잉크젯 프린트헤드{Inkjet printhead}

본 발명은 압전 구동 방식을 사용하는 헤드에서 인쇄시 순간적인 가열에 의해 잉크의 점성이 낮아지게 하므로서 보다 빠른 액적의 분사 속도와 토출된 직후 종이에서의 잉크의 퍼짐이 최소화되게 하여 인쇄화질이 향상되도록 하는 잉크젯 프린트헤드에 관한 것이다.

일반적으로 잉크젯 프린터는 구동방식에 따라 크게 서몰·버블 젯방식(Thermal·bubble jet type)과 압전방식(Piezo transducer type)으로 구분된다.

서몰·버블 젯방식은 전기적으로 챔버를 가열하여 챔버내 잉크가 열팽창에 의해서 노즐을 통해 분사되도록 하는 것이며, 압전방식은 압전체의 변형에 의해서 진동판을 구동시켜 그 진동력으로 챔버내 잉크가 노즐을 통해 분사되도록 하는 것이다.

한편 프린트헤드에서 사용되는 잉크는 보관시의 증발과 토출직후 종이에서의 퍼짐성 및 토출직후 노즐에서의 메니스커스 안정이란 면에서는 점도가 높은 것이 좋은 반면 토출될 때의 액적의 속도나 동작전압의 측면에서는 잉크의 점도가 낮은 것이 보다 유리하다.

다시말해 헤드내에서 보관되는 잉크는 점도가 높아야만 공기중으로 증발하게 되는 것을 줄일 수가 있으며, 또한 토출되어 종이에 닿을 때 종이에 흡수되는 퍼짐이 축소된다. 그리고 노즐에서 액적이 토출되고 난 직후 메니스커스를 빠르게 안정시킬 수가 있다.

이에 반해 액적이 토출시에는 보다 빠른 액적의 속도를 위해서는 잉크는 점도가 낮을수록 좋고, 이러한 잉크를 토출하는데에는 그만큼 토출력의 저감이 기대되므로 압전체를 구동시키게 되는 작동전압을 보다 낮은 수준에서 유지시킬 수가 있다.

도 1은 상기한 압전방식으로 구동되는 프린트헤드의 일례를 도시한 일부 확대 단면도를 도시한 것으로서, 도면부호 1은 마이크로 액츄에이터이며, 이 마이크로 액츄에이터(1)는 압전체의 상부 또는 상부와 하부에 각각 전극이 적층되게 하므로서 각 전극간 통전에 의해 압전체를 변형시켜 구동력을 유발시키게 되는 프린트헤드에 있어서의 실질적인 구동부이다.

마이크로 액츄에이터(1)의 저부에는 다수의 박판들을 서로 결합시킨 유로판(2)이 구비되도록 하되 이 유로판(2)에는 내부로 잉크를 저장하거나 유동되게 안내하는 리저버(2a)와 리스트릭터(2b)와 챔버(2c)와 노즐(2d)을 형성한다.

따라서 리저버(2a)에 저장되어 있는 잉크는 마이크로 액츄에이터(1)의 구동에 의한 진동판의 변형 복원력에 의해서 챔버(2c)내 체적을 확장시키는 압력변화에 의해 리스트릭터(2b)를 통해서 일정량의 잉크를 챔버(2c)내로 유입시키게 되며, 챔버(2c)에 유입된 잉크는 다시 마이크로 액츄에이터(1)의 구동에 의한 진동판의 휨변형에 의해서 챔버(2c)내 체적을 축소하는 압력변화에 의해 노즐(2d)을 통해서 외부로 토출시키게 되는 유동경로를 갖게 된다.

하지만 상기와 같은 압전방식의 프린트헤드에서는 일정한 시간당 토출되는 액적수인 토출 속도 즉 토출 작동 주파수를 높이기 위하여 비교적 점도가 높은 잉크를 사용하게 되는데 이렇게 높은 점도의 잉크를 사용하다 보면 비록 노즐(2d)을 통한 액적의 토출 속도는 빠르지만 액적이 노즐(2d)에서부터 인쇄종이에 이르게 되는 액적의 속도는 느려지는 문제가 있다.

이러한 액적의 속도 저하는 결국 보다 높은 작동 전압을 공급하거나 점도가 낮은 잉크를 사용하므로서 해결할 수가 있는데 점도가 낮은 잉크를 사용하다 보면 전술한 바와같이 노즐(2d)에서의 잉크 증발과 종이에 접촉될 때의 퍼짐이 촉진되면서 메니스커스가 불안정한 문제가 있게 되므로 종전에는 잉크의 온도에 따라 작동 전압을 변화시켜 액적의 속도를 빠르게 하는 방법이 제안되기도 하였다.

다시말해 도 2에서와 같이 토출명령시의 헤드내 잉크의 현재 온도를 체크하여 그에 적절한 작동 전압이 공급되게 하므로서 잉크를 토출시키도록 하는 것이다.

한편 고체 잉크를 사용하면서 프린터 구동중에는 헤드와 카트리지를 일정온도 이상으로 가열하므로서 잉크를 적당한 점도를 갖는 상태로서 형성되게 하는 방식으로도 일부에서는 적용되고 있다.

그러나 전기한 방식들에서 잉크의 온도를 그때그때 체크하므로서 작동 전압을 변화시키게 되는 구성은 제어방법이 매우 난해하여 제작원가의 상승을 초래하게 되며, 특히 잉크의 온도를 감지하는 부품의 장착 및 고장의 우려가 많아 비경제적면이 있다.

그리고 고체 잉크를 사용하여 헤드 또는 카트리지를 가열하는 구성에서는 급격한 잉크의 온도 변화에 따른 화학적 성질 변화를 초래하게 되고, 헤드 또는 카트리지의 물리적 성질 변화에 따른 내구력 저하도 우려된다.

본 발명은 상기한 문제점을 시정 보완하기 위한 것으로서, 본 발명은 점도가 높은 잉크를 사용하면서 토출시에는 순간적으로 점도가 낮게 제어되도록 하여 보다 낮은 작동 전압에 의해서도 가장 이상적인 액적 속도 및 액적의 토출 속도를 발휘할 수 있도록 하는데 주된 목적이 있다.

또한 본 발명은 셀단위의 잉크 유동로에 간단히 가열수단을 구비하고, 이를 동시에 가열하여 토출되는 잉크의 온도를 균일하게 제어되게 하므로서 잉크의 점도 조절이 용이토록 하는데 다른 목적이 있다.

그리고 본 발명은 토출시의 잉크 점도를 종이에 닿게 될 때의 잉크 점도와 유사한 수준으로 형성되도록 하여 인쇄화질이 보다 향상되도록 하는데 또 다른 목적이 있다.

도 1 은 종래 압전구동방식의 잉크젯 프린트헤드의 일례를 도시한 단면도,

도 2 는 잉크의 온도에 따른 점도의 변화를 도시한 특성도,

도 3 은 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드의 제1실시예를 도시한 단면도,

도 4 는 본 발명에 따른 잉크젯 프린트헤드의 제2실시예를 도시한 단면도,

도 5 는 본 발명에 따른 프린트헤드에 의한 인쇄시 잉크가 종이에 착상되는 상태를 도시한 예시도.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

10 : 마이크로 액츄에이터 20 : 유로판

21 : 리저버 23 : 챔버

24 : 유로 25 : 노즐

30 : 가열수단

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 외부로부터 입력되는 전원에 의해 압전체를 변형시켜 챔버내 체적이 변화되게 하므로서 잉크를 강제 토출시키는 잉크젯 프린트헤드 구성에 있어서, 압전체의 구동에 의해 챔버내로 유입되면서 노즐을 통해 토출되는 잉크의 유동로에 가열수단이 일체로 구비되게 하여 압전체의 구동시 잉크를 필요로 하는 온도까지 가열하므로서 잉크의 점성을 낮춰 토출되도록 하는것이 주된 특징이다.

즉 잉크가 저장되거나 유동하게 되는 헤드내 잉크 유동 공간에 별도의 가열수단이 구비되게 하므로서 토출직전에 잉크를 소정의 온도로 가열하여 점성이 낮춰지도록 하는 것이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

일반적으로 압전 구동 방식의 잉크젯 프린트헤드는 압전체의 변형에 의해 잉크를 토출시키게 되는 원리만 같을뿐 실제 압전체의 변형에 의해 챔버내로 잉크를 유입시키거나 챔버로부터 잉크를 유출시키는 유동로의 형상 및 이 유동로를 형성하는 적층판부재들의 적층 구조가 매우 다양하다.

본 발명은 이와같이 다양한 구성으로 형성되는 잉크젯 프린트헤드에서 잉크가 지나는 유동로에 가열수단이 일체로 형성되게 하므로서 유동로내의 잉크를 소정의 온도로 가열되도록 하는 것이다.

도 3은 본 발명에 따른 프린트헤드의 제1실시예를 도시한 요부 확대 단면도로서, 본 실시예에서 압전체와 전극이 일체로 적층되도록 한 마이크로 액츄에이터(10)의 저부에는 유로판(20)이 구비되도록 하고, 이 유로판(20)에는 마이크로 액츄에이터(10)의 직하부로 챔버(23)를 형성하되 그 일측에는 챔버(23)로 일정량의 잉크가 유입되도록 하는 유입공간인 리저버(21)와 리스트릭터(22)를 구비하고, 그 타측에는 유출공간인 유로(24)와 노즐(25)이 구비되는 구조는 종전과 대동소이하다.

이와같은 구성에서 유로판(20)의 챔버(23)내에 별도의 가열수단(30)이 구비되도록 하는 것이 본 실시예의 가장 두드러진 특징이다.

가열수단(30)은 헤드에서 다수의 셀로 이루어지는 각 셀의 챔버(23)에 각각 구비되며, 이들 가열수단(30)은 동시에 작동되게 할 수도 있고, 구동하게 되는 셀에서의 가열수단(30)만이 선택적으로 작동되게 할 수도 있다.

가열수단(30)에 의해서 가열되는 챔버(23)내 잉크의 온도는 버블을 발생시키지 않는 약 200℃ 이내가 되도록 하는 것이 가장 바람직하다.

이같은 구성에 따른 프린트헤드의 작용에 대해서 설명하면 다음과 같다.

인쇄명령이 내려지기 전까지 헤드내의 잉크는 최초 공급된 비교적 높은 점도를 그대로 유지하게 된다.

이와같은 상태에서 인쇄명령이 내려지게 되면 마이크로 액츄에이터(10)가 구동하게 되는데 이때 가열수단(30)을 순간적으로 가열하여 챔버(23)내의 잉크를 소정의 온도가 되도록 한다.

그러면 잉크의 점도는 낮아지게 되고, 따라서 노즐을 통해 보다 쉽게 토출될 수가 있게 되면서 인쇄종이에 접촉되는 액적 속도가 대단히 빨라지게 된다.

이렇게 해서 토출되는 잉크는 종이에 닿기전에 외기에 의해 다시 급격하게 냉각되면서 최초 가열되기 전의 점도로 변하게 되어 종이에 닿는 순간에는 높은 점성을 갖게 되므로 종이에서의 퍼짐이 최소화된다.

이와같이 본 실시예에서는 다소 높은 점성을 갖는 잉크를 토출되기 직전에 챔버내에서 소정의 온도로 가열되게 하므로서 보다 낮은 토출점성을 갖도록 하여 주어진 일정한 작동 전압에 의해 빠른 액적 속도를 발휘하게 되는 효과가 있다.

특히 본 실시예를 통해서 결국 점성이 높은 잉크를 사용함에 따른 액적의 속도 및 작동 전압의 문제를 동시에 해결하게 되므로서 최상의 인쇄조건을 갖추게 되는 동시에 보다 간편한 제어와 대폭적인 인쇄 화질의 향상을 제공하게 되는 이점이 있게 된다.

한편 도 4는 본 발명에 따른 프린트헤드의 제2실시예를 도시한 요부 확대 단면도로서, 본 실시예에서의 프린트헤드는 제1실시예에서와 거의 동일하다.

다만 본 실시예에서는 잉크를 가열하게 되는 가열수단(30)을 헤드의 각 셀에 잉크를 공급하는 리저버(21)내에 구비되도록 하는 것이 가장 두드러진 특징이다.

이때 리저버(21)내에서 가열수단(30)에 의해 가열되는 잉크의 온도는 제1실시예에서와 같이 버블을 형성하지 않는 약 200℃ 이내가 되도록 한다.

특히 본 실시예에서의 가열수단(30)은 제1실시예에서와는 달리 선택적인 제어가 불가능하므로 각 셀에서의 마이크로 액츄에이터(10)가 구동시 무조건 작동하게 된다.

상기한 실시예에 따른 본 발명의 작용에 대해서 살펴보면 다음과 같다.

인쇄명령이 내려지기 전까지 헤드내의 잉크는 제1실시예에서와 마찬가지로 최초의 높은 점도를 유지하게 되며, 인쇄명령이 내려지게 되면 마이크로 액츄에이터(10)가 구동되기 직전에 가열수단(30)을 작동시켜 리저버(21)내의 잉크를 순간적으로 가열하고, 이로서 챔버(23)로 공급되는 잉크의 점성이 보다 낮아지도록 하는 것이다.

리저버(21)내의 잉크를 가열하므로서 이때의 열이 챔버(23)내 잉크에 전달되면 챔버(23)내 잉크는 점도가 낮아지게 되어 마이크로 액츄에이터(10)의 구동에 의해 손쉽게 토출될 수가 있게 된다.

이렇게 해서 토출되는 잉크는 제1실시예에서와 마찬가지로 인쇄종이에 닿기전에 외기와의 접촉에 의해 다시 급격하게 냉각되어 최초 가열되기 전의 점도로 변하게 되므로 종이에 닿는 순간 대단히 빠른 속도로 경화되면서 종이에서의 퍼짐이 대단히 축소된다.

한편 상기한 실시예들에 의해서 토출되는 잉크는 노즐(25)에서부터 이미 점성이 낮아져 대단히 빠른 속도로 액적이 토출되어 도 5에 도시한 바와같이 종이에 착상되는데 이때 종이에 흡수되는 량은 대단히 미약하므로 퍼짐이 적고 대신 종이의 표면위로 쌓이게 되는 량이 많아지게 되면서 보다 높은 해상도의 화질을 제공하게 된다.

또한 본 발명에서는 마이크로 액츄에이터(10)의 구동시점 직전에만 순간적으로 가열수단(30)을 작동시켜 잉크를 가열시키게 되므로 일단 액적이 토출되고 나면 외기에 의해 노즐(25)측 잉크의 점도가 급격하게 높아지면서 메니스커스가 대단히 빠른 속도로 안정을 되찾게 되는 동시에 증발을 방지시키게 된다.

이와같이 본 발명은 잉크젯 프린트헤드에서 점성이 높은 잉크를 사용하면서 잉크를 토출시키기 직전에만 순간적으로 점성이 낮춰지도록 하므로서 높은 점성의 잉크를 사용함에 따른 이점과 함께 잉크를 토출시에만 잉크의 점성이 낮게 제어되게 하므로서 낮은 점성의 잉크를 사용하는 이점을 동시에 수용하게 되는 장점을 갖는다.

그러므로 본 발명은 잉크가 유동하는 유동로에 간단히 별도의 가열수단(30)을 구비하는 구성과 그에 따른 작용에 의해 프린트헤드가 비구동시 그리고 노즐을 통해 분사된 직후의 잉크를 항상 높은 점성이 유지되게 하면서 마이크로 액츄에이터(10)의 구동에 의한 잉크의 토출시에만 순간적으로 잉크의 점성이 낮게 형성되도록 하여 헤드에서의 잉크의 증발 방지와 인쇄종이에서의 퍼짐 축소 및 액적의 토출직후 조속한 메니스커스의 안정, 그리고 단위 시간당 보다 빠른 액적의 속도를 구현하면서 보다 적은 동작 전압에 의해서 단위 시간당 토출 액적의 수를 증가시켜 인쇄속도와 해상도를 대폭적으로 향상시키게 되는 매우 유용한 효과가 있게 된다.