KR0146277B1 - 잉크제트프린터헤드 및 그 제조방법 - Google Patents
잉크제트프린터헤드 및 그 제조방법Info
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Abstract
본발명은 온디멘드형의 잉크제트프린터헤드 및 그 제조방법에 관한 것으로, 잉크제트프린터헤드는 판두께 방향으로 분극된 판형상의 압전부재와, 비도전성 및 비전왜곡성으로서 상기 압전부재의 강성보다 낮은 강성의 재료에 의해서 형성되어 상기 압전부재의 접합된 기판과, 상기 압전부재의 표면에서 이 압전부재와 상기 기판과의 접합면을 초과하는 깊이로 형성된 일단에 잉크토출구를 가지고 잉크공급부에 접속되는 복수의 압력실과, 이들의 압력실의 양측에 배치되어 상기 압전부재와 상기 기판에 형성된 복수의 지주와, 상기 압력실의 상기 기판측의 일면과 양 내측면과의 전면에 접합된 복수의 전극과, 상기 압전부재에 표면접합된 천판으로 구성되어 있으며, 그 제조방법은 판두께 방향으로 분극된 판형상의 압전부재와 비도전성 및 비전왜곡성으로서 상기 압전부재의 강성보다 낮은 강성의 재료에 의해서 형성된 기판을 접합하고, 상기 압전부재의 표면으로부터 상기 기판의 내부에 도달하는 가늘고 긴 복수개의 홈을 연삭가공에 의해서 형성하며, 상기 기판의 상기 홈의 표면에 이 기판의 내부조직을 노출시켜서, 상기 홈의 전내면에 전극을 무전해 도금에 의해서 형성하고, 상기 압전부재의 표면에 천판을 접합함으로서 상기 각홈의 개구면을 폐색하여 압력실을 형성하며, 이들의 압력실에 잉크토출구를 형성하도록 하는 것이다.
Description
제 1 도는 본 발명의 일실시예를 나타내는 종단정면도,
제 2 도는 그 전극에의 인가전압을 나타내는 타이밍차트,
제 3 도는 그 잉크제트프린터헤드를 형성하는 과정을 나타내는 사시도,
제 4 도는 그 잉크제트프린터헤드를 형성하는 과정을 나타내는 사시도,
제 5 도는 그 잉크제트프린터헤드를 형성하는 과정을 나타내는 사시도,
제 6 도는 그 지주의 치수관계를 나타내는 일부 사시도,
제 7 도는 그 압전부재의 두께의 변화에 대응하는 지주의 변형량특성을 나타내는 그래프,
제 8 도는 그 압전부재의 두께의 변화에 대응하는 지주의 전단특성을 나타내는 그래프,
제 9 도는 그 압전부재의 두께의 변화에 대응하는 지주의 전단특성을 나타내는 그래프,
제 10 도는 종래예를 나타내는 종단측면도,
제 11 도는 그 전극형성의 방법을 나타내는 측면도,
제 12 도는 다른 종래예를 나타내는 종단측면도.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 기판 2 : 압전부재
3 : 홈 4 : 지주
8 : 전극 10 : 천판
11 : 잉크토출구 14 : 압력실
본 발명은 온디멘드(on-demand) 형의 잉크제트프린터헤드 및 그 제조방법에 관한 것이다.
잉크제트프린터헤드에는 특개평 2-150355 호 공보에 개시된 발명이 있다. 이하 제10도에 의거하여 설명한다. 30은 저부시이트이다. 이 저부시이트(30)는 화살표 방향의 극성을 가지며, 다수의 평행인 홈(31)과, 이들 홈(31) 양측에 위치하는 측벽(32)과 저면(33)과를 갖는다. 그리고, 측벽(32)의 정상부(34)에 정상부시이트(35)를 접착층(36)에서 접합함으로써 각 홈(31)의 정상부 개구면이 폐색되어 있다.
또, 각 홈(31)의 양 내면이 되는 측벽(32)의 내면에는 그 전체높이중 정상부 시이트(35)측의 대략 절반 범위에서 금속화 전극(37)이 증착에 의해 형성되어 있다.
즉, 진공증착 장치내에 있어서 저부시이트(30)를 치수에 의해 유지하고, 제11도에 도시하는 바와 같이, 측벽(32)에 대하여 δ인 각도를 가지고 증착금속원자의 평행빔을 저부시이트(30)를 향하여 유도함으로써 측벽(32)의 한쪽에 금속막이 증착된다.
계속하여 저부시이트(30)를 제11도에 있어서 수평방향으로 180 도 회전시킨 상태로 상기한 동작과 같이 저부시이트(30)에 증착 금속원자의 평행빔을 유도한다. 이에 의해 측벽(32)의 양측면 상부의 대략 절반 범위에 금속화 전극(37)이 증착된다.
이때에 측벽(32)의 정상부(34)에 증착된 금속막은 다음 공정에서 제거된다.
또, 각 홈(31)을 정상부시이트(35)에서 폐색함으로써 압력실이 형성되고 이들 압력실의 일단에 잉크공급부에 접속되는 공급구를 설치하고, 압력실 타단에 잉크를 토출시키는 토출구를 설치함으로써 잉크제트프린터헤드가 완성된다.
이와 같은 잉크제트프린터헤드에 있어서 인접되는 2 개의 측벽(32)의 전극(37)에 각각 반대인 전위의 전압을 인가하면 이 부분의 측벽(32)은 저부시이트(30)의 화살표 방향의 극성에 대하여 직교하는 방향의 전위를 받아 제10도에 점선으로 표시하는 바와 같이 전단 변형을 일으킨다.
이에 의해 전단변형을 일으킨 측벽(32)사이의 압력실(홈;31) 용적이 급격히 작아지고, 그 압력실의 압력이 높아져서 잉크가 토출구에서 비상된다.
다음에, 특개소 63-247051호 공보에 기재된 발명에 대하여 설명한다.
제12도에 도시하는 바와같이 저벽(38)과 경벽(硬壁; 39)과 천장벽(40)과 액튜에이터(41)에 의해 둘러싸여 유로(42)가 형성되어 있다.
압전 세라믹에 의해 형성되고 Z 축 방향으로 분극된 액튜에이터(41)는 천장벽(40)에 접촉하는 스트립·시일(43)을 일단에 가지고 하단이 저벽(38)에 결합되어 있다. 또 액튜에이터(41) 양측에는 전극(44, 45)이 형성되어 있다. 또한, 유로(42)선단에는 노즐(46)이 형성되어 있다.
따라서, 잉크공급부에서 유로(42)에 잉크를 공급하고, 전극(44,45)에 전계를 인가하면 제12(b) 도에 도시하는 바와같이 액튜에이터(41)가 변형되고, 유로(42)의 용적이 압축되어, 내부의 잉크가 노즐(36)에서 비상한다.
특개평 2-150355 호 공보에 개시된 발명은 다음 4 개의 문제점이 있다.
제 1 도의 문제점은 측벽(32)의 변형량 (변위량)을 크게할 수 없는 점이다. 즉, 측벽(32)의 일부( 홈(31)깊이의 대략 절반) 에 전극(37)을 설치하고, 홈(31)을 사이로 하여 대향하는 한쌍의 전극(37)에 전압을 인가함으로써 저부시이트(30)의 분극방향과 수직인 전계를 걸어서 측벽(32)을 변형시키는데, 이때에 측벽(32)은 상부( 전극(37)이 형성된 부분)의 변형을 하부 (전극(37)이 형성되지 않는 부분)에서 받은 상태로 변형된다.
이에 의해 측벽(32)의 하부는 측벽(32)상부가 변형될 때의 저항이 된다. 또, 측벽(32) 자체는 모두 동일재료 (피에조 전기재료) 에 의해 형성되어 강성이 높기 때문에 측벽(32)의 변형량을 크게 할 수 없다. 이에 의해 압력실의 용적변화량도 작아진다.
제 2 의 문제점은 전극(37)의 형성방법이 복잡하여 코스트가 높다는 점이다. 즉, 측벽(32)의 일부( 홈(31)깊이의 대략 절반) 에만 전극(37)을 형성할 필요가 있기 때문에 구조가 복잡하여 특수한 진공증착장치를 이용하여 전극(37)을 형성하지 않으면 안된다.
또, 측벽(32)에 대하여 δ가 되는 각도로 규제하여 증착금속원자의 평행빔을 발사시켜서 측벽(32)의 한쪽면에 전극(37)을 형성하고, 그 후에 저부시이트(30)를 180 도 회전시켜 재차 평행 빔을 발사시켜서 측벽(32)의 다른쪽면에 전극(37)을 형성하지 않으면 안되어 공정수가 증가되어버린다.
제 3 의 문제점은 피에조 전극재료에 의해 형성된 저부시이트(30)에 균일한 전계를 걸 수 없는 점이다. 즉, 저부시이트(30)의 재료가 되는 피에조 전극재료는 일반적으로 결정입자가 모인 소성부재이기 때문에, 홈(31)을 형성하기 위하여 발생한 연삭면을 결정입자가 그대로 나타난 요철이 있는 표면으로 된다. 한편, 전극(37)을 형성하기 위하여 진공증착장치에 의한 금속의 증착은 증착금속원자발사원에 대향하지 않은 부분에는 증착되지 않는다. 따라서, 홈(31)의 연삭면의 표면조직의 볼록부에만 금속이 증착되고, 오목부에는 증착되지 않으며, 이 오목부 부분에 핀호울이 발생한다. 이 때문에, 저부시이트(30)에 균일한 전계를 걸 수 없다.
제 4 의 문제점은, 홈(31)의 연삭면은 잉크와의 접촉에 의해 부식되기 때문에 보호막을 형성할 필요가 있으나 그 보호막이 형성되기 어렵다. 저부시이트(30)는 상술한 바와같이 결정입자가 모인 소성부재에 의해 형성되고 홈(31)을 형성했을때에 생긴 요철이 있는 연삭면은 잉크에 접촉하면 부식된다. 그러나, 홈(31) 내면 일부밖에 전극(37)으로 덮을수 없고 또, 전극(37)도 상기 이유에 의해 핀호울의 발생을 방지할수 없기 때문에 보호막으로서의 기능을 기대할 수 없다.
다음에, 일본국 특개소 63-247051호 공보에 기재된 발명의 문제점에 대하여 설명한다.
제 1 의 문제점은 제12도에 도시하는 바와 같이 액튜에이터(41)의 단면형상과 일치하는 크기의 스트립·시일(43)을 다수의 액튜에이터(41)의 일단에 고착하지 않으면 안되어 많은 공정수를 필요로 한다.
제 2 의 문제점은 액튜에이터(41)와 저벽(38)과 경벽(39)이 잉크와 접촉하는 구조이고, 잉크에 의한 부식을 방지하는 대책이 채용되어 있지 않은 점이다. 천장벽(40)은 비교적 광범위한 재질의 종류로부터 부식하지 않는 것을 선택하기가 가능하고, 또, 단일체로 그 판형상 표면에 내식성 보호막을 용이하게 피복할 수 있으나 액튜에이터(41), 저벽(38), 경벽(39)은 일체의 압전세라믹에 홈(유로;42)을 파는 것으로써 형성되고, 전극(45)은 그 홈내에 설치되어 있는 것이다.
이와같이 홈내의 일부에 전극(45)을 설치하는 방법은 그 홈의 폭치수로서 고려하면 상기한 진공증착이나 스패터링에 의한 방법이라고 밖에 생각할 수 없으며, 따라서, 전극(5)에는 핀호울이 존재한다. 또, 저벽(38)과 경벽(39)이 잉크와 접촉하기 위한 구조로서 잉크에 의해 부식되는 것이 예상되는 것이다. 이 때문에 홈내를 보호막으로 피복하는 것도 생각할 수 있으나, 진공증착법이나 스패터링법 등의 일반적인 방법은 피복물질의 중착원에 대향하는 면에만 피복막이 형성되는 것이고, 액튜에이터(41), 저벽(38), 경벽(39)의 요철 절단면 전면에 보호막을 형성한다는 것은 안되는 것이다.
본 발명의 제 1 의 목적은 압력실의 용적변화율을 크게하는 점에 있다.
본 발명의 제 2 의 목적은 전극의 형성을 용이하게 하는 점에 있다.
본 발명의 제 3 의 목적은 핀호울이 없는 전극을 형성하는 점에 있다.
본 발명의 제 4 의 목적은 압력실내에 보호막을 유효하게 형성하는 점에 있다.
청구범위 제 1 항의 발명은 판두께 방향으로 분극된 판형상의 압전부재와, 비도전성 및 비전왜성으로서 상기 압전부재의 강성보다 낮은 강성재료에 의해 형성되어 상기 압전부재에 접합된 기판과, 상기 압전부재 표면에서 이 압전부재와 상기 기판과의 접합면을 초과하는 깊이를 가지고 형성되고 일단에 잉크토출구를 가지고 잉크공급부에 접속되는 복수의 압력실과, 이들 압력실 양측에 배치되어 상기 압전부재와 상기 기판에 형성된 복수의 지주와, 상기 압력실의 상기 기판측 일면과 양 내측면과의 전면에 접합된 복수의 전극과, 상기 압전부재에 표면접합된 천판에 의해 구성하였다.
따라서, 전극에 전압을 인가함으로써 지주를 변형시켜 압력실 용적을 변화시키고, 그 압력실의 압력을 높여 내부의 잉크를 잉크공급부에서 토출시킨다. 지주의 천판측의 일부는 강성이 높은 압전부재에 의해 형성되어 있으나 나머지 부분은 압전부재보다 강성이 낮은 기판에 의해 형성될 수 있고, 이 결과, 압전부재측의 지주의 변형에 대한 기판측 지주에 의한 저항력이 절감되고, 이에 의해 지주의 변형량을 크게하며 잉크방울의 토출특성을 향상시킬 수 있다. 또, 홈 양측에 위치하는 지주일부가 전왜성이 없는 재료에 의해 형성되어 있기 때문에, 이 전왜성이 없는 지주일부를 포함하며 홈의 기판측 일면과 양측면과의 전면에 전극을 형성하여도 전계를 압전부재에 의한 지주의 일부에만 작용시킬 수 있다. 그 때문에 홈내의 일부에만 전극을 설치하는 복잡한 공정을 생략할 수 있다.
청구범위 제 2 항의 발명은, 판두께 방향으로 분극된 판형상 압전부재와, 비도전성 및 비전왜성으로서 상기 압전부재의 강성보다 낮은 강성의 재료에 의해 형성된 기판을 접합하고, 상기 압전부재의 표면에서 상기 기판내부에 도달하는 가늘고 긴 복수개의 홈을 연삭가공에 의해 형성하고, 상기 기판의 상기 홈 표면에 이 기판의 내부조직을 노출시키고, 상기 홈의 전내면에 전극을 무전해 도금에 의해 형성하며, 상기 압전부재 표면에 천판을 접합함으로써 상기 각 홈의 개구면을 폐색하여 압력실을 형성하고, 이들 압력실에 잉크토출구를 형성하도록 하였다.
따라서, 압전부재와 플라스틱 등의 비전왜성 기판에 홈을 형성하고, 기판의 홈 표면에 그 비전왜성의 내부조직을 노출시켜, 이 노출면과 압전부재의 홈 표면과의 전면에 무전해 도금에 의해 전극을 형성하도록 했기 때문에 비전왜성 기판의 홈 표면에 있어서의 내부조직노출면과 전압부재의 홈표면과의 전면에, 동시에 전처리를 행할수 있음과 동시에 그 후의 무전해도금도 동시에 행할 수 있고, 이에 의해 염가의 무전해 도금에 의한 전극형성방법을 채용할 수 있다. 또, 무전해 도금방법을 채용함으로써 압전부재에 홈을 형성하는 것으로 인하여 발생하는 연삭면에 요철이 있더라도 핀호울이 없는 균일한 전극을 형성하여 압전부재에 균일한 전계를 걸 수 있다. 또한, 압력실의 기판측 일면과 양내면측과의 전면에 핀호울이 없는 전극을 형성할 수 있기 때문에, 압력실의 내면이 잉크에 의해 부식되는 것을 방지함과 동시에 보호막 형성을 생략하여코스트다운을 도모할 수 있다.
청구범위 제 3 항의 발명은 무전해 도금용 촉매핵을 혼입한 플라스틱에 의해 기판을 형성하였다. 따라서, 촉매핵에 도금의 금속을 석출시켜서 도금에 의한 전극의 밀착성을 향상시킬 수 있다.
청구범위 제 4 항의 발명은 압전부재의 표면에서 기판 내부에 도달하는 깊이를 가지고 연삭된 복수의 홈내면에 무전해 도금용 촉매를 부여하고, 상기 압전부재 표면에 전극형성부 및 통전용 배선패턴형성부 이외의 부분을 덮는 마스크를 포토링그래피 수법에 의해 형성하고, 상기 압전부재와 상기 기판을 무전해 도금욕에 침지시킴으로써 상기 전극형성부에 있어서의 전극과 상기 배선패턴 형성부에 있어서의 배선패턴을 동시에 형성하도록 하였다. 따라서, 전극과 이 전극을 전원부에 접속하는 배선패턴을 동시에 형성하여 공정수를 적게할 수 있다.
본 발명의 일실시예를 제 1 도 내지 제 9 도에 의거하여 설명한다. 우선, 제 3 도 내지 제 5 도를 참조하여 제작공정순으로 잉크제트프린터헤드의 구성을 설명한다. 제3(a)도에 도시하는 바와같이, 비도전성 및 비전왜성으로서 압전부재보다 낮은 강성의 재료에 의해 형성된 기판(1) 상에 판두께 방향으로 분극된 압전부재(2)를 접착제에 의해 접착한다.
본실시예에 있어서, 기판(1)의 재료는 액정폴리머(니혼세끼유가가꾸 가부시끼가이샤 일본석유화학 주식회사제품의 상품명 자이타)가 선택되어 있다. 또, 접착제는 일반적으로 구조용 접착제로서 비도전성의 것을 사용하지만 종류에 따라서는 기포가 혼입하여 접착강도가 저하되므로 이와같은 경우는 탈포처리를 한다. 접착층의 두께는 1㎛ 정도가 좋다. 상기 압전부재(2)는 분극되어 있기 때문에, 온도를 일정 이상으로 올리면 특성이 열화된다. 그래서 기판(1)과 압전부재(2)와의 접착에 있어서는 압전부재(2)가 온도열화되지 않을 경화온도로 정해진 접착제가 사용되고 있다. 본 실시예에 있어서는 스미도모 스리엠 가부시끼가이샤제품의 상품명 스코치웰드 1838B/A란 접착제가 사용되고 있다.
계속하여, 제3(b)도에 도시하는 바와같이 압전부재(2)의 표면에서 기판(1) 내부에 이르는 다수의 홈(3)을 소정간격을 두고 평행으로 연삭가공하는데, 이 연삭가공에 앞서 압전부재(2)의 표면을 기준으로하여 기판(1)의 저면을 연삭하고, 기판(1)과 압전부재(2)와의 판두께의 합계를 일정하게 하며, 기판(1)을 연삭가공기 헤드에 고정하고, 이 헤드를 기준으로 연삭 보내기량을 결정함으로써 각 홈(3)의 깊이를 일정하게 할 수 있다. 물론, 홈 가공의 전가공을 행하지 않아도 압전부재(2)의 상면을 기준으로 연삭보내기량을 결정하여도 같은 목적을 달성할 수 있다. 이 공정에서는 홈(3) 양측에 위치하는 지주(4)도 형성되지만, 이들 지주(4)는 압전부재(2)에 의한 상부지주(4a)와 강성이 작은 하부지주(4b)에 의해 이루어진다. 여기서는 홈(3)의 폭은 80㎛, 홈(3)의 배열피치는 169㎛, 홈(3)의 깊이는 160㎛로 정해져 있다. 또, 홈(3) 연삭에 사용되는 공구는 IC의 기판을 형성할때에 웨이퍼를 절단하는 다이싱소의 다이아몬드 호일이 일반적으로 사용된다.
본 실시예에 있어서는 가부시끼가이샤 디스코제의 NBCZ 1080 또는 1090의 2 인치의 블레이드를 30000r.p.m의 회전수를 가지고 회전시켜 연삭하였다. 그리고, 기판(1) 재질의 액정폴리머로 함으로써 연삭시에 버어(burr)가 생기지 않는 깨끗한 연삭면이 형성된다.
다음에, 무전해 도금에 의해 전극을 형성하기 전에 기판(1)과 압전부재(2)를 세정하여 전처리를 행한다. 즉, 액온 50℃의 30%의 수산화 칼륨용액에 의해 기판(1)과 압전부재(2)에 30분간의 에칭처리를 시행하고, 이에 의해 기판(1)과 압전부재(2)의 홈(3)의 내면거칠기는 도금의 밀착강도가 충분한 거칠기가 된다.
그리고, 탈지 및 후공정에서의 촉매의 흡착성을 향상시킬 목적으로 케라이온(양이온) 활성제를 이용하여 크리너컨디셔너를 행한다. 다시, 촉매화를 행한다. 즉, 기판(1)과 압전부재(2)를 수세한 후, NaCℓ과 같은 중성염에 Pd 및 Sn 을 함유하는 캐타리스트욕에 기판(1)과 압전부재(2)를 침지하고, 계속하여 기판(1)과 압전부재(2)에 산성의 액셀레이터처리를 시행하여 이들 표면에 촉매로서의 Pd만을 남기고 건조시킴으로써 전처리가 완료된다. 또한, 본 공정에 있어서의 각 처리액을 홈(3) 세부까지 침투시키기 위해서는 초음파를 병용하는 것이 바람직하다.
다음에, 전극형성부 및 배선패턴 형성부 이외의 범위로 제한하여 압전부재(2)의 표면에 마스크를 건다. 이 방법은 제3(c)도에 도시하는 바와 같이 압전부재(2) 표면에 드라이필름(5)을 첨부한다. 또한, 그 위에 제4(a)도에 도시하는 바와같이 레지스트용 마스크(6)를 얹어서 노광 및 현상처리를 행한다. 이에 의해 제4(b)도에 도시하는 바와같이 압전부재(2) 표면에는 전극형성부 및 배선패턴형성부 이외의 부분에 레지스트막(7)이 형성되고, 전극형성부 및 배선 패턴 형성부에는 촉매로서 Pd가 남는다.
다음에, 기판(1)과 압전부재(2)를 도금액에 침지하여 무전해 도금을 행한다. 이때, 전극이나 배선패턴을 불필요로 하는 면을 레지스트막(7)에 의해 도금액으로 보호할 수 있다. 이 무전해 도금에는 니켈도금이나 금도금이 적합하다. 도금욕은 금속염 및 환원제로 이루어지는 주성분과 보조성분에 의해 형성된다. 보조성분은 pH 조정제, 완충제, 착화제, 촉진제, 안정제, 개량제 등으로 이루어진다. 도금욕은 도금하는 금속에 따라 다르는데, 본 실시예에 있어서는 니켈- 인계의 저온도금욕을 사용하여 도금의 평균막두께를 2 내지 3㎛로 하였다. 또, 무전해 도금은 전기도금과 달리 화학도금이기 때문에 도금욕의 pH와 온도와 욕성분 농도를 관리하는 것만으로 석출거동을 결정할 수 있다. 도금욕에 침지된 기판(1)과 압전부재(2)는 레지스트막(7)에 의해 피복되어 있지 않은 표면에 존재하는 Pd가 촉매가 되고, 이 부분에 도금금속이 석출되기 시작한다. Pd (촉매) 가 도금금속으로 피복되면 석출된 도금금속이 자기 촉매가 되어 반응이 계속된다. 이에따라 도금금속의 막두께가 바람직한 두께가 되는 시점에서 무전해도금 처리공정을 종료함으로써 제5(a)도에 도시하는 바와같이 레지스트막(7)이 존재하지 않는 홈(3)의 내면 전면에 전극(8)이 형성되고, 동시에 압전부재(2)의 레지스트막(7)이 존재하지 않는 표면에 전극(8)과 접속하는 배선패턴(9)이 형성된다. 기판(1) 및 압전부재(2)는 이들 표면의 세부조직까지 도금액이 침투하며 핀호울이 발생하지 않기 때문에 기판(1)과 압전부재(2)와의 접합면이 되는 내수성이 약한 접착제를 포함하여 홈(3) 내면을 잉크에서 보호할 수 있다. 이에의해, 보호막의 형성을 생략할 수 있다. 또, 전극(8)과 배선패턴(9)과의 막두께도 균일하다.
이어서 제5(b)도에 도시하는 바와 같이 압전부재(2) 표면의 레지스트막(7)을 박리한다.
그리고, 제5(c)도에 도시하는 바와같이 압전부재(2) 표면에 천판(10)을 접착한다. 이때, 도금막의 막두께보다 두꺼운 레지스트막(7; 대략 20㎛)이 제거되어 있기 때문에 천판(10)을 압전부재(2)의 상면에 양호하게 접합시킬 수 있다. 그리고, 각 홈(3)의 선단에 연통되는 다수의 잉크토출구(11)가 형성된 노출판(12)을 기판(1)과 압전부재(2)와 천판(10)과의 측면에 고정함으로써 잉크제트프린터헤드가 완성된다. 또, 천판(10)은 잉크공급부(도시않음)의 각홈(3)을 접속하는 잉크공급관(13)을 갖는다. 또, 제 1 도에 도시하는 바와같이 각 홈(31)의 개구면을 천판(10)에 의해 폐색함으로써 압력실(14)이 형성된다.
이와같은 구성에 있어서, 제 1 도에 있어서, 중앙의 압력실(14)의 잉크를 토출시킬 경우에 대하여 설명한다. 압력실(14)의 각각에는 잉크공급관(13)에서 잉크가 공급된다. 여기서 중앙의 압력실(14)의 전극(8)과 좌측에 인접한 압력실(14)의 전극(8)과의 사이에 배선 패턴(9)을 통하여 전압(A)을 인가하고, 중앙의 압력실(14)의 전극(8)과 우측에 인접하는 압력실(14)의 전극(8)과의 사이에 전압(B)을 인가한다. A,B의 전압의 극성은 반대로, 상부 지주(4a)에는 화살표에 의해 표시되는 분극방향과 직교하는 방향으로 전계가 걸린다. 이에 의해 중앙의 압력실(14) 좌측 지주(4)는 좌측으로 변형되고, 우측 지주(4)는 우측으로 변형되며, 중앙의 압력실(14) 용적이 증대하고 그 양측 압력실(14) 용적은 감소한다.
제 2 도에 전압(A,B)의 인가상태를 표시하나, 일정기간( a)의 사이에서 전압(A,B)이 완만하게 높여지기 때문에, 용적이 감소한 좌우의 압력실(14)의 잉크가 잉크토출구(11)에서 비상하는 일은 없다. 중앙의 압력실(14)은 용적의 증대에 의해서 내압이 저하하고 잉크토출구(11)의 매니스커스(meniscus)(잉크의 표면)가 약간 후퇴하나 잉크공급관(13)의 잉크를 흡인한다.
제 2 도의 b 시점에서는 지금까지와는 반대의 전압이 전극(8)에 급격하게 인가되기 때문에, 중앙의 압력실(14)의 좌측의 지주(4)는 우측에 변형되고 우측 지주(4)는 좌측으로 변형되어, 중앙의 압력실(14)의 용적은 급격하게 감소된다. 이에따라 중앙의 압력실(14)의 잉크토출구(11)에서 잉크가 비상이 된다. 이때의 전압은 제 2 도 c에 의하여 도시한 일정기간 인가되어, 이사이는 비상중의 잉크방울의 꼬리부는 잉크토출구(11)에서 분리되는 일은 없다.
제 2 도의 d시점에서 전극(8)에의 전압인가를 급격하게 차단하면, 변형된 지주(4)가 원래의 자세로 복귀하기 때문에 중앙의 압력실(14)의 내압이 급격하게 저하하여, 따라서, 잉크토출구(11)의 잉크가 안쪽으로 흡인이 되어 비상중의 잉크방울의 꼬리부가 압력실(14)의 중심을 통하는 직선상에서 분리된다. 이것에 따라서 잉크방울의 비상방향이 일정하게되고, 비상중의 잉크방울이 복수로 분리되는 상태, 즉 세틸라이트 도트의 발생을 방지할 수가 있다. 전극(8)에의 통전을 차단한 순간에 중앙의 압력실(14)의 좌우양측의 압력실(14)의 내압은 상승하나, 잉크토출구(11)에서 잉크를 비상시킬 정도의 압력에는 이르지 않는다.
이상과 같이 지주(4)의 천판(10)측의 일부 (상부지주(4a))는 강성이 높은 압전부재(2)에 의해서 형성 되어 있으나 나머지부분(하부지주(4b))은 압전부재(2)보다 강성이 낮은 기판(1)에 의해서 형성할 수가 있으며, 이결과, 압전부재(2)의 상부지주(4a)의 변형에 대한 기판(1)의 하부지주(4b)에 의한 저항력이 저감되고, 따라서 지주(4)의 변형량을 크게하여 잉크방울의 토출특성을 향상시키는 것이 가능하게 된다.
이와관련하여, 제 6 도에 도시한바와 같이, 홈(3)의 깊이 및 지주(4)의 높이(h)를 160㎛으로, 지주(4)의 폭(B)을 80㎛으로 지주(4)의 길이(L)를 10㎜로 설정하여 압전부재(2)의 압전정수(d15) 및 압전부재(2)의 탄성정수(S44)를 다음과 같이 설정한다.
그리고, 이들의 조건을 기초로, 압전부재(2)의 두께(y)와 기판(1)의 탄성정수(강성율의 역수)(Sp)와의 값을 여러 가지로 변화시켜서 지주(4)의 변형량과 전단력과 변형에너지와의 변화를 조사한다.
제 7 도는 압전부재(2)의 두께(y)와 지주(4)의 변형량과의 관계를 나타낸 그래프이며, 제 8 도는 지주(4)에 작용하는 전단력과 압전부재(2)의 두께(y)와의 관계를 나타낸 그래프이고, 제 9 도는 지주(4)의 변형에너지와 압전부재(2)의 두께(y)와의 관계를 나타낸 그래프이다.
이들의 그래프중, 기판(1)의 탄성정수(강성율의 역수)(Sp)의 값을 압전부재(2)의 두께 미끄럼에 있어서 탄성정수(S44)의 값과 같은 37.4×￣12㎡/N으로 변화시킨 경우의 특성이 종래의 구조 (지주전체가 압전부재로 형성된 구조)에 대응되는 것이다.
따라서, 기판(1)의 탄성정수(Sp)를 크게함으로써 지주(4)를 효율이 좋게 변형시킬수 있으며, 이 Sp와 홈(3)의 깊이(h)와 압전부재(2)의 두께(y)를 적당하게 선택함으로써, 변형특성, 전단특성, 에너지특성도 가장 좋은 잉크제트 프린터 헤드를 얻을수가 있다.
제 9 도의 에너지특징에 착안하면, 압전부재(2)의 두께(y)를 변화시킨 범위내에서는 다른 기판(1)의 탄성정수(Sp)마다에 극대치가 존재하고, 그들의 극대치를 이은선이 A이다. 이들의 극대치를 표시한 경우의 압전부재(2)의 두께(y)는 홈(3)의 깊이 및 지주(4)의 높이(h), 압전부재(2)의 두께 미끄럼에 있어서 탄성정수(S44), 기판(1)의 탄성정수(강성율의 역수) Sp등의 매개변수에 의해 다음식에 의하여 결정이 된다.
따라서, 이 식에 의하여 구하여진 y 의 값이 근사치 압전부재(2)의 두께를 설정함으로써, 지주(4)의 변위량을 크게하여 잉크의 토출특성을 향상시킬수가 있다. 또한 홈(3)의 양측에 위치하는 지주(4)의 일부(하부) 지주(4b)가 전왜성이 없는 재료에 의해서 형성되어 있으므로, 이 전왜성이 없는 하부지주(4b)를 포함하여 홈(3)의 기판한쪽의 일면(저면)과 양측면과의 전면에 전극(δ)을 형성하여도, 전계를 압전부재(2)에 의한 상부지주(4a)에만 작용시킬수가 있으며, 이에따라, 염가의 무전해 도금에 의한 전극 형성을 채용할수 있다.
또한, 무전해도금방법을 채용함으로써 압전부재(2)에 홈(3)을 형성함으로써 발생하는 연삭면에 요철이 있어도 핀호울이 없는 균일한 전극(δ)을 형성하여 압전부재(2)에 균일한 전계를 걸수가 있다. 더욱이, 압력실(14)내에 있어서의 압전부재(2)와 기판(1)과의 내면전면에 핀호울이 없는 전극(8)을 형성할수 있기 때문에, 압력실(14)의 내면이 잉크에 의해서 부식되는 것을 방지함과 동시에, 보호막의 형성을 생략하여 코스트다운을 도모할수 있다.
상기 실시예에 있어서, 액정폴리머에 의해서 기판(1)을 형성한 상태에서 설명하였느나, 기판(1)을 PPS 수지에 의해서 형성하여도 지주(4)의 변형량을 크게 하는 결과를 얻을수가 있다. 이 경우에는 무전해도금에 의해서 전극(8)을 형성하는 전처리에 사용이 되는 에칭액으로서, 불화주석에 첨가제를 혼합시킨 것을 사용하여, 25℃에서 약 30분간 에칭하였다. 또한, 도금액은 니켈붕소계의 것을 사용하였다.
또한, 다른 실시예로서, 엔진니어링 플라스틱에 무전해 도금의 촉매핵으로 되는 금속분말을 혼입한 재료에 의해서 기판(1)을 형성하는 방법이 있다. 이와같은 재료의 기판(1)에 홈(3)을 연삭가공을 하면, 홈(3)의 표면에 촉매핵이 노출되어, 그 촉매핵에서 도금금속이 석출됨으로써 도금의 밀착강도가 증대하게 된다.
촉매핵으로되는 금속분말은 팔라듐, 로듐, 은, 금 등이 있으나, 1㎛ 이하의 Pd를 중량비로 2 내지 5% 혼입한 PPS 수지를 사용함으로써, 양호한 도금(전극(8))을 얻을 수가 있다.
또한 기판(1)의 재료는 상기의 것에 한한 것은 아니고, 비도전성인 것과, 비전왜성인 것과, 압전부재(2) 보다 강성이 낮은것과, 압전부재(2)에 접착이 가능한 것과, 압전부재(2)에 접합한 후에 다이아몬드 호일로 홈(3)을 연삭한때에 깨끗한 연삭면이 형성이 되는것과, 압전부재(2)에 무전해 도금을 시행한때에 밀착성이 좋은 도금을 동시에 행할수 있는 조건을 만족하는 것이라면, 적용이 가능하다. 또한, 도금이 되는 금속은 값싼니켈의 사용이 가능하나, 잉크의 성분에 의하여는 전극(δ)이 부식되는 것을 생각하 경우에는, 금을 사용하여 해결할 수 있다. 이 경우에, 니켈도금상에 얇은 금도금을 시행하여 전극(8)을 형성함으로써, 코스트의 상승을 어느정도 억제하는 것이 가능하다.
청구범위 제 1 항의 발명은 판두께 방향으로 분극된 판형상의 압전부재와, 비도전성 및 비전왜성으로서 상기 압전부재의 강성보다 낮은 강성재료에 의해서 형성되어 상기 압전부재에 접합된 기판과, 상기 압전부재의 표면에서의 압전부재와 상기 기판과의 접합면을 초과하는 깊이를 가지고 형성된 일단에 잉크토출구를 가지고 잉크공급부에 접속되는 복수의 압력실과, 이들의 압력실의 양측에 배치되어 상기 압전부재와 상기 기판에 형성된 복수의 지주와, 상기 압력실의 상기 기판측의 일면과 양 내측면과의 전면에 접합된 복수의 전극과, 상기 압전부재에 표면접합된 천판으로 구성되었으므로 전극에 전압을 인가함으로써 지주를 변형시켜 압력실의 용적을 변화시키고, 그 압력실의 압력을 높혀서 내부의 잉크를 잉크공급구로부터 토출시킨다.
지주이 천판측의 일부는 강성이 높은 압전부재에 의해서 형성되어 있으나 나머지의 부분은 압전부재보다 강성이 낮은 기판에 의해서 형성될 수 있으며 이결과, 압전부재측의 지주의 변형에 대한 기판측의 지주에 의한 저항력이 저감되고, 따라서, 지주의 변형량을 크게하여 잉크방울의 토출특성을 향상시킬수가 있으며, 또 홈의 양측에 위치하는 지주의 일부가 전왜성이 없는 재료에 의해서 형성되어 있으므로, 이 전왜성이 없는 지주의 일부를 포함하여 홈의 기판측의 일면과 양측면과의 전면에 전극을 형성하여도 전계를 압전부재에 의한 지주의 일부에만 작용시킬수가 있으며, 따라서, 홈내의 일부에만 전극을 설치하는 것과 복잡한 공정을 생략할 수가 있는등의 효과를 가진다.
청구범위 제 2 항의 발명은, 판두께 방향으로 분극된 판형상의 압전부재와, 비도전성 및 비전왜성으로서 상기 압전부재의 강성보다 낮은 강성의 재료에 의해서 형성된 기판을 접합하여 상기 압전부재의 표면으로부터 상기 기판의 내부에 도달하는 가늘고 긴 복수개의 홈을 연삭가공에 의해서 형성하여, 상기 기판의 상기홈의 표면에 이 기판의 내부조직을 노출시켜서, 상기 홈의 전내면에 전극을 무전해도금에 의해서 형성하고, 상기 압전부재의 표면에 천판을 접합함으로써 상기 각홈의 개구면을 폐색하여 압력실을 형성하며, 이들의 압력실에, 잉크토출구를 형성하도록 한것임으로, 비전왜성의 기판의 홈의 표면에 있어서 내부조직노출면과 압전부재의 홈의 표면과의 전면에, 동시에 전처리를 행할 수가 있는 동시에 그후의 무전해도금도 동시에 행할 수가 있으며, 이에 따라 염가의 무전해 도금에 의한 전극형성방법을 채용할 수가 있으며 또한 무전해도금방법을 채용함으로서, 압전부재에 홈을 형성함으로써 생긴 연삭면에 요철이 있어도 핀호울이 없는 균일한 전극을 형성하여 압전부재에 균일한 전계를 걸수가 있다.
또한 압력실의 기판측의 일면과 양내측면과의 전면에 핀호울이 없는 전극을 형성할 수가 있기 때문에, 압력실의 내면이 잉크에 의해서 부식되는 것을 방지하는 동시에, 보호막의 형성을 생략하여 코스트 다운을 도모할수 있는등의 효과를 가진다.
청구범위 제 3 항의 발명은, 청구범위 제 2 항에 있어서, 무전해도금용의 촉매핵을 혼입한 플라스틱에 의해서 기판을 형성하였음으로 촉매핵에 도금의 금속을 석출시켜서 도금에 의한 전극의 밀착성을 향상시킬 수 있는 효과를 가진다.
청구범위 제 4 항의 발명은 청구범위 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 압전부재의 표면으로부터 기판의 내부에 도달하는 깊이를 가지고 연삭된 복수의 홈의 내면에 무전해 도금용의 촉매를 부여하여, 상기 압전부재의 표면에 전극형성부 및 통전용의 배선패턴 형성부이외의 부분을 덮는 마스크를 포토링 그래피의 수법에 의해서 형성하여, 상기 압전부재와 상기 기판을 무전해 도금욕에 침지시킴으로써 상기 전극형성부에 있어서의 전극과 상기 배선패턴 형성부에 있어서의 배선패턴을 동시에 형성하도록 한것임으로 전극과 이 전극을 전원부에 접속하는 배선패턴을 동시에 형성하여 공정수를 적게할수 있는 효과를 가진다.
Claims (4)
- 판두께 방향으로 분극된 판형상의 압전부재와, 비도전성 및 비전왜성으로서 상기 압전부재의 강성보다 낮은 강성의 재료에 의해서 형성되어 상기 압전부재에 접합된 기판과, 상기 압전부재의 표면에서 이 압전부재와 상기 기판과의 접합면을 초과하는 깊이로 형성된 일단에 잉크토출구를 가지고 잉크공급부에 접속된는 복수의 압력실과, 이들의 압력실의 양측에 배치되어 상기 압전부재와 상기 기판에 형성된 복수의 지주와, 상기 압력실의 상기 기판측의 일면과 양 내측면과의 전면에 접합된 복수의 전극과, 상기 압전부재에 표면접합된 천판으로 이루어진 것을 특징으로 하는 잉크제트프린터헤드.
- 판두께 방향으로 분극된 판형상의 압전부재와, 비도전성 및 비전왜성으로서 상기 압전부재의 강성보다 낮은 강성의 재료에 의해서 형성된 기판을 접합하고, 상기 압전부재의 표면으로부터 상기 기판의 내부에 도달하는 가늘고 긴 복수개의 홈을 연삭가공에 의해서 형성하며, 상기 기판의 상기 홈의 표면에 이 기판의 내부조직을 노출시켜서, 상기 홈의 전내면에 전극을 무전해 도금에 의해서 형성하고, 상기 압전부재의 표면에 천판을 접합함으로서 상기 각홈의 개구면을 폐색하여 압력실을 형성하며, 이들의 압력실에 잉크토출구를 형성하도록 한 것을 특징으로 하는 잉크제트프린터헤드의 제조방법.
- 제 2 항에 있어서, 무전해도금용의 촉매핵을 혼입한 플라스틱에 의해서 기판을 형성한 것을 특징으로 하는 잉크제트프린터헤드의 제조방법.
- 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 압전부재의 표면으로부터 기판의 내부에 도달하는 깊이를 가지고 연삭된 복수의 홈의 내면에 무전해도금용 촉매를 부여하고, 압전부재의 표면에 전극형성부 및 통전용의 배선패턴 형성부 이외의 부분을 덮는 마스크를 포토링그래피의 수법에 의해서 형성하고, 상기 압전부재와 상기 기판을 무전해 도금욕에 침지함으로서 상기 전극형성부에 있어서 전극과 상기 배선패턴형성부에 있어서의 배선패턴과 동시에 형성하도록 한 것을 특징으로 하는 잉크제트프린터헤드의 제조방법.
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