JP2006060127A - Actuator, ink-jet recording head, ink-jet printer, actuator pump, and method for manufacturing actuator - Google Patents
Actuator, ink-jet recording head, ink-jet printer, actuator pump, and method for manufacturing actuator Download PDFInfo
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Abstract
Description
本発明は、電歪ポリマー膜を有するアクチュエータならびにその製造方法、インクジェット式記録ヘッド、インクジェットプリンタ、およびアクチュエータポンプに関する。 The present invention relates to an actuator having an electrostrictive polymer film, a manufacturing method thereof, an ink jet recording head, an ink jet printer, and an actuator pump.
従来、流体を制御するためのアクチュエータとしては、たとえば、セラミックス系材料を用いた圧電素子、電磁力、空気圧を用いたものがある。しかし、このようなアクチュエータは、変位量が小さい、消費エネルギーが大きい等の問題があった。 Conventionally, as an actuator for controlling a fluid, there are, for example, a piezoelectric element using a ceramic material, an electromagnetic force, and an air pressure. However, such an actuator has problems such as small displacement and large energy consumption.
またこのようなアクチュエータを用いた応用デバイスとして、インクジェットプリンタが知られている。インクジェットプリンタは、内容積が変化するキャビティを有するインクジェット式記録ヘッドを備える。インクジェットプリンタは、インクジェット式記録ヘッドを走査させつつ、そのノズルからインク滴を吐出することにより、印刷を行うものである。 An ink jet printer is known as an application device using such an actuator. The ink jet printer includes an ink jet recording head having a cavity whose internal volume changes. An ink jet printer performs printing by ejecting ink droplets from its nozzles while scanning an ink jet recording head.
近年、このようなインクジェットプリンタにおいて、さらなる高画質化が要求されるようになっている。このような要求に応えるためには、インクジェット式記録ヘッドにおけるノズルの高密度化が欠かせない技術となってきている。 In recent years, there has been a demand for higher image quality in such inkjet printers. In order to meet such demands, it has become an indispensable technique to increase the density of nozzles in an ink jet recording head.
従来、インクジェットプリンタ用のインクジェット式記録ヘッドにおけるヘッドアクチュエーターとしては、PZT(Pb(Zr,Ti)O3)に代表される圧電体膜を用いた圧電素子が用いられている(例えば、特開2001−223404号公報)。 Conventionally, as a head actuator in an ink jet recording head for an ink jet printer, a piezoelectric element using a piezoelectric film typified by PZT (Pb (Zr, Ti) O 3 ) has been used (for example, Japanese Patent Laid-Open No. 2001). -223404).
しかしながら、インクジェット式記録ヘッドにおけるノズルを高密度化するためにキャビティを小さくした場合、圧電素子では、変位量に限界があるため、キャビティの内容積の変化量が不十分となり、インクの吐出性能が悪くなってしまうことがある。 However, when the cavity is made small in order to increase the density of the nozzles in the ink jet recording head, the amount of change in the internal volume of the cavity becomes insufficient due to the limited amount of displacement in the piezoelectric element, and the ink ejection performance is reduced. It may get worse.
また、圧電ポンプにおいても、その特性向上が望まれていることから、新たな材料による良好なポンプの提供が望まれている。
本発明の目的は、変位量の大きいアクチュエータおよびその製造方法を提供することにある。また本発明の他の目的は、上記アクチュエータを用いたインクジェット式記録ヘッド、インクジェットプリンタ、およびアクチュエータポンプを提供することにある。 An object of the present invention is to provide an actuator having a large displacement and a method for manufacturing the actuator. Another object of the present invention is to provide an ink jet recording head, an ink jet printer, and an actuator pump using the actuator.
本発明にかかるアクチュエータは、
基板と、
前記基板の上方に形成された下部電極と、
前記下部電極の上方に形成された電歪ポリマー膜と、
前記電歪ポリマー膜の上方に形成された上部電極と、を含む。
The actuator according to the present invention is
A substrate,
A lower electrode formed above the substrate;
An electrostrictive polymer film formed above the lower electrode;
An upper electrode formed above the electrostrictive polymer film.
本発明にかかるアクチュエータは、
前記基板の上方であって、前記下部電極の下方に形成された弾性体膜を有することができる。
The actuator according to the present invention is
An elastic body film may be formed above the substrate and below the lower electrode.
本発明にかかるアクチュエータにおいて、前記弾性体膜は、イットリア安定化ジルコニア、酸化セリウム、酸化ジルコニウム、およびこれらを含む固溶体のうち、少なくとも1種を含む硬質膜を有することができる。 In the actuator according to the present invention, the elastic film may have a hard film containing at least one of yttria-stabilized zirconia, cerium oxide, zirconium oxide, and a solid solution containing these.
本発明にかかるアクチュエータにおいて、前記弾性体膜は、酸化シリコン膜を有することができる。 In the actuator according to the present invention, the elastic film can include a silicon oxide film.
本発明にかかるアクチュエータにおいて、前記基板は、単結晶シリコンからなることができる。 In the actuator according to the present invention, the substrate may be made of single crystal silicon.
本発明にかかるアクチュエータにおいて、前記下部電極は、導電性ポリマーからなることができる。 In the actuator according to the present invention, the lower electrode may be made of a conductive polymer.
本発明にかかるアクチュエータにおいて、前記上部電極は、導電性ポリマーからなることができる。 In the actuator according to the present invention, the upper electrode may be made of a conductive polymer.
本発明にかかるアクチュエータにおいて、前記電歪ポリマー膜は、シリコーンゴム、ポリウレタン、フルオロエラストマー、およびポリブタジエンのうち、少なくとも1種からなることができる。 In the actuator according to the present invention, the electrostrictive polymer film may be made of at least one of silicone rubber, polyurethane, fluoroelastomer, and polybutadiene.
本発明にかかるインクジェット式記録ヘッドは、上述したアクチュエータを有する。 An ink jet recording head according to the present invention has the actuator described above.
本発明にかかるインクジェットプリンタは、上述したインクジェット式記録ヘッドを有する。 An ink jet printer according to the present invention has the above-described ink jet recording head.
本発明にかかるアクチュエータポンプは、上述したアクチュエータを有する。 The actuator pump according to the present invention has the above-described actuator.
本発明にかかるアクチュエータの製造方法は、
(a)基板の上方に下部電極の材料を含む溶液を塗布し、熱処理することにより下部電極を形成する工程と、
(b)前記下部電極の上方に、電歪ポリマーを含む溶液を塗布し、熱処理することにより電歪ポリマー膜を形成する工程と、
(c)前記電歪ポリマー膜の上方に上部電極の材料を含む溶液を塗布し、熱処理することにより上部電極を形成する工程と、
を含む。
The manufacturing method of the actuator according to the present invention includes:
(A) applying a solution containing the material of the lower electrode above the substrate and performing a heat treatment to form the lower electrode;
(B) applying a solution containing an electrostrictive polymer above the lower electrode and performing a heat treatment to form an electrostrictive polymer film;
(C) applying a solution containing the material of the upper electrode above the electrostrictive polymer film and heat-treating to form an upper electrode;
including.
本発明にかかるアクチュエータの製造方法において、前記工程(a)ないし(c)のうち、少なくとも1つの工程では、液滴吐出法により前記溶液を塗布することができる。 In the actuator manufacturing method according to the present invention, at least one of the steps (a) to (c), the solution can be applied by a droplet discharge method.
本発明にかかるアクチュエータの製造方法において、前記工程(a)の前に、シリコンからなる前記基板の少なくとも表面を熱酸化することにより、酸化シリコンからなる弾性体膜を前記基板上に形成する工程、をさらに含むことができる。 In the method for manufacturing an actuator according to the present invention, before the step (a), the step of thermally oxidizing at least the surface of the substrate made of silicon to form an elastic film made of silicon oxide on the substrate; Can further be included.
本発明にかかるアクチュエータの製造方法において、前記上部電極の材料を含む溶液は、金属微粒子を含む液体、または導電性ポリマーを含む溶液であることができる。 In the method for manufacturing an actuator according to the present invention, the solution containing the material of the upper electrode may be a liquid containing metal fine particles or a solution containing a conductive polymer.
本発明にかかるアクチュエータの製造方法において、前記下部電極の材料を含む溶液は、金属微粒子を含む液体、または導電性ポリマーを含む溶液であることができる。 In the method for manufacturing an actuator according to the present invention, the solution containing the material of the lower electrode may be a liquid containing metal fine particles or a solution containing a conductive polymer.
以下、本発明に好適な実施の形態について、図面を参照しながら説明する。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the invention will be described with reference to the drawings.
1.1.アクチュエータ
図1は、本実施の形態にかかるアクチュエータを示す断面図である。アクチュエータ1は、シリコン基板2と、シリコン基板2上に形成された酸化シリコン膜3と、酸化シリコン膜3上に形成された硬質膜4と、硬質膜4上に形成された下部電極5と、下部電極5上に形成された電歪ポリマー膜6と、電歪ポリマー膜6上に形成された上部電極7とを含む。本実施の形態において、弾性体膜8は、酸化シリコン膜3および硬質膜4を含む。
1.1. Actuator FIG. 1 is a sectional view showing an actuator according to the present embodiment. The actuator 1 includes a
電歪ポリマー膜6の材質は、電圧が印加されると膜厚方向に圧縮され、平面方向に伸長する電歪ポリマーであり、たとえば、シリコーンゴム、ポリウレタン、フルオロエラストマー、およびポリブタジエンのうち、少なくとも1種からなる。これにより、電歪ポリマー膜6は、電圧が印加されることにより、膜の面と平行な方向に伸長し、面と垂直な方向に収縮する機能を有する。これにより電歪ポリマー膜6は、電圧が印加されると図中の下方に撓む。
The material of the
弾性体膜8の材質は、電歪ポリマー膜6より硬い材質からなることが好ましい。電歪ポリマー膜6は、柔らかい材質の電歪ポリマーからなる。アクチュエータ1は、電歪ポリマー膜6より硬い材質からなる弾性体膜8を有することによって、弾性体膜8を有さない場合と比べて、流体の制御性を向上させることができる。よって、たとえば、このようなアクチュエータ1がインクジェット式記録ヘッドに用いられたときに、インクの吐出速度を向上させることができる。
The material of the
弾性体膜8は、酸化シリコン膜3および硬質膜4の一方のみで形成されていてもよい。たとえば、弾性体膜8が酸化シリコン膜3のみで形成されている場合には、シリコン基板2を酸化させることにより弾性体膜8を形成することができるため、製造工程を簡略化することができる。弾性体膜8が酸化シリコン膜3および硬質膜4の双方を有する場合には、弾性体膜8が酸化シリコン膜3および硬質膜4の一方のみを有する場合と比べて、流体の制御性をより向上させることができる。
The
シリコン基板2としては、たとえば、(100)配向または(110)配向の単結晶シリコン基板を用いる。酸化シリコン膜3は、上述したようにシリコン基板2を酸化させた膜である。硬質膜4は、イットリア安定化ジルコニア、酸化セリウム、酸化ジルコニウム、およびこれらを含む固溶体のうち、少なくとも1種からなる。
As the
下部電極5は、電歪ポリマー膜6に電圧を印加するための一方の電極である。下部電極5の材質としては、Pt、Ir、Ru、Cu、Al、Au、Agなどの金属、またはポリエチレンジオキサンチオフェン(以下PEDOT)やポリアニリンなどの導電性ポリマーを用いる。
The lower electrode 5 is one electrode for applying a voltage to the
上部電極7は、電歪ポリマー膜6に電圧を印加するための他方の電極である。上部電極7の材質としては、下部電極5と同様に例えば金属のPt、Ir、Ru、Cu、Al、Au、Ag、またはポリエチレンジオキサンチオフェン(以下PEDOT)やポリアニリンなどの導電性ポリマーを用いることができる。
The upper electrode 7 is the other electrode for applying a voltage to the
下部電極5および上部電極7の材質としては、導電性ポリマーを用いることが好ましい。導電性ポリマーを用いた電極は、金属を用いた電極と比べて柔らかいため、電歪ポリマー膜6が撓むと同時に、無理なく追随して撓むことができるため、耐久性が高い。また導電性ポリマーを用いた電極は、柔らかいことから、かかる電極を有するアクチュエータ1は、動作性が良好である。
As a material for the lower electrode 5 and the upper electrode 7, a conductive polymer is preferably used. Since the electrode using the conductive polymer is softer than the electrode using the metal, the
1.2.アクチュエータの製造方法
次に本実施の形態にかかるアクチュエータ1の製造方法について説明する。
1.2. Next, a method for manufacturing the actuator 1 according to the present embodiment will be described.
(1)まず、シリコン基板2として、(100)配向または(110)配向の単結晶シリコン基板を用意する。
(1) First, as the
(2)次に、図2に示すように、シリコン基板2上に酸化シリコン膜3を形成する。酸化シリコン膜3は、たとえば、シリコン基板2の表面を熱酸化することにより得られる。
(2) Next, as shown in FIG. 2, a
(3)次に、図3に示すように、酸化シリコン膜3上に硬質膜4を形成する。硬質膜4の形成方法としては、CVD法やスパッタ法、蒸着法などの気相法が、形成する材質に応じて適宜採用される。
(3) Next, as shown in FIG. 3, a hard film 4 is formed on the
(4)次に、図4に示すように、硬質膜4上に下部電極5が形成される。下部電極5は、金属微粒子を溶媒に分散させた金属微粒子を含む液体、または導電性ポリマーを含む液体を、硬質膜4上に塗布し、熱をかけて乾燥することによって形成される。上記液体を硬質膜4上に塗布する方法としては、スピンコート法、液滴吐出法等が挙げられる。液滴吐出法としては、たとえば、インクジェット法があげられる。また金属を用いた下部電極5の形成方法としては、スパッタ法、蒸着法などを用いることもできる。 (4) Next, as shown in FIG. 4, the lower electrode 5 is formed on the hard film 4. The lower electrode 5 is formed by applying a liquid containing metal fine particles in which metal fine particles are dispersed in a solvent or a liquid containing a conductive polymer on the hard film 4 and drying by applying heat. Examples of the method for applying the liquid onto the hard film 4 include a spin coating method and a droplet discharge method. Examples of the droplet discharge method include an inkjet method. Further, as a method of forming the lower electrode 5 using a metal, a sputtering method, a vapor deposition method, or the like can be used.
(5)次に、図5に示すように、下部電極5上に電歪ポリマー膜6を形成する。電歪ポリマー膜6は、電歪ポリマーを含む溶液を下部電極5の表面に塗布し、熱処理し、乾燥することにより形成される。溶液を塗布する方法としては、スピンコート、ディップコート、インクジェット法などの液滴吐出法などをあげることができる。
(5) Next, as shown in FIG. 5, an
(6)次に、図1に示すように、電歪ポリマー膜6上に上部電極7を形成する。上部電極7は、金属微粒子を溶媒に分散させた金属微粒子を含む液体、または導電性ポリマーを含む液体を、硬質膜4上に塗布し、熱処理し、乾燥することによって形成される。上記液体を硬質膜4上に塗布する方法としては、スピンコート法、液滴吐出法等が挙げられる。塗布する溶液に含まれる金属微粒子の粒径は、溶剤への分散のしやすさとインクジェット法の適用の観点から、50nm以上0.1μm以下であることが好ましい。
(6) Next, as shown in FIG. 1, the upper electrode 7 is formed on the
1.3.アクチュエータの作用および効果
本実施の形態にかかるアクチュエータ1は、電歪ポリマーを用いて形成されているため、変位量が大きく、消費エネルギーが小さいため、効率的に流体を制御することができる。また、アクチュエータ1は、弾性体膜8である酸化シリコン膜3および硬質膜4を有する。これにより、アクチュエータ1がインクジェット式記録ヘッドに用いられたときに、インクの吐出速度を向上させることができる。
1.3. Action and Effect of Actuator Since the actuator 1 according to the present embodiment is formed using an electrostrictive polymer, the displacement is large and the energy consumption is small, so that the fluid can be controlled efficiently. The actuator 1 includes a
2.1.インクジェット式記録ヘッド
次に図1に示したアクチュエータ1を適用したインクジェット式記録ヘッドについて説明する。図6は、図1に示したアクチュエータ1を用いたインクジェット式記録ヘッドの概略構成を示す側断面図であり、図7は、このインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図である。なお、図7は、通常使用される状態とは上下逆に示したものである。
2.1. Inkjet Recording Head Next, an inkjet recording head to which the actuator 1 shown in FIG. 1 is applied will be described. 6 is a side sectional view showing a schematic configuration of an ink jet recording head using the actuator 1 shown in FIG. 1, and FIG. 7 is an exploded perspective view of the ink jet recording head. In addition, FIG. 7 is shown upside down from the state normally used.
インクジェット式記録ヘッド(以下、「ヘッド」ともいう)50は、図6に示すように、ノズル板51と、インク室基板52と、インク室基板52上に設けられた弾性板55と、弾性板55上に設けられた電歪ポリマー素子54と、を備える。なお、図6に示した電歪ポリマー素子54は、図1に示したアクチュエータ1における電歪ポリマー膜6、および上部電極7からなるものである。また、図6に示した弾性板55は、図1に示したアクチュエータ1における酸化シリコン膜3、硬質膜4、および下部電極5からなるものである。
As shown in FIG. 6, an ink jet recording head (hereinafter also referred to as “head”) 50 includes a
すなわち、ヘッド50は、図7に示すように、ノズル板51と、インク室基板52と、弾性板55と、弾性板55に接合された電歪ポリマー素子(振動源)54とを備え、これらが基体56に収納されて構成されている。なお、このヘッド50は、オンデマンド形のピエゾジェット式ヘッドを構成している。
That is, as shown in FIG. 7, the
ノズル板51は、例えばステンレス製の圧延プレート等で構成されたもので、インク滴を吐出するための多数のノズル511を一列に形成したものである。これらノズル511間のピッチは、印刷精度に応じて適宜に設定されている。
The
ノズル板51には、インク室基板52が固着(固定)されている。インク室基板52は、上述のシリコン基板2によって形成されたものである。インク室基板52は、ノズル板51、側壁(隔壁)522、および後述する弾性板55によって、複数のキャビティ(インクキャビティ)521と、リザーバ523と、供給口524と、を区画形成したものである。リザーバ523は、インクカートリッジ631(図14参照)から供給されるインクを一時的に貯留する。供給口524によって、リザーバ523から各キャビティ521にインクが供給される。
An
キャビティ521は、それぞれ短冊状に形成されている。キャビティ521の平面形状は、図8および図9に示すように、長軸と短軸とを有した矩形状(平行四辺形状)である。キャビティ521の長軸、短軸の代表的なスケールは、それぞれ2mm、60μmである。キャビティ521は、図6および図7に示すように、各ノズル511に対応して配設されている。キャビティ521は、後述する弾性板55の振動によってそれぞれ容積可変になっている。キャビティ521は、この容積変化によってインクを吐出するよう構成されている。
The
インク室基板52の平均厚さ、すなわちキャビティ521を含む厚さとしては、特に限定されないが、10〜1000μm程度とするのが好ましく、100〜500μm程度とするのがより好ましい。また、キャビティ521の容積としては、特に限定されないが、0.1〜100nL程度とするのが好ましく、0.1〜10nL程度とするのがより好ましい。
The average thickness of the
インク室基板52のノズル板51と反対の側には弾性板55が配設されている。さらに弾性板55のインク室基板52と反対の側には複数の電歪ポリマー素子54が設けられている。弾性板55の所定位置には、図7に示すように、弾性板55の厚さ方向に貫通して連通孔531が形成されている。連通孔531により、後述するインクカートリッジ631からリザーバ523へのインクの供給がなされる。
An
各電歪ポリマー素子54は、前述したように電歪ポリマー膜6および上部電極7によって構成されている。各電歪ポリマー素子54は、図9に示すように、各々が各キャビティ521のほぼ中央部に対応して配設された、平面視長方形状のものである。これら各電歪ポリマー素子54は、後述する駆動回路に電気的に接続され、駆動回路の信号に基づいて作動(振動、変形)するよう構成されている。すなわち、各電歪ポリマー素子54はそれぞれ振動源(ヘッドアクチュエーター)として機能する。弾性板55は、電歪ポリマー素子54の振動(たわみ)によって振動し(たわみ)、キャビティ521の内部圧力を瞬間的に高めるよう機能する。
Each
2.2.インクジェット式記録ヘッドの動作
次に、本実施の形態におけるインクジェット式記録ヘッド50の動作について説明する。図10は、下部電極5と上部電極7との間に電圧が印加されていない状態におけるヘッド50を示す。
2.2. Operation of Inkjet Recording Head Next, the operation of the
アクチュエータ1の製造方法の説明において上述したように、下部電極5、電歪ポリマー膜6、および上部電極7は、材料を含む溶液を塗布し、当該溶液を熱処理により乾燥することによって形成される。ここで溶媒が蒸発するとともに、膜が収縮するため、下部電極5、電歪ポリマー膜6、および上部電極7は、面内方向に圧縮応力がかかる。この応力によって、電圧が印加されていない状態であっても、図10に示すように、弾性板55、電歪ポリマー膜6、および上部電極7は、キャビティ521側に撓んでいる。
As described above in the description of the manufacturing method of the actuator 1, the lower electrode 5, the
図11は、下部電極5と上部電極7の間に電圧が印加されている状態におけるヘッド50を示す。電歪ポリマー膜6に電圧を印加すると、電歪ポリマー膜6は、面に対して平行な方向に伸長するため、面に対して垂直方向に撓む。ここで電歪ポリマー膜6は、図10に示すように、電圧を印加していない状態で既にキャビティ521側に撓んでいるため、電圧が印加されたときには、図11に示すように、キャビティ521側にさらに撓む。これにより、弾性板55がたわみ、キャビティ521の容積変化が生じる。このとき、キャビティ521内の圧力が瞬間的に高まり、ノズル511からインク滴が吐出される。
FIG. 11 shows the
ここで、キャビティ521の電歪ポリマー膜6の変位量(絶対値)が大きければ大きいほど、弾性板55のたわみ量が大きくなり、より効率的にインク滴を吐出することが可能になる。ここで、効率的とは、より少ない電圧で同じ量のインク滴を飛ばすことができることを意味する。すなわち、駆動回路を簡略化することができ、同時に消費電力を低減することができるため、ノズル511のピッチをより高密度に形成することができる。または、キャビティ521の長軸の長さを短くすることができるため、ヘッド全体を小型化することができる。また、電歪ポリマー膜6に印加する電圧を大きくすると、電歪ポリマー膜6のたわみ量が大きくなる。よって、印加する電圧を変化させることにより、ヘッド50が吐出するインク滴の量を調整することができる。
Here, the larger the displacement amount (absolute value) of the
1回のインクの吐出が終了すると、駆動回路は、下部電極5と上部電極7との間への電圧の印加を停止する。これにより、電歪ポリマー素子54は図10に示した元の形状に戻り、キャビティ521の容積が増大する。なお、このとき、インクには、後述するインクカートリッジ631からノズル511へ向かう圧力(正方向への圧力)が作用している。このため、空気がノズル511からキャビティ521へと入り込むことが防止され、インクの吐出量に見合った量のインクがインクカートリッジ631からリザーバ523を経てキャビティ521へ供給される。
When the ejection of one ink is completed, the drive circuit stops applying the voltage between the lower electrode 5 and the upper electrode 7. Thereby, the
このように、インク滴の吐出を行わせたい位置の電歪ポリマー膜6に対して、駆動回路を介して吐出信号を順次入力することにより、任意の(所望の)文字や図形等を印刷することができる。
In this manner, arbitrary (desired) characters, figures, etc. are printed by sequentially inputting ejection signals to the
2.3.インクジェット式記録ヘッドの製造方法
次に、本実施の形態におけるインクジェット式記録ヘッド50の製造方法の一例について説明する。
2.3. Method for Manufacturing Inkjet Recording Head Next, an example of a method for manufacturing the
(1)まず、インク室基板52となる母材、シリコン単結晶からなるシリコン基板2を用意する。シリコン基板2としては、(110)配向または(100)配向のシリコン単結晶基板が用いられる。
(1) First, a base material to be the
(2)次に、図2〜図5、および図1に示すように、シリコン基板2上に、酸化シリコン膜3、硬質膜4、下部電極5、電歪ポリマー膜6、および上部電極7を順次形成する。ここで、電歪ポリマー膜6および上部電極7については、液滴吐出法を用いて、所定のパターンに形成することができる。本実施の形態では、液滴吐出法として、インクジェット法を用いるのが好ましい。インクジェット法は、他の方法に比べて材料を有効利用することができ、かつパターニング工程を簡略化することができるからである。特に、インクジェット法は、液滴の吐出量および着弾位置を微調節することができるため、ノズルが高密度化されたインクジェット式記録ヘッドに用いられるアクチュエータの製造に適している。この場合、溶液を塗布する前に、硬質膜4上の所定の位置に、撥液処理または親液処理をほどこしたり、バンクを形成したりしてもよい。これにより、簡便な方法で、精度の高い電歪ポリマー膜6のパターンを形成することができる。
(2) Next, as shown in FIGS. 2 to 5 and 1, the
(3)次に、図12に示すように、電歪ポリマー膜6および上部電極7を所定形状に加工する。具体的には、上部電極7上にレジストをスピンコートした後、キャビティ521が形成されるべき位置に合わせて露光・現像してパターニングする。残ったレジストをマスクとして上部電極7および電歪ポリマー膜6をイオンミリング等でエッチングする。
(3) Next, as shown in FIG. 12, the
ここで、下部電極5は、電歪ポリマー薄膜層43に電圧を印加するための一方の電極であり、インク室基板20上に形成される複数のアクチュエータに共通な電極として機能するように酸化シリコン膜3および硬質膜4と同じ領域に形成されるが、これにかえて、電歪ポリマー膜6および上部電極7と同様の形状に形成されてもよい。
Here, the lower electrode 5 is one electrode for applying a voltage to the electrostrictive polymer
(4)次に、図13および図7に示すように、次いで、インク室基板52となる母材(シリコン基板2)を加工(パターニング)し、電歪ポリマー素子54に対応する位置にそれぞれキャビティ521となる凹部を、また、所定位置にリザーバ523および供給口524となる凹部を形成する。
(4) Next, as shown in FIG. 13 and FIG. 7, the base material (silicon substrate 2) to be the
具体的には、キャビティ521、リザーバ523および供給口524を形成すべき位置に合せてマスク層を形成する。次に、例えば平行平板型反応性イオンエッチング、誘導結合型方式、エレクトロンサイクロトロン共鳴方式、ヘリコン波励起方式、マグネトロン方式、プラズマエッチング方式、イオンビームエッチング方式などのドライエッチング、あるいは5重量%〜40重量%程度の水酸化カリウム、テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイドなどの高濃度アルカリ水溶液によるウェットエッチングを行う。
Specifically, a mask layer is formed in accordance with the position where the
本実施の形態では、母材として(110)配向のシリコン基板を用いているので、高濃度アルカリ水溶液を用いたウェットエッチング(異方性エッチング)が好適に採用される。高濃度アルカリ水溶液によるウェットエッチングの際には、酸化シリコン膜3をエッチングストッパとして機能させることができる。したがって、インク室基板52の形成をより容易に行うことができる。
In this embodiment, since a (110) -oriented silicon substrate is used as a base material, wet etching (anisotropic etching) using a high-concentration alkaline aqueous solution is preferably employed. In wet etching with a high concentration aqueous alkali solution, the
このようにして母材(シリコン基板2)を、その厚さ方向に酸化シリコン膜3が露出するまでエッチング除去することにより、インク室基板52を形成する。このときエッチングされずに残った部分が側壁522となる。露出した酸化シリコン膜3、硬質膜4、および下部電極5は、弾性板55としての機能を発揮し得る状態となる。
In this way, the
(5)次に、図6に示すように、複数のノズル511が形成されたノズル板51を、各ノズル511が各キャビティ521となる凹部に対応するように位置合わせし、その状態で接合する。これにより、複数のキャビティ521、リザーバ523および複数の供給口524が形成される。ノズル板51の接合については、例えば接着剤による接着法や、融着法などを用いることができる。次に、インク室基板52を基体56に取り付ける。
(5) Next, as shown in FIG. 6, the
以上の工程によって、本実施の形態にかかるインクジェット式記録ヘッド50を製造することができる。
Through the above steps, the ink
2.4.作用・効果
本実施の形態にかかるインクジェット式記録ヘッド50によれば、前述したように、電歪ポリマーを用いて形成されているため、変位量が大きい。よって、効率的なインクの吐出が可能となり、ノズル511の高密度化などが可能となる。したがって、高密度印刷や高速印刷が可能となる。さらには、ヘッド全体の小型化を図ることができる。また、たとえば圧電素子の材料として用いられる鉛のような有害物質を含まない。
2.4. Action / Effect According to the ink
3.1.インクジェットプリンタ
次に、上述のインクジェット式記録ヘッド50を備えたインクジェットプリンタについて説明する。図14は、本発明のインクジェットプリンタ600を、紙等に印刷する一般的なプリンターに適用した場合の一実施形態を示す概略構成図である。なお、以下の説明では、図14中の上側を「上部」、下側を「下部」と言う。
3.1. Inkjet Printer Next, an inkjet printer including the above-described
インクジェットプリンタ600は、装置本体620を備えており、上部後方に記録用紙Pを設置するトレイ621を有し、下部前方に記録用紙Pを排出する排出口622を有し、上部面に操作パネル670を有する。
The
操作パネル670は、例えば液晶ディスプレイ、有機ELディスプレイ、LEDランプなどで構成されたもので、エラーメッセージなどを表示する表示部(図示せず)と、各種スイッチなどで構成される操作部(図示せず)とを備えている。
The
装置本体620の内部には、主に、往復動するヘッドユニット630を備えた印刷装置640と、記録用紙Pを1枚ずつ印刷装置640に送り込む給紙装置650と、印刷装置640および給紙装置650を制御する制御部660とが設けられている。
Inside the apparatus
制御部660の制御により、給紙装置650は、記録用紙Pを一枚ずつ間欠送りするようになっている。間欠送りされる記録用紙Pは、ヘッドユニット630の下部近傍を通過する。このとき、ヘッドユニット630が記録用紙Pの送り方向とほぼ直交する方向に往復移動し、記録用紙Pへの印刷を行うようになっている。すなわち、ヘッドユニット630の往復動と、記録用紙Pの間欠送りとが、印刷における主走査および副走査となり、インクジェット方式の印刷が行なわれるようになっている。
Under the control of the
印刷装置640は、ヘッドユニット630と、ヘッドユニット630の駆動源となるキャリッジモータ641と、キャリッジモータ641の回転を受けて、ヘッドユニット630を往復動させる往復動機構642とを備えている。
The
ヘッドユニット630は、その下部に、上述の多数のノズル511を備えるインクジェット式記録ヘッド50と、このインクジェット式記録ヘッド50にインクを供給するインクカートリッジ631と、インクジェット式記録ヘッド50およびインクカートリッジ631を搭載したキャリッジ632とを有する。
The
インクカートリッジ631として、イエロー、シアン、マゼンタ、ブラック(黒)の4色のインクを充填したものを用いることにより、フルカラー印刷が可能となるが、インクカートリッジの種類や個数は特に限定されるものではなく、5〜8色あるいはそれ以上の個数や種類であってもよい。ヘッドユニット630には、各色にそれぞれ対応したインクジェット式記録ヘッド50が設けられることになる。
By using an
往復動機構642は、その両端がフレーム(図示せず)に支持されたキャリッジガイド軸643と、キャリッジガイド軸643と平行に延在するタイミングベルト644とを有する。キャリッジ632は、キャリッジガイド軸643に往復動自在に支持されるとともに、タイミングベルト644の一部に固定されている。キャリッジモータ641の作動により、プーリを介してタイミングベルト644を正逆走行させると、キャリッジガイド軸643に案内されて、ヘッドユニット630が往復動する。この往復動の際に、インクジェット式記録ヘッド50から適宜インクが吐出され、記録用紙Pへの印刷が行われる。
The
給紙装置650は、その駆動源となる給紙モータ651と、給紙モータ651の作動により回転する給紙ローラ652とを有する。給紙ローラ652は、記録用紙Pの送り経路(記録用紙P)を挟んで上下に対向する従動ローラ652aと、駆動ローラ652bとで構成されており、駆動ローラ652bは、給紙モータ651に連結されている。このような構成によって給紙ローラ652は、トレイ621に設置した多数枚の記録用紙Pを、印刷装置6400に向かって1枚ずつ送り込むことができる。なお、トレイ621に代えて、記録用紙Pを収容する給紙カセットを着脱自在に装着し得るような構成とすることもできる。
The
制御部660は、例えばパーソナルコンピュータやディジタルカメラなどのホストコンピュータから入力された印刷データに基づいて、印刷装置640や給紙装置650などを制御することにより印刷を行うものである。
The
制御部660には、いずれも図示しないものの、主に各部を制御する制御プログラムなどを記憶するメモリ、アクチュエータ1を駆動してインクの吐出タイミングを制御する駆動回路、印刷装置640(キャリッジモータ641)を駆動する駆動回路、給紙装置650(給紙モータ651)を駆動する駆動回路、およびホストコンピュータからの印刷データを入手する通信回路と、これらに電気的に接続され、各部での各種制御を行うCPUとが備えられている。
Although not shown, the
CPUには、例えば、インクカートリッジ631のインク残量、ヘッドユニット630の位置、温度、湿度などの印刷環境などを検出可能な各種センサが、それぞれ電気的に接続されている。制御部660は、通信回路を介して印刷データを入手してメモリに格納する。CPUは、この印刷データを処理し、この処理データおよび各種センサからの入力データに基づき、各駆動回路に駆動信号を出力する。この駆動信号によりインクジェット式記録ヘッド50、印刷装置640および給紙装置650は、それぞれ作動する。これにより、記録用紙Pに所望の印刷がなされる。
For example, various sensors capable of detecting a printing environment such as the remaining amount of ink in the
3.2.作用および効果
本実施の形態にかかるインクジェットプリンタ600によれば、前述したように、高性能でノズルの高密度化が可能なインクジェット式記録ヘッド50を備えているので、高密度印刷や高速印刷が可能となる。
3.2. Operation and Effect According to the
なお、本発明のインクジェットプリンタ600は、工業的に用いられる液滴吐出装置として用いることもできる。その場合に、吐出するインク(液状材料)としては、各種の機能性材料を溶媒や分散媒によって適当な粘度に調整して使用することができる。
The
4.1.アクチュエータポンプ
次に、本実施の形態に係るアクチュエータポンプについて図面を参照しながら説明する。図15および図16は、図1に示すアクチュエータ1を用いたアクチュエータポンプ20の概略断面図である。図15および図16に示す電歪ポリマー素子22は、図1に示したアクチュエータ1における下部電極5、電歪ポリマー膜6、および上部電極7とからなるものであり、図1に示したアクチュエータ1における酸化シリコン膜3および硬質膜4は、図15および図16において振動板24となっている。また、シリコン基板2(図1参照)は、アクチュエータポンプ20の要部を構成する基体21となっている。アクチュエータポンプ20は、基体21と、電歪ポリマー素子22と、ポンプ室23と、振動板24と、吸入側逆止弁26aと、吐出側逆止弁26bと、吸入口28aと、吐出口28bとを含む。
4.1. Next, the actuator pump according to the present embodiment will be described with reference to the drawings. 15 and 16 are schematic sectional views of an
4.2.アクチュエータポンプの動作
次に、上述のアクチュエータポンプの動作について説明する。まず、電歪ポリマー素子22に電圧が供給されると、電歪ポリマー膜6(図1参照)の膜厚方向に電圧が印加される。そして、図15に示すように、電歪ポリマー素子22は、ポンプ室23が広がる方向(図15に示す矢印aの方向)にたわむ。また、電歪ポリマー素子22と共に振動板24もポンプ室23が広がる方向にたわむ。このため、ポンプ室23内の圧力が変化し、逆止弁26a、26bの働きによって流体が吸入口28aからポンプ室23内に流れる(図15に示す矢印bの方向)。
4.2. Next, the operation of the above-described actuator pump will be described. First, when a voltage is supplied to the
次に、電歪ポリマー素子22への電圧の供給を停止すると、電歪ポリマー膜6(図1参照)の膜厚方向への電圧の印加が停止される。そして、図16に示すように、電歪ポリマー素子22は、ポンプ室23が狭まる方向(図16に示す矢印aの方向)にたわむ。また、電歪ポリマー素子22と共に振動板24もポンプ室23が狭まる方向にたわむ。このため、ポンプ室23内の圧力が変化し、逆止弁26a、26bの働きによって流体が吐出口28bから外部に吐出される(図16に示す矢印bの方向)。
Next, when the supply of voltage to the
アクチュエータポンプ20の駆動電圧は、例えば100V(AC)程度とすることができる。また、アクチュエータポンプ20の駆動周波数は、例えば、数十Hz〜数十kHz程度とすることができる。
The drive voltage of the
アクチュエータポンプ20は、電子機器、例えばパソコン用、好ましくはノートパソコン用の水冷モジュールとして用いることができる。水冷モジュールは、冷却液の駆動に上述のアクチュエータポンプ20を用い、アクチュエータポンプ20と循環水路等とを含む構造を有する。
The
4.3.作用および効果
本実施の形態に係るアクチュエータポンプ20によれば、前述したように、電歪ポリマーを用いて形成されているため、変位量が大きい。よって、流体の吸入・吐出を効率的に行うことができる。したがって、本実施の形態に係るアクチュエータポンプ20によれば、大きな吐出圧および吐出量を有することができる。また、アクチュエータポンプ20の高速動作が可能となる。さらには、アクチュエータポンプ20の全体の小型化を図ることができる。
4.3. Operation and Effect According to the
1 アクチュエータ、2 シリコン基板、3 酸化シリコン膜、4 硬質膜、5 下部電極、6 電歪ポリマー膜、7 上部電極、20 アクチュエータポンプ、21 基体、22 電歪ポリマー素子、23 ポンプ室、24 振動板、50 インクジェット式記録ヘッド、51 ノズル板、52 インク室基板、54 電歪ポリマー素子、55 弾性板、56 基体、511 ノズル、521 キャビティ、522 側壁、523 リザーバ、524 供給口、531 連通孔、600 インクジェットプリンタ、620 装置本体、621 トレイ、622 排出口、630 ヘッドユニット、631 インクカートリッジ、632 キャリッジ、640 印刷装置、641 キャリッジモータ、642 往復動機構、643 キャリッジガイド軸、644 タイミングベルト、650 給紙装置、651 給紙モータ、652 給紙ローラ、660 制御部、670 操作パネル
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Actuator, 2 Silicon substrate, 3 Silicon oxide film, 4 Hard film, 5 Lower electrode, 6 Electrostrictive polymer film, 7 Upper electrode, 20 Actuator pump, 21 Base, 22 Electrostrictive polymer element, 23 Pump chamber, 24
Claims (16)
前記基板の上方に形成された下部電極と、
前記下部電極の上方に形成された電歪ポリマー膜と、
前記電歪ポリマー膜の上方に形成された上部電極と、
を含む、アクチュエータ。 A substrate,
A lower electrode formed above the substrate;
An electrostrictive polymer film formed above the lower electrode;
An upper electrode formed above the electrostrictive polymer film;
Including an actuator.
前記基板の上方であって、前記下部電極の下方に形成された弾性体膜を有する、アクチュエータ。 In claim 1,
An actuator comprising an elastic film formed above the substrate and below the lower electrode.
前記弾性体膜は、イットリア安定化ジルコニア、酸化セリウム、酸化ジルコニウム、およびこれらを含む固溶体のうち、少なくとも1種を含む硬質膜を有する、アクチュエータ。 In claim 2,
The said elastic body film | membrane is an actuator which has a hard film | membrane containing at least 1 sort (s) among yttria stabilized zirconia, cerium oxide, a zirconium oxide, and the solid solution containing these.
前記弾性体膜は、酸化シリコン膜を有する、アクチュエータ。 In claim 2 or 3,
The actuator is an actuator in which the elastic film includes a silicon oxide film.
前記基板は、単結晶シリコンからなる、アクチュエータ。 In claim 4,
The substrate is an actuator made of single crystal silicon.
前記下部電極は、導電性ポリマーからなる、アクチュエータ。 In any of claims 1 to 5,
The lower electrode is an actuator made of a conductive polymer.
前記上部電極は、導電性ポリマーからなる、アクチュエータ。 In any one of Claims 1 thru | or 6.
The upper electrode is an actuator made of a conductive polymer.
前記電歪ポリマー膜は、シリコーンゴム、ポリウレタン、フルオロエラストマー、およびポリブタジエンのうち、少なくとも1種からなる、アクチュエータ。 In any one of Claims 1 thru | or 7,
The electrostrictive polymer film is an actuator comprising at least one of silicone rubber, polyurethane, fluoroelastomer, and polybutadiene.
(b)前記下部電極の上方に、電歪ポリマーを含む溶液を塗布し、熱処理することにより電歪ポリマー膜を形成する工程と、
(c)前記電歪ポリマー膜の上方に上部電極の材料を含む溶液を塗布し、熱処理することにより上部電極を形成する工程と、
を含む、アクチュエータの製造方法。 (A) applying a solution containing the material of the lower electrode above the substrate and performing a heat treatment to form the lower electrode;
(B) applying a solution containing an electrostrictive polymer above the lower electrode and performing a heat treatment to form an electrostrictive polymer film;
(C) applying a solution containing the material of the upper electrode above the electrostrictive polymer film and heat-treating to form an upper electrode;
A method for manufacturing an actuator, comprising:
前記工程(a)ないし(c)のうち、少なくとも1つの工程では、液滴吐出法により前記溶液を塗布する、アクチュエータの製造方法。 In claim 12,
A method for manufacturing an actuator, wherein in at least one of the steps (a) to (c), the solution is applied by a droplet discharge method.
前記工程(a)の前に、
シリコンからなる前記基板の少なくとも表面を熱酸化することにより、酸化シリコンからなる弾性体膜を前記基板上に形成する工程、をさらに含む、アクチュエータの製造方法。 In claim 12 or 13,
Before the step (a),
A method of manufacturing an actuator, further comprising: forming an elastic film made of silicon oxide on the substrate by thermally oxidizing at least a surface of the substrate made of silicon.
前記上部電極の材料を含む溶液は、金属微粒子を含む液体、または導電性ポリマーを含む溶液である、アクチュエータの製造方法。 In any of claims 12 to 14,
The actuator manufacturing method, wherein the solution containing the material of the upper electrode is a liquid containing metal fine particles or a solution containing a conductive polymer.
前記下部電極の材料を含む溶液は、金属微粒子を含む液体、または導電性ポリマーを含む溶液である、アクチュエータの製造方法。 In any of claims 12 to 15,
The method for manufacturing an actuator, wherein the solution containing the material of the lower electrode is a liquid containing metal fine particles or a solution containing a conductive polymer.
Priority Applications (1)
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2004
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