KR100498851B1

KR100498851B1 - 잉크젯 기록 헤드 및 잉크젯 기록 장치

Info

Publication number: KR100498851B1
Application number: KR10-2002-0008650A
Authority: KR
Inventors: 야자키시로
Original assignee: 세이코 엡슨 가부시키가이샤
Priority date: 2001-02-19
Filing date: 2002-02-19
Publication date: 2005-07-04
Also published as: TW522093B; CN1373042A; KR20020084678A; CN1167551C; JP2002316417A; ATE311293T1; DE60207621D1; DE60207621T2; EP1232865B1; EP1232865A2; US6682178B2; EP1232865A3; US20020175974A1

Abstract

잉크젯 기록 헤드는 대응하는 노즐 구멍들과 연통하며 복수의 격벽들에 의해 서로 분리되는 복수의 압력 발생실들을 구비한 유로-형성 기판, 및 상기 유로 형성 기판의 한쪽에 진동판을 거쳐서 설치되며 각각이 하부 전극, 압전체층 및 상부 전극을 구비한 복수의 압전 소자들을 포함한다. 상기 진동판은 인장 응력(tensile stress)을 갖고, 상기 압력 발생실의 1인치당 배열 개수 n이 200이상이며, 이 개수 n과 상기 압력 발생실의 폭 w 및 상기 격벽의 두께 d와의 관계가 (w+d)=1인치/n이고, 상기 격벽의 두께 d가 10㎛ 이상이며, 상기 격벽의 두께 d와 상기 유로-형성 기판의 두께 h와의 관계가 (d×3)≤h≤(d×6)이다. 따라서, 격벽의 강성(rigidity)이 유지된다.

Description

잉크젯 기록 헤드 및 잉크젯 기록 장치{INK-JET RECORDING HEAD AND INK-JET RECORDING APPARATUS}

본 발명은 잉크 방울을 토출하는 노즐 구멍과 연통(communicating)하는 압력 발생실의 일부를 진동판으로 구성하고, 이 진동판을 거쳐서 압전 소자를 설치하여 압전 소자의 변위에 의해 잉크 방울을 토출시키도록 구성된 잉크젯 기록 헤드, 및 이 헤드에 사용되는 잉크젯 기록 장치에 관한 것이다.

잉크 방울을 토출하는 노즐 구멍과 연통하는 압력 발생실의 일부를 진동판으로 구성하고, 이 진동판을 압전 소자에 의해 변형시켜서, 압력 발생실에 수용된 잉크를 가압하여 노즐 구멍으로부터 잉크 방울을 토출시키도록 잉크젯 기록 헤드를 구성한다. 실용화되어 있는 잉크젯 기록 헤드는 압전 소자의 축 방향으로 신장 수축하는 종방향 진동 모드의 압전 액츄에이터를 사용하는 잉크젯 기록 헤드와, 휨 진동 모드에서 동작하는 압전 액츄에이터를 사용하는 잉크젯 기록 헤드의 2가지 종류로 분류된다.

전자의 기록 헤드는 압력 발생실의 용적을 변화시키는 기능이 압전 소자의 단면을 진동판에 맞닿게 함으로써 행해져서, 고밀도의 인쇄에 적합한 이점이 있다. 그러나, 이 전자의 기록 헤드는 제조 공정이 복잡한 단점이 있는데, 구체적으로는 압전 소자를 노즐 구멍이 배열된 간격에 대응하는 간격에 빗살(comb tooth) 형상으로 분할하는 것이 곤란한 공정과, 이 압전 소자를 대응하는 압력 발생실에 위치 맞춤하여 고정시키는 것이 곤란한 공정이 있다.

후자의 기록 헤드는 비교적 간단한 공정으로 진동판 상에 형성될 수 있는 이점이 있는데, 구체적으로는 압전 재료의 그린 시트를 압력 발생실의 형태와 위치에 맞춰서 진동판 상에 덮은 다음 소성하는 것이 있다. 그러나, 이 후자의 기록 헤드는 휨 진동을 이용하기 위하여 어느 정도의 면적이 필요하게 되어 압력 발생실에 고밀도로 배열하는 것이 곤란한 문제가 있었다.

이러한 후자의 기록 헤드의 단점을 해소하기 위해, 예를 들면 일본특개평 5-286131호 공보에 개시된 바와 같이, 진동판의 표면 전체에 성막 기술을 사용하여 균일한 압전 재료층을 형성하고, 이 압전 재료층을 리소그라피법에 의해 압력 발생실에 대응하는 형태 및 위치로 분할하여 각 압력 발생실마다 독립하도록 압전 소자를 형성하는 것이 제안되어 있다.

근년에, 고품질의 인쇄를 실현하기 위해서는, 잉크젯 기록 헤드의 노즐 구멍을 고밀도로 배열하는 것이 요망된다.

그러나, 노즐 구멍을 고밀도로 배열하기 위해서는, 압력 발생실을 고밀도로 배열해야만 한다. 압력 발생실을 고밀도로 배열하게 되면 압력 발생실간의 격벽의 두께가 얇아져서 격벽의 강성(rigidity)이 부족하게 되고, 따라서 인접하는 압력 발생실 사이에서 크로스토크가 발생하는 문제점이 있다.

이러한 점을 감안하여, 본 발명의 목적은 압력 발생실의 고밀도 배열화 할 수 있으며, 또한 크로스 토크를 방지할 수 있는 잉크젯 기록 헤드, 및 이 헤드를 사용한 잉크젯 기록 장치를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 대응하는 노즐 구멍들과 연통하며 복수의 격벽들에 의해 서로 분리되는 복수의 압력 발생실들을 구비한 유로-형성 기판과, 진동판 및 상기 유로 형성 기판의 한쪽에 진동판을 거쳐서 설치되며 각각이 하부 전극, 압전체층 및 상부 전극을 구비한 복수의 압전 소자들을 포함한 잉크젯 기록 헤드를 제공한다. 상기 진동판은 인장 응력(tensile stress)을 갖고, 상기 압력 발생실의 1인치당 배열 개수 n이 200이상이며, 이 개수 n과 상기 압력 발생실의 폭 w 및 상기 격벽의 두께 d와의 관계가 (w+d)=1인치/n이고, 상기 격벽의 두께 d가 10㎛ 이상이며, 상기 격벽의 두께 d와 상기 유로-형성 기판의 두께 h와의 관계가 (d×3)≤h≤(d×6)이다.

상기 특징을 이용하면, 압력 발생실을 비교적 고밀도로 배열해도, 격벽의 강성을 유지할 수 있어서, 잉크 토출 특성이 양호하게 유지될 수 있다.

유로-형성 기판의 두께 h와 격벽의 두께 d와의 관계는 (d×4)≤h≤(d×5)이다.

상기 특징을 이용하면, 격벽의 강성을 확실하게 유지할 수 있어서, 잉크 토출 특성이 항상 양호하게 유지될 수 있다.

격벽(11), 진동판 및 압력 발생실(12) 내에 수용된 잉크의 전체 컴플라이언스에 대한 상기 격벽(11)의 컴플라이언스의 비율이 10% 이하이다.

격벽의 컴플라이언스 비율이 비교적 낮기 때문에, 크로스토크의 영향을 저 레벨로 저감시킬 수 있다.

유로-형성 기판의 두께 h는 상기 압력 발생실의 폭 w 이상이다.

상기 특징을 이용하면, 유로-형성 기판의 두께 h의 오차에 의한 특성 변화를 억제할 수 있다.

압전체층의 결정은 우선 배향을 취한 것으로 한다.

압전체층이 박막 증착 공정에 의해 형성되기 때문에, 결정이 우선 배향을 취한다.

압전체층의 결정은 (100)면들에 대해서 우선 배향을 취한다.

압전체층이 소정의 박막 증착 공정에 의해서 형성된 결과, 결정이 (100)면에 대해서 우선 배향을 취한다.

상기 압전체층의 결정이 능면체정계(rhombohedral)이다.

압전체층이 소정의 박막 증착 공정에 의해 형성된 결과, 결정이 능면체정계로 된다.

상기 압전체층의 결정은 주상형(columnar)이다.

압전체층이 박막 증착 공정에 의해 형성된 결과, 결정이 주상형으로 된다.

압전체층은 0.5㎛ 내지 2㎛의 두께를 취한다.

압전체층의 두께가 비교적 작기 때문에, 고밀도의 패터닝이 가능하다.

상기 진동판의 응력과 상기 압전 소자를 구성하는 각 층의 응력의 총합이 인장 응력과 동일한다.

상기 특징을 이용하면, 압전 소자 및 진동판의 응력에 기인하는 각 격벽의 진동판측 선단부에서 유도되는 구속력에 의해서 크로스토크를 방지할 수 있다.

진동판의 응역과 상기 하부 전극의 응력의 총합은 인장 응력과 동일하다.

상기 특징을 이용하면, 진동판 및 하부 전극의 응력에 의해 격벽이 보다 확실하게 구속되기 때문에, 크로스토크를 확실하게 방지할 수 있다.

압전체층은 인장 응력을 갖는다.

상기 특징을 이용하면, 압전체층의 응력에 의해 격벽이 보다 확실하게 구속되기 때문에, 크로스토크를 확실하게 방지할 수 있다.

진동판이 압력 발생실측에 압축 응력을 갖는 압축층을 포함한다.

진동판이 압축층을 포함하더라도, 진동판 전체의 응력이 인장 응력이거나, 또는 진동판의 응력과 압전 소자를 구성하는 각 층의 응력의 총합이 인장 응력과 동일하다면, 크로스토크가 방지될 수 있다.

압력 발생실을 형성할 때, 압전 소자가 대응하는 압전 발생실을 향하여 볼록하게 휠 수 있다.

상기 특징을 이용하면, 진동판의 응력에 의해 보다 확실하게 크로스토크를 방지할 수 있다.

상기 유로-형성 기판은 단결정 실리콘 기판으로 형성되며, 그 다른 면측을 연마함으로써 소정의 두께로 형성된다.

상기 특징을 이용하면, 유로-형성 기판의 두께를 연마에 의해 비교적 용이하게 얇게 할 수 있다.

유로-형성 기판은 단결정 실리콘 기판으로 형성되며, 그 다른 면측에 미리 설치되어 있는 희생 기판을 제거함으로써 소정의 두께로 형성된다.

상기 특징을 이용하면, 비교적 얇은 유로-형성 기판을 비교적 용이한 방법으로 형성할 수 있다.

압력 발생실이 이방성 에칭에 의해 형성되고, 압전 소자를 구성하는 층들이 성막 및 리소그라피법에 의해 형성된다.

상기 특징을 이용하면, 비교적 용이한 방법으로 압력 발생실을 고정밀도이며 고밀도로 형성할 수 있다.

본 발명은 또한 상술한 잉크젯 기록 헤드를 포함한 잉크젯 기록 장치를 제공한다.

본 발명의 잉크젯 기록 헤드를 사용한 잉크젯 기록 장치는 고속이며 고품질의 인쇄를 실현할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예들을 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 1 내지 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 기록 헤드를 나타낸다. 유로-형성 기판(10)은 면방위 (110)의 단결정 실리콘 기판으로 형성되며, 그 한쪽 면에는 미리 열산화를 통해 미리 형성된 1㎛ 내지 2㎛ 두께의 이산화 실리콘으로 된 탄성막(50)이 형성된다.

이 유로-형성 기판(10)에는 단결정 실리콘 기판을 그 한쪽 면측으로부터 이방성 에칭함으로써 복수의 격벽(11)에 의해 서로 분리되며 유로 형성 기판(10)의 폭 방향을 따라서 배열되도록 복수의 압력 발생실(12)이 형성되어 있다. 이 유로-형성 기판(10)에는 길이 방향 외측에 복수의 연통부(13)가 형성된다. 연통부(13)는 후술될 저장부 형성판의 저장부(31)와 대응하는 연통홀(51)을 통해 연통한다. 이 연통부(13)는 대응하는 잉크 공급로(14)를 통해 압력 발생실(12)의 길이방향 단부에서 대응하는 압력 발생실(12)과 연통한다.

압력 발생실(12)은, 예를 들면 1인치당 200실(chamber) 이상, 본 실시예에 따르면 1인치당 360실로 비교적 고밀도로 배치된다.

이방성 에칭은 단결정 실리콘 기판의 다음과 같은 성질을 이용한다: 단결정 실리콘 기판이 KOH 용액 같은 알칼리 용액에 침지(浸漬)될 때, 단결정 실리콘 기판은 서서히 침식되어, (110)면에 수직인 제 1 (111)면, 및 이 제 1 (111)면과 약 70도의 각도를 이루며 (110)면과 약 35도의 각도를 이루는 제 2 (111)면이 출현하고, (110)면의 에칭률과 비교하여 (111)면의 에칭률이 약 1/180인 성질을 이용한다. 이러한 이방성 에칭에 의해 2개의 제 1 (111)면과 2개의 경사진 제 2 (111)면에 의해 형성되는 평행사변형 형상의 깊이 가공에 기초하여 정밀 가공을 행할 수 있어서, 압력 발생실(12)을 고밀도로 배열할 수 있다.

본 실시예에 따르면, 각 압력 발생실(12)의 장변을 제 1 (111)면에서 형성하고, 단변을 제 2 (111) 면에서 형성한다. 이 압력 발생실(12)은 유로-형성 기판(10)을 거의 그 전체 두께를 따라 관통하여 탄성막(50)에 도달할 때까지 에칭하여 형성되어 있다. 여기서, 탄성막(50)은 단결정 실리콘 기판을 에칭하기 위하여 사용되는 알칼리 용액에 의해 약간 침지된다. 압력 발생실(12)의 한 단부에서 대응하는 압력 발생실(12)과 연통하는 잉크 공급로(14)는 압력 발생실(12)보다 얕게 형성되어, 압력 발생실(12)로 도입되는 잉크의 유로 저항을 일정하게 유지한다. 즉, 잉크 공급로는 기판의 두께 방향을 따라 단결정 실리콘 기판을 도중까지 에칭(하프-에칭)하여 형성된다. 이 하프-에칭은 에칭 시간의 조절을 통해 행해진다.

노즐판(20)은 유로-형성 기판(10)의 반대측에 접착제에 의해 접합되고, 그 안에 형성된 노즐 구멍(21)은 반대측 잉크 공급로(14)에서 대응하는 압력 발생실(12)과 연통한다. 본 실시예에 따르면, 노즐판(20)은 단결정 실리콘 기판으로 형성되고, 그 안에는 건식 에칭에 의해 형성된 복수의 노즐 구멍(21)이 형성되어 있다. 각 노즐 구멍(21)은 잉크 방울이 토출되는 노즐부(21a), 및 이 노즐부(21a)보다 큰 직경을 갖으며 노즐부(21a)와 압력 발생실(12)간에 연통하는 노즐 연통부(21b)를 포함한다.

상술한 바와 같이, 노즐판(20)과 유로-형성 기판(10)은 동일한 재료로 형성되어 있기 때문에, 노즐판(20)과 유로-형성 기판(10)은 접합시의 가열 공정 및 실장시의 후-가열 공정에서 휨(warpage)이나 응력(stress)이 발생하지 않아서, 크래킹이 발생하지 않는다.

잉크 방울 토출 압력을 잉크에 가하도록 된 압력 발생실(12)의 크기 및 잉크 방울을 토출하도록 된 노즐 구멍(21)의 크기는 토출될 잉크 방울의 양, 잉크 방출의 토출 속도 및 잉크 방울 토출 횟수에 따라 최적화된다. 예를 들면, 1인치당 360개의 잉크 방울이 기록을 위해 토출되는 경우, 노즐 구멍(21)은 수 십 마이크로미터의 직경으로 정밀하게 형성되어야 한다.

유로-형성 기판(10) 상에 설치된 탄성막(50) 상에는 하부 전극막(60), 압전체층(70) 및 상부 전극막(80)이 후술되는 공정에 의해 적층 형성되어, 압전 소자(300)를 형성한다. 하부 전극막(60)은 예를 들면 약 0.2㎛의 두께를 취하고, 압전체층(70)은 예를 들면 약 0.5㎛ 내지 2㎛의 두께를 취하고, 상부 전극막(80)은 예를 들면 약 0.1㎛의 두께를 취한다. 여기서, 압전 소자(300)는 하부 전극막(60), 압전체층(70) 및 상부 전극(80)을 포함한다. 일반적으로, 하부 전극이나 상부 전극 중 어느 하나는 압전 소자(300)들 중 어느 하나의 전극을 공통 전극의 형태로 취하고, 반면 다른 전극 및 압전체층(70)은 각 압력 발생실(12)마다 패터닝을 통해서 형성된다. 이 경우, 패터닝된 어느 쪽이 한쪽의 전극과 압전체층(70)으로 구성되고, 두 개의 전극 모두에 전압을 인가함으로써 압전 스트레인(strain)이 생기는 부분을 압전체 능동부라 한다. 본 실시예에 따르면, 하부 전극막(60)은 압전 소자(300)의 공통 전극으로서 작용하고, 반면 상부 전극막(80)은 압전 소자(300)와 함께 사용하기 위한 개별 전극으로서 작용한다. 그러나, 그 구성은 구동 회로 및 배선의 필요에 따라 반대로 될 수도 있다. 어느 경우라도, 각 압전 발생실마다 압전체 능동부가 형성되어 있다. 여기서, 압전 소자(300)와 이 압전 소자(300)의 구동에 의해 변위가 생기는 진동판으로 압전 액츄에이터를 구성한다. 본 실시예에 따르면, 탄성막(50) 및 하부 전극막(60)이 진동판으로 작용하지만, 하부 전극막이 탄성막을 겸해도 좋다. 또한, 진동판의 응력을 인장 응력(tensile stress)으로 하기 위하여, 예를 들면 지르코늄 산화물(ZrO₂)로 된 보강층을 탄성막(50) 상에 형성해도 좋다.

바람직하게, 압력 발생실(12)의 1인치당 배열 개수 n이 200 이상이며, 이 배열 개수 n과 압력 발생실(12)의 폭 w 및 격벽(11)의 두께 d와의 관계가 (w+d)=1인치/n인 잉크젯 기록 헤드는 이하의 조건을 만족하는 것이 바람직하다. 즉, 진동판이 인장 응력을 갖고, 격벽(11)의 두께 d가 10㎛ 이상이며, 이 격벽의 두께 d와 유로-형성 기판(10)의 두께 h(압력 발생실(12)의 깊이)와의 관계가 (d×3)≤h≤(d×6), 더 바람직하게는 (d×4)≤h≤(d×5)이다.

따라서, 압력 발생실(12)을 비교적 고밀도로 배열해도, 격벽(11)의 강성이 확실하게 유지되어, 크로스토크의 발생을 방지할 수 있다. 즉, 압력 발생실(12)을 고밀도로 배열하면, 격벽(11)의 두께는 얇아지지만, 압력 발생실(12)의 폭 w, 격벽(11)의 두께 d 및 유로-형성 기판(10)의 두께 h가 상술한 조건을 충족하면 격벽(11)의 강성을 확실하게 유지할 수 있다.

진동판이 박막 증착 공정에 의해 형성되고, 또한 인장 응력을 갖는 경우, 진동판측 상에 배치된 격벽(11)의 선단이 자유단이 아니라 단순 지지된 단부로서 간주될 수 있다. 이 경우, 상술한 조건을 만족시키면, 크로스토크를 확실하게 방지할 수 있다.

본 발명에 따르면, 진동판은 탄성막(50) 및 하부 전극막(60)으로 구성되어 있기 때문에, 진동판이 인장 응력을 갖을 수 있는데, 즉 이것은 탄성막(50)의 응력과 하부 전극막(60)의 응력의 총합이 인장 응력과 동일함을 의미한다. 예를 들어, 본 실시예에 따르면, 탄성막(50)은 압축 응력을 갖고, 하부 전극막(60)은 인장 응력을 갖으며, 반면 진동판은 전체적으로 인장 응력을 갖는다.

하부 전극막(60)이 각 압전 소자(300)마다 패터닝되어, 진동판으로 작용하지 않더라도, 진동판으로 작용하는 탄성막(50)의 응력과 하부 전극막(60)의 응력의 총합은 압력 발생실(12)에 마주하는 영역에서는 측정된 인장 응력과 동일한 것이 바람직하다. 진동판이 인장 응력을 갖은 결과, 압력 발생실(12)을 형성할 때, 즉 초기 상태에서, 압전 소자(300)가 대응하는 압력 발생실(12)을 향하여 볼록하게 휘도록하는 것이 바람직하다.

진동판이 인장 응력을 갖은 결과, 이 인장 응력은 진동판측 상에 배치된 각 격벽(11)의 선단부를 구속하는 구속력을 유도하여 크로스토크를 방지한다.

본 실시예에 따르면, 진동판으로 작용하는 탄성막(50)의 응력과 하부 전극막(60)의 응력의 총합이 인장 응력과 동일하고, 압전 소자(300)의 적어도 압전체층(70)은 인장 응력을 갖으며 압전 소자(300)를 구성하는 각 층의 응력과 진동판의 응력의 총합은 인장 응력과 동일하다. 이와 같이, 진동판이 인장 응력을 갖고, 또한 진동판의 응력과 압전 소자(300)를 구성하는 각 층의 응력의 총합이 인장 응력과 동일한 것이 바람직하다. 그러나, 적어도 진동판의 응력과 압전 소자(300)를 구성하는 각 층의 응력의 총합이 인장 응력과 동일하면, 인장 응력은 진동판측 상에 배치된 격벽(11)의 선단부를 구속하여 크로스토크를 방지하는 작용을 한다.

격벽(11)의 두께 d는 10㎛ 이상, 바람직하게는 10㎛ 이상 30㎛ 이하이며, 격벽(11)의 두께 d와 유로-형성 기판(10)의 두께 h와의 관계가 h≤(d×6)이면, 격벽(11)은 소정의 강성을 유지하여 크로스토크를 확실하게 방지할 수 있다.

유로-형성 기판(10)의 두께 h가 얇을수록, 즉 격벽(11)의 높이가 낮으면 낮을수록, 격벽(11)의 강성이 높아져서, 크로스토크를 보다 확실하게 방지할 수 있다. 그러나, 양호한 잉크 토출 특성을 얻기 위해서는, 압력 발생실(12)의 폭 방향의 단면적이 가능한한 큰 것이 바람직하기 때문에, 유로-형성 기판(10)의 두께 h(압력 발생실(12)의 깊이)가 격벽(11)의 두께 d에 대하여 h≥(d×3)의 관계를 갖는 것이 바람직하다. 또한, 압력 발생실(12)의 폭 w도 가능한한 넓은 것이 바람직하다.

따라서, 격벽(11)의 두께 d가 10㎛ 이상이고, 이 격벽(11)의 두께와 유로-형성 기판의 두께 h와의 관계가 (d×3)≤h≤(d×6)이면, 격벽(11)의 강성을 유지하여 크로스토크를 확실하게 방지할 수 있다.

격벽(11)의 두께 d와 유로-형성 기판(10)의 두께 h(압력 발생실(12)의 깊이)간의 상술한 치수 조건은, 압력 발생실(12)을 서로 분리시키기 위해 사용되는 격벽(11)의 컴플라이언스 비율이 압력 발생실(12)의 컴플라이언스, 즉 격벽(11), 진동판 및 압력 발생실(12) 내에 수용된 잉크의 전체 컴플라이언스에 대하여 10% 이하, 특히 5% 이하이면, 크로스토크의 발생을 억제할 수 있다라는 컴플라이언스의 관점에 기초한다.

압력 발생실(12)의 유로 저항은 압력 발생실(12) 횡단면에서의 장변의 길이보다 단변의 길이에 더 큰 영향을 받는다. 압력 발생실(12)의 폭 w는 압력 발생실(12)의 깊이(유로-형성 기판(10)의 두께 h)보다도 더 정밀하게 제어될 수 있다. 따라서, 잉크 토출 특성에 큰 영향을 미치는 단변이 압력 발생실(12)의 폭 w인 것이 바람직하다. 즉, 압력 발생실(12)의 폭 w는 유로-형성 기판(10)의 두께 h 보다 작은 것이 바람직하고, 이로서 압력 발생실(12)이 양호하며 균일한 잉크 토출 특성을 갖을 수 있다.

하기 표 1에 나타낸 조건에서 예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 3의 잉크젯 기록 헤드를 작성하고, 각각 압력 발생실(12)의 컴플라이언스에 대한 격벽(11)의 컴플라이언스의 비율을 조사하였다. 그 결과는 또한 표 1에 나타내었다.

		비교예 1	예 1	예 2	예 3	예 4	비교예 2	비교예 3
압력발생실의 배열밀도(dpi)		360	360	360	360	360	360	360
압력발생실의 치수	w: 폭(㎛)	55	55	55	55	55	55	55
압력발생실의 치수	h: 깊이(㎛)	30	45	60	75	90	105	120
d: 격벽의 두 께 (㎛)		15	15	15	15	15	15	15
h/d		2	3	4	5	6	7	8
w/h		1.8	1.2	0.9	0.7	0.6	0.5	0.5
격벽의 컴플라이언스 비율		0.10%	0.60%	1.80%	3.90%	7.20%	11.80%	17.80%

표 1에 나타낸 바와 같이, 각 예와 비교예에서는, 압력 발생실(12)의 1인치당 배열 개수 n을 360으로 하고있기 때문에, 압력 발생실(12)의 폭 w와 격벽(11)의 두께 d의 총합은 약 70㎛((w+d)≒70㎛)이다. 압력 발생실(12)의 폭 w는 약 55㎛이기 때문에, 격벽(11)의 두께 d는 약 15㎛이다.

예 1 내지 4에서는, 격벽(11)의 두께 d와 유로-형성 기판(10)의 두께 h(압력 발생실(12)의 깊이)와의 관계가 (d×3)≤h≤(d×6)을 만족할 수 있도록, 유로-형성 기판(10)의 두께 h를 45㎛ 내지 90㎛ 범위에서 변화시킨다.

비교예 1 내지 3은 유로-형성 기판(10)의 두께 h를 각각 30㎛, 105㎛ 및 120㎛로 취한 것 외에는 예 1 내지 4와 마찬가지이다.

상술한 치수를 갖도록 형성된 예 1 내지 4의 잉크젯 기록 헤드에서는 격벽(11)의 컴플라이언스 비율이 10%이하인 0.6% 내지 7.2%로 된다. 압력 발생실(12)의 폭 w와 압력 발생실(12)의 깊이(유로-형성 기판(10)의 두께 h)간의 비율, 즉 w/h는 0.6 내지 1.2라서, 압력 발생실(12)의 폭이 실질적으로 압력 발생실(12)의 깊이와 같거나 또는 이보다 작게 된다. 따라서, 잉크젯 기록 헤드는 크로스토크를 발생하지 않아서, 양호한 잉크 토출 특성을 얻을 수 있다.

이에 반하여, 비교예 1의 잉크젯 기록 헤드는 격벽 컴플라이언스 비율이 0.1%로 매우 작기 때문에, 크로스토크를 방지할 수 있다. 그러나, 압력 발생실의 깊이와 폭간의 비율, 즉 w/h가 1.8의 매우 큰 값을 취하기 때문에, 잉크젯 기록 헤드가 균일한 토출 특성을 얻을 수 없다.

비교예 2와 3의 잉크젯 기록 헤드에서는 격벽의 컴플라이언스 비율이 10% 이상으로 크기 때문에, 크로스토크가 발생하여 양호한 잉크 토출 특성을 얻을 수 없다.

상술한 결과로부터도 명확히 알 수 있는 바와 같이, 격벽(11)의 두께 d와 유로-형성 기판(10)의 두께 h와의 관계를 (d×3)≤h≤(d×6), 특히 (d×4)≤h≤(d×5)를 충족하도록 규정하면, 크로스토크를 방지할 수 있기 때문에, 양호한 잉크 토출 특성을 얻을 수 있다.

이하, 본 발명의 잉크젯 기록 헤드의 제조 방법을 도 4 및 5를 참조하여 설명하기로 한다. 도 4 및 5는 압력 발생실(12)의 길이방향의 종단면도이다. 도 4b 내지 4d, 5a 및 5b에서는, 압력 발생실(12)은 형성 전이기 때문에 점선으로 표시하였다.

우선, 도 4a에 나타낸 바와 같이, 유로-형성 기판(10)의 한쪽 면에 탄성막(50)을 형성한다. 구체적으로, 예를 들어 두께 220㎛의 유로-형성 기판(10)이 될 단결정 실리콘 기판을 약 1100℃의 확산로에서 열산화함으로써, 유로-형성 기판(10)의 한쪽 면에 이산화 실리콘으로 된 탄성막(50)을 형성한다.

다음에, 도 4b에 나타낸 바와 같이, 스퍼터링을 통해 하부 전극막(60)을 탄성막(5)의 전체 면에 증착한 후, 이 하부 전극막(60)을 소정의 패턴으로 패터닝한다. 이 하부 전극막(60)의 재료로는 백금(Pt)이 적당한데, 이것은 스퍼터링 공정이나 졸-겔 공정에 의해 증착될 압전체층(70)이 증착 후에, 대기 분위기 또는 산소 분위기 하에서 약 600℃ 내지 1000℃의 온도에서 소성되어 결정화되어야 하기 때문이다. 즉, 하부 전극막(60)의 재료는 이러한 고온 산화 분위기 하에서 전기 전도성을 유지해야만 한다. 특히, 압전체층(70)으로서 납 지르코네이트 티타네이트(PZT)를 이용한 경우에는, 산화 납의 확산에 의한 전기적 전도성의 변화가 적을 것이 바람직하다. 이러한 이유로 백금이 바람직하다.

다음에, 도 4c에 나타낸 바와 같이, 압전체층(70)이 증착된다. 압전체층(70)은 결정이 배향하고 있는 것이 바람직하다. 예를 들어, 본 실시예에 따르면, 압전체층(70)은 졸-겔 공정을 사용하여 결정이 배향하는 상태로 형성된다. 특히, 금속으로 된 유기 물질을 촉매에 용해 분산시켜 이른바 졸을 얻는다. 이 졸을 도포하여 건조시켜서 겔을 얻는다. 이 겔은 고온에서 소성되어, 금속 산화물로 된 압전체층(70)을 생성한다. 압전체층(70)의 재료로는 납 지르코네이트 티타네이트 재료가 잉크젯 기록 헤드에 사용되는 것이 바람직하다. 압전체층(70)을 증착시키기 위한 방법은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면, 스퍼터링 공정을 사용해도 좋다.

또한, 졸-겔 공정이나 또는 스퍼터링 공정에 의해 납 지르코네이트 티타네이트로 된 전구체를 형성한 후, 고압 처리 공정을 사용하여 저온에서 알칼리 수용액 내에서 결정 성장시켜도 좋다.

벌크 압전 재료와 대조적으로, 이렇게 증착된 압전체층(70)은 결정이 우선 배행된다. 예를 들어, 본 실시예의 압전체층(70)은 (100)면에 대해서 우선 배향한다. 우선 배향이란 결정이 정연하게 배향된 상태, 즉 특정의 결정면이 동일한 방향으로 향하고 있는 상태를 뜻한다.

압전체층(70)은 결정이 주상형, 능면체정계 형태를 취한다. 결정이 주상형인 박막은 거의 원주체 결정이 축을 두께방향으로 뻗은 상태로 평면 방향을 따라 집합하여 박막을 형성한 상태를 뜻한다. 물론, 우선 배향한 입자 형상의 결정으로 형성한 박막이라도 좋다. 이러한 박막 증착 공정에 의해 증착된 압전체층은 일반적으로 0.2㎛ 내지 5㎛의 두께를 취한다.

다음에, 도 4d에 나타낸 바와 같이, 상부 전극막(80)을 형성한다. 이 상부 전극막(80)은 도전성이 높은 재료이면 좋고, 알루미늄, 금, 니켓, 백금 등의 금속이나 도전성 산화물 등을 사용할 수도 있다. 본 실시예에 따르면, 백금이 스퍼터링을 통해 증착된다.

다음에, 도 5a에 나타낸 바와 같이, 압전체층(70) 및 상부 전극막(80)을 패터닝하여, 압력 발생실(12)에 대향하는 영역에 압전 소자(300)를 형성한다.

다음에, 도 5b에 나타낸 바와 같이, 리드 전극(90)이 형성된다. 구체적으로는, 예를 들어 금(Au)으로 이루어진 리드 전극(90)을 기판의 전체 폭을 따라 유로-형성 기판(10) 상에 형성한 후, 패터닝하여, 압전 소자(300)에 대응하는 각 리드 전극(90)으로 분할한다.

상술한 막 증착 공정 후, 전술한 바와 같이, 알칼리 용액을 사용하여 단결정 실리콘 기판을 이방성 에칭하여, 도 5c에 나타낸 바와 같이, 압력 발생실(12), 잉크 공급로(14) 및 도시하지 않는 연통부(13)를 동시에 형성한다.

이후, 도 5d에 나타낸 바와 같이, 유로-형성 기판(10)의 압전 소자(300)와는 반대측의 표면을 연마하여, 유로-형성 기판(10)을 소정의 두께, 예를 들면 본 실시예에서는 약 70㎛로 하였다.

본 실시예에 따르면, 유로-형성 기판(10)을 연마하여 소정의 두께를 취하도록 하지만, 유로-형성 기판(10)은 미리 소정의 두께로 형성한 것을 사용해도 좋다. 이 경우, 압전 소자(300)를 형성하는 공정에서 유로-형성 기판(10)의 취급이 곤란하기 때문에, 예를 들면, 유로-형성 기판(10)(실리콘 웨이퍼)의 한쪽 면에 약 200㎛의 두께를 갖는 희생 웨이퍼를 미리 접합시켜 놓고, 최종적으로는 이 희생 웨이퍼를 제거해도 좋다.

제조시, 압전 소자(300)와 압력 발생실(12)을 각각 포함한 복수의 칩들이 일련의 막 증착 공정 및 이어지는 이방성 에칭 공정에 의해 단일 웨이퍼 상에 동시에 형성된다. 이 때, 노즐판(20)은 웨이퍼와 접합된다. 이렇게 마련된 웨이퍼는 도 1에 나타낸 바와 같이 칩 사이즈의 유로-형성 기판(10)에 분할된다. 후술할 저장부 형성판(30) 및 컴플라이언스 기판(40)을 각 유로-형성 기판(10)에 순차 접착시켜서 잉크젯 기록 헤드로 한다.

도 1 내지 3에 나타낸 바와 같이, 압력 발생실(12)이 형성된 유로-형성 기판(10)의 압전 소자(300)측에는 압력 발생실(12)에서 공통으로 이용하기 위해 마련된 저장부(31)를 포함한 저장부 형성판(30)이 접합되어 있다. 본 실시예에서, 저장부(31)는 저장부 형성판(30)을 이 기판(30)의 두께 방향으로 관통하여 압력 발생실(12)이 배열된 방향을 따라 뻗도록 저장부 형성 기판(30)에 형성되어 있다.

저장부 형성판(30)은 유로-형성 기판(10)과 거의 동일한 열평창률을 갖는 재료, 예를 들면, 유리나 세라믹 재료로 이루어지는 것이 바람직하다. 본 실시예에서는, 저장부 형성판(30)과 유로-형성 기판(10)이 동일한 재료인 단결정 실리콘 기판으로 형성된다. 따라서, 노즐판(20)과 유로-형성 기판(10)을 접합하는 경우와 마찬가지로, 저장부 형성판(30) 및 유로-형성 기판(10)을 열경화성 접착제를 사용하여 고온에서 접합하더라도, 이들을 확실하게 접합할 수 있다. 따라서, 제조 공정을 간략화할 수 있다.

또한, 저장부 형성판(30)에는 봉지막(41) 및 고정판(42)을 포함한 컴플라이언스 기판(40)이 접합되어 있다. 봉지막(41)은 강성이 낮고 가요성을 갖는 재료(예를 들면, 6㎛의 두께를 갖는 폴리페닐렌 설파이드(PPS) 막)로 형성되고, 이 봉지막(41)에 의해 저장부(31)의 한쪽 면이 봉지된다. 고정판(42)은 금속 등의 경질의 재료(예를 들면, 30㎛의 두께를 갖는 스테인레스 스틸(SUS)판)로 형성된다. 저장부(31)에 대향하는 고정판(42)의 영역을 고정판(42)의 두께 방향으로 완전히 제거하여 개구부(43)를 형성한다. 그 결과, 저장부(31)의 한쪽 면이 가요성을 갖는 봉지막(41)만으로 봉지되어, 저장부(31)의 내압이 변화함에 따라 변형될 수 있는 가요부(32)가 형성된다.

저장부(31)에 잉크를 공급하는 잉크 도입구(35)가 컴플라이언스 기판(40) 내에 형성되며, 저장부(31)의 길이방향에 대해서는 거의 중심부에, 저장부의 폭방향에 대해서는 저장부(31) 바깥쪽에 배치된다. 또한, 저장부 형성판(30)에는 잉크 도입구(35)와 저장부(31)의 측벽을 연통하는 잉크 도입로(36)가 설치되어 있다.

압전 소자(300)에 대향하는 저장부 형성판(30)의 영역에는, 압전 소자(300)의 운동을 방해하지 않을 정도의 공간을 확보한 상태에서 그 공간을 밀봉할 수 있는 압전 소자 홀딩부(33)가 설치되어 있다. 압전 소자(300)는 이 압전 소자 홀딩부(33) 내에 봉지되서, 대기 중의 물 같은 외부 환경에 기인하는 압전 소자(300)의 파괴를 방지한다.

이와 같이 구성된 잉크젯 기록 헤드는 다음과 같은 방식으로 동작한다. 도시하지 않은 외부 잉크 공급 수단이 잉크 도입구(35)와 접속되어, 잉크를 잉크 도입구(35)를 통해 잉크젯 기록 헤드에 공급한다. 이렇게 공급된 잉크는 저장부(31)로부터 노즐 구멍(21)으로 뻗어있는 내부 공간에 채워진다. 도시하지 않는 외부 구동 회로로부터의 기록 신호에 따라서, 상부 전극막(80)과 하부 전극막(60) 사이에 전압을 인가하여, 탄성막(50)과 하부 전극막(60) 및 대응하는 압전체층(70)을 휨 변형시킴으로써, 대응하는 압력 발생실(12) 내의 압력이 높아져서, 대응하는 노즐 구멍(21)으로부터 잉크 방울을 토출시킨다.

본 발명이 실시예를 참조하여 설명되었지만, 잉크젯 기록 헤드의 기본 구성은 상기 실시예의 구성에 한정되지 않는다.

예를 들어, 상기 실시예에서는 막 증착 공정 및 리소그라피 공정을 응용하여 제조되는 박막형 잉크젯 기록 헤드에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예를 들면, 본 발명은 그린 시트를 부착하여 제조한 박막형 잉크젯 기록 헤드에도 적용될 수 있다.

또한, 상기 실시예에서는 휨 변위형 압전 소자를 갖는 잉크젯 기록 헤드에 대해서 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예를 들면, 본 발명은 압전 재료와 전극 재료를 교대로 적층시킨 구조로 배치하여 압전 소자를 구성한 종방향 진동 모드에서 동작하는 압전 소자를 갖는 잉크젯 기록 헤드에 응용할 수 있다. 단, 어느 경우라도, 진동판은 인장 응력을 갖아야만 한다.

본 발명은 본 발명의 사상 및 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 구조의 잉크젯 기록 헤드에 적용될 수 있다.

상술한 바와 같이 상기 실시예의 잉크젯 기록 헤드는, 잉크 카트리지 등의 장치와 연통하는 잉크 유로를 포함한 기록 헤드 유닛의 일부를 구성하여, 잉크젯 기록 장치 상에 탑재시킨다. 도 6은 이러한 잉크젯 기록 장치의 일 실시예를 개략적으로 나타낸다.

도 6에 나타낸 바와 같이, 각각이 잉크젯 기록 헤드를 갖는 기록 헤드 유닛(1A, 1B)에는 각각 잉크 공급 수단으로 작용하는 카트리지(2A, 2B)가 착탈가능하게 설치되어 있다. 이 기록 헤드 장치(1A, 1B)를 탑재한 카트리지(3)는 장치 본체(4)에 부착된 카트리지 축(5) 상에 축방향으로 이동이 자유롭게 설치되어 있다. 이 기록 헤드 유닛(1A, 1B)은, 예를 들면 각각 흑색 잉크 조성물 및 컬러 잉크 조성물을 토출시키도록 되어 있다.

구동 모터(6)의 구동력은 도시하지 않은 복수의 기어 및 타이밍 벨트(7)를 통해 캐리지(3)에 전달되어, 기록 헤드 유닛(1A, 1B)을 탑재한 캐리지(3)가 캐리지 축(5)을 따라 이동한다. 압판(platen: 8)이 캐리지(3)의 경로를 따라 뻗도록 하는 방식으로 장치 본체(4) 상에 설치된다. 압판(8)은 도시하지 않는 급지 모터의 구동력에 의해 회전되어, 급지 롤러에 의해 공급된 용지 등의 기록 매체인 기록 시트(S)가 압판 위에 반송되도록 되어 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 기록 헤드의 사시도.

도 2a는 도 1의 잉크젯 기록 헤드의 평면도.

도 2b는 도 2a의 선 A-A'를 따라 취해진 잉크젯 기록 헤드의 단면도.

도 3은 도 2a의 선 B-B'를 따라 취해진 잉크젯 기록 헤드의 단면도.

도 4a 내지 4d는 도 1의 잉크젯 기록 헤드를 제조하기 위한 공정을 나타낸 단면도.

도 5a 내지 5d는 도 1의 잉크젯 기록 헤드를 제조하기 위한 공정을 나타낸 단면도.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 기록 장치의 개략도.

※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명※

10 유로-형성 기판

11 격벽

12 압력 발생실

20 노즐 플레이트

21 노즐 구멍

50 탄성막

60 하부 전극막

70 압전체층

80 상부 전극막

90 리드 전극

300 압전 소자

Claims

대응하는 노즐 구멍(21)들과 연통(communicating)하며 복수의 격벽(11)들에 의해 서로 분리되는 복수의 압력 발생실(12)들을 구비한 유로 기판(10)과,

상기 유로 기판(10)의 한쪽에 진동판을 거쳐서 설치되며 각각이 하부 전극(60), 압전체층(70) 및 상부 전극(80)으로 된 복수의 압전 소자(300)들을 구비한 잉크젯 기록 헤드에 있어서,

상기 진동판은 인장 응력(tensile stress)을 갖고,

상기 압력 발생실(12)의 1인치당 배열 개수 n이 200이상이며, 이 개수 n과 상기 압력 발생실(12)의 폭 w 및 상기 격벽(11)의 두께 d와의 관계가 (w+d)=1인치/n이고,

상기 격벽(11)의 두께 d가 10㎛ 이상이며, 상기 격벽(11)의 두께 d와 상기 유로 기판(10)의 두께 h와의 관계가 (d×3)≤h≤(d×6)인

것을 특징으로 하는 잉크젯 기록 헤드.
제 1 항에 있어서,

상기 유로 기판(10)의 두께 h와 상기 격벽(11)의 두께 d와의 관계가 (d×4)≤h≤(d×5)인 잉크젯 기록 헤드.
제 1 항에 있어서,

상기 격벽(11), 상기 진동판 및 상기 압력 발생실(12) 내에 수용된 잉크의 전체 컴플라이언스에 대한 상기 격벽(11)의 컴플라이언스의 비율이 10% 이하인 잉크젯 기록 헤드.
제 1 항에 있어서,

상기 유로 기판(10)의 두께 h는 상기 압력 발생실(12)의 폭 w 이상인 잉크젯 기록 헤드.
제 1 항에 있어서,

상기 압전체층(70)의 결정이 우선 배향을 취하는 잉크젯 기록 헤드.
제 5 항에 있어서,

상기 압전체층(70)의 결정이 (100)면들에 대해서 우선 배향을 취하는 잉크젯 기록 헤드.
제 5 항에 있어서,

상기 압전체층(70)의 결정이 능면체정계(rhombohedral)인 잉크젯 기록 헤드.
제 5 항에 있어서,

상기 압전체층(70)의 결정이 주상형(columnar)인 잉크젯 기록 헤드.
제 1 항에 있어서,

상기 압전체층(70)은 0.5㎛ 내지 2㎛의 두께를 취하는 잉크젯 기록 헤드.
제 1 항에 있어서,

상기 진동판의 응력과 상기 압전 소자(300)를 구성하는 각 층의 응력의 총합이 인장 응력과 동일한 잉크젯 기록 헤드.
제 10 항에 있어서,

상기 진동판의 응역과 상기 하부 전극(60)의 응력의 총합이 인장 응력과 동일한 잉크젯 기록 헤드.
제 10 항에 있어서,

상기 압전체층(70)이 인장 응력을 갖는 잉크젯 기록 헤드.
제 10 항에 있어서,

상기 진동판이 상기 압력 발생실(12)측에 압축 응력을 갖는 압축층을 포함하는 잉크젯 기록 헤드.
제 1 항에 있어서,

상기 압력 발생실(12)을 형성할 때, 상기 압전 소자(300)가 대응하는 압력 발생실(12)을 향하여 볼록하게 휘어 있는 잉크젯 기록 헤드.
제 1 항에 있어서,

상기 유로 기판(10)은 단결정 실리콘 기판으로 형성되며, 그 다른 면측을 연마함으로써 소정의 두께로 형성되는 잉크젯 기록 헤드.
제 1 항에 있어서,

상기 유로 기판(10)은 단결정 실리콘 기판으로 형성되며, 그 다른 면측에 미리 설치되어 있는 희생 기판을 제거함으로써 소정의 두께로 형성되는 잉크젯 기록 헤드.
제 1 항에 있어서,

상기 압력 발생실(12)이 이방성 에칭에 의해 형성되고, 상기 압전 소자(300)를 구성하는 층들이 성막 및 리소그라피법에 의해 형성되는 잉크젯 기록 헤드.
제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 따른 잉크젯 기록 헤드를 포함한 잉크젯 기록 장치.