KR100896393B1 - 유체 분출 프린트헤드 및 프린트헤드 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

유체 분출 프린트헤드(14)는 표면을 구비하는 기판과, 상기 표면상에 형성된 것으로 소그룹(63A-63B, 63C-63D)으로 배열된 종렬형 그룹의 방울 발생기(63A 내지 63N)로서, 상기 각 소그룹은 상기 표면상의 다른 소그룹으로부터 유체적으로 분리되는, 상기 종렬형 그룹의 방울 발생기(63A 내지 63N)를 포함한다. 발사 펄스는 종렬형 그룹내의 방울 발생기가 한번에 하나씩 작동되도록 그리고 동일한 소그룹내의 2개의 방울 발생기가 연달아 작동되지 않도록 방울 발생기로 제공된다.

Description

유체 분출 프린트헤드 및 프린트헤드 제어 방법{BARRIER/ORIFICE DESIGN FOR IMPROVED PRINTHEAD PERFORMANCE}
도 1은 설명되는 프린트헤드중 어떤 하나를 내장할 수 있는 프린트 카트리지의 일 실시예의 등각도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 프린트헤드의 일 실시예의 일부분의 등각 단면도,
도 3은 도 2에 도시된 프린트헤드의 하부측의 등각도,
도 4는 도 2의 4-4 선을 따라 취한 단면도,
도 5는 본 발명의 실시예를 도시하는 것으로 도 1의 프린트헤드의 일부분의 개략도,
도 6은 도 5의 6-6 선을 따라 취한 개략적인 단면도,
도 7은 본 발명의 다른 실시예를 도시하는 것으로 프린트헤드의 일부분의 개략적인 평면도를 도시하는 단순화된 개략도,
도 8은 본 발명의 실시예를 이용하는 잉크젯 프린트헤드의 구조의 전형적인 실시예의 개략도,
도 9는 도 8의 9-9 선을 따라 취한 개략적인 단면도,
도 10은 각각 연결된 잉크 공급 경로를 가진 인접한 노즐 쌍의 개략도,
도 11은 스킵 발사 패턴을 도시하는 개략적인 프린트헤드 다이아그램,
도 12는 본 발명의 실시예를 이용하는 프린트헤드중 하나 이상을 이용할 수 있는 인쇄 시스템의 매우 간략화된 개략적인 다이아그램,
도 13은 2400 npi 노즐 어레이를 가능하게 하는 다른 프린트헤드 구조의 개략도.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
10 : 프린트 카트리지 10A : 전자기기
14 : 프린트헤드 20 : 실리콘 기판
22 : 박막 층 24 : 레지스터
26 : 잉크 공급 구멍 28 : 배리어/오리피스 층 또는 재료
30 : 잉크 분출 챔버 36 : 트렌치 또는 슬롯
42 : PSG 층 60, 70 : 방울 발생기 또는 노즐 칼럼
210, 220 : 멤브레인
본 발명은 프린트헤드에 관한 것이며, 특히 성능이 개선된 배리어/오리피스 구조체 구성에 관한 것이다.
본 기술 분야에 공지된 예시적인 적용 분야는 잉크젯 인쇄 분야이다. 예로서, 열 잉크젯 프린터는 마크 또는 프린팅이 그 위에 위치되는 매체에 근접하여 유지되는 표면내의 다수의 소형 노즐 또는 오리피스를 통해서 적은 용적의 잉크를 방출시킴으로써 작동된다. 이들 노즐은, 매체의 특정 위치에 대해서 결정된 개수의 노즐로부터의 잉크 방울의 방출이 소망하는 문자 또는 이미지의 일부분을 생성하는 형태로 표면에 배열된다. 기판 또는 매체와, 잉크 방울의 다른 방출의 제어된 위치설정으로 인해 소망하는 문자 또는 이미지의 보다 많은 픽셀의 생성이 계속된다. 선택된 칼라의 잉크가 노즐의 개별 배열에 연결되어, 오리피스의 선택된 발사는 잉크젯 프린터에 의해 다중칼라 이미지를 생성할 수 있다.
종래의 열 잉크젯 프린터내의 잉크 방울의 방출은, 잉크 용제의 끓는점을 초과하고 그리고 잉크의 기상 버블을 생성하는 온도까지 잉크의 급속한 가열을 야기시킨다. 잉크의 급속한 가열은 레지스터를 통해 제곱 펄스의 전류를, 전형적으로 0.5 내지 5마이크로세컨드 동안 통과시킴으로써 성취될 수 있다. 각 노즐은, 잉크로 충전되고 잉크에 열적으로 결합된 개별적으로 접근가능한 가열 요소를 구비하는 소형의 독특한 잉크 발사 챔버에 연결된다. 버블이 응집 및 팽창될 때, 버블은 노즐을 벗어나도록 강제되고 매체상에 부착된 잉크의 용적을 변위시킨다. 다음에, 버블은 수축되고, 잉크의 변위된 용적은 잉크 공급 채널에 의해서 보다 큰 잉크 저장소로부터 보충된다.
히터 레지스터의 불활성화 그리고 발사 챔버로부터의 잉크의 방출후에, 잉크는 방출되는 잉크에 의해 비워지는 용적을 충전하도록 다시 발사 챔버내로 유동한다. 이것은 잉크가 가능한한 신속하게 챔버를 보충하여, 프린트헤드의 노즐의 매우 신속한 발사가 이뤄지게 하는 것이 바람직하다. 챔버내로의 잉크 유동은 입구 채널을 통해 이뤄진다.
유체 분출 프린트헤드가 개시되며, 예시적인 실시예에 있어서 유체 분출 프린트헤드는 표면을 구비하는 기판과, 상기 표면상에 형성된 것으로 소그룹으로 배열된 종렬형 그룹의 방울 발생기로서, 상기 각 소그룹은 상기 표면상의 다른 소그룹으로부터 유체적으로 분리되는, 상기 종렬형 그룹의 방울 발생기를 포함한다. 또한, 프린트헤드는 동일한 소그룹내의 2개의 방울 발생기가 동시에 또는 바람직하게 연달아 작동되지 않도록 방울 발생기로 발사 펄스를 제공하는 프린트헤드 전자기기를 포함한다.
본 발명의 이들 및 다른 특징 및 이점은 첨부 도면에 도시된 바와 같이 예시적인 예에 대한 하기의 상세한 설명으로부터 보다 잘 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 프린트헤드 구조체를 내장할 수 있는 잉크젯 프린트 카트리지(10)중 하나의 형태의 사시도이다. 도 1의 프린트 카트리지(10)는 그 본체(12)내에 상당한 양의 잉크를 보유하는 형태이지만, 프린트헤드상에 장착되거나 프린트헤드에 연결된 외부 잉크 서플라이로부터 튜브를 거쳐서 잉크를 수납하는 형태의 다른 적당한 프린트 카트리지일 수도 있다.
잉크는 프린트헤드(14)에 공급된다. 프린트헤드(14)는 잉크를 잉크 분출 챔버내로 전달하며, 각 챔버는 잉크 분출 요소를 포함한다. 전기 신호가 접점(16)에 제공되어, 관련 노즐(18)을 통해 잉크 방울을 분출시키도록 잉크 분출 요소에 개별적으로 에너지를 가한다. 종래의 프린트 카트리지의 구조 및 작동은 매우 잘 공지되어 있다.
예시적인 적용에 있어서, 본 발명은 프린트 카트리지의 프린트헤드 부분, 또는 프린터에 영구적으로 설치되며 그에 따라 프린트헤드에 잉크를 공급하는 잉크 전달 시스템과 무관한 프린트헤드에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 프린트헤드가 내장되는 특정 프린터와 관계가 없다.
본 발명에 대한 예시적인 적용이 인쇄 시스템에 대해서 이뤄지고 있지만, 본 발명은 인쇄 시스템으로 제한되는 것이 아니며, 뿐만 아니라 비인쇄 시스템에 이용될 수 있으며, 약품의 방울을 분출시키기 위한 의료 분야와 같이 유체를 정밀하게 제어된 방울을 분출시키는데 이용되는 특정 분야에도 이용될 수 있다.
도 2는 도 1의 2-2 선을 따라 취한 도 1의 프린트헤드의 일부분의 단면도이다. 전형적으로, 프린트헤드는 300 또는 그 이상의 노즐과 같이 많은 노즐과, 이와 관련된 잉크 분출 챔버를 구비한다. 많은 프린트헤드는 단일 실리콘 웨이퍼상에 형성될 수 있으며, 다음에 종래의 기술을 이용하여 서로 분리된다.
도 2에서, 실리콘 기판(20)은 다양한 박막 층(22)상에 형성되며, 이러한 층을 이후에는 "멤브레인(membrane)"이라고 한다. 박막 층(22)은 레지스터(24)를 형성하기 위한 저항성 층을 포함한다. 다른 박막 층은, 기판(20)으로부터 전기적 절연을 제공하는 것, 히터 레지스터 요소로부터 기판(20)까지의 열적 전도 경로를 제공하는 것, 그리고 레지스터 요소에 전기 컨덕터를 제공하는 것과 같은 다양한 기능을 수행한다. 하나의 전기 컨덕터(25)는 레지스터(24)의 일 단부로 안내되는 것으로 도시되어 있다. 유사한 컨덕터는 레지스터(24)의 다른 단부로 안내된다. 실제 실시예에 있어서, 챔버내의 레지스터 및 컨덕터는 층을 중첩시킴으로써 차폐된다.
잉크 공급 구멍(26)은 박막 층(22)을 통해 완전히 형성된다.
오리피스 층(28)은 박막 층(22)의 표면상에 침착되고, 에칭되어 잉크 분출 챔버(30)를 형성하며, 레지스터(24)당 하나의 챔버를 형성한다. 노즐(34)은 마스크 및 종래의 사진석판기법을 이용하는 레이저 제거에 의해 형성될 수 있다.
실리콘 기판(20)은 에칭되어 잉크 공급 구멍(26)의 열의 길이부를 따라서 연장되는 트렌치(36)를 형성하여, 잉크 저장소로부터의 잉크(38)가 잉크 분출 챔버(30)에 잉크를 공급하기 위한 잉크 공급 구멍(26)에 들어갈 수 있게 한다.
하나의 예시적인 실시예에서, 각 프린트헤드는 길이가 대략 ½인치이며, 4개 오프셋 노즐 열을 포함하며, 각 노즐 열은 304개 노즐을 포함하여, 전체 프린트헤드당 1216개 노즐을 포함한다. 각 열내의 노즐은 600 dpi의 피치를 가지며, 열은 양 열을 이용하여 2400 dpi의 인쇄 해상도를 제공하도록 지그재그로 되어 있다. 따라서, 프린트헤드는 노즐 열의 방향을 따라 2400 인치 당 도트(dpi)의 단일 통과 해상도로 프린트할 수 있거나, 다중 통과로 보다 높은 해상도로 프린트할 수 있다. 또한, 보다 높은 해상도는 프린트헤드의 스캔 방향을 따라 프린트될 수 있다.
작동시에, 전기 신호가 잉크의 일부분을 기화시키는 히터 레지스터(24)에 제공되어 잉크 분출 챔버(30)내에 버블을 형성할 수 있다. 버블은 관련 노즐(34)을 통해 잉크 방울을 매체상으로 방출한다. 다음에, 잉크 분출 챔버는 모세관 작용에 의해 재충전된다.
도 3은 트렌치(36) 및 잉크 공급 구멍(26)을 도시하는 것으로 도 2의 프린트헤드의 하부측의 사시도이다. 도 3의 특정 실시예에 있어서, 단일 트렌치(36)는 잉크 공급 구멍(26)의 2개 열에 접근할 수 있게 한다.
일 실시예에 있어서, 각 잉크 공급 구멍(26)의 사이즈는 노즐(34)의 사이즈보다 작으며, 이에 의해 잉크내의 입자는 잉크 공급 구멍(26)에 의해 여과되어 노즐(34)을 막히게 하지 않는다. 잉크 공급 구멍(26)의 막힘은 챔버(30)의 보충 속도에 거의 영향을 미치지 않는데, 그 이유는 각 챔버(30)로 잉크를 공급하는 다중 잉크 공급 구멍(26)이 있기 때문이다. 일 실시예에 있어서, 잉크 분출 챔버(30)보다 많은 잉크 공급 구멍(26)이 있다.
도 4는 도 2의 4-4 선을 따라 취한 단면도이다. 도 4는 개별 박막 층을 도시하고 있다. 도 4의 특정 실시예에 있어서, 도시된 실리콘 기판(20)의 부분은 두께가 약 10 미크론이다.
두께가 1.2 미크론인 자계 산화 층(40)은 종래의 기법을 이용하여 실리콘 기 판(20)상에 형성된다. 다음에 두께가 0.5 미크론인 인규산염 유리(phosphosilicate glass : PSG) 층(42)이 산화 층(40)상에 도포된다.
붕소 PSG 또는 붕소 TEOS(BTEOS) 층이 층(42) 대신에 이용될 수 있지만, 층(42)의 에칭과 유사한 방법으로 에칭된다.
예를 들면 두께가 0.1 미크론인 탄탈 알루미늄의 저항성 층이 PSG 층(42)상에 형성된다. 또한, 다른 공지된 저항성 층이 이용될 수 있다. 에칭될 때 저항성 층은 레지스터(24)를 형성한다. PSG 및 산화 층(42, 40)은 레지스터(24)와 기판(20) 사이에 전기 절연을 제공하며, 기판(20)을 에칭할 때 에칭 정지부를 제공하며, 현수 부분(45)을 위한 기계적 지지부를 제공한다. 또한, PSG 및 산화 층은 에너지부여 신호를 레지스터(24)에 제공하는데 이용된 트랜지스터(도시하지 않음)의 폴리실리콘 게이트를 절연한다.
한 형태의 프린트헤드에 있어서, 배면측 마스크[트렌치(36)를 형성하기 위한 것임]를 잉크 공급 구멍(26)과 완벽하게 정렬하는 것은 곤란하다. 따라서, 제조 프로세스는 기판(20)이 잉크 공급 구멍(26)을 간섭할 위험성 보다는 다양한 현수 부분(45)을 제공하도록 설계된다.
전기 접속을 레지스터에 제공하기 위한 저항성 층을 피복하는 것으로 알루미늄 구리 합금과 같은 패턴형 금속 층은 도 4에는 도시되어 있지 않고 도 2에는 도시되어 있다. 트레이스는 AlCu 및 TaAl 내로 에칭되어 제 1 레지스터 치수(예를 들면, 폭)를 규정한다. 제 2 레지스터 치수(예를 들면, 길이)는 저항성 층이 2개 단부에서 AlCu 트레이스에 의해 접촉되게 하도록 AlCu 층을 에칭함으로써 규정된 다. 이러한 레지스터 및 전기 컨덕터의 형성 기술은 본 기술 분야에 잘 공지되어 있다.
두께가 0.5 미크론인 실리콘 질화물(Si3N4) 층(46)은 레지스터(24) 및 AlCu 금속 층상에 형성된다. 이러한 층은 절연 및 패시베이션을 제공한다. 질화물 층(46)이 침착되기 전에, PSG 층(42)은 어떠한 잉크와도 접촉되지 않도록, 에칭되어 잉크 공급 구멍(26)으로부터 뒤로 끌어당겨진다. 이것은 중요한데, 그 이유는 PSG 층(42)이 특정 잉크와, 트렌치(36)를 형성하는데 사용된 부식액에 취약하기 때문이다.
또한, 에칭에 이어서, 층을 잉크로부터 보호하기 위한 층이 프린트헤드내의 폴리실리콘 및 금속 층에 도포된다.
질화물 층(46)상에는 두께가 0.25 미크론인 실리콘 카바이드(SiC)의 층(48)이 형성되어, 추가적인 절연 및 패시베이션을 제공한다. 이제 질화물 층(46) 및 카바이드 층(48)은 잉크 및 부식액으로부터 PSG 층(42)을 보호한다. 질화물 및 카바이드 대신에 다른 절연성 층이 이용될 수 있다.
카바이드 층(48) 및 질화물 층(46)은 에칭되어, 차후에 형성된 접지 라인(도 4의 자계를 벗어남)에 접촉시키기 위해 AlCu 트레이스의 부분을 노출시킨다.
두께가 0.6 미크론인 탄탈(Ta)의 접착제 층(50)은 카바이드 층(48)의 상부에 형성된다. 또한, 탄탈은 레지스터 요소상에서 버블 공동화 배리어로서 기능한다. 이러한 층(50)은 질화물/카바이드 층내의 개구부를 통해서 AlCu 전도성 트레이스에 접촉한다.
금(도시하지 않음)은 탄탈 층(50)상에 침착되며, AlCu 트레이스중 특정 하나에 전기적으로 연결된 접지 라인을 형성하도록 에칭된다. 이러한 컨덕터는 통상적일 수 있다.
AlCu 및 금 컨덕터는 기판 표면상에 형성된 트랜지스터에 연결될 수 있다. 이러한 트랜지스터는 미국 특허 제 5,648,806 호에 개시되어 있다. 컨덕터는 기판(20)의 에지를 따라 전극에서 종지될 수 있다.
가요성 회로(도시되지 않음)는 기판(20)상의 전극에 접착된 컨덕터를 구비하며, 프린터에 전기 접속시키기 위해 접촉 패드(16)(도 1)에서 종지된다.
잉크 공급 구멍(26)은 박막 층을 통해서 예를 들면 플라즈마 에칭과 같은 에칭에 의해 형성된다. 일 실시예에 있어서, 단일 공급 구멍 마스크가 이용된다. 다른 실시예에 있어서, 다양한 박막 층이 형성될 때 몇몇 마스킹 및 에칭 단계가 이용된다.
본 발명은 잉크 공급 구멍이 박막 패터닝 프로세스에 의해 형성될 수 있어서 작고 매우 정밀하게 위치된 공급 구멍을 형성할 수 있는 능력을 제공하는 장점이 있다. 이것은 공급 구멍의 유압 직경 뿐만 아니라 공급 구멍으로부터 관련 레지스터까지의 거리를 정밀하게 조정하는데 있어서 중요하다. 반대로, 실리콘을 통해 에칭하여 잉크 공급 구멍을 형성하는 것은 정밀하지 않다.
다음에, 오리피스 층(28)은 침착 및 형성되고, 트렌치(36)의 에칭이 이어진다. 다른 실시예에 있어서, 트렌치 에칭은 오리피스 층 제조 전에 실행된다. 일 실시예에 있어서, 오리피스 층(28)은 미국 매사추세츠주 뉴톤에 소재하는 "Micro- Chem"에 의해 판매되는 SU8로 불리는 스펀-온 에폭시(spun-on epoxy)를 이용하여 제조될 수 있다. SU8 또는 다른 폴리머를 이용하여 배리어/오리피스 층(28)을 제조하는 예시적인 기술은 미국 특허 제 6,162,589 호에 개시되어 있다. 일 실시예에 있어서, 오리피스 층은 약 20 미크론이다. 다른 실시예에 있어서, 층(28)은 2개의 별개의 층, 즉 건식 필름 포토레지스트 배리어 층과 같은 배리어 층과, 배리어 층의 외부 표면상에 형성된 것으로 니켈/금 오리피스 플레이트와 같은 금속 오리피스 층으로 형성될 수 있다. 배리어/오리피스 층(28)의 다른 실시예가 또한 이용될 수 있다.
필요할 경우 기판(20)으로부터 잉크로 열을 보다 잘 전도하도록 배면측 금속이 침착될 수 있다.
예시적인 실시예에 대한 요소의 전형적인 치수는 다음과 같다. 즉, 잉크 공급 구멍(26)은 10 미크론 × 20 미크론이며; 잉크 분출 챔버(30)는 20 미크론 × 40 미크론이며; 노즐(34)은 직경이 16 미크론이며; 히터 레지스터(24)는 15 미크론 × 15 미크론이며, 매니폴드(32)는 폭이 약 20 미크론이다. 치수는 사용된 잉크, 작동 온도, 인쇄 속도, 소망하는 해상도 및 다른 인자에 따라 다양해질 수 있다.
도 1 내지 도 4의 프린트헤드는 예시적인 프린트헤드인 것으로 이해될 수 있지만, 본 발명은 다른 형태의 프린트헤드에 이용할 수 있거나, 도 1 내지 도 4와 관련하여 상술한 것과 상이한 매개변수 또는 재료를 이용할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예를 도시하는 것으로 프린트헤드의 일부분의 개략적인 평면도이다. 본 발명의 이러한 실시예에 따르면, 각각 노즐을 구비한 방울 발생기의 그룹(본 실시예에서 방울 발생기 및 노즐의 쌍)은 잉크 경로를 공유하지만, 배리어/오리피스 재료(28)를 이용하는 칼럼에서 방울 발생기의 나머지로부터 기판의 상부 표면을 유체적으로 분리시킨다. 따라서, 노즐(34A, 34B)은 잉크 공급 구멍(26A, 26B)을 공유하는 제 1 소그룹으로 그룹화된다. 유사하게, 노즐(34C, 34D)은 잉크 공급 구멍(26C, 26D)을 공유하는 제 2 소그룹으로 그룹화된다. 이러한 그룹화는 예시적인 실시예에 있어서 박막 층(22)에 인접한 배리어/오리피스 층(28)내에 기판 캐비티를 형성함으로써 성취되며, 이에 의해 캐비티를 규정하는 측벽은 그룹화된 노즐 및 공유된 잉크 공급 구멍을 포함한다. 따라서, 배리어 층(28)내에 형성된 측벽(28B)은 제 1 소그룹의 노즐 및 잉크 공급 구멍 둘레로 연장되는 주계(perimeter)를 구비하며, 배리어 층내에 형성된 측벽(28C)은 제 2 소그룹의 노즐 및 잉크 공급 구멍 둘레로 연장되는 주계를 구비한다.
도 6은 도 5의 6-6 선을 따라 취한 개략적인 단면도이며, 제 2 소그룹을 형성하는 소표면 캐비티(28C1)를 더 도시한 것이다. 각 소그룹의 노즐은 기판(20)의 상부상의 다른 소그룹의 노즐로부터 유체적으로 분리되지만, 기판의 바닥상의 공급 슬롯(36)에는 통상 연결된다.
도 7은 다른 실시예를 도시하는 단순화된 개략적인 다이아그램이다. 프린트헤드의 일부분의 개략적인 평면도인 도 7은 기판상에 형성된 종렬형 그룹의 방울 발생기를 도시한 것이며, 각 방울 발생기는 노즐 및 레지스터를 포함한다. 이러한 단순화된 다이아그램에는 3개의 방울 발생기(29A 내지 29C)가 제공되며, 각 방울 발생기는 노즐(24A) 및 레지스터(34A), 노즐(24B) 및 레지스터(34B), 및 노즐(24C) 및 레지스터(34C)를 포함하고 있다. 이러한 실시예에 있어서, 방울 발생기는 적용에 따라서 다른 소그룹으로부터의 유체 분리를 제공하기 위해서 도 5 및 도 6과 관련하여 상술한 바와 같이 소그룹으로 그룹화될 수 있거나, 적용에 따라서 소그룹으로 그룹화되지 않을 수 있다. 종렬형 그룹의 방울 발생기는 수직 축에 대해서 지그재그로 되어 있고, 기판에 형성된 잉크 공급 슬롯의 내측 에지(36A)로부터 다양한 거리로 이격되어 있다. 따라서, 이러한 예에 있어서, 방울 발생기(29A)는 내측 에지(36A)로부터 더 멀리 위치되어 있고, 방울 발생기(29C)는 내측 에지에 가장 근접하여 위치되어 있다. 이러한 다양한 거리는 대응하는 잉크 공급 개구부로부터 각 방울 발생기까지의 잉크 유동의 차이를 발생시킨다. 다양한 거리를 오프셋시키는데 도움을 주기 위해서, 각 잉크 발생기와 관련된 잉크 공급 구멍(26)은 다양한 개구부 기하학적 형태를 갖고 있다. 잉크 공급 슬롯의 내측 에지로부터 가장 먼 거리에 위치된 방울 발생기(29A)에 있어서, 잉크 공급 구멍은 어레이 축(31)으로부터 방울 발생기쪽으로 연장되는 방향에서 상대적으로 보다 긴 범위 또는 길이를 갖고 있다. 대응적으로, 방울 발생기(29C)에 대한 잉크 공급 구멍(26-3)은 상대적으로 가장 짧은 길이를 갖고 있다. 또한, 각 잉크 공급 구멍은 실질적으로 동일한 유압 직경을 갖고 있어서, 잉크 공급 슬롯과 잉크 공급 개구부 사이에 실질적으로 일정한 유체 압력을 유지한다. 개구부의 유압 직경은 개구부의 단면적 대 그 습윤 주계의 비율로서 규정된다.
도 8은 본 발명의 실시예를 이용하는 잉크젯 프린트헤드(14)의 구조의 전형적인 실시예의 개략도이다. 인치당 600 노즐(npi)의 피치를 가진 2개의 방울 발생기 또는 노즐 칼럼(60, 70)은 배리어 구조체(28)와 박막 층(22)의 멤브레인에 의해 기판상에 형성된다. 멤브레인은 중심축(98)을 가지며, 칼럼은 중심축의 대향 측면상에 배열된다. 프린트헤드(14)는 스캔축(Y)을 따라서 구동되는 스캐닝 프린트헤드 캐리지를 구비한 인쇄 시스템에서 이용될 수 있다. 칼럼(60, 70)은 노즐의 1200 npi 어레이를 형성하도록 중심축을 중심으로 서로에 대해서 오프셋되어 있다. 또한, 프린트헤드(14)는 예를 들면 기본적으로 일정한 페이지-폭 프린트헤드 구성과 같은 다른 인쇄 시스템에서 이용될 수 있으며, 여기에서 프린트 매체는 프린트헤드와 프린트 매체 사이에 상대적인 운동을 부여하도록 프린트헤드에 대해서 이동된다.
혼선은 인접한 노즐 사이의 바람직하지 못한 유체 상호작용을 가리킨다. 도 8에 도시된 구조의 특정 실시예는 혼선 가능성을 회피시킨다. 우선, 노즐 칼럼내의 노즐이 600 npi 피치와 같은 고밀도 피치로 위치된다는 사실은 많은 이전 구조에서보다 보다 밀접한 근접 상태로 노즐을 위치시킨다는 것이다. 이와 관련하여, 발사 주파수 목표의 감소없이 보다 높은 노즐 밀도는 높은 잉크 유동 속도와 그에 따른 보충 속도의 필요성을 야기시키는 것이다. 종래에, 혼선 지점이 고려된 단지 이웃 노즐은 노즐 칼럼내의 인접 위치에 위치된 노즐인데, 그 이유는 노즐 칼럼이 유체적으로 상호 작용하지 않는 충분한 거리로 분리되어 있는 것이 일반적이기 때문이다. 도시된 구조체 있어서, 인접하는 노즐은 노즐 칼럼 뿐만 아니라 공급 슬롯 또는 트렌치(36)의 대향 측면상에 위치된 칼럼 모두에서 발견된다. 따라서, 혼선 감소는 단지 1차원이 아니라 2차원으로 고려될 수 있다.
"칼럼 내"의 근접성을 해소하기 위해서, 통상 스킵 패턴이 발사 순서로 형성되어, 인접 노즐은 연속적으로 발사되지 않으며, 그에 따라 발사의 일시적인 분리를 최대화한다. 이러한 일시적인 개선에 추가하여, 통상적으로 인접한 노즐 사이로 연장되는 반도 형태의 유체 분리가 사용되어 혼선을 더 감소시킬 수 있다. 이러한 혼선 감소는 보충의 문제를 야기하며, 이는 다이의 길이부를 따라서 실질적인 잉크 유동이 존재하는 것으로 나타났다. 이와 같이, 혼선 감소 특징부는 예를 들면 600 npi 또는 그 이상과 같은 높은 노즐 밀도 설계에 있어서 특히 문제가 될 수 있는 보충 속도를 잠재적으로 느리게 할 수 있다.
박막 멤브레인은 매우 얇기(1 내지 2㎛ 정도) 때문에 크랙이 나타나는 것으로 증명되었다. 박막내의 고유 응력, 제조 응력 또는 프린트헤드의 낙하는 크랙을 개시시킬 수 있다. 일단 발생된 크랙은 다이의 전기적 기능 영역으로 퍼져나가기 때문에, 이 크랙은 형성 자체에서 유지하는 것이 바람직하다.
또한, 프린트헤드 구조는 입자에 내성이 있다. 입자 내성 구조(particle tolerant architectures : PTA)는 오염물질을 포획할 신뢰성을 제공하는 동시에 발사 챔버내로의 잉크 유동을 더 허용한다.
도 8의 구조는 많은 이점을 갖고 있다. 종래의 하나의 변형예에서, 도 5 및 도 6에 대해서 일반적으로 상술한 바와 같이, 방울 발생기 노즐의 소그룹은 잉크 경로를 공유하지만, 배리어/오리피스 재료(28)내에 형성된 캐비티를 이용하는 칼럼에서 노즐의 나머지로부터 분리된다. 따라서, 도 8에 도시된 바와 같이, 칼럼(60)은 종렬형 어레이의 방울 발생기(63A, 63B, 63C, ... 63N)를 포함하며, 칼럼(70)은 종렬형 어레이의 방울 발생기(73A, 73B, 73C, ... 73N)를 포함한다. 각 방울 발생기는 노즐, 발사 챔버 및 히터 레지스터를 포함한다. 방울 발생기(63A, 63B)는 각기 노즐(62A, 62B) 및 발사 챔버(64A, 64B)를 포함하며, 본 발명의 실시예에 따르면 본 실시예의 경우 방울 발생기 또는 노즐 소그룹의 소그룹을 형성하도록 쌍으로 배열된다. 이해할 수 있는 바와 같이 다른 실시예에 있어서 방울 발생기는 3개, 4개 또는 심지어 보다 많은 소그룹으로 그룹화될 수 있다. 또한, 모든 소그룹이 노즐의 개수와 동일하게 그룹화될 필요는 없다.
예시적인 방울 발생기(63A, 63B)의 소그룹은 발사 챔버(64A)에 공급하는 경로 분기부(65A)와, 발사 챔버(64B)에 공급하는 경로 분기부(65B)를 구비하는 분리된 잉크 유동 경로(65)에 의해 공급된다. 칼럼내의 각 소그룹에 대한 공급 경로는 칼럼에서 다른 방울 발생기에 대한 공급 경로로부터 유체적으로 분리된다. 한 쌍의 잉크 공급 구멍(66A)은 제 1 경로 분기부(65A)를 공급하며, 한 쌍의 잉크 공급 구멍(66B)은 제 2 경로 분기부(65B)를 공급한다. 잉크 공급 경로는 측벽 주계(68)를 구비하는 배리어 구조체(28)내에 형성된 캐비티 또는 개구부와, 박막 층(22)에 형성된 잉크 공급 구멍에 의해 규정된다. 배리어 개구부는 잉크 공급 구멍(66A, 66B)의 "공유(sharing)"를 허용하는 동시에 칼럼(60)내의 다른 노즐의 잉크 공급 경로부터 노즐 소그룹(62A, 62B)을 분리시킨다.
그룹화 및 잉크 경로 구성은 이러한 예시적인 실시예에 있어서 칼럼(60)내의 다른 방울 발생기 노즐과, 제 2 칼럼(70)내의 노즐 쌍으로 대체된다. 따라서, 칼럼(70)의 방울 발생기(73A, 73B)는 각기 노즐(72A, 72B) 및 발사 챔버(74A, 74B)를 포함하여 방울 발생기 또는 노즐 소그룹을 형성한다. 소그룹은 발사 챔버(74A)를 공급하는 경로 분기부(75A)와, 발사 챔버(74B)를 공급하는 경로 분기부(75B)를 구비하는 잉크 공급 경로(75)에 의해 공급된다. 한 쌍의 잉크 공급 구멍(76A)은 제 1 경로 분기부(75A)를 공급하며, 한 쌍의 잉크 공급 구멍(76B)은 제 2 경로 분기부(75B)를 공급한다. 잉크 공급 경로는 배리어 구조체(28)에 형성된 측벽 주계(78)를 구비하는 캐비티와, 박막 층(22)에 형성된 잉크 공급 구멍에 의해 규정된다. 배리어 개구부는 잉크 공급 구멍(76A, 76B)의 "공유"를 허용하는 동시에 칼럼(70)내의 다른 노즐의 잉크 공급 경로부터 노즐 쌍(72A, 72B)을 분리시킨다.
또한, 배리어 구조체(28)는 유체 칼럼 분리 및 박막 멤브레인 지지체를 제공하는 노즐(60, 70)의 2개 칼럼을 분할하는 중앙 리브 부분(28A)을 규정한다. 도 9는 배리어 구조체(28)의 중앙 리브 부분(28A)과, 잉크 공급 슬롯 또는 트렌치(36)와 유체 연통을 제공하도록 박막 구조체(22)를 통해 형성된 예시적인 잉크 공급 구멍(66B, 76B)을 단순화된 개략적인 단면도로 도시한 것이다. 예시적인 노즐(62A, 72A)은 각기 발사 챔버(64B, 74B)상에서 중앙 리브 부분의 대향 측면상에 도시되어 있다.
노즐 잉크 공급 경로의 연결은 보충 및 입자 내성 이점을 제공하는데, 이러한 이점은 단수 노즐이 사용된다면 궁극적인 혼선 감소가 실현되지 않는다. 이러한 예시적인 실시예에 있어서, 프린트헤드 전기 레이아웃은 프린트헤드가 인접한 노즐을 동시에 발사시키는 것을 허용하지 않도록 구성된다. 전형적으로, 노즐 발사 순서는 다이상(on-die)의 구동 회로에 의해 결정된다. 몇몇 열 잉크젯 적용에 있어서, 다이 회로는 발사 순서가 프로그램화 가능하도록 구성된다. 다른 적용에 있어서, 발사 순서는 다이상의 회로의 설계에서 "배선화"되어 있다. 양자의 경우에, 히터 레지스터의 물리적 레이아웃은 스캔축에서 지그재그로 되어 있어서 인쇄 동안에 수직방향 라인 직진이 가능하게 한다. 선택적으로, 프린터 드라이버 또는 제어기는 인접한 노즐이 동시에 발사되는 것을 허용하지 않도록 구성될 수 있다. 모든 노즐이 짧은 시간동안만 충전되기 때문에, 분리된 발사 챔버와 관련된 잉크 충전 구멍은 짧은 시간동안만 잉크 유동을 제공하게 되며, 이로써 최대 효율로 작동되지 않게 된다
노즐 잉크 공급 경로가 유체적으로 연결되는 경우에, 노즐은 연결된 노즐과 관련된 잉크 공급 구멍을 통해 흡인된 사용 잉크를 보충하여, 잉크 공급 구멍이 보다 효율적으로 이용될 수 있게 하고 보충 속도를 증가시킨다. 이러한 특징부는 연결된 잉크 공급 경로(75A, 75B)를 구비한 노즐 쌍(72A, 72B)을 개략적으로 도시하는 도 10에 도시되어 있다. 노즐(72A)이 발사되는 경우에, 잉크는 화살표(77A)로 도시된 바와 같이 잉크 충전 구멍(76A)으로부터 그리고 또한 화살표(77B)로 도시된 바와 같이 제 2 잉크 충전 구멍(76B)으로부터 발사 챔버(74A)까지 유동한다. 노즐(72B)이 발사되는 경우에, 잉크는 화살표(79A)로 도시된 바와 같이 잉크 충전 구멍(76B)으로부터 그리고 또한 화살표(79B)로 도시된 바와 같이 제 1 잉크 충전 구멍(76A)으로부터 발사 챔버(74B)까지 유동한다.
추가적인 이점은 연결된 노즐을 이용하여 어느 정도의 입자 내성을 제공하는 사실로부터 유추되며; 특정 노즐과 관련된 잉크 공급 구멍이 막힌 경우에, 보충은 인접하는 잉크 공급 구멍으로부터 잉크를 뽑아냄으로써 유지 또는 추가될 수 있어서, 노즐이 연속적으로 작동되게 한다.
다른 특징부는 본 실시예에 있어서 리브(28A)에 의해 제공되는 것으로 멤브레인의 중심축(98)의 하방의 연속적인 배리어/오리피스 재료 특징부를 사용하는 것이며, 이것은 축의 대향 측면상에 유체적으로 분리되는 노즐의 효과를 갖고 있다. 유체 분리를 지나서, 이러한 중앙 리브 특징부는, 배리어/오리피스 재료의 연속적인 전장(span)은 박막 구조체(22) 및 배리어/오리피스 층(28)을 포함하는 멤브레인에 강도 및 강성을 부여함으로써 크랙에 대한 저항성을 증가시키는 이점을 갖고 있다.
도 8의 구조는 제조 관점에서 몇몇 이점을 제공할 수 있다. SU8과 같은 폴리머 재료를 이용하여 제조된 배리어/오리피스 구조체(28)를 위한 예시적인 배리어/오리피스 재료 현상(develop) 프로세스 동안에, 가교결합되지 않은 배리어/오리피스 재료는 현상액 유체에 의해 제거되며, 모든 유동체는 노즐 보어를 통해 통과된다. 이와 같이, 가교결합되지 않은 배리어/오리피스 재료의 용적을 감소시킴으로써 프로세스가 단순화된다. 감소된 용적을 통해 실현되는 이점 이상으로 구성 이점을 또한 제공한다. SU8 재료의 예에 대한 현상 유체는 회전되기 때문에, 모든 노즐이 유체적으로 연결된 설계는 현상액 유체가 다이의 길이부를 따라 유동하게 한다. 이것은 유체가 개별 다이의 에지 뿐만 아니라 웨이퍼의 에지로 용이하게 유동되게 하는 효과를 갖고 있다. 이것은 다이내에서 그리고 웨이퍼를 가로질러 배리어/오리피스 재료 특징부의 변화성을 증가시키는 결과를 갖고 있다. 다이의 길이부를 따라 노즐 결합부의 연속성을 차단함으로써, 이러한 변화성 공급원이 감소된다. 배리어/오리피스 구조체(28)를 형성하기 위한 이러한 예시적인 프로세스 동안에 제조 양품률(manufacturing yield)이 단일화된 적은 세트의 노즐을 형성함으로써 개선될 수 있다. 발사 챔버가 모두 연결된 경우에, 다이의 단부에 있는 노즐로부터 층(28)을 형성하는 재료의 잔류물을 효율적으로 세정하기는 보다 곤란하다.
칼럼의 노즐을 소그룹으로 구성하는 다른 이점은 혼선을 감소시키는 것이다. 특정 그룹화를 벗어나는 비그룹화 노즐 사이의 단지 결합이 잉크 저장소를 통해 이뤄지기 때문에, 특정 그룹화를 벗어나는 노즐과 상호작용의 가능성이 최소화된다. 모든 특정 그룹화의 노즐 사이의 혼선은, 사용된 스킵 발사 패턴이 그에 따라 소그룹내의 노즐이 전혀 발사되지 않는 상황을 발생하는 사실에 의해 최소화된다. 스킵 발사 패턴은 도 11의 개략적인 프린트헤드 다이아그램에 대해서 설명한 것이다.
전형적으로 스킵 패턴은, 프리미티브(primitive; 방울 발생기의 그룹으로서, 상기 그룹 내의 방울 발생기는 한 번에 하나의 방울 발생기만이 작동되는 방울 발생기의 그룹)내의 노즐이 연속적으로 발사되지 않도록, 즉 프리미티브내의 발사가 순간적으로 분포되도록 발사 순서로 형성된다. 이러한 실시예에 있어서, 노즐 쌍은 도 8에 도시된 바와 같이 배리어/오리피스 재료를 이용하여 분리된다. 스킵 패턴이 우선적으로 결정되기 때문에, 레지스터를 쌍으로 하는 것은, 발사 챔버를 연속적으로 분리하는 배리어 구조체가 되게 하는 것을 보장하는 방법으로 실행된다.
프리미티브는 소정의 칼럼내의 방울 발생기의 그룹이다. 도 11은 대응하는 발사 순서(6, 3, 8, 5, 2, 7, 4, 1)를 가진 8개의 노즐(62A 내지 62H)을 포함하는 프리미티브(100)를 도시한 것이다. 잉크 공급 경로의 연결은 지그재그형 패턴의 함수로서 연결된 챔버의 개수를 선택함으로써 도시된 실시예 이상으로 최적화될 수 있다. "스킵 없는(no skip)" 구성, 즉 프리미티브내의 발사 순서가 연속적(1, 2, 3, 4, ...)이며 그리고 인접한 노즐이 연속적으로 발사하는 구성에 있어서, 중간 이웃 노즐이 연속적으로 발사하고 유체 분리가 필요하기 때문에 분리된 챔버가 바람직하다. "스킵 1" 패턴, 예를 들면 1, 3, 5, 7, 2, 4, 6, 8의 프리미티브내의 발사 순서에 있어서, 중간 이웃 노즐은 전혀 순차적으로 발사하지 않는다. 따라서, 노즐의 순간적인 분리가 노즐 잉크 공급 경로의 결합이 쌍으로 이뤄지게 하며; 연결된 노즐의 발사가 시간에 맞춰 분리되기 때문에, 문제를 야기시키는 혼선의 가능성이 감소되며, 보충과, 연결된 잉크 공급 경로의 입자 내성 이점이 이뤄질 수 있다. 동일한 원리의 확장으로서, 보충 성능 및 입자 내성은 순차적으로 발사되는 노즐을 연결시키지 않고 가능한한 많은 노즐의 잉크 공급 경로를 연결하는 설계로 최대화될 수 있다. 통상적으로 균일한 스킵 패턴이 이용된다.
순차 발사(+1) 사이에서 스킵된 노즐의 연결된 노즐(= #)의 Max #.
스킵된 노즐의 # 연결된 잉크 공급 경로의 Max #
0 (순차 발사) 1 (단일화 노즐)
1 2
2 3
N n+

도 11에는 프리미티브(100)내의 노즐의 발사 순서가 도시되어 있다. 이러한 설계는 스킵 2 발사 패턴을 이용한다. 스킵 패턴은 본 실시예에 있어서 프린트헤드의 전기적 레이아웃에 의해 결정되며, 배리어/오리피스 구조체의 검사에 의해 단독으로 결정되지 않을 수 있다. 쌍으로된 노즐은 그 노즐 쌍과 순차적으로 전혀 발사하지 않는다. 또한, 도 11은 일시적 분리의 상실없이 3개의 그룹으로 기판상의 연결 노즐의 가능성을 나타내고 있으며, 그룹(110A)은 노즐(62A, 62B, 62C)을 포함하며, 그룹(110B)은 노즐(62D, 62E, 62F)을 포함하며, 그룹(110C)은 노즐(62G, 62H, 62I)을 포함한다. 균일하지 않은 스킵 패턴을 가진 구성에 있어서, 잉크 공급 경로의 공유화를 최대화하면서 순차적 발사 노즐을 유체적으로 분리하는 동일한 원리는 유지되지만, 몇몇 상황에 있어서 잉크 공급 경로를 공유하는 노즐의 개수를 감소시킬 필요가 있는 사실에 의해 복잡해질 것이다.
도 12는 본 발명의 실시예를 이용하는 하나 이상의 프린트헤드(10)를 이용할 수 있는 인쇄 시스템(300)을 도시하는 매우 단순화된 개략적인 다이아그램이다. 시스템은 캐리지 스캔축을 따라서 캐리지를 구동시키기 위한 캐리지 드라이브(302)를 포함한다. 캐리지는 프린트헤드(10)의 내부에 장착된다. 매체 구동 시스템(304)은 인쇄 구역에 대해서 인쇄 매체를 위치시키고, 입력 매체 공급원으로부터 매체 출력 위치 또는 트레이까지 프린트 매체를 구동시킬 수 있다. 전형적으로 인쇄 시스템의 외부에 있는 인쇄 작업 공급원(306)은 인쇄 작업을 위한 작업 데이터를 제공한다. 제어기(308)는 프린트 작업 공급원에 반응하며, 프린트 작업을 프린트하기 위해서 캐리지 드라이브 및 매체 구동 시스템을 제어한다. 또한, 제어기는 프린트헤드의 작동을 제어하기 위해서 프린트헤드(10)로 발사 신호를 제공한다. 일반적으로, 프린트헤드(10)는 제어기로부터의 발사 신호에 응답하여 방울 발생기(10B)를 포함하는 방울 발생기 레지스터에 에너지를 부여하는 프린트헤드 전자기기(10A)를 포함한다. 유체 공급원(10C)은 유체, 예를 들면 액체 잉크를 방울 발생기에 제공한다. 유체 공급원은 프린트헤드(10)의 하우징내에 수용된 유체 저장소일 수 있다. 외부 유체 공급원(10D)은 유체 경로(312)를 통해서 유체 공급원(10C)을 보충하기 위해 선택적으로 제공될 수 있으며, 상기 유체 경로(312)는 인쇄 작업 동안에 프린트헤드에 연결된 유체 도관 또는 보충 작업 동안에만 사용되는 간헐적인 연결부일 수 있다.
몇몇 실시예에 있어서, 프린트헤드 전자기기(10A) 및 제어기(308)는 함께 스킵 발사 패턴을 제공하며, 보다 전형적인 실시예에 있어서 내장형 프린트헤드 전자기기는 스킵 발사 패턴을 제공하도록 구성된다. 발사 펄스가 방울 발생기에 제공되어 종렬형 그룹(즉, 프리미티브)의 방울 발생기가 한번에 하나씩 작동되게 그리고 동일한 소그룹, 예를 들면 쌍의 2개 방울 발생기가 연달아 작동되지 않게 보장하는 방식으로, 본 예시적인 실시예에 있어서 프린트헤드 전자기기(10A)는 스킵 발사 패턴을 실행하기에 적합하다. 이러한 목적에 적절하거나 쉽게 적용가능한 프린트헤드 전자기기는 예를 들면 2001년 3월 2일자로 쉴러맨 등이 출원한 것으로 명칭이 "잉크젯 프린트헤드 조립체를 위한 프로그램화가능한 노즐 발사 순서"인 미국 특허 출원 제 09/798,330 호와, 1999년 2월 19일자로 출원된 것으로 명칭이 "잉크젯 프린트헤드의 발사 작업을 제어하는 시스템 및 방법"인 미국 특허 출원 제 09/253,377 호와, 미국 특허 제 5,648,806 호 및 미국 특허 제 5,648,805 호에 개시되어 있다.
도 8의 구조는 배리어/오리피스 층 구조체의 구성을 가진 스킵 패턴을 조합함으로써 "활발한(smart)" 노즐 혼선 제거가 가능하다. 이 구조는 공유 사용을 가능하게 함으로써 잉크 공급 구멍의 막힘에 대한 증가된 내성을 제공한다. 또한, 이러한 구조는 배리어/오리피스 구조체의 구성에 의해 제공되는 멤브레인 강성으로 인해서 제조 양품률이 개선되게 한다. 더욱이, 이러한 구조는 다이내의 그리고 웨이퍼를 가로지는 배리어/오리피스 구조체의 특징부가 보다 일관성이 있게 한다.
프리미티브내의 노즐은 도 8에 도시된 바와 같이 개선된 수직방향 라인 직진으로 스캔축(Y)에서 지그재그로 되어 있다. 지그재그형 설계에서 모든 챔버에 대한 균일한 보충 속도를 증진시키기 위해서, 잉크 공급 구멍의 전연으로부터 히터 레지스터의 중심부까지의 거리, 잉크 공급 구멍의 단면적 및 잉크 공급 구멍의 습윤 주계는 프린트헤드상의 모든 발사 챔버에 대해서 상수로서 유지되어야 한다. 거리(D1)(도 10)는 잉크 공급 구멍(76A)의 전연으로부터 노즐(72A)을 위한 발사 챔버의 중심부까지의 거리를 도시한 것이다.
또한, 개선된 제조성 및 양품률을 위해서, 멤브레인의 중앙 라인(98)쪽으로 잉크 공급 구멍의 배면 에지를 연장시키는 것이 바람직하다. 또한, 레지스터 박막이 트렌치의 에칭 동안에 "언더컷(undercut)"되지 않는 것을 보장하기 위해서, 본 예시적인 실시예에 있어서 최내측 레지스터의 에지와 최외측 잉크 공급 구멍 사이에서 간격(D2)(도 8), 즉 20㎛가 유지된다. 박막(22)이 언더컷된다면, 레지스터 아래에 실리콘이 없게 되며, 레지스터가 과열되는 것으로 증명되었다. 또한, 제조성을 개선하기 위해서, 최외측 잉크 공급 구멍의 전연으로부터 멤브레인(즉, 멤브 레인 폭)의 대향 측면상에서 최외측 잉크 공급 구멍의 전연까지 대략 80㎛ 또는 그 이상의 거리(D3)(도 8)를 유지하는 것이 바람직하다. 이러한 설계 목적은 76.1㎛의 거리(D3)로 실행되는 도 8에 도시된 예시적인 실시예에서 모두 성취될 수 있다. 80㎛의 최소 거리(D3)는 예시적인 실시예에 있어서 제조성 및 양품률을 고려하여 선택된다. 잉크 공급 슬롯을 형성하기 위한 전형적인 트렌치 에칭 프로세스는 본래 매우 정밀하게 제어하기가 곤란하다. 예를 들면 80㎛인 보다 큰 최소 거리(D3)는 보다 많은 여유를 제공한다. 공칭 최소 거리를 보다 작게 하면 개구부를 통한 타겟 트렌치 홈을 성취하기가 보다 어려우며, 트렌치가 상당히 과도하게 에칭된다면 박막 층 아래에 어떠한 실리콘도 잔류되지 않을 것이다.
박막 멤브레인이 크랙형성되는 것으로 증명된 반면에, 좁은 멤브레인은 크랙형성에 대해서 여유를 제공한다. 시험은 ~100㎛ 이하의 폭의 멤브레인이 ~400㎛의 폭의 멤브레인보다 신뢰성이 있다는 것을 보였다. 도 8에 도시된 멤브레인의 예시적인 폭은 대략 76㎛이다. 또한, 멤브레인의 중심부 아래로 작동되는 배리어 리브(28A)는 무른 멤브레인에 강도를 부여하며, 이에 의해 크랙형성에 대한 저항성을 증가시킨다.
배리어/오리피스 구조체(28) 및 박막 층(22)은, 다중 잉크 경로가 각 방울 발생기에 대해서 박막(22) 및 배리어/오리피스 층(28)을 통해 형성될 수 있도록 구성된다. 도 8의 예시적인 실시예에 있어서 발사 챔버당 2개의 잉크 공급 구멍이 형성된다. 또한, 이들 양 구멍이 오염물질로 막힌다면, 잉크는 인접하는 잉크 공급 구멍을 통해 발사 챔버내로 공급된다.
도 8의 프린트헤드는 지그재그형의 높은 노즐 실장 밀도 설계로서 균일한 보충 속도가 이뤄지도록 설계될 수 있다. 이것은 공급 구멍 단면적과, 잉크 공급 구멍 습윤 주계와, 모든 발사 챔버에 대해서 상수로서 통상 유지되는 잉크 경로 길이 매개변수에 의해 성취될 수 있다. 이들 매개변수는 도 10에 모두 도시되어 있다. 예를 들면, 공급 구멍(76A)의 단면적은 공급 구멍의 벽에 의해 규정된 습윤 주계(76A1)내의 면적(A)이다. 공급 구멍(76B)의 단면적은 공급 구멍의 벽에 의해 규정된 습윤 주계(76B1)내의 면적(B)이다. 면적(A)은 면적(B)과 동일하며, 전체 습윤 주계(76A1)의 길이는 전체 습윤 주계(76B1)의 길이와 동일하다. 또한, 양 공급 구멍의 내연으로부터 각 발사 챔버의 중심부까지의 거리는 예를 들면 D1로서 동일하다.
이러한 프린트헤드 구조는 보다 낮은 비용/노즐로 전이되는 높은 노즐 실장 밀도 프린트헤드가 되게 할 수 있다. 더욱이, 프린트헤드 구조는 발사 챔버당 다중 잉크 공급 구멍의 사용과, 방울 발생기의 단일화 그룹화로부터 2개 단계의 입자 내성이 이뤄지게 할 수 있다.
다수의 박막 멤브레인은 단일 다이상에 형성될 수 있으며, 각 멤브레인상의 노즐 칼럼은 매우 높은 노즐 밀도를 형성하도록 오프셋되어 있다. 도 13은 노즐의 2400 npi 어레이가 가능하도록 2개의 멤브레인(210, 220) 및 4개의 노즐 칼럼(230, 232, 234, 236)을 구비하는 프린트헤드(200)의 다른 프린트헤드 구조의 개략도이다. 따라서, 노즐 칼럼(230, 232)은 멤브레인(210)상에 형성되며, 노즐 칼럼(234, 236)은 멤브레인(220)상에 형성된다. 도 13은 각 칼럼에 대해서 단지 하나의 노즐 프리미티브를 도시하고 있으며, 각 칼럼이 추가의 노즐 프리미티브를 포함할 수 있다는 것은 이해할 수 있다. 도 13은 4개의 칼럼이 어떻게 서로에 대해서 지그재그로 형성되어 있는가 그리고 스킵 패턴이 어떻게 작동하는가를 설명하는 것으로 축척으로 도시한 것은 아니다. 각 칼럼은 본 실시예에 있어서 1/1200 인치의 폭 치수(Y 축을 따라서)를 가지며, 각 프리미티브는 8개의 지그재그형 노즐을 구비한다. 예를 들면 프리미티브 2[칼럼(230)]는 도시된 바와 같이 지그재그로 놓여 있는 칼럼내의 노즐의 Y 축 위치에서 짝수 노즐(2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16)을 구비한다.
2개의 멤브레인(210, 220)은 프린트헤드용 기판의 중심축(202)을 중심으로 위치되며, 각 멤브레인은 기판내에 형성된 트렌치를 통해 잉크가 공급된다. 멤브레인(210)은 라인(204)을 따라서 중심부를 가진 트렌치에 의해 공급되며, 멤브레인(220)은 라인(206)을 따라 중심부를 가진 트렌치에 의해 공급된다. 이러한 실시예에 있어서, 다이(202)의 중심부로부터 각 트렌치(204, 206)의 중심부까지의 거리(D4)는 950㎛이다. 더욱이, 각 멤브레인상의 칼럼 간격은 169.3㎛이다. 물론, 이들 치수는 특정 실시에 대한 것이며, 적용 사양 매개변수 및 설계 선택에 따라서 다양해질 것이다.
각 셀은 1/2400 인치의 수직방향 축(X)에서의 치수를 가지며, 수평방향 축(Y)에서의 셀은 축척으로 도시되지 않았다. 또한, 칼럼(230)의 노즐은 멤브레인(210)상의 칼럼(232)의 노즐에 대해서 1/1200 인치까지 X 축에서 오프셋되어 있다. 유사하게, 칼럼(234)의 노즐은 멤브레인(220)상의 칼럼(236)의 노즐에 대해서 X 축에서 1/1200 인치까지 오프셋되어 있다. 더욱이, 칼럼(234)의 노즐은 칼럼(230, 232)의 노즐로부터 1/2400 인치까지 X 방향으로 오프셋되어 있다. 따라서, X 방향에서의 프리미티브 지그재그 패턴은 1/2400 npi 의 4개 칼럼에서 모든 노즐의 노즐 간격을 형성한다.
전형적인 적용에 있어서, 프린트헤드는 스캔축(Y)을 따라 구동되는 캐리지상에 장착될 수 있다. 각 프리미티브의 노즐은 Y 축을 따라 지그재그로 되어 있다. 각 프리미티브의 노즐은 상술한 바와 같이 스킵 패턴으로 발사된다. 예를 들면, 스킵 2 패턴이 이용될 수 있다. 스킵 2 패턴에 있어서, 노즐(2)이 발사되며, 노즐(4, 6)은 스킵되며, 노즐(8)은 발사되며, 노즐(10, 12)은 스킵되며, 노즐(14)은 발사되며, 노즐(16, 2)은 스킵되며, 노즐(4)은 발사되며, 노즐(6, 8)은 스킵되며, 노즐(10)은 발사되며, 노즐(12, 14)은 스킵되며, 노즐(16)은 발사되며, 노즐(2, 4)은 스킵되며, 노즐(6)은 발사되며, 노즐(8, 10)은 스킵되며, 노즐(12)은 발사된다. 프리미티브 2에 대한 스킵 2 발사 순서는 2, 8, 14, 4, 10, 16, 6, 12 이다.
도 5 및 도 6에 대해서 상술한 바와 같이 칼럼내의 노즐의 소그룹화와, 도 7에 대해서 상술한 바와 같이 공급 구멍으로부터 레지스터의 중심부까지의 거리 및 공급 구멍의 유효 유압 직경의 고려사항은 도 13의 구조에 적용되어 매우 높은 노즐 실장 밀도를 가진 프린트헤드를 구성하게 할 수 있다.
도 8 및 도 13의 실시예는 프린트헤드 전자기기가 한번에 각 그룹내의 하나의 노즐만을 발사하는 종렬형 그룹(프리미티브)을 이용하고 있지만, 또 본 발명의 실시예는 주어진 프리미티브내의 노즐중 일부 또는 모두가 동시에 발사되는 적용에 이용될 수 있다.
상술한 실시예는 본 발명의 원리를 나타낼 수 있는 가능한 특정 실시예만을 설명한 것으로 이해될 것이다. 본 발명의 영역 및 정신을 벗어남이 없이 본 기술 분야에 숙련된 자들에 의해 이러한 원리에 따라서 다른 구성이 쉽게 이뤄질 수 있다.
본 발명의 프린트헤드 구조는 보다 낮은 비용/노즐로 전이되는 높은 노즐 실장 밀도 프린트헤드가 되게 하며, 발사 챔버당 다중 잉크 공급 구멍의 사용과, 방울 발생기의 단일화 그룹화로부터 2개 단계의 입자 내성이 이뤄지게 하는 효과가 있다. 또한, 칼럼내의 노즐의 소그룹화와, 공급 구멍으로부터 레지스터의 중심부까지의 거리 및 공급 구멍의 유효 유압 직경으로 인해 매우 높은 노즐 실장 밀도를 가진 프린트헤드를 구성하게 할 수 있는 효과가 있다.

Claims (29)

  1. 유체 분출 프린트헤드에 있어서,
    표면을 갖는 기판으로서, 상기 기판을 관통하여 상기 표면까지 형성되는 유체 공급 슬롯을 구비하는, 상기 기판;
    각각 적어도 2개의 방울 발생기를 포함하는 소그룹으로 배열되어 상기 표면상에 형성된 종렬형 그룹의 방울 발생기로서, 각각의 상기 소그룹은 상기 유체 공급 슬롯에 연결되는 복수의 유체 공급 구멍을 통해 유체가 공급되어, 상기 발울 발생기의 소그룹 각각에 유체를 제공하며, 상기 각 소그룹은 상기 표면 상의 다른 소그룹으로부터 유체적으로 분리되고, 상기 종렬형 그룹의 방울 발생기는 상기 프린트헤드와 프린트 매체 사이의 상대적 이동 방향에 대해 횡방향의 컬럼 내에 배열되는, 상기 종렬형 그룹의 방울 발생기; 및
    동일한 소그룹 내의 어떠한 2개의 방울 발생기도 연달아 작동되지 않도록 상기 방울 발생기에 발사 펄스를 제공하는 프린트헤드 전자기기를 포함하며,
    상기 기판은 상기 유체 공급 슬롯에 적층되는 박막 층을 포함하고, 상기 박막 층은 상기 소그룹 각각을 상기 유체 공급 슬롯에 결합시키는 유체 공급 구멍을 형성하며,
    상기 박막 층은 복수의 박막을 포함하고, 또한 상기 박막 층은 상기 방울 발생기 각각에 히터 레지스터를 형성하는
    유체 분출 프린트헤드.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 프린트헤드 전자기기는 상기 종렬형 그룹의 방울 발생기 내의 방울 발생기를 한번에 하나씩 활성화시키는
    유체 분출 프린트헤드.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 종렬형 그룹의 방울 발생기가 프리미티브(primitive)이며, 상기 기판이 칼럼에 배열된 복수의 프리미티브를 포함하는
    유체 분출 프린트헤드.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 각 소그룹이 챔버 및 적어도 2개의 히터 레지스터를 포함하는
    유체 분출 프린트헤드.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 유체 공급 슬롯에 유체적으로 결합되어 상기 유체 공급 슬롯에 유체를 공급하는 유체 공급원을 더 포함하는
    유체 분출 프린트헤드.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 유체 공급원이 액체 잉크의 공급원인
    유체 분출 프린트헤드.
  10. 삭제
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 소그룹이 한 쌍의 방울 발생기를 포함하는
    유체 분출 프린트헤드.
  12. 삭제
  13. 프린트헤드를 제어하는 방법에 있어서,
    기판 표면을 구비하는 프린트헤드를 제공하는 단계로서, 각각 2개 이상의 방울 발생기를 포함하는 소그룹으로 배열되는 종렬형 그룹의 방울 발생기가 상기 표면상에 형성되고, 상기 종렬형 그룹의 방울 발생기가 상기 프린트헤드와 프린트 매체 사이의 상대적 이동의 방향에 대해 횡방향의 칼럼 내에 배열되는, 상기 프린트헤드 제공 단계;
    상기 표면 상의 다른 소그룹으로부터 각각의 소그룹을 유체적으로 분리하는 단계;
    상기 기판을 통해 형성된 유체 공급 슬롯에 연결되어 상기 방울 발생기의 소그룹 각각에 유체를 제공하는 복수의 유체 공급 구멍을 통해 상기 소그룹 각각에 유체를 공급하는 단계; 및
    동일한 소그룹 내의 어떠한 2개의 방울 발생기도 연달아 작동되지 않게 유체 방울을 분출하도록 상기 방울 발생기를 활성화시키기 위해 전기 신호를 상기 프린트헤드에 제공하는 단계를 포함하며,
    상기 기판은 상기 유체 공급 슬롯에 적층되는 박막 층을 포함하고, 상기 박막 층은 상기 소그룹 각각을 상기 유체 공급 슬롯에 결합시키는 유체 공급 구멍을 형성하며,
    상기 박막 층은 복수의 박막을 포함하고, 또한 상기 박막 층은 상기 방울 발생기 각각에 히터 레지스터를 형성하는
    프린트헤드 제어 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    공통 유체 공급원으로부터 상기 슬롯을 통해 상기 소그룹에 유체를 제공하는 단계를 더 포함하는
    프린트헤드 제어 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 유체 공급원으로의 유체를 교체하는 단계를 더 포함하는
    프린트헤드 제어 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 유체가 액체 잉크인
    프린트헤드 제어 방법.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 소그룹 각각에 유체를 공급하는 상기 단계는 박막 층에 형성된 유체 공급 구멍을 통해 유체를 제공하는 단계를 포함하는
    프린트헤드 제어 방법.
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 제 13 항에 있어서,
    상기 프린트헤드로 전기 신호를 제공하는 상기 단계는 추가적으로, 동일한 소그룹내의 어떠한 2개의 방울 발생기도 동시에 작동되지 않도록 상기 방울 발생기를 작동시키는
    프린트헤드 제어 방법.
  21. 삭제
  22. 삭제
  23. 삭제
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  27. 삭제
  28. 삭제
  29. 삭제
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