液体喷射方法及液体喷头的制作方法

专利名称：液体喷射方法及液体喷头的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于向诸如记录之用的纸张等记录介质，喷射诸如墨水等液滴的液体喷射方法和液体喷头。特别地，本发明涉及用于以特别高的频率喷射特别小的液滴的液体喷射方法，以及还涉及液体喷头，即包含多个高密度排布的液体通路以实现高分辨率的记录头。
在各种液体喷射方法中有所谓气泡喷射型液体喷射方法。根据这些方法，在液体中快速生成气泡，并由生成的气泡所产生的压力用来从液体喷嘴喷射液滴。这些方法液体喷射响应高，因而很适于高速记录和高密度记录。
在喷泡型液体喷射方法中液体喷射方法允许在热产生部件上所产生气泡以打开喷嘴边缘的空气。就这类法来说，已知有日本延迟公开专利申请No10940/1992,10941/1992,10742/1992等。
这些方法具有以下特性。首先，它们能够增加液体喷射速度，并因而能够提高可靠性。第二，它们能够对热产生部件和喷嘴之间出现的基本上整个的液体进行喷射，因而能够使每次喷射的液体量均匀。
由于记录技术的进步，现已需要记录很高质量的图象，即在记录介质上以很高的密度(例如600点/25.4mm或更高)沉积极小体积(例如1.5×10-10m3)的液滴。为了记录这种高精度的图象，喷嘴和通向喷嘴的液体通路必须以高密度排布。例如，为了实现上述600点/25.4mm的记录密度，喷嘴必须以300点/25.4mm的密度整齐排列成平行的两行，一行中的单元在行的方向上对另一行移位半个间距。
使用较细的液滴记录图象增加了要喷射的液滴数，这反过来又降低了记录速度。为了防止这一记录速度的降低，必须增加液滴从每一喷嘴每时间单位喷射的频率(以下产物“喷射频率”)。例如，在上述结构的情形下，喷射频率必须至少为7KHz。
而且，为了通过上述那样小的体积的液滴记录高质量的图象，必须改进液滴喷射的可靠性。
如上所述，有允许气泡与空气相连的气泡喷射型液体喷射方法。例如，例如日本延迟公开专利申请No.16365/1993透露了关于液滴在喷射时的状态的技术，以及允许气泡与空气连接的条件。
当允许气泡与空气连接的气泡喷射型液体喷射方法用于喷射体积为1.5×10-10m3的很小的液滴的喷墨头时，确认在记录操作期间，液滴突然不能从某些原来液滴能够正常从其喷射的喷嘴被喷射。这种现象不同于发生在液体喷头之前的喷射失败。即，记录液体在喷墨与空气连接的时间与再填充结束的时间之间突然阻塞喷嘴。因而，直到使用成象装置的主部件的恢复机构进行恢复操作之前，记录液体不能从被阻塞的喷嘴被喷射出。
图5是描述了上述现象的液体喷嘴、及通向喷嘴的液体通路的截面。从图5明显可见，在气泡与空气连接且记录液体501的液滴被喷射之后，喷嘴立即被记录液501阻塞。在这一时间点之后，在墨液供给通路中还保留有记录液体501。然而，没有记录液体与电热换能器1相邻，因为这是刚刚在液体喷射之后。换言之，只有空气502与电热换能器1相邻。在这种状态，即使电脉冲施加到电热换能器1，记录液501的液滴也不能被喷射，因为在电热换能器1附近没有记录液。因而无法疏通喷嘴4。
而且，在本发明研制期间，当其中以高密度配置了大量液体通路的上述类型的喷头玻以高频驱动时，必须注意气泡与空气连接之后其弯月面的状态，特别是连接之后的弯月面的状态如何不同于连接之前的弯月面的状态。这样，本发明的目的在于提供一种可靠的液体喷射方法，这就是不会突然不能喷射液体的液体喷射方法，即能够使用气泡喷射型液体喷头形成高速记录的液体喷射方法，特别是其中用于以高频喷射极小液滴的喷嘴以高密度配置的所谓侧喷射器型液体喷头，一个对一个地直接面对热产生部件，且其中允许气泡与空气连接。
用于实现本发明上述目标的本发明的要点如下。
根据本发明的液体喷射方法使用一种液体喷头，该喷头包括能够产生用于在液体中生成气泡的足够量的热能的多个电热换能器，一个对一个直接面对电热换能器配置的多个喷嘴，以及多个液体通路。喷嘴以不小于300/25.4mm的密度整齐排列，并一个对一个连接到液体通路。这一液体喷射方法的特征在于，由电热换能器产生的热能生成的气泡以不小于7kHz的频率一个个喷射不大于15×10-15m3的体积的液滴，并在它们喷射液体时对空气开放，同时其内部压力低于大气压，并且在于液体喷头中的液体通路的高度不大于6μm，并且喷嘴顶部和底部开口之间的距离不大于通过喷嘴中心跨越喷嘴最小距离的一半。
根据本发明的液体喷头包含能够产生用于在液体中生成气泡的热能的多个电热换能器，直接面对电热换能器一个对一个地配置的多个喷嘴，以及多个液体通路。喷嘴和液体通路以不小于于300/25.4mm的密度排列。驱动信号以不小于7kHz的频率施加于电热换能器。这一液体喷头的特征在于，气泡在液体通路中产生并一个个喷射体积不大于15×10-15m3的液滴，在它们喷射液滴时向空气开放，同时其内部压力低于大气压，并在于液体通路的高度不大于6μm，并且喷嘴顶部和底部开口之间的距离不大于通过喷嘴中心跨越喷嘴最小距离的一半。
而且，根据本发明的液体喷射方法使用一种液体喷头，该喷头包括能够产生用于在液体中生成气泡的足够量热能的多个电热换能器，一个对一个直接面对电热换能器配置的多个喷嘴，以及多个液体通路。喷嘴以不小于300/25.4mm的密度整齐排列，并一个对一个连接到液体通路。由电热换能器产生的热能生成的气泡以不小于7kHz的频率一个个喷射体积不大于15×10-15m3的液滴。这一液体喷射方法的特征在于，它包含一种过程，其中在气泡向空气开放后保留在喷嘴内的液体保持与液体通路中从喷嘴缩回的液体的连接，并包含一个过程，其中保留在喷嘴中的液体与液体通路中的液体结合在一起，并重新填充喷嘴。
使用上述的结构，其中气泡对空气开放的侧喷射器型液体喷头中的喷嘴不会被记录液阻塞。于是，可靠地防止了记录期间归因于某些喷嘴突然不能喷射的不希望有的白线现象，使得能够可靠地以高速打印高质量图象。
结合附图考虑对本发明以下优选实施例的说明，则本发明的这些和其它目的、特点和优点将变得更为明显。


图1(a)是根据本发明的液体喷射方法能够适用的液体喷头的外部透视图，并描绘了喷头的一般结构。图1(b)是图1(a)中液体喷头在线A-A处的截面，并描绘了喷头的一般结构。
图2(a)是图1中的液体喷头的主要部分，即喷嘴之一和液体通路之一的垂直截面。图2(b)是图2(a)中所示液体喷头的主要部分的顶视图。
图3(a)-(g)是根据本发明的液体喷射方法可适用的液体喷头的主要部分的截面，并描绘了喷头的操作步骤。
图4是与根据本发明的液体喷射方法可适用的液体喷头相适应的液体喷射装置一例的局部剖开的透视图，并描绘了其一般结构。
图5是根据本发明的液体喷头主要部分的放大截面，并描绘了由本发明所解决的问题。
图6是根据本发明的液体喷射记录头的截面，并描绘了喷嘴的垂向锥形。
实施例1图1(a)是根据本发明的液体喷射方法能够适用的液体喷头的外部透视图，并描绘了喷头的一般结构。图1(b)是图1(a)中液体喷头在线A-A处的截面，并描绘了喷头的一般结构。图1中，标号2表示由Si形成的一基片，其上通过薄膜技术已经形成作为加热器的电热元件及喷嘴。稍后将详细说明电热元件和喷嘴。如图1(a)所示，在这元件基片2上，多个喷嘴4排列成平行的两行，使得一行中的喷嘴4对另一行中的喷嘴4在行的方向上错开半个间距，好象鸟的脚印。使用粘结剂把元件基片2固定到L形支撑件102的一部分。固定到支撑件102上的还有连接线基片104，其上的连接线压焊连接到元件基片2上的连接线。考虑到可加工性支撑件104是由铝形成的。标号103表示一模压件，支撑件102部分地插入其中以便由模压件103支撑。模压件103包括液体供给通路107，通过该通路液体(例如墨液)从液体储存部分(未示出)向装在元件基片上的喷嘴提供。而且，模压件103的功能还作为起到可拆卸向液体喷射装置整体安装根据本发明的液体喷头的作用，并可拆卸地把它固定在液体喷射装置上。稍后将详细说明液体喷射装置。
元件基片2包括贯穿元件基片2的连接通路105，并且经过该通路通过模压件103的液体供给通路107提供的液体提供给喷嘴。连接通路105一个个连接到通向喷嘴的液体通路，并还起到共用液腔的作用。
图2(a)是图1中的液体喷头的主要部分，即喷嘴和液体通路的垂直截面。图2(b)是图2(a)中所示液体喷头的主要部分的顶视图。
如图2中所示，根据本发明的液体喷头装有作为加热器1的矩形电热元件，这些元件一个个排布在元件基片2上的预定位置。在加热器1之上排布有喷嘴板3。喷嘴板3设有一个个直接面向加热器1中心部分的矩形喷嘴4。如图2(b)中可见，喷嘴4的开口大小是由一标号So指示的。标号41和42指示喷嘴4的顶和底“面”。本实施例中，顶和底“面”是想象的面通过跨越喷嘴4的顶和底开口延长喷嘴顶和底面所形成的想象的面。
参见图2(a)，加热器1和喷嘴板3之间所间隙等于液体通路5的高度Tn，并由液体通路壁6的高度确定。参见图2(b)，其中液体通路5在箭头标号X所指的方向延长，与液体通路5一个对一个连接的喷嘴4按多个垂直于方向X的平行的行排列。图1(b)中，多个液体通路5连接到连接通路105，该通路还起到共用液体腔的作用。等于喷嘴想象的顶和底面41和42之间的距离的喷嘴通路3的厚度由一标号To表示。
以下将说明使用带有上述结构的液体喷头根据本发明的液体喷射方法的一实施例。
图3(a)-(g)是根据本发明的液体喷射方法可适用的液体喷头的主要部分的截面。它们描绘了喷头的操作步骤。
参见图3(a)，在正常状态下，弯月面11在喷嘴的顶端。这种状态下，驱动电压施加到加热器1。希望使用短脉冲驱动加热器1，以防止便弯月面被过量的气泡生长过分地缩回。希望电脉冲施加于加热器1喷射液体的持续时间不多于3.5微秒。这是由于以下的原因。如果脉冲持续时间大于3.5微秒，则气泡生长过量，这造成液体喷射后弯月面的位置离开喷嘴的距离太远。结果，再填充的时间变得较大，这使液体喷头不适于高速记录。能够使用多脉冲驱动方法，这就是说，每喷射施加两个或更多的脉冲的驱动方法。这种情形下，脉冲的持续时间，即希望用于记录液体喷射的主脉冲施加之前所施加的脉冲不大于1.5微秒。希望前导脉冲与主脉冲之间的间隔不大于2.0微秒。如果前导脉冲的持续时间超过1.5微秒，和/或前导脉冲与主脉冲之间的间隔超过2.0微秒，则气泡成长变得过分，这反过来引起弯月面缩回较大的距离。弯月面较大的缩回使液体喷头不能以高频喷射液体；换言之，这使得本发明的目的不能实现。
为实现本发明的目标的适当的驱动电压值为1.1到1.3倍于液体喷射的阈值电压Vth。如果驱动电压不大于阈值电压Vth的1.1倍，假设产生了气泡并喷射液滴，则液体喷射速度过低，会引起被喷射的液滴离开预定的路线。而且，在高频液体喷射变得不稳定。反之，如果驱动电压不小于阈值电压Vth的1.3倍，则气泡长度变得过大，会引起弯月面缩回较大的距离，这反过来延长了再填充的时间，和/或过于增加液体喷射的速度，增加了当液滴撞击记录介质时出现的散开量。这样，上述驱动电压范围对本发明是一理想的条件之一。
以下参照图3(b)，当驱动电压施加于加热器1时，引起与加热器1接触的液体中气泡301生长。然后，在气泡301生长时，气泡301顶侧上的喷嘴4和液体通路5中的液体从喷嘴4所顶端向上膨胀。在这一过程中，已经大于大气压的气泡301的压力开始降低到大气压以下。
以下参照图3(c)，在气泡继续生长时，气泡301顶侧上的喷嘴4和液体通路5中的液体从喷嘴4所顶端向上喷射。然而在这阶段，气泡301还没有与空气连接，且由于气泡301的继续生长液体通路5中的弯月面保持缩回。在气泡301与空气连接的前夕，液体通路5中的记录液体的前端，借助于液流，静止在喷嘴4的想象的底面42处，并还与保留在喷嘴4的内表面上的记录液体连接。气泡301内部压力保持低于大气压力，直到气泡301与空气连接为止。如果气泡301与空气连接同时气泡301内部压力等于或高于大气压，则引起与喷嘴4相邻的不稳定液体在气泡301与空气之间连接时喷溅。而且，没有力作用于把不稳定的液体拉回到液体通路，因而不能防止与喷嘴4相邻的不稳定液体喷溅。
以下参照图3(d)，在气泡301与空气连接的同时或刚刚连接之后，从喷嘴4喷射液滴12，并离开喷嘴4的顶部边缘。在液滴离开喷嘴4的顶部边缘的瞬间，如果液滴与喷嘴4中的液体分开发生在图中喷嘴4的左手侧，则保留在喷嘴内表面上的上述记录液体的主要部分被保留在喷嘴的上述想象的底面42处的记录液向下拉动，并最后与液体通路5内的记录液结合在一起，即返回了液体通路5。在气泡301与空气之间连接后弯月面11最大限度轻微缩回。这之后，如图3(e)-(g)所示液滴被喷射。然后，记录液再填充喷嘴4并稳定化。
考虑以上所述过程，只要气泡与空气之间连接之后保留在喷嘴内的液体保持与从喷嘴缩回到液体通路的液体的连接，则引起保留在喷嘴内的液体与液体通路内的液体结合在一起，并最后再填充喷嘴，即使记录液体粘附在喷嘴想象的顶面，这一液体也与粘附在喷嘴内表面的上述记录液结合。换言之，即使粘附在想象的喷嘴顶面的液体向后移动到液体通路5，前面提及的记录液不能被喷射的现象也不会发生，即记录液能够可靠地喷射。
液体作为液滴12被喷射的体积由用于液体喷射的液体喷头的喷嘴大小等决定。在本实施例中的液体喷头的情形下，使液滴12的体积不大于15×10-15m3。
允许气泡301与空气可靠地连接的所需条件之一是To+Tn≤加热器的尺寸。加热器的尺寸意即Sh1/2，其中Sh代表加热器加热表面的大小。如果To+Tn≥Sh1/2，即使气泡与空气连接，相对而言(To+Tn)的值越大，对于气泡和空气之间的连接起作用的因素就连接中的平衡来说越是负作用。因而，(To+Tn)与Sh1/2之间适当的关系成为所需的条件。此外，如果果To+Tn≥Sh1/2，在没有允许气泡与空气连接的情形下记录液体被喷射。换言之，本发明的先决条件之一不存在。
以下所述的液体喷头的结构特性作为本发明的实施例列出，这些实施例保证了气泡与空气连接之后保留在喷嘴中的上述液体保持与从喷嘴向液体通路缩回的上述液体的连接，并且保持与已经从喷嘴缩回的液体接触的这一液体同液体通路内的液体结合。
(1)如果喷嘴的垂直截面成为锥形，则其更为有效，即过顶面中心跨越上述喷嘴想象的顶面的最小距离短于过底面中心跨越上述喷嘴想象的底面的最小距离。
图6描绘了带有上述垂直截面的喷嘴的垂直截面。由于喷嘴为锥形，故几何上对于保留在喷嘴内表面的记录液体更易于保持与液体通路内墨水的连接。而且，由于喷嘴想象的底面的尺寸大于喷嘴想象的顶面，故对于记录液阻塞喷嘴更为困难。
(2)如果喷嘴的水平截面为星形而不是圆形或方形，则其更为有效。换言之，记录液越是容易保持在喷嘴的内表面，上述过程越是容易发生。这是由于以下的原因。即，如果喷嘴的水平截面为星形，则粘附在喷嘴部分的记录液越容易保持与喷嘴底部液体的连接，并且，喷嘴在液体喷射时的有效水平尺寸也是由连接相邻的星形内向角的直线所包围的面积决定。
(3)弯月面的曲率为了使保留在喷嘴内表面的液体易于与液体通路内的液体连接，希望在液体通路中所形成的弯月面产生的负压尽可能地大。为了使弯月面产生较大的负压，希望液体通路的高度和截面尽可能地小，只要再填充时间不过于增加即可。
为了加强所希望的实施例(1)-(3)，特别希望使喷嘴的底侧较易于由记录液浸湿(把喷嘴处理为亲水性)。
(4)粘合到液体喷嘴的液体体积为了防止记录液体阻塞喷嘴，希望执行一种控制，使保留在喷嘴顶部的液量，即过多的液量尽可能地小。为了这样作，重要的是对喷嘴的顶部进行处理以赋予其疏水性，于是防止粘附在杂品内表面顶部的小片液体彼此结合并生长。换言之，重要的是使喷嘴内表面的顶部尽可能地斥水。而且，实际上亲水区域位于离开喷嘴的斥水的顶部。
以下，从喷嘴板结构的观点说明决定液体如何从上述液体喷头喷射的因素。
在记录液喷射后保留在喷嘴内壁上的液体在喷嘴内形成弯月面。这时，记录液的相对压力P为P=-γ(1/r1-1/r2)r1＜r2→P＜0r1＞r2→P＞0，其中r1代表过弯月面的中心跨越喷嘴内形成的弯月面的最小距离的1/2，这从以上可见；r2代表对应于弯月面曲率的半径(在平行于液体通路并包含弯月面中心的平面上的弯月面截面的曲率)；且γ代表距离液体的表面张力。当P＞0时喷嘴不大可能被记录液体阻塞，因为即使记录液体出现在喷嘴想象的顶面附近，当P＞0时这液体拉向喷嘴是较为困难的。
r1的值正比于喷嘴直径(≈So1/2)，并且r2的值正比于厚度To。
基于上述关系，本发明的发明人试验了考虑防止喷嘴被记录液阻塞的上述现象的结构要求的各种液体喷头，即关于过横截面中心跨越喷嘴水平横截面的最小距离及喷嘴板厚度的要求。结果发现，即使在气泡与空气直径连接之后液体通路内的液体不与喷嘴想象的底面接触，上述现象，即喷嘴被距离液阻塞发生的比率，在过截面中心穿越喷嘴水平截面的最小距离两倍于喷嘴板厚度的点处显著地不同。这就是说，当过截面中心穿越喷嘴水平截面的最小距离两倍于喷嘴板厚度或更大时(如果喷嘴想象的顶面和底面之间的距离不大于过截面中心穿越喷嘴水平截面的最小距离一半)，则上述现象发生的比率是非常低的。反之，如果过截面中心穿越喷嘴水平截面的最小距离不大于两倍喷嘴的厚度(如果喷嘴想象的顶面和底面之问的距离不小于过截面中心穿越喷嘴水平截面的最小距离一半)，则上述现象发生的比率是很高的，即高得足以就实际使用来说造成问题。
本发明中，如果喷嘴垂直于距离液体喷射方向的上述水平截面基本为真正的圆形，则“过截面中心穿越喷嘴水平截面的最小距离”可以定义为喷嘴的虚拟圆形水平截面的直径。如果喷嘴的水平截面为方形，则它可定义为四边之一的长度；如果为矩形，则可定义为短边的长度；如果为椭圆形，则可定义为其最短直径的长度；且如果平行于喷射方向的喷嘴的垂直截面为锥形，则它可定义为过喷嘴中心穿越喷嘴的最小距离。
以下将说明以高频驱动液体喷头所需的条件。为了以高频驱动液体喷头，再填充时间必须短。再填充时间是由以下条件决定的(1)弯月面缩回的最大量，(2)作为驱动液体再填充力的毛细力，以及(3)再填充期间液体的黏滞阻力。
弯月面缩回(1)的最大量越小，再填充时间越短。这样，只要能可靠地喷射所需体积的液滴，希望弯月面的缩回量尽可能地小。为了满足这一要求，希望设置驱动脉冲的持续时间不大于3.5微秒。
毛细力(2)是在再填充期间驱动墨液的力，故因而，一般来说，希望尽可能大。换言之，希望记录液体的毛细力尽可能高，最好不小于0.025N/m。
一般来说，希望液体通路的黏滞阻力(3)尽可能小。
上述条件是为了使液体通路内的上述液体较易于保持与保留在喷嘴内表面的液体连接。因而，当这些条件满足时，根据本发明的液体喷头能够更可靠地喷记录液。
应当注意的是，毛细力(2)和液体通路的黏滞阻力(3)必须这样设置，使得完成再填充后弯月面的振动不会变得过大。
关于把再填充期间液体通路黏滞性阻力，降低到能够以高频驱动根据本发明的液体喷头的实际水平的条件，已经发现，液体通路的高度必须Tn必须为6μm或更小；6μm≤Tn。如果6μm≥Tn，即如果液体通路的高度过于降低，则液体通路的黏滞性增加，延长了再填充的时间，且因而不能以高频驱动液体喷头。为了保持液体通路的黏滞性为低，则必须使用其黏滞性不很高的记录液体。换言之，希望记录液体的黏滞性不大于5×10-2N/s。
为了按失真度打印所希望的一图象，即其失真量小的图象，希望液滴喷射的速度不小于10m/秒且不大于30m/秒，最好不小于10m/秒且不大于20m/秒。如果液滴喷射的速度小于10m/秒，则液滴可能丢失记录介质上要打印的点，这可能降低打印质量。如果喷射速度超过30m/秒，则喷射的液滴可能喷溅并在它们撞击记录介质时形成模糊点。而且，即使满足上述关于液体喷射速度的条件，如果过分降低喷嘴板的厚度，液滴喷射的方向可能变得不稳定，并还可能降低喷嘴板3的机械强度。这样喷嘴板需要有一定量的厚度。更具体来说，喷嘴板的厚度需要不小于4μm。
根据本发明上述实施例的液体喷头，例如能够安装在如图4所示那样的液体喷射装置中，以实施根据本发明的液体喷射方法。
以下将参照图4说明液体喷射装置的一例。
参照图4，标号200表示其上可拆卸地装有上述的液体喷头的滑架。在这一液体喷射装置中，使用了四个液体喷头以容纳不同颜色的墨液，并与黄色墨液墨液容器201Y、品红色墨液墨液容器201M、青色墨液墨液容器201C及黑色墨液墨液容器201B一同装在滑架200上。
滑架200由导向轴203支撑，并使之能够通过由电动机203向前和向后驱动的无接头皮带204沿导轴202穿梭。无接头皮带卷绕在滑轮205和206上。
作为记录介质的记录纸张P在箭头符号B所指的垂直于方向A的方向上被周期地传送。记录纸P由上面一对辊207和208及下面一对辊209和210夹持，从而给出一定量的张力，使其在被传送时保持平整。辊单元由驱动部分211驱动。然而，该装置可以这样构造，使辊单元由上述电动机驱动。
并按需要，每一打印操作开始滑架200停止在休止的位置。用于为四个头一个个加盖的盖罩部件212位于休止位置。盖罩部件212与真空装置连接，该装置通过对喷嘴抽真空而防止喷嘴阻塞。
(实施例1与2)生产出图2(a)与(b)中所示的液体喷头并对其性能进行了测试。其结果在表1中给出。如图1(a)和(b)中所示，喷嘴排列在平行的两行中，一行中的喷嘴在行方向对另一行中的喷嘴错位半个间距。更具体来说，在每一行，喷嘴以300dpi间距配置，且一行中的喷嘴对另一行的喷嘴在行方向上错位25.4mm。换言之，喷嘴象鸟的脚印那样排布。因而，在垂直于喷头初始扫描方向的方向上喷嘴的密度为600dpi(每25.4mm有600个喷嘴)。过截面中心穿越喷嘴水平截面的最小距离为22μm，并且喷嘴的成形使其水平截面成为矩形。每一喷嘴的开口的尺寸So为484μm2(=22μm×22μm)。就这一规格，液流方向中有效气泡产生区域的长度为26μm，且在液体供给源一侧从有效气泡产生区域的中心到有效气泡产生区域边缘的距离为13μm。每一加热器的加热面的大小为936μm2(=26μm×36μm)。
在实施例1和2中，液流通路的高度Tn分别做成为12μm和6μm，而喷嘴板的厚度To分别做成9μm和11μm。而且，在每一加热器表面上形成0.6μm厚度的电绝缘膜(SiO2)和0.3厚度钝化膜(Ta)。
至于记录墨液，使用由以下组成的墨液
TiO己二醇 15％甘油 5％尿 5％异丙基醇 4％水 其余墨液黏滞性为1.8×1-2表面张力为0.038N/m，密度为1040kg/m3。
以上构造的液体喷头(记录头)使用可向加热器施12V电压Vop的电源以7kHz驱动。驱动脉冲持续时间为1.9微秒。当施加到加热器的驱动脉冲持续时间为1.9微秒时，使墨液喷射的最小电压Vth(阈值电压)为9.9V。因而，Vop/Vth为1.21。当喷头在上述条件下被驱动时，关于该喷头各方面所实现的性能或特性在表1中给出。
表1实施例1 实施例2 对比例1 对比例2 对比例3对比例4Sh(μm2) 936 同前 同前 同前 同前 同前So(μm2) 484 同前 同前 同前 441484(22μm×22μm) (21μm×21μm)(22μm×22μm)D(μm) 22 同前 同前 同前21 22Tn(μm) 12 6 6 4 65.5To(μm) 91112 9 11 11移定性 好好 不好 不好 不好 不好Vol 8.2 7.7 7.5 7.27.47.9(10-10m3)速度(m/s) 15.8 17.3 18.0 19.1 17.7 17.8再填充 75 129 146 280127159时间(μsec)适当延续到 170 6 0.2 0.40.70.2D/To2.44 2.0 1.83 2.44 1.91 2.0
在上述条件下，进行了打印操作，其中连续供给多张A3规格的纸张即记录纸。过喷嘴中心的喷嘴的最小跨距为22μm，这距离不小于等于想象的喷嘴顶面和底面之间的距离的喷嘴板厚度的两倍。其性能是，打印能够横跨记录纸整个A3纸面进行，并且是不间断进行，这超过了实际使用中没有问题的性能水平。换言之，喷头是可靠的。
喷头在墨液喷射速度上足够快而能够适应喷头不使用时墨液黏滞性增加的情形。更具体来说，喷头能够合乎要求地适应黏滞性高达5×10-2N/m的墨液。当墨液黏滞性增加而超过10×10-2N/m时，即当墨液黏滞性太高时，墨液喷射速度下降到低于10m/秒。其结果是，墨液在记录介质上丢失本应打印的点。为了保证实现本发明的目的，希望墨液的表面张力尽可能高。然而，除了墨液喷射速度之外，还必须考虑墨滴在其撞击记录纸时如何动作来决定墨液的表面张力。于是，希望墨液的表面张力不低于30×10-2N/m，并且只要墨液能够按希望由气泡喷射，则对上限没有限制。如果墨液的表面张力小于30×10-2N/m，则由墨液产生的毛细力不够高而不足以作为驱动墨液再填充的力。于是，再填充时间是长的，且长的再填充时间使喷头不能以高频驱动而成为问题。
在以上实施例中，从液体喷射脉冲施加开始算起再填充时间为75微秒。此后的弯月面振动处于检测不到的水平，并实际上对打印质量没有影响。
在这些实施例中，还形成薄的加热器防护膜，并设置短的脉冲持续时间。于是，气泡生成量相对小。换言之，通过减少弯月面缩回量而不是增加再填充速度降低了再填充时间。
此外，的加热器1的防护层是由SiO2形成的(0.6μm厚)，且钝化膜(0.3μm厚)由Ta形成。只要加热器持续时间适当的长，希望这些膜尽可能薄。降低防护层的厚度使能够降低在脉冲施加开始和气泡生长开始之间从加热器向墨液传导的热量。因而，降低防护层的厚度可降低在气泡产生后气泡的生长量，从而降低弯月面缩回量。当防护层由SiO2或SiN形成时，希望其厚度不大于1μm。明显地，如果特别抗腐蚀的铂等材料用作为加热器材料，则跨越省去防护层。
在根据本发明的液体喷头中，其中液体通路中产生的气泡通过喷嘴与空气连接，每次喷射所喷射的墨液的体积一般由加热器、液体通路及喷嘴的几何方面决定。换言之，气泡生长量中有一个宽的范围，在该范围中每次喷射所喷射的墨液体积不受气泡生长降低的影响。
(比较例子1-4)对比例1-4中所使用的液体喷头与实施例1和2中所使用的类似，所不同在于，在这些对比例子中，液体通路的高度对实施例1和2有变化。换言之，在实施例1和2中，液体通路Tn的高度为12μm和6μm，而对比例1-4中，这对应地为6μm、4μm、6μm和5.5μm。在对比例子中，喷嘴板的厚度To对应地为12μm、9μm、11μm和11μm。并且过喷嘴中心每一喷嘴开口横向最小距离小于喷嘴板厚度To的两倍。
在对比例1和3中，其中被设置为等于每一喷嘴想象的顶面和底面之间的距离的喷嘴板的厚度To，大于过开口中心喷嘴开口横向最小距离D的一半，液体喷头频率不能喷射液体，等等。在对比例子2和4中，其中液体通路的高度小于6μm，再填充时间长度使液体喷头不适于高频驱动。
虽然这在表1中没有记录，如果(To+Tn)的值大于Sh1/2(≈31μm)，则液滴和弯月面的行为在气泡与空气连接时变得不稳定，这对打印质量有负面的影响。
(实施例3-5及对比例子5-10)生产图2(a)和(b)中所示的液体喷头，并对其性能进行测试。结果在表2中给出。如图1(a)和(b)中所示，喷嘴排列在平行的两行中。更具体来说，在每一行，喷嘴以600dpi间距配置，且一行中的喷嘴对另一行的喷嘴在行方向上错位半个间距。换言之，喷嘴象鸟的脚印那样排布。因而，在垂直于喷头初始扫描方向的方向上喷嘴的密度为1200dpi。实施例3-5中每一喷嘴的开口尺寸为227μm2(=φ17μm)，225μm2(=15μm平方)，及234μm2。在每一实施例3-5中，每一加热器的加热表面的大小Sh为576μm2(24μm×24μm)。
在实施例3-5中，使用如实施例1和2中所使用的相同的墨液。
至于每一液体通路的高度Tn，在实施例3和4中做成12μm，并在实施例5中为6μm。关于喷嘴板的厚度To，在实施例3中做成7μm。而在实施例4中为6μm。在实施例5中，它被做成9μm。
在对比例5-10中，每一喷嘴的尺寸对应地做成200μm2、324μm2、227μm2、202μm2(=14.2μm平方)，324μm2及324μm2。每一加热器的加热面的尺寸Sh做成与实施例3-5相同，这为576μm2(24μm×24μm)。对比例5-10中每一液体通路的高度Tn对应地做成为12μm、4μm、8μm、12μm、6μm和5.0μm，且每一喷嘴的厚度To对应地做成为9μm、11μm、9μm、9μm、9.5μm和9μm。
加热器的表面电阻为53欧姆。
以上构造的液体喷头(记录头)使用能够向加热器施加9.0V电压Vop的电源以10kHz驱动。每一驱动脉冲的持续时间为2.7微秒。当施加到加热器的驱动脉冲的持续时间为2.7微秒时，使墨液喷射必须的最小电压Vth(阈值电压)为7.2V。因而，Vop/Vth为1.25。当该喷头在上述条件(9V/2.7微秒)下被驱动时，所实现的关于这一喷头的各方面的性能或特性，以及通过其墨液正常喷射的打印的连续记录纸(A3记录纸页)数目，在表2中给出。
表2实施例3对比例5对比例6对比例7对比例8实施例4 实施例5对比例9对比例10Sh(μm2) 576同前 同前 同前 同前 同前同前 同前 同前(24μm×24μm)So(μm2) 227 200314227202225 324 同前 同前(14.2μm× (15μm×14.2μm) 15μm)D(μm) φ7 φ6 φ20 φ17 14.2 15φ18 同前 同前Tn(μm) 12 12 4 8 12 12 6 6 5To(μm) 7 9 11 9 9 6 99.5 9移定性好不好不好 不好 不好 好 好不好 不好Vol. 4.5 4.34.24.14.44.2 4.84.9 4.1(10-10m3)速度(m/s)17 15 18 14 15 17.5 16 1618再填充 92 90920 95 89 86 102101 158时间(μsec)适当延续到 110 0.1 0.050.2 0.05110 50.8 0.3D/To2.41.78 1.82 1.89 1.582.5 2.0 1.89 2.0
从表2明显可见，实施例3-5中，通过其墨液正常喷射的打印的连续记录纸页数，远远大于比对比例子。这证明了本发明成功防止了所不希望有的白线的出现，如果某些喷嘴不能喷射墨液这种白线就会出现。
注意D/To，在实施例3-5中，D/To不小于2，而在对比例5-9中它不大于2。而且在对比例5-9中，通过其墨液正常喷射的打印的连续记录纸页的数目小，而且，归因于喷射不成功所不希望有的白线是明显的。这样，希望D/To不小于2。在对比例10中，D/TO为2.0，而喷射突然失败的频率相对地小。然而，在这一对比例子10中，每一液体通路的高度Tn为5.0μm，这是相当低的。因而，当喷头以10kHz或更高频率驱动时，液体通路不能足够快速地被填充，因而图象颜色比正常打印的图象浅。换言之，通过其墨液正常喷射的连续记录纸页数小。
至于再填充时间，在对比例子7中，它为95微秒，这对于以上述频率驱动喷头是足够快的。然而在对比例6中，它为920微秒，这对于10kHz驱动频率是不够快的。这是由于这样的事实，即在对比例子6中，Tn为4μm，这是相当小的。于是，只要考虑再填充时间，则希望高度Tn不小于6μm。
在实施例4和对比例子8中，每一喷嘴的开口是方形的，这与其它实施例和对比例子的形状不同，在那些例子中它们是真圆形的。即使在其喷嘴开口为真圆形的对比例子6中，与其它喷嘴的开口为真圆形的喷头同样会发生喷射突然失败。在实施例4中，D/To为所希望的2.5，因为这大于2。即使喷嘴的开口为方形，也不会发生喷射突然失败。考虑由气泡产生的压力引起的变形，希望喷嘴板的厚度To不小于4μm。
此外，为了就颜色浓度和喷射突然失败精确评价上述实施例和对比例，这样激活液体喷头，使得每一记录纸页以墨液“完整”地覆盖，并评价结果。被“完整”覆盖的意思是每一记录纸页的可打印区域100％由墨点覆盖。在这一试验中，连续供给多张A3规格(JIS)的记录纸页。重要的是用于评价液体喷头的标准，即液体喷头是否能够正常地喷射墨液，以便以墨液覆盖连续供给的记录纸页至少之一的整体。如果在给定的液体喷头以墨液覆盖记录纸页的整体时颜色浓度开下降，或出现突然喷射失败(喷头不可接受)，则判断这一喷头不可使用，因为这种情形下，必须中断打印操作以进行需要额外时间的恢复操作等。换言之，重要的是要保证，不中断且不损失打印质量，液体喷头能够以墨液整体地覆盖至少一张(A3)记录纸页。
在任何情形下，就液体喷头结构和液体喷射方法来说，对当体积不大于15×10-15m3的墨滴从允许气泡与空气连接的这种液体喷头喷射时出现的问题，本发明提供了实用的解决方案。
(其它)当施加于基于喷墨的记录头和基于喷墨的记录装置时，特别是那些装有用于产生作为用于喷射墨液的能量的热能的装置(例如，电热换能器，激光束发射元件等)，并使用热能改变墨液状态的装置，本发明产生了优秀的结果。这是由于这样的事实，即根据这种墨液喷射系统，能够以高密度进行记录以产生高精度的图象。
至于这种记录头和记录装置的结构和液体喷射原理，在U.S.PatentNo.4,723,129及4,740,796的申请说明书中所透露的是所需要的。这些专利中所透露的系统与所谓请求响应式和连续式两者都是兼容的，特别是由于以下的原因与请求响应式兼容。即，在请求响应式中，每一电热换能器面向纸张或其中保有液体(墨液)的液体通路配置。为了喷射墨液，至少根据记录数据向电热换能器施加一个信号，该信号能够在电热换能器的表面产生足够大热能量，以便突然把液体温度增加到液体中被激发的所谓膜沸腾点。换言之，通过一个个驱动信号在液体(墨液)中形成气泡。在每一气泡生长并接触时，液体以液滴(至少一个液滴)的形式通过对应于记录数据的特定的喷嘴的开口被喷射。驱动信号最好是脉冲的形式，因为脉冲形式的驱动信号引起引起气泡立即并适当地生长并接触，换言之，当驱动信号为脉冲形式时喷头响应很好。
更具体来说，诸如在U.S.Patent No4,463,359和4,345,262中透露的脉冲形式的驱动信号那种驱动信号是适用的。而且，如果采用U.S.PatentNo4,313,124的说明书中所记录的关于电热换能器热释放面温度增加速率的条件，则打印质量能够进一步改进。
本发明不仅能够与上述专利说明书中每一个中所透露的记录头结构兼容，其中喷嘴、液体通路(直角液体通路)和电热换能器是如上所述排布的，而且还能够与诸如U.S.Patent No4,558,333及U.S.Patent No4,459,600的说明书中所透露的记录头结构的记录头兼容，根据这种结构电热换能器的热释放面位于液体通路的弯曲部分。当用于日本公开专利申请No.123670/1984中所透露的记录头结构时，本发明也是有效的，根据这种结构喷嘴是由多个电热换能器共享的槽缝构成的，或者日本公开专利申请No.138461/1984中所透露的记录头结构，根据这种结构吸收由热能产生的压力波的开口直接面对液体喷射部分配置。换言之，本发明就可靠性和有效性方面改进了诸如以上所述的记录头，而不论其结构如何。
进而，本发明能够有效用于全行型记录头，即其长度等于记录装置最大记录范围长度的记录头，就是说，记录装置可处理的最大片记录介质的图象可记录区域的宽度。全行记录头可由多个记录头的组合构成，其组合的长度等于全行记录头的长度，或可作为整个一件长记录头形成。
本发明还能有效用于上述可能是固定式记录头形式的串型记录头，片式记录头，或盒式记录头。固定型记录头是固定于记录装置主要组件的那种记录头。片式记录头是可拆卸安装在记录装置主要组件中的可拆换型记录头。在记录头安装到记录装置的主要组件中时，它与主组件电连接，并被供给墨液。盒式记录头是整体包括墨液容器的那种记录头。
希望能够提供带有喷射性能恢复装置、用于在记录喷射之前喷射墨液的装置等的记录头，因为这能保证本发明的有效性。更具体来说，这些装置是用于盖罩记录头的装置、用于清洗记录头的装置、用于向记录头施加正的或负的压力的装置、用于在记录喷射之前加热记录头或墨液的装置、以及用于在记录喷射之前喷射墨液的装置。用于在记录喷射之前加热记录头或墨液的装置可以采用用于记录喷射的电热换能器，不同于记录喷射用的电热换能器，或者两者的组合。
关于安装在记录装置中的记录头类型和记录头数目没有严格限制。例如，安装在记录装置中的记录头数目可以只有一个，如在只是以单色模式打印的记录装置的情形下，或者可以是多个，如在使用多种墨液打印颜色或浓度不同的图象的情形。换言之，本发明不仅能够很有效地用于只装有单个记录头作为主打印模式、或黑色模式的记录装置，而且还适用于装有彼此集成或分开的多个记录头用于以多种记录模式打印的记录装置，例如多彩色模式、可通过颜色混合实现的包含单色模式的全彩色模式等等。
在对本发明的实施例的以上说明中，墨被描绘为液体墨液形式。然而，本发明适用于在正常室温或低于正常室温保持为固体而在高于正常室温液化的墨。一般来说，在喷墨系统中，为了保持墨液的黏滞性在喷墨维持稳定的范围内，要控制温度使其保持在不低于30℃到不高于70℃的范围内。这样，与根据本发明的记录装置一同使用的墨可以是在记录信号施加时液化的那种墨。使用“固体”墨提供了额外的好处。例如，通过使用过多的能量从固态到液态改变墨的状态能够防止由过多的能量引起的过多的温度的增加。可以采用在闲置状态保持为固态并在向其加热时液化的墨，以便防止墨蒸发。在任何情形下，本发明能够适用于以上所述的任何类型的墨，例如只有通过由记录信号产生的热能才液化的固态墨，这种墨以液态形式喷射，但是在其到达记录介质时开始固化。这种墨的一个例子在日本延迟公开专利申请No.56847/1979或71260/1985中透露，根据该例子，固态或液态墨保留在凹陷处或通过多孔材料片的孔，使其直接面向电热换能器。就与这种类型的墨兼容性来说，基于上述薄膜沸腾型系统的记录头是最好的。
至于应用的范围，根据本发明的喷墨型记录装置可用作为诸如计算机这样的信息处理装置的图象输出终端、与阅读器等组合的拷贝装置、设有收发两种功能的传真机等。
虽然参照这里所透露的结构对本发明进行了说明，但是它不限于所述的细节，并且本申请意在覆盖包含在改进的目之内的或以下权利要求范围的那些修改和变化。
权利要求
1．使用液体喷头的液体喷射方法，该液体喷头具有用于产生足够的热能以便在液体中生成气泡的电热换能元件，以及面对电热换能元件配置的喷射出口，它们以不小于每25.4mm300个的密度排列成一行，液体喷头还分别具有与喷射出口液体连通的液流通路，其中由电热换能元件产生的热能生成的气泡，在气泡内部压力小于大气压时使之与空气连通，且其中以不小于7kHz的频率喷射不大于15×10-15m3的体积的液滴，所述方法其中包括改进液体喷头的液流通路的高度不大于6μm，并且喷射出口上表面和下表面之间的距离不大于通过喷射出口中心的最小开口距离的一半。
2．根据权利要求1的方法，其中喷射出口的上表面和下表面之间的距离与液流通路高度的和不大于电热换能器的尺寸。
3．根据权利要求1的方法，其中液滴的体积不大于10×10-15m3。
4．根据权利要求1的方法，其中液流通路的高度不大于20μm。
5．根据权利要求1的方法，其中喷射的液滴的喷射速度不大于20m/s。
6．根据权利要求1的方法，其中为喷射液体施加于所述电热换能器元件的电脉冲的宽度不大于3.5μsec。
7．根据权利要求1的方法，其中施加于给定的电脉冲的驱动电压在液滴喷射的阈值电压的1.1倍-1.3倍范围内。
8．根据权利要求7的方法，其中所述电脉冲包含多个脉冲。
9．根据权利要求8的方法，其中所述多个脉冲包括一个主脉冲和在主脉冲之前施加的前导脉冲，并且前导脉冲的持续时间不大于1.5μsec。
10．根据权利要求9的方法，其中所述主脉冲和所述前导脉冲之间的间隔不大于2.0μsec。
11．根据权利要求11的方法，其中所喷射的液体具有不大于0.025N/m的表面张力及不大于5×10-2N/s的黏滞性。
12．根据权利要求1的方法，其中所述电热换能器元件产生热能足以引起液体的膜沸腾。
13．使用液体喷头的一种液体喷头，该液体喷头具有用于产生足够的热能以便在液体中生成气泡的电热换能元件，以及面对电热换能元件配置的喷射出口，它们以不小于每25.4mm300个的密度排列成一行，液体喷头还分别具有与喷射出口液体连通的液流通路，其中由电热换能元件产生的热能生成的气泡，在气泡内部压力小于大气压时使之与空气连通，且其中以不小于7kHz的频率喷射不大于15×10-15m3的体积的液滴，所述喷头其中包括改进液体喷头的液流通路的高度不大于6μm，并且喷射出口上表面和下表面之间的距离不大于通过喷射出口中心的最小开口距离的一半。
14．根据权利要求13的液体喷头，其中喷射出口的上表面和下表面之间的距离与液流通路高度的和不大于电热换能器的尺寸。
15．根据权利要求13的液体喷头，其中液滴的体积不大于10×10-15m3。
16．根据权利要求13的液体喷头，其中液流通路的高度不大于20μm。
17．根据权利要求13的液体喷头，其中喷射的液滴的喷射速度不大于20m/s。
18．根据权利要求13的液体喷头，其中为喷射液体施加于所述电热换能器元件的电脉冲的宽度不大于3.5μsec。
19．根据权利要求19的液体喷头，其中施加于给定的电脉冲的驱动电压在液滴喷射的阈值电压的1.1倍-1.3倍范围内。
20．根据权利要求19的液体喷头，其中所述电脉冲包含多个脉冲。
21．根据权利要求20的液体喷头，其中所述多个脉冲包括一个主脉冲和在主脉冲之前施加的前导脉冲，并且前导脉冲的持续时间不大于1.5μsec。
22．根据权利要求21的液体喷头，其中所述主脉冲和所述前导脉冲之间的间隔不大于2.0μsec。
23．根据权利要求13的液体喷头，其中所喷射的液体具有不大于0.025N/m的表面张力及不大于5×10-2N/s的黏滞性。
24．根据权利要求13的液体喷头，其中所述电热换能器元件产生热能足以引起液体的膜沸腾。
25．使用液体喷头的液体喷射方法，该液体喷头具有用于产生足够的热能以便在液体中生成气泡的电热换能元件，以及面对电热换能元件配置的喷射出口，它们以不小于每25.4mm300个的密度排列成一行，液体喷头还分别具有与喷射出口液体连通的液流通路，其中由电热换能元件产生的热能生成的气泡，在气泡内部压力小于大气压时使之与空气连通，且其中以不小于7kHz的频率喷射不大于15×10-15m3的体积的液滴，所述方法包括第一步骤，其中在液体与气泡的空气连通后留在喷射出口中的液体保持与液流通路中从喷射出口缩回的液体的液体连通；第二步骤，其中使留下的液体与液流通路中的液体结合以便把液体再填充到喷射出口。
26．根据权利要求25的方法，其中喷射出口的上表面和下表面之间的距离与液流通路高度的和不大于电热换能器的尺寸。
27．根据权利要求25的方法，其中把形成喷射出口的外表面处理为亲水性。
28．根据权利要求27的方法，其中形成喷射出口的外表面具有部分亲水区。
29．根据权利要求25的方法，其中把形成喷射出口的内表面处理为亲水性。
全文摘要
使用液体喷头的液体喷射方法,该液体喷头具有用于产生足够的热能以便在液体中生成气泡的电热换能元件,以及面对电热换能元件配置的喷射出口,它们以不小于每25.4mm300个的密度排列成一行,液体喷头还分别具有与喷射出口液体连通的液流通路,其中由电热换热元件产生的热能生成的气泡,在喷墨内部压力小于大气压时使之与空气连通,且其中以不小于7kHz的频率喷射不大于15×10
文档编号B41J2/14GK1233561SQ9910179
公开日1999年11月3日 申请日期1999年2月10日 优先权日1998年2月10日
发明者立原昌义, 田村泰之, 村上修一 申请人:佳能株式会社