KR20160037930A - 높은 대칭도를 갖는 잉크젯 노즐 장치 - Google Patents

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Abstract

잉크젯 노즐 장치는 플로어, 루프 및 상기 플로어와 루프 사이에 연장되는 외벽을 구비하는 주 챔버를 포함한다. 주 챔버는, 루프에 형성된 노즐 개구부 및 이 노즐 개구부를 통한 잉크의 분사를 위한 액추에이터를 구비하는 점화 챔버; 점화 챔버로 잉크를 공급하고, 플로어에 형성된 주 챔버 입구를 갖는, 대기 챔버; 및 점화 챔버와 대기 챔버를 형성하도록 주 챔버를 분할하고, 플로어와 루프 사이에 연장되는 배플 구조체를 포함한다. 점화 챔버와 대기 챔버는 대칭 공통 평면을 갖는다.

Description

높은 대칭도를 갖는 잉크젯 노즐 장치{INKJET NOZZLE DEVICE HAVING HIGH DEGREE OF SYMMETRY}
본 발명은 잉크젯 프린트헤드의 잉크젯 노즐 장치들에 관한 것이다. 본 발명은 액적 분사 궤적들을 개선시키고, 장치들 사이의 유체 혼색(fluidic crosstalk)을 최소화하면서, 챔버 재충전 속도를 최대화하는 것을 주목적으로 하여 개발되었다.
본 출원인은 예를 들어, 그들의 전체 내용이 본 명세서에 참조로 편입되는, WO2011/143700호, WO2011/143699호 및 WO2009/089567호에 개시된 바와 같은, Memjet® 잉크젯 프린터의 범위를 개발했다. Memjet® 프린터는 단일 경로에서 프린트헤드를 통하여 인쇄매체를 공급하는 공급 메커니즘과 조합된 고정식 페이지폭 프린트헤드를 채용한다. 따라서, Memjet® 프린터는 종래의 스캐닝 잉크젯 프린터보다 훨씬 더 높은 인쇄속도를 제공한다.
잉크젯 프린트헤드는 각각에 잉크가 공급되는 복수의(전형적으로, 수천 개) 개별 잉크젯 노즐 장치로 구성되어 있다. 전형적으로, 각각의 잉크젯 노즐 장치는 노즐 개구부를 구비하는 노즐 챔버 및 이 노즐 개구부를 통해 잉크를 분사하기 위한 액추에이터를 포함한다. 잉크젯 노즐 장치들의 설계 범위는 방대하며, 다른 형태의 액추에이터들과 다른 장치 구성들을 포함하는 다양한 다른 노즐 장치들이 특허 문헌에 개시되어 있다.
잉크젯 노즐 장치를 설계하는데 가장 중요한 기준의 하나는 노즐면에 수직인 잉크 방울의 궤적을 달성하는 것이다. 각각의 잉크 방울이 수직으로 외향 분사된 경우, 뒤따르는 후미 방울이 캐치되지 않고 노즐 에지에 피착될 것이다. 따라서, 플러딩과 방울 오방향의 원인을 피할 수 있다. 또한, 수직 궤적에 의해, 후미 방울의 분산에 의해 형성된 1차 추종 방울(satellite)은 그 추종 방울을 숨기면서, 페이지의 주 방울의 상부에 내려앉을 수 있다. 따라서, 인쇄 품질의 상당한 개선이 수직 방울 궤도로 획득될 수 있다.
Memjet® 잉크젯 프린터는 증기 기포들을 생성하기 위해 잉크를 과열시키는 히터 소자들을 포함하는 열전 장치이다. 이 기포들의 팽창은 노즐 개구부들을 통하여 잉크 방울들에 힘을 가한다. 이 방울들에 대한 수직 궤적을 보장하기 위해, 기포들은 대칭적으로 팽창되어야 한다. 이는, 노즐 장치의 설계에서 대칭성을 요구한다.
히터 소자 주위의 완전한 유체 대칭성은, 히터 소자가 노즐 챔버에 대한 입구 위에 직접 현수되지 않는 한 불가능하다. 이러한 구성을 갖는 잉크젯 노즐 장치는, 예를 들어 US 6,755,509호에 개시되어 있으며, 이러한 장치를 포함하는 프린트헤드는 US 7,441,865호(예를 들어, 도 21B 참조)에 나타나 있으며, 이들 문헌의 전체 내용은 본 명세서에 참조로 편입된다. 그러나, 챔버 입구 위에 현수된 히터 소자를 갖는 장치들은 상대적으로 복잡한 제조 방법들을 필요로 하고, 결합된 히터 소자들을 갖는 장치들보다 덜 튼튼하다. 또한, 이러한 장치들은 잉크 분사 동안 (비효율성을 초래하는) 챔버 입구를 통한 비교적 높은 비율의 역류를 일으킬 뿐만 아니라 입구와 노즐 개구부의 정렬에 의한 챔버 재충전 동안에 잠재적인 프린트헤드 면 플러딩을 일으킨다.
US 7,857,428호는 노즐 챔버들의 열을 포함하는 잉크젯 프린트헤드를 개시하며, 각각의 노즐 챔버는 노즐 챔버들의 열과 평행하게 연장되는 공통 잉크 공급 채널로부터 잉크가 공급되는 측벽 유입구를 갖는다. 잉크 공급 채널은 이 채널의 플로어에 형성된 복수의 입구를 통해 잉크가 공급된다. 각각의 노즐 챔버에 대한 유입구는 잉크에 혼입된 기포 또는 입자들을 필터링하기 위한 필터 구조체(예를 들어, 필러)를 포함할 수 있다. US 7,857,428호에 개시된 구성은, 동일한 열(또는 열들의 쌍)의 모든 노즐 챔버들은 이 챔버들과 함께 평행하게 연장되는 공통 잉크 공급 채널로부터 잉크가 공급되기 때문에, 노즐 챔버로의 잉크의 공급에 불필요한 중복을 제공한다. 그러나, US 7,857,428호에 개시된 구성은, 상대적으로 느린 챔버 재충전 속도 및 이웃하는 노즐 챔버들 사이의 유체 혼색의 결함들을 일으킨다.
또한, US 7,857,428호에 개시된 구성은 US 6,755,509호에 개시된 구성과 비교하여, 필연적으로 액적 분사를 비대칭으로 도입한다. 히터 소자가 챔버 유입구를 제외한 챔버 측벽들에 의해 측방으로 결합되기 때문에, 히터 소자에 의해 생성된 기포는 이 비대칭에 의해 왜곡된다. 즉, 기포에 의해 생성된 임펄스의 일부는 챔버 유입구뿐만 아니라 노즐 개구부를 통해 약간의 잉크를 뒤로 강제시키는 경향이 있다. 이는, 액적 분사 궤적들을 비뚤어지게 할 뿐만 아니라 효율의 저하를 초래한다.
측벽 챔버 유입구에 의해 야기된 비대칭을 다루기 위한 한가지 조치는 역류에 대한 그의 유체 저항을 증가시키도록 챔버 유입구를 길게 하고 그리고/또는 좁게 하는 것이다. 그러나, 이 조치는, 증가된 유동 저항으로 인해 챔버 재충전 속도를 불가피하게 감소시키기 때문에, 고속 프린터에서는 실행할 수 없다. 측벽 챔버 유입구에 의해 야기된 비대칭을 보상하는 대안적인 조치는, (그 전체 내용이 본 명세서에 참조로 편입되는) US 7,780,271호에 개시된 바와 같이, 히터 소자를 노즐 개구부로부터 오프셋시키는 것이다.
액적 분사 궤적들을 보정하기 위해 필요한 임의의 보상 조치의 범위를 최소화하도록 높은 대칭도를 갖는 잉크젯 노즐 장치를 제공하는 것이 바람직할 것이다. 고속 인쇄에서 사용하기에 적합한 높은 챔버 재충전 속도를 갖는 잉크젯 노즐 장치를 제공하는 것이 더 바람직할 것이다. 이웃하는 노즐 장치들 사이에 최소 유체 혼색을 갖는 잉크젯 프린트헤드를 제공하는 것이 더 바람직할 것이다.
본 발명에 따르면, 플로어, 루프 및 이 플로어와 루프 사이에 연장되는 외벽을 구비하는 주 챔버를 포함하는 잉크젯 노즐 장치가 제공되며, 주 챔버는,
루프에 형성된 노즐 개구부 및 이 노즐 개구부를 통한 잉크의 분사를 위한 액추에이터를 구비하는 점화 챔버(firing chamber);
점화 챔버로 잉크를 공급하고, 플로어에 형성된 주 챔버 입구를 갖는, 대기 챔버(antechamber); 및
점화 챔버와 대기 챔버를 형성하도록 주 챔버를 분할하고, 플로어와 루프 사이에 연장되는 배플 구조체를 포함하며,
점화 챔버와 대기 챔버는 대칭 공통 평면을 갖는다.
본 발명에 따른 잉크젯 노즐 장치들은, 전술한 바와 같이, 비뚤어진 액적 분사 궤적들을 최소화하기 위해 필수적인 높은 대칭도를 갖는다. 높은 대칭도는, 첫째, 이 축(명목적으로, 장치의 y-축)에 대해 완전한 거울상 대칭을 부여하도록 대칭 공통 평면을 따르는 노즐 개구부, 액추에이터, 배플 구조체 및 주 챔버 입구의 정렬에 의해 제공된다. 따라서, x-축을 따르는 분사된 액적들의 비뚤어짐(skewing)은 무시될 수 있다.
둘째, 배플 구조체 및 외벽의 단부는 액적 분사 동안 기포 팽창을 y-축을 따라 균등하게 제한하도록 위치된다. 따라서, 이 배플 구조체의 위치지정은 점화 챔버의 직교 x-축에 대한 높은 거울상 대칭도를 효과적으로 제공한다. 액적 분사 동안의 배플 구조체를 통한 역류로 인한 액적 궤적의 임의의 비뚤어짐은 보정이 필요하지 않을 만큼 작을 수 있거나; 또는 US 7,780,271호에 개시된 바와 같이, 비뚤어지지 않은 분사 궤적들에 대한 보정을 위해, 노즐 개구부의 작은 y-오프셋만을 요구할 것이다. (어떻든지 간에, 작은 y-오프셋 보정은 액적 체적, 액적 분사 속도, 잉크 형태, 인쇄 품질 요구사항 등과 같은 인자들에 따라 필요할 것이다.) 전술한 바로부터, 본 발명의 잉크젯 노즐 장치는 매우 우수한 액적 분사 궤적, 및 (기포 임펄스로부터 액적 분사 내로 전달되는 에너지의 관점에서) 우수한 효율성의 이점들을 가지고 있음을 알 수 있다.
본 발명에 따른 잉크젯 노즐 장치의 다른 이점은, US 7,857,428호에 개시된 장치에 비해 상대적으로 높은 챔버 재충전 속도이다. 대기 챔버가, 전형적으로, 칩의 배면에서 훨씬 더 넓은 잉크 공급 채널에 연결되는 플로어 입구를 통해 잉크를 수용하기 때문에, 각각의 노즐 장치는 효과적으로 벌크 잉크 공급부로 직접 액세스된다. 대조적으로, US 7,857,428호에 개시된 구성에서, 각각의 노즐 챔버는 MEMS 층에 형성된 상대적으로 좁은 잉크 공급 채널로부터 잉크를 수용하여, 어떤 환경(예를 들어, 풀 블리드 인쇄 또는 매우 고속의 인쇄)에서 잉크를 고갈시킬 수 있다. MEMS 층에서의 잉크 공급 채널의 고갈은 챔버 재충전 속도의 저하, 이에 따른 인쇄 품질의 감소 및 비워진 또는 부분적으로 비워진 노즐 챔버들을 점화시키는 액추에이터들에 의해 야기된 가속화된 액추에이터 고장을 초래한다.
본 발명의 다른 이점은, 각각의 노즐 장치가 주 챔버의 외벽에 의해 이웃하는 장치들로부터 효과적으로 유체 격리된다는 것이다. 전형적으로, 외벽은 주 챔버를 둘러싸는 고체의 연속적인 벽이며, 임의의 방해물이나 개구부가 존재하지 않는다. 따라서, 대기 챔버 내로의 플로어 입구에만, 이웃하는 장치들 사이의 구불구불한 유체 경로가 존재한다. 이것은, 전술한 장치 기하학에 의한 역류 감소의 이점과 조합하여, 이웃하는 장치들 사이의 임의의 유체 혼색 가능성을 최소화한다. 대조적으로, US 7,857,428호에 개시된 노즐 장치의 구성은, 측벽 챔버 유입구 및 인접하는 MEMS 잉크 공급 채널을 통해 유체 혼색을 일으킨다.
본 발명에 따른 잉크젯 노즐 장치의 이들 및 다른 이점들은 이하의 상세한 설명으로부터 명백할 것이다.
바람직하게는, 배플 구조체는 단일 배플 플레이트를 포함한다. 바람직하게는, 배플 플레이트는 한 쌍의 측면 가장자리를 구비하며, 이에 따라 배플 플레이트 측면에 배치되는 한 쌍의 점화 챔버 유입구를 형성하도록 각각의 측면 가장자리와 외벽 사이에 갭이 연장되며, 점화 챔버 유입구들은 대칭 공통 평면에 대해 대칭적으로 배치된다.
바람직하게는, 배플 플레이트는 점화 챔버의 대향 단부 벽에 가능한 한 거울상이다. 따라서, 배플 플레이트 및 대향 벽은, 점화 챔버 유입구들이 배플 플레이트 측면에 배치됨에도 불구하고, 액적 분사 동안 기포 임펄스에 대해 유사한 반동력을 제공한다.
바람직하게는, 배플 플레이트는 히터 소자보다 넓다. 폭 치수는 주 챔버의 공칭 x-축을 따라 정의된다. 바람직하게는, 배플 플레이트는 주 챔버 폭의 적어도 30%, 적어도 40% 또는 적어도 50%를 점유한다. 전형적으로, 배플 플레이트는, 점화 챔버 유입구들이 그 양쪽에서 배플 플레이트 측면에 배치되는 상태에서, 주 챔버 폭의 약 절반을 점유한다. 통상적으로, 배플 플레이트는 (y-축을 따르는) 두께 치수보다 더 큰 (x-축을 따르는) 폭 치수를 갖는다. 전형적으로, 배플 플레이트의 폭은 배플 플레이트의 두께보다 적어도 2배 이상 또는 적어도 3배 이상 더 크다.
바람직하게는, 노즐 개구부는 대칭 평면과 정렬된 길이방향 축을 갖는 세장형이다. 바람직하게는, 노즐 개구부는 대칭 평면과 정렬된 주 축을 갖는 타원형이다.
바람직한 실시예에 있어서, 액추에이터는 히터 소자를 포함한다. 일반적으로, 본 발명은 이러한 바람직한 실시예에 따라, 히터 소자 액추에이터와 관련하여 기술되었다. 그러나, 본 발명의 이점들은, 당해 분야에서 잘 알려진 압전 액추에이터, 또는 그 전체 내용이 본 명세서에 참조로 편입되는 US 7,819,503호에 개시된 바와 같은 열 벤드 액추에이터와 같은 다른 형태의 액추에이터로 실현될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 특히, 본 명세서에 개시된 챔버 기하학을 이용하는 점화 챔버 내의 압력파의 대칭적 제한은 다른 형태의 액추에이터로 유리하게 구현될 수 있다.
액추에이터는 점화 챔버의 플로어에 결합되거나, 점화 챔버의 루프에 결합되거나, 또는 점화 챔버 내에 현수될 수 있다. 바람직하게는, 이 액추에이터는 챔버의 플로어에 결합된 저항 히터 소자를 포함한다.
바람직하게는, 히터 소자는 대칭 평면과 정렬된 길이방향 축을 갖는 세장형이다. 바람직하게는, 히터 소자는 직사각형이다.
일 실시예에 있어서, 노즐 개구부의 중심은 히터 소자의 중심과 정렬된다. 그러나, 대안적인 실시예에 있어서, 노즐 개구부의 중심은 히터 소자의 길이방향 축을 따라 히터 소자의 중심으로부터 오프셋될 수 있다. 이 y-오프셋은 점화 챔버의 x-축에 대한 임의의 잔류 비대칭을 보정하는 데 사용될 수 있다.
바람직하게는, 히터 소자는 배플 구조체로부터 외벽으로 길이방향으로 연장된다. 유리하게는, 히터 소자의 길이를 따라 전파되는 기포는 외벽과 배플 구조체에 의해 실질적으로 균등하게 제한되며, 이에 따라 대칭적으로 팽창된다.
바람직하게는, 외벽과 배플 플레이트는 히터 소자에 대한 각각의 전극 위에 지탱된다.
바람직하게는, 외벽과 배플 구조체는 동일 재료로 구성되며, 전형적으로, 장치의 제조 동안 공동 증착되는 것에 의해 구성된다. 외벽과 배플 구조체는 희생 스캐폴드(예를 들어, 그 전체 내용이 본 명세서에 참조로 편입되는 US 7,857,428호에 개시된 애더티브(additive) MEMS 제조공정 참조)에 형성된 개구부들 내로 재료가 증착되는, 애더티브 MEMS 프로세스를 통해 형성될 수 있다. 대안적으로, 외벽과 배플 구조체는 재료가 블랭킷 층으로서 증착된 후 외벽과 배플 구조체를 형성하도록 에칭되는 서브트랙티브(subtractive) MEMS 프로세스를 통해 형성될 수 있다(예를 들어, 그 전체 내용이 본 명세서에 참조로 편입되는 US 7,819,503호에 개시된 서브트랙티브 MEMS 제조공정 참조). 제조의 용이성, 우수한 루프 평탄성 및 견고성과 챔버 높이의 더 큰 제어를 위해, 바람직하게는, 외벽과 배플 구조체는 US 7,819,503호의 도 3 내지 도 5와 관련하여 기술된 프로세스와 유사한 서브트랙티브 프로세스에 의해 형성된다.
외벽과 배플 구조체는 중합체(예를 들어, SU-8과 같은 에폭시 기반 포토레지스트) 및 세라믹을 포함하는 임의의 적절한 재료로 구성될 수 있다. 바람직하게는, 외벽과 배플 구조체는 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택된 재료로 구성된다.
유사하게, 루프는 중합체 및 세라믹을 포함하는 임의의 적절한 재료로 구성될 수 있다. 루프는 외벽 및 배플 구조체와 동일한 재료 또는 다른 재료로 구성될 수 있다. 전형적으로, 노즐 플레이트는 각각의 노즐 장치의 루프를 형성하기 위해 프린트헤드의 복수의 노즐 장치를 가로질러 걸쳐있다. 노즐 플레이트는 코팅되지 않거나 또는 적절한 증착 프로세스(예를 들어, 그 전체 내용이 본 명세서에 참조로 편입되는 US 8,012,363호에 개시된 노즐 플레이트 코팅 프로세스 참조)를 이용하여, 중합체 코팅과 같은 소수성 코팅으로 코팅될 수 있다.
바람직하게는, 주 챔버는 평면에서 보았을 때 대체로 직사각형이다. 바람직하게는, 외벽은 대칭 평면과 평행인 한 쌍의 긴 측벽과, 대칭 평면에 수직인 한 쌍의 짧은 측벽을 포함한다.
바람직하게는, 제1 짧은 측벽은 점화 챔버의 단부 벽을 형성하고, 제2 짧은 측벽은 대기 챔버의 단부 벽을 형성한다.
점화 챔버와 대기 챔버는 임의의 적절한 상대 체적을 가질 수 있다. 점화 챔버는 대기 챔버보다 큰 체적, 대기 챔버보다 작은 체적 또는 대기 챔버와 동일한 체적을 가질 수 있다. 바람직하게는, 점화 챔버는 대기 챔버보다 큰 체적을 갖는다.
또한, 본 발명은 전술한 바와 같은 복수의 잉크젯 노즐 장치를 포함하는 잉크젯 프린트헤드 또는 프린트헤드 집적회로를 제공한다.
바람직하게는, 프린트헤드는 그 배면을 따라 길이방향으로 연장되는 복수의 잉크 공급 채널을 포함하며, 프린트헤드의 전면에서 주 챔버 입구들 중 적어도 하나의 열은 잉크 공급 채널들 중 각각의 하나와 만난다. 바람직하게는, 각각의 잉크 공급 채널은 적어도 50 미크론 또는 적어도 70 미크론의 폭 치수를 갖는다. 바람직하게는, 각각의 잉크 공급 채널은 주 챔버 입구들보다 적어도 2배, 적어도 3배 또는 적어도 4배 더 넓다.
본 발명의 실시예들은 첨부하는 도면들을 참조하여 예로서만 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 프린트헤드의 일부의 절개 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 잉크젯 노즐 장치의 평면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 잉크젯 노즐 장치들 중 하나의 측단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 잉크젯 노즐 장치(10)가 도시되어있다. 잉크젯 노즐 장치는 플로어(14), 루프(16) 및 플로어와 루프 사이에 연장되는 외벽(18)을 구비하는 주 챔버(12)를 포함한다. 전형적으로, 플로어는 프린트헤드의 각각의 액추에이터용 구동 회로를 수용하는 CMOS 층(20)을 덮는 보호층으로 정의된다. 도 1은 층간 유전체(ILD)층이 산재된 복수의 금속층을 포함할 수 있는 CMOS 층(20)을 도시한다.
도 1에서, 루프(16)는 각각의 노즐 장치(10)의 세부 사항을 드러내도록 투명 층으로서 도시되어 있다. 전형적으로, 루프(16)는 실리콘 이산화물 또는 실리콘 질화물과 같은 재료로 구성된다.
도 2를 참조하면, 노즐 장치(10)의 주 챔버(12)는 점화 챔버(22)와 대기 챔버(24)를 포함한다. 점화 챔버(22)는 루프(16)에 형성된 노즐 개구부(26) 및 플로어(14)에 결합된 저항 히터 소자(28)의 형태인 액추에이터를 포함한다. 대기 챔버(24)는 플로어(14)에 형성된 주 챔버 입구(30)("플로어 입구(30)")를 포함한다.
주 챔버 입구(30)는 대기 챔버(24)의 단부 벽(18B)를 만나 부분적으로 중첩된다. 이 구성은 대기 챔버(24)의 모세관 현상을 최적화함으로써 프라이밍을 장려하고 챔버 재충전 속도를 최적화한다.
배플 플레이트(32)는 점화 챔버(22)와 대기 챔버(24)를 형성하도록 주 챔버(12)를 분할한다. 배플 플레이트(32)는 플로어(14)와 루프(16) 사이에 연장된다. 도 3에 가장 명확하게 도시된 바와 같이, 루프 균열의 위험을 최소화하도록 배플 플레이트(32)의 측면 가장자리들은 전형적으로 둥근 형상이다. (배플 플레이트(32)의 날카로운 각 모서리들은 루프(16)에 응력을 집중시켜 균열의 위험을 증가시키는 경향이 있다.)
노즐 장치(10)는 주 챔버(12)의 공칭 y-축을 따라 연장되는 대칭 평면을 갖는다. 대칭 평면은 도 2에서 파선(S)으로 나타내었으며, 노즐 개구부(26), 히터 소자(28), 배플 플레이트(32) 및 주 챔버 입구(30)를 양분한다.
대기 챔버(24)는 그 양쪽에서 배플 플레이트(32) 측면에 배치되는 한 쌍의 점화 챔버 유입구(34)를 통해 점화 챔버(22)와 유체 연통된다. 각각의 점화 챔버 유입구(34)는 배플 플레이트(32)의 각각의 측면 가장자리와 외벽(18) 사이에 연장되는 갭에 의해 형성된다. 전형적으로, 배플 플레이트(32)는 x-축을 따라 주 챔버(12) 폭의 약 절반을 점유하지만, 배플 플레이트의 폭은 최적 재충전 속도와 점화 챔버(22)의 최적 대칭 사이의 균형에 기초하여 변할 수 있다는 것을 이해할 것이다.
노즐 개구부(26)는 세장형이고, 대칭 평면(S)과 정렬된 주 축을 갖는 타원 형태를 취한다. 히터 소자(28)는 대칭 평면(S)과 정렬된 중앙 길이방향 축을 갖는 세장형 바 형태를 취한다. 따라서, 히터 소자(28)와 타원형 노즐 개구부(26)는 그들의 y-축을 따라 서로 정렬된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 노즐 개구부(26)의 중심은 히터 소자(28)의 중심과 정렬된다. 그러나, 노즐 개구부(26)의 중심이 히터 소자의 길이방향 축(y-축)에 대하여 히터 소자(28)의 중심으로부터 약간 오프셋될 수 있다는 것을 이해할 것이다. y-축을 따라 히터 소자(28)로부터 노즐 개구부(26)를 오프셋시키는 것은 점화 챔버(22)의 x-축에 대한 작은 정도의 비대칭을 보상하는 데 사용할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 오프셋이 채용되기는 하지만, 오프셋의 범위는 전형적으로 (예를 들어, 1 미크론 미만으로) 상대적으로 작을 것이다.
히터 소자(28)는 (외벽(18)의 한 면에 의해 형성된) 점화 챔버(22)의 단부 벽(18A)과 배플 플레이트(32) 사이에 연장된다. 히터 소자(28)는 단부 벽(18A)과 배플 플레이트(32) 사이의 전체 거리로 연장될 수 있거나, 또는 도 2에 도시된 바와 같이, 실질적으로 전체 거리(예를 들어, 전체 거리의 90% 내지 99%)로 연장될 수 있다. 히터 소자(28)가 단부 벽(18A)과 배플 플레이트(32) 사이의 전체 거리로 연장되지 않는 경우, 점화 챔버(22)의 x-축에 대한 높은 대칭도롤 유지하도록 히터 소자(28)의 중심은 여전히 단부 벽(18A)과 배플 플레이트(32) 사이의 중간 지점과 일치한다. 즉, 단부 벽(18A)과 히터 소자(28)의 일단부 사이의 갭은 배플 플레이트(32)와 히터 소자의 대향 단부 사이의 갭과 동일하다.
히터 소자(28)는, 그 각각의 단부에서, 하나 이상의 바이어(via)(37)에 의해 주 챔버(12)의 플로어(14)를 통해 노출된 각각의 전극(36)에 연결된다. 전형적으로, 전극(36)은 CMOS 층(20)의 상부 금속층에 의해 형성된다. 히터 소자(28)는, 예를 들어 티타늄-알루미늄 합금, 티타늄 알루미늄 질화물 등으로 구성될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 히터(28)는 당해 분야에서 알려진 바와 같은, 하나 이상의 보호층으로 코팅될 수 있다. 적절한 보호층들은, 예를 들어 실리콘 질화물, 실리콘 산화물, 탄탈륨 등을 포함한다.
바이어(27)들은 히터 소자(28)와 전극(36) 사이에 전기적 접속을 제공하도록 임의의 적절한 전도성 재료(예를 들어, 구리, 알루미늄, 텅스텐 등)로 충진될 수 있다. 히터 소자(28)로부터 전극(36)으로의 전극 접속을 형성하기 위한 적절한 프로세스는, 그 전체 내용이 본 명세서에 참조로 편입되는 US 8,453,329호에 개시되어 있다.
일부 실시예들에 있어서, 각각의 전극(36)의 적어도 일부는 단부 벽(18A)과 배플 플레이트(32) 바로 아래에 각각 위치된다. 이러한 구성은, 장치(10)의 전체적인 대칭을 유리하게 개선할 뿐만 아니라, 히터 소자(28)가 플로어(14)로부터 분리되는 위험을 최소화시킨다.
도 1에 가장 명확하게 도시된 바와 같이, 주 챔버(12)는 적절한 에칭 프로세스(예를 들어, 플라즈마 에칭, 습식 에칭, 포토 에칭 등)에 의해 플로어(14) 상에 증착된 재료(40)의 블랭킷 층 내에 형성된다. 배플 플레이트(32) 및 외벽(18)은 이 에칭 프로세스에 의해 동시에 형성되어, 전체 MEMS 제조공정을 간소화시킨다. 따라서, 배플 플레이트(32) 및 외벽(18)은 동일 재료로 구성되며, 이 재료는 프린트헤드들에 사용하기에 적합한 임의의 적절한 에칭 가능한 세라믹 또는 중합체 재료일 수 있다. 전형적으로, 이러한 재료는 실리콘 이산화물 또는 실리콘 질화물이다.
도 2를 다시 참조하면, 주 챔버(12)는 2개의 장변과 2개의 단변을 갖는 대체로 직사각형인 것을 알 수 있다. 2개의 단변은 점화 챔버(22)와 대기 챔버(24)의 단부 벽(18A, 18B)들을 각각 형성하며, 2개의 장변은 점화 챔버와 대기 챔버의 연속적인 측벽들을 형성한다. 전형적으로, 점화 챔버(22)는 대기 챔버(24)보다 큰 체적을 갖는다.
프린트헤드(100)는 복수의 잉크젯 노즐 장치(10)로 구성될 수 있다. 도 1에서의 프린트헤드(100)의 부분 절개도는 명확화를 위해 2개의 잉크젯 노즐 장치(10)만을 도시한다. 프린트헤드(100)는 부동태화 CMOS 층(20)을 갖는 실리콘 기판(102) 및 잉크젯 노즐 장치(10)를 포함하는 MEMS 층에 의해 형성된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 각각의 주 챔버 입구(30)는 프린트헤드(100)의 배면에 형성된 잉크 공급 채널(104)과 만난다. 잉크 공급 채널(104)은 대체로 주 챔버 입구(30)들 보다 훨씬 더 넓으며, 이 채널과 유체 연통하는 각각의 주 챔버(12)를 수화시키기 위한 잉크의 벌크 공급에 효과적이다. 각각의 잉크 공급 채널(104)은 프린트헤드(100)의 전면에 배치된 노즐 장치(10)의 하나 이상의 열과 평행하게 연장된다. 전형적으로, 각각의 잉크 공급 채널(104)은, US 7,441,865호의 도 21B에 도시된 구성에 따른, 한 쌍의 노즐 열(명확화를 위해, 도 1에서는 1개의 열만 도시됨)로 잉크를 공급한다.
도 1 내지 도 3에 도시된 노즐 장치 구성의 이점들은 액적 분사 및 후속 챔버 재충전 동안 실현된다. 히터 소자(28)가 CMOS 층(20)의 구동회로로부터의 점화 펄스에 의해 작동될 때, 히터 소자의 부근의 잉크는 신속하게 과열되어, 기포를 형성시키도록 기화된다. 기포가 팽창함에 따라 힘("기포 임펄스")을 생산하여 잉크를 노즐 개구부(26)를 향하여 밀어 액적 분사가 얻어진다. 배플 플레이트(32)의 부재시에는, US 7,780,271호에 개시된 바와 같이, 기포는 비대칭으로 팽창될 것이다. 비대칭 기포 팽창은, 팽창되는 기포의 일단부가 (전형적으로, 점화 챔버의 하나의 벽에 의해 제공된) 반동력에 의해 제한되는 반면, 기포의 다른 단부는 제한되지 않을 때 발생된다. 그러나, 본 발명에 있어서, 배플 플레이트(32)는 점화 챔버(22)의 단부 벽(18A)에 의해 제공된 반동력과 실질적으로 동일한 반동력을 팽창되는 기포에 제공한다. 따라서, 잉크젯 노즐 장치(10)에 의해 형성된 기포는 점화 챔버(22)의 2개의 대향 벽에 의해 제한되며, US 7,780,271호 및 US 7,857,428호에 개시된 장치들에 비해 우수한 대칭성을 갖는다. 그 결과, 분사된 잉크 액적은 x-축 및 y-축 양쪽을 따라 최소한의 비뚤어짐을 갖는다.
더욱이, 점화 챔버 유입구(34)들이 주 챔버(12)의 측벽들을 따라 위치되기 때문에, 임의의 역류가 최소화된다. 기포 전파 동안, 기포 임펄스의 대부분은 노즐 개구부(26)로 향하게 되며, 이에 따라 기포 임펄스의 상대적으로 작은 벡터 성분만이 점화 챔버 유입구(34)에 도달된다. 따라서, 배플 플레이트(36)의 측면들을 따라 점화 챔버 유입구(34)를 위치시키는 것은 액적 분사 동안의 역류를 최소화한다.
역류가 잉크젯 노즐 장치(10)에 의해 최소화되지만, 역류는 임의의 잉크젯 노즐 장치에서 완전히 제거될 수 없다는 것을 이해할 것이다. 역류는 기포 대칭성 및 액적 궤적에 영향을 줄 수 있을 뿐만 아니라 잉크의 역류와 조합된 압력파를 통해 이웃하는 장치들 사이에 유체 혼색을 잠재적으로 초래할 수 있다. 이 압력파는 이웃하는 비분사 노즐들이 잉크를 프린트헤드의 표면으로 범람되도록 하여, (예를 들어, 오방향 또는 가변 방울 크기에 의한) 감소된 인쇄품질을 초래하고, 그리고/또는 더 빈번한 프린트헤드 유지보수 개입을 필요로 할 수 있다.
도 1을 참조하면, 인접한 노즐 장치(10) 사이의 유체 혼색은, 첫째, 장치들 사이의 구불구불한 유체 경로에 의해 최소화된다. 잉크의 임의의 역류는 하나의 플로어 입구(30)를 통하여 잉크 공급 채널(104)로 아래로, 및 다른 이웃하는 플로어 입구(30)를 통하여 위로, 유동되어야 한다. 둘째, 임의의 역류로부터의 압력파는 잉크 공급 채널(104)의 상대적으로 큰 체적에 의해 약화되며, 이웃하는 장치들 사이의 혼색의 위험성을 추가로 최소화한다.
유사한 방식으로, (이웃하는 노즐에서의 부압 및 가변 방울 크기를 야기할 수 있는) 각각의 챔버의 재충전 동안의 유체 혼색이 또한 최소화된다.
한편, 각각의 플로어 입구(30)를 통한 잉크 공급 채널(104)의 벌크 잉크 공급에 대한 각각의 장치(10)의 접근성은 각각의 주 챔버(12)의 재충전 속도를 최대화하는 이점을 갖는다. 잉크는 잉크 공급 채널(104)로부터 플로어 입구(30)를 통해 대기 챔버(24)로 자유롭게 유동하도록 허용되지만, 이 잉크의 모멘텀은 루프 및 대기 챔버(24)의 측벽들뿐만 아니라 배플 플레이트(32)에 의해 약화된다. 따라서, 대기 챔버(24)는, 예를 들어 US 7,441,865호에 개시된 장치들에 비해, 챔버 재충전 동안 프린트헤드 면 플러딩을 최소화하는 데 있어서 중요한 역할을 한다.
점화 챔버(22)의 임계 재충전 속도는 배플 플레이트(32)의 폭을 조정함으로써 점화 챔버 유입구(34)를 좁게 하거나 또는 넓게 하는 것에 의해 제어될 수 있다. 물론, 점화 챔버 재충전 속도를 최대화하는 것과 액적 분사 동안의 역류를 최소화하는 것 사이에 절충이 필요할 것이다. 이와 관련하여, 배플 플레이트(32)의 최적 폭은, 잉크의 점도와 표면장력, 최대 분사 주파수, 액적 체적 등과 같은 파라미터에 따라서 "조정"될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 실제로, 특정 프린트헤드와 잉크에 대한 배플 플레이트(32)의 최적 폭은 경험적으로 결정될 수 있다. 본 발명에 따른 잉크젯 노즐 장치(10)는, 전형적으로, 1.5 pL 액적 체적에 기초하여, 10 kHz 보다 크거나 또는 15 kHz 보다 큰 액적 분사 주파수에 적합한 챔버 재충전 속도를 갖는다.
본 발명은 단지 예로서 기술되었으며, 세부사항에 대한 변형들이 첨부하는 청구항들에서 정의되는 본 발명의 범위 내에서 이루어질 수 있음을 알 수 있을 것이다.

Claims (20)

  1. 플로어, 루프 및 상기 플로어와 루프 사이에 연장되는 외벽을 구비하는 주 챔버를 포함하는 잉크젯 노즐 장치에 있어서,
    상기 주 챔버는,
    루프에 형성된 노즐 개구부 및 상기 노즐 개구부를 통한 잉크의 분사를 위한 액추에이터를 구비하는 점화 챔버;
    점화 챔버로 잉크를 공급하고, 플로어에 형성된 주 챔버 입구를 갖는, 대기 챔버; 및
    점화 챔버와 대기 챔버를 형성하도록 주 챔버를 분할하고, 플로어와 루프 사이에 연장되는 배플 구조체를 포함하며,
    점화 챔버와 대기 챔버는 대칭 공통 평면을 갖는, 잉크젯 노즐 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    플로어와 루프는 점화 챔버와 대기 챔버에 공통되는, 잉크젯 노즐 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    대칭 공통 평면은 노즐 개구부, 액추에이터, 배플 구조체 및 주 챔버 입구를 양분하는, 잉크젯 노즐 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    외벽은 주 챔버를 둘러싸며, 점화 챔버와 대기 챔버의 측벽들을 형성하는, 잉크젯 노즐 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    배플 구조체는 단일 배플 플레이트를 포함하는, 잉크젯 노즐 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    배플 플레이트는 한 쌍의 측면 가장자리를 구비하며, 이에 따라 배플 플레이트 측면에 배치되는 한 쌍의 점화 챔버 유입구를 형성하도록, 각각의 측면 가장자리와 외벽 사이에 갭이 연장되며, 점화 챔버 유입구들은 대칭 평면에 대하여 대칭적으로 배치되는, 잉크젯 노즐 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    노즐 개구부는 대칭 평면과 정렬된 길이방향 축을 갖는 세장형인, 잉크젯 노즐 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    노즐 개구부는 대칭 평면과 정렬된 주 축을 갖는 타원형인, 잉크젯 노즐 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    액추에이터는 히터 소자를 포함하는, 잉크젯 노즐 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    히터 소자는 점화 챔버의 플로어에 결합되는, 잉크젯 노즐 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    히터 소자는 대칭 평면과 정렬된 길이방향 축을 갖는 세장형인, 잉크젯 노즐 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    노즐 개구부의 중심은 히터 소자의 중심과 정렬되는, 잉크젯 노즐 장치.
  13. 제11항에 있어서,
    노즐 개구부의 중심은 히터 소자의 길이방향 축을 따라 히터 소자의 중심으로부터 오프셋되는, 잉크젯 노즐 장치.
  14. 제11항에 있어서,
    히터 소자는 배플 구조체로부터 외벽으로 길이방향으로 연장되는, 잉크젯 노즐 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    외벽과 배플 구조체는 동일 재료로 구성되는, 잉크젯 노즐 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    외벽과 배플 구조체는 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 및 이들의 조합으로 이루어지는 군에서 선택된 재료로 구성되는, 잉크젯 노즐 장치.
  17. 제1항에 있어서,
    주 챔버는 평면에서 보았을 때 대체로 직사각형이며, 외벽은 대칭 평면과 평행인 한 쌍의 긴 측벽과, 대칭 평면에 수직인 한 쌍의 짧은 측벽을 포함하는, 잉크젯 노즐 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    제1 짧은 측벽은 점화 챔버의 단부 벽을 형성하고, 제2 짧은 측벽은 대기 챔버의 단부 벽을 형성하는, 잉크젯 노즐 장치.
  19. 제1항에 있어서,
    점화 챔버는 대기 챔버보다 더 큰 체적을 갖는, 잉크젯 노즐 장치.
  20. 제1항에 따른 복수의 잉크젯 노즐 장치를 포함하는, 잉크젯 프린트헤드.
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