KR20060039111A - 캔틸레버 액츄에이터를 구비한 잉크젯 프린트헤드 - Google Patents

캔틸레버 액츄에이터를 구비한 잉크젯 프린트헤드 Download PDF

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KR20060039111A
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ink
flow path
cantilever actuator
ink chamber
inkjet printhead
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KR1020040088165A
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권계시
성기영
김성진
신승주
송미정
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삼성전자주식회사
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Abstract

캔틸레버 액츄에이터를 구비한 잉크젯 프린트헤드가 개시된다. 개시된 잉크젯 프린트헤드는, 토출될 잉크가 채워지는 다수의 잉크 챔버와, 다수의 잉크 챔버에 공급될 잉크를 담고 있는 매니폴드와, 매니폴드로부터 다수의 잉크 챔버 각각에 잉크를 공급하기 위한 다수의 리스트릭터와, 다수의 잉크 챔버로부터 잉크를 토출하기 위한 다수의 노즐과, 다수의 잉크 챔버 각각의 내부에 그 일단부는 고정되고 그 타단부는 휨 변형될 수 있도록 설치되어 그 타단부의 휨 변형에 의해 잉크 챔버 내부의 잉크에 잉크의 토출을 위한 압력을 인가하는 캔틸레버 액츄에이터를 구비한다. 상기 캔틸레버 액츄에이터는 바이몰프 소자로 이루어질 수 있으며, 그 타단부의 휨 변형에 의해 잉크 챔버로부터 노즐을 통해 잉크를 토출시킴과 동시에 잉크 챔버로부터 리스트릭터 쪽으로 향하는 잉크의 역류를 차단한다. 이와 같은 본 발명에 의하면, 보다 큰 변위로 작동되며 잉크의 역류를 차단하는 캔틸레버 액츄에이터를 구비함으로써, 일정한 부피의 잉크 액적을 토출하는데 필요한 잉크 챔버의 크기를 줄일 수 있어서 잉크젯 프린트헤드의 CPI를 증가시킬 수 있게 된다.

Description

캔틸레버 액츄에이터를 구비한 잉크젯 프린트헤드{Inkjet prihthead having cantilever actuator}
도 1은 종래의 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드의 일반적인 구성을 도시한 평면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 잉크 챔버의 길이 방향을 따른 종래의 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 캔틸레버 액츄에이터를 구비한 잉크젯 프린트헤드를 부분 절단하여 나타낸 분해 사시도이다.
도 4는 도 3에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드의 수직 구조를 보여주는 단면도이다.
도 5는 도 3과 도 4에 도시된 캔틸레버 액츄에이터의 일 예로서 피에조-바이몰프 소자를 설명하기 위한 개략적인 도면이다.
도 6a 및 도 6b는 도 3과 도 4에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드에 있어서의 캔틸레버 액츄에이터의 작동을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드의 수직 구조를 보여주는 단면도이다.
도 8a 및 도8b는 도 7에 도시된 본 발명의 다른 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드에 있어서의 캔틸레버 액츄에이터의 작동을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 9는 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드의 구조가 적용된 페이지-와이드 방식의 잉크젯 프린트헤드에서의 노즐 배치를 보여주는 평면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100,200,300...잉크젯 프린트헤드 101,201...매니폴드
102,202...리스트릭터 103,203...잉크 챔버
104,204...댐퍼 105,205,305...노즐
111,112,113,114,115,211,212,213,214,215...유로 플레이트
120,220...캔틸레버 액츄에이터
본 발명은 잉크젯 프린트헤드에 관한 것으로, 보다 상세하게는 CPI의 증가를 위해 잉크 챔버의 크기를 줄일 수 있는 캔틸레버 액츄에이터를 구비한 잉크젯 프린트헤드에 관한 것이다.
일반적으로 잉크젯 프린트헤드는, 인쇄용 잉크의 미소한 액적(droplet)을 용지나 직물 등 인쇄 매체 상의 원하는 위치에 토출시켜서 인쇄 매체의 표면에 소정 색상의 화상을 인쇄하는 장치이다. 이러한 잉크젯 프린트헤드는 잉크 토출 방식에 따라 여러 가지로 나뉠 수 있는데, 종래에는, 열구동 방식의 잉크젯 프린트헤드와, 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드가 주로 사용되어 왔다.
상기 열구동 방식의 잉크젯 프린트헤드에서의 잉크 액적 토출 메카니즘을 설명하면 다음과 같다. 저항 발열체로 이루어진 히터에 펄스 형태의 전류가 흐르게 되면, 히터에서 열이 발생되면서 히터에 인접한 잉크를 짧은 시간내에 가열함에 따라 잉크가 비등하면서 버블이 생성되고, 생성된 버블은 팽창하여 잉크 챔버 내에 채워진 잉크에 압력을 가하게 된다. 이로 인해 노즐 부근에 있던 잉크가 노즐을 통해 액적의 형태로 잉크 챔버 밖으로 토출된다. 그런데, 이와 같은 열구동 방식의 잉크젯 프린트헤드에 있어서는, 버블을 형성시키기 위해 잉크를 수백 ℃ 이상으로 가열하여야 하므로, 에너지 소모가 많고, 프린트헤드 자체에 열적 스트레스가 많이 가해지며, 가열된 잉크의 냉각에 비교적 많은 시간이 소요되어 구동 주파수를 높이는데 한계가 있다.
상기 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드는, 압전체를 사용하여 그 압전체의 변형으로 인해 잉크에 가해지는 압력으로 잉크를 토출시키는 방식의 잉크젯 프린트헤드로서, 도 1과 도 2에 그 일반적인 구성이 도시되어 있다.
도 1과 도 2를 함께 참조하면, 유로 플레이트(10)에는 잉크 유로를 구성하는 매니폴드(13), 다수의 리스트릭터(12) 및 다수의 잉크 챔버(11)가 형성되어 있으며, 노즐 플레이트(20)에는 다수의 잉크 챔버(11) 각각에 대응하는 다수의 노즐(22)이 형성되어 있다. 그리고, 상기 유로 플레이트(10)의 상부에는 압전 액츄에이터(30)가 마련되어 있다. 상기 매니폴드(13)는 도시되지 않은 잉크 저장고로부터 유입된 잉크를 다수의 잉크 챔버(11) 각각으로 공급하는 통로이며, 리스트릭터(12) 는 매니폴드(13)로부터 잉크 챔버(11) 내부로 잉크가 유입되는 통로이다. 상기 다수의 잉크 챔버(11)는 토출될 잉크가 채워지는 곳으로, 매니폴드(13)의 일측 또는 양측에 배열되어 있다. 이러한 잉크 챔버(11)는 압전 액츄에이터(30)의 구동에 의해 그 부피가 변화함으로써 잉크의 토출 또는 유입을 위한 압력 변화를 생성하게 된다. 이를 위해, 유로 플레이트(10)의 잉크 챔버(11) 상부벽을 이루게 되는 부위는 압전 액츄에이터(30)에 의해 변형되는 진동판(14)의 역할을 하게 된다.
이러한 구성을 가진 종래의 압전 방식 잉크젯 프린트헤드의 작동을 설명하면, 압전 액츄에이터(30)의 구동에 의해 진동판(14)이 변형되면 잉크 챔버(11)의 부피가 감소하게 되고, 이에 따른 잉크 챔버(11) 내의 압력 변화에 의해 잉크 챔버(11) 내의 잉크는 노즐(22)을 통해 외부로 토출된다. 이어서, 압전 액츄에이터(30)의 구동에 의해 진동판(14)이 원래의 형태로 복원되면 잉크 챔버(11)의 부피가 증가하게 되고, 이에 따른 압력 변화에 의해 잉크가 매니폴드(13)로부터 리스트릭터(12)를 통해 잉크 챔버(11) 내로 유입된다.
상기한 바와 같은 구성을 가진 종래의 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드를 이용하여 화상을 인쇄하는 데 있어서, 화상의 해상도는 인치당 노즐의 수에 크게 영향을 받는다. 여기에서, 인치당 노즐의 수는 일반적으로 CPI(Channel per Inch)로 나타내어지며, 화상의 해상도는 일반적으로 DPI(Dot per Inch)로 나타내어진다.
그런데, 도 1과 도 2에 도시된 종래의 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드에 있어서, 노즐(22)을 통해 토출되는 잉크 액적의 부피는 진동판(14)의 변위에 크게 영향을 받는다. 즉, 진동판(14)의 변위가 클수록 토출되는 잉크 액적의 부피가 커지 게 되며, 진동판(14)의 변위가 작을수록 잉크 액적의 부피는 작아지게 되는 것이다. 그리고, 이러한 진동판(14)의 변위는 진동판(14)의 면적에 영향을 받으며, 진동판(14)의 면적은 잉크 챔버(11)의 크기에 좌우된다. 그런데, 종래의 잉크젯 프린트헤드에 있어서는, 압전 액츄에이터(30)의 구동에 의해 진동판(14)이 변형되면, 잉크는 노즐(22)을 통해 토출될 뿐만 아니라 리스트릭터(12)를 통해 매니폴드(13) 쪽으로 역류되기도 한다. 따라서, 일정한 부피를 가진 잉크 액적을 토출하기 위해서는 역류되는 잉크의 양을 고려하여 진동판(14)의 변위가 더 커져야 하고, 이에 따라 진동판(14)의 면적과 잉크 챔버(11)의 크기가 커져야 한다.
압전 방식의 잉크젯 프린트헤드의 CPI는 인접한 노즐(22) 사이의 간격(DN)에 반비례하므로, 프린트헤드의 CPI를 증가시키기 위해서는 인접한 노즐(22) 사이의 간격(DN)을 줄여야 한다. 그러나, 상기한 구조를 가진 종래의 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드에 있어서는, 전술한 바와 같은 이유로 인해 인접한 노즐(22) 사이의 간격(DN)을 줄이는 데에는 한계가 있다.
한편, 종래의 잉크젯 프린트헤드는 인쇄 매체, 예컨대 인쇄 용지의 이송 방향과 직교하는 방향, 즉 인쇄 용지의 폭 방향으로 왕복 이동하며, 상기 인쇄 용지 상에 화상을 인쇄하게 된다. 따라서, 종래의 잉크젯 프린트헤드는 인쇄 속도가 느린 단점을 가지고 있었다.
최근, 인쇄 용지의 폭과 동일한 길이를 가져서 인쇄 속도를 향상시킬 수 있는 잉크젯 프린트헤드가 개발되고 있으며, 그 일예가 미국특허 US 6,003,971호에 개시되어 있다. 여기에 개시된 프린트헤드는 인쇄 용지의 폭 방향으로 멀티플 어레이 형태로 배열된 다수의 노즐을 가지고 있어서, 인쇄 용지의 폭 방향으로의 왕복 이동이 없이 인쇄 용지 상에 빠른 속도로 화상을 인쇄할 있는 장점이 있다. 이러한 구조를 가진 잉크젯 프린트헤드를 일반적으로 페이지-와이드(Page-Wide) 방식의 잉크젯 프린트헤드라고 한다.
그러나, 인쇄 용지의 폭 방향으로의 왕복 이동이 전혀 없이 충분히 높은 해상도의 화상을 인쇄하기 위해서는, 화상의 DPI와 동일한 CPI로 배열된 노즐들을 가진 프린트헤드가 필요하게 된다. 그러나, 종래의 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드의 구조에 있어서는, 전술한 바와 같이 CPI를 증가시키는 데 한계가 있어서, 화상의 DPI와 동일한 수준의 CPI를 가진 프린트헤드의 구현은 어려운 실정이다.
따라서, 점차 보다 높은 해상도의 화상을 요구하는 최근의 추세를 충분히 만족시키기 위해서는 프린트헤드의 CPI를 증가시키는 지속적인 노력이 필요하다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 특히 보다 큰 변위로 작동될 뿐만 아니라 잉크의 역류를 차단할 수 있는 캔틸레버 액츄에이터를 구비함으로써 CPI가 증가된 잉크젯 프린트헤드를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드는,
토출될 잉크가 채워지는 다수의 잉크 챔버;
상기 다수의 잉크 챔버에 공급될 잉크를 담고 있는 매니폴드;
상기 매니폴드로부터 상기 다수의 잉크 챔버 각각에 잉크를 공급하기 위한 다수의 리스트릭터;
상기 다수의 잉크 챔버로부터 잉크를 토출하기 위한 다수의 노즐; 및
상기 다수의 잉크 챔버 각각의 내부에 그 일단부는 고정되고 그 타단부는 휨 변형될 수 있도록 설치되어, 그 타단부의 휨 변형에 의해 상기 잉크 챔버 내부의 잉크에 잉크의 토출을 위한 압력을 인가하는 캔틸레버 액츄에이터;를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 캔틸레버 액츄에이터는, 그 타단부의 휨 변형에 의해 상기 잉크 챔버로부터 상기 노즐을 통해 잉크를 토출시킴과 동시에 상기 잉크 챔버로부터 상기 리스트릭터 쪽으로 향하는 잉크의 역류를 차단하도록 된 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 캔틸레버 액츄에이터는 상기 잉크 챔버의 천정벽에 접촉되도록 설치되어, 그 타단부가 일방향으로만 휨 변형될 수 있다.
한편, 상기 캔틸레버 액츄에이터는 그 타단부가 양방향으로 휨 변형될 수 있도록 상기 잉크 챔버의 천정벽으로부터 소정 간격 이격되도록 설치될 수 있다. 이 경우, 상기 잉크 챔버로부터 상기 노즐을 통해 잉크를 토출할 때에는, 상기 캔틸레버 액츄에이터의 타단부가 일방향으로 휨 변형되어 상기 잉크 챔버와 리스트릭터 사이를 막고, 상기 리스트릭터를 통해 상기 잉크 챔버로 잉크가 공급될 때에는, 상기 캔틸레버 액츄에이터의 타단부가 반대 방향으로 휨 변형되어 상기 잉크 챔버와 리스트릭터가 서로 연통되도록 할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 캔틸레버 액츄에이터는 바이몰프(bimorph) 소자로 이루어진 것이 바람직하다. 여기에서, 상기 바이몰프 소자는, 금속 플레이트의 양면에 서로 반대 방향으로 분극한 피에조세라믹 플레이트가 부착된 구조를 가질 수 있으며, 전압의 인가에 의해 양 방향으로 휨 변형된다.
본 발명에 있어서, 상기 캔틸레버 액츄에이터는 상기 잉크 챔버의 평면 형상에 대응되는 사각형의 형상을 가진 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 캔틸레버 액츄에이터의 폭은 상기 잉크 챔버의 폭보다 좁은 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 다수의 잉크 챔버, 매니폴드, 다수의 리스트릭터 및 다수의 노즐은 적층된 복수의 유로 플레이트에 형성될 수 있다.
이 경우, 상기 캔틸레버 액츄에이터는 상기 복수의 유로 플레이트 중 상기 다수의 잉크 챔버와 다수의 리스트릭터가 형성된 유로 플레이트와 상기 다수의 잉크 챔버와 다수의 리스트릭터를 덮는 유로 플레이트 사이에 그 일단부가 끼워져 고정될 수 있다.
한편, 상기 캔틸레버 액츄에이터는 상기 복수의 유로 플레이트 중 상기 다수의 잉크 챔버가 형성된 유로 플레이트와 상기 다수의 리스트릭터가 형성된 유로 플레이트 사이에 그 일단부가 끼워져 고정될 수도 있다.
그리고, 상기 복수의 유로 플레이트는 각각 실리콘 기판 또는 금속 박판, 예컨대 스테인레스 강판으로 이루어질 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 프린트헤드는 인쇄 매체의 폭에 대응하는 길이를 가 질 수 있으며, 상기 다수의 노즐은 상기 프린트헤드의 길이 방향을 따라 멀티플 어레이 형태로 배열될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 또한, 한 층이 기판이나 다른 층의 위에 존재한다고 설명될 때, 그 층은 기판이나 다른 층에 직접 접하면서 그 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 제 3의 층이 존재할 수도 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 캔틸레버 액츄에이터를 구비한 잉크젯 프린트헤드를 부분 절단하여 나타낸 분해 사시도이며, 도 4는 도 3에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드의 수직 구조를 보여주는 단면도이고, 도 5는 도 3과 도 4에 도시된 캔틸레버 액츄에이터의 일 예로서 피에조-바이몰프 소자를 설명하기 위한 개략적인 도면이다.
먼저, 도 3과 도 4를 함께 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드(100)는, 다수의 잉크 챔버(103)를 포함하는 잉크 유로와, 상기 다수의 잉크 챔버(103) 각각에 잉크의 토출을 위한 구동력을 제공하는 캔틸레버 액츄에이터(Cantilever Actuator, 120)를 구비한다.
상기한 잉크 유로는, 토출될 잉크가 채워지는 다수의 잉크 챔버(103)와, 상기 다수의 잉크 챔버(103)에 공급될 잉크를 담고 있는 매니폴드(101)와, 상기 매니폴드(101)로부터 상기 다수의 잉크 챔버(103) 각각에 잉크를 공급하기 위한 다수의 리스트릭터(102)와, 상기 다수의 잉크 챔버(103)로부터 잉크를 토출하기 위한 다수의 노즐(105)을 포함한다. 그리고, 잉크 챔버(103)와 노즐(105) 사이에는 캔틸레버 액츄에이터(120)의 구동에 의한 급격한 압력 변화를 완충하기 위한 댐퍼(104)가 마련될 수 있다.
이러한 잉크 유로를 형성하는 구성요소들은 적층된 복수의 유로 플레이트(111 ~ 115)에 형성된다. 예컨대, 상기 복수의 유로 플레이트(111 ~ 115)는 도시된 바와 같이 제1 유로 플레이트(111), 제2 유로 플레이트(112), 제3 유로 플레이트(113), 제4 유로 플레이트(114) 및 제5 유로 플레이트(115)로 구성될 수 있다.
구체적으로, 상기 제2 유로 플레이트(112)에는 상기 다수의 잉크 챔버(103)의 상부와 다수의 리스트릭터(102)가 관통 형성된다. 상기 다수의 잉크 챔버(103)는 나란히 배열되어 있으며, 그 각각은 잉크의 흐름 방향으로 보다 긴 직육면체의 형상을 가질 수 있다. 상기 다수의 리스트릭터(102)는 상기 다수의 잉크 챔버(103) 각각의 일단부에 연결된다.
그리고, 상기 제2 유로 플레이트(112)의 상부에는 상기 잉크 챔버(103)와 리스트릭터(102)를 덮도록 상기 제1 유로 플레이트(111)가 부착된다. 따라서, 상기 제1 유로 플레이트(111)는 상기 잉크 챔버(103)의 천정벽을 형성하게 된다.
상기 제3 유로 플레이트(113)는 상기 제2 유로 플레이트(112)의 저면에 부착되며, 여기에는 상기 잉크 챔버(103)의 하부가 관통되도록 형성된다.
상기 제3 유로 플레이트(112)의 저면에는 상기 제4 유로 플레이트(114)가 부착되며, 상기 제4 유로 플레이트(114)에는 상기 매니폴드(101)가 형성된다. 그리 고, 상기 제4 유로 플레이트(114)에는 다수의 잉크 챔버(103) 각각의 타단부에 대응되는 위치에 잉크 챔버(103)와 노즐(105)을 연결하는 댐퍼(104)가 수직으로 관통 형성될 수 있다.
상기 제4 유로 플레이트(114)의 저면에는 제5 유로 플레이트(115)가 부착되며, 여기에는 다수의 노즐(105)이 관통 형성된다. 그리고, 상기 노즐(105)은, 출구쪽으로 가면서 점차 단면적이 감소하는 테이퍼 형상으로 형성될 수 있다.
상기한 바와 같이 구성된 다섯 개의 유로 플레이트(111 ~ 115)는 각각 실리콘 기판으로 이루어질 수 있다. 이 경우, 상기 실리콘 기판을 반도체 공정에 의해 미세 가공함으로써 상기한 잉크 유로를 다양하게 형성할 수 있게 된다.
한편, 상기한 다섯 개의 유로 플레이트(111 ~ 115)는 금속 박판, 바람직하게는 잉크에 대한 내식성을 가진 스테인레스 강판으로 이루어질 수 있다. 이 경우, 상기 스테인레스 강판을 에칭, 펀칭 또는 레이저 가공함으로써 상기한 잉크 유로를 다양하게 형성할 수 있다. 그리고, 상기 스테인레스 강판들은 브레이징(brazing)에 의해 서로 부착될 수 있다.
그러나, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 다섯 개의 유로 플레이트(111 ~ 115) 각각은 상기 실리콘 기판이나 금속 박판이 아니더라도 가공성이 우수한 다른 기판으로 이루어질 수도 있다.
그리고, 위에서는 다섯 개의 유로 플레이트(111 ~ 115)에 잉크 유로가 형성된 것으로 도시되고 설명되었지만, 이러한 잉크 유로의 배치 구조는 단지 예시적인 것이다. 즉, 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드(100)에는 다양한 구성의 잉크 유로 가 마련될 수 있으며, 이러한 잉크 유로는 다섯 개의 유로 플레이트(111 ~ 115)가 아니라 이 보다 많거나 적은 수의 유로 플레이트에 형성될 수도 있다.
상기 캔틸레버 액츄에이터(120)는 본 발명의 특징부로서 상기 다수의 잉크 챔버(103) 각각의 내부에 설치되어, 상기 잉크 챔버(103) 내의 잉크에 잉크의 토출을 위한 압력을 인가하는 역할을 한다. 상세하게 설명하면, 상기 캔틸레버 액츄에이터(120)는 그 일단부만 잉크 챔버(103)의 일측벽에 고정되어 그 타단부는 잉크 챔버(103) 내에서 자유롭게 휨 변형될 수 있다. 이와 같은 상기 캔틸레버 액츄에이터(120)의 타단부의 휨 변형에 의해 상기 잉크 챔버(103) 내부의 잉크에는 잉크의 토출을 위한 압력이 인가되는 것이다.
상기 캔틸레버 액츄에이터(120)는 그 일단부가 고정되고 그 타단부가 자유롭게 휨 변형될 수 있으므로, 그 타단부의 변위가 종래의 압전 액츄에이터의 변위에 비해 큰 장점을 가진다. 따라서, 본 발명에 의하면, 일정한 부피의 잉크 액적을 토출하는데 필요한 잉크 챔버(103)의 크기가 종래에 비해 줄어들게 되므로, 인접한 노즐(105) 사이의 간격을 줄일 수 있게 된다.
도 5를 참조하면, 상기 캔틸레버 액츄에이터(120)로는 바이몰프(bimorph) 소자가 사용될 수 있다. 상기 바이몰프 소자는, 금속 플레이트의 양면에 서로 반대 방향으로 분극한 피에조세라믹 플레이트가 부착된 구조를 가질 수 있다. 이와 같은 피에조-바이몰프 소자에 전압을 인가하게 되면, 금속 플레이트 양면의 피에조세라믹 플레이트들에 가해지는 응력의 방향이 서로 다르게 되고, 이에 따라 바이몰프 소자는 아래쪽 또는 위쪽으로 휨 변형된다. 이와 같은 휨 변형의 방향은 인가되는 전류의 방향에 따라 달라지게 된다.
다시 도 3과 도 4를 참조하면, 상기 캔틸레버 액츄에이터(120)는 다수의 잉크 챔버(103)와 다수의 리스트릭터(102)가 형성된 제2 유로 플레이트(112)와 다수의 잉크 챔버(103)와 다수의 리스트릭터(102)를 덮는 제1 유로 플레이트(111) 사이에 그 일단부가 끼워져 고정될 수 있다. 따라서, 상기 캔틸레버 액츄에이터(120)는 상기 잉크 챔버(103)의 천정벽, 즉 제1 유로 플레이트(111)의 저면에 접촉되도록 설치된다. 이 경우, 상기 캔틸레버 액츄에이터(120)의 타단부는 일방향, 즉 아래쪽으로만 변형될 수 있으며, 반대 방향, 즉 위쪽으로는 변형되지 못한다.
상기 캔틸레버 액츄에이터(120)는 상기 잉크 챔버(103)의 평면 형상에 대응되는 사각형의 형상을 가진 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 캔틸레버 액츄에이터(120)는 상기 잉크 챔버(103) 내의 잉크에 보다 넓은 면적으로 압력을 가할 수 있게 된다. 그리고, 상기 캔틸레버 액츄에이터(120)의 휨 변형시 잉크 챔버(103)의 측벽에 간섭되지 않도록 하기 위해, 상기 캔틸레버 액츄에이터(120)의 폭은 상기 잉크 챔버(103)의 폭보다 약간 좁고, 그 길이는 잉크 챔버(103)의 길이보다 약간 짧은 것이 바람직하다.
이와 같이 구성된 상기 캔틸레버 액츄에이터(120)는, 전술한 바와 같이 그 타단부의 휨 변형에 의해 상기 잉크 챔버(103)로부터 상기 노즐(105)을 통해 잉크를 토출시키게 된다. 그리고, 상기 캔틸레버 액츄에이터(120)의 타단부를 상기 리스트릭터(102)의 출구에 인접하도록 배치하게 되면, 상기 캔틸레버 액츄에이터(120)는 잉크의 토출과 동시에 잉크 챔버(103)로부터 리스트릭터(102) 쪽으로 향하 는 잉크의 역류를 차단하는 역할도 할 수 있게 된다. 이와 같은 캔틸레버 액츄에이터(120)의 작동에 대해서는 뒤에서 상세하게 설명된다.
상기 캔틸레버 액츄에이터(120)에 의해 잉크의 역류가 차단되면, 일정한 부피의 잉크 액적을 토출하는데 필요한 잉크 챔버(103)의 크기를 보다 더 줄일 수 있게 된다.
이하에서는, 도 6a 및 도 6b를 참조하며, 도 4에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드에 있어서의 캔틸레버 액츄에이터의 작동을 설명하기로 한다.
먼저 도 6a를 참조하면, 잉크의 토출을 위해 상기 캔틸레버 액츄에이터(120)에 전압을 인가하여 그 타단부를 아래쪽으로 휨 변형시키면, 잉크 챔버(103) 내의 잉크에 압력이 가해지게 되고, 이에 따라 잉크는 댐퍼(104)와 노즐(105)을 통해 외부로 토출된다. 이 때, 캔틸레버 액츄에이터(120)의 타단부가 아래쪽으로 휨 변형되면서 잉크 챔버(103)와 리스트릭터(102) 사이를 막게 되고, 이에 따라 잉크 챔버(103)로부터 리스트릭터(102) 쪽으로 향하는 잉크의 역류가 차단될 수 있다.
잉크의 토출이 이루어진 후, 캔틸레버 액츄에이터(120)에 인가되던 전압을 제거하면, 도 6b에 도시된 바와 같이, 캔틸레버 액츄에이터(120)의 타단부가 원 상태로 복원된다. 이에 따라, 잉크 챔버(103)와 리스트릭터(102)가 서로 연통되어 매니폴드(101)에 저장된 잉크가 리스트릭터(102)를 통해 잉크 챔버(103) 내로 유입된다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드(100)에 있어서는, 상기 캔틸레버 액츄에이터(120)의 일방향 휨 변형에 의해 잉크를 토출할 수 있을 뿐만 아니라 잉크의 역류를 차단할 수 있게 되는 것이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드의 수직 구조를 보여주는 단면도이고, 도 8a 및 도8b는 도 7에 도시된 본 발명의 다른 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드에 있어서의 캔틸레버 액츄에이터의 작동을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 7에 도시된 잉크젯 프린트헤드(200)의 구성은 캔틸레버 액츄에이터(220)의 위치를 제외하고는 전술한 도 4에 도시된 잉크젯 프린트헤드(200)의 구성과 동일하다. 따라서, 이하에서는 이들 사이의 차이점을 중심으로 설명하기로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드(200)에 있어서, 잉크 유로를 구성하는 매니폴드(201), 다수의 리스트릭터(202), 다수의 잉크 챔버(203), 다수의 댐퍼(204) 및 다수의 노즐(205)은 적층된 제1, 제2, 제3, 제4 및 제 5 유로 플레이트(211 ~ 215)에 형성된다.
구체적으로, 제2 유로 플레이트(212)에는 다수의 잉크 챔버(203)의 상부와 다수의 리스트릭터(202)가 관통 형성된다. 상기 제2 유로 플레이트(212)의 상부에는 잉크 챔버(203)와 리스트릭터(202)를 덮도록 제1 유로 플레이트(211)가 부착된다. 상기 제2 유로 플레이트(212)의 저면에 상기 잉크 챔버(203)의 하부가 관통 형성된 제3 유로 플레이트(213)가 부착되며, 상기 제3 유로 플레이트(212)의 저면에 매니폴드(204)와 댐퍼(204)가 형성된 제4 유로 플레이트(214)가 부착된다. 상기 제4 유로 플레이트(214)의 저면에는 제5 유로 플레이트(215)가 부착되며, 여기에는 다수의 노즐(205)이 관통 형성된다.
상기한 바와 같이 구성된 다섯 개의 유로 플레이트(211 ~ 215) 각각은 가공성이 우수한 기판, 예컨대 실리콘 기판이나 금속 박판으로 이루어질 수 있다. 그리고, 본 발명의 다른 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드(200)에도 다양한 구성의 잉크 유로가 마련될 수 있으며, 이러한 잉크 유로는 다섯 개의 유로 플레이트(211 ~ 215)가 아니라 이 보다 많거나 적은 수의 유로 플레이트에 형성될 수도 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드(200)에 있어서, 캔틸레버 액츄에이터(220)는 상기 제2 유로 플레이트(212)와 제3 유로 플레이트(213) 사이에 그 일단부가 끼워져 고정된다. 따라서, 상기 캔틸레버 액츄에이터(220)는 상기 잉크 챔버(203)의 천정벽으로부터 소정 간격 이격되므로, 그 타단부가 양방향으로 휨 변형될 수 있다. 이러한 캔틸레버 액츄에이터(220)로는 도 5에 도시된 피에조-바이몰프 소자가 사용될 수 있다.
이와 같은 구성을 가진 캔틸레버 액츄에이터(220)의 작동을 설명하면 아래와 같다.
먼저 도 8a를 참조하면, 잉크의 토출을 위해 상기 캔틸레버 액츄에이터(220)에 전압을 인가하여 그 타단부를 일방향, 즉 아래쪽으로 휨 변형시키면, 잉크 챔버(203) 내의 잉크에 압력이 가해지게 되고, 이에 따라 잉크는 댐퍼(204)와 노즐(205)을 통해 외부로 토출된다. 이 때, 캔틸레버 액츄에이터(220)의 타단부가 아래쪽으로 휨 변형되면서 잉크 챔버(203)와 리스트릭터(202) 사이를 막게 되고, 이에 따라 잉크 챔버(203)로부터 리스트릭터(102) 쪽으로 향하는 잉크의 역류가 차단될 수 있다.
잉크의 토출이 이루어진 후, 캔틸레버 액츄에이터(220)에 인가되던 전류의 방향을 바꾸게 되면, 도 8b에 도시된 바와 같이, 캔틸레버 액츄에이터(220)의 타단부는 반대 방향, 즉 위쪽으로 휨 변형된다. 이에 따라, 잉크 챔버(203)와 리스트릭터(202)가 서로 연통되어 매니폴드(201)에 저장된 잉크가 리스트릭터(202)를 통해 잉크 챔버(203) 내로 유입된다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드(200)에 있어서는, 상기 캔틸레버 액츄에이터(220)의 양방향 휨 변형에 의해 잉크를 토출할 수 있을 뿐만 아니라 잉크의 역류를 차단할 수 있게 되는 것이다.
도 9는 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드의 구조가 적용된 페이지-와이드 방식의 잉크젯 프린트헤드에서의 노즐 배치를 보여주는 평면도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명은 페이지-와이드 방식의 잉크젯 프린트헤드(300)에도 적용될 수 있다. 페이지-와이드 방식의 잉크젯 프린트헤드(300)는 인쇄 매체, 예컨대 인쇄 용지의 이송 방향에 대해 직교하는 방향, 즉 인쇄 용지의 폭 방향에 대응되는 길이를 가진다. 그리고, 상기 잉크젯 프린트헤드(300)에는 다수의 노즐(305)이 프린트헤드(300)의 길이 방향을 따라 멀티플 어레이 형태로 배열된다.
이러한 페이지-와이드 방식의 잉크젯 프린트헤드(300)는 긴 길이를 가지므로, 그 강도를 유지할 수 있도록 다수의 유로 플레이트로서 스테인레스 박판을 사용하는 것이 바람직하다. 즉, 본 발명에 따른 페이지-와이드 방식의 잉크젯 프린트헤드(300)는 다수의 스테인레스 박판을 적층함으로써 쉽게 제조될 수 있으며, 보다 큰 변위로 작동되며 잉크의 역류를 차단하는 캔틸레버 액츄에이터를 구비함으로써, 일정한 부피의 잉크 액적을 토출하는데 필요한 잉크 챔버의 크기를 줄일 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드(300)는 그 CPI가 화상의 DPI에 근접 내지 일치되도록 증가될 수 있어서, 인쇄 용지의 폭 방향으로의 왕복 이동이 최소화 또는 필요 없게 되므로, 보다 빠른 인쇄 속도를 구현할 수 있게 된다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명했지만, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 보다 큰 변위로 작동되며 잉크의 역류를 차단하는 캔틸레버 액츄에이터를 구비함으로써, 일정한 부피의 잉크 액적을 토출하는데 필요한 잉크 챔버의 크기를 줄일 수 있다. 따라서, 인접한 노즐 사이의 간격을 줄일 수 있어서 종래에 비해 증가된 CPI를 가진 잉크젯 프린트헤드를 구현할 수 있는 장점이 있다.
그리고, 본 발명에 의하면, 보다 빠른 인쇄 속도를 가진 페이지-와이드 방식의 잉크젯 프린트헤드를 용이하게 구현할 수 있으며, 이러한 페이지-와이드 방식의 잉크젯 프린트헤드는 다수의 스테인레스 박판을 적층함으로써 쉽게 제조될 수 있다.

Claims (16)

  1. 토출될 잉크가 채워지는 다수의 잉크 챔버;
    상기 다수의 잉크 챔버에 공급될 잉크를 담고 있는 매니폴드;
    상기 매니폴드로부터 상기 다수의 잉크 챔버 각각에 잉크를 공급하기 위한 다수의 리스트릭터;
    상기 다수의 잉크 챔버로부터 잉크를 토출하기 위한 다수의 노즐; 및
    상기 다수의 잉크 챔버 각각의 내부에 그 일단부는 고정되고 그 타단부는 휨 변형될 수 있도록 설치되어, 그 타단부의 휨 변형에 의해 상기 잉크 챔버 내부의 잉크에 잉크의 토출을 위한 압력을 인가하는 캔틸레버 액츄에이터;를 구비하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 캔틸레버 액츄에이터는, 그 타단부의 휨 변형에 의해 상기 잉크 챔버로부터 상기 노즐을 통해 잉크를 토출시킴과 동시에 상기 잉크 챔버로부터 상기 리스트릭터 쪽으로 향하는 잉크의 역류를 차단하도록 된 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 캔틸레버 액츄에이터는 상기 잉크 챔버의 천정벽에 접촉되도록 설치되어, 그 타단부가 일방향으로만 휨 변형되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤 드.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 캔틸레버 액츄에이터는 그 타단부가 양방향으로 휨 변형될 수 있도록 상기 잉크 챔버의 천정벽으로부터 소정 간격 이격되도록 설치되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 잉크 챔버로부터 상기 노즐을 통해 잉크를 토출할 때에는, 상기 캔틸레버 액츄에이터의 타단부가 일방향으로 휨 변형되어 상기 잉크 챔버와 리스트릭터 사이를 막고, 상기 리스트릭터를 통해 상기 잉크 챔버로 잉크가 공급될 때에는, 상기 캔틸레버 액츄에이터의 타단부가 반대 방향으로 휨 변형되어 상기 잉크 챔버와 리스트릭터가 서로 연통되도록 하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 캔틸레버 액츄에이터는 바이몰프(bimorph) 소자로 이루어진 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 바이몰프 소자는, 금속 플레이트의 양면에 서로 반대 방향으로 분극한 피에조세라믹 플레이트가 부착된 구조를 가지며, 전압의 인가에 의해 양 방향으로 휨 변형되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 캔틸레버 액츄에이터는 상기 잉크 챔버의 평면 형상에 대응되는 사각형의 형상을 가진 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 캔틸레버 액츄에이터의 폭은 상기 잉크 챔버의 폭보다 좁은 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 다수의 잉크 챔버, 매니폴드, 다수의 리스트릭터 및 다수의 노즐은 적층된 복수의 유로 플레이트에 형성되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 캔틸레버 액츄에이터는 상기 복수의 유로 플레이트 중 상기 다수의 잉크 챔버와 다수의 리스트릭터가 형성된 유로 플레이트와 상기 다수의 잉크 챔버와 다수의 리스트릭터를 덮는 유로 플레이트 사이에 그 일단부가 끼워져 고정되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 캔틸레버 액츄에이터는 상기 복수의 유로 플레이트 중 상기 다수의 잉크 챔버가 형성된 유로 플레이트와 상기 다수의 리스트릭터가 형성된 유로 플레이트 사이에 그 일단부가 끼워져 고정되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
  13. 제 10항에 있어서,
    상기 복수의 유로 플레이트는 각각 실리콘 기판으로 이루어진 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
  14. 제 10항에 있어서,
    상기 복수의 유로 플레이트는 각각 금속 박판으로 이루어진 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 금속 박판은 스테인레스 강판인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
  16. 제 1항에 있어서,
    상기 프린트헤드는 인쇄 매체의 폭에 대응하는 길이를 가지며, 상기 다수의 노즐은 상기 프린트헤드의 길이 방향을 따라 멀티플 어레이 형태로 배열된 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트헤드.
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