液體噴射構造,噴墨式記錄頭和印表機的製作方法
2023-08-22 12:57:56 2
專利名稱：液體噴射構造,噴墨式記錄頭和印表機的製作方法
技術領域：
本發明涉及噴墨式記錄頭在工業上的應用，特別是涉及在墨水之類的液體從噴嘴中噴出時，能夠提高所噴出的液滴的直線前進性和液滴的均勻程度之類的飛行特性的液體噴射構造的改進。
噴墨式記錄頭的性能受到噴嘴是否具有與墨水滴的親和性的極大影響。例如，如果墨水滴的噴射面(噴嘴開口處的噴射側表面)與墨水有很高的親和性，那麼，就會吸引要向殘留在噴射面上的墨水和紙粉等等附著物噴出去的墨水滴，使它不是向預定的方向，而是向轉一個彎的方向噴出去。
以往，作為使墨水滴的噴出方向穩定的方法，是選擇形成噴嘴的噴出面的材料，並採用使該噴出面對於墨水的親和性小的加工方法。例如，美國專利文獻5,598,193中所公開的，在噴嘴的表面上形成一層本身集合化的單分子膜。藉助於這種加工方法，由於噴出面對於墨水呈疏水性，所以噴出來的墨水滴不會轉彎。
可是，上述那種以往的改良技術雖然能改進液滴前進的直線性，卻仍不能使從噴嘴噴出的液體量穩定下來。正由於墨水滴的量不穩定，每一滴液滴中所含的墨水的量互相不同，所以不可能列印出高質量的字跡來。
特別是，當把這種噴墨式記錄頭用於工業上時，噴出了的液滴的量不穩定是致命的問題。噴墨式記錄頭在工業上的應用，是為了代替墨水，把能夠使用在工業上的液體從噴墨式記錄頭的噴嘴噴射出來，以形成各種圖形或花樣。作為在工上的應用，例如，在噴墨式記錄頭上使用，以形成圖形時，由於要形成的圖形每一個節距的寬度很小，如果噴出的液滴的直徑不穩定，每一滴液滴中的液體量是變化的，就不能形成寬度穩定的圖形。
因此，為了解決上述問題，本發明的第一個任務是提供一種能提高噴出液滴前進的直線性，使液滴的直徑穩定的液體噴出構造。
本發明的第二個任務是提供一種藉助於提高噴出液滴前進的直線性，使液滴的直徑穩定，從而能適用於供液用途的噴墨式記錄頭。
本發明的第三個任務是提供一種藉助於提高噴出液滴前進的直線性，從而能列印出高品質的字跡來的印表機。
有鑑於以上各種問題，本申請的發明人對墨水之類的液體在噴嘴中的運動過程，一直到成為液滴從噴嘴中噴出來為止的行為規律進行了分析。結果發現，在液體在噴嘴的流道中移動的過程中，當相對於液體的親和性急劇下降時，液體便在其不連續的點上離開構成流道的壁面。離開壁面的液體在進一步向下遊前進的過程中就會產生縮頸。
然後，由於表面張力而產生縮頸處的液體成為特徵點而分離出來，其前端部分成為液滴，從開口部分噴射出來。如果此時液體的行進速度相同，則產生特徵點的位置是一定的，所噴射出來的液滴的直徑也一定不變。因此，本發明人就想到了利用這種液體的行為規律，改變形成噴嘴的流道上的親和性的大小，用以穩定地產生液滴的構造。
即，本發明解決上述第一個任務的方案是提出一種具有噴射液體用的噴嘴的噴射液體的構造，其特徵在於，這種構造中的噴嘴具有這樣的流道，該流道在沿著這種液體的流動方向上對於要噴射的液體的親和性的大小是變化的。當流道中對於液體的親和性大小發生變化時，液體便在這種變化點上產生從流道表面離開的特徵點，產生大小均勻的液滴。這種液體噴射機構，除了噴墨式記錄頭的噴嘴部分之外，還可以應用於工業製造設備，注射器之類的醫療器械，燃料噴射裝置，以及需要前進的直線性好，液滴均勻的其他用途。
此處，所謂「液體」，不僅是指墨水，也包括能用於工業的，具有能從噴嘴中噴射出來的粘度的所有流體，不管這種液體是水性的還是油性的。此外，這種液體也可以是在膠體狀物質中加入規定的混合物。所謂「親和性的大小」能用與液體的接觸角的大小來決定。對液體的親和性可以相對地用在各個區域中對於液體的接觸角來確定。例如，在流道中對於液滴的接觸角小的區域是相對的親和性較大的區域，而對於液滴的接觸角大的區域則是親和性相對較小的區域。對於液體是否有親和性決定於液體的分子結構與流道表面的分子結構之間的關係。即，液體不同，親和性的高低也不同。例如，液體中包含水之類的極性分子時，如果構成流道表面的分子也具有極性結構時，親和性就較高，即，顯示出親水性。如果構成流道表面的分子為非極性結構，則親和性較低，即，顯示出排水性。相反，如果液體是以有機溶劑的非極性分子為基礎而構成的，那麼，在構成流道表面的分子具有極性結構時，就顯示比較低的親和性；而在構成流道表面的分子具有非極性結構時，就顯示比較高的親和性。因此，對於某種液體顯示出比較高的親和性的流道表面，對於其他液體可能會顯示出比較低的親和性。
此處，具體的說，流道是以作為在金屬表面上凝聚了一定的含硫的化合物的烴硫基金屬而存在的分子膜所形成的。
例如，上述含硫的化合物可以是以R-SH這樣的化學結構式所代表的硫代羥基化合物所構成的，其中R是烴基。具體的說，當n、m、p和q為任意的自然數，X、Y為預定的元素時，上述R可以代表下列結構式中的任何一種CnH2n+1-，CnF2n+1-，CnF2n+1-CmH2m-，CnF2n+1-(CH2)m-X-C≡C-C≡C-C-Y-(CH2)p-HO2C(CH2)n-，HO(CH2)n-，NC(CH2)n-，H2n+1Cn-O2C-(CH2)m-，H3CO(CH2)n-，X(CH2)n-(其中X是一種滷族元素，如Br，Cl或I等)H2C＝CH(CH2)n-H3C(CH2)n-，CnF2n+1-(CH2)m-(NHCO-CH2)p-(CH2)q-。
又例如，上述含硫的化合物也可以是由以R1-SH和R2-SH這兩種互相不同的化學結構式為代表的硫代羥基分子混合物所構成，其中的R1和R2可代表下列結構式中的任何一種CnF2n+1- or CnF2n+1-CmH2m-或者，上述含硫的化合物也可以是由以HS-R3-SH這種化學結構式為代表的硫代羥基化合物所構成，具體的說，其中的R3可代表下列結構式中的任何一種
又例如，上述含硫的化合物也可以部分或全體是由以R4-S-S-R4這種化學結構式為代表的硫代羥基化合物所構成，其中的R4是烴基。具體的說，當n、m、p和q為任意自然數，X、Y為預定的元素時，上述R4可以代表下列結構式中的任何一種
CnH2n+1-，CnF2n+1-，CnF2n+1-CmH2m-，CnF2n+1-(CH2)m-X-C≡C-C≡C-Y-(CH2)p-HO2C(CH2)n-，HO(CH2)n-，NC(CH2)n-，H2n+1Cn-O2C-(CH2)m-，H3CO(CH2)n-，X(CH2)n-(其中X是一種滷族元素，如Br，Cl或I等)H2C＝CH(CH2)n-H3C(CH2)n-，CnF2n+1-(CH2)m-(NHCO-CH2)p-(CH2)q-。
此處，上述流道在從上遊到下遊的過程中，具有對於這種液體的親和性急劇下降的不連續點。
例如，上述流道在其下遊一側具有長度為1μm到100μm的對於該液體的親和性比較低的區域。
此外，上述流道在從上遊到下遊的過程中，可以設定為對於這種液體的親和性逐漸上升。
此外，上述流道也可以在該流道的下遊具有對於這種液體的親和性能隨著熱或者電場的強度，或者磁場的強度中任何一種物理量的變化而改變的區域。此時，還要具備使上述區域中的熱或者電場的強度，或者磁場的強度中任何一種物理量產生變化的裝置。
例如，可以把上述噴出液體的流道的噴射面設定為對於該液體的親和性比較低的狀態。
又例如，向上述流道供應液體的儲藏部分的內表面可以設定為對於該液體的親和性比較高的狀態。
本發明解決上述第二個任務的方案是提供一種具有本發明的液體噴射構造的噴墨式記錄頭。作為噴射原理，可使用壓力噴射式，氣泡噴射式，靜電式等任何一種方式。
本發明解決上述第三個任務的方案是提供一種具有本發明的噴墨式記錄頭的印表機。
下面，參照附圖詳細描述本發明的實施例。附圖中
圖1是第一實施例的液體噴射構造主要部分的斷面圖；圖2是從以往的液體噴射構造中噴出墨水的說明圖；圖3是從本發明的液體噴射構造中噴出墨水的說明圖；圖4是製造第一實施例的液體噴射構造的製造工序的斷面圖；圖5是硫代羥基化合物的自身集合化的說明圖；圖6是第二實施例的液體噴射構造主要部分的斷面圖；圖7是第三實施例的液體噴射構造主要部分的斷面圖；圖8是說明第三實施例中低親和性區域的驅動特性的圖；圖9是印表機實施例的整體的立體圖；圖10是說明噴墨式記錄頭實施例的構造的立體圖；圖11是說明噴墨式記錄頭實施例的主要部分的部分剖開後的立體圖；圖12是噴墨式記錄頭的動作原理圖。
第一實施例本發明的第一實施例涉及在液體噴射裝置的流道中形成對於液體的親和性的大小急劇變化的不連續點的噴射液體的構造。
本實施例是將本發明的液體噴射構造應用於使用在噴墨式印表機的噴墨式記錄頭的噴嘴部分上。用作液體的是列印用的墨水。圖9表示本實施例的噴墨式印表機的立體圖。如圖9所示，本實施例的噴墨式印表機100的構成是在主體102上具有噴墨式記錄頭101和託架103。格式紙105裝在託架103上。當打字用的信號從圖中未示出的電腦傳過來時，圖中未示出的內部滾筒就把格式紙105輸入主體102中。格式紙105在通過滾筒附近時，藉助於向圖中的箭頭方向驅動的噴墨式記錄頭101進行列印，然後從排出口排出。此時，如果不能正確地從噴墨式記錄頭101噴射出墨水滴來，印在格式紙105上的字的質量就很差，所以需要本發明的液體噴射構造發揮作用。
當將本發明的液體噴射構造用於工業上的用途時，可使用在工業上適用的溶液或溶劑把噴墨式記錄頭作為所製造裝置中的的液體噴射構造來使用。
圖10是說明本實施例的噴墨式記錄頭的構造的立體圖。圖11是是噴墨式記錄頭的主要部分構造的部分剖開的立體圖。本發明的噴墨式記錄頭101是由把設有噴嘴11的噴嘴板1和設有振動板3的壓力室底板2嵌入框體5內而構成的。壓力室底板2用噴嘴板1和振動板3夾持。
噴嘴板1在與壓力室底板2貼合時，在與腔室21對應的位置上形成噴嘴11。這種噴嘴適用於按照本發明的液體噴射構造，將在下面詳細描述(參照圖1)。壓力室底板2上設有許多能分別起壓力室作用的腔室21，這些腔室是在單晶矽底板上刻蝕出來的。腔室21之間用側壁22隔開。各腔室21通過供入口24與構成共同流道的儲存室23連通。振動板3，例如，用熱氧化膜之類構成。振動板3上與腔室21相應的位置上形成若干壓電元件4。此外，在振動板3上設置了一個墨水罐口31，可由圖中未示出的墨水罐供入墨水。壓電元件4的構造是用上部電極和下部電極(圖中未示出)夾持著一個PZT元件。
本實施例的噴墨式記錄頭是在壓力室底板2上設置儲存墨水的儲存室，但，也可以把噴嘴板做成層疊式結構，在其內部形成儲存室。
下面，參照圖12說明上述這種結構的噴墨式記錄頭的噴射原理。圖12是沿著圖11上A-A線的斷面圖。墨水6從圖中未示出的墨水罐通過設置在振動板3上的墨水罐口31供入儲存室23內。墨水6從該儲存室23通過供入口24流入各腔室21內。壓電元件4在其上部電極與下部電極之間加上電壓時，其體積便發生變化。這種體積變化使得振動板3變形，於是腔室21的容積就發生變化。
在不加電壓的狀態下，振動板3不變形。可是，一旦加上電壓，就變形到如圖12中的虛線所示的振動板3b和壓電元件4b的位置。當腔室21中的容積變化時，充滿腔室21內的墨水6的壓力便增高，向噴嘴11中壓出墨水6，於是便噴出墨水滴61。此時，本發明的液體噴射構造就起了作用，墨水滴61以一定的直徑和具有直線前進的特性向外噴出。
此外，噴嘴板也可以與壓力室底板做成一體。即，在圖12中，對單晶矽的坯板進行刻蝕，整體地形成與噴嘴板1和壓力室底板2相當的形狀。噴嘴可以在刻蝕以後再形成。
圖1表示包含了本實施例的噴嘴板1和噴嘴11的斷面圖。在該圖上，藉助於驅動壓電元件4，墨水被壓縮，從下方向上方噴出。即，噴嘴11的上部相當於流道的下遊，而噴嘴11的下部相當於流道的上遊。噴嘴板1在其底板110的表面上具有各種區域120、130、140和150，這些區域是由把硫代羥基分子進行自身集合化的分子膜形成的，因而能夠控制對於墨水的親和性。
底板110具有作為噴嘴板所需要的適當的硬度和彈性，用容易形成能作為控制各區域120、130、140和150的親和性的分子膜的底層的金屬膜的材料製成。例如，可以使用金屬、陶瓷、樹脂等作為底板的材料。金屬中可使用的材料有不鏽合金和鎳等。陶瓷中可使用的材料有聚矽氧烷和氧化鋯等。樹脂中可使用的材料有聚醯亞胺、聚苯硫和聚碸等。底板110的厚度要求能獲得足夠的機械強度，例如，不鏽鋼大約為100μm-300μm左右。
噴嘴11穿過底板110，形成圓筒形的流道。不過流道的斷面形狀也可以不是正圓形，流道的方向也可以不是一條直線。此外，成為通孔的噴嘴也可以不是在一塊均勻的材料製成的底板上形成，而是在若干種材料之間形成流道的噴嘴。噴嘴的全長要調整到既能使液體得到充分的直線前進性，同時又不使流道的阻力過高，以致壓電元件不能承擔這樣大的載荷。例如，噴嘴11的全長可在1μm以上，1000μm以下。噴嘴11的孔徑要根據液體的粘度，壓電元件4的輸出等等因素來調整，以便能噴射出所要求直徑的液滴，例如，大致在30μm左右。
噴嘴11中，按照本發明的液體噴射構造，在貫通底板110的兩面形成流道的噴嘴內壁(以下稱為「流道面」)14上，沿著墨水的流動方向，順序設置了對於液體狀的墨水6親和性比較高的區域和親和性比較低的區域。在噴嘴11的下遊形成了顯示出親和性較低的低親和性區域130，而在其上遊則形成了顯示親和性較高的高親和性區域140。這種高親和性區域140和低親和性區域130沿著流道的上遊到下遊布置，形成了對於墨水的親和性急劇下降那樣的不連續點。還有，在底板110的噴射液體的側面(以下稱為「外面」)12上，形成了顯示對於墨水的親和性較低的低親和性區域120。在底板110的腔室一側的面(以下稱為「內面」)13上形成了對於墨水的親和性較高的高親和性區域150。低親和性區域120、130由於對於墨水的親和性很小，所以是墨水很容易從該區域離開的區域。高親和性區域140、150由於對於墨水的親和性很大，所以是墨水容易附著在該區域上的區域。另外，底板110的內面13，為了減小墨水流入噴嘴11的阻力，可以做成錐形。
形成低親和性區域130的這個區域在噴嘴11的流道方向的長度x1，以設定為能讓墨水能充分離開流道面14，而又不過於長到阻礙液滴的直線前進性那樣的長度為宜。例如1μm≤x1≤100μm；最好是10μm≤x1≤50μm。
此外，形成高親和性區域140的這個區域在噴嘴11的流道方向的長度y1，以能確保液滴的直線前進性，而又不過於長到增大流道的阻力，不增加壓電元件4的負載那樣的長度為宜。例如為100μm≤y1≤200μm。
這些控制親和性的區域是對底板進行表面處理而形成的。最好用自身集合化分子膜來形成這些區域。自身集合化分子膜是一種膜厚d固定的(2nm左右)，具有很高的耐磨性能的膜。自身集合化分子膜是藉助於在底板表面的金屬層上，在一定的條件下凝聚了含硫的化合物，固定成為烴硫基金屬而形成的。對於墨水的親和性的大小決定於凝聚在金屬表面上的含硫的化合物的種類。
成為讓含硫的化合物凝聚的底層的金屬層可使用化學/物理性能穩定的的金(Au)。不過，也可以使用其他能化學吸附含硫的化合物的金屬，例如銀(Ag)、銅(Cu)、銦(In)、鎵-砷(Ga-As)等等。在底板上形成金屬層可使用下列公知技術溼式電鍍，真空蒸鍍，或者真空噴鍍。凡是能夠形成厚度一定而均勻的金屬薄膜的成膜方法，都可以使用，沒有特別的限制。金屬層的作用是為了固定含硫的化合物層，所以金屬層本身只要很薄的一層就可以了。因此，一般的厚度在500-2000(埃)左右就可以了。
為了提高金屬與底板110之間粘結的牢固程度，最好在底板與金屬之間加設一層中間層。這層中間層最好是能加強底板110與金屬之間的結合力的元素，例如鎳(Ni)、鉻(Cr)、鉭(Ta)中的任何一種元素，或者是這些金屬的合金(Ni-Cr等等)。設置了中間層，底板110與金屬層之間的結合力增加了，含硫的化合物就難以因機械摩擦而剝落。
自身集合化分子膜是將規定的含硫的化合物溶解成溶液，然後把形成金屬層的噴嘴板11浸泡在該溶液中而形成的。此處所謂的含硫的化合物，是含有硫(S)的有機物中含有一個以上的硫代羥基官能團的化合物，或者是含有二硫鍵(S-S)的化合物的總稱。這些含硫的化合物在溶液中，或者在揮發條件下，會自發地化學吸附在金之類的金屬表面上，形成接近於二維結晶結構的單分子膜。這種藉助於自發地化學吸附而形成的分子膜就稱為自身集合化膜、自身組織化膜、或者自身組合膜，對此正在進行基礎研究和應用研究。本實施例中，特別假定是金(Au)，但在上述其他金屬表面上同樣也能形成自身集合化膜。
上述含硫的化合物最好是硫代羥基化合物。在這裡，所謂硫代羥基化合物是具有硫巰基(-SH)的有機化合物(R-SH；R是烷基或其他烴基)的總稱。一般，有親水性的極性基團，例如用具有OH基和CO2H基的含硫的化合物形成的烴硫基金屬的區域，大多對水性墨水顯示比較高的親和性。除此以外的，用具有無極性基團的含硫的化合物形成烴硫基金屬的區域，大多對水性墨水顯示比較低的親和性。不過，親和性是高還是低是相對的，它決定於在流道中形成的不同烴硫基金屬的區域哪一段對於流過流道的液體(墨水)的親和性更高。因此，根據與另一種同時使用的硫代羥基化合物的不同組合，可以形成對液體顯示比較高的親和性的高親和性區域，也可以形成對液體顯示比較低的親和性的低親和性區域。各種硫代羥基化合物對液體顯示的親和性的差別越大越好。在本實施例中，可適用於控制親和性的各個區域中的硫代羥基化合物可從以下各類中選擇1)在R為烴基時，用以R-SH這樣的化學結構式表示硫代羥基化合物構成。
當這種化合物凝聚在金屬層上時，-SH基團中的氫元素被清除，硫元素直接與金屬鍵合。具體的說，如以n、m、p、q表示任意的自然數，而X、Y為預定的元素，則R代表下列結構式中的任何一種CnH2n+1-，CnF2n+1-，CnF2n+1-CmH2m-，CnF2n+1-(CH2)m-X-C≡C-C≡C-C-Y-(CH2)p-HO2C(CH2)n-，HO(CH2)n-，NC(CH2)n-，H2n+1Cn-O2C-(CH2)m-，H3CO(CH2)n-，X(CH2)n-(其中X是一種滷族元素，如Br，Cl或I等)H2C＝CH(CH2)n-H3C(CH2)n-，CnF2n+1-(CH2)m-(NHCO-CH2)p-(CH2)q-2)在R1和R2分別為不同的烴基時，用以R1-SH和R2-SH互相不同的化學結構式表示硫代羥基分子的混合物構成。
當這種化合物凝聚在金屬層上時，-SH基團中的氫元素被清除，硫元素直接與金屬鍵合。成為兩種烴硫基金屬混合的構成。具體的說，上述R1和R2可以代表下列化學結構式中的任何一種CnF2n+1- or CnF2n+1-CmH2m-。
3)在R3為預定的烴基時，用以HS-R3-SH這樣的化學結構式表示硫代羥基化合物構成。
當這種化合物凝聚在金屬層上時，-SH基團中的氫元素被清除，硫元素直接與金屬鍵合。具體的說，上述R3可以代表下列結構式中的任何一種
4)在R4為預定的烴基時，用以R4-S-S-R4這樣的化學結構式表示部分或全部硫代羥基化合物構成。
當這種化合物凝聚在金屬層上時，硫原子之間的共價鍵的一部分或全部被清除，一部分硫元素直接與金屬鍵合。具體的說，如以n、m、p、q表示任意的自然數，而X、Y為預定的元素，則R4代表下列結構式中的任何一種CnH2n+1-，CnF2n+1-，CnF2n+1-CmH2m-，CnF2n+1-(CH2)m-X-C≡C-C≡C-Y-(CH2)p-HO2C(CH2)n-，HO(CH2)n-，NC(CH2)n-，H2n+1Cn-O2C-(CH2)m-，H3CO(CH2)n-，X(CH2)n-(其中X是一種滷族元素，如Br，Cl或I等)H2C＝CH(CH2)n-H3C(CH2)n-，CnF2n+1-(CH2)m-(NHCO-CH2)p-(CH2)q-此外，也可以在流道的全部區域內形成模式化的具有自身集合化分子膜的區域和沒有自身集合化分子膜的區域，來代替在流道的全部區域內形成作為控制親和性的區域的單一的自身集合化分子膜。如果採用這種構成，則可以用改變具有自身集合化分子膜區域與沒有自身集合化分子膜區域的比例來調整該區域內的親和性。
根據圖5，說明含硫的化合物是硫代羥基化合物時自身集合化的原理。如圖5A所示，硫代羥基化合物的尾部是由硫代羥基基構成的。把它溶解在1-10mM的乙醇溶液中。把圖5B所示的金箔浸入該溶液中，在室溫下放置1小時，硫代羥基化合物便自發地聚集在金子的表面上(圖5C)然後，金原子與硫原子以共價鍵結合，在金子表面上形成二維的硫代羥基分子的分子膜(圖5D)。這種膜的厚度與含硫的化合物的分子量有關，一般在10-50(埃)左右。這種膜有的是由單分子的二維方陣形成的，有的是在二維排列的單分子的擠出上，進一步與其他化合物反應，形成許多分子的二維方陣。
作用圖2是說明使用以往的噴嘴板時，從噴墨式記錄頭噴出液滴的不理想的情況。當壓電元件不產生容積的變化處於正常的狀態時，在噴嘴11的邊緣部分，由於墨水6非表面張力，產生了彎月形62(圖2A)。當驅動壓電元件，腔室中的容積發生變化時，墨水便從噴嘴11中擠出來。從噴嘴中噴出來的墨水6，在由於表面張力的平衡而產生的特徵點PS上產生了縮頸(圖2B)。特徵點PS上的縮頸由於表面張力的作用而發展。最後，墨水6的水柱便從前端分離，以液滴61的形狀噴出來(圖2C)。
從以往的噴嘴板噴出液體時，因為有由於表面張力的平衡而產生的特徵點，但產生特徵點的位置是不固定的。噴射出來的液滴的大小隨著特徵點PS所產生的位置而變化，所以它的直徑也是變化的。還有，當噴嘴板的外表面未進行排水處理時，從噴嘴11中噴出來的墨水的水柱由於表面張力而發生彎曲，使得液滴的噴射方向也轉彎了。
圖3是使用本發明的噴嘴板時，從噴墨式記錄頭噴出液滴的狀態。壓電元件4不發生體積的變化，處於正常狀態時，墨水6不會緊密附著在低親和性區域130上。因此，在親和性不連續的點，即高親和性區域140與低親和性區域130的結合點上，由於墨水6的表面張力，產生了彎月形62(圖3A)。當驅動壓電元件，腔室21中的容積發生變化時，墨水6便擠出來。由於低親和性區域130使墨水6收縮，所以墨水6的水柱是從低親和性區域130與高親和性區域140的交界開始生長的。墨水6在高親和性區域140中緊密地附著在噴嘴壁上，而與低親和性區域130中與噴嘴壁分離。由於墨水是從噴嘴11比較靠裡的表面上噴出來的，因此，總是在離開高親和性區域140和低親和性區域130的交界處，即離開親和性的不連續點恆定距離的特徵點上產生縮頸(圖3B)。一旦產生縮頸時，墨水6的水柱不可逆地增大縮頸，從水柱的前端分離開來，於是便從噴嘴11中噴射出液滴61來(圖3C)。
藉助於本發明的噴嘴板，總是在一定的位置上產生特徵點，所以噴射出來的液滴61的直徑大致固定不變。此外，如果高親和性區域140與低親和性區域130的不連續點在與噴嘴板的外表面平行的面上形成，由於在墨水的水柱上沒有不平衡的表面張力的作用，所以液滴61總是沿噴嘴11的延長方向噴射出去。
製造方法下面，參照圖4說明本實施例中的噴墨式記錄頭的製造方法的優選實施例。
製造噴嘴板的工藝過程 使用按照JIS標準(SUS)的100μm左右的不鏽鋼作為底板110。用公知技術在底板上開出直徑20-40μm的噴嘴11。噴嘴11直徑較小的一端處於噴嘴板1的外表面12上。噴嘴板1的外表而平滑以便施用一層表面改性膜。例如，外面的粗糙度要達到中心線平均粗糙度為100A。
形成金屬層的工藝過程在底板110的內表面13、外表面12和流道表面14上鍍敷金屬層。例如，用真空噴鍍法或者離子鍍膜法形成厚度為500-2000A的金子層。此外，當在金屬層的下面有中間層時，例如，可以用真空噴鍍法或者離子鍍膜法形成100-300A的鉻的中間層。
形成內表面改性膜的工藝過程(圖4A)在噴嘴板1的內表面13上形成作為表面改性膜的親和性膜150。首先，把尺寸與噴嘴11緊密配合的屏蔽棒7插入噴嘴11中，而把高親和性的區域150露出來。圖中未示出，但也可以把噴嘴板的外表面12全部進行屏蔽。接著，從上述成分中選擇為形成高親和性區域150上的烴硫基金屬用的硫代羥基化合物，將這種硫代羥基化合物溶解在乙醇或異丙醇那樣的有機溶劑中的配成溶液。然後，把噴嘴板上已經形成金屬層的那一面浸入該溶液中。浸漬的條件是，溶液的硫代羥基化合物濃度為0.01mM，溶液溫度為常溫到50度C，浸漬時間為5-30分鐘。在浸漬處理的過程中必須使硫代羥基化合物層均勻地形成，對溶液進行攪拌，並使它循環。
如能保持金屬表面的清潔，為形成硫代羥基分子自身集合化的分子膜，不需要嚴格條件的管理。在浸漬終止時，金子的表面上就形成了一層牢固地附著在上面的硫代羥基分子的分子膜。
然後，清洗掉噴嘴板表面上的溶液液體。附著在浸漬層以外部分的硫代羥基分子，因為不是以共價鍵與金屬結合的，所以能很容易地用乙醇之類的清洗液洗乾淨。
形成流道表面上的高親和性區域的工藝過程(圖4B)這個工藝過程是要在流道表面14上形成高親和性區域140。把上述屏蔽棒7拔出來，直到露出要形成高親和性區域140。然後，選擇在該高親和性區域140中形成烴硫基金屬用的硫代羥基化合物(例如，HO2C(CH2)nSH，或者HO(CH2)nSH等)，把這些硫代羥基化合物溶解在乙醇或異丙醇那樣的有機溶劑中的配成溶液。關於浸漬和清洗，與上面的工藝過程相同。
在本工藝過程中，在露出金子的區域內形成了高親和性區域140。至於已經形成自身集合化分子膜的區域150，即使浸漬在含有硫代羥基化合物的溶液中，也不會發生膜的成分的改變或成長，所以不需要對該區域採取屏蔽之類的措施。
形成流道表面上的低親和性區域的工藝方法(圖4C)在本工藝過程中，在流道表面14上形成低親和性區域130。把上述屏蔽棒7拔出來，露出要形成上述低親和性區域130。在噴嘴板的外表面12上進行屏蔽時，也可以拔除屏蔽棒。接著，選擇在該低親和性區域130中形成烴硫基金屬用的硫代羥基化合物(例如，CF3(CF2)m(CH2)nSH等)，把這種硫代羥基化合物溶解在乙醇或異丙醇那樣的有機溶劑中的配成溶液。關於浸漬和清洗，與上面的工藝過程相同。
在本工藝過程中，在露出金子的區域內形成了低親和性區域130。至於已經形成自身集合化分子膜的區域150和140，即使浸漬在含有硫代羥基化合物的溶液中，也不會發生膜的成分的改變或成長，所以不需要對該區域採取屏蔽之類的措施。
形成外表面的低親和性區域的工藝過程(圖4D)在本工藝過程中，在噴嘴板的外表面12上形成低親和性區域120。把所有屏蔽棒拿掉，露出噴嘴板的外表面12。接著選擇在該低親和性區域130中形成烴硫基金屬用的硫代羥基化合物，把這種硫代羥基化合物溶解在乙醇或異丙醇那樣的有機溶劑中的配成溶液。關於浸漬和清洗，與上面的工藝過程相同。
在本工藝過程中，在噴嘴板的外表面12上形成了低親和性區域120。至於已經形成自身集合化分子膜的區域150、140和130，即使浸漬在含有硫代羥基化合物的溶液中，也不會發生膜的成分的改變或成長，所以不需要對該區域採取屏蔽之類的措施。
藉助於本實施例1，由於在噴嘴板的外表面上形成了對於墨水比較低的親和性區域，在噴嘴板的內表面上形成了對於墨水比較高的親和性區域，因此，在兩個區域的不連續點開始產生了液滴的縮頸，在離開該處一定的距離處分離出一定直徑的液滴來。
因此，能使產生液滴的特徵點穩定，而且，也能使液滴的直徑穩定。此外，藉助於表面張力的偏移，在墨水噴出時，不會妨礙液滴的直線進行性。因此，能夠提高印表機中所列印的字跡的品質。此外，把墨水改為工業用的液體，就能使這種噴墨式記錄頭應用於工業用途。第二實施例本發明的第二實施例涉及在上述第一實施例中降低流道上的流動阻力的構造。
構成圖6是第二實施例的噴嘴板1b的斷面圖。這種噴嘴板1b在上述第一實施例中形成的高親和性區域140上設置了若干顯示不同親和性的區域141-14n(n為2或更大的自然數)。在流道表面14中，對於墨水顯示比較低的親和性的低親和性區域130，在外表面上形成的低親和性區域120，在內表面上形成的高親和性區域150，都與第一實施例相同，故省略了對它們的說明。
另外，也可以不形成低親和性區域130，而讓親和性區域141-14n延伸到噴嘴11的外表面12的邊緣上(低親和性區域130在流道方向的長度x2為零的情況)。
親和性區域141-14n分別設定為親和性程度不同的區域。如以N1-Nn表示親和性區域141-14n的親和性，則可設定N1〉N2〉N3〉…〉Nn-1〉Nn。(1)各親和性區域141-14n與第一實施例一樣，最好由自身集合化分子膜形成。為形成自身集合化分子膜所使用的含硫的化合物的成分，例如當親和性區域設定為4個區域時(n＝4)，其組成如表1所示。
表1
這種噴嘴11上的親和性區域的製造方法可按照上述第一實施例。即，在圖4中，當形成親和性區域141-14n時，屏蔽棒7隻拔出到讓要形成新的烴硫基金屬的區域露出來，每拔出一段，就把噴嘴板浸漬在溶解了不同種類含硫的化合物的溶液中，進行處理，如此反覆，以形成所需要數量的親和性區域。各親和性區域141-14n在噴嘴11的延伸方向上的長度y21-y2n，分別大於1μm左右即可。
為了設定各親和性區域所要求的親和性的大小，也可以不象上面所述的那樣改變為形成各種區域所使用的含硫的化合物的成分，而是改變和調整圖形。即，含硫的化合物使用同樣的成分，而在每一個親和性區域中改變形成烴硫基金屬的那一部分的圖形，從而改變每一個親和性區域中的分子膜的接觸面積。當以這種方式形成各親和性區域時，就能夠隨著具有分子膜的區域與沒有分子膜的區域的面積比例的變化來改變各親和性區域中的親和性的高低。也可以利用圖案來形成親和性連續變化的親和性區域。即，不是象上面那樣把各親和性區域141-14n分開，而是採用連續的圖形(例如螺旋形)，使這種圖形所佔據的面積逐漸變化來形成。當採用這種結構時，在流道方向上的親和性就不是階段性地變化，而是連續地變化。
作用藉助於上述構成，當墨水從上遊流向下遊時，親和性的程度逐漸提高。一旦墨水流入噴嘴11的流道內時，由於表面張力在親和性越高的區域中的作用越大，所以墨水便被吸引到顯示親和性更高的下遊一側的區域中去。即，進入噴嘴11的墨水，有使它從親和性比較低的親和性區域14n向親和性較高的親和性區域141方向流動的力在作用。這樣，當壓電元件施加壓力時，墨水便能以比以往的噴嘴更快的速度在噴嘴裡流動。這也意味著墨水通過噴嘴11的流道時的阻力下降了。因此，壓電元件只要施加很小的力，就能使墨水在流道中流動，能夠用較少的電力噴射出同樣多的墨水液滴來。
此外，液體的流速越高，產生分離液滴的特徵點就越確定。如果在流道的下遊設置與第一實施例中所說的同樣的低親和性區域130，形成親和性程度急劇變化的不連續點，那麼，以很小的流動阻力迅速流動的墨水便在低親和性區域130上離開流道表面，產生特徵點。因此，就能夠確保穩定地產生液滴的特徵點，並使液滴的直徑穩定，而且還能確保所噴射出來的液滴前進的直線性。
藉助於上述第二實施例，由於在墨水的流動方向上設置了親和性逐漸變化的親和性區域，所以流道內的墨水的流動阻力就能下降，受到一點壓力，就能噴出墨水。
此外，如果形成如第一實施例那樣的親和性大小不連續的點，就能穩定地形成產生液滴的特徵點，液滴的直徑也穩定了，而且，還能確保所噴射出來的液滴前進的直線性。因此，就能提高印表機的字跡的品質。此外，把墨水改為工業用的液體，就能使這種噴墨式記錄頭應用於工業用途。第三實施例本發明的第三實施例涉及在上述第一實施例中的親和性程度以動態進行變化的構造。
構成圖7表示本實施例3的噴嘴板1c的斷面圖。噴嘴板1c具有對於墨水的親和性能以動態變化的親和性區域131，以代替實施例1中的低親和性區域130。對於墨水顯示比較低的親和性的低親和性區域120，對於墨水顯示比較高的高親和性區域140和150，都與第一實施例相同，故省略了對它們的說明。
另外，噴嘴板1c在底板110上的親和性區域131的內側，具有電極201和202，並且在兩個電極之間具有能施加電壓的驅動迴路203。驅動迴路203能輸出與施加在壓電元件4上的驅動脈衝同樣的，顯示電壓變化的驅動信號。不過，考慮到從使壓電元件發生體積變化到墨水進入噴嘴為止的滯後，驅動信號也要滯後於驅動脈衝。
親和性區域131是用能夠隨著電場強度的變化而改變其對於墨水的親和性的材料製成的。這種材料，例如，如圖8所示，藉助於驅動信號SD(虛線)其親和性的大小是變化的。驅動信號與親和性大小的變化的定時關係是隨著上述滯後量而變化的經驗性的關係。親和性大小的變化特性不限於圖8，也可能有其他各種各樣的變化。
另外，在本實施例中雖然是採用藉助於電場來改變親和性的大小，但也可以改變施加在親和性區域131上的磁場和熱等物理量，來控制親和性區域。
作用藉助於上述構成，就能夠以動態方式改變親和性區域的親和性的大小，因此具有與動態地改變親和性大小相應的效果。例如，當以如圖8所示那樣的特性來改變親和性區域131的親和性大小時，在時間t0的附近墨水到達高親和性區域140與親和性區域131的邊界，在時間t1上出現特徵點。當特徵點出現時，墨水的水柱的縮頸便增大。隨著時間的進行，親和性區域131的親和性增大，於是墨水便緊密附著在親和性區域131上，這又加速了縮頸的成長。在時間t2這一點上，墨水在特徵點上分離，成為液滴。其後，在時間t3上，當親和性區域131再一次顯示其沒有親和性時，緊密附著在親和性區域131上的墨水就返回到高親和性區域140與親和性區域131的交界上。藉助於親和性區域內對於墨水的親和性的動態變化，墨水的液滴能夠更早地分離出來，並且能在特定的特徵點上穩定地產生縮頸。
藉助於第三實施例，由於具有能使對於墨水的親和性的大小進行動態變化的控制親和性的措施，所以能穩定地產生形成液滴的特徵點，及早使液滴分離出去。於是，就能穩定地控制噴射出來的墨水液滴的量。其他改性實施例本發明除了以上實施方式之外，還有各種可使用的改性實施例。例如，在上述實施方式中使用的是液體的墨水(水性)，但，當用於工業上的噴墨式記錄頭時，可以不用墨水，而使用不管是水性還是油性的其他溶劑、溶煤或溶液。還可以在這些液體中加入膠體狀的任何其他混合物。當使用有機溶劑的液體時，具有烷基的含硫的化合物的自身集合化分子膜可使用於高親和性區域，而具有OH基和CO2H基的含硫的化合物的自身集合化分子膜可使用於地親和性區域。這樣，就可以根據液體來改變形成烴硫基金屬用的含硫的化合物，以構成各種親和性區域。
藉助於本發明的液體噴射構造，由於具有親和性程度急劇變化的不連續點，所以能在噴嘴內側的特定地點使液滴分離。這樣，就使產生液滴的特徵點穩定了，液滴的直徑也穩定了，而且，還能確保噴射出來的液滴前進的直線性。因此，當應用於印表機時，能提高其所列印的字跡的品質，當用於工業用途時，能夠形成高品質的圖形。
藉助於本發明的液體噴射構造，由於具有能使在噴嘴內流動的液體的阻力下降的構成，所以施加很小的載荷就能使液體噴射出來。
藉助於本發明的液體噴射構造，由於具有能使噴嘴內表面對於液體的親和性動態地變化的構成，所以能產生穩定地形成液滴的特徵點，並且使液滴的直徑穩定，此外，還能夠確保噴射出來的液滴前進的直線性。
權利要求
1.一種具有將液體噴射出去的噴嘴的液體噴射構造，其特徵在於，它所具有的噴嘴中的流道，在沿著該液體的流動方向上對於要噴射的液體的親和性程度是變化的。
2.如權利要求1所述的液體噴射構造，其特徵在於，上述流道由在金屬表面上以凝集了預定的含硫的化合物的烴硫基金屬形式存在的分子膜所形成。
3.如權利要求2所述的液體噴射構造，其特徵在於，上述含硫的化合物在以R為烴基時，由R-SH這樣的化學結構式為代表的硫代羥基化合物所組成。
4.如權利要求3所述的液體噴射構造，其特徵在於，當n、m、p和q為任意自然數，X、Y為預定的元素時，上述R可用下列這一組結構式中任何一種來表示CnH2n+1-，CnF2n+1-，CnF2n+1-CmH2m-，CnF2n+1-(CH2)m-X-C≡C-C≡C-C-Y-(CH2)p-HO2C(CH2)n-，HO(CH2)n-，NC(CH2)n-，H2n+1Cn-O2C-(CH2)m-，H3CO(CH2)n-，X(CH2)n-(其中X是一種滷族元素，如Br，Cl或I等)H2C＝CH(CH2)n-H3C(CH2)n-，CnF2n+1-(CH2)m-(NHCO-CH2)p-(CH2)q-。
5.如權利要求2所述的液體噴射構造，其特徵在於，上述含硫的化合物在以R1和R2分別代表不同的烴基時，由R1-SH和R2-SH兩個互相不同的化學結構式所代表的硫代羥基分子的混合物構成。
6.如權利要求5所述的液體噴射構造，其特徵在於，上述R1-和R2代表如下序列中的任何一種化學結構式CnF2n+1- or CnF2n+1-CmH2m-。
7.如權利要求2所述的液體噴射構造，其特徵在於，上述含硫的化合物在以R3為烴基時，由HS-R3-SH這樣的化學結構式為代表的硫代羥基化合物所組成。
8.如權利要求7所述的液體噴射構造，其特徵在於，上述R3代表下列化學結構式中的任何一種化學結構式
9.如權利要求2所述的液體噴射構造，其特徵在於，上述含硫的化合物在以R4為烴基時，部分或全部由R4-S-S-R4這樣的化學結構式為代表的硫代羥基化合物所組成。
10.如權利要求9所述的液體噴射構造，其特徵在於，當n、m、p和q為任意自然數，X、Y為預定的元素時，上述R4可用下列這一組結構式中任何一種來表示CnH2n+1-，CnF2n+1-，CnF2n+1-CmH2m-，CnF2n+1-(CH2)m-X-C≡C-C≡C-Y-(CH2)p-HO2C(CH2)n-，HO(CH2)n-，NC(CH2)n-，H2n+1Cn-O2C-(CH2)m-，H3CO(CH2)n-，X(CH2)n-(其中X是一種滷族元素，如Br，Cl或I等)H2C＝CH(CH2)n-H3C(CH2)n-，CnF2n+1-(CH2)m-(NHCO-CH2)p-(CH2)q-。
11.如權利要求1至10中任何一項權利要求所述的液體噴射構造，其特徵在於，上述流道在從上遊到下遊的中間，具有對於該液體的親和性急劇下降的不連續點。
12.如權利要求1至10中任何一項權利要求所述的液體噴射構造，其特徵在於，上述流道在其下遊具有長度在1μm-100μm之間，對於該液體的親和性比較低的區域。
13.如權利要求1至10中任何一項權利要求所述的液體噴射構造，其特徵在於，上述流道從上遊到下遊，設定為對於該液體的親和性逐漸上升。
14.如權利要求1所述的液體噴射構造，其特徵在於，上述流道在其下遊具有能隨著熱、電場強度或磁場強度中任何一種物理量的變化而改變對於該液體的親和性的大小的區域。
15.如權利要求14所述的液體噴射構造，其特徵在於，它還具有使供應上述區域的熱、電場強度或磁場強度中的任何一種物理量發生變化的措施。
16.如權利要求1至15中任何一項權利要求所述的液體噴射構造，其特徵在於，上述噴射液體的流道中的噴射面設定為對於該液體的親和性比較低的程度。
17.如權利要求1至16中任何一項權利要求所述的液體噴射構造，其特徵在於，為將上述液體供入上述流道中的儲藏部分的內表面，設定為對於該液體的親和性比較高的程度。
18.一種具有上述權利要求1-17中任何一項所述的液體噴射構造的噴墨式記錄頭。
19.一種具有權利要求18所述的噴墨式記錄頭的印表機。
全文摘要
本發明涉及具有噴射液體(6)的噴嘴(11)的液體噴射構造。這種液體噴射構造的噴嘴內部的流道,具有在沿著液體的流動方向上對於所噴出的液體(6)的親和性的大小不相同的特徵。藉助於控制這種親和性,能改進液滴前進的直線性,使液滴的直徑穩定。這種液體噴射構造很適合於噴墨式記錄頭。
文檔編號B41J2/16GK1255892SQ99800018
公開日2000年6月7日 申請日期1999年1月26日 優先權日1998年1月28日
發明者福島均 申請人:精工愛普生股份有限公司