JP2005022402A

JP2005022402A - インクジェットプリントヘッド

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Publication number: JP2005022402A
Application number: JP2004164997A
Authority: JP
Inventors: Seung-Ju Shin; 承柱辛; Yong-Soo Oh; 龍洙呉; Su-Ho Shin; 首鎬申; Min-Soo Kim; ▲ミン▼秀金; Hyung-Taek Lim; 亨澤林; Shosho Ri; 昌承李; You-Seop Lee; 有燮李; Keon Kuk; 健鞠
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2003-07-03
Filing date: 2004-06-02
Publication date: 2005-01-27
Also published as: EP1493583A1; US20050001883A1; KR100499148B1; DE602004025649D1; KR20050004595A; EP1493583B1; US7207662B2

Abstract

【課題】インクの詰替え時間の削減と共に不純物の濾過ができる熱駆動方式インクジェットプリントヘッドを開示する。
【解決手段】吐出されるインクが満たされるインクチャンバがその表面側に形成され、インクチャンバでインクを供給するためのマニホールドがその背面側に形成された基板と、その基板上に積層されて絶縁物質からなった複数の保護層と、この保護層上に積層されて熱伝導性の金属物質からなった熱発散層とを含んで、インクチャンバと連結されるノズルが貫通されて形成されたノズルプレート及びノズルプレートの保護層の間に設けられ、インクチャンバの上部に位置してインクチャンバ内部のインクを加熱するヒーターと、このヒーターに電流を印加する導体とを具備し、インクチャンバとマニホールドとの間にはインクチャンバの底壁を成す同時にマニホールドの上部壁を成す物質層が介在されて、この物質層にはインクチャンバとマニホールドとを連結する複数のインクチャンネルが形成されるインクジェットプリントヘッドである。
【選択図】図３

Description

本発明は、インクジェットプリントヘッドに係り、特にインクの詰替え時間の削減と共に不純物の濾過ができる熱駆動方式インクジェットプリントヘッドに関する。

一般的にインクジェットプリントヘッドは、印刷用インクの小滴を記録用紙上の所定位置に吐出させて所定色相の画像に印刷する装置である。このようなインクジェットプリントヘッドは、インク小滴の吐出メカニズムによって大きく二つの方式に分類できる。その一つは、熱源を利用してインクにバブルを発生させて、そのバブルの膨張力によってインク小滴を吐出させる熱駆動方式インクジェットプリントヘッドであり、他の一つは、圧電体を使ってその圧電体の変形によってインクに加えられる圧力によってインク小滴を吐出させる圧電駆動方式インクジェットプリントヘッドである。

前記熱駆動方式は、バブルの成長方向とインク小滴の吐出方向とによってさらにトップ・シューティング、サイド・シューティング、バック・シューティング方式に分類できる。トップ-シューティング方式はバブルの成長方向とインク小滴の吐出方向とが同じ方式であり、サイド-シューティング方式はバブルの成長方向とインク小滴の吐出方向とが直角を成す方式であり、そしてバック・シューティング方式はバブルの成長方向とインク小滴の吐出方向とが相互反対であるインク小滴吐出方式である。

このような熱駆動方式インクジェットプリントヘッドは、一般的に次のような要件を満足しなければならない。第一に、できるだけその製造が簡単で製造費用が安く、大量生産が可能ではなければならない。第二に、高画質の画像を得るためには近いノズルの間の干渉は抑制しながらも、近いノズルの間隔はできるだけ狭くなければならない。すなわち、ＤＰＩ（Dots Per Inch）を高めるためには多数のノズルを高密度に配置しなければならない。第三に、高速印刷のためには、インクチャンバからインクが吐出された後でのインクチャンバにインクの詰替え周期ができるだけ短くなければならない。すなわち、加熱されたインクを速く冷却することによって、駆動周波数を高めなければならない。

熱駆動方式インクジェットプリントヘッドでのインク小滴の吐出メカニズムを次のように説明する。発熱抵抗体からなるヒーターにパルス形態の電流が流れれば、ヒーターから熱が発生してヒーターに近いインクはおおよそ３００℃に瞬間加熱される。これによって、インクが沸騰してバブルが生成され、生成されたバブルは膨脹してインクが充満されたインクチャンバ内部に圧力をかける。これにより、ノズル近くにあったインクがノズルを通じて小滴の形態でインクチャンバの外に吐出される。

一方、バブルが消滅すれば、吐出されたインク量にあたる新しいインクがインクチャンネルを通じてインクチャンバに供給されるものの、この時、前記インクチャンネルはインク流動に対する抵抗として作用する。

したがって、インクがインクチャンバに流入される過程ではインクチャンネルは流動抵抗が小さく設計されなければならない。しかし、インク小滴がノズルを通じて吐出される時は、インクチャンネルはインクの逆流を防止するために流動抵抗を有するように設計されなければならない。したがって、ノズル及びインクチャンネルの流動抵抗は、通常的に設計された吐出小滴の運動量とインクの詰替え時間とによって適切に調節される。

図１は、不純物粒子を濾過できる従来のインクジェットプリントヘッドの一例であり、特許文献１に開示されたインクジェットプリントヘッドの平面図である。図面を参照すれば、インクはマニホールド４０７からインクチャンネル４０９、４１１、４１３、４１５を通じてヒーター４０１、４０３部位に供給される。ここで、インクジェットプリントヘッドは、インク流路にフォトレジストを利用した一種の島４１７、４１９、４２３、４２５、４２７、４２９、４３１構造を利用して不純物粒子４３３、４３５がヒーター４０１、４０３部位に流入されることを防止している。

しかし、前記のような構造は、単純に不純物によって流路が詰まることを防ぐ構造であり、インク小滴の吐出時やインク詰替え時の流動抵抗は調節できない。

特許文献２には、多孔性物質を利用したインクジェットプリントヘッドが開示されている。多孔性物質の流動抵抗は、速度の二乗に比例すると知られている。したがって、多孔性物質からなったインクチャンネルは、インクの吐出時には流体の速度が速くて流動抵抗が大きくなり、インクの詰替え時には流体の速度が遅くて流動抵抗が小さくなる長所がある。しかし、このような多孔性物質を利用したインクジェットプリントヘッドの製作は、価格も高く、その製作工程も容易ではないという短所がある。

また、特許文献３には、インクがインクチャンバに流入される前に不純物を濾過する構造のインクジェットプリントヘッドが開示されている。しかし、前記のようなインクジェットプリントヘッドはインクチャンネルとフィルターとを別に構成しなければならないという問題点がある。
米国特許第５,７３４,３９９号明細書米国特許第５,９４０,０９９号明細書米国特許第６,２６０,９５７号明細書

本発明は、前記のような問題点を解決するために考案されたものであり、インクチャンバとマニホールドとの間に多数のインクチャンネルを形成することで、インクの詰替え時間を短縮して作動周波数を向上させると同時に、不純物を濾過してプリントヘッドの誤作動を防止できる改善された構造の熱駆動方式インクジェットプリントヘッドを提供することをその目的とする。

前記の目的を果たすために、本発明に係るインクジェットプリントヘッドは、吐出されるインクが満たされるインクチャンバがその表面側に形成され、前記インクチャンバにインクを供給するためのマニホールドがその背面側に形成された基板と、前記基板上に積層されて絶縁物質からなる複数の保護層と前記保護層上に積層されて熱伝導性のある金属物質からなる熱発散層とを含んで、前記インクチャンバに連結されるノズルが貫通されて形成されたノズルプレートと、前記ノズルプレートの前記保護層の間に設けられるもので、前記インクチャンバの上部に位置して前記インクチャンバ内部のインクを加熱するヒーターと、前記ヒーターに電流を印加する導体と、を具備し、前記インクチャンバと前記マニホールドとの間には前記インクチャンバの底壁になると共に前記マニホールドの上部壁になる物質層が介在されて、前記物質層には前記インクチャンバと前記マニホールドとを連結する複数のインクチャンネルが形成される。

ここで、前記物質層はシリコン酸化物層であることが望ましい。

前記基板は、下部シリコン基板と絶縁層と上部シリコン基板とが順次に積層されたＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板であることが望ましい。ここで、前記インクチャンバは前記上部シリコン基板に形成され、前記マニホールドは前記下部シリコン基板に形成され、前記インクチャンネルは前記絶縁層に形成される。

前記物質層の厚さは１〜４μｍであることが望ましく、前記インクチャンネルの直径は１〜４μｍであることが望ましい。

前記ノズルは前記インクチャンバの中心部に対応する位置に配置され、前記ヒーターは前記ノズルの両側に配置されうる。

また、前記ノズルとヒーターとは、前記インクチャンバの中心部を基準にその両側にそれぞれ配置できる。

前記保護層は、前記基板上に順次に積層された第１保護層、第２保護層及び第３保護層を含み、前記ヒーターは前記第１保護層と前記第２保護層との間に設けられ、前記導体は前記第２保護層と前記第３保護層との間に設けられる。

前記複数の保護層には、前記ノズルの下部が形成され、前記熱発散層には前記ノズルの上部が形成される。ここで、前記熱発散層に形成される前記ノズルの上部は、出口側に行くほど断面積が小さくなるテーパー状であることが望ましい。

前記熱発散層は、少なくとも一つの金属層からなり、前記金属層はニッケル、銅、アルミニウム及び金からなる群より選択されたいずれかの一つの金属物質からなりうる。ここで、前記熱発散層は、電気メッキによって１０〜１００μｍの厚さに形成されることが望ましい。

前記熱発散層は、前記保護層に形成されたコンタクト孔を通じて前記基板の表面に接触されることが望ましい。

前記保護層上には、前記熱発散層の電気メッキのためのシード層が形成されることが望ましい。ここで、前記シード層は、少なくとも一つの金属層からなり、前記金属層それぞれは銅、クロム、チタン、金及びニッケルからなる群より選択されたいずれかの一つの金属物質からなりうる。

本発明によるインクジェットプリントヘッドによれば次のような効果がある。

第一に、インクの吐出段階では、インクチャンネルの流動抵抗が大きくて、ノズルを通じて吐出されるインク小滴の運動量の向上ができ、インクの詰替え段階では、インクチャンネルの流動抵抗が小さくて、インクチャンバに流入されるインクの詰替え時間を短縮できるのでプリントヘッドの作動周波数が向上される。

第二に、インクに含まれた不純物のインクチャンバへの流入を防止することで、プリントヘッドの誤作動を防止できる。

第三に、基板として酸化膜の厚さが一定なＳＯＩ基板を使うので、ウェーハのどの位置でも均一な流動抵抗を確保できる。

第四に、従来に比べてヒーターチップの周りに多量のインクが存在するので、ヒーターチップの温度上昇が低下される。

以下、添付された図面を参照して本発明による望ましい実施例を詳しく説明する。図面で同じ参照符号は等しい要素を指し、図面上で各要素の大きさや厚さは説明のために便宜上誇張されうる。また、一層が基板や他の層の上に存在すると説明される時、その層は基板や他の層に直接接しながら上に存在でき、その間に第３の層も存在しうる。

図２は、本発明の一実施例によるインクジェットプリントヘッドの概略的な平面図である。

図２を参照すれば、チップ状態に製造されるインクジェットプリントヘッドの表面には複数のノズル１０８が２列に配置され、その両側の端部にはワイヤにボンディングされるボンディングパッド１０１が配置されている。図面では、前記ノズル１０８が２列に配置されているが、１列の配置もでき、解像度をさらに高めるために３列以上の配置もできる。

図３は、図２のＢ部分を拡大して示した平面図であり、図４は、図３に表示されたＸ-Ｘ′線に沿ったインクジェットプリントヘッドの垂直断面図である。

図３及び図４を共に参照すれば、インクジェットプリントヘッドは、基板１１０と、前記基板１１０の上部に積層されるノズルプレート１２０と、を具備する。

前記基板１１０には、表面側にインクチャンバ１０６が形成され、背面側に前記インクチャンバ１０６にインクを供給するマニホールド１０２が形成される。そして、インクチャンバ１０６とマニホールド１０２との間には、マニホールド１０２からインクチャンバ１０６にインクを供給するインク流路である複数のインクチャンネル１０４が形成される。この時、前記インクチャンネル１０４は、インクチャンバ１０６とマニホールド１０２との間に介在された所定の物質層１１０ｂ、例えばシリコン酸化物層に形成される。ここで、前記物質層の厚さは、おおよそ１〜４μｍであることが望ましい。

前記基板１１０としては、下部シリコン基板１１０ａと絶縁層１１０ｂと上部シリコン基板１１０ｃとが順次に積層されたＳＯＩ基板が使われるのが望ましい。このようなＳＯＩ基板１１０が使われる時、マニホールド１０２は下部シリコン基板１１０ａに形成され、インクチャンバ１０６は上部シリコン基板１１０ｃに形成される。そして、複数のインクチャンネル１０４は、下部シリコン基板１１０ａと上部シリコン基板１１０ｃとの間に設けられた絶縁層１１０ｂに形成される。ここで、前記絶縁層の厚さは、おおよそ１〜４μｍであることが望ましい。

前記インクチャンバ１０６は、吐出されるインクが満たされる空間であり、ＳＯＩ基板１１０の上部シリコン基板１１０ｃを等方的に食刻することで形成される。前記インクチャンバ１０６は、その平面形状と広さとを限定する側壁１１１とその深さを限定する底壁１１２とにより、その側面と底面とが定義される。ここで、前記側壁１１１は、ＳＯＩ基板１１０の上部シリコン基板１１０ｃを所定形状に食刻して形成されたトレンチにシリコン酸化物を満たすことで形成される。そして、前記底壁１１２は、前記ＳＯＩ基板１１０に設けられた絶縁層１１０ｂからなる。ここで、前記絶縁層１１０ｂは、インクチャンバ１０６の底壁になると共にマニホールド１０２の上部壁になる層であり、シリコン酸化物からなっている。

前記側壁１１１と底壁１１２とは、上部シリコン基板１１０ｃの食刻によるインクチャンバ１０６の形成過程で食刻阻止壁として機能する。したがって、本発明において前記インクチャンバ１０６は、前記側壁１１１と底壁１１２とによって所定寸法に正確に形成できる。すなわち、前記インクチャンバ１０６は、比較的大きいサイズのインク小滴の吐出に必要な十分なインクを込める最適の体積、具体的に最適の面積と深さとを有しうる。また、インクチャンバ１０６に多量のインクが保存できるようにインクチャンバ１０６を形成すれば、ヒーター１２２近くに存在するインクの量が多くなるので、ヒーター１２２の温度上昇を低下させられる。

前記側壁１１１によって限定されるインクチャンバ１０６は、多様な平面形状に形成できる。特に、前記インクチャンバ１０６は、四角形、望ましくはノズル配列方向の幅が狭くてノズル配列方向と直交する方向が長い長方形の平面形状を有するように形成できる。このようにインクチャンバ１０６の幅が狭まれば、ノズル１０８の間隔を狭められるので、複数のノズル１０８をより高密度に配列することが可能になり、高解像度の画像を印刷できる高いＤＰＩのインクジェットプリントヘッドを具現できる。

前記マニホールド１０２は、ＳＯＩ基板１１０の下部シリコン基板１１０ａを絶縁層１１０ｂの下面が露出するまで湿式または乾式食刻することで形成される。このようなマニホールド１０２は、インクを込めているインク貯蔵庫（図示せず）と連結され、インク貯蔵庫からインクチャンバ１０６にインクを供給する役割をする。

一方、絶縁層１１０ｂからなるインクチャンバ１０６の底壁１１２には、インクチャンバ１０６とマニホールド１０２とを連結するように複数のインクチャンネル１０４が貫通されて形成されている。この時、インクチャンバ１０６の底壁１１２には、数十ないし数百個のインクチャンネル１０４が形成される。このようなインクチャンネル１０４は、マニホールド１０２からインクチャンバ１０６にインクを供給するインク流路になる。

図５は、絶縁層１１０ｂからなるインクチャンバ１０６の底壁１１２に複数のインクチャンネル１０４が形成された状態を概略的に示した平面図である。図５を参照すれば、インクチャンバ１０６の底壁１１２には，所定直径の複数のインクチャンネル１０４が全体に均一に形成されている。ここで、前記各インクチャンネル１０４の直径は、おおよそ１〜４μｍであることが望ましい。一方、前記インクチャンネル１０４の個数及びその直径は、プリントヘッドの設計条件によって多様に変えられる。そして、インクチャンバ１０６の底壁１１２に形成されるインクチャンネル１０４の配置も、図５に図示された内容と異なりうる。すなわち、図６に図示されたように、複数のインクチャンネル１０４′はプリントヘッドの設計条件によってインクチャンバ１０６の底壁１１２の両側にも形成できる。

前記のように、インクチャンバ１０６の底壁１１２にインクチャンバ１０６とマニホールド１０２とを連結する複数のインクチャンネル１０４が形成されれば、インク流れの速度によって流動抵抗が変わる。すなわち、インクの吐出段層では、マニホールド１０２側に逆流するインクが速いので流動抵抗が大きくなる。したがって、ノズル１０８を通じて吐出されるインク小滴の運動量が大きくなる。そして、インクの詰替え段層では、マニホールド１０２からインクチャンバ１０６に流入されるインクが遅いので流動抵抗が小さくなる。したがって、インクの詰替え時間が短縮されてプリントヘッドの作動周波数が向上される。

一方、マニホールド１０２からインクチャンバ１０６に不純物が流入されれば、前記不純物がノズル１０８を塞いでプリントヘッドを誤作動させる問題が発生する。しかし、前記のように、インクチャンバ１０６の底壁１１２に複数のインクチャンネル１０４を形成すれば、前記インクチャンネル１０４は、フィルターとしての役割をして、マニホールド１０２に存在する不純物のインクチャンバ１０４への流入を防止できる。

そして、ＳＯＩ基板１１０に設けられた絶縁層１１０ｂは、決まった厚さのシリコン酸化物からなっているので、前記絶縁層１１０ｂに形成されたインクチャンネル１０４の長さは一定である。したがって、前記インクチャンネル１０４は、工程誤差に影響を受けずにウェーハのどの位置でも均一な流動抵抗を確保できる。

前記のように、インクチャンバ１０６、複数のインクチャンネル１０４及びマニホールド１０２が形成されているＳＯＩ基板１１０の上部にはノズルプレート１２０が設けられる。このようなノズルプレート１２０は、インクチャンバ１０６の上部壁になる。前記ノズルプレート１２０には、インクチャンバ１０６からインクが吐出されるノズル１０８がインクチャンバ１０６の中心部に対応する位置に垂直貫通されて形成される。

前記ノズルプレート１２０は、ＳＯＩ基板１１０上に積層された複数の物質層からなる。この物質層は、第１、第２及び第３保護層１２１、１２３、１２５と熱発散層１２８とを含む。そして、第１保護層１２１と第２保護層１２３との間にはヒーター１２２が設けられ、第２保護層１２３と第３保護層１２５との間には導体１２４が設けられる。

前記第１保護層１２１は、ノズルプレート１２０を成す複数の物質層の中で最下側の物質層として基板１１０の上面に形成される。前記第１保護層１２１は、その上に形成されるヒーター１２２とその下の基板１１０との間の絶縁とヒーター１２２の保護とのための物質層としてシリコン酸化物やシリコンチッ化物からなりうる。

前記第１保護層１２１上には、インクチャンバ１０６の上部に位置してインクチャンバ１０６内部のインクを加熱するヒーター１２２が形成される。このヒーター１２２は、不純物がドーピングされたポーリシリコン、タンタルアルミニウム合金、タンタルチッ化物、チタンチッ化物またはタングステンシリサイドのような発熱抵抗体からなりうる。前記ヒーター１２２は、ノズル１０８の両側にそれぞれ配置され、その形状は四角形、望ましくはノズル１０８の配列方向と平行な長方形に形成できる。一方、前記ヒーター１２２は、一つだけ設けられ、その配置や形状も図３に図示されたものに限られない。例えば、前記ヒーター１２２は、ノズル１０８を取り囲む環状にも形成できる。

前記第２保護層１２３は、第１保護層１２１及びヒーター１２２の上に設けられる。

前記第２保護層１２３は、その上に設けられる熱発散層１２８とその下のヒーター１２２との間の絶縁とヒーター１２２の保護とのために設けられる。前記第２保護層１２３も第１保護層１２１と同じく、シリコンチッ化物またはシリコン酸化物からなりうる。

前記第２保護層１２３上には、ヒーター１２２と電気的に連結されてヒーター１２２にパルス形態の電流を印加する導体１２４が設けられる。前記導体１２４の一端部は第２保護層１２３に形成された第１コンタクト孔Ｃ_１を通じてヒーター１２２の各両端部に接続され、その他端部は前記ボンディングパッド１０１に電気的に連結される。そして、前記導体１２４は、導電性が良好な金属、例えばアルミニウムやアルミニウム合金または金や銀からなりうる。

前記第３保護層１２５は、前記導体１２４及び第２保護層１２３の上に設けられる。前記第３保護層１２５は、ＴＥＯＳ（Tetra ethyl ortho silicate）酸化物、シリコン酸化物またはシリコンチッ化物からなりうる。

一方、前記第３保護層１２５は、その絶縁機能を損傷しない範囲内で、前記導体１２４の上部とここに近い部位とにのみ形成し、それ以外の部位、例えば少なくともヒーター１２２の上部にはできるだけ形成しないことが望ましい。これは、後述する熱発散層１２８とヒーター１２２との間隔及び熱発散層１２８と基板１１０との間隔が狭くなることで熱発散層１２８の放熱能力がより向上されうるからである。この場合にも、前記熱発散層１２８とヒーター１２２との間の絶縁は、第２保護層１２３によってなりうる。

前記熱発散層１２８は、第３保護層１２５及び第２保護層１２３の上に設けられ、第２保護層１２３と第１保護層１２１とを貫いて形成された第２コンタクト孔Ｃ_２を通じてＳＯＩ基板１１０の上面に接触される。前記熱発散層１２８は、少なくとも一つの金属層からなり、この時前記各金属層は、熱伝導性が良好な金属物質、例えばニッケル、銅、アルミニウムまたは金などからなる。このような熱発散層１２８は、第３保護層１２５及び第２保護層１２３の上に前記金属物質を電気メッキすることで、１０〜１００μｍ位に比較的厚く形成できる。このために、第３保護層１２５及び第２保護層１２３の上には、前記金属物質の電気メッキのためのシード層１２７が設けられる。前記シード層１２７は、少なくとも一つの金属層からなり、この時前記各金属層は、電気伝導性が良好な金属物質、例えば銅、クロム、チタン、金またはニッケルなどからなる。

前記のように、金属からなる熱発散層１２８は、メッキ工程によって形成されるので、インクジェットプリントヘッドの他の構成要素と一体に形成でき、また比較的厚く形成できるので、効果的な放熱ができる。

このような熱発散層１２８は、前記第２コンタクト孔Ｃ_２を通じてＳＯＩ基板１１０の上面に接触されてヒーター１２２及びその周辺の熱をＳＯＩ基板１１０に伝達する役割をする。すなわち、インクが吐出された後に、ヒーター１２２及びその周辺に残る熱は熱発散層１２８を通じてＳＯＩ基板１１０に伝達されて外部に発散される。したがって、インクが吐出された後に、より早く放熱されてノズル１０８周りの温度が低くなるので、高い作動周波数で安定的な印刷が可能になる。

一方、前記のように熱発散層１２８は、比較的厚く形成できるので、ノズル１０８を十分に長く確保できるようになる。したがって、安定的な高速印刷が可能になり、ノズル１０８を通じて吐出されるインク小滴の直進性が向上される。すなわち、吐出されるインク小滴がＳＯＩ基板１１０の表面に対して正確な垂直方向に吐出できる。

前記ノズルプレート１２０には、下部ノズル１０８ａ及び上部ノズル１０８ｂからなるノズル１０８が貫通されて形成される。前記下部ノズル１０８ａは、ノズルプレート１２０の第１、第２及び第３保護層１２１、１２３、１２５を貫く柱状に形成される。そして、前記上部ノズル１０８ｂは熱発散層１２８を貫いて形成され、この上部ノズル１０８ｂの形状は柱状になりうるが、図示されたように出口方向へ行くほど断面積が小さくなるテーパー状の方が望ましい。このように、上部ノズル１０８ｂの形状がテーパー状になった場合には、インクの吐出後インク表面のメニスカスがより早く安定する長所がある。

図７は、本発明の他の実施例によるインクジェットプリントヘッドの構造を示す平面図である。図７に図示されたインクジェットプリントヘッドの構造は、図３及び図４に図示されたインクジェットプリントヘッドの構造と類似するので、下記ではこれらの相違点を中心に概略に説明する。

図７を参照すれば、側壁２１１と底壁２１２とによって限定されるインクチャンバ２０６は、おおよそ四角形、望ましくはノズル配列方向の幅が狭くてノズル配列方向と直交する方向が長い長方形の平面形状を有するように形成される。前記インクチャンバ２０６の中心部に対応する位置にはノズル２０８が形成され、前記インクチャンバ２０６の底壁２１２には複数のインクチャンネル２０４が形成される。そして、前記インクチャンバ２０６の上部にはヒーター２２２が形成されるが、このヒーター２２２はノズル２０８の各両側に配置され、その形状は四角形、望ましくはインクチャンバ２０６の長さ方向と平行に長い長方形に形成される。前記ヒーター２２２の各両端部には、第１コンタクト孔Ｃ_１を通じて導体２２４が接続される。そして、前記インクチャンバ２０６の両側には、熱発散層１２８（図４）をＳＯＩ基板１１０（図４）に接触させるための第２コンタクト孔Ｃ_２が配置される。

図８は、本発明のさらに他の実施例によるインクジェットプリントヘッドの構造を示す平面図である。図８に図示されたインクジェットプリントヘッドの構造も図３及び図４に図示されたインクジェットプリントヘッドの構造と類似するので、下記ではこれらの相違点を中心に概略に説明する。

図８を参照すれば、側壁３１１と底壁３１２とによって限定されるインクチャンバ３０６は、おおよそ四角形、望ましくはノズル配列方向の幅が狭くてノズル配列方向と直交する方向が長い長方形の平面形状を有するように形成される。そして、前記インクチャンバ３０６の底壁３１２には複数のインクチャンネル３０４が形成される。一方、本実施例では、ノズル３０８がインクチャンバ３０６の長さ方向の中心部からいずれか一方のずれた位置に形成され、ヒーター３２２は前記ノズル３０８の一側に配置され、その形状は四角形、望ましくはインクチャンバ３０６の幅方向と平行に長い長方形に形成される。前記ヒーター３２２の両端部には、第１コンタクト孔Ｃ_１を通じて導体３２４が接続される。そして、前記インクチャンバ３０６の両側には、熱発散層１２８（図４）をＳＯＩ基板１１０（図４）に接触させるための第２コンタクト孔Ｃ_２が配置される。

以下では、図９Ａないし図９Ｄを参照して、図４に図示されたインクジェットプリントヘッドからインクが吐出されるメカニズムを説明する。

まず、図９Ａを参照すれば、インクチャンバ１０６及びノズル１０８の内部にインク１３１が満たされた状態で、導体１２４を通じてヒーター１２２にパルス形態の電流が印加されれば、ヒーター１２２から熱が発生される。発生された熱は、ヒーター１２２下の第１保護層１２１を通じてインクチャンバ１０６内部のインク１３１に伝達される。これによって、図９Ｂに図示されたように、インク１３１が沸騰してバブル１３２が生成される。生成されたバブル１３２は、継続的な熱の供給によって膨脹するようになり、これによってノズル１０８内部のインク１３１はノズル１０８の外に押し出される。この時、インクチャンバ１０６の底壁１１２に形成された複数のインクチャンネル１０４により、インクチャンバ１０６からマニホールド１０２の方へ逆流する高速のインクは流動抵抗が増加し、これによってノズル１０８の外に押し出されるインクの運動量は大きくなる。

次に、図９Ｃを参照すれば、バブル１３２が最大に膨脹された時点で印加した電流を遮断すれば、バブル１３２は収縮して消滅する。この時、インクチャンバ１０６内には負圧がかかり、ノズル１０８内部のインク１３１は再びインクチャンバ１０６の方に戻る。これと同時に、ノズル１０８の外に押し出された部分は慣性力によって小滴１３１′の形態でノズル１０８の内部のインク１３１と分離して吐出される。

インク小滴１３１′が分離された後、ノズル１０８の内部に形成されるインク１３１表面のメニスカスはインクチャンバ１０６の方へ後退する。この時、本発明では厚いノズルプレート１２０によって充分に長いノズル１０８が形成されているので、メニスカスの後退はノズル１０８内でのみなされ、インクチャンバ１０６の内までは後退しない。したがって、インクチャンバ１０６の内部への外気の流入が防止され、メニスカスの初期状態への復帰も早くなるので、インク小滴１３１′の高速吐出を安定的に維持できる。また、この過程では、インク小滴１３１′の吐出後、ヒーター１２２やその周辺に残留した熱が熱発散層１２８を通じて基板１１０または外部に発散されるので、ヒーター１２２とノズル１０８及びその周辺の温度がより早く下がる。

次に、図９Ｄを参照すれば、インクチャンバ１０６の内部の負圧がなくなると、ノズル１０８内部に形成されているメニスカスに作用する表面張力によって、インク１３１はまたノズル１０８の出口端部の方に上昇する。この時、上部ノズル１０８ｂがテーパー状の場合には、インク１３１がより早く上昇する長所がある。これによって、インクチャンバ１０６内部はインクチャンネル１０４を通じて供給されるインク１３１で再び満たされる。この時、インクチャンバ１０６の底壁１１２に形成された複数のインクチャンネル１０４によって、マニホールド１０２からインクチャンバ１０６に流入される低速のインクは流動抵抗が減少し、これによってインクの詰替え速度は速くなる。また、前記インクチャンネル１０４は、フィルターとしての役割をしてマニホールド１０２に存在する不純物のインクチャンバ１０４への流入を防止する。続いて、インク１３１の詰替えが完了して初期状態に復帰すれば、前記の過程が繰り返される。この過程でも、熱発散層１２８を通じて放熱がなされて熱的にも初期状態への復帰がより早くなりうる。

以上、本発明の望ましい実施例を詳しく説明したが、本発明の範囲はこれに限定されず、多様な変形及び均等な他の実施例が可能である。例えば、本発明でインクジェットプリントヘッドの各要素を構成するために使われる物質は、例示されていない物質も使われる。同時に、本実施例で例示された具体的な数値は、プリントヘッドの正常作動範囲内でいくらでも例示範囲から調整可能である。したがって、本発明の真正な技術的保護範囲は特許請求の範囲によって決まらなければならない。

本発明は、印刷用インクの小滴を記録用紙上の所定位置に吐出させ、所定色相の画像に印刷するインクジェットプリントヘッドに関わり、より鮮明な画像のインクジェットプリンタに適用可能である。

従来のインクジェットプリントヘッドの一例を示した平面図である。本発明の一実施例によるインクジェットプリントヘッドの構造を概略的に示した平面図である。図２のＢ部分を拡大して示した平面図である。図３のＸ-Ｘ′線によるインクジェットプリントヘッドの断面図である。図４に図示された複数のインクチャンネルが形成されたインクチャンバの底壁を図示した平面図である。本発明に適用できるインクチャンバの他の底壁を示した平面図である。本発明の他の実施例によるインクジェットプリントヘッドの構造を示す平面図である。本発明のさらに他の実施例によるインクジェットプリントヘッドの構造を示す平面図である。図４に図示された本発明の一実施例によるインクジェットプリントヘッドからインクが吐出されるメカニズムを説明するための図面である。図４に図示された本発明の一実施例によるインクジェットプリントヘッドからインクが吐出されるメカニズムを説明するための図面である。図４に図示された本発明の一実施例によるインクジェットプリントヘッドからインクが吐出されるメカニズムを説明するための図面である。図４に図示された本発明の一実施例によるインクジェットプリントヘッドからインクが吐出されるメカニズムを説明するための図面である。

符号の説明

１０４インクチャンネル
１０６インクチャンバ
１０８ノズル
１１０基板
１１２底壁
１２０ノズルプレート
１２１第１保護層
１２２ヒーター
１２３第２保護層
１２４導体
１２５第３保護層
１２８熱発散層

Claims

吐出されるインクが満たされるインクチャンバが表面側に形成され、前記インクチャンバにインクを供給するためのマニホールドが背面側に形成された基板と、
前記基板上に積層されて絶縁物質からなる複数の保護層と、前記保護層上に積層されて熱伝導性の金属物質からなる熱発散層とを含んで、前記インクチャンバと連結されるノズルが貫通されて形成されたノズルプレートと、
前記ノズルプレートの前記保護層の間に設けられ、前記インクチャンバの上部に位置して前記インクチャンバ内部のインクを加熱するヒーターと、前記ヒーターに電流を印加する導体と、を具備し、
前記インクチャンバと前記マニホールドとの間には前記インクチャンバの底壁を成す同時に、前記マニホールドの上部壁を成す物質層が介在され、前記物質層には前記インクチャンバと前記マニホールドとを連結する複数のインクチャンネルが形成されることを特徴とするインクジェットプリントヘッド。
前記物質層は、シリコン酸化物層であることを特徴とする請求項１に記載のインクジェットプリントヘッド。
前記基板は、下部シリコン基板と、絶縁層と、上部シリコン基板と、が順次に積層されたＳＯＩ基板であることを特徴とする請求項１に記載のインクジェットプリントヘッド。
前記インクチャンバは前記上部シリコン基板に形成され、前記マニホールドは前記下部シリコン基板に形成され、前記インクチャンネルは前記絶縁層に形成されることを特徴とする請求項３に記載のインクジェットプリントヘッド。
前記物質層の厚さは１〜４μｍであることを特徴とする請求項１に記載のインクジェットプリントヘッド。
前記インクチャンネルの直径は１〜４μｍであることを特徴とする請求項１に記載のインクジェットプリントヘッド。
前記ノズルは前記インクチャンバの中心部に対応する位置に配置され、前記ヒーターは前記ノズルの両側に配置されることを特徴とする請求項１に記載のインクジェットプリントヘッド。
前記ノズルとヒーターとは、前記インクチャンバの中心部を基準にその両側にそれぞれ配置されることを特徴とする請求項１に記載のインクジェットプリントヘッド。
前記保護層は前記基板上に順次に積層された第１保護層、第２保護層及び第３保護層を含んで、前記ヒーターは前記第１保護層と前記第２保護層との間に設けられ、前記導体は前記第２保護層と前記第３保護層との間に設けられることを特徴とする請求項１に記載のインクジェットプリントヘッド。
前記複数の保護層には前記ノズルの下部が形成され、前記熱発散層には前記ノズルの上部が形成されることを特徴とする請求項１に記載のインクジェットプリントヘッド。
前記熱発散層に形成される前記ノズルの上部は、出口側に行くほど断面積が小さくなるテーパー状であることを特徴とする請求項１０に記載のインクジェットプリントヘッド。
前記熱発散層は、少なくとも一つの金属層からなり、前記各金属層はニッケル、銅、アルミニウム及び金からなる群より選択されたいずれかの一つの金属物質からなることを特徴とする請求項１に記載のインクジェットプリントヘッド。
前記熱発散層は、電気メッキによって１０〜１００μｍの厚さに形成されることを特徴とする請求項１に記載のインクジェットプリントヘッド。
前記熱発散層は、前記保護層に形成されたコンタクト孔を通じて前記基板の表面に接触されることを特徴とする請求項１に記載のインクジェットプリントヘッド。
前記保護層上に前記熱発散層の電気メッキのためのシード層が形成されたことを特徴とする請求項１に記載のインクジェットプリントヘッド。
前記シード層は少なくとも一つの金属層からなり、前記各金属層は銅、クロム、チタン、金及びニッケルからなる群より選択されたいずれかの一つの金属物質からなることを特徴とする請求項１５に記載のインクジェットプリントヘッド。