KR100471793B1 - 잉크제트기록장치와그제조방법 - Google Patents

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오사무 가와사키
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마사요시 미우라
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마츠시타 덴끼 산교 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 잉크 액체를 수용하는 압력실과, 그 압력실에 연통하여 상기 잉크 액체를 토출하는 토출구와, 상기 압력실에 압력을 인가하기 위한 압력 인가수단을 구비하고, 상기 압력 인가수단은 상기 압력실에 형성된 진동판과, 그 진동판을 진동시켜 티탄산 지르콘산 납계 또는 티탄산 바륨계를 주성분으로 한 페로브스카이트 구조를 나타내는 단결정 혹은 분극축 방향으로 우선 배향된 다결정의 것을 압전 부재로 하는 압전 소자를 갖는 것으로서, 상기 토출구의 전면에 배치된 기록매체에 상기 잉크 액체를 토출할 때는 적어도 상기 압전 소자에 소정의 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 잉크제트 기록장치이다.

Description

잉크제트 기록장치와 그 제조방법
본 발명은 미소 노즐로부터 잉크 등의 액체를 토출시켜 기록지나 시트 상에 액체 패턴을 형성함으로써 문자나 도형을 그리는 프린터 등에 이용되는 잉크제트 기록장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근, 퍼스널컴퓨터 등의 인쇄 장치로서 잉크제트 기록장치를 이용한 프린터가 취급이 간단하고, 인자 성능이 좋으며, 저 가격 등의 이유 때문에 광범위하게 보급되고 있다. 상기 잉크제트 기록장치에는 열에너지에 의하여 잉크 중에 기포를 발생시켜 그 기포에 의한 압력파에 의해 잉크 방울을 토출시키는 것, 정전력에 의해 잉크 방울을 흡인 토출시키는 것, 피에조 소자와 같은 진동자에 의한 압력파를 이용한 것 등 여러 종류의 방식이 있다.
일반적으로, 피에조 소자를 이용한 것은 예를 들면, 잉크 토출구에 연통된 잉크 공급실과, 그 공급실에 연통된 압력실과, 그 압력실에 설치되고 피에조 소자가 접합된 진동판 등에 의해 구성되어 있다. 종래, 잉크의 노출 방향과 피에조 소자의 진동 방향은 같은 방향이다. 이와 같은 구성에 있어서, 피에조 소자에 소정의 전압을 인가하면 피에조 소자가 신축됨으로써 피에조 소자와 진동판이 큰 북 형상의 진동을 야기하여 압력실 내의 잉크가 압축되고, 그에 따라 잉크 토출구로부터 잉크 방울이 토출한다. 그런데, 일반적으로 피에조 소자의 일량(W)은 W∝Ep·d31 2(V/t)2 ∨p (단, Ep : 피에조 소자의 영률, d31 : 피에조 소자의 압전 정수, V : 피에조 소자에 인가하는 전압, t : 피에조 소자의 두께, ∨p : 피에조 소자의 체적)의 관계가 있고, 노즐의 밀도를 높이면(압력실의 폭을 작게함) ∨p가 작아진다. 따라서, 잉크를 토출시키는데 필요한 일량을 획득하기 위해서는 피에조 소자의 두께를 얇게 하고, 또한 피에조 소자의 내전압을 높게 할 필요가 있다. 그러나, 종래의 잉크제트 헤드에 이용되던 피에조 소자는 두꺼운 막 또는 벌크이고, 피에조 소자의 박막화와 높은 내전압화를 양립시키는 것이 곤란하였다. 따라서, 피에조 소자의 체적을 작게 하면 피에조 소자에 의한 진동판의 변위량이 작아지고, 충분한 토출력이 얻어지지 않는다. 그래서, 일량(W)을 크게 하여 상기 변위량을 크게 하려면 멀티 노즐헤드의 소형화, 멀티 노즐의 고밀도화, 또는 헤드를 장척화(長尺化)하는 것이 곤란하고, 헤드의 소형화와 고속 기록화를 양립시키는 것이 곤란하였다. 구체적으로는, 종래의 두꺼운 막 또는 벌크의 피에조 소자에서는 2∼3노즐/mm의 노즐 밀도가 한계이었다.
그래서, 상기 문제를 해결하기 위하여, 예를 들면, 일본 특허출원 평6-273650호에 나타내는 바와 같이, 피에조 소자의 진동 방향을 그 진동 방향에 대하여 수직인 방향으로 진동판을 진동시키는 구성으로 하고, 피에조 소자에 의해 생긴 작은 진동을 큰 진동으로 증폭하여 같은 사이즈로 변위량을 크게 하는 방법이나, 잉크 토출구의 대향하는 위치에 대향전극을 설치하여 그 대향전극과 압력실의 잉크 사이에 소정의 고전압, 예를 들면, 1.5kV 정도를 인가하고, 그 정전력에 의해 잉크를 대향전극측(즉, 시트 등의 기록 매체측)으로 팽창된 상태로 하여 작은 압력을 인가한 것만으로 잉크가 토출될 수 있도록 구성한 것 등이 제안되어 있다.
그러나, 상술한 바와 같은 종래의 잉크제트 기록장치에서는 대향전극에 전압을 인가하여 잉크를 작은 압력으로 토출되기 쉽게 하는 경우는 잉크가 토출구 선단 부로 전진한 상태로 되고, 잉크 토출구의 선단부로부터 잉크의 흘림이 생긴다. 또, 잉크의 흘림을 방지하기 위하여 토출구 선단부를 금속부재로 구성하면(도 2의 (a) 참조, 상세한 내용은 후술), 잉크의 비상하는 속도가 작아지고, 반대로 잉크의 비상하는 속도를 크게 하기 위하여 토출구 선단부를 절연체로 구성하면(도 2의 (b) 참조, 상세한 내용은 후술), 잉크의 흘림을 생기게 한다는 상반되는 관계가 있고, 그 결과, 노즐의 고밀도화가 곤란 또는 소형화에 의해 멀티 노즐헤드로 된 경우는 노즐간의 크로스토크가 생긴다는 문제점이 있다.
본 발명은 종래의 이와 같은 액적 토출장치의 과제를 고려하여 잉크 토출구의 선단부로부터의 잉크의 흘림을 방지할 수 있고, 노즐의 고밀도화가 가능하며, 노즐간의 크로스토크를 억제할 수 있는 잉크제트 기록장치를 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.
본 발명에 의한 잉크제트 기록장치의 제 1 특징은 잉크 액체를 수용하는 압력실과, 그 압력실에 연통하고, 잉크 액체를 토출하는 토출구와, 압력실에 압력을 인가하기 위한 압력 인가수단을 포함하고, 압력 인가수단은 압력실에 형성된 진동판과, 그 진동판을 진동시켜 티탄산 지르콘산 납계 또는 티탄산 바륨계를 주성분으로 한 페로브스카이트 구조를 나타내는 단결정 혹은 다결정의 것을 압전 부재로 하는 압전 소자를 갖는 것으로서, 토출구의 전면에 배치된 기록매체에 상기 잉크 액체를 토출할 때는 적어도 압전 소자에 소정의 전압을 인가하는 것에 있다.
또, 본 발명에 의한 잉크제트 기록장치의 제 2 특징은 잉크 액체를 수용하는 압력실과, 그 압력실에 연통하고, 잉크 액체를 토출하는 토출구와, 압력실에 압력을 인가하기 위한 압력 인가수단을 포함하고, 압력 인가수단은 압력실에 형성된 진동판과, 그 진동판을 진동시켜 LiNbO3 또는 LiTaO3를 압전부재로 하는 압전 소자를 갖는 것으로서, 토출구의 전면에 배치된 기록매체에 잉크 액체를 토출할 때는 적어도 압전 소자에 소정의 전압을 인가하는 것에 있다.
또한, 본 발명에 의한 잉크제트 기록장치의 제 3 특징은 잉크 액체를 수용하는 제 1 압력실과, 그 제 1 압력실에 압력을 인가하기 위한 제 1 압력 인가수단과, 제 1 압력실에 연통하고, 잉크 액체를 토출하는 토출구를 각각 갖는 복수의 제 2 압력실과, 그 복수의 제 2 압력실에 압력을 각각 인가하기 위한 제 2 압력 인가수단을 포함하고, 제 1 압력 인가수단에 의한 제 1 압력실로의 인가압력 및 제 2 압력 인가수단에 의한 제 2 압력실로의 인가압력을 조절함으로써 토출구의 전면에 배치된 기록매체로의 잉크 액체의 토출 및 토출 정지를 제어하는 것에 있다.
상기 구성과 같이 2개의 압력 인가수단에 의한 압력의 인가를 독립하여 제어함으로써 토출구에 있어서의 잉크 액체의 팽창이 균일하게 된다. 또, 압력 인가수단의 인가 압력의 뷸균형이 커져도 영향이 적다. 그 결과, 노즐 헤드의 고밀도화, 다노즐화, 소형화가 용이해진다.
또, 본 발명에 의한 잉크제트 기록장치의 제 4 특징은 잉크 액체를 수용하는 잉크액실과, 그 잉크액실에 연통하여 잉크 액체를 토출하는 토출구와, 잉크액실에 압력파를 발사하기 위한 압력파 발생수단을 포함하고, 압력파 발생수단은 잉크액실에 형성된 진동판과, 그 진동판을 진동시키는 압전 소자를 갖는 것으로서, 토출구의 전면에 배치된 기록매체에 잉크액체를 토출할 때는 적어도 압전 소자에 소정의 고주파 전압을 인가하는 것에 있다.
상기 구성에 의해, 압전 소자에 인가하는 전압을 작게 할 수 있으므로 노즐 헤드의 소형화가 가능하게 된다.
또한, 본 발명에 의한 잉크제트 기록장치의 제조방법의 제 1 특징은 MgO 기판 상에 개별 전극을 형성하고, 그 개별 전극 상에 티탄산 지르콘산 납계 또는 티탄산 바륨계를 주성분으로 한 페로브스카이트 구조를 나타내는 단결정 또는 분극측 방향으로 우선 배향된 다결정층을 형성하며, 그 단결정층 혹은 결정 배향성의 층상에 공통 전극을 형성하고, 그 공통 전극 상에 Ni, Cr 혹은 질코니아로 된 재료로 진동판을 형성하며, 그 진동판 상에 잉크 액체를 수용하기 위한 압력실을 형성하고, MgO 기판을 에칭으로 제거함으로써 압력실에 압력을 인가하기 위한 압력 인가 수단을 제작하는 것에 있다.
상기와 같은 공정은 반도체 제조에 있어서의 공정을 이용하게 되므로, 노즐 헤드의 고밀도화, 다노즐화, 장척화가 가능해진다.
또, 본 발명에 의한 잉크제트 기록장치의 제 2 특징은 잉크 액체를 수납하기 위한 압력실의 소정 면에 진동판을 Si 부재에 의해 압력실과 일체로 제작하고, 그 진동판 상에 공통 전극을 형성하며, 그 공통 전극 상에 형성된 SiO2와 LiNbO3 또는 LiTaO3를 직접 접합하고, 그 LiNbO3 또는 LiTaO3 상에 다시 개별 전극을 형성함으로써 압력실에 압력을 인가하기 위한 압력 인가수단을 제작하는 것에 있다.
상기와 같이 공통 전극 상에 형성한 SiO2와 LiNbO3 또는 LiTaO3를 직접 접합함으로써 압전 효과가 향상된다.
상술한 목적 및 기타의 목적과 본 발명의 특징 및 이점은 첨부도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통해 보다 명백해질 것이다.
( 실 시 예 )
이하, 본 발명을 그 실시예를 나타내는 도면에 기초하여 설명한다.
( 제 1 실시예 ) 도 1은 본 발명에 의한 제 1 실시예의 잉크제트 기록장치에 있어서의 노즐 헤드의 단면도이다.
도 1에 있어서, 본 실시예의 노즐 헤드는 잉크를 토출하는 토출구(2), 그 토출구(2)에 연통하여 잉크를 수용하는 압력실(1), 그 압력실(1)에 작은 구멍(16)을 통하여 잉크를 유입시키는 공통액실(9), 압력실(1)에 압력을 인가하기 위한 압전 소자(5) 및 그 압전 소자(5)에서 진동하는 진동판(6)으로 구성되어 있다. 또, 도 1은 단면도이고, 압력실(1)은 격벽에 의해 분리된 복수개가 상기 단면과 수직 방향으로 늘어선 구성으로 되어 있고, 따라서, 토출구(2)도 압력실(1)과 같은 수가 마찬가지로 설치되어 있다. 또, 공통액실(9)은 그들 복수개의 압력실(1) 전체에 걸쳐 설치된 1개의 실(室)로 구성되어 있다. 상기의 압전 소자(5) 및 진동판(6)은 압력 인가수단을 구성하고 있다.
압력실(1)은 3층의 감광성 유리(7a, 7b, 7c)의 3층 구조의 압력실 구조체(7)와, 감광성 유리(7a) 상에 형성된 Ni제의 진동판(6)과, 압력실(1)에 잉크를 유입시키기 위한 작은 구멍(16)을 갖는 스테인리스제의 공급측 노즐판(8)으로 구성되어 있다. 토출구(2)는 절연성 부재(15)에 토출구(2)의 구멍으로부터 반경 방향으로 소정 거리 떨어진 부위에 제어전극(13)이 형성된 토출 노즐판(12), 감광성 유리(7a)의 일단부, 감광성 유리(7c)의 일단부 등에 의해 구성되고, 공통액실(9)은 공급측 노즐판(8)과, 공통액실 구조판(9a) 및 잉크 공급구(10)를 갖는 잉크 공급구 평판(11)으로 구성되어 있다. 여기에서, 공통액실 구조판(9a) 및 잉크 공급구 평판(11)은 스테인리스제이다. 또, 진동판(6) 상에는 압전 소자(5)가 형성되고, 그 압전 소자(5)는 도시하지 않았으나 한쪽의 전극으로 되는 Au층, 압전부재인 PZT층, 또 한쪽의 전극으로 되는 Pt층으로 형성되어 있다.
또, 상기 노즐 헤드의 토출구(2)와 대향하는 위치에는 잉크를 토출시키기 쉽게 하기 위한 대향전극(3)이 설치되고, 상기 대향전극(3)과 압력실(1) 내의 잉크 사이에 전압을 인가하기 위한 전압원(4)이 접속되며, 또, 토출구(2)의 제어전극(13)과 압력실(1) 내의 잉크 사이에 제어 전압을 인가하기 위한 전압원(14)이 접속되어 있다.
다음에, 상기 제 1 실시예에 있어서의 노즐 헤드의 동작에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.
우선, 도 2의 (a)는 토출구(2)의 선단면이 모두 금속(도전체)인 경우의 종래 예를 도시한 도면이다. 토출구(2)와 대향전극(3) 사이에 전압원(4)에 의해 전압이 인가된 경우, 전계 분포는 거의 평행하게 되어 잉크에 대한 정전 인력이 작아지고, 잉크의 대향전극(3)측으로의 팽창이 작고, 잉크의 토출구(2) 선단으로부터의 흘림은 거의 생기지 않는다. 다만, 이 경우는 정전 인력이 작아지기 때문에 잉크의 분출 속도는 늦어진다.
또, 도 2의 (b)는 토출구(2)의 선단면이 모두 절연체(20)로 덮인 경우의 종래예를 도시한 도면이다. 토출구(2)와 대향전극(3) 사이에 전압원(4)에 의해 전압이 인가된 경우, 전계는 토출구(2) 선단의 잉크에 집중되기 때문에 잉크에 대한 정전 인력이 커지고, 잉크의 분출 속도를 빠르게 할 수 있다. 다만, 이 경우는 상기와는 반대로 잉크를 대향전극(3)측으로 끌어당기는 힘이 커지므로 잉크가 대향전극(3)측으로 크게 팽창되고, 토출구(2) 선단부에서 잉크의 흘림을 생기게 한다.
한편, 도 2의 (c)는 본 실시예에 있어서의 노즐의 경우를 나타내고, 상술한 2개의 종래예 경우의 중간적인 작용을 나타낸다. 제어전극(13)과 토출구(2) 선단의 잉크 사이에 절연체(15)가 존재하기 때문에 대향전극(3)과 잉크 사이에 전압원(4)에 의해 전압을 인가한 경우, 전계의 집중이 제어전극(13) 측과 잉크 측으로 분산되기 때문에 잉크에 대한 전계의 집중은, 그 정도가 도 2의 (b)의 경우만큼 커지지는 않고 또, 도 2의 (a)의 경우만큼 작아진다. 그 결과, 잉크의 분출 속도를 어느 정도 크게 할 수 있고 또한 잉크의 흘림도 억제할 수 있다.
또, 본 실시예의 구성에 의하면, 잉크와 제어전극(13) 사이에 전압원(4)의 전압보다도 작은 반대의 전압을 전압원(14)에 의해 인가하기 때문에 대향전극(3)으로의 전압인가에 의해 생긴 매니스커스를 토출구(2)의 도중에서 그대로 보유하는 것이 가능해지고, 잉크의 흘림을 방지할 수 있다. 또, 이 경우, 제어전극(13)의 영역 및 절연체(15)의 영역을 조절하거나 전압원(14)의 전압을 조절하면 잉크로의 전계 집중의 정도, 즉, 잉크의 분출 속도 및 토출구(2)에 있어서의 잉크의 보유력 등을 제어할 수 있으므로 가장 적합한 조건이 선택 가능하다.
다음에, 도 3은 본 실시예에서 대향전극(3)으로의 전압인가가 행해지지 않은 상태(스위치(31)가 오프)를 나타내고, 잉크와 제어전극(13) 사이에 전압이 인가되어 있을 뿐이다. 이 경우, 대향전극(3)에 의한 잉크의 팽창이 없고, 그 인가전압에 의해 잉크의 선단은 토출구(2)의 도중 위치에서 보유되어 있기 때문에 토출구 선단부로부터의 잉크의 흘림을 생기게 하지 않는다.
다음에, 도 4에 도시된 바와 같이 스위치(31)를 온 하여 전압원(4)에 의해 대향전극(3)과 잉크 사이에 전압을 인가하면 잉크는 정전 인력에 의하여 대향전극(3) 측으로 인장되고, 매니스커스가 생겨 토출구(2)로부터 분출되기 쉬운 상태가 된다. 이 때, 대향전극(3)에 인가되는 전압은 잉크가 토출구(2)로부터 분출되지 않는 정도의 전압, 예를 들면, 약 1.5kV이다. 그 후, 압전 소자에 전압이 가해져 압력실에 압력이 인가되면(도시 생략), 도 5에 도시된 바와 같이 토출구(2)로부터 잉크 방울(32)이 분출되고, 대향전극(3)의 정전 인력에 흡인되어 도중에 배치된 시트(30)에 부착된다. 그 경우, 먼저 압력실에 압력을 인가하고, 그 후에 대향 전극(3)으로 전압을 인가하여도 동일한 동작이 된다. 그 후, 압력의 인가를 정지하고, 스위치(31)를 오프하여 대향전극(3)으로의 전압인가를 정지하면 도 3의 상태로 복귀한다.
이와 같이, 본 실시예에 의하면, 잉크의 토출구(2) 근방에 제어전극(13)을 설정하여 그 제어전극(13)과 토출구(2)의 잉크 사이에 절연성을 갖게 하므로, 전계가 잉크에 지나치게 집중되는 일도 없고, 또, 대향전극(3)에 의한 정전 입력도 그다지 작아지지 않아 잉크의 토출구(2)로부터의 흘림을 방지할 수 있고, 노즐간의 크로스토크도 억제할 수 있다. 이상과 같이, 대향전극(3)과 잉크 사이의 전계의 집중이 완화되기 때문에 크로스토크의 영향이 적어지므로, 예를 들면, 도 6에 도시된 바와 같이 제어전극을 전극(60)에 의해 구성하여 공통으로 하고, 토출구(2)를 복수개 일렬로 배치하여 전극(60)과 각각의 토출구(2) 사이를 절연체(61)로 둘러싸도록 구성하면 다노즐화가 용이해진다.
여기에서, 본 실시예에서는 제어전극(13)을 이용하여 토출구(2)에 있어서의 잉크의 선단부를 그 위치에 보유함으로써 잉크의 흘림을 방지하였으나, 또, 잉크를 후술하는 방법을 이용하여 압력실측으로 후퇴시킴으로써 잉크의 흘림을 방지하면 보다 효과적이다. 예를 들면, 도 7의 (a), 혹은 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이 토출구(2)의 선단 부분으로부터 내측의 소정 거리까지 또는 토출구(2)의 선단부를 불소계 막으로 된 발수성(撥水性)을 갖는 발수막(70)에 의해 피복하는 구성으로 하여도 된다. 이 경우는, 제어전극이 없어도 잉크가 발수막(70)에 의해 압력실 측으로 탄성되어 후퇴하여 흘림 방지의 효과가 얻어진다. 이 때, 제어전극(13)을 병용함으로써 잉크의 후퇴와 동시에 그 후퇴 위치에서의 보유가 가능하므로 상승 효과에 의하여 제어전극(13)에 인가하는 전압이 작아지고, 대향전극(3)으로의 인가전압의 저하도 작아지므로 잉크의 흘림을 방지하면서 잉크의 분출 속도를 크게 할 수 있다.
도 8은 토출구에 있어서의 잉크의 후퇴를 실현하기 위한 다른 일례를 도시한 도면이다. 도 8에 도시된 방법은, 압력실(1)에 부압(負壓)을 인가함으로써 토출구(2)를 통하여 대기압에서 잉크를 압력실(1)측으로 후퇴시키는 것이다. 이 구성에 의해, 압력실(1)에 부압이 인가되도록 압전소자(5)에 전압을 인가하면 토출구(2)의 잉크는 압력실(1)측으로 후퇴한다. 이 때, 잉크 유입구(16)로부터도 부압에 의해 잉크가 유입되려고 하지만 토출구(2)의 내경은 잉크 유입구(16)의 내경보다도 크게 형성되어 있기 때문에 잉크 유입구(16)로부터의 잉크 유입은 억제된다. 상술한 발수막을 이용한 경우와 마찬가지로, 이 경우도 제어전극(13)이 없어도 흘림 방지의 효과가 얻어지지만 제어전극(13)을 병용함으로써 잉크의 후퇴도 그 후퇴위치에서의 보유 상승효과를 기대할 수 있다. 따라서, 상술한 발수막을 이용한 방법과 마찬가지로 제어전극(13)에 인가하는 전압이 작아지고, 대향전극(3)으로의 인가전압의 저하가 작아지므로 잉크의 흘림을 방지하면서 잉크의 분출 속도를 크게 할 수 있다.
또, 상기 실시예에서는 제어전극(13)에 전압을 인가하는 구성으로 하였으나, 이에 한정되지 않고 제어전극(13)을 잉크와 같은 전위로 하여도 되고, 흑은 또 잉크로부터 전기적으로 부유(浮遊)한 상태로 하여도 된다. 이들의 경우도 대향전극(3)과 잉크 사이의 전계 집중이 완화되므로 상술한 바와 같은 효과가 얻어진다.
또, 상기 실시예에서는 제어전극(13)에 인가하는 전압을 대향전극(3)에 인가하는 전압에 대하여 극성을 반대로 하였으나, 이에 한정되지 않고 동일 극성의 전압을 인가하여도 된다.
다음에, 본 실시예에 이용한 압력실 및 압전소자의 제조방법에 대하여 설명한다.
도 10은 상기 제 1 실시예에 있어서의 압전소자 및 압력실의 제조방법을 설명하는 도면이다.
도 10에서, 우선, NaCl형의 결정 구조를 갖고, 예를 들면, MgO 기판(1001) 상에 개별전극(1002)으로 되는 Pt 층을 형성하고, 그 개별전극(1002) 상에 압전재료의 PZT 결정 배향성층(1003)을 형성한다. 상기 PZT 결정 배향성층(1003)은 티탄산 지르콘산 납계 또는 티탄산 바륨계를 주성분으로 한 페로브스카이트 구조(perovskite structure)를 나타내는 PZT계의 단결정층 혹은 분극축의 정돈된 다결정의 결정 배선층이면 된다. 또, 충분한 토출력을 얻기 위해서는 그 층의 막두께는 0.1㎛ 이상으로 하고, 고밀도화를 위하여 그 층의 막두께는 10㎛ 이하가 바람직하다. 따라서, 노즐 밀도에 따라 상기 범위에서 막두께를 설정하면 된다. 다음에 그 PZT 결정 배선층(1003) 상에 공통전극(1005)으로 되는 Au층을 형성한다. 그 공통전극(1005)의 상에 Ni, Cr 혹은 지르코니아로 된 재료로 공통 진동판(1004)을 스퍼터링에 의해 형성한다. 다음에, 공통 진동판(1004) 상에 압력실의 구조체를 감광성 유리(1101)(도 11 참조)에 의해 형성하고, 마지막으로 MgO 기판(1001)을 인산으로 에칭을 행하여 제거한다. 도 11에 상기의 방법으로 제작한 것의 단면도를 도시한다. 종래, 예를 들면, 일본 특허공개 평6-040030호에 나타내고 있는 바와 같은 스크린 인쇄에 의하여 압전소자와 개별전극을 제작하면 고밀도화가 곤란하였었으나, 본 실시예에 나타난 바와 같이 반도체 제조의 공정을 이용함으로써 고밀도화가 가능하고, 도 12에 도시된 바와 같은 다노즐화, 헤드의 장척화를 간단하게 실현할 수 있다. 도 12에 도시된 다노즐 헤드는 폭 50mm 사이에 노즐이 200dpi의 밀도로 형성된 헤드이다. 따라서, 2∼3노즐/mm의 노즐 밀도가 한계이었던 것이 본 발명에 의하면 6 혹은 7 노즐/mm 이상의 노즐 밀도를 용이하게 실현할 수 있다. 또, MgO 기판은 NaCl의 결정 구조를 갖는 것이라면 다른 재료로도 적용 가능하다.
( 제 2 실시예 )
도 9는 본 발명의 제 2 실시예에 있어서의 압전소자 및 압력실의 일부를 도시한 구성도이다.
도 9에서, 우선, 압력실 구조체(901) 및 진동판(902)을 Si 부재에 의해 일체로 하여 제작하고, 그 진동판(902) 상에 스퍼터링에 의하여 Pt 혹은 Au의 공통전극(903)을 형성한다. 다음에, 그 공통전극(903) 상에 형성된 SiO2(904)와 압전재료의 LiNbO3(905)를 직접 접합한다. 또, 상기 LiNbO3(905) 상에 Au의 개별전극(906)을 형성한다. 여기에서, 예를 들면, 진동판(902)의 두께는 10㎛, SiO2(904)의 두께는 3000옹스트롬이며, 또, SiO2(904)와 LiNbO3(905)를 직접 접합(신학기보(信學 技報) Technical Report of IEICE, US95-24, EMD95-20, CPM95-32, 1995-07, P31-38 참조)함으로써 압전효과가 향상된다. 또, 압전재료로서 LiNbO3 대신 LiTaO3를 이용하여도 된다.
( 제 3 실시예 )
도 13은 본 발명에 의한 제 3 실시예에 있어서의 노즐 헤드의 평면도이다.
본 실시예는 도 13에 도시된 바와 같이 압전소자를 잉크를 분출하는 방향으로 2단으로 설정하여 잉크의 날림을 제어하는 구성으로 하고 있다(이후, 2단 피에조 방식이라 함). 즉. 잉크가 수납되는 압력실이 제 1 압력실로서의 공통액실(1305)과 그 공통액실(1305)에 연통하는 복수의 제 2 압력실로서의 개별액실(1306)이 빗살무늬 형상으로 설치되고, 복수의 개별액실(1306)은 각각 격벽(1304)에 의해 분리되어 있다. 또, 개별액실(1306)의 일단에는 각각 노즐(토출구)(1303)이 연통되어 있다. 또, 공통액실(1305)과 개별액실(1306)의 연락부분(1307)은 다른 노즐(1303), 특히 인접하는 노즐(1303)의 온, 오프에 의한 영향을 작게하기 위하여 좁게 짜여져 있다.
공통액실(1305)의 상부에는 공통액실 전체에 압력을 인가하기 위한 매니스커스 생성용 피에조(이후, 공통 피에조라 함)(1301)가 설치되고, 또 한편의 개별 액실(1306) 상부에는 잉크의 날림을 제어하기 위한 잉크 날림 정지용 피에조(이후, 개별 피에조라 함)(1302)가 각각 설치되어 있다. 또, 도 14에 도시된 바와 같이, 공통 피에조(1301)의 하측에는 공통 진동판(1401)이 형성되고, 개별 피에조(1302)의 하측에는 개별 진동판(1402)이 형성되어 있다. 따라서, 공통액실(1305)로의 압력 인가와 개별액실(1306)로의 압력 인가는 공통 피에조(1301) 및 개별 피에조(1302)에 의해 각각 따로 독립하여 행할 수 있다. 여기에서, 공통 피에조(1301) 및 공통 진동판(1401)이 제 1 압력 인가수단을 구성하고, 개별 피에조(1302) 및 개별 진동판(1402)이 제 2 압력 인가수단을 구성하고 있다.
상기 구성의 본 실시예의 2단 피에조 방식에 있어서의 구동 방법은 다음의 2 가지 방식이 있다.
(a) 공통 피에조(1301)에 의한 인가압력을 강하게 함으로써 잉크를 토출한다. 이 때 개별 피에조(1302)에 의한 압력의 인가는 행하지 않고 공통 피에조(1301)만에 의해 잉크의 토출을 행한다. 잉크 토출의 정지는 개별 피에조(1302)에 의해 부압을 인가함으로써 공통 피에조(1301)의 인가압력을 약하게 행한다. 이후, 이것을 인상 방식이라 한다.
(b) 공통 피에조(1301)에 의한 인가 압력을 약하게 하여 두고, 잉크를 토출할 때는 개별 피에조(1302)에 의한 압력의 인가를 행하고, 공통 피에조(1301)와 개별 피에조(1302) 양자의 인가 압력에 의해 잉크의 토출을 행한다. 잉크 토출의 정지는 개별 피에조(1302)에 의한 압력 인가를 중지함으로써 행한다. 따라서, 공통 피에조(1301)의 인가 압력이 약할 때는 잉크를 토출시키는 만큼의 압력은 없다. 이후, 이것을 바이어스 방식이라 한다.
(c) 상술한 바이어스 방식을 개량한 방식으로, 공통 피에조(1301)에 의한 인가압력을 약하게 하여 두고, 잉크를 토출할 때는 개별 피에조(1302)에 의한 압력의 인가를 행하며, 공통 피에조(1301)와 개별 피에조(1302) 양자의 인가압력에 의해 잉크의 토출을 행하는 것은 동일하다. 잉크 토출의 정지는 개별 피에조(1302)에 의한 압력 인가를 부압으로 인가함으로써 행한다. 이 경우는, 공통 피에조(1301)에 의한 인가압력이 부압 상당분만큼 취소된다. 이후, 이것을 개량형 바이어스 방식이라 한다.
이상의 구동방법을 이용함으로써 상술한 (a)의 인상 방식에서는 동일한 공통 피에조(1301)에 의해 각 노즐에 있어서의 매니스커스를 형성하므로, 균일한 매니스커스를 형성할 수 있고 도트가 균일하게 된다. 또, 잉크 토출시는 개별 피에조(1302)를 이용하지 않으므로 개별 피에조(1302)의 불균형 영향이 없어 도트가 균일하게 된다. 또, 잉크의 토출 제어를 개별 피에조(1302)에 의해 정지할 뿐이므로 압전 파워가 작아져 좋고, 개별 피에조(1302)를 소형화할 수 있기 때문에 고 밀도화가 가능하다.
한편, (b)의 바이어스 방식에서는 공통 피에조(1301)에 의한 인가압력이 바이어스의 상태를 만들기 때문에, 상기 효과에 의해 개별 피에조(1302)의 압전 파워를 작게할 수 있다. 따라서, 개별 피에조(1302)를 소형화할 수 있기 때문에 고밀도화가 가능하다.
또, (c)의 개량형 바이어스 방식에서는 개별 피에조(1302)의 특징에 의한 인가압력의 차가 토출시와 정지시에 크게 취해지므로 공통 피에조(1301)에 의한 바이어스의 불균형이 커져도 영향을 받지 않는다.
이상과 같이 본 실시예의 2단 피에조 방식을 이용함으로써 균일한 매니스커스를 만들기 쉽고 개별 피에조(1302)의 압전 파워를 작게할 수 있으며, 또 편차가 커져도 되기 때문에 고밀도화가 가능하게 된다. 또, 공통 피에조(1301) 및 개별 피에조(1302)에 의해 동시에 최대의 압력 인가를 행하면 헤드 크리닝시 등에 있어서의 강력한 토출도 가능하다.
( 제 4 실시예 )
도 15는 본 발명에 의한 제 4 실시예에 있어서의 노즐 헤드의 단면도이다.
도 15에서, 잉크를 수용하는 개별액실(1506)은 진동판(1501)도 포함하여 Si 부재로 형성되어 있고, 그 진동판(1501) 부분의 두께는, 예를 들면 100㎛이다. 이 진동판(1501) 상에는 압전소자의 한쪽 전극인 공통전극(1503)이 Au에 의해 형성되고, 그 공통전극(1503)의 상에는 압전소자인 PZT(1502)가 형성되어 있다. 또, PZT(1502) 상에는 또 한쪽의 전극인 개별전극(1504)이 Au에 의해 형성되어 있다. 또, 개별액실(1506)에는 잉크의 토출구인 노즐(1505) 및 잉크를 공급하기 위한 잉크 공급구(1507)가 설치되어 있다. 또, PZT(1502)의 두께도, 예를 들면 100㎛이다.
본 실시예의 특징은 상술한 실시예와 같이 압력실에 압력을 인가하여 그 압력으로 잉크를 날려보내는 것은 아니고, PZT(1502)에 고주파 전압, 여기에서는 예를 들면, 2∼3볼트, 10MHz의 교류전압을 인가함으로써 진동판(1501)이 진동하여 압력파(1508)가 생기며, 그 압력파(1508)가 개별액실(1506) 내의 잉크 속을 노즐(1505)의 방향을 향하여 진행하고, 그 진행하는 압력파(1508)의 충격에 의하여 잉크를 토출시키는 것이다. 따라서, 본 실시예의 구성을 이용하면 상술한 바와 같은 수 볼트가 채 못되는 전압을 인가하는 것만으로 잉크를 노즐(1505)로부터 토출시킬 수 있게 된다. 또, 그 경우, 압력파(1508)의 진행 방향은 가능한 한 노즐(1505)의 방향으로 진행하도록 구성할 필요가 있다.
( 제 5 실시예 )
도 16은 본 발명에 의한 제 5 실시예에 있어서의 노즐 헤드의 단면도이다.
본 실시예도 상기 제 4 실시예와 마찬가지로 압력파를 이용하는 것이다. 도 16에 있어서, 두께 100㎛의 Si부재로 형성된 진동판(1601)에는 노즐(1606)에 대향하는 부분에 오목면부(1605)가 형성되어 있고, 그 오목면부(1605)가 형성된 Si 부재의 뒷측에는 압전소자인 PZT(1602)가 설치되어 있다. 여기에서, 오목면부(1605)의 형상은 노즐(1606) 근방이 초점 위치로 되는 형상으로 하면 효과적이다. 또, PZT(1602)의 양 표면에는 전압 인가용의 공통전극(1603) 및 개별전극(1604)이 형성되어 있다. 본 실시예도 상술한 제 4 실시예와 마찬가지로 PZT(1602)에 고주파 전압을 인가하여 진동판(1601)을 진동시키고, 그 때 발생하는 압력파(1607)의 충격에 의해 잉크를 노즐(1606)로부터 토출시키는 것이다.
본 실시예에 있어서, PZT(1602)에 고주파 전압으로서, 예를 들면, 1볼트, 10MHz의 교류전압을 인가하면 진동판(1601)이 진동하여 압력파(1607)가 발생한다. 진동판(1601)에는 오목면부(1605)가 형성되어 있으므로 압력파(1607)가 그 오목면부(1605)의 작용에 의해 노즐(1606) 근방으로 수속하고, 압력파(1607)에 의한 토출력이 증가하여 잉크의 토출이 보다 효과적으로 행해진다. 따라서, 상술한 제 4 실시예보다 더욱 낮은 전압에 의해 잉크를 토출할 수 있다.
또, 상기 제 4 및 제 5 실시예에서는 PZT에 인가하는 고주파 전압의 주파수는 10MHz로 하였으나, 낮은 전압으로 잉크를 분출시키는 것만의 압력파를 발생시킬 수 있다면 이에 한정되는 것은 아니다.
또, 상기 제 4 및 제 5 실시예에서는 압전소자로 PZT를 이용하였으나, 이에 한정되지 않고 제 2 실시예에서 설명한 LiNbO3 등, 다른 압전 재료를 이용하여도 된다
상술한 바로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명은 NaCl형의 결정 구조를 갖는 기판 상에 개별전극을 형성하고, 그 개별전극 상에 티탄산 지르콘산 납계 또는 티탄산 바륨계를 주성분으로 한 페로브스카이트 구조를 나타내는 단결정 혹은 분극축 방향으로 우선 배향된 다결정층을 형성하고, 그 단결정층 혹은 다결정층 상에 공통전극을 형성하며, 그 공통전극 상에 진동판을 형성하고, 그 진동판 상에 잉크 액체를 수용하기 위한 압력실을 형성하며, 기판을 에칭으로 제거함으로써 압력실에 압력을 인가하기 위한 압력 인가수단을 포함하여 이루어지기 때문에 노즐의 고밀도화가 가능하고, 노즐간의 크로스토크를 억제할 수 있는 장점을 갖는다.
또, 토출구 근방에 제어전극을 배치하면 잉크 토출구의 선단부로부터의 잉크의 흘림을 방지할 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 바람직한 실시예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 당업자라면 첨부된 특허청구범위에 개시된 본 발명의 사상과 범위를 통해 각종 수정, 변경, 대체 및 부가가 가능할 것이다.
도 1은 본 발명에 의한 제 1 실시예의 잉크제트 기록장치에 있어서의 노즐 헤드의 단면도,
도 2의 (a) 및 (b)는 종래의 노즐에 있어서의 전계 분포의 상태를 도시한 도면.
도 2의 (c)는 본 발명에 의한 제 1 실시예의 노즐에 있어서의 전계분포의 상태를 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 있어서의 잉크 상태를 설명하는 도면.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 있어서의 잉크 상태를 설명하는 도면.
도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 있어서의 잉크 상태를 설명하는 도면.
도 6은 본 발명의 제 1 실시예에 있어서의 노즐을 멀티노즐화한 예를 도시한 도면.
도 7의 (a), (b)는 본 발명의 제 1 실시예에 있어서의 노즐에 발수막을 형성한 예를 도시한 도면.
도 8은 본 발명의 제 1 실시예에 있어서의 잉크의 흘림 방지를 실현하기 위한 일례를 도시한 도면.
도 9는 본 발명의 제 2 실시예에 있어서의 압전소자 및 압력실의 일부를 도시한 구성도.
도 10은 본 발명의 제 1 실시예에 있어서의 압전소자 및 압력실의 제조방법을 설명하는 도면.
도 11은 본 발명의 제 1 실시예에 있어서의 압전소자 및 압력실의 일부를 도시한 단면도.
도 12는 본 발명의 제 1 실시예에 의한 다노즐 헤드의 예를 도시한 사시도.
도 13은 본 발명에 의한 제 3 실시예에 있어서의 노즐 헤드의 평면도.
도 14는 본 발명에 의한 제 3 실시예에 있어서의 노즐 헤드의 단면도.
도 15는 본 발명에 의한 제 4 실시예에 있어서의 노즐 헤드의 단면도.
도 16은 본 발명에 의한 제 5 실시예에 있어서의 노즐 헤드의 단면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 압력실 2 : 토출구
3 : 대향전극 5 : 압전소자
6 : 진동판 13 : 제어전극
70 : 발수막 903 : 공통전극
906 : 개별전극 1001 : MgO 기판
1101 : 감광성 유리
1301 : 매니스커스 생성용 피에조(공통 피에조)
1302 : 잉크 비상 정지용 피에조(개별 피에조)
1401 : 공통 진동판 1402 : 개별 진동판
1508 : 압력파 1605 : 오목면부

Claims (8)

  1. 잉크 액체를 수용하는 압력실과,
    상기 압력실에 연통하여 상기 잉크 액체를 토출하는 토출구와,
    상기 압력실에 압력을 인가하기 위한 압력 인가수단을 포함하고,
    상기 압력 인가수단은,
    상기 압력실에 형성된 진동판과,
    상기 진동판을 진동시키며, 티탄산 지르콘산 납계 또는 티탄산 바륨계를 주성분으로 한 페로브스카이트 구조를 나타내는 단결정 혹은 분극축 방향으로 우선 배향된 다결정의 것을 압전 부재로 하는 압전 소자를 포함하고,
    상기 토출구의 전면에 배치된 기록매체에 상기 잉크 액체를 토출할 때는 적어도 상기 압전 소자에 소정의 전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 잉크제트 기록 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 압력 인가수단에 이용하는 압력소자 부재의 막두께가 0.1㎛ 이상 10㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 잉크제트 기록장치.
  3. 잉크 액체를 수용하는 제 1 압력실과, 상기 제 1 압력실에 압력을 인가하기 위한 제 1 압력 인가수단과, 상기 제 1 압력실에 연통되어 상기 잉크 액체를 토출하는 토출구를 각각 갖는 복수의 제 2 압력실과, 상기 복수의 제 2 압력실에 압력을 각각 인가하기 위한 제 2 압력 인가수단을 포함하고,
    상기 제 1 압력 인가수단에 의한 상기 제 1 압력실로의 인가압력 및 상기 제 2 압력 인가수단에 의한 상기 제 2 압력실로의 인가압력을 조절함으로써 상기 토출구의 전면에 배치된 기록매체로의 상기 잉크 액체의 토출 및 토출 정지를 제어하는 것을 특징으로 하는 잉크제트 기록장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 인가 압력의 조절이 상기 기록매체에 상기 잉크 액체를 토출할 때는 상기 제 1 압력 인가수단에 의해 상기 제 1 압력실에 소정 압력을 인가하고, 상기 기록매체로의 상기 잉크 액체의 토출을 정지할 때는 상기 제 2 압력 인가수단에 의해 상기 제 2 압력실로 상기 소정 압력과는 역방향의 압력을 인가하는 것을 특징으로 하는 잉크제트 기록장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 인가 압력의 조절이 상기 기록매체에 상기 잉크 액체를 토출할 때는 상기 제 1 압력 인가수단에 의해 상기 제 1 압력실에 제 1 압력을 인가하는 동시에 상기 제 2 압력 인가수단에 의해 상기 제 2 압력실로 제 2 압력을 인가하고, 상기 기록매체로의 상기 잉크 액체의 토출을 정지할 때는 상기 제 1 압력 인가수단에 의한 상기 제 1 압력의 인가를 행한 상태로 상기 제 2 압력 인가수단에 의한 상기 제 2 압력의 인가를 정지하는 것을 특징으로 하는 잉크제트 기록장치.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 인가 압력의 조절이 상기 기록매체에 상기 잉크 액체를 토출할 때는 상기 제 1 압력 인가수단에 의해 상기 제 1 압력실에 제 1 압력을 인가함과 동시에 상기 제 2 압력 인가수단에 의해 상기 제 2 압력실로 제 2 압력을 인가하고, 상기 기록매체로의 상기 잉크 액체의 토출을 정지할 때는 상기 제 1 압력 인가수단에 의한 상기 제 1 압력의 인가를 행한 상태로 상기 제 2 압력 인가수단에 의해 상기 제 2 압력실로 상기 제 2 압력과는 역방향인 제 3 압력을 인가하는 것을 특징으로 하는 잉크제트 기록장치,
  7. 제 1 항, 제 2 항, 제 3 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 토출구에 대향한 위치에 배치된 대향전극과, 상기 대향전극과 상기 잉크 액체 사이에 소정 전압을 인가 가능한 전압원과, 상기 토출구 근방에 배치되고, 상기 전압원에 의해 상기 소정 전압이 인가되었을 때의 전계 분포를 바꿀 수 있는 제어전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 잉크제트 기록장치.
  8. NaCl형의 결정 구조를 갖는 기판 상에 개별 전극을 형성하고, 상기 개별 전극 상에 티탄산 지르콘산 납계 또는 티탄산 바륨계를 주성분으로 한 페로브스카이트 구조를 나타내는 단결정층 혹은 분극축 방향으로 우선 배향된 다결정층을 형성하며, 상기 단결정층 혹은 다결정층 상에 공통 전극을 형성하고, 상기 공통 전극 상에 진동판을 형성하며, 상기 진동판 상에 잉크 액체를 수용하기 위한 압력실을 형성하고, 상기 기판을 제거함으로써 상기 압력실에 압력을 인가하기 위한 압력 인가수단을 제작하는 것을 특징으로 하는 잉크제트 기록장치의 제조방법.
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