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【発明の名称】 液滴放出のための放出装置
【発明者】 【氏名】ギルバート・エイ・ホーキンズ

【氏名】ジェイムズ・エム・チュワレック

【氏名】クリストファー・エヌ・デラメッター

【氏名】エドワード・ピー・ファーラニ
【要約】 【課題】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。

【解決手段】ノズルオリフィスを備えたチャンバを含む別々にアドレス可能なデュアル電極が中央電極の反対側に位置決めされる。３つの電極はノズルオリフィスと共に整列される。電気絶縁カプラーが２つのアドレス可能な電極を接続する。液滴を放出するために、ノズルオリフィスに最も近いアドレス可能な電極が帯電され、電極はオリフィスから遠くへ引かれ、液体を拡張チャンバ内へ吸引する。連動して他方のアドレス可能な電極が移動し、システム内にポテンシャルエネルギーを蓄積する。ノズルに最も近いアドレス可能な電極が徐勢され、他方のアドレス可能な電極に通電することにより、他方のアドレス可能な電極は中央電極に向かって引き寄せられる。この動作はノズルオリフィスの背後のチャンバ内の液体を加圧し、液滴のノズルオリフィスからの放出を引き起こす。
【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：液体を受容するのに適したチャンバ容量を定義し、受容した液体の液滴を、それを通して放出可能なノズルオリフィスを有する構造；第１電極の第１方向への動きが、チャンバ容積を増加させ、チャンバ容積に液体を吸引するよう、可動壁部分を移動させる形で、決定構造する可動壁部分に関連する第１電極；第２電極の第２方向への動きが、チャンバ容積を減少させ、ノズルオリフィスを通して液滴を放出するよう、可動壁部分を移動させる形で、可動壁部分に関連する第２電極；および、（１）第１電極と第３電極に帯電差を印加すると、第１電極が、前記第１方向へ、チャンバ容積を増加させるよう移動し、（２）第２電極と第３電極に帯電差を印加すると、第２電極が、前記第２方向へ、チャンバ容積を減少させるよう移動し、第１および第２の電極の各々と、それぞれ面する表層を有している、第１および第２電極の間の第３電極；を含み、ここで、第３電極の前記相対する表面のうちの１つは、前記第１および第２の電極のうちの１つにある接触角で向き合っており、その結果、第３電極へ向かう、前記第１および第２の電極のうちの１つの動きは、前記第１および第２の電極のうちの１つと、第３電極の前記相対する表面のうちの１つとの接触を徐々に増加させ、さらに第３電極の前記相対する表面の他方は、平坦であることを特徴とする液滴放出のための放出装置。
【請求項２】 液滴放出のための放出装置であって：液体を受容するのに適したチャンバ容量を定義し、受容した液体の液滴を、それを通して放出可能なノズルオリフィスを有する構造；液体をチャンバ内に吸引する第１方向、および液体をノズルオリフィスを通してチャンバから放出する第２方向に移動できる、構造的に結合し、別々に電気的にアドレス可能な、第１および第２のデュアル電極；および、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電極との接触が次第に増加する、デュアル電極間にある第３電極；を含むことを特徴とする液滴放出のための放出装置。
【請求項３】 液滴放出のための放出装置であって：液体を受容するのに適したチャンバ容量を定義し、受容した液体の液滴を、それを通して放出可能なノズルオリフィスを有する構造；チャンバの可動壁部分に随伴しており、第１電極の第１方向への動きは、チャンバ容積を増加させ、チャンバ容積に液体を吸引するよう、可動壁部分を移動させ、さらに、より大きな張力を有する状態へ移動するよう、第１電極の表層面積を増加させるように構造を決定する表層面積を有する第１電極；チャンバの可動壁部分に随伴しており、第２電極の第２方向への動きは、チャンバ容積を減少させ、ノズル穴を通して液滴を放出するよう、可動壁部分を移動させ、さらに、第１および第２電極の表層面積を減少させ、その結果、第１および第２電極は、張力の小さい状態へと移動するように構造を決定する表層面積を有する第２電極；および、（１）第１電極と第３電極との間に帯電差を印加すると、第１電極が、前記第１方向へ、チャンバ容積を増加させるよう移動し、（２）第２電極と第３電極との間に帯電差を印加すると、第２電極が、前記第２方向へ、チャンバ容積を減少させるよう移動し、第１および第２電極の各々と、それぞれ相対する表層を有している、第１および第２電極の間の第３電極；を含み、ここで、第３電極の前記相対する表面のうちの１つは、前記第１および第２の電極のうちの１つにある接触角で向き合っており、その結果、第３電極へ向かう、前記第１および第２の電極のうちの１つの動きは、前記第１および第２の電極のうちの１つと、第３電極の前記相対する表面のうちの１つとの接触を徐々に増加させ、さらに第３電極の前記相対する表面の他方は、平坦であることを特徴と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、ダイア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つくられた、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 ＩｎｋｊｅｔＨｅｄ）」
【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でき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および第２の方向のうちの一方へ移動すると、第１電極と第３電極との接触が次第に増加し、デュアル電極がこの方向（ないしは、他の方向）へ移動すると、第２電極と第３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内へ吸収され、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使用する。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、伝導体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、図２の上部側として示されるように、一方の側が湾曲し、さらに、図２の下部側として示されるように、反対する側は平坦で、その下部表層に沿い、壁２６で、アドレス可能な電極３６と接触している。すなわち、中央電極３８の上部表層は、アドレス可能な電極２８から遠くに位置し、凹面となっているが、中央電極３８の下部表層は、平面であり、その全体にわたってアドレス可能な電極３６と接触していてもよい。本発明によると、中央電極３８の下部側は平坦で、アドレス可能な電極３６は、側壁２６に沿い、その周辺部で中央電極に接触し、中央電極３６（図６）から遠い位置にあるとき、アドレス可能な電極３６の形が、アドレス可能な電極３６の素材特性と、硬質なカプラー４０が中央電極３８下部表層の下へ拡大する長さにより、完全に決定されるのを保証する。このように、図６におけるように下方向に拡張された場合、アドレス可能な電極３６の位置は、単一のプリントヘッド上の全ての放出装置、および、プリントヘッドからプリントヘッドまでの放出装置に対して、ほとんど同一となるだろう。液滴放出部分の動作中、後述するように、アドレス可能な電極３６によって加えられる、液滴を放出する力は、中央電極３８の湾曲部分の正確な形の如何にかかわらず、あらゆる放出装置でほぼ同じになるだろう。半導体製造技術分野において周知のとおり、平坦な表層は、湾曲した表層よりも、正確で信頼性の高いものを得ることができ、さらに、平坦な基板に堆積される場合、アドレス可能な電極３６を形成する薄いフィルムなどのフィルムは、より均等に堆積され、さらに、より良く理解されているものである。その結果、あらゆる放出装置からの液滴は、ほとんど同じ速度で放出されるだろう。
【００２０】さらに、中央電極３８の底面が平坦であるため、アドレス可能な電極が中央電極（図７）の下部表層に接触するとき、アドレス可能な電極３６は、表層面積が最小となる表層を有している。アドレス可能な電極３６が、中央電極（図６）に押されて遠ざかると、表層面積は増加する。その結果、弾性変形理論の当業者により認識されるように、中央電極に接触し続けるアドレス可能な電極３６の一部は、張力が中央電極が凹面形である場合、より小さい状態であるため、動作中、アドレス可能な電極３６は、中央電極に完全に接触する。中央電極３８に接触するときアドレス可能な電極２８の表層面積が最大となるため、これは、中央電極の上部表層全体に接触する（または、接触しようとする）間、張力が最大となっている、図６のアドレス可能な電極２８の、反対である。図６に示されるように、アドレス可能な電極３６が、それらの間に小さな電圧差しかなくとも、常に中央電極３８に接触しているのに対して、アドレス可能な電極２８は、それらの間の電圧差がかなり大きくなるまでは、中央電極３８と完全に接触しないだろう。従って、後述のように、液滴放出部分の動作中、双方のアドレス可能な電極は、アドレス可能な電極３６と中央電極３８との間の電圧差のみならず、それらの弾性特性のために、インクキャビテイー３０の圧力を増加させるよう、力を加えることになる。
【００２１】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。
【００２２】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。
【００２３】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の壁部分を形作るので、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。
【００２４】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。
【００２５】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が徐勢され、つまり、その電圧が電極３８と同じになり、さらに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の徐勢、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十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。
【００２６】中央電極３８の下部表層は平面であり、加工パラメータでの放出ストロークの間、置き換えられた液体体積の依存性を減少させ、さらに、アドレス可能な電極２８が最大放出高において平面であることを可能にする。２つの凹形表層を有する、対称形中央電極と比較すると、加工が容易であり、プロセスの変形への従属がより少ない。さらに、放出ストロークの開始も、より正確に制御される。
【００２７】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３６は、電極２８と中央電極との間への電圧の印加前の動作ステージでは、中央電極３８の下部表層に対して平行、かつ平坦である。これは必要とはされない。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および図９に示されているが、ここでは、図２のアドレス可能な電極３６が、その動作ステージで、下向きに湾曲したアドレス可能な電極４２に取り替えられている。薄膜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４２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。
【００２８】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している。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１０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４４に取り替えられている。この場合、カプラー４４は、中央電極３８内に円形に分配された開口部と同数の柱である。その他の点では、動作は、図２の議論で説明されたものと同一である。
【００２９】さらに他の好ましい実施例図１１および図１２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している。非対称中央電極４６は、以前に示された実施例の、中央電極３８の方向付けと逆になっている。すなわち、中央電極は、ノズルオリフィス２２に近い平面と、上向きに湾曲した底部表層とを有している。中央電極曲面の最大深さが正確に制御される限り、インクチャンバ容積の最小値および最大値は、加工感度が上述の実施例より大きいものの、良好に制御されたままである。しかしながら、図１１および図１２で見られる、逆方向の非対称中央電極の利点は、液滴放出の間、アドレス可能な電極２８の湾曲した形により、図１３および図１４に示されるように、平坦な放出装置プレート４８の添加が可能となることである。平坦な放出装置プレート４８は、液体放出の間、さらに平坦な底面を提供し、放出の間、充填チャンネルを部分的に閉塞するように作動可能であり、その結果、容積効率を増加させる。
【出願人】 【識別番号】５９００００８４６
【氏名又は名称】イーストマン コダック カンパニー
【出願日】 平成１５年５月２１日（２００３．５．２１）
【代理人】 【識別番号】１０００８６４０５
【弁理士】
【氏名又は名称】河宮 治 （外１名）
【公開番号】 特開２００３−３４１０５９（Ｐ２００３−３４１０５９Ａ）
【公開日】 平成１５年１２月３日（２００３．１２．３）
【出願番号】 特願２００３−１４３６９６（Ｐ２００３−１４３６９６）