流体喷射方法

专利名称：流体喷射方法
技术领域：
本发明涉及一种用来把流体小滴喷入各种介质如一片纸从而在介质上记录图形的方法。尤其是，它涉及一种用来喷射非常小的流体小滴的方法。
有各种各样的已投入各种打印机或类似装置的实际应用中的记录方法。在这些方法之中，采用公开在美国专利No.4723129及4740796的说明书上的油墨喷射系统的记录方法是很有效的。根据这些专利，热能被用来引起所谓的“薄膜沸腾”，薄膜沸腾所产生的气泡用来以小滴的方式喷射流体。
以记录方法为基础的油墨喷射之中，其中公开在美国专利No.4410899的说明书上的这样一个以记录方法为基础的油墨喷射系统是公知技术，这种记录方法在形成气泡的同时不会堵塞流体通道。
公开在上述文件上的发明适用于各种记录装置。但是没有记录一种能产生气泡的记录系统发展得足够好从而投入实际应用之中，该系统中的气泡形成于油墨通道从而喷射流体并使该气泡与大气(此后，叫气泡-大气连接连接系统或简称为气泡-空气连接系统)产生连接。
传统的气泡-空气综合系统依赖于气泡的迅速增长，但是就流体喷射而言它们是不稳定的。因此它们不能投入实际应用。但是，有一个有前途的系统，该系统公开在日本公开的专利申请No.161935/1979之中。这个系统的流体喷射原理是不清楚的。根据这个系统，一个圆柱形加热装置装在圆形喷嘴内，喷嘴内的流体为喷嘴内形成的气泡分成两部分。但是，这种系统还有一个问题是在原始流体小滴产生的同时产生大量的超微型的流体小滴。
美国专利No.4638337的说明书在它的现有技术部分还提出了一种气泡-空气综合系统的结构。但是这个专利提出的结构中，由热能产生零件供给的热能在流体内所产生的气泡与大气产生连接，这个专利提出的结构是作为流体喷射头部结构的一个不良的例子而提出的，在该流体喷射头部结构中不能喷射油墨或者以偏离预定方向的方向来喷射油墨。
在特殊的非正常的条件下可发生这种现象。如，如果由热能产生零件的激发而已长大的气泡在弯月面向着热能产生零件方向刚刚回缩时在一个位置上喷射流体，而该弯月面在油墨喷射时最好位于邻近油墨通道(喷嘴)的喷嘴处，那么流体或油墨以不理想的方式进行喷射。
很显然，在美国专利No.4638337的说明书中这种现象是作为一个不良的例子进行了清楚描述。
另一方面，这种气泡-空气连接系统的实际应用的例子公开在日本公开的专利申请No.10940/1992、10941/1992、10942/1992及12859/1992中。这些公开在日本官方公报上的发明引起人们追踪由于气泡迅速增大而产生的上述流体飞溅或油墨飞溅和形成不安全气泡的产生原因。在这些包括一个过程的记录方法中，把数量足够大的热能供给到流体通道内的流体从而引起流体温度突然升到能够产生流体的所谓“薄膜沸腾”的温度上，并在该流体通道内的流体中产生气泡，在一个过程中，在记录过程中产生的气泡与大气产生连接。
根据这些能引起气泡在邻近流体通道的喷嘴处与大气产生连接的记录方法，流体最好根据记录信号来喷射，而不会引起流体飞溅或者流体雾的形成，而对于传统的打印机或类似物而言在邻近喷嘴处易于产生流体飞溅或流体雾。
从均匀性的观点来看气泡长大并与大气产生连接，换句话说，从流体喷射准确度的可靠性观点来看，上述气泡-空气连接流体喷射方法最好使用一种所谓的侧部喷射型流体喷射头部，在该喷射型流体喷射头部中喷孔直接面对相应的电热变换器而设置。
但是下面就变得明显了。也就是说，作为一种从上述侧部喷射型流体喷射头部喷射出来的流体小滴的体积减少从而形成较高质量的图形，气泡与大气产生连接的方式影响流体小滴喷射的方向。尤其是，如果流体小滴的体积减少到不超过20×10-15m3时，那么后面部分(把成为部分原始小滴连接到流体通道上的部分)和后部产生的附属流体小滴影响图形质量。此外，流体小滴的体积越小，那么超微型流体雾漂在空气中的概率就越高，因此由于流体雾粘附到一片记录介质的记录表面上从而产生了较差的图形质量。这是一个新问题。
因此，本发明的主要目的是提供一种流体喷射方法，该方法采用了可以喷射极细流体小滴的流体喷射头部，并且气泡可以与大气产生连接，以致可以保证在没有偏离预定喷射方向的情况下喷射流体小滴，从而实现高质量的记录。
本发明的另一个目的是提供一种流体喷射方法，该方法即使在流体小滴的体积极度减少时能够不产生流体雾从而提高图形质量。
本发明提供一种以气泡-空气连接系统为基础的新型流体喷射方法，在进行研究和生产的过程中，发现本发明可以解决了以很早以前就已公开了的气泡-空气连接系统为基础的流体喷射方法中的上述问题。本发明的发明人为实现上述目标在研究和生产期间所需要的知识如下。
通过注意这样一个事实来进行本发明，该事实是通过加热来形成气泡是一个非常稳定的过程，但是如果为实现高质量而使流体小滴的体积减少得足够少时，即使是产生气泡的一个极小量的变化本身就变得不能忽略不计了，同样，小量的由邻近喷嘴的油墨小滴所引起的“湿度”对于流体小滴喷出的方向而言就不能忽略不计了。在本发明的发明人进行上述研究和生产之前，人们仅仅注意到了气泡与大气产生连接的过程，而本发明不仅注意到了该连接过程，而且还注意到了气泡与大气产生连接之后所产生的一个过程。
以上述各种知识为基础来实现本发明的实质如下。
这就是说，本发明的特征在于一个采用了一种流体喷射头部的流体喷射方法，该流体喷射头部包括用来产生喷射流体热能的电热转换器；为了能一对一地面对电热变换器而设置的流体喷嘴；及一对一地通向流体喷嘴并把流体输送到喷嘴的流体通道，电热转换器设置在底面，采用通过一个过程来产生的气泡的压力来喷射流体，在该过程中流体通道的流体通过把热能施加到流体来改变它的状态，产生的气泡在它长到最大体积后且仅仅在气泡的体积开始减少之后能够与大气产生连接。
同样，本发明的特征在于一个采用了一种流体喷射头部的流体喷射方法，一种流体喷射方法，它包括一个准备流体喷射头部的步骤，该流体喷射头部包括一个产生用于流体喷射的热能的电热转换器零件，一个喷射流体的喷射出口，所述的喷射出口布置在与电热转换器零件相对的位置上，一个把流体与喷射出口连通从而把流体提供到喷射出口并在它的底面上具有电热转换器零件的流体流动通道；与在流体流动通道中的电热转换器零件接触液体中排出电热转换器零件的液体的形成气泡的步骤；一个把气泡与环境连通从而把大气(加入流体流动通道)的步骤；在所述连通步骤之后，第一部分流体返回到电热转换器零件的的步骤；和在上述连通步骤之后被第二部分流体分成小滴的步骤。
此外，本发明的特征在于一个采用了一种流体喷射头部的流体喷射方法，该流体喷射头部包括用来产生喷射流体热能的电热转换器；为了能一对一地面对电热变换器而设置的流体喷嘴；及一对一地通向流体喷嘴并把流体输送到喷嘴的流体通道，电热转换器设置在底面，采用通过一个过程来产生的气泡的压力来喷射流体，在该过程中流体通道的流体通过把热能施加到流体来改变它的状态，该流体处于流体通道内并覆盖位于流体通道内的电热转换器，该流体在气泡与大气产生连接并把大气加入到流体通道内的同时为一小部分所分开并变成流体小滴。
此外，本发明的特征在于一个采用了一种流体喷射头部的流体喷射方法，该流体喷射头部包括用来产生喷射流体热能的电热转换器；为了一对一地能面对电热变换器而设置的流体喷嘴；及一对一地通向流体喷嘴并把流体输送到喷嘴的流体通道，电热转换器设置在底面，采用通过一个过程来产生的气泡的压力来喷射流体，在该过程中流体通道的流体通过把热能施加到流体来改变它的状态，在气泡的增长速度变成负值之后，当气泡与大气产生连接时喷射流体。
根据上述任何一种流体喷射头部结构，气泡仅仅在气泡的体积开始减少之后可以与大气产生连接。因此，在形成原始流体小滴的过程中，紧紧邻近气泡顶部并从流体的原始小滴部分向下(向着电热转换器方向)延伸的流体部分可以从原始小滴部分分开，如果该流体部分被喷射则可产生附属流体小滴，这就是说，在流体喷射时产生了飞溅源。因此，雾的总量基本上减少了，而该雾的总量本身明显地减少了污染总量，而这些污染由于雾而产生到一片记录介质的记录表面上。此外，如果喷射将形成附属油墨小滴的流体部分可掉到或粘附到电热转换器上。在掉到或粘附到电热转换器上后，该流体的这部分具有平行于电热转器表面的这种动力，也就是说，绕形的附属小滴部分容易从流体的原始小滴部分分开。因此，如前面所述雾的数量基本上减少了，而这本身明显地减少了污染的总量，而由于雾而使污染产生到一片记录介质的记录表面上。此外，根据上述结构，流体的原始小滴部分与其它的流体分开的位置与喷孔的中心线成直线，因此，流体喷射的方向是稳定的，换句话说，流体总是以基本上与电热转换器相垂直的方向上喷射，这就是说，该头部的流体喷射表面与基本上与电热转换器相垂直。其结果是，记录出高质量的图形是可能的，也就是说，该图形没有受到这些归因于流体喷射方向偏离问题的损害。
气泡在它成长期间或者回缩期间与大气是否产生接触依赖于流体通道和喷嘴的几何因素、电热转换器的尺寸及记录流体的性能。
更具体地说，如果流体通道(电热转换器和流体供给通道之间)的流动阻力较小，那么气泡向着流体供给通道方向增大比较容易，这就减少了气泡向着喷嘴方向上的增长速度。因此，气泡和大气之间的连接在气泡回缩期间更有可能发生。如果用来形成喷孔的地方(以后叫孔板)增加了厚度，那么在气泡增长期间记录流体的粘度阻力增加了，因此，气泡和大气之间的连接在气泡回缩期间更有可能发生。此外，孔板越厚，流体喷射头部越稳定，就流体喷射方向而言，因此偏离流体喷射方向越小。这也使得较厚孔板更加理想。如果电热转换器过大，气泡和大气之间的连接在气泡的成长期间更易于产生。因此，必须注意电热转换器的尺寸。此外，如果记录流体粘度过高，气泡和大气之间的连接在气泡的回缩期间更有可能发生。
此外，气泡与大气产生连接的方式随着垂直于孔的轴线的孔板上的喷孔的横剖面的变化而变化。更具体地说，假设喷嘴直径保持相同，横剖面(相对于喷孔的底孔直径而言，喷嘴直径更小)的喷孔壁部的锥形角度越大，就越有可能在气泡回缩期间在气泡和大气之间产生连接。
本发明的这些目的、特征和优点及其它目的、特征和优点由于结合附图的本发明优选实施例的下面描述而变得更加显而易见。


图1是描述应用了本发明油墨喷射方法的流体喷射头部的总体结构图。
图1(a)是该头部的外部透视图；图1(b)是沿着图1(a)的线A-A的头部剖视图；图2是描述图解于图1(a)和图(b)的流体喷射头部的主要部分的图；图2(a)是流体通道的垂直剖视图，且平行于流体通道延伸的方向；图2(b)是从喷嘴侧看去的流体通道的平面图3是描述本发明的流体喷射方法的流体喷射顺序的剖面图；图3(a)-(h)表示流体喷射的主要阶段；图4是描述传统流体喷射方法的流体喷射顺序的的剖面图；图4(a)-(g)表示流体喷射的主要阶段；图5是描述适合于本发明的流体喷射方法的理想流体喷射头部的制造顺序的剖视图；图5(a)-(f)表示主要制造阶段；图6是安装有适合于本发明流体喷射方法的理想流体喷射头部的流体喷射装置的透视图；图7是另一个适合于本发明的流体喷射方法的理想流体喷射头部的主要部分的平面图，图(a)和(b)两个都是顶视图。
图1是描述流体喷射头部的总体结构图，根据本发明的油墨喷射方法适用于这种流体喷射头部，在图1中，图(a)是该头部的外部透视图，及图(b)是沿图(a)的线A-A的该头部剖视图。
在图1中，标号2表示一片硅基体，在该基体上的加热装置1和喷嘴4采用薄膜技术来形成。加热装置1由后面将要进行描述的电热变换器组成。喷嘴4是这样设置的以致可直接地面对加热器1。参照图1(a)，单元基体(2)布置有若干喷嘴4，这些喷嘴4布置在两排直线上，且一条直线上的喷嘴4沿着直线方向偏离另一直线上的相应喷嘴4。通过粘接，把单元基体2固定到呈字母L形的支撑件102的一部分上。一个书写基体104也固定到这个支撑体102的顶部上。书写基体104的书写部分和单元基体2通过焊丝焊接来进行电连接。考虑到费用、制造的容易及类似问题，支撑件102由铝或类似材料形成。标号103表示布置有内部流体供给通道107和流体储存室(未示出)的模制件。储存在流体储存室内的该流体(如油墨)通过流体供给通道107输送到单元基体2的上述喷嘴。由于支撑件102的一部分插入到模制件103的一部分内，因此模制件103也支撑着支撑件102。此外，模制件103起着一个零件的作用，该零件在合适位置上把本实施例中的整个流体喷射头部可拆下并可准确地固定到流体喷射装置上时起作用，该流体喷射装置将在后面作描述。
单元基体2布置有通道105，该通道105平行于单元基体2地穿过单元基体2，通过模制件103上的流体供给通道107供给的流体还通过该通道105输送到喷嘴4。这些通道105连接到每个通向它们自己喷嘴的流体通道上。它们不但起着流体通道的作用，而且还起着一个共同的流体室的作用。
图2是描述图1(a)和(b)所示的流体喷射头部主要部分的图。图2(a)是沿着平行于流体通道延伸的方向的流体通道的纵向剖视图，及图2(b)是从喷嘴侧看去的流体通道的平面图。
参照图2，单元基体2布置有若干位于预定位置上的方形加热器1或电热变换器。在加热装置1的上方有孔板3。孔板3上布置有若干一对一地直接面对上述加热器1的方形开口或喷嘴4。尽管本实施例的喷嘴4的形状是方形的，但是喷嘴4的形状不必局限于这种方形。如，它可是园形。此外，在这个实施例中，使喷孔的外部喷嘴或喷嘴4的大小与喷孔的内部喷嘴的大小相同。但是，可使喷孔的外部喷嘴或喷嘴4比内部喷嘴小；也就是说，喷孔可以是锥形的。因为锥形喷孔可提高流体喷射时的稳定性。
参照图2(a)，加热装置1和孔板3之间的间隙等于流体通道5的高度Tn，该高度Tn可通过流体通道的侧壁6的高度来调整。如果流体通道5沿图2(b)中用箭头标记x表示的方向上延伸，那么若干与相应流体通道5连接的喷嘴4沿箭头标记Y表示的方向成直线排列，而该方向y垂直于方向x。如图1(b)所示，若干流体通道5与通道105连通，该通道5还起着共同的流体室的作用。从加热装置1的顶面到喷嘴4的距离是T0+Tn，这里的标记T0和Tn表示孔板3的厚度和流体通道壁6的厚度，它们等于从喷嘴4到流体通道5及到流体通道壁6的距离。在这个实施例中，T0和Tn的值各自是12um和13um。
驱动电压呈单个脉冲形式，如该脉冲具有2.9微秒的持续时间和9.84V的值，这是1.2倍的喷射临界电压。例如，本实施例中采用的油墨或流体的性能参数如下粘度2.2×10-2N/sec表面张力38×10-3N/m比重1.04g/cm3下面将描述采用了上述结构的流体喷射头部来实现本发明流体喷射方法的一个例子。
图3是描述用来实现本发明流体喷射方法的流体喷射头部运转顺序的剖面图。附图的剖视平面方向与图2(a)附图的相同。图3(a)描述了在加热装置1上的气泡成长的原始阶段，在该阶段气泡已开始在加热装置1上长大；图3(b)是在图3(a)这个阶段之后接近1微秒的阶段；图3(c)是在图3(a)这个阶段之后接近2.5微秒的阶段；图3(d)是在图3(a)这个阶段之后接近3微秒的阶段；图3(e)是在图3(a)这个阶段之后接近4微秒的阶段；图3(f)是在图3(a)这个阶段之后接近4.5微秒的阶段；图3(g)是在图3(a)这个阶段之后接近6微秒的阶段；图3(h)描述了在图3(a)这个阶段之后接近9微秒的阶段；在图3中，水平剖面线部分表示孔板或流体通道壁，及充满小点部分表示流体。小点密度表示流体速度。换句话说，如果一部分以高密度充满小点，该部分就具有较高速度，如果一部分以较低密度充满小点，该部分具有较低的速度。
参照图3(a)，根据记录信号或类似信号接通加热装置1的电力时，在流体通道5内的加热装置1上开始产生气泡301。然后，气泡301的体积如图3(b)和(c)所描述的那样在接近2.5微秒的时间迅速地长大。直到气泡301达到它的最大体积的时候，气泡301的最高点达到超出孔板的顶面，而且气泡压力变得比大气压力还低，从而减少到接近大气压力的1/14-1/15到1/4-1/5。然后在气泡301产生之后接近2.5微秒时，气泡301开始从上述最大尺寸减少它的体积，并且在几乎相同时间内，开始形成弯月面302。参照图3(d)，弯月面302向着加热装置1退却，换句话说，它通过该喷孔下落。
上面表述的“下落”不是意味着弯月面沿着重力方向下落。它仅仅表示弯月面向着电热变换器移动，同时与该头部连接的方向几乎没有关系。这也适用于本发明的下面描述。
由于弯月面302下落的速度比气泡301回缩的速度大，因此如图3(e)所示使得气泡301在靠近喷孔的底面喷嘴处并在气泡长大开始之后接近4微秒时与大气产生连接。从这个时候开始，邻近喷孔中心轴线的流体(油墨)开始向着加热装置1下落。这是由于流体的惯性所致；即使在使得气泡301与大气产生连接之后，为气泡301的负压作用而拉回到加热装置1上的流体部分连续向着加热装置1移动。该流体(油墨)部分连续地向着加热装置1下落，并在气泡长大开始之后接近4.5微秒时到达加热装置顶面，如图3(f)所示，并开始扩散，从而如图3(g)所示覆盖加热装置1的顶面。该流体部分以一种覆盖加热装置1的顶面的方式进行扩散，该流体部分在平行于加热装置1的顶面方向上具有一定量的动力，但是已失去了与加热装置1的顶面相切的动力，如垂直于加热装置1顶面的动力。因此，该流体的底面部分粘附到加热装置的表面上，同时降低仍然具有一定量指向喷嘴4的动力的上述该部分。然后，在流体底部和流体的顶部(原始小滴)之间的流体柱状部分303在接近加热装置1中心的上方并在气泡长大开始之后接近9微秒时逐渐变窄，直到最后分开成顶部和底部，该流体以一种覆盖该加热装置1的方式进行扩散。该流体柱状部分303的顶部被结合到该流体顶部(原始小滴)之中，但该流体具有在喷嘴4这个方向上的动力，该流体柱状部分303的底部被结合到该流体底部之中，而该流体以一种覆盖加热装置表面的方式进行了扩散。该柱状部分303在该流体柱状部分303的一个位置处分开，该位置最好到电热换向器的距离比到喷嘴4的更近。原始流体小滴实际上以对称方式且不偏离预定喷射方向从喷嘴4喷出，并落在一片记录介质的记录表面上，从而位于预定位置上。就本发明之前的流体喷射头部和流体喷射方法而言，粘附到加热装置1的顶面上的流体部分作为附属小滴随着原始小滴陆续退出，但是就这个实施例中的流体喷射头部和流体喷射方法而言，可避免粘附到加热装置1顶面上的流体部分作为附属小滴陆续退出，从而继续粘附在加热装置表面上。换句话说，本实施例中的流体喷射头部和流体喷射方法可可靠地防止流体作为附属小滴而喷出，而该附属小滴易于引起所谓的“飞溅”后果；它可可靠地防止记录介质的记录表面免于受到油墨飞雾的污染。
以10kHz的频率驱动本实施例中的流体喷射头部来打印理想图形时，方向喷射误差最大值仅仅是0.4度，因此即使在黑色字体周围，观测到雾是不可能的；可记录到最佳图形。
为便于比较，生产出一种除了一些部分的大小之外与图2(a)和(b)描述的结构相同的流体喷射头部。在对比流体喷射头部上，孔板3的厚度To是9μm(To＝9μm)，而厚度To等于从喷嘴4到流体通道5的距离，流体通道5的高度Tn是12μm(Tn＝12μm)。用来驱动这个对比头部的脉冲是单个脉冲，该单个脉冲具有2.9sec的宽度及9.72v的干燥值，或1.2倍的2个喷射临界电压值。用来实验该对比头部的油墨性能参数与用作前面实施例中描述的流体的油墨相同。
接下来，参照上述流体喷射头部结构，将描述一种传统的流体喷射方法。
图4是描述传统流体喷射方法的流体喷射顺序的剖视图，其中(a)-(g)表示流体喷射的主要阶段。图中的剖面方向与图2(a)的相同。图4(a)描述了在加热装置1上气泡长大的原始阶段，在该阶段气泡已经开始在加热装置1上成长；图4(b)是图4(a)的这个阶段之后接近0.5sec的阶段；图4(c)是图4(a)的这个阶段之后接近1.5sec的阶段；图4(d)是图4(a)的这个阶段之后接近2sec的阶段；图4(e)是图4(a)的这个阶段之后接近3sec的阶段；图4(f)是图4(a)的这个阶段之后接近5sec的阶段；图4(g)描述了图4(a)的这个阶段之后接近7sec的阶段。如图3中所示的相同，在图4中，水平剖面线部分表示孔板或流体通道壁，及充满小点的部分表示流体。仍如图3所示的一样，小点密度表示流体速度。换句话说，如果一部分以高密度充满小点，该部分就具有较高速度，如果一部分以较低密度充满小点，该部分具有较低的速度。
产生之后，气泡301的体积马上如图4(a)和(b)所示的那样迅速地长大。然后，气泡301如图4(c)所示那样与大气产生连接，同时膨胀或长大。气泡301和大气之间的连接位置稍稍地高于喷嘴4，也就是说，稍稍地高于孔板的顶面。连接之后，该流体的柱状部分303马上如图4(d)-(g)所示仍然局部地粘在喷孔壁上，该柱状部分303从将变成原始流体小滴的流体部分处延伸出来。然后，流体的原始小滴部分在稍稍高于喷嘴4的位置处与流体柱状部分303分开。这时在这个位置上，流体柱状部分303仍然局部与喷孔壁接触，换句话说，喷射壁的壁部为流体所弄湿。所以，流体的原始小滴部分与流体的柱状部分303分开的位置稍稍地离开喷孔的中心轴线。这可能引起流体的原始小滴部分的路线偏离正常方向，并还产生流体雾。就这个对比例子来说，喷射方向偏差的最大值是1.5度，尽管流体雾的数量小但是通过肉眼可观察到。
开始，如图2(a)和(b)所示那样配置的流体喷射头部的流体通道相对于通过加热装置1的中心并平行于轴线Y所画出的虚线是不对称的，因此，就流体流动的动力而言它也是不对称的。因此，气泡301与大气产生连接的位置稍稍地偏离喷孔的中心轴线或喷嘴4的中心。此外，即使孔板3在有喷嘴4的整个顶面(在下文叫“喷嘴表面”)上均匀地进行流体抵抗性处理，但是它有时产生这种情况当该头部反复地被驱动来形成图形或类似作业时，邻近喷嘴4的喷嘴表面以不规则型式被弄湿。为这种不规则型式的湿润易于引起流体喷射方向的偏差。
因此，该对比流体喷射头部不能完全地消除上述头部结构和流体抵抗性处理的后果，因此它不能完全地防止喷射方向偏差。
相反，就本发明而言，即使采用一种头部时，可防止这种后果显示出来，该头部易于遭受流体喷射的方向偏差作用，而该流体喷射为流体流动的不对称和/或随机不对称如邻近喷嘴4的孔板顶面上湿润型式的不对称所引起，而流体流动归因于该流体喷射头部结构。换句话说，流体小滴喷射方向是稳定的；流体喷射方向的偏差是完全可以避免的。
作为改进本发明的流体喷射方法的一个条件，列出上述的Tn和/或To的值的增加量是可能的。此外，驱动电压相对于喷射临界电压的比率不允许超过1.35的驱动条件是重要的，如果这个比率允许超过1.35(如果驱动电压过分地提高)，那么气泡和大气之间的交汇位置向上移动，这易于引起流体喷射方向上的问题或偏差。
在这个实施例中，采用一种与前面实施例的流体喷射头部结构基本相同的流体喷射头部来执行打印任务，所不同的是该流体通道的高度Tn(＝10m)和孔板的厚度To(＝15m)。油墨与前面实施例的油墨相同。驱动条件也基本上与前面实施例的驱动条件相同；单个脉冲的宽度是2.8sec，及电压值为9.96V或1.2倍的喷射临界电压值。
在这个实施例中，流体小滴体积可达到接近9×1015m3，喷射速度可达到15m/sec。以10KHZ的喷射频率来驱动该喷射头部，从而产生理想的打印效果，也就是说，打印效果仅仅稍稍地受到流体喷射偏差和油雾的影响。
本发明不仅仅适用于具有如图2(b)所示的宽度均匀的流体通道的流体喷射头部，而且还适用于如图5(a)所示的具有向着电热变换器方向宽度逐渐变窄的流体通道的流体喷射头部和设置有一个如图7(b)所示的在邻近电热变换器处并且位于流体通道内的流体屏障的流体喷射头部。此外，本发明不仅适用于喷嘴为方形的流体喷射头部，而且还适用于喷嘴为圆形或椭圆形的流体喷射头部。
接下来，参照图5(a)-(f)，将描述制造图2(a)和(b)中所示流体喷射头部的一种方法。
图5是描述上述流体喷射头部的制造工序的剖面图。其中(a)-(f)表示主要的制造步骤。
首先，准备一片图5(a)所示的由玻璃、陶瓷、塑料或金属组成的基体11。
基体11的材料或形状的选择没有必要进行限制。只要这些材料或形状能使基体11起到作为流体通道的一部分的作用并还可起到一个用来支撑形成油墨通道和油墨喷嘴的材料的薄片的零件的作用，则可采用任何材料和形状。在基体11上，设置了预定数目的油墨喷射能量产生零件12如电热换向器或压电零件。当喷射记录流体的细微小滴的喷射能量通过这些油墨喷射能量产生零件12供给到油墨时，就进行记录。例如，在电热变换器用作油墨喷射能量产生装置12的条件下，当这个零件通过加热记录流体来改变邻近该零件的记录流体状态时，该喷射能量就产生了。相反，在采用压电零件的情况下，喷射能量通过这个零件的机械振动来产生。
使这些零件12工作的控制信号输入电极(未显出)被连接到这些零件12上。一般地，为提高这些喷射能量产生零件12的寿命，该流体喷射头部布置有各种功能薄片如保护薄片。很显然，在本发明的流体喷射头部布置这些功能薄片没有什么问题。
图5(a)描述了一种头部结构，在该头部结构中基体13预先布置有一个油墨供给孔13(通道)，通过这些供给孔从基体13的后侧来提供油墨。至于形成油墨供给通道13的方法，只要能通过基体11来形成孔的的任何方法均可采用。例如，该油墨供给孔可以采用机械方法如钻孔来形成，或者采用光学方法如激光光束来形成。此外，它可以采用化学方法如用抗蚀图来侵蚀出一个孔来形成。
很显然，油墨供给道13不必在基体11上形成。如它可以在树脂薄片上形成，并相对于基体11设置在油墨喷射孔21的同侧上。
接下来，如图5(a)所示采用覆盖住油墨喷射能量产生零件12的可溶性树脂在基体11上形成油墨通道型板14。就形成油墨通道型板14的一个最常用的方法而言，可列举一种采用感光材料的方法，但是可通过一种网板印刷或类似的方法来形成油墨通道型板14。采用感光材料时，油墨通道型板是可溶的，因此采用溶解度可改变的正型防染剂或负型防染剂是可能的。
对于形成防染剂薄片的方法而言，当油墨通道13布置在基体11侧上，该油墨通道型板14通过层压一片感光材料的干燥膜来形成是理想的。对于形成干燥膜的方法而言，感光材料溶解在合适的溶剂里，形成的溶液涂在一片由聚对苯二甲酸乙二醇或类似物形成的膜上并干燥即可得到。至于说干燥膜的材料，理想的结果是采用属于乙烯基酮组的光解作用的亲水物(hypolymer)化合物如聚甲基异丙基酮或聚乙烯基酮。这是因为这些化学混合物保持有亲水物(hypolymer)的特点，这就是说，它们很容易形成薄膜，即使跨越油墨供给通道13也很容易均匀地层压该薄膜，且比暴露在光下好。
此外，油墨通道14的防染剂薄片可通过普通方法如在油墨供给通道13装有过滤器之后进行旋涂或辊涂来形成，该过滤器可在后面的制造阶段中拆下来。
接下来，如图5(b)所示，以一种可盖住在油墨通道14型板上形成的可溶性树脂薄片的方式，在基体11上通过普通喷涂方法如旋涂或辊涂来形成树脂薄片15。树脂薄片15的材料的一个特点是没有改变由可溶性树脂形成的油墨通道型板。换句话说，这种不能溶解油墨通道型板的树脂材料的溶剂被选择来作为树脂薄片15的材料的溶剂，因此该可溶解的油墨通道型板不能为树脂薄片15的材料的溶剂所溶解，同时通过把溶剂喷涂到可溶解性油墨通道型板上来形成树脂材料薄片15，而该溶剂通过把树脂薄片15的材料溶解到该溶剂内来制备。
这时，将描述树脂薄片15。树脂薄片15由感光材料来形成是理想的，因此通过光蚀法很容易并很精确地形成后面将作描述的油墨喷孔。树脂薄片15的感光材料不仅要求有结构材料所要求的较高机械强度、牢牢地粘附到基体11上的性能及抗油墨性，而且要求有足够高的感光性，足够高的感光性可得到形成油墨喷射孔的微小模型的高分辨率图形，而油墨喷射孔可精确地蚀刻在树脂薄片15上。至于说这样一种材料，阳离子淬硬的环氧树脂是理想的，因为它具有结构材料所要求的较高机械强度、牢牢地粘附到基体11上的性能及抗油墨性，而且它还在正常温度下显示出良好的图形特性，在该正常温度下它处于固态。
阳离子淬硬的环氧树脂与普通亚硫酸或胺淬硬的环氧树脂相比具有更高的交叉耦合密度，因此作为结构材料显示了优良特性。采用这种在正常温度下呈固态的环氧树脂可防止聚合原始颗粒在环氧树脂中扩散，而聚合原始颗粒由于暴露于光下而生于聚合开始。因此可得到高的图形准确度；可高精确度地形成图形。
在另一个可溶解的树脂薄片上方形成的树脂薄片15是通过这样的过程形成把树脂薄片15的材料溶解到溶剂中去，并把准备好的溶液旋涂到目标区的上方。
通过采用旋涂技术可均匀而又精确地形成树脂薄片15，这是一种薄膜形成技术。因此，容易减少油墨喷射压力产生零件12和相应的喷嘴之间的距离(O-II的距离)，这个本身使得制造易于喷射出理想小流体小滴的流体喷射头部更加容易，而这个对于传统的制造方法而言是困难的。
一般来说，当该所谓的负型感光材料用作树脂薄片15的材料时，暴露的光通过基体表面来反射，和/或者产生了浮膜(生产残留物)。对本发明而言，喷嘴型式(喷孔型式)形成于由可溶性树脂形成的油墨通道型板上方。因此，可勿略不计基体的暴光反射效果。此外，在生产期间产生的浮膜在呈油墨通道状态的可溶解树脂被冲洗掉的过程中升起。因此浮膜没有留下任何坏效果。
对于本发明中所采用的固态环氧树脂而言，可列举如下通过使双酚类A与表氯醇反应所产生的环氧树脂，该环氧树脂的分子量是900或更大；通过使苯酚A与表氯醇反应所产生的环氧树脂；通过使酚—酚醛树脂或O-甲氧甲酚-酚醛树脂与表氯醇反应所产生的环氧树脂；公开在日本公开的专利申请号为161973/1985，221121/1988，9216/1989及140219/1990中的多功能环氧脂，它具有主要成份氧化环已烯，及类似的环氧树脂。不必说明，适合于本发明的环氧树脂不局限于上面列出那些树脂。
对于用来淬硬上述环氧树脂的光电阳离子聚合引发剂而言，可称为芳香碘酸盐、芳香磺酸盐(J。POLYMER SCI专题论文集No.56 383-395/1976)、由Asahi电化学工业有限公司标出的SP-150和SP-170、及类似名。
上面称作光电阳离子聚合引发剂与还原性媒剂一起使用时还可促进阳离子的聚合，并且施加了热量(与在没有供热的情况下仅仅采用光电阳离子聚合引发剂相比提高了交叉耦合密度)。但是，当光电阳离子聚合引发剂与还原性媒剂一起使用时，必须进行还原性媒剂的选择从而使得在正常温度下不发生反应而只有当温度达到某一温度时(希望是60℃或更高)才发生反应，换句话说，产生了这种所谓的氧化还原引发系统。至于说这种还原媒剂，铜化合物尤其是三氟甲烷铜的磺酸盐(II)是最合适的。同时，这种还原性媒剂如维生素是有用的。此外，如果有需要提高交叉耦合密度以便提高喷嘴数目(高速打印)，或者采用非中性油墨(提高染色媒剂的防水性)，那么以下面的方式通过采用上面称之为还原性媒剂来提高交叉耦合密度。这就是说，在树脂薄片15的产生过程之后，还原性媒剂可溶解在溶剂里，并且树脂薄片15在供热的情况下可浸在还原性媒剂的溶液中。
此外，如需要可在树脂薄片15的上面列举的材料中加入添加剂。如把能提高弹性的这种媒剂加入到环氧树脂中从而减少环氧树脂的弹性系数，或者把硅烷填充剂加到环氧树脂中从而进一步提高树脂薄片15和基体之间的密封粘附性能。
接下来，由上述化合物所形成的树脂薄片15通过如图5(c)所示的遮膜片16来暴光。由于树脂薄片15由负型感光材料来形成，因此它通过相应于油墨喷孔部分(很显然，尽管没有图解但进行电连接的部分也被隔离了)的该遮膜片来隔离。
用来曝光的光根据所采用的阳离子聚合引发剂的感光范围可从紫外线、深色紫外线、电子束、X射线和类似物之中进行选择。
所有的上述流体喷射头部制造过程中的所有位置顺序可采用传统的照相平板印刷技术来满意地实现，因此与孔板和基体分开来制造然后粘贴在一起的方法相比准确度显著地提高了。然后，对图形曝光感光树脂薄片15进行加热以促进反应。如上所述，感光树脂薄片15由这种在正常温度下保持固态的环氧树脂形成。因此控制了由图形曝光所引起的阳离子聚合引发剂的扩散。其结果是可得到非常好的图像重叠准确度；使树脂薄片15准确地成形。
接下来，已进行图形曝光的感光树脂薄片15通过采用合适的溶剂来产生，其结果是形成了如图5(d)所示的油墨喷射孔21。在形成树脂薄片15的未曝光部分的同时形成油墨通道22的可溶性树脂型板14是可能的。但是，一般地，若干相同或不同的油墨喷射头部在单个的大片状的基体上形成，然后，通过一个切割过程来把它们分开来从而用作单个的流体喷射头部。因此，仅仅可进行选择性地形成如图5(d)所示的感光树脂薄片15，而保留树脂型板14来形成没有产生的流体通道22，作为一种处理切割粉未(由于树脂型板14占住了流体通道22的空间，因此切割粉未不能进入该空间)的方法，在切割(图5(e))之后可产生树脂型板14。随首感光树脂薄片15的产生而产生的浮膜(产生的残留物)与可溶性树脂薄片14一起被溶解掉了，因此它不保留在喷嘴上。
如上所述，如果有必要提高交叉耦合密度，那么通过把感光树脂薄片15浸入到含有还原性媒剂的溶剂里，和/或在感光树脂薄片15上形成油墨通道22和油墨喷射孔21之后加热它，从而把淬硬感光树脂薄片15。由于这种处理，感光树脂薄片15的交叉耦合密度进一步得到提高，而且感光树脂薄片15和基体之间的密封粘附性及该头部的防油墨性也得到显著提高。不必说明，紧接感光树脂薄片15进行图形曝光及通过产生曝光感光树脂薄片15来形成油墨喷射孔21之后，实现这个把感光薄片15浸入含有铜离子的溶液并加热的过程是没有问题的。然后，可溶解树脂型板14在浸入和加热过程之后被溶解掉了。此外，可在浸入的同时或浸入之后进行加热。
关于还原性媒剂的选择，只要它具有还原性任何物质都可以。但是，含铜的化合物如三氟甲烷铜磺酸盐(II)、铜的乙酸盐、铜的苯甲酸盐或类似物更有效。尤其是，三氟甲烷铜磺酸盐(II)是有显著效果的。此外，上述维生素也是有效的。
在基体上形成油墨通道和油墨喷射孔之后，油墨供给件17和电接触器(未显出)连接到基体上从而完善油墨喷射型流体喷射头部(图5(f))，通过该电接触器油墨喷射压力产生零件12被驱动。
就这个实施例中的制造方法而言，可通过光蚀法来形成油墨喷孔21。但是，形成本发明的油墨喷孔21的方法不必局限于光蚀法。例如，采用不同的遮膜片它们可以通过干燥蚀刻法(氧等离子体蚀刻法)或者激元激光法来形成。当油墨喷射孔21采用激元激光法或干燥蚀刻法来形成时，树脂型板保护基体，从而防止基体为激光或等离子体所损伤。换句话说，采用激元激光法或干燥蚀刻法使得生产出一种高准确度和高可靠性的流体喷射头部成为可能。同样，当油墨喷射孔21通过干燥蚀刻法或激元激光法来形成时，感光材料之外的材料可被用作树脂薄片15的材料；如，可使用热固性材料。
除了上述流体喷射头部之外，本发明还适用于全行式流体喷射头部，而这种全行式流体喷射头部可以马上在整个记录介质的宽度上记录所有的东西。同样，本发明适用于由单个头部或若干单色光的头部的彩色流体喷射头部。
采用本发明流体喷射方法的流体喷射头部可以是这样一种流体喷射头部，该喷射头部使用当固态油墨仅仅加热到某一温度或更高时就液化的固态油墨。
下面，将描述适合于上述流体喷射头部的流体喷射装置的一个例子。
参照图6，标号200表示上述流体喷射头部可拆下地安装在它上面的底座。对这种流体喷射装置而言，每个都具有不同具体颜色的4个流体喷射器头部安装在底座200上。它们与相应的油墨容器一起安装在底座200上，而这些油墨容器是黄色油墨容器201Y，深红色油墨容器201M，蓝绿色油墨容器201C，及黑色油墨容器201B。
底座200由导向轴202来支撑，并且通过马达203驱动循环的传动带204来回运动从而引起底座在导向轴202上以箭头标号A所示方向往返运动。该循环传动带绕过皮带轮205和206而被拉紧。
以垂直于方向A并用箭头B来表示的方向间歇地输送一片作为记录介质的记录纸P。根据记录纸P间歇输送的方向，记录纸P在上游部分通过一对滚珠207和208来安装，并受到滚珠207和208的挤压，记录纸P在下游部分通过另一对滚珠209和210来输送，并施加了一定量的拉力以便通过面对该头部的区域时使记录纸保持平直。尽管该装置设计成便于它们为上述驱动马达所驱动，但是两对滚珠的每一个都由一个驱动部分211来驱动。
在记录工作开始时，底座200处于出发点位置上。即使在记录工作期间，如果需要它可返回出发点位置并保持在那儿。在出发点位置上，提供了盖住相应喷嘴的覆盖件212。这些覆盖件212连接到执行回收吸入装置(未示出)，该装置通过喷嘴吸入流体从而防止了喷孔的堵塞。
本发明的这些目的、特征和优点及其它目的、特征和优点由于结合附图的本发明优选实施例的下面描述将变得更加明显。
权利要求
1.一种流体喷射方法，它包括一个准备流体喷射头部的步骤，该流体喷射头部包括一个产生用于流体喷射的热能的电热转换器零件，一个喷射流体的喷射出口，所述的喷射出口布置在与电热转换器零件相对的位置上，一个把流体与喷射出口连通从而把流体提供到喷射出口并在它的底面上具有电热转换器零件的流体流动通道；在与上述流体流动通道中的电热转换器零件接触的液体中形成气泡以使上述液体离开所述电热转换器零件的步骤；一个把气泡与环境连通从而把大气加入流体流动通道的步骤；在所述连通步骤之后，第一部分流体返回到电热转换器零件的的步骤；和在上述连通步骤之后第二部分流体分成小滴的步骤。
2.如权利要求1的流体喷射方法，它包括一个准备流体喷射头部的步骤，该流体喷射头部包括一个产生用于流体喷射的热能的电热转换器零件，一个喷射流体的喷射出口，所述的喷射出口布置在与电热转换器零件相对应的位置上，一个把流体与喷射出口连通从而把流体提供到喷射出口并在它的底面上具有电热转换器零件的流体流动通道；其特征在于气泡与环境连通，并把大气加入到该流体通道，该流体在覆盖电热转换器零件的同时分成流体小滴。
3.一种如权利要求1的方法，其特征在于该喷射出口形成于喷射出口板上。
4.一种如权利要求3的方法，其特征在于所述喷射出口是锥形的，因此它的上部处的喷射出口板的开口截面比它的下部处的喷射出口板上的开口截面小。
5.一种如权利要求1的方法，其特征在于喷射出口的形状是圆形。
6.一种如权利要求1的方法，其特征在于喷射出口的形状是方形。
7.一种如权利要求1的方法，其特征在于气泡在一个到电热转换器零件的距离比到喷射出口的距离更近的位置处与环境连通。
8.一种如权利要求1的方法，其特征在于该流体在邻近电热转换器零件的中心处被分开。
9.一种如权利要求1的方法，其特征在于流体在到电热转换器零件的距离比到喷射出口的距离更近的位置处被分开。
10.一种如权利要求1的方法，其特征在于电热转换器零件引起一个突然的温度上升并超过了成核沸腾点从而产生用于流体流动通道内的气泡。
全文摘要
一种流体喷射方法，它包括一个准备流体喷射头部的步骤，该流体喷射头部包括一个产生用于流体喷射的热能的电热转换器零件，一个喷射流体的喷射出口，所述的喷射出口布置在与电热转换器零件相对应的位置上，一个把流体与喷射出口连通从而把流体提供到喷射出口并在它的底面上具有电热转换器零件的流体流动通道；一个把热能施加到流体上来引起流体的状态变化从而产生气泡的步骤，其中流体借助于气泡压力通过喷射出口进行喷射；其特征在于在气泡达到最大体积之后，气泡在气泡体积的减少过程中首先与环境相连通。
文档编号B41J2/05GK1421317SQ021272
公开日2003年6月4日 申请日期1998年12月25日 优先权日1997年12月26日
发明者立原昌义, 金子峰夫 申请人:佳能株式会社