用於高密度噴墨印刷頭的側壁致動器的製作方法

2023-10-18 17:35:04 2

專利名稱：用於高密度噴墨印刷頭的側壁致動器的製作方法
本申請涉及一種高密度噴墨印刷頭，特別是涉及到用於高密度噴墨印刷頭通道的側壁致動器，該致動器向上述通道施加噴墨壓力脈衝。
印刷機提供一種產生人類可讀形式的永久性記錄的手段。通常，印刷技術可以分為打擊式印刷和非打擊式印刷。在打擊式印刷中，圖象是通過打擊位於紙面附近的墨帶而形成的。打擊式印刷技術又可以進一步分為成形字符印刷和字模印刷。在成形字符印刷中，擊打墨帶形成圖象的部件由所要求字符的凸起的鏡象構成，在字模印刷中，形成的字符是一系列緊密排列的點，這些點靠擊打貼靠墨帶的觸針形成，有選擇地擊打觸針，可以產生由點陣表示的任何字符。
非打擊印刷通常比打擊式印刷更可取，因為非打擊式印刷具有較高的印刷速度並且對於印刷圖表和照相銅版圖象具有較好的適應性。非打擊式印刷技術包括型版印刷、靜電印刷和電子照排印刷。在型版印刷中，觸針由電脈衝有選擇的加熱，並且該熱產生一個顯現在紙面上的印記，通常，該紙是經特殊處理的。在靜電印刷中，在印刷元件和傳導紙之間的電弧除去紙上不透明的塗層而露出一個對比色的底層。最好在電子照排印刷中，使用一種諸如雷射光源使光導材料有選擇地帶電，將一種粉末調色劑吸附在帶電區域，當調色劑與紙相接觸時將被轉送到紙面上，然後使之受熱並熔化於紙上。
非打擊式印刷的另一種形式通常稱為噴墨印刷，噴墨印刷系統利用噴射微小墨滴的方法形成圖象。這種裝置可以產生高度重複和可控的微滴，從而可將微滴印在由數學化存貯和圖象信息所確定的區域。大部份商業上實用的噴墨印刷系統通常可分為「連續噴墨」型噴墨印刷系統和「要求響應」型噴墨印刷系統，前者從印刷頭連續噴射墨滴，並根據要求產生的圖象將墨滴導向或背離紙面，後者是根據與要求產生的圖象相關的特定指令由印刷頭中噴射墨滴。
連續噴墨型噴墨印刷系統是基於從一個小孔中流出的液流而形成均勻的微滴。以前就已注意到，在壓力下從直徑大約為50-80微米的小孔噴射出的液體由於產生在射流上的表面張力波的擴張而趨於破碎成均勻的微滴，所述的張力波例如可由一個電子機械裝置產生，該裝置產生穿過液體的壓力振蕩。例如，在

圖1中可以看到示意的連續噴射型噴墨印刷機200，其中一個泵202從墨液204將油墨供到噴咀系統206，噴咀系統包括一個壓電晶體208，它由晶體驅動器210提供的電壓連續驅動，泵202將供給的油墨壓到噴咀系統206中然後經噴咀212噴射成連續的液流，連續振蕩的壓電晶體208產生壓力擾動，從而使連續的墨流破裂成均勻的墨滴，並且由於電極214產生的靜電場(通常稱為充電電場)的存在使墨滴獲得一種靜電荷。利用高壓偏轉板216來控制所選擇的帶靜電微滴的軌跡使之擊向紙片218上的一個希望的位置，高壓偏轉板216也偏離紙片218折轉未被選擇的帶靜電微滴，並使之進入貯置器220供下次循環使用。由於微滴的小尺寸和精確軌跡的控制，連續噴射型噴墨印刷系統的印刷質量可以接近成形字符衝擊印刷系統的質量。但是，連續噴射型噴墨印刷系統的缺點是，即使是不印刷或只少許印刷時也必須噴射油量，這種必要條件使油墨減少並降低印刷系統的可靠性。
由於這個缺點，使人們對由電子機械感應的壓力波產生微滴的方法增加了興趣。在這種系統中，在與油墨直接或間接相連的壓電材料上施加一個電壓脈衝而使油墨的體積變化，這種體積變化引起油墨的壓力/速度的瞬變並由此導致產生排出小孔的微滴。由於當需要微滴時才施加電壓的，因此這種形式的噴墨印刷系統稱為要求響應式的。例如，在圖2中，示出了一種要求響應式的噴墨印刷機，噴咀系統306從貯墨器(未示出)中抽取油墨，一個驅動器310接收字符信息並根據該信息來驅動壓電材料308，例如，如果接收到的字符信息要求由噴咀系統306噴射墨滴，那麼驅動器310就壓電材料308上施加一個電壓，然後電材料變形，在一定程度上迫使噴咀系統306由小孔312中噴射墨滴，然後噴射的墨滴將擊中紙片318。
在噴墨印刷機中使用壓電材料已經公知，通常，壓電材料是用於壓電轉換器中，在此，通過穿過壓電材料施加一個電場並由此使壓電材料變形而將電能轉換成機械能的。這種使壓電材料變形的性能經常被用來迫使從噴墨印刷機的載墨通道噴射油墨。使用壓電材料變形來噴射油墨的一種上述的噴墨印刷結構包括一個環繞載墨通道的管狀壓電轉換器，當轉換器由施加的電壓脈衝激勵時，載墨通道被壓縮並從中噴射出墨滴。例如，使用環形轉換器的噴墨印刷機可以參見Zoltan的美國專利US3857047。然而，壓電轉換器和相連的載墨通道的相當複雜的布置使得這種裝置的製造相當費時和昂貴。
為了降低噴墨印刷頭特別是具有壓電致動器的噴墨印刷頭的各載墨通道(或「噴咀」)的製造費用，一直希望生產一種具有一排通道的噴墨印刷頭，這些通道之間的間隔相當小。例如，如果噴墨印刷頭的一排通道中相鄰兩通道的間距大約為4～8密耳將是非常希望的，在此，這樣一種噴墨印刷頭被定義為「高密度」噴墨印刷頭。除了降低各載墨通道的製造費用外，由噴墨印刷頭的變通道密度帶來的另一個優點是提高印刷速度，然而，所提出的高密度噴墨印刷頭內通道之間非常緊密的間隔一直是這種印刷頭製造中的主要問題。
最近，在噴墨印刷頭裝置上使用剪式壓電轉換器越來越普遍。例如，Fischbeck等人的美國專利US4584590和4825227描述了用於平行排列通道噴墨印刷頭的剪式壓電轉換器，在這兩個專利中，一系列端部敞開的平行排列的油墨壓力腔由一個壓電材料片蓋住頂部，在壓電材料片相對的兩側裝有電極，正電極置於將壓腔分開的垂直壁的上部，而負電極置於壓腔之上，當通過兩電極具有一個電場時，壓電材料在垂直於電場的方向上被極化並以剪式形狀變形，以便壓縮油墨壓腔。然而在這種結構中，大部分壓電材料不起作用，此外，壓電材料變形程度也小。
在Nilsson的專利US4536097中可以看到一種噴墨印刷頭，它具有一排平行的通道並且用壓電材料構成載墨通道的側壁，噴墨通道組是由一系列相隔平行設置的壓電材料帶構成，且在兩側被第一和第二塊板蓋住。一塊板由導電材料構成並作為所有壓電材料帶的共同電極，在壓電材料帶的另一側，用電連接件實現限定各對壓電材料通道的電連接。當向構成通道的兩個壓電材料帶施加一個電壓時，壓電材料帶將變窄和變高，從而使通道封閉的橫截面變大，並將油墨吸入通道，當卸去電壓時，壓電材料帶恢復到它們的原來形狀，通道的體積減小並從中噴出油墨。
噴墨印刷頭具有一排平行的載墨通道並使用壓電材料形成通道垂直壁的剪式致動器也已公知。例如Bartky等人的專利US4879568和Michaelis等人的專利US4887100均公開了一種噴墨印刷頭，它使用壓電材料作為各通道沿整個長度的垂直壁。在這些結構中，垂直通道壁由兩個相對的壓電材料極化片構成，它們相鄰的設置並夾在頂壁和底壁之間以形成油墨通道。形成油墨通道後，就沿垂直通道壁的整個高度設置電極。當垂直於壓電材料片的極化方向在兩電極間產生一個電場時，垂直壁將變形，成剪式壓縮噴墨通道。
在本發明的一種結構中，具有一個噴墨印刷頭通道組的致動器側壁，所述的通道組包括一個頂壁、一個底壁和至少一個在軸向伸展的由上述頂壁、底壁和側壁確定邊界的限制油墨的細長通道。致動器側壁包括一個第一致動器側壁、一個與第一側壁和底壁相連的第二致動器側壁和橫過第一側壁施加電場的裝置，其中，第一側壁由在垂直於第一軸向伸展通道的第一方向上極化的壓電材料構成並連接到頂壁之上，所述的施加電場的裝置施加的電壓垂直於上述極化方向。當通過第一側壁施加電場時，致動器側壁發生移動而在通道中產生一個噴墨壓力脈衝。本發明的一個方面是，第一致動器側壁產生剪切變形運動，從而牽引第二致動器側壁產生剪切狀運動。
本發明上述結構的另一個方面是，第一致動器側壁可以包括二個、三個或多個由壓電材料構成的小段，其中單數標號的小段在第一方向極化，而偶數標號的小段在也是垂直於通道的一個第二方向極化。設有橫過各第一側壁的小段並垂直於各第一和第二極化方向施加電場的獨立的裝置，以使各第一致動器側壁小段經歷一種類似取向的剪切運動。本發明上述結構的又一方面是，第二致動器側壁也可以包括一個、二個、三個或多個由極化壓電材料構成的小段，而且由壓電材料形成的單數標號的小段在第一方向極化，偶數標號的小段在第二方向極化，而且設有橫過各段側壁垂直於各第一和第二極化方向施加電場的獨立裝置，以使第二致動器側壁的各段經歷類似取向的剪切運動，並且第一和第二致動器側壁產生相反取向的剪切運動。
在本發明的另一個結構中，具有一個用於噴墨印刷頭通道組的致動器側壁，其中的通道組具有一個頂壁、一個底壁和至少一個在軸向伸展的由上述頂壁、底壁和側壁限定了邊界的細長的油墨限制通道。所述致動器側壁包括一個由在垂直於一個第一軸向伸展通道的方向上極化的壓電材料構成的第一致動器側壁、一個導電連接到頂壁和第一致動器側壁上的第一導電材料層、一個與底壁相連的第二致動器側壁和一個導電與第一、第二致動器側壁相連的第二導電材料層。當在第一和第二導電材料層之間垂直於極化方向有一個電場時，致動器側壁發生運動，從而在通道中產生一個噴墨壓力脈衝。本發明這種結構的一個方面是，第一致動器側壁發生剪切運動，從而牽引第二致動器側壁產生剪切狀運動。本發明這種結構的另一個方面是，第一致動器側壁可以包括二個、三個或多個壓電材料構成的小段，其中單數標號的小段在第一方向極化，偶數標號的小段在垂直於通道的第二方向極化。在上述結構中，設置相應數量的附加導電材料層，用於導電連接更多的側壁小段，從而使第一側壁的各段均經歷一種類似取向的剪切運動。本發明上述結構的又一個方向是，第二致動器側壁可以由一個、二個、三個或更多極化壓電材料的小段構成，單數標號的壓電材料小段在第一方向極化，偶數標號的小段在第二方向極化，並且設有相應數量的導電材料層，用於導電連接更多的小段，以便第二致動器側壁的每段均經歷一個類似取向的剪切運動，並使第一和第二致動器側壁產生相反取向的剪切運動。
通過附圖，本領域的技術人員可以更好地理解本發明，本發明的許多目的、特徵和優點也由此變得更加明顯。
圖1是連續噴射型噴墨印刷頭的示意圖;
圖2是要求響應型噴墨印刷頭的示意圖;
圖3是本發明噴墨印刷頭的透視圖;
圖4是沿圖3中4-4線並表示圖3噴墨印刷頭的一列平行通道的放大的局部剖視圖;
圖5是圖3噴墨印刷頭的側視圖;
圖6a是圖4中沿6a-6a線的噴墨印刷頭後部的放大的局部剖視圖;
圖6b是圖4中沿6b-6b線的噴墨印刷頭的後部放大的局部剖視圖;
圖7是圖3的噴墨印刷頭的後部在頂部被取走時的放大的局部透視圖;
圖8a是圖3噴墨印刷頭的一個單獨的未偏斜的致動器側壁的前視圖;
圖8b是圖8a中的單個的致動器側壁偏斜後的前視圖;
圖9a是圖3示意的噴墨印刷頭在其前壁被取走且所述的一列平行通道的致動器側壁偏斜後的另一種結構的前視圖;
圖9b是圖9a示意的噴墨印刷頭放大的局部前視圖;
圖9c是圖9b形狀的側壁上靜電場的圖示分析;
圖10a是圖8a所示的未偏斜的致動器側壁的第二種結構的前視圖;
圖10b是圖10a的致動器側壁偏斜後的前視圖;
圖11a是圖8a所示未偏斜的致動器側壁的第三種結構的前視圖;
圖11b是圖11a的致動器側壁偏斜後的前視圖;
圖12a是圖9a所示的未偏斜的致動器側壁第四種結構的前視圖;
圖12b是圖12a的致動器側壁偏斜後的前視圖;
圖13a是圖8a所示未偏斜的致動器側壁第五種結構的前視圖;
圖13b是圖13a的致動器側壁偏斜後的前視圖;
圖14是圖3中沿14-14線的噴墨印刷頭另一種變換結構的局部剖視圖;
圖15a是圖3的噴墨印刷頭另一種變換結構的放大的局部前視圖;
圖15b是圖15a的噴墨印刷頭的第二個前視圖，其中，它的前壁已被取下且平行排列的致動器側壁發生了第一次偏斜;
圖15c是圖15b的噴墨印刷頭發生第二次偏斜後的示意圖;
圖15d是圖15b的噴墨印刷頭在發生第三次偏斜後的情形。
在下列詳細的描述中可能會出現部件編號順序的不一致，目的是使本申請與先前參照的同類申請之間的編號儘可能地取得一致。
現在參見附圖，其中的厚度和其它尺寸在各附圖中均被放大，以進行必要的解釋，並且一樣的參照符號在各附圖中表示相同或類似的部件，圖3中可以看到本發明的噴墨印刷頭10，噴墨印刷頭10包括一個主體部分12，它對準、配合併連接到中間體部分14上，而中間體14則對齊、裝配和連接到頂部16上。在圖6a中可更好地看到本發明的結構，其中，主體12繼續向後伸展超過中間體14和頂部16，從而在噴墨印刷頭10上提供一個在其上安裝噴墨印刷頭控制器(在圖3中不可見)的表面，然而也完全可以考慮主體12，中間體14和頂部16均具有相同的長度、這樣，就需要將控制器50放在距噴墨印刷頭10較遠的地方。
在中間體14和主體12上開有許多具有特定寬度和深度的垂直槽，以形成許多壓腔或通道18(在圖3中不可見)，從而提供一排噴墨印刷頭10的通道。在噴墨印刷頭10的後部附近具有一個與通道18相通的集流腔22(在圖3中不可見)，最好是該集流腔22包括一個在垂直於通道18的方向上穿過中間體14和頂部16而伸展的通道，如下面將要詳細描述的，集流腔22與一條外部油墨導管46相連，以提供一種從與外部油墨通道46相連的墨源25向通道18供墨的裝置。
繼續參見圖3，噴墨印刷頭10進一步包括一個前壁20，它具有一個前側20a，一個後側20b和多個穿過它們的錐形小孔26，前壁20的後側20b分別與主體12，中間體14和頂部16對齊、相配並連接，這樣每個小孔26均與相應的一個在中間體14內形成的通道18相通，從而構成通道18的噴咀，最好是每個小孔26均定值於通道18的端部中心，為通道18提供噴墨咀。然而也可以考慮將每個通道18的端部作為印刷過程中的噴射墨滴的小孔，而不需要設置前壁20和小孔26。也可以考慮變化包含小孔26的孔到27的尺寸，以使之依據預見的特殊噴墨印刷頭10的通道要求條件沿著前壁20覆蓋各選擇的長度。例如，在一種布置中，可以考慮孔到27的高度約為0.064英寸、長度約為0.193英寸並且有交錯排列的大約28個小孔26，其中相鄰小孔26的中心距離大約為0.0068英寸。
在圖4中可以看到沿圖3中4-4線的噴墨印刷頭10的放大的局部剖視圖。可以清楚地看到，噴墨印刷頭10包括許多平行間隔開的通道18，每個通道18從頂部16沿中間體14和主體12的一部分伸展，並且縱向伸過噴墨印刷頭10。主體12和頂部16用惰性材料製成，例如不被極化的壓電材料。側壁致動器28將相鄰的通道18隔開，每個側壁致動器28均包括第一側壁30和第2側壁32。第一側壁30由惰性材料構成，例如不被極化的壓電材料，而且在一個優選的結構中，它與主體12形成一個整體。第2側壁32由壓電材料構成，例如鋯鈦酸鉛(或「PZT」)，它可在垂直於通道18的方向「P」被極化。
安裝在各第一側壁30頂側的是一個金屬化導電層34，例如一個金屬片。與此類似，在各第二側壁32的頂側和底側也分別裝有金屬化導電層36和38，它們也可是金屬片。一個導電的第一粘附層40(如環氧樹脂材料)導電地設置於金屬化導電層34和38上。最後，頂部16的底側裝有金屬化導電層42，它通過第二導電粘附層導電地安置在第二側壁32的金屬化導電層36上。用這種方式確定了一系列通道18，通道18由沿其底部的主體12的不極化壓電材料，沿其頂部的導電粘附層44和一對側壁致動器28來限定邊界。每個側壁致動器28被兩個相鄰的通道共享。第一側壁30可具有與第二側壁不同的高度，但已經發現，非極化壓電材料的第一側壁30和極化壓電材料的第2側壁32的高度比為1.3到1時使用非常滿意。此外，在圖4所示的結構中使用了金屬化導電層34、36、38和42，然而發現，可以省去這些導電層，而不具有對本發明使用的不利影響。
在圖5中可以看到高密度噴墨印刷頭的側視圖，它清楚地示出了由墨源25向通道18的供墨裝置。貯於墨源25的油墨經過外部油墨導管46供到一個在頂部16內垂直伸展的內部油墨導管24，內部導管24可以設置噴墨印刷頭10的頂部16內的任何位置，但最好使之穿過頂部16的中心。經過內部油墨導管24供給的油墨被傳送到大致垂直並相連於各通道18而伸展的集流腔22中。集流腔22可形成於中間體14或頂部16之間，但在此表示的印刷頭中，集流腔22位於頂部16內。由於通道18橫過噴墨印刷頭10的整個長度伸展，因此，一個複合材料的塊體48堵住了通道18的後端，從而，供到通道18油墨在通道18被驅動時將被向前傳送，並通過相應的一個錐形小孔26離開噴墨印刷頭10。
圖6a是沿圖3中6a-6a線的噴墨印刷頭10的後部的剖視圖，它示出了通道18的側壁。在此也可以看到噴墨印刷頭10的電連接。一個控制器50，例如一個微處理機和其它集成電路，與隔開第一、第二側壁致動器30、32的金屬化導電層34電連接，還進一步看到，在圖6a的結構中，由於控制器遠距離放置，在此可以考慮將控制器裝於主體12的向後伸展部分12′上。另一方面，每個將第二側壁致動器32和頂部16隔開的金屬相連。在圖6a中，單個的導電層34與控制器50導電相連，而導電層42與地導電相連，顯然各個側壁致動器3具有類似構造的導電層34和42，導電層34在印刷頭10的後部向外伸展，導電層42接地。控制器50通過向選擇的一個導電層34輸送一系列正的和/或負的電荷來操縱噴墨印刷頭10。當頂部16和中間體12不導電，而粘附層40、金屬化導電層38、中間體14、金屬化導電層36，粘附材料層44和金屬化導電層42均導電時，則穿過中間體14相對於所選擇的金屬導電層34產生一個壓降，它將使包含具有壓降的中間體的側壁向一定的方向變形。從而通過在各側壁致動器上有選擇設置的電壓，可以使通道18有選擇地以給定的方式噴墨，從而形成要求的圖象。
通道18有選擇噴射的脈衝序列的精確組合可以變化，但不脫離本發明的精神。例如，一種合適的脈衝序列可以參考Wallace，David B.的文章「在要求響應式噴墨裝置中用積分法形成墨滴的模型方法」，89-WA/FE-4(1989)。廣義的講，用於側壁致動器28的脈衝序列由正(或「+」)的程序段和負的(或「-」)程序段構成，正的程序段向由側壁致動器28激發的通道18中傳送壓力脈衝，負的程序段向與上述被激發的通道18相鄰的通道18中提供附加的壓力脈衝，上述兩通道18共享被驅動的側壁28。例如，在本發明的一種結構中，限定一個通道18的一對相鄰側壁致動器28的每個側壁致動器28具有包括前述正負電壓程序段的脈衝序列，但在相對的時間間隔內，所述的正和負的電壓程序段分別加到兩個側壁致動器上，從而形成一個+，-，+，-電壓模式，在施加電壓後它將使每隔一個的另一個通道18噴射墨滴。在本發明的另一個結構中，限定第一通道的第一對相鄰的側壁致動器28可具有包括前述正、負電壓程序段的脈衝序列，該電壓在相對的時間間隔內分別施加到上述第一對側壁致動器上，限定第二通道的第二對相鄰的側壁致動器28在這些時間間隔內電壓沒有施加在其上，從而形成一個+，-，0，0的電壓模式，其中，在施加電壓後每隔三個的第四個通道18噴射油墨。還可進一步知道，通過有選擇地將電壓施加到對應於每個側壁致動器28的第一導電粘附層40上，可以產生眾多的通道驅動模式。
圖6b是沿線6b-6b的噴墨印刷頭10後部的剖視圖，它清楚地示出了經內部油墨導管和集流腔22到達通道18的供墨路徑。在圖6b中也可更清楚地看到塊體48，它通常由絕緣複合材料構成，用於堵住通道18的後端，從而使供到通道18的油墨一有壓力脈衝觸發即被向前傳送。
圖7表示了去掉頂部16和複合材料塊體48後的噴墨印刷頭的後部，以便於更清楚地示出高密度噴墨印刷頭10結構的細節。在其中可以看到，在形成通道18時，最好是通過在預定區域鋸切主體12和相連的中間體14來形成，金屬化導電層34的部分被去掉，從而可將金屬化導電層34用作各側壁30的單獨的電連接件，而金屬化導電層36則用作每個側壁30的各接地連接件。
在圖8a中，可以看到噴墨印刷頭10的一個單個致動器壁。側壁致動器28包括第一致動器側壁30和第二致動器側壁32，兩者均沿著一條相鄰通道18的整個長度伸展。第一側壁30由不極化的壓電材料構成，並與噴墨印刷頭10的主體12形成一個整體。第二側壁32由在垂直於相鄰通道18的方向極化的壓電材料形成，並且可導電地安裝在高密噴墨印刷頭10的頂部16上，正如前述的那樣，頂部16也由電不極化的壓電材料形成。第一和第二致動器側壁30、32相互導電連接，例如，第一、二致動器側壁30、32上可以分別帶有一層由導電粘附層40相連一起的導電材料層34、38。最後，第二側壁32的頂側通過導電連接的金屬化導電層36、42被導電地連接到頂部16。
圖8b中表示了圖8a的致動器壁當在金屬化導電層34和42之間施加一個電場時的變形。當對金屬化導電層34施加一個選擇的電壓時，則垂直於極化方向產生一電場，然後第二側壁32將經歷一個剪切變形，但是，當第二側壁32的金屬化導電層36受阻時，金屬化導電層38將作切變運動，而導電層36則保持不動。由惰性材料構成的第一側壁30不受電場的影響。然而，由於第一側壁30連接在作剪切變形的第二側壁32之上，第一側壁30將受到第二側壁32的牽引，從而由使第一側壁30彎曲，在此稱其為「剪切狀運動」。由側壁28的這種運動產生一個壓力脈衝，該壓力脈衝增加了由上述側壁部分限定的相鄰通道18的一個中的壓力，從而造成在這之後立即使墨滴從通道18噴出，並加強了相鄰通道18的另一通道中的壓力脈衝。
現在參照圖9a描述本申請高密度噴墨印刷頭10的另一種排列結構的典型工作情況。在本發明的這種結構中，金屬化導電層34、38和導電粘附層40被一個單獨的導電粘附層51取代。同樣，金屬化導電層36、42和導電粘附層44被一個單獨的導電粘附層52所取代。然而，為了省去上述金屬化導電層而又保留高密度噴墨印刷頭10滿意的操作性能，必須將中間體14的表面14b和主體12的表面12a導電相連一起，其方式是易於向單獨的導電粘附層51施加一個電壓，並且必須將頂部16的表面16a和中間體14的表面14a導電相連，其連接方式是使上述兩表面之間的單個導電粘附層52易於接地。
為了起動噴墨印刷頭10，控制器50(圖9a中未示出)響應一個代表欲印製圖象的圖象輸入信號，並向選擇的導電粘附層51施加具有預定大小和極性的電壓，在此，粘附層51對應於在被觸動的通道18的各側上特定的那些致動器側壁28。例如，如果在導電粘附層51上施加一個正電壓，那麼就在從導電粘附層51向著導電粘附層52的方向產生一個垂直於極化方向的電場E，並且第二側壁32將在垂直於通道18與前述第一方向相反的方向產生剪切變形運動。這樣，通過在限定通道18的相鄰側壁上施加相反性性的等量電荷，就可在兩相鄰側壁之間的通道18中產生一個正的壓力波，然後，經過壓腔18的開口端部28或錐形小孔26排出墨滴。
在圖9b中可以看到圖9a中未觸動狀態下的一對側壁致動器28和通道細的一個單個通道18的放大視圖。由於在此所述的側壁致動器28與圖9a中所述的一樣，所以沒必要作更進一步的描述。在側壁致動器起動之前，通道18中充滿不導電的油墨。用於形成側壁致動器的壓電材料具有3300的相對介電常數，不導電的油墨的相對介電常數為1。用本發明的結構作過兩個獨立的試驗，第一個試驗是施加一個(+、-，0、0……)模式的電壓而使每隔三個一個通道18被觸動，第二個試驗是施加一個(+，-，+，-，……)模式的電壓，每隔一個驅動一個通道。由於這兩個試驗間沒有明顯的差別，下面只描述第二個試驗的結果。在第二個試驗中，導電材料層52置於零電壓，導電材料層51a有正1伏的電壓，導電材料層51b有-1伏的電壓，這樣一種電壓分布引起中心通道18′的壓縮。
在圖9c中可以看到根據第二個試驗的參數觸動側壁致動器28時所產生的靜電場的圖解分析。其中可看到，在極化的壓電材料中位移的大小使齒到齒和咀到咀的交調失真效應對於不導電油墨來說可忽略不計。一個沒預料的結果是，在不極化的壓電材料中的電場值超過極化壓電材料中的電場值60%，這種現象是由於電荷的流動受到壓電材料的高介電常數的控制而產生的。此外，在不極化壓電材料中電場的方向是，如果這種材料被極化，則由於齒的不極化部分比極化部分長而使齒的位移增加60%以上，如果更長，且壓電材料片件被極化時，位移還會更大。
雖然在本文中沒有介紹，但也用導電油墨作了類似的試驗。在這樣一個試驗中，如果側壁致動器28不被沿著充滿導電油墨的通道相鄰的側壁致動器表面的一個導電材料薄層絕緣，那麼導電油墨將使導電材料層51、52短路，因此，如果使用導電油墨可以考慮在通道的內部塗覆一平均厚度大約為2到10微米的不導電材料層。使用導電油墨時，除了需要不導電材料層外，噴墨印刷頭的操作並沒有明顯區別。
在圖10a中可以看到側壁致動器28的第二種結構。該結構包括一個由不極化的壓電材料構成並與主體12形成一個整體和由其伸出的第一側壁30，一個壓電材料形成的第2側壁54和一個也是由壓電材料形成的第三側壁56。第二、第三側壁54、56連在一起，從而其極化方向彼此相差180°。每個極化的壓電材料側壁54、56分別具有金屬化材料的頂部和底部金屬層57由第一導電粘附層40連接到第一側壁30的金屬化導電層34上，而第二側壁54的第二金屬化導電層58則由第三導電粘附層64連接到第三側壁56第一金屬化導電層60上。最後，第三側壁56的第二金屬化導電層62由第二導電粘附層44連接到頂部16上。導電層58和38互相連接並且保持相同的電位，通常為接地。通過在第二和第三側壁54、56之間導電層施加一個電壓產生一個電場，正如在圖10b中看到的那樣，除了每個側壁54、56經歷各自的剪切變形外，側壁致動器的變形與前面所述的並沒有明顯差別。
參照圖11a現在較詳細地描述側壁致動器28的第三種結構。在該結構中，特別的是第一和第二側壁均由極化壓電材料構成，從而使極化的方向對齊。通過在兩個極化壓電材料部分30、32之間的表面施加電壓來產生一個電場，頂部側壁32的電場矢量相對於第一側壁30的電場矢量成180°，從而，頂部和底部側壁在相反的方向產生剪切變形。然而，為了得到相同的位移，需要不到該電壓的一半。在此，側壁致動器又包括一對側壁。但是分別具有第一和第二金屬化導電層70和72、74和76的第一和第二側壁66、68均由活性材料製成。在此，第一導電粘附層40導電地將主體12的第一金屬化導電層34連接到第一側壁66的第一金屬化導電層70上，一個第四導電粘附層78導電地將第一側壁66的第二金屬化導電壓72與第二側壁68的第一金屬化導電層74相連，第二導電粘附層44導電地將第二側壁68的第二金屬化導電層76與頂部16的金屬化導電層42相連接。然而，如圖11b所示，在該結構中，兩個側壁68、70經歷各自的剪切變形。
參見圖12a現在詳細描述側壁致動器28的第四種結構。在此，側壁致動器28包括一個由惰性材料製成的第一側壁30和由活性材料構成的第二、第三和第四側壁80、82、84。每個活性側壁80、82和84分別具有第一和第二金屬化導電層86和88、90和92及94和96。在該結構中，第一導電粘層40導電地將金屬化導電層34和36相連，一個第三導電粘附層98導電地將金屬化導電層88和90相連，一個第四導電粘附層100導電地將金屬化導電層92和94相連，並且第二導電粘附層44導電地將金屬化導電層96和42相連。由圖12b可以看到，變形類似於圖8b中描繪的那樣。
參照圖13a現在詳細描述側壁致動器28的第五種結構。在此，側壁致動器28包括第一、二、三、四、五、六側壁104、106、108、110、112和114，它們每個均由一種活性材料構成並且各具有分別連於其上的第一和第二金屬化導電層116和118，120和124，126和128，130和132，134和136，138和140。第一導電粘附層40導電地將金屬化導電層34和116相連，一個第三導電粘附層142導電地將金屬化導電層118和120相連，一個第四導電粘附層144導電地將金屬化導電層124和126相連，一個第五導電粘附層14將金屬化導電層128和130導電相連，一個第六導電粘附層148將金屬化導電層132和134導電相連，一個第七導電粘附層150將金屬化導電層136和138導電相連，第二導電粘附層44將金屬化導電層140和42導電相連。由圖13b可以看到，在本結構中所表示的側壁致動器28的變形類似於圖11b中表示的變形。
在圖14中可以看到本發明的另一結構。在該結構中，噴墨印刷頭410是由一個與中間體14結構相同的並配合連接到一個主體412上的中間體414構成的。與前述的一樣，中間體414由在P方向極化的壓電材料構成，並具有分別安於表面414b、414a上的金屬化導電層436、438。然而，該結構的主體412也由在P方向極化的壓電材料構成並具有安放一導電材料層434的表面412a。中間體414和主體412由一個導電粘附層440連在一起，粘附層440將主體412的金屬化導電層434和中間體414和金屬化導電層438導電連在一起。另外，金屬化導電層434和438間的連接可以通過將二者低溫焊接來達到。根據本發明的一個方面，更進一步的考慮是，在保持本發明滿意效果的同時可以省去一個或兩個金屬化導電壓434和/或438。
主體412和中間體414導電連接以後，用機械加工方法形成噴墨印刷頭410的一排通道。由圖14可以看到，一系列軸向伸展的基本平行的通道418由機械加工的槽構成，這些槽伸過中間體414和主體412。最好進行的機加工過程使由其形成的每個通道均向下伸展，從而去掉了金屬化導電層436、極化壓電材料的中間體414、金屬化導電層438、導電粘附層440、金屬化導電層434和極化後電材料的主體412的一部分。
以這種方式形成的通道418包括一排噴墨印刷頭通道和側壁致動器28，每個側壁致動器28具有限定通道418側面的第一和第二側壁致動器部分430、432。如在下面將要更詳描述的，以上述方式通過形成平行排列的通道而為各通道418提供一種大致呈U形的側壁致動器450(以模型表示於圖14中)，該致動器包括在通道418兩側和主體412一部分上的第一側壁致動器部分430，主體412將在通道418相對兩側的第一側壁致動器部分430相互連接。
繼續參見圖14，噴墨印刷頭的通道組是通過將不極化壓電材料或其它惰性材料形成的一個第三塊體416導電連接到中間體414的金屬化導電層436上而形成的，第三塊體416具有一單層的並有其底面416a上的金屬化導電層442。第三塊體416將作為噴墨印刷頭的頂部416，它可用同前述的頂部16類似的方式來形成。為了完善噴墨印刷頭通道組系統，頂部416的金屬化導電層442由一個第二導電粘附層444導電連接到第二側壁432的金屬化導電層436上，最好是導電粘附層444先塗在金屬化導電層42和頂部416上，然後再放到金屬化導電層436上。如前所述，在本發明的一種結構中，可以考慮在保持高密度噴墨印刷頭的滿意效果同時去掉一個或兩個金屬化導電層436或442。
為實現圖14的平行排列通道的電連接而向各通道418提供一個大致呈U形的致動器450，一個電連接件452在通道的一側連接到+1伏的電壓源上(未示出)，在另一個實施例中，電連接件452可以是由導電粘附層440相互導電連接的金屬化導電層436和438，可以是低溫焊接一起的金屬化導電層436和438，或是一個將表面412a和414a相連的一個單個的導電粘附層。第二個電連接件454接-1伏電壓源。為實現平行排列通道的電連接，要將導電粘附層444接地。以這種方式，通道18就有了一個大致為U形的致動器450，該致動器在連接件452和454之間具有2伏的壓降，第一側壁致動器在連接件452和地之間具有+1伏的壓降，第2側壁致器在連接件454和地之間具有-1伏的壓降。一旦具有上述結構，當向連接件405施加一個+，-，+，-的電壓模式以依據施加的電壓來使相隔一個的通道418噴射墨滴時，則由U形致動器450和鄰近通道418的一對側壁致動器432的組合所產生的壓縮和/或膨脹力要比側壁致動器28施加在通道18上的力大得多。雖然具有一列平行通道(每個通道具有一個U形致動器)的高密度噴墨印刷頭的尺寸易於變化而不脫離本發明的範圍，但還是特別考慮體現本發明的噴墨印刷頭的結構具有下列尺寸小孔直徑40μmPZT長度15μmPZT高度120μm通道高度356μm通道寬度91μm側壁寬度81μm在本發明上述的各種結構中，每個側壁致動器30是一對相鄰通道18所共有的，並且可用來使這對通道的任何一個噴射油墨。例如，在圖9a中，通過移動兩個側壁致動器30使通道18每隔一個被起動而將其壓縮，其中致動器30構成了被起動通道18a的側壁，相鄰於被起動通道18a的通道18b不起動，然而，由於起動通道18a和不起動的通道18b共有各個側壁致動器30，所以，構成不起動通道18b的側壁致動器30也要發生位移，其移動方式不過不會造成通道18b噴射油墨。在不起動通道18b內由側壁致動器30產生的但對起動通道18a是必需的壓力脈動通常稱作「交調失真」。在一定條件下，如使用低粘度和低表面張力的油墨，由側壁致動器30在相鄰起動通道18a的未起動通道18b內產生的這種交調失真可能導致不起動通道18b不該有的觸動。
現在參照圖15a，詳細描述圖3所示的噴墨印刷頭10之前壁20′的另一種結構，這種結構可消除或減小圖9a中的噴墨印刷頭10在操作時的交調失真。在本發明的這種結構中，一個孔列27′由小孔26-1，26-2，26-3，26-4，26-5，26-6，26-7組成，它們傾斜排列，特別是每個小孔26-1到26-8均穿過蓋20′而分別與噴墨印刷頭10的相應的通道18-1，18-2，18-3，18-4，18-5，18-6相通，並且小孔如此組合，即在一個特定組中的每一個小孔26-1至26-8與也是該組中的相鄰的小孔之間的運動方向「A」上的距離為「d」，在本發明的一種結構中，「d」值大約為1/3象素。例如，在圖15a表示的孔列27′中，孔26-1和26-2;26-3，26-4和26-5;26-6，26-7和26-8分別形成了第一、二、三孔組，根據本發明構造的並具有象圖15a那樣的孔列的噴墨印刷頭在工作期間，排在第一行的小孔26-1，26-4和26-7被一起觸動，第三行小孔26-3，26-6和26-9被一起觸動，這些觸動均是通過壓縮限定被觸動通道側壁的側壁致動器(圖15未示出)進行的，以上述方式起動小孔26-1至26-8減小了交調失真效應。特別當t＝1(參見圖15b)時，用圖9a描述的方式橫過第二側壁32施加一正電壓可同時驅動限定通道18-3，18-6和18-9(其相當於第一行孔26-3，26-6和26-9)的兩個側壁28，相應地，通道18-3，18-6，18-9被壓縮，從而向在通道中的油墨傳送一個壓力脈動，使墨滴從中噴出。由於限定這些通道的側壁28隻有一個被起動，從而減小了相鄰通道18-2，18-4，18-5，18-7和18-8不希望的起動出現的可能性，從而使傳到不起動通道的壓力脈衝強度減小了一半。
在t＝2(見圖15C)時，紙張在方向「A」移動了1/3象素，並且位於第二行的通道18-1，18-4，18-7(其相應於第二行小孔26-1，26-4，26-7)現在以類似的方式被起動，如前所述，由於傳入未起動通道的壓力脈衝強度減小了一半，使通道18-2，18-3，18-5，18-6和18-8不希望起動的可能性得以減小。最後，在t＝3(見圖15d)時，紙張在方向A大約傳送1/3象素，位於第三行的通道18-2，18-5，18-8(其相應於第三行小孔26-2，26-5，26-8)也以同樣方式被起動，如上所述，由於傳入未起動通道中的壓力脈衝強度的減小，減小了相鄰通道18-1，18-3，18-4，18-6，18-7，18-9不希望的起動的可能性。
以上描述了高密度噴墨印刷頭的各種側壁致動器，其中，儘管減小了側壁致動器中活性材料的數量，但側壁致器的位移卻比在側壁中含有大量活性材料的要大。然而本領域的普通技術人員知道，除了上面特別提到的結構之外，還可以對本發明作出許多改進和變型，但不脫離本發明的精神，同樣可清楚地知道，本發明的上述結構是作為一種補充，而不構成對本發明範圍的限定。
權利要求
1.用於噴墨印刷頭通道組，所述的通道組具有一個頂壁、一個底壁和至少一個軸向伸展的由一對相應的側壁和所述的頂壁與底壁確定了邊界的細長的油墨限制通道，一個致動器側壁用來向上述通道的第一個通道中傳送壓力脈衝，其特徵在於包括一個第一致動器側壁，它由在基本垂直於所述第一通道的軸向伸展方向上極化的壓電材料構成，該第一致動器側壁具有頂側和底側，該頂側與上述頂壁相連；一個由上述底壁伸出並與其為一體的第二致動器側壁，該第二致動器側壁具有一個連接到第一致動器側壁上的頂側；用於橫過第一致動器側壁並垂直所述極化方向產生電場的裝置；其中，所述的電場引起致動器側壁的運動，從而向所述的第一通道傳送一個壓力脈衝。
2.按照權利要求1所述的致動器側壁，其特徵在於，所述的電場引起第一致動器側壁的剪切運動，第一致動器側壁再牽引第二致動器側壁作剪切狀運動。
3.根據權利要求1所述的致動器側壁，其特徵在於，所述的噴墨印刷頭通道組還包括一個限制油墨的細長的第二通道，所述的第一和第二通道由致動器側壁隔開，並且該致動器側壁還包括用於橫過所述第一致動器側壁並基本垂直於極化方向產生一個第二電場的裝置;其中所述的第二電場引起所述致動器側壁的第二個運動，從而向所述第二通道傳送一個壓力脈衝。
4.根據權利要求3所述的致動器側壁，其特徵在於，第一和第二電場引起第一致動器側壁的一個剪切運動，第一致動器側壁在牽引第二致動器側壁做剪切狀運動。
5.根據權利要求1所述的致動器側壁，其特徵在於，第一致動器側壁還包括第一段致動器側壁，該段由在基本垂直於所述第一通道軸向伸展方向的一個第一方向上極化的壓電材料構成，所述的第一段具有一個同所述頂壁和一個底側相連的一個頂側。第二段致動器側壁由在基本垂直於所述第一通道軸向伸展的方向的一個第二方向上極化的壓電材料構成，所述的第一和第二方向彼此相反，所述的第二段具有一個同所述第一段的底側相連的頂側和一個同所述第二致動器側壁頂側相連的底側。
6.根據權利要求5所述的致動器側壁，其特徵在於，用於橫過第一致動器側壁並基本垂直於極化方向產生電場的裝置還包括用於橫過所述第一段致動器側壁產生一個第一電場的裝置;用於橫過所述第二段致動器側壁產生一個第二電場的裝置。
7.根據權利要求6所述的致動器側壁，其特徵在於，第一電場引起第一段致動器側壁的一個第一剪切運動，並且第二電場引起第二段致動器側壁的一個第二剪切運動，該第二剪切運動與所述的第一剪切運動具有類似的取向，第二段致動器側壁牽引第二致動器側壁做剪切狀運動。
8.根據權利要求1所述的致動器側壁，其特徵在於，第一致動器側壁還包括第一段致動器側壁，它由在基本垂直於第一通道軸向伸展方向的一個第一方向上極化的壓電材料構成，上述第一段具有同所述頂壁和一個底側相連的一個頂側;第二段致動器側壁，它由在基本垂直於第一通道軸向伸展方向的一個第二方向上極化的壓電材料構成，所述的第一和第二方向彼此相反，該第二段具有一個同所述第一段的底側相連的頂側和一個底側;第三段致動器側壁，它由在所述第一方向極化的壓電材料構成，該第三段具有一個同所述第二段的底側相連的頂側和一個同所述第二致動器側壁的頂側相連的底側。
9.根據權利要求8所述的致動器側壁，其特徵在於，用於橫過第一致動器側壁並基本垂直於所述極化方向產生電場的裝置還包括用於橫過第一段致動器側壁產生一個第一電場的裝置;用於橫過第二段致動器側壁產生一個第二電場的裝置;用於橫過第三段致動器側壁產生一個第三電場的裝置。
10.根據權利要求9所述的致動器側壁，其特徵在於，第一電場引起第一段致動器側壁的一個第一剪切運動，第二電場引起第二段致動器側壁的一個第二剪切運動，第三電場引起第三段致動器側壁的一個第三剪切運動，所述的第一、第二和第三剪切運動具有同樣的取向，第三段致動器側壁牽引第二致動器側壁作剪切狀運動。
11.根據權利要求9所述的致動器側壁，其特徵在於，第二致動器側壁還包括一個第四段致動器側壁，它由在第一方向極化的壓電材料構成，所述的第一段側壁具有一個同第三段側壁相連的頂側和一個底側;一個第五段致動器側壁，它由在第二方向極化的壓電材料構成，第五段側壁具有一個同第四段側壁的底側相連的頂側和一個底側;一個第六段致動器側壁，它由在第一方向極化的壓電材料構成，第六段側壁具有一個同第五段側壁之底側相連的頂側和一個與底壁相連的底側。
12.根據權利要求11所述的致動器側壁，其特徵在於它還包括用於橫過第四段致動器側壁產生一個第四電場的裝置;用於橫過第五段致動器側壁產生一個第五電場的裝置用於橫過第六段致動器側壁產生一個第六電場的裝置。
13.根據權利要求12所述的致動器側壁，其特徵在於，第一、二、三、四、五和六電場分別引起第一、二、三、四、五、六段致動器側壁的第一、二、三、四、五、六剪切運動，第一、二、三、剪切運動的取向相一致，第四、五、六剪切運動的取向一致，並且第一、二、三剪切運動與第四、五、六剪切運動取向相反。
14.根據權利要求1所述的致動器側壁，其特徵在於，第二致動器側壁由同第一致動器側壁相同方向極化的壓電材料構成。
15.根據權利要求14所述的致動器側壁，其特徵在於它還包括橫過第二致動器側壁產生電場的裝置。
16.根據權利要求15所述的致動器側壁，其特徵在於，橫過第一致動器側壁的電場引起第一致動器側壁的第一剪切運動，橫過第二致動器側壁的電場引起第二致動器側壁的第二剪切運動，第一和第二剪切運動取向相反。
全文摘要
一種側壁驅動的高密度噴墨印刷頭通道組。側壁致動器包括一個頂壁、一個底壁和至少一個由上述頂壁、底壁和側壁確定邊界的細長的油墨限制通道，致動器側壁包括一個由在垂直於一個第一通道的第一方向上極化的壓電材料構成並連接於頂壁上的第一致動器側壁、一個同第一致動器側壁和底壁相連的第二致動側壁和橫過第一致動器側壁並垂直於極化方向施加電場的裝置。當橫過第一致動器側壁施加電場時，致動器側壁產生運動，從而在通道中產生一個噴墨壓力脈衝。
文檔編號B41J2/015GK1074409SQ92110
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