットである。部屋に流体をなくしておくために、機構は、電極間の疎水性の層に依存するので、周囲穴ギャップの横断面のエリアは適切に出すためには、必然的に不十分となる。穴の厚さは特許の中で0.5μmとして与えられている。80μmの装置で全周囲が開口されたと仮定しても(例えば、周囲の25%が装置を止めるために使用されたとしても)、穴の断面積は次に計算されるように約120μm2だけになる。
2πr * 厚さ ＝ 2π * 40μm * 0.5μm ≒ 120μm2
【特許文献１】米国特許5,644,341番
【特許文献２】米国特許5,668,579番
【特許文献３】米国特許6,345,884番
【特許文献４】米国特許5,739,831番
【特許文献５】米国特許6,127,198番
【特許文献６】米国特許6,318,841番
【特許文献７】米国出願2001/0023523番
【特許文献８】米国の特許6,357,865番
【特許文献９】米国の特許6,235,212番
【非特許文献１】「低圧、小型の静電的駆動の商用インクジェットヘッド」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
穴の周囲は、面積と周囲との比が0.25μmなので、ほぼ480μmになるであろう。これは非常にゆっくり出る装置になるであろう。従って噴射し補充するのが遅くなる。
【０００８】
この発明の目的は、固定電極背後の排出穴を備えることにより、動作および補充を急速にできるタイプのマイクロ電気機械(MEM)の少量オン・デマンドの液体放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】
【０００９】
この発明の特徴によれば、少量の液体を放出するための噴射装置は、液体を受け取るために適合された容積が可変の第１の部屋を含む。その部屋は、受け取った少量の液体を放射できるノズル穴を持っている。変形可能な電極の第１の方向への移動が、第１の部屋に液体を取り込むために、第１の部屋の容積を増し、そして、変形可能な電極の第２の方向への移動が、ノズル口を通じて第１の部屋から少量の液体を排出するために、第１の部屋の容積を低減するように、電気的にアドレス可能な変形可能な電極は、第１の部屋に関係している。所定のパラメータで固定電極は、変形可能な電極に対向していて、両者間の第２の部屋を決定しており、可動および固定の電極間の相対的な電圧差の制御が、変形可能な電極を選択的に第１および第２のいずれかの方向に移動させるようになっている。可変の容積は、誘電性の材料を含んでおり、固定電極内の所定の横断面エリアの穴を通じてそのような誘電性材料源に放出される。固定電極の周囲長に対する開口の横断面エリアとの比率は、0.25μm以上で好ましくは約５μmである。
【発明の効果】
【００１０】
例として、固定電極内の直径20μmの排出穴は、面積と周囲との比を５μmとして、ほんの60μmの周囲長で300のμm2の面積を提供する。したがって、すべて、他の条件が同じなら、この発明は、実行および補充を米国特許6,235,212番で開示されたものと比較しておよそ20倍速くなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、詳細に記述されるように、この発明は斬新な少量オン・デマンド液体放出装置を提供する。そのような装置の最もよく知られているものは、インク・インクジェット印刷システムでプリントヘッドとして使用される。インクジェットのプリントヘッドに似た装置を使用する他の多くの応用が出願しているが、これらは、放出する液体を、他のインクに比べ、放射微細に計量し、高い空間精度で配置する必要がある。
【００１２】
図１は、この発明に基づき操作される、インクジェット・プリンターのごとき、少量オン・デマンド液体放出装置10の概略を示す。このシステムは、少量を放出するコマンドとしてコントローラ14によって解釈される信号を提供する、データ(つまりイメージデータ)源12を含む。コントローラ14は、インクジェット・プリンター18のような少量オン・デマンド液体放出装置へ入力される電気的なエネルギーパルス源16へ信号を出力する。
【００１３】
少量オン・デマンド液体放出装置10は多くの静電による少量噴出機構20を含む。図２は、この発明の好ましい実施例によって形成された図１の少量噴出機構20の部分平面図である。この図および次の図では、構造が概略の形態で続けて例示される。
【００１４】
図３〜５は、プリントヘッドのいくつかのノズル穴24に対するレイアウトパターンのいくつかの代替具体化を示す、ノズル・プレート22の平面図である。図２および３を注目すると、壁26の内部の表面は環状であり、一方、壁26は長方形の部屋を形成する。他の形はもちろん可能であり、これらの図面は、代替が、この発明の趣旨および範囲内に可能であるという理解を伝えるために、単に意図されたものである。
【００１５】
図６、７および８は、図２中のそれぞれのラインI-I', II-II', および III-III'での、静電的に駆動される少量噴出機構20の多数内の一つの断面図を示す。ノズル穴24は、各機構20に対し、ノズル・プレート22中に形成される。ノズル・プレート22の厚さは、いかなるどんな変形も少量噴射エネルギーの低下を表わし、少量の形成を禁じるので、プレートが屈曲しないように決定される。壁または複数の壁の26(それは電気的にアドレス可能な変形可能な電極28を担う)は、各少量噴射機構20を制限する。図６中で示されるように、壁は単一の材料からなるか、あるいは層材料のスタックからなってもよい。
【００１６】
たとえばインクのごとき液体を受け取れるように適応された液体の部屋30を決定して、ノズル穴24から放出されるために、変形可能な電極28の部分は、外部の壁25に気密にして取り付けられる。液体は、供給源(示されない)から１つ以上の供給ポート32を通じて部屋30に導かれ、典型的にノズル口にメニスカスを形成する。以下に述べるように、ポート32はサイズが設定される。誘電性の材料は、部屋30に対向する変形可能な電極28の側部を満たす。誘電性の液体が使用されてもよいが、誘電性の材料はむしろ空気あるいは他の誘電性のガスである。
【００１７】
典型的には、変形可能な電極28は、ポリシリコンのような多少柔軟な伝導性の材料、あるいは、上下の絶縁層と、それによって囲まれた中間の伝導性の層との結合からなる。例えば、代替電極28は、窒化ケイ素の２つの薄膜間で積み重ねられたポリシリコンの薄膜を含み、各薄膜は、例えば厚さ1ミクロンである。後者の場合では、窒化物が、ポリシリコン・フィルムを堅くし、かつそれが、部屋30内で液体を絶縁するように作用する。
【００１８】
アドレス可能な電極28はむしろ、部分的に柔軟で、固定電極34から一定間隔で配置され、２つの電極がノズル穴24と一般に軸方向にならべられる。
【００１９】
固定電極34は、伝導性で中央部に位置する部材で作られており、壁26に強固に取り付けられる。第１の活性化層35は、支持物44に対して電極34に絶縁を与え、一方、固定電極34および変形可能な電極28が機械的に接触して折り込まれた時、第２の活性化層36は、変形可能な電極28に対して、固定電極34に絶縁を与える。活性化層35および36の厚さは、活性化材質の破壊電圧、および両電極が接触した時に印加される電圧によって決定される。
【００２０】
図９を参照すると、少量を噴射するために、電圧差が、変形可能な電極28のポリシリコン部分と固定電極34の伝導性の部分の間に印加される。変形可能な電極28が部屋30内の液体に接しているので、変形可能な電極28がグランド又は０に対してある基準電圧で留まっている間、固定されは電極34に電圧が印加されるのが望ましい。変形可能な電極28は変形して固定電極34と機械的に接触するようになる。２つの電極間の第１の活性化層35は電気的な放電を防ぐ。変形可能な電極28がノズル穴背後の液体の部屋30の壁部分を形成するので、変形可能な電極28がノズル・プレート22から遠ざかる移動により、部屋30を拡張し、ポート32から拡大された部屋の中への液体を引き込む。
【００２１】
続いて(つまり、数マイクロセカンド後に)、変形可能な電極28の電源が切られ、すなわち、電極28と34の間の電位差が０になる。変形可能な電極28は、システム内の弾性体エネルギーに蓄えられた力のみによって、図９で示した位置から図１０で示した位置へ移動を開始する。更に図１０を参照すると、この動作が、ズル穴24背後の部屋30内の液体を圧縮し、そのノズル穴から少量を噴射させる。補充および少量の噴射を最適化するために、ポート32および流量制限38は、十分に低い流量制限を得るために、サイズが適正化され、これにより、変形可能な電極28がエネルギーを与えられた場合に、部屋30への補充が著しく妨害されないように、かつ、少量噴射の間に、ポートを通じた逆流に十分に高い抵抗を与える。変形可能な電極28がノズル・プレート22から離れる方向に移動して、ふくらんだ部屋にポート32を通って液体が導かれる時、いくらかの周囲の大気がノズル穴24を通って導かれる。流量制限器38はこのステップの間に、周囲の大気の取り込みを禁じるためにサイズが適正化される。
【００２２】
再度、図２を参照すると、動作中に、電気的信号が、図６の電極28および34に電気的リード40によって送られる。電極構造は、構造支持物44による外部の壁26に固定される。外部の壁26および構造支持物44の双方は単一の層を含むか、あるいは図７の中で示されるような材料層のスタックを含んでもよい。
【００２３】
図６〜１１中で示される第２の流体通路42は、電極34より下の部屋内の誘電性材料を、誘電性材料の貯蔵部(示されていない)に流し込み、およびそこから流れ込むことを可能にする。好ましい実施例では、誘電性材料は空気であり、周囲の大気が誘電性材料の貯蔵所の機能を実行する。流体経路42は、固定電極34内の所定の横断面のエリアの排気穴を形成する。排出穴の横断面エリアと、固定電極34の周囲との比は0.25μmより大きく、好ましくはおよそ５μmである。
【００２４】
図１１はこの発明の代替実施例を示し、この図面は図２のラインI-I'での図面に相当する。この実施例では、ノズル・プレート22は、装置の他のものと別々に形成され、その後、装置に接合される。これは、ノズル・プレートのレベル調整の技術のうちのいくらかを排除する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】この発明による少量オン・デマンド液体放出装置の概略図
【図２】図１の少量オン・デマンド液体放出装置の部分断面図
【図３】図１および図２の少量オン・デマンド液体放出装置のノズル・プレートトの別の実施例における平面図
【図４】図１および図２の少量オン・デマンド液体放出装置のノズル・プレートトの別の実施例における平面図
【図５】図１および図２の少量オン・デマンド液体放出装置のノズル・プレートトの別の実施例における平面図
【図６】図２の静止した機構でのラインＩ−Ｉ'における図１の少量オン・デマンド液体放出装置の断面図
【図７】図２の静止した機構でのラインII−II'における図１の少量オン・デマンド液体放出装置の断面図
【図８】図２の静止した機構でのラインIII−III'における図１の少量オン・デマンド液体放出装置の断面図
【図９】第１の動作段階での図２の少量オン・デマンド液体放出装置で図６に似た断面図
【図１０】第２の動作段階での図２の少量オン・デマンド液体放出装置で図９に似た断面図
【図１１】図２のラインI−I'での図１の少量オン・デマンド液体放出装置の別の実施例の断面図
【符号の説明】
【００２６】
１０  少量オン・デマンド液体放出装置
１２  イメージデータ源
１４  コントローラ
１８  インクジェット・プリンター
２０  少量噴射機構
２２  ノズル・プレートト
２４  ノズル穴
２６  壁
２８  変形可能な電極
３０  部屋
３２  ポート
３４  固定電極
３５  活性化層
４４  構造支持物
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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