KR101217199B1 - 액체방울 분출헤드, 그것을 포함하는 필기도구 및 액체방울분출방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 포켓용 액체 분출도구(1)에 마운팅되도록 고안된 액체방울 분출헤드(100)에 대한 것이다. 액체방울 분출헤드는 공급챔버(106)에 연결되는 유입구와 분출노즐(99)에 연결되는 유출구를 가지는 구동챔버(105)를 포함한다. 구동챔버는 또한, 제어장치로부터 받은 에너지에 의해 활성화될 때 그 안에 함유된 액체에 펄스 파동을 일으키기 위한 액추에이터(120)를 포함한다. 구동챔버의 유출구는 액체방울이 분출되는 단일한 공통의 분출노즐(99)에 연결된다.

분출노즐, 분출헤드, 분출도구, 필기도구

Description

액체방울 분출헤드, 그것을 포함하는 필기도구 및 액체방울 분출방법{A Liquid Droplet Ejecting Head, A Writing Instrument Comprising Such a Head, and A Method of Ejecting Liquid Droplets from Same}

본 발명은 액체방울 분출헤드 및 그것을 포함하는 포켓용 액체 분출도구에 대한 것이다. 본 발명은 또한 상기의 액체방울 분출헤드를 이용하는 액체방울 분출방법에 대한 것이다.

더 구체적으로는, 본 발명은 포켓용 액체 분출도구에 마운팅되도록 고안되는 액체방울 분출헤드에 대한 것으로서, 구동챔버에 액체를 제공하기 위하여 각 구동챔버는 적어도 하나의 공급챔버에 연결되는 적어도 하나의 유입구를 구비하는 복수 개의 구동챔버와, 제어 유니트로부터 도달하는 에너지에 의해 활성화될 때 그 안에 포함된 액체에 펄스 파동(pulse wave)을 일으키기에 적합한 적어도 하나의 액추에이터 및 분출노즐에 연결된 적어도 하나의 유출구를 포함하여 이루어진다.

공지된 종래기술은 복수 개의 구동챔버를 포함하는 잉크분출헤드를 나타내고 있다. 하지만, 그들은 각각의 잉크분출 액추에이터에 대하여 하나의 분출노즐을 구 비하고 있고, 복수 개의 노즐에서 생성된 복수 개의 방울이 분출된다. 이 분출헤드는 대개, 통풍이 극히 적으며, 분출거리가 알려져 있고 일반적으로 일정하게 유지되는, 보호된 환경, 예를 들어 데스크 프린터(desk printer)에서 사용된다. 다양한 스캔속도가 제공되는 경우에, 종래기술은 대개 더 많은 잉크가 착탄(deposition)될 수 있도록 하기 위하여 분출주파수의 변화에 의존한다. 그러나 이것이, 더 큰 거리에 걸쳐 분출한다는 점을 여전히 안고 있다는 문제점을 해결하지는 못하고 있다.

본 발명은 상기 언급된 문제점을 고려하여 착안되었고, 본 발명의 목적은 통상보다 더 멀리 떨어진 거리에서 기층(substrate)으로부터 지지면(support) 상으로 액체방울을 분출하기에 현저히 적합한 액체방울 분출헤드를 제공하는 것이다. 종국적으로 본 발명의 하나의 태양은, 상기 복수 개의 구동챔버의 유출구들이 액체방울이 상기 헤드로부터 관통하여 분출되는 단일한 공통의 분출노즐에 연결되는 것을 특징으로 하는, 상기 언급된 형태의 액체방울 분출헤드를 제공하는 것이다.

더 크고 따라서 더 무거운 액체방울이 분출되고, 작은 액체방울에 비하여 더 멀리 그리고 더 정확하게 이동할 것이다. 이것은, 일반적으로 잉크젯 프린터와 같이 전통적인 잉크 분출 기술이 사용되는 응용예의 경우보다 액체방울 분출헤드와 필기면 사이의 거리가 훨씬 더 큰 포켓용(handheld) 필기도구를 사용할 때 중요한 이점이다. 본 발명은 데스크톱(desktop) 잉크젯 프린터에서 사용되는 것과 같은 전형적크기의 액추에이터를 사용할 수 있도록 함으로써 많은 작은 방울들을 큰 분출방울로 조합함에 의해 전형적 크기보다 큰 크기의 방울을 생성할 수 있게 해준다는 것 또한 주목해야 할 것이다. 액추에이터의 크기가 더 작기 때문에, 액체방울 분출헤드 내에서 액추에이터가 더 큰 위치자유(positioning freedom) 및 배열자유(arranging freedom)를 가질 수 있게 한다.

부가적 이점은, 각 잉크 점화(fire) 시기에서 다른 숫자의 액추에이터를 구동하는 옵션을 가짐으로써 사용자 입력이나 추론된 결과의 함수로서 분출방울의 체적을 변화시키고, 지지면을 향하여 단일한 노즐을 통해 크기가 변하는 출구(exit)를 갖는 단일한 방울을 가지게 될 가능성이다. 이것은 특히 주파수를 바꿀 필요 없이 두께가 변하는 선을 기록하는 데에 유용하다.

본 발명의 다양한 실시예는 특히 다음의 조건들 중 어느 하나를 포함한다.

- 구동챔버의 유출구가 공통의 중앙 출구챔버에 연결되고, 상기 중앙 출구챔버는 분출노즐에 연결되어 있다.

- 중앙 출구챔버는 액체 유동 펄스를 분출노즐 쪽으로 편향시키기 위하여 중앙에 편향부재(deflection member)를 함유한다.

- 복수 개의 구동챔버는 공통의 분출노즐 주위에 반경방향 패턴으로 배열된다.

- 구동챔버들은 대칭패턴 및 짝수로 배열된다.

- 복수 개의 구동챔버는 홀수 개로 되는데, 바람직하게는 세 개의 구동챔버 각각이 삼각 형상의 플랫 바디(flat body)의 세 개의 모서리 쪽으로 뻗어 있다.

- 복수 개의 공급챔버가 구비되는데, 각 챔버는 적어도 하나의 구동챔버와 소통하고 액체 리저버(liquid reservoir)와 유체 연결이 되도록 하나의 관통구멍을 가지거나 공유한다.

- 액체방울 분출헤드는 전면(front face)과 후면(rear face)을 가지는 실질적으로 평평한 형상이다. 이들 면들은 서로 평행이고 분출노즐은 전면에 형성되며 구동챔버의 유입구와 소통하는 관통구멍이 후면에 구비된다.

- 복수 개의 구동챔버의 유입구와 유출구는 기판의 주 평면(main plane)에 전체적으로(globally) 뻗어있는데, 선취적으로는(preferentially) 분출노즐 방향으로부터 반경방향을 따라 뻗어있다.

- 액체방울 분출헤드는 실리콘 웨이퍼(silicon wafer) 또는 다른 적당한 재료로 만들어진다.

- 액추에이터는 정전기적(electrostatic), 열적, 압전(piezoelectric) 액추에이터 바람직하게는 정전기적 액추에이터를 포함하는 그룹에서 선택된 다음의 수단들 중 하나를 포함하여 이루어진다.

위에서 정의된 액체방울 분출헤드는 특히, 전단(front end)에 개구부(opening)를 가지는 실질적으로 관형(tubular)의 몸체를 가지고, 상기 조건들 중 어느 하나에 따라 액체 리저버, 에너지 저장 유니트, 제어 유니트 및 액체방울 분출헤드를 함유하는, 포켓용 액체 분출도구에 사용하면 적당하다. 여기에서, 액체방울 분출헤드의 분출노즐은 관형 몸체의 전면 개구부(front opening)에 면하고 있다.

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본 발명은 또한 다음의 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 포켓용 액체 분출도구에 마운팅되는 액체방울 분출헤드에 의해 액체방울의 분출을 제어하기 위한 액체방울 분출방법을 다룬다.

- 각각의 구동챔버가 적어도 하나의 유입구, 그 안에 함유된 액체에 펄스 파동을 생성하기에 적당한 적어도 하나의 구동수단 및 적어도 하나의 유출구를 가지는, 복수 개의 구동챔버를 제공하는 단계;

- 상기 복수 개의 구동챔버의 유출구와 유체 연결된 공통의 분출노즐을 제공하는 단계;

- 액체 리저버로부터 제공되는 액체를 유입구를 통해 구동챔버에 공급하는 단계

- 하나의 액체방울이 공통의 분출노즐을 통해 분출되는 방식으로 제어 유니트로부터 에너지를 공급함으로써 적어도 하나의 구동수단을 구동하는 단계

다른 바람직한 실시예에서, 본 발명은 또한 다음의 단계 중 어느 하나를 포함한다.

- 구동단계는 적어도 두 개의 액추에이터의 동시구동을 포함한다.

- 구동단계는 짝수 개의 구동수단의 구동을 포함하며, 액추에이터는 마주보는 대칭 쌍의 형태로 배열된다.

- 구동단계는 홀수 개의, 바람직하게는 셋 또는 다섯 개의 구동수단의 구동을 포함하며, 액추에이터들은 등거리(equidistant)로 배열되고 공통의 분출노즐에 대하여 등각(equiangular)으로 위치한다.

- 본 방법은 구동단계 이전에 결정된 액체방울 크기를 얻기 위하여 구동되는 다수의 구동수단을 결정하는 단계를 더 포함한다.

- 본 도구는 위치 및/또는 운동 감지수단을 포함하여 이루어지는 포켓용 액체 분출도구인데, 여기에서 액체는 잉크이고 본 방법은 다음의 단계를 더 포함하여 이루어진다.

- 감지수단에 의하여 감지된 신호로부터 필기 조건을 결정하는 단계;

- 필기 조건이 결정되는 동안, 바람직하게는 일정한 분출 주파수로, 잉크방울을 반복하여 분출하는 단계;

- 포켓용 액체 분출도구의 감지된 스캔속도, 필기면과 분출노즐 간의 감지된 거리 및 그려지기를 희망하는 선의 두께와 형태를 포함하는 그룹의 적어도 하나의 변수에 따라 방울크기를 평가하는 단계.

후술하는 발명의 상세한 설명에서 다른 특성과 이점이 당업자에게 이해될 것이다.

도 1은 제1실시예에 따른 액체방울 분출헤드를 포함하여 이루어지는 포켓용 액체 분출도구의 단면도이다.

도 2a는 커버판(cover plate)과 기판(base plate)을 포함하여 이루어지는, 마운팅 블록(mounting block)에 위치한 제1실시예의 액체방울 분출헤드를 절개한 사시도를 나타내고 있다.

도 2b는 도 2a에서의 액체방울 분출헤드의 기판을 나타내고 있다.

도 3은 제2실시예의 액체방울 분출헤드에 대하여 도 2와 유사하게 도시한 도면이다.

도 4는 제3실시예의 액체방울 분출헤드에 대하여 도 2와 유사하게 도시한 도면이다.

도 5는 제4실시예의 액체방울 분출헤드에 대하여 도 2와 유사하게 도시한 도면이다.

도 6은 액체방울 분출헤드의 기판부에 대한 사시도인데, 단일한 중앙 출구챔버를 보여주고 있다.

도면 각각에서, 동일한 도면부호는 동일한 또는 유사한 구성요소를 지칭한다.

도 1은 포켓용 액체 분출도구(1)에 마운팅되는 액체방울 분출헤드(100)의 특정 실시예를 나타내고 있다. 그러나, 본 발명은 또한 포켓용 또는 데스크톱의 프린터 또는 다른 유사장치에 사용되도록 할 수도 있다.

포켓용 액체 분출도구는, 펜(pen)을 형성하기 위하여 전단(11)과 후단(12) 사이에서 뻗어 있는 실질적으로 관형의(tubular) 구성요소를 갖는다. 관형의 구성요소는 중공의 내부공간을 결정하는 내벽(13)과 사용자의 손에 잡히도록 고안된 외벽을 가진다.

포켓용 액체 분출도구의 내부 중공부는, 사용자가 쉽게 교환할 수 있으며 액체(16)를 함유할 수 있도록 제거가능한 방식으로 마운팅되는 액체 리저버(15)를 포함하여 이루어진다. 이 특정 실시예에서 사용되는 액체는, 포켓용 액체 분출도구의 액체가 액체로서 눈에 보이는 잉크를 가질 것이라는 것을 제시하고 있다는 것을 이해해야 한다. 그러나 응용예에 따라서, 액체는 또한 수정액, 접착제 또는 응용예를 적합하게 하는 다른 것들일 수도 있다.

포켓용 액체 분출도구(1)는 에너지를 제어 유니트(20)와 액체방울 분출헤드(100)에 제공하기 위하여 에너지 저장 유니트(17)를 더 포함하여 이루어진다. 에너지 저장 유니트(17)는 쉽게 교환할 수 있도록 포켓용 액체 분출도구(1)로부터 마운팅되거나, 또는 2004년 7월 22일자로 출원된 프랑스 특허출원 FR0408138호에서 나타난 것처럼 액체 리저버(15)와 일체로 되어 있을 수도 있고, 또는 충전을 위한 수단을 포켓용 액체 분출도구에 가질 수도 있다.

또한, 포켓용 액체 분출도구는 광학 영역 파인더(optical range finder)와 같이 액체방울 분출헤드(100)와 필기매체(2) 사이의 거리를 측정하는 수단 그리고 예를 들어 가속도계(22)와 같이 펜의 필기운동을 측정하는 수단과 같은, 다른 장치를 포함하여 이루어질 수 있다.

제1실시예에 따르면, 포켓용 액체 분출도구(1)는 포켓용 액체 분출도구(1)의 전단(11)에 위치한 전면 개구부(19)와 면하고 있는 액체방울 분출헤드(100)를 더 포함하여 이루어진다. 액체방울 분출헤드는 물리적으로 작아서 전단(11) 근처에 위치할 수 있고 사용자에게 시각적 장애를 주지 않고 펜 팁(pen tip)을 형성할 수 있게 한다.

이것은 단지 하나의 가능한 응용예에 불과하다는 것 그리고 본 발명은 포켓용 프린터, 데스크톱 프린터 또는 도구와 지지면 사이에 물리적 접촉 없이 액체를 지지면에 발사하는 다른 도구들에도 똑같이 유효한 용도를 가진다는 것은, 당업자에게 자명할 것이다.

적어도 하나의 유체링크(130)가 액체 리저버(15)와 액체방울 분출헤드(100) 사이에 존재한다. 중앙처리장치, 시스템 시계(system clock) 및 다른 부품들을 포함하여 이루어지는 제어 유니트(20)는 거리와 필기 거동 측정 데이터와 같은 모든 데이터를 처리하도록 기능한다. 또한 분출노즐(99) 밖으로 액체(16)의 분출을 담당하는 액체방울 분출헤드(100)의 구동을 위해 제공되는 에너지 펄스를 조정하고 활성화하도록 기능한다.

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제어 유니트(20)는 또한, 가속도계(22)가 필기매체(2)에 대하여 포켓용 액체 분출도구(1)의 운동을 탐지하는 동안 액체방울 분출헤드(100)가 액체(16)를 분출하는 것을 가능하게 하기 위하여 적용된다. 동시에 광학 시스템(21)이 분출노즐(99)과 필기매체(2) 사이의 거리가 미리 설정된 최소값과 미리 설정된 최대값에 의해 결정되는 값의 범위에 있다는 것을 탐지한다. 그것은 또한 "이미 기록되어 있지 않으면 다시 잉크를 분출한다"는 원리를 따를 수 있다.
도 2a에 잘 나타나 있듯이, 마운팅 블록의 단부(end portion)는 액체방울 분출헤드(100)에 대한 지지면(115)으로서 그리고 액체 리저버(15)로부터 유입되는 액체의 공급을 위한 유체링크(130)로서 기능한다.

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액체방울 분출헤드(100)는, 액체(16)를 분출하기 위하여 소위 액추에이터(120)라 불리는 다중 구동수단(multiple actuating means)이 구비되는 기판(101)과, 기판(101) 상으로 놓여서 기판을 덮고 따라서 그 안에 있는 챔버들 내의 액체(16)를 함유하는 커버판(102)에 의해 결정된다. 기판(101)은 그 안에 에칭(etching)된 복수 개의 채널(107, 108)을 포함한다.

단지 하나만이 도 2a에서 보여진다 하여도, 복수 개의 구동챔버(105)와 공급챔버(106)가 구비된다. 도 5에서 가장 잘 나타나 있듯이, 채널(107)(여기서는 세 개의 채널들)이 공급챔버(106)와 구동챔버(105) 사이의 유체소통을 일으키고, 구동챔버(105)의 유입구를 형성한다. 채널(108)은 구동챔버(105)와 중앙 출구챔버(104) 사이의 유체소통을 일으키고, 구동챔버(105)의 유출구를 형성한다. 그러나, 다른 수의 채널도 가능하다.

액추에이터(120)를 포함하여 이루어지는 구동챔버(105)는 액추에이터(120)를 구동하기 위한 신호 라인(signal lines, 121)에 의해 제어 유니트(20)에 연결된다. 커버판(102)은 판의 중앙에 위치하여 그 안에 형성되어 있고, 기판(101)의 중앙 출구챔버(104)의 중앙에 정렬된 단일한 분출노즐(99)을 구비한다. 커버판(102)의 외부면은 분출노즐(99)이 나타나는 액체방울 분출헤드(100)의 전면(front face)(110)을 형성한다.

도2b에서 알 수 있는 것과 같이, 여섯 개의 구동챔버(105)와 공급챔버(106)가 중앙 출구챔버(104)의 주위에 반경방향 패턴으로 배열된다. 하나의 구동챔버(105)와 하나의 공급챔버(106)의 채널(107, 108)에 의해 형성되는 각 경로는 중앙 출구챔버(104)로부터 발산하고, 기판(101)에 일체로 형성된 분리벽에 의해 인접경로와 분리된다. 구동챔버(105)와 공급챔버(106)는 원주 상에서 중앙으로부터 등거리를 이루고, 서로에 대하여 등각을 이루며, 상기 동일한 경로 상에 놓인다. 모든 챔버(104, 105, 106)는 플랫 바디에 의해 구성되는 기판(101)의 주 평면에 전체적으로 뻗어 있다. 액체(16)는 구동챔버(105)의 부분을 이루는 액추에이터(120)에 의해 펄스로부터 중앙 출구챔버(104) 안으로 흐른다. 각 구동챔버(105)가 하나의 공급챔버(106)와 각각 연결되도록, 구동챔버(105) 자체가 공급챔버(106)로부터 액체(16)를 공급받는다. 그러나 다른 실시예에서, 하나 이상의 구동챔버(105)에 연결된 하나의 공급챔버(106)를 구비하는 것 또한 실현 가능하다.

각각의 공급챔버(106)에 위치하는 관통구멍(109)은 기판(101)의 두께를 관통하여 구멍이 뚫려 있는데, 액체방울 분출헤드의 후면을 구성하는 기판(101)의 후면(111)에 나타난다. 관통구멍(109)은 액체 리저버(15)와 소통한다. 기판(101)과 커버판(102)은 실질적으로 평평한 직사각형으로 되어 있고, 실리콘 웨이퍼를 사용하는 반도체 공정에 의해 제조된다.

공급챔버(106)는 액체 리저버(15)와 유체 소통을 하는데, 공급챔버(106)로부터 구동챔버(105)로 흐르는 것이 허용된 작은 양의 액체(16)를 일시적으로 저장한다.

게다가, 구동챔버(105)를 연결시키는 공급챔버(106)로부터의 유체연결은, 구동챔버(105)로 흐르는 액체(16)의 흐름을 용이하게 하고 액추에이터(120)에 의해 발생하는 펄스압(pulsed pressure) 하에서 후방 흐름에 훨씬 더 큰 저항을 제공하도록 고안된다. 구동챔버(105)와 중앙 출구챔버(104) 사이의 채널(108)은 분출노즐(99)을 향하여 이 채널을 가로지르는 펄스 액체(pulsed liquid)에 가능한 한 적은 저항을 주어야 한다.

각각의 분출노즐(99) 밖으로 액체방울 펄스를 안내하도록 편향부재(103)가 중앙 출구챔버의 중앙에 위치한다.

도 6에 나타난 것과 같이, 각각의 모듈부는 중앙 출구챔버(104) 주위에서 반경방향으로 위치하는데, 모듈은 그 사이에 채널(107)을 가지는 공급챔버(106)와 구동챔버(105)를 포함하고, 채널(108)은 구동챔버(105)로부터 나온다. 각 모듈은 눈에 띄게끔 섹터(sector) 형태로 되어 있다.

그러나 그들은 어떤 형태이어도 좋다. 다만, 바람직하게는 액추에이터(120)와 중앙 출구챔버(104) 사이의 거리는 여전히 실질적 동일하거나 및/또는 반경방향 패턴이다.

이에 대한 첫번째 실시예로서, 여섯개의 구동챔버가 구비되는데, 도 3과 도 4에 도시된 제2 및 제3 실시예와 같이 다른 실시예 또한 가능하다. 도 3은 중앙 출구챔버(104)를 둘러싸고 있는 네 세트의 구동모듈을 가지는 기판(101)을 도시하고 있다. 도 4는 12세트의 챔버를 가지는 기판(101)을 도시하고 있다. 그러나, 실시예들은 이러한 예들에 한정되지 아니하며 어떤 수의 구동챔버(105)도 취할 수 있을 것이다.

도 3과 도 4에 도시된 실시예들은 중앙 출구챔버(104) 내에 위치하는 편향부재(103)를 가지고 있지 않다는 점에서 더 다르다. 이 실시예들에서는 편향부재(103)를 사용하지 않고, 제어 유니트(20)에 의해 제공되는 같은 양의 에너지를 가지고 정확히 동일한 순간에 쌍을 이루어 구동됨에 의해 편향이 유효하게 됨으로써, 액체방울들이 중앙 출구챔버(104)의 중앙에서 만나고 각각의 분출노즐(99)을 통하여 자체 편향될 것이다. 짝수 개의 구동챔버(105)는 분출노즐(99)을 통한 출구와 중앙 분출챔버에서의 전면 충돌(frontal collision)을 얻을 수 있도록 한다.

도 5에 나타난 제4실시예에서는, 세 개의 액추에이터가 구비된다. 세 개의 액추에이터(120) 모두가 동일한 에너지를 가지고 동시에 구동될 때, 동일한 공정이 또한 유효하게 될 것이다. 이 경우의 기판(101)은 삼각 형상이며, 세 세트의 구동챔버(105)와 공급챔버(106) 각각은 삼각 형상의 정점(apex)을 향하여 위치되어 정렬되어 있다. 즉, 공급챔버(106)와 구동챔버(105)는 서로 120°이격된 모듈을 형성한다. 이러한 특성은 홀수 개의 챔버를 가지는 다른 실시예에도 또한 적용된다. 세 개의 구동챔버(105)의 경우, 공간과 재료를 50% 절약할 수 있다는 이점이 있는데, 더 적은 챔버가 만들어져야 하고 더 적은 관통구멍(109)이 공급챔버(106) 내에 가공되기 때문에 이는 대량 생산에 있어 제조시간 절약 뿐 아니라 현저한 비용절감을 가져온다.

구동챔버(105)와 특히 더 많은 액추에이터(120)는 그룹을 지어 개별적으로 또는 나란히 모두 함께 제어될 수 있다. 그러나 실제로 액추에이터(120)는 현존하 는 챔버의 수와는 무관하게, 마주보고 있는 쌍 또는 그룹을 이루어 작동된다.

위에서 설명한 것과 같이, 액체방울 분출헤드(100)의 전형적인 구성에서, 구동챔버(105)로부터 펄스된 극히 작은 액체방울은 대개 25~80 pl의 범위의 체적을 가짐으로써, 모든 챔버의 전체 체적이 대략 150~200 pl 이 된다.

이러한 개념이 압전(piezoelectric) 액추에이터, 열적(thermal) 액추에이터 또는 정전(electrostatic) 액추에이터를 포함하는 어떤 액추에이터를 통해 구현된다는 것을 이해하는 것은 중요하다. 다른 액추에이터는 액체를 중앙 출구챔버(104) 안으로 그리고나서 필기매체(2) 상으로 펄스시키기 위하여, 다른 방식으로 구동챔버(105) 내의 액체(16)를 가압 또는 감압하도록 기능한다.

도 6은 하나의 액체 분출모듈에 대한 상세도이다. 이 특정한 실시예는 열적 잉크 분출헤드를 도시하고 있다. 헤드를 제어 유니트(20)에 연결하는 전기적 연결은 기판(101) 상에 포개져 있는 식으로 설치되어 있다. 이 실시예에 있어서, 세 개의 신호 라인(121)이 제어 유니트(20)에 추가적으로 연결되는 웨이퍼의 모서리를 형성한다.

액체 펄스를 구동하는 가장 통상적인 수단은 열적 헤드를 구비한 것이다. 그러나, 그것은 수명이 한정된다는 단점을 가진다. 한정된 수명이라는 문제점을 완화하기 위한 방법으로서, 제어 유니트는 모든 액추에이터에 걸쳐 균일하게 마모를 분포시키기 위하여 이전 운동의 함수로서 특정한 액추에이터의 용법을 회전하도록 구성시킬 수 있다.

또 하나의 구동수단으로서, 압전 액추에이터가 있다. 이것은 물-기반(water-based)이 아닌 액체와 함께 사용될 때 제한이 없다는 장점이 있다. 그러나 포켓형 응용예에서의 구동을 위해서는 높은 전압이 필요하게 된다.

특히 작은 규모에서의 높은 에너지 효율 때문에, 바람직한 구동수단은 정전(electrostatic) 액추에이터를 사용하는 것이다. 그것은 물-기반 액체에 제한되지 아니하며 낮은 전압만이 필요하다.

본 발명의 가능한 추가적 실시예는, 다른 액체를 혼합하는 능력, 예를 들어 다른 유색 잉크를 혼합하는 능력에 대한 것이다. 단일한 색상을 함유하는 액체 리저버(15)를 구비하는 대신에, 리저버를 다른 색상에 대한 다른 컨테이너(container)로 분리하도록 착안할 수 있다. 그러나, 다른 무게 팩터(weighing factor)또는 사용률(usage rate)을 고려하기 위해서는 동일한 체적일 필요는 없다. 액추에이터 전체 수의 서브세트(subset)가 각 색상을 담당하도록 복수 개의 유체 링크(130)가 액체 분출헤드의 지지면(115) 내로 형성될 수 있다. 이 실시예에 있어, 사이언(cyan), 마젠타(magenta), 노랑 및 검정을 포함하는 네 개의 분리된 색상을 사용하여, 사용자가 위 색상들의 조합으로부터 어떠한 색상으로도 필기할 수 있다는 것을 착안할 수 있다. 다음으로, 실시예들에 따라 액체방울 분출헤드(100)로부터 액체방울을 분출하는 방법이 설명될 것이다.

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위에서 설명된 바와 같이, 특정한 실시예에 대하여 액체방울 분출헤드(100)가 포켓용 액체 분출도구(1)의 단부에 마운팅되는데, 포켓용 액체 분출도구(1)는 제어 유니트(20), 제어 유니트(20)에 동력을 공급하기 위한 에너지 원(energy source)(일반적으로, 에너지 저장 유니트, 17) 및 액체 리저버(15)를 포함하여 이루어진다.

잉크는 포켓용 액체 분출도구(1)의 몸체 내의 고정된 또는 교환 가능한 액체 리저버(15)에 저장되는데, 적어도 하나의 유체링크(130)를 통하여 액체방울 분출헤드(100)에 액체(16)를 공급한다. 공급챔버(106)는 액체(16)를 작고 개별적으로 보관하는 것을 구동챔버(105)에 적용하는 것이 가능하도록 하는데, 상기 공급챔버(106) 내에 구비되는 관통구멍(109)은 액체 리저버(15)와 소통한다.

구동챔버(105)의 액추에이터(120) 형태는, 이에 제한되는 것은 아니지만, 정전(electostatic) 액추에이터, 압전 액추에이터, 열적 액추에이터의 형태들을 포함하여 이루어질 수 있다. 본 명세서는 이렇게 다양한 실시예에 있어 다른 형태들의 액추에이터의 상세한 작동에 대하여는 언급하지는 않을 것인데, 그들은 종래기술에 잘 알려져 있다.

제어 유니트(20)가 적절히 결정하면, 구동챔버(105) 내의 액추에이터(120)는 제어 유니트(20)로부터 제공되는 펄스된 에너지 입력으로부터 구동한다. 이러한 에너지의 분출은 대개 중앙 출구챔버(104)를 향한 방사선(ray)을 따르며 채널(108)을 통해 현저하게 통과하는 최소저항의 경로를 통하여 안내될 것이다. 구동챔버(105)로부터의 소량의 액체(16)를 함유하는 펄스 파동은 분출노즐(99)을 향하여 이동할 것이다. 구동챔버(105)로부터의 이러한 액체-운반(liguid-carrying) 펄스 파동은 주 평면(main plane)을 따라 분출노즐(99)을 향하여 기판(101)을 가로지를 것이다.

실시예가 편향부재(103)를 포함한다면, 액체방울이 편향부재(103) 상에서 편향되고 커버판(102) 내에 포함되는 분출노즐(99) 밖으로 토출할 것이다. 그리고 다른 구동챔버(105)로부터 동일한 순간에 활성화된 다른 펄스된 액체방울과 동시에 혼합시킬 것이다.

중앙 편향부재(103)가 없다면, 측방향 에너지가 소진되고 단지 길이방향 요소만이 존재하여 분출노즐(99) 바깥으로 단일한 방울로써 토출될 수 있도록, 액체의 펄스파동은 마주보는 대칭 쌍으로 분출될 것이다. 이 배열은 또한 120°또는 72°이격하여 위치된 셋 또는 다섯 개의 액추에이터(120)로써 착안가능하다는 것을 이해해야 할 것이다.

중앙 출구챔버(104)에 편향부재(103)가 포함되든 아니든, 통상 마주보는 쌍으로 활성화되는 짝수 개의 액추에이터(120)를 구비하는 것이 바람직하다. 각각의 액추에이터가 평균적으로 근사적으로 동일한 수의 구동을 축적할 수 있도록 액추에이터(120)의 사용을 분포시키는 것이 바람직하다. 이것은 열적(thermal) 형태의 액추에이터에 특히 바람직하다. 액체방울 분출헤드(100)와 또한 제어 유니트(20)는, 각각의 잉크방울이 눈에 보이지 않으면서 분출이 연속적으로 일어날 수 있도록, 충분히 높은 주파수에서 잉크를 공급할 수 있어야 한다. 따라서, 포켓용 액체 분출도구(1)의 스캔속도에 의존하는 적당한 두께의 필기선(writing line)을 얻기 위하여 필기면 상에 적당한 방울크기를 획득할 수 있도록, 제어 유니트(20)는 500~800 Hz 사이의 고정 주파수에서 다양한 수의 액추에이터(120)를 구동할 것이다. 필기매체(2) 상에 적당한 선의 폭, 예를 들어 한 번의 지나감(pass)에 0.3mm를 형성하기 위하여는, 대략 150~200 pl의 전체 노즐 방울 체적이 바람직할 것이다.

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다양한 액체방울 크기를 가지는 것에 대한 본 발명의 이점은 잉크공급 주파수가 적당한 비율로 유지됨으로써, 펜 팁(pen tip)이 빨리 움직인다 하더라도 개별적 액체방울이 시각적으로 분리되지 않도록 할 수 있다는 것이다.

제어 유니트(20)는 선의 폭을 변화시키기 위하여, 가속도계(22)와 같은 내부 센서 또는 펜 그립(grip) 압력 또는 사용자 설정과 같은 외부 명령으로부터 측정되는 펜 스캔속도의 함수로서 구동하는 액추에이터(120)의 수를 결정한다.

필기매체(2)에 대한 액체방울의 영향을 보증(guarantee)하기 위하여, 액체방울 크기는 또한 분출노즐(99)과 필기매체(2) 사이의 감지된 거리에 따라 결정될 수 있을 것이다. 필기선의 두께를 변화시키기 위하여 액체방울 크기를 변화시키는 것 또한 가능할 것이다.

본 명세서의 내용에 포함되어 있음.

Claims (19)

1. 전단(front end)(11)에 개구부(19)를 가지는 관형 몸체(14)를 구비하고, 액체 리저버(15), 에너지 저장 유니트(17), 제어 유니트(20) 및 액체방울 분출헤드(100)를 포함하는 포켓용 액체 분출도구(1)로서,

   상기 액체방울 분출헤드(100)는 구동챔버(105)에 액체(16)를 제공하기 위하여 적어도 하나의 공급챔버(106)에 연결된 적어도 하나의 유입구를 각각 구비하는 복수 개의 구동챔버(105); 제어 유니트(20)로부터 받은 에너지에 의해 활성화될 때 그 안에 함유된 액체에 펄스 파동(pulse wave)을 일으키기 위한 적어도 하나의 액추에이터(120); 및 분출노즐(99)에 연결된 적어도 하나의 유출구를 포함하며,

   상기 복수 개의 구동챔버(105)의 유출구가 상기 액체방울 분출헤드(100)로부터 방울이 분출하는 단일한 공통의 분출노즐(99)에 연결되며, 액체방울 분출헤드(100)의 분출노즐(99)이 관형 몸체(14)의 전면 개구부(19) 바깥으로 면하고 있으며, 복수 개의 구동챔버(105)는 상기 공통의 분출노즐(99) 주위에 반경방향 패턴(radial pattern)으로 배열되는 것을 특징으로 하는 포켓용 액체 분출도구.
2. 제1항에 있어서,

   상기 구동챔버(105)의 유출구는 공통의 중앙 출구챔버(104)에 연결되어 있고, 상기 출구챔버는 분출노즐(99)에 연결되어 있는 포켓용 액체 분출도구.
3. 제2항에 있어서,

   상기 중앙 출구챔버(104)는 분출노즐(99)을 향하여 액체 유동펄스를 편향시키는 편향부재(deflection member)(103)를 포함하는 포켓용 액체 분출도구.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 포켓용 액체 분출도구(1)는 필기도구인 포켓용 액체 분출도구.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 구동챔버(105)는 대칭 패턴으로 그리고 짝수 개로 배열되는 포켓용 액체 분출도구.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 복수 개의 구동챔버(105)는 삼각 형상의 기판(101)의 세 개의 모서리 각각을 향하여 뻗어 있는 홀수 개의 구동챔버를 나타내는 포켓용 액체 분출도구.
7. 제6항에 있어서,

   복수 개의 공급챔버(106)가 구비되며 이들은 각각 적어도 하나의 구동챔버(105)와 소통하며 각각 액체 리저버(15)와 유체연결(fluidic connection)되기 위한 관통구멍(109)을 가지는 것인 포켓용 액체 분출도구.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 액체방울 분출헤드(100)는 서로에 대하여 평행한 전면(front face)(110)과 후면(rear face)(111)에 대하여 평평하게 형성되고, 분출노즐(99)은 전면(110)에 형성되고 구동챔버(105)의 유입구와 소통하는 관통구멍(109)이 후면(111)에 구비되는 포켓용 액체 분출도구.
9. 제7항에 있어서,

   복수 개의 구동챔버의 유입구와 유출구가 기판(101)의 주 평면에서 분출노즐(99) 방향으로부터 반경방향을 따라 뻗어 있는 포켓용 액체 분출도구.
10. 제1항 또는 제2항에 있어서,

    상기 액체방울 분출헤드(100)는 실리콘 웨이퍼(silicon wafer)로 제조되는 포켓용 액체 분출도구.
11. 제1항 또는 제2항에 있어서,

    상기 액추에이터는 정전(electrostatic) 액추에이터, 열적(thermal) 액추에이터, 압전(piezoelectric) 액추에이터를 포함하는 그룹에서 선택된 하나의 액추에이터를 포함하는 포켓용 액체 분출도구.
12. 적어도 하나의 유입구를 각각 구비하는 복수 개의 구동챔버(105), 그 안에 함유된 액체에 펄스 파동(pulse wave)을 일으키기 위한 적어도 하나의 액추에이터, 및 적어도 하나의 유출구를 이용하며, 상기 복수 개의 구동챔버(105)의 유출구가 단일한 분출노즐(99)에 유체연결(fluidic connection)되며, 복수 개의 구동챔버(105)는 상기 공통의 분출노즐(99) 주위에 반경방향 패턴(radial pattern)으로 배열되는 포켓용 액체 분출도구(1)에 마운팅되는 액체방울 분출헤드(100)로부터 액체방울을 분출하는 방법에 있어서,

    액체 리저버(15)로부터 제공되는 액체(16)를 유입구를 통하여 구동챔버(105)에 공급하는 단계, 및

    하나의 액체방울이 상기 분출노즐(99)을 통해 분출되는 방식으로 제어 유니트(20)로부터의 에너지 공급에 의해 액추에이터(120) 중 적어도 하나를 구동시키는 단계

    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 액체방울 분출방법.
13. 제12항에 있어서,

    상기 구동시키는 단계는 제어 유니트(20)에 의한 적어도 두 개의 상기 액추에이터(120)의 동시 구동을 포함하는 액체방울 분출방법.
14. 제13항에 있어서,

    상기 구동시키는 단계는 짝수 개의 상기 액추에이터(120)의 구동을 포함하며, 액추에이터(120)는 마주보는 대칭 쌍의 형태로 배열되는 액체방울 분출방법.
15. 제13항에 있어서,

    상기 구동시키는 단계는 홀수 개의 상기 액추에이터(120)의 구동을 포함하며, 액추에이터(120)는 공통의 분출노즐(99)에 대하여 등거리(equidistant) 및 등각(equiangular)의 위치로 배열되는 액체방울 분출방법.
16. 제13항에 있어서,

    구동챔버(105)에 의해 150~200 pl의 전체 체적을 중앙 출구챔버(104)로 펄스시키는 단계를 포함하는 액체방울 분출방법.
17. 제16항에 있어서,

    상기 분출도구는 거리 또는 이동 또는 이들 모두를 감지하는 수단을 포함하여 이루어지는 포켓용 액체 분출도구(1)이며, 상기 액체(16)는 잉크이고,

    방법은

    감지수단에 의해 감지되는 신호로부터 필기 조건을 제어 유니트(20)에 의해 결정하는 단계; 및

    제어 유니트(20)의 제어 하에서 상기 필기 조건이 결정되는 동안, 일정한 분출 주파수로 잉크 방울을 반복하여 분출하는 단계

    를 더 포함하여 이루어지는 액체방울 분출방법.
18. 제17항에 있어서,

    잉크 방울 크기는 다음 변수들:

    광학 시스템(21)을 이용하여 감지되는, 필기면과 분출노즐(99) 사이의 감지된 거리, 및

    그려지기를 희망하는 선의 두께

    중 적어도 하나에 따라 결정되는 액체방울 분출방법.
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