使用介电迁移力的喷墨打印方法及喷墨打印装置的制作方法

专利名称：使用介电迁移力的喷墨打印方法及喷墨打印装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于喷墨打印机的喷射装置，且更具体地，涉及一种通过使用由各自具有不同的热膨胀系数的多个垫层构成的一多层薄膜来取得增强的打印机操作的喷射装置。
以下参照

图1描述常规的喷墨打印机的结构及工作原理。
喷墨打印机具有一CPU，用于通过其的打印机接口接收来自一主计算机(未示出)的信号，读取存储初值的EPROM11中的系统程序以操作打印机及整个系统，分析存储的值，并根据程序的内容输出控制信号；-ROM，用于存储控制程序及若干字形；-RAM，用于在系统工作期间临时存储数据；-ASIC电路20，其包括大部分CPU控制逻辑电路，用于将数据自CPU发送给各个外围部件；一打印头驱动器30，用于根据自ASIC电路20发送的CPU10的控制信号，控制墨盒31的操作；一主电机驱动器40，用于驱动主电机41并用于防止墨盒31的喷嘴暴露给空气；一回车电机驱动器50，用于控制回车电机51的操作；及一移行电机驱动器60，用于控制作为一进给/排出纸张的步进电机的移行电机61的操作。
在上述装置的操作中，该装置被提供有通过其打印机接口来自主计算机的打印信号，以根据CPU10的控制信号驱动各电机41、51和61，并因此执行打印。这里，墨盒31通过经其喷嘴内的多个孔喷射细小的墨滴而形成字点。
图2中所示的墨盒31包括一外壳1，其形成了该盒的外部轮廓，用于容纳保留油墨的填充有海绵状材料的内舱2，包括在墨盒31中的还有图3中所示的打印头3，其具有一用于去除油墨中杂质的过滤器32；一用于容纳过滤后的油墨的油墨竖管容器33；一用于将通过油墨竖管容器33传送的油墨提供给基片35的油墨容室(见图5)的油墨通路34，及一具有多个孔，用于将自油墨通路34传送的油墨容室中的油墨喷射到打印媒质(例如一页纸)上的喷嘴板111。
如图4中所示，除了油墨通路34，打印头3包括有多个用于将油墨自油墨通路提供给喷嘴板111的各孔的油墨通道37；多个用于喷射通过油墨通道37传送的油墨的喷嘴110；和多个用于向基片35供电的电连接件38。
如图5中所示，打印头3包括一形成在硅基底101上的硅氧化物(SiO2)层102上的由电能加热的电阻器层103；一对形成在电阻器103上并因此提供给以电能的电极104和104′；一形成在电极104和104′及电阻器层103上的，用于防止加热部分105因通过对油墨的化学作用而被蚀刻/损坏的保护层106；一用于通过加热部分105的加热而产生汽泡的油墨容室107；一油墨阻挡层109，起到确定使油墨流入油墨容室107的空间的墙壁的作用；及一具有孔110的喷嘴板111，用于喷射通过油墨容室107中的容积变化，即汽泡而被推出的油墨。
这里，喷嘴板111与加热部分105以一固定间距相互面对。该对电极104和104′电连接至一终端(未示出)，该终端又被连至打印头控制器(图1)，以使油墨从各喷嘴孔喷出。
这种结构的常规的油墨喷射装置如下工作。根据通过打印机接口从CPU10接收的打印控制命令，打印头驱动器30将电能传送至位于要打印所需字点的位置的该对电极104和104′。该电能通过所选择的电极104和104′被传送过一预定的时间，并通过如由P＝I2R确定的电阻热量(以焦耳测量)对加热部分105进行加热。该加热部分105被加热到500℃-550℃，并且该热量传导至其上的保护层106。这里，当该热量被加至直接湿润该保护层的油墨时，由产生的汽压所生成的汽泡的分布在加热部分105的中心为最高并且对称地分布(见图6)。因此油墨被加热并形成汽泡，以使加热部分105上的油墨体积通过生成的汽泡而被改变，该由体积变化而被推出的油墨通过喷嘴板111的孔110而喷出。
在此时，如果提供给电机104和104′的电能被切断，加热部分105被瞬时冷却且膨胀的汽泡因此被收缩，从而使油墨返回到其原始状态。
这样被膨胀且通过喷嘴板的孔被排出的油墨以滴的形式喷到打印媒质上，由于表面张力而在其上形成一图案。这样，内部压力根据被排出的相应汽泡的体积而降低，使得油墨容室经油墨通路自容器被再填充入油墨。
然而，上述常规的油墨喷射装置存在有几个问题。首先，由于通过高温加热在油墨中形成汽泡且油墨本身呈现一热变化，打印头的寿命因汽泡的冲击波而被降低。其次，油墨和保护层106相互起电作用，导致因加热部分105和电极104及104′的接口的迁移离子而发生腐蚀，从而进一步降低了打印头的寿命。第三，在包含油墨的油墨容室中形成的汽泡的影响增加了油墨容室的再填充时间。第四，汽泡的形状影响油墨滴的前进量、成圆率及均匀度，从而影响了打印质量。
在由Ahn Byung-sun递交的题为“用于喷墨打印机的喷射装置及其方法”的美国专利申请中描述了一种解决这些问题的改进的喷射装置。
在该技术中，一单层薄膜由具有高热传导性的均匀材料，例如Ag、Al、Cd、Cs、K、Li、Mg、Mn、Na或Zn制成。这样，通过该薄膜的上部(即与油墨容室接触的部分)及该薄膜的下部(即与加热容室接触的部分)具有相同的热膨胀系数，它们朝向于相邻的材料具有不同的热膨胀率，离开上部有较低的温度及较慢的体积变化率。因此，该薄膜的上部超向于开有裂纹。
而且，由于相对应于该薄膜的上部和下部之间的热变化，收缩率没有差异，油墨从油墨通路通过油墨通道到油墨容室的吸力较小。因此，在膨胀后，需要花较长时间使油墨回到其原始状态，这样就影响了供墨速度并减慢了打印速度。
因此，本发明涉及一种确实消除由现有技术的限制及缺陷所导致的一个或多个问题的喷墨打印方法和喷墨打印装置。
本发明的第一个目的在于提供一种喷墨打印方法，其在电极上施加相互不同强度的电能以在这些电极之间产生不同的电场强度，并因此使油墨的颜料颗粒迁移并被传送到打印媒质上以在其上形成字符而不使用喷嘴板。
本发明的第二个目的在于提供一种喷墨打印方法和喷墨打印装置，其不需要制造墨盒头的高度清洁的工作条件及油墨喷射装置的操作条件，可不使用任何加热装置和多层的保护部分而能敏感地克服热变化并执行打印。
本发明的附加特征及优点将在以下的描述中给出，且一部分在描述中是显见的，或可通过实践本发明而理解到。通过在所说的描述及其权利要求书和附图中所具体指出的结构，可实现并得到本发明的目的及其它优点。
为了实现具体及概括描述的这些及其它优点，并根据本发明的目的，公开了一种喷墨打印方法，包括有以下步骤提供电能给一打印头内的电极；在这些电极之间建立不同强度的电场；使油墨的颜料颗料迁移入高强度的一电场中；及使迁移的颜料颗粒被传送到打印媒质上进行打印。
根据本发明的另一目的，提供有一喷墨打印装置，包括有多个电极，它们以一给定的距离被相互隔开以使相互被电隔离以在多个喷嘴内建立不同场强的电场；第一支座，具有多个小孔并支持这些电极；多个电极层，提供电能并相互连接这些电极；第二支座，形成在一油墨存贮容器与这些电极层之间以构成一油墨容室，支持这些电极层并被用于均匀电场强度，及电连接装置，用于提供电能给这些电极层，其中如果通过电极层将电能提供给形成在喷嘴内的电极，朝向这些小孔线性地建立有不同场强的电场，并且油墨的颜料颗粒迁移入一高场强的电场内，向外喷射在打印媒质上。
可以理解以上一般性描述和以下详细叙述为示例性及说明性的，并意图提供如所附权利要求的对本发明的进一步说明。
所包括对本发明提供进一步说明的附图为本说明书的一部分，本发明的说明性实施例及其描述用于解释这些附图的原理。
附图中图1为常规的喷墨打印装置的方框图；图2为常规的喷墨打印装置的墨盒的截面图3为图2中打印头的放大截面图；图4为沿图3中线E-E所取的截面图并从A起示出；图5为沿图4中的F-F所取的放大截面图并从B起示出；图6示出了一常规的油墨喷射机构；图7为根据本发明的喷墨打印装置的打印头的放大截面图；图8为图7的喷嘴的放大截面图；图9至12各自说明了根据本发明的操作条件；及图13为表示时间与施加给电极层的电压的关系的波形图。
现将参照附图中示出的示例对本发明的优选实施例进行详细说明。
图7说明了根据本发明的一喷墨打印装置，且其为本发明的喷墨打印装置的打印头的放大的截面视图。
该打印头包括一喷嘴内部的多个电极201，各具有一半圆锥形截面和一具有小于油墨容室部分的内直径的直径的触纸部分，以通过施加给其以不同的电能使电极201之间的电场强度不同，且这些电极被相互电隔离；第一支座202，各支持电极201；多个电极层203，将电能提供给电极201并使电极相互连接；第二支座204，为了电场强度的均匀性，由绝缘材料制成，支持电极层203，并在它自身与油墨存储容器之间形成一油墨容室；及一电连接装置，用于提供电能给电极层203。
电极201的触纸部分的电场强度高于油墨容室附近其它部分的电场强度，且触纸部分的直径大约为20μm至40μm。油墨容室附近的其它部分的直径为40μm至130μm。由随着施加给电极201的电能而变化的电场强度所产生的一极化力(a)作用在电极201内部的颜粒颗料上，极化力的结果即介电迁移力F1作用于纸传送的方向上，一库仑力作用于电极层203的水平方向上。
图8为图7的一喷嘴的放大截面视图，且参考数字表示以下参考部分d为在某一颜料颗粒处的电极201之间的距离；d1为位于油墨喷射方向上的各小孔的直径；d2为一内部供电部分，一油墨存储容器的两电极之间的距离；r为该颜料颗粒与一小孔之间的距离；及δ为两电极之间的倾角。
图9示出了从不同方向看到的喷嘴，以进行更详细的叙述。图8的角度δ大于颜料颗粒与电极的角度θ，及r等于d/2tan(δ/2)图9至11示出了通过介电迁移力F1，即电极201之间的不同电场强度产生的极化力的结果而被喷出的油墨滴的生成步骤，首先参看图9，由电连接装置提供的电能通过电极层203被传送给各电极201，且电极201的电场强度通过各区域而变得不同。由于纸张附近的电极201的区域的电场强度高于邻近油墨容室的电极201的其它区域的电场强度。油墨中包含的颜料颗粒通过介电迁移力被移至这些小孔处。
将对上述机理作更充分的叙述。
当电能被施加给两电极201时，在两电极之间产生一电场，并且带有较小直径的喷嘴的小孔具有高电场强度。带有较大直径的喷嘴的其它小孔具有低电场强度。各颜料颗粒内的极化集中在高强度电场上，并且库仑力被平行分布。极化力的结果作用于产生高场强电场的区域，因此移至这些小孔处。极化力的结果被称为“介电迁移力”(F1)，并引起颜料的迁移。该介电迁移力为脱离电场中平衡及不平衡电场的两电极201之间所置放的颜料颗粒的极化电荷的交互作用。通常，该介电迁移力表达为1/2αVE2，其中参考字母表示α为感应的极化强度；V为一壳体体积；及E为电场。也就是说，该介电迁移力涉及在高场强电场的目标颗粒上的吸力的生成。
不接触电极201的各颜料颗粒迁移入两电极201的中间，各颜料颗粒迁移速度表达为ν=ανu026Πηa·1δ2r3=4ανu023Πηa=tan3δ2δ2·1d3]]>
α表示感应的极化强度；V表示一壳体体积；η表示流体粘度；a表示颗粒直径；Vo表示施加的电压；δ表示两电极201的交角；d表示各颗料处两电极201之间的距离；r表示从该小孔到某一颗粒的距离；及E表示电场。
|E|等于Vo/rδ两电极201之间的一间隙的比例d2/d1越高，颜料颗粒的迁移速度变得越高。两电极201的一交角δ在30°到60°的范围内。
如图10所示，这些颜料颗粒聚集在带有20μm到40μm直径的一小孔上，由颜粒颗料的迁移产生颜料的球体堆。如果各堆颜料大于作用在这些小孔上的表面张力，它被沿着垂直于打印媒质的方向移动。在此点，介电迁移力、外部力、自重被施加于这些颜料堆。
图11示出了这些颜料堆从喷嘴的小孔分离打印在打印媒质上。如果停止通过电极层203将电能提供给电极201，失去作用在颜料上的极化力和库仑力。颜料堆不能通过流动进入小孔内的油墨容室。自重施加于颜料，并随着表面张力减弱，颜料被喷射在打印媒质上。各小孔根据由颜料堆的分离所产生的斥能以及负压，瞬时变为新月形，并通过自油墨存储容器提供油墨而返回到其原始形状。
图13为表示时间与施加给电极层的电压的关系的波形图，并如图13所示，在产生一油墨滴的一时间周期内存在有多个脉冲。当在产生一油墨滴的频率时间周期内以最大1MHZ及其以下的高频工作以防止由于媒质的电解导致的电极反应时，本发明具有更大的优越性。通过上述步骤实现在打印媒质上的打印。这样，本发明不需要用于加热油墨并产生流压的任何加热装置或用于改变油墨体积的例如振动板的压力装置。当油墨被加热时，常规喷墨打印方法需要热阻，本发明采用介电迁移力，因此使得易于选择所使用的油墨，并喷射颜料堆及少量的液体到打印媒质上使打印媒质上的油墨干得更快。本发明防止了由于油墨直进和使用油墨喷射装置所产生的冲击波对喷墨打印装置的内部元件的损坏。从而使装置的使用寿命延长。另外，本发明使用用于喷射油墨但不带有额外喷嘴板的电极，简化了喷墨打印装置的结构，且不需要高度清洁的工作条件，从而提高了产量。
对于本领域的熟练技术人员而言，显然可在不脱离本发明的精神或范围的前提下，对本发明的喷墨打印装置和喷墨打印方法作出各种改型和变化。因此本发明期望覆盖落入所附权利要求及其等效替代的范围内的改型及变化。
权利要求
1.一种喷墨打印方法，包括有步骤施加电能给一打印机头内的电极；在这些电极之间建立不同场强的电场；使油墨的颜料颗料迁移入这些电场中的一高场强电场；及使迁移颜料颗粒被传送到打印媒质上进行打印。
2.根据权利要求1的喷墨打印方法，其中所述油墨为带被使用的颜料颗粒的具有规定介电常数的颗粒。
3.根据权利要求1的喷墨打印方法，其中两电极被各自形成以倾斜过一预定角度，从而遇合在某一点以使所述电场强不同。
4.根据权利要求3的喷墨打印方法，其中小孔附近两电极的区域之间的一间隙小于位于一油墨容室内的两电极的其它区域之间的一间隙。
5.根据权利要求3的喷墨打印方法，其中倾斜的电极形成在一喷嘴内。
6.根据权利要求1的喷墨打印方法，其中这些电极被多层化以使不同强度的电能被施加在这些电极上以使所述电极之间的电场强度产生差异。
7.根据权利要求6的喷墨打印方法，其中在这些小孔附近的多层化电极的最外一个上的电能为最大，而在位于油墨容室内的一油墨存储容器附近的这些多层化的电极的另一个上，电能线性地变为微弱。
8.根据权利要求6的喷墨打印方法，其中这些电极被形成于该喷嘴内。
9.一种喷墨打印装置，包括多个电极，相互间隔开一给定距离以彼此电隔离，使在多个喷嘴内建立场强不同的电场；第一支座，具有多个小孔并支持所述电极；多个电极层，提供电能并相互连接所述电极；第二支座，形成在一油墨存储容器与这些电极层之间以构成一油墨容室，支持这些电极层，并被用于电场强度的均匀性；及电连接装置，用于提供电能给所述电极层，其中如果通过这些电极层提供电能给形成在这些喷嘴内的电极，朝向这些小孔线性地建立场强不同的电场，且油墨的颜料颗粒迁移入这些电场中高场强的一电场内，从而喷出到打印媒质上。
10.根据权利要求9的喷墨打印装置，其中所述油墨由颜料颗粒和用作为载体的液体组成。
11.根据权利要求9的喷墨打印装置，其中所述电极被各自形成以倾斜一预定角度，从而遇合在某一点上以使所述电极间的电场场强呈现线性地差异。
12.根据权利要求9的喷墨打印装置，其中该两电极被相互电隔离。
13.根据权利要求11的喷墨打印装置，其中这些小孔附近的两电极的区域间的一间隙小于位在该油墨容室内的两电极的其它区域间的一间隙。
14.根据权利要求11的喷墨打印装置，其中这些电极形成在这些喷嘴内。
15.根据权利要求9的喷墨打印装置，其中这些电极被多层化以使不同强度的电能被施加在这些电极上，以使所述电极间的电场场强中出现差异。
16.根据权利要求15的喷墨打印装置，其中在这些小孔部分上最外边的电极层处的电能最大，而位于该油墨容室内的油墨存储容器附近的其它电极层处的电能线性地变为微弱。
17.根据权利要求9的喷墨打印装置，其中施加在这些电极层上的电能为一直流电压。
18.根据权利要求9的喷墨打印装置，其中施加在这些电极层上的电能为一交流电压。
19.根据权利要求9的喷墨打印装置，其中施加在这些电极层上的电能通过在一时间周期内带有多个时间宽度的一高频，一用于产生一油墨滴的频率而被电气地控制以增加颜料密度和电极保护。
20.根据权利要求19的喷墨打印装置，其中用于产生一油墨滴的高频为最大为1MHZ及其以下。
21.根据权利要求9的喷墨打印装置，其中该油墨容室通过第二支座和多个电极层而形成并被连接至油墨存储容器。
22.根据权利要求9的喷墨打印装置，其中各小孔的最小直径为20μm至40μm。
23.根据权利要求9的喷墨打印装置，其中油墨容室内的各小孔的最大直径为40μm至130μm。
24.根据权利要求9的喷墨打印装置，其中一电极与其它电极相倾斜的角度在30°至60°的范围内。
全文摘要
一种喷墨打印装置,包括:多个电极,相互间隔开一给定距离以使在多个喷嘴内建立场强不同的电场;第一支座,具有多个小孔并支持所述电极;多个电极层,提供电能并相互连接所述电极;第二支座,形成在一油墨存储容器与这些电极层之间以构成一油墨容室;及电连接装置,用于提供电能给所述电极层,其中提供电能给形成在这些喷嘴内的电极,朝向这些小孔线性地建立场强不同的电场,且油墨的颜料颗粒迂移入高场强的一电场内,从而喷出到打印媒质上。
文档编号B41J2/07GK1188045SQ971170
公开日1998年7月22日 申请日期1997年10月16日 优先权日1997年10月16日
发明者安秉善 申请人:三星电子株式会社