KR19990077695A - 잉크젯 프린팅 장치용 프린트헤드, 다공성판과 그 형성 방법 및 프린트헤드 구성 방법 - Google Patents

잉크젯 프린팅 장치용 프린트헤드, 다공성판과 그 형성 방법 및 프린트헤드 구성 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 오리피스 모두가 잉크를 분출하도록 한 개의 잉크 화이어링 챔버(207)에 연관된 적어도 두 개의 잉크 분출 오리피스(1103, 1107)를 갖는 오리피스판(107')을 이용하는 잉크젯 프린터용 프린트헤드에 관한 것이다. 이들 오리피스는 비원형으로 이들간의 중간 지점을 중심으로 서로 반대편에 있다.

Description

잉크젯 프린팅 장치용 프린트헤드, 다공성판과 그 형성 방법 및 프린트헤드 구성 방법{INKJET PRINTHEAD ORIFICE PLATE HAVING RELATED ORIFICES}
본 발명은 일반적으로 잉크젯 프린터 프린트헤드에 관한 것으로 보다 상세하게는 프린트헤드 오리피스판과, 다중 연관 오리피스가 오리피스판에 용이하게 형성될 수도 있는 프린트헤드 오리피스판 제조 방법에 관한 것이다.
잉크젯 프린터는 매체물상의 소망 위치에 방울(droplets)이 떨어지게 하는 제어 방식으로 잉크 방울들을 배출함으로써 종이와 같은 매체물상에 문자와 화상을 형성한다. 가장 간단한 형태에 있어서, 이러한 프린터는 잉크 방울이 매체물상에 배치될 수 있도록 매체물을 적소에 이동 및 배치하는 기구, 잉크의 흐름을 제어하고 잉크 방울을 매체로 분출하는 프린팅 카트리지 및 적절한 제어 하드웨어와 소프트웨어로서 개념적으로 설명될 수 있다. 종래의 잉크젯 프린터용 프린트 카트리지는 필요한 잉크를 저장 및 공급하는 잉크 수납부, 프린터 제어 소프트웨어에 의해서 배향되는 바와 같이 잉크 방울을 가열 및 분출시키는 프린트헤드를 포함한다. 일반적으로, 프린트헤드는 반도체 기저부와, 잉크 유동 채널이 벌집 모양으로 이루어져 있는 배리어 물질 구조체 및 잉크 방울이 분출될 수 있게 일정 패턴으로 배열된 작은 구멍 또는 오리피스가 천공되어 있는 오리피스판을 갖는 적층 구조체이다.
종래의 다양한 잉크젯 프린터중 하나에 있어서, 배제 기구는 각각 배리어층에 형성된 복수개의 잉크 화이어링 챔버중 하나와 오리피스판의 복수개의 오리피스중 하나의 오리피스에 연관되는 반도체 기재에 형성된 복수개의 히터 레지스터로 구성된다. 히터 레지스터 각각은 프린터의 제어 소프트웨어에 결합되어 각각의 레지스터가 개별적으로 에너지화되어 신속하게 잉크의 일부를 기포로 증기화하여 결과적으로 오리피스를 통해 잉크 방울이 배출되게 한다. 잉크는 각각의 히터 레지스터 둘레의 배리어층에 형성된 화이어링 챔버로 유출되어 히터 레지스터의 에너지화를 기다린다. 잉크 방울의 분출 후 잉크 기포가 붕괴되고, 메니스커스가 오리피스를 가로질러 형성되는 지점까지 잉크가 화이어링 챔버를 재충전한다. 잉크가 화이어링 챔버를 재충전하도록 유동되는 배리어층내의 성형 및 제한 챔버는 잉크가 화이어링 챔버를 재충전하는 속도와 잉크 메니스커스 역학 모두를 달성한다. 또한, 프린터의 세부사항, 프린트 카트리지 및 프린트헤드 구조체가 휴렛트-팩카드 저널 볼륨 36, 넘버 5(1985년 5월)와 휴렛트-팩카드 저널 볼륨 45, 넘버 1(1994년 2월)에서 발견될 수도 있다.
프린트 카트리지의 설계자가 직면하는 문제중 하나는 양질의 프린트질을 유지하면서 고속의 프린팅 속도를 달성하는 것이다. 화이어링 챔버 내측 잉크의 급속끓음으로 인하여 잉크 방울이 오리피스로부터 분출될 때, 분출 잉크 질량의 대부분은 매체물을 향해 배향되는 방울에 집중된다. 그러나, 분출 잉크중 소량이 방울로부터 오리피스 표면 개구까지 연장되는 테일로 잔류한다. 이 테일과 관련 잉크 스프레이는 매체물상에 떨어져 프린트된 화상 또는 문자를 모호하게 형성한다. 이 스프레이 문제는 프린팅 동작 속도를 감소시킴으로써 또는 잉크 화이어링 챔버그리고 배리어층내의 관련 잉크 이송 도관의 구성과 기하 형상을 최적화함으로써 해결되었다. 오리피스 기하형상은 또한 스프레이에 영향을 미치는데 1996년 2월 29일에 웨버(Weber) 등에 의해서 출원된 발명의 명칭이 "비대칭 프린트헤드 오리피스(Asymmetric Printhead Orifice)"인 미국 특허 출원 제 08/608,923 호를 참고한다.
오리피스판을 제조하는 종래의 일 방법은 천공된 맨드렐상에 무전해 도금 기술을 이용한다. 이러한 맨드렐은 도 1에 도시되어 있는데(축척대로 아님), 기재(101)는 실리콘 또는 유리로 구성된 적어도 하나의 편평한 표면을 가진다. 전도층(103), 일반적으로 크롬 또는 스테인레스 강막이 기재(101)의 편평한 표면상에 배치된다. 평면형 마그네트론 공정과 같은 진공 증착 공정이 이 전도성막(103)을 적층하도록 사용될 수도 있다. 또 다른 진공 증착 공정이 통상 질화 실리콘인 절연층(105)을 적층하는데 사용될 수도 있는데 이 층은 플라즈마 향상 화학 증착 공정과 같은 진공 증착 공정에 의해서 증착된다. 절연층(105)은 매우 얇은 것이 바람직하며, 통상 대략 0.30㎛의 두께를 가진다. 절연층(105)은 포토레지스트 마스크에 의해서 마스크처리되고, 자외선에 노출되고 플라즈마 에칭 공정에 도입되어 전도층(103)상의 사전결정된 위치의 절연 물질의 "버튼"을 제외한 대부분의 절연층을 제거한다. 물론, 이들 위치는 상부 맨드렐에 형성되는 오리피스판의 각각의 오리피스의 위치로 사전결정된다.
이 재사용가능한 맨드렐은 전기 주조 배스속에 배치되고 전도층(103)이 음극으로서 역할을 하며 기저 물질, 통상 니켈이 양극으로서 역할을 한다. 전기 주조 고정중, 니켈 금속은 양극으로부터 음극으로 이동하고 이 니켈[층(107)으로서 도시됨)이 전도층(103)의 전도 영역에 부착된다. 니켈 금속이 맨드렐의 각각의 전도성판으로 균일하게 도금되기 때문에, 절연 버튼(105)의 표면까지 도달하면, 니켈이 균일하게 예견가능한 패턴으로 절연층을 과도금한다. 도금 시간을 포함하는 도금 과정의 파라미터는 절연층 버튼(105) 위에 형성된 니켈층(107)의 개구가 절연 표면에서 사전결정된 직경(통상 약 45㎛)을 갖도록 매우 주의깊게 조절된다. 이 직경은 절연층 버튼(105)의 직경의 1/3 내지 1/5로 니켈로 이루어진 상층(107)이 오리피스판의 외측면(213)에 있는 오리피스 개구 직경(d1)의 대략 3 내지 5 배인 오리피스판 직경(d2)의 개구를 내측면(115)에 갖게 한다. 무전해 도금 공정의 완료시, 새로 형성된 오리피스판이 맨드렐로부터 제거되고 오리피스의 내부식성을 위해서 금도금된다. 금속 오리피스판 제조에 관한 부가의 설명이 각각 본 발명의 출원인에게 양도된 미국 특허 제 4,733,971 호와, 제 5,167,766 호와, 제 5,443,713 호 및 제 5,560,837 호에서 발견될 수도 있다.
화상과 문자-숫자식 문자 모두를 형성하기 위해서 도트 매트릭스 매니플레이션(manipulation)을 사용하는 잉크-젯 기술에 있어서, 프린트된 화상의 색상과 색조가 프린트 매체의 화상에 가상으로 덮힌 직사각형 그리드 오버레이 각각의 목적 화소("픽셀"로 공지됨)에 적층된 잉크 방울의 존재 또는 부재에 의해서 조정된다. 기록 화상내의 휘도 연속-색조 전이(luminance continuity-tonal transitions)가 잉크 방울과 도트 매트릭스 화상의 특성 양자화 효과(inherent quantization)에 의해서 특히 달성된다. 또한 화상 시스템은 화상 입자가 거칠다(grainess)-나안에 의해 개별 도트를 가시적으로 인식-고 보통 알려지는 임의의 또한 조직적인 발광 파동을 유도할 수 있다. 보조 기구를 사용하지 않는 인간의 가시 시스템은 인쇄된 화상에서 직경이 대략 20 내지 25μ과 동일하거나 이 보다 작게 감소될 때 비로소 개별 도트를 인식할 수 없게 된다. 따라서, 이러한 도트 매트릭스 프린팅 방법의 바람직하지 못한 양자화 효과는 방울 각각의 크기를 감소시키고 고 분해능으로 인쇄함으로써 당해 기술분야의 현 상태에서는 감소된다. 일반적으로, 인치당 1200 도트("dpi")로 인쇄된 화상은 600 dpi보다 눈으로 더 잘 보이며 300dpi 등보다 더 잘 보인다. 또한, 바람직하지 못한 양자화 효과는 칼라의 농도를 변화시켜 더 많은 펜 칼라를 이용함으로써 감소될 수 있다(예컨대, 두 개의 시안 잉크 프린트 카트리지, 각각은 잉크의 화학적 조성에 있어서 용매에 대한 염료의 비를 다르게 함유하거나 다른 타입의 화학 착색제를 함유한다.).
프린트질을 향상하는 일 장치가 1994년 10월 30 내지 11월 4일에 미국 루지애나주 뉴 올리안즈 소재의 IS&T's Tenth International Congress on Advances in Non-impact Printing Technologies에 제공된 엔리코 매니니(Enrico Manini), 올리베티(Olivetti)에 의한 논문Bubble Ink-Jet Technology with Improved Performance에 개시되어 있다. 매니니는 " 더 많고 더 작은 방울을 사용함으로써 잉크를 종이상에 더 잘 분포....각각의 압력 챔버에 대해서 서너개의 노즐을 이용하여 잉크의 미세 샤워가 종이상에 적층된다"는 개념을 개시한다. 2개의 노즐 압력 챔버, 3개의 노즐 챔버 및 4개의 노즐 챔버를 도시한 매니니에 의해서 개략적으로 제공된다. 다수-노즐(또는 다수-오리피스) 기술에 관한 부가의 향상이 본 출원인에게 양도되고 1997년 3월 5일 웨버(Weber) 등에 의해서 출원된 발명의 명칭이 "잉크-젯 프린팅의 방울 분포를 향상하는 방법 및 장치(Method and Apparatus for Improved Ink-Drop Distribution in Ink-Jet Printing)"인 미국 특허 출원 제 08/812,385 호에 개시되어 있다.
프린팅용 다수 오리피스의 장점이 명백하지만, 근접하게 이격된 프린팅 오리피스는 특히 이러한 오리피스의 군집인 프린트헤드를 실현하는 기술이 잘 개발되지 않았다. 다수의 오리피스를 제조하는 종래의 공정은 니켈 또는 다른 금속이 전착되어 있는 전도성 기재 맨드렐상에 다수의 비전도성 버튼을 채용한다. 불행하게도, 이 방법은 히터 레지스터와 관련 화이어링 챔버 사이의 제한 공간에 의해서 개별 버튼이 오리피스를 형성하게 하지 않지만 오리피스판이 충분히 두꺼워 프린트 성능을 위해서 요구되는 구조 설계 조건과 오리피스 시이트 강도의 제조 조건과 제어 용이성을 만족하기 때문에 군집 프린팅 오리피스에 대해 효과적이지 않다.
본 발명은 프린트헤드를 제조하는 방법과 잉크젯 프린터용 프린트헤드 장치에 관한 것이다. 이 프린트헤드는 서로 작동적으로 연관되고 그들 사이의 중간 지점에서 서로 대향 배치되는 적어도 두 개의 잉크 분출 오리피스를 가진다. 두 개의 오리피스 각각은 중간 지점에서 서로에 대해서 대칭이 되는 기하학적 영역을 가진다.
도 1은 맨드렐상에 형성된 오리피스판 성형 맨드렐과 오리피스판의 단면도,
도 2는 하나의 잉크 화이어링 챔버를 도시하는 종래의 프린트헤드의 단면도,
도 3은 종래의 프린트헤드의 오리피스판의 외측면의 평면도,
도 4는 잉크 방울의 분출을 도시하는 종래의 프린트헤드의 단면도,
도 5는 본 발명의 성능을 이해하는데 유용할 수도 있는 방울-메니스커스 시스템의 이론적 모델의 도면,
도 6a와 도 6b는 오리피스 표면의 구멍들을 도시한 오리피스판의 외측면의 평면도,
도 7은 본 발명에 채용될 수도 있는 오리피스 표면 구멍을 도시하는 오리피스판의 외측면의 평면도,
도 8은 본 발명에 채용될 수도 있는 오리피스 구멍을 형성하는 기술을 도시하는 도면,
도 9는 본 발명에 채용될 수도 있는 오리피스 구멍을 형성하는 기술을 도시하는 도면,
도 10은 본 발명에 채용될 수도 있는 바와 같이, 잉크 화이어링 챔버에 대해 오리피스 표면 구멍과 오리피스 보어를 도시하는 오리피스판 표면의 평면도,
도 11은 본 발명을 채용할 수도 있으며 오리피스의 군집체를 획이 굵은 선(bold line)으로 도시하는 오리피스판의 평면도,
도 12는 본 발명을 채용할 수도 있으며 도 11의 오리피스판의 B-B선 단면도,
도 13은 비전도성 버튼이 적층되는 맨드렐의 단면도이며 도 11에 도시된 것과 같은 전착 오리피스판의 단면도(B-B선 단면도),
도 14는 본 발명을 채용할 수도 있는 두 개의 오리피스판이 도시된 프린트헤드용 오리피스판의 일부분의 평면도,
도 15는 본 발명을 채용할 수도 있는 4개의 오리피스가 슬릿의 형태로 도시되어 있는 프린트헤드용 오리피스판의 일부분의 평면도,
도 16은 본 발명을 채용할 수도 있는 4개의 오리피스가 도시되어 있는 프린트헤드용 오리피스판의 일부분의 평면도,
도 17은 본 발명을 채용할 수도 있는 4개의 오리피스가 도시되어 있는 프린트헤드의 오리피스판의 일부분의 평면도,
도 18a와 도 18b는 본 발명을 채용할 수도 있는 6개의 오리피스를 도시하는 프린트헤드용 오리피스판의 평면도.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
103 : 전도성 표면 105' : 비전도성 물질층
107' : 오리피스판 201 : 히터 레지스터
207 : 화이어링 챔버 301 : 잉크 이송 채널
503 : 고정 구조체 505 : 스프링
1103, 1107 : 오리피스
종래의 프린트헤드의 단면도가 도 2에 도시된다. 박막 레지스터(201)가 반도체 기재(203)의 표면에 형성되어 있으며 전형적으로 반도체 기재(203)의 표면상에 금속화(도시안함)에 의해서 전기적 입력부에 연결되어 있다. 또한, 화학적 및 기계적 부식을 방어하기 위해서 여러 층이 히터 레지스터(201) 표면위에 배치될 수도 있지만 간략화를 위해서 도 2에는 도시되어 있지 않다. 배리어 물질층(205)은 실리콘 기재(203)의 표면(적어도 그 위에)상에 선택적으로 배치되어 히터 레지스터(201) 둘레에 개구 또는 잉크 화이어링 챔버(207)를 남겨서 잉크가 히터 레지스터(201)의 활성과 오리피스(209)를 통한 잉크의 분출전에 화이어링 챔버안에 축척될 수 있다. 배리어층(205)용 배리어 물질은 E.I. DuPont De Nemours and Company로부터 구입가능한 종래의 Parad(등록상표) 또는 등가의 물질이다. 오리피스(209)는 오리피스판의 내측면(115)으로부터 오리피스판의 외측면(213)으로 연장되는 구멍을 오리피스판(107)에 가지고 있는데 이 구멍은 전술한 바와 같이 오리피스판의 일부분으로서 형성될 수 있다.
도 3은 오리피스판(107)의 외측면(213)으로부터의 오리피스(209)를 도시하는, 종래의 프린트헤드(도 2의 A-A선 단면도를 나타냄)의 평면도이다. 잉크 이송 채널(301)은 더 큰 잉크 소오스(도시안함)로부터 잉크 화이어링 챔버로 잉크를 이송하기 위해서 배리어층(205)에 제공된다. 도 4는 잉크가 오리피스(209)로부터 분출된 후 22 μsec 시점에서 잉크 방울(401)내의 잉크의 구성을 도시한다. 종래의 오리피스판(여기에는 원형 오리피스 구멍이 사용됨)에 있어서, 잉크 방울(401)은 오리피스판(107)안에 적어도 오리피스(209)까지 반대로 연장되도록 도시될 수 있는 긴 테일(403)을 보유한다.
방울(401)이 오리피스판을 떠나 잉크 방울을 분출시키는 기화 잉크의 기포가 붕괴된 후, 모세관력이 잉크를 잉크 소오스로부터 잉크 이송 채널(301)을 통해서 흡인한다. 비제동 시스템에 있어서, 잉크는 화이어링 챔버(207)를 넘치게 충전할 만큼 신속하게 화이어링 챔버속으로 몰려 들어간다. 이 때 안정되기 전에 수 싸이클동안 그 평형 위치 주위에서 메니스커스가 요동한다. 부푼 메니스커스내의 여분의 잉크가 잉크 방울의 체적을 증가시키며 메니스커스가 부푸는 경우에 방울이 분출된다. 잉크 방울이 싸이클의 일부 동안 분출되면 퇴출 메니스커스는 방울의 체적을 감소시킨다. 프린트헤드 설계자는 잉크 재충전 채널의 유체 저항을 증가함으로써 잉크 재충전 및 메니스커스 시스템의 제어를 향상하고 최적화한다. 일반적으로 이러한 개선은 잉크 재충전 채널을 길게하고, 잉크 재충전 채널의 단면적을 감소시키거나 또는 잉크의 점성도를 증가시킴으로써 달성되었다. 이러한 잉크 재충전 유체 저항의 증가는 종종 재충전 시간을 더 느리게 하며 방출 분출율을 감소하며 프린팅 속도를 느리게 한다.
매니스커스 시스템의 간단한 분석은 도 5에 도시된 기계적 모델과 같은 것으로서, 분출된 방울의 질량과 동일한 질량(501)이 오리피스의 유효 반지름의 역수에 비례하는 스프링 상수(K)에 의해서 고정 구조체(503)에 결합된다. 질량(501)은 채널 유체 저항 및 다른 잉크 채널 특성치와 관련된 제동 함수(507)에 의해서 고정 구조체(503)에 결합된다. 본 구성에 있어서, 방울 무게 질량(501)은 오리피스의 직경에 비례한다. 따라서, 메니스커스의 특성치와 성능을 제어하기를 바란다면, 기계적 모델에서 잉크 채널을 최적화함으로써 또는 스프링(505)의 스프링 상수를 조정함으로써 제동 함수(507)의 제동 인자를 조정할 수도 있다. 방울(401)이 오리피스로부터 분출될 때, 방울의 질량의 대부분이 방울(401)의 선두부에 포함되어 있으며 이 질량부에 가장 빠른 속도가 발견된다. 잔류 테일(403)은 잉크 질량중 소량을 차지하며 잉크 방울 헤드 근처 위치의 잉크 방울 헤드 속도 내지는 잉크 방울 헤드내 및 오리피스 구멍에서 가장 근접한 잉크 방울 헤드에서 발견되는 잉크의 속도보다 작은 속도의 속도 분포를 가진다. 잉크 방울의 이동과 동시에, 테일내 잉크는 테일이 방울로부터 파열되어 나오는 지점까지 연장되어 있다. 테일안에 잔류하는 잉크의 일부가 오리피스 둘레에 잉크 퍼들을 보통 형성하는 프린트헤드 오리피스판(107)에 대해 역방향으로 끌린다. 이들 잉크 퍼들은, 제어되지 않으면, 차후 잉크 방울의 오배향을 야기함으로써 프린트물의 질을 열화시킨다. 잉크 방울 테일의 다른 부분은 매체물상에 잉크 방울이 적층되기 전에 잉크 방울 헤드로 흡수된다. 끝으로, 잉크 방울 테일에 발생된 일부 잉크는 프린트헤드로 복귀하지도 않고 그대로 남겨지거나 또는 잉크 방울속에 흡수되지 않지만, 임의의 방향으로 확산되는 하부 방울의 미세 스프레이를 제공한다. 이 스프레이중 일부가 매체물상에 도달하여 인쇄되고 잉크 방울에의해서 형성된 도트에 거친 모서리를 제공하여 소망 프린트물의 선명성을 감소시키는 바람직하지 못한 스폿을 매체물상에 배치한다.
외부 환경에 대한 오리피스 구멍(209)의 배출 영역이 분출되는 잉크 방울의 방울 무게를 규정하는 것으로 결정되었다. 메니스커스의 복원력(이 모델에서는 상수K)이 오리피스 구멍의 에지 근방 부분에 의해서 정해지는 것으로 결정되었다. 따라서, 메니스커스의 경도를 증가시키기 위해서, 오리피스 보어의 측부와 개구는 가능한 한 서로 근접하여야 한다. 물론, 이것은 방울에 대해 소정의 방울 무게를 유지할 필요성면에서 모순적이다. 비원형 기하 형상에 의해서 제공되는 메니스커스상의 복원력이 더 크면 클수록 잉크 방울의 테일이 오리피스판에 대해서 더 빨리 더 근접하여 파열되어 더 짧은 잉크 테일과 충분히 감소된 스프레이를 야기한다.
스프레이를 감소하는데 이용될 수도 있는 일부 비원형 오리피스는 장축과 단축을 갖는 기다란 구멍이며, 장축이 단축보다 차원이 더 크며 양축은 오리피스판의 외측면에 대해 평행한다. 이러한 기다란 구조체는 타원체와 평행 측부 "레이스 트랙" 구조체와 같은 직사각형과 평행사변형 또는 장방형일 수 있다. 모델 번호가 HP 51649 A인 프린트 카트리지(휴렛트-팩카드 캄파니로부터 구입가능함)와 HP 51649 A 카트리지안에 사용되는 오리피스 구멍 영역과 동일한 오리피스 구멍 영역에 수납되는 잉크를 사용하면, 장축 대 단축비가 2 : 1 내지 5 : 1인 타원체가 바람직한 메니스커스 고정과 테일이 짧은 잉크 방울 분출을 나타내는 것이 결정되었다.
도 6a 내지 도 6b는 다양한 타입의 오리피스 보어 구멍 차원을 도시하는 오리피스판 외측면의 평면도이다. 도 6a는 외부 차원의 반지름(r)과 외부 차원(r)과 화이어링 챔버에 대한 반지름(r2)간의 차를 갖는 원형 오리피스를 도시한다. HP 51649 A 카트리지에 있어서, r = 17.5 ㎛이며, r2= 45㎛이다. 이것은 962㎛2의 오리피스판 외적(r2·π)의 구멍 면적을 얻는다. 도 6b는 동일한 방울 무게를 유지하기 위해서, 오리피스 개구의 외적이 962㎛2로 유지되는 장축/단축 비가 2 : 1인 동일한 타원체의 외측 오리피스 구멍 기하형상을 도시한다. 따라서, 타원체 면적 방정식으로부터(A = π·a·b), 탄원체의 장축과 단축은 각각 28.5㎛와 12.4㎛로 2 : 1이다.
전술한 바와 같이, 더 잘 테일을 차단하고 차후 스프레이를 감소하는 주요 분포 인자는 타원체의 단축의 크기의 감소이다. 2 : 1 내지 대략 5 : 1의 축비에 걸쳐, 스프레이 감소가 관찰된다. 또한 상기 지적한 바와 같은 한가지 단점은 타원체의 오리피스 표면 개구가 오리피스판의 내면(잉크 화이어링 챔버에)에 대응하는 더 큰 개구를 가진다는 것이다. 오리피스가 프린트 분해능을 향상하기 위해서 서로 근접하게 이격될 때 이들 내부 개구가 간섭 및 중첩될 것이다. 이 간섭은 한 개의 화이어링 챔버가 인접 화이어링 챔버로 송풍될 때 잉크의 형태를 결정하며 다른 미묘하고 난해한 효과를 가져온다.
간섭 문제를 해결하기 위해서, 타원체는 장축 방향으로 비틀어져 있어서 본질적으로 점차 증가하거나 초승달 형상을 형성한다. 간섭 문제를 해결하기 위해서, 단축 차원이 유지되고 효율적인 장축이 초승달 모양으로 단축되고 전체 오리피스 구멍의 면적이 일정하게 유지된다. 적절한 스프레이 감소는 초승달 오리피스 개구 형상을 사용하여 계속해서 달성된다. 그러나, 초승달 형상은 프린트헤드의 이 형태로 실현되는 프린트의 질에 있어서 여러 가지 문제를 유도한다. 오리피스판을 떠난 잉크 방울의 궤적은 오리피스판 표면에 수직하지 않지만 오리피스 구멍의 곡면의 음의 반지름의 방향에 대한 수직선으로부터 멀리 편향한다.
초승달형 오리피스 구멍의 궤적 문제를 해결하기 위해서, 대칭을 제공하는 다른 형상의 두 개의 초승달 형상을 중첩함으로써 형성되며 초승달 형상의 가장자리의 방향이 빗나간다. 이러한 형상이 도 7에 도시되어 있다. 이 변형 오리피스 구멍 형상을 "모래시계" 형상이었다. 바람직한 실시예에 있어서, 변형 단축(bH)은 26㎛로 설정되었고 변형 장축(aH)은 69㎛로 설정되었다. 변형 장축을 정하는 에지는 대략 47㎛의 곡률 반경(rH)을 가진다. 이 균일한 오리피스 구멍 형상은 단축의 좁은 개구를 유지하며 고정 오리피스 구멍 면적에 요구되는 필수 장축 차원을 감소한다. 이 감소된 차원의 장축은 오리피스의 공간을 더 긴밀하게 하며 그렇지 않으면 동일 오리피스 개구 면적의 타원체를 실현할 수 있을 것이다. 또한, 모래시계 오리피스 구멍 형상은 장축과 단축 모두에 대해서 대칭을 제공하며 잉크 방울의 궤적 오류 문제를 극복한다.
전술한 바와 같이, 오리피스판은 니켈 또는 유사 금속을 맨드릴상에 전착함으로써 종래의 방식으로 형성한 다음 오리피스판을 금과 같은 화학적 저항 물질로 도금한다. 앞서, 비전도성 버튼을 소망 목적한 형상 즉 원형 오리피스 구멍으로 이용하는 것이 알려져 있었다. 그러나, 모래시계 형상보다 훨씬 덜 복잡한 형상을 갖는 버튼이 사용될 수 있는 것으로 결정되었다. 전착중 오리피스판의 기저 금속은 전도 표면(그 자체 표면을 포함)으로부터 각각의 유용한 방향으로 균일하게 성장하기 때문에 비전도성 버튼 형상의 세부가 성장 기저 금속에 의해서 관찰될 수도 있을 것이다. 마찬가지로, 버튼 형상의 세부가 기저 금속이 성장할 때 전체적으로 다른 형상으로 변형될 수 있다. 다시 도 1을 보면, 기저 금속(107)이 비전도 절연성 버튼(105)의 상면위에 성장한다. 평면도로 도시될 때, 버튼(107)의 외곽선의 세부는 기저 금속(107)이 절연성 버튼(105)의 상부 표면상에서 성장할 때 다른 형상으로 가려지거나 또는 변형될 수 있다.
소망의 기저 금속 성장과 동일한 직경을 갖는 원의 집단(a family of circles)을 이용하는 분석 기술이 소망 오리피스 형상의 외측 외곽선과 동일 평면에 그리고 수직하게 배치될 수 있다. 접촉 지점의 반대측에 동일 직경선을 공유하는 원주상의 지점이 원 집단의 다른 유사 지점에 각각 결합하며, 비전도 버튼이 취하는 형상이 드러난다. 변형 공정이 시작 형상의 외측 외곽선상의 모든 점 또는 대표적으로 몇개의 지점으로부터 그려지는 호의 반지름들을 사용한다. 각각의 호의 반지름의 끝점(시작 외곽선의 지점에 수직하게 그려진 선에 수직함)이 도금 공정이 완료된 후 나타나는 오리피스 형상위의 점을 정한다. 도 8을 참조하면 원의 집단을 사용하는 기술을 구현하는데 도움이 될 것이다.
도 8에서, 오리피스 구멍의 모래시계 형상은 도면 번호(801)로 나타내진다. 기저 금속의 소망 성장에 동일한 반지름을 갖는 원의 집단이 원(803)으로 나타내진다. 비전도 버튼의 외곽선은 도면번호(805)로 나타내진다. 원의 집단의 각각의 원은 모래시계 형상의 에지를 따른 점에서 모레시계 형상의 오리피스에 접한다. 각각의 원의 직경을 직접 가로지르는 점을 취하여 이들 점들을 결합하면 비전도 버튼의 형상을 수득한다. 더 복잡한 오리피스 형상을 다룰 때, 비전도 버튼의 형상은 오리피스의 형상과 동일하지 않다는 것이 발견되었다. 모래시계 형상(801)의 가장자리를 관찰하면, 형상을 정하는데 필요한 원의 개수가 감소한다.
도 9는 오리피스 개구(801)를 형성하는데 필요한 필수 구성원을 도시한다. 접촉점과 반대편의 원주상의 점을 결합하면 소망 모래시계 형상의 오리피스 개구를 형성하는데 필요한 최초 버튼 외곽선을 수득한다. 이들 외곽선 형상은 호(901, 903)를 가져 장축의 말단부를 형성하는 에지를 제공하며 쌍곡선부(905, 907)을 가져 단축의 말단부를 형성하는 에지를 제공한다. 버튼 외곽선의 잔존부가 원의 직경보다 소망 오리피스 형상에 더 근접하지 않는 한, 오리피스판을 전착함으로써 형성된 모래시계형 오리피스는 정해진 호와 쌍곡선부 이외의 버튼 외곽선과 떨어져 있을 것이다.
이 외곽선은 오리피스판의 배리어 물질에 대한 접착을 향상시키는데 사용될 수도 있으며 화이어링 챔버가 더 많은 체적의 잉크를 수납하도록 설계될 수 있다. 도 10은 비전도성 맨드릴 버튼 형상이 오리피스 표면의 구멍 형상에 부분적으로 독립적일 때 얻어지는 프린트헤드를 도시한다. 오리피스 구멍(801)이 오리피스판의 외측면상에 배치되고 버튼 형상이 오리피스판의 내면상에 배치되더라도 간략하게 하기 위해서 오리피스 구멍(801)과 버튼 형상(1001)이 실선으로 도시된다. 잉크 화이어링 챔버에서 시작하여 오리피스판의 표면의 개구를 횡단하는 바와 같이 오리피스의 보어는 버튼 형상(1001)으로부터 모래시계 형상의 구멍(801)까지 오리피스의 보어가 변한다. 일 실시예에 있어서, 배리어층 물질의 형상은 파단선으로 도시된다. 배리어 물질(1003)의 섬은 화이어링 챔버(1005)로의 잉크 입구를 두 개의 잉크 채널(1007, 1009)로 나누며 화이어링 챔버(1005)의 잔존부는 배리어 물질(1011, 1013, 1015) 등의 벽에 의해서 정해진다. 배리어층 물질과 오리피스판 사이의 접촉 면적의 증가가 배리어 섬(1003) 둘레의 대역(이론적으로 원형 버튼 외곽선을 나타내는 부가의 파단선으로 도시됨)에서 실현된다. 이러한 접점 면적의 증가는 버튼 형상이 일부가 장방형인 결과인데 일부가 장방형이 아니라면 배리어 물질의 장방형에 잘 맞게 원형일 수도 있으며 이것은 원형 오리피스판의 오정렬이 나타날 때조자 변하지 않는 직사각형 단면을 기재에 제공한다. 또한, 장방형의 획득으로 화이어링 챔버내 잉크의 용적이 증가한다.
특히 칼라 면에서의 프린트 질의 향상을 실현하기 위해서, 긴밀하게 이격되어 있는 오리피스 각각으로부터 잉크가 동시에 분출하게 하기 위해서 긴밀하게 이격된 오리피스를 이용하는 것은 바람직하다. 오리피스가 동일 화이어링 챔버와 히터 레지스터를 이용하기에 충분하게 긴밀히 이격될 수 있을 때, 적절한 좌표의 잉크 방울이 분출될 수 있고 복잡한 잉크 표시가 매체물상에 달성될 수 있다. 전도 맨드릴상에 배치된 무전해 물질의 단일 버튼이 전기 주조 오리피스판의 소망 두께 때문에 긴밀하게 이격된 화이어링 오리피스를 제공할 수 없었다. 성형 비전도 버튼이 화이어링 챔버의 크기와 관련된 소영역의 면적에 다수의 오리피스를 제공하는 것이 본 발명의 특징이다.
이제 도 11을 참조하면, 중심에 구멍이 형성된 외주 형상이 평행사변형인 비전도 버튼이 전착오리피스판에 관련성 있게 근접해 있는 오리피스를 형성하는데 사용되는 것이 유용할 수 있다. 도 11은 오리피스(1101, 1103, 1105, 1107)의 군집체가 굵은 외곽선으로 도시되는 오리피스판의 평면도이다. 4개의 군집 오리피스가 형성된 비전도 버튼의 상면이 파단선으로 나타내져 있다. 일 실시예에 있어서, 평행사변형 버튼(105')은 x1=170㎛, y1=160㎛의 외측 차원을 가진다. 구멍(1113)은 평행사변형 버튼의 중심에 배치되는데 이 실시예에 있어서 r3=10㎛의 직경을 가진다. 잉크젯 프린터용 프린트헤드의 작동 형상을 도시하는 도 12의 단면도에 도시된 바와 같이, 히터 레지스터(201)는 반도체 기재(203), 배리어 물질(205) 및 도 2의 내측면(115)과 동일한 내측면 오리피스판(107')에 의해 형성된 화이어링 챔버(207)에 배치된다. 오리피스판(107')은 도 12의 도면을 얻기 위해서 도 11의 B-B 선을 따라 단면처리되어 있다. 이 도면에서, 전착 공정은 오리피스의 단부(1103, 1109)(1201에서)와 오리피스의 단부(1105, 1107)(1203에서)를 결합하여 한 개의 화이어링 챔버와 관련된 군집체에 독립적인 오리피스를 형성한다. 40㎛의 두께로 전착될 때, 각각의 오리피스의 개구 면적은 대략 250㎛2과 동일하다.
도 13은 도 1에 관련하여 설명한 공정과 일치하는 오리피스판(107')의 형성과정을 도시한다. 바람직한 실시예에 있어서, 비전도성 버튼(105')은 구멍(1113)이 비전도성 버튼내에 형성되도록 배치된다. 적층된 비전도성 버튼의 크기는 이 단면도의 분석을 제외하고는 도 11에 도시된 바와 같으며, 각각 s=40㎛의 4개의 섹션과 r3의 합으로서 생각될 수 있다. 도 13에 도시된 바와 같이, 오리피스판은 도 11의 B-B 선 단면도이다. 니켈(또는 다른 전착 물질)이 전도성 표면(103)상에 배치될 때, 구멍(1113)을 통해 노출된 표면은 포함하지만 비전도성 버튼(105')으로부터가 아닌 전도성 표면으로부터 각 방향으로 균일하게 성장한다. 니켈이 비전도성 버튼 상부의 대부분의 영역에 결합되도록 40㎛ 두께로 도금될 때 종래의 전착 공정이 정지하는 주기 후에, 비전도성 버튼 상부의 주변의 형상과 내부 구멍의 형상의 차이가 니켈 오리피스판에 간극을 형성하였다. 이들 간극은 비전도성 버튼의 구멍 중앙에 배치된 오리피스 사이의 거리의 중간 지점에 서로에 대해 반대방향에 배치되는 독립되었으나 서로 연관된 오리피스를 제공한다. 이 연관된 오리피스는 오리피스판의 외면에 개구의 합동 영역을 가지며 거리의 중앙 지점에 대해서 서로 대칭이다. 에를들어, 도 11에서, 오리피스(1103, 1107)는 두 오리피스간의 중간 지점[비전도성 버튼내의 구멍(1113)의 위치에 대응]에 대해 서로 반대측에 있으며 대칭적이고 연속적인 영역의 개구를 오리피스판의 표면상에 가진다. 즉, 오리피스(1103)의 오리피스 개구 영역의 점은 두 점 사이에 그려진 가상선상에 발견되며 오리피스(1107)의 오리피스 개구안에 대응하는 점을 가질 수 있는데 이점은 오리피스간의 중간지점을 들 수 있다.
도 11의 평행사변형은 프린트헤드안에 다수의 오리피스를 형성하는데 사용될 수 있는 유일한 형상은 아니다. 몇 개의 실시예가 좀 더 상세히 고려될 것이며 도 14 내지 도 18b와 관련하여 설명된다. 도 14는 두 개의 "D"자형 관련 오리피스 개구(1401, 1403)를 오리피스판의 표면에 도시한다. 이들 두 개의 잉크-분출 오리피스는 비전도성 버튼의 장축과 단축의 교차점에 중심이 있는 타원형 구멍(1407)을 갖는 타원형 비전도성 버튼[파단선으로 버튼(1405)의 타원형 주변을 도시함]을 채용함으로써 형성된다. 비전도성 버튼 그리고 그 주변의 구멍간의 형상 차이는 구멍의 단면의 장축을 단축과 정렬함으로써 형성된다. 전착 공정이 사용되어 종료될 때, 형상 차이는 도 14에 도시된 바와 같은 공간을 얻는다. 바람직한 실시예에 있어서, 비전도성 버튼(1405)의 장축은 x2=220㎛로 설정되고 단축은 y2=160㎛로 설정된다. 버튼내 구멍(1407)의 장축은 40㎛로 설정되고 단축은 10㎛로 설정된다. 종래의 전착 공정이 일정 기간동안 진행되어 니켈 도금이 약 40㎛ 두께 정도로 전개될 수 있게 한다. 결과적으로 각각 약 1000㎛2의 개구 면적을 갖는 두 개의 오리피스(1402, 1403)를 얻는다.
도 15는 동심의 원형 구멍(1503)을 갖는 원형 비전도성 버튼(1501)에 의해서 제공되는 4개의 오리피스의 군집체를 도시한다. 버튼의 외주는 비전도성 버튼의 외주 외곽선에 형상체로서 비전도성 버튼의 표면상의 노치 아래의 전도성 표면으로부터 전착 성장을 할 수 있는 4개의 노치(1505, 1507, 1509, 1511)를 가진다. 이 노치 성장은 비전도성 버튼의 표면상에 금속 유입을 제공하여 4개의 오리피스의 군집체 사이가 분리되게 한다. 이들 4개의 오리피스(1513, 1515, 1517, 1519)는 비전도성 버튼이 160㎛ 직경을 가지고 중앙 구멍이 10㎛ 직경을 가질 때 대략 175㎛2의 좁은 슬릿이며 전착 공정은 오리피스판의 두께가 35㎛에 도달할 때 정지된다.
도 16은 오리피스판의 외측면에 있는 4개의 오리피스의 군집체를 도시하는데 이것은 비전도성 버튼 아래의 전도성 표면을 노출하는 노치 형상부(1603, 1605)를 갖는 주위 형상이 타원형인 비전도성 버튼[파단선으로 도면번호(1601)로서 지시됨]에 의해서 제공되는데 장축을 따라 끝점에 배치된다. 타원형 구멍(1607)은 버튼의 중심에 배치되어 버튼의 이들 구멍은 회전축에 대해서 회저한다. 타원형 버튼의 장축이 x3=240㎛이고 단축은 y3=160㎛일 때, 비전도성 버튼의 외주부에서 뻣어나온 노치는 35㎛이며, 비전도성 버튼을 관통하는 타원형 구멍은 10㎛×40㎛에 동일하게 되며, 군집체의 각각의 오리피스의 오리피스판의 외측면의 개구 면적은 대략 100㎛2이다.
몇 개의 변형예가 도 16에 도시된 디자인으로 만들어 질 수 있다. 일 실시예는 직사각형의 단변에 노치(1703)를 갖고 그 중심에 원형 구멍(1707)을 갖는 직사각형의 형상의 비전도성 버튼(1701)을 사용하는 것이다. 비전도성 버튼의 장변 차원은 X4=240㎛로 설정되고, 버튼의 단변 차원은 y4=160㎛로 설정되며, 노치는 단변이 35㎛씩 절단되며, 원형 구멍의 직경은 10㎛로 설정되고, 전착 공정이 니켈이 40㎛ 두께로 도금될 때까지 진행될 때, 대략 250㎛2의 개구 면적을 갖는 4개의 오리피스(1707, 1709, 1711, 1713)가 형성된다. 도 17의 직사각형 비전도성 버튼은 타원형 구멍을 사용할 수 있으며 도 16의 타원형 비전도성 버튼이 원형 구멍을 이용할 수 있다는 것이 기대된다.
4 이상의 오리피스의 군집체는 다른 기하 형상과 구멍을 갖는 비전도성 버튼으로 제조될 수 있다. 6개가 모인 오리피스(1801, 1802, 1803, 1804, 1805, 1806)가 전도성 표면에 대해 중앙에 있는 구멍(1810)을 갖는 육각형[도 18a에서 파단선으로 도시되며 도면번호(1808)로 지시]의 형태의 비전도성 버튼으로 형성될 수 있다. 육각형 버튼의 차원은 y5=160㎛으로 설정될 때, 구멍은 10㎛이며, 전착 공정은 37.5㎛ 두께의 니켈을 형성하며, 각각의 오리피스 개구 면적은 대략 100㎛2이 된다. 변형예로서, 버튼은 도 18b에 도시된 바와 같이, 하나 또는 그 이상의 차원으로 비틀어질 수 있다. 일 버튼의 차원은 y6=160㎛로 설정되고 다른 차원은 x6=220㎛로 설정된다. 10㎛×55㎛의 타원형 구멍은 변형된 육각형의 중심에 있다. 전착 공정이 37.5㎛ 두께의 오리피스판을 형성할 때, 군집된 오리피스 각각의 개구 면적은 100㎛2이다.
따라서, 전술한 바에 따르면, 긴밀하게 이격된 오리피스의 군집체는 제어되는 형상으로서 그 내부에 임의 형상의 구멍을 갖는 단일 비전도성 버튼으로 형성된다. 이 배열체는 독립적이지만 양질의 화상을 제공하는데 특히 유용한 연관 오리피스를 제공한다.

Claims (10)

  1. 함께 작동하도록 연관되고 그들간의 거리의 중간 지점에 대해 서로 반대편에 있는 적어도 두 개의 잉크 분출 오리피스(1103, 1107)를 갖는 오리피스판(107')을 포함하는 잉크 프린팅 장치용 프린트헤드에 있어서,
    적어도 두 개의 오리피스 각각은 상기 거리의 중앙 지점에 대해 서로 대칭이 되는 기하형상의 면적을 가지는 잉크 프린팅 장치용 프린트헤드.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 두 개의 오리피스 각각은 비전도성 오리피스를 더 포함하는 잉크 프린팅 장치용 프린트헤드.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 프린트헤드는 상기 적어도 두 개의 오리피스를 연결하는 히터 레지스터(201)와, 상기 히터 레지스터가 잉크중 일부를 증기화하기에 충분한 에너지로 여자될 때 적어도 두 개의 오리피스 모두로부터 잉크가 분출되도록 상기 히터 레지스터와 상기 오리피스판 사이에 배치된 잉크 화이어링 챔버(207)를 더 포함하는 잉크 프린팅 장치용 프린트헤드.
  4. 잉크 프린팅 장치용 프린트헤드에 있어서,
    복수개의 표면으로 형성된 잉크 화이어링 챔버(207)와,
    내측면과 외측면을 갖는 오리피스판(107')을 포함하며, 상기 내측면은 상기 잉크 화이어링 챔버의 복수개의 표면중 적어도 일 표면을 형성하는 잉크 프린팅 장치용 프린트헤드.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 두 개의 비원형 오리피스 각각은 상기 오리피스판의 외측면상에 연속적으로 형성된 개구를 더 갖는 잉크 프린팅 장치용 프린트헤드.
  6. 잉크 프린팅 장치용 다공성 판을 형성하는 방법에 있어서,
    전도성 표면(103)상에, 상기 전도성 표면을 노출시키는 적어도 하나의 형상부와 사전결정된 외주변을 갖는 비전도성 물질층(105')을 배치하는 단계와,
    층(107')을 상기 전도성 기재상에 적층하는 단계를 포함하며, 상기 층은 소정의 두께를 가지며 상기 외주변으로부터 상기 비전도성 물질층위로 연장되고 상기 적어도 하나의 형상부의 거리는 상기 두께와 거의 동일하여 적어도 두 개의 오리피스(1103, 1107)가 다공성판에 형성되게 하는 잉크 프린팅 장치용 다공성판 형성 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 비전도성 물질층을 배치하는 단계는 상기 외주변을 선형 측변을 갖는 기하형상으로 형성하는 단계와 상기 적어도 하나의 형상부를 원형 단면의 중심 구멍으로서 형성하는 단계를 포함하는 잉크 프린팅 장치용 다공성판 형성 방법.
  8. 제 6 항의 방법에 따라 형성된 잉크젯 프린터용 다공성판.
  9. 잉크젯 프린팅 장치용 프린트헤드를 구성하는 방법에 있어서,
    서로 함께 작동하는 적어도 두 개의 잉크 분출 오리피스(1103, 1107)를 갖는 오리피스판(107')을 형성하는 단계와,
    이들간의 거리의 중간 지점에 대해 상기 적어도 두 개의 잉크 분출 오리피스를 서로 대향하게 배치하는 단계를 포함하며, 상기 적어도 두 개의 오리피스중 각각은 상기 거리의 중간 지점을 중심으로 서로 대칭이되는 기하 영역을 가지는 잉크젯 프린팅 장치용 프린트헤드 구성 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 적어도 두 개의 오리피스에 연관된 히터 레지스터(201)를 기재상에 배치하는 단계와,
    상기 히터 레지스터를 중심으로 잉크 화이어링 챔버(207)를 형성하는 단계와,
    상기 히터 레지스터가 잉크중 일부를 기화시키기에 충분한 에너지로 에너지화될 때 상기 적어도 두 개의 오리피스 양자로부터 분출되도록 상기 잉크 화이어링 챔버에 상기 오리피스판을 부착하는 단계를 포함하는 잉크젯 프린팅 장치용 프린트헤드 구성 방법.
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