Печатающая головка струйного принтера, имеющая четыре расположенных в шахматном порядке ряда сопел - RU2269424C2
Код документа: RU2269424C2
Чертежи
Описание
Предпосылки создания изобретения
1. Область, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится, в общем, к термическим струйным (TIJ) печатающим головкам, в частности к системе и способу для высокоэффективной печати, имеющим многочисленные режимы работы, которые используют печатающую головку с одноцветной струей чернил, имеющую очень плотную шахматную компоновку генераторов чернильных капель.
2. Предшествующий уровень техники
Струйные принтеры (TIJ) являются популярными и широко используются в компьютерной области. Указанные принтеры были описаны W.J. Lloyd и H.T. Taub в книге: "Ink Jet Devices," Chapter 13 of Output Hardcopy Devices (Ed. R.C. Durbeck and S. Sherr, San Diego: Academic Press, 1988) и патентах США №4490728 и 4313684. Струйные принтеры производят высококачественную печать, компактны и портативны, печатают быстро и тихо, потому что только чернила ударяют о материал печати (такой, как бумага).
Струйный принтер производит напечатанное изображение, печатая конфигурацию отдельных точек (или пикселей) в конкретных заданных местоположениях матрицы. Указанные точечные местоположения, которые обычно выглядят в виде маленьких точек в прямолинейной матрице, задаются печатаемой конфигурацией. Следовательно, операция печати может быть проиллюстрирована как заполнение конфигурации точечных местоположений точками чернил.
Струйные принтеры печатают точки, испуская маленький объем чернил на печатаемый материал. Устройство подачи чернил типа чернильного резервуара подает чернила в генераторы чернильных капель. Генераторы чернильных капель управляются микропроцессором или другим контроллером и испускают чернильные капли в соответствующие моменты времени по команде микропроцессора. Синхронизация испусканий чернильных капель, вообще говоря, соответствует конфигурации пикселей печатаемого изображения.
Вообще говоря, генераторы чернильных капель испускают чернильные капли через форсунку (типа сопла) посредством быстрого нагрева маленького объема чернил, расположенных в пределах испарительной камеры или нагревательной камеры. Парообразование чернильных капель обычно осуществляется с использованием электрического нагревателя, такого как, например, маленький тонкопленочный (или нагревательный) резистор. Испускание чернильной капли достигается посредством пропускания электрического тока через выбранный нагревательный резистор, таким образом, чтобы перегреть тонкий слой чернил, расположенный в пределах нагревательной камеры. Указанное перегревание вызывает взрывное парообразование тонкого слоя чернил и испускание чернильной капли через соответствующее сопло печатающей головки.
Испускания чернильных капель позиционируются на материале печати перемещающимся узлом каретки, который поддерживает узел печатающей головки, содержащий генераторы чернильных капель. Узел каретки проходит над поверхностью материала печати и позиционирует узел печатающей головки в зависимости от печатаемой конфигурации. Узел каретки производит относительное перемещение между узлом печатающей головки и материалом печати вдоль «оси сканирования». В общем, ось сканирования представляет собой направление, параллельное ширине материала печати, и одиночное «сканирование» узла каретки означает, что узел каретки смещает узел печатающей головки один раз приблизительно на ширину материала печати. Между сканированиями материал печати обычно продвигается относительно печатающей головки вдоль «оси продвижения материала», которая перпендикулярна оси сканирования (и обычно вдоль длины материала печати).
По мере того, как узел печатающей головки передвигается вдоль оси сканирования, генерируется полоска прерывистых линий. Суперпозиция этих прерывистых линий создает восприятие напечатанного изображения в виде текста или графического изображения. Разрешение, достигаемое при печати вдоль оси продвижения материала, часто упоминается как плотность таких прерывистых линий вдоль оси продвижения материала. Таким образом, чем выше плотность прерывистых линий на оси продвижения материала, тем больше разрешение печати вдоль этой оси.
Плотность прерывистых линий вдоль оси продвижения материала (и, таким образом, разрешение печати вдоль оси бумаги) может быть увеличена посредством регулировки «шага» между последовательными сканированиями. Например, если для того, чтобы покрыть полоску, равную длине матрицы сопел, центрированной с осью продвижения материала, требуется в среднем два шага, то такая ситуация называется «двухпроходной печатью». В этом случае для того, чтобы позволить уменьшить вдвое шаг прерывистых линий, полоски должны сдвигаться на расстояние, равное нецелому числу длин шагов перфорации сопел (измеренных вдоль оси бумаги). Тем самым эффективно удваивается разрешение печати вдоль оси бумаги. Однако главный недостаток двухпроходной печати состоит в том, что лишние проходы сильно уменьшают скорость принтера. Например, скорость двухпроходной печати составляет приблизительно половину скорости однопроходной печати. Такое большое уменьшение скорости печати нежелательно для некоторых операций процесса печати, но приемлемо для других.
Другой способ, который можно использовать для увеличения плотности прерывистых линий вдоль оси продвижения материала, состоит в том, чтобы увеличить плотность разнесения сопел для того, чтобы обеспечить высокое разрешение при однопроходной печати. Однако достаточно трудно изготовить генератор чернильных капель и структуры сопел, которые обеспечивают возможность высокой линейной плотности сопел, требуемой для печати с высоким разрешением. Например, для того, чтобы обеспечить возможность плотного заполнения, генераторы чернильных капель должны быть достаточно малыми, объем чернильных капель уменьшается с увеличением плотности расположения сопел, объем чернильных капель может быть несовместимым с желательным режимом печати. Следовательно, существует необходимость в струйной печатающей головке, обладающей способностью многорежимного функционирования, которая обеспечивает возможность высокоскоростной печати с высоким разрешением в одном применении печати, при этом также обеспечивая режим печати максимального качества с высоким разрешением в другом применении печати.
Сущность изобретения
Для того, чтобы преодолеть ограничения вышеописанного уровня техники и преодолеть другие ограничения, которые станут очевидными после чтения и понимания настоящего описания, настоящее изобретение воплощается в одноцветной струйной печатающей головке, обладающей способностью функционировать в многочисленных режимах работы, которые включают высокую плотность генераторов чернильных капель, чтобы обеспечить однопроходную печать с высоким разрешением. В частности, настоящее изобретение может выполнять однопроходную печать с разрешением по оси печати бумаги, большим чем двойное разрешение при двухпроходной печати с одним рядом. Настоящее изобретение обращено, по меньшей мере, к одной из проблем, связанных с высокоплотной матрицей генераторов чернильных капель и сопел, и обеспечивает высококачественную однопроходную печать, имеющую высокое разрешение печати. Кроме того, настоящее изобретение обеспечивает возможность печати в многочисленных режимах в зависимости от требуемых скорости, разрешения и качества печати.
Высокоэффективная одноцветная струйная печатающая головка согласно настоящему изобретению включает высокоплотную шахматную компоновку генераторов чернильных капель, расположенных на структуре печатающей головки. Каждый генератор чернильных капель представляет собой тонкопленочную структуру, сформированную в структуре печатающей головки, которая имеет соединение по текучей среде с устройством подачи чернил, а также имеет сопло. Чернила подаются в генератор чернильных капель и в соответствующий момент времени нагреваются и испускаются из соответствующего сопла. Высокоплотная шахматная компоновка генераторов чернильных капель включает множество генераторов чернильных капель, распложенных вдоль каждой из, по меньшей мере, трех осей. Три оси по существу являются параллельными и размещены на расстоянии друг от друга. Множество генераторов чернильных капель вдоль одной оси располагается в шахматном порядке относительно множеств генераторов чернильных капель вдоль других осей. Каждое множество генераторов чернильных капель вдоль одной оси имеет осевой шаг, а шахматная компоновка обеспечивает эффективный шаг объединенных осей, который представляет собой часть осевого шага. В предпочтительном варианте осуществления изобретения каждое множество генераторов чернильных капель вдоль оси имеет осевой шаг, равный приблизительно 1/300-ой дюйма, тем самым обеспечивая печатающую головку согласно настоящему изобретению, имеющую предпочтительную компоновку, состоящую из четырех множеств генераторов чернильных капель вдоль четырех осей, эффективным шагом, равным приблизительно 1/1200-ой дюйма. Такое уменьшение эффективного шага (и последующее увеличение разрешения печати) означает, что для того, чтобы обеспечить требуемое разрешение печати, необходимо меньшее количество сканирований, что в результате приводит к печати с высоким разрешением при высокой скорости.
Высокоплотная компоновка генераторов чернильных капель, используемых в настоящем изобретении, может стать причиной производственных дефектов, которые могут оказать воздействие на качество печати. В частности, процесс изготовления, используемый для формирования сопел, может вызвать изменение в траекториях чернильных капель. Настоящее изобретение преодолевает данное снижение качества печати, обеспечивая возможность функционирования в многочисленных режимах печати, в зависимости от требуемого разрешения, скорости и качества печати. Настоящее изобретение также включает способ высокоэффективной печати в многочисленных режимах печати, использующих струйную печатающую головку согласно настоящему изобретению.
Другие аспекты и преимущества настоящего изобретения, а также его более полное понимание станут очевидными из следующего подробного описания в сочетании с сопроводительными чертежами, иллюстрирующими принципы изобретения на не ограничивающем его примере. Кроме того, подразумевается, что объем патентных притязаний изобретения ограничивается только формулой изобретения, а не предшествующей сущностью изобретения или последующим его подробным описанием.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретных вариантов его осуществления со ссылками на сопроводительные чертежи, (на которых соответствующие детали везде обозначены одинаковыми ссылочными номерами), на которых:
фиг.1 изображает блок-схему всей печатающей системы, включающей настоящее изобретение,
фиг.2 изображает взятую в качестве примера печатающую систему, которая включает настоящее изобретение, и показана исключительно для иллюстративных целей,
фиг.3 изображает схематическое представление, иллюстрирующее взятый в качестве примера узел каретки печатающей системы по фиг.2, который поддерживает узел печатающей головки согласно настоящему изобретению,
фиг.4 изображает вид в изометрии узла печатающей головки согласно настоящему изобретению и показан исключительно для иллюстративных целей,
фиг.5 изображает упрощенный схематический вид сверху узла печатающей головки по фиг.4, иллюстрирующий шахматную компоновку генераторов чернильных капель согласно настоящему изобретению,
фиг.6 изображает другой упрощенный схематический вид, предназначенный для дополнительной иллюстрации чередующейся или шахматной компоновки сопел согласно настоящему изобретению,
фиг.7 изображает поперечное сечение узла печатающей головки по фиг.5, иллюстрирующее вогнутость, вызванную процессом изготовления,
фиг.8 изображает пример, иллюстрирующий сильно упрощенный вид сверху печатающей головки по фиг.5 и компоновку базисных элементов,
фиг.9 изображает изометрический вид с частичным разрезом печатающей головки по фиг.8, иллюстрирующий различные слои печатающей головки,
фиг.10 изображает вид сверху части печатающей головки согласно настоящему изобретению с удаленным перфорированным слоем, и иллюстрирующий чередующуюся или шахматную компоновку генераторов чернильных капель.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
В последующем описании изобретения делается ссылка на сопроводительные чертежи, которые составляют его часть и на которых путем иллюстрации конкретных примеров показано, каким образом можно осуществить изобретение на практике. Следует понимать, что можно использовать и другие варианты осуществлять изобретение, а также то, что можно сделать структурные изменения, не выходя за объем патентных притязаний настоящего изобретения.
I. Общий обзор
Настоящее изобретение воплощается в одноцветной печатающей головке, имеющей высокоплотную компоновку чередующихся или расположенных в шахматном порядке генераторов чернильных капель. Компоновка настоящего изобретения обеспечивает высокоскоростную печать с высоким разрешением. Настоящее изобретение имеет генераторы чернильных капель, скомпонованные, по меньшей мере, тремя группами, по меньшей мере, вдоль трех осей. Осевая группа содержит множество генераторов чернильных капель, расположенных вдоль соответствующей оси (как в столбчатой группе). Каждая ось имеет осевую линию, которая по существу параллельна координатной оси. Осевая группа компонуется в шахматном порядке относительно другой группы. Каждая осевая группа имеет осевой шаг, и один из результатов шахматной компоновки состоит в том, что эффективный (или объединенный) шаг печатающей головки является частью осевого шага. Шахматная компоновка генераторов чернильных капель обеспечивает возможность печати с более высоким разрешением за меньшее количество проходов и обеспечивает посредством увеличения эффективной плотности сопел вдоль оси продвижения материала высокую скорость печати при высоком разрешении.
Применяя конструкцию печатающей головки, которая обеспечивает возможность различных режимов печати, настоящее изобретение позволяет оптимизировать качество, скорость или их комбинацию согласно конкретному применению печати. Структурные и
электрические модификации обсуждаются в находящейся на рассмотрении заявке №10003553-1 фирмы Hewlett-Packard, озаглавленной: «COMPACT HIGH-PERFORMANCE, HIGH-DENSITY INK JET PRINTHEAD", изобретатель Joe Torgerson и соавторы, и поданной с той же датой, что и настоящая заявка. Когда настоящее изобретение функционирует в режиме печати, который максимизирует качество, печатающая головка является чувствительной даже к незначительным вариациям в точности размещения чернильных капель из печатающей головки на материал печати. Дефекты процесса изготовления печатающей головки состоят в геометрических вариациях в пределах печатающей головки, которая может вызвать вариацию траектории чернильных капель поперек печатающей головки. Указанная ошибка, вообще говоря, приемлема для высокоскоростной печати. Однако для печати с высоким разрешением эффект данной вариации может быть неприемлемым.
Настоящее изобретение преодолевает данную проблему посредством обеспечения многочисленных режимов функционирования, в результате чего различные режимы являются доступными в зависимости от требуемой скорости, разрешения или качества печати. Например, как обсуждается далее, настоящее изобретение обладает способностью к печати в высококачественном, однопроходном двунаправленном режиме с разрешением печати 1200 точек на дюйм, имеющем сравнительно более низкую скорость продвижения материала, но более высокое качество, чем двухпроходная печать с разрешением 1200 точек на дюйм. Указанные различные режимы позволяют печатающей головке согласно настоящему изобретению находить компромисс между скоростью и качеством в зависимости от применения печати. Например, двунаправленный однопроходный режим с разрешением печати 1200 точек на дюйм использует все осевые группы сразу и имеет тенденцию к некоторому снижению качества из-за специфических ошибок траектории чернильных капель, которые зависят от расположения сопел. Более медленный двухпроходный режим печати с разрешением 1200 точек на дюйм использует часть осевых групп и позволяет устранять такие ошибки траектории, зависимые от расположения сопел.
В предпочтительном варианте его осуществления настоящее изобретение включает печатающую головку, использующую черные чернила и имеющую четыре множества генераторов чернильных капель, каждое из которых расположено вдоль четырех осей, каждая из которых параллельна координатной оси и поперечно разнесена от каждой другой. Как подробно объясняется далее, каждое множество генераторов чернильных капель вдоль оси (или осевой группы) имеет осевой шаг (300 точек на дюйм во взятом в качестве примера варианте осуществления изобретения) относительно координатной оси, а все четыре осевые группы обеспечивают объединенный эффективный шаг, равный одной четверти осевого шага по отношению к координатной оси (1200 точек на дюйм в предпочтительном варианте осуществления изобретения). Таким образом, располагая сопла в шахматном порядке по отношению к координатной оси, настоящее изобретение учетверяет эффективный шаг (и плотность сопел) всей печатающей головки. Это позволяет получить для однопроходной печати разрешение печати, эквивалентное тому, которое ранее могло бы быть осуществлено с четырехпроходной печатью (предполагая одну осевую группу сопел). В другом варианте осуществления изобретения печатающая головка использует выбранные пары осевых групп так, чтобы печатающая головка имела объединенный эффективный шаг, равный половине осевого шага. Указанный вариант осуществления изобретения обеспечивает двухпроходную однонаправленную печать, которая устраняет эффект вышеупомянутого дефекта изготовления печатающей головки. В дополнение к этому данный вариант осуществления изобретения обеспечивает такое же разрешение печати, как вышеупомянутый вариант осуществления изобретения.
II. Структурный обзор
Фиг.1 изображает блок-схему всей печатающей системы, включающей настоящее изобретение. Печатающая система 100 может быть использована для печатания материала, такого как чернила, на материале печати 102, который может быть бумагой. Печатающая система 100 подключается к главной системе 105 (такой как, например, компьютер или микропроцессор) для выработки печатаемых данных. Печатающая система 100 включает: контроллер 110, источник 120 питания, устройство 125 перемещения материала печати, узел 130 каретки и множество 125 переключающих устройств. Источник 120 питания имеет струйное соединение с узлом 150 печатающей головки для селективной подачи чернил в узел 150 печатающей головки. Устройство 125 перемещения материала печати обеспечивает средство для перемещения материала 102 печати (такого, как бумага) относительно печатающей системы 100. Аналогично узел 130 каретки поддерживает узел 150 печатающей головки и обеспечивает средство для перемещения узла 150 печатающей головки в конкретное местоположение над материалом 102 печати по команде контроллера 110.
Узел 150 печатающей головки включает структуру 160 печатающей головки. Как подробно описывается далее, структура 160 печатающей головки согласно настоящему изобретению содержит множество различных слоев, включая подложку (не показана). Подложкой может быть одна монолитная подложка, которую изготавливают из любого подходящего материала (предпочтительно имеющего низкий коэффициент теплового расширения), такого как, например, кремний. Структура 160 печатающей головки также включает высокоплотную шахматную компоновку 165 генераторов чернильных капель, сформированную на структуре 160 печатающей головки, которая содержит множество элементов, заставляющих чернильную каплю испускаться из узла 160 печатающей головки. Структура 160 печатающей головки также включает электрический интерфейс 170, который подает энергию в переключающие устройства 135, которые, в свою очередь, направляют мощность в высокоплотную шахматную компоновку 165 генераторов чернильных капель.
В процессе функционирования печатающей системы 100 источник 120 питания подает управляемое напряжение на контроллер 110, устройство 125 перемещения материала печати, узел 130 каретки и узел 150 печатающей головки. В дополнение контроллер 110 принимает данные печати из главной системы 105 и обрабатывает данные, преобразуя их в информацию управления принтером и данные изображения. Обработанные данные, данные изображения и другие статически и динамически генерируемые данные подаются в устройство 125 перемещения материала печати, узел 130 каретки и узел 150 печатающей головки для эффективного управления печатающей системы 100.
Взятая в качестве примера печатающая система
Фиг.2 изображает взятую в качестве примера печатающую систему, включающую высокоэффективную высокоплотную струйную печатающую головку согласно настоящему изобретению, и показана исключительно для иллюстративных целей. Как показано на фиг.2, печатающая система 200 включает лоток 222 для хранения материала печати. Когда начинается функционирование печати, материал печати перемещается в печатающую систему 200 из лотка 222, предпочтительно с использованием листоподающего транспортера 226 в направлении 227 продвижения материала. Затем материал печати перемещается в U-направлении в пределах печатающей системы и выходит в направлении, противоположном входу, в сторону выходного лотка 228. Также могут быть использованы другие пути материала печати, такие как прямолинейный путь бумаги.
При входе в печатающую систему 200 материал печати задерживается в пределах зоны 230 печати, а затем узел 130 каретки, который поддерживает, по меньшей мере, один узел 150 печатающей головки согласно настоящему изобретению перемещается (или сканирует) поперек материала печати в направлении оси 234 сканирования для печатания на нем полоски чернильных капель. Узел 150 печатающей головки может быть установлен на узел 130 каретки съемным образом или неразъемным образом. В дополнение, узел 150 печатающей головки соединяется с устройством 115 подачи чернил. Устройство подачи чернил может быть автономным устройством подачи чернил (как, например, автономный резервуар для чернил). Альтернативно, узел 150 печатающей головки может иметь соединение по текучей среде с устройством 115 подачи чернил через гибкий трубопровод. В качестве другой альтернативы устройство 115 подачи чернил может представлять собой один или более чернильных контейнеров, отдельных или отделяемых от узла 150 печатающей головки и устанавливаемых на узел 130 каретки съемным образом.
Фиг.3 изображает схематическое представление, иллюстрирующее пример узла каретки печатающей системы по фиг.2, который поддерживает высокоэффективную высокоплотную струйную печатающую головку согласно настоящему изобретению. Узел 130 каретки включает сканирующую каретку 320, поддерживающую узел 150 печатающей головки, который может быть установлен на узел 130 каретки съемным образом или неразъемным образом. Контроллер 110 присоединяется к сканирующей каретке 320 и обеспечивает подачу управляющей информации в узел 150 печатающей головки.
Сканирующая каретка 320 способна перемещаться вдоль направления прямолинейного пути по оси 234 сканирования. Двигатель 350 каретки, такой как шаговый двигатель, перемещает сканирующую каретку 320 вдоль оси 234 сканирования согласно командам, поступающим из контроллера 354 позиционирования. Контроллер 354 позиционирования снабжается памятью 358, позволяющей контроллеру 354 позиционирования знать его положение вдоль оси 234 сканирования. Контроллер 354 позиционирования подсоединяется к двигателю валика 362 (такому, как шаговый двигатель), который дифференциально перемещает материал 102 печати. Материал 102 печати перемещается посредством давления, приложенного между материалом 102 печати и валиком 370. Электрическая мощность, необходимая для работы электрических компонентов печатающей системы 200 (таких как двигатель 350 каретки и двигатель 362 валика), а также энергия, необходимая для побуждения узла 150 печатающей головки инжектировать чернильные капли, обеспечивается источником 120 питания.
Операция печати происходит посредством подачи материала 102 печати из лотка 222, а также посредством перемещения материала 102 печати в зону 230 печати путем вращения двигателя 362 валика и тем самым валика 370 вдоль оси 227 продвижения материала. Когда материал 102 печати правильно позиционирован в зоне 230 печати, двигатель 350 каретки позиционирует (или сканирует) для печатания сканирующую каретку 320 и узел 150 печатающей головки над материалом 102 печати вдоль оси 234 сканирования. Затем после одного или нескольких сканирований материал 102 печати дифференциально сдвигается двигателем 362 валика вдоль оси 227 продвижения материала, тем самым позиционируя другой участок материала 102 печати в зоне 230 печати. Сканирующая каретка 320 снова сканирует поперек материала 102 печати, чтобы напечатать другую полоску чернильных капель. Процесс повторяется до тех пор, пока требуемые данные печати не будут напечатаны на материал 102 печати, в момент чего материал 102 печати выталкивается в выходной лоток 228.
III. Архитектура печатающей головки
Печатающая головка согласно настоящему изобретению включает высокоплотную чередующуюся компоновку генераторов чернильных капель, обеспечивающую высокоскоростную печать с высоким разрешением. В предпочтительном варианте осуществления изобретения множество генераторов чернильных капель располагается, по меньшей мере, вдоль трех осей. Каждое множество генераторов чернильных капель вдоль оси (осевой группы) имеет осевой шаг, измеряемый вдоль координатной оси. Например, во взятом в качестве примера варианте осуществления изобретения осевой шаг равен 1/300 дюйма. В предположении, что на печатающей головке имеется четыре осевых группы, шахматная компоновка обеспечивает эффективное разрешение печати, равное 1200 точек на дюйм. Хотя дефекты изготовления имеют тенденцию влиять на качество печати, настоящее изобретение смягчает указанный эффект, обеспечивая многочисленные режимы функционирования. Как подробно поясняется далее, печатающая головка согласно настоящему изобретению может функционировать во множестве режимов печати в зависимости от требований к скорости и качеству печати.
Фиг.4 изображает вид в изометрии узла печатающей головки согласно настоящему изобретению, он изображен исключительно для иллюстративных целей. Подробное описание настоящего изобретения приводится со ссылкой на обычный узел печатающей головки, используемый с обычной печатающей системой, такой как принтер 200 по фиг.2. Однако настоящее изобретение можно объединить с любой конфигурацией печатающей головки и принтера. Со ссылкой на фиг.1 и 2, а также и фиг.4, узел 150 печатающей головки состоит из узла 402 термоструйной головки и корпуса 404 печатающей головки. Узел 402 термоструйной головки может быть снабжен гибким материалом, называемым нами, вообще говоря, узлом ленточного автоматизированного соединения (TAB), и может содержать взаимно соединяющие монтажные площадки 412. Взаимно соединяющие монтажные площадки 412 соответственно прикреплены к узлу 150 печатающей головки (также называемому печатающей кареткой), например, клеевым материалом. Контактные монтажные площадки 408 центрируются с электрически контактными электродами (не показаны) на узле 130 каретки.
Высокоплотная матрица чередующихся генераторов чернильных
капель
Фиг.5 изображает упрощенный схематический вид сверху узла печатающей головки, показанного на фиг.4, иллюстрирующий чередующуюся компоновку генераторов чернильных капель согласно настоящему изобретению. Узел печатающей головки включает высокоэффективную печатающую головку 500 согласно настоящему изобретению, имеющую множество сопел, а также первую щель 520 подачи чернил и вторую щель 530 подачи чернил. Щели 520, 530 подачи чернил обеспечивают подачу чернил в генераторы чернильных капель из устройства 115 подачи чернил. К каждому соплу 510 и предпочтительно нижележащему соплу 510 подсоединена соединением по текучей среде соответствующая высокоплотная матрица генераторов чернильных капель (не показана). Указанная матрица генераторов чернильных капель включает множество высокоомных нагревательных резисторов (не показаны), которые нагревают чернила внутри нагревательной камеры, подаваемые щелями 520, 530 подачи чернил, чтобы испускать чернильную каплю из каждого сопла 510.
Множество сопел 510 скомпоновано в группы генераторов чернильных капель, по меньшей мере, вдоль трех осей (осевые группы). Оси расположены на расстоянии друг относительно друга в поперечном направлении и относительно координатной оси L. Как показано на фиг.5, в предпочтительном варианте осуществления изобретения высокоэффективная печатающая головка 500 согласно настоящему изобретению включает четыре группы сопел 510, с каждой группой, расположенной вдоль отдельной оси. В частности, первая группа сопел расположена вдоль первой оси 540, вторая группа сопел расположена вдоль второй оси 550, третья группа сопел расположена вдоль третьей оси 560, и четвертая группа сопел расположена вдоль четвертой оси 570. Каждая из данных осей 540, 550, 560, 570 параллельна друг другу и координатной оси L. При использовании координатная ось L центрируется с осью 227 продвижения материала, показанной на фиг.2 и 3.
Фиг.6 изображает другой упрощенный схематический вид, предназначенный для дополнительной иллюстрации чередующейся или шахматной компоновки сопел согласно настоящему изобретению. В предпочтительном варианте осуществления изобретения каждая осевая группа или столбчатая компоновка сопел имеет одинаковое расстояние между центрами или осевой шаг Р по отношению к координатной оси L. Четыре группы сопел 540, 550, 560 и 570 располагаются в шахматном порядке по отношению друг к другу таким образом, что объединенное расстояние между центрами Р4 (по отношению к координатной оси L) всех четырех групп равно Р/4, или одной четвертой осевого шага Р. Другими словами, группы располагаются в шахматном порядке друг по отношению к другу так, чтобы обеспечить печатающей головке такое эффективное разрешение, которое в четыре раза выше, чем любая конкретная группа сопел.
Имеется два набора из двух групп сопел, которые чередуются для того, чтобы эффективно удвоить разрешение любой отдельной группы. Группа 540 и группа 560 формируют первую пару групп, которые располагаются в шахматном порядке друг по отношению к другу так, что объединенное расстояние между центрами Р2 по отношению к координатной оси L первой пары равно Р/2, или одной половине осевого шага Р. Аналогично, группа 550 и группа 570 образуют вторую пару групп, которые располагаются в шахматном порядке друг по отношению к другу так, что объединенное расстояние между центрами Р2 по отношению к координатной оси L второй пары равно Р/2, или одной половине осевого шага Р.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения осевой шаг Р одной группы по отношению к координатной оси L равен 1/300-ой дюйма, обеспечивая каждую группу эффективным разрешением 300 точек на дюйм. Таким образом, либо первая пара (группа 540 и группа 560), либо вторая пара (группа 550 и группа 570) имеет объединенный или эффективный шаг по отношению к координатной оси L, равный 1/600-ой дюйма. Комбинация из всех четырех расположенных в шахматном порядке групп (540, 550, 560 и 570) имеет объединенный или эффективный шаг сопел по отношению к координатной оси L, равный 1/1200-ой дюйма, обеспечивая печатающую головку 500 эффективным разрешением 1200 точек на дюйм.
Фиг.6 иллюстрирует каждую осевую группу (540, 550, 560 и 570), расположенную вдоль щелей 520, 530 подачи чернил. Каждая щель подачи чернил имеет два противоположных продольных края, причем осевая группа расположена смежно с каждым продольным краем. Как показано на фиг.6, в предпочтительном варианте осуществления изобретения, первая осевая группа 540 (группа 1) и вторая осевая группа 550 (группа 2) расположены на противоположных сторонах первой щели 520 подачи чернил, а третья осевая группа 560 (группа 3) и четвертая осевая группа 570 (группа 4) расположены на противоположных сторонах второй щели 530 подачи чернил. Хотя сопла каждой осевой группы показаны по существу коллинеарными, следует понимать, что некоторые из сопел конкретной осевой группы могут быть слегка смещены от центральной линии, например, чтобы компенсировать временные задержки эжектора капель.
Функционирование многочисленных режимов печатающей головки
Однако потенциальная проблема при наличии многочисленных групп сопел заключается в том, что могут существовать геометрические вариации между группами, вызванные дефектами изготовления. Указанные геометрические вариации могут приводить к вариациям траектории чернильных капель между группами сопел. В частности, фиг.7 изображает поперечное сечение (А-А') узла печатающей головки по фиг.5, иллюстрирующее вогнутость (или впадину) 700, вызванную процессом изготовления. Указанное сечение проходит через одно сопло для каждой из осевых групп 540, 550, 560 и 570.
Один из способов изготовления сопел 510 применяет добавление перфорированного слоя 710 сопел, содержащего сопла 510, к барьерному слою 720. Данный процесс включает шаг ламинирования слоя 710 выводящих сопел к барьерному слою 720, используя нагревание и давление. Шаг ламинирования имеет тенденцию изгибать слой выводящих сопел в сторону щелей 520, 530 подачи чернил и создает вогнутость 700 в слое 710 выводящих сопел. Указанная вогнутость 700 изменяет траекторию чернильной капли, испускаемой из осевой группы сопел, расположенных вдоль противоположных кромок щелей 520, 530 подачи чернил. Таким образом, вместо того, чтобы иметь траекторию, которая перпендикулярна поверхности печатающей головки 500, траектория чернильной капли имеет составляющую в направлении, параллельном плоскости печатающей головки 500 и щелям 520, 530 подачи чернил.
Например, как показано на фиг.7, первая чернильная капля 730 была испущена из первого сопла, а вторая чернильная капля 740 была испущена из второго сопла. Вследствие вогнутости 700 в слое 710 выводящих сопел траектория первой чернильной капли 730 является слегка наклонной в сторону щели 520 подачи чернил, и траектория второй чернильной капли 740 является слегка наклонной в сторону щели 520 подачи чернил с таким изменением траектории, которое противоположно первой чернильной капле 730. Точно так же, третья чернильная капля 750 из третьего сопла и четвертая чернильная капля 760 из четвертого сопла имеют аналогичное несоответствие. Вследствие вариаций расстояния между печатающей головкой 500 и материалом печати относительное позиционирование чернильных капель на материале, исходящих от генераторов капель, имеющих различные угловые траектории, имеет составляющую погрешности, которая является не предсказуемой.
Конструкция печатающей головки согласно настоящему изобретению преодолевает указанные эффекты траектории, обеспечивая возможность различных режимов печати в зависимости от требуемой скорости, разрешения и качества печати. В частности, настоящее изобретение обеспечивает возможность режимов печати, которые могут функционировать в однопроходном двунаправленном режиме с разрешением 1200 точек на дюйм, используя все четыре осевые группы, или для более высокого качества печати работать в однонаправленном двухпроходном режиме, используя выбранную пару осевых групп. Например, в предпочтительном варианте осуществления настоящее изобретение обеспечивает возможность, по меньшей мере, следующих режимов печати: (1) двунаправленный однопроходный режим с разрешением 1200 точек на дюйм, при котором работают все четыре осевые группы сопел; и (2) однонаправленный двухпроходный режим с разрешением 1200 точек на дюйм, использующий только осевые группы 540 (группа 1) и 560 (группа 3), или только осевые группы 550 (группа 2) и 570 (группа 4), для того, чтобы обеспечить более медленную, но более высококачественную печать. Двунаправленный однопроходный режим с разрешением 1200 точек на дюйм (с одновременным функционированием всех четырех осевых групп) обеспечивает возможность полной полоски покрытия с разрешением 1200 точек на дюйм за один проход печатающей головки 500 над материалом печати. При печатании в указанном режиме возникает тенденция появления ошибок траектории между осевой группой 540 (группа 1) по отношению к осевой группе 550 (группа 2), а также между осевой группой 560 (группа 3) по отношению к осевой группе 570 (группа 4), как обсуждалось со ссылкой на фиг.7. Указанный эффект, среди прочего, приводит к некоторой шероховатости края, когда печатается вертикальная линия.
Однонаправленный двухпроходный режим с разрешением 1200 точек на дюйм требует четырех перемещений (поскольку печать осуществляется только в одном направлении сканирования каретки) печатающей головки над материалом печати для того, чтобы произвести полную полоску с разрешением 1200 точек на дюйм. При использовании указанного режима для каждого прохода печатающей головки 500 над материалом печати совместно используются либо первая пара осевых групп (группы 540 и 560), либо вторая пара (группы 550 и 570). Как показано на фиг.7, сопла в каждой паре осевых групп проявляют тенденцию иметь те же самые ошибки траектории или нулевую относительную ошибку траектории. Тем самым устраняется ошибка, связанная с относительной траекторией сопел, уменьшая шероховатость вертикальных линий или вертикальных краев знаков текста. Однако указанный режим имеет недостаток - более чем двойное увеличение общего времени, требующегося для печати, по сравнению с двунаправленным режимом с разрешением 1200 точек на дюйм, в котором используются все четыре осевые группы сопел одновременно. Следует отметить, что, хотя фиг.7 обсуждалась с использованием значений разрешения, которые являются кратными разрешению, равному 300 точек на дюйм, понятно, что указанная методология повышения разрешения может быть применена к любому базовому разрешению.
Фиг.8 изображает пример, иллюстрирующий сильно упрощенный вид сверху печатающей головки фиг.5 и компоновку базисных элементов. Печатающая головка 500 включает подложку 800, на которой расположено множество генераторов чернильных капель, размещенных ниже сопел 510. Подложка включает первую и вторую щели 520, 530 подачи чернил, переносящие чернила к осевым группам генераторов чернильных капель. Щели 520, 530 подачи чернил разнесены друг от друга в направлении, поперечном к координатной оси L. Генераторы чернильных капель предпочтительно расположены в непосредственной близости к щелям 520, 530 подачи чернил, чтобы минимизировать сопротивление потока текучей среды между щелями 520, 530 подачи чернил и генераторами капель.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения первая щель 520 подачи чернил имеет два продольных края, обозначенных как край 1 и край 2, а вторая щель подачи чернил имеет аналогичные края, обозначенные как край 3 и край 4. Для первой щели 520 подачи чернил осевые группы 540 и 550 расположены смежно с продольными краями 1 и 2 соответственно. Для второй щели 530 подачи чернил осевые группы 560 и 570 расположены смежно с продольными краями 3 и 4 соответственно. Альтернативно, могут использоваться другие варианты осуществления изобретения с четырьмя рядами, как например, два крайних ряда подачи и два ряда, расположенных вблизи центральной щели.
Каждый из генераторов капель (местоположения которых обозначены кружками) включает сопло или форсунку для испускания чернил, нагревательный резистор для разогревания чернил и коммутационную схему, например, такую как полевой транзистор, подключенную к нагревательному резистору для обеспечения подачи импульсов тока на нагревательный резистор. Генераторы капель далее компонуются в группы, называемые базисными элементами (обозначенными на фиг.8 как базисный элемент 1, базисный элемент 2, и т.д.). Одним из функциональных назначений конкретного базисного элемента является то, что он имеет питающие провода для обеспечения подачи мощности к конкретному базисному элементу. Указанный питающий провод запитывается отдельно от каждого из питающих проводов для каждого из оставшихся базисных элементов. Таким образом, конкретный питающий провод подсоединен ко всем «питающим проводам», связанным с каждой из коммутационных схем в конкретном базисном элементе. В случае, когда коммутационными схемами являются полевые транзисторы (FET, ПТ), отдельный выбранный питающий провод базисного элемента подключается к одному из выводов истока или стока каждого ПТ в конкретном базисном элементе.
Другой аспект изобретения заключается в том, что имеются раздельно адресуемые управляющие электроды, подсоединенные к каждому переключающему устройству в отдельном базисном элементе. Там, где переключающим устройством является ПТ, управляющий электрод подключается к выводу затвора ПТ. Когда активизируется конкретное переключающее устройство, импульс тока проходит от питающего провода базисного элемента, через коммутационную схему, через нагревательный резистор, и обратно, через обратную шину или линию заземления. Для того, чтобы активизировать конкретное переключающее устройство, управляющий электрод и линия электропитания базисного элемента, связанная с указанным переключающим устройством, должны быть одновременно активизированы. В процессе функционирования печатающей головки управляющие электроды активизируются последовательно по одному. В результате, в данный момент времени может быть активизировано только одно переключающее устройство в конкретном базисном элементе. Однако одновременно могут использоваться некоторые или все базисные элементы.
Хотя на фиг.8 для простоты изображено только 3 или 4 генератора капель в каждом базисном элементе, понятно, что большинство конструкций печатающих головок будет иметь более 10 генераторов капель на базисный элемент. Более того, следует отметить, что хотя фиг.8 изображает генераторы капель каждой осевой группы расположенными эквидистантно от продольного края (по существу коллинеарно), должно быть понятно, что некоторые генераторы капель могут быть размещены на незначительно варьирующихся расстояниях от продольного края для того, чтобы осуществить компенсацию синхронизации адресных импульсов и скорости каретки.
Во взятом в качестве примера варианте осуществления изобретения каждая из осевых групп делится на 4 базисных элемента. В указанном варианте осуществления изобретения имеется 26 управляющих электродов. Каждый из базисных элементов имеет 26 сопел, т.е. общее количество равно 104 соплам на осевую группу. Каждый базисный элемент имеет максимум одно адресуемое соединение для каждого из 26 управляющих электродов. Поскольку в процессе функционирования печатающая система проходит циклы через управляющие электроды, в каждый заданный момент в базисном элементе может использоваться только один генератор капель. Однако, поскольку большинство управляющих электродов совместно используются базисными элементами, многочисленные базисные элементы могут быть включены одновременно. В предпочтительном варианте осуществления изобретения имеется, по меньшей мере, три, а предпочтительно четыре базисных элемента, которые перекрываются по оси 234 сканирования (которая является поперечной к оси 227 продвижения материала и к координатной оси L), и которые могут функционировать одновременно. Это позволяет осуществить намного более полное перекрывание с более высоким разрешением за одно сканирование.
Фиг.9 схематически изображает изометрический вид с частичным разрезом печатающей головки 500 согласно настоящему изобретению. Печатающая головка 500 включает тонкопленочную субструктуру или пластину 800, содержащую подложку (такую, как кремний) и имеющую различные устройства и тонкопленочные слои, сформированные на ней. Печатающая головка 500 также включает перфорированный слой 710, расположенный на барьерном слое 720, который, в свою очередь, покрывает подложку 800. Подложка 800 включает генераторы чернильных капель, которые располагаются в высокоплотной шахматной компоновке, включающей первый ряд генераторов 900 чернильных капель и второй ряд генераторов 910 чернильных капель, расположенных вокруг первой щели 520 подачи чернил. Сопла 510 формируются в перфорированном слое 710 и размещаются таким образом, чтобы каждое сопло 510 имело генератор чернильных капель, лежащий под ним. Чернила подаются через первую щель 520 подачи чернил в генераторы чернильных капель, где они нагреваются и испускаются через сопла 510.
Как обсуждалось ранее со ссылкой на фиг.7, чтобы прикрепить перфорированный слой 710 к барьерному слою 720, обычно используется процесс ламинирования. Указанный процесс обычно деформирует перфорированный слой таким способом, который воздействует на траекторию чернильных капель, которые должны испускаться из сопел 510. Изменение результирующей траектории обычно является приблизительно равным, противоположным и направленным поперек щели подачи чернил. Таким образом, например, осевая группа 540 (группа 1) имеет такое же изменение траектории, как и осевая группа 560 (группа 3), но имеет противоположное изменение траектории по отношению к осевой группе 550 (группа 2). Следует отметить, что, хотя фиг.9 изображает барьерный слой 720 и перфорированный слой 710 в виде отдельных дискретных слоев, они в альтернативном варианте осуществления изобретения также могут быть сформированы как один интегральный барьерный и перфорированный слой.
Фиг.10 изображает вид сверху части печатающей головки согласно настоящему изобретению с удаленным перфорированным слоем, иллюстрирующий чередующуюся или шахматную компоновку генераторов чернильных капель. А именно печатающая головка 500 включает генераторы 1000 чернильных капель, расположенные на подложке 800. Сопла 510, лежащие над генераторами 1000 чернильных капель, компонуются в осевые группы, включающие группу 1, группу 2, группу 3 и группу 4. Осевые группы генераторов чернильных капель пространственно разнесены друг от друга в поперечном направлении по отношению к координатной оси L. В предпочтительном варианте осуществления изобретения координатная ось L центрируется с осью 227 продвижения материала. Одиночный ряд генераторов чернильных капель может рассматриваться как имеющий разрешение, равное 1/Р (для одного прохода печатающей головки 500 над материалом печати), которое во взятом в качестве примера варианте осуществления изобретения составляет 300 точек на дюйм. При использовании такой шахматной компоновки осевых групп эффективное разрешение возрастает до 4/Р при работе со всеми четырьмя осевыми группами и равно 2/Р при работе с правильно выбранной парой из четырех осевых групп.
Осевой шаг Р отдельной осевой группы равен расстоянию между центрами двух ближайших генераторов чернильных капель, спроецированному на координатную ось L или измеренному по ней. В предпочтительном варианте осуществления изобретения P равняется 1/300-ой дюйма. Группы 1, 2, 3 и 4 располагаются в шахматном порядке друг относительно друга по координатной оси L с разнесением на Р/4 или на 1/1200-ую дюйма для любых двух групп, являющихся ближайшими соседями. Как показано, тем самым обеспечивается объединенное расстояние между центрами (снова измеренное по координатной оси L), равное Р/4 (1/1200-ой дюйма в иллюстративном варианте осуществления изобретения). При таком расположении объединенное расстояние между центрами Р13 групп 1 и 3 равно Р/2 или 1/600-ой дюйма. Объединенное расстояние между центрами Р24 групп 2 и 4 также равно Р/2. Такая высокоплотная шахматная компоновка позволяет печатающей головке согласно настоящему изобретению работать в многочисленных режимах печати, в зависимости от желания оптимизировать скорость печати, качество печати и разрешение.
Предшествующее описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения было представлено с целью иллюстрации и описания. Оно не предназначено для того, чтобы быть исчерпывающим или ограничивать изобретение точными раскрытыми формами. Соответственно предшествующее описание скорее должно быть расценено как иллюстративное, а не как ограничительное, и следует понимать, что в вариантах осуществления изобретения могут выть выполнены вариации, описанные специалистами, не выходя за объем патентных притязаний настоящего изобретения, определенный следующей формулой изобретения.
Реферат
Изобретение относится к термическим струйным печатающим головкам, в частности к системе и способу для высокоэффективной печати, имеющим многочисленные режимы работы, которые используют печатающую головку с одноцветной струёй чернил, имеющую шахматную компоновку генераторов чернильных капель. Изобретение обеспечивает высокоэффективную конструкцию, которая дает возможность печати с высокой разрешающей способностью и высокой скоростью, в то же время уменьшая её стоимость благодаря эффективному использованию пространства головки. Печатающая головка включает несколько термоэффективных аспектов, которые позволяют разместить большое число формирователей капель чернил на компактной печатающей головке, в то же время минимизируя тепловые отклонения. В предпочтительном варианте осуществления изобретения плотность формирователей капель чернил на компактной печатающей головке превышает 10 формирователей капель чернил на квадратный миллиметр, и компактная печатающая головка содержит, по меньшей мере, 350 сопел. Формирователи капель чернил расположены, по меньшей мере, четырьмя параллельными рядами. Каждый ряд расположен в шахматном порядке (или сдвинут) относительно соседнего ряда для того, чтобы обеспечить больший эффективный шаг, чем расположение не в шахматном порядке. Формирователи капель чернил включают резисторы высокого сопротивления и тонкую пассивацию для того, чтобы увеличить тепловую эффективность. Дополнительно тепловое управление достигается с помощью выбрасывания капель чернил малого веса из термоэффективных формирователей капель чернил с высокой частотой выброса, которая превышает 12 кГц. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 10 ил.
