KR20020014712A - 잉크젯 프린트헤드 및 소형 단색 잉크젯 프린트헤드 - Google Patents

잉크젯 프린트헤드 및 소형 단색 잉크젯 프린트헤드 Download PDF

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KR20020014712A
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토거슨조셉엠
박콤안젤라더블유
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파트릭 제이. 바렛트
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Abstract

소형 단색 잉크젯 프린트헤드(150)는 고성능, 엇갈림 배열의 잉크방울 생성기(165)를 가진다. 본 발명은 프린트헤드 공간의 효율적인 사용으로 인해 비용을 감소시키는 동시에 고속, 고해상도로의 인쇄를 가능하게 하는 고성능 설계를 제공한다. 특히, 본 발명의 소형 고성능 프린트헤드(150)는 열 편위와 같은 문제점을 최소화하면서 다수의 잉크방울 생성기(165)가 소형 프린트헤드(160)상에 위치될 수 있게 하는 여러 가지의 열 효율적인 특성을 가진다. 바람직한 실시예에서, 소형 프린트헤드(160) 상의 잉크방울 생성기의 밀도는 제곱미터 당 10개 이상의 잉크방울 생성기를 포함하는 수준이며, 소형 프린트헤드(160)는 적어도 350개의 노즐을 포함한다. 잉크방울 생성기(165)는 적어도 4개의 평행한 열로 배열된다. 각각의 열은 인접 열에 대해 엇갈리게 배열되어서 비-엇갈림 배열 보다 열 효율적인 피치를 제공한다. 본 발명의 잉크방울 생성기(165)는 열 효율을 증가시키기 위해 고 저항 저항기(580)와 얇은 표면안정화 층(1034, 1036)을 포함한다. 12㎑ 이상의 고 방출 주파수에서 저 중량의 잉크방울을 열 효율적인 잉크방울 생성기(165)로부터 방출함으로써 보다 바람직한 열 제어를 달성할 수 있다.

Description

잉크젯 프린트헤드 및 소형 단색 잉크젯 프린트헤드{COMPACT HIGH-PERFORMANCE, HIGH-DENSITY INK JET PRINTHEAD}
본 발명은 일반적으로 열 잉크젯(TIJ) 프린트헤드에 관한 것이며, 더 상세하게는 엇갈림식 고밀도 배열의 잉크방울 생성기를 갖춘 소형의 단색 프린트헤드를 사용하는 고성능 인쇄 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
열 잉크젯(TIJ) 프린터는 대중적이며 컴퓨터 업계에 폭넓게 사용되고 있다. 이들 프린터는 더블유. 제이. 로이드 및 에이취. 티. 다우브의 아웃풋 하드카피 디바이스(output hardcopy device)(샌디에고 소재의 아카데미 출판사, 1988년판, 편집자 알. 씨. 더벡 및 에스. 쉐르) 제 13 장, 잉크젯 장치, 및 미국 특허 제 4,490,728 호 및 제 4,313,684 호에 설명되어 있다. 잉크젯 프린터는 고품질의 인쇄가 가능하고 소형으로 휴대가능하며 잉크가 단지 (종이와 같은) 인쇄물과 충돌하므로 신속하고 정숙하게 인쇄할 수 있다.
잉크젯 프린터는 특정 위치의 열에 개별적인 도트(또는 픽셀)의 형태로 인쇄함으로써 인쇄 이미지를 생성한다. 직선 배열의 소량의 도트로서 편리하게 가시화되는 이들 도트 위치는 인쇄될 패턴에 의해 형성된다. 그러므로, 인쇄작동은 도트의 위치패턴을 잉트 도트로 채움으로써 형상화된다.
잉크젯 프린터는 소량의 잉크를 인쇄물상에 방출함으로써 도트를 인쇄한다.잉크 저장기와 같은 잉크 공급장치는 잉크를 잉크방울 생성기에 공급한다. 잉크방울 생성기는 마이크로프로세서 또는 기타 제어기에 의해 제어되며 마이크로프로세서에 의한 명령에 따라 적절한 시기에 잉크방울을 방출한다. 잉크방울의 방출 타이밍은 일반적으로 인쇄될 이미지의 픽셀 패턴에 일치한다.
일반적으로, 잉크방울 생성기는 증발실 또는 점화실 내부에 위치된 소량의 잉크를 급속 가열함으로써 (노즐과 같은) 오리피스를 통해 잉크방울을 방출한다. 통상적으로 잉크방울의 증발은 소형 박막(또는 점화식) 저항기와 같은 전기 히터를 사용하여 수행된다. 잉크방울의 방출은 선택된 점화식 저항기에 전류를 통과시켜 선택된 점화실 내부에 위치된 얇은 잉크층을 과열시킴으로써 수행된다. 이러한 과열은 잉크 박층의 폭발식 증발의 원인이 되어 잉크 방울들이 프린트헤드의 관련 노즐을 통해 방출되게 한다.
잉크방울의 방출물은 잉크방울 생성기를 갖춘 프린트헤드 조립체를 지지하고 있는 캐리지 조립체를 이동시킴으로써 인쇄물 상에 위치된다. 캐리지 조립체는 인쇄물 표면의 위를 횡단하여 인쇄될 패턴에 따라 프린트헤드 조립체를 위치시킨다. 캐리지 조립체는 프린트헤드 조립체와 인쇄물 사이에 "스캔 축선(scan axis)"에 따른 상대운동을 부여한다. 일반적으로, 스캔 축선은 인쇄물의 폭에 평행한 방향이며, 캐리지 조립체가 단일 스캔이라 함은 인쇄물의 폭을 대략적으로 가로지르도록 캐리지 조립체가 프린트헤드 조립체를 한번 변위시킨다는 것을 의미한다. 스캔과 스캔 사이에서, 인쇄물은 통상적으로 스캔 축선에 수직한 "인쇄물(또는 종이) 전진 축선"을 따라(또한 일반적으로 인쇄물의 길이를 따라) 프린트헤드에 대해 전진한다.
프린트헤드 조립체가 스캔 축선을 따라 이동하면 불연속선의 열이 생성된다. 이들 불연속선의 겹쳐짐은 인쇄 이미지의 원본 또는 실상으로 나타난다. 인쇄물 전진 축선에 따른 인쇄 해상도는 종종 인쇄물 전진 축선에 따른 불연속선의 밀도로 정의된다. 따라서, 불연속선의 밀도가 높을수록 상기 축선에 따른 인쇄 해상도도 높다.
인쇄물 전진 축선에 따른 불연속선의 밀도(따라서, 인쇄 해상도)는 프린트헤드상의 잉크방울 생성기의 숫자를 증가시킴으로써 증가될 수 있다. 이는 바람직한 인쇄 해상도와 보다 빠른 인쇄속도를 제공한다. 게다가, 여러 요소로 인해, 프린트헤드의 크기 증가없이 잉크방울 생성기의 숫자를 증가시키는 것이 바람직하다. 그러나, 단지 프린트헤드에 존재하는 잉크방울 생성기의 숫자만을 증가시키는 것은 인쇄 작동 중에 프린트헤드에서 손실되는 열량을 현저히 증가시키게 된다. 이러한 열 손실의 증가는 바람직하지 않은 프린트헤드의 열 편위(thermal excursions)를 초래한다. 프린트헤드 상의 이러한 대량 열 편위는 프린트헤드의 작동에 악영향을 끼치며 인쇄 품질의 저하, 프린트헤드의 열 차단 및 심지어는 프린트헤드 전체의 고장을 초래하게 된다.
대량의 열 편위를 방지하는데 사용될 수 있는 하나의 기술은 프린트헤드의 속도를 늦추는 것이다. 그러나, 이러한 기술은 프린트헤드 상에 많은 잉크방울 생성기를 제공함으로써 얻어지는 유효한 효과를 무효화시킨다. 대량의 열 편위를 방지하는데 사용될 수 있는 다른 기술은 프린트헤드의 크기를 증가시키는 것이다.그러나, 이러한 기술의 주요 단점은 프린트헤드 크기의 증가에 따라 인쇄 시스템의 비용을 증가시킨다는 점이다. 이는 인쇄 시스템의 가격을 급격히 증가시키며 보다 큰 프린트헤드로 인해 비용이 추가되어 인쇄 시스템의 시장 경쟁력이 떨어지므로 수용될 수 없다. 그러므로, 본 발명의 목적은 유해한 열 편위가 없으며, 다수의 노즐을 갖춘 소형의 고성능 프린트헤드를 제공하고자 하는 것이다.
전술한 바와 같은 종래 기술의 한계를 극복하고 본원 명세서를 읽고 이해함으로써 분명해질 기타 한계점을 극복하기 위해, 본 발명은 고밀도 잉크방울 생성기를 갖춘 소형의 단색 잉크젯 프린트헤드로서 구현된다. 본 발명은 프린트헤드 공간의 유효한 이용으로 인해 비용을 감소시키면서 고해상도 및 고속 인쇄를 가능하게 하는 고성능 설계를 제공한다. 특히, 본 발명의 소형의 고성능 프린트헤드는 열 편위와 같은 문제점을 최소화하면서 소형 프린트헤드 상에 다수의 잉크방울 생성기가 위치될 수 있게 하는 여러 가지의 성능을 개선할 수 있는 특징을 포함한다.
본 발명의 소형의 단색 잉크젯 프린트헤드는 고해상도로 고속 인쇄를 가능하게 한다. 특히, 인쇄 해상도와 속도를 증가시키는데 사용되는 하나의 기술은 잉크방울 생성기의 숫자를 증가시키고, 이들 생성기를 다른 잉크방울 생성기 그룹에 대해 엇갈림 형태로 배열하고, 이들 잉크방울 생성기를 고주파수에서 작동시키는 것이다. 이러한 엇갈림식 고밀도 배열은 프린트헤드의 유효 해상도를 증가시키는데 도움을 준다. 본 발명은 소형의 프린트헤드 기판 상에 배열된 잉크방울 생성기의고밀도 엇갈림 배열을 포함한다. 각각의 잉크방울 생성기는 잉크 공급장치에 유체 연결된 프린트헤드 기판내에 형성된 박막 구조물이며 노즐을 포함한다. 잉크는 잉크방울 생성기로 공급되며 적절한 시기에 가열되어 관련 노즐로부터 방출된다.
바람직한 실시예에서, 소형 프린트헤드 상의 잉크방울 생성기의 밀도는 제곱 밀리미터 당 10 이상의 잉크방울 생성기를 포함하는 수준이며, 소형 프린트헤드는 적어도 350개의 노즐을 포함한다. 잉크 방울 생성기(및 대응 노즐)는 적어도 3개의 평행한 열로 배열된다. 각각의 열은 인접한 열에 대해 엇갈리게(또는 오프셋 형태로) 배열되어 비-엇갈림 배열에 비해 커다란 유효 피치를 제공한다.
본 발명은 또한 잉크방울 생성기를 소형 프린트헤드 상에 위치시킴으로써 고밀도 잉크방울 생성기를 갖춘 프린트헤드의 관련 비용도 감소시킨다. 소형 기판 상에서의 잉크방울 생성기의 밀도를 높이기 위해, 본 발명은 열 효율을 개선하기 위한 여러 가지의 기술을 포함한다. 열 효율을 개선하기 위한 하나의 기술은 고 저항 저항기 및 얇은 표면안정화 층을 포함하는 박막 구조물을 갖춘 열 효율적 잉크방울 생성기를 제공하는 것이다.
소형 프린트헤드 상에 있는 잉크방울 생성기의 고밀도 배열은 휴대가능하고 저 비용의 패키지에 의해서도 고성능 인쇄를 가능하게 한다. 특히, 열 효율적인 잉크방울 생성기를 사용하고 소형 프린트헤드의 특별한 열 제어에 의해, 본 발명은 고속, 고해상도 및 고품질의 인쇄를 가능하게 한다. 본 발명은 또한 본 발명의 소형 잉크젯 프린트헤드를 사용하는 고성능 인쇄방법도 제공한다.
본 발명의 다른 특징 및 장점뿐만 아니라 본 발명에 대한 보다 완전한 이해는 본 발명의 원리를 예시적으로 도시한 첨부도면을 참조하여 설명하는 다음의 상세한 설명에 의해 보다 분명해 질 것이다. 게다가, 본 발명의 사상은 청구범위에 의해서만 한정되어 있을 뿐이지 전술한 본 발명의 개요와 다음의 상세한 설명에 의해 한정되는 것은 아니라고 이해해야 한다.
본 발명은 바람직한 실시예를 도시한 첨부 도면과 다음의 설명에 의해 더 잘 이해될 것이다. 다른 특징들과 장점들도 본 발명의 원리를 첨부도면을 참조하여 예로서 설명하는 바람직한 실시예에 대한 다음의 상세한 설명으로 분명해질 것이다.
도 1은 본 발명에 결합되는 인쇄 시스템 전체의 블록선도.
도 2는 단지 설명의 목적으로 도시된, 본 발명의 소형의 고성능 고밀도 잉크젯 프린트헤드와 결합되는 예시적인 인쇄 시스템.
도 3은 본 발명의 소형의 고성능 고밀도 잉크젯 프린트헤드를 지지하는 도 2의 인쇄 시스템의 예시적인 캐리지 조립체.
도 4는 단지 설명의 목적으로 도시된, 본 발명의 프린트헤드 조립체의 사시도.
도 5a는 노즐의 배열을 도시하는 본 발명의 예시적인 프린트헤드의 평면 사시도.
도 5b는 잉크 방울 생성기의 엇갈림 배열을 도시하며 제거된 오리피스 층을 갖춘 도 5a의 프린트헤드의 일부분을 도시하는 평면도.
도 5c는 프린트헤드의 다수의 층을 도시하는 도면으로서, 도 5a의 프린트헤드의 일부 절취 등각도.
도 6은 하부에 노즐이 위치된 저항기의 패턴을 도시하며 제거된 프린트헤드의 노즐 층을 갖춘 도 5의 예시적 프린트헤드의 평면 사시도.
도 7은 도 5a에 도시된 프린트헤드용 원선 전력경로의 예시적인 실시예를 도시하는 도면.
도 8a는 도 5a에 도시된 프린트헤드용 단일 접지 접속 도선을 도시하는 하나의 예시적인 실시예를 도시하는 도면.
도 8b는 도 5a에 도시된 프린트헤드용 2개의 접지 접속 도선을 도시하는 다른 예시적인 실시예를 도시하는 도면.
도 9는 본 발명의 예시적인 잉크방울 생성기의 절단 사시도.
도 10a는 도 9에 도시된 점화식 저항기의 평면도.
도 10b는 점화식 저항기의 박막 구조를 도시하는 도 10a의 점화식 저항기의 측면도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
100 : 인쇄 시스템 102 : 인쇄물
105 : 호스트 시스템 110 : 제어기
115 : 잉크 공급장치 120 : 전력 공급원
125 : 인쇄물 이송장치 130 : 캐리지 조립체
135 : 스위칭 시스템 150 : 잉크젯 프린트
160 : 프린트헤드 165, 560 : 잉크방울 생성기
170 : 전기 인터페이스 350 : 캐리지 모터
354 : 위치 제어기 358 : 메모리
362 : 플래튼 모터 580 : 박막 저항기
본 발명의 이후의 설명에서, 대응하는 부품에 대해서는 모두 동일한 도면 부호를 병기했으며, 본 발명은 실시할 수 있는 특정 실시예의 일부만을 예시적으로 도시한 첨부 도면을 참조했다. 그러나, 본 발명의 사상으로부터 벗어남이 없는 다른 실시예들이 있을 수 있으며 어떤 구조적 변경이 있을 수 있다고 이해해야 한다.
Ⅰ. 일반적인 관점
본 발명은 고밀도의 엇갈림식으로 배열된 잉크방울 생성기를 갖춘 소형 단색 프린트헤드로 구현된다. 이러한 배열은 고해상도 및 고속 인쇄를 본 발명에 제공한다. 최적의 인쇄 시스템 성능을 달성하기 위해, 본 발명은 다수의 중요한 특징을 가진다.
본 발명의 하나의 특징은 고주파에서 작동하는 다수의 노즐을 갖춘 고해상도프린트헤드를 사용한다는 점이다. (인쇄된 서류의 해상도에 대치되는) 프린트헤드의 해상도는 인치 당 노즐 숫자에 따라 측정된다. 이는 인쇄물과 정렬된 방향으로 측정되며 스캐닝 프린트헤드의 경우에 스캔 축선에 횡단하는 방향으로 측정된다. 예시적인 실시예에서, 본 발명의 프린트헤드는 1/3 인치의 노즐 열의 크기와 인쇄물 전진 축선을 따라 측정했을 때 인치 당 1200 도트의 조합 해상도를 가진다. 또한, 예시적 실시예에서 프린트헤드의 작동 주파수는 적어도 12㎑이다.
본 발명의 프린트헤드는 엇갈림 배열의 잉크방울 생성기를 사용하여 인쇄 품질과 속도 및 해상도를 증가시킬 수 있다. 특히, 다수의 잉크방울 생성기는 다수의 축선을 따라 배열되며 인쇄물 전진 축선의 방향으로 인쇄물의 동일한 부분을 가로질러 스캔하도록 위치된다. 축선(또는 축선 그룹)을 따라 다수의 잉크방울 생성기 각각은 중심선을 가지며, 모든 축선 그룹의 중심선은 인쇄물 전진 축선과 평행하며 인쇄물 전진 축선을 횡단하는 방향으로 서로 이격되어 있다. 각 축선 그룹의 노즐은 다른 축선 그룹에 대해 엇갈려 있어서 적어도 3개의 축선 그룹이 단일 축선 그룹의 해상도의 두 배보다 큰 (인쇄물 전진 축선을 따라 측정한) 조합 해상도를 가진다. 엇갈림 배열은 인쇄물 전진 축선에 있어서 유효 노즐 밀도를 증가시킴으로써 고속 인쇄속도 및 높은 해상도를 제공하며 몇 번의 통과에 의해 보다 높은 해상도를 제공한다. 본 발명의 프린트헤드에 대한 더욱 상세한 내용은 조오 토거슨 등에 의해 "다중 작동모드를 갖는 고성능, 고밀도 잉크젯 프린트헤드"라는 명칭으로 본 발명과 동일자로 출원되어 공동 계류중인 휴렛-팩커드 문서번호 10992318-1, 미국 출원번호 -----호에 설명되어 있다.
예시적인 실시예에서, 프린트헤드는 서로 평행하고 중심선을 횡단하는 방향으로 서로로부터 이격되어 있는 중심선을 갖는 4개의 축선 그룹을 포함한다. 각각의 축선 그룹은 대략 300dpi의 축선 피치를 가진다. 본 발명에 의해 제공된 엇갈림 배열은 1200dpi의 모두 4개의 조합 축선 그룹의 유효 피치를 제공한다. 바람직하게, 4개의 축선 그룹의 단부들은 1/300 인치 범위 내에서 정렬되어, 인쇄 스캔 중에 커버할 수 있는 폭에 대해 단부로부터 단부까지의 모두 4개의 축선 그룹에 대한 조합 유효피치가 1200dpi가 되게 한다.
본 발명의 다른 특징은 다수의 노즐에 대한 효과적인 공간배치에 의해 프린트헤드의 크기를 최소화하고 상당히 저렴한 인쇄 시스템에서 프린트헤드를 사용할 수 있게 한다는 점이다. 이러한 효과적인 공간배치는 매우 조밀한 배열을 갖는 2개의 중앙 잉크 공급 슬롯, 및 공통의 접지 도선을 갖춘 잉크방울 생성기의 원선(primitives)들을 포함하는 고 종횡비 기판을 제공한다. 본 발명의 또다른 특징은 잉크방울 생성기에 대해 에너지 효율적인 설계를 제공한다는 점이다. 상당히 낮은 열 임피던스 보호 층을 갖는 상당히 높은 저항을 갖는 저항기를 사용함으로써, 생성된 잉크방울 당 기판으로 전달되는 열에너지의 양이 최소화된다.
Ⅱ. 구조적 관점
도 1은 본 발명과 결합된 전체 인쇄 시스템의 블록선도이다. 인쇄 시스템(100)은 (종이일 수 있는) 인쇄물(102) 상에 잉크와 같은 물질을 인쇄하는데 사용된다. 인쇄 시스템(100)은 인쇄 데이터를 생성하기 위한 (컴퓨터 또는 마이크로프로세서와 같은) 호스트 시스템(105)에 결합된다. 인쇄 시스템(100)은제어기(110), 전력 공급원(120), 인쇄물 이송장치(125), 캐리지 조립체(130) 및 다수의 스위칭 장치(135)를 포함한다. 잉크 공급장치(115)는 잉크를 프린트헤드 조립체(150)에 선택적으로 공급하기 위한 프린트헤드 조립체(150)에 유체적으로 연결되어 있다. 인쇄물 이송장치(125)는 인쇄 시스템(100)에 대해 (종이와 같은) 인쇄물(102)을 이동시키기 위한 수단을 제공한다. 유사하게, 캐리지 조립체(130)는 프린트헤드 조립체(150)를 지지하며 프린트헤드 조립체(150)를 제어기(110)에 의해 지시를 받은 인쇄물(102) 위의 특정 위치로 이동시키기 위한 수단을 제공한다.
프린트헤드 조립체(150)는 소형 프린트헤드 구조물(160)을 포함한다. 후술하는 바와 같이, 본 발명의 프린트헤드 구조물(160)은 기판(도시하지 않음)을 포함하는 다수의 여러 층을 포함한다. 프린트헤드 기판은 예를들어, 실리콘과 같은 (바람직하게, 낮은 열팽창 계수를 갖는) 어떤 적합한 재료로 제조되는 단일 모놀리식 기판일 수 있다. 프린트헤드 구조물(160)도 프린트헤드 기판에 형성된 고밀도 엇갈림 배열된 잉크방울 생성기(165)를 포함한다. 잉크방울 생성기(165)의 상기 배열은 커다란 열 편위 없이 다수의 잉크방울 생성기들이 상당히 조밀하게 프린트헤드 기판 상에 배열될 수 있게 하는 열 효율적인 설계를 제공한다. 또한, 상기 배열을 갖는 잉크방울 생성기(165)의 각각은 잉크방울이 프린트헤드 조립체(150)로부터 방출되게 하기 위한 다수의 소자들을 포함한다. 소형 프린트헤드 구조물(160)도 고밀도 엇갈림 배열된 잉크방울 생성기(165)에 동력을 차례로 공급하는 스위칭 장치(135)에 에너지를 제공하는 전기 인터페이스(170)를 포함한다.
인쇄 시스템(100)의 작동 중에, 전력 공급원(120)은 제어된 전압을제어기(110), 인쇄물 이송장치(125), 캐리지 조립체(130) 및 프린트헤드 조립체(150)에 공급한다. 또한, 제어기(110)는 호스트 시스템(105)으로부터 인쇄 데이터를 수용하며 그 데이터를 프린터 제어 정보 및 이미지 데이터로 처리한다. 처리된 데이터, 이미지 데이터와 기타 정적 및 동적으로 생성된 데이터들이 인쇄 시스템(100)을 효율적으로 제어하기 위해 인쇄물 이송장치(125), 캐리지 조립체(130) 및 프린트헤드 조립체(150)에 제공된다.
예시적인 인쇄 시스템
도 2는 본 발명의 고성능 고밀도 잉크젯 프린트헤드와 결합되는, 단지 예시적으로 도시된 인쇄 시스템이다. 도 2에 도시한 바와 같이, 인쇄 시스템(200)은 인쇄물을 유지하기 위한 트레이(222)를 포함한다. 인쇄 작동이 시작되면, 인쇄물은 바람직하게 시이트 공급기(226)를 사용하여 트레이(222)로부터 인쇄 시스템(200)으로 인쇄물 전진 축선(227)의 방향으로 이송된다. 그후 인쇄물은 인쇄 시스템(200) 내부의 U방향으로 이송되며 출력 트레이(228)쪽으로 진입방향의 반대방향에 위치하게 된다. 직선 종이 통로와 같은 다른 인쇄물 통로도 사용될 수 있다.
인쇄 시스템(200) 내측으로의 진입시, 인쇄물은 인쇄 영역(230)에서 멈춘 후에, 본 발명의 적어도 하나의 프린트헤드 조립체(150)를 지지하는 캐리지 조립체(130)가 일회의 잉크방울을 상부에 인쇄하기 위한 스캔 축선(234) 방향으로 인쇄물을 가로질러 이동(또는 스캔)한다. 프린트헤드 조립체(150)는 캐리지 조립체(130)에 제거가능하게 또는 영구적으로 장착될 수 있다. 또한, 프린트헤드 조립체(150)는 잉크 공급장치(115)에 결합된다. 잉크 공급장치(115)는 (내포식 잉크 저장기와 같은) 내포식 잉크 공급장치일 수 있다. 다른 실시예로서, 프린트헤드 조립체(150)는 가요성 도관을 통해 잉크 공급장치(115)에 유체 연결될 수 있다. 또다른 실시예로서, 잉크 공급장치(115)는 프린트헤드 조립체(150)로부터 분리 또는 분리가능하고 캐리지 조립체(130)에 제거가능하게 장착되는 하나 이상의 잉크 콘테이너일 수 있다.
도 3은 본 발명의 고성능, 고밀도 잉크젯 프린트헤드를 지지하는 도 2의 인쇄 시스템의 예시적인 캐리지 조립체를 도시한다. 캐리지 조립체(130)는 스캐닝 캐리지(320)를 포함하며, 상기 스캐닝 캐리지는 스캐닝 캐리지(320)에 제거가능하게 또는 영구적으로 장착될 수 있는 프린트헤드 조립체(150)를 지지한다. 스캐닝 캐리지(320)는 제어기(110)에 연결되며 제어 정보를 프린트헤드 조립체(150)에 제공한다.
스캐닝 캐리지(320)는 스캔 축선(234)의 방향으로 직선 통로를 따라 이동할 수 있다. 스테퍼 모터와 같은 캐리지 모터(350)가 [제어기(110)와 연결되어 있는]위치 제어기(354)로부터의 명령에 따라 스캔 축선(234)을 따라 스캔 캐리지(320)를 이송시킨다. 위치 제어기(354)에는 위치 제어기(354)가 스캔 축선(234)을 따라 위치되었는가를 알 수 있게 하는 메모리(358)가 제공되어 있다. 위치 제어기(354)는 인쇄물(102)을 점진적으로 이송하는 (스테퍼 모터와 같은) 플래튼 모터(362)에 연결된다. 인쇄물(102)은 인쇄물(102)과 플래튼(370) 사이에 가해진 압력에 의해 이동된다. [캐리지 모터(350)와 플래튼 모터(362)와 같은] 인쇄 시스템(200)의 전기부품을 작동시키기 위한 전력뿐만 아니라 프린트헤드 조립체(150)가 잉크방울을 방출시키게 하는 에너지도 전력 공급원(120)에 의해 제공된다.
일반적으로, 인쇄 작동은 트레이(222)로부터 인쇄물(102)을 공급하고 플래튼 모터(362)와 그에 따른 플래튼(370)을 인쇄물 전진 축선(227)으로 회전시켜 인쇄물(102)을 인쇄 영역(230)으로 이송시킴으로써 시작된다. 인쇄물(102)이 인쇄 영역(230)에 정확히 위치되면, 캐리지 모터(350)는 스캔 캐리지(320)와 프린트헤드 조립체(150)를 인쇄를 위해 스캔 축선(234)으로 인쇄물(102)위에 위치(스캔)시킨다. 단일 스캔 또는 다중 스캔 후에, 인쇄물(102)은 인쇄물 전진 축선(227)으로 플래튼 모터(362)에 의해 점진적으로 이동됨으로써 인쇄물(102)의 다른 영역을 인쇄 영역(230)에 위치시킨다. 스캔 캐리지(320)는 다시 인쇄물(102)을 가로질러 스캔하여 다른 분량의 잉크방울을 인쇄한다. 이러한 공정은 소정의 인쇄 데이터가 인쇄물(102) 상에 인쇄되어 출력 트레이(228) 내측으로 방출될 때까지 반복된다.
Ⅲ. 프린트헤드의 구성
본 발명의 소형 프린트헤드는 고해상도로 고속 인쇄를 가능하게 하는 고밀도 엇갈림 배열식 잉크방울 생성기를 포함한다. 고밀도 엇갈림 배열식 잉크방울 생성기는 잉크 방울 생성기가 소형 프린트헤드 기판 상에 고밀도로 배열될 수 있도록 열 측면에서 효율적으로 설계된다. 바람직한 실시예에서, 소형 프린트헤드 기판은 제곱 밀리미터 당 약 10개의 잉크방울 생성기를 초과하는 잉크방울 생성기 밀도를 가진다. 게다가, 바람직한 실시예에서 잉크 방울 생성기는 각각의 축선 그룹이 다수의 노즐을 갖는 적어도 4개의 축을 따라 그룹(각각 축선 그룹으로 알려짐)으로배열된다. 각 축선 그룹에 대한 다수의 노즐은 대략 길이가 1/3인치이므로 제곱 밀리미터 당 약 12개의 노즐로 된다. 본 발명의 열 효율적인 잉크방울 생성기는 고 저항 및 얇은 표면안정화 층을 갖는 열 효율적인 저항기 구조물을 포함하는 박막 구조물이다.
본 발명의 또다른 특징은 소형 프린트헤드 기판 상에 위치된 잉크방울 생성기의 숫자에 비해 프린트헤드로의 도선 숫자가 감소되었다는 점이다. 특히, 잉크방울 생성기는 원선이라 불리는 그룹으로 배열되며, 본 발명에 있어서 프린터로부터의 접지 접점의 숫자가 원선의 숫자보다 적다. 바람직한 실시예에서, 16개의 원선에 대해 4개의 접지 접점이 있다. 게다가, 또다른 특징은 고 방출 주파수에서 낮은 중량으로 방출되는 잉크방울을 갖는 다는 점이다. 예를들어, 바람직한 실시예에서 잉크방울은 약 15 나노그램의 잉크방울 중량을 가지며 12㎑ 보다 큰 방출 주파수에서 방출된다.
도 4는 단지 설명의 목적으로 도시한 본 발명에 따른 프린트헤드 조립체의 사시도이다. 본 발명의 상세한 설명은 도 2의 프린터(200)와 같은 통상적인 인쇄 시스템에 사용된 통상적인 프린트헤드 조립체를 참조하여 설명한다. 그러나, 본 발명은 어떤 프린트헤드 및 프린터 형상에도 결합될 수 있다. 도 4와 함께 도 1 및 도 2를 참조하면, 프린트헤드 조립체(150)는 열 잉크젯 헤드 조립체(402) 및 프린트헤드 몸체(404)로 구성된다. 열 잉크젯 헤드 조립체(402)는 일반적으로 테이프 자동 접합(TAB) 조립체로서 지칭되는 가요성 재료일 수 있으며 상호연결 패드(412)를 포함할 수 있다. 상호연결 패드(412)는 예를들어 접착 재료에 의해프린트헤드 조립체(150)(프린트 캐리지로도 지칭됨)에 적절히 고정된다. 접촉 패드(408)는 캐리지 조립체(130) 상의 전극(도시하지 않음)과 정렬되어 전기적으로 접촉한다.
고성능 노즐의 배열
도 5는 노즐의 배열을 설명하는 본 발명의 예시적인 프린트헤드의 평면도이다. 도 5a는 설명의 목적으로 간략히 도시한 것임을 이해해야 한다. 예를 들어, 도시된 노즐의 수는 예시적인 또는 상업적인 실시예로부터 현저히 감소되어 있다. 예시적인 프린트헤드(500)는 내부에 다수의 잉크방울 생성기를 갖는 소형 기판(510), 입력 패드(515) 및 오리피스 층(520)을 포함한다. 오리피스 층(520)은 다수의 잉크방울 생성기에 대응하는 다수의 노즐을 포함한다.
도 5a의 예시적 실시예에서, 프린트헤드는 인치 당 약 1200 도트(1200dpi)의 조합 노즐 해상도를 가진다. 다른 방식으로 언급하면, 프린트헤드의 조합(또는 유효) 피치는 기준 축선(L)을 따라 1인치 범위에서 측정했을 때 1/1200이다. 프린트헤드 노즐 각각은 12㎑ 이상의 작동 주파수에서 작동한다.
고 인쇄 해상도를 달성하기 위해, 도 5a에 도시된 본 발명의 예시적 프린트헤드는 (도 5a에 그룹 1 내지 4로 도시된 바와 같이) 4개의 축선 그룹으로 배열된 노즐을 가진다. 각각의 축선 그룹은 다른 축선 그룹의 중심선 및 기준 축선(L)에 일반적으로 평행한 (도 5a에 점선으로 표시한 바와 같은) 중심선을 가진다. 작동시, 기준선(L)은 인쇄물 전진 축선(227)과 정렬된다. 각각의 축선 그룹은 기준 축선(L)에 대해 측정한 축선 피치(P)를 가진다. 각 축선 그룹으로부터의 노즐은 다른 축선 그룹의 노즐 및 기준 축선(L)에 대해 엇갈리게 배열되어 있다. 도 5a에 도시한 바와 같이, 각각의 축선 그룹은 P의 축선 피치를 가지며, 모두 4개의 축선 그룹을 조합한 유효 피치는 기준 축선(L)에 대해 P/4(또는 어떤 단일 축선 그룹의 피치의 1/4)이다. 게다가, 그룹 1 및 그룹 3은 P/2의 유효 피치를 제공하도록 조합될 수 있다. 유사하게, 그룹 2와 그룹 4도 P/2의 유효 피치를 제공하도록 조합될 수 있다. 이러한 실시예에서, 각 축선 그룹의 축선 피치(P)는 1/300인치이나, 해상도를 증가시키기 위해 3개 이상의 축선 그룹을 엇갈리게 배열하는 기술은 어떤 축선 피치에도 적용될 수 있다. 각 노즐 축선 그룹이 실질적으로 동일 직선으로 도시되어 있지만, 몇 개의 노즐 축선 그룹이 축선 그룹의 중심선에서 약간 벗어날 수 있다. 이는 예를 들어, 점화 지연을 보상할 필요가 있을 때 발생한다.
도 5b는 잉크방울 생성기의 엇갈림 배열을 도시하며 오리피스 층이 제거된 도 5a 프린트헤드의 일 부분을 도시하는 평면도이다. 특히, 프린트헤드(500)는 소형 기판(510)상에 배열된 잉크방울 생성기(540)를 포함한다. 잉크방울 생성기(540)의 위에 놓이는 노즐(530)은 그룹 1 내지 4를 포함하는 축선 그룹으로 배열된다. 잉크방울 생성기의 축선 그룹은 기준 축선(L)에 대하여 횡방향으로 서로로부터 이격되어 있다. 바람직한 실시예에서 기준 축선(L)은 인쇄물 전진 축선(227)과 정렬된다. 잉크방울 생성기의 단일 축선 그룹은 인쇄물 위를 프린트헤드(500)가 한번 통과한 것에 대해서 1을 축선 피치로 나눈 값(1/P)으로 정의되는 일정한 축선 해상도를 가진다. 예시적인 실시예에서, 상기 축선 해상도(1/P)는 약 300 dpi이다. 이러한 엇갈림 배열된 축선 그룹을 사용함으로써, 조합된 축선 그룹의 유효 해상도는 모두 4개의 축선 그룹에 대해 작동했을 때 약 4/P로, 그리고 적절히 선택된 4쌍의 축선 그룹에 대해 작동했을 때 약 2/P로 증가된다.
특정 축선 그룹의 축선 피치(P)는 기준 축선(L)에 따라 측정하거나 기준 축선으로 투사된 2개의 가장 근접한 잉크방울 생성기 사이의 중심 대 중심 간극과 동일하다. 바람직한 실시예에서, P는 약 1/300 인치이다. 그룹 1 내지 4는 가장 근접한 어떤 2개의 축선 그룹에 대해 P/4(또는 P가 약 1/300인치인 경우에 1/1200인치)만큼 기준 축선(L)을 따라 서로에 대해 엇갈려 있다. 이는 도 5b에 도시한 바와 같이, P/4(예시적인 실시예에서 1/1200인치)의 조합된 중심 대 중심 간극[기준 축선(L)을 따라 측정한 간극]을 제공한다. 이러한 실시예에서, (P13으로서 나타낸) 그룹 1 및 3의 조합된 중심 대 중심 간극은 P/2 또는 1/600인치이다. (P24로 나타낸) 그룹 2 및 4의 조합된 중심 대 중심 간극도 P/2이다. 이러한 고밀도 엇갈림 배열은 본 발명의 프린트헤드가 소형 프린트헤드 설계에 의한 고성능 인쇄를 가능하게 한다.
도 5c는 프린트헤드(500)의 여러 층을 도시하는 도 5a 프린트헤드의 절단 등각도이다. 프린트헤드(500)는 (실리콘과 같은) 소형 프린트헤드 기판(510)을 포함하며 또한 다수의 장치와 그 상부에 형성된 박막 층을 가진다. 프린트헤드(500)는 또한 기판(510) 위에 차례로 도포되는 장벽 층(550) 상에 배열된 오리피스 층(520)도 포함한다. 기판(510)은 제 1 잉크 공급 슬롯(570)의 주위에 배열되는, 그룹 1 내부의 다수의 제 1 잉크방울 생성기와 제 2 그룹 내부의 다수의 제 2 잉크방울 생성기를 포함하는 고밀도 엇갈림 배열된 잉크방울 생성기를 포함한다. 이러한 실시예에서, 제 2 잉크 공급 슬롯(572)도 제공되며 상기 제 2 잉크 공급 슬롯(572) 주위에는 그룹 3 및 그룹 4가 배열된다. 노즐(530)은 오리피스 층(520) 내부에 형성되며 각각의 노즐(530)이 하부에 위치된 잉크방울 생성기를 갖도록 배열된다. 잉크는 제 1 잉크 공급 슬롯(570)을 통해 잉크방울이 가열되어 노즐(530)을 통해 방출되는 잉크방울 생성기로 공급된다.
오리피스 층(520)을 장벽 층(550)에 부착시키는 데에는 통상적인 박층화 공정이 사용된다. 도 5c에 장벽 층(550)과 오리피스 층(520)을 별도의 분리된 층으로서 도시하였지만, 다른 실시예에서는 하나의 통합된 장벽 층과 오리피스 층으로 형성될 수 있다. 점화실(575)은 오리피스 층(520)과 장벽 층(550)에 의해 형성된다. 점화실(575)에서는 잉크방울이 노즐(530)을 통해 축출될 때까지 저항기(580)에 의해 잉크가 가열되는 곳이다.
소형의 길다란 프린트헤드 기판
본 발명은 소형 프린트헤드 기판 상에 고밀도로 배열된 잉크방울 생성기를 포함한다. 프린트헤드는 길다란 형상(폭이 좁은 형상)을 가지며, 바람직한 실시예에서 소형 프린트헤드 기판은 폭이 약 3㎜ 이고 길이가 약 12㎜인 직사각형이다. 이러한 소형 프린트헤드 기판 상에는 적어도 350개, 바람직하게는 416개의 노즐이 포함되어 있다. 바람직한 실시예에서 제곱 밀리미터 당 약 12개의 노즐을 갖는 소형 프린트헤드를 제공한다.
프린트헤드 기판 상에 포함된 잉크방울 생성기는 각각 104개의 노즐을 갖는 적어도 4열로 엇갈림 배열된 노즐로부터 잉크를 방출하며, 각각의 열에 있는 노즐은 약 1/3인치의 길이를 가진다. 4열의 노즐이 2개의 길다란 잉크 공급 슬롯 주위에 쌍으로 배열되며, 각각의 잉크 공급 슬롯은 약 200μ의 폭을 가진다. 바람직하게, 각각의 잉크 공급 슬롯은 프린트헤드의 중심으로부터 약 680μ떨어진 곳에 위치된다.
도 6은 노즐의 하부에 놓이는 저항기(580)의 패턴을 설명하며 프린트헤드의 노즐 층이 제거된 도 5의 예시적인 프린트헤드의 평면 사시도이다. 본 발명의 각각의 노즐은 노즐에 각각 대응하고 하부에서 작동하는 저항기(580)를 가진다. 도 6에 도시된 저항기의 숫자는 설명을 위해 감소되어 있다.
저항기(580)는 저항기의 밀도가 프린트헤드 기판(510)의 제곱 밀리미터 당 적어도 10개의 저항기를 갖도록 초소형 프린트헤드 기판(510)상에 배열된다. 이러한 고밀도 배열은 단지 몇몇 노즐만을 갖는 다수의 다른 프린트헤드에 비해 본 발명의 프린트헤드의 비용을 감소시킬 수 있게 한다. 예시적 실시예에서는 프린트헤드 기판(510)의 제곱 밀리미터 당 약 12개의 저항기를 가진다. 모든 잉크 공급 슬롯 영역이 저항기 밀도를 계산하는데 포함되었다. 도 6에 도시한 바와 같은 프린트헤드 기판(510)은 기판(510)의 길이가 기준 축선(L)과 일반적으로 정렬되는 길다란 요소를 가진다. 바람직한 실시예에서, 적어도 350개의 잉크방울 생성기가 약 3㎜ 이하의 폭과 약 12㎜ 이하의 길이를 갖는 기판(510)상에 배열된다. 바람직한 실시예에서, 기판(510)은 416개의 저항기를 포함하며 약 2.9㎜의 폭과 약 11.5㎜의 길이를 가진다.
프린트헤드 기판(510)은 제 1 잉크 공급 슬롯(570)과 제 2 잉크 공급슬롯(572)을 포함하는 2개의 길다란 잉크 공급 슬롯들을 가진다. 각각의 잉크 공급 슬롯(570, 572)은 잉크 공급장치로부터 2개의 축선 그룹 내에 있는 저항기(580)로 잉크를 공급한다. 예를들어, 도 6에 도시한 바와 같이 제 1 잉크 공급 슬롯(570)은 잉크를 그룹 1 및 그룹 2의 저항기로 제공하며, 제 2 잉크 공급 슬롯(572)은 잉크를 그룹 3 및 그룹 4의 저항기로 제공한다. 각각의 잉크 공급 슬롯(570, 572)은 기준 축선(L)에 일반적으로 평행하고 각각의 길이를 따라 각각의 잉크 공급 슬롯(570, 572)을 대략 균등하게 분할하는 (도 6에 점선으로 표시한) 중심선을 가진다. 잉크 공급 슬롯(570, 572)의 중심선은 기준 축선(L)에 대략 평행한 방향으로 서로 이격되게 배열되어 있다. 각각의 잉크 공급 슬롯(570, 572)은 일반적으로 슬롯의 길이에 해당하는 2개의 길이방향 에지를 가진다. 특히, 제 1 잉크 공급 슬롯(570)은 그룹 1의 저항기가 인접 배열되는 제 1 길이방향 에지(610)와 그룹 2의 저항기가 인접 배열되는 제 2 길이방향 에지(620)를 포함한다. 유사하게, 제 2 잉크 공급 슬롯(572)은 각각의 에지에 인접하게 그룹 3 및 그룹 4의 저항기를 갖는 제 3 길이방향 에지(630)와 제 4 길이방향 에지(640)를 포함한다.
프린트헤드 기판(510) 길이의 대향 에지는 각 축선 그룹의 저항기에 에너지를 공급하는 입력 패드(515)를 갖는 단부이다. (다수의 트랜지스터와 같은) 스위칭 회로는 입력 패드(515)로부터 축선 그룹 내에 있는 저항기로 분배되는 신호를 결합한다. 이러한 기술은 프린트헤드 기판(510)의 폭을 감소시키는데 도움을 준다.
각각의 저항기(580)는 전기 펄스를 저항기(580)에 공급하는 [전계 효과 트랜지스터(FET)와 같은] 스위칭 회로에 연결된다. 이들 스위칭 회로는 상세히 후술된다. 각각의 스위칭 회로와 함께 저항기(580)는 (숫자 1 내지 16으로 도 6에 나타낸 바와 같이)원선으로 지칭되는 그룹으로 배열된다. 도 6에 도시된 예시적인 실시예에서, 각각의 축선 그룹은 4개의 원선으로 분할된다. 바람직하게, 각각의 원선은 각각 26개의 노즐, 축선 그룹 당 총 104개의 노즐을 가진다. 간략히 도시할 목적으로 도 6에는 원선 당 단지 4개의 저항기(및 그에 대응하는 잉크방울 생성기)가 도시되어 있지만, 대부분의 프린트헤드 설계에는 원선 당 10개 이상의 저항기(및 잉크방울 생성기)를 갖는다고 이해해야 한다.
저 중량 잉크방울
바람직하게, 고밀도 배열의 잉크방울 생성기는 저 중량 잉크방울을 사용한다. 저 중량 잉크 방울은 보다 작으며 고 중량 잉크방울에 의해 달성되는 것 보다 바람직한 해상도를 제공한다. 저 중량 잉크 방울을 고밀도 배열의 잉크방울 생성기에 사용함으로써 본 발명은 고속 및 고해상도로 인쇄가 가능하다. 바람직한 실시예에서, 본 발명은 약 15 나노그램(ng)의 중량, 바람직하게 14 내지 16ng 범위의 중량을 갖는 검정색 잉크방울을 사용한다.
고 방출 주파수
일반적으로, 본 발명의 바람직한 실시예에서는 저 중량 잉크방울을 사용하면서 여전히 고속 인쇄가 가능하도록 잉크방울 생성기를 고 방출 주파수에서 작동시킨다. 바람직하게, 이러한 방출 주파수는 ㎑범위이다. 이러한 고 방출 주파수에서 작동하는 고밀도 배열의 잉크방울 생성기는 고 해상도로의 고속 인쇄를 가능하게 한다.
바람직한 실시예에서, 본 발명의 잉크방울 생성기는 12㎑ 이상의 방출 주파수를 사용한다. 바람직한 주파수 범위는 약 15 내지 18㎑이며, 바람직한 수치로는 18㎑이다.
프린트헤드 회로
본 발명은 비용을 감소시키기 위해 소형 설계를 사용하며 고 성능 설계가 소형 프린트헤드 기판에 사용될 수 있도록 열 효율적인, 고성능이며 여전히 경제적인 프린트헤드를 포함한다. 특히, 프린트헤드의 열 효율적인 설계에 의해 고성능 잉크방울 생성기가 열 편위를 최소화하면서 소형 프린트헤드 기판 상에 사용될 수 있게 한다. 고성능을 갖지만 여전히 소형 설계를 가능하게 하기 위한 본 발명의 한 방법은 프린트헤드 회로를 사용하는 것이다. 특히, 프린트헤드 회로는 각각의 잉크방울 생성기를 작동시키는데 낮은 전력을 필요로 하며 최소의 열 에너지를 생성하도록 설계된다.
본 발명은 각각의 나머지 원선에 대해서 별도로 원선 전력 도선 각각으로부터 동력을 받는 원선 전력 도선에 특정 원선을 제공하는(특정 원선에 전력을 공급하는) 방법도 포함한다. 따라서, 특정 원선 전력 도선은 특정 원선 내부에 있는 각각의 스위칭 회로와 관련된 모든 원선 전력 도선에 연결된다. 스위칭 회로가 FET인 바람직한 실시예에서, 특정 원선 선택 도선은 특정 원선 내부에 있는 각각의 FET에 대한 각각의 소오스 또는 드레인 접점에 연결된다.
본 발명의 또다른 기술은 별도로 전력을 공급받는 게이트 도선에 관한 것이며, 각각의 게이트 도선은 각각의 다수의 원선의 단일 스위칭 장치에 연결된다. 게이트 도선의 수는 1 내지 N이다(여기서, N은 가장 큰 원선에 있는 저항기의 수). 바람직한 실시예에서, 각각의 원선은 26개의 저항기(N = 26)를 가지므로 26개의 게이트 도선이 있다. 스위칭 장치가 FET이면, 원선 내에 있는 각각의 FET는 게이트에 연결된 하나의 게이트 도선을 가진다. 특정 스위칭 장치가 작동되면, 전기 펄스가 원선 전력 도선으로부터 스위칭 회로와 히터 저항기를 통해 다시 스위칭 회로와 히터 저항기, 및 복귀 접지 도선을 통해 흐른다. 특정 스위칭 회로가 작동되기 위해서, 스위칭 장치와 관련된 게이트 도선과 원선 전력 도선은 동시에 작동하거나 전력을 공급받아야 한다.
프린트헤드의 작동 중에, 게이트 도선은 한번에 한번씩 연속적으로 작동한다. 그 결과, 특정 원선에 있는 단지 하나의 스위칭 장치만이 한번 작동하게 된다. 그러나, 일부 또는 모든 원선은 각각의 게이트 도선이 다수의 원선의 하나의 스위칭 장치에 연결되므로 동시에 작동될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 각각의 원선은 각각 26 게이트 도선에 대해 기껏해야 하나의 게이트 접점을 가진다. 인쇄 시스템이 작동 중에 게이트 도선을 통해 순환하므로, 단지 하나의 잉크방울 생성기만이 원선 내에서 한번 작동될 수 있다. 그러나, 대부분의 게이트 도선이 원선과 공유되어 있으므로, 다수의 원선은 동시에 점화될 수 있다. 바람직한 실시예에서는 동시에 작동될 수 있는 [종이 축선 및 축선(L)을 횡단하는] 스캔 축선에서 중첩되는 적어도 3개, 바람직하게는 4개의 원선이 있다. 이는 단일 스캔에 대해 훨씬 더 완전하고 높은 해상도를 제공한다.
도 7은 도 5a에 도시된 프린트헤드(500)에 통상적인 원선 전력원의 예시적인 실시예이다. 특정 원선에 대해, 제 1 단부에서 (도 7에 P1 내지 P16으로 도시된 바와 같은) 입력 패드(515) 중에 하나인 대응 원선 접촉 패드에 연결되고 에지를 따라서 특정 원선 전력 도선에 대응하는 스위칭 장치에 연결되는 원선 전력 도선이 제공된다. 예를들어, 도 7에 도시된 바와 같이 원선(12)은 원선(12)의 접촉 패드(710)로서 제 1 단부에 연결된 원선 전력 도선(700), 및 원선(11 : 도시하지 않음)의 스위칭 장치에 연결된 에지(720)를 가진다. 바람직한 실시예에서, 각각의 원선 전력 도선은 원선 내부에 있는 각각의 FET에 대한 소오스 접점 또는 드레인 접점에 연결된다. 이들 접촉 패드(P1 내지 P2)는 프린트헤드(500) 상에 있는 각각의 원선에 에너지를 공급하는데 필요한 에너지를 입력시키기 위해 사용된다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 프린트헤드(500)용 접지 접속 도선의 두 실시예이다. 전술한 바와 같이, 각각의 잉크 공급 슬롯(570, 572)은 2개의 길다란 에지를 가진다. 저항기의 4 축선 그룹 중 하나가 각각 길다란 에지 근처에 있다. 입력 패드(515)의 숫자를 감소시키기 위해, 하나 이상의 원선이 동일한 접지 접속 도선을 공유한다. 도 8a 및 도 8b의 두 실시에에서, 각 축선 그룹의 두 단부가 기판(510)의 단부에 대해 소형 프린트헤드 기판(510)의 중심 근처에 있는 저항기들 사이의 접지 도선의 와류 저항을 감소시키도록 공통으로 연결된다.
도 8a는 도 5a에 도시된 프린트헤드(500)를 위한 단일 접지 접속 도선을 도시하는 하나의 예시적인 실시예이다. 본 실시예에서, 단일 접지 접속 도선(810)은 모두 16개의 원선을 접지에 연결하는데 사용된다. 따라서, 모두 16개의 원선이 단일 접지 접속 도선에 의해 접지에 연결된다. 이와는 달리, 도 8b는 도 5a에 도시된 프린트헤드(500)를 위한 2개의 접지 접속 리드를 도시하는 다른 예시적인 실시예이다. 본 실시예에서는 제 1 접지 접속 도선(820)과 제 2 접지 접속 도선(830)이 제공된다. 2개의 접지 접속 도선(820, 830) 각각은 특정 잉크 공급 슬롯 주위의 모든 원선들을 접지에 연결한다. 예를들어, 도 8b에 도시한 바와 같이 제 1 접지 접속 도선(820)은 제 1 잉크 공급 슬롯(570) 주위의 원선을 접지에 연결하며, 제 2 접지 접속 도선(830)은 제 2 잉크 공급 슬롯(572)을 에워싸고 있는 원선을 접지에 연결한다.
열-효율적인 박막 저항기 구조
본 발명의 잉크방울 생성기 각각은 잉크방울 생성기가 소형 프린트헤드 기판 상에 고밀도로 밀집될 수 있도록 열 효율적이다. 열 효율을 달성하기 위해, 각각의 잉크방울 생성기는 각각의 저항기에 필요한 전력을 감소시킬 수 있는 박막 저항기 구조를 포함한다. 특히, 본 발명은 저항기를 활성화시키는데 필요한 전력을 감소시키기 위한 고 저항 저항기와 와류 에너지 손실로 인해 손실되는 출력을 감소시키기 위한 얇은 표면 안정화 층을 사용한다. 이러한 두 가지 저항기 구조는 고 주파수를 사용하여 프린트헤드의 전력 요구 양을 감소시키고 증가된 필수 전력으로 인한 열 에너지의 증가를 대폭적으로 감소시킴으로써 인쇄 시스템에 있어서의 인쇄 버스트(print bursts)를 용이하게 한다. 환언하면, 전력 요구 양을 감소시킴으로써 많은 저항기가 사용되더라도 낮은 전력이 프린트헤드에 사용될 수 있게 하여, 프린트헤드가 낮은 온도에서 작동할 수 있게 하고 열 편위를 감소시킨다.
특히, 도 9는 본 발명의 예시적인 잉크방울 생성기의 절단 사시도이다. 잉크방울 생성기(540)는 소형 프린트헤드 기판(510)상에 배열되며 (도 10a 및 도 10b에 보다 상세히 도시한) 박막 저항기 구조물(580)을 포함한다. 박막 저항기 구조물(580) 상부에는 장벽 층(550)과 오리피스 층(520)이 위치되며, 이들 두 층은 더욱 상세히 후술된다. 박막 저항기 구조물(580)의 상부와 장벽 층(550) 및 오리피스 층(520)은 잉크가 저항기 구조물(580)에 의해 증발되어 [노즐(530)과 같은] 오리피스를 통해 방출되는 점화실을 형성한다. 바람직하게, 오리피스의 직경은 약 10 내지 20μ범위이며, 예시적인 실시예에서는 약 16μ이다. 잉크방울 생성기(540)의 각각의 성분과 층들은 별도로 또는 일체로 형성될 수 있으며 이들 성분들과 층들을 형성하기 위한 다수의 방법들이 본 기술분야에 공지되어 있다. 예를 들어, 장벽 층(550)과 오리피스 층(520)은 별도로 또는 일체로 형성되어 하부 소형 프린트헤드 기판(510)에 도포될 수 있다.
열 편위를 감소시키기 위해 본 발명에 사용된 하나의 기술은 접속선 저항(또는 기생저항) 대 총 저항의 비율이 감소되도록 점화 저항기(580)의 저항을 증가시킴으로써 저항기(580)를 점화시키는데 필요한 전력을 감소시키는 것이다. 이러한 저항은 접속선에서 손실되는 전력과 직접적인 관계가 있으며 "기생 전력손실"로서 공지되어 있다. 각각의 저항기(580)는 저항기(580)를 다수의 전기 접점에 연결하는 접속선을 가진다. 종래의 설계에 있어서, 접속선의 저항은 점화 저항기(580) 저항의 1/3 이하 또는 그 이상일 수 있다. 이러한 기생 전력 손실은 입력 에너지의 1/3 이하가 접속선 내에서 손실되는 원인이 된다. 기생 전력 손실은 본 발명에서 고 저항밀도(소형 프린트헤드의 단위면적 당 저항기의 수)를 가지며 접속선을 위한 공간이 작고 총 전력 요구 양이 크므로 훨씬 더 클 수 있다.
본 발명은 각 점화 저항기(580)의 저항을 증가시켜 접속선에서 손실되는 전력을 감소시킴으로써 기생 전력손실을 감소시킨다. 바람직하게, 각 점화 저항기(580)의 저항은 적어도 70Ω, 바람직하게는 100Ω 이상이다. 보다 높은 저항은 저항기(580)의 두께를 감소시키거나 고 저항의 저항기 재료를 사용함으로써 달성할 수 있다. 그러나, 바람직한 실시예에서 저항기의 두께와 저항 재료의 저항은 변하지 않으며 저항기 통로의 길이는 고 저항을 얻을 수 있도록 증가된다. 이는 커플링 장치나 도체 잉크에 의해 직렬로 연결된 다수의 부품으로 저항기 몸체를 분할함으로써 달성된다. 이러한 분할형 저항기는 각 부품의 저항이 이전의 저항기에 직렬로 추가되므로 점화 저항기(580)의 저항을 증가시킨다. 저항기 저항의 증가는 또한 (접속선의 저항을 단지 일정하게 유지하면서) 총 저항을 증가시킴으로써 기생 전력손실(접속선 저항 대 총 저항의 비)을 감소시킨다.
도 10a는 도 9에 도시된 점화 저항기의 평면도이다. 이러한 예시적인 실시예에서, 점화 저항기(580)는 커플링 장치나 컨덕터(1012)에 의해 직렬로 연결되는 제 1 부품(1004) 및 제 2 부품(1008)을 포함한다. 전기 신호를 수신하기 위한 입력 패드(1016)는 제 1 부품(1004)에 인접 위치되며 전기 신호를 송신하기 위한 출력 패드(1020)는 제 2 부품에 인접 위치된다. 바람직한 실시예에서, 커플링 장치에서 달리 발생하는 전류 크라우딩(current crowding)을 감소시키기 위해 전류 제어장치(1021)가 사용된다. 이러한 전류 제어장치(1021)는 커플링 장치(1012)를 통한 상이한 전류의 흐름을 차단한다. 도 10a에 도시한 예시적인 실시예에서 전류 제어장치(1021)는 제 1 부품(1004)과 제 2 부품(1008) 사이의 커플링 장치(1012)에 형성된 노오치(1021)이다.
이러한 예시적 실시예에 있어서, 각각의 부품(1004, 1008)은 대략 24μ의 길이와 13μ의 폭을 가진다. 이는 대략 총 4개의 정방형체(square)를 제공하는데, 각각의 정방형체는 약 29Ω의 저항을 가지므로 결과적으로 (접속선을 포함하여) 총 130Ω의 저항을 가진다. 바람직하게, 기생저항은 약 7 내지 8퍼센트 사이 범위이며 약 5 나노그램의 잉크방울을 선회시킨다. 이와는 달리, 적어도 80Ω의 저항은 약 12%의 기생저항을 초래한다. 대향 부품 사이의 간극(1022)의 폭은 약 3μ이다.
열 효율을 개선시키기 위해 본 발명에서 사용한 또다른 기술은 박막 저항기 구조물(580) 위에 있는 표면안정화 층의 열 저항을 감소시키는 것이다. 보다 얇은 표면 안정화 층이란 저항기를 활성화시키는데 필요한 에너지가 작다는 것을 의미한다. 이는 잉크방울 생성기로부터 손실되는데 필요한 에너지가 작음을 의미하며 결국 열 효율이 증가한다는 것을 의미한다. 이는 본 발명에 따라, 표면 안정화 층의 두께를 감소시켜 저항기(580)를 활성화시키고 잉크방울을 방출시키는데 필요한 에너지의 양을 최소화시킴으로써 달성된다. 바람직하게, 얇은 표면안정화 층에 있어서 1.4 마이크로쿨룽 이하의 에너지가 저항기(580)를 활성화시키는데 필요하며, 바람직한 마이크로쿨룽 에너지의 범위는 약 0.8 내지 1.0이다. 또한 저항기(580)를 활성화시키는데 필요한 전력은 접속선 저항 대 총 저항(기생 전력 손실)에 의해 영향을 받으며 낮은 기생전력 손실이란 일반적으로 낮은 전력이 필요하다는 것을 의미한다. 본 발명은 바람직하게, 낮은 접속선 저항 대 총 저항(낮은 기생 전력손실)과 얇은 표면안정화 층을 사용함으로써 프린트헤드 상의 열 편위를 감소시킨다.
도 10b는 점화 저항기(580)의 박막 구조를 도시하는 도 10a 점화 저항기의 측면도이다. 도 10b는 도 10a에 도시된 저항기(580)를 A-A'선을 따라 취한 횡단면도이다. 이러한 예시적 실시예에서, 저항기 층(1023)은 TaAl로 제조되며 소형 프린트헤드 기판(510)(바람직하게 실리콘으로 제조됨)상에 배열되는 PSG 1024 및 FOX 1026 층 위에 놓인다. 바람직한 실시예에서 저항기 층(1023)은 약 900Å의 두께를 가진다. 일부 저항기 층(1023)의 위에는 AlSiCu로 구성된 도체층이 위치된다.
저항기 층(1023)은 Si3N4로 구성된 제 1 표면안정화 층(1034) 및 SiC로 구성된 제 2 표면안정화 층(1036)에 의해 손상으로부터 보호된다. 바람직한 실시예에 있어서, 제 1 표면안정화 층(1034)의 두께는 2570Å이고 제 2 표면안정화 층(1036)의 두께는 1280Å이다. 제 1 표면안정화 층(1034)과 제 2 표면안정화 층(1036)의 조합에 의해 전체 표면안정화 층을 형성한다. 바람직하게, 전체 표면안정화 층은 약 5000Å 이하, 바람직한 범위로는 약 3500 내지 4500Å의 두께로 유지된다. 이러한 표면안정화 층의 두께에서 저항기 층(1023)을 활성화하는데 필요한 에너지는 1.4마이크로쿨룽 이하이다.
제 2 표면안정화 층(1036)의 위에는 잉크방울의 공동현상 및 붕괴현상으로 인한 손상으로부터 저항기 층(1023)과 표면안정화 층(1034, 1036)을 보호하는 공동화 층(1040)이 위치된다. 바람직하게, 공동화 층(1040)은 300Å의 두께를 갖는 탄탈륨(Ta)으로 구성된다. (바람직하게, 약 14μ의 두께를 갖는) 장벽 층(550)과 (약 25μ의 두께를 갖는) 오리피스 층(520)이 상기 공동화 층(1040) 위에 놓인다. 공동화 층(1040), 장벽 층(550) 및 오리피스 층(520)은 잉크가 저항기 층(1023)에 의해 증발되어 오리피스 층(520)내에 형성된 노즐(530)로부터 방출되는 점화실(575)을 형성한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 대한 상기 설명은 도시 및 설명의 목적으로 제시된 것이다. 이는 제시된 형태에만 본 발명을 규정 또는 한정하는 것이 아니다. 다수의 변형 및 변경이 전술한 설명에 비추어 가능하다. 본 발명의 사상은 본 발명의 이러한 상세한 설명에 의해 한정되는 것이 아니며, 오히려 다음의 청구범위에 한정되어 있을 뿐이라고 이해해야 한다.
전술한 본 발명에 따라서, 유해한 열 편위가 없으며, 다수의 노즐을 갖춘 소형의 고성능 프린트헤드가 제공된다.

Claims (11)

  1. 일정한 색깔의 잉크를 제공하기 위한 잉크 공급장치(115)를 포함하는 잉크젯 프린트헤드(150)에 있어서,
    프린트헤드 기판(160)과,
    상기 잉크 공급장치(115)에 유체 연결되며, 프린트헤드 기판(160)의 제곱 밀리미터 당 약 10개 이상의 잉크방울 생성기를 포함하는 밀도로 상기 프린트헤드 기판(160)상에 형성되고, 서로에 대해 대략적으로 평행하고 횡방향으로 이격된 축선을 따라 적어도 4개의 엇갈림 축선 그룹으로 배열되는 다수의 잉크방울 생성기(165)를 포함하는
    잉크젯 프린트헤드.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 잉크방울 생성기의 밀도는 프린트헤드 기판(160)의 제곱 밀리미터 당 약 11 내지 13개의 잉크방울 생성기를 포함하는
    잉크젯 프린트헤드.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 잉크방울 생성기(165) 각각은 적어도 17Ω의 저항을 갖는 박막 저항기 구조물(580)을 포함하는
    잉크젯 프린트헤드.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 축선들을 따라 배열되는 상기 다수의 잉크방울 생성기(165)는 단일 축선을 따라 배열된 다수의 잉크방울 생성기의 약 1/4로 유효 프린트헤드 피치를 감소시키도록 상기 축선들 각각에 대해 엇갈리게 배열되는
    잉크젯 프린트헤드.
  5. 소형 단색 잉크젯 프린트헤드(150)에 있어서,
    프린트헤드 기판(160)과,
    상기 프린트헤드 기판(160)상에 배열되고 소형 영역내에 배치되는 적어도 350개의 잉크방울 생성기(560)를 포함하는
    소형 단색 잉크젯 프린트헤드.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 소형 영역은 약 12㎜ 이하의 길이와 약 3㎜ 이하의 폭을 갖는
    소형 단색 잉크젯 프린트헤드.
  7. 제 5 항에 있어서,
    제 1 축선 그룹을 형성하도록 제 1 축선을 따라 배열되는 다수의 제 1 잉크방울 생성기(560)와,
    제 2 축선 그룹을 형성하도록 제 2 축선을 따라 배열되고 상기 제 1 축선 그룹에 대해 엇갈리게 배열되는 다수의 제 2 잉크방울 생성기(565)와,
    제 3 축선 그룹을 형성하도록 제 3 축선을 따라 배열되고 상기 제 1 축선 그룹 및 제 2 축선 그룹에 대해 엇갈리게 배열되는 다수의 제 3 잉크방울 생성기(565)를 더 포함하며,
    상기 제 1, 제 2 및 제 3 축선은 서로 평행하고 서로 횡방향으로 이격되어 있는
    소형 단색 잉크젯 프린트헤드.
  8. 소형 단색 잉크젯 프린트헤드(150)에 있어서,
    프린트헤드 기판(160)과,
    상기 프린트헤드 기판(160)상에 배열되며 소형 영역 내에 배치되는 잉크방울생성기(165)를 포함하며,
    상기 잉크방울 생성기(165)는 ⓐ 제 1 축선 그룹을 형성하도록 제 1 축선을 따라 배열되는 다수의 제 1 잉크방울 생성기(560)와, ⓑ 제 2 축선 그룹을 형성하도록 제 2 축선을 따라 배열되고 상기 제 1 축선 그룹에 대해 엇갈리게 배열되는 다수의 제 2 잉크방울 생성기(565)와, ⓒ 제 3 축선 그룹을 형성하도록 제 3 축선을 따라 배열되고 상기 제 1 축선 그룹 및 제 2 축선 그룹에 대해 엇갈리게 배열되는 다수의 제 3 잉크방울 생성기(565)를 더 포함하며; 상기 제 1, 제 2 및 제 3 축선은 서로 평행하고 서로 횡방향으로 이격되어 있는
    소형 단색 잉크젯 프린트헤드.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 소형 영역은 약 12㎜ 이하의 길이와 약 3㎜ 이하의 폭을 갖는
    소형 단색 잉크젯 프린트헤드.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 소형 영역 내에 배치된 적어도 350개의 잉크방울 생성기를 포함하는
    소형 단색 잉크젯 프린트헤드.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 각각의 잉크방울 생성기는 고 저항을 갖는 박막 저항기(580)를 포함하는
    소형 단색 잉크젯 프린트헤드.
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