专利名称：喷墨记录头及其设计方法
技术领域：
本发明涉及在诸如喷墨记录装置中用于记录字符或图象的喷墨记录头。更具体地说，本发明涉及对喷墨记录头的改进，从而以更高的稳定性反复地喷出大体积的墨滴。本发明还涉及设计这种喷墨记录头的方法。
使用按需滴墨型的喷墨记录装置近来吸引了更为广泛的注意。这种喷墨记录装置可见之于专利公报53-12138，并且在例如日本未决专利公开JP-A-10-193587中也有披露。在上述公报所描述的装置中，压力波形发生器如压电执行器对压力室产生压力波，通过与压力室连通的喷嘴喷出墨滴。
图1示例性地显示了在常规喷墨记录装置中的喷墨记录头。压力室61与喷嘴62连通以喷出墨滴67。一入口端用于通过公共墨通道63接收来自墨库(未示出)的墨。在压力室61的底部设置有膜片65。
为了喷出墨滴，设置在压力室61底部的压电执行器66使膜片65产生位移，膜片65相应地使压力室61产生体积变化。压力波使压力室61容纳的墨通过喷嘴62喷出压力室61外，形成墨滴67。喷出的墨滴67落到记录介质如记录纸上，从而在记录纸上形成墨点。
根据所提供的数据重复形成墨滴，从而在记录纸上产生了字符或图形之类的图象。压电执行器66被施加多个具有各种波形的驱动电压中的一种驱动电压，这些波形取决于要被喷出的墨滴的体积。通过施加具有图2所示波形的驱动电压，将通常用来记录字符或黑色图象的大体积墨滴喷出。
驱动波形具有上升沿151，用于将施加到压电执行器66的电压升高，从而减少用于喷墨的压力室61的体积。还具有电压为V1的平坦的电平、和用于恢复初始电压电平或正常电压Vb的下降沿152。
图3A至3F是喷墨记录头中喷嘴的剖视图，其连续地显示了在施加驱动波形期间在喷嘴附近的弯液面(meniscus)。弯液面72在压力室体积减小时为平面，如图3A所示，然后由于压力室体积的减小而向喷嘴71外移动，喷出墨滴73，如图3B所示。在喷出墨滴73后，喷嘴71内的墨减少，形成图3C所示的凹液面。液面72然后在墨表面张力的作用下恢复原来的形状，如图3D至3F所示。
图4显示了图3C至3F所示的弯液面在喷墨后其中央处随着时间“t”变化的位置概况。如图所示，在时刻t＝0，液面极大地缩退向位置y＝-60μm处，在墨表面张力的作用下振动几次后，最终恢复到原始位置y＝0，或恢复到喷嘴外沿的位置。
在本文中，在喷墨后墨液面的恢复运动被称为“再填充”或“再填充操作”。在喷墨后液面恢复到原始位置y＝0或喷嘴外沿的位置的时间长度tr被称为“再填充时间”。
在使用喷墨记录头重复喷出墨滴时，要在完成由于前面的喷墨所引起的再填充操作后进行喷墨操作，以获得恒定的喷墨量或恒定的喷墨速度。即，如果在完成前面的喷墨所引起的再填充操作之前就进行下一次喷墨，则不能得到稳定的重复喷墨。
对喷墨记录头喷墨频率有极大影响的因素包括上述的再填充时间tr和喷嘴数(喷嘴数多则会增加在单位时间长度期间形成的点数)，从而提高最大喷墨频率。因此，常规的喷墨记录装置是多喷嘴型的，其中多个喷射器并排和耦连在一起。
图5显示了常规的多喷嘴喷墨记录头。墨库97与公共墨通道93连通，公共墨通道93再与多个压力室91通过各入口端(未示出)连通。该布局使多个喷射器一次喷出墨滴，从而减少打印所需要的时间长度。
应当注意，公共墨通道93应当适当地设计，以便得到在喷墨记录头中的稳定的重复喷墨。更具体地说，例如，在与公共墨通道连通的喷射器之间的压力互扰需要加以防止。另外，喷射器之间喷射特性的差异也应当被减小，该喷射特性取决于与公共墨通道连接的位置。因此，公共墨通道具有足够的声容(acoustic capacitance)就很重要了。已经建议了一些能够满足上述条件的头结构。
例如，JP-A-56-75863描述了一种喷墨记录头，其包括具有根据压力室体积所限定的体积。JP-A-52-49034和JP-A-10-24568分别介绍了带有空气阻尼器以获得更大声容的公共墨通道的结构。JP-A-59-26269介绍了公共墨通道所需要的声容(或阻尼)的量化定义。如这些公报中所介绍的那样，公共墨通道的足够声容防止了喷射器之间的相互干扰，从而在与公共墨通道连通的多个喷射器中实现了稳定和均匀的喷墨。
即使上述条件在常规的多喷嘴喷墨记录头中都得到了满足，但是，稳定的喷墨并不总是能实现的，这取决于以下说明的几个因素。
第一种不稳定喷墨的情况是当多个喷射器同时以较高的频率喷出多个体积较大的墨滴时。在这种喷射中，喷出墨滴的体积是不稳定的例如，体积大的墨滴和体积小的墨滴被交替地喷射。另外，喷出墨滴的速度也是不稳定的。过度不稳定的墨滴速度可以造成喷嘴吸入墨中的气泡，并最终导致不喷墨的问题。
图6显示了常规喷墨记录头中通过改变墨滴体积和喷射频率所得到的喷墨稳定性。该稳定性是根据墨滴速度的改变来评价的。如图所示，当32个喷射器同时喷出体积为25皮升(即25×10-15m3)的墨滴时，墨滴速度在频率大于11kHz时不稳定，并在频率大于18kHz时出现了不喷墨。通过频闪观测仪观察的喷射表明，大体积墨滴和小体积墨滴以大于11kHz的频率交替喷出的情况频繁发生。在另一种情况下，墨滴体积和滴速随机地改变。当选择30皮升的较大的墨滴体积时，在大于9kHz时观察到相似的结果。
在喷射较小体积的墨或以较低频率喷射大体积墨滴时，上述不稳定喷墨的情况是较少见的。这意味着实现了足够的串扰抑制，从而也意味着公共墨通道获得了足够的声容。当同时喷墨的喷射器的数目较少时，也很少看到上述不稳定喷墨的现象。已经证明，与公共墨通道连通的所有的喷射再现了相似的不稳定性。从这些观察结果得出这样的结论，即喷墨的不稳定性不是由串扰造成的。这样就需要调查以前没有考虑过的不稳定喷射的新的成因，以及对这种不稳定喷射的解决方案。
不稳定喷射问题可能会对喷墨记录头发展造成障碍，因为喷墨记录头要求具有更高的打印速度，这种打印速度的提高是通过增加喷射器的数量和喷射的频率、以及增加墨滴的体积即增加墨滴的体积调节范围来尝试的。
第二种不稳定喷墨的情况是当使用较高粘度的墨时发生的。图7显示了通过使用具有不同粘度值的墨得到的喷墨稳定性情况。当使用具有3mPa·s粘度的墨时，在32个喷射器同时喷出体积为25皮升的墨滴、且频率大于11kHz的情况下，喷墨丧失了稳定性。当使用具有6mPa·s粘度的墨时，在相似的情况下，在频率大于6kHz的情况下，喷墨丧失了稳定性。与尝试喷出大体积墨滴的情况相似，通过频闪观测仪观察的喷射表明，大体积墨滴和小体积墨滴交替喷出的情况频繁发生。这样，考虑由使用具有较高粘度的墨造成的喷墨不稳定性，其产生原因与造成大体积墨滴重复喷射的不稳定性的形成原因相似。已经证实，墨粘度越高，喷墨的稳定性越差。
喷墨记录头的当前发展集中在增加墨粘度上，因为对高性能墨的需要增加了。高性能墨的发展方向是提高目前的墨相对于常规纸以及超高速打印的记录性能。这可以部分地通过增加墨的粘度来实现。
但是，如前所述，更高的墨粘度阻碍了喷墨记录头以较高频率喷出大体积墨滴，从而在实际使用具有更高粘度的墨时带来了问题。因此，对于喷墨记录头来说，考虑实际使用这种具有高粘度的墨的情况，抑制不稳定喷墨是最为重要的一个课题。
本发明的另一目的是提供一种用于记录装置的喷墨记录头，其能够抑制在喷出高粘度墨过程中的不稳定的喷墨，从而适用于各种的墨粘度。
本发明还有一个目的是提供一种设计这种喷墨记录头的方法。
本发明提供一种包含供墨系统的喷墨记录头，该供墨系统具有墨库和与该墨库连通的公共墨通道；多个压力室，每个压力室与公共墨通道相连通，各压力室包括用于从相应一个压力室喷墨的墨嘴，其中供墨系统在恒定墨流中产生的流阻r[Ns/m5]满足如下关系式r＜800/(q·N·f)
其中q，N和f分别代表各喷嘴喷出的墨滴体积[m3]，压力室的数量和用于喷出墨滴的喷射频率。
本发明还提供了一种用于设计包含供墨系统的喷墨记录头的方法，该供墨系统具有墨库和与该墨库连通的公共墨通道；多个压力室，每个压力室与公共墨通道相连通，各压力室包括用于从相应一个压力室喷墨的墨嘴，该方法包括如下步骤确定供墨系统在恒定墨流中产生的流阻，以将每个喷嘴的再填充时间抑制到低于为该喷嘴设计的特定的喷射频率。
根据本发明的喷墨记录头和由本发明的方法设计的喷墨记录头，可以在较高的喷射频率下、以及对具有较高粘度的墨，由多个喷嘴同时进行稳定重复的喷墨。
图2是显示施加在典型的喷墨记录头中的压电执行器上的驱动波形。
图3A至3F是典型的喷墨记录头中喷嘴的示意剖面图，其连续地显示了喷嘴中的液面。
图4是显示液面移动的时序图。
图5典型的多喷嘴喷墨记录头的的透视图。
图6是显示在典型多喷嘴喷墨记录中墨滴速度和喷射频率之间关系的图，以墨滴体积作为参数。
图7是显示在典型多喷嘴喷墨记录中墨滴速度和喷射频率之间关系的图，以墨滴粘度作为参数。
图8是在再填充操作期间典型喷墨记录头的等效图。
图9是在再填充操作期间典型的多喷嘴喷墨记录头的简化等效图。
图10是显示再填充时间和压力室中压力变化的关系的图。
图11根据本发明第一实施例的喷墨记录头的透视图。
图12是显示在本发明第一实施例的喷墨记录头中墨滴速度和喷射频率之间关系的图，以墨滴体积作为参数。
图13是根据本发明第二实施例的喷墨记录头的透视图。
图14是根据本发明第三实施例的喷墨记录头的透视图。
图15是显示在本发明第四实施例的喷墨记录头中墨滴速度和喷射频率之间关系的图，以墨滴体积作为参数。
参考图8，喷墨记录头的等效电路图表示图5所示的多嘴喷墨记录头。该等效电路图包括多个喷射器121，以及包括公共墨通道和墨库123的供墨系统122。在该等效电路图中，符号“m”、“r”、“c”和“Φ”分别表示惯性(kg/m4)、流阻或声阻(Ns/m5)、声容(m5/N)，以及压力(Pa)。而下标“d”、“c”、“i”、“n”、“p”和“s”分别表示其所附缀的符号是执行器、压力室、墨入口、喷嘴、公共墨通道、以及除公共墨通道外的供墨系统。
在常规的喷墨记录头设计中，声容(即cp)和惯性(即mp)是根据对压力波的传播考虑而设计的。该压力波是在通过每个喷射器喷墨期间假定单个墨滴通过各喷射器喷出时在压力室中产生的。更具体地说，图8所示的单次喷墨的瞬时状态用于设计喷墨记录头而不用考虑先前或后续的喷墨，瞬时状态一般与静态是不同的，在静态时不进行喷墨或者不传播压力波。
另一方面，当墨滴被重复喷出时，从墨库到喷嘴在宏观角度上看有一个恒定墨流。该恒定墨流通过公共墨通道提供给喷射器。从这个宏观角度看，图8的等效电路图可简化为图9所示的等效电路图。
注意这里是指从墨库到公共墨通道的整个供墨系统132中的流阻。当液体以流速Q流经具有“r”的阻值的管线时，在管线的入口和出口之间根据Hagen Poiseuille定律产生压力差ΔP＝r·Q。如果墨的消耗即从喷嘴喷出的墨量大，则通过供墨系统132的墨流流速大。在这种情况下，供墨系统132的大的流阻在墨库和公共墨通道之间产生大的压力差。供墨系统的流阻是作为公共墨通道的流阻与除了公共供墨系统外的供墨系统的流阻之和得到的。
实际量的例子在下面给出。假定从每个喷射器喷出的墨滴的体积和喷墨频率是25皮升和20kHz，则从每个喷嘴喷出的量是5×10- 10m3/s。还假定与公共墨通道边通的喷射器数目是128，如果所有的喷射器重复和同时的喷出墨滴，则墨的消耗量或流速是6.4×10-8m3/s。
在计算供墨系统的流阻时，供墨系统一部分的流阻r1是通过具有用如下公式计算的圆截面积的管线实现的r1＝∑(128ηL/πd4) (1)其中d，L和η分别是管线的直径(米m)，管线的长度(米)和墨粘度(Pa·s)。类似地，供墨系统的另一部分的流阻r2是通过具有用如下公式计算的矩形面积的管线实现的r2＝∑[128ηL{0.33+1.02(z+1/z)}/S2] (2)其中S和z分别是管线的横截面积和长宽比。
供墨系统总流阻r是通过将r1和r2相加得到的。在下面的实施例中，供墨系统的流阻是根据公式(1)和(2)计算的。
假定供墨系统是由直径为0.8mm、长度为50mm的圆形管线实现的，该墨的粘度为3mPa·s，供墨系统的流阻为1.5×1010Ns/m5。这样，要从所有喷射器以20kHz的频率喷出的每个具有25皮升的体积的墨滴，则沿供墨系统或公共墨通道产生960Pa的压降。
在如前所述的再填充操作中，通过液面表面张力所产生的压力从公共墨通道向压力室引入墨。对于快速的再填充操作，优选在公共通道和喷嘴之间产生较大的压力差。如果液面表面张力所产生的压力差减小，则用于再填充操作的时间长度也相应延长。因此，优选在公共墨通道和喷嘴之间产生大的压力差，并且沿公共墨通道的压力降被减小或抑制以进行快速的再填充操作。
应当说明的是，喷射器同时和重复的喷墨易于在公共墨通道中产生大的压力差。这减小了再填充的速度，并且增加了再填充操作的时间长度。
图10显示了实验取得的在公共墨通道上的再填充时间tr(μs)和压力变化ΔP(Pa)之间的关系。在压力室的压力变化可以被认为是在喷墨记录头操作过程中的压力降。这样，实际上该图表明了在公共墨通道上低于800Pa的压降可以提供基本上恒定的再填充时间，如图10中在-800Pa处垂直延伸的虚线的右侧所示。另一方面，高于800Pa的压降显著地增加了再填充时间，如虚线左侧所示。
在一定程度上，在再填充时间和压力降之间的关系会根据墨的表面张力、喷嘴直径等而改变。通常，在具有15至40μm的喷嘴直径、并且墨表面张力为20至40mN/m的喷墨记录头中，如果公共墨通道上压力降保持低于800Pa，合适的再填充速度可以得到保证。
这样，供墨系统的流阻“r”满足如下关系
r＜800/(q·N·f) (3)，其中N，q和f分别表示与公共墨通道连通的压力室的数量、各喷嘴一次喷出的墨滴体积[m3]，和喷墨的频率。
关系(3)被用于在公共墨通道中具有960Pa的压力降的上述示例性的多喷嘴喷墨记录头。在这种情况下，再填充时间从800Pa压降的情况增加大约8微秒而达到58微秒。这使得再填充时间适合于20kHz从喷射频率或50微秒的喷射周期，从而不能得到正常的喷墨操作，导致不稳定的喷墨。需要注意，如果供墨系统的流阻被设置为等于或低于1.25×1010Ns/m5，则公共墨室中的压力降被抑制到800Pa或更小。如果这是可能的，则所有喷射器以20kHz或以上的频率同时和重复地喷射不会造成操作的不稳定。
如前所述，本发明的喷墨记录头定义了不显著增加再填充时间的供墨系统，其考虑了在重复喷墨期间公共墨通道中的压力降及其对再填充时间的影响。
现在，将参考优选实施例更具体地说明本发明。
参考图11，根据本发明第一实施例的喷墨记录头具有与图1和5所示的构成相似的构造，但其中的尺寸是不同的。喷墨记录头体通过将多个薄板或膜(每个具有多个打出的孔)焊接而形成。在该例子中，用热固粘合层将多个厚度分别在50至70μm的不锈钢片叠在一起，热固粘合层的厚度大约为5μm。
本实施例的喷墨记录头具有64个喷射器18，图中示出了其中的七个。喷射器18通过公共墨通道13相连通。公共墨通道13通过第一管线15、过滤器16和第二管线14与墨库17连通，其具有将墨从墨库引入压力室11的功能。在该实施例中，公共墨通道13、第一管线15、过滤器16、第二管线14以及墨库17构成了供墨系统。
再参考图1，图11所示喷墨记录头的每个喷射器具有通过墨入口端64与公共墨通道63连通的压力室61。例如，墨粘度为3mPa·s，表面张力为35mN/m。每个压力室61与用于从压力室61喷墨的喷嘴62相关。在该实施例中，喷嘴62和墨入口64具有共同的结构，包括直径为30μm的开口和长度为65m的锥形部分。开口通过挤压(pressing)形成。
压力室61配备有设在压力室61底部的膜片65。压电执行器66将机械力通过膜片65施加到压力室61，以增加或减小压力室61的体积。膜片65是由电铸成型工艺所成形的薄镍板实现的。压电执行器66是通过叠置压电陶瓷片实现的。压电执行器66由驱动电路(未示出)驱动，以改变压力室61的体积，从而在压力室61产生压力波。压力波将喷嘴62附近的墨移动，将墨从喷嘴62作为墨滴67喷出。喷墨记录头的再填充时间在体积为25皮升的墨滴以1kHz的低频从单个喷射器喷出时是大约60微秒。
回到图11，在本实施例的喷墨记录头中，公共墨通道13的宽度为2.5mm，高度为215μm，长度(Lp)为20mm。在此情况下，公共墨通道13的流阻计算为1×1010Ns/m5。在公共墨通道13和从其到喷射器18的连通的构成中，从公共墨通道13看去，喷射器18具有不同的流动长度，分别如图11所示的那样为L1，L2，L3...。在这种情况下，对流阻精确的计算应当优选基于图9所示的等效电路图。但是，实际的流阻可以通过简化的构成即根据长度为Lp的中央喷射器确定所有喷射器18的流体长度的方法而得到。由形成为公共墨通道13底板的树脂膜构成的空气阻尼器确保公共墨通道13有足够的声容。
管线14和15的每一个具都有圆形的截面，并具有1.2mm的内径和5mm的长度。每条管线的流阻为2.9×108Ns/m5。过滤器16由金属筛网构成，筛孔大小为10μm左右，过滤器16的流阻测量值为1.2×109Ns/m5。墨库17由于有较大的截面，所以其流阻较低，为2×108Ns/m5。
在本实施例的喷墨记录头在喷墨过程中改变喷射频率和墨滴体积时对其进行测量。结果示于图12。供墨系统的总流阻为3.3×1010Ns/m5。这在供墨速率为2.4×10-8m3/s或更低、可以使用公式(3)时，可以允许公共墨通道13具有800Pa或更低的压力降。
因此，对于25皮升的墨滴体积，如图12所示，在15kHz或更低的喷射频率(相当于图12中所示的供墨速率为2.4×10-8m3/s的供墨速率)可以得到稳定的喷墨或基本恒定的滴速。仍如该图所示，较大的30皮升的墨滴体积对大约10kHz或更低的喷射频率也提供了稳定的喷墨或基本恒定的滴速。
应当说明，如果体积为15皮升或更大的墨滴以15kHz或更高的频率喷出时，具有64个或更多个喷射器的喷墨记录头实现了高速打印，达到每分钟可打印两张A4尺寸的纸的打印速度。
作为比较，制造一具有相似结构但其公共墨通道的高度为0.15mm的比较例的喷墨记录头，对该喷墨记录头进行类似的测量。在比较例的记录头中，总的流阻是大约9.1×1010Ns/m5。测量结果在图12中用虚线表示。从该图中可见，比较例的记录头在供墨速率为0.88×10-8m3/s或更大时，在公共墨通道中受到800Pa的压降。这意味着体积为25皮升的墨滴以15kHz或更高的频率喷出时不能满足公式(3)。在实验中，已经证实6kHz或更高的喷墨频率表现出不稳定的滴速。通过频闪观测仪观察墨滴，发现大体积墨滴和小体积墨滴交替地喷出。观察到体积较大的30皮升的墨滴在4kHz或更高的喷墨频率时表现出不稳定的喷射。要说明的是，在以较低的频率驱动时，对所有的喷嘴都实现了稳定的喷射，从而表明在喷墨记录头中公共墨通道的声容是足够大的。
从上面的实验可知，已经确认单独较大的声容不会必然地提供稳定的高频率喷射。这意味着可以仅通过在考虑到墨滴体积、喷嘴数目和最大喷墨频率的情况下设计公共墨通道的最佳流阻和设计合适的声容来得到所有喷嘴的稳定的同步喷射。
参考图13，根据本发明第二实施例的喷墨记录头与第一实施例的喷墨记录头的基本结构是相似的。本实施例的喷墨记录头包括在墨库37和第二管线34之间设置的辅助墨库38和墨管39。墨库37和第二管线34都与第一实施例中的相似。喷墨记录头具有128个喷射器。在本实施例中，具有大体积的墨库37与喷墨记录头分开设置，并通过长度为400mm的墨管39与喷墨记录头连接。可以考虑本实施例的大量喷射器和长的墨管39会造成不稳定的同步喷射。
但是，在本实施例中，墨管39的内径为2mm，这将墨管的流阻抑制到3.1×109Ns/m5。公共墨通道33的高度也为310μm，其宽度为2.5mm，长度为29mm，这将公共墨通道33的流阻抑制到1.0×1010Ns/m5。通过减小其它部件的流阻，供墨系统的从墨库37到公共墨通道33的整个流阻为1.25×1010Ns/m5。这样即使当有128个喷射器以喷射频率为20kHz来同时地喷墨时，也能满足公式(3)。
使本实施例的喷墨记录头在改变喷射频率和墨滴体积时工作，并观察其喷射状态。通过观察已经证实，在25皮升的墨滴体积下高达21kHz的喷射频率时的滴速是恒定的。还证实稳定喷射对于在30皮升的墨滴体积下高达17kHz的喷射频率时也可实现稳定的喷射。应当说明，在21kHz的喷射频率下喷出体积为25皮升的墨滴的128个喷射器可以达到每分钟10张纸的打印速度。
为了比较，制造一具有相似结构但其墨管内径为1mm的比较例的喷墨记录头，并在与本实施例相似的条件下工作。在该比较例的喷墨记录头的内管中流阻高达4.9×1010Ns/m5。从而使得整个供墨系统的总流阻为5.8×1010Ns/m5。在墨滴体积为25皮升并且以5kHz的频率喷射时、以及在30皮升的墨滴体积下高达4kHz的喷射频率时喷墨是不稳定的。
如上所述，本实施例的喷墨记录头通过设置墨管的内径等在合适的值，从而即使对于墨管有较大长度的情况也能在较高的喷射频率下满足公式(3)。
参考图14，其为根据本发明第三实施例的喷墨记录头，其与第一实施例的喷墨记录头的基本结构是相似的。但是喷射器的布局不同，此处是布置成矩阵的形式，并且供墨系统的结构也是不同的。该供墨系统有一个公共墨通道，包括主流43和多个支流48(24个)，各支流对应于在一列中设置的喷射器数(8)。该矩阵布局使192个喷射器形成高密度布局。这种喷射器的高密度布局进一步降低了供墨系统的流阻。
主流43平均是2.5mm宽、400μm高和15mm(Lp)长。支流48对各喷射器平均为1mm宽、400μm高和8mm(Lp)长。这种布局使公共墨通道整个长度上的流阻为9.7×1010Ns/m5。公共墨通道的主流43在主流43中心接收墨以减小流阻的影响。
第一和第二管线45和44为圆筒状，其内径为1.2mm，总长度为5mm。这使得管线的总流阻为2.9×108Ns/m5。过滤器46的流阻为5.0×108Ns/m5，而墨库47的流阻为5.2×108Ns/m5。这样，供墨系统的总流阻为1.1×1010Ns/m5。192个喷射器在喷射频率为15kHz、同时喷射体积为25皮升的墨时满足公式(3)。
使本实施例的喷墨记录头在改变喷射频率和墨滴体积时工作，并观察其喷射状态。通过观察已经证实，在25皮升的墨滴体积下高达16kHz的喷射频率时的滴速是恒定的，从而实现了稳定的喷射。还证实对于在30皮升的墨滴体积下高达13kHz的喷射频率时也可实现稳定的喷射。应当说明，在16kHz的喷射频率下喷出体积为25皮升的墨滴的192个喷射器可以达到每分钟14张纸的打印速度。
根据本发明第四实施例的喷墨记录头与图11所示的第一实施例的喷墨记录头的基本结构是相似的。但是与其公共墨通道13、管线14和15以及过滤器16的尺寸不同。更具体地说，公共墨通道13的高度为320μm，管线14和15的内径为1.5mm，而过滤器16的直径是第一实施例中的两倍。使用更高粘度的10mPa的墨以抑制墨在普通纸张上的渗透和提高打印质量。
通过增加管线和过滤器的横截面，供墨系统的流阻被减低至3.3×109Ns/m5，这样即使在10mPa的更高的粘度下，也取得了与第一实施例相同的效果。因此，由喷射器进行的同步喷射满足公式(3)并在供墨速率为4×10-8cm3/s的情况下实现了使压力降等于或低于800Pa。
使本实施例的喷墨记录头在改变喷射频率和墨滴体积时工作，并观察其喷射状态。结果如图15所示，其表明，在25皮升的墨滴体积下高达12kHz的喷射频率时的滴速是恒定的，从而实现了稳定的喷射。还证实对于在30皮升的墨滴体积下高达10kHz的喷射频率时也可实现稳定的喷射。本实施例显示对于墨粘度较高的情况也能进行稳定的重复喷射。应当说明，在本实施例中最大喷射频率在一定程度上低于第一实施例的情况，因为更高的墨粘度增加了再填充时间。
为了比较，制造一具有相似结构但公共墨通道高度为150μm、墨管内径为1.2mm并且过滤器的尺寸与第一实施例中的相似的比较例喷墨记录头，并在与本实施例相似的条件下工作。测量的结果如图15中的虚线所示。在墨滴体积为25皮升并且以2kHz以上的频率喷射时喷墨是不稳定的，并且一些喷嘴表现出在2kHz以上的频率时不喷墨。对不喷墨的喷嘴内部的研究表明，在喷嘴中引入了气泡，显然这是再填充过程中的缺陷。
如上所述，本实施例的喷墨记录头在墨粘度较高的情况下，根据墨滴直径、喷射器的数量和喷射频率将流阻设置为合适的值，从而实现了在较高的喷射频率下稳定地同时喷墨。
一般而言，常规喷墨记录头使用粘度为3mPa·s的墨。粘度为5mPa·s的墨可以减少在普通纸张上的渗透和提高打印质量。另外，象具有更高的气候适应力或具有紫外线固化特性的高性能墨一般具有5mPa·s以上的粘度。因此，上述实施例的可使用高粘度墨的喷墨记录头比常规喷墨记录头具有更多的优点。
在上面的实施例中，用压电执行器作为压力波生成器。但是本发明可适用于具有其它压力波生成器的喷墨记录头，例如具有使用静电或磁力的电气-机械变送器、或使用沸腾来生成压力波的电气-热能变送器的喷墨记录头。另外，压电执行器可以是单板执行器或其它类型的执行器，而不是堆叠的压电执行器。在上述实施例中使用的Caesar型喷墨记录头可以用其它类型的喷墨记录头来替代，例如使用将压力室形成在压电执行器上的沟槽中的结构。
本发明可以应用于使用单色墨和彩色墨的喷墨记录头、或是在除了常规的记录纸以外的其它记录介质上打印的喷墨记录头。这些记录介质可以是高聚合物膜或玻璃板，它们在打印后可用作滤色器。另外，通过使用如上所述的技术从喷嘴将融化的焊料喷到衬底上，可以形成突起。再有，本发明还适用于在各种工业领域中使用的普通的液体喷射器。
上述实施例中的同步喷射也可以是喷射器以很小的时间间隔进行喷墨，只要供墨系统的墨流可以被视为恒定流体即可。同步喷射可以由设置在喷墨记录头中的全部喷射器的一些来实现。例如，可以是在全部喷射器中一半的喷射器(奇数编号的或偶数编号的喷射器)喷出墨滴而非全部喷射器喷出墨滴。另外，每个压力室可以与多个执行器相关联。
因为上述实施例仅是作为例子描述的，本发明并不限于上述实施例。在本发明的范围内，本领域的技术人员可以从上述说明中容易地预见到各种修改或替代手段。
权利要求
1.一种包含供墨系统的喷墨记录头，该供墨系统具有墨库和与该墨库连通的公共墨通道；以及多个压力室，每个压力室与所述公共墨通道相连通，各所述压力室包括用于从相应一个所述压力室喷墨的墨嘴，其中所述供墨系统在恒定的墨流中产生的流阻r[Ns/m5]满足如下关系式r＜800/(q·N·f)其中q，N和f分别代表各所述喷嘴一次喷出的墨滴体积[m3]，所述压力室的数量和用于喷出所述墨滴的频率。
2.根据权利要求1所述的喷墨记录头，其中所述供墨系统的流阻包括所述供墨系统的具有圆形横截面的第一部分的第一流阻r1和所述供墨系统的具有矩形横截面的第二部分的第二流阻r2，所述r1和r2是分别是通过如下公式计算的r1＝∑(128ηL1/πd4)；和r2＝∑[128ηL2{0.33+(z+1/z)}/S2]其中η，L1，d，L2，z和S分别是墨粘度[Pa·s]，所述第一部分的长度，所述第一部分的直径，所述第二部分的长度，所述第二部分的所述横截面部分的长宽比，和所述第二部分的横截面积。
3.根据权利要求1所述的喷墨记录头，其中所述墨滴体积q是1.5×10-14m3或更大，并且所述喷射频率f为10kHz或更高。
4.根据权利要求1所述的喷墨记录头，其中所述压力室的数量N为64个或更多。
5.根据权利要求1所述的喷墨记录头，其中所述墨粘度η为5mPa·s或更大。
6.根据权利要求1所述的喷墨记录头，其中所述供墨系统还包括在所述墨库和所述公共墨通道之间的辅助墨库和墨管。
7.根据权利要求1所述的喷墨记录头，其中所述公共墨通道包括主流和与所述主流连通的多个支流，所述多个喷嘴被设置为矩阵形式，沿所述支流排列有一列所述喷嘴。
8.根据权利要求1所述的喷墨记录头，其中所述压力室与压电执行器，电气-机械变送器和电气-热能变送器之一相关。
9.根据权利要求1所述的喷墨记录头，其中所述喷嘴将墨滴喷射到记录纸，聚合物膜和玻璃板之一上，所述墨滴包括墨和融化的焊料之一。
10.一种设计具有供墨系统的喷墨记录头的方法，该供墨系统具有墨库和与该墨库连通的公共墨通道；以及多个压力室，每个压力室与所述公共墨通道相连通，各所述压力室包括用于从相应一个所述压力室喷墨的墨喷嘴，所述方法包括如下步骤确定所述供墨系统在静态墨流中产生的流阻，以将每个所述喷嘴的再填充时间抑制到低于为所述喷嘴设计的特定的喷射频率。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述供墨系统在静态的墨流体中产生的流阻r[Ns/m5]满足如下关系式r＜800/(q·N·f)其中q，N和f分别代表各所述喷嘴喷出的墨滴体积[m3]，所述压力室的数量和用于喷出所述墨滴的频率。
全文摘要
一种包含供墨系统的喷墨记录头,该供墨系统具有墨库和与该墨库连通的公共墨通道;以及多个压力室,每个压力室与公共墨通道相连通,各所述压力室包括用于从相应一个所述压力室喷墨的墨嘴,其中所述供墨系统在基本上为静态的墨流体中产生的流阻r[Ns/m
文档编号B41J2/14GK1377774SQ0210788
公开日2002年11月6日 申请日期2002年3月26日 优先权日2001年3月26日
发明者奥田真一 申请人:富士施乐株式会社