流體噴射方法

專利名稱：流體噴射方法
技術領域：
本發明涉及一種用來把流體小滴噴入各種介質如一片紙從而在介質上記錄圖形的方法。尤其是，它涉及一種用來噴射非常小的流體小滴的方法。
有各種各樣的已投入各種打印機或類似裝置的實際應用中的記錄方法。在這些方法之中，采用公開在美國專利No.4723129及4740796的說明書上的油墨噴射系統的記錄方法是很有效的。根據這些專利，熱能被用來引起所謂的“薄膜沸騰”，薄膜沸騰所產生的氣泡用來以小滴的方式噴射流體。
以記錄方法為基礎的油墨噴射之中，其中公開在美國專利No.4410899的說明書上的這樣一個以記錄方法為基礎的油墨噴射系統是公知技術，這種記錄方法在形成氣泡的同時不會堵塞流體通道。
公開在上述文件上的發明適用于各種記錄裝置。但是沒有記錄一種能產生氣泡的記錄系統發展得足夠好從而投入實際應用之中，該系統中的氣泡形成于油墨通道從而噴射流體并使該氣泡與大氣(此后，叫氣泡-大氣連接連接系統或簡稱為氣泡-空氣連接系統)產生連接。
傳統的氣泡-空氣綜合系統依賴于氣泡的迅速增長，但是就流體噴射而言它們是不穩定的。因此它們不能投入實際應用。但是，有一個有前途的系統，該系統公開在日本公開的專利申請No.161935/1979之中。這個系統的流體噴射原理是不清楚的。根據這個系統，一個圓柱形加熱裝置裝在圓形噴嘴內，噴嘴內的流體為噴嘴內形成的氣泡分成兩部分。但是，這種系統還有一個問題是在原始流體小滴產生的同時產生大量的超微型的流體小滴。
美國專利No.4638337的說明書在它的現有技術部分還提出了一種氣泡-空氣綜合系統的結構。但是這個專利提出的結構中，由熱能產生零件供給的熱能在流體內所產生的氣泡與大氣產生連接，這個專利提出的結構是作為流體噴射頭部結構的一個不良的例子而提出的，在該流體噴射頭部結構中不能噴射油墨或者以偏離預定方向的方向來噴射油墨。
在特殊的非正常的條件下可發生這種現象。如，如果由熱能產生零件的激發而已長大的氣泡在彎月面向著熱能產生零件方向剛剛回縮時在一個位置上噴射流體，而該彎月面在油墨噴射時最好位于鄰近油墨通道(噴嘴)的噴嘴處，那么流體或油墨以不理想的方式進行噴射。
很顯然，在美國專利No.4638337的說明書中這種現象是作為一個不良的例子進行了清楚描述。
另一方面，這種氣泡-空氣連接系統的實際應用的例子公開在日本公開的專利申請No.10940/1992、10941/1992、10942/1992及12859/1992中。這些公開在日本官方公報上的發明引起人們追蹤由于氣泡迅速增大而產生的上述流體飛濺或油墨飛濺和形成不安全氣泡的產生原因。在這些包括一個過程的記錄方法中，把數量足夠大的熱能供給到流體通道內的流體從而引起流體溫度突然升到能夠產生流體的所謂“薄膜沸騰”的溫度上，并在該流體通道內的流體中產生氣泡，在一個過程中，在記錄過程中產生的氣泡與大氣產生連接。
根據這些能引起氣泡在鄰近流體通道的噴嘴處與大氣產生連接的記錄方法，流體最好根據記錄信號來噴射，而不會引起流體飛濺或者流體霧的形成，而對于傳統的打印機或類似物而言在鄰近噴嘴處易于產生流體飛濺或流體霧。
從均勻性的觀點來看氣泡長大并與大氣產生連接，換句話說，從流體噴射準確度的可靠性觀點來看，上述氣泡-空氣連接流體噴射方法最好使用一種所謂的側部噴射型流體噴射頭部，在該噴射型流體噴射頭部中噴孔直接面對相應的電熱變換器而設置。
但是下面就變得明顯了。也就是說，作為一種從上述側部噴射型流體噴射頭部噴射出來的流體小滴的體積減少從而形成較高質量的圖形，氣泡與大氣產生連接的方式影響流體小滴噴射的方向。尤其是，如果流體小滴的體積減少到不超過20×10-15m3時，那么后面部分(把成為部分原始小滴連接到流體通道上的部分)和后部產生的附屬流體小滴影響圖形質量。此外，流體小滴的體積越小，那么超微型流體霧漂在空氣中的概率就越高，因此由于流體霧粘附到一片記錄介質的記錄表面上從而產生了較差的圖形質量。這是一個新問題。
因此，本發明的主要目的是提供一種流體噴射方法，該方法采用了可以噴射極細流體小滴的流體噴射頭部，并且氣泡可以與大氣產生連接，以致可以保證在沒有偏離預定噴射方向的情況下噴射流體小滴，從而實現高質量的記錄。
本發明的另一個目的是提供一種流體噴射方法，該方法即使在流體小滴的體積極度減少時能夠不產生流體霧從而提高圖形質量。
本發明提供一種以氣泡-空氣連接系統為基礎的新型流體噴射方法，在進行研究和生產的過程中，發現本發明可以解決了以很早以前就已公開了的氣泡-空氣連接系統為基礎的流體噴射方法中的上述問題。本發明的發明人為實現上述目標在研究和生產期間所需要的知識如下。
通過注意這樣一個事實來進行本發明，該事實是通過加熱來形成氣泡是一個非常穩定的過程，但是如果為實現高質量而使流體小滴的體積減少得足夠少時，即使是產生氣泡的一個極小量的變化本身就變得不能忽略不計了，同樣，小量的由鄰近噴嘴的油墨小滴所引起的“濕度”對于流體小滴噴出的方向而言就不能忽略不計了。在本發明的發明人進行上述研究和生產之前，人們僅僅注意到了氣泡與大氣產生連接的過程，而本發明不僅注意到了該連接過程，而且還注意到了氣泡與大氣產生連接之后所產生的一個過程。
以上述各種知識為基礎來實現本發明的實質如下。
這就是說，本發明的特征在于一個采用了一種流體噴射頭部的流體噴射方法，該流體噴射頭部包括用來產生噴射流體熱能的電熱轉換器；為了能一對一地面對電熱變換器而設置的流體噴嘴；及一對一地通向流體噴嘴并把流體輸送到噴嘴的流體通道，電熱轉換器設置在底面，采用通過一個過程來產生的氣泡的壓力來噴射流體，在該過程中流體通道的流體通過把熱能施加到流體來改變它的狀態，產生的氣泡在它長到最大體積后且僅僅在氣泡的體積開始減少之后能夠與大氣產生連接。
同樣，本發明的特征在于一個采用了一種流體噴射頭部的流體噴射方法，一種流體噴射方法，它包括一個準備流體噴射頭部的步驟，該流體噴射頭部包括一個產生用于流體噴射的熱能的電熱轉換器零件，一個噴射流體的噴射出口，所述的噴射出口布置在與電熱轉換器零件相對的位置上，一個把流體與噴射出口連通從而把流體提供到噴射出口并在它的底面上具有電熱轉換器零件的流體流動通道；與在流體流動通道中的電熱轉換器零件接觸液體中排出電熱轉換器零件的液體的形成氣泡的步驟；一個把氣泡與環境連通從而把大氣(加入流體流動通道)的步驟；在所述連通步驟之后，第一部分流體返回到電熱轉換器零件的的步驟；和在上述連通步驟之后被第二部分流體分成小滴的步驟。
此外，本發明的特征在于一個采用了一種流體噴射頭部的流體噴射方法，該流體噴射頭部包括用來產生噴射流體熱能的電熱轉換器；為了能一對一地面對電熱變換器而設置的流體噴嘴；及一對一地通向流體噴嘴并把流體輸送到噴嘴的流體通道，電熱轉換器設置在底面，采用通過一個過程來產生的氣泡的壓力來噴射流體，在該過程中流體通道的流體通過把熱能施加到流體來改變它的狀態，該流體處于流體通道內并覆蓋位于流體通道內的電熱轉換器，該流體在氣泡與大氣產生連接并把大氣加入到流體通道內的同時為一小部分所分開并變成流體小滴。
此外，本發明的特征在于一個采用了一種流體噴射頭部的流體噴射方法，該流體噴射頭部包括用來產生噴射流體熱能的電熱轉換器；為了一對一地能面對電熱變換器而設置的流體噴嘴；及一對一地通向流體噴嘴并把流體輸送到噴嘴的流體通道，電熱轉換器設置在底面，采用通過一個過程來產生的氣泡的壓力來噴射流體，在該過程中流體通道的流體通過把熱能施加到流體來改變它的狀態，在氣泡的增長速度變成負值之后，當氣泡與大氣產生連接時噴射流體。
根據上述任何一種流體噴射頭部結構，氣泡僅僅在氣泡的體積開始減少之后可以與大氣產生連接。因此，在形成原始流體小滴的過程中，緊緊鄰近氣泡頂部并從流體的原始小滴部分向下(向著電熱轉換器方向)延伸的流體部分可以從原始小滴部分分開，如果該流體部分被噴射則可產生附屬流體小滴，這就是說，在流體噴射時產生了飛濺源。因此，霧的總量基本上減少了，而該霧的總量本身明顯地減少了污染總量，而這些污染由于霧而產生到一片記錄介質的記錄表面上。此外，如果噴射將形成附屬油墨小滴的流體部分可掉到或粘附到電熱轉換器上。在掉到或粘附到電熱轉換器上后，該流體的這部分具有平行于電熱轉器表面的這種動力，也就是說，繞形的附屬小滴部分容易從流體的原始小滴部分分開。因此，如前面所述霧的數量基本上減少了，而這本身明顯地減少了污染的總量，而由于霧而使污染產生到一片記錄介質的記錄表面上。此外，根據上述結構，流體的原始小滴部分與其它的流體分開的位置與噴孔的中心線成直線，因此，流體噴射的方向是穩定的，換句話說，流體總是以基本上與電熱轉換器相垂直的方向上噴射，這就是說，該頭部的流體噴射表面與基本上與電熱轉換器相垂直。其結果是，記錄出高質量的圖形是可能的，也就是說，該圖形沒有受到這些歸因于流體噴射方向偏離問題的損害。
氣泡在它成長期間或者回縮期間與大氣是否產生接觸依賴于流體通道和噴嘴的幾何因素、電熱轉換器的尺寸及記錄流體的性能。
更具體地說，如果流體通道(電熱轉換器和流體供給通道之間)的流動阻力較小，那么氣泡向著流體供給通道方向增大比較容易，這就減少了氣泡向著噴嘴方向上的增長速度。因此，氣泡和大氣之間的連接在氣泡回縮期間更有可能發生。如果用來形成噴孔的地方(以后叫孔板)增加了厚度，那么在氣泡增長期間記錄流體的粘度阻力增加了，因此，氣泡和大氣之間的連接在氣泡回縮期間更有可能發生。此外，孔板越厚，流體噴射頭部越穩定，就流體噴射方向而言，因此偏離流體噴射方向越小。這也使得較厚孔板更加理想。如果電熱轉換器過大，氣泡和大氣之間的連接在氣泡的成長期間更易于產生。因此，必須注意電熱轉換器的尺寸。此外，如果記錄流體粘度過高，氣泡和大氣之間的連接在氣泡的回縮期間更有可能發生。
此外，氣泡與大氣產生連接的方式隨著垂直于孔的軸線的孔板上的噴孔的橫剖面的變化而變化。更具體地說，假設噴嘴直徑保持相同，橫剖面(相對于噴孔的底孔直徑而言，噴嘴直徑更小)的噴孔壁部的錐形角度越大，就越有可能在氣泡回縮期間在氣泡和大氣之間產生連接。
本發明的這些目的、特征和優點及其它目的、特征和優點由于結合附圖的本發明優選實施例的下面描述而變得更加顯而易見。


圖1是描述應用了本發明油墨噴射方法的流體噴射頭部的總體結構圖。
圖1(a)是該頭部的外部透視圖；圖1(b)是沿著圖1(a)的線A-A的頭部剖視圖；圖2是描述圖解于圖1(a)和圖(b)的流體噴射頭部的主要部分的圖；圖2(a)是流體通道的垂直剖視圖，且平行于流體通道延伸的方向；圖2(b)是從噴嘴側看去的流體通道的平面圖3是描述本發明的流體噴射方法的流體噴射順序的剖面圖；圖3(a)-(h)表示流體噴射的主要階段；圖4是描述傳統流體噴射方法的流體噴射順序的的剖面圖；圖4(a)-(g)表示流體噴射的主要階段；圖5是描述適合于本發明的流體噴射方法的理想流體噴射頭部的制造順序的剖視圖；圖5(a)-(f)表示主要制造階段；圖6是安裝有適合于本發明流體噴射方法的理想流體噴射頭部的流體噴射裝置的透視圖；圖7是另一個適合于本發明的流體噴射方法的理想流體噴射頭部的主要部分的平面圖，圖(a)和(b)兩個都是頂視圖。
圖1是描述流體噴射頭部的總體結構圖，根據本發明的油墨噴射方法適用于這種流體噴射頭部，在圖1中，圖(a)是該頭部的外部透視圖，及圖(b)是沿圖(a)的線A-A的該頭部剖視圖。
在圖1中，標號2表示一片硅基體，在該基體上的加熱裝置1和噴嘴4采用薄膜技術來形成。加熱裝置1由后面將要進行描述的電熱變換器組成。噴嘴4是這樣設置的以致可直接地面對加熱器1。參照圖1(a)，單元基體(2)布置有若干噴嘴4，這些噴嘴4布置在兩排直線上，且一條直線上的噴嘴4沿著直線方向偏離另一直線上的相應噴嘴4。通過粘接，把單元基體2固定到呈字母L形的支撐件102的一部分上。一個書寫基體104也固定到這個支撐體102的頂部上。書寫基體104的書寫部分和單元基體2通過焊絲焊接來進行電連接。考慮到費用、制造的容易及類似問題，支撐件102由鋁或類似材料形成。標號103表示布置有內部流體供給通道107和流體儲存室(未示出)的模制件。儲存在流體儲存室內的該流體(如油墨)通過流體供給通道107輸送到單元基體2的上述噴嘴。由于支撐件102的一部分插入到模制件103的一部分內，因此模制件103也支撐著支撐件102。此外，模制件103起著一個零件的作用，該零件在合適位置上把本實施例中的整個流體噴射頭部可拆下并可準確地固定到流體噴射裝置上時起作用，該流體噴射裝置將在后面作描述。
單元基體2布置有通道105，該通道105平行于單元基體2地穿過單元基體2，通過模制件103上的流體供給通道107供給的流體還通過該通道105輸送到噴嘴4。這些通道105連接到每個通向它們自己噴嘴的流體通道上。它們不但起著流體通道的作用，而且還起著一個共同的流體室的作用。
圖2是描述圖1(a)和(b)所示的流體噴射頭部主要部分的圖。圖2(a)是沿著平行于流體通道延伸的方向的流體通道的縱向剖視圖，及圖2(b)是從噴嘴側看去的流體通道的平面圖。
參照圖2，單元基體2布置有若干位于預定位置上的方形加熱器1或電熱變換器。在加熱裝置1的上方有孔板3。孔板3上布置有若干一對一地直接面對上述加熱器1的方形開口或噴嘴4。盡管本實施例的噴嘴4的形狀是方形的，但是噴嘴4的形狀不必局限于這種方形。如，它可是園形。此外，在這個實施例中，使噴孔的外部噴嘴或噴嘴4的大小與噴孔的內部噴嘴的大小相同。但是，可使噴孔的外部噴嘴或噴嘴4比內部噴嘴小；也就是說，噴孔可以是錐形的。因為錐形噴孔可提高流體噴射時的穩定性。
參照圖2(a)，加熱裝置1和孔板3之間的間隙等于流體通道5的高度Tn，該高度Tn可通過流體通道的側壁6的高度來調整。如果流體通道5沿圖2(b)中用箭頭標記x表示的方向上延伸，那么若干與相應流體通道5連接的噴嘴4沿箭頭標記Y表示的方向成直線排列，而該方向y垂直于方向x。如圖1(b)所示，若干流體通道5與通道105連通，該通道5還起著共同的流體室的作用。從加熱裝置1的頂面到噴嘴4的距離是T0+Tn，這里的標記T0和Tn表示孔板3的厚度和流體通道壁6的厚度，它們等于從噴嘴4到流體通道5及到流體通道壁6的距離。在這個實施例中，T0和Tn的值各自是12um和13um。
驅動電壓呈單個脈沖形式，如該脈沖具有2.9微秒的持續時間和9.84V的值，這是1.2倍的噴射臨界電壓。例如，本實施例中采用的油墨或流體的性能參數如下粘度2.2×10-2N/sec表面張力38×10-3N/m比重1.04g/cm3下面將描述采用了上述結構的流體噴射頭部來實現本發明流體噴射方法的一個例子。
圖3是描述用來實現本發明流體噴射方法的流體噴射頭部運轉順序的剖面圖。附圖的剖視平面方向與圖2(a)附圖的相同。圖3(a)描述了在加熱裝置1上的氣泡成長的原始階段，在該階段氣泡已開始在加熱裝置1上長大；圖3(b)是在圖3(a)這個階段之后接近1微秒的階段；圖3(c)是在圖3(a)這個階段之后接近2.5微秒的階段；圖3(d)是在圖3(a)這個階段之后接近3微秒的階段；圖3(e)是在圖3(a)這個階段之后接近4微秒的階段；圖3(f)是在圖3(a)這個階段之后接近4.5微秒的階段；圖3(g)是在圖3(a)這個階段之后接近6微秒的階段；圖3(h)描述了在圖3(a)這個階段之后接近9微秒的階段；在圖3中，水平剖面線部分表示孔板或流體通道壁，及充滿小點部分表示流體。小點密度表示流體速度。換句話說，如果一部分以高密度充滿小點，該部分就具有較高速度，如果一部分以較低密度充滿小點，該部分具有較低的速度。
參照圖3(a)，根據記錄信號或類似信號接通加熱裝置1的電力時，在流體通道5內的加熱裝置1上開始產生氣泡301。然后，氣泡301的體積如圖3(b)和(c)所描述的那樣在接近2.5微秒的時間迅速地長大。直到氣泡301達到它的最大體積的時候，氣泡301的最高點達到超出孔板的頂面，而且氣泡壓力變得比大氣壓力還低，從而減少到接近大氣壓力的1/14-1/15到1/4-1/5。然后在氣泡301產生之后接近2.5微秒時，氣泡301開始從上述最大尺寸減少它的體積，并且在幾乎相同時間內，開始形成彎月面302。參照圖3(d)，彎月面302向著加熱裝置1退卻，換句話說，它通過該噴孔下落。
上面表述的“下落”不是意味著彎月面沿著重力方向下落。它僅僅表示彎月面向著電熱變換器移動，同時與該頭部連接的方向幾乎沒有關系。這也適用于本發明的下面描述。
由于彎月面302下落的速度比氣泡301回縮的速度大，因此如圖3(e)所示使得氣泡301在靠近噴孔的底面噴嘴處并在氣泡長大開始之后接近4微秒時與大氣產生連接。從這個時候開始，鄰近噴孔中心軸線的流體(油墨)開始向著加熱裝置1下落。這是由于流體的慣性所致；即使在使得氣泡301與大氣產生連接之后，為氣泡301的負壓作用而拉回到加熱裝置1上的流體部分連續向著加熱裝置1移動。該流體(油墨)部分連續地向著加熱裝置1下落，并在氣泡長大開始之后接近4.5微秒時到達加熱裝置頂面，如圖3(f)所示，并開始擴散，從而如圖3(g)所示覆蓋加熱裝置1的頂面。該流體部分以一種覆蓋加熱裝置1的頂面的方式進行擴散，該流體部分在平行于加熱裝置1的頂面方向上具有一定量的動力，但是已失去了與加熱裝置1的頂面相切的動力，如垂直于加熱裝置1頂面的動力。因此，該流體的底面部分粘附到加熱裝置的表面上，同時降低仍然具有一定量指向噴嘴4的動力的上述該部分。然后，在流體底部和流體的頂部(原始小滴)之間的流體柱狀部分303在接近加熱裝置1中心的上方并在氣泡長大開始之后接近9微秒時逐漸變窄，直到最后分開成頂部和底部，該流體以一種覆蓋該加熱裝置1的方式進行擴散。該流體柱狀部分303的頂部被結合到該流體頂部(原始小滴)之中，但該流體具有在噴嘴4這個方向上的動力，該流體柱狀部分303的底部被結合到該流體底部之中，而該流體以一種覆蓋加熱裝置表面的方式進行了擴散。該柱狀部分303在該流體柱狀部分303的一個位置處分開，該位置最好到電熱換向器的距離比到噴嘴4的更近。原始流體小滴實際上以對稱方式且不偏離預定噴射方向從噴嘴4噴出，并落在一片記錄介質的記錄表面上，從而位于預定位置上。就本發明之前的流體噴射頭部和流體噴射方法而言，粘附到加熱裝置1的頂面上的流體部分作為附屬小滴隨著原始小滴陸續退出，但是就這個實施例中的流體噴射頭部和流體噴射方法而言，可避免粘附到加熱裝置1頂面上的流體部分作為附屬小滴陸續退出，從而繼續粘附在加熱裝置表面上。換句話說，本實施例中的流體噴射頭部和流體噴射方法可可靠地防止流體作為附屬小滴而噴出，而該附屬小滴易于引起所謂的“飛濺”后果；它可可靠地防止記錄介質的記錄表面免于受到油墨飛霧的污染。
以10kHz的頻率驅動本實施例中的流體噴射頭部來打印理想圖形時，方向噴射誤差最大值僅僅是0.4度，因此即使在黑色字體周圍，觀測到霧是不可能的；可記錄到最佳圖形。
為便于比較，生產出一種除了一些部分的大小之外與圖2(a)和(b)描述的結構相同的流體噴射頭部。在對比流體噴射頭部上，孔板3的厚度To是9μm(To＝9μm)，而厚度To等于從噴嘴4到流體通道5的距離，流體通道5的高度Tn是12μm(Tn＝12μm)。用來驅動這個對比頭部的脈沖是單個脈沖，該單個脈沖具有2.9sec的寬度及9.72v的干燥值，或1.2倍的2個噴射臨界電壓值。用來實驗該對比頭部的油墨性能參數與用作前面實施例中描述的流體的油墨相同。
接下來，參照上述流體噴射頭部結構，將描述一種傳統的流體噴射方法。
圖4是描述傳統流體噴射方法的流體噴射順序的剖視圖，其中(a)-(g)表示流體噴射的主要階段。圖中的剖面方向與圖2(a)的相同。圖4(a)描述了在加熱裝置1上氣泡長大的原始階段，在該階段氣泡已經開始在加熱裝置1上成長；圖4(b)是圖4(a)的這個階段之后接近0.5sec的階段；圖4(c)是圖4(a)的這個階段之后接近1.5sec的階段；圖4(d)是圖4(a)的這個階段之后接近2sec的階段；圖4(e)是圖4(a)的這個階段之后接近3sec的階段；圖4(f)是圖4(a)的這個階段之后接近5sec的階段；圖4(g)描述了圖4(a)的這個階段之后接近7sec的階段。如圖3中所示的相同，在圖4中，水平剖面線部分表示孔板或流體通道壁，及充滿小點的部分表示流體。仍如圖3所示的一樣，小點密度表示流體速度。換句話說，如果一部分以高密度充滿小點，該部分就具有較高速度，如果一部分以較低密度充滿小點，該部分具有較低的速度。
產生之后，氣泡301的體積馬上如圖4(a)和(b)所示的那樣迅速地長大。然后，氣泡301如圖4(c)所示那樣與大氣產生連接，同時膨脹或長大。氣泡301和大氣之間的連接位置稍稍地高于噴嘴4，也就是說，稍稍地高于孔板的頂面。連接之后，該流體的柱狀部分303馬上如圖4(d)-(g)所示仍然局部地粘在噴孔壁上，該柱狀部分303從將變成原始流體小滴的流體部分處延伸出來。然后，流體的原始小滴部分在稍稍高于噴嘴4的位置處與流體柱狀部分303分開。這時在這個位置上，流體柱狀部分303仍然局部與噴孔壁接觸，換句話說，噴射壁的壁部為流體所弄濕。所以，流體的原始小滴部分與流體的柱狀部分303分開的位置稍稍地離開噴孔的中心軸線。這可能引起流體的原始小滴部分的路線偏離正常方向，并還產生流體霧。就這個對比例子來說，噴射方向偏差的最大值是1.5度，盡管流體霧的數量小但是通過肉眼可觀察到。
開始，如圖2(a)和(b)所示那樣配置的流體噴射頭部的流體通道相對于通過加熱裝置1的中心并平行于軸線Y所畫出的虛線是不對稱的，因此，就流體流動的動力而言它也是不對稱的。因此，氣泡301與大氣產生連接的位置稍稍地偏離噴孔的中心軸線或噴嘴4的中心。此外，即使孔板3在有噴嘴4的整個頂面(在下文叫“噴嘴表面”)上均勻地進行流體抵抗性處理，但是它有時產生這種情況當該頭部反復地被驅動來形成圖形或類似作業時，鄰近噴嘴4的噴嘴表面以不規則型式被弄濕。為這種不規則型式的濕潤易于引起流體噴射方向的偏差。
因此，該對比流體噴射頭部不能完全地消除上述頭部結構和流體抵抗性處理的后果，因此它不能完全地防止噴射方向偏差。
相反，就本發明而言，即使采用一種頭部時，可防止這種后果顯示出來，該頭部易于遭受流體噴射的方向偏差作用，而該流體噴射為流體流動的不對稱和/或隨機不對稱如鄰近噴嘴4的孔板頂面上濕潤型式的不對稱所引起，而流體流動歸因于該流體噴射頭部結構。換句話說，流體小滴噴射方向是穩定的；流體噴射方向的偏差是完全可以避免的。
作為改進本發明的流體噴射方法的一個條件，列出上述的Tn和/或To的值的增加量是可能的。此外，驅動電壓相對于噴射臨界電壓的比率不允許超過1.35的驅動條件是重要的，如果這個比率允許超過1.35(如果驅動電壓過分地提高)，那么氣泡和大氣之間的交匯位置向上移動，這易于引起流體噴射方向上的問題或偏差。
在這個實施例中，采用一種與前面實施例的流體噴射頭部結構基本相同的流體噴射頭部來執行打印任務，所不同的是該流體通道的高度Tn(＝10m)和孔板的厚度To(＝15m)。油墨與前面實施例的油墨相同。驅動條件也基本上與前面實施例的驅動條件相同；單個脈沖的寬度是2.8sec，及電壓值為9.96V或1.2倍的噴射臨界電壓值。
在這個實施例中，流體小滴體積可達到接近9×1015m3，噴射速度可達到15m/sec。以10KHZ的噴射頻率來驅動該噴射頭部，從而產生理想的打印效果，也就是說，打印效果僅僅稍稍地受到流體噴射偏差和油霧的影響。
本發明不僅僅適用于具有如圖2(b)所示的寬度均勻的流體通道的流體噴射頭部，而且還適用于如圖5(a)所示的具有向著電熱變換器方向寬度逐漸變窄的流體通道的流體噴射頭部和設置有一個如圖7(b)所示的在鄰近電熱變換器處并且位于流體通道內的流體屏障的流體噴射頭部。此外，本發明不僅適用于噴嘴為方形的流體噴射頭部，而且還適用于噴嘴為圓形或橢圓形的流體噴射頭部。
接下來，參照圖5(a)-(f)，將描述制造圖2(a)和(b)中所示流體噴射頭部的一種方法。
圖5是描述上述流體噴射頭部的制造工序的剖面圖。其中(a)-(f)表示主要的制造步驟。
首先，準備一片圖5(a)所示的由玻璃、陶瓷、塑料或金屬組成的基體11。
基體11的材料或形狀的選擇沒有必要進行限制。只要這些材料或形狀能使基體11起到作為流體通道的一部分的作用并還可起到一個用來支撐形成油墨通道和油墨噴嘴的材料的薄片的零件的作用，則可采用任何材料和形狀。在基體11上，設置了預定數目的油墨噴射能量產生零件12如電熱換向器或壓電零件。當噴射記錄流體的細微小滴的噴射能量通過這些油墨噴射能量產生零件12供給到油墨時，就進行記錄。例如，在電熱變換器用作油墨噴射能量產生裝置12的條件下，當這個零件通過加熱記錄流體來改變鄰近該零件的記錄流體狀態時，該噴射能量就產生了。相反，在采用壓電零件的情況下，噴射能量通過這個零件的機械振動來產生。
使這些零件12工作的控制信號輸入電極(未顯出)被連接到這些零件12上。一般地，為提高這些噴射能量產生零件12的壽命，該流體噴射頭部布置有各種功能薄片如保護薄片。很顯然，在本發明的流體噴射頭部布置這些功能薄片沒有什么問題。
圖5(a)描述了一種頭部結構，在該頭部結構中基體13預先布置有一個油墨供給孔13(通道)，通過這些供給孔從基體13的后側來提供油墨。至于形成油墨供給通道13的方法，只要能通過基體11來形成孔的的任何方法均可采用。例如，該油墨供給孔可以采用機械方法如鉆孔來形成，或者采用光學方法如激光光束來形成。此外，它可以采用化學方法如用抗蝕圖來侵蝕出一個孔來形成。
很顯然，油墨供給道13不必在基體11上形成。如它可以在樹脂薄片上形成，并相對于基體11設置在油墨噴射孔21的同側上。
接下來，如圖5(a)所示采用覆蓋住油墨噴射能量產生零件12的可溶性樹脂在基體11上形成油墨通道型板14。就形成油墨通道型板14的一個最常用的方法而言，可列舉一種采用感光材料的方法，但是可通過一種網板印刷或類似的方法來形成油墨通道型板14。采用感光材料時，油墨通道型板是可溶的，因此采用溶解度可改變的正型防染劑或負型防染劑是可能的。
對于形成防染劑薄片的方法而言，當油墨通道13布置在基體11側上，該油墨通道型板14通過層壓一片感光材料的干燥膜來形成是理想的。對于形成干燥膜的方法而言，感光材料溶解在合適的溶劑里，形成的溶液涂在一片由聚對苯二甲酸乙二醇或類似物形成的膜上并干燥即可得到。至于說干燥膜的材料，理想的結果是采用屬于乙烯基酮組的光解作用的親水物(hypolymer)化合物如聚甲基異丙基酮或聚乙烯基酮。這是因為這些化學混合物保持有親水物(hypolymer)的特點，這就是說，它們很容易形成薄膜，即使跨越油墨供給通道13也很容易均勻地層壓該薄膜，且比暴露在光下好。
此外，油墨通道14的防染劑薄片可通過普通方法如在油墨供給通道13裝有過濾器之后進行旋涂或輥涂來形成，該過濾器可在后面的制造階段中拆下來。
接下來，如圖5(b)所示，以一種可蓋住在油墨通道14型板上形成的可溶性樹脂薄片的方式，在基體11上通過普通噴涂方法如旋涂或輥涂來形成樹脂薄片15。樹脂薄片15的材料的一個特點是沒有改變由可溶性樹脂形成的油墨通道型板。換句話說，這種不能溶解油墨通道型板的樹脂材料的溶劑被選擇來作為樹脂薄片15的材料的溶劑，因此該可溶解的油墨通道型板不能為樹脂薄片15的材料的溶劑所溶解，同時通過把溶劑噴涂到可溶解性油墨通道型板上來形成樹脂材料薄片15，而該溶劑通過把樹脂薄片15的材料溶解到該溶劑內來制備。
這時，將描述樹脂薄片15。樹脂薄片15由感光材料來形成是理想的，因此通過光蝕法很容易并很精確地形成后面將作描述的油墨噴孔。樹脂薄片15的感光材料不僅要求有結構材料所要求的較高機械強度、牢牢地粘附到基體11上的性能及抗油墨性，而且要求有足夠高的感光性，足夠高的感光性可得到形成油墨噴射孔的微小模型的高分辨率圖形，而油墨噴射孔可精確地蝕刻在樹脂薄片15上。至于說這樣一種材料，陽離子淬硬的環氧樹脂是理想的，因為它具有結構材料所要求的較高機械強度、牢牢地粘附到基體11上的性能及抗油墨性，而且它還在正常溫度下顯示出良好的圖形特性，在該正常溫度下它處于固態。
陽離子淬硬的環氧樹脂與普通亞硫酸或胺淬硬的環氧樹脂相比具有更高的交叉耦合密度，因此作為結構材料顯示了優良特性。采用這種在正常溫度下呈固態的環氧樹脂可防止聚合原始顆粒在環氧樹脂中擴散，而聚合原始顆粒由于暴露于光下而生于聚合開始。因此可得到高的圖形準確度；可高精確度地形成圖形。
在另一個可溶解的樹脂薄片上方形成的樹脂薄片15是通過這樣的過程形成把樹脂薄片15的材料溶解到溶劑中去，并把準備好的溶液旋涂到目標區的上方。
通過采用旋涂技術可均勻而又精確地形成樹脂薄片15，這是一種薄膜形成技術。因此，容易減少油墨噴射壓力產生零件12和相應的噴嘴之間的距離(O-II的距離)，這個本身使得制造易于噴射出理想小流體小滴的流體噴射頭部更加容易，而這個對于傳統的制造方法而言是困難的。
一般來說，當該所謂的負型感光材料用作樹脂薄片15的材料時，暴露的光通過基體表面來反射，和/或者產生了浮膜(生產殘留物)。對本發明而言，噴嘴型式(噴孔型式)形成于由可溶性樹脂形成的油墨通道型板上方。因此，可勿略不計基體的暴光反射效果。此外，在生產期間產生的浮膜在呈油墨通道狀態的可溶解樹脂被沖洗掉的過程中升起。因此浮膜沒有留下任何壞效果。
對于本發明中所采用的固態環氧樹脂而言，可列舉如下通過使雙酚類A與表氯醇反應所產生的環氧樹脂，該環氧樹脂的分子量是900或更大；通過使苯酚A與表氯醇反應所產生的環氧樹脂；通過使酚—酚醛樹脂或O-甲氧甲酚-酚醛樹脂與表氯醇反應所產生的環氧樹脂；公開在日本公開的專利申請號為161973/1985，221121/1988，9216/1989及140219/1990中的多功能環氧脂，它具有主要成份氧化環已烯，及類似的環氧樹脂。不必說明，適合于本發明的環氧樹脂不局限于上面列出那些樹脂。
對于用來淬硬上述環氧樹脂的光電陽離子聚合引發劑而言，可稱為芳香碘酸鹽、芳香磺酸鹽(J。POLYMER SCI專題論文集No.56 383-395/1976)、由Asahi電化學工業有限公司標出的SP-150和SP-170、及類似名。
上面稱作光電陽離子聚合引發劑與還原性媒劑一起使用時還可促進陽離子的聚合，并且施加了熱量(與在沒有供熱的情況下僅僅采用光電陽離子聚合引發劑相比提高了交叉耦合密度)。但是，當光電陽離子聚合引發劑與還原性媒劑一起使用時，必須進行還原性媒劑的選擇從而使得在正常溫度下不發生反應而只有當溫度達到某一溫度時(希望是60℃或更高)才發生反應，換句話說，產生了這種所謂的氧化還原引發系統。至于說這種還原媒劑，銅化合物尤其是三氟甲烷銅的磺酸鹽(II)是最合適的。同時，這種還原性媒劑如維生素是有用的。此外，如果有需要提高交叉耦合密度以便提高噴嘴數目(高速打印)，或者采用非中性油墨(提高染色媒劑的防水性)，那么以下面的方式通過采用上面稱之為還原性媒劑來提高交叉耦合密度。這就是說，在樹脂薄片15的產生過程之后，還原性媒劑可溶解在溶劑里，并且樹脂薄片15在供熱的情況下可浸在還原性媒劑的溶液中。
此外，如需要可在樹脂薄片15的上面列舉的材料中加入添加劑。如把能提高彈性的這種媒劑加入到環氧樹脂中從而減少環氧樹脂的彈性系數，或者把硅烷填充劑加到環氧樹脂中從而進一步提高樹脂薄片15和基體之間的密封粘附性能。
接下來，由上述化合物所形成的樹脂薄片15通過如圖5(c)所示的遮膜片16來暴光。由于樹脂薄片15由負型感光材料來形成，因此它通過相應于油墨噴孔部分(很顯然，盡管沒有圖解但進行電連接的部分也被隔離了)的該遮膜片來隔離。
用來曝光的光根據所采用的陽離子聚合引發劑的感光范圍可從紫外線、深色紫外線、電子束、X射線和類似物之中進行選擇。
所有的上述流體噴射頭部制造過程中的所有位置順序可采用傳統的照相平板印刷技術來滿意地實現，因此與孔板和基體分開來制造然后粘貼在一起的方法相比準確度顯著地提高了。然后，對圖形曝光感光樹脂薄片15進行加熱以促進反應。如上所述，感光樹脂薄片15由這種在正常溫度下保持固態的環氧樹脂形成。因此控制了由圖形曝光所引起的陽離子聚合引發劑的擴散。其結果是可得到非常好的圖像重疊準確度；使樹脂薄片15準確地成形。
接下來，已進行圖形曝光的感光樹脂薄片15通過采用合適的溶劑來產生，其結果是形成了如圖5(d)所示的油墨噴射孔21。在形成樹脂薄片15的未曝光部分的同時形成油墨通道22的可溶性樹脂型板14是可能的。但是，一般地，若干相同或不同的油墨噴射頭部在單個的大片狀的基體上形成，然后，通過一個切割過程來把它們分開來從而用作單個的流體噴射頭部。因此，僅僅可進行選擇性地形成如圖5(d)所示的感光樹脂薄片15，而保留樹脂型板14來形成沒有產生的流體通道22，作為一種處理切割粉未(由于樹脂型板14占住了流體通道22的空間，因此切割粉未不能進入該空間)的方法，在切割(圖5(e))之后可產生樹脂型板14。隨首感光樹脂薄片15的產生而產生的浮膜(產生的殘留物)與可溶性樹脂薄片14一起被溶解掉了，因此它不保留在噴嘴上。
如上所述，如果有必要提高交叉耦合密度，那么通過把感光樹脂薄片15浸入到含有還原性媒劑的溶劑里，和/或在感光樹脂薄片15上形成油墨通道22和油墨噴射孔21之后加熱它，從而把淬硬感光樹脂薄片15。由于這種處理，感光樹脂薄片15的交叉耦合密度進一步得到提高，而且感光樹脂薄片15和基體之間的密封粘附性及該頭部的防油墨性也得到顯著提高。不必說明，緊接感光樹脂薄片15進行圖形曝光及通過產生曝光感光樹脂薄片15來形成油墨噴射孔21之后，實現這個把感光薄片15浸入含有銅離子的溶液并加熱的過程是沒有問題的。然后，可溶解樹脂型板14在浸入和加熱過程之后被溶解掉了。此外，可在浸入的同時或浸入之后進行加熱。
關于還原性媒劑的選擇，只要它具有還原性任何物質都可以。但是，含銅的化合物如三氟甲烷銅磺酸鹽(II)、銅的乙酸鹽、銅的苯甲酸鹽或類似物更有效。尤其是，三氟甲烷銅磺酸鹽(II)是有顯著效果的。此外，上述維生素也是有效的。
在基體上形成油墨通道和油墨噴射孔之后，油墨供給件17和電接觸器(未顯出)連接到基體上從而完善油墨噴射型流體噴射頭部(圖5(f))，通過該電接觸器油墨噴射壓力產生零件12被驅動。
就這個實施例中的制造方法而言，可通過光蝕法來形成油墨噴孔21。但是，形成本發明的油墨噴孔21的方法不必局限于光蝕法。例如，采用不同的遮膜片它們可以通過干燥蝕刻法(氧等離子體蝕刻法)或者激元激光法來形成。當油墨噴射孔21采用激元激光法或干燥蝕刻法來形成時，樹脂型板保護基體，從而防止基體為激光或等離子體所損傷。換句話說，采用激元激光法或干燥蝕刻法使得生產出一種高準確度和高可靠性的流體噴射頭部成為可能。同樣，當油墨噴射孔21通過干燥蝕刻法或激元激光法來形成時，感光材料之外的材料可被用作樹脂薄片15的材料；如，可使用熱固性材料。
除了上述流體噴射頭部之外，本發明還適用于全行式流體噴射頭部，而這種全行式流體噴射頭部可以馬上在整個記錄介質的寬度上記錄所有的東西。同樣，本發明適用于由單個頭部或若干單色光的頭部的彩色流體噴射頭部。
采用本發明流體噴射方法的流體噴射頭部可以是這樣一種流體噴射頭部，該噴射頭部使用當固態油墨僅僅加熱到某一溫度或更高時就液化的固態油墨。
下面，將描述適合于上述流體噴射頭部的流體噴射裝置的一個例子。
參照圖6，標號200表示上述流體噴射頭部可拆下地安裝在它上面的底座。對這種流體噴射裝置而言，每個都具有不同具體顏色的4個流體噴射器頭部安裝在底座200上。它們與相應的油墨容器一起安裝在底座200上，而這些油墨容器是黃色油墨容器201Y，深紅色油墨容器201M，藍綠色油墨容器201C，及黑色油墨容器201B。
底座200由導向軸202來支撐，并且通過馬達203驅動循環的傳動帶204來回運動從而引起底座在導向軸202上以箭頭標號A所示方向往返運動。該循環傳動帶繞過皮帶輪205和206而被拉緊。
以垂直于方向A并用箭頭B來表示的方向間歇地輸送一片作為記錄介質的記錄紙P。根據記錄紙P間歇輸送的方向，記錄紙P在上游部分通過一對滾珠207和208來安裝，并受到滾珠207和208的擠壓，記錄紙P在下游部分通過另一對滾珠209和210來輸送，并施加了一定量的拉力以便通過面對該頭部的區域時使記錄紙保持平直。盡管該裝置設計成便于它們為上述驅動馬達所驅動，但是兩對滾珠的每一個都由一個驅動部分211來驅動。
在記錄工作開始時，底座200處于出發點位置上。即使在記錄工作期間，如果需要它可返回出發點位置并保持在那兒。在出發點位置上，提供了蓋住相應噴嘴的覆蓋件212。這些覆蓋件212連接到執行回收吸入裝置(未示出)，該裝置通過噴嘴吸入流體從而防止了噴孔的堵塞。
本發明的這些目的、特征和優點及其它目的、特征和優點由于結合附圖的本發明優選實施例的下面描述將變得更加明顯。
權利要求
1.一種流體噴射方法，它包括一個準備流體噴射頭部的步驟，該流體噴射頭部包括一個產生用于流體噴射的熱能的電熱轉換器零件，一個噴射流體的噴射出口，所述的噴射出口布置在與電熱轉換器零件相對的位置上，一個把流體與噴射出口連通從而把流體提供到噴射出口并在它的底面上具有電熱轉換器零件的流體流動通道；在與上述流體流動通道中的電熱轉換器零件接觸的液體中形成氣泡以使上述液體離開所述電熱轉換器零件的步驟；一個把氣泡與環境連通從而把大氣加入流體流動通道的步驟；在所述連通步驟之后，第一部分流體返回到電熱轉換器零件的的步驟；和在上述連通步驟之后第二部分流體分成小滴的步驟。
2.如權利要求1的流體噴射方法，它包括一個準備流體噴射頭部的步驟，該流體噴射頭部包括一個產生用于流體噴射的熱能的電熱轉換器零件，一個噴射流體的噴射出口，所述的噴射出口布置在與電熱轉換器零件相對應的位置上，一個把流體與噴射出口連通從而把流體提供到噴射出口并在它的底面上具有電熱轉換器零件的流體流動通道；其特征在于氣泡與環境連通，并把大氣加入到該流體通道，該流體在覆蓋電熱轉換器零件的同時分成流體小滴。
3.一種如權利要求1的方法，其特征在于該噴射出口形成于噴射出口板上。
4.一種如權利要求3的方法，其特征在于所述噴射出口是錐形的，因此它的上部處的噴射出口板的開口截面比它的下部處的噴射出口板上的開口截面小。
5.一種如權利要求1的方法，其特征在于噴射出口的形狀是圓形。
6.一種如權利要求1的方法，其特征在于噴射出口的形狀是方形。
7.一種如權利要求1的方法，其特征在于氣泡在一個到電熱轉換器零件的距離比到噴射出口的距離更近的位置處與環境連通。
8.一種如權利要求1的方法，其特征在于該流體在鄰近電熱轉換器零件的中心處被分開。
9.一種如權利要求1的方法，其特征在于流體在到電熱轉換器零件的距離比到噴射出口的距離更近的位置處被分開。
10.一種如權利要求1的方法，其特征在于電熱轉換器零件引起一個突然的溫度上升并超過了成核沸騰點從而產生用于流體流動通道內的氣泡。
全文摘要
一種流體噴射方法，它包括一個準備流體噴射頭部的步驟，該流體噴射頭部包括一個產生用于流體噴射的熱能的電熱轉換器零件，一個噴射流體的噴射出口，所述的噴射出口布置在與電熱轉換器零件相對應的位置上，一個把流體與噴射出口連通從而把流體提供到噴射出口并在它的底面上具有電熱轉換器零件的流體流動通道；一個把熱能施加到流體上來引起流體的狀態變化從而產生氣泡的步驟，其中流體借助于氣泡壓力通過噴射出口進行噴射；其特征在于在氣泡達到最大體積之后，氣泡在氣泡體積的減少過程中首先與環境相連通。
文檔編號B41J2/05GK1421317SQ021272
公開日2003年6月4日 申請日期1998年12月25日 優先權日1997年12月26日
發明者立原昌義, 金子峰夫 申請人:佳能株式會社