KR102373918B1 - 고 충진 밀도 잉크젯 프린트 헤드들 내에서의 재순환을 위한 유체 디자인 - Google Patents

고 충진 밀도 잉크젯 프린트 헤드들 내에서의 재순환을 위한 유체 디자인 Download PDF

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Abstract

프린트 헤드는 잉크 소스로서, 잉크를 공급 및 수용하는, 상기 잉크 소스, 잉크 소스로부터 잉크를 수용하기 위해 잉크 소스와 연결된 제1 채널, 잉크 소스로 잉크를 복귀시키기 위해 잉크 소스와 연결된 제2 채널, 및 제1 채널로부터 잉크를 수용하고 제2 채널로 잉크를 복귀시키기 위해 두 개의 채널 사이에 배치되고 그것들과 연결되는 매니폴드 구조를 포함한다. 프린트 헤드를 작동하는 방법은 제1 압력에서 잉크 소스로부터 제1 채널을 통해 적어도 하나의 핑거 매니폴드로 잉크를 제공하는 단계, 핑거 매니폴트에 연결된 적어도 하나의 단일 제트의 입구 포트를 통해 잉크를 보내는 단계, 잉크를 단일 제트를 통해 핑거 매니폴드에 연결된 단일 제트의 출구 포트로 이동시키는 단계, 잉크를 단일 제트의 출구 포트로부터 다시 핑거 매니폴드로 보내는 단계, 잉크를 핑거 매니폴드로부터 제2 채널로 향하게 하는 단계, 및 잉크를 제2 채널을 통해 제2 압력으로 잉크 소스로 복귀시키는 단계를 포함한다.

Description

고 충진 밀도 잉크젯 프린트 헤드들 내에서의 재순환을 위한 유체 디자인{FLUID DESIGN FOR RECIRCULATION WITHIN HIGH PACKING DENSITY INKJET PRINT HEADS}
본 개시는 잉크젯 프린트 헤드들, 보다 상세하게는 300 NPI 또는 이보다 큰 충진 밀도들을 갖는 잉크젯 프린트 헤드들에 관한 것이다.
안료로 가득찬 잉크들을 분사하기 위해서, 이에 더하여 일반적으로 분사 지연(latency) 및 견고성(robustness)를 향상시키기 위해서, 잉크젯 프린트 헤드들을 통해 잉크의 연속적인 흐름, 또는 재순환을 갖는 것이 바람직하다.
프린트 헤드들을 통해 재순환을 가능하기 하기 위한 전형적인 방안들은 프린트 헤드 내에서 주된 잉크 공급 경로에 더하여 잉크 복귀 또는 재순환 경로들을 포함한다. 이것은, 결국, 단일 제트 성능, 제트 충진 밀도 및 워터프론트(waterfront)에 부정적으로 영향을 미칠 수 있고, 이에 더하여 프린트 헤드 유체 구조의 전반적인 복잡성을 증가시킬 수 있다. 프린트 헤드 재순환에 대한 본 접근 방식의 그러한 일 예는 미국 특허 번호 9,694,582에 기술되어 있다.
현 실시예들은 이미 존재하는 잉크 공급 구조를 벗어나서 추가적인 잉크 매니폴드 구조(manifold structure)에 대한 필요 없이도 단일 제트를 포함하여, 프린트 헤드를 통해 잉크의 연속적인 흐름 또는 재순환을 가능하게 한다.
일 실시예는 잉크 소스로서, 잉크를 공급 및 수용하는, 상기 잉크 소스, 상기 잉크 소스로부터 잉크를 수용하도록 상기 잉크 소스에 연결된 제1 채널, 잉크를 상기 잉크 소스로 복귀시키기 위해 상기 잉크 소스에 연결된 제2 채널, 그리고 상기 제1 채널로부터 잉크를 수용하고 잉크를 상기 제2 채널로 복귀시키기 위해 두 채널 사이에 배치되고 그것들에 연결되는 매니폴드 구조을 갖는 프린트 헤드이다.
도 1은 재순환을 사용하지 않는 프린트 헤드 매니폴드 및 단일 제트 구조의 종래 기술의 실시예를 도시한다.
도 2는 재순환을 사용하지 않는 매니폴드 및 단일 제트 구조의 종래 기술의 실시예의 부분 단면을 도시한다.
도 3은 재순환을 사용하지 않는 단일 제트 구조의 종래 기술의 실시예를 도시한다.
도 4는 재순환을 사용하는 프린트 헤드 매니폴드 및 단일 제트 구조의 실시예를 도시한다.
도 5는 재순환을 사용하는 매니폴드 및 단일 제트 구조의 실시예의 부분 단면을 도시한다.
도 6은 재순환을 사용하는 단일 제트 구조의 일 실시예를 도시한다.
도 7은 재순환을 사용하는 프린트 헤드의 실시예의 매니폴드 구조의 부분 내에서의 유체 흐름 경로를 도시한다.
도 8은 재순환을 사용하는 프린트 헤드의 실시예의 핑거 매니폴드들의 부분 내에서의 흐름 경로를 도시한다.
도 9 및 10은 재순환을 사용하는 프린트 헤드의 실시예의 단일 제트를 통해 흐름을 구동하도록 의도된 압력 차이가 전개되는 방법을 설명한다.
도 11은 재순환을 사용하는 프린트 헤드의 실시예의 단일 제트 내에서의 흐름을 도시한다.
도 12는 재순환을 사용하는 프린트 헤드의 실시예의 단일 제트를 위한 유동률(flow rate) 대 유동 함수(flow function)의 그래프를 도시한다.
여기에서 사용된 용어 "잉크"는 잉크를 수용하도록 의도된 물체에 도포될 때 액체인 임의의 물질을 나타낸다. 상이한 유형들의 잉크들의 일부 예는 수성 잉크들, 유성 잉크들, 용매 잉크들, UV 경화성 잉크들, 가열된 상 변화 잉크들(heated phase change inks) 등을 포함한다.
여기에서 사용된 용어 "프린트 헤드"는 잉크 방울(ink drop)들을 수용하도록 의도된 물체 상에 잉크 방울들을 분사하도록 구성된 인쇄 또는 마킹 시스템의 구성요소를 나타낸다. 전형적인 프린트 헤드는 잉크 방울들을 분사하도록 구성된 복수의 단일 제트들을 포함한다. 단일 제트들은 전형적으로 단일 제트들의 배열로서 배치되고, 이 배열은 단일 제트들의 하나 이상의 열 및/또는 행을 포함한다.
도 1 내지 3은 일반적으로 재순환을 사용하지 않고, 그리고 단일 제트 구조를 통해서 전체적으로 재순환을 제공할 능력이 없는 프린트헤드 유체 디자인의 종래 기술의 실시예에 관한 것이다. 도 1은 고 충진 밀도 잉크젯 프린트헤드의 전형적인 비-재순환 버전을 나타내는 매니폴드 구조(10) 및 단일 제트 배열(12)의 부분을 도시한다. 도 1에 도시된 프린트헤드 섹션에서, 잉크 소스(14)는 상부 채널(16) 및 하부 채널(18)로 잉크를 공급한다. 채널들은 잉크를 20과 같은 여러 핑거 매니폴드들로 공급하고, 이는 결국 잉크를 단일 제트들의 배열 내에서 22와 같은 여러 단일 제트들로 공급한다.
도 2는 단일 제트를 통해 재순환을 허용하지 않는 핑거 매니폴드(20) 및 단일 제트(22)의 부분 단면을 도시한다. 잉크는 핑거 매니폴드로부터 단일 제트 입구 포트(24)를 통해 단일 제트로 공급된다.
도 3은 단일 제트를 통해 재순환을 허용하지 않는 디자인으로 전형적인 단일 제트의 도면을 도시한다. 입구 포트(24)는 도 2에서 설명된 바와 같이 핑거 매니폴드로부터 잉크를 수용한다. 단일 제트가 활성화되면, 잉크는 단일 제트 채널(26)을 통해 입구 포트(24) 내로 흐르고, 그리고 개구 또는 노즐(28)을 통해 단일 제트를 빠져나온다. 정상 작동 중에, 잉크는 분사가 활성화되고 있는 동안 단일 제트를 통해 흐르기만 하고, 비-분사 기간 동안에는 입구 포트(24) 및 개구(28) 사이에서 정지 상태(quiescent)를 유지한다.
다음의 실시예들은 프린트 헤드 내에서 재순환을 구동하기 위해; 그리고 특히, 추가적인 잉크 복귀 또는 재순환 경로들에 대한 필요 없이도 프린트 헤드 내에서 개별적인 제트들을 통해 재순환을 구동하기 위해 이미 존재하는 잉크 공급 경로 내에서 본질적으로 이용 가능한 압력 강하를 이용한다.
도 4 내지 도 12는 재순환을 이용하고, 그리고 특히 단일 제트 구조를 통해서 재순환을 공급하는 능력을 보유한 프린트 헤드 디자인의 실시예들에 관한 것이다. 도 4는 재순환을 제공하는 능력을 갖는 고 충진 밀도 잉크젯 프린트헤드의 대표적인 매니폴드 구조(30) 및 단일 제트 배열(32)의 부분을 도시한다.
도 4에 도시된 실시예의 프린트헤드 섹션에서, 잉크 소스(14)는 하부 채널(34)로 잉크를 공급할 수 있고 상부 채널(36)로부터 잉크를 수용할 수 있다. 하부 채널은 38 및 40과 같은 여러 핑거 매니폴드들로 잉크를 공급할 수 있고, 결국 단일 제트들의 배열 내에서 42와 같은 여러 단일 제트들로 잉크를 공급할 수 있다. 단일 제트들의 배열로 잉크를 공급할 수 있는 것에 더하여, 핑거 매니폴드들은 또한 잉크를 상부 채널(36)로 공급할 수 있다.
도 5는 단일 제트를 통해 재순환을 허용하는 핑거 매니폴드들(38 및 40) 및 단일 제트(42)의 부분 단면을 도시한다. 단일 제트는 단일 제트 입구 포트(44)를 통해 38과 같은 핑거 매니폴드로부터 잉크를 수용할 수 있다. 전술된 구조들과는 다르게, 각 단일 제트(42)는 또한 40과 같이 핑거 매니폴드로 잉크를 복귀시킬 수 있는 단일 제트 출구 포트(46)를 갖는다. 핑거 매니폴드로 복귀되면, 잉크는 핑거 매니폴드의 길이를 따라 흐를 수 있는데, 여기에서 핑거 매니폴드는 단일 제트들의 배열 내에서 추가적인 단일 제트들로 잉크를 공급할 수 있고, 상부 채널(36)로 잉크를 공급할 수 있고 그리고 결국 잉크 소스(14)로 복귀하게 할 수 있다.
도 6은 단일 제트를 통해 재순환을 허용하는 디자인의 전형적인 단일 제트를 도시한다. 입구 포트(44)는 도 5에서 설명된 바와 같이 핑거 매니폴드로부터 잉크를 수용할 수 있다. 단일 제트가 활성화되지 않을 때에, 잉크는 단일 제트 입구 포트(44) 내로, 입구 채널(48)을 통해, 흐를 수 있고, 출구 채널(50)을 통해 출구 포트(46)로 빠져나와서, 그리고 핑거 매니폴드 내로 흐를 수 있다. 단일 제트가 활성화된 때에, 잉크는 이러한 방식으로 연속하여 흐를 수 있지만, 잉크의 일부는 또한 개구 또는 노즐(52)을 통해 단일 제트로부터 분사되도록 야기될 것이다. 재순환 디자인의 매니폴드 구조는 비-재순환 디자인의 구조와 실질적으로 유사하다는 것을 유의하여야 한다.
도 7에서의 화살표들(60)에 의해 도시되는 바와 같이, 매니폴드 구조(30)를 통한 연속적인 흐름은 하부 채널(34)의 입구 및 상부 채널(36)의 출구 사이에서 압력 차이를 가함으로써 얻어질 수 있다. 적절한 크기를 이용하면, 각 채널의 길이에 따른 압력 강하는 작을 것이고, 대부분의 압력 강하는 핑거 매니폴드들의 길이에 따라 발생할 것이다. 이를 고려하면, 38과 같은 모든 핑거 매니폴드들은 실질적으로 유사한 유동률(flow rate)을 가질 것이다. 흐름의 방향은 하부 및 상부 채널들의 입구 및 출구에 가해지는 상대적인 압력들을 거꾸로 함으로써 반대로 될 수 있다는 것을 유의하여야 한다.
도 8에서의 화살표들(62)에 의해 도시되는 바와 같이, 38 및 40과 같은 핑거 매니폴드들을 통한 연속적인 흐름은 또한 압력 차이에 기인하여 발생할 것이다. 이것은 핑거 매니폴드들의 길이를 따라 연속적인 압력 구배(pressure gradient)를 초래한다. 추가적인 매니폴드 구조에 대한 필요 없이도 단일 제트들의 배열 내에서 각각의 단일 제트를 통해 흐름을 생성하기 위해, 여기서의 실시예는 개별적인 핑거 매니폴드들 사이에서의 절대적인 압력 차이가 아닌, 핑거 매니폴드 구조의 길이에 따른 압력 구배로 인해 각각의 단일 제트가 경험하는 차동 압력을 사용한다. 이러한 방식으로, 단일 제트들의 배열 내의 각각의 단일 제트는 직접적인(immediate) 공급 매니폴드 구조와 평행하게 흐르는 유체 경로로서 행동하고, 그 직접적인 공급 및 복귀 매니폴드 구조들과 수직이 아니다.
도 9 및 10에서 도시되는 바와 같이, 각각의 단일 제트의 입구 및 출구 포트들 사이의 압력 차이는 핑거 매니폴드 상에 상응하는 방식으로 추정되는 바와 같이 핑거 매니폴드의 단위 길이당 압력 강하에 각각의 단일 제트의 입구 및 출구 포드들 사이의 거리를 곱한 것과 동등하다.
도 11의 화살표(64)는 각각의 단일 제트의 입구 포트(44) 및 출구 포트(46) 사이에서 압력 차이의 결과로서 42와 같은, 각각의 단일 제트를 통해 발생하는 흐름을 도시한다. 각각의 단일 제트를 통한 유동률은 단일 제트 입구 및 출구 포트들 사이의 압력 차이에 비례하고, 두 포트들 사이의 단일 제트 저항에 역으로 비례할 것이다:
Figure 112018078600767-pat00001
여기서 L1 및 R1은 입구 채널(48)의 길이 및 저항이고 L2 및 R2는 출구 채널(50)의 길이 및 저항이다. 따라서, 단일 제트들을 통한 유동률은 압력 구배는 물론 입구 및 출구 채널들의 길이 및 단면들을 조정함으로써 맞추어질 수 있다. 이것은 도 12의 CFD 결과로서 보여진다.
이러한 방법으로, 이미 존재하는 잉크 공급 구조를 벗어나서 추가적인 잉크 매니폴드 구조에 대한 필요 없이도, 프린트 헤드 단일 제트 배열 내의 단일 제트들을 포함하는, 프린트 헤드를 통해 잉크의 연속적인 재순환을 일어나게 하는 것은 가능하다.
상기 개시된 것의 변형들, 그리고 다른 특징들 및 기능들, 또는 그것의 대안들은 많은 다른 시스템들 또는 응용들로 결합될 수 있음은 이해될 수 있다. 그 안의 현재 예측하지 못하거나 예상하지 못한 다양한 대안들, 수정들, 변형들 또는 개선안들은 기술 분야에서 통상의 지식을 지닌 자들에 의해 차후에 만들어질 수 있으며, 이 또한 다음의 청구항들에 의해 포함되도록 의도된다.

Claims (13)

  1. 잉크 소스로서, 잉크를 공급 및 수용하는, 상기 잉크 소스;
    상기 잉크 소스로부터 잉크를 수용하기 위해 상기 잉크 소스와 연결된 제1 채널;
    상기 잉크 소스로 잉크를 복귀시키기 위해 상기 잉크 소스와 연결된 제2 채널로서, 상기 제1 채널 및 상기 제2 채널은 압력 차이를 갖는, 상기 제2 채널; 및
    상기 제1 채널로부터 잉크를 수용하고 상기 제2 채널로 잉크를 복귀시키기 위해 두 개의 상기 채널 사이에 배치되고 그것들과 연결되는 매니폴드 구조(manifold structure)를 포함하고,
    단일 제트들의 배열이 상기 매니폴드 구조에 연결되고, 상기 배열 내의 각각의 단일 제트는 입구 포트, 출구 포트 및 노즐을 갖고,
    각각의 단일 제트를 통한 유체 경로는 각각의 단일 제트가 연결된 상기 매니폴드 구조의 유체 경로와 평행하게 작동하는, 프린트 헤드.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서, 각각의 단일 제트는 상기 제트 입구 포트를 통해 상기 매니폴드 구조로부터 잉크를 수용하고, 상기 제트 출구 포트를 통해 상기 매니폴드 구조로 잉크를 복귀시키고, 그리고 상기 제트 노즐을 통해 잉크를 배출(dispense)하도록 배치된, 프린트 헤드.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 채널과 상기 제2 채널 사이의 상기 압력 차이는 상기 매니폴드 구조의 길이를 따라 압력 구배(pressure gradient)를 초래하고, 상기 압력 구배는 상기 매니폴드 구조를 따르는 흐름을 야기하는, 프린트 헤드.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 매니폴드 구조의 길이를 따르는 상기 압력 구배는 단일 제트 입구 포트와 출구 포트 사이에 제2 압력 차이를 초래하는, 프린트 헤드.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 제2 압력 차이는 상기 매니폴드 구조의 단위 길이당 압력 강하에 각각의 단일 제트 입구 포트와 출구 포트 사이의 거리를 곱한 것과 동등한, 프린트 헤드.
  8. 청구항 6에 있어서, 상기 제2 압력 차이는 각각의 단일 제트를 통하는 흐름을 초래하고, 상기 흐름은 상기 매니폴드 구조 내에서의 흐름에 평행하게 작용하는, 프린트 헤드.
  9. 제1 압력에서 잉크 소스로부터 제1 채널을 통해 적어도 하나의 핑거 매니폴드로 잉크를 제공하는 단계;
    상기 적어도 하나의 핑거 매니폴드에 연결된 적어도 하나의 단일 제트의 입구 포트를 통해 상기 잉크를 보내는 단계;
    상기 잉크를 상기 적어도 하나의 단일 제트를 통해 상기 적어도 하나의 핑거 매니폴드에 연결된 상기 적어도 하나의 단일 제트의 출구 포트로 이동시키는 단계;
    상기 잉크를 상기 적어도 하나의 단일 제트의 상기 출구 포트로부터 다시 상기 적어도 하나의 핑거 매니폴드 내로 보내는 단계;
    상기 잉크를 상기 적어도 하나의 핑거 매니폴드로부터 제2 채널로 향하게 하는 단계; 및
    잉크를 상기 제2 채널을 통해 제2 압력에서 상기 잉크 소스로 복귀시키는 단계를 포함하는, 프린트 헤드의 작동 방법.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 제1 압력과 상기 제2 압력 사이의 차이가 상기 핑거 매니폴드를 통한 연속적인 흐름을 야기하는, 프린트 헤드의 작동 방법.
  11. 청구항 9에 있어서, 상기 제1 압력과 상기 제2 압력 사이의 차이가 상기 적어도 하나의 핑거 매니폴드의 길이를 따라 압력 구배를 야기하는, 프린트 헤드의 작동 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 압력 구배는 상기 적어도 하나의 핑거 매니폴드의 단위 길이당 압력 강하에 상기 적어도 하나의 단일 제트의 입구 포트와 출구 포트 사이의 거리를 곱한 것과 동등한 압력 차이를 야기하고, 상기 거리는 상기 적어도 하나의 핑거 매니폴드의 길이에 평행한, 프린트 헤드의 작동 방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 압력 차이는 상기 적어도 하나의 단일 제트를 통해 연속적인 흐름을 야기하고, 상기 흐름은 상기 압력 차이에 비례하며 상기 적어도 하나의 단일 제트의 유체 저항에 반비례하고, 상기 흐름은 상기 적어도 하나의 핑거 매니폴드에서의 흐름에 평행하게 작용하는, 프린트 헤드의 작동 방법.
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