KR950004570B1 - 잉크제트헤드장치 및 그 제조법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

잉크제트헤드장치 및 그 제조법

제1도는 본 발명의 제1실시예에 있어서의 잉크제트헤드장치의 셔터가 통과위치에 있는 상태를 도시한 평면도.

제2도는 제1도의 X-X단면도.

제3도는 제1도의 Y-Y단면도.

제4도는 동장치의 셔터가 차단위치에 있는 상태를 도시한 평면도.

제5도는 제4도의 Z-Z단면도.

제6도(a)~(n)는 동장치의 제조공정 설명도.

제7도는 본 발명의 제2실시예에 있어서의 잉크제트헤드장치의 셔터가 제1차단위치에 있는 상태를 도시한 평면도.

제8도는 제7도의 W-W단면도.

제9도는 동장치의 셔터가 통과위치에 있는 상태를 도시한 평면도.

제10도는 동장치의 셔터가 제2차단위치에 있는 상태를 도시한 평면도.

제11도는 종래의 잉크제트헤드장치의 구성도.

제12도(a)~(d)는 동장치의 동작설명도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

(20)(40) : 잉크실 (21)(41) : 기판

(21a)(41a) : 제1개구부 (24a)~(24h),(44a)~(44e) : 전극

(25)(45) : 셔터 (28) : 전면벽

(28a) : 제2개구부 (28b) : 잉크회수홈

(29)(30) : 보호판

본 발명은 프린터등에 사용하는 잉크제트헤드장치 및 그 제조법에 관한 것이다.

현재, 사무용이나 개인용으로서 콤팩트성을 중시한 프린터에 사용되고 있는 잉크제트헤드장치에 있어서, 잉크방울을 토출하는 방식에 관해서는 이하의 2종류가 주류로 되어 있다. 한가지는 압전소자를 사용해서 잉크실을 가압하는 압전식이며, 다른 한가지는 발열소자의 발열을 이용해서 기포를 형성하는 더어멀식이다.

압전식은 잉크방울의 직경을 제어하기 쉬우나, 압전소자를 세밀한 피치로 배열하는 것이 곤란하기 때문에, 아무래도 헤드가 커진다. 따라서 1개의 헤드로 동시에 다수의 잉크방울을 토출하는 것이 불가능하기 때문에, 헤드를 이동시키는 것이 필요하게 되고, 잉크방울의 토출주파수를 높게 할 수 있어도 전체적으로 기록속도가 느려져 버린다. 또 당연한 것이지만 헤드의 이동기구가 필요하게 되고, 장치의 소형경량화, 저소비전력화, 소음화, 저비용화 등의 방해가 된다.

이에 대하여 더어멀식은 기본적으로는 발열소자를 집적해서 용이하게 라인헤드를 제작할 수 있으므로, 기록속도를 빠르게 하는 것이 가능하다. 그러나 발열소자마다 독립된 잉크실과 노즐이 필요하며, 이들의 가공 정밀도나 발열소자를 형성한 기판과 잉크실과의 위치정밀도가 토출량에 영향을 주기 때문에 잉크방울의 직경을 제어하기 어렵고, 헤드자체의 제조가 곤란하며 비용이 높아진다. 또 발열소자의 집적시의 수율도 실용레벨에 도달하고 있지 않기 때문에 실제로는 매우 고가의 것이 되고 있다.

이러한 과제를 해결하기 위하여 종래부터 여러가지의 제안히 이루어져오고 있으며, 그 일례를 표시한 종래의 잉크제트헤드장치가 「닛케이메카니컬」1989년 5월 29일호(90~91page)에 표시되어 있다.

제11도는 이 종래의 잉크제트헤드장치의 구성도를 도시한 것이며, (1)은 슬릿판, (2)는 슬릿판(1)에 노즐대신으로 복수형성된 폭 50㎛, 길이 8mm의 슬릿, (3)은 동슬릿판(1)에 형성되고, 기판(4)의 위에는 발열 슬릿판(1)과 기판(4)과의 사이에는 스페이서(9)가 배치되어 있으며, 이 스페이서(9)와 슬릿판(1) 및 기판(4)에 의해서 끼워진 부분이 제12도(a)~(d)에 도시한 잉크실(11)을 형성한다. 기판(4)의 아래쪽에는 잉크탱크(10)가 형성되고, 전체를 포개서 헤드를 구성하고 있다. 발열소자(5)는 일반적인 더어멀헤드와 마찬가지로 기판(4)에 유리층, 저항체, 전극, 보호막을 포개서 형성되어 있다.

이상과 같이 구성된 종래의 잉크제트헤드장치에 있어서는, 제12도(a)~(d)에 도시한 바와 같이 해서 잉크방울을 토출한다.

(a) 먼저 기판(4)상의 발열소자(5)에 펄스전압을 가해서 잉크실(11)내의 잉크를 가열하면, 발열소자(5)부근의 잉크가 증발해서 작은 기포(12)가 다수 발생한다.

(b) 또 작은 기포(12)가 모여서 큰기포(13)가 발생하는 결과, 표면장력을 극복해서 슬릿(2)에 잉크의 부풀림이 발생한다.

(c) 다음에 가열을 종료한 발열소자(5)가 냉각되어 기포(13)의 발생이 멈추면, 잉크의 부풀림이 도중에서 끊어져서 잉크방울(14)이 발생한다.

(d) 이 잉크방울(14)은 기포(13)가 성장하였을 때의 기세에 의해 슬릿(2)으로부터 토출된다.

이 종래예와 같이 다수의 발열소자(5)가 슬릿(2)과 잉크실(11)을 공유할 경우, 인접한 발열소자(5)에 의해서 발생한 잉크방울(14) 끼리의 간섭이 문제가 되나, 상기 종래예에서는 제11도에 도시한 바와 같이 발열소자(5)(5)의 사이에 유체저항소자(8)가 형성되어 있으므로, 기포발생시의 수평방향으로의 압력파의 전파를 방지할 수 있고, 잉크방울(14)의 형성, 토출에 나쁜 영향은 없다. 또 슬릿판(1)에 형성된 보조구멍(3)이 압력파를 흡수하므로, 압력파의 반사도 방지할 수도 있다.

그러나, 상기한 바와 같이 구성된 종래의 장치에 있어서는, 기록동작중에는 문제가 발생하지 않더라도, 장기간 기록동작을 하지 않을 때에 슬릿(2)에서 잉크(12)가 건조해서 응고하게 되거나, 외부로부터 먼지가 침입하거나 해서 기록불량이나 헤드손상의 원인이 된다고 하는 과제를 가지고 있다.

또 상기 종래예에서는 결국 발열소자를 사용한다는 것에는 변함이 없기 때문에, 헤드의 대폭적인 비용삭감으로는 연결되지 않고, 냉각을 필요로 한다는 것도 있어서 비약적인 기록속도의 향상은 기대할 수 없다.

또 발열소자가 잉크에 접한 상태에서 가열, 냉각의 사이클을 반복하고 있는 동안에 발열소자상에 퇴적물이 발생하고 초기의 잉크방울의 토출성능이 점차로 변화해서 기록불량을 일으킨다. 이 퇴적물은 잉크가 발열소자에 눌어붙은 것이며, 잉크에 포함된 유기물질인 염료등의 색재, 각종 첨가물등이 열적으로 분해한 카아본이 주류이나, 눌음의 두께가 두꺼워지면 기포의 발생이 불균일해져서 발열소자에 열기계적 피로를 주어서 발열소자가 파괴된다. 또한 발열소자상의 퇴적물이 부유해서 슬릿을 메워서 잉크방울의 토출을 방해해버리는 것이다.

잉크의 성능을 생각한 경우에도, 가열에 의해 기포를 발생시키고 그 압력을 슬릿의 방향으로 전달하려면 증발하기 쉽고 또한 압력손실이 적고 압력전달이 충실한 저점도의 잉크가 좋다. 한편, 잉크방울을 슬릿으로부터 토출시켜서 기록용지(도시하지 않음)에 정착시키려면 슬릿의 막힘이 없도록 건조가 느리고 노출이 안정되고, 기록용지의 위에서 번지기 어려운 고점도의 잉크가 바람직하다. 특히, 저렴한 가격의 기록용지는 표면이 성기고 잉크가 번지기 쉬우므로, 기록용지를 자유롭게 선택하기 위해서도 고점도이며 정착성이 좋은 잉크가 필요하다.

그러나 이 상반하는 요구를 동시에 만족시키는 잉크의 설계는 불가능하기 때문에 발열소자의 수명, 기포의 발생감도, 기록품질의 어느 하나를 희생하지 않으면 안되고, 또 기록용지에는 번지기 어려운 전용지를 사용할 필요가 있으며, 장치의 비용삭감은 물론 운전비에도 영향이 있다고 하는 문제가 있다.

본 발명은 이러한 점들에 비추어서, 잉크의 건조나 외부로부터의 먼지의 침입을 방지함으로써 장기간 방치해도 기록불량이나 헤드손상이 없는 잉크제트헤드장치를 제공하는 것을 주목적으로 한다.

또 본 발명의 다른 중요한 목적은, 손가락등에 의한 접촉으로부터 내부를 보호함으로써 신뢰성이 높은 잉크제트헤드장치를 제공하는데 있다.

또 본 발명은 염가이고, 소형경량이며, 가동음이 조용하고, 고속고밀도 기록이 가능하며, 신뢰성이 높고, 내구성이 뛰어나고 또한 면적계조기록을 가능하게 하고, 청결하며 기록품질이 뛰어나고, 또 그 열화도 적고, 기록용지를 선택하지 않고, 또한 잉크의 최적설계를 가능하게 하는 잉크제트헤드장치 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 이들 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 바람직한 일실시예에 의하면, 잉크실과, 이 잉크실에 형성된 개구부와, 상기 잉크실내에 충전된 잉크를 가압하는 가압수단과, 상기 개구부의 근방에 있어서 잉크의 통과를 차단하는 차단위치와 상기 잉크를 통과시키는 통과위치와의 사이를 이동가능하게 설치된 셔터와, 비기록동작시에 상기 셔터를 상기 차단위치에 유지하는 셔터구동수단을 구비하고, 상기 셔터를 박막으로 구성하는 동시에, 상기 셔터구동수단이, 상기 셔터의 개폐위치에 대응한 부위에 각각 설치된 전극과, 이 전극에 전압을 인가하는 전원과, 그 제어회로로 구성되고, 상기 전극의 표면과 상기 셔터의 표면과의 사이에 작용하는 정전인력을 이용해서 상기 셔터를 구동하는 것을 특징으로 하고 있다.

본 발명에 의한 잉크제트헤드장치의 상기 일실시예의 구성에 의하면, 개구부의 근방에 배치된 셔터는 비기록동작중에는 차단위치를 유지하고 있다. 따라서, 잉크의 건조나 외부로부터의 먼지의 침입을 방지해서, 장기간 방치해도 기록불량이나 헤드 손상이 없다.

본 발명의 바람직한 다른 실시예에 의하면, 잉크실과, 이 잉크실에 형성된 개구부와, 상기 잉크실내에 충전된 잉크를 가압하는 가압수단과, 상기 개구부의 근방 및 상기 잉크실의 외측에 있어서, 잉크의 통과를 차단하는 차단위치와 상기 잉크를 통과시키는 통과위치와의 사이를 이동가능하게 설치된 셔터와, 비기록동작시에 상기 셔터를 상기 차단위치에 유지하는 셔터구동수단과, 상기 셔터의 외부에 전면벽을 구비하고, 상기 셔터 및 전면벽을 박막으로 구성하는 동시에, 상기 셔터구동수단이, 상기 셔터의 개폐위치에 대응한 부위에 각각 설치된 전극과, 이 전극에 전압을 인가하는 전원과, 그 제어회로로 구성되고, 상기 전극의 표면과 상기 셔터의 표면과의 사이에 작용하는 정전인력을 이용해서 셔터를 구동하는 것을 특징으로 하고 있다.

본 발명에 의한 잉크제트헤드장치의 상기 다른 실시예의 구성에 의하면, 앞서의 실시예의 잉크제트헤드장치의 작용효과외에 다음과 같은 작용효과를 얻을 수 있다. 즉, 셔터가 그 차단위치에서 잉크압을 받더라도 그 뒤쪽에 배치된 전면벽은 셔터를 지지해서 이 셔터가 변형하는 것을 방지한다. 또한, 전면벽의 존재에 의해 손가락등의 접촉으로부터 내부를 보호함으로써 본 발명의 앞서의 실시예보다 더 장치의 신뢰성을 높일 수 있다.

또 본 발명에 의한 잉크제트헤드장치의 제조방법에 의하면 청구범위 제1항 또는 제2항 기재의 잉크제트헤드장치의 제조시에, 반도체 제조프로세스로 동일기판상에 형성하므로서 정밀도가 높고 또한 안정된 라인헤드를 극히 용이하게 제작할 수 있고, 또한 이 유니트를 종횡으로 조합하면, 얼마든지 헤드의 수를 증가시키거나, 고밀도로 하는 것이 가능한 잉크제트헤드장치를 제고할 수 있다.

이하 본 발명의 실시예에 관하여 첨부도면을 참조하면서 상세히 설명한다.

먼저, 제1도 내지 제6도(a)~(n)에 의거해서 본 발명의 제1실시예에 있어서의 잉크제트헤드장치를 설명한다.

단결정실리콘의 기판(21)의 중앙부에 제1개구부(21a)를 형성하고, 그 이면쪽이 되는 잉크실(20)쪽 부위에 잉크괴임부(21b)을 형성하고 있다. 기판(21)의 표면쪽에는 산화막(22), 질화막(23)을 각각 형성하고 있다. 제1개구부(21a)는 잉크괴임부(21b)로부터 산화막(22) 및 질화막(23)을 관통한 형상으로 형성되어 있다. 질화막(23)의 위에는 다결정실리콘에 의해 전극(24a)~(24h)이 형성되어, 그 표면에는 질화막이 절연층으로서 형성되어 있다.

(25)는 다결정실리콘에 의해 형성된 셔터이다. 이 셔터(25)는 중앙부에 잉크 통과구(25a)를 양단부쪽 부위에 가이드구멍(25b)(25c)을 각각 구비하고 있다. 셔터(25)의 하면을 제외한 표면에는 질화막(도시하지 않음)이 윤활층으로서 형성되어 있다. 기판(21)상에 세워 설치된 다결정실리콘제의 가이드축(27b)(27c)은 상기 가이드구멍(25b)(25c)에 삽입되어 이 셔터(25)를 상기 잉크통과구(25a)가 기판(21)의 잉크토출구(21a)와 포개서 잉크실(20)내의 잉크(31)를 통과시키는 통과위치(제1도 및 제2도)와, 상기 잉크토출구(21a)를 폐쇄해서 상기 통과를 차단하는 차단위치(제4도 및 제5도)와의 사이에서 이동가능하게 안내한다.

셔터(25)의 각 단부양쪽 부위에 돌출부(25p)~(25s)를 형성하고 있다. 일단부쪽의 돌출부(25p)(25q)는 셔터(25)가 통과위치에 있을때 전극(24a)(24b)에 대향한다. 이때 다단부쪽의 돌출부(25p)(25s)는 전극(24e)(24f)에 대향한다. 셔터(25)가 차폐위치에 있을때, 일단부쪽의 돌출부(25p)(25q)는 전극(24c)(24d)에 다단부쪽의 돌출부(25r)(25s)는 전극(24g)(24h)에 대향한다.

기판(21)상에 상기 셔터(25)를 덮도록 설치된 전면벽(28)은, 상기 가이드축(27b)(27c)과 일체화되고, 중앙부에는 제2개구부(28a)가, 양단부쪽의 기판(21)에 대향하는 부위에는 잉크회수홈(28b)이 형성된다.

이들 각 구성부품은 뒤에 상세하게 설명하나, 기판(21)상에 석판 인쇄나 에칭과 같은 반도체 제조프로세스를 사용해서 일괄하여 제조된다. 따라서 극히 소형경량이며, 가공정밀도도 매우 높으므로, 지그재그배열 라인헤드를 용이하게 제작할 수 있고, 그 밀도도 자유롭게 선택할 수 있다. 또 두께방향도 매우 얇아지므로, 이 헤드블록을 두께방향으로 포개서 구성하는 것도 가능하다. 또한, 제2도 및 제5도에 도시한 보호판(29)(30)은 전면벽(28)의 전방위치에 배설되어 셔터(25)등을 보호하는 것이나, 다른 제조법에 의해 얻어진 것을 소정의 위치에 장착한 것이라도 된다. 이들 보호판(29)(30)은 외부로부터 손·가락등에 의한 접촉이나, 먼지·이물의 내무에의 혼입을 방지할 수 있고, 셔터(25)등을 보호할 수 있다. 잉크괴임부(21b)에는 잉크(31)가 충전되어 있으며, 도시하지 않은 가압장치(예를 들면 압전소자)에 의해서 항상 압력을 받고 있다. 또 잉크회수홈(28b)의 연장상에는 도시하지 않은 잉크회수장치가 설치되어 잉크실(20)에 연결되어 있다.

이상과 같이 구성된 본 실시예의 잉크제트헤드장치에 있어서, 이하 그 동작을 설명한다.

전극(24a)(24b)(24e)(24f)에 수십 V의 전압이 인가되면 제1도에 도시한 셔터(25)의 통과위치에 있어서, 셔터(25)의 각돌출부(25p)∼(25s)가 대응하는 전극(24a)(24b)(24e)(24f)의 표면에 작용하는 정전인력에 의해서 흡인되어 상기 통과위치에 있어서 안정된다. 이때 셔터(25)의 잉크통과구(25a)가 기판(21)의 제1개구부(21a)와 마주 포개져 있다. 이에 의해 잉크괴임부(21b)에 충전된 잉크(31)는, 잉크실(20)내의 압력에 의해서 제1개구부(21a), 잉크통과구(25a)를 통과하고, 또 전면벽(28)의 제2개구부(28a)를 통과하여 잉크방울(32)이 되어 외부에 토출된다. 즉, 이 상태에서 보호판(29)(30)의 바깥쪽에 기록용지(도시하지 않음)를 세팅해두며 이 잉크방울(32)에 의해서 기록할 수 있다. 또한, 전면벽(28)의 존재에 의해 외부로부터의 손가락등에 의한 적촉으로부터 내부를 부호할 수가 있고, 셔터(25)등의 손상을 방지할 수가 있어, 신뢰성이 높다.

다음에 전극(24c)(24d)(24g)(24h)에 전압을 인가하면, 제4도에 도시한 바와 같이 셔터(25)의 각 돌출부(25p)∼(25s)가 상기 전극(24c)(24d)(24g)(24h)의 표면에 작용하는 정전인력에 의해서 흡인되고, 셔터(25)는 차단위치로 이동하여 안정된다. 이번에는 기판(21)의 제1개구부(21a)는 셔터(25)에 의해서 차단되어있다. 이때문에 잉크의 건조나 외부로부터의 먼지의 침입을 방지하는 것이 가능하다. 또한, 전면벽(28)의 존재에 의해 외부로부터의 손가락등에 의한 접촉으로부터 내부를 보호할 수 있고, 셔터(25)등의 손상을 방지할 수 있어, 신뢰성이 높다고 하는 것은 상술한 바와 마찬가지이다.

또한, 잉크괴임부(21b)에 충전된 잉크(31)는 잉크실(20)내의 압력에 의해서 제1개구로부터 토출하여도 셔터(25)에 의해서 그 경로가 차단되어 셔터(25)로부터 외부에 토출할 수 없다. 즉 이 상태에서는 제5도에 도시한 보호판(29)(30)의 바깥쪽에 기록용지(도시하지 않음)를 세팅해 두어도 기록되지 않는다.

차단된 잉크(31)는 이루는 잉크괴임부(21b)쪽으로 복귀되게 되고, 너미지는 셔터(25)의 뒤쪽을 따라서 잉크회수홈(28b)으로부터 잉크회수장치로 흐른다. 그리고 잉크실(20)로 보내지고, 다시 잉크괴임부(21b)에 괴게 되어 재이용된다. 또, 차단시에 셔터(25)는 잉크(31)의 토출압을 받게되나, 그때는 셔터(25)가 전면벽(28)에 밀어붙여진 상태로 지지되기 때문에, 셔터(25)는 잉크(31)의 토출압에 의해서 변형되는 일도 없고, 항상 안정된 동작을 얻을 수 있다. 즉 이 상태로부터 셔터(25)를 통과위치로 이동시키고, 곧 차단위치로 복귀시키므로서 기록의 최소단위(이하, 도트라고 칭함)를 형성할 수 있다.

그리고 이 상태에서 전원(24c),(24d),(24g),(24h)에의 통전을 정치해도 셔터(25)는 기본적으로 표면력에 의해 그대로의 위치에서 안정되어 있기 때문에, 이 상태에서 장기간 방치해도 기록불량이나 헤드손상의 원인이 되는 먼지의 침입등을 방지할 수 있다. 여기서도 전면벽(28)의 존재에 의해 외부로부터의 손가락등에 의한 접촉으로부터 내부를 보호할 수 있고, 셔터(25)가 이동하게 되는 것을 방지할 수 있어 신뢰성이 높아진다.

또한, 본 실시예에서는 셔터(25)의 정지위치를 통과위치와 차단위치의 2개로 하였으나, 전극의 수를 증가시키므로서 용이하게 이 정지위치의 수를 증가시킬 수 있다. 따라서 예를 들면 셔터(25)의 정지위치를 3개로한 구성에서 한가운데의 정지 위치에 있어서만 잉크방울(32)을 통과시키도록 하면, 일방형의 셔터(25)의 이동에 의해서 도트를 형성할 수 있으므로, 본 실시예보다도 고속화를 도모할 수 있다.

물론 2개의 정지위치에서도 마찬가지의 것이 가능하다. 그것은 통과위치를 사이에 두고 그 양쪽에 셔터(25)의 정지위치(차단위치)를 설치하는 것이다. 단 이 경우는 통과 위치에서 셔터(25)를 멈추는 것이 곤란해진다. 예를 들면 직선등을 기록할때에 잉크 방울(32)을 도트가 아니고, 연속해서 토출시키는 모우드를 형성하는 것도 생각할 수 있다. 이때는 통과위치에서 셔터(25)를 멈추는 것이 필요하게 되고, 따라서 이 구성에서는 기록품질의 저하가 일어날 수 있다. 이상을 종합하면 도면에 도시한 구성에서 셔터(25)의 왕복동작이 충분히 고속이면 전혀 문제는 없고, 3정지위치 구성과의 비교에 있어서도 전극의 수(즉 배선의 수)나 집적효율을 생각하면 어느쪽이 뛰어나다고는 일률적으로 말할 수 없다.

또 잉크실(20)의 가압을 기록의 주파수에 동기해서 단속적으로 행하고, 셔터(25)가 이동할때에는 잉크(31)가 잉크토출구(25a)로부터 토출하지 않도록 하는 것도 생각할 수 있다. 이 경우, 잉크실(20)의 가압에는 압전소자를 사용하는 것이 바람직하나, 물론 다른 가압수단으로도 불가능한 것은 아니다. 셔터(25)의 움직임을 방해하는 요인의 하나로서 접촉면의 마찰이 있으며, 질화막(23)등에 의해서 경감되어 이동에 지장은 없으나, 전혀 문제가 없는 것은 아니다. 따라서 잉크실(20)의 가압을 제어하고, 셔터(25)의 동작에 동기해서 잉크방울(32)을 형성하도록 하면, 토출압에 의해서 셔터(25)가 전면벽(28)에 밀어 붙여지는 일이 없어지므로 이 정도의 마찰력에 대해서는 개선될 가능성이 있다. 그러나 셔터(25)에 의해서 잉크방울(32)의 통과를 방해할때마다 잉크압에 의한 충격을 셔터(25) 및 전면벽(28)이 받게 되기 때문에 기계적강도의 면에서 보면, 오히려 항상 잉크압을 받고 이는 편이 바람직하고, 또 가압장치가 복잡해지거나 대형화되어 버릴 위험성도 있으며 이 경우도 쌍방의 우열을 가리기 어려운 것이 있다.

또한 본 실시예의 구성이라면 통과위치에서 셔터(25)를 정지시키고 있는 시간을 변화시키는 것을 용이하게 실현할 수 있다. 즉, 잉크방울(32)의 크기(체적)를 바꾸어 도트의 크기를 제어하는 것이 가능하게 된다. 다라서 면적 계조(階調) 기록을 할 수 있으므로 특히 화상을 기록할때 등에는 극히 유효하며, 기록품질의 대폭적인 향상을 기대할 수 있다. 이것은 종래의 잉크제트방식 프린터의 큰결점의 하나였던 디더등에 의한 화질의 까칠가칠함이 개선되는 것을 의미하고 있으며, 그 가치는 매우 크다.

이상과 같이 본 실시예에 의하면 전극(24a)~(24h)에의 전압의 인가에 의해, 셔터(25)를 이동시켜 기록의 유무를 제어하고 도트를 형성할 수 있다. 따라서 기록신호에 따라서 셔터(25)를 동작시키므로서, 발열소자나 압전소자(잉크실(20)의 항상 가압에 사용하는 것은 제외)를 필요로 하지 않는 잉크제트헤드장치를 제공할 수 있다.

여기서 이 잉크제트헤드장치를 사용해서 A4사이즈의 기록용지 가득히 화상을 기록하는 것을 생각해본다. 상기의 설명에서 명백한 바와 같이 이 잉크제트헤드장치는 용이하게 라인헤드화할 수 있고, 또한 그 밀도는 지그재그배열에 의해 얼마든지 세밀하게 할 수 있다. 가령 기록밀도를 20개/mm로 할려면, 기록품질을 유지하기 위해서는 잉크방울의 크기를 50㎛정도로 하는 것이 바람직하다. 본 실시예의 구성에서는 기본적으로 잉크방울(32)의 크기를 자유롭게 설정할 수 있으므로 어떠한 경우에도 충분한 대응이 가능하다. 또 라인 헤드를 다시 진행해서 2차원화하면 A4사이즈의 면헤드도 가능하며 고속성에서의 비약적인 성능향상을 기대할 수 있다.

그런데 종이보내기방향을 A3사이즈에의 발전성으로부터 A4사이즈의 짧은 변방향으로 하면, 헤드에 요구되는 길이는 약 300mm이므로, 구체적인 헤드의 수는 최고로서 20×300=6000개이다. 이 헤드에 의해서 A4사이즈를 가득 기록하는데 1초 걸린다고하면, 종횡 동일밀도라고 생각하고 1도트를 기록하는데 250㎲가 아니면 안된다. 즉, 셔터(25)에 요구되는 속도는 4KHz가 된다. 발열소자를 이용하여도 달성은 가능하다고 생각되나, 이 경우에는 라인헤드의 성능자체에 상기한 바와 같은 과제가 있다.

그러나, 이와 동일성능(기록밀도, 기록속도)을 직렬헤드를 사용해서, 이 헤드를 기록용지의 긴변방향으로 이동시키면서 기록하므로서 달성하려고 하면, 만약 80개의 헤드를 배열하고 메카니즘에 의한 헤드이동의 반전시간이 0이였다고 하여도, 1도트의 기록에 3.3㎲가 아니면 안되고, 압전소자를 사용하지 않으면 안되나, 상기한 여러가지의 과제가 있으므로 실현은 불가능하다고 해도 된다. 따라서 본 실시예의 구성에 의한 잉크제트헤드장치가 가진 퍼텐셜의 높음을 충분히 인식할 수 있게 된다.

다음에 본 실시예의 잉크제트헤드장치의 제조법을 제6도(a)~(n)에 의거하여 설명한다. 또한 본 제조법에는 일반적인 반도체제조법을 사용하므로, 개개의 수법의 상세한 설명은 생략하고, 제조의 프로세스만을 표시하기로 한다.

(a) 먼저 단결정 실리콘의 기판(21)(제6도(a) 사선부분)의 표면에 이방성에칭에 의해서 오목부분(21a')을 형성한다. 에칭용액은 수산화칼륨(KOH)수용액을 사용한다. 마스크의 제거는 산소플라즈마를 사용한 포토레지스트 스트리핑에 의해서 행하고 소정의 방법에 의해서 세정과 건조를 행한다.

(b) 다음에 산화막(SiO₂)(22)(제6도(b) 사선부분)을 기판(21)의 위에 성장시킨다. 이 산화막(22)은 예를 들면 중량비 8%의 LPVCD/PSG층을 약 450℃에서 퇴적시키므로서 형성할 수 있다. 그후 완충불산에 의한 산화물용해에 의해서 산화막(22)의 에칭을 행한다. 마스크의 제거는 산소플라즈마를 사용한 포토레지스트 스트리핑에 의해서 행하고 세정과 건조를 행한다.

(c) 다음에 질화실리콘(Si₃N₄)층(23)(제6도(c) 사선부분)을 이 산화막(22)의 위에 퇴적시키고, RIE(reactive-ion-etching)에 의해서 패터닝을 행한다. 마스크의 제거는 산소플라즈마를 사용한 포토레지스트 스트리핑에 의해서 행하고 세정과 건조를 행한다. 산화막(22)과 이 질화막(23)에 의해 잉크제트헤드 형성후의 절연층으로 한다. 절연내압은 500V이상이다. 또 이 질화막(23)은 완충불산에 의한 산화막이나 PSG층의 용해시에 산화막(22)을 보호한다.

(d) 다음에 중량비 8%의 LPCVD/PSG층(33)(제6도(d) 사선부분)을 약 450℃에서 퇴적시키고, 완충불산에 의한 산화물 용해에 의해서 에칭을 행한다. 마스크의 제거는 산소플라즈마를 사용한 포토레지스트 스트리핑에 의해서 행하고 세정과 건조를 행한다.

(e) 여기서 LPCVD다결정 실리콘층(34)(제6도(e) 사선부분)을 610~630℃ 정도에서 전면적으로 퇴적시키고, 플라즈마 에칭에 의해서 동도면과 같이 성형한다.

이 다결정 실리콘층(34)이, 전극(24a)~(24h) 및 셔터(25)가 된다. 여기서는 잔류응력제거를 위하여 어니일을 행한다. 또한 이 다결정실리콘층(34)에 링을 확신하므로서 필요에 따라서 도전성을 부여할 수 있다.

(f) 계속해서 산화막(35)(제6도(f) 사선부분)을 다결정 실리콘층(34)의 위에 성장시킨다. 산화막(35)은 중량비 8%의 LPCVD/PSG층을 약 450℃에서 퇴적시켜도 된다. 이 산화막(35)은 후에 RIE에칭시의 보호막이 된다.

(g) 여기서 제6도(g)에 도시한 바와 같이, 다결정 실리콘층(34)(동도면사선부분)과 산화막(35)(동도면 사선부분)을 플라즈마 에칭에 의해서 도면과 같이 패터닝하고, 전극(24a)~(24h) 및 셔터(25)의 형상을 만들어낸다. 끝점의 검출은 30% 오우버에칭에 의해서 행하고, 마스크의 제거는 산소플라즈마를 사용한 포토레지스트 스트리핑에 의해서 행한다. 또 세정 및 건조를 행하고 잔류응력제거를 위한 어니일을 행한다.

(h) 다음에 제6도(h)에 도시한 바와 같이, 질화막(Si₃N₄)(26)(동도면사선부분)을 퇴적시킨다. 패터닝은 RIE에 의해서 행하나, 이 질화막(26)은 잉크제트헤드형성시에 상기의 질화막(도시하지 않음)이 되고, 셔터(256)와 각부와의 사이의 마찰을 경감하거나 재료의 취약성을 보충하기 위한 윤활층 및 전극(24a)~(24h)의 절연층(도시하지 않음)이 된다. 마스크의 제거는 산소플라즈마를 사용한 포토레지스트 스트리핑에 의해서 행하고, 세정후 건조를 행한다.

(i) 여기서 다시 중량비 8%의 LPCVD/PSG층(36)(제6도(i) 사선부분)을 약 450℃에서 전면적으로 퇴적시킨다.

(j) 계속해서 완충불산에 의한 산화물용해에 의해서 제6도(j)에 도시한 바와 같이 PSG층(36)(동도면 사선부분)의 에칭을 행한다. 마스크의 제거는 산소플라즈마를 사용한 포토레지스트 스트리핑에 의해서 행하고, 세정 및 건조를 행한다.

(k) 그리고 마찬가지로 PSG층(36)(제6(k) 사선부분)에 플라즈마 에칭에 의해 패터닝한다. 이 패턴에 의해 후에 형성하는 가이드축(27b)(27c) 및 전면벽(28)을 고정할 수 있다. 끝점의 검출은 30% 오우버에칭에 의해서 행하고 마스크의 제거는 산소플라즈마를 사용한 포토레지스트 스트리핑에 의해서 행한다. 또 세정, 건조를 행한다.

(l) 이 상태에서 최후의 LPCVD다결정 실리콘층(37)(제6도(l) 사선부분)을 610~630℃정도에서 퇴적시키고, 플라즈마에칭을 행하여 패터닝하고, 가이드축(27b)(27c)을 만든다. 마스크의 제거는 산소플라즈마를 사용한 포토레지스트 스트리핑에 의해서 행하고, 세정과 건조를 행한다. 또 잔류응력제거를 위하여 어니일을 행한다.

(m) 여기서 PSG층(혹은 산화막)(23)(36)(제6도(l) 참조)을 완충불산에 의해서 용해해서 질화막(26), 다결정 실리콘층(34) 및 산화막(35)이 일체가 된 가동물(제6도(m) 사선부분)을 형성하므로서 셔터(25)를 만든다. 또 세정, 건조를 행한다.

(n) 마지막으로 기판(21)에 뒤쪽으로부터 이방성에칭을 행하여 오목부분(21b')을 형성하고, 최초에 형성한 오목부분(21a')에 관통시킨다. 이에 의해서 제6도(n)에 도시한 바와 같이, 제1개구부(21a) 및 잉크괴임(21b)이 생긴다. 에칭용액은 수산화 칼륨수용액을 사용한다. 마스크의 제거는 산소플라즈마를 사용한 포토레지스트 스트리핑에 의해서 행하고 세정과 건조를 행한다.

이상의 공정에 의해 본 실시예의 잉크제트헤드장치를 제조할 수 있다. 이와 같이 반도체 제조법을 사용해서 일괄하여 제조하기 때문에 발열소자나 압전소자에 비해서 라인헤드를 극히 용이하게 제작할 수 있는 위에, 그 정밀도도 충분히 높고 안정되어 있다. 또한 이 유니트를 종횡으로 조합하면 얼마든지 헤드의 수를 증가시키거나, 고밀도로 하는 것이 가능한 잉크제트헤드장치를 제조할 수 있다.

제7도 내지 제10도는 본 발명의 제2실시예에 있어서의 잉크제트헤드장치를 도시하고 있다.

단결정실리콘의 기판(41)의 중앙부에 개구부(41a)를 형성하고, 그 이면쪽이 되는 잉크실(40)쪽에 잉크괴임(41b)을 형성하고 있다. (42)는 산화막, (43)은 질화막이다. 이 개구부(41a)는 잉크괴임(41b)으로부터 기판(41)상에 형성된 산화막(42) 및 질화막(43)을 관통한 형상으로 형성되어 있다. 잉크괴임(41b)에는 잉크(51)가 충전되어 있으며, 도시하지 않은 가압장치(예를 들면 압전소자)에 의해서 항상 압력을 받고 있다. (44a)~(44e)는 다결정 실리콘에 의해 형성되고 원호 형상으로 배열된 전극이지만, 배선부는 생략되어 있다. 또 표면에는 질화막(도시하지 않음)이 절연층으로서 형성되어 있다.

(45)는 다결정 실리콘에 의해 형성된 부채형상의 셔터이다. 이 셔터(45)는 중앙부에 잉크통과구(45a)를 구비하고, 그 하면을 제외한 표면에는 질화막(도시하지 않음)이 윤활층으로서 형성되어 있다. 또 셔터(45)의 원호부 양단부에는 돌출부(45p)(45q)가 형성되어 있다. (47)은 기판(45)에 세워 설치되어 상기 셔터(45)를 회동가능하게 돌쩌귀 지지하는 지지축이며, 이것도 다결정실리콘에 의해서 형성되어 있다. 지지축(47)은 셔터(45)를 상플랜지(47a)에 의해서 유지하고 있다.

이들 각 구성부품은 제1실시예와 마찬가지로, 기판(41)상에 석판인쇄나 에칭과 같은 반도체제조 프로세스를 사용해서 일괄하여 만들어진다. 따라서 당연한 것이지만 제1실시예와 마찬가지로 극히 소형경량이며, 가공정밀도도 매우 높으므로, 지그재그 배열라인헤드를 용이하게 제작할 수 있고, 그 밀도도 장유롭게 선택할 수 있다. 또 두께방향도 매우 얇아지므로 이 헤드블록을 두께방향으로 포개서 구성하는 것도 가능하다.

이상과 같이 구성된 본 실시예의 잉크제트헤드장치에 있어서, 이하 그 동작을 설명한다.

제7도 및 제8도는 전극(44a)(44c)에 수십 V의 전압이 인가된 상태이며, 셔터(45)는 각 돌출부(45p)(45q)가 각 전극(44a)(44c)의 표면에 작용하는 정전인력에 의해서 흡인되고, 제1차단위치에 있어서 안정되어 있다. 이때 기판(41)이 개구부(4a)는 셔터(45)에 의해서 차단되어 있다. 이에 의해 잉크괴임(41b)에 충전된 잉크(51)는 잉크실(40)내의 압력에 의해서 개구부(41a)로부터 토출되어도 셔터(45)에 의해서 그 경로가 차단되어 셔터(45)로부터 외부로 토출할 수 있다. 즉 이 상태에서는 바깥쪽으로 기록용지(도시하지 않음)를 세팅해두어도 기록되지 않는다.

그런데 이 상태로부터 전극(44b)(44d)에 전압의 인가를 절환한다. 그러면 이제까지의 설명에서 명백한 바와 같이 셔터(45)의 각 돌출부(45p)(45q)가 각 전극(44b)(44d)의 표면에 작용하는 정전인력에 의해서 흡인된다. 셔터(45)는 지지축(47)을 중심으로해서 시계방향으로 회동하고, 제9도에 도시한 바와 같이 셔터(45)의 잉크통과구(45a)와 기판(41)의 개구부(41a)가 마주 포개진 통과 위치에서 안정된다. 이에 의해 잉크괴임부(41b)에 충전된 잉크(51)는 잉크실(40)내의 압력에 의해서 잉크토출구(41a) 및 터(45)의 잉크통과구(45a)를 통과하고, 잉크방울(도시하지 않음)이 되어 외부로 토출할 수 있다. 즉 이 상태에서 바깥쪽으로 기록용지(도시하지 않음)를 세팅해두면 기록할 수 있다.

다음에 다시 전극(44c)(44e)에 전압을 절환하여 인가하면 셔터(45)의 각 돌출부(45p)(45q)가 각 전극(44c)(44e)의 표면에 작용하는 정전인력에 의해서 흡인되어 셔터(45)가 다시 회동하고, 제10도에 도시한 바와 같이 기판(41)의 개구부(41a)를 차단하는 제2차단위치에서 안정된다. 이에 의해 잉크(51)는 셔터(45)에 의해서 그 경로를 다시 차단되고 외부로 토출할 수 없게 된다. 따라서 셔터(45)의 이와 같은 일련의 동작에 의해서 도트를 형성할 수 있다. 이것은 상기한 셔터(45)의 정지위치를 3개로한 구성예를 표시하고 있는 것이 되고, 당연한 것이지만 면적 계조기록도 할 수 있다.

이상과 같이 본 실시예에 의하면, 제1실시예와 마찬가지로 전극(44a)~(44e)에의 전압의 인가에 의해 셔터(45)를 회동시켜 기록의 유무를 제어하여 도트를 형성할 수 있다. 또한 제1실시예보다도 고속화를 도모할 수 있는 가능성도 있다. 따라서 기록신호에 따라서 셔터(45)를 동작시키므로서 발열소자나 압전소자(잉크실(40)의 항상 가압에 사용하는 것은 제외)를 필요로 하지 않는 잉크제트헤드장치를 제공할 수 있다. 또한 본 실시예에 있어서 제1실시예의 전면벽(28)이나 보호판(29)(30)을 설치하는 것은 용이하게 가능하다.

본 발명은 상기 실시예에 도시한 외에 여러가지의 태양으로 구성할 수 있다.

예를 들면 상기 실시예에서는 셔터의 구동원으로서 정전인력을 사용하고 있으나, 그밖의 구동수단을 사용하여도 좋은 것은 말할 나위도 없다. 또 상세하게 설명하지 않았으나 잉크회수장치나 잉크실의 가압장치등은 통상의 장치(펌프나 압전소자 등)을 사용하므로서 충분히 다 된다. 또 상기 실시예에 있어서 개구부를 잉크방울의 형성용으로 원형으로 설명했으나, 셔터의 존재를 생각하면 반드시 그럴 필요는 없다. 즉 개구부를 슬릿형상으로 해두고, 셔터 자체와 상기 개구부에 의해서 또는 그 잉크통과구를 사용해서 잉크방울을 형성하여도 된다. 또, 잉크실의 개구부를 비교적 크게 형성하는 동시에 각 잉크토출개소에 있어서의 잉크의 통과, 차단을 각각의 셔터에 의해서 개별적으로 행하도록 구성할 수도 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 잉크제트헤드장치에 의하면, 잉크의 건조나 외부로부터의 먼지의 침입을 방지함으로써 장기간 방치해도 기록불량이나 헤드손상이 없는 잉크제트헤드장치를 제공할 수 있다.

또 본 발명의 잉크제트헤드장치에 의하면, 손가락등에 의한 접촉으로부터 내부를 보호함으로써 신뢰성의 높은 잉크제트헤드장치를 제공할 수 있다.

또 본 발명의 잉크제트헤드장치에 의하면 저렴한 가격이며 기록품질이 뛰어나고, 또 그 열화도 없고, 기록용지를 선택하지 않고 또한 잉크의 최적설계를 가능하게 할 수 있다.

또 본 발명의 잉크제트헤드장치의 제조법에 의하면 정밀도가 높고 또한 안정된 라인헤드를 극히 용이하게 제작할 수 있고, 이 유니트를 종횡으로 조합하면 얼마든지 헤드의 수를 증가시키거나 고밀도로 하는 것이 가능한 잉크제트헤드장치를 제조할 수 있다.

Claims (2)

1. 잉크실(20)과, 이 잉크실(20)에 형성된 개구부(21a)와, 상기 개구부(21a)의 근방에 있어서 잉크(31)의 통과를 차단하는 차단위치와 상기 잉크(31)를 통과시키는 통과위치와의 사이를 이동가능하게 설치된 셔터(25)와, 비기록동작시에 상기 셔터(25)를 상기 차단위치에 유지하는 셔터구동수단을 구비하고, 상기 셔터(25)를 박막으로 구성하는 동시에, 상기 셔터구동수단이, 상기 셔터(25)의 개폐위치에 대응한 부위에 각각 설치된 전극(24a)~(24h)와, 이 전극(24a)~(24h)에 전압을 인가하는 전원과, 그 제어회로로 구성되고, 상기 전극(24a)~(24h)의 표면과 상기 셔터(25)의 표면과의 사이에 작용하는 정전인력을 이용해서 상기 셔터(25)를 구동하는 것을 특징으로 하는 잉크제트헤드장치.
2. 잉크실(20)과, 이 잉크실(20)에 형성된 개구부(21a)와, 개구부의 근방 및 상기 잉크실 외측에 있어서, 잉크(31)의 통과를 차단하는 차단위치와 상기 잉크(31)를 통과시키는 통과위치와의 사이를 이동가능하게 설치된 셔터(25)와, 비기록동작시에 상기 셔터(25)를 상기 차단위치에 유지하는 셔터구동수단과, 상기셔터(25)의 외부에 전면벽(28)을 구비하고, 상기 셔터(25) 및 전면벽(28)을 박막으로 구성하는 동시에, 상기 셔터구동수단이, 상기 셔터(25)의 개폐위치에 대응한 부위에 각각 설치된 전극(24a)~(24h)와, 이 전극(24a)~(24h)에 전압을 인가하는 전원과, 그 제어회로로 구성되고, 상기 전극(24a)~(24h)의 표면과 상기 셔터(25)의 표면과의 사이에 작용하는 정전인력을 이용해서 셔터(25)를 구동하는 것을 특징으로 하는 잉크제트헤드장치.

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