KR100239796B1

KR100239796B1 - 잉크젯 헤드

Info

Publication number: KR100239796B1
Application number: KR1019970051527A
Authority: KR
Inventors: 준 꼬다마; 아끼라 이와이시; 까즈끼 오가와; 이사오 미조부찌; 마사히로 나가이; 마사유끼 까토; 토모히사 신가이; 유지 요시다; 료수께 야부
Original assignee: 아끼구사 나오유끼; 후지쓰 가부시끼가이샤
Priority date: 1996-12-17
Filing date: 1997-10-08
Publication date: 2000-01-15
Also published as: JPH10166578A; JP3257960B2; KR19980063513A; US6223405B1

Abstract

본 발명은 연속하여 배열된 복수의 압력실과, 이들 압력실에 잉크를 공급하는 수단과, 각 압력실로부터 잉크를 토출하는 수단을 구비하여, 각 압력실의 체적변화에 의해 잉크의 공급·토출을 행하는 잉크젯 헤드에 있어서, 압전체의 복수의 변형을 복합시켜 이용하도록 함을 과제로 한다. 복수의 압력실의 배열방향에 수직인 서로 대향하는 1 쌍의 복합판상부재를 구비하고, 이들 1 쌍의 복합판상부재 사이에 압력실 공간을 규정하고, 각 복합판상부재는 전압이 인가됨으로써 변형하는 압전체로 구성되는 활성부와, 활성부와는 다른 재료에 의해 구성되고 또 활성부의 압전체에 전압을 인가하는 전극을 포함하는 비활성부를 접합함으로써 구성되고, 활성부와 비활성부 간에서 발생하는 바이모르프 효과에 의한 만곡변형을 일으키고, 만곡 변형은 대향하는 2개의 복합판상부재 사이에서 상호 반대 방향으로 작용시킨다.

Description

잉크젯 헤드

본 발명은 프린터, 복사기, 팩시밀리 등의 문자 또는 화상 등의 기록장치 등에 적용되는 잉크젯식 프린터, 특히 압전체의 왜곡을 펌프의 구동원으로 이용한 잉크젯 헤드에 관한 것이다.

최근의 사무기기의 자동화의 환경에 있어서, 프린터의 존재는 불가결하고, 개인용 프린터도 보급되었다. 개인용 프린터로서는, 와이어를 구동하여, 잉크 리본 및 용지를 거쳐서 이 와이어를 플래튼(platen)에 압압함으로써 용지상에 프린팅을 행하는 와이어 구동형의 프린터에 비해, 잉크젯 헤드를 이용한 잉크젯식 프린터는 소음이 없고, 비교적 고속으로 프린팅할 수 있고, 용지 1 매당 프린팅 비용이 적기 때문에 주목을 받고 있다.

압전체의 변형을 이용하는 펌프는 그 고속 응답성에 의해 밸브를 갖지 않는 펌프를 구성할 수 있다는 큰 특징을 가져서, 소형으로 고장이 적은 펌프를 필요로 하는 잉크젯 헤드에 적합하게 사용되고 있다. 즉, 펌프 유로를 입력측과 출력측에 저항과 길이가 다르도록 설계한 것이고, 급속한 수축에서는 유로 길이가 짧은 쪽으로 분사하고, 긴 유로측은 응답지연에 의해서 유출이 적다. 다음에 완만한 팽창을 행하면 양자의 단면적의 선택에 의해서 유입량의 차가 생겨 전체적으로 한쪽 방향의 흐름을 형성할 수 있다.

잉크젯에서는 압력실이 팽창할 때에는 분출 노즐의 외측이 대기이고, 노즐의 대기측 표면 장력이 노즐로부터 압력실로의 공기 유입을 방해하므로 압력실에는 공급로 측으로만 잉크가 유입되어 더 강한 지향성을 갖는다. 이와 같은 속도비를 가질 수 있는 구동체로서는 압전체가 적합하고, 특히 두께 방향의 변형이 초음파 진동자에도 사용되도록 MHz 차수로도 응답할 수 있다.

종래의 압전체를 사용한 잉크젯 헤드에서는 압전체의 압전 효과에 의한 극성 방향의 신축이 직교하는 방향의 신축만, 또는 압전 효과의 전단 변형만을 이용하여 압전실의 체적변화를 발생시키는 구조로 압전 효과 중 하나의 변형 방향만이 잉크를 가압하는 수단으로서 사용될 뿐이다.

압전체의 변형은 분극 방향을 d₃₃라 하고, 분극 방향에 수직인 방향은 d₃₁이라 하지만, 압전실의 두께 변형은 그 압전 정수(d₃₃)가 650 × 10^-12m/V에 불과하고, 압전체의 두께의 여하에 불구하고, 전압을 100 V로 하여도 팽창은 70 nm 정도이고, 압력실을 규정하는 압전체의 벽 면적을 과잉으로 크게 하지 않는한 수축 용적이 매우 작은 펌프가 될 수 밖에 없다. 즉, 전압(E)을 분극 방향으로 가하고, 그 방향의 압전체 두께를 t로 하면, 전계 강도는 E/t이고, 이것에 의한 두께 방향(즉 분극 방향)의 변형은

(E/t) × d₃₃× t = Ed₃₃

으로 된다.

그러나, 압전체에 압전 효과를 일으킬 경우, 복수 방향에서의 신축이나 전단이 생기므로, 효율이란 점에서도 이들의 변형을 단독으로 사용하지 않고 복합시켜 이용하는 것이 에너지 효율이라는 점에서 보면 중요하다. 또, 압전체의 복수의 변형을 복합시켜 이용함으로써, 저전압에서도 현상과 동일한 압력실의 체적변화를 얻을 수 있고, 전력원으로 이러한 비용을 억제한 저가의 구조를 제작할 수 있다.

여기서, 압전체의 압전 효과에 의한 극성 방향인 d₃₃방향의 신축 상태와 극성 방향에 직교하는 d₃₁방향의 신축 상태를 복합시켜 이용할 수 있도록 하여 에너지 효율이 양호한 잉크젯 헤드를 구성한다. 압전체에 전압을 인가하여 압전체의 d₃₁방향을 수축시키는 경우를 생각하면, 압전체의 d₃₃방향이 팽창하므로 이들의 상대하는 거동의 한 쪽을 압전체와 다른 재료로 구성한 복합 부재에 발생하는 바이모르프 효과에 기인하여 이용한다. 즉, 압전체 그 자체의 압전 효과에 의한 변형과, 그 압전체와 다른 재료에 의해서 구성한 복합 부재에서 바이모르프 효과에 의한 변형을 겹치게 해서 잉크에 가압을 행한다.

즉, 평판의 압전체(활성부)에 다른 재료로 된 비활성부를 부착하면, 압전체는 두께 방향으로 팽창하는 동시에 면 방향으로 수축하므로, 비활성부 사이에 왜곡이 발생하고 이것을 완화하기 위해 휘게 된다.

도 1 및 도 2에 그 개념도를 나타낸다. 이들의 도면에 있어서, 1은 복합판상부재, 2는 압전체로 된 활성부, 3은 비활성부, 4는 고정벽이다. 휨에 의한 곡률반경은 비활성측(두께 h₁)에서는 약간 크고, 내측의 활성부(두께 h₂)에서는 작으므로, 근소하나 면방향의 길이가 달라진다. 이 변화로 압전체의 왜곡(δ)에 대해 큰 변형을 일으킨다. 이 원인은 잉크젯의 분사 기구로서 오래전부터 시도되어 왔으나, 적용에 한계가 있음도 지적되었다. 이런 원인을 들면, (1) 확대율을 올리는데는 압전체를 얇은 막으로 하는 것이 유리하나, 얇은 두께의 압전체 형성이 곤란한 점, (2) 압전체의 두께가 얇아지면 왜곡 용적이 확대되나 강성이 저하하여 압력이 가해지지 않게 되어, 충분한 압력이 가해지기 어렵다는 점, (3) 압전체의 작용 면적이 넓어 지거나, 구성상 편면 구동이 되어 그 불균형으로 분사가 한쪽으로 치우치게 된다는 점 등이다. 이것에 대해, 초음파 진동자와 같이 압전체의 두께 변화 만을 사용하는 것은 강성이 높고, 압력을 낼 수 있으나, 용적 변화가 작아 작용 면적으로서 벽의 면적이 넓을 것이 요구된다.

따라서, 본 발명의 목적은 압전체의 압전 효과에 의한 분극 d₃₃방향의 신축과, 이것과 직교하는 d₃₁방향의 신축 양쪽을 적당히 조합시키는 동시에 압전체와 성질이 다른 재료로 되는 복합 부재에 의한 바이모르프 효과를 이용하여 에너지 효율이 양호하고, 또 충분한 분사 압력을 얻을 수 있는 잉크젯 헤드를 제공하는 것이다.

도 1은 압전체가 평면방향으로 수축하여 두꺼운 전극과의 왜곡차로 굴곡하는 상황을 나타내는 도면.

도 2는 압전체(활성부)와 다른 재료의 비활성부와 접합하여 복합판상부재를 구성한 상태를 나타내는 도면.

도 3은 본 발명의 잉크젯 헤드의 제 1 실시예의 주요부(압력실부분)를 나타내는 단면도.

도 4는 제 1 실시예의 잉크젯 헤드에서의 연결부재를 제거한 상태를 나타내는 사시도.

도 5는 본 발명의 잉크젯 헤드의 주요부(압력실부분)의 제 2 실시예를 나타내는 단면도.

도 6은 제 2 실시예의 잉크젯 헤드에서의 연결부재의 평면도.

도 7(a)은 압전체 블록을 나타내는 도면.

도 7(b)은 홈 가공하여 압력실을 형성한 상태를 나타내는 도면.

도 8은 바이모르프 층의 두께의 비와 팽창의 관계를 나타내는 도면.

도 9는 벽의 편면의 전극을 두껍게 한 경우에 있어서, 압전체의 수축시의 굴곡변형에 의한 압력실의 수축 상태를 나타내는 도면.

도 10은 1 쌍의 복합판상부재의 개구부에 프레임을 설비하여 외측으로의 돌출을 방지하는 예를 나타내는 단면도.

도 11(a) 및 도 11(b)은 압력실의 내면을 전면 도금으로 덮은 경우의 가공공정을 나타내는 도면.

도 12(a)는 횡방향에 홈을 구비한 압전체의 소재에 다이싱 가공을 실시한 상태를 나타내는 도면.

도 12(b)는 그 후도금에 의해 전극을 형성하는 공정을 나타내는 도면.

도 13(a)은 압력실의 개방단을 막으로 덮고 내부에 하층도금을 실시하는 공정을 나타내는 도면.

도 13(b)는 압력실에 충전물을 채우는 공정을 나타내는 도면.

도 13(c)는 도금 레지스트로 덮는 공정을 나타내는 도면.

도 13(d)는 충전물을 제거한 내면에 무전해 도금법에 의해 두꺼운 도금을 실시하는 공정을 나타내는 도면.

도 14(a)는 압력실의 개방단을 막으로 덮고 내부에 하층도금을 실시하는 공정을 나타내는 도면.

도 14(b)는 압력실에 충전물을 채우는 공정을 나타내는 도면.

도 14(c)는 도금 레지스트로 덮는 공정을 나타내는 도면.

도 14(d)는 충전물을 제거한 내면에 전기 도금법에 의해 두꺼운 도금을 실시하는 공정을 나타내는 도면.

도 15는 도 14에 나타낸 공정에 있어서, 레지스트 등을 제거한 최종형태의 확대도.

(부호의 설명)

1 --- 복합판상부재

2 --- 활성부(압전체)

3 --- 비활성부(도전재)

4 --- 고정벽

5 --- 두꺼운 전극(비활성부)

6 --- 얇은 전극

7 --- 스페이스

8 --- 대향벽

9 --- 연결부재

9a --- 연결부재의 홈

10 --- 압력실

11 --- 노즐판

11a --- 노즐

12 --- 접착부재

본 발명에 의하면, 연속하여 배열된 복수의 압력실과, 이들 압력실에 잉크를 공급하는 잉크 공급수단과, 각 압력실로부터 노즐을 거쳐서 잉크를 토출하는 잉크토출수단을 구비하고, 상기 각 압력실의 체적변화에 의해 잉크의 공급·토출을 행하는 잉크젯 헤드에 있어서, 상기 복수의 압력실의 배열방향에 수직인, 상기 압력실을 구성하는 적어도 1 개의 벽은, 전압이 인가됨으로써 변형하는 압전체로 된 활성부와, 상기 활성부와는 다른 재료에 의해 구성되고 또 상기 활성부의 압전체에 전압을 인가하는 전극을 포함하는 비활성부를 접합한 복합판상부재로 되고, 상기 복합판상부재가 활성부와 비활성부 간에 발생하는 바이모르프 효과에 의한 만곡변형에 의해 상기 각 압력실의 체적변화를 발생시키도록 한 것이 특징인 잉크젯 헤드가 제공된다.

상술한 바와 같이, 본 발명에서는 압전체로 된 활성부와 이종재료의 비활성부를 접합하여 바이모르프 효과를 가지게 한 것이므로, 에너지 효율이 좋고, 또 충분한 분사 압력을 얻을 수 있다. 압력실은 적어도 1 개의 벽을 구성하는 상기 복합판상부재와, 상기 복합판상부재에 평행하게 대향하여 배치된 대향벽과 상기 복합판상부재와 상기 대향벽의 사이에 규정된 압력실 공간의 일측을 밀폐하는 고정벽과, 상기 공간의 다른 일측을 밀폐하는 연결부재로 구성된 것을 특징으로 한다.

또는, 상기 복수의 압력실의 배열방향에 수직인, 서로 대향하는 1 쌍의 복합판상부재를 구비하고, 이들 1 쌍의 복합판상부재 사이에 압력실 공간을 규정하고, 각 복합판상부재는 전압이 인가됨으로써 변형하는 압전체로 된 활성부와, 상기 활성부와는 다른 재료에 의해 구성되고 또 상기 활성부의 압전체에 전압을 인가하는 전극을 포함하는 비활성부를 접합함으로서 구성되고, 상기 복합판상부재는 활성부와 비활성부 간에 발생하는 바이모르프 효과에 의하여 만곡변형을 일으키고, 상기 만곡변형은 상기 대향하는 2개의 복합판상부재 사이에서 서로 반대방향으로 작용시킨다.

이 경우에 있어서, 압력실은 상기 1 쌍의 복합판상부재와, 상기 1 쌍의 복합판상부재 사이에 규정되는 압력실 공간의 일측을 밀폐하는 고정벽과, 상기 공간의 다른 일측을 밀폐하는 연결부재로 구성된 것을 특징으로 한다.

1 쌍의 복합판상은 서로 변형을 가산 또는 감산하도록 작용함에 의해 압전체의 왜곡에 의한 변형이 확대되어, 압력실의 수축·팽창이 확대된다. 또한, 바이모르프 효과를 실현하기 위하여 다른 재료(비활성부의 재료)로서 압전체에 전압을 인가하기 위한 도전재를 사용하여도 좋다. 바이모르프 효과를 일으키기 위하여, 압전체와 다른 재료의 재료특성을 이하와 같이 결정한다.

E₁≤ E₂

단, 만곡하는 벽(상기 활성부)을 구성하는 압전체의 종탄성계수를 E₁(N/m²)로 하고, 이 압전체와는 다른 재료(상기 비활성부)의 종탄성계수를 E₂(N/m²)로 한다.

또한 바이모르프 효과를 실현하기 위한 구체적인 구조로서는, 활성부인 압전체의 전압을 인가하는 극성방향의 일면에 비활성부를 구비하고, 또 일면에는 상기 일면의 비활성부 보다도 충분히 얇은 비활성부층이나 비활성부가 전혀 없게 한다. 그렇게 하면, 활성부의 압전 효과에 의한 d₃₁방향의 변형에 있어서, 비활성부의 두께가 얇은 쪽 또는 없는 쪽의 영향 보다도 비활성부의 두께가 두꺼운 쪽, 또는 있는 쪽의 영향이 지배적이 되어, 활성부(압전체)와 비활성부의 복합판상부재로서의 구조를 고려해 볼 수 있다.

압전체의 d₃₁방향의 수축보다도 비활성부 쪽이 수축하기 어려우므로, 압전체의 d₃₁방향의 변형을 원인으로하여 이 2개의 부재에 의한 복합판상부재에 바이모르프 효과가 발생한다. 그 결과, 압전체의 압전효과에서의 d₃₁방향의 변형에 의한 바이모르프 효과와 압전체의 압전효과에서의 d₃₃방향에 의한 압전체의 두께 방향의 변형의 양방의 변형을 이용하는 면을 압력실의 벽면으로 구성하면, 압전체의 압전효과와 바이모르프 효과의 두 효과를 잉크의 가압에 이용할 수 있다.

또한 압전체(활성부)의 d₃₃방향에 이종 재료(비활성부)를 겹쳐서 복합판상부재를 구성함으로써 복합판상부재의 일단이 고정되고, 타단은 자유로운 경계조건으로 한 구조를 고려하면, 일단 고정의 바이모르프 효과에 의한 변형 정도를 나타내는 곡률반경(ρ(m))은 이하의 식(식 1)로 표시된다.

(식 1)

단, α는 압전체의 두께(h₁(m))와 바이모르프 효과를 실현하기 위해 필요한 이종재료의 두께(h₂(m))의 비의 역수(h₂/h₁)이고, β는 압전체의 종탄성계수(E₁(N/m²))와 바이모르프 효과를 실현하기 위해 필요한 이종재료의 종탄성계수(E₂(N/m²))의 비(E_l/E₂)이고, V(V)는 압전체에 인가하는 전압치이고, d₃₁(m/V)는 압전체의 d₃₁방향의 압전정수이다.

이 곡률반경(ρ(m))을 작게 하도록 비활성부와 활성부(압전체)의 두께의 비를 설정하면, 압전체의 상단에 구속조건을 설정한 하단고정의 압전체에서의 만곡에 의한 변위체적도 크게 되고, 복합판상부재로서 구성한 경우의 압전체의 변위 효율도 크게 된다고 고려된다. 상기 식으로부터 얻어진 곡률반경(ρ(m))을 최소로 하는 값을, 사용가능한 재료의 물성을 사용하여 계산하면 이하의 관계식이 얻어진다.

0.3 ≤ h₂/ h₁≤ 0.8

여기서, 압전체의 두께(h₁(m))와 바이모르프 효과를 실현하기 위하여 필요한 비활성부의 두께(h₂(m))의 관계를 상기 식에 의해 규정한다.

또한, 잉크를 토출하는 주기를 x(Hz)로 하면 압전체로의 인가전압은 그 주기를 기본으로 한 파형으로 되므로, 바이모르프 효과를 실현하기 위한 복합판상부재의 기계적 공진상태를 회피하기 위하여는, 그 복합판상부재 자체의 고유진동수(f(Hz))가 토출하는 주기(x(Hz))의 적어도 3 배 이상이어야 한다. 여기서, 이 관계를 만족하도록 복합판상부재 등의 각종 치수나 물성치를 이하의 관계식에 의해 설정한다.

E₁·h_l ²/ γ₁·L⁴≥ 345·x²

E₂·h₂ ²/ γ₂·L⁴≥ 345·x²

단, 활성부(압전체)의 종탄성계수를 E₁(N/m²), 그 밀도를 γ₁(kg/m³)로 하고, 비활성부의 탄성계수를 E₂(N/m²), 그 밀도를 γ₂(kg/m³)로 하고, 압전체의 d₃₁방향에 있어서의 고정부로부터 연결부재까지의 길이를 L(m), 압전체의 두께를 (h₁(m)), 접합될 부재의 두께를 h₂(m)로 한다.

또한 활성부(압전체)와 비활성부로 구성되는 압력실벽의 두께를 h(m)로 한 때, 압전체의 변위량이 소망하는 발생 압력에 의해 상쇄되지 않도록 하기 위하여 이하의 식을 만족하도록 압전체 등의 각종 치수와 물성치가 이하의 관계식을 만족시키도록 구성한다.

L⁵·b / h³≤ (4 × 10^-18)·E₁

단, 압전체의 길이(L(m))와 두께(h(m))의 양방향에 직교하는 방향에 있어서의 압전체의 깊이의 길이를 b(m)로 한다.

본 구조에서는, 복합판상부재와 연결부재는 접착제 또는 건성 필름 레지스트를 사용하여 결합하지만, 결합시 연결부재를 거쳐서 존재하는 압력실에 대해 인접한 압력실의 복합판상부재의 결합이 강하면, 인접하는 복합판상부재의 변형 상태의 영향을 잉크를 토출할 때에 받게 된다. 여기에서 압력실이 인접한 곳의 복합판상부재와의 결합을 약하게 하기 때문에, 인접한 압력실과 열결하는 결합부재의 결합부의 일부 또는 전부를 분리한다. 또한 본 구조에서는 압전체의 고정되어 있지 않은 측의 구속이 지나치게 강하거나 또는 지나치게 약할 때는, 변형의 효율이 악화되므로, 복수의 복합판상부재(벽)도 연결부재를 접합하기 위하여 사용되는 것과는 다른 접착부재의 종탄성계수(E₄(N/m²)를 이하의 관계를 만족시키도록 한다.

1.0 × 10⁹≤ E₄≤ 10.0 × 10⁹

또한, 압전체와 연결부재를 접합하는 부재의 두께(h₄(㎛))도 효율을 좋게하기 위하여 하기의 관계를 만족시키도록 설정한다.

10 ≤ h₄≤ 100

압력실을 규정하는 1 쌍의 복합판상부재의 압전체의 부분(활성부)과 상기 고정벽을 일체의 압전체 블록으로부터 홈 가공에 의해 형성하는 것이 가능하다.

압전체는 잉크를 가압할 때에 발생하는 압력에 견딜 수 있고, 또한 잉크를 소망의 양 만큼 분사시킬 수 있음이 필요하고, 홈 가공이 실현가능한 한계를 고려하여, 활성부(압전체)의 d₃₁방향에서의 고정벽으로부터 연결부재까지의 길이(L(m))는 이하의 관계를 만족시키도록 구성한다.

300 × 10^-6≤ L ≤ 700 × 10^-6

유사한 점을 고려하여, 활성부(압전체)의 두께(h₁(m))는 이하의 관계를 만족시키도록 구성한다.

20 × 10^-6≤ h₁≤ 80 × 10^-6

또한 본 발명에 의하면, 연속하여 배열된 복수의 압력실과, 이들 압력실에 잉크를 공급하는 잉크 공급수단과, 각 압력실로부터 노즐을 거쳐서 잉크를 토출하는 잉크토출수단을 구비하고, 상기 각 압력실의 체적변화에 의해 잉크의 공급·토출을 행하는 잉크젯 헤드에 있어서, 상기 복수의 압력실의 배열방향에 평행한 고정벽과, 상기 고정벽에 수직이고 또 서로 대향하는 1 쌍의 측벽을 압전체로 된 일체의 부재에 의해 형성하고, 활성부로 된 상기 1 쌍의 측벽의 표면에 전극을 포함하는 비활성부의 막을 접합하여 1 쌍의 복합판상부재를 형성하고, 상기 고정벽과 이들 1 쌍의 상기 복합판상부재 사이에 압력실공간을 규정하는 동시에 인접하는 압력실과의 사이에 스페이스를 규정하고, 각 복합판상부재는 활성부와 비활성부의 막 사이에서 발생하는 바이모르프 효과에 의한 만곡변형을 일으키고, 상기 만곡변형은 상기 대향하는 2개의 복합판상부재 사이에서 서로 반대방향으로 작용시킴으로써 상기 각 압력실의 체적변화를 발생시키도록 한 것이 특징인 잉크젯 헤드가 제공된다.

이와 같이 일체적인 압전체 블록을 홈 가공하여 압력실을 규정하는 홈과, 유닛 간의 스페이스를 규정하는 홈이 형성된다. 그리고, 압력실을 규정하는 압전체의 벽(활성부)에 도금 등으로 전극, 즉 도전재의 비활성부를 형성할 수 있다.

이 경우에 있어서, 상기 복합판상부재를 구성하는 상기 활성부의 두께를 h₁, 상기 비활성부의 두께를 h₂로 하고, 또 상기 활성부의 종탄성계수를 E₁, 상기 비활성부의 종탄성계수를 E₂로 한 때, h₂E₂/h_lE₁을 0.05이상으로 하는 것을 특징으로 한다.

상기 1 쌍의 측벽의 일면에 제 1 금속막을 형성하여 비활성층으로 하고, 다른 면에 상기 제 1 금속막과는 두께가 다른 제 2 금속막을 형성하여 비활성층으로 하고, 이들 양 비활성층의 두께 차에 의해 상기 압전체의 활성층의 사이에 바이모르프 효과를 갖도록 한 것을 특징으로 한다. 이들의 제 1, 제 2 금속막은 전극으로서 기능하여 압전체로 된 활성부에 전압을 인가할 수 있다.

이 경우에 있어서, 상기 압력실의 내측의 비활성층의 두께를 두껍게 형성하고, 외측의 비활성층의 두께를 얇게 형성하고, 이들의 두 비활성층 사이에서의 전하주입에 의해 압력실의 용적을 감소시키는 것이 가능하다. 압력실의 용적이 감소한 때에, 압력실과 통하는 노즐로부터 잉크가 토출된다. 반대로, 상기 압력실의 외측의 비활성층의 두께를 얇게 형성하고, 외측의 비활성층의 두께를 두껍게 형성하고, 이들 두 비활성층 사이에서의 전하주입에 의해 압력실의 용적을 증대시키도록 구성하는 것도 가능하다. 압력실의 용적을 증대시킨 때에, 잉크가 압력실내로 공급되고, 전압이 해제되어, 압력실의 용적이 축소할 때에 노즐로부터 토출된다.

또한, 본 발명에 의하면, 연속하여 배열된 복수의 압력실과, 이들 압력실에 잉크를 공급하는 잉크 공급수단과, 각 압력실로부터 노즐을 거쳐서 잉크를 토출하는 잉크토출수단을 구비하고, 상기 각 압력실의 체적변화에 의해 잉크의 공급·토출을 행하는 잉크젯 헤드의 제조방법에 있어서, 상기 복수의 압력실의 배열방향에 수직인, 상기 압력실을 구성하는 적어도 1 개의 벽은 전압이 인가됨으로써 변형하는 압전체의 벽에 제 1 금속막을 형성하고, 상기 벽의 하나의 금속부착면을 가공하여 압전체를 노출시킨 후, 제 2 금속막을 형성함으로서 압전체의 벽의 양면에 두께가 다른 금속막을 형성한 것이 특징인 잉크젯 헤드의 제조방법이 제공된다. 압전체로 된 벽의 양면의 금속막의 두께가 다름에 의해 당연히 바이모르프 효과가 발생한다.

또한 본 발명에 의하면, 연속하여 배열된 복수의 압력실과, 이들의 압력실에 잉크를 공급하는 잉크 공급수단과, 각 압력실로부터 노즐을 거쳐서 잉크를 토출하는 잉크토출수단을 구비하고, 상기 각 압력실의 체적변화에 의해 잉크의 공급·토출을 행하는 잉크젯 헤드의 제조방법에 있어서, 압전체 블록에 압력실을 규정하는 평행한 복수의 홈을 가공하고, 상기 홈의 내면에 제 l의 도금을 행하고, 상기 압력실을 규정하는 홈 사이에 스페이스를 규정하는 복수의 홈을 가공하고, 제 2의 도금을 행하여, 압력실 벽 양면에서 두께가 다른 금속막을 형성하는 것이 특징인 잉크젯 헤드의 제조방법이 제공된다.

이 경우에 있어서, 압력실을 규정하는 홈의 가공 후, 압전체 블록의 상면에 도금이 형성되는 것을 방지하기 위해, 상기 홈을 후에 제거 가능한 덮개로 덮고 상기 제 1 의 도금을 행하고, 상기 제 l의 도금을 행한 후, 상기 덮개를 제거할 수도 있다.

또한, 상기 제 2의 도금을 행한 후, 스페이스를 규정하는 홈 내에 인접하는 유닛 간을 전기적으로 차단하기 위해, 더 작은 홈을 가공할 수도 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 연속하여 배열된 복수의 압력실과, 이들 압력실에 잉크를 공급하는 잉크 공급수단과, 각 압력실로부터 노즐을 거쳐서 잉크를 토출하는 잉크토출수단을 구비하고, 상기 각 압력실의 체적변화에 의해 잉크의 공급·토출을 행하는 잉크젯 헤드의 제조방법에 있어서, 압전체 블록에 압력실을 규정하는 제 1 홈과 스페이스실을 규정하는 제 2 홈을 평행하게 교호로 가공하고, 얇은 도금을 행한 후, 상기 제 1 홈 또는 제 2 홈의 일측에 후에 제거 가능한 충전물을 채우고, 다음에 전면을 레지스트로 덮고, 상기 충전물을 제거하여 두꺼운 도금을 행함으로서 압력실의 측벽의 양면에서 다른 두께의 금속막을 형성하는 것이 특징인 잉크젯 헤드의 제조방법이 제공된다.

이 경우에 있어서, 상기 두꺼운 도금을 행하는 공정의 적어도 일부를 전기 도금으로 하고, 두꺼운 도금을 형성하는 압력실의 측벽의 단부의 도금 두께가 중앙부의 도금 두께 보다 얇도록 할 수 있다. 이들에 의해 압전체의 단부에서의 변형 저항을 작게 할 수 있어, 바이모르프 효과를 압력실의 신축에 유효하게 이용할 수 있게 된다.

(발명의 실시 형태)

도 3은 본 발명의 잉크젯 헤드의 제 l 실시예의 주요부(압력실 부분)을 나타낸 단면도이다.

도 3으로부터 알 수 있듯이, 압력실은 x 방향으로 다수 배열되어 있다. 각 압력실은 도 3에는 도시하지 않았지만, 잉크를 이 압력실(10)로부터 토출하는 노즐과, 이 압력실 내로 잉크를 공급하는 잉크 공급구에 연통되어 있다. 압력실(10)의 1 개의 벽을 규정하는 복합판상부재(1)는 압전체(활성층)(2)의 양면에 전극으로 된 도전재(비활성층)(5, 6)를 접합한 것이다.

이 복합판상부재(1)는 압력실(10)의 1 개의 벽면을 규정한다. 압전체(2)의 분극방향은 x방향으로 1 개의 벽내에서 균일하고, 이 분극방향(x)은 전극(5, 6)의 면에 대해 수직이다. 압력실(10)의 내측의 전극(5)은 두께가 두껍고, 압력실(10)의 외측의 전극(6)은 두께가 얇아, 복합판상부재(1)를 구성한 때, 변형 모드를 지배하는 인자는 압전체(활성층)(2)와 두꺼운 전극(5)의 둘 이다.

압력실(10)은 도 3으로부터 알 수 있듯이, x 방향으로 뻗어 있는 고정벽(4)과, x 방향과 직교하는 z 방향으로 뻗어 있는 상기 복합판상부재(1)와, 이 복합판상부재(1)와 평행하게 대향하여 설치된 비활성의 대향벽(8)과, 상측의 개구부를 막는 연결부재(9)에 의해 둘러싸여 공간으로 규정된다. 연결부재(9)는 접착부재 또는 접착제에 의해 복합판상부재(1) 및 대향벽(8)에 고정되어 있다.

대향벽(8)은 인접하는 압력실(10)의 벽부를 겸하고, 인접하는 압력실(10)도 당해 대향벽(8)과, 인접하는 복합판상부재(1) 사이로 규정된다. 이 인접하는 복합판상부재(1)에 있어서도, 압력실(10)의 내측의 전극(5)은 두께가 두껍고, 압력실(10)의 외측의 전극(6)은 두께가 얇게 되도록 형성되어 있다.

도 4는 도 3에 나타낸 잉크젯 헤드의 압력실부분을, 연결부재를 제거한 상태로 나타낸 사시도이다. 도 4에 있어서, 노즐판(11)은 x 방향으로 다수 배열된 압력실(10)의 일측을 막도록 설치되어 있고, 각 노즐(11a)은 각 압력실(10)에 대응하여 있다. 압력실(10)의 노즐판(11)과 반대측은 잉크 공급측의 단판(13)에 의해 막혀 있고, 이 단판(13)에는 각 압력실(10)로 잉크를 공급하는 잉크 공급구(나타내지 않음)를 설치하고 있다.

본 발명의 제 1 실시예의 동작을 도 3을 사용하여 설명한다. 도 3에 있어서, 활성부인 압전체(2)와 비활성부인 전극(5, 6)으로 구성되어 있는 복합판상부재(1)에 있어서, 전극(5, 6)간에 전압이 인가되는 경우를 고려한다. 압전체(2)에 전압이 인가되면, 압전체(2)는 도 3에 있어서, z 방향, 즉 d₃₁방향(도면 중, ①의 방향)으로 수축하고, 또 도면 중의 x방향, 즉 d₃₃방향(도면 중 ②의 방향)으로 팽창한다. 이렇게 되면, d₃₁방향에 있어서의 수축이 발생하여, 두꺼운 측의 전극(5)과 압전체(2)에 의해 구성되는 복합판상부재(1)가 바이모르프에 의해 변형하고, 또한 이 변형과 d₃₃방향의 압전효과에 의한 변형이 중첩되어 복합판상부재(1)가 도면 중의 파선으로 나타낸 바와 같이 만곡으로 변형한다.

이것에 의해, 압력실(10)내의 체적이 감소하고, 노즐로부터 잉크를 분출할 수 있다. 여기에서는, 복합판상부재(1)와 고정벽(4)은 별개의 재료로 구성하고 있다. 이들을 같은 재료, 즉 압전체로 일체로 구성하여도 좋다. 단, 고정벽(4)은 비활성부이다. 더욱이, 각 부재의 치수는 표 1과 같이 설정하고, 압전체와 전극을 구성하는 도전재 및 접착부재의 물성치(탄성계수)를 표 2와 같도록 한다. 또한, 잉크젯 헤드의 노즐로부터 잉크를 분출하는 주기(x)는 7.2 × 10(Hz)으로 하고, 압전체의 밀도(γ₂)를 8.15 × 10(kg/m³)으로 한다.

부재	명칭	변수	단위	값
압전체 (2)	두께	h₁	㎛	60
	길이	L	㎛	450
	깊이	b	㎜	2
전극(두꺼움) (5)	두께	h₂	㎛	30
전극(얇음) (6)	두께	h₃	㎛	2
연결부재 (8)	두께	h₅	㎛	30
접착부재 (12)	두께	h₄	㎛	25

부재	변수	단위	값
압전체	E₁	N/m²	6.80 E + 10
도전재	E₂	N/m²	2.10 E + 11
접착부재	E₄	N/m²	4.00 E + 09

상기 표 1, 표 2를 만족시키는 구조로 할 때, 이하의 관계식이 만족된다.

(식 2)

E₁=6.8×10¹⁰≤E₂=2.1×10¹¹

1.0×10⁹≤E₄=4.5×10⁹≤10.0×10⁹

10≤h⁴=25≤100

상술한 바와 같이 잉크젯 헤드를 구성하면, 에너지 효율이 좋은 잉크젯 헤드를 구성할 수 있다.

도 5는 본 발명의 잉크젯 헤드의 제 2 실시예의 주요부(압력실 부분)를 나타내는 단면도 이다.

도 3에 나타낸 제 1 실시예와 다른 점을 설명한다. 제 2 실시예에서는 압력실(10)의 편측의 벽뿐만 아니라, 양측 벽을 복합판상부재(1)에 의해 형성한다. 또한 각 복합판상부재(1)의 활성부인 압전체(2)는 고정벽(4)의 부분과 일체적으로 압전재로 형성되어 있다. 각 복합판상부재(1)는 전술한 바와 같이 압전체(활성부)(2)의 양면에 전극에서는 도전재(비활성층)(5, 6)를 접합한 것이고, 압력실(10)의 내측의 전극(5)은 두께가 두껍고, 압력실(10)의 외측의 전극(6)은 두께가 얇게 되어 있다.

그 결과, 압력실(10)은 도 5로부터 명확히 알 수 있듯이, x 방향으로 뻗어 있는 고정벽(4)(압전체(2) 및 비활성부)과, x 방향과 직교하는 z 방향으로 뻗어 있는 1 쌍의 복합판상부재(1)와, 이들 1 쌍의 복합판상부재(1)의 상측의 개구부를 막는 연결부재(9)에 의해 둘러싸인 공간으로 규정된다.

압력실(10)의 양측벽을 규정하고 있는 복합판상부재(1)는 인접하는 압력실(10)의 복합판상부재(1) 사이에 스페이스(7)가 형성되어 있다.

도 6은 제 2 실시예에 있어서의 연결부재(9)를 z 방향으로부터 본 평면도이다. 이 연결부재(9)는 인접하는 압력실(1) 간의 스페이스(7)에 대응하는 부위에 홈(개구)(9a)을 갖는다. 즉, 연결부재(9)는 노즐측과 잉크 공급구측에는 연결되어 있고, 압력실(10) 간의 스페이스(7)에 대응하는 부위만 이들 홈(9a)에 의해 분리되어 있어 격자상의 형상을 갖는다.

이러한 구조로 하면, 인접하는 압력실(1) 끼리의 결합을 일으키는 연결부재(9)에 의한 결합의 정도를 낮게 억제시킬 수 있고, 인접하는 압력실의 구동 상태의 영향을 쉽게 받지 않게 할 수 있다. 연결부재(9)는 접합부재(12)에 의해 복합판상부재(14)에 결합되어 있다. 이 제 2 실시예에 있어서의 각 부재의 치수와 물성치는 표 l 및 표 2에 나타낸 것과 같다. 이와 같이 하면, 이 구조에서 압전체(2)에 40 V의 전압을 인가하면, 압력실(10) 내의 변위 체적은 약 60(p1)으로 되어, 낮은 전압으로 소망의 변위 체적을 얻을 수 있다.

다음에는 도 7(a) 및 (b)를 참조하여 본 발명의 잉크젯 헤드의 구체적인 제조방법에 대하여 설명한다.

압전체로서는, H5D(Sumitomo Metal Industries 사제) 또는 C9(Fuji Ceremics 사제)을 사용할 수 있다. 도 7(b)에 나타낸 압전체의 블록(20)의 일면(예컨대 도면의 상면)을 예컨대 다이싱 쏘(dicing saw) 등의 연삭장치로 홈 가공을 행함으로써, 높이 450 ㎛, 두께 60 ㎛의 벽(활성부)을 형성하고, 도 7(a)와 같이 이 벽의 사이에 압력실(10)을 규정하는 공간을 형성한다.

형성된 각 벽의 특정 부분에 전극을 형성한다. 이 전극 형성의 방법은, 레지스트로 미도금 부분을 덮고, 사전에 도금 속도에 따라 두께 제어를 한 도금(Au, Ni, Cr, Pt 등)을 행한 것이다. 전극의 형성에 관하여는 도금 이외의 진공증착, 스퍼터링(spattering) 등의 방법도 가능하다.

인접한 각 벽의 상단부를 연결부재(상부 판)(9)(도 5, 도 6)로 연결함으로써, 압력실(10)이 형성된다. 이 연결부재(9)의 재질로서는, SUS 또는 유리가 사용된다. 연결부재(9)와 벽 상단부의 접합방법에 있어서, 우수한 내유기용매인 접착부재(12), 예컨대 접착제, 열용융 필름 등을 사용할 수 있다.

각 압력실(10)에 대응하는 연결부재(9)는 개개로 접착, 접합하는 방법도 고려되지만, 제 1 실시예 및 제 2 실시예와 같이 1개의 연결부재(9)를 벽 가공한 압전체의 일면에 접착하고, 그 후 연결부재(9)를 소정의 형상으로 절단할 수도 있다.

각각의 압력실(10)에 대응하는 노즐 구멍(12)을 갖는 노즐판(11)은, 도 4에 나타낸 바와 같이, 압력실(10)을 형성한 부재(압전체)에 접합한다. 노즐판은 SUS판에 프레스 가공, Ni 전기 캐스팅(electrocasting), 수지 몰딩(molding), 또는 내유기용매성이 우수한 필름(PET, PES, PEN 등)을 레이저 가공함으로써 형성한다. 또는, 노즐판(11)과 압전체의 접합방법으로서는, 내유기용매성이 우수한 접착재, 열용융 필름, DFR 등을 사용한다.

잉크 공급로 측도 노즐판(11)과 같이 형성할 수 있지만, 또한 별개의 제조방법으로서, 압전체의 잉크 공급측의 면에 임의의 치수로 홈을 형성하고, 그 홈을 덮지 않도록 압력실(10)을 밀봉하는 부재를 접합시킴으로써, 잉크 공급로(나타내지 않음)를 형성할 수 있다.

각 잉크 공급로를 둘러싸는 잉크 공급로 부재를 접착함으로써, 잉크 탱크(도시하지 않음)로부터 각 압력실로 잉크를 공급할 수 있다.

각 압전체의 전극의 인출은, 각 상기 홈(압력실(10), 스페이스(7))에 대응하여, 노즐판(11)을 접착하는 면에 홈을 형성한다. 그 후, 도금(스퍼터링, 증착으로도 가능)을 행한다. 단, 그대로는 압력실(10) 내에 형성되어 있는 전극과, 스페이스(7) 내에 형성되어 있는 전극이 단락상태로 되어 있으므로, 여분의 도금 등을 랩핑(lapping)에 의해 벗겨 낸다. 이것에 의해 상기 각 전극은 전기적으로 절연관계로 할 수 있다.

도 8은 비활성층(압전체)과 활성층(도전재)의 두께의 비와, 곡률반경의 관계를 나타내는 것이다. 즉, 1/곡률반경과, 비활성층과 활성층의 두께 비를 계산한 것이므로, 이 경우는 활성층의 종탄성계수를 60 × 10¹⁰(N/m²), 비활성층의 종탄성계수를 200 × 10¹⁰(N/m²)로 한다. 전술한 바와 같이, 압전체를 홈 형태로 가공하여 압력실을 형성하는 경우에 있어서, 벽의 압력실측의 전극재료를 도금에 의해 두껍게 형성하여 두고, 반대측에는 얇은 전극을 형성하여 두면, 압전체의 양측에 있어서의 수축량의 차에 의한 바이모르프 효과에 의해 압전체의 벽은 내측으로 휨으로써 압력실의 수축량이 증가한다.

휘는 곡률반경은 전계 강도가 일정한 조건이면 압전정수(d₃₁)에 반비례하고, 두께에 비례한다. 또한, 전압이 일정하면 압전정수(d₃₁)에 반비례하고, 두께의 2 승에 비례하므로, 수축이 수배가 되도록 설계할 수 있다. 전극, 즉 비활성부재를 니켈로 하고, 압전체의 종탄성계수를 60 × 10¹⁰(N/m²), 니켈의 종탄성계수를 20 × 10¹⁰(N/m²)로 한 때의 곡률반경의 역수를 두께 비(전극/압전체 = 비활성층/활성층)에 대해 계산하면, 도 8에서와 같이, 두께 비가 0.05를 넘어서면 현저하게 구부러지게 되고, 두께 비가 0.41 ∼ 0.55인 것이 최적비이고, 이 때 가장 많이 구부러진 영역으로 된다.

도 9와 같은 변형이 발생하는 경우, 수축량은 높이(L)의 3 승과, 깊이(b)의 길이에 비례하므로, 높이(L)를 약간 늘림으로써 수축량을 소정 양으로 유지한 채 길이를 짧게 설계할 수 있다. 또 압력실내의 압력 상승에 따라서 벽이 뒤로 눌려지나, 그 강성은 두께의 3 승에 비례하므로 벽 두께가 얇은 경우에는 압력이 저하한다. 이것을 감안하여 설계하게 되나, 바이모르프 효과에 의해서 수축량이 증가되는 요인이 되므로 설계의 자유도가 증가하고, 더 고압으로 수축량이 큰 압전식 펌프를 얻을 수 있다.

압력실(10)의 양측에 있는 압전체의 벽은 압전체를 소성하기 전의 형태 형성의 단계에서도 형성할 수 있으나, 더 미세한 벽을 형성하기 위해서는 압전체의 소성 후에 다이싱 쏘 등의 연삭 가공에 의해 홈 가공으로 형성하는 것이 좋다.

그 후에 전극을 예를 들어 스퍼터링에 의해 부착시킨다. 무전해 도금법도 유용하고, 표면활성층을 설비하는 전처리에 의해서 비금속의 압전체 위에도 균일한 두께의 전극을 형성할 수 있다. 이와 같이 전극을 형성하는 경우에, 압전체의 벽 양측에 두께가 다르게 하는 방법으로서,

1) 한쪽면을 마스킹하고 도금한다.

2) 증착하도록 방향성이 있는 막 형성법에서 면 한쪽을 그 방향에 맞춘다.

3) 홈의 한쪽 면을 앞서 가공하고 여기에 두꺼운 도금을 행한 후에, 또 한쪽 면을 가공함으로써 압전체의 새로운 면을 노출시키고 이어서 도금을 행하면 이미 행한 면에는 이중 도금이 되나, 합계로서 양면에서 소정의 두께 차를 둘 수 있는 등의 방법이 있다.

압전체를 소위 패드재로 한 것, 즉 일단 분극된 압전체에 역방향의 저전계를 가하는 것으로 두꺼운 전극을 도 3 및 도 5에 나타낸 실시예와는 반대로, 압력실의 반대측으로 하면 전계를 가함으로써 압전체는 두께가 수축하여 분극과 수직방향으로 팽창하므로 외측에 철(凸) 만곡 변형이 있어난다. 따라서 압력실의 용적을 팽창시키고 이어서 전극 사이를 단락하여 전하를 소멸시킬 때에 압력실이 탄성적으로 수축하도록 할 수 있다. 이것은 탄성복귀력이 최초에 크고 고가속도를 필요로 하는 동작에서는 유리하여 전자 구동기구에서는 릴리스형 (release type)으로서 널리 알려져 있는 방식이다.

도 9는 도 5에 나타낸 제 2 실시예에 있어서, 압력실(10)의 양측 벽을 규정하는 복합판상부재(1)가 바이모르프 효과에 의해 변형된 상태를 나타낸다.

바이모르프 효과에 의한 변형은 전체적으로 구면으로 되지만, 편면(본 실시예서는 하면)이 고정벽(4)(도 5)에 의해 고정되어 있으므로, 도 9에 나타낸 바와 같이, 중앙부는 내측으로 팽창하여 압력실(10)을 수축시키나, 내부압력의 증가에 따라서 벽이 외측 방향의 힘을 받아 테두리가 외측으로 밀려 나가서 상기 수축 효율을 감쇠시킨다. 이 손실을 막기 위해서 도 10에 나타낸 바와 같이 프레임(16)을 구비한 테두리 부분의 외측으로의 돌출을 억제하면 효과적이다. 이 프레임(16)을 접합하는 접착제는 압전체와 동일한 정도의 강성인 것이 좋으나, 유기성 접착재에서는 종탄성계수가 1 ∼ 4 × 10¹⁰(N/m²) 정도의 낮은 탄성률이면 족하다. 이것에 대해 금속은 압전체의 60 × 10¹⁰(N/m²)에 대해서도, 더 높은 강성률인 경우가 많다. 예컨대 니켈은 20 × 10¹⁰(N/m²)이고, 압전체에 대해서 3배 더 높은 강성률이다. 이 니켈은 도금으로 널리 사용되고, 이 기술은 널리 채용되고 이것을 프레임(16)과 동일한 효과를 거두도록 사용하면 효과적이다. 니켈은 전해 도금법 외에 무전해 도금법도 있고, 이것을 사용하여 압력실측의 내면에 전면 도금을 행하면 개방단의 테두리(도 9의 C 부분)가 외측으로 밀려나가는 것을 방지하여 바이모르프의 휨의 대부분을 효과적으로 수축하는데 활용할 수 있다.

도 11(a) 및 (b)는 제조공정을 나타낸 것이다. 먼저 압전체의 블록(20)으로부터 압력실측의 홈(10)을 가공하고, 상면에는 후에 제거 가능한 막(18), 예컨대 아크릴계의 레지스트막을 부착한다. 이것에 팔라듐계의 전처리제를 사용하여 노출면을 활성화한 후 무전해 니켈 도금(22, 22a)을 행한다(a). 이와 같이 해서 약간 두꺼운 도금(22)을 행한 후에 레지스트막(18)을 예컨대 용제로 제거하면 압전체의 홈측의 도금은 남고 레지스트 외측의 도금(22a)은 붕괴되어 제거된다. 이 후에 스페이스(7)가 되는 격리 홈을 가공하고, 재차 도금(24)을 행한다. 또 지면의 전후방향의 면을 연마하여 압전체를 노출시키고 상면도 동일하게 연마하면 압력실의 내측 도금과 외측(스페이스 내)의 도금은 격리되어 독립한 전극이 된다. 격리벽의 저면을 절단하는 홈(26)의 가공을 행함으로써 스페이스(7)내의 외측 전극은 대향하는 외측 전극과 분리되고, 각 압력실(10)을 독립하여 구동할 수 있게 된다.

이 인접 유닛의 전극의 분리를 다른 방법으로 행할 수 있고, 또 가공 공정을 삭감시킬 수도 있다.

도 12(a) 및 (b)는 이와 같은 가공 공정의 일례를 나타낸다. 상기에 미리 횡방향으로 뻗은 홈(28)을 형성한 압전체 블록(20)을 소재로 사용한다. 이 횡방향 홈(28)은 후에 형성하는 압력실이 되는 홈(10) 보다도 아래측에 있다. 이것을 도 11 (a) 및 (b)의 경우와 동일한 공정에 의해서 압력실이 되는 홈의 가공, 레지스트막의 도포, 무전해 도금, 레지스트막의 제거, 스페이스(7)로 되는 격리 홈의 가공, 도금 등의 공정을 행한다. 이러한 경우에, 스페이스(7)로 되는 격리 홈을 가공할 때에는, 이들의 격리 홈의 깊이가 후에 절단하여 유닛 마다로 분리하기 위한 절단용 점선 부분(30) 보다도 아랫쪽이 되도록 홈을 가공한다. 또 도금 뒤에는 랩핑에 의해서 압력실(10)의 내외 전극을 분리한다. 압력실(10)의 외면, 즉 이 격리 홈(7)의 양면은 도금으로 접속되어 있다. 이것을 노즐판(11)(도 4) 등을 접합하는 작업 공정을 거친 후에 점선 부분(30)으로 절단하면(절손도 있음), 각각의 유닛의 압전체 블록의 부분이 분리되어 유닛 마다 전극이 분리되는 동시에 이와 같이 한 멀티 유닛에서 문제가 되기 쉬운, 인접 유닛 사이의 기계 진동에 의한 간섭의 문제를 대폭 개선할 수 있다.

도 13 (a) 및 (b)는 공정을 합리화한 제조 방법을 나타낸다. 이 제조 방법에서는 최초로 압전체 블록(20)에 압력실로 되는 홈(10) 및 스페이스로 되는 홈(7)을 가공하여 둔다. 상면에는 레지스트막(18)을 부착한다. 그리고, 홈 내에 일단 전면적으로 얇은 하지 도금(32)을 행한다(a). 다음에 압력실로 되는 홈에 왁스(34) 등을 충전한다(b). 또한 전면을 도금 레지스트(36)로 덮는다. 레지스트로 덮은 부분에, 후의 공정에 있어서 도금이 부착하지 않도록 하기 위함이다(c). 다음에, 홈 단면을 노출시키고 압력실로 되는 홈내의 왁스 등의 충전물(34)을 용제로 제거하고, 그 홈의 내면을 노출시키고 홈의 내면에 두꺼운 도금(38)을 행한다(d). 또한 두꺼운 도금(38)을 행한 후, 최종적으로는 레지스트(36)를 제거한다. 이것에 의해 압력실의 내면은 두꺼운 도금으로 덮고, 외측은 얇은 도금으로 되어, 바이모르프 효과에 의해 변형 가능한 압력실을 형성할 수 있다.

도 14 (a) ∼ (d)는 전기 도금을 이용한 제조 공정을 나타낸다. (a) ∼ (c)에 나타난 공정은 도 13 (a) ∼ (c)와 같다. 이 실시예에서는 압력실로 되는 홈내의 왁스 등의 충전물(34)을 용제로 제거한 후, 그 홈의 내면을 노출시켜, 전기 도금에 의해 홈의 내면에 두꺼운 도금(40)을 행한다(d). 이것에 의해, 압력실의 내면은 두꺼운 도금으로 덮고, 외측은 얇은 도금으로 되어, 바이모르프 효과에 의해 변형 가능한 압력실을 형성할 수 있다. 이 경우는, 전기 도금에 의한 공정을 이용함으로 압력실로 되는 홈의 모서리부는 도금의 두께가 얇게 되고, 변의 중앙부에 있어서는 두꺼운 도금이 형성된다. 이것에 의해, 바이모르프의 굴곡을 저해하는 모서리부의 도금의 변형 저항을 감소시킬 수 있다.

도 15는 전술한 실시예의 제조방법에 의해 형성된, 압력실로 되는 홈의 내면의 도금 두께를 확대하여 나타낸 것, 즉 최종적으로 레지스트 등을 제거한 홈의 내면의 확대도이고, 전기 도금에 의해 형성된 두꺼운 도금(40)의 모서리부(상부)는 중앙부에 비해 얇게 도금 되어 있고, 모서리부에 있어서의 변형 저항을 적게 하는 동시에 바이모르프 효과를 발생하기 위한 압전체와 접하는 부분은 두껍게 도금된 것이다.

본 발명에 의하면 압전체의 압전 효과에 의한 분극 d₃₃방향의 신축과, 이것과 직교하는 d₃₁방향의 신축 양쪽을 적당히 조합시키는 동시에 압전체와 성질이 다른 재료로 되는 복합 부재에 의한 바이모르프 효과를 이용하여 에너지 효율이 양호하고, 또 충분한 분사 압력을 얻을 수 있는 잉크젯 헤드를 제공할 수 있다.

Claims

연속하여 배열된 복수의 압력실과, 이들 압력실에 잉크를 공급하는 잉크 공급수단과, 각 압력실로부터 노즐을 거쳐서 잉크를 토출하는 잉크토출수단을 구비하여, 상기 각 압력실의 체적변화에 의해 잉크의 공급·토출을 행하는 잉크젯 헤드에 있어서, 상기 복수의 압력실의 배열방향에 수직인 상기 압력실을 구성하는 적어도 1 개의 벽은 전압이 인가됨으로써 변형하는 압전체로 된 활성부와, 상기 활성부와는 다른 재료에 의해 구성되고 또 상기 활성부의 압전체에 전압을 인가하는 전극을 포함하는 비활성부를 접합한 복합판상부재로 되고, 상기 복합판상부재가 활성부와 비활성부 간에 발생하는 바이모르프 효과에 의한 만곡변형에 의해 상기 각 압력실의 체적변화를 발생시키도록 한 것이 특징인 잉크젯 헤드.
제 1 항에 있어서, 상기 복합판상부재를 구성하는 상기 활성부의 두께 (h₁(m))와 상기 활성부와는 다른 재료로 된 상기 비활성부의 두께 (h₂(m))의 비, 및 상기 활성부의 종탄성계수(E₁(N/m²))와 상기 비활성부의 종탄성계수(E₂(N/m²))의 비가 다음의 관계식을 만족시키는 것이 특징인 잉크젯 헤드.

0. 3 ≤ h₂/ h₁≤ 0. 8

E_l≤E₂
제 1 항에 있어서, 압력실은 적어도 1 개의 벽을 구성하는 상기 복합판상부재와, 상기 복합판상부재와 평행하게 대향하여 배치된 대향벽과, 상기 복합판상부재와 상기 대향벽의 사이에 규정된 압력실 공간의 일측을 밀폐하는 고정벽과, 상기 공간의 다른 일측을 밀폐하는 연결부재로 구성된 것이 특징인 잉크젯 헤드.
제 3 항에 있어서, 상기 복합판상부재를 구성하는 상기 활성부의 종탄성계수를 E₁(N/m²), 밀도를 γ₁(kg/m³), 상기 활성부와는 다른 재료로 된 상기 비활성부의 종탄성계수를 E₂(N/m²) , 밀도를 γ₂(kg/m³)로 하고, 상기 고정벽으로부터 상기 연결부재까지의 상기 활성부의 압전체d₃₁방향의 길이를 L(m), 상기 활성부의 두께를 h_l(m), 상기 비활성부의 두께를 h₂(m)로 한 때, 잉크를 분출하는 주기(x(Hz))와 상기 각 값의 사이에 다음의 관계식을 만족시키는 것이 특징인 잉크젯 헤드.

min(E_l·h₁ ²/γ₁·L⁴, E_2·h₂ ²/γ₂·L⁴) ≥ 345·x²

단, 함수(min(x,y))는 x,y의 최소치를 나타내는 것이다.
제 3 항에 있어서, 상기 복합판상부재를 구성하는 상기 활성부의 종탄성계수를 E_l(N/m²), 상기 고정벽으로부터 상기 연결부재까지의 상기 활성부의 압전체d₃₁방향의 길이를 L(m), 상기 활성부와 상기 비활성부로 구성된 상기 복합판상부재의 두께를 h(m), 상기 길이(L(m)) 방향과 두께(h(m)) 방향에 직교하는 방향에 있어서의 상기 압력실의 깊이를 b(m)로 한 때, 상기 각 값 사이에서 다음의 관계식을 만족시키는 것이 특징인 잉크젯 헤드.

L⁵·b/h³≤ (4 × l0^-18)·E₁
제 3 항에 있어서, 상기 복합판상부재 및 상기 대향벽과 상기 연결부재를 접합하기 위하여 이들과는 다른 재료의 접착부재를 사용하고, 상기 접착부재의 종탄성계수(E₄(N/m²)) 및 두께(h₄(㎛))는 하기의 범위인 것이 특징인 잉크젯 헤드.

1.0 × l0⁹≤ E₄≤ 10.0 × l0⁹

10 ≤ h₄≤ 100
제 6 항에 있어서, 상기 접착부재로 접착제 또는 드라이 필름 레지스트를 사용한 것이 특징인 잉크젯 헤드.
제2항에 있어서, 상기 연속부재는 인접하는 압력실의 연결부재와 완전히 분리, 또는 일부가 분리되어 있는 것이 특징인 잉크젯 헤드.
제 1 항에 있어서, 상기 비활성부는 상기 전극을 포함하는 도전재로 된 것이 특징인 잉크젯 헤드.
제 2 항에 있어서, 상기 고정벽도 상기 복합판상부재를 구성하는 활성부의 압전체와 같은 압전체로 구성된 것이 특징인 잉크젯 헤드.
제 10 항에 있어서, 상기 복합판상부재를 구성하는 상기 활성부와 상기 고정벽은 일체의 압전체 블록으로부터 절삭가공에 의해 형성한 것이 특징인 잉크젯 헤드.
제 11 항에 있어서, 상기 활성부의 상기 고정벽으로부터 압전체d₃₁방향의 길이(L(m))는 이하의 관계식을 만족시키는 것이 특징인 잉크젯 헤드.

300 × l0^-6≤ L ≤ 700 × 10^-6
제 11 항에 있어서, 상기 활성부의 두께(h_l(m))는 이하의 관계식을 만족시키는 것이 특징인 잉크젯 헤드.

20 × 10^-6≤ h₁≤ 80 × 10^-6
제 1 항에 있어서, 상기 활성부의 압전체에 전압을 인가하기 위한 상기 전극은, 상기 활성부의 압전체상에 도금함으로써 형성한 것이 특징인 잉크젯 헤드.
제 1 항에 있어서, 상기 활성부의 압전체에 전압을 인가하기 위한 상기 전극은, 상기 활성부의 압전체상에 진공증착을 행함으로써 형성한 것이 특징인 잉크젯 헤드.
연속하여 배열된 복수의 압력실과, 이들 압력실에 잉크를 공급하는 잉크 공급수단과, 각 압력실로부터 노즐을 거쳐서 잉크를 토출하는 잉크토출수단을 구비하고, 상기 각 압력실의 체적변화에 의해 잉크의 공급·토출을 행하는 잉크젯 헤드에 있어서,

상기 복수의 압력실의 배열방향에 수직인, 서로 대향하는 1 쌍의 복합판상부재를 구비하고, 이들 1 쌍의 복합판상부재 사이에 압력실 공간을 규정하고,

각 복합판상부재는 전압이 인가됨으로써 변형하는 압전체로 된 활성부와, 상기 활성부와는 다른 재료에 의해 구성되고 또 상기 활성부의 압전체에 전압을 인가하는 전극을 포함하는 비활성부를 접합함에 의해 구성되고,

상기 복합판상부재는 활성부와 비활성부 간에 발생하는 바이모르프 효과에 의한 만곡변형을 일으키고, 상기 만곡변형은 상기 대향하는 2개의 복합판상부재 사이에서 서로 반대방향으로 작용시킴으로써, 상기 각 압력실의 체적변화를 발생시키도록 한 것이 특징인 잉크젯 헤드.
제 16 항에 있어서, 상기 대향하는 1 쌍의 복합판상부재 사이에 규정된 압력실과, 상기 압력실에 인접하는 압력실 사이에 스페이스가 규정된 것이 특징인 잉크젯 헤드.
제 16 항에 있어서, 상기 각 복합판상부재를 구성하는 상기 활성부의 두께(h₁(m))와 상기 활성부와는 다른 재료로 된 상기 비활성부의 두께(h₂(m))의 비, 및 상기 활성부의 종탄성계수(E₁(N/m²))와 상기 비활성부의 종탄성계수(E₂(N/m²))의 비가 다음의 관계식을 만족시키는 것이 특징인 잉크젯 헤드.

0.3 ≤ h₂/h₁≤ 0.8

E₁≤ E₂
제 16 항에 있어서, 압력실은 상기 1 쌍의 복합판상부재와, 상기 1 쌍의 복합판상부재 사이에 규정된 압력실 공간의 일측을 밀폐하는 고정벽과, 상기 공간의 다른 일측을 밀폐하는 연결부재로 구성된 것이 특징인 잉크젯 헤드.
제 19 항에 있어서, 상기 각복합판상부재를 구성하는 상기 활성부의 종탄성계수를 E₁(N/m²), 밀도를 γ₁(kg/m³), 상기 활성부와는 다른 재료로 된 상기 비활성부의 종탄성계수를 E₂(N/m²), 밀도를 γ₂(kg/m³)로 하고, 상기 고정벽으로부터 상기 연결부재까지의 상기 활성부의 압전체d₃₁방향의 길이를 L, 상기 활성부의 두께를 h₁(m), 상기 비활성부의 두께를 h₂(m)로 한 때, 잉크를 분출하는 주기(x(Hz))와 상기 각 값 사이에서 다음의 관계식을 만족시키는 것이 특징인 잉크젯 헤드.

min(E₁·h₁ ²/γ₁·L⁴, E₂·h₂ ²/γ₂·L⁴) ≥ 345·x²

단, 함수(min(x,y))는 x,y의 최소치를 나타내는 것이다.
제 19 항에 있어서, 상기 각 복합판상부재를 구성하는 상기 활성부의 종탄성계수를 E₁(N/m²), 상기 고정벽으로부터 상기 연결부재까지의 상기 활성부의 압전체d₃₁방향의 길이를 L, 상기 활성부와 상기 비활성부로 구성된 상기 복합판상부재의 두께를 h(m), 상기 길이 L(m) 방향과 두께(h(m)) 방향에 직교하는 방향에 있어서의 상기 압력실의 깊이를 b(m)로 한 때, 상기 각 값 사이에서 다음의 관계식을 만족시키는 것이 특징인 잉크젯 헤드.

L⁵·b/h³≤ (4 × 10^-18)·E₁
제 19 항에 있어서, 상기 1 쌍의 복합판상부재와 상기 연결부재를 접합하기 위하여 이들과는 다른 재료의 접착부재를 사용하고, 상기 접착부재의 종탄성계수(E₄(N/m²)) 및 두께 (h₄(N/m²))는 하기의 범위인 것이 특징인 잉크젯 헤드.

1.0 × 10⁹≤ E₄≤ 10.0 × 10⁹

10 ≤ h₄≤ 100
제 22 항에 있어서, 상기 접착부재로 접착제 또는 드라이 필름 레지스트를 사용한 것이 특징인 잉크젯 헤드.
제 19 항에 있어서, 상기 연속부재는 인접하는 압력실의 연결부재와 완전히 분리, 또는 일부가 분리된 것이 특징인 잉크젯 헤드.
제 19 항에 있어서, 상기 비활성부는 상기 전극을 포함하는 도전재로 된 것이 특징인 잉크젯 헤드.
제 19 항에 있어서, 상기 고정벽도 상기 1 쌍의 복합판상부재를 구성하는 활성부의 압전체와 같은 압전체로 구성된 것이 특징인 잉크젯 헤드.
제 26 항에 있어서, 상기 1 쌍의 복합판상부재를 구성하는 상기 활성부와 상기 고정벽은 일체의 압전체 블록으로부터 홈 가공에 의해 얻어진 것인 것이 특징인 잉크젯 헤드.
제 27 항에 있어서, 상기 활성부의 상기 고정벽으로부터 압전체d₃₁방향의 길이(L(m))는 이하의 관계식을 만족시키는 것이 특징인 잉크젯 헤드.

300 × 10^-6≤ L ≤ 700 × 10^-6
제 27 항에 있어서, 상기 활성부의 두께(h₁(m))는 이하의 관계식을 만족시키는 것이 특징인 잉크젯 헤드.

20 × 10^-6≤ h₁≤ 80 × 10^-6
제 16 항에 있어서, 상기 활성부의 압전체에 전압을 인가하기 위한 상기 전극은, 상기 활성부의 압전체상에 도금함으로써 형성한 것이 특징인 잉크젯 헤드.
제 16 항에 있어서, 상기 활성부의 압전체에 전압을 인가하기 위한 상기 전극은, 상기 활성부의 압전체상에 진공증착을 행함으로써 형성된 것이 특징인 잉크젯 헤드.
연속하여 배열된 복수의 압력실과, 이들 압력실에 잉크를 공급하는 잉크 공급수단과, 각 압력실로부터 노즐을 거쳐서 잉크를 토출하는 잉크토출수단을 구비하고, 상기 각 압력실의 체적변화에 의해 잉크의 공급·토출을 행하는 잉크젯 헤드에 있어서,

상기 복수의 압력실의 배열방향에 평행한 고정벽과, 상기 고정벽에 수직이고 또 서로 대향하는 1 쌍의 측벽을 압전체로 된 일체 부재에 의해 형성하고,

활성부로 된 상기 1 쌍의 측벽의 표면에 전극을 포함하는 비활성부의 막을 접합하여 1 쌍의 복합판상부재를 형성하고, 상기 고정벽과 이들 1 쌍의 상기 복합판상부재 사이에 압력실 공간을 규정하는 동시에 인접하는 압력실과의 사이에 스페이스를 규정하고,

각 복합판상부재는 활성부와 비활성부의 막 사이에 발생하는 바이모르프 효과에 의한 만곡변형을 일으키고, 상기 만곡변형은 상기 대향하는 2개의 복합판상부재 사이에서 서로 반대방향으로 작용시킴으로써 상기 각 압력실의 체적변화를 발생시키도록 한 것이 특징인 잉크젯 헤드.
제 32 항에 있어서, 상기 복합판상부재를 구성하는 상기 활성부의 두께를 h₁, 상기 비활성부의 두께를 h₂로 하고, 또 상기 활성부의 종탄성계수를 E₁, 상기 비활성부의 종탄성계수를 E₂로 한 때, h₂E₂/h_lE₁을0.05 이상으로 하는 것이 특징인 잉크젯 헤드.
제 32 항에 있어서, 상기 1 쌍의 측벽의 일면에 제 1 금속막을 형성하여 비활성층으로 하고, 다른 면에 상기 제 1 금속막과는 두께가 다른 제 2 금속막을 형성하여 비활성층으로 하고, 이들의 두 비활성층의 두께 차에 의해 상기 압전체의 활성층 사이에서 바이모르프 효과를 갖도록 한 것이 특징인 잉크젯 헤드.
제 34 항에 있어서, 상기 압력실의 내측의 비활성층의 두께를 두껍게 형성하고, 외측의 비활성층의 두께를 얇게 형성하여, 이들의 두 비활성층 사이에서의 전하주입에 의해 압력실의 용적을 줄이도록 구성한 것이 특징인 잉크젯 헤드.
제 34 항에 있어서, 상기 압력실의 외측의 비활성층의 두께를 얇게 형성하고, 외측의 비활성층의 두께를 두껍게 형성하여, 이들의 두 비활성층 사이에서의 전하주입에 의해 압력실의 용적을 증대시키도록 구성한 것이 특징인 잉크젯 헤드.
연속하여 배열된 복수의 압력실과, 이들 압력실에 잉크를 공급하는 잉크 공급수단과, 각 압력실로부터 노즐을 거쳐서 잉크를 토출하는 잉크토출수단을 구비하고, 상기 각 압력실의 체적변화에 의해 잉크의 공급·토출을 행하는 잉크젯 헤드의 제조방법에 있어서,

상기 복수의 압력실의 배열방향에 수직인, 상기 압력실을 구성하는 적어도 1 개의 벽은, 전압이 인가됨으로써 변형하는 압전체의 벽에 제 1 금속막을 형성하고, 상기 벽의 일측의 금속부착면을 가공하여 압전체를 노출시킨 후 제 2 금속막을 형성하여 압전체의 벽의 양면에 두께가 다른 금속막을 형성하는 것이 특징인 잉크젯 헤드의 제조방법.
연속하여 배열된 복수의 압력실과, 이들 압력실에 잉크를 공급하는 잉크 공급수단과, 각 압력실로부터 노즐을 거쳐서 잉크를 토출하는 잉크토출수단을 구비하고, 상기 각 압력실의 체적변화에 의해 잉크의 공급·토출을 행하는 잉크젯 헤드의 제조방법에 있어서,

압전체 블록에 압력실을 규정하는 평행한 복수의 홈을 가공하고, 상기 홈의 내면에 제 1의 도금을 행하고, 상기 압력실을 규정하는 홈 사이에 스페이스를 규정하는 복수의 홈을 가공하고, 제 2의 도금을 행하여, 압력실의 벽 양면에 두께가 다른 금속막을 형성하는 것이 특징인 잉크젯 헤드의 제조방법.
제 38 항에 있어서, 압력실을 규정하는 홈의 가공 후, 압전체 블록의 상면에 도금이 형성되는 것을 방지하기 위해, 상기 홈을 후에 제거 가능한 덮개로 덮고 상기 제 1의 도금을 행하고, 상기 제 l의 도금을 행한 후 상기 덮개를 제거하는 것이 특징인 잉크젯 헤드의 제조방법.
제 38 항에 있어서, 상기 제 2의 도금을 행한 후, 스페이스를 규정하는 홈 내에 인접하는 유닛 사이를 전기적으로 차단하기 위하여, 더 작은 홈을 가공하는 것이 특징인 잉크젯 헤드의 제조방법.
연속하여 배열된 복수의 압력실과, 이들 압력실에 잉크를 공급하는 잉크 공급수단과, 각 압력실로부터 노즐을 거쳐서 잉크를 토출하는 잉크토출수단을 구비하고, 상기 각 압력실의 체적변화에 의해 잉크의 공급·토출을 행하는 잉크젯 헤드의 제조방법에 있어서,

압전체 블록에 압력실을 규정하는 제 1 홈과 스페이스실을 규정하는 제 2 홈을 평행하게 교호로 가공하고, 얇은 도금을 행한 후, 상기 제 1 홈 또는 제 2 홈의 일측에 후에 제거 가능한 충전물을 채우고, 다음에 전면을 레지스트로 덮고, 상기 충전물을 제거하고, 두꺼운 도금을 행함으로써, 압력실의 측벽 양면에 다른 두께의 금속막을 형성하는 것이 특징인 잉크젯 헤드의 제조방법.
제 41 항에 있어서, 상기 두꺼운 도금을 행하는 공정의 적어도 일부를 전기 도금으로 하고, 두꺼운 도금을 형성하는 압력실의 측벽의 단부의 도금 두께가 중앙부의 도금 두께 보다 얇게 되도록 한 것이 특징인 잉크젯 헤드의 제조방법.