KR20070097134A - 프린트헤드 - Google Patents

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KR20070097134A
KR20070097134A KR1020077021241A KR20077021241A KR20070097134A KR 20070097134 A KR20070097134 A KR 20070097134A KR 1020077021241 A KR1020077021241 A KR 1020077021241A KR 20077021241 A KR20077021241 A KR 20077021241A KR 20070097134 A KR20070097134 A KR 20070097134A
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KR
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piezoelectric
nozzle
actuator
microns
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KR1020077021241A
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English (en)
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안드레아스 비블
존 에이. 히긴슨
폴 에이. 호이싱톤
딘 에이. 가드너
로버트 에이. 하센베인
멜빈 엘. 빅스
에드워드 알. 모이니한
Original Assignee
후지필름 디마틱스, 인크.
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Publication date
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Abstract

잉크 젯 프린트헤드와 프린트헤드 구성요소가 개시되어 있다.

Description

프린트헤드 {PRINTHEAD}
본 발명은 프린트헤드에 관한 것이다.
일반적으로, 잉크 젯 프린터는 잉크 공급부로부터 노즐 경로까지 잉크 경로를 포함한다. 상기 노즐 경로는 잉크 방울이 분사되는 노즐 개구부에서 종료된다. 잉크 방울의 분사는 액츄에이터로서 잉크 경로내의 잉크를 가압함으로써 조절되며, 상기 액츄에이터는 예를 들어 압전 반사기(piezoelectric deflector), 전열 기포 제트 발생기(thermal bubble jet generator) 또는 정전 반사체(electro statically deflected element)일 수 있다. 통상의 프린트헤드는 해당 노즐 개구부와 액츄에이터를 구비한 잉크 경로 어레이를 갖고, 각 노즐 개구부로부터의 잉크 분사는 독립적으로 조절될 수 있다. 열전사(drop-on-demand) 프린트헤드에서, 각각의 액츄에이터는 프린트헤드와 프린팅 기판이 서로에 대해 움직일 때 이미지의 특정 화소 위치에 드롭(drop)을 선택적으로 분사하도록 작동된다. 고성능 프린트헤드에서, 통상적으로 노즐 개구부는 50미크론 또는 그 이하, 예를 들어 약 25미크론의 직경을 가지며, 100 내지 300 노즐/인치의 피치로 분할되고, 100 내지 3000 dpi 또는 그 이상의 해상도를 가지며, 약 1 내지 70 피코리터(pl) 또는 그 이하의 드롭 크기 를 제공한다. 드롭 분사 주파수는 통상적으로 10㎑ 또는 그 이상이다.
전체 내용이 본원에 참조된 Hoisington 등의 미국특허 제5,265,315호는 반도체 프린트헤드 본체 및 압전 액츄에이터를 가진 프린트헤드를 개시하고 있다. 상기 프린트헤드 본체는 잉크 챔버를 형성하도록 에칭된 실리콘으로 제조된다. 상기 실리콘 본체에 부착된 별도의 노즐 플레이트에 의해 노즐 개구부가 형성된다. 상기 압전 액츄에이터는 인가되는 전압에 응답하여 형상이 변하거나 휘어지는 압전 재료층을 갖는다. 상기 압전층의 휘어짐은 잉크 경로를 따라 위치된 펌핑 챔버내의 잉크를 가압하게 된다.
주어진 전압에 대하여 압전 재료가 나타내는 휘어짐의 정도는 재료의 두께에 반비례한다. 따라서, 압전층의 두께가 증가할수록, 필요 전압은 증가하게 된다. 주어진 드롭 크기에 대한 필요 전압을 제한하기 위하여, 상기 압전 재료의 반사벽 영역을 증가시킬 수 있다. 큰 압전벽 영역 또한 그에 상응하게 큰 펌핑 챔버를 필요로 하게 되며, 이는 고해상도 프린팅을 위해 작은 오리피스 간격을 유지하는 것과 같은 복잡한 설계 양태를 나타낸다.
프린팅 정밀도는 프린터에서 헤드 및 다중 헤드들내의 노즐에 의해 분사되는 드롭의 크기 및 속도 균일성을 포함하여 많은 인자들에 의해 영향을 받는다. 상기 드롭의 크기 및 드롭의 속도 균일성은 다시 잉크 경로의 치수 균일성, 음향 간섭효과, 잉크 유동경로내의 오염, 액츄에이터의 작동 균일성 등과 같은 요인에 의해 영향을 받는다.
일 양태에서, 본 발명은 상부면과 하부면을 구비한 모놀리식 반도체 본체를 가진 프린트헤드를 특징으로 한다. 상기 본체는 펌핑 챔버, 노즐 유동 경로 및 노즐 개구부를 포함하는 유체 경로를 형성한다. 상기 노즐 개구부는 본체의 하부면에 형성되고, 상기 노즐 유동 경로는 상승 영역을 포함한다. 상기 펌핑 챔버와 압전 액츄에이터가 연관된다. 상기 액츄에이터는 약 50미크론 또는 그 이하의 두께를 가진 압전층을 포함한다.
다른 양태에서, 본 발명은 매설층, 상부면 및 하부면을 구비한 모놀리식 반도체 본체를 가진 프린트헤드를 특징으로 한다. 상기 본체는 다수의 유체 경로를 형성한다. 각각의 유체 경로는 펌핑 챔버, 노즐 개구부, 및 상기 펌핑 챔버와 노즐 개구부 사이의 노즐 경로를 포함한다. 상기 노즐 경로는 상승 영역을 포함한다. 상기 펌핑 챔버는 본체의 상부면에 형성되고, 상기 노즐 개구부는 본체의 하부면에 형성되며, 상기 상승 영역은 노즐 개구부와 매설층 사이에 형성된다. 상기 펌핑 챔버와 압전 액츄에이터가 연관된다. 상기 액츄에이터는 약 25미크론 또는 그 이하의 두께를 가진 압전 물질층을 포함한다.
또 다른 양태에서, 본 발명은 상부면과 실질적으로 평행한 하부면을 가진 모놀리식 반도체 본체를 포함하는 프린트헤드를 특징으로 하며, 상기 본체는 잉크 공급 경로, 펌핑 챔버 및 노즐 개구부를 포함하는 유체 경로를 형성하고, 상기 펌핑 챔버는 상부면에 형성되며, 상기 노즐 개구부는 하부면에 형성된다.
또 다른 양태에서, 본 발명은 유체 유동 경로, 노즐 개구부 및 다수의 유동 개구부를 가진 필터/임피던스 피쳐(feature)를 형성하는 반도체 본체를 구비한 프린트헤드를 특징으로 한다. 상기 유동 개구부의 단면은 노즐 개구부의 단면보다 더 작고, 상기 유동 개구부 면적의 합은 노즐 개구부 면적보다 더 크다.
또 다른 양태에서, 본 발명은 유동 경로 및 필터/임피던스 피쳐를 형성하는 모놀리식 반도체 본체를 포함하는 프린트헤드를 특징으로 한다. 실시예에서, 상기 반도체 본체에는 노즐 개구부를 형성하는 노즐 플레이트가 부착된다. 실시예에서, 상기 반도체 본체는 노즐 개구부를 형성한다.
또 다른 양태에서, 본 발명은 다수의 유동 개구부를 가진 반도체를 포함하는 필터/임피던스 피쳐를 특징으로 한다. 실시예에서, 상기 개구부의 단면은 약 25미크론 또는 그 이하이다.
또 다른 양태에서, 본 발명은 유동 경로와, 두께가 약 50미크론 또는 그 이하이며 상기 유동 경로와 소통하는 예열(pre-fired)된 압전층을 가진 압전 액츄에이터를 구비한 본체를 포함하는 프린트헤드를 특징으로 한다.
또 다른 양태에서, 본 발명은 약 0.05미크론 또는 그 이하의 표면(Ra)을 가진 압전층을 구비한 프린트헤드를 특징으로 한다.
또 다른 양태에서, 본 발명은 공동 충진재를 포함하는 하나 이상의 표면을 갖고 두께가 약 50미크론 또는 그 이하인 압전층을 포함하는 압전 액츄에이터를 가진 프린트헤드를 특징으로 한다.
또 다른 양태에서, 본 발명은 다수의 유동 개구부를 가진 필터/임피던스 피 쳐를 포함하는 프린트헤드를 제공하는 단계, 및 t/(유동 전개 시간)이 약 0.2 또는 그 이상이 되도록 유체를 분사하는 단계를 포함하며, 여기서 상기 t는 불꽃 펄스폭이며, 상기 유동 전개 시간은 (유체 밀도)r2/(유체 점도)이고, 여기서 r은 상기 유동 개구중 하나 이상의 단면 치수인, 프린팅 방법을 특징으로 한다.
또 다른 양태에서, 본 발명은 약 50미크론 또는 그 이하의 두께를 가진 압전층을 제공하는 단계, 상기 압전층의 하나 이상의 표면에 충진재층을 제공하는 단계, 상기 충진재층의 두께를 감소시켜 압전 물질을 노출시키는 단계, 상기 충진재를 포함하는 압전 물질의 표면에 공동을 남기는 단계를 포함하는 방법을 특징으로 한다.
또 다른 양태에서, 본 발명은 본체를 제공하는 단계, 상기 본체에 압전층을 부착시키는 단계, 상기 고정된 압전층의 두께를 약 50미크론 또는 그 이하로 감소시키는 단계 및 상기 압전층을 이용하여 프린트헤드내에 유체를 가압하는 단계를 포함하는 프린트헤드 제조방법을 특징으로 한다.
또 다른 양태에서, 본 발명은 압전층을 제공하는 단계, 멤브레인을 제공하는 단계, 상기 압전층을 멤브레인에 양극접합으로 고정하는 단계, 및/또는 상기 멤브레인을 본체에 양극접합으로 고정하는 단계, 및 상기 액츄에이터를 프린트헤드내에 결합하는 단계를 포함하는 프린트헤드 제조방법을 특징으로 한다.
또 다른 양태에서, 본 발명은 매설층, 상부면 및 하부면을 포함하는 모놀리식 반도체 본체를 포함하는 노즐 플레이트를 특징으로 한다. 상기 본체는 다수의 유체 경로를 형성하고, 각각의 유체 경로는 노즐 경로와 노즐 개구부를 포함한다. 상기 노즐 경로는 상승 영역을 포함한다. 상기 노즐 개구부는 본체의 하부면에 형성되고, 상기 상승 영역은 매설층의 하부면에 위치한다.
또 다른 양태에서, 본 발명은 다수의 유체 경로를 포함하는 모놀리식 반도체 본체를 포함하는 노즐 플레이트를 특징으로 하며, 각각의 유체 경로는 노즐 경로, 노즐 개구부 및 필터/임피던스 피쳐를 포함한다.
또 다른 양태 및 실시예들은 전술한 양태의 특징 및/또는 하기된 사항중 하나 또는 그 이상의 특징의 조합을 포함할 수 있다.
상기 압전층은 약 25미크론 또는 그 이하의 두께를 갖는다. 상기 압전층은 약 5 내지 20미크론의 두께를 갖는다. 상기 압전층의 밀도는 약 7.5g/㎤ 또는 그 이상이다. 상기 압전층은 약 200 또는 그 이상의 d31 상수를 갖는다. d31에서 d는 가해진 전기장에 의해 발생되는 기계적 변형에 대한 압전 변형 상수(piezoelectric strain constant)를 나타낸다. 아래 첨자 31은 압전 변형 상수를 3차원적으로 측정할 때의 방향을 나타내는 것으로서, d31은 압전 재료에 방향 (3)으로 가해진 단위 전기장당 방향(1)으로 유도된 변형의 정도를 나타낸다. 상기 압전층은 Ra(평균 표면 거칠기(average surface roughness))이 약 0.05미크론 또는 그 이하인 표면을 갖는다. 상기 압전층은 예열된 압전 물질로 이루어진다. 상기 압전층은 압전 물질로 이루어진 실질적으로 평탄한 본체이다. 상기 충진 물질은 유전체이다. 상기 유전체는 실리콘 옥사이드, 실리콘 니트라이드 또는 알루미늄 옥사이드 또는 파릴 렌으로부터 선택된다. 상기 충진 물질은 ITO이다.
반도체 본체는 필터/임피던스 피쳐를 형성한다. 상기 필터/임피던스 피쳐는 유체 경로내에 다수의 유동 개구부를 형성한다. 상기 필터/임피던스 피쳐는 유동 경로내에 다수의 돌출부를 갖는다. 하나 이상의 돌출부는 예를 들어 요면에 의해 형성된 다수의 밀봉 영역을 형성한다. 상기 돌출부는 포스트이다. 하나 이상의 포스트는 상류를 대면하고 있는 요면을 포함한다. 상기 피쳐는 다수의 포스트 열을 포함한다. 제 1 상류 열과 최종 하류 열 및 제 1 열의 포스트는 상류를 대면하고 있는 철면을 갖고, 상기 최종 열의 포스트는 하류를 대면하고 있는 철면을 갖는다. 상기 제 1 및 제 2 열 사이의 포스트는 상류를 대면하고 있는 요면을 포함한다. 상기 포스트는 하류를 대면하고 있는 요면을 가진 포스트와 인접하여 상류를 대면하고 있는 요면을 갖는다. 상기 피쳐는 벽체 부재를 관통한 다수의 통공을 포함한다. 상기 개구부의 단면 치수는 노즐 개구부의 단면 치수의 약 50% 내지 약 70%이다. 상기 필터/임피던스 피쳐는 펌핑 챔버의 상류에 위치한다. 상기 필터/임피던스 피쳐는 펌핑 챔버의 하류에 위치한다.
상기 유동 개구부의 단면 치수는 노즐 개구부의 단면 치수보다 더 작다. 필터/임피던스 치쳐는 요면 영역을 갖는다. 상기 유동 개구부의 단면은 노즐 개구부의 단면의 약 60% 또는 그보다 더 작다. 상기 유동 개구부 면적의 합은 노즐 개구부 단면의 약 2배 또는 그 이상이다.
예를 들어, 상기 개구부의 중심에서 유동 전개가 최대 약 65% 또는 그 이상에 도달하는 불꽃 펄스폭에 대응하는 시간에서 유동이 실질적으로 전개된다. 상기 t/(유동 전개 시간)은 약 0.75 또는 그 이상이다. 상기 불꽃 펄스폭은 약 10micro-sec 또는 그 이하이다. 상기 피쳐에서의 압력강하는 노즐 유동 경로에서의 압력강하보다 더 작은, 예를 들어 0.5 내지 0.1이다.
상기 액츄에이터는 반도체 본체에 접합된 액츄에이터 기판을 포함한다. 상기 액츄에이터 기판은 양극접합에 의해 반도체 본체에 부착된다. 상기 액츄에이터 기판은 글라스, 실리콘, 알루미나, 지르코니아 또는 쿼츠로부터 선택된다. 상기 액츄에이터 기판은 약 50미크론 또는 그 이하, 예를 들어, 25미크론 또는 그 이하, 예를 들어 5 내지 20미크론의 두께를 갖는다. 상기 액츄에이터 기판은 양극접합에 의해 압전층에 접합된다. 상기 액츄에이터 기판은 비결정질 실리콘층을 통하여 압전층에 접합된다. 상기 압전층은 유기 접착제에 의해 액츄에이터 기판에 접합된다. 상기 액츄에이터 기판은 압전층을 넘어 유체 경로를 따라 연장된다. 상기 액츄에이터 기판의 일부는 펌핑 챔버를 넘어 유체 경로를 따라 연장되며 감소된 두께를 갖는다. 상기 액츄에이터 기판은 투명하다.
상기 반도체 본체는 두개 이상의 상이한 방식으로 에칭가능한 물질을 포함한다. 상기 반도체 본체는 하나 이상의 매설층을 포함하고, 상기 노즐 유동 경로는 가변 단면을 가지며, 매설층은 상이한 단면 영역 사이에 위치한다. 상기 펌핑 챔버는 본체의 상부면에 형성된다. 상기 노즐 유동 경로는 펌핑 챔버로부터 하부면을 향하여 유체를 전송하기 위한 하강 영역과 상기 하강 영역으로부터 노즐 개구부로 유체를 전송하기 위한 상승 영역을 포함한다. 상기 매설층은 하강 영역과 상승 영역의 연결부에 위치한다. 상기 상승 영역 및/또는 하강 영역 및/또는 상승 영역 의 단면은 실질적으로 일정하다. 상기 상승 영역의 단면은 노즐 개구부를 향하여 감소한다. 상기 단면은 곡선 영역을 갖는다. 상승 영역의 길이에 대한 노즐 개구부 단면의 비율은 약 0.5 또는 그 이상, 예를 들어 약 1.0 또는 그 이상이다. 상기 비율은 약 5.0 또는 그 이하이다. 상기 상승 영역의 길이는 약 10 내지 50미크론이다. 상기 노즐 개구부는 약 5 내지 50미크론의 단면을 갖는다.
상기 펌핑 챔버는 실질적으로 선형인 챔버 측벽 사이에 형성되며, 상기 노즐 유동 경로는 상기 측벽중 하나의 실질적으로 동일선상의 연장부에 의해 형성된다. 상기 본체는 다수의 유동 경로 쌍을 형성하며, 상기 유동 경로 쌍은 인접한 노즐을 갖고, 상기 펌핑 챔버 측벽은 실질적으로 동일선상에 위치한다. 상기 노즐 쌍내의 노즐 유동 경로는 서로 맞물린다. 상기 다수의 쌍내의 노즐은 실질적으로 직선을 형성한다. 상기 노즐 유동 경로는 긴 단면과 짧은 단면을 구비한 영역을 가지며, 상기 짧은 단면은 노즐 개구부 라인과 실질적으로 평행하다.
상기 압전층 및/또는 멤브레인의 두께는 연마에 의해 줄어든다. 상기 압전층은 본체에 부착되기 전에 가열된다. 상기 압전층은 액츄에이터 기판에 부착되고, 상기 액츄에이터 기판은 본체에 부착된다. 상기 압전층은 양극접합에 의해 액츄에이터 기판에 부착된다. 상기 압전층은 유기 접착제에 의해 액츄에이터 기판에 부착된다. 상기 액츄에이터 기판은 압전층이 액츄에이터 기판에 부착되기 전에 본체에 부착된다. 상기 액츄에이터 기판의 두께는 액츄에이터 기판이 본체에 부착된 후 감소된다. 상기 액츄에이터 기판은 양극접합에 의해 본체에 부착된다. 상기 본체는 반도체이며, 상기 액츄에이터 기판은 글라스 또는 실리콘이다. 상기 압전 액츄에이터는 압전층과, 글라스 또는 실리콘으로 이루어진 멤브레인을 포함하며, 상기 멤브레인을 본체에 양극접합한다. 상기 압전층은 멤브레인에 양극접합된다. 상기 압전 액츄에이터는 압전층상의 금속층과, 상기 금속층상의 실리콘 옥사이드 또는 실리콘 층을 포함한다.
압전 물질과 관련된 양태 및 특징은 비모놀리식 및/또는 비반도체 본체에 의해 형성된 유동 경로를 포함하는 프린트헤드와 함께 이용될 수 있다. 유동 경로를 형성하는 모놀리식 본체의 사용과 관련된 양태 및 특징은 비압전 액츄에이터, 예를 들어, 정전식 또는 기포 제트 액츄에이터와 함께 이용될 수 있다. 필터/임피던스와 관련된 양태 및 특징은 비압전 또는 압전 액츄에이터 및 모놀리식 또는 비모놀리식 본체와 함께 이용될 수 있다.
이하, 또 다른 양태, 특징 및 장점에 대해 설명한다.
구성
도 1을 참조하면, 잉크 젯 프린트헤드(10)는 프린트헤드 유닛(80)을 포함하며, 프린트헤드 유닛은 이미지가 프린트되는 시트(14) 또는 시트의 일부상에 프린트헤드 유닛이 위치되도록 엔클로져(86)에 유지된다. 상기 프린트헤드(10)와 시트(14)가 서로에 대해 화살표 방향으로 이동할 때 상기 유닛(80)으로부터 잉크가 선택적으로 제트분사됨으로써, 이미지가 인쇄될 수 있다. 도 1의 실시예에서, 3세트의 프린트헤드 유닛(80)이 예를 들어 약 12인치 또는 그 이상의 폭으로 도시되어 있다. 각각의 세트는 프린트헤드와 시트 사이의 상대운동 방향을 따라 다수의 프 린트헤드 유닛, 이 경우에서는 3개의 프린트헤드 유닛을 포함한다. 상기 유닛들은 해상도 및/또는 프린팅 속도를 증대시키기 위하여 노즐 개구가 오프셋되도록 배치될 수 있다. 선택적으로, 또는 부가적으로, 각 세트의 각 유닛에는 서로 다른 종류 또는 색상의 잉크가 제공될 수 있다. 이 구성은 프린트헤드가 시트를 1회 통과하면서 시트 전폭을 칼라 프린팅하기 위해 사용될 수 있다.
도 1b 및 도 1c를 함께 참조하면, 각각의 프린트헤드 유닛(80)은 페이스플레이트(82)상에 위치된 프린트헤드 모듈(12)을 포함하고, 프린트헤드 모듈에는 잉크 분사를 제어하는 구동신호를 전달하기 위한 플렉스 프린트(84)가 부착된다. 특히, 도 1c를 참조하면, 상기 페이스플레이트(82)는 매니폴드 조립체(88)에 부착되며, 상기 매니폴드 조립체는 모듈(12)에 잉크를 전달하기 위한 잉크 공급 경로를 포함한다.
도 2a를 참조하면, 각각의 모듈(12)은 전면(20)을 갖고, 상기 전면은 잉크 방울이 분사되는 노즐 개구부(22) 어레이를 형성한다. 도 2b를 참조하면, 각 모듈의 배면부(16)에는 일련의 드라이브 컨택(17)이 구비되어 있으며, 드라이브 컨택에는 플렉스 프린트가 부착된다. 각각의 드라이브 컨택은 액츄에이터에 대응하며, 각각의 액츄에이터는 잉크 유동 경로와 연관됨으로써, 각 노즐 개구부로부터의 잉크 분사가 개별적으로 제어가능하다. 특정 실시예에서, 상기 모듈(12)은 약 1.0㎝의 전폭과 약 5.5㎝의 길이를 갖는다. 도시된 실시예에서, 상기 모듈은 1열의 노즐 개구부를 갖는다. 그러나, 모듈은 다중의 노즐 개구부 열을 구비할 수 있다. 예를 들어, 해상도를 증대시키기 위하여 1열의 개구부가 다른 열들에 대하여 오프 셋될 수 있다. 선택적으로 또는 부가적으로, 다른 열의 노즐에 대응하는 잉크 유동 경로에는 서로 다른 색상 또는 종류(예를 들어, 핫 멜트, 자외선 경화성, 수성)의 잉크가 제공될 수 있다. 예를 들어, 하기된 바와 같이 유동 경로가 에칭되는 반도체 웨이퍼내에서 상기 모듈의 치수는 변화될 수 있다. 예를 들어, 상기 모듈의 폭과 길이는 10㎝ 또는 그 이상일 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 모듈(12)은 모듈 기판(26)과 압전 액츄에이터(28,28')를 포함한다. 상기 모듈 기판(26)은 모듈 잉크 공급 경로(30,30'), 필터/임피던스 피쳐(32,32'), 펌핑 챔버(33,33'), 노즐 유동 경로(34,34') 및 노즐 개구부(22)를 형성한다. 상기 펌핑 챔버(33,33')상에 액츄에이터(28,28')가 위치된다. 인접 노즐에 공급하는 펌핑 챔버(33,33')는 모듈 기판의 중심선의 측부에 교호하여 위치한다. 상기 매니폴드 조립체상의 페이스플레이트(82)는 모듈 잉크 공급 경로(30,30')의 하부를 덮는다. 매니폴드 유동 경로(24)로부터 공급(화살표 31)된 잉크는 모듈 잉크 공급 경로(30)로 유입되며, 필터/임피던스 피쳐(32)로 전달된다. 잉크는 상기 필터/임피던스 피쳐(32)를 통과하여 펌핑 챔버(33)로 흐르게 되고, 상기 펌핑 챔버에서 액츄에이터(28)에 의해 가압됨으로써, 노즐 유동 경로(34)로 전달되어 노즐 개구부(22)로부터 유출된다.
모듈 기판
특히 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 모듈 기판(26)은 잉크 유동 경로 피쳐가 에칭에 의해 형성된 SOI(silicon on insulator) 기판과 같은 모놀리식 반도체 본체이다. 상기 SOI 기판은 핸들(102)로 알려진 단일의 크리스탈 실리콘 상층, 활성 층(104)으로 알려진 단일의 크리스탈 실리콘 하층 및 BOX층(105)으로 알려진 실리콘 디옥사이드 중층 또는 매설층을 포함한다. 상기 기판의 대향하는 평행면에는 펌핑 챔버(33)와 노즐 개구부(22)가 형성되어 있다. 도시된 바와 같이, 펌핑 챔버(33)는 배면(103)에 형성되고, 노즐 개구부(22)는 전면(106)에 형성된다. 프린트헤드에서 다중 모듈의 모놀리식 본체 및 모놀리식 본체들의 두께 균일도는 높다. 예를 들어, 모놀리식 부재의 두께 균일도는, 6인치 폴리싱된 SOI 웨이퍼에 형성된 모놀리식 부재의 경우, 예를 들어 ±1미크론 또는 그 이하일 수 있다. 따라서, 웨이퍼에 에칭된 유동 경로 피쳐의 치수 균일도는 본체에서의 두께 변화에 의해 실질적으로 저하되지 않는다. 또한, 노즐 개구부는 별도의 노즐 플레이트없이 모듈 본체에 형성된다. 특정 실시예에서, 상기 활성층(104)의 두께는 약 1 내지 200미크론, 예를 들어 약 30 내지 50미크론이며, 상기 핸들(102)의 두께는 약 200 내지 800미크론이고, 상기 BOX층(105)의 두께는 약 0.1 내지 5미크론, 예를 들어 1 내지 2미크론이다. 상기 펌핑 챔버는 약 1 내지 5㎜, 예를 들어 약 1 내지 2㎜의 길이, 약 0.1 내지 1㎜, 예를 들어 약 0.1 내지 0.5㎜의 폭, 약 60 내지 100미크론의 깊이를 갖는다. 특정 실시예에서, 상기 펌핑 챔버는 약 1.8㎜의 길이, 약 0.21㎜의 폭 및 약 65미크론의 깊이를 갖는다. 다른 실시예에서, 모듈 기판은 BOX층이 없는 반도체 웨이퍼와 같은 에칭가능한 재료일 수 있다.
*도 5a 및 도 5b를 참조하면, 모듈 기판(26)은 펌핑 챔버(33)의 상류에 위치된 필터/임피던스 피쳐(32)를 형성한다. 특히, 도 5b를 참조하면, 상기 필터/임피 던스 피쳐(32)는 유동 경로내의 일련의 돌출부(40)에 의해 형성되며, 상기 돌출부는 본 실시예에서 잉크 유동방향을 따라 3열(41,42,43)로 배치된다. 본 실시예에서 평행한 포스트인 상기 돌출부들은 모듈 기판과 일체이다. 필터/임피던스 피쳐는 필터링만을, 음향 임피던스 제어만을, 또는 필터링과 음향 임피던스 제어를 모두 제공하도록 구성될 수 있다. 상기 돌출부의 위치, 크기, 간격 및 형상은 필터링 및/또는 소정의 음향 임피던스를 제공하도록 선택된다. 필터로서, 상기 피쳐는 미립자 또는 섬유와 같은 부스러기들을 포획함으로써 이들이 노즐 유동 경로에 도달하여 차단하지 못하도록 한다. 음향 임피던스 요소로서, 상기 피쳐는 펌핑 챔버(33)로부터 잉크 공급 유동 경로(30)를 향하여 전파하는 압력파를 흡수함으로써, 모듈내의 챔버간에 음향 누화를 줄이고 작동 주파수를 증대시킨다.
특히, 도 5b를 참조하면, 상기 포스트들은 잉크 유동 경로를 따라 배치됨으로써, 각각의 포스트 열이 근접한 포스트 열로부터 오프셋되어 피쳐를 통한 직접 유동 경로를 효과적으로 회피하게 되고, 이는 필터링을 개선한다. 또한, 상기 포스트의 형상은 필터링 성능을 개선한다. 본 실시예에서, 제 1 열(41)의 포스트(46)는 대체로 철면인 상류면(48)과 대체로 요면인 하류면(50)을 포함하며, 부분적으로 폐쇄된 벽체 영역(47)을 형성한다. 열(42)의 포스트(52)는 상류(54) 및 하류(56) 요면을 포함한다. 최종 열(43)의 포스트(60)는 하류 철면(62)과 상류 요면(64)을 포함한다. 잉크가 모듈 잉크 유동 경로(30)로부터 피쳐(32)로 유입될 때, 제 1 열(41)의 포스트(46)의 철면(48)은 피쳐에 대해 상대적으로 낮은 난류 유도 유동 경로를 제공한다. 제 1, 제 2 및 제 3열의 포스트의 철면은 핑터링 기능, 특히 섬유와 같이 길고 좁은 오염물에 대한 필터링 기능을 향상시킨다. 섬유가 제 1 열(41)을 넘어 잉크 유동과 함께 이동하면, 이는 포스트의 제 2 또는 제 3 열의 하류 요면(54,62)에 접촉하여 지연되고, 상류 요면(54,62)과 하류 요면(50,56)사이에 포획된다. 제 3 열(43)의 하류 철면(64)은 필터링된 잉크가 챔버속으로 낮은 난류로 유동하도록 한다. 실시예에서, 상기 요면은 예를 들어 직사각형 또는 삼각형의 벽체 영역을 형성하는 다른 부분적으로 폐쇄된 형상으로 대체될 수 있다.
상기 포스트들 사이의 간격은 유동 개구부를 형성한다. 상기 유동 개구부의 크기와 갯수는 소정의 임피던스 및 필터링 성능을 제공할 수 있다. 상기 유동 개구부의 임피던스는 개구부를 통한 유체의 유동 전개 시간에 따라 좌우된다. 상기 유동 전개 시간은 정지상태의 유체가 압력이 가해진 후 정상속도 프로파일로 유동하는데 걸리는 시간과 관련된다. 원형 덕트에 있어서, 유동 전개 속도는 (유체 밀도)*r2/(유체 점도)에 비례하고, 여기서 r은 개구부의 반경이다. (직사각형 개구부에 있어서, 또는 다른 개구부 형상에 있어서, r은 최소 단면 치수의 1/2이다.) 입사펄스의 지속시간에 비해 상대적으로 긴 유동 전개 시간의 경우, 상기 유동 개구부는 인덕터로서 작용한다. 그러나, 입사압력펄스의 지속시간에 비해 상대적으로 짧은 유동 전개 시간의 경우, 상기 유동 개구부는 레지스터로서 작용함으로써 입사펄스를 효과적으로 완충한다.
바람직하게, 상기 유동은 불꽃 펄스폭에 대응하는 시간동안 실질적으로 전개된다. 도 6a를 참조하면, 튜브에서의 유동 전개가 도시되어 있다. 그래프는 개구 부에서 최대 속도(Umax)에 대한 속도(U)를 나타내며, 여기서 r*=0은 개구부의 중심이며, r*=1은 개구부의 원주이다. 유동 전개가 여러 t*에 대해 도시되어 있으며, 여기서 t*는 유동 전개 시간으로 나눈 펄스폭(t)이다. 이 그래프는 본원에 전체가 참조된 1974년판 McGraw-Hill사의 F.M.White의 "점성유체유동"에도 개시되어 있다. 141 내지 143 페이지에 도 6a의 그래프가 설명되어 있다.
도 6a에 도시된 바와 같이, 약 t*=0.2 또는 그 이상일 때, 개구부 중심에서의 유동 전개는 최대 약 65%에 도달한다. 약 t*=0.75일 때, 유동 전개는 최대 약 95%이다. 주어진 t* 및 펄스폭에 대하여, 유동 개구부 크기는 주어진 밀도 및 점도의 유체에 대해 선택될 수 있다. 예를 들어, t*=0.75인 경우, 잉크는 약 1000㎏/㎥의 밀도, 약 0.01 Pascal-sec의 점도를 갖고, 펄스폭이 7.5 microsec인 경우, r=10e-6m이고, 개구부의 직경은 약 20미크론 또는 그 이하여야 한다.
도 6b를 참조하면, 펄스폭(t)는 드롭 분사를 위해 사용되는 전압 인가의 지속시간이다. 2개의 구동신호 궤적이 도시되어 있으며, 각각의 궤적은 2개의 드롭 분사 파형을 갖는다. 액츄에이터상의 전압은 드롭 분사가 필요할 때까지 통상적으로 중립상태로 유지되며, 이 때 분사 파형이 인가된다. 예를 들어, 사다리꼴 파형의 경우, 펄스폭(t)은 사다리꼴의 폭이다. 더 복잡한 파형의 경우, 펄스폭은 드롭 분사 사이클의 시간, 예를 들어 분사 파형의 개시로부터 시작 전압으로의 복귀시간 이다.
피쳐내의 유동 개구부의 갯수는 연속적인 고주파 작동을 위해 펌핑 챔버로 충분한 잉크 유동이 가능하도록 선택된다. 예를 들어, 완충하기에 충분한 작은 치수의 단일 유동 개구가 잉크 공급을 제한할 수 있다. 잉크의 단절을 피하기 위하여, 다수의 개구부가 제공될 수 있다. 개구부의 갯수는 피쳐의 전체 유동 저항이 노즐의 유동 저항보다 작도록 선택될 수 있다. 또한, 필터링을 제공하기 위하여, 유동 개구부의 직경 또는 최소 단면 치수가 해당 노즐 개구부의 직경(최소 단면)보다 작은 것이 바람직하며, 예를 들어 노즐 개구부의 60% 또는 그 이하이다. 바람직한 임피던스/필터링 피쳐에서, 개구부의 단면은 노즐 개구부 단면의 약 60% 또는 그 이하이며, 피쳐내의 모든 유동 개구부의 단면적은 노즐 개구부의 단면적보다 더 크고, 예를 들어 노즐 단면적의 약 2배 또는 3배 또는 예를 들어 약 10배 또는 그 이상이다. 유동 개구부가 가변 직경을 갖는 필터/임피던스 피쳐에서, 유동 개구부의 단면적은 최소의 단면적 치수를 가진 위치에서 측정된다. 잉크 유동 방향을 따라 유동 경로가 상호 연결된 필터/임피던스 피쳐의 경우, 단면 치수 및 면적은 최소 단면 영역에서 측정된다. 실시예에서, 피쳐를 통한 유동 저항을 측정하기 위하여 압력 강하가 사용될 수 있다. 압력 강하는 제트 유동에서 측정될 수 있다. 제트 유동은 드롭 체적/불꽃 펄스폭이다. 실시예에서, 제트 유동에서, 임피던스/필터 피쳐에서의 압력 강하는 노즐 유동 경로에서의 압력 강하보다 작다. 예를 들어, 피쳐에서의 압력 강하는 노즐 유동 경로에서의 압력 강하의 약 0.5 내지 0.1이다.
상기 피쳐의 전체 임피던스는 음향 반사를 잉크 공급 경로로 실질적으로 줄이도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 피쳐의 임피던스는 펌핑 챔버의 임피던스와 실질적으로 조화될 수 있다. 선택적으로, 필터 기능을 향상시키기 위하여 챔버보다 더 큰 임피던스를 제공하거나 잉크 유동을 개선하기 위하여 챔버보다 더 작은 임피던스를 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 후자의 경우에서, 부드러운 멤브레인을 이용하거나, 하기된 바와 같이 유동 경로내의 임의의 위치에 임피던스 제어 피쳐를 추가함으로써, 누화가 저감될 수 있다. 상기 필터/임피던스 피쳐 및 펌핑 챔버의 임피던스는 뉴멕시코주 산타페에 소재한 플로우 사이언스 인코포레이티드사로부터 이용가능한 Flow 3D와 같은 유체 동력학 소프트웨어를 이용하여 모델화될 수 있다.
특정 실시예에서, 상기 포스트는 유동 경로를 따라 간격(S1)을 갖고, 유동 경로를 가로질러 약 15미크론의 간격(S2)을 가지며, 노즐 개구부는 약 23미크론이다(도 5b 참조). 상기 포스트의 폭은 약 25미크론이다. 도 5의 실시예에서, 필터/임피던스 피쳐내의 포스트 3열은 3개의 직렬 음향 레지스터 역할을 한다. 제 1 열 및 최종 열은 6개의 유동 개구부를 제공하고, 중간 열은 5개의 유동 개구부를 제공한다. 각각의 유동 개구부는 약 15미크론의 최소 단면을 갖고, 이는 노즐 개구부(23미크론)의 단면보다 더 작다. 각 열에서 개구부 면적의 합은 노즐 개구부의 면적보다 더 크다. 임피던스 제어 및/또는 필터링을 위하여 돌출부에 의해 형성된 피쳐는, 유동 경로를 따라 그리고 유동 경로를 가로지르는 모든 돌출부의 간 격, 형상, 구조 및 크기가 예를 들어 필터링에 효과적인 꼬인 유체 통로를 제공한다는 잇점을 갖는다. 다른 실시예에서, 하기된 바와 같이, 필터/임피던스 피쳐는 일련의 통공을 가진 격벽(들)에 의해 제공될 수 있다.
특히 도 5a를 참조하면, 상기 모듈 기판은 각각의 노즐 유동 경로(34,34')에 잉크를 공급하는 펌핑 챔버(33,33')를 형성한다. 상기 펌핑 챔버(33,33')는 노즐 개구부 라인을 가로질러 서로 대향하여 위치되며, 대체로 동일선상에 놓인 측벽(37,37')을 갖는다. 직선형태로 노즐 개구부를 밀접하게 배치하기 위하여, 노즐 유동 경로는 측벽중 하나의 연장부(39,39')를 따라 펌핑 챔버를 결합하여, 손가락(indigitated) 패턴의 노즐 유동 경로를 형성한다. 또한, 펌핑 챔버와 노즐 유동 경로 사이의 전이부에서 상대적으로 낮은 체적을 유지하기 위하여, 전이부의 형상이 타원형이며, 노즐 개구부 라인을 따라 단축이 위치한다. 하기된 바와 같이, 이러한 배치는 작은 노즐 개구부 피치와 상대적으로 큰 노즐 경로 체적을 제공한다. 또한, 직선톱 절단이 모듈을 가로질러 이루어짐으로써 인접한 챔버를 분할하고 노즐 라인의 양측에 격리 절단이 형성되기 때문에 제조가 간단하다.
도 4a 및 도 4b를 다시 참조하면, 모듈 기판은 노즐 유동 경로(34)를 형성한다. 본 실시예에서, 상기 노즐 유동 경로(34)는 상부 및 하부 모듈 기판 표면에 대하여 직교하는 방향으로 잉크 유동을 형성한다. 상기 노즐 유동 경로(34)는 상부 하강 영역(66)과 하부 상승 영역(68)를 갖는다. 상기 하강 영역(66)은 상대적으로 큰 체적을 갖고, 상기 상승 영역(68)은 상대적으로 작은 체적을 갖는다. 상기 하강 영역(66)은 펌핑 챔버(33)로부터 상승 영역(68)으로 잉크를 전송하고, 상 기 잉크는 노즐 개구부(22)로부터 분사되기 전에 상승하게 된다. 상기 모듈에서 상승 영역(68)의 균일성은 잉크 드롭 크기 및 잉크 드롭 속도의 균일성을 향상시킨다. 상기 상승 영역의 길이는 모듈 본체의 전면(106)과 BOX층(105) 사이에 형성된다. 또한, 상기 BOX층(105)은 하강영역(66)과 상승 영역(68)의 계면에 위치한다. 하기된 바와 같이, 상기 BOX층(105)은 제조과정에서 에칭 깊이와 노즐 균일성을 정확하게 조절하는 에칭 스톱층의 역할을 한다.
도 4a에 도시된 상승영역은 오리피스 개구부 직경에 대응하는 일정한 직경을 가진 대체로 실린더형 경로이다. 상기 노즐 개구부 상류의 작고 실질적으로 일정한 직경의 이 영역은 노즐 개구부의 축에 대한 드롭 궤도의 직진성을 향상하여 프린팅 정확도를 개선한다. 또한, 상승 영역은 노즐 개구부를 통한 공기의 유입을 억제하여 고주파 작동에서 드롭 안정성을 개선한다. 이는, 가열전에 펌핑 챔버로 잉크를 흡인하기 위하여 액츄에이터가 음압을 발생시키는 가열전 충진 모드에서 작동하는 프린트헤드에서 장점이 된다. 또한, 상기 음압은 노즐내의 잉크 메니스커스가 노즐 개구부로부터 내측으로 흡인되도록 할 수 있다. 최대 메니스커스 퇴회보다 더 큰 길이를 가진 상승 영역을 제공함으로써, 공기의 유입은 억제된다. 또한, 상기 상승 영역은 가변 직경을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 상승 영역은 하강 영역 부근의 큰 직경으로부터 노즐 개구부 부근의 작은 직경으로 연장된 깔대기 또는 원뿔형일 수 있다. 원뿔각은 예를 들어 5 내지 30°일 수 있다. 또한, 상기 상승 영역은 큰 직경으로부터 작은 직경으로 곡선형 정방형 또는 벨마우스 형을 포함할 수 있다. 또한, 상기 상승 영역은 노즐 개구부측으로 직경이 점진적으 로 작아지는 여러 실린더형 영역을 포함할 수 있다. 상기 노즐 개구부측으로의 점진적인 직경 감소는 상승 영역에서의 압력 강하를 저감하고, 구동 전압을 줄이며, 드롭 크기 범위와 불꽃 속도 성능을 증대시킨다. 서로 다른 직경을 가진 노증 유동 경로 부분의 길이는 하기된 바와 같이 에칭 스톱층의 역할을 하는 BOX층을 이용하여 정확하게 형성될 수 있다.
특정 실시예에서, 상승 영역의 길이에 대한 노즐 개구부의 직경의 비는 약 0.5 또는 그 이상, 예를 들어 1 내지 4, 바람직하게는 약 1 내지 2이다. 상기 하강 영역은 약 50 내지 300미크론의 최대 단면과 약 400 내지 800미크론의 길이를 갖는다. 상기 노즐 개구부와 상승 영역은 약 5 내지 80미크론, 예를 들어 약 10 내지 50미크론의 직경을 갖는다. 상기 상승 영역 길이의 균일성은 예를 들어 모듈 본체의 노즐에서 약 ±3% 또는 그 이하 또는 ±3미크론 또는 그 이하이다. 10pl 드롭으로 배치된 유동 경로에 대하여, 상기 하강 영역은 약 550미크론의 길이를 갖는다. 상기 하강 영역은 최소폭이 약 85미크론이고 최대폭이 약 160미크론인 타원형의 트랙을 갖는다. 상기 상승 영역은 약 30미크론의 길이와 약 23미크론의 직경을 갖는다.
액츄에이터
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 압전 액츄에이터(28)는 액츄에이터 멤브레인(70), 접합층(72), 접지 전극층(74), 압전층(76) 및 구동 전극층(78)을 포함한다. 상기 압전층(76)은 두께가 약 50미크론 또는 그 이하, 예를 들어 약 25미크론 내지 1미크론, 예를 들어 약 8 내지 약 18미크론인 압전 물질로 이루어진 얇은 막 이다. 상기 압전층은 높은 밀도, 낮은 공동 및 높은 압전상수와 같은 바람직한 특성을 가진 압전 재료로 구성될 수 있다. 이러한 특성들은 기판에 접합하기 전에 압전 재료를 예열하는 기술을 이용함으로써 얻어질 수 있다. 예를 들어, 자체적으로 성형 및 가열된 압전 재료는 (지지체와 다르게) (가열되거나 가열되지 않은) 몰드에 재료를 채움에 있어서 고압이 사용될 수 있는 장점을 갖는다. 또한, 통상적으로, 유동제 및 바인더와 같은 첨가제가 거의 필요하지 않다. 고온, 예를 들어 1200 내지 1300℃가 가열 과정에서 사용될 수 있으며, 이는 더 우수한 숙성 및 입자 성장을 가능하게 한다. 세라믹으로부터 (고온으로 인한) PbO의 손실을 줄이는 가열 대기(납이 농축된 대기)가 사용될 수 있다. PbO 손실 또는 다른 감쇠를 가진 성형부의 외측면은 절단 및 폐기될 수 있다. 또한, 상기 재료는 열간정수압소결(HIPs)로 처리될 수 있으며, 그 과정에서 세라믹은 고압, 통상적으로 1000 내지 2000atm을 받게 된다. 상기 HIP 프로세스는 통상적으로 압전 재료 블럭이 가열된 후 실행되며, 밀도를 증대시키고, 공동을 감소시키며 압전 상수를 증대시키기 위해 사용된다.
상대적으로 두꺼운 웨이퍼의 두께를 감소시킴으로써 예열된 압전 재료의 얇은 층이 형성될 수 있다. 수평 연마와 같은 정밀연마기술이 평탄하고 공동이 적은 표면 형태를 가진 매우 균일한 얇은층을 제조할 수 있다. 수평 연마에서, 가공물은 회전 척에 장착되며, 가공물의 노출면은 수평 연마 휠과 접촉하게 된다. 연마는 예를 들어 0.25미크론 또는 그 이하, 예를 들어 약 0.1미크론 또는 그 이하의 평활도 및 평행도를 만들 수 있으며, 표면 피니쉬는 웨이퍼상에서 5㎚ Ra 또는 그 이하이다. 또한, 연마는 대칭의 표면 피니쉬 및 균일한 잔류응력을 만들 수 있다. 필요한 경우, 약간의 요면 또는 철면이 형성될 수 있다. 하기된 바와 같이, 압전 웨이퍼는 연마하기전에 모듈 기판과 같은 기판에 접합될 수 있으며, 따라서, 얇은 층은 지지되고, 파단 또는 뒤틀림의 가능성이 줄어든다.
특히, 도 7a 내지 도 7c를 참조하면, 압전 재료의 접지면의 간섭무늬 분석 데이타가 제공되어 있다. 특히, 도 7a를 참조하면, 표면 피니쉬는 약 35㎟의 면적에서 일련의 실질적으로 평행한 리지를 나타낸다. 평균 피크에 대한 밸리 변화는 약 2미크론 또는 그 이하이며, rms는 약 0.07미크론 또는 그 이하이고, Ra는 약 0.5미크론 또는 그 이하이다. 특히, 도 7b를 참조하면, 표면 프로파일이 사시도로서 도시되어 있다. 특히, 도 7c를 참조하면, 도 7a의 C-C선을 따라 취한 표면 프로파일이 도시되어 있다.
적당한 정밀연마장치는 아리조나주의 챈들러에 소재한 시에바 테크놀로지사로부터 이용가능한 도시바 모델 UHG-130C이다. 상기 기판은 조립휠과 그 다음 미립휠에 의해 연마될 수 있다. 적당한 조립 및 미립 휠은 각각 1500 grit 및 2000 grit의 인조 다이아몬드 레지노이드 매트릭스를 갖는다. 적당한 연마 휠은 일본의 아도마 또는 아사이 다이아몬드 인더스트리얼 코포레이션로부터 이용가능하다. 가공물 스핀들은 500rpm으로 작동하며, 연마 휠 스핀들은 1500rpm으로 작동한다. x축 급송율은 조립휠을 사용하여 최초 200 내지 250미크론에 대하여 10미크론/분이며, 미립휠을 사용하여 마지막 50 내지 100미크론에 대하여 1미크론/분이다. 냉각제는 18mΩ탈이온수이다. 표면 형상은 코넷티컷주의 미들필드에 소재한 지고 코포 레이션으로부터 이용가능한 메트로뷰 소프트웨어를 구비한 지고 모델 뉴뷰 5000 간섭계로 측정될 수 있다. 바람직하게, 압전 재료의 밀도는 약 7.5g/㎤ 또는 그 이상, 예를 들어 약 8g/㎤ 내지 10g/㎤이다. d31 상수는 바람직하게 약 200 또는 그 이상이다. HIPS 처리된 압전 재료는 일본의 수미토모 피에조일렉트릭 메터리얼사로부터 H5C 및 H5D로서 이용가능하다. 상기 H5C 재료는 약 8.05g/㎤의 겉보기 밀도와 약 210의 d31 를 나타낸다. 상기 H5D 재료는 약 8.15g/㎤의 겉보기 밀도와 약 300의 d31 를 나타낸다. 웨이퍼는 통상적으로 약 1㎝의 두께를 갖고, 약 0.2㎜의 입방체로 잘려질 수 있다. 잘려진 웨이퍼는 모듈 기판으로 접합된 다음, 소정의 두께로 연마될 수 있다. 상기 압전 재료는 프레싱, 닥터 블레딩, 그린 시트, 졸 겔 또는 증착기술 등의 기술로 형성될 수 있다. 압전 재료의 제조는 본원에 전체가 참조된 1971년 아카데믹 프레스 리미티드사의 비. 자페의 압전 세라믹에 개시되어 있다. 고온 프레싱을 포함하는 성형 방법은 258 내지 259페이지에 기술되어 있다. 고밀도, 고압전 상수 재료가 바람직하지만, 얇은 층 및 평탄하고 균일한 표면 형상을 제공하기 위해 저성능 재료와 함께 연마 기술이 사용될 수 있다. 필라델피아주 필라델피아에 소재한 TRS 세라믹스사로부터 이용가능한 납-마그네슘-니오베이트(PMN)와 같은 단일의 결정 압전 재료가 사용될 수도 있다.
다시 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 액츄에이터는 하부 전극층(74)과 상부 전극층(78)을 포함할 수 있다. 이 층들은 구리, 금, 텅스텐, 인듐-틴-옥사이드(ITO), 티타늄 또는 플레티늄 또는 이들의 조합 등과 같은 금속일 수 있다. 이 금속들은 압전층에 진공 증착된다. 상기 전극층의 두께는 예를 들어 2미크론 또는 그 이하, 예를 들어 약 0.5미크론일 수 있다. 특정 실시예에서, 쇼트를 줄이기 위하여 ITO가 사용될 수 있다. 상기 ITO 재료는 압전 재료내의 작은 공동 및 통로를 충진할 수 있으며, 충분한 저항을 가짐으로써 쇼트를 줄인다. 이 재료는 상대적으로 높은 전압에서 구동하는 얇은 압전층에 유리하다. 또한, 전극층을 도포하기 전에, 상기 압전 재료 표면이 유전체로 처리되어 표면 공동을 충진할 수 있다. 상기 공동은 압전층 표면에 대해 유전층을 증착함으로써 충진될 수 있으며, 그 다음 상기 유전층을 연마하여 압전 물질이 노출되도록 함으로써, 표면에 남겨진 공동이 유전체로 충진된다. 상기 유전체는 붕괴 가능성을 줄이고, 작동 균일성을 향상시킨다. 상기 유전 물질은 예를 들어 실리콘 디옥사이드, 실리콘 니트라이드, 알루미늄 옥사이드 또는 폴리머일 수 있다. 상기 유전 물질은 PECVD와 같은 진공 증착 기술 또는 스퍼터링으로 증착될 수 있다.
금속화된 압전층은 액츄에이터 멤브레인(70)에 고정된다. 상기 액츄에이터 멤브레인(70)은 챔버(33) 내의 잉크로부터 하부 전극층(74)과 압전층(76)을 절연시킨다. 상기 액츄에이터 멤브레인(70)은 통상적으로 불활성 물질이며 유연성을 가짐으로써, 압전층의 작동이 액츄에이터 멤브레인층의 굴곡을 야기하여 펌핑 챔버내의 잉크를 충분히 가압하게 된다. 상기 액츄에이터 멤브레인의 두께 균일성은 모듈에 정확하고 균일한 액츄에이션을 제공한다. 상기 액츄에이터 멤브레인 재료는 (두께가 약 1㎜ 또는 그 이상인)두꺼운 플레이트내에 제공될 수 있으며, 이 플레이트들은 수평 연마에 의해 소정의 두께로 연마된다. 예를 들어, 액츄에이터 멤브레 인은 약 25미크론 또는 그 이하, 예를 들어 20미크론의 두께로 연마될 수 있다. 실시예에서, 상기 액츄에이터 멤브레인(70)은 약 60 gigapascal 또는 그 이상의 팽창계수를 갖는다. 재료의 예는 글라스 또는 실리콘이 포함된다. 특수한 예는 독일의 스콧 글라스로부터 이용가능한 Boroflot EV 520과 같은 보로실리케이트 글라스이다. 선택적으로, 상기 액츄에이터 멤브레인은 금속화된 압전층에 예를 들어 2 내지 6미크론의 알루미늄 옥사이드 층을 증착함으로써 제공될 수 있다. 선택적으로, 상기 액츄에이터 멤브레인은 지르코늄 또는 쿼츠일 수 있다.
상기 압전층(76)은 접합층(72)에 의해 액츄에이터 멤브레인(70)에 부착될 수 있다. 상기 접합층(72)은 금속층(74)에 증착된 비결정질 실리콘층일 수 있으며, 이는 다시 액츄에이터 멤브레인(70)에 양극접합된다. 양극접합에서, 상기 실리콘 기판은 글라스와 접촉된 상태에서 가열되며, 음의 접압이 글라스에 인가된다. 음의 전극으로 이온이 이동하여 글라스의 실리콘 계면에 소모 영역을 형성하고, 이는 글라스와 실리콘 사이에 정전접합을 형성하게 된다. 또한, 상기 접합층은 납땜된 금속 또는 공융 접합을 형성하는 금속일 수 있다. 선택적으로, 상기 접합층은 유기 접착제층일 수 있다. 상기 압전 재료가 예열되었기 때문에, 조립과정에서 상기 접착층이 고온이 되지 않는다. 상대적으로 낮은 용융온도를 가진 유기 접착제가 사용될 수도 있다. 유기 접착제의 예는 미시건주 미들랜드에 소재한 듀 케미칼사로부터 이용가능한 BCB 수지이다. 상기 접착제는 스핀온 프로세싱에 의해 예를 들어 약 0.3 내지 3미크론의 두께로 도포될 수 있다. 상기 액츄에이터 멤브레인은 압전층이 액츄에이터 멤브레인에 접합되기 전 또는 후에 모듈 기판에 접합될 수 있 다.
상기 액츄에이터 멤브레인(70)은 접착제 또는 양극접합에 의해 모듈 기판(26)에 접합될 수 있다. 유동 경로에 근접한 모듈 기판 피쳐와 접착제가 접촉하지 않기 때문에 오염의 가능성이 줄어들고, 두께 균일성 및 정렬성이 개선되는 양극접합이 바람직하다. 상기 액츄에이터 기판은 모듈 기판에 부착된 후 소정의 두께로 연마될 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 액츄에이터는 압전층과 펌핑 챔버 사이에 멤브레인을 포함하지 않는다. 상기 압전층은 잉크 챔버에 직접 노출될 수 있다. 이 경우, 구동 및 접지 전극이 잉크 챔버에 노출되지 않는 대향하는 압전층의 배면에 위치될 수 있다.
다시 도 2b와 함께 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 모듈의 중심선의 양측의 액츄에이터는 절단선(18,18')에 의해 분할되며, 이 선은 액츄에이터 멤브레인(70)으로 연장되는 깊이를 갖는다. 글라스와 같은 투명 재료로 만들어진 액츄에이터 멤브레인(70)에 있어서, 상기 노즐 유동 경로는 절단선으로부터 볼 수 있으며, 이는 예를 들어 스트로브 포토그라피를 이용하여 잉크 유동을 분석할 수 있도록 한다. 인접한 액츄에이터는 절연 컷(19)에 의해 분리된다. 상기 절연 컷은 실리콘 본체 기판(도 4b)으로 연장(예를 들어, 1미크론의 깊이, 약 10미크론의 폭)된다. 상기 절연 컷(19)은 인접한 챔버를 절연시킴으로써 누화를 저감시킨다. 필요하다면, 상기 절연 컷은 실리콘, 예를 들어 펌핑 챔버의 깊이로 더 깊게 연장할 수 있다. 상기 액츄에이터의 배면부(16)는 접지 컨택(13)을 포함할 수 있으며, 이는 접지 전극층(72)을 그대로 남겨두고 압전층으로 연장된 분리 컷(14)에 의해 액츄에이터로부 터 분리된다(도 4a). 상부면이 금속화되기 전에 만들어진 엣지 컷(27)은 모듈의 엣지에서 접지 전극층(72)을 노출시킴으로써, 상부면 금속배선이 접지 컨택을 접지층(72)에 접촉시키도록 한다.
제조
도 8a 내지 도 8n을 참조하여, 모듈 기판의 제조에 대해 설명한다. 하나의 웨이퍼에서 다수의 모듈 기판이 동시에 형성될 수 있다. 명료함을 위하여, 도 8a 내지 도 8n은 단일의 유동 경로를 도시하고 있다. 모듈 기판에서 유동 경로 피쳐는 에칭 프로세스에 의해 형성될 수 있다. 특수한 프로세스는 플라즈마를 이용하여 실리콘 또는 실리콘 디옥사이드를 선택적으로 에칭하여 실질적으로 수직인 측벽을 구비한 피쳐를 형성하는 심 반응성 이온 에칭에 의한 등방성 건식 에칭이다. 보쉬 프로세스로서 공지된 반응성 이온 에칭은 래머 등의 미국특허 제5,501,893호에 개시되어 있으며, 본원에 전체가 참조되었다. 심 실리콘 반응성 이온 에칭 장비는 캘리포니아주 레드우드 시티에 소재한 STS, 텍사스주 프래노에 소재한 Alcatel, 또는 스위스의 Unaxis로부터 이용가능하다. <100> 결정 배향을 가진 SOI 웨이퍼는 캘리포니아주 산타 바바라에 소재한 IMT를 포함하는 에칭기 판매처로부터 이용가능하며, 반응성 이온 에칭을 실행할 수 있다.
도 8a를 참조하면, SIO 웨이퍼(200)는 실리콘 핸들(202), 실리콘 디옥사이드 BOX층(205) 및 실리콘 활성층(206)을 포함한다. 상기 웨이퍼는 배면에 옥사이드층(203)과 전면에 옥사이드층(204)을 갖는다. 상기 옥사이드층(203,204)은 기상 증착에 의해 증착되거나 열산화에 의해 형성될 수 있다. 상기 옥사이드층의 두께 는 통상적으로 약 0.1 내지 1.0미크론이다.
도 8b를 참조하면, 상기 웨이퍼의 전면에는 노즐 개구부 영역(210)과 잉크 공급 영역(211)을 형성하는 포토레지스트 패턴이 제공된다.
도 8c를 참조하면, 상기 웨이퍼의 전면이 에칭됨으로써, 상기 옥사이드층에 노즐 개구부 영역(212)과 공급 영역(213)을 형성하는 패턴이 전달된다. 그 후, 레지스트가 제거된다.
도 8d를 참조하면, 상기 웨이퍼의 배면에 펌핑 챔버 영역(217), 필터 영역(219) 및 잉크 공급 경로 영역(221)을 형성하는 포토레지스트 패턴(215)이 제공된다.
도 8e를 참조하면, 상기 배면이 에칭됨으로써, 상기 옥사이드층(203)에 펌핑 챔버 영역(223), 필터 영역(225) 및 잉크 공급 경로 영역(227)을 포함하는 패턴이 전달된다.
도 8f를 참조하면, 상기 웨이퍼의 배면에 하강 영역(231)을 형성하는 레지스트 패턴(229)이 제공된다.
도 8g를 참조하면, 상기 하강 영역(232)이 핸들(202)속으로 에칭된다. 이 에칭은 실리콘을 선택적으로 에칭하되 실리콘 디옥사이드는 실질적으로 에칭하지 않는 반응성 이온 에칭을 이용하여 실행된다. 상기 에칭은 BOX층(205)쪽으로 진행된다. 상기 에칭은 BOX층의 약간 위에서 종료됨으로써, 후속 에칭 단계(도 8h)가 BOX층의 나머지 실리콘을 제거하도록 한다. 그 후, 레지스트가 웨이퍼의 배면으로부터 박리된다.
도 8h를 참조하면, 펌핑 챔버 영역(233), 필터 영역(235) 및 공급 영역(237)이 웨이퍼의 배면에 에칭된다. 심 실리콘 반응성 이온 에칭이 실리콘 디옥사이드를 실질적으로 에칭하지 않으면서 실리콘을 선택적으로 에칭하게 된다.
도 8i를 참조하면, 공급 영역(241)을 형성하는 포토레지스트 패턴(239)가 웨이퍼의 전면에 제공된다. 상기 포토레지스트는 노즐 영역(213)을 충진하여 보호한다.
도 8j를 참조하면, 반응성 이온 에칭을 이용하여 공급 영역(241)이 에칭된다. 이 에칭은 BOX층(205)으로 진행한다.
도 8k를 참조하면, 상기 공급 영역으로부터 매설층이 에칭된다. 상기 BOX층은 실리콘 또는 포토레지스트를 실질적으로 에칭하지 않으면서 BOX층내의 실리콘 디옥사이드를 선택적으로 에칭하는 습식 산에칭으로 에칭될 수 있다.
도 8l을 참조하면, 상기 공급 영역이 반응성 이온 에칭에 의해 더 에칭됨으로써, 웨이퍼의 저면에 통로가 형성된다. 그 후, 웨이퍼의 전면으로부터 레지스트(239)가 박리된다. 도 8l에 도시된 에칭 이전에, 웨이퍼의 배면에 보호 금속층, 예를 들어 크롬이 물리기상증착에 의해 제공될 수 있다. 상기 공급 영역이 에칭된 후, 상기 보호 금속층이 산에칭에 의해 제거된다.
도 8m을 참조하면, 웨이퍼의 전면으로부터 실리콘 디옥사이드를 실질적으로 에칭하지 않으면서 실리콘을 선택적으로 에칭하는 반응성 이온 에칭에 의해 노즐의 상승 영역(242)이 형성된다. 상기 에칭은 옥사이드층(204)에 형성된 노즐 영역(213)내에서 BOX층(205)의 깊이까지 진행한다. 따라서, 상승 영역의 길이가 웨 이퍼의 전면과 매설된 옥사이드층 사이에 형성된다. 반응성 이온 에칭 프로세스는 BOX층(205)에 도달하여 하강 영역과 상승 영역 사이에 전이부(240)가 형성된 후의 소정 시간동안 계속될 수 있다. 특히, 실리콘이 에칭된 후 BOX층에 대하여 이온 에칭 에너지를 계속 인가함으로써, BOX층(205)에 인접한 상승 영역의 직경을 증대시키고, 상승 영역에 곡선형 직경의 전이부(240)를 생성한다. 통상적으로, 이러한 성형은 약 20%의 과도 에칭에 의해 이루어지며, 즉, BOX층에 도달하는데 소요되는 시간의 약 20%에 상응하는 시간동안 에칭이 계속된다. 에칭 변수, 예를 들어 에칭 속도 등을 에칭 깊이의 함수로서 변화시킴으로써 직경 변화가 이루어질 수 있다.
도 8n을 참조하면, 하강 영역과 상승 영역의 계면에 있는 BOX층(205)의 부분이 웨이퍼의 배면으로부터 가해지는 습식 에칭에 의해 제거됨으로써, 하강 영역과 상승 영역 사이에 통로가 형성된다. 또한, 상기 습식 에칭에 의해 웨이퍼 배면의 옥사이드층(203)이 제거된다. 필요하다면, 실리콘 옥사이드보다 통상적으로 습윤성과 내구성이 더 있는 단일의 결정 실리콘을 노출시키도록, 웨이퍼 전면의 옥사이드층(204)이 이와 유사하게 제거될 수 있다.
도 9를 참조하면, 모듈의 조립과 액츄에이터의 제조에 대한 흐름도가 개시되어 있다. 단계 300에서, 도 8n에 도시된 바와 같은 유동 경로를 구비한 다수의 모듈을 포함한 실리콘 웨이퍼가 제공된다. 단계 302에서, 보로실리케이트 글라스와 같은 액츄에이터 기판 재료 블랭크가 제공된다. 단계 304에서, 압전 재료 블랭크가 제공된다. 단계 306에서, 예를 들어, 1% 마이크로 90 크리너를 구비한 초음파 크리너를 이용하여, 액츄에이터 기판 재료가 세척된다. 상기 글라스 블랭크는 린 싱, 질소가스에 의한 건조 및 플라즈마 에칭된다. 단계 308에서, 세척된 액츄에이터 기판 블랭크는 단계 300에서 제공된 에칭된 실리콘 웨이퍼에 양극접합된다. 단계 310에서, 액츄에이터 기판 블랭크의 노출면은 수평 연마와 같은 정밀연마기술을 이용하여 소정의 두께 및 표면형상으로 연마된다. 웨이퍼의 전면은 자외선 테입에 의해 보호될 수 있다. 통상적으로, 상기 액츄에이터 기판 블랭크는 상대적으로 두꺼운 층, 예를 들어 약 0.3㎜의 두께 또는 그 이상으로 제공된다. 상기 기판 블랭크는 예를 들어 약 20미크론의 두께로 정밀하게 연마될 수 있다. 연마에 앞서 모듈 기판에 액츄에이터 기판을 접합함으로써, 얇은 멤브레인에 대한 굴곡 또는 기타 다른 손상을 회피하고, 치수 균일도가 향상된다.
단계 312에서, 액츄에이터 기판이 세척된다. 상기 액츄에이터 기판은 초음파조에서 세척되며, 전술한 바와 같이 플라즈마 에칭될 수 있다. 단계 314에서, 상기 압전 블랭크의 양면에 정밀 연마됨으로써, 평탄한 외형이 제공된다. 단계 316에서, 압전 블랭크의 일면이 금속화된다. 단계 318에서, 상기 압전 블랭크의 금속면이 액츄에이터 기판에 접합된다. 상기 압전 블랭크는 접착제상의 스폰을 이용하여 접합될 수 있다. 선택적으로, 비결정질 실리콘층을 블랭크의 금속면에 증착한 다음, 상기 블랭크를 액츄에이터 기판에 양극접합할 수 있다.
단계 320에서, 정밀연마기술을 이용하여 압전 블랭크를 소정 두께로 연마하게 된다. 도 10을 참조하면, 수평 그라인더(350)를 이용하여 연마가 이루어진다. 이 과정에서, 고평탄 공차로 기계가공된 기준 표면을 가진 척(352)에 웨이퍼가 조립된다. 상기 압전 블랭크의 노출면은 높은 공차로 정렬된 회전 연마휠(354)과 접 촉하게 된다. 상기 압전 블랭크는 상당한 두께, 예를 들어, 약 0.2㎜ 또는 그 이상일 수 있으며, 이는 단계 314에서 최초의 표면 연마에 의해 처리될 수 있다. 그러나, 액츄에이터에 바람직한 두께, 예를 들어, 50미크론 또는 그 이하에서, 상기 압전층은 쉽게 손상될 수 있다. 손상을 피하고 용이하게 취급하기 위하여, 상기 압전 블랭크는 액츄에이터 기판에 접합된 후 소정의 두께로 연마된다. 연마 과정에서, 노즐 개구부는 덮히게 되고 잉크 유동 경로는 연마 냉각제에 노출되지 않는다. 상기 노즐 개구부는 테이프로 덮힐 수 있다. 척에 모조 기판이 제공되어 소정의 평탄도로 연마될 수 있다. 그 후, 상기 모조 기판에 웨이퍼가 부착되며, 모조 기판과 평행하게 연마된다.
단계 322에서, 연마된 전극 컨택의 엣지 컷이 절단됨으로써, 연마된 전극층(74)이 노출된다. 단계 324에서, 웨이퍼가 세척된다. 단계 326에서, 웨이퍼의 배면이 금속화되며, 이는 접지층에 금속 컨택을 제공함과 아울러, 압전층의 액츄에이터 부분의 배면에 금속층을 제공하게 된다. 단계 328에서, 분리 및 격리 컷이 절단된다. 단계 330에서, 웨이퍼가 다시 세척된다.
단계 334에서, 절단에 의해 모듈이 웨이퍼로부터 분리된다. 단계 336에서, 매니폴드 프레임에 모듈이 부착된다. 단계 338에서, 전극이 부착된다. 마지막으로, 단계 340에서, 구조물이 엔클로져에 부착된다.
상기 모듈의 전면에는 보호 코팅 및/또는 응크 습윤성을 개선 또는 억제하는 코팅이 제공될 수 있다. 상기 코팅은 예를 들어 테프론과 같은 중합체 또는 금 또는 로듐과 같은 금속일 수 있다. 웨이퍼로부터 모듈 본체를 분리하기 위하여 절단 톱이 사용될 수 있다. 선택적으로 또는 추가적으로, 에칭에 의해 커프스가 형성될 수 있으며, 절단 톱을 이용하여 커프스에 분리 컷이 만들어질 수 있다. 상기 커프스를 따라 파단함으로써 모듈이 손으로 분리될 수 있다.
다른 실시예
도 11을 참조하면, 펌핑 챔버의 상류, 예를 들어 필터/임피던스 피쳐 및/도는 잉크 공급 유동 경로상에 유연한 멤브레인(450)이 제공된다. 유연한 멤브레인은 음향 에너지를 흡수함으로써 누화를 저감시킨다. 상기 유연한 멤브레인은 액츄에이터 기판의 연속부에 의해 제공될 수 있다. 이 부분은 유연성을 개선하기 위해 펌핑 챔버상의 부분에 비해 줄어든 두께(예를 들어, 약 2미크론)로 연마, 절단 또는 레이저 가공될 수 있다. 유연한 멤브레인이 압전 재료층을 포함하거나, 상기 압전 재료가 멤브레인은 덮지 않는 크기일 수 있다. 또한, 상기 멤브레인은 모듈 기판에 접합된 중합체 또는 실리콘 디옥사이드 또는 실리콘 니트라이드와 같은 분리 요소일 수 있다. 상기 잉크 공급 유동 경로에 인접한 모듈의 전면을 따라 멤브레인(450) 대신 또는 추가로 유연한 멤브레인이 사용될 수 있다. 유연한 멤브레인은 본원에 전체가 참조된 호이싱턴의 미국특허 제4,891,054호에 개시되어 있다.
도 12a 및 도 12b를 참조하면, 벽체 부재에 형성된 일련의 통공으로서 필터/임피던스 제어 피쳐(500)이 제공되며, 이 경우에는 노즐/상승부 영역을 형성하는 동일층내의 모듈 기판에 제공된다. 본 실시예에서, 모듈 기판의 저면(514)으로 연장된 프레임 유동 경로(512)에 의해 잉크가 제공된다. 상기 저면(514)은 필터링 기능을 수행하고 음향 에너지를 흡수하는 크기로 된 일련의 통공(516)을 갖는다.
도 13a 및 도 13b를 참조하면, 프린트헤드 모듈(600)에는 예를 들어 카본 또는 금속으로 형성된 기판 본체(610)와, 임피던스/필터 피쳐(614)를 구비하며 반도체로 형성된 노즐 플레이트(612)가 제공된다. 펌핑 챔버(616)와 액츄에이터(618)는 본체(610)와 소통한다. 상기 기판 본체(612)는 연마, 절단, 드릴링 또는 다른 비화학적 기계가공 및/도는 다중의 예비가공층의 조립에 의해 형성된 노즐 유동 경로(620)를 형성한다. 상기 노즐 플레이트의 피쳐(614)는 상승 영역(616)과 노즐 개구부(617)로 연장된 유동 경로내의 다수의 포스트(615) 열로 형성된다. 상기 노즐 플레이트(612)는 유동 경로의 상승 영역에 고도의 균일성을 제공하도록 BOX층(619)을 포함하는 SOI웨이퍼를 에칭함으로써 형성될 수 있다. 상기 노즐 플레이트(612)는 예를 들어 접착제에 의해 본체(610)에 접합될 수 있다.
도 14a 및 도 14b를 참조하면, 프린트헤드 모듈(700)에는 예를 들어 카본 또는 금속으로 형성된 기판 본체(710)와, 임피던스/필터 피쳐(714)를 구비하며 실리콘으로 형성된 노즐 플레이트(712)가 제공된다. 펌핑 챔버(716)와 액츄에이터(718)는 본체(710)와 소통한다. 상기 카본 기판 본체(712)는 노즐 유동 경로(720)를 형성한다. 상기 피쳐(714)는 노즐 플레이트의 배면에 형성되며, 다수의 통공(721)을 포함한다. 상기 노즐 플레이트(712)는 유동 경로의 상승 영역에 고도의 균일성을 제공하도록 BOX층(719)을 포함하는 SOI웨이퍼를 에칭함으로써 형성될 수 있다. 상기 노즐 플레이트(712)는 예를 들어 접착제에 의해 본체(710)에 접합될 수 있다.
도 15a 및 도 15b를 참조하면, 프린트헤드 모듈(800)에는 예를 들어 카본 또 는 금속으로 형성된 기판 본체(710)와, 예를 들어 금속 또는 실리콘으로 형성된 노즐 플레이트(812), 및 실리콘으로 형성된 층(830)에 형성된 임피던스/필터 피쳐(814)가 제공된다. 펌핑 챔버(816)와 액츄에이터(818)는 본체(810)와 소통한다. 상기 본체(812)는 노즐 유동 경로(820)를 형성한다. 상기 피쳐(814)는 다수의 통공(821)을 갖는다. 상기 노즐 플레이트(812)와 상기 층(830)은 BOX를 포함하는 SOI웨이퍼를 에칭함으로써 형성될 수 있다. 상기 요소(830)는 본체(810)와 노즐 플레이트(812) 사이에 위치한다. 상기 요소(830)는 본체(810)에 접합될 수 있으며, 상기 노즐 플레이트(812)는 예를 들어 접착제에 의해 요소(830)에 접합될 수 있다.
도 16a 및 도 16b를 참조하면, 반도체 필터/임피던스 제어 요소(900)가 모듈(910)내의 별도의 요소로서 제공된다. 상기 모듈 본체는 압력 챔버(912)를 형성하며, 본원에 참조된 호이싱턴의 미국특허 제4,891,654호에 개시된 바와 같은 다수의 조립층으로 구성될 수 있다. 상기 요소(900)는 챔버(912) 상류의 잉크 입구(918) 부근에 위치한다. 본 실시예에서, 상기 필터/임피던스 제어 요소는 잉크 유동 방향을 따라 미로형 경로를 제공하도록 소정 각도로 위치된 일련의 얇은 직사각형 돌출부(920)로서 형성된다. 상기 돌출부는 반도체 기판을 에칭함으로써 형성될 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 에칭된 모듈 본체 또는 전술한 노즐 플레이트는 압전 액츄에이터 이외의 액츄에이터 메커니즘과 함께 사용될 수 있다. 예를 들어, 전열 기포 제트 또는 정전 액츄에이터가 사용될 수 있다. 정전 액츄에이터의 예가 본원에 전체가 참조된 미국특허 제4,386,358호에 개시되어 있다. 예를 들어, 게르마 늄, 도프 실리콘 및 다른 반도체와 같이 다른 에칭가능한 재료가 모듈 기판, 노즐 플레이트 및 임피던스/필터 피쳐에 사용될 수 있다. 펌핑 챔버의 깊이, 균일성 및 형상 등의 다양한 피쳐의 두께를 형성하기 위하여 스톱 층이 사용될 수 있다. 다중 피쳐의 깊이를 조절하기 위해 다중 스톱 층이 제공될 수 있다.
전술한 압전 액츄에이터는 다른 모듈 기판 및 기판 시스템과 함께 사용될 수 있다. 예열되지 않은 압전 재료로 형성된 압전층이 사용될 수 있다. 예를 들어, 졸 겔 증착 또는 그린 시트 기술과 같은 기술에 의해 글라스 또는 실리콘 기판상에 얇은 압전 필름이 형성된 다음, 가열될 수 있다. 상기 표면 특성 및/또는 두께는 정밀연마에 의해 변형될 수 있다. 이들 액츄에이터 기판 재료의 고온 저항성은 세라믹 전구체의 가열 온도를 견딘다. 3층 SOI 기판이 바람직하지만, 상이한 에칭에 의해 피쳐 깊이를 조절하고 모듈 본체 기판 또는 노즐 플레이트를 형성하기 위하여, 실리콘상의 실리콘 옥사이드층과 같은 상이한 에칭이 가능한 반도체 재료로 이루어진 2층을 구비한 반도체 기판이 사용될 수 있다. 예를 들어, 실리콘상의 실리콘 옥사이드로 이루어진 모놀리식 본체가 사용될 수 있다. 실리콘과 실리콘 옥사이드층 사이의 계면 및 기판의 실리콘면상의 노즐 개구부 사이에 상승 영역이 형성될 수 있다.
이용
상기 프린트헤드 모듈은 임의의 프린팅 분야, 특히 고속, 고성능 프린팅에 사용될 수 있다. 상기 모듈은 긴 모듈 및/또는 어레이로 배치된 다중 모듈에 의해 넓은 기판이 프린트되는 와이드 포멧 프린팅에 특히 유용하다.
도 1 내지 도 1C를 다시 참조하면, 프린터내에 모듈간의 정렬을 유지하기 위하여, 페이스플레이트(82)와 엔클로져(86)에 각각의 정렬 피쳐(85,89)가 제공된다. 모듈을 페이스플레이트(82)에 부착한 다음, 상기 정렬 피쳐(85)는 예를 들어 YAG 레이저 또는 절단 톱으로 트리밍된다. 상기 정렬 피쳐는 광학 위치결정기를 이용하여 트리밍되고, 상기 피쳐(85)는 노즐 개구부와 정렬된다. 상기 엔클로져(86)의 결합 정렬 피쳐(89)는 다시 레이저 트리밍 또는 절단 및 광학 정렬을 이용하여 다시 서로 정렬된다. 상기 피쳐의 정렬은 ±1㎛ 또는 그 이상으로 정확하다. 상기 페이스플레이트는 예를 들어 액정 폴리머로 형성될 수 있다. 적당한 절단 톱은 웨이퍼 절단 톱, 예를 들어 캘리포니아주 벤쳐라에 소재한 Manufacturing Technology Incorporated로부터 구입가능한 모델 250 집적 절단 톱 및 CCD 광학 정렬 시스템이다.
상기 모듈은 프린팅 대체물을 오프셋하기 위한 프린터에 사용될 수 있다. 상기 모듈은 프린팅된 재료 또는 프린팅 기판에 도포되는 광택 코트를 선택적으로 증착하기 위해 사용될 수 있다. 상기 프린트헤드 및 모듈은 비이미지 형성유체를 포함하여 다양한 유체를 공급 또는 증착하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 모델을 생성하기 위해 3차원 모델 페이스트가 선택적으로 증착될 수 있다. 생물학적 샘플이 분석 어레이상에 증착될 수 있다.
또 다른 실시예가 하기된 특허청구범위에 개시되어 있다.
도 1은 프리트헤드의 사시도이고, 도 1a는 도 1의 영역 A의 확대도이며, 도 1b 및 도 1c는 프린트헤드 유닛의 조립도이고,
도 2a 및 도 2b는 프린트헤드 모듈의 사시도이며,
도 3은 프린트헤드 유닛의 단면도이고,
도 4a는 프린트헤드 모듈에서 유동 경로를 통해 본 조립 단면도이며, 도 4b는 도 4a의 4B-4B선을 따라 취한 모듈의 조립 단면도이고,
도 5a는 프린트헤드 모듈 본체의 일부를 도시한 평면도이며, 도 5b는 도 5a의 영역 B의 확대도이고,
도 6a는 유동 개구부에서의 유동 속도를 도시한 그래프이며, 도 6b는 전압을 시간의 함수로서 도시한 그래프로서 구동 신호를 나타내는 도면이고,
도 7a는 압전층의 표면 프로파일의 그래프이며, 도 7b는 상기 표면 프로파일의 경사도이고, 도 7c는 C-C선을 따라 취한 표면 프로파일을 도시한 도면이며,
도 8a 내지 도 8n은 프린트헤드 모듈 본체의 제조과정을 도시한 단면도이고,
도 9는 압전 액츄에이터의 제조과정 및 모듈의 조립과정을 도시한 흐름도이며,
도 10은 압전층의 연마를 도시한 측단면도이고,
도 11은 프린트헤드 모듈의 단면도이며,
도 12a는 프린트헤드 모듈의 단면도이고, 도 12b는 도 12a의 영역 B에서 모듈의 전면의 일부를 도시한 확대도이며,
도 13a는 프린트헤드 모듈의 단면도이고, 도 13b는 도 13a의 영역 A의 평면 확대도이며,
도 14a는 프린트헤드 모듈의 단면도이고, 도 14b는 도 14a의 영역 A의 평면 확대도이며,
도 15a는 프린트헤드 모듈의 단면도이고, 도 15b는 도 15a의 영역 A의 평면 확대도이며,
도 16a는 프린트헤드 모듈의 단면도이고, 도 16b는 모듈 구성요소의 사시도이다.

Claims (2)

  1. 유동 경로를 포함하는 본체; 및
    두께가 50미크론보다 작은 두께를 갖고 상기 본체에 고정된 예열된 압전층을 갖는 압전 액츄에이터를 포함하고, 이 압전층이 약 200 또는 미만의 d31 상수를 갖는, 프린트헤드.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 압전층의 물질이 납 산화물을 포함하는, 프린트헤드.
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