KR100212317B1 - 자성잉크를 이용한 잉크젯 프린터의 분사 장치 및 분사 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 잉크젯 프린터의 분사장치 및 분사방법에 관한 것으로, 자성 잉크를 이용한 잉크젯 프린팅 장치에 있어서, 잉크를 가열하지 않고 자장의 힘에 의해 자성잉크에 충격력을 발생시켜 잉크를 분사시킴에 따라 잉크 특성 선정이 용이하고, 잉크의 재충전이 빠르며, 고주파수 분사가 용이하며, 버블을 사용하지 않고 잉크 자체의 충격력에 의한 쳄버내부의 손상이 없도록 하여 수명을 연장할 수 있도록 한 것으로, 전기적 에너지에 의해 자장의 세기를 제어하여 잉크저장통에서 잉크 공급라인을 통해 공급되는 피그먼트 자성잉크에 스파이크형상의 충격력을 발생시켜 기록체 상에 인자가 형성되도록 하는 복수의 전자석층, 상기 전자석층에 전기적에너지를 인가시켜 주기 위해 전자석층 양측에 구비된 복수의 전극층, 상기 전자석층과 전극층이 자성잉크와의 접촉에 의한 화학작용으로 부식이 방지되도록 전자석층과 전극층 상면에 피복된 보호층, 상기 보호층의 상면에 형성된 잉크쳄버를 둘러싸고 잉크쳄버내의 자성잉크를 노즐플레이트에 형성된 복수개의 개구부로 안내하며 메니스커스 형상을 이루도록 제공되는 잉크베리어, 상기의 전자석층을 지지하고 상면에 산화막이 형성된 지지판으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

자성잉크를 이용한 잉크젯 프린터의 분사 장치 및 분사 방법

본 발명은 잉크젯 프린터의 분사 장치 및 분사방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자성(磁性)잉크를 이용하고 이를 도출시키기 위해 복수의 전자석층과, 이에 연결된 복수의 전극층으로 구성된 복수의 분사부에 전기적 에너지를 인가하여 전자석층 표면에서 발생하는 자장의 방향으로 스파이크 형상인 반타원형의 충격력이 발생되도록 하여 전자석층 상부의 잉크 쳄버내의 잉크를 복수의 개구부인 오리피스를 통해 상기록체에 인자가 형성되도록 하는 분사장치 및 분사방법에 관한 것이다.

일반적인 잉크젯 프린터의 구성 및 동작 원리에 대하여 제1도를 참조하면서 설명하면 다음과 같다.

프린터 인터페이스를 통해 컴퓨터(도시되지 않음)로부터 전달되는 시그널(Signal)을 전달받고, 프린터 동작에 필요한 초기 세팅 값 및 시스템에 필요한 값을 저장하고 있는 EPROM(11)내의 시스템 프로그램을 읽어 들여 해석, 실행하여 프로그램 내용에 따라 제어신호를 출력하는 CPU(10), 제어에 필요한 프로그램 및 여러 가지 폰트를 내장하고 있는 ROM(12), 시스템 동작시의 데이터를 일시적으로 보관하는데 사용되는 RAM(13), 상기 CPU(10)의 제어에 필요한 대부분의 로직회로가 ASIC으로 구현되어 CPU(10)주변의 대부분의 소자에 대한 CPU(10)와의 데이터 전송을 실행하는 ASIC(20), ASIC(20)로부터 전달되는 CPU(10)의 제어 신호에 따라 잉크 카트리지(31)의 구동을 제어하는 헤드 드라이버(30), 메인모터(41)의 동작을 제어하는 메인로터 드라이버(40), 캐리지 리턴모터(51)의 동작을 제어하는 캐리지 리턴드라이버(50), 스텝핑 모터를 주로 사용하여 종이의 급지 및 배출하기 위한 라인피드모터(61)의 구동을 제어하는 라인피드 드라이버(60)를 포함하여 구성된다.

컴퓨터로부터 프린터 인터페이스를 통해 전달되는 인쇄 신호는 CPU(10)의 제어 신호에 따라 각 드라이버(40,50,60)를 구동하여 인자를 실시하며, 이때 잉크 카트리지(31)는 다수개의 개구부를 가진 노즐로부터 미세의 잉크 드롭을 분사시켜 돗트를 형성시키는 방식이 이용되고 있다.

제2도는 잉크 카트리지의 구조를 나타내는 단면도로서, 용기 외면을 이루는 케이스(1)내에 저장되는 스펀지에 흡입되어 있는 잉크(2)와 헤드(3)부로 구성되며, 제3도는 제2도에 도시된 헤드부의 확대 단면도이다.

잉크 내에 혼합된 불순물을 제거하기 위한 필터(32), 필터(32)를 거쳐 필터링된 잉크를 저장하고 있는 잉크쳄버 지지파이프(33), 상기 잉크쳄버지지파이프(33)를 거쳐 전달되는 잉크를 가열하는 히터부 및 잉크 쳄버가 형성된 칩(35)에 제공하기 위한 잉크 통로(Ink Via)(34), 잉크 통로(34)로부터 전달된 히터부(도시되지 않음)의 잉크를 기록매체상에 분사시키기 위한 다수개의 개구부가 설치된 노즐 플레이트(36)로 구성된다.

제4도는 제3도의 E-E축을 기준으로 한 단면도로서, 다수개의 개구부를 가진 노즐 플레이트와 칩 사이의 잉크 쳄버(39)에 잉크를 제공하기 위한 잉크통로(34), 잉크통로(34)로부터 노즐 플레이트(36)의 각 개구부로 잉크를 전달하기 위한 다수개의 잉크 공급라인(37), 잉크 공급라인(37)을 통해 제공되는 잉크를 분사하는 다수개의 잉크 쳄버(39), 다수 개의 잉크 쳄버(39)에서의 버블생성을 위해 전원을 제공하는 다수개의 전기적 연결수단(38)이 도시되어 있다.

한편, 제5도는 제4도의 Z부를 F-F축을 기준으로 본 확대 단면도로서, 실리콘(Si) 지지판(101)위에 산화 표면처리에 의해 생성된 산화막(SiO₂)(102)의 상부에 형성되어 전기적 에너지에 의해 히팅 동작하는 레지스터층(103), 레지스터층(103)의 상부에 형성되어 전기적 연결을 제공하는 두 전극층(104)(104'), 두 전극층(104)(104')의 상부와 레지스터층(103) 사이에 형성되는 히터부(105)가 잉크와의 화학작용에 의하여 부식 및 변형되는 것을 방지하기 위한 멀티층의 보호층(106), 히터부(105)에서 발생되는 열에 의해 잉크 내에 버블을 생성시키는 잉크 쳄버(107), 잉크 통로로부터 제공되는 잉크를 잉크 쳄버(107)에 전달하기 위한 유로역할을 하는 잉크 공급라인(108), 잉크 공급라인을 통해 전달되는 잉크를 상기 잉크 쳄버(107)내로 도달시키기 위한 공간을 형성하기 위해 벽 역할을 하는 잉크 베리어(109), 잉크 쳄버(107)에서 형성되는 버블의 체적변화에 따라 밀려나는 잉크를 분사시키기 위한 다수의 개구부(110)를 갖는 노즐 플레이트(111)를 포함하여 구성된다.

이때, 노즐 플레이트(111)와 가열히터(105)는 상호 대응을 위해 일정 거리를 두고 부착되어 있으며, 한 쌍의 두 전극층(104)(104')은 외부로부터 전기적 연결을 위한 단자 범퍼(도시하지 않음)와 연결되어져 있으며, 이 범퍼와 전기적 연결이 헤드 컨트롤러(도시되지 않음)와 상호 연결되어져 각각의 노즐 개구부의 정해진 위치에서 잉크가 분사되도록 하였다.

한편, 각각의 가열부 히터는 측면으로부터 잉크 유입을 위한 잉크 베리어(109)가 설치되어져 있고, 이것은 공통 잉크제공부와 연결되어져 있어서 잉크 공급라인을 통한 잉크의 유입을 안내하도록 되어져 있다.

이와 같은 구성을 갖는 종래의 잉크 분사 장치의 분사 방법을 제6도를 참조하여 살펴보기로 한다.

인쇄 명령을 프린터 인터페이스를 통해 전달받은 CPU(10)의 제어 명령에 따라 초기 헤드 드라이버(30)는 인자를 형성하고자 하는 위치의 한 쌍의 전극(104)(104')에 전기적 에너지를 공급하도록 신호를 보내게 된다.

이 전원은 두 전극(104)(104')을 통해 전달되어 히터부(105)를 전기적 저항열, 즉 P=I²R에 의한 일정 시간 동안의 줄 열로 가열시킨다.

이 히터부(105)의 표면은 대개 500℃∼550℃까지 가열되고 그 상부에 구비된 복수의 보호층(106)으로 열이 전도되며, 이때 보호층에 상호 습착되어 있는 잉크에 열이 전달되는데, 이때 히터부에서의 증기압 발생 버블 및 증기압의 분포(C)는 히터부(105)의 중심을 대칭축으로 하여 중심부가 가장 높게 나타나는데, 이 열에 의해 잉크가 가열되면서 버블이 형성되어 증기압인 버블에 의해 히터부(105) 상부의 잉크에 체적 변화가 일어난다. 이 체적 변화로 인해 밀려난 잉크는 다수 개의 개구부를 가진 노즐 플레이트(111)의 개구부(110)를 통해 밀려난다.

이때, 두 전극층(104)(104')에 전달되는 전기적 에너지의 공급을 차단하면 순간적으로 히터부(105)가 냉각되고, 이에 따라 팽창되었던 버블이 수축되면서 잉크가 다시 정상적인 형태로 복원하려고 하며, 팽창되어 노즐플레이트의 개구부 밖으로 배출되었던 잉크는 표면장력 등의 원리에 의해 드롭(Drop) 형태로 기록매체상에 분사되어 상을 형성하고, 그 버블에 해당하는 체적에 따라 내부 압력이 강하되며, 잉크는 저장통으로부터 잉크 통로를 거쳐 재충전되는 것이다.

이와 같은 종래의 기술에 따른 잉크 분사 장치를 이용한 분사 방법에는 다음과 같은 문제점이 있었다.

첫째, 잉크를 분사시키기 위해 고열을 이용하여 버블을 형성함에 따라 잉크 성분의 열적 변화가 발생하고, 버블에 의한 충격파로 내부 수명이 저하되는데, 이는 고품질의 인쇄를 요구하는 사용자의 불만 원인이 되며,

둘째, 잉크와 레지스터층(103) 및 두 전극층(104)(104')이 보호층(106)을 중간 매체로 접합됨에 따라 전기적으로 상호 반응하고, 이에 따라 히터부(105)와 두 전극(104)(104')의 경계층에서 이온의 상호 이동에 의한 부식 발생으로 헤드의 수명이 단축되는 원인이 되었으며,

셋째, 잉크를 함유하고 있는 잉크 베리어 내에서 버블을 발생시킴에 따라 그 충격으로 인하여 재충전을 위한 싸이클 타임(Cycle Time)이 길어지며,

넷째, 드롭(Drop)의 형상이 버블의 형상에 따라 직진성, 원형성, 드롭 양의 균일성 등에 영향을 끼치게 되어 프린팅 품질에 악영향을 미치며,

다섯째, 잉크를 가열 및 증발시킴에 따라 내열 잉크의 특성과 순간잉크 증기압 등의 잉크 개발이 어려우며,

여섯째, 잉크를 가열시키기 위해 요구되는 에너지가 높으며, 이에 따라 특수 가열층 형성에 따른 공정이 특수환경 및 장치를 요구하기 때문에 공정이 어려운 문제점이 있었다.

이상에서와 같은 문제점들을 해결하기 위해, 본 발명은 잉크를 가열시키지 않고 자장의 힘에 의해 자성 잉크에 충격력을 발생시켜 잉크를 분사시킴에 따라 잉크 특성 선정이 용이하고, 잉크의 재충전 속도가 빠르며, 버블을 사용하지 않고 잉크 자체의 충격력에 의해 분사되는 원리를 이용함으로써 잉크 쳄버의 내부 손상이 없도록 하며, 잉크의 재충전 속도를 향상시켜 고주파수의 분사가 용이한 잉크젯 프린터의 분사장치 및 분사방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 전기적 에너지에 의해 자장의 세기를 제어하여 잉크저장통에서 잉크 공급라인을 통해 공급되는 피그먼트 자성잉크에 스파이크형상의 충격력을 발생시켜 기록체 상에 인자가 형성되도록 하는 복수의 전자석층, 상기 전자석층에 전기적에너지를 인가시켜 주기 위해 전자석층 양측에 구비된 복수의 전극층, 상기 전자석층과 전극층이 자성잉크와의 접촉에 의한 화학작용으로 부식이 방지되도록 전자석층과 전극층 상면에 피복된 보호층, 상기 보호층의 상면에 형성된 잉크쳄버를 둘러싸고 잉크쳄버내의 자성잉크를 노즐플레이트에 형성된 복수개의 개구부로 안내하며 메니스커스 형상을 이루도록 제공되는 잉크베리어, 상기의 전자석층을 지지하고 상면에 산화막이 형성된 지지판으로 이루어진다.

제1도는 일반적인 잉크젯 프린터의 구성을 나타내는 블록도.

제2도는 잉크 카트리지의 개략적 단면도.

제3도는 종래 기술에 따른 헤드부의 확대 단면도.

제4도는 제3도의 E-E축을 단면으로 A측에서 본 평단면도.

제5도는 제4도의 F-F축을 기준으로 B측에서 본 종래 기술에 따른 분사장치의 확대단면도.

제6도는 종래 기술에 따른 잉크 분사 방식을 나타내는 예시도.

제7도는 본 발명의 일실시예 따른 분사장치의 확대 단면도.

제8도는 제7도에 나타난 분사장치의 도면의 평면도.

제9도 내지 제13도는 본 발명에 따른 분사 방식의 진행 상태도이다.

제14도는 분사주기에 따른 제어 신호의 파형도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 케이스 2 : 잉크

3 : 헤드 32 : 필터

33 : 잉크쳄버 지지파이프 34 : 잉크 통로

35 : 칩 36, 111 : 노즐플레이트

37,108 : 잉크 공급라인 38, 115 : 전기적 연결수단

39,107 : 잉크 쳄버 101 : 지지판

102 : 산화막 103 : 레지스터층

104 : 전극층 105 : 히터부

106 : 보호층 107 : 잉크 쳄버

109 : 잉크 베리어 110 : 개구부

112 : 전자석층 113 : 절연층

제7도는 본 발명에 따른 분사장치를 나타내는 확대 단면도이다. 지지판(101)위에 산화막(102)과 그 위에 자성잉크에 자속밀도를 증가시키기 위한 전자석층(112)이 형성되며, 전자석층(112)에 전기적 에너지를 인가시켜 주기 위한 복수의 전극층(104)과 복수의 전극층(104) 사이에는 절연층(113)이 구비된다.

잉크를 저장통으로부터 노즐플레이트(111)의 복수의 개구부까지 유입시켜주기 위한 잉크 공급라인(108), 복수의 전극층(104)과 전자석층(112)이 잉크와의 화학작용 등에 의해 부식이 되는 것을 방지하기 위해 전자석 표면에 형성된 보호층(106), 복수의 전자석층(112) 주위의 잉크를 노즐 플레이트(111)의 개구부(110)로 안내 및 메니스커스(Meniscus)형상을 이루게하여 각각의 보호층(106)과 개구부(112) 사이가 분리되도록 구성되는 잉크 베리어(109), 잉크 베리어(109)와 보호층(106)에 둘러싸여 잉크 공급라인(108)로부터 제공된 잉크가 저장되어 있는 잉크 쳄버(107)로 구성된다.

한편, 제8도는 제7도를 A-A' 방향으로 바라본 도면, 즉 제7도의 평면도(Top View)라 할 수 있다. 잉크채널(108)로부터 자성체 잉크가 잉크쳄버(107) 방향으로 유입되는 것을 나타내고 있으며, 도시되지 않았으나 전극층(104)에 제공된 전원(I방향의 전류)에 의해 자화력이 발생되고 있는 것을 나타낸다.

헤드 컨트롤러로부터의 전기적 에너지가 전기적 연결수단을 따라 전자석내의 코일을 통해 전류가 흐르게 되며, 이때 암페어(Ampere) 법칙에 의해 전자석의 단면에 수직 방향으로 자속밀도가 형성된다.

이러한 자속밀도에 의한 자장의 세기 B가 어느 일정범위 이상으로 되도록 전류값(I)과 코일감긴수(N)를 조절하며, 전자석 표면과 수직 방향으로 나타나는 자장 B는 수학식 1과 같이 나타난다.

여기에서, 거리 x에 따라 자장의 세기가 약해지는 것을 알 수 있는 것으로, 전자석에 수직하게 작용하는 자속 밀도에 의해 전자석 상부의 보호층에 접하고 있는 자성 잉크는 순간적으로 스파이크(c)가 발생하게 되며, 이러한 스파이크는 반타원형을 이루게 되는 즉, 전자석 중앙부가 가장 높고 테두리가 작게 되면서 전자석 중앙부와 일치하고 있는 노즐 플레이트의 개구부측으로 충격을 주게 되므로 잉크 챔버의 잉크는 오리피스를 통해 기록체상에 상이 형성된다.

한편, 제9도 내지 제13도는 본 발명에 따른 분사장치의 동작 상태를 나타내고 있는 것으로, 제9도에서는 전극층(104)에 인가된 전원은 전자석층(112)에 제공되고, 이에 따라 전자석층(112)에 발생되는 수직방향의 자화력에 의해 자속밀도가 증가한다. 이때, 상기 전자석에서 발생되는 자장의 세기는 50 가우스 ∼ 700 가우스 정도의 자력을 가지며, 최적값은 300 가우스 ∼ 520 가우스 범위가 적당하다.

더불어, 생성되는 고밀도 자성유체의 자장에 의해 스파이크(Spike)형의 충격력이 발생하고, 이 충격파형이 잉크쳄버(107)내에 유입된 자성잉크를 분사구 방향으로 밀어내기 시작하는 것을 보이고 있다.

제10도에서는 전자석에 계속적으로 인가되는 전원에 의해 발생되는 자화력으로 제9도에서 나타난 자성잉크의 충격파형이 점점 더 성장하는 것을 나타내며, 이때 자성잉크는 전자석의 수직방향 즉, 개구부 방향으로 이동되며 개구부측으로 분출되려는 자성잉크의 양이 좀 더 많아진 것을 볼 수 있다.

제10도의 상태가 일정기간 동안 유지되면, 제11도와 같이 잉크 쳄버내에 있던 대부분의 자성잉크가 개구부쪽으로 밀려나 분사직전의 상태가 되며, 이때 전극(104)에 인가된 전원을 차단하게 된다.

제12도는 제11도에서 전류가 차단된 상태를 나타낸 것으로, 자성잉크는 타원형을 이루고 노즐 밖으로 분출되며, 전자석에 의해 발생된 자장에 의한 충격력이 전자석 방향으로 다시 줄어들고 있는 것을 나타낸다.

자장에 의한 충격 파형이 소멸됨과 동시에 잉크채널로부터 잉크쳄버로의 잉크 유입이 제13도에서와 같이 진행되며, 이때 노즐로부터 분리된 자성잉크는 원형의 드롭을 이루면서 상기록체 위에 옮겨진다.

전자석에 형성되었던 자장이 소멸되고, 충격력이 제로화되면서 잉크 저장통으로부터 잉크채널을 거쳐 잉크쳄버로 유입되는 잉크는 다음 신호(Signal)가 전극에 가해지면 다시 자속밀도가 형성된다. 일정 이상의 자장 세기에 의해 자성 잉크는 그 세기의 분포에 따라 반타원형의 스파이크가 발생되고, 잉크 쳄버 내의 잉크가 개구부를 통해 상기록체상에 분사하게 된다. 즉, 제14도에서 보는 바와 같이, 한 주기는 전극에 전원이 인가되는 시간 T1과 전원이 차단되는 시간 T2로 구분된다.

전원인가시간 T1, 즉 전극에 의해 전원이 제공되는 동안에도 제9도 및 제10도와 같은 동작이 이루어지며, 제11도 내지 제13도에 나타난 동작은 전극에 제공되는 전원이 차단될 때를 나타내는 것으로, 이때 T2(차단시간) T1(전원인가시간)임을 알 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 잉크를 가열시키지 않고 자장의 힘에 의해 자성잉크에 충격력을 발생시켜 잉크를 분사시킴에 따라 잉크 특성 선정이 용이하고 잉크의 재충전이 빠르며, 버블(Bubble)을 사용하지 않고 잉크 자체의 충격력에 의한 분사장치를 사용하므로써 잉크 쳄버 내부의 손상이 없으며, 고열이 불필요하므로 수명이 길어진다. 또한, 잉크 재충전의 속도가 빠르기 때문에 고주파수의 구동에 의한 분사속도를 향상시킬 수 있다.

Claims (4)

1. 전기적 에너지에 의해 자장의 세기를 제어하여 잉크저장통에서 잉크 공급라인을 통해 공급되는 피그먼트 자성잉크에 스파이크형상의 충격력을 발생시켜 기록체 상에 인자가 형성되도록 하는 복수의 전자석층, 상기 전자석층에 전기적 에너지를 인가시켜 주기 위해 전자석층 양측에 구비된 복수의 전극층, 상기 전자석층과 전극층이 자성잉크와의 접촉에 의한 화학작용으로 부식이 방지되도록 전자석층과 전극층 상면에 피복된 보호층, 상기 보호층의 상면에 형성된 잉크쳄버를 둘러싸고 잉크쳄버내의 자성잉크를 노즐플레이트에 형성된 복수개의 개구부로 안내하며 메니스커스 형상을 이루도록 제공되는 잉크베리어, 상기의 전자석층을 지지하고 상면에 산화막이 형성된 지지판으로 이루어진 것을 특징으로 하는 자성잉크를 이용한 잉크젯 프린터의 분사장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 전자석층은 최저 50가우스에서 최고 700가우스 내의 자장이 발생되도록 형성된 것을 특징으로 하는 자성잉크를 이용한 잉크젯 프린터의 분사장치.
3. CPU에서 전달되는 인자신호에 따라 복수의 폐회로 전극층에 전원을 제공하는 과정과, 전극층에 제공된 전류에 의해 전자석으로부터 자화력을 발생시키는 과정과, 전자석층에 발생된 자화력에 의해 고밀도 자성잉크에 자속밀도를 증가시켜 자기장의 방향으로 충격파형을 발생시키는 과정과, 계속적인 전원공급에 의해 충격파형을 성장시켜 잉크쳄버 내의 자성잉크를 개구부 방향인 전자석의 수직방향으로 밀어내어 기록체상에 상을 맺히도록 하여 인자되는 과정과, 전극층에 제공되는 전원을 차단시켜 전자석층에 의해 형성된 충격파형을 소멸시키는 과정과, 상기 충격파형의 소멸에 따른 발생된 부압에 의해 잉크 공급라인을 통해 잉크 쳄버내로 잉크가 유입되는 과정으로 이루어진 자성잉크를 이용한 잉크젯 프린터의 분사방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 전자석층은 최저 50가우스에서 최고 700가우스 내의 자장 형성으로 충격파형을 발생시켜 자성잉크를 개구부 밖으로 밀어내어 인자가 형성되도록 한 것을 특징으로 하는 자성잉크를 이용한 잉크젯 프린터의 분사방법.