專利名稱：噴墨記錄裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種可用作信息處理裝置或與信息處理裝置成一體的噴墨打印機的輸出裝置的噴墨記錄裝置，這些信息處理裝置具體包括個人計算機、文字處理機、復印機或傳真機。本發(fā)明特別涉及一種采用熱電轉(zhuǎn)換器作為能量發(fā)生元件以產(chǎn)生噴墨能量的噴墨記錄裝置，其中噴墨是根據(jù)圖像信息信號來進行的。
美國專利US 4723129中公開了一種這樣的噴墨記錄裝置。
影響這種記錄裝置記錄或打印圖象質(zhì)量的一個因素是從記錄頭噴射墨滴的容量、數(shù)量或方向。決定記錄速度的一個因素是記錄頭的噴射頻率。
因此，記錄頭的噴射特性是影響記錄裝置性能的一個重要因素。到目前為止，在考慮到噴墨特性的情況下設計記錄頭時，要根據(jù)所需噴墨特性將噴射出口結(jié)構及與記錄頭的噴射出口相通的墨水通道等互相結(jié)合或互相獨立地進行設計。
在美國專利US 4338611中，從供墨口到發(fā)熱元件的最短距離b以及噴墨出口和發(fā)熱元件之間的最短距離a滿足關系式1／100≤a／b≤1／2。在該專利中，描述了利用上述關系穩(wěn)定了噴射方向、提高了響應頻率(單位時間噴墨滴數(shù))，并可防止出現(xiàn)墨滴飛濺現(xiàn)象。顯然，該專利給出了不能使用a≥b的教導。
在美國專利US 4723136中公開了一種具有抗流動元件的記錄頭，該抗流動元件位于墨水通道內(nèi)的發(fā)熱元件和供墨口之間。
美國專利US 4897674披露了從噴射出口到靠近供墨口的發(fā)熱元件的距離L1和L2滿足關系式L2≤L1≤5L2。該專利還公開了一種設置在公共液體腔內(nèi)用于穩(wěn)定噴射速度的一個局部的壁，并且其橫截面積朝噴射出口方向縮小。這種橫截面積的改變也披露于美國專利US 4752787中。
這些專利只涉及了記錄頭的結(jié)構。日本專利申請公開號250050／1992給出了另一種建議，該申請公開了一種使用記錄頭的記錄裝置，該記錄頭為單獨分立的液體通道設置了發(fā)熱元件，在該液體通道中，這些發(fā)熱元件不同時進行工作，并且噴射出口和發(fā)熱元件之間的距離1a與供墨口和發(fā)熱元件之間的距離1b滿足關系式1a＞1b，其中1b不小于90μm且不大于130μm，而1a不大于110μm，由此使響應頻率得以提高。
但他們沒有注意到墨水容器對記錄頭的影響。本發(fā)明考慮到了這種影響。
在由于毛細作用力而使向供墨口供墨系統(tǒng)形成墨水保持力的情況下，即記錄頭的供墨系統(tǒng)采用海棉或類似物(作噴墨盒使用時)作為盛墨的容器、或者墨水容器與墨水通道之間的距離過長和過窄的情況，在連續(xù)噴墨的最初幾次墨會呈現(xiàn)墨滴容量不穩(wěn)定的情況，從而造成打印模糊。
使用這種供墨系統(tǒng)時，如果墨水是通過許許多多小孔連續(xù)噴射的，在形成穩(wěn)定的墨流之前，由于流體的慣性而產(chǎn)生較大的流動阻力，所以墨水通道內(nèi)的真空度較高。
現(xiàn)在參照圖7對這種情況進行描述。在開始噴墨之前(0－t1)墨水通道1內(nèi)的真空度是X1，在開始噴默墨時(t1)由于流體的慣性(流體長度／橫截面積)，真空度在瞬間便增加到X3，在Y區(qū)內(nèi)真空度逐漸降低。在Z區(qū)內(nèi)t2之后形成了恒定真空。在噴墨開始時真空度的提高導致了打印模糊。
參照圖8，圖中示出了一個與墨水通道和供墨系統(tǒng)對應的等效電路。由于每單位時間從小孔5噴出的墨水容量都是恒定的，所以墨流等效于恒定電流i。供墨系統(tǒng)11具有等效于流動阻力的電阻R和等效于流體慣量的電抗L。當噴射開關12接通時，電流i開始流動。在上升區(qū)域內(nèi)，由于電抗L使電流不易流動，所以在供墨通道1(恒壓源)內(nèi)產(chǎn)生高電壓(真空)。該電壓逐漸降低到恒電壓。可以理解到，開始噴墨之后在形成恒定區(qū)Z之前，供墨通道1內(nèi)形成高真空度。這就增加了重新充填墨水所需的時間。
應將傳統(tǒng)的記錄頭的設計引向改進Z區(qū)內(nèi)的特性。
因此，本發(fā)明的一個主要目的是提供一種噴墨盒、一種噴墨記錄裝置和一種噴墨方法，由此可在開始噴墨時有效地防止打印模糊現(xiàn)象，因此可以使噴墨穩(wěn)定進行。
按照本發(fā)明的一個方面，將提供一種噴墨記錄裝置，它包括一個噴墨小孔；一個用于產(chǎn)生熱能以形成噴墨泡的加熱器；一個將墨供給小孔的墨水通道，該供墨通道設有加熱器；一個用于盛放向供墨通道供墨的墨水容器，該墨水容器利用毛細作用力保持墨水；并且滿足如下關系式VOH＞V′Me＋Vd這里VOH是供墨通道從小孔到靠近小孔的加熱器邊緣的容積；V′Me是在噴墨開始時形成的彎液面收縮的體積；Vd是噴墨體積。
在閱讀了如下參照附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行的描述之后，本發(fā)明的這些和其它目的、特征和優(yōu)點將變得更加明顯。


圖1是本發(fā)明一個實施例的記錄頭供墨通道的縱剖面圖；圖2是與圖1相同的通道的縱剖面圖；圖3是表示本發(fā)明實施例中小孔－加熱器的距離與墨滴體積之間關系的曲線圖；圖4是說明在本發(fā)明的一個實施例和現(xiàn)有技術中，當噴墨時重新充填墨水過程的供墨通道的剖面圖；圖5是對應于圖4的表示出彎液收縮(距離)和時間之間關系的曲線圖；圖6是表示小孔面積So和噴墨墨滴體積Vd之間關系的曲線圖；圖7是表示記錄頭的供墨通道內(nèi)隨時間變化而變化形成的真空的曲線圖；圖8是為了解釋真空形成的情況的與記錄頭的供墨系統(tǒng)和供墨通道等效的電路圖9是表示本發(fā)明一個實施例的墨水彎液面和一個加熱器之間距離的供墨通道的剖面圖；圖10是本實施例和現(xiàn)有技術的記錄結(jié)果的示意圖；圖11是具有相對于驅(qū)動頻率的參數(shù)n的表示出驅(qū)動頻率和噴射的體積之間關系的曲線圖；圖12是表示在現(xiàn)有技術和本實施例中，供墨通道內(nèi)真空度的變化和噴射體積的變化的曲線圖；圖13是可使用本發(fā)明記錄頭的噴墨記錄裝置的透視圖；圖14是具有整體式記錄頭和墨水容器的噴墨盒的分解透視圖；圖15是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的噴墨頭盒的透視示意圖。
首先對在噴墨開始時會出現(xiàn)打印模糊的機理進行解釋。
圖1是按照本發(fā)明一個實施例的供墨通道的剖視圖。設有構成供墨通道的一些槽的頂板13與加熱器板3相連以構成供墨通道1。利用與公共液腔7的聯(lián)通使供墨通道1充滿墨水6。加熱器3上設有為噴墨提供熱能的加熱器4。這些加熱器4加熱供墨通道1內(nèi)的墨水以產(chǎn)生液泡。當該裝置不工作時，由于墨水容器(未示出)內(nèi)的真空度與墨水的表面毛細作用力(阻礙流動)之間的平衡使墨水6在固定位置形成彎液面。通過將電能輸給加熱器4，使供墨通道內(nèi)加熱器4前方的墨水6通過加熱器4的加熱而產(chǎn)生的液泡的體積膨脹，以液滴形式噴射出來。此后由于彎液面的收縮作用，使供墨通道內(nèi)加熱器4前方的墨水6趨向于返回到加熱器的位置。如果利用墨水吸附材料或類似的其它材料而使墨水容器具有較強的毛細作用力，則由于墨水的流體慣性而在供墨通道內(nèi)形成高真空(如上所述)，真空的形成會阻礙從墨水容器中供墨，其結(jié)果使供墨通道1內(nèi)有彎液面退回到十分靠近加熱器4的位置。在彎液面完全返回到原來位置之前，可進行下一次噴墨。如果彎液面退回得過多，如果保留在供墨通道內(nèi)加熱器4前方的墨水容量小于正常噴射的容量時，則對于較小的墨水容量來說，由于液泡的體積膨脹而形成的壓能過大，所以在噴墨時液滴趨向于飛濺。這是造成打印模糊的原因。一般來說，打印模糊還出現(xiàn)在墨水容器沒有較強的毛細作用力的時候。這種情況將在下文進行描述。
在圖1中，在加熱器4中心的下游部分處的墨水流動阻力F用下式表示F(m-1)＝［加熱器－孔口距離(加熱器中心與孔口之前的距離)］／［供墨通道的橫截面積］。加熱器4中心的上游部分的墨水流動阻力R用下式表示F(m-1)＝［加熱器－液腔距離(加熱器中心到液體腔之間的距離)］／［(供墨通道的橫截面積］。
我們將對下述情況進行考察墨水6利用加熱器加熱來產(chǎn)生液泡8(如圖2所示)，并使墨滴9通過孔口5噴射出來。在此時刻，墨滴的體積大體可用下列等式表達Vd＝R(F＋R)×Vb…………(1)這里Vb是液泡8的體積。
從等式(1)中可以看出，隨著F的增加即隨著加熱器4前緣與孔口5之間的距離OH(圖1)的增加，噴墨體積Vd減小。這種情況用圖3的曲線a來表示。
應該理解到，隨著距離OH減小，噴墨體積Vd將增大。然而在用液泡噴墨的情況下液泡膨脹周期如此之短以至使噴墨體積Vd出現(xiàn)了一個上限。更具體地說，在時間周期t內(nèi)噴墨體積為V＝So×V×t＝So×I／t1×t2…………(2)這里V是經(jīng)過孔口5處的噴墨速度，So是孔口的橫截面積，I是時間t1期間墨水通過的距離長度。
當時間t1和t2接近于O時，那么lim V＝So×I…………(3)t1≈t2→0對于能在液泡膨脹的幾微秒的極短時間內(nèi)進行噴墨的情況下的最大體積Vdlim為Sor即Vdlim＝So×OH…………(4)等式(4)在圖3的曲線圖中被描繪成曲線b。從該曲線圖中可以看出，Vdlim與距離OH成正比，比例常數(shù)是孔口5的面積So。
在該圖中，兩條曲線a和b在距離L處彼此相交。由于OH的邊界為L，所以K區(qū)由Vd＞Vdlim定義，M區(qū)由Vd＜Vdlim定義。本實施例的記錄頭落在M區(qū)內(nèi)。
參照圖4，將針對相應的區(qū)描述液泡產(chǎn)生的過程、液泡的破裂以及彎液面的恢復。
在時間t1，靠加熱器的加熱來產(chǎn)生液泡8(圖4(A))。圖4(B)顯示出在時間t2時的狀態(tài)。在該時刻，如果加熱器4處于M區(qū)，則液泡8大體處于加熱器4中心的位置。如果加熱器4處于K區(qū)，則墨流被限制在孔口5側(cè)，所以液泡8朝液體腔7的方向偏移。因此，如果加熱器4處于K區(qū)，由于重新充注墨水的延遲而使墨水向后方移動。向后移動的體積為Vd-Vdlim…………(5)對應于這一體積，重新充墨作用將被推遲。
如圖4(C)所示，液泡8在時刻t8破裂。在M區(qū)的情況下，液泡破裂時的位置10位于加熱器4中心稍微靠后的地方。在K區(qū)的情況下，位置10的位置進一步靠后。
參照圖4(C)，液泡破裂的機理將被進一步描述。
彎液面(11)的收縮體積(無墨體積)VMe為VMe=R′/(F′+R′)×Vb=R′/(F′+R′)×(F+R)/R×Vd…………(6)這里Vb是液泡8的體積，F(xiàn)′是液泡8的下游流動阻力(圖2)，R′是液泡8的上游流動阻力(圖2)。
可以認為墨水從孔口5側(cè)和液體腔7側(cè)的運動是為了取代破裂的液泡。當F′在M區(qū)較大時(距離OH較大)，孔口5側(cè)的阻力較大，并且墨水從液體腔7運動的距離也較大。所以，破裂位置10沒有向后移動。這意味著彎液面的收縮體積(VMe)較小。從重新充液作用的觀點來看這是一個優(yōu)點。
另一方面，如果F′在K區(qū)內(nèi)較小(距離OH較小)，墨水從彎液面9側(cè)運動的距離大于體積Vd-Vdlim，所以，破裂位置10向后移動。其結(jié)果使彎液面的收縮相對于噴墨體積來說較大。此外，在重新充墨開始的時刻，初始的重新充墨速度減小，這與M區(qū)的情況相反，因而使重新充墨的周期變得很長。
圖5顯示出上述的關系。從該圖中可以理解，在M區(qū)內(nèi)彎液面的收縮較小，此外，充墨速度較高。但在K區(qū)內(nèi)，彎液面的收縮較大，充墨速度較低。因此，記錄頭落在K區(qū)內(nèi)，使打印出現(xiàn)模糊。
圖6顯示出孔口面積So與噴墨體積Vd之間的關系。如果So×OH＞Vd，則Vd由于制造公差而不受孔口面積So的影響。這是防止打印模糊的條件。
下面將描述在墨水容器中包含有吸墨材料時墨水容器具有較強的毛細作用力的情況。在具有整體式記錄頭和墨水容器的噴墨頭盒內(nèi)可以看到這種情況的典型實例。
圖14是一種典型的噴墨頭盒的分解透視圖。如該圖所示，記錄頭裝置IJU是一種能響應電信號產(chǎn)生熱能以使薄膜在墨水內(nèi)沸騰從而進行噴墨的打印機。加熱板100上設有用于產(chǎn)生熱能的電熱轉(zhuǎn)換器(噴墨加熱器)，它設置在硅底板的電路上，并用一根鋁導線或類似導線向它輸送電能。這些熱電轉(zhuǎn)換器是利用薄膜成形工藝制成的。線路板200包括與加熱板的引線相對應的線路(利用引線接合工藝或類似工藝連接)以及用于接收主機的電信號的焊點201，這些焊點201位于線路的端部。頂板1300上設有一些隔離壁，這些隔離壁用于構成與許多噴墨出口相對應的供墨通道，并構成公共液體腔或類似結(jié)構。線路板200還包括用于將墨水從一個墨水容器中引入公共液體腔的墨水接收口1500和一個具有許多噴墨出口的整體式孔口板400。頂板1300的隔離壁或類似結(jié)構與頂板1300整體構成，而整體注模材料最好采用聚砜，但也可以采用另一種合適的注模樹脂材料。
支撐件300支撐線路板200的背側(cè)在一個平面上，該支撐件300用金屬或其它類似的能起到記錄頭裝置構件作用的材料制成。限位彈簧500呈字母M形狀。M形狀的中心部分推動著頂板1300，使之位于與公共液體腔相對應的部分。彈簧500的擋片501在與頂壓板1300的供墨通道相對應的位置處被管路壓力推著。限位彈簧500的幾只腳穿過支撐材料300的孔3121與支撐件300的底表面相接合，使加熱板和頂板1300夾在限位彈簧500與支撐件300之間，這樣，利用限位彈簧和檔片501的推力使加熱板100和頂板1300牢固地壓緊并固定在支撐件300上。支撐材料300上設有兩個可與墨水容器的兩個定位凸臺1012相接合的定位孔312和兩個可與兩個定位孔和熱熔固定凸臺800相接合的定位孔1900。支撐件300的后側(cè)也設有定位凸臺2500和2600，它們與主機的支架相配合。此外，支撐件300上還有一個可以使將在下文描述的允許供墨管2200穿過的孔320，該孔用于從墨水容器中供墨。線路板200是利用粘合材料或類似材料的粘接將其安裝到支撐件300上的。
支撐件300的凹槽2400和2400設在靠近定位凸臺2500和2600的地方，當裝配記錄頭盒時(如圖15所示)，這些凹槽位于圍繞記錄頭裝置IJU三側(cè)的若干平行槽3000和3001的延伸部分上，所以外來物質(zhì)、墨水或類似的物質(zhì)不能接觸到凸臺2500和2600。具有槽3000的覆蓋部件800構成了記錄頭盒的一個外壁，同時也構成了容納記錄頭裝置IJU的一個部件。將帶平行槽3001的供墨件600與上述供墨管2200相聯(lián)接，由此使與墨水相聯(lián)通的墨水導管1600以固定懸臂的形式被支撐在供墨管2200的連接側(cè)。供墨管2200上設有一個密封銷602，以確保相對于供墨2200的毛細作用發(fā)生在墨水導管1600的固定位置處。標號601指的是一個用于將墨水容器與供墨管之間密封起來的密封墊，標號700指的是設在供墨管2200的墨水側(cè)端的一個過濾器。供墨件600是模鑄的所以定位精確，成本低廉。懸臂式導管1600可使它穩(wěn)定地在頂板1300的供墨口1500上，即使它是成批生產(chǎn)的也是如此。在該實施例中，從供墨通道提供密封和粘合材料，同時產(chǎn)生壓力接觸。
為了使供墨通道部件600固定在支撐件300上，將接合進支撐件300的孔19C1和19C2中的供墨通道部件600的背側(cè)銷(未示出)插入這些孔中，并且使背側(cè)向外凸起的部分熱熔。因此，使固定很容易。已熱熔的略微凸起的部分位于墨水容器的安裝側(cè)的相對于記錄頭裝置IJU來說沒有表示出來凹槽中，所以裝置IJU的定位是精確的。
墨水容器包括主盒體1000、吸附材料900和蓋板1100，在吸墨材料900從裝置IJU安裝側(cè)的相反側(cè)插入主盒體1000之后，該蓋板1100用于覆蓋主盒體。吸附材料900配置在主盒體1000內(nèi)。供墨口1200的作用是向噴墨裝置IJU(包括上述部件100－600提供墨水。在該裝置安裝到主盒體1000的一個部分1010之前，墨水是通過供墨口1200注入的，所以可使吸墨材料900吸附墨水。在該實施例中，可通過氣孔1401和供墨口注入墨水。然而，由在主盒體1000的內(nèi)表面上的肋2300和在蓋板1100內(nèi)表面上的肋2500和2501構成的空氣存在區(qū)配置在從空氣口1401側(cè)延伸出的部分上，而供墨口1200配置在離供墨口1200最遠的角區(qū)，靠這種配置方式使吸墨材料的供墨性能保持在能正常工作的狀態(tài)。因此，要將墨噴入優(yōu)良均質(zhì)的吸收材料內(nèi)時，最好讓墨通過供墨口1200噴入。這實際上是非常有效的。肋2300包括四個(圖14中只在頂表面上示出了兩個)平行于噴墨架的運動方向并位于主盒體1000后部的肋。這樣可有效防止吸收材料緊密接觸主盒體1000。此外，部分肋2501和2500位于肋2300的延長線上，并設置在蓋板1100的內(nèi)側(cè)表面上。與肋2300不同的是，肋2500是分開的。這種方式使空氣存在空間增大。肋2500和2501的分布面積小于整個蓋板1100面積的一半。利用這些肋使靠近距容器供墨口1200最遠的角區(qū)的在吸墨材料900內(nèi)的墨能穩(wěn)定地可靠地靠毛細作用力引到供墨口1200。標號1401代表在外殼部件上形成的用于將環(huán)境空氣引入墨容器的空氣口。檔水材料1400配置在空氣口1401的內(nèi)側(cè)。這樣可防止墨水從空氣口漏出。墨水容器的盛墨空間是長方形的管道狀的，它的長邊處于側(cè)表面上，所以上述肋的布置是非常有效的。在長邊平行于噴墨盒運動方向的情況下，或者在容納空間的形狀是立方體的情況下，這些肋布滿整個蓋板1100，因此吸墨材料900的供墨是穩(wěn)定的。
除了底部開口外，裝置IJU由墨水容器和在裝置IJU安裝好后蓋在裝置IJU上的蓋板800封閉。噴墨頭盒安裝在主機的噴墨架上。這時底部開口靠近噴墨架，這樣，基本上構成了一個4側(cè)封閉空間。因此，在封閉空間內(nèi)由記錄頭IJH產(chǎn)生的熱被均勻地散布在該空間內(nèi)，使該空間保持恒溫。但是可能會出現(xiàn)較小的溫升，比如在噴墨頭IJH長時間連續(xù)工作的情況下。為此，在本實施例中為了有助于解決支撐件300的自發(fā)熱輻射，在盒上表面開有一個較窄的切口1700(長度小于空間的長度)，這樣就可避免出現(xiàn)溫升，同時不影響受環(huán)境影響的整個裝置IJU溫度分布的均勻性。
當噴墨頭盒IJU裝配好后(如圖15所示)，將墨水從容器的供墨口1200經(jīng)供墨管2200輸送到供墨通道部件600內(nèi)的導管1600，該供墨管2200穿過供墨容器600的內(nèi)側(cè)表面上開的引入口和支持撐件300的孔320。在通過了支撐件內(nèi)側(cè)后，墨水經(jīng)開在頂板1300上的墨水引入口1500被送到公共液體腔。在供墨管和導管之間的連接部分設置硅橡膠或異丁橡膠或類似材料制的密封墊，以確保對供墨通道的密封。
在本實施例中，頂板1300用具有高阻墨性的樹脂材料，如聚砜、聚醚砜、聚苯撐氧、聚丙烯或類似材料制成。利用金屬模具將頂板與板400同時整體鑄成。
如上文所述，在這種噴墨記錄頭中，在噴墨開始時刻會出現(xiàn)高真空，因此，彎液面的收縮體積如下VMe=(R′+P)/(F′+R′+P)×Vb=(R′+P)/(F′+R′+P)×(F+R)/R×Vd……(7)這里P(m-1)是墨水容器的流動阻力。根據(jù)在公共液體腔測量的負壓，在F和P大小相等時測定的流動阻力P為P＝δp×Sr/(Q×Y)這里δp(Pa)是容器內(nèi)產(chǎn)生的負壓(圖7中的Xa)，Sr(m2)是噴嘴上游端的面積，Q是流速(m3/sec)，y(Pa,sec)是墨的粘度。
從上式中可以理解到，彎液面的收縮程度要大于在墨水容器沒有較高毛細作用力時的收縮程度。
特別是連續(xù)噴墨時在第二次及隨后的幾次噴墨的情況下，重新充墨極其緩慢，以致在彎液面11返回到孔口5之前就開始產(chǎn)生液泡。為此，當圖9中的彎液面一加熱器距離MH(×So)小于墨滴體積(Vd)時，將被噴射的墨滴體積隨之將減小，所以圖10(A)中只記錄了奇數(shù)點。在這些小點之后又記錄下與第一點大小相同的點。這些過程不斷重復進行。其結(jié)果使奇數(shù)點的大小與第一點相同，而偶數(shù)點的尺寸較小。隨著真空度的逐漸降低，點的面積增加，直到第n個點與第一個點面積相同時為止(正常真空度)。
在該實施例中，對于第二個點來說，在開始產(chǎn)生液泡時MH距離滿足關系式MH×So＞Vd1……(8)結(jié)果如圖10(B)所示，記錄的點的面積保持恒定。
如果從方程(8)中特別注意到了在加熱器前方供墨通道的容積，則可以看出VOH＞V′Me＋Vd……(9)這里VOH是加熱器邊緣前方靠近孔口處的供墨通道的容積。因此，歸因于在噴墨開始時彎液面的突然收縮造成的打印模糊或點面積的縮小是可以避免的。其后真空達到正常狀態(tài)，從而使打印操作穩(wěn)定進行。
將等式(7)和等式(9)相結(jié)合則得到如下結(jié)果VOH＞[(R′＋P)／(F′＋R′＋P)×(F＋R)／R＋1]Vd……(10)
如下方法可以測定噴墨體積在5張紙上打印1500個相同的字符，記錄紙的尺寸為A4型。測定出打印前后噴墨頭盒(裝置)的重量差，所得結(jié)果除以總點數(shù)，這樣可測出1點的重量。利用墨水的比重可算出體積。在測量過程中，不進行恢復和更新操作。
如上所述，流動阻力可以用(橫截面積)×(長度)來計算。如果在本實施例中供墨通道的橫面積不是恒定的，則對橫截面積積分以計算出平均橫截面積。此外，雖然應當計算供墨通道、液體腔和輸送通道的流動阻力，但由于液體腔和輸送通道的截面積與供墨通道的截面積相比要大得多，所以液體腔和輸送通道的流動阻力可以忽略不計。液泡下游處的流動阻力F′和液泡上游處的流動阻力R′可以是(孔口和靠近該孔口的加熱器邊緣之間的距離)／(供墨通道的橫截面積)；并且R′＝(靠近液體腔的供墨通道邊緣和靠近液體腔的加熱器邊緣之間的距離)／(供墨通道的橫截面積)。
在墨水容器的供墨口或記錄頭的噴墨口上安裝一根細管可以測量真空度。
當驅(qū)動頻率的上限確定后，利用如下的供墨通道可避免出現(xiàn)模糊打印。
驅(qū)動頻率的上限為flim，彎液面返回到噴墨前的位置所需的時間為tm，那么對應于彎液面恢復到噴墨前位置所需時間的點數(shù)為Dm＝flim×tm…………(11)
如果在彎液面返回到噴墨前的固定位置之前，加熱器前部的噴墨通道的體積(VOH)大于噴出的墨的體積，則可避免打印模糊。這一條件可用下式表示VOH＞Dm×Vd＝flim×tm×Vd……(12)這里Vd1是第一個墨點的噴射體積。
時間tm由記錄頭和墨水容器的阻抗和電抗來確定，它通常為5－30μsec。
當VOH確定之后，由(12)式確定的條件可以用于選擇可穩(wěn)定噴墨的最大驅(qū)動頻率。
如果假定(加熱器前緣與孔口之間的墨水體積)＞n×(第一次噴墨的體積)為滿足公式(8)的條件，那么圖1所示的記錄頭的n值具有圖11中所示的記錄頭驅(qū)動頻率的特性。
換句話說，為了能穩(wěn)定地噴射恒定的體積，最好滿足如下關系式n＝1／3000×fop………(13)圖12對在現(xiàn)有技術的實例與本實施例之間的噴射體積隨時間的變化進行了比較。圖12(A)示出了圖7中所示的真空度的變化；圖12(B)示出了在傳統(tǒng)的供墨通道結(jié)構中噴墨體積的變化。圖12(C)示出了本實施例中噴墨體積的變化。正如在圖12(C)中所看出的，在噴墨剛開始的時刻可將噴墨體積的縮小減小到最低限度。按照本發(fā)明，在傳統(tǒng)的供墨通道結(jié)構中出現(xiàn)的由于噴墨體積的縮小而造成的打印模糊現(xiàn)象可以被避免。因此，噴墨可以穩(wěn)定進行，即使在噴墨剛開始時刻也是如此。
實施例1記錄頭具有圖1所示的結(jié)構。從孔口到液體腔之間的供墨通道長度是485μm。加熱器的中心位于離供墨通道的孔口247mm的地方。加熱器長105μm，寬40μm。
在加熱器中心之前的供墨通道的平均橫截面積是2300μm2，該中心之后的平均橫截面積是200μm2。加熱器前緣前部的平均橫截面積是2400μm2，加熱器后緣后部的平均橫截面積是2000μm2。噴墨體積是80p1。墨水容器設有吸墨材料，其流動阻力是0.173×10+6m-1，從加熱器前緣到孔口的供墨通道容積是400×10－15m3。驅(qū)動這種記錄頭的驅(qū)動頻率是3.5kHz。沒有觀察到打印模糊現(xiàn)象。
比較例1制造一種與實施例1基本相同的記錄頭，不同之處只是加熱器中心位于離孔口90μm處。供墨通道內(nèi)加熱器中心前部的平均橫截面積是2500μm2，加熱器中心后部的平均橫截面積是2020μm2。加熱器前緣前部的平均橫截面積是2800μm2，加熱器后緣后部的平均橫截面積是2000μm2。從加熱器前緣到孔口之間的供墨通道的容積是120×10－15m3。
以3.5kHz的驅(qū)動頻率驅(qū)動這種記錄頭。在噴墨的開始階段出現(xiàn)打印模糊。
圖13示出了采用噴墨記錄頭盒的一種噴墨記錄裝置IJRA的一般結(jié)構。噴墨盒IJC與記錄頭和墨水容器成一整體，它被放置在支座HC上。支座HC與絲扛5004的螺旋槽5005相嚙合，絲杠5004按照電機5013的正反旋轉(zhuǎn)并通過主動傳動齒輪5011和5009而轉(zhuǎn)動。為了實現(xiàn)這種嚙合，支座HC上設有一個銷(未示出)，利用這種結(jié)構使支座以a和b所示方向往復運動。記錄頭部分5025和墨水容器部分5026安裝在該支座HC上。限紙板5002有效地將紙推到支座運動范圍內(nèi)的壓紙卷筒5000上。部件5007和5008構成了一個檢測支座的桿5006是否出現(xiàn)的光電耦合器，用以變換電機5013或類似裝置的旋轉(zhuǎn)方向。因此，光電耦合器起著原來位置檢測裝置的作用。標號5016指的是一個用于支承復蓋記錄頭前測的復蓋部件5022的部件，5015指的是用于抽吸蓋帽內(nèi)側(cè)的抽吸裝置。抽吸裝置通過蓋帽內(nèi)側(cè)的抽吸裝置。抽吸裝置通過蓋帽上的一個開口5023實現(xiàn)記錄頭的抽吸復原操作。清潔刮片5017可借助部件5019往復運動，清潔刮片5017和部件5019被支撐在一個支撐架5018上，對于刮片，可以采用任何已知的清潔刮片。桿5012用于起動抽吸操作，并按照與支座相嚙合的凸輪5020的運動而運動。通過已知的傳動裝置，如離合機構或類似機構可控制驅(qū)動電機的驅(qū)動力。
當支座HC靠近原來的位置時，可利用絲杠5005的運轉(zhuǎn)使復蓋、清潔和抽吸恢復的運行能在適當?shù)奈恢锰庍M行。其它已知的結(jié)構如果能在準確的時間實現(xiàn)這些操作也可以采用。
上文中描述了使用一個噴墨支座的噴墨記錄裝置。然而，本發(fā)明也可以應用于通過很細的管將墨水從墨水容器提供給記錄頭的噴墨記錄裝置。
到目前為止，人們一直認為，為了提高噴墨效率和提高穩(wěn)定噴射墨滴的響應頻率，則應盡可能使噴墨頭接近噴墨出口。在某種意義上說這是正確的，但下文所述內(nèi)容則是從復雜的墨水輸送通道結(jié)構、供墨通道結(jié)構及其對供墨通道的研究中得到的。
首先，從噴墨出口噴射的墨滴的體積(這靠收集幾十個到幾個墨滴并取其平均值來確定)根據(jù)從噴墨出口到噴墨加熱器之間的最短距離OH的變化，以不能預測的方式改變。更具體地說，按照最短距離OH和噴射的墨滴的體積Vd之間的關系，體積Vd在距離OH超過具有最大噴射體積Vdmax的距離OH1的范圍內(nèi)隨著距離OH的增加而減?。欢w積Vd在距離OH小于距離OH1的范圍內(nèi)隨著距離OH的減小而減小。在本發(fā)明中，記錄頭具有使距離OH超過提供Vdmax的距離OH1的結(jié)構。在這種情況下，如果期望較大的噴墨體積，則應使距離OH接近于距離OH1。
就形成的墨滴小于Vdmax并小于距離OH1的距離OH而論，墨滴的不穩(wěn)定性是很明顯的。在上述第一個發(fā)明的距離范圍內(nèi)，墨滴的不穩(wěn)定性被消除了，換句話說可以形成均勻的墨滴。
對于可以單獨使用或與上述的第一方面結(jié)合起來使用的本發(fā)明的第二方面來說，加熱器表面的前緣的供墨通道下游的內(nèi)側(cè)體積V(在正常的彎液面狀態(tài)下，靠毛細作用力保持的墨水的體積)小于｛1／3×f(kHz)＋n｝×Vd。這里f是最大驅(qū)動頻率，n是提供給記錄頭的液體或固體墨的不確定條件的問題以及記錄頭本身的問題(比如產(chǎn)生串擾的記錄頭結(jié)構，在墨水容器內(nèi)吸附材料的供墨不穩(wěn)定性等等)的數(shù)目，其中，如果有m個問題，則n=m。這是作為安全因素考慮的，其中1對應于一個問題。在上面的公式中，Vd是將要噴射的墨滴體積，如果某一記錄頭的所有造成噴射的不穩(wěn)定的問題都被解決了，則該記錄頭的n＝0。滿足這一條件后，就可以按所需的頻率以高度均勻狀態(tài)連續(xù)噴射滴。
本發(fā)明可應用于任何噴墨裝置，如使用機電轉(zhuǎn)換器(例如，壓電元件)的噴墨裝置，但尤其適用于噴墨記錄頭以及利用熱電轉(zhuǎn)換器，激光束等產(chǎn)生的熱能來改變噴射出或排出墨的狀態(tài)的記錄裝置。這是由于它可實現(xiàn)高密度的像素和高分辨率的記錄的緣故。
美國專利US 4723129和4740796公開了最佳的典型結(jié)構及其工作原理。這一原理和結(jié)構可應用于所謂的即時回答式記錄系統(tǒng)和連續(xù)式記錄系統(tǒng)。但它特別適用于即時回答式系統(tǒng)，因為該原理是這樣的至少有一個驅(qū)動信號傳送給設置在液體(墨水)檔板或供液通道上的轉(zhuǎn)換器，該驅(qū)動信號足以提供超過成核沸點的快速溫升，利用該溫升使熱電轉(zhuǎn)換器提供熱能，以在記錄頭的加熱部分上產(chǎn)生膜態(tài)沸騰，這樣，對應于每個驅(qū)動信號就在液體(墨水)內(nèi)形成一個液泡。
通過液泡的產(chǎn)生，發(fā)展和收縮，使液體(墨水)快速響應地被噴射出。驅(qū)動信號最好是脈沖形式的，如美國專利US 4463359和US 4345262所公開的那樣。此外，加熱表面的溫度提高的速率最好是如美國專利US 4313124所公開的那樣。
記錄頭的結(jié)構也可以是美國專利US 4558333和4459600中的那種結(jié)構，其中加熱部分設在一個彎曲部分上，并且還可以是如上述專利中公開的將噴墨出口、供液通道和熱電轉(zhuǎn)換器結(jié)合在一起的結(jié)構、此外，本發(fā)明可應用于在日本專利申請公開號123670／1984中所揭示的結(jié)構，其中將公共切口用作多個電熱轉(zhuǎn)換器的噴墨出口。本發(fā)明還可應用于在日本專利申請公開號138461/1984中所公開的結(jié)構，其中對應于噴墨部分設置一個用于吸收熱能壓力波的開口。這是因為本發(fā)明不管記錄頭的類型如何，都能有效可靠地并以高效率進行記錄操作。
本發(fā)明可有效地應用于所謂全線式記錄頭，這種記錄頭具有與最大記錄寬度一致的長度。這種記錄頭可以包括一個單記錄頭和結(jié)合在一起的多記錄頭，以覆蓋最大寬度。
另外，本發(fā)明可應用于記錄頭固定在主機上的串聯(lián)式記錄頭以及與主機電連接的可替換基片式記錄頭，當這種記錄頭安裝在主機上時，可以向它供墨。本發(fā)明或者可應用于具有一個整體式墨水容器的盒式記錄頭上。
最好給本發(fā)明設置恢復裝置和／或用于運轉(zhuǎn)的輔助裝置，因為這些裝置能進一步穩(wěn)定本發(fā)明的效能。對于這些裝置，可以是記錄頭的覆蓋裝置，記錄頭的清潔裝置、加壓和抽吸裝置，可以是電熱轉(zhuǎn)換器的預熱裝置、輔助加熱部件或一種上述裝置的結(jié)合。另外，用于完成試噴墨的裝置(不用于記錄操作)可以穩(wěn)定記錄運行。
至于可裝配的記錄頭的變型，可以是與單色墨對應的單記錄頭或是與多個具有不同記錄顏色或密度的墨水材料對應的多個記錄頭。本發(fā)明可有效地應用于至少有一種單色模式(主要是黑色)，一種具有不同顏色的墨水材料和／或一種使用混合色的金屬模式的裝置，該裝置可以是整體構成的記錄裝置，或多個記錄頭相結(jié)合的記錄裝置。
此外，在上述實施例中，墨是液體的。但也可以是在低于室溫時固化并在室溫時液化的墨料。由于墨被控制在不低于30℃，不高于70℃的溫度范圍內(nèi)，以便穩(wěn)定墨的粘度，使這種類型的常規(guī)記錄裝置能穩(wěn)定噴墨，所以在本發(fā)明的記錄信號用于其它種類的墨時，在該溫度范圍內(nèi)的墨是液體的。對于其中的一種墨，利用墨從固態(tài)變成液態(tài)的相變消耗熱能來有效地防止熱能造成的溫升。另一種墨料在剩余后被固化，以防止墨的蒸發(fā)。在上述任何一種情況下，應用記錄信號是產(chǎn)生熱能，使墨液化，這種液化的墨可以被噴射。另外一種墨料只在墨接觸到記錄材料時才開始固化。本發(fā)明也可使用這種利用熱能液化的墨料。這種墨料可以作為液體或固體材料保存在如日本專利申請公開號56847／1979和日本專利申請公開號71260／1985中公開的多孔板內(nèi)開設的通孔或凹槽內(nèi)。這種板面對著電熱轉(zhuǎn)換器。最有效的上述墨料系統(tǒng)是膜態(tài)沸騰系統(tǒng)。
噴墨記錄裝置可用作信息處理裝置，如計算機或類似裝置的輸出端，也可用作與圖象閱讀器或類似裝置結(jié)合在一起的復印裝置，或者也可用作具有信息傳遞或接收功能的傳真機。
雖然參照上述公開的結(jié)構對本發(fā)明進行了描述，但它不局限于所描述的具體細節(jié)，該申請可以復蓋按改進的目的或在權利要求的范圍內(nèi)作出的修改或變換。
權利要求
1.一種噴墨記錄裝置，包括一個噴墨孔口一個用于產(chǎn)生熱能以形成噴墨液泡的加熱器一個向所述孔口輸送墨的供墨通道，所述供墨通道設有所述加熱器；一個用于盛放要提供給所述供墨通道的墨的墨容器；所述墨容器利用毛細作用力保存墨；本裝置滿足下式；VOH＞V′Me+Vd這里VOH是供墨通道從所述孔口到靠近所述孔口的所述加熱器邊緣之間的容積；V′Me是在最初噴墨時彎液面收縮的體積；Vd是噴出的墨的體積。
2.一種噴墨記錄裝置，包括一個噴墨孔口一個用于產(chǎn)生熱能以形成噴墨液泡的加熱器；一個向所述孔口輸送墨的供墨通道，所述供墨通道設有所述加熱器；一個用于向所述供墨通道提供墨的盛墨用的墨容器；所述墨容器利用毛細作用力保存墨；用于驅(qū)動所述加熱器的驅(qū)動裝置；本裝置滿足下式；VOH＞flim×tm×Vd1這里VOH是供墨通道從所述孔口到靠近所述孔口的所述加熱器邊緣之間的容積；flim是驅(qū)動頻率的上限；tm是彎液面返回到噴墨前的位置所需的時間；Vd1是在初始噴墨時墨的體積。
3.一種噴墨盒，包括一個噴墨孔口一個用于產(chǎn)生熱能以形成噴墨液泡的和加熱器；一個向所述孔口輸送墨的供墨通道，所述供墨通道設有所述加熱器；一個用于盛放要提供給所述供墨通道的墨的墨容器；所述墨容器利用毛細作用力保存墨；本裝置滿足下式；VOH＞V′Me＋Vd這里VOH是供墨通道從所述孔口到靠近所述孔口的所述加熱器的邊緣之間的容積；V′Me是在噴墨初始時彎液面收縮的體積，Vd是噴出的墨的體積。
4.一種噴墨盒，包括一個噴墨孔口一個用于產(chǎn)生熱能以形成噴墨液泡的加熱器；一個向所述孔口輸送墨的供墨通道，所述供墨通道設有所述加熱器；一個用于盛放要提供給所述供墨通道的墨的墨容器；所述墨容器利用毛細作用力保存墨；本裝置滿足下式；VOH＞flim×tm×Vd1這里VOH是供墨通道從所述孔口到靠近所述孔口的所述加熱器邊緣之間的容積；flim是驅(qū)動頻率的上限；tm是彎液面返回到噴墨前的位置所需的時間；Vd1是在初始噴墨時墨的體積。
5.一種噴墨記錄裝置，包括一個噴墨孔口一個用于產(chǎn)生熱能以形成噴墨液泡的加熱器一個向所述孔口輸送墨的供墨通道，所述供墨通道設有所述加熱器；一個用于盛放要提供給所述供墨通道的墨的墨容器；所述墨容器利用毛細作用力保存墨；本裝置滿足下式；VOH＞［(R′＋P)／(F′＋R′＋P)×(F＋R)／R＋I］Vd這里VOH是供墨通道從所述孔口到靠近所述孔口的所述加熱器的邊緣之間的容積；Vd1是噴出的墨的體積，F(xiàn)是從所述加熱器中心到所述孔口的流動阻力；R是從所述加熱器中心到所述墨容器的流動阻力；F′是從所述加熱器上產(chǎn)生的最大液泡到所述孔口的流動阻力；R′是從所說加熱器上產(chǎn)生的最大液泡到所說墨容器的流動阻力；以及P是所述墨容器的流動阻力。
6.一種噴墨盒，包括一個噴墨孔口一個用于產(chǎn)生熱能以形成噴墨液泡的加熱器一個向所述孔口輸送墨的供墨通道，所述供墨通道設有所述加熱器；一個用于盛放要提供給所述供墨通道的墨的墨容器；所述墨容器利用毛細作用力保存墨；本裝置滿足下式；VOH＞[(R′＋P)／(F′＋R′＋P)×(F＋R)／R＋I]Vd這里VOH是供墨通道從所述孔口到靠近所述孔口的所述加熱器的邊緣之間的容積；Vd1是噴出的墨的體積，F(xiàn)是從所述加熱器中心到所述孔口的流動阻力；R是從所述加熱器中心到所述墨容器的流動阻力；F′是從所述加熱器上產(chǎn)生的最大液泡到所述孔口的流動阻力；R′是從所說加熱器上產(chǎn)生的最大液泡到所說墨容器的流動阻力；以及P是所述墨容器的流動阻力。
全文摘要
一種噴墨記錄裝置，它包括一個噴墨用的孔口；一個產(chǎn)生熱能以形成噴墨液泡用的加熱器；一個向孔口供墨的供墨通道，該供墨通道上設置加熱器；一個用于盛放要向供墨通道輸送的墨的墨容器，該墨容器利用毛細作用力保存墨；本裝置滿足如下關系式VOH＞V′Me+Vd這里V
文檔編號B41J2/14GK1099701SQ93115009
公開日1995年3月8日 申請日期1993年10月15日 優(yōu)先權日1992年10月15日
發(fā)明者石永博之, 杉谷博志, 益田和明, 笠本雅己, 鈴木誠二, 樫野俊雄, 河合潤, 岡崎猛史, 荒島輝雄, 上山雄次 申請人:佳能株式會社