KR100802497B1 - 정전기적으로 기계적 작동되는 유체 정밀 측정 장치 - Google Patents

Abstract

유체를 배출하는 오리피스를 갖춘 일 열의 유체 챔버를 구비한 정전기적으로 기계적 작동되는 정밀 측정 장치는 챔버 열이 챔버 벽을 포함하는 작동 막의 길이 및 높이 치수에 좌우되지 않도록 설계되어, 적용 전압의 실질적으로 지수 함수적인 증가를 요하지 않고도 높은 해상도를 달성한다.

Description

정전기적으로 기계적 작동되는 유체 정밀 측정 장치{ELECTROSTATIC MECHANICALLY ACTUATED FLUID MICRO-METERING DEVICE}

도 1은 본 발명의 요지인 정전기적으로 기계적 작동되는 유체 정밀 측정 장치(electrostatic mechanically actuated fluid micro-metering device)를 도시하는 도면.

도 2는 정전기적으로 기계적 작동되는 잉크제트 프린트 헤드 조립체를 도시하는 도면.

도 3은 본 발명의 정전기적으로 기계적 작동되는 정밀 측정 장치의 일 실시예를 도시하는 단면도.

도 4는 도 3에 도시된 실시예의 평면도.

도 5a및 도 5b는 정전기적으로 기계적 작동되는 잉크제트 프린트 헤드의 막 및 전극 구성과 상기 구성의 구동 전압에 대한 종래 기술의 설계를 보이는 도면.

도 6은 본 발명의 정전기적으로 기계적 작동되는 정밀 측정 장치의 일 실시예를 도시하는 단면도.

도 7은 본 발명의 정전기적으로 기계적 작동되는 유체 정밀 측정 장치의 일 실시예를 도시하는 평면도.

도 8은 적어도 한 쌍인 복수의 챔버 벽과 결합하는 브리지(bridge)를 포함하 는 본 발명의 정전기적으로 기계적 작동되는 유체 정밀 측정 장치의 일 실시예를 도시하는 측면도.

도 9는 캡 플레이트(cap plate)와 베이스(base)를 포함하는 본 발명의 정전기적으로 기계적 작동되는 유체 정밀 측정 장치의 일 실시예를 도시하는 측면도.

도 10은 캡 플레이트, 중간 플레이트 및 베이스를 포함하는 정전기적으로 작동되는 본 발명의 유체 정밀 측정 장치.

<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 정전기적으로 기계적 작동되는 유체 정밀 측정 장치

12: 베이스 플레이트(base plate) 14: 오리피스 플레이트

16: 오리피스 18: 챔버 벽

20: 유체 챔버 22: 베이스 전극

24: 정전기적으로 기계적 작동되는 갭 26; 막 전극

본 발명은 유체 정밀 측정 장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는, 유체 측정을 위해 오리피스를 갖춘 일 열의 유체 챔버를 구비하되 상기 챔버 열에 대해 높은 피치 조밀도(pitch density)를 달성하는, 정전기적으로 기계적 작동되는 유체 정밀 측정 장치를 위한 개선된 구조에 관한 것이다.

유체의 정밀 측정은 많은 적용에서 유용하며, 기능적 이유 또는 경제적 이유 중 어느 하나의 이유 때문에 유체 투입량이 임계를 이루는 상황에서 특히 중요하다. 예컨대, 원하는 생산 품질을 달성하기 위해, 혼합물의 성분이 생산라인에서 정밀히 측정될 수 있다거나, 비용을 줄이기 위해, 외래 물질(exotic material)이 정확히 측정될 수 있다는 것이다.

하나의 이러한 적용은 임펄스(impulse) 또는 드롭-온-디맨드(drop-on-demand)(DOD) 잉크제트 프린트 장치로부터 잉크의 정밀 측정을 포함한다. 잉크제트 프린트 기술은 지난 20년 간 사무용 및 가정용 프린터 시장에 대변혁을 일으켰으며, 공업용 프린트 장치에서 점점 더 이용되어지고 있다. 프린트 헤드 내의 오리피스 또는 노즐로부터 잉크 방울을 배출시킴으로써, 임펄스 잉크제트 프린트가 수행되며, 이로써 잉크 방울이 이동하여 기재 위에 증착되면서 프린트 이미지를 형성한다. 전형적으로, 잉크제트 프린터와 결합된 프린트 헤드는 일렬로 정렬된 챔버를 포함하며, 각각의 챔버는 잉크 배출을 위한 적어도 하나의 오리피스를 구비한다. 챔버와 결합된 작동 장치가 챔버 내에 압력 변화를 생기게 하기 위해 전류 인가되고 전류 차단되어 오리피스로부터 잉크의 배출을 야기한다.

일 열의 유체 챔버를 포함하는 장치에 있어서, 피치는 인치 당 방울 수(DPI)로 표시되는, 상기 챔버 열로부터 배출되는 도트(dot)(또는 유체의 방울)의 조밀도로서 규정된다. 예를 들어 프린트 헤드의 배열 피치는 직선 배열의 잉크 챔버가 얼마나 밀접하게 정렬되어 있는가에 직접적으로 관련된다. 따라서, 큰 피치를 갖는 프린트 헤드는 보다 나은 해상도 및 선명도(더욱 우수한 DPI)를 갖는다는 것을 의미한다. 높은 프린트 해상도는 바 코드 프린트, 판지 상자 및 편지의 라벨 표시(labeling), 비즈니스 형식의 프린트 및 의류, 포장 및 다양한 부품등과 같은 기재 위의 높은 해상도 프린트와 같은 적용에서 요구된다.

오리피스를 통해 잉크의 배출을 야기하는 잉크 챔버 내의 압력을 변화시키는 전류인가 및 전류 차단을 액추에이터에 선택적으로 해줌으로써, 이미지 형성이 임펄스 잉크제트 프린터에서 제어될 수 있다. 잉크제트 프린트에 이용되어 온 전자기계적 액추에이터의 일 유형은 예컨대 납-지로콘산염-티탄산염을 기본으로 하는 압전형 변환기이다. 압전형 프린트 헤드 설계의 한 종류는 압전형 요소를 챔버의 벽에 부착시킴으로써, 상기 압전형 프린트 헤드에 대한 전압의 적용이 벽의 비틀림 및 변형을 생기게 하며, 이에 의해 챔버 내에 압력 펄스를 생성시켜 잉크 방울을 배출시킨다. 다른 종류의 설계는 압전형 요소 자체를 챔버벽으로 이용하는 것을 포함한다.

하지만, 압전형 요소는 깨지기 쉬우며, 원하는 치수로 액추에이터를 생산하기 위해, 압전형 액추에이터는 흔히 정밀 기계 가공되는 것이 필요하다. 다른 단점은 많은 압전형 액추에이터가 접착제 또는 이와 유사한 작용제(agent)에 의해 막에 부착되어야 한다는 것이다. 이러한 기계 가공 및 접합 처리는 상당한 시간과 노동을 필요로 하며, 불충분한 제작 허용 오차가 되기 쉽다. 큰 피치로 이루어진 압전형 프린트 헤드의 제작 및 구성과 관련하여, 기계 가공성, 정확성 및 허용 오차와 관계된 고유의 한계가 흔히 존재한다. 또한, 압전형 변환기는 제작 변화(manufacturing variability)에 의해 발생되는 제제의 결함 또는 비틀림의 경향이 있고, 이는 다시 전자기계적 비효율을 야기하므로, 압전형 액추에이터는 더 높은 해상도의 잉크제트 프린트를 필요로 하는 적용에서 한계를 보인다. 따라서, 압전형 전자 기계 임펄스 잉크제트 기술은 높은 해상도의 이미지 적용의 요구를 충족시키는 성능에서 한계를 갖는다.

이러한 압전형 작동 프린트 헤드의 일 예는 미국 특허 제 5,227,813호{피에스 등(Pies et al.)에게 특허 허여된}에 개시되어 있으며, 이 문헌은 자체에 부착된 전도 표면을 구비하고 불활성 물질의 제 1 측벽부를 제 2 측벽 압전부로부터 떼어놓고 있는 압전형 측벽 작동 프린트 헤드를 설명하는데, 제 2 측벽은 제 1 측벽부를 끌어당기기 위해 전단 형태의 운동(shear-like motion)을 받으며, 이에 의해 잉크 챔버를 가압한다.

압전형 액추에이터에 관련한 몇몇 단점을 극복하기 위해, 정전기형 기계적 액추에이터가 임펄스 잉크제트 프린트 헤드에 또한 이용되어 왔다. 이러한 정전기형 액추에이터는 잉크 챔버 가까이 형성된 얇은 플레이트(다이아프램 또는 막으로 또한 불리운다)를 포함할 수 있다. 이러한 장치에서, 잉크를 담는 챔버 벽은 액추에이터를 형성하는 플레이트를 포함할 수 있다. 시간에 따라 변하는 전자계가 플레이트에 아주 가까이 전극에 가해질 때, 벽은 플레이트와 전극 사이에 가해지는 정전기력에 의해 편향되어, 챔버 내에서 압력 교란을 생성하고, 이로써 오리피스를 통해 챔버로부터 유체 방울을 배출시킨다.

예컨대, 미국 특허 제 4,520,375호{크롤(Kroll)등에게 특허 허여된}는 절연체에 의해 일정 간격 유지되는 한 쌍의 커패시터 플레이트(capacitor plate)를 구비하는 유체 인젝터(fluid injector)를 개시하는데, 상기 플레이트 사이에서 변화 하는 전자계는 실리콘 막(silicon membrane)을 기계적으로 작동시켜, 노즐을 통해 유체를 배출시킨다.

미국 특허 제 5,534,900호{오노(Ohno et al.)등에게 특허 허여된}는 다중 층과, 독립된 분사 챔버와 통하는 복수의 노즐 개방부를 구비하는 정전기적으로 작동되는 잉크제트 프린트 헤드들 개시하는데, 여기서 막(membrane)은 상기 분사 챔버의 바닥 벽 위에 배치된다. 이러한 구성에서, 막을 작동시키는 구동 전압은 잉크제트 헤드의 피치가 증가됨에 따라 대략 지수 함수적으로 증가한다.

정전기적으로 작동되는 유체 제팅 장치(fluid jetting device)를 포함하는 선행 기술 설계의 단점은 챔버 열의 피치가 막의 면적(즉, 두께를 포함하지 않는 막의 길이와 폭)에 좌우되도록 막이 배향된다는 점이다. 달리 말해, 막은 상단 또는 바닥 챔버 벽 또는 심지어 오리피스 플레이트에 대향한 후방 벽을 포함한다. 막의 폭이 증가됨에 따라, 피치가 감소되어 장치의 해상도를 저하시킨다는 점에서, 이러한 배향은 피치, 즉 챔버 열의 임계치를 제한한다. 또한, 막을 작동시키는데 필요한 적용 또는 구동 전압은 유체 장치의 피치가 증가됨에 따라 대략 지수 함수적으로 증가한다.

이에 따라 요구되는 것은 상기 단점을 극복하는 정전기적으로 기계적 작동되는 정밀 측정 장치에 대한 구성이다.

따라서, 본 발명의 목적은 실질적으로 지수 함수적인 적용 전압 증가를 요하지 않고도 높은 조밀도의 피치를 달성하는, 임펄스 잉크제트 프린트 헤드와 같은, 정전기적으로 기계적 작동되는 유체 정밀 측정 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 일 열의 챔버를 포함하는, 임펄스 잉크제트 프린트 헤드와 같은, 정전기적으로 기계적 작동되는 유체 정밀 측정 장치를 제공하는 것으로서, 각 챔버의 폭은 상기 챔버 내에 형성되는 정전기형 막의 면적에 대해 실질적으로 좌우되지 않는다.

본 발명의 다른 목적은 일 열의 챔버를 포함하는, 임펄스 잉크제트 프린트 헤드와 같은 정전기적으로 기계적 작동되는 유체 정밀 측정 장치를 제공하는 것으로서, 상기 챔버 열의 피치는 각 챔버 내에 형성된 정전기형 막의 면적에 대해 실질적으로 좌우되지 않으며, 각 챔버는 약 300 DPI의 해상도를 달성하기 위해 약 50 μm정도로 작은 폭을 갖거나, 바람직하게는 600 DPI의 해상도를 달성하기 위해 약 25 μm정도로 작은 폭을 갖는다.

본 발명은 유체 챔버의 측벽 위에 및 챔버 열 내의 서로 인접하는 챔버들 사이에 배향된 정전기적으로 작동되는 막을 구비하는, 임펄스 잉크제트 프린트 헤드와 같은, 정전기적으로 기계적 작동되는 유체 정밀 측정 장치이다. 이러한 설계는 선행 기술의 막의 면적과 챔버 열의 피치간의 관계 및 의존성을 고려하지 않으며, 이로써, 완화된 작동 전압으로 높은 해상도가 달성될 수 있다.

본 발명은 폭(횡축)을 갖는 일 열의 유체 챔버를 포함하는 정전기적으로 기계적 작동되는 유체 정밀 측정 장치를 포함하며, 상기 챔버 열은 챔버 폭에 의해 실질적으로 결정되는 피치를 가지며, 상기 챔버는 얇은 벽과 이에 인접하게 빽빽한 간격으로 고정된 전극 사이의 전위 차에 의해 생성되는 정전기력의 영향을 받아 변형축의 방향으로 변형 가능한 하나 이상의 얇은 벽(또는 얇은 막)을 구비하며, 막 변형축은 챔버의 횡축에 실질적으로 평행하다.

본 발명 및 본 발명의 독특한 특징은 수반된 도면을 참조로 하여 이하의 상세한 설명으로부터 더 자명해질 것이다.

<실시예>

도 1은 본 발명, 즉 베이스 플레이트(base plate)(또는 베이스 기재)(12)와, 적어도 하나의 오리피스(또는 노즐)(16)를 갖춘 오리피스 플레이트(14)와, 베이스 플레이트(12)로부터 오리피스 플레이트(14)까지 이어지는 챔버 벽(18)을 구비하는 정전기적으로 기계적 작동되는 정밀 측정 장치(10)를 도시한다. 베이스 플레이트(12), 챔버 벽(18) 및 오리피스 플레이트(14)는 폭(w)(횡축)을 갖는 유체 챔버(20)를 형성한다. 인접하고 있는 복수의 챔버들(20)은 챔버 열을 형성하는데, 여기서 상기 열의 피치는 챔버의 폭에 의해 결정된다. 베이스 전극(22)은 챔버(20)에 대향하는 각각의 챔버 벽(18)으로부터 일정 간격 유지된 채 이에 인접하고 있으며, 이로써 정전기적인 갭(24)은 챔버 벽(18)과 베이스 전극(22) 사이에 존재한다. 각각의 챔버 벽(18)은 챔버(20)에 일체로 되어 있거나 상기 챔버 위에 형성된 막 전극(또는 다이아프램 전극)(26)을 구비한다. 베이스 전극(22)과 챔버 벽 막 전극(26)을 가로질러 선택적으로 전위 공급 및 전위 차단을 하여, 오리피스(16)를 통해 챔버(20) 내에 담긴 유체를 최종적으로 배출시키는 압력 교란을 챔버(20)에서 생성시킴으로써, 유체는 오리피스(16)로부터 정확히 배출된다.

도 2는 잉크 제트 프린트 헤드(30)와 같은 정전기적으로 기계적 작동되는 유체 정밀 측정 장치의 일 실시예를 도시한다. 프린트 헤드(30)는 일반적으로 일 열의 오리피스(36)를 갖춘 오리피스 플레이트(34)를 구비하는 헤드 조립체(32)를 포함하며, 상기 오리피스 플레이트(34)는 헤드 조립체(32)의 전방면(38)에 접합된다. 필터(40)는 잉크로부터 미립자를 제거하며, 분기관(42)은 잉크를 잉크 입구(44)를 통해 잉크 챔버로 전한다.

도 3은 오리피스(16)와 각각 결합된 일 열의 유체 챔버(20)를 포함하는 도 1에 도시된 유체 정밀 측정 장치의 단면도를 도시한다. 측벽 막 전극(26)은 면적, 즉 길이(x)와 높이(y)를 갖는다. 바람직하게는, 챔버의 측벽을 포함하는 측벽 막은 약 20 μm 과 2000 μm 사이 범위의 길이와 약 20 μm 과 200 μm 사이 범위의 높이를 갖는다. 베이스 전극(22)은 정전기적인 갭(24)에 의해 인접하는 측벽 막 전극(26)으로부터 분리되어 있다. 이롭게는, 챔버(20)는 실리콘 또는 석영과 같은 단일 베이스 기재 제제(50)를 에칭(etching)함으로써 형성될 수 있으며, 오리피스 플레이트(14)에 의해 밀봉될 수 있다. 막 전극(26)은 기재 내로 에칭된 홈에 입체의 얇은 필름 코팅제를 증착함으로써 형성될 수 있다.

도 3에서, 오리피스(16)는 상단 오리피스 플레이트(14)에 위치되지만, 본 발명이 기재 위에 프린트를 달성하기 위해 임의의 적절한 위치에 놓일 수 있는 오리피스의 임의의 특정한 배향으로 제한되지 않는다는 것을 이해된다. 예컨대, 오리피스는 유체 챔버의 바닥에 또는 유체 챔버의 좁은 단부 위에 위치될 수 있다. 종래 기술에서 알려져 있는 설계와 비교할 때, 도 6에 도시된 바와 같이, 본 설계는 오 리피스 위치 지정의 유연성을 극대화하여 더욱 컴팩트한(compact) 설계를 가능하게 하는데, 여기서 유체 보충 경로(60)는 챔버의 바닥에 위치된다.

따라서, 일 열의 유체 챔버는 일 열의 실질적으로 평행한 벽에 의해 형성되며, 정전기적인 갭은 상기 챔버 벽과 베이스 전극 사이에 형성된다. 벽의 가로 세로비(막의 길이와 막의 높이 사이의 비)는 정해진 낙하량(given drop volume)에 대해 배출되는 유체 방울의 배출 빈도를 극대화하도록 설계된다. 챔버 열의 피치는 각 챔버 내에 형성된 정전기형 막의 면적(길이 및 높이)과 실질적으로 관계가 없다. 바람직하게는, 각각의 챔버 폭은 약 300 DPI의 해상도를 달성하기 위해 약 50 μm 정도로 작으며, 더 바람직하게는, 약 600 DPI의 해상도를 달성하기 위해 약 25 μm 정도로 작다.

도 4는 도 1 및 도 3에 도시된 유체 정밀 측정 장치의 평면도를 도시한다. 이러한 실시예에서, 막(26)은 유체 챔버(20)로부터의 유체 배출 방향에 실질적으로 평행한 변형축(d)을 따라 변형한다. 임펄스 잉크제트 프린터로 볼 때, 이에 따라, 잉크는 필요로 할 때만 배출되며, 베이스 전극(22)과 막 전극(26)을 가로질러 선택적으로 전위를 공급하고 차단함으로써, 이미지 형성이 제어될 수 있는데, 이러한 선택적 전위 공급 및 차단은 번갈아 벽(18){상기 벽에 일체형인 막(26)을 통해} 작동시킴으로써 챔버(20) 내에 담긴 잉크를 오리피스(16)를 통해 최종적으로 배출시키는 압력 교란을 생성시킨다.

본 발명은 챔버 벽의 정전기적 기계 작동에 의존한다. 이것은 방전 갭을 가로지르는 전기 전하 공급을 통해 생성된 정전기력에 주로 의존하는 종래 기술에서 알려진 다양한 기술에 의해 달성된다. 용량성으로 결합된 액추에이터는 막 전극과 베이스 전극 사이에 생성된다. 제작 공정에서, 정전기적인 갭은 정전기적으로 변형하는 막 전극 제제와 베이스 전극 사이에 형성되어 커패시티 구조를 이룬다. 전압이 막 전극 제제와 베이스 전극에 의해 형성된 커패시터 플레이트의 갭을 가로질러 가해질 때, 결과적인 정전기력은 베이스 전극(22)으로 하여금 벽을 상기 베이스 전극을 향해 끌어당기게 한다. 각각의 벽은 변형 막, 즉 변형축(d)(도 4 참조)을 갖는 막 전극 제제를 포함하는 것이 바람직하다. 결과적으로, 챔버 벽은 변형축(d)을 따라 편향되어서, 막 전극 제제가 방전될 때 역(逆) 탄성력, 즉 복원 탄성력을 생성시키며, 이에 의해, 유체가 프린트 헤드 조립체의 분기관 및 유체 입구를 통해 챔버 내로 당겨진 후 결합 챔버 내의 압력 증가를 야기한다.

막 전극은 예를 들면 도핑된 폴리실리콘(doped polysilicon), 도핑된 실리콘, 알루미늄, 크롬, 금, 몰리브데늄, 파라듐, 백금, Al-Si-Cu 또는 티타늄과 같은, 커패시터 플레이트로 이용되는 적당한 전기 전도도를 갖는 임의의 적절한 재료일 수 있지만, 반드시 이러한 재료로 국한되는 것은 아니다. 베이스 전극용 재료는 실리콘 또는 석영이 바람직하지만, 반드시 이러한 재료로 국한되는 것은 아니다. 막 전극은 절연층, 전도층 및 절연층의 복합물일 수 있다. 절연체 재료는 막 전극 제제용으로 선택된 전도성 재료(예를 들면, 실리콘 질화물, 실리콘 제 2 산화물, 알루미늄 산화물, 인듐 산화물, 탄타륨 산화물, 주석 산화물 또는 아연 산화물)와 함께 이용되는 적절한 전기적 특성을 가질 것이다. 바람직하게는, 막 전극과 정전기적인 갭은 그 중에서도 위에서 상술된 절연체 재료 중 어느 한 밀봉 층에 의해 밀봉된다. 밀봉 층은 정전기형 커패시터 쌍 사이의 공동부 또는 공간을 밀봉한다. 밀봉층은 전극의 단락을 막기 위해 절연 재료로 만들어진다.

본 설계의 중대한 이점은 단일 유체 챔버에 있는 두 개의 독립된 별개의 막의 작동을 수반하는 양측면 작동(double sided actuation)이다. 측벽 작동은 별개의 유체 구성 요소가 상단, 바닥, 전방, 및 후방 챔버 벽 중 임의의 곳에 배치되는 것을 허용함으로써 설계 유연성을 극대화한다. 챔버 벽은 일 열의 유체 챔버에 대해 폭(w)(횡축)과 길이(l)(종축)를 한정한다. 양측면 작동은 좀 더 나은 성능을 제공하며, 상기 장치를 더욱 작게 할 수 있으며, 이에 따라 정해진 기재 면적에 대해 좀 더 많은 장치가 제작되는 것을 허용한다. 또한, 본 발명은 종래 기술에서 알려진 설계보다 더 적은 부품을 갖는 더욱 일체화되고 기본 단위인 설계를 갖는 정전기적으로 작동되는 정밀 측정 장치를 제공하며, 이로써 제조를 용이하게 한다.

본 발명의 또 다른 이점은 챔버 내에 형성된 막을 작동시키는 데 필요한 적용 전압에 비교적 좌우되지 않는 높은 조밀도의 피치를 달성하는 정전기적으로 작동되는 정밀 측정 장치이다. 예컨대, 도 5a및 도 5b는 정전기적으로 작동되는 잉크제트 프린트 헤드에 대한 종래의 구성을 도시하는데, 여기서 정전기적으로 변형하는 막이 전극 가까이에 놓여서, 상기 막과 관계된 변형축(d)은 변형 막에 의해 경계지어진 잉크 챔버의 폭(w)에 수직이 된다. 따라서, 이러한 구조에 의해, 프린트 헤드의 피치가 증가될 때(프린트 헤드의 직선 길이 당 더 많은 잉크 방울이 배출되는 것을 요하면서), 잉크 챔버의 폭은 감소될 것이다. 결과적으로 그리고 도 5b에 도시된 바와 같이, 막의 변형을 일으키는데 필요한 구동 전압은 막의 폭에 따라 대 략 지수 함수적으로 증가하며, 이러한 경우, 상기 막과 결합된 잉크 챔버의 폭은 좁아진다. 하지만, 본 발명의 프린트 헤드 구성 및 설계에 의해, 벽과 결합된 정전기적으로 변형하는 막은 변형축(d)이 잉크 챔버(43)의 폭(w)에 실질적으로 평행한 상태가 되게 놓이므로, 이러한 제한은 제거된다. 그러므로, 이러한 구성의 결과로서, 변형 막 또는 막의 폭이 좁아지고 그에 따라 필요한 구동 전압이 증가될 필요 없이, 잉크 제트 프린트 헤드의 피치는 증가될 수 있다.

바람직하게는, 막을 포함하는 챔버벽의 두께는 약 0.2 내지 약 20 μm 사이의 범위 내이며, 챔버는 약 10 내지 약 200 μm 사이 범위의 폭과, 약 20 내지 약 2000 μm의 사이 범위의 길이와, 약 20 내지 약 200 μm 사이 범위의 높이를 가지며, 정전기적인 약 0.2 내지 약 5 μm 사이의 폭 범위 내에 있는 것이 바람직하며, 베이스 전극은 약 5000μm 미만의 두께를 갖는 것이 바람직하다.

본 발명의 대안적인 실시 태양에서, 정전기적으로 기계적 작동되는 유체 배출 장치의 구조는 변형축이 잉크 챔버의 폭에 실질적으로 평행하다는 점에서는 여전히 같지만, 막 및 챔버 벽을 형성하는 방법은 다를 수 있다. 예를 들면, 본 발명에 국한되는 것은 아니지만, 몇몇 공정상의 다른 방법(some process variants)은 다음과 같은 감법 기술(subtractive technologies)을 포함할 수 있다.

1) 챔버 벽 및 막 모두를 형성하기 위해, 이방성 에칭(anisotropic etch)에 의해 단일 기재를 일 측면으로부터 에칭하는 기술;

2) 챔버를 기재의 일 측면으로부터 이방성으로 에칭하고, 동일 기재의 제 2 측면으로부터 막을 이방성으로 에칭하는 기술;

3) 제 1 기재의 챔버와 제 2 기재의 막을 이방성으로 에칭하고, 그 다음 이러한 두 기재를 함께 맞붙이는 기술;

4) 이방성 에칭을 이용해 양 표면으로부터 제 1 기재의 막을 에칭하고 제 2 기재의 챔버 벽을 에칭하고, 그 다음 이러한 두 기재를 함께 맞붙이는 기술.

본 발명의 또 다른 실시 태양에서, 잉크 또는 유체 챔버(43)는 경사면(60)을 최종적으로 형성하도록 출발 기재(starting substrate)로부터 에칭될 수 있다.

도 6에 도시된 바와 같이, 경사면(60)은 잉크 챔버(43)의 실질적으로 평행한 벽들을 형성하는 막 전극(45)의 수직 평면에 대해 90°보다 큰 각도를 갖는다. 잉크 또는 유체 챔버(43)에 대한 이러한 구성의 한 가지 이점은 유체 보충 분기관이 챔버 바로 아래에 위치될 수 있어서 이에 따라 장치의 면적을 최소화시키고 1 평방 인치 당 유닛(units)의 수를 최대화시킨다는 점이다. 경사면(60)은 정전기형 방전 갭(62)의 밀봉을 손상하지 않고 좁은 유체 보충 경로를 생성시키는 절단이 베이스 기재의 후방 측면으로부터 이루어지는 것을 허용한다. 이러한 설계는 챔버가 챔버 베이스에 배치된 액추에이터 및/또는 정전기적인 갭을 구비하도록 구성될 때 가능하지 않다.

도 7은 본 발명의 정전기적으로 기계적 작동되는 유체 정밀 측정 장치에 대한 구성의 다른 예를 도시하는 사시도이다. 상기 장치는 일 열의 챔버(70)를 포함하며, 각각의 챔버(70)는 오리피스(68)와 결합되는데, 상기 챔버(70)는 실질적으로 평행한 일 열의 벽(71, 72)에 의해 형성되며, 상기 벽(71, 72) 각각의 사이에 삽입된 베이스 전극(74)을 구비한다. 베이스 전극(74)과 벽(71, 72)은 실리콘 또는 석 영 기재로 바람직하게 만들어진 정전기적으로 변형하는 막을 형성한다. 개개의 베이스 전극(74)과 벽(71, 72)에는 상응하는 도입선(lead)(76, 78) 및 단자(terminal)(77, 79)가 형성될 수 있으며, 앞서 설명된 동일한 전도체 재료로 형성될 수 있다. 벽에는 동일 전도체 재료로 형성된 상응하는 도입선 및 단자가 형성될 수 있다. 드라이버 칩(driver chip)은 프린트 헤드에 구동 전압을 제공하도록 단자(77, 79) 위에 표면 장착된다. 전압이 벽(71, 72)과 베이스 전극(74)에 의해 형성된 커패시터 플레이트의 갭(73)을 가로질러 적용될 때, 결과적인 정전기력은 베이스 전극(74)으로 하여금 벽(71, 72)을 상기 베이스 전극으로 끌어당기게 한다. 벽(71, 72)은 변형축(d)을 갖는 실리콘 또는 석영과 같은 변형 막 제제로 만들어지는 것이 바람직하다. 결과적으로, 벽(71, 72)은 변형축(d)을 따라 편향되어, 커패시터 플레이트가 방전될 때 역력(逆力) 또는 복원력을 생성하며, 이로써, 유체가 도 2에 도시된 장치의 분기관(42) 및 유체 입구(44)를 통해 챔버 내로 당겨진 후 결합 챔버(70) 내에서 압력 증가를 생기게 한다.

본 발명이 이러한 실시예에 국한되지는 않지만, 바람직하게는, 본 발명의 정밀 측정 장치는 반도체 등급인 한 블록(block)의 실리콘 또는 석영과 같은 단일 편의 출발 물질로부터 일체형으로 만들어질 수 있다. 바람직하게는, 복수의 벽 및 막은 실질적으로 평행하며, 당업자에게 알려진 에칭 공정에 의해 생성될 수 있으며, 이로써 벽과 베이스 전극 사이의 거리는 정전기력을 최대화할 정도로 최소화된다. 도 1 내지 도 10에 도시된 장치가 베이스에 직각인 막을 구비하는 챔버 측벽을 도시하지만, 본 발명은 이러한 형상에 국한되지는 않으며, 여전히 전극에 실질적으로 평행한 정전기적으로 변형하는 막으로 형성된 상기 벽을 여전히 구비하면서 90°보다 작거나 90°보다 큰 각도를 포함할 수 있다. 설계의 제한된 세트에서, 이러한 벽은 베이스로부터 45°아래의 각도로 배향될 수 있다(베이스는 일관되게 접지되어 있으며 어떠한 작동도 제공하지 않는다).

도 8은 본 발명의 다른 실시예를 도시하는데, 여기서, 유체 정밀 측정 장치(90)는 베이스(98)로부터 이어지는 복수의 벽(91, 92)을 구비하도록 구성되며, 본 장치의 구성 제제는 적어도 한 쌍의 복수의 벽(91 ,92)과 결합하는 브리지(96)를 형성한다. 복수의 전극(94)은 브리지(96)로부터 이어질 수 있으며, 앞서 위에서 설명된 것과 같이 잉크 챔버와 접경을 이루는 벽(91, 92)을 작동시키도록 구성될 수 있다.

도 9에 도시된 본 발명의 다른 실시예에서, 유체 정밀 측정 장치(100)는 캡 플레이트(106)와, 상기 캡 플레이트(106)를 수용하는 베이스(108)를 포함한다. 베이스(108)는 캡 플레이트(106)로부터 이어지는 베이스 전극(104)에 실질적으로 평행한 벽(101, 102)을 구비한다. 캡 플레이트는 전극(104)을 벽(101, 102)과 챔버로부터 떼어놓는 역할을 할 뿐 아니라 상기 챔버를 밀봉하는 역할을 한다.

도 10에 도시된 본 발명의 또 다른 실시예에서, 유체 정밀 측정 장치(150)는 캡 플레이트(120)와, 상기 캡 플레이트(120)를 수용하기 위한 중간 플레이트(130)와, 상기 중간 플레이트(130)를 수용하기 위한 베이스(140)를 포함할 수 있다. 중간 플레이트(130)는 일 열의 챔버(142)를 형성하는 복수의 벽(138, 139)을 더 포함할 수 있는데, 상기 중간 플레이트의 구성 제제는 벽(138, 139)과 결합하는 브리지(135)를 더 포함한다. 도 10에 도시된 바와 같이, 베이스(140)는 중간 플레이트(130)를 수용하도록 설계되는데, 상기 베이스(140)는 중간 플레이트(130)의 브리지(135)와 벽(138, 139) 사이에 들어맞도록 그 자체로부터 이어지는 복수의 전극(132)을 구비한다. 상술된 바와 같이, 전극(132)은 벽(138, 139)을 정전기적으로 작동시킬 수 있다. 본 발명의 다른 실시 태양에 있어서, 프린트 헤드(150)는 벽을 위한 막 제제(138, 139)의 변형축이 실질적으로 챔버(142)의 폭에 평행하도록 구성되어, 챔버 내에 담긴 유체가 오리피스를 통해 배출되도록 구성된다. 중간 플레이트(130)의 베이스 전극(132)과 벽(138, 139)에 의해 형성된 갭을 가로질러 전극(132)에 가해진 전압에 의해 생성된 벽(138, 139)의 이러한 편향은, 유체 배출 오리피스 또는 노즐을 통해 유체 방울을 배출시키도록, 잉크 챔버(142)로 표시되는 것과 같은 일 열의 유체 또는 잉크 챔버 내에 압력 교란을 생성시키도록 설계된다.

본 발명의 설명된 실시 태양이 오직 잉크만을 배출하는 프린트 헤드에 국한되지 않고 정전기적으로 작동되는 막에 의해 생성되는 챔버 내 압력 변화에 의해 챔버로부터 오리피스를 통해 유체가 배출되는 임의의 유체 정밀 측정 장치에 적용될 수 있다는 것이 이해되어져야 한다.

이롭게도, 본 발명은 제조가 쉬운 일체형의 기본 단위 설계를 갖는다. 예를 들면, 본 발명된 정전기적으로 기계적 작동되는 유체 정밀 측정 장치는 특정 적용에 대해 적절한 강성(탄성율), 전도도 또는 습식 특성을 갖는 재료의 선택을 쉽게 해주는 방법에 의해 단일 기재로 만들어진 일군의 장치일 있다.

앞선 설명은 당업자로 하여금 본 발명을 실시하는 것을 가능하게 하도록 한 다. 앞선 설명은 그것을 읽음으로써 당 작업자에게 자명한 모든 가능한 변경 및 변화를 상세히 설명하려고 하지 않는다. 하지만, 앞선 설명은 이러한 모든 변경 및 변화가 이하의 특허청구범위에 의해 한정된 본 발명의 범위 내에 포함됨을 의미한다. 문맥이 특별히 반대로 나타내지 않는다면, 본 특허청구범위는 본 발명을 위한 의도된 목적을 충족시키기에 효과적인 임의의 장치 또는 순서에서 표시된 요소 및 단계를 충족시키도록 의도된다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 유체를 배출하는 오리피스를 갖춘 일 열의 유체 챔버를 구비한 정전기적으로 기계적 작동되는 정밀 측정 장치를 챔버 열이 챔버 벽을 포함하는 작동 막의 길이 및 높이 치수에 좌우되지 않도록 설계하여, 적용 전압의 실질적으로 지수 함수적인 증가 없이도 높은 해상도를 갖는 등의 효과가 있다.

Claims (10)

1. 정전기적으로 작동하는 유체 정밀 측정 장치(electrostatically actuated fluid micro-metering device)로서,

   챔버(chamber) 폭에 좌우되는 피치(pitch)를 갖는 챔버와,

   임의의 길이와 높이를 갖는 정전기적으로 변형 가능한 막(membrane)을 포함하는 챔버 벽을 포함하며,

   상기 챔버의 피치는 상기 막의 길이와 높이에 무관하고,

   전극은 상기 챔버 벽에 이격되어 인접해 있고, 상기 전극은 상기 챔버와 마주하며, 정전기적인 갭(electrostatic gap)은 상기 전극과 상기 챔버 벽 사이에 한정되는, 정전기적으로 작동하는 유체 정밀 측정 장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 챔버 피치는 50㎛인, 정전기적으로 작동하는 유체 정밀 측정 장치.
3. 제 1항에 있어서, 상기 챔버 피치는 25㎛인, 정전기적으로 작동하는 유체 정밀 측정 장치.
4. 제 1항에 있어서, 상기 챔버는 일렬로 정렬된 복수의 챔버에 의해 형성되는, 정전기적으로 작동하는 유체 정밀 측정 장치.
5. 제 1항에 있어서, 제 1 챔버 벽과 제 2 챔버 벽은 각각 정전기적으로 변형 가능한 막을 포함하고, 상기 제 1 챔버 벽은 상기 제 2 챔버 벽과 마주하는, 정전기적으로 작동하는 유체 정밀 측정 장치.
6. 삭제
7. 제 1항에 있어서, 상기 전극 및 상기 챔버 벽과 일체형으로 된 베이스(base)를 더 포함하고, 상기 베이스는 상기 챔버의 바닥 벽을 형성하며, 상기 베이스, 상기 챔버 벽 및 전극은 단일 기판으로부터 형성되는, 정전기적으로 작동하는 유체 정밀 측정 장치.
8. 제 1항에 있어서, 복수의 챔버는 일렬로 정렬되어 있고, 상기 전극은 제 1 챔버의 제 1 막과, 이와 인접한 제 2 챔버의 제 2 막을 정전기적으로 작동시키는, 정전기적으로 작동하는 유체 정밀 측정 장치.
9. 제 1항에 있어서, 챔버 벽에 오리피스(orifice)를 더 포함해서, 상기 정전기 갭에 가해지고 상기 전극과 상기 챔버 벽 사이에 가해진 정전기력은 상기 막의 변형을 일으켜서, 상기 챔버 내의 유체가 상기 오리피스를 통해 배출되는, 정전기적으로 작동하는 유체 정밀 측정 장치.
10. 정전기적으로 작동하는 유체 정밀 측정 장치로서,

    챔버의 횡축을 따라 챔버 폭에 좌우되는 피치를 갖는 챔버와,

    변형축(deformation axis)을 갖는 정전기적으로 변형 가능한 막을 포함하는 챔버 벽을

    포함하며,

    상기 막의 상기 변형축은 상기 챔버의 횡축과 평행한, 정전기적으로 작동하는 유체 정밀 측정 장치.

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