KR100792351B1 - 잉크젯 프린터 헤드 - Google Patents

Abstract

잉크젯 프린터 헤드가 개시된다. 잉크가 저장되는 잉크 저장부와, 잉크 저장부와 연결되는 다수 개의 챔버와, 챔버 상에 각각 구비되며 챔버에 유입된 잉크에 구동력을 제공하는 액츄에이터와, 챔버와 연결되며 잉크가 외부로 토출되는 하나의 노즐을 포함하는 잉크젯 프린터 헤드는 고주파의 영향에 따른 잉크 결손 및 기계적 진동을 줄일 수 있다.

리스트릭터, 액츄에이터, 챔버

Description

잉크젯 프린터 헤드{INK JET PRINTER HEAD}

도 1은 종래의 멀티젯을 이용한 잉크젯 프린터 헤드에서 인접한 노즐 간의 상호 작용에 의해 공명이 발생한 상태를 개략적으로 도시한 도면.

도 2는 다수의 챔버와 단일한 노즐을 구비하는 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 프린터 헤드를 개략적으로 나타낸 사시도.

도 3은 챔버의 측면에 리스트릭터가 형성된 본 발명의 다른 실시예에 따른 잉크젯 프린터 헤드를 개략적으로 나타낸 사시도.

도 4a는 액츄에이터의 구동에 의해 잉크가 챔버 내부에서 분출 방향과 반대 방향으로 이동하는 상태를 개략적으로 나타낸 도면.

도 4b는 리스트릭터로부터 잉크가 챔버 내부로 유입되는 상태를 개략적으로 나타낸 도면.

<도면 부호의 설명>

31: 잉크 저장부 33: 리스트릭터

35: 액츄에이터 37: 챔버

39: 노즐 41: 잉크

본 발명은 잉크젯 프린터 헤드에 관한 것이다.

일반적으로, 잉크젯 프린팅은 액체 잉크를 종이에 토출하여 인쇄하는 방식으로서, 잉크젯 프린트 헤드에는 바늘 끝 정도 크기의 노즐이 배열되어 있으며, 이 노즐에서 잉크가 토출된다. 잉크젯 프린터는 잉크를 분사하는 방법에 따라 다음과 같은 종류가 있다.

버블 젯(bubble jet) 분사 방식은 미세한 관의 옆 벽에 배치한 히터를 이용하여 노즐 내부의 기포(bubble)의 크기를 제어하여 잉크를 토출한다. 히터를 가열하면 노즐 내부에 기포가 발생하게 되고, 기포가 최대로 팽창하면 잉크가 분사되는 방식이다. 분사 후 히터의 가열을 정지시키면 기포가 사라져서 잉크가 보충된다. 버블젯 방식의 장점은 잉크 저장부가 필요 없으며, 관 및 히터의 크기가 매우 작아서 헤드의 크기를 줄일 수 있다는 점에 있다. 그러나 버블 젯 분사 방식은 노즐을 2차원으로 배열하기 어렵다는 문제점을 가진다.

써멀 젯(thermal jet) 방식은 버블 젯 방식과 유사하지만 가열 히트의 위치를 달리한다. 즉, 써멀 젯 방식은 잉크실의 노즐과는 반대 혹은 같은 면에 발열 히터를 배치하여, 가열한 잉크가 기화할 때의 수증기압으로 잉크를 분출하게 한다. 써멀 젯 방식은 히터와 노즐의 배열을 2차원으로 할 수 있어서 노즐의 수를 증가할 수 있는 장점을 가진다.

압전(piezo) 분사 방식은 노즐의 뒷면에서 입력된 신호에 따라 충격을 가하여 잉크를 분사하는 방식이다. 잉크가 토출되는 원동력으로 인가되는 전기 신호에 따라 형상이 변화하는 압전소자(piezoelectric elememt)를 잉크가 위치하는 챔버의 상부에 형성한다. 그리고 일정한 전기 신호를 인가하여 챔버의 형상을 변형시키면, 챔버와 연결된 노즐 끝단의 액면이 팽창한 순간 전기 신호를 제어하여 급격히 액면을 끌어 당기면, 노즐면보다 앞에 있는 잉크가 관성에 의해 토출된다.

이러한 잉크젯 프린팅 기술은 주로 사무자동화(OA) 분야에서 사용되어 왔고, 산업용으로는 포장재 마킹(marking)이나 의류 인쇄와 같은 분야에서 주로 사용되어 왔으며, 은 및 니켈 등의 나노 금속입자를 포함하는 기능성 잉크 등의 개발과 더불어 응용 가능성이 점차 확대되고 있다.

잉크젯 프린터의 고해상도를 유지하고 생산성을 높이기 위해서 고주파 환경에서 사용할 필요성이 점점 더 커지고 있다. 고주파 환경이란, 챔버를 구동하는 액츄에이터(actuator)의 진동 주파수를 크게 함으로써 잉크가 토출되는 속도를 높이는 것을 의미한다. 그러나 고주파수 토출은 잉크가 저장되어 있는 잉크 저장부에서 챔버까지 공급되는 잉크의 결손을 야기하는데, 이는 멀티 젯(multi-jet)을 적용한 잉크젯 프린터 헤드에서는 노즐별로 잉크의 토출량이 달라지게 되는 주요 원인이 된다. 또한, 이러한 잉크 결손은 구동력에 의한 에너지를 잉크 토출에 의해서 충분히 상쇄시켜 주지 못하기 때문에 부가적인 기계 진동을 유발할 수 있다.

그리고 잉크젯 프린터의 고해상도를 유지하기 위해서, 도 1에 도시된 바와 같이, 다수 개의 노즐(nozzle)(17)을 구비하는 멀티 젯을 사용한다. 그러나 종래에 멀티 젯 잉크젯 프린터의 경우 다수의 노즐(17)이 하나의 챔버(15)에 연결되어 있기 때문에, 노즐(17)에서 발생하는 액츄에이터(미도시)의 영향이 인접한 노즐(17)에 전파되는 현상이 발생한다. 이를 혼선(cross talk)라고 하는데, 이러한 혼선은 잉크젯 프런터 헤드의 생산성을 높이고 작업 능률을 향상시키기 위해 해결해야 할 과제이다.

본 발명은 고주파의 영향에 따른 잉크 결손 및 기계적 진동을 줄일 수 있는 잉크젯 프린터 헤드를 제공하는 것이다.

본 발명은 잉크의 구동력에 음파(acoustic wave)에 의한 구동력을 추가로 제공하는 잉크젯 프린터 헤드를 제공하는 것이다.

본 발명은 다수 개의 챔버에서 발생하는 음파가 챔버 내부에서 충분히 감쇄된 후 잉크공급부로 분출되기 때문에 기계적 진동을 줄일 수 있는 잉크젯 프린터 헤드를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따른 잉크젯 프린터 헤드는, 잉크가 저장되는 잉크 저장부와, 잉크 저장부와 연결되는 다수 개의 챔버와, 챔버 상에 각각 구비되며 챔버에 유입된 잉크에 구동력을 제공하는 액츄에이터와, 챔버와 연결되며 잉크가 외부로 토출되는 하나의 노즐을 포함한다.

본 발명의 실시예들에 따른 잉크젯 프린터 헤드는 다음과 같은 특징들을 하나 또는 그 이상 구비할 수 있다. 예를 들면, 잉크 저장부와 챔버 사이에는 잉크 저장부로부터 나온 잉크가 챔버에 유입될 수 있도록 잉크를 안내하는 리스트릭터가 구비될 수 있다. 그리고 액츄에이터는 동일하거나 실질적으로 동일한 진동 주파수를 갖을 수 있다. 리스트릭터는 챔버의 일측에서 소정의 각도를 가지고 돌출되어 잉크 저장부와 연결될 수 있는데, 그 각도는 약 90°일 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 잉크젯 프린터 헤드는, 잉크가 저장되는 잉크 저장부와, 잉크 저장부와 연결되는 챔버와, 챔버의 측면에 형성되어 잉크 저장부와 연결되는 리스트릭터와, 챔버 상에 구비되며 챔버에 유입된 잉크에 구동력을 제공하는 액츄에이터와, 챔버와 연결되며 잉크가 외부로 분사되는 노즐을 포함한다.

본 발명에 따른 잉크젯 프린터 헤드의 실시예들은 다음과 같은 특징들을 하나 또는 그 이상 구비할 수 있다. 예를 들면, 챔버는 다수 개가 구비되고, 리스트릭터는 챔버에 대응하여 구비되어 노즐과 연결되며, 노즐은 다수 개의 리스트릭터와 연결되는 단일의 노즐로 이루어질 수 있다. 그리고 리스트릭터는 챔버의 일측에서 소정의 각도, 예를 들면 약 90°의 각도를 가지고 돌출될 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 잉크젯 프린터 헤드의 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 프린터 헤드는 잉크를 저장하는 잉크저장부(reservoir)(31), 잉크저장부(31)와 연결되며 액츄에이터(35)에 의한 구동력을 잉크에 전달하는 챔버(37), 챔버(37)에 구동력을 제공하는 액츄에이터(35), 챔버(37)에서 토출되는 잉크가 액적(droplet)으로 분사되게 하는 노즐(39), 그리고 잉크저장부(31)와 챔버(37) 사이에 구비된 리스트릭터(restrictor)(33)를 포함한다.

본 발명의 실시예에 따른 잉크젯 프린터 헤드는, N(N은 2이상의 자연수)개의 챔버(37) 및 챔버(37)를 각각 구동하는 N개의 액츄에이터(35)를 구비하기 때문에 동일한 주파수로 구동하더라도 각각의 액츄에이터(35)의 구동 주파수를 줄일 수 있다. 따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 프린터 헤드는 고주파수로 인한 기계적 진동 및 잉크의 결손을 줄일 수 있다. 이로 인해, 본 실시예에 따른 잉크젯 프린터 헤드는 해상도를 높일 수 있을 뿐만 아니라, 작업 능률을 향상할 수 있다는 점에 특징이 있다.

잉크저장부(31)는 외부로부터 공급되는 잉크가 저장되는 곳이다. 잉크저장부(31)에 저장된 잉크는 액츄에이터(35)에 의해 공급되는 구동력에 의해 리스트릭터(33)를 경유하여 챔버(37)로 유입된다. 도 2에서, 본 실시예에 따른 잉크젯 프린터 헤드는 단일한 잉크저장부(31)를 구비하는 것으로 도시하였지만, 본 발명은 이에 국한되는 것은 아니며 필요에 따라 잉크 저장부(31)가 둘 이상 구비될 수 있음은 물론이다.

리스트릭터(33)는 토출시 잉크가 노즐(39) 방향이 아닌 잉크저장부(31) 쪽으 로 밀려 나오는 잉크의 흐름을 방해함으로써 잉크의 분출을 용이하게 한다. 리스트릭터(33)는 챔버(37)와 잉크저장부(31) 사이에 형성되어 있으며, 잉크저장부(31)로부터 나온 잉크는 리스트릭터(33)를 경유하여 챔버(37) 내부로 유입된다. 리스트릭터(33)는 챔버(37)의 개수만큼 구비되는데, 위에서 설명한 바와 같이 본 실시예에 따른 잉크젯 프린터 헤드에서 챔버의 수가 N개일 경우, 리스트릭터(33)의 개수도 N개이다.

액츄에이터(35)는 압전체 및 압전체의 양면에 부착된 상부전극 및 하부전극으로 이루어지는 압전 소자이다. 압전체는 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하거나 또는 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 재료이다. 압전체의 대표적인 것으로는 티탄산지르콘산납(Pb(Zr, Ti)O₃) 등이 있다. 액츄에이터(35)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 챔버(37)의 위치에 대응하여 멤브레인(미도시)의 상부에 부착된다. 액츄에이터(35)는 상부전극 및 하부전극에 전기 신호가 인가되면 멤브레인을 하향으로 볼록하게 변형시켜 챔버(37)를 수축하게 하여, 챔버(37)의 내부에 위치한 잉크가 노즐(39)을 통하여 외부로 분사되게 한다.

본 실시예는 멤브레인을 변형시키는 액츄에이터(35)로서 압전 소자를 이용하는 압전 구동식을 사용하였지만, 액츄에이터(35)로서 정전 구동식을 사용할 수 있음은 물론이다. 정전 구동식은 압전체가 아닌 정전 작용을 이용하여 멤브레인을 구동하는 방식이다. 그리고 버블 젯(bubble) 방식 또는 써멀 젯(thermal jet) 방식 또한 액츄에이터로서 사용될 수 있다. 이러한 방식은 일반적인 기술에 해당하므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

액츄에이터(35)는 챔버(37)의 멤브레인 상에 각각 위치하기 때문에, 챔버(37)의 개수가 N개인 경우 액츄에이터(35)의 개수 또한 N개가 된다. 따라서 잉크젯 프린터 헤드 전체의 주파수를 f 로 하고자 할 경우, 각각의 액츄에이터(35)의 주파수는 f/N으로 할 수 있다. 하나의 액츄에이터를 구비하는 종래의 잉크젯 프린터 헤드의 경우에는 프린터 헤드 전체의 주파수를 f 로 하고자 할 경우, 하나의 액츄에이터가 f 의 주파수를 가져야 하기 때문에 기계적 진동이 커짐은 물론 잉크가 챔버(37) 내부로 제대로 공급되지 못하는 잉크 결손의 문제를 초래했다. 그러나 본 실시예에 따른 잉크젯 프린터 헤드는 N개의 액츄에이터(35)를 구비하기 때문에, 각각의 액츄에이터(35)가 f/N의 주파수를 갖지만 전체 주파수는 f 로 유지할 수 있다. 이로 인해 본 실시예에 따른 잉크젯 프린터 헤드는 고주파수에 따른 기계적 진동 및 잉크 결손의 문제를 해결할 수 있게 된다.

챔버(chamber)(37)는 액츄에이터(35)에 의해 제공되는 구동력을 잉크에 전달하여, 잉크가 노즐(39)의 외부로 토출될 수 있게 한다. 챔버(37)의 상부에는 일정한 탄성력을 가지는 멤브레인(미도시)이 구비되어 있는데, 상기 멤브레인 상에는 액츄에이터(35)가 장착되어 있다. 액츄에이터(35)는, 위에서 설명한 바와 같이, 멤브레인을 탄성적으로 수축시켜서 챔버(37)의 내부에 위치한 잉크가 노즐을 통하여 외부로 토출되게 한다. 본 실시예에 따른 잉크젯 프린터 헤드는 N개의 독립된 챔버(37)를 구비하기 때문에, 도 1에 도시된 바와 같은, 잉크 사이의 공명(resonance)이 발생할 염려가 없다. 따라서 본 실시예는 공명을 제거함에 따라 이로 인한 진동 을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 잉크의 원활한 공급이 가능하게 된다.

노즐(39)은 챔버(37)에서 토출되는 잉크를 액적의 형태로 외부로 분사될 수 있도록 안내하는 역할을 한다. 노즐(39)의 위치 및 형상에 따라 액적의 크기 및 액적의 분사 방향이 결정된다. 노즐(39)은 N개의 챔버(37)와 모두 연결되는 단일한 노즐(39)로 이루어진다. 따라서 각각의 액츄에이터(35)가 f/N의 주파수를 갖고 진동하더라도 잉크젯 프린터 전체의 주파수는 f 가 된다. 노즐의 형상은 일정한 경사각을 갖는 노즐콘(nozzle cone)과 상기 노즐콘과 연통되는 노즐로 이루어질 수 있다.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 프린터 헤드의 작동에 대해서 설명하기로 한다.

챔버(37)의 멤브레인 상에 장착된 각각의 액츄에이터(35)가 작동되면, 챔버(37)의 내부에 위치하는 잉크가 챔버(37)의 수축에 의해 노즐(39)로 분사되고 잉크의 일부는 리스트릭터(33)를 통하여 잉크저장부(31)로 밀려 나오게 된다. 이때 리스트릭터(33)는 잉크저장부(31)로 유입되는 잉크의 흐름을 방해함으로써, 잉크가 노즐(39)로 분사되지 않고 잉크저장부(31)로 유입되는 현상을 방지한다.

잉크젯 프린터 헤드의 전체 주파수가 f 인 경우, 액츄에이터(35) 각각의 주파수는 f/N이 되기 때문에 본 실시예에 따른 액츄에이터(35)는 그 진동 주파수를 줄일 수 있게 된다. 이로 인해, 본 실시예에 따른 잉크젯 프린터 헤드는 고주파수에 따른 기계적 진동을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 잉크 결손을 방지할 수 있게 된다.

그리고 잉크가 토출된 후 수축했던 챔버(37)가 원상 복귀하게 되면 잉크저장부(31)에 저장된 잉크가 리스트릭터(33)를 통하여 챔버(37)의 내부로 유입된다.

이하에서는 도 3을 참조하면서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 잉크젯 프린터 헤드에 대해 설명하기로 한다.

도 3에 도시된 잉크젯 프린터 헤드는 잉크를 저장하는 잉크저장부(reservoir)(31), 잉크저장부(31)와 연결되며 액츄에이터(35)에 의한 구동력을 잉크에 전달하는 챔버(37), 챔버(37)에 구동력을 제공하는 액츄에이터(35), 챔버(37)에서 토출되는 잉크가 액적(droplet)으로 분사되게 하는 노즐(39), 그리고 챔버(37)의 측면에 구비된 리스트릭터(restrictor)(33)를 포함한다.

본 실시예에 따른 잉크저장부(31), 액츄에이터(35), 챔버(37) 및 노즐(39)의 구성은 앞서 본 실시예와 동일하거나 유사하므로 구체적인 설명은 생략하기로 하고, 이하에서는 리스트릭터(33)에 대해 설명하기로 한다.

리스트릭터(33)는 챔버(37)의 일 측면에서 연결되어 잉크 저장부(31)와 연통된다. 챔버(39)의 측면이란, 도 4a 내지 도 4b에 도시된 바와 같이, 챔버(37) 내에서 잉크가 노즐로 분사되는 방향과 평행하지 않은 면을 의미한다. 리스트릭터(33)는 챔버(37)의 개수 만큼 구비되어 있는데, 본 실시예에서 챔버(37)가 하나인 경우 리스트릭터(33) 또한 하나일 수 있다. 리스트릭터(33)가 챔버(37)에서 연장되는 각도는, 도 3에 도시된 바와 같이 약 90°일 수 있지만, 이는 필요에 따라 변경될 수 있음은 물론이다.

이하에서는 도 4a 내지 도 4b를 참조하면서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 잉크젯 프린터에서 잉크의 흐름에 대해서 설명하기로 한다.

도 4a를 참조하면, 액츄에이터(미도시)가 작동하게 되면 챔버(37)의 내부에 위치하는 잉크는 대부분 노즐(미도시)을 통해 외부로 토출되지만, 일부는 챔버(37)의 일면에 부딪히게 되어(화살표 A 참조) 진동 에너지가 소진됨으로써 잉크의 진동력이 감쇄된다. 이러한 잉크 진동력의 감쇄는 잉크젯 프린터 헤드 전체의 진동을 감소시킬 수 있다. 그리고 챔버(37)의 일면에 부딪힌 후 반사되는 잉크는 음파(acoustic wave)를 생성하는데, 이러한 음파는 잉크 토출 후 잉크 공급시 잉크공급부(31)로부터 리스트릭터(33)를 통하여 잉크가 원활히 흐를 수 있도록 한다.

그리고 잉크의 일부는 챔버(37)의 측면에 구비된 리스트릭터(33)를 통해 잉크저장부(31)로 유입된다. 리스트릭터(33)는 챔버(37)의 측면에 구비되어 있기 때문에 잉크의 유동 저항이 커지게 되어, 리스트릭터(33)로 유입되는 잉크의 양이 감소하게 된다.

도 4b에 도시된 바와 같이, 잉크가 토출하고 액츄에이터가 다시 구동하기 전에는 챔버(37) 내부 벽에 부딪힌 잉크가 노즐 방향으로 반사됨으로써(화살표 C참조) 음파를 생성한다. 이러한 음파는 잉크저장부(31) 내에 위치하는 잉크의 분출을 용이하게 함으로써 잉크의 공급을 원활하게 한다. 따라서 본 실시예에 따른 잉크젯 프린터 헤드는 음향에 의한 구동력을 추가로 구비하기 때문에 잉크의 토출을 원활하게 할 수 있게 된다.

이상에서 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명의 다양한 변경예와 수정예도 본 발명의 기술적 사상을 구현하는 한 본 발명의 범위에 속하는 것으로 해 석되어야 한다.

본 발명은 고주파의 영향에 따른 잉크 결손 및 기계적 진동을 줄일 수 있는 잉크젯 프린터 헤드를 제공할 수 있다.

본 발명은 잉크의 구동력에 음파(acoustic wave)에 의한 구동력을 추가로 제공하는 잉크젯 프린터 헤드를 제공할 수 있다.

본 발명은 다수 개의 챔버에서 발생하는 음파가 챔버 내부에서 충분히 감쇄된 후 잉크공급부로 분출되기 때문에 기계적 진동을 줄일 수 있는 잉크젯 프린터 헤드를 제공할 수 있다.

Claims (9)

1. 잉크가 저장되는 잉크 저장부;

   상기 잉크 저장부와 연결되는 다수 개의 챔버;

   상기 챔버 상에 각각 구비되며 상기 챔버에 유입된 상기 잉크에 구동력을 제공하는 액츄에이터;

   상기 복수 개의 챔버와 연결되며 상기 챔버와 연결되며 상기 잉크가 외부로 토출되는 하나의 노즐을 포함하는 잉크젯 프린터 헤드.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 잉크 저장부와 상기 챔버 사이에는 상기 잉크 저장부로부터 나온 상기 잉크가 상기 챔버에 유입될 수 있도록 상기 잉크를 안내하는 리스트릭터가 구비된 잉크젯 프린터 헤드.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 액츄에이터는 동일하거나 실질적으로 동일한 진동 주파수를 갖는 잉크젯 프린터 헤드.
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 리스트릭터는 상기 챔버의 일측에서 소정의 각도를 가지고 돌출되어 상기 잉크 저장부와 연결되는 잉크젯 프린터 헤드.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 리스트릭터는 상기 챔버의 일측에서 약 90°의 각도를 가지고 돌출된 잉크젯 프린터 헤드.
6. 제1항에 있어서,

   상기 잉크 저장부와 상기 챔버 사이에는 리스트릭터가 추가로 구비되며,

   상기 잉크 저장부와 상기 챔버는 상기 리스트릭터에 의해 연결되는 잉크젯 프린터 헤드.
7. 삭제
8. 제 6 항에 있어서,

   상기 리스트릭터는 상기 챔버의 일측에서 소정의 각도를 가지고 돌출되어 상기 잉크 저장부와 연결되는 잉크젯 프린터 헤드.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 리스트릭터는 상기 챔버의 일측에서 약 90°의 각도를 가지고 돌출된 잉크젯 프린터 헤드.

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