KR100435012B1 - 잉크 제트 헤드 기판, 잉크 제트 헤드, 잉크 제트 헤드기판 제조 방법, 잉크 제트 헤드 제조 방법, 잉크 제트헤드 사용 방법 및 잉크 제트 기록 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 발열부를 형성하는 발열 저항 부재와, 상기 발열 저항 부재에 전기 연결된 전극 배선부와, 절연 보호층을 통해 상기 발열 저항 부재 및 상기 전극 상에 제공된 안티-캐비테이션(anti-cavitation) 필름을 포함하고, 상기 안티-캐비테이션 필름은 2개 이상의 층을 구비한 상이한 재료로 형성되어 있는 잉크 제트 헤드 기판을 제공한다.

Description

잉크 제트 헤드 기판, 잉크 제트 헤드, 잉크 제트 헤드 기판 제조 방법, 잉크 제트 헤드 제조 방법, 잉크 제트 헤드 사용 방법 및 잉크 제트 기록 장치 {INK JET HEAD SUBSTRATE, INK JET HEAD, METHOD FOR MANUFACTURING INK JET HEAD SUBSTRATE, METHOD FOR MANUFACTURING INK JET HEAD, METHOD FOR USING INK JET HEAD AND INK JET RECORDING APPARATUS}
본 발명은 잉크를 토출함으로써 기록을 하기 위한 잉크 제트 헤드, 이러한헤드를 위한 기판, 상기 헤드 및 상기 기판을 제조하기 위한 방법, 이러한 헤드를 사용하는 방법 및 잉크 제트 기록 장치에 관한 것이다.
미국 특허 제4,723,129호 또는 미국 특허 제4,740,796호에 개시된 잉크 제트 기록 시스템은 높은 정밀도 및 높은 화질을 갖춘 고속의 기록에 효과적일 수 있고, 컬러 기록 및 소형화에 적합하다. 이러한 잉크 제트 기록 시스템을 사용하고 열에너지를 이용하여 잉크를 버블링함으로써 기록 매체 상에 잉크를 토출하도록 적용되는 기록 헤드에 있어서, 잉크를 버블링하기 위한 발열 저항 부재와 그에 전기적인 연결을 위한 배선은 잉크 제트 기록 헤드 기판을 제공하도록 동일한 기판 상에 형성되고, 잉크를 토출하기 위한 노즐은 일반적으로 기판 상에 형성된다.
잉크 제트 기록 헤드 기판은 공급되는 전기 에너지를 절약하고 열 펄스로 인한 발열부의 파손 및 버블링으로 인한 기계적 파손에 기인한 기판 수명의 단축을 방지하기 위하여 널리 고안되어 졌다. 구체적으로, 많은 연구가 잉크로부터 한 쌍의 배선 패턴 사이에 위치된 발열부를 갖춘 발열 저항 부재를 보호하기 위한 보호막에 관하여 이루어졌다.
열 효율의 관점에서, 보호막은 높은 열 전도성 또는 작은 두께를 갖는 것이 유리하다. 그러나, 한편, 보호막은 발열 부재에 연결된 배선을 잉크로부터 보호하기 위한 것이고, 막은 막의 결핍의 가능성을 고려하여 큰 두께를 갖는 것이 유리하며, 막의 최적 두께는 에너지 효율 및 신뢰성의 관점에서 설정된다. 그러나, 보호막은 두 캐비테이션 파손, 즉, 잉크의 버블링에 기인한 기계적 파손 및, 막 표면의 온도가 버블링 후에 증가되기 때문에, 고온 잉크 부품의 화학적 반응에 기인한 파손에 영향을 받는다.
따라서, 실제로, 배선을 보호하기 위한 절연막과 기계 및 화학적 파손에 대하여 안정성을 갖춘 막을 만드는 것은 어렵고, 이러한 이유 때문에, 잉크 제트 기판의 보호막은 일반적으로 잉크 버블링으로 인한 기계 및 화학적 파손에 대하여 높은 안정성을 갖춘 상부층 및 배선을 보호하기 위한 하부 절연층으로 구성된다. 더 실질적으로, 매우 높은 기계 및 화학적 안정성을 갖춘 Ta막은 일반적으로 상부층으로서 사용되고, 기존의 반도체 장비에 의해 쉽고 안정적으로 형성될 수 있는 질화실리콘(SiN)막 또는 산화실리콘막은 일반적으로 하부층으로서 사용된다.
더 자세하게 설명하면, 0.2 내지 1㎛의 두께를 갖는 질화실리콘이 배선 상에 보호막으로서 형성되고, 이어서, 상부층 보호막, 즉, 캐비테이션에 저항하기 위한 기능을 가진 안티-캐비테이션 필름이라 불리는 0.2 내지 0.5㎛의 두께를 갖는 Ta막이 형성된다. 이러한 배열로, 잉크 제트 기판의 발열 저항 부재의 수명 및 신뢰성 모두가 향상될 수 있다.
또한, 기계 및 화학적 파손과 달리, 발열부에서, 컬러링 재료 및 잉크 내에 포함되는 첨가제는 용해되기 어려운 물질로 변하도록 가열하는 고온에 의해 분자 수준으로 분해되고, 상부층 보호막으로서 안티-캐비테이션 필름에 물리적으로 부착된다. 이러한 현상은 "코게이션(kogation)"이라 불린다. 이로써, 용해되기 어려운 유기 또는 비유기 물질이 안티-캐비테이션 필름에 부착되면, 발열 저항 부재로부터 잉크로의 열전달은 균일하지 않고, 이로써 버블링을 불안정하게 만든다. 이것을 피하기 위해, 코게이션이 안티-캐비테이션 필름 상에 발생하지 않는 것이 요구된다. 위에서 설명한 Ta막은 상대적으로 양호한 코게이션 저항제를 갖춘 막으로서 일반적으로 적용된다.
그런데, 최근에, 잉크 제트 인쇄기의 성능이 월등히 향상됨에 따라, 잉크의 성능, 예를 들면, 고속 기록에 대응하여 블리딩(다른 컬러 잉크 사이의 얼룩)의 방지 성능의 향상이 요구되고, 고화질에 대응하는 컬러링 능력 및 날씨 저항 능력의 향상이 요구된다. 이 때문에, 다양한 성분이 잉크에 첨가되고, 다른 성분이 컬러 화상을 형성하기 위한 잉크의 종류인 세가지 컬러, 즉 노랑색(Y), 자홍색(M) 및 청록색(C)에 첨가된다.
결과적으로, 예를 들면, 상부층 보호층으로서의 Ta막과 세가지 컬러(Y, M, C)를 위한 발열부가 동일한 기판 상에 형성되는 잉크 제트 헤드에서, 잉크 성분들 사이의 차이로부터, 소정의 컬러에 해당하는 발열부에서, 지금까지 안정된 막으로서 간주되었던 Ta막은 부식될 수 있어 하부층 보호막 및 발열 부재 또한 기판을 파손시킬 정도로 손상을 입는다. 예를 들면, Ca 또는 Mg 또는 킬레이트(chelate) 본체를 형성하는 성분과 같은 2이가의 금속 염을 포함하는 잉크가 사용되면, Ta막은 잉크와의 열 화학적 반응에 의해 부식되기 쉽다.
한편, 다른 안티-캐비테이션 필름은 잉크 성분의 개선에 대응하여 발달되었다. 예를 들면, Ta막 대신에, 출원인에 의한 일본 특허 제2,683,350호에 개시된 Ta을 포함하는 비정질 합금이 사용되면, 비록 잉크가 높은 부식성 잉크 성분을 포함하고 있더라도, 손상이 좀처럼 발생하지 않는다는 것이 발견되었다.
그러므로, Ta을 포함하는 비정질 합금은 세가지 컬러(Y, M, C) 잉크를 토출할 수 있는 잉크 제트 헤드 내의 발열부를 위한 상부층 보호막으로서 사용된다. 그러나, 비록 Ta을 포함하는 비정질 합금이 높은 잉크 부식 저항제를 갖는다하더라도, 합금의 표면이 거의 손상되지 않으므로, 코게이션이 발생되기 쉬운 경향이 있다.
그러므로, 소정의 컬러에 해당하는 발열부에서는 상부층 보호막이 거의 부식되지 않는 대신, 코게이션과 관련된 문제가 발생된다. 또한, 다른 컬러로 높은 코게이션 능력을 갖춘 잉크가 사용되면, 종래의 Ta에서는 코게이션과 관련한 문제가 발생하지 않았을지라도, Ta을 포함하는 비정질 합금으로 바뀌었을 때, 코게이션은 현저해질 것이다. 부수적으로, 종래의 Ta에서, 코게이션이 거의 발생되지 않는 이유는 Ta막의 약한 부식 및 코게이션이 양호하게 균형을 이룬 조건에서 발생한다는 것이고, 그 결과 코게이션의 축적되는 생성은 Ta막의 표면의 점진적인 부식 제거에 의해 억제될 수 있다.
위에서 설명된 바와 같이, Ta막 또는 Ta을 포함하는 비정질 합금 중 하나가 잉크와 접촉하는 상부층 보호막으로서 사용되는 배열에서, 동일한 기판 상에서 높은 코게이션 성능 및 높은 부식성 잉크를 갖춘 잉크를 분리하여 사용하는 잉크 제트 헤드의 수명 및 신뢰성이 잘 양립하게 하는 것은 어렵다.
상기 사항들을 고려할 때, 본 발명의 목적은 높은 코게이션 능력을 갖는 잉크와 높은 부식 잉크 양자 모두를 사용할 수 있는 잉크 제트 헤드 기판과, 이러한 기판을 사용하는 잉크 제트 헤드와, 이러한 헤드를 갖는 잉크 제트 기록 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 코게이션을 발생시키기 위한 인자를 제거할 수 있는 새로운 간섭층(또는 필름)을 갖고 종래의 Ta 보호 필름 또는 초기 상태로부터 액체에 접촉될 수 있는 새로운 안티-캐비테이션 기능과 비교하여 토출 속도의 감속이 없는 잉크 제트 헤드 기판, 이러한 기판을 사용하는 잉크 제트 헤드, 이러한 기판을 사용하기 위한 방법 및 상기의 헤드를 사용하기 위한 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 양호한 토출 특성을 제공하는 안티-캐비테이션 층을 갖으며 버블을 생성함으로써 이동되는 가동 부재를 포함하는 헤드(예로써, 일본특허공개공보 제2000-62180호에 인용됨)에 보다 긍정적으로 특성을 유지할 수 있는 헤드를 제공하는 것이다. 특히, (종래의 것보다) 보다 높은 주파수 구동의 이점을 갖는 가동 부재를 갖는 헤드가 효율적일 수 있더라도, 이러한 특성은 높은 주파수 주기를 갖는 버블을 갑작스럽게 생성시키고 높은 레벨이 버블 생성 영역에 필요로 하게 한다. 본 발명은 이러한 헤드의 이점을 유지시키고 사용된 잉크의 특성(반응력 및/또는 높은 pH)로 인한 안티-캐비테이션 층에 영향을 끼치는 것을 피할 수 있는 새로운 헤드 기판을 제공한다.
상기의 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 발열부를 형성하는 발열 저항 부재, 이 발열 저항 부재에 전기적으로 접속된 전극 배선, 절연 보호층을 통해 상기 발열 저항 부재 및 전극 배선 상에 구비된 안티-캐비테이션 필름을 제공하고, 상기 안티-캐비테이션 필름은 두 개의 층들 보다 많은 상이한 재료로부터 형성된다.
또한, 본 발명은 발열부를 형성하는 발열 저항 부재를 갖는 잉크 제트 헤드, 발열 저항 부재에 전기적으로 접속된 전극 배선, 절연 보호층을 통해 발열 저항 부재와 전극 배선 상에 구비된 안티-캐비테이션 필름을 제공하고, 상기 안티-캐비테이션 필름은 적어도 두 개의 층 필름으로부터 형성되고, 잉크에 접촉된 상부층 필름은 하부 층 필름보다는 낮은 잉크 부식 저항성을 갖는다.
또한, 본 발명은 발열부를 형성하는 발열 저항 부재를 갖는 잉크 제트헤드 기판, 발열 저항 부재에 전기적으로 접속된 전극 배선, 절연 보호층을 통해 발열 저항 부재 및 전극 배선 상에 구비된 안티-캐비테이션 필름을 제공하고, 상기 안티-캐비테이션 필름은 적어도 두 개의 층 필름으로부터 형성되고, 잉크에 접촉된 상부층 필름은 코게이션이 상대적으로 발생하기 힘든 필름이고, 하부층 필름은 높은 잉크 부식 저항성을 갖는 필름이다.
특히, 안티-캐비테이션 필름에서, 잉크에 접촉된 상부 층 필름은 Ta 필름 또는 TaAl 필름이고, 하부층 필름은 Ta을 함유한 비정질 합금 필름이다.
Ta, Fe, Ni 및 Cr로 구성된 조성인 비정질 합금 필름은 다음의 식으로 표현된다.
TaαFeβNiγCrδ...................................... (Ⅰ)
(여기서, 10 원자% < α< 30 원자%, α+β< 80 원자%, α<β, δ<γ, α+β+γ+δ=100 원자%).
특히, 안티-캐비테이션 필름은 공식(Ⅰ)에 의해 표현된 제1 층을 갖는 것이 바람직하다.
TaαFeβNiγCrδ...................................... (Ⅰ)
(여기서, 10 원자% ≤α≤30 원자%, α+β< 80 원자%, α< β, δ> γ, α+ β+ γ+ δ=100 원자%), 그리고 제2층은 Ta로 형성되고 제1층 상에 형성된 입방 격자 결정 구조를 포함한다.
또한, 본 발명은 잉크 액적을 토출하기 위한 토출 포트에 연통된 액체 통로가 구비되고 상기 설명한 잉크 제트 헤드 기판 상의 발열부에 상응하는 잉크 제트 헤드를 포함한다. 특히, 본 발명의 헤드 기판이 인가되는 잉크 제트 헤드에 토출 포트와 연통하는 다수의 액체 통로가 구비되는 것이 바람직하고, 상이한 잉크는 각각의 액체 통로로 공급된다. 이러한 경우, 상이한 잉크는 적어도 코게이션을 발생시키는 잉크이며 높은 부식력을 갖는 잉크이다.
또한, 본 발명은 발열부를 형성하는 발열 저항 부재를 갖는 잉크 제트 헤드 기판, 발열 저항 부재에 전기적으로 접속된 전극 배선, 절연 저항층을 통해 발열 저항 부재 및 전극 배선 상에 구비된 안티-캐비테이션 필름을 제조하는 방법을 제공하고, 안티-캐비테이션 필름을 형성하기 위해, 입방 격자 결정 구조를 갖는 Ta 필름은 99% 이상의 순도를 갖는 금속 Ta 타깃을 사용하여 스패터링함으로써 Ta, Fe, Ni 및 Cr로 구성된 조성을 갖는 층 상에 형성된다. Ta, Fe, Ni 및 Cr로 구성된 조성을 갖는 층은 다음의 식으로 표현되는 것이 바람직하다.
TaαFeβNiγCrδ........................................ (Ⅰ)
(여기서, 10 원자% < α< 30 원자%, α+β< 80 원자%, α< β, δ> γ, α+ β+ γ+ δ= 100 원자%)
잉크 액적을 토출시키기 위한 토출 포트와 연통되고 상기의 제조 방법에 의해 제조된 잉크 제트 헤드 기판 상의 발열부에 상응하게 구비된 액체 통로는 본 발명에 속한다.
이러한 경우, 잉크 제트 헤드에서, 안티-캐비테이션 필름은 초기에 두 개의 층을 갖는 것이 바람직하고, 상부 층 Ta을 부분적으로 제거하는 중에 토출이 발생하는 단계와 단지 효과적인 버블 영역에서 Ta을 제거하는 중에 토출이 효과적인 단계가 수행될 수 있다.
또한, 본 발명은 발열부를 형성하는 발열 저항 부재를 갖는 잉크 제트 헤드 기판 상의 발열부에 상응하게 구비된 것으로, 잉크 액적을 토출시키기 위한 토출 포트에 연통된 액체 통로에 구비된 잉크 제트 헤드, 발열 저항 부재에 전기적으로 접속된 전극 배선, 절연 보호층을 통해 발열 저항 부재와 전극 배선 상에 구비된 안티-캐비테이션을 제조하기 위한 방법을 제공하고, 상기 안티-캐비테이션 필름을 형성하기 위해 입방 격자 결정 구조를 갖는 Ta 필름은 99% 이상의 순도를 갖는 금속 Ta 타깃을 사용하여 스패터링함으로써 Ta, Fe, Ni 및 Cr로 구성된 조성을 갖는 층 상에 형성된다. Ta, Fe, Ni 및 Cr로 구성된 조성을 갖는 층은 다음의 식으로 표현되는 것이 바람직하다.
TaαFeβNiγCrδ........................................ (Ⅰ)
(여기서, 10 원자% ≤α≤30 원자%, α+β< 80 원자%, α< β, δ> γ, α+ β+ γ+ δ=100 원자%)
본 제조 방법에서, 액체 통로가 형성된 후, 사전 잉크 토출 작동을 수행함으로써 Ta가 TaαFeβNiγCrδ층의 적어도 Ta 및 Cr을 포함하는 비정질 정지층에 도포되는 것이 바람직하다.
또한, 상기의 제조 방법에 의해 제조된 잉크 제트 헤드를 사용하기 위한 방법에서, TaαFeβNiγCrδ의 적어도 Ta 및 Cr을 포함하는 비정질 정지층 안으로 Ta을 도포함으로써 얻어진 층이 잉크용 제1 표면 또는 나중에 노출된 층으로써 사용되거나 또는 TaαFeβNiγCrδ의 적어도 Ta 및 Cr을 포함하는 비정질 표면층으로 Ta을 부가함으로써 얻어진 층이 잉크용 제1 표면 또는 나중에 노출된 층으로써 사용되는 것은 본 발명에 속한다.
또한, 본 발명은 열 부재로부터의 열 에너지에 의해 액체 내에 생성된 버블의 성장에 의해 변위된 자유단을 갖는 가동 부재가 각각의 유동 통로에 위치된 상기 설명한 잉크 제트 헤드에 적용하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 캐리지를 갖춘 잉크 제트 기록 장치를 포함하며, 상기 캐리지 상에 전술한 잉크 제트 헤드가 장착되며, 잉크 제트 헤드로부터 잉크 액적을 토출하는 동시에 기록 정보에 응답하여 캐리지를 변경시킴으로써 기록 매체 상에 기록을 수행한다.
도1a 및 도1b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 잉크 제트 헤드 기판을 도시한 도면.
도2a, 도2b, 도2c 및 도2d는 도1a 및 도1b에 도시된 잉크 제트 헤드 기판을 제조하기 위한 방법의 전 단계를 도시한 도면.
도3a, 도3b, 도3c 및 도3d는 도2a, 도2b, 도2c 및 도2d에 도시된 단계 이후 연속되는 단계를 도시한 도면.
도4는 도1a 및 도1b에 도시된 헤드 기판을 이용함으로써 조립된 잉크 헤드를 부분 단면으로 도시한 사시도.
도5a, 도5b1 및 도5b2는 히터 구동 펄스가 증가됨에 따라 높은 탄탈(Ta) 부식 능력에 의해 초래된 본 발명의 안티-캐비테이션 필름의 변경을 도시한 도면.
도6은 높은 Ta 부식 능력을 갖춘 잉크가 이용될 때, 본 발명에 따라 단일 Ta 층을 포함한 안티 캐비테이션 필름 및 본 발명에 따른 Ta을 포함한 비정질 합금으로 제조된 하부 층 및 Ta로 제조된 상부층으로 구성된 안티-캐비테이션 필름 사이의 사용 수명을 비교한 그래프.
도7은 본 발명의 헤드 기판으로 적합한 액체 토출 헤드의 실시예를 도시한 개략 측면도.
도8a, 도8b, 도8c, 도8d 및 도8e는 도7에 도시된 액체 토출 헤드로부터 액체의 토출 단계를 설명하기 위한 도면.
도9는 버블의 속도 및 체적을 변위의 저속도 촬영의 변동 및 가동 부재의 속도 및 변위 체적을 변경시키는 저속도 촬영의 변동 그래프.
도10은 "직선 연통 상태"를 설명하기 위한 유동 통로의 단면도.
도11은 도7에 도시된 헤드의 일부분의 사시도.
도12는 본 발명이 적용되는 잉크 기록 장치의 주 부분을 도시한 개략 사시도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 요소 기판
2 : 상부판
3 : 유동 통로
4 : 토출 포트
5 : 오리피스 플레이트
11 : 가동 부재
21 : 발열부
22 : 전극 배선
23 : 실리콘 기판
24 : 발열 저항층
25 : 보호 필름
26 : 제1 안티-캐비테이션 필름
27 : 제2 안티-캐비테이션 필름
28 : 열 축적층
41 : 버블
66 : 토출 액적
1101 : 잉크 제트 헤드
1102 : 헤드 기판
1103 : 발열 저항 부재
1104 : 배선 전극
1107 : 액체 공급 튜브
1108 : 액체 챔버
1112 : 기록 액체
본 발명의 실시예에 따른 잉크 제트 헤드는 잉크를 토출하기 위한 토출 포트와 연통하는 잉크 통로가 발열 저항 부재에 전기적으로 연결된 전극을 배선하는 발열 부분을 형성하는 발열 저항 부재를 갖춘 잉크 제트 헤드 기판, 발열 저항 부재 상에 제공된 안티-캐비테이션 필름, 및 절연 보호 필름을 거친 배선 상에 제공되도록 설계된다. 특히, 안티-캐비테이션 필름은 두 층에 의해 구성되며, 하부층은 Ta을 포함한 비정질 합금으로부터 형성되며, 상부층은 하부층보다 낮은 잉크 부식 저항을 갖는 Ta 필름으로부터 형성된다.
본 발명에서와 같이 헤드 기판의 구성에 따라, 코게이션이 발생하는 경향이 있는 잉크에 대해, 히터 구동 펄스의 수가 증가됨에 따라 상부 Ta층이 조금씩 점차적으로 제거됨으로 인해 코게이션의 축적 발생은 억제되며, 그로 인해 버블 효율의 감소를 방지한다. 반면에, 높은 부식 능력을 갖는 잉크에 대해, 히터 구동 펄스의 수가 증가됨에 따라 상부 Ta층이 제거된다 하더라도, Ta을 포함한 비정질 합금층과 상부 Ta층 사이의 계면이 도달할 때, 부식이 중지된다. 따라서, 헤드 기판 상에 선형으로 정렬된 복수의 발열 부분이 개별 잉크 종류에 따라 이용될 때, 잉크의 종류가 코게이션을 발생하는 잉크 및 Ta을 부식시키는 잉크를 포함한다 하더라도, 두 잉크에 대해, 헤드 기판은 충분한 사용 수명 및 충분한 신뢰성을 제공할 수 있다.
더욱이, 본 발명에서, 고 주파수 구동 영역은 10kHz 레벨 및 대략 20kHz 내지 30kHz의 레벨로 선택될 수 있는 고 주파수 구동 영역이 허용되는 가동 부재를 갖는 액체 토출 헤드에 있어서, Ta을 포함하고 입방 격자 결정 구조를 갖는 필름이Ta을 포함하고 비정질 구조를 갖는 필름 상에 형성되는 두 층 구조의 안티-캐비테이션 필름이 적용될 수 있다. 가동 부재를 갖는 액체 토출 헤드에 있어서, 버블의 소실은 전술한 고 주파수 주기로 반복되며, 다수의 축적 응력이 단위 시간 내에 안티-캐비테이션 필름에 주어진다. 그러나, 본 발명의 안티-캐비테이션 필름에 따라, 토출 속도 및 토출량은 안정화되며, 그 결과 가동 부재의 잇점이 장기간동안 효과적으로 유지될 수 있다. 또한, 사용된 잉크의 특성(반응성 및/또는 높은 pH)으로 인한 안티- 캐비테이션층 상에 작동하는 영향력은 방지될 수 있다.
이제부터, 본 발명의 안티-캐비테이션 필름의 일부 특성이 보다 상세히 설명되어질 것이다.
제1 안티-캐비테이션 필름으로서 TaαFeβNiγCrδ(여기서, 10 원자% ≤α≤30 원자%, α+β< 80 원자%, α< β, δ> γ, α+ β+ γ+ δ=100 원자%)의 비정질 합금 보호층은 그 표면에 패시베이션(passivation) 필름을 구비한다. 상기 부분 상에 제2 안티-캐비테이션 필름을 형성하기 위해 99% 이상의 순도를 갖는 금속 Ta의 스패터링을 개시함으로써, 내구성을 강화시키기 위한 임의의 변경이 비정질 합금 보호층과 형성된 제2 안티-캐비테이션층으로서 입방 격자 결정 구조 Ta층 사이의 계면에, 또는 비정질 합금 보호층의 표면 영역(즉, Cr, Ta 등의 패시베이션 필름)에 주어진다고 추정된다.
제1 요소로서, 마그네트론 스패터링에 의해 제1 안티-캐비테이션의 패시베이션 필름 영역(Cr, Ta 포함)에 제2 안티 캐비테이션 내에 이용된 Ta을 도핑시킴으로써 비정질체(비 결정체)로서 Ta(Fe, Ni, Cr) 등의 Ta 및 Cr을 포함하는 비정질 부동 필름이 재형성되어, 코게이션의 발생 원인을 제거하고 내구성이 강화된다.
따라서, 제1 요소에 따라, 본 발명은 이러한 기판을 갖는 잉크 제트 헤드 또는 잉크 제트 헤드 기판일 수 있으며, 적어도 Ta 및 Cr을 포함하는 비정질 부동층으로 Ta을 도핑함으로써 얻어진 층은 잉크에 대한 제1층 또는 층 노출층으로서 이용된다. 이들중에, 전자의 경우에, 토출 속도는 초기 조건으로부터 안정된 속도가 이루어지며, 후자의 경우에, 제1 층이 캐비테이션에 의해 제거되는 동안 내구성 기간이 추가될 수 있다.
제2요소로서, 이후 형성된 입방 격자 결정 구조의 Ta의 일부분(즉, β-Ta)은 표면을 재형성하기 위해 제1 안티-캐비테이션의 비정질 구조의 표면상에 단단하게 유지된다.
이는 제1 요소에 부가될 수 있다. 제1 요소와 유사한 임의의 경우에, 제2 요소는 효과를 제공하며 "Ta가 도핑처리되어진 층" 대신에 "Ta가 표면에 부가된 구조"를 제공한다.
제3요소로서, 제1 및 제2 요소 모두 또는 하나와 관련된 Ta는 제1 안티-캐비테이션 필름 또는 패시베이션 필름의 비정질체에 도핑처리된다. 그 결과, 제거된(부식된) β-Ta층은 캐비테이션으로 인해 압력을 받는다. 즉, Ta가 사용 중에 버블 소실 작용 또는 헤드의 제조(주로 액체 토출은 제조 종결 공정으로 이전에 작동된다)에서 숙성됨으로써 실질적으로 도핑 처리될 때(또는 역전 스패터링으로 불려질 때), Ta는 제거되어질(부식되어질) Ta상에서 또는 패시베이션 필름 내에 도핑처리된 Ta 상에서 작동되어, 코게이션의 발생 방지 및 보다 우수한 내구성을 갖는 안티-캐비테이션 필름 자체 또는 표면을 형성한다.
제3 계수는 또한 본 발명의 단독의 특징으로서 고려된다.
물론, 제1 계수가 잉크 접촉용 제1 표면으로서 얻어질 때, β-Ta 결정 구조 필름은 헤드의 제조에서 에이징(aging)을 사용함으로써 제거되는 것을 알 수 있다. 또한, 제1 내지 제3 계수의 조합과 제1 및 제3 계수의 조합은 각각 본 발명의 단독의 특징을 구성한다.
본 실시예에서, 상부층 안티-캐비테이션 필름이 Ta로 형성될 때, 잉크에 의해 천천히 부식되는 재료인 임의의 재료가 사용될 수 있다. 또한, 하부층 안티-캐비테이션 필름이 Ta을 포함하는 비정질 합금으로 형성될 때, 높은 잉크 부식 저항제를 갖는 임의의 재료가 사용될 수 있다.
또한, 색 잉크의 다른 특징(즉, 코게이션을 발생시키기 쉬운 잉크 및 높은 잉크 부식 저항제를 갖는 잉크)에 대한 발열부의 내구 연한이 다른 재료의 사용에 의해 연장되는 것을 고려할 때, 안티-캐비테이션 필름은 두 개에 제한되지 않고 세 개 이상의 필름이 사용될 수 있거나 또는 보호 필름의 성능이 잉크 부식 저항제를 제공하는데 더 개선될 수 있다.
이제, 본 발명의 실시예가 첨부된 도면을 참고하여 설명될 것이다.
(제1 실시예)
도1a 및 도1b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 잉크 제트 헤드 기판을 도시하는데, 도1a는 헤드 기판의 주요 부품을 도시한 개략 평면도이고, 도1b는 도1a의 선1B-1B를 따라 취한 개략 측단면도이다.
도1a 및 도1b에 도시된 바와 같이, 열 축적층(28)으로서의 실리콘 산화물 필름은 실리콘 기판(23) 상에 형성되고, 발열 저항층(24)과, 전극 배선(22)과 같은 알루미늄층은 소정의 패턴으로 상기 층(28) 위에 형성된다. 한 쌍의 전극 배선(22) 사이에 배치된 발열 저항층(24)의 일부는 급격하게 잉크를 가열 및 비등시키기 위한 발열부(21)를 구성한다.
전극(22) 사이에서 주로 절연을 유지하는 보호 필름(25)으로서의 실리콘 질화물층은 발열 저항층(24) 및 전극 배선(22)을 커버하기 위해 형성되고, Ta을 포함하고 하부층 안티-캐비테이션 필름으로서 높은 잉크 부식 저항제를 갖는 비정질 합금 필름과, 상부층 안티-캐비테이션 필름(27)로서의 각각 우수한 코게이션 능력을 갖는 Ta 필름은 곧이어 연속적으로 형성된다. 또한, 상부층 안티-캐비테이션 필름(27)은 하부층 안티-캐비테이션 필름(26)보다 낮은 잉크 부식 저항제를 갖는다.
제1 안티-캐비테이션 필름(26)으로서 Ta을 포함하는 비정질 합금 필름은 Ta, Fe, Ni 및 Cr을 포함한다. 이러한 합금의 사용에 의해, 잉크 부식 저항제는 증가한다. 또한, Ti, Zr, Hf, Nb 및 W을 포함하는 군으로부터 선택된 하나 이상의 원자를 포함할 수 있다.
또한, 비정질 합금으로서, Ta을 포함하고 다음의 구성(I)을 만족시키는 비정질 합금이 양호하다.
TaαFeβNiγCrδ...................................... (Ⅰ)
(여기서, 10 원자% < α< 30 원자%, α+β< 80 원자%, α<β, δ<γ, α+β+γ+δ=100 원자%)
이러한 경우에, Ta의 양은 10 원자% 내지 30 원자%의 범위로 설정되는데 이는 Ta을 포함하고 상기의 구성을 갖는 비정질 합금의 Ta의 양보다 낮은 것이다. 이러한 낮은 Ta 비율을 채택함으로써, 적당한 비정질 영역은 패시베이션 필름을 제공하기 위해 합금에 추가되어 부식 반응의 기부를 생성하는 결정 계면의 지점이 존재하는 결과가 되어 그로 인해 안티-캐비테이션 능력을 우수한 수준으로 유지할 때 잉크 저항을 향상시킨다.
특히, 칼슘, 마그네슘 또는 킬레이트를 형성하는 성분과 같은 2가 금속염을 포함하는 잉크에서, 패시베이션 필름과 같은 효과가 달성되고, 그로 인해 잉크 부식을 막는다. 부수적으로, 전술한 구성(I)에서, α는 10 원자% ≤α ≤20 원자%인 것이 더 양호하다. 또한, 보다 양호하게는, γ≥7 원자%이고 δ≥15 원자%, 그리고 γ≥8 원자%이고 δ≥17 원자%이다.
다른 한편, 제2 안티-캐비테이션 필름(27)으로서의 Ta은 입방 격자 결정 구조를 포함하고, Ta이 발열부(21) 내의 버블의 소멸에서 발생되는 캐비테이션에 의해 조금씩 제거되고, 특히 후술하는 바와 같이 순도 99% 이상의 금속 Ta 타겟을 사용하여 스패터링에 의해 형성된 사각 격자 구조를 갖는 Ta 필름(층)의 특성을 갖는 Ta이다.(또한 β-Ta이라고 불림)
다음에, 전술한 구조를 갖는 잉크 제트 헤드 기판은 도2a 내지 도2d 및 도3a 내지 도3d를 참조하여 설명될 것이다.
도2a에 도시된 바와 같이, 발열 부재용 언더그라운드(underground)로서 열 축적층(28)을 형성하는 2400nm의 두께를 갖는 실리콘 산화물 필름은 열 산화 방법, 스패터링 방법 또는 CVD 방법에 의해 실리콘 기판(23) 상에 형성된다.
그 다음에, 도2b에 도시된 바와 같이, 발열 저항층(24)으로서 대략 100nm의 두께를 갖는 TaN층은 반응 스패터링에 의해 열 축적층(28) 상에 형성되고, 전극 배선(22)으로서 500nm의 두께를 갖는 알루미늄층은 스패터링에 의해 형성된다.
그 다음에, 알루미늄층은 사진 석판 방법의 사용에 의해 수성 에칭되고, TaN층은 에칭에 잘 반응하게 되어 전극 배선(22)을 형성하고, 발열 저항층(24)은 (도2a의 평면도인) 도2c에 도시된 바와 같은 단면 영역을 갖는다. 도1a 및 1b에 도시된 발열부(21)는 전류가 전극 배선(22) 사이에 공급될 때, 알루미늄층이 제거되고 잉크에 열을 인가하기 위해 제공되는 발열 저항층(24)의 일부이다.
그 다음에, 도2d에 도시된 바와 같이, 보호층(25)으로서 1000nm의 두께를 갖는 실리콘 질화물 필름은 스패터링에 의해 형성되고, 또한, 도3a에 도시된 바와 같이, Ta을 포함하고, 100nm의 두께를 갖고, 대략 8 원자%의 Ta과 대략 60 원자%의 Fe과 대략 13 원자%의 Cr과 대략 9 원자%의 Ni의 구성을 갖는 비정질 합금은 하부층 안티-캐비테이션 필름(26)으로서 스패터링에 의해 형성된다. Ta을 포함하는 비정질 합금 필름은 Ta-Fe-Cr-Ni을 포함하는 합금 타겟을 사용하는 스패터링뿐 아니라, Ta 타겟과 Fe-Cr-Ni 타겟에 연결된 두 개의 전원 공급기로부터 전원을 공급받는 2차원 스패터링 방법에 의해 형성될 수 있다.
또한, 도3b에 도시된 바와 같이, 150nm의 두께를 갖고 입방 격자 결정 구조를 포함하는 Ta(또한 β-Ta이라고 불림)층은 순도 99% (양호하게는 99.99%) 이상의 금속 Ta 타겟을 사용하여 마그네트론 스패터링에 의해 상부층 안티-캐비테이션 필름으로서 형성된다. 부수적으로, 전술한 결정 구조를 갖는 β-Ta이 형성되는 동안, 마그네트론 스패터링보다 스패터링 방법이 사용될 수 있다.
이러한 경우, Ta을 포함하는 하부층 비정질 함금 필름으로서 α-Ta(Cr, Fe, Ni)의 표면부에 Ta이 채택된다. 그러나, α-Ta층이 크게 변화하지 않더라도, Ta을 표면 영역에 채택함에 의해 Ta이 표면부에 풍부하게 되도록 고려된다. 이러한 경우, α-Ta(Cr, Fe, Ni)층은 비교적 Cr이 많기 때문에, Ta의 풍부함이 Cr과 같은 패시베이션층에 영향을 미치도록 고려된다. 이러한 부분은 보호층의 내구성을 향상시키는 것으로 고려된다.
그 다음에, 도3c에 도시된 바와 같이, 저항 패턴은 사진 석판 인쇄 방법을 사용함으로서 Ta 상에 형성되고, 하부층 Ta을 포함하는 비정질 합금 필름과 상부층의 Ta은 플루오르화수소산과 질산을 주로 포함하는 액체의 에칭을 사용함으로서 성공적으로 에칭이 일어나고, 그로 인해 소정의 형태가 얻어진다.
그 다음에, 도3d에 도시된 바와 같이, 저항 패턴은 사진 석판 인쇄 방법에 의해 보호 필름 상에 형성되고, 외부 전원 공급기로 연결하기 위해 요구되는 알루미늄 전극으로서의 전극 패드는 CF4가스를 사용함으로서 드라이 에칭에 의해 노출된다. 이러한 방식으로, 잉크 제트 기록 헤드 기판의 주요 부분의 제조가 완료된다.
부수적으로, 미국 특허 제4,429,321호에 개시된 바와 같이, 발열 부재 구동용 집적 회로는 동일한 실리콘 기판에 결합될 수 있다. 이러한 경우에서, 배선과 유사하게, 집적 회로가 보호 필름(25), 제1 안티-캐비테이션 필름(26), 제2 안티-캐비테이션 필름(27)에 의해 커버되는 것이 양호하다.
(예컨대, 도4를 참조하여) 잉크 제트 헤드는 이러한 방식으로 제조된 잉크 제트 헤드 기판의 사용에 의해 조립되고, 동일한 기판 상에 형성되는 노즐 어레이는 세 개로 분할되고, 코게이션 축적이 일어나기 쉽고 높은 부식성을 갖는 각각의 청록색 잉크, 황색 및 심홍색 잉크는 분할된 세 개의 노즐 어레이에 각각 공급되며, 이러한 헤드의 동작은 체크된다. 그 결과, 히터는 청록색 잉크를 사용하는 히터부 내에서 손상되지 않고 코게이션은 거의 일어나지 않으며 전력의 유출은 황색 및 심홍색 잉크를 사용하는 히터부 내에서 감소되지 않아서, 대략 1 ×10E9 펄스까지인 헤드의 내구 연한이 보장된다.
여기서, 도5a, 도5b1, 도5b2는 히터 구동 펄스 수의 증가에 따라서 높은 Ta 부식 능력을 갖는 잉크에 의한 본 발명의 안티-캐비테이션 필름에서의 변화를 도시하고 있다. 도5a, 도5b1, 도5b2는 도1b에 도시된 발열부 및 그 주위를 도시하는 확대도이고, 도5a는 히터 구동 펄스 수가 2×108이하일 때의 필름을 도시하는 단면도이고, 도5b1은 히터 구동 펄스 수가 2×108을 초과할 때의 필름을 도시하는 단면도이며, 도5b2는 도5b1의 평면도이다.
도5a에 도시된 초기 상태에서, 상부층은 Ta 필름(27)을 포함하므로, 축적성 코게이션이 비교적 잘 발생하는 잉크가 사용되었을 경우에도, 코게이션은 히터부에서 거의 발생되지 않고, 토출력은 감소되지 않는다. 그 이유는 구동 펄스의 수가 증가함에 따라, Ta 필름의 표면이 조금씩 제거되어, 코게이션의 축적성 발생을 억제하는 것으로 추정된다. 이러한 효과는 본 실시예의 상부층 안티-캐비테이션 필름(27)으로서 사용된 Ta 필름뿐만 아니라 TaAl을 사용해서도 얻을 수 있다.
반면에, 히터 구동 펄스 수가 초기 상태에서 증가할 때, 높은 Ta 부식 능력을 갖는 잉크와 접촉된 Ta 필름(27)이 점차적으로 부식되고, 결국 도5b1 및 도5b2에 도시된 바와 같이, Ta을 포함하는 비정질 합금 필름(26)은 유효 버블링 영역(열이 발열 저항 부재가 전극 배선들 사이에 존재하여 잉크를 버블링시키기 위해 효과적으로 작용하는 영역(히터 영역)에서 발생되는 영역)에 노출되고, 그 결과 잉크에 의한 부식은 Ta 및 Ta 필름(27)을 포함하는 비정질 합금 필름(26) 사이의 계면에서 멈추게 된다. 이러한 효과는 본 실시예에서와 같이 하부층 안티-캐비테이션 필름(26)으로서 사용된 Ta을 포함하는 비정질 합금 필름뿐만 아니라 예를 들어, Cr 산화물을 포함하는 산화 필름이 형성된 표면을 갖는 안티-캐비테이션 필름(26)과 같은 잉크 부식 저항성을 갖는 물질을 사용함으로써 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
또한, 도5a 및 도5b1에 도시된 공정에서, 제거된 β-Ta층이 잉크 버블링 중에 캐비테이션에 의해 발생된 압력을 받게 되는 경우, Ta은 Ta를 포함하는 비정질 합금 표면층 또는 그 패시베이션 필름의 비정질체에 도프처리(dope)된다. 즉, Ta이 헤드 제조 중의 에이징(예비적인 액체 토출이 제조 공정 최종 단계로서 사전에 수행됨) 또는 사용 중의 버블 소멸 작용에 의해 Ta을 포함하는 비정질 합금 표면층 또는 그 패시베이션 필름의 비정질체에 충분히 도프처리(또한, 역-스패트링으로 불리는)될 때, 안티-캐비테이션 표면층 또는 우수한 내구성을 갖고 코게이션을 방지하는 완전한 필름이 형성될 수 있다. 또한, 상기의 이유에서, 잉트 젯 헤드 기판 및 이러한 기판을 갖는 헤드가 기록 장치로 장착되어 사용될 때, Ta 또는 그 패시베이션(passivation) 필름을 포함하는 비정질 합금 표면층의 비정질체로 β-Ta을 도핑함으로써 얻어진 층은 잉크를 위한 제1 표면으로서 사용되거나 또는 나중에 노출될 수 있다. 이러한 경우, 전방의 헤드에서는, 토출 속도가 초기 상태에서 안정화되고, 후방의 헤드에서는, 제1 표면이 캐비테이션에 의해 제거될 때까지, 코게이션이 발생되기 어려운 시간이 늘어나게 된다.
상기로부터, 도6에 도시된 바와 같이, 높은 Ta 부식 능력을 갖는 잉크를 사용하는 히터부의 수명은 단일의 Ta층을 포함하는 안티-캐비테이션 필름과 비교하여 상당히 연장되고, 동시에 축적성 코게이션이 발생되기 쉬운 잉크를 사용하는 히터부에 있어서, 양호한 버블링 효율이 유지될 수 있다.
(제2 실시예)
다음으로, 상술한 잉크 젯 헤드 기판이 적용되는 잉크 젯 헤드의 예를 기술하기로 한다.
도4는 도1a 및 도1b에 도시된 헤드 기판을 사용하여 조립된 잉크 젯 헤드의 주요부들을 도시하는 부분 단면의 사시도이다. 도4에 따르면, 도1a 및 도1b에 도시된 바와 같이, 에칭 및 증착 스패터링과 같은 반도체 공정들을 통해 헤드 기판(1102)상에 형성되는 발열 저항 부재(1103)들, 배선 전극(1104)들, 액체 유동 통로 벽(1110)들 및 상부판(1106)로 구성되는 잉크 젯 헤드(1101)가 도시되고 있다.
기록 액체(1112)는 (도시되지 않은) 액체 저장 챔버로부터 액체 공급 튜브(1107)를 통해 헤드(1101)의 통상의 액체 챔버(1108)로 공급된다. 도4에서, 도면부호 1109는 액체 공급 튜브용 커넥터를 표시한다. 통상의 액체 챔버(1108)로 공급된 액체(1112)는 소위 모세관 현상에 의해 액체 유동 통로들로 공급되고, 유동 통로의 말단부와 연통된 토출 포트면(오리피스면)에서 메니스커스(meniscus)를 형성함으로써 안정하게 유지된다. 또한, 전기적/열적 컨버터(1103)들이 각각의 액체 유동 통로들에 제공된다. 액체 유동 통로들은 상부판(1106)와 액체 유동 통로 벽(1110)들을 연결함으로써 한정된다. 또한, 액체 공급 튜브 커넥터(1109)들, 통상의 액체 챔버(1108)들 및 챔버에 연통된 복수의 액체 유동 통로들은 여러 형태(예를 들면, 색상)의 기록 액체들을 위한 동일한 헤드 기판 상에 분배된다.
전기적/열적 컨버터(1103)에 전기를 공급함으로써, 전기적/열적 컨버터 상의 액체는 액체내에서 버블을 발생시키도록 급속히 가열되고, 액체는 버블의 성장 및 수축에 의해 토출 포트(1111)로부터 토출되어, 액적을 형성한다.
(제3 실시예)
여기서, α-Ta/β-Ta의 안티-캐비테이션층을 사용하는 헤드 구조로서 다른실시예가 효과적이다. 또한, 본 명세서에서 기술된 헤드 구조는 상술한 실시예들과 적절히 결합될 수 있다.
도7은 본 발명의 헤드 기판이 적용되는 액체 토출 헤드의 실시예의 액체 토출부를 도시하는 개략적인 측단면도이다. 또한, 도8a 내지 도8e는 도7에 도시된 액체 토출 헤드로부터의 원-샷(one-shot) 액체 토출 단계들 또는 공정들을 기술하기 위한 도면이다.
먼저, 액체 토출 헤드의 구성을 도7을 참조하여 기술하기로 한다.
액체 토출 헤드는 버블 생성 수단으로서의 발열부(21)와 가동 부재(11)를 포함하는 요소 기판(1), 그 위에 스토퍼(stopper; 조절부)(12)들이 형성된 상부판(2), 토출 포트(4)들이 형성된 오리피스 플레이트(5)를 포함한다.
유동 통로(액체 유동 통로)(3)들은 요소 기판(1) 및 상부판(2)를 적층함으로써 형성된다. 또한, 복수의 유동 통로(3)들은 단일 액체 토출 헤드 내에서 나란히 형성되고 토출 액체를 위한 하류측(도7의 좌측) 토출 포트(4)들과 연통된다. 버블 생성 영역은 발열부(21)가 액체와 접촉하는 영역에 인접하여 존재한다. 또한, 큰 체적의 통상의 액체 챔버(6)는 상류측(도7에서 우측)에서 동시에 유동 통로(3)들과 연통된다. 즉, 유동 통로(3)들은 단일의 통상의 액체 챔버(6)로부터 분기된다. 통상의 액체 챔버(6)의 높이는 각각의 유동 통로(3)의 높이 보다 높다.
가동 부재(11)는 외팔보 형식으로 한쪽 단부가 지지되고 잉크 유동 방향의 상류측에서 요소 기판(1)에 고정되고, 받침대(fulcrum)(11a)의 하류측에서 가동 부재의 일부는 요소 기판(1)에 대해 상하 방향으로 위치설정된다. 초기 상태에서, 가동 부재(11)는 갭을 구비한 요소 기판(1)과 사실상 평행하게 위치설정된다.
요소 기판(1) 상에 제공된 가동 부재(11)는 그 자유단(11b)들이 발열부(21)의 중앙 영역에 위치되도록 위치설정된다. 또한, 각각의 스토퍼(12)는 자유단과 접촉함으로써 가동 부재(11)의 단유단(11b)의 상부 이동을 조절한다. 가동 부재(11)와 스토퍼(12) 사이의 접촉에 의한 가동 부재(11)의 (가동 부재의 접촉중의)변위의 조절 중에, 가동 부재(11)와 스토퍼(12)의 제공으로 인해, 유동 통로(3)는 상류측 및 하류측에서 사실상 차단된다.
자유 단부(11b)의 위치(Y)와 스토퍼(12)의 일단부(X)는 양호하게는 구성 요소 기판(1)에 수직으로 위치한다. 보다 양호하게는, 이들 위치(X, Y)는 구성 요소 기판에 수직인 평면상의 발열부(21)의 중심(Z)과 함께 위치된다.
더욱이, 스토퍼(12)의 하류측에서 유동 통로(3)의 높이는 급작스럽게 증가한다. 이런 배치에서, 가동 부재(11)가 스토퍼(12)에 의해 조절될 때에도, 적절한 유동 통로 높이가 유지되므로, 버블의 성장은 방해받지 않고, 액체가 토출 포트(4)를 향해 유연하게 지향될 수 있는 결과를 가져온다. 더욱이, 높이 방향으로의 토출 포트의 저단과 상단 사이의 압력 밸런스에 있어서의 불규칙이 감소되므로, 양호한 액체 토출이 달성될 수 있다. 부수적으로, 가동 부재(11)를 구비하지 않은 종래의 액체 토출 헤드에, 유동 통로 구조체 등이 사용된다면, 유동 통로 높이가 스토퍼(12)의 하류측에서 증가하는 구역에서 정체가 발생되고, 보다 바람직하지 않게는 버블이 정체 구역에서 막히게 된다. 그러나, 설명한 실시예에서는, 상술한 바와 같이, 액체의 유동이 정체 구역에 도달하기 때문에, 버블은 거의 막히지 않게된다.
더욱이, 보통의 액체 챔버(6)를 향하는 스토퍼(12)의 상류측에서 실링(ceiling) 형상은 급작스럽게 솟아오른다.
이런 배치에서, 만약 가동 부재(11)가 없다면, 버블 생성 영역의 하류측에서 액체 저항이 상류측에서보다 더 작기 때문에, 토출에 사용되는 압력이 토출 포트(4)를 향해 지향되기 어렵다. 그러나, 설명한 실시예에서, 버블 형성시에, 버블 생성 영역의 상류측에 버블의 이동이 가동 부재(11)에 의해 상당히 차단되므로, 토출에 사용되는 압력은 토출 포트(4)를 향해 능동적으로 지향되고, 잉크 공급시에는, 버블 생성 영역의 상류측에서 액체 저항이 작기 때문에, 잉크는 버블 생성 영역에 즉시 공급될 수 있다.
상술한 배치에 따르면, 하류측을 향해 지향된 버블의 성장 구성 성분은 상류측을 향해 지향된 버블의 성장 구성 성분에 비해 규칙적이지 않고, 상류측을 향한 성장 구성 성분은 작게 되고 상류측을 향하는 액체의 이동은 억제된다. 상류측을 향하는 액체의 유동이 억제되기 때문에, 토출후에 메니스커스의 방해량은 감소하고, 재충전에서 오리피스 표면(5a)(액체 토출 표면)으로부터 돌출된 메니스커스의 양은 또한 감소하게 된다. 따라서, 메니스커스의 진동이 억제되기 때문에, 전 구동 진동에 있어서 저 진동수부터 고 진동수까지 안정된 토출이 실현될 수 있다.
추가로, 설명한 실시예에서, 버블의 하류측부와 토출부(4) 사이의 통로 구조는 액체 유동에 대해 "직선 연통 조건"을 유지한다. 이에 관해, 보다 양호하게는,토출 액적(66)의 토출 속도 및 토출 방향과 같은 토출 조건이 버블의 생성시에 발생되는 압력파의 전파 방향과 그로 인해 발생되는 액체의 유동 방향 및 서로에 대한 토출 방향을 선형으로 배열함으로써 매우 높은 레벨로 안정화될 수 있는 이상적인 상태를 만드는 것이 기대될 수 있다. 설명한 실시예에서, 이상적인 상태를 달성 또는 근사하기 위한 하나의 제한으로써, 토출 포트(4)가 발열부(21)에, 특히 버블의 토출 포트(4) 측부에 영향을 미치는 발열부(21)의 토출 포트(4) 측부(하류측)에 직접 연결되도록 설계될 수 있다. 이러한 배치에서, 유동 통로(3) 내에 액체가 없다면, 발열부(21), 특히, 발열부(21)의 하류측부는 토출 포트(4)의 외부로부터 관측될 수 있다.
다음에, 다양한 구조의 구성 성분의 치수를 설명한다.
설명한 실시예에서, 가동 부재(11)의 상부 표면상의 버블의 진행 방향 주위 상태(버블 생성 영역의 상류측에 버블의 진행 방향 주위 상태)를 체크하고 시험함으로써, 가동 부재의 상부 표면상의 버블의 진행 방향 주위 상태는 보호될 수 있고, 그럼으로써 양호한 토출 성능을 얻을 수 있다.
즉, 설명한 실시예에서, 버블의 체적 변화율과 가동 부재의 변위 체적 변화율이 증가하게 되는 때에 조절부로써 가동 부재의 변위를 조절함으로써, 가동 부재의 상부 표면상의 버블의 진행 방향 주위 상태는 보호될 수 있고, 그럼으로써 양호한 토출 성능을 얻을 수 있다.
이것은 도8a 내지 도8e를 참조하여 충분히 설명될 것이다. 그러나, 도8a 내지 도8e의 요소 기판(1)의 구조가 도7에 도시된 바와 같지만, 편의를 위해, 도8a 내지 도8e에는 (도10 및 도11과 유사하게)개략적으로 도시되어 있다.
무엇보다, 도8a에 도시된 상태로부터 버블이 발열부(21)상에 생성될 때, 압력파가 동시에 발생한다. 발열부(21) 주위의 액체가 압력파에 의해 이동될 때, 버블(40)은 성장한다. 최초에, 가동 부재(11)가 액체의 이동을 실제적으로 따르도록 상향으로 배치된다(도8b 참조). 시간이 지남에 따라, 가동 부재(11)의 탄성력에 의해 액체의 관성력이 작아지기 때문에, 가동 부재(11)의 변위 속도는 급격히 감소한다. 이 경우에, 액체의 이동 속도는 그렇게 감소하지 않기 때문에, 액체의 이동 속도와 가동 부재(11)의 이동 속도 사이에 차이는 커지게 된다. 이점에서, 가동 부재(11)(자유 단부(11b))와 스토퍼(12) 사이의 간격이 여전히 남아 있다면, 액체는 버블 생성 영역의 상류측으로 유동하며, 결과적으로 가동 부재(11)가 스토퍼(12)와 접촉하기 어렵게 되고 토출력이 부분적으로 손실된다. 따라서, 이런 경우에, 조절부(스토퍼(12))에 의한 가동 부재의 적절한 조절(차단) 효과는 달성될 수 없다.
반면에, 설명한 실시예에서, 가동 부재의 변위가 액체의 이동을 실질적으로 따르는 단계에서 조절부에 의한 가동 부재의 조절이 수행된다. 여기에서는, 편의를 위해 가동 부재의 변위 속도와 버블의 성장 속도(액체의 이동 속도)는 각각 "가동 부재 변위 체적 변화율"과 "버블 체적 변화율"로 표현한다.
추가로, "가동 부재 변위 체적 변화율"과 "버블 체적 변화율"은 가동 부재 변위 체적과 버블 체적을 구별함으로써 얻어진다.
상술한 바와 같은 배치에서, 가동 부재(11)의 상부 표면상의 버블의 진행 방향 주위 상태의 원인이 되는 액체의 유동이 거의 제거되고 버블 생성 영역의 밀봉 상태가 더 능동적으로 달성될 수 있기 때문에, 양호한 토출 성능이 달성될 수 있다.
도시된 배치에 따르면, 가동 부재(11)가 스토퍼(12)에 의해 제한된 후라 할지라도 (40)은 계속 성장한다. 이 경우, 스토퍼(12) 및 기판(1)에 대향된 유동 통로(3)의 표면(상부 벽면) 사이의 적당한 거리[스토퍼(12)의 돌출된 높이]는 버블(40)의 하류 부품의 자유동 통로운 신장을 증진하도록 유지되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명인들에 의해 제안된 새로운 액체 토출 헤드에서, 제한부에 의한 가동 부재의 거리 제한은 가동 부재의 거리 부피 변화율이 0 또는 음의 값이 되는 상태를 나타낸다.
유동 통로(3)의 높이는 55(㎛), 가동 부재(11)의 두께는 5(㎛)이다. 버블이 발생하지 않는 상태[가동 부재(11)가 변위 되지 않은 상태]에서, 가동 부재(11)의 하부면 및 요소 기판(1)의 상부면 사이의 유극은 5(㎛)이다.
또한, 상부판(2)의 유동 통로 벽면으로부터 스토퍼(12)의 말단부까지의 높이가 t1이고 가동 부재(11)의 상부면 및 스토퍼(12)의 말단부 사이의 유극이 t2라고 가정되는 경우에, t1이 30㎛보다 클 경우, 안정한 액체 토출 특성이 15㎛ 이하로 t2를 선정하여 얻어질 수 있다. 또한, t1이 20㎛보다 큰 경우 t2는 양호하게는 25㎛보다 작다.
다음으로, 도시된 실시예를 따르는 액체 토출 헤드의 원샷 토출 운전은 버블의 체적과 변위 속도의 시간 경과에 따른 변화와 가동 부재의 변위 체적 및 변위 속도의 시간 경과에 따른 변화를 도시하는 도8a 내지 도9를 참조하여 상세히 설명될 것이다.
도9에서, 버블 체적 변화율(vb)은 실선에 의해 도시되며, 버블 체적(Vb)은 이점쇄선에 의해 도시되고, 가동 부재 변위 체적 변화율(vm)은 파선에 의해 도시되며, 가동 부재 변위 체적(Vm)은 일점쇄선에 의해 도시된다. 또한 버블 체적 변화율(vb)은 버블 체적(Vb)이 증가될 때 양이고, 버블 체적(Vb)은 체적이 증가될 때 양이며, 가동 부재 변위 체적 변화율(vm)은 가동 부재 변위 체적(Vm)이 증가될 때 양이고, 가동 부재 변위 체적(Vm)은 체적이 증가될 때 양이다. 또한, 가동 부재 변위 체적(Vm)은 가동 부재(11)가 도8a에 도시된 바와 같이 초기 상태로부터 상부판(2)으로 이동될 때 얻어진 체적을 기초로 양이기 때문에, 가동 부재(11)가 초기 상태로 요소 기판(1)으로 이동될 때 가동 부재 변위 체적(Vm)은 음의 값을 나타낸다.
도8a는 전기 에너지와 같은 에너지가 발열부(21)에 가해지기 전의 상태, 즉 발열부(21)가 열을 발생하기 전의 상태를 도시한다. 후속하여 설명되는 바와 같이, 가동 부재(11)는 발열부(21)의 열에 의해 발생된 버블의 상류 반부에 대향하는 영역에 위치된다.
도9에서, 이 상태는 시간(t)이 0인 지점(A)에 일치한다.
도8b는 버블 발생 영역을 충전하는 액체의 부분이 발열부(21)에 의해 가열되고 버블(40)이 막비등에 의해 발생되기 시작한다. 도9에서, 이 상태는 지점(B)으로부터 지점(C1) 바로 전까지의 영역과 일치하며, 이 경우 버블 체적(Vb)은 시간이 경과함에 따라 증가된다. 또한, 이 경우 가동 부재(11)의 변위의 시작이 버블(40)의 체적 변화로부터 지연된다. 즉, 막비등에 기인한 버블의 발생에 의해 발생된 압력파는 유동 통로(3)에서 전파되며, 따라서 액체는 버블 발생 영역의 중심 구역으로부터 하류 및 상류측으로 이동되며, 상류측에서 가동 부재(11)는 버블(40)의 성장에 의한 액체의 유동에 의해 변위 되기 시작한다. 또한, 상류측으로 이동하는 액체는 유동 통로(3)의 측벽 및 가동 부재(11) 사이를 통과하여, 공통 액체 챔버(6)로 유도된다. 이 지점에서, 스토퍼(12) 및 가동 부재(11) 사이의 유극은 가동 부재(11)가 변위 됨에 따라 감소한다. 이 상태에서, 토출 액적(66)은 토출부(4)로부터 토출 되기 시작한다.
도8c는 가동 부재(11)의 자유 단부(11b)가 버블(40)이 더욱 커짐에 따라 스토퍼(12)와 접촉하는 상태를 도시한다. 도9에서, 이 상태는 지점(C1) 및 지점(C2) 사이의 영역과 일치한다.
도8b에 도시된 상태로부터, 가동 부재 변위 체적 변화율(vm)은 도8c에 도시된 지점(B)이 도9의 지점(C1)으로 이동될 때 가동 부재(11)가 스토퍼(12)와 접촉하는 지점(B')에서의 상태 전에 갑자기 감소된다. 그 이유는, 가동 부재(11)가 스토퍼(12)와 접촉하기 바로 전에, 가동 부재(11) 및 스토퍼(12) 사이의 액체의 유동 저항이 갑자기 커지게 되기 때문이다. 또한, 버블 체적 변화율(vb)이 갑자기 감소한다.
따라서, 가동 부재(11)가 스토퍼(12)에 접근하며 최종적으로 스토퍼에 접촉한다. 가동 부재(11) 및 스토퍼(12) 사이의 접촉은 스토퍼(12)의 높이(t1)와 가동 부재(11)의 상부면 및 스토퍼(12) 사이의 유극이 전술된 바와 같이 치수가 결정되기 때문에, 명확하게 실현된다. 가동 부재(11)가 스토퍼(12)와 접촉할 때, 가동 부재의 추가 상향 변위가 제한되기 때문에[도9의 C1내지 C3지점], 상류 방향으로의 액체의 이동은 크게 제한된다. 이에 따라, 상류 방향으로의 버블(40)의 성장 또한 가동 부재(11)에 의해 제한된다. 그러나, 상류방향으로의 액체의 이동력이 크기 때문에, 가동 부재(11)는 상류 방향으로 당겨지기 위해 더 큰 응력을 받게 되는 결과로, 가동 부재는 상방으로 볼록한 형태로 약간 변형된다. 또한, 이 경우, 버블(40)은 연속적으로 성장한다. 버블의 상류 성장이 스토퍼(12) 및 가동 부재(11)에 의해 제한되기 때문에, 버블(40)은 하류측에서 추가로 성장한다. 그 결과, 발열부(21)의 하류측에서 버블(40)의 성장 높이가 가동 부재(11)가 제공되지 않는 경우와 비교하여 증가된다. 즉, 도9에 도시된 바와 같이, 가동 부재 변위 체적 변화율(vm)은, 가동 부재(11)가 스토퍼(12)와 접촉하기 때문에, 지점(c1, c3) 사이에서 0이지만, 버블(40)은 하류측으로 성장하며 지점(C1)으로부터 시간 조절되어 약간 지연된 지점(C3)까지 계속 성장하며 버블 체적(Vb)은 지점(C2)에서 최대가 된다.
한편, 전술된 바와 같이, 가동 부재(11)의 변위가 스토퍼(12)에 의해 제한되기 때문에, 버블(40)의 상류측부는, 가동 부재(11)가 상류측으로의 액체의 유동의 관성력에 의해 상류측으로 볼록하게 만곡될 때까지 작은 크기를 가지며 응력은 변화된다. 버블(40)의 상류측부는 상류 영역으로의 전진량이 거의 0이 되도록 스토퍼(12), 유동 통로 측벽, 가동 부재(11) 및 받침대(11a)에 의해 제한된다.
이와 같은 방식으로, 상류측으로의 액체의 유동은 상당히 감소하며, 그 결과 액체 공급 시스템 및 압력 진동에서 액체의 역류(back flow)를 막고(고속 재충전 방지) 인접한 유동 경로에서의 액체의 혼합(cross-talk)을 방지한다.
도8d는 막비등 이후에 버블(40) 내의 음압이 버블(40)의 수축을 개시하도록 유동 통로 내의 액체의 하류 이동을 보완하는 상태를 도시한다.
버블(40)이 수축됨에 따라(도9의 C2내지 E 지점), 가동 부재(11)가 하향으로(도9의 C3내지 D 지점) 배치되더라도 가동 부재(11) 자체는 외팔보식 스프링 응력 및 상향 볼록 변형에 의한 응력을 갖기 때문에, 하향 배치를 위한 속도가 증가된다. 또한 유동 통로 저항이 적기 때문에, 일반적인 액체 챔버(6)와 유동 통로(3) 사이에 형성된 낮은 유동 통로 저항 영역인 가동 부재(11)의 상향 측면 영역에서 액체의 하류 유동은 대단히 신속한 유동이 되고 스토퍼(12)를 통과하여 유동 통로(3) 내로 유동한다. 유동 통로(3) 내로 지향된 액체는 스토퍼(12)와 하향 배치된 가동 부재(11)가 있는 곳 사이를 통과하고, 그 후에 발열부(21)의 하류 측면내로 유동하여 버블의 소멸을 가속시키도록 버블(40)에 작용한다. 버블의 소멸을 돕는 액체의 그러한 유동 후에, 메니스커스의 복구를 돕고 재충전 속도를 강화시키도록 토출 포트(4)를 향하는 액체 유동을 생성한다.
이 단계에서, 토출 포트(4)로부터 토출된 토출 액적(66)으로 구성된 액체 폴은 차례로 외향 분사되는 액체 액적으로 변화된다.
도8d는 버블의 소멸 및 분리되기 시작한 토출 액적의 액체 폴에 의해 메니스커스가 토출 포트(4) 내로 당겨지는 상태를 도시한다.
또한, 가동 부재(11)와 스토퍼(12) 사이의 영역을 통과하는 유동 통로(3) 내의 액체의 유동은 상부판(2) 측면에서 유동 속도를 증가시키고, 실제로 그 부분에 미세한 버블의 축적을 방지하여 안정된 토출을 하게 한다.
또한, 버블의 소멸에 기인한 캐비테이션의 생성부가 버블 생성 영역의 하류 측면으로 이동되기 때문에, 발열부(21)로의 파손이 감소된다. 동시에, 현상에 기인한 발열부(21)로 코게이션의 부착이 감소되기 때문에, 토출 안정성이 강화된다.
도8e는 버블(40)이 완전히 소멸된 후에 가동 부재(11)가 초기 상태(도9의 E 지점 등)로부터 오우버샷(overshot)되는 상태를 도시한다.
가동 부재(11)의 강성 및 이용된 액체의 점성에 의존하지만, 가동 부재(11)의 오우버샷은 짧은 시간 동안에 감소되어 초기 상태로 복구된다.
도8c는 가동 부재(11)의 변위 감소와 유사하게, 버블의 소멸에 의해 메니스커스가 실제 상류 측면까지 당겨지지만, 비교적 짧은 기간동안 최초 위치가 복구되어 안정된다. 또한, 도8e에 도시된 대로, 토출 액적(66)은 후향하고, 미부는 표면장력에 의해 분리되어서 부수체(67)가 형성될 수 있다.
다음으로, 특히 가동 부재(11)의 양 측면으로부터 발생한 버블 및 토출 포트(4)에서의 액체 메니스커스는 도7의 액체 토출 헤드의 사시도인 도11을 참조하여 완전하게 설명될 것이다.
도시된 실시예에서, 유동 통로(3) 및 가동 부재(11)의 모든 측면 모서리를 구성하는 측면들의 벽표면 사이에 작은 간극이 존재하여 가동 부재(11)가 매끄럽게 배치될 수 있다. 또한, 발열부(21)에 의한 버블의 증가 공정에서, 버블(40)은 가동 부재(11)에 배치되고, 낮은 유동 통로 저항 영역(3a) 내로 약간 스며들도록 간극을 통과하는 가동 부재(11)의 상부면을 향하여 발생된다. 스며든 발생 버블(41)은 (버블 생성부에 대향하는) 후표면 주위로 이동하여 가동 부재(11)의 진동을 억제하고 토출 특성을 안정화시킨다.
또한, 버블(40)의 소멸 단계에서, 발생 버블(41)은 낮은 유동 통로 저항 영역(3a)으로부터 버블 생성부까지 액체 유동을 촉진하여, 토출 포트(4)로부터 메니스커스의 전술된 고속 지연과 협력하여 버블의 소멸이 신속하게 완료된다. 특히, 생성된 버블(41)에 의해 생성된 액체 유동 때문에, 버블은 가동 부재(11) 및 유동 통로(3)의 모퉁이에서 거의 막히지 않는다.
전술된 배열을 갖는 액체 토출에서, 버블(40)의 생성에 의해 액체가 토출 포트(4)로부터 토출될 때, 토출 액적(66)은 실제로 그 선단부에서 구면 형상을 갖는 액체 폴의 상태로 토출된다. 이는 종래의 헤드 구조에서도 그러하지만, 도시된 실시예에서 가동 부재(11)가 버블의 증가 및 변위된 가동 부재(11)에 의해 변위될 때 (토출 포트를 제외하고)실제로 폐쇄된 공간이 버블 생성 영역을 포함한 유동 통로(3)에서 생성된다. 따라서, 이 상태로 버블이 소멸될 때, 폐쇄된 공간은 가동 부재(11)가 버블의 소멸에 기인하여 스토퍼(12)로부터 분리될 때까지 유지되기 때문에, 버블(40)의 거의 소멸된 에너지는 상류 방향을 향하는 토출 포트(4)에 인접한 액체를 이동하는 힘으로 작용한다. 결과적으로, 버블(40)의 소멸이 개시된 직후에, 메니스커스는 토출 포트(4)로부터 유동 통로(3) 내로 신속하게 흡수되어, 토출 포트(4) 외부의 토출 액적(66)에 연결된 액체 폴을 구성하는 미부는 메니스커스의 강한 힘에 의해 신속하게 분리되게 한다. 따라서, 미부로부터 형성된 부수체는 감소되고, 따라서 인쇄 품질을 향상시킨다.
또한, 미부가 오랜 기간동안 메니스커스에 의해 당겨지지 않을 때, 토출 속도는 감소되지 않고, 토출 액적(66)과 부수체 사이의 거리가 짧아질 때, 부수체 도트는 소위 후류(slipstream) 현상에 의해 토출 액적(66)의 후방으로 당겨진다. 결과적으로, 부수체 도트는 토출 액적(66)과 결합될 수 있고, 따라서 부수체 도트가 거의 생성되지 않은 액체 토출 헤드가 제공될 수 있다.
또한, 도시된 실시예 및 전술된 액체 토출 헤드에서, 가동 부재(11)는 토출 포트(4)를 지향하는 액체의 유동과 관련하여 상류 방향을 향하여 발생한 버블(40)만을 억제하도록 제공된다. 더 바람직하게는, 가동 부재(11)의 자유단(11b)은 실제로 버블 생성 영역의 중앙부에 위치 설정된다. 이 배열과 함께, 버블 및 액체 토출과 직접 관련되지 않는 액체의 관성력이 억제될 수 있고, 버블(40)의 하향 발생 구성 요소는 토출 포트(4)를 지향할 수 있다.
또한, 스토퍼(12)에 대한 토출 포트(4)의 반대에 있는 낮은 유동 통로 저항 영역(3b)의 유동 통로 저항이 낮으므로, 상류 방향을 향한 액체의 이동은 버블 성장으로 인해 낮은 유동 통로 저항 영역(3b)에서 상당한 유동을 생성하고, 그 결과 변위된 가동 부재(11)가 스토퍼(12)와 접촉할 때 가동 부재(11)는 상류 방향을 향해 당겨지되도록 응력을 받게 된다. 따라서, 이 상태에서 버블의 소멸이 개시되는 경우에도, 버블(40)의 성장으로 인해 상류측 방향으로의 액체 변위력이 크게 남아 있으므로, 전술한 폐쇄 공간은 가동 부재(11)의 반발력이 액체 변위력을 능가할 때까지 소정 시간동안 유지될 수 있다. 즉, 상기 구성에 의하면, 메니스커스의 고속 지연은 보다 적극적으로 달성될 수 있다. 또한, 버블의 소멸이 진행되고 가동 부재(11)의 반발력이 버블 성장으로 인해 상류측 방향으로 액체 변위력을 능가할 때, 가동 부재(11)는 초기 상태로 복귀되도록 트레이에 하방으로 배치되고, 그 결과 하류측 방향으로의 유동은 낮은 유동 통로 저항 영역(3a) 내에 생성된다. 유동 통로가 작으므로, 낮은 유동 통로 저항 영역(3a) 내의 하류측 방향으로의 유동은 급격하게 큰 유동이 되고 차례로 스토퍼(12)를 통해 유동 통로(3)로 유동된다. 그 결과, 토출 포트(4)를 향한 하류측으로의 액체 변위에 의해, 메니스커스의 지연이 신속하게 제동되고, 이로써 메니스커스의 진동을 고속으로 감쇠시킨다.
전술한 구성을 구비하고 가동 부재를 포함하는 액체 토출 헤드에 있어서, 잉크 재충전 특성이 향상되므로, 고주파수 구동 영역은 10kHz 레벨로 설정될 수 있고 구동은 약 20kHz 내지 30kHz 레벨로 수행될 수 있다.
이 경우에, 버블의 소멸이 전술한 고주파수 주기로 반복되고, 다수의 누적스트레스가 단위 시간 내에 안티-캐비테이션 층에 제공될지라도, 본 발명에 따른 α-Ta / β-Ta의 안티-캐비테이션 층은 토출 속도 및 토출량을 안정화시킨다.
다음으로, 전술한 액체 토출 헤드가 잉크 제트 기록 헤드로 사용되는 잉크 제트 기록 장치가 설명된다.
도12는 본 발명이 적용되는 잉크 제트 기록 장치의 주 부품들을 도시하는 개략 사시도이다.
도12에 도시된 잉크 제트 장치(600) 상에 장착된 헤드 카트리지(601)는 기록 수행을 위해 잉크를 토출하는 액체 토출 헤드와, 액체 토출 헤드로 공급될 액체를 저장하는 복수의 컬러 잉크 탱크를 포함한다.
도12에 도시된 바와 같이, 헤드 카트리지(601)는 구동 모터(602)의 정상 및 역 회전과 동조하여 구동력 전달 기어(603)를 통해 회전되는 리드 스크류(605)의 헬리컬 홈(606)에 의해 결합된 캐리지(607) 상에 장착된다. 구동 모터(602)의 동력에 의해, 헤드 카트리지(601)는 가이드(608)를 따라 화살표(a, b)로 도시된 방향으로 캐리지(607)와 함께 왕복으로 변위된다. 잉크 제트 기록 장치(600)는 헤드 카트리지(601)로부터 토출된 잉크와 같은 액체를 수용하도록 기록 매체로서 프린터 종이(P)를 반송하기 위한 (미도시된) 기록 매체 반송 수단을 포함한다. 기록 매체 반송 수단에 의해 플래튼(609) 상에 반송된 프린터 종이(P)용의 종이 가압판(610)은 캐리지(607)의 변위 방향을 통해 프린트 종이(P)를 플래튼(609)에 대해 가압하는 기능을 한다. 헤드 카트리지(601)는 (미도시된) 가요성 케이블을 통해 잉크 제트 기록 장치의 주 본체에 전기 연결된다.
포토-커플러(611, 612)는 리드 스트류(605)의 한 단부 근처에 배치된다. 포토-커플러(611, 612)는 포토-커플러(611, 612)의 한 영역에서 캐리지(607)의 레버(607a)의 존재를 탐지함으로써 구동 모터(602)의 회전 방향을 전환하는 원위치 검출 수단이다. 플래튼(609)의 한 단부 근처에는, 헤드 카트리지(601)의 (토출 포트를 포함하는) 전면을 덮는 캡 부재(614)를 지지하는 지지 부재(613)가 제공된다. 또한, 헤드 카트리지(601)의 아이들 토출에 의해 캡 부재(614) 내에 저장된 잉크를 흡입하는 잉크 흡입 수단(615)이 제공된다. 캡 부재(614)의 개구를 통해 잉크 흡입 수단(615)에 의해 헤드 카트리지(601)의 회수가 수행된다.
잉크 제트 기록 장치(600)는 본체 지지부(619)를 구비한다. 본체 지지부(619)는 전후 방향, 즉 캐리지(607)의 변위 방향에 수직인 방향으로의 변위 이동을 위해 변위 부재(618)를 지지한다. 세척 블레이드(617)는 변위 부재(618)에 부착된다. 세척 블레이드(617)는 블레이드로 제한되지 않으나 다른 공지된 유형의 세척 블레이드가 사용될 수 있다. 또한, 잉크 흡입 수단(615)의 흡입 회수 조작을 개시하는 레버(620)가 제공된다. 레버(620)는 캐리지(607)에 의해 결합된 캠이 변위될 때 변위되고, 구동 모터(602)로부터의 구동력은 클러치 스위칭과 같은 공지된 전송 수단에 의해 제어된다. 신호를 발열부로 공급하고 다양한 요소의 구동을 제어하는 (도12에서 미도시된) 잉크 제트 기록 제어부는 기록 장치의 주 본체 내에 제공된다.
본 발명은 높은 코게이션 능력을 갖는 잉크와 높은 부식 잉크 양자 모두를사용할 수 있는 잉크 제트 헤드 기판과, 이러한 기판을 사용하는 잉크 제트 헤드와, 이러한 헤드를 갖는 잉크 제트 기록 장치를 제공한다.

Claims (23)

  1. 발열부를 형성하는 발열 저항 부재와, 상기 발열 저항 부재에 전기적으로 연결된 전극 배선과, 절연 보호층을 거쳐서 상기 발열 저항 부재 및 상기 전극 배선 상에 제공된 안티-캐비테이션 필름을 포함하고,
    상기 안티-캐비테이션 필름은 둘 이상의 층을 구비한 상이한 재료로부터 형성되며, 잉크에 접하는 결정구조를 갖는 금속 필름과 이 금속 필름에 접하는 비정질 합금 필름을 갖는 것을 특징으로 하는 잉크 제트 헤드 기판.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 발열부를 형성하는 발열 저항 부재와, 상기 발열 저항 부재에 전기적으로 연결된 전극 배선과, 절연 보호층을 거쳐서 상기 발열 저항 부재 및 상기 전극 배선 상에 제공된 앤티-캐비테이션 필름을 포함하고,
    상기 앤티-캐비테이션 필름은 적어도 두 개의 층 필름으로부터 형성되고, 잉크와 접촉하는 상부 층 필름은 Ta 필름 또는 TaAl 필름이고, 하부 층 필름은 Ta을 포함하는 비정질 합금 필름인 것을 특징으로 하는 잉크 제트 헤드 기판.
  5. 발열부를 형성하는 발열 저항 부재와, 상기 발열 저항 부재에 전기적으로 연결된 전극 배선과, 절연 보호층을 거쳐서 상기 발열 저항 부재 및 상기 전극 배선 상에 제공된 앤티-캐비테이션 필름을 포함하고,
    상기 앤티-캐비테이션 필름은 적어도 두 개의 층 필름으로부터 형성되고, 잉크와 접촉하는 상부 층 필름은 Ta 필름 또는 TaAl 필름이고, 하부 층 필름은 Ta을 포함하는 비정질 합금 필름이고, 상기 비정질 합금 필름은 Ta, Fe, Ni, Cr로 구성된 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 잉크 제트 헤드 기판.
  6. 제5항에 있어서, 상기 비정질 합금 필름은 다음의 조성(I):
    TaαFeβNiγCrδ···(I)
    (여기서, 10 원자% ≤ α ≤ 30 원자%, α+β ≤ 80 원자%, α < β, δ > γ, α+β+γ+δ = 100 원자%)
    에 의해 표현되는 것을 특징으로 하는 잉크 제트 헤드 기판.
  7. 발열부를 형성하는 발열 저항 부재와, 상기 발열 저항 부재에 전기적으로 연결된 전극 배선과, 절연 보호층을 거쳐서 상기 발열 저항 부재 및 상기 전극 배선 상에 제공된 앤티-캐비테이션 필름을 포함하고,
    상기 앤티-캐비테이션 필름은 Ta, Fe, Ni, Cr로 구성된 조정을 갖는 제1 층과, Ta로 제작되며 상기 제1 층 상에 형성된 입방 격자 결정 구조를 갖는 제2 층을 갖는 것을 특징으로 하는 잉크 제트 헤드 기판.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제1 층은 다음의 조성(I):
    TaαFeβNiγCrδ···(I)
    (여기서, 10 원자% ≤ α ≤ 30 원자%, α+β ≤ 80 원자%, α < β, δ > γ, α+β+γ+δ = 100 원자%)
    에 의해 표현되는 것을 특징으로 하는 잉크 제트 헤드 기판.
  9. 다수의 발열부가 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 잉크 제트 헤드 기판 상에 제공되고, 잉크 액적을 토출하기 위한 토출 포트와 연통된 액체 통로들이 상기 발열부에 대응해서 제공된 것을 특징으로 하는 잉크 제트 헤드.
  10. 제9항에 있어서, 상기 발열부의 열 에너지에 의해 액체 내에 발생된 버블의 성장에 의해서 변위되는 자유 단부를 갖는 가동 부재에는 상기 각 액체 통로가 제공되는 것을 특징으로 하는 잉크 제트 헤드.
  11. 제9항에 있어서, 상이한 종류의 잉크가 수개의 액체 통로 모두를 위해 상기 다수의 액체 통로에 공급되는 것을 특징으로 하는 잉크 제트 헤드.
  12. 제11항에 있어서, 상이한 종류의 잉크는 적어도 코게이션을 발생시키기 적합한 잉크이고, 높은 침식 능력을 갖는 잉크인 것을 특징으로 하는 잉크 제트 헤드.
  13. 발열부를 형성하는 발열 저항 부재와, 상기 발열 저항 부재에 전기적으로 연결된 전극 배선과, 절연 보호층을 거쳐서 상기 발열 저항 부재와 상기 전극 배선 상에 절연 보호층을 통해 제공된 안티-캐비테이션 필름을 갖는 잉크 제트 헤드 기판을 제조하는 방법에 있어서,
    상기 안티-캐비테이션 필름을 형성하기 위하여, 입방 격자 결정 구조를 갖는 Ta가 99% 이상의 순도를 갖는 금속 Ta을 사용하여 스패터링함으로써 Ta, Fe, Ni 및 Cr으로 구성된 조성을 갖는 층 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제13항에 있어서, Ta, Fe, Ni 및 Cr으로 구성된 조성을 갖는 상기 층은 이하의 조성(I):
    TaαFeβNiγCrδ… (I)
    (여기서, 10 원자%≤α≤30 원자%, α+β<80 원자%, α<β, δ>γ, α+β+γ+δ=100 원자%)에 의해 표현되는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 다수의 발열부가 청구항 제14항에 따른 방법에 의해 제조되는 잉크 제트 헤드 기판 상에 제공되고, 잉크 액적을 토출하기 위해 토출 포트와 연통되는 액체 통로가 상기 발열부에 대응하여 제공되는 것을 특징으로 하는 잉크 제트 헤드.
  16. 제15항에 있어서, 상기 발열부의 열 에너지에 의해 액체 내에 발생된 버블의 성장에 의해서 변위되는 자유 단부를 갖는 가동 부재에는 상기 각 액체 통로가 제공되는 것을 특징으로 하는 잉크 제트 헤드.
  17. 제15항 또는 제16항에 있어서, 상기 안티-캐비테이션 필름은 초기에 2개의 층을 갖고, 부분적으로 상부층의 Ta가 제거되면서 토출이 이루어지는 상태와 Ta가 유효 버블링 영역 내에서만 제거되는 상태에서 토출이 이루어지는 상태가 수행되는 것을 특징으로 하는 잉크 제트 헤드.
  18. 발열부를 형성하는 발열 저항 부재를 갖는 잉크 제트 헤드 기판 상의 발열부에 대응하여 잉크 액적을 토출하기 위하여 토출 포트와 연통되는 다수의 액체 통로와, 상기 발열 저항 부재에 전기적으로 연결된 전극 배선과, 절연 보호층을 거쳐서 상기 발열 저항 부재와 상기 전극 배선 상에 제공된 안티-캐비테이션 필름을 형성함으로써 얻어진 잉크 제트 헤드를 제조하는 방법에 있어서,
    상기 안티-캐비테이션 필름을 형성하기 위하여, 입방 격자 결정 구조를 갖는 Ta가 99% 이상의 순도를 갖는 금속 Ta을 사용하여 스패터링함으로써 Ta, Fe, Ni 및 Cr으로 구성된 조성을 갖는 층 상에 형성되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제18항에 있어서, Ta, Fe, Ni 및 Cr으로 구성된 조성을 갖는 상기 층은 이하의 조성(I):
    TaαFeβNiγCrδ… (I)
    (여기서, 10 원자%≤α≤30 원자%, α+β<80 원자%, α<β, δ>γ, α+β+γ+δ=100 원자%)에 의해 표현되는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 액체 통로가 형성된 후에, 보조 잉크 토출 작동을 수행함으로써, Ta가 적어도 상기 TaαFeβNiγCrδ의 Ta와 Cr을 포함하는 비결정질의 부동성 층에 실질적으로 도핑 처리되는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제19항에 따른 방법에 의해 제조된 잉크 제트 헤드를 사용하는 방법에 있어서,
    적어도 상기 TaαFeβNiγCrδ의 Ta와 Cr을 포함하는 비결정질의 부동성 층에 Ta을 실질적으로 도핑 처리함으로써 얻어진 층은 잉크를 위한 제1 표면으로서 또는 이후에 노출되는 층으로서 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제19항에 따른 방법에 의해 제조된 잉크 제트 헤드를 사용하는 방법에 있어서,
    적어도 상기 TaαFeβNiγCrδ의 Ta와 Cr을 포함하는 비결정질의 표면 층에 Ta을 첨가함으로써 얻어진 층은 잉크를 위한 제1 표면으로서 또는 이후에 노출되는 층으로서 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 청구항 제9항에 따른 잉크 제트 헤드가 장착된 카트리지를 포함하는 잉크 제트 기록 장치에 있어서,
    기록이 상기 잉크 제트 헤드로부터 잉크 액적을 토출시키는 동시에 기록 정보에 응답하여 상기 카트리지를 이동시킴으로써 기록 매체 상에 수행되는 것을 특징으로 하는 잉크 제트 기록 장치.
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