KR100537521B1 - 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드 - Google Patents

Abstract

압전 방식의 잉크젯 프린트헤드가 개시된다. 개시된 잉크젯 프린트헤드는, 적층되어 접합된 복수의 기판과, 복수의 기판에 형성되는 것으로, 공통 유로인 매니폴드와, 다수의 압력 챔버와, 다수의 리스트릭터와, 다수의 노즐을 포함하는 잉크 유로와, 복수의 기판 상에 형성되어 다수의 압력 챔버 각각에 잉크의 토출을 위한 구동력을 제공하는 압전 액츄에이터를 구비하며, 상기 매니폴드의 상부에는 매니폴드 상부의 기판을 수직으로 관통하는 잉크 도입구가 매니폴드의 길이 방향을 따라 길게 형성되고, 상기 잉크 도입구의 상단에는 외부의 잉크 저장고로부터 잉크를 공급하기 위한 장방형의 잉크 공급 덕트가 연결된다. 이와 같은 구성에 의하면, 매니폴드 내에서의 잉크의 압력 차이가 최소화되어 다수의 압력 챔버 각각에 공급되는 잉크의 유량이 균일화될 수 있으므로, 다수의 노즐 각각에서의 잉크 토출 특성이 균일하여 인쇄 품질이 향상된다.

Description

압전 방식의 잉크젯 프린트헤드{Piezo-electric type inkjet printhead}

본 발명은 잉크젯 프린트헤드에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다수의 압력 챔버 각각에 공급되는 잉크의 유량을 균일화할 수 있는 잉크 공급 유로 구조를 가진 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드에 관한 것이다.

일반적으로 잉크젯 프린트헤드는, 인쇄용 잉크의 미소한 액적(droplet)을 기록용지 상의 원하는 위치에 토출시켜서 소정 색상의 화상으로 인쇄하는 장치이다. 이러한 잉크젯 프린트헤드는 잉크 토출 방식에 따라 크게 두 가지로 나뉠 수 있다. 그 하나는 열원을 이용하여 잉크에 버블(bubble)을 발생시켜 그 버블의 팽창력에 의해 잉크를 토출시키는 열구동 방식의 잉크젯 프린트헤드이고, 다른 하나는 압전체를 사용하여 그 압전체의 변형으로 인해 잉크에 가해지는 압력에 의해 잉크를 토출시키는 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드이다.

상기한 압전 방식 잉크젯 프린트헤드의 일반적인 구성은 도 1에 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 유로 플레이트(1)의 내부에는 잉크 유로를 이루는 매니폴드(2), 리스트릭터(3), 압력 챔버(4)와 노즐(5)이 형성되어 있으며, 유로 플레이트(1)의 상부에는 압전 액츄에이터(6)가 마련되어 있다. 매니폴드(2)는 도시되지 않은 잉크 저장고로부터 유입된 잉크를 각 압력 챔버(4)로 공급하는 통로이며, 리스트릭터(3)는 매니폴드(2)로부터 압력 챔버(4)로 잉크가 유입되는 통로이다. 압력 챔버(4)는 토출될 잉크가 채워지는 곳으로, 압전 액츄에이터(6)의 구동에 의해 그 부피가 변화함으로써 잉크의 토출 또는 유입을 위한 압력 변화를 생성하게 된다. 이를 위해, 유로 플레이트(1)의 압력 챔버(4) 상부벽을 이루게 되는 부위는 압전 액츄에이터(6)에 의해 변형되는 진동판(1a)의 역할을 하게 된다.

이러한 구성을 가진 종래의 압전 방식 잉크젯 프린트헤드의 작동을 설명하면, 압전 액츄에이터(6)의 구동에 의해 진동판(1a)이 변형되면 압력 챔버(4)의 부피가 감소하게 되고, 이에 따른 압력 챔버(4) 내의 압력 변화에 의해 압력 챔버(4) 내의 잉크는 노즐(5)을 통해 외부로 토출된다. 이어서, 압전 액츄에이터(6)의 구동에 의해 진동판(1a)이 원래의 형태로 복원되면 압력 챔버(4)의 부피가 증가하게 되고, 이에 따른 압력 변화에 의해 잉크가 매니폴드(2)로부터 리스트릭터(3)를 통해 압력 챔버(4) 내로 유입된다.

이러한 압전 방식 잉크젯 프린트헤드의 구체적인 일 예로서, 도 2에는 미국특허 US 5,856,837호에 개시된 압전 방식 잉크젯 프린트헤드가 도시되어 있다.

도 2를 참조하면, 종래의 압전 방식 잉크젯 프린트헤드는 다수의 얇은 플레이트(11 ~ 16)를 적층하여 접합함으로써 이루어진다. 즉, 프린트헤드의 제일 아래에는 잉크를 토출하기 위한 노즐(11a)이 형성된 제1 플레이트(11)가 배치되고, 그 위에 매니폴드(12a)와 잉크 배출구(12b)가 형성되어 있는 제2 플레이트(12)가 적층되며, 다시 그 위에는 잉크 유입구(13a)와 잉크 배출구(13b)가 형성되어 있는 제3 플레이트(13)가 적층된다. 그리고, 제3 플레이트(13)에는 잉크 저장고(미도시)로부터 매니폴드(12a)로 잉크를 도입하기 위한 잉크 도입구(17)가 마련되어 있다. 제3 플레이트(13) 위에는 잉크 유입구(14a)와 잉크 배출구(14b)가 형성되어 있는 제4 플레이트(6)가 적층되며, 그 위에는 양단부가 각각 잉크 유입구(14a)와 잉크 배출구(14b)에 연통된 압력 챔버(15a)가 형성되어 있는 제5 플레이트(15)가 적층된다. 상기한 잉크 유입구들(13a, 14a)은 매니폴드(12a)로부터 압력 챔버(15a)로 잉크가 흘러 들어가는 통로 역할을 하게 되며, 잉크 배출구들(12b, 13b, 14b)은 압력 챔버(15a)로부터 노즐(11a) 쪽으로 잉크가 배출되는 통로 역할을 하게 된다. 제5 플레이트(15) 위에는 압력 챔버(15a)의 상부를 폐쇄하는 제6 플레이트(16)가 적층되며, 그 위에는 압전 액츄에이터로서 구동 전극(20)과 압전막(21)이 형성되어 있다. 따라서, 제6 플레이트(16)는 압전 액츄에이터에 의해 진동하게 되는 진동판으로서의 기능을 하게 되며, 그 휨 변형에 의해 그 아래의 압력 챔버(15a)의 부피를 변화시키게 된다.

도 3에는 종래의 압전 방식 잉크젯 프린트헤드의 다른 예로서, 본 출원인의 한국특허공개공보 2003-0050477호에 개시된 잉크젯 프린트헤드가 도시되어 있다.

도 3에 도시된 잉크젯 프린트헤드는, 세 개의 실리콘 기판(30, 40, 50)이 적층되어 접합된 구조를 가진다. 세 개의 기판(30, 40, 50) 중 상부 기판(30)의 저면에는 소정 깊이의 압력 챔버(32)가 형성되어 있으며, 그 일측에는 도시되지 않은 잉크 저장고와 연결된 잉크 도입구(31)가 관통 형성되어 있다. 상기 압력 챔버(32)는 중간 기판(40)에 형성된 매니폴드(41)의 양측에 2 열로 배열되어 있다. 그리고, 상부 기판(30)의 상면에는 압력 챔버(32)에 잉크의 토출을 위한 구동력을 제공하는 압전 액츄에이터(60)가 형성되어 있다. 중간 기판(40)에는 잉크 도입구(31)와 연결되는 매니폴드(41)가 형성되어 있으며, 이 매니폴드(41)의 양측에 다수의 압력 챔버(32) 각각과 연결되는 리스트릭터(42)가 형성되어 있다. 또한, 중간 기판(40)에는 상부 기판(30)에 형성된 압력 챔버(32)에 대응하는 위치에 댐퍼(43)가 수직으로 관통 형성되어 있다. 그리고, 하부 기판(50)에는 상기 댐퍼(43)와 연결되는 노즐(51)이 형성되어 있다.

상기한 바와 같이, 도 3에 도시된 잉크젯 프린트헤드는 세 개의 실리콘 기판(30, 40, 50)이 적층된 형태로 구성됨으로써, 도 2에 도시된 종래의 잉크젯 프린트헤드에 비해 기판의 수가 즐어들어 그 제조 공정이 간단하고 다수의 기판의 적층 공정에서 발생되는 오정렬의 문제점이 해소되는 장점을 가진다.

도 4a와 도 4b는 종래의 압전 방식 프린트헤드에 있어서 매니폴드 내에서의 잉크의 압력 분포와 각 압력 챔버에 공급되는 잉크의 유량을 보여주는 도면들이고, 도 5는 종래의 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드를 사용하여 구동 주파수를 변화시키며 인쇄한 결과를 보여주는 도면이다.

먼저 도 4a를 참조하면, 전술한 종래의 잉크젯 프린트헤드에 있어서는, 매니폴드의 일측 또는 양측에 다수의 압력 챔버가 배열되어 있으며, 이 매니폴드의 일단부에 하나의 잉크 도입구가 연결되어 있다. 따라서, 잉크 도입구로부터 공급된 잉크는 매니폴드를 따라 흐르면서 다수의 압력 챔버 각각에 차례대로 분배된다.

그런데, 이러한 잉크 공급 유로 구조에 의하면 매니폴드 내의 잉크의 압력이 잉크 도입구로부터 멀어질수록 낮아지게 된다. 즉, 도 4a에 도시된 바와 같이, 잉크 도입구에 가까운 곳에서의 잉크 압력이 높고 잉크 도입구로부터 먼 곳에서의 잉크의 압력은 상대적으로 낮아지게 된다. 따라서, 각 압력 챔버에 공급되는 잉크의 유량은 리스트릭터 입구에서의 잉크의 압력에 비례하므로, 도 4b에 도시된 바와 같이, 잉크 도입구 가까이에 위치한 압력 챔버에 공급되는 잉크의 유량은 충분한데 반하여, 잉크 도입구로부터 멀리 떨어져 위치한 압력 챔버에 공급되는 잉크의 유량은 상대적으로 적어지게 된다. 잉크의 압력이 가장 낮은 곳은 잉크 도입구로부터 가장 먼 매이폴드의 끝 부분이고, 이 곳에 위치한 압력 챔버에 공급되는 잉크의 유량도 가장 적어지게 된다. 도 4b를 보면, 잉크 도입구에 가장 가까운 곳에 위치한 압력 챔버에 공급되는 잉크의 유량이 잉크 도입구로부터 가장 먼 곳에 위치한 압력 챔버에 공급되는 잉크의 유량에 비해 대략 두 배 정도라는 것을 알 수 있다.

그리고, 이와 같은 현상은 잉크의 점도가 증가할수록 심화된다. 또한, 프린트헤드의 구동 주파수가 높아져 잉크의 유량이 증가할 경우에도 이러한 현상이 심화되어 인쇄 품질을 현저히 떨어뜨리게 되는 요인이 된다.

도 5를 보면, 구동 주파수가 높아질 수록 잉크 도입구로부터 먼 곳에 위치한 압력 챔버에는 잉크의 재충전이 원활하지 않아서, 이를 통해 인쇄된 인쇄선의 폭이 감소하고, 그 인쇄 품질도 떨어진다는 것을 알 수 있다.

상기한 바와 같이, 종래의 잉크젯 프린트헤드의 잉크 공급 유로 구조에 의하면 다수의 압력 챔버 각각에 공급되는 잉크의 유량이 불균일하여, 다수의 노즐 각각에서의 잉크 토출 특성, 즉 잉크 액적의 체적과 속도에 편차가 발생하게 되고, 이에 따라 인쇄 품질이 저하되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 특히 다수의 압력 챔버 각각에 공급되는 잉크의 유량을 균일화할 수 있도록 매니폴드 내에서의 잉크의 압력 차이를 최소화할 수 있는 잉크 공급 유로 구조를 가짐으로써, 다수의 노즐 각각에서의 잉크 토출 특성이 균일한 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명은,

적층되어 접합된 복수의 기판;

상기 복수의 기판에 형성되는 것으로, 공통 유로인 매니폴드와, 상기 매니폴드의 적어도 일측에 배열된 다수의 압력 챔버와, 상기 매니폴드와 상기 다수의 압력 챔버 각각을 연결하는 다수의 리스트릭터와, 상기 다수의 압력 챔버 각각으로부터 잉크를 토출하기 위한 다수의 노즐을 포함하는 잉크 유로; 및

상기 복수의 기판 상에 형성되어 상기 다수의 압력 챔버 각각에 잉크의 토출을 위한 구동력을 제공하는 압전 액츄에이터;를 구비하며,

상기 매니폴드의 양단부에는 상기 매니폴드 상부의 기판을 수직으로 관통하는 두 개의 잉크 도입구가 형성되고,

상기 두 개의 잉크 도입구 각각의 상단에는 외부의 잉크 저장고로부터 잉크를 공급하기 위한 잉크 공급 튜브가 연결되는 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드를 제공한다.

그리고, 상기의 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명은,

상기 매니폴드의 길이 방향을 따라 소정 간격을 두고 상기 매니폴드 상부의 기판을 수직으로 관통하는 복수의 잉크 도입구가 형성되고,

상기 복수의 잉크 도입구 각각의 상단에는 외부의 잉크 저장고로부터 잉크를 공급하기 위한 잉크 공급 튜브가 연결되는 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드를 제공한다.

여기에서, 상기 복수의 잉크 공급 튜브는 상기 잉크 저장고와 연결된 하나의 메인 튜브로부터 분기된 것이 바람직하다.

또한, 상기의 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명은,

상기 매니폴드의 상부에는 상기 매니폴드 상부의 기판을 수직으로 관통하는 잉크 도입구가 상기 매니폴드의 길이 방향을 따라 길게 형성되고,

상기 잉크 도입구의 상단에는 외부의 잉크 저장고로부터 잉크를 공급하기 위한 장방형의 잉크 공급 덕트가 연결되는 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드를 제공한다.

여기에서, 상기 잉크 공급 덕트 내부에는 잉크 내부의 기포와 이물질을 여과하기 위한 다공질의 필터가 설치된 것이 바람직하다.

또한, 상기의 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명은,

상기 매니폴드의 상부에는 상기 매니폴드 상부의 기판을 수직으로 관통하는 다수의 미세공으로 이루어진 잉크 도입구가 형성되고,

상기 다수의 잉크 도입구의 상단에는 외부의 잉크 저장고로부터 잉크를 공급하기 위한 장방형의 잉크 공급 덕트가 연결되는 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드를 제공한다.

상기한 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드에 있어서, 상기 잉크 공급 덕트의 상단에는 적어도 하나의 잉크 공급구가 마련되고, 상기 잉크 공급 덕트의 내부에는 복수의 수직 방향 격벽이 형성될 수 있다. 그리고, 상기 잉크 공급 덕트는 완전발달유동이 형성될 수 있는 높이와 폭을 가진 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 또한, 한 층이 기판이나 다른 층의 위에 존재한다고 설명될 때, 그 층은 기판이나 다른 층에 직접 접하면서 그 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 제 3의 층이 존재할 수도 있다.

도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드를 부분 절단하여 도시한 사시도이고, 도 7은 도 6에 표시된 A-A'선을 따른 수직 단면도이다.

도 6과 도 7을 함께 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드는, 세 개의 기판(110, 120, 130)을 적층하여 접합함으로써 이루어질 수 있다. 그리고, 세 개의 기판(110, 120, 130)에는 잉크 유로가 형성되며, 그 상부에는 잉크의 토출을 위한 구동력을 발생시키는 압전 액츄에이터(140)가 마련된다.

구체적으로, 상기 세 개의 기판(110, 120, 130)은 모두 단결정 실리콘 웨이퍼로 이루어질 수 있다. 이 경우, 포토리소그라피(photolithography)와 식각(etching)과 같은 미세 가공(micromachining) 기술을 이용하여 세 개의 기판(110, 120, 130) 각각에 잉크 유로를 보다 미세한 크기로 정밀하고 용이하게 형성할 수 있다.

상기한 잉크 유로는, 도시되지 않은 잉크 저장고로부터 잉크가 도입되는 잉크 도입구(151)와, 토출될 잉크가 채워지며 잉크를 토출시키기 위한 압력 변화를 발생시키는 압력 챔버(154)와, 잉크 도입구(151)를 통해 유입된 잉크를 다수의 압력 챔버(154)에 공급하는 공통 유로인 매니폴드(152)와, 매니폴드(152)로부터 각각의 압력 챔버(154)로 잉크를 공급하기 위한 개별 유로인 리스트릭터(153)와, 압력 챔버(154)로부터 잉크가 토출되는 노즐(156)을 포함한다. 그리고, 압력 챔버(154)와 노즐(156) 사이에는 압전 액츄에이터(140)에 의해 압력 챔버(154)에서 발생된 에너지를 노즐(156)쪽으로 집중시키고 급격한 압력 변화를 완충하기 위한 댐퍼(155)가 마련될 수 있다.

상기 압력 챔버(154)는 상부 기판(110)의 저면에 소정 깊이로 형성되며, 잉크의 흐름 방향으로 보다 긴 직육면체의 형상을 가질 수 있다. 그리고, 압력 챔버(154)는 후술하는 바와 같이 중간 기판(120)에 형성되는 매니폴드(152)의 양측에 2열로 배열된다. 그러나, 상기 압력 챔버(154)는 매니폴드(152)의 일측에 1 열로만 배열될 수도 있다.

상기 매니폴드(152)는 중간 기판(120)에 일방향으로 길게 형성된다. 이러한 매니폴드(152)는, 도시된 바와 같이, 중간 기판(120)의 상면으로부터 소정 깊이로 형성될 수도 있고, 중간 기판(120)을 수직으로 관통하여 형성될 수도 있다. 그리고, 중간 기판(120)에는 매니폴드(152)와 압력 챔버(154) 각각의 일단부를 연결하는 개별 유로인 리스트릭터(153)가 형성된다. 상기 리스트릭터(153)도, 도시된 바와 같이, 중간 기판(120)의 상면으로부터 소정 깊이로 형성될 수도 있고, 중간 기판(120)을 수직으로 관통하여 형성될 수도 있다. 또한, 중간 기판(120)에는 압력 챔버(154)의 타단부에 대응되는 위치에 압력 챔버(154)와 노즐(156)을 연결하는 댐퍼(155)가 역시 수직으로 관통 형성된다.

그리고, 상기 노즐(156)은 하부 기판(130)을 관통하여 형성된다.

한편, 위에서는 잉크 유로를 이루는 구성 요소들이 세 개의 기판(110, 120, 130)에 나뉘어져 배치된 것으로 도시되고 설명되었지만, 이러한 잉크 유로의 배치 구조는 단지 예시적인 것이다. 즉, 본 발명에 따른 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드에는 다양한 구성의 잉크 유로가 마련될 수 있으며, 이러한 잉크 유로는 세 개의 기판(110, 120, 130)이 아니라 그 보다 많거나 또는 적은 수의 기판을 사용하여 형성될 수도 있다. 다시 말하면, 본 발명은, 상기한 잉크 유로의 구성에 특징이 있는 것이 아니라, 후술하는 바와 같이 매니폴드(152)에 잉크를 공급하는 유로 구조에 특징이 있는 것이다.

상기 압전 액츄에이터(140)는, 압력 챔버(154)가 형성된 상부 기판(110)의 상부에 형성되어, 상기 압력 챔버(154)에 잉크의 토출을 위한 구동력을 제공하는 역할을 한다. 이러한 압전 액츄에이터(140)는, 공통 전극의 역할을 하는 하부 전극(141)과, 전압의 인가에 따라 변형되는 압전막(142)과, 구동 전극의 역할을 하는 상부 전극(143)을 구비하며, 하부 전극(141), 압전막(142) 및 상부 전극(143)이 상부 기판(110) 위에 순차적으로 적층된 구조를 가진다.

구체적으로, 상기 하부 전극(141)은 상부 기판(110)의 전 표면에 형성되며, 하나의 도전 금속 물질층으로 이루어질 수 있으나, Ti층과 Pt층의 두 개의 금속박막층으로 이루어진 것이 바람직하다. 상기 압전막(142)은 하부 전극(141) 위에 형성되며, 압력 챔버(154)에 대응하는 위치에 배치된다. 상기 압전막(142)은 전압의 인가에 의해 변형됨으로써 압력 챔버(154)의 부피를 변화시키는 역할을 하게 된다. 이러한 압전막(142)은 압전물질, 바람직하게는 PZT(Lead Zirconate Titanate) 세라믹 재료로 이루어질 수 있다. 상기 상부 전극(143)은 압전막(142)에 전압을 인가하는 구동 전극의 역할을 하는 것으로, 압전막(142) 위에 형성된다.

그리고, 본 발명의 특징으로서, 상기 잉크 도입구(151)는 상기 매니폴드(152)의 양단부에 두 개가 배치된다. 이러한 잉크 도입구들(151)는 매니폴드(152) 상부의 상부 기판(110)을 수직으로 관통하도록 식각함으로써 형성될 수 있다. 그리고, 상기 두 개의 잉크 도입구(151) 각각의 상단에는 외부의 잉크 저장고로부터 잉크를 공급하기 위한 잉크 공급 튜브(160)가 연결된다. 상기 잉크 공급 튜브(160)는 접착제를 사용하여 상부 기판(110)의 상면에 접착됨으로써 상기 잉크 도입구(151)와 연결될 수 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따르면, 두 개의 잉크 도입구(151)를 통해 매니폴드(152)의 양단부로부터 잉크가 공급되므로, 매니폴드(152) 내에서의 잉크의 압력 차이가 최소화될 수 있다.

도 8a와 도 8b는 도 6에 도시된 본 발명의 제1 실시예에 따른 압전 방식 잉크젯 프린트헤드에 있어서 매니폴드 내에서의 잉크의 압력 분포와 각 압력 챔버에 공급되는 잉크의 유량을 보여주는 도면들이고, 도 9는 도 6에 도시된 본 발명의 제1 실시예에 따른 압전 방식 잉크젯 프린트헤드를 사용하여 구동 주파수를 변화시키며 인쇄한 결과를 보여주는 도면이다.

먼저 도 8a를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에서는 매니폴드의 양단부에 잉크 도입구가 연결되므로, 잉크 도입구로부터 공급된 잉크는 매니폴드의 양단부로부터 중간 부위로 흐르면서 다수의 압력 챔버 각각에 차례대로 분배된다. 이와 같은 잉크 공급 유로 구조에 의하면, 매니폴드 내의 잉크의 압력이 매니폴드의 양단부에서 가장 높고 매니폴드의 길이 방향 중간 부위에서 상대적으로 낮아지게 된다. 그러나, 매니폴드의 양단부로부터 잉크가 공급되므로 매니폴드 내에서의 잉크의 압력 차이는 종래에 비해 줄어들게 된다.

그 결과, 도 8b에 도시된 바와 같이, 매니폴드의 양단부 가까이에 위치한 압력 챔버에 공급되는 잉크의 유량은 매니폴드의 길이 방향 중간 부위 가까이에 위치한 압력 챔버에 공급되는 잉크의 유량에 비해 대략 15% 정도만 많다는 것을 알 수 있으며, 이러한 잉크 유량의 차이는 종래의 2배에 비해 훨씬 줄어들었다는 것을 알 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 의하면, 다수의 압력 챔버 각각에 공급되는 잉크의 유량의 차이가 종래에 비해 훨씬 줄어 들게 되고, 이에 따라 다수의 노즐 각각에서의 잉크 토출 특성이 균일화될 수 있다.

그리고, 도 9를 보면, 프린트헤드의 구동 주파수가 높아지는 경우에도, 다수의 노즐 각각을 통해 인쇄된 인쇄선의 폭이 균일하다는 것을 알 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 의하면, 구동 주파수가 높아지더라도 모든 압력 챔버에 대한 잉크의 재충전이 원활하게 이루어질 수 있어서, 인쇄 품질이 향상된다는 것을 알 수 있다.

이하에서는, 도 10 내지 도 13을 참조하며 본 발명의 다른 실시예들을 설명하기로 한다. 이하의 도면들에서 도 6 및 도 7에서와 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 가리킨다. 그리고, 이하의 실시예들에 있어서 전술한 제1 실시예에서와 동일한 부분, 즉 잉크 도입구를 제외한 세 개의 기판에 형성되는 잉크 유로의 구성에 대해서는 그 설명을 생략하기로 한다.

도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 압전 방식 잉크젯 프린트헤드를 부분 절단하여 도시한 사시도이다.

도 10을 참조하면, 본 실시예에서 잉크 도입구(251)는 매니폴드(152)의 길이 방향을 따라 소정 간격을 두고 복수개가 형성되며, 상부 기판(110)을 수직으로 관통하여 형성된다. 이러한 잉크 도입구(251)는 원형의 단면 형상을 가진 것으로 도시되어 있으나, 이 외에도 타원형이나 사각형 및 다각형 등의 다양한 단면 형상을 가질 수 있다. 그리고, 상기 복수의 잉크 도입구(251) 각각의 상단에는 외부의 잉크 저장고로부터 잉크를 공급하기 위한 잉크 공급 튜브(260)가 연결된다. 상기 복수의 잉크 공급 튜브(260)는 잉크 저장고와 연결된 하나의 메인 튜브(261)로부터 분기되고, 극 각각의 하단은 접착제를 사용하여 상부 기판(110)의 상면에 접착됨으로써 상기 복수의 잉크 도입구(251) 각각과 연결될 수 있다.

상기한 바와 같은 잉크 공급 유로 구조를 가진 본 발명의 제2 실시예에 따르면, 복수의 잉크 도입구(251)를 통해 매니폴드(152)의 길이 방향 전체에 걸쳐 잉크가 균일하게 공급될 수 있다. 따라서, 매니폴드(152) 내에 전술한 제1 실시예에서 보다 더 균일한 잉크의 압력 분포가 이루어질 수 있으므로, 다수의 압력 챔버(154) 각각에 공급되는 잉크의 유량이 보다 균일화될 수 있다.

그리고, 본 실시예에 의하면, 잉크 도입구(251)가 매니폴드(152)의 상부에 형성되므로, 매니폴드(152)의 양단에 잉크 도입구를 형성할 필요가 없어서 매니폴드(152)의 길이를 줄일 수 있게 된다. 따라서, 프린트헤드의 전체 크기가 작아질 수 있으므로, 동일한 크기의 기판을 가공하여 보다 많은 수의 프린트헤드를 얻을 수 있게 된다.

도 11은 본 발명의 제3 실시예에 따른 압전 방식 잉크젯 프린트헤드를 부분 절단하여 도시한 사시도이다.

도 11을 참조하면, 본 실시예에서 잉크 도입구(351)는 매니폴드(152)의 길이 방향을 따라 길게 형성되며, 상부 기판(110)을 수직으로 관통하여 형성된다. 그리고, 상기 잉크 도입구(351)의 상단에는 외부의 잉크 저장고로부터 잉크를 공급하기 위한 장방형의 잉크 공급 덕트(360)가 연결된다.

구체적으로, 상기 잉크 도입구(351)는 매니폴드(152)의 길이 방향 전체에 걸쳐 형성된 것이 바람직하며, 그 폭은 매니폴드(152)의 양측에 형성된 리스트릭터(153)에 겹쳐지지 않도록 매니폴드(152)의 폭보다 작거나 같은 것이 바람직하다.

그리고, 상기 잉크 공급 덕트(360)는 예컨대 플라스틱 사출물로 이루어질 수 있으며, 그 상단에는 하나 또는 복수의 잉크 공급구(361)가 마련되고, 그 하단은 접착제를 사용하여 상기 잉크 도입구(351) 둘레의 상부 기판(110)의 상면에 접착된다. 상기 잉크 공급 덕트(360)의 내부에는 복수의 수직 방향 격벽(362)이 서로 소정 간격을 두고 형성될 수 있다. 이러한 격벽들(362)은 잉크 공급 덕트(360)의 폭을 유지시키는 역할을 한다. 이러한 잉크 공급 덕트(360)는 높은 종횡비의 단면 형상을 가진다. 즉, 잉크 공급 덕트(360)는 좁은 폭과 긴 길이와 충분히 높은 높이를 가진다. 이러한 형상을 가진 잉크 공급 덕트(360)에 의하면, 잉크 공급구(361)를 통해 공급된 잉크는 그 점성에 의해 잉크 공급 덕트(360)의 하단부 가까이에서 유동 속도와 압력이 거의 균일한 완전발달유동(fully developed flow)을 이루게 된다.

이와 같이 본 발명의 제3 실시예에 의하면, 매니폴드(152)의 상부 전체를 통해 완전발달유동을 이룬 잉크가 공급될 수 있으며, 이에 따라 매니폴드(152) 내에 보다 균일한 잉크의 압력 분포가 이루어질 수 있다. 그리고, 본 실시예에서도 전술한 제2 실시예에서와 같이 매니폴드(152)의 길이를 줄일 수 있는 장점이 있다.

도 12는 본 발명의 제4 실시예에 따른 압전 방식 잉크젯 프린트헤드를 부분 절단하여 도시한 사시도이다.

도 12를 참조하면, 본 실시예는 전술한 제3 실시예에서와 동일한 구조의 잉크 도입구(451)과 잉크 공급 덕트(460)를 구비하며, 이에 따른 효과도 동일하다. 다만, 본 실시예에 따른 잉크 공급 덕트(460)의 내부에는 제3 실시예에서의 격벽(362) 대신에 다공질의 필터(463)가 설치된다.

압전 방식의 잉크젯 프린트헤드에서는 기포의 발생이 정상적인 잉크의 토출에 있어서 치명적인 작용을 한다. 기포는 잉크가 잉크 저장고에서 프린트헤드로 공급되는 동안 각종 이음새를 지나가면서 생길 수 있고, 또한 잉크 내에 여러 종류의 기체가 용해되어 있을 경우 잉크가 다양한 압력차를 겪으면서 자연 발생할 수도 있다. 이와 같이 잉크 내에 기포가 발생한 경우에는, 압력 챔버 내에서 부피의 변화에 의한 정상적인 잉크 토출을 방해하며, 심한 경우 리스트릭터 등의 잉크 유로를 막아 잉크의 흐름을 방해하게 된다. 이는 프린트헤드 전체의 심각한 성능 저하와 다수의 노즐에서의 잉크 토출 성능의 차이를 가져온다. 따라서, 이러한 잉크 내의 기포는 충분히 제거될 필요가 있다. 그런데, 프린트헤드 내에서 샐성되는 기포는 크기가 수십 ㎛ 단위로 매우 작기 때문에 표면 장력이 크게 작용하여 제거하기가 쉽지 않다. 이러한 기포를 제거하기 위한 가장 직접적인 방법 중 하나는 프린트헤드의 잉크 유로 내에 잉크가 공급되기 직전에 적정한 필터를 설치하여 기포를 여과하는 방법이다.

따라서, 본 발명의 제4 실시예에 따른 잉크젯 프린트헤드에서는, 상기한 바와 같이 잉크 공급 덕트(460)의 내부에 다공질의 필터(463)를 설치한다. 이러한 필터(463)는 잉크 내의 기포 뿐만 아니라 잉크 내의 이물질도 여과하는 역할을 하게 된다. 그리고, 이러한 필터(463)의 미세공으로 인해 매니폴드(152)의 길이 방향 전체에 걸쳐 더욱 균일한 압력으로 잉크를 공급할 수 있게 된다.

도 13은 본 발명의 제5 실시예에 따른 압전 방식 잉크젯 프린트헤드를 부분 절단하여 도시한 사시도이다.

도 13을 참조하면, 본 실시예에서 잉크 도입구(551)는 필터의 역할을 할 수 있도록 매니폴드(152)의 상부에 상부 기판(110)을 관통하여 형성된 다수의 미세공으로 이루어진다. 그리고, 상기 다수의 잉크 도입구(551)의 상단에는 외부의 잉크 저장고로부터 잉크를 공급하기 위한 장방형의 잉크 공급 덕트(560)가 연결된다.

구체적으로, 상기 잉크 도입구(551)는 리스트릭터(153)와 겹치지 않도록 매니폴드(152)의 폭보다 작거나 같은 폭을 가진 영역 내에 다수개가 배열된다. 이러한 잉크 도입구(551) 각각의 단면 형상은 타원형, 다각형 등 다양한 형상을 가질 수 있으나, 도시된 바와 같이 원형의 단면 형상을 가진 것이 바람직하다.

프린트헤드 내의 잉크 유로의 최소 크기는 25 ~ 35㎛ 정도이므로, 잉크 유로를 막는 기포 또는 이물질을 충분히 여과할 수 있도록, 다수의 잉크 도입구(551) 각각의 직경은 5 ~ 15㎛인 것이 바람직하다. 따라서, 이 보다 큰 기포나 이물질은 잉크 도입구(551)에 의해 차단되어 매니폴드(152) 내부로 유입되지 못한다.

그리고, 잉크 도입구(551)는 일정한 직경을 가진 다수의 미세공으로 이루어져 있으므로, 상기한 바와 같이 필터의 역할을 할 수 있을 뿐만 아니라, 매니폴드(152) 전체에 균일한 모세관력으로 잉크를 유입시킬 수 있게 된다. 따라서, 매니폴드(152)로의 보다 안정적인 잉크 공급이 가능하고, 매니폴드(152)의 전 위치에서 거의 동일한 압력으로 잉크를 공급할 수 있게 되어, 다수의 노즐(156) 각각에서의 잉크 토출 특성이 보다 균일하게 된다.

상기 잉크 공급 덕트(560)는 도 11에 도시된 것과 동일한 구성을 가진다. 즉, 상기 잉크 공급 덕트(560)의 상단에는 적어도 하나의 잉크 공급구(561)가 마련되고, 상기 잉크 공급 덕트(560)의 내부에는 복수의 수직 방향 격벽(562)이 형성될 수 있다. 그리고, 상기 잉크 공급 덕트(500)는 완전발달유동이 형성될 수 있는 높이와 폭을 가진 것이 바람직하다.

이상 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명했지만, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드에 의하면, 잉크를 공급하기 위한 잉크 도입구가 적어도 매니폴드의 양단 또는 매니폴드의 길이 방향 전체에 걸쳐 형성되므로, 매니폴드 내에서의 잉크의 압력 차이가 최소화되어 다수의 압력 챔버 각각에 공급되는 잉크의 유량이 균일화된다. 따라서, 다수의 노즐 각각에서의 잉크 토출 특성이 균일하여 인쇄 품질이 향상된다.

그리고, 잉크 도입구가 매니폴드의 상부에 형성되므로, 매니폴드의 길이를 줄일 수 있게 되어 프린트헤드의 전체 크기가 작아질 수 있다. 따라서, 동일한 크기의 기판을 가공하여 보다 많은 수의 프린트헤드를 얻을 수 있으므로, 그 수율이 증가하여 제조 단가를 낮출 수 있게 된다.

또한, 잉크 도입구와 연결된 잉크 공급 덕트 내부에 필터가 설치됨으로써, 잉크 내의 기포와 이물질을 여과할 수 있으므로, 잉크 토출 성능이 향상된다. 특히, 잉크 도입구를 다수의 미세공 형상으로 형성하게 되면, 필터의 역할을 할 수 있을 뿐만 아니라 매니폴드로의 보다 안정적인 잉크 공급이 가능하고 매니폴드 전체에 걸쳐 동일한 압력으로 잉크를 공급할 수 있게 된다.

도 1은 종래의 압전 방식 잉크젯 프린트헤드의 일반적인 구성을 설명하기 위한 단면도이다.

도 2는 종래의 압전 방식 잉크젯 프린트헤드의 구체적인 일 예를 나타내 보인 분해 사시도이다.

도 3은 종래의 압전 방식 잉크젯 프린트헤드의 구체적인 다른 예를 나타내 보인 분해 사시도이다.

도 4a와 도 4b는 종래의 압전 방식 프린트헤드에 있어서 매니폴드 내에서의 잉크의 압력 분포와 각 압력 챔버에 공급되는 잉크의 유량을 보여주는 도면들이다.

도 5는 종래의 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드를 사용하여 구동 주파수를 변화시키며 인쇄한 결과를 보여주는 도면이다.

도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 압전 방식 잉크젯 프린트헤드를 부분 절단하여 도시한 사시도이다.

도 7은 도 6에 표시된 A-A'선을 따른 수직 단면도이다.

도 8a와 도 8b는 도 6에 도시된 본 발명의 제1 실시예에 따른 압전 방식 잉크젯 프린트헤드에 있어서 매니폴드 내에서의 잉크의 압력 분포와 각 압력 챔버에 공급되는 잉크의 유량을 보여주는 도면들이다.

도 9는 도 6에 도시된 본 발명의 제1 실시예에 따른 압전 방식 잉크젯 프린트헤드를 사용하여 구동 주파수를 변화시키며 인쇄한 결과를 보여주는 도면이다.

도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 압전 방식 잉크젯 프린트헤드를 부분 절단하여 도시한 사시도이다.

도 11은 본 발명의 제3 실시예에 따른 압전 방식 잉크젯 프린트헤드를 부분 절단하여 도시한 사시도이다.

도 12는 본 발명의 제4 실시예에 따른 압전 방식 잉크젯 프린트헤드를 부분 절단하여 도시한 사시도이다.

도 13은 본 발명의 제5 실시예에 따른 압전 방식 잉크젯 프린트헤드를 부분 절단하여 도시한 사시도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

110...상부 기판 120...중간 기판

130...하부 기판 140...압전 액츄에이터

141...하부 전극 142...압전막

143...상부 전극 151,251,351,451,551...잉크 도입구

152...매니폴드 153...리스트릭터

154...압력 챔버 155...댐퍼

156...노즐 160,260...잉크 공급 튜브

261...메인 튜브 360,460,560...잉크 공급 덕트

361,461,561...잉크 공급구 362,562...격벽

463...필터

Claims (14)

1. 적층되어 접합된 복수의 기판;

   상기 복수의 기판에 형성되는 것으로, 공통 유로인 매니폴드와, 상기 매니폴드의 적어도 일측에 배열된 다수의 압력 챔버와, 상기 매니폴드와 상기 다수의 압력 챔버 각각을 연결하는 다수의 리스트릭터와, 상기 다수의 압력 챔버 각각으로부터 잉크를 토출하기 위한 다수의 노즐을 포함하는 잉크 유로; 및

   상기 복수의 기판 상에 형성되어 상기 다수의 압력 챔버 각각에 잉크의 토출을 위한 구동력을 제공하는 압전 액츄에이터;를 구비하며,

   상기 매니폴드의 양단부에는 상기 매니폴드 상부의 기판을 수직으로 관통하는 두 개의 잉크 도입구가 형성되고,

   상기 두 개의 잉크 도입구 각각의 상단에는 외부의 잉크 저장고로부터 잉크를 공급하기 위한 잉크 공급 튜브가 연결되는 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드.
2. 적층되어 접합된 복수의 기판;

   상기 복수의 기판에 형성되는 것으로, 공통 유로인 매니폴드와, 상기 매니폴드의 적어도 일측에 배열된 다수의 압력 챔버와, 상기 매니폴드와 상기 다수의 압력 챔버 각각을 연결하는 다수의 리스트릭터와, 상기 다수의 압력 챔버 각각으로부터 잉크를 토출하기 위한 다수의 노즐을 포함하는 잉크 유로; 및

   상기 복수의 기판 상에 형성되어 상기 다수의 압력 챔버 각각에 잉크의 토출을 위한 구동력을 제공하는 압전 액츄에이터;를 구비하며,

   상기 매니폴드의 길이 방향을 따라 소정 간격을 두고 상기 매니폴드 상부의 기판을 수직으로 관통하는 복수의 잉크 도입구가 형성되고,

   상기 복수의 잉크 도입구 각각의 상단에는 외부의 잉크 저장고로부터 잉크를 공급하기 위한 잉크 공급 튜브가 연결되는 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 복수의 잉크 공급 튜브는 상기 잉크 저장고와 연결된 하나의 메인 튜브로부터 분기된 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드.
4. 적층되어 접합된 복수의 기판;

   상기 복수의 기판에 형성되는 것으로, 공통 유로인 매니폴드와, 상기 매니폴드의 적어도 일측에 배열된 다수의 압력 챔버와, 상기 매니폴드와 상기 다수의 압력 챔버 각각을 연결하는 다수의 리스트릭터와, 상기 다수의 압력 챔버 각각으로부터 잉크를 토출하기 위한 다수의 노즐을 포함하는 잉크 유로; 및

   상기 복수의 기판 상에 형성되어 상기 다수의 압력 챔버 각각에 잉크의 토출을 위한 구동력을 제공하는 압전 액츄에이터;를 구비하며,

   상기 매니폴드의 상부에는 상기 매니폴드 상부의 기판을 수직으로 관통하는 잉크 도입구가 상기 매니폴드의 길이 방향을 따라 길게 형성되고,

   상기 잉크 도입구의 상단에는 외부의 잉크 저장고로부터 잉크를 공급하기 위한 장방형의 잉크 공급 덕트가 연결되는 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 잉크 도입구의 폭은 상기 매니폴드의 폭보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드.
6. 제 4항에 있어서,

   상기 잉크 공급 덕트 내부에는 잉크 내부의 기포와 이물질을 여과하기 위한 다공질의 필터가 설치된 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드.
7. 적층되어 접합된 복수의 기판;

   상기 복수의 기판에 형성되는 것으로, 공통 유로인 매니폴드와, 상기 매니폴드의 적어도 일측에 배열된 다수의 압력 챔버와, 상기 매니폴드와 상기 다수의 압력 챔버 각각을 연결하는 다수의 리스트릭터와, 상기 다수의 압력 챔버 각각으로부터 잉크를 토출하기 위한 다수의 노즐을 포함하는 잉크 유로; 및

   상기 복수의 기판 상에 형성되어 상기 다수의 압력 챔버 각각에 잉크의 토출을 위한 구동력을 제공하는 압전 액츄에이터;를 구비하며,

   상기 매니폴드의 상부에는 상기 매니폴드 상부의 기판을 수직으로 관통하는 다수의 미세공으로 이루어진 잉크 도입구가 형성되고,

   상기 다수의 잉크 도입구의 상단에는 외부의 잉크 저장고로부터 잉크를 공급하기 위한 장방형의 잉크 공급 덕트가 연결되는 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드.
8. 제 7항에 있어서,

   상기 다수의 잉크 도입구는 상기 매니폴드의 폭보다 작거나 같은 폭을 가진 영역 내에 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드.
9. 제 7항에 있어서,

   상기 다수의 잉크 도입구 각각의 직경은 5 ~ 15㎛인 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드.
10. 제 4항 또는 제 7항에 있어서,

    상기 잉크 공급 덕트의 상단에는 적어도 하나의 잉크 공급구가 마련된 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드.
11. 제 4항 또는 제 7항에 있어서,

    상기 잉크 공급 덕트의 내부에는 복수의 수직 방향 격벽이 형성된 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드.
12. 제 4항 또는 제 7항에 있어서,

    상기 잉크 공급 덕트는 완전발달유동이 형성될 수 있는 높이와 폭을 가진 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드.
13. 제 1항, 제 2항, 제 4항 및 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 매니폴드는 일방향으로 길게 형성되고, 상기 다수의 압력 챔버는 상기 매니폴드의 양측에 2열로 배치된 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드.
14. 제 1항, 제 2항, 제 4항 및 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 복수의 기판은, 상부 기판, 중간 기판 및 하부 기판으로 이루어지며, 상기 압력 챔버는 상기 상부 기판의 저면에 소정 깊이로 형성되고, 상기 잉크 도입구는 상기 상부 기판을 관통하여 형성되며, 상기 리스트릭터와 매니폴드는 상기 중간 기판에 형성되며, 상기 노즐은 상기 하부 기판을 관통하여 형성된 것을 특징으로 하는 압전 방식의 잉크젯 프린트헤드.