专利名称：具有静电致动器的喷墨头及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种打印头，特别是具有静电致动器的喷墨头及其制造方法。
背景技术：
喷墨头的操作类型包括热敏式和压电式。对于热敏式来说，安装有为墨水室提供热量的加热器，由此可以在短时间内提供非常多的热量，从而在墨水室的墨水中形成气泡，使墨水通过喷嘴喷射出去。但是，其中的问题是，加热生成的气泡的压力的反复冲击会造成耐用性差；难以控制墨滴的大小；以及提高打印速度受到限制。
同时，压电式利用压电性质，当施加电压时产生力，通过将压电材料贴在隔膜上对打印头的墨水室施加压力，从而通过施加在墨水室的压力将墨水挤出。由于其中包括利用施加电压时产生的力对墨水室施加压力，因此在速度方面具有良好的性能，因此得到广泛应用。
图1是传统压电式打印头的剖视图。如图1所示，传统压电式喷墨头包括基板7、隔膜8、压电元件9、隔壁10和喷嘴板1。在具有这种结构的压电式喷墨头中，当控制信号发生器4向压电元件9发出控制信号时，压电元件9机械膨胀和收缩，随着压电元件9的膨胀和收缩，墨水室2中的墨水5从喷嘴3中喷出形成排出的墨滴6。
但是，压电式喷墨头贵，因为其中使用了成本高的压电元件，并且由于压电元件必须与电极、绝缘层和保护层等仔细配合，因此这种复杂的制造工艺导致产量低。
为了克服上述问题，目前使用利用静电力的喷墨头。这些喷墨打印头由于具有制造容易、能耗低和机构简单等优点，很快成为一种可供选择的喷墨头类型。
图2是传统静电式喷墨头的剖视图，如同美国专利号5,894,316中的图1所示，表示一种具有隔膜的喷墨头。如图2所示，传统静电式喷墨头包括玻璃板11，与玻璃板11间隔恒定间隙安装的下基板13，装在上面并形成喷嘴15作为墨水排出通道的上基板16，置于上基板16和下基板13之间并装在下基板13两侧的中心基板14，以及由上述部分围成的并形成贮存墨水的腔室的墨水室17。如图2所示，另一个电极装在下基板13上，面对装在玻璃板11上的电极12，两电极之间具有间隙G。
在具有这种结构的静电式喷墨头中，当通电时两个电极充相反的电，从而形成彼此拉动的吸引力。因此，装在墨水贮存室上的电极被拉向另一个电极12。当断电时，被拉动的电极返回其原始状态，对墨水室内的墨水施加压力。此压力使墨水通过喷嘴排到外部。
在这种静电式喷墨打印头中，在上面施加压力的墨水室必须大于某一尺寸；并且为了增大静电力以及降低作为电极的薄膜的刚度，电极必须具有大的彼此相对面积。这导致每个喷嘴占据的面积增大，喷嘴间距变宽，从而限制了打印机分辨率的提高，并增大了制造成本。而且，必须沉积额外的金属形成电极，这导致制造工艺更加复杂。
提高静电式喷墨头中墨水排出压力的现有技术的例子包括，第一，韩国专利号10-0242157(“electrostatic actuator type inkjet printer head”)。但是，在此发明中，指状物(finger)仅沿一个方向突出，隔膜是由一个静电致动器加压的，并且静电致动器仅仅固定在隔膜上，从而限制了静电力的增大。
第二个例子可以是日本专利号2003-276194(“electrostatic actuator，droplet discharge head，and inkjet printer device”)。但是，在此发明中，指状物(finger)仅沿一个方向突出，致动器主体未被框架分隔成单独的部分，增大静电力是通过重叠几层工作电极和固定电极的平板，从而根据电极之间的距离不能总是得到大的位移。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种具有静电致动器的喷墨头及其制造方法，可以减小静电式喷墨头构件的尺寸以及增大静电力，从而以小的电压可以得到大的位移，以增大墨水排出压力。
本发明的一个方面是提供一种具有静电致动器的喷墨头，包括一个或多个定子，在定子上按梳子图案形状形成有多个第一突出部分；一个或多个转子，在转子上通过面对第一突出部分并与第一突出部分不接触匹配形成有多个第二突出部分；以及连接到转子末端的隔膜。
优选地，转子可以是将定子装在其内部的外罩形状。
本发明的另一个方面是提供一种具有静电致动器的喷墨头，包括定子，在所述定子上在两个方向上形成有多个梳状图案的第一突出部分和第二突出部分；以及转子，所述转子包括第一构件和第二构件，二者的一个末端连接有隔膜，其中第一构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触地与第一突出部分匹配，并且第二构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触地与第二突出部分匹配。
第一构件和第二构件的两端可以连接，从而转子形成外罩，将定子装在其内部。
外罩可以是六边形或椭圆形，并且优选地，第一突出部分和第一构件之间的最短距离，或者第二突出部分和第二构件之间的最短距离，大于第一突出部分和第三突出部分之间的距离或者第二突出部分和第四突出部分之间的距离。
第一突出部分至第四突出部分中的一个或多个，在突出方向上的截面形状可以是矩形。第一突出部分至第四突出部分中的两个或两个以上可以具有相同的形状。
定子或转子可以包括单晶硅，优选地通过MEMS(Micro ElectroMechanical System，微机电系统)工艺制造。
此外，具有静电致动器的喷墨头优选地还包括框架，用于装入包括定子以及包围定子的转子的静电致动器；装在框架中并在其一个或多个面上包括隔膜的墨水室；在墨水室一侧上形成的墨水喷嘴；以及连接到墨水室的墨水喷射口，其中静电致动器的末端连接隔膜。
优选地，墨水室的截面是多边形，隔膜选择性地位于多边形的每一侧，并且静电致动器连接到每个隔膜。隔膜上可以连接多个静电致动器。
本发明的另一个方面提供一种具有静电致动器的喷墨打印机，该喷墨打印机包括墨盒，该墨盒包括具有静电致动器的喷墨头；以及为定子和转子供电的工作电路。
本发明的另一个方面提供一种通过将加工的玻璃基板连接在加工的SOI基板上制造具有静电致动器的喷墨头的方法，静电致动器包括定子和转子，其中加工SOI(Silicon on Insulator，硅绝缘体)基板的方法包括(a-1)在包括氧化层的SOI基板上形成PR(Photoresist，光阻)涂层；(a-2)在PR涂层上形成静电致动器的图案(形成PR图案)；(a-3)按照步骤(a-2)形成的图案将SOI基板上的硅层腐蚀到氧化层；以及(a-4)使用稀释的HF溶液湿腐蚀氧化层上形成转子的部分，并且其中加工玻璃基板的方法包括(b-1)通过热压缩将DFR(Dry Film Resistor，干膜电阻)装在玻璃基板的上表面；(b-2)在玻璃基板底面上对应于转子的部分干腐蚀空穴；以及(b-3)在玻璃基板上对应于定子的部分打孔。
加工的SOI基板和加工的玻璃基板之间的连接可以通过阳极结合形成。步骤(a-3)可以通过干腐蚀实现。步骤(b-2)的腐蚀或者步骤(b-3)的打孔可以通过喷砂实现。
图1是传统压电式喷墨头的剖视图；图2是传统静电式喷墨头的剖视图；图3是根据本发明第一优选实施例、具有静电致动器的喷墨头的剖视图；图4是图3中部分A的放大图；图5是沿图4中线B-B’的剖视图；图6是根据本发明第一优选实施例、在具有静电致动器的喷墨头上施加电压时的剖视图；图7是根据本发明第二优选实施例、具有静电致动器的喷墨头的剖视图；图8是根据本发明第三优选实施例、具有静电致动器的喷墨头的剖视图；图9是根据本发明第四优选实施例、具有静电致动器的喷墨头的剖视图；图10是根据本发明第四优选实施例、在具有静电致动器的喷墨头上施加电压时的剖视图；图11是表示根据本发明一个优选实施例、具有静电致动器的喷墨头的制造工艺的示意图；图12是表示根据本发明一个优选实施例、具有静电致动器的喷墨头的制造工艺的流程图。
附图中主要构件的参考数字的说明100静电致动器 110定子112第一突出部分114第二突出部分120转子122第一构件124第二构件126第三突出部分128第四突出部分130墨水室
132隔膜 134墨水喷嘴136墨水注射口138墨滴200框架具体实施方式
下面将参考附图更加详细地说明本发明的具有静电致动器的喷墨头及其制造方法的优选实施例。在参考附图进行描述时，无论哪张附图，具有相同参考数字的那些部分是相同的部分，或是对应的，因此省略对其的多余解释。而且，在讨论本发明的优选实施例之前将首先描述其基本原理。
图3是根据本发明第一优选实施例、具有静电致动器的喷墨头的剖视图，图4是图3中A部分的放大图，图5是沿图4中线B-B’的剖视图。在图3到5中表示出静电致动器100、定子110、第一突出部分112、第二突出部分114、转子120、第一构件122、第二构件124、第三突出部分126、第四突出部分128、墨水室130、隔膜132、墨水喷嘴134、墨水注射口136、墨滴138和框架200。
在根据第一实施例具有静电致动器的喷墨头中，六边形静电致动器100的一端固定在墨水室130的隔膜132上，从而当对静电致动器100的定子110和转子120施加电压时，二者之间产生静电力，静电致动器100的形状发生变化。这对隔膜132施加压力，随着墨水室130的体积减小，墨水室130内的墨水通过墨水喷嘴134喷出。当未施加电压时，隔膜132由于静电致动器100的恢复能力而返回其原始位置，以使墨水室130的体积增大，墨水通过墨水入口流入并充满墨水室130。
根据本发明具有静电致动器的喷墨头，与传统热敏式或压电式喷墨头相比，可以在高于几十kHz的频率下工作，并且还具有简单的制造工艺，在生产率方面具有优势。
从图3可以看出，静电致动器100包括梳子图案形状的定子110，在定子上从两个方向突出有n+1个第一突出部分112和第二突出部分114；以及由六边形框架构成的转子120，在转子上突出有朝向第一突出部分的n个第三突出部分126以及朝向第二突出部分的n个第四突出部分128。定子110和转子120由单晶硅制成，从而当电压施加在定子110和转子120上时产生静电力，将二者彼此朝对方拉近。
供应的电压、产生的静电力以及位移之间的关系如式(2)和(3)所示。即，当式(1)中所示的电压V施加到定子110上，且转子120接地时，得到式(2)和(3)所示的静电力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电压的平均值(伏)；VaAC电压的幅值(伏)；ωt谐振频率×时间(Hz·秒)C静电电容(F)；L初始位置(见图4)；H转子和定子末端之间的距离(见图4)；w梳状齿的宽度(见图5)。
另外，从上面可以得到式(4)；并且如式(4)所示，由静电力引起的转子120朝向定子110变形的距离不取决于定子110和转子120之间的距离。
∂C∂x=2ϵtg---(4)]]>
式中C静电电容(F)；x转子运动的距离(见图4)；ε介电常数；t转子的厚度(见图5)；g第一突出部分和第三突出部分之间或者第二突出部分和第四突出部分之间的间隙(见图5)。
下面将参考图4和5更加详细地解释定性解析C/x。如果梳状转子从初始位置L运动了x，则按式(5)计算垂直于转子的电力线产生的静电电容Cp＝(2εt(L+x))/g(5)从式(5)可以看出，当H远大于g时，梳状图案部分末端产生的静电电容是恒定的。因此，如式(4)所示，C/x是线性的，与x无关。
此实施例的静电致动器100包括定子110和转子120，其中定子110具有按梳状图案形成的突出部分；转子120是六边形外罩，将定子110装在其内部，并且包括与定子上形成的突出部分匹配的多个突出部分。
优选地，此实施例的静电致动器100包括定子110和转子120，其中定子110是梳子图案形状，在两个方向形成突出部分；转子120包括两个构件，并形成六边形腔室，在转子上形成有与定子110的突出部分匹配的突出部分。
换言之，定子110是梳子图案形状，在两个方向形成多个第一突出部分112和第二突出部分114，其位置是固定的。转子120包括第一构件122和第二构件124，第一构件122和第二构件124的两个末端连接形成外罩，将定子110装在其内部。
在图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；转子120上部的构件是第一构件122，下部的构件是第二构件124；面向第一突出部分112的第一构件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的第二构件124上朝向第二突出部分114的突出是第四突出部分128。
但是，参考数字的排列顺序仅仅是用于详细解释本发明，本发明的构成并不受上述数字顺序的限制。
从式(4)可以看出，使用本发明的静电致动器100，静电力的大小并不是主要取决于定子110和转子120之间的距离101，而是取决于突出部分之间的距离，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之间的距离102。因此，转子120移动的距离x受电势V之差控制，与定子110和转子120之间的距离101无关，从而当转子120的位移增大时，可以将静电致动器施加压力时隔膜132变形的距离设计得较大。
这样，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，将使其侧边之间的距离，即间隙102，足够小。因此，定子110和转子120之间的距离101与具有平相对面的传统喷墨头结构相比变得不再重要，喷墨头工作的可靠性提高。
当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交错排列，以使侧边彼此靠近时，可以得到此实施例的效果，但优选地需要形成多个突出部分，以形成梳状结构。
这样，当在定子110两个方向上形成梳状的多个第一突出部分112和第二突出部分114，以及在转子120两个方向上形成梳状的相应的多个第三突出部分126和第四突出部分128，像齿轮一样匹配在一起时，静电力应用在定子110和转子120上的面积最大化，在利用本发明的作用时得到最好结果。
当然，当彼此匹配定位梳状构件时，它们必须不能电连接，即它们必须是绝缘的，从而可以产生静电力。
转子120的第一构件122和第二构件124在其两端连接形成基本六边形外罩，但本发明的转子120的形状并不必需是六边形，显然可以形成椭圆形或弯曲形状。
转子120的整体形状，要使得当定子110和转子120之间产生静电吸引时，由于转子120的运动而产生的转子120的整体形状的变化最大，特别是在图3的水平方向的变化。这将更加有效地利用电力对墨水室130的隔膜132加压。
由于本发明的喷墨头能够产生与定子110和转子120之间的距离无关的静电力，即第一突出部分112和第一构件122之间的最小距离或者第二突出部分114和第二构件124之间的最小距离，此最小距离可以足够大，以使转子120运动的位移最大化。
如上所述，第一突出部分112和第三突出部分126之间的距离或者第二突出部分114和第四突出部分128之间的距离，是确定此实施例的静电力大小的重要因素，第一突出部分112和第二构件122之间的最小距离或者第二突出部分114和第二构件124之间的最小距离可以大于第一突出部分112和第三突出部分126之间的距离或者第二突出部分114和第四突出部分128之间的距离。
通常，当突出部分的厚度及其之间的间隙在几个微米的范围内时，定子110和转子120之间的距离(所述最小距离)可以相等或较大。通过如此增大定子110和转子120之间的距离，可以使转子120运动的位移最大化，从而使静电致动器100对隔膜132加压的作用力增大，由此增大墨水排出压力。
如果突出部分112、114、126、128在突出方向的截面是矩形的，则是较好的选择。但是，本发明不是必须限制在矩形截面突出部分的情况下，很明显可以包括使静电力增大的面积最大化的其它形状，例如三角形、梯形、半圆形、椭圆形、钟形截面。
但是，由于转子120的第一构件122和第二构件124是通过静电力运动的构件，因此相比于可以造成运动过程中机械故障的形状，矩形是优选的。而且，由于本发明是利用彼此面对的两个平行电极之间产生的静电力，因此相比于诸如三角形或梯形这些突出部分之间的距离对于每个位置来说可能不同的形状，诸如矩形这样的、能够提供较多的彼此面对的平行面积的形状是优选的。
每个突出部分112、114、126、128制成多个，但形状不必相同。换言之，中心部分和末端部分的第一构件122或第二构件124可以具有不同的形状，并且可以使用不同的形状得到较大的静电力。
但是，为了便于设计和制造，重复具有相同形状的每个突出部分可以是优选的。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也可以具有不同形状，但如上所述，为了便于设计和制造，相同形状的突出部分可以是优选的。
而且，由于本发明的静电致动器100包括在定子110上下方向对称定位的转子120，且由于转子120的静电吸引朝定子110运动，以使静电致动器100的形状在水平拉长，如图3所示，对隔膜132加压，因此使第一突出部分112和第二突出部分114，以及对称的第三突出部分126和第四突出部分128在使静电致动器100变形方面特别有效。
而且，本发明梳状静电致动器100的所有构件，优选地通过MEMS(MicroElectro Mechanical System，微机电系统)工艺制造。MEMS是一种制造人眼看不到的微小尺寸机电元件的技术，应用于与微小机械构件相关的所有领域用途中。
MEMS技术是将微加工技术应用于微小传感器或致动器以及微小尺寸机电元件的制造，是一种应用传统半导体工艺，特别是集成电路技术的微加工技术。MEMS制造的微机械可以达到低于微米级的精度。本发明的定子110和转子120制造的尺寸必须可以小于几个微米，并且由于它们是通过静电力机械工作的零件，因此优选地，通过上述MEMS工艺制造它们。
但是，本发明静电致动器100的制造工艺并不限于MEMS，很明显可以使用在本领域一般技术人员清楚的范围内能得到本发明效果的所有制造工艺。
优选地，定子110和转子120可以形成一个单独主体，并且可以用单独的单晶硅制造它们。但是，本发明的定子110和转子120的材料不受限制，很明显可以包括在本领域一般技术人员清楚的范围内满足电气和机械需求并得到本发明效果的任何其它材料。
图6是对根据本发明第一优选实施例，具有静电致动器的喷墨头施加电压时的剖视图。在图6中，表示出静电致动器100、定子110、第一突出部分112、第二突出部分114、转子120、第一构件122、第二构件124、第三突出部分126、第四突出部分128、墨水室130、隔膜132、墨水喷嘴134、墨水注射口136、墨滴138和框架200。
使用此实施例的喷墨头，静电致动器100和墨水室130装在框架200内部，并且静电致动器100的一端固定在墨水室130的隔膜132上。如同上面说明的，墨水室130包括隔膜132，形成在与静电致动器100另一端对应的部分，在压力作用下可变形；墨水喷嘴134，形成在连接框架200的部分，在加压时通过该喷嘴喷射出墨水；以及墨水喷射口136。如上所述，静电致动器100包括梳状结构的定子110和转子120。
从图6可以看出，利用根据本发明的具有静电致动器100的喷墨头，当在定子110和转子120上施加电压时，转子120在正比于施加电压平方产生的静电力作用下运动。即，图6的静电致动器100的垂直尺寸减小，从而静电致动器100的水平尺寸增大。这导致连接到静电致动器100的墨水室130的隔膜132被加压，从而装在墨水室130中的墨水通过墨水喷嘴134随着墨水室130的体积减小而喷出。
当关断施加的电压，转子120返回其原始形状时，墨水室130的体积再次扩大到原始状态，从而通过墨水入口从墨水源(未图示)供应墨水，墨水充满墨水室130。
当对定子110和转子120施加电压以扩大图6中静电致动器100的水平尺寸时，压力施加到静电致动器100两端。为了最大程度地将压力从静电致动器100传递到墨水室130的隔膜132，静电致动器100的另一端可以固定在框架200上。由于框架200不变形，因此静电致动器100仅在隔膜132方向膨胀和收缩，静电力产生的压力仅仅朝向隔膜132传递。
但是，当静电致动器100仅在隔膜132方向变形时，转子120不仅朝定子110运动，而且朝隔膜132运动。这增大了定子110的第一突出部分112与转子120的第三突出部分126之间，或者定子110的第二突出部分114和转子120的第四突出部分128之间的接触机率。因此，在这种情况下，最好仅使静电致动器100的一端连接到隔膜132，另一端可以自由运动。
但是，当静电致动器100的另一端设计成自由端时，由于静电致动器100加压隔膜132的反作用力，存在转子120沿隔膜132的相反方向运动的危险。因此，优选的是，设置弹性或可变形元件，将静电致动器100的另一端连接到框架上，或者将静电致动器100的另一端设计成，当静电致动器100伸长到最大伸长量时，接触框架200。
由于本发明的静电致动器100包括六边形等形状的外罩，变形时对隔膜132加压，因此转子120的运动距离不必要等于隔膜132的变形距离。由此，只要定子110的第一突出部分112和转子120的第三突出部分126之间，或者定子110的第二突出部分114和转子120的第四突出部分128之间不接触，如果在此范围内隔膜132的变形产生的位移足以得到本发明的效果，则可以将静电致动器100的另一端固定在框架200上。
图7是根据本发明第二优选实施例、具有静电致动器的喷墨头的剖视图，图8是根据本发明第三优选实施例、具有静电致动器的喷墨头的剖视图。图7表示出定子1101、第一突出部分1121、第二突出部分1141、转子1201、第一构件1221、第二构件1241、第三突出部分1261、第四突出部分1281；图8表示出定子1102、1103、第一突出部分1122、第二突出部分1142、转子1202、第一构件1222、第二构件1242、第三突出部分1262和第四突出部分1282。
本发明静电致动器的转子不必像第一实施例一样限制在形成六边形等形状的外罩。即，转子不必形成外罩，可以理解的是，本发明还包括转子分离成第一构件和第二构件，定子分成两个部分，使每个转子与定子彼此面对。
即使如同图7所示的第二实施例，转子的第一构件1221和第二构件1241分离，那么如果每个构件的末端连接到隔膜132，则转子1201通过静电吸引朝定子1101运动，从而转子的末端使隔膜132变形，隔膜132的这种变形和恢复使得隔膜132对墨水室130加压，从而排出墨水。
而且，即使定子与图3不同，不是在两个方向具有多个突出部分的梳状结构，而是与图8所示第三实施例一样，是由多个分离的构件1102、1103形成的，那么如果转子1222、1242面对每个定子1102、1103安装并且其一端连接到隔膜132，则在定子与转子之间的静电吸引将使转子1222、1242朝定子1102、1103运动，如上所述，转子1222、1242的末端将使隔膜132变形，以使隔膜对墨水室130加压。
当然，优选的是，多个转子中的每个转子的末端连接到隔膜上的一个位置，因为转子施加在隔膜上的变形力可以集中，其一个优选的实施例是将转子形成图3所示的六边形外罩。
图9是根据本发明第四优选实施例、具有静电致动器的喷墨头的剖视图，图10是根据本发明第四优选实施例、在具有静电致动器的喷墨头上施加电压时的剖视图。图9和图10表示出静电致动器100a、100b、100c、定子110a、第一突出部分112a、第二突出部分114a、转子120a、第一构件122a、第二构件124a、第三突出部分126a、第四突出部分128a、墨水室130a、隔膜132a、132b、132c、墨水喷嘴134a、墨水注射口136a和框架200a。
下面参考图9解释本发明第四实施例的喷墨头的构成。墨水室130a装在框架200a内，隔膜132a、132b、132c形成在墨水室130a的每个侧面，静电致动器100如第一实施例所述，连接到每个隔膜132a、132b、132c。在图9中，方形墨水室130a的一侧形成墨水喷射口，而其它三个侧面形成隔膜132a、132b、132c。静电致动器分别连接到隔膜132a、132b、132c，以使所有三个静电致动器100a、100b、100c连接。在墨水室130a的一端(图9中垂直向上)形成墨水喷嘴134a，从而通过对隔膜132a、132b、132c施加压力，可以通过墨水喷嘴134a排出墨水。
第四实施例包括在装入框架200a中的墨水室130a上形成的多个隔膜132a、132b、132c，并且静电致动器100连接到每个隔膜，每个静电致动器100a、100b、100c在其变形时对隔膜132a、132b、132c加压，从而总体上与具有一个静电致动器的情况相比，减小了墨水室130a的体积。这使得较多的墨水从墨水室130a中排出，或者允许使用高粘度的墨水，而此高粘度墨水此前由于静电力的限制不能使用。同时，当通过减小作用在墨水室130a上的压力而喷射少量墨水时，或者当喷射低粘度的墨水时，通过控制供应到静电致动器100的电位差等等，可以减小静电力。
这样，上述的喷墨头和使用上述喷墨头的墨盒以及喷墨打印机可以在打印时喷射较多的墨水，或者可以使用高粘度的墨水，从而增强其适用性。当然，使用少量墨水或低粘度墨水不存在问题，因为，如上所述，可以控制电位差等等。
优选地，墨水室130a制造成具有多边形截面，使隔膜132a、132b、132c形成在多边形的每一侧上，并且静电致动器连接到每个隔膜上。由于多边形较多的侧面可以连接较多的静电致动器，因此最好是在考虑制造难度、时间和成本，以及所需墨水排出压力等因素的情况下形成具有足够数量侧面的多边形。
但是，本发明的墨水室的截面不必限制于多边形，很明显可以使用包括曲线的一些形状，例如圆形、椭圆形和弯曲形状等等。当形成具有弯曲截面的墨水室时，优选地，对应于每个隔膜的两个末端的部分需要固定，以便有效地将静电致动器的压力传递到墨水室。
同时，一个隔膜不必仅仅连接一个静电致动器，可以将多个静电致动器连接到一个隔膜。
当每个隔膜连接多个静电致动器时，静电致动器的伸长位移不是累加在一起，由于是从两个或多个点加压隔膜而不是从仅仅一个点加压隔膜，因此增大了得到的墨水室体积的减小量。当然，在第一实施例中，也可以将多个静电致动器连接到隔膜，用于增大墨水排出压力。
本发明涉及一种六边形喷墨头，它具有包括定子和转子的静电致动器，其中形成在定子和转子上的梳状结构的突出部分匹配在一起，并且本发明的范围不但包括具有静电致动器的喷墨头，而且包括使用上述喷墨头的墨盒以及喷墨打印机。
并且在第四实施例中，当在定子110a和转子120a上施加电压时，由于产生与所施加电压的平方成正比的静电力，因此转子120a运动。即，对于静电致动器100a、100b、100c来说，如果将定子110a或转子120a的突出部分的突出方向认为是宽度方向，并将垂直于宽度方向的方向认为是长度方向，则当转子120a运动时，静电致动器100宽度方向的尺寸减小，长度方向的尺寸增大。
这将导致连接在静电致动器的墨水室隔膜132a、132b、132c受压，并且墨水室的体积减小，由此将装在墨水室中的墨水通过墨水喷嘴134a喷出。在第四实施例的情况下，使用了三个静电致动器100a、100b、100c，从而墨水排出压力大于第一实施例的情况。
当关断供应的电压时，转子120a返回其原始形状，墨水室130a的体积增大到其正常尺寸，从而可以通过墨水入口从墨水源(未图示)供应墨水，并充入墨水室130a。
图11是表示根据本发明一个优选实施例的、具有静电致动器的喷墨头的制造工艺的示意图，图12是表示根据本发明一个优选实施例的、具有静电致动器的喷墨头的制造工艺的流程图。图11表示出SOI基板300、氧化层302、硅层304、玻璃基板306和金属图案312。
根据本发明的静电致动器，如上所述，可以利用MEMS技术容易而精确地制造。在解释根据此实施例的静电致动器的制造工艺时，首先加工SOI基板。
SOI基板的加工方法包括以下步骤在SOI(Silicon on Insulator，硅绝缘体)基板300上形成PR涂层(未图示)，其中在氧化层302上形成硅层304，此后在PR涂层上形成静电致动器的定子110和转子122、124的图案(形成PR图案)(图11的(a-1))；按照形成的图案将SOI基板300a上的硅层304a腐蚀到氧化层302(图11的(a-2))；以及腐蚀转子122、124部分的氧化层302a(图11的(a-3))。
接着，加工玻璃基板。玻璃基板的加工方法包括以下步骤将DFR(干膜电阻)(未图示)装在玻璃基板306的上表面(图11的(b-1))；在与所加工的SOI基板300b上形成的转子122、124对应的玻璃基板306a的底面部分上腐蚀空穴(图11的(b-2))；以及在玻璃基板306b对应于定子110的部分打孔(图11的(b-3))。
在加工SOI基板和玻璃基板之后，将所加工的玻璃基板306b连接在所加工的SOI基板300b上，在上面形成作为连线的金属图案312，制造出静电致动器。
为了腐蚀硅层304a，可以利用本领域一般技术人员清楚的任何方法，例如ICP干腐蚀等等；对于腐蚀转子122、124部分的氧化层302a，可以利用本领域一般技术人员清楚的任何方法，例如使用稀释HF溶液的湿腐蚀。
此外，可以利用本领域一般技术人员清楚的任何方法将DFR装到玻璃基板306的上表面，可以利用本领域一般技术人员清楚的任何方法在玻璃基板306a的底面部分上腐蚀空穴以及在玻璃基板306b上打孔，例如喷砂。
当然，可以利用本领域一般技术人员清楚的任何方法将加工的SOI基板300b和加工的玻璃基板306b连接在一起，例如阳极结合。
下面参看图12所示的流程图说明上述使用优选加工方法和MEMS技术制造喷墨头的方法。在SOI(Silicon on Insulator，硅绝缘体)基板上应用PR涂层402，使用ICP干腐蚀将硅层(约40微米)腐蚀到氧化层(约3微米)404，使用稀释的HF溶液湿腐蚀氧化层406，使用热压缩将DFR(干膜电阻)装到玻璃基板上408，通过喷砂在玻璃基板上干腐蚀空穴410，通过喷砂在玻璃基板上打孔412，通过阳极结合将步骤412的玻璃基板结合到步骤406的SOI基板上414，以及在结合的玻璃基板上形成作为连线的金属图案416。
虽然参考特殊实施例详细说明了本发明的精神，但这些实施例仅仅是达到解释的目的，并不限制本发明。并且本领域一般技术人员应该理解的是，在不偏离本发明范围和精神的情况下，可以得到不同的实施例。
工业实用性根据如上所述构成的本发明，可以减小定子和转子的尺寸，并且由于定子和转子之间的间隙为几个微米，因此打印头喷嘴中诸如压力室和隔膜等的头组成部分的尺寸可以制造成几百微米的数量级，从而可以减小整体头组成的尺寸。
而且，由于梳状设计的一个或多个静电致动器能增大静电力，因此可以在低电压下增大隔膜的位移或者墨水室的体积减小量，从而可以增大墨水排出压力，可以排出高粘度墨水。此外，通过控制诸如框架厚度、电压和真空度等设计参数，可以根据具体的排出需求自由设计喷墨头。
权利要求
1.一种具有静电致动器的喷墨头，包括一个或多个定子，在所述定子上按梳子图案形状形成有多个第一突出部分；与第一突出部分面对的一个或多个转子，所述转子与第一突出部分不接触匹配；以及连接到所述转子一端的隔膜。
2.如权利要求1所述的具有静电致动器的喷墨头，其中转子是将定子装在其内部的外罩形状。
3.一种具有静电致动器的喷墨头，包括定子，在所述定子上在两个方向上形成有多个梳状图案的第一突出部分和第二突出部分；以及转子，所述转子包括第一构件和第二构件，二者的末端连接隔膜；其中所述第一构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与第一突出部分不接触地匹配；并且第二构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与第二突出部分不接触地匹配。
4.如权利要求3所述的具有静电致动器的喷墨头，其中第一构件和第二构件的两端连接，从而转子形成为将定子装在其内部的外罩。
5.如权利要求2或4所述的具有静电致动器的喷墨头，其中外罩是六边形或椭圆形。
6.如权利要求3所述的具有静电致动器的喷墨头，其中第一突出部分和第一构件之间的最短距离，或者第二突出部分和第二构件之间的最短距离，大于第一突出部分和第三突出部分之间的距离或者第二突出部分和第四突出部分之间的距离。
7.如权利要求3所述的具有静电致动器的喷墨头，其中第一突出部分至第四突出部分中的一个或多个，在突出方向的截面形状是矩形。
8.如权利要求3所述的具有静电致动器的喷墨头，其中第一突出部分至第四突出部分中的两个或两个以上具有相同的形状。
9.如权利要求1或3所述的具有静电致动器的喷墨头，其中定子或转子包括单晶硅。
10.如权利要求1或3所述的具有静电致动器的喷墨头，其中通过微机电系统工艺制造定子或转子。
11.如权利要求1或3所述的具有静电致动器的喷墨头，还包括框架，用于装入包括定子以及包围定子的转子的静电致动器；装在框架中并在其一个或多个面上包括隔膜的墨水室；在墨水室一侧上形成的墨水喷嘴；以及连接墨水室的墨水喷射口；其中静电致动器的末端连接隔膜。
12.如权利要求11所述的具有静电致动器的喷墨头，其中墨水室的截面是多边形；隔膜选择性地包括在多边形的每一侧上；并且静电致动器连接到每个隔膜。
13.如权利要求12所述的具有静电致动器的喷墨头，其中隔膜上连接多个静电致动器。
14.一种具有静电致动器的墨盒，包括如权利要求11所述的喷墨头。
15.一种具有静电致动器的喷墨打印机，包括如权利要求14所述的墨盒；以及为定子和转子供电的工作电路。
16.一种通过将加工的玻璃基板连接在加工的硅绝缘体基板上制造具有静电致动器的喷墨头的方法，静电致动器包括定子和转子，其中加工硅绝缘体基板的方法包括(a-1)在包括氧化层的硅绝缘体基板上形成光阻涂层；(a-2)在光阻涂层上形成静电致动器的图案；(a-3)按照步骤(a-2)形成的图案将硅绝缘体基板的硅层腐蚀到氧化层；以及(a-4)使用稀释的HF溶液湿腐蚀氧化层上形成转子的部分；并且其中加工玻璃基板的方法包括(b-1)通过热压缩将干膜电阻装在玻璃基板的上表面；(b-2)在玻璃基板底面上对应于转子的部分干腐蚀空穴；以及(b-3)在玻璃基板上对应于定子的部分打孔。
17.如权利要求16所述的方法，其中加工的硅绝缘体基板和加工的玻璃基板之间的连接是通过阳极结合形成的。
18.如权利要求16所述的方法，其中步骤(a-3)通过干腐蚀实现。
19.如权利要求16所述的方法，其中步骤(b-2)的腐蚀或者步骤(b-3)的打孔通过喷砂实现。
全文摘要
本发明涉及一种具有静电致动器的喷墨头及其制造方法。具有静电致动器的喷墨头包括定子，所述定子在两个方向上形成多个梳子图案形状的第一突出部分和第二突出部分；以及转子，所述转子包括第一构件和第二构件，二者的末端连接隔膜，其中在第一构件上形成面对第一突出部分并与第一突出部分不接触匹配的第三突出部分，并且在第二构件上形成面对第二突出部分并与第二突出部分不接触匹配的第四突出部分。本发明具有静电致动器的喷墨头可以减小喷墨头组件的尺寸，并可以增大静电力，从而以低的电压可以得到大的位移，从而增大墨水排出压力。
文档编号H02N1/00GK1830669SQ20061000785
公开日2006年9月13日 申请日期2006年2月21日 优先权日2005年3月11日
发明者金永财, 林栽圣, 吴圣日 申请人:三星电机株式会社