KR100243041B1 - Ink jetting apparatus - Google Patents
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Abstract
잉크젯 프린트 헤드에 적용되는 것으로서, 정전기력을 이용한 잉크분사장치가 개시된다. 개시된 장치는 2개의 전극판(33,34)과 이에 각각 부착되어 마주하는 유전체층(35,36)을 가지며, 전극판(33,34)에 전기신호가 인가될 때 유전체층(35,36)의 표면전하에 따라 발생되는 정전기적 반발력과 인력으로 전극판(33,34)을 진동시켜 잉크챔버(38) 내의 잉크를 토출시킨다. 이러한 방식은 저전압으로 구동가능하며 토출되는 잉크의 양과 속도제어가 가능하여 고해상도와 고속인쇄에 효과적이다.As applied to an inkjet print head, an ink injection device using an electrostatic force is disclosed. The disclosed apparatus has two electrode plates 33 and 34 and dielectric layers 35 and 36 attached to and facing each other, and the surface of the dielectric layers 35 and 36 when an electrical signal is applied to the electrode plates 33 and 34. The electrode plates 33 and 34 are vibrated by the electrostatic repulsive force and the attractive force generated by the charge to discharge the ink in the ink chamber 38. This method can be driven at low voltage and can control the amount and speed of ink ejected, which is effective for high resolution and high speed printing.
Description
본 발명은 잉크젯 프린트 헤드에 적용되는 잉크분사장치에 관한 것으로서, 특히 정전기력을 이용하여 잉크를 분사하는 잉크분사장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
종래의 DOD(drop-on-demand) 잉크젯 프린트 헤드에 적용된 기술에 있어서는 크게 표면발열체를 이용한 가열방식, 그리고 압전체를 이용한 압전방식이 대표적이다.In the technology applied to the conventional drop-on-demand (DOD) inkjet printhead, heating methods using surface heating elements and piezoelectric methods using piezoelectric elements are typical.
표면발열체를 이용한 가열방식은 도 1과 같이 기판(1) 위에 하부절연층(2), 발열체(3), 전극(4,5), 상부절연층(6), 보호층(7)을 차례로 형성하고, 보호층(7)과 노즐판(9) 사이에 유로용 벽(8)을 설치하여 잉크챔버(10)를 형성하여 된다. 여기서 잉크챔버(10)는 도시되지 않은 잉크탱크와 연결되어 있고, 양측 전극(4,5)은 구동신호 발생기(12)와 연결된다. 구동신호 발생기(12)로부터 전극(4,5)을 통해 발열체(3)에 구동신호를 인가하면 발열체(3)가 가열되고 잉크챔버(10) 내의 잉크(13)가 비등하게 된다. 이때 잉크챔버(11) 내에 기포(14)가 발생되며, 발생된 기포(14)가 잉크챔버(12) 내의 잉크(13)를 노즐판(9)의 노즐(11) 밖으로 밀어냄으로써 토출잉크(15)를 만든다. 토출잉크(15)는 구동신호, 즉 프린트 신호에 따라 분사되는 것이다.In the heating method using the surface heating element, the lower
다음, 압전체를 이용한 압전방식은 도 2와 같이, 기판(16), 다이아프람(17), 압전소자(18), 유로용 벽(19), 노즐판(20)으로 구성된다. 구동신호 발생기(23)로부터 압전소자(18)에 구동신호를 인가하면 압전소자(18)는 기계적으로 신축되며, 이러한 압전소자(18)의 신축작용으로 잉크챔버(21)내의 잉크(24)가 노즐(22) 밖으로 밀려남으로써 토출잉크(25)가 만들어진다.Next, the piezoelectric system using the piezoelectric body is composed of a
상기한 종래기술에 있어서, 가열방식은 충분한 기포를 생성하는데 시간이 다소 소요되어 잉크의 토출속도, 즉 인쇄속도 향상에 한계가 있으며, 발열체의 특성이 주변온도의 영향으로 잘 변화되어 안정된 성능을 기대하기 어렵다. 이와 달리 압전방식에서는, 우수한 성능이 발휘되나 고가의 압전소자를 사용하므로 가격이 비싼 단점이 있다. 그리고 양자 공히 발열체나 압전소자를 전극, 절연층, 보호층 등과 잘 조화시켜야 하므로 그 제조공정이 까다로워 그만큼 수율이 저조한 것이다.In the above-described prior art, the heating method takes a long time to generate a sufficient bubble, there is a limit in improving the discharge speed of the ink, that is, the printing speed, the characteristics of the heating element is well changed due to the influence of the ambient temperature to expect stable performance Difficult to do On the other hand, in the piezoelectric method, excellent performance is exhibited, but an expensive piezoelectric element is used, and thus, the price is expensive. In addition, since both the heating element and the piezoelectric element must be well harmonized with the electrode, the insulating layer, the protective layer, and the like, the manufacturing process is difficult and the yield is low.
한편, 본 발명과 관련된 기술로서, 미국특허 5,534,900에 의하면 전극과 다이아프람 사이의 정전기력을 이용하여 잉크를 토출시키는 기술이 잘 알려져 있다. 즉, 전극에 전압을 인가하면 그 전극과 다이아프람이 양부의 전하로 각각 대전되어 그때 작용하는 정전기적 흡인력으로 다이아프람이 수축되고 그 전압이 차단되면 수축된 다이아프람이 복귀하게 되는데, 이러한 다이아프람의 진동으로 잉크챔버 내의 잉크를 토출시키는 것이다. 그러나 개시된 구조에서는 잉크의 원할한 토출을 위한 충분한 정전기력을 발생시키기 위하여는 큰 구동전압을 사용하므로 소비전력이 커야 하고, 반대로 소비전력을 낮추기 위해서는 전극과 다이아프람을 넓은 면적으로 설계하여야 하므로 소형화가 어렵게 된다.Meanwhile, as a technology related to the present invention, according to US Patent 5,534,900, a technique of ejecting ink by using an electrostatic force between an electrode and a diaphragm is well known. That is, when a voltage is applied to the electrode, the electrode and the diaphragm are charged with positive charges, respectively, and the diaphragm is contracted by the electrostatic attraction force acting at that time. When the voltage is blocked, the contracted diaphragm returns. By vibrating the diaphragm, the ink in the ink chamber is discharged. However, in the disclosed structure, power consumption must be large because a large driving voltage is used to generate sufficient electrostatic force for smooth ejection of ink. On the contrary, in order to reduce power consumption, electrodes and diaphragms must be designed in a large area, which leads to miniaturization. Becomes difficult.
본 발명의 목적은 전술한 가열방식이나 압전방식과는 다른 정전기력을 이용하되 저전압으로 구동가능하고 소형화에 유리하도록 개선된 잉크분사장치를 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an ink spraying device which uses an electrostatic force different from the above-described heating method or piezoelectric method but can be driven at a low voltage and is advantageous for miniaturization.
도 1은 종래의 가열방식 잉크분사장치의 단면도.1 is a cross-sectional view of a conventional heating ink spraying device.
도 2는 종래의 압전방식 잉크분사장치의 단면도.2 is a cross-sectional view of a conventional piezoelectric ink spraying device.
도 3은 본 발명에 따른 제1실시예에 의한 잉크분사장치의 단면도.3 is a cross-sectional view of the ink ejecting apparatus according to the first embodiment of the present invention.
도 4a 및 4b는 본 발명에 따른 제2실시예에 의한 잉크분사장치의 작동상태를 보인 단면도.4A and 4B are sectional views showing an operating state of the ink ejecting apparatus according to the second embodiment of the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
30;30' : 노즐판31;31' : 노즐30; 30 ':
33,34;33'34' : 전극판35,36;35',36' : 유전체층33,34; 33'34 ':
38;38' : 잉크챔버38; 38 ': ink chamber
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,The present invention to achieve the above object,
잉크를 수용하는 잉크챔버와 이 잉크챔버로부터 잉크를 토출시키기 위한 노즐을 가지는 잉크분사장치를 구성함에 있어서,In constructing an ink ejection device having an ink chamber containing ink and a nozzle for ejecting ink from the ink chamber,
외부의 전기신호로 구동되는 2개의 전극판을 대향시키고, 그 2개의 전극판 사이에 유전체층을 상호 마주하는 방향으로 부착하여, 그 전기신호 인가시에 유전체층이 전하를 띰으로써 전극판과 함께 진동하게 되는 정전기력을 이용하여 잉크를 토출시키도록 구성하는 것이다.Two electrode plates driven by an external electric signal are opposed to each other, and the two electrode plates are attached to each other in a direction facing each other so that the dielectric layer vibrates with the electrode plate by discharging electric charges when the electric signal is applied. It is configured to discharge the ink by using the electrostatic force.
즉, 2개의 전극판에 각각 전기신호 전압을 인가하게 되면 각 전극판에 부착된 유전체층 표면이 전하를 띠게 되는데, 유전체층이 상호 같은 극성의 전하로 대전되면 그 사이에 정전기적 반발력이 작용하고 다른 극성의 전하로 대전되면 인력이 작용한다. 이러한 작용은 전극판을 진동시키기에 충분하며 따라서 이 진동을 이용하여 잉크챔버내의 잉크를 가압함으로써 그 잉크토출이 가능한 것이다. 이러한 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.That is, when an electric signal voltage is applied to each of the two electrode plates, the surface of the dielectric layer attached to each electrode plate is charged. When the dielectric layers are charged with the same polarity, the electrostatic repulsive force acts between them and the other polarity. When charged with the charge of the attraction is working. This action is sufficient to vibrate the electrode plate, and thus ink ejection is possible by using this vibration to press the ink in the ink chamber. When described in detail with reference to the accompanying drawings a preferred embodiment of the present invention.
본 발명에 따른 제1실시예에 의한 잉크분사장치는 도 3과 같이, 노즐(31)을 갖는 노즐판(30)과 실리콘 웨이퍼 기판(32) 사이에 적층된 상하부 전극판(33,34)과 유전체층(35,36)을 가지며, 노즐판(30)과 상부 전극판(33) 사이에 접착성있는 유로용 벽(37)으로 구획되는 잉크챔버(38)가 형성된다. 이 잉크챔버(38)는 도시되지 않은 잉크공급수단, 즉 잉크탱크와 연결되어 항상 그로부터 공급되는 잉크(39)로 채워진다. 상하부 전극판(33,34)에 각각 부착된 유전체층(35,36) 사이에는 갭조정부재(40)에 의하여 약간의 간격이 형성되어 있는데, 이는 상부 전극판(33) 및 유전체층(35)의 원할한 진동운동을 수용하기 위한 것이다. 즉, 본 실시예에 있어서는 하부 전극판(34)과 그 유전체층(36)에 대해 상부 전극판(33)이 그 유전체층(35)과 함께 진동하도록 배려된 것이다. 여기서 유전체층(35,36)은 각각 단층 또는 다층으로 형성될 수 있다.The ink jetting device according to the first embodiment of the present invention, as shown in FIG. 3, has upper and
이와 같이 구성된 잉크분사장치의 작동을 설명하면, 구동신호 발생기(41)로부터 상하부 전극판(33,34) 각각에 구동신호를 인가하는데, 바람직하게는 하부전극판(34)에 일정한 전압을 인가하고, 상부 전극판(33)에는 프린트 신호로서 원하는 화상정보에 따라 변조된 DC 또는 AC 신호 전압을 인가한다. 그러면 그러면 상부부 전극판(33,34)에 부착되어 있는 유전체층(35,36)에는 각 전극판(33,34)에 인가되는 전압의 극성에 따른 양 또는 음전하는 띠게 되는데, 그 상호간의 표면전하에 따라 동일 전하시에는 정전기적 반발력이 작용하고, 아닌 경우에는 인력이 작용하게 된다. 이러한 정전기적 반발력과 인력으로 상부 전극판(33)이 진동하게 됨으로써 잉크챔버(38) 내의 잉크(39)에 압력이 작용하게 되고 이에따라 노즐판(30)의 노즐(31)로부터 그 잉크가 토출된다.Referring to the operation of the ink ejection apparatus configured as described above, a driving signal is applied to each of the upper and
다음 도 4a 및 4b는 본 발명에 따른 제2실시예에 의한 잉크분사장치이다. 이 실시예에 있어서는 전술한 제1실시예와 달리, 상하부 전극판(33',34')에 부착된 유전체층(35',36') 사이에 형성된 잉크챔버(38')를 가지며, 이 잉크챔버(38')는 일측에 위치된 노즐판(30')의 노즐(31')과 연결된다. 구동신호 발생기로부터 인가되는 전기신호에 의하여 상하부 전극판(33',34')의 유전체층(35',36')이 동일극성의 전하로 대전되면 상하부 전극판(33',34')은 도 4a와 같이 정전기적 반발력의 작용에 의해 상호 반대방향으로 움직이게 되어 이때 잉크챔버(38')에 잉크(39)가 유입되고, 상호 다른 극성의 전하로 대전되면 도 4b와 같이 정전기적 인력 작용에 의해 상호 밀착되어 그 사이의 잉크챔버(38')를 수축시킨다. 따라서 잉크챔버(38')에 채워져 있는 잉크(39)가 가압되어 노즐판(30')의 노즐(31')로부터 잉크방울(42)이 토출된다.4A and 4B are ink jetting apparatuses according to a second embodiment of the present invention. This embodiment has an ink chamber 38 'formed between the dielectric layers 35' and 36 'attached to the upper and lower electrode plates 33' and 34 ', unlike the first embodiment described above. 38 'is connected to the nozzle 31' of the nozzle plate 30 'located on one side. When the dielectric layers 35 'and 36' of the upper and lower electrode plates 33 'and 34' are charged with the same polarity by the electric signal applied from the driving signal generator, the upper and lower electrode plates 33 'and 34' are shown in FIG. 4A. As shown in FIG. 4, when the
본 발명에 있어서는, 2개의 전극판에 부착된 유전체층 상호간의 표면전하에 따라 작용하는 정전기력을 이용하므로 비교적 낮은 구동전압으로도 충분한 잉크의 토출압력이 얻어진다. 따라서 저소비전력화에 유리하다. 또한 각 전극판에 인가하는 전류의 크기와 주기를 조절하여 그 변형정도를 조정할 수 있어서 토출되는 잉크의 양과 속도제어가 용이한 것이다. 따라서 본 발명은 고해상도와 고속인쇄에 유리하다.In the present invention, since the electrostatic force acting on the surface charges between the dielectric layers attached to the two electrode plates is used, sufficient discharge pressure of the ink is obtained even at a relatively low driving voltage. Therefore, it is advantageous to lower power consumption. In addition, the degree of deformation can be adjusted by adjusting the magnitude and period of the current applied to each electrode plate, so that the amount and speed of ink ejected can be easily controlled. Therefore, the present invention is advantageous for high resolution and high speed printing.
본 발명은 상기에 설명되고 도면으로 예시된 것에 의하여 한정되는 것은 아니며 다음에 기재되는 특허청구의 범위 내에서 더 많은 변형 및 그 변용예가 가능하게 됨은 물론이다.It is to be understood that the invention is not limited to that described above and illustrated in the drawings and that many more modifications and variations thereof are possible within the scope of the following claims.
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