KR20090005355A

KR20090005355A - 액적 침착 장치

Info

Publication number: KR20090005355A
Application number: KR1020087026804A
Authority: KR
Inventors: 폴 레이몬드 드루리; 스티븐 템플
Original assignee: 자아 테크날러쥐 리미티드
Priority date: 2006-04-03
Filing date: 2007-04-03
Publication date: 2009-01-13
Also published as: US8523332B2; CN103522760A; EP2343187A1; EP2007584A2; US8123337B2; KR101363562B1; IL194361A0; EP2007584B2; PL2007584T3; BRPI0709906A2; JP2015166176A; ES2389150T3; JP5148593B2; TWI376315B; TW200738475A; PL2343187T3; WO2007113554A3; WO2007113554A2; AU2007232337A1; KR101363461B1

Abstract

액적 침착 장치는, 한쌍의 대향하는 챔버 벽들에 의해 형성되고 액적 배출을 위한 노즐과 유체 소통되는 유체 챔버들의 배열(array); 및 챔버 벽들의 가장자리에 접합되고 따라서 챔버들의 일 측부를 시일하는 덮개 부재;를 포함한다. 덮개 부재는 1:1 보다 작거나 또는 1:1 과 같은, 챔버 벽의 분리에 대한 덮개 두께의 비율을 가진다.

Description

액적 침착 장치{Droplet deposition apparatus}

본 발명은 액적 침착 장치의 구성 요소에 관한 것이며, 보다 상세하게는 액적 침착 장치의 덮개 부재에 관한 것이다. 본 발명은 액적 주문형 잉크 제트 인쇄(drop on demand ink jet printing) 분야에 특히 적용된다.

잉크 제트 인쇄 헤드의 공지 구조는 유체 배출 챔버 안에서 압력 파동들을 발생시키고 조작하도록 압전 작동 요소들을 이용한다. 신뢰성 있는 작동 및 충분한 액적 배출 속도를 위해서, 챔버 안에서 최소 압력이 발생되어야 하며, 통상적으로 약 1 bar의 압력이 발생되어야 한다. 그러한 압력을 발생시키기 위하여, 챔버는 적절한 단단함(stiffness) (또는 순응성(compliance)의 결여)을 나타내야 한다는 점이 이해될 것이다. 따라서 유체 챔버의 순응성은 챔버의 설계에 중요한 판단 기준이며, 유체 배출 챔버의 순응성을 최소로 유지하는 다양한 기술들이 이전에 제안되었다.

예를 들면, 유럽 특허 EP 0712355 는 낮은 순응성의 접착제 접합을 제공하는 접합 기술을 개시한다. 국제 특허 WO 02/98666 은 정확한 노즐 형성을 여전히 허용하면서 단단함을 향상시키는 복합 구조를 가진 노즐 플레이트를 제안한다.

공지의 압전 액튜에이터 구조들에서 신장된 채널들의 배열(array)은 압전 재 료의 블록 표면에 나란히 형성된다. 덮개 플레이트는 표면에 부착되어 채널들을 감싸며, 유체 배출을 위한 오리피스들이 형성되는 노즐 플레이트도 부착된다. 노즐 플레이트는 덮개 플레이트 위에 놓일 수 있으며, 오리피스들은 노즐 플레이트를 통하여 형성되고 덮개 플레이트는 아래의 채널을 통하여 형성된다. 이러한 구조는 노즐들이 채널의 측부에 형성되므로 '측부-슈터(side-shooter)'로 알려져 있다. 또한 노즐 플레이트를 채널들의 단부에 부착하는 소위 '단부 슈터(end-shooter)' 구조가 알려져 있다.

유럽 특허 출원 EP-A-0 277 703 및 EP-A-0 278 590 은 특히 바람직한 프린트헤드 장치를 개시하는데, 여기에서는 챔버 벽의 대향하는 측부들상의 전극들 사이에 전기장을 적용하는 것이 압전 벽을 전단 모드(shear mode)로 변형하게 하고 압력을 채널 안의 잉크에 적용하게 한다. 그러한 장치에서, 변위는 통상적으로 50 나노미터 정도이며, 채널의 순응성에 기인하여 채널 치수의 대응하는 변화가 적용 압력의 급속한 손실을 초래하고 그에 대응하여 성능이 떨어지게 된다는 점이 이해될 것이다.

본 발명은 놀랍게도 특정의 장치들에서 챔버내의 순응성이 용인될 수 있으며, 심지어는 유리할 수도 있다는 점을 발견하였다.

제 1 특징에 있어서, 본 발명은 액적 침착 장치를 제공하는데, 상기 장치는 유체 챔버들의 배열(array); 및 순응성의 덮개 요소를 포함하는데, 각각의 유체 챔버는 반대편의 챔버벽들의 쌍에 의해서 형성되고 액적 배출을 위한 노즐과 유체 소통되며, 순응성 덮개 요소는 상기 챔버 벽들의 단부들에 접합되어, 상기 챔버들의 일 측부를 시일하는데, 여기에서 덮개 두께 대(對) 챔버 벽 분리의 비율은 1:1 보다 작거나 또는 1:1 과 같다.

바람직스럽게는, 덮개 요소가 100 x 10⁹ N/m² 보다 작거나 또는 같은 영 모듈러스(Young's Modulus)를 가진다.

이러한 구조는 순응성 덮개 요소를 제공하며, 따라서 이전의 원리와 직접적으로 대조되는데, 이들은 채널들의 단단함을 최대화시키려는 공통의 목적을 공유한다.

바람직스럽게는 노즐들이 상기 덮개 요소내에 형성된다. 이러한 장치는 노즐들이 덮개 플레이트 통공을 통해서가 아닌, 채널과 직접적으로 소통되는 장점을 제공한다. 이것은 다시 챔버로부터 노즐들로의 유체 유동에 대한 낮은 저항을 초래하는데, 증가된 채널 순응성에 의해 야기되는 성능의 그 어떤 손실이라도 감소 저항이 차감하는 것으로 밝혀졌다.

본 발명의 제 2 특징은 액적 침착 장치를 제공하는 것으로서, 상기 액적 침착 장치는: 각각의 유체 챔버가 한쌍의 대향하는 챔버 벽들에 의해 형성되고 액적 배출을 위한 노즐과 유체 소통되는 유체 챔버들의 배열(array); 및, 상기 챔버 벽들의 가장자리들에 접합됨으로써 상기 챔버들의 일 측부를 시일링하는 덮개 부재;를 포함하고, 덮개 두께 대(對) 챔버 벽 분리의 비율이 1:5 보다 작거나 또는 그와 같고, 상기 덮개 요소는 100 x 109 N/m² 보다 작거나 또는 그와 같은 영 모듈러스(Young Modulus)를 가진다.

'측부-슈터' 및 '단부-슈터' 프린트헤드상에서 수행된 실험들은, 배출 특성에 현저한 영향을 미치지 않으면서, 150㎛ 보다 작은 덮개 두께가 이용될 수 있다는 놀라운 발견에 이르게 된다. 공지의 액튜에이터들은 종래 기술에서 개시된 바와 같이 순응성이 꼭 결여되는 것을 보장하기 위하여 900㎛ 의 영역의 두께를 통상적으로 이용한다.

따라서, 본 발명의 제 3 특징은, 각각의 유체 챔버가 대향하는 챔버 벽들의 쌍에 의해서 형성되고 액적 배출을 위한 노즐과 유체 소통되는 유체 챔버들의 어레이(array); 및, 상기 챔버 벽들의 가장자리들에 접합되어 상기 챔버들의 일 측부를 시일하는 덮개 부재;를 포함하고, 덮개의 두께가 150 ㎛ 보다 작은 액적 침착 장치를 제공한다.

바람직스럽게는, 덮개의 두께가 100 ㎛ 보다 작고, 보다 바람직스럽게는 75 ㎛ 보다 작으며, 더욱 바람직스럽게는 50 ㎛ 보다 작고, 또한 더욱 바람직스럽게느 25㎛ 보다 작다.

바람직스럽게는, 덮개 두께가 6㎛ 보다 크고, 보다 바람직스럽게는 8㎛ 보다 크고, 더욱 바람직스럽게는 10㎛ 보다 크다.

본 발명의 제 4 특징은, 적어도 하나의 유체 챔버; 상기 적어도 하나의 챔버의 경계를 정하고 적어도 하나의 노즐을 유지하는 순응성 덮개 부재;를 포함하는 액적 침착 장치를 제공하는데, 챔버는 챔버로부터 노즐을 통하여 유체의 배출을 일으키기 위하여 전기적인 작동시에 체적의 변화를 겪고; 덮개 부재의 두께는 유체 배출에 필요한 최소 작동 전압을 초래하는 값이거나 그러한 값에 근접한다.

덮개 부재가 바람직스럽게는, 유체 배출에 필요한 최소 작동 신호 전압을 초래하는 두께보다 두꺼운, 75 ㎛ 보다 크지 않은 두께를 가지고, 보다 바람직스럽게는 50 ㎛ 보다 크지 않은 두께를 가지고, 더욱 바람직스럽게는 25㎛ 보다 크지 않은 두께를 가진다.

본 발명의 원리에 따라서 최소 작동 전압을 달성함으로써, 압전 재료의 수명 및 따라서 프린트 헤드의 수명은 제조 과정중의 단순한 변화에 의해 증가될 수 있다. 더욱이, 순응성 재료의 이용은 제조 과정을 자체적으로 단순화시킬 수 있다.

특정의 구현예들에서 덮개 부재의 최소 두께는 이용된 재료 및, 그러한 재료로 달성될 수 있는 두께에 밀접하게 연계된다. 특정의 구현예들에서, 덮개 부재가 바람직스럽게는 유체 배출에 필요한 최소 작동 신호 전압을 초래하는 두께보다 작은, 50 ㎛ 보다 작지 않은 두께를 가지고, 보다 바람직스럽게는 20 ㎛ 보다 작지 않은 두께를 가지고, 더욱 바람직스럽게는 10 ㎛ 보다 작지 않은 두께를 가진다.

챔버가 바람직스럽게는 작동시 체적의 변화를 이루는 압전 요소를 포함하며, 작동 요소가 덮개 부재와 별개로 되는 것이 바람직스러울지라도, 덮개 부재는 작동 요소이도록 배치될 수 있다.

본 발명의 다른 장점은 유체가 채널들을 통하여 연속적으로 유동하는 구현예들에 있다. 덮개 플레이트를 제거함으로써, 채널들을 통한 유동은 노즐 유입부에 바로 인접하게 통과되어, 노즐들 안에 오염물 또는 기포들이 포함될 가능성이 적어지는 결과를 초래한다. 더욱이, 노즐의 주어진 직경에 대하여 상대적으로 얇은 부재를 통해 형성되는 노즐들로써, 유입부로부터 유출부로의 노즐의 길이는 감소된다. 기포들이 노즐 유출부에서 포함될 때, 이들은 채널을 통한 유동에 의해 더욱 제거될 가능성이 있다.

금속 덮개 부재들, 또는 금속 복합 덮개 부재들이 이용되는 구현예들에서, 10 ㎛ 보다 얇은 두께 및 심지어는 5 ㎛ 보다 얇은 두께가 생각될 수 있다.

바람직스럽게는 덮개 요소가 상기 챔버들의 단부들을 지나서 연장되어 유체 매니폴드 영역(fluid manifold region)의 경계를 정하게 되며, 그러한 일체형 구조는 구조의 단순성에 관하여 현저한 장점을 부여한다.

이러한 방식으로, 동일한 요소는 작동시에 채널내의 압력을 유지하도록 작용하지만, 그것의 순응성 때문에 매니폴드 영역내의 감쇠부(attenuator)로서 유리하게 작용할 수도 있다. 그러한 감쇠는 따라서 잔여의 음향학적 파동들이 가장 두드러지는 경우에 챔버들에 바로 근접하게 제공될 수 있다. 덮개 부재의 전폭(span)이 크게 되도록 배치될 수 있는, 챔버로부터 멀리에서, 대응되게 큰 감쇠가 달성될 수 있다. 이것은 예를 들면 잉크 공급에서 발생되는 압력 펄스들을 감쇠시키도록 유용하게 작용할 수 있다.

본 발명은 다른 특징은, 각각의 유체 챔버가 액적 배출을 위한 노즐과 유체 소통되는 유체 챔버들의 배열(array); 및 상기 챔버들의 경계를 정하도록 배치된 순응성 덮개 요소;를 포함하고, 상기 순응성 덮개 요소는 상기 챔버들로부터 추가적으로 멀리 연장되어 유체 매니폴드 영역의 경계를 정하는, 액적 침착 장치를 제공한다.

본 발명의 구현예들은 상이한 재료들로 형성된 덮개 부재들을 채용할 것이다. 본 발명의 장점은 단단함(stiffness)이 크게 필요하지 않기 때문에, 상대적으로 낮은 영의 모듈러스를 가진 재료들이 채용될 수 있다는 것이다. 폴리머 또는 플라스틱 재료들이 제조를 단순화시키는데 유리하다. 노즐들은 포토리소그래피 또는 레이저 절제(laser ablation)에 의해 상대적으로 용이하게 상기의 재료들에서 형성될 수 있다. 특히 바람직한 재료들은 폴리이미드 및 SU-8 포토레지스트이다. 특히 SU-8 은 용해 처리 가능하기 때문에, 그리고 단지 수 마이크로의 두께인 층들을 형성하도록 스핀 코팅될 수 있기 때문에 유리하다. 열적인 열화 및 화학적 열화에 대한 높은 저항성 및 우수한 기계적 특성 때문에 PEEK(Polyetheretherketones)도 이용될 수 있다.

따라서, 본 발명의 다른 특징에서는 액적 침착 장치의 구성 요소 제조 방법이 제공되는데, 이러한 방법은: 복수개의 챔버 벽들이 형성된 순응성 베이스 요소를 제공하는 단계; 상기 챔버 벽들상에 형성된 전극들에 전기적인 연결부를 제공하도록 상기 순응성 베이스 상에 도전성 트랙들을 형성하는 단계;를 포함한다.

구현예들에서, 순응성 베이스는 유연성 기판일 수 있으며, 그 위에 형성된 도전성 트랙들은 회로를 구동하기 위하여 챔버 벽에 연결되도록 유리하게 이용된다.

본 발명의 다른 특징에서는, 액적 배출을 위해서 노즐과 유체 소통되는 적어도 하나의 유체 챔버; 및, 상기 적어도 하나의 챔버의 경계를 정하는 순응성 덮개 부재;를 포함하고, 챔버는 상기 챔버로부터 상기 노즐을 통해 유체의 배출을 일으키기 위하여, 전기적인 작동시에 체적의 변화를 겪게 되고; 덮개 부재는 전적으로(entirely) 폴리머로 형성된다.

바람직스럽게는 덮개 부재의 두께가 100㎛ 보다 작고, 보다 바람직스럽게는 50 ㎛ 보다 작으며, 더욱 바람직스럽게는 20 ㎛ 보다 작다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 예를 들어 설명될 것이다.

도 1 및 도 2 는 종래 기술의 '단부-슈터(end-shooter)'의 구조를 도시한다.

도 3 및 도 4 는 종래 기술의 '측부-슈터(side-shooter)'의 구조를 도시한다.

도 5, 도 6 및 도 9 는 본 발명의 구현예들을 도시한다.

도 7 및 도 8 은 본 발명의 특징에 따른 액튜에이터의 덮개 두께를 가지고 작동 전압의 변화를 도시한다.

도 10 은 본 발명의 구현예에서 임펄스 응답 특성들을 도시한다.

도 11 은 본 발명에 특징들에 따른 액튜에이터의 영 모듈러스 및 덮개의 두께를 가지고 작동 전압의 변화를 도시한다.

도 1 은 전단 모드(shear mode)에서 작동되는 압전 벽 액튜에이터(piezoelectric wall actuator)를 포함하는 공지의 잉크 제트 프린트헤드를 분해 사시도로 도시한 것이다. 이것은 회로 기판(12)상에 장착된 압전 재료의 베이스(10)를 포함하는데, 연결 트랙(14)들을 도시하는 회로 기판의 일부만이 도시되어 있다. 복수개의 긴 채널(29)들이 베이스에 형성되어 있다. 조립하는 동안에 베이스(10)에 접합되는 덮개(16)는 조립 위치의 위에 도시되어 있다. 노즐 플레이트(18)도 프린트헤드 베이스에 근접하여 도시되어 있으며, 그 안에 복수개의 노즐들(미도시)이 형성되어 있다. 이것은 통상적으로 외측 표면이 저 에너지 표면 코팅(low energy surface coating, 20)으로 코팅된 폴리머 시트이다.

도 1 에 도시된 덮개 요소(16)는 베이스 요소(10)에 열적으로 정합되는(thermally matched) 재료로 형성된다. 이러한 것의 한가지 해법은 베이스용으로 채용된 것과 유사한 압전 세라믹을 채용함으로써, 덮개가 베이스에 접합되었을 때 계면 접합 층(interfacial bond layer)에 유발된 응력들이 최소화되도록 하는 것이다. 윈도우(32)가 덮개내에 형성되어 채널(29) 안으로의 액체 잉크 공급을 위한 공급 매니폴드를 제공한다. 윈도우로부터 채널들의 전방 가장자리로의 덮개의 전방 부분은, 채널 벽들의 상부에 접합되었을 때 활성 채널 길이를 결정하는데, 이것은 배출된 잉크 액적의 체적을 지배한다.

국체 출원 공개 95/04658 은 도 1 및 도 2 의 프린트헤드의 제조 방법을 개시하고, 베이스 및 덮개를 접합시키는 접합부가 바람직스럽게는 낮은 순응성(compliance)으로 형성됨으로써, 액튜에이터 벽들이 덮개(16)에 고정되는 경우에 그들이 회전되거나 전단 변형되는 것이 실질적으로 억제된다는 점을 주목한다. 덮개는 그러한 운동들이 억제되도록 실질적으로 그 자체가 단단해야 한다는 점이 이해될 것이다.

도 2 는 조립 이후에 도 1 의 장치를 통한 단면도를 도시하는 것으로서, 채 널들에 평행하게 취한 것이다. 각각의 채널은 전방 부분 및 후방 부분을 포함하는데, 전방 부분은 균일한 동일 평면(co-planar)의 상부 표면들을 가지는 액튜에이터 벽(22)들을 대향시킴으로써 분리된 잉크 채널(20)들을 제공하도록 상대적으로 깊고, 후방 부분은 연결 트랙들을 위한 위치(23)를 제공하도록 상대적으로 얕다. 전방 부분 및 후방 부분은 채널의 "돌출(runout)" 부분에 의해 연결되는데, 그것의 반경은 채널들을 형성하도록 이용된 절단 디스크의 반경에 의해 결정된다. 노즐 플레이트(18)가 도면에 도시되어 있는데, 접착제 접합 층에 의해 프린트헤드 동체에 부착된 이후에 UV 엑시머 레이저 제거에 의해서 노즐 플레이트 안에 노즐(30)이 형성되는 것이 뒤따른다. 도 1 및 도 2 의 장치는 통상적으로 "단부 슈터(end shooter)"로 지칭되는데, 이것은 노들들이 채널들의 단부들에 위치되기 때문이다.

작동중에, 채널 벽들은 전단 모드(shear mode)로 변형되고 매니폴드(27)에 근접하여 음향학적 파동들을 발생시킨다. 이러한 파도들은 채널의 길이를 따라서 노즐(30)로 이동하여, 그곳에서 유체 액적의 배출을 일으킨다.

몇 개의 동일한 액튜에이터 구조체들을 적층시켜서 노즐들의 다수의 평행한 열(row)들을 제공하도록 그러한 "단부 슈터(end shooter)"의 구조를 가지는 것이 소망스럽다. 본 발명의 원리에 따라서, 덮개 부재의 순응성(compliance)은 덮개 요소(16)의 두께를 감소시킴으로써 알려진 한계(known limit) 아래로 감소될 수 있다. 이것은 액튜에이터들이 보다 밀접하게 적층될 수 있게 하여 인쇄 방향으로 노즐의 밀도를 증가시키고 따라서 프린트 헤드의 인쇄 속도를 증가시킨다.

도 3 및 도 4 는 국체 출원 공개 WO 03/022585 로부터 취한 것이다. 도 3 은 대안의 종래 기술의 프린트헤드 구조를 도시한 것인데, '측면 슈터(side shooter)'로 지칭되는 것이다. 배열 방향(array direction)으로 신장된 압전 부재(28)로 형성된 채널들의 배열은 통공(29)들을 가진 덮개 부재(26)에 의해 폐쇄된다. 노즐 플레이트는 덮개 부재에 부착되고 노즐(30)들은 통공(29)들과 소통된다. 이러한 배치에서는 이중 단부 채널을 가지는 것이 알려져 있으며, 잉크는 매니폴드 영역(32)으로부터 공급되고 채널(28)들을 따라서 그 사이의 중간에 위치된 노즐(30)들로부터 배출된다. 이러한 방식으로 유체는 채널의 측부로부터 배출된다. 유입 매니폴드(32)와 2 개의 유출 매니폴드(34)(도면에는 오직 하나만이 도시되어 있다) 사이에서 연속적인 유동이 설정된다.

채널은 통상적으로 다이아몬드로 충만된 원형 톱을 이용하여, 압전 세라믹의 블록 및 특히 PZT 에서 절단된다. PZT 는 채널들의 신장 방향에 수직으로, 그리고 채널에 경계를 정하는 벽들의 표면에 평행하게 편향된다. 전극들은 적절한 방법에 의해서 벽들의 양쪽 측부상에 형성되고 전기 연결부들에 의해 구동 칩(driver chip, 미도시)에 연결된다. 벽의 대향하는 측부들상에서 전극들 사이에 전기장을 인가할 때, 벽은 전단 모드로 변형되어 채널 안의 잉크에 압력을 적용한다. 이러한 압력 변화는 채널 안에 음향학적 압력 파동들을 일으키며, 액적의 배출을 초래하는 것은 이러한 압력 파동들로서, 소위 음향학적 발화(acoustic firing)로 지칭된다.

도 4 는 도 3 의 원리에 따른 프린트헤드 작동에 대한 사시도이다. 노즐 플레이트(24)는 덮개 요소(26)에 접합되는데, 덮개 요소는 배출 채널들이 형성되어 있는 신장된 압전 부재(28)의 상부 표면에 더 접합되어 있다. 덮개 요소는 직선의 에지화된 포트(edged port, 29)를 가지는데, 이것은 노즐(30)(도 4 에 미도시)들과 배출 채널들을 연결한다. 잉크는 베이스 요소(36)내에 형성된 매니폴드(32,34)로부터 채널들을 통해 유동한다. 매니폴드(32)는 유체 유입부로서 작용하는데, 인쇄 중에도 유체는 2 개의 압전 부재(28)들의 채널들을 통하게 되며, 매니폴드(34)는 유체 유출부로서 작용한다. 단일의 유입부 및 2 개의 유출부들을 가지는 채널들의 2 개의 배열(array)들이 설명되었지만, 채널 배열들을 통해 연속적인 유체 유동을 가능하게 하는 많은 대안의 구조들이 가능하며, 예를 들면 채널들의 오직 단일의 배열이 이용될 수 있다.

국제 출원 공개 WO 03/022585 에서 주목된 바와 같이, 덮개 부재는 노즐 폐색(blockage)의 원인에도 불구하고, 노즐에 구조적인 안정성을 제공하는 역할을 한다. 상기 문헌은 또한, 노즐 플레이트를 격리시켜서 이용하려는 시도가 작동시에 굽힘 없이 챔버 안에 압력을 유지하기에는 불충분한 단단함(stiffness)을 초래한다는 점을 개시한다.

도 5 는 본 발명의 특징에 따른 장치를 도시한다. 기판(502)에는 2 개 열의 압전 채널(504)들이 제공된다. 기판의 통공(506)은 매니폴드 영역(508)으로, 그리고 매니폴드 영역으로부터의 잉크 통과를 제공한다. 채널들 및 매니폴드 영역들은 덮개 요소(510)에 의해서 상부에서 폐쇄된다. 덮개 요소는 상대적으로 얇은 것으로 보일 수 있으며 폴리이미드(polyimide)로 제작된다. 노즐(512)들은 덮개 플레이트 안에 형성되고 채널(504)들과 직접적으로 소통된다. 음향학적 파동들을 형성하는 작동 방법은 위에서 설명된 바와 같다. 스캐닝(scanning) 방향이 덮개 부재의 평면 에 평행한 경우에, 프린트헤드의 스캐닝에 의해 야기되는 가속은 유리하게도 순응성 있는 덮개 부재를 변형시키지 않는 경향이 있을 것이다.

도 6 은 도 5 의 배치를 채널들을 따라서 취한 것이다. 베이스(602)가 채널 분리에 비하여 상대적으로 두꺼운 반면에, 덮개 부재(610)의 두께는 채널 간격보다 작다. 작동시에, 벽 요소(614)들은 점선으로 도시된 바와 같이 갈매기 형상(chevron configuration)으로 변형된다. 이러한 작동 방법은 유럽 특허 EP 0277703 에 상세하게 설명되어 있으며, 벽의 상부 부분 및 저부 부분이 대향되게 변형하기 때문에 덮개 부재에 가해지는 결과적인 응력이 감소된다는 점을 제외하고는, 여기에서 상세하게 설명되지 않을 것이다.

도 7 은 도 5 및 도 6 에 도시된 바와 같은 액튜에이터에서 덮개 두께에 대한 작동 전압의 그래프를 도시한다. 도 7a 는 처음에 100㎛ 두께의 폴리이미드 덮개 부재를 가지는 액튜에이터의 결과들을 나타내는데, 서브-드롭(sub-drop) 당(當마) 4 pl을 나타내는 6 m/s 에서의 작동에 대하여 종래 기술에 따라서 최적화되었을 때 22.6 V 의 구동 전압을 필요로 한다. 이러한 시작 지점으로부터 덮개의 두께는 변화되며, 필요 전압은 그러한 두께에서 6 m/s 의 배출 속도를 유지하도록 다시 최적화된다. 도 7b 는 Alloy 42, Ni/Fe alloy 로 만들어진 덮개 부재에 대한 등가 그래프를 도시한다.

상기 양쪽의 그래프들로부터 알 수 있는 바로서, 값들은 상이한 덮개 재료들마다 변화하지만, 그래프의 형태는 같다-신뢰성 있는 배출을 달성하는 필요 작동 전압은 대응하는 최적 두께 값에서 최소를 나타낸다.

그래프의 형태는 효율성에서 덮개 부재의 2 개의 상반되는 효과들에 의해 결정된다. 제 1 효과는 감소된 덮개의 두께가 노즐을 통한 유동에 적은 저항을 초래하여 보다 큰 배출 효율을 제공하는 것이다. 제 2 효과는 감소된 덮개의 두께가 채널의 순응성을 감소시켜서 더 적은 배출 효율성을 제공하는 것이다. 이러한 2 가지 효과들의 조합은 작동 전압과 관련하여 최적의 두께를 초래한다. 이러한 두께 보다 현저하게 아래의 값들에서는 낮은 채널 순응성이 지배하며, 효율성은 급격하게 감소된다. 이러한 두께보다 큰 값에서는 노즐 저항이 점점 현저해지고, 효율은 다시 감소된다.

도 8 은 도 5 및 도 6 에 도시된 바와 같은 액튜에이터의 덮개 두께에 대한 최적화 작동 전압의 그래프이다. 도 8 이 도시하는 것은, 주어진 덮개 두께에 대하여 최소 작동 전압을 제공하도록 다른 액튜에이터 파라미터들이 최적화되었을 때에도, 비록 잘 한정되지는 않았지만, 최적화된 덮개 두께(T^*)에서 최소의 전압을 나타낸다는 점이다.

따라서 두께의 바람직한 값의 범위가 존재한다. 그래프들의 비대칭성 때문에, 최적화 두께보다 최대 10 % 또는 심지어는 20 % 작은 두께가 유리한 반면에, 최적화 두께 보다 최대 25 % 또는 심지어 50 % 큰 두께가 바람직한 범위내에 놓일 수 있다.

도 9 는 본 발명의 구현예를 단부 슈터 형상으로 도시한다. 여기에서 PZT 의 동체(710)에는 채널(720)들이 형성되어 있다. 순응성 덮개 부재(722)는 채널들의 상부를 폐쇄시키며, 노즐 플레이트(724)는 조립체의 단부에 접합된다. 잉크를 매니폴드 영역(728)에 공급하도록 통공(726)이 동체 안에 제공된다. 따라서 이러한 배치는 도 2 에 도시된 보다 통상적인 단부 슈터의 도립된 형태로 간주될 수 있는 것으로서, 순응성 부재(722)는 효과적으로 베이스를 형성하고, 베이스상에 채널 및 매니폴드 구조가 제공된다. 구동 전자부(730)들은, 채널 전극들에 대한 전기 연결을 만드는 트랙(track)들과 함께, 유연성 부재(722)일 수 있는 순응성 부재(722)상에 제공될 수 있다.

도 10 은 단부 슈터 액튜에이터에 대한 시뮬레이션 응답 곡선을 도시한다. 도 10a 는 두꺼운 압전 덮개 요소를 이용하는 임펄스(impulse) 응답 곡선들을 도시하는 반면에, 도 10b 는 50 ㎛ 의 두께를 가진 폴리이미드 덮개로 인한 등가 임펄스 응답을 나타낸다.

폴리이미드 덮개에 대한 보다 긴 샘플 주기로 옮겨지고, 전압이 위로 옮겨지지만, 곡선들의 형태는 실질적으로 동일하며, 특히 약 0.3㎲ 의 정상 작동 영역에 근접한다.

조립된 프린트헤드에서 채널들의 길이는 음향 파동이 채널을 따라서 이동하는데 걸리는 시간을 결정하며 따라서 연속적인 배출들 사이의 시간-프린트헤드의 작동 주파수-를 제한한다. 프린트헤드를 소망의 주파수로 구동시키기 위하여, 채널 길이는 고정 범위내에서 유지되어야 한다. 채널의 폭은 노즐 간격과 밀접하게 관련되며 따라서 프린트헤드에 의해서 달성될 수 있는 분해능(resolution)과 관련된다. 따라서, 채널들의 길이 및 폭은 작동 및 제조 파라미터들에 의해 정해지는 바와 같 이 상수로 가정될 수 있다.

따라서, 덮개 부재의 순응성은 실제로 덮개 부재의 영 모듈러스(Young'modulus)와 두께에 의해서 정해진다.

도 11 은 도 5 및 도 6에서 도시된 바와 같은 액튜에이터에 대한 영 모듈러스 및 두께에 대한 최적화 작동 전압의 그래프를 도시한다. 영 모듈러스에 대한 5 개의 데이터 시리즈는 폴리이미드(4.8 GPa), 알루미늄(70GPa), PZT(110GPa) 및 니켈(230 GPa)이고, 이들은 모두 덮개 플레이트 구조에서 공통적으로 이용되는 재료들이다. 도 11 은 영 모듈러스가 변경되는 때에도, 최소 작동 전압을 달성하는 덮개의 두께가 10 내지 15 마이크론 사이에 대략적으로 일정하게 유지되는 것을 나타낸다. 공지의 프린트헤드 액튜에이터에서 덮개의 두께는 900 마이크론이며, 따라서 5 내지 150 마이크론 사이의 그 어느 곳에서의 두께도 작동 전압을 최소화시키는데 현저한 향상을 나타낼 수 있다.

덮개 부재의 적절한 재료로서 폴리아미드 및 SU-8 이 참조되었지만, 당업자는 얇은 필름을 형성할 수 있는 많은 폴리머들, 금속들 및 합금들이 이용될 수 있다는 점을 이해하여야 한다. 유연성 회로 기판 재료들이 유리하게 채용될 수 있으며, 특히 전기 트랙들이 제조 과정중에 형성되는 경우에 그러하다.

본 발명은 프린트헤드등에서 이용될 수 있다.

Claims

각각의 유체 챔버가 챔버 벽의 분리에 의해 하나의 벽이 다른 벽으로부터 분리된 한쌍의 대향하는 챔버 벽들에 의해 형성되고, 액적의 배출을 위한 노즐과 유체 소통되는, 유체 챔버들의 배열(array); 및

상기 챔버 벽들의 가장자리에 접합됨으로써 상기 챔버들의 일 측부를 시일하고, 덮개 두께를 가지는, 덮개 부재;를 포함하고,

덮개 두께 대(對) 챔버 벽 분리의 비율은 1:1 보다 작거나 또는 1:1 과 같은, 액적 침착 장치.
각각의 유체 챔버가 챔버 벽의 분리에 의해 하나의 벽이 다른 벽으로부터 분리된 한쌍의 대향하는 챔버 벽들에 의해 형성되고, 액적의 배출을 위한 노즐과 유체 소통되는, 유체 챔버들의 배열(array); 및

상기 챔버 벽들의 가장자리에 접합됨으로써 상기 챔버들의 일 측부를 시일하고, 덮개 두께를 가지는, 덮개 부재;를 포함하고,

덮개 두께 대(對) 챔버 벽 분리의 비율은 1:5 보다 작거나 또는 1:5 와 같고, 상기 덮개 부재는 100 x 10⁹ N/m² 보다 작거나 또는 100 x 10⁹ N/m² 과 같은 영 률(Youngs modulus)을 가지는, 액적 침착 장치.
각각의 유체 챔버가 챔버 벽의 분리에 의해 하나의 벽이 다른 벽으로부터 분리된 한쌍의 대향하는 챔버 벽들에 의해 형성되고, 액적의 배출을 위한 노즐과 유체 소통되는, 유체 챔버들의 배열(array); 및

상기 챔버 벽들의 가장자리에 접합됨으로써 상기 챔버들의 일 측부를 시일하는, 덮개 부재;를 포함하고,

덮개 부재의 두께는 150 ㎛ 보다 작은, 액적 침착 장치.
제 1 항, 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,

상기 노즐들은 상기 덮개 부재에 형성되는, 액적 침착 장치.
전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,

상기 덮개 부재는 상기 챔버로부터 멀리 연장되어 유체 매니폴드 영역의 경계를 정하는, 액적 침착 장치.
전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,

상기 덮개 부재는 폴리머로 형성되는, 액적 침착 장치.
전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,

상기 덮개 부재는 폴리이미드(Polyimide)로 형성되는, 액적 침착 장치.
제 1 항 내지 제 5 항의 어느 한 항에 있어서,

상기 덮개 부재는 합금으로 형성되는, 액적 침착 장치.
전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,

상기 덮개 부재는 100 ㎛ 보다 작은 두께 또는 100 ㎛ 와 같은 두께를 가지는, 액적 침착 장치.
전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,

상기 덮개 부재는 50 ㎛ 보다 작은 두께 또는 50 ㎛ 와 같은 두께를 가지는, 액적 침착 장치.
전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,

상기 덮개 부재는 복합 구조(composite construction)인, 액적 침착 장치.
전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,

상기 노즐들은 상기 덮개 부재에서 레이저 절제(laser ablation)에 의해 형성되는, 액적 침착 장치.
전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,

상기 노즐들은 상기 덮개 부재에서 포토리소그래피 과정에 의해 형성되는, 액적 침착 장치.
적어도 하나의 유체 챔버;

상기 적어도 하나의 유체 챔버의 경계를 정하고, 적어도 하나의 노즐을 유지하는 순응성 덮개 부재;를 포함하고,

상기 챔버로부터 상기 노즐을 통하는 유체의 배출을 일으키기 위하여, 챔버는 전기적인 작동시에 체적의 변화를 겪게 되고;

덮개 부재의 두께는, 유체 배출에 필요한 최소 작동 전압을 초래하는 값이거나 또는 그 값에 가까운, 액적 침착 장치.
제 14 항에 있어서,

덮개 부재는 유체 배출에 필요한 최소 작동 신호 전압을 초래하는 두께보다 두꺼운 50 ㎛ 보다 크지 않은 두께를 가지는, 액적 침착 장치.
제 15 항 또는 제 16 항에 있어서,

덮개 부재는 유체 배출에 필요한 최소 작동 신호 전압을 초래하는 두께의 ± 10 % 이내의 두께를 가지는, 액적 침착 장치.
전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,

챔버는, 작동시에 체적의 변화를 이루게 하는 압전 요소(piezo-electric element)를 포함하는, 액적 침착 장치.
제 17 항에 있어서,

압전 요소는 덮개 부재와 별개인, 액적 침착 장치.
각각의 유체 챔버가 액적 배출을 위한 노즐과 유체 소통되는, 유체 챔버들의 배열; 및

상기 챔버들의 경계를 정하도록 배치된 순응성 덮개 요소;를 포함하고,

상기 순응성 덮개 요소는 상기 챔버들로부터 추가적으로 멀리 연장되어 유체 매니폴드 영역을 추가적으로 정하는, 액적 침착 장치.
복수개의 챔버 벽들이 형성되어 있는 순응성 베이스 요소를 제공하는 단계;

상기 챔버 벽들에 형성된 전극들에 전기적인 연결을 제공하는, 상기 순응성 베이스상의 도전성 트랙들을 형성하는 단계;를 포함하는, 액적 침착 장치의 구성 요소 제조 방법.
제 20 항에 있어서,

베이스 구성 요소의 두께 대(對) 챔버 벽 분리의 비율은 1:1 보다 작거나 또는 1:1 과 같은, 액적 침착 장치의 요소 제조 방법.
액적 배출을 위한 노즐과 유체 소통되는 적어도 하나의 유체 챔버; 및

상기 적어도 하나의 챔버의 경계를 정하는 순응성 덮개 부재;를 포함하고,

상기 챔버로부터 상기 노즐을 통한 유체의 배출을 일으키도록, 챔버는 작동시에 체적의 변화를 겪고,

덮개 부재는 전적으로 폴리머로 형성되는, 액적 침착 장치.
제 22 항에 있어서,

상기 노즐은 상기 덮개 부재에 형성되는, 액적 침착 장치.
제 22 항 또는 제 23 항에 있어서,

상기 덮개 부재는 100 ㎛ 보다 작은 두께 또는 100 ㎛ 와 같은 두께를 가지는, 액적 침착 장치.