高密度噴墨印刷頭的製作方法

2023-06-13 17:43:16

專利名稱：高密度噴墨印刷頭的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種高密度噴墨印刷頭，尤其是涉及一種用於降低交調失真控制的多通道、側壁起動的高密度噴墨印刷頭。
印刷商提供了一種產生人類可讀形式的永久性記錄的裝置。一般說來，印刷機分為衝擊式印刷和非衝擊式印刷。在衝擊印刷中，像點是通過擊打放於紙面近處的墨帶來產生的、衝擊印刷技術又進一步分為成形字符印刷與版型印刷。在成形字符印刷中，擊打墨帶而產生像點的元素是由一凸起的、所想要產生的字符的鏡面對稱像。在版型印刷觸針列印中，字符是由靠打擊配置的、對著墨帶的針而產生的一系列緊密排列的點形成的，多個字符是靠擊打設置的一個或多個緊靠墨帶的針所產生的緊密排列的點產生的。通過有選擇地擊打設置的觸針，與點的觸針相應的任何字符均可產生。
由於其高速度印刷技術及更適於印刷圖表和豐色調圖像，非衝擊印刷通常要比衝擊印刷更為人們樂意採用。非衝擊印刷技術一般分為版型印刷，靜電複印和電光照相印刷。在觸針列印中，觸針是由電脈衝有選擇地加熱的，所產生的熱在通常是專門處理過的紙的一面上產生一個印記。在靜電印刷中，在導電的紙與印刷元件之間的電弧從紙上除去不透明的塗層，從而使對比色的內層曝光。在電光照相印刷中，用一種如雷射那樣的光源使光導電性材料有選擇帶電。粉狀上色劑塗在帶了電的區域，在它們與紙面接觸時，上色劑就轉送到紙面上。然後使此上色劑加熱而使之熔化於紙面上。
非衝擊印刷的另一種形式通常叫做噴墨印刷。噴墨印刷系統利用噴射細細印墨點產生圖像。這種系統產生能多次重複的，並可以控制的微印墨點，從而使得在由數位化的貯存的圖像資料規定的地方印上一個微點，大多數商業出售的噴墨印刷系統一般分為「連續噴墨」型噴墨印刷系統和「按要求噴滴」型噴墨印刷系統。在前一種印刷系統中，微滴從印刷頭中連續地噴出，根據所想要的圖像，微滴可以對著或背離紙噴射。在後一種系統中，微點是根據所要產生的圖像有關的專門指令，才從印刷頭中噴出的。
連續噴射型噴墨印刷系統是以從一個小孔噴出的液體流能形成均勻的小微滴的現象為基礎的。可以明顯地觀察到，例如使用能產生壓力振蕩，使整個液體擴散的電子機械裝置時，根據表面張力波擴張現象從直徑為50-80微米的小孔中在壓力下流出的液體趨向於碎裂成均勻的微滴。例如在

圖1中，可以看到一種連續噴墨型噴墨印刷機200的簡圖。在圖中，泵202將印墨，從印墨源204泵入噴咀系統206。噴咀系統有一個壓電晶體208，壓電晶體經常受到由晶體驅動器210供給的一個電壓的驅動。泵202將印墨泵入噴射系統206並以一個連續液流的形式，將印墨從噴射咀202噴出去。連續振蕩的壓電晶體208產生引起壓力擾動，壓力擾動使得連續液流破裂成均勻的油墨微點，並由於一個靜電場的存在而得到靜電荷，這個靜電場通常認為是由電極214產生的電場。利用高壓偏轉極216，能使選擇出的一些帶靜電的液滴在控制下擊向紙218的紙面上的預定的位置。高壓偏轉極216還使帶靜電的微滴中未被選中的那些偏離紙218的紙面而落入貯墨器，供下次循環使用。由於微滴的粒度極小和精確的微滴的軌跡控制，連續噴墨型噴墨印刷系統的質量能夠接近成形字符衝擊印刷系統的質量。然而，連續噴墨型噴墨印刷系統的缺點是，即使是不印刷或只少許印一點兒時也必須噴射油墨。這種要求會使油墨老化，因而降低了這種印刷系統的可靠性。
由於連續噴墨型噴墨印刷機的上述缺點，人們增加了對於通過用電子機械方法生成的壓力波產生微滴印墨的興趣，在這種系統中，通過對直接或間接地與印墨液相連繫的壓電晶體上加一個電壓脈衝，在印墨液體中感生出一種容積變化。這種容積變化在油墨液體內引起壓力/速度的瞬變現象，對這些變化加以控制以便產生從小孔中流出的微滴。由於只是在所期望的時刻才加上電壓，這種型號的印墨噴射印刷系統稱之為「按要求噴滴」型。例如，圖2就是這種按要求噴滴型噴墨印刷機的簡圖。噴咀組件306從貯墨池(未示出)中將印墨抽出。驅動器310收到字符資料後立即起動相應的壓電材料308。例如，若收到了字符資料要求微滴印墨從噴咀機構306中噴出，驅動器310就將一個電壓施加於壓電材料308上。壓電材料308隨之以一定方式變形而使噴咀機構306從小孔312中噴出印墨微滴擊打紙318的紙面。
在噴墨印刷機中使用壓電材料是公知技術。通常，壓電技術使用於在對壓電材料施加一電場後能將電能轉變成能引起壓電材料變形的機械能的轉換器中。這種使壓電材料變形的能力已常常被利用於迫使從噴墨印刷機的印墨傳輸通道中射噴印墨。一種利用壓電材料的變形噴射印墨的噴墨印刷機，有一個環繞印墨傳送通道的管狀壓電材料轉換器，在轉換器中所加的一個電壓脈衝激勵時，就壓縮印墨傳送通道，從而將一滴印墨噴出傳送通道。例如，一種利用環形轉換器的噴墨印刷機可以在Zoltan的美國專利US3857049看到。然而這種相對來說壓電材料轉換器及與其配套使用的印墨傳送通道的複雜的結構，使得這類機器製作時相對費時，和價格昂貴。
為了降低噴墨印刷頭的每一個印墨傳送通道(或噴咀)的製造成本，原則上，每個噴墨印刷頭都有一個壓電驅動器，人們長久盼望生產出一種具有能使各相鄰輸墨通道之間間隔相對較小的輸墨通道排列的噴墨印刷頭。例如，製造一種具有相鄰輸墨通道間距為4和8密耳(0.001英寸＝一密耳)的輸墨通道排列的噴墨印刷頭是可能合乎需要的。在這裡，將這樣的印刷頭稱作高密度噴墨印刷頭。除了降低每一個傳墨通道的製造成本外，製造高密度傳墨通道印刷頭產生的另一個優點是，可以增加印刷速度。然而，很久以來，在擬用中的高密度噴墨印刷頭中的間隔很小的通道組就是製造這類噴墨頭的主要問題。
最近，將剪式壓電轉換器用於噴墨印刷頭已成為極為普通的事。例如，在Fischbeck的兩個美國專利US4584590和4825227中，就公開了使用於平行排列輸墨通道噴墨印刷頭的剪式壓電轉換器。在Fischbeck等人的這兩個專利中，在末端開口的平行排列的印墨壓力腔室的頂部蓋有一片壓電材料。在壓電材料片的另一面則配置有電極;並使得正電極置於將壓力腔分開的垂直壁的上方，負電極則放在壓力腔本身上面。當將一個電場施加於正、負電極時，在其垂直於電場方向的方向極化了的壓電材料就以剪式形態壓縮油墨壓力腔。然而在這些形態中，有許多壓電材料是不起作用的，而且，壓電材料的變形程度小。
在Nilsson的專利US4536097中，可以看到一種使設置在傳墨通道側面的壓電晶體材料，並且在平行排列的傳墨通道的噴墨印刷頭。在Nilsson的專利中，噴墨通道組是由一系列彼此平行間隔排列的、並在相反的側面上用第一、二平板覆蓋的壓電材料帶構成的。一塊平板是由導電材料製作，並做成各壓電材料帶的公用電極。在材料帶的另一側面上，用電連件將用作傳墨通道的那一部分壓電材料進行導電連結。當一個電壓施到作傳墨通道的兩條壓電材料帶上時，這些材料帶就變窄，並變得更高些，從而使封密的通道腔變大而使印墨吸入傳墨通道中。當電壓撤去時，條帶變回原來的形狀，由此而縮減通道體積，將印墨從通道中噴出。
一種有平行排列的輸墨通道，並利用壓電材料構成傳墨通道垂直壁的剪式起動器的噴墨印刷頭亦是公知的。例如，在Bartky等人的專利US4879568及Michaelis等人的專利US4887100中，均公開了具有一種將壓電材料用作沿每個傳墨通道的整個長度方向的垂直壁的噴墨印刷頭的傳墨通道排列。在這些排列結構中，垂直通道是兩片相對安放的極化過的壓電材料構成的，它們彼此相鄰安裝，夾在頂壁和底壁之間而構成印墨通道。在印墨通道形成之後，就沿通道的垂直壁的全長放置電極。在電極之間有垂直於壓電材片片撐起方向的電場作用時，垂直通道就會變形而以剪式壓縮此噴墨通道。
在一個實施例中，本發明的噴墨印刷頭有一個基部，它具有一組沿其縱軸方向平行排列的凸塊;一組中間部，中間部以能導電的方式安裝在基部凸塊組中相應的一個的頂壁上，以及一個頂部，頂部以能導電的方式安裝在該組中間部中相應的每一個的頂壁上，基部、中間部和頂部確定了一個大致平行的、沿軸向延伸的用從其中向外噴墨的輸墨通道。為了起動傳墨通道，有選擇地將一個正電壓和一個負電壓導電連接到凸塊和中間部分各自作為輸墨通道的側壁上。而將與頂部端蓋及中間部相連的導電體安裝件接地。
在另一個實施例中，本發明的噴墨印刷頭具有一個為U形的起動器，第一個側面起動器有一個能導電地連接到該大致為U形的起動器的第一個頂壁上的底壁;第二個側面起動器有一個能導電地連接在該大致為U形起動器的第二個頂壁上的底壁;和一個頂部有能導電地連接在第一、二側面起動器的頂壁上的一個底壁。細長的液密性通道是大致為U形起動器第一、二起動器及頂部限定的，大致為U形起動器，第一、二側面起動器間有電連繫，用於有選擇地分別對細長的液密性通道施加第一、二、三壓力脈衝。
在又一個實施例中，本發明的噴墨印刷頭具有一個至少有三個延伸其內的大致平行的細長的液密通道，及一個蓋。蓋有在其中形成的、安裝於該基礎的前壁上的相應數目的孔。設置在蓋上的孔形成第一、二、三排大致平行的孔列，每孔列至少有一個孔，每一個孔與相應的上述通道溝通。各自與第一、二、三孔列相應的通道可以同時起動而將印墨從通道噴入相應的孔列中。
對於本領域的熟練人員而言，通過參看附圖，將會更好地理解本發明及本發明的各個目的、優點和特點。附圖如下圖1是連續噴射型噴墨印刷頭的簡圖。
圖2是按需要噴液型噴墨印刷頭簡圖。
圖3是本發明的噴墨印刷頭的立體簡4是沿圖3之4-4線剖切的局部放大圖，用以表明圖3所示噴墨頭的平行輸墨通道的排列。
圖5是圖3所示噴墨頭的側視圖。
圖6a是沿圖4所示6a-6a線剖切的噴墨頭後部的局部放大剖視圖。圖6b是沿圖4所示6b-6b線剖切的噴墨頭後部的局部放大剖視圖。
圖7是去掉頂部後的圖3所示噴墨頭的後部的局部放大立體視圖。
圖8a是圖3所示噴墨頭的單個、未被偏轉的起動器側面的正視圖。
圖8b是圖8a所示單個起動器側壁偏轉後的正視圖。
圖9a是去掉前壁的圖3所示噴墨頭的另一個實施例在其平行的傳墨通道的起動器側壁偏轉後的正視圖。
圖9b是圖9a所示噴墨頭的局部放大正視圖。
圖9c是圖9b所示側壁結構的靜電場移動分析簡圖。
圖10a是圖8a所示未偏轉的起動器側壁第二個實施例的正視圖。
圖10b是圖10a所示起動器側壁偏轉後的正視圖。
圖11a是圖8a所示未偏轉起動器壁的第三個實施例正視圖。
圖11b是圖11a所示側壁偏轉後的正視圖。
圖12a是圖8a所示未偏轉起動器側壁的第四個實施例正視圖。
圖12b是圖12a所示側壁偏轉後的正視圖。
圖13a是圖8a所示未偏轉起動器側壁的第五個實施例正視圖。
圖13b是圖13a所示側壁偏轉後的正視圖。
圖14是圖3所示噴墨頭的沿14-14線剖切的又一個實施例的局部剖視圖。
圖15a是圖3所示噴墨頭的又一個實施例的局部放大正視圖。
圖15b是圖15a所示除去前壁的噴墨頭第二個正視圖，表明用於此平行傳墨通道排列的起動器側壁偏轉程序的第一次偏轉後的情況。
圖15c是圖15b所示的、第二次偏轉後的噴墨頭視圖。
圖15d是圖15b所示的、第三次偏轉後的噴墨頭視圖。
在以下的詳細說明中可能出現零件編碼某種不合常規的編碼順序，是由於這個順序是用作本申請案和用作參觀文件的、尚未審批的先前的申請案間的公共編碼順序的緣故。
現在參看附圖。在這裡，為了便於說明起見，已將厚度和別的尺寸在各個附圖中放大了。而且，在全部附圖中，相同的編碼是表明相同的或相似的另件的。在圖3中的是根據本發明的噴墨印刷頭10。印刷頭10有一個對準、墊好並連結到中間體14上的主體12，而中間體14又對準墊好後連接到頂部16上。如在圖6a上可以更清楚地看到的那樣，在本發明的這個實施例中，主體12連續地向後延伸，越過中間體14和頂部16，由此而在噴墨印刷頭10上提供一個用於印刷頭10的控制器(圖3中未示出)的安裝用表面。然而，也已充分考慮過主體12、中間體14和頂部16完全可以做得一樣長，由此而要求將控制器放置在離印刷頭相對較遠的地方。
將多個預定寬度和深度的垂直溝槽制在中間體14和主體12上而構成多個壓力腔或通道18(在圖3上未畫出)，從而給印刷頭10提了一列通道。將在圖3中未示出的與通道18溝通的管道配製在噴墨印刷頭10的後部附近。最好，管道在與通道18垂直的方向上有一條通過中間體14和頂部16的延伸通道。如在後面要詳細介紹的那樣，管道22與一根外印墨導管46相連，以提供將油墨從與管道46相連的油墨源15傳給通道18的裝置。
繼續看圖3，噴墨印刷頭10還有具有一個前側板20a、一個後側板20b及貫通前壁20的多個錐形孔26的前壁20。後側板20b分別與主體12、中間體14及頂部16對準、墊好和連結在一起，從而使得每一個小孔26均能與製作在中間體14上的多個通道18逐一對應溝通，從而為通道18提供了印墨噴咀。最好，每個小孔26應該放置得剛好是在每個相應通道18末端的中心位置，由此而為通道18提供印墨噴射咀。當然也已考慮過，每個通道18的末端也可有與小孔一樣的功能，在印刷過程中噴射印墨，而無需設置前壁20和孔26。此外，還考慮過，小孔26所組成的孔列27的分布規模可以變化，使得它可以沿前壁20覆蓋各種可選擇出的長度，以滿足任何想像出來的特定噴墨印刷頭對通道的要求。例如在一種安排中，可以設想為，孔列27可以是約0.064英寸高和0.193英寸長，並具有交錯排列的約28個小孔26。此時，相鄰小孔26的孔中心距可以是約0.0068英寸。
參看圖4，這是沿圖3所示印刷頭沿4-4線剖切的局部放大剖視圖。可以清楚地看到，印刷頭10有多個平行、間隔分布的通道18。每個通道18從頂部16、沿中間體14垂直伸入主體12的一部分內，而且沿縱向延伸於整個印刷頭10。主體部分12和頂部16是用一種惰性材料如未極化的壓電材料製作的。兩個相鄰通道18的隔離是側壁起動器28，每個起動器均有第一和第二側壁部分30、32。第一側壁部分30是由未極化的壓電材料那樣的惰性材料製作的，在本發明的這個實施例中，第一側壁部分30形成一個整體12。第二側壁部分32是壓電材料，例如鋯鈦酸鋁(或「PZT」)來製作，並在垂直於通道的方向「P」上加以極化(即使之偏振化)。
一種金屬化的導電層34安裝有每個第一側壁部分30的頂部壁(例如可以是一片金屬)。與此類似的，金屬化了的導電層36和38(也可以用一條金屬帶構成)安裝在每個第二側壁部分32的頂壁和底壁。導電膠40的第一層(例如可以是環氧樹脂料)用以與分別安裝在第一側壁30和第二側壁上的金屬化導電層34和38實現能導電的固結。最後，在頂部16的底壁配置金屬化的導電層42，導電層42反過來又以導電膠44的第2層粘結在第二側壁部分32的金屬化導體層36並可通過粘結層導電。用這種方式確立了一列通道18，其中的每一個均是由未極化的壓電材料的主體12的一部分沿其底部、沿其頂部的導電膠44層以及已經形成的一對側壁起動器28來限定的。每個側壁起動器28都是兩個相鄰兩個通道18公用的。可以將第一側壁部分30相對第二側壁部分的相對高度比做成各種數值的。然而，由未極化的壓電材料製作的第二側壁部分32之間的(高度)比例值為從1.3到1時，已經證明可以取得很令人滿意的效果。雖然在圖4所示的實施例表明是使用了金屬化的導電層34、36、38和42，然已經發現，即使除去那樣的表面層亦不會對本發明的實施有任何不良的影響。
現在參看圖5，這是高密度噴墨印刷頭10的側視圖，從圖上可以較清楚地看到將印墨從印墨源25供應到通道18的裝置。貯於印墨源25中的印墨通過一個外印墨導管46供到垂直延伸通過頂部16的內印墨導管24。雖然管24可設在頂部16內的任何地方，但在本發明的此實施例中，導管24是大致通過頂部16的中心向下延伸的。通過內管24供來的印墨傳送到沿與通道18垂直的方向延伸並與之溝通的管道22中。管道22可以製作在中間體14或頂部16之內。但在本實施例中，管道22是配設在頂部16內的，在通道18是在噴墨印刷頭10的全長範圍內延伸時，用合成材料做的堵頭48堵住通道18的後端，以使得提供給通道18的印墨能依據通道18的驅動朝著通向噴墨印刷頭10的一個相應的錐孔26的方向傳送。
參看圖6a，這是圖3所示印刷頭沿圖46a-6a線剖取的後部的剖視圖，用來表明現在可以看到的通道18的側壁。在此圖上還可以看到噴墨印刷頭10的電氣連結情況。一個控制器50作為實施它可以是一個訊息處理機或別的形式的集成電路，它與第一、二側壁驅動器部分30、32分離的金屬化的導電層34間有電氣連結。應該進一步注意到，在圖6a所示的本實施例中，可以想到的是，控制器50可以安裝在主體部分的後延伸部分12′上。另一方面，與第二側壁部分32和頂部隔離的每個金屬化導電層42是接地的。雖然圖6a表明了單個導電片34與控制器50的電連結和單個導電片42接地的情況，亦應該能清楚地理解到，每一個側壁起動器30都有一個在印刷頭10的後部向外延伸到能與控制器50連結的、類似結構的導電片34和一個有類似結構的、接地導電片42。如在後邊還要詳細說明的那樣，通過傳送一系列正和/或負電荷到選擇出的一些導體片34來操縱噴墨印刷頭10。由於頂部16和主體12是不導電的，而粘結材料層40、44，金屬化導電層38、36、42和中間體14都是導電的，將會產生一個跨越中間體14和相應的選擇出的金屬化導電層34的電壓降。這會引起包括一個電壓降落越過的頂部分中間體14在一起的側壁在某一預定方向上發生變形。這樣通過有選擇地施加一個選擇的電壓降於各個側壁起動器，各個通道18就會有選擇地起動，使之噴墨，由此而以一給定的方式產生所期望的圖像。
用於有選擇起動通道18的脈衝程序的正確安排無需背離本發明的精神就可以改變的。例如，一種合適的脈衝程序可作在Wallace David B的，名為「利用積分處理液滴成形模式來標識按需要滴液噴墨裝置型號的方法(1989年)」(「A Method of Characteristic Model of a Drop-on-Demand Ink-the Device Using an Integral Method Drop Formation Model」89-WA/FE-4)的文章中可以看到。在最一般的意義上來說，用於一個側壁起動器28的脈衝程序是由一個正程序(即「+」)和一個負程序(即「-」)組成正程序將一個壓力脈衝傳送給正由這個側壁起動器28起動的那個通道18內;負程序將一個補充的、附加壓力脈衝施加入與正在起動的那個通道18相鄰的、彼此共有一個正在起動的該公共側壁28的那個通道18內。例如在本發明的一個實施例中，決定一個通道18的一對側壁起動器28中的每一個側壁起動器28都有一個脈衝程序，這個脈衝程序包括前述的正脈衝程序和負脈衝程序。但在相反的時間間隔內，正、負電壓程序都交替加到這對側壁起動器的每一個側壁起動器，由此而形成一個+、-、+、-電壓模式，在施加電壓後這種模式使每一個的另外一個通道18都噴射印墨滴。在本發明的第二個實施例中，相鄰側壁起動器28的、限定一個第一個通道的第一對側壁起動器可以有一個脈衝程序，這個脈衝程序包括上述的、在相反的時間間隔內分別加到第一對側壁起動器中的每一個。相鄰側壁起動器28的第二對起動器壁、它們決定相鄰於第一個通道的第二個通道，這第二對起動器壁上在上述時間間隔內不在其上加電壓，這樣，就形成了一個+、-、0、0電壓模式。以這種模式，在施加電壓後，每第四個通道18就會起動。還可以更加明白的是，通過有選擇地將電壓施加到相應於每個側壁起動器28的導電性粘結劑的第一層上，就可以提供多到難以數說的通道起動模式。
圖6b是沿圖4之6b-6b線剖切的印刷頭10的後部剖視圖，在此圖上更好地標明了通過內印墨導管和管路22向通道18供給印墨的通路。在圖6b中還可以清楚地看到，一般均是用絕緣的、合成材料製作的堵頭48，堵頭48堵住了通道18的後端，從而供給通道18的印墨以在別的地方還要詳細的介紹的方式在脈衝作用下朝前傳送。
參看圖7，這個去掉了堵頭48和頂部16的噴墨印刷頭10的後面部分現在可以更清楚表明高密度噴墨印刷頭10的結構細節。正如在這裡可以看到的那樣，在觀察通道18的構造時，最好在預定的地方鋸切主體12和中間部分14，然後將部分金屬化導電錶面層34去掉，由此而可以看出，金屬化導電錶面層34的功能是作為每個側壁30的單個電連接件，而金屬化導電錶面層36的功能是用作每個側壁的單個接地線連接件。
參看圖8a，在此所看到的是印刷頭10的單個起動器壁，側壁起動器28是由第一起動器側壁30和第二起動器側壁32，這兩側壁均沿相鄰通道18的全長伸延。第一側壁部分30是由未極化的壓電材料構成，並與印刷頭10的主體12構成一個整體。第二側壁部分32是由沿垂直於相鄰通道18的方向極化了的壓電材料構成，並以可導電的方式連接到如上所述也是由未極化壓電材料製作的、印刷頭10的頂部16上。第一、二側壁起動器部分30、32安裝得彼此間能有導電連繫。如第一、二側壁部分30、32可各自配備一層導電材料34，並用於導電粘結劑40粘在一起。然後，將第二側壁起動器32的頂面通過安裝金屬化導電層36、42以一種可以導電的方法安裝在頂部16上。
在圖8b中，表明了在電場加到金屬化導電層34和42之間後，圖8a所示起動器的變形情況。在所選擇的電壓加到金屬化導電層34後，就產生垂直於極化方向的一個電場，第二側壁部32就會經受剪切變形。然而，由於金屬化導電層36是受限止的，金屬化導電層38在層36固定不動時會作切變運動。由於是由惰性材料製作的，所以第一部分側壁30不會受電場的影響。然而，由於第一部分30是安裝在經受剪切變形的第二側壁部分32上的，所以第一部分會被第二部分拽動，由此而迫使第二部分彎曲，這種彎曲被稱作剪切運動。這種側壁28的運動產生一個壓力脈衝。這個壓力脈衝增大了部分是由該側壁決定的相鄰通道18中的一個通道18上的壓力，由此而使這一通道18噴出微滴印墨，短暫瞬間之後，一個加強了的壓力脈又加到了這相鄰通道18中的另一個通道上。
在圖9a中，將介紹本發明的印刷頭10的輸墨通道組的又一個實施例的一般工作情況。本實施例中，金屬化導電層34和38以及導體粘結劑層40均一個單獨的導電粘結劑層51替代了。與此相類似的，金屬化導電層36、42以及導電粘結劑層44也已為單獨導電粘結劑層52所取代。然而為了取消上述的金屬化導電層，而維高密度噴墨印刷頭10的令人滿意的作業效果，中間體14的表面14b和主體12的表面12a必須以能導電的方式安裝在一起，以使得可以很容易地將一個電壓加到單層導電粘結劑51上，中間體14的表面14a和頂部16的表面16a也必須以一種可導電方式安裝在一起，從而使得這兩表面之間的單層導電粘結劑52可很容易地接地。
為了起動印刷頭10，圖9a上未示出的控制器50響應一個代表想要印刷的圖像的圖像輸入訊號，將預先規定了大小、極性以選擇相應於起動器側壁28的某一個側壁的導電粘接劑層52的電壓加到待起動的通道18的每1個側壁上。例如，如果有一個正電壓加到一導電的粘結劑層51上，一個垂直於極化方向的電場E就在這個方向上由導電粘結劑層51建立起來，而且是指嚮導電粘結劑層52。第二側壁部分32就將帶著第一側壁部分30以剪切方式扭曲，由此而使此側壁經受一剪切樣變形。在又一方面，通過加一個負電壓到連接件34上，電場E的方向就顛倒換向，第二側壁部分32就在第二方向上以剪切運動方式偏轉，此方向與第一次的方向相反，但垂直於該通道。這樣，通過在限定一個通道18的相鄰側邊上施加大小相等極性相反的電荷，一個正壓力波就在這兩個相鄰側壁之間的通道18內產生，從而排放一滴印墨，墨滴既可以通過壓力腔18的開口端，也可通過錐孔26排出。
在圖9b上可以看到處於未起動狀態、圖9a所示的通道系列中的一個通道18和一對側壁起動器28的放大視圖。因為這裡要說明的這個側壁起動器28在結構上與圖9a中所介紹的完全一樣，所以在此無需進一步說明。在側壁起動器28起動之前，通道18中充滿了不導電的印墨。用作製作側壁起動器的壓電材料具有3300的相對電容率，不導電的印墨的相對電容率為1。利用本發明的這個實施例，處理過2個公開的試驗。第一個試驗具有每第4個通道18就被加一個電壓而起動，其電壓模式為(+、-、0、0)，第二個試驗中每第二個通道18通過加一個電壓而起動，其所加電壓模式為(+、-、+、-……)。由於在這兩個試驗間沒有顯著的差別出現，所以在下面只說明第二個試驗的結果。在這個試驗中，導電材料層52是零電壓，導電材料層51a有+1伏電壓，導電材料層51b有-1伏電壓。這樣的一種電壓組合能夠使在中央的通道18壓縮。
在圖9c上，我們可以看到，根據第二個試驗的參量作出的，在側壁起動器28起動其間所產生的靜電場的圖解分析圖。如在圖上所看到那樣、在極化的壓電材料中的位移的數值大小使得牙對牙和咀對咀的相互幹擾影響對不導電的印墨來說是可以忽略不計的。一個出乎意料的結果是在未極化的壓電材料中的電場的量值要比極化的壓電材料中的多60%。出現這種現象的原因是，由於其電荷流受到這種壓電材料中的高電容率的支配。此外，未極化的壓電材料中的電場方向是這樣的如果這種材料被極化，由於未極化的齒狀突伸部分比其極化部分的長，所以其齒狀突伸的位移就要增加約60%。如果更長，壓電材料件就會被切化，這位移當然會更大。
雖然在本文中沒有介紹，也利用導電印墨做過類似的試驗。在這樣的一個試驗中，除非將側壁起動器28用一薄層不導電材料沿著與充滿導電油墨的通道鄰接的側壁起動器的表面，將這個側壁起動器28絕緣，導電印墨總會使導電材料層51、52短路。可以想像的是，在考慮使用導電印墨時，可用厚度十分均勻的約為2-10微米的一層不導電材料塗在通道18的內表面。在使用導電印墨時，除了要求一層不導電材料外，噴墨印刷機的操作並沒有明顯的差別。
在圖10a中，可以看到側壁起動器的第二個實施例。這個實施例有一個由未極化的壓電材料製作，且是與主體12構成一整體並從其上延伸而成的第一側壁部分30;一個由壓電材料製作的第二側壁部分54及第三個由壓電材料製作的側壁部分56。第二、三側壁部分是粘結在一起的，其粘接方式使之極化方向彼此相差180°。每個極化的壓電材料側壁部分54和56應分別有金屬化的材料製作的頂層和底層57和58，60和62。第二側壁部分54的第一金屬化導電層57藉助第1層導電粘結劑40連接在第一側壁部分30的金屬化導電層34上，第二側壁54的第二個金屬化導電層由通過第三導電粘結劑層64連接在第三側壁部分56的第一金屬化導電層60上。最後，第三側壁部分56的第二金屬化導電層藉助第二導電粘結劑層44連接在頂部16上。導電層58和38間應該互相連接並且有一個公有的電位即接地。通過加一個電壓到第二、三側壁部分54、56之間的導電層而產生一個電場。正如圖10b所示，除了54、56經常單獨的剪切變形之外，此側壁起動器的變形情況與先前所介紹的情況並沒有明顯的差別。
參看圖11a，現在詳細說明側壁起動器28的第3個實施例。更確切地說，在這個實施例中，第一、二側壁部分均是由極化的壓電材料製作的，兩者的結構方式使得它們的極化方向對準。通過在極化了的壓電材料部分30、32之間的表面施加一個電壓而產生一個電場。頂端側壁部分32的電場矢量相對第一側壁部分的電場矢量差180°，因此，頂端和底面側壁部分是在相反方向上剪切變形。當然，為了得到同樣大小的位移，需要不到該電壓的一豐。在這裡，這個側壁起動器仍是由一對側壁部分構成的，但是這裡的第一、二側壁部分66和68分別有各自的第一、二金屬化的導電層70和72及74和76，而且這個側壁部分均是由活動性材料製作的。用第一層導電粘結劑40使主體12的第一金屬化導電層34以可導電的方式安裝在第一個側壁部分66的第一金屬化導層70上。用第四導電粘接劑層78將第一側壁部分66的第二金屬化導電層72以可導電的方法與第二側壁部分68的第一金屬化導電層74安裝在一起。用第二導電粘接層44將第二側壁部分68的第二金屬化導電層76以可導電的方式與頂部16的金屬化導電層42安裝在一起。如圖11b所示，在本實施例中，兩個側壁部分68和70是分別經受單獨的剪切變形的。
參看圖12a，現在詳細說明側壁起動器28的第4個實施例。在本實施例中，側壁起動器28是由用惰性材料製作的第一側壁部分，以及由活動性材料製成的第二、三、四側壁部分80、82和84組成的。活動性側壁部分80、82和84分別有第一、第二金屬化導電層86和88，90和92以及94和96。在本實施例中，用第一導電粘結劑層40將金屬化導電層34和36以可以導電的方法裝接在一起;用第三導電粘接劑層98將金屬化導電層88和89以可以導電的方式裝接起來;用第四導電粘接劑層100將金屬化導電層92和94以可導電的方式裝接在一起，並用第二導電粘接劑層44將金屬化導電層96和42以可導電的方式連接在一起。如在圖12b所示那樣，起動器側壁變形情況類似於結合圖8b所說明和介紹的情況一樣。
參看圖13a，下面詳細說明側壁起動器28的第5實施例。此側壁起動器28是由均是用活動性材料製作的第一、二、三、四、五、六側壁部分組成，每個側壁部分各有固定於其上的第一、二金屬化導電層116和118，120和124，126和128，130和132，134和136以及138和140。用第一導電粘接劑層40以可導電方式將金屬化導電層34和36連接在一起，並分別用第三、四、五、六、七一導電粘接劑層142、144、146、148及150、44分別以可導電的方法將118和120、124和126，128和130，132和134，136和138及140和42金屬化導電層連接在一起。如圖13b所示，此側壁起動器28的變形情況是與參照附圖11b所作的介紹的情況相似的。
圖14表明的是本發明的又一個實施例的情況。在本實施例中，噴墨印刷頭410是由中間體414形成的。中間體414與上述的中間體的構造是一樣的，並將之與主體412連接在一起。如上所述，中間體414是由在方向P上已極化的壓電材料構成的，並在表面414b、414a上分別有金屬化導電層436和438。然而，在本實施例中，主體412也是由在P方向上極化了的壓電材料製作的，並且有一個其上有一層導電材料434的表面412a，中間部分414和主體412通過將金屬化導電層434和438以可導電的方式固定的導電粘接劑層440連接在一起。此外，還可以通過將金屬化導電層434、438間進行釺焊而將之連接在一起。還可以進一步想得到的是，根據本發明的一個方面，金屬化導電層434和/或438中之一或兩個均可取消，但仍然可維持本發明的令人滿意的使用效果。
在主體412和中間體414以可導電方式固接在一起之後，用機加工方法為噴墨印刷頭410加工出一組通道。如圖14所示，一組沿軸向延伸，大致平行的通道418是由機械加工出的通過中間體414和主體412延伸的溝槽形成的。最好，機械加工完成的方式能使由此而加工成的每個通道418都應該向下延伸一些，從而使得金屬化導電層438、436、434，由極化了的壓電材料製作的中間部414，導電粘接劑層440，及由極化了的壓電材料製作的主體412的一部分都被去掉。通道為噴墨印刷頭組成一組通道及側壁起動器428，每個側壁起動器都有第一、二側壁起動器部分430和432，這兩部分確定了通道418的側壁，通道正是以上述這種方式形成的。如下面要更詳細地說明的那樣，通過以上述方式形成平行的一組通道，而為每一個通道418都配置了一個大致呈U形的側壁起動器450(以模型形式展示於圖14中)。這種起動器在一個通道418的相對兩側而且是主體412的一部分的地方有第一側壁起動器部分，主體412並將在這個通道418的兩個相對的側邊上的第一側壁起動器連接在一起。
繼續看圖14，噴墨印刷頭的通道組是通過將用極化的壓電材料或別的活動性材料製作的，其底面416a上有一層金屬化導電層442的第三構件416，安裝在中間體414的金屬化導電層436上而組成的，其安裝方式使中間體414與第三構件間可以導電。以後將稱之為噴墨印刷頭的頂部的第三構件416可以用先前講述的頂部16的類似結構。為了完成噴墨印刷頭的通道組件組合，將頂部416的金屬化導電層442以可導電的方式用第二導電粘接劑層444連接在第二側壁部分432的金屬化導電層上。最好，先將導電粘結劑層444塗敷在金屬化導電層442和頂部416上，然後再放上金屬化導電層436，如上所述，可以想像到，在本發明的一個實施例中，金屬化導電層436或422中的一個或兩個均可以取消後，仍然可以保持印刷頭的滿意的使用效果。
使圖14所示通道組間有電連接，從而使得能為每一個通道配備一個大致為U形的起動器450。在另一個實施例中電連接件452可以是用導電粘結劑層440將金屬化導電層436和438以可導電的方法彼此固接而形成，其中金屬化導電層436和438可以相互釺焊，也可以只是用一層導電粘接劑將金屬導電層相互粘接在一起，在通道418的一個側壁上，將電連接件452連到一個+1伏的電源上(未示出)。第二個電連接件452連到一個-1伏的電源上。為了完成用於此平行通道組的電氣連接，還要將導電粘接劑層444接地。通過上述連接方式，通道18就有一個大致為u形的起動器450，在其電連接件452與454有2伏電壓降，第一側壁起動器在連接件452與地之間有+1伏電壓降，第二側壁起動器在連接件454與地之間有-1伏電壓降。以這種方式構成了側壁起動器之後，當有一個+、-、+、-模式的電壓施加到連接件405使每另一個通道418根據所加的該電壓噴印墨微滴時，由U形起動器450和決定此通道18的一對側壁起動器432在此通道418上產生的壓縮和/或膨脹力要比由側壁起動器28在通道18上施加的大得多。
雖然，具有其每一個通道都有一個U形起動器的平行通道組的高密度噴墨印刷頭的量鋼(尺寸大小)可以很容易地變更而不偏離本發明的精神，然而已經具體考慮過，實施本發明的噴墨印刷頭可以設計成具有下列規格小孔直徑 40μmPZT長度 15mmPZT高度 120μm通道高度 356μm通道寬度 91μm側壁寬度 81μm在上述的本發明的各實施例中，每個側壁起動器30是一對相鄰通道18共有的，因此可以用來使這對通道中的任何一個通道噴射印墨。例如在圖9a中，通過移動組成這個被起動的通道18的側壁的兩側壁起動器30通道18a一個隔一個地被起動，從而使那些通道受擠壓。在相鄰被起動的通道18a的那些通道18b中，由於每一個側壁起動30是一個起動的通道18a和一個未起動的通道18b之間共有的，所以用於形成未起動的通道18b的側壁的那些側壁起動器30也是移動的，但其移動方式不會引起印墨從通道18b中噴出。在未起動的通道18b內，側壁起動器30移動引起的起動通道18a所必須這種壓力脈衝通常稱之為交調失真。在某種情況下，如在使用低粘性和低表面張力印墨時，在與被起動的通道18a鄰接的未被起動的通道18b中的由起動器30產生的這種交調失真可能導致未起動的通道18b會被出乎意料之外的起動。
現在參看圖15a，現在要詳細說明的是圖3所示印刷頭10的前壁部分20的另一個實施例20′簡圖。它可以用來消除或減少圖9a所示噴墨印刷頭10在作業期間出現的交調失真。在本實施例中，孔列27具有孔26-1、26-2、26-3、26-4、26-5、26-6、26-7及26-8，這些孔排列成傾斜的形狀，而且26-1到26-8中的每一個孔均延伸、透過蓋壁20′而各與通道18-1到18-8中、相應的一個通道溝通。並且這些孔是這樣聚集在一起的在一特定的小組中孔26-1到26-8中的每一個孔放置得與同一組中相鄰的一個小孔的距離在沿運動方向A測量得的距離為d。在本發明的一個實施例中，這個距離約等於1/3象素Pixel。例如，在圖15a所示的孔列27中，孔26-1和26-2;26-3、26-4和26-5;以及26-6，26-7和26-8分別構成第一、二、三孔組。在根據本發明設計的，且具有圖15a所示孔列的噴墨印刷頭10作業期間，通過壓縮限定要被起動的通道的側壁的側壁起動器28，孔26-1、26-4和26-7，這些排在第一行的小孔可能被一起起動，排在第二行的孔26-2、26-5和26-8可能被一起起動，排在第三行的孔26-3、26-6和26-9可能被一起起動。用這種方式起動孔26-1到26-8，交調失真影響就可以消除。此外，在t＝1(參看圖15b)時，通過以圖9a中所說明的方式，將一個正電壓降加到第二側壁部分32上，限定通道18-3，18-6和18-9(這些通道相應於第一孔組26-3、26-6及26-9)的兩面側壁28就同時起動。與此相呼應，通道18-3，18-6和18-9就被壓縮，由此而將壓力脈衝加到這些通道內的印墨上，從而使印墨滴從這些通道中噴出。由於限定通道18-2、18-4、18-5、18-7和18-8的每兩個側壁28中只有一個已被驅動，由此而將加到不希望起動的通道的壓力脈衝值減為1/2，所以這些與已起動的那些通道相鄰的通道的出乎意料的起動的可能性就減小。
在t＝2時，(參看圖15c)紙已經沿方向A移過了1/3(Pisel)象素，而且位於第二行的通道18-1、18-4和18-7(它們分別相應於第二行孔26-1、26-4和26-7)現在應該以相似的方式被起動。如上述情況一樣，由於傳遞到那些未被起動的通道上的壓力脈衝值減少了一半，所以通道18-2、18-3、18-5、18-6和18-8的出乎意料的起動的可能性被降低了。最後，在t＝3(參看圖15d)時，紙已沿方向A又傳送了另一個1/3象素(Pixel)。現在應被起動的是位於第3行的通道18-2、18-5和18-8(它們分別相應於第3行孔26-2、26-5和26-8)。與上述情況一樣，由於傳送到未被起動的通道上的壓力脈衝值的降低，相鄰通道18-1、18-3、18-4、18-6、18-7、18-9的出乎意料的被起動的可能性被減少了。
現在已經將一種有在其內延伸的多個傳墨通道，和用活動性材製作的、並為這些通道中的相鄰通道共同的側壁起動器的高密度噴墨印刷頭作了說明。但是在本領域內的那些熟練人員會認識到，除了上述已特別指出的那些方面外，還可以在不超出本發明的基本精神而作出許多改型和變化。因此，應該明白在本文中介紹的本發明的結構形式只是作為實例，並不是對本發明範圍的限止。
權利要求
1.一種噴墨印刷頭具有，一個由壓電材料製作的基部，它具有多個基本上是平行放置、並在基部上沿縱向延伸的凸塊，每個凸塊均有一頂面；多個中間體，每個都有一個頂面和一個底面，每個中間體以能導電方式連接在相應的每個基部噴射咀的頂面上，每個中間體均由壓電材料製作，一個頂部以可導電方式連接在各個中間體的頂面上；基部、多個中間體和頂部限定了多個大致平行、沿軸向延伸的傳墨通道，印墨可從其中噴出。
2.如權利要求1所述的印刷頭，其特徵在於，基部凸塊和中間體為多個傳墨通道中的每一個都限定第一和第二側壁;印刷頭還具有將(正、負)極性相反的電壓分別傳送到限定每一個傳墨通道的第一、二側壁上的裝置。
3.如權利要求2所述印刷頭，其特徵在於，將極性相反的電壓分別傳送到第一、二側壁的裝置還具有用於有選擇地將正電壓加到連接每個第一側壁的凸塊和中間體的導電連接件的機構;用於有選擇地將負電壓加到連接每個第二側壁的凸塊和中間體的導電連接件的機構。
4.如權利要求3所述印刷頭，它還具有將連接頂蓋和多個中間體的導電連接件接地的裝置。
5.如權利要求4所述的印刷頭，其特徵在於，每個中間體是在大致垂直於多個平行通道的軸向延伸方向上被極化的。
6.如權利要求5所述的印刷頭，其特徵在於，基部是在大致垂直於多個平行通道的軸向延伸方向上被極化的。
7.如權利要求6所述的印刷頭，其特徵在於，用於有選擇地施加正、負電壓的機構均在垂直於極化方向的方向上產生一個跨越每個中間體的電場，和一個大致垂直於沿基部的第一部分極化的方向並大致平行於沿基部的第二部分極化的方向的電場。
8.一種噴墨印刷頭具有一種大致成U形的並具有第一、二頂壁的起動器;一種具有與大致成U形的起動器的第一頂壁以可導電方式連接的一個底壁及一個頂壁的第一側壁起動器;一種具有與大致成U形的起動器的第一頂壁以可導電方式連接的一個底壁及一個頂壁的第二側壁起動器;一個具有與第一、二側壁起動器的頂壁以可導電方式連接的底壁;大致成U形的起動器，第一、二側壁起動器和頂部限定一個細長的液密性通道。
9.如權利要求8所述印刷頭，它還有用於有選擇地將一個第一壓力脈衝加到細長的液密性通道而將大致成U形的起動器接地的裝置。
10.如權利要求9所述印刷頭，它還具有，一種有選擇地將一個正電壓加到連接第一側壁起動器和大致成U形的起動器的第一頂壁的導電連接件上的裝置;有選擇地將一個負電壓加到連接第二側壁起動器和大致成U形的起動器的第二個頂壁的導電連接件上的裝置。
11.如權利要求9所述印刷頭，它還具有，用於有選擇地將第二個壓力脈衝加到細長的液密性通道上而使第一側壁起動器接電的裝置。
12.如權利要求11所述印刷頭，它還具有用於將第三個壓力脈衝有選擇地施加到細長的液密性通道而使第二種側壁起動器接電的裝置。
13.如權利要求12所述印刷頭，它還具有有選擇地將一個正電壓加到連接第一側壁起動器和U形起動器的第一頂壁的導電連接件上的裝置;有選擇地將一個負電壓加到連接第二側壁起動器和大致成U形的起動器的第二頂壁上的裝置;使將第一、二側壁起動器與頂部相連的導電連接件接地的裝置。
14.一種噴墨印刷頭，它具有具有一個前壁和至少三個大致平行的細長的液密性通道的基部，液密性通道至前壁為止，一個蓋，其上有相應數目的孔並安裝於基部的前壁上;設置在蓋上的孔決定了每列至少有一個孔的第一、二、三孔列，每一個孔均與相應的一個通道溝通;分別用於同時起動與第一或第二或第三例相應各孔溝通的所有通道的裝置。
15.如權利要求14所述的印刷頭，其特徵在於，各孔成組安置，每組孔最多為3個，一個組的每個孔與該組其餘的孔間隔有垂直距離，而且組中每一個孔與其餘的相鄰的孔以選定的距離隔開。
16.如權利要求15所述之印刷頭，其特徵在於，所選定的距離約為1/3(Pixel)象素。
17.如權利要求16所述的印刷頭，它還具有多個有第一、二頂壁的大致為U形的起動器，多個第一側壁起動器，每個第一側壁起動器有一個頂壁和一個以可導電方式與每一個大致為U形的起動器的第一頂壁連接的底壁;多個第二側壁起動器，每個第二側壁起動器有一個頂壁和一個以可導電方式與一個大致為U形的起動器的第二頂壁連接的底壁，一個有以可導電方式與第一、二側壁起動器的各頂壁連接的底壁的頂部，其中，大致成U形的起動器，第一、二側壁起動器和頂部限定出各個細長的液密性通道。
全文摘要
一種按要求滴液型噴墨印刷系統用的噴墨印刷頭，具有一個有一組大致平行設置並沿長軸方向延伸的凸塊的基部，一組以可導電的方式安裝在相應的基礎凸塊組中的各個凸塊的頂面上的中間體組，以及一個以導電方式連接一組中間體中每一個相應中間體的頂壁上的頂部。
文檔編號B41J2/055GK1074408SQ92110
公開日1993年7月21日 申請日期1992年8月15日 優先權日1991年8月16日
發明者J·R·派斯, D·B·華萊士, D·J·海斯 申請人:康帕克電腦公司