(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液滴放出のための放出装置であって、
液体を受容するチャンバを区画し、かつ、受容した液体の液滴を放出可能なノズルオリフィスを有する構造体、
前記チャンバの可動壁部分と一体化される第１電極であって、当該第１電極の第１方向への動きにより前記可動壁が移動されて前記チャンバの容量を増加させ前記チャンバ内に液体を吸引する第１電極、
前記可動壁部分に構造的に結合される第２電極であって、当該第２電極の前記第１方向と異なる第２方向への動きにより前記可動壁が移動されて前記チャンバの容量を減少させ前記ノズルオリフィスを通して液滴を放出する第２電極、および
第１電極および第２電極の間にある第３電極を備え、
（１）第１電極と第３電極との間に電圧差を印加すると、第１電極が前記第１方向へ移動して前記チャンバの容量を増加させ、（２）第２電極と第３電極との間に電圧差を印加すると、第２電極が前記第２方向へ移動して前記チャンバの容量を減少させ、
前記第３電極は、互いに向かい合う２つの面を有し、前記２つの面はそれぞれ第１電極の表面と第２電極の表面に接触角度を持って面し、第１電極が前記第１方向へ移動するにつれ、第１電極と第３電極との間の接触が次第に増加し、第２電極が前記第２方向へ移動するにつれ、第２電極と第３電極との間の接触が次第に増加する、
液滴放出のための放出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に、例えばジェット式プリンタなどのドロップオンデマンド液体放出装置に関し、特に、装置から液体を送り出すために静電アクチュエータを用いるような装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
静電アクチュエータを備えたドロップオンデマンド液体放出装置は、インク印刷システムのために知られている。１９９７年７月１日および１９９７年９月１６日発行の、フジイ（Ｆｕｊｉｉ）他に対する特許文献１および特許文献２は、それぞれ、ダイヤフラムおよび対向電極で構成された静電アクチュエータを有しているような装置を開示している。ダイアフラムは電極への第１電圧の印加で歪められる。ダイアフラムが緩和すると、インク小滴が装置から放出される。静電引力の原理で作動する他の装置は、特許文献３、特許文献４および特許文献５、および特許文献６に開示されている。
【０００３】
特許文献７は、膜中にインク補充穴を伴った静電気的に変形可能な膜を有する装置を教示している。インク全体に印加された電場は、膜を偏向させ、インク滴を放出する。
【０００４】
非特許文献１は、インク放出装置を形成するために、２つはガラス、そして１つはシリコン製の、３つの基盤を接着することによって作られたヘッドを開示している。インクキャビティからの液滴は、シリコン基板に形成された膜が、最初に下部ガラス・プレート上の導体に接触するよう引き下げられ、続いて解放されると、最頂部のガラス・プレートのオリフィスを通って放出される。インク中には電場は存在しない。
【０００５】
Ｊ．クビイ（Ｊ．Ｋｕｂｂｙ）他による特許文献８は、堆積されたポリシリコン層で作られた、表面ミクロ機械加工液滴放出装置を教示している。インクキャビティからの液滴は、下部ポリシリコン層が、最初に導体に接触するよう引き下げられ、続いて解放されるとき、上部ポリシリコン層のオリフィスを通って放出される。インク中には電場は存在しない。
【０００６】
【特許文献１】
米国特許第５，６４４，３４１号明細書
【特許文献２】
米国特許第５，６６８，５７９号明細書
【特許文献３】
米国特許第５，７３９，８３１号明細書
【特許文献４】
米国特許第６，１２７，１９８号明細書
【特許文献５】
米国特許第６，３１８，８４１号明細書
【特許文献６】
米国公開第２００１／００２３５２３号
【特許文献７】
米国特許第６，３４５，８８４号明細書
【特許文献８】
米国特許第６，３５７，８６５号明細書
【非特許文献１】
ドイツのハイデルベルグで２００２年１月２５日〜２９日の間開催された、ＩＥＥＥコンファレンス会報「ＭＥＭＳ  １９９８」での、Ｓ．ダルミスキ（Ｓ．Ｄａｒｍｉｓｕｋｉ）他による題名「低パワー、小型、静電気駆動の商業インクジェットヘッド（Ａ  Ｌｏｗ  Ｐｏｗｅｒ，Ｓｍａｌｌ，Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃａｌｌｙ−Ｄｒｉｖｅｎ  Ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ  ＩｎｋｊｅｔＨｅａｄ）」
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献７の装置は、製造は容易であるが、インク全体にわたる電場が必要であるため、インクが使用可能なタイプに限定される。
非特許文献１の装置は広い空間を占拠し、製造費用も高いものとなっている。
特許文献８の装置は効率的動作のために高電圧を必要とし、製造には特別な弾性係数を有する材料が必要である。
【０００８】
ダイアフラムとその対向する電極とのギャップは充分大きくなければならず、それにより、ダイアフラムは、液体チャンバ容積を有意な量だけ変更出来る程度遠くへ移動し得ることになる。大きいギャップはダイアフラムを移動させるための大きな電圧を必要とし、大きな電圧は、高価な回路を必要とし、アセンブリプロセスに加えることになる。ギャップが非常に小さくなると、ダイアフラムの動きは無理なものとなり、装置の面積は大きくなければならない。
【０００９】
液滴の放出をダイアフラムの弾性記憶に依存する装置では、ダイアフラムは、自身の張力と垂直剛性の下で初期位置に戻らなければならない。これは、常に静摩擦に打ち勝つことが出来るというわけではなく；各膜も、同じ張力と垂直剛性であるわけではない。
【００１０】
電極へ電圧を印加することにより、ダイアフラムが変形されると、ダイアフラムは、ダイアフラムが基板に近づくに従い、下にある基板と接触する程度にいっぱいに折れる傾向がある。一般に、これはダイアフラムの進行の最終の１／３の間に起こる。この部分の動きは制御されていない。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の特徴に従って、例えば、インクジェット式プリンタなど、ドロップオンデマンド液体放出装置は、装置内のチャンバから液体を放出するために電場を導入した、静電気液滴放出機構を含んでいる。構造的に結合され、個別にアドレス可能な、第１および第２のデュアル電極は、チャンバ内に液体を導入する第１方向、チャンバから液滴を放出する第２方向に移動可能である。デュアル電極間にある第３の電極は、第１および第２の電極の各々とある接触角度を持って面した、相対する表層を有しており、デュアル電極が第１方向へ移動すると、第１の電極と第３の電極との接触が次第に増加し、デュアル電極が第２方向へ移動すると、第２の電極と第３の電極との接触が次第に増加する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明は、特に、ある好ましい実施例に関連して詳細に説明されているが、本発明の精神および範囲内で、変更および修正が可能であることは理解されるものだろう。
【００１３】
本願明細書で以下に詳細に説明するように、本発明は、ドロップオンデマンド液体放出装置を操作する装置と方法を提供する。こうした装置で最もよく見られるものは、インクジェット式プリントシステムの印刷ヘッドとして用いられている。インクジェット式印刷ヘッドと同等の装置を利用しながらも、空間的高精度を伴った微細な計量および滴下を要する液体（インクを除く）を放出する、他の多くのアプリケーションが現れている。以下に説明する本発明は、エネルギー効率および液滴放出の総合的な生産性を改良するために、静電アクチュエータに基づく液滴放出を操作する装置、および方法を提供する。
【００１４】
図１は、本発明に従って操作可能な、インクジェット式プリンタなどの、ドロップオンデマンド液体放出装置１０の概略図を示している。システムは、コントローラ１４により液滴放出コマンドとして解釈される信号を提供する、データ（例えば、画像データ）のソース１２を含んでいる。コントローラ１４は、電気エネルギーパルスのソース１６に信号を出力し、それは、インクジェット式プリンタ１８などの、ドロップオンデマンド液体放出装置に入力される。
【００１５】
ドロップオンデマンド液体放出装置１０は、複数の静電気液滴放出機構２０を含んでいる。図２は、複数の静電気動作液滴放出機構２０のうちの１つの断面図である。ノズルオリフィス２２は、各機構２０のためのノズル・プレート２４内に形成される。電気的にアドレス可能な電極２８を擁する壁２６は、各液滴放出機構２０を結合している。
【００１６】
電極２８の外周部は、例えばインクなどの、ノズルオリフィス２２から放出される液体の受容用に適合された、液体チャンバ３０を形作るために、壁２６に、シールする形で取付けられる。液体は、１つ以上の補填ポート３２を通して、供給装置（図示せず）からチャンバ３０内へ吸引され、通常ノズルオリフィスにメニスカスを形成する。ポート３２は、以下に議論するような大きさとなる。誘電性の流体は、チャンバ３０に対向する電極２８の側面の上の領域３４を満たす。誘電性の液体を使用してもよいが、誘電性の流体は、空気もしくは他の誘電性のガスであることが好ましい。
【００１７】
通常、電極２８は、ポリシリコン、もしくは好ましい実施例における、上下絶縁層に囲まれた中央伝導層を有する層の組み合わせなど、何らかのフレキシブルな導体素材で作られている。例えば、好ましい電極２８は、２枚の窒化シリコンの薄いフィルム間に積層される、ポリシリコンの薄いフィルムを含んでおり、各フィルムは、例えば厚さ１ミクロンである。後者の場合では、窒化物はポリシリコンフィルムを硬化させ、チャンバ３０内の液体からそれを隔離するよう作用する。しかし、後述のように、カプラーがあるので、静電引力のみにより、電極はいずれの方向にも移動し得るため、ポリシリコンフィルムをより硬化させる必要はない。
【００１８】
チャンバ３０と下部キャビティ３７との間の第２電極３６は、電極２８と同じ組成で、電極２８と独立して電気的にアドレス可能であることが好ましい。アドレス可能な電極２８、３６は、好ましくは、少なくとも部分的にフレキシブルであり、それぞれ単一の中央電極３８の反対側に位置決めされ、全体に、３つの電極がノズルオリフィス２２と共に軸方向に整列される。アドレス可能な電極３６が、壁２６とで完全なシールをする必要はないので、その周辺領域は、電極３６の中央領域を壁２６に繋ぐ、単なるタブでもよい。
【００１９】
中央電極３８は、好ましくは、一定の厚さの例えば酸化シリコンもしくは窒化シリコンの薄い絶縁体によって囲まれた、伝導性の中央ボディーから作られていて、壁２６にしっかりと取り付けられている。好ましい実施例では、中央電極は、上部と底部が対称であり、その下部表面に沿い、壁２６で、アドレス可能な電極３６に接触している。
【００２０】
２つのアドレス可能な電極は、硬質なカプラー４０を介して構造的に接続される。このカプラーは電気的に絶縁されているが、この用語は、非伝導性のブレーキを有する、伝導性素材から成るカプラーを含むことを意図している。カプラー４０は、２つのアドレス可能な電極を、構造的に１つに結合し、さらに、この２つの電極上に異なる電圧が生成可能となるよう、これらの電極を絶縁する。カプラーは、共形的に堆積された二酸化シリコンから作成されてもよい。
【００２１】
図３から図５は、プリントヘッドのいくつかのノズルオリフィス２２用レイアウトパターンの、数個の代替実施例を示す、ノズルプレート２４の平面図である。図２および図３では壁２６の内部表面が環状であるのに対し、図５では壁２６は、長方形のチャンバーを形成する点に留意されたい。他の形ももちろん可能であり、加えて、これらの図面の意図するところは、本発明の精神と範囲内で代替案が可能であるという理解を導くことである。
【００２２】
図６を参照すると、液滴を放出するために、ノズルオリフィス２２と中央電極３８の伝導部分に最も近い、アドレス可能な電極２８のポリシリコン部分が帯電される。中央電極３８の伝導性ボディー、およびアドレス可能な電極３６のポリシリコン部分の電圧は、同一に保たれる。図６に示されるように、アドレス可能な電極２８は、中央電極内の中央開口部のごく近傍領域を除いて、実質的に中央電極の表層の形に変形されるまで、中央電極３８に引き付けられる。このように、その形が一致する際に、アドレス可能な電極２８は、硬質なカプラー４０を介して、アドレス可能な電極３６を押し下げ、その結果、図６に示されるように、アドレス可能な電極３６を下向きに変形させ、システム内に弾性ポテンシャルエネルギーを蓄える。アドレス可能な電極２８がノズルオリフィスの背後の液体チャンバ３０の壁部分を形づくるので、ノズルプレート２４から遠い電極２８の動きは、チャンバを拡張し、ポート３２を通して液体を拡張チャンバに吸入する。アドレス可能な電極３６は帯電されず、アドレス可能な電極２８に関連して移動する。
【００２３】
本発明の特徴に従って、アドレス可能な電極２８の下部表面と中央電極３８上部表面との接触角は１０度未満であることが好ましい。好ましい実施例では、この角度は、アドレス可能な電極２８の下部表面と中央電極３８上部表面との接触点では０度となる傾向を有する。これにより、アドレス可能な電極２８を、中央電極３８と接触するよう引き下げるのに必要な電圧差は、角度が１０度より大きい場合に必要となる値と比べて、確実に小さなものとなる。静電アクチュエータの当業者により認識され得るように、例えば、通常、図６に示される中央電極３８の形状のために必要とされる電圧は、アドレス可能な電極２８の下部表面と中央電極３８の上部表面との接触角が９０度である場合に必要とされる電圧の半分未満である。
【００２４】
続いて（例えば、数マイクロセカンド後に）、アドレス可能な電極２８が除勢され、アドレス可能な電極３６に通電することにより、アドレス可能な電極３６は、蓄えられた弾性ポテンシャルエネルギーの解放に伴い、中央電極３８に向かって引き寄せられる。電極２８の除勢、および電極３６の通電のタイミングは、同時であってもよいし、もしくは、システムに蓄えられた弾性ポテンシャルエネルギーの力のみで、構造が図６に示した位置から、図７に示した位置に向かって移動し始めるよう、双方の間に短い停止時間があってもよい。さらに図７を参照すると、この動作は、ノズルオリフィスの背後のチャンバ３０内の液体を加圧し、液滴のノズルオリフィスからの放出を引き起こす。充填と液滴放出との双方を最適化するために、ポート３２は、電極２８への通電時に、チャンバ３０の充填に有意の妨害を加えないよう、十分低い流動抵抗を示し、さらにまた、液滴放出時に、ポートを通る液体の逆流に対する充分に高い抵抗を示すよう、適切な大きさにされるべきである。
【００２５】
他の好ましい実施例：
図２に示される実施例では、アドレス可能な電極２８、３８は、電極２８と中央電極３８との間への電圧の印加以前の動作ステージでは、平行、かつ平坦である。これは事実である必要はない。本発明に従う、液体放出装置の他の好ましい実施例が、図８に示されているが、ここでは、図２のアドレス可能な電極２８が、その動作ステージで、上向き湾曲したアドレス可能な電極５０に取り替えられている。薄膜製作技術において周知であるように、こうした電極構成は、静的圧縮状態のアドレス可能な電極５０を含む、若干もしくはすべての素材の堆積により、製造可能である。代替的に、例えば、部分的に露出しているフォトレジストの表面などのように、形成表面上に、膜を堆積させることが可能である。こうした場合、主要な動作は基本的に変化しない。
【００２６】
さらに他の好ましい実施例：
図９は、本発明に従う液体放出装置の、さらに他の好ましい実施例を示す。図２の上下のアドレス可能な電極２８、３６間の中央カプラー４０は、図９の実施例では、中央位置から放射状に除去された、複数のカプラー５２により置き替えられている。この場合、カプラー５２は、中央電極３８内の同数の開口部に円形に分配された柱である。その他の点では、動作は、図２、図６、および図７の議論で説明されたものと同一である。
【００２７】
さらに他の好ましい実施例：
図１０は、本発明に従う液体放出装置の、さらに他の好ましい実施例を示す。中心に位置するカプラー５４は、インクチャンバ３０を下部キャビティー３７に接続する、筒状の開口部５６を提供する。液体は、チャンバ３０と同様に下部キャビティー３７を満たす。液体が下部キャビティー３７に供給されると、筒状開口部５６は、図２の充填ポート３２の全機能もしくは一部の機能を代行する。この実施例では、開口部５６内に、流体を下方に導くよりもはるかに容易に上方へ導く装置を、組み入れ可能である。例えば、開口部５６内の、もしくは開口部の頭頂部を先細りさせることによるチェックバルブ、下向きの流れを制限可能となる。これにより、アドレス可能な電極２８がノズルプレート２４に向かって移動する場合、オリフィスから放出される流体量が増加する。
【００２８】
本発明に従って、中央電極３８の両面は凹面となっており、上部並びにアドレス可能な電極２８、３６は、壁２６に沿ったその外周で、中央電極３８と接触する。好ましい場合、アドレス可能な電極は、通常窒化シリコンなどの堆積した誘電体膜の状態で張力を受けており、図６に示されるように、インクキャビティー３０が拡張し、双方のアドレス可能な電極の面積が増大しているという事実からも分かるように、液滴放出動作のある期間には、かなりの量の弾性エネルギーが、双方のアドレス可能な電極に蓄えられている。双方の電極における、この多量の弾性エネルギーの蓄積は、液滴放出開始時に、インクキャビティー上へ大きな初期液滴放出力を適用させる、すなわち、図６の形のように、アドレス可能な電極２８と中央電極３８との間の電圧差がゼロに設定され、アドレス可能な電極３６と中央電極３８の間の電圧差が非ゼロに合わせられた場合の、液滴放出に於いて有利なものとなる。その時の液滴放出動作の間、液滴放出のために、双方の電極によって加えられる力は、アドレス可能な電極の双方の弾性力と、アドレス可能な電極３６に作用する静電力の合計から導かれる。本発明に従って、アドレス可能な電極２８と中央電極３８がわずかな接触角を有し、さらに、これらの電極が、誘電性の薄膜によってのみ切り離されていることは、アドレス可能な電極２８と中央電極３８との間に印加される電圧が、製作コストを増加させる程度の大きな電圧差を必要とせず、双方のアドレス可能な電極に、多量の弾性エネルギーの最大量を蓄積可能となるためには、不可欠なものである。
【００２９】
電極が、図６に示される拡張インクキャビティー容積から、図７に示される収縮インクキャビティー容積まで移動する際、電極は、図２に示されるものと同様の、アドレス可能な電極双方が最小面積を持つ形（ｇｅｏｍｅｔｒｙ）を通過する。アドレス可能な電極が液滴放出の間、さらに上方へ移動する場合、アドレス可能な電極の双方の機械復元力は逆方向となり、その結果、弾性力が欠如している場合と比較して、アドレス可能な電極２８の上向きの速度を遅くする。本発明に従って、アドレス可能な電極３６と中央電極３８の間にわずかな接触角を有し、さらに、これらの電極が、誘電性の薄膜によってのみ切り離されていることは、アドレス可能な電極３６と中央電極３８との間に印加される電圧が、液滴を放出し続け得るために不可欠である。同様の理由で、本発明に従って、アドレス可能な電極の双方の機械的復元力が逆方向になるという事実は、アドレス可能な電極３６が、中央電極３８に完全に接触する以前に、アドレス可能な電極３６と中央電極３８の間の電圧差の印加を止めることが可能な動作方法を可能とし、その結果、アドレス可能な電極２８の加速がすぐさま逆方向となり、本技術で知られる、液滴の停止を促す状況が実現する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に従う、ドロップオンデマンド液体放出装置の概略図である。
【図２】  図１のドロップオンデマンド液体放出装置の一部の断面図である。
【図３】  図１および図２に示した、ドロップオンデマンド液体放出装置のノズルプレートの代替実施例の平面図である。
【図４】  図１および図２に示した、ドロップオンデマンド液体放出装置のノズルプレートの代替実施例の平面図である。
【図５】  図１および図２に示した、ドロップオンデマンド液体放出装置のノズルプレートの代替実施例の平面図である。
【図６】  図２のドロップオンデマンド液体放出装置の、第１動作ステージを示す断面図である。
【図７】  図２のドロップオンデマンド液体放出装置の、第２動作ステージを示す断面図である。
【図８】  図１のドロップオンデマンド液体放出装置の、他の実施例の一部の断面図である。
【図９】  図１のドロップオンデマンド液体放出装置の、他の実施例の一部の断面図である。
【図１０】  図１のドロップオンデマンド液体放出装置の、他の実施例の一部の断面図である。
【符号の説明】
１０  ドロップオンデマンド液体放出装置、  １２  ソース、  １４  コントローラ、  １６  ソース、  １８  インクジェット式プリンタ、  ２０  機構、２２  ノズルオリフィス、  ２４  ノズル・プレート、  ２６  壁、  ２８  電極、  ３０  液体チャンバ、  ３２  ポート、  ３４  領域、  ３６  第２の電極、  ３８  中央電極、  ４０  カプラー。
【図１】
0004430337.tif 000002
【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】
0004430337.tif 000009
【図９】
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【図１０】
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