JP2006123550A - ノズルプレートとそれを備えたインクジェットプリントヘッド及びノズルプレートの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高解像度の画像を印刷可能なノズルプレートとインクジェットプリントヘッド及びノズルプレートの製造方法を提供する。
【解決手段】ノズル１５０の周りに少なくとも二つのセグメントに分割した電極１２０を形成、電極のセグメントの表面に、疎水性絶縁膜１４０を形成し、電極のセグメントとノズル内の流体間に電圧を印加し、エレクトロウェッティング現象で疎水性絶縁膜のセグメントに対する流体の接触角を変え、ノズルを通じて吐出流体の吐出方向を偏向するノズルプレート１００。流路プレート２００と複数のインクチャンバ２０４にインクの吐出の駆動力を提供するアクチュエータ３００と、流路プレートに付着されたノズルプレートを備えるインクジェットプリントヘッド。これにより、ノズルより吐出されるインク液滴の吐出方向を制御、低いＣＰＩのヘッドで、高いＤＰＩの画像が印刷可能。
【選択図】図４

Description

本発明は、インクジェットプリントヘッドに係り、さらに詳細には、ノズルを通じて吐出されるインク液滴の吐出方向を制御できる構造を有するノズルプレートと、それを備えて高い解像度の画像を印刷できるインクジェットプリントヘッド及びそのノズルプレートの製造方法に関する。

一般的に、インクジェットプリントヘッドは、印刷用インクの微小な液滴を用紙や織物など印刷対象物上の所望の位置に吐出させて印刷対象物の表面に所定色相の画像を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、インク吐出方式によって２つに大別される。その一つは、熱駆動方式のインクジェットプリントヘッドであり、他の一つは、圧電駆動方式のインクジェットプリントヘッドである。

前記熱駆動方式のインクジェットプリントヘッドにおけるインク液滴吐出メカニズムを説明すれば、次の通りである。抵抗発熱体で形成されるヒータにパルス状の電流が流れれば、ヒータから熱が発生しつつ、ヒータに隣接したインクを短時間に加熱することによって、インクが沸騰しつつバブルが生成され、生成されたバブルは、膨脹してインクチャンバ内に充填されたインクに圧力を加える。これにより、ノズル付近にあったインクがノズルを通じて液滴の形態でインクチャンバの外部に吐出される。すなわち、熱駆動方式のインクジェットプリントヘッドにおいては、ヒータがインクの吐出のための駆動力を発生させるアクチュエータの役割を果たす。

前記圧電駆動方式のインクジェットプリントヘッドは、圧電体を使用してその圧電体の変形によってインクに加えられる圧力でインクを吐出させる方式のインクジェットプリントヘッドであって、図１にその一般的な構成が示されている。

図１を参照すれば、流路プレート１０には、インク流路を構成するマニホルド１３、複数のリストリクタ１２及び複数のインクチャンバ１１が形成されており、ノズルプレート２０には、複数のインクチャンバ１１それぞれに対応する複数のノズル２２が形成されている。そして、前記流路プレート１０の上部には、圧電アクチュエータ４０が設けられている。前記マニホルド１３は、インクタンク（図示せず）から流入されたインクを複数のインクチャンバ１１それぞれに供給する通路であり、リストリクタ１２は、マニホルド１３からインクチャンバ１１の内部にインクが流入される通路である。前記複数のインクチャンバ１１は、吐出されるインクが充填される所であって、マニホルド１３の一側または両側に配列されている。このようなインクチャンバ１１は、圧電アクチュエータ４０の駆動によってその体積が変化することによって、インクの吐出または流入のための圧力変化を生成する。このために、流路プレート１０のインクチャンバ１１の上部壁をなす部位は、圧電アクチュエータ４０によって変形される振動板１４の役割を果たす。

前記圧電アクチュエータ４０は、流路プレート１０上に順次積層された下部電極４１と、圧電膜４２と、上部電極４３と、で構成される。そして、前記下部電極４１と流路プレート１０との間には、絶縁膜としてシリコン酸化膜３１が形成されている。下部電極４１は、シリコン酸化膜３１の全面に形成され、共通電極の役割を果たす。圧電膜４２は、インクチャンバ１１の上部に位置するように、下部電極４１上に形成される。上部電極４３は、圧電膜４２上に形成され、圧電膜４２に電圧を印加する駆動電極の役割を果たす。

前記のような従来のインクジェットプリントヘッドを利用した画像の印刷において、画像の解像度は、インチ当たりノズルの数に大きく影響を受ける。ここで、インチ当たりノズルの数は、一般的に、ＣＰＩ（Ｃｈａｎｎｅｌ Ｐｅｒ Ｉｎｃｈ）で表示され、画像の解像度は、一般的に、ＤＰＩ（Ｄｏｔ Ｐｅｒ Ｉｎｃｈ）で表示される。しかし、従来のインクジェットプリントヘッドにおいて、ＣＰＩの向上は、半導体基板の微細加工技術及びアクチュエータの発展に左右され、このような技術の発展速度は、次第にさらに高い解像度の画像を要求する最近の趨勢を十分に満足させていない。

したがって、従来では、低いＣＰＩのプリントヘッドを利用して高いＤＰＩの画像を印刷する色々な方法が利用されており、その２つの例が図２及び図３に示されている。

その一つの方法は、図２に示したように、プリントヘッド５０に複数のノズル５１，５２を２列以上に配列することである。このとき、第１列に配列されたノズル５１と第２列に配列されたノズル５２とは、交互に配置される。このように、ノズル５１，５２がアレイ状に配列されたプリントヘッド５０を使用して、第１列に配列されたノズル５１から吐出されるインク液滴と第２列に配列されたノズル５２から吐出されるインク液滴とが一つのラインを形成するように画像を印刷する。それにより、用紙６０上には、第１列のノズル５１によるドット６１と第２列のノズル５２によるドット６２とが一つのライン上に交互に形成される。したがって、用紙６０上に形成される画像のＤＰＩは、プリントヘッド５０のＣＰＩに比べて２倍となる。

しかし、このようなプリントヘッド５０では、ノズル５１，５２を複数の列で正確な位置に配列せねばならないので、非常に精密な整列システムを必要とし、プリントヘッド５０のサイズが大きくなる。したがって、プリントヘッド５０のコストが高くなるという短所がある。

他の一つの方法は、図３に示したように、低いＣＰＩを有するプリントヘッド７０を用紙８０に対して所定角度θに傾けて印刷する方法である。それにより、用紙８０上には、プリントヘッド７０に形成されたノズル７１の間隔より狭いドット８１が形成される。したがって、用紙８０上に形成される画像のＤＰＩは、プリントヘッド７０のＣＰＩに比べて高まる。この場合、用紙８０に対するプリントヘッド７０の傾斜角度θが大きくなるほど、ＤＰＩは高まるが、これにより、印刷面積が減少するという短所がある。もし、同じ印刷面積を得ようとすれば、プリントヘッド７０が長くなければならないという短所がある。

本発明は、前記従来の技術の問題点を解決するために創出されたものであって、特に、エレクトロウェッティング現象を利用してノズルを通じて吐出されるインク液滴の吐出方向を制御できる構造を有するノズルプレートと、それを備えることによって高い解像度の画像を印刷できるインクジェットプリントヘッド及びそのノズルプレートの製造方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するための本発明によるノズルプレートは、流体を吐出するための少なくとも一つのノズルが貫通形成されたノズルプレートにおいて、前記ノズルの周りに沿って少なくとも二つのセグメントに分割されて形成された電極と、前記電極のセグメントそれぞれの表面に形成されて前記ノズル内の流体に接触され、前記電極のセグメントに対応して少なくとも二つのセグメントで形成される疎水性絶縁膜と、前記電極のセグメントそれぞれと前記ノズル内の流体との間に電圧を印加するための配線と、を備え、前記電極のセグメントそれぞれと前記流体との間への電圧の印加如何によって、前記疎水性絶縁膜のセグメントそれぞれに対する前記流体の接触角が変わるエレクトロウェッティング現象を利用して、前記ノズルを通じて吐出される前記流体の吐出方向を偏向させることを特徴とする。

本発明において、前記疎水性絶縁膜及び前記電極は、それぞれ前記ノズルの内周に沿って９０°間隔に分割された４つのセグメントで形成される。

本発明において、前記ノズルプレートは、前記ノズルが貫通形成された基板を備え、前記基板上に前記電極及び配線が形成され、前記電極及び配線は、前記基板上に形成された保護膜によって覆われうる。

そして、前記目的を達成するための本発明によ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充填される複数のインクチャンバを含むインク流路が形成された流路プレートと、前記複数のインクチャンバそれぞれにインクの吐出のための駆動力を提供するアクチュエータと、前記流路プレートに付着されて前記複数のインクチャンバからインクを吐出するための複数のノズルが貫通形成されたノズルプレートと、を有するインクジェットプリントヘッドにおいて、前記ノズルプレートは、前記ノズルの周りに沿って少なくとも二つのセグメントに分割されて形成された電極と、前記電極のセグメントそれぞれの表面に形成されて前記ノズル内の流体に接触され、前記電極のセグメントに対応して少なくとも二つのセグメントで形成される疎水性絶縁膜と、前記電極のセグメントそれぞれと前記ノズル内の流体との間に電圧を印加するための配線と、を備え、前記電極のセグメントそれぞれと前記流体との間への電圧の印加如何によって、前記疎水性絶縁膜のセグメントそれぞれに対する前記流体の接触角が変わるエレクトロウェッティング現象を利用して、前記ノズルを通じて吐出される前記流体の吐出方向を偏向させることを特徴とする。

本発明において、前記アクチュエータは、前記流路プレートの上部に順次積層された下部電極、圧電膜及び上部電極を含む圧電アクチュエータでありうる。

また、前記目的を達成するための本発明によるノズルプレートの製造方法は、流体を吐出するための少なくとも一つのノズルが貫通形成されたノズルプレートの製造方法において、基板上に少なくとも二つのセグメントに分割された電極と前記電極セグメントそれぞれに連結される配線とを形成する工程と、前記基板を加工して前記ノズルの一部分を形成する工程と、前記電極及び配線の形成工程後または前記ノズルの一部分の形成工程後に、前記基板上に前記電極及び配線を覆うように保護膜を形成する工程と、前記電極及び保護膜を貫通するように加工して前記ノズルの残りの部分を形成する工程と、前記ノズルの内面に露出されている前記電極セグメントそれぞれの表面に疎水性絶縁膜を形成する工程と、を備えることを特徴とする。

本発明において、前記基板として印刷回路基板用ベース基板を使用することが望ましい。

本発明において、前記電極及び配線は、前記基板上に、例えば、Ｃｕで形成される所定厚さの金属層を形成した後、前記金属層を所定パターンでパターニングすることによって形成される。

本発明において、前記ノズルの一部分は、前記基板をレーザ加工することによってテーパ状に形成され、前記ノズルの残りの部分は、前記電極及び保護膜をドリル加工またはエッチングすることによって、シリンダ状に形成される。

本発明において、前記保護膜は、絶縁性及び疎水性を有する物質、例えば、ＰＳＲ（Ｐｈｏｔｏ Ｓｏｌｄｅｒ Ｒｅｓｉｓｔ）を塗布することによって形成される。

本発明において、前記疎水性絶縁膜は、プラズマ化学気相蒸着（ＰＥＣＶＤ：Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）方法によってＳｉＯ_２またはＳｉＮを前記電極セグメントそれぞれの表面にのみ選択的に蒸着するか、または原子層蒸着（ＡＬＤ：Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）方法によってＴａ_２Ｏ_５を前記電極セグメントそれぞれの表面にのみ選択的に蒸着することによって、前記電極セグメントと同一数のセグメントに分割されて形成される。

本発明によれば、エレクトロウェッティング現象を利用してノズルを通じて吐出されるインク液滴の吐出方向を色々な方向に制御できる。したがって、低いＣＰＩを有するプリントヘッドによっても、高い解像度を有する画像を印刷できる。

そして、本発明によるノズルプレートは、ＰＣＢ用ベース基板を使用して容易に製作できるので、製造コストが低くなる。

以下、添付された図面を参照しつつ、本発明の望ましい実施形態を詳細に説明する。以下の図面で同じ参照符号は、同じ構成要素を表し、図面上で各構成要素のサイズは、説明の明瞭性及び便宜上誇張している。

図４は、本発明の望ましい実施形態によるインクジェットプリントヘッドの垂直断面図であり、図５Ａは、図４に示したノズルプレートに設けられた電極及び疎水性絶縁膜の一例を示す部分拡大平面図である。

図４及び図５Ａを共に参照すれば、本発明の望ましい実施形態によるインクジェットプリントヘッドは、複数のインクチャンバ２０４を備えるインク流路が形成された流路プレート２００と、前記流路プレート２００の上部に形成されて前記複数のインクチャンバ２０４それぞれにインクの吐出のための駆動力を提供する圧電アクチュエータ３００と、前記流路プレート２００の底面に付着され、前記複数のインクチャンバ２０４からインクを吐出するための複数のノズル１５０が貫通形成されたノズルプレート１００と、を備える。

前記インク流路は、吐出されるインクが充填され、インクを吐出させるための圧力変化を発生させる複数のインクチャンバ２０４と、インク導入口（図示せず）を通じて流入されたインクを複数のインクチャンバ２０４に供給する共通流路であるマニホルド２０２と、マニホルド２０２からそれぞれのインクチャンバ２０４にインクを供給するための個別流路であるリストリクタ２０３と、を備える。そして、インクチャンバ２０４とノズルプレート１００に形成されたノズル１５０との間には、圧電アクチュエータ３００によってインクチャンバ２０４から発生したエネルギーをノズル１５０側に集中させ、急激な圧力変化を緩衝するためのダンパ２０５が設けられうる。このようなインク流路を形成する構成要素は、前記流路プレート２００に形成される。そして、前記流路プレート２００の前記インクチャンバ２０４の上部壁をなす部位は、圧電アクチュエータ３００の駆動によって変形される振動板の役割を果たす。

具体的に、前記流路プレート２００は、図示したように、第１流路プレート２１０と第２流路プレート２２０とで構成される。この場合、前記第１流路プレート２１０の底面に前記インクチャンバ２０４が所定深さに形成される。前記インクチャンバ２０４は、インクのフロー方向にさらに長い直六面体の形状を有しうる。

前記第２流路プレート２２０に前記マニホルド２０２が形成される。前記マニホルド２０２は、図４に示したように、第２流路プレート２２０の上面から所定深さに形成されてもよく、第２流路プレート２２０を垂直に貫通して形成されてもよい。そして、第２流路プレート２２０には、マニホルド２０２と複数のインクチャンバ２０４それぞれの一端部とを連結する個別流路であるリストリクタ２０３が形成される。前記リストリクタ２０３も、図４に示したように、第２流路プレート２２０の上面から所定深さに形成されてもよく、第２流路プレート２２０を垂直に貫通して形成されてもよい。また、第２流路プレート２２０には、複数のインクチャンバ２０４それぞれの他端部に対応する位置にインクチャンバ２０４とノズル１５０を連結するダンパー２０５とが垂直に貫通形成される。

一方、前記ではインク流路をなす構成要素が二つの流路プレート２１０，２２０に分けられて配置されたと図示されて説明されたが、このようなインク流路の配置構造は、単に例示的なものである。すなわち、本発明によるインクジェットプリントヘッドには、多様な構成のインク流路が設けられ、このようなインク流路は、二つの流路プレート２１０，２２０ではなく、それより多くのプレートに形成されてもよく、ただ一つの流路プレートに形成されてもよい。

前記圧電アクチュエータ３００は、インクチャンバ２０４が形成された第１流路プレート２１０の上部に形成されて、前記インクチャンバ２０４にインクの吐出のための駆動力を提供する役割を果たす。このような圧電アクチュエータ３００は、共通電極の役割を果たす下部電極３１０と、電圧の印加によって変形される圧電膜３２０と、駆動電極の役割を果たす上部電極３３０と、を備え、下部電極３１０、圧電膜３２０及び上部電極３３０が第１流路プレート２１０上に順次積層された構造を有する。

具体的に、前記下部電極３１０と第１流路プレート２１０との間には、絶縁膜２１２が形成される。前記下部電極３１０は、絶縁膜２１２の全面に形成され、一つの導電金属物質層で形成されるが、Ｔｉ層及びＰｔ層の二つの金属薄膜層で形成されることが望ましい。このように、Ｔｉ／Ｐｔ層で形成される下部電極３１０は、共通電極の役割を果たすだけでなく、その下側の第１流路プレート２１０とその上側に形成される圧電膜３２０との間の相互拡散を防止する拡散防止層の役割も果たす。前記圧電膜３２０は、下部電極３１０上に形成され、インクチャンバ２０４に対応する位置に配置される。前記圧電膜３２０は、電圧の印加によって変形され、その変形によってインクチャンバ２０４の上部の振動板を撓み変形させる役割を果たす。このような圧電膜３２０は、圧電物質、望ましくは、ＰＺＴ（Ｌｅａｄ Ｚｉｒｃｏｎａｔｅ Ｔｉｔａｎａｔｅ）セラミック材料で形成される。前記上部電極３３０は、圧電膜３２０に電圧を印加する駆動電極の役割を果たすものであって、圧電膜３２０上に形成される。

前記ノズルプレート１００は、前記第２流路プレート２２０の底面に付着される。このようなノズルプレート１００には、ダンパ２０５に対応する位置にノズル１５０が貫通形成される。

そして、本発明の特徴部であって、前記ノズルプレート１００は、前記複数のノズル１５０それぞれの周りに配置された電極１２０と、前記電極１２０の表面に形成されて前記ノズル１５０内のインクに接触される疎水性絶縁膜１４０と、前記電極１２０に連結された配線１２２と、を有する。具体的に、前記ノズルプレート１００は、前記複数のノズル１５０が貫通形成された基板１１０を備え、前記基板１１０上に前記電極１２０及び配線１２２が形成され、前記電極１２０及び配線１２２は、前記基板１１０上に形成された保護膜１３０によって覆われうる。

前記基板１１０としては、シリコンウェーハなどの色々な基板が使用されるが、望ましくは、印刷回路基板（ＰＣＢ：Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ）用ベース基板を使用することが望ましい。これは、後述するように、ノズルプレート１００をさらに低いコストで容易に製造できるためである。

前記電極１２０は、前記複数のノズル１５０それぞれの周りに沿って配置される。前記電極１２０は、導電性に優れた金属で形成される。例えば、前記電極１２０は、ＰＣＢの製造に主に使われるＣｕで形成される。前記電極１２０は、図５Ａに示したように、前記ノズル１５０の周りに沿って配置された二つのセグメント１２０ａ，１２０ｂに分割される。前記二つの電極セグメント１２０ａ，１２０ｂそれぞれは、図示したように、円弧状をなす。

前記疎水性絶縁膜１４０は、前記二つの電極セグメント１２０ａ，１２０ｂそれぞれの表面に形成される。したがって、前記疎水性絶縁膜１４０も二つの電極セグメント１２０ａ，１２０ｂに対応する二つの絶縁膜セグメント１４０ａ，１４０ｂで形成され、前記二つの絶縁膜セグメント１４０ａ，１４０ｂは、前記ノズル１５０内のインクに接触される。

前記二つの電極セグメント１２０ａ，１２０ｂそれぞれとノズル１５０内のインクとの間に選択的に電圧を印加すれば、エレクトロウェッチング現象によって、二つの絶縁膜セグメント１４０ａ，１４０ｂそれぞれに対するインクの接触角が変わり、これにより、ノズル１５０を通じて吐出されるインク液滴の吐出方向が偏向される。これについては、後で詳細に説明する。

前記配線１２２は、前記のように、二つの電極セグメント１２０ａ，１２０ｂそれぞれとノズル１５０内の流体との間に電圧を印加するためのものであって、導電性に優れた金属で形成される。例えば、前記配線１２２は、前記電極１２０をなす物質と同じ物質、すなわち、Ｃｕで形成される。前記配線１２２は、前記二つの電極セグメント１２０ａ，１２０ｂそれぞれに独立的に電圧を印加できるように、図５Ａに示したように、二つの電極セグメント１２０ａ，１２０ｂそれぞれに連結されるパターンに形成される。しかし、前記配線１２２は、図５Ａに示したパターンではなく、二つの電極セグメント１２０ａ，１２０ｂそれぞれに連結される多様なパターンに形成される。

前記保護膜１３０は、前記基板１１０上に前記電極１２０及び配線１２２を覆うように形成され、これらを保護し、これらを外部から絶縁させる役割を果たす。そして、前記保護膜１３０は、ノズルプレート１００の外面をなすので、インクによって汚染されないように疎水性を有することが望ましい。このような性質を有する保護膜１３０は、ＰＳＲで形成される。

図５Ｂは、図４に示したノズルプレートに設けられた電極及び疎水性絶縁膜の他の例を示す部分拡大平面図である。

図５Ｂを参照すれば、本発明によるノズルプレート１００に設けられる疎水性絶縁膜１４０は、前記ノズル１５０の内周に沿って９０°間隔に分割された４つのセグメント１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄで形成され、これに対応して電極１２０も前記ノズル１５０の内周に沿って９０°間隔に分割された４つのセグメント１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃ，１２０ｄで形成される。前記４つの絶縁膜セグメント１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄ及び４つの電極セグメント１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃ，１２０ｄそれぞれは、図示したように、円弧状をなす。そして、前記配線１２２は、前記４つの電極セグメント１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃ，１２０ｄそれぞれに独立的に電圧を印加できるように、前記４つの電極セグメント１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃ，１２０ｄそれぞれに連結されるパターンに形成される。一方、前記配線１２２は、図５Ｂに示したパターンでなくても、４つの電極セグメント１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃ，１２０ｄそれぞれに連結される多様なパターンに形成される。

図５Ａ及び図５Ｂに示したように、本発明によるノズルプレート１００に設けられる疎水性絶縁膜１４０及び電極１２０は、それぞれ二つのセグメントまたは４つのセグメントに分割される。しかし、これに限定されず、前記疎水性絶縁膜１４０及び電極１２０は、それぞれ３つまたは５つ以上のセグメントに分割されることもある。

図６Ａ及び図６Ｂは、本発明に適用されたエレクトロウェッティング現象を説明するための図面である。

図６Ａに示したように、電極に電圧が印加されていない状態では、インクは、その表面張力によって疎水性絶縁膜の表面に比較的大きい接触角θ_１で接触される。しかし、図６Ｂに示したように、電源Ｅから電極に電圧が印加されて電極とインクとの間に電場が作用すれば、エレクトロウェッティング現象によって疎水性絶縁膜に対するインクの接触角θ_２が小さくなりつつ、インクと疎水性絶縁膜との接触面積は広くなる。これをさらに詳細に説明すれば、電極とインクとの間に電場が印加されれば、疎水性絶縁膜を介して、電極には負電荷が蓄積され、インクの表面には正電荷が蓄積される。このように、インクの表面に集積された両電荷の間には、相互反撥力が作用するので、インクの表面張力は低下する。そして、電極に蓄積された負電荷とインク表面に蓄積された正電荷との間には、互いに引っ張る静電力が作用する。したがって、前記インクの表面張力の低下とインクに作用する静電力とによって、疎水性絶縁膜に対するインクの接触角θ_２が小さくなる。

図７Ａないし図７Ｃは、図５Ａに示した本発明によるノズルプレートによるインク液滴の偏向を説明するための断面図である。

まず、図７Ａを参照すれば、前記電極１２０の第１電極セグメント１２０ａと第２電極セグメント１２０ｂとに電圧が印加されなければ、前記疎水性絶縁膜１４０の第１絶縁膜セグメント１４０ａ及び第２絶縁膜セグメント１４０ｂそれぞれの表面に接触されたインクの接触角は同一である。この場合には、図７Ａに示したように、凹状のマニスカスＭが形成される。前記圧電アクチュエータ３００の駆動によってノズル１５０内のインクに圧力が加えられると、インクは、液滴Ｄの形態でノズル１５０から吐出されるが、このとき、インク液滴Ｄは、直進する。

次いで、図７Ｂを参照すれば、前記第１電極セグメント１２０ａにのみ電圧を印加すれば、第１絶縁膜セグメント１４０ａの表面に対するインクの接触角が小さくなり、図７Ｂに示したようなマニスカスＭが形成される。この場合、圧電アクチュエータ３００の駆動によってノズル１５０内のインクに圧力が加えられると、ノズル１５０から吐出されるインク液滴Ｄの方向は、右側に偏向される。

次いで、図７Ｃを参照すれば、前記第２電極セグメント１２０ｂにのみ電圧を印加すれば、第２絶縁膜セグメント１４０ｂの表面に対するインクの接触角が小さくなる。これにより、図７Ｃに示したようなマニスカスＭが形成されて、ノズル１５０から吐出されるインク液滴Ｄの方向は、左側に偏向される。

前記のように、ノズルプレート１００に設けられた電極１２０の二つのセグメント１２０ａ，１２０ｂに選択的に電圧を印加すれば、ノズル１５０を通じて吐出されるインク液滴Ｄの方向を左側または右側に偏向させうる。そして、図５Ｂに示したそれぞれ４つのセグメントに分割された電極１２０と疎水性絶縁膜１４０とを有するノズルプレート１００によれば、ノズル１５０を通じて吐出されるインク液滴の方向をさらに多様に変化させうる。

一方、前記本発明によるノズルプレートは、圧電駆動方式のインクジェットプリントヘッドに適用されたと図示されて説明されたが、本発明によるノズルプレートは、インクの吐出のための駆動力を発生させるアクチュエータとしてヒータを使用する熱駆動方式のインクジェットプリントヘッドにも適用されうる。

また、本発明によるノズルプレートは、インク液滴を吐出するインクジェットプリントヘッドだけでなく、流体を吐出する少なくとも一つのノズルを有する多様な流体吐出システムにも適用されうる。

図８は、本発明によるインクジェットプリントヘッドのノズルプレートによって高い解像度の画像を印刷する方法を説明するための図面である。

図８を参照すれば、本発明によるインクジェットプリントヘッド１００に複数のノズル１５０を所定のＣＰＩで配列し、各ノズル１５０に配置された電極１２０のセグメント１２０ａ，１２０ｂに選択的に電圧を印加すれば、エレクトロウェッティング現象によって疎水性絶縁膜１４０のセグメント１４０ａ，１４０ｂそれぞれに対するインクの接触角が変わるので、各ノズル１５０から吐出されるインク液滴の方向が変わる。それにより、用紙４００上には、各ノズル１５０から直進するドット４０２と各ノズル１５０から偏向されるドット４０２，４０３とが所定間隔をおいて一つのライン上に形成される。したがって、用紙４００上に形成される画像のＤＰＩは、プリントヘッド１００のＣＰＩに比べて、３倍に向上しうる。

一方、図５Ｂに示したそれぞれ４つのセグメントに分割された電極１２０と疎水性絶縁膜１４０とを有するノズルプレート１００によれば、ノズル１５０を通じて吐出されるインク液滴の方向をさらに多様に変化させ、低いＣＰＩを有するプリントヘッド１００によってもさらに高い解像度を有する画像を印刷できる。

以下では、添付された図面を参照して、本発明によるノズルプレートの製造方法を説明する。

図９Ａないし図９Ｅは、図４に示した本発明によるノズルプレートの製造方法を段階的に示す断面図である。この図面で、説明の便宜のために電極及び配線が形成される面が上面となるようにノズルプレートが示されている。

図９Ａを参照すれば、まず基板１１０を準備した後、その基板１１０上に所定パターンの電極１２０及び配線１２２を形成する。具体的に、前記基板１１０としては、前述したようにＰＣＢ用ベース基板を使用することが望ましい。前記ＰＣＢ用ベース基板は、主にポリイミドで形成される。そして、前記電極１２０及び配線１２２は、前記基板１１０の上面全体に導電性に優れた金属、例えば、Ｃｕを所定厚さに蒸着した後、これを所定パターン、例えば、図５Ａまたは図５Ｂに示したパターンでパターニングすることによって形成される。それにより、前記基板１１０上に少なくとも二つのセグメントに分割された電極１２０と、前記電極１２０セグメントそれぞれに連結される配線１２２とが形成される。

次いで、図９Ｂに示したように、前記基板１１０を加工してノズル１５０の一部を形成する。このとき、前記ノズル１５０の一部は、前記基板１１０をレーザ加工することによってテーパ状に形成される。

次いで、図９Ｃに示したように、前記基板１１０上に前記電極１２０及び配線１２２を覆うように保護膜１３０を形成する。前記保護膜１３０は、前述したように絶縁性及び疎水性を有することが望ましい。このような保護膜１３０は、基板１１０の上面全体にＰＣＢ製造工程で広く使われるＰＳＲを塗布することによって形成される。

一方、前記保護膜１３０は、図９Ｂに示したノズル１５０の形成工程前に、すなわち、図９Ａに示した工程以後に形成されてもよい。

次いで、図９Ｄに示したように、前記電極１２０及び保護膜１３０を貫通するように加工して、ノズル１５０の残りの部分を形成する。このとき、前記ノズル１５０の残りの部分は、前記電極１２０及び保護膜１３０をドリル加工またはエッチングすることによってシリンダ状に形成される。それにより、前記電極１２０は、ノズル１５０の内周面に沿って所定厚さを有する少なくとも二つのセグメントに分割された形態に完成される。

最後に、図９Ｅに示したように、ノズル１５０の内面に露出されている電極１２０の表面に疎水性絶縁膜１４０を形成することによって、本発明によるノズルプレート１００を完成する。具体的に、前記疎水性絶縁膜１４０は、ＰＥＣＶＤ法によってＳｉＯ_２またはＳｉＮを蒸着するか、またはＡＬＤ法によってＴａ_２Ｏ_５を蒸着することによって形成される。このとき、前記蒸着方法によれば、疎水性絶縁膜１４０は、金属で形成される電極１２０の表面にのみ選択的に蒸着されるので、電極１２０と同様に、疎水性絶縁膜１４０も少なくとも二つのセグメントに分割される。

前記のように、本発明によるノズルプレート１００は、ＰＣＢ用ベース基板１１０を使用してＰＣＢ製造工程によって製造されるので、その工程が単純であり、製造コストが低いという長所がある。

以上、本発明の望ましい実施形態を詳細に説明したが、これは、例示的なものに過ぎず、当業者ならば、これから多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であることが分かるであろう。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は、特許請求の範囲によって決定されねばならない。

本発明によるノズルプレートは、圧電駆動方式のインクジェットプリントヘッドだけでなく、アクチュエータとしてヒータを使用する熱駆動方式のインクジェットプリントヘッドにも適用される。また、本発明によるノズルプレートは、インク液滴を吐出するインクジェットプリントヘッドだけでなく、流体を吐出するノズルを有する多様な流体吐出システムにも適用される。

従来のインクジェットプリントヘッドの一例を示す断面図である。 低いＣＰＩのプリントヘッドを利用して、高いＤＰＩの画像を印刷する従来の方法を説明するための図面である。 低いＣＰＩのプリントヘッドを利用して、高いＤＰＩの画像を印刷する従来の方法を説明するための図面である。 本発明の望ましい実施形態によるインクジェットプリントヘッドの垂直断面図である。 図４に示したノズルプレートに設けられた電極及び疎水性絶縁膜の一例を示す部分拡大平面図である。 図４に示したノズルプレートに設けられた電極及び疎水性絶縁膜の他の例を示す部分拡大平面図である。 本発明に適用されたエレクトロウェッティング現象を説明するための図面である。 本発明に適用されたエレクトロウェッティング現象を説明するための図面である。 図５Ａに示した本発明によるノズルプレートによるインク液滴の偏向を説明するための断面図である。 図５Ａに示した本発明によるノズルプレートによるインク液滴の偏向を説明するための断面図である。 図５Ａに示した本発明によるノズルプレートによるインク液滴の偏向を説明するための断面図である。 本発明によるインクジェットプリントヘッドのノズルプレートによって高い解像度の画像を印刷する方法を説明するための図面である。 図４に示した本発明によるノズルプレートの製造方法を段階的に示す断面図である。 図４に示した本発明によるノズルプレートの製造方法を段階的に示す断面図である。 図４に示した本発明によるノズルプレートの製造方法を段階的に示す断面図である。 図４に示した本発明によるノズルプレートの製造方法を段階的に示す断面図である。 図４に示した本発明によるノズルプレートの製造方法を段階的に示す断面図である。

符号の説明

１００ ノズルプレート
１１０ 基板
１２０ 電極
１２２ 配線
１３０ 保護膜
１４０ 絶縁膜
１５０ ノズル
２００ 流路プレート
２０２ マニホルド
２０３ リストリクタ
２０４ インクチャンバ
２０５ ダンパ
２１０ 第１流路プレート
２２０ 第２流路プレート
３００ アクチュエータ
３１０ 下部電極
３２０ 圧電膜
３３０ 上部電極

Claims (28)

1. 流体を吐出するための少なくとも一つのノズルが貫通形成されたノズルプレートにおいて、
   前記ノズルの周りに沿って少なくとも二つのセグメントに分割されて形成された電極と、
   前記電極のセグメントそれぞれの表面に形成されて前記ノズル内の流体に接触され、前記電極のセグメントに対応して少なくとも二つのセグメントで形成される疎水性絶縁膜と、
   前記電極のセグメントそれぞれと前記ノズル内の流体との間に電圧を印加するための配線と、を備え、
   前記電極のセグメントそれぞれと前記流体との間への電圧の印加如何によって、前記疎水性絶縁膜のセグメントそれぞれに対する前記流体の接触角が変わるエレクトロウェッティング現象を利用して、前記ノズルを通じて吐出される前記流体の吐出方向を偏向させることを特徴とするノズルプレート。
2. 前記疎水性絶縁膜と前記電極とは、それぞれ前記ノズルの内周に沿って９０°間隔に分割された４つのセグメントで形成されることを特徴とする請求項１に記載のノズルプレート。
3. 前記ノズルプレートは、前記ノズルが貫通形成された基板を備え、前記基板上に前記電極及び配線が形成され、前記電極及び配線は、前記基板上に形成された保護膜によって覆われることを特徴とする請求項１に記載のノズルプレート。
4. 前記基板は、印刷回路基板用ベース基板で構成されることを特徴とする請求項３に記載のノズルプレート。
5. 前記保護膜は、絶縁性及び疎水性を有する物質で形成されることを特徴とする請求項３に記載のノズルプレート。
6. 前記保護膜は、ＰＳＲで形成されることを特徴とする請求項５に記載のノズルプレート。
7. 前記電極及び配線は、Ｃｕで形成されることを特徴とする請求項１に記載のノズルプレート。
8. 前記疎水性絶縁膜は、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ及びＴａ_２Ｏ_５で形成される群のうち選択された何れか一つの物質で形成されることを特徴とする請求項１に記載のノズルプレート。
9. 吐出されるインクが充填される複数のインクチャンバを備えるインク流路が形成された流路プレートと、前記複数のインクチャンバそれぞれにインクの吐出のための駆動力を提供するアクチュエータと、前記流路プレートに付着され、前記複数のインクチャンバからインクを吐出するための複数のノズルが貫通形成されたノズルプレートと、を有するインクジェットプリントヘッドにおいて、
   前記ノズルプレートは、
   前記ノズルの周りに沿って少なくとも二つのセグメントに分割されて形成された電極と、
   前記電極のセグメントそれぞれの表面に形成されて前記ノズル内の流体に接触され、前記電極のセグメントに対応して少なくとも二つのセグメントで形成される疎水性絶縁膜と、
   前記電極のセグメントそれぞれと前記ノズル内の流体との間に電圧を印加するための配線と、を備え、
   前記電極のセグメントそれぞれと前記流体との間への電圧の印加如何によって、前記疎水性絶縁膜のセグメントそれぞれに対する前記流体の接触角が変わるエレクトロウェッティング現象を利用して、前記ノズルを通じて吐出される前記流体の吐出方向を偏向させることを特徴とするインクジェットプリントヘッド。
10. 前記疎水性絶縁膜及び前記電極は、それぞれ前記ノズルの内周に沿って９０°間隔に分割された４つのセグメントで形成されることを特徴とする請求項９に記載のインクジェットプリントヘッド。
11. 前記ノズルプレートは、前記ノズルが貫通形成された基板を備え、前記基板上に前記電極及び配線が形成され、前記電極及び配線は、前記基板上に形成された保護膜によって覆われることを特徴とする請求項９に記載のインクジェットプリントヘッド。
12. 前記基板は、印刷回路基板用ベース基板で構成されることを特徴とする請求項１１に記載のインクジェットプリントヘッド。
13. 前記保護膜は、絶縁性及び疎水性を有する物質で形成されることを特徴とする請求項１１に記載のインクジェットプリントヘッド。
14. 前記保護膜は、ＰＳＲで形成されることを特徴とする請求項１３に記載のインクジェットプリントヘッド。
15. 前記電極及び配線は、Ｃｕで形成されることを特徴とする請求項９に記載のインクジェットプリントヘッド。
16. 前記疎水性絶縁膜は、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ及びＴａ_２Ｏ_５で形成される群のうち選択された何れか一つの物質で形成されることを特徴とする請求項９に記載のインクジェットプリントヘッド。
17. 前記アクチュエータは、前記流路プレートの上部に順次積層された下部電極、圧電膜及び上部電極を含む圧電アクチュエータであることを特徴とする請求項９に記載のインクジェットプリントヘッド。
18. 流体を吐出するための少なくとも一つのノズルが貫通形成されたノズルプレートの製造方法において、
    基板上に少なくとも二つのセグメントに分割された電極と前記電極セグメントそれぞれに連結される配線とを形成する工程と、
    前記基板を加工して前記ノズルの一部分を形成する工程と、
    前記電極及び配線の形成工程後または前記ノズルの一部分形成工程後に、前記基板上に前記電極及び配線を覆うように保護膜を形成する工程と、
    前記電極及び保護膜を貫通するように加工して、前記ノズルの残りの部分を形成する工程と、
    前記ノズルの内面に露出されている前記電極セグメントそれぞれの表面に疎水性絶縁膜を形成する工程と、を備えることを特徴とするノズルプレートの製造方法。
19. 前記基板として印刷回路基板用ベース基板が使われることを特徴とする請求項１８に記載のノズルプレートの製造方法。
20. 前記電極及び配線は、前記基板上に所定厚さの金属層を形成した後、前記金属層を所定パターンでパターニングすることによって形成されることを特徴とする請求項１８に記載のノズルプレートの製造方法。
21. 前記金属層は、Ｃｕで形成されることを特徴とする請求項２０に記載のノズルプレートの製造方法。
22. 前記ノズルの一部分は、前記基板をレーザ加工することによってテーパ状に形成されることを特徴とする請求項１８に記載のノズルプレートの製造方法。
23. 前記保護膜は、絶縁性及び疎水性を有する物質で形成されることを特徴とする請求項１８に記載のノズルプレートの製造方法。
24. 前記保護膜は、ＰＳＲを塗布することによって形成されることを特徴とする請求項２３に記載のノズルプレートの製造方法。
25. 前記ノズルの残りの部分は、前記電極及び保護膜をドリル加工またはエッチングすることによって、シリンダ状に形成されることを特徴とする請求項１８に記載のノズルプレートの製造方法。
26. 前記疎水性絶縁膜は、前記電極セグメントと同一数のセグメントに分割されて形成されることを特徴とする請求項１８に記載のノズルプレートの製造方法。
27. 前記疎水性絶縁膜は、プラズマ化学気相蒸着法によってＳｉＯ_２またはＳｉＮを前記電極セグメントそれぞれの表面にのみ選択的に蒸着することによって形成されることを特徴とする請求項２６に記載のノズルプレートの製造方法。
28. 前記疎水性絶縁膜は、原子層蒸着法によってＴａ_２Ｏ_５を前記電極セグメントそれぞれの表面にのみ選択的に蒸着することによって形成されることを特徴とする請求項２６に記載のノズルプレートの製造方法。

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