KR100612841B1 - 잉크젯 프린트헤드의 구동 방법 - Google Patents

Abstract

잉크젯 프린트헤드의 구동 방법이 개시된다. 개시된 프린트헤드의 구동 방법에 있어서, 액츄에이터에 인가되는 구동 펄스는, 잉크 액적을 토출시킬 수 있는 정도의 주 전위(Vm)로 인가되는 주 펄스와, 주 펄스보다 소정 시간 전에 주 전위(Vm)보다 낮은 예비 전위(Vp)로 인가되는 예비 펄스를 구비한다. 이와 같은 본 발명에 의하면, 예비 펄스의 T1, T2 및 T3 구간과, 예비 펄스와 주 펄스 사이의 T4 구간을 적절히 조절함으로써, 노즐을 통해 토출되는 액적의 속도와 체적을 효과적으로 증가 또는 감소시킬 수 있다.

Description

잉크젯 프린트헤드의 구동 방법{Method of driving inkjet printhead}

도 1은 종래의 압전 방식 잉크젯 프린트헤드의 일례를 도시한 단면도이다.

도 2는 종래의 잉크젯 프린트헤드의 구동 방법에 적용된 구동 파형의 일례를 보여주는 도면이다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드의 구동 방법에 적용되는 구동 펄스의 파형을 설명하기 위한 도면이다.

도 4는 본 발명에 따른 구동 방법에 있어서의 구동 펄스의 구체적인 예와, 그 구동 펄스에 의한 진동판의 변위를 보여주는 그래프이다.

도 5는 잉크젯 프린트헤드의 액츄에이터에 도 4에 도시된 구동 펄스를 인가하였을 때의 잉크 액적 토출 성능에 대한 실험 결과를 나타낸 그래프이다.

본 발명은 잉크젯 프린트헤드의 구동 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 잉크 액적의 토출 속도 및 체적을 조절할 수 있는 잉크젯 프린트헤드의 구동 방법에 관한 것이다.

일반적으로 잉크젯 프린트헤드는, 인쇄용 잉크의 미소한 액적(droplet)을 기 록매체 상의 원하는 위치에 토출시켜서 소정 색상의 화상으로 인쇄하는 장치이다. 이러한 잉크젯 프린트헤드는 잉크 액적의 토출 메카니즘에 따라 크게 두가지 방식으로 분류될 수 있다. 그 하나는 열원을 이용하여 잉크에 버블(bubble)을 발생시켜 그 버블의 팽창력에 의해 잉크 액적을 토출시키는 버블젯 방식의 잉크젯 프린터헤드이고, 다른 하나는 압전체를 사용하여 그 압전체의 변형으로 인해 잉크에 가해지는 압력에 의해 잉크 액적을 토출시키는 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드이다.

도 1에는 종래의 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드의 일례로서, 미국특허 US 6,074,033호에 개시된 잉크젯 프린트헤드의 구조가 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 잉크젯 프린트헤드에는 토출될 잉크가 채워지는 압력 챔버(4)가 형성되어 있고, 이 압력 챔버(4)의 일측에는 잉크 리저버(10)로부터 압력 챔버(4) 내부로 잉크를 공급하기 위한 잉크 공급 통로(11, 13)가 연결되어 있다. 압력 챔버(4)의 타측에는 잉크 배출 통로(8, 9, 14)가 연결되어 있으며, 잉크 배출 통로(8, 9, 14)의 단부에 잉크를 토출시키는 노즐(7)이 형성되어 있다. 그리고, 압력 챔버(4)의 상부에는 진동판(2)이 마련되어 있으며, 이 진동판(2) 위에는 진동판(2)을 진동시켜 압력 챔버(4)의 체적을 변화시킴으로써 잉크 토출을 위한 구동력을 제공하는 압전 액츄에이터(3)가 마련되어 있다.

이러한 구성을 가진 압전 방식 잉크젯 프린트헤드에 있어서, 압전 액츄에이터(3)에 소정의 구동 전압을 가진 구동 펄스를 인가하면, 압전 액츄에이터(3)의 변형에 의해 진동판(2)이 휘어지면서 압력 챔버(4)의 부피가 감소하게 된다. 이에 따른 압력 챔버(4) 내의 압력 상승에 의해 압력 챔버(4) 내의 잉크가 노즐(7)을 통해 외부로 토출되는 것이다. 이어서, 압전 액츄에이터(3)에 인가되던 구동 펄스를 제거하면, 진동판(2)이 원래의 형태로 복원되면서 압력 챔버(4)의 부피가 증가하게 된다. 이에 따른 압력 챔버(4) 내의 압력 강하에 의해 잉크 리저버(10)로부터 잉크가 잉크 공급 통로(11, 13)를 통해 압력 챔버(4) 내로 유입되어, 압력 챔버(4)는 다시 잉크로 채워지게 된다.

도 2에는 미국특허 US 6,074,033호에 개시된 종래의 잉크젯 프린트헤드의 구동 방법에 적용된 구동 파형이 도시되어 있다.

도 2에 도시된 구동 펄스의 파형은, 잉크를 압력 챔버 내로 공급하기 위해 압력 챔버를 확장시키는 신호를 인가하는 t5~t6 구간과, 잉크를 노즐을 통해 토출시키기 위해 입력 챔버를 수축시키는 신호를 인가하는 t1~t3 구간을 가지고 있다.

그런데, 상기한 종래의 구동 파형에 있어서는, t6 구간 이후 t1 구간이 연속적으로 인가되므로, 진동판의 자유 진동에 의한 잉크의 거동을 세밀하게 조절할 수 없는 단점이 있다. 그리고, 상기한 파형을 가진 종래의 구동 펄스는 전체적으로 소정의 전위로 오프셋(offset)되어 있어서, 액츄에이터가 구동하지 않는 t4 구간에서도 소정의 전위가 계속적으로 인가되도록 되어 있다. 이에 따라, 액츄에이터가 구동하지 않는 동안에도 액츄에이터와 진동판이 일정량의 변형을 가지고 있게 되므로, 전위가 가해지지 않는 경우보다 액츄에이터와 진동판에 잔류하는 스트레스가 커져 파손 가능성이 높아지는 문제점이 있다. 또한, 전위의 오프셋에 의해 t2 구간에서 인가되는 최대 전압이 높아지게 되므로, 잉크젯 프린트헤드의 전장 회로의 내구성이 저하되고 소모 전력이 높아지게 되는 단점도 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 특히 전위의 오프셋을 가지지 않으면서 노즐을 통해 토출되는 액적의 속도와 체적을 효과적으로 제어할 수 있는 구동 파형을 사용함으로써 최적의 잉크 토출 성능을 발휘할 수 있는 잉크젯 프린트헤드의 구동 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드의 구동 방법은,

액츄에이터에 구동 펄스를 인가하여 잉크가 채워진 압력 챔버의 부피를 변화시킴으로써, 상기 압력 챔버의 부피 변화에 따른 압력 변화에 의해 상기 압력 챔버에 연통된 노즐을 통해 잉크 액적이 토출되도록 하는 잉크젯 프린트헤드의 구동 방법에 있어서,

상기 구동 펄스는, 상기 잉크 액적을 토출시킬 수 있는 정도의 주 전위(Vm)로 인가되는 주 펄스와, 상기 주 펄스보다 소정 시간 전에 상기 주 전위(Vm)보다 낮은 예비 전위(Vp)로 인가되는 예비 펄스를 구비하는 것을 특징으로 한다.

여기에서, 상기 예비 펄스는, 그 전위가 0V 로부터 상기 예비 전위(Vp)까지 높아지는 T1 구간과, 상기 예비 전위(Vp)가 일정하게 유지되는 T2 구간과, 그 전위가 상기 예비 전위(Vp)로부터 0V까지 낮아지는 T3 구간으로 이루어지며,

상기 예비 펄스와 상기 주 펄스 사이에는 0V의 전위가 유지되는 T4 구간이 존재하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 T1 구간에서는, 상기 예비 펄스에 의해 상기 액츄에이터가 구동되어 상기 압력 챔버 내부의 압력이 상승하게 되고,

상기 T2 구간에서는, 진동판의 자유 진동이 유발되며,

상기 T3 구간에서는, 상기 진동판의 자유 진동 상태에서 상기 진동판의 진동이 강제 감쇠되거나 공진되고,

상기 T4 구간에서는, 상기 주 펄스의 인가 시점이 결정될 수 있다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 주 펄스 이전에 인가되는 예비 펄스에 의해 노즐을 통해 토출되는 액적의 속도와 체적을 효과적으로 증가 또는 감소시킬 수 있으며, 전위의 오프셋을 가지지 않으므로 잉크젯 프린트헤드의 내구성이 향상된다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드의 구동 방법에 적용되는 구동 펄스의 파형을 설명하기 위한 도면이다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드의 구동 방법에 있어서, 잉크 액적을 토출시키기 위해 압전 액츄에이터에 인가되는 구동 펄스는 주 펄스(Main Pulse)와 예비 펄스(Pre Pulse)를 구비한다.

상기 주 펄스는 잉크 액적을 토출시킬 수 있는 정도의 주 전위(Vm)로 압전 액츄에이터에 인가되며, 상기 예비 펄스는 상기 주 전위(Vm)보다 낮은 예비 전위(Vp)로 상기 주 펄스보다 소정 시간 전에 압전 액츄에이터에 인가된다.

상기 예비 펄스는 그 전위가 0V 로부터 예비 전위(Vp)까지 높아지는 T1 구간과, 예비 전위(Vp)가 일정하게 유지되는 T2 구간과, 그 전위가 예비 전위(Vp)로부터 0V까지 낮아지는 T3 구간으로 이루어진다. 그리고, 상기 예비 펄스와 주 펄스 사이에는 0V의 전위가 유지되는 T4 구간이 존재한다.

도 4는 본 발명에 따른 구동 방법에 있어서의 구동 펄스의 구체적인 예와, 그 구동 펄스에 의한 진동판의 변위를 보여주는 그래프이다.

도 3과 도 4를 함께 참조하면, 상기 T1 구간에서는 예비 펄스에 의해 액츄에이터가 구동되어 압력 챔버 내부의 압력이 상승하게 된다. 이때, 예비 펄스의 예비 전위(Vp)는 설정된 압력 챔버 내의 압력 상승 폭에 따라 결정된다. 즉, 예비 펄스의 예비 전위(Vp)를 조절하게 되면 압력 챔버 내의 압력 상승 폭을 변화시킬 수 있다.

상기 T1 구간에서 잉크와 액츄에이터 및 진동판 등으로 이루어진 시스템이 가진된 후, 상기 T2 구간에서는 진동판의 자유 진동이 유발된다.

한편, 예비 펄스가 인가되었을 때, 잉크의 점성 등으로 인해 진동판의 응답 지연이 일어나는데, 이 응답 지연 시간(Td)과 진동판의 자유 진동 주기(Ts) 및 T1 구간과 T2 구간에 해당하는 시간은 다음 수학식 1에 의해 정해질 수 있다. 여기에서, T1 구간에 해당하는 시간이 너무 길면 예비 펄스를 인가한 효과를 나타내기 힘들며, 너무 짧으면 시스템을 교란시키기 곤란하다. 따라서, T1 구간에 해당하는 시간은 미리 적정한 값으로, 예컨대 1㎲ ~ 5㎲ 범위 내에서 선정되는 것이 바람직하다.

T1 + T2 = Td + Ts×(n/4) (n=1,2,3,4)

위 수학식 1에서, 응답 지연 시간(Td)과 자유 진동 주기(Ts)는 잉크, 액츄에이터 및 진동판 등으로 이루어진 시스템에 따라 결정되므로, n을 얼마로 설정하느 냐에 따라 T2 구간이 진동판의 변위가 어떠한 위상에 있게 되는 때에 종료되는지가 정해지게 된다.

상기 T3 구간에서는 진동판의 자유 진동 상태에서 진동판의 진동이 강제 감쇠되거나 공진되는데, 이 T3 구간에 해당하는 시간은 아래 수학식 2에 의해 정해질 수 있다.

T3 = Ts ×(n/8) (n=1,2,3,4,5,6,7,8)

위 수학식 2에서, n을 얼마로 설정하느냐에 따라 진동판의 진동이 강제 감쇠되거나 공진될 수 있으므로, T3 구간에 해당하는 시간을 조절함으로써 주 펄스가 인가될 때 시스템의 거동, 구체적으로 진동판의 진폭을 어느 정도로 할 것인가를 정할 수 있다.

상기 T4 구간에서는 주 펄스의 인가 시점이 결정된다. 이러한 T4 구간에 해당하는 시간은 아래 수학식 3에 의해 정해질 수 있다.

T1 + T2 + T3 + T4 = Td + Ts ×(m + n/4) (m=1,2,3..., n=1,2,3,4)

위 수학식 3에서, m과 n을 얼마로 설정하느냐에 따라 T4 구간에 해당하는 시간이 결정될 수 있으며, 이에 따라 자유 진동하는 진동판의 위상이 어떠한 상태에 있는 때에 주 펄스가 인가될 것인지가 정해지게 된다. 예컨대, 진동판의 응답 지연 시간(Td)를 고려하여, 진동판의 위상이 하강할 시점에 주 펄수를 인가하게 되면 진동판의 변위가 보다 증가하게 되고, 이에 따라 노즐을 통해 토출되는 잉크 액적의 속도와 체적이 증가하게 된다. 반대로, 진동판의 위상이 상승할 시점에 주 펄수를 인가하게 되면 진동판의 변위가 감소하게 되고, 이에 따라 노즐을 통해 토출되는 잉크 액적의 속도와 체적이 감소하게 되는 되는 것이다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 잉크젯 프린트헤드에서 진동판이 가지는 고유의 진동 특성과 압력 챔버 내의 반송 압력파 및 액츄에이터에 신호 인가 후 잉크의 점성 등으로 인한 진동판의 응답 지연 시간까지 감안하여, 잉크 액적의 속도와 체적을 효과적으로 제어할 수 있는 최적의 구동 파형을 설정할 수 있게 된다.

한편, 도 4에 도시된 예비 펄스의 각 구간에 적용되는 시간은 전술한 수학식들에 따라 아래와 같이 정해졌으며, 그 최대 전위, 즉 예비 전위(Vp)로는 12Volt의 DC 전압이 사용되었다.

T1 = 1㎲

T1 + T2 = Td(2㎲) + Ts(8㎲) = 10㎲ (위 수학식 1에서, n = 4)

T3 = Ts ×1/8 = 1㎲ (위 수학식 2에서, n = 1)

T1 + T2 + T3 + T4 = Td + 3 ×Ts = 26㎲ (위 수학식 3에서, m = 2, n = 4)

상기한 시간들이 적용된 예비 펄스는 노즐을 통해 토출되는 액적의 체적과 속도를 증가시키기 위한 것으로서, 그 결과는 뒤에서 도 5의 그래프를 보면서 설명하기로 한다.

도 5는 잉크젯 프린트헤드의 액츄에이터에 도 4에 도시된 구동 펄스를 인가하였을 때의 잉크 액적 토출 성능에 대한 실험 결과를 나타낸 그래프이다.

도 5의 그래프는, 본 발명에 따른 구동 방법에 의해 예비 펄스와 주 펄스를 가진 구동 펄스를 인가한 경우와, 종래와 같이 주 펄스만을 가진 구동 펄스를 인가한 경우에 있어서의 액적의 체적과 액적의 속도를 측정한 결과를 비교하여 보여준다.

그리고, 아래 표 1은 상기 실험 결과를 수치적으로 나타낸 것이다.

구 분	주 펄스	예비 펄스 + 주 펄스	증가율
액적의 평균 속도	4.12 m/s	5.61 m/s	36 %
액적의 평균 체적	19.17 pℓ	21.28 pℓ	11 %

도 5의 그래프와 표 1을 보면, 본 발명에서와 같이 예비 펄스를 주 펄스 전에 인가하게 되면, 주 펄스만 인가했을 때 보다 노즐을 통해 토출되는 액적의 속도가 평균 36% 정도 증가하였음을 알 수 있다. 이러한 액적의 속도는 구동 주파수가 높아질수록 비례적으로 증가하는 경향을 보인다.

그리고, 액적의 체적도 예비 펄스와 주 펄스를 인가한 경우에서 주 펄스만 인가한 경우보다 평균 11% 정도 증가하였음을 알 수 있다. 특히, 주 펄스만 인가한 경우에는 높은 구동 주파수에서 액적의 체적이 감소하였으나, 본 발명에서와 같이 주 펄스 전에 예비 펄스를 인가한 경우에는 높은 구동 주파수에서도 액적의 체적이 거의 일정하게 유지되고 있다.

상기 실험 결과를 종합하면, 본 발명에 따라 주 펄스 이전에 예비 펄스를 인가하면, 종래와 동일한 주 펄스의 최대 전압, 즉 주 전위(Vm)에 의해서도 노즐을 통해 토출되는 액적의 속도와 체적을 효과적으로 증가시킬 수 있게 된다. 이는, 역으로 종래와 동일한 체적의 액적을 토출할 경우에는 구동 펄스의 최대 전압, 즉 주 전위(Vm)를 종래에 비해 낮출 수 있음을 의미한다. 따라서, 잉크젯 프린트헤드의 내구성이 향상되고 소모 전력이 저감될 수 있다. 한편, 전술한 바와 같이, 예비 펄스의 T1 ~ T3 구간과, 예비 펄스와 주 펄스 사이의 T4 구간을 적절히 조절하게 되면, 액적의 속도와 체적을 감소시킬 수도 있음은 충분히 이해될 것이다.

이상 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명했지만, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드의 구동 방법에 의하면, 주 펄스 이전에 액츄에이터에 인가되는 예비 펄스의 T1 ~ T3 구간과, 예비 펄스와 주 펄스 사이의 T4 구간을 적절히 조절함으로써, 노즐을 통해 토출되는 액적의 속도와 체적을 효과적으로 증가 또는 감소시킬 수 있으므로, 잉크 토출 성능이 향상된다.

그리고, 종래와 동일한 체적의 액적을 토출할 경우에는 구동 펄스의 최대 전압, 즉 주 전위(Vm)를 종래에 비해 낮출 수 있게 되므로, 잉크젯 프린트헤드의 내구성이 향상되고 소모 전력이 저감되는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 있어서의 구동 펄스는 전위의 오프셋을 가지지 않으므로, 액츄에이터가 구동하지 않는 동안에는 전위가 인가되지 않아서 액츄에이터와 진동판에 잔류하는 스트레스가 작아지게 되어 내구성이 향상된다.

Claims (5)

1. 액츄에이터에 구동 펄스를 인가하여 잉크가 채워진 압력 챔버의 부피를 변화시킴으로써, 상기 압력 챔버의 부피 변화에 따른 압력 변화에 의해 상기 압력 챔버에 연통된 노즐을 통해 잉크 액적이 토출되도록 하는 잉크젯 프린트헤드의 구동 방법에 있어서,

   상기 구동 펄스는, 상기 잉크 액적을 토출시킬 수 있는 정도의 주 전위(Vm)로 인가되는 주 펄스와, 상기 주 펄스보다 소정 시간 전에 상기 주 전위(Vm)보다 낮은 예비 전위(Vp)로 인가되는 예비 펄스를 구비하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드의 구동 방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 예비 펄스는, 그 전위가 0V 로부터 상기 예비 전위(Vp)까지 높아지는 T1 구간과, 상기 예비 전위(Vp)가 일정하게 유지되는 T2 구간과, 그 전위가 상기 예비 전위(Vp)로부터 0V까지 낮아지는 T3 구간으로 이루어지며,

   상기 예비 펄스와 상기 주 펄스 사이에는 0V의 전위가 유지되는 T4 구간이 존재하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드의 구동 방법.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 T1 구간에서는, 상기 예비 펄스에 의해 상기 액츄에이터가 구동되어 상 기 압력 챔버 내부의 압력이 상승하게 되고,

   상기 T2 구간에서는, 진동판의 자유 진동이 유발되며,

   상기 T3 구간에서는, 상기 진동판의 자유 진동 상태에서 상기 진동판의 진동이 강제 감쇠되거나 공진되고,

   상기 T4 구간에서는, 상기 주 펄스의 인가 시점이 결정되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드의 구동 방법.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 예비 펄스의 예비 전위(Vp)를 조절함으로써 상기 압력 챔버 내의 압력 상승 폭을 변화시키는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드의 구동 방법.
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