TWI436896B - 具有匹配的共振阻尼結構之列印頭 - Google Patents

Description

具有匹配的共振阻尼結構之列印頭

本發明係有關於噴墨列印的領域，特別是具有頁寬式列印頭的噴墨印表機。

本申請人曾經開發出一系列使用頁寬式列印頭來取代傳統往復式列印頭設計的印表機。頁寬式設計可增進列印速度，因為列印頭無需來回橫跨過頁面移動，以堆積出一行的影像。頁寬式列印頭是在高速通過媒體(media)時，將墨水堆積於其上。此種列印頭能夠以每分鐘60頁左右的速度進行1600dpi的全彩列印，此速度是先前無法以習用噴墨印表機來達成的。

以這樣的速度列印會快速地消耗墨水，而這會在將足量墨水供應至列印頭上造成問題。不僅是流率會較高，而且將墨水沿著整個頁寬列印頭分配也會較將墨水供給至相對較小型的往復式列印頭更為複雜。

高列印速度需要有大的墨水供應流率。此大量的墨水是相當快速地移動通過供應管線。突然地中止列印作業，或是僅是在一印刷頁的末端處，表示說此相當大量之相當快速流動的墨水也必須要立即地停下來。但是，突然地遏止住墨水的動量會在墨水管線內造成壓力脈波。組成列印頭的零組件通常都是剛性的，在管線內的墨水柱被停止時幾乎無法提供彈性。在墨水管線沒有任何柔順性 (Compliance)的情形下，壓力尖波(Pressure Spike)會超過拉普拉斯壓力(Laplace Pressure)(噴嘴開口處用來將墨水保持於噴嘴腔室內的墨水表面張力所能提供的壓力)，而淹蓋住列印頭噴嘴的前側表面。如果噴嘴被淹蓋住，則墨水將無法噴出，而印刷物上將會出現不自然的狀況。

當墨水發射的模式與墨水供應管線之共振頻率一致時，墨水內即會產生共振駐波。同樣的，由於構成墨水管線的剛性結構之故，當大部分的噴嘴針對單一顏色同時發射時，即會在墨水管線內產生駐波。例如說，列印間隔開的黑線，如數據表格，如果沒有發射大部分的噴嘴，也會以某一頻率來發射許多的黑色噴嘴。如此一頻率與墨水供應管線的共振頻率一致，則駐波即會開始來回地振盪。如果超過拉普拉斯壓力的話，則這將會造成噴嘴的淹蓋，或是因為尖波後方的瞬間壓力降而反過來將噴嘴排空。

本申請人曾藉由將非填注孔穴(Non-Priming Cavity)結合於列印頭內以克服此等問題。在本申請人所有而正在審查中的美國專利申請案第11/688863號(本人檔案編號RRE001US)中對於於此非填注孔穴有詳細的說明，其內容係引用於本文內以供參考。簡單地說，構成墨水管線的剛性結構設有沿著列印頭長度分佈的空氣囊包。墨水內因共振駐波而致的壓力脈波會在通過墨水管線的該位置時壓縮孔穴內的空氣。孔穴內空氣的壓縮會抑制(damp)並消散該壓力脈波。此減低後的脈波振幅比較 不會造成噴嘴被淹蓋。

不幸的是，墨水管線內的最低共振頻率卻是具有最高的壓力振幅。為能抑制這些壓力波，該等非填注孔穴必須要做成不切實際地大。沿著墨水管線設置一系列的大型空氣囊包(air pocket)是與小型化設計相違背。再者，大型空氣囊包在每天之內的加熱及冷卻可能會將大量的墨水自噴嘴泵出，或是因將墨水抽回至支撐用模製件內而排空噴嘴。

因此，本發明提供一種噴墨印表機的列印頭，該列印頭包含有：至少一列印頭積體電路，設有一個陣列的噴嘴，用以噴射墨水；一支撐結構，用以支撐該列印頭積體電路，該支撐結構具有一墨水導管，用以將墨水供應至該陣列的噴嘴，該導管具有一組共振頻率，而該導管內的墨水在該共振頻率下回應該陣列之噴嘴的特定作業模式而產生一駐波；以及一流體阻尼器，具有一選定的共振頻率，其可抑制相關於該組共振頻率之每一者的駐波，使得它們的振幅小於一最大臨界值。

本發明認知到特定共振頻率會較其它的共振頻率更令人困擾。一般而言，最低頻率的諧波會造成具有最高振幅 的振盪脈波。但是，將流體阻尼器精確地調整至該最低諧波的頻率卻會改變其它頻率之駐波的振幅，而可能會使次一最低諧波變成問題。將阻尼器調整成能在二最低共振頻率之間的某一頻率上共振，將能充分地抑制掉所有共振頻率的壓力振幅。此流體阻尼器使用單一根墨水細管來作用於諸如空氣孔穴之類的柔順性結構上。該墨水管及該空氣孔穴是遠較一列沿著列印頭長度配置之大型空氣孔穴更為小型化的。同樣的，單一小型空氣孔穴基於每天溫度變化而致的膨脹及收縮並不會造成問題。

最好，該流體阻尼器的該選定共振頻率是在該組共振頻率中的二個最低共振頻率之間。在一更佳的形式中，該選定的共振頻率是該組共振頻率中的該二最低共振頻率的均方根一也就是該二最低頻率之乘積的平方根。

最好，該流體阻尼器具有一可壓縮流體孔穴，經由一構造成可在列印頭填注墨水時至少部分填注墨水的管而連接至該墨水導管。在一更佳的形式中，該可壓縮流體是該列印頭填注墨水時被捕捉住的空氣。在特定的實施例中，該列印頭是頁寬式列印頭，用以列印A4尺寸的媒體，該墨水管線具有一主要通道，沿著該列印頭之長度縱向延伸於入口與出口之間，該墨水管線亦具有一系列的非填注空氣孔穴，沿其長度設置。

在特定的實施例中，該支撐結構具有一用以將該墨水管線連接至一墨水供應源的入口，以及一用以將該墨水管線連接至一廢棄墨水貯器的出口，該流體阻尼器係在該出 口鄰近處連接至該墨水管線上。最好，該流體阻尼器具有少於0.4ml的空氣。

選擇上，該最大臨界值壓力是小於4kPa。選擇上，該陣列之噴嘴內的墨水壓力是維持高於-3kPa，以避免排空，及保持噴射出之液滴體積高於一最小體積。

在一特佳的形式中，該列印頭被建構成可列印不同顏色的墨水，每一墨水顏色具有各自的流體阻尼器，而某一顏色的流體阻尼器具有不同於其它顏色中至少一者的共振頻率。

下面將配合所附圖式，以舉例方式來說明本發明的較佳實施例。

第1圖是前面提到之美國專利申請案第11/688863號(本人檔案編號RRE001US)中所用之型式的習用流體系統的示意圖。此系統的運作及其各零組件在美國專利申請案第11/827719號(本人檔案編號SBF009US)中均已詳細說明，其內容藉此參照併入本文。

簡單地說，此印表機流體系統具有一列印頭總成2，由一墨水槽4經上游側墨水管線8供應墨水，而廢棄墨水則經由下游側墨水管線16排放至一坑槽18。為簡化起見，圖中僅顯示出一條墨水管線。實際上，該列印頭是具有多條墨水管線，以供進行全彩列印。上游側墨水管線8具有一關斷閥10，可選擇性地將列印頭總成2與泵12及 /或墨水槽4隔離開。泵12是用來主動地填注或淹蓋列印頭總成2。泵12亦可用來在墨水槽4內建立負壓力。在列印過程中，該負壓力係由氣泡點調節器6來維持。

列印頭總成2是一LCP(液晶聚合物)模製件20，支撐著一系列由黏著性晶片接著膜(未顯示)固定住的列印頭積體電路30。列印頭積體電路30具有一個陣列的噴墨噴嘴，用以將墨水液滴噴射至通過的媒體基材22上。這些噴嘴具有MEMS(微機電)結構，能以真正的1600dpi解析度(也就是1600npi噴嘴間距)或更大者來進行列印。合適的列印頭積體電路30的製造及結構在美國專利申請案第11/246687號(本人檔案編號MNN001US)中已詳細說明，其內容係引述於此以供參考。此LCP模製件20具有一主要通道24，延伸於入口36與出口38之間。此主要通道24可饋送一系列延伸至該LCP模製件20底側的細微通道28。這些細微通道28可經由該晶片接著膜上的雷射切割孔洞將墨水供應至列印頭積體電路30。

在主要通道24上方的是一系列非填注空氣孔穴26。這些孔穴26係設計用來在列印頭填注過程中捕捉住空氣的囊包。這些空氣囊包能提供此系統某種的柔順性，以吸收及抑制墨水中的壓力尖波或液壓陡震。這些印表機是高速頁寬式印表機，可快速地發射大量噴嘴。這會以高速率消耗墨水，而突然中止列印作業，甚或僅是一頁面的終端處，即表示必須要使朝向列印頭總成2移動(或通過)的 墨水柱幾乎是立即地停止下來。在沒有空氣孔穴26所提供的柔順性的情形下，墨水的衝量會淹蓋列印頭積體電路30內的噴嘴。再者，後續的‘反射波’會產生強到足以排空該等噴嘴的負壓力。

在大部分的情形中，空氣孔穴26均能提供足夠的阻尼作用。但是，列印頭可能會在能將墨水激發至墨水管線之一共振頻率的模式下運作。例如說，以某一間距在一整個頁面上列印黑色線條(例如說表格、條碼、或類似者)，會需要在短時間內同時發射所有的黑色噴嘴。此一循環式地對墨水管線做輸入會很快地建立一駐波，以共振頻率振盪。這些駐波的波峰至波峰壓力會超過由空氣孔穴26所提供的阻尼作用，進而造成噴嘴的淹蓋或排空。空氣孔穴的體積必須要大幅度地增加，以便能承擔駐波的峰值壓力。

第2A圖、第2B圖、以及第2C圖中顯示出第1圖中所示之列印頭總成的最低三個諧波。應注意到，主要通道雖然設有出口38，但其反應仍然如同具有封閉末端一般。由於其係封閉末端，因此此主要通道會在四分之一波諧波、四分之三波諧波、1.25波諧波等等產生共振。開放的末端則會在0.5波、全波、1.5波等等產生共振。這些最低諧波具有最高振幅駐波，因此，是問題最大者。如果這些諧波發生在列印頭運作的頻率，則有可能會有超過淹蓋臨界值或低於排空臨界值的壓力脈波。當墨水壓力超過墨水孔口內之墨液彎月面的拉普拉斯壓力時，即會產生噴 嘴的淹蓋或排空。

第2A圖是最低頻率諧波，即四分之一波，其中該LCP主要通道的長度L即是為四分之一波長。在本申請人的一些A4印表機上所進行的測試顯示出這會發生在12Hz，並且具有約9kPa的峰值振幅。下一個諧波是0.75波，顯示於第2B圖中。其具有較低的振幅(約5kPa)，發生在36Hz。最後，在第2C圖中顯示出1.25波，其在60Hz處具有約2kPa的振幅。當諧波的頻率增加時，該波的振幅就會衰減。因此，較高頻率的諧波具有小至足可為該等非填注空氣孔穴抑制掉的峰值壓力。

第3A圖中以頻率的函數關係顯示出這些壓力峰值。如果排空及淹蓋臨界值是分別設定為例如-3kPa及4kPa，則可以看到四分之一波及四分之三波的諧波會具有能對印表機運作造成困擾的峰值壓力。但是，結合使用可在四分之一波頻率產生共振的阻尼器並無法解決此一問題。第3B圖顯示出在將一調整至四分之一波的流體阻尼器加設至主要通道24(見第1圖)之末端處時，頻率回應曲線上所產生的變化。基本上，該主要通道現在是如同一開放通道般地產生反應，而半波、全波等諧波則會產生影響。這些諧波之一者或多者也可能會造成過大的峰值壓力。

第3C圖顯示出在該流體阻尼器調整到四分之一波及半波諧波之間的頻率時的頻率回應。這可將四分之一波及半波諧波二者均衰減。本申請人發現到，流體阻尼器的最佳共振頻率是大約為四分之一波頻率與半波頻率的均方 根，也就是四分之一波共振頻率與半波共振頻率之乘積的平方根。實際上必須要測試該均方根頻率附近的數個頻率才能找到該流體阻尼器的最佳頻率。墨水供應管線內的墨水過濾器、彎折部及彈性等等變化性的條件會造成實際的回應曲線偏離理論曲線。

第4圖是根據本發明之列印頭總成2的示意圖式。LCP模製件20具有一流體阻尼器40，其可在選擇成能在主要通道24的任何共振頻率上有可能衰減問題駐波的頻率產生共振。流體阻尼器40具有一填注著墨水的細管32，連接主要通道24至一小型的可壓縮流體孔穴34，最常見的是空氣。此墨水細管的聲慣量(Inertance)是正比於其長度、截面積及墨水的密度。此空氣孔穴是可供細管32內之墨水振盪的柔順性。

在所示的列印頭總成中，流體阻尼器係調整至LCP模製件20內之主要通道24的四分之一波及半波共振頻率的均方根或其附近的頻率。如前面所討論的，此阻尼器在四分之一波及半波諧波時所提供的阻抗是足以使該二諧波低於預定的壓力臨界值。將流體阻尼器40設置於主要通道24的出口38附近處是最有效的，因為其會傳遞駐波的大部分，且反射波很小。

現在將配合於第5圖及第6圖中所顯示的本申請人的列印頭匣及列印引擎來說明本發明。列印頭匣可判別每個噴墨噴嘴隨著時間的經過而失效，最終會有足夠數量無效的噴嘴，造成列印影像上的不自然狀況。讓使用者能夠更 換列印頭將能保有列印品質，而無需更換整台印表機。列印引擎3是印表機的機械核心，其可具有多種不同的外殼形狀、墨水槽位置及容量，以及不同的媒體饋送及收集盤。

第5圖顯示出裝設於列印引擎3內的列印頭匣2。此列印頭匣2是可由使用者拉起或壓下閂件126而插入或拆下。列印引擎3可形成與列印頭匣2上之接點接觸的電性連接，而流體管接頭120則分別形成於入口及出口歧管48及50處。

第6圖顯示出拆除列印頭匣後的列印引擎3，以顯露出流體管接頭120內的孔口122。孔口122嚙合於入口及出口歧管(第5圖中的48及50)上的管嘴。流體管接頭120將入口歧管連接至一墨水槽，並將出口歧管連接至一坑槽。如前面所討論的，該等墨水槽、媒體饋送及收集盤等係依印表機外部殼之設計而相對於列印引擎3具有任意的位置及構造。

第7圖顯示出用來當做列印頭匣，以供插入及自印表機本體(見第6圖)內移除的列印頭總成2。列印頭匣2具有一頂部模製件44及一可拆卸保護蓋42。頂部模製件44具有一中央腹板，用做結構補強及提供紋路狀抓持表面58，以供插入及拆卸時操持此匣之用。保護蓋42的基部部位可在安裝於印表機內之前保護列印頭積體電路(未顯示)及接點(未顯示)列。帽蓋56係與基部部位形成為一體，可遮蓋住墨水入口及出口(見第9圖中的54及 52)。

第8圖顯示出保護蓋42拆除後的列印頭總成2，以供在底部表面顯露出該等列印頭積體電路，並在側邊表面顯露出該列接點33。此保護蓋可棄置而做為回收之廢棄物，或是套置於更換下來的列印頭匣上，以容受漏洩的殘餘墨水。第9圖是列印頭總成2的部分分解外觀圖。頂蓋44係已拆除掉，以顯露出入口歧管48及出口歧管50。入口及出口管套46及47係已先移除，以供更清楚地顯露出其等的五個入口及出口導管52及54。入口及出口歧管48及50構成每一個別入口及出口與LCP模製件20內之相對應的主要通道24(見第11圖)間的流體連接部。如同前面所討論的，這些主要通道係延伸於該列非填注空氣孔穴26的下方。

第10圖是未設置入口或出口歧管或頂蓋模製件時的列印頭總成的分解外觀圖。每一種墨水顏色的主要通道24及它們相關的空氣孔穴26均是形成於通道模製件68及孔穴模製件72內。黏附至通道模製件68底部上的是一晶片接著膜66。如同前面在第1圖所做的討論，晶片接著膜66可將列印頭積體電路30固定在通道模製件上，以使得位在底側的細微通道能經由貫穿過該膜的小型雷射切割孔洞而與列印頭積體電路30做流體連通。

撓性印刷電路板70是黏附於空氣孔穴模製件72的側邊，環繞至通道模製件68的底側。印表機控制器係連接於該等列的接點33。在撓性印刷電路板70的另一側的是 一列用來將此撓性體70內的導體電連接至每一列印頭積體電路30的導線接合部64。這些導線接合部64是包覆於密封件62內，而此密封件則是形成為主要是扁平的外側表面。在空氣孔穴模製件72的另一側的是紙張導件74，用以將媒體基材片體以預定的間距導引通過列印頭積體電路。

第11A圖、第11B圖、第11C圖顯示出自列印頭匣之其餘部分上拆卸下來的出口歧管50。介面板76設有出口管嘴54，用以連接至圍設於印表機本體內的墨水坑槽。管接頭60連接至通道模製件68(第10圖)內的每一主要通道24上。如第11B圖及第11C圖中所示，介面板76之內側支撐著各主要通道的細墨水管32及空氣孔穴34。墨水出口38在緊鄰於空氣孔穴34的前方處連接至細管32上。空氣孔穴34及細管32係以施用在出口歧管50之背側上的熱封合箔78來互相密封隔開。箔78是加熱而封合於該等五個空孔穴及墨水管的整個周緣，因為它們必須要完全互相封合隔離開。為確保此密封不會在使用過程中受損，該熱封合部可以抵抗內部壓力至100kPa。

當此列印頭總成填注墨水時，墨水會僅流通過細管32至出口38。該細管內的墨水柱長度、該管的直徑、以及墨水的性質會決定該管內之墨水的聲慣量。此聲慣量相當於等效之機械阻尼器內的緩衝筒(Dash-Pot)及電子阻尼器中的電感。此空氣孔穴的體積是相當的小；小於0.4ml，通常是在0.15ml及0.3ml之間。此可做為機械式 阻尼器中的彈簧，或是相對應之電路中的電容器。

如果通道模製件68的主要通道24具有稍微不同的結構，則共振頻率同樣會不同。因此，每一24的流體阻尼器係針對每一墨水管線的最佳阻尼作用調整成在不同的頻率共振。

本文中僅以舉列方式來描述本發明。熟知此領域的技藝者當可輕易地知悉多種不脫離本發明概念之精神及範疇的變化及改良。

2‧‧‧列印頭總成

3‧‧‧列印引擎

4‧‧‧墨水槽

6‧‧‧氣泡點調節器

8‧‧‧上游側墨水管線

10‧‧‧關斷閥

12‧‧‧泵

16‧‧‧下游側墨水管線

18‧‧‧坑槽

20‧‧‧LCP模製件

22‧‧‧媒體基材

24‧‧‧主要通道

26‧‧‧非填注空氣孔穴

28‧‧‧細微通道

30‧‧‧列印頭積體電路

32‧‧‧(墨水)管

33‧‧‧接點

34‧‧‧可壓縮流體孔穴

36‧‧‧入口

38‧‧‧出口

40‧‧‧流體阻尼器

42‧‧‧保護蓋

44‧‧‧頂部模製件

46‧‧‧入口管套

47‧‧‧出口管套

48‧‧‧入口歧管

50‧‧‧出口歧管

52‧‧‧入口導管

54‧‧‧出口導管

56‧‧‧帽蓋

58‧‧‧抓持表面

60‧‧‧管接頭

62‧‧‧密封件

64‧‧‧導線接合部

66‧‧‧晶片接著膜

68‧‧‧通道模製件

70‧‧‧撓性印刷電路板

72‧‧‧孔穴模製件

74‧‧‧紙張導件

76‧‧‧介面板

78‧‧‧熱封合箔

120‧‧‧流體管接頭

122‧‧‧孔口

126‧‧‧閂件

第1圖是一習用印表機流體系統的示意圖。

第2A圖、第2B圖、第2C圖顯示出第1圖中所示之列印頭墨水供應管線的三個最低共振模式的駐波。

第3A圖是以沒有流體阻尼器之墨水管線的頻率的函數關係顯示出墨水的峰值壓力。

第3B圖是以設有調整成可與墨水管線第一共振頻率共振之流體阻尼器的墨水管線的頻率的函數關係顯示出墨水的峰值壓力。

第3C圖是以設有調整成可與墨水管線最低二共振頻率之均方根共振之流體阻尼器的墨水管線的頻率的函數關係顯示出墨水的峰值壓力。

第4圖是設有根據本發明之流體阻尼器的列印頭總成的示意圖。

第5圖顯示出裝設於印表機列印引擎的本發明列印頭 匣。

第6圖顯示出自印表機列印引擎內拆卸下來的本發明列印頭匣。

第7圖是根據本發明之完整列印頭匣的外觀圖。

第8圖顯示出第7圖中之列印頭匣拆除保護蓋後的情形。

第9圖是第7圖之列印頭匣內之列印頭總成的部分分解外觀圖。

第10圖是第7圖之列印頭匣內之LCP模製件的分解外觀圖。

第11A圖、第11B圖、第11C圖顯示出列印頭匣的出口歧管。

2‧‧‧列印頭總成

8‧‧‧上游側墨水管線

10‧‧‧關斷閥

16‧‧‧下游側墨水管線

20‧‧‧LCP模製件

24‧‧‧主要通道

26‧‧‧非填注空氣孔穴

28‧‧‧細微通道

30‧‧‧列印頭積體電路

32‧‧‧管

34‧‧‧可壓縮流體孔穴

36‧‧‧入口

38‧‧‧出口

40‧‧‧流體阻尼器

Claims (8)

1. 一種噴墨印表機的列印頭，包含：複數個列印頭積體電路，設有一個陣列的噴嘴，用以噴射墨水，該陣列的噴嘴之長度是沿著待被該噴墨印表機列印之媒體基材的寬度而延伸；支撐結構，用以支撐該列印頭積體電路，該支撐結構具有：墨水導管，用以將墨水供應至該陣列的噴嘴、位於該墨水導管上游之入口歧管，接受來自於墨水供應源的墨水並將墨水導向至該墨水導管、位於該墨水導管下游之出口歧管，接受來自於該墨水導管的墨水，該導管具有一組共振頻率，該導管內的墨水在該組共振頻率下回應該陣列之噴嘴的特定作業模式而產生駐波；以及位於該出口歧管內的流體阻尼器，具有一選定的共振頻率，其可抑制相關於該組共振頻率之每一者的駐波，使得該駐波的振幅小於最大臨界值；其中該流體阻尼器具有空氣孔穴以及與該空氣孔穴和該墨水導管形成流體連接之管，使得在使用期間，當該列印頭被填注時，墨水導管填注墨水，而該空氣孔穴則不填注。
2. 如申請專利範圍第1項所述之列印頭，其中該支撐結構具有用以將該墨水管線連接至墨水供應源的入口，以及用以將該墨水管線連接至廢棄墨水貯器的出口，該出口位在該空氣孔穴和該管之間的連接處。
3. 如申請專利範圍第1項所述之列印頭，其中該空氣孔穴具有少於0.4ml的空氣。
4. 如申請專利範圍第1項所述之列印頭，其中該列印頭被建構成可列印不同顏色的墨水，每一墨水顏色具有各自的流體阻尼器，每一顏色的流體阻尼器之共振頻率不同於其它顏色中至少一者。
5. 如申請專利範圍第1項所述之列印頭，其中該流體阻尼器的該選定共振頻率是介於該組共振頻率中二個最低共振頻率之間。
6. 如申請專利範圍第5項所述之列印頭，其中該選定的共振頻率是該二最低共振頻率之乘積的平方根。
7. 如申請專利範圍第1項所述之列印頭，其中該最大臨界值壓力小於4kPa。
8. 如申請專利範圍第7項所述之列印頭，其中該陣列之噴嘴內的墨水壓力維持高於-3kPa，以避免排空，並保持噴射出之液滴體積大於最小體積。