KR20130126503A - 유동성 구조체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유동성 구조체에 관한 것으로, 상기 유동성 구조체는, 유체 저장소로의 연결부 및 구멍들의 어레이로의 연결부를 가지며, 상기 유체 저장소와 상기 구멍들의 어레이 사이에 유동 경로를 형성하는 제 1 챔버; 상기 유동성 구조체의 외부에 있는 대기에 연결된 적어도 하나의 통기구로의 연결부를 가지는 제 2 챔버; 및 상기 제 1 챔버와 상기 제 2 챔버 사이의 적어도 하나의 경로를 포함한다.

Description

유동성 구조체{FLUIDIC STRUCTURE}
통상적으로, 고체 잉크 프린트 헤드는 드립 피드 (drip feed) 또는 엄빌리컬 (umbilical) 피드 시스템을 이용하여 용융 잉크가 공급되는 저장소를 포함한다. 또한, 프린트 헤드는 인쇄 면에 이미지를 형성하기 위하여 잉크가 빠져나오는 개구들의 어레이를 갖는 노즐 플레이트에 부착되는 분출 요소들의 어레이를 포함한다. 프린트 헤드 내에서, 잉크는 저장소로부터 일련의 채널들 또는 매니폴드들 (manifolds) 을 통해 분출 요소 및 노즐 플레이트로 유동한다. 프린트 헤드 내의 이 채널들 또는 매니폴드들은 전반적인 유동성 구조체를 형성하기 위하여 함께 접합되는 별개의 층들의 조합에 의해 통상적으로 형성된다.
히터의 이용을 통해, 프린트 헤드는, 프린트 헤드 내의 고체 잉크가 용해하거나 정상 작동 동안 액체가 되도록 가열된다. 장기간의 유휴 상태 (idleness) 동안, 또는 전력 강하 (powering down) 후에, 히터는 꺼진다. 프린트 헤드의 관련된 냉각은 프린트 헤드 내의 잉크가 응고하고 수축하게 한다. 결과적으로, 이는 공기가 프린트 헤드 내의 채널들 또는 매니폴드들로 도입되게 한다. 그 후의 전력 상승 (power-up) 시에, 이 공기는 유동성 구조체 내의 기포로서 스스로 나타난다. 프린트 헤드를 정확하게 실행시키기 위하여, 프린트 헤드의 내부에 있는 채널들 또는 매니폴드들로부터 이 공기의 전부 또는 실질적으로 전부를 제거해야 한다.
용어 '프린터' 및 '프린트 헤드' 는 프린터, 팩스기, 사진 인화기 등의 부분인 인쇄 면을 향해 잉크를 생산하는 임의의 구조체 또는 시스템에 적용된다는 점을 주목해야 한다.
본 발명은 시스템이 퍼지 사이클로서 유동성 구조체로부터 공기를 제거하는 프로세스에 관한 것이다. 종래의 공기 제거 접근법은 시스템이 재생 또는 재사용할 수 없는 폐 잉크를 생성한다. 예컨대, 일 접근법에 있어서, 시스템은, 기포가 노즐 플레이트의 일부가 아닌 통기공을 통해 프린트 헤드를 빠져나올 수 있는 곳에서 기포를 채널들 또는 매니폴드들을 따라 이동시킨다. 다른 접근법에 있어서, 시스템은 분출 요소들 및 분출 요소들에 관련된 노즐을 통해 공기를 압입한다. 추가의 다른 접근법에 있어서, 시스템은 분출 요소와 관련되지 않는 노즐 플레이트 내의 통기구들 또는 노즐들을 통해 공기를 압입한다. 각각의 이러한 접근법들에 있어서, 기포와 통기구 또는 분출 요소들 사이에 포획된 잉크는 또한 프린트 헤드를 빠져나온다. 프린터는 이 잉크를 쉽게 재생할 수 없고, 잉크를 낭비하게 된다.
더 엄격한 에너지 절약 요구가 출현하면서, 프린터는 현재 요구되는 것보다 더 빈번하게 전력 강하가 요구될 것이다. 상응하게는, 전력 강하 동안 프린트 헤드로 도입된 공기를 제거하기 위하여 퍼지 사이클에 대한 요구가 또한 증가될 것이다. 이는 더 많은 폐 잉크에 기여할 것이고, 결과적으로 프린트 헤드의 효율성의 저하, 사용자의 고비용 및 고객 불만족을 초래할 것이다.
도 1 및 도 2 는 유동성 구조체를 통과하는 잉크 경로의 예를 도시한다.
도 3 은 통기 챔버를 갖는 유동성 구조체의 실시형태를 도시한다.
도 4 는 통기 챔버를 갖는 유동성 구조체의 다른 실시형태를 도시한다.
도 5 는 다중 통기 챔버들을 갖는 유동성 구조체의 실시형태를 도시한다.
도 6 ~ 도 9 는 유동성 구조체로부터 기포를 통기하는 프로세스의 일부를 도시한다.
도 10 은 통기 챔버를 갖는 유동성 구조체를 포함하는 층들의 평면도를 도시한다.
도 11 은 통기 챔버를 갖는 유동성 구조체를 포함하는 층들의 다른 평면도를 도시한다.
도 1 은 유동성 구조체 (10) 의 실시예를 도시한다. 유동성 구조체는 유체를 저장소로부터 하나 이상의 분출 요소들 및 분출 요소들의 관련된 노즐들로 이동시키는 임의의 구조체로 이루어질 수 있다. 여기서 본 발명은 이해의 용이성을 위해 프린트 시스템 내의 프린트 헤드에 초점을 맞출 것이지만, 여기서 설명된 실시형태들은 어떠한 유동성 구조체에 적용될 수 있다. 임의의 특정한 유동성 구조체에 제한하는 것을 의도하지 않으며, 아무것도 암시하지 않아야 한다.
이 실시예에서, 유동성 구조체는 유체 (14) 를 포함하는 저장소 (12) 에 연결된다. 일부 경우에 있어서, 저장소는 유체를 채널 (16) 을 통해 유동성 구조체 (10) 내의 챔버 (18) 로 보내는 압력을 받게 된다. 유동성 구조체는, 함께 적층되는 때에 잉크를 저장소로부터, 도면 부호 20 과 같이 개구라고 언급되는, 분출 요소들 및 분출 요소들의 노즐의 어레이로 보내는 매니폴드들 또는 채널들을 형성하는 다중 층들 (22) 로 이루어질 수 있다. 층들의 적층 (stack-up) 은 여기에서 도시된 층들보다 더 많은 층들로 이루어질 수 있지만, 본 발명의 목적을 위해, 챔버 (18) 를 형성하는 층(들) 및 개구들을 포함하는 층이 가장 관심사이다. 인쇄 동안, 유체는 분출 요소에 의해 노즐로부터 분사된다. 이 실시예에 있어서, 도면부호 24 와 같은 인쇄 기판에 이미지를 형성하기 위하여 잉크가 분출 요소에 의해 분사된다.
전술한 바와 같이, 프린트 헤드의 전력 강하 사이클 동안 공기는 유동성 구조체로 도입될 수 있다. 또한, 특정 상황 하에서, 공기는 마찬가지로 정상 작동 동안 유동성 구조체로 도입될 수 있다는 점을 주목해야 한다. 도 2 는 시스템 내의 공기의 예를 도시한다.
도 2 에서, 도면부호 26 과 같은 기포가 챔버 (18) 내에 포획된다는 것을 볼 수 있다. 시스템은, 정상 작동 이전에, 이러한 기포를 퍼지 사이클의 이용을 통해 제거할 필요가 있다. 시스템이 정상 작동 이전에 기포를 제거하지 않는다면, 기포는 유동성 구조체의 성능에 악영향을 주게 될 것이다. 도 1 및 도 2 에서 도시된 것과 같은 현재의 유동성 구조체에 있어서, 기포는, 전형적으로, 노즐 플레이트 내에 없는 통기구들, 노즐 플레이트 내에 있는 통기구들 또는 분사 요소들 자체를 통해 바로 빠져나오도록 압입된다. 각각의 이러한 접근법들에 있어서, 기포와 통기구 또는 분출 요소 사이에 포획된 잉크는 또한 프린트 헤드를 빠져나온다. 프린터는 이 잉크를 쉽게 재생할 수 없고, 이 잉크는 낭비된다.
도 3 은 노즐 층에 대향하는 제 1 챔버 (18) 측에 배치된 제 2 챔버 (32) 를 포함하는 유동 구조체 (30) 의 실시형태를 도시한다. 제 2 챔버는 기포를 통기시키도록 프린트 헤드의 외부에 있는 대기와 연결되는 적어도 하나의 통기구 (34) 를 갖는다. 통기구는 일반적으로 공기를 통기시키기에 필요한 크기보다 훨씬 더 큰 크기를 가진다는 점을 주목해야 한다. 구조체 (30) 에 의하면, 퍼지 사이클 동안, 기포 및 관련된 포획된 유체는 도면부호 36 과 같은 다중 경로를 통해 챔버 (32) 로 이동한다. 부력을 통해, 공기는 챔버 (32) 내의 유체로부터 분리되고 통기구 (34) 를 통해 빠져나온다. 퍼지 사이클의 종료 시에, 유체는 도면 부호 36 과 같은 경로들을 통해 챔버 (18) 로 되돌아온다. 이는 유체의 회수를 허용한다.
도 4 는 챔버 (32) 및 통기구 (34) 의 대안적인 구성을 도시한다. 이 실시형태에는, 단일 챔버 (32) 및 단일 통기구 (34) 가 있다. 도 5 는 챔버 (32) 및 통기구 (34) 의 추가의 다른 대안적인 구성을 도시한다. 이 실시형태에는, 통기구 (34) 를 각각 구비하는 별개의 다중 제 2 챔버 (32) 가 있다. 치수 및 챔버들의 치수 간의 관계는 유동성 구조체를 이용하는 적용 및 시스템에 의존한다. 예컨대, 유체의 특성, 필요한 유량, 사용된 압력 등이 제 2 챔버(들)의 선택된 구성에 모두 영향을 미친다.
도 6 ~ 9 는 퍼지 사이클 동안의 유동성 구조체를 도시한다. 도 6 에서, 퍼지 사이클은 유체 저장소 (12) 에 압력을 가하면서 시작한다. 이는 유체 (14) 가 채널 (16) 을 통해 챔버 (18) 로 그리고 도면부호 36 과 같은 경로를 통해 제 2 챔버 (32) 로 유동하게 한다. 또한, 도면부호 26 과 같은 기포는 유체와 함께 경로 (36) 를 통해 그리고 통기구 (34) 를 향해 이동한다. 퍼지 사이클 동안 가해진 압력 프로파일은, 유체가 통기구 (34) 에 도달하여 유동성 구조체를 빠져나오지 못하게 한다는 점을 주목해야 한다. 추가로 더 상세하게 설명된 바와 같이, 챔버의 치수, 경로 및 통기구는 원하는 압력 프로파일을 수용하기 위해 제어될 수 있다.
도 7 에서는, 압력이 저장소 (12) 에 여전히 남아있고 챔버 (18) 가 유체로 채워지며 기포가 제 2 챔버 (32) 로 보내진다. 기포는 외부 대기로 빠져나오기 위해 통기구 (34) 부근에 모여진다.
도 8 에서는, 저장소가 더 이상 압력을 수용하지 않고, 액체의 유동은 스스로 역전하기 시작한다. 유체는 제 2 챔버 (32) 로 다시 이동한 후, 도면부호 36 과 같은 경로들을 통해 제 1 챔버 (18) 로 하향 이동한다. 퍼지 사이클의 종료 시에, 도 9 에 도시된 바와 같이, 제 1 챔버 (18) 는 유체로 채워진 채로 남아있고, 제 2 챔버 (36) 는 비어진다. 게다가, 도면부호 36 과 같은 각각의 경로는 유체가 경로 (36) 로 유동하는 것 또는 정상 작동 동안 챔버 (18) 로 부터 배수되는 것을 방지하기 위해 충분한 강도를 갖는 매니스커스 (38) 를 갖는다.
유동성 구조체의 다양한 구성 요소의 기하학적 매개변수는, 과잉 폐 잉크를 생성함 없이, 공기를 방출하기 위한 구조체의 능력에 영향을 미친다. 이러한 매개변수는 제 2 챔버(들)의 체적을 포함한다. 전술한 바와 같이, 제 2 챔버의 체적은 퍼지 프로세스 동안 챔버 내로 압입된 임의의 부수적인 유체를 수용할 필요가 있다. 챔버가 수용해야하는 유체의 양을 결정하는 인자들은 마지막 기포가 챔버에 진입하는데 걸리는 시간의 양, 및 퍼지 프로세스 동안 챔버에 진입하는 유체의 시간 평균 유량을 포함한다. 이러한 두 개의 값의 결과물 (product) 은 챔버로의 총 체적 유동을 제공하고, 이는 결국 필요하게 될 챔버(들)의 크기를 결정한다. 예컨대, 도 3, 4 및 5 에 도시된 상이한 구현예들은 상이한 체적의 챔버를 필요로 한다. 현재의 고체 잉크 프린트 헤드 설계에 대해, 챔버(들)의 집합적인 체적은 약 0.5 입방 센티미터 (ccs) 초과여야 한다.
추가적으로, 제 2 챔버 및 통기구의 단면은 큰 모세관 작용을 나타내지 않거나 큰 매니스커스 강도를 지지하지 않아야 한다. 이는 몇몇 효과를 가진다. 첫째, 이는 퍼지된 기포들이 제 2 챔버 내의 통기구에 접근할 때 퍼지된 기포들을 부유시켜 빠져나갈 수 있게 한다. 둘째, 이는 챔버 내의 퍼지된 유체를, 챔버의 통기구와 주된 유동성 구조체 (제 1 챔버) 사이의 상당한 압력차에 대한 필요 없이, 주된 유동성 구조체로 환류시킬 수 있게 한다. 셋째, 이는 환류 동안 챔버 내의 임의의 잔류 기포들이 합쳐져서 터질 수 있게 한다.
통상적으로, 챔버 단면의 가장 작은 치수는 챔버의 매니스커스 강도를 결정한다. 현재의 고체 잉크 프린트 헤드 설계에 대하여, 챔버의 매니스커스 강도는 물의 약 0.25 인치 미만이어야 할 필요가 있다. 이를 달성하기 위하여, 가장 작은 치수는 약 1 밀리미터를 초과하여야 할 필요가 있다.
챔버의 단면적과 같이, 챔버 통기구(들)은 낮은 매니스커스 강도를 갖기 위하여 크기가 정해질 필요가 있다. 현재의 고체 잉크 프린트 헤드 설계에 대해, 통기구(들)의 매니스커스 강도는 물의 약 0.25 인치 미만이어야 한다. 이를 달성하기 위하여, 통기구의 가장 작은 단면 치수는 약 1 밀리미터를 초과해야할 필요가 있다.
적절한 크기를 가져야하는 유동성 구조체의 다른 구성 요소는 유동 경로 또는 제 1 챔버와 제 2 챔버 사이의 경로들이다. 제 2 챔버 및 통기구들과는 달리, 유동 경로(들)은 정상 작동 동안 제 1 챔버의 배수 작용을 방지하지만 퍼징 (purging) 동안 매니스커스 파손을 허용하는 범위 내에서 매니스커스 강도를 가질 필요가 있다. 정상 작동 동안, 유동성 구조체 내의 부압이 분출 요소들의 작용으로 인해 발생하는 경우가 일어난다. 유동 경로의 매니스커스 강도는 이 부압으로 인해 파손에 저항할 필요가 있다. 대안적으로, 정압은 퍼지 프로세스 동안 유동성 구조체 내에서 발생한다. 퍼지 프로세스 동안, 유동 경로의 매니스커스 강도는 유체 및 공기가 제 2 챔버(들) 내로 유동하게 하기 위하여 매니스커스의 파손을 허용할 필요가 있다. 현재의 고체 잉크 프린트 헤드 설계에 대하여, 이 매니스커스 강도는 물의 3 ~ 130 인치 범위 내로 될 필요가 있다. 유동 경로의 향상에 따라, 이는 가장 작은 치수가 약 125 마이크로미터 미만, 1.5 마이크로미터 초과일 것을 필요로 한다.
도 10 및 도 11 은 제 1 챔버 및 제 2 챔버를 형성하는 층들, 이 챔버들 사이의 유동 경로들, 및 제 2 챔버들의 각각과 연관된 통기구들의 실시형태들을 도시한다. 도 10 에서, 층 (50) 은 복수로 존재하는 제 1 챔버 (18) 및 복수로 존재하는 제 2 챔버 (32) 의 일부를 포함한다. 현재의 실시예의 층 (54) 은 복수로 존재하는 제 2 챔버 (32) 의 일부를 포함한다. 현재의 실시예의 층 (52) 은 각각의 제 1 챔버 (18) 와 상응하는 제 2 챔버 (32) 사이의 다중 유동 경로를 형성하는 컷 아웃부들 (cut outs; 36) 을 포함한다. 또한, 층 (52) 은 복수로 존재하는 제 2 챔버 (32) 의 일부를 포함한다. 현재의 실시예의 층 (56) 은 각각의 제 2 챔버 (32) 에 대한 통기구들 (34) 을 포함한다. 현재의 실시예에서, 층 (52 및 54) 은 접착재로 이루어질 수 있다는 점을 주목해야 한다. 대안적으로, 현재의 실시예의 각각의 층은 다른 허용가능한 수단들을 통해 그의 인접 층과 부착될 수 있다.
도 11 은 대안적인 실시형태를 도시한다. 이 실시형태에서, 층 (50) 은 복수로 존재하는 제 1 챔버 (18) 및 복수로 존재하는 제 2 챔버 (32) 의 일부를 포함한다. 현재의 실시예의 층 (52) 은 층 (50) 내의 각각의 제 1 챔버 (18) 와 상응하는 제 2 챔버 (32) 사이의 다중 유동 경로들을 형성하는 컷 아웃부들 (36) 을 포함한다. 또한, 층 (52) 은 복수로 존재하는 제 2 챔버 (32) 의 일부를 포함한다. 현재의 실시예의 층 (54) 은 각각의 제 2 챔버들 (32) 에 대한 통기구들 (34) 을 포함한다. 본 실시예에서, 층 (52) 은 접착재로 이루어질 수 있다는 점을 주목해야 한다. 대안적으로, 실시예의 각각의 층은 다른 허용가능한 수단들을 통해 그의 인접한 층과 부착될 수 있다.
이 예들은 단지 대표적인 구현예들로 구성되고 실시형태들의 범위를 이러한 예들에 제한하기 위한 의도는 없다는 점을 주목해야 한다.

Claims (6)

  1. 유동성 구조체로서,
    유체 저장소로의 연결부 및 구멍들의 어레이로의 연결부를 가지며, 상기 유체 저장소와 상기 구멍들의 어레이 사이에 유동 경로를 형성하는 제 1 챔버;
    상기 유동성 구조체의 외부에 있는 대기에 연결된 적어도 하나의 통기구로의 연결부를 가지는 제 2 챔버; 및
    상기 제 1 챔버와 상기 제 2 챔버 사이의 적어도 하나의 경로를 포함하는, 유동성 구조체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 챔버는 퍼지 프로세스 (purge process) 동안 상기 제 2 챔버로 압입되는 부수적인 (collateral) 유체를 수용하기에 충분한 체적을 갖는, 유동성 구조체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 챔버는 상기 제 1 챔버 내의 유동 경로에 평행한 유동 경로를 형성하는, 유동성 구조체.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 2 챔버는 상기 유동성 구조체의 대향 단부들에 배치된 두 개의 통기구들을 갖는, 유동성 구조체.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 챔버는 모세관 작용을 방지하도록 선택된 단면을 갖는, 유동성 구조체.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 경로는, 상기 유동성 구조체의 작동 동안 상기 제 1 챔버의 배수 작용 (draining) 을 방지하지만 퍼지 사이클 동안 매니스커스 파손을 허용하는 매니스커스 강도 (meniscus strength) 를 갖는, 유동성 구조체.
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