KR100392547B1 - 잉크젯프린트헤드용밸브조립체와그제조방법및잉크유동제어방법 - Google Patents

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Abstract

잉크젯 프린트헤드(20)의 발사 챔버(42)로 잉크가 유동하여 통과하는 채널(28)에는 프린트헤드의 턴 온 에너지를 감소시키면서 발사 챔버로부터의 역류를 감소시키도록 특정 기간에 유동을 제한하기 위해 선택적으로 제어되는 밸브(32)가 제공된다.

Description

잉크젯 프린트헤드용 밸브 조립체와 그 제조 방법 및 잉크 유동 제어 방법{VALVE ASSEMBLY FOR CONTROLLING FLUID FLOW WITHIN AN INK-JET PEN}
본 발명은 잉크젯 프린트헤드내에서의 유체 유동의 제어에 관한 것이다.
잉크젯 프린터는 작은 잉크 방울이 형성되고 인쇄 매체를 향해 분사되는 펜을 구비한다. 이러한 펜은 몇몇의 매우 작은 노즐이 있는 오리피스 판을 갖는 프린트헤드를 구비하는데, 이 매우 작은 노즐을 통해 잉크 방울이 분사된다. 잉크가 노즐을 통해 분사되기 전에 저장되는 잉크 챔버가 노즐에 인접해 있다. 잉크는 잉크 공급기와 유체 연통하는 잉크 채널을 통해 잉크 챔버로 전달된다. 잉크 공급기는, 예컨대, 펜의 저장소 부분내에 수용될 수도 있다.
노즐을 통한 잉크 방울의 분사는 인접한 잉크 챔버내의 다량의 잉크를 신속하게 가열함으로써 수행될 수 있다. 이러한 열 처리로 인해 챔버내의 잉크가 과열되고 기포를 형성시킨다. 열 잉크젯 기포의 형성은 핵형성(nucleation)으로 공지되어 있다. 잉크 증기의 급격한 팽창으로 인해 노즐을 통과하는 잉크 방울이 가압된다. 이러한 처리를 "발사(firing)"라 한다. 챔버내의 잉크는 노즐에 인접하게 정렬된 저항기에 의해 가열될 수도 있다.
잉크를 분사하기 위한 또 하나의 장치로 발사 챔버내의 다량의 잉크를 불시에 압축하기 위한 제어 신호에 응답하여 프린트헤드 노즐을 통해 잉크 방울을 가압하는 압력파를 발생시키는 압전 소자(piezoelectric element)를 사용할 수도 있다.
종래의 잉크젯 프린트헤드는 잉크 채널을 통해 잉크가 분사되는 잉크 챔버내로 잉크를 배출하는 모세관 힘에 의존한다. 일단 잉크가 분사되면, 잉크 챔버는 모세관 힘에 의해 잉크 채널로부터의 잉크로 재충전되고, 따라서 또 다른 잉크 방울을 발사하도록 시스템을 준비시킨다.
비어있는 챔버를 재충전하기 위해 잉크가 몰려갈 때, 이동하는 잉크의 관성으로 인해 약간의 잉크가 노즐 밖으로 팽창된다. 펜내의 잉크는 일반적으로 약간의 양의 배압(back pressure)에서 유지되기 때문에(즉, 압력이 주변보다 약간 낮음), 잉크의 팽창한 부분은 즉시 잉크 챔버내로 후퇴한다. 이러한 왕복 운동은 몇 사이클을 지나서 감소되며 결국에는 중지되거나 감쇠된다.
잉크가 노즐 밖으로 팽창하고 있을 때 잉크 방울이 발사되면, 분사된 방울은 아령 형상으로 될 것이고 느리게 이동할 것이다. 이와는 반대로, 잉크가 노즐로부터 후퇴할 때 잉크가 분사되면, 분사된 방울은 창 형상으로 될 것이고 바람직하지 않게 빠르게 이동한다. 이러한 두 극단적 상황에서, 챔버의 잉크 운동이 감쇠됨에 따라, 최적의 인쇄 품질을 위한 모양이 좋은 방울이 생성된다. 따라서, 인쇄 속도(즉 방울이 분사되는 속도)는 각각의 방울 발사 사이에 챔버의 운동을 감쇠시키도록 충분히 느려져야 한다. 잉크 운동이 충분히 감쇠되는데 필요한 시간 주기는 감쇠 간격(damping interval)으로서 지칭될 수 있다.
감쇠 간격에 기인한 인쇄 속도 감소를 줄이기 위해, 잉크 챔버의 기하학적 형상이 조작되었다. 챔버는 팽창한 재충전 잉크 표면을 신속히 감쇠시킴으로써 잉크 챔버 재충전 속도를 감소시키는 방식으로 압축된다. 일반적으로, 챔버 길이와 면적은 챔버 재충전 잉크의 왕복 운동을 줄이도록 구성된다(즉, 감쇠 간격 감소). 그러나, 프린트헤드는 감쇠 간격을 제거할 수 없었다. 따라서, 인쇄 속도는 감쇠 간격을 수용해야 하며, 그렇지 않으면 인쇄 또는 이미지 품질이 손상된다.
잉크젯 프린트헤드는 또한 방울 분사시 잉크 "역류(blowback)"에 민감하다. 잉크 챔버내의 약간의 잉크가 발사시 채널의 인접 부분으로 뒤로 가압될 때 역류가 초래된다. 챔버가 채널과 지속적인 유체 연통을 하고 있기 때문에 역류가 발생하고, 따라서, 발사시, 챔버내의 잉크의 상당한 부분이 프린터헤드로부터 분사되기보다는 채널내로 역류된다. 챔버내의 잉크의 전체 체적중의 일부만이 실제로 분사되기 때문에 역류는 챔버로부터의 방울의 분사에 필요한 에너지의 양["턴 온에너지(turn on energy)" 또는 TOE]을 증가시킨다. 더욱이, 높은 턴 온 에너지는 과도한 프린트헤드 가열을 초래한다. 과도한 프린트헤드 가열로 인해 잉크내에 용해되어 있는 공기로부터 거품이 발생되며 잉크 기포의 사전 핵형성이 유발된다. 잉크내의 공기 방울 및 증기 방울의 사전 핵형성이 불량한 잉크 방울 형성을 초래하고, 따라서 인쇄 품질이 불량해진다.
본 발명은 잉크젯 프린트헤드내에서의 잉크 유동을 제어하도록 작동 가능한 미세 작용 밸브 부재를 구비하는 조립체를 제공한다. 실시예의 밸브 조립체는 잉크를 프린트헤드의 발사 챔버로 전달하는 잉크 채널내에 합체되어 있다. 밸브 부재는 한쪽 단부에서 잉크 채널의 표면에 연결된 탄성적으로 변형 가능한 플랩을 구비한다. 플랩의 자유단은 채널내에서 잉크 유동을 제한하는 위치로 편향된다. 플랩은 방울 발사시 잉크 챔버를 채널로부터 격리시킨다.
플랩으로 챔버를 격리함으로써 역류가 감소한다. 분사 도중, 챔버내의 잉크는 편향된 플랩에 의하여 방해받게 되고 채널로 역류할 수 없어서 노즐을 통해 방출되어야 한다. 이러한 역류 저항이 턴 온 에너지를 낮추면서 시스템 열 효율을 증가시킨다. 낮은 턴 온 에너지는 프린트헤드 가열을 감소시킨다. 프린트헤드 가열 감소는 정상 작동 온도 유지를 도우며, 이는 균일한 인쇄 품질을 제공한다.
잉크 챔버가 챔버 재충전후 즉시 격리되는 방식으로 플립이 편향되어 있어서, 본 발명의 밸브 조립체는 또한 잉크 감쇠 간격을 감소시킨다. 챔버가 격리되어 있어서, 잉크가 노즐로부터 역으로 이동할 수 있는 거리가 제한되고, 이로 인해 잉크의 왕복 운동이 감소된다. 따라서, 잉크 감쇠 간격이 현저하게 감소되며, 보다 빠른 인쇄 속도로 보다 고품질 인쇄가 가능하다.
도 1은 본 발명의 밸브 조립체의 바람직한 실시예를 구비하는 잉크젯 프린터 펜의 등각도,
도 2는 폐쇄 위치의 밸브를 도시하고 있는, 펜 노즐 아래에 있는 프린트헤드 부분의 확대된 평단면도,
도 3은 도 2의 3-3선을 따라 취한 확대된 단면도,
도 4는 본 발명의 밸브 부재의 확대된 단면도,
도 5는 다른 바람직한 실시예에 따른 밸브 조립체 및 노즐의 확대된 사시도로서, 실선은 폐쇄 위치의 밸브를 도시하고 점선은 개방 위치의 밸브를 도시하고 있는 확대된 사시도,
도 6A 내지 도 6E는 본 발명의 밸브 조립체의 제조 단계를 도시하고 있는 섹션 다이어그램,
도 7A 내지 도 7F는 본 발명의 또 하나의 실시예의 제조 단계를 도시하고 있는 섹션 다이어그램,
도 8은 또 하나의 바람직한 실시예에 따른 밸브 조립체 및 발사 챔버의 확대된 단면도로서, 실선은 폐쇄 위치의 밸브를 도시하고 점선은 개방 위치의 밸브를 도시하고 있는 확대된 단면도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 잉크젯 펜12 : 펜 본체
20 : 프린트 헤드22 : 노즐
28 : 잉크 채널32 : 밸브 부재
36 : 자유단42 : 발사 챔버
44 : 가열 요소48 : 내층
50 : 외층
도 1을 참조하면, 본 발명의 밸브 조립체가 잉크젯 펜(10)내에 합체되어 있다. 펜은 저장소(24)를 규정하는 펜 본체(12)를 구비하는 것이 바람직하다. 저장소(24)는 대량의 잉크를 보유하도록 형성된다. 프린트헤드(20)는 펜 본체(12)의 바닥(14)내에 끼워맞춰지며 잉크 방울을 저장소(24)로부터 분사하도록 제어된다. 프린트헤드는 인쇄시 제어된 패턴으로 잉크를 방출하기 위한 한 셋트의 노즐(22)을 규정한다. 각각의 노즐(22)은 프린트헤드(20)의 기부(23)에 규정된 발사 챔버(42)(도 3 참조)와 유체 연통한다.
각각의 발사 챔버(42)는 박막 저항기(thin-film resistor)(46)와 결합되어 있다. 저항기(46)는 챔버(42)내의 잉크의 일부를 순간적으로 기화시키기에 충분한 전류로 선택적으로 구동(가열)되며, 그에 의해 방울을 노즐(22)을 통해 가압한다. 각각의 저항기(46)의 전도성 구동선(drive line)은 펜 본체(12)의 외부에 장착된 회로(26)상에 이어진다. 회로 접촉 패드(18)(도시를 위하여 확대 도시됨)는, 저항기 구동선의 단부에서, 캐리지(도시되지 않음)에 부착된 정합 회로(matching circuit)상의 유사 패드와 결합한다. 저항기(46)를 발사하기 위한 신호는 마이크로프로세서 및 저항기 구동선에 발사 신호를 인가하는 결합된 구동기에 의해 발생된다.
펜은 펜 저장소(24)내에 잉크 공급기를 구비한다. 공급기 도관(도시되지 않음)은 저장소(24)로부터 프린트헤드내에 규정된 잉크 채널(28)로 잉크를 전달한다. 잉크 채널(28)은 채널을 통해 이동하는 잉크가 각각의 발사 챔버(42)와 유체 연통하고 따라서 각각의 노즐(22)과 유체 연통하도록 형성된다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 밸브 조립체는 탄성적으로 변형 가능한 재료로 구성되고 개방 및 폐쇄 위치 사이에서 이동 가능한 밸브 부재(또는 플랩)(32)를 포함한다. 이동 가능한 밸브 부재(32)는 채널(28)내에서의 잉크 유동 제어를 제공한다.
도 3 및 4에 가장 잘 도시된 바와 같이, 밸브 부재(32)는, 한쪽의 고정단이, 프린트헤드의 기부(23)에, 바람직하게는 채널의 아래쪽 표면(40)과 이어지게 연결되어 있다. 밸브 부재(32)의 다른 쪽 자유단(36)은 채널(28)내에서 이동이 자유롭게 놓인다.
바람직하게는, 밸브 부재(32)는 잉크 발사 챔버(42)(도 3에 도시됨)의 어느 한 측면상에 또한 잉크 발사 챔버에 인접하게 배치된다. 그러한 배치로 인해 밸브 부재(32)가 편향될 때 챔버(42)가 격리될 수 있다. 그러나, 챔버가 채널과 단일하게 연결되는 형태에서는 하나의 밸브 부재가 사용될 수 있음이 고려되어야 한다.
밸브 부재(32)는 채널(28)내의 잉크 유동을 제한하는 위치로 변형 또는 편향될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 밸브 부재(32)는 변형 가능한 재료로된 2개의 층 또는 부분으로 구성된다. 각각의 층은 상이한 열팽창 계수를 갖는 재료를 포함한다. 밸브 부재(32)가 가열될 때, 밸브 부재(32)의 한쪽 층이 다른 쪽 층보다 열팽창을 비교적 덜 받는다. 층은 상이한 열팽창으로 인해 밸브 부재(32)가 채널의 위쪽 표면(38)을 향해 편향되거나 휘도록 배치된다. 층 재료는 가열시 밸브 부재(32)가 채널(28)를 실질적으로 폐색하기에 충분할 만큼 편향되도록 상당한 차이의 열팽창 계수를 갖는다.
변형예로서, 밸브 부재(32)는 중간 층이 높은 열 전도성을 갖는 3개 층의 변형 가능한 재료로 구성될 수도 있다. 따라서, 중간층은 가열 요소(44)로서 작용하게 되며, 가열시 밸브 부재(32)를 편향시킨다(도 4에 도시됨).
도 4를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 밸브 부재(32)의 내층(48)(본 명세서에서 "제 1 부분"으로도 지칭됨)은 외층(50)(본 명세서에서 "제 2 부분"으로도 지칭됨)에 비해 높은 열팽창 계수를 갖는 재료를 포함한다. 밸브 부재(32) 가열시, 내층(48)은 외층(50)보다 큰 길이로 열팽창한다. 따라서, 밸브 부재(32)는, 도 3에 점선으로 도시된 바와 같이, 외층(50)을 향하는 방향으로 편향된다. 바람직한 실시예에 있어서, 밸브 부재는 잉크 채널(28)의 대향하는 표면 또는 위쪽 표면(38)을 향해 편향된다(도 3 참조).
밸브 부재(32)는 층 중의 한 층에 전류를 인가 또는 제거함으로써 가열되고 따라서 개방 또는 폐쇄된다. 전류는 가열 요소(44)로서 작용하는 층에 인가된다(도 4 참조). 가열 요소(44)는 높은 열 전도성을 갖는 재료를 포함하는, 밸브 부재(32)의 임의의 전기 전도성 층이 될 수 있다.
바람직하게는, 도 3에서 실선으로 도시된 바와 같이, 밸브 부재(32)가 가열되지 않을 때, 밸브 부재(32)는 개방 위치에 있다. 개방 위치에 있을 때, 밸브 부재의 가장 위쪽 표면은 채널(28)의 아래쪽 표면(40)과 동일 평면상에 있다. 개방 위치에 있을 때, 잉크는 채널(28)과 발사 챔버(42) 사이에서 자유로이 유동한다.
방울이 분사될 때, 밸브 부재(32)는, 도 3에 점선으로 도시된 바와 같이, 폐쇄 위치로 이동된다. 챔버(42)의 각각의 측면상의 한 쌍의 밸브 부재가 도 3에 도시되어 있다. 그러나, 챔버의 각각의 측면상에는 하나의 밸브 부재라면 충분할 것이다. 밸브 부재(32)를 폐쇄하기 위하여, 전류가 밸브 부재의 가열 요소(44)로서 작용하는 층을 가열하도록 인가된다. 밸브 부재(32)는 편향을 일으키기에 충분한 전류로 선택적으로 구동(가열)된다. 각각의 밸브 부재(32)로의 구동선은 펜 본체(12)의 외부에 장착된 회로(26)상에 이어진다.
밸브 부재(32)는 충분히 가열되어 밸브 부재의 외측 단부 또는 자유단(36)이 편향되고 채널(28)의 위쪽 표면(38)과 접촉하게 된다. 밸브 부재(32)가 이러한 방식으로 편향될 때, 채널(28)과 챔버(42) 사이의 잉크 유동은 실질적으로 폐색된다. 또한, 챔버(42)의 어느 한 측면상의 밸브 부재(32)가 폐쇄 위치에 있을 때, 잉크 챔버(42)는 챔버와 완전히 격리되고 노즐(22)이 챔버로부터의 잉크에 대한 유일한 출구가 된다(도 3 참조). 상술된 바와 같이, 챔버 부근의 잉크 채널에 대한 이러한 밸브 작동이 역류를 감소시키고 턴 온 에너지를 낮춘다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서(도 5에 도시됨), 밸브 부재(132)는 가압 잉크 공급원(pressurized ink source)과 결합되어 있다. 가압 잉크는 각각의노즐(122)과 인접한 채널(128)을 통해 지향된다. 잉크는 충분히 가압되어 잉크 방울을 노즐(122)을 통해 방출한다.
도 5를 참조하면, 본 실시예에 있어서, 밸브 부재(132)는 노즐(122)에 인접한 프린트헤드 기부의 측벽(143)으로부터 돌출하도록 위치되어, 밸브 부재(132)의 상부 측면(145)이 잉크 채널(128)과 노즐(122)의 연결지점을 폐색한다. 도 5에는 대체로 원통 형상을 갖는 노즐이 점선으로 도시되어 있으나, 다른 형상도 허용될 수 있다.
채널(128)로부터 노즐(122)로의 잉크 유동은, 도 5에서 실선으로 도시된 바와 같이, 밸브 부재(132)가 변형하지 않은 위치에 있을 때(즉, 가열되지 않을 때) 완전히 폐색된다. 밸브 부재(132)는 잉크 방울이 노즐(122)로부터 분사될 때까지 폐쇄 위치에서 유지된다.
노즐(122)로부터 방울을 분사하기 위하여, 한 펄스의 전류가 밸브 부재(132)의 가열 요소(144)에 인가된다. 그 후 밸브 부재는 개방 위치로 일시적으로 편향된다. 밸브 부재(132)가 개방 위치에 있을 때, 채널(128)내에서의 가압 잉크 유동이 노즐(122)과 유체 연통한다. 그 결과로써, 방울이 노즐(122)을 통해 분사된다. 밸브 부재(132)의 개방 위치는 도 5에 점선으로 도시되어 있다.
본 바람직한 실시예에 있어서, 밸브 부재(132)는 전술한 바람직한 실시예와 동일한 작동으로 편향된다. 밸브 부재(132)의 내층 및 외층(154, 156)은 서로에 대해 상이한 열팽창 계수를 갖는 재료로 구성된다. 내층(154)이 보다 높은 열팽창 계수를 갖는다. 전류가 가열 요소(144)에 인가됨에 따라, 밸브 부재의 온도는 증가하고 내층(154)은 외층(156)에 비해 보다 큰 열팽창을 받는다. 그 후 밸브 부재(132)는 외층(156)을 향하는 방향으로 편향되거나 휘게 된다. 밸브 부재(132)는 잉크 방울이 노즐(122)을 통해 분사되도록 충분히 길게 개방 위치에서 유지된다.
본 실시예(도 5에 도시됨)는 저항기 또는 다른 유사한 방울 발사 장치 없이도 잉크의 분사를 가능하게 한다.
본 발명의 또 하나의 바람직한 실시예에 있어서(도 8에 도시됨), 밸브 부재(232)는 잉크 채널(228)의 아래쪽 표면(240)에 장착된다. 밸브 조립체는 밸브 부재(232)의 아래쪽 측면(247)이 챔버와 펜 저장소로부터 잉크 채널(228)로 잉크를 전달하는 잉크 입구(246)의 연결지점을 덮도록 위치한다. 도 8에는, 대체로 원통 형상을 갖는 잉크 입구(246)가 도시되어 있지만, 다른 형상도 허용된다.
잉크 입구(246)로부터 잉크 채널(228)로의 잉크 유동은, 도 8에 도시된 바와 같이, 밸브 부재(232)가 변형하지 않은 위치에 있을 때(즉, 가열되지 않을 때) 폐색된다. 밸브 부재(232)는 잉크 방울이 노즐(222)로부터 분사되고 잉크 챔버(242)가 재충전을 필요로 할 때까지 폐쇄 위치에서 유지된다.
본 바람직한 실시예에 있어서, 밸브 부재(232)는 전술된 바람직한 실시예와 동일한 작동으로 편향된다. 밸브 부재(232)의 하층 또는 내층(254)과 상층 또는 외층(256)은 서로에 대해 상이한 열팽창 계수를 갖는 재료로 구성된다. 하층(254)이 보다 높은 열팽창 계수를 갖는다. 전류가 가열 요소(244)에 인가될 때, 밸브 부재 온도가 증가하고 내층(254)은 외층(256)에 비해 보다 큰 열팽창을 받는다.그 후 밸브 부재(232)는 외층(256)을 향하는 방향으로 편향되거나 휘게된다. 밸브 부재는 잉크 챔버(242)를 재충전하도록 충분히 길게 개방 위치에서 유지된다. 본 바람직한 실시예는 잉크 입구와 잉크 챔버 사이의 잉크 유동을 완전히 폐색한다. 또한, 잉크 챔버는 잉크 역류 및 잉크 감쇠 간격이 크게 감소되도록 완전하게 격리될 수 있다.
전술한 실시예의 밸브 부재(32, 132, 232)는 다양한 재료 층을 포함할 수 있다. 바람직한 실시예에 있어서, 밸브 부재는 금속으로 된 2개의 층을 포함할 수 있다. 각각의 금속 층은 상이한 열팽창 계수를 갖는다[즉, 밸브 부재는 바이메탈(bimetallic)임]. 밸브 부재는 또한 폴리이미드 또는 유사한 화합물의 층과 금속 층을 포함할 수도 있다. 또 다른 바람직한 실시예에 있어서(도 4 및 도 5 참조), 밸브 부재(32, 132)는 그 사이에 전도성 층(44, 144)을 갖는 2개의 폴리이미드 층을 포함한다.
도 2 및 도 3의 밸브 조립체의 일반적인 제조 방법[종종 마이크로제조(microfabrication)로 지칭됨]이 도 6A 내지 도 6E에 도시되어 있으며, 이하에 설명한다.
바람직한 실시예에 있어서, 프린트헤드의 기부(23)는 박막 스택(thin-film stack)으로 참조되는 기판(58)을 포함한다. 기판은, 바닥으로부터 상부까지, 약 12,000Å 두께의 실리콘 이산화물의 층으로 덮여 있고 약 675㎛의 두께를 갖는 p-형 실리콘 층과, 약 7,500Å의 두께를 갖는 패시베이션(passivation) 층과, 약 1,000Å의 두께를 갖는 전기 전도성 알루미늄 층과, 약 5,000Å의 두께를 갖는 저항기 층 및 약 6,000Å의 두께를 갖는 또 하나의 패시베이션 층을 포함한다. 도체/저항기 트레이스 층이 마이크로프로세서에 의해 발생된 적절한 구동 신호로 개개의 저항기 및 밸브 부재를 상호 연결하도록 형성되어 있다. 도 6A 내지 도 6E에 있어서, 하부 층(실리콘, 실리콘 이산화물, 하측 패시베이션 층)은 편의를 위해 하나의 층(58b)으로서 도시되어 있다. 바닥 기판에서 남아 있는 상부 층은 하나의 층(58a)으로서 도시되어 있다.
박막 스택 기판(58)은 양 또는 음의 포트레지스트(photoresist)로 마스킹된다. 그 후 기판(58)은 패턴화되고 기판내의 밸브 부재(32)를 전기적 트레이스 층에 접속하기 위한 통로(60)를 형성하도록 기판의 도체, 저항기 및 패시베이션 층(58a)을 통해 이방성으로 에칭된다. 통로(60)는, 하기에 설명된 바와 같이, 선택적 전류 인가를 통해 밸브 부재(38)를 구동하기 위한 전기적 통로를 제공한다.
다음으로 희생 층(sacrifical layer)(64)이 저압 화학 증착(low pressure chemical vapor deposition; LPCVD), 플라스마 증강 화학 증착(plasma enhanced chemical vapor deposition; PECVD), 또는 스핀-온(spin-on) 처리를 사용하여 침착(deposition)된다. 희생 층(64)은 저온 산화물인 것이 바람직하지만, 또한 포토레지스트 또는 폴리이미드 층을 포함할 수도 있다. 바람직하게는, 희생 층(64)은 1 내지 2㎛의 두께이다. 그 후 희생 층(64)은 패턴화되고 밸브 부재(32) 바로 아래에서 간극 공간을 규정하도록 에칭된다(도 6B 참조). 패턴화된 희생 층(64)은 후에 밸브 부재(32)의 일 단부가 기판(58)에 대하여 자유로이 움직이게 하는 제조 공정에서 제거될 것이다.
바람직한 실시예에 있어서, 밸브 부재는 바이메탈이다. 따라서, 제 1 또는 내측 금속 층(68)이 기판(58) 및 패턴화된 희생 층(64)상에 침착된다(도 6C 참조). 내측 금속 층(68)은 트레이스 층과의 전기적 접촉, 즉 마이크로프로세서와 밸브 부재(32) 사이에서 기판(58)을 통하는 전기적 접속을 제공하는 채널(60)를 충전한다. 제 2 또는 외측 금속 층(70)이 내측 금속 층 위로 침착된다(도 6D 참조). 내측 및 외측 금속 층은 모두 층 당 1 내지 4㎛의 두께로 스퍼터 침착되는 것이 바람직하다. 금속 층은 알루미늄, 팔라듐, 금, 백금, 탄탈, 및 이의 혼합물을 포함하는 것이 바람직하다.
양 또는 음의 포토레지스트 층이 외측 금속 층(70)상에 침착된다. 포토레지스트 층은 금속 층(68, 70)내에서 밸브 부재(32)의 형상을 형성하도록 패턴화된다. 상세하게는, 내측 층(68) 및 외측 층(70)은 희생 산화물 층(64)의 양 측면상에서 에칭되며, 그에 의해 밸브 부재(32)의 자유단(36)을 형성하게 된다. 그 후 희생 층(64)은 제거되고, 밸브 부재의 자유단(36)과 측면은 기판(58)과의 접촉이 해제된다(도 6E 참조).
본 발명의 또 하나의 바람직한 실시예에 있어서, 외측 층(70)은 베이킹(backing)된 폴리이미드 층을 포함한다. 폴리이미드 층(70)은 2 내지 8㎜미크론의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 내측 금속 층(68)은 열 전도성 가열 요소로서 작용한다. 내측(금속) 층(68) 및 외측(폴리이미드) 층(70)이 각각 에칭되는 것을 제외하고는, 제조 공정은 전술한 제조 공정과 유사하다. 또한, 폴리이미드 층은 밸브 부재(32)를 규정하는 에칭 전에 베이킹된다(즉, 130° 내지 220℃ 사이에서 약 30 분동안 가열된다).
다른 하나의 바람직한 실시예에 있어서, 내측 및 외측 층은 베이킹된 폴리이미드 층을 포함한다(도 4 및 도 5 참조). 고 전도성 재료의 제 3 또는 중간 층은 가열 요소(44, 144, 244)로서 작용한다. 본 실시예에 대한 제조 방법이 도 7A 내지 도 7F에 도시되며, 먼저 박막 스택(기판)(158)이 양 또는 음의 포토레지스트로 마스킹된다. 포토레지스트는 패턴화되고 기판은 채널(160)를 형성하도록 패시베이션 층(162)을 통해 이방성으로 에칭된다. 채널(160)는 밸브 부재의 기판(158)내의 전기 트레이스로의 접속을 제공한다.
희생 층(164)은 저압 화학 증착(LPCVD), 플라즈마 증강 증착(PECVD) 또는 스핀-온 처리를 사용하여 침착된다. 희생 층(164)은 저온 산화물인 것이 바람직하지만, 또한 포토레지스트 또는 폴리이미드 층을 포함할 수도 있다. 희생 층(164)은 1 내지 2㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 희생 층(164)은 밸브 부재의 바로 아래에서 간극 공간을 형성하도록 패턴화되고 에칭된다(도 7F 참조). 패턴화된 희생 층(164)은 후에 밸브 부재의 자유단(136)이 기판(158)으로부터 떨어지는 방향으로 움직이게 하는 제조 공정에서 제거된다.
제 1 폴리이미드 층(172)이 기판(158) 및 패턴화된 희생 층(164)상에 침착된다(도 7A 참조). 제 1 폴리이미드 층(172)이 채널(160)를 충전한다. 폴리이미드 층(172)은 약 200℃에서 약 30분 동안 베이킹되고, 자유단(136)을 구비하는 밸브 부재를 형성하도록 희생 층의 2개의 측면상에 패턴 및 에칭된다. 또한 내측 폴리이미드 층(172)이 또한 제 2 채널(174)를 생성하도록 패턴화되고 에칭된다(도 7B참조). 얇은 전도성 재료의 층(144)은 스퍼터링 처리에 의해 침착되는 것이 바람직하다(도 7C 참조). 전도성 재료의 층은 가열 요소(144)로서 작용하며, 약 1㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 그 후 가열 요소(144)는 밸브 부재의 형상을 형성하도록 패턴화되고 에칭된다(도 7D 참조).
외측 폴리이미드 층(176)이 침착되고 밸브 부재의 형상을 형성하도록 패턴화 및 에칭된다(도 7E 참조). 외측 폴리이미드 층(176)은 내측 폴리이미드 층(172)에 비해 낮은 온도(즉, 100℃)로 베이킹된다. 폴리이미드 층의 베이킹 온도가 높을 수록, 폴리이미드의 열팽창 계수가 높아 진다. 전술한 바와 같이, 밸브 부재 층의 상이한 열 전도성으로 인해 밸브 부재의 편향 방향 및 편향 정도가 결정된다.
마지막으로, 밸브 부재의 자유단(136)이 기판(158)으로부터 떨어지는 방향으로 움직이도록 희생 층(164)이 제거된다(도 7F).
도 5의 실시예에 있어서, 밸브 조립체는 노즐(122)이 밸브 부재(132)의 한쪽 측면(145)에 인접하게 배향되도록 구성된다. 그러므로, 측면(145)의 두께(도 7F의 상부에서 바닥까지 측정되는 두께임)는 밸브 부재가 폐쇄될 때(도 5의 실선으로 도시됨) 채널(128) 및 노즐(122)을 통하는 잉크 유동이 폐색되도록 노즐의 직경보다 약간 커야 한다.
이와 마찬가지로, 도 8의 실시예에 있어서, 밸브 조립체는 잉크 입구(246)가 밸브 부재(232)의 아래쪽 측면(247)에 인접하게 배향되도록 구성된다. 측면(247)의 두께는 밸브 부재(232)가 폐쇄될 때 잉크 유동이 폐색되도록 잉크 입구(246)의 직경보다 약간 크다.
바람직한 실시예를 참조하여 본 발명의 원리를 기술하고 도시하였지만, 본 발명은 구성과 세부 사항이 이러한 원리에서 벗어나지 않고 더 변형될 수 있음이 명백할 것이다.
본 발명에 따르면, 잉크젯 프린트헤드내 잉크 유동을 제어하기 위한 미세한 밸브 조립체가 제공되어, 역류가 감소되고 시스템 열 효율이 증가하며 턴 온 에너지가 낮아진다. 낮은 턴 온 에너지는 프린트헤드 가열을 감소시켜 일정한 작동 온도를 유지하여 균일한 인쇄 품질을 달성한다. 본 발명의 밸브 조립체는 또한 잉크 감쇠 간격을 감소시켜 보다 빠른 인쇄 속도로 고품질의 인쇄를 실행한다.

Claims (18)

  1. 분사되는 챔버와 채널이 유체 연통하고 있는 잉크젯 프린트헤드의 상기 채널내의 잉크 유동을 제어하는 방법에 있어서,
    상기 채널내에 변형 가능한 밸브를 제공하는 단계와,
    잉크가 상기 채널로부터 분사될 때 상기 채널을 통과하는 잉크 유동을 실질적으로 제한하기 위해 상기 밸브를 폐쇄 위치내로 또한 폐쇄 위치를 벗어나도록 이동시키기 위해 상기 밸브를 선택적으로 가열하는 단계를 포함하는
    잉크 유동 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 선택적 가열 단계는 상기 챔버내에 변형 가능한 밸브를 제공하는 단계를 포함하고, 상기 밸브가 상기 채널을 통과하는 잉크 유동을 제한하는 위치내로 또한 제한하는 위치를 벗어나도록 이동할 수 있는
    잉크 유동 제어 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제공 단계는 상기 변형 가능한 밸브를 제 1 열팽창 계수를 갖는 제 1부분과 제 2 열팽창 계수를 갖는 제 2 부분으로 형성하는 단계를 포함하는
    잉크 유동 제어 방법.
  4. 기판 상에 밸브 조립체를 제조하는 방법에 있어서,
    기판상에 희생 산화물 층을 침착하는 단계와,
    상기 희생 산화물 층상에 변형 가능하고 열 전도성이 있는 제 1 층을 침착하는 단계와,
    상기 제 1 층상에 변형가능하고 열 전도성이 있는 제 2 층을 침착하는 단계로서, 상기 제 2 층은 상기 제 1 층과는 다른 열팽창 계수를 갖는, 상기 침착 단계와,
    밸브 부재를 규정하도록 상기 제 1 및 제 2 층을 에칭하는 단계와,
    상기 희생 산화물 층을 제거하여 상기 기판으로부터 상기 제 1 및 제 2 층의 일 부분을 자유롭게 하는 제거 단계와,
    상기 제 1 및 제 2 층 중의 적어도 하나를 가열하기 위해 상기 밸브 부재를 열 전도체에 접속하는 단계를 포함하는
    밸브 조립체 제조 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 층 및 제 2 층을 침착하는 단계는 제 1 열팽창 계수를 갖는 제 1 금속 층을 침착하는 단계와 제 2 열팽창 계수를 갖는 제 2 금속 층을 침착하는 단계를 포함하는
    밸브 조립체 제조 방법.
  6. 잉크젯 프린트헤드내에서 잉크 유동을 제어하기 위한 밸브 조립체에 있어서,
    유체 채널이 형성되는 기부를 갖는 프린트헤드로서, 상기 채널의 일부분은 잉크 방울이 상기 프린트헤드로부터 분사되는 챔버에 인접하게 잉크를 저장하기 위한 체적을 규정하는, 상기 프린트헤드와,
    제 1 열팽창 계수를 갖는 제 1 부분과 제 2 열팽창 계수를 갖는 제 2 부분을 구비하는 탄성적으로 변형 가능한 밸브 부재로서, 상기 유체 채널의 제 1 표면에 일체로 부착된 제 1 단부와 상기 밸브 부재가 변형된 경우 잉크 방울이 분사될 때 상기 유체 채널을 통한 잉크 유동을 실질적으로 폐색하는 위치내로 또한 폐색하는 위치를 벗어나도록 이동 가능한 제 2 단부를 갖는 상기 밸브 부재와,
    상기 밸브 부재에 부착된 가열 요소로서, 작동시 상기 밸브 부재를 가열하여 상기 밸브 부재가 변형되게 하는 상기 가열 요소를 포함하는
    밸브 조립체.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 밸브 부재는 상기 유체 채널내에 상기 챔버의 제 1 측면에 인접하게 위치되는
    밸브 조립체.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 밸브 부재가 가열되지 않을 때 상기 밸브 부재가 상기 유체 채널의 제 1 표면과 동일 평면상에 있고, 그에 의해 상기 유체 채널내에서의 잉크 유동을 가능하게 하는
    밸브 조립체.
  9. 제 6 항에 있어서,
    가열된 상기 밸브 부재는 냉각시 유동 폐색 위치로부터 벗어나도록 움직이고, 그에 의해 상기 채널내에서의 잉크 유동이 실질적으로 제한되지 않는
    밸브 조립체.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 챔버의 제 2 측면에 인접하게 배치되는 제 2 변형 가능한 밸브 부재를 더 구비하며, 상기 제 2 변형 가능한 밸브 부재는 상기 유체 채널의 상기 제 1 표면에 일체로 부착된 제 1 단부와 잉크 방울이 분사될 때 상기 채널을 통과하는 잉크 유동을 실질적으로 제한하는 위치내로 또한 제한하는 위치로부터 벗어나도록 이동 가능한 제 2 단부를 갖는
    밸브 조립체.
  11. 잉크젯 프린트헤드내에서의 유체 유동을 제어하기 위한 밸브 조립체에 있어서,
    잉크 방울이 방출되는 노즐과 유체 연통하는 유체 채널을 갖는 프린트헤드 기부와,
    제 1 단부가 상기 채널에 연결된 탄성적으로 변형 가능한 밸브 부재로서, 상기 밸브가 가열 또는 냉각될 때 상기 노즐로의 유체 유동을 폐색하는 폐쇄 위치내로 또한 폐쇄 위치로부터 벗어나도록 이동 가능한 탄성적으로 변형 가능한 밸브 부재를 포함하며,
    상기 밸브 부재가 상기 폐쇄 위치로부터 벗어나도록 이동될 때 잉크 방울이 상기 노즐로부터 방출되도록 잉크를 상기 노즐로부터 방출하기에 충분한 양에 의해 상기 채널내의 잉크가 가압되는
    밸브 조립체.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 밸브 부재가 제 1 열팽창 계수를 갖는 제 1 부분과 제 2 열팽창 계수를 갖는 제 2 부분을 구비하는
    밸브 조립체.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 밸브 부재를 가열하고 상기 밸브 부재를 변형시키고 상기 폐쇄 위치로부터 벗어나도록 이동시키기 위해 상기 밸브 부재에 부착된 가열 요소를 더 구비하는
    밸브 조립체.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 밸브 부재가 가열되지 않을 때 상기 밸브 부재가 상기 폐쇄 위치에 있고, 그에 의해 상기 노즐을 통한 유체 유동을 폐색하는
    밸브 조립체.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 밸브 부재가 상기 프린트헤드 기부에 일체로 부착되는
    밸브 조립체.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 밸브 부재가 상기 폐쇄 위치로부터 벗어나도록 이동될 때, 열 변환기(heat transducer) 없이 잉크 방울이 상기 노즐로부터 방출되는
    밸브 조립체.
  17. 잉크젯 프린트헤드용 밸브 조립체에 있어서,
    기부와 잉크 방울이 분사되는 노즐을 갖는 프린트헤드와,
    잉크를 저장하기 위해 상기 프린트헤드의 기부내에 형성되는 챔버로서, 상기 챔버의 일부분이 상기 노즐의 아래쪽에 배치되는, 상기 챔버와,
    상기 노즐을 통해 잉크 방울을 방출하기 위해 상기 챔버내에 저장된 잉크를 가열하도록 상기 노즐의 아래쪽에 상기 챔버의 아래쪽 표면상에 장착되는 열 변환기(heat transducer)와,
    상기 프린트헤드의 기부내에 상기 열 변환기에 인접하게 형성되고 상기 챔버와의 연결지점을 형성하는 유체 채널과,
    상기 밸브 부재가 폐쇄 위치에 있을 때 상기 유체 채널과 상기 챔버 사이에서 잉크 유동을 실질적으로 폐색하도록 상기 챔버의 아래쪽 표면에 연결된 제 1 단부를 갖고, 제 1 열팽창 계수를 갖는 제 1 표면과 제 2 열팽창 계수를 제 2 표면을 구비하는 밸브 부재와,
    작동시 상기 밸브 부재를 가열하여 상기 밸브 부재의 제 2 단부가 변형하게 하는 열 전도성 층을 포함하는
    밸브 조립체.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 밸브 부재의 상기 제 1 표면의 열팽창 계수가 상기 밸브 부재의 상기 제 2 표면의 열팽창 계수와 상이한
    밸브 조립체.
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