专利名称：用在连续喷墨式印刷装置中借助附加墨滴的高分辨率印刷方法
技术领域：
本发明涉及一种用在连续喷墨式印刷装置中的一种高分辨率的印刷方法，尤其是其中使用被充电控制的附加墨滴印刷的高分辨率的印刷方法。
使用由一调制系统提供的确定直径的小墨滴的持续射流的油墨喷射印字的传统技术在于借助一个合适的电极使小墨滴充上静电荷，在一个带有很大电位差的电极中，可变化的充电墨滴的运行路线产生正比于墨滴电荷值的偏转，这种偏转与载体的移动相结合可以用作符号及字体的距阵式印刷。
在具有连续喷射式喷墨印刷装置中，由一个喷流的喷口加压并喷射油墨，在其中形成一系列破碎的小墨滴，在该小墨滴上的电荷是可随之选择地提供的，这些墨滴被引向一个印刷载体或引向一个沟道中。其中一些方法可用来对墨滴的形成进行控制及使其同步，即使喷口振动或利用在喷口前方专门设置的一个由压电陶磁元件激励的谐振器引起在喷口高度上油墨压力的干扰。由于这个干扰，射流按照干扰频率破碎成均匀的小墨滴，常常也伴随有更小的称之为附加墨滴的小墨滴。
在传统的印刷装置中，主墨滴是用于印刷的，而这些附加墨滴的出现应受到控制。事实上，当对墨滴施行充电时，附加墨滴的电荷密度比主墨滴大得多。如果这个附加墨滴经过偏转电场时，它遭到大的偏转，则结果是或弄脏了偏转电极使其绝缘损坏，或在印刷载体上印出了干扰墨迹。
公知技术(参见1979年的“流体物理年鉴”中BOGY的文章)指出，如果确定了油墨的物理特性、喷口、干扰频率、喷射速度、谐振器装置及谐振器上施加的激励信号的形状，则可以利用在谐振器上所加干扰信号的幅度控制墨滴的形成。特别是也可以利用对干扰信号中的幅度的选择禁止附加墨滴的形成。
在日立公司的美国专利US4068241中，已描述了一种涉及利用附加墨滴印刷的发明。根据该发明可以用也可不用附加小墨滴进行印刷，供给谐振器的信号幅度对于墨滴的形成频率进行调制，以便形成附加墨滴或禁止其形成。所有的墨滴(主墨滴及附加墨滴)在它们形成时，由于在充电电极上施加了一个持续充电电压而用静电感应进行充电，然后它们在一确定的电场中被产生偏转。主墨滴因其电荷密度小其偏转值也小，并被回收到一通道中。附加墨滴因其电荷密度很大故沿大偏转轨道前进，并将其墨迹击中印刷载体。这种技术在避免使用精密制造的小直径喷口情况下，使高分辨率的印刷成为可能(附加墨滴及所产生墨迹的尺寸是非常小的)。这也可以摆脱了在其使用时的喷口堵塞问题。
在实践中，应用这项技术仍存有困难。事实上，由于正确控制谐振器的生产重复性有困难，因而利用谐振器提供信号来控制附加墨滴的方法是难以实施的。一般地、须将每个谐振器进行定标，以便了解它的机电效率。再者在充电电极上施加的持续充电电压可能导致电解现象以及导致在喷口前方油墨流经的孔径中的腐蚀。
另一方面，利用这种方法的印刷在这样的意义上是“二元制”的即附加小墨滴或是被印出，或是被禁止而与其余具有同一偏转度的射流一起进入沟道中再循环。为了在一个大的表面上进行印刷，必须在印刷头与印刷载体之间施行多次相对位移。也可以并列地设置多个喷口，它们的印迹需有相同印刷分辨率，但是这带来了在设置上有困难的微形化问题。尤其是，彼此很近的不同喷口的谐振器之间的声学耦合一般地会干扰墨滴的形成并使得附加墨滴的控制非常难以实行。
本发明的主要目的在于利用附加的小墨滴进行印刷，并能同时地克服上述的缺点。
在试验探索的指导下，我们强调了由在充电电极上施加适当的充电电压来作为产生附加小墨滴的条件。
根据本发明，同样也可以通过在充电电极上施加适当的一组充电电压与一个偏转电场的作用相结合控制自附加小墨滴形成时起直至到达印刷载体止附加小墨滴的轨迹，此外，还可以偏转出一系列朝向载体的不同轨迹的附加小墨滴。于是便如同在传统使用的主墨滴印刷的印刷装置中那样，获得了相应于同一喷口发出的不同轨迹的印刷点线，而符号与文字的印刷只需在印刷头及所述载体间结合连续线印刷进行一种简单的相对运动。
以上描述的本发明的特征以及其它的特征将会通过阅读对与附图相关的实施例的描述而变得更加清楚，其中附图为
图1表示在应用本发明方法的喷墨印刷装置中一个印刷头主要电的及机械的部件的慨图;
图2a至2c在公知技术中得到的附加墨滴的形成及状态慨图;
图3表示在未产生附加墨滴的分裂情况中得到的墨滴的形状慨图;
图4a和4b相对于工作时间的充电电压的波形图，在第一种情况中，产生附加墨滴，在第二种情况中，产生并利用附加墨滴印刷;
图5a至5e射流的状态图，其上方及下方破碎轨迹相应于图4a中的相继时间间隔;
图6a至6e射流的状态图，其上方及下方破碎轨迹相应于图4b中的相继时间间隔;
图7在三种不同喷射速度时，形成附加墨滴所需最小充电电压与谐振器激励有效电压之间关系的三条曲线;
图8表示主墨滴及附加墨滴的直径与喷口直径之间的关系的曲线图，它作为下文中确定参数的函数，并在专门条件下作为喷射速度的函数;
图9应用本发明方法的一个印刷装置的功能图，尤其是表示附加墨滴相对于主墨滴具有不同的偏转幅度。
在图1中示出的印刷头是一种连续喷射型喷墨印刷头。它基本上展示了一个在压力下由油墨回路3提供油墨及产生一连续射流J的喷口2。在由调制电路5供电的谐振器4的振动影响下，该连续射流J在一个充电电极的中央分割成一系列连续的小滴。充电电极与一充电电路7相连接。然后小滴经过检测器8中，该检测器8是用来例如检测小滴速度及相位的检测器。该检测器8可以作成油墨调节装置的一部分，并且它的功能类型描述在登记号为8812935的并以本申请人名义提交的专利申请中。带电的墨滴再被在偏转电极9中维持的恒定电场偏转，没有偏转或稍有偏转的墨滴由通道10回收，而其余的继续飞向一个未在图中示出的记录载体。被通道10回收的墨滴再循环到油墨回路3中。
在没有电的作用时，射流变成小滴G的破碎现象是在实时明显地经过实验而被证实的，而形成能够完全描述这种现象的一种理论则在聚焦方面还留有很大困难，前述的公知技术特别指出谐振器激励信号幅度，由式λ＝Vjei/f(这里Vjei表示喷流的速度，f表示谐振器激励的频率)确定的干扰波的波长或在激励信号中出现的各谐波，这些参数可以导致如图2中所示的附加小墨滴S的形成。在这些参数的组合作用下，处于主滴中间的这些附加小滴可能是“快”的，如图2a所示，这就是说它们比主墨滴的速度更快;附加小滴也可能是“慢”的，如图2b所示，其中它们的速度比主墨滴的速度慢，或者是“无限”的，如图2c所示，这时它们的速度与主墨滴的速度相等。
图3慨要地示出在传统印刷装置上，在最佳运行条件下获得的未破裂的射流形状，这种传统装置是指在其中使用主墨滴G印刷的一种印刷装置。在断裂点的前方直接地连接主滴的韧带状的墨流x并未引起附加墨滴的形成，但是导致在刚形成的主滴上出现一小尾Y。至少上述参数(激励信号幅度，激励波长，激励信号中的谐波)中的一个起作用时就能获得该最佳状态。
根据本发明，当在一个形成中的墨滴Gn上施加适当的充电电压Vn，而其余的参数取与图3中所示情况相同的值时，就获得了一个附加墨滴Sn的形成。在形成中的墨滴Gn上施加的电压Vn表示在图4a的波形图上，其上持续的时间间隔被瞬时tn、tn+1等所限制，它相当于信号激励周期，也就是说形成相继的墨滴Gn、Gn+1等。
在延续到tn的周期中，它相当于形成墨滴Gn，也就是由图5a表示的状态，当施加充电电压Vn(在该所选择的情况下充电电压为负)时，电荷的符号相反，由图5a中图示符号“+”表示，它们出现在持续射流J的顶端上。当射流断裂时，也就是在瞬时tn后，墨滴Gn被分离出来并携带着电荷，同时仍保持着沿原轨道前进。这种情况表示在图5b上。可以注意到在瞬时tn及tn+1之间未施加充电电压，在墨滴Gn上携带的正电荷使正在形成的墨滴Gn+1上感应出相反极性的电荷。在由后文中描述的特征-喷射速度、激励信号的幅度及形状、所使用的油墨的物理特性所确定的条件下，在墨滴Gn表面出现的电荷中形成的具有足够排斥力量的墨滴尾部Yn引起了该尾部Yn与墨滴主体Gn之间的断裂，造成了附加小滴Sn的形成，如图5c所示。这个附加小滴Sn在由主滴上保留的正电荷的制约排斥力及墨由墨滴Gn+1携带的负电荷产生的吸力的合力作用下，很快地接近后一墨滴Gn+1，如图5d所示，并在它产生后的短时中就与墨滴Gn+1聚合在一起，如图5e所示。在这种情况下，附加小滴Sn与主滴Gn+1的快速聚合就不可能将附加小滴用来印刷。
根据本发明的一个特征，在应用中当随后的墨滴Gn+1形成时，阻止这种聚合现象发生，也就是说在tn及tn+1瞬时的中间，加上一个幅值差不多等于Vn的电压Vn+1，以便使墨滴Gn+1充上与附加墨滴Sn携有的电荷极性相同的电荷。电压Vn+1表示在图4b中的波形图上。以同样的方式、如从图6c至图6e中所看到的，附加小滴Sn在射流中在主滴Gn及Gn+1之间保持足够长的时间，以便穿过设在后方的偏转电场而朝向载体飞去。因此附加墨滴Sn印刷的特征在于连续的幅度差不多相等的充电电压Vn和Vn+1的两个连续矩形波。控制附加墨滴Sn所必须的电压Vn+1一般地引起了另一附加墨滴Sn+1的形成，如图6d所示。其原因和在由图5所示的附加墨滴Sn的情况中所述的理由相同。然而在主滴Gn+2形成时，由于缺少电压Vn+1，该附加墨滴不能用于印刷，因为它们与主滴Gn+2很快地聚合在一起。
尽管附加墨滴的形成与控制过程的理论分析是非常高深并有局限的，但是该方法试验上的实施是能重现的。实施中必须最好使用低粘度的油墨，在3厘泊(centipoises)以下是有利的;大幅度的谐振器的激励及相对提高的射流速度。
在一个使用了直径为50微米的喷口、墨滴频率为83.333KHZ、三角波形的激励信号及粘度为3厘泊的油墨的特定实施例中，产生附加墨滴所需最小充电电压Vcmin与谐振器的有效激励电压Vpiezo之间的关系在图7中给出。在图7上给出的曲线C1、C2及C3各自对应于三种射流速度曲线1对应19米/秒，曲线2对应20米/秒，曲线3对应21米/秒。对于这些不同的射流速度，附加墨滴相对于主墨滴的相对尺寸为1/3左右级别。这些结果与现今科技著作中发表的结果十分吻合(见“流体物理”lafrance P.第18卷，1975年，第428页)并图示地给在图8上。曲线R1及R2分别代表主滴及附加滴的直径与喷口的直径之间、根据由下式确定的参数K所决定的关系K＝ (πφB)/(λ)式中φB为喷口的直径，而λ为干扰波的波长(λ＝Vjet/f，Vjet表示喷射速度，f表示谐振器的激励频率)。在喷口直径确定为50微米及振荡器激励频率为83.333KHZ时，其关系同样地表示在图8上，相对于第二横座标即喷射速度，单位为米/秒。可以验证，附加滴尺寸相对于速度的变化比主滴尺寸相对于速度的变化更为敏感。这就许可根据印刷着点的直径选择采用的喷射速度。
在给定的充电电压下，附加滴所走轨道与主滴在其余区域是不同的。墨滴的偏转实际上正比于它们直径平方的倒数，主滴偏转幅度与附加滴偏转幅度之间的比例大约是1/9。因此这就允许在采用不同的充电电压下，以多种偏转值使用附加滴印刷，而主滴被通道回收了。这被描绘在图9上，该图表示出图1中印刷头的主要部件，并用OY表示印刷载体平面。在图9的下面部分，其波形图代表相应于为了矩形成附加滴Sn，Sn+1及Sn+2而在充电电极6上使用的充电电压的矩形波。如上所述，所述矩形波相当于二个主滴形成的时间，而附加滴位于这二个主滴的中间，即该矩形波宽为激励信号周期的二倍。
本发明方法的应用是比较简单的，因为只需对用主墨滴印刷的传统印刷装置作少量的改动。在传统印刷装置中所使用的印刷装置的某些调节与控制方法(充电与相位检测的同步，墨滴速度的控制，粘度的调节，后二者已被描述在已经引证的专利申请8812935中)仍是可用的。只是充电电压要根据希望采用主滴还是附加滴印刷而作出改变。
应注意到可以考虑一种混合的印刷方法，在其中可以选择主滴或附加滴方式进行印刷。在这样一种方法中以适当的方式改变充电电压，就可以或是引起附加滴的电荷的形成;或是不分离出附加滴仅主滴充电，而在使用主滴印刷的情况下，偏转电极中的电压相对于用于附加滴的电压值来说应该显著地增大。
权利要求
1.用在连续喷墨式印刷装置中的借助于附加墨滴的高分辨率印刷方法，其中由一个喷口(2)喷射的连续墨射流(J)被一个破碎装置(4，5)破碎成差不多等距离及等尺寸的小墨滴，在一个充电电极(6)中所述小墨滴被选择地充上静电，所述小墨滴然后经过偏转电极(9)，在该电极中它们根据其电荷密度偏转，其特征在于在一个墨滴(Gn)形成时通过在充电电极(6)上施加合适的充电电压(Vn)，在射流(J)破碎点的下方由所述墨滴(Gn)开始形成一个附加墨滴(Sn)；还在于在墨滴(Gn+1)形成时在充电电极上施加一个差不多与充电电压(Vn)相等的充电电压(Vn+1)，以禁止已形成的指定用于印刷的附加墨滴与随后的墨滴(Gn+1)相聚合、直到所述确定用于印刷的附加墨滴在偏转电极(9)中产生了偏转时为止，对于充电电压(Vn)的给定值及充电电压(Vn+1)的给定值同样地是根据作印刷用的所述附加墨滴所需的偏转幅度进行选择的。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于为了其实施，所使用的油墨是一种低粘度的油墨。
3.根据权利要求2的方法，其特征在于油墨的粘度为3厘泊。
4.根据权利要求1至3中一个权利要求的方法，其特征在于采用了一个大的射流速度及一个大的激励信号幅度。
5.根据权利要求1至4中一个权利要求的方法，其特征在于利用改变射流(J)的速度改变附加墨滴的尺寸。
6.根据权利要求1至5中一个权利要求的方法，其特征在于该方法被使用在与利用主墨滴(Gn)进行印刷的印刷方法的结合中。
全文摘要
在一种印刷装置中连续的油墨喷射流在一充电电极(6)中被破碎成墨滴(G)，该充电电极可选择地充上静电，所述墨滴再进入偏转电极(9)中，在所述主墨滴形成时通过在充电电极上施加适当的电压，由一个主墨滴开始形成一个附加墨滴(Sn)，并通过同样地在所述主墨滴形成时施加电压于充电电极上来阻止刚形成的用于印刷的附加墨滴与随后的主墨滴的聚合。
文档编号B41J2/02GK1042234SQ89108
公开日1990年5月16日 申请日期1989年10月17日 优先权日1988年10月18日
发明者阿伦·杜南德, 艾力克·马盖兰 申请人:伊马治公司