KR100565803B1 - 메인히터 및 보조히터를 구비한 열압축방식의 잉크분사장치 - Google Patents

메인히터 및 보조히터를 구비한 열압축방식의 잉크분사장치 Download PDF

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Abstract

잉크분사장치는 노즐부, 구동부, 및 멤브레인을 가지고 있다. 노즐부는 잉크를 수용하는 잉크챔버, 및 잉크챔버 내의 잉크를 분사하기 위한 노즐공 가진다. 구동부는 작동유체챔버, 및 작동유체챔버 내에 설치된 히터를 가진다. 멤브레인은 잉크챔버와 작동유체챔버간을 구획한다. 멤브레인은 외부의 잉크공급원으로부터 공급되는 잉크가 잉크챔버와 작동유체챔버 내에 동시에 공급되도록 잉크챔버와 작동유체챔버를 연통시키는 연통공을 가진다. 작동유체챔버 내에는 메인히터와 보조히터가 설치된다. 보조히터는 연통공에 인접배치된다. 이 히터들에 전류가 공급되면, 메인히터에 발생되는 버블의 압력에 의해 노즐공을 통해 상기 잉크챔버 내의 잉크가 분사되고, 보조히터에 의해 발생되는 버블에 의해 연통공이 폐쇄된다. 따라서, 작동유체챔버 내의 잉크의 역류가 방지된다.
잉크, 분사장치, 작동유체, 연통, 메인히터, 보조히터

Description

메인히터 및 보조히터를 구비한 열압축방식의 잉크분사장치 {Thermal-compress type ink jetting apparatus having main and auxiliary heaters}
도 1은 종래의 잉크분사장치의 단면도,
도 2는 본 발명의 관련 발명에 따른 잉크분사장치의 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 잉크분사장치의 단면도,
도 4 내지 도 6은 메인히터와 보조히터간의 연결방식을 도시한 도 3의 평단면도, 그리고
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 잉크분사장치의 단면도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
216, 216a, 216b, 216c, 316 : 메인히터
218, 218a, 218b, 218c, 318a, 318b : 보조히터
227, 327 : 작동유체챔버 220 : 구동부
230, 330 : 멤브레인 240 : 노즐부
357, 357 : 잉크챔버 235,, 335a, 335b : 연통공
본 발명은 잉크젯 프린터(Inkjet Printer)나 팩시밀리 등의 출력장치에 관한 것으로서, 특히, 출력장치의 프린터 헤드에 사용되는 열압축방식의 잉크분사장치에 관한 것이다.
잉크젯 프린터나 팩시밀리 등과 같은 출력장치의 프린터헤드에 사용되는 잉크분사장치는 잉크가 수용되어 있는 잉크챔버 내부에 물리적인 힘을 가하여 소정량의 잉크를 노즐을 통해 외부로 분사시킨다. 이러한 유체분사장치는 유체에 물리력을 가하는 방식에 따라 가열방식, 압전방식, 및 열압축방식 등으로 구분된다.
이 중에서 열압축 방식의 유체분사장치가 도 1에 도시되어 있다. 유체분사장치는 구동부(20), 멤브레인(30) 및 노즐부(40)로 구성되어 있다.
구동부(20)는 기판(15), 기판(15) 위에 적층되는 산화막(14), 작동유체챔버(27)를 갖는 작동유체배리어(25), 작동유체챔버(27)내에 개재되는 히터(16), 및 히터(16)에 연결되어 있는 도선(17)을 포함하여 구성된다.
노즐부(40)는 잉크챔버(57)를 갖는 잉크챔버배리어(45), 및 잉크챔버배리어(45)의 상부에 결합되는 노즐플레이트(47)를 포함하여 구성된다. 노즐플레이트(47)의 상면에는 잉크챔버(57) 내의 잉크를 분사하기 위한 노즐공(49)이 형성되어 있다.
멤브레인(30)은 잉크챔버배리어(45)와 작동유체배리어(25) 사이에 개재된다. 멤브레인(30)은 작동유체챔버(27)와 잉크챔버(57)를 상호 구획한다.
작동유체챔버(27) 내에는 헵테인 등과 같은 작동유체가 충진되며, 잉크챔버(57) 내에는 도시않은 잉크공급원으로부터 잉크가 지속적으로 공급된다.
도선(17)에 전류가 흐르면 히터(16)에서는 열이 발생되고, 이 열에 의해 작동유체챔버(27) 내의 작동유체가 가열되어 버블이 발생된다. 이 버블에 의해 작동유체챔버(27) 내부의 압력이 증가되어 멤브레인(30)이 상향만곡되고, 이에 따라 잉크챔버(57)의 내부가 가압되어 노즐(49)을 통해 잉크가 분출된다.
그런데, 상기와 같은 종래의 유체분사장치는, 잉크와는 별도로 작동유체를 마련하여야 하고, 작동유체를 작동유체챔버(27) 내에 충진시킨 후 기밀적으로 실링하는 공정이 필연적으로 수반되어야 하므로 제작공정이 복잡하다는 문제점이 있다. 또한, 작동유체로 사용되는 헵테인과 같은 유기용제가 쉽게 증발하는 성질을 가지므로 작동유체챔버(27) 내에 빈 공간이 생길 우려가 있다. 작동유체챔버(27) 내에 빈 공간이 생길 경우 발열체(16)의 발열시 멤브레인(30)에 충분한 압력이 전달되지 못하여 잉크토출량의 정밀한 제어가 불가능하게 된다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본원발명의 출원인에 의하여 도 2에 도시된 바와 같이 잉크를 작동유체로 사용하는 잉크분사장치가 고안되어 기 출원된 바 있다.
도 2를 참조하면, 구동부(120), 멤브레인(30) 및 노즐부(40)의 구성은 도 1에 도시된 종래의 잉크분사장치와 동일하다. 즉, 구동부(120)는 기판(115), 산화막(114), 작동유체챔버(127)를 형성하는 작동유체배리어(125), 히터(116), 및 도선(117)으로 구성되어 있으며, 노즐부(140)는 잉크챔버(157)를 갖는 잉크챔버배리어(145), 및 노즐공(149)을 갖는 노즐플레이트(47)로 구성되어 있다.
도 2에 도시된 잉크분사장치는 멤브레인(130)에 형성된 연통공(135)를 갖는다. 외부의 잉크공급원으로부터 공급되는 잉크는 잉크챔버(157) 내에 공급됨과 동시에 연통공(135)을 통해 작동유체챔버(127) 내에도 공급된다. 이에 따라 잉크가 작동유체의 기능을 한다. 따라서, 히터(116)가 작동유체챔버(127) 내의 잉크를 가열하면 작동유체챔버(127) 내에 버블(B)이 발생하며, 이 버블(B)에 의해 멤브레인(130)이 상향벤딩되어 잉크챔버(157) 내부를 가압한다. 이에 따라 노즐공(149)으로부터 잉크가 토출된다.
이와 같은 유체분출장치에 따르면, 작동유체로서 잉크를 사용하므로, 별도의 작동유체를 마련할 필요가 없고, 작동유체챔버(127)의 실링공정이 필요없으며, 오동작이 발생하지 않게 된다.
그런데, 상기와 같이 잉크를 작도유체로 사용하는 유체공급장치는 다음과 같은 문제점이 있다.
히터(116)의 발열작동에 의해 생성된 버블(B)의 팽창에 의해 작동유체챔버(127) 내의 잉크가 가압될 때, 멤브레인(130)이 상향벤딩됨과 동시에 연통공(135)을 통해 작동유체챔버(127) 내의 잉크가 작동유체챔버(127)의 외측으로 밀려나게 된다. 따라서, 작동유체챔버(127) 내에 적절한 양의 잉크가 유지되지 못하게 되어, 다음번의 히터(116) 작동시 노즐공(149)을 통해 토출되는 잉크의 토출 압력이 낮아지게 된다. 따라서, 소망하는 양의 잉크 분사가 어렵게 되며, 연속적 으로 프린팅작업을 수행할 때 프린팅 성능이 떨어지게 된다.
따라서, 본 발명의 목적은, 작동유체챔버 내의 잉크의 역류를 방지할 수 있는 잉크분사장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 잉크분사장치는, 잉크를 수용하는 잉크챔버, 및 상기 잉크챔버 내에 수용된 잉크를 분사하기 위한 노즐공 구비한 노즐부; 작동유체챔버를 갖는 구동부; 상기 잉크챔버 및 상기 작동유체챔버간을 구획하며, 외부의 잉크공급원으로부터 공급되는 잉크가 상기 잉크챔버와 상기 작동유체챔버 내에 동시에 공급되도록 상기 잉크챔버와 상기 작동유체챔버를 연통시키는 연통공을 가지는 멤브레인; 상기 작동유체챔버 내에 공급되는 잉크를 가열함으로써 상기 멤브레인을 가압하여 상기 노즐공을 통해 상기 잉크챔버 내의 잉크를 분사하는 메인히터; 및 상기 연통공에 인접된 영역에 설치되어 상기 연통공 부위의 잉크를 가열함으로써 상기 연통공을 차단하며, 단위면적당 발열량이 상기 메인히터보다 큰 보조히터를 포함한다.
상기와 같이 보조히터의 단위면적당 발열량이 메인히터보다 크도록 하기 위해서는, 상기 메인히터와 상기 보조히터가 직렬로 연결되는 경우에는 상기 보조히터는 그를 통해 흐르는 전류의 방향에 대한 가로방향의 폭이 상기 메인히터보다 작 도록 하는 것이 바람직하며, 상기 메인히터와 상기 보조히터가 병렬로 연결되는 경우에는, 그 폭에 대한 전류의 크기의 비율이 상기 보조히터가 상기 메인히터보다 크도록 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 보조히터가 잉크챔버와 작동유체챔버간을 연통시키는 연통공을 통한 잉크의 유입을 차단하므로 잉크토출작업 수행 중 작동유체챔버 내의 잉크의 역류가 효과적으로 방지되게 된다.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 열압축식 잉크구동장치를 도시한 것이다. 본 발명에 따른 유체분사장치는, 종래의 유체분사장치와 마찬가지로, 구동부(220), 멤브레인(230) 및 노즐부(240)로 구성되어 있다.
구동부(220)는 기판(215), 기판(215) 위에 적층되는 산화막(214), 및 작동유체챔버(227)를 갖는 작동유체배리어(225)로 구성되어 있다.
노즐부(240)는 잉크챔버(257)를 갖는 잉크챔버배리어(245), 및 잉크챔버부재(245)의 상면에 결합되는 노즐플레이트(247)로 구성되어 있다. 노즐플레이트(247)에는 노즐공(249)이 형성되어 있다.
멤브레인(230)은 잉크챔버배리어(245)와 작동유체배리어(225) 사이에 개재된다. 멤브레인(230)은 작동유체챔버(227)와 잉크챔버(257)를 상호 구획한다. 멤브레인(230)에는 연통공(235)이 형성되어 있다. 연통공(235)는 잉크챔버(257)와 작동유체챔버(227)를 상호 연통시킨다. 외부의 잉크공급원(도시되지 않음)으로부터 공급되는 잉크는 잉크챔버(257) 내에 공급됨과 동시에 연통공(235)을 통해 작동유 체챔버(227) 내에도 공급된다. 이에 따라 잉크가 작동유체의 기능을 한다.
작동유체챔버(227) 내에는 도선(217)에 의해 외부의 전류공급원과 연결되어 있는 메인히터(216)가 설치되어 있다. 도선(217)을 통해 메인히터(216)에 전류가 공급되면, 메인히터(216)에서 열이 발생되며, 이 열에 의해 작동유체챔버(227) 내의 잉크가 가열된다. 이에 따라 작동유체챔버(227) 내에는 버블(BB)이 발생되며, 이 버블(BB)에 의해 멤브레인(230)이 가압되어 상향벤딩되어 잉크챔버(257) 내부를 가압한다. 이에 따라 노즐공(249)으로부터 잉크가 토출된다.
또한, 작동유체챔버(227) 내에는 보조히터(218)가 설치되어 있다. 보조히터(218)는 도선(217)에 의해 메인히터(216)와 연결되어 있다. 따라서, 외부의 전류공급원으로부터 전류가 공급되면, 메인히터(216)와 보조히터(218)는 발열작동을 하게 된다.
보조히터(218)는 연통공(235)에 인접된 영역에 설치된다. 따라서, 보조히터(218)에서 열이 발생되면, 이 열에 의해 연통공(235)에 인접된 부위에 있는 잉크가 가열되어 버블(BB')이 발생된다. 이 버블(BB')에 의해 연통공(235)을 통한 잉크의 유동이 차단되게 된다.
이와 같이, 메인히터(216)와 보조히터(218)가 동일한 도선(217)에 의해 하나의 전류공급원과 연결되므로, 메인히터(216)가 발열작동을 하는 동안 보조히터(218)도 발열작동을 하게 된다. 따라서, 메인히터(216)에 의해 잉크를 토출시키는 압력이 발생하는 동안 보조히터(218)에 의해 연통공(235)을 통한 잉크의 유동이 차단되게 되며, 메인히터(216)의 발열작동시 작동유체챔버(227) 내의 압력 이 상승되어도 연통공(235)을 통한 잉크의 역류가 보조히터(218)에 의해 차단되게 된다.
전류공급원으로부터의 전류 공급이 중단되면, 메인히터(216)와 보조히터(218)에 의한 발열작동이 중단되고, 이에 따라 작동유체챔버(227) 내의 압력이 하강함과 동시에 연통공(235)을 통한 잉크의 유동이 재개되게 된다. 따라서, 외부의 잉크공급원으로부터 잉크챔버(257) 내로 잉크가 보충되며, 이와 동시에 연통공(235)을 통해 작동유체챔버(227) 내로의 잉크 유입이 허용되게 된다.
이와 같이 메인히터(216)의 동작시 보조히터(218)에 의해 잉크의 역류가 방지되기 위해서는 메인히터(216)에 의한 버블(BB)의 발생속도보다 보조히터(218)에 의한 버블(BB')의 발생속도가 빠른 것이 바람직하다. 이를 위해서는 보조히터(218)의 단위면적당 발열량이 메인히터(216)보다 커야 한다. 그런데, 잉크분사장치의 제조과정에서 메인히터(216)와 보조히터(218)의 재질을 달리하여 제작하는 것은 메우 어려우며 또한 많은 비용이 요구되므로, 단위면적당 발열량을 달리하기 위해 서로 상이한 재질로 메인히터(216)와 보조히터(218)를 제작하는 것은 바람직하지 않다. 따라서, 메인히터(216)와 보조히터(218)를 동일한 재질로 제조하되 그 크기를 조절함으로써 단위체적당 발열량을 조절하는 것이 바람직하다.
전류의 크기를 'i', 전류가 흐르는 방향으로의 히터의 길이를 'b', 히터의 폭을 'a', 히터의 두께를 't', 히터의 저항을 'R', 히터의 비저항을 'ρ'라 하면, 히터의 단위체적당 발열량('q')은 다음과 같이 계산된다.
q = 총 발열량 / 히터의 체적
= i2R / abt = i2(ρb/at) / abt = i2ρ / a2t2 = ρ(i/at)2
따라서, 단위체적당 발열량은 동일한 크기의 전류가 흐를 경우에는 폭('a') 또는 두께('t')가 작을수록 크게 된다. 그런데, 잉크공급장치의 제조공정상 메인히터(216)와 보조히터(218)는 동일한 두께를 갖도록 제조하는 것이 바람직하므로, 보조히터(218)의 폭이 메인히터(216)의 폭보다 작도록 제조하는 것이 바람직하다.
위의 식에 따르면, 전류의 크기가 다를 경우에는, 폭('a')과 두께('t')의 곱에 대한 전류('i')의 비율, 즉 전류가 흐르는 방향상의 단위면적당 전류의 량이 클수록 히터의 단위체적당 발열량이 크게 된다. 그런데, 전술한 바와 마찬가지로, 메인히터(216)와 보조히터(218)는 동일한 두께를 갖도록 제조되는 것이 바람직하므로, 폭('a')에 대한 전류('i')의 크기를 조절하는 것이 바람직하다. 따라서, 메인히터(216)와 보조히터(218)에 다른 크기의 전류가 흐를 경우에는, 보조히터(218)의 폭에 대한 전류의 비율이 메인히터(216)보다 크도록 제조하는 것이 바람직하다.
이와 같은 점을 고려하여 메인히터(216)와 보조히터(218)간을 도선(217)을 통해 연결하는 다양한 방식이 도 4 내지 도 6에 도시되어 있다.
도 4는 메인히터(216a)와 보조히터(218a)가 도선(217a)에 의해 직렬로 연결된 실시예를 도시하고 있다. 전술한 바와 같이, 이와 같이 직렬로 연결된 경우에는 메인히터(216a)와 보조히터(218a)에 동일한 크기의 전류가 흐르므로 전류흐름방향에 대한 보조히터(218a)의 폭('t2')이 메인히터(216a)의 폭('t1')보다 작은 것이 바람직하다.
도 5는 메인히터(216b)와 보조히터(218b)가 도선(217b)에 의해 직렬로 연결된 다른 실시예를 도시하고 있다. 따라서, 도 4에 도시된 실시예와 마찬가지로, 이와 같이 직렬로 연결된 경우에는 전류흐름방향에 대한 보조히터(218b)의 폭('t2')이 메인히터(216b)의 폭('t1')보다 작은 것이 바람직하다.
도 6은 메인히터(216c)와 보조히터(218c)가 도선(217c)에 의해 병렬로 연결된 실시예를 도시하고 있다. 이와 같이 병렬로 연결된 경우에는 메인히터(216c)와 보조히터(218c)에 상호 상이한 크기의 전류가 흐르게 된다. 이때, 전술한 바와 같이, 전류가 흐르는 방향상의 단위면적당 전류의 량은 보조히터(218c)가 메인히터(216c)보다 커야하며, 바람직하게는 보조히터(218c)의 폭('t2')에 대한 전류의 비율이 메인히터(216c)보다 크도록 제조한다. 이를 위하여 보조히터(218c)와 메인히터(216c)를 통해 흐르는 전류의 크기도 세심하게 조절되어야 한다.
이와 같은 본 발명에 따르면, 보조히터(218)의 단위체적당 발열량이 메인히터(216)보다 크므로 보조히터(218)에 의한 버블(BB') 발생작동이 메인히터(216)에 의한 버블(BB) 발생작동보다 신속하게 수행되게 된다. 따라서, 작동유체챔버(227) 내의 압력이 상승하기 전에 먼저 연통공(235)이 차단되게 되어 잉크의 역류가 효과적으로 방지되게 된다. 또한, 잉크 토출 후에는 보조히터(218)가 메인히터(216)보다 먼저 냉각되게 되므로 보조히터(218)에 의해 발생되었던 버블(BB')이 메인히터(216)에 의해 발생되었던 버블(BB)보다 먼저 소멸된다. 따라서, 연통공(235)이 개방된 상태에서 작동유체챔버(227)의 내부 압력이 낮아지게 되어 새로운 잉크가 작동유체챔버(227) 내에 용이하게 유입되게 된다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예를 도시하고 있다.
본 실시예에서 멤브레인(330)에는 한 쌍의 연통공(335a, 335b)이 형성되어 있다. 한 쌍의 연통공(335a, 335b)은 각각 멤브레인(330)의 양 측방에 배치된다. 작동유체챔버(327) 내의 중앙 부위에는 메인히터(316)가 설치되어 있고, 양측방 부위에는 연통공(335a, 335b)들에 대응하여 한 쌍의 보조히터(318a, 318b)가 설치되어 있다. 외부의 잉크공급원으로부터 유입되는 잉크는 잉크챔버(357) 내에 유입됨과 동시에 연통공(335a, 335b)을 통해 작동유체챔버(327) 내에도 유입된다.
메인히터(216)와 보조히터(218a, 218b)의 동작은 전술한 바와 동일하다. 즉, 메인히터(216)의 작동시 보조히터(218a, 218b)는 연통공(335a, 335b)을 각각 폐쇄하게 된다. 또한, 보조히터(218a, 218b)의 단위체적당 발열량이 메인히터(216)보다 크도록 구성되며, 이에 의해 잉크의 역류가 보다 효과적으로 차단되게 된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 메인히터의 작동시 단위체적당 발열량이 메인히터보다 큰 보조히터를 이용하여 잉크챔버와 작동유체챔버간을 연통시키는 연통공을 통한 잉크의 유입을 차단하므로 잉크토출작업 수행 중 작동유체챔버 내의 잉크의 역류가 효과적으로 방지되게 된다.

Claims (3)

  1. 열압축방식의 잉크분사장치에 있어서,
    잉크를 수용하는 잉크챔버, 및 상기 잉크챔버 내에 수용된 잉크를 분사하기 위한 노즐공 구비한 노즐부;
    작동유체챔버를 갖는 구동부;
    상기 잉크챔버 및 상기 작동유체챔버간을 구획하며, 외부의 잉크공급원으로부터 공급되는 잉크가 상기 잉크챔버와 상기 작동유체챔버 내에 동시에 공급되도록 상기 잉크챔버와 상기 작동유체챔버를 연통시키는 연통공을 가지는 멤브레인;
    상기 작동유체챔버 내에 공급되는 잉크를 가열함으로써 상기 멤브레인을 가압하여 상기 노즐공을 통해 상기 잉크챔버 내의 잉크를 분사하는 메인히터; 및
    상기 연통공에 인접된 영역에 설치되어 상기 연통공 부위의 잉크를 가열함으로써 상기 연통공을 차단하며, 단위면적당 발열량이 상기 메인히터보다 큰 보조히터를 포함하는 것을 특징으로 하는 잉크분사장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 메인히터와 상기 보조히터는 직렬로 연결되며, 상기 보조히터는 그를 통해 흐르는 전류의 방향에 대한 가로방향의 폭이 상기 메인히터보다 작은 것을 특징으로 하는 잉크분사장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 메인히터와 상기 보조히터는 병렬로 연결되며, 그 폭에 대한 전류의 크기의 비율은 상기 보조히터가 상기 메인히터보다 큰 것을 특징으로 하는 잉크분사장치.
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