KR100530248B1 - 이동노즐을 구비한 잉크젯용 유체씰 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인쇄될 표면을 향해 잉크 방울(14)을 분사하도록 장착된 다수의 노즐을 포함하고; 상기 각 노즐은 액츄에이터(Actuator, 10)에 작동 가능하게 연결되는 천공된 정상부(Apertured Roof Portion, 6)에 의해 적어도 부분적으로 형성된 노즐챔버를 구비하고, 상기 액츄에이터(10)는 잉크(14)를 분사하기 위해 인쇄될 표면으로부터 상기 정상부(6)를 멀어지게 하고 가깝게 하는 방향으로 이동시키며; 상기 정상부(6)는 상기 노즐챔버를 형성하기 위해 프린트헤드의 정상적인 작동 중에 바닥부(Floor Portion)와 정상부의 중첩된 측벽 사이에 유체씰(Fluidic Seal, 17)이 형성되도록 대향하는 바닥부로부터 연장되는 주변의 측벽과 신축식으로 맞물리게 그 둘레로부터 늘어져 있는 측벽을 구비하는 구조를 갖는 잉크젯 프린트헤드에 관한 것이다.

Description

이동노즐을 구비한 잉크젯용 유체씰{Fluidic Seal for Moving Nozzle Ink Jet}

본 발명은 잉크젯 프린트헤드에 관한 것이다. 더욱 자세하게는, 본 발명은 이동노즐(Moving Nozzle)을 구비한 잉크젯(Ink Jet)용 유체씰(Fluidic Seal)에 관한 것이다.

마이크로 전자기계 시스템(Micro-elctro Mechanical System; MEMS) 기술을 이용하여 제조된 형태의 대부분의 잉크젯 프린트헤드는, 그 층(Layer)에 형성된 노즐챔버(Nozzle Chamber)를 구비한 기판(Substrate)의 최상부에 MEMS층으로 형성된 노즐챔버를 이용하는 조립에 제공되고 있다. 각 챔버에는 액츄에이터에 전기적 신호의 수령에 대하여 상기 챔버와 관련된 노즐을 통해 잉크를 방울 형태로 분사시키도록 어떤 형태의 액츄에이터에 의해 작동되는 이동가능한 패들(Paddle)이 제공된다. 그러한 대표적인 조립이 본 출원인의 국제특허출원 PCT/AU99/00894에 개시되어 있다.

본 발명은 상기 패들이 불필요하고, 노즐챔버의 크기 축소에 의한 상기 노즐로부터 잉크방울이 강제 분사되도록 함으로써 장점이 얻어진다는 착상에서 도출된다. 이것은 상기 액츄에이터가 상기 챔버의 아래쪽으로 상기 노즐을 이동시켜 상기 패들이 필요없도록 하여, 조립을 단순화하고 상기 노즐챔버로부터 잉크의 누출을 보다 어렵게 하는 환경을 제공함으로써 달성될 수 있다.

어떠한 다른 형태가 본 발명의 영역에 들 수 있음에도 불구하고, 본 발명의 바람직한 하나의 형태를 아래 첨부된 도면만을 참조한 실시예에 의해 설명한다.

도 1은, 이동노즐을 구비한 잉크젯 어셈블리에 대한 부분 절개 사시도이다.

도 2는, 상기 노즐로부터 잉크방울을 돌출시키도록 상기 이동노즐을 구비한 벤드액츄에이터가 굽어진 것을 도시한 도 1과 유사한 도면이다.

도 3은, 원위치된 노즐과 상기 노즐로부터 분사된 잉크 방울을 도시한 도 1과 유사한 도면이다.

도 4는, 도 2에 도시된 바와 같은 장치의 중앙선을 자른 단면도이다.

도 5는, 선택적인 노즐포커(Optional Nozzle Poker)의 용도를 보이는 도 1과 유사한 도면이다.

도 6은, 상기 벤드액츄에이터가 굽혀지고 상기 노즐로부터 잉크 방울이 돌출되고 있는 것을 보이는 도 5와 유사한 도면이다.

도 7은, 상기 벤드액츄에이터가 곧게 펴지고 상기 노즐로부터 잉크 방울이 분사되고 있는 것을 보이는 도 5와 유사한 도면이다.

도 8은, 절개된 부분이 없이 도 1과 유사한 도면이다.

도 9는, 상기 노즐과 벤드액츄에이터가 제거된 상태에서 상기 노즐챔버에 선택적으로 조립된 것을 도시한 도 8과 유사한 도면이다.

도 10은, 상부층(Upper Layer)이 제거된 상태로 도 9와 유사한 도면이다.

도 11은, 상기 벤드액츄에이터가 절개되고 상기 액츄에이터 앵커(Anchor)가 확실히 분리된 것을 도시한 도 1과 유사한 도면이다.

본 발명에 따르면, 인쇄될 표면을 향해 잉크 방울을 분사하도록 장착된 다수의 노즐(Nozzle)을 포함하고;

상기 각 노즐은 액츄에이터(Actuator)에 작동 가능하게 연결되는 천공된 정상부(Apertured Roof Portion)에 의해 적어도 부분적으로 형성된 노즐챔버를 구비하고, 상기 액츄에이터는 잉크를 분사하기 위해 인쇄될 표면으로부터 상기 정상부를 멀어지게 하고 나서 가깝게 하는 방향으로 이동시키며;

상기 정상부는 상기 노즐챔버를 형성하기 위해 프린트헤드의 정상적인 작동 중에 바닥부(Floor Portion)와 정상부의 중첩된 측벽 사이에 유체씰이 형성되도록 대향하는 바닥부로부터 연장되는 주변의 측벽과 신축식(Telescopic)으로 맞물리게 그 둘레로부터 늘어져 있는 측벽을 구비하는 잉크젯 프린트헤드(Ink Jet Printhead)를 제공한다.

바람직하게, 상기 노즐챔버는, 하부의 기판(Underlying Substrate)에 적어도 하나의 도관(Conduit)을 경유하여 잉크가 공급되도록 장착된다.

상기 신축식으로 맞물리는 측벽 중 하나는, U 형상의 단면 구성을 갖으며, 다른 측벽에 밀접한 인접벽(Proximal Wall)과, 실질적으로 상기 인접벽에 평행하며 공간을 두고 있는 말단벽(Distal Wall)을 포함하고, 상기 인접벽과 말단벽 사이에 채널(Channel)을 형성하는 것이 바람직하다.

바람직하게, 상기 정상부의 주변으로부터 늘어지는 측벽은, 상기 U 형상의 구성을 갖는 바닥부로부터 연장되는 측벽 내에 위치하며, 그 속에 잉크를 수납하고 저장하기 위해 장착된 개구채널(Open Channel)을 형성하는 것이다.

본 명세서의 시작 부분에서 언급된 본 출원인의 계류된 특허출원에 기재된 바와 같이, 대부분의 유사한 노즐들이 MEMS와 CMOS 기술을 이용하여 동시에 제조된다는 것을 이해할 것이다.

목적을 명확하게 하기 위해, 개개의 잉크젯 노즐에 대한 조립만을 설명할 것이다.

상기에서 인용된 본 출원인의 계류된 특허출원에 기재된 형태인 종래의 잉크젯 조립에서는, 잉크가 상기 챔버 내의 패들의 이동에 의하여 노즐챔버로부터 분사되는데 반해, 본 발명에 따르면 상기 패들은 불필요하며, 잉크는 벤드액츄에이터에 의해 아래쪽으로, 그리고 나서 윗쪽으로 이동되어 상기 챔버 부피를 줄이고 나서 증대시켜 잉크를 상기 노즐을 통해 분사시키는 상기 챔버의 상부 표면에 있는 개구부(노즐)를 통해 분사된다.

본 명세서 전반에 걸쳐, "노즐"이란 용어는 개구부를 형성하는 부재로서 이해되어야 하며 개구부 자체로서 이해되어서는 않된다. 더욱이, 상대적인 용어들인 "상부"와 "하부" 및 이와 유사한 용어들은 첨부된 도면에 참조하여 사용되며, 사용 중 상기 잉크젯 노즐의 방향을 어떠한 방식으로든지 제한하지 않는 것으로 이해하여야 한다.

첨부된 도면 중 도 1 내지 3을 참조하면, 상기 노즐은, 바닥부(5), 정상부(6)와 신축식으로 포개진 주변 측벽(7과 8)에 의해 형성된 챔버(4) 내에 팔각형 개구부(3)(다른 적절한 구성일 수도 있음)를 통하는 잉크 공급구멍(2)이 형성되는 기판 위에 MEMS 기술에 의해 조립된다. 정상부(6)로부터 아래쪽으로 늘어지는 상기 측벽(7)은, 바닥부(5)로부터 위쪽으로 늘어진 측벽(8) 내에서 위아래 쪽으로 이동될 수 있도록 크기가 맞추어져 있다.

상기 분사노즐은 아래에서 더 설명되는 바와 같이, 상기 노즐챔버로부터 잉크 분사를 위한 개구부를 형성하도록 상기 정상부(6)에 위치한 테두리(Rim, 9)에 의해 형성된다.

상기 정상부(6)와 아래쪽으로 늘어진 측벽(7)들은 비가열 캔틸레버(Non-heated Cantilever)에 의해 구속되는 주울열 캔틸레버(Joule Heated Cantilever)를 형성하는 층으로 만들어진 벤드액츄에이터(10)에 의해 지지되는데, 상기 주울열 캔틸레버에 대한 가열로 인해 상기 주울열 캔틸레버와 비가열 캔틸레버 사이에 미세한 팽창이 생기고, 이로 인해 상기 벤드액츄에이터(10)이 굽혀진다.

상기 벤드액츄에이터의 인접단(Proximal End, 11)은 상기 기판(1)에 고정되며, 아래에서 더 설명되는 바와 같이, 앵커부재(Anchor Member, 12)에 의해 후방으로의 이동이 금지되고, 말단(Distal End, 13)은 고정되어 상기 잉크젯 노즐의 정상부(6)와 측벽(7)을 지지한다.

사용 중, 잉크는 통로(Passage, 2)와 개구부(3)를 통해 적절한 방식으로 상기 노즐챔버에 공급되지만, 일반적으로는 본 출원인의 계류된 특허출원에 이미 기재된 바와 같이 공급된다. 상기 노즐챔버로부터 잉크 방울을 분사하기 원할 때, 상기 벤드액츄에이터(10)에 전류가 공급되어 상기 액츄에이터를 도 2에 도시된 위치로 굽어지게 하며, 상기 정상부(6)를 바닥부(5) 아래쪽으로 이동시킨다. 이러한 상대적인 이동은 상기 노즐챔버의 부피를 감소시키고, 이로 인해 잉크는 노즐 테두리(9)를 통하여 위쪽으로 부풀게 되어(도 2), 상기 잉크에서의 표면장력에 의해 부분적으로 형성된 잉크방울(14)을 발생시킨다.

상기 벤드액츄에이터(10)로부터 전류가 차단될 때, 상기 액츄에이터는 도 3과 같이 곧게 뻗은 상태로 전환되어 위쪽으로 상기 노즐챔버의 정상부(6)를 원위치로 이동시킨다. 부분적으로 형성된 잉크방울(14)의 모멘텀(Momentum)은, 상기 방울을 위쪽으로 계속 이동시켜 인접한 종이 표면 위나 인쇄될 다른 매체 위에 투사되는, 도 3에 도시된 바와 같은 잉크 방울(15)을 형성한다. 인쇄동작중에 반복되는 잉크방울 분사는 상기 벤드액츄에이터(10)로부터의 전류의 공급과 차단의 반복으로 이루어진다.

본 발명의 하나의 형태에서, 바닥부(5)에 있는 개구부(3)는 상기 노즐챔버의 단면적과 비교하여 상대적으로 크며, 상기 잉크 방울은 상기 노즐 테두리(9)를 통해 상기 구멍(2)의 측벽과 잉크 저장조(Reservoir, 미도시)로부터 상기 개구부(2)로 인도되는 공급도관(Supply Conduit)에서의 점성력에 의해 정상부(6)의 하방으로 분사되게 된다. 이것은 이전의 많은 잉크젯 노즐 형태와의 차이이며, 상기 노즐 테두리를 통해 작동(Actuation)에 의해 잉크를 분사시키는 노즐챔버에서의 "배압(Back Pressure)"은, 상기 노즐챔버의 인접한 위치에 있는 하나 이상의 배플(Baffle)에 의해 발생한다. 이러한 형태의 조립은, 상술한 형태의 이동노즐을 구비한 잉크젯에 이용될 수 있으며, 도 9와 10을 상세히 참조하여 아래에서 더 설명될 것이지만, 도 1 내지 3에 도시된 발명 형태에서 배압은 상기 공급도관에서 주로 점성력과 잉크의 관성에 의해 형성된다.

작동 중, 즉 상기 벤드액츄에이터(10)의 굽힘 중 상기 노즐챔버로부터 잉크의 누출을 방지하기 위하여, 유체씰(Fluidic Seal)을 도 3과 4를 상세히 참조하여 아래 설명되는 바와 같이, 측벽 7과 8사이에 형성한다.

표면장력에 의해 잉크가 상기 노즐챔버 내에 확실히 유지되는 측벽 7과 8의 기하학적 형상에 의해 정상부(6)와 바닥부(5)의 상대적인 이동 중 상기 노즐챔버에 잉크가 유지된다. 이러한 목적을 위해, 아래로 늘어진 측벽(7)과 위로 늘어진 측벽(8)의 서로 마주보는 표면(16) 사이에 매우 미세한 틈이 제공된다. 도 4에 명확히 도시된 바와 같이, 상기 잉크(검은 영역으로 도시됨)는, 상기 2개의 측벽들의 근접에 의해 상기 아래로 늘어진 측벽(7)과 상기 위로 연장된 측벽의 안쪽면(16) 사이의 상기 작은 구멍 내에서 보유되는데, 상기 측벽들이 밀접하게 근접하기 때문에 표면장력에 의해 잉크 "자체씰(Self Seal)"이 자유개구부(Free Opening, 17)를 확실히 가로지를 수 있다.

표면장력을 없앨 수 있는 불순물이나 다른 요소들로 인한 상기 표면장력 억제를 피할 수 있는 어떠한 잉크를 제공하도록, 상기 위로 늘어진 측벽(8)은 상방향 채널(Upwardly Facing Channel)의 형태로 제공되는데, 상기 상방향 채널은 안쪽면(16) 뿐만 아니라 일정 공간을 두고 떨어진 평행한 외부 표면(18)을 구비하며, 상기 외부 표면은 상기 2개의 표면 사이에서 U 형상의 채널(19)을 형성한다. 상기 표면 7과 16 사이의 표면장력을 벗어나는 잉크 방울들은 상기 노즐층(Nozzle Strata)의 표면을 가로질러 "심지(Wicking)"보다 더욱 유지되어 있는 상기 U 형상의 채널로 흘러 넘친다. 이러한 방식에서는, 상기 이동노즐 기구(Mechanism) 내에 잉크를 유지하는데 효과적인 이중벽 유체씰(Dual Wall Fluidic Seal)이 형성된다.

본 출원인의 계류 중인 출원의 일부에 이미 기재된 바와 같이, 어떠한 상황에서는 상기 노즐 개구부 내에 쌓일 수 있는 모든 불순물을 없애기 위해 "노즐포커(Nozzle Poker)"를 제공하여, 상기 노즐로부터 잉크 방울의 분사를 작동 중 깨끗하고 명확하도록 하는 것이 바람직하다. 이동노즐을 구비한 잉크젯과 결합하여 포커를 이용하는 본 발명의 구성이 첨부된 도 5, 6 및 7에 도시되어 있다.

도 5는 상기 노즐챔버의 바닥에 있는 개구부(3)를 가로지르는 브리지(Bridge, 20)가 추가된 도 1과 유사한 도면으로, 그 브리지 위에는 작동 중 상기 노즐의 평면을 통과하거나 및/또는 평면 쪽으로 돌출되도록 크기가 맞춰진 위쪽으로 연장되는 포커(21)가 장착된다.

도 6에 도시된 바와 같이, 상기 정상부(6)가 상기 벤드액츄에이터(10)의 굽힘에 의해 아래쪽으로 이동될 때, 상기 포커(21)는 상기 노즐 테두리(9)의 개구부를 통해 찌르게 되어 상기 부풀려진 잉크 방울(14)를 분리시키게 된다.

도 7에 도시된 바와 같이, 상기 벤드액츄에이터(10)의 펴지는 작동으로 상기 정상부(6)가 원위치로 돌아올 때, 상기 잉크 방울이 이미 설명된 바와 같이 형성되어 분사되고, 상기 포커(21)는 상기 노즐 테두리를 가로질러 형성될 수 있어 상기 노즐을 막을 수도 있는 건조된 잉크를 방지하거나 깨는데 효과적이다.

상기 벤드액츄에이터(10)는 도 2에 도시된 위치로 상기 정상부가 아래쪽으로 이동하도록 굽혀질 때, 상기 정상부는 상기 바닥부(5)에 대해 상대적으로 경사져, 잉크 방울의 형성 지점에서 상기 노즐을 인쇄될 표면에 평행하지 않는 방향으로 이동시킨다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 이 방향은, 보정되지 않는다면, 일반적으로 상기 바닥부(5)의 평면과 노즐층에 대해 거의 수직이 아닌 방향으로 상기 잉크 방울을 노즐로부터 분사되도록 할 것이다. 이것은 인쇄에 있어, 특히 일부 노즐이 한 방향으로 향할 수 있고 다른 노즐들은 다른 방향, 일반적으로는 반대 방향을 향할 수 있기 때문에 부정확함을 초래할 것이다.

이러한 비직각적인 이동(Non-Perpendicular Movement)에 대한 보정은 도 8에 명확하게 도시된 바와 같은 비대칭적인 형상을 갖는 노즐 테두리(9)를 제공함으로써 달성될 수 있다. 상기 노즐은 상기 벤드액츄에이터(10)에 더 가까운 끝단(22)을 가로질러 전형적으로 더 넓고 편평하며, 상기 벤드액츄에이터로부터 먼 끝단(23)에서는 더 좁고 날카롭다. 이러한 노즐 테두리의 협소함은, 상기 노즐의 좁은 부분에서 표면장력의 힘을 증가시키고, 그 결과 상기 방울이 상기 노즐로부터 분사될 때, 상기 벤드액츄에이터 쪽의 방향으로 화살표(24A)에 의해 표시된 잉크 방울의 순벡터력(Net Vector Force)을 초래한다. 이러한 순벡터력은 상기 정상부(6)와 수직하지 않은 방향으로 잉크 방울을 추진하여, 그 결과 잉크 방울 분사 지점에서 상기 정상부의 경사진 방향에 대하여 보상하도록 맞추어 진다.

상기 노즐 테두리(9)의 형상과 특징을 잘 맞춤으로써, 작동 중 상기 정상부(6)의 경사에 대해 완전히 보상하고 상기 바닥부(5)에 수직인 방향으로 노즐로부터 잉크 방울을 추진하는 것이 가능하다.

상술한 바와 같이, 상기 노즐챔버 내에 유지된 잉크에 대한 배압이 비록 상기 공급도관 내에서 점성력에 의해 제공될 수는 있지만, 상기 노즐에 근접한 상당한 축소 대신에 배압을 갖는 이동노즐을 구비한 잉크젯을 제공하는 것도 가능하다. 이러한 축소는 도 9와 10에 명확하게 도시된는 바와 같은 기판층(Substrate Layer)에 일반적으로 제공된다. 도 9는 상기 노즐챔버 바로 아래에서 한정된 단면적을 갖는 개구부(25)를 초래하는 하나 이상의 배플부재(Baffle Member, 24)를 안쪽으로 늘어뜨린 측벽(8)을 도시한다. 이러한 개구부의 형성은 (도 9에 도시된) 상부층이 확실히 제거된 도 10에서 볼 수 있다. 이러한 본 발명의 형태는, 일부 구성에서는 바람직할 수 있는 파워 트레이스(Power Trace)나 신호 트레이스(Signal Trace)와 같은 부수적인 부품들의 인접 위치 및 상기 이동노즐을 구비한 잉크젯의 의도적인 용도를 허용할 수 있다. 비록 이러한 방식에서는 제한적인 배플의 용도가 이러한 장점을 갖지만, 일부 용도에서는 프린터의 동작 속도를 심하게 제한할 수 있는 상기 노즐챔버에 대한 더 긴 재충전 시간(Refill Time)을 초래하기도 한다.

말단(13)에서 결합된 비가열 캔틸레버(29) 위에 위치한 주울열 캔틸레버(28)로부터 형성되는 상기 벤드액츄에이터는, 인접단(11)에서 상기 주울열 캔틸레버(28)와 비가열 캔틸레버(29) 사이의 상대적인 이동을 방지하도록 확실히 고정되어야 하는 반면, 상기 주울열 캔틸레버(28)에 전류 공급을 위해 제공하여야 한다. 도 11은 각각 그 하단이 상기 기판(26)에 형성되거나 또는 끼워지는 베이스부(Base Portion, 30)와 측부(Side Portion, 31)를 구비한 U 형상의 구성으로 제공되는 앵커(12)를 도시하고 있다. U 형상의 벤드액츄에이터의 형성은 단부벽(End Wall, 30)에 강성(Rigidity)을 부여하여 상기 벤드액츄에이터의 이동시 상기 기판(26)에 대한 상기 단부벽(30)의 어떠한 굽힘이나 변형을 방지할 수 있다.

상기 비가열 캔틸레버(29)는 측벽(31)에 있는 오목부(Recess, 33) 내에 위치한 밖으로 연장된 탭(Tab, 32)을 제공하여, 더욱 강성을 부여하며, 상기 비가열 캔틸레버(29)와 상기 앵커(12) 부근에 있는 주울열 캔틸레버(28) 사이의 상대적인 이동을 방지한다.

이러한 방식에서, 상기 벤드액츄에이터의 인접단은 확실히 완전하게 고정되며, 상기 주울열 캔틸레버와 상기 비가열 캔틸레버 사이의 어떤 상대적인 이동도 상기 앵커에서 방지된다. 이것은 상기 이동노즐을 구비한 잉크젯의 정상부(6)의 이동 효율을 더욱 향상시키게 된다.

Claims (4)

1. 인쇄될 표면을 향해 잉크 방울을 분사하도록 장착된 다수의 노즐(Nozzle)을 포함하고;

   상기 각 노즐은 액츄에이터(Actuator)에 작동 가능하게 연결되는 천공된 정상부(Apertured Roof Portion)에 의해 적어도 부분적으로 형성된 노즐챔버를 구비하고, 상기 액츄에이터는 잉크를 분사하기 위해 인쇄될 표면으로부터 상기 정상부를 멀어지게 하고 나서 가깝게 하는 방향으로 이동시키며;

   상기 정상부는 상기 노즐챔버를 형성하기 위해 프린트헤드의 정상적인 작동 중에 바닥부(Floor Portion)와 정상부의 중첩된 측벽 사이에 유체씰(Fluidic Seal)이 형성되도록 대향하는 바닥부로부터 연장되는 주변의 측벽과 신축식(Telescopic)으로 맞물리게 그 둘레로부터 늘어져 있는 측벽을 구비하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드(Ink Jet Printhead).
2. 제1항에 있어서,

   상기 노즐챔버는, 하부의 기판(Underlying Substrate)에 적어도 하나의 도관(Conduit)을 경유하여 잉크가 공급되도록 장착되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
3. 제1항에 있어서,

   상기 신축식으로 맞물리는 측벽 중 하나는, U 형상의 단면 구성을 갖으며, 다른 측벽에 밀접한 인접벽(Proximal Wall)과, 실질적으로 상기 인접벽에 평행하며 공간을 두고 있는 말단벽(Distal Wall)을 포함하고, 상기 인접벽과 말단벽 사이에 채널(Channel)을 형성하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
4. 제3항에 있어서,

   상기 정상부의 주변으로부터 늘어지는 측벽은, 상기 U 형상의 구성을 갖는 바닥부로부터 연장되는 측벽 내에 위치하며, 그 속에 잉크를 수납하고 저장하기 위해 장착된 개구채널(Open Channel)을 형성하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.