KR100439392B1 - 잉크젯프린터용프린트헤드와그제조방법및동작방법 - Google Patents

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Abstract

스프레이가 감소되는 프린트헤드는 잉크가 잉크 분사기(201, 207)에 의해 분사되는 오리피스를 구비한다. 오리피스는 한 치수가 다른 치수보다 큰 두 개의 직교하는 치수(aH, bH)를 갖는 오리피스 판의 외부 표면의 구멍(1001)을 사용한다. 구멍은 오리피스가 모래시계 형상을 갖도록 한 점에서 상기 두 치수중 작은 치수의 거리만큼 이격되고, 나머지 다른 모든 점에서 작은 치수보다 큰 거리만큼 이격되는 2개의 비교차 에지에 의해 규정된다.

Description

잉크젯 프린터용 프린트헤드와 그 제조 방법 및 동작 방법{REDUCED SPRAY INKJET PRINTHEAD ORIFICE}
본 발명은 일반적으로 개선된 오리피스 디자인을 가지는 잉크젯 프린터 프린트헤드에 관한 것으로, 특히 감소된 잉크 스프레이를 제공하는 것을 특징으로 하는 개구부를 가지는 프린트헤드 오리피스 디자인에 관한 것이다.
잉크젯 프린터는, 비말이 매체상의 소망하는 위치에 떨어지도록 제어된 방식으로 잉크의 비말을 분사함으로써, 용지와 같은 매체상에 문자 및 이미지를 형성한다. 그것의 가장 단순한 형태에 있어서, 이러한 프린터는 잉크 비말이 매체상에 배치될 수 있도록 적소에 매체를 이동 및 배치시키기 위한 장치와, 잉크의 유동을 제어하고 매체에 잉크의 비말을 분사하는 프린팅 카트리지와, 적절한 제어 하드웨어 및 소프트웨어로 개념화될 수 있다. 종래의 잉크젯 프린터용 프린트 카트리지는 필요한 잉크를 저장 및 공급하는 잉크 수용부와, 프린터 제어 소프트웨어에 의해 지시되어 잉크 비말을 가열 및 분사시키는 프린트헤드를 포함한다. 통상적으로, 프린트헤드는 반도체 베이스와, 잉크 유동 채널이 허니콤형으로 된 방벽재 구조체와, 잉크 비말이 분사될 수 있는 형태로 배열된 작은 구멍 또는 오리피스가 관통 형성된 오리피스 판을 포함하는 적층 구조체이다.
잉크젯 프린터의 일 변형예에 있어서, 분사 장치는, 반도체 기판내에 형성되며 그 각각이 방벽 층내에 형성된 복수의 잉크 발사 챔버중 하나와 결합되는 복수의 히터 저항기와, 오리피스 판내에 복수의 오리피스중 하나의 오리피스로 이루어져 있다. 각각의 히터 저항기는 프린터의 제어 소프트웨어와 연결되어, 각각의 저항기가 독립적으로 활성화되어(energized) 잉크의 일부를 버블로 신속히 기화시키며, 상기 버블은 계속해서 오리피스로부터 잉크 비말을 분사한다. 잉크는 각각의 히터 저항기의 주위의 방벽 층내에 형성된 발사 챔버내로 유동하여, 히터 저항기의 활성화를 대기한다. 잉크 비말의 분사와 잉크 버블의 붕괴에 이어, 잉크는 발사 챔버를 메니스커스(meniscus)가 오리피스를 가로질러 형성되는 지점까지 보충한다. 잉크가 발사 챔버를 충전하도록 관통하여 흐르는 방벽 층 채널내의 형상 및 수축에 의해 발사 챔버내에 재충전되는 잉크의 속도 및 잉크 메니스커스의 운동이 설정된다. 프린터, 프린트 카트리지 및 프린트헤드 구성에 대한 보다 상세한 사항은 1985년 5월에 발간된 휴렛 팩커드 저널 제 36 권 제 5 호(Hewlett-Packard Journal Vol.36, No.5)와, 1994년 2월 발간된 휴렛 팩커드 저널 제 45 권 제 1 호(Hewlett-Packard Journal Vol.45, No.1)에서 알 수 있다.
프린트 카트리지의 설계자가 직면하는 문제중 하나는 빠른 프린팅 속도를 얻는 동시에 높은 프린트 품질을 유지시켜야 한다는 것이다. 발사 챔버내에서의 잉크의 급속한 비등으로 인하여 비말이 오리피스로부터 분사될 경우, 분사된 잉크 질량의 대부분이 매체를 향하는 비말에 집중된다. 그러나, 분사된 잉크의 작은 부분이 비말로부터 오리피스의 표면 개구부로 연장하는 꼬리부에 존재한다. 꼬리부에서 발견되는 잉크의 속도는 일반적으로 비말에서 발견되는 잉크의 속도보다 작으므로, 비말의 궤적중 어느 시점에서 꼬리부의 대부분이 비말로부터 절단된다. 절단된 꼬리부 잉크의 일부가 분사된 잉크와 재결합되거나 또는 비말의 일그러진 형태로 남게되어 프린트된 물질상에 거친 에지를 형성한다. 분사된 잉크의 꼬리부 일부는 프린트헤드로 되돌아와서, 프린트헤드의 오리피스 판의 표면상에 퍼들(puddles)을 형성한다. 절단된 꼬리부 잉크의 일부는 잉크 비말의 일반적인 방향으로 무작위로 이동하고 분사하는 보조 비말["스프레이(spray)"]을 형성한다. 이러한 스프레이는 종종 매체상에 떨어져 엷은 잉크 바탕을 발생시킨다.
스프레이의 유해한 결과를 감소시키기 위하여, 종래에는 프린팅 동작의 속도를 감소시켰으나, 이는 프린터가 소정 시간내에 프린트할 수 있는 페이지의 수가 감소하게 되는 문제가 있다. 스프레이 문제는 또한 잉크 발사 챔버 및 연관된 방벽 층내의 잉크 공급 도관의 구성 또는 기하학적 형상을 최적화하는 것에 역점을 두어 다루어진다. 또한 오리피스의 기하학적 형상은 1996년 2월 29일자로 웨버(Weber) 등에 의해 출원된 "비대칭의 프린트헤드 오리피스(Asymmetric Printhead Orifice)"라는 미국 특허 출원 제 08/608,923 호에서 알 수 있듯이 스프레이에 영향을 미치고 있다.
오리피스 판을 제조하는 종래 방법중 하나는 사전에 제조된 맨드릴에 대한 무전해(electroless) 도금 기술을 사용한다. 이러한 맨드릴은 도 1(축척에 맞게 도시되지 않음)에 도시되며, 기판(101)이 실리콘 또는 유리로 구성된 적어도 하나의 편평한 표면을 가진다. 기판(101)의 편평한 표면상에 배치된 것은 전도성 층(103)으로, 일반적으로 크롬 또는 스테인리스 스틸의 필름이다. 평면의 마그네트론 처리와 같은 진공 증착 처리는 이러한 전도성 필름(103)을 증착하도록 사용될 수도 있다. 통상적으로 실리콘 질화물인 절연 층(105)은 플라즈마 에칭 화학적 증착 처리와 같은 다른 진공 증착 처리에 의해 부착된다. 절연 층(105)은 바람직하게는 매우 얇으며, 일반적으로 약 0.30㎛의 두께를 가진다. 절연 층(105)은 포토레지스트 마스크(photoresist mask)로 차폐된 상태로, 자외선(UV light)에 노출되며, 플라즈마 에칭 처리에 의해, 전도성 층(103)상의 사전에 선택된 위치에 있는 절연체 물질의 "버튼(buttons)"을 제외한 대부분의 절연 층을 제거한다. 물론, 이러한 위치는 맨드릴의 정상에 생성될 오리피스 판의 각각의 오리피스의 위치가 되도록 미리 결정된다.
이러한 재사용 가능한 맨드릴은 전도성 층(103)이 캐소드(cathode)로 설정되며, 통상적으로 니켈인 베이스 재료가 애노드(anod)로 설정되는 전착 조내에 배치된다. 전착 처리 동안에, 니켈 금속은 애노드로부터 캐소드로 이동되어, 니켈[층(107)으로 도시됨]이 전도성 층(103)의 전도성 구역에 부착된다. 니켈 금속이 맨드릴의 각 전도성 판에 균일하게 도금되기 때문에, 절연 버튼(105)의 표면에 도달하자마자, 니켈이 균일하고 예상할 수 있는 형태로 절연 층 위에 도금된다. 도금의 시간을 포함하는 도금 처리의 요소들이, 절연 층 버튼(105) 위로 형성되는 니켈 층(107)의 개구부가 절연 표면에서 소정의 직경(일반적으로 약 45㎛임)으로 되도록 면밀히 제어된다. 이 직경은 일반적으로 절연 층 버튼(105) 직경의 1/3 내지 1/5이 됨으로써, 오리피스 판의 외측 표면의 오리피스 구멍이 되는 개구부의 직경(d1)의 대략 3배 내지 5배가 되는 직경(d2)을 갖는 오리피스 판의 내측 표면의 개구부를 갖는 니켈(107)의 상부 층을 형성한다. 무전해 도금 처리의 완료시, 새롭게 형성된 오리피스 판이 맨드릴로부터 제거되고, 오리피스의 부식 저항을 위해 금 도금된다. 금속 오리피스 판 제조의 추가의 설명은 본 발명의 출원인에게 각각 양도된 미국 특허 제 4,773,971 호, 제 5,167,776 호, 제 5,443,713 호 및 제 5,560,837 호에서 알 수 있다.
전술한 다수의 참조는 상업적으로 성공한 생산물 및 제품으로 귀착되고 있으나, 프린트헤드 및 그것과 관련된 오리피스 판이 사용되는 프린터로부터 고품질 프린트 이미지를 제공하도록 각각의 개별적인 오리피스 사이의 간격 감소가 요구되고 있다. 오리피스의 보다 근접한 간격으로 인하여, 한 오리피스 보어의 내경(d2)이 인접한 오리피스의 내경(d2)과 부분적으로 겹치게 될 것이다. 이러한 겹침 또는 간섭은 비원형 오리피스가 오리피스내에 사용되고 발사 저항기의 열과 동일한 방향으로 긴 축으로 배향될 때 심화된다. 따라서, 비원형 오리피스의 보다 타이트한 패킹을 방지하는 문제의 해결은 고해상도의 프린팅과, 잉크 비말과 관련된 스프레이의 감소 및 잉크 비말 궤적의 개선을 초래할 것이다.
본 발명은 잉크를 오리피스 판내의 오리피스로부터 분사하도록 잉크 분사기를 사용하는 잉크젯 프린터용 프린터헤드를 포함하는 것이다. 오리피스 판은 잉크 분사기에 대향하는 오리피스 판의 제 1 표면으로부터 제 1 표면에 거의 평행한 오리피스 판의 제 2 표면까지 오리피스 판을 관통하여 연장하는 적어도 하나의 오리피스를 가진다. 오리피스는 제 2 표면에 평행한 제 1 선형 치수와 제 2 표면에 평행하고 제 1 선형 치수와 수직을 이루는 제 2 선형 치수를 갖는 제 2 표면의 구멍을 포함한다. 또한, 제 1 선형 치수는 제 2 선형 치수보다 큰 크기를 가진다. 제 2 표면의 오리피스의 구멍은 한 점에서 제 2 치수의 거리만큼 이격되고 기타 다른 모든 점에서 제 2 치수보다 큰 거리만큼 이격된 제 2 표면의 적어도 두 개의 비교차 에지에 의해 한정된다.
종래 프린트헤드의 단면도가 도 2에 도시되어 있다. 얇은 필름 저항기(201)가 반도체 기판(203)의 표면에 생성되고, 통상적으로 반도체 기판(203)의 표면에 금속화층(metalization)(도시하지 않음)에 의해 전기적 입력부와 접속된다. 게다가, 화학적 및 기계적 부식을 방지하는 다양한 층이 히터 저항기(201) 위에 배치될 수도 있으나, 명료성을 위해 도 2에 도시하지 않는다. 방벽재의 층(205)이 선택적으로 실리콘 기판(203)의 표면상에 배치되어(또는 그 위에 없이), 잉크가 히터 저항기(201)의 작동 및 오리피스(209)를 통한 잉크의 분사 전에 발사 챔버내에 축적될 수 있도록 히터 저항기(201)의 둘레의 개구부 또는 잉크 발사 챔버(207)를 남겨둔다. 방벽재 층(205)용 방벽 재료는 이. 아이. 듀퐁 드 네모어 앤드 콤파니(E. I. DuPont De Nemours and Company)에 의해 시판되는 종래의 Parad(등록상표)이거나 또는 이와 동등한 재료이다. 오리피스(209)는 오리피스 판의 내측 표면으로부터 오리피스 판의 외측 표면으로 연장하는 오리피스 판(107)내의 구멍이고, 이것은 전술한 바와 같이 오리피스 판의 일부로 형성될 수 있다.
도 3은 (도 2의 단면 A-A를 나타내는) 종래의 프린트헤드의 평면도로서, 오리피스(209)를 오리피스 판의 외부 표면(213)으로부터 도시한 것이다. 잉크 공급 채널(301)은 방벽 층(205)내에 위치되어, 잉크를 보다 큰 잉크 공급원(도시하지 않음)으로부터 잉크 발사 챔버로 전달한다. 도 4는 잉크가 오리피스(209)로부터 방출된 후 22 마이크로세컨드 후에 있어서 잉크 비말(401)의 형태를 도시한 것이다. (원형의 오리피스 구멍이 사용되는) 종래의 오리피스 판에 있어서, 잉크 비말(401)은 오리피스 판(107)의 적어도 오리피스(209)까지 후측으로 연장하도록 도시될 수 있는 긴 꼬리부(403)를 유지한다.
비말(401)이 오리피스 판을 떠나고 비말을 분사한 증발된 잉크의 버블이 붕괴된 후에, 모세관력에 의해 잉크 공급 채널(301)을 통하여 잉크 공급원으로부터 잉크를 인출한다. 감쇠가 불충분한 시스템(underdamped system)에 있어서, 잉크는 발사 챔버내로 매우 빠르게 돌아가므로 발사 챔버(207)가 넘치도록 가득하게 되어, 팽창된 메니스커스를 만든다. 다음에 메니스커스는 안정되기 전에 수 사이클 동안 평형 위치를 중심으로 요동한다. 메니스커스가 팽창된 동안 비말이 분사되면, 팽창된 메니스커스내의 여분의 잉크는 잉크 비말의 체적을 증가시킨다. 메니스커스가 오목해진 동안에 비말이 분사되는 경우, 수축된 매니스커스는 비말의 체적을 감소시킨다. 이러한 주기 동안에 메니스커스가 수축하는 부분 사이에서 비말이 분사되면 수축된 메니스커스에 의해 비말의 체적이 감소된다. 프린트헤드 설계사는 잉크 보충 채널의 유체 저항을 증가시킴으로써 잉크 보충과 매니스커스 시스템의 감쇠를 개선하고 최적화하여 왔다. 전형적으로 이러한 개선은 잉크 보충 채널의 길이를 증가시키거나, 잉크 보충 채널의 단면적을 감소시키거나 또는 잉크 점도를 증가시킴으로써 달성된다. 이러한 잉크 보충 유체 저항의 증가는 종종 보충 시간의 지체와, 비말 분사 및 프린팅 속도의 감소를 초래한다.
메니스커스 시스템의 단순한 분석은 도 5에 도시된 기계적 모델로 이뤄지며, 여기서 분사된 비말의 질량과 동일한 질량(501)은 오리피스의 유효 반경의 역수와 비례하는 스프링 상수(K)를 갖는 스프링(505)에 의해 고정 구조체(503)에 결합되어 있다. 또한, 질량(501)은 채널 유체 저항 및 기타 다른 잉크 채널 특성과 관련된 감쇠 기능부(507)에 의해 고정 구조체(503)에 결합되어 있다. 본 발명의 구성에 있어서, 비말 중량 질량(501)은 오리피스의 직경과 비례한다. 따라서, 메니스커스의 특성 및 성능을 제어하고자 한다면, 잉크 채널을 최적화하거나 또는 기계적 모델에서 스프링(505)의 스프링 상수를 조정함으로써 감쇠 기능부(507)의 감쇠 요소를 조정할 수도 있다.
비말(401)이 오리피스로부터 분사될 때, 비말의 질량의 대부분은 비말(401)의 선단 머리부에 포함되고, 최대의 속도는 이러한 질량내에 발견된다. 나머지 꼬리부(403)는 잉크 질량의 소수를 포함하며, 그 속도 분포는 잉크 비말 머리부에 가까운 위치에서의 잉크 비말 머리부와 거의 동일한 속도로부터 잉크 비말 머리부에서 발견되며 오리피스 구멍에 가장 근접하게 위치된 잉크의 속도보다 작은 속도까지의 범위에 있다. 비말의 통과중의 어느 시점에, 꼬리부내의 잉크는 꼬리부가 비말로부터 떨어져 분리되는 점까지 신장된다. 꼬리부내에 잔류하는 잉크중 일부는 프린트 헤드 오리피스 판(107)으로 당겨지고 이것이 통상적으로 오리피스를 둘러싸는 잉크의 퍼들을 형성한다. 이러한 잉크 퍼들은 계속되는 잉크 비말의 잘못된 방향을 야기함으로써 프린트 재료의 품질을 저하시킨다. 잉크 비말 꼬리부의 다른 부분은 잉크 비말이 매체상에 배치되기 전에 잉크 비말 머리부내로 흡수된다. 마지막으로, 잉크 비말 꼬리부내의 잉크의 나머지 일부는 프린트헤드로 돌아오지도 않고, 잉크 비말내에 남거나 흡수되지도 않아서, 임의의 방향으로 퍼지는 작은 비말의 미세한 스프레이를 발생시킨다. 이 스프레이의 일부가 프린팅이 발생하는 매체에 도달하여, 잉크 비말에 의해 형성된 도트에 거친 에지를 형성하고, 바람직하지 않은 스폿을 매체상에 남겨서, 소망하는 프린트 재료의 명료성을 감소시킨다. 그러한 바람직하지 않은 결과는 도 6에서 프린트된 도트로 확대 표시했다.
외부 환경으로의 오리피스 구멍(209)의 출구 면적이 분사되는 잉크 비말의 비말 무게를 규정하는 것으로 알려져 있다. 또한 메니스커스의 복귀력(모델에서의 상수 K)이 오리피스 구멍의 에지의 근접에 의해 부분적으로 결정되는 것으로 알려져 있다. 따라서, 메니스커스의 강도를 증가시키기 위하여, 오리피스 보어 구멍의 측면과 개구부가 가능한한 서로 가깝게 형성되어야 한다. 물론, 이것은 (오리피스의 출구 면적에 의해 결정되는) 비말의 소정 비말 무게를 유지하기 위한 요구와는 상반되는 관계에 있다. 비원형(non-circular) 기하학적 형상에 의해 제공되는 메니스커스의 보다 큰 복귀력은 잉크 비말의 꼬리부가 보다 신속하게 오리피스 판에 보다 가까운 위치에서 분리되게 함으로써, 보다 잉크 비말 꼬리부를 보다 짧게하여 스프레이를 상당히 감소시킨다.
스프레이를 감소시키도록 사용될 수 있는 어떤 비원형 오리피스는, 장축과 단축을 갖는 신장된 구멍(elongated apertures)이며, 여기서 장축은 단축보다 큰 치수를 가지며, 양 축은 오리피스 판의 외측 표면에 대해 평행하다. 이러한 신장된 구조는 직사각형 및 평행사변형이거나 또는 타원 및 평행 측면의 "레이스트랙(racetrack)" 구조와 같은 타원형일 수 있다. 모델 번호 HP51649A 프린트 카트리지[휴렛 팩커드 콤파니(Hewlett-Packard Company)에 의해 시판됨]내에 수납된 잉크 및 오리피스 구멍 면적이 HP51649A 카트리지에 사용된 오리피스 구멍의 면적과 동일한 오리피스 구멍 면적을 사용하는 경우, 장축 대 단축의 비율이 2 대 1 내지 약 5 대 1인 타원이 소망하는 메니스커스 강도 및 짧은 꼬리부 잉크 비말 분사를 나타내는 것으로 결정되었다.
도 7a 및 7b는 오리피스 보어 구멍 치수의 다양한 형태를 도시하는 오리피스 판 외측 표면의 평면도이다. 도 7a는 외측 치수에서 반경(r)을 갖고, 외측 치수(r)와 발사 챔버로의 개구부 사이의 반경에서 r2의 차이가 있는 원형 오리피스를 도시한다. HP51649A 카트리지에서, r=17.5미크론이고, r2=45미크론이다. 이것은 오리피스 판 외측 표면에서의 구멍 면적(r2·π)이 962제곱미크론이 되게 한다. 도 7b는 장축과 단축의 비가 2 대 1인 타원형 외측 오리피스 구멍의 기하학적 형상을 도시한 것이며, 동일한 비말 무게를 유지하기 위해서 오리피스 개구부의 외측 면적이 962제곱미크론으로 유지된다. 따라서, 타원의 면적을 구하는 식(A=π·a·b)에 의해, 타원의 장축과 단축(a, b)은 2:1의 타원에 대해 각각 28.5미크론과 12.4미크론이다.
상술한 바와 같이, 양호한 꼬리 절단과 그 후의 스프레이가 감소하는 것에 주로 기여하는 요인은 타원의 단축 크기의 감소이다. 장축 대 단축의 비가 2:1 내지 약 5:1인 범위내에서, 스프레이의 감소가 관찰된다. 또한 앞에서 언급된 하나의 단점은, 타원의 오리피스 표면 개구부가 오리피스 판의 내측 표면에(잉크 발사 챔버에) 상응하는 보다 큰 개구부를 가진다는 것이다. 오리피스가 프린트 해상도를 개선하기 위해 서로 근접하게 이격될 경우, 이러한 내부 개구부는 겹쳐지고 간섭될 것이다. 이러한 간섭은 하나의 발사 챔버로부터의 잉크가 인접한 발사 챔버내로 흡입되고 달리 미세하지만 악영향의 형태를 취하게 한다.
간섭의 문제를 해결하기 위하여, 타원은 장축 방향으로 일그러짐으로써 본질적으로 초승달 또는 달의 상현/하현달(quarter moon)의 형상을 만든다. 이러한 초승달 형상으로 되면, 단축 치수는 유지되고 유효 장축은 짧아지며, 오리피스 구멍의 전체 면적은 일정하게 유지된다. 적절한 스프레이 감소가 초승달 오리피스 개구부 형상을 사용함으로써 연속적으로 달성된다. 그러나, 초승달 형상은 이러한 형상을 갖는 프린트헤드로 실현되는 프린트의 품질에 별도의 문제를 발생시킨다. 오리피스 판을 떠나는 잉크 비말의 궤적이 오리피스 판 표면에 수직하지 않으며, 오리피스 구멍의 부(negative)의 곡률 반경 방향을 향해 수직이면서 먼 방향으로 경사진다.
초승달 오리피스 구멍 형상의 궤적 문제를 해결하기 위하여, 대칭을 이루는 다른 형상은 서로 대향 상태로 초승달의 돌출부를 갖는 2개의 초승달 형상을 겹쳐놓음으로써 생성된다. 이러한 형상은 도 8에 도시되어 있다. 이러한 변형된 오리피스 구멍 형상은 "모래 시계(hourglass)"형이라고 간주된다. 바람직한 실시예에 있어서, 변형된 단축(bH)이 26㎛로 설정되는 한편, 변형된 장축(aH)이 69㎛에서 설정되었다. 변형된 단축을 규정하는 에지가 약 47㎛의 곡률 반경(rH)을 가진다. 이 독특한 오리피스 구멍 형상은 좁은 단축 개구부를 유지하는 한편, 일정한 오리피스 구멍 면적에 요구되는 필요한 장축 치수를 감소시킨다. 장축의 치수가 감소됨으로써, 동일한 오리피스 구멍 면적을 갖는 타원에 의해 실현될 수 있는 것보다 오리피스의 간격을 보다 가깝게 할 수 있다. 또한, 모래시계 오리피스 구멍 형상은 장축 및 단축에 대해 대칭을 이루므로, 잉크 비말의 궤적 에러의 문제를 극복한다. 종래의 원형 개구부에 비해 모래시계 형상의 오리피스 구멍에 의해 제공된 개선점은 도 9a와 도 9b를 비교함으로써 알 수 있다. 도 9b의 매우 크게 확대된 문자는 도 9a의 프린트에서 나타나는 무관계의 비말이 거의 없음을 나타낸다.
전술한 바와 같이, 오리피스 판은 통상적으로 맨드릴상에 니켈 또는 유사한 금속을 전기 도금하고, 다음에 오리피스 판을 금과 같은 내화학성의 재료로 도금함으로써 형성된다. 종래에는, 소망하는 최종 결과 형상, 즉 원형의 오리피스 구멍으로 비전도성 버튼을 사용하는 것이 알려져 있다. 그러나, 모래시계 형상의 오리피스 개구부를 형성하기 위하여, 모래시계 형상이 사용되는 것보다 훨씬 덜 복잡한 형상을 가지 버튼을 이용할 수 있다는 것이 확인되었다. 오리피스 판을 전기 도금 동안에 베이스 금속이 전도성 표면(그 자신의 표면도 포함함)으로부터 각각의 유용한 방향으로 균일하게 성장하기 때문에, 비전도성 버튼 형상의 세부사항은 베이스 금속의 성장에 의해 불명료해질 수 있다. 마찬가지로, 버튼 형상에서의 세부사항은 베이스 금속이 성장함에 따라 전혀 상이한 형상으로 변형될 수 있다. 도 1을 다시 고려하면, 베이스 금속(107)은 비전도성 절연 버튼(105)의 상측 표면상에서 성장하는 것을 알 수 있다. 평면도에서 도시되는 경우, 버튼(107)의 외곽의 세부사항은 베이스 금속(107)이 절연 버튼(105)의 상측 표면상에서 성장함에 따라 불명료하게 되거나 또는 다른 형상으로 변형될 수 있다.
소망의 베이스 금속 성장과 동일한 직경을 갖는 일군의 원을 이용하는 분석 기술을 소망하는 오리피스의 형상의 외측의 윤곽과 동일한 평면에서 그 접선방향으로 실시할 수 있다는 것을 알 수 있다. 접점과 대향되고 동일한 직경 라인을 공유하는 원의 원주상의 점이 일군의 원의 서로 유사한 점과 연결되는 경우, 비전도성 버튼이 취해야 하는 형상이 명확하게 된다. 다른 방법은 최초 형상의 외측 윤곽선상의 모든 또는 대표적인 수의 점들로부터 그려지는 반경의 호를 사용한다. 각각의 호의 반경(최초 윤곽선의 점에 접하는 선에 수직함)의 종점은 도금 처리가 완료된 후에 생성되는 오리피스 형상상의 점을 규정한다. 도 10을 참조하는 것은 원형의 집합체를 사용하는 기술을 시각화하는데 도움이 될 것이다.
도 10에 있어서, 오리피스 구멍의 모래시계 형상은 도면 번호(1001)로 표시된다. 베이스 금속의 소망하는 성장과 동일한 반경을 갖는 일군의 원은 원(1003)으로 나타내어 진다. 비전도성 버튼의 윤곽선은 도면 번호(1005)로 표시된다. 일군의 각 원은 모래시계 형상의 에지를 따르는 점에서 모래시계 오리피스 형상에 접촉하도록 형성된다. 각각의 원의 직경을 직접적으로 가로지르는 점을 취하여 이러한 점들을 연결하면, 비전도성 버튼의 형상이 생긴다. 보다 복잡한 오리피스 형상을 다룰 경우, 비전도성 버튼의 형상이 오리피스의 형상과 동일할 필요는 없다는 것을 알 수 있다. 모래시계 형상(1001)의 돌출부에서, 형상을 한정하는데 요구되는 원의 수가 감소한다는 것을 알 수 있다.
도 11은 오리피스 개구부(1001)를 형성하는데 요구되는 필요한 구성 원들을 도시한다. 접촉 점과 대향하는 원주상의 점들을 연결하면, 소망하는 모래시계 오리피스 개구부를 형성하는데 요구되는 최소의 버튼 윤곽선이 나타낸다. 이러한 윤곽선 구성은 장축의 말단을 형성하는 에지를 만드는 호(1101, 1103)와, 단축의 말단을 형성하는 에지를 만드는 포물선부(1101, 1107)를 포함한다. 버튼 윤곽선의 나머지가 원 직경보다 소망하는 오리피스 형상에 더 가깝게 되지 않은 한, 오리피스 판을 전기 도금하는 것에 의해 제공되는 모래시계 오리피스 형상은 식별된 호와 포물선부 이외에는 버튼 윤곽선과 독립적으로 될 것이다.
이러한 윤곽선 독립은 방벽 재료에의 오리피스 판의 부착이 개선되도록 제공하도록 본 발명의 실시예에서 사용되고, 발사 챔버가 보다 큰 잉크 체적을 갖게 설계되도록 한다. 도 12는 비전도성 맨드릴 버튼 형상이 오리피스 표면 구멍 형상에 부분적으로 독립되어 있는 경우에 얻게되는 프린트헤드를 도시한 것이다. 오리피스 구멍(1001)과 버튼 형상(1201)이 명료성을 위해 실선으로 도시되어 있지만, 오리피스 구멍(1101)은 오리피스 판의 외측 표면상에 위치되고, 버튼 형상은 오리피스 판의 내측 표면상에 위치된다. 잉크 발사 챔버에서 시작하는 오리피스 보어를 보았을 때, 오리피스 보어가 버튼 형상(1201)으로부터 모래시계 형상 구멍(1001)으로 변형되며, 오리피스 판의 표면의 개구부를 가로지른다. 이러한 실시예에 있어서, 방벽 층 재료의 구성이 점선으로 도시된다. 층 재료의 섬형상부(1203)가 발사 챔버(1205)의 잉크 입구를 2개의 잉크 채널(1207 및 1209)로 분할하고, 발사 챔버(1205)의 나머지는 방벽 재료(1211, 1213, 1215 등)의 벽에 의해 한정된다. 방벽 층 재료와 오리피스 판 사이의 개선된 접촉 구역이 방벽 섬형상부(1203)의 주위 영역에서 실현된다(이것은 가정된 원형의 버튼 윤곽선을 나타내는 또다른 점선으로 도시된다). 이러한 개선된 접촉 면적은 다른 방법으로 방벽 재료의 사각형의 구현에 보다 적합한 원형으로 되는 부분내에서 버튼 형상을 사각형화하는 결과이고, 오리피스 판의 오정렬(misalignment)이 발생되더라도 변화되지 않는 기판의 직사각형 단면을 제공한다. 또한, 사각형의 구현은 발사 챔버내에 증가된 잉크 체적을 제공한다. 따라서, 본 발명은 감소된 스프레이 및 개선된 비말 궤적을 갖는 오리피스의 보다 가까운 이격을 허용한다.
본 발명의 잉크젯 프린터용 프린트 헤드는 감소된 잉크 스프레이를 제공하는 개구부를 가지는 개선된 오리피스 디자인을 제공한다.
도 1은 맨드릴을 형성하는 오리피스 판과 맨드릴상에 형성된 오리피스 판의 단면도,
도 2는 하나의 잉크 발사 챔버를 도시하는 종래의 프린트헤드의 단면도,
도 3은 종래의 프린트헤드의 오리피스 판의 외부 표면의 평면도,
도 4는 잉크 비말의 방출을 도시하는 종래의 프린트헤드의 단면도,
도 5는 본 발명의 실시를 이해하기에 유용할 수 있는 비말 메니스커스 시스템의 이상적인 개략도,
도 6은 스프레이의 이롭지 못한 효과와 프린트된 매체상에 신장된 비말 꼬리부의 재현을 나타낸 도면,
도 7a 및 7b는 오리피스 표면 구멍을 도시하는 오리피스 판의 외측 표면으로부터의 평면도,
도 8은 본 발명에서 사용될 수 있는 오리피스 표면 구멍을 도시하는 오리피스 판의 외측 표면으로부터의 평면도,
도 9a 및 9b는 프린트된 매체상에 스프레이 효과의 재현과 본 발명에 의해 제공되는 개선점을 나타낸 도면,
도 10은 본 발명에서 사용될 수 있는 오리피스 구멍을 형성하는 기술을 도시한 도면,
도 11은 본 발명에서 사용될 수 있는 오리피스 구멍을 형성하는 기술을 도시한 도면,
도 12는 본 발명에서 사용될 수 있는 것과 같은, 잉크 발사 챔버에 대한 오리피스 표면 구멍과 오리피스 보어를 도시하는 오리피스 판의 외측 표면으로부터의 평면도.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
107 : 오리피스 판 201, 207 : 잉크 분사기
1001 : 제 1 구멍 1201 : 제 2 구멍
aH : 제 1 선형 치수 bH : 제 2 선형 치수

Claims (8)

  1. 잉크가 분사되는 오리피스를 구비하는 잉크젯 프린터용 프린트헤드에 있어서,
    잉크 분사기(201, 207)와,
    오리피스 판(107)을 포함하며;
    상기 오리피스 판(107)은 상기 잉크 분사기에 대향하는 상기 오리피스 판의 제 1 표면으로부터 상기 제 1 표면에 거의 평행한 상기 오리피스 판의 제 2 표면까지 상기 오리피스 판을 관통하여 연장하는 적어도 하나의 오리피스를 구비하며, 상기 오리피스는, 상기 제 2 표면에 있어서, 상기 제 2 표면에 평행한 제 1 선형 치수(aH)와 상기 제 2 표면에 평행하며 상기 제 1 선형 치수와 수직을 이루는 제 2 선형 치수(bH)를 갖는 구멍(1001)을 구비하고, 상기 제 1 선형 치수는 상기 제 2 선형 치수보다 큰 크기를 가지며, 상기 제 2 표면의 상기 오리피스의 상기 구멍은 상기 제 2 표면의 적어도 제 1 및 제 2 비교차(non-intersection) 에지에 의해 규정되어, 이들 에지는 한 점에서 상기 제 2 치수의 거리만큼 이격되고, 나머지 다른 모든 점에서 상기 제 2 치수보다 큰 거리만큼 이격되어 있는
    잉크젯 프린터용 프린트 헤드.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 오리피스는, 상기 제 1 표면에 있어서, 상기 제 2 표면의 상기 구멍의 기하학적 형상과 일치하지 않고 상이한 기하학적 형상을 가지는 제 2 구멍(1201)을 더 포함하는
    잉크젯 프린터용 프린트 헤드.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 잉크 분사기는 상기 적어도 하나의 오리피스에 결합되는 소정의 챔버 형상의 잉크 분사 챔버(207)를 더 포함하며, 상기 소정의 챔버 형상은 상기 소정의 챔버 형상의 인접한 제 1 부분과 정합하는 적어도 제 1 부분과, 상기 제 1 구멍 기하학적 형상의 제 2 부분과 정합하는 적어도 제 2 부분을 구비하는
    잉크젯 프린터용 프린트 헤드.
  4. 잉크가 분사되는 오리피스를 사용하는 잉크젯 프린터용 프린트헤드의 동작 방법에 있어서,
    잉크의 질량에 대해 속도를 부여하는 단계와,
    오리피스로부터 상기 잉크의 질량을 분사하는 단계를 포함하며, 상기 오리피스는, 제 2 표면에 있어서, 제 2 표면에 평행한 제 1 선형 치수(aH)와 상기 제 2 표면에 평행하며 상기 제 1 선형 치수와 수직을 이루는 제 2 선형 치수(bH)를 갖는 구멍을 구비하며, 상기 제 1 선형 치수는 상기 제 2 선형 치수보다 큰 크기를 가지며, 상기 제 2 표면의 상기 오리피스의 상기 구멍은 상기 제 2 표면의 제 1 및 제 2 비교차 에지에 의해 더 규정되며, 이들 에지는 한 점에서 상기 제 2 치수의 거리만큼 이격되고, 나머지 다른 모든 점에서 상기 제 2 치수보다 큰 거리만큼 이격되어 있는
    잉크젯 프린터용 프린트헤드의 동작 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 잉크의 질량을 분사하는 상기 단계는, 제 1 기하학적 형상을 가지는 상기 제 2 표면의 제 1 구멍(1001)과, 제 2 기하학적 형상을 가지는 상기 제 1 표면의 제 2 구멍(1201)을 구비하는 단계를 포함하며, 상기 제 1 기하학적 형상과 상기 제 2 기하학적 형상이 일치하지 않고 상이한
    잉크젯 프린터용 프린트헤드의 동작 방법.
  6. 잉크젯 프린터용 프린트헤드를 제조하기 위한 방법에 있어서,
    오리피스 판(107)을 형성하는 단계로서, 상기 오리피스 판(107)이 제 1 표면과, 상기 제 1 표면에 거의 평행한 제 2 표면과, 상기 제 1 표면으로부터 상기 제 2 표면까지 상기 오리피스 판을 관통하여 연장하는 적어도 하나의 오리피스를 구비하며, 상기 오리피스는, 상기 제 2 표면에 있어서, 상기 제 2 표면에 평행한 제 1 선형 치수(aH)와 상기 제 2 표면에 평행하며 상기 제 1 선형 치수와 수직을 이루는 제 2 선형 치수(bH)를 갖는 구멍을 구비하고, 상기 제 1 선형 치수는 상기 제 2 선형 치수보다 큰 크기를 가지며, 상기 제 2 표면의 적어도 제 1 및 제 2 비교차 에지에 의해 규정되는 상기 구멍은 한 점에서 상기 제 2 치수의 거리만큼 이격되고, 나머지 다른 모든 점에서 상기 제 2 치수보다 큰 거리만큼 이격되어 있는, 상기 오리피스 판(107)을 형성하는 단계와,
    잉크가 상기 적어도 하나의 오리피스의 상기 구멍으로부터 분사되는 잉크 분사기(201, 207)를 상기 오리피스 판의 상기 제 1 표면에 부착하는 단계를 포함하는
    잉크젯 프린터용 프린트헤드 제조 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 부착 단계는 상기 적어도 하나의 오리피스와 결합하는 소정의 챔버 형상의 잉크 분사 챔버(207)를 형성하는 단계를 포함하며, 상기 소정의 챔버 형상은 상기 잉크 분사 챔버의 상기 챔버 형상의 일부분과 정합하는 적어도 제 1 부분과 상기 제 1 구멍 제 1 기하학적 형상의 일부분과 정합하는 적어도 제 2 부분을 가지는 형상으로 형성되는
    잉크젯 프린터용 프린트헤드 제조 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 오리피스 판을 형성하는 단계는 상기 제 2 표면에 있어서 제 1 기하학적 형상을 가지는 제 1 구멍(1001)과, 상기 제 1 표면에 있어서 제 2 기하학적 형상을 가지는 제 2 구멍(1201)을 포함하는 단계를 더 포함하며, 상기 제 1 기하학적 형상과 상기 제 2 기하학적 형상이 일치하지 않고 상이한
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