KR100709135B1 - 액적 토출 헤드와 그 제조 방법 및 액적 토출 장치 - Google Patents

액적 토출 헤드와 그 제조 방법 및 액적 토출 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 토출실을 고밀도화하여도 유로 저항이 높아지는 것을 억제하여, 액적의 토출 성능을 확보할 수 있는 액적 토출 헤드 등을 제공하는 것을 과제로 한다.
액적을 토출하는 복수의 노즐 구멍(16)이 형성된 노즐 기판(5)과, 저면(底面)에 진동판(11)을 형성하고, 액적을 축적하여 두는 토출실(12)로 되는 오목부(12a)가 형성된 캐비티 기판(3)과, 진동판(11)에 대향하고, 진동판(11)을 구동하는 개별 전극(7)이 형성된 전극 기판(2)과, 토출실(12)에 액적을 공급하는 공통 액적실(13)로 되는 오목부(13a)와, 공통 액적실(13)로부터 토출실(12)로 액적을 이송하기 위한 관통 구멍(14)과, 토출실(12)로부터 노즐 구멍(16)으로 액적을 이송하는 노즐 연통(連通) 구멍(15)을 갖는 리저버(reservoir) 기판(4)을 구비하며, 리저버 기판(4)에는 한쪽 면에 노즐 기판(5)이 접합되고, 다른쪽 면에 캐비티 기판(3)이 접합되어 있는 것이다.
액적 토출 헤드, 액적 토출 장치, 유로 저항, 리저버 기판

Description

액적 토출 헤드와 그 제조 방법 및 액적 토출 장치{DROPLET-DISCHARGING HEAD, METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME, AND DROPLET-DISCHARGING DEVICE}
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 액적 토출 헤드의 분해사시도.
도 2는 도 1에 나타낸 액적 토출 헤드가 조립된 상태의 종단면도.
도 3은 종래의 일반적인 정전 구동 방식의 액적 토출 헤드의 유로(流路) 저항에 대해서 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명에 따른 액적 토출 헤드의 유로 저항에 대해서 설명하기 위한 도면.
도 5는 제 2 실시예에 따른 액적 토출 헤드가 조립된 상태의 종단면도.
도 6은 제 3 실시예에 따른 액적 토출 헤드가 조립된 상태의 종단면도.
도 7은 제 4 실시예에 따른 액적 토출 헤드가 조립된 상태의 종단면도.
도 8은 제 1 실시예에 따른 액적 토출 헤드의 제조 공정을 나타낸 종단면도.
도 9는 도 8에 나타낸 제조 공정에 연속되는 공정을 나타낸 종단면도.
도 10은 제 1 실시예 내지 제 4 실시예 중 어느 하나의 액적 토출 헤드를 탑재한 액적 토출 장치의 일례를 나타낸 사시도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
1 : 액적 토출 헤드
2 : 전극 기판
3 : 캐비티 기판
4 : 리저버 기판
5 : 노즐 기판
6, 12a, 13a : 오목부
7 : 개별 전극
8 : 리드부
9 : 단자부
10, 10a, 10b, 10c : 액적 공급 구멍
11 : 진동판
12 : 토출실
13 : 공통 액적실
14 : 관통 구멍
15 : 노즐 연통(連通) 구멍
16 : 노즐 구멍
17 : 밀봉재
21, 22 : 보조 연통 홈
100 : 액적 토출 장치
본 발명은 액적 토출 헤드와 그 제조 방법 및 액적 토출 장치에 관한 것으로서, 특히 토출실을 고밀도화하여도 유로 저항이 높아지는 것을 억제하여, 액적의 토출 성능을 확보할 수 있는 액적 토출 헤드 등에 관한 것이다.
최근 정전 구동 방식의 잉크젯 프린터에서는 고해상도 화상의 고속 인자(印字), 프린터의 공간 절약화를 위해, 잉크젯 헤드의 노즐 다수화 및 소형화가 진행되고 있으며, 그것에 따라 토출실(압력실 등이라고도 함)의 고밀도화가 진행되고 있다.
종래의 일반적인 정전 구동 방식의 잉크젯 기록 장치(잉크젯 헤드)에서는 3매의 기판을 접합하여 1매의 기판에 정전 구동용 전극을 형성하고, 중간 기판에 복수의 토출실로 되는 오목부 및 잉크 캐비티(공통 잉크실 등이라고도 함)로 되는 오목부를 형성하였다. 또한, 잉크 캐비티로 되는 오목부는 중간 기판의 복수의 토출실로 되는 오목부가 나열되어 있는 평면과 동일한 평면 위에 형성되어 있었다(예를 들어, 특허문헌 1 참조).
[특허문헌 1] 일본국 특개평5-50601호 공보(도 1 및 도 2)
종래의 일반적인 정전 구동 방식의 잉크젯 기록 장치에서는(예를 들어 특허문헌 1 참조), 토출실을 고밀도화했을 때에 유로로서의 토출실 단면적이 작아지고, 잉크 유로의 유로 저항이 전체적으로 높아져 잉크의 토출 성능이 저하된다는 문제점이 있었다. 또한, 잉크 캐비티로 되는 오목부는 중간 기판의 복수의 토출실로 되는 오목부가 나열되어 있는 평면과 동일한 평면 위에 형성되어 있기 때문에, 잉크젯 기록 장치의 면적이 커진다는 문제점도 있었다.
상기와 같이 토출실을 고밀도화하면, 복수의 토출실 사이의 격벽 두께가 얇아져 토출실끼리의 압력 간섭(소위, 크로스토크)이 발생한다. 이 크로스토크를 방지하기 위해, 일반적인 잉크젯 헤드에서는 토출실로 되는 오목부 및 공통 잉크실로 되는 오목부가 형성되는 기판(캐비티 기판 등이라고 함)을 얇게 하여 토출실 사이의 격벽 높이를 낮게 하였다. 그러나, 토출실로 되는 오목부 및 공통 잉크실로 되는 오목부가 형성되는 기판을 얇게 하면, 토출실의 단면적이 더 작아지기 때문에, 잉크 유로의 유로 저항이 점점 높아진다는 문제점이 있었다. 또한, 공통 잉크실의 높이도 작아지기 때문에, 공통 잉크실의 유로 저항도 높아지고, 잉크를 토출하는 토출실이 많을 때에 공통 잉크실로부터 토출실로의 잉크 공급이 충분히 행해지지 않아 토출 성능이 저하된다는 문제점이 있었다.
본 발명은 토출실을 고밀도화하여도 유로 저항이 높아지는 것을 억제하여, 액적의 토출 성능을 확보할 수 있는 액적 토출 헤드와 그 제조 방법 및 이 액적 토출 헤드를 구비한 인자 성능 등이 높은 액적 토출 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 액적 토출 헤드는 액적을 토출하는 복수의 노즐 구멍이 형성된 노즐 기판과, 저면(底面)에 진동판을 형성하고, 액적을 축적하여 두는 토출실로 되는 오목부가 형성된 캐비티 기판과, 진동판에 대향하고, 진동판을 구동하는 개별 전극이 형성된 전극 기판과, 토출실에 액적을 공급하는 공통 액적실로 되는 오목부와, 공통 액적실로부터 토출실로 액적을 이송하기 위한 관통 구멍과, 토출실로부터 노즐 구멍으로 액적을 이송하는 노즐 연통(連通) 구멍을 갖는 리저버(reservoir) 기판을 구비하며, 리저버 기판에는 한쪽 면에 노즐 기판이 접합되고, 다른쪽 면에 캐비티 기판이 접합되어 있는 것이다.
상기와 같이 노즐 기판, 리저버 기판, 캐비티 기판, 전극 기판의 4층 구조로 되어 있으며, 토출실로 되는 오목부가 캐비티 기판에 형성되고, 공통 액적실로 되는 오목부가 리저버 기판에 형성되어 있기 때문에, 캐비티 기판을 얇게 하여도 공통 액적실은 충분한 높이를 확보할 수 있어 공통 액적실의 유로 저항을 낮게 할 수 있다.
또한, 예를 들어 공통 액적실로부터 토출실로 액적을 이송하기 위한 관통 구멍을 1개의 토출실에 대하여 복수 형성하도록 하면, 관통 구멍에서의 유로 저항을 저감시킬 수 있고, 액적 유로 전체의 유로 저항을 낮출 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 액적 토출 헤드는 공통 액적실의 일부가 노즐 기판, 리저버 기판 및 캐비티 기판이 적층되는 방향으로 토출실과 겹치는 것이다.
공통 액적실의 일부가 노즐 기판, 리저버 기판 및 캐비티 기판이 적층되는 방향으로 토출실과 겹치기 때문에, 공통 액적실과 토출실을 동일한 평면 위에 형성하는 경우에 비하여 액적 토출 헤드의 면적을 작게 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 액적 토출 헤드는 전극 기판, 캐비티 기판 및 리저버 기판이 액적 토출 헤드의 외부로부터 공통 액적실로 액적을 공급하는 액적 공급 구 멍을 갖는 것이다.
전극 기판, 캐비티 기판 및 리저버 기판이 액적 토출 헤드의 외부로부터 공통 액적실로 액적을 공급하는 액적 공급 구멍을 갖기 때문에, 전극 기판 측으로부터 액적을 공급할 수 있고, 액적 토출 헤드 및 액적 공급관을 소형화할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 액적 토출 헤드는 노즐 연통 구멍이 토출실의 한쪽 끝에 연통하고, 관통 구멍이 토출실의 다른쪽 끝에 연통하고 있는 것이다.
노즐 연통 구멍이 토출실의 한쪽 끝에 연통하고, 관통 구멍이 토출실의 다른쪽 끝에 연통하고 있기 때문에, 액적은 토출실 내를 원활하게 흐를 수 있고, 액적 유로에 기포 등이 정류(停留)하지 않는다.
또한, 본 발명에 따른 액적 토출 헤드는 상기 관통 구멍이 토출실의 다른쪽 끝 이외에도 형성되어 있는 것이다.
관통 구멍이 토출실의 다른쪽 끝 이외에도 형성되어 있기 때문에, 전기 회로에서의 병렬 회로와 동일하게 관통 구멍에서의 유로 저항을 저감시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 액적 토출 헤드는 리저버 기판이 공통 액적실로부터 노즐 연통 구멍에 액적을 이송하기 위한 보조 연통 홈을 구비하고 있는 것이다.
리저버 기판이 공통 액적실로부터 노즐 연통 구멍에 액적을 이송하기 위한 보조 연통 홈을 구비하고 있기 때문에, 액적의 토출 후에 토출실을 통하지 않고 노즐 연통 구멍으로 액적의 재충전이 행해진다. 이 때문에, 노즐 구멍에서의 메니스커스(모세관 현상에 의해 생기는 액적의 볼록면)가 대기 상태로 되돌아가는 시간을 단축하는 것이 가능해져 고속 응답이 가능해진다.
또한, 본 발명에 따른 액적 토출 헤드는 노즐 기판이 공통 액적실로부터 노즐 구멍에 액적을 이송하기 위한 보조 연통 홈을 구비하고 있는 것이다.
노즐 기판이 공통 액적실로부터 노즐 구멍에 액적을 이송하기 위한 보조 연통 홈을 구비하고 있기 때문에, 액적의 토출 후에 토출실을 통하지 않고 노즐 구멍으로 액적의 재충전이 행해진다. 이 때문에, 노즐 구멍에서의 메니스커스가 대기 상태로 되돌아가는 시간을 단축하는 것이 가능해져 고속 응답이 가능해진다.
본 발명에 따른 액적 토출 헤드의 제조 방법은 제 1 기판에 액적을 토출하는 복수의 노즐 구멍을 형성하는 공정과, 제 2 기판에 액적을 축적하여 두는 토출실로 되는 오목부를 저면이 진동판으로 되도록 형성하는 공정과, 제 3 기판에 진동판을 구동하는 개별 전극을 형성하는 공정과, 제 4 기판에 토출실에 액적을 공급하는 공통 액적실로 되는 오목부와, 공통 액적실로부터 토출실로 액적을 이송하기 위한 관통 구멍으로 되는 오목부와, 토출실로부터 노즐 구멍으로 액적을 이송하기 위한 노즐 연통 구멍을 형성하는 공정과, 제 4 기판이 제 1 기판과 제 2 기판 사이에 끼워지도록 접합하는 공정을 갖고, 공통 액적실로 되는 오목부를 관통 구멍으로 되는 오목부를 형성한 후에 형성하는 것이다.
제 4 기판에 공통 액적실로 되는 오목부를, 관통 구멍으로 되는 오목부를 형성한 후에 형성하면, 상기 액적 토출 헤드를 용이하게 제조할 수 있고, 또한 제조 수율이 높기 때문에 제조 비용을 삭감할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 액적 토출 헤드의 제조 방법은 관통 구멍으로 되는 오목부 및 공통 액적실로 되는 오목부를 형성할 때에, 노즐 연통 구멍을 형성하는 것 이다.
관통 구멍으로 되는 오목부 및 공통 액적실로 되는 오목부를 형성할 때에, 노즐 연통 구멍을 형성하면, 제조 공정을 간략화할 수 있어 제조 시간을 단축할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 액적 토출 헤드의 제조 방법은 관통 구멍으로 되는 오목부를 형성한 후에, 제 4 기판의 관통 구멍으로 되는 오목부를 형성한 측의 면에 지지 기판을 접합하는 것이다.
관통 구멍으로 되는 오목부를 형성한 후에, 제 4 기판의 관통 구멍으로 되는 오목부를 형성한 측의 면에 지지 기판을 접합하기 때문에, 예를 들어 ICP 방전에 의한 건식 에칭을 행할 때에 제 4 기판이 파손되지 않아 제조 수율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 액적 토출 헤드의 제조 방법은 관통 구멍으로 되는 오목부 및 공통 액적실로 되는 오목부를 ICP 방전에 의한 건식 에칭에 의해 형성하는 것이다.
관통 구멍으로 되는 오목부 및 공통 액적실로 되는 오목부를 ICP 방전에 의한 건식 에칭에 의해 형성하면, 이들 오목부를 정밀하게 또한 용이하게 형성할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 액적 토출 헤드의 제조 방법은 제 4 기판으로서 단결정 실리콘을 사용하는 것이다.
제 4 기판으로서 단결정 실리콘을 사용하면, ICP 방전에 의한 건식 에칭 등 의 가공이 용이해진다.
본 발명에 따른 액적 토출 장치는 상기 중 어느 하나의 액적 토출 헤드를 탑재한 것이다.
상기 유로 저항이 낮은 액적 토출 헤드를 탑재하고 있기 때문에, 인자 성능 등이 높은 액적 토출 장치를 얻을 수 있다.
<제 1 실시예>
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 액적 토출 헤드의 분해사시도이며, 일부를 단면도로 나타내고 있다. 또한, 도 2는 도 1에 나타낸 액적 토출 헤드가 조립된 상태의 종단면도이며, 도 1에서의 A-A 단면을 나타내고 있다.
또한, 도 1 및 도 2에 나타낸 액적 토출 헤드는 노즐 기판의 표면 측에 설치된 노즐 구멍으로부터 액적을 토출하는 페이스 이젝트 타입(face eject type)의 것이고, 또한 정전기력에 의해 구동되는 정전 구동 방식의 것이다. 이하, 도 1 및 도 2를 이용하여 본 제 1 실시예에 따른 액적 토출 헤드의 구조 및 동작에 대해서 설명한다.
도 1에 나타낸 바와 같이 본 제 1 실시예에 따른 액적 토출 헤드(1)는 종래의 일반적인 정전 구동 방식의 액적 토출 헤드(예를 들어 특허문헌 1 참조)와 같이 3층 구조가 아니라, 전극 기판(2), 캐비티 기판(3), 리저버 기판(4), 노즐 기판(5)의 4개의 기판으로 구성되어 있다. 리저버 기판(4)의 한쪽 면에는 노즐 기판(5)이 접합되어 있고, 리저버 기판(4)의 다른쪽 면에는 캐비티 기판(3)이 접합되어 있다. 또한, 캐비티 기판(3)의 리저버 기판(4)이 접합된 면의 반대면에는 전극 기판(2)이 접합되어 있다. 즉, 전극 기판(2), 캐비티 기판(3), 리저버 기판(4), 노즐 기판(5)의 순서로 접합되어 있다.
전극 기판(2)은 예를 들어 붕규산 유리 등의 유리로 형성되어 있다. 또한, 본 제 1 실시예에서는 전극 기판(2)이 붕규산 유리로 이루어지는 것으로 하지만, 예를 들어 전극 기판(2)을 단결정 실리콘으로 형성하도록 할 수도 있다.
전극 기판(2)에는 복수의 오목부(6)가 예를 들어 깊이 0.3㎛로 형성되어 있다. 이 오목부(6)의 내부에는 개별 전극(7)이 일정한 간격을 두어 후술하는 진동판(11)과 대향하도록 예를 들어 ITO(Indium Tin Oxide)를 0.1㎛의 두께로 스퍼터링함으로써 제조되어 있다. 상기 예에서는 전극 기판(2)과 캐비티 기판(3)을 접합한 후의 개별 전극(7)과 진동판(11)의 간격은 0.2㎛로 된다. 또한, 개별 전극(7)은 리드부(8)를 통하여 단자부(9)에 연결되어 있다. 단자부(9)는 액적 토출 헤드(10)로부터 노출된 상태로 되어 있고(도 2 참조), 단자부(9)에 FPC(Flexible Print Circuit) 등을 접속함으로써, 개별 전극(7)이 발진 회로(도시 생략) 등과 접속된다. 오목부(6)는 개별 전극(7)의 리드부(8)를 장착할 수 있도록 이들 형상과 유사한 약간 큰 형상으로 패턴 형성되어 있다.
또한, 전극 기판(2)과 캐비티 기판(3)이 접합된 후에, 개별 전극(7)과 진동판(11) 사이의 공간에 이물(異物)이 들어가지 않도록 밀봉재(17)가 도포된다(도 2 참조).
또한, 전극 기판(2)에는 액적 공급 구멍(10a)이 형성되어 있고, 이 액적 공급 구멍(10a)은 전극 기판(2)을 관통하고 있다.
캐비티 기판(3)은 예를 들어 단결정 실리콘으로 이루어지고, 저면을 진동판(11)으로 하는 토출실(12)로 되는 오목부(12a)가 형성되어 있다. 본 제 1 실시예에서는 캐비티 기판(3)은 단결정 실리콘으로 이루어지고, 그 전면(全面)에 플라즈마 CVD(Chemical Vapor Deposition)에 의해 TEOS(Tetra Ethyl Ortho Silicate)로 이루어지는 절연막(도시 생략)을 0.1㎛ 형성하고 있다. 이것은 진동판(11)의 구동시에서의 절연 파괴 및 쇼트를 방지하고, 잉크 등의 액적에 의한 캐비티 기판(3)의 에칭을 방지하기 위한 것이다.
또한, 캐비티 기판(3)에는 캐비티 기판(3)을 관통하는 액적 공급 구멍(10b)이 형성되어 있다.
또한, 액적 토출 헤드(1)의 진동판(11)은 고농도의 붕소 도핑층으로 형성하도록 할 수도 있다. 수산화칼륨 수용액 등의 알칼리 용액에 의한 단결정 실리콘 에칭에서의 에칭 레이트는 도펀트가 붕소인 경우, 약 5×1019atoms/㎤ 이상의 고농도 영역에서 매우 작아진다. 이 때문에, 진동판(11) 부분을 고농도의 붕소 도핑층으로 하고, 알칼리 용액에 의한 이방성 에칭에 의해 토출실(12)로 되는 오목부(12a)를 형성할 때에, 붕소 도핑층이 노출되어 에칭 레이트가 극단적으로 작아지는 소위 에칭 스톱 기술을 이용함으로써, 진동판(11)을 원하는 두께로 형성할 수 있다.
리저버 기판(4)은 예를 들어 단결정 실리콘으로 이루어지며, 토출실(12)에 액적을 공급하기 위한 공통 액적실(13)로 되는 오목부(13a)가 형성되어 있고, 오목 부(13a)의 저면에는 공통 액적실(13)로부터 토출실(12)로 액적을 이송하기 위한 관통 구멍(14)이 형성되어 있다. 또한, 본 제 1 실시예에서는 관통 구멍(14)이 각각의 토출실(12)에 대하여 3개 형성되어 있고, 이 3개의 관통 구멍(14) 중 1개는 토출실(12)의 한쪽 끝에 연통하고 있다(도 2 참조).
또한, 오목부(13a)의 저면에는 오목부(13a)의 저면을 관통하는 액적 공급 구멍(10c)이 형성되어 있다. 이 리저버 기판(4)에 형성된 액적 공급 구멍(10c)과, 캐비티 기판(3)에 형성된 액적 공급 구멍(10b) 및 전극 기판(2)에 형성된 액적 공급 구멍(10a)은 리저버 기판(4), 캐비티 기판(3) 및 전극 기판(2)이 접합된 상태에서 서로 연결되어, 외부로부터 공통 액적실(13)에 액적을 공급하기 위한 액적 공급 구멍(10)을 형성한다(도 2 참조).
도 2에 나타낸 바와 같이 공통 액적실(13)의 일부는 노즐 기판(5), 리저버 기판(4), 캐비티 기판(3)이 접합되어 적층되는 방향(도 2에서 상하 방향)으로 토출실(12)과 겹치고 있다. 즉, 공통 액적실(13)의 일부와 토출실(12)이 도 2의 상하 방향으로 적층된 상태로 되어 있다. 이러한 구조로 함으로써, 공통 액적실(13)과 토출실(12)을 동일한 평면 위에 형성하는 경우에 비하여(도 3의 (a) 참조) 액적 토출 헤드(1)의 면적을 작게 할 수 있다.
또한, 리저버 기판(4)의 오목부(13a) 이외의 부분에는 각각의 토출실(12)에 연통하고, 토출실(12)로부터 후술하는 노즐 구멍(16)에 액적을 이송하기 위한 노즐 연통 구멍(15)이 형성되어 있다. 이 노즐 연통 구멍(15)은 리저버 기판(4)을 관통하고 있으며, 토출실(12)의 관통 구멍(14)이 연통하는 한쪽 끝의 반대측 한쪽 끝에 연통하고 있다(도 2 참조).
노즐 기판(5)은 예를 들어 두께 100㎛의 실리콘 기판으로 이루어지고, 각각의 노즐 연통 구멍(15)과 연통하는 복수의 노즐 구멍(16)이 형성되어 있다. 또한, 본 제 1 실시예에서는 노즐 구멍(16)을 2단으로 형성하여 액적을 토출할 때의 직진성을 향상시키고 있다(도 2 참조).
또한, 상기 전극 기판(2), 캐비티 기판(3), 리저버 기판(4) 및 노즐 기판(5)을 접합할 때에, 실리콘으로 이루어지는 기판과 붕규산 유리로 이루어지는 기판을 접합할 경우는 양극(陽極) 접합에 의해, 실리콘으로 이루어지는 기판끼리를 접합할 경우는 직접 접합에 의해 접합할 수 있다. 또한, 실리콘으로 이루어지는 기판끼리는 접착제를 사용하여 접합할 수 있다.
여기서, 도 1 및 도 2에 나타낸 액적 토출 헤드의 동작에 대해서 설명한다. 공통 액적실(13)에는 외부로부터 액적 공급 구멍(10)을 통하여 잉크 등의 액적이 공급되어 있다. 또한, 토출실(12)에는 공통 액적실(13)로부터 관통 구멍(14)을 통하여 액적이 공급되어 있다. 단자부(9)에 접속된 발진 회로(도시 생략)에 의해 리드부(8)를 통하여 개별 전극(7)에 0V 내지 40V 정도의 펄스 전압을 인가하여, 개별 전극(7)이 플러스로 대전(帶電)하면, 대응하는 진동판(11)은 마이너스로 대전하고, 진동판(11)은 정전기력에 의해 개별 전극(7) 측에 흡인되어 휘어진다. 다음으로, 펄스 전압을 오프(off)로 하면, 진동판(11)에 인가된 정전기력이 없어져 진동판(11)은 복원된다. 이 때, 토출실(12) 내부의 압력이 급격하게 상승하고, 토출실(12) 내의 액적이 노즐 연통 구멍(15)을 통과하여 노즐 구멍(16)으로부터 토출된 다. 그리고, 다시 펄스 전압이 인가되어 진동판(11)이 개별 전극(7) 측으로 휘어짐으로써, 액적이 공통 액적실(13)로부터 관통 구멍(14)을 통하여 토출실(12) 내에 보급(補給)된다.
또한, 캐비티 기판(3)과 발진 회로의 접속은 건식 에칭에 의해 캐비티 기판(3)의 일부에 개방된 공통 전극(도시 생략)에 의해 행해진다. 또한, 액적 토출 헤드(1)의 공통 액적실(13)로의 액적 공급은, 예를 들어 액적 공급 구멍(10)에 접속된 액적 공급관(도시 생략)에 의해 행해진다.
도 3은 종래의 일반적인 정전 구동 방식의 액적 토출 헤드의 액적 유로의 유로 저항에 대해서 설명하기 위한 도면이다. 또한, 도 4는 본 발명에 따른 액적 토출 헤드의 액적 유로의 유로 저항에 대해서 설명하기 위한 도면이다. 도 3의 (a)는 종래의 3층 구조의 정전 구동 방식의 액적 토출 헤드의 종단면도이고, 도 3의 (b)는 이 종래의 액적 토출 헤드의 유로 저항을 전기 회로로서 나타낸 도면이다. 또한, 도 4의 (a)는 본 발명에 따른 액적 토출 헤드의 종단면도이고, 도 4의 (b)는 본 발명에 따른 액적 토출 헤드의 유로 저항을 전기 회로로서 나타낸 도면이다. 또한, 도 4에서는 설명을 간략화하기 위해 관통 구멍(14)이 각각의 토출실(12)에 2개씩 형성되어 있는 것으로 하며, 1개의 관통 구멍(14)이 토출실(12)의 한쪽 끝에 연통하고, 다른 하나의 관통 구멍(14)이 토출실(12)의 중앙부에 연통하고 있는 것으로 한다(도 4의 (a) 참조). 또한, 도 3 및 도 4에서는 공통 액적실의 유로 저항에 대해서는 고려하지 않는 것으로 한다.
도 3의 (a)에 나타낸 종래의 정전 구동 방식의 액적 토출 헤드(50)는 액적 공급 구멍(51)으로부터 공통 액적실(52)에 잉크 등의 액적이 공급되고, 오리피스(orifice)(53)를 통하여 공통 액적실(52)로부터 토출실(54)에 액적이 공급된다. 그리고, 토출실(54)에서 압력이 인가된 액적이 노즐 구멍(55)으로부터 토출된다.
도 3에 나타낸 액적 토출 헤드(50) 전체의 유로 저항 Ra는 노즐 구멍(55)의 유로 저항을 Rn, 토출실(54)의 유로 저항의 1/2 값을 Rc, 오리피스(53)의 유로 저항을 Rs로 하면, Ra=Rn+2Rc+Rs로 된다. 이것은 도 3의 (b)에 나타낸 바와 같이 각각의 유로 저항이 직렬적으로 더해지기 때문이다.
한편, 도 4의 (a)에 나타낸 본 발명에 따른 액적 토출 헤드(1) 전체의 유로 저항 Rb는 노즐 구멍(16)의 유로 저항을 Rn, 토출실(12)의 유로 저항의 1/2 값을 Rc, 관통 구멍(14)의 유로 저항을 Rs로 하면, Rb=Rn+2Rc+Rs(Rc+Rs)/(Rc+2Rs)로 된다. 이것은 관통 구멍(14)이 복수 형성되어 있기 때문에, 도 4의 (b)에 나타낸 바와 같이 유로 저항이 병렬적으로 더해지기 때문이다.
상기 유로 저항 Ra 및 Rb를 비교하면, 항상 Ra＞Rb의 관계가 성립되고, 본 발명에 따른 액적 토출 헤드(1) 전체의 유로 저항은 종래의 정전 구동 방식의 액적 토출 헤드(50) 전체의 유로 저항보다도 작아지고 있음을 알 수 있다. 또한, 관통 구멍(14)의 수를 증가시킴으로써 유로 저항 Rb를 보다 작게 할 수 있다.
본 제 1 실시예에서는 노즐 기판(5), 리저버 기판(4), 캐비티 기판(3), 전극 기판(2)의 4층 구조로 되어 있으며, 토출실(12)로 되는 오목부(12a)가 캐비티 기판(3)에 형성되고, 공통 액적실(13)로 되는 오목부(13a)가 리저버 기판(4)에 형성되어 있기 때문에, 캐비티 기판(3)을 얇게 하여도 공통 액적실(13)은 충분한 높이를 확보할 수 있어 공통 액적실(13)의 유로 저항을 낮게 할 수 있다.
또한, 공통 액적실(13)로부터 토출실(12)로 액적을 이송하기 위한 관통 구멍(14)을 1개의 토출실(12)에 대하여 복수 형성하고 있기 때문에, 관통 구멍(14)에서의 유로 저항을 저감시킬 수 있고, 액적 유로 전체의 유로 저항을 저감시킬 수 있다.
또한, 공통 액적실(13)의 일부가 노즐 기판(5), 리저버 기판(4) 및 캐비티 기판(3)이 적층되는 방향으로 토출실(12)과 겹치고 있기 때문에, 공통 액적실(13)과 토출실(12)을 동일한 평면 위에 형성하는 경우에 비하여 액적 토출 헤드(1)의 면적을 작게 할 수 있다.
<제 2 실시예>
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 액적 토출 헤드가 조립된 상태의 종단면도이다. 또한, 도 5에 나타낸 액적 토출 헤드(1)는 토출실(12)과 공통 액적실(13)을 연통하는 관통 구멍(14)이 1개뿐이며, 이 관통 구멍(14)은 토출실(12)의 한쪽 끝에 연통하고 있다. 또한, 공통 액적실(13)이 노즐 기판(5), 리저버 기판(4) 및 캐비티 기판(3)이 적층되는 방향으로 토출실(12)과 거의 겹치고 있지 않은 것이다. 그 이외의 구조 및 동작에 대해서는 제 1 실시예의 도 1 및 도 2에 나타낸 액적 토출 헤드(1)와 동일하므로, 설명을 생략한다. 또한, 제 1 실시예에 따른 액적 토출 헤드(1)와 동일한 구성요소에는 동일한 부호를 붙인다.
본 제 2 실시예에 따른 액적 토출 헤드(1)에서는 제 1 실시예에 따른 액적 토출 헤드(1)에 비하여, 복수의 관통 구멍(14)에 의한 유로 저항의 저감이나 토출 실(12)과 공통 액적실(13)이 상하로 겹치는 것에 의한 액적 토출 헤드(1)의 소형화 효과는 크지 않다. 그러나, 토출실(12)로 되는 오목부(12a)가 캐비티 기판(3)에 형성되고, 공통 액적실(13)로 되는 오목부(13a)가 리저버 기판(4)에 형성되어 있기 때문에, 캐비티 기판(3)을 얇게 하여도 공통 액적실(13)은 충분한 높이를 확보할 수 있어 공통 액적실(13)의 유로 저항을 낮게 할 수 있다.
또한, 전극 기판(2), 캐비티 기판(3) 및 리저버 기판(4)이 액적 공급 구멍(10a) 등을 갖고, 액적 공급 구멍(10)을 통하여 외부로부터 공통 액적실(13)로 액적이 공급되기 때문에, 전극 기판(2) 측으로부터 액적을 공급할 수 있고, 액적 토출 헤드(1) 및 액적 공급관(도시 생략)을 소형화할 수 있다.
<제 3 실시예>
도 6은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 액적 토출 헤드가 조립된 상태의 종단면도이다. 또한, 도 6에 나타낸 액적 토출 헤드(1)는 리저버 기판(4)에 공통 액적실(13)로부터 노즐 연통 구멍(15)에 액적을 이송하기 위한 보조 연통 홈(21)이 형성되어 있는 것이다. 그 이외의 구조 및 동작에 대해서는 제 1 실시예의 도 1 및 도 2에 나타낸 액적 토출 헤드(1)와 동일하므로, 설명을 생략한다. 또한, 제 1 실시예에 따른 액적 토출 헤드(1)와 동일한 구성요소에는 동일한 부호를 붙인다.
본 제 3 실시예에서는 리저버 기판(4)에 공통 액적실(13)로부터 노즐 연통 구멍(15)에 액적을 이송하기 위한 보조 연통 홈(21)이 형성되어 있기 때문에, 액적의 토출 후에 토출실(12)을 통하지 않고 노즐 연통 구멍(15)으로 액적의 재충전이 행해진다. 이 때문에, 노즐 구멍(16)에서의 메니스커스(모세관 현상에 의해 생기 는 액적의 볼록면)가 대기 상태로 되돌아가는 시간을 단축하는 것이 가능해져 고속 응답이 가능해진다. 그 이외의 효과에 대해서는 제 1 실시예에 따른 액적 토출 헤드(1)와 동일하다.
<제 4 실시예>
도 7은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 액적 토출 헤드가 조립된 상태의 종단면도이다. 또한, 도 7에 나타낸 액적 토출 헤드(1)는 노즐 기판(5)에 공통 액적실(13)로부터 노즐 구멍(16)에 액적을 이송하기 위한 보조 연통 홈(22)이 형성되어 있는 것이다. 그 이외의 구조 및 동작에 대해서는 제 1 실시예의 도 1 및 도 2에 나타낸 액적 토출 헤드(1)와 동일하므로, 설명을 생략한다. 또한, 제 1 실시예에 따른 액적 토출 헤드(1)와 동일한 구성요소에는 동일한 부호를 붙인다.
본 제 4 실시예에서는 노즐 기판(5)에 공통 액적실(13)로부터 노즐 구멍(16)에 액적을 이송하기 위한 보조 연통 홈(22)이 형성되어 있기 때문에, 액적의 토출 후에 토출실을 통하지 않고 노즐 구멍(16)으로 액적의 재충전이 행해진다. 이 때문에, 제 3 실시예와 동일하게, 노즐 구멍(16)에서의 메니스커스가 대기 상태로 되돌아가는 시간을 단축하는 것이 가능해져 고속 응답이 가능해진다. 그 이외의 효과에 대해서는 제 1 실시예에 따른 액적 토출 헤드(1)와 동일하다.
<제 5 실시예>
도 8 및 도 9는 제 1 실시예의 도 1 및 도 2에 나타낸 액적 토출 헤드의 제조 공정을 나타낸 종단면도이다. 본 제 5 실시예에서는 제 1 실시예의 액적 토출 헤드(1)의 리저버 기판(4)의 제조 공정을 설명하고, 전극 기판(2), 캐비티 기판 (3), 노즐 기판(5)에 대해서는 종래의 액적 토출 헤드의 제조 방법과 거의 동일하기 때문에, 설명을 생략한다(예를 들어 특허문헌 1 참조).
우선, 예를 들어 단결정 실리콘으로 이루어지는 재료 기판(4a)을 준비하고, 열산화 등에 의해 재료 기판(4a)의 전면이 산화실리콘으로 이루어지는 에칭 마스크(31)를 형성한다. 그리고, 재료 기판(4a)의 표면에 레지스트를 패터닝하여 불산 등에 의해 에칭함으로써, 재료 기판(4a)의 한쪽 표면의 액적 공급 구멍(10c), 관통 구멍(14) 및 노즐 연통 구멍(15)에 대응하는 부분의 에칭 마스크(31)를 제거한다(도 8의 (a)).
다음으로, 예를 들어 ICP(Inductively Coupled Plasma) 방전에 의한 건식 에칭에 의해 재료 기판(4a)을 에칭하여, 액적 공급 구멍(10c)으로 되는 오목부(10d), 관통 구멍으로 되는 오목부(14a) 및 노즐 연통 구멍(15)으로 되는 오목부(15a)를 형성한다(도 8의 (b)). 또한, ICP 방전에 의한 건식 에칭 대신에, 수산화칼륨 수용액 등에 의한 습식 에칭을 행하도록 할 수도 있다.
다음으로, 재료 기판(4a)의 관통 구멍으로 되는 오목부(14a) 등이 형성되어 있는 면에 레지스트 등을 이용하여 지지 기판(32)을 접착한다(도 8의 (c)). 이 지지 기판(32)으로서, 예를 들어 유리 기판이나 실리콘 기판을 사용할 수 있다.
그 후, 재료 기판(4a)의 표면에 레지스트를 패터닝하여 불산수용액 등에 의해 에칭함으로써, 지지 기판(32)이 접합되어 있는 면과 반대면의 공통 액적실(13) 및 관통 구멍(14)에 대응하는 부분의 에칭 마스크(31)를 제거한다(도 8의 (d)).
그리고, 예를 들어 ICP 방전에 의한 건식 에칭에 의해 재료 기판(4a)을 에칭 함으로써, 지지 기판(32)이 접합되어 있는 면과 반대면에 공통 액적실(13)로 되는 오목부(13b) 및 노즐 연통 구멍(15)으로 되는 오목부(15b)를 형성하여 간다(도 9의 (e)).
이어서, ICP 방전에 의한 건식 에칭을 행함으로써, 공통 액적실(13)로 되는 오목부(13b)와 관통 구멍(14)으로 되는 오목부(14a)가 연통하여, 공통 액적실(13)로 되는 오목부(13a) 및 관통 구멍(14)이 형성된다. 또한, 노즐 연통 구멍(15)으로 되는 오목부(15a)와 노즐 연통 구멍(15)으로 되는 오목부(15b)가 연통함으로써, 노즐 연통 구멍(15)이 형성된다(도 9의 (f)).
마지막으로, 재료 기판(4a)으로부터 지지 기판(32)을 제거하여, 예를 들어 불산 수용액에 의해 모든 에칭 마스크(31)를 제거함으로써 리저버 기판(4)이 완성된다(도 9의 (g)). 또한, 그 후에, 잉크 등의 액적에 의한 에칭을 방지하기 위해, TEOS(Tetra Ethyl Ortho Silicate) 등으로 이루어지는 액적 보호막을 형성하도록 할 수도 있다. 또한, 일반적으로는 1매의 재료 기판(4a)으로부터 복수의 리저버 기판(4)을 제조하고, 다이싱(dicing)에 의해 각각의 리저버 기판(4)을 잘라내도록 한다.
본 제 5 실시예에서는 리저버 기판(4)으로 되는 재료 기판(4a)에 관통 구멍(14)으로 되는 오목부(14a)를 형성한 후에, 공통 액적실(13)로 되는 오목부(13a)를 형성하기 때문에, 상기 액적 토출 헤드를 용이하게 제조할 수 있고, 또한 제조 수율이 높기 때문에 제조 비용을 삭감할 수 있다.
또한, 관통 구멍(14)으로 되는 오목부(14a) 및 공통 액적실(13)로 되는 오목 부(13a)를 형성할 때에, 동시에 노즐 연통 구멍(15)을 형성하기 때문에, 제조 공정을 간략화할 수 있어 제조 시간을 단축할 수 있다.
또한, 관통 구멍(14)으로 되는 오목부(14a)를 형성한 후에, 재료 기판(4a)의 관통 구멍(14)으로 되는 오목부(14a)를 형성한 측의 면에 지지 기판(32)을 접합하기 때문에, ICP 방전에 의한 건식 에칭을 행할 때에 재료 기판(4a)이 파손되지 않아 제조 수율을 향상시킬 수 있다.
<제 6 실시예>
도 10은 제 1 실시예 내지 제 4 실시예 중 어느 하나의 액적 토출 헤드를 탑재한 액적 토출 장치의 일례를 나타낸 사시도이다. 또한, 도 10에 나타낸 액적 토출 장치(100)는 일반적인 잉크젯 프린터이다.
제 1 실시예 내지 제 4 실시예에 따른 액적 토출 헤드(1)는 상기와 같이 유로 저항이 낮기 때문에, 액적 토출 장치(100)는 인자 성능 등이 높은 것이다.
또한, 제 1 실시예 내지 제 4 실시예에 따른 액적 토출 헤드(1)는 도 10에 나타낸 잉크젯 프린터 이외에, 액적을 다양하게 변경함으로써, 액정 디스플레이의 컬러 필터의 제조, 유기 EL 표시 장치의 발광 부분의 형성, 생체 액체의 토출 등에도 적용할 수 있다.
또한, 본 발명의 액적 토출 헤드 및 그 제조 방법과 액적 토출 장치는 본 발명의 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 사상의 범위 내에서 변형할 수 있다. 예를 들어 관통 구멍(14)은 각각의 토출실(12)에 대하여 4개 이상 형성하도록 할 수도 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 토출실을 고밀도화하여도 유로 저항이 높아지는 것을 억제하여, 액적의 토출 성능을 확보할 수 있는 액적 토출 헤드와 그 제조 방법 및 이 액적 토출 헤드를 구비한 인자 성능 등이 높은 액적 토출 장치를 제공할 수 있다.

Claims (13)

  1. 액적을 토출하는 복수의 노즐 구멍이 형성된 노즐 기판과,
    저면(底面)에 진동판을 형성하고, 상기 액적을 축적하여 두는 토출실로 되는 오목부가 형성된 캐비티 기판과,
    상기 진동판에 대향하고, 상기 진동판을 구동하는 개별 전극이 형성된 전극 기판과,
    상기 토출실에 액적을 공급하는 공통 액적실로 되는 오목부와, 상기 공통 액적실로부터 상기 토출실로 액적을 이송하기 위한 관통 구멍과, 상기 토출실로부터 상기 노즐 구멍으로 액적을 이송하는 노즐 연통(連通) 구멍을 갖는 리저버(reservoir) 기판을 구비하며,
    상기 리저버 기판은 한쪽 면에 상기 노즐 기판이 접합되고, 다른쪽 면에 상기 캐비티 기판이 접합되어 있으며,
    상기 리저버 기판은 상기 공통 액적실로부터 상기 노즐 연통 구멍에 액적을 이송하기 위한 보조 연통 홈을 구비하고 있으며,
    상기 노즐 기판은 상기 공통 액적실로부터 상기 노즐 구멍에 액적을 이송하기 위한 보조 연통 홈을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 액적 토출 헤드.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 공통 액적실의 일부는 상기 노즐 기판, 상기 리저버 기판 및 상기 캐비티 기판이 적층되는 방향으로 상기 토출실과 겹치는 것을 특징으로 하는 액적 토출 헤드.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 전극 기판, 상기 캐비티 기판 및 상기 리저버 기판은 상기 액적 토출 헤드의 외부로부터 상기 공통 액적실로 액적을 공급하는 액적 공급 구멍을 갖는 것을 특징으로 하는 액적 토출 헤드.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 노즐 연통 구멍은 상기 토출실의 한쪽 끝에 연통하고, 상기 관통 구멍은 상기 토출실의 다른쪽 끝에 연통하고 있는 것을 특징으로 하는 액적 토출 헤드.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 관통 구멍이 상기 토출실의 다른쪽 끝 이외에도 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 액적 토출 헤드.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1 기판에 액적을 토출하는 복수의 노즐 구멍을 형성하는 공정과,
    제 2 기판에 상기 액적을 축적하여 두는 토출실로 되는 오목부를 저면이 진동판으로 되도록 형성하는 공정과,
    제 3 기판에 상기 진동판을 구동하는 개별 전극을 형성하는 공정과,
    제 4 기판에 상기 토출실에 액적을 공급하는 공통 액적실로 되는 오목부와, 상기 공통 액적실로부터 상기 토출실로 액적을 이송하기 위한 관통 구멍으로 되는 오목부와, 상기 토출실로부터 상기 노즐 구멍으로 액적을 이송하기 위한 노즐 연통 구멍을 형성하는 공정과,
    상기 제 4 기판이 상기 제 1 기판과 상기 제 2 기판 사이에 끼워지도록 접합하는 공정과,
    상기 제 3 기판과 상기 제 2 기판을 접합하는 공정을 가지며,
    상기 공통 액적실로 되는 오목부는, 상기 관통 구멍으로 되는 오목부를 형성한 후에 형성하는 것을 특징으로 하는 액적 토출 헤드의 제조 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 관통 구멍으로 되는 오목부 및 상기 공통 액적실로 되는 오목부를 형성할 때에, 상기 노즐 연통 구멍을 형성하는 것을 특징으로 하는 액적 토출 헤드의 제조 방법.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 관통 구멍으로 되는 오목부를 형성한 후에, 상기 제 4 기판의 상기 관 통 구멍으로 되는 오목부를 형성한 측의 면에 지지 기판을 접합하는 것을 특징으로 하는 액적 토출 헤드의 제조 방법.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 관통 구멍으로 되는 오목부 및 상기 공통 액적실로 되는 오목부를 ICP 방전에 의한 건식 에칭에 의해 형성하는 것을 특징으로 하는 액적 토출 헤드의 제조 방법.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 4 기판으로서 단결정 실리콘을 사용하는 것을 특징으로 하는 액적 토출 헤드의 제조 방법.
  13. 제 1 항에 기재된 액적 토출 헤드를 탑재한 것을 특징으로 하는 액적 토출 장치.
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