KR20070097178A

KR20070097178A - 역류 억제 수단을 구비한 잉크젯 프린트 헤드

Info

Publication number: KR20070097178A
Application number: KR1020060028026A
Authority: KR
Inventors: 김민수; 국건; 이방원
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2006-03-28
Filing date: 2006-03-28
Publication date: 2007-10-04
Also published as: US20070229609A1

Abstract

역류 억제 수단을 구비한 잉크젯 프린트 헤드가 개시된다. 본 발명의 잉크젯 프린트 헤드는, 잉크 챔버와 노즐과 액츄에이터를 구비하는 토출부; 잉크 챔버에 잉크를 리필하는 공급부; 토출부 및 공급부를 연결하는 연결부; 연결부에 마련되며 토출부 방향으로 리필되는 유동보다 공급부 방향으로 역류되는 유동에 대하여 더 큰 유동 저항을 작용하는 것으로, 축소부 및 확장부를 순차적으로 구비하는 역류 억제 수단; 을 포함한다.

Description

역류 억제 수단을 구비한 잉크젯 프린트 헤드{Inkjet print head including a means for back flow restriction}

도 1은 종래의 잉크젯 프린트 헤드를 개략적으로 도시한 평면도.

도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ' 선을 따라 본 측단면도.

도 3은 본 발명의 토출부, 연결부, 및 공급부를 도시하기 위한 단면 사시도.

도 4a는 본 발명의 실시예로서, 버블 팽창시의 잉크젯 프린트 헤드를 도시한 평면도.

도 4b는 도 4a에 대한 측단면도.

도 4c는 도 4a에 대하여 유량과 압력차의 관계를 도시한 곡선.

도 5a는 본 발명의 실시예로서, 버블 수축시의 잉크젯 프린트 헤드를 도시한 평면도.

도 5b는 도 5a에 대한 측단면도.

도 5c는 도 5a에 대하여 유량과 압력차의 관계를 도시한 곡선.

도 6a는 본 발명의 실시예로서, 버블 소멸 후의 잉크젯 프린트 헤드를 도시한 평면도.

도 6b는 도 6a에 대한 측단면도.

도 6c는 도 6a에 대하여 유량과 압력차의 관계를 도시한 곡선.

도 7 내지 도 10은 본 발명의 축소부 및 확장부에 대한 다양한 실시예를 도시한 평면도.

도 11은 도 7 내지 도 10에 도시된 각각의 실시예에 대하여 시간에 따른 유량을 도시한 곡선.

도 12는 본 발명의 실시예로서, 연결부의 중심축이 직선 또는 곡선의 굴곡을 갖는 잉크젯 프린트 헤드를 도시한 평면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100...토출부 122...잉크 챔버(ink chamber)

125...액츄에이터(actuator) 132...노즐

200...연결부 210...축소부

215...테이퍼면(tapered surface) 220...확장부

225...확장면 300...공급부

312...잉크 피드홀(ink feed hole) 400...역류 유동(back flow)

500...리필 유동(refill flow) 710...기판

720...챔버층 730...노즐층

B...버블(bubble)

본 발명은 잉크젯 프린트 헤드에 관한 것으로, 상세하게는 잉크의 역류를 방 지하고, 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 잉크젯 프린트 헤드에 관한 것이다.

일반적으로, 잉크젯 프린터는 잉크젯 프린트 헤드로부터 잉크의 미소한 액적(droplet)을 인쇄 매체 상의 원하는 위치에 토출시켜서 소정 색상의 화상을 인쇄한다. 이러한 잉크젯 프린터는 인쇄매체에 잉크를 분사하는 잉크젯 프린트 헤드를 구비하며, 잉크젯 프린트 헤드는 셔틀(shuttle) 방식과 어레이(array) 방식의 2 종류로 크게 구분된다.

셔틀 방식 잉크젯 프린트 헤드는 인쇄매체의 이송 방향(이하 부주사 방향이라고 한다.)에 수직한 방향(이하 주주사 방향이라고 한다.)으로 왕복 이동되면서 잉크를 분사한다. 셔틀 방식 잉크젯 프린트 헤드는 인쇄 속도를 증가시키기 위하여 부주사 방향으로 배열된 다수의 노즐을 구비한다. 부주사 방향을 따른 노즐의 배열 폭은 스와스(swath)의 폭과 일치하며, 셔틀 방식 프린트 헤드가 주주사 방향을 따라 동일한 스와스 내에서 이동될 때 상기 스와스 폭에 걸쳐 잉크가 동시에 분사된다. 즉, 인쇄 매체가 정지된 상태에서 셔틀 방식 프린트 헤드가 주주사 방향으로 이동되며 제1 스와스에 대하여 한꺼번에 잉크를 분사한다. 제1 스와스에 대한 잉크 분사가 완료되면 제2 스와스가 셔틀 방식 프린트 헤드와 대면될 수 있도록 인쇄 매체가 스와스 폭만큼 이동된다. 인쇄 매체가 다시 정지된 상태에서 셔틀 방식 프린트 헤드가 주주사 방향으로 이동되며 제2 스와스에 대하여 잉크를 분사한다.

어레이 방식 프린트 헤드는 잉크를 분사하는 노즐이 인쇄 매체의 폭 길이만큼 주주사 방향으로 배열된 노즐열을 구비한다. 또한, 셔틀 방식 프린트 헤드와 마찬가지로 상기 노즐열은 부주사 방향을 따라 스와스 폭만큼 배열된다. 인쇄 매체 및 어레이 방식 프린트 헤드가 정지된 상태에서 제1 스와스에 대한 잉크 분사가 일시에 이루어진다. 제1 스와스에 대한 잉크 분사가 완료되면 인쇄 매체가 스와스 폭만큼 이동되며 제2 스와스와 어레이 방식 프린트 헤드가 서로 대면된다. 인쇄 매체 및 어레이 방식 프린트 헤드가 다시 정지된 상태에서 제2 스와스에 대하여 일시에 잉크 분사가 이루어진다. 어레이 방식 프린트 헤드를 채용한 잉크젯 프린터는 프린트 헤드가 고정된 상태에서 인쇄 매체만이 이송되면서 잉크를 분사하므로 고속 인쇄를 구현할 수 있다.

도 1에는 종래의 잉크젯 프린트 헤드가 개략적으로 도시되며, 도 2에는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ' 선을 따라 본 단면이 도시된다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 종래 잉크젯 프린트 헤드는 잉크 공급을 위한 잉크피드홀(ink feedhole,12)이 형성된 기판(10)과, 상기 기판(10) 위에 적층되는 챔버층(20)과, 상기 챔버층(20) 위에 적층되는 노즐층(30)을 포함한다. 상기 챔버층(20)에는 토출될 잉크가 채워지는 다수의 잉크챔버(22) 및 상기 잉크피드홀(12)로부터 상기 잉크챔버들(22)로 잉크를 공급하는 통로인 다수의 리스트릭터(restrictor,24)가 형성되어 있다. 상기 리스트릭터들(24)과 잉크피드홀(12) 사이에는 공통 유입구(26)가 형성되어 있다. 리스트릭터(24)의 양단부(24a,24b)는 잉크챔버(22) 및 공통 유입구(26)와 연결된다. 그리고, 상기 노즐층(30)에는 잉크의 토출이 이루어지는 노즐(32)이 형성되어 있다. 상기 잉크챔버들(22) 각각에는 잉크의 토출력을 발생시키는 액츄에이터가 마련된다. 액츄에이터의 실시예로서, 히터, 압전 소자, 형상 기억 합금, 및 초음파 모터 등이 가능하다. 도시된 실시예로서, 잉크 챔버들(22) 각각의 바닥에는 잉크를 가열하여 버블을 발생시키기 위한 히터(25)가 마련된다. 상기와 같은 구조에서, 잉크챔버(22)에 잉크가 채워진 상태에서 히터(25)에 전류가 인가되면, 히터(25) 주위의 잉크는 가열되어 버블이 발생 팽창하게 되고, 이러한 버블의 팽창력에 의하여 잉크챔버(22) 내의 잉크는 노즐(32)을 통하여 외부로 토출된다. 잉크 토출 후, 상기 잉크챔버(22) 내에는 잉크피드홀(12)로부터 공통 유입구(26) 및 리스트릭터(24)를 통하여 잉크가 다시 리필(refill)된다. 이를 잉크의 리필 유동(50)으로 정의한다.

그러나, 상기와 같은 잉크젯 프린트헤드의 잉크유로 구조에서는, 버블의 팽창에 따른 잉크 토출 과정에서 리스트릭터(24) 내부에서 잉크챔버(22) 내의 잉크가 잉크피드홀(12) 쪽으로 역류(back-flow)되는 역류 유동(40)이 발생하게 된다. 히터(25)에서 발생되는 에너지는 노즐(32)을 통한 잉크 토출 외에 역류 유동(40)에 의하여 불필요하게 소모되므로 히터(25)의 에너지 효율이 저하되고 잉크젯 프린트 헤드의 전력 소모가 증가된다. 또한, 히터(25)를 더욱 가혹하게 구동해야 하므로 히터(25)의 신뢰성이 저하된다.

셔틀 방식 프린트 헤드에서 부주사 방향으로 스와스 폭 크기만큼 다수 배열되는 노즐(32)의 개수가 증가할수록 이러한 문제점이 두드러지며, 특히 주주사 방향으로 인쇄매체의 폭 길이 및 부주사 방향으로 스와스 폭 크기에 걸쳐 수 만개 이상의 히터(25)가 마련되는 어레이 방식 프린트 헤드에서 상기와 같은 문제를 해결할 필요성이 더욱 대두된다.

또한, 잉크피드홀(12)로부터 잉크챔버(22)로 리필되어야 할 잉크 유량은 노즐(32)에서 토출되어 소모된 잉크 유량과 잉크피드홀(12)로 역류된 잉크 유량을 더 한 값이 되므로, 역류되는 잉크 유량이 증가할수록 리필되어야 할 잉크 유량과 리필 시간이 증가한다. 리필 시간이 증가되면 잉크젯 프린트 헤드의 구동 주파수(driving frequency)를 높일 수 없으며, 결과적으로 인쇄 속도가 저하되는 문제점이 있다.

본 발명의 기술적 과제는 상술한 문제점을 개선하기 위한 것으로, 잉크의 역류 유동을 억제하고 액츄에이터의 에너지 효율을 향상시키며 높은 주파수로 구동할 수 있는 잉크젯 프린트 헤드를 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 잉크젯 프린트 헤드는,

잉크가 채워지는 잉크 챔버와, 상기 잉크가 토출되는 노즐과, 토출력을 발생하는 액츄에이터를 구비하는 토출부;

상기 잉크 챔버에 잉크를 리필하는 공급부;

상기 토출부 및 공급부를 연결하는 연결부;

상기 연결부에 마련되며 상기 토출부 방향으로 리필되는 유동보다 상기 공급부 방향으로 역류되는 유동에 대하여 더 큰 유동 저항을 작용하는 것으로, 상기 공급부를 향하여 그 단면적이 점차 축소되는 축소부 및 상기 공급부를 향하여 그 단면적이 상기 축소부에 비하여 급격하게 확장되는 확장부를 순차적으로 구비하는 역류 억제 수단; 을 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예로서, 상기 확장부는, 인접한 2개의 축소부 사이에 구비되며, 상기 축소부에 비하여 더 급격한 경사를 갖는다.

일 실시예로서, 상기 역류 억제 수단은, 상기 연결부 양단의 압력차가 증가됨에 따라 상기 연결부를 통하여 이동되는 유량이 증가될 때 상기 압력차의 증가에 따라 상기 유량의 증가율이 감소되는 비선형성, 및 상기 리필되는 유동보다 상기 역류되는 유동에 대하여 상기 유량의 증가율이 더 작아지는 비등방성을 갖는다.

일 실시예로서, 상기 축소부는, 상기 공급부를 향하여 닫혀지는 경사를 갖는 테이퍼면을 구비한다.

일 실시예로서, 상기 확장부는, 상기 연결부의 중심축에 대하여 수직한 방향으로 연장되는 확장면을 구비한다.

일 실시예로서, 상기 축소부 및 상기 확장부는, 순차적으로 복수 개 마련된다.

일 실시예로서, 상기 연결부는, 상기 토출부 및 공급부를 직선상으로 연결한다.

일 실시예로서, 상기 연결부의 중심축은 굴곡된 형상을 갖는다.

일 실시예로서, 상기 액츄에이터는 상기 잉크를 가열함으로써 버블을 발생시키는 열원을 구비하며, 상기 토출부는 상기 버블의 성장 방향과 상기 잉크의 토출 방향이 일치하는 탑 슈팅 방식에 의하여 상기 잉크를 토출시킨다.

한편, 상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 잉크젯 프린트 헤드는,

상기 잉크 챔버에 잉크를 리필하는 공급부;

상기 토출부 및 공급부를 연결하는 연결부;

상기 연결부에 마련되며 상기 토출부 방향으로 리필되는 유동보다 상기 공급부 방향으로 역류되는 유동에 대하여 더 큰 유동 저항을 작용하는 것으로, 상기 연결부 양단의 압력차가 증가됨에 따라 상기 연결부를 통하여 이동되는 유량이 증가될 때, 상기 압력차의 증가에 따라 상기 유량의 증가율이 감소되는 비선형성, 및 상기 리필되는 유동보다 상기 역류되는 유동에 대하여 상기 유량의 증가율이 더 작아지는 비등방성을 갖는 역류 억제 수단; 을 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예로서, 상기 역류 억제 수단은, 상기 공급부를 향하여 닫혀지는 경사를 갖는 테이퍼면을 반복적으로 구비한다.

일 실시예로서, 상기 역류 억제 수단은, 인접한 2개의 테이퍼면 사이에 확장면을 더 구비한다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예는 첨부도면에 도시된 바에 국한되지 않고, 동일한 발명의 범주내에서 다양하게 변형될 수 있음을 밝혀둔다.

도 3은 본 발명의 토출부(100), 연결부(200), 및 공급부(300)를 도시하기 위한 단면 사시도이다. 잉크의 유동 경로를 자세히 관찰할 수 있도록 잉크젯 프린트 헤드의 상면이 절개된 상태로 도시된다. 토출부(100)는 화상의 인쇄를 위하여 잉크를 분사하며, 잉크 챔버(122)와, 노즐(미도시)과, 액츄에이터(미도시)를 구비한다. 잉크 챔버(122)에는 잉크가 채워지며, 잉크 챔버(122)에 채워진 잉크는 노즐을 통 하여 토출되고, 액츄에이터에 의하여 잉크 토출력이 발생한다. 공급부(300)는 토출부(100)에 잉크를 리필시키는 것으로, 잉크 저장소(미도시)와 연결부(200)를 접속시켜 잉크의 공급 통로가 되는 잉크 피드홀(312)을 구비한다. 일 실시예로서, 연결부(200)는 토출부(100) 및 공급부(300)를 직선상으로 연결한다.

도 4a는 본 발명의 실시예로서, 버블(B) 팽창시의 잉크젯 프린트 헤드를 도시한 평면도이다. 도 4b는 도 4a에 대한 측단면도이다. 일 실시예로서 도시된 액츄에이터(125)는, 버블(B)의 팽창에 의하여 잉크 토출력을 발생하는 히터이다. 도시되지는 않았지만, 압전 소자, 형상 기억 합금, 및 초음파 모터 등의 액츄에이터(125)도 가능하다. 도시된 잉크젯 프린트 헤드는 버블(B)의 성장 방향과 잉크의 토출 방향이 일치하는 탑 슈팅(top shooting) 방식이다. 그러나, 버블(B)의 성장 방향과 잉크의 토출 방향이 서로 직각을 이루는 사이드 슈팅(side shooting) 방식이나, 서로 반대 방향을 이루는 백 슈팅(back shooting) 방식 등 액츄에이터(125)의 설치 위치 및 구조는 다양하게 변용될 수 있다.

잉크젯 프린트 헤드는 차례로 적층된 기판(710), 챔버층(720), 및 노즐층(730)을 구비한다. 기판(710)에는 공급부(300)로서 잉크 피드홀(312)이 형성된다. 기판(710) 위에 적층되는 챔버층(720)에는 사진 식각 등의 제조 방법에 의하여 잉크 챔버(122), 액츄에이터(125), 및 연결부(200)가 형성된다. 챔버층(720) 위에 적층되는 노즐층(730)에는 노즐(132)이 형성된다.

액츄에이터(125)의 동작이 개시되면 액츄에이터(125)에 인접한 잉크가 비등점 이상으로 가열됨으로써 버블(B)이 팽창된다. 예를 들어 액츄에이터(125)의 전원 이 인가된 후 5 ~ 10 ㎲ 정도의 시간이 경과되는 동안 버블(B)이 팽창되고 버블(B)내부에 수십 기압의 압력이 발생된다. 이 압력에 의하여, 잉크 챔버(122) 내의 잉크는 노즐(132)로 토출되고 잉크의 일부는 연결부(200)를 통하여 공급부(300) 방향으로 역류된다.

도 5a는 본 발명의 실시예로서, 버블(B) 수축시의 잉크젯 프린트 헤드를 도시한 평면도이다. 도 5b는 도 5a에 대한 측단면도이다. 액츄에이터(125)의 구동이 오프되면 버블(B)이 수축되기 시작하면서 잉크 챔버(122) 내의 압력이 급속히 낮아진다. 예를 들어 액츄에이터(125)의 전원이 인가된 후 10 ~ 20 ㎲ 정도의 시간이 경과되는 동안 버블(B)이 수축되고, 버블(B) 내의 압력은 대기압 ~ 수십 기압 정도로 떨어진다. 버블(B) 팽창시 높은 압력이 작용하던 연결부(200)는, 버블(B) 수축에 따라 순간적으로 잉크 챔버(122)보다 고압 상태로 된다. 버블(B) 수축에 따른 토출부(100)와 연결부(200)의 압력차는 토출부(100)를 향하는 리필 유동(500)의 1차 구동 요인이 된다.

도 6a는 본 발명의 실시예로서, 버블(B) 소멸 후의 잉크젯 프린트 헤드를 도시한 평면도이다. 도 6b는 도 6a에 대한 측단면도이다. 액츄에이터(125)의 구동이 오프된 후 잉크의 냉각이 더욱 진행되면서 버블(B)이 완전히 소멸한다. 예를 들어 액츄에이터(125)의 전원이 인가된 후 10 ~ 50 ㎲ 정도의 시간 내에 액츄에이터(125)의 전원이 오프된 다음 버블(B)이 완전히 소멸되고, 잉크 챔버(122) 내의 압력은 대기압 정도로 떨어진다.

이때, 연결부(200)의 압력은 리필 유동(500)의 진행에 따라 상술한 도 5a의 경우보다 낮아진다. 잉크 챔버(122) 및 연결부(200)의 압력차가 거의 소멸되고 잉크 챔버(122) 및 연결부(200)가 대기압 상태에 도달하는 도 6a에 있어서, 노즐(132)에서의 표면 장력에 의한 모세관 힘으로 리필 유동(500)이 진행된다.

도 4c는 버블 팽창시에 유량(Q)과 압력차(ΔP)의 관계를 도시한 곡선이다. 도 5c는 버블 수축시에 유량(Q)과 압력차(ΔP)의 관계를 도시한 곡선이다. 도 6c는 버블이 완전히 소멸된 후 유량(Q)과 압력차(ΔP)의 관계를 도시한 곡선이다. 도 4a 내지 도 6c를 함께 참조하며 역류 억제 수단의 구성과 작용을 설명한다.

설명의 편의상 연결부(200) 및 토출부(100)가 접속되는 지점을 연결부(200)의 입구로 정의하고, 연결부(200) 및 공급부(300)가 접속되는 지점을 연결부(200)의 출구로 정의한다. 도 4c 내지 도 6c의 수평축은 연결부(200)의 입구 및 출구에 대한 잉크의 압력차(ΔP)를 나타내고, 수직축은 연결부(200)를 통과하는 잉크의 유량(Q)을 나타낸다. 잉크를 비압축성 유체로 볼 때, 도 4c 내지 도 6c의 수평축에 도시된 압력차(ΔP)는 토출부(100) 및 공급부(300) 간의 압력차와 실질적으로 동일하다. 이하에서 유동 저항(R)은 다음의 수학식으로 정의된다. 유동 저항(R)은 후술될 유량 증가율의 역수이다.

역류 억제 수단은 연결부(200)에 마련된다. 역류 억제 수단은 토출부(100) 방향으로 리필되는 유동(500)보다 공급부(300) 방향으로 역류되는 유동(400)에 대 하여 더 큰 유동 저항(R)을 작용함으로써 역류 유동(400)을 억제한다. 역류 억제 수단은, 공급부(300)를 향하여 그 단면적이 점차 축소되는 축소부(210) 및 공급부(300)를 향하여 그 단면적이 확장되는 확장부(220)를 순차적으로 구비한다.

역류 유동(400)에 대하여 더 큰 유동 저항(R)을 작용하기 위하여 확장부(220)와 축소부(210)는 서로 다른 경사를 갖는다. 확장부(220)는 인접한 2개의 축소부(210) 사이에 구비되며 축소부(210)에 비하여 더 급격한 경사를 갖는다. 확장부(220)에 대한 단면적의 확장율은 축소부(210)에 대한 단면적의 축소율보다 매우 급격하다. 달리 표현하자면, 역류 억제 수단은 공급부(300)를 향하여 닫혀지는 경사를 갖는 테이퍼면(215)을 반복적으로 구비한다. 확장면(225)은 테이퍼면(215)이 각각 연결되는 위치인 스로트(throat)(219)로부터 연결부(200)의 중심축(C-C')에 대하여 수직한 방향으로 연장되는 것이 바람직하다. 축소부(210) 및 연결부(200)는 순서대로 마련되어야 하며 축소부(210) 및 확장부(220)의 개수는 제한되지 않는다.

공급부(300)로 역류되는 유동(400)은 축소부(210) 및 확장부(220) 순서로 연결부(200)를 통과하면서 축소부(210)에서 서서히 압축되고 확장부(220)에서 급격히 팽창되므로, 레이놀즈수(Reynolds number), 유속, 및 난류 성분이 큰 고속 유동이다. 반면에 토출부(100)로 리필되는 유동(500)은 확장부(220) 및 축소부(210) 순서로 연결부(200)를 통과하면서 역류 유동(400)에 비하여 레이놀즈수(Reynolds number), 유속, 및 난류 성분이 작은 저속 유동이 된다.

도 4c 내지 도 6c에 도시된 곡선 중 최상단에 직선 형상으로 그려진 제1 곡선(410)은 도 1에 도시된 종래의 잉크 유로에 대한 압력차 및 잉크 유량 간의 선형 적 비례관계를 도시하며, 이때 유동 저항(R)은 제1 곡선(410)의 기울기의 역수로서 상수이다. 제1 곡선(410)의 바로 밑에 그려진 제2 곡선(450)은 본 발명의 잉크 유로에서 리필 유동(500)에 대한 압력차 및 잉크 유량의 상관 관계를 나타낸다. 제2 곡선(450)의 바로 밑에 그려진 제3 곡선(440)은 본 발명의 잉크 유로에서 역류 유동(400)에 대한 압력차 및 잉크 유량의 상관 관계를 나타낸다.

본 발명의 잉크 유로에 관한 제2 곡선(450) 및 제3 곡선(440)에서 유동 저항(R)은 상수가 아니며, 압력차가 증가됨에 따라 증가된다. 결국, 유동 저항(R)의 역수에 해당하는 잉크 유량의 증가율(제2 곡선(450) 및 제3 곡선(440)상의 각 지점에서 접선 기울기에 해당한다.)은 압력차가 증가됨에 따라 감소되는 비선형성(nonlinearity)을 갖는다.

비선형성의 원인은 역류 억제 수단에 의하여 발생하는 잉크 유동의 관성 손실이 압력차에 따라 증가하기 때문이다. 여기서 관성 손실이라 함은 운동 에너지 및 위치 에너지를 포함하는 잉크 유동의 관성 에너지가 유동 전후에 보존되지 못하고 손실됨을 의미한다. 도 3 이하에 도시된 본 발명의 비선형적 잉크 유로는 도 1에 도시된 종래의 선형적 잉크 유로에 비하여 더 큰 유동 저항(R)을 갖고 압력차가 커질수록 역류 유량을 현저하게 감소시킨다. 개념적으로는 잉크 유동의 관성 에너지가 손실되는 양을 관성 손실로 볼 수 있지만, 설명의 편의상 압력차가 동일할 때 종래의 잉크 유량에 대한 본 발명의 잉크 유량의 차이를 관성 손실(ΔQ)로 정의하기로 한다. 관성 손실(ΔQ)은 잉크 유동의 유속, 레이놀즈수, 토출부(100) 및 공급부(300)의 압력차가 증가됨에 따라 같이 증가된다.

역류 억제 수단은 리필 유동(500)보다 역류 유동(400)에 대하여 더 큰 관성 손실을 발생시키는 비등방성(anisotropic property)을 갖는다. 제3 곡선(440)이 제2 곡선(450)의 하단에 위치하는 것은, 유동 저항(R)의 크기가 유동의 방향에 따라 다른 값을 가지며 리필 유동(500)보다 역류 유동(400)에 대하여 더 큰 유동 저항(R)이 작용되는 것을 의미하므로, 압력차 및 잉크 유량 사이의 상관 관계는 비등방성(anisotropic property)을 갖는다. 역류 유동(400)의 관성 손실보다 리필 유동(500)의 관성 손실이 더 작으며, 리필 유동(500)의 잉크 유량 증가율(451)(제2 곡선(450)상의 각 지점에서 접선 기울기에 해당한다.)보다 역류 유동(400)의 잉크 유량 증가율(441)(제3 곡선(440)상의 각 지점에서 접선 기울기에 해당한다.)이 더 작다. 제2 곡선(450)이 제1 곡선(410)에 접근하고 제3 곡선(440)으로부터 멀어질수록 리필 유동(500)에 대한 관성 손실을 줄일 수 있다.

버블 팽창시 압력차 및 역류 유량의 상관 관계를 나타내는 도 4c를 참조하면, 참조부호 ΔPB는 버블 팽창시 토출부(100) 및 공급부(300)의 압력차, 참조부호 QL은 도 1에 도시된 종래의 잉크 유로에 대한 역류 유량, 참조부호 QB는 역류 억제 수단을 구비한 본 발명의 역류 유량, 참조부호 QR은 버블 수축이 막 개시되는 순간에 토출부(100)를 향하여 리필되는 유량(500)을 나타낸다. 설명의 편의상 버블 팽창에 의한 에너지가 동일한 압력차(ΔPB)를 발생시킨다고 가정하면, 종래의 잉크 유로에 대한 역류 유량(QL)보다 본 발명의 역류 유량(QB)이 더 작다. 상술한 바와 같이 역류 억제 수단의 비선형성 때문이다.

버블 수축시 압력차 및 리필 유량의 상관 관계를 나타내는 도 5c를 참조하 면, 참조부호 ΔPR은 버블 수축시 토출부(100) 및 공급부(300)의 압력차, 참조부호 QL은 종래의 잉크 유로에 대한 리필 유량, 참조부호 QR은 본 발명의 리필 유량을 나타낸다. 버블 수축시 동일한 압력차(ΔPR)가 발생한다고 가정할 때 종래의 리필 유량(QL)보다 본 발명의 리필 유량(QR)이 더 작은 것으로 도시되었다. 그러나, 버블 수축시의 압력차(ΔPR)는 버블 팽창시의 압력차(ΔPB)보다 훨씬 작으므로, 유동 저항의 차이에 의한 리필 유량의 감소량은 역류 유동(400)의 감소량에 비하여 무시할 수 있을 정도이다.

버블 소멸 후의 압력차 및 리필 유량의 상관 관계를 나타내는 도 6c를 참조하면, 참조부호 ΔPF는 버블 소멸 후의 토출부(100) 및 공급부(300)의 압력차(노즐(132)에서의 표면 장력에 의한 압력차)를 나타낸다. 종래의 리필 유량, 본 발명의 리필 유량, 비교를 위하여 도시된 본 발명의 가상적인 역류 유량은 참조부호 QF로 동일하다. 압력차 및 관성 손실이 매우 작기 때문이다.

도 4c, 도 5c, 및 도 6c를 참조하여 본 발명의 리필 성능에 관하여 다시 한번 설명한다. 잉크 챔버(122)에 리필되어야 할 유량은 외부로 토출된 유량과 역류 유량을 합한 값이다. 본 발명에서는 역류 유동(400)에 대한 유동 저항(R)으로 인하여 역류 유량이 훨씬 줄어들게 되므로, 만약 리필 유량이 감소된다고 가정하여도 전체적인 리필 시간 및 리필 특성은 종래와 동일하거나 더 개선될 수 있다. 이는 후술될 도 11에서 확인할 수 있다. 즉, 역류 유동(400)이 억제되므로 액츄에이터(125)의 에너지 효율이 개선되고 액츄에이터(125)의 용량을 소형화시킬 수 있다. 아울러, 전체적인 리필 시간과 리필 특성을 종래와 동일하게 유지하거나 더 개선할 수 있다.

도 7 내지 도 10은 본 발명의 축소부(210) 및 확장부(220)에 대한 다양한 실시예를 도시한 평면도이다. 편의상 도 7에 도시된 잉크 유로는 제1 실시예, 도 8에 도시된 잉크 유로는 제2 실시예, 도 9에 도시된 잉크 유로는 제3 실시예, 도 10에 도시된 잉크 유로는 제4 실시예로 정의한다. 제1 내지 제4 실시예는 축소부(210)의 경사각(φ1=30°, φ2=45°), 축소부(210)의 개수(2~3개), 스로트(219)의 크기(G1=12㎛, G2=14㎛)에 따라 구별된다.

도 11은 도 7 내지 도 10에 도시된 제1 내지 제4 실시예에 대하여 시간에 따른 잉크 유량을 수치 해석적으로 구하여 도시한 곡선이다. 표 1은 제1 내지 제4 실시예에 대한 수치 해석 결과를 나타내고 표 2에는 표 1에 기재된 값을 종래의 잉크 유로와 비교하여 백분율로 표시하였다. 참조부호 610은 제1 실시예에 대한 유량 곡선, 참조부호 620은 제2 실시예에 대한 유량 곡선, 참조부호 630은 제3 실시예에 대한 유량 곡선, 참조부호 640은 제4 실시예에 대한 유량 곡선, 참조부호 650은 종래의 잉크 유로에 대한 유량 곡선을 나타낸다. 수직축의 음의 부호는 역류되는 유량을 의미하고 양의 부호는 리필되는 유량을 의미한다.

	units	종래 구조	제1 실시예	제2 실시예	제3 실시예	제4 실시예
잉크 액적의 토출 속도	(m/s)	15.5	15.6	15.3	15.2	15.5
잉크 액적의 체적	(pl : pico liter)	2.2	2.2	2.2	2.2	2.2
최대 역류유량	(pl)	2.7	2.5	2.1	2.8	2.5
리필 유속	(pl/us)	0.2	0.16	0.39	0.35	0.37
리필 시간	(us : micro second)	23.1	29.6	14.7	16.8	16

	units	종래 구조	제1 실시예	제2 실시예	제3 실시예	제4 실시예
잉크 액적의 토출 속도	%	100	100.3	98.3	98	99.6
잉크 액적의 체적	%	100	100	99.9	99.7	100
최대 역류유량	%	100	90.8	78.9	102	91.1
리필 유속	%	100	79.5	194.9	177.2	187.6
리필 시간	%	100	128.3	63.9	72.6	69.3

도 11을 참조하면, 수평축의 0~10㎲ 구간에서 각 유량 곡선의 피크(peak)값은 최대 역류 유량의 크기를 의미한다. 표 2를 참조하면, 잉크 액적의 토출 속도 및 잉크 액적의 체적은 종래와 동일하며, 최대 역류 유량의 크기는 종래에 비하여 감소되는 경향(78.9~102 % 이다.)을 갖는다.

도 11을 참조하면, 수평축의 10~30㎲ 구간에서 각 유량 곡선의 수직축 값은 리필 유량을 의미한다. 표 2를 참조하면, 단위 시간당 리필 유량을 의미하는 리필 유속(flow rate)은 종래에 비하여 증가되는 경향(최대 194.9 %)을 갖고, 리필 시간은 종래에 비하여 감소되는 경향(최소 63.9 %)을 가지며, 리필 유량은 종래에 비하여 증가되는 경향(참조부호 620, 630, 640 참조)을 갖는다. 그 결과, 본 발명에서는 일정량의 리필 유량을 잉크 챔버(122)에 채우기 위하여 종래보다 더 짧은 리필 시간이 소모되므로 전술한 역류 방지는 물론 리필 특성도 아울러 개선된다.

도 4c, 도 5c, 및 도 6c에 대하여 전술한 단락에서, 설명의 편의상 연결부(200) 양단에 동일한 압력차가 작용하는 것을 전제로 하여 리필 유량을 종래와 비교하였다. 그러나, 도 11 및 표 2에 해당하는 수치 해석에서는, 압력차의 동일 조건을 강제로 부과되지 않은 채 버블의 팽창, 수축, 및 소멸에 따른 실제 운전 조건에서 리필 유량을 종래와 비교하였다.

도 12는 본 발명의 실시예로서, 도시된 연결부(200)의 중심축(C-C')은 직선 또는 곡선 형상으로 굴곡된 형상을 가질 수 있다. 역류 억제 수단은 연결부(200) 중심축(C-C')의 형상 변화에 따라 그 작용에 실질적인 변동이 초래되지 않으며, 수축부 및 확장부(220)의 순차적인 배열에 의하여 역류 유동(400)에 대한 유동 저항(R)을 증가시킨다. 이에 대한 상세한 설명은 전술된 바와 동일하므로 생략한다.

상술한 바와 같이 본 발명의 잉크젯 프린트 헤드에 따르면 공급부 방향으로 역류되는 잉크 유동이 억제됨으로써 액츄에이터의 에너지 효율 향상 및 소형화를 이룰 수 있고, 토출부 방향의 잉크 리필 특성 저하, 리필 시간 지연, 또는 잉크젯 프린트 헤드의 구동 주파수 저하가 방지되므로 저소비 전력으로 고속의 잉크 분사를 수행할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

Claims

잉크가 채워지는 잉크 챔버와, 상기 잉크가 토출되는 노즐과, 토출력을 발생하는 액츄에이터를 구비하는 토출부;

상기 잉크 챔버에 잉크를 리필하는 공급부;

상기 토출부 및 공급부를 연결하는 연결부;

상기 연결부에 마련되며 상기 토출부 방향으로 리필되는 유동보다 상기 공급부 방향으로 역류되는 유동에 대하여 더 큰 유동 저항을 작용하는 것으로, 상기 공급부를 향하여 그 단면적이 점차 축소되는 축소부 및 상기 공급부를 향하여 그 단면적이 상기 축소부에 비하여 급격하게 확장되는 확장부를 순차적으로 구비하는 역류 억제 수단; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트 헤드.
제 1항에 있어서,

상기 확장부는,

인접한 2개의 축소부 사이에 구비되며, 상기 축소부에 비하여 더 급격한 경사를 갖는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트 헤드.
제 2항에 있어서,

상기 역류 억제 수단은,

상기 연결부 양단의 압력차가 증가됨에 따라 상기 연결부를 통하여 이동되는 유량이 증가될 때, 상기 압력차의 증가에 따라 상기 유량의 증가율이 감소되는 비선형성, 및 상기 리필되는 유동보다 상기 역류되는 유동에 대하여 상기 유량의 증가율이 더 작아지는 비등방성을 갖는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트 헤드.
제 3항에 있어서,

상기 축소부는,

상기 공급부를 향하여 닫혀지는 경사를 갖는 테이퍼면을 구비하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트 헤드.
제 4항에 있어서,

상기 확장부는,

상기 연결부의 중심축에 대하여 수직한 방향으로 연장되는 확장면을 구비하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트 헤드.
제 5항에 있어서,

상기 축소부 및 상기 확장부는,

순차적으로 복수 개 마련되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트 헤드.
제 1항에 있어서,

상기 연결부는,

상기 토출부 및 공급부를 직선상으로 연결하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트 헤드.
제 1항에 있어서,

상기 연결부의 중심축은, 굴곡된 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트 헤드.
제 1항에 있어서,

상기 액츄에이터는 상기 잉크를 가열함으로써 버블을 발생시키는 열원을 구비하며,

상기 토출부는 상기 버블의 성장 방향과 상기 잉크의 토출 방향이 일치하는 탑 슈팅 방식에 의하여 상기 잉크를 토출시키는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트 헤드.
잉크가 채워지는 잉크 챔버와, 상기 잉크가 토출되는 노즐과, 토출력을 발생하는 액츄에이터를 구비하는 토출부;

상기 잉크 챔버에 잉크를 리필하는 공급부;

상기 토출부 및 공급부를 연결하는 연결부;

상기 연결부에 마련되며 상기 토출부 방향으로 리필되는 유동보다 상기 공급부 방향으로 역류되는 유동에 대하여 더 큰 유동 저항을 작용하는 것으로, 상기 연 결부 양단의 압력차가 증가됨에 따라 상기 연결부를 통하여 이동되는 유량이 증가될 때, 상기 압력차의 증가에 따라 상기 유량의 증가율이 감소되는 비선형성, 및 상기 리필되는 유동보다 상기 역류되는 유동에 대하여 상기 유량의 증가율이 더 작아지는 비등방성을 갖는 역류 억제 수단; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트 헤드.
제 10항에 있어서,

상기 역류 억제 수단은,

상기 공급부를 향하여 닫혀지는 경사를 갖는 테이퍼면을 반복적으로 구비하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트 헤드.
제 11항에 있어서,

상기 역류 억제 수단은,

인접한 2개의 테이퍼면 사이에 확장면을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트 헤드.
제 10항에 있어서,

상기 연결부는,

상기 토출부 및 공급부를 직선상으로 연결하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트 헤드.
제 10항에 있어서,

상기 연결부의 중심축은, 굴곡된 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트 헤드.
제 10항에 있어서,

상기 액츄에이터는 상기 잉크를 가열함으로써 버블을 발생시키는 열원을 구비하며,

상기 토출부는 상기 버블의 성장 방향과 상기 잉크의 토출 방향이 일치하는 탑 슈팅 방식에 의하여 상기 잉크를 토출시키는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린트 헤드.