KR100707843B1 - 열전도 통로를 구비한 열탄성 잉크젯 액츄에이터 - Google Patents

Abstract

잉크젯 프린터 조립체용으로 사용되는 열(thermal) 잉크젯 프린터는 액적(droplet) 형성을 촉진하기 위한 소정의 부압 프로파일을 달성하기 위하여 배치되는 열전도수단을 포함한다. 바람직한 실시예에서, 상기 열전도수단은, 비열전도성 패시브 벤드층(56) 중에 위치하는 알루미늄과 같은 매우 높은 열전도성 재료로 이루어진 얇은 층(54)을 포함한다. 상기 액츄에이터의 전체 냉각속도, 즉 상기 패시브 벤드층을 그 휴지위치로 되돌리는 속도는, 제작시에 상기 액츄에이터의 히터에 대한 열전도층의 근접도(proximity)를 조절함으로써 조절될 수 있다.

Description

열전도 통로를 구비한 열탄성 잉크젯 액츄에이터{THERMOELASTIC INKJET ACTUATOR WITH HEAT CONDUCTIVE PATHWAYS}

본 발명은, 잉크젯 인쇄분야에 관한 것으로, 특히 개량된 열탄성(thermoelastic) 잉크젯 액츄에이터에 관한 것이다.

열탄성 액츄에이터 잉크젯 노즐장치는, 미국특허출원번호 US 09/798,757호 및 09/425,195호에 개시되어 있는데, 이들은 모두 본 출원인에 의하여 공동으로 소유되는 것들로서, 그 전체 내용은 참조를 위하여 본 명세서에 편입된다.

상기 명세서에 개시된 발명의 일 실시예에 따른 제1노즐이 도1에 도시되어 있다. 도1은 상기 노즐장치의 측면사시도이고, 도2는 도1의 노즐장치의 분해사시도이다. 단일의 노즐장치(1)는 공기로 작동하는 두 개의 아암(4,5)을 포함하며, 상기 아암은 5.8 마이크로미터의 훨씬 더 두꺼운 두께를 가진 유리(7)와 상기 유리의 상부에 위치한 0.3 마이크로미터의 티타늄 다이보라이드(titanium diboride)층(6)으로 구성된다. 상기 두 아암(4,5)은 서로 연결되어 9 지점(point) 주위로 피봇하는데, 상기 지점 9는 노즐 챔버부(10)를 순차적으로 형성하는 덮개(enclosure)를 이루는 박막(thin membrane)이다. 상기 아암 4와 5는, 포스트(11,12)에 의하여 CMOS층(3)의 일부로 형성될 수 있는 하부의 알루미늄 전도층(14,15)에 부착된다. 상기 노즐 챔버(18)의 외주면은, 유리 또는 질화물(nitride)로 형성될 수 있으며, 잉크가 채워진 덮개를 형성한다. 상기 바깥쪽 챔버(18)는 예컨대 19와 같은 다수의 에칭액홀(etchant hole)을 포함하며, 상기 홀들은 MEM 처리기술에 의하여 제조되는 동안 내부 캐비티(internal cavities)의 신속한 희생부식(sacrificial etchant)을 위하여 제공된다.

패들면(paddle surface;24)은, 제조과정동안 구조의 해제(release)로 인하여 아래로 구부려진다. 전류는 상기 티타늄 보라이드층(6)를 통과하여 아암 4와 5를 따라서 상기 층을 가열시킨다. 상기 가열은 높은 영율(Young's modulus)을 가지는 아암(4,5)의 T1B2층을 대개는 팽창시킨다.

이 팽창으로 인하여 상기 아암은 일반적으로 아래로 구부러져서, 상기 박막(9) 주위로 순차적으로 피봇된다. 상기 피봇은, 패들면(24)의 급속한 상향운동을 초래한다. 상기 패들면(24)의 상향운동은, 노즐 챔버(21)로부터 잉크를 배출시키게 한다. 상기의 압력증가는 더 작은 에칭액홀(19)의 표면장력특성을 극복하기에는 불충분하며, 그 결과 상기 잉크는 노즐챔버홀(21)로부터 배출된다.

상술한 바와 같이, 상기 박막 티타늄 다이보라이드 스트립(6)은 충분히 높은 영율을 가지고 있으므로, 상기 티타늄 다이보라이드층(6)이 가열됨에 따라 상기 유리층(7)이 구부러지게 된다. 따라서, 상기 잉크젯장치의 작동은 도3~도5에 도시된 것과 같이 된다. 휴지(quiescent)상태에서는, 상기 잉크젯노즐은 도3에 도시된 것과 같이, 대개 잉크 메니스커스(30)가 약간 부풀어 있고, 패들이 박막벽(9) 주위로 피봇된 아래로 구부려진 위치에 있다. 상기 티타늄 다이보라이드층(6)을 가열하면 그것이 팽창한다. 따라서, 도4에 도시된 바와 같이, 유리층(7)이 구부러짐에 따라, 박막벽(9) 주위로 패들(24)이 피봇된다. 이에 의하여, 상기 메니스커스(30)가 신속하게 팽창하여 정압펄스(positive pressure pulse)가 야기되어 상기 노즐챔버(10)로부터 잉크의 통상적인 배출이 초래된다. 다음에, 상기 티타늄 다이보라이드에 전류가 단락(switched off)되면 상기 패들(24)은 휴지상태로 복귀하여 부압펄스(negative pressure pulse)를 야기하며, 이러한 부압펄스는 메니스커스(30)를 거쳐 잉크를 대체로 뒤로 빨아들이게 하여 상기 노즐챔버(10)로부터 요구에 따라 액적(drop;31)이 순차적으로 배출되게 된다.

전기적인 가열펄스(heating pulse)를 조절함에 의하여, 상기 열탄성 액츄에이터의 정압펄스의 크기와 시간 상수(constants)를 조절할 수 있다. 그러나, 상기 부압펄스는 조절되지 않은 채로 남아있다. 상기 부압펄스의 특성은, 고점도 및 고표면장력의 유체에 대하여 보다 큰 영향을 미친다. 따라서, 만약 잘 조절된(tailored) 부압펄스특성을 가지는 열탄성 잉크젯노즐을 이용할 수 있다면 바람직할 것이다.

몇몇 종류의 열탄성 액츄에이터에 대해서는, 상기 액츄에이터가 아주 고온에 있을 때 비전도층의 바닥표면 상에 놓여진 소정 액체에 대하여 비등점 이상의 온도가 야기되는 경우가 일반적이라는 또 다른 어려움이 있다.

본 발명의 목적은, 적합한 부압펄스특성을 가지는 열탄성 액츄에이터를 제공하는데 있다.

본 발명의 제1실시예로서 제공되는 열탄성 액츄에이터 조립체는, 가열부재에 의하여 발생되는 열을 상기 액츄에이터 조립체로부터 전도하기 위하여 배치되며, 이에 의하여 후속의 작동을 위한 휴지(休止;quiescent)상태로 상기 액츄에이터가 복귀되는 것을 촉진하는 열전도수단;을 포함한다.

상기 가열부재는 가열층을 포함하여 구성되고, 상기 가열층은 패시브 벤드층(passive bend layer)에 접착되며, 상기 열전도수단은 상기 패시브 벤드층 내에 위치하는 것이 바람직하다.

상기 열전도수단은, 상기 패시브 벤드층 내에 위치하며 금속 열전도성재료로 이루어진 하나 이상의 층으로 구성될 수 있다.

상기 금속 열전도성재료로 이루어진 하나 이상의 층은, 상기 액츄에이터와 접하는 잉크의 과열을 방지하기에 충분한 것이 바람직하다.

상기 금속 열전도성재료로 이루어진 하나 이상의 층은, 예컨대 알루미늄과 같은 열전도성재료와 패시브 벤드층 기판의 적층체(laminate)로 이루어지는 것이 전형적이다.

상기 열탄성 액츄에이터는 잉크젯 프린터 내에 편입될 수 있다.

본 발명에 따른 바람직한 작동특성을 가지는 열탄성 액츄에이터를 생산하기 위한 방법은,

상기 액츄에이터에 대한 바람직한 부압펄스(negative pressure pulse)특성을 결정하는 단계;

상기 바람직한 부압펄스특성에 상응하는 열소산 프로파일(heat dissipation profile)을 결정하는 단계; 및

상기 프로파일을 실현하기 위하여 배치되는 열전도수단이 구비되도록 상기 열탄성 액츄에이터를 제조하는 단계;

를 포함한다.

상기 바람직한 부압펄스특성을 결정하는 단계는, 상기 열탄성 액츄에이터에 사용되는 유체(fluid)의 물리적특성을 결정하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 프로파일을 실현하기 위하여 배치되는 열전도수단이 구비되도록 상기 열탄성 액츄에이터를 제조하는 단계는, 상기 액츄에이터의 패시브 벤드층 내에 하나 이상의 열전도층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

도1은, 종래의 열탄성 액츄에이터의 사시도이다.

도2는, 도1의 열탄성 액츄에이터의 분해도이다.

도3은, 제1 작동단계에 있는 도1의 열탄성 액츄에이터의 횡단면도이다.

도4는, 제2 작동단계에 있는 도1의 열탄성 액츄에이터의 횡단면도이다.

도5는, 이후의 작동단계에 있는 도1의 열탄성 액츄에이터의 횡단면도이다.

도6은, 종래의 열탄성 액츄에이터 조립체의 일부를 나타낸 횡단면도이다.

도7은, 본 발명의 제1실시예에 따른 열탄성 액츄에이터 조립체의 일부를 나타낸 횡단면도이다.

도8은, 본 발명의 제2실시예에 따른 열탄성 액츄에이터 조립체의 일부를 나타낸 횡단면도이다.

도9는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 열탄성 액츄에이터 조립체의 일부를 나타낸 횡단면도이다.

도6을 참조하면, 종래 열탄성 액츄에이터(40)의 일부를 단순화한 측면 형상이 도시되어 있다. 액츄에이터(40)는 히터층(42)의 형태인 가열부재와 패시브 벤드층(44)을 포함한다. 전형적으로, 상기 패시브 벤드층은 이산화실리콘(Silicon Dioxide)과 같은 낮은 열전도성의 인슐레이터(insulator)로 이루어져 있다. 잉크와 같은 유체는 저장소(reservoir;46)에 채워진다. 히터층(42)으로부터의 열 흐름방향은, 화살표 50 및 52로 표시된다.

본 발명에 따른 열탄성 액츄에이터의 바람직한 실시예는, 이제 도7을 참조하여 설명할 것이다. 상기 액츄에이터는, 비열전도성 패시브 벤드층(56) 내에 위치한 알루미늄과 같은 매우 높은 열전도재료로 이루어진 얇은 층(54)을 포함한다. 따라서, 열에너지가 상기 히터층으로부터 전도되어 최종적으로 상기 전도층과 만나서 화살표 58로 지시된 것과 같이 전도되어 나간다. 이 열은 열전도층(54)에 의하여 액츄에이터로부터 대향되는 지지구조(미도시)의 상대적으로 큰 차가운 열적질량으로 전도되어 나가서 액츄에이터 자체의 두께를 통과하여 추가적으로 전도된다.

상기 액츄에이터의 전체적인 냉각속도, 즉 상기 패시브 벤드층을 휴지상태로 복귀시키고 부압펄스의 형태로 만드는 속도는, 상기 히터층(58)에 대한 열전도층(54)의 근접도(proximity)에 의하여 조절될 수 있다. 상기 히터층에 대하여 상기 열전도층을 더 가깝게 위치시키면, 액츄에이터를 보다 빨리 냉각시킬 수 있다.

상기 열전도층은, 접착된 액츄에이터의 바닥면이 과도하게 뜨거워지는 것을 방지하기 위하여 위치될 수 있으며, 따라서 소정의 유체가 비등하거나 또는 과열됨이 없이, 상기 액츄에이터는 상기 유체와 직접 접촉할 수 있다.

도8은, 3개의 알루미늄층과 패시브 벤드재료의 적층체(60)로 이루어진 전도성 통로를 구비한 본 발명의 다른 실시예에 따른 액츄에이터를 도시한 것이다. 패시브 벤드재료와 알루미늄층을 교대로 함으로써, 상기 액츄에이터의 기계적특성에 미치는 상기 열전도성층의 영향은 최소화될 수 있다. 상기 액츄에이터의 기계적특성을 방해하지 않기 위하여, 상기 적층체 대신 상대적으로 낮은 영율을 가지는 다른 열전도성재료의 단일층이 사용될 수 있다.

도7 및 도8의 실시예에서, 상기 가열층(58)은 직접 그리고 연속적으로 상기 패시브 벤드층(56)에 접착된다. 이른바 "아이솔레이티드(isolated)" 타입 열탄성 액츄에이터에서는, 가열부재가 패시브 기판과 연속적으로 접촉하지 않고, 부분적으로 공간에 의하여 상기 기판과 분리되어 있다. 도9에는 아이솔레이티드 타입 액츄에이터에 적용된 본 발명의 다른 실시예가 도시되어 있는데, 여기서는 가열부재(64)가 공간(62)에 의하여 패시브 기판(56)과 부분적으로 분리되어 있다. 또 다시 열전도층(54)은, 상기 액츄에이터 지지조립체(미도시) 쪽으로 열을 전도하는 작용을 한다.

본 발명은, 적합한 부압펄스특성을 가지는 액츄에이터를 제공한다. 이는, 알루미늄과 같은 우수한 열전도체의 층의 형태인 열전도수단을 제공함으로써 달성된다. 상기 가열부재에 의하여 발생되는 열은 액츄에이터 조립체로부터 전도될 수 있으며, 그로 인하여 후속의 작동을 위한 휴지(休止;quiescent)상태로 상기 액츄에이터가 복귀되는 것을 촉진한다.

본 발명은, 또한 액츄에이터에 대한 바람직한 특성을 갖는 액츄에이터를 설계하는 방법을 묘사한다. 상기 압력펄스특성은, 액츄에이터가 그 휴지상태로 복귀하는 속도와 관계가 있다. 전형적으로, 특정 점도를 가지는 잉크에 대하여 잉크 액적의 넥킹(necking)을 일으키는 것에 부압펄스가 요구된다.

일단 상기 압력펄스특성이 결정되면, 바람직한 부압력펄스특성에 상응하는 열소산 프로파일이 결정되어야 한다. 상기 결정은, 시행착오법에 의하여 행해질 수 있으며, 필요하다면 또는 그 대신에 수학적인 모델링(modeling) 기술이 사용될 수 있다. 이후, 상기 열탄성 액츄에이터는 열전도층이 배치되도록 제조되어 상기 프로파일을 실현한다.

상기 패시브 벤드층의 기계적특성을 보존하기 위해서는 다수의 열전도층을 구비하도록 액츄에이터를 구성하는 것이 가장 단순할 것이며, 이에 의하여 상기 열소산 프로파일을 실현하는데 있어서 수반되는 변수(variables)의 수를 줄일 수 있다.

상기 액츄에이터는 잉크젯 프린터 조립체 및 잉크젯 프린터에 관해 적용될 수 있다는 것을 이해하여야 할 것이다.

본 발명이 비록 바람직한 실시예에 관하여 설명되었지만, 당업자라면 본 발명의 정신과 범위를 벗어나지 않는 범위에서 형태와 세부사항에 대한 변경이 행해 질 수 있다는 것을 인식할 수 있을 것이다.

Claims (10)

1. 지지구조로부터 확장되며,

   패시브 벤드층(passive bend layer)에 접착되는 가열층을 포함하는 가열부재와;

   상기 가열부재에 의하여 발생되는 열을 액츄에이터 조립체에서 상기 지지구조로 전도하기 위하여 상기 패시브 벤드층으로부터 상기 지지구조 내로 확장되며, 이에 의하여 후속의 작동을 위한 휴지(休止;quiescent)상태로 상기 액츄에이터가 복귀되는 것을 촉진하는 열전도수단;

   을 포함하는 것을 특징으로 하는 열탄성(thermoelastic) 액츄에이터 조립체.
2. 제1항에 있어서,

   상기 열전도수단은, 상기 패시브 벤드층 내에 위치하며 금속 열전도성재료로 이루어진 하나 이상의 층인 것을 특징으로 하는 열탄성 액츄에이터 조립체.
3. 삭제
4. 제2항에 있어서,

   상기 금속 열전도성재료로 이루어진 하나 이상의 층은, 열전도성재료와 패시브 벤드층 기판의 적층체(laminate)로 이루어진 것을 특징으로 하는 열탄성 액츄에이터 조립체.
5. 제4항에 있어서,

   상기 금속 열전도성재료로 이루어진 하나 이상의 층은, 알루미늄을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 열탄성 액츄에이터 조립체.
6. 제2항에 따른 열탄성 액츄에이터를 포함하는 잉크젯 프린터.
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제

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