KR100320689B1

KR100320689B1 - 액체 토출 방법 및 액체 토출 헤드

Info

Publication number: KR100320689B1
Application number: KR1019990004765A
Authority: KR
Inventors: 다찌하라마사요시; 다무라야스유끼; 무라까미슈이찌
Original assignee: 미다라이 후지오; 캐논 가부시끼가이샤
Priority date: 1998-02-10
Filing date: 1999-02-10
Publication date: 2002-01-19
Also published as: CA2261375C; JPH11291500A; CN1120087C; EP0936070A3; CN1269643C; CN1233561A; AU1637799A; EP0936070A2; CA2261375A1; KR19990072572A; CN1493457A

Abstract

본 발명은 액체 토출 방법에 관한 것으로, 상기 방법은 액체에 기포를 생성하기에 충분한 열 에너지를 발생하기 위한 전열 변환기 소자와, 상기 전열 변환기 소자에 대향되게 배치되고 한 라인에 300/25.4 mm 이상의 밀도로 배열된 토출 출구를 갖고, 상기 토출 출구에 각각 유체 연통하는 액체 유동로를 갖는 액체 토출 헤드를 사용하는 액체 토출 방법으로서, 전열 변환기 소자에 의해 발생된 열 에너지에 의해 발생된 기포가 이 기포의 내부 압력이 대기압보다 낮은 상태에서 대기에 연통하게 되고, 15 × 10^-15m³이하의 용적을 갖는 액적이 7 kHz 이상의 주파수에서 토출되도록 되고, 액체 토출 헤드의 액체 유동로가 6 ㎛ 이상인 높이를 갖고, 토출 출구의 상부면과 하부면 사이의 거리가 토출 출구의 중심을 통하는 최소 개방 거리의 절반 이하로 되어 있다.

Description

액체 토출 방법 및 액체 토출 헤드 {LIPUID EJECTING METHOD AND LIQUID EJECTING HEAD}

본 발명은 기록하기 위하여 잉크 등의 액체의 액적을 종이 등의 여러 기록 매체를 향해 토출하는 데 사용되는 액체 토출 방법 및 액체 토출 헤드에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 액체의 초소형 액적을 초고주파수로 토출하는 액체 토출 방법과, 고해상도를 실현하기 위하여 고밀도로 배열된 복수개의 액체 통로를 포함하는 액체 토출 헤드, 즉 기록 헤드에 관한 것이다.

여러 액체 토출 방법 중에서, 소위 버블 제트식 액체 토출 방법이 있다. 이러한 방법에 따르면, 기포가 액체 내에서 신속하게 성장하고, 성장된 기포에 의해 발생된 압력은 액체 토출 오리피스로부터 액체 액적을 토출하는 데 사용된다. 이러한 방법은 액체 토출 응답이 높으며, 따라서 고속 기록 및 고밀도 기록에 대해 우수하다.

버블 제트식 액체 토출 방법 중에서, 발열 부재 상에 생성된 기포가 토출 오리피스의 모서리에서 대기로 개방되게 하는 액체 토출 방법이 있다. 이러한 방법에 대해서는, 일본 특허 출원 공개 제1992-10940호, 제1992-10941호, 제1992-10742호 등이 주지되어 있다.

이러한 방법들은 이하의 특징들을 갖는다. 첫째, 이들 방법은 액체 토출 속도를 증가시킬 수 있어 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 둘째, 이들 방법은 발열 부재와 토출 오리피스 사이에 존재하는 액체 전체를 충분히 토출시킬 수 있어서, 액체가 매번 토출되는 용적을 균일하게 할 수 있고 이어서 화상 밀도 측면에서의 불규칙성을 감소시킨다.

기록 기술이 진보함에 따라, 초고품질의 화상을 기록하는 것, 즉 기록 매체 상에 초고밀도(예컨대, 600 도트/25.4mm 이상)로 극소 용적(예컨대, 1.5×10^-10m³이하)의 액체 액적을 퇴적시키는 것이 요구되어 왔다. 이러한 고정밀 화상을 기록하기 위하여, 토출 오리피스와, 토출 오리피스로 안내하는 액체 통로는 초고밀도로 배열되어야 한다. 예컨대, 600 도트/25.4mm의 전술한 기록 밀도를 성취하기 위하여, 토출 오리피스는 300 유닛/25.4mm의 밀도로 2개의 평행 열로 정렬되어야 하는데, 하나의 열 내의 유닛은 열 방향으로 다른 열 내의 유닛으로부터 절반 피치만큼 변위되어 있다.

보다 미세한 액체 액적을 사용하여 화상을 기록하는 것은 토출될 액체 액적의 개수를 증가시켜서, 기록 속도를 저하시킨다. 이러한 기록 속도 저하를 방지하기 위하여, 액체 액적이 단위 시간당 각각의 토출 오리피스로부터 토출되는 주파수(이하, '토출 주파수'라 함)를 증가시키는 것이 필요하다. 예컨대, 전술된 구조의 경우에, 토출 주파수는 적어도 7kHz이어야 한다.

더욱이, 전술한 바와 같이 가능한 한 최소 용적을 갖는 액체 액적을 토출하여 고품질 화상을 기록하기 위하여, 액체 액적이 토출되는 신뢰성이 향상되어야 한다.

전술된 바와 같이, 기포가 대기와 연통되게 하는 버블 제트식 액체 토출 방법이 있다. 예컨대, 일본 특허 출원 공개 제1993-16365호에는 토출시의 액체 액적의 상태에 관한 기술과, 기포가 대기와 연통되게 하는 조건이 기재되어 있다.

기포가 대기와 연통되게 하는 버블 제트식 액체 토출 방법이 1.5×10^-10m³의 용적을 갖는 극소 액체 액적을 토출하는 잉크 제트 헤드에 적용되었을 때, 기록 작동 중에, 액체 액적이 적절하게 토출되었던 토출 오리피스들 중 일부의 오리피스로부터 액체 액적이 갑자기 토출되지 않음을 확인하였다. 이러한 현상은 종래의 액체 토출 헤드에 대해 발생하였던 토출 실패와는 상이하였다. 이러한 현상의 조사를 통해 이하의 것이 드러났다. 즉, 기록 액체는 기포가 대기와 연통된 시점과 재충전이 종료된 시점 사이의 시간 동안에 토출 오리피스를 갑자기 막았다. 이후에,기록 액체는 화상 형성 장치의 주조립체의 회복 기구를 사용하여 회복 작동이 수행되지 않는다면 막힌 토출 오리피스로부터 토출될 수 없었다.

도5는 전술된 현상을 도시하는, 액체 토출 오리피스 및 토출 오리피스로 안내하는 액체 통로의 단면도이다. 도5로부터 명백한 바와 같이, 기포가 대기와 연통되고 기록 액체(501)의 액적이 토출된 직후에, 토출 오리피스는 기록 액체(501)로 막힌다. 이 시점에서, 기록 액체(501)는 잉크 공급 통로 내에도 있게 된다. 그러나, 액체 토출 직후이기 때문에, 전기 열 변환기(1)에 인접해서는 기록 액체가 없다. 바꿔 말하면, 전기 열 변환기(1) 부근에는 주변 공기(502)만이 있다. 이 상태에서, 전기 펄스가 전기 열 변환기(1)로 인가될지라도, 전기 열 변환기(1) 둘레에 기록 액체(501)가 없기 때문에 기록 액체(501)의 액적은 토출될 수 없다. 따라서, 토출 오리피스(4)의 막힘을 제거하는 것은 불가능하다.

더욱이, 본 발명의 개발 중에, 많은 개수의 액체 통로가 고밀도로 배치된 전술한 종류의 헤드가 고주파수로 구동되었을 때, 기포가 대기와 연통되게 된 후의 메니스커스의 상태, 특히 연통 후의 메니스커스의 상태가 연통 전의 메니스커스의 상태와 어떻게 상이한 가에 주의를 기울여야 한다는 것이 명백하게 되었다.

따라서, 본 발명의 목적은 신뢰성 있는 액체 토출 방법, 즉 액체 토출이 갑자기 실패되지 않는 액체 토출 방법, 즉 버블 제트식 액체 토출 헤드, 특히 극소 액체 액적을 고주파수로 토출하는 토출 오리피스가 고밀도로 배치되어 하나씩 발열 부재와 직접 대면하고 기포가 대기와 연통되게 하는 소위 사이드 슈터식(sideshooter type) 액체 토출 헤드를 사용하여 고속 기록을 가능하게 하는 액체 토출 방법을 제공하는 것이다.

도1의 (a)는 본 발명에 따른 액체 토출 방법이 적용될 수 있는 액체 토출 헤드의 외부 사시도로서 헤드의 전반적인 구조를 도시하며, 도1의 (b)는 도1의 (a)의 액체 토출 헤드의 선 A-A를 따라 취한 액체 토출 헤드의 단면도로서 헤드의 전반적인 구조를 도시하는 도면.

도2의 (a)는 도1의 액체 토출 헤드의 주요부, 즉 하나의 토출 오리피스 및 하나의 액체 통로의 수직 단면도이고, 도2의 (b)는 도2의 (a)에 도시된 액체 토출 헤드의 주요부의 평면도.

도3의 (a) 내지 (g)는 본 발명에 따른 액체 토출 방법이 적용될 수 있는 액체 토출 헤드의 주요부의 단면도로서, 헤드의 작동 단계를 도시하는 도면.

도4는 본 발명에 따른 액체 토출 방법이 적용될 수 있는 액체 토출 헤드와 함께 사용될 수 있는 액체 토출 장치의 일례의 부분 절결 사시도로서, 액체 토출 장치의 전반적인 구조를 도시하는 도면.

도5는 본 발명에 따른 액체 토출 헤드의 주요부의 확대 단면도로서, 본 발명에 의해 해결되는 문제점을 도시하는 도면.

도6은 본 발명에 따른 액체 토출 기록 헤드의 단면도로서, 토출 오리피스의수직으로 테이퍼진 형상을 도시하는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 히터

2: 요소 기판

4: 토출 오리피스

5: 액체 통로

11: 메니스커스

12: 액체 액적

102: 지지 부재

103: 성형 부재

104: 배선 기판

301: 기포

본 발명의 전술한 목적을 성취하기 위한 본 발명의 요지는 다음과 같다.

본 발명에 따른 액체 토출 방법은 액체 내에 기포를 발생시키는 충분한 양의 열에너지를 발생시킬 수 있는 복수개의 전기 열 변환기, 전기 열 변환기와 하나씩 직접 대면하는 복수개의 토출 오리피스, 및 복수개의 액체 통로를 구비하는 액체 토출 헤드를 사용한다. 토출 오리피스들은 300 개/25.4mm 이상의 밀도로 정렬되어 하나씩 액체 통로에 연결된다. 이러한 액체 토출 방법은 전기 열 변환기에 의해 발생된 열에너지에 의해 생성된 기포들이 15×10^-15m³이하의 용적을 갖는 액체 액적을 7kHz 이상의 주파수로 하나씩 토출하고, 기포들이 기포의 내압이 대기압 이하로 되면서 액체를 토출함에 따라 대기로 개방되는 것을 특징으로 하며, 액체 토출 헤드 내의 액체 통로의 높이가 6μm 이상이고, 토출 오리피스의 상부 개구와 하부 개구 사이의 거리가 오리피스의 중심을 통해 토출 오리피스를 가로지른 최소 거리의 절반 이하인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 액체 토출 헤드는 액체 내에 기포를 발생시키는 열에너지를 발생시킬 수 있는 복수개의 전기 열 변환기, 전기 열 변환기에 하나씩 직접 대면하는 복수개의 토출 오리피스, 및 복수개의 액체 통로를 포함한다. 토출 오리피스 및 액체 통로는 300 개/25.4mm 이상의 밀도로 정렬된다. 전기 열 변환기에 대해, 구동 신호가 7kHz 이상의 주파수로 인가된다. 액체 토출 헤드는 기포들이 액체 통로 내에서 생성되고, 기포들이 15×10^-15m³이하의 용적을 갖는 액체 액적을 하나씩 토출하고, 기포들이 기포의 내압이 대기압 이하로 되면서 액체를 토출함에 따라 대기로 개방되는 것을 특징으로 하며, 액체 통로의 높이가 6μm 이상이고, 토출 오리피스의 상부 개구와 하부 개구 사이의 거리가 오리피스의 중심을 통해 토출 오리피스를 가로지른 최소 거리의 절반 이하인 것을 특징으로 한다.

더욱이, 본 발명에 따른 액체 토출 방법은 액체 내에서 기포를 발생시키는 충분한 양의 열에너지를 발생시킬 수 있는 복수개의 전기 열 변환기, 전기 열 변환기에 하나씩 직접 대면하여 배치된 복수개의 토출 오리피스, 및 복수개의 액체 통로를 구비하는 액체 토출 헤드를 사용한다. 토출 오리피스는 300 개/25.4mm 이상의 밀도로 정렬되고, 액체 통로와 하나씩 연결된다. 전기 열 변환기에 의해 발생된 열에너지에 의해 생성된 기포들은 15×10^-15m³이하의 용적을 갖는 액체 액적을 하나씩 토출하고, 기포들은 기포의 내압이 대기압 이하로 되면서 액체를 토출함에 따라 대기로 개방된다. 본 액체 토출 방법은 기포가 대기로 개방된 후에 토출 오리피스 내에 남아 있는 액체가 토출 오리피스로부터 멀리 수축된 액체 통로 내의 액체에 연결되어 있는 공정과, 액체 오리피스 내에 남아 있는 액체가 액체 통로 내의 액체와 합쳐져 토출 오리피스를 재충전하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

전술된 구조의 설비에 의해, 기포가 대기로 개방된 사이드 슈터식 액체 토출 헤드 내의 토출 오리피스는 기록 액체로 막히지 않게 된다. 결과적으로, 토출 오리피스들 중 일부의 토출 오리피스의 갑작스런 토출 실패에 기인하여 기록 중에 원치 않는 백선이 나타나는 것이 신뢰성 있게 방지되어, 고품질 화상을 고속으로 신뢰성 있게 인쇄할 수 있다.

본 발명의 상기 및 다른 목적, 특징 및 이점은 첨부 도면과 관련하여 취해진 본 발명의 양호한 실시예의 이하의 설명을 고려할 때 더욱 명백하게 될 것이다.

제1 실시예

도1의 (a)는 본 발명에 따른 액체 토출 방법이 적용될 수 있는 액체 토출 헤드의 외부 사시도로서, 헤드의 전반적인 구조를 도시한다. 도1의 (b)는 도1의 (a)의 액체 토출 헤드의 선 A-A를 따라 취한 단면도로서, 헤드의 전반적인 구조를 도시한다. 도1에서, 도면 부호 2는 히터로서의 전기 열 요소 및 토출 오리피스가 박막 기술에 의해 형성되어 있는 Si로 형성된 기판을 나타낸다. 전기 열 요소 및 토출 오리피스는 이후에 상세히 설명될 것이다. 이러한 요소 기판(2) 상에는 복수개의 토출 오리피스(4)가 2개의 평행 열로 정렬되어 있어, 도1의 (a)에 도시된 바와 같이 새의 발자국처럼 하나의 열 내의 토출 오리피스(4)는 다른 열 내의 토출 오리피스(4)로부터 열 방향으로 절반 피치만큼 변위되어 있다. 요소 기판(2)은 접착제로 L자형 지지 부재(102)의 일부분에 고정된다. 또한, 지지 부재(102)에는 배선 기판(104)이 고정되며, 배선 기판 상의 배선은 접합에 의해 요소 기판(2) 상의 배선에 전기 접속된다. 지지 부재(102)는 가공성 측면에서 알루미늄으로 형성된다. 도면 부호 103은 성형 부재(molded member)를 나타내며, 지지 부재(102)는 성형 부재(103)에 의해 지지되도록 성형 부재(103) 내로 부분적으로 삽입된다. 성형 부재(103)는 액체(예컨대, 잉크)가 액체 저장부(도시 안됨)로부터 전술된 요소 기판(2)에 제공된 토출 오리피스로 공급되게 하는 액체 공급 통로(107)를 포함한다. 더욱이, 성형 부재(103)는 본 발명에 따른 액체 토출 헤드 전체를 액체 토출 장치 내로 제거 가능하게 설치하여 이를 액체 토출 장치에 제거 가능하게 고정시키는 역할을 하는 부재로서 작용한다. 액체 토출 장치는 이후에 상세히 설명될 것이다.

요소 기판(2)은 요소 기판(2)을 통과하는 연결 통로(105)를 포함하며, 성형 부재(103)의 액체 공급 통로(107)를 통해 공급된 액체가 연결 통로(105)를 통해 토출 오리피스로 공급된다. 연결 통로(105)는 토출 오리피스들로 안내하는 액체 통로들에 하나씩 연결되어, 공통 액체 챔버로서 작용한다.

도2의 (a)는 도1의 액체 토출 헤드의 주요부, 즉 토출 오리피스 및 액체 통로의 수직 단면도이다. 도2의 (b)는 도2의 (a)에 도시된 액체 토출 헤드의 주요부의 평면도이다.

도2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 액체 토출 헤드에는 요소 기판(2) 상의 소정 위치들에서 하나씩 히터(1)로서의 직사각형 전기 열 요소가 제공된다. 히터(1) 위에는, 오리피스 판(3)이 배치된다. 오리피스 판(3)에는 히터(1)의 중앙부와 하나씩 직접 대면하는 직사각형 토출 오리피스(4)가 제공된다. 토출 오리피스(4)의 개구의 크기는 도2의 (b)에서 알 수 있는 바와 같이 도면 부호 So로 나타나 있다.

참조 부호 41 및 42는 토출 오리피스(4)의 상부 및 기부 '표면'을 나타낸다.이러한 실시예에서, 상부 및 기부 '표면'은 토출 오리피스(4)의 상부 및 기부 개구를 가로질러 오리피스의 상부 및 기부 표면들을 연장함으로서 형성된 가상 표면들이다.

도2(a)를 참조하면, 히터(1)와 오리피스판(3) 간의 간극은 액체 통로(5)의 높이(Tn)와 동일하고, 액체 통로벽(6)의 높이에 의해 결정된다. 액체 통로(5)가 화살표 X에 의해 나타낸 방향으로 연장하는 도2(b)를 참조하면, 하나씩 액체 통로(5)에 연결되는 토출 오리피스(4)는 X 방향에 수직인 다수의 평행선으로 정렬된다. 다수의 액체 통로(5)는 또한 공통 액실로서의 기능을 하는 도1(b)에서의 연결 통로(105)에 연결된다. 토출 오리피스의 가상 상부 및 기부 표면(41, 42)들 간의 간격과 동일한 오리피스 통로(3)의 두께는 참조 부호 To로 나타낸다.

다음으로, 전술된 구조를 갖는 액체 토출 헤드를 이용하는 본 발명에 따른 액체 토출 방법의 실시예에 대해 설명하기로 한다.

도3(a) 내지 도3(g)는 본 발명에 따른 액체 토출 방법이 적용되는 액체 토출 헤드의 필수 구성부의 단면도이다. 그 도면들은 헤드의 작동 단계를 도시한다.

도3(a)를 참조하면, 정상 상태에서, 메니스커스(11)는 토출 오리피스의 상부단에 있게 된다. 이러한 상태에서, 구동 전압이 히터(1)에 인가된다. 히터(1)는 메니스커스가 과도한 기포 성장에 의해 과도하게 수축되는 것을 방지하도록 짧은 펄스를 이용하여 구동되는 것이 바람직하다. 액체를 토출하도록 히터(1)에 인가된 전기 펄스의 지속 시간은 3.5μsec 이하인 것이 바람직하다. 이는 다음의 이유에 기인한다. 펄스 지속 시간이 3.5μsec 보다 더 길게 되면, 기포 성장은 과도하게되어, 액체 토출 후에 메니스커스의 위치를 토출 오리피스로부터 지나치게 멀리 위치시킨다. 그 결과, 재충전 시간이 길어지게 되어, 액체 토출 헤드가 고속 기록에 부적절하게 된다. 그것은 멀티 펄스 구동 방법, 즉 토출당 2 이상의 펄스를 인가시키는 구동 방법을 이용하는 것이 가능하다. 그러한 경우에, 예비 펄스, 즉 기록 액체 토출용 메인 펄스의 인가에 앞서 인가된 펄스의 지속 시간은 1.5μsec 이하인 것이 바람직하다. 예비 펄스와 메인 펄스 간의 간격은 2.0μsec 이하인 것이 바람직하다. 예비 펄스의 지속 시간이 1.5μsec를 초과하거나, 예비 펄스와 메인 펄스 간의 간격이 2.0㎛를 초과하게 되면, 기포 성장이 과도하게 되고, 차례로 메니스커스를 더 크게 수축시킨다. 메니스커스의 더 큰 수축으로 인해 액체 토출 헤드가 고주파수에서 액체를 토출하는 것을 불가능하게 하고, 다시 말해, 본 발명의 목적 달성을 불가능하게 한다.

본 발명의 목적을 달성하기 위한 적절한 구동 전압값은 액체 토출을 위한 역치 전압(Vth)의 1.1 내지 1.3배이다. 구동 전압이 역치 전압(Vth)의 1.1배 이하이면, 액체 토출 속도는 과도하게 낮아져, 기포가 발생되고 액체 액적이 토출되게 되면 액체 액적이 소정 진로로 토출되게 된다. 또한, 액체 토출은 고주파수에서 불안정하게 된다. 정반대로, 구동 전압값이 역치 전압(Vth)의 1.3배 이상이 되면, 기포 길이는 과도하게 되어, 메니스커스를 더 크게 수축시키고, 차례로 재충전 시간을 연장시키고, 액체 토출 속도를 과도하게 증가시키며, 액체 액적이 기록 매체와 부딪힐 때 발생하는 얼룩의 양을 증가시킨다. 따라서, 전술된 구동 전압 범위는 본 발명의 바람직한 상태 중 하나이다.

다음으로 도3(b)를 참조하면, 구동 전압이 히터(1)에 인가될 때, 기포(301)는 히터(1)와 접촉한 상태로 액체 내에서 성장하게 된다. 그후, 기포(301)가 성장할 때, 토출 오리피스(4) 및 기포(301)의 상부 측면 상의 액체 통로(5) 내의 액체는 토출 오리피스(4)의 상부단으로부터 증가하게 된다. 이러한 과정 중에, 대기압 이상인 기포(301)의 압력은 대기압 아래로 떨어지기 시작한다.

다음으로 도3(c)를 참조하면, 기포가 더 성장할 때, 토출 오리피스(4) 및 기포(301)의 상부 측면 상의 액체 통로(5) 내의 액체는 토출 오리피스(4)의 상부단으로부터 상향 토출된다. 그러나, 이러한 단계에서, 기포(301)는 대기에 결합되어 있지 않고, 액체 통로(5) 내의 메니스커스는 기포(301)의 추가 성장으로 인해 수축된다. 기포(301)가 대기에 연결되기 바로 직전에, 액체 흐름에 의하여 액체 통로(5) 내의 기록 액체의 전방 단부는 여전히 토출 오리피스(4)의 가상 기부면(42)에 있게 되고, 또한 토출 오리피스(4)의 내부면 상에 잔류한 기록 액체에 결합된다. 기포(301)의 내부압은 기포(301)가 대기에 결합된 상태로 될 때 까지 대기압 이하로 있게 된다. 기포(301)의 내부압이 대기압과 동일하거나 그 이상으로 존재하는 동안 기포(301)가 대기에 결합된 상태로 있게 되면, 토출 오리피스(4)에 인접한 불안정한 액체는 기포(301)와 대기 간의 결합시에 물을 튀기게 된다. 또한, 불안정한 액체를 액체 통로 내의 후방으로 잡아당기는 힘이 존재하지 않게 되어, 토출 오리피스(4)에 인접한 불안정한 액체가 튀기는 것을 방지할 수 없게 된다.

다음으로, 도3(d)를 참조하면, 기포(301)가 대기에 연결되는 것과 동시에 또는 바로 직후에, 액체 액적(12)은 토출 오리피스(4)로부터 토출되어, 토출 오리피스(4)의 상부 모서리를 통과하게 된다. 액체 액적이 토출 오리피스(4)의 상부 모서리를 통과하는 순간에, 토출 오리피스(4) 내의 액체로부터 액체 액적의 분리가 토출 오리피스(4)의 도면에서의 좌측 측면 상에서 발생하게 되면, 토출 오리피스의 내부면 상에 잔류한 전술된 기록 액체의 상당 부분은 토출 오리피스의 전술된 가상 기부면(42)에 잔류한 기록 액체에 의해 하향으로 잡아당겨지고, 결국 액체 통로(5) 내의 기록 액체와 결합하고, 즉 액체 통로(5)로 복귀한다. 메니스커스(11)는 기포(301)와 대기 간의 결합 후에 더욱 수축된다. 이후에, 액체 액적은 도3(e) 내지 도3(g)에 도시된 대로 토출된다. 그후, 기록 액체는 토출 오리피스(4)를 재충전하여 안정화된다.

전술된 프로세스에 관하여, 기포와 대기 간의 결합 후에 토출 오리피스 내에 유지되는 액체가 토출 오리피스로부터 액체 통로로 수축되는 액체와 결합한 상태로 있게 되면, 토출 오리피스 내에 잔류한 이러한 액체는 액체 통로 내의 액체와 결합하게 되어 결국 토출 오리피스를 재충전시키고, 기록 액체가 토출 오리피스의 가상 상부면에 인접 부착되더라도, 전술된 기록 액체와 결합하는 이러한 액체는 토출 오리피스의 내부면에 부착하게 된다. 다시 말해, 토출 오리피스의 가상 상부면에 인접 부착한 이러한 액체가 액체 통로(5) 내의 후방으로 이동되더라도, 기록 액체가 토출되지 않는 전술된 현상은 일어나지 않고, 즉 기록 액체가 신뢰성있게 토출된다.

액체가 액체 액적(12)으로서 토출되는 용적은 액체 토출에 이용되는 액체 토출 헤드의 토출 오리피스 크기등에 의해 결정된다. 이러한 실시예에서의 액체 토출 헤드의 경우에, 액체 액적(12)의 용적은 15×10^-15m³이하로 된다.

기포(301)가 대기에 신뢰성있게 결합되도록 하기 위한 바람직한 조건 중 하나는 To+Tn ≤ 히터 크기로 되는 것이다. 히터 크기는 Sh^1/2을 의미하고, 그 Sh는 히터 가열면의 크기를 나타낸다.

To+Tn ≥ Sh^1/2이 되게 되면, 상대적인 면에서 (To+Tn)의 값이 더 커지게 되면, 기포가 대기에 결합되더라도 결합부에서의 균형의 면에서 부정적으로 작용하는 기포와 대기 간의 결합을 초래하는 인자들은 더 많아지게 된다. 따라서, (To+Tn)와 Sh^1/2간의 적절한 관계가 바람직한 조건이 된다. 또한, To+Tn ≥ Sh^1/2이 되면, 기록 액체는 기포가 대기에 결합되도록 할 필요 없이 토출된다. 다시 말해, 본 발명의 필요 조건 중 하나가 존재하지 않게 된다.

아래에 기술된 액체 토출 헤드의 구조적 특징은 기포와 대기 간의 결합 후에 노즐 내에 잔류한 전술된 액체가 토출 오리피스로부터 액체 통로로 수축되는 전술된 액체와 결합되고, 토출 오리피스로부터 수축된 액체와 접촉한 상태로 있는 이러한 액체가 액체 통로 내의 액체와 결합하여 노즐을 재충전하는 것을 보증하는 본 발명의 실시예로서 기재되어 있다.

(1) 토출 오리피스는 그 종단면이 테이퍼 가공된 상태로 있게 되면 더 효과적이며, 즉 상부면의 중심을 통한 토출 오리피스의 전술된 가상 상부면 간의 최소거리는 기부면의 중심을 통한 토출 오리피스의 전술된 가상 기부면 간의 최소 거리 보다 더 짧다.

도6은 전술된 종단면을 갖는 토출 오리피스의 종단면도이다. 토출 오리피스가 테이퍼 가공되어 있기 때문에, 토출 오리피스의 내부면 상에 잔류한 기록 액체가 액체 통로 내의 잉크와 결합된 상태로 있는 것이 기하학적으로 더 용이하다. 또한, 토출 오리피스의 가상 기부면의 크기가 토출 오리피스의 가상 상부면 보다 더 크기 때문에, 기록 액체가 토출 오리피스를 틀어 막는 것이 더 어려워진다.

(2) 토출 오리피스는 그 수평 단면이 원 또는 사각형의 형태로 있기 보다는 별 모양의 형태로 있게 되면 더 효과적이다. 다시 말해, 기록 액체가 토출 오리피스의 내부면 상에 잔류하는 것이 더 용이하면 할수록, 전술된 프로세스 발생이 더 용이해진다. 이는 다음의 이유에 기인한다. 즉, 토출 오리피스의 수평 단면이 '별(star)'의 형태로 있게 되면, 토출 오리피스의 상부에 부착된 기록 액체가 토출 오리피스의 기부에서 액체에 결합되는 것이 더 용이해지며, 또한 액체 토출시에 토출 오리피스의 효율적인 수평 크기는 별의 인접 내향 모서리를 연결하는 선에 의해 둘러싸여 있는 구역의 크기에 의해 결정된다.

(3) 메니스커스 곡률

토출 오리피스의 내부면 상에 잔류한 액체가 액체 통로 내의 액체와 결합하는 것을 더 용이하게 하기 위해, 액체 통로 내에 형성된 메니스커스가 발생하는 부압을 가능한 크게 하는 것이 바람직하다. 메니스커스가 더 큰 부압을 발생하도록 하기 위해, 재충전 시간이 과도하게 증가하지 않는다면 액체 통로의 높이 및 단면을 가능한 작게 하는 것이 바람직하다.

바람직한 실시예 (1) 내지 (3)을 강화하기 위해, 토출 오리피스의 기부측이 기록 액체에 의해 더 용이하게 적셔지는 것이 특히 바람직하다 (오리피스가 친수성이 되도록 처리된다).

(4) 토출 오리피스에 부착되는 액체의 용적

기록 액체가 토출 오리피스를 틀어 막는 것을 방지하기 위해, 토출 오리피스의 상부에 잔류한 액체의 양, 즉 과도한 액체의 양이 가능한 적게 되도록 제어가 실행되는 것이 바람직하다. 그렇게 하기 위해, 토출 오리피스의 상부가 소수성을 제공하도록 처리되어, 토출 오리피스의 내부면의 상부에 부착한 액체의 작은 패치가 서로 결합하고 성장하는 것을 차단하는 것이 중요하다. 다시 말해, 토출 오리피스의 내부면의 상부가 가능한 방수되는 것이 중요하다. 또한, 친수성 구역이 토출 오리피스의 방수성 상부로부터 멀리 배치되는 것이 효과적이다.

다음으로, 전술된 액체 토출 헤드로부터 액체가 어떻게 토출되는 지를 결정하는 인자들에 대해서는 오리피스판 형태의 관점으로부터 더 상세히 설명하기로 한다.

기록 액체 토출 후의 토출 오리피스의 내부벽 상에 잔류한 액체는 토출 오리피스 내에 메니스커스를 형성한다. 현재, 기록 액체의 상대 압력(P)은,

P = -γ(1/r1 - 1/r2)

r1 < r2 → P < 0

r1 > r2 → P > 0

여기에서, r1은 위로부터 알 수 있는 바와 같이 메니스커스의 중심을 통해 토출 오리피스 내에 형성된 메니스커스 간의 최소 거리의 1/2을 나타내고, r2는 메니스커스의 곡률(액체 통로에 평행하고 메니스커스의 중심을 내장한 평면에서 메니스커스 단면의 곡률)에 대응하는 반경을 나타내고, γ는 기록 액체의 표면 장력을 나타낸다. 기록 액체가 토출 오리피스의 가상 상부면에 인접하여 존재하더라도 이러한 액체를 P > 0일 때 토출 오리피스로 잡아당기는 것이 더 어렵기 때문에, 토출 오리피스는 P > 0일 때 기록 액체로 덜 막히게 된다.

r1의 값은 토출 오리피스의 직경(≒ So^1/2)에 비례하고, r2의 값은 두께(To)에 비례한다.

전술된 관계를 기초로 하여, 본 발명의 발명자들은 토출 오리피스가 기록 액체로 막히게 되는 전술된 현상을 방지하는 구조적 요건, 즉 단면의 중심을 통한 토출 오리피스의 수평 단면 간의 최소 간격 및 오리피스판 두께에 관한 요건을 고려하여 생성된 다양한 액체 토출 헤드를 시험하였다. 그 결과, 액체 통로 내의 액체가 기포와 대기 간의 결합 직후에 토출 오리피스의 가상 기부면과 접촉하지 않더라도, 전술된 현상 또는 기록 액체에 의한 토출 오리피스의 막힘 현상이 발생하는 비율은 단면의 중심을 통한 토출 오리피스의 수평 단면 간의 최소 거리가 오리피스판 두께의 2배인 지점 맞은편에서는 완전히 달라지게 된다. 즉, 단면의 중심을 통한 토출 오리피스의 수평 단면 간의 최소 거리가 오리피스판 두께의 2배 또는 그 이상일 때(토출 오리피스의 가상 상부면 및 기부면 간의 거리가 단면의 중심을 통한 토출 오리피스의 수평 단면 간의 최소 거리의 1/2이라면), 전술된 현상이 발생하는비율은 매우 낮아지게 된다.

반대로, 수평 부분의 중앙을 통해 토출구의 수평 부분을 가로지르는 최소 거리가 단지 오리피스 판 두께의 2배라면(토출구의 가상의 상부 및 하부 표면 사이 거리가 토출구의 수평 부분을 통해 수평 부분을 가로지르는 최소 거리의 절반 정도 된다면), 전술한 현상이 발생되는 비율은 아주 크게, 즉 실용상의 관점에서 문제가 발생되기에 충분하게 된다.

본 발명에 있어서, 기록 액체가 토출되는 방향에 수직한 토출구의 전술한 수평 부분이 사실상 진 원(true circle)의 형태이라면, '토출구의 수평 부분의 중앙을 통해 수평 부분을 가로지르는 최소 거리'는 토출구의 사실상 원형의 수평 부분의 직경으로 정의될 수 있다. 토출구의 수평 부분이 정사각형이라면 4개 측면 중의 한 측면의 길이로 정의될 수 있고, 직사각형이라면 짧은 측면의 길이로서 정의될 수 있고, 계란형이라면 가장 짧은 직경의 길이로 정의될 수 있고, 토출 방향에 평행한 토출구의 수직 부분이 테이퍼진 부분을 갖는다면 토출구의 중앙을 통해 이 토출구를 가로지르는 최소 거리로 정의될 수 있다.

다음으로, 고주파수로 액체 토출 헤드를 구동하는 데에 필요한 조건이 설명된다. 액체 토출 헤드를 고주파수로 구동하기 위해, 재충전 시간이 단축되어야 한다. 재충전 시간은 (1) 메니스커스 수축의 최대량, (2) 재충전용 액체를 구동하기 위한 힘으로서의 모세관력, 및 (3) 재충전 중의 액체 경로의 점성 저항에 의해 결정된다.

(1) 최대 메니스커스 수축량이 작을수록, 재충전 시간이 짧아진다. 따라서, 메니스커스 수축량은 소정 용적의 액적이 신뢰성 있게 토출되는 한에는 가급적 작은 것이 바람직하다. 이러한 요구 조건을 충족시키기 위해, 구동 펄스의 기간이 3.5 ㎲ 정도로 설정되는 것이 바람직하다.

(2) 모세관력은 재충전 중에 잉크를 구동하는 작용력이며, 따라서 일반적으로는 가급적 큰 것이 바람직하다. 다시 말해서, 기록 액체의 표면 장력은 가급적 높은, 양호하게는 0.025 N/m 이상인 것이 바람직하다.

일반적으로, (3) 액체 통로의 액체 점성 저항은 가급적 작은 것이 바람직하다.

전술한 조건들은 액체 통로 내의 전술한 액체들이 토출구의 내부 표면상에 잔류하는 액체에 연결되는 것을 용이하게 하기 위한 것이다. 따라서, 이러한 조건들이 충족될 때, 본 발명에 의한 액체 토출 헤드는 보다 신뢰성있게 기록 액체를 토출할 수 있다.

(2) 모세관력과 (3) 액체 통로의 점성 저항은 메니스커스 진동이 재충전 완료 후에 과다하게 크지 않도록 설정되어야 한다는 것을 명심해야 한다.

재충전 중에 본 발명에 의한 액체 토출 헤드고주파수로 구동되는 실용적인 수준으로 액체 통로의 점성 저항을 감소시키는 조건에 관해서는, 액체 통로의 높이(Tn)가 6 ㎛ 이하, 즉 6 ㎛≤Tn이어야 한다는 것을 발견하였다. 만약 6 ㎛≤Tn, 즉 액체 통로의 높이가 과다하게 감소된다면, 액체 통로의 점성 저항은 과다하게 증가하고 재충전 시간을 연장시키고, 따라서 액체 토출 헤드는 고주파수로 구동될 수 없다. 액체 통로의 점성 저항이 낮게 유지되도록, 그 점도가 과다하게높지 않은 기록 액체를 사용하는 것이 필요하게 된다. 다시 말하면, 기록 액체의 점도는 0.05 N/s 정도인 것이 바람직하다.

왜곡(distortion)의 관점에서 바람직한 화상, 즉 왜곡량이 작은 화상을 인쇄하기 위해, 액적이 토출되는 속도는 10 내지 30 ㎧, 양호하게는 10 내지 20 ㎧인 것이 바람직하다. 액적이 토출되는 속도가 10 ㎧ 미만이라면, 액적은 기록 매체 상의 소정 지점에 미치지 못하기가 쉽고, 이는 인쇄 화질의 저하를 초래한다. 토출 속도가 30 ㎧를 초과한다면, 토출 액적은 기록 매체에 부딪힐 때 튀겨져서 안개를 형성하기가 쉽다. 또한, 액체 토출 속도에 대한 전술한 조건이 충족된다하더라도, 오리피스 판의 두께가 과다하게 감소된다면 액적이 토출되는 방향이 불안정하게 되고 오리피스 판(3)의 기계적 강도가 감소될 수 있다. 그러므로, 오리피스 판은 특정 두께를 가질 필요가 있다. 보다 상세하게는, 오리피스 판의 두께는 적어도 4 ㎛일 필요가 있다.

본 발명의 전술한 실시예에 의한 액체 토출 헤드는 본 발명에 의한 액체 토출 방법을 실시하기 위해 액체 토출 장치, 예컨대 도4에 도시된 장치 내에 장착될 수 있다.

다음으로, 액체 토출 장치의 예를 도4를 참조하여 설명한다.

도4에 의하면, 도면 부호 200은 전술한 액체 토출 헤드가 제거가능하게 장착되는 캐리지를 나타낸다. 액체 토출 장치에 있어서, 4개의 액체 토출 헤드는 다양한 색상의 잉크를 수용하기 위해 사용되며 옐로우색 잉크용 잉크 컨테이너(201Y), 마젠타색 잉크용 잉크 용기(201M), 시안색 잉크용 잉크 용기(201C) 및 블랙색 잉크용 잉크 용기(201B)와 함께 캐리지(200) 상에 장착된다.

캐리지(200)는 안내축(202)에 의해 지지되고, 모터(203)에 의해 전후방으로 구동되는 무단 벨트(204)에 의해 안내축(202)을 따라 왕복할 수 있다. 무단 벨트는 풀리(205, 206) 주위에 권취된다.

기록 매체로서의 한 장의 기록 용지(P)는 방향(A)에 수직한 화살표(B)로 표시된 방향으로 간헐적으로 이송된다. 기록 용지(P)는 한 쌍의 상부 롤러(207, 208)와 한 쌍의 하부 롤러(209, 210)에 의해 물려서(pinch) 이송되는 동안에 평평하게 유지되도록 특정량의 인장력이 주어짐으로써 보유될 수 있다. 롤러 유닛은 구동부(211)에 의해 구동된다. 그러나, 이 장치는 롤러 유닛이 전술한 모터에 의해 구동되도록 구성될 수 있다.

캐리지(200)는 또한 필요한 경우에 각 인쇄 작업의 초기에 초기 위치(home position)에 정지한다. 하나에 하나씩 4개의 헤드를 캡핑(capping)하기 위한 캡핑 부재(212)가 초기 위치에 위치된다. 캡핑 부재(212)는 진공 수단에 연결되고, 이는 토출구를 진공화시킴으로써 토출구가 막히는 것을 방지한다.

(제1 및 제2 실시예)

도2의 (a) 및 (b)에 도시된 액체 토출 헤드가 제조되었고 그 성능이 시험되었다. 그 결과는 표1에 기재되어 있다. 토출구는 2개의 평행선으로 정렬되었고, 도1의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이 한 선상의 토출구는 다른 선상의 토출구로부터 1/2 피치만큼 선 방향으로 이동되었다. 보다 상세하게는, 각 선에서 토출구는 300 dpi의 피치로 배치되고 한 선상의 토출구는 다른 선상의 토출구로부터 선 방향으로 25.4 ㎜만큼 이동된다. 다시 말하면, 토출구는 새의 발자국(footprint of the bird) 처럼 배치된다. 결과적으로, 헤드의 주요 주사 방향에 수직한 방향으로의 토출구 밀도는 600 dpi(25.4 ㎜당 600개의 토출구)가 된다. 토출구의 수평 부분의 중앙을 통해 수평 부분을 가로지르는 최소 거리는 22 ㎛이었고, 토출구는 그 수평 부분이 정사각형이 되도록 형상화되었다. 각 토출구 개구의 크기(So)는 484 ㎛²(= 22 ㎛ x 22 ㎛)이었다. 이러한 사양에 있어서, 액체 유동 방향으로의 유효 기포 발생 영역의 길이는 26 ㎛이었고, 액체 공급원 측면에서의 유효 기포 발생 영역의 중앙으로부터 유효 기포 발생 영역의 모서리로의 거리는 13 ㎛이었다. 각 히터의 가열 표면의 크기는 936 ㎛²(= 26 ㎛ x 32 ㎛)이었다.

제1 실시예 및 제2 실시예에 있어서, 액체 유동로의 높이(Tn)는 각각 12 ㎛ 및 6 ㎛가 되도록 제조되었고, 오리피스 판의 두께(To)는 각각 9 ㎛ 및 11 ㎛이 되도록 제조되었다. 또한, 각 히터의 표면을 가로질러 0.6 ㎛ 두께의 전기적 절연막(SiO₂) 및 0.3 ㎛ 두께의 패시베이션 막(passivation film; Ta)이 형성되었다.

기록 잉크에 대해서는, 다음의 조성을 갖는 잉크가 사용되었다.

TiO15%

글리세린 5%

요소 5%

이소프로필 알코올 4%

물잔량

이 잉크의 점도는 1.8x10-2이고, 표면 장력은 0.038 N/m이고, 밀도는 1040 kg/m³이다.

전술한 바와 구성된 액체 토출 헤드(기록 헤드)는 히터에 12 V의 전압(Vop)을 인가할 수 있는 동력원을 사용하여 7 ㎑의 주파수로 구동되었다. 구동 펄스의 간격은 1.9 ㎲로 설정되었다. 히터에 인가된 구동 펄스의 간격이 1.9 ㎲일 때, 잉크가 토출되기에 필요한 최소 전압(Vth; 한계 전압)은 9.9 V로 설정되었다. 따라서, Vop/Vth는 1.21이었다. 헤드가 상기의 조건으로 구동되었을 때 사용될 수 있는 이러한 헤드의 다양한 형태에 관한 성능 또는 특성은 표1에 주어진다.

이러한 조건하에서, 다수의 A3 용지 또는 기록지가 연속적으로 공급되는 인쇄 작업이 수행되었다. 토출구의 중앙을 통한 토출구의 최소 교차 거리(D)는 22㎛이었고, 이는 토출구의 가상의 상부 표면과 하부 표면 사이의 거리와 동일한 오리피스 판 두께(To)의 2배 정도이었다. 실제 사용시 아무런 문제점을 발생시키지 않는 상기의 성능 수준을 초과하여 중단 없이 기록지의 A3 용지의 전체 표면 또는 그 이상을 가로질러 인쇄가 수행될 수 있는 정도의 성능이었다. 다시 말하면, 상기 헤드는 신뢰성이 있었다.

상기 헤드는 토출 속도의 관점에서 헤드가 사용되지 않는 동안에 잉크 점도가 증가하는 상황을 처리할 수 있을 만큼 충분히 빨랐다. 특히, 양호하게는 그 점도가 5x10^-2N/m 이상인 잉크를 처리할 수 있었다. 잉크 점도가 10x10^-2N/m 이상으로 증가하였을 때, 즉 잉크 점도가 과다하게 높을 때, 잉크 토출 속도는 10 ㎧ 이하로 감소하였다. 그 결과, 잉크 액적은 기록 매체 상의 소정의 지점을 맞추지 못했다. 본 발명의 목적을 달성하는 것을 보장하기 위해, 잉크의 표면 장력은 바람직하게는 가급적 높게 된다. 그러나, 잉크의 표면 장력은 잉크 토출 속도뿐만 아니라 잉크 액적이 기록 매체에 충돌할 때 어떻게 거동하는 지를 고려하여 결정되어야 한다. 따라서, 잉크의 표면 장력은 30x10^-2N/m보다 작지 않은 것이 바람직하며, 잉크가 기포에 의해 바람직하게 토출될 수 있는 한 그 상한선에 대한 어떠한 제한도 없다. 잉크의 표면 장력이 30x10^-2N/m 이하이라면, 잉크에 의해 발생되는 모세관력은 재충전을 위해 잉크를 구동하는 작용력으로 기능할만큼 충분히 높지 않게 된다. 그러므로, 재충전 시간은 길게 되고, 이러한 긴 재충전 시간은 헤드가 높은 주파수로 구동되는 것을 불가능하게 하는 문제점을 발생시킨다.

전술한 실시예에 있어서, 재충전 시간은 액체 토출 펄스의 작용한 시기로부터 계수하여 75 ㎲이었다. 이후의 메니스커스 진동은 감지되지 않는 수준이었고, 사실상 인쇄 화질에 영향을 주지 않았다.

이 실시예에 있어서, 히터 보호막은 얇게 되었고, 펄스 간격은 짧게 설정되었다. 결과적으로, 기포 성장량은 상대적으로 작게 되었다. 다시 말하면, 재충전 시간은 재충전 시간을 증가시키는 대신에 메니스커스 수축량을 감소시킴으로써 감소되었다.

또한, 히터(1)용 보호 층은 (0.6 ㎛ 두께의) SiO₂로 제조되었고, (0.3 ㎛ 두께의) 패시베이션 막은 Ta로 제조되었다. 이들 막은 히터 내구성이 적절히 길다면 가급적 얇은 것이 바람직하다. 보호 층의 두께를 감소시키는 것은 펄스 작동 시기와 기포 성장 시기 사이에서 히터로부터 잉크로 전달되는 열 에너지의 전체 양을 감소시키는 것을 가능하게 한다. 따라서, 보호 층 두께의 감소는 기포 생성 후의 기포 성장량을 감소시키는 것이며, 결과적으로 메니스커스 수축량을 감소시키는 것이다. 보호 층이 SiO₂또는 SiN으로 제조될 때, 그 두께는 1 ㎛ 이하가 되는 것이 바람직하다. 명백하게는, 현저히 내부식성인 백금 또는 그와 유사한 재료가 히터 재료로서 사용된다면 보호 층이 제거될 수도 있다.

액체 통로 내에 발생된 기포가 토출구를 통해 대기로 연결되는 본 발명에 의한 액체 토출 헤드에 있어서, 단위 토출당 토출되는 잉크의 용적은 히터, 액체 통로 및 토출구의 기하학적 형상에 의해 통상 결정된다. 다시 말하면, 기포 성장량은 아주 넓은 범위에 있게 되며, 이 때 단위 토출당 토출되는 잉크의 용적은 기포 성장 감소에 의해 영향을 받지 않는다.

(제1 내지 제4 비교예)

제1 비교예 내지 제4 비교예에서 사용된 액체 토출 헤드는, 이들 비교예에서 액체 통로의 높이가 제1 및 제2 실시예에서 액체 통로의 높이와 다르다는 점을 제외하고는 제1 및 제2 실시예에서 사용된 것과 동일하다. 즉, 제1 및 제2 실시예에서 액체 통로의 높이(Tn)는 12 μm 및 6 μm이나, 제1 비교예 내지 제4 비교예에서 액체 통로의 높이는 각각 6 μm, 4 μm, 6 μm 및 5.5 μm이었다. 제1 내지 제4 비교예에서, 오리피스 판의 두께(To)는 각각 12 μm, 9 μm, 11 μm 및 11 μm이며, 오리피스의 중심을 통한 각 토출 오리피스의 개구의 최소 거리는 오리피스 판 두께(To)의 두 배 미만이었다.

가상 상부 및 하부 면 사이의 거리와 동일하게 설정된 오리피스 판 두께(To)가 개구의 중심을 통해 토출 오리피스의 개구의 최소 거리(D)의 절반보다 큰 제1 내지 제3 비교예에서, 액체 토출 헤드가 종종 액체 또는 잉크를 토출하는 데 실패하였다. 액체 통로의 높이가 6 μm 미만인 제2 및 제4 비교예에서, 액체 토출 헤드가 높은 주기의 구동에 적절하지 않을 정도로 재충전 시간이 길었다.

이는 표1에서 기록되지는 않았지만, (To + Tn)의 값이 Sh^1/2(　 31 μm)보다 크면, 버블이 대기에 연결된 때 메니스커스 및 액적의 행동은 화질에 부정적으로 영향을 미친다.

(제3 내지 제5 실시예 및 제5 내지 제10 비교예)

도2의 (a) 및 도2의 (b)에서 도시된 액체 토출 헤드가 제조되었으며, 그 성능이 시험되었다. 그 결과는 표2에서 주어졌다. 토출 오리피스는 도1의 (a) 및 도1의 (b)에서 도시된 바와 같이 두 개의 평행 라인으로 정렬되었다. 특히, 각각의 라인에서, 토출 오리피스가 600 dpi의 피치로 배치되었으며, 하나의 라인 내의 토출 오리피스는 라인 방향으로 다른 라인의 토출 오리피스로부터 피치의 절반만큼 배치되었다. 즉, 토출 오리피스는 새의 발자국과 같이 배치되었다. 따라서, 헤드의 주 스캐닝 방향에 수직한 방향으로 토출 오리피스 밀도는 1200 dpi가 되었다. 제3 내지 제5 실시예에서 각 토출 오리피스의 개구의 크기는 227 μm²(= Φ17 μm), 225 μm²(= 15 평방 μm) 및 234 μm²이었다. 제3 내지 제5 실시예 각각에서, 각 히터의 가열 면의 크기(Sh)는 576 μm²(24 μm x 24 μm)이었다.

제3 내지 제5 실시예에서, 제1 및 제2 실시예에서 사용된 것과 동일한 잉크가 사용되었다.

각 잉크 경로의 높이(Tn)는 제3 및 제4 실시예에서는 12 μm, 제5 실시예에서는 6 μm로 제조되었다. 오리피스 판의 두께(To)는 제3 실시예에서는 7 μm, 제4 실시예에서는 6 μm로 제조되었다. 제5 실시예에서는, 오리피스 판의 두께는 9 μm이었다.

제5 내지 제10 비교예에서, 각 토출 오리피스의 크기(So)는 각각 200 μm², 314 μm², 227 μm², 202 μm²(14.2 평방 μm), 324 μm², 324 μm²로 제조되었다.각 히터의 가열 면의 크기(Sh)는 제3 내지 제5 실시예의 히터의 가열 면의 크기와 동일하게, 570 μm²(24 μm x 24 μm)로 제조되었다. 제5 내지 제10 비교예에서 각 액체 통로의 높이(Tn)는 각각 12 μm, 4 μm, 8 μm, 12 μm, 6 μm 및 5.0 μm로 제조되었으며, 각 오리피스 판의 두께(To)는 각각 9 μm, 11 μm, 9 μm, 9 μm, 9.5 μm 및 9 μm로 제조되었다.

히터의 시트 저항은 53 오옴이었다.

상술된 구조의 액체 토출 헤드(기록 헤드)는 히터에 9.0 V의 전압(Vop)을 가할 수 있는 전원을 사용하여 10 kHz으로 구동된다. 각 구동 펄스의 지속시간은 2.7 μsec로 세팅되었다. 히터에 가해지는 구동 펄스의 지속시간이 2.7 μsec일 때, 잉크가 토출되기 위해 필요한 최소 전압(Vth)(개시 전압)은 7.2 V였다. 따라서, Vop/Vth는 1.25이었다. 상술된 상태(9V/2.7V μsec)에서 헤드가 구동될 때 실현되는 본 헤드의 여러 가지 면을 고려한 성능 또는 특성, 및 잉크가 통상적으로 토출되는 잉크를 통해 연속 기록 시트(A3 시트 기록 용지)의 수는 표2에서 주어진다.

표2로부터 알 수 있는 바와 같이, 제3 내지 제5 실시예에서, 잉크가 통상적으로 토출되는 인쇄를 통해, 연속 기록 시트의 수는 비교예에서보다 매우 컸다. 이는, 본 발명이 몇몇 잉크 토출 오리피스가 잉크를 토출하는 데 실패한 경우 나타날 수 있는 라인 중의 원치 않았던 형상을 성공적으로 방지하였다는 것을 증명한다.

D/To를 살펴보면, 제3 내지 제5 실시예에서 D/To는 2 이상이며, 제5 내지 제9 비교예에서 D/To는 2 이하이었다. 특히, 제5 내지 제9 비교예에서, 잉크가 통상적으로 토출되는 인쇄를 통한 연속 기록 시트의 수는 작았으며, 또한 토출 실패에 의한 원치 않는 흰 라인이 명백히 관찰되었다. 따라서, D/To는 2 이하인 것이 바람직하다. 제10 비교예에서, D/To는 2.0이며, 각 액체 통로의 높이(Tn)는 5.0 μm로 오히려 낮았다. 따라서, 헤드가 10 kHz 이상의 주파수로 구동될 때, 액체통로는 충분히 빨리 재충전될 수 없으며, 따라서, 통상의 화상보다 색상이 가벼운 화상이 인쇄되었다. 즉, 잉크가 통상적으로 토출되는 인쇄를 통한 연속 기록 시트의 수는 작았다.

재충전 시간에 관해서는, 제7 비교예에서 재충전 시간은 95 μsec이었으며, 이는 상술된 주파수에서 헤드를 구동할 정도로 충분히 빠른 것이었다. 그러나, 제6 비교예에서 재충전 시간은 920 μsec이었으며, 이는 10 kHz의 구동 주파수에 대해 충분히 빠르지 않았다. 이는 제6 비교예에서 Tn이 4 μm이며 이는 오히려 작다는 점 때문에다. 따라서, 재충전 시간에 관한 한, 높이(Tn)는 6 μm 이상이 바람직하다.

제4 실시예 및 제8 비교예에서, 각 토출 오리피스의 개구는 진원 형태인 다른 실시예 및 비교 실시예에서의 형상과는 달리 정방형이었다. 토출 오리피스의 개구의 형상이 진원형인 제6 비교예에서도, 갑작스런 토출 실패가 토출 오리피스의 개구가 진원형인 다른 헤드에서와 마찬가지로 발생되었다. 제4 실시예에서, D/To는 2.5이었으며, 이는 2 이상이기 때문에 바람직하였다. 토출 오리피스의 개구가 정방형이었지만, 갑작스런 토출 실패는 발생되지 않았다. 버블에 의해 발생된 압력에 의해 야기된 변형의 고려시, 오리피스 판의 두께(To)는 4 μm 이상인 것이 바람직하다.

특히, 칼라 밀도 및 갑작스런 토출 실패의 견지에서 상술된 실시예 및 비교에를 정확히 평가하기 위해, 각 기록 용지 시트가 잉크로 '완전히(solidly)' 덮이도록 잉크 토출 헤드가 작동되었으며, 그 결과가 평가되었다. '완전히' 덮인다는것은 각 기록 용지 시트의 인쇄 가능한 면적을 잉크 도트로 100% 덮는다는 것을 의미한다. 이러한 시험에서, 다수의 A3 크기(JIS) 기록 용지 시트가 연속 공급되었다. 액체 토출 헤드를 평가하는 기준으로서 중요한 것은 연속 공급된 기록 용지 시트중 적어도 하나의 전체를 완전히 덮도록 잉크 토출 헤드가 잉크를 통상적으로 토출할 수 있느냐 여부이다. 칼라 밀도가 떨어지기 시작하거나 또는 갑작스런 토출 실패가 발생되면 (헤드가 적절하지 못하면), 소정의 잉크 토출 헤드가 잉크로 기록 용지 시트의 전체를 덮도록 사용되는 동인, 헤드는 부적절한 것으로 판단되며, 이 경우, 인쇄 작업은 추가의 시간을 필요로 하는 회복 작업 등을 수행하기 위해 중단되어야 한다. 즉, 중단 없이 그리고 화질의 저하 없이 액체 토출 헤드가 잉크로 기록 용지의 적어도 하나의 시트(A3)를 완전히 덮는 것을 보장하는 것이 중요하다.

어떠한 경우에도, 버블이 대기에 연결될 수 있게 하는 액체 토출 헤드로부터 15 x 10^-15m³미만의 부피를 갖는 잉크 액적이 토출될 때 발생되는 문제점에 대해, 액체 토출 헤드 구조 및 액체 토출 방법에서, 본 발명은 실제적인 해결책을 제시한다.

(기타)

본 발명은 잉크 제트계 기록 헤드 및 잉크 제트계 기록 장치에, 특히, 잉크를 토출하기 위해 사용되는 에너지로서 열 예너지를 발생시켜 열 에너지를 사용하여 잉크의 상태를 변화시키는 수단(예를 들어, 전열 변환기, 레이저 비임 발생 요소 등)을 구비한 장치에 적용될 때 우수한 결과를 가져온다. 이는 이러한 잉크 제트 시스템에 따르면 높은 정밀도의 화상을 형성하도록 높은 밀도로 기록이 이루어질 수 있다는 점 때문이다.

이러한 기록 헤드 또는 기록 장치에 대한 구조 및 액체 토출 원리에 대해, 미국 특허 제4,723,129호 및 4,740,796호의 명세서에서 개시된 것이 바람직하다. 이들 특허에서 개시된 시스템은 소위 온디맨드형(on-demand type) 및 연속 타입 모두에서 사용될 수 있으며, 다음과 같은 이유 때문에, 특히 온디맨드형이 좋다. 즉, 온디맨드형에서, 각 전열 변환기는 액체(잉크)가 유지되는 액체 통로 또는 시트를 향하도록 배치된다. 액체를 토출하기 위해, 액체 내에서 소위 막비등이 개시되는 지점으로 액체 온도를 급격히 증가시킬 정도로 충분히 큰 양의 열 에너지를 발생시킬 수 있는 적어도 하나의 신호가 기록 데이터에 따라 전열 변환기에 가해진다. 즉, 버블은 구동 신호에 의해 하나씩 대응하여 액체(잉크) 내에 형성된다. 각 버블은 성장하여 접촉되기 때문에, 액체는 기록 데이터에 대응하는 특정 토출 오리피스의 개구를 통해 액적(적어도 하나의 액적)의 형태로 토출된다. 펄스 형태의 구동 신호가 버블을 순간적으로 그리고 적절히 성장시켜 접촉시키기 때문에, 즉, 구동 신호가 펄스 형태일 때 헤드 리스폰스가 우수하기 때문에, 구동 신호는 펄스 형태인 것이 양호하다.

특히, 미국 특허 제4,463,359호 및 제4,345,262호에서 개시된 펄스 형태의 구동 신호와 같은 구동 신호가 적절하다. 특히, 미국 특허 제4,313,124호의 명세서에서 기록된 전열 변환기의 열 방출면에서 온도 증가율에 대한 상태가 사용되면, 인쇄 화질은 더욱 증가될 수 있다.

본 발명은 토출 오리피스가 다수의 전열 변환기에 의해 공유된 슬릿으로 구성된 일본 특허 공개 공보 1984-123670호에서 개시된 기록 헤드 구조에 적용될 때 또는 열 에너지에 의해 발생된 압력파를 흡수하기 위한 개구가 액체 토출 부분을 직접 향하게 위치된 일본 특허 공개 공보 1984-138461호에서 개시된 기록 헤드 구조에 적용될 때 특히 효과적이다. 즉, 본 발명은 상술된 바와 같이 구조와는 관계 없이 신뢰성 및 효율의 견지에서 기록 헤드를 개선시킨다.

또한, 본 발명은 풀라인형(full-line type), 즉, 길이가 기록 장치의 최대 기록 범위(즉, 기록 장치에 의해 수용될 수 있는 기록 매체의 최대 용지의 화상 기록 가능한 면적의 폭)와 동일한 기록 헤드에 효과적으로 적용 가능하다. 풀 라인 기록 헤드는 결합된 길이가 풀라인 기록 헤드의 길이와 동일한 다수의 기록 헤드의 결합에 의해 구성될 수도 있으며, 또는 일 편의 긴 기록 헤드로서 형성될 수도 있다.

본 발명은 고정형 기록 헤드, 칩형(chip type) 기록 헤드, 또는 카트리지형 기록 헤드의 형태일 수도 있는 상술된 직렬형 기록 헤드에 효과적으로 적용 가능하다. 고정형 기록 헤드는 기록 장치의 주조립체에 고정된 기록 헤드이다. 칩형 기록 헤드는 기록 장치의 주조립체에 이동 가능하게 설치될 수 있는 교환식 헤드이다. 칩형 기록 헤드는 기록 장치의 주조립체에 설치되기 때문에, 주조립체에 전기 접속되며, 잉크가 공급된다. 카트리지식 기록 헤드는 잉크 용기를 일체로 포함하는 헤드이다.

기록 헤드에 토출 성능 복구 수단, 기록 토출전 액체를 토출하는 수단 등을제공하는 것이 본 발명의 효용성을 보장하기 때문에 바람직하다.

구체적으로, 이들 수단은 기록 헤드를 캡핑하는 수단, 기록 헤드를 세척하기 위한 수단, 기록 헤드에 양압 또는 음압을 인가하는 수단, 기록 토출 전에 기록 헤드 및 잉크를 가열하는 수단 및 기록 토출 전에 잉크를 토출하는 수단이다. 기록 토출 전에 기록 헤드 또는 잉크를 가열하는 수단은 기록 토출용 전열 변환기, 기록 토출용과는 다른 전열 변환기 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다.

기록 장치에 장착된 기록 헤드의 형태와 기록 헤드의 수에 있어서는 제한이 없다. 예를 들어, 기록 장치에 장착된 기록 헤드의 수는 기록 장치가 단색 모드로만 작동하는 프린트인 경우에서처럼 단지 하나로 될 수도 있고, 상이한 색상 또는 농도의 화상을 인쇄하도록 다수의 잉크들을 사용하는 기록 장치에서처럼 복수개로 될 수도 있다. 다시 말해서, 본 발명은 주 인쇄 모드용 또는 흑색 모드용으로 단색 기록 헤드만을 갖춘 기록 장치뿐만이 아니라 예를 들어, 다색 모드, 색상 혼합에 의한 전색 모드 및 단색 모드를 포함하는 상기와 유사한 모드 등의 다수의 기록 모드로의 인쇄를 위하여 서로 일체로 되거나 별도로 된 다수의 기록 헤드를 갖춘 기록 장치에도 효과적으로 적용할 수 있다.

본 발명의 실시예에 대한 상기 설명에서, 잉크는 액체 형태의 잉크인 것으로 설명되었다. 그러나, 본 발명은 정상 실온 또는 그 아래의 온도에서 고체로 유지되고 정상 실온 위의 온도에서 액화되는 잉크를 사용할 수도 있다. 일반적으로, 잉크 제트 시스템에서는 잉크의 점도를 잉크 토출이 안정적으로 유지되는 범위 내에서 유지하기 위하여 잉크 온도는 30 ℃ 이상 70 ℃ 이하의 범위 내에서 유지되도록 제어된다. 따라서, 본 발명에 따른 기록 헤드에 사용되는 잉크는 기록 신호가 인가되는 시간에 액화되는 잉크일 수 있다. 고체 잉크를 사용하면 추가의 장점을 제공하게 된다. 예를 들어, 잉크의 상태를 고체 상태로부터 액체 상태로 변경시키는 데 과도한 에너지를 사용함으로써 과도한 에너지에 의해 야기되는 과도한 온도 증가를 방지할 수 있다. 고체 상태로만 유지되어 열이 인가됨으로써 액화되는 잉크는 잉크 증발을 방지하는 데 사용될 수 있다. 어느 경우에도, 본 발명은 예를 들어 기록 신호에 의해 발생된 열 에너지에 의해서만 액화되어 액체 형태로 토출되지만 기록 매체에 도달되는 순간에 응고되기 시작하는 고체 잉크 등의 상기에 설명한 어떠한 형태의 잉크도 사용할 수 있다. 이러한 잉크의 일례로는 일본 공개 특허 출원 제56847/1979호 또는 제71260/1985호에 개시된 것이 있으며, 여기서 고체 또는 액체 상태의 잉크는 다공성 재료로 된 시트의 오목부 또는 관통공에 보유되어서 전열 변환기에 직접 대면하게 된다. 이러한 형태의 잉크와 양립한다는 의미에서, 상기에 설명한 막비등 형태의 시스템에 기초한 기록 헤드가 가장 양호하다.

사용 분야에 있어서, 본 발명에 따른 잉크 제트형 기록 장치는 컴퓨터 등의 정보 처리 장치용 화상 출력부, 판독기 등과 조합된 복사기 장치, 송수신 기능을 갖춘 팩시밀리 장치 등에 사용할 수 있다.

본 발명을 본 명세서에 개시된 구조를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 상기 설명에 제한되지 않고 본 발명의 개선 목적 또는 첨부한 청구범위의 기재 내용 내에서의 여러 변경 및 수정도 본 발명에 포함된다.

이상 설명한 본 발명에 의하면, 사이드 슈터식 액체 토출 헤드를 사용하여 액체 토출 방법의 신뢰성을 확보하고 고속 기록을 가능하게 한 효과가 있다.

Claims

액체에 기포를 생성하기에 충분한 열 에너지를 발생하기 위한 전열 변환기 소자와, 상기 전열 변환기 소자에 대향되게 배치되고 한 라인에 300/25.4 mm 이상의 밀도로 배열된 토출 출구를 갖고, 상기 토출 출구에 각각 유체 연통하는 액체 유동로를 갖는 액체 토출 헤드를 사용하는 액체 토출 방법으로서, 전열 변환기 소자에 의해 발생된 열 에너지에 의해 발생된 기포가 이 기포의 내부 압력이 대기압보다 낮은 상태에서 대기에 연통하게 되고, 15 × 10^-15m³이하의 용적을 갖는 액적이 7 kHz 이상의 주파수에서 토출되도록 된 액체 토출 방법에 있어서,

액체 토출 헤드의 액체 유동로가 6 ㎛ 이상인 높이를 갖고, 토출 출구의 상부면과 하부면 사이의 거리가 토출 출구의 중심을 통하는 최소 개방 거리의 절반 이하인 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 토출 출구의 상부면과 하부면 사이의 거리와 액체 유동로의 높이와의 합이 전열 변환기 소자의 크기 이하인 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 액적의 용적이 10 × 10^-15m³이하인 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 액체 유동로의 높이가 20 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 토출된 액적의 토출 속도가 20 m/s 이하인 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 액체를 토출하기 위해 전열 변환기 소자에 인가된 전기 펄스의 폭이 3.5 μsec 이하인 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 인가되는 전기 펄스의 구동 전압이 액체 액적 토출의 임계 전압의 1.1 내지 1.3 배의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 방법.
제7항에 있어서, 전기 펄스가 다수의 펄스를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제8항에 있어서, 다수의 펄스가 주 펄스와 주 펄스 이전에 인가되는 예비 펄스를 포함하고, 예비 펄스의 기간이 1.5 μsec 이하인 것을 특징으로 하는 방법.
제9항에 있어서, 예비 펄스와 주 펄스 사이의 간격이 2.0 μsec 이하인 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 토출되는 액체가 0.025 N/m 이상의 표면 장력과 5 × 10^-2N/s 이하의 점도를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 전열 변환기 소자가 액체의 막비등을 일으키는 데 충분한 열 에너지를 발생하는 것을 특징으로 하는 방법.
액체에 기포를 생성하기에 충분한 열 에너지를 발생하기 위한 전열 변환기 소자와, 상기 전열 변환기 소자에 대향되게 배치되고 한 라인에 300/25.4 mm 이상의 밀도로 배열된 토출 출구를 갖고, 상기 토출 출구에 각각 유체 연통하는 액체 유동로를 갖는 액체 토출 헤드로서, 전열 변환기 소자에 의해 발생된 열 에너지에 의해 발생된 기포가 이 기포의 내부 압력이 대기압보다 낮은 상태에서 대기에 연통하게 되고, 15 × 10^-15m³이하의 용적을 갖는 액적이 7 kHz 이상의 주파수에서 토출되도록 된 액체 토출 헤드에 있어서,

액체 토출 헤드의 액체 유동로가 6 ㎛ 이상인 높이를 갖고, 토출 출구의 상부면과 하부면 사이의 거리가 토출 출구의 중심을 통하는 최소 개방 거리의 절반 이하인 것을 특징으로 하는 헤드.
제13항에 있어서, 토출 출구의 상부면과 하부면 사이의 거리와 액체 유동로의 높이와의 합이 전열 변환기 소자의 크기 이하인 것을 특징으로 하는 헤드.
제13항에 있어서, 액적의 용적이 10 × 10^-15m³이하인 것을 특징으로 하는 헤드.
제13항에 있어서, 액체 유동로의 높이가 20 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 헤드.
제13항에 있어서, 토출된 액적의 토출 속도가 20 m/s 이하인 것을 특징으로 하는 헤드.
제13항에 있어서, 액체를 토출하기 위해 전열 변환기 소자에 인가된 전기 펄스의 폭이 3.5 μsec 이하인 것을 특징으로 하는 헤드.
제13항에 있어서, 인가되는 전기 펄스의 구동 전압이 액체 액적 토출의 임계 전압의 1.1 내지 1.3 배의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 헤드.
제19항에 있어서, 전기 펄스가 다수의 펄스를 포함하는 것을 특징으로 하는 헤드.
제20항에 있어서, 다수의 펄스가 주 펄스와 주 펄스 이전에 인가되는 예비 펄스를 포함하고, 예비 펄스의 기간이 1.5 μsec 이하인 것을 특징으로 하는 헤드.
제21항에 있어서, 예비 펄스와 주 펄스 사이의 간격이 2.0 μsec 이하인 것을 특징으로 하는 헤드.
제13항에 있어서, 토출되는 액체가 0.025 N/m 이상의 표면 장력과 5 × 10^-2N/s 이하의 점도를 갖는 것을 특징으로 하는 헤드.
제13항에 있어서, 전열 변환기 소자가 액체의 막비등을 일으키는 데 충분한 열 에너지를 발생하는 것을 특징으로 하는 헤드.
액체에 기포를 생성하기에 충분한 열 에너지를 발생하기 위한 전열 변환기 소자와, 상기 전열 변환기 소자에 대향되게 배치되고 한 라인에 300/25.4 mm 이상의 밀도로 배열된 토출 출구를 갖고, 상기 토출 출구에 각각 유체 연통하는 액체 유동로를 갖는 액체 토출 헤드를 사용하는 액체 토출 방법으로서, 전열 변환기 소자에 의해 발생된 열 에너지에 의해 발생된 기포가 이 기포의 내부 압력이 대기압보다 낮은 상태에서 대기에 연통하게 되고, 15 × 10^-15m³이하의 용적을 갖는 액적이 7 kHz 이상의 주파수에서 토출되도록 된 액체 토출 방법에 있어서,

기포의 대기와의 유체 연통 후에 토출 출구에 잔류하는 액체가 액체 유동로의 토출 출구로부터 후퇴된 액체에 유체 연통 상태로 유지되는 제1 단계와,

잔류 액체와 액체 유동로의 액체가 액체를 토출 출구에 재충전하도록 합류되는 제2 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제25항에 있어서, 토출 출구의 상부면과 하부면 사이의 거리와 액체 유동로의 높이와의 합이 전열 변환기 소자의 크기 이하인 것을 특징으로 하는 방법.
제25항에 있어서, 토출 출구가 형성된 외측면이 친수성 특성을 갖도록 처리되는 것을 특징으로 하는 방법.
제27항에 있어서, 토출 출구가 형성된 외측면이 부분적 친수성 구역을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
제25항에 있어서, 토출 출구가 형성된 내측면이 친수성 특성을 갖도록 처리되는 것을 특징으로 하는 방법.