專利名稱：具有靜電致動器的噴墨頭及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種打印頭，特別是具有靜電致動器的噴墨頭及其制造方法。
背景技術：
噴墨頭的操作類型包括熱敏式和壓電式。對于熱敏式來說，安裝有為墨水室提供熱量的加熱器，由此可以在短時間內提供非常多的熱量，從而在墨水室的墨水中形成氣泡，使墨水通過噴嘴噴射出去。但是，其中的問題是，加熱生成的氣泡的壓力的反復沖擊會造成耐用性差；難以控制墨滴的大小；以及提高打印速度受到限制。
同時，壓電式利用壓電性質，當施加電壓時產生力，通過將壓電材料貼在隔膜上對打印頭的墨水室施加壓力，從而通過施加在墨水室的壓力將墨水擠出。由于其中包括利用施加電壓時產生的力對墨水室施加壓力，因此在速度方面具有良好的性能，因此得到廣泛應用。
圖1是傳統壓電式打印頭的剖視圖。如圖1所示，傳統壓電式噴墨頭包括基板7、隔膜8、壓電元件9、隔壁10和噴嘴板1。在具有這種結構的壓電式噴墨頭中，當控制信號發生器4向壓電元件9發出控制信號時，壓電元件9機械膨脹和收縮，隨著壓電元件9的膨脹和收縮，墨水室2中的墨水5從噴嘴3中噴出形成排出的墨滴6。
但是，壓電式噴墨頭貴，因為其中使用了成本高的壓電元件，并且由于壓電元件必須與電極、絕緣層和保護層等仔細配合，因此這種復雜的制造工藝導致產量低。
為了克服上述問題，目前使用利用靜電力的噴墨頭。這些噴墨打印頭由于具有制造容易、能耗低和機構簡單等優點，很快成為一種可供選擇的噴墨頭類型。
圖2是傳統靜電式噴墨頭的剖視圖，如同美國專利號5,894,316中的圖1所示，表示一種具有隔膜的噴墨頭。如圖2所示，傳統靜電式噴墨頭包括玻璃板11，與玻璃板11間隔恒定間隙安裝的下基板13，裝在上面并形成噴嘴15作為墨水排出通道的上基板16，置于上基板16和下基板13之間并裝在下基板13兩側的中心基板14，以及由上述部分圍成的并形成貯存墨水的腔室的墨水室17。如圖2所示，另一個電極裝在下基板13上，面對裝在玻璃板11上的電極12，兩電極之間具有間隙G。
在具有這種結構的靜電式噴墨頭中，當通電時兩個電極充相反的電，從而形成彼此拉動的吸引力。因此，裝在墨水貯存室上的電極被拉向另一個電極12。當斷電時，被拉動的電極返回其原始狀態，對墨水室內的墨水施加壓力。此壓力使墨水通過噴嘴排到外部。
在這種靜電式噴墨打印頭中，在上面施加壓力的墨水室必須大于某一尺寸；并且為了增大靜電力以及降低作為電極的薄膜的剛度，電極必須具有大的彼此相對面積。這導致每個噴嘴占據的面積增大，噴嘴間距變寬，從而限制了打印機分辨率的提高，并增大了制造成本。而且，必須沉積額外的金屬形成電極，這導致制造工藝更加復雜。
提高靜電式噴墨頭中墨水排出壓力的現有技術的例子包括，第一，韓國專利號10-0242157(“electrostatic actuator type inkjet printer head”)。但是，在此發明中，指狀物(finger)僅沿一個方向突出，隔膜是由一個靜電致動器加壓的，并且靜電致動器僅僅固定在隔膜上，從而限制了靜電力的增大。
第二個例子可以是日本專利號(“electrostatic actuator，droplet discharge head，and inkjet printer device”)。但是，在此發明中，指狀物(finger)僅沿一個方向突出，致動器主體未被框架分隔成單獨的部分，增大靜電力是通過重疊幾層工作電極和固定電極的平板，從而根據電極之間的距離不能總是得到大的位移。

發明內容
本發明的一個目的是提供一種具有靜電致動器的噴墨頭及其制造方法，可以減小靜電式噴墨頭構件的尺寸以及增大靜電力，從而以小的電壓可以得到大的位移，以增大墨水排出壓力。
本發明的一個方面是提供一種具有靜電致動器的噴墨頭，包括一個或多個定子，在定子上按梳子圖案形狀形成有多個第一突出部分；一個或多個轉子，在轉子上通過面對第一突出部分并與第一突出部分不接觸匹配形成有多個第二突出部分；以及連接到轉子末端的隔膜。
優選地，轉子可以是將定子裝在其內部的外罩形狀。
本發明的另一個方面是提供一種具有靜電致動器的噴墨頭，包括定子，在所述定子上在兩個方向上形成有多個梳狀圖案的第一突出部分和第二突出部分；以及轉子，所述轉子包括第一構件和第二構件，二者的一個末端連接有隔膜，其中第一構件上形成第三突出部分，第三突出部分面向第一突出部分并且不接觸地與第一突出部分匹配，并且第二構件上形成第四突出部分，第四突出部分面向第二突出部分并且不接觸地與第二突出部分匹配。
第一構件和第二構件的兩端可以連接，從而轉子形成外罩，將定子裝在其內部。
外罩可以是六邊形或橢圓形，并且優選地，第一突出部分和第一構件之間的最短距離，或者第二突出部分和第二構件之間的最短距離，大于第一突出部分和第三突出部分之間的距離或者第二突出部分和第四突出部分之間的距離。
第一突出部分至第四突出部分中的一個或多個，在突出方向上的截面形狀可以是矩形。第一突出部分至第四突出部分中的兩個或兩個以上可以具有相同的形狀。
定子或轉子可以包括單晶硅，優選地通過MEMS(Micro ElectroMechanical System，微機電系統)工藝制造。
此外，具有靜電致動器的噴墨頭優選地還包括框架，用于裝入包括定子以及包圍定子的轉子的靜電致動器；裝在框架中并在其一個或多個面上包括隔膜的墨水室；在墨水室一側上形成的墨水噴嘴；以及連接到墨水室的墨水噴射口，其中靜電致動器的末端連接隔膜。
優選地，墨水室的截面是多邊形，隔膜選擇性地位于多邊形的每一側，并且靜電致動器連接到每個隔膜。隔膜上可以連接多個靜電致動器。
本發明的另一個方面提供一種具有靜電致動器的噴墨打印機，該噴墨打印機包括墨盒，該墨盒包括具有靜電致動器的噴墨頭；以及為定子和轉子供電的工作電路。
本發明的另一個方面提供一種通過將加工的玻璃基板連接在加工的SOI基板上制造具有靜電致動器的噴墨頭的方法，靜電致動器包括定子和轉子，其中加工SOI(Silicon on Insulator，硅絕緣體)基板的方法包括(a-1)在包括氧化層的SOI基板上形成PR(Photoresist，光阻)涂層；(a-2)在PR涂層上形成靜電致動器的圖案(形成PR圖案)；(a-3)按照步驟(a-2)形成的圖案將SOI基板上的硅層腐蝕到氧化層；以及(a-4)使用稀釋的HF溶液濕腐蝕氧化層上形成轉子的部分，并且其中加工玻璃基板的方法包括(b-1)通過熱壓縮將DFR(Dry Film Resistor，干膜電阻)裝在玻璃基板的上表面；(b-2)在玻璃基板底面上對應于轉子的部分干腐蝕空穴；以及(b-3)在玻璃基板上對應于定子的部分打孔。
加工的SOI基板和加工的玻璃基板之間的連接可以通過陽極結合形成。步驟(a-3)可以通過干腐蝕實現。步驟(b-2)的腐蝕或者步驟(b-3)的打孔可以通過噴砂實現。


圖1是傳統壓電式噴墨頭的剖視圖；圖2是傳統靜電式噴墨頭的剖視圖；圖3是根據本發明第一優選實施例、具有靜電致動器的噴墨頭的剖視圖；圖4是圖3中部分A的放大圖；圖5是沿圖4中線B-B’的剖視圖；圖6是根據本發明第一優選實施例、在具有靜電致動器的噴墨頭上施加電壓時的剖視圖；圖7是根據本發明第二優選實施例、具有靜電致動器的噴墨頭的剖視圖；圖8是根據本發明第三優選實施例、具有靜電致動器的噴墨頭的剖視圖；圖9是根據本發明第四優選實施例、具有靜電致動器的噴墨頭的剖視圖；圖10是根據本發明第四優選實施例、在具有靜電致動器的噴墨頭上施加電壓時的剖視圖；圖11是表示根據本發明一個優選實施例、具有靜電致動器的噴墨頭的制造工藝的示意圖；圖12是表示根據本發明一個優選實施例、具有靜電致動器的噴墨頭的制造工藝的流程圖。
附圖中主要構件的參考數字的說明100靜電致動器 110定子112第一突出部分114第二突出部分120轉子122第一構件124第二構件126第三突出部分128第四突出部分130墨水室
132隔膜 134墨水噴嘴136墨水注射口138墨滴200框架具體實施方式
下面將參考附圖更加詳細地說明本發明的具有靜電致動器的噴墨頭及其制造方法的優選實施例。在參考附圖進行描述時，無論哪張附圖，具有相同參考數字的那些部分是相同的部分，或是對應的，因此省略對其的多余解釋。而且，在討論本發明的優選實施例之前將首先描述其基本原理。
圖3是根據本發明第一優選實施例、具有靜電致動器的噴墨頭的剖視圖，圖4是圖3中A部分的放大圖，圖5是沿圖4中線B-B’的剖視圖。在圖3到5中表示出靜電致動器100、定子110、第一突出部分112、第二突出部分114、轉子120、第一構件122、第二構件124、第三突出部分126、第四突出部分128、墨水室130、隔膜132、墨水噴嘴134、墨水注射口136、墨滴138和框架200。
在根據第一實施例具有靜電致動器的噴墨頭中，六邊形靜電致動器100的一端固定在墨水室130的隔膜132上，從而當對靜電致動器100的定子110和轉子120施加電壓時，二者之間產生靜電力，靜電致動器100的形狀發生變化。這對隔膜132施加壓力，隨著墨水室130的體積減小，墨水室130內的墨水通過墨水噴嘴134噴出。當未施加電壓時，隔膜132由于靜電致動器100的恢復能力而返回其原始位置，以使墨水室130的體積增大，墨水通過墨水入口流入并充滿墨水室130。
根據本發明具有靜電致動器的噴墨頭，與傳統熱敏式或壓電式噴墨頭相比，可以在高于幾十kHz的頻率下工作，并且還具有簡單的制造工藝，在生產率方面具有優勢。
從圖3可以看出，靜電致動器100包括梳子圖案形狀的定子110，在定子上從兩個方向突出有n+1個第一突出部分112和第二突出部分114；以及由六邊形框架構成的轉子120，在轉子上突出有朝向第一突出部分的n個第三突出部分126以及朝向第二突出部分的n個第四突出部分128。定子110和轉子120由單晶硅制成，從而當電壓施加在定子110和轉子120上時產生靜電力，將二者彼此朝對方拉近。
供應的電壓、產生的靜電力以及位移之間的關系如式(2)和(3)所示。即，當式(1)中所示的電壓V施加到定子110上，且轉子120接地時，得到式(2)和(3)所示的靜電力Fe。
V＝Vd+Vasin(ωt) (1)Fe=12(∂C∂xV2)---(2)]]>Fe=12∂C∂x(Vd2+12Va2+2VaVdsin(ωt)-12Va2cos(2ωt))---(3)]]>式中Vd電壓的平均值(伏)；VaAC電壓的幅值(伏)；ωt諧振頻率×時間(Hz·秒)C靜電電容(F)；L初始位置(見圖4)；H轉子和定子末端之間的距離(見圖4)；w梳狀齒的寬度(見圖5)。
另外，從上面可以得到式(4)；并且如式(4)所示，由靜電力引起的轉子120朝向定子110變形的距離不取決于定子110和轉子120之間的距離。
∂C∂x=2ϵtg---(4)]]>
式中C靜電電容(F)；x轉子運動的距離(見圖4)；ε介電常數；t轉子的厚度(見圖5)；g第一突出部分和第三突出部分之間或者第二突出部分和第四突出部分之間的間隙(見圖5)。
下面將參考圖4和5更加詳細地解釋定性解析C/x。如果梳狀轉子從初始位置L運動了x，則按式(5)計算垂直于轉子的電力線產生的靜電電容Cp＝(2εt(L+x))/g(5)從式(5)可以看出，當H遠大于g時，梳狀圖案部分末端產生的靜電電容是恒定的。因此，如式(4)所示，C/x是線性的，與x無關。
此實施例的靜電致動器100包括定子110和轉子120，其中定子110具有按梳狀圖案形成的突出部分；轉子120是六邊形外罩，將定子110裝在其內部，并且包括與定子上形成的突出部分匹配的多個突出部分。
優選地，此實施例的靜電致動器100包括定子110和轉子120，其中定子110是梳子圖案形狀，在兩個方向形成突出部分；轉子120包括兩個構件，并形成六邊形腔室，在轉子上形成有與定子110的突出部分匹配的突出部分。
換言之，定子110是梳子圖案形狀，在兩個方向形成多個第一突出部分112和第二突出部分114，其位置是固定的。轉子120包括第一構件122和第二構件124，第一構件122和第二構件124的兩個末端連接形成外罩，將定子110裝在其內部。
在圖3中，定子110上部的突出是第一突出部分112，定子110下部的突出是第二突出部分114；轉子120上部的構件是第一構件122，下部的構件是第二構件124；面向第一突出部分112的第一構件122上朝向第一突出部分112的突出是第三突出部分126，面向第二突出部分114的第二構件124上朝向第二突出部分114的突出是第四突出部分128。
但是，參考數字的排列順序僅僅是用于詳細解釋本發明，本發明的構成并不受上述數字順序的限制。
從式(4)可以看出，使用本發明的靜電致動器100，靜電力的大小并不是主要取決于定子110和轉子120之間的距離101，而是取決于突出部分之間的距離，即第一突出部分112和第三突出部分126或者第二突出部分114和第四突出部分128之間的距離102。因此，轉子120移動的距離x受電勢V之差控制，與定子110和轉子120之間的距離101無關，從而當轉子120的位移增大時，可以將靜電致動器施加壓力時隔膜132變形的距離設計得較大。
這樣，形成的第一突出部分112和第三突出部分126，或者第二突出部分114和第四突出部分128，將使其側邊之間的距離，即間隙102，足夠小。因此，定子110和轉子120之間的距離101與具有平相對面的傳統噴墨頭結構相比變得不再重要，噴墨頭工作的可靠性提高。
當一套或多套第一突出部分112和第三突出部分126或者第二突出部分114和第四突出部分128交錯排列，以使側邊彼此靠近時，可以得到此實施例的效果，但優選地需要形成多個突出部分，以形成梳狀結構。
這樣，當在定子110兩個方向上形成梳狀的多個第一突出部分112和第二突出部分114，以及在轉子120兩個方向上形成梳狀的相應的多個第三突出部分126和第四突出部分128，像齒輪一樣匹配在一起時，靜電力應用在定子110和轉子120上的面積最大化，在利用本發明的作用時得到最好結果。
當然，當彼此匹配定位梳狀構件時，它們必須不能電連接，即它們必須是絕緣的，從而可以產生靜電力。
轉子120的第一構件122和第二構件124在其兩端連接形成基本六邊形外罩，但本發明的轉子120的形狀并不必需是六邊形，顯然可以形成橢圓形或彎曲形狀。
轉子120的整體形狀，要使得當定子110和轉子120之間產生靜電吸引時，由于轉子120的運動而產生的轉子120的整體形狀的變化最大，特別是在圖3的水平方向的變化。這將更加有效地利用電力對墨水室130的隔膜132加壓。
由于本發明的噴墨頭能夠產生與定子110和轉子120之間的距離無關的靜電力，即第一突出部分112和第一構件122之間的最小距離或者第二突出部分114和第二構件124之間的最小距離，此最小距離可以足夠大，以使轉子120運動的位移最大化。
如上所述，第一突出部分112和第三突出部分126之間的距離或者第二突出部分114和第四突出部分128之間的距離，是確定此實施例的靜電力大小的重要因素，第一突出部分112和第二構件122之間的最小距離或者第二突出部分114和第二構件124之間的最小距離可以大于第一突出部分112和第三突出部分126之間的距離或者第二突出部分114和第四突出部分128之間的距離。
通常，當突出部分的厚度及其之間的間隙在幾個微米的范圍內時，定子110和轉子120之間的距離(所述最小距離)可以相等或較大。通過如此增大定子110和轉子120之間的距離，可以使轉子120運動的位移最大化，從而使靜電致動器100對隔膜132加壓的作用力增大，由此增大墨水排出壓力。
如果突出部分112、114、126、128在突出方向的截面是矩形的，則是較好的選擇。但是，本發明不是必須限制在矩形截面突出部分的情況下，很明顯可以包括使靜電力增大的面積最大化的其它形狀，例如三角形、梯形、半圓形、橢圓形、鐘形截面。
但是，由于轉子120的第一構件122和第二構件124是通過靜電力運動的構件，因此相比于可以造成運動過程中機械故障的形狀，矩形是優選的。而且，由于本發明是利用彼此面對的兩個平行電極之間產生的靜電力，因此相比于諸如三角形或梯形這些突出部分之間的距離對于每個位置來說可能不同的形狀，諸如矩形這樣的、能夠提供較多的彼此面對的平行面積的形狀是優選的。
每個突出部分112、114、126、128制成多個，但形狀不必相同。換言之，中心部分和末端部分的第一構件122或第二構件124可以具有不同的形狀，并且可以使用不同的形狀得到較大的靜電力。
但是，為了便于設計和制造，重復具有相同形狀的每個突出部分可以是優選的。第一突出部分112和第三突出部分126，或者第二突出部分114和第四突出部分128也可以具有不同形狀，但如上所述，為了便于設計和制造，相同形狀的突出部分可以是優選的。
而且，由于本發明的靜電致動器100包括在定子110上下方向對稱定位的轉子120，且由于轉子120的靜電吸引朝定子110運動，以使靜電致動器100的形狀在水平拉長，如圖3所示，對隔膜132加壓，因此使第一突出部分112和第二突出部分114，以及對稱的第三突出部分126和第四突出部分128在使靜電致動器100變形方面特別有效。
而且，本發明梳狀靜電致動器100的所有構件，優選地通過MEMS(MicroElectro Mechanical System，微機電系統)工藝制造。MEMS是一種制造人眼看不到的微小尺寸機電元件的技術，應用于與微小機械構件相關的所有領域用途中。
MEMS技術是將微加工技術應用于微小傳感器或致動器以及微小尺寸機電元件的制造，是一種應用傳統半導體工藝，特別是集成電路技術的微加工技術。MEMS制造的微機械可以達到低于微米級的精度。本發明的定子110和轉子120制造的尺寸必須可以小于幾個微米，并且由于它們是通過靜電力機械工作的零件，因此優選地，通過上述MEMS工藝制造它們。
但是，本發明靜電致動器100的制造工藝并不限于MEMS，很明顯可以使用在本領域一般技術人員清楚的范圍內能得到本發明效果的所有制造工藝。
優選地，定子110和轉子120可以形成一個單獨主體，并且可以用單獨的單晶硅制造它們。但是，本發明的定子110和轉子120的材料不受限制，很明顯可以包括在本領域一般技術人員清楚的范圍內滿足電氣和機械需求并得到本發明效果的任何其它材料。
圖6是對根據本發明第一優選實施例，具有靜電致動器的噴墨頭施加電壓時的剖視圖。在圖6中，表示出靜電致動器100、定子110、第一突出部分112、第二突出部分114、轉子120、第一構件122、第二構件124、第三突出部分126、第四突出部分128、墨水室130、隔膜132、墨水噴嘴134、墨水注射口136、墨滴138和框架200。
使用此實施例的噴墨頭，靜電致動器100和墨水室130裝在框架200內部，并且靜電致動器100的一端固定在墨水室130的隔膜132上。如同上面說明的，墨水室130包括隔膜132，形成在與靜電致動器100另一端對應的部分，在壓力作用下可變形；墨水噴嘴134，形成在連接框架200的部分，在加壓時通過該噴嘴噴射出墨水；以及墨水噴射口136。如上所述，靜電致動器100包括梳狀結構的定子110和轉子120。
從圖6可以看出，利用根據本發明的具有靜電致動器100的噴墨頭，當在定子110和轉子120上施加電壓時，轉子120在正比于施加電壓平方產生的靜電力作用下運動。即，圖6的靜電致動器100的垂直尺寸減小，從而靜電致動器100的水平尺寸增大。這導致連接到靜電致動器100的墨水室130的隔膜132被加壓，從而裝在墨水室130中的墨水通過墨水噴嘴134隨著墨水室130的體積減小而噴出。
當關斷施加的電壓，轉子120返回其原始形狀時，墨水室130的體積再次擴大到原始狀態，從而通過墨水入口從墨水源(未圖示)供應墨水，墨水充滿墨水室130。
當對定子110和轉子120施加電壓以擴大圖6中靜電致動器100的水平尺寸時，壓力施加到靜電致動器100兩端。為了最大程度地將壓力從靜電致動器100傳遞到墨水室130的隔膜132，靜電致動器100的另一端可以固定在框架200上。由于框架200不變形，因此靜電致動器100僅在隔膜132方向膨脹和收縮，靜電力產生的壓力僅僅朝向隔膜132傳遞。
但是，當靜電致動器100僅在隔膜132方向變形時，轉子120不僅朝定子110運動，而且朝隔膜132運動。這增大了定子110的第一突出部分112與轉子120的第三突出部分126之間，或者定子110的第二突出部分114和轉子120的第四突出部分128之間的接觸機率。因此，在這種情況下，最好僅使靜電致動器100的一端連接到隔膜132，另一端可以自由運動。
但是，當靜電致動器100的另一端設計成自由端時，由于靜電致動器100加壓隔膜132的反作用力，存在轉子120沿隔膜132的相反方向運動的危險。因此，優選的是，設置彈性或可變形元件，將靜電致動器100的另一端連接到框架上，或者將靜電致動器100的另一端設計成，當靜電致動器100伸長到最大伸長量時，接觸框架200。
由于本發明的靜電致動器100包括六邊形等形狀的外罩，變形時對隔膜132加壓，因此轉子120的運動距離不必要等于隔膜132的變形距離。由此，只要定子110的第一突出部分112和轉子120的第三突出部分126之間，或者定子110的第二突出部分114和轉子120的第四突出部分128之間不接觸，如果在此范圍內隔膜132的變形產生的位移足以得到本發明的效果，則可以將靜電致動器100的另一端固定在框架200上。
圖7是根據本發明第二優選實施例、具有靜電致動器的噴墨頭的剖視圖，圖8是根據本發明第三優選實施例、具有靜電致動器的噴墨頭的剖視圖。圖7表示出定子1101、第一突出部分1121、第二突出部分1141、轉子1201、第一構件1221、第二構件1241、第三突出部分1261、第四突出部分1281；圖8表示出定子1102、1103、第一突出部分1122、第二突出部分1142、轉子1202、第一構件1222、第二構件1242、第三突出部分1262和第四突出部分1282。
本發明靜電致動器的轉子不必像第一實施例一樣限制在形成六邊形等形狀的外罩。即，轉子不必形成外罩，可以理解的是，本發明還包括轉子分離成第一構件和第二構件，定子分成兩個部分，使每個轉子與定子彼此面對。
即使如同圖7所示的第二實施例，轉子的第一構件1221和第二構件1241分離，那么如果每個構件的末端連接到隔膜132，則轉子1201通過靜電吸引朝定子1101運動，從而轉子的末端使隔膜132變形，隔膜132的這種變形和恢復使得隔膜132對墨水室130加壓，從而排出墨水。
而且，即使定子與圖3不同，不是在兩個方向具有多個突出部分的梳狀結構，而是與圖8所示第三實施例一樣，是由多個分離的構件1102、1103形成的，那么如果轉子1222、1242面對每個定子1102、1103安裝并且其一端連接到隔膜132，則在定子與轉子之間的靜電吸引將使轉子1222、1242朝定子1102、1103運動，如上所述，轉子1222、1242的末端將使隔膜132變形，以使隔膜對墨水室130加壓。
當然，優選的是，多個轉子中的每個轉子的末端連接到隔膜上的一個位置，因為轉子施加在隔膜上的變形力可以集中，其一個優選的實施例是將轉子形成圖3所示的六邊形外罩。
圖9是根據本發明第四優選實施例、具有靜電致動器的噴墨頭的剖視圖，圖10是根據本發明第四優選實施例、在具有靜電致動器的噴墨頭上施加電壓時的剖視圖。圖9和圖10表示出靜電致動器100a、100b、100c、定子110a、第一突出部分112a、第二突出部分114a、轉子120a、第一構件122a、第二構件124a、第三突出部分126a、第四突出部分128a、墨水室130a、隔膜132a、132b、132c、墨水噴嘴134a、墨水注射口136a和框架200a。
下面參考圖9解釋本發明第四實施例的噴墨頭的構成。墨水室130a裝在框架200a內，隔膜132a、132b、132c形成在墨水室130a的每個側面，靜電致動器100如第一實施例所述，連接到每個隔膜132a、132b、132c。在圖9中，方形墨水室130a的一側形成墨水噴射口，而其它三個側面形成隔膜132a、132b、132c。靜電致動器分別連接到隔膜132a、132b、132c，以使所有三個靜電致動器100a、100b、100c連接。在墨水室130a的一端(圖9中垂直向上)形成墨水噴嘴134a，從而通過對隔膜132a、132b、132c施加壓力，可以通過墨水噴嘴134a排出墨水。
第四實施例包括在裝入框架200a中的墨水室130a上形成的多個隔膜132a、132b、132c，并且靜電致動器100連接到每個隔膜，每個靜電致動器100a、100b、100c在其變形時對隔膜132a、132b、132c加壓，從而總體上與具有一個靜電致動器的情況相比，減小了墨水室130a的體積。這使得較多的墨水從墨水室130a中排出，或者允許使用高粘度的墨水，而此高粘度墨水此前由于靜電力的限制不能使用。同時，當通過減小作用在墨水室130a上的壓力而噴射少量墨水時，或者當噴射低粘度的墨水時，通過控制供應到靜電致動器100的電位差等等，可以減小靜電力。
這樣，上述的噴墨頭和使用上述噴墨頭的墨盒以及噴墨打印機可以在打印時噴射較多的墨水，或者可以使用高粘度的墨水，從而增強其適用性。當然，使用少量墨水或低粘度墨水不存在問題，因為，如上所述，可以控制電位差等等。
優選地，墨水室130a制造成具有多邊形截面，使隔膜132a、132b、132c形成在多邊形的每一側上，并且靜電致動器連接到每個隔膜上。由于多邊形較多的側面可以連接較多的靜電致動器，因此最好是在考慮制造難度、時間和成本，以及所需墨水排出壓力等因素的情況下形成具有足夠數量側面的多邊形。
但是，本發明的墨水室的截面不必限制于多邊形，很明顯可以使用包括曲線的一些形狀，例如圓形、橢圓形和彎曲形狀等等。當形成具有彎曲截面的墨水室時，優選地，對應于每個隔膜的兩個末端的部分需要固定，以便有效地將靜電致動器的壓力傳遞到墨水室。
同時，一個隔膜不必僅僅連接一個靜電致動器，可以將多個靜電致動器連接到一個隔膜。
當每個隔膜連接多個靜電致動器時，靜電致動器的伸長位移不是累加在一起，由于是從兩個或多個點加壓隔膜而不是從僅僅一個點加壓隔膜，因此增大了得到的墨水室體積的減小量。當然，在第一實施例中，也可以將多個靜電致動器連接到隔膜，用于增大墨水排出壓力。
本發明涉及一種六邊形噴墨頭，它具有包括定子和轉子的靜電致動器，其中形成在定子和轉子上的梳狀結構的突出部分匹配在一起，并且本發明的范圍不但包括具有靜電致動器的噴墨頭，而且包括使用上述噴墨頭的墨盒以及噴墨打印機。
并且在第四實施例中，當在定子110a和轉子120a上施加電壓時，由于產生與所施加電壓的平方成正比的靜電力，因此轉子120a運動。即，對于靜電致動器100a、100b、100c來說，如果將定子110a或轉子120a的突出部分的突出方向認為是寬度方向，并將垂直于寬度方向的方向認為是長度方向，則當轉子120a運動時，靜電致動器100寬度方向的尺寸減小，長度方向的尺寸增大。
這將導致連接在靜電致動器的墨水室隔膜132a、132b、132c受壓，并且墨水室的體積減小，由此將裝在墨水室中的墨水通過墨水噴嘴134a噴出。在第四實施例的情況下，使用了三個靜電致動器100a、100b、100c，從而墨水排出壓力大于第一實施例的情況。
當關斷供應的電壓時，轉子120a返回其原始形狀，墨水室130a的體積增大到其正常尺寸，從而可以通過墨水入口從墨水源(未圖示)供應墨水，并充入墨水室130a。
圖11是表示根據本發明一個優選實施例的、具有靜電致動器的噴墨頭的制造工藝的示意圖，圖12是表示根據本發明一個優選實施例的、具有靜電致動器的噴墨頭的制造工藝的流程圖。圖11表示出SOI基板300、氧化層302、硅層304、玻璃基板306和金屬圖案312。
根據本發明的靜電致動器，如上所述，可以利用MEMS技術容易而精確地制造。在解釋根據此實施例的靜電致動器的制造工藝時，首先加工SOI基板。
SOI基板的加工方法包括以下步驟在SOI(Silicon on Insulator，硅絕緣體)基板300上形成PR涂層(未圖示)，其中在氧化層302上形成硅層304，此后在PR涂層上形成靜電致動器的定子110和轉子122、124的圖案(形成PR圖案)(圖11的(a-1))；按照形成的圖案將SOI基板300a上的硅層304a腐蝕到氧化層302(圖11的(a-2))；以及腐蝕轉子122、124部分的氧化層302a(圖11的(a-3))。
接著，加工玻璃基板。玻璃基板的加工方法包括以下步驟將DFR(干膜電阻)(未圖示)裝在玻璃基板306的上表面(圖11的(b-1))；在與所加工的SOI基板300b上形成的轉子122、124對應的玻璃基板306a的底面部分上腐蝕空穴(圖11的(b-2))；以及在玻璃基板306b對應于定子110的部分打孔(圖11的(b-3))。
在加工SOI基板和玻璃基板之后，將所加工的玻璃基板306b連接在所加工的SOI基板300b上，在上面形成作為連線的金屬圖案312，制造出靜電致動器。
為了腐蝕硅層304a，可以利用本領域一般技術人員清楚的任何方法，例如ICP干腐蝕等等；對于腐蝕轉子122、124部分的氧化層302a，可以利用本領域一般技術人員清楚的任何方法，例如使用稀釋HF溶液的濕腐蝕。
此外，可以利用本領域一般技術人員清楚的任何方法將DFR裝到玻璃基板306的上表面，可以利用本領域一般技術人員清楚的任何方法在玻璃基板306a的底面部分上腐蝕空穴以及在玻璃基板306b上打孔，例如噴砂。
當然，可以利用本領域一般技術人員清楚的任何方法將加工的SOI基板300b和加工的玻璃基板306b連接在一起，例如陽極結合。
下面參看圖12所示的流程圖說明上述使用優選加工方法和MEMS技術制造噴墨頭的方法。在SOI(Silicon on Insulator，硅絕緣體)基板上應用PR涂層402，使用ICP干腐蝕將硅層(約40微米)腐蝕到氧化層(約3微米)404，使用稀釋的HF溶液濕腐蝕氧化層406，使用熱壓縮將DFR(干膜電阻)裝到玻璃基板上408，通過噴砂在玻璃基板上干腐蝕空穴410，通過噴砂在玻璃基板上打孔412，通過陽極結合將步驟412的玻璃基板結合到步驟406的SOI基板上414，以及在結合的玻璃基板上形成作為連線的金屬圖案416。
雖然參考特殊實施例詳細說明了本發明的精神，但這些實施例僅僅是達到解釋的目的，并不限制本發明。并且本領域一般技術人員應該理解的是，在不偏離本發明范圍和精神的情況下，可以得到不同的實施例。
工業實用性根據如上所述構成的本發明，可以減小定子和轉子的尺寸，并且由于定子和轉子之間的間隙為幾個微米，因此打印頭噴嘴中諸如壓力室和隔膜等的頭組成部分的尺寸可以制造成幾百微米的數量級，從而可以減小整體頭組成的尺寸。
而且，由于梳狀設計的一個或多個靜電致動器能增大靜電力，因此可以在低電壓下增大隔膜的位移或者墨水室的體積減小量，從而可以增大墨水排出壓力，可以排出高粘度墨水。此外，通過控制諸如框架厚度、電壓和真空度等設計參數，可以根據具體的排出需求自由設計噴墨頭。
權利要求
1.一種具有靜電致動器的噴墨頭，包括一個或多個定子，在所述定子上按梳子圖案形狀形成有多個第一突出部分；與第一突出部分面對的一個或多個轉子，所述轉子與第一突出部分不接觸匹配；以及連接到所述轉子一端的隔膜。
2.如權利要求1所述的具有靜電致動器的噴墨頭，其中轉子是將定子裝在其內部的外罩形狀。
3.一種具有靜電致動器的噴墨頭，包括定子，在所述定子上在兩個方向上形成有多個梳狀圖案的第一突出部分和第二突出部分；以及轉子，所述轉子包括第一構件和第二構件，二者的末端連接隔膜；其中所述第一構件上形成有第三突出部分，所述第三突出部分面向第一突出部分并且與第一突出部分不接觸地匹配；并且第二構件上形成有第四突出部分，所述第四突出部分面向第二突出部分并且與第二突出部分不接觸地匹配。
4.如權利要求3所述的具有靜電致動器的噴墨頭，其中第一構件和第二構件的兩端連接，從而轉子形成為將定子裝在其內部的外罩。
5.如權利要求2或4所述的具有靜電致動器的噴墨頭，其中外罩是六邊形或橢圓形。
6.如權利要求3所述的具有靜電致動器的噴墨頭，其中第一突出部分和第一構件之間的最短距離，或者第二突出部分和第二構件之間的最短距離，大于第一突出部分和第三突出部分之間的距離或者第二突出部分和第四突出部分之間的距離。
7.如權利要求3所述的具有靜電致動器的噴墨頭，其中第一突出部分至第四突出部分中的一個或多個，在突出方向的截面形狀是矩形。
8.如權利要求3所述的具有靜電致動器的噴墨頭，其中第一突出部分至第四突出部分中的兩個或兩個以上具有相同的形狀。
9.如權利要求1或3所述的具有靜電致動器的噴墨頭，其中定子或轉子包括單晶硅。
10.如權利要求1或3所述的具有靜電致動器的噴墨頭，其中通過微機電系統工藝制造定子或轉子。
11.如權利要求1或3所述的具有靜電致動器的噴墨頭，還包括框架，用于裝入包括定子以及包圍定子的轉子的靜電致動器；裝在框架中并在其一個或多個面上包括隔膜的墨水室；在墨水室一側上形成的墨水噴嘴；以及連接墨水室的墨水噴射口；其中靜電致動器的末端連接隔膜。
12.如權利要求11所述的具有靜電致動器的噴墨頭，其中墨水室的截面是多邊形；隔膜選擇性地包括在多邊形的每一側上；并且靜電致動器連接到每個隔膜。
13.如權利要求12所述的具有靜電致動器的噴墨頭，其中隔膜上連接多個靜電致動器。
14.一種具有靜電致動器的墨盒，包括如權利要求11所述的噴墨頭。
15.一種具有靜電致動器的噴墨打印機，包括如權利要求14所述的墨盒；以及為定子和轉子供電的工作電路。
16.一種通過將加工的玻璃基板連接在加工的硅絕緣體基板上制造具有靜電致動器的噴墨頭的方法，靜電致動器包括定子和轉子，其中加工硅絕緣體基板的方法包括(a-1)在包括氧化層的硅絕緣體基板上形成光阻涂層；(a-2)在光阻涂層上形成靜電致動器的圖案；(a-3)按照步驟(a-2)形成的圖案將硅絕緣體基板的硅層腐蝕到氧化層；以及(a-4)使用稀釋的HF溶液濕腐蝕氧化層上形成轉子的部分；并且其中加工玻璃基板的方法包括(b-1)通過熱壓縮將干膜電阻裝在玻璃基板的上表面；(b-2)在玻璃基板底面上對應于轉子的部分干腐蝕空穴；以及(b-3)在玻璃基板上對應于定子的部分打孔。
17.如權利要求16所述的方法，其中加工的硅絕緣體基板和加工的玻璃基板之間的連接是通過陽極結合形成的。
18.如權利要求16所述的方法，其中步驟(a-3)通過干腐蝕實現。
19.如權利要求16所述的方法，其中步驟(b-2)的腐蝕或者步驟(b-3)的打孔通過噴砂實現。
全文摘要
本發明涉及一種具有靜電致動器的噴墨頭及其制造方法。具有靜電致動器的噴墨頭包括定子，所述定子在兩個方向上形成多個梳子圖案形狀的第一突出部分和第二突出部分；以及轉子，所述轉子包括第一構件和第二構件，二者的末端連接隔膜，其中在第一構件上形成面對第一突出部分并與第一突出部分不接觸匹配的第三突出部分，并且在第二構件上形成面對第二突出部分并與第二突出部分不接觸匹配的第四突出部分。本發明具有靜電致動器的噴墨頭可以減小噴墨頭組件的尺寸，并可以增大靜電力，從而以低的電壓可以得到大的位移，從而增大墨水排出壓力。
文檔編號H02N1/00GK1830669SQ20061000785
公開日2006年9月13日 申請日期2006年2月21日 優先權日2005年3月11日
發明者金永財, 林栽圣, 吳圣日 申請人:三星電機株式會社