KR20170114926A - 잉크젯 프린트 헤드에서의 단일 분사 재순환 - Google Patents

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Abstract

잉크젯 프린트 헤드는 복수의 단일 분사 요소를 포함한다. 각각의 단일 분사 요소는, 분사 이벤트 동안 잉크를 토출시키도록 구성된 개구, 잉크를 수용하기 위한 채널을 포함한다. 잉크젯 프린트 헤드는 또한 채널에 잉크를 공급하도록 구조화된 제1 매니폴드; 및 복수의 재순환 경로를 포함한다. 각 재순환 경로는, 분사 이벤트 및 비-분사 이벤트 동안 잉크를 수용하도록 구성된다. 각 재순환 경로는, 잉크를 수용하기 위한 채널에 연결된 재순환 채널로서, 재순환 경로들과 단일 분사 요소들의 각각의 단일 분사 요소의 부분을 형성하는 강판들 중 하나를 하프-에칭함으로써 형성되는, 상기 재순환 채널, 및 재순환 채널로부터 잉크를 수용하도록 구조화된 제2 매니폴드를 포함한다. 잉크는 비-분사 이벤트 동안 재순환 경로들과 복수의 단일 분사 요소 중 각각의 단일 분사 요소를 통해서 제1 매니폴드로부터 제2 매니폴드로 흐른다.

Description

잉크젯 프린트 헤드에서의 단일 분사 재순환{SINGLE JET RECIRCULATION IN AN INKJET PRINT HEAD}
본 발명은 잉크젯 프린팅에 관한 것이고, 더 구체적으로는, 잉크젯 프린트 헤드 내 재순환 경로에 관한 것이다.
전형적인 잉크젯 프린트 헤드는 복수의 단일 분사 요소(single jet element)의 유입구 부분에 잉크를 공급하는 공급 매니폴드 구조로 이루어져 있다. 유입구 부분과 함께, 복수의 단일 분사 요소의 각각은 전형적으로 잉크 분사 동안 액적을 토출시키는 1개 또는 다수의 개구(aperture)를 포함하는 단일 유출구 부분을 구비한다. 이 유체 구조 내에, 공급 매니폴드 및 단일 분사 요소 내의 잉크가 분사 이벤트 동안 벌크 유체 흐름을 경험한다. 그러나, 분사 이벤트가 일어나지 않는 시간 기간 동안, 유체 구조 내의 잉크는 벌크 흐름을 경험하지 않고 실질적으로 정지(quiescent) 상태로 될 수 있다. 정지 기간에 의해 잉크 내에 현탁된 입자들이 침강될 수 있다. 침강은 유체 구조의 성능에 악영향을 미칠 수 있을 뿐만 아니라, 이 시스템 내의 잉크의 목적으로 하는 특성을 변화시킬 수 있다.
본 발명의 실시형태들은 종래 기술에서의 이들 및 기타 제한들을 해소한다.
일 실시형태에서, 잉크젯 프린트 헤드는, 복수의 단일 분사 요소로서, 각각의 단일 분사 요소는, 분사 이벤트 동안 잉크를 토출시키도록 구성된 개구, 및 잉크를 수용하기 위한 채널을 포함하는, 상기 복수의 단일 분사 요소, 채널에 잉크를 공급하도록 구조화된 제1 매니폴드, 및 분사 이벤트 및 비-분사 이벤트 동안 잉크를 수용하도록 각각 구성된 복수의 재순환 경로를 구비하되, 각각의 재순환 경로는, 잉크를 수용하기 위한 채널에 연결된 재순환 채널로서, 재순환 경로들과 단일 분사 요소들의 각각의 단일 분사 요소의 부분을 형성하는 강판들 중 하나를 하프-에칭(half-etching)함으로써 형성되는, 상기 재순환 채널, 및 재순환 채널로부터 잉크를 수용하도록 구조화된 제2 매니폴드를 포함하며, 잉크는 비-분사 이벤트 동안 재순환 경로들과 복수의 단일 분사 요소 중 각각의 단일 분사 요소를 통해서 제1 매니폴드로부터 제2 매니폴드로 흐른다.
프린트 헤드에서의 압력을 제어하는 방법은, 비-분사 이벤트 동안 채널에 연결된 제1 매니폴드 구조에 제1 부압을 인가하는 단계, 제1 매니폴드 구조로부터 하류에 있는 제2 매니폴드 구조에서 제1 부압보다 낮은 제2 부압을 인가하여 압력차를 생성하는 단계로서, 제2 매니폴드 구조는 비-분사 이벤트 동안 채널로부터 잉크를 수용하는 재순환 채널에 연결되는, 상기 압력차를 생성하는 단계, 및 분사 이벤트 동안 제1 매니폴드 구조와 제2 매니폴드 구조 사이의 압력차를 유지시키는 단계를 포함한다.
도 1은 단일 분사 요소의 유체 분배 서브어셈블리(fluid dispensing subassembly)의 일례를 도시한 도면;
도 2는 복수의 단일 분사 요소를 도시한 도면;
도 3은 재순환 채널을 가진 단일 분사 요소의 제1 도면;
도 4는 재순환 채널을 가진 단일 분사 요소의 제2 도면;
도 5는 유입 매니폴드와 유출 매니폴드에 연결된 복수의 단일 분사 요소의 확대도.
일부 유체 분배 어셈블리는 로컬 유체 공급장치 및 유체 분배 서브어셈블리를 포함한다. 로컬 유체 공급장치는 저장조 어셈블리 내 하나 이상의 저장조 챔버에 존재할 수 있다. 유체 분배 서브어셈블리는 수 개의 컴포넌트를 갖는 것으로 보일 수 있다. 첫째로, 구동기 컴포넌트는 유체가 서브어셈블리를 빠져나가게 야기하는, 압전 트랜스듀서와 같은, 트랜스듀서, 트랜스듀서가 동작하는 다이어프램, 및 압력 챔버를 형성하는 본체 판(body plate) 또는 판들로 이루어질 수 있다. 둘째로, 유입 컴포넌트는 유체를 매니폴드로부터 압력 챔버 쪽으로 향하게 하는 채널로 이루어진다. 다음으로, 유출 컴포넌트는 유체를 압력 챔버로부터 개구로 향하게 한다. 마지막으로, 개구 자체는 유체를 프린트 헤드 밖으로 배출시킨다.
프린트 헤드는 유체 분배 어셈블리의 일례로서 역할하며, 분사 스택(jet stack)은 유체 분배 서브어셈블리로서 역할하고, 분사 스택은 전형적으로는 함께 본딩된 일 세트의 판으로 이루어진다. 프린트 헤드/분사 스택 예에서, 구동기, 유입구, 유출구 및 개구의 4개의 컴포넌트는 더 특정적으로 된다. 유입구는 잉크를 매니폴드로부터 압력 챔버 쪽으로 향하게 하고, 그리고 유출구는 잉크를 압력 챔버로부터 개구 판으로 향하게 한다. 구동기는 유체가 개구 판을 통해 분사 스택을 빠져나가게 야기하도록 압력 챔버에서의 잉크 상에 동작한다. 분사 스택의 예에서, 개구는 유체를 분사 스택의 밖으로 그리고 궁극적으로는 프린트 헤드 밖으로 배출시킨다.
여기에서 사용되는 바와 같은 용어 프린터는 소정 종류의 트랜스듀서의 작동에 응답하여 유체의 액적이 하나의 개구를 통해 강제되는 드롭-온-디맨드 토출기 시스템의 어느 유형에라도 적용된다. 이것은 열 잉크젯 프린터와 같은 프린터, 유기 전자 회로 제조, 생물검정, 3-차원 구조 빌딩 시스템 등과 같은 응용에서 사용되는 프린트 헤드를 포함한다. 용어 '프린트 헤드'는 프린터에만 적용되도록 의도되지는 않고 그러한 제한이 내포되어서는 안 된다. 분사 스택은 프린터의 프린트 헤드 내에 거처하며, 용어 프린터는 위의 예를 포함한다.
도 1은 프린트 헤드에서의 분사 스택의 일례를 도시한다. 이러한 예에서 분사 스택(100)은 함께 본딩된 일 세트의 판으로 이루어지고 논의에서 사용될 것이다. 이것은 단지 일례일 뿐이고 여기에서 청구된 발명의 구현 또는 응용에 대한 제한은 아님을 주목하여야 하다. 더 논의될 바와 같이, 용어 '프린터' 및 '프린트 헤드'는 어느 목적으로라도 유체를 분배하는 그 시스템 내 어느 시스템 및 구조로라도 이루어질 수 있다. 유사하게, 분사 스택이 이해에 도움을 주기 위해 여기에서 논의될 것이지만, 어느 유체 분배 서브어셈블리라도 관련 있을 수 있다. 유체 분배 서브어셈블리 또는 유체 토출 본체는 일 세트의 판, 여기에서 논의되는 바와 같이, 적합한 채널, 트랜스듀서, 및 개구를 갖는 몰딩된 본체, 기계가공된 본체 등으로 이루어질 수 있다. 실시형태의 태양이 단지 판보다 분사 스택 내부에 부가적 구조를 포함하므로, 그 세트의 판은 유체 분배 서브어셈블리 내 유체 토출 본체라고 지칭될 수 있다.
위에서 언급된 바와 같이, 분사 스택(100)은 복수의 판(1000 내지 1024)으로 이루어진다. 바람직하게는, 복수의 판(1000 내지 1024)의 각각은 스테인리스 강판이다. 판(1000)은 분사 이벤트 동안 잉크 분출을 용이하게 하는 부착된 압전 요소(도시 생략)를 갖는다. 판(1000 내지 1024)의 각각은 복수의 판(1000 내지 1024)이 적층될 경우 이들이 상류측 매니폴드(102), 공기 간극(104), 하류측 매니폴드(106), 파티클 필터(108), 채널(110), 어퍼처(112) 및 재순환 채널(114)을 생성하도록 화학적으로 에칭된다.
분사 스택의 다양한 컴포넌트를 생성하기 위해, 복수의 판(1000 내지 1024)은 일측면 또는 양측면으로부터 화학적으로 에칭된다. 위에서 언급된 바와 같이, 판(1000 내지 1024)이 함께 적층될 때, 판(1000 내지 1024)의 화학적으로 에칭된 부분은 분사 스택의 다양한 컴포넌트를 생성한다. 개구(112)는 판(1024)을 통해 에칭된 홀이다. 채널(110)을 생성하기 위해, 판(1000 내지 1024)은 에칭된다. 재순환 채널(114)을 생성하기 위해, 판(1022)은 하류측 매니폴드(106)에 이르는 하프-에칭된 채널을 생성하도록 일측면으로부터 에칭될 뿐이다. 바람직하게는, 재순환 채널(114)은 1.65㎜ 내지 4.445㎜의 길이, 0.076㎜ 내지 0.152㎜의 폭 그리고 0.0381㎜ 내지 0.1016㎜의 깊이이다. 그렇지만, 재순환 채널(114)은 이러한 길이, 폭 및 깊이에 한정되지 않고, 그리고 각각의 분사 요소에 필요한 임의의 크기일 수 있다.
분사 스택은 입자 필터(108)를 갖는 상류측 매니폴드(102)를 통해 (도시되지 않은) 저장조로부터 잉크를 수용한다. 입자 필터(108)로부터의 출력은 채널(110) 내로 흐른다. 채널(110)은 액체를 개구(112) 및 재순환 채널(114)로 향하게 한다. 입자 필터(108)는 큰 입자가 채널(110) 내로 흐르는 것 및 개구(112)를 통해 분출하는 것 또는 하류측 매니폴드(106)로 보내지는 것을 방지한다. 액추에이터 또는 트랜스듀서(도시되지 않음)가 활성화될 때, 그것은 다이어프램 판이 방향을 바꾸게 야기하고, 잉크가 개구(112)를 통해 흐르게 야기한다. 개구(112)를 빠져나가는 잉크 액적은 인쇄된 이미지의 일부를 형성한다. 입자 필터(108), 상류측 매니폴드(102), 채널(110) 및 개구(112)를 포함하는 잉크 경로의 부분은 "단일 분사 요소"라고 지칭된다. 재순환 경로는 채널(114) 및 하류측 매니폴드(106)를 포함한다. 재순환 채널(114)은 채널(110)에 연결된다.
액추에이터 또는 트랜스듀서가 활성화되지 않을 때, 채널(110)에서의 잉크는, 아래에서 더 상세히 논의될 바와 같이, 개구(112)를 통해 토출함이 없이 재순환 채널(114) 및 하류측 매니폴드(106)로 흐른다. 이것은 잉크가 토출 없이 계속 흐르게 하고 잉크가 정지 상태로 되는 것을 방지한다.
도 2는 유체 분배 서브어셈블리를 포함하는 유체 분배 어셈블리를 구비한 시스템의 일 실시형태의 도해도를 도시한다. 프린터의 구성은 단순히 본 발명의 수행의 맥락의 이해를 돕기 위한 것이다. 또한, 본 명세서에서 논의된 예들은 유체 대신에 잉크로 그리고 유체 분배 서브어셈블리 대신에 분사 요소로 지칭할 수 있다. 재차, 어떠한 제한도 의도되어 있지 않고 함축되어서도 안 된다.
도 2는 상류측 매니폴드(102) 및 하류측 매니폴드(106)에 각각 연결된 유입 매니폴드(204) 및 유출 매니폴드(202)에 연결된 복수의 단일 분사 요소(200)의 일 실시형태를 도시한다. 8개의 단일 분사 요소(200)가 도시되어 있지만, 당업자라면 이해할 수 있는 바와 같이 어떠한 개수의 단일 분사 요소(200)라도 이용될 수 있다.
상류측 매니폴드(102) 및 하류측 매니폴드(106)는 또한 각각 단일 분사 요소(200)의 각각에 연결되어 있다. 즉, 분사 스택(100)은 단일 상류측 매니폴드(102) 및 단일 하류측 매니폴드(106)를 포함하되, 이들 각각은 분사 요소(200)의 각각에 연결된다. 단일 분사 요소(200)의 각각은 도 1에 도시된 스테인리스 강판(1000 내지 1024)에 의해 형성된다. 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 각각의 단일 분사 요소는 분사 또는 인쇄 이벤트 동안 잉크를 토출시키기 위한 개구(112)를 포함한다.
각각의 단일 분사 요소(200)는 또한 본체 챔버(206)를 포함한다. 본체 챔버(206)는, 위에서 논의되고 설명된 바와 같이, 분사 이벤트 동안 잉크 토출을 용이하게 하는 압전 소자(도시 생략)를 이면 상에 구비한다. 즉, 본체 챔버(206)는 판(1000)을 통해서 형성되고 압전 소자(도시 생략)에 연결된다.
도 3 및 도 4는 도 2로부터 단일 분사 요소(200) 중 하나의 더욱 상세한 도면을 도시한다. 위에서 주지된 바와 같이, 단일 분사 요소(200)는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 파티클 필터(108), 개구(112), 채널(110) 및 상류측 매니폴드(102)를 포함한다.
도 5는 상류측 매니폴드(102) 및 하류측 매니폴드(106)에 각각 연결된 유입 매니폴드(204) 및 유출 매니폴드(202)를 더욱 상세히 도시한다.
분사 이벤트 동안, 잉크는 유입 매니폴드(202)로부터 상류측 매니폴드(102)로 공급된다. 본체 챔버(206)에 부착된 압전 소자(도시 생략)의 동작을 통해서, 잉크는 상류측 매니폴드(102)로부터 파티클 필터(108)를 통해서 채널(110)로 그리고 개구(112)로 이동된다. 잉크를 개구(112)를 통해 흐르게 하기 위하여, 개구(112) 내에 잉크의 메니스커스를 파괴시키도록 충분한 압력이 제공되어야 한다.
그러나, 비-분사 이벤트 동안, 잉크 이동을 유지하고 유체 정지를 피하기 위하여, 잉크는 상류측 매니폴드(102)로부터 파티클 필터(108)를 통해서 채널(110)로 그리고 재순환 경로로 이동되며, 이 재순환 경로는 재순환 채널(114)과 하류측 매니폴드(106)를 포함한다. 개구(112) 내의 잉크의 메니스커스는 잉크가 토출되지 않도록 온전히 머문다.
따라서, 단일 분사 요소(200)를 통해서 잉크를 유지시키지만 메니스커스의 파열을 피하기 위하여 사용되는 수 인치 미만의 물의 압력이 되어야 한다. 예를 들어, 상류측 매니폴드(102)는 1인치의 물의 부압을 지닐 수 있는 반면, 하류측 매니폴드(106)는 6 내지 7인치의 물의 부압을 지닌다. 이것은 상류측 매니폴드(102)에 부압을 그리고 하류측 매니폴드(106)에서 더 낮은 부압을 인가함으로써 달성된다. 이 압력은 진공, 부압 헤드 등과 같은 임으의 수단에 의해 인가될 수 있다. 분사 이벤트 동안, 상류측 매니폴드(102)와 하류측 매니폴드(106) 간의 이러한 부압차는, 잉크가 분사 이벤트에도 재순환 경로를 통해 지속적으로(constantly) 흐르도록 유지된다. 이것은 분사 시 연속적인 평균 흐름을 유발한다.
비-분사 이벤트 동안, 잉크는 채널(110)을 통해 개구(112) 및 재순환 채널(114)로 흐른다. 그렇지만, 위에서 언급된 바와 같이, 압력은 비-분사 이벤트 동안에는 개구(112)에서의 잉크의 메니스커스를 깨뜨리기에 충분하지 않으므로, 압력은 잉크를 하류측 매니폴드(106)로 몰아 재순환되게 한다. 이것은 잉크가 분사 이벤트 동안 토출되고 있지 않을 때에도 잉크가 매니폴드(102, 106) 및 단일 분사 요소(200)를 통해 흐르게 유지한다. 즉, 잉크는 분사 이벤트가 없을 때에도 단일 분사 요소(200)의 곳곳으로 끊임없이 이동한다. 이것은 잉크 침전을 없애고 입자가 잉크 내에서 부유하게 야기한다. 이것은 상류측 매니폴드(102)와 하류측 매니폴드(106) 사이에 적합한 압력차를 갖게 함으로써 성취된다.
개구(112)를 통하기보다는 채널(110)의 하프-에칭된 부분으로 잉크를 이동시키는데 요구되는 압력의 범위는 유체의 점성과 표면 장력의 함수이다. 압력차는 상류측 매니폴드(102)와 하류측 매니폴드(106) 사이에 흐름을 유지하고 있기에 충분히 높지만, 개구(112) 메니스커스의 파열을 방지하기에 충분히 낮아야 한다.

Claims (10)

  1. 잉크젯 프린트 헤드로서,
    복수의 단일 분사 요소(single jet element)로서, 각각의 단일 분사 요소는,
    분사 이벤트 동안 잉크를 토출시키도록 구성된 개구(aperture), 및
    잉크를 수용하기 위한 채널을 포함하는, 상기 복수의 단일 분사 요소;
    상기 채널에 잉크를 공급하도록 구조화된 제1 매니폴드; 및
    상기 분사 이벤트 및 비-분사 이벤트 동안 잉크를 수용하도록 각각 구성된 복수의 재순환 경로를 포함하되, 각각의 재순환 경로는,
    잉크를 수용하기 위한 상기 채널에 연결된 재순환 채널로서, 상기 재순환 경로들과 상기 단일 분사 요소들의 상기 각각의 단일 분사 요소의 부분을 형성하는 강판들 중 하나를 하프-에칭(half-etching)함으로써 형성되는, 상기 재순환 채널; 및
    상기 재순환 채널로부터 잉크를 수용하도록 구조화된 제2 매니폴드를 포함하며,
    상기 잉크는 비-분사 이벤트 동안 상기 재순환 경로들과 상기 복수의 단일 분사 요소 중 각각의 단일 분사 요소를 통해서 상기 제1 매니폴드로부터 상기 제2 매니폴드로 흐르는, 잉크젯 프린트 헤드.
  2. 제1항에 있어서, 상기 잉크는 비-분사 동안 상기 잉크 프린트 헤드를 통해서 지속적으로(constantly) 흐르는, 잉크젯 프린트 헤드.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 매니폴드에 부압이 인가되고, 그리고 상기 제2 매니폴드에서 더 낮은 부압이 인가되어 상기 제1 매니폴드와 상기 제2 매니폴드 사이에 압력차를 생성하는, 잉크젯 프린트 헤드.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1 매니폴드와 상기 제2 매니폴드 사이의 상기 압력차가 분사 이벤트 동안 유지되는, 잉크젯 프린트 헤드.
  5. 잉크젯 프린트 헤드로서,
    분사 요소로서,
    분사 이벤트 동안 잉크를 토출시키도록 구성된 개구, 및
    잉크를 수용하기 위한 채널을 포함하는, 상기 분사 요소;
    상기 채널에 잉크를 공급하도록 구조화된 제1 매니폴드; 및
    상기 분사 이벤트 및 비-분사 이벤트 동안 잉크를 수용하도록 구성된 재순환 경로를 포함하되, 그리고 각각의 재순환 경로는,
    잉크를 수용하기 위한 상기 채널에 연결된 재순환 채널로서, 상기 재순환 경로들과 단일의 상기 분사 요소들의 각각의 상기 분사 요소의 부분을 형성하는 강판들 중 하나를 하프-에칭함으로써 형성되는, 상기 재순환 채널, 및
    상기 재순환 채널로부터 잉크를 수용하도록 구조화된 제2 매니폴드를 포함하되;
    상기 잉크는 상기 비-분사 이벤트 동안 상기 분사 요소 및 상기 재순환 경로를 통해 상기 제1 매니폴드로부터 상기 제2 매니폴드로 흐르는, 잉크젯 프린트 헤드.
  6. 제5항에 있어서, 상기 잉크는 비-분사 동안 상기 잉크젯 프린트 헤드를 통해 지속적으로 흐르는, 잉크젯 프린트 헤드.
  7. 제5항에 있어서, 상기 제1 매니폴드에 부압이 인가되고 그리고 상기 제2 매니폴드에서 더 낮은 부압이 인가되어 상기 제1 매니폴드와 상기 제2 매니폴드 사이에 압력차를 생성하는, 잉크젯 프린트 헤드.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제1 매니폴드와 상기 제2 매니폴드 사이의 상기 압력차는 분사 이벤트 동안 유지되는, 잉크젯 프린트 헤드.
  9. 하기 단계들을 포함하는, 프린트 헤드에서의 압력을 제어하는 방법:
    비-분사 이벤트 동안 채널에 연결된 제1 매니폴드 구조에 제1 부압을 인가하는 단계;
    상기 제1 매니폴드 구조로부터 하류에 있는 제2 매니폴드 구조에서 상기 제1 부압보다 낮은 제2 부압을 인가하여 압력차를 생성하는 단계로서, 상기 제2 매니폴드 구조는 비-분사 이벤트 동안 상기 채널로부터 잉크를 수용하는 재순환 채널에 연결되는, 상기 압력차를 생성하는 단계; 및
    분사 이벤트 동안 상기 제1 매니폴드 구조와 상기 제2 매니폴드 구조 사이의 상기 압력차를 유지시키는 단계.
  10. 제9항에 있어서, 상기 잉크는 비-분사 이벤트 동안 상기 프린트 헤드를 통해 지속적으로 흐르는, 프린트 헤드에서의 압력을 제어하는 방법.
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