KR20070084841A - 프린팅장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 프린팅장치는, 복수의 노즐을 가지며 각 노즐을 통해 잉크를 토출하는 잉크젯 헤드와; 잉크젯 헤드의 각 노즐에 전압을 인가하여 잉크 토출양을 조절하기 위한 헤드 드라이버와; 각 노즐에 흐르는 전류를 감지하여 각 노즐의 정전용량을 측정하기 위한 감지부와; 감지부로부터 측정된 정전용량에 따라 각 노즐의 잉크 토출양을 계산하기 위한 계산부를 포함한다. 그리하여 잉크젯 헤드의 각 노즐이 동일한 액적량의 잉크를 토출하는지 간단하게 구할 수 있다.

Description

프린팅장치{Printing Apparatus}

도 1은 본 발명에 따른 프린팅장치의 제어블록도이고,

도 2는 본 발명에 따른 잉크젯헤드의 구동전압 파형을 도시한 도면이고,

도 3a는 본 발명에 따른 프린팅장치의 정전용량을 구하기 위한 구성요소를 도시한 도면이고,

도 3b는 본 발명에 따라 정전용량을 통해 노즐이 토출하는 액적량을 계산하는 구성요소를 도시한 도면이고,

도 4는 본 발명에 따른 럼프드 모델의 치환을 나타낸 도면이고,

도 5는 본 발명에 따른 럼프드 모델의 파라미터를 나타낸 도표이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 잉크젯헤드 11 : 노즐

12 : PZT 커패시터 20 : 헤드 드라이버

30 : 감지부 31 : 전류-전압 컨버터

32 : 피크감지부 33 : PZT 정전용량측정부

34 : 전하량측정부 40 : 계산부

50 : 제어부

본 발명은 프린팅장치에 관한 것으로서 보다 상세하게는 압전소자(PZT)를 이용하여 잉크를 토출하는 압전 구동형 잉크젯 헤드를 갖는 프린팅장치에 관한 것이다.

일반적으로, 프린팅장치에 있어서, 압전 구동형 잉크젯 헤드에서 분사되는 노즐별 액적량의 균일성은 인쇄 품질에 직결되는 컬러층 형성과 색재현율에 민감한 영향을 미친다. 따라서 노즐별 액적량의 최적화된 균일성을 보장하기 위해서는 이를 얼마나 정확히 측정하는 것이 관건이다.

종래의 프린팅장치에 있어서, 잉크젯 헤드의 액적량을 측정하는 방법으로는 수 나노그램(Ng) 단위의 전자 저울을 이용하여 수백만 번 분사한 액적 총량을 측정하고, 이를 헤드의 노즐 수만큼 나누어 평균 액적량을 구하는 방식이 있다. 그러나 이러한 방법은 불필요한 분사로 인해 잉크젯 헤드의 수명을 단축시키고, 각각의 노즐에 대한 정확한 분사량을 알 수 없다는 단점이 있다.

한편, 이러한 문제를 극복하기 위해서 카메라를 이용한 분사 액적 측정 방법이 도입되었는데, 이 방법은 카메라 영상을 통해 얻은 액적의 크기를 이용하여 부피를 계사하는 방식으로써 개별노즐의 분사 액적을 알 수 있다는 장점이 있다.

그러나 영상을 통해 얻어지는 분사 액적의 형상은 카메라의 FOV(Field of View) 설정이나 스토로브 LED의 밝기, 타이밍, 주파수의 영향에 따라 왜곡된 형상을 얻을 수 있으며, 이는 바로 액적량의 오차로 반영된다는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 불필요한 잉크의 낭비나, 오차를 최소화하여 잉크젯 헤드의 각 노즐이 토출하는 잉크 액적량의 균일성을 파악할 수 있는 프린팅장치를 제공하는 것이다.

상기 목적은, 본 발명에 따라 프린팅장치에 있어서, 복수의 노즐을 가지며 상기 각 노즐을 통해 잉크를 토출하는 잉크젯 헤드와; 상기 잉크젯 헤드의 각 노즐에 전압을 인가하여 잉크 토출양을 조절하기 위한 헤드 드라이버와; 상기 각 노즐에 흐르는 전류를 감지하여 상기 각 노즐의 정전용량을 측정하기 위한 감지부와; 상기 감지부로부터 측정된 상기 정전용량에 따라 상기 각 노즐의 잉크 토출양을 계산하기 위한 계산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 프린팅장치에 의해 달성된다.

그리고, 상기 계산부의 계산 결과에 따라 상기 각 노즐의 잉크 토출양을 조절하도록 상기 헤드 드라이버를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.

여기서, 상기 제어부는 상기 측정부의 측정 결과에 따라 상기 각 노즐이 토출하는 잉크의 양이 소정의 기준범위에 포함되는지 판단하고, 판단 결과 상기 기준범위에 포함되지 않는 노즐의 잉크 토출양이 상기 기준범위에 포함되도록 상기 헤드 드라이버를 제어할 수 있다.

또한, 상기 계산부는 럼프드 모델(Lumped Model)을 통해 상기 잉크젯 헤드의 정전용량을 통해 상기 각 노즐이 토출하는 잉크의 양을 계산할 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 프린팅장치는, 도1에 도시된 바와 같이, 복수의 노즐(11)을 포함한 잉크젯헤드(10)와, 헤드 드라이버(20)와, 감지부(30)와, 계산부(40)와 제어부(50)를 포함하여 구성될 수 있다.

잉크젯헤드(10)에는 토출될 잉크가 채워지는 압력 챔버가 형성되어 있고, 이 압력 챔버의 일측에는 잉크 저장부로부터 압력 챔버 내부로 잉크를 공급하기 위한 잉크 공급통로가 연결되어 있다. 압력 챔버의 타측에는 잉크 배출 통로가 연결되어 있으며, 잉크 배출 통로의 단부에 잉크를 토출시키는 노즐(11)이 형성되어 있다.

이러한 구성을 가진 압전 방식 잉크젯헤드(10)에 있어서, 구동 전극을 통해 압전막에 소정의 구동 전압을 가진 구동 펄스를 인가하면, 압전막의 변형에 의해 진동판이 휘어지면서 압력 챔버의 부피가 감소하게 된다. 이에 따른 압력 챕버 내의 압력 상승에 의해 압력 챔버 내의 잉크가 노즐(11)을 통해 외부로 토출되는 것이다. 이어서, 압전막에 인가되던 구동 펄스를 제거하면, 진동판이 원래의 형태로 복원되면서 압력 챔버의 부피가 증가하게 된다. 이에 따른 압력 챔버 내의 압력 강하에 의해 잉크 저장부로부터 잉크가 잉크 공급 통로를 통해 압력 챔버 내로 유입되어, 압력 챔버는 다시 잉크로 채워지게 된다.

헤드드라이버(20)는 잉크젯헤드(10)에 소정의 구동전압을 인가하여 잉크젯헤드(10)의 노즐(11)로부터 잉크가 토출되도록 한다. 이때, 헤드드라이버(20)는 노즐(11)에 인가하는 전압의 지속 시간에 따라 잉크젯헤드(10)의 주사속도, 잉크의 토출량, 잉크의 토출압력, 사용하는 노즐(11)의 수 등을 포함하여 제어할 수 있다.

감지부(30)는 잉크젯헤드(10)의 각 노즐(11)에 흐르는 전류를 감지하고 감지 한 전류의 최대값에 따라 각 노즐의 정전용량을 측정한다.

계산부(40)는 감지부(30)를 통해 측정된 각 노즐(11)의 정전용량을 통해 후술할 럼프드 모델(Lumped Model)을 이용하여 각 노즐(11)이 토출하는 잉크 액적량을 계산한다.

제어부(50)는 계산부(40)를 통해 계산된 잉크액적량을 통해 각 노즐(11)이 잉정 범위 내의 잉크를 토출하는지 판단한다. 판단결과, 범위를 벗어나는 토출량을 갖는 노즐(11)의 구동전압을 조절하여 범위 내의 잉크를 토출하도록 헤드드라이버(20)를 제어한다.

여기서, 제어부(50)는 PC 등에 연결되어, 사용자에게 계산부(40)를 통해 계산된 잉크액적량에 따라 일정 범위에 포함되지 않는 토출량을 갖는 노즐(11)에 대한 정보를 전달하고, PC는 헤드 드라이버(20)를 제어하여 노즐(11)의 잉크 토출량을 조절하도록 할 수 있다.

도 2에는 잉크젯 프린트헤드의 구동 방법에 적용된 구동 파형이 도시되어 있다.

헤드드라이버(20)를 통해 압전 액츄에어터에 구동 펄스를 인가하여 잉크가 채워진 압력 챔버의 부피를 변화시킴으로서, 압력 챔버의 부피 변화에 따른 압력 변화에 의해 압력 챔버에 연통된 노즐(11)을 통해 잉크 액적이 토출되도록 하는 잉크젯헤드(10)의 구동 방법은, 구동 펄스의 전압 상승 시간은 일정하게 유지시키고, 구동 펄스의 최대 전압 지속 시간을 조절함으로써, 노즐(11)을 통해 토출되는 액적의 체적을 변화시키는 것이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 잉크젯헤드(10)의 구동 방법에 있어서, 잉크 액적을 토출시키기 위해 압전 액츄에이터에 인가되는 구동 펄스는 사다리꼴 파형을 가진다. 이러한 사다리꼴 파형을 가진 구동 펄스의 전체 시간은, 전압이 높아지는 상승 시간과(t1: rising time :compressing), 최대 전압(V1:fire pulse amplitude), 즉 구동 전압이 일정하게 유지되는 토출 시간(t2:fire pulse width)과, 전압이 낮아지는 하강 시간(t3:falling time)으로 구성된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 최대전압은 압전소자(이하, PZT)에 걸리는 정상상태에서의 구동전압을 나타내며 이 전압이 크면 클수록 PZT의 변위량도 증가한다. 최대전압은 정상상태에서의 구동 전압의 지속 시간을 의미하며 보통 이 구간동안에 PZT의 미소 챔버에 잉크가 채워진다. 마지막으로 상승시간과 강하시간은 구동 파형의 상승시간 및 하강시간이며 이 구간 동안에 PZT는 각기 팽창 또는 수축한다. 이러한 파라미터들은 잉크의 크기, 모양, 꼬리 길이, 분사 속도 및 잔여 잉크 형성에 영향을 미치며, 특히 최대전압(V_FPA)과 지속시간(T_FPW)은 분사 액적량에 민감한 영향을 준다.

헤드드라이버(20)는 구동 펄스의 전압 상승 시간은 일정하게 유지시키고 최대 전압 지속 시간을 조절함으로써, 노즐(11)을 통해 토출되는 액적의 체적을 조절한다. 그러면, 최대 전압 지속 시간의 조절에 따라 노즐(11)을 통해 토출되는 액적의 체적을 다양하게 변화시킬 수 있으면서도, 일정하게 유지되는 전압 상승 시간에 의해 액적의 속도는 비교적 일정하게 유지할 수 있게 된다. 이때, 구동 펄스의 전압 강하 시간도 일정하게 유지될 수 있다.

도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 PZT 커패시턴스 측정방법을 도시한 도면이다.

여기서, 잉크젯헤드(10)의 노즐(11)은 전기적인 용량을 가지는 커패시터(12)이며, 노즐에 흐르는 전류값은 커런트 투 볼티지 컨버터(31)를 통해 구해진다. 구해진 전류값을 통해 피크 감지부(32)로부터 전류의 최대치인 I_peak 값을 얻고, I-peak는 PZT 정전용량 측정부(33)로 인가된다.

도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 액적량 계산을 도시한 도면이다.

PZT 계산부(33)를 통해 계산된 정전용량은 다음과 같은 식을 통해 전하량으로 치환된다.

일반적으로 PZT의 등가회로는 도3b에 도시된 바와 같이 커패시터(12)로 나타낼 수 있으며, 이 커패시터(12)를 충전하거나 방전하는데 필요한 전류는 다음의 식(1)과 같다.

이때, PZT 커패시터(12)에 걸리는 전류의 최대치는 아래의 식(2)로 나타낼 수 있다.

따라서, 전류의 평균치는 식(3)과 같이 구할 수 있다.

여기서, 지속시간은 잉크 토출의 분사 주기를 의미한다. 위의 식(2)를 대입하면 전류의 평균치는 아래의 식(4)로 바꾸어 쓸 수 있다.

시간이 t만큼 흐른 후, 커패시터(12)의 전하량이 Q일 때, 그 순간의 전류의 공식은 I=dQ/dt이고 PZT의 평균 전류값은 식(5)와 같이 표현할 수 있다.

따라서, 식(5)를 식(3)에 대입하면, 최종적으로 아래의 식을 얻을 수 있다. 여기서, 감지부(30)의 전하량 측정부(34)을 통해 PZT의 전하량을 구할 수 있다.

이하에서는, 도면을 참조하여, 위의 식을 통해 얻은 전하량을 럼프드 모델로 치환하여 잉크젯헤드(10)의 분사 액적량을 얻는 방법에 대해 설명한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 럼프드 모델을 도시한 도면이다.

도면에 도시된 바와 같이, 잉크젯 헤드(10)의 PZT에 구동 전압이 인가되는 전기적 요소와 유체 파라미터의 상관관계를 나타낸 것이다. 이종 시스템에 있어서, 럽프드 모델에 나타나는 파라미터는 도 5에 도시된 바와 같이 치환된다.

이에 따라, PZT에 전압 V가 인가될 때의 정전용량을 C, 전하량을 Q라고 한다면, 이는 압력 P, 체적 V의 유체 시스템으로 표현할 수 있다.

여기서, 체적 V는 잉크젯 헤드(10)에서 도출되는 분사량을 의미하며, 따라서 식 (7)은 아래의 관계로 다시 정의할 수 있다.

따라서, 위의 식을 럼프트 파라미터 C로 묶으면, 다음과 같이 정리할 수 있다.

여기서, K_eq는 실험 계수로서 다음과 같이 정의할 수 있다.

전술한 바와 같이, 간단한 방법을 이용하여 PZT의 정전용량을 구하고, 이를 럼프드 모델을 이용하여 분사액적으로 변환하였다. 이에 따라, 비교적 간단하여 고속 측정이 가능하며, 실시간에 동시 측정할 수 있는 장점이 있어 특히 다수의 노즐(11)을 가지는 잉크젯 헤드(10)의 경우 간편하고 유용하게 각 노즐의 액적량을 구 할 수 있다.

비록 본 발명의 몇몇 실시예들이 도시되고 설명되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 원칙이나 정신에서 벗어나지 않으면서 본 실시예를 변형할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 발명의 범위는 첨부된 청구항과 그 균등물에 의해 정해질 것이다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 간단한 방법으로 PZT 정전용량을 구하고, 럼프드 모델을 이용하여 잉크 액적량을 구함으로써, 헤드 드라이버의 각 노즐이 토출하는 잉크량을 쉽게 파악할 수 있는 프린팅장치가 제공된다.

Claims (4)

1. 프린팅장치에 있어서,

   복수의 노즐을 가지며 상기 각 노즐을 통해 잉크를 토출하는 잉크젯 헤드와;

   상기 잉크젯 헤드의 각 노즐에 전압을 인가하여 잉크 토출양을 조절하기 위한 헤드 드라이버와;

   상기 각 노즐에 흐르는 전류를 감지하여 상기 각 노즐의 정전용량을 측정하기 위한 감지부와;

   상기 감지부로부터 측정된 상기 정전용량에 따라 상기 각 노즐의 잉크 토출양을 계산하기 위한 계산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 프린팅장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 계산부의 계산 결과에 따라 상기 각 노즐의 잉크 토출양을 조절하도록 상기 헤드 드라이버를 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 프린팅장치.
3. 제2항에 있어서,

   상기 제어부는 상기 측정부의 측정 결과에 따라 상기 각 노즐이 토출하는 잉크의 양이 소정의 기준범위에 포함되는지 판단하고, 판단 결과 상기 기준범위에 포함되지 않는 노즐의 잉크 토출양이 상기 기준범위에 포함되도록 상기 헤드 드라이 버를 제어하는 것을 특징으로 하는 프린팅장치.
4. 제3항에 있어서,

   상기 계산부는 럼프드 모델(Lumped Model)을 통해 상기 잉크젯 헤드의 정전용량을 통해 상기 각 노즐이 토출하는 잉크의 양을 계산하는 것을 특징으로 하는 프린팅장치.

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