KR20130097092A

KR20130097092A - 코플래너 전극을 포함하는 압전형 액추에이터

Info

Publication number: KR20130097092A
Application number: KR1020127034141A
Authority: KR
Inventors: 피터 마딜로비치; 하가이 카린스키; 커트 울머
Original assignee: 휴렛-팩커드 디벨롭먼트 컴퍼니, 엘.피.
Priority date: 2010-06-29
Filing date: 2010-06-29
Publication date: 2013-09-02
Also published as: EP2589140B1; EP2589140A4; JP2013533817A; BR112012030274B1; CN103026607B; US20130050351A1; CN103026607A; BR112012030274A2; KR101685742B1; WO2012002942A1; JP5688140B2; EP2589140A1; US8888255B2

Abstract

압전형 액추에이터는 캔틸레버 멤브레인(cantilever membrane)을 포함한다. 박막 시트가 상기 캔틸레버 멤브레인의 일 면에 부착되어 그 내에서 전계가 유도되면 다수의 방향으로 상기 멤브레인을 벤딩시킨다. 상기 박막 시트 상에서 상호 끼움 방식으로(in an interdigitated mannner) 배열된 복수의 코플래너 전극(coplanar electrodes) 간에 전압이 인가되면 상기 전계가 유도된다.

Description

코플래너 전극을 포함하는 압전형 액추에이터{PIEZOELECTRIC ACTUATOR WITH COPLANAR ELECTRODES}

본 발명은 압전형 유체 토출 분야에 관한 것이다.

잉크젯 인쇄 장치는 유체 방울을 드롭 온 디맨드(drop-on-demand) 방식으로 토출하는 유체 토출 장치의 일 실례이다. 가령, 압전형 잉크젯 프린터는 종이 시트와 같은 인쇄 매체 상에 이미지를 인쇄하기 위해서 압전 재료 액추에이터를 사용하여서 유체 방울을 노즐 밖으로 인쇄 매체 상으로 토출하는 유체 토출 어셈블리를 사용한다. 보다 구체적으로, 압전 재료 액추에이터는 인가된 전계에 응답하여서 변형되어서 유체가 채워진 챔버 내에서 압력 펄스를 생성하여서 하나 이상의 유체 방울을 토출하는 가요성 압전 재료를 포함한다. 압전 재료 액추에이터는 노즐 밖으로 유체 방울을 토출하기 위해서 열을 사용하지 않고 압력을 사용하기 때문에, 압전형 유체 토출 어셈블리는 분사될 수 있는 다양한 범위의 재료를 사용할 수 있다. 따라서, 압전형 인쇄헤드는 다양한 매체 기판 상에 인쇄하기 위해서 광범위하게 사용될 수 있다.

상술한 바와 같이, 압전형 유체 토출 어셈블리는 가요성 압전 재료 시트에 전계가 인가되면 유체 방울을 토출시킨다. 통상적인 압전형 유체 토출 어셈블리에서, 압전 재료 시트는 일반적으로 유체 챔버의 바닥을 구획하는 상부 측을 갖는 이동 가능한 멤브레인 또는 다이아프램(diaphragm)의 하부 측에 부착된다. 압전 재료 시트 내의 전극들 양단에 전압을 인가함으로써 전계가 압전 재료 시트에서 유도된다. 이 유도된 전계는 압전 재료 시트를 물리적으로 변형시키며 이로써 이동 가능한 멤브레인이 유체가 채워진 캠버 구역 내로 휘어 지게 된다. 이렇게 이동 가능한 멤브레인이 챔버 구역을 침범하게 되면 유체가 채워진 챔버 내에서 펄스 압력이 발생하게 되어서 유체 방울이 노즐을 통해서 토출된다.

통상적인 압전형 유체 토출 어셈블리와 관련된 단점은 제조 비용이 많이 든다는 것이다. 전극들은 일반적으로 압전 재료 시트의 상부 표면 및 하부 표면에 접속되며 전압이 전극들 간에 인가되면 압전 재료 시트가 물리적으로 변형된다. 이러한 전극 전속 위치와 반복되는 압전 재료 시트의 변형으로 인해서 압전 재료 시트의 상부 표면 및 하부 표면에서의 전극 접속은 강하게 유지되어야 한다. 따라서, 이러한 전극 접속을 견고하게 유지하기 위해서는 제조 비용이 많이 들게 된다.

이러한 제조 비용을 저감하기 위한 일 방법은 전극들을 압전 재료 시트의 동일한 표면 상에 손가락들을 서로 끼우는 방식으로 배열하는 것이다. 두 전극들이 모두 동일한 표면 상에 있기 때문에 전기 접속이 보다 용이하게 된다. 이러한 구성으로 하면 전기적 비아를 사용할 필요가 없으며 이로써 제조 동안에 전체적인 에칭 단계의 수가 줄어든다. 나아가, 이렇게 오직 압전 세라믹 박막 시트의 한 표면 상에만 전극들을 손가락들을 서로 끼우는 방식으로 배치하게 되면, 이 압전 세라믹 박막의 성장 동안에 결정 구조를 정렬하는 시드 재료들이 광범위하게 다양하게 사용될 수 있는 추가 이점이 있다.

그러나, 이러한 방식의 단점은 전극들을 손가락을 서로 끼우듯이 배열하게 되면 동일한 전압이 압전 재료 시트의 상부 표면 및 하부 표면에 각기 접속된 전극들에 걸쳐서 인가되는 경우에서보다 압전 재료 시트의 물리적 응답량, 즉 물리적 변형량이 적게 된다는 것이다. 압전 재료 시트에서 유도되는 전계가 작기 때문에 이렇게 전극들을 손가락을 서로 끼우듯이 배열하는 구성에서 동일한 수준의 전압을 인가하면 소망하는 유체 토출 특성(가령, 드랍 중량, 드랍 속도)을 달성하기 어려워 질 수 있다. 따라서, 이렇게 물리적 변형 또는 응답량이 작기 때문에 압전형 유체 토출 어셈블리에서 상기한 바와 같은 전극들을 손가락을 서로 끼우듯이 배열하는 구성이 잘 사용되지 않고 있다.

본 명세서의 실시예들은 전반적으로 복수의 상호 끼움된(interdigitated) 코플래너(coplanar) 전극 세트들을 갖는 압전 방식으로 액추에이션되는 캔틸레버 또는 빔을 사용하여서 이 캔틸레버 또는 빔이 다수의 방향으로 벤딩하게 하고 유체 토출 어셈블리의 유체 챔버마다 이러한 캔틸레버 또는 빔을 다수 개로 사용함으로써 상기와 같은 문제점들을 해결하고 있다. 이렇게 액추에이터 캔틸레버/빔을 다수의 방향으로 벤딩할 수 있기 때문에 액추에이터에서의 응력이 최소화될 수 있다. 또한, 일 유체 챔버 내에서 다수의 캔틸레버/빔을 독립적으로 제어할 수 있어서 가령 챔버 내에서의 압력 분포, 메니스큐스(meniscus) 형상, 드랍 속도(drop velocity), 드랍 중량 및 드랍 형상과 같은 유체 토출 특성들을 제어하는데 있어서의 능력 및 유연성이 커지게 된다.

일 실시예에서, 압전형 액추에이터는 캔틸레버 멤브레인(cantilever membrane)과, 상기 캔틸레버 멤브레인의 일 면에 부착되어 그 내에서 전계가 유도되면 다수의 방향으로 상기 멤브레인을 벤딩시키는 박막 시트를 포함한다. 액추에이터는 상기 박막 시트 상에서 상호 끼움 방식으로(in an interdigitated mannner) 배열된 복수의 코플래너 전극(coplanar electrodes)을 포함한다. 상기 상호 끼움된 복수의 코플래너 전극 간에 전압이 인가되면 상기 전계가 유도된다.

다른 실시예에서, 압전형 유체 토출 어셈블리는 바닥부, 상부 및 측벽들을 포함하는 유체 챔버와, 상기 챔버의 상부를 정의하고 노즐 배출구를 갖는 노즐판과, 상기 챔버의 측벽에 의해서 지지되는 액추에이터를 포함한다. 상기 액추에이터는 그 내에서 전계가 유도되면 다수의 방향으로 상기 액추에이터를 벤딩시키는 압전 세라믹 박막 시트와, 상기 박막 시트 상에서 상호 끼움 방식으로 배열된 복수의 코플래너 전극을 포함한다. 상기 상호 끼움된 복수의 코플래너 전극 간에 전압이 인가되면 상기 박막 시트에서 전계가 유도되어서 상기 액추에이터가 벤딩하고 이로써 상기 챔버로부터 유체 방울을 상기 노즐 플레이트를 통해서 토출시킨다.

또 다른 실시예에서, 유체 토출 장치는 유체 토출 어셈블리와, 상기 유체 토출 어셈블리로부터의 유체 토출을 제어하는 전자적 제어기를 포함한다. 상기 유체 토출 어셈블리는 노즐 배출구를 갖는 상부 노즐판, 유체 유입구를 갖는 바닥 플로어(floor) 및 상기 상부 노즐판과 바닥 플로어를 서로 분리시키는 측벽들에 의해서 정의되는 유체 챔버와, 상기 유체 챔버의 측벽에 의해서 그 일 단부가 지지되는 캔틸레버 액추에이터를 포함한다. 상기 액추에이터는 그 내에서 전계가 유도되면 다수의 방향으로 상기 액추에이터를 벤딩시키는 박막 시트와, 상기 박막 시트 상에서 상호 끼움 방식으로 배열된 복수의 코플래너 전극을 포함한다. 상기 상호 끼움된 복수의 코플래너 전극 간에 전압이 인가되면 상기 전계가 유도된다.

본 명세서의 실시예들이 이제 예시적으로 다음의 첨부 도면들을 참조하여서 기술될 것이다.
도 1은 본 명세서의 실시예에 따른 압전형 유체 토출 어셈블리(100)의 측단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가요성 압전형 캔틸레버 액추에이터의 측단면도 및 평면도를 나타내고 있다.
도 3a 및 도 3b는 본 명세서의 실시예들에 따라서 압전형 캔틸레버 액추에이터에서의 다중 벤딩의 실례들을 나타내고 있다.
도 4는 본 명세서의 일 실시예에 따른 가요성 압전형 캔틸레버 액추에이터의 측면도 및 평면도를 나타내고 있다.
도 5는 본 명세서의 실시예들에 따른 다양한 캔틸레버 액추에이터 구성들을 갖는 압전형 유체 토출 어셈블리들의 평면도들이다.
도 6은 본 명세서의 일 실시예에 따른 압전형 유체 토출 어셈블리의 측단면도이다.
도 7은 본 명세서의 일 실시예에 따른 압전형 빔 액추에이터에서 발생하는 다중 벤딩의 실례를 나타내고 있다.
도 8는 본 명세서의 실시예들에 따른 다양한 빔 액추에이터 구성들을 갖는 다수의 압전형 유체 토출 어셈블리의 평면도들이다.
도 9는 일 실시예에 따른 다수의 액추에이터를 갖는 압전형 유체 토출 어셈블리의 측 단면도이다.
도 10은 일 실시예에 따른 유체 토출 어셈블리 내의 다수의 액추에이터를 제어하는 일 실례를 나타내고 있다.
도 11은 일 실시예에 따른, 다수의 액추에이터 및 일 센서를 갖는 압전형 유체 토출 어셈블리의 측 단면도이다.
도 12는 일 실시예에 따른 기본 유체 토출 장치의 블록도이다.

도 1은 본 명세서의 실시예에 따른 압전형 유체 토출 어셈블리(100)의 측단면도이다. 이 어셈블리는 강성의 플로어(floor)(102) 및 유체 방울들이 통과하여서 토출되는 노즐 배출구(106)를 갖는 강성의 상부 노즐 판(104)을 포함한다. 이 어셈블리는 총괄하여서 측벽(108)으로 지칭되는 다수의 측벽들(108A,108B)을 포함한다. 측벽(108)은 플로어(102)를 노즐 판(104)으로부터 분리시킨다. 강성의 플로어(102), 노즐 판(104) 및 측벽들(108)이 노즐 배출구(106)를 통해서 유체 방울들을 토출하기 이전에 유체를 수용하는 유체 챔버(110)를 구획한다. 측벽(108A)은 이후에 노즐 배출구(106)를 통해서 방울 형태로 노출될 유체를 수용하기 위해서 유체 인입구(112)를 갖는다. 유체 인입구(112)의 위치는 측벽(108A)으로 한정되는 것은 아니다. 다른 실시예들에서, 가령, 유체 인입구(112)는 다른 측벽들(108) 또는 플로어(102)에 배치되거나 다양한 측벽들(108) 또는 플로어(102)에 복수 개의 유체 인입구들이 배치될 수 있다.

압전형 유체 토출 어셈블리(100)는 가요성 압전 캔틸레버 액추에이터(flexible piezoelectric cantilever actuator)(114)를 포함한다. 이 액추에이터(114)는 유체 챔버(110)의 측벽(108A)에 의해서 그 일 단부가 지지되는 캔틸레버 멤브레인(116)을 포함한다. 이 캔틸레버 멤브레인(116)의 일 측은 압전 세라믹 박막 시트(118)(가령, PZT(lead zirconate titanate))에 부착되어 있다. 복수의 전극들(120)이 이 박막 시트(118) 상에 배치되어 있다. 전극들(120)은 모두 시트(118)의 동일한 측면 상에 존재하며 서로 동일면을 공유한다(즉, 전극들은 코플래너(coplanar) 전극들이다). 몇몇 실시예들에서, 전극들(120)은 박막 시트(118) 내에 내장된다. 이하에서 보다 상세하게 설명될 바와 같이, 압전 세라믹 박막 시트(118)의 폴링(poling) 및 다수의 방향으로의 액추에이터(114)의 벤딩(bending)을 용이하게 하기 위해서 전극들(120)은 일반적으로 상이한 구역들(가령, 구역(1) 및 구역(2))에서 복수의 세트로 해서 손가락이 서로 끼워져 있듯이 배치되어 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 도 1의 액추에이터(114)와 같은 가요성 압전형 캔틸레버 액추에이터의 측단면도 A 및 평면도 B을 나타내고 있다. 가요성 압전형 캔틸레버 액추에이터(114)의 측단면도 A와 함께 XYZ 축이 도 2에 나타나 있다. X 축은 좌측에서 우측으로 연장되며 액추에이터(114)의 길이와 평행하며 Y 축은 도 1의 면에 대해 수직으로 연장되며 Z 축은 액추에이터(114)의 높이와 평행하며 도 2에서 바닥부에서 상부로 연장된다.

코플래너 전극들(120)의 일 예시적인 레이아웃이 도 2에 도시되어 있으며, 여기서 전극들(120)은 다수의 전극들(120A, 120B 및 120C)로서 나타나 있다. 다수의 코플래너 전극들(120)은 제 2 전극(120B) 및 제 3 전극(120C)과 손가락 끼움 방식으로 배치된 제 1 공통 전극(120A)을 포함한다. 각 코플래너 전극(120)은 박막 시트(118)의 일 측에 대해 평행한 부분을 가지며 이 시트(118)의 이 일 측으로부터 박막 시트(118)의 반대 측을 향해서 수직으로 돌출되어 있는 전극 핑거들(fingers)을 포함한다. 각 전극(120)의 전극 핑거들은 박막 시트(118)의 반대 측 상에 배치된 대향 코플래너 전극의 전극 핑거들과 상호 끼워져 있다(interleaved or interdigitated). 보다 구체적으로, 도 2의 실시예에서, 공통 전극(120A)의 전극 핑거들은 구역(1)에서 전극(120B)의 손가락 핑거들과 상호 끼어져 있으며, 구역(2)에서 전극(120C)의 손가락 핑거들과 상호 끼워져 있다.

전극(120A)은 두 대향 전극들(120B, 120C)에 대해서 공통이다. 이 공통 전극(120A)은 압전 세라믹 박막 시트(118)의 제조 동안에 2 단계 폴링 프로세스에서 전극들(120B,102C)과 교번하여서 사용된다. 이러한 폴링 프로세스는 일반적으로 알려져 있으며 전극들 간에 열 및 강한 전계를 인가하여서 미처리된(raw) 압전 재료에서의 랜덤하게 배향된 다이폴(dipoles)들을 보다 평행한 배향으로 배향시키는 것이다. 도 2의 실시예에서, 압전 시트(118)의 구역(1)은 전극들(120A,120B)을 사용하여서 제 1 단계에서 폴링되고, 압전 시트(118)의 구역(2)은 전극들(120A,120C)을 사용하여서 제 2 단계에서 반대 극성으로 해서 폴링된다. 이후에, 액추에이션 동안에, 압전형 액추에이터(114)는 전극들(120A,120B,120C) 간에 전압을 인가하여서 여러 방향으로 벤딩되게 제어될 수 있다. 보다 구체적으로, 상호 끼워진 전극들(120)의 핑거들 간의 전계는 이 전극 핑거들 간에서 압전 시트(118)가 수축 또는 팽창하여서 액추에이터(114)가 소망하는 방향으로 벤딩하도록 제어될 수 있다. 가령, 일 실시예에서, 액추에이터(114) 내에서 유도된 전계는 X 축 및 Z 축을 따라서 수축이 발생되고 Y 축을 따라서 팽창이 발생되도록 할 수 있다.

도 3a 및 도 3b는 본 명세서의 실시예들에 따라서 압전형 캔틸레버 액추에이터(114)에서의 다중 벤딩의 실례들을 나타내고 있다. 도 3a 및 도 3b에서 액추에이터(114)의 벤딩 정도는 과장되어 있는데 그 이유는 전극들(120A, 120B 및 102C) 간에 전압을 인가하여서 압전 시트(118)에서 유도되는 전계들에 의해서 일어나는 다중 벤딩의 효과를 보다 잘 설명하기 위한 것이다. 도 3a의 실시예에서, 액추에이터(114)의 구역(1)에서는 상향 화살표로 표시된 바와 같이 액추에이터(114)가 상향 벤딩을 하도록 제어되는 반면에, 액추에이터(114)의 구역(2)에서는 하향 화살표로 표시된 바와 같이 액추에이터(114)가 하향 벤딩을 하도록 제어된다. 본 명세서 및 도면 전반에 걸쳐서 오직 2 개의 벤딩 구역만이 예시되지만, 추가적인 벤딩 구역들이 더 고려될 수 있다.

도 3a에서, 액추에이터(114)의 최초의 상태는 가령 도 1에서와 같이 편평하거나 직선형이었다고 가정된다. 따라서, 도 3a에서, 액추에이션 동안에 액추에이터(114)가 2 방향으로 벤딩하는 바(구역(1)에서는 상향이고 구역(2)에서는 하향)가 예시되어 있다. 이러한 액추에이션이 일어나면(즉, 전극들(120A, 120B 및 102C) 간에 전압을 인가하여서 전계가 유도되면), 벤딩된 액추에이터(114)는 압력 펄스를 생성하여서 유체 방울이 챔버(110)로부터 노출 배출구(106)를 통해서 노출되게 한다. 캔틸레버 액추에이터(114)의 에지들 주위의 갭들(500)(도 5 참조)(즉, 측벽들(108)과 액추에이터 간의 갭들)은 인입구(112)를 통해서 챔버(110) 내로 유체를 재충진하기 위한 재충진 경로 역할을 챔버(110) 내에서 한다. 액추에이터(114)가 그의 최초의 상태로 돌아가면(즉, 도 1에서와 같이 편평한 상태가 되면) 유체는 이 액추에이터 주변의 갭들을 통해서 흘러서 액추에이터에 의해서 토출되는 유체를 재충진한다.

도 3b은 다중 벤딩의 다른 실시예로서, 여기에서는 액추에이터(114)의 최초의 상태가 벤딩된 상태이다. 즉, 유체를 챔버(110)로부터 토출시키기 이전에, 액추에이터(114)는 유체를 토출하기 위한 준비 단계로서 사전 토출 위치로 벤딩되어 있다. 도시된 실례에서는, 액추에이터(114)의 구역(1)에서는 하향 화살표로 표시된 바와 같이 액추에이터(114)가 하향 벤딩을 하도록 제어되는 반면에, 액추에이터(114)의 구역(2)에서는 상향 화살표로 표시된 바와 같이 액추에이터(114)가 상향 벤딩을 하도록 제어된다. 액추에이터(114)가 시작 상태가 이렇게 되면 액추에이터에 사전에 부하가 걸려서 토출 이벤트 동안에 전체적인 유체 변위 정도를 증가시킨다. 이 토출 이벤트는 액추에이터(114)가 도 3b에 도시된 최초의 개시 상태에서 도 3a에 도시된 상태로 진행하면서 일어난다.

도 4는 본 명세서의 일 실시예에 따른, 도 1의 액추에이터(114)와 같은 가요성 압전형 캔틸레버 액추에이터의 측면도 A 및 평면도 B를 나타내고 있다. 도 4에서의 코플래너 전극들(120)의 예시적인 레이아웃에서, 전극들(120)은 압전 박막 시트(118) 상에 배치된 복수의 전극 쌍들을 구성하는 다수의 전극들(120A, 120B, 120C 및 120D)이다. 각 코플래너 전극(120)은 박막 시트(118)의 일 측에 대해서 평행하게 배치된 부분을 가지며 이 박막 시트(118)의 일 측으로부터 수직으로 이 박막 시트(118)의 반대 측으로 돌출된 전극 핑거들을 포함한다. 각 전극 쌍은 박막 시트(118)의 서로 반대되는 측에 각기 배치된 제 1 전극 및 제 2 전극을 갖는다. 구체적으로, 도 4의 실시예에서, 구역(1)에서는 전극들(120A,120B)이 전극 쌍을 형성하고, 이들은 박막 시트(118) 상에서 서로 대향하는 측에 배치되어서 그들의 전극 핑거들이 상호 끼움되어 있다. 마찬가지로, 구역(2)에서는 전극들(120C,120d)이 전극 쌍을 형성하고, 이들은 박막 시트(118) 상에서 서로 대향하는 측에 배치되어서 그들의 전극 핑거들이 상호 끼움되어 있다. 도 4에서는 오직 2 개의 전극 쌍들이 도시되었지만, 추가적인 전극 쌍들이 더 추가될 수 있다. 도 4의 실시예에서 각 전극(120)은 상호 독립적이며 독립적으로 제어될 수 있다. 따라서, 제조 동안에, 폴링 프로세스가 구역(1)에서는 전극 쌍(120A, 120B)을 이용하고 구역(2)에서는 전극 쌍(120C, 120D)을 사용하여서 단일 단계에서 구역(1) 및 구역(2)에 대해서 상이하게(가령, 서로 반대되는 극성으로 해서) 수행될 수 있다. 또한, 액추에이션 동안에, 상이한 구역들에서 각 전극 쌍의 전극들 간에 전압을 인가하는 바가 개별적으로 제어되어서 액추에이터(114)가 다수의 가변하는 방향으로 벤딩하도록 할 수 있다.

도 5(도 5a 내지 도 5f)는 본 명세서의 실시예들에 따른 다양한 캔틸레버 액추에이터 구성들을 갖는 압전형 유체 토출 어셈블리(100)들의 평면도들이다. 이 평면도들에서, 노즐 판(104)이 도시되지 않았는데 그 이유는 챔버(110) 내에서 다양한 캔틸레버 액추에이터 구성들을 보다 잘 설명하기 위해서이다. 또한, 챔버(110)의 측벽들(108)과 액추에이터(114) 간의 전술한 갭들(500)(및 다수의 액추에이터들 간의 갭들(500)은 도 5에서 보다 용이하게 식별될 수 있다. 이 갭들(500)은 챔버 내에 유체를 재충진하는 재충진 경로 역할을 한다. 액추에이터(114)가 액추에이션 후에 다시 그의 원 상태로 돌아가면, 유체는 액추에이터를 둘러 있는 갭들을 통해서 액추에이터에 의해서 토출된 유체를 재충진하게 된다.

압전형 유체 토출 어셈블리(100)에서 캔틸레버 액추에이터를 사용하는 바의 한가지 잠재적 한계는 액추에이터가 액추에이션 후에 그의 원 상태로 돌아오도록 하기에 액추에이터의 강성(stiffness)이 충분하게 크지 않을 수 있다는 것이다. 즉, 압전 시트(118)를 수축 또는 팽창하도록 전계가 인가되어서 액추에이터(114)가 벤딩되고 이어서 전계가 제거되거나 반대로 되면 액추에이터(114)가 다시 그의 최초의 형상으로 복귀하기에는 액추에이터 멤브레인(116)의 강성이 충분하게 크지 않을 수 있다. 따라서, 도 5에 도시된 실시예들에서는 이러한 잠재적 문제를 해소하기 위해서 캔틸레버 액추에이터(114)의 강성이 조절될 수 있는 방식들의 실례가 제공된다. 보다 구체적으로, 캔틸레버 액추에이터(114)의 강성은 그의 제조 동안에 액추에이터의 종횡비(즉, 길이 대 폭 비)를 조절함으로써 조절될 수 있다. 캔틸레버 액추에이터(114)의 강성을 조절하는 것과 관련하여서, 캔틸레버 액추에이터의 종횡비가 감소할 때에 유체 토출 어셈블리(100) 내에서 복수의 액추에이터들이 사용될 수 있다. 또한, 유체 토출 후에 갭들(500)을 통하여 챔버(110) 내로 유체를 재충진하는 재충진 레이트 및 균일성을 조절하기 위해서 캔틸레버 액추에이터(114)의 구성이 변경될 수 있다.

가령, 도 5a에서 시작하면, 유체 토출 어셈블리(100)는 측벽(108)에 연결되어서 챔버의 장변을 따라서 챔버(110) 내로 연장되는 단일 캔틸레버 액추에이터(114)를 포함한다. 도 5a의 액추에이터(114)의 종횡비는 도 5b 내지 도 5e의 액추에이터들의 종횡비보다 큰데 그 이유는 도 5a에서의 액추에이터의 길이가 그의 폭보다 매우 크기 때문이다. 따라서, 도 5a에서의 액추에이터(114)의 강성은 낮아서 액추에이터가 액추에이션 후에 자신의 본래의 상태로 돌아가지 않을 가능성이 크다. 이와 비교하여서, 도 5b의 유체 토출 어셈블리(100)는 서로 대향하는 측벽들(108)에 각기 연결되어서 챔버의 장변 방향으로 연장되는 2 개의 캔틸레버 액추에이터(114)를 포함한다. 도 5b의 액추에이터들은 도 5a의 액추에이터의 길이의 대략 절반의 길이를 가지며 그 폭을 서로 동일하다. 따라서, 도 5b의 액추에이터의 종횡비는 낮아지게 되고 이로써 보다 큰 강성을 가지게 되어서 액추에이션 후에 자신의 원래의 상태로 복귀할 가능성이 커진다. 다른 구성으로, 도 5c는 챔버(110)의 장변에 연결되어서 장변을 따라서 연장되는 폭을 가지며 챔버(110)의 단변을 따라서 연장하는 길이를 갖는 액추에이터(114)를 갖는 유체 토출 어셈블리(100)를 예시하고 있다. 이로써, 종횡비(즉, 길이 대 폭 비)는 크게 감소하게 되고 높은 강성을 갖게 된다. 도 5d, 도 5e 및 도 5f는 상이하게 조절된 종횡비 및 액추에이터 개수, 액추에이터의 측벽 부착 위치와 액추에이터들이 유체 토출 어셈블리(100) 내에서 서로 대향하고 있는 지에 있어서 상이한 구성을 갖는 액추에이터들(114)을 갖는 추가적인 예시적인 유체 토출 어셈블리들(100)을 나타내고 있다. 본 기술 분야의 당업자에게는 자명한 바와 같이, 또 다른 예시적인 구성들이 본 명세서에서 가능하며 고려될 수 있다.

액추에이터의 강성을 증가시키는 다른 방법은 빔 구성을 사용하는 것인데, 이 빔 구성에서는 한 액추에이터의 양 단부가 유체 토출 어셈블리 내의 챔버의 서로 대향하는 측벽에 각기 연결 또는 고정되어 있다. 이와 관련하여서, 도 6은 본 명세서의 일 실시예에 따른 압전형 유체 토출 어셈블리(100)의 측단면도이다. 이 어셈블리(100)는 도 1에서 기술된 어셈블리(100)와 실질적으로 동일한 구성을 갖는다. 그러나, 도 6의 실시예에서는, 어셈블리(100)는 어셈블리(100)의 서로 대향하는 측벽들에 각기 고정된 양 단부를 갖는 가요성 압전형 빔 액추에이터(600)를 포함한다.

가요성 빔 액추에이터(600)는 그 양 단부가 유체 챔버(110)의 대향하는 측벽(108A, 108B)들에 의해서 각기 지지되는 빔 멤브레인(602)을 포함한다. 이 빔 멤브레인(602)의 일 측면은 압전 세라믹 박막 시트(604)(가령, PZT(lead zirconate titanate)에 부착된다. 이 박막 시트(604)는 캔틸레버 액추에이터(114)에서 상술된 전극들과 실질적으로 동일한 방식으로 구성되는데, 즉 시트 상에 다수의 상호 끼움된 코플래너 전극들(606)을 포함한다. 이로써, 액추에이터(600)에 걸쳐 있는 다수의 구역들(참조 부호 미 표시)에서는 상기 상호 끼움된 코플래너 전극들 양단에 전압을 인가하면 다수의 방향으로 벤딩이 일어나게 된다.

도 7(도 7a 및 도 7b)은 본 명세서의 일 실시예에 따른 압전형 빔 액추에이터(600)에서 발생하는 다중 벤딩의 실례를 나타내고 있다. 도 7a 및 도 7b의 액추에이터들에서 도시된 벤딩 정도는 과장되었는데 그 이유는 전극들(606) 양단에 전압이 인가되어서 압전 시트(604)에서 유도된 전계에 의해서 유발되는 다중 벤딩의 효과를 보다 잘 설명하고자 하기 때문이다. 도 7의 실시예들에서, 빔 액추에이터(600)의 상이한 구역들(참조 부호가 부여되지 않음)은 다수의 방향으로(가령, 상향 및 하향으로) 빔이 벤딩되도록 제어된다. 빔 액추에이터(600)의 벤딩으로 인해서 압력 펄스가 생성되고 이로써 유체 방울이 챔버(110) 외부로 노즐 배출구(106)를 통해서 토출된다. 도 8에 도시된 바와 같이, 액추에이터(600)와 챔버 측벽들(108) 간의 액추에이터(600)의 어느 일 측 상의 갭들(500)(및 다수의 빔 액추에이터들(600) 간의 갭들(500))은 유입구(112)를 통해서 유체가 챔버 내로 재충진되는 재충진 경로들로서 챔버(110) 내에서 기능한다. 액추에이션 후에, 빔 액추에이터(600)가 자신의 원 상태로 복귀하면, 유체는 액추에이터 주위의 갭들을 통해서 액추에이터에 의해서 토출된 유체를 재충진하게 된다.

캔틸레버 액추에이터(114)에서 상술한 바와 유사하게, 도 7b는 빔 액추에이터의 원 상태가 도 6에서도 도시된 바와 같이 직선 상태가 아니라 벤딩된 상태인 경우에 압전형 빔 액추에이터(600)의 다중 벤딩의 실례를 나타내고 있다. 이로써, 챔버(110)로부터 유체를 토출하기 이전에, 빔 액추에이터(600)는 유체 토출을 준비하기 위한 사전 토출 준비 상태로 벤딩되어 있다. 빔 액추에이터가 이러한 개시 시점에 있으면 액추에이터에는 사전에 부하가 걸리게 되어 있어서 실제 토출 이벤트 동안에는 전체적인 유체 변위가 증가하게 된다. 이러한 실제 토출 이벤트는 액추에이터(600)가 도 7b에서 도시된 최초의 개시 상태에서 도 7a에 도시된 상태로 진행함으로써 일어난다.

도 8(도 8a 내지 도 8d)는 본 명세서의 실시예들에 따른 다양한 빔 액추에이터 구성들을 갖는 다수의 압전형 유체 토출 어셈블리(100)의 평면도들이다. 이 평면도들에서, 노즐 판(104)은 도시되지 않았는데 그 이유는 챔버(110) 내의 다양한 빔 액추에이터(600)의 구성들을 보다 양호하게 나타내기 위함이다. 캔틸레버 액추에이터(114)에서와 같이, 빔 액추에이터(600)의 종횡비는 액추에이터 강성을 제어하기 위해서 조절될 수 있다. 빔 액추에이터(600)의 종횡비가 변하게 되면, 압전형 유체 토출 어셈블리(100) 내의 빔 액추에이터(600)는 다양하게 구성될 수 있다. 또한, 빔 액추에이터(600)의 구성들은 유체 토출 후에 갭들(500)을 통해서 챔버(110) 내로 유체가 재충진되는 레이트 및 균일성을 조절하도록 변경될 수 있다.

도 8a에서는, 유체 토출 어셈블리(100)는 챔버(110)의 전체 장변에 걸쳐서 연장되고 서로 대향하는 측벽들(108)에 그 양단부가 연결된 단일 빔 액추에이터(600)를 포함한다. 이 빔 액추에이터(600)의 강성은 도 8b 내지 도 8b의 액추에이터의 강성보다 작은데 그 이유는 도 8a의 액추에이터의 종횡비가 도 8b 내지 도 8d의 액추에이터들의 종횡비보다 크기 때문이다. 가령, 도 8b에서, 빔 액추에이터(600)는 그 폭이 대부분 챔버(110)의 장변을 따라서 연장되어 있고 그 길이는 챔버의 단변을 따라서 대향하는 측벽들(108)에 연결되어 있다. 이로써, 도 8b의 액추에이터는 종횡비가 보다 낮고 강성은 보다 커지게 된다. 도 8c 및 도 8d는 서로 상이한 종횡비를 갖는 빔 액추에이터들(600)의 추가적인 예시적인 구성들을 나타내고 있다. 예시된 바와 같이, 챔버(100) 내에서 서로 평행하게 배치된 빔 액추에이터들(600)의 개수가 증가할수록 빔의 종횡비는 작아지게 된다.

도 9는 일 실시예에 따른 다수의 액추에이터를 갖는 압전형 유체 토출 어셈블리(100)의 측 단면도이다. 여기서, 액추에이터들(114)은 캔틸레버 액추에이터(114) 또는 빔 액추에이터(600)일 수 있다. 도 9의 도면에서는 도 1에 비해서 어셈블리가 수직으로 배향되어 있다. 따라서, 액추에이터들의 길이가 해당 페이지 지면을 수직으로 통과하여서 연장하고 있는 것이다. 따라서, 액추에이터들이 접속되는 측벽들은 도면상에서 현재 볼 수가 없다. 액추에이터들은 전반적으로 전술한 바와 같이 구성되며, 멤브레인(116/602)이 존재하며, 그 일면에 부착된 압전 세라믹 박막 시트(118/604)가 존재하며, 그 상에 상호 끼움된 코플래너 전극들(120)이 존재한다.

도 10은 일 실시예에 따른 유체 토출 어셈블리(100) 내의 다수의 액추에이터를 제어하는 일 실례를 나타내고 있다. 유체 챔버(110) 내에서 다수의 액추에이터를 개별적으로 제어할 수 있어서 압력 분포, 유체 드랍 속도, 유체 드랍 형상, 유체 드랍 중량 및 노즐 배출구(106)에서의 메니스큐스 형상과 같은 다양한 유체 특성들이 제어될 수 있다. 노즐 배출구(106)의 위치는 챔버(110) 내에서의 액추에이터 구성과 관련하여서 소망하는 유체 특성을 얻도록 가변될 수 있다. 도 10에 도시된 바와 같이, 3 개의 액추에이터가 개별적으로 제어될 수 있다. 이 액추에이터들은 가령 소정의 순서로 해서 벤딩 또는 액추에이션하도록 제어될 수 있다. 도 10에 도시된 순서에서는, 단계(1)에서, 노즐 배출구에서 가장 멀리 있는 액추에이터가 먼저 활성화되고(상향 화살표로 표시됨), 이어서, 단계(2)에서, 노즐 배출구에 다음으로 가까운 액추에이터가 활성화된다. 이어서, 단계(3)에서, 노즐 배출구에 가장 인접한 액추에이터가 액추에이션된다. 이렇게 액추에이터들을 액추에이션시키면 유체 압력이 좌측에서 우측으로 노즐을 향해서 증가하여서 에너지가 효율적으로 집중되어서 노즐 배출구를 통해서 보다 큰 압력으로 유체를 배출할 수 있게 된다. 단계(4)에서, 노즐 배출구에서 가장 멀리 있는 액추에이터가 이완되어서 원 상태로 복귀하게 된다. 이렇게 액추에이터를 제어하면 챔버 내에서의 유체 파형을 푸시-풀 방식(push-pull manner)으로 조작하여서 가령 토출된 유체 방울(가령, 방울 꼬리부) 및 유체 메니스큐스의 형상을 제어하는 바에 영향을 줄 수 있다.

다수의 액추에이터들을 제어하는 일 예시적인 순서가 기술되었지만, 유체 토출 어셈블리(100) 내에서 다수의 액추에이터들을 제어하는 다른 다양한 방법들이 고려될 수 있다. 가령, 2 개 이상의 액추에이터들이 한 번에 활성화(액추에이션) 또는 비활성화(이완)될 수 있거나 모든 액추에이터들이 한 번에 활성화(액추에이션) 또는 비활성화(이완)될 수 있다.

도 11은 일 실시예에 따른, 다수의 액추에이터 및 일 센서(1100)를 갖는 압전형 유체 토출 어셈블리(100)의 측 단면도이다. 다수의 액추에이터 및 센서(1100)는 캔틸레버형이거나 빔형일 수 있다. 센서(1100)는 전반적으로 캔틸레버형 또는 빔형에 대해서 전술한 바와 같이 구성되며, 멤브레인이 존재하고, 그 상에 압전 세라믹 박막 시트가 부착되고, 이 박막 시트 상에 상호 끼움된 복수의 코플래너 전극들이 배치된다. 센서(1100)는 유체 움직임 및 변화 압력과 같은 챔버(110) 내에서의 유체의 전반적인 상태 및 이러한 상태와 관련된 챔버(110) 내에서의 하나 이상의 액추에이터들의 액추에이션 시간에 대한 피드백을 제공한다. 유체 상태가 변하면 센서가 벤딩되며 이로써 전극들 간에서 전류가 흐르게 된다. 이 센서 전극을 통해서 흐르는 전류의 양 및 타이밍은 센서 벤딩의 정도 및 타이밍을 제공하며 이로써 유체 상태에 대한 정보를 제공받을 수 있다.

도 12는 일 실시예에 따른 기본 유체 토출 장치의 블록도이다. 이 유체 토출 장치(1200)는 전자적 제어기(1202) 및 압전형 유체 토출 어셈블리(100)를 포함한다. 전자적 제어기(1202)는 통상적으로 어셈블리(100)와 통신하여서 정확한 유체 방울 토출을 성취하도록 어셈블리(100)를 제어하는 프로세서, 펌웨어 및 다른 전자 요소들을 포함한다.

일 실시예에서, 이 유체 토출 장치(1200)는 잉크젯 인쇄 장치이다. 이로써, 유체 토출 장치(1200)는 유체 토출 어셈블리(100)에 유체를 공급하는 유체/잉크 어셈블리(1204), 토출된 유체 방울의 패턴을 수용하는 매체를 제공하는 매체 전송 어셈블리(1206) 및 전원(1208)을 더 포함한다. 일반적으로, 전자적 제어기(1202)는 컴퓨터와 같은 호스트 시스템으로부터 데이터를 수신한다. 가령, 데이터는 인쇄될 문서 및/또는 파일을 나타내며 하나 이상의 인쇄 작업 명령 및/또는 명령 파라미터를 포함하는 인쇄 작업을 형성한다. 이 데이터로부터, 전자적 제어기(1202)는 토출 액적 패턴을 정의하여서 문자, 심볼, 그래픽 및/또는 이미지가 형성되게 한다.

본 발명은 지금까지 실시예들을 참조하여서 기술되었지만 본 발명은 이로만 한정되는 것이 아니라 다양한 수정 및 변경이 본 기술 분야의 당업자에게 가능하다.

Claims

캔틸레버 멤브레인(cantilever membrane)과,
상기 캔틸레버 멤브레인의 일 면에 부착되어, 박막 시트 내에서 유도된 전계에 반응하여 다수의 방향으로 상기 멤브레인을 벤딩시키는 상기 박막 시트와,
상기 박막 시트 상에 배열된 복수의 코플래너 전극(coplanar electrodes)을 포함하고, 상기 복수의 코플래너 전극은 상호 끼움(interdigitated) 방식으로 배열되어 상기 상호 끼움된 복수의 코플래너 전극 간에 전압이 인가되면 상기 전계를 생성하는
압전형 액추에이터.
제 1 항에 있어서,
상기 복수의 코플래너 전극은 제 3 공통 전극과 상호 끼움되는 제 1 전극 및 제 2 전극을 포함하는
압전형 액추에이터.
제 1 항에 있어서,
상기 복수의 코플래너 전극은 다수의 전극 쌍들을 포함하며,
각 전극 쌍은 서로 대향하여 있으면서 서로 끼움 배열되는 제 1 전극 및 제 2 전극을 포함하는
압전형 액추에이터.
제 1 항에 있어서,
각 코플래너 전극은 상기 박막 시트의 일 측에 대해 평행하게 배열되어 있고,
각 코플래너 전극은 상기 일 측에 대향하는 측으로 수직으로 연장된 핑거들을 포함하며,
상기 핑거들은 상기 대향하는 측에 평행하게 배치된 대향 코플래너 전극의 핑거들과 서로 끼움 배열되는
압전형 액추에이터.
제 1 항에 있어서,
상기 박막 시트는 압전 박막 시트인
압전형 액추에이터.
제 5 항에 있어서,
상기 압전 박막 시트는 서로 반대 극성으로 폴링된(poled) 제 1 구역 및 제 2 구역을 갖는
압전형 액추에이터.
바닥부, 상부 및 측벽들을 포함하는 유체 챔버와,
상기 챔버의 상부를 정의하고 노즐 배출구를 갖는 노즐판과,
상기 챔버의 측벽에 의해서 지지되는 캔틸레버 멤브레인을 포함하며,
상기 캔틸레버 멤브레인은,
부착된 압전 박막 시트 상에서 상호 끼움 방식으로 배열된 코플래너 전극의 상호 끼움된 핑거들 사이에 전압이 인가됨으로써 상기 박막 시트 내에서 전계가 유도되는 것에 응답하여 다수의 방향으로 상기 멤브레인을 벤딩시키는 상기 부착된 압전 박막 시트를 가지며, 상기 멤브레인의 벤딩은 상기 노즐 배출구를 통해 유체 방울을 토출시키는
압전형 유체 토출 어셈블리.
제 7 항에 있어서,
서로 평행하게 배열된 다수의 캔틸레버 멤브레인을 포함하며,
각 멤브레인은 상기 유체 챔버 내에서 유체 압력을 조작하기 위해서 독립적으로 액추에이션(actuation)이 가능한
압전형 유체 토출 어셈블리.
제 7 항에 있어서,
다수의 캔틸레버 멤브레인을 포함하며,
각 멤브레인은 상기 유체 챔버의 서로 대향하는 2개의 측벽들 중 어느 하나에 의해서 지지되며,
각 멤브레인은 상기 유체 챔버 내에서 유체 압력을 조작하기 위해서 독립적으로 액추에이션이 가능한
압전형 유체 토출 어셈블리.
제 7 항에 있어서,
상기 멤브레인은 다중 벤딩 상태를 포함하는 최초의 토출 이전 위치(original, pre-ejection position)를 갖는
압전형 유체 토출 어셈블리.
제 7 항에 있어서,
상기 멤브레인은 상기 유체 챔버의 서로 대향하는 측벽들에 의해서 양단부에서 지지되는 빔 멤브레인을 포함하는
압전형 유체 토출 어셈블리.
제 7 항에 있어서,
상기 멤브레인은 서로 평행한 다수의 빔 멤브레인을 포함하고,
각 멤브레인은 상기 유체 챔버 내에서 유체 압력을 조작하기 위해서 독립적으로 액추에이션이 가능한
압전형 유체 토출 어셈블리.
제 7 항에 있어서,
유체가 상기 바닥부에 있는 유입구로부터 상기 상부에 있는 상기 노즐 배출구를 향해서 상기 멤브레인의 둘레를 흐르게 하는 상기 멤브레인의 각 측면 상의 갭을 포함하는
압전형 유체 토출 어셈블리.
제 7 항에 있어서,
다수의 캔틸레버 멤브레인을 포함하며,
상기 멤브레인 중 하나는 센서 멤브레인이며,
상기 센서 멤브레인의 압전 박막 시트는 상기 유체 챔버 내의 유체 상태를 변화시킴으로써 발생하는 상기 센서 멤브레인의 벤딩에 응답하여 전계를 생성하는
압전형 유체 토출 어셈블리.
유체 토출 어셈블리로부터의 유체 토출을 제어하는 전자적 제어기를 포함하는 유체 토출 장치로서,
상기 유체 토출 어셈블리는,
노즐 배출구를 갖는 상부 노즐판, 유체 유입구를 갖는 바닥 플로어(floor) 및 상기 상부 노즐판과 바닥 플로어를 서로 분리시키는 측벽들에 의해서 정의되는 유체 챔버와,
상기 유체 챔버의 측벽에 의해서 일 단부에서 지지되는 캔틸레버 액추에이터를 포함하며,
상기 캔틸레버 액추에이터는,
압전 박막 시트 상에서 상호 끼움 방식으로 배열된 복수의 코플래너 전극에 전압을 인가함으로써 상기 압전 박막 시트에 전계가 유도되면 다수의 방향으로 상기 액추에이터를 벤딩시키는 상기 압전 박막 시트를 포함하는
유체 토출 장치.