KR101694577B1 - 순환 펌프를 갖는 유체 토출 어셈블리 - Google Patents

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Abstract

유체 토출 어셈블리는 제 1 기판에 형성되어 있는 유체 슬롯 및 제 2 기판 위에 배치되는 챔버 층에 형성되는 채널을 포함한다. 제 2 기판의 바닥면은 제 1 기판의 정상면에 부착되고, 유체 슬롯과 채널 사이에는 유체 이송 구멍이 형성된다. 유체 토출 요소가 채널의 제 1 단부에 있고, 채널의 제 2 단부에는 펌프 요소가 있어 그 채널을 통해 수평 방향으로 또한 상기 유체 이송 구멍을 통해 수직 방향으로 유체를 순환시키게 된다.

Description

순환 펌프를 갖는 유체 토출 어셈블리{FLUID EJECTION ASSEMBLY WITH CIRCULATION PUMP}
본 발명은 순환 펌프를 갖는 유체 토출 어셈블리에 관한 것이다.
잉크젯 인쇄기에 있는 유체 토출 장치는 유체 액적의 드롭-온-디맨드(drop-on-demand; DOD) 토출을 제공한다. 일반적으로, 잉크젯 인쇄기는 복수의 노즐을 통해 종이와 같은 인쇄 매체 상에 잉크 액적을 토출하여 이미지를 인쇄하게 된다. 상기 노즐은 일반적으로 하나 이상의 열로 배열되며, 따라서 프린트헤드와 인쇄 매체가 서로에 대해 상대 이동할 때 노즐에서 잉크 액적이 적절히 순차적으로 토출되면 문자나 다른 이미지가 인쇄 매체 상에 인쇄된다. 특정한 예에서, 열 잉크젯 프린트헤드는 가열 요소에 전류를 흐르게 하여 열을 발생시켜 발사 챔버내의 유체의 소량 부분을 증발시킴으로써 노즐에서 액적을 토출시킨다. 다른 예로, 압전식 잉크젯 프린트헤드는 압전재 액추에이터를 사용하여 압력 펄스를 발생시키는데, 이 압력 펄스에 의해 유체 액적이 노즐 밖으로 나가게 된다.
잉크젯 인쇄기는 합당한 비용으로 높은 인쇄 품질을 제공하지만, 그의 지속적인 발전을 위해서는 그들의 개발에 남아 있는 다양한 과제를 해결해야 한다. 예컨대, 잉크젯 프렌트헤드에서는 기포가 계속 문제가 되고 있다. 인쇄 중에, 잉크에서 공기가 토출되어 기포를 형성하게 되는데, 이 기포는 발사 챔버로부터 프린트헤드내의 다른 곳으로 이동하여 잉크 흐름의 차단과 같은 문제를 유발하여, 인쇄 품질을 악화시키고, 부분적으로 충만되어 있는 인쇄 카트리지가 비어 있는 것처럼 보이게 하며 또한 잉크 누출을 야기할 수 있다. 추가로, 안료계 잉크를 사용할 때는 안료 잉크 전색제 분리(PIVS)가 문제가 된다. 안료계 잉크는 염료계 잉크 보다 더 내구적이고 영구적인 경향이 있어 잉크젯 인쇄에서 선호되고 있다. 그러나, 보관 또는 비사용 기간 중에, 안료 입자가 잉크 전색제로부터 침강되거나 떨어질 수 있는데(즉, PIVS), 이는 프린트헤드에 있는 발사 챔버와 노즐로 가는 잉크 흐름을 방해가거나 완전히 차단시킬 수 있다. 물(수성 잉크의 경우) 및 용제(비수성 잉크의 경우)의 증발과 같은 다른 요인도 PIVS 및/또는 비사용 기간 후의 즉각적인 인쇄를 방지하는 증가된 잉크 점도 및 점성 플러그 형성에 기여할 수 있다.
문제 및 해결 방안의 개관
위에서 언급한 바와 같이, 잉크젯 인쇄 시스템의 개발시 아직 다양한 난제를 해결해야 한다. 예컨대, 이러한 시스템에서 사용되는 잉크젯 프린트헤드는 잉크 차단 및/또는 막힘으로 인한 문제를 계속 가지고 있다. 이러한 문제에 대한 이전의 해결 방안은 주로 프린트헤드의 사용 전후에 그 프린트헤드를 수리하는 것을 포함하고 있다. 예컨대, 비사용 중에 노즐이 마른 잉크로 막히는 것을 방지하기 위해 보통 프린트헤드에 뚜껑을 씌워두게 된다. 노즐의 사용 전에는 잉크를 내 뿜어 그 노즐을 통과하게 하여 노즐의 사용 준비를 또한 하게 된다. 이들 해결 방안에 대한 단점은, 수리 시간으로 인해 인쇄를 즉시 할 수 없고 또한 수리 중에 상당한 양의 잉크가 소비되므로 전체 소유 비용이 증가되는 것을 포함한다. 따라서, 잉크젯 인쇄 시스템에서의 잉크 차단 및/또는 막힘은 전체적인 인쇄 품질을 악화시킬 수 있고 또한 비용을 증가시킬 수 있는 근본적인 문제로 남아 있게 된다.
프린트헤드에서의 잉크 차단 또는 막힘에 대한 많은 원인이 있다. 잉크 차단의 일 원인은 프린트헤드에서 기포로 쌓이는 과잉의 공기이다. 잉크가 잉크 저장부에 저장되어 있는 중에서와 같이 잉크가 공기에 노출되면, 추가적인 공기가 잉크 안으로 용해된다. 프린트헤드의 발사 챔버로부터 잉크 액적을 발사시키는 뒤이은 작용에 의해 과잉의 공기가 잉크로부터 토출되어 기포로 쌓이게 된다. 이 기포는 발사 챔버로부터 프린트헤드의 다른 영역으로 이동하게 되며, 거기서 기포는 프린트헤드내에서 이 프린트헤드로 가는 잉크 흐름을 차단할 수 있다.
안료계 잉크 역시 프린트헤드에서 잉크 차단 또는 막힘을 유발할 수 있다. 잉크젯 인쇄 시스템은 안료계 잉크와 염료계 잉크를 사용하는데, 이들 두 종류의 잉크에는 장단점이 있지만, 일반적으로 안료계 잉크가 선호되고 있다. 염료계 잉크에서는 염료 입자들이 액체 중에 용해되어 잉크가 종이 안으로 더 깊게 스며드는 경향이 있다. 이렇게 되면, 염료계 잉크는 덜 효율적으로 되며 또한 이미지의 가장자리에서 잉크가 번지기 때문에 이미지 품질이 저하될 수 있다. 이와는 대조적으로 안료계 잉크는 잉크 전색제 및 고 농도의 불용성 안료 입자로 이루어지며, 이 불용성 안료 입자는 이 안료 입자가 잉크 전색제 중에 부유되어 유지될 수 있게 해주는 분산제로 피복되어 있다. 이는 안료 잉크가 종이 안으로 스며들지 않고 종이의 표면에 더 많이 머무르게 하는데 도움을 준다. 그러므로, 안료 잉크는 인쇄된 이미지에서 동일한 색 강도를 얻는데 더 적게 요구되므로 염료 잉크 보다 더 효율적이다. 안료 잉크는 또한 물을 만나면 염료 잉크 보다 덜 희미하게 지워지므로 염료 잉크 보다 더 내구적이고 영구적인 경향이 있다.
그러나, 안료계 잉크의 일 단점은, 선적 및 장기간의 보관 후에 잉크젯 프린트헤드에서 잉크 차단이 일어날 수 있으며 그 결과 잉크젯 펜의 즉각 사용 성능이 나빠지게 된다는 것이다. 잉크젯 펜은 잉크 공급부에 내부 결합되는 일 단부에 부착되는 프린트헤드를 갖고 있다. 잉크 공급부는 펜 몸체부 내에 스스로 수용될 수 있으며, 또는 펜의 외부에서 인쇄기에 배치되어 펜 몸체부를 통해 프린트헤드에 결합될 수 있다. 장기간의 보관 중에 큰 안료 입자에 대한 중력 효과 및/또는 분산제의 악화는 안료의 침강 또는 떨어짐(이는 PIVS(pigment-ink vehicle separation)로 알려져 있음)을 야기할 수 있다. 안료 입자의 침강 또는 떨어짐은 프린트헤드내의 발사 챔버 및 노즐로 가는 잉크 흐름을 방해하거나 완전히 차단할 수 있는데, 그 결과 프린트헤드의 즉각 사용 성능이 나빠지게 되고 또한 이미지 품질이 저하될 수 있다.
잉크로부터 물 및 용제의 증발과 같은 다른 요인도 PIVS 및/또는 비사용 기간 후의 즉각적인 인쇄를 방지하는 잉크 점도의 증가 및 점성 플러그 형성에 기여할 수 있다.
본 개시의 실시형태들은 일반적으로 유체 순환 펌프를 갖는 유체 토출 어셈블리의 사용을 통해 잉크젯 프린트헤드에서의 잉크 차단 또는 막힘의 문제를 해결하는데 도움이 된다. 상기 펌프는 하측 기판에 있는 유체 슬롯 위의 막에 형성되며, 일방향 유체 흐름(즉, 유체 정류(fluidic diodicity))을 얻기 위해 유체 채널의 길이를 따라 비대칭적으로(즉, 그 채널의 일 단부 쪽에) 위치된다. 유체 토출 어셈블리가 작동하지 않는 휴지 시간 동안에 상기 펌프는 유체 채널과 발사 챔버를 통해 유체를 수평 방향으로(즉, 펌프와 발사 챔버의 면내에서) 순환시키게 된다. 펌프는 또한 동시에 상기 채널과 유체 슬롯 사이에 형성되어 있는 유체 이송 구멍을 통해 유체를 수직 방향으로도 순환시킨다. 유체 토출 어셈블리의 정상 작동 중에, 발사 챔버내의 유체 토출 요소가 노즐을 통해 유체 액적을 토출시킨다. 유체 토출 요소의 작용으로 인해, 채널을 통해 수평 방향으로 또한 그 채널과 유체 슬롯 사이에서 수직 방향으로 유체를 순환시키는 펌핑 작용도 일어나게 된다. 유체 토출 어셈블리의 휴지 시간과 작동 모두 동안에 일어나는 유체 순환은 잉크젯 프린트헤드에서 잉크 차단 또는 막힘을 방지하는데 도움이 된다.
예시적인 일 실시형태에서, 유체 토출 어셈블리는 제 1 기판에 형성되어 있는 유체 슬롯을 포함한다. 상기 제 1 기판의 정상면은 막 또는 제 2 기판의 바닥면에 부착된다. 제 2 기판 위에 배치되는 챔버 층에는 채널이 형성되어 있으며, 유체 이송 구멍이 상기 유체 슬롯과 채널 사이에서 제 2 기판을 통과해 형성되어 있다. 유체 토출 요소가 상기 채널의 제 1 단부 근처에 위치되어 있으며, 채널을 통해 수평 방향으로 또한 유체 이송 구멍을 통해 수직방향으로 유체를 순환시키는 펌프 요소가 상기 채널의 제 2 단부 근처에 위치된다.
다른 예시적인 실시형태에서, 유체 토출 어셈블리는 제 1 및 제 2 기판을 포함하고, 제 1 기판의 정상면은 제 2 기판의 바닥면에 결합된다. 상기 제 1 기판에는 유체 슬롯이 형성되어 있고, 형성되어 있는 채널을 갖는 챔버 층이 상기 제 2 기판의 정상면 위에 배치되어 있다. 제 2 기판을 통과해 형성되어 있는 유체 이송 구멍은 유체 슬롯과 채널 사이의 유체 연통을 제공한다. 토출 요소와 펌핑 요소가 상기 채널에 배치되어, 펌핑 요소와 토출 요소 사이에서 상기 채널을 통과하는 수평 방향 유체 순환 및 채널과 유체 슬롯 사이에서 상기 유체 이송 구멍을 통과하는 수직 방향 유체 순환을 제공하게 된다.
다른 예시적인 실시형태에서, 유체 토출 어셈블리에서 유체를 순환시키는 방법은, 펌프 요소와 토출 요소 사이에서 유체 채널을 통해 유체를 수평 방향으로 펌핑하는 단계, 및 유체 채널과 유체 슬롯 사이에 있는 유체 이송 구멍을 통해 그 유체 채널과 유체 슬롯 사이에서 유체를 수직 방향으로 펌핑하는 단계를 포함한다.
이제 본 실시형태들을 첨부 도면을 참조하여 예시적으로 설명하도록 한다.
도 1은 일 실시형태에 따른 유체 토출 어셈블리를 결합하는데 적합한 잉크젯 펜의 일 예를 나타낸다.
도 2a는 일 실시형태에 따른 유체 토출 어셈블리의 횡단면도와 상면도를 나타낸다.
도 2b는 액적 토출 상황 중에 있는 일 실시형태에 따른 유체 토출 어셈블리의 횡단면도를 나타낸다.
도 3은 일 실시형태에 따라 토출 요소의 양 측에 인접해 있는 두개의 유체 이송 구멍 및 펌핑 요소의 먼 측에 인접해 있는 하나의 유체 이송 구멍을 갖는 유체 토출 어셈블리의 횡단면도 및 상면도를 나타낸다.
도 4는 일 실시형태에 따라 토출 요소의 양 측에 인접해 있는 두개의 유체 이송 구멍 및 펌핑 요소의 가까운 측에 인접해 있는 하나의 유체 이송 구멍을 갖는 유체 토출 어셈블리의 횡단면도 및 상면도를 나타낸다.
도 5는 일 실시형태에 따라 두개의 유체 이송 구멍을 갖는 유체 토출 어셈블리의 횡단면도 및 상면도를 나타내는 것으로, 한 유체 이송 구멍은 펌프 요소에 인접해 있고 다른 유체 이송 구멍은 토출 요소에 인접해 있으며, 두 유체 이송 구멍 모두는 유체 채널의 서로 반대쪽 단부들에 위치되어 있다.
도 6은 일 실시형태에 따라 두개의 유체 이송 구멍을 갖는 유체 토출 어셈블리의 횡단면도 및 상면도를 나타내는 것으로, 한 유체 이송 구멍은 펌프 요소에 인접해 있고 다른 유체 이송 구멍은 토출 요소에 인접해 있으며, 두 유체 이송 구멍 모두는 유체 채널의 중심 쪽에 위치되어 있다.
도 7은 일 실시형태에 따라 3개의 유체 이송 구멍을 갖는 유체 토출 어셈블리의 횡단면도 및 상면도를 나타내는 것으로, 두 유체 이송 구멍은 펌프 요소에 인접해 있고 다른 한 유체 이송 구멍은 유체 채널의 먼 측에서 토출 요소에 인접해 있다.
도 8은 일 실시형태에 따라 3개의 유체 이송 구멍을 갖는 유체 토출 어셈블리의 횡단면도 및 상면도를 나타내는 것으로, 두 유체 이송 구멍은 펌프 요소에 인접해 있고 다른 한 유체 이송 구멍은 유체 채널의 중심 쪽에서 토출 요소에 인접해 있다.
도 9는 일 실시형태에 따른 유체 토출 어셈블리의 상면도를 나타내는 것으로, 이 유체 토출 어셈블리는 토출 요소와 짝을 이루고 있는 펌핑 요소 및 그 어셈블리의 길이에 대해 수직하게 방향설정되어 있는 유체 채널을 갖는다.
도 10은 일 실시형태에 따른 유체 토출 어셈블리의 상면도를 나타내는 것으로, 이 유체 토출 어셈블리는 토출 요소와 짝을 이루고 있는 펌핑 요소 및 그 어셈블리의 길이에 대해 길이 방향으로 방향설정되어 있는 유체 채널을 갖는다.
도 11은 일 실시형태에 따른 유체 토출 어셈블리의 상면도를 나타내는 것으로, 이 유체 토출 어셈블리는 토출 요소와 짝을 이루고 있는 펌핑 요소 및 U-형 유체 채널을 갖는다.
도 12는 일 실시형태에 따른 유체 토출 어셈블리의 상면도를 나타내는 것으로, 이 유체 토출 어셈블리는 토출 요소와 짝을 이루고 있는 펌핑 요소 및 유체 토출 어셈블리의 길이에 대해 비스듬하게 방향설정되어 있는 유체 채널을 갖는다.
도 13은 일 실시형태에 따른 유체 토출 어셈블리의 상면도를 나타내는 것으로, 이 유체 토출 어셈블리는 짝을 이루는 액적 발생기 및 비평형 순환 채널을 갖는다.
도 14는 일 실시형태에 따른 유체 토출 어셈블리의 상면도를 나타내는 것으로, 이 유체 토출 어셈블리는 순환 채널을 통해 복수의 주변 액적 발생기 사이에 공유되는 펌핑 요소를 갖는다.
도 15는 본 개시의 일 실시형태에 따른 기본적인 유체 토출 장치의 블럭도를 나타낸다.
실례적인 실시형태
도 1은 일 실시형태에 따른 본 명세서에 개시된 바와 같은 유체 토출 어셈블리(102)를 결합하는데 적합한 잉크젯 펜(100)의 일 예를 나타낸다. 이 실시형태에서, 유체 토출 어셈블리(102)는 유체 액적 분출 프린트헤드(102)로서 나타나 있다. 잉크젯 펜(100)은 펜 카트리지 몸체(104), 프린트헤드(유체 토출 어셈블리)(102) 및 전기 접촉부(106)를 포함한다. 상기 유체 토출 어셈블리(102)에 있는 개별적인 유체 액적 발생기(222)(예컨대, 도 2 참조)가 접촉부(106)에서 제공되는 전기 신호로 통전되면, 선택된 노즐(108)로부터 유체 액적을 토출시키고 또한 어셈블리(102) 내부에서 유체를 순환시키게 된다. 유체 토출 어셈블리(102)에 있는 개별적인 펌핑 요소(224)(예컨대, 도 2 참조)가 또한 접촉부(106)에서 제공되는 전기 신호로 통전되면 어셈블리(102) 내부에서 유체를 순환시키게 된다. 그 유체는 다양한 인쇄가능한 유체, 잉크, 전처리 조성물, 정착제(fixer) 등과 같은, 인쇄 과정에서 사용되는데 적절한 어떤 유체라도 될 수 있다. 일부 예에서, 유체는 인쇄 유체 외의 다른 유체일 수 있다. 상기 펜(100)은 카트리지 몸체(104) 내부에서 그 자체의 유체 공급부를 포함할 수 있으며, 또는 예컨대 관을 통해 펜(100)에 연결되는 유체 저장부와 같은 외부 공급부(미도시)로부터 유체를 받을 수도 있다. 자체의 유체 공급부를 포함하는 펜(100)은 일단 그 유체 공급부가 소모되면 일반적으로 버려질 수 있다.
도 2a는 본 개시의 일 실시형태에 따른 유체 토출 어셈블리(102)(프린트헤드(102)의 횡단면도 및 상면도 둘다를 나타낸다. 유체 토출 어셈블리(102)는 제 1 기판(200)을 포함하며, 이 기판에는 유체 슬롯(202)이 형성되어 있다. 기다란 유체 슬롯(202)은 도 2a의 면 안으로 연장되어 있고 유체 저장부와 같은 유체 공급부(미도시)와 유체 연통한다. 유체 슬롯(202)은 이 슬롯(202)의 측벽(206)이 제 1 기판(200)으로 형성되도록 그 기판(200)에 형성되어 있는 도랑(trench)이다. 유체 슬롯(202)의 정상벽(208)은 위에 있는 제 2 기판(210) 또는 막(210)의 바닥면의 일 부분으로 형성된다. 제 2 기판(210)은 그의 바닥면(208)의 나머지로 제 1 기판(200)의 정상면(212)에 부착된다. 제 1 및 제 2 기판(200, 210)은 당업자에게 잘 알려져 있는 표준적인 미세 제작 공정(예컨대, 전기 주조법, 레이저 융삭(laser ablation), 이방성 에칭, 스퍼터링, 건식 에칭, 포토리소그래피, 주조, 몰딩, 스탬핑(stamping) 및 기계 가공)으로 SOI(silicon on insulator) 웨이퍼로 형성된다. SOI 기판에 있는 이산화규소(SiO2) 층(214)은, 유체 슬롯(202)과 같은 부분을 형성할 때 제작 중에 정확한 에칭 깊이를 얻기 위한 기구를 제공한다.
제 2 기판(210)의 위에 배치되는 챔버 층(216)은 이 층(216)의 내부에 형성되는 유체 채널(218)을 포함한다. 유체 이송 구멍(220)(220A 및 220B)이 제 2 기판(210)(유체 슬롯(202)의 정상부(208)를 형성함)을 통과해 형성되어 있고 유체 슬롯(202)과 유체 채널(218) 사이의 유체 연통을 제공한다. 유체 채널(218)은 이 유체 채널(218)의 일 단부쪽에 배치되는 액적 발생기(222) 및 채널(218)의 다른 단부쪽에 배치되는 유체 펌핑 요소(224)를 포함한다. 액적 발생기(222)는 노즐판(228)(또는 정상 햇(hat) 층)에 형성되어 있는 노즐(226), 발사 챔버(230) 및 이 발사 챔버(230)에 배치되는 토출 또는 발사 요소(232)를 포함한다. 발사 챔버(230)는 유체 채널(218)의 연장된 일 부분이다. 발사 챔버(230) 및 유체 채널(218)의 폭은 유체 토출 및 펌핑의 최적화를 위해 독립적으로 특정될 수 있다. 토출 요소(232)는 대응 노즐(226)을 통해 유체 액적을 토출하도록 작동할 수 있는 열 저항기 또는 압전식 액추에이터와 같은 어떠한 장치라도 될 수 있다. 도시된 실시형태에서, 토출 요소(232)는 제 2 기판(210)의 위에 가해지는 박막 적층체로 형성되는 열 저항기로 되어 있다. 박막 적층체는 일반적으로 산화물 층, 토출 요소(232)를 형성하는 금속층, 전도성 트레이스(trace) 및 부동태화(passivation)층(개별적으로 나타나 있지 않음)을 포함한다.
유체 펌핑 요소(224)가 또한 제 2 기판(210)의 정상면에 배치된다. 펌프 요소(224)는 본 명세서에서 논하는 바와 같이 유체의 움직임을 발생시키고 또한 유체 순환을 일으키기 위해 작동할 수 있는 열 저항기와 같은 어떠한 장치라도 될 수 있다. 펌핑 요소(224)는 열 저항기 요소로서 논의되고 있지만, 다른 실시형태에서 펌핑 요소는 유체 토출 어셈블리(102)의 채널(218) 안에 적절히 배치될 수 있는 다양한 종류의 펌핑 요소들 중의 어떤 것이라도 될 수 있다. 예컨대, 다른 실시형태에서, 유체 펌핑 요소(224)는 압전식 액추에이터 펌프, 정전기 펌프, 전기 수력 펌프 또는 연동 펌프로 이루어질 수 있다. 도시되어 있는 실시형태에서, 토출 요소(232)와 유사하게, 펌프 요소(224)는 제 2 기판(210)의 위에 가해지는 박막 적층체로 형성되는 열 저항기이다. 유체 펌프(224)가 열 저항기인 실시형태에서, 유체 펌핑 작용은 펌프 요소(224)(즉, 열 저항기)에 전류를 통전시키면 이루어지게 된다. 전류로 인해 저항성 펌프 요소(224)는 신속하게 가열되며, 그리 하여 그 펌프 요소(224)와 접촉하고 있는 얇은 층의 유체가 과열되어 증발된다. 팽창하는 기포에 의해 유체는 채널(218)의 내부에서 양 방향으로 펌프(224)로부터 멀어지게 된다. 그러나, 아래에서 논하는 바와 같이, 채널(218)의 길이 또는 중심에 대해 펌프(224)가 비대칭적으로 배치되어 있기 때문에, 채널(218)의 긴 측 쪽으로 정미(net) 유체 흐름이 일어나게 된다.
유체 채널(218) 내부에서 유체 펌핑 요소(224)의 정확한 위치는 다소 변할 수 있지만, 어떤 경우에도 유체 채널(218)의 길이의 중심점에 대해 비대칭적으로 위치된다. 예컨대, 도 2a에 있는 유체 채널(218)의 길이가 도 2a의 좌측 끝에 나타나 있는 유체 이송 구멍(220B)에서부터 도 2a의 우측 끝에 나타나 있는 유체 이송 구멍(220A)까지라고 가정하면, 채널(218)의 대략적인 중심은 이들 좌측 끝과 우측 끝의 유체 이송 구멍 사이의 중간에 위치된다. 따라서, 유체 펌핑 요소(224)는 채널(218)의 중심에 대해 비대칭적으로 그 채널(218)의 우측 끝의 유체 이송 구멍(220A) 쪽에 위치된다. 유체 펌핑 요소(224)가 비대칭적으로 위치됨으로 인해, 펌프(224)와 유체 슬롯(202) 사이에 채널(218)의 짧은 측이 있게 되고 또한 채널(218)의 긴 측은 채널(218)의 중심과 액적 발생기(222) 쪽으로 연장되어 있다.
유체 채널(218)의 내부에서 유체 펌핑 요소(224)의 비대칭적인 위치는 일방향 유체 흐름(즉, 유체 정류(fluidic diodicity))의 근거가 된다. 도 2a에 있는 회색 화살표(234)는 펌핑 요소(224)의 펌핑 작용에 의해 발생되는 유체 흐름 및 유체 순환의 일반적인 방향을 나타낸다. 펌프(224)가 채널(218)의 짧은 측 쪽에 비대칭적으로 배치됨으로 인해, 채널(218)의 중심 또는 긴 측 쪽으로(즉, 액적 발생기(222) 쪽으로) 정미 유체 흐름이 일어나게 된다. 일반적으로 회색 방향 화살표(234)로 나타나 있는 바와 같이, 펌핑 요소(224)는 유체 슬롯(202)으로부터 유체를 수직 상방으로 유체 이송 구멍(220A)을 통해 채널(218) 안으로 순환시킨다. 그런 다음 유체는 수평 방향으로 채널(218)을 통과해 액적 발생기(222) 쪽으로 펌핑되고(즉, 펌프(224)와 토출 요소(232)/발사 챔버(230)의 면내에서), 그런 다음에 유체 이송 구멍(220B)을 통과해 수직 방향으로 유체 슬롯(202) 안으로 되돌아가게 된다.
도 2b는 액적 토출 상황 중에 있는 본 개시의 일 실시형태에 따른 유체 토출 어셈블리(102)의 횡단면도를 나타낸다. 유체 토출 어셈블리의 정상적인 작동 중에, 대응하는 토출 요소(232)를 작동시켜 유체 액적(236)이 챔버(230)로부터 대응하는 노즐(226)을 통해 토출된다. 그리고 나서, 다른 유체 액적을 토출시키기 위한 준비로 챔버(230)는 유체 슬롯(202)으로부터 수직 상방으로 유체 이송 구멍(220B)을 통과해 순환하는 유체로 다시 채워지게 된다. 보다 구체적으로, 열 저항기 토출 요소(232)에 전류가 흐르면, 그 요소(232)가 신속하게 가열되고 이 요소(232)에 인접해 있는 얇은 유체층이 과열된다. 과열된 유체가 증발하여 대응 발사 챔버(230) 내에서 기포가 발생되며, 신속하게 팽창되는 그 기포에 의해 유체 액적(236)이 대응 노즐(226) 밖으로 나가게 된다. 토출 요소(232)가 냉각되면, 기포가 신속히 붕괴되어, 노즐(226)로부터 다른 액적(226)을 토출시키기 위한 준비로 유체가 유체 슬롯(202)으로부터 수직 상방으로 유체 이송 구멍(220B)을 통과해 발사 챔버(230) 안으로 더 흡인된다.
따라서, 정상적인 액적 토출 상황 중에 상기 토출 요소(232)는 노즐(226)을 통해 유체 액적을 토출시키고 또한 유체 토출 어셈블리(102) 내부에서 유체를 순환시키는 이중의 능력으로 작용함을 명백히 알 수 있다. 도 2b의 회색 화살표(234)는 액적 토출 상황 중에 토출 요소(232)의 펌핑 작용에 의해 발생되는 유체 흐름 및 유체 순환의 일반적인 방향을 나타낸다. 먼저, 신속하게 팽창되는 기포가 유체 액적(236)을 노즐(226) 밖으로 밀어냄에 따라, 펌핑 요소(224)와 관련하여 전술한 바와 유사하게 하지만 반대 방향으로 채널(218)내의 유체는 액적 발생기(222)에서 멀어지게 채널(218)의 중심 또는 긴 측 쪽으로 수평 방향으로 순환하게 된다. 기포가 붕괴됨에 따라, 유체는 수직 상방으로 유체 이송 구멍(220B)을 통과해 챔버(230)와 채널(218) 안으로 순환하여, 토출된 유체 액적(236)에 의해 남겨져 있는 공간을 다시 채우게 된다. 따라서, 유체 액적 토출 중에, 토출 요소(232)는 상기 펌핑 요소(224)와 많이 동일한 방식으로 펌핑 요소로서 작용하여, 유체 토출 어셈블리(102)의 내부에서 유체를 수직 및 수평 방향 모두로 순환시키게 된다. 전술한 바와 같이, 발사 챔버(230) 및 유체 채널(218)의 치수는 유체 토출 및 펌핑 둘다의 최적화를 위해 독립적으로 특정된다.
도 3 내지 도 14는 본 개시의 실시형태에 따라 유체 채널(218), 유체 슬롯(202)과 채널(218) 사이에 있는 유체 이송 구멍(220), 펌핑 요소(224)와 토출 요소(232)의 구조 및/또는 배치에 있어서 변화가 있는 유체 토출 어셈블리(102)의 다양한 도를 나타낸다. 예컨대 도 3은 본 개시의 일 실시형태에 따라 도 2의 실시형태에서 처럼 토출 요소(232)의 양 측에 인접해 있는 두개의 유체 이송 구멍(220B) 및 펌핑 요소(224)의 먼 측에 인접해 있는 단지 하나의 유체 이송 구멍(220A)을 갖는 유체 토출 어셈블리(102)의 횡단면도 및 상면도를 나타낸다. 회색 방향 화살표(234)로 나타나 있는 같이, 도 3의 실시형태에 있는 펌프 요소(224)의 펌핑 작용에 의해, 유체가 유체 슬롯(202)으로부터 수직 상방으로 단일의 유체 이송 구멍(220A)을 통과해 채널(218) 안으로 들어가고 수평 방향으로 그 채널(218)을 통과해 이 채널(218)의 중심 또는 긴 측 쪽으로(즉, 액적 발생기(222) 쪽으로) 순환하게 된다. 도시되어 있지는 않지만, 정상적인 액적 토출 상황 중에 상기 토출 요소(232)는 노즐(226)을 통해 유체 액적을 토출시키고 또한 유체 토출 어셈블리(102) 내부에서 유체를 순환시키는 이중의 능력으로 작용한다. 도 2의 실시형태에서 처럼, 토출 요소(232)가 냉각되고 또한 증발 기포가 수축함에 따라, 토출 요소(232)에 의해, 채널(218)내의 유체는 액적 발생기(222)에서 멀어지게 수평 방향으로 채널(218)의 중심 또는 긴 측 쪽으로 가고 그런 다음에 수직 상방으로 유체 이송 구멍(220B)을 통과해 챔버(230) 및 채널(218) 안으로 순환하여, 토출된 유체 액적(236)에 의해 남겨져 있는 공간을 다시 채우게 된다.
도 4는 본 개시의 일 실시형태에 따라 도 2의 실시형태에서 처럼 토출 요소(232)의 양 측에 인접해 있는 두개의 유체 이송 구멍(220B) 및 펌핑 요소(224)의 가까운 측에 인접해 있는 단지 하나의 유체 이송 구멍(220A)을 갖는 유체 토출 어셈블리(102)의 횡단면도 및 상면도를 나타낸다. 회색 방향 화살표(234)로 나타나 있는 같이, 도 4의 실시형태에 있는 펌프 요소(224)의 펌핑 작용에 의해, 유체가 유체 슬롯(202)으로부터 수직 상방으로 단일의 유체 이송 구멍(220A)을 통과해 채널(218) 안으로 들어가고 수평 방향으로 그 채널(218)을 통과해 이 채널(218)의 중심 또는 긴 측 쪽으로(즉, 액적 발생기(222)쪽으로) 순환하게 된다. 여기서도, 정상적인 액적 토출 상황 중에 상기 토출 요소(232)는 노즐(226)을 통해 유체 액적을 토출시키고 또한 유체 토출 어셈블리(102) 내부에서 유체를 순환시키게 된다. 토출 요소(232)에 의해, 채널(218)내의 유체는 액적 발생기(222)에서 멀어지게 수평 방향으로 채널(218)의 중심 또는 긴 측 쪽으로 가고 그런 다음에 수직 상방으로 유체 이송 구멍(220B)을 통과해 챔버(230) 및 채널(218) 안으로 순환하여, 토출된 유체 액적(236)에 의해 남겨져 있는 공간을 다시 채우게 된다.
도 5 내지 도 8은 본 개시의 실시형태에 따른 유체 토출 어셈블리(102)의 내부에 있는 유체 채널(218), 유체 이송 구멍, 펌핑 요소(224) 및 토출 요소(232)의 추가적인 예시적 구성 및 각각의 펌핑 요소(224)에 의해 발생되는 유체 순환의 일반적인 방향을 나타낸다. 도 5의 실시형태에서, 유체 토출 어셈블리(102)는 두개의 유체 이송 구멍(220A, 220B)을 갖는데, 하나는 채널(218)의 우측 끝에서 펌핑 요소(224)에 인접해 있고 다른 하나는 채널(218)의 좌측 끝에서 토출 요소(232)에 인접해 있다. 도 6의 실시형태에서, 유체 토출 어셈블리(102) 역시 두개의 유체 이송 구멍(220A, 220B)을 갖고 있다. 한 유체 이송 구멍(220A)은 펌핑 요소(224)에 인접해 있고 다른 유체 이송 구멍(220B)은 토출 요소(232)에 인접해 있으며, 이들 두 유체 이송 구멍은 펌핑 요소(224)와 토출 요소(232) 사이에서 채널(218)의 중심 쪽에 있다. 도 7 및 도 8의 실시형태에서, 유체 토출 어셈블리(102)는 3개의 유체 이송 구멍(220)을 갖는데, 두개의 유체 이송 구멍(220A)은 펌핑 요소(224)의 양 측에 인접해 있다. 도 7에서, 제 3 유체 이송 구멍(220B)은 채널(218)의 좌측 끝에서 토출 요소(232)에 인접해 있으며, 도 8에서, 제 3 유체 이송 구멍(220B)은 채널(218)의 중심 쪽에서 토출 요소(232)에 인접해 있다.
도 9 및 도 10은 본 개시의 실시형태에 따라 유체 채널(218)의 내부에서 펌핑 요소(224)가 토출 요소(232)와 짝을 이루고 있는 유체 토출 어셈블리(102)의 상면도를 나타낸다. 도 9의 실시형태에서, 유체 채널(218)의 길이는 유체 토출 어셈블리(102) 및 아래의 유체 슬롯(202)(미도시)의 길이에 수직하게 방향설정되어 있다. 도 10의 실시형태에서, 유체 채널(218)의 길이는 유체 토출 어셈블리(102) 및 아래의 유체 슬롯(202)(미도시)의 길이와 대응하도록 방향설정되어 있다. 두 경우, 각 유체 채널(218)의 내부에서 펌핑 요소(224)와 토출 요소(232)가 비대칭적으로 위치됨으로 인해, 유체는 펌핑 요소(224)와 토출 요소(232) 사이에서 앞뒤로 이동하고 또한 유체 이송 구멍(220)을 통해 아래의 유체 슬롯(202)에 들어가고 그로부터 나오는 순환을 하게 된다. 예컨대, 도 9의 실시형태에서, 펌핑 요소(224)에 의해, 유체는 아래의 유체 슬롯(202)으로부터 수직 상방으로(즉, 면에서 나가는 방향으로) 유체 이송 구멍(220A)을 통과하고 그런 다음에 펌핑 요소(224)에서부터 수평 방향으로 유체 채널(218)을 통과해 토출 요소(232)로 가고(즉, 펌프 요소(224), 토출 요소(232) 등의 면내에서), 그리고 수직 하방으로(즉, 상기 면내로 들어가는 방향으로) 유체 이송 구멍(220B)을 통과해 유체 슬롯(202) 안으로 되돌아가는 순환을 하게 된다. 토출 요소(232)가 작동하여 유체 액적을 토출하면, 그 토출 요소(232)의 펌핑 효과로 인해 유체는 대부분 역방향으로 순환하게 된다. 도 10의 실시형태에서 유체는 유사한 방식으로 순환된다.
도 11 및 도 12는 본 개시의 실시형태에 따라 상이한 형상을 갖는 유체 채널(218)의 내부에서 펌핑 요소(224)가 토출 요소(232)와 짝을 이루고 있는 유체 토출 어셈블리(102)의 상면도를 나타낸다. 도 11의 실시형태에서, 유체 채널(218)은 U-형으로 되어 있는데, 펌프 요소(224)와 유체 이송 구멍(220A)은 "U"의 일 측에 있고 토출 요소(232)와 유체 이송 구멍(220B)은 그 "U"의 다른 측에 있다. 펌핑 요소(224)에 의해, 유체는 아래의 유체 슬롯(202)으로부터 수직 상방으로(면에서 나가는 방향으로) 유체 이송 구멍(220A)을 통과하고 그런 다음에 펌핑 요소(224)에서부터 수평 방향으로 U-형 유체 채널(218)을 통과해 토출 요소(232)로 가고(즉, 펌프 요소(224), 토출 요소(232) 등의 면내에서), 그리고 수직 하방으로(즉, 상기 면내로 들어가는 방향으로) 유체 이송 구멍(220B)을 통과하여 유체 슬롯(202) 안으로 되돌아가는 순환을 하게 된다. 토출 요소(232)가 작동하여 유체 액적을 토출하면, 그 토출 요소(232)의 펌핑 효과로 인해 유체는 대부분 역방향으로 순환하게 된다. 도 12의 실시형태는 유체 토출 어셈블리(102) 및 아래의 유체 슬롯(202)의 길이에 대해 비스듬하게 방향설정되어 있는 유체 채널(218)을 갖는다. 도 12의 실시형태에서의 유체 순환은 도 11의 실시형태와 유사하다.
도 13은 본 개시의 일 실시형태에 따라 짝을 이루는 액적 발생기(222) 및 비평형 순환 채널(218)을 갖는 유체 토출 어셈블리(102)의 상면도를 나타낸다. 앞의 실시형태들에서 처럼, 유체 채널(218)의 내부에서 유체 펌핑 요소(224)의 비대칭적인 배치는 일방향 유체 흐름(즉, 유체 정류(fluidic diodicity))의 근거가 된다. 펌프 요소(224)가 비대칭적으로 채널(218)의 일 단부 쪽에 배치됨으로 인해, 그 채널(218)의 긴 측 쪽으로 정미 유체 흐름이 일어나게 된다. 따라서, 도 13의 실시형태에서, 펌프 요소(224)가 작동하면, 유체는 채널(218) 내에서 수평 방향으로 우측에서 좌측으로(즉, 펌프(224), 토출 요소(232) 등의 면내에서) 가고, 그리고 채널(218)의 우측에서 수직 상방으로(즉, 상기 면에서 나가는 방향으로) 유체 이송 구멍(220)을 통과하며 또한 채널(218)의 좌측에서는 수직 하방으로(즉, 상기 면내로 들어가는 방향으로) 유체 이송 구멍(220)을 통과하는 순환을 하게 된다.
도 14는 본 개시의 일 실시형태에 따라 순환 채널(218)을 통해 복수의 주변 액적 발생기(222) 사이에 공유되는 펌핑 요소를 갖는 유체 토출 어셈블리(102)의 상면도를 나타낸다. 펌핑 요소(224)가 4개의 액적 발생기(222) 사이에서 중앙에 배치되어 있음으로 인해, 유체는 펌프(224)에 인접해 있는 유체 이송 구멍(220)을 수직 상방으로(즉, 면에서 나가는 방향으로) 통과하고, 채널(218)을 수평 방향으로 통과하여 각각의 액적 발생기(222)로 가며(즉, 펌프(224), 토출 요소(232) 등의 면내에서), 그리고 토출 요소(232)의 양 측에 있는 유체 이송 구멍(220)을 수직 하방으로(즉, 상기 면내로 들어가는 방향으로) 통과하는 순환을 하게 된다.
도 15는 본 개시의 일 실시형태에 따른 기본적인 유체 토출 장치의 블럭도를 나타낸다. 이 유체 토출 장치(1500)는 전자 제어기(1502) 및 유체 토출 어셈블리(102)를 포함한다. 유체 토출 어셈블리(102)는 본 개시에서 설명되고, 도시 및/또는 고려되는 유체 토출 어셈블리(102)의 어떤 실시형태라도 될 수 있다. 전자 제어기(1502)는 전형적으로 유체 액적을 정확하게 토출시키기 위해 유체 토출 어셈블리(102)와 통신하여 그 어셈블리를 제어하기 위한 프로세서, 펌웨어(firmware) 및 다른 전자 장비를 포함한다.
일 실시형태에서, 유체 토출 장치(1500)는 잉크젯 인쇄 장치일 수 있다. 그래서, 유체 토출 장치(1500)는 유체 토출 어셈블리(102)에 유체를 공급하는 유체/잉크 공급 어셈블리(1504), 토출된 유체 액적의 패턴을 받는 매체를 제공하는 매체 전달 어셈블리(1506) 및 전력 공급부(1508)를 포함한다. 일반적으로, 전자 제어기(1502)는 컴퓨터와 같은 호스트 시스템으로부터 데이터(1510)를 받는다. 이 데이터(1510)는 예컨대 인쇄될 문서 및/또는 파일을 나타내며, 하나 이상의 인쇄 작업 명령 및/또는 명령 파라미터를 포함하는 인쇄 작업을 형성한다. 상기 데이터(1510)로부터 전자 제어기(1502)는 문자, 기호 및/또는 다른 그래픽 또는 이미지를 형성하는 토출 대상 액적의 패턴을 정하게 된다.

Claims (15)

  1. 유체 토출 어셈블리에 있어서,
    제 1 기판에 형성되어 있는 유체 슬롯과,
    제 2 기판의 정상에 배치되는 챔버 층에 형성되는 채널로서, 상기 제 2 기판의 바닥면은 제 1 기판의 정상면에 부착되는, 상기 채널과,
    상기 유체 슬롯과 상기 채널 사이에 형성되어 있는 유체 이송 구멍과,
    상기 채널의 제 1 단부에 있는 유체 토출 요소와,
    상기 채널의 제 2 단부에 있는 펌프 요소를 포함하고,
    상기 유체 이송 구멍은, 상기 유체 토출 요소에 인접해 있는 적어도 하나의 제 1 유체 이송 구멍과, 상기 펌프 요소에 인접해 있는 적어도 하나의 제 2 유체 이송 구멍을 포함하고,
    상기 유체 슬롯으로부터 상기 제 1 유체 이송 구멍, 상기 채널 및 상기 제 2 유체 이송 구멍을 거쳐 상기 유체 슬롯까지의 유체의 순환 경로가 형성되고,
    상기 펌프 요소에 의해, 상기 채널을 통해 수평 방향으로 또한 상기 유체 이송 구멍을 통해 수직 방향으로 유체를 순환시키는
    유체 토출 어셈블리.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 유체 이송 구멍은 상기 유체 토출 요소와 상기 채널의 제 1 단부 사이에 있는
    유체 토출 어셈블리.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 유체 이송 구멍은 상기 펌프 요소와 상기 채널의 제 2 단부 사이에 있는
    유체 토출 어셈블리.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 유체 이송 구멍은,
    상기 유체 토출 요소의 양 측에서 그에 인접해 있는 2개의 제 1 유체 이송 구멍과,
    상기 펌프 요소에 인접해 있는 1개의 제 2 유체 이송 구멍을 포함하는
    유체 토출 어셈블리.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 유체 이송 구멍은,
    상기 펌프 요소의 양 측에서 그에 인접해 있는 2개의 제 2 유체 이송 구멍과,
    상기 유체 토출 요소에 인접해 있는 1개의 제 1 유체 이송 구멍을 포함하는
    유체 토출 어셈블리.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 유체 이송 구멍은,
    상기 유체 토출 요소의 양 측에서 그에 인접해 있는 2개의 제 1 유체 이송 구멍과,
    상기 펌프 요소의 양 측에서 그에 인접해 있는 2개의 제 2 유체 이송 구멍을 포함하는
    유체 토출 어셈블리.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 채널은 U-형으로 되어 있는
    유체 토출 어셈블리.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 채널은 상기 유체 슬롯의 긴 치수에 대해 비스듬하게 방향설정되어 있는(oriented)
    유체 토출 어셈블리.
  10. 유체 토출 어셈블리에 있어서,
    제 1 및 제 2 기판으로서, 상기 제 1 기판의 정상면은 제 2 기판의 바닥면에 결합되는, 상기 제 1 및 제 2 기판과,
    상기 제 1 기판에 형성되는 유체 슬롯과,
    상기 제 2 기판의 정상면 상에 배치되는 채널을 갖는 챔버 층과,
    상기 제 2 기판을 통과해 형성되어 상기 유체 슬롯과 상기 채널 사이의 유체 연통을 제공하는 복수의 유체 이송 구멍과,
    상기 채널에 배치되는 토출 요소와,
    상기 채널에 배치되는 펌핑 요소를 포함하고,
    상기 펌핑 요소가, 상기 유체 슬롯으로부터 상기 복수의 유체 이송 구멍 중 일부, 상기 채널 및 상기 복수의 유체 이송 구멍 중 나머지를 거쳐 상기 유체 슬롯까지의 유체의 흐름을 제공하는
    유체 토출 어셈블리.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 채널은 제 1 단부에서 교차하는 복수의 채널을 포함하며, 상기 펌핑 요소는 채널들의 교차 지점에 배치되고, 각 채널의 제 2 단부에는 토출 요소가 배치되어 있으며, 상기 펌핑 요소는 상기 펌핑 요소와 각 토출 요소 사이에서의 상기 채널을 통한 수평 방향 유체 순환 및 상기 채널과 유체 슬롯 사이에서의 상기 유체 이송 구멍을 통한 수직 방향 유체 순환을 제공하는
    유체 토출 어셈블리.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 펌핑 요소는 채널을 따라 중심점에 대해 비대칭적으로 위치되는
    유체 토출 어셈블리.
  13. 제 1 기판에 형성되어 있는 유체 슬롯과,
    제 2 기판의 정상에 배치되는 챔버 층에 형성되는 유체 채널로서, 상기 제 2 기판의 바닥면은 제 1 기판의 정상면에 부착되는, 상기 유체 채널과,
    상기 유체 슬롯과 상기 유체 채널 사이에 형성되어 있는 복수의 유체 이송 구멍과,
    상기 유체 채널의 제 1 단부에 있는 유체 토출 요소와,
    상기 유체 채널의 제 2 단부에 있는 펌프 요소를 포함하고,
    상기 유체 슬롯으로부터 상기 복수의 유체 이송 구멍 중 일부, 상기 유체 채널 및 상기 복수의 유체 이송 구멍 중 나머지를 거쳐 상기 유체 슬롯까지의 유체의 순환 경로가 형성되는 유체 토출 어셈블리 내에서 유체를 순환시키는 방법에 있어서,
    상기 펌프 요소와 상기 토출 요소 사이에서 상기 유체 채널을 통해 유체를 수평 방향으로 펌핑하는 단계와,
    상기 유체 이송 구멍을 통해 상기 유체 채널과 상기 유체 슬롯 사이에서 유체를 수직 방향으로 펌핑하는 단계를 포함하는
    유체 토출 어셈블리 내 유체 순환 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 펌핑 단계는 펌프 요소를 작동시켜 유체 채널과 유체 이송 구멍을 통해 유체를 미는 것을 포함하는
    유체 토출 어셈블리 내 유체 순환 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 펌핑 단계는 토출 요소를 작동시켜 노즐을 통해 유체를 토출시키고 또한 유체 채널과 유체 이송 구멍을 통해 유체를 미는 것을 포함하는
    유체 토출 어셈블리 내 유체 순환 방법.
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