KR20190002349A - 액체 토출 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고밀도에 배열된 토출구의 근방에 새로운 잉크를 순환 및 공급하면서, 안정된 토출 동작을 행하는 것이 가능한 액체 토출 모듈을 제공한다. 이를 달성하기 위해, 액체 토출 모듈은, 복수의 토출 소자가 배열된 소자 배열면, 압력실에 액체를 공급하는 공급 유로 및 압력실로부터 액체를 회수하는 회수 유로를 포함하는 순환 유로, 및 압력실의 액체를 순환시키기 위해 순환 유로 내에 제공된 액체 전달 기구를 포함한다. 액체 전달 기구는 소자 배열면보다 낮게 위치된다.

Description

액체 토출 모듈{LIQUID EJECTING MODULE}
본 발명은 액체 토출 모듈에 관한 것이다.
잉크젯 기록 헤드와 같은 액체 토출 모듈에서는, 토출 동작이 잠시 작동되지 않는 토출구로부터 휘발 성분의 증발이 발생하고, 그로인해 잉크(액체)의 변질이 문제가 될 경우가 있다. 이는 휘발 성분의 증발로 인해 색재와 같은 성분의 농도가 상승하고, 색재가 안료일 경우에는 안료의 응집이나 침강이 발생하여 토출 상태에 영향을 주기 때문이다. 구체적으로는, 토출량 및 토출 방향이 분산되고, 화상 내의 밀도 불균일이나 줄무늬가 확인되는 경우가 있을 수 있다.
이러한 잉크의 변질을 억제하기 위해서, 최근에는, 액체 토출 모듈내에서 잉크를 순환시켜서, 끊임없이 새로운 잉크를 토출구에 공급하는 방법이 제안되고 있다. 국제 공개 번호 WO2012/054017에는, 노즐을 갖는 다이와 다이에 잉크를 제공하는 다이 캐리어 사이에 제공된 잉크 바이패스 갭에 의해 잉크를 순환시키는 구성이 개시되고 있다. 국제 공개 번호 WO2011/146149에는, 토출을 위한 에너지를 발생하는 소자, 펌프 기능, 및 순환을 위해 소자와 기능을 연결하는 개별 유로를 동일한 다이면에 배열하여, 개개의 노즐에 접속하는 유로 내에서 잉크의 순환을 촉진시키는 구성이 개시되고 있다. 국제 공개 번호 WO2013/032471에는, 토출을 위한 에너지 발생 소자에 인접하는 위치에 액추에이터를 배치하여, 토출구에 매우 근접한 위치에서 잉크 순환을 촉진하는 구성이 개시되고 있다.
본 발명의 양태에 따르면, 액체 토출 모듈이 제공되며, 복수의 토출 소자가 배열된 소자 배열면, 액체가 수용된 압력실을 포함하는 각 토출 소자, 압력실의 액체에 에너지를 부여하는 에너지 발생 소자, 그리고 에너지 발생 소자에 의해 에너지가 부여된 액체를 토출하는 토출구를 포함하고, 순환 유로는 압력실에 액체를 공급하는 공급 유로와 상기 압력실로부터 액체를 회수하는 회수 유로를 포함하고, 압력실내의 액체를 순환시키는 순환 유로 내에 제공된 액체 전달 기구, 토출구로부터 토출될 유체의 방향이 하부측으로부터 상부측으로의 방향으로 가정되는 경우에, 액체 전달 기구는 소자 배열면보다 낮게 배치된다.
본 발명의 추가적인 특징은 첨부된 도면을 참조로 하는 예시적인 실시예의 하기 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 잉크젯 기록 헤드의 사시도이다.
도 2a 및 도 2b는 제1 실시예에 따른 하나의 블록의 유로 구성도이다.
도 3은 교류 전기 삼투형(ACEO) 펌프의 평면도이다.
도 4a 내지 도 4c는 액추에이터를 사용한 액체 전달 기구를 도시하는 도면이다.
도 5a 내지 도 5c는 복수의 액추에이터를 사용한 액체 전달 기구를 도시하는 도면이다.
도 6a 내지 도 6d는 액추에이터의 예를 나타내는 도면이다.
도 7a 및 도 7b는 제1 실시예의 변형예를 도시하는 도면이다.
도 8a 및 도 8b는 제2 실시예에 따른 하나의 블록의 유로 구성도이다.
도 9a 및 도 9b는 제2 실시예의 변형예를 도시하는 도면이다.
그러나, 국제 공개 번호 WO2012/054017의 구성에서는, 실제로 잉크가 순환하는 경로와 토출구가 이격되어 있고, 따라서 토출구의 말단까지 잉크 순환 효과를 미치는 것이 곤란하다. 이런 이유로, 토출구의 말단에 위치하는 잉크에서 증발이 진행되고, 따라서 초기에 토출되는 잉크 방울은 반드시 안정된 상태를 유지할 수 있는 것은 아니다.
국제 공개 번호 WO2011/146149의 구성에서는, 토출구 근방의 잉크가 순환될 수 있다. 그러나, 에너지 발생 소자, 펌프 및 이들을 연결하는 순환 유로가 모두 에너지 발생 소자가 배치된 동일한 다이면에 배열되고, 펌프 및 순환 유로의 갯수는 에너지 발생 소자의 갯수에 대응하기 때문에, 에너지 발생 소자를 고밀도로 배치할 수 없고, 그로인해 고해상도 및 소형화의 양자 모두의 달성에 어려움이 야기된다.
이와 달리, 국제 공개 번호 WO2013/032471의 구성에서는, 국제 공개 번호 WO2011/146149의 구성에 비해 고밀도의 토출구를 달성하면서, 토출구 근방의 잉크가 순환 가능하다. 그러나, 국제 공개 번호 WO2013/032471의 구성에서는 에너지 발생 소자에 인접하게 배치된 액추에이터가 유로(압력실)를 가압하도록 수직 이동을 만들고, 따라서 압력실의 높이가 액추에이터의 진폭보다 클 필요가 있다. 그 결과, 에너지 발생 소자에서의 토출 동작을 위한 에너지 효율이 감소된다. 특히, 액추에이터가 토출구가 형성된 면 내에 배열되어 있기 때문에, 액추에이터의 형성에 의해 토출구가 형성된 판의 두께가 제한되어, 토출구를 더욱 얇게 만들지 못한다. 이에 따라, 토출구 내에서의 압력 손실이 커지고 토출시에 더 많은 에너지가 소비되는 문제가 있을 수 있다.
본 발명은 상기 문제를 해결하기 위해서 이루어진 것이다. 따라서, 본 발명의 목적은 고밀도로 배열된 토출구의 근방에 새로운 잉크를 순환 및 공급하면서, 안정된 토출 동작을 행하는 것이 가능한 액체 토출 모듈을 제공하는 것이다.
액체 토출 모듈은 액체 토출 헤드의 구성의 적어도 일부를 구성한다는 점에 유의해야 한다. 전체 프린터에서, 공급관 등을 통해 액체 서브 탱크 및 메인 탱크가 액체 토출 헤드와 연결된 시스템 및 액체 토출 헤드가 제공되는 경우에, 공급관, 서브 탱크, 및 메인 탱크 자체는 액체 토출 모듈에 포함되지 않는다. 한편으로는, 예를 들어 액체 토출 헤드의 노즐을 포함하는 칩이라고 불리는 부분이 액체 토출 모듈에 대응한다. 또한, 교체를 위해 프린터로부터 독립적으로 분리되는 부분 또한 액체 토출 모듈에 대응한다.
제1 실시예
도 1은 본 발명의 액체 토출 모듈로서 사용 가능한 잉크젯 기록 헤드(100)(이하, 간단히 기록 헤드라고도 지칭됨)의 사시도이다. 기록 헤드(100)는 복수의 기록 소자 기판(4)을 갖고, 이는 Y 방향으로 배열된 복수의 기록 소자로 구성되고, Y 방향으로 배열된다. 본 예에서, Y 방향으로 A4 크기의 폭에 대응하는 거리만큼 기록 소자 기판(4)을 배열함으로써 구성된 풀라인형의 기록 헤드(100)가 도시된다.
기록 소자 기판(4)은 각각의 플렉시블 배선 기판(101)을 통해 동일한 전기 배선판(102)에 접속된다. 전기 배선판(102) 상에, 전력을 수용하기 위한 전력 공급 단자(103) 및 토출 신호를 수신하기 위한 신호 입력 단자(104)가 배열된다. 한편으로는, 잉크 공급 유닛(105)에는, 도시되지 않은 잉크 탱크로부터 공급된 잉크를 개개의 기록 소자 기판(4)에 공급하거나 기록에서 소비되지 않은 잉크를 회수하는 순환 유로가 형성된다.
상기 구성에서, 기록 소자 기판(4)에 배치된 각각의 기록 소자는, 신호 입력 단자(104)로부터 입력된 토출 신호에 근거하여, 전력 공급 단자(103)로부터 공급된 전력을 사용하여, 잉크 공급 유닛(105)으로부터 공급된 잉크를 도면의 Z 방향으로 토출한다.
도 2a 및 도 2b는 하나의 블록 내의 유로의 구성을 도시하는 도면이다. 도 2a는 토출구에 대향하는 측(+Z 방향측)으로부터 본 액체 토출 모듈의 기록 소자 기판(4)의 사시도이고, 도 2b는 단면도이다.
본 실시예에서, 도 2a에 도시된 바와 같이, 하나의 유로 블록은 기록 소자에 의해 공유되는, Y 방향에 인접하게 배열된 특정 수(이 경우에는 6개)의 기록 소자 및 공통 공급 유로(5) 및 공통 회수 유로(6)를 포함한다. 잉크 공급 유닛(105)으로부터 공급된 잉크는, 각 유로 블록별로 준비된 순환 유로를 통해 기록 소자 기판(4) 내에서 순환한다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 기록 소자 기판(4)은, 제2 기판(13), 제1 기판(12), 기능층(9), 유로 형성 부재(10) 및 토출구 형성 부재(11)가 Z 방향으로 지명된 순서대로 적층되도록 구성된다. 기능층(9)의 표면 상에, 전열 변환 소자인 에너지 발생 소자(1)가 배치된다. 또한, 에너지 발생 소자(1)에 대응하는 위치에서 토출구 형성 부재(11) 상에 토출구(2)가 형성된다. 기능층(9)과 토출구 형성 부재(11)의 사이에 개재된 유로 형성 부재(10)는, Y 방향으로 배열된 복수의 에너지 발생 소자(1)의 사이에서 개개의 에너지 발생 소자(1) 및 토출구(2)에 대응하는 압력실(3)을 형성하도록 격막으로서 배열된다. 압력실(3)의 아래에, 압력실(3)을 통과하지 않고 공급 유로(5) 및 회수 유로(6)를 연결하는 접속 유로(7)가 제공된다.
압력실(3)에 수용된 잉크는, 안정 상태에서 토출구(2)의 위치에서 메니스커스를 형성한다. 토출 신호를 따라서 에너지 발생 소자(1)에 전압 펄스가 부여되면, 에너지 발생 소자(1)에 접촉하는 잉크에 막 비등이 발생하고, 발생된 기포의 성장 에너지에 의해 잉크가 방울로서 토출구(2)로부터 Z 방향으로 토출된다. 액체가 토출구(2)로부터 토출되는 방향(이 경우에는 Z 방향)을 하부측으로부터 상부측을 향하는 방향으로 가정하면, 잉크는 하부측으로부터 상부측을 향해서 토출된다. 실제의 잉크 토출에서, 잉크는 중력 방향의 상부측으로부터 하부측을 향해서 토출될 수 있고, 상기 가정 하에서, 중력 방향의 상부측이 "하부측"으로 지칭되고 중력 방향의 하부측이 "상부측"으로 지칭된다. 또한, 본 실시예에서, 토출구(2), 에너지 발생 소자(1), 및 압력실(3)의 조합을 기록 소자(토출 소자)라고 일괄적으로 지칭한다는 점에 유의해야 한다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 기록 소자 기판(4)에서, 제2 기판(13), 제1 기판(12), 기능층(9), 유로 형성 부재(10) 및 토출구 형성 부재(11) 각각이 순환 유로를 형성하기 위해 벽으로서의 역할을 한다. 일반적으로, 공급 유로(5) 및 회수 유로(6)는 블록 내의 기록 소자(특정 수의 압력실)에 대해 잉크를 공급 및 회수한다. 접속 유로(7)의 중간쯤에 대응하는 제2 기판(13)의 표면 상에, 액체 전달 기구(8)가 배열된다. 액체 전달 기구(8)는, 회수 유로(6)에서 공급 유로(5)까지 잉크를 유동시켜 잉크의 순환을 촉진하기 위해 에너지 발생 소자가 형성된 제1 기판의 면의 배면과 대향하는 위치에 위치된다. 즉, 공급 유로(5) 및 회수 유로(6)를 포함하는 순환 유로는, 압력실(3)의 내부와 그 외부 사이에서 액체를 순환시키기 위한 유로이다.
이와 같은 구성에서, 공급구(15)를 통해 잉크 공급 유닛(105)으로부터 공급된 잉크는, 공급 유로(5), 압력실(3), 회수 유로(6), 및 접속 유로(7)의 순서대로 기록 소자 기판(4) 내에서 순환한다. 일단 토출 동작에 의해 압력실(3) 내의 잉크가 소비되면, 메니스커스를 재형성하기 위해 토출구(2)에 새로운 잉크가 공급된다. 토출 동작이 수행되지 않아도, 토출구(2) 근방에 새로운 잉크를 끊임없이 공급하기 위해 상기 순환이 이루어진다. 그런데, 도면에는 도시되어 있지 않지만, 압력실(3)에 도달하기 전에 공급 유로(5) 내에 이물질 및 기포의 개입을 방지하기 위한 필터가 제공되는 것이 바람직하다. 필터로서, 주상 구조가 채용될 수 있다.
상술된 바와 같은 기록 소자 기판(4)은, 제1 기판(12) 및 제2 기판(13)의 각각의 구조를 미리 형성하고, 그 후에, 도시된 바와 같이 제1 기판(12)과 제2 기판(13)을 함께 접합함으로써 제조될 수 있다. 접속 유로(7)는 제1 기판(12)과 제2 기판(13)을 접합할 때, 그 사이에 홈을 갖는 중간층을 도입함으로써 형성될 수 있고, 또는 대안적으로, 제1 기판(12)의 배면(-Z 방향측) 상에 에칭(etching)을 행하는 것에 의해 형성될 수도 있다.
상기 구조의 치수의 구체적인 예가 이하에 설명될 것이다. 기록 헤드(100)에서, 에너지 발생 소자(1), 토출구(2) 및 압력실(3)을 각각 포함하는 기록 소자가, Y 방향으로 600npi(1인치당 노즐)의 밀도로 배열된다. 에너지 발생 소자(1)의 크기는 20㎛ × 20㎛이고, 토출구(2)의 직경은 18㎛이고, 압력실(3)의 크기는 X 방향으로 100㎛ × Y 방향 35㎛ × Z 방향으로 5㎛이다. 또한, 공급 유로(5) 및 회수 유로(6)의 단면 형상은 20㎛ × 40㎛이고, 토출구 형성 부재(11)의 두께는 5㎛이다. 또한, 사용하는 잉크의 점도는 2cP이며, 개개의 토출구로부터의 잉크 토출량은 2pl이다.
이어서, 본 실시예에서 채택 가능한 액체 전달 기구(8)의 구체적인 예가 이하에 설명될 것이다. 도 3은, 액체 전달 기구(8)로서 채택 가능한 교류 전기 삼투형(ACEO) 펌프의 평면도이다. 빗살 형상을 갖는 전극군 세트는 다른 폭 및/또는 높이를 가지며, 이들이 상호 맞물리도록 배열된다. 이들 전극 사이에 교류 전압을 부여함으로써, 액체가 원하는 방향으로 유동하도록 그 위에 위치된 액체에 비대칭 전기장이 발생된다.
예를 들어, 전극군 세트는 3㎛ 의 전극 폭을 갖는 일 전극군과 10㎛의 전극 폭을 갖는 다른 전극군을 포함하고, 각 전극 군은 그 사이에 3㎛ 간격을 갖는 전극을 가진다. 이들 전극군은 폭 100㎛ 및 높이 20㎛를 갖는 유로에 배열된다. 그 후에, 10kHz 내지 100kHz의 주기에서 5V 내지 30V의 전압이 부여된다. 그 결과, 잉크의 전기 분해를 유발하지 않고 적절한 잉크 유동이 접속 유로(7)를 포함하는 전체 순환 유로에 발생 될 수있다.
도 4a 내지 도 4c는 액체 전달 기구(8)로서 액추에이터(20)를 사용한 경우의 구성을 도시하는 도면이다. 도 4a는 접속 유로(7)의 평면도이고, 도 4b는 단면도를 도시한다. 액추에이터(20)는 전압의 부여에 의해 접속 유로(7)상에 노출된 다이어프램(21)을 변위시켜, 유로의 용적을 변화시킨다.
본 예의 접속 유로(7)에서, 액추에이터(20)의 하류측[공급 유로(5) 측]의 유로는 상류측[회수 유로(6) 측]의 유로의 것보다 높은 유로 저항 및 낮은 이너턴스(inertance)를 갖도록 설정된다. 보다 구체적으로는, 도 4b에 도시된 바와 같이, Z 방향으로 20㎛의 높이를 갖는 접속 유로(7)에서, 약 100㎛의 직경 및 약 5㎛의 두께를 갖는 Si 등으로 이루어진 다이어프램(21)이 배열된다. 그 후에, 액추에이터(20)의 회수 유로(6) 측에는, Y 방향으로 20㎛의 폭 및 X 방향으로 20㎛의 길이를 갖는 1개의 유로가 준비된다. 또한, 공급 유로(5) 측에는, Y 방향으로 60㎛의 폭 및 X 방향으로 200㎛의 길이를 각각 갖는 2개의 유로가 준비된다. 이와 같은 구성에서, 도 4c에 도시된 바와 같이, 회수 유로(6) 측으로부터 공급 유로(5) 측을 향한 접속 유로(7)에서의 잉크 유동을 발생시키기 위해 약 50V의 전압이 주기적으로 부여된다.
도 5a 내지 도 5c는 액체 전달 기구(8)로서 복수의 액추에이터(20)를 사용한 경우의 구성을 도시하는 도면이다. 본 예에서, 유로의 형태는 접속 유로(7)의 전체 구역에서 균일하다. 보다 구체적으로는, Y 방향으로 약 120㎛의 폭 및 Z 방향으로 약 20㎛의 높이를 갖는 유로가 X 방향으로 연장한다. 따라서, 유로 저항 및 이너턴스는 접속 유로 (7)의 전체 구역을 가로질러 각각 동등하다.
또한, 접속 유로(7) 내부에서, 도 4a 및 도 4b에 사용된 3개의 액추에이터(20) 및 3개의 다이어프램(21)이 접속 유로(7)를 따라 배치된다. 또한, 도 5c에 도시된 바와 같이, 3개의 액추에이터(20)에 대하여 약 50V의 전압이 차례로 부여된다. 그 결과, 접속 유로(7) 내부에서 회수 유로(6) 측으로부터 공급 유로(5) 측을 향해 잉크 유동이 발생된다.
도 6a 내지 도 6d는 도 4a 내지 도 4c 및 도 5a 내지 도5c에 사용된 액추에이터(20)의 예를 도시하는 도면이다. 도 6a는 액추에이터(20)로서 전자기 액추에이터(20a)를 사용한 경우의 단면도와 평면도를 도시한다. 전자기 액추에이터(20a)는 영구 자석(22) 및 코일(23)로 구성되고, 코일(23)에 전류를 흘림으로써 코일(23)과 영구 자석(22) 사이에 척력이 발생하고, 다이어프램(21)이 결과적으로 시프트되는 메커니즘을 갖는다.
코일(23)은, 예를 들어 포토 리소그래피(photo lithography)와 도금의 조합에 의해 접속 유로(7)의 면 상에 미세하게 형성될 수 있다. 또한, 영구 자석(22)을 사용하는 대신에 서로 대향하는 2개의 코일을 배치하는 구성을 채택하는 경우에도, 그들 사이에 척력 또는 인력을 발생시켜 액추에이터로서 기능시킬 수 있음에 유의해야 한다. 대안적으로, 영구 자석 또는 코일이 전자기 액추에이터(20a)의 대향 소자의 하나로서 사용되고, Fe 및 Ni과 같은 자성 물질이 대향 소자의 다른 하나로서 사용되어, 인력을 발생시키고 복원력에 대해서는 가동부의 강성에 의존시킬 수 있다.
이러한 전자기 액추에이터(20a)에 대해서, 다이어프램(21)은 비교적 크게 변위될 수 있지만, 전자기 액추에이터(20a) 그 자체를 구동하기 위해선 큰 전력이 요구된다.
도 6b는, 액추에이터(20)로서 정전 액추에이터(20b)를 사용한 경우의 단면도이다. 정전 액추에이터(20b)는, 상호 대향하는 2개의 평판 전극(24)으로 구성된다. 2개의 평판 전극(24) 사이에 전압을 부여함으로써, 이들 사이에 정전 인력이 발생하여 다이어프램(21)을 변위 시킨다. 복원력은 가동부의 강성에 의존한다. 이러한 정전 액추에이터(20b)는 2개의 평판 전극(24) 만으로 구성할 수 있으므로 비교적 간단하고 낮은 비용으로 제조될 수 있다. 그러나, 도 6a에 도시된 전자기 액추에이터(20a)와 비교하면, 다이어프램(21)의 변위량이 작으므로 원하는 변위량을 달성하기 위해서 평판 전극(24)의 크기를 늘리거나 전압을 증가시키는 것이 요구되는 경우가 있을 수 있다.
도 6c는, 액추에이터(20)로서 적층 압전체(20c)를 사용한 경우의 단면도이다. 적층 압전체(20c)는, 티타늄산 지르콘산납(PZT) 등으로 이루어진 약 10개의 압전 소결체(25)를 전극과 함께 적층해서 구성되는 액추에이터이다. 적층 압전체(20c)는, 큰 구동력을 갖는 것이 특징이고 약 20V의 전압을 부여함으로써 약 몇백 nm의 수축 운동을 실현 가능하게 한다.
도 6d는, 액추에이터(20)로서 박막 압전체(20d)를 사용한 경우의 단면도이다. 박막 압전체(20d)는 약 2㎛의 두께를 갖는 압전체(26)를 전극(27) 사이에 끼운 구조를 갖는다. 압전체(26)는 PZT 압전 박막을 갖는다. 전극(27)에 전압을 부여함으로써, 다이어프램(21)에 굽힘 모드에 의한 뒤틀림이 발생된다. 압전체(26)는 졸겔법(sol-gel method)이나 스퍼터링(sputtering)에 의해 성막될 수 있고, 포토 리소그래피를 사용하는 전극 등과 함께 패터닝 되는 것이 가능하다.
본 실시예의 액체 전달 기구(8)로서, 도 3 내지 도 6d에 도시된 어느 구성도 단독으로 또는 조합되어 채택될 수 있다. 하나의 대형 기구가 배열될 수 있고, 복수의 작은 기구가 복수 배열될 수 있거나, 다른 유형 및 크기를 갖는 기구가 배치될 수 있다. 대안적으로, 하나의 액체 전달 기구(8)는 6개의 압력실(3)에 의해 점유된 구역을 이용하도록, 공급 유로(5) 및 회수 유로(6)와 유사한 6개의 압력실(3)에 대응할 수 있다. 이 경우, 유로 저항을 감소시키거나 액추에이터(20)의 크기, 액추에이터(20)의 갯수, 및 이의 변위량을 조절하거나 하는 증가된 가변성으로 인해 액체 전달 효율이 또한 개선될 수 있다.
상술된 본 실시예의 기록 소자 기판(4)에서, 잉크가 순환되는 경로와 토출구(2)의 사이의 거리가, 국제 공개 번호 WO2012/054017에 개시된 기판과 비교하면 그렇게 크지 않다. 따라서, 잉크 순환의 효과가 토출구까지 가해질 수 있고, 잠시 후 사용하더라도, 초기에 토출될 잉크 방울의 토출 상태를 안정화할 수 있다. 또한, 본 실시예의 기록 소자 기판(4)에서, 액체 전달 기구(8)가 배열되는 면은, 복수의 기록 소자가 배열되는 소자 배열면으로부터 Z 방향으로 벗어나는 방식으로 제공되고, 그 배열 구역은 X-Y 평면 내에서 상호 중첩된다. 즉, 액체가 토출구로부터 토출되는 방향을 하부측으로부터 상부측을 향하는 방향으로 가정하면, 액체 전달 기구(8)는 소자 배열면보다 더 낮게 배치된다. 또한, 액체 토출 모듈을 토출구에 대향하는 측에서 본 경우에, 액체 전달 기구(8)는 소자 배열면 상에 복수의 기록 소자가 배열되는 구역과 중복되는 구역에 배열하고 있다. 이런 이유로, 기록 소자의 위치 설정 밀도는 액체 전달 기구(8)의 위치 설정에 영향을 받기 어렵고, 그로인해 고해상도 및 소형화를 동시에 달성한다. 또한, 국제 공개 번호 WO2013/032471에 개시된 기판과 같이 액추에이터의 변위로 인해 압력실(3)이 막히는 것을 방지할 수 있기 때문에, 이에 따라 에너지 발생 소자(1)의 에너지 효율이 감소되기 어렵다. 즉, 본 실시예에 따르면, 새로운 잉크를 고밀도로 배열된 토출구 근방에 순환시키고 공급하면서 안정된 토출 동작을 유지하는 것이 가능하다.
(변형예)
도 7a 및 도 7b는 제1 실시예의 변형예를 도시하는 도면이다. 도 7a는 액체 전달 기구(8)가 제2 기판(13) 대신 제1 기판(12)의 측에 배열된 예를 도시한다. 이러한 구성에서도, 회수 유로(6)로부터 접속 유로(7)로 유동하는 잉크는 도 2b와 유사하게 -X 방향으로 전달되고, 상기 실시예와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
도 7a에 도시된 구성의 경우에, 에너지 발생 소자(1)가 제1 기판(12)의 표면 상에 형성되고 액체 전달 기구(8)가 에너지 발생 소자(1)가 형성된 면(표면)의 배면에 형성되기 때문에, 제작 프로세스에 주의가 요해진다. 예를 들어, 에너지 발생 소자(1)의 구동 회로를 CMOS 등을 이용하여 형성하고 도 6d에 도시된 박막 압전체(26)가 액체 전달 기구(8)로서 형성된 경우에, CMOS부의 내열 온도인 450℃ 이하의 온도에서 제작 프로세스를 관리되어야 한다. 더욱 구체적으로는, 박막 압전체(26)의 성막 온도를 감소시키기 위해, 스퍼터링과 같은 방법이 채택될 필요가 있을 수 있다. 한편, 본 구성의 경우에, 1개의 Si 기판만이 소자 배열에 사용된다는 이점이 있다.
도 7b는 Y 방향으로 배열된 기록 소자가 X 방향으로 2열로 배치된 구성을 도시하는 도면이다. 제1 기판(12)과 기능층(9) 사이에, 제2 기능층(14)이 개재된다. 제1 기판(12)과 기능층(9) 사이에 형성된 공간에, 접속 유로(7)가 제공된다. 공급 유로(5)는 2개의 기록 소자열(토출 소자열) 사이의 중앙 위치에서 제1 기판(12)을 관통하도록 형성된다. 공급 유로(5)로부터 유동하는 잉크는 유로 형성 부재(10)의 우측 및 좌측으로 분기되고, 양측에 배치된 2개의 압력실(3)을 통과하고, 각각의 회수 유로(6) 및 각각의 접속 유로(7)를 통과하여 다시 공급 유로(5)에서 합류한다. 액체 전달 기구(8)는 2개의 접속 유로(7)에 각각 위치 되도록, 제1 기판(12) 상에 제공된다. 이러한 구성에 있어서도, 접속 유로(7)에서, 공급 유로(5)를 향해 가해진 힘이 유동하는 잉크에 부여되며, 따라서 상기 실시예와 동일한 효과를 얻을 수 있다. 또한, 본 구성에서, 도 2b 및 도 7a의 구성과 비교하여 액체 전달 기구(8)가 압력실(3)에 근접하게 위치될 수 있고, 따라서 토출구 근방에서 순환 효과를 더욱 높일 수 있다.
도 7b에 도시된 구성의 경우에, 에너지 발생 소자(1)에 접속된 논리 회로 등은 제2 기능층(14) 상에 위치될 수 있고 에너지 발생 소자(1) 및 배선만이 기능층(9) 상에 제공될 수 있다. 이 경우, 기능층(9)으로서 Si 뿐만 아니라 수지도 사용될 수 있다.
도 7a 및 도 7b에 도시된 변형예의 양자에서, 각각의 액체 전달 기구(8)는 압력실(3)로부터 Z 방향(토출 방향)으로 벗어난 위치에 위치된 접속 유로(7)에 제공되어 압력실(3) 내부의 잉크를 순환시킨다. 결과적으로, 토출구가 고밀도로 배열된 상태에서 토출 동작을 안정적으로 유지할 수 있고 토출구(2) 근방의 잉크가 변질되는 것을 방지할 수 있다.
(제2 실시예)
도 8a 및 도 8b는, 도 2a 및 도2b와 같이, 제2 실시예에 따른 1개 블록 내의 유로의 구성을 도시하는 도면이다. 본 실시예에서도, 제1 실시예와 마찬가지로, 제2 기판(13), 제1 기판(12), 기능층(9), 유로 형성 부재(10) 및 토출구 형성 부재(11)가 순환 유로를 형성하도록 지명된 순서대로 적층된다. 본 실시예의 순환 유로 구성의 구성에 대해서, 제1 실시예와 상이한 양태만 후술될 것이다.
본 실시예의 기록 소자 기판(4)에서, 공급구(15)로부터 공급 유로(5)로 유동하는 잉크는 +Y 방향으로 이동하고, 각각의 압력실(3)로 분기해서 유입한다. 각각의 압력실(3)로부터 유출된 잉크는, 잉크가 Y 방향으로 동일하게 흐르는 회수 유로(6)에 합류하여 +Y 방향으로 이동하고, 회수 유로의 단부에 위치된 회수구(16)로부터 잉크 공급 유닛(105)으로 배출된다. 회수 유로(6)의 저부에는 Y 방향으로 연장되는 액체 전달 기구(8)가 배치되어 +Y 방향으로의 유동을 촉진시킨다. 액체 전달 기구(8)는 공급 유로(5)의 저부에 배치될 수 있거나 공급 유로(5)와 회수 유로(6)의 양쪽에 배치될 수 있다는 점에 유의해야 한다.
비교적 세상형의 유로 상에 배치되는 본 실시예의 액체 전달 기구(8)로서, 도 3에 도시된 교류 전기 삼투형(ACEO) 펌프나 도 5a 내지 도 5c에 도시된 복수의 액추에이터를 사용하는 구성이 적합하다. 특히, 복수의 액추에이터를 사용하는 구성은 본 실시예와 같이 복수의 압력실로부터 유출된 상대적으로 많은 양의 잉크를 공통적으로 전달하기 위한 진행파를 형성하는 데 있어서 효과적이다.
본 실시예의 기록 소자 기판(4)은 공급 유로(5), 회수 유로(6), 압력실(3), 에너지 발생 소자(1), 및 토출구(2)가 형성된 제1 기판(12) 측의 부재와, 액체 전달 기구(8), 공급구(15), 및 회수구(16)가 형성된 제2 기판(13)을 함께 접합함으로써 제조될 수 있다. 이때, 공급 유로(5) 및 회수 유로(6)는 제1 기판(12)의 배면을 에칭하여 형성될 수 있거나, 제1 기판(12)과 제2 기판(13)의 사이에 홈을 갖는 중간층을 끼워 넣는 것에 의해 형성될 수 있다.
상술된 본 실시예에 따르면, 압력실(3) 내의 잉크가 압력실(3)로부터 Z 방향(토출 방향)으로 벗어난 위치에서 공급 유로(5) 또는 회수 유로(6) 내에 위치된 액체 전달 기구(8)에 의해 유동 및 순환하게 된다. 결과적으로, 토출구가 고밀도로 배열된 상태에서 토출 동작을 안정적으로 유지할 수 있고 토출구(2) 근방의 잉크가 변질되는 것을 방지할 수 있다.
(변형예)
도 9a 및 도 9b는 제2 실시예의 변형예를 도시하는 도면이다. 양 예는 Y 방향으로 배열된 기록 소자가 X 방향으로 2열로 배치된 구성을 도시한다. 공급 유로(5)는 2개의 기록 소자열 사이의 중앙 위치에서 제1 기판(12)을 Z 방향으로 관통하도록 형성된다. 회수 유로(6)는 2개의 기록 소자열의 외측 위치에서 제1 기판(12)을 Z 방향으로 관통하도록 형성된다. 또한, 공급 유로(5) 및 회수 유로(6)는 -Z 방향으로 폭이 확장된 동일한 테이퍼 형상을 갖는다. 이러한 형상은 KOH 용액이나 TMAH 용액을 사용한 이방성 습식 에칭을 행함으로써 <100> Si 기판으로 이루어진 제1 기판(12)으로 형성될 수 있다.
도 9a는, 2개의 회수 유로(6) 각각에 대해, 액체 전달 기구(8)가 경사를 갖는 내벽 상에 배치된 구성을 도시한다. 도 9b는, 도 9a의 구성에 대해, 제2 기판(13)의 각 회수 유로(6) 내에 기둥이 추가로 제공되고, 기둥의 상단부에 제3 액체 전달 기구(8)가 배치된 구성을 도시한다. 이러한 액체 전달 기구(8)로서, 도 3에 도시된 교류 전기 삼투형(ACEO) 펌프가 그 비교적 단순한 구성으로 인해 적합한 것으로 가정된다. 상술된 이방성 습식 에칭을 수행함으로써 테이퍼 형상의 공급 유로(5) 및 회수 유로(6)를 형성한 후, 회수 유로(6)의 내벽에 예를 들어 스프레이 코터로 포토레지스트를 도포하고 투영 노광기로 노광을 수행하여 측벽 상의 빗살 전극 패턴을 형성함으로써 상기 펌프를 실현할 수 있다. 본 변형예에서도, 액체 전달 기구(8)는 공급 유로(5)의 저부에 배치될 수 있거나, 공급 유로(5) 및 회수 유로(6)의 양자 모두에 배치될 수 있음에 유의해야 한다.
상술된 바와 같이, 본 실시예에 따르면, 액체 전달 기구(8)는 공급 유로(5), 압력실(3), 및 회수 유로(6)의 순서대로 잉크가 순환되도록, 공급 유로(5) 또는 회수 유로(6) 중 적어도 하나에 제공된다. 또한, 액체 전달 기구(8)는, 압력실(3) 내의 잉크가 순환되도록, 압력실(3)로부터 Z 방향(토출 방향)으로 벗어난 위치에 있는 공급 유로(5) 또는 회수 유로(6)에 제공된다. 결과적으로, 토출구가 고밀도로 배열된 상태에서 토출 동작을 안정적으로 유지할 수 있고 토출구(2) 근방의 잉크가 변질되는 것을 방지할 수 있다.
(다른 실시예)
그런데, 상술된 유로 구조 및 액체 전달 기구는 상기 실시예 및 변형예에 한정되지 않고, 다양한 방식으로 조합될 수 있다. 예를 들어, 제1 실시예에 설명된 도 2a에 도시된 바와 같이, 공급 유로(5) 및 회수 유로(6) 내의 잉크가 토출 방향과 일치하는 Z 방향으로 흐르는 형태에서도, 도 9a 및 도 9b에 도시된 유로 구조가 채택될 수 있다. 그러나, 이 경우에, 액체 전달 기구(8)는 Z 방향 대신 Y 방향으로의 흐름을 촉진하도록 형성 및 구동되어야 한다.
또한, Y 방향에 배치되는 6개의 인접한 기록 소자 및 이들 공통 공급 유로(5) 및 회수 유로(6)가 순환 유로에서의 1개의 유닛(유로 블록)으로서 상기에 설명되지만, 물론, 본 발명은 이와 같은 형태에 제한되지 않는다. 1개의 블록에 포함된 기록 소자의 수는 더 많거나 더 적을 수 있다. 예를 들어, 공급 유로 및 회수 유로가 각각의 기록 소자에 대해 준비되거나, 공통 공급 유로 및 회수 유로가 기록 소자 기판 상에 배열된 모든 기록 소자에 공유될 수 있다.
또한, 1열 또는 2열의 기록 소자를 갖는 기록 소자 기판의 예가 상술되지만, 본 발명은, 물론, 3열 이상의 기록 소자를 갖는 기록 소자 기판에 대해서도 적용될 수 있다.
또한, 전열 변환 소자는 에너지 발생 소자(1)로서 사용되고 막 비등에 의해 발생된 기포의 성장 에너지의 결과로서 잉크가 토출되는 형태가 채택되지만, 본 발명은 이러한 토출 방법에 제한되지 않는다. 예를 들어, 압전 액추에이터, 정전 액추에이터, 기계 구동형 액추에이터/충격 구동형 액추에이터, 음성 코일 액추에이터, 및 자기 변형 구동형 액추에이터와 같은 다양한 유형의 소자가 에너지 발생 소자로서 채택될 수 있다.
또한, 기록 소자 기판(4)이 기록 매체의 폭에 대응하는 거리만큼 배열되는 풀라인형의 기록 헤드의 예가 도 1을 참조하여 상술되지만, 또한 본 발명의 유로 구성은 직렬형의 기록 헤드에도 적용될 수 있다. 그러나, 풀라인형의 세장형 기록 헤드가 본 발명에 의해 해결되야 할 문제, 즉, 잉크의 증발 및 변질을 현저하게 드러내기가 더 쉽기 때문에, 본 발명의 효과를 더욱 현저하게 누릴 수 있다.
또한, 색재를 함유하는 잉크를 토출하는 기록 헤드의 예가 상술되지만, 본 발명의 액체 토출 모듈은 이에 제한되지 않는다. 예를 들어, 화질을 향상시키기 위해서 준비된 투명액을 토출하는 모듈일 수 있거나, 대상물에 어떤 종류의 액체를 균일하게 적용하는 경우와 같이 화상 기록 이외의 목적으로 사용되는 모듈일 수 있다. 여하튼, 액체 토출 모듈이 복수의 토출구로부터 미세한 액체 방울을 토출하는 한, 본 발명은 효과적으로 기능할 수 있다.
본 발명은 예시적인 실시예를 참조하여 설명되었지만, 본 발명은 개시된 예시적인 실시예에 제한되지 않음을 이해해야 한다. 이하의 청구범위는 이러한 모든 변형 및 동등한 구조 및 기능을 포함하도록 최광의로 해석되어야 한다.

Claims (13)

  1. 액체 토출 모듈이며,
    복수의 토출 소자가 배열된 소자 배열면으로서, 상기 토출 소자 각각은,
    액체를 수용하는 압력실,
    상기 압력실의 액체에 에너지를 부여하는 에너지 발생 소자, 및
    상기 에너지 발생 소자에 의해 에너지가 부여된 액체를 토출하는 토출구를 포함하는, 소자 배열면,
    상기 압력실에 액체를 공급하는 공급 유로와 상기 압력실로부터 액체를 회수하는 회수 유로를 포함하는, 순환 유로, 및
    상기 압력실의 액체를 순환시키기 위한 상기 순환 유로에 제공된, 액체 전달 기구를 포함하고,
    액체가 상기 토출구로부터 토출되는 방향을 하부측으로부터 상부측을 향하는 방향으로 가정한 경우에, 상기 액체 전달 기구는 상기 소자 배열면보다 더 낮게 배치되는, 액체 토출 모듈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 액체 전달 기구는, 상기 액체 토출 모듈을 상기 토출구와 대향하는 측으로부터 본 경우에, 상기 소자 배열면 상에 상기 복수의 토출 소자가 배열되는 구역과 중복되는 구역에 배치되는, 액체 토출 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 순환 유로는 상기 압력실을 통하지 않고 상기 회수 유로 및 상기 공급 유로를 연결하는 접속 유로를 추가로 포함하고,
    상기 액체 전달 기구는 상기 회수 유로로부터 상기 공급 유로에 액체를 유동시키기 위해 상기 접속 유로에 제공되는, 액체 토출 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 액체 전달 기구는, 상기 에너지 발생 소자가 형성된 제1 기판의 면의 배면에 대향하는 위치에서, 상기 에너지 발생 소자가 형성된 상기 제1 기판과는 다른 제2 기판에 제공되는, 액체 토출 모듈.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 액체 전달 기구는, 상기 에너지 발생 소자가 형성된 면의 배면에서, 상기 에너지 발생 소자가 형성된 제1 기판에 제공되는, 액체 토출 모듈.
  6. 제1항에 있어서, 상기 공급 유로는 미리정해진 수의 상기 압력실에 대해 공통적으로 액체를 공급하고 상기 회수 유로는 상기 미리정해진 수의 압력실로부터 공통적으로 액체를 회수하는, 액체 토출 모듈.
  7. 제1항에 있어서, 상기 액체 전달 기구는 상기 압력실이 배열되는 방향으로 액체를 유동시키도록, 상기 회수 유로 또는 상기 공급 유로 중 적어도 하나에 제공되는, 액체 토출 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 토출 소자가 배열된 복수의 토출 소자열이 상기 소자 배열면에 배열되고,
    상기 공급 유로는 상기 복수의 토출 소자열에 공통적으로 액체를 공급하도록 제공되고, 상기 회수 유로는 상기 복수의 토출 소자열 각각으로부터 액체를 회수하도록 제공되는, 액체 토출 모듈.
  9. 제1항에 있어서, 상기 액체 전달 기구는 교류 전기 삼투형 펌프인, 액체 토출 모듈.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 액체 전달 기구는 액추에이터 및 상기 액추에이터를 사용함으로써 상기 순환 유로의 용적을 변화시키는 다이어프램으로 구성되고,
    상기 순환 유로는 상기 액체 전달 기구의 상류측 및 하류측에 대해 상이한 유로 저항 및 이너턴스를 갖는, 액체 토출 모듈.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 액체 전달 기구는 복수의 액추에이터 및 상기 액추에이터를 사용함으로써 상기 순환 유로의 용적을 변화시키는 다이어프램을 상기 순환 유로를 따라 배열함으로써 구성되고,
    상기 복수의 액추에이터는 상기 순환 유로에서 액체가 유동하는 방향으로 순서대로 구동되는, 액체 토출 모듈.
  12. 제1항에 있어서, 상기 소자 배열면, 상기 순환 유로, 및 상기 액체 전달 기구를 포함한 복수의 기판을 상기 토출 소자가 배열되는 방향으로 배열함으로써 구성되는, 액체 토출 모듈.
  13. 제1항에 있어서, 상기 액체는 색재를 함유하는 잉크인, 액체 토출 모듈.
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