CN1210073A

CN1210073A - 在多个喷墨喷嘴注墨沟中窄口角的变化

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Publication number: CN1210073A
Application number: CN98118836.2A
Authority: CN
Inventors: J·G·莫利茨三世; P·J·科文; D·W·布莱尔
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 1997-08-27
Filing date: 1998-08-27
Publication date: 1999-03-10
Anticipated expiration: 2018-08-27
Also published as: US6042222A; TW491187U; CN1123445C

Abstract

喷墨打印头(40)包括沿加墨槽(50)分为几组的多个打印元件(42),每个打印元件包含喷嘴室(56)和加热电阻(58)。各喷嘴室位于离加墨槽交错不同距离。打印元件注墨沟(54)将喷嘴室与加墨槽沟通。沿注墨沟有由隔板壁形成的窄口(62)。对于给定的打印元件每个隔板壁的收敛半角和扩张半角(α_c,α_d)相同,对于若干打印元件而言这些角不相同。给定的打印元件的特定角确定了在注墨沟的何处出现窄口。对一定的电阻交错位置使用一定的角,以便在各打印元件之间维持注墨均衡。

Description

在多个喷墨喷嘴注墨沟中窄口角的变化

本发明一般地涉及喷墨打印头结构，更具体地说，涉及将墨引入从其中把墨喷到印刷介质上的加热室的有源喷墨打印头结构。

喷墨打印头有多个加热室，用于将墨喷在印刷介质上以形成字符，符号和/或图形。通常，墨存放在容器中，并且通过各加墨槽和注墨沟无源地装入各加热室。毛细作用将墨从容器通过加墨槽和注墨沟引入各加热室。加热室一般以隔板层中的空腔的形式出现。与每个加热室联系的是加热电阻和喷嘴。加热电阻形成在公共衬底上。隔板层贴在衬底上。通过给加热电阻通电，形成膨胀气泡，后者将墨从加热室压入对应的喷嘴，并且从喷嘴口喷出。邻近隔板层的喷嘴板形成喷嘴口。加热室、加墨槽和喷嘴的几何形状确定对应的加热室在喷嘴喷墨后再注入墨要多长时间。

喷嘴室一般加墨包括在喷墨后墨迅速流入加热室。墨流动动作特点为墨流入室内的重复涨落过程，然后稍有回流。沟槽几何形状确定限制流动的无源阻尼性能，而反压和喷嘴口直径确定稳态室高度。涨落周期是无源地衰减的，直至保持稳态室液位。最早到达稳态液位的时间称为“加墨时间”。加墨时间限制了打印头喷嘴可以运行的最大重复速率。

要求达到墨滴喷出有已知重复量和形状。在上次加热后对喷嘴的加热可能导致或者“墨汁过量”或者“墨汁不足”状态。当加热室中墨量超过稳态量时就是墨汁不足。此时加热导致较小的墨滴被喷出。

现行的热喷墨打印头使用多电阻排列图案，它使各电阻在不同时间被加热。通常，为了补偿这种定时各电阻空间位置上是偏离的。一般沿加墨槽形成垂直边沿，即搁板。注墨沟是通过搁板与加墨槽流体联通的。把各电阻相对于搁板参差排列，从而形成从加墨槽到各加热室的不同路径长度。不同路径长度对墨流动形成不同阻力，因而改变墨注入每个加热室所需的时间。不同路径长度也改变加热室阻尼作用。

当实现这种相邻电阻和加热室重复排列图案时一种挑战是要避免邻近加热室之间交叉干扰。此文所用交叉干扰是指一个注墨沟/加热室流动动态特性影响另一个注墨沟/加热室流动动态特性。

根据本发明，沿着喷墨打印元件的注墨沟形成单一的窄口。喷墨打印机头包括多个打印元件。每个打印元件有喷嘴室和加热电阻。在多个打印元件中，喷嘴室位于离开加墨槽参差的距离处。打印元件的注墨沟将其喷嘴室与加墨槽相连通。沿注墨沟存在窄口。隔板形成注墨沟。对于给定的打印元件的每一个注墨沟来说，收敛和扩张半角是相同的。而若干打印元件这个角是不同的。因为注墨沟在喷嘴室有共同的宽度，所以，给定打印元件的特定角限定在注墨沟何处产生窄口、相对于加墨槽的入口也是由给定的打印元件特定角所决定的。

根据本发明的另一方面，根据从给定打印元件加热电阻至加墨槽的距离规定特定角。对于一定的电阻参差位置使用一定角，以便在若干喷墨打印元件中提供加墨均衡。

根据最佳实施例，用于将墨滴喷在印刷介质的喷墨打印头包括在一层和多层中形成的若干打印元件和由边缘限定的加墨槽。若干打印元件分为几组，给定组中各分量电阻元件离边缘以不同距离交错。多个所述若干打印元件中的每一个包括电阻元件，喷嘴，加热室和注墨沟。电阻元件加热从容器流入的墨，产生墨滴。通过喷嘴喷出墨滴。加热室的侧壁由第一层，隔板层围成，并有支持电阻元件的底。喷嘴与加热室对准。注墨沟将墨通过加热室侧壁上的入口送入加热室。注墨沟由第一层的隔板壁形成。隔板壁沿注墨沟形成窄口。具体地说，隔板壁形成收敛和扩张半角。形成收敛半角的隔板壁部分用来减缓注墨速度。形成扩张半角的隔板壁部分在喷嘴发射期间起抵抗回流的扩散屏障的作用。

对于任何给定的打印元件隔板壁收敛半角等于隔板壁扩张半角。注墨沟从窄口第一宽度张开至喷嘴室入口较宽的宽度。隔板壁沿收敛半角部分和扩张半角部分一般为直的。(然而隔层壁在窄口是园角的)喷嘴室入口对每个打印元件都是相同的。给定的注墨沟宽度，给定的打印元件隔板壁特定扩张半角决定了窄口沿注墨沟长度的位置。特定扩张角是根据从加墨槽至加热电阻的长度规定的。因此，对于具有位于参差位置的加热电阻的打印元件，窄口角是变化的。那末在这些打印元件之间窄口位置是变化的。

在一些实施例中，所述边缘还形成邻近加墨槽的搁板。搁板提供加墨槽和注墨沟之间的沟通。因为收敛角是根据从加热电阻至加墨槽的距离规定的，并且因为限定窄口收敛半角的隔板壁一般是直的，所以，隔板壁可以在到达加墨槽之前与邻近打印元件隔板壁相交。因而，从加墨槽至注墨沟开口的搁板长度可以随打印元件之间间隔而变化。

根据本发明的优点，在一组打印元件中可变化窄口角明显地减小在以给定的喷墨频率的多次喷墨期间从打印元件至打印元件的喷墨速度和喷墨量的变化。根据本发明中的另一个优点，在一组打印元件中可变化窄口角明显地减小在稳态条件下从打印元件至打印元件的喷墨速度和喷墨量的变化。根据本发明的另一个优点，即使在高密度打印元件间隔和短的搁板长度情况下从打印元件至打印元件的加墨是均衡的。通过以下结合附图的详细说明将能更好地理解本发明的这些和其他方面和优点。

图1是没有画出打印头喷嘴板的传统喷墨打印头的一部分的平面图；

图2是图1所示打印头的传统打印元件和加墨槽的平面图；

图3是本发明实施例的喷墨打印头的一部分的剖开立体图；

图4是本发明实施例的喷墨打印头的一部分的平面图(其中没有画出打印头喷嘴板)；

图5是本发明实施例的喷墨打印头的另一部分的平面图(其中没有画出打印头喷嘴板)；

图6是本发明实施例的具有图3-5打印头的喷墨笔座的透视图；

图7是喷墨打印头的另一种设计的平面图(其中没有画出打印头喷嘴板)。

图8说明可以用于图7的另一种设计的喷嘴室区域中隔板壁的形状。

图1表示包括若干打印元件12的传统喷墨打印头10的一部分。每个打印元件12包含加热电阻14。对于如图所示的中央加墨槽实施例，打印元件一般在加墨槽20的任一侧排列成两平行列16,18。在所谓边缘注墨结构的另一种传统打印头(未图示)中，加墨槽位于衬底两边缘的每个边缘。墨从容器(未图示)流向加墨槽20，再流向各打印元件12。加热室26(图2)包括对应的加热电阻14，它们离加墨槽20参差不同的距离。图中示出三个打印元件12从加热槽20到加热电阻14中心的路径长度L_s1,L_s2,L_s3。传统打印头最多包括22个不同路径长度Ls。

图2更详细地表示传统打印元件12的平面图。加墨槽20有宽度W_R。在加墨槽20的每边形成搁板22。在搁板22上形成各个注墨沟24，供墨在各加热室26和加墨槽20之间流动。给定注墨沟24有长度LC和宽度W_F。在加热室26内从注墨沟24远端到加热电阻14近边有间隔距离D_F。注墨沟有入口宽度W_E。

图3表示本发明实施例的打印头40的打印元件42部分。打印头40包括衬底44，隔板层46和喷嘴板48。打印元件42形成在三层44,46,48中。隔板层46淀积在衬底44上，偏离加墨槽50。在一个实施例中通过衬底44的一部分蚀刻出加墨槽50(例如中央注墨结构)。在另一实施例中在衬底44的两侧附近形成加墨槽50(例如边缘注墨结构)。靠近加墨槽50的衬底44的一部分和隔板层46形成搁板52。对于中央注墨结构在加墨槽50每侧形成搁板52。

在隔板层46中蚀刻注墨沟54和加热室56。加热电阻58位于加热室56内，形成在衬底上。喷嘴板48有与加热室56对准的开口，即喷嘴60。喷嘴板48还形成复盖注墨沟54，搁板52和加墨槽50的盖板。实际上喷嘴板48有若干小孔，每个小孔与加热室56相联系，构成墨滴喷出的喷墨喷嘴60。在一些实施例中小孔是用激光加工形成的。加工小孔的不同方法形成不同的几何形状。在另一实施例中隔板层46和喷嘴板48由一公共层形成。

在运行时墨注入加墨槽50，注墨沟54和加热室56。墨形成凸进喷嘴60的弯月面。加热电阻58由导电线迹(未图示)连接至电流源。电流源受处理单元(未图示)的控制，并且发出电流脉冲以便选择加热电阻58。通电的加热电阻58导致在加热室56中形成膨胀的汽泡，迫使墨通过喷嘴60喷出。其结果是墨滴喷在介质纸上特定位置。在介质纸上出现的这种墨滴称为点。传统上，字符、符号和图形以每英寸90、180、300或600点分辨率印在介质纸上。更高分辨率也是可能的。

图4表示中央注墨结构除去喷嘴板48的打印元件42的局部多段图案。在另一实施例(未图示)中实现边缘加墨结构。从加墨槽50到加热电阻58中心的距离定义为交错距离Ls。在最佳实施例中构成约20个不同长度的Ls的交错图案，并且在具有约20个对应的打印元件42的各组上重复这种交错图案。在不同实施例中对于打印元件42的各组(例如对于不同实施例每组2,3或4个元件)重复某种图案。

对于所有打印元件42沿注墨沟54形成窄口缩颈62。这种缩颈62在喷嘴加热时用作阻止墨返流(或泡返流)回注墨沟54的扩散屏障。缩颈62也用于减缓注墨沟流速。窄口缩颈是由倾斜的隔板壁64形成的。隔板壁部分64a从搁板52起收敛形成窄口缩颈。隔板壁部分64b从窄口缩颈62起朝向喷嘴室56扩张。

参考图5，在窄口缩颈处的注墨沟54宽度W_p对所有打印元件是相同的。注墨沟54朝向喷嘴室的开口宽度W_C。根据本发明一个方面，对于给定打印元件42隔板壁64a形成收敛半角α_c和扩张半角α_d。对于给定的打印元件42每个收敛半角和扩张半角是相同的。因此α_c=α_d。然而，这种等角对于打印元件多段图案中其他打印元件是不同的。图5表示交错长度的打印元件42a,42b和42c。元件42a的等角α_c1,α_d1与元件42b等角α_c2,α_d2和元件42c等角α_c3,α_d3是不相同的。

在打印元件多段图案的所有打印元件中窄口沟宽W_p是相同的。而且喷嘴室宽度W_C是相同的，尽管要比宽度W_p宽些。而且，隔板壁64b一般是直的。在形成扩张角α_d的直隔板壁部分64b使注墨沟54向喷嘴室宽度W_C加宽的情况下，规定窄口62向导出的位置移动。对于其扩张角α_d2大于打印元件42a扩张角α_d1的打印元件42b，则打印元件42b从加热电阻58中心到窄口缩颈62的长度小于打印元件42a相应的长度。在一个实施例中在交错的打印元件的多段图案中角α_c=α_d的范围从19.56°至33.44°。

在对基于角α_c=α_d的每个给定打印元件推导出窄口缩颈62的规定位置的情况下，也就推导出入口部分。从缩颈62朝向加墨槽50的注墨沟54以半角α_c张开。各打印元件42之间间隔和打印元件长度L_S决定注墨沟开口的位置。见图5，元件42b和42c的隔板壁部分64a相互成一角度和交叉，其交叉点离加墨槽50要比元件42a和42b的壁部分64a的相应的点离加墨槽50更远些。因此，元件42b和42c之间搁板长度L_sh与元件42a和42b之间搁板长度L_sh是不同的。

以下是注墨沟中压降的公式，用于求出给定打印元件42所要求的角α_c=α_d：

ΔP = \frac{128 μQ}{Π} I_{O}^{L} \frac{1}{D_{eq} (z)} dz

式中P=整个给定的注墨沟的压降；

Q=容积流率；

μ=粘度；

D_eq=注墨沟54等效水压直径；

L=L_S=加墨槽50和加热室56之间距离。

压降对每个注墨沟是不变的，是入口的加墨槽压力和出口的喷嘴压力之差。其目的在于不论注墨沟长度L_S多大而要对每条注墨沟使容积流率一致。为了这样做，等效水压直径D_eq随长度L_S增加而增加。因而，为D_eq求解以上方程。在沟高(例如隔层高)不变的情况下，角α_c=α_d直接与所求得的等效水压直径有关。

以下是图5所示的示范性的有22个不同长度L_S的多段图案的L_S和α_c=α_d的值。对于示范性的图案，窄口缩颈为常数27.5微米，喷嘴室宽度为常数51微米。

L_s(μm) α_c=α_d(度)

111.25 19.56

113 20.23

114.5 20.81

116.25 21.48

118 22.15

119.75 22.82

121.5 23.49

123.25 24.16

125 24.83

126.75 25.5

128.5 26.17

130.25 26.84

132 27.51

133.75 28.18

135.5 28.85

137.25 29.52

138.75 30.09

140.5 30.76

142.25 31.43

144 32.10

145.75 32.77

147.5 33.44

因此，角α_c=α_d作为L_S的函数求得。以下是对任何给定打印元件42求出从喷嘴室入口到缩颈62的长度的公式。

tanα_d=(W_C-W_P)/2L_pp

式中L_pp是从喷嘴室入口到缩颈62的长度；

W_c是喷嘴室宽度；

W_p是窄口缩颈宽度；和

α_d是扩张半角。

在使用例如图7所示部分园形加热室56的另一实施例中，以下列出对20个不同长度L_s的L_s和α_c=α_d值，其中窄口缩颈宽度是27.5微米和园形加热室直径是52微米：

L_s(μm) α_c=α_d(度)

107 17.86

109 18.63

110.75 19.22

112.75 19.83

114.5 20.31

116.5 20.82

118.25 21.22

120.25 21.64

122.25 22.02

124 22.33

126 22.66

127.75 22.92

129.75 23.20

131.75 23.47

133.5 23.68

135.5 23.91

137.25 24.10

139.25 24.31

141 24.47

143 24.66

角α_c=α_d也作为L_S函数求得的。从加热电阻58中心(和园形加热室56中心)到窄口缩颈62的距离Y由以下公式求得：

Y = \frac{W_{C} - W_{P} \cos α}{2 \sin α}

式中W_c是图7园形加热室56的直径；

W_p是窄口缩颈宽度；和

α_d是如图8所示的扩张半角。

图6表示本发明实施例的喷墨笔座。笔座80包括盒82，内容器84和打印头40。打印头40有如上所述形成的多排喷嘴60。在另一实施例中，墨容器与笔座是分开的、在笔座的外部。

根据本发明的优点，在一组打印元件中变化的窄口角明显地减小了在所有加热频率下从打印元件到打印元件的喷墨量和速度的变化。

根据本发明另一优点，在一组打印元件中变化的窄口角明显地减小了在稳定状态下从打印元件至打印元件的喷墨量和速度的变化。根据本发明的另一优点，即使有高密度的打印元件和短的搁板长度，从打印元件到打印元件墨的注入是均衡的。

尽管已描述和举例说明了本发明的最佳实施例，但是，可以使用各种替代、修改和等同之法。因此，不应把上述说明作为对由权利要求书所定义的本发明的范围的限制。

Claims

1．用于将墨滴喷在印刷介质上的喷墨打印头(40)，所述打印头包括：

若干打印元件(42)，它们形成在所述打印头的一层或多层(44,46,48)上；和

由所述一层或多层所形成的加墨槽(50)；

其特征在于：

多个所述若干打印元件中每一个包括：

(a)用来加热从容器(84)送入的墨以便产生所述墨滴的电阻元件(58)；

(b)喷嘴(60)，所述墨滴通过该喷嘴喷出；

(c)由第一层(46)三侧围成的、并有底(44)支持所述电阻元件的加热室(56)，所述喷嘴与所述加热室对准；和

(d)用来将墨通过在所述加热室第四侧上的加热室入口注入所述加热室的注墨沟(54)；所述注墨沟具有在壁(64a,64b)上形成的向所述一条注墨沟凸出的一对相对的间隔为第一宽度(W_P)的凸出部分，所述凸出部分形成缩颈；所述壁从注墨沟入口起沿注墨沟长度向该缩颈以第一角(α_c)收敛；以及从该缩颈起沿注墨沟长度朝向加热室注墨沟出口以第二角(α_d)扩张，其中第一角等于第二角；

所述注墨沟与所述加墨槽运行上相关联；以及

所述若干打印元件分成几组，给定组的各分电阻元件按照离所述加墨槽边缘的不同距离交错，并且规定所述第一角为电阻元件的与给定注墨沟相关的距离的函数。

2．根据权利要求1的打印头，其特征在于：若干注墨沟中的每一个只包含一个缩颈；以及给定的注墨沟隔板壁从该缩颈沿注墨沟长度朝向加热室以第二角扩张，以形成加热室入口。

3．用于将墨滴喷在印刷介质上的喷墨笔(80)，所述笔包括：

外壳(82)；和

安装在外壳上的打印头(40)，打印头有若干形成在所述打印头一层或多层上的打印元件(42)，和由所述一层或多层的边缘所限定的加墨槽(50)；

其特征在于：

多个所述若干打印元件中的每一个包括：

(b)喷嘴(60)，所述墨滴通过该喷嘴喷出；

所述注墨沟与所述加墨槽运行上相关联；以及

所述若干打印元件分成几组，给定组的各分电阻元件按照离所述加墨槽边缘的不同距离而交错，并且规定所述第一角为电阻元件与给定注墨沟相关的距离的函数。

4．根据权利要求3的喷墨笔，其特征在于：若干注墨沟中的每一个只包含一个缩颈；以及给定的注墨沟隔板壁从该缩颈沿注墨沟长度朝向加热室以第二角扩张，以形成加热室入口。