KR102126233B1 - 액체 토출 헤드 및 액체 토출 방법 - Google Patents

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Abstract

액체 토출 헤드는 기록 소자가 배치되는 기판; 그리고, 기록 소자에 대면하면서 액체를 토출하도록 구성되는 토출구가 형성되는 토출구 형성 부재를 포함한다. 액체 토출 헤드는 압력 챔버, 압력 챔버에 액체를 공급하도록 구성된 제1 액체 채널 및 압력 챔버로부터 액체를 회수하도록 구성된 제2 액체 채널을 갖는다. 기판은 액체를 제1 액체 채널에 공급하도록 제1 액체 채널에 연결된 액체 공급 채널 및 액체를 제2 액체 채널로부터 회수하도록 제2 액체 채널에 연결된 액체 회수 채널을 갖는다. 액체 공급 채널의 입구 부분에서의 압력은 액체 회수 채널의 출구 부분에서의 압력보다 높고, 압력 챔버 내의 액체의 유속은 3 내지 140 mm/s이다.

Description

액체 토출 헤드 및 액체 토출 방법{LIQUID DISCHARGE HEAD AND LIQUID DISCHARGE METHOD}
본 발명은 액체 토출 헤드 및 액체 토출 방법에 관한 것으로, 특히 토출구 전후에서 액체가 순환하는 액체 토출 헤드에 관한 것이다.
액체, 예컨대, 잉크 등을 토출하는 액체 토출 헤드에서, 토출구로부터 토출되는 액체의 휘발 성분의 증발에 기인하여 토출구 부근에서 액체가 농축 및 농후화될 수 있다. 이는 액적의 토출 속도를 변화시키고, 액적 착지 정확도가 열악해질 수 있다. 액적을 토출한 이후 다음 액적을 토출할 때까지의 휴지 기간이 긴 경우 또는 액체 내의 고체의 함량이 높은 경우에 액체의 농후화는 특히 두드러지게 된다. 최악의 경우에, 농축된 액체의 증가된 유동 저항으로 인해 결함 토출이 발생할 수 있다.
순환 경로를 거쳐 액체 토출 헤드에 공급된 액체를 순환시키는 것이 이러한 액체 농후화 현상을 다루기 위한 한 가지 조치로서 알려져 있다. 열 에너지를 발생시키는 기록 소자를 갖는 액체 토출 헤드는 일본 특허 공개 제2001-205814호 및 비특허 문헌인 "Carolyn Ellinger 및 Yonglin Xie의 'Captive Continuous Inkjet'(2013년 9월의 29회 International Conference on Digital Printing Technologies)"(이하 "ELLINGER")에 개시되어 있다(이하에서, 액체 토출 헤드를 위한 이러한 시스템은 "열적 시스템"이라 지칭될 수 있음). 액체는 토출구가 형성되어 있는 토출구 형성 부재와 기록 소자가 형성되어 있는 기판 사이에 형성된 액체 채널을 통해 순환됨으로써 증발하는 액체로부터 토출구가 막히게 되는 것을 방지한다. 일본 특허 공개 제2001-205814호는 50 내지 2000 μm/s의 유속으로 순환되는 잉크를 개시하며, 그에 의해, 발열 소자 부근에 존재하는 기포를 하류 영역으로 토출시킨다. ELLINGER는 더 빠른 유속로 잉크를 순환시키는 것을 개시한다.
본 발명자는 연속 잉크젯 기술에 관한 ELLINGER에 설명된 구성에 관련하여, 순환 유속의 높은 속도가 기록 소자 구동에 의해 발생된 기포에 영향을 준다는 것을 연구를 통해 발견하였다. 구체적으로, 기포는 토출구의 중심에 관하여 대칭적으로 형성되지 않고, 액적의 토출 방향은 토출구가 형성되는 토출구 형성 부재의 면(이하, "토출구 형성면")에 수직인 방향에 대하여 경사질 수 있다. 특히, 기포가 생성되고 액적이 토출되는 열적 시스템의 압력 챔버와 연통하는 채널의 높이는 압전 시스템에 비해 낮고, 토출구는 고밀도로 배열되어 유동 저항이 크다. 따라서, 토출구 전후의 유동 저항이 크고, 발포가 쉽게 비대칭적으로 발생한다. 비대칭적 발포는 토출구 형성면에 수직인 방향에 대하여 액적 토출 방향이 경사지게 하기 쉽다.
다른 한편, 일본 특허 공개 제2001-205814호는 50 내지 2000 μm/s의 유속으로 액체가 순환되는 것을 설명하지만, 이러한 유속은 느리고, 그래서, 잔류 기포가 하류로 이동될 수 있다 하더라도 토출구로부터의 액체의 증발에 기인한 액체의 농후화의 억제가 어렵다. 토출구 부근의 농후화된 액체는 액적의 토출 속도를 변화시킬 수 있고, 액적의 착지 위치는 의도된 착지 위치로부터 벗어나게 될 수 있다. 이러한 문제는 액체 토출 헤드의 온도가 높고 증발율이 신속한 경우 및 액체 내의 고체의 농도가 높은 경우에 특히 두드러지게 된다.
액적의 토출 방향이 토출구 형성면에 수직인 방향에 대하여 쉽게 기울어지지 않고, 또한, 토출구로부터의 액체의 증발에 기인한 액체의 농후화가 억제되는 액체 토출 헤드 및 액체 토출 방법을 제공하는 것이 바람직한 것으로 판명되었다.
본 발명의 일 양태에 따른 액체 토출 헤드는 액체를 토출하기 위해 사용되는 열 에너지를 발생시키도록 구성되는 기록 소자가 배치되는 기판; 그리고, 기록 소자에 대면하면서 액체를 토출하도록 구성되는 토출구가 형성되는 토출구 형성 부재를 포함한다. 액체 토출 헤드는 압력 챔버, 압력 챔버에 액체를 공급하도록 구성된 제1 액체 채널 및 압력 챔버로부터 액체를 회수하도록 구성된 제2 액체 채널을 갖는다. 기판은 액체를 제1 액체 채널에 공급하도록 제1 액체 채널에 연결된 액체 공급 채널 및 액체를 제2 액체 채널로부터 회수하도록 제2 액체 채널에 연결된 액체 회수 채널을 갖는다. 액체 공급 채널의 입구 부분에서의 압력은 액체 회수 채널의 출구 부분에서의 압력보다 높고, 압력 챔버 내의 액체의 유속은 3 내지 140 mm/s이다.
첨부 도면을 참조로 예시적 실시예에 대한 이하의 설명으로부터 본 발명의 다른 특징을 명백히 알 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명이 적용될 수 있는 제1 적용례에 따른 기록 장치의 개략적 구성을 예시하는 도면이다.
도 2는 기록 장치 내에서 액체가 순환하는 제1 순환 경로를 예시하는 도면이다.
도 3은 기록 장치 내의 제2 순환 경로를 예시하는 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 제1 적용례에 따른 액체 토출 헤드의 사시도이다.
도 5는 도 4a 및 도 4b의 액체 토출 헤드의 분해 사시도이다.
도 6a 내지 도 6f는 도 4a 및 도 4b의 액체 토출 헤드가 갖는 채널 부재를 구성하는 제1 내지 제3 채널 부재의 구성을 예시하는 도면이다.
도 7은 채널 부재 내의 채널 사이의 연결 관계를 설명하는 도면이다.
도 8은 도 7의 선 VIII-VIII을 따라 취한 단면도이다.
도 9a 및 도 9b는 토출 모듈을 예시하는 도면으로서, 도 9a는 사시도이고, 도 9b는 분해도이다.
도 10a 내지 도 10c는 기록 소자 기판의 구성을 예시하는 도면이다.
도 11은 커버와 도 10a의 XI-XI 단면을 포함하는 기록 소자 기판의 구성을 예시하는 사시도이다.
도 12는 두 개의 인접한 토출 모듈의 기록 소자 기판의 인접한 부분들의 부분 확대도를 보여주는 평면도이다.
도 13은 본 발명이 적용될 수 있는 제2 적용례에 따른 기록 장치의 개략적 구성을 예시하는 도면이다.
도 14a 및 도 14b는 제2 적용례에 따른 액체 토출 헤드의 사시도이다.
도 15는 도 14a 및 도 14b의 액체 토출 헤드의 분해 사시도이다.
도 16a 내지 도 16e는 도 14a 및 도 14b의 액체 토출 헤드가 갖는 채널 부재를 구성하는 제1 및 제2 채널 부재의 구성을 예시하는 도면이다.
도 17은 채널 부재와 기록 소자 기판의 액체의 연결 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 18은 도 17의 선 XVIII-XVIII을 따라 취한 단면도이다.
도 19a 및 도 19b는 토출 모듈을 예시하는 도면으로서, 도 19a는 사시도이고, 도 19b는 분해도이다.
도 20a 내지 도 20c는 기록 소자 기판의 구성을 예시하는 도면이다.
도 21a 내지 도 21c는 본 발명의 제1 실시예에 따른 액체 토출 헤드의 기록 소자 기판을 예시하는 도면이다.
도 22a 내지 도 22c는 순환 유속과 잉크의 토출 속도의 변화 사이의 관계를 예시하는 도면이다.
도 23은 토출구로부터의 평균 증발율과 토출구 직경 사이의 관계를 예시하는 도면이다.
도 24a 내지 도 24d는 순환 유동이 형성될 때 기포의 형상을 예시하는 도면이다.
도 25a 내지 도 25c는 메니스커스 계면이 유지할 수 있는 최대 부압과 토출구 직경 사이의 관계를 예시하는 도면이다.
도 26a 및 도 26b는 본 발명의 제4 실시예에 따른 액체 토출 헤드의 기록 소자 기판을 예시하는 도면이다.
도 27은 본 발명에 따른 액체 토출 헤드의 변형을 예시하는 도면이다.
도 28은 기록 장치의 액체가 순환하는 제3 순환 경로를 예시하는 도면이다.
도 29a 및 도 29b는 본 발명에 따른 액체 토출 헤드의 변형을 예시하는 도면이다.
도 30은 본 발명에 따른 액체 토출 헤드의 변형을 예시하는 도면이다.
도 31은 본 발명에 따른 액체 토출 헤드의 변형을 예시하는 도면이다.
도 32는 본 발명에 따른 액체 토출 헤드의 변형을 예시하는 도면이다.
도 33은 본 발명에 따른 제3 적용례에 따른 기록 장치의 개략적 구성을 예시하는 도면이다.
도 34는 본 발명의 제3 적용례에 따른 순환 경로를 예시하는 도면이다.
도 35a 및 도 35b는 본 발명의 제3 적용례에 따른 액체 토출 헤드의 개략적 구성을 예시하는 도면이다.
도 36a 내지 도 36c는 본 발명의 제3 적용례에 따른 액체 토출 헤드의 개략적 구성을 예시하는 도면이다.
본 발명에 따른 액체 토출 헤드의 몇몇 실시예를 도면을 참조로 후술한다. 비록, 아래에 설명된 실시예에 기술적으로 바람직할 수 있는 다양한 조건들이 포함되어 있지만, 본 발명은 본 발명의 개념에 따르기만 한다면 이러한 실시예 및 조건에 제한되는 것은 아니다.
비록, 이러한 실시예들이 잉크가 탱크와 액체 토출 헤드 사이에서 순환하는 잉크젯 기록 장치에 사용되는 액체 토출 헤드에 관련하지만, 토출되는 액체는 잉크에 한정되는 것은 아니다. 본 발명에서 액체 토출 헤드 내의 액체 채널에 순환 유동을 생성하기 위해 액체 채널의 상류와 하류 사이에 차압이 생성된다. 비록, 이하의 설명은 차압을 생성하기 위해 압력 조절 기구를 사용하지만, 차압을 생성하는 유닛은 이에 한정되지 않는다. 예로서, 액체 토출 헤드의 상류측과 하류측에 두 개의 탱크가 제공되고, 수두 압력이 사용되어 액체가 하나의 탱크로부터 다른 탱크로 유동하게 함으로써 액체 토출 헤드의 상류측과 하류측 사이에 차압을 생성하여 액체가 액체 채널을 통해 순환하게 하는 배열이 형성될 수 있다.
비록, 실시예가 기록 매체의 폭에 대응하는 길이를 갖는 소위 라인(페이지-와이드) 헤드에 관련하지만, 본 발명은 폭 방향으로 기록 매체에 걸쳐 액체 토출 헤드(3)가 장착되는 캐리지를 주사하면서 기록을 수행하는 소위 시리얼 액체 토출 헤드에도 적용될 수 있다. 시리얼 액체 토출 헤드의 예는 흑색 잉크 기록 및 컬러 잉크 기록 각각을 위해 하나의 기록 소자 기판을 갖는 것이지만, 이에 한정되지는 않는다. 시리얼 액체 토출 헤드의 예는 기록 매체의 폭보다 짧은, 짧은 라인 헤드가 형성되고, 다수의 기록 소자 기판이 토출구의 배열 방향으로 토출구가 중첩하도록 배열되며, 이들이 기록 매체 위에서 주사되는 배열일 수 있다.
제1 적용례
본 발명이 적절히 적용될 수 있는 제1 적용례를 후술한다.
잉크젯 기록 장치의 설명
도 1은 액체를 토출하는 기기, 특히, 잉크를 토출하여 기록을 수행하는 잉크젯 기록 장치(1000)(이하에서, 간단히 "기록 장치"라고도 지칭됨)의 개략적 구성을 예시한다. 기록 장치(1000)는 기록 매체(2)를 반송하는 반송 유닛(1)과, 기록 매체(2)의 반송 방향에 대체로 직교하게 배치되어 있는 라인형(페이지-와이드) 액체 토출 헤드(3)를 갖는다. 기록 장치(1000)는 연속적으로 또는 간헐적으로 다수의 기록 매체(2)를 반송하면서 단일-패스 연속 기록을 수행한다. 기록 매체(2)는 절단 시트에 한정되지 않으며, 연속 롤 시트일 수 있다. 액체 토출 헤드(3)는 시안, 마젠타, 옐로우 및 블랙(약어 "CMYK") 잉크에 의해 풀 컬러 인쇄가 가능하다. 액체 토출 헤드(3)는 후술될 바와 같이 액체 토출 헤드(3)로 잉크를 공급하는 공급 경로로서 역할하는 액체 공급 유닛, 메인 탱크 및 유체 연결에 의해 연결되는 버퍼 탱크(도 2 참조)를 갖는다. 액체 토출 헤드(3)는 또한 전기 제어 유닛에 전기적으로 연결되며, 이 전기 제어 유닛은 액체 토출 헤드(3)에 전력 및 토출 제어 신호를 전송한다. 액체 토출 헤드(3) 내의 액체 경로 및 전기 신호 경로를 후술한다.
제1 순환 경로의 설명.
도 2는 본 적용례의 기록 장치에 적용되는 순환 경로의 제1 형태인 제1 순환 경로를 예시하는 개략도이다. 도 2는 유체 연결에 의해 액체 토출 헤드(3)에 연결되어 있는 제1 순환 펌프(고압측)(1001), 제1 순환 펌프(저압측)(1002) 및 버퍼 탱크(1003) 등을 예시하는 도면이다. 비록, 도 2가 설명의 간결성을 위해 CMYK 잉크 유동 중 하나의 컬러 잉크가 유동하는 경로만을 예시하지만, 실제로, 기록 장치 메인 유닛과 액체 토출 헤드(3)에 제공되는 4색분의 순환 경로가 존재한다. 메인 탱크(1006)에 연결되는 서브 탱크로서 역할하는 버퍼 탱크(1003)는 대기 연통 개구(도시 생략)를 구비하며, 이에 의해, 탱크의 내측과 외측이 소통하고, 잉크 내의 기포가 외부로 배출될 수 있다. 버퍼 탱크(1003)는 또한 보충 펌프(1005)에 연결된다. 액체 토출 헤드(3)에서 잉크가 소비되면, 예로서, 기록, 흡입 회수 등을 수행하기 위해 잉크 토출함으로써 액체 토출 헤드(3)의 토출구로부터 잉크를 토출(배출)할 때, 보충 펌프(1005)는 메인 탱크(1006)로부터 소비된 것과 동일한 양의 잉크를 버퍼 탱크(1003)로 보내도록 작용한다.
두 개의 제1 순환 펌프(1001, 1002)는 액체 토출 헤드(3)의 액체 연결 부분(111)으로부터 잉크를 추출하고 이 잉크를 버퍼 탱크(1003)로 유동시키도록 작용한다. 제1 순환 펌프(1001, 1002)는 바람직하게는 정량적 유체 전송 기능을 갖는 용적형 펌프이다. 특정 예는 튜브 펌프, 기어 펌프, 다이아프램 펌프, 주사기 펌프 등을 포함할 수 있다. 예로서, 펌프의 출구에 공용 일정 유동 밸브 및 릴리프 밸브를 배치함으로써 일정 유동이 보증되는 배열이 사용될 수도 있다. 액체 토출 헤드(3)가 구동될 때, 제1 순환 펌프(고압측)(1001) 및 제1 순환 펌프(저압측)(1002)는 일정한 양의 잉크가 공통 공급 채널(211) 및 공통 회수 채널(212)을 통해 유동하게 한다. 유동의 양은 바람직하게는 액체 토출 헤드(3)의 기록 소자 기판(10) 사이의 온도차가 기록 화상 품질에 영향을 주지 않는 수준 또는 그 이상으로 설정된다. 다른 한편, 유량이 과도하게 높게 설정되는 경우, 액체 토출 유닛(300) 내의 채널의 압력 강하의 영향이 기록 소자 기판(10) 사이에 부압의 과도하게 큰 차이를 유발하여 화상의 밀도의 불균등을 초래한다. 따라서, 유량은 기록 소자 기판(10) 사이의 온도차 및 부압차를 고려하여 설정되는 것이 바람직하다.
부압 제어 유닛(230)은 액체 토출 유닛(300)과 제2 순환 펌프(1004)의 경로 사이에 제공된다. 부압 제어 유닛(230)은 순환 시스템의 유량이 기록시 듀티의 차이에 기인하여 동요하는 경우에도 미리 설정된 일정한 압력으로 부압 제어 유닛(230)으로부터 하류의(즉, 액체 토출 유닛(300)측에서의) 압력이 유지될 수 있도록 기능한다. 그 자체로부터 하류의 압력이 원하는 설정 압력에 중심맞춰진 일정한 범위 이하 이내에서 동요하도록 제어될 수 있다면, 임의의 기구가 부압 제어 유닛(230)을 구성하는 두 개의 압력 조절 기구로서 사용될 수 있다. 일 예로서, 소위 "감압 조정기"에 상당하는 기구가 사용될 수 있다. 감압 조정기를 사용하는 경우에, 부압 제어 유닛(230)의 상류측은 바람직하게는 도 2에 예시된 바와 같이 액체 공급 유닛(220)을 통해 제2 순환 펌프(1004)에 의해 가압된다. 이는 버퍼 탱크(1003)의 액체 토출 헤드(3)에 대한 수두 압력의 영향이 억제될 수 있게 함으로써 기록 장치(1000)의 버퍼 탱크(1003)의 레이아웃의 더 넓은 자유도를 제공한다. 제2 순환 펌프(1004)는 액체 토출 헤드(3) 구동시 사용되는 잉크의 순환 유동 압력의 범위 이내에서 특정 양정 압력 이상을 갖는 것으로 충분하며, 터보 펌프, 용적형 펌프 등이 사용될 수 있다. 구체적으로, 다이아프램 펌프 등이 사용될 수 있다. 대안적으로, 예로서, 부압 제어 유닛(230)에 대한 특정 수두차로 배치된 수두 탱크가 제2 순환 펌프(1004) 대신 사용될 수 있다.
도 2에 예시된 바와 같이, 부압 제어 유닛(230)은 두 개의 압력 조절 기구를 가지며, 이들은 서로간에 다른 제어 압력으로 설정되어 있다. 두 개의 부압 조절 기구 중에서, 상대적 고압 설정측(도 2에서 H로 표시됨) 및 상대적 저압 설정측(도 2에서 L로 표시됨)은 각각 액체 공급 유닛(220)을 거쳐 액체 토출 유닛(300) 내의 공통 공급 채널(211) 및 공통 회수 채널(212)에 연결된다. 액체 토출 유닛(300)에는 공통 공급 채널(211), 공통 회수 채널(212) 및 기록 소자 기판(10) 사이에서 연통하는 개별 공급 채널(213) 및 개별 회수 채널(214)이 제공된다. 공통 공급 채널(211) 및 공통 회수 채널(212)과 연통하는 개별 공급 채널(213, 214)에 기인하여, 유동이 발생하고, 잉크의 일부가 공통 공급 채널(211)로부터 기록 소자 기판(10) 내의 내부 채널을 통해, 그리고, 공통 회수 채널(212)로 유동한다(도 2에 화살표로 표시됨). 이유는 압력 조절 기구(H)가 공통 공급 채널(211)에 연결되어 있고, 압력 조절 기구(L)가 공통 회수 채널(212)에 연결되어 있어서 두 공통 채널 사이에 압력차가 발생한다는 것이다.
따라서, 유동이 액체 토출 유닛(300) 내에서 발생하고, 잉크가 공통 공급 채널(211) 및 공통 회수 채널(212) 각각을 통해 유동하는 동안 잉크의 일부가 기록 소자 기판(10)을 통과한다. 따라서, 기록 소자 기판(10)에서 발생된 열은 공통 공급 채널(211) 및 공통 회수 채널(212)을 통한 유동에 의해 기록 소자 기판(10)으로부터 외부로 배출될 수 있다. 이러한 구성은 또한 액체 토출 헤드(3)에 의해 기록이 수행되는 동안 기록을 위해 사용되지 않는 압력 챔버 및 토출구에서 잉크 유동이 발생될 수 있게 하며, 그래서, 이런 부분에서의 잉크의 농후화가 억제될 수 있다. 또한, 농후화된 잉크 및 잉크 내의 이물질이 공통 회수 채널(212)로 토출될 수 있다. 본 적용례에 따른 액체 토출 헤드(3)는 높은 화상 품질로 고속으로 기록할 수 있다.
제2 순환 경로의 설명.
도 3은 본 적용례에 따른 기록 장치에 적용되는 순환 경로에 대한, 상술한 제1 순환 경로와는 다른 순환 형태인 제2 순환 경로를 예시하는 개략도이다. 상술한 제1 순환 경로에 대한 일차적 차이점은 다음과 같다. 먼저, 부압 제어 유닛(230)을 구성하는 두 개의 압력 조절 기구 양자 모두는 부압 제어 유닛(230)으로부터의 상류측의 압력을 원하는 설정 압력을 중심으로 하는 일정한 범위 내에서 동요하도록 제어하기 위한 기구(소위 "배압 조정기"에 상당하는 동작을 갖는 기구 부분)를 갖는다. 다음에, 제2 순환 펌프(1004)는 부압 제어 유닛(230)으로부터 하류측을 감압하기 위한 부압원으로서 작용한다. 또한, 제1 순환 펌프(고압측)(1001) 및 제1 순환 펌프(저압측)(1002)은 액체 토출 헤드(3)의 상류측에 배치되고, 부압 제어 유닛(230)은 액체 토출 헤드(3)의 하류측에 배치된다.
도 3의 부압 제어 유닛(230)은 액체 토출 헤드(3)에 의한 기록시 듀티의 차이로 인해 유량이 동요하는 경우에도 그 자체의 상류측(즉, 액체 토출 유닛(300)측)의 압력 동요를 앞서 설정된 압력에 중심을 두는 일정한 범위 이내로 유지하도록 작용한다. 압력 동요는 예로서, 미리설정된 압력에 중심을 둔 일정 범위 이내로 유지된다. 부압 제어 유닛(230)의 하류측은 바람직하게는 도 3에 예시된 바와 같이 액체 공급 유닛(220)을 거쳐 제2 순환 펌프(1004)에 의해 가압된다. 이는 액체 토출 헤드(3)에 대한 버퍼 탱크(1003)의 수두의 영향이 억제될 수 있게 함으로써 기록 장치(1000) 내에서 버퍼 탱크(1003)의 레이아웃에 대한 더 넓은 선택 범위를 제공한다. 대안적으로, 예로서, 부압 제어 유닛(230)에 대한 특정 수두차로 배치된 수두 탱크가 제2 순환 펌프(1004) 대신 사용될 수 있다.
도 3에 예시된 부압 제어 유닛(230)은 두 개의 압력 조절 기구를 가지며, 이들은 도 2에 예시된 배열과 동일한 방식으로 서로간에 서로 다른 제어 압력이 설정되어 있다. 두 개의 부압 조절 기구 중에서, 상대적 고압 설정측(도 3에서 H로 표시됨) 및 상대적 저압 설정측(도 3에서 L로 표시됨)은 각각 액체 공급 유닛(220)을 거쳐 액체 토출 유닛(300) 내의 공통 공급 채널(211) 및 공통 회수 채널(212)에 연결된다. 공통 공급 채널(211)의 압력은 두 개의 부압 조절 기구에 의해 공통 회수 채널(212)의 압력보다 상대적으로 더 높아지게 된다. 따라서, 유동이 발생하고, 잉크는 공통 공급 채널(211)로부터 개별 채널(213, 214) 및 기록 소자 기판(10)의 내부 채널을 통해 공통 회수 채널(212)로 유동한다(도 3에 화살표로 표시됨). 따라서, 제2 순환 경로는 액체 토출 유닛(300) 내의 제1 순환 경로의 것과 동일한 잉크 유동 상태를 산출하지만, 제1 순환 경로의 경우와는 다른 두 가지 장점을 갖는다.
한 가지 장점은 제2 순환 경로에서, 부압 제어 유닛(230)은 액체 토출 헤드(3)의 하류측에 배치되고, 그래서, 부압 제어 유닛(230)에서 발생된 먼지 및 이물질이 헤드로 유입할 위험이 거의 없다는 것이다. 두 번째 장점은 버퍼 탱크(1003)로부터 액체 토출 헤드(3)로 공급되는 필요한 유량의 최대값이 제1 순환 경로의 경우에 비해 제2 순환 경로에서 더 작을 수 있다는 것이다. 그 이유는 다음과 같다. 기록 대기 동안 순환시 공통 공급 채널(211) 및 공통 회수 채널(212) 내의 전체 유량이 A로 표시된다. A의 값은 액체 토출 헤드(3)의 온도 조절이 기록 대기 동안 수행되는 경우에 바람직한 범위 이내에서 액체 토출 유닛(300)의 온도차를 유지하기 위해 필요한 최소 유량으로서 규정된다. 또한, 액체 토출 유닛(300)의 모든 토출구로부터 잉크가 토출되는 경우(전체 토출)의 토출 유량은 F로 규정된다. 따라서, 제1 순환 경로(도 2)의 경우에, 제1 순환 펌프(고압측)(1001) 및 제1 순환 펌프(저압측)(1002)의 설정 유량은 A이고 그래서, 전체 토출에 필요한 액체 토출 헤드(3)로의 액체 공급량의 최대값은 A + F이다.
한편, 제2 순환 경로의 경우(도 3), 기록 대기시에 필요한 액체 토출 헤드(3)로의 액체 공급량은 유량(A)이다. 이는 전체 토출을 위해 필요한 액체 토출 헤드(3)로의 공급량이 유량(F)라는 것을 의미한다. 따라서, 제2 순환 경로의 경우, 제1 순환 펌프(고압측)(1001) 및 제1 순환 펌프(저압측(1002)의 설정 유량의 전체 값, 즉, 필요한 공급량의 최대값은 A와 F 중 큰 값이다. 따라서, 동일한 구성의 액체 토출 유닛(300)이 사용된다면, 제2 순환 경로의 필요 공급량의 최대값(A 또는 F)은 제1 순환 경로의 필요 유량의 최대값(A + F)보다 작다. 결과적으로, 적용될 수 있는 순환 펌프에 관한 자유도가 제2 순환 경로의 경우에 더 높아지며, 간단한 구조를 갖는 저가 순환 펌프가 사용될 수 있고, 예로서, 메인 유닛측 경로에 배치된 냉각기(도시 생략)에 대한 부하가 감소될 수 있어서, 기록 장치 메인 유닛의 비용이 감소될 수 있다. 이러한 장점은 A 또는 F의 값이 비교적 큰, 라인 헤드에서 더욱 두드러지며, 라인 헤드의 길이가 길이 방향으로 더 길수록 더욱 유용하다.
그러나, 다른 한편, 제1 순환 경로가 제2 순환 경로보다 더욱 유리한 점이 있다. 즉, 제2 순환 경로에서, 기록 대기시 액체 토출 유닛(300)을 통해 유동하는 유량이 최대치이고, 그래서, 화상의 기록 듀티가 더 낮을수록 노즐에 더 큰 부압이 인가된다. 따라서, 헤드 폭(횡방향으로의 액체 토출 헤드의 길이)을 감소시키기 위해 공통 공급 채널(211) 및 공통 회수 채널(212)의 채널 폭(잉크 유동 방향에 직교하는 방향으로의 길이)이 감소되는 경우, 이는 세틀라이트 액적(satellite droplet)의 더 많은 영향을 초래할 수 있다. 그 이유는 불균등이 잘보이는 저듀티 화상에서 노즐에 높은 부압이 인가된다는 것이다. 다른 한편, 제1 순환 경로의 경우에 고듀티 화상 형성시 높은 부압이 토출구에 인가되며, 그래서, 발생된 임의의 세틀라이트가 덜 보이며, 이는 화상 품질에 대한 영향이 작다는 점에서 유리하다. 이들 두 순환 경로 중 어느 것이 더 바람직한지는 액체 토출 헤드 및 기록 장치 메인 유닛의 사양(토출 유량(F), 최소 순환 유량(A) 및 헤드 내의 채널 저항)의 견지에서 선택될 수 있다.
제3 순환 경로의 설명
도 28은 본 발명의 기록 장치에 적용되는 순환 경로의 제1 형태인 제3 순환 경로를 예시하는 개략도이다. 상술한 제1 및 제2 순환 경로와 동일한 기능 및 구성에 대한 설명은 생략하고, 차이점에 관하여 주로 설명한다.
액체는 본 순환 경로에서 액체 토출 헤드(3)의 중간의 2개 장소와 액체 토출 헤드(3)의 일 단부측의, 총 3개 장소에서 액체 토출 헤드(3)의 내부로 공급된다. 액체는 공통 공급 채널(211)로부터 압력 챔버(23)를 통해 통과하고, 그후, 공통 회수 채널(212)에 의해 회수되며, 그후에는, 액체 토출 헤드(3)의 다른 단부의 회수 개구로부터 액체 토출 헤드(3)로부터 외부적으로 회수된다. 다수의 개별 채널(213, 214)이 공통 공급 채널(211) 및 공통 회수 채널(212)과 연통하고, 기록 소자 기판(10) 및 기록 소자 기판(10) 내에 배치된 압력 챔버(23)는 개별 공급 채널(213, 214)의 경로 상에 제공된다. 따라서, 유동이 발생하고, 제1 순환 펌프(1002)가 펌핑하는 액체의 일부는 공통 공급 채널(211)로부터 기록 소자 기판(10) 내의 압력 챔버(23)를 통해 공통 회수 채널(212)로 유동한다(도 28에 화살표로 표시됨). 그 이유는 공통 공급 채널(211)에 연결된 압력 조절 기구(H)와 공통 회수 채널(212)에 연결된 압력 조절 기구(L) 사이에 압력차가 형성되고, 제1 순환 펌프(1002)가 단지 공통 회수 채널(212)에만 연결된다는 것이다.
따라서, 공통 회수 채널(212)을 통과하는 액체의 유동 및 기록 소자 기판(10)의 압력 챔버(23)를 통해 공통 공급 채널(211)로부터 공통 회수 채널(212)로 유동하는 유동이 액체 토출 유닛(300) 내에 형성된다. 따라서, 기록 소자 기판(10)에서 발생된 열은 압력 손실의 증가를 억제하면서 공통 공급 채널(211)로부터 공통 회수 채널(212)로의 유동에 의해 기록 소자 기판(10)으로부터 외부로 배출될 수 있다. 또한, 제3 순환 경로에 따라서, 액체 반송 유닛으로서 기능하는 펌프의 수가 전술한 제1 및 제2 순환 경로에 비해 감소될 수 있다.
액체 토출 헤드의 구성의 설명
제1 적용례에 따른 액체 토출 헤드(3)의 구성을 설명한다. 도 4a 및 도 4b는 본 적용예에 따른 액체 토출 헤드(3)의 사시도이다. 액체 토출 헤드(3)는 라인형 액체 토출 헤드이며, C, M, Y 및 K의 4개 컬러의 잉크를 토출할 수 있는 15개 기록 소자 기판(10)이 직선으로 배열되어 있다(인라인 레이아웃). 도 4a에 도시된 바와 같이, 액체 토출 헤드(3)는 기록 소자 기판(10)과, 가요성 인쇄 회로 기판(40)과 전기 배선 기판(90)을 거쳐 전기적으로 접속되어 있는 신호 입력 단자(91) 및 전력 공급 단자(92)를 포함한다. 신호 입력 단자(91) 및 전력 공급 단자(92)는 기록 장치(1000)의 제어 유닛에 전기적으로 연결되어 있고, 각각 기록 소자 기판(10)에 토출을 위해 필요한 토출 구동 신호 및 전력을 공급한다. 전기 회로에 의해 배선을 전기 배선 기판(90)에 통합하는 것은 신호 입력 단자(91) 및 전력 공급 단자(92)의 수가 기록 소자 기판(10)의 수에 비해 감소될 수 있게 한다. 이는 액체 토출 헤드(3)의 교환시 또는 기록 장치(1000)에 대한 액체 토출 헤드(3)의 조립시 제거되어야 하는 전기 접속 부분의 수가 감소될 수 있게 한다. 액체 토출 헤드(3)의 양 단부에 제공된 액체 연결 부분(111)은 도 4b에 도시된 바와 같이, 기록 장치(1000)의 액체 공급 시스템과 연결된다. 따라서, CMYK의 4개 컬러의 잉크가 기록 장치(1000)의 공급 시스템으로부터 액체 토출 헤드(3)로 공급되고, 액체 토출 헤드(3)를 통과한 잉크가 기록 장치(1000)의 공급 시스템으로 회수된다. 이러한 방식으로, 각 컬러의 잉크는 기록 장치(1000)의 경로 및 액체 토출 헤드(3)의 경로에 걸쳐 순환할 수 있다.
도 5는 액체 토출 헤드(3)를 구성하는 부품 및 유닛의 분해 사시도를 예시한다. 액체 토출 유닛(300), 액체 공급 유닛(220) 및 전기 배선 기판(90)이 케이스(80)에 부착된다. 액체 연결 부분(111)(도 3)은 액체 공급 유닛(220)에 제공되고, 공급된 잉크 내의 이물질을 제거하기 위해 액체 연결 부분(111)의 각 개구와 연통하는 각 컬러를 위한 필터(221)(도 2 및 도 3)가 액체 공급 유닛(220) 내측에 제공된다. 두 개의 액체 공급 유닛(220)은 두 개의 컬러를 위한 필터(221)를 각각 구비한다. 필터(221)를 통과한 잉크는 각 컬러에 대응하는 액체 공급 유닛(220)에 제공된 각각의 부압 제어 유닛(230)으로 공급된다. 각 부압 제어 유닛(230)은 그 각각의 컬러를 위한 압력 조절 밸브로 구성된 유닛이다. 부압 제어 유닛(230)은 내부에 제공된 밸브 및 스프링 부재 등의 동작에 의한 잉크의 유량의 동요에 기인하여 발생하는 기록 장치(1000)의 공급 시스템(액체 토출 헤드(3)의 상류측의 공급 시스템) 내의 압력 강하의 변화를 현저히 감쇠시킨다. 따라서, 압력 제어 유닛으로부터의 하류측(액체 토출 유닛(300)측)에서의 부압의 변화가 특정 범위 이내로 안정화될 수 있다. 각 컬러를 위한 각 부압 제어 유닛(230)은 도 2에서 설명된 바와 같이 내장된 두 개의 압력 조절 밸브를 가지고 있고, 이들 각각은 서로 다른 제어 압력을 위해 설정되어 있다. 이 두 개의 압력 조절 밸브는 고압측의 경우 액체 토출 유닛(300) 내의 공통 공급 채널(211)을 거쳐, 그리고, 저압측의 경우 공통 회수 채널(212)을 거쳐 액체 공급 유닛(220)과 연통한다.
케이스(80)는 액체 토출 유닛 지지 부재(81) 및 전기 배선 기판 지지 부재(82)를 포함하도록 구성되고, 액체 토출 유닛(300) 및 전기 배선 기판(90)을 지지하며, 액체 토출 헤드(3)의 강성도를 확보하도록 구성된다. 전기 배선 기판 지지 부재(82)는 전기 배선 기판(90)을 지지하기 위한 것이며, 액체 토출 유닛 지지 부재(81)에 대한 나사결합에 의해 고정된다. 액체 토출 유닛 지지 부재(81)는 액체 토출 유닛(300)의 뒤틀림 및 변형을 교정하도록 기능하며, 따라서, 다수의 기록 소자 기판(10)의 상대적 위치 정확도를 보증함으로써 기록물의 불균등을 억제한다. 따라서, 액체 토출 유닛 지지 부재(81)는 충분한 강성도를 갖는 것이 바람직하다. 적절한 재료의 예는 스테인레스 스틸 및 알루미늄 같은 금속 재료와 알루미나 같은 세라믹을 포함한다. 액체 토출 유닛 지지 부재(81)는 개구(83, 84)를 가지며, 이들 내로 결합 고무 부재(100)가 삽입된다. 액체 공급 유닛(220)으로부터 공급되는 잉크는 결합 고무 부재(100)를 통과하고, 액체 토출 유닛(300)을 구성하는 부품인 제3 채널 부재(70)로 안내된다.
액체 토출 유닛(300)은 다수의 토출 모듈(200)과 채널 부재(210)로 구성되고, 커버 부재(130)가 기록 매체에 대면하는 액체 토출 유닛(300)의 면에 부착된다. 커버 부재(130)는 긴 개구(131)가 제공되는 프레임형 면을 갖는 부재이다. 토출 모듈(200)에 포함된 기록 소자 기판(10) 및 밀봉 부재(110)(도 9a)는 도 5에 예시된 바와 같이 개구(131)로부터 노출되어 있다. 개구(131)의 주연부의 프레임 부분은 기록 대기시 액체 토출 헤드(3)를 덮어 가리는 캡 부재를 위한 접촉 표면으로서 기능한다. 따라서, 접착제, 밀봉제, 충전 부재 등으로 개구(131)의 주연부를 코팅하여 액체 토출 유닛(300)의 토출구 면의 간극 및 요철부를 채우는 것에 의해 덮개부착시 폐쇄된 공간이 바람직하게 형성된다.
다음에, 액체 토출 유닛(300)에 포함되는 채널 부재(210)의 구성에 관하여 설명한다. 채널 부재(210)는 도 5에 예시된 바와 같이 제1 채널 부재(50), 제2 채널 부재(60) 및 제3 채널 부재(70)를 적층하는 것에 의해 형성되는 물품이다. 채널 부재(210)는 액체 공급 유닛(220)으로부터 토출 모듈(200) 각각으로 공급되는 잉크를 분배하고 토출 모듈(200)로부터 액체 공급 유닛(220)으로 재순환되는 잉크를 복귀시키는 채널 부재이다. 채널 부재(210)는 나사에 의해 액체 토출 유닛 지지 부재(81)에 고정됨으로써 채널 부재(210)의 뒤틀림 및 변형을 억제한다.
도 6a 내지 도 6f는 제1 내지 제3 채널 부재를 구성하는 채널 부재의 전방 및 후방 측부를 예시하는 도면이다. 도 6a는 토출 모듈(200)이 장착되는 제1 채널 부재(50)의 측부를 예시하고, 도 6f는 액체 토출 유닛 지지 부재(81)와 접촉하게 되는 제3 채널 부재(70)의 면을 예시한다. 제1 채널 부재(50) 및 제2 채널 부재(60)는 각각 도 6b 및 도 6c에 예시되어 있는 서로 결합하는 채널 부재 접촉 면을 가지고, 도 6d 및 도 6e에 예시된 바와 같이 제2 채널 부재(60)와 제3 채널 부재(70)도 마찬가지이다. 결합하는 제2 채널 부재(60) 및 제3 채널 부재(70)는 그 위에 공통 채널 홈(62, 71)이 형성되어 있으며, 이들은 서로 대면할 때, 채널 부재의 길이 방향으로 연장하는 8개 공통 채널을 형성한다. 이는 채널 부재(210) 내에서 각 색상에 대해 공통 공급 채널(211) 및 공통 회수 채널(212)의 세트를 형성한다(도 7). 제3 채널 부재(70)의 연통 포트(72)는 유체 연결에 의해 액체 공급 유닛(220)과 연통하도록 결합 고무 부재(100) 내의 구멍과 연통한다. 다수의 연통 포트(61)가 제2 채널 부재(60)의 공통 채널 홈(62)의 저부 면 상에 형성되어 제1 채널 부재(50)의 개별 채널 홈(52)의 일 단부와 연통한다. 연통 포트(51)는 연통 포트(51)를 거친 유체 연결에 의해 다수의 토출 모듈(200)과 연통하도록 제1 채널 부재(50)의 개별 채널 홈(52)의 다른 단부에 형성된다. 이들 개별 채널 홈(52)은 채널 부재의 중간에 채널이 통합될 수 있게 한다.
제1 내지 제3 채널 부재는 바람직하게는 잉크에 대해 내식성이고, 낮은 선형 팽창 계수를 갖는 재료로 형성된다. 예시적인 적절한 재료는 알루미나, 액정 폴리머(LCP) 및 복합 재료(수지 재료)를 포함하며, 복합재는 무기 충전재, 예컨대, 미세 실리카 입자 또는 섬유 등이 폴리페닐 설파이드(PPS), 폴리설폰(PSF) 또는 변성 폴리페닐렌 에테르(PPE) 같은 기재에 추가되어 있다. 채널 부재(210)는 세 개의 채널 부재를 적층하고 접착제를 사용하여 접착함으로서 형성될 수 있거나, 재료로서 복합 수지 재료를 선택하는 경우에는, 세 개의 채널 부재가 융합에 의해 결합될 수 있다.
다음에, 채널 부재(210) 내의 채널의 연결 관계를 도 7을 참조로 설명한다. 도 7은 토출 모듈(200)이 장착되는 제1 채널 부재(50)의 측부로부터 본 바와 같은, 제1 내지 제3 채널 부재를 결합함으로써 형성된 채널 부재(210) 내의 채널의 부분 확대 투시도이다. 채널 부재(210)는 각 컬러에 대하여, 액체 토출 헤드(3)의 길이 방향으로 연장하는 공통 공급 채널(211)(211a, 211b, 211c, 211d) 및 공통 회수 채널(212)(212a, 212b, 212c, 212d)을 갖는다. 개별 채널 홈(52)으로 형성된 다수의 개별 공급 채널(213)(213a, 213b, 213c, 213d)이 연통 포트(61)를 거쳐 각 컬러의 공통 공급 채널(211)에 연결된다. 개별 채널 홈(52)으로 형성된 다수의 개별 회수 채널(214)(214a, 214b, 214c, 214d)이 연통 포트(61)를 거쳐 각 컬러의 공통 회수 채널(212)에 연결된다. 이러한 채널 구성은 공통 공급 채널(211)로부터 개별 공급 채널(213)을 거쳐 채널 부재의 중간에 배치된 기록 소자 기판(10)에서 잉크가 통합될 수 있게 한다. 또한, 잉크는 기록 소자 기판(10)으로부터 개별 회수 채널(214)을 거쳐 공통 회수 채널(212)로 회수될 수 있다.
도 8은 개별 회수 채널(214a 및 214c)이 연통 포트(51)를 거쳐 토출 모듈(200)과 연통하는 것을 예시하는 도 7의 선 VIII-VIII을 따라 취한 단면도이다. 비록, 도 8이 개별 회수 채널(214a, 214c)만을 예시하지만, 개별 공급 채널(213) 및 토출 모듈(200)이 다른 단면에서 도 7에 예시된 바와 같이 연통한다. 채널은 토출 모듈(200)에 포함된 기록 소자 기판(10)과 지지 부재(30)에 형성된다. 채널은 제1 채널 부재(50)로부터 기록 소자 기판(10)에 제공되는 기록 소자(15)(도 10b)로 잉크를 공급하고, 기록 소자(15)에 공급된 잉크 중 일부 또는 모두를 제1 채널 부재(50)로 수집(재순환)하기 위한 것이다. 각 컬러의 공통 공급 채널(211)은 액체 공급 유닛(220)을 거쳐 대응 컬러의 부압 제어 유닛(230)(고압측)에 연결되고, 공통 회수 채널(212)은 액체 공급 유닛(220)을 거쳐 부압 제어 유닛(230)(저압측)에 연결된다. 부압 제어 유닛(230)은 공통 공급 채널(211)과 공통 회수 채널(212) 사이에 차압(압력차)을 생성한다. 따라서, 도 7 및 도 8에 예시된 바와 같이 채널이 연결되어 있는 본 적용례 따른 액체 토출 헤드(3)에서 공통 공급 채널(211)→개별 공급 채널(213)→기록 소자 기판(10)→개별 회수 채널(214)→공통 회수 채널(212)의 순서로 각 컬러를 위한 유동이 발생한다.
토출 모듈의 설명
도 9a는 하나의 토출 모듈(200)의 사시도를 예시하고, 도 9b는 그 분해도를 도시한다. 토출 모듈(200)을 제조하는 방법은 다음과 같다. 먼저, 기록 소자 기판(10) 및 가요성 인쇄 회로 기판(40)이 연통 포트(31)가 미리 형성되어 있는 지지 부재(30)에 부착된다. 후속하여, 기록 소자 기판(10) 상의 단자(16)가 와이어 본딩에 의해 가요성 인쇄 회로 기판(40) 상의 단자(41)에 전기적으로 연결되고, 그후, 와이어 본딩된 부분(전기 접속 부분)이 밀봉제(110)에 의해 덮여지고 밀봉된다. 기록 소자 기판(10)으로부터 가요성 인쇄 회로 기판(40)의 다른 단부의 단자(42)는 전기 배선 기판(90)의 연결 단자(93)(도 5)에 전기적으로 연결된다. 지지 부재(30)는 기록 소자 기판(10)을 지지하는 지지 부재이고, 또한, 유체 연결에 의해 채널 부재(210)와 기록 소자 기판(10) 사이에서 연통하는 채널 부재이다. 따라서, 지지 부재(30)는 고도의 평탄도를 가져야 하며, 또한, 높은 신뢰도로 기록 소자 기판(10)에 결합될 수 있어야 한다. 적절한 재료의 예는 알루미나 및 수지 재료를 포함한다.
기록 소자 기판의 구조의 설명
본 적용례에 따른 기록 소자 기판(10)의 구성을 설명한다. 도 10a는 토출구(13)가 형성되어 있는 기록 소자 기판(10)의 측부의 평면도이고, 도 10b는 도 10a에 XB로 표시된 부분의 확대도이며, 도 10c는 도 10a의 것으로부터의 기록 소자 기판(10)의 후방 면의 평면도이다. 기록 소자 기판(10)은 토출구 형성 부재(12)를 가지고, 이 토출구 형성 부재에 잉크 컬러에 대응하는 네 개의 토출구 열이 도 10a에 도시된 바와 같이 형성된다. 이하에서, 다수의 토출구(13)가 배열되어 있는 토출구 열이 연장하는 방향을 "토출구 열" 방향이라 지칭할 것임을 언급해둔다.
열 에너지에 기인한 잉크의 발포를 유발하기 위한 가열 소자인 기록 소자(15)는 도 10b에 예시된 바와 같이 토출구(13)에 대응하는 위치에 배치된다. 기록 소자(15)를 수용하는 압력 챔버(23)는 격벽(22)에 의해 격리되어 있다. 기록 소자(15)는 기록 소자 기판(10)에 제공된 전기 배선(도시 생략)에 의해 도 10a의 단자(16)에 전기적으로 연결된다. 기록 소자(15)는 전기 배선 기판(90)(도 5) 및 가요성 인쇄 회로 기판(40)(도 9b)을 거쳐 기록 장치(1000)의 제어 회로로부터 입력된 펄스 신호에 기초하여 잉크가 비등하게 하도록 열을 발생시킨다. 이러한 비등으로 인한 발포의 힘은 잉크를 토출구(13)로부터 토출한다. 도 10b에 예시된 바와 같이, 액체 공급 채널(18)은 각 토출구 열의 일 측부를 따라 연장하고, 타측을 따라 액체 회수 채널(19)이 연장한다. 액체 공급 채널(18) 및 액체 회수 채널(19)은 기록 소자 기판(10)에 제공된 토출구 열의 방향으로 연장하는 채널이며, 각각 공급 포트(17a) 및 회수 포트(17b)를 거쳐 토출구(13)와 연통한다. 공급 포트(17a) 및 회수 포트(17b)는 기록 소자(15)를 갖는 기판(11)의 평면(주면(main face))과 교차하는 방향으로 연장한다.
시트형 커버(20)가 토출구(13)가 형성되어 있는 기록 소자 기판(10)의 면으로부터 후방 면 상에 적층되고, 커버(20)는 도 10c 및 도 11에 예시된 바와 같이, 후술된 액체 공급 채널(18) 및 액체 회수 채널(19)과 연통하는 다수의 개구(21)를 갖는다. 본 적용예에서, 세 개의 개구(21)가 각 액체 공급 채널(18)을 위해 커버(20)에 제공되고, 두 개의 개구(21)가 각 액체 회수 채널(19)을 위해 제공된다. 커버(20)의 개구(21)는 도 10b에 예시된 바와 같이, 도 6a에 예시된 다수의 연통 포트(51)와 연통한다. 커버(20)는 도 11에 도시된 바와 같이 기록 소자 기판(10)의 기판(11)에 형성된 액체 공급 채널(18) 및 액체 회수 채널(19)의 측부의 일부를 구성하는 덮개로서 기능한다. 커버(20)는 바람직하게는 잉크에 대해 충분히 내식성이고, 컬러 혼합 방지의 견지로부터 개구(21)의 개구 형상 및 그 위치에 관한 고도의 정밀도를 가져야 한다. 따라서, 포토리소그래피 공정에 의해 개구(21)가 형성되는, 감광 수지 재료 또는 실리콘 판이 커버(20)를 위한 재료로서 바람직하게 사용된다. 따라서, 커버(20)는 개구(21)에 의해 채널의 피치를 변화시키기 위한 것이다. 커버(20)는 바람직하게는 압력 강하를 고려하여 얇고, 바람직하게는 필름형 수지 재료로 형성된다.
다음에, 기록 소자 기판(10) 내의 잉크의 유동을 설명한다. 도 11은 도 10a의 평면 XI-XI을 따라 취한 커버(20)와 기록 소자 기판(10)의 단면을 예시하는 사시도이다. 기록 소자 기판(10)은 감광 수지로 형성된 토출구 형성 부재(12)와 실리콘(Si)으로 형성된 기판(11)을 적층함으로써 형성되고, 커버(20)가 기판(11)의 후방 면에 결합된다. 기록 소자(15)는 기판(11)의 다른 면 측에 형성되고(도 10b), 토출구 열을 따라 연장하는 액체 공급 채널(18) 및 액체 회수 채널(19)을 구성하는 홈이 그 이면측에 형성된다. 기판(11)과 커버(20)에 의해 형성되는 액체 공급 채널(18) 및 액체 회수 채널(19)은 각각 채널 부재(210) 내의 공통 공급 채널(211) 및 공통 회수 채널(212)에 연결되고, 액체 공급 채널(18)과 액체 회수 채널(19) 사이에는 차압이 존재한다. 잉크가 액체 토출 헤드(3)의 다수의 토출구(13)로부터 토출되고 기록이 수행될 때, 토출 동작을 수행하지 않는 토출구(13)에서 다음과 같은 유동이 생성된다. 즉, 기판(11) 내에 제공된 액체 공급 채널(18) 내의 잉크는 이러한 차압으로 인해 공급 포트(17a), 압력 챔버(23) 및 회수 포트(17b)를 거쳐 액체 공급 채널(18)로부터 액체 회수 채널(19)로 유동한다(도 11에 화살표 C로 표시된 유동). 이러한 유동은 토출구(13)로부터의 증발에 기인하여 농후화된 잉크, 기포, 이물질 등이 기록이 수행되지 않는 토출구(13)와 압력 챔버(23)로부터 액체 회수 채널(19)로 회수될 수 있게 한다. 이는 압력 챔버(23) 및 토출구(13)에서의 잉크의 농후화가 억제될 수 있게 한다. 액체 회수 채널(19)로 회수된 잉크는 채널 부재(210)의 연통 포트(51), 개별 회수 채널(214) 및 공통 회수 채널(212)의 순서로 커버(20)의 개구(21) 및 지지 부재(30)의 액체 연통 포트(31)를 거쳐 회수된다(도 9b 참조). 이 잉크는 궁극적으로 기록 장치(1000)의 공급 경로로 회수된다.
즉, 기록 장치 메인 유닛으로부터 액체 토출 헤드(3)로 공급된 잉크는 후술된 순서의 유동에 의해 공급 및 회수된다. 먼저, 잉크는 액체 공급 유닛(220)의 액체 연결 부분(111)으로부터 액체 토출 헤드(3) 내로 유동한다. 다음에, 잉크는 결합 고무 부재(100), 제3 채널 부재(70)에 제공된 연통 포트(72) 및 공통 채널 홈(71), 제2 채널 부재(60)에 제공된 공통 채널 홈(62) 및 연통 포트(61), 그리고, 제1 채널 부재(50)에 제공된 개별 채널 홈(52) 및 연통 포트(51)로 공급된다. 그후, 잉크는 지지 부재(30)에 제공된 액체 연통 포트(31), 커버(20)에 제공된 개구(21), 기판(11)에 제공된 액체 공급 채널(18) 및 공급 포트(17a)의 순서로 압력 챔버(23)에 공급된다. 압력 챔버(23)에 공급되었지만 토출구(13)로부터 토출되지 않은 잉크는 기판(11)에 제공된 회수 포트(17b) 및 액체 회수 채널(19), 커버(20)에 제공된 개구(21) 및 지지 부재(30)에 제공된 액체 연통 포트(31)의 순서로 유동한다. 그후, 잉크는 제1 채널 부재(50)에 제공된 연통 포트(51) 및 개별 채널 홈(52), 제2 채널 부재(60)에 제공된 연통 포트(61) 및 공통 채널 홈(62), 제3 채널 부재(70)에 제공된 공통 채널 홈(71) 및 연통 포트(72), 그리고, 결합 고무 부재(100)의 순서로 유동한다. 잉크는 추가로 액체 공급 유닛에 제공된 액체 연결 부분(111)으로부터 액체 토출 헤드(3)의 외측으로 유동한다. 도 2에 예시된 제1 순환 경로에서, 액체 연결 부분(111)으로부터 유입된 잉크는 부압 제어 유닛(230)을 통과하고, 그후 결합 고무 부재(100)에 공급된다. 도 3에 예시된 제2 순환 경로에서, 압력 챔버(23)로부터 회수된 잉크는 결합 고무 부재(100)를 통과하고, 그후 부압 제어 유닛(230)을 거쳐 액체 연결 부분(111)으로부터 액체 토출 헤드(3)의 외부로 유출된다.
또한, 액체 토출 유닛(300)의 공통 공급 채널(211)의 일 단부로부터 유입된 모든 잉크가 도 2 및 도 3에 예시된 바와 같이 개별 공급 채널(213a)을 거쳐 압력 챔버(23)에 공급되는 것은 아니다. 개별 공급 채널(213a)에 전혀 진입하지 않고 공통 공급 채널(211)의 다른 단부로부터 액체 공급 유닛(220)을 통해 유동하는 잉크가 존재한다. 따라서, 기록 소자 기판(10)을 통해 진행하지 않고 잉크가 유동하는 채널을 제공하는 것은 기록 소자 기판(10)이 본 적용례의 경우와 같이 유동 저항이 큰 미세 채널을 구비하는 경우에도 잉크의 순환 유동의 역류가 억제될 수 있게 한다. 따라서, 본 적용례에 따른 액체 토출 헤드는 토출구 부근의 그리고 압력 챔버 내의 잉크의 농후화를 억제할 수 있어서 결함 토출 방향 및 잉크 비토출을 억제할 수 있고, 그래서, 결과적으로 높은 화상 품질의 기록이 수행될 수 있다.
기록 소자 기판 사이의 위치 관계의 설명
도 12는 두 개의 인접한 토출 모듈의 기록 소자 기판(10)의 인접한 부분들의 부분 확대도를 보여주는 평면도이다. 본 적용례에 따른 기록 소자 기판(10)은 도 10a 내지 도 10c에 예시된 바와 같이 평행사변형으로 형성된다. 토출구(13)가 기록 소자 기판(10) 상에 배열되는 토출구 열(14a 내지 14d)은 도 12에 예시된 바와 같이 특정 각도만큼 기록 매체의 반송 방향에 대해 경사지게 배치된다. 기록 소자 기판(10)의 인접한 부분의 토출구 열의 적어도 하나의 토출구는 그에 의해 기록 매체의 반송 방향으로 중첩하게 된다. 도 12에서, 라인 D 상의 두 개의 토출구가 서로 중첩 관계로 존재한다. 이러한 레이아웃은 기록 소자 기판(10)의 위치가 다소 미리결정된 위치로부터 이탈되는 경우에도 중첩하는 토출구의 구동 제어에 의해 기록된 화상의 검은 줄무늬 및 공백 부분이 잘 보이지 않게 할 수 있다. 다수의 기록 소자 기판(10)이 엇갈린 배치 대신 직선(인라인)으로 배설될 수 있다. 이러한 경우에도 마찬가지로, 도 12에 예시된 바와 같은 구성에 기인하여, 기록 매체의 반송 방향으로 액체 토출 헤드(3)의 길이의 증가를 억제하면서 기록 소자 기판(10) 사이의 연결 부분에서의 검은 줄무늬 및 공백 부분이 처리될 수 있다. 비록, 본 실시예에 따른 기록 소자 기판(10)의 주면의 형상이 평행사변형이지만, 이는 제한적인 것은 아니다. 본 발명의 구성은 형상이 직사각형, 사다리꼴 또는 다른 형상인 경우에도 적절히 적용될 수 있다.
액체 토출 헤드 구성의 변형의 설명
전술한 액체 토출 헤드 구성의 변형을 도 27 내지 도 32를 참조로 설명한다. 전술한 예와 동일한 구성 및 기능은 설명에서 생략될 것이며, 차이점을 주로 설명한다. 이러한 변형에서, 액체와 액체 토출 헤드(3) 외측 사이의 연결 부분인 다수의 액체 연결 부분(111)이 도 27 내지 도 29에 예시된 바와 같이 길이 방향으로 액체 토출 헤드(3)의 일 단부측에서 통합된 방식으로 배치된다. 다수의 부압 제어 유닛(230)이 액체 토출 헤드(3)의 다른 단부측에서 통합된 방식으로 배치된다(도 30). 액체 토출 헤드(3)에 포함된 액체 공급 유닛(220)은 액체 토출 헤드(3)의 길이에 대응하는 길고 가는 유닛으로서 구성되며, 공급되는 4개 컬러의 액체에 대응하는 채널 및 필터(221)를 갖는다. 액체 토출 유닛 지지 부재(81)에 제공되는 개구(83 내지 86)의 위치도 도 30에 예시된 바와 같이 전술된 액체 토출 헤드(3)로부터 다른 위치에 있다.
도 31은 채널 부재(50, 60, 70)의 적층된 상태를 예시한다. 다수의 기록 소자 기판(10)은 다수의 채널 부재(50, 60, 70)의 최고위 층인 제1 채널 부재(50)의 상부 면 상에 직선으로 배열된다. 각 기록 소자 기판(10)의 후방측 상에 형성된 개구(21)(도 20c)와 연통하는 채널로서, 두 개의 개별 공급 채널(213) 및 하나의 개별 회수 채널(214)이 각 액체 컬러를 위해 존재한다. 이에 대응하여, 또한, 기록 소자 기판(10)의 후방 면에 제공된 커버(20) 상에 형성된 개구(21)에 관하여, 각 액체 컬러를 위한 두 개의 공급 개구(21) 및 하나의 회수 개구(21)가 존재한다. 액체 토출 헤드(3)의 길이 방향으로 연장하는 공통 공급 채널(211) 및 공통 회수 채널(212)이 도 32에 예시된 바와 같이 교번적으로 배열된다.
제2 적용례
본 발명이 적용될 수 있는 제2 적용례에 따른 잉크젯 기록 장치(1000) 및 액체 토출 헤드(3)의 구성을 설명한다. 제1 적용례와 다른 부분이 주로 설명되고, 제1 적용례와 동일한 부분은 설명이 생략된다는 것을 언급해둔다.
잉크젯 기록 장치의 설명
도 13은 본 발명의 제2 적용례에 따른 잉크젯 기록 장치를 예시한다. 제2 적용례에 따른 기록 장치(1000)는 CMYK 잉크 중 하나에 각각 대응하는 네 개의 단색 액체 토출 헤드(3)를 배열함으로써 기록 매체 상에 풀 컬러 기록이 수행된다는 점에 관하여 제1 적용례와 다르다. 비록, 제1 적용례에서 컬러당 사용가능한 토출구 열의 수가 하나의 열이었지만, 제2 적용례에서 컬러당 사용가능한 토출구 열의 수는 20 열이다(도 19a). 이는 다수의 토출구 열에 기록 데이터를 할당함으로써 극도로 고속의 기록이 수행될 수 있게 한다. 잉크 비토출을 나타내는 토출구가 존재하는 경우에도 상보적 방식으로 토출을 수행하는 다른 열의 기록 매체의 반송 방향으로 대응 위치의 토출구에 의해 신뢰도가 개선될 수 있고, 따라서, 이러한 배열은 산업적 인쇄에 적합하다. 기록 장치(1000)의 공급 시스템, 버퍼 탱크(1003) 및 메인 탱크(1006)(도 2)는 제1 적용례와 동일한 방식으로 유체 연결에 의해 액체 토출 헤드(3)에 연결된다. 각 액체 토출 헤드(3)는 또한 전기 제어 유닛에 전기적으로 연결되며, 이 전기 제어 유닛은 액체 토출 헤드(3)에 전력 및 토출 제어 신호를 전송한다.
순환 경로의 설명.
도 2 및 도 3에 예시된 제1 및 제2 순환 경로가 제1 적용례와 동일한 방식으로 기록 장치(1000)와 액체 토출 헤드(3) 사이의 액체 순환 경로로서 사용될 수 있다.
액체 토출 헤드의 구조의 설명
본 발명의 제2 적용례에 따른 액체 토출 헤드(3)의 구조에 관하여 설명한다. 도 14a 및 도 14b는 본 적용례에 따른 액체 토출 헤드(3)의 사시도이다. 액체 토출 헤드(3)는 액체 토출 헤드(3)의 길이 방향으로 직선으로 배열된 16개 기록 소자 기판(10)을 구비하며, 하나의 컬러의 잉크로 기록할 수 있는 잉크젯 라인 기록 헤드이다. 액체 토출 헤드(3)는 제1 적용례와 동일한 방식으로 액체 연결 부분(111), 신호 입력 단자(91) 및 전력 공급 단자(92)를 갖는다. 본 적용례에 따른 액체 토출 헤드(3)는 토출구 열의 수가 더 많기 때문에 입력 단자(91) 및 전력 공급 단자(92)가 액체 토출 헤드(3)의 양 측부에 배치된다는 점에서 제1 적용례와 다르다. 이는 기록 소자 기판(10)에 제공되는 배선 부분에서 발생하는 전압 강하 및 신호 전송 지연을 감소시키기 위한 것이다.
도 15는 기능에 따라 분해되어 있는 액체 토출 헤드(3)를 구성하는 각 부분 또는 유닛을 예시하는, 액체 토출 헤드(3)의 분해 사시도이다. 유닛 및 부재의 역할과, 액체 토출 헤드를 통한 액체 유동의 순서는 기본적으로 제1 적용례와 동일하지만, 액체 토출 헤드의 강성도가 보증되는 기능은 서로 다르다. 액체 토출 헤드의 강성도는 주로 제1 적용례에서 액체 토출 유닛 지지 부재(81)에 의해 보증되지만, 제2 적용례에서는 액체 토출 유닛(300)에 포함된 제2 채널 부재(60)에 의해 보증된다. 본 적용례에서 제2 채널 부재(60)의 양 단부에 연결된 액체 토출 유닛 지지 부재(81)가 존재한다. 이러한 액체 토출 유닛(300)은 기록 장치(1000)의 캐리지에 기계적으로 결합되어 있고, 그에 의해, 액체 토출 헤드(3)가 위치된다. 전기 배선 기판(90)과 부압 제어 유닛(230)을 갖는 액체 공급 유닛(220)은 액체 토출 유닛 지지 부재(81)에 결합된다. 필터(도시 생략)가 두 개의 액체 공급 유닛(220) 내에 내장된다. 두 개의 부압 제어 유닛(230)은 서로 상대적으로 다른 고 및 저 부압에 의해 압력을 제어하도록 설정된다. 고압측 및 저압측 부압 제어 유닛(230)이 도 14a 내지 도 15에 예시된 바와 같이 액체 토출 헤드(3)의 단부에 배치될 때, 액체 토출 헤드(3)의 길이 방향으로 연장하는 공통 공급 채널(211) 및 공통 회수 채널(212) 상의 잉크 유동은 서로 반대방향이다. 이는 공통 공급 채널(211) 및 공통 회수 채널(212) 사이의 열 교환을 촉진하여 두 공통 채널 사이의 온도차가 감소될 수 있게 한다. 이는 공통 채널을 따라 배치된 다수의 기록 소자 기판(10) 사이에 온도차가 쉽게 발생하지 않으며, 따라서, 온도차에 기인한 기록의 불균등이 쉽게 발생하지 않는다는 점에서 유리하다.
액체 토출 유닛(300)의 채널 부재(210)를 다음에 상세히 설명한다. 채널 부재(210)는 도 15에 예시된 바와 같이 적층되어 있는 제1 채널 부재(50) 및 제2 채널 부재(60)이며, 액체 공급 유닛(220)으로부터 공급되는 잉크를 토출 모듈(200)로 분배한다. 채널 부재(210)는 또한 토출 모듈(200)로부터 액체 공급 유닛(220)으로 재순환하는 잉크를 복귀시키기 위한 채널 부재로서 기능한다. 채널 부재(210)의 제2 채널 부재(60)는 공통 공급 채널(211) 및 공통 회수 채널(212)이 형성되어 있는 채널 부재이며, 또한, 주로, 액체 토출 헤드(3)의 강성도를 담당한다. 따라서, 제2 채널 부재(60)의 재료는 잉크에 대하여 충분히 내식성이며, 높은 기계적 강도를 갖는다. 적절히 사용되는 재료의 예는 스테인레스 스틸, 티타늄(Ti), 알루미나 등을 포함한다.
도 16a는 토출 모듈(200)이 장착되는 측부의 제1 채널 부재(50)의 면을 예시하고, 도 16b는 제2 채널 부재(60)와 접촉하게 되는, 그로부터의 이면을 예시하는 도면이다. 제1 적용례의 경우와는 달리, 제2 적용례에 따른 제1 채널 부재(50)는 토출 모듈(200)에 대응하는 다수의 부재가 인접하게 배열되어 있는 배열이다. 이러한 분할된 구조의 사용은 액체 토출 헤드의 길이에 대응하는 길이가 다수의 모듈을 배열하는 것에 의해 실현될 수 있게 하고, 따라서, 예로서, B2 사이즈 및 더 큰 시트에 대응하는 비교적 긴 규모의 액체 토출 헤드에 특히 적절히 사용될 수 있다. 제1 채널 부재(50)의 연통 포트(51)는 도 16a에 예시된 바와 같이 유체 연결에 의해 토출 모듈(200)과 연통하고, 제1 채널 부재(50)의 개별 연통 포트(53)는 도 16b에 예시된 바와 같이 유체 연결에 의해 제2 채널 부재(60)의 연통 포트(61)와 연통한다. 도 16c는 제1 채널 부재(50)와 접촉하는 제2 채널 부재(60)의 면을 예시하고, 도 16d는 두께 방향으로 취한, 제2 채널 부재(60)의 중간 부분의 단면을 예시하며, 도 16e는 액체 공급 유닛(220)과 접촉하게 되는 제2 채널 부재(60)의 면을 예시하는 도면이다. 제2 채널 부재(60)의 채널 및 연통 포트의 기능은 제1 적용례에서 1개 컬러분의 것과 동일하다. 제2 채널 부재(60)의 공통 채널 홈(71) 중 하나는 도 17에 예시된 공통 공급 채널(211)이고, 나머지는 공통 회수 채널(212)이다. 양자 모두는 액체 토출 헤드(3)의 길이 방향을 따라서 일 단부측으로부터 다른 단부측을 향해 공급되는 잉크를 갖는다. 제1 적용례의 경우와는 달리, 공통 공급 채널(211) 및 공통 회수 채널(212)을 위한 잉크 유동 방향은 서로 반대 방향이다.
도 17은 기록 소자 기판(10)과 채널 부재(210) 사이의 잉크에 관한 연결 관계를 예시하는 투시도이다. 액체 토출 헤드(3)의 길이 방향으로 연장하는 공통 공급 채널(211) 및 공통 회수 채널(212)은 도 17에 예시된 바와 같이 채널 부재(210) 내에 제공된다. 제2 채널 부재(60)의 연통 포트(61)는 각각 제1 채널 부재(50)의 개별 연통 포트(53)와 함께 위치되고, 그에 연결되며, 그에 의해, 제2 채널 부재(60)의 연통 포트(72)로부터 공통 공급 채널(211)을 거쳐 제1 채널 부재(50)의 연통 포트(51)로의 액체 공급 경로를 형성한다. 동일한 방식으로, 제2 채널 부재(60)의 연통 포트(72)로부터 공통 회수 채널(212)을 거쳐 제1 채널 부재(50)의 연통 포트(51)로의 액체 공급 경로도 형성된다.
도 18은 도 17의 XVIII-XVIII를 따라 취한 단면을 예시하는 도면이다. 도 18은 공통 공급 채널(211)이 연통 포트(61), 개별 연통 포트(53) 및 연통 포트(51)를 통해 토출 모듈(200)에 연결되는 방식을 도시한다. 비록, 도 18의 예시에서는 생략되어 있지만, 도 17로부터, 다른 단면은 유사한 경로를 통해 토출 모듈(200)에 연결되는 개별 회수 채널(214)을 보여주게 될 것임을 명백히 알 수 있다. 토출구(13)와 연통하도록 기록 소자 기판(10) 및 토출 모듈(200) 상에 채널이 형성되고, 공급된 잉크 중 일부 또는 모두가 토출 동작을 수행하지 않는 토출구(13)(압력 챔버(23))를 통해 제1 적용례에서와 동일한 방식으로 재순환된다. 제1 적용례에서와 동일한 방식으로 액체 공급 유닛(220)을 거쳐, 공통 공급 채널(211)은 부압 재어 유닛(230)(고압측)에 연결되고, 공통 회수 채널(212)은 부압 제어 유닛(230)(저압측)에 연결된다. 따라서, 그 차압에 의해 유동이 발생하고, 이 유동은 공통 공급 채널(211)로부터 기록 소자 기판(10)의 토출구(13)(압력 챔버(23)를 통해 공통 회수 채널(212)로 유동한다.
토출 모듈의 설명
도 19a는 하나의 토출 모듈(200)의 사시도를 예시하고, 도 19b는 그 분해도이다. 제1 적용례와는 달리, 다수의 단자(16)가 기록 소자 기판(10)의 다수의 토출구 열의 방향을 따라 양 측부(기록 소자 기판(10)의 장측 부분) 상에 배열되어 배치되며, 두 개의 가요성 인쇄 회로 기판(40)이 하나의 기록 소자 기판(10)에 제공되고, 단자(16)에 전기적으로 연결된다. 그 이유는 기록 소자 기판(10) 상에 제공되는 토출구 열의 수가 20개 열이고, 이는 제1 적용례에서의 8개 열에 비해 크게 증가된 것이기 때문이다. 그 목적은 토출구 열에 대응하여 제공되는 기록 소자(15)까지의 단자(16)로부터의 최대 거리를 짧게 유지함으로써 기록 소자 기판(10)에 제공되는 배선 부분에서 발생하는 전압 강하 및 신호 전송 지연을 감소시키는 것이다. 지지 부재(30)의 액체 연통 포트(31)가 기록 소자 기판(10)에 제공되며, 모든 토출구 열에 걸쳐지도록 개방된다. 다른 점은 제1 적용례에서와 동일하다.
기록 소자 기판의 구조의 설명
도 20a는 토출구(13)가 배치되는 측부의 기록 소자 기판(10)의 면을 예시하는 개략도이고, 도 20c는 도 20a에 예시된 것의 이면을 예시하는 개략도이다. 도 20b는 기록 소자 기판(10)의 후방 면측에 제공된 커버(20)가 도 20c에서 제거되어 있는 경우의 기록 소자 기판(10)의 면을 예시하는 개략도이다. 액체 공급 채널(18) 및 액체 회수 채널(19)은 도 20b에 예시된 바와 같이 토출구 열 방향을 따라 기록 소자 기판(10)의 후방 면 상에 교번적으로 제공된다. 토출구 열의 수가 제1 적용례의 것보다 매우 많음에도 불구하고, 제1 적용례와의 현저한 차이점은 단자(16)가 전술한 바와 같이 토출구 열 방향을 따라 기록 소자 기판(10)의 양 측부 부분에 배치된다는 점이다. 기본적 구성은 제1 적용례의 것과 동일하며, 예컨대, 한 세트의 액체 공급 채널(18) 및 액체 회수 채널(19)이 각 토출구 열에 제공되고, 지지 부재(30)의 액체 연통 포트(31)와 연통하는 개구(21)가 커버(20)에 제공되는 등이다.
제3 적용례
제3 적용례에 따른 액체 토출 헤드(3) 및 잉크젯 기록 장치(1000)의 구성을 설명한다. 제3 적용례에 따른 액체 토출 헤드(3)는 단일 주사로 B2 사이즈 기록 매체 시트에 기록하는 페이지-와이드 헤드이다. 제3 적용례는 다수의 점에 관하여 제2 적용례와 유사하며, 그래서, 제2 적용례에 대한 차이점을 주로 후술하고, 제2 적용례와 동일한 부분은 설명에서 생략한다.
잉크젯 기록 장치의 설명
도 33은 본 적용례에 따른 잉크젯 기록 장치의 개략도이다. 기록 장치(1000)는 액체 토출 헤드(3)로부터 기록 매체 상으로 직접적으로 기록하지 않고 중간 전사 부재(중간 전사 드럼(1007) 상으로 액체를 토출하여 중간 전사 부재 상에 화상을 형성하고, 그후, 화상을 기록 매체(2) 상으로 전사하는 구성으로 이루어진다. 기록 장치(1000)는 중간 전사 드럼(1007)을 따르는 원호부에 배치된 CMYK의 4개 잉크 유형에 대응하는 네 개의 단색 액체 토출 헤드(3)를 갖는다. 따라서, 중간 전사 부재 상에 풀 컬러 기록이 수행되고, 기록된 화상은 중간 전사 부재 상에서 적절한 상태로 건조되며, 그후, 전사 유닛(1008)에 의해 시트 반송 롤러(1009)에 의해 반송되는 기록 매체(2) 상으로 전사된다. 제2 적용례의 시트 반송 시스템이 주로 절단 시트를 반송하려는 의도로 수평 반송로를 갖는 반면, 본 적용례는 메인 롤(도시 생략)로부터 공급되는 연속 시트를 취급할 수 있다. 이 종류의 드럼 반송 시스템은 특정 장력이 인가된 상태로 시트를 쉽게 반송할 수 있으며, 그래서, 고속 기록 수행시 반송 잼현상(jamming)이 적다. 따라서, 장치의 신뢰성이 개선되고, 상업적 인쇄 등에 대한 적용에 적합하다. 기록 장치(1000)의 공급 시스템, 버퍼 탱크(1003) 및 메인 탱크(1006)는 제1 및 제2 적용례와 동일한 방식으로 유체 연결에 의해 액체 토출 헤드(3)에 연결된다. 각 액체 토출 헤드(3)는 또한 전기 제어 유닛에 전기적으로 연결되며, 이 전기 제어 유닛은 액체 토출 헤드(3)에 전력 및 토출 제어 신호를 전송한다.
순환 경로의 설명.
비록, 도 2 및 도 3에 예시된 제1 및 제2 순환 경로가 전술한 전사 기록을 수행하는 제3 적용례의 순환 경로로서 적용될 수 있지만, 도 34에 예시된 순환 경로가 적합하다. 도 3의 제2 순환 경로에 대한 주된 차이점은 제1 순환 펌프(1001, 1002) 및 제2 순환 펌프(1004) 각각의 채널과 연통하는 바이패스 밸브(1010)가 추가된다는 것이다. 바이패스 밸브(1010)는 압력이 미리설정된 압력을 초과할 대 밸브 개방으로 인해 바이패스 밸브(1010)의 상류측에서의 압력을 저하시키도록 기능한다(제1 기능). 또한, 바이패스 밸브(1010)는 기록 장치 메인 유닛에서 제어 기판으로부터의 신호에 의해 사전결정된 타이밍에 밸브를 개방 및 폐쇄하도록 기능한다(제2 기능).
제1 기능에 따라서, 과도하게 크거나 과도하게 작은 압력이 제1 순환 펌프(1001, 1002)의 하류측 및 제2 순환 펌프(1004)의 상류측에서 채널에 인가되는 것이 방지될 수 있다. 예로서, 제1 순환 펌프(1001, 1002)의 기능이 오기능하는 경우, 과도한 유량이나 압력이 액체 토출 헤드(3)에 적용될 수 있다. 이는 액체 토출 헤드(3)의 토출구(13)로부터 액체가 누설되게 하거나 액체 토출 헤드(3) 내의 결합 부분이 손상되게 할 수 있다. 그러나, 본 적용례에서와 같이 제1 순환 펌프(1001, 1002)에 바이패스 밸브가 추가되는 경우, 바이패스 밸브(1010)의 개방은 순환 펌프의 상류측으로 액체 경로를 개방시키며, 그래서, 과도한 압력이 발생하는 경우에도 전술된 것 같은 문제가 억제될 수 있다.
또한, 제2 기능으로 인해, 순환 동작의 정지시, 모든 바이패스 밸브(1010)는 제1 순환 펌프(1001, 1002) 및 제2 순환 펌프(1004)가 정지한 이후 메인 유닛측으로부터의 제어 신호에 기초하여 신속히 개방된다. 이는 액체 토출 헤드(3)의 하류 부분(부압 제어 유닛(230)과 제2 순환 펌프(1004) 사이)의 높은 부압(예를 들어, 수 kPa 내지 수십 kPa)이 짧은 시간에 해제될 수 있게 한다. 순환 펌프로서 다이아프램 펌프 같은 용적형 펌프를 사용하는 경우에, 일반적으로 펌프에 체크 밸브가 내장된다. 그러나, 바이패스 밸브(1010)의 개방은 마찬가지로 하류 버퍼 탱크(1003)로부터 액체 토출 헤드(3)의 하류측에서의 압력 해제가 수행될 수 있게 한다. 비록, 액체 토출 헤드(3)의 하류측의 압력 해제가 마찬가지로 상류측으로부터만 수행될 수 있지만, 액체 토출 헤드(3) 내의 채널과 액체 토출 헤드(3)의 상류측의 채널에서 압력 강하가 존재하며, 그래서, 압력 배출은 시간이 걸린다. 따라서, 액체 토출 헤드(3) 내의 공통 채널 내의 압력이 일시적으로 너무 많이 강하하고, 토출구에서의 메니스커스가 파괴될 수 있는 우려가 존재한다. 액체 토출 헤드(3)의 상류측에서의 바이패스 밸브(1010)의 개방은 액체 토출 헤드(3)의 하류측에서의 압력 배출을 촉진하고, 그래서, 토출구에서의 메니스커스의 파괴 위험이 감소된다.
액체 토출 헤드의 구조의 설명
본 발명의 제3 적용례에 따른 액체 토출 헤드(3)의 구조를 설명한다. 도 35a는 본 적용례에 따른 액체 토출 헤드(3)의 사시도이고, 도 35b는 그 분해 사시도이다. 액체 토출 헤드(3)는 액체 토출 헤드(3)의 길이 방향으로 직선(인라인)으로 배열된 36개 기록 소자 기판(10)을 구비하며, 단일 컬러 액체를 사용하여 기록하는 라인형(페이지-와이드) 잉크젯 기록 헤드이다. 액체 토출 헤드(3)는 제2 적용례와 동일한 방식으로 신호 입력 단자(91) 및 전력 공급 단자(92)를 구비하고, 또한, 헤드의 길이방향 측부 면을 보호하기 위해 차폐 판(132)을 구비한다.
도 35b는 기능에 따라 분해된 액체 토출 헤드(3)를 구성하는 각 부분 또는 유닛을 예시하는 액체 토출 헤드(3)의 분해 사시도이다(차폐 판(132)은 도시 생략). 유닛 및 부재의 역할과 액체 토출 헤드(3)를 통한 액체 유동의 순서는 기본적으로 제2 적용례와 동일하다. 제3 적용례는 주로 제1 채널 부재(50)의 형상과 부압 제어 유닛(230)의 위치 및 복수로 분할 및 배치되어 있는 전기 배선 기판(90)의 점에 관하여 제2 적용례와 다르다. 예로서, B2 사이즈 기록 매체에 대응하는 길이를 갖는 액체 토출 헤드(3)의 경우에, 액체 토출 헤드(3)가 사용하는 전력의 양이 크기 때문에 본 적용례의 경우에서와 같이, 8개 전기 배선 기판(90)이 제공된다. 각 4개의 전기 배선 기판(90)이 액체 토출 유닛 지지 부재(81)에 부착된 가는 전기 배선 기판 지지 부재(82)의 양 측부에 부착된다.
도 36a는 액체 토출 유닛(300), 액체 공급 유닛(220) 및 부압 제어 유닛(230)을 갖는 액체 토출 헤드(3)의 측면도이고, 도 36b는 액체 유동을 예시하는 개략도이며, 도 36c는 도 36a의 선 XXXVIC-XXXVIC을 따라 취한 단면을 예시하는 사시도이다. 구성의 부분은 이해를 용이하게 하기 위해 단순화되어 있다.
액체 연결 부분(111) 및 필터(221)가 액체 공급 유닛(220) 내에 제공되고, 부압 제어 유닛(230)이 액체 공급 유닛(220) 아래에 일체로 형성된다. 이는 기록 소자 기판(10)과 부압 제어 유닛(230) 사이의 높이 방향으로의 거리가 제2 적용례에 비해 감소될 수 있게 한다. 이러한 구성은 액체 공급 유닛(220) 내의 채널 연결 부분의 수를 감소시키고, 기록 액체의 누설에 관한 증가된 신뢰성 뿐만 아니라 부품 수 및 조립 공정이 감소될 수 있다는 점에서도 유리하다.
또한, 부압 제어 유닛(230)과 토출구가 형성되는 면 사이의 수두차가 비교적 더 작으며, 따라서, 도 33에 예시된 바와 같은 각 액체 토출 헤드(3)에 대하여 액체 토출 헤드(3)의 경사 각도가 다른 기록 장치에 적절히 적용될 수 있다. 그 이유는 다수의 액체 토출 헤드(3) 각각이 서로 다른 경사 각도로 사용되는 경우에도 감소된 수두차가 각 기록 소자 기판(10)의 토출구에 적용되는 부압차가 감소될 수 있게 하기 때문이다. 부압 제어 유닛(230)으로부터 기록 소자 기판(10)까지의 거리를 감소시키는 것은 또한 유동 저항이 감소되기 때문에 액체의 유동 내의 동요에 기인한 압력 강하 차이를 감소시키며, 더욱 안정적인 부압 제어가 수행될 수 있다는 점에서 바람직하다.
도 36b는 액체 토출 헤드(3) 내의 기록 액체의 유동을 예시하는 개략도이다. 회로는 도 34에 예시된 순환 경로와 동일하지만, 도 36b는 실제 액체 토출 헤드(3) 내의 각 구성요소에서의 액체 유동을 예시한다. 공통 공급 채널(211)과 공통 회수 채널(212)이 세트가 가는 제2 채널 부재(60) 내에 제공되어 액체 토출 헤드(3)의 길이 방향으로 연장한다. 공통 공급 채널(211) 및 공통 회수 채널(212)은 액체가 서로 반대방향으로 유동하도록 구성되며, 필터(221)가 이들 채널의 상류측에 배치되어 연결 부분(111) 등으로부터 도입되는 이물질을 포획한다. 액체가 공통 공급 채널(211) 및 공통 회수 채널(212)에서 서로 반대 방향으로 유동하는 이러한 배열은 액체 토출 헤드(3) 내의 길이 방향으로의 온도 구배가 감소되는 점에서 바람직하다. 공통 공급 채널(211) 및 공통 회수 채널(212)의 유동 방향은 설명을 단순화하기 위해 도 34에서는 동일한 방향인 것으로 도시되어 있다.
부압 제어 유닛(230)은 공통 공급 채널(211) 및 공통 회수 채널(212) 각각의 하류측에 배치된다. 공통 공급 채널(211)은 경로를 따라 다수의 개별 공급 채널(213)로의 분기 부분을 갖고, 공통 회수 채널(212)은 경로를 따라 다수의 개별 회수 채널(214)로의 분기 부분을 갖는다. 개별 공급 채널(213) 및 개별 회수 채널(214)은 다수의 제1 채널 부재(50) 내에 형성된다. 개별 채널 각각은 기록 소자 기판(10)의 이면에 제공되는 커버(20)의 개구(21)와 연통한다(도 20c 참조)
도 36b에서 H 및 L로 표시되는 부압 제어 유닛(230)은 고압측(H) 및 저압측(L) 유닛이다. 각각의 부압 제어 유닛(230)은 상대적 고(H) 및 저(L) 부압으로 부압 제어 유닛(230)의 상류 압력을 제어하도록 설정된 역압형 압력 조절 기구이다. 공통 공급 채널(211)은 부압 제어 유닛(230)(고압측)에 연결되고, 공통 회수 채널(212)은 부압 제어 유닛(230)(저압측)에 연결된다. 이는 공통 공급 채널(211)과 공통 회수 채널(212) 사이에 차압을 생성한다. 이러한 차압은 액체가 공통 공급 채널(211)로부터 개별 공급 채널(213), 기록 소자 기판(10) 내의 토출구(13)(압력 챔버(23) 및 개별 회수 채널(214)을 해당 순서로 통과하여 공통 회수 채널(212)로 유동하게 한다.
도 36c는 도 36a의 선 XXXVIC-XXXVIC을 따라 취한 단면을 예시하는 사시도이다. 본 적용례의 각 토출 모듈(200)은 제1 채널 부재(50), 기록 소자 기판(10) 및 가요성 인쇄 회로 기판(40)을 포함하도록 구성된다. 본 적용례는 제2 적용례에서 설명된 지지 부재(30)(도 18)를 갖지 않으며, 기록 소자 기판(10)은 제1 채널 부재(50)에 직접적으로 결합되는 커버(20)를 갖는다. 제2 채널 부재(60)에 제공된 공통 공급 채널(211)은 그 상부 면 상에 제공된 연통 포트(61)로부터 제1 채널 부재(50)의 하부 면에 형성된 개별 연통 포트(53)를 거쳐 개별 공급 채널(213)로 액체를 공급한다. 그후, 액체는 압력 챔버(23)를 통과하고, 개별 회수 채널(214), 개별 연통 포트(53) 및 연통 포트(61)를 해당 순서로 거쳐서 공통 회수 채널(212)로 회수된다.
도 16a 및 도 16b에 예시된 제2 적용례에서 예시된 배열과는 달리, 제1 채널 부재(50)의 하부 면(제2 채널 부재(60)를 향한 면) 상의 개별 연통 포트(53)는 제2 채널 부재(60)의 상부 면에 형성된 연통 포트(61)에 관하여 충분한 크기의 개구이다. 이러한 구조에 따라서, 제2 채널 부재(60)에 토출 모듈(200)을 장착할 때 위치 편차가 존재하는 경우에도, 제1 채널 부재(50)과 제2 채널 부재(60) 사이에 확실한 방식으로 유체 연통이 실현되고, 그래서, 헤드 제조시 수율이 개선되어 비용이 감소된다.
제1 실시예
도 21a는 액체 토출 헤드(3)의 기록 소자 기판(10)의 사시도이고, 도 21b는 기록 소자 기판(10) 내의 액체 채널을 예시하는 평면도이며, 도 21c는 도 21b의 선 XXIC-XXIC을 따라 취한 단면도이다. 기록 소자 기판(10)은 기판(11)과 기판(11)과 대면하는 기판(11)에 결합된 토출구 형성 부재(12)를 포함한다. 잉크를 토출하기 위해 사용되는 열 에너지를 발생시키는 기록 소자(에너지 발생 소자)(15)가 기판(11) 상에 제공된다. 토출 부분(25)(노즐)이 토출구 형성 부재(12)를 통과하고, 기록 매체에 대면하는 그 측부의 개구는 잉크를 토출하는 토출구(13)이다. 토출구(13)가 개방되는 토출구 형성 부재(12)의 면(기록 매체에 대면하는 면)은 토출구 형성 면(12a)이라 지칭될 수 있음을 유의하여야 한다. 다수의 토출구(13)가 형성되고, 다수의 토출구(13)는 토출구 열을 형성하도록 직선으로 배열된다. 기판(11)과 토출구 형성 부재(12) 사이에 토출구(13) 및 기록 소자(15)에 대면하는 액체 채널(24)이 형성된다. 기록 소자(15) 및 토출구(13)가 제공되는 액체 채널(24)의 부분은 압력 챔버(23)이다. 인접한 액체 채널(24)은 벽(26)에 의해 분리된다.
본 실시예에서와 같이 열 에너지를 발생하는 기록 소자에 의해 액적을 토출하는 열적 유형의 액체 토출 헤드에서, 액체 채널(24)의 높이(H)는 바람직하게는 25 μm 이하이다. 액체 채널(24)의 높이(H)는 세틀라이트 동반 토출 액적을 억제하기 위해 7 μm 이하인 것이 바람직하다. 다른 견지로부터, 기록 소자(15)와 토출구 형성면(12a) 사이의 거리는 바람직하게는 12 μm 이하이다. 액체 채널(24)의 높이(H)는 기록 소자(15)가 제공되는 기판(11)의 면에 수직인 방향으로 측정된 토출구 형성 부재(12)와 기판(11) 사이의 간격에 의해 결정된다. 토출구(13)의 배열 밀도가 예로서 600 dpi 이상인 고밀도 액체 토출 헤드의 경우에, 액체 유동에 기인한 압력 강하 증가를 고려할 때 액체 채널(24)의 높이(H)는 바람직하게는 3 μm 이상이다. 그 이유는 고밀도의 경우 채널 폭이 규제되기 때문에 순환 특성 및 재충전 특성을 고려하여 특정 수준의 높이를 확보하기 위해서이다.
액체 공급 채널(18) 및 액체 회수 채널(19)은 전방 면으로부터 후방 면으로 기판(11)을 통과한다. 액체 공급 채널(18)은 잉크를 액체 채널(제1 액체 채널)(24)에 공급하도록 액체 채널(24)의 입구 단부 부분(24a)에 연결된다. 제1 액체 채널(24)에 공급되는 잉크는 압력 챔버(23)에 공급되고, 토출되지 않는 잉크는 제2 액체 채널(24)에 공급된다. 액체 회수 채널(19)은 액체 채널(24)의 출구 단부 부분(24b)에 연결되고, 토출구(13)로부터 토출되지 않은 잉크는 제2 액체 채널(24)로부터 회수된다. 액체 채널(24)을 따른 경로 일부에, 바람직하게는 액체 채널(24)의 입구 단부 부분(24a)과 출구 단부 부분(24b)으로부터 등거리에서 기록 소자(15) 및 토출구(13)가 형성된다. 액체 회수 채널(19)의 출구 압력(Pout)과 액체 공급 채널(18)의 입구 압력(Pin) 사이에 압력차(ΔP)가 형성된다. 이 압력차(ΔP)는 입구 압력(Pin)이 출구 압력(Pout)보다 크도록 설정된다. 이는 잉크가 액체 공급 채널(18)로부터 압력 챔버(23) 내의 기록 소자(15) 위의 액체 채널(24)을 통해, 그리고, 추가로 액체 회수 채널(19)로의 액체 채널(24)을 통해 유동하는 순환 유동(F)을 발생시킨다. 입구 압력(Pin)이 출구 압력(Pout)보다 크다면, 본 실시예에서 입구 압력(Pin) 및 출구 압력(Pout)은 양압 또는 부압 중 어느 하나일 수 있다.
순환 유속에 관한 문제
순환 유동이 압력 챔버(23)를 통해 유동되는 동안 액적이 40℃의 헤드 온도에서 토출되고, 1초 동안 정지된 후, 20 액적이 연속적으로 토출된다. 토출구(13)의 직경은 16 μm이었다. 도 22a는 순환 유동(F)이 1 mm/s인 경우 및 3 mm/s인 경우에 관한 제1 내지 제20 액적의 정규화된 토출 속도를 예시한다. 도 22b는 순환 유동(F)이 3 mm/s인 경우의 압력 챔버(23) 내의 잉크의 농축 정도를 예시하고, 도 22c는 순환 유동(F)이 1 mm/s인 경우를 예시한다. 이들 도면은 컬러가 더 어두울수록 잉크가 더 농축되고, 점도가 더 높아진다는 것을 보여준다. 여기에 도시된 순환 유속은 압력 챔버(23) 내의 액체의 순환 유속이다.
도 23은 다양한 헤드 온도에서 토출구(13)로부터의 평균 증발율과 토출구(13)의 직경 사이의 관계를 예시한다. 증발율은 잉크가 토출구(13)로부터 얼마나 신속하게 증발하는지이며, 단위 시간당 증발하는 잉크층의 두께로서 규정된다. 더 구체적으로, 증발율은 단위 시간당 증발하는 토출구 형성 부재(12)를 통과하는 토출 부분(25) 내의 액체의 두께와 같다. 순환 유동(F)이 느린 경우(순환 유속이 1 mm/s)(도 22c), 토출구(13)로부터의 증발율의 영향이 크고, 그래서, 증발에 기인하여 농축되는 잉크의 토출구(13) 부근의 정체가 순환 유동(F)에 의해 쉽게 방지되지 않는다. 결과적으로, 농후화된 잉크가 토출 정지 이후 토출구(13) 부근에 정체하는 경향이 있고, 그래서, 최초 잉크 토출의 토출 속도가 낮다(도 22a). 한편, 순환 유동(F)이 빠른 경우(순환 유속이 3 mm/s)(도 22b), 토출구(13)로부터의 증발율의 영향이 비교적 약화되고, 그래서, 증발에 기인하여 농축되는 잉크의 토출구(13) 부근의 정체가 쉽게 발생하지 않는다. 결과적으로, 최초 잉크 토출의 토출 속도가 느려지는 것이 억제된다(도 22a). 따라서, 순환 유동(F)의 유속은 토출구(13)로부터의 증발율보다 빠른 것이 바람직하다. 헤드 온도가 높은 경우, 토출구(13)에서의 증발율이 극도로 높을 것이다.
도 23을 추가로 참조하면 토출구(13)의 직경이 16 μm이고, 헤드 온도가 40℃인 경우 증발율은 대략 150 μm/s라는 것을 보여준다. 따라서, 액체 채널(24) 내의 유속(순환 유동(F)의 유속)을 3 mm/s 또는 그보다 빠르게 설정하거나 토출구(13)에서의 증발율의 27배 이상으로 설정함으로써, 토출구(13)로부터의 증발에 기인한 토출구(13) 부근의 농후화된 잉크의 정체가 억제될 수 있다. 또한, 기록 소자(15)에서 발생되는 기포의 비대칭성을 억제하기 위해, 액체의 유속은 바람직하게는 140 mm/s 이하 또는 토출구(13)에서의 증발율의 1260배 이하로 설정된다. 액체 토출 헤드(3)의 액체 공급 채널(18)에 제공되는 액체의 고체 밀도는 열적 잉크젯 시스템의 토출 특성의 적절성 및 잉크 농후화의 영향의 억제를 고려하여, 6 내지 25 중량%인 것이 바람직하다.
한편, 순환 유동(F)의 유속이 빠른 경우, 기록 소자(15) 상에 발생된 기포가 비대칭적인 경우 문제가 발생한다. 도 24a 내지 도 24d는 다음과 같이 압력차(ΔP)를 변경함으로써 순환 유속이 변경되는 경우 기록 소자(15) 상의 기포(B)를 예시한다.
도 24a: 순환 유속 = 140 mm/s(압력차 ΔP = 1400 mmAq)
도 24b: 순환 유속 = 500 mm/s(압력차 ΔP = 5000 mmAq)
도 24c: 순환 유속 = 1000 mm/s(압력차 ΔP = 10,000 mmAq)
도 24d: 순환 유속 = 1500 mm/s(압력차 ΔP = 15,000 mmAq)
도 24b 내지 도 24d로부터 순환 유속이 더 빠를수록 기록 소자(15) 위의 기포(B)가 더 비대칭적이고, 기포(B)에 의해 토출되는 액적(L)이 토출구 형성 부재(12)의 토출구 형성 면(12a)에 수직인 방향에 대하여 더 많이 경사지게 된다는 것을 알 수있다. 한편, 순환 유속이 도 24a에서와 같이 느린 경우, 기포(B)는 대칭성을 유지하고, 액적(L)은 토출구 형성면(12a)에 수직인 방향에 대하여 쉽게 경사지지 않는다.
본 실시예에서, 액체 채널(24)의 순환 유동(F)의 유속이 140 mm/s 이하로 설정되거나 액체 공급 채널(18)의 입구 압력이 1400 mmAq 이하의 압력 차압만큼 액체 회수 채널(19)의 출구 압력보다 높도록 설정된다. 따라서, 토출구 형성 면(12a)에 수직인 방향에 대한 토출 방향의 액적(L)의 경사가 감소될 수 있다.
따라서, 순환 유속을 3 내지 140 mm/s로 설정함으로써(30 내지 1400 mmAq의 압력차(ΔP)), 토출구(13)로부터의 잉크의 증발에 기인한 잉크의 농후화를 감소시키면서 기포의 비대칭성 및 결과적인 기포의 토출 방향의 경사가 억제될 수 있다.
제2 실시예
제2 실시예에 따른 기록 소자 기판(10)의 구성은 도 21a 내지 도 21c에 예시된 것과 동일하지만, 액체 공급 채널(18)의 입구 압력(Pin)과 액체 회수 채널(19)의 출구 압력(Pout) 양자 모두는 대기압보다 낮은 부압이다. 마찬가지로 여기서 차압(ΔP)이 Pin과 Pout 사이에서 생성되며, 그에 의해, 순환 유동(F)을 형성한다. Pin 및 Pout 양자 모두는 부압이고, 그래서, 토출구(13)에 대면하는 위치(압력 챔버(23))에서의 액체 채널(24)의 압력(Pnoz)도 부압이다. 따라서, 액체 공급 채널(18) 또는 액체 회수 채널(19)의 압력이 기포 등의 발생에 기인하여 변경되는 경우에도, Pnoz는 부압으로 일정하게 유지된다. 따라서, 본 실시예는 토출구(13)로부터의 잉크 누설이 억제되는 장점을 갖는다.
제3 실시예
제3 실시예에 따른 기록 소자 기판(10)의 구성은 도 21a 내지 도 21c에 예시된 거소가 동일하지만 다음의 관계
Pnoz = (Pin + Pout)/2 ≥ -4 x γ/Φ(수학식 1)
가 성립되며, 여기서, γ는 잉크의 표면 장력을 나타내고, Φ는 토출구의 유효 직경을 나타낸다.
Pin이 액체 공급 채널(18)의 입구 압력이고, Pout이 액체 회수 채널(19)의 출구 압력이며, Pnoz가 토출구(13)에 대면하는 위치에서 액체 채널(24)의 압력이라는 것은 이미 설명하였다. 액체 채널(24)의 입구 단부 부분(24a)과 출구 단부 부분(24b)에 대한 치수가 대략적으로 동일한 경우, Pin, Pout 및 Pnoz 사이의 관계는 일반적으로 다음과 같다.
Pnoz = (Pin + Pout)/2(수학식 2)
Pnoz가 부압인 경우, 토출 부분(25) 내의 잉크의 메니스커스 계면이 도 25a에 예시된 바와 같이 가라앉는다. 부압이 매우 더 커지는 경우, 도 25b에 예시된 바와 같이 메니스커스 계면이 붕괴되어 기록 소자(15) 위에 충분한 잉크가 존재하지 않거나 잉크가 전혀 존재하지 않는 상태가 초래되어 정상적 토출이 어려워지게 된다.
도 25c는 (수학식 1)에서 4 x γ/Φ의 관계를 예시하는 도면이다. 수평 축은 토출구(13)의 직경을 나타내고, 수직 축은 메니스커스 계면이 붕괴되지 않는 부압을 나타낸다. 일반적으로, 액체 토출구 내의 잉크의 메니스커스는 표면 장력(γ)와 토출구의 직경(Φ)에 의존한다. 30 mN/m과 20 mN/m의 표면 장력에서의 결과가 예시되어 있다. 30 mN/m과 20 mN/m의 곡선 위쪽은 메니스커스가 붕괴되는 영역이고, 아래쪽은 메니스커스가 유지되는 영역이다. 토출구의 직경이 클수록, 임계 부압은 더 작아지고(메니스커스 계면 붕괴가 더 용이해지고), 표면 장력이 작을수록, 임계 부압은 더 작아진다(메니스커스 계면 붕괴가 더 용이해진다). 따라서, 토출구 직경(Φ)이 12 μm이고, 표면 장력(γ)이 20 mN/m인 경우, Pnoz가 적어도 -700 mmAq 이상으로 유지되어야 하거나, 계면이 붕괴할 가능성이 상승한다. 따라서, 액체 공급 채널(18)의 압력(Pin) 및 액체 회수 채널(19)의 압력(Pout)을 Pnoz가 -700 mmAq 이상으로 유지되도록 설정하는 것은 메니스커스 계면의 붕괴를 억제할 수 있다. 또한, 이 값은 토출구의 직경 및 표면 장력에 따라 변할 것임을 알 수 있다.
또한, Pin이 제2 실시예에서와 같이 일정하게 부압을 유지하는 경우에,
Pin ≤ -0, Pnoz ≥ -4 x γ/Φ, Pout ≥ -8 x γ/Φ(수학식 3)
이 성립된다. Pin이 부압을 유지하는 경우, 메니스커스 계면의 붕괴를 방지하기 위해 상술한 관계가 충족될 필요가 있다. 토출구 직경(Φ)이 12 μm이고, 표면 장력(γ)이 20 mN/m인 경우,
Pin ≤ -0, Pnoz ≥ -700 mmAq이고,
따라서, Pout ≥ -1400 mmAq가 산출된다. 따라서, Pin이 부압을 유지하는 경우, 메니스커스 계면의 붕괴를 방지하는 관점에서 1400 mmAq를 초과한 차압(ΔP)의 설정이 곤란하다. 상술한 값은 토출구의 직경 및 표면 장력에 따라 변할 것이다.
제4 실시예
도 26a는 기록 소자 기판 내의 액체 채널을 예시하는 평면도이고, 도 26b는 도 26a 내의 선 XXVIB-XXVIB을 따라 취한 단면도이다. 액체 공급 채널(18)과 액체 채널(24)을 연결하는 다수의 공급 포트(17a) 및 액체 회수 채널(19)과 액체 채널(24)을 연결하는 다수의 회수 포트(17b)가 제공된다. 공급 포트(17a)는 회수 포트(17b)가 서로 그러한 바와 같이 벽(27)에 의해 서로 격리되어 있다. 벽(27)을 통해 기록 소자(15)에 연결된 배선을 통과시키는 것은 단 하나의 공급 포트 또는 회수 포트만이 제공되는 경우에 비해 전기 배선을 위한 배선 공간이 확보될 수 있게 한다. 공급 포트(17a) 및 회수 포트(17b)는 본 실시예에서 각 기록 소자(15)에 대응하여 제공되지만, 공급 포트(17a) 및 회수 포트(17b)의 수는 이에 한정되지 않으며, 공급 포트(17a) 및 회수 포트(17b) 중 적어도 하나가 복수로 제공되는 것으로 충분하다.
본 발명에 따르면, 액적의 토출 방향이 토출구 형성면에 수직인 방향에 대하여 쉽게 기울어지지 않고, 또한, 토출구로부터의 액체의 증발에 기인한 액체의 농후화가 억제되는 액체 토출 헤드 및 액체 토출 방법이 제공된다.
예시적 실시예를 참조로 본 발명을 설명하였지만, 본 발명은 개시된 예시적 실시예에 한정되지 않음을 이해하여야 한다. 이하의 청구범위의 범주는 모든 이런 변형과 균등 구조 및 기능을 포함하도록 가장 넓은 해석에 준한다.

Claims (23)

  1. 액체 토출 헤드이며,
    액체를 토출하기 위해 사용되는 열 에너지를 발생시키도록 구성된 기록 소자가 배치되는 기판; 및
    상기 기록 소자에 대면하면서 액체를 토출하도록 구성되는 토출구가 형성되는 토출구 형성 부재를 포함하고,
    상기 액체 토출 헤드는, 압력 챔버, 상기 압력 챔버에 액체를 공급하도록 구성된 제1 액체 채널 및 상기 압력 챔버로부터 액체를 회수하도록 구성된 제2 액체 채널을 갖고,
    상기 기판은, 액체를 상기 제1 액체 채널에 공급하도록 상기 제1 액체 채널에 연결된 액체 공급 채널 및 액체를 상기 제2 액체 채널로부터 회수하도록 상기 제2 액체 채널에 연결된 액체 회수 채널을 가지며,
    상기 제1 액체 채널의 입구 부분에서의 압력은 상기 제2 액체 채널의 출구 부분에서의 압력보다 30 내지 1400 mmAq 높도록 설정되고,
    Pnoz = (Pin + Pout)/2 ≥ -4 x γ/Φ (수학식 1)
    이 유지되고, Pin은 상기 액체 공급 채널의 입구 부분 압력을 나타내고, Pout는 상기 액체 회수 채널의 출구 부분 압력을 나타내고, Pnoz는 상기 압력 챔버에서의 압력을 나타내고, γ는 잉크의 표면 장력을 나타내고, Φ는 상기 토출구의 유효 직경을 나타내는, 액체 토출 헤드.
  2. 액체 토출 헤드이며,
    액체를 토출하기 위해 사용되는 열 에너지를 발생시키도록 구성된 기록 소자가 배치되는 기판; 및
    상기 기록 소자에 대면하면서 액체를 토출하도록 구성되는 토출구가 형성되는 토출구 형성 부재를 포함하고,
    상기 액체 토출 헤드는, 압력 챔버, 상기 압력 챔버에 액체를 공급하도록 구성된 제1 액체 채널 및 상기 압력 챔버로부터 액체를 회수하도록 구성된 제2 액체 채널을 갖고,
    상기 기판은, 액체를 상기 제1 액체 채널에 공급하도록 상기 제1 액체 채널에 연결된 액체 공급 채널 및 액체를 상기 제2 액체 채널로부터 회수하도록 상기 제2 액체 채널에 연결된 액체 회수 채널을 가지며,
    상기 액체 공급 채널의 입구 부분에서의 압력은 상기 액체 회수 채널의 출구 부분에서의 압력보다 높고, 상기 압력 챔버 내의 액체의 유속은 3 내지 140 mm/s이고,
    Pnoz = (Pin + Pout)/2 ≥ -4 x γ/Φ (수학식 1)
    이 유지되고, Pin은 상기 액체 공급 채널의 입구 부분 압력을 나타내고, Pout는 상기 액체 회수 채널의 출구 부분 압력을 나타내고, Pnoz는 상기 압력 챔버에서의 압력을 나타내고, γ는 잉크의 표면 장력을 나타내고, Φ는 상기 토출구의 유효 직경을 나타내는, 액체 토출 헤드.
  3. 액체 토출 헤드이며,
    액체를 토출하기 위해 사용되는 열 에너지를 발생시키도록 구성된 기록 소자가 배치되는 기판; 및
    상기 기록 소자에 대면하면서 액체를 토출하도록 구성되는 토출구가 형성되는 토출구 형성 부재를 포함하고,
    상기 액체 토출 헤드는, 압력 챔버, 상기 압력 챔버에 액체를 공급하도록 구성된 제1 액체 채널 및 상기 압력 챔버로부터 액체를 회수하도록 구성된 제2 액체 채널을 갖고,
    상기 기판은, 액체를 상기 제1 액체 채널에 공급하도록 상기 제1 액체 채널에 연결된 액체 공급 채널 및 액체를 상기 제2 액체 채널로부터 회수하도록 상기 제2 액체 채널에 연결된 액체 회수 채널을 가지며,
    상기 액체 공급 채널의 입구 부분에서의 압력은 상기 액체 회수 채널의 출구 부분에서의 압력보다 높고, 상기 압력 챔버 내의 액체의 유속은 상기 토출구에서의 액체의 증발율의 27배 내지 1260 배이고,
    Pnoz = (Pin + Pout)/2 ≥ -4 x γ/Φ (수학식 1)
    이 유지되고, Pin은 상기 액체 공급 채널의 입구 부분 압력을 나타내고, Pout는 상기 액체 회수 채널의 출구 부분 압력을 나타내고, Pnoz는 상기 압력 챔버에서의 압력을 나타내고, γ는 잉크의 표면 장력을 나타내고, Φ는 상기 토출구의 유효 직경을 나타내는, 액체 토출 헤드.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 액체 채널, 상기 제2 액체 채널 및 상기 압력 챔버는 각각 상기 기판과 상기 토출구 형성 부재 사이에 제공되는, 액체 토출 헤드.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 액체 채널 및 상기 제2 액체 채널의 높이 각각은 3 μm 이상 25 μm 이하인, 액체 토출 헤드.
  6. 제5항에 있어서,
    복수의 상기 토출구가 600 dpi 이상으로 배열되며,
    상기 액체 채널들의 높이는 7 μm 이하인, 액체 토출 헤드.
  7. 삭제
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액체 공급 채널의 입구 부분에서의 압력과 상기 액체 회수 채널의 출구 부분에서의 압력 양자 모두는 부압인, 액체 토출 헤드.
  9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액체 토출 헤드는 상기 액체 공급 채널과 상기 제1 액체 채널 사이의 연결 부분인 공급 포트 및 상기 액체 회수 채널과 상기 제2 액체 채널 사이의 연결 부분인 회수 포트를 구비하고, 상기 공급 포트와 상기 회수 포트 중 하나 이상이 복수개 제공되는, 액체 토출 헤드.
  10. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액체 공급 채널 및 상기 액체 회수 채널은 복수의 상기 토출구가 배열되는 방향으로 연장하는, 액체 토출 헤드.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 공급 포트 및 상기 회수 포트는 상기 기판의 주면(main face)에 직교하는 방향으로 연장하는, 액체 토출 헤드.
  12. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판과 상기 토출구 형성 부재를 포함하는 기록 소자 기판; 및
    복수의 상기 기록 소자 기판을 지지하는 채널 부재를 더 포함하는, 액체 토출 헤드.
  13. 제12항에 있어서,
    복수의 상기 기록 소자 기판이 직선으로 배열되는, 액체 토출 헤드.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 채널 부재는, 복수의 상기 기록 소자 기판에 액체를 공급하도록 구성된 공통 공급 채널 및 복수의 상기 기록 소자 기판으로부터 액체를 회수하도록 구성된 공통 회수 채널을 포함하는, 액체 토출 헤드.
  15. 제12항에 있어서,
    복수의 모듈을 더 포함하고,
    상기 복수의 모듈은,
    상기 기록 소자 기판과,
    상기 기록 소자 기판에 연결되도록 구성된 가요성 인쇄 회로 기판, 및
    상기 기록 소자 기판을 지지하는 지지 부재를 포함하는, 액체 토출 헤드.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 공통 공급 채널 및 상기 공통 회수 채널은 복수의 상기 기록 소자 기판이 연장하는 방향으로 연장하고,
    상기 액체 토출 헤드는 페이지-와이드 액체 토출 헤드인, 액체 토출 헤드.
  17. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액체 공급 채널과 연통하는 공급 개구 및 상기 액체 회수 채널과 연통하는 회수 개구를 갖는 커버가, 상기 토출구 형성 부재가 제공되는 측부로부터의 상기 기판의 이면에 제공되는, 액체 토출 헤드.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 커버는 필름형 수지 부재인, 액체 토출 헤드.
  19. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    고체의 농도가 6 내지 25 중량%인 액체가 상기 액체 공급 채널로부터 상기 제1 액체 채널을 거쳐 상기 압력 챔버로 공급되는, 액체 토출 헤드.
  20. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압력 챔버 내의 액체는 상기 압력 챔버의 내측과 상기 압력 챔버의 외측 사이에서 상기 액체 공급 채널 및 상기 액체 회수 채널을 거쳐 순환되는, 액체 토출 헤드.
  21. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압력 챔버의 내측과 상기 압력 챔버의 외측 사이에서 상기 압력 챔버 내의 액체를 순환시키면서 상기 기록 소자가 구동되고 액체가 상기 토출구로부터 토출되는, 액체 토출 헤드.
  22. 액체 토출 방법이며,
    제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 액체 토출 헤드로 고체의 농도가 6 내지 25 중량%인 액체를 공급하는 단계를 포함하는, 액체 토출 방법.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 압력 챔버의 내측과 상기 압력 챔버의 외측 사이에서 상기 압력 챔버 내의 액체를 순환시키면서 상기 기록 소자가 구동되어 액체가 상기 토출구로부터 토출되는, 액체 토출 방법.
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