KR102319156B1 - 액체 토출 헤드 및 액체 토출 장치 - Google Patents

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Abstract

제1 압력실 내의 액체가 토출구로부터 토출되도록 제1 압력실에 토출 에너지 발생 소자가 제공된다. 제1 압력실 내의 액체가 가압되도록 제2 압력실에 가압 에너지 발생 소자가 제공된다. 제2 압력실에 개구되는 구멍의 개구 면적은 토출구의 개구 면적보다 작다.

Description

액체 토출 헤드 및 액체 토출 장치{LIQUID EJECTION HEAD AND LIQUID EJECTION APPARATUS}
본 발명은, 잉크 등의 액체를 토출할 수 있는 액체 토출 헤드 및 액체 토출 장치에 관한 것이다.
국제 공개 공보 제2011/146069호는, 액체 토출 헤드로서, 압력실 내에 공급된 액체 잉크를 토출 에너지 발생 소자에 의해 가압함으로써 압력실 내의 잉크를 토출구로부터 토출할 수 있는 잉크젯 기록 헤드를 개시하고 있다. 이 기록 헤드는, 압력실 내의 잉크를 순환시키기 위한 순환로를 구비하고, 순환로에는 잉크 토출 용의 압력실, 토출 에너지 발생 소자 및 토출구와 동일한 것이 제공된다. 기록 헤드는 순환로에 제공되는 토출 에너지 발생 소자에 의해 압력실 내의 잉크를 순환 또는 교반하기 위한 유동 에너지가 발생되도록 구성된다. 압력실 내의 잉크를 순환 또는 교반하는 것은, 토출구로부터의 휘발성 잉크 성분 증발 동안의 잉크의 증점에 기인하는 잉크 토출 불량의 발생을 억제하는데 효과적이다.
국제 공개 공보 제2011/146069호에서는, 순환로 중의 잉크가 유동하도록, 잉크 토출을 위해 구성되는 압력실, 토출 에너지 발생 소자 및 토출구와 동일한 것이 사용된다. 따라서, 효율적인 잉크 순환 또는 교반이 용이하게 행해질 수 없다.
본 발명은 잉크 등의 액체를 효율적으로 유동시킬 수 있는 액체 토출 헤드 및 액체 토출 장치를 제공한다.
본 발명의 제1 양태에서는, 액체 토출 헤드가 제공되며, 상기 액체 토출 헤드는,
제1 압력실 및 제2 압력실로서, 상기 제1 압력실의 일단부는 제1 유로를 통해 액체 공급로에 접속되고, 상기 제2 압력실의 일단부는 제2 유로를 통해 상기 액체 공급로에 접속되며, 상기 제1 압력실의 타단부는 및 상기 제2 압력실의 타단부는 연통로에 의해 서로 연통되는, 제1 압력실 및 제2 압력실;
상기 제1 압력실에 개구되는 토출구;
상기 제2 압력실에 개구되는 구멍;
상기 제1 압력실 내의 액체가 상기 토출구로부터 토출되도록 상기 제1 압력실에 제공되는 토출 에너지 발생 소자; 및
상기 제1 압력실 내의 액체가 가압되도록 상기 제2 압력실에 제공되는 가압 에너지 발생 소자를 포함하며,
상기 구멍의 개구 면적은 상기 토출구의 개구 면적보다 작다.
본 발명의 제2 양태에서는, 액체 토출 장치로서,
본 발명의 제1 양태에 따른 액체 토출 헤드;
상기 액체 토출 헤드의 상기 액체 공급로에 액체를 공급하도록 구성되는 공급 유닛; 및
상기 토출 에너지 발생 소자 및 상기 가압 에너지 발생 소자를 제어하도록 구성되는 제어 유닛을 포함하는 액체 토출 장치가 제공된다.
본 발명에서는, 액체 토출 헤드에서의 액체의 효율적인 유동에 의해 만족스러운 액체 토출 상태를 유지할 수 있다.
본 발명의 추가적인 특징은 첨부된 도면을 참고한 예시적인 실시예에 대한 이하의 설명으로부터 명확해질 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 기록 헤드의 사시도이다.
도 2a는 도 1의 기록 헤드의 기록 소자의 설명도이며, 도 2b는 도 2a의 IIB-IIB 선을 따라 취한 단면도이다.
도 3a 및 도 3b는 도 2a의 기록 소자에서의 잉크 유동 방향의 설명도이다.
도 4a 및 도 4b는 도 2a의 기록 소자에서의 잉크 유동 거리의 설명도이다.
도 5a 및 도 5b는 도 2a의 기록 소자에 대한 비교예의 설명도이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 기록 헤드의 기록 소자의 설명도이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 기록 헤드의 기록 소자의 설명도이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 제4 실시예에 따른 기록 헤드의 기록 소자의 설명도이다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 실시예에 따른 기록 헤드를 구비한 기록 장치의 설명도이다.
이하, 본 발명의 실시예에 대해서 첨부의 도면을 참조하여 설명한다.
(제1 실시예)
도 1은 액체 토출 헤드로서의 잉크젯 기록 헤드(20)의 개략 사시도이며, 헤드 본체(50) 상에 접속 부재(51) 및 기록 소자(52)가 배치된다. 기록 소자(52)의 기판(1) 상에는, 복수의 토출구(제1 토출구)(9)를 구비하는 오리피스 플레이트(8)가 제공된다. 복수의 토출구(9)는 토출구 열(L)을 형성한다. 도 2a는 오리피스 플레이트(8)가 부분적으로 절결된 기록 소자(52)의 평면도이며, 도 2b는 도 2a의 IIB-IIB 선을 따라 취한 단면도이다.
(기록 소자의 구성)
도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 기판(1)에는, 잉크 토출 에너지 발생 소자로서, 복수의 토출구(9)에 대응하는 복수의 발열 소자(전기열 변환자)(2)가 배치되어 있다. 노즐 형성 부재(5)에 의해, 발열 소자(2)에 대응하는 복수의 압력실(제1 압력실)(7)과 공통 액실(공급로)(3)로부터 압력실(7) 내에 잉크(액체)를 공급하는 복수의 유로(제1 유로)(6)가 형성된다. 발열 소자(2)를 발열 구동함으로써 압력실(7) 내의 잉크가 발포되고, 그 발포 에너지를 이용하여 압력실(7)에 개구되는 토출구(9)로부터 잉크가 토출된다. 압력실(7)의 일단부는 유로(6)와 연통하고, 압력실(7)의 타단부는 잉크 순환을 위한 접속 유로(연통로)(26)와 연통한다. 토출 에너지 발생 소자로서는, 압전 소자 등을 사용할 수도 있다.
기판(1)에는, 잉크 가압을 위한 가압 에너지 발생 소자로서, 복수의 순환용의 발열 소자(전기열 변환 소자)(12)(이하, "순환용 발열 소자"라고도 칭함)이 배치된다. 또한, 노즐 형성 부재(5)에 의해, 발열 소자(12)에 대응하는 복수의 순환을 위한 압력실(제2 압력실)(이하, "순환용 압력실"이라고도 칭함)(17)이 형성된다. 순환 공급 유로(제2 유로)(16)는 순환용 압력실(17)의 일단부가 공통 액실(3)과 연통하게 하며, 접속 유로(26)는 순환용 압력실(17)의 타단부가 압력실(7)과 연통하게 한다. 순환용 발열 소자(12)를 발열 구동함으로써 순환용 압력실(17) 내의 잉크가 발포되고, 사용되는 발포 에너지에 의해 후술하는 바와 같이 잉크가 가압되어서 순환된다. 즉, 순환용 압력실(제2 압력실)(17)에 제공된 순환용 발열 소자(가압 에너지 발생 소자)(12)는 순환용 압력실(제2 압력실)(17) 내의 잉크(액체)를 가압하여 압력실(제1 압력실)(7) 내의 잉크를 가압한다. 결과적으로, 순환용 발열 소자(12)는 압력실(7) 내의 잉크를 가압한다. 잉크는 기판(1)을 관통하는 공급구(4)로부터 공통 액실(3)에 공급된다. 찌꺼기 같은 이물이 압력실(7, 17)에 침입하는 것을 방지하기 위한 필터를 형성하는 부재(도시되지 않음)가 잉크 유로(6, 16)에 배치될 수 있다.
토출구(9)는 발열 소자(2)에 대향하는 오리피스 플레이트(8)의 위치에 형성되어 있다. 전술한 바와 같이, 발열 소자(2)를 구동함으로써, 압력실(7) 내의 잉크가 토출구(9)로부터 토출된다. 또한, 오리피스 플레이트(8)에는, 순환용 발열 소자(12)와 대향하는 위치에 관통 구멍(19)(제2 토출구)이 형성된다. 본 실시예의 경우, 토출구 열(L)의 연장 방향에서의 토출구(9)와 구멍(19) 사이의 간극 및 발열 소자(2)와 순환용 발열 소자(12) 사이의 간극은, 600 dpi의 기록 해상도에 대응하는 간극이다. 또한, 오리피스 플레이트(8)의 두께는 11㎛이고, 토출구(9)의 직경은 20㎛이고, 토출구(9)로부터 토출되는 잉크의 양은 대략 5ng이며, 구멍(19)의 직경은 11㎛이다. 또한, 접속 유로(26)의 폭(W)(도 2a참조)은 20㎛이며, 접속 유로(26)의 높이는 14㎛이다. 토출구(9)는 제1 압력실(7)에 개구되어 있고, 구멍(19)은 제2 압력실(17)에 개구되어 있다.
(잉크의 순환류)
발열 소자(12)를 구동함으로써 순환용 압력실(17) 내의 잉크를 발포시켰을 때의 압력파는 총 3개의 방향, 즉 접속 유로(26)를 향하는 방향, 순환 공급 유로(16)를 향하는 방향, 및 구멍(19)을 향하는 방향으로 분산 및 전파된다. 순환 공급 유로(16)를 향해서 전파되는 압력으로부터 도 3a의 화살표 방향의 잉크 유동이 발생하고, 결과로서 압력실(7)에 잉크 순환류가 발생한다. 그 후, 순환용 압력실(17) 내의 잉크의 소포 동안, 발포시의 압력과 반대 방향의 압력이 발생한다. 결과적으로, 도 3b의 화살표에 의해 나타내는 바와 같이, 순환용 압력실(17)로부터 접속 유로(26)를 향하는 잉크 유동이 발생한다. 이러한 잉크 유동의 변화의 결과로서 압력실(7) 내의 잉크가 교반된다.
본 실시예에서는, 상술한 바와 같이 순환용 압력실(17) 내의 잉크의 발포와 소포에 의해 잉크 순환류를 발생시켰을 경우, 접속 유로(26)로부터 압력실(7)을 향하는 잉크 유동보다 압력실(7)로부터 순환 공급 유로(16)를 향하는 잉크 유동이 컸다. 따라서, 도 3a의 화살표 방향의 잉크 순환류가 발생하기 용이했다. 또한, 발열 소자(12)의 연속적인 구동 및 접속 유로(26)의 형상에 따라서는, 도 3b의 화살표 방향의 잉크 순환류도 발생할 수 있다. 또한, 가압 에너지 발생 소자로서, 발열 소자(12) 대신에 순환용 압력실(17) 내의 잉크를 가압할 수 있는 압전 소자 등을 사용할 수 있다. 이 경우에는, 순환용 압력실(17) 내의 잉크에 대하여, 순환 공급 유로(16)를 향하는 방향의 압력과 접속 유로(26)를 향하는 방향의 압력이 비대칭적으로 적용되도록, 압전 소자 등을 구동함으로써 잉크 순환류의 방향이 변경될 수 있다. 즉, 잉크 순환류는 도 3a 및 도 3b에 도시된 방향 중 임의의 것에서 발생할 수 있다.
(구멍의 이점)
발열 소자(12)는, 구멍(19)로부터 잉크가 토출되도록 구동될 수 있으며, 구멍(19)으로부터 잉크를 토출시키지 않고 구동될 수 있다. 즉, 구멍(19)으로부터의 잉크 토출을 위해서 필요한 가압 에너지가 발생하도록, 발열 소자(12)를 구동(제1 구동 모드)함으로써 구멍(19)으로부터 잉크를 토출할 수 있다. 이 경우, 발열 소자(12)는 잉크 토출 에너지 발생 소자로서 기능한다. 또한, 구멍(19)으로부터의 잉크 토출에 필요한 가압 에너지 미만의 에너지가 발생되도록, 발열 소자(12)를 구동(제2 구동 모드)함으로써 구멍(19)으로부터는 잉크가 토출되지 않는다. 발열 소자(12)의 구동 모드로서, 상술한 바와 같은 제1 구동 모드 또는 제2 구동 모드가 선택될 수 있다.
제1 구동 모드에서 순환용 압력실(17) 내의 잉크에 발생하는 기포는, 제2 구동 모드에서 순환용 압력실(17) 내의 잉크에 발생되는 기포보다 크다. 그로 인해, 제1 구동 모드에서는, 보다 큰 압력이 접속 유로(26) 내에 전해지고, 보다 유속이 높은 잉크 순환류가 발생될 수 있다. 한편, 순환용 압력실(17) 내의 잉크의 소포 동안에는, 발포에 의해 순환용 압력실(17)의 내부로부터 배출된 잉크가 순환용 압력실(17)에 재충전되도록, 도 3b의 화살표 방향의 잉크 유동이 발생한다. 이 잉크 유동은, 잉크가 순환용 압력실(17)에 재충전되는 동안에 발생하고, 재충전 후에도 구멍(19)의 개구부에 형성된 잉크의 메니스커스의 진동이 접속 유로(26)의 잉크에 전해지는 것에 의해 계속된다. 그 구멍(19)이 형성되어 있지 않을 경우와 비교하여, 구멍(19)이 형성되어 있음으로써, 구멍(19)에서의 잉크의 메니스커스의 진동의 영향으로부터 잉크 유동이 발생하는 시간이 길어지고, 잉크 순환 및 교반을 더욱 진행시킬 수 있다. 또한, 구멍(19)이 형성되어 있음으로써, 제2 구동 모드에서도, 구멍(19)에 형성된 잉크의 메니스커스의 진동의 영향으로부터 잉크 유동이 발생하는 시간이 길어진다. 즉, 구멍(19)에 형성된 잉크의 메니스커스는, 발포에 의해 융기하고, 소포에 의해 침강함으로써 진동하기 때문에, 그 진동에 의해, 잉크 유동이 발생하는 시간을 길게 할 수 있다.
(구멍의 개구 면적)
전술한 바와 같이, 순환용 압력실(17) 내의 잉크를 발포시켰을 때의 압력파는, 총 3개의 방향, 즉 접속 유로(26)를 향하는 방향, 순환 공급 유로(16)를 향하는 방향, 및 구멍(19)을 향하는 방향으로 분산 및 전파된다. 상기 방향으로 전파되는 압력파의 비율은 각각의 방향에서의 잉크의 관성 저항에 의해 결정된다. 본 실시예에서와 같이, 토출구(9)의 직경(20㎛)보다 구멍(19)의 직경(11㎛)을 작게 설정함으로써 구멍(19)에서의 잉크의 관성 저항을 크게 하는 것에 의해, 순환용 압력실(17) 내의 잉크 압력 변동을 잉크의 순환 방향에서 효율적으로 전파시킬 수 있다. 따라서, 잉크 순환류를 더 증대시킬 수 있다.
도 5a는, 구멍(19) 및 토출구(9)의 양자 모두가 20㎛의 직경을 갖는, 비교예에 따른 기록 소자의 주요부의 설명도이다. 도 5b는, 구멍(19)의 직경이 11㎛ 및 20㎛인 경우에, 잉크의 관성 저항의 비로부터 계산된 압력 전파 비율을 도시하는 설명도이다. 즉, 접속 유로(26)에서의 잉크의 관성 저항은, 40㎛의 거리(L1)(도 5a 참조) 및 42㎛의 거리(L2)(도 5a 참조)에 기초하여 계산되었다. 거리(L1)는 순환용 발열 소자(12)의 중심으로부터 접속 유로(26)까지의 거리이며, 거리(L2)는 접속 유로(26)가 압력실(7)에 연결되기 위한 거리이다. 도 5a에 도시된 비교예에서와 같이, 구멍(19)의 직경이 20㎛인 경우, 도 5b에서와 같이, 순환용 압력실(17) 내의 압력 전파의 비율은, 구멍(19)을 향하는 방향에 대해 58%였고, 접속 유로(26)를 향하는 방향에 대해 19%였으며, 순환 공급 유로(16)를 향하는 방향에 대해 23%였다. 이 비교예의 경우에는, 순환용 압력실(17) 내의 압력의 대부분이 구멍(19)을 향하는 방향으로 전파된다.
본 실시예에서와 같이 구멍(19)의 직경이 11㎛인 경우, 도 5b에 도시된 바와 같이, 순환용 압력실(17) 내의 압력 전파의 비율은, 구멍(19)을 향하는 방향에 대해 29%였고, 접속 유로(26)를 향하는 방향에 대해 32%였으며, 순환 공급 유로(16)를 향하는 방향에 대해 39%였다. 이와 같이, 구멍(19)을 향하는 방향의 압력 전파의 비율을 최저로 감소시킴으로써, 접속 유로(26)를 향하는 방향의 압력 전파의 비율을 상승시킬 수 있었다. 구멍(19)의 직경이 감소될수록, 순환용 발열 소자(12)의 제2 구동 모드에서 구멍(19)에 전파되는 압력은 작아지고, 접속 유로(26)에 전파되는 압력은 증가될 수 있다. 이와 같이, 구멍(19)의 직경이 감소될수록, 구멍(19)의 관성 저항은 증가하고, 접속 유로(26)에 전해지는 압력은 증가될 수 있다.
구멍(19)으로부터 잉크가 토출되도록 순환용 발열 소자(12)를 구동(제1 구동 모드)시키는 경우에는, 대략 1ng의 토출량이 바람직하다. 본 예에서는, 그 토출량을 실현하기 위해서, 구멍(19)의 직경을 대략 9㎛까지 감소시킬 수 있다. 접속 유로(26)의 형상이 본 예에서와 같은 경우, 토출구(9)를 향하는 방향에서의 관성 저항에 대하여, 구멍(19)을 향하는 방향에서의 관성 저항을 적어도 1.48배로 증가시키는 것에 의해, 접속 유로(26)에 전파되는 압력의 비율이 적어도 10% 증가하였다. 또한, 접속 유로(26)의 형상에 따라, 접속 유로(26)에 전파되는 압력의 비율을 변화시킬 수도 있다. 토출구(9)를 향하는 방향에서의 관성 저항에 대하여, 구멍(19)을 향하는 방향에서의 관성 저항을 적어도 1.3배로 했을 경우에는, 구멍(19)의 개구 면적의 감소로부터의 효과가 용이하게 달성된다. 바람직하게는, 제2 유로(16)는 제1 유로(6)보다 거리가 길다.
(구멍의 다른 이점)
본 예에서와 같은 기록 헤드(20)에서는, 화상 기록 동작 전에, 기록 헤드(20) 내의 증점 잉크를 토출구(9)로부터 토출(예비 토출)하는 경우가 있다. 이 경우에는, 토출구(9)로부터뿐만 아니라 구멍(19)으로부터도 예비 잉크 토출을 행하는 것에 의해, 더 효율적으로 증점 잉크를 토출할 수 있다. 본 예에 따른 구멍(19)은 11㎛의 직경을 갖기 때문에, 구멍(19)으로부터 토출되는 잉크 방울의 양은 대략 2ng이다. 토출구(9)로부터 토출되는 잉크의 양은 대략 5ng이기 때문에, 토출구(9) 단독에 의해서만 예비 잉크 토출을 행하는 경우보다, 토출구(9)로부터의 예비 토출과 구멍(19)으로부터의 예비 토출을 서로 조합함으로써, 예비 잉크 토출의 양이 더 용이하게 조정된다. 따라서, 예비 잉크 토출의 양은 최소 요구 토출량으로 용이하게 조정될 수 있으며, 결과적으로 예비 토출에 의해 폐기되는 잉크의 양을 저감시킬 수 있다.
또한, 예비 잉크 토출은 잉크 순환류도 초래하기 때문에, 더 적은 양의 잉크의 예비 토출에 의해, 압력실(7), 접속 유로(26) 및 순환용 압력실(17) 내의 증점 잉크를 새로운 잉크로 치환할 수 있다. 화상 기록 영역에 대해 예비 잉크 토출을 행하는 경우에는, 소직경 구멍(19)으로부터 예비 토출되는 잉크의 양이 적기 때문에, 이 구멍(19)으로부터 예비 토출되는 잉크는 화상의 기록 영역에서 두드러지기 어렵다. 따라서, 구멍(19) 단독으로부터 잉크를 예비 토출하여 잉크 순환류를 발생시킴으로써, 화상 기록 동작 시에서의 토출구(9)로부터의 잉크 토출 상태를 양호하게 유지할 수 있다.
(순환용 발열 소자의 구동 타이밍)
순환용 발열 소자(12)를 상시 구동시켜서, 압력실(7)에 잉크 순환류를 상시 발생시킴으로써, 토출구(9)의 잉크 토출 상태를 항상 만족스럽게 유지할 수 있다. 그러나, 이는 소비 에너지의 증대를 초래한다. 그로 인해, 발열 소자(12)는, 발열 소자(2)의 구동 타이밍에 따라서 구동하는 것이 바람직하다.
토출구(9)의 잉크 토출 휴지 시간이 비교적 짧은 경우에는, 순환용 발열 소자(12)는 2회 이상 구동되지 않아도 된다. 이 경우, 발열 소자(2)는, 순환용 발열 소자(12)의 구동에 의해 발생하는 압력 전파에 의해 압력실(7)에 잉크 유동이 발생한 후, 및 토출구(9)에 형성된 잉크의 메니스커스 융기 및 침강한 후에 구동되는 것이 바람직하다. 이러한 발열 소자(2)의 구동 타이밍에 의해, 토출구(9) 내의 잉크가 메니스커스 진동에 의해 교반되고, 토출구(9)로부터의 휘발성 잉크 성분 증발에 의해 발생하는 증점 잉크의 영향을 최소로 유지할 수 있다. 또한, 토출구(9)에서의 메니스커스 진동의 영향에 의한, 토출구(9)로부터의 잉크의 토출량 및 토출 속도의 변화를 억제할 수 있다.
토출구(9)의 잉크 토출 휴지 시간이 비교적 긴 경우, 순환용 발열 소자(12)의 구동 시간 및 구동 타이밍은, 발열 소자(12)와 압력실(7) 사이의 거리에 따라 설정된다. 토출구(9)로부터의 휘발성 잉크 성분 증발에 의해 증점된 잉크(농축된 액체)의 양이 그 최대인 경우에도, 증점 잉크는 유로(6), 압력실(7), 접속 유로(26), 순환용 압력실(17), 및 순환 공급 유로(16)에만 존재한다. 따라서, 순환용 발열 소자(12)의 구동에 의해, 발열 소자(12)와 압력실(7) 사이의 증점 잉크 및 압력실(7) 내의 증점 잉크를 유동시킴으로써, 토출구(9)로부터의 잉크 토출의 상태를 만족스럽게 유지할 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 상술한 바와 같이 순환용 발열 소자(12)를 구동하기 위한 구동 타이밍을 도시하는 설명도이다. 구멍(19)으로부터 잉크가 토출되지 않도록 순환용 발열 소자(12)를 구동(제2 구동 모드)하는 경우에, 도 4a에 도시된 압력실(7) 내의 P 점에서의 잉크의 유동 거리를 계산하고, 그 계산 결과를 도 4b에 나타낸다. 도 4b의 횡축은 발열 소자(12)가 구동되는 시점으로부터의 경과 시간을 나타내며, 도 4b의 종축은 P 점에서의 잉크의 유동 거리를 나타낸다.
발열 소자(12)의 구동 시점으로부터 50㎲ 경과 후, P 점의 잉크는 도 4a의 + 방향, 즉 접속 유로(26)를 향하는 방향으로 대략 0.4㎛ 유동한다. 유로(6)로부터 압력실(7)까지의 거리가 22㎛이고, 압력실(7)로부터 접속 유로(26)까지의 거리가 64㎛인 경우, 압력실(7) 내의 잉크가 도 4a의 + 방향으로 86㎛ 유동하는 것에 의해 압력실(7)은 미증점 잉크로 충전된다. 구체적으로는, 발열 소자(12)가 20kHz의 구동 주파수로 50㎲마다 구동되는 경우에는, 발열 소자(12)는 대략 10.5ms 동안 구동될 수 있다. 즉, 발열 소자(2)의 구동 시점보다 10.5ms 전부터 순환용 발열 소자(12)를 구동시킴으로써, 토출구(9)로부터의 잉크 토출의 상태를 만족스럽게 유지할 수 있다. 본 예에서는, 대략 2cp의 점도, 1g/cm3의 밀도, 36mN/m의 정적 표면 장력을 갖는 잉크로 계산을 행했다. 잉크의 종류에 따라서는, 더 짧은 순환용 발열 소자(12)의 구동 시간으로부터 마찬가지의 효과가 얻어지는 경우도 있고, 또는 보다 긴 구동 시간이 필요한 경우도 있다. 따라서, 순환용 발열 소자(12)는, 발열 소자(2)의 구동 시점보다 적어도 1ms 전에 1회 구동되는 것이 바람직하다. 또한, 도 4b로부터, 순환용 발열 소자(12)의 구동 시점으로부터 5㎲의 경과 후에, 잉크 순환류가 발생한다는 것을 알 수 있다. 따라서, 발열 소자(2)의 구동 시점보다 적어도 5㎲ 전에, 순환용 발열 소자(12)를 1회 구동시키는 것이 바람직하다.
(화상의 기록)
순환용 발열 소자(12)는 화상 기록을 위해서 사용되는데, 즉 세밀한 사진 화상, 매우 작은 문자 등을 기록하는 경우에 구멍(19)으로부터 잉크가 토출되도록 발열 소자(12)를 구동한다(제1 구동 상태). 이러한 경우의 효과는, 토출구(9)로부터의 5ng의 잉크의 토출 및 구멍(19)으로부터의 2ng의 잉크의 토출이다. 이러한 경우에는, 접속 유로(26)에서 발생하는 잉크 순환류에 의해 구멍(19)으로부터의 잉크 토출의 상태를 만족스럽게 유지할 수 있다. 한편, 발열 소자(2)의 구동은, 접속 유로(26) 및 순환용 압력실(17) 내에 잉크 순환류 발생을 일으키기 때문에, 발열 소자(2)는 구멍(19)으로부터 토출되는 잉크에 순환 흐름을 발생시키는 수단으로서 이용될 수도 있다. 따라서, 순환용 발열 소자(12)를 화상 기록에 사용하는 경우에는, 잉크 순환류가 발생되도록 발열 소자(2)를 구동하는 것이 바람직하다.
(제2 실시예)
본 실시예에 따른 기록 헤드(20)는 기본적인 구성이 제1 실시예와 동일하기 때문에, 이하에서는 그 특징적인 구성에 대해서만 설명한다. 도 3a 및 도 3b와 유사한, 도 6a 및 도 6b는 본 실시예에 따른 기록 헤드(20)의 기록 소자(52)의 도면이다.
본 예에서는, 유로(6)의 폭(W1)은 20㎛이고, 순환 공급 유로(16)의 폭(W2)은, 유로(6)의 폭(W1)보다 좁은 10㎛이다. 이에 의해, 유로(6)보다 순환 공급 유로(16)에서 잉크의 관성 저항을 크게 할 수 있고, 순환용 발열 소자(12)의 구동에 의해 발생되어 접속 유로(26)에 전해지는 압력의 비율을 증가시킬 수 있으며, 잉크 순환류를 더 효율적으로 발생시킬 수 있다. 순환용 압력실(17) 내의 잉크의 발포 시에는, 도 6a의 화살표에 의해 나타내는 바와 같이, 순환용 압력실(17)로부터 접속 유로(26)를 향하는 잉크 순환류가 발생한다. 순환용 압력실(17) 내의 잉크의 소포 시에는, 순환용 압력실(17)과 접속 유로(26) 사이의 압력 관계가 변화하고, 도 6b의 화살표에 의해 나타내는 바와 같이, 접속 유로(26)로부터 순환용 압력실(17)을 향하는 잉크 순환류가 발생한다. 순환용 압력실(17)의 잉크는, 비교적 넓은 폭의 유로(6)를 향해서 흐르기 쉽고, 비교적 좁은 순환 공급 유로(16)를 향해서는 흐르기 어렵기 때문에, 도 6a 및 도 6b에서 나타내는 화살표 방향의 순환류가 발생하기 쉬워진다. 예를 들어, 순환 공급 유로(16)에서의 잉크의 관성 저항을 유로(6)에서의 잉크의 관성 저항의 적어도 1.5배로 함으로써, 계산상, 순환용 압력실(17)의 잉크의 발포시에 압력실(7)에 전파되는 압력의 비율이 적어도 10% 향상된다.
전술한 제1 실시예에서와 같이, 순환용 발열 소자(12) 대신에 압전 소자 등의 순환 에너지 발생 소자를 사용할 수 있다. 이 경우에도, 도 6a 및 도 6b에 도시되는 화살표 방향의 순환류가 발생될 수 있다.
(제3 실시예)
본 실시예에 따른 기록 헤드(20)는 기본적인 구성이 제1 실시예와 동일하기 때문에, 이하에서는 그 특징적인 구성에 대해서만 설명한다. 도 3a와 유사한 도 7은, 본 실시예에 따른 기록 헤드(20)의 기록 소자(52)의 도면이다.
본 예에서, 토출구 열(L)(도 1 참조)의 연장 방향에서의 토출구(9)와 구멍(19) 사이의 간극 및 발열 소자(2)와 순환용 발열 소자(12) 사이의 간극은 1,200 dpi의 기록 해상도에 대응하는 간극이다. 또한, 유로(6)의 폭(W11)은 20㎛이고, 압력실(7)의 폭(W12)은 28㎛이고, 토출구(9)의 직경은 20㎛이고, 순환 공급 유로(16)의 폭(W21)은 6㎛이고, 순환용 압력실(17)의 폭(W22)은 20㎛이며, 구멍(19)의 직경은 11㎛이다. 또한, 접속 유로(26)의 폭(W31)은 12㎛이고, 접속 유로(26)의 높이는 14㎛이며, 오리피스 플레이트(8)의 두께는 11㎛이다.
상술한 바와 같이, 구멍(19)의 직경을 작게하고, 순환 공급 유로(16)의 폭(W21)을 좁게 함으로써, 토출구(9)와 구멍(19)을 1,200 dpi의 기록 해상도에 대응하는 간극으로 배치할 수 있다. 구멍(19)으로부터 토출되는 잉크의 체적을 적게하는 것에 의해 잉크 재충전에 필요한 시간이 단축되기 때문에, 순환 공급 유로(16)의 좁은 폭(W21)의 영향이 제한되기 쉽다. 순환용 압력실(17) 내의 잉크 소포 시에는 도 7의 화살표 방향의 순환류가 발생한다. 이때, 공통 액실(3)로부터 순환 공급 유로(16)를 통해서 순환용 압력실(17) 내에 유입하는 잉크에 대하여, 공통 액실(3)로부터 유로(6)를 통해서 압력실(7) 내에 유입하는 잉크의 비율이 증가한다. 그로 인해, 도 7의 화살표 방향의 순환류가 보다 발생하기 쉬워진다. 또한, 토출구(9)로부터 대략 5ng의 잉크가 토출된 후에 필요해지는 잉크 재충전 시간은, 구멍(19)으로부터 잉크가 토출된 후에 필요해지는 잉크 재충전 시간보다 길어진다. 발열 소자(2)를 고속 구동하기 위해서는, 본 예에서와 같이, 공통 액실(3)에 대하여 더 가까운 위치에 압력실(7)을 배치해서 유로(6)를 짧게 함으로써, 토출구(9)로부터의 잉크 토출 후에 필요해지는 잉크 재충전 시간을 짧게 하는 것이 바람직하다.
전술한 제1 실시예에서와 같이, 순환용 발열 소자(12) 대신에 압전 소자 등의 순환 에너지 발생 소자를 사용할 수 있다. 이 경우에도, 도 7에 나타내는 화살표 방향의 순환류 및 반대 방향의 순환류가 발생될 수 있다.
(제4 실시예)
토출구(9)의 형상이 본 실시예와 제3 실시예 사이의 유일한 차이점이다. 도 8a 및 도 8b는, 본 실시예에 따른 토출구(9)의 다른 구성예를 오리피스 플레이트(8)(도 1 참조) 측에서 본 도면이다.
도 8a 및 도 8b에 도시되는 토출구(9) 각각은, 토출구(9)의 내면으로부터 토출구(9)의 내측을 향해서 돌출하는 한 쌍인 돌기부(10)를 갖는다. 또한, 돌기부(10)는, 토출구(9)의 내면으로부터 토출구(9)의 중심을 향해서 돌출하고, 토출구(9)의 길이 방향(오리피스 플레이트(8)의 두께 방향)으로 연장된다. 도 8a에 도시된 토출구(9)에서의 돌기부(10)는, 도 8a의 화살표 방향의 잉크 순환류에 대하여 교차하는 방향으로 돌출하고, 도 8b에 도시된 토출구(9)에서의 돌기부(10)는 도 8b의 화살표 방향의 잉크 순환류를 따르는 방향으로 돌출한다. 도 8a 및 도 8b의 화살표는, 순환용 압력실(17) 내의 잉크 소포 시에 발생하는 순환류의 방향을 나타낸다. 순환용 압력실(17) 내의 잉크 발포 시에 그리고 순환용 발열 소자(12)의 구동 방법에 따라서는, 도 8a 및 도 8b의 화살표와 반대 방향의 순환류가 발생할 수 있다.
상술한 바와 같이, 돌기부(10)를 토출구(9)에 제공하는 것에 의해, 토출구(9)의 개구 직경을 부분적으로 작게 하면, 토출구(9)에 형성되는 잉크의 메니스커스력이 증가한다. 이 메니스커스력에 의해 토출구(9)에서의 잉크면의 흔들림을 억제함으로써, 토출구(9)로부터 토출되는 잉크의 주 액적의 후단 에지(후단 부분)를 짧게 할 수 있다. 이 결과, 주 잉크 액적의 후단 에지의 분열에 기인하는 미소한 잉크 액적 발생을 억제할 수 있다. 본 예에서는, 돌기부(10)의 폭 "t"은 4㎛이고, 서로 대향하는 돌기부(10) 사이의 간격 "d"은 7.7㎛이며, 토출구(9)와 돌기부(10)가 서로 연결되는 부분은 R이 2㎛이다.
전술한 제1 실시예에서와 같이, 순환용 발열 소자(12) 대신에 압전 소자 등의 순환 에너지 발생 소자를 사용할 수 있다. 이 경우에도, 도 8a 및 도 8b에 도시되는 화살표 방향의 순환류 및 반대 방향의 순환류가 발생할 수 있다.
(잉크젯 기록 장치의 구성예)
상술한 실시예에 따른 기록 헤드(액체 토출 헤드)(H)는, 소위 시리얼 스캔 방식 및 풀라인 방식 잉크젯 기록 장치 등의 다양한 잉크젯 기록 장치(액체 토출 장치)에 사용될 수 있다. 도 9a는, 도 9a에 나타낸 화살표 X 방향(주주사 방향)으로 이동하는 캐리지(53)에 상술한 실시예에 따른 기록 헤드(20)가 제거가능하게 탑재되는 시리얼 스캔 방식 잉크젯 기록 장치의 구성예를 도시한다. 기록 매체(P)는 롤(55, 56, 57, 58)에 의해 화살표 Y 방향(부주사 방향)으로 반송되며, 캐리지(53)는 가이드 부재(54A, 54B)에 의해 가이드된다. 기록 헤드(20)가 캐리지(53)와 함께 주주사 방향으로 이동하면서 잉크를 토출하는 동작과, 기록 매체(P)를 부주사 방향으로 반송하는 동작를 반복함으로써, 기록 매체(P) 위에 화상이 기록된다.
도 9b는 도 9a에 도시된 잉크젯 기록 장치의 제어 시스템의 블록도이다. CPU(제어 유닛)(100)은 기록 장치의 동작 제어 처리, 데이터 처리 등을 실행한다. ROM(101)에는 처리 수순 등의 프로그램이 저장되고, RAM(102)은 예를 들어 상기 처리를 실행하기 위한 워크 에어리어로서 사용된다. 기록 헤드(20)의 발열 소자(2, 12)는 헤드 드라이버(20A)를 통해 구동된다. 화상 기록은, 발열 소자(2) 및/또는 발열 소자(12)의 구동 데이터(화상 데이터) 및 구동 제어 신호(히트 펄스 신호)를 헤드 드라이버(20A)에 공급함으로써 행하여진다. CPU(100)는, 모터 드라이버(103A)를 통해 캐리지(53)를 주주사 방향으로 구동하기 위한 캐리지 모터(103)를 제어하고, 모터 드라이버(104A)를 통해 기록 매체(P)를 부주사 방향으로 반송하기 위한 P.F 모터(104)를 제어한다. 또한, CPU(100)는, 전술한 바와 같이, 발열 소자(2, 12)의 구동 타이밍을 전술한 바와 같이 제어한다.
(다른 실시예)
상술한 실시예에서는, 1개의 순환용 압력실(17)이 1개의 압력실(7)과 연통한다. 그러나, 복수의 순환용 압력실(17)이 1개의 압력실(7)과 연통할 수 있으며, 대신에 복수의 압력실(7)이 1개의 순환용 압력실(17)과 연통할 수 있다. 순환용 발열 소자(12)는, 압력실(7) 내의 잉크를 적어도 유동 및 교반할 수 있도록 잉크를 가압할 수 있다.
본 발명은, 상술한 실시예에 따른 같은 잉크젯 기록 헤드 및 잉크젯 기록 장치로 한정되지 않고, 다양한 액체를 토출할 수 있는 액체 토출 헤드 및 액체 토출 장치로서 널리 적용될 수 있다. 또한, 토출 에너지 발생 소자 및 가압 에너지 발생 소자는 상술한 실시예에 따른 발열 소자(히터)에 한정되지 않고, 압전 소자 등을 사용할 수 있다.
본 발명을 예시적인 실시예를 참고하여 설명하였지만, 본 발명은 개시된 예시적인 실시예로 한정되지 않음을 이해해야 한다. 이하의 청구항의 범위는 이러한 모든 변형과 동등한 구조 및 기능을 포함하도록 최광의로 해석되어야 한다.

Claims (10)

  1. 액체 토출 헤드이며,
    제1 압력실 및 제2 압력실로서, 상기 제1 압력실의 일단부는 제1 유로를 통해 액체 공급로에 접속되고, 상기 제2 압력실의 일단부는 제2 유로를 통해 상기 액체 공급로에 접속되며, 상기 제1 압력실의 타단부 및 상기 제2 압력실의 타단부는 연통로에 의해 서로 연통되는, 제1 압력실 및 제2 압력실;
    상기 제1 압력실에 개구되는 토출구;
    상기 제2 압력실에 개구되는 구멍;
    상기 제1 압력실 내의 액체가 상기 토출구로부터 토출되도록 상기 제1 압력실에 제공되는 토출 에너지 발생 소자; 및
    상기 제1 압력실 내의 액체가 가압되도록 상기 제2 압력실에 제공되는 가압 에너지 발생 소자를 포함하며,
    상기 구멍의 개구 면적은 상기 토출구의 개구 면적보다 작고,
    상기 구멍에서의 액체의 관성 저항은 상기 토출구에서의 액체의 관성 저항의 1.3배 이상인, 액체 토출 헤드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 압력실 내의 액체가 상기 제2 유로를 통해 상기 액체 공급로에 유동하는 관성 저항은, 상기 제2 압력실 내의 액체가 상기 연통로, 상기 제1 압력실 및 상기 제1 유로를 통해서 상기 액체 공급로에 유동하는 관성 저항을 초과하는, 액체 토출 헤드.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 유로에서의 액체의 관성 저항은 상기 제1 유로에서의 액체의 관성 저항을 초과하는, 액체 토출 헤드.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2 유로에서의 액체의 관성 저항은 상기 제1 유로에서의 액체의 관성 저항의 1.5배 이상인, 액체 토출 헤드.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 유로는 상기 제1 유로보다 거리가 긴, 액체 토출 헤드.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 가압 에너지 발생 소자는 상기 제2 압력실 내의 액체를 상기 구멍으로부터 토출시키지 않고 상기 액체를 가압할 수 있는, 액체 토출 헤드.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 가압 에너지 발생 소자는, 상기 제2 압력실 내의 액체를 가압해서 상기 구멍으로부터 토출시키는 제1 구동 모드와, 상기 제2 압력실 내의 액체를 상기 구멍으로부터 토출시키지 않는 정도로 상기 액체를 가압하는 제2 구동 모드를 선택할 수 있는, 액체 토출 헤드.
  8. 액체 토출 장치이며,
    제1항에 따른 액체 토출 헤드;
    상기 액체 토출 헤드의 상기 액체 공급로에 액체를 공급하도록 구성된 공급 유닛; 및
    상기 토출 에너지 발생 소자 및 상기 가압 에너지 발생 소자를 제어하도록 구성된 제어 유닛을 포함하는, 액체 토출 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제어 유닛은, 상기 토출 에너지 발생 소자의 구동보다 1ms 이상 전에 상기 가압 에너지 발생 소자를 1회 이상 구동시키는, 액체 토출 장치.
  10. 삭제
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