KR100553623B1

KR100553623B1 - 잉크 제트 기록 헤드

Info

Publication number: KR100553623B1
Application number: KR1020030046337A
Authority: KR
Inventors: 도미자와게이지; 무라까미슈이찌
Original assignee: 캐논 가부시끼가이샤
Priority date: 2002-07-10
Filing date: 2003-07-09
Publication date: 2006-02-22
Also published as: US7090334B2; EP1380420A3; KR20040005680A; EP1380420A2; JP2004042651A; US6984026B2; TWI270466B; CN1265964C; CN1475349A; EP1380420B1; JP4027281B2; US20050219326A1; DE60324737D1; TW200415027A; US20040056927A1

Abstract

본 발명의 목적은 재충전 시에 일어나는 메니스커스 진동을 신속하게 억제할 수 있으며 토출을 안정적으로 수행할 수 있는 노즐 형상을 갖는 잉크 제트 기록 헤드를 제공하는 것이다.

제2 토출 포트부(10)는 버블링 챔버(11) 측면 상에 정방형의 하부면이 있으며 정방형의 상부면 상의 모서리들이 각각 히터(1)가 형성되어 있는 소자 기판의 주 표면에 대해 수직이며 토출 포트(4)의 중심을 통과하는 임의의 단면 상에서 만곡되어 있는 형태를 가지며, 이러한 만곡부들은 각각 정방형의 상부면 상의 모서리들 내에 내접하는 반경(R)의 원의 호로서 형성된다.

토출 포트, 노즐, 공급 챔버, 공급 통로, 버블링 챔버, 제2 토출 포트부

Description

잉크 제트 기록 헤드 {INK JET RECORD HEAD}

도1은 본 발명에 적합한 잉크 제트 기록 헤드의 실시예의 절결부를 도시하는 사시도.

도2a, 도2b, 및 도2c는 본 발명의 제1 실시예에 따른 잉크 제트 기록 헤드의 노즐 구조를 설명하기 위한 도면.

도3a, 도3b, 및 도3c는 본 발명의 제2 실시예에 따른 잉크 제트 기록 헤드의 노즐 구조를 설명하기 위한 도면.

도4a, 도4b, 및 도4c는 본 발명의 제3 실시예에 따른 잉크 제트 기록 헤드의 노즐 구조를 설명하기 위한 도면.

도5a, 도5b, 및 도5c는 본 발명의 제4 실시예에 따른 잉크 제트 기록 헤드의 노즐 구조를 설명하기 위한 도면.

도6은 본 발명의 제1 내지 제4 실시예에 따른 제2 토출 포트부의 측면 상에서 발생하는 혼입 유동의 효과를 설명하는 개략도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 히터

2 : 소자 기판

3 : 유동 통로 구성 기판

4 : 토출 포트

5 : 노즐

6 : 공급 챔버

7 : 제1 노즐 열

8 : 제2 노즐 열

9 : 공급 통로

10 : 제2 토출 포트부

11 : 버블링 챔버

본 발명은 잉크 액적과 같은 액적을 토출시켜서 기록 매체 상에 기록을 수행하기 위한 액체 토출 헤드에 관한 것이고, 특히 잉크 제트 기록을 수행하기 위한 액체 토출 헤드에 관한 것이다.

잉크 제트 기록 시스템은 소위 비충격식 기록 시스템의 일종이다. 잉크 제트 기록 시스템에 있어서, 기록 시에 발생되는 소음이 거의 무시할 만 하며 고속 기록이 가능하다. 잉크 제트 기록 시스템은 다양한 기록 매체 상에 기록할 수 있으며 특별한 프로세스를 필요로 하지 않고서 소위 표준 용지 상에 잉크를 정착시킬 수 있고, 또한 저비용으로 고해상도의 화상을 이룰 수 있다. 이러한 장점 때문에, 잉크 제트 기록 시스템은 최근에 컴퓨터의 주변기기인 프린터용으로 뿐만 아니라 복사기, 팩시밀리, 워드 프로세서 등의 기록 수단으로서 빠르게 확산되고 있다.

통상 사용되는 잉크 제트 기록 시스템의 잉크 토출 방법은 잉크 액적을 토출시키기 위해 사용되는 토출 에너지 발생 소자로서 히터와 같은 전열 변환 소자를 사용하는 방법과 피에조 소자와 같은 압전 소자를 사용하는 방법을 포함한다. 양 방법은 전기 신호에 의해 잉크 액적의 토출을 제어할 수 있다. 전열 변환 소자를 사용하는 잉크 토출 방법의 원리에 따르면, 비등 시의 잉크의 상 변화에 의해 발생되는 갑작스런 버블링 압력에 의하여 고속으로 잉크 액적을 토출시키도록, 전압이 전열 변환 소자에 인가되어 변환 소자의 부근의 잉크를 순간적으로 가열한다. 다른 한편으로, 압전 소자를 사용하는 잉크 토출 방법의 원리에 따르면, 전압이 압전 소자에 인가되어 압전 소자를 변위시켜서 변위 시에 발생되는 압력에 의하여 잉크 액적을 토출시킨다.

전열 변환 소자를 사용하는 잉크 토출 방법은 토출 에너지 발생 소자를 위치시키기 위해 큰 공간을 확보할 필요가 없고 기록 헤드의 구조가 간단하며 노즐을 쉽게 합체시키는 것과 같은 장점을 갖는다. 다른 한편으로, 이러한 잉크 토출 방법에 있어서 고유한 문제점은 기록 헤드 내의 전열 변환 소자 등에 의해 발생되는 열의 축열로 인해 비상하는 잉크 액적의 부피의 변화와, 버블의 소멸로 인한 캐비테이션에 의하여 전열 변환 소자 상에 야기되는 악영향과, 잉크 내로 용해된 공기가 기록 헤드 내에서 잔류 버블이 됨으로써 잉크 액적의 토출 특성 및 화상 품질에 야기되는 악영향을 포함한다.

이러한 문제점들을 해결하는 방법으로서, 일본 특허 출원 공개 제54-161935호, 일본 특허 출원 공개 제61-185455호, 일본 특허 출원 공개 제61-249768호, 및 일본 특허 출원 공개 제4-10941호에 의해 개시된 잉크 제트 기록 시스템 및 기록 헤드가 있다. 특히, 상기 특허 출원 공개에 의해 개시된 잉크 제트 기록 시스템은 전열 변환 소자가 기록 신호에 의해 구동되고 이렇게 발생되는 버블이 외부 공기에 통기되는 구조를 갖는다. 이러한 잉크 제트 기록 시스템을 채택함으로써 비상하는 잉크 액적의 부피를 안정화시켜서 미량의 잉크 액적을 고속으로 토출시키는 것이 가능하다. 그리고, 버블의 소멸 시에 발생되는 캐비테이션을 해결함으로써 히터의 내구성을 개선시켜 더욱 고해상도의 화상을 쉽게 얻는 것이 가능해진다. 상기 특허 출원 공개에서 버블을 외부 공기와 연통시키기 위한 구조로서, 잉크 내에서 버블을 발생시키기 위한 전열 변환 소자와 잉크를 토출시키기 위한 개구인 토출 포트 사이의 최단 거리를 종래에 비해 현저하게 감소시키기 위해 지정된 구조가 있다.

이러한 타입의 기록 헤드의 구조가 이하에서 설명될 것이다. 이는 잉크를 토출시키기 위한 전열 변환 소자가 제공되어 있는 소자 기판과, 잉크의 유동 통로를 구성하도록 소자 기판과 결합된 유동 통로 구성 기판(포트 기판으로도 불림)을 갖는다. 유동 통로 구성 기판은 잉크가 유동하는 복수의 노즐과, 잉크를 각각의 노즐로 공급하기 위한 공급 챔버와, 잉크 액적을 토출시키기 위한 노즐 단부 개구인 복수의 토출 포트를 갖는다. 노즐은 전열 변환 소자에 의해 버블이 발생되는 버블링 챔버와, 잉크를 버블링 챔버로 공급하기 위한 공급 통로로 구성된다. 소자 기판은 버블링 챔버 내에 위치되어 제공된 전열 변환 소자를 갖는다. 소자 기판은 또한 잉크를 유동 통로 구성 기판과 접촉하는 주 표면의 대향면 상의 후방 표면으로부터 공급 챔버로 공급하기 위해 제공된 공급 포트를 갖는다. 그리고, 유동 통로 구성 기판은 소자 기판 상의 전열 변환 소자에 대향한 위치에 제공된 토출 포트를 갖는다.

위와 같이 구성된 기록 헤드에 있어서, 공급 포트로부터 공급 챔버 내로 공급된 잉크는 버블링 챔버 내에 충전되도록 각각의 노즐을 따라 제공된다. 버블링 챔버 내에 충전된 잉크는 전열 변환 소자에 의한 막비등으로 인해 발생되는 버블에 의하여 소자 기판의 주 표면에 대해 거의 직교하는 방향으로 비상하게 되어 토출 포트로부터 잉크 액적으로 토출된다.

또한, 전술한 기록 헤드에 있어서, 잉크를 토출시킬 때, 버블링 챔버 내에 충전된 잉크의 유동은 버블링 챔버 내에서 성장하는 버블에 의하여 토출 포트 측과 공급 통로 측으로 나눠진다. 이 때, 유체의 버블링으로 인한 압력이 공급 통로 측으로 빠져나가거나, 또는 토출 포트의 내벽과의 마찰로 인해 압력 손실이 일어난다. 이러한 현상은 토출에 악영향을 끼치고, 액적이 더 작아질 수록 두드러지는 경향이 있다. 특히, 토출 구경이 작은 액적을 만들기 위해 작아질수록, 제1 토출 포트부의 저항이 매우 높아져서 토출 포트 방향으로의 유량이 감소하고 유동 통로 방향으로의 유량이 증가하여, 잉크 액적의 토출 속도가 감소되는 결과를 낳는다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 수단으로서, 유동에 대해 수직인 단면적이 토출 포트보다 더 큰 제2 토출 포트부를 제공하여 버블이 토출 포트 방향으로의 더 작은 압력 손실을 가지고 성장하도록 토출 포트 방향으로의 전체 유동 저항을 낮추는 것이 가능하다. 따라서, 유량이 유동 통로 방향으로 빠져나가는 것을 억제하고 잉크 액적의 토출 속도의 감소를 방지하는 것이 가능하다.

또한, 최근에, 토출 액적은 고품질 화상을 실현하기 위하여 계속 작아진다. 미소한 액적이 토출되므로, 토출 포트의 크기가 더 작아진다. 따라서 토출 포트의 크기가 더 작아지므로, 토출 포트부 내의 액체량이 더 작아져서 토출이 수행되지 않는 동안 준비 중에 있는 토출 포트부 내의 액체가 더 두꺼워지는 경향이 있다. 그러한 두꺼워진 부분의 토출 특성은 다른 토출 포트에 비해 크게 변한다. 이러한 현상은 복구 작업을 수행함으로써 해결될 수 있다. 그러나, 이는 처리량이 극도로 감소되기 때문에 전술한 미소한 액적을 토출시키는 경우에는 바람직하지 않다.

제2 및 제1 토출 포트부들 사이의 불균일한 부분 내에, 유속을 거의 갖지 않는 잉크의 정체 영역이 버블링 후의 토출 포트 방향으로의 유동 내에서 발생한다. 위와 같은 이유로 제2 토출 포트부의 형상을 변경할 때 잉크의 정체 영역을 확장시키지 않을 필요가 있다. 이는 그러한 잉크의 정체가 토출이 고빈도로 연속적으로 수행되는 경우에 토출 부피의 변화를 야기할 수 있기 때문이다.

따라서, 본 발명을 달성하기 위하여, 본 발명자는 충분한 액체가 토출 포트 부근에 보유되는 구조의 채택함으로써 두께 증가에 관한 전술한 문제점을 해결하였으며, 제2 토출 포트부의 충분한 부피를 확보했을 때 정체를 거의 갖지 않으며 충분한 토출 특성을 보유하는 제2 토출 포트부의 구조를 발견하였다.

전술한 현실의 문제점을 고려하여, 본 발명의 제1 목적은 대기 중에 토출 포트부 내의 잉크의 두께 증가의 효과를 감소시키고 양호한 토출 특성을 보유하고 재충전 시에 일어나는 메니스커스 변동을 신속하게 억제할 수 있고 잉크를 안정적으 로 토출시킬 수 있는 노즐 형상을 갖는 잉크 제트 기록 헤드를 제공하는 것이다.

본 발명의 제2 목적은 잉크 내의 축열로 인한 토출 부피의 전술한 변동을 억제할 수 있는 노즐 형상의 잉크 제트 기록 헤드를 제공하는 것이다.

목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 잉크 제트 기록 헤드는 액체가 유동하는 복수의 노즐과, 액체를 각각의 노즐로 공급하기 위한 공급 챔버와, 액적을 토출시키기 위한 노즐 단부 개구인 복수의 토출 포트를 갖는 것이며, 전술한 노즐은 액적을 토출시키기 위해 열 에너지를 발생시키기 위한 토출 에너지 발생 소자에 의해 버블을 발생시키기 위한 버블링 챔버, 전술한 토출 포트를 포함하며 전술한 토출 포트와 잉크를 버블링 챔버로 공급하기 위한 공급 통로 사이에서 연통하는 토출 포트부, 및 잉크를 버블링 챔버로 공급하기 위한 공급 통로로 구성된 유동 통로 구성 기판과, 전술한 토출 에너지 발생 소자가 주 표면에 의해 전술한 유동 통로 구성 기판과 결합하도록 제공된 소자 기판을 갖고, 전술한 토출 포트부는 전술한 토출 포트를 포함하는 거의 일정한 직경의 제1 토출 포트부와, 제1 토출 포트부에 연속되어 각각 전술한 제1 토출 포트부 및 전술한 버블링 챔버와 단차를 가지고 연통하는 제2 토출 포트부를 갖고, 전술한 제2 토출 포트부와 전술한 버블링 챔버 사이의 경계부 및 전술한 제2 토출 포트부와 전술한 제1 토출 포트부 사이의 경계부는 곡률을 갖는 벽에 의해 연속적으로 형성된다.

전술한 기록 헤드 구조에 의하면, 대기 중에 토출 포트부 내의 잉크의 두께 증가로 인한 영향을 감소시키고 토출 특성의 변동을 거의 갖지 않고 고 해상도를 보유할 수 있는 화상을 기록하는 잉크 제트 헤드를 제공하는 것이 가능하다. 메니스커스 변동을 억제할 수도 있다. 특히, 액체가 재충전 시에 토출 포트 방향으로 이동할 때, 전술한 제2 토출 포트부의 벽 표면에 가까운 액체 유동은 만곡부를 따라 만곡되며 전술한 소자 기판에 대해 수직인 방향으로의 재충전 주 스트림과 거의 수직으로 충돌하기 위한 유량을 가지므로, 전술한 소자 기판에 대해 수직인 방향으로의 재충전 주 스트림의 토출 포트 내로의 이동 속도가 감소되어 결과적으로 메니스커스 변동을 감쇄시킨다 (도2b, 도3b, 도4b, 및 도5b와 유사한 개략적인 단면도를 도시하는 도6 참조).

더욱이, 고빈도로 연속적으로 토출시키는 경우에, 유속을 거의 갖지 않는 잉크의 미소한 정체 영역은 버블링 후의 토출 포트 방향으로의 유동 내에서 더 작아진다. 결과적으로, 전열 변환 소자에 의한 연속적인 토출 작업 시에 잉크의 축열이 낮게 유지되어 토출되는 액적의 부피 변동이 더 적어질 것이다.

본 발명에 따르면, 제2 토출 포트부는 유동 통로 구성 부재의 표면과 제2 토출 포트부의 천장 표면 사이의 두께가 비교적 두껍게 유지되도록 만곡되어 강도를 증가시킨다.

이하에서, 본 발명의 실시예가 도면을 참조하여 설명될 것이다.

본 발명에 따른 잉크 제트 기록 헤드는 특히 액체 잉크를 토출시키기 위해 사용되는 에너지로서 열 에너지를 발생시켜 열 에너지에 의해 잉크의 상태 변화를 일으키기 위한 수단을 갖는 시스템을 채택한, 잉크 제트 기록 시스템의 기록 헤드이다. 이는 기록되는 문자 및 화상의 고밀도 및 고해상도를 달성한다. 특히, 본 발명에 따르면, 전열 변환 소자가 열 에너지를 발생시키기 위한 수단으로 사용되고, 잉크는 전열 변환 소자에 의해 잉크를 가열 및 막비등시킬 때 발생되는 버블로 인한 압력을 이용함으로서 토출된다.

우선, 본 실시예에 따른 잉크 제트 기록 헤드의 전반적인 구조가 설명될 것이다.

도1은 본 발명에 적합한 잉크 제트 기록 헤드의 실시예의 절결부를 도시하는 사시도이다.

도1에 도시된 형태의 잉크 제트 기록 헤드는 전열 변환 소자인 복수의 히터(1)들 각각에 대한 잉크의 유동 통로인 노즐(5)을 개별적이고 독립적으로 형성하기 위하여 격벽이 토출 포트(4)로부터 공급 챔버(6) 부근으로 연장되어 위치되는 구조를 갖는다.

잉크 제트 기록 헤드는 복수의 히터(1) 및 복수의 노즐(5)을 가지며, 종방향이 평행하게 배열된 노즐(5)들을 갖는 제1 노즐 열(7)과 공급 챔버(6)를 가로질러 제1 노즐 열(7)에 대향한 위치에서 종방향이 평행하게 배열된 노즐(5)들을 갖는 제2 노즐 열(8)을 구비한다.

제1 및 제2 노즐 열(7, 8)은 인접한 노즐들을 600 dpi 피치의 간격으로 갖도록 형성된다. 제2 노즐 열(8) 내의 노즐(5)들은 인접한 노즐들 사이의 피치가 제1 노즐 열(7) 내의 노즐(5)들에 대하여 1/2 피치만큼 상호 편위되도록 배열된다.

전술한 기록 헤드는 일본 특허 출원 공개 제4-10940호 및 일본 특허 출원 공개 제4-10941호에 개시된 잉크 제트 기록 시스템이 적용되는 잉크 토출 수단을 가 지며, 여기서 잉크를 토출시킬 때 발생되는 버블은 토출 포트를 거쳐서 외부 공기와 연통한다.

이하에서, 본 발명의 주요 부분인 잉크 제트 기록 헤드의 노즐 구조가 다양한 형태의 예를 들어 설명될 것이다.

(제1 실시예)

도2a, 도2b, 및 도2c는 본 발명의 제1 실시예에 따른 잉크 제트 기록 헤드의 노즐 구조를 도시한다. 도2a는 잉크 제트 기록 헤드의 복수의 노즐들 중 하나를 기판에 대한 수직 방향에서 도시하기 위한 평면 사시도이고, 도2b는 도2a의 선 2B-2B를 따른 단면도이고, 도2c는 도2a의 선 2C-2C를 따른 단면도이다.

도1에 도시된 바와 같이, 이러한 형태의 노즐 구조를 갖는 기록 헤드는 전열 변환 소자인 복수의 히터(1)가 제공되어 있는 소자 기판(2)과, 복수의 잉크의 유동 통로를 구성하도록 소자 기판(2)의 주 표면 상에 적층되어 그와 결합된 유동 통로 구성 기판(3)을 구비한다.

소자 기판(2)은 예를 들어 유리, 세라믹, 수지, 및 금속 등에 의해 형성되고, 통상 규소에 의해 형성된다. 소자 기판(2)의 주 표면 상에, 히터(1), 히터(1)에 전압을 인가하기 위한 (도시되지 않은) 전극, 전극에 연결된 (도시되지 않은) 배선이 각각 잉크의 각각의 유동 통로 내에 소정의 배선 패턴으로 제공된다. 또한, 소자 기판(2)의 주 표면 상에, 축열의 발산을 개선시키기 위한 (도시되지 않은) 단열 필름이 제공되어 히터(1)를 덮는다. 또한, 소자 기판(2)의 주 표면 상에, 버블이 소멸될 때 발생되는 캐비테이션으로부터 단열 필름을 보호하기 위한 ( 도시되지 않은) 보호 필름이 제공되어 단열 필름을 덮는다.

도1에 도시된 바와 같이, 유동 통로 구성 기판(3)은 잉크가 유동하는 복수의 노즐(5)과, 잉크를 각각의 노즐(5)로 공급하기 위한 공급 챔버(6)와, 잉크 액적을 토출시키기 위한 노즐(5)의 단부 개구인 복수의 토출 포트(4)를 갖는다. 토출 포트(4)는 소자 기판(2) 상의 히터(1)에 대향한 위치에 형성된다. 도2에 도시된 바와 같이, 노즐(5)은 토출 포트(4)를 포함하는 제1 토출 포트부와, 유동 저항을 감소시키기 위한 제2 토출 포트부(10)와, 버블링 챔버(11)와, 공급 통로(9, 도면에서 빗금친 부분)를 갖는다. 버블링 챔버(11)는 토출 포트(4)의 개방면에 대향하며 형성된 대략적으로 사각형을 형성하는 바닥면을 히터(1) 상에 갖는다. 공급 통로(9)는 버블링 챔버(11)와 연통하는 일 단부 및 공급 챔버(6)와 연통하는 타 단부를 갖고, 공급 통로(9)의 폭은 공급 챔버(6)로부터 버블링 챔버(11)까지 거의 동일하도록 직선으로 형성된다. 제2 토출 포트부(10)는 버블링 챔버(11) 상에 연속적으로 형성된다. 더욱이, 노즐(5)은 잉크 액적이 토출 포트(4)로부터 비상하는 토출 방향과 공급 통로(9) 내에서 유동하는 잉크 액체의 유동 방향을 직교시킴으로서 형성된다.

도1에 도시된 노즐(5)은 토출 포트(4)를 포함하는 제1 토출 포트부, 제2 토출 포트부(10), 버블링 챔버(11), 및 공급 통로(9)로 구성되고, 각각 소자 기판(2)의 주 표면에 대향하며 소자 기판(2)의 주 표면과 평행하게 공급 챔버(6)로부터 버블링 챔버(11)까지 형성된 내벽 표면을 갖는다.

도2b에 도시된 바와 같이, 제2 토출 포트부(10)는 정방형의 상부면 상의 모 서리들이 각각 전술한 소자 기판의 주 표면에 대해 수직이며 토출 포트(4)의 중심을 통과하는 임의의 단면 상에서 만곡되고, 이러한 만곡부들은 전술한 정방형의 상부면 상의 모서리들 내에 내접되는 반경(R)의 원의 호로서 형성된 형태를 갖는다. 전술한 정방형의 상부면에 대향한 하부면은 버블링 챔버(11) 측면 상에 있다.

더욱이, 단면도에서, 제2 토출 포트부(10)의 전술한 소자 기판의 주 표면에 대한 수직 방향으로의 높이(L)는 토출 포트(4)의 중심으로부터 전술한 소자 기판으로 아래로 그어진 수직선으로부터 전술한 소자 기판의 주 표면과 평행한 방향으로의 제2 토출 포트부(10)의 최외측 원주부까지의 길이(l)보다 더 작다.

전술한 소자 기판의 주 표면에 대해 수직이며 토출 포트(4)의 중심을 통과하는 임의의 단면 상에서, 제2 토출 포트부(10)는 토출 포트(4)의 중심으로부터 전술한 소자 기판의 주 표면으로 아래로 그어진 수직선에 대해 합동인 대칭 형상이다.

다음으로, 도1 및 도2에 기초하여 잉크 액적을 토출 포트(4)로부터 위와 같이 구성된 기록 헤드 상으로 토출시키는 작업에 대하여 설명될 것이다.

우선, 공급 챔버(6)의 내부로 공급된 잉크는 제1 노즐 열(7) 및 제2 노즐 열(8)의 노즐(5)로 각각 공급된다. 각각의 노즐(5)로 공급된 잉크는 버블링 챔버(11) 내에 충전되도록 공급 통로(9)를 따라 유동한다. 버블링 챔버(11) 내에 충전된 잉크는 히터(1)에 의한 막비등으로 인해 발생되는 버블의 성장 압력에 의하여 소자 기판(2)의 주 표면에 대해 거의 직교하는 방향으로 비상하게 되어 토출 포트(4)로부터 잉크 액적으로 토출된다. 버블링 챔버(11) 내에 충전된 잉크가 토출될 때, 그의 일부는 버블링 챔버(11) 내에서 발생되는 버블의 압력으로 인해 공급 통로(9) 측으로 유동한다. 여기서, 버블링에서 노즐의 토출까지의 양상이 국부적으로 관찰되면, 버블링 챔버(11) 내에서 발생되는 버블의 압력은 제2 토출 포트부(10)로 즉시 전달되고, 버블링 챔버(11) 및 제2 토출 포트부(10) 내에 충전된 잉크는 제2 토출 포트부(10) 내부에서 이동한다.

이러한 경우에, 노즐 내부에 제2 토출 포트부(10)를 제공하지 않는 종래의 기록 헤드에 비해, 소자 기판(2)의 주 표면과 평행한 단면, 즉 제2 토출 포트부(10)의 공간 부피가 더 커서 압력 손실이 거의 일어나지 않으며 잉크는 토출 포트(4)를 향해 양호하게 토출된다. 따라서, 노즐 단부의 토출 포트가 더 작아지고 토출 포트 방향으로의 유동 저항이 제1 토출 포트부 내에서 더 높아지더라도, 잉크 액적의 토출 속도의 감소를 방지하기 위하여 토출 시에 토출 포트 방향으로의 유량의 감소를 억제하는 것이 가능하다.

도6에 도시된 바와 같이, 위와 같은 형태가 채택되면, 버블이 공기와 연통한 후에 잉크가 모세관 힘으로 인해 토출 포트 방향으로 이동하는 재충전 시에, 전술한 제2 토출 포트부(10)의 벽 표면에 가까운 잉크 유동이 만곡부를 따라 만곡되는 혼입 유동(A)으로 되어 주 표면 상에 형성된 히터(1)를 갖는 전술한 소자 기판에 대한 수직 방향으로의 재충전의 주 스트림(B)과 거의 수직으로 충돌하기 위한 유속을 갖는 일이 일어난다. 게다가, 이는 전술한 소자 기판에 대한 수직 방향으로의 재충전 주 스트림의 토출 포트(4) 내로의 이동 속도를 감소시켜서 메니스커스 진동을 감쇄시키는 효과를 갖는다.

제1 실시예는 또한 헤드 내의 온도 상승으로 인한 토출 부피 변동에 대해 효 과적이다. 특히, 도2의 제1 실시예는 (도2b에서 빗금에 의해 도시된) 종래의 제2 토출 포트부의 형태에 비해, 제1 토출 포트부 및 제2 토출 포트부가 불균일한 부분 내에서 더 작은 유체의 정체 영역을 갖고 온도 상승으로 인한 토출 부피 변동이 더 작은 장점을 갖는다.

종래의 기록 헤드는 토출 포트가 개방되어 있는 유동 통로 구성 부재의 표면과 제2 토출 포트부의 천장 표면 사이의 두께 내에서 얇은 영역이 증가하여 소자 기판의 주 표면에 대해 수직인 방향으로의 강도가 유동 통로 구성 부재의 토출 포트의 주위에서 약하게 되는 문제점을 갖는다. 그러나, 제1 실시예는 또한 제2 토출 포트부(10)의 천장 표면이 만곡된 형상이므로 토출 포트의 상부까지의 두께가 비교적 두껍게 유지되어 강도가 증가하는 장점을 갖는다.

(제2 실시예)

여기서, 제1 실시예와의 차이점은 주로 도3a, 도3b, 및 도3c에 기초하여 설명될 것이다.

도3a, 도3b, 및 도3c는 본 발명의 제2 실시예에 따른 잉크 제트 기록 헤드의 노즐 구조를 도시한다. 도3a는 잉크 제트 기록 헤드의 복수의 노즐들 중 하나를 기판에 대한 수직 방향에서 도시하기 위한 평면 사시도이고, 도3b는 도3a의 선 3B-3B를 따른 단면도이고, 도3c는 도3a의 선 3C-3C를 따른 단면도이다.

도3b에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 노즐의 제2 토출 포트부(10)는 정방형의 상부면 상의 모서리들이 각각 소자 기판의 주 표면(히터(1)가 형성되어 있는 표면)에 대해 수직이며 토출 포트(4)의 중심을 통과하는 임의의 단면 상에서 만곡되어 있는 형태를 가지며, 이러한 만곡부들은 토출 포트(4)의 중심으로부터 전술한 소자 기판의 주 표면으로 아래로 그어진 수직선 상에서 수직선과 전술한 정방형과 제2 토출 포트부(10)의 버블링 챔버(11)로 개방된 좌우측 하단부의 교차점을 통과하는 중심을 갖는 반경(R)의 원의 호로서 형성된다. 전술한 정방형의 상부면에 대향한 하부면은 버블링 챔버(11) 측면 상에 있다.

더욱이, 단면도에서, 제2 토출 포트부(10)의 전술한 소자 기판의 주 표면에 대해 수직인 방향으로의 높이(L)는 토출 포트(4)의 중심으로부터 전술한 소자 기판으로 아래로 그어진 수직선으로부터 전술한 소자 기판의 주 표면과 평행한 방향으로의 제2 토출 포트부(10)의 최외측 원주부까지의 길이(l)보다 더 작다.

전술한 소자 기판의 주 표면에 수직이며 토출 포트(4)의 중심을 통과하는 임의의 단면 상에서, 제2 토출 포트부(10)는 토출 포트(4)의 중심으로부터 전술한 소자 기판의 주 표면으로 아래로 그어진 수직선에 대해 합동인 대칭 형상이다.

다음으로, 도1 및 도3에 기초하여, 위와 같이 구성된 기록 헤드 상의 토출 포트(4)로부터 잉크 액적을 토출시키는 작업에 대하여 설명될 것이다.

우선, 공급 챔버(6)의 내부로 공급된 잉크는 제1 노즐 열(7) 및 제2 노즐 열(8)의 노즐(5)로 각각 공급된다. 각각의 노즐(5)로 공급된 잉크는 버블링 챔버(11) 내에 충전되도록 공급 통로(9)를 따라 유동한다. 버블링 챔버(11) 내에 충전된 잉크는 히터(1)에 의한 막비등으로 인해 발생되는 버블의 성장 압력에 의해 소자 기판(2)의 주 표면에 대해 거의 직교하는 방향으로 비상하게 되어 토출 포트(4)로부터 잉크 액적으로 토출된다. 버블링 챔버(11) 내에 충전된 잉크가 토출될 때, 그의 일부는 버블링 챔버(11) 내에서 발생되는 버블의 압력으로 인해 공급 통로(9) 측으로 유동한다. 여기서, 버블링에서 노즐의 토출까지의 양상이 국부적으로 관찰되면, 버블링 챔버(11) 내에서 발생되는 버블의 압력은 제2 토출 포트부(10)로 즉시 전달되고, 버블링 챔버(11) 및 제2 토출 포트부(10) 내에 충전된 잉크는 제2 토출 포트부(10) 내부로 이동한다.

이러한 경우에, 노즐 내에 제2 토출 포트부(10)를 갖지 않는 종래의 기록 헤드에 비해, 소자 기판(2)의 주 표면과 평행한 단면, 즉 제2 토출 포트부(10)의 공간 부피가 더 크고, 따라서 압력 손실이 거의 일어나지 않으며 잉크는 토출 포트(4)를 향해 양호하게 토출된다. 따라서, 노즐 단부의 토출 포트가 더 작아지고 토출 포트 방향으로의 유동 저항이 제1 토출 포트부 내에서 더 높아지더라도, 잉크 액적의 토출 속도의 감소를 방지하기 위하여 토출 시에 토출 포트 방향으로의 유량의 감소를 억제하는 것이 가능하다.

제2 실시예는 또한 헤드 내의 온도 상승으로 인한 토출 부피 변동에 대해 효과적이다. 특히, (도3b에서 빗금에 의해 도시된) 종래의 제2 토출 포트부의 형태에 비해, 도3의 제2 실시예는 제1 토출 포트부 및 제2 토출 포트부 내의 불균일한 부분 내에서 제1 실시예보다 더 작은 유체의 정체 영역을 가지며, 제1 실시예에 비해 온도 상승으로 인한 토출 부피 변동을 감소시키는 데 있어서 더욱 효과적이다.

종래의 기록 헤드는 토출 포트가 개방되어 있는 유동 통로 구성 부재의 표면과 제2 토출 포트부의 천장 표면 사이의 두께 내에서 얇은 영역이 증가하여 소자 기판의 주 표면에 대해 수직인 방향으로의 강도가 유동 통로 구성 부재의 토출 포트의 주위에서 약하게 되는 문제점을 갖는다. 그러나, 제2 실시예는 또한 제2 토출 포트부(10)의 천장 표면이 만곡된 형상이므로 토출 포트의 상부까지의 두께가 비교적 두껍게 유지되어 강도가 증가하는 장점을 갖는다.

(제3 실시예)

여기서, 제1 실시예와의 차이점은 주로 도4a, 도4b, 및 도4c에 기초하여 설명될 것이다.

도4a, 도4b, 및 도4c는 본 발명의 제3 실시예에 따른 잉크 제트 기록 헤드의 노즐 구조를 도시한다. 도4a는 잉크 제트 기록 헤드의 복수의 노즐들 중 하나를 기판에 대해 수직인 방향에서 도시하기 위한 평면 사시도이고, 도4b는 도4a의 선 4B-4B를 따른 단면도이고, 도4c는 도4a의 선 4C-4C를 따른 단면도이다.

도4b에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 노즐의 제2 토출 포트부(10)는 정방형의 상부면 상의 모서리들이 각각 소자 기판의 주 표면(히터(1)가 형성되어 있는 표면)에 대해 수직이며 토출 포트(4)의 중심을 통과하는 임의의 단면 상에서 만곡되어 있는 형태를 가지며, 이러한 만곡부들은 각각 정방형의 상부면 상의 모서리들 내에 내접하는 반경(R)의 원의 호로서 형성된다. 전술한 정방형의 상부면에 대향한 하부면은 버블링 챔버(11) 측면 상에 있다.

더욱이, 단면도에서, 제1 실시예와의 차이점으로서, 제2 토출 포트부(10)의 전술한 소자 기판의 주 표면에 대해 수직인 방향으로의 높이(L)는 토출 포트(4)의 중심으로부터 전술한 소자 기판으로 아래로 그어진 수직선으로부터 전술한 소자 기판의 주 표면과 평행한 방향으로의 제2 토출 포트부(10)의 최외측 원주부까지의 길이(l)보다 더 크다. 소자 기판의 주 표면(히터(1)가 형성되어 있는 표면)에 수직이며 토출 포트(4)의 중심을 통과하는 임의의 단면 상에서, 제2 토출 포트부(10)의 하부 층은 사각형 형상이다. 본 실시예는 토출 포트 방향으로의 전방 저항이 감소되었을 때, 즉 저항 경감부(10)의 높이가 더 높아졌을 때 효과적인 형상이다.

다음으로, 도1 및 도4에 기초하여, 위와 같이 구성된 기록 헤드 상의 토출 포트(4)로부터 잉크 액적을 토출시키는 작업에 대하여 설명될 것이다.

제3 실시예는 또한 헤드 내의 온도 상승으로 인한 토출 부피 변동에 대해 효과적이다. 특히, (도4b에서 빗금에 의해 도시된) 종래의 제2 토출 포트부의 형태에 비해, 도4의 제3 실시예는 제1 토출 포트부와 제2 토출 포트부 사이의 불균일한 부분 내에서 유체의 정체 영역이 더 작다는 장점을 갖는다.

종래의 기록 헤드는 토출 포트가 개방되어 있는 유동 통로 구성 부재의 표면과 제2 토출 포트부의 천장 표면 사이의 두께 내에서 얇은 영역이 증가하여 소자 기판의 주 표면에 대해 수직인 방향으로의 강도가 유동 통로 구성 부재의 토출 포트의 주위에서 약하게 되는 문제점을 갖는다. 그러나, 제3 실시예는 또한 제2 토출 포트부(10)의 천장 표면이 만곡된 형상이므로 토출 포트의 상부까지의 두께가 비교적 두껍게 유지되어 강도가 증가하는 장점을 갖는다.

(제4 실시예)

여기서, 제1 실시예와의 차이점은 주로 도5a, 도5b, 및 도5c에 기초하여 설명될 것이다.

도5a, 도5b, 및 도5c는 본 발명의 제4 실시예에 따른 잉크 제트 기록 헤드의 노즐 구조를 도시한다. 도5a는 잉크 제트 기록 헤드의 복수의 노즐들 중 하나를 기판에 대해 수직인 방향에서 도시하기 위한 평면 사시도이고, 도5b는 도5a의 선 5B-5B를 따른 단면도이고, 도5c는 도5a의 선 5C-5C를 따른 단면도이다.

도5b에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 노즐의 제2 토출 포트부(10)는 정방형의 상부면 상의 모서리들이 각각 소자 기판의 주 표면(히터(1)가 형성되어 있는 표면)에 수직하며 토출 포트(4)의 중심을 통과하는 임의의 단면 상에서 만곡되어 있는 형태를 가지며, 이러한 만곡부들은 토출 포트(4)의 중심으로부터 전술한 소자 기판의 주 표면으로 아래로 그어진 수직선 상에 중심을 가지며 정방형의 상부면 상의 모서리들 내에 내접하는 반경(R)의 동일한 원의 호로서 형성된다. 전술한 정방형의 상부면에 대향한 하부면은 버블링 챔버(11) 측면 상에 있다.

더욱이, 단면도에서, 제2 실시예와의 차이점으로서, 제2 토출 포트부(10)의 전술한 소자 기판의 주 표면에 대한 수직 방향으로의 높이(L)는 토출 포트(4)의 중심으로부터 전술한 소자 기판으로 아래로 그어진 수직선으로부터 전술한 소자 기판의 주 표면과 평행한 방향으로의 제2 토출 포트부(10)의 최외측 원주부까지의 길이(l)보다 더 크다. 소자 기판의 주 표면(히터(1)가 형성되어 있는 표면)에 수직이며 토출 포트(4)의 중심을 통과하는 임의의 단면 상에서, 제2 토출 포트부(10)의 하부 층은 사각형 형상이다. 본 실시예는 토출 포트 방향으로의 전방 저항이 감소되었을 때, 즉 저항 경감부(10)의 높이가 더 높아졌을 때 효과적인 형상이다.

다음으로, 도1 및 도5에 기초하여, 위와 같이 구성된 기록 헤드 상의 토출 포트(4)로부터 잉크 액적을 토출시키는 작업에 대하여 설명될 것이다.

도6에 도시된 바와 같이, 위와 같은 형태가 채택되면, 버블이 공기와 연통한 후에 잉크가 모세관 힘으로 인해 토출 포트 방향으로 이동하는 재충전 시에, 전술 한 제2 토출 포트부(10)의 벽 표면에 가까운 잉크 유동이 억제부를 따라 만곡되는 혼입 유동(A)으로 되어 주 표면 상에 형성된 히터(1)를 갖는 전술한 소자 기판에 대한 수직 방향으로의 재충전의 주 스트림(B)과 거의 수직으로 충돌하기 위한 유속을 갖는 일이 일어난다. 게다가, 이는 전술한 소자 기판에 대한 수직 방향으로의 재충전 주 스트림의 토출 포트(4) 내로의 이동 속도를 감소시켜서 메니스커스 진동을 감쇄시키는 효과를 갖는다.

제4 실시예는 또한 헤드 내의 온도 상승으로 인한 토출 부피 변동에 대해 효과적이다. 특히, (도5b에서 빗금에 의해 도시된) 종래의 제2 토출 포트부의 형태에 비해, 도5의 제4 실시예는 제1 토출 포트부와 제2 토출 포트부 사이의 불균일한 부분 내에서 제1 및 제3 실시예에 비해 더 작은 유체의 정체 영역을 가지며, 제1 및 제3 실시예보다 온도 상승으로 인한 토출 부피 변동을 감소시키는 데 있어서 더욱 효과적이다.

종래의 기록 헤드는 토출 포트가 개방되어 있는 유동 통로 구성 부재의 표면과 제2 토출 포트부의 천장 표면 사이의 두께 내에서 얇은 영역이 증가하여 소자 기판의 주 표면에 대해 수직인 방향으로의 강도가 유동 통로 구성 부재의 토출 포트의 주위에서 약하게 되는 문제점을 갖는다. 그러나, 제4 실시예는 또한 제2 토출 포트부(10)의 천장 표면이 만곡된 형상이므로 토출 포트의 상부까지의 두께가 비교적 두껍게 유지되어 강도가 증가하는 장점을 갖는다.

상기 설명된 바와 같이, 본 발명에 따른 잉크 제트 기록 헤드에 있어서, 소 자 기판의 주 표면과 평행한 단면, 즉 제2 토출 포트부의 공간 부피가 노즐 내에 제2 토출 포트부를 갖는 않는 종래의 기록 헤드에 비해 더 크고, 따라서 압력 손실이 거의 일어나지 않으며 잉크는 토출 포트를 향해 양호하게 토출된다. 따라서, 노즐 단부의 토출 포트가 더 작아지고 토출 포트 방향으로의 유동 저항이 제1 토출 포트부 내에서 더 높아지더라도, 잉크 액적의 토출 속도의 감소를 방지하기 위하여 토출 시에 토출 포트 방향으로의 유량의 감소를 억제하는 것이 가능하다.

잉크가 토출 포트 방향으로 이동하는 재충전 시에, 전술한 제2 토출 포트부의 벽 표면에 가까운 잉크 유동은 억제부를 따라 만곡되어 전술한 소자 기판에 대한 수직 방향으로의 재충전의 주 스트림과 거의 수직으로 충돌하기 위한 유속을 갖는다. 그러므로, 전술한 소자 기판에 대한 수직 방향으로의 재충전 주 스트림의 제1 토출 포트부 내로의 이동 속도가 감소되고, 메니스커스 변동이 결과적으로 감쇄되어 안전하게 토출될 수 있다.

더욱이, 노즐 내의 단수한 제2 토출 포트부를 갖는 원통형 기록 헤드에 비해, 제1 및 제2 토출 포트부들 사이의 불균일한 부분이 더 작다. 그러므로, 토출이 고빈도로 연속적으로 수행되는 경우에, 유속을 거의 갖지 않는 잉크의 미소한 정체 영역이 버블링 후의 토출 포트 방향으로의 유동 내에서 더 작아진다. 결과적으로, 잉크의 축열이 전열 변환 소자에 의한 연속적인 토출 작업 시에 낮게 유지되어 토출되는 액적의 부피의 변동이 거의 없을 것이다.

본 발명에 따르면, 제2 토출 포트부는 토출 포트가 개방되어 있는 유동 통로 구성 부재의 표면과 제2 토출 포트부의 천장 표면 사이의 두께가 비교적 두껍게 유지되도록 만곡되어 유동 통로 구성 부재 상의 토출 포트 주위에서 소자 기판의 주 표면 상의 수직 방향으로의 강도를 증가시킨다.

Claims

잉크 제트 기록 헤드이며,

액체가 유동하는 복수의 노즐과,

액체를 각각의 노즐로 공급하기 위한 공급 챔버와,

액적을 토출시키기 위한 노즐 단부 개구인 복수의 토출 포트를 포함하고,

상기 노즐은,

액적을 토출시키기 위해, 열 에너지를 발생시키기 위한 토출 에너지 발생 소자에 의해 버블이 발생되는 버블링 챔버, 상기 토출 포트를 포함하며 상기 토출 포트와 상기 버블링 챔버 사이에서 연통하는 토출 포트부, 및 잉크를 버블링 챔버로 공급하기 위한 공급 통로로 구성된 유동 통로 구성 기판과,

상기 토출 에너지 발생 소자가 제공되어 있으며 주 표면에 의해 상기 유동 통로 구성 기판과 결합하는 소자 기판을 갖고,

상기 토출 포트부는,

상기 토출 포트를 포함하는 일정한 직경의 제1 토출 포트부와,

제1 토출 포트부에 대해 연속적이며 상기 제1 토출 포트부 및 상기 버블링 챔버와 각각 단차를 가지고 연통하는 제2 토출 포트부를 포함하며,

상기 제2 토출 포트부와 상기 버블링 챔버 사이의 경계부 및 상기 제2 토출 포트부와 상기 제1 토출 포트부 사이의 경계부는 곡률을 갖는 벽에 의해 연속적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 잉크 제트 기록 헤드.
제1항에 있어서, 상기 제2 토출 포트부는 상기 소자 기판의 주 표면에 대해 수직이며 상기 제2 토출 포트부와 상기 버블링 챔버 사이의 경계부 내에서 상기 곡률을 갖는 벽과 연속적인 벽을 갖는 것을 특징으로 하는 잉크 제트 기록 헤드.
제1항에 있어서, 상기 노즐은 액적이 토출 포트로부터 비상하는 토출 방향과 상기 공급 통로 내에서 유동하는 액체의 유동 방향을 직교시킴으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 잉크 제트 기록 헤드.
제2항에 있어서, 상기 노즐은 액적이 토출 포트로부터 비상하는 토출 방향과 상기 공급 통로 내에서 유동하는 액체의 유동 방향을 직교시킴으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 잉크 제트 기록 헤드.
제1항에 있어서, 상기 유동 통로 구성 기판은 복수의 상기 토출 에너지 발생 소자 및 복수의 상기 노즐을 가지며, 종방향이 평행하게 배열된 노즐들을 갖는 제1 노즐 열 및 각각 상기 공급 챔버를 가로질러 제1 노즐 열에 대향한 위치에서 종방향이 평행하게 배열된 노즐들을 갖는 제2 노즐 열을 구비하고,

제2 노즐 열 내의 노즐들은 인접한 노즐들 사이의 피치가 제1 노즐 열 내의 노즐들에 대하여 1/2 피치만큼 상호 편위되도록 배열되는 것을 특징으로 하는 잉크 제트 기록 헤드.
제1항에 있어서, 상기 토출 에너지 발생 소자에 의해 발생되는 버블은 상기 토출 포트를 통과함으로써 외부 공기와 연통하는 것을 특징으로 하는 잉크 제트 기록 헤드.
제2항에 있어서, 상기 토출 에너지 발생 소자에 의해 발생되는 버블은 상기 토출 포트를 통과함으로써 외부 공기와 연통하는 것을 특징으로 하는 잉크 제트 기록 헤드.
제3항에 있어서, 상기 토출 에너지 발생 소자에 의해 발생되는 버블은 상기 토출 포트를 통과함으로써 외부 공기와 연통하는 것을 특징으로 하는 잉크 제트 기록 헤드.
제4항에 있어서, 상기 토출 에너지 발생 소자에 의해 발생되는 버블은 상기 토출 포트를 통과함으로써 외부 공기와 연통하는 것을 특징으로 하는 잉크 제트 기록 헤드.
제5항에 있어서, 상기 토출 에너지 발생 소자에 의해 발생되는 버블은 상기 토출 포트를 통과함으로써 외부 공기와 연통하는 것을 특징으로 하는 잉크 제트 기록 헤드.