KR101030152B1 - Inkjet nozzle assembly having thermal bend actuator with an active beam defining substantial part of nozzle chamber roof - Google Patents
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Abstract
잉크젯 노즐 조립체를 제공한다. 이 조립체는 바닥부와 천정부로 구성되는 노즐 챔버를 포함한다. 천정부는 내부에 노즐 개구와 상기 바닥부를 향하여 이동가능한 이동부를 갖는다. 상기 조립체는 복수의 캔틸레버 빔을 갖고 노즐 개구를 통하여 잉크를 분사하기 위한 서멀 벤드 액츄에이터를 더 포함한다. 상기 액츄에이터의 제1 능동 빔은 천정부의 전체 면적의 적어도 30%를 차지한다.Provided is an inkjet nozzle assembly. The assembly includes a nozzle chamber consisting of a bottom and a ceiling. The ceiling has a nozzle opening therein and a movable portion movable toward the bottom. The assembly further includes a thermal bend actuator having a plurality of cantilever beams for ejecting ink through the nozzle opening. The first active beam of the actuator occupies at least 30% of the total area of the ceiling.
프린터, 잉크젯, 노즐 조립체, 액츄에이터, 서멀 벤드 액츄에이터, 빔, 캔틸레버 Printers, Inkjets, Nozzle Assemblies, Actuators, Thermal Bend Actuators, Beams, Cantilevers
Description
본 발명은 서멀 벤드 액츄에이터(thermal bend actuator)에 관한 것이다. 본 발명은 주로, 서멀 벤드 액츄에이터를 통하여 잉크를 분사하는 개량된 잉크젯 노즐들을 제공하기 위해 개발되었다.The present invention relates to a thermal bend actuator. The present invention was primarily developed to provide improved inkjet nozzles for ejecting ink through a thermal bend actuator.
상호 참조Cross-reference
본 발명의 출원인 또는 양수인에 의해 출원된 다음의 특허들 또는 특허출원들은 본 명세서에 상호 참조에 의해 통합된다.The following patents or patent applications filed by the applicant or assignee of the present invention are incorporated herein by reference.
발명의 배경Background of the Invention
본 출원인은 서멀 벤드 액츄에이터를 사용하는 다수의 MEMS 잉크젯 노즐을 앞서 설명하였다. 서멀 벤드 액츄에이터란, 일반적으로 어떤 하나의 재료에 대하여 전류가 통과하는 다른 재료의 열 팽창에 의해 발생되는 굽힘 운동(bend movement)을 말한다. 결과적으로 생기는 굽힘 운동은 노즐 챔버(nozzle chamber) 내에서 압력파(pressure wave)을 일으키는, 패들(paddle) 또는 베인(vane)의 운동을 선택적으로 거쳐 노즐 개구로부터 잉크를 분사하는데 사용될 수 있다.Applicant has previously described a number of MEMS inkjet nozzles using a thermal bend actuator. A thermal bend actuator generally refers to a bend movement caused by thermal expansion of another material through which a current passes through one material. The resulting bending motion can be used to selectively eject ink from the nozzle opening via the movement of a paddle or vane, causing a pressure wave in the nozzle chamber.
몇 가지 대표적인 유형의 서멀 벤드 잉크젯 노즐은 위에 열거한 특허들 또는 특허출원들에 예시되어 있고, 상기 특허들 또는 특허출원들의 내용은 참조에 의해 본 명세서에 통합된다.Some representative types of thermal bend inkjet nozzles are illustrated in the patents or patent applications listed above, the contents of which are incorporated herein by reference.
본 출원인의 미국특허 제6,416,167호는 노즐 챔버 내에 위치된 패들과 노즐 챔버의 외부에 위치된 서멀 벤드 액츄에이터를 갖는 잉크젯 노즐에 대하여 기술하고 있다. 이 액츄에이터는 비도전성 재료(non-conductive material, 예를 들면, 이산화 실리콘)의 상부 수동 빔(upper passive beam)에 융착된(fused) 도전성 재료의 하부 능동 빔(lower active beam)의 형태를 취한다. 상기 액츄에이터는 노즐 챔버의 벽에 형성된 슬롯(slot)을 통하여 수용되는 아암(arm)을 거쳐 패들에 연결된다. 전류가 하부 능동 빔을 통과할 때, 액츄에이터는 아래쪽으로 구부려지고, 패들은 노즐 챔버의 천정부(roof)에 형성된 노즐 개구를 향하여 움직이고, 이에 의해 잉크방울이 분사된다. 이러한 디자인은, 구성이 간소화된다는 이점이 있다. 이러한 설계구조의 단점은, 패들의 양쪽 면이 노즐 챔버 내부의 비교적 점성이 있는 잉크에 역작용한다는 것이다.Applicant's US Pat. No. 6,416,167 describes an inkjet nozzle having a paddle located in the nozzle chamber and a thermal bend actuator located outside of the nozzle chamber. The actuator takes the form of a lower active beam of conductive material fused to an upper passive beam of non-conductive material (eg silicon dioxide). . The actuator is connected to the paddle via an arm that is received through a slot formed in the wall of the nozzle chamber. As the current passes through the lower active beam, the actuator is bent downward and the paddle moves toward the nozzle opening formed in the roof of the nozzle chamber, whereby ink droplets are ejected. This design has the advantage that the configuration is simplified. The disadvantage of this design is that both sides of the paddle counteract the relatively viscous ink inside the nozzle chamber.
본 출원인의 미국특허 제6,260,953호(본 출원인에게 양도됨)는, 액츄에이터가 노즐 챔버의 이동식 천정부(moving roof portion)를 형성하는 잉크젯 노즐에 대하여 기술하고 있다. 이 액츄에이터는 폴리머 재료에 의해 밀봉된 도전성 재료의 사행(蛇行)형 코어(serpentine core)의 형태를 취한다. 작동시에, 액츄에이터는 노즐 챔버의 바닥을 향하여 구부려져, 챔버 내의 압력이 증가되고 챔버의 천정부에 형성된 노즐 개구로부터 잉크방울을 몰아낸다. 노즐 개구는 상기 천정부의 비이동부(non-moving portion)에 형성된다. 이러한 디자인의 이점은, 이동식 천정부의 한쪽 면만이 노즐 챔버 내부의 비교적 점성을 갖는 잉크에 역작용한다는 것이다. 이러한 디자인의 단점은, 폴리머 재료에 의해 밀봉된 사행형 도전성 소자로 액츄에이터를 형성하는 것이 MEMS 프로세스에서 달성하기가 곤란하다는 것이다.Applicant's US Patent No. 6,260,953, assigned to Applicant, describes an inkjet nozzle wherein the actuator forms a moving roof portion of the nozzle chamber. This actuator takes the form of a serpentine core of a conductive material sealed by a polymer material. In operation, the actuator is bent toward the bottom of the nozzle chamber, increasing the pressure in the chamber and driving ink droplets out of the nozzle openings formed in the ceiling of the chamber. The nozzle opening is formed in the non-moving portion of the ceiling. The advantage of this design is that only one side of the movable ceiling counteracts the relatively viscous ink inside the nozzle chamber. A disadvantage of this design is that it is difficult to achieve the actuator in the MEMS process to form the actuator with a meandering conductive element sealed by polymer material.
본 출원인의 미국특허 제6,623,101호는 내부에 노즐 개구가 형성된 이동식 천정부를 갖는 노즐 챔버를 포함하는 잉크젯 노즐에 대하여 기술하고 있다. 이동식 천정부는 노즐 챔버의 외부에 위치된 서멀 벤드 액츄에이터에 아암을 거쳐 연결되어 있다. 이 액츄에이터는, 상부 능동 빔이 하부 수동 빔과 이격된 형태를 취한다. 능동 빔과 수동 빔을 이격함으로써, 수동 빔이 능동 빔에 대한 히트 싱크(heat sink)로서 작용하기 때문에 서멀 벤드 효율이 최대화된다. 전류가 상부 능동 빔을 통과할 때, 내부에 노즐 개구가 형성된 이동식 천정부는 노즐 챔버의 바닥을 향하여 회전하게 되고, 이에 의해 노즐 개구를 통하여 분사된다. 노즐 개구가 천정부와 함께 이동하므로, 잉크방울의 비행방향(flight direction)은 노즐 가장자리(rim)의 적절한 형상 변경에 의해 제어될 수 있다. 이러한 디자인의 이점은, 이동식 천정부의 한쪽 면만이 노즐 챔버 내부의 비교적 점성을 갖는 잉크에 역작용한다는 것이다. 또 다른 이점은, 능동 빔과 수동 빔소자(element)들을 이격함으로써 열손실이 최소라는 것이다. 이러한 디자인의 단점은, 능동 빔과 수동 빔소자들을 이격할 때 구조적 강성이 부족하다는 것이다.Applicant's US Pat. No. 6,623,101 describes an inkjet nozzle comprising a nozzle chamber having a movable ceiling having a nozzle opening formed therein. The movable ceiling is connected via an arm to a thermal bend actuator located outside of the nozzle chamber. This actuator takes the form of an upper active beam spaced apart from a lower passive beam. By spacing the active beam and the passive beam, the thermal bend efficiency is maximized because the passive beam acts as a heat sink for the active beam. When the current passes through the upper active beam, the movable ceiling with the nozzle opening therein rotates toward the bottom of the nozzle chamber, thereby being injected through the nozzle opening. Since the nozzle opening moves with the ceiling, the flight direction of the ink droplets can be controlled by appropriate shape change of the nozzle rim. The advantage of this design is that only one side of the movable ceiling counteracts the relatively viscous ink inside the nozzle chamber. Another advantage is that heat loss is minimal by separating the active and passive beam elements. The disadvantage of this design is the lack of structural stiffness when separating the active and passive beam elements.
그래서 보다 효율적인 잉크방울 분사와 향상된 기계적 강건성(mechanical robustness)을 달성하기 위해 서멀 벤드 잉크젯 노즐의 디자인을 개선할 필요가 있다.Thus, there is a need to improve the design of thermal bend inkjet nozzles to achieve more efficient ink jetting and improved mechanical robustness.
발명의 요약Summary of the Invention
제1 형태에 있어서, 본 발명은 바닥부(floor)와, 내부에 노즐 개구가 형성되어 있고 상기 바닥부를 향하여 이동가능한 이동부(moving portion)를 갖는 천정부(roof)로 이루어진 노즐 챔버; 및 복수의 캔틸레버 빔(cantilever beam)을 갖고, 상기 노즐 개구를 통하여 잉크를 분사하기 위한 서멀 벤드 액츄에이터; 를 포함하며, In a first aspect, the present invention provides an apparatus comprising: a nozzle chamber comprising a floor and a roof having a nozzle opening formed therein and having a moving portion movable toward the bottom; And a thermal bend actuator having a plurality of cantilever beams and configured to eject ink through the nozzle openings; Including;
상기 서멀 벤드 액츄에이터는 구동회로에 연결하기 위한 제1 능동 빔 및 제1 능동 빔과 기계적으로 협동하는 제2 수동 빔을 포함하여, 전류가 제1 능동 빔을 통과할 때, 제1 능동 빔이 제2 수동 빔에 대하여 팽창(expand)됨으로써 상기 액츄에이터의 굽힘을 일으키는 잉크젯 노즐 조립체를 제공한다.The thermal bend actuator includes a first active beam for connecting to a drive circuit and a second passive beam mechanically cooperating with the first active beam so that when the current passes through the first active beam, the first
선택적으로, 상기 제1 능동 빔은 상기 천정부의 전체 면적의 적어도 30%를 차지한다.Optionally, the first active beam occupies at least 30% of the total area of the ceiling.
선택적으로, 상기 이동부는 상기 액츄에이터를 포함한다.Optionally, said moving part comprises said actuator.
선택적으로, 상기 제1 능동 빔은 상기 천정부의 외면의 적어도 일부를 이룬다.Optionally, said first active beam forms at least a portion of an outer surface of said ceiling.
선택적으로, 상기 노즐 개구는 상기 이동부에 형성되어, 노즐 개구가 상기 바닥부에 대하여 이동가능하다.Optionally, the nozzle opening is formed in the moving part such that the nozzle opening is movable relative to the bottom part.
선택적으로, 상기 액츄에이터는 상기 노즐 개구에 대하여 이동가능하다.Optionally, the actuator is movable relative to the nozzle opening.
선택적으로, 상기 제1 능동 빔은 사행형 빔소자(tortuous beam element)에 의해 형성되며, 상기 사행형 빔소자는 복수의 인접한 빔부재(beam member)를 갖는다.Optionally, said first active beam is formed by a tortuous beam element, said meandering beam element having a plurality of adjacent beam members.
선택적으로, 상기 복수의 인접한 빔부재는 상기 제1 빔의 종축을 따라 뻗는 복수의 긴 빔부재와, 상기 제1 빔의 횡축을 가로질러 뻗고 상기 긴 빔부재를 상호연결하는 적어도 1개의 짧은 빔부재를 포함한다.Optionally, the plurality of adjacent beam members comprises a plurality of elongated beam members extending along the longitudinal axis of the first beam and at least one short beam member extending across the transverse axis of the first beam and interconnecting the long beam members. It includes.
선택적으로, 상기 복수의 빔 중 하나는 다공성 재료(porous material)로 이루어진다.Optionally, one of the plurality of beams is made of a porous material.
선택적으로, 상기 다공성 재료는, 유전상수(dielectric constant)가 2이하인 다공성 이산화 실리콘이다.Optionally, the porous material is porous silicon dioxide having a dielectric constant of 2 or less.
선택적으로, 상기 서멀 벤드 액츄에이터는 상기 제1 빔과 상기 제2 빔 사이에 개재된 제3 절연 빔(insulation beam)을 포함한다.Optionally, said thermal bend actuator comprises a third insulation beam interposed between said first beam and said second beam.
선택적으로, 상기 제3 절연 빔은 다공성 재료로 이루어진다.Optionally, said third insulating beam is made of a porous material.
선택적으로, 상기 제1 빔은 상기 제2 빔에 융착(fuse) 또는 접착(bond)된다.Optionally, the first beam is fused or bonded to the second beam.
선택적으로, 상기 제2 빔은 다공성 재료로 이루어진다. Optionally, the second beam is made of a porous material.
선택적으로, 상기 제1 빔의 적어도 일부는 상기 제2 빔과 이격되어 있다.Optionally, at least a portion of the first beam is spaced apart from the second beam.
선택적으로, 상기 제1 빔은 질화티탄, 질화티탄알루미늄 및 알루미늄 합금으로 이루어지는 군에서 선택된 재료로 이루어진다.Optionally, the first beam is made of a material selected from the group consisting of titanium nitride, aluminum titanium nitride and aluminum alloy.
선택적으로, 상기 제1 빔은 알루미늄 합금으로 이루어진다.Optionally, said first beam is made of an aluminum alloy.
선택적으로, 상기 알루미늄 합금은 알루미늄과 영률(Young's Modulus)이 100보다 큰 적어도 1종의 다른 금속으로 이루어진다.Optionally, the aluminum alloy consists of aluminum and at least one other metal having a Young's Modulus greater than 100.
선택적으로, 상기 적어도 1종의 금속은 바나듐, 망간, 크롬, 코발트 및 니켈로 이루어지는 군에서 선택된다.Optionally, said at least one metal is selected from the group consisting of vanadium, manganese, chromium, cobalt and nickel.
선택적으로, 상기 합금은 알루미늄과 바나듐으로 이루어진다.Optionally, the alloy consists of aluminum and vanadium.
선택적으로, 상기 합금은 적어도 80%의 알루미늄으로 이루어진다.Optionally, the alloy consists of at least 80% aluminum.
제2 형태에 있어서, 본 발명은 복수의 소자를 갖는 서멀 벤드 액츄에이터에 있어서, 구동회로에 연결하기 위한 제1 능동소자; 및 In a second aspect, the present invention provides a thermal bend actuator having a plurality of elements, comprising: a first active element for connecting to a driving circuit; And
제1 능동소자와 기계적으로 협동하는 제2 수동소자; 를 포함하여, 전류가 제1 능동소자를 통과할 때, 제1 능동소자가 제2 수동소자에 대하여 팽창(expand)됨으로써 상기 액츄에이터의 굽힘을 일으키며, A second passive element that mechanically cooperates with the first active element; Including, when the current passes through the first active element, the first active element expands with respect to the second passive element, causing bending of the actuator,
상기 제1 소자는 알루미늄 합금으로 이루어지는 서멀 벤드 액츄에이터를 제공한다.The first device provides a thermal bend actuator made of an aluminum alloy.
선택적으로, 상기 알루미늄 합금은 알루미늄과 영률이 100GPa보다 큰 적어도 1종의 다른 금속으로 이루어진다.Optionally, the aluminum alloy consists of aluminum and at least one other metal having a Young's modulus of greater than 100 GPa.
선택적으로, 상기 적어도 1종의 금속은 바나듐, 망간, 크롬, 코발트 및 니켈로 이루어지는 군에서 선택된다.Optionally, said at least one metal is selected from the group consisting of vanadium, manganese, chromium, cobalt and nickel.
선택적으로, 상기 합금은 알루미늄과 바나듐으로 이루어진다.Optionally, the alloy consists of aluminum and vanadium.
선택적으로, 상기 합금은 적어도 80%의 알루미늄으로 이루어진다.Optionally, the alloy consists of at least 80% aluminum.
선택적으로, 상기 제1 및 제2 소자는 캔틸레버 빔이다.Optionally, said first and second elements are cantilever beams.
선택적으로, 상기 제1 빔은 그 종축을 따라 상기 제2 빔에 융착 또는 접착되어 있다.Optionally, the first beam is fused or bonded to the second beam along its longitudinal axis.
선택적으로, 상기 제2 빔의 적어도 일부는 상기 제1 빔과 이격되어 있고, 이에 의해 상기 제1 빔이 상기 제2 빔으로부터 절연된다.Optionally, at least a portion of the second beam is spaced apart from the first beam, whereby the first beam is insulated from the second beam.
선택적으로, 상기 복수의 빔 중 하나는 다공성 재료로 이루어진다.Optionally, one of the plurality of beams is made of a porous material.
선택적으로, 상기 다공성 재료는, 유전상수가 2이하인 다공성 이산화 실리콘이다.Optionally, the porous material is porous silicon dioxide having a dielectric constant of 2 or less.
선택적으로, 상기 다공성 재료는 다공성 이산화 실리콘이다.Optionally, the porous material is porous silicon dioxide.
선택적으로, 상기 제1 빔과 상기 제2 빔 사이에는, 제3 절연 빔이 개재되어 있다.Optionally, a third insulating beam is interposed between the first beam and the second beam.
선택적으로, 상기 제3 절연 빔은 다공성 재료로 이루어진다.Optionally, said third insulating beam is made of a porous material.
선택적으로, 상기 제2 빔은 다공성 재료로 이루어진다. Optionally, the second beam is made of a porous material.
또 다른 형태에 있어서, 본 발명은 노즐 개구와 잉크 유입구를 갖는 노즐 챔버; 및 In yet another aspect, the invention provides a nozzle chamber including a nozzle opening and an ink inlet; And
복수의 캔틸레버 빔을 갖고, 상기 노즐 개구를 통하여 잉크를 분사하기 위한 서멀 벤드 액츄에이터; 를 포함하고, A thermal bend actuator having a plurality of cantilever beams and configured to eject ink through the nozzle openings; Including,
상기 액츄에이터는 구동회로에 연결하기 위한 제1 능동 빔 및 제1 능동 빔과 기계적으로 협동하는 제2 수동 빔을 포함하여, 전류가 제1 능동 빔을 통과할 때, 제1 능동 빔이 제2 수동 빔에 대하여 팽창됨으로써 상기 액츄에이터의 굽힘을 일으키며, 상기 제1 빔이 알루미늄 합금으로 이루어지는 잉크젯 노즐 조립체를 제공한다.The actuator includes a first active beam for connecting to a drive circuit and a second passive beam mechanically cooperating with the first active beam such that when the current passes through the first active beam, the first active beam is second passive. Expanding with respect to the beam causes bending of the actuator, and provides the inkjet nozzle assembly wherein the first beam is made of aluminum alloy.
선택적으로, 상기 노즐 챔버는 바닥부와, 이동부를 갖는 천정부를 포함하여, 상기 액츄에이터가 상기 이동부를 상기 바닥부쪽으로 이동시킨다.Optionally, the nozzle chamber includes a bottom portion and a ceiling having a moving portion such that the actuator moves the moving portion toward the bottom portion.
선택적으로, 상기 이동부는 상기 액츄에이터를 포함한다. Optionally, said moving part comprises said actuator.
선택적으로, 상기 제1 능동 빔은 상기 천정부의 전체 면적의 적어도 30%를 차지한다.Optionally, the first active beam occupies at least 30% of the total area of the ceiling.
선택적으로, 상기 제1 능동 빔은 상기 천정부의 외면의 적어도 일부를 이룬다.Optionally, said first active beam forms at least a portion of an outer surface of said ceiling.
선택적으로, 상기 노즐 개구는 상기 이동부에 형성되어, 노즐 개구가 상기 바닥부에 대하여 이동가능하다.Optionally, the nozzle opening is formed in the moving part such that the nozzle opening is movable relative to the bottom part.
제3 형태에 있어서, 본 발명은 복수의 소자를 갖는 서멀 벤드 액츄에이터에 있어서, 구동회로에 연결하기 위한 제1 능동소자; 및 In a third aspect, the present invention provides a thermal bend actuator having a plurality of elements, comprising: a first active element for connecting to a driving circuit; And
제1 능동소자와 기계적으로 협동하는 제2 수동소자; 를 포함하여, 전류가 제1 능동소자를 통과할 때, 제1 능동소자가 제2 수동소자에 대하여 팽창됨으로써 상기 액츄에이터의 굽힘을 일으키며, A second passive element that mechanically cooperates with the first active element; Including, when the current passes through the first active element, the first active element is expanded with respect to the second passive element to cause bending of the actuator,
상기 복수의 소자 중 하나는 다공성 재료로 이루어지는 서멀 벤드 액츄에이터를 제공한다.One of the plurality of devices provides a thermal bend actuator made of a porous material.
선택적으로, 상기 다공성 재료는, 유전상수가 약 2이하이다.Optionally, the porous material has a dielectric constant of about 2 or less.
선택적으로, 상기 다공성 재료는 다공성 이산화 실리콘이다.Optionally, the porous material is porous silicon dioxide.
선택적으로, 상기 제1 및 제2 소자는 캔틸레버 빔이다.Optionally, said first and second elements are cantilever beams.
또 다른 형태에 있어서, 상기 제1 빔과 상기 제2 빔 사이에 개재된 제3 절연 빔을 더 포함하는 서멀 벤드 액츄에이터가 제공되어 있다.In still another aspect, there is provided a thermal bend actuator further comprising a third insulated beam interposed between the first beam and the second beam.
선택적으로, 상기 제3 절연 빔은 다공성 재료로 이루어진다.Optionally, said third insulating beam is made of a porous material.
선택적으로, 상기 제1 빔은 그 종축을 따라 상기 제2 빔에 융착 또는 접착되어 있다.Optionally, the first beam is fused or bonded to the second beam along its longitudinal axis.
선택적으로, 상기 제2 빔은 다공성 재료로 이루어진다.Optionally, the second beam is made of a porous material.
선택적으로, 상기 제1 소자는 질화티탄, 질화티탄알루미늄 및 알루미늄 합금으로 이루어지는 군에서 선택된 재료로 이루어진다.Optionally, the first element is made of a material selected from the group consisting of titanium nitride, aluminum titanium nitride and an aluminum alloy.
선택적으로, 상기 제1 소자는 알루미늄 합금으로 이루어진다.Optionally, the first element is made of an aluminum alloy.
선택적으로, 상기 알루미늄 합금은 알루미늄과 영률이 100GPa보다 큰 적어도 1종의 다른 금속으로 이루어진다.Optionally, the aluminum alloy consists of aluminum and at least one other metal having a Young's modulus of greater than 100 GPa.
선택적으로, 상기 적어도 1종의 금속은 바나듐, 망간, 크롬, 코발트 및 니켈로 이루어지는 군에서 선택된다.Optionally, said at least one metal is selected from the group consisting of vanadium, manganese, chromium, cobalt and nickel.
선택적으로, 상기 합금은 알루미늄과 바나듐으로 이루어진다.Optionally, the alloy consists of aluminum and vanadium.
선택적으로, 상기 합금은 적어도 80%의 알루미늄으로 이루어진다.Optionally, the alloy consists of at least 80% aluminum.
또 다른 형태에 있어서, 본 발명은 노즐 개구와 잉크 유입구를 갖는 노즐 챔버; In yet another aspect, the invention provides a nozzle chamber including a nozzle opening and an ink inlet;
복수의 캔틸레버 빔을 갖고 노즐 개구를 통하여 잉크를 분사하기 위한 서멀 벤드 액츄에이터; A thermal bend actuator having a plurality of cantilever beams for ejecting ink through the nozzle opening;
구동회로에 연결하기 위한 제1 능동 빔; 및 A first active beam for coupling to a drive circuit; And
제1 능동 빔과 기계적으로 협동하는 제2 수동 빔; 을 포함하여, 전류가 제1 능동 빔을 통과할 때, 제1 능동 빔이 제2 수동 빔에 대하여 팽창됨으로써 상기 액츄에이터의 굽힘을 일으키며, A second passive beam mechanically cooperating with the first active beam; Including, when the current passes through the first active beam, the first active beam is expanded with respect to the second passive beam to cause bending of the actuator,
상기 복수의 빔 중 하나가 다공성 재료로 이루어지는 잉크젯 노즐 조립체를 제공한다.An inkjet nozzle assembly is provided in which one of the plurality of beams is made of a porous material.
선택적으로, 상기 노즐 챔버는 바닥부와, 이동부를 갖는 천정부를 포함하고, 이에 의해, 상기 액츄에이터의 작동시 상기 이동부가 상기 바닥부를 향하여 이동가능하다.Optionally, the nozzle chamber comprises a ceiling having a bottom and a moving part, whereby the moving part is movable toward the bottom when the actuator is actuated.
선택적으로, 상기 이동부는 상기 액츄에이터를 포함한다. Optionally, said moving part comprises said actuator.
선택적으로, 상기 제1 능동 빔은 상기 천정부의 전체 면적의 적어도 30%를 차지한다.Optionally, the first active beam occupies at least 30% of the total area of the ceiling.
선택적으로, 상기 제1 능동 빔은 상기 노즐 챔버의 외면의 적어도 일부를 이룬다.Optionally, said first active beam forms at least a portion of an outer surface of said nozzle chamber.
선택적으로, 상기 노즐 개구는 상기 이동부에 형성되어, 노즐 개구가 상기 바닥부에 대하여 이동가능하다.Optionally, the nozzle opening is formed in the moving part such that the nozzle opening is movable relative to the bottom part.
제4 형태에 있어서, 본 발명은 바닥부와, 내부에 노즐 개구를 갖고 상기 바닥부를 향하여 이동가능한 이동부를 갖는 천정부로 이루어지는 노즐 챔버; 및 In a fourth aspect, the present invention provides an apparatus comprising: a nozzle chamber comprising a bottom portion and a ceiling portion having a nozzle opening therein and a movable portion movable toward the bottom portion; And
복수의 캔틸레버 빔을 갖고, 노즐 개구를 통하여 잉크를 분사하기 위한 서멀 벤드 액츄에이터; 를 포함하고, A thermal bend actuator having a plurality of cantilever beams, for injecting ink through the nozzle opening; Including,
상기 액츄에이터는 구동회로에 연결하기 위한 제1 능동 빔 및 제1 능동 빔과 기계적으로 협동하는 제2 수동 빔을 포함하여, 전류가 제1 능동 빔을 통과할 때, 제1 능동 빔이 제2 수동 빔에 대하여 팽창됨으로써 상기 액츄에이터의 굽힘을 일으키며, The actuator includes a first active beam for connecting to a drive circuit and a second passive beam mechanically cooperating with the first active beam such that when the current passes through the first active beam, the first active beam is second passive. Inflation with respect to the beam causes bending of the actuator,
상기 이동부는 상기 액츄에이터를 포함하는 잉크젯 노즐 조립체를 제공한다.The moving part provides an inkjet nozzle assembly comprising the actuator.
선택적으로, 상기 제1 능동 빔은 상기 천정부의 전체 면적의 적어도 30%를 차지한다.Optionally, the first active beam occupies at least 30% of the total area of the ceiling.
선택적으로, 상기 제1 능동 빔은 상기 천정부의 외면의 적어도 일부를 이룬다.Optionally, said first active beam forms at least a portion of an outer surface of said ceiling.
선택적으로, 상기 노즐 개구는 상기 이동부에 형성되어, 노즐 개구가 상기 바닥부에 대하여 이동가능하다.Optionally, the nozzle opening is formed in the moving part such that the nozzle opening is movable relative to the bottom part.
선택적으로, 상기 액츄에이터는 상기 노즐 개구에 대하여 이동가능하다.Optionally, the actuator is movable relative to the nozzle opening.
선택적으로, 상기 제1 빔은 사행형 빔소자에 의해 형성되며, 상기 사행형 빔소자는 복수의 인접한 빔부재를 갖는다.Optionally, said first beam is formed by a meandering beam element, said meandering beam element having a plurality of adjacent beam members.
선택적으로, 상기 복수의 인접한 빔부재는 상기 제1 빔의 종축을 따라 뻗는 복수의 긴 빔부재와, 상기 제1 빔의 횡축을 가로질러 뻗고 상기 긴 빔부재를 상호연결하는 적어도 1개의 짧은 빔부재를 포함한다.Optionally, the plurality of adjacent beam members comprises a plurality of elongated beam members extending along the longitudinal axis of the first beam and at least one short beam member extending across the transverse axis of the first beam and interconnecting the long beam members. It includes.
선택적으로, 상기 복수의 빔 중 하나는 다공성 재료로 이루어진다.Optionally, one of the plurality of beams is made of a porous material.
선택적으로, 상기 다공성 재료는, 유전상수가 2이하인 다공성 이산화 실리콘이다.Optionally, the porous material is porous silicon dioxide having a dielectric constant of 2 or less.
선택적으로, 상기 서멀 벤드 액츄에이터는 상기 제1 빔과 상기 제2 빔 사이에 개재된 제3 절연 빔을 포함한다.Optionally, said thermal bend actuator comprises a third insulating beam interposed between said first beam and said second beam.
선택적으로, 상기 제3 절연 빔은 다공성 재료로 이루어진다.Optionally, said third insulating beam is made of a porous material.
선택적으로, 상기 제1 빔은 상기 제2 빔에 융착 또는 접착된다.Optionally, the first beam is fused or glued to the second beam.
선택적으로, 상기 제2 빔은 다공성 재료로 이루어진다. Optionally, the second beam is made of a porous material.
선택적으로, 상기 제1 빔의 적어도 일부는 상기 제2 빔과 이격되어 있다.Optionally, at least a portion of the first beam is spaced apart from the second beam.
선택적으로, 상기 제1 빔은 질화티탄, 질화티탄알루미늄 및 알루미늄 합금으로 이루어지는 군에서 선택된 재료로 이루어진다.Optionally, the first beam is made of a material selected from the group consisting of titanium nitride, aluminum titanium nitride and aluminum alloy.
선택적으로, 상기 제1 빔은 알루미늄 합금으로 이루어진다.Optionally, said first beam is made of an aluminum alloy.
선택적으로, 상기 알루미늄 합금은 알루미늄과 영률이 100GPa보다 큰 적어도 1종의 다른 금속으로 이루어진다.Optionally, the aluminum alloy consists of aluminum and at least one other metal having a Young's modulus of greater than 100 GPa.
선택적으로, 상기 적어도 1종의 금속은 바나듐, 망간, 크롬, 코발트 및 니켈로 이루어지는 군에서 선택된다.Optionally, said at least one metal is selected from the group consisting of vanadium, manganese, chromium, cobalt and nickel.
선택적으로, 상기 합금은 알루미늄과 바나듐으로 이루어진다.Optionally, the alloy consists of aluminum and vanadium.
선택적으로, 상기 합금은 적어도 80%의 알루미늄으로 이루어진다.Optionally, the alloy consists of at least 80% aluminum.
제5 형태에 있어서, 본 발명은 바닥부와, 내부에 노즐 개구가 형성되어 있고 상기 바닥부를 향하여 이동가능한 이동부를 갖는 천정부로 이루어진 노즐 챔버; 및According to a fifth aspect, the present invention provides an apparatus comprising: a nozzle chamber having a bottom portion and a ceiling portion having a nozzle opening formed therein and having a movable portion movable toward the bottom portion; And
복수의 캔틸레버 빔을 갖고, 상기 노즐 개구를 통하여 잉크를 분사하기 위한 서멀 벤드 액츄에이터; 를 포함하며, A thermal bend actuator having a plurality of cantilever beams and configured to eject ink through the nozzle openings; Including;
상기 액츄에이터는 구동회로에 연결하기 위한 제1 능동 빔 및 제1 능동 빔과 기계적으로 협동하는 제2 수동 빔을 포함하여, 전류가 제1 능동 빔을 통과할 때, 제1 능동 빔이 제2 수동 빔에 대하여 팽창됨으로써 상기 액츄에이터의 굽힘을 일으키며,The actuator includes a first active beam for connecting to a drive circuit and a second passive beam mechanically cooperating with the first active beam such that when the current passes through the first active beam, the first active beam is second passive. Inflation with respect to the beam causes bending of the actuator,
상기 제1 능동 빔은 상기 천정부의 외면의 적어도 일부를 이루는 잉크젯 노즐 조립체를 제공한다.The first active beam provides an inkjet nozzle assembly that forms at least a portion of an outer surface of the ceiling.
선택적으로, 상기 이동부는 상기 액츄에이터를 포함한다.Optionally, said moving part comprises said actuator.
선택적으로, 상기 제1 능동 빔은 상기 천정부의 전체 면적의 적어도 30%를 차지한다.Optionally, the first active beam occupies at least 30% of the total area of the ceiling.
선택적으로, 상기 노즐 개구는 상기 이동부에 형성되어, 노즐 개구가 상기 바닥부에 대하여 이동가능하다.Optionally, the nozzle opening is formed in the moving part such that the nozzle opening is movable relative to the bottom part.
선택적으로, 상기 액츄에이터는 상기 노즐 개구에 대하여 이동가능하다.Optionally, the actuator is movable relative to the nozzle opening.
선택적으로, 상기 제1 빔은 사행형 빔소자에 의해 형성되며, 상기 사행형 빔소자는 복수의 인접한 빔부재를 갖는다.Optionally, said first beam is formed by a meandering beam element, said meandering beam element having a plurality of adjacent beam members.
선택적으로, 상기 복수의 인접한 빔부재는 상기 제1 빔의 종축을 따라 뻗는 복수의 긴 빔부재와, 상기 제1 빔의 횡축을 가로질러 뻗고 상기 긴 빔부재를 상호연결하는 적어도 1개의 짧은 빔부재를 포함한다.Optionally, the plurality of adjacent beam members comprises a plurality of elongated beam members extending along the longitudinal axis of the first beam and at least one short beam member extending across the transverse axis of the first beam and interconnecting the long beam members. It includes.
선택적으로, 상기 복수의 빔 중 하나는 다공성 재료로 이루어진다.Optionally, one of the plurality of beams is made of a porous material.
선택적으로, 상기 다공성 재료는, 유전상수가 2이하인 다공성 이산화 실리콘이다.Optionally, the porous material is porous silicon dioxide having a dielectric constant of 2 or less.
선택적으로, 상기 서멀 벤드 액츄에이터는 상기 제1 빔과 상기 제2 빔 사이에 개재된 제3 절연 빔을 포함한다.Optionally, said thermal bend actuator comprises a third insulating beam interposed between said first beam and said second beam.
선택적으로, 상기 제3 절연 빔은 다공성 재료로 이루어진다.Optionally, said third insulating beam is made of a porous material.
선택적으로, 상기 제1 빔은 상기 제2 빔에 융착 또는 접착된다.Optionally, the first beam is fused or glued to the second beam.
선택적으로, 상기 제2 빔은 다공성 재료로 이루어진다. Optionally, the second beam is made of a porous material.
선택적으로, 상기 제1 빔의 적어도 일부는 상기 제2 빔과 이격되어 있다.Optionally, at least a portion of the first beam is spaced apart from the second beam.
선택적으로, 상기 제1 빔은 질화티탄, 질화티탄알루미늄 및 알루미늄 합금으로 이루어지는 군에서 선택된 재료로 이루어진다.Optionally, the first beam is made of a material selected from the group consisting of titanium nitride, aluminum titanium nitride and aluminum alloy.
선택적으로, 상기 제1 빔은 알루미늄 합금으로 이루어진다.Optionally, said first beam is made of an aluminum alloy.
선택적으로, 상기 알루미늄 합금은 알루미늄과 영률이 100GPa보다 큰 적어도 1종의 다른 금속으로 이루어진다.Optionally, the aluminum alloy consists of aluminum and at least one other metal having a Young's modulus of greater than 100 GPa.
선택적으로, 상기 적어도 1종의 금속은 바나듐, 망간, 크롬, 코발트 및 니켈로 이루어지는 군에서 선택된다.Optionally, said at least one metal is selected from the group consisting of vanadium, manganese, chromium, cobalt and nickel.
선택적으로, 상기 합금은 알루미늄과 바나듐으로 이루어진다.Optionally, the alloy consists of aluminum and vanadium.
선택적으로, 상기 합금은 적어도 80%의 알루미늄으로 이루어진다.Optionally, the alloy consists of at least 80% aluminum.
제6 형태에 있어서, 본 발명은 복수의 기다란 캔틸레버 빔을 갖는 서멀 벤드 액츄에이터로서,In a sixth aspect, the present invention provides a thermal bend actuator having a plurality of elongated cantilever beams.
구동회로에 연결하기 위한 것으로, 복수의 인접한 빔부재를 갖는 사행형 빔소자에 의해 형성되는 제1 능동 빔; 및 A first active beam for connecting to a drive circuit, the first active beam being formed by a meandering beam element having a plurality of adjacent beam members; And
제1 능동 빔과 기계적으로 협동하는 제2 수동 빔; 을 포함하여, 전류가 제1 능동 빔을 통과할 때, 제1 능동 빔이 제2 수동 빔에 대하여 팽창됨으로써 상기 액츄에이터의 굽힘을 일으키며, A second passive beam mechanically cooperating with the first active beam; Including, when the current passes through the first active beam, the first active beam is expanded with respect to the second passive beam to cause bending of the actuator,
상기 복수의 인접한 빔부재는 상기 제1 빔의 종축을 따라 뻗는 복수의 긴 빔부재와, 상기 제1 빔의 횡축을 가로질러 뻗고 상기 긴 빔부재를 상호연결하는 적어도 1개의 짧은 빔부재를 포함하는 서멀 벤드 액츄에이터를 제공한다.The plurality of adjacent beam members includes a plurality of elongated beam members extending along a longitudinal axis of the first beam, and at least one short beam member extending across a horizontal axis of the first beam and interconnecting the long beam members. A thermal bend actuator is provided.
선택적으로, 상기 제1 빔은 상기 액츄에이터의 일단에 위치된 한 쌍의 전기접점을 거쳐 상기 구동회로에 연결된다.Optionally, the first beam is coupled to the drive circuit via a pair of electrical contacts located at one end of the actuator.
선택적으로, 상기 사행형 빔소자의 제1 단에는, 제1 전기접점이 연결되어 있고, 상기 사행형 빔소자의 제2 단에는, 제2 전기접점이 연결되어 있다.Optionally, a first electrical contact is connected to a first end of the meandering beam element, and a second electrical contact is connected to a second end of the meandering beam element.
선택적으로, 상기 복수의 빔 중 하나는 다공성 재료로 이루어진다.Optionally, one of the plurality of beams is made of a porous material.
선택적으로, 상기 다공성 재료는, 유전상수가 약 2이하인 다공성 이산화 실리콘이다.Optionally, the porous material is porous silicon dioxide having a dielectric constant of about 2 or less.
또 다른 형태에 있어서, 상기 제1 빔과 제 빔 사이에 개재된 제3 절연 빔을 더 포함하는 서멀 벤드 액츄에이터가 제공된다.In still another aspect, there is provided a thermal bend actuator further comprising a third insulating beam interposed between the first beam and the first beam.
선택적으로, 상기 제3 절연 빔은 다공성 재료로 이루어진다.Optionally, said third insulating beam is made of a porous material.
선택적으로, 상기 제1 빔은 상기 제2 빔에 융착 또는 접착되어 있다.Optionally, the first beam is fused or bonded to the second beam.
선택적으로, 상기 제2 빔은 다공성 재료로 이루어진다.Optionally, the second beam is made of a porous material.
선택적으로, 상기 제1 빔의 적어도 일부는 상기 제2 빔과 이격되어 있다.Optionally, at least a portion of the first beam is spaced apart from the second beam.
선택적으로, 상기 제1 빔은 질화티탄, 질화티탄알루미늄 및 알루미늄 합금으로 이루어지는 군에서 선택된 재료로 이루어진다.Optionally, the first beam is made of a material selected from the group consisting of titanium nitride, aluminum titanium nitride and aluminum alloy.
또 다른 형태에 있어서, 본 발명은 노즐 개구와 잉크 유입구를 갖는 노즐 챔버; In yet another aspect, the invention provides a nozzle chamber including a nozzle opening and an ink inlet;
복수의 캔틸레버 빔을 갖고 노즐 개구를 통하여 잉크를 분사하기 위한 서멀 벤드 액츄에이터; A thermal bend actuator having a plurality of cantilever beams for ejecting ink through the nozzle opening;
구동회로에 연결하기 위한 것으로, 복수의 인접한 빔부재를 갖는 사행형 빔소자에 의해 형성되는 제1 능동 빔; 및 A first active beam for connecting to a drive circuit, the first active beam being formed by a meandering beam element having a plurality of adjacent beam members; And
제1 능동 빔과 기계적으로 협동하는 제2 수동 빔; 을 포함하여, 전류가 제1 능동 빔을 통과할 때, 제1 능동 빔이 제2 수동 빔에 대하여 팽창됨으로써 상기 액츄에이터의 굽힘을 일으키며, A second passive beam mechanically cooperating with the first active beam; Including, when the current passes through the first active beam, the first active beam is expanded with respect to the second passive beam to cause bending of the actuator,
상기 복수의 인접한 빔부재는 상기 제1 빔의 종축을 따라 뻗는 복수의 긴 빔부재와, 상기 제1 빔의 횡축을 가로질러 뻗고 상기 긴 빔부재를 상호연결하는 적어도 1개의 짧은 빔부재를 포함하는 잉크젯 노즐 조립체를 제공한다.The plurality of adjacent beam members includes a plurality of elongated beam members extending along a longitudinal axis of the first beam, and at least one short beam member extending across a horizontal axis of the first beam and interconnecting the long beam members. Provided is an inkjet nozzle assembly.
선택적으로, 상기 노즐 챔버는 바닥부와, 이동부를 갖는 천정부를 포함하고, 이에 의해, 상기 액츄에이터의 작동시 상기 이동부가 상기 바닥부를 향하여 이동가능하다.Optionally, the nozzle chamber comprises a ceiling having a bottom and a moving part, whereby the moving part is movable toward the bottom when the actuator is actuated.
선택적으로, 상기 이동부는 상기 액츄에이터를 포함한다. Optionally, said moving part comprises said actuator.
선택적으로, 상기 제1 능동 빔은 상기 천정부의 전체 면적의 적어도 30%를 차지한다.Optionally, the first active beam occupies at least 30% of the total area of the ceiling.
선택적으로, 상기 제1 능동 빔은 상기 노즐 챔버의 외면의 적어도 일부를 이룬다.Optionally, said first active beam forms at least a portion of an outer surface of said nozzle chamber.
선택적으로, 상기 노즐 개구는 상기 이동부에 형성되어, 노즐 개구가 상기 바닥부에 대하여 이동가능하다.Optionally, the nozzle opening is formed in the moving part such that the nozzle opening is movable relative to the bottom part.
선택적으로, 상기 액츄에이터는 상기 노즐 개구에 대하여 이동가능하다.Optionally, the actuator is movable relative to the nozzle opening.
또 다른 형태에 있어서, 상기 액츄에이터의 일단에 위치된 한 쌍의 전기접점을 더 포함하고, 상기 전기접점은 상기 사행형 빔소자와 상기 구동회로 사이에서 전기접속을 제공하는 잉크젯 노즐 조립체가 제공된다.In still another aspect, there is provided an inkjet nozzle assembly further comprising a pair of electrical contacts located at one end of the actuator, the electrical contacts providing electrical connection between the meandering beam element and the drive circuit.
선택적으로, 상기 사행형 빔소자의 제1 단에는, 제1 전기접점이 연결되어 있고, 상기 사행형 빔소자의 제2 단에는, 제2 전기접점이 연결되어 있다.Optionally, a first electrical contact is connected to a first end of the meandering beam element, and a second electrical contact is connected to a second end of the meandering beam element.
도 1은 알루미늄-바나듐 합금으로 형성된 능동 빔을 포함하는 복층(bi-layer)식 서멀 벤드 액츄에이터의 개략 측면도.1 is a schematic side view of a bi-layered thermal bend actuator comprising an active beam formed of an aluminum-vanadium alloy.
도 2(A)-도 2(C)는 여러 작동단계에서 융착된 서멀 벤드 액츄에이터를 포함하는 잉크젯 노즐 조립체의 개략 측단면도.2 (A)-(C) are schematic side cross-sectional views of an inkjet nozzle assembly including a thermal bend actuator fused at various stages of operation.
도 3은 도 2(A)에 도시된 노즐 조립체의 사시도.3 is a perspective view of the nozzle assembly shown in FIG. 2 (A).
도 4는 도 2(A) 및 도 3에 도시된 바와 같이, 노즐 조립체의 어레이(array)를 포함하는 프린트헤드 집적회로의 일부 사시도.4 is a partial perspective view of a printhead integrated circuit including an array of nozzle assemblies, as shown in FIGS. 2A and 3.
도 5는 이격된 서멀 벤드 액츄에이터와 이동식 천정부 구조를 포함하는 잉크젯 노즐 조립체의 절결 사시도.5 is a cut away perspective view of an inkjet nozzle assembly including a spaced thermal bend actuator and a removable ceiling structure.
도 6은 도 5에 도시된 잉크젯 노즐 조립체의 작동형태에서의 절결 사시도.FIG. 6 is a cutaway perspective view of the operation of the inkjet nozzle assembly shown in FIG. 5; FIG.
도 7은 도 5에 도시된 잉크젯 노즐 조립체의 작동중지 직후의 절결 사시도.FIG. 7 is a cutaway perspective view immediately after shutdown of the inkjet nozzle assembly shown in FIG. 5; FIG.
도 8은 도 6에 도시된 노즐 조립체의 측단면도.8 is a side cross-sectional view of the nozzle assembly shown in FIG. 6.
도 9는 서멀 벤드 액츄에이터에 의해 형성된 이동부를 갖는 천정부를 포함하는 잉크젯 노즐 조립체의 측단면도.9 is a side cross-sectional view of an inkjet nozzle assembly including a ceiling having a moving portion formed by a thermal bend actuator.
도 10은 도 9에 도시된 노즐 조립체의 절결 사시도.FIG. 10 is a cutaway perspective view of the nozzle assembly shown in FIG. 9. FIG.
도 11은 도 10에 도시된 노즐 조립체의 사시도.FIG. 11 is a perspective view of the nozzle assembly shown in FIG. 10. FIG.
도 12는 도 10에 도시된 노즐 조립체의 어레이의 절결 사시도.12 is a cutaway perspective view of the array of nozzle assemblies shown in FIG. 10.
도 13은 서멀 벤드 액츄에이터에 의해 형성된 이동부를 갖는 천정부를 포함하는 다른 잉크젯 노즐 조립체의 측단면도.FIG. 13 is a side cross-sectional view of another inkjet nozzle assembly including a ceiling having a moving portion formed by a thermal bend actuator. FIG.
도 14는 도 13에 도시된 노즐 조립체의 절결 사시도.FIG. 14 is a cutaway perspective view of the nozzle assembly shown in FIG. 13. FIG.
도 15는 도 13에 도시된 노즐 조립체의 사시도.FIG. 15 is a perspective view of the nozzle assembly shown in FIG. 13. FIG.
도 16은 다공성 재료로 형성된 개재형(sandwitched) 절연 빔을 포함하는 복층식 서멀 벤드 액츄에이터의 개략 측면도.16 is a schematic side view of a multilayer thermal bend actuator including a sandwitched insulated beam formed of a porous material.
도 17은 다공성 재료로 형성된 능동 빔을 포함하는 복층식 서멀 벤드 액츄에이터의 개략 측면도.17 is a schematic side view of a multilayer thermal bend actuator comprising an active beam formed of a porous material.
<발명의 상세한 설명><Detailed description of the invention>
알루미늄 합금으로 이루어진 Made of aluminum alloy 열탄성Thermoelastic 능동소자 Active element
전형적으로, MEMS 서멀 벤드 액츄에이터(또는 열탄성 액츄에이터(thermoelastic actuator)는 능동소자와 이 능동소자의 선팽창(linear expansion)을 구속하는 수동소자의 형태로 된 한 쌍의 소자를 포함한다. 능동소자는 수동소자에 대하여 보다 큰 열탄성 팽창을 받는 것이 요구되고, 이에 의해 굽힘 운동이 제공된다. 상기 소자들은 최대 구조보전(structural integrity)을 위해 함께 융착 또는 접착될 수 있고, 또는 능동소자에 대한 열손실을 최소화하기 위해 이격될 수 있다.Typically, MEMS thermal bend actuators (or thermoelastic actuators) comprise a pair of elements in the form of active elements and passive elements that constrain the linear expansion of the active elements. It is required to receive a greater thermoelastic expansion for the device, thereby providing a bending motion The devices can be fused or glued together for maximum structural integrity, or they can reduce heat loss for the active device. It can be spaced apart to minimize it.
지금까지, 서멀 벤드 액츄에이터 내의 능동 열탄성 소자의 적합한 대체물(candidate)인 질화티탄에 대하여 설명하였다(예를 들면, 미국특허 제6,416,167호 참조). 예를 들어, 본 출원인의 미국특허 제6,428,133호에 설명된 다른 적합한 재료는 TiB2, MoSi2 및 TiAlN이다.So far, titanium nitride, which is a suitable substitute for an active thermoelastic element in a thermal bend actuator, has been described (see, eg, US Pat. No. 6,416,167). For example, other suitable materials described in US Pat. No. 6,428,133 are Applicants TiB 2 , MoSi 2 and TiAlN.
그 높은 열팽창과 낮은 밀도의 관점에서, 알루미늄은 능동 열탄성 소자로서 사용하기 위한 강력한 대체물이다. 그러나, 알루미늄은 영률이 비교적이 낮아, 그 전체적인 열탄성 효율을 떨어뜨린다. 따라서, 알루미늄은 능동 열탄성 소자로서 사용하기 위한 적합한 재료로서 무시되었다.In view of its high thermal expansion and low density, aluminum is a powerful substitute for use as an active thermoelastic device. However, aluminum has a relatively low Young's modulus, which lowers its overall thermoelastic efficiency. Therefore, aluminum has been ignored as a suitable material for use as an active thermoelastic element.
그러나, 지금은 알루미늄 합금이 열탄성 능동소자로서 사용하는데 우수한 재료임을 알게 되었는데, 그 이유는 높은 열팽창, 낮은 밀도 그리고 높은 영률의 유리한 물성을 모두 갖고 있기 때문이다.However, it has now been found that aluminum alloy is an excellent material for use as a thermoelastic active element, because it has all of the advantageous properties of high thermal expansion, low density and high Young's modulus.
전형적으로, 알루미늄은 영률이 100GPa보다 큰 적어도 1종의 금속으로 합금된다. 전형적으로, 알루미늄은 바나듐, 망간, 크롬, 코발트 및 니켈로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1종의 금속으로 합금된다. 놀랍게도, 알루미늄의 우수한 열팽창 물성이 그와 같은 금속과 합금되었을 때 손상(compromise)되지 않음을 알게 되었다. Typically, aluminum is alloyed with at least one metal having a Young's modulus of greater than 100 GPa. Typically, aluminum is alloyed with at least one metal selected from the group consisting of vanadium, manganese, chromium, cobalt and nickel. Surprisingly, it has been found that the good thermal expansion properties of aluminum are not compromised when alloyed with such metals.
선택적으로, 상기 합금은 적어도 60%, 선택적으로 적어도 70%, 선택적으로 적어도 80% 또는 선택적으로 적어도 90%의 알루미늄을 포함한다.Optionally, the alloy comprises at least 60%, optionally at least 70%, optionally at least 80% or optionally at least 90% aluminum.
도 1은 지주(post)(202)에 고정된 캔틸레버 빔(201)의 형태로 있는 바이몰프(bimorph) 서멀 벤드 액츄에이터(200)를 도시한 것이다. 캔틸레버 빔(201)은 이산화 실리콘으로 된 상부 능동 빔(220)에 접착된 하부 능동 빔(210)을 포함한다. (i) 100%의 Al, (ii) 95%의 Al/5%의 V, 및 (iii) 90%의 Al/10%의 V로 이루어지는 능동 빔에 대해 액츄에이터(200)의 열탄성 효율을 비교하였다.1 shows a bimorph
능동 빔(210)에 짧은 전기펄스를 자극하고 레이저 간섭계에 의해 결정한 바 와 같이 3m/s의 피크 진동속도(peak oscillatory velocity)를 확립하는데 요구되는 에너지를 측정함으로써 상기 열탄성 효율을 비교하였다. 그 결과를 아래의 표에 나타낸다.The thermoelastic efficiencies were compared by stimulating a short electric pulse on the
이와 같이, 95%의 Al/5%의 V 합금은 비교대상의 100%의 Al 소자보다 2.08배 적은 에너지를 요구하였다. 또한, 90%의 Al/10%의 V 합금은 비교대상의 100%의 Al 소자보다 2.12배 적은 에너지를 요구하였다. 그러므로, Al소자에 대하여는, 알루미늄이 잉크젯 노즐용 서멀 벤드 액츄에이터를 포함하여 MEMS 적용분야의 범주에서 능동 열탄성 소자로서 사용하는데 우수한 대체물이라고 결론지어졌다. As such, 95% Al / 5% V alloy required 2.08 times less energy than 100% Al element compared. In addition, 90% Al / 10% V alloy required 2.12 times less energy than 100% Al element compared. Therefore, for Al devices, it has been concluded that aluminum is an excellent substitute for use as an active thermoelastic device in the scope of MEMS applications, including thermal bend actuators for inkjet nozzles.
서멀Thermal 벤드Bend 액츄에이터를Actuator 포함하는 Containing 잉크젯Inkjet 노즐 Nozzle
이하, 알루미늄 합금으로 이루어진 능동 소자를 갖는 서멀 벤드 액츄에이터를 통합할 수 있는 전형적인 잉크젯 노즐에 대하여 설명한다. Hereinafter, a typical inkjet nozzle capable of integrating a thermal bend actuator having an active element made of an aluminum alloy will be described.
<융착된 서멀 벤드 액츄에이터를 포함하는 노즐 조립체><Nozzle Assembly Including Fused Thermal Bend Actuator>
먼저 도 2(A) 및 도 3으로 돌아가면, 제1 실시형태에 의한 노즐 조립체(100)의 개략도가 도시되어 있다. 노즐 조립체(100)는 미국특허 제6,416,167호에 설명된 바와 같이, 실리콘 기판(3)의 부동태층(passivation layer)(2) 상에 MEMS 처리 에 의해 형성된다. 노즐 조립체(100)는 천정부(4)와 측벽부(5)를 갖는 노즐 챔버(1)를 포함한다. 노즐 챔버(1)에는, 기판(3)을 통해 에칭된 잉크 유입구 채널(ink inlet channel)(7)에 의해 잉크가 충전된다. 노즐 챔버(1)는 노즐 챔버로부터 잉크를 분사하기 위한 노즐 개구(8)를 더 포함한다. 잉크 메니스커스(meniscus)(20)는 도 2(A)에 도시된 바와 같이, 노즐 개구(8)의 가장자리(rim)(21)와 접촉되게 고정된다. 2A and 3, a schematic diagram of the
노즐 조립체(100)는 노즐 챔버(1) 내부에 위치되어, 노즐 챔버의 외부에 위치된 액츄에이터(10)에 아암(arm)(11)을 통해 상호연결되는 패들(paddle)(9)을 더 포함한다. 도 2에 보다 명확히 도시된 바와 같이, 아암은 노즐 챔버(1)의 슬롯(slot)(12)을 통하여 뻗는다. 슬롯(12) 내의 잉크의 표면장력은 노즐 챔버(1) 내에 들어있는 잉크에 대한 유체씰(fluidic seal)을 제공하는데 충분하다. The
액츄에이터(10)는 횡방향으로 이격되어 있는 복수의 기다란 액츄에이터 유닛(elongate actuator unit)(13)을 포함한다. 각 액츄에이터 유닛은 부동태층(2) 상에 장착되는 고정지주(fixed post)(14)와 아암(11) 사이로 뻗어 있다. 그러므로, 지주(14)는 액츄에이터(10)의 굽힘운동을 위한 피벗(pivot)을 제공한다. The
각 액츄에이터 유닛(13)은 제1 능동 빔(15)과 이 능동 빔의 상면에 융착된 제2 수동 빔(16)을 포함한다. 능동 빔(15)은 도전성(conductive)을 가지며 기판(3)의 CMOS층의 구동회로에 연결되어 있다. 수동 빔(16)은 전형적으로 비도전성(non-conductive)이다.Each
이제 도 2(B)를 참조하면, 전류가 능동 빔(15)을 통하여 흐를 때, 능동 빔(15)은 가열되어 수동 빔(16)에 대하여 열팽창을 받는다. 이는 액츄에이터(10)의 상향 굽힘운동을 야기시켜, 패들(9)의 회전운동으로 확대된다. Referring now to FIG. 2B, when current flows through the
이러한 결과적인 패들 운동은 도 1b에 예시한 바와 같이, 급속한 방식으로 팽창하는 잉크 메니스커스 주변 압력의 증가를 유발한다. 이어서, 액츄에이터는 작동중지되어, 패들(9)이 그 정지위치(quiescent position)로 복귀되게 한다(도 2(C)). This resulting paddle movement causes an increase in the pressure around the ink meniscus that expands in a rapid manner, as illustrated in FIG. 1B. The actuator is then deactivated, causing the paddle 9 to return to its quiescent position (FIG. 2C).
펄스 사이클(pulsing cycle) 중에, 잉크방울(17)은 노즐 개구(8)로부터 분사되고 동시에 잉크(6)는 잉크 유입구(7)를 통하여 노즐 챔버(1)로 다시 흐른다. 노즐 가장자리(21) 외부의 잉크의 전진운동과 그 대응하는 역류(backflow)는, 도 2(C)에 도시한 바와 같이, 인쇄매체쪽으로 진행하는 잉크방울(17)의 목을 잘라 단절시키게 한다. 붕괴된 메니스커스(20)는, 잉크가 잉크 유입구(7)를 통해 노즐 챔버(1) 내로 빨려들어가게 하여 준다. 노즐 챔버(1)는, 도 2(A)의 위치가 다시 도달되고 노즐 조립체(100)가 다른 잉크방울을 분사할 준비가 되어 있도록 리필(refill)된다.During the pulse cycle, ink droplets 17 are ejected from the
도 3으로 돌아가면, 액츄에이터 유닛(13)들이 그 횡축에 대하여 테이퍼(taper)형상으로 되어 있고, 지주(14)에 연결된 협폭 단부(narrower end)와 아암(11)에 연결된 광폭 단부(wider end)를 갖는다. Returning to FIG. 3, the
이러한 테이퍼 형상은, 최대의 저항가열이 지주(14) 근방에서 일어나서, 열탄성 굽힘운동을 최대화시키는 것을 보장한다.This tapered shape ensures that maximum resistive heating occurs near the
전형적으로, 수동 빔(16)은 CVD에 의해 증착된 TEOS 또는 이산화 실리콘으로 이루어진다. 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 아암(11)은 같은 재료로 형성된다.Typically, the
본 발명에서, 능동 빔(15)은 알루미늄 합금, 바람직하게는 상술한 바와 같이 알루미늄-바나듐 합금으로 이루어진다.In the present invention, the
<이격된 서멀 벤드 액츄에이터를 포함하는 노즐 조립체><Nozzle Assembly Including Spaced Thermal Bend Actuator>
이제 도 5 내지 도 8로 돌아가면, 제2 실시형태에 따른 노즐 조립체(300)가 도시되어 있다. 도 5 내지 도 7을 참조하면, 노즐 조립체(300)는 챔버(304) 속의 육각형 유입구(3030)(다른 어떤 적합한 형태로 구성될 수 있음)를 통하여 잉크공급구(ink supply aperature)(303)를 형성하는 기판(301) 상에 구성된다(MEMS 기술에 의해). 챔버는 바닥부(305), 천정부(306) 및 망원경같은 신축방식(telescopic manner)으로 겹쳐지는 주변 측벽부(308, 308)들에 의해 형성된다. 측벽부(307)들은 천정부(306)로부터 아래쪽에 매달려 있고 바닥부(305)로부터 상향 측벽부(308) 내에서 상향 ·하향 이동할 수 있다. Turning now to FIGS. 5-8, a
분사노즐은 이하에 더 상세히 설명하는 바와 같이 노즐로부터 잉크를 분사하기 위한 개구를 규정하기 위해 천정부(306)에 위치된 가장자리(309)에 의해 형성된다. The jet nozzle is formed by an
천정부(306) 및 아래쪽에 연결되는 측벽부(307)들은 가열되지 않은 캔틸레버(non-heated cantilever)에 의해 구속되는 주울 가열된 캔틸레버(Joule heated cantilever)를 형성하는 층들로 전형적으로 이루어지는 벤드 액츄에이터(310)에 의 해 지지되므로, 주울 가열된 캔틸레버의 가열은 가열되지 않은 캔틸레버와 주울 가열된 캔틸레버 사이에서 차등 팽창(differential expansion)을 유발시켜, 벤드 액츄에이터(310)를 구부리게 한다.The
벤드 액츄에이터의 기단부(proximal end)는 기판(301)에 체결되고, 이하에 더 상세히 설명하는 바와 같이 앵커부재(anchor member)(312)에 의해 후방으로의 이동을 방지하며, 말단부(distal end)(313)는 잉크젯 노즐의 지지부, 즉 천정부(306)와 측벽부(307)들에 고정된다.The proximal end of the bend actuator is fastened to the
사용시에, 잉크는 적합한 어떤 방식으로 통로(passage)(302)와 개구(303)를 통하여 노즐 챔버에 공급되지만, 앞서 참조한 함께 계류중인 특허출원들에 설명한 바와 같은 방식으로도 공급될 수 있다. 노즐 챔버로부터 잉크방울을 분사하고자 하는 경우, 전기전류는 벤드 액츄에이터(310)에 공급되어 액츄에이터가 도 6에 도시된 위치로 구부려지 천정부(306)를 바닥부(305)를 향해 아래쪽으로 이동되게 한다. 이러한 상대적인 이동은 노즐 챔버의 체적을 줄여, 잉크가 314(도 6)로 표시된 바와 같이 노즐 가장자리(309)를 통하여 위쪽으로 불룩 솟아오르게 한다. 도 6의 314는 잉크의 표면장력에 의해 잉크방울로 형성된다.In use, ink is supplied to the nozzle chamber through
전기전류가 벤드 액츄에이터(310)로부터 중단되면, 액츄에이터는 도 7에 도시된 바와 같은 일직선 형태(straight configuration)로 되돌아가서, 노즐 챔버의 천정부(306)를 원래 위치로 위쪽으로 이동시킨다. 부분적으로 형성된 잉크방울(314)의 모멘텀(momentum)은 잉크방울을 위쪽으로 계속 이동시키게 하여, 인쇄대상의 인접한 용지면 또는 다른 물품으로 돌출되는, 도 7에 도시된 잉크방울(315)를 형성한다.When the electrical current is interrupted from the
본 발명의 하나의 형태에 있어서, 바닥부(305)의 개구(303)는 노즐 챔버의 단면과 비교하여 비교적 크고 잉크방울은 개구(302)의 측벽부들과, 잉크저장소(도시하지 않음)로부터 개구(303)까지 이어지는 공급도관 내의 점성항력(viscous drag)에 의해 천정부(306)의 상향 이동시에 노즐 가장자리(309)를 통하여 분사되게 된다.In one form of the invention, the
작동 중, 즉 벤드 액츄에이터(310)의 굽힘 중에 잉크가 노즐 챔버로부터 누출되는 것을 방지하기 위해, 유체씰은 이하에 도 7 및 도 8을 특별히 참조하여 더 상세히 설명하는 바와 같이 측벽부(307, 308)들 사이에 형성된다.In order to prevent ink from leaking from the nozzle chamber during operation, i.e., during bending of the
잉크는 측벽부(307, 308)들의 기하학적 구조에 의해 천정부(306)와 바닥부(305)의 상대적인 이동 중에 노즐 챔버 내에 보유되며, 이는 잉크가 표면장력에 의해 노즐 챔버 내에 보유되는 것을 보장한다. 이를 위해, 하향 측벽부(307)와 상향 측벽부(308)의 상호 대향하는 면(316) 사이에 매우 미세한 틈이 마련되어 있다. 도 8에서 명확히 볼 수 있는 바와 같이, 잉크(어둡게 그늘진 영역으로서 도시됨)는 2개의 측벽부 부근에 의해 위쪽으로 뻗는 측벽부의 내면(316)과 하향 측벽부(307) 사이의 작은 개구 내에 보유되고, 이는 잉크가 매우 근접한 측벽부들로 인해, 표면장력에 의해 자유개구free opening)(317)를 가로질러 "자체 씰링(self seal)"하는 것을 보장한다.The ink is retained in the nozzle chamber during the relative movement of the
표면장력을 깨뜨릴 수 있는 불순물 또는 다른 요인들로 인해 표면장력 억제를 회피할 수 있는 어떤 잉크를 제공하도록 하기 위해서는, 상향 측벽부(308)는 내 면(316) 뿐만 아니라 2개의 표면 사이에서 U자형 채널(319)를 형성하는 이격된 평행한 외면(18)을 갖는 위쪽으로 대향하는 채널의 형태로 설치된다. 표면(307, 316) 사이의 표면장력으로부터 달아나는 어떠한 잉크는 U자형 채널 안으로 넘쳐흐르는데, 여기서 잉크는 노즐 층들(nozzle sttrata)의 표면을 가로질러 "윅킹(wicking)" 하기보다는 오히려 보유된다. 이와 같이, 이동식 노즐기구 내에 잉크를 보유함에 있어서 효과적인 이중벽 유체씰이 형성된다.In order to provide any ink that can avoid surface tension suppression due to impurities or other factors that can break the surface tension, the
도 8을 참조하면, 액츄에이터(310)가 제1 능동 빔(358)과 제2 수동 빔(360)으로 구성되어 있는데, 제1 능동 빔(358)이 제2 수동 빔(360) 위에 배치되어 그 제2 수동 빔(360)과 이격되어 있음을 볼 수 있다. 2개의 빔을 이격함으로써, 능동 빔(358)으로부터 수동 빔(360)으로의 열전달이 최소화된다. 따라서, 이렇게 이격된 배열구조는 열탄성 효율을 최대화하는 이점이 있다. 본 발명에 있어서, 능동 빔(358)은 상술한 바와 같이, 알루미늄-바나듐 합금과 같은 알루미늄 합금으로 이루어질 수 있다.Referring to FIG. 8, the
<이동식 노즐 천정부를 갖는 서멀 벤드 액츄에이터><Thermal Bend Actuator with Removable Nozzle Ceiling>
도 5 내지 도 8에 의해 예시한 실시형태는 노즐 챔버의 바닥부(305)에 대하여 이동하는 천정부(306)를 갖는 노즐 챔버(304)를 포함하는 노즐 조립체(300)를 도시한 것이다. 이동식 천정부(306)는 노즐 챔버(305)의 외부에 위치된 복층형 서멀 벤드 액츄에이터(310)에 의해 바닥부(305)쪽으로 이동하도록 작동된다.5-8 illustrate a
이동식 천정부는, 이동구조의 한 면만이 점성을 갖는 잉크에 대하여 작용해 야 하므로, 잉크방울 분사에너지를 떨어뜨린다. 그러나, 잉크방울 분사를 위해 유용한 전력량을 여전히 증가시킬 필요성이 있다. 전력량을 증가시킴으로써, 보다 짧은 펄스폭이 같은 에너지량을 제공하는데 사용될 수 있다. 보다 짧은 펄스폭에 의해, 개선된 잉크방울 분사특성을 달성할 수 있다.The movable ceiling drops ink droplet ejection energy because only one side of the movable structure must act on viscous ink. However, there is still a need to increase the amount of power available for ink jetting. By increasing the amount of power, shorter pulse widths can be used to provide the same amount of energy. By shorter pulse width, improved ink drop ejection characteristics can be achieved.
액츄에이터 전력을 증가시키기 위한 하나의 수단은 액츄에이터의 크기를 증가시키는 것이다. 그러나, 도 5 내지 도 8에 도시된 노즐 디자인에서는, 액츄에이터 크기의 증가가 노즐 간격에 불리한 영향을 미치고, 이는 고해상의 페이지폭 프린트헤드의 제조시에 바람직하지 않다.One means for increasing actuator power is to increase the size of the actuator. However, in the nozzle design shown in Figures 5-8, the increase in actuator size adversely affects the nozzle spacing, which is undesirable in the manufacture of high resolution pagewidth printheads.
이러한 문제에 대한 해결책은 도 9 내지 도 12에 도시된 노즐 조립체(400)에 의해 제공된다. 노즐 조립체(400)는 실리콘 기판(403)의 부동태화된 CMOS층(passivated CMOS layer)(402) 상에 형성된 노즐 챔버(401)를 포함한다. 노즐 챔버는 천정부(404)와 천정부로부터 부동태화된 CMOS층(402)으로 뻗는 측벽부(405)에 의해 형성된다. 잉크는 실리콘 기판의 후면측으로부터 잉크를 수용하는 잉크공급채널(407)과 유체연통(fluid communication)하는 상태로 잉크 유입구(406)에 의해 노즐 챔버(401)에 공급된다. 잉크는 천정부(404)에 형성된 노즐 개구(408)에 의해 노즐 챔버(401)로부터 분사된다. 노즐 개구(408)는 잉크 유입구(406)으로부터 옵셋(offset)되어 있다.A solution to this problem is provided by the
도 10에 더 명확히 도시된 바와 같이, 천정부(404)는 천정부 총면적의 실질적인 부분을 이루는 이동부(409)를 갖는다. 전형적으로, 이동부(409)는 천정부(404) 총면적의 적어도 20%, 적어도 30%, 적어도 40% 또는 적어도 50%를 형성한 다. 도 9 내지 도 12에 도시된 실시형태에 있어서, 노즐 개구(408)와 노즐 가장자리(415)는 이동부(409)에 형성되므로, 노즐 개구와 노즐 가장자리는 이동부와 함께 이동된다.As shown more clearly in FIG. 10, the
노즐 조립체(400)는 평면의 상부 능동 빔(411)과 평면의 하부 수동 빔(412)을 갖는 서멀 벤드 액츄에이터(410)에 의해 형성된다. 그러므로, 액츄에이터(410)는 전형적으로, 천정부(404) 총면적의 적어도 20%, 적어도 30%, 적어도 40% 또는 적어도 50%를 형성한다. 마찬가지로, 상부 능동 빔(411)은 전형적으로, 천정부(404) 총면적의 적어도 20%, 적어도 30%, 적어도 40% 또는 적어도 50%를 형성한다.The
도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 상부 능동 빔(411)의 적어도 일부는 2개의 빔의 열절연(thermal insulation)을 최대화하기 위해 하부 수동 빔(412)과 이격되어 있다. 더 구체적으로는, Ti의 층은 TiN으로 이루어진 상부 능동 빔(411)과 SiO2로 이루어진 하부 수동 빔(412) 사이에 가교층(bridging layer)(413)으로서 사용된다. 가교층(413)은, 틈(414)이 능동 빔과 수동 빔 사이에서 액츄에이터(410)에 형성되게 하여 준다. 이 틈(414)은 능동 빔(411)으로부터 수돈 빔(412)으로의 열전달을 최소화함으로써 액츄에이터(410)의 전체 효율을 향상시킨다.As shown in FIGS. 9 and 10, at least a portion of the upper
그러나, 능동 빔(411)이 구조적 강성을 향상시키기 위해 택일적으로 수동 빔(412)에 직접 융착 또는 접착된다는 것을 물론 알 수 있을 것이다. 이러한 디자인 변경은 숙련자의 영역 내에서 쉽게 이루어질 것이고 본 발명의 범위 내에 포함 된다.However, it will of course be appreciated that the
능동 빔(411)은 Ti 가교층을 통해 한 쌍의 접점(416)(포지티브(positive)와 접지(ground))에 연결된다. 접점(416)들은 CMOS층들에서의 구동회로와 연결된다.The
노즐 챔버(401)로부터 잉크방울을 분사할 것이 요구되면, 전류는 2개의 접점(416) 사이에서 능동 빔(411)을 통해 흐른다. 능동 빔(411)은 전류에 의해 급속히 가열되어 수동 빔(412)에 대하여 팽창되며, 이에 의해 액츄에이터(410)(천정부(404)의 이동부(409)를 형성함)가 기판(403)을 향해 아래쪽으로 구부려지게 된다. 액츄에이터(410)의 이와 같은 운동은 노즐 챔버(401) 내의 급속한 압력 증가에 의해 노즐 개구(408)로부터 잉크를 분사시키게 한다. 전류 흐름이 중단되면, 천정부(404)의 이동부(409)는 다음 분사를 대비하여, 잉크를 유입구(406)로부터 노즐 챔버(401)로 빨아들이는 그 정지위치로 복귀되게 된다.If it is desired to eject ink droplets from the
따라서, 잉크방울 분사의 원리는 노즐 조립체(300)와 관련하여 상술한 것과 유사하다. 그러나, 서멀 벤드 액츄에이터(410)가 천정부(404)의 이동부(408)를 형성함에 따라, 훨씬 큰 전력량이 잉크방울 분사를 위해 유용하게 되는데, 그 이유는 능동 빔(411)이 노즐 조립체(400)의 전체 크기에 비하여 큰 영역을 갖기 때문이다.Thus, the principle of ink droplet ejection is similar to that described above in connection with
도 12로 돌아가면, 노즐 조립체(400)(본 명세서에 설명된 다른 노즐 조립체들도 포함)가 프린트헤드 또는 프린트헤드 집적회로를 형성하기 위해 노즐 조립체들의 어레이로 반복될 수 있음을 바로 알 수 있을 것이다. 프린트헤드 집적회로는 실리콘 기판, 이 기판 상에 형성된 노즐 조립체들의 어레이(전형적으로는 행(row)으로 배열), 및 노즐 조립체들의 구동회로를 포함한다. 복수의 프린트헤드 집적회 로는 예를 들면, 본 명세서에 참조에 의해 통합된, 2004년 5월 27일자와 2004년 12월 20일자에 각각 출원된 본 출원인의 미국특허출원 제10/854,491호와 제11/014,732호에 설명된 바와 같이, 페이지폭 잉크젯 프린트헤드를 형성하기 위해 인접하거나 연결될 수 있다.12, it will be readily appreciated that nozzle assembly 400 (also including other nozzle assemblies described herein) may be repeated with an array of nozzle assemblies to form a printhead or printhead integrated circuit. will be. The printhead integrated circuit includes a silicon substrate, an array of nozzle assemblies (typically arranged in rows) formed on the substrate, and a drive circuit of the nozzle assemblies. A plurality of printhead integrated circuits are described in, for example, US Patent Application Nos. 10 / 854,491 and 5, filed on May 27, 2004 and December 20, 2004, respectively, each incorporated by reference herein. As described in 11 / 014,732, they may be adjacent or connected to form a pagewidth inkjet printhead.
도 13 내지도 15에 도시된 노즐 조립체(500)는, 상부 능동 빔(511)과 하부 수동 빔(512)을 갖는 서멀 벤드 액츄에이터(510)가 노즐 챔버(501)의 천정부(510)의 이동부를 형성하는 한, 노즐 조립체(400)와 유사하다. 그러므로, 노즐 조립체(500)는 증가된 전력의 관점에서 노즐 조립체(400)와 같은 이점을 달성한다.The
그러나, 노즐 조립체(400)와는 대조적으로, 노즐 개구(508)와 가장자리(515)는 천정부(504)의 이동부에 의해 형성된다. 오히려, 노즐 개구(508)와 가장자리(515)는, 액츄에이터(510)가 잉크방울 분사 중에 노즐 개구와 가장자리와 관계없이 이동하도록 천정부(504)의 고정부에 형성된다. 이러한 구조의 이점은 방울 비행방향(drop flight direction)을 더 간편하게 제어할 수 있다는 것이다.However, in contrast to the
서멀 벤드 효율이 향상된다는 고유의 이점을 갖는 알루미늄 합금이 도 9 내지 도 15에 도시된 실시형태들과 관련하여 상술한 서멀 벤드 액츄에이터(410, 510)들 중 어느 한 쪽에 능동 빔으로서 사용될 수 있음을 물론 알 수 있을 것이다.It is noted that an aluminum alloy having the inherent advantage of improved thermal bend efficiency can be used as an active beam on either of the
노즐 조립체(400, 500)는 본 명세서에 참조에 의해 통합된, 본 출원인의 미국특허 제6,416,167호 및 제6,755,509호에 예시된 잉크젯 노즐 제조공정과 유사한 방식으로 적합한 MEMS 기술을 이용하여 만들어 질 수 있다.The
굽힘 방향으로의 최적 강성을 갖는 능동 빔Active beam with optimal stiffness in the bending direction
이제 도 11 및 도 15를 참조하면, 액츄에이터(410, 510)들의 상부 능동 빔(411, 511)들이 구부려진 형태(빔(411)의 경우) 또는 사행형 형태(빔(511)의 경우)의 어느 한 쪽을 갖는 사행형 빔소자로 각각 이루어짐을 볼 수 있을 것이다. 사행형 빔소자는 길다랗고 저항 가열에 적합한 비교적 작은 단면적을 갖는다. 또한, 사행형 형태는 빔소자의 각 단부를 액츄에이터의 일단에 위치된 각각의 접점에 연결하게 할 수 있어, 노즐 조립체의 전체 디자인과 구성이 간소화된다.Referring now to FIGS. 11 and 15, the upper
구체적으로 도 14 및 도 15를 참조하면, 기다란 빔소자(520)는 액츄에이터(510)의 기다란 능동 캔틸레버 빔(511)을 형성하는 사행형 형태를 갖는다. 사행형 빔소자(520)는 제1 전기접점(516)을 제2 전기접점(516)과 연결하는 평면 사행형 경로(planar tortuous path)를 갖는다. 전기접점(516)(포지티브와 접지)은 액츄에이터(510)의 일단에 위치되며 CMOS층(502) 내의 구동회로와 능동 빔(511) 사이에 전기접속을 제공한다.Specifically, referring to FIGS. 14 and 15, the
사행형 빔소자(520)는 표준 리소그래피 에칭 기술에 의해 제조되며 복수의 인접한 빔부재에 의해 형성된다. 일반적으로, 빔 부재들은 빔 재료의 고형부(solid portion)로서 형성될 수 있는데, 이는 예를 들면, 종방향 또는 횡방향으로 거의 직선으로 뻗어 있다. 빔소자(520)의 빔 부재들은 기다란 캔틸레버 빔(511)의 종축을 따라 뻗는 긴 빔 부재(521)들과, 기다란 캔틸레버 빔(511)의 횡축을 따라 뻗는 짧은 빔 부재(522)들로 구성되어 있다. 이와 같은 사행형 빔소자(520) 구조의 이점은 캔틸레버 빔(511)의 굽힘 방향으로 최대 강성을 제공한다는 것이다. 굽힘 방향으로의 강성은 각 작동 후에 그 정지위치로 돌아가는 액츄에이터(510)의 굽힘을 수월하게 하기 때문에 이점이 있다. The
도 11에 도시된 노즐 조립체(400)에 대한 구부려진 능동 빔이 노즐 조립체(500)와 관련하여 상술한 것과 같거나 유사한 이점을 달성함을 알 수 있을 것이다. 도 11에서, 종방향으로 뻗는 긴 빔 부재들은 421로 표시되어 있는 반면, 횡방향으로 뻗는 짧은 빔 부재는 422로 표시되어 있다.It will be appreciated that the curved active beam for the
열 효율을 향상시키기 위한 다공성 재료의 사용Use of Porous Materials to Improve Thermal Efficiency
본 출원인에 의해 설명한 서멀 벤드 액츄에이터의 상술한 모든 실시형태는 물론 다른 실시형태들에 있어서, 능동 빔은 구조적 강성을 위해 수동 빔에 접착되거나(도 1 및 도 2 참조), 혹은 능동 빔은 최대 열 효율을 위해 수동 빔과 이격되어 있다(도 8 참조). 빔들 사이의 공기틈(air gap)에 의해 제공된 열 효율은 물론 바람직하다. 그러나, 이와 같은 열 효율의 개선은 대체로, 구조적 강성의 비용과 서멀 벤드 액츄에이터를 구부리게 하기 위한 성향에 있다.In all the above-described and other embodiments of the thermal bend actuator described by the applicant, the active beam is bonded to the passive beam for structural stiffness (see FIGS. 1 and 2), or the active beam is at maximum heat. It is spaced apart from the passive beam for efficiency (see FIG. 8). The thermal efficiency provided by the air gap between the beams is of course desirable. However, this improvement in thermal efficiency is largely due to the cost of structural rigidity and the propensity to bend the thermal bend actuator.
본 명세서에 참조에 의해 통합된 미국특허 제6,163,066호는, 유전상수가 약 2.0 이하인 다공성 실리콘 탄화물을 기술하고 있다. 그 재료는 다공성 실리콘 탄화물을 형성하기 위해 실리콘 탄화물의 증착과 탄소 성분의 산화에 의해 형성된다. 실리콘에 대한 탄소의 비율을 증가시킴으로써, 결과적인 다공성 실리콘 탄화물의 다공성이 증대될 수 있다. 다공성 실리콘 탄화물은 기생 저항(parasitic resistance)을 줄이기 위해 집적회로의 보호층(passivation layer)으로서 유용하다 는 것이 알려져 있다.US Pat. No. 6,163,066, incorporated herein by reference, describes porous silicon carbide having a dielectric constant of about 2.0 or less. The material is formed by deposition of silicon carbide and oxidation of the carbon component to form porous silicon carbide. By increasing the ratio of carbon to silicon, the porosity of the resulting porous silicon carbide can be increased. Porous silicon carbide is known to be useful as a passivation layer of integrated circuits to reduce parasitic resistance.
그러나, 본 출원인은, 이러한 유형의 다공성 재료가 서멀 벤드 액츄에이터들의 효율을 향상시키기 위해 유용하다는 것을 알았다. 다공성 재료는 능동 빔과 수동 빔 사이에 절연층으로서 사용되거나, 혹은 수동 빔 자체로서 사용될 수 있다.However, Applicants have found that this type of porous material is useful for improving the efficiency of thermal bend actuators. The porous material can be used as an insulating layer between the active beam and the passive beam, or as the passive beam itself.
도 16은 상부 능동 빔(601), 하부 수동 빔(602) 및 상부와 하부 빔 사이에 개재된 절연층(603)을 포함하는 서멀 벤드 액츄에이터(600)를 도시한 것이다. 절연 빔은 다공성 실리콘 탄화물로 이루어진 반면, 능동 빔(601)과 수동 빔(602)은 각각 TiN과 SiO2와 같은 적합한 어떠한 재료로도 이루어질 수 있다.16 illustrates a
절연층(603)의 다공성은 능동 빔(601)과 수동 빔(602) 사이에 우수한 열 절연(thermal insulation)을 제공한다. 절연층(603)은 구조적 강성을 갖는 액츄에이터(600)을 제공하기도 한다. 그러므로, 액츄에이터(600)는 도 1, 도 2 및 도 8과 관련하여 상술한 양쪽 유형의 서멀 벤드 액츄에이터의 이점을 겸비하고 있다.The porosity of the insulating
택일적으로 그리고 도 17에 도시한 바와 같이, 다공성 재료는 복층의 서멀 벤드 액츄에이터의 수동층(passive layer)을 간단히 형성할 수 있다. 따라서, 서멀 벤드 액츄에이터(650)는 TiN으로 이루어진 상부 능동 빔(651)과, 다공성 이산화 실리콘으로 이루어진 하부 수동 빔(652)으로 구성된다.Alternatively and as shown in FIG. 17, the porous material may simply form a passive layer of a multilayer thermal bend actuator. Thus, the
물론, 도 16 및 도 도 17에 도시한 유형들의 서멀 벤드 액츄에이터가 어떤 적합한 잉크젯 노즐 또는 다른 MEMS 장치에 통합될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 열 효율과 구조적 강성을 개선하면, 기계적 액츄에이터 또는 변환기(transducer)를 필요로 하는 어떤 MEMS 응용분야에서는 이러한 액츄에이터가 매력적이다. Of course, it will be appreciated that the thermal bend actuators of the types shown in FIGS. 16 and 17 can be integrated into any suitable inkjet nozzle or other MEMS device. Improving thermal efficiency and structural stiffness makes such actuators attractive for some MEMS applications that require mechanical actuators or transducers.
도 16 및 도 17에 도시된 유형들의 서멀 벤드 액츄에이터는 상술한 잉크젯 노즐 조립체(400, 500)들에 사용하는데 특히 적합하다. 숙련자라면, 이러한 서멀 벤드 액츄에이터(400, 500)들이 상술한 열 효율과 구조적 강성의 개선을 실현할 수 있음을 바로 인식할 수 있을 것이다.The thermal bend actuators of the types shown in FIGS. 16 and 17 are particularly suitable for use with the
상술한 서멀 벤드 액츄에이터(600, 650)들에서의 능동 빔 부재(601, 651)들이 열 굽힘 효율을 더 향상시키기 위해 본 명세서에서 설명한 바와 같이, 알루미늄 합금으로 구성될 수 있음을 더 알 수 있을 것이다.It will further be appreciated that the
물론, 본 발명은 실시예에 의해서만 설명하였고 상세한 변경은 첨부한 청구범위에 규정되는 본 발명의 범위 내에서 이루어질 수 있음을 알 수 있을 것이다.Of course, it will be appreciated that the invention has been described only by way of example and that detailed changes may be made within the scope of the invention as defined in the appended claims.
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