(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に固定された第１の電極と、上記第１の電極と間隔を置いて配置された第２の電極と、上記第２の電極を支持するダイヤフラムと、上記第１の電極と第２の電極の間に電圧を印加し、これにより上記第１の電極と第２の電極との間に生じる静電力に基づいて上記ダイヤフラムを変形する駆動部とを備え、上記ダイヤフラムの変形に基づいて、上記ダイヤフラムの近傍に収容されているインクを加圧して吐出する静電型インクジェットヘッドにおいて、
上記第１の電極又は第２の電極の少なくともいずれか一方は複数の互いに分離された複数の部分電極で構成され、他方の電極である第１の電極又は第２の電極と各部分電極との距離がそれぞれ異なり、
上記複数の部分電極はそれぞれ、上記第１の電極と第２の電極の対向方向から見たときに、他の電極と少なくとも一部が重なるように配置されていることを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項２】
上記第１の電極と第２の電極の対向方向から見たときに重なるように配置された部分電極の間に絶縁層が介在されていることを特徴とする請求項１のインクジェットヘッド。
【請求項３】
基板上に固定された第１の電極と、上記第１の電極と間隔を置いて配置された第２の電極と、上記第２の電極を支持するダイヤフラムと、上記第１の電極と第２の電極の間に電圧を印加し、これにより上記第１の電極と第２の電極との間に生じる静電力に基づいて上記ダイヤフラムを変形する駆動部とを備え、上記ダイヤフラムの変形に基づいて、上記ダイヤフラムの近傍に収容されているインクを加圧して吐出する静電型インクジェットヘッドにおいて、
上記第１の電極は複数の互いに分離された複数の部分電極で構成されており、
上記複数の互いに分離された複数の部分電極は上記ダイヤフラムに対向する傾斜部上に形成されており、これにより上記複数の部分電極と上記第２の電極との間にはそれぞれ異なる距離が形成されていることを特徴とする静電型インクジェットヘッド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、静電型インクジェットヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、基板上に固定された第１の電極と、第１の電極と間隔を置いて配置された第２の電極と、第２の電極を支持するダイヤフラムと、第１の電極と第２の電極との間に電圧を印加する駆動部とを有し、この駆動部から第１の電極と第２の電極との間に電圧（画像信号）を印加することによりダイヤフラムを変形し、この変形に基づいてインクを加圧して吐出する静電型インクジェットヘッドが知られている。
【０００３】
この静電型インクジェットヘッドのインク吐出力は、第１の電極と第２の電極との間に生じる静電力（数１参照）により決まる。
【０００４】
【数１】
0003775047.tif 000002
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この数式によれば、電極間電圧（Ｖ）を変化すると静電力が変化する。従って、理論的には、電極間電圧を調節することにより異なる量のインクを吐出することが可能である。しかし、電極間電圧を変化するには、例えば、低圧用ドライバ、中圧用ドライバ、高圧用ドライバといった複数のドライバを必要とする。また、ドライバの値段はその出力可能電圧に応じて飛躍的に上昇し、インクジェットヘッドの高価格化は避けられない。また、電極面積を変えることによりインク吐出量を調整することも可能であるが、高密度なインクジェットヘッドでは、面積差がインク吐出量に十分反映されない。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明は、基板上に固定された第１の電極と、上記第１の電極と間隔を置いて配置された第２の電極と、上記第２の電極を支持するダイヤフラムと、上記第１の電極と第２の電極の間に電圧を印加し、これにより上記第１の電極と第２の電極との間に生じる静電力に基づいて上記ダイヤフラムを変形する駆動部とを備え、上記ダイヤフラムの変形に基づいて、上記ダイヤフラムの近傍に収容されているインクを加圧して吐出する静電型インクジェットヘッドにおいて、上記第１の電極又は第２の電極の少なくともいずれか一方は複数の互いに分離された複数の部分電極で構成され、他方の電極である第１の電極又は第２の電極と各部分電極との距離がそれぞれ異なり、上記複数の部分電極はそれぞれ、上記第１の電極と第２の電極の対向方向から見たときに、他の電極と少なくとも一部が重なるように配置されている。なお、本発明に係るインクジェットヘッドの他の形態では、互いに重ねられた部分電極の間には絶縁層が介在される。
【０００７】
本発明に係るインクジェットヘッドの他の形態は、基板上に固定された第１の電極と、上記第１の電極と間隔を置いて配置された第２の電極と、上記第２の電極を支持するダイヤフラムと、上記第１の電極と第２の電極の間に電圧を印加し、これにより上記第１の電極と第２の電極との間に生じる静電力に基づいて上記ダイヤフラムを変形する駆動部とを備え、上記ダイヤフラムの変形に基づいて、上記ダイヤフラムの近傍に収容されているインクを加圧して吐出する静電型インクジェットヘッドにおいて、
上記第１の電極は複数の互いに分離された複数の部分電極で構成されており、
上記複数の互いに分離された複数の部分電極は上記ダイヤフラムに対向する傾斜部上に形成されており、これにより上記複数の部分電極と上記第２の電極との間にはそれぞれ異なる距離が形成されている。
【０００９】
【発明の効果】
このように構成した本発明のインクジェットヘッドでは、第１の電極又は第２の一方の電極が複数の部分電極で構成されると共に、これら部分電極と他方の電極との距離がそれぞれ異なるようにしてある。したがって、電圧を印加する部分電極の数を変えることにより、第１の電極と第２の電極との間に形成される静電力が変化し、インクジェットヘッドから吐出するインクの量が変化する。そのため、同一の電圧を出力する電源にスイッチング回路を介して各部分電極を接続しておけば、このスイッチング回路で電圧を印加する部分電極を選択するだけで、吐出するインクの量を変化できる。これにより、ノズルを高密度に配置したインクジェットヘッドでも、安価な低電圧用のドライバだけでインク吐出量を可変できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図１と図２は、一実施形態のインクジェットヘッド１０を示す。このインクジェットヘッド１０は、３つの基板、すなわち、第１の基板１２、第２の基板１４、第３の基板１６を積層して構成されている。これら３つの基板１２、１４、１６は、シリコン、感光性ガラス、ニッケル、耐インク性に優れたポリイミド、ポリサルフォン等の樹脂で形成することができるが、本実施形態では、基板１２はホウ珪酸ガラス、基板１４はシリコン、基板１６はホウ珪酸ガラスで形成されており、陽極接合でそれぞれ隣接する基板に接合されている。
【００１１】
第２の基板１４は、第１の基板１２に対向する面を異方性エッチングで加工して、図３に詳細に示すように、インク２０を収容することができる複数の窪み、すなわち、複数のインク室２２、各インク室２２を大気に連通するインク吐出用ノズル２４、各インク室２２に補給するインク２０を収容しているインク補給室２６、及び各インク室２２をインク補給室２６に接続するインク補給路２８が形成し、これによりインク室２２の底壁を薄肉（厚さ約３μｍ）のダイヤフラム３０としてある。また、第３の基板１６に隣接する第２の基板１４の面は、ボロンをイオン注入し拡散してボロンドーピング層（共通電極３２）が形成されている。なお、ボロンドーピング層を最初に形成し、その後にエッチングでインク室２２を形成する場合、このボロンドーピング層がエッチングストップ層と機能する。
【００１２】
第３の基板１６は、第２の基板１４と対向する面であって、ダイヤフラム３０に対向するそれぞれの領域に、絶縁空間３４が形成されている。この絶縁空間３４の深さは、ノズル２４の位置する前部から反対側に向けて段々に深くなるように、３つの段部３６、３８、４０が形成されており、ダイヤフラム３０から各段部３６、３８、４０までの距離が段々に長くなるようにしてある。各段部３６、３８、４０にはそれぞれ、以下の説明する成膜技術を用いて、個別電極（部分電極）４２、４４、４６がそれぞれ形成され、これら個別電極４２、４４、４６とダイヤフラム３０との間隔がそれぞれ０．４μｍ、０．４５μｍ、０．５μｍに設定されている。
【００１３】
各個別電極４２、４４、４６は、ＳｉＮ等の絶縁材料からなる厚さ約０．１μｍの絶縁被膜４８で覆われている。なお、図１は、各個別電極を表示するために、絶縁被膜４８が除いてある。各個別電極４２、４４、４６はまた、導電リード部５６、５８、６０（図４参照）を介して、スイッチング回路６２にそれぞれ接続されており、このスイッチング回路６２により各個別電極４２、４４、４６に対して個別的に一定の電圧が印加できるようにしてある。スイッチング回路６２はまた、上述した共通電極３２に接続されている。このスイッチング回路６２はさらに駆動回路６４に接続されており、この駆動回路６４からスイッチング回路６２に対して画像信号が出力されるようになっている。
【００１４】
このように構成されたインクジェットヘッド１０を用いてインク２０を吐出する場合、駆動回路６４からスイッチング回路６２に画像信号が出力される。この画像信号は、インク２０の吐出を指令する信号と、個別電極４２、４４、４６のうちいずれの個別電極に電圧を印加するかを指令する信号が含まれている。スイッチング回路６２は、後者の信号から電圧を印加すべき個別電極４２、４４又は４６を選択し、共通電極３２と選択された個別電極４２、４４又は４６との間に電圧を印加する。これにより、共通電極３２と選択された個別電極４２、４４又は４６と間に静電力が発生し、共通電極３２を支持している薄肉のダイヤフラム３０が選択された個別電極４２、４４又は４６に向けて変形する。このとき、絶縁被膜４８により、共通電極３２と個別電極４２、４４、４６との接触が防止される。また、絶縁被膜４８を形成しているＳｉＮは比誘電率が空気の約２０倍であるので、電極間の静電力を増大する効果がある。
【００１５】
ダイヤフラム３０の変形により、インク室２２に負圧が発生し、インク補給室２６のインク２０がインク補給路２８を介してインク室２２に補給される。次に、画像信号をオフすると、個別電極４２、４４又は４６と共通電極３２との間の静電力が消滅し、ダイヤフラム３０の弾性に基づいてこれが変形前の位置（図２参照）に復帰する。その結果、インク室２２のインク２０が加圧され、ノズル２４からインク２０が吐出する。
【００１６】
上述した数式１から明らかなように、個別電極と共通電極との間に発生する静電力は、これら電極間の距離が大きくなるほど小さくなる。したがって、個別電極３６、３８、４０にそれぞれ単独で一定の電圧を印加した場合、個別電極３６に電圧を印加したときに生じる静電力及びこれによるダイヤフラム３０の変位量は最も大きく、そのために吐出するインクの量も最も多いのに対して、個別電極４０に電圧を印加したときに生じる静電力及びこれによるダイヤフラム３０の変位量は最も小さく、そのために吐出するインクの量も最も少ない。換言すれば、通常の大きさのインク滴を吐出する場合は個別電極３８に電圧を印加し、これよりも小径又は大径のインク滴を吐出する場合は個別電極４０又は３６に電圧を印加することにより、印刷される画像の画質を種々変えることができる。また、電圧を印加する個別電極を組み合わせることにより更に多段階にインク吐出量を変えることができる。
【００１７】
因みに、４０ボルトの電圧を各個別電極３６、３８、４０にそれぞれ印加したところ、それぞれの場合のインク吐出量は６０ピコリットル、３８ピコリットル、２０ピコリットルであった。また、個別電極３６と３８に同時に４０ボルトを印加した場合のインク吐出量は１０５ピコリットル、個別電極３８と４０に同時に４０ボルトを印加した場合のインク吐出量は６５ピコリットル、すべての個別電極３６、３８、４０に同時に４０ボルトを印加した場合のインク吐出量は１３５ピコリットルであった。
【００１８】
図４を参照して、基板１６に個別電極４２、４４、４６及びその配線を形成する手順の一例を説明する。図示するように、基板１６に、サンドブラスト法を用いて、それぞれの個別電極に対応するスルーホール５０、５２、５４を形成する。次に、基板１６の電極形成面にレジスト層を成膜した後、適当なマスク（図示せず）を用いて個別電極４６に対応する領域を露光して当該領域のレジスト層を除去し、さらにエッチングして窪み６８を形成する。次に、個別電極４４に対応する領域のレジストを除去し、エッチングして、この領域に窪み７０を形成すると共に、すでに形成されている窪み６８の深度を増す。同様にして更なる露光、エッチングを繰り返し、個別電極４２に対応する領域に窪み７２を形成すると共に、すでに形成されている窪み６８と７０の深度をそれぞれ増し、これにより段部３６、３８、４０を形成する。その後、スパッタリング、ＣＶＤ等の周知の成膜技術を用いて、各段部３６、３８、４０にそれぞれ個別電極４２、４４、４６を形成する。また、スパッタリング、ＣＶＤ等の周知の成膜技術を用いて、スルーホール５０、５２、５４に導電リード部５６、５８、６０を形成する。最後に、これら個別電極４２、４４、４６上に絶縁被膜４８を形成し、レジスト膜を除去する。
【００１９】
図５は他の形態のインクジェットヘッド１０ａを示す。このインクジェットヘッド１０ａでは、第３の基板１６のダイヤフラム３０に対向する領域には、一定の深さを有する窪み７０が形成されている。また、窪み７０の底部に３つの個別電極７２、７４、７６が積層され、これにより各個別電極７２、７４、７６からダイヤフラム３０までの距離が違えてある。さらに、隣接する個別電極７２と７４、７４と７６の間と、最上層の個別電極７６の上には絶縁膜７８が形成され、これにより隣接する個別電極間と、ダイヤフラム３０と共に変位する共通電極３２と個別電極７６との接触が防止されている。
【００２０】
これらの窪みと個別電極は、例えば、図６に示す方法で形成される。この方法では、まず基板１６の片面に窪み７０をエッチングする。次に、窪み７０にＣｒＡｕをスパッタリングして厚さ約０．１μｍの個別電極７６を形成し、その上にＳｉＮをＬＰ−ＣＶＤ法により成膜して絶縁膜７８を作る。その後、スパッタリングとＣＶＤを繰り返して、個別電極７４、７２を形成すると共に、これらの間と最上層の個別電極７６上に絶縁膜を７８形成する。なお、最上層の絶縁膜７８の厚さは約０．１μｍとするのが好ましい。これらの個別電極７２、７４、７６は、それぞれの成膜時に同時に形成された導電リード部を介してスイッチング回路６２に接続される。したがって、上記実施形態のように、スルーホールを形成する必要がない。
【００２１】
因みに、４０ボルトの電圧を各個別電極７２、７４、７６にそれぞれ印加したところ、それぞれの場合のインク吐出量は６５ピコリットル、４０ピコリットル、２５ピコリットルであった。
【００２２】
なお、以上で説明した実施形態の各部材の材料は限定的なものでない。例えば、電極の材料には、ＣｒＡｕに限るものでなく、ＩＴＯ、ＳｎＯ2、Ｐｔ等の低抵抗材料であればよい。絶縁層の材料も、ＳｉＮに限らず、ＳｉＣ、ＳｉＯ2、ＭｇＯ等を使用してもよい。
【００２３】
また、複数の個別電極の配置状態は以上の実施形態に限るものでなく、例えば、図７に示すように、基板１６には底部が斜めに傾斜した窪み８０をエッチングで形成し、そこに傾斜方向に沿って順次３つの個別電極８２、８４、８６を配置してもよいし、図８に示すように、基板１６には底部がＶ字状に傾斜した窪み９０をエッチングで形成し、中央部に個別電極９２、その両側にそれぞれ個別電極９４、９６を配置してもよい。
【００２４】
さらに、個別電極の数は３つに限るものでなく、２つ以上であればよい。
【００２５】
さらにまた、共通電極３２はイオンドーピング層を用いたが、個別電極と同様にスパッタリング等の公知の成膜技術により形成してもよい。なお、各電極は独立して設ける必要はなく、これを取り付けている基板を導電材料で形成している場合は、基板自体を電極として兼用することができる。
【００２６】
そして、以上の説明では個別電極を複数設けたが、共通電極を複数個設けると共に、複数の共通電極に対してスイッチング回路を通じて選択的に電圧を印加できるようにしてもよい。
【００２７】
また、複数の電極を積層した実施形態では、これらの電極を完全に重ね合わせたが、少なくとも一部分が重なっているだけもよい。この場合も、その重なり部分で距離が異なるので、上述の実施形態と同様に、電圧を印加する電極を違えることによりインク吐出量を可変できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  第１の実施形態に係るインクジェットヘッドの拡大分解斜視図。
【図２】  図１に示すインクジェットヘッドの拡大断面図。
【図３】  図１に示すインクジェットヘッドに用いた第２の基板の拡大部分平面図。
【図４】  個別電極の形成方法を示す工程図。
【図５】  インクジェットヘッドの他の実施形態の拡大断面図。
【図６】  図５に示す個別電極の形成方法を示す工程図。
【図７】  個別電極の他の配置例を示す拡大断面図。
【図８】  個別電極の他の配置例を示す拡大断面図。
【符号の説明】
１０…インクジェットヘッド、１２…第１の基板、１４…第２の基板、１６…第３の基板、２０…インク、２２…インク室、２４…ノズル、３０…ダイヤフラム、３２…共通電極、３６、３８、４０…個別電極。
【図１】
0003775047.tif 000003
【図２】
0003775047.tif 000004
【図３】
0003775047.tif 000005
【図４】
0003775047.tif 000006
【図５】
0003775047.tif 000007
【図６】
0003775047.tif 000008
【図７】
0003775047.tif 000009
【図８】
0003775047.tif 000010