專利名稱：用于按需噴射式噴墨打印機(jī)的電磁閥的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種裝置，特別是一種高速電磁閥，和一種包含這種閥的噴墨打印機(jī)；還涉及一種操作應(yīng)用所述閥的噴墨打印頭的方法。
背景技術(shù)：
噴墨打印機(jī)是非接觸式打印機(jī)，其中，墨滴從打印頭中的一個(gè)或多個(gè)噴嘴噴射出。噴出的墨滴被噴射到相對(duì)于打印頭移動(dòng)的片基上，并逐漸地由施加到片基上的墨點(diǎn)建立打印圖像。例如，本發(fā)明將按照相對(duì)于固定打印頭移動(dòng)的片基進(jìn)行說明。然而，本發(fā)明還可應(yīng)用于打印頭相對(duì)于固定片基移動(dòng)的打印機(jī)。本發(fā)明還可應(yīng)用于片基和打印頭相對(duì)運(yùn)動(dòng)的打印機(jī)。
一種形式的噴墨打印機(jī)包括，受到壓力的油墨源，典型的是被施加從0.1到3巴特別是約1巴的壓力的油墨容器或油墨瓶。例如通過對(duì)所述瓶或容器中油墨之上的空氣隙施加壓力來產(chǎn)生壓力。油墨被供給到打印頭中的噴嘴孔，通過所述噴嘴孔，一連串的墨滴被噴射到片基的表面上。所述打印頭典型地包括一排沿著橫斷片基行進(jìn)方向的這種噴嘴孔。油墨通過每個(gè)噴嘴孔的流動(dòng)被電磁閥控制。典型地，這種閥包括被置入用于在軸向延伸的電氣線圈中軸向運(yùn)動(dòng)的電磁柱塞。該柱塞的遠(yuǎn)端位于閥頭室中，油墨經(jīng)過該閥頭室從容器流到噴嘴孔。當(dāng)電流流過線圈時(shí)，產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)作用于所述柱塞使其軸向運(yùn)動(dòng)，從而打開或關(guān)閉噴嘴孔的鏜孔或管道的入口。典型的是，磁場(chǎng)作用使柱塞反抗盤簧的偏壓而縮回，從而在閥頭室和噴嘴孔之間產(chǎn)生流動(dòng)路徑。當(dāng)電流不再流過線圈時(shí)，磁場(chǎng)中斷，且柱塞在彈簧的偏壓下返回，并座靠密封肋板，唇板或其它位于或圍繞朝著噴嘴孔的鏜孔或管道的入口處的裝置，從而關(guān)閉朝著噴嘴孔的流動(dòng)路徑。典型的是，多個(gè)噴嘴孔在一塊板即噴嘴板上形成一排，且每個(gè)噴嘴孔以一個(gè)鏜孔穿過所述板并與電磁閥相連。典型的是，噴嘴孔被設(shè)置成寶石噴嘴的鏜孔的遠(yuǎn)端，其被座入穿過噴嘴板的鏜孔的出口。在控制油墨流動(dòng)到噴嘴孔的閥的致動(dòng)下，墨滴被單獨(dú)地從一個(gè)或多個(gè)噴嘴孔中噴出。
從容器經(jīng)由歧管為閥供給油墨，所述歧管用作將墨流分開并平均分配給每個(gè)閥。噴嘴孔排典型的是橫斷片基行進(jìn)的方向?qū)R，從而，多個(gè)閥的同時(shí)操作就產(chǎn)生了將被打印在片基上的一排墨點(diǎn)。所述閥被操作，從而將墨點(diǎn)沉積在片基上的所需位置上，從而在片基上建立五，七，八或更多元素的點(diǎn)柵格圖像。通過對(duì)用于噴嘴的各閥的開口的適當(dāng)排序，可以施加可視油墨點(diǎn)以便形成在片基上形成字符或其它圖像、產(chǎn)品日期、產(chǎn)品批量碼、圖標(biāo)、條形碼或其它可視圖像。另外，油墨可以是形成UV熒光或磁性讀取機(jī)可讀取的圖像的油墨，該圖像對(duì)于人眼不可視，例如安全或產(chǎn)品授權(quán)碼。如果需要，幾個(gè)噴嘴板可以被組合成一個(gè)陣列，從而在片基上打印較寬度圖像和/或通過將噴嘴板彼此交錯(cuò)排列從而在片基上實(shí)現(xiàn)點(diǎn)的緊密打印。
為了方便，術(shù)語按需噴射式打印機(jī)將被用于表示一般的這種類型的噴墨打印機(jī)；術(shù)語油墨將用來表示形成可視圖像的基于燃料和色料的油墨以及不能看到但機(jī)器讀取器可檢測(cè)到的其它流體成分；術(shù)語噴嘴孔被用于表示墨滴從其中噴出的小孔，術(shù)語噴嘴鏜孔將被用于表示連接閥頭室和噴嘴孔的鏜孔，且術(shù)語打印頭將被用于表示具有一個(gè)或多個(gè)噴嘴孔和相關(guān)聯(lián)閥的組件。
對(duì)于給定的噴嘴孔直徑而言，對(duì)于閥的每次開啟來說，通過改變閥被保持打開的時(shí)間來改變打印點(diǎn)的尺寸是容易的，且因此改變流過噴嘴孔的油墨量也是容易的。通過改變打印頭中閥的操作順序，可以容易地改變被打印的圖像的形式，從而墨滴以合適的順序從合適的噴嘴中噴出，以形成所需圖像。這種圖像和點(diǎn)尺寸的變化可以通過在適當(dāng)?shù)某绦蚧虿僮飨到y(tǒng)的操作下的計(jì)算機(jī)或微處理器的控制下而容易地實(shí)現(xiàn)。
這種按需噴射式打印機(jī)在市場(chǎng)上廣泛地銷售，且被廣泛地用于在范圍較廣的片基上打印范圍較廣的可視和不可視機(jī)器可讀圖像。用于油墨中在1-5巴的壓力下從噴嘴孔噴出，打印頭可以將墨滴從噴嘴孔噴出，墨滴的飛行路徑長(zhǎng)度為10到25毫米或以上，將打印頭定位在生產(chǎn)或包裝過程中行進(jìn)的物品生產(chǎn)線附近，且打印頭不會(huì)污染物品。
然而，隨著打印頭和片基之間行進(jìn)的相對(duì)速度的增加，閥不能以足夠的速度操作用于以足夠的頻率噴射墨滴到達(dá)形成所需圖像而不產(chǎn)生變形的點(diǎn)。典型的是，對(duì)于電磁閥的操作速度，用在噴墨打印機(jī)打印頭中的電流被限制為小于1000赫。隨著制造商的一定生產(chǎn)或包裝線的生產(chǎn)量的增加，需要將在片基上打印點(diǎn)的速度增加的需求也增加了。
在另一種形式的噴墨打印機(jī)中，如公知的脈沖噴墨打印機(jī)，壓電晶體或其它換能器被施加到或形成噴嘴孔的具有油墨入口和油墨出口的噴嘴鏜孔的噴墨腔的壁的一部分。當(dāng)電壓被施加到所述換能器上時(shí)，該換能器膨脹或彎曲，并產(chǎn)生噴墨腔的容積變化。這就使墨滴被從該腔中噴出，并經(jīng)由所述噴嘴鏜孔穿過噴嘴孔而被排出。借助對(duì)施加在換能器上的電脈沖的頻率的電控制，換能器可以以非常高的頻率產(chǎn)生變形，從而該打印頭可以以達(dá)到15千赫或更高的頻率噴射墨滴。然而，通過噴嘴孔噴射的墨量依賴于換能器彎曲的程度。其可以通過改變施加到換能器的電脈沖的振幅而改變。然而，每種類型的換能器僅僅在一窄的最佳操作脈沖振幅的百分比，典型的是正負(fù)10％，內(nèi)穩(wěn)定地操作，因此，市售的脈沖噴墨打印機(jī)僅僅能獲得有限范圍的點(diǎn)尺寸。為了增加打印點(diǎn)的尺寸，必須打印彼此重疊的連續(xù)點(diǎn)。這就限制了給定的脈沖噴射頭的應(yīng)用數(shù)量。此外，這種脈沖噴射頭僅將液滴投射較小的飛行路線距離，典型的是不大于6毫米，這是由于用于將墨滴從噴嘴孔噴出而產(chǎn)生的壓力較小。該壓力不能被增加超過一低閾值，這是因?yàn)?，油墨借助位于噴嘴孔處的油墨的彎月面的表面張力而被保持在噴嘴鏜孔中。而且，噴嘴鏜孔和噴嘴孔被形成在室的薄壁中，噴嘴鏜孔的典型長(zhǎng)徑比小于0.5∶1。結(jié)果是，與典型的具有長(zhǎng)徑比為10∶1或更大的寶石噴嘴中的噴嘴鏜孔相比，噴射墨滴的飛行路徑的方向性被降低。如果對(duì)于脈沖噴墨打印機(jī)而言，墨滴的飛行路徑大于約2毫米，那么墨滴在片基上的散射就會(huì)增加。這就進(jìn)一步限制了這種脈沖噴墨打印機(jī)的應(yīng)用。
在另一種公知的作為連續(xù)噴墨打印機(jī)的噴墨打印機(jī)中，帶電的噴射油墨被從噴嘴中噴出。該噴射油墨分裂成單個(gè)的帶電墨滴，然后，通過對(duì)位于單個(gè)帶電墨滴的飛行路徑附近的偏轉(zhuǎn)電極施加變化的電壓，所述單個(gè)帶電墨滴就朝著片基上的所需位置行進(jìn)。雖然這種打印機(jī)可以以高頻率形成墨滴，且能夠?qū)蝹€(gè)墨滴投射5到15cm的距離，但是，這種打印機(jī)的結(jié)構(gòu)和操作復(fù)雜且成本高。
國(guó)際專利申請(qǐng)NO.PCT/SE97/01007公開了一種用于在按需噴射式噴墨打印機(jī)中的電磁閥，其要求能夠以達(dá)到3千赫的頻率進(jìn)行操作的權(quán)利。這種閥包含重量輕的元件，從而減小了柱塞的質(zhì)量且因此減小了其慣性。這就能夠使柱塞在線圈中的每次運(yùn)動(dòng)極端可以迅速地加速和減速。為此，柱塞由兩個(gè)元件形成，一個(gè)由一種電磁材料制成，從而它可以借助線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)而運(yùn)動(dòng)，而另一個(gè)是重量輕的塑料元件，其被用作柱塞的遠(yuǎn)端。這種結(jié)構(gòu)復(fù)雜且昂貴。此外，我們已發(fā)現(xiàn)，包含這種閥設(shè)計(jì)的按需噴射式打印頭不能打印可接受的圖像。例如，在所述閥進(jìn)行高頻操作時(shí)，打印的點(diǎn)不均勻，且圍繞每個(gè)由打印頭所打印的基本點(diǎn)周圍有許多小的衛(wèi)星點(diǎn)。
因此，仍然需要一種打印頭，其能在超過1千赫的點(diǎn)產(chǎn)生頻率下簡(jiǎn)單且穩(wěn)定地操作，從而能夠使用較寬范圍的油墨或其它流體產(chǎn)生在較寬范圍的打印點(diǎn)尺寸上的均勻尺寸的墨滴。
我們已經(jīng)設(shè)計(jì)出一種形式的電磁閥，其能夠在高達(dá)8千赫或更高的速度下操作，且能在較寬范圍的點(diǎn)尺寸和操作頻率下打印均勻尺寸的墨滴。這是在傳統(tǒng)連續(xù)噴墨打印機(jī)的操作范圍內(nèi)。本發(fā)明的閥因此能夠使得按需噴射式噴墨打印機(jī)在快速運(yùn)動(dòng)的片基上打印圖像，而使用脈沖噴墨或連續(xù)噴墨打印機(jī)迄今為止認(rèn)為只是所得到的技術(shù)的變型方式，并且與傳統(tǒng)按需噴射式噴墨打印機(jī)相比減小打印圖像的變形。這種閥可制成非常緊湊，使得閥的陣列可用于噴嘴板內(nèi)的一排或多排噴嘴孔，以便提供具有高打印分辨率的緊湊打印頭。
包含本發(fā)明的閥的打印頭能夠?qū)崿F(xiàn)通常僅能采用慢速按需噴射式打印頭才能實(shí)現(xiàn)的打印點(diǎn)的位置精度和從噴嘴孔到片基表面的長(zhǎng)的墨滴飛行路徑。令人吃驚的是，本發(fā)明的閥能在一較寬的點(diǎn)尺寸范圍和頻率范圍內(nèi)精確地打印墨滴，而不形成顯著的衛(wèi)星墨滴。本發(fā)明的閥可被制造得性能穩(wěn)定，且通過使用軟件對(duì)施加在線圈上的電流脈沖的形狀進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而易于控制柱塞在線圈中的運(yùn)動(dòng)，從而優(yōu)化打印質(zhì)量。這一點(diǎn)與傳統(tǒng)的按需噴墨型打印機(jī)具有可比性，在傳統(tǒng)的按需噴墨型打印機(jī)中，計(jì)算機(jī)僅用于調(diào)節(jié)閥的打開時(shí)間，和使閥的操作的定時(shí)與順序與待產(chǎn)生的圖像相關(guān)。
此外，本發(fā)明的閥的設(shè)計(jì)易于使其本身作為一個(gè)閥陣列而被制造，每個(gè)閥用于單個(gè)噴嘴板中的多個(gè)噴嘴的一個(gè)。這就使噴嘴板和與其相關(guān)聯(lián)的閥的結(jié)構(gòu)被制造成整體構(gòu)造，其精度比使用單個(gè)閥和寶石噴嘴的高。包含一組本發(fā)明噴嘴和閥的打印頭可以被制造得比迄今為止的打印頭更符合性能標(biāo)準(zhǔn)。
此外，包含本發(fā)明的打印頭可以被制造得較使用傳統(tǒng)閥的打印頭更緊湊。這就使按需噴射式打印機(jī)與迄今為止的類型相比，能夠?qū)崿F(xiàn)具有更緊密的間隔的待打印小點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明提供一種用于控制從其中經(jīng)過的流體流的閥機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)包括一柱塞元件，該元件至少部分通過軸頸連接(journalled)，用于在當(dāng)電流通過線圈時(shí)由線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的感應(yīng)下，在電線圈中在等待位置和操作位置之間軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，柱塞的遠(yuǎn)端延伸進(jìn)入具有與噴嘴出口流體連通的出口的噴嘴鏜孔的閥頭室中，柱塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)適合于打開或關(guān)閉從閥頭室到所述鏜孔的液流路徑，其特征在于，a.所述柱塞是一種整體結(jié)構(gòu)，且由飽和磁通密度大于1.4特斯拉軟電磁材料制成，優(yōu)選大于1.5特斯拉，特別是約1.6到2.2特斯拉或更大，以及b.柱塞具有3毫米或更小的直徑，優(yōu)選小于2.5毫米，特別是小于1毫米，并且長(zhǎng)徑比小于15∶1，優(yōu)選小于10∶1，特別是從3∶1到8∶1。
本文使用術(shù)語“軟磁性”表示，當(dāng)線圈中的電流中斷時(shí)，材料就失去由于線圈而在其中所感應(yīng)的磁場(chǎng)，相反，永磁體仍然保留其磁性。為了方便起見，本文中所使用的術(shù)語“遠(yuǎn)”和“近”表示元件相對(duì)于油墨或其它流體穿過閥的流動(dòng)分別位于下游和上游的部分。
本發(fā)明閥的柱塞的特征在于，用于柱塞由特殊材料制成，與傳統(tǒng)電磁閥中使用的柱塞相比，本發(fā)明柱塞可以制成更小和更輕，通常是柱塞5毫米的直徑。因此，所使用的柱塞具有所需大小的磁力以便使其運(yùn)動(dòng)，并且這需要施加高驅(qū)動(dòng)電流到電磁閥的線圈上。在本發(fā)明中，柱塞具有小于3毫米的直徑和從10-20毫米的典型長(zhǎng)度，但可以是0.75毫米小的直徑和小于15毫米的長(zhǎng)度。柱塞的最佳尺寸將取決于閥的應(yīng)用、操作的所需頻率以及流過閥的流體的粘度。在優(yōu)選實(shí)施例中，柱塞具有小于2.5毫米的直徑，特別是1毫米或更小；小于20毫米的長(zhǎng)度，特別是小于15毫米，并且具有從3∶1到15∶1的長(zhǎng)徑比，優(yōu)選是從大約5∶1到10∶1。
優(yōu)選是，制成柱塞的材料還具有小于大約100的矯頑磁性，特別是小于50，例如大約25的矯頑磁性小于25安培每米(A/m)；并且超過10000的相對(duì)導(dǎo)磁率，優(yōu)選是超過50000，例如大約75000到90000。
優(yōu)選的是從閥頭室到噴嘴孔的噴嘴鏜孔具有小于8∶1的長(zhǎng)徑比，優(yōu)選從1.5∶1到5∶1，特別是從2∶1到4∶1。優(yōu)選是噴嘴孔具有與噴嘴鏜孔相同的直徑，并且在具有小于400微米厚度的平元件內(nèi)與噴嘴鏜孔形成整體。
本發(fā)明的閥可用于在超過1千赫的頻率下噴射準(zhǔn)確設(shè)置尺寸的墨滴。因此，閥可用來控制醫(yī)療領(lǐng)域診斷測(cè)試中試劑的準(zhǔn)確計(jì)量、化學(xué)或分析過程中的小量試劑。但是，本發(fā)明的閥特別適用于按需噴射式噴墨打印機(jī)，其中通過閥的流體是油墨，并且閥用來在片基上打印可視或不可視的機(jī)器讀取圖像。出于方便目的，本發(fā)明將在下面針對(duì)這種應(yīng)用進(jìn)行說明。
因此，本發(fā)明還提供一種其中墨滴從噴嘴孔噴射到片基上的按需噴射式噴墨打印機(jī)，其特征在于，本發(fā)明的閥用來控制到達(dá)噴嘴的油墨和其它流體的流動(dòng)。在本發(fā)明打印機(jī)的優(yōu)選形式中，具有多個(gè)噴嘴孔，并且通過每個(gè)噴嘴孔的流動(dòng)流通過本發(fā)明的閥單獨(dú)控制。
我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)對(duì)于柱塞來說使用特殊材料和尺寸克服了與使用傳統(tǒng)不銹鋼柱塞材料相關(guān)的許多問題。另外，傳統(tǒng)材料在1千赫的頻率下進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生過多的熱量。使用具有高飽和磁通密度的材料能夠使本發(fā)明柱塞迅速響應(yīng)，從而在由線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)中迅速改變，而不產(chǎn)生過多的熱量。采用優(yōu)選的材料，柱塞材料的低矯頑磁性也有助于，在當(dāng)電流以低施加線圈電流流過線圈時(shí)所產(chǎn)生的場(chǎng)的影響下，在柱塞中產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)的迅速升高和降低。這與材料的通常大于25000的高導(dǎo)磁性相結(jié)合，使得能夠在線圈和柱塞之間迅速產(chǎn)生高磁性驅(qū)動(dòng)力。結(jié)果是，給定尺寸的柱塞可以被線圈以小于傳統(tǒng)材料制成的柱塞小的驅(qū)動(dòng)電流迅速地加速。這不需要施加高驅(qū)動(dòng)電流給線圈，典型的是超過20安培的驅(qū)動(dòng)電流，這在迄今為止被認(rèn)為是必須的。這又減小了當(dāng)柱塞被線圈移動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的熱能。但是，如果飽和磁通密度足夠高，還可以使用具有優(yōu)選范圍以外矯頑磁性和/或相對(duì)導(dǎo)磁率的構(gòu)成材料以便實(shí)現(xiàn)滿意的結(jié)果。
使用具有低矯頑磁性的材料也允許由于在線圈中的電流的反向而迅速產(chǎn)生反磁力。該反磁力可以被用于在柱塞到達(dá)其行程的任一或兩個(gè)末端時(shí)減慢柱塞的運(yùn)動(dòng)。這種磁力制動(dòng)可以被用于代替偏壓彈簧或與偏壓彈簧結(jié)合使用，所述偏壓彈簧通常被用于將柱塞返回其等待位置。所述磁力制動(dòng)也可被用于減小柱塞在其座靠到噴嘴鏜孔的入口時(shí)的撞擊。這不僅增加了柱塞和密封元件的使用壽命，而且減小了在閥關(guān)閉時(shí)所產(chǎn)生的衛(wèi)星墨滴。然而，通常優(yōu)選的是，本發(fā)明的閥機(jī)構(gòu)還包括預(yù)拉伸的彈簧元件，當(dāng)電流不施加在線圈上時(shí)，該彈簧元件偏壓柱塞，抵抗由線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，從而使柱塞返回其等待位置。
制成柱塞的材料的這些磁性性能使得在柱塞在通過線圈產(chǎn)生柱塞每單位質(zhì)量的高驅(qū)動(dòng)力。因此與傳統(tǒng)的閥柱塞相比可以減小質(zhì)量以及柱塞的尺寸并在線圈的影響下使得柱塞獲得持續(xù)和快速加速。這使得小柱塞使用在本發(fā)明的閥中，并且在通常超過1千赫的高頻率下驅(qū)動(dòng)這些柱塞。這種閥可用來制成緊湊的打印頭，該打印頭可在比使用傳統(tǒng)電磁閥的打印頭高的速度下操作。另外，閥可在較低的頻率下操作，但具有更多的粘性油墨，而不需要使用更高的操作壓力。
通常優(yōu)選的是柱塞由具有盡可能高飽和磁通密度從材料制成。因此，該材料可具有1.8或更高的飽和磁通密度。但是，在材料具有2.0或更高的飽和磁通密度，例如大約2.2，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這種材料通常含有高比例的鐵，并且容易被噴墨打印機(jī)內(nèi)經(jīng)常使用的油墨腐蝕。在使用這種高鐵含量的材料時(shí)，需要為柱塞提供耐腐蝕或保護(hù)表面或涂層。因此，例如，柱塞表面可設(shè)置聚合物涂層。但是優(yōu)選的是使用任何適當(dāng)技術(shù)(例如電子或蒸汽沉積)在柱塞上形成例如鎳或鎘的金屬層。
當(dāng)前作為柱塞材料使用的適當(dāng)材料可從市場(chǎng)上得到，并且許多材料是由鐵和鎳的合金，典型的是包含40％到55％的鎳，優(yōu)選的一種合金包含40％到55％的鎳和55％到50％的鐵。如果需要，其它金屬例如μ-金屬、鎘、釩、鉻或鋁，也可以微量存在。這種應(yīng)用的優(yōu)選材料的飽和磁通密度超過1.6特斯拉，例如1.8特斯拉或更大。且矯頑磁性優(yōu)選地小于50，特別是小于大約25安培每米。相對(duì)導(dǎo)磁率優(yōu)選是超過50000，例如100000或更多。本應(yīng)用的適合材料包括銷售商品名稱為Permenorm 5000和Vacofer SI的合金范圍。
柱塞可以完全由這種材料形成，例如通過采用任何適合的技術(shù)，對(duì)固體材料的圓筒狀或其它形狀的柱塞進(jìn)行牽拉或機(jī)械加工而制成。或者是，所述柱塞可以通過對(duì)具有適合的鐵磁材料的顆粒或分散于其中的材料的混合物的聚合或陶瓷載體進(jìn)行燒結(jié)，壓力加工或鑄造而被形成。在另一種選擇之中，形成柱塞的材料可以是不同形態(tài)的鐵磁材料的層疊體，以便給出具有所需的整體性質(zhì)的組合結(jié)構(gòu)。為了方便起見，本發(fā)明將按照下文的由單獨(dú)Ni/Fe合金的固體形成的整體柱塞進(jìn)行說明。
通常，柱塞通過對(duì)理想的合金進(jìn)行機(jī)械加工，軋制或模壓而形成，從而形成具有所需尺寸和形狀的一定長(zhǎng)度的材料。在對(duì)形成用于閥的柱塞的優(yōu)選的構(gòu)造材料進(jìn)行機(jī)械加工期間，材料的磁性會(huì)被改變。因此，需要對(duì)制成的柱塞進(jìn)行某些形式的后成形處理，以便恢復(fù)磁性。這種處理包括熱處理或機(jī)械撞擊處理，這就導(dǎo)致材料的晶體組成發(fā)生改變。最佳形式的后成形處理易于使用試驗(yàn)和誤差來確定。
特別是柱塞具有大于大約2.5毫米直徑的柱塞內(nèi)部的部分可以被去除，以便在柱塞中形成一從柱塞的遠(yuǎn)端延伸的內(nèi)部鏜孔。這減小了柱塞的質(zhì)量。令人驚奇的是，這不會(huì)顯著地影響柱塞的磁性，且柱塞表現(xiàn)的磁性就象其是實(shí)心元件時(shí)一樣。例如，軸向鏜孔可以通過從適合材料的固體桿的遠(yuǎn)端鉆孔并形成封閉端。優(yōu)選的是，當(dāng)柱塞完全縮入線圈中時(shí)，鏜孔不軸向延伸進(jìn)入到柱塞的被容納在線圈中的部分，因此，柱塞位于線圈中的部分為實(shí)心的。這就使當(dāng)線圈被激發(fā)時(shí)，柱塞最初從線圈延伸期間作用在柱塞上的磁力最大化。這種用于減小柱塞質(zhì)量的方法較PCT申請(qǐng)NO.SE 97/01007中所描述的復(fù)雜的兩元件結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單。
因此，本發(fā)明提供一種本發(fā)明的電磁閥，其特征在于，柱塞已形成從其遠(yuǎn)端延伸的內(nèi)部鏜孔或空腔，從而，柱塞的質(zhì)量被減小，所述鏜孔或空腔在柱塞中軸向延伸，大致不遠(yuǎn)于當(dāng)柱塞被完全縮回線圈中時(shí)柱塞進(jìn)入線圈中的鏜孔的位置。
為了簡(jiǎn)單起見，下文將以實(shí)心柱塞對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說明。
典型的是，柱塞具有圓形橫截面，且滑動(dòng)接合在管狀支承元件的圓筒狀鏜孔中，所述柱塞在線圈中軸向延伸，如下面所述，從而其能夠在線圈中平滑地往復(fù)運(yùn)動(dòng)。然而，仍然屬于本發(fā)明的范圍內(nèi)的是，柱塞具有多角形或其它非圓形的橫截面和/或線圈中的鏜孔為非圓形，以便在柱塞和線圈之間提供軸向流體流通路。當(dāng)柱塞縮入線圈中時(shí)，允許流體從線圈鏜孔的近端被置換，從而減小了柱塞的運(yùn)動(dòng)的流體阻尼。或者是，另外，這些通路可以被用于將流體從位于閥組件的近端的入口供給到位于線圈的遠(yuǎn)端的閥頭室。例如，所述柱塞可以由兩個(gè)或多個(gè)軸向平面形成，所述平面與圓筒狀線圈鏜孔壁接合操作，以允許流體流過柱塞。這種流體流也可用于在閥操作時(shí)冷卻所述柱塞和線圈。
閥頭室和噴嘴孔之間的噴嘴鏜孔與使用在傳統(tǒng)的按需噴射式打印頭或脈沖噴墨打印頭中的噴嘴鏜孔的不同之處在于，典型的是，與傳統(tǒng)的按需噴射式打印頭中的10∶1和更大的比率相比，該鏜孔的長(zhǎng)徑比小于8∶1，通常小于5∶1；與傳統(tǒng)的脈沖噴墨打印頭中的小于0.5∶1的比率相比，該鏜孔的長(zhǎng)徑比大于約1.5∶1。
噴嘴鏜孔直徑可以在一個(gè)較寬的范圍內(nèi)選擇。因此，我們已發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的閥可以具有高達(dá)400微米的噴嘴鏜孔直徑，在這種情況下用于供給具有高粘度的流體，例如在對(duì)具有長(zhǎng)纖維典型的是長(zhǎng)于1毫米的纖維的紡織品和織物進(jìn)行打印期間，在25℃下以高達(dá)400厘泊(Cp)的粘度的流體涂布織物。本發(fā)明的閥允許操作者在大鏜孔直徑的情況下為這種高粘度流體選擇短鏜孔長(zhǎng)度，而不犧牲液滴定位的精度。對(duì)于傳統(tǒng)的用于按需噴射式打印機(jī)的10∶1比率的噴嘴，噴射這種高粘度油墨所需要的壓力過大，除非使用大直徑鏜孔。然而，對(duì)于本發(fā)明的閥，操作壓力可以低達(dá)2至4巴?；蛘呤?，對(duì)于本發(fā)明的閥，當(dāng)使用具有小于20厘泊，典型的是1至10，特別是在2和5厘泊之間的粘度的油墨打印高分辨率圖像時(shí)，鏜孔直徑可小達(dá)20微米。可易于通過試驗(yàn)和誤差測(cè)試來確定，對(duì)于給定的油墨壓力，鏜孔長(zhǎng)徑比的最佳組合在1∶1到8∶1的范圍內(nèi)，且鏜孔直徑在20到400微米的范圍內(nèi)。
我們還發(fā)現(xiàn)，使用本發(fā)明的閥機(jī)構(gòu)的按需噴射式噴墨打印頭的墨滴形成和墨滴軌道與傳統(tǒng)的按需噴射式打印機(jī)相比被改善了。我們相信，這至少部分是由于噴嘴鏜孔的長(zhǎng)徑比。在傳統(tǒng)的按需噴射式噴墨打印機(jī)中所使用的寶石噴嘴的長(zhǎng)徑比至少為8∶1，典型的是約10∶1，且該比率已經(jīng)被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)從噴嘴孔噴出的墨滴飛行路徑的定向性所必須的。然而，當(dāng)這種噴嘴被用在大于1千赫的墨滴產(chǎn)生頻率的情況下時(shí)，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于給定的油墨，打印機(jī)操作壓力和墨滴飛行速度，所形成的打印點(diǎn)產(chǎn)生變形。令人驚奇的是，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過將噴嘴鏜孔的長(zhǎng)徑比減小到小于8∶1，特別是小于約5∶1，特別是從2∶1到4∶1，這些變形可以被減小到可接受的程度，而不影響從噴嘴噴出的墨滴的飛行路徑的定向性。此外，通過減小噴嘴鏜孔的長(zhǎng)度，穿過噴嘴的壓力下降被減小，從而在噴嘴孔處實(shí)現(xiàn)較快的排出速度。令人驚奇的是，這被實(shí)現(xiàn)，而不會(huì)導(dǎo)致墨滴的噴濺，這種噴濺是墨滴在噴嘴孔處破裂成多個(gè)較小的墨滴。從而對(duì)于給定的油墨壓力以及給定的飛行路徑，實(shí)現(xiàn)了較高頻率的墨滴產(chǎn)生。
然而，我們還發(fā)現(xiàn)，如果長(zhǎng)徑比被減小到小于約1∶1，在噴嘴孔處就會(huì)發(fā)生墨滴的噴濺，特別是在比率減小到0.5∶1以下時(shí)，即使墨滴形成的頻率小于排出噴嘴具有更小的長(zhǎng)徑比的脈沖噴墨打印機(jī)在不發(fā)生噴射墨滴的噴濺的情況下操作的頻率。
令人驚奇的是，我們還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)本發(fā)明的閥被用在按需噴射式噴墨打印機(jī)中時(shí)，由于噴嘴鏜孔中的油墨的變干而引起的問題被減少。在噴墨打印機(jī)中，當(dāng)打印機(jī)或噴嘴處于等待狀態(tài)時(shí)，由于溶劑或載色劑的損失而導(dǎo)致的油墨干燥，導(dǎo)致在鏜孔中形成固體沉積物。在傳統(tǒng)的按需噴射式或脈沖噴墨打印機(jī)中，當(dāng)打印頭的閥或換能器在這樣的等待階段之后被再次激發(fā)，從而將墨滴從噴嘴孔噴出，這種沉積阻礙了油墨流過噴嘴鏜孔。結(jié)果是，從噴嘴孔最初噴出的墨滴產(chǎn)生變形且尺寸不均勻。這種影響在鏜孔的長(zhǎng)度非常短的脈沖噴墨打印機(jī)中被加重。令人驚奇的是，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，與按需噴射式打印機(jī)相比，盡管噴嘴鏜孔的長(zhǎng)徑比較小，在等待階段之后，本發(fā)明的閥較傳統(tǒng)的按需噴射式噴墨打印機(jī)的閥更迅速地恢復(fù)。當(dāng)噴嘴鏜孔的長(zhǎng)徑比減小到5∶1以下，特別是從1.5到4∶1，特別是2∶1到3∶1時(shí)，該效果令人吃驚地得到加強(qiáng)。
我們相信，這至少部分地是由于油墨以高壓被供給按需噴射式打印機(jī)的噴嘴，該噴嘴將固體沉積物與最初通過噴嘴孔噴出的墨滴一起噴出。此外，這種升高的壓力的應(yīng)用，典型的是1到3巴，另外還將墨滴以較脈沖噴墨打印頭更快的速度噴出。由本發(fā)明的閥所實(shí)現(xiàn)的噴射距離與傳統(tǒng)的連續(xù)噴墨打印機(jī)所能實(shí)現(xiàn)的噴射距離具有可比性。然而，使用本發(fā)明的閥的按需噴射式噴墨打印頭的結(jié)構(gòu)和操作較連續(xù)噴墨打印頭更簡(jiǎn)單。
我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在從噴嘴孔噴出液滴之后，剩余在通向本發(fā)明的閥的噴嘴孔的鏜孔中的流體量通常小于傳統(tǒng)的按需噴射式打印頭的流體量。這在噴嘴鏜孔的長(zhǎng)徑比具有實(shí)現(xiàn)噴嘴鏜孔的容積約等于在閥的每次激發(fā)時(shí)的待噴射油墨的體積的情況下，更加明顯。結(jié)果是，這種流體的慣性對(duì)于本發(fā)明的閥的柱塞的運(yùn)動(dòng)的阻尼效應(yīng)被減小，另外還幫助柱塞在線圈的影響下快速運(yùn)動(dòng)，這樣就協(xié)助了閥的高頻率操作。
噴嘴鏜孔直徑可以在一個(gè)較寬的范圍內(nèi)選擇。因此，噴嘴鏜孔直徑可以高達(dá)400微米，在這種情況下用于供給具有高粘度的流體，例如在對(duì)具有長(zhǎng)纖維典型的是長(zhǎng)于1毫米的纖維的紡織品和織物進(jìn)行打印期間，在25℃下以高達(dá)400厘泊(Cp)的粘度的流體涂布織物。本發(fā)明的閥允許操作者在大鏜孔直徑的情況下為這種高粘度流體選擇短鏜孔長(zhǎng)度，而不犧牲液滴定位的精度。對(duì)于傳統(tǒng)的用于按需噴射式打印機(jī)的10∶1比率的噴嘴，噴射這種高粘度油墨所需要的壓力過大，除非使用大直徑鏜孔。然而，對(duì)于本發(fā)明的閥，操作壓力可以低達(dá)2至4巴?；蛘呤?，對(duì)于本發(fā)明的閥，當(dāng)使用具有小于20厘泊，典型的是1至10，特別是在2和5厘泊之間的粘度的油墨打印高分辨率圖像時(shí)，鏜孔直徑可小達(dá)20微米。可易于通過試驗(yàn)和誤差測(cè)試來確定，對(duì)于給定的油墨壓力，鏜孔長(zhǎng)徑比的最佳組合在1∶1到8∶1的范圍內(nèi)，且鏜孔直徑在20到400微米的范圍內(nèi)。
我們相信，從本發(fā)明閥的噴嘴孔噴射墨滴的飛行路徑的定向性也至少部分地是由于實(shí)現(xiàn)了噴嘴鏜孔的平滑的內(nèi)表面，這樣就減小了鏜孔中流體流中的邊界摩擦和旋渦。我們還相信，具有與噴嘴孔上游的噴嘴鏜孔大致相同的直徑的噴嘴孔的使用是減小本發(fā)明的具有減小的長(zhǎng)徑比的閥中的定向性損失的主要因素。我們相信，改善墨滴軌跡的定向性的其它因素通過噴嘴的結(jié)構(gòu)的優(yōu)選形式而實(shí)現(xiàn)。
在傳統(tǒng)的按需噴射式打印頭中，噴嘴孔由寶石噴嘴提供，所述噴嘴被設(shè)置在噴嘴板中的鏜孔的遠(yuǎn)端中。我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，噴嘴在其座中的精確對(duì)準(zhǔn)存在微小誤差。結(jié)果是，從這種噴嘴中噴出的墨滴的飛行路徑可能發(fā)生不精確的定向。雖然對(duì)于單噴嘴打印頭來說這種結(jié)果可以被補(bǔ)償，但這對(duì)于多噴嘴打印頭來說更加復(fù)雜和困難。對(duì)于傳統(tǒng)的長(zhǎng)徑比為10∶1的鏜孔而言，鏜孔的準(zhǔn)直效果較大程度地保證了給定噴嘴將具有恒定的飛行路徑定向性，從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)噴嘴的對(duì)準(zhǔn)中的任何不精確的補(bǔ)償。然而，當(dāng)噴嘴鏜孔的長(zhǎng)徑比被減小時(shí)，可以預(yù)期，這將降低準(zhǔn)直效果，從而降低從這種噴嘴噴出的墨滴飛行路徑的定向的一致性。
因此，我們認(rèn)為優(yōu)選的是，將噴嘴孔形成為噴嘴鏜孔的遠(yuǎn)端出口，并且不用使用單個(gè)寶石或其它噴嘴元件。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，本發(fā)明的閥使用具有多個(gè)穿透的噴嘴鏜孔的噴嘴板，噴嘴鏜孔最好在單個(gè)操作中大致同時(shí)形成，而不使用寶石噴嘴。這種簡(jiǎn)單整體噴嘴結(jié)果可便于使用寬范圍技術(shù)來制成，并且克服傳統(tǒng)多個(gè)噴嘴打印頭內(nèi)的寶石噴嘴未對(duì)準(zhǔn)相關(guān)的問題。
噴嘴孔和鏜孔被形成為整體結(jié)構(gòu)，例如，鏜孔同時(shí)被切出或被形成在安裝閥機(jī)構(gòu)的板中。例如，借助激光、微電子加工或蝕刻、針沖壓或其它技術(shù)，在噴嘴板中形成鏜孔/噴嘴孔。所述噴嘴板可以是50至400微米厚，從而可實(shí)現(xiàn)理想長(zhǎng)度的鏜孔。對(duì)于這種厚度，噴嘴板呈金屬或其它箔片的形式，其被安裝在適合的支承元件上，以提供一種剛性的且機(jī)械強(qiáng)度強(qiáng)的噴嘴板組件。我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過在多噴嘴的噴嘴板中同時(shí)形成噴嘴鏜孔，由于鏜孔彼此的未對(duì)準(zhǔn)而產(chǎn)生的問題被最小化。
我們還發(fā)現(xiàn)，通過對(duì)鏜孔形成技術(shù)進(jìn)行選擇，鏜孔的壁足夠平滑，以便減小流分離，以及在鏜孔壁之間的界面處的渦流的形成，流體流過所述鏜孔。此外，這種技術(shù)也可以被用于在噴嘴板上形成其它改善閥的操作的部件。例如，金屬箔的電鑄或蝕刻可以被用于在板中形成鏜孔/噴嘴孔，也可被用于形成圍繞通向噴嘴孔的鏜孔入口的凸起凸緣或脊。這就提供了在柱塞的遠(yuǎn)端面和噴嘴板之間的局部壓力點(diǎn)，從而在柱塞位于閥關(guān)閉位置時(shí)幫助形成液密封?；蛘呤牵谑褂冕樤诮饘俨行纬社M孔的情況下，這將導(dǎo)致箔片變形，以及形成進(jìn)入鏜孔的稍大直徑的喇叭口，這將幫助使從閥頭室進(jìn)入鏜孔中的流動(dòng)平穩(wěn)。當(dāng)針的表面滑過箔片材料時(shí)，針穿過箔片也可以磨光箔片的表面，因此也磨光被形成的鏜孔的內(nèi)壁。類似地，使用激光在金屬、陶瓷或塑料箔中形成鏜孔也可以形成鏜孔壁的磨光表面，特別是當(dāng)激光脈沖持續(xù)非常短的時(shí)間時(shí)，典型的是小于1毫微秒，以減小鏜孔的凸緣周圍的在形成噴嘴鏜孔時(shí)從板中燒蝕的材料的沉積物。
因此，根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種本發(fā)明的電磁閥，其特征在于，從閥頭室到噴嘴孔的噴嘴孔和鏜孔被形成為整體結(jié)構(gòu)。優(yōu)選的是，出口噴嘴和所述鏜孔以鏜孔的形式形成在厚度達(dá)到400微米的箔片噴嘴板中，該鏜孔的長(zhǎng)徑比為小于8∶1，優(yōu)選的是1∶1到5∶1。優(yōu)選的是，所述鏜孔具有磨光的內(nèi)表面，以便減小流體在其流過鏜孔時(shí)的流分離或渦流。優(yōu)選是，噴嘴板內(nèi)的鏜孔大致同時(shí)形成。
如上所述，閥機(jī)構(gòu)優(yōu)選還包括彈簧元件，該元件提供偏壓，當(dāng)電流不施加在線圈上時(shí)，使柱塞返回其等待位置。典型的是，所述彈簧為壓縮彈簧，用于偏壓所述柱塞，從位于鏜孔的近端的入口返回到噴嘴孔，因此，柱塞的等待位置為閥的關(guān)閉位置。當(dāng)電流被施加在線圈上時(shí)，其抵抗彈簧的偏壓，并將柱塞的遠(yuǎn)端從鏜孔入口移離，以便打開從閥頭室到噴嘴孔的流路。然而，可以理解，等待位置為閥打開位置，且操作位置為閥關(guān)閉位置。為了方便起見，下文中，本發(fā)明將按照等待位置為閥關(guān)閉位置的情況進(jìn)行說明。
所述彈簧元件被預(yù)拉伸，例如彈簧壓縮行程的50到80％由預(yù)拉伸賦予，因?yàn)槲覀円呀?jīng)發(fā)現(xiàn)，這種預(yù)拉伸使彈簧能夠施加恒定的偏壓力來抵抗在柱塞運(yùn)動(dòng)期間的壓縮剩余量上的柱塞的運(yùn)動(dòng)。我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，使用錐形彈簧特別有利，因?yàn)?，這種彈簧能容易地被裝配在閥頭室的尺度范圍內(nèi)，且在閥機(jī)構(gòu)的組裝期間傾向于自動(dòng)定心，而傳統(tǒng)的圓筒形卷簧不會(huì)這樣。此外，錐形彈簧的使用減小了質(zhì)量，因此減小了彈簧的慣性，另外還幫助彈簧對(duì)柱塞運(yùn)動(dòng)的快速反應(yīng)。特別優(yōu)選的是，使用預(yù)拉伸的錐形卷簧的彈簧的最后兩圈，因?yàn)槲覀円呀?jīng)發(fā)現(xiàn)，這種彈簧對(duì)柱塞的運(yùn)動(dòng)迅速響應(yīng)，且預(yù)拉伸使彈簧能夠在彈簧的小附加壓縮上施加一個(gè)有效的偏壓力。這有助于使得本發(fā)明的閥具有緊湊的尺寸。
然而，可以理解，作為替代或附加由彈簧施加的偏壓效果的方式，可施加電流給線圈，其與柱塞的運(yùn)動(dòng)反向。這種反向電流可以在使用例如如下所述的傳統(tǒng)技術(shù)和軟件的電開關(guān)的控制下來施加。
流體可以使用任何適合裝置被供給到閥頭室，例如借助室的側(cè)壁中的一個(gè)或多個(gè)徑向入口?；蛘呤?，如上所述，柱塞和/或用于線圈的管狀支架的內(nèi)壁可以形成有軸向平面或通道，從而流體軸向流過柱塞位于線圈中的一部分或全部。流體對(duì)處于線圈中的柱塞的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行潤(rùn)滑，且也能夠冷卻處于高電流載荷和/或閥的高頻操作下的線圈。在所述閥機(jī)構(gòu)被用作具有多個(gè)噴嘴的陣列打印頭的一部分的情況下，通常，優(yōu)選的是借助歧管板供給至少部分油墨或其它流體，所述歧管板中形成有內(nèi)部連接的閥頭室，從而油墨可沿著細(xì)長(zhǎng)的室或通道自由流動(dòng)。這就幫助使流體均勻流動(dòng)到如上所述的相應(yīng)的噴嘴板中的每個(gè)噴嘴鏜孔。
如上文所述，本發(fā)明的電磁閥還包括一個(gè)閥頭室，該閥頭室容納柱塞的遠(yuǎn)端，且設(shè)有通向噴嘴孔的出口噴嘴鏜孔。這種室典型的是通常為圓形橫截面，且具有橫截端閉合壁，該壁具有出口，且通向噴嘴孔的噴嘴鏜孔被形成在其中。如果需要，用于線圈的管狀支承元件可以縱向延伸，以便提供閥頭室的徑向壁。在這種結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)施例中，所述管狀支承元件被形成為具有一個(gè)封閉端的圓筒形管，以便形成閥頭室的橫截端壁，所述壁由一鏜孔貫穿，該鏜孔的自由端提供噴嘴孔。這種組件可以容易地被形成，通過使用自動(dòng)化技術(shù)對(duì)硅或陶瓷元件進(jìn)行電或激光的高精度蝕刻，這種組件可以容易地被形成。
這種閥機(jī)構(gòu)優(yōu)選的是被用于與多個(gè)鄰近的閥機(jī)構(gòu)一同操作，每個(gè)閥機(jī)構(gòu)伺服一個(gè)或多個(gè)離散的噴嘴孔，以形成陣列型打印頭，該打印頭能夠?qū)⒍鄠€(gè)流體點(diǎn)施加在片基上，從而在片基上形成二維圖像。這種陣列可以通過將閥的出口端部安裝在具有貫穿其中的鏜孔的噴嘴板上，提供從閥的閥頭室到噴嘴孔的噴嘴鏜孔。優(yōu)選的是，所述閥位于交錯(cuò)的行中，以便實(shí)現(xiàn)噴嘴板中的噴嘴孔之間的更近間隔。如果需要，來自每個(gè)閥頭室的噴嘴鏜孔可以成一定角度，以允許閥體從噴嘴板的中心線偏移，使噴嘴孔能夠更加靠近。在一個(gè)特別優(yōu)選的實(shí)施例中，噴嘴板設(shè)有一系列直立的管，每個(gè)管與穿過板的鏜孔中的一個(gè)對(duì)準(zhǔn)。所述管用于支承閥的線圈，且柱塞在所述管中往復(fù)運(yùn)動(dòng)?？拷鼑娮彀宓墓艿倪h(yuǎn)端部，或噴嘴板中的鏜孔的近端部用作閥機(jī)構(gòu)的閥頭室。這種陣列能夠使用自動(dòng)技術(shù)由陶瓷或硅材料形成，或者通過將寶石噴嘴設(shè)置在穿過噴嘴板的鏜孔的遠(yuǎn)端中，或者通過在如上所述在噴嘴板中的盲端鏜孔的末端形成適合的噴嘴孔來形成所述噴嘴孔。這種組件可以被形成為非常小的尺度，從而使實(shí)現(xiàn)閥結(jié)構(gòu)的小型化成為可能。優(yōu)選的是，由如上所述的具有貫穿其中的鏜孔的金屬，陶瓷或其它箔片來提供噴嘴板，對(duì)該板進(jìn)行安裝，從而其中的鏜孔與閥的柱塞的遠(yuǎn)端對(duì)準(zhǔn)。在這種情況下，閥頭室可以被單獨(dú)地形成在箔片的表面中或被形成在位于閥線圈支承元件和噴嘴板之間的中間板中。
然而，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如果所述中間板形成有連續(xù)的室，所述室為打印頭組件中的所有閥提供組合的閥頭室，就能夠改善油墨或其它流體通向單獨(dú)鏜孔和噴嘴孔的流動(dòng)。在這種結(jié)構(gòu)中，每個(gè)柱塞的遠(yuǎn)端面和噴嘴板中的對(duì)準(zhǔn)鏜孔之間的密封，提供流過每個(gè)噴嘴鏜孔和噴嘴孔的流動(dòng)的充分隔離。噴嘴板和柱塞的遠(yuǎn)端的相對(duì)表面優(yōu)選的是設(shè)有密封裝置，以便幫助形成在柱塞處于閥關(guān)閉位置時(shí)的液密封。例如，柱塞的遠(yuǎn)端面可以設(shè)有天然或合成橡膠或聚合物表面，所述表面變形，以提供相對(duì)于噴嘴板的相反表面的密封?？蛇x擇地或者另外地，噴嘴板的表面可設(shè)有圍繞通向噴嘴鏜孔的一個(gè)或多個(gè)環(huán)形凸起肋或類似結(jié)構(gòu)，其提供局部的升高壓力區(qū)域，以幫助形成液密封。在對(duì)噴嘴板的電鑄或蝕刻期間，這種凸起的區(qū)域能容易地被形成在噴嘴板的表面上。
如果需要，噴嘴板上的凸起區(qū)域可以由一種柔性材料形成，以便對(duì)柱塞的端面作用在噴嘴板上的撞擊進(jìn)行緩沖。在柱塞的端面不帶有橡膠或類似襯墊的情況下，這種變形還可以幫助形成液密封。如果需要，所述由柱塞的端面所攜帶的襯墊可以由一種材料形成，在推動(dòng)柱塞進(jìn)入閥關(guān)閉位置的偏壓彈簧的負(fù)載下，該材料經(jīng)過冷蠕變或冷變形。這種蠕變可以形成延伸進(jìn)入噴嘴板中的噴嘴鏜孔的近端的接管或其它凸起。在柱塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)期間，這種凸起至少反復(fù)地擦拭噴嘴鏜孔的近端部分的起始部分，并將沉積在鏜孔壁上的固體沉積物清除。這可以幫助減小在閥的等待階段之后的最初墨滴變形。為了協(xié)助這種凸起的操作，穿過噴嘴板的鏜孔的入口的嘴可以形成喇叭口，當(dāng)針被用于在噴嘴板中形成噴嘴時(shí)也可發(fā)生這種情況。
本發(fā)明還提供一種用于按需噴射式打印頭中的打印頭，其中多個(gè)本發(fā)明的電磁閥機(jī)構(gòu)各自安裝成與穿過噴嘴板的多個(gè)鏜孔之一對(duì)準(zhǔn)，其特征在于，噴嘴板為箔片元件，具有貫穿其中的鏜孔，每個(gè)鏜孔設(shè)有閥頭室，適合于接收與其相應(yīng)的閥機(jī)構(gòu)的柱塞的遠(yuǎn)端。優(yōu)選的是，所述閥頭室通過一個(gè)單獨(dú)的室設(shè)置，該室延伸過噴嘴板中的多個(gè)鏜孔，從而為所述鏜孔和它們相關(guān)聯(lián)的柱塞提供公共流路。優(yōu)選的是，噴嘴板設(shè)有兩行或多行噴嘴孔，它們可以交錯(cuò)排列，以便幫助與每個(gè)噴嘴鏜孔相關(guān)聯(lián)的閥機(jī)構(gòu)的密排。
本發(fā)明的閥彼此被安裝在附近，以便形成包含多個(gè)噴嘴孔的打印頭，優(yōu)選的是，為每個(gè)閥機(jī)構(gòu)提供用于其線圈的金屬殼體。這不僅用作在線圈中產(chǎn)生的磁場(chǎng)的返回路徑，而且也用作磁屏，以便減小由一個(gè)線圈和相鄰閥機(jī)構(gòu)的線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)之間的串?dāng)_。典型的是，這種金屬殼體由μ-金屬，鋁或不銹鋼制成，而且也用作閥機(jī)構(gòu)的部件的剛性殼體。因此，所述殼體通常為圓筒形形狀，且在其每一端被徑向向內(nèi)卷曲，以便保持所述線圈組件。金屬殼體的遠(yuǎn)端可以被卷曲或在噴嘴板攜帶如上所述的直立管狀支承元件的地方被固定到噴嘴板。
流體可以使用任何適合裝置被供給到閥頭室，例如借助室的側(cè)壁中的一個(gè)或多個(gè)徑向入口?；蛘呤?，柱塞和/或用于線圈的管狀支架的內(nèi)壁可以形成有軸向平面或通道，從而流體軸向流過柱塞位于線圈中的一部分或全部，使得流體對(duì)處于線圈中的柱塞的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行潤(rùn)滑。流體流過柱塞也能夠冷卻處于高電流載荷和/或閥的高頻操作下的線圈。在所述閥機(jī)構(gòu)被用作具有多個(gè)噴嘴的陣列打印頭的一部分的情況下，通常，優(yōu)選的是借助歧管板供給至少部分油墨或其它流體，所述歧管板中形成有內(nèi)部連接的閥頭室，從而油墨可沿著細(xì)長(zhǎng)的室或通道自由流動(dòng)。這就幫助使流體均勻流動(dòng)到如上所述的相應(yīng)的噴嘴板中的每個(gè)噴嘴鏜孔。
本發(fā)明的閥能以高頻率操作，典型的是超過1.5千赫，例如從2到5千赫，如上所述發(fā)現(xiàn)的特殊應(yīng)用，即電磁閥用在按需噴射式噴墨打印頭中。在這種應(yīng)用中，將閥支承緊湊結(jié)構(gòu)的能力減小打印頭的總體尺寸。柱塞的低慣性使得在低水平電流施加在閥線圈時(shí)實(shí)現(xiàn)高墨滴產(chǎn)生頻率，減小閥的能量消耗，或者對(duì)于施加粘性油墨來說，例如在如上所述的使用油墨或染料在長(zhǎng)絨頭纖維或紡織品上進(jìn)行打印的應(yīng)用中，使得在柱塞和線圈之間產(chǎn)生高驅(qū)動(dòng)力。但是，可以理解，本發(fā)明的閥機(jī)構(gòu)可以被用在任何需要小型、高速閥的情形中。
在傳統(tǒng)的按需噴射式打印機(jī)中，響應(yīng)于來自計(jì)算機(jī)或微處理器的信號(hào)，每個(gè)電磁閥的操作被觸發(fā)，所述計(jì)算機(jī)或微處理器確定哪個(gè)閥被打開，和什么時(shí)候被打開，以便打印所需圖像。我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，使用軟件對(duì)閥進(jìn)行控制還有許多其它顯著優(yōu)點(diǎn)，使本發(fā)明的閥能夠以迄今已經(jīng)被認(rèn)為對(duì)于按需噴射式打印頭而言非常高的頻率打印高質(zhì)量圖像。
這樣，特別優(yōu)選的是，使用軟件來校正所述閥，從而在特定條件下，其能夠?qū)⒁恢碌哪喂┧瓦^噴嘴孔。對(duì)于傳統(tǒng)的電磁閥的設(shè)計(jì)，需要通過物理調(diào)節(jié)柱塞的軸向運(yùn)動(dòng)，對(duì)被制造的閥的尺寸和材料的微小變化進(jìn)行補(bǔ)償，以便當(dāng)柱塞被從與閥頭室的橫向端壁或通向噴嘴孔的管的密封接合下撤回時(shí)，改變流路的尺寸。這將影響從噴嘴孔排出的點(diǎn)的尺寸，且校正操作的目的是在相同的打印條件下，實(shí)現(xiàn)從打印頭中的所有噴嘴孔中噴出的墨滴的均勻尺寸。電磁閥的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)在用于支承線圈的管狀支架的鏜孔中包括一個(gè)止動(dòng)件，在柱塞的縮回期間，該止動(dòng)件為軸向運(yùn)動(dòng)提供一個(gè)物理限制。在這種傳統(tǒng)的閥的設(shè)計(jì)中，柱塞的近端和止動(dòng)件的遠(yuǎn)端面之間的氣隙被調(diào)節(jié)，例如通過將止動(dòng)器剛性推入接合或螺旋接合在管狀支架中，從而其可以在管狀支承元件的鏜孔中軸向運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)理想的氣隙。這種氣隙的調(diào)節(jié)較慢且耗時(shí)，且操作者易于產(chǎn)生誤差。
我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，可以使用軟件來設(shè)定柱塞的縮回中的特定點(diǎn)，在該點(diǎn)處柱塞運(yùn)動(dòng)暫停。通過對(duì)軟件參數(shù)的簡(jiǎn)單修改，例如通過使用鍵盤輸入一個(gè)新的參數(shù)值，該點(diǎn)易于被調(diào)節(jié)。這種調(diào)節(jié)可以非常精確地實(shí)現(xiàn)，且對(duì)于許多組打印條件進(jìn)行校正，從而實(shí)現(xiàn)給定墨滴尺寸所需的電流脈沖尺寸和持續(xù)時(shí)間可以以例如機(jī)器可讀代碼的形式被確定和存儲(chǔ)在磁盤，存儲(chǔ)芯片或其它存儲(chǔ)介質(zhì)中的速查表中，以備這種閥將來使用。這種校正可以被簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)，且可以較電磁閥的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的止動(dòng)件的螺旋調(diào)節(jié)以墨滴尺寸的較小增值而實(shí)現(xiàn)。
在實(shí)施校正時(shí)，閥在標(biāo)準(zhǔn)條件下操作，且以施加在線圈上的給定電流脈沖幅值和持續(xù)時(shí)間，墨滴被打印在片基上。所述打印點(diǎn)由任何適合裝置檢測(cè)，且電脈沖的幅值和/或持續(xù)時(shí)間被升高或降低，以獲得所需的點(diǎn)尺寸。這種操作可以手動(dòng)進(jìn)行。然而，優(yōu)選的是，使用CCD照相機(jī)或其它檢驗(yàn)裝置對(duì)打印點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，將打印的點(diǎn)的形態(tài)與所需點(diǎn)的參數(shù)進(jìn)行比較。這種比較和隨后的電流脈沖的調(diào)節(jié)可以使用適當(dāng)編程的計(jì)算機(jī)實(shí)施。特別優(yōu)選的是，使用CCD陣列或照相機(jī)，對(duì)打印點(diǎn)的直徑和圓形以及存在于所需點(diǎn)附近的衛(wèi)星小點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)視，并將點(diǎn)的特征與保存在速查表中的點(diǎn)的特征進(jìn)行比較，識(shí)別需要被施加在提供給線圈的電流脈沖上的校正，以實(shí)現(xiàn)理想的打印點(diǎn)特性。在閥機(jī)構(gòu)的操作中的最佳變量，例如，增加或減小閥的打開時(shí)間，可以由試驗(yàn)或誤差檢驗(yàn)來確定。然后，這些變量的最佳值被存儲(chǔ)在速查表或其它存儲(chǔ)介質(zhì)中，以提供一個(gè)參數(shù)，根據(jù)該參數(shù)來評(píng)估打印點(diǎn)和打印頭的操作。
使用CCD照相機(jī)或陣列和計(jì)算機(jī)來檢查被排出的墨滴和/或打印點(diǎn)，并改變施加在閥的線圈上的電流，這種應(yīng)用也被用在打印圖像時(shí)在聯(lián)機(jī)的閥操作期間。因此，計(jì)算機(jī)可以被編程，從而在柱塞行程的每個(gè)末端處對(duì)柱塞的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行減速。我們已發(fā)現(xiàn)，這就減小了從噴嘴孔噴出的油墨的飛濺，這種飛濺是由于柱塞對(duì)位于閥頭室和噴嘴孔之間的鏜孔入口處的密封件的突然撞擊而產(chǎn)生。軟件的使用還能夠被用于補(bǔ)償由于溫度的變化或其它原因?qū)е碌挠湍扯鹊淖儎?dòng)；補(bǔ)償施加在同時(shí)操作的打印頭陣列中的不同線圈上的電壓變化；以及補(bǔ)償操作條件的其它改變，例如不同油墨的應(yīng)用，這需要改變施加在閥的線圈上的電脈沖的形狀和尺寸。軟件的使用還可以被用于將閥保持在打開位置，以便打印一條連續(xù)的墨線，來代替由本打印頭操作技術(shù)所實(shí)現(xiàn)的一系列重疊的點(diǎn)；以及改變?cè)陂y的等待時(shí)段之后的用于將最初的墨滴從噴嘴孔排出的閥的打開時(shí)間。
在上述所有情形中，響應(yīng)來自用于檢測(cè)或監(jiān)視被噴出的墨滴和/或打印點(diǎn)的CCD照相機(jī)或其它機(jī)構(gòu)的信號(hào)，閥的操作被計(jì)算機(jī)改變，并將所觀測(cè)到的墨滴或點(diǎn)與保存在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器或其它存儲(chǔ)介質(zhì)中的參數(shù)進(jìn)行比較，以便確定施加到線圈上的電流需要什么改變，從而獲得理想的點(diǎn)。
因此，本發(fā)明提供一種打印頭，該打印頭在計(jì)算機(jī)的控制下與用于觀測(cè)油墨或其它施加到片基上的流體的打印點(diǎn)的機(jī)構(gòu)聯(lián)合操作，所述計(jì)算機(jī)被編程，以檢測(cè)觀測(cè)到的點(diǎn)和所需的點(diǎn)之間的差別，并對(duì)施加到線圈上的電流實(shí)施校正，以便保證所需的觀測(cè)到的點(diǎn)的參數(shù)。
這種聯(lián)合使打印點(diǎn)的質(zhì)量在打印機(jī)的操作期間被監(jiān)視并被即時(shí)校正。迄今為止，打印質(zhì)量由打印機(jī)的操作者主觀地觀測(cè)，且手動(dòng)地對(duì)打印機(jī)的操作進(jìn)行校正。使用軟件聯(lián)機(jī)實(shí)現(xiàn)打印質(zhì)量的監(jiān)控和校正的能力對(duì)于操作者而言是主要的優(yōu)點(diǎn)，而且能夠?qū)崿F(xiàn)打印質(zhì)量的波動(dòng)的大致瞬時(shí)的校正。
所述監(jiān)視和校正可以使用傳統(tǒng)的軟件，硬件技術(shù)與設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。點(diǎn)的質(zhì)量可以連續(xù)地被監(jiān)視，且響應(yīng)于三個(gè)或更多連續(xù)的點(diǎn)施加校正?；蛘呤?，打印點(diǎn)的質(zhì)量可以間隔地被監(jiān)視，例如每?jī)蓚€(gè)或以閥的每二十次操作為間隔，且對(duì)于任何一個(gè)或多個(gè)用于評(píng)估打印點(diǎn)的質(zhì)量的參數(shù)而言，一旦打印點(diǎn)偏離例如大于5％，就可以施加任何校正。
典型的是，打印點(diǎn)質(zhì)量的監(jiān)視將被用于施加一個(gè)信號(hào)，來改變閥的打開時(shí)間。
可以理解，表示閥的操作的一些變量的信號(hào)可以由外界來源提供，而不是由打印點(diǎn)的聯(lián)機(jī)掃描來提供。因此，傳感器可監(jiān)視打印機(jī)的操作和/或供給閥的油墨的溫度，因?yàn)檫@將影響粘度，因此影響油墨的噴射能力?；蛘呤牵@些傳感器可以監(jiān)視施加到閥機(jī)構(gòu)的電壓，例如當(dāng)多個(gè)閥由單個(gè)電源同時(shí)操作時(shí)發(fā)生的電壓降；特定閥在打印操作期間的等待時(shí)間，閥的操作頻率等等。然后，這些傳感器可以尋址一系列速查表，如果被監(jiān)視的參數(shù)從預(yù)定的最佳值改變，那么就設(shè)定需要減小打印點(diǎn)的質(zhì)量缺陷的打開時(shí)間的變量。
優(yōu)選的是，來自每個(gè)噴嘴的打印點(diǎn)的質(zhì)量被單獨(dú)監(jiān)視。然而，如果需要，成組噴嘴中的打印點(diǎn)質(zhì)量可以被一同監(jiān)視。
在傳統(tǒng)的按需噴射式噴墨打印機(jī)中由計(jì)算機(jī)控制的閥的操作中，簡(jiǎn)單的單一位信號(hào)被用于打開和關(guān)閉閥，因?yàn)槠袼枰乃行畔⑹怯?jì)算機(jī)指示閥什么時(shí)間打開和關(guān)閉，從而打印所需尺寸的點(diǎn)。然而，在打印機(jī)響應(yīng)許多相關(guān)因素進(jìn)行操作期間，單獨(dú)地改變每個(gè)閥的操作的能力要求傳輸比簡(jiǎn)單的打開和關(guān)閉指令更復(fù)雜的信號(hào)。我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，需要以字節(jié)格式傳輸信號(hào)，從而被傳輸?shù)男畔⒘靠梢匀菁{所需操作參數(shù)的變更。因此，例如，使用字節(jié)格式信號(hào)傳輸，提供256種閥的打開時(shí)間的可能級(jí)。通過提供具有256個(gè)單獨(dú)地址的速查表，就使沉積在每個(gè)打印點(diǎn)上的油墨量能夠在一個(gè)微小分級(jí)范圍內(nèi)變化，計(jì)算機(jī)控制打印機(jī)的操作可以從所述速查表中指示閥打開時(shí)間被選擇。這就使使用按需噴射式打印頭能夠打印真正的灰度級(jí)圖像，這種圖像迄今在實(shí)踐中被認(rèn)為是不能獲得的。字節(jié)信號(hào)傳輸?shù)氖褂媚軌蚴菇o定操作參數(shù)的變量值的廣泛選擇被迅速且精確地傳輸和響應(yīng)，此外還提高了打印頭操作的速度和精度。
本發(fā)明的按需噴射式打印機(jī)可用來將寬范圍的可視或不可視的油墨成分施加在用于寬范圍應(yīng)用的寬范圍的片基上。這種油墨成分可以具有任何適當(dāng)?shù)某煞趾驼扯?。但是，我們發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的打印頭可成功地用來將油墨施加在纖維或織物內(nèi)的長(zhǎng)絨頭纖維上，而不需要使用粘性大的油墨，迄今為止認(rèn)為粘性大的油墨是確保用油墨顏料涂覆纖維所必須的。這樣，作為在25℃下粘度超過250厘泊的油墨的替代，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)使用從60到120厘泊的油墨以2千赫的頻率施加能夠?qū)崿F(xiàn)良好的效果。使用低粘度油墨的能力能夠?qū)崿F(xiàn)使用較小的噴嘴孔進(jìn)行打印，從而增加了在織物上打印的圖案的分辨率。還使操作者能夠從比迄今為止更寬的范圍內(nèi)選擇模式，并以較低的油墨壓力進(jìn)行打印，這就減小了對(duì)打印機(jī)進(jìn)行特殊改變的需要，且減小了元件發(fā)生故障的風(fēng)險(xiǎn)。
許多織物，包括織造的和非織造的，均具有存在于纖維自由端的表面，該表面通常為織物平面。這種織物包括氈制材料，其中纖維以任意定向的堆被壓縮，其中存在或不存在粘合劑例如粘膠；由多條單獨(dú)纖維的股編制的材料，其中織物的表面已經(jīng)被刷，拉絨，磨蝕或進(jìn)行其它處理，從所述股中分離一些纖維，為材料提供蓬松表面，例如刷過的尼龍；由本身為絨毛狀的材料織造的材料，例如針織或織造的安哥拉山羊毛，美利奴綿羊毛或克什米爾山羊毛或棉毛巾織物；以及地毯型材料例如天鵝絨，絲絨和簇絨地毯，其中股或纖維的單個(gè)長(zhǎng)度被打結(jié)，縫補(bǔ)或以其它方式固定在片狀元件，典型的是網(wǎng)狀襯板上，其中所述股或纖維的自由端形成絨頭，其通常延伸到背襯的平面，且毛圈的自由端被切斷以形成絨頭。為了方便起見，本文所用術(shù)語絨頭纖維表示所有類型的材料，其中單獨(dú)的纖維或包括成組纖維的股通常延伸到材料的平面，從而為材料提供絨頭效果的表面。
通常理想的是在絨頭纖維的表面上形成圖案或圖像，例如彩色圖案，這能夠通過將不同顏色，質(zhì)地或其它材料的股，絨毛或其它交織成織物來獲得。然而，這是困難的且耗時(shí)的，特別是在需要的圖案復(fù)雜和/或多種顏色或質(zhì)地的情況下。在大規(guī)模制造日用品材料例如有圖案的地毯時(shí)，這種許多不同股的使用變得越來越不經(jīng)濟(jì)。
因此已經(jīng)提出，由中性或均勻顏色的纖維或股制造絨頭纖維，在織物已經(jīng)被織造或以其它方法制造之后，對(duì)絨頭纖維進(jìn)行上色。所述色彩典型的是通過使用任何適合的打印技術(shù)來施加油墨而獲得。一種打印技術(shù)是使用按需噴射式打印機(jī)進(jìn)行的噴墨打印技術(shù)。理想的是，油墨以重量為纖維的300％至400％被施加以為纖維著色，且需要大致上均勻地滲透由單獨(dú)纖維形成的股，而通常不以超過油墨或染料的量而加載在織物的支承表面上。如果使用非常易流動(dòng)的粘度在25℃下約為10厘泊的油墨(通常被用于噴墨打印機(jī)中)，其將流過股的長(zhǎng)度且在絨頭的基部形成濃色，使絨頭的頂部染色不充分，且顏色較少滲透到股中。因此需要增加油墨的粘度，以保證其以足夠慢的速度流過纖維，從而使油墨均勻地滲透到股中，且覆蓋單個(gè)纖維的表面。絨頭越長(zhǎng)，這個(gè)問題越嚴(yán)重。在長(zhǎng)絨頭纖維的情況下，例如絨頭長(zhǎng)度約為2毫米或更大，需要使用粘度為在25℃下約為250到500厘泊的油墨。
這種粘性油墨難于通過傳統(tǒng)噴墨打印機(jī)的非常細(xì)的噴嘴進(jìn)行噴射，且需要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過這些打印機(jī)所設(shè)計(jì)的壓力。此外，如果一行粘性油墨以非常高的壓力被打印，其將從噴嘴以非常高的能量被噴射，且導(dǎo)致單個(gè)股彎曲，從而阻礙油墨接觸絨頭中的其它股。因此，通常采用具有隨著絨頭的長(zhǎng)度和密集度的增加逐漸增大的孔的噴嘴。這樣，對(duì)于具有長(zhǎng)度為3毫米或更大的絨頭地毯而言，需要使用粘度約為300厘泊的油墨，壓力約為2巴且噴嘴直徑典型的是500微米的噴嘴，因此粘性油墨可以以足夠的量被噴出，以便在單個(gè)股上獲得理想的油墨加載。
對(duì)于高粘性油墨使用大直徑噴嘴，就使油墨能夠沉積在絨頭的股上，從而在單個(gè)股和纖維上實(shí)現(xiàn)大致均勻的著色，從噴嘴排出的墨滴尺寸很大，從而導(dǎo)致打印圖案的分辨率的可察覺的損失。此外，墨滴的尺寸也導(dǎo)致施加在絨頭上的相鄰墨滴彼此接觸，從而導(dǎo)致不同顏色墨滴的滲色。
令人驚奇的是，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，使用以大于1千赫的頻率操作的本發(fā)明的按需噴射式打印頭，被打印的墨滴尺寸以及需要將它們從相對(duì)較小的噴嘴孔噴出的壓力均被減小。這就減小了滲色的問題，并提高了打印圖像或圖案的分辨率。此外，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這使省去打印圖案中的打印墨滴成為可能，這樣在圖像中就可打印空白區(qū)域，這在視覺上是察覺不到的，但是會(huì)在打印的股之間產(chǎn)生一個(gè)間隙，該間隙作為滲色的屏障。這個(gè)間隙也可被打印為黑線，作為限定使用不同顏色打印的區(qū)域的邊緣，從而提高了打印圖像或圖案的可察覺的分辨率。
因此，根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種使用本發(fā)明的按需噴射式噴墨打印機(jī)將圖像形成合成物施加在一種絨頭纖維上的方法，其特征在于，打印機(jī)以至少1千赫的墨滴產(chǎn)生頻率操作。優(yōu)選的是，絨頭纖維的絨頭長(zhǎng)度至少為2毫米，且打印機(jī)以小于3巴的壓力操作，特別是從1.5到2.5巴。優(yōu)選的是，噴嘴孔具有從250-600微米的直徑，特別是大約500微米。
我們還發(fā)現(xiàn)使用本發(fā)明的這種打印機(jī)可以單獨(dú)控制圖像點(diǎn)的打印，使得可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)準(zhǔn)確套印。因此可以增強(qiáng)可實(shí)現(xiàn)的色彩范圍和色彩強(qiáng)度。因此這種打印機(jī)可以無限縮放所實(shí)現(xiàn)的色調(diào)。
本發(fā)明可被應(yīng)用于將任何形式的圖像施加到任何絨頭纖維上。然而，本發(fā)明是一種使用水和/或溶劑基油墨合成物的在絨頭長(zhǎng)度約為2至5毫米的長(zhǎng)絨頭纖維上形成圖案的應(yīng)用中的特殊應(yīng)用，所述長(zhǎng)度為板元件的頂面到所述股或纖維形成織物的絨頭表面進(jìn)行測(cè)量時(shí)的長(zhǎng)度。這種絨頭纖維可以是天鵝絨或織造絨頭地毯，但是為了方便起見，本發(fā)明的這一方面將按照在簇絨地毯上打印多色圖案進(jìn)行說明，其中包含多條單獨(dú)纖維的股借助粘合劑被固定到網(wǎng)狀襯板上。這種地毯可以使用任何適合的技術(shù)制造，且在所述股已經(jīng)被固定到襯板上之后在地毯的加工期間應(yīng)用本發(fā)明，或者可以在單色打印操作中地毯已經(jīng)被制造之后應(yīng)用本發(fā)明。如上所述，所述股由中性色調(diào)纖維，例如自然洗過的羊毛纖維，或者是與一種或多種天然顏色的聚合物纖維相混合，例如聚酯或聚酰胺纖維。如果需要，所述纖維或由纖維形成的股可以進(jìn)行一種或多種處理，從而使纖維易于接收施加于其上的油墨合成物。所述纖維，將它們形成為股，以及對(duì)纖維或股的處理和地毯的形成，所有這些都是在傳統(tǒng)的簇絨地毯的制造中所使用的。
為了方便起見，本發(fā)明的這一方面將在下文中按照在絨頭已經(jīng)被形成在網(wǎng)狀織造聚丙烯襯板上之后很快將油墨施加到中性洗過的羊毛纖維簇絨地毯上來進(jìn)行描述。
在本發(fā)明的這一方面的優(yōu)選實(shí)施例中，所述打印機(jī)為其中電磁閥機(jī)構(gòu)用于控制流體流到噴嘴孔的打印機(jī)，所述閥機(jī)構(gòu)包括柱塞元件，該元件被用軸頸連接，用于在當(dāng)電流通過線圈時(shí)由線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的感應(yīng)下，在電線圈中在等待位置和操作位置之間軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，柱塞的遠(yuǎn)端延伸進(jìn)入具有與噴嘴出口流體連通的出口的噴嘴鏜孔的閥頭室中，柱塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)適合于打開或關(guān)閉從閥頭室到所述鏜孔的液流路徑，其特征在于
a.所述柱塞是一種整體結(jié)構(gòu)，且由飽和磁通密度大于1.4特斯拉，優(yōu)選的是1.6至1.8特斯拉，以及優(yōu)選的是矯頑磁性小于25安培每米，且相對(duì)導(dǎo)磁率超過10000的軟電磁性材料制成；b.柱塞具有小于3毫米的直徑和從3∶1到20∶1的長(zhǎng)徑比，以及c.從閥頭室通到噴嘴孔的噴嘴鏜孔的長(zhǎng)徑比小于8∶1，優(yōu)選是1.5∶1到5∶1，特別是2∶1到4∶1。
在打印到纖維的過程中，經(jīng)常需要打印油墨線。我們還發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的閥能夠被保持在打開位置較長(zhǎng)的時(shí)，以便在片基上打印連續(xù)的行，所述行的長(zhǎng)度等于至少三個(gè)單獨(dú)的打印點(diǎn)。對(duì)于傳統(tǒng)的電磁閥而言，認(rèn)為必須將電流脈沖提供給線圈以便在片基上形成重疊的油墨點(diǎn)。實(shí)際上，由于施加在線圈上的用于將柱塞從其初始等待位置移動(dòng)進(jìn)入閥完全打開位置的高電流，通常導(dǎo)致閥被燒壞，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，令人驚奇，需要將柱塞保持在閥打開位置的流過線圈的電流非常小，典型的是較開始將柱塞從其等待位置移離所需的電流小80到50％。通過施加其初始幅值足以將柱塞從其等待位置移動(dòng)到閥打開位置的電流脈沖，然后對(duì)于剩余的脈沖，將該幅值減小到一個(gè)較低的值，就能夠保持閥打開較長(zhǎng)的時(shí)間，以便在片基上打印成行的油墨。
因此，本發(fā)明還提供一種方法，該方法用于操作結(jié)合有本發(fā)明閥的按需噴射式噴墨打印機(jī)以便在片基上打印墨行，該行的長(zhǎng)度等于至少三個(gè)打印的點(diǎn)，其特征在于，通過施加電流在閥的線圈上，柱塞被保持在閥打開位置，該電流的幅值小于初始將柱塞從其等待位置移離所需的值的50％。
如上所述的本發(fā)明的能夠?qū)㈤y保持在打開位置交長(zhǎng)時(shí)間的能力特別有利于，在通常需要實(shí)心色塊的長(zhǎng)絨頭纖維上進(jìn)行打印。使用單獨(dú)墨滴或染料液滴的打印能夠產(chǎn)生一種圖像，其中打印圖像的濃度在相鄰點(diǎn)的結(jié)合處較低。通過將閥保持在打開位置，圖像以大致均勻亮度的連續(xù)線條被打印。
我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的閥使用25℃下粘度為50到150厘泊的油墨，80到250微米的噴嘴孔，將油墨或染料施加給這種長(zhǎng)絨頭纖維。
因此，本發(fā)明提供一種將油墨或染料施加在織物或紡織品上的方法，其中，所述油墨或染料在25℃下的粘度為50到150厘泊，所述織物或紡織品的絨頭長(zhǎng)度為1毫米或更長(zhǎng)，所述打印頭具有從80到250微米的噴嘴孔，且在1千赫或更高的頻率下操作。


下面將僅通過參照附圖進(jìn)行說明的方式，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例及其在聯(lián)機(jī)軟件控制下的操作進(jìn)行說明，其中圖1為貫穿本發(fā)明的閥的圖解軸向截面圖；圖2為貫穿包含一組圖1的閥的按需噴墨打印頭的軸向截面圖；圖3為圖2的打印頭的噴嘴板的平面圖；圖4為圖2結(jié)合用于監(jiān)控打印點(diǎn)的質(zhì)量的CCD照相機(jī)，和用于建立需要施加在圖1的閥的線圈上的電脈沖的頻率、型式、形狀和振幅中的什么變化來補(bǔ)償觀測(cè)的打印點(diǎn)的質(zhì)量的偏差的計(jì)算機(jī)，的一個(gè)陣列的圖解框圖；圖5至圖7示出了圖1的閥的構(gòu)造的變型；圖8示出了圖2的打印頭的另一種形式；圖9示出了電磁閥的示意性描繪，該電磁閥適合與使用按照本發(fā)明的一方面的軟件對(duì)閥進(jìn)行的校正一起使用；圖10以圖表形式示出了用在本發(fā)明的這一方面中的裝置；圖11至13示出了圖10的裝置的可替換的形式；圖14和圖15以圖解法示出了閥和打印機(jī)，其中，施加到線圈上的電流被改變從而使柱塞在其行進(jìn)的任一末端處減速；圖16示出了被施加的電流脈沖的形式。
具體實(shí)施例方式
圖1的閥包括柱塞1，該柱塞被用軸頸連接(journalled)，形成緊密的自由滑動(dòng)接合，用于在不銹鋼管2中軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)。管2具有形成在其外表面上的一層薄絕緣涂層或套管(未示出)，并支承纏繞在其上的線圈3。如圖4所示，在計(jì)算機(jī)20的控制下，從電源(未示出)為線圈3提供電流。擋塊4被安裝在管2的近端，以便限制柱塞1在管2中的軸向縮回。線圈3被封閉在金屬圓筒狀殼體5中。
上述組件被安裝在支承殼體10中，該殼體軸向延伸過線圈的遠(yuǎn)端，且具有帶有寶石噴嘴12的橫向端壁11。在如圖1所示的實(shí)施例中，殼體10具有軸向延伸的內(nèi)部環(huán)形壁13，該環(huán)形壁形成了閥頭室14的徑向壁，所述柱塞的遠(yuǎn)端延伸進(jìn)入其中。所述柱塞1遠(yuǎn)端攜帶末端橡膠或其它密封墊15，其密封接合地座靠寶石噴嘴12的近端面。預(yù)拉伸的錐形彈簧16對(duì)柱塞1施加偏壓，使其與如圖1所示的寶石噴嘴表面密封接合，偏壓入等待或閥閉合位置。
柱塞1由飽和磁通密度為1.6特斯拉，矯頑磁性為0.2A/cm且相對(duì)導(dǎo)磁率為100000的鐵磁性合金制成。為了減小柱塞1的質(zhì)量，其可以具有一從其遠(yuǎn)端延伸的內(nèi)部盲鏜孔。然而，當(dāng)柱塞處于其等待位置時(shí)，該鏜孔不應(yīng)延伸超過如圖1所示的線A-A。另外，理想的是，該柱塞的直徑小于3毫米，典型的是約1毫米，且長(zhǎng)徑比為約5∶1。寶石噴嘴中的噴嘴鏜孔具有60微米的直徑，且長(zhǎng)徑比(l∶d)為2∶1到3∶1，而且位于噴嘴鏜孔的遠(yuǎn)端處的孔的直徑為60微米。
在1巴的壓力下，油墨被供給到環(huán)繞壁13的油墨通道(gallery)17，并經(jīng)由徑向部分18進(jìn)入閥頭室。如圖1所示，當(dāng)柱塞位于其等待位置時(shí)，墊15與寶石噴嘴12的表面密封接合，從而防止油墨流過噴嘴孔。為了增強(qiáng)墊15和寶石噴嘴12之間的密封，我們最好為寶石噴嘴的近端表面設(shè)置一個(gè)或多個(gè)凸起的環(huán)形密封肋(未示出)。當(dāng)閥在高頻率下典型的是超過2千赫的情況下操作時(shí)，這對(duì)于減少衛(wèi)星墨滴的形成具有令人驚訝的效果。
這種閥能在從低于1千赫到超過8千赫的頻率下操作，從而通過控制在線圈3中的流動(dòng)的電流的長(zhǎng)度和這種電流脈沖被施加在線圈上的頻率，從而產(chǎn)生在60到150微米的尺寸范圍內(nèi)的均勻尺寸的墨滴。
如上文所指出的，所述閥優(yōu)選是與其它閥成一陣列地被使用，從而形成多噴嘴打印頭，所述閥沿橫斷待打印圖像的片基的行進(jìn)線路的方向延伸。這種排列在圖2和3中示出。在這種情況下，殼體10的末端部分11設(shè)有槽形噴嘴板30，該噴嘴板帶有噴嘴12并用作形成將油墨從位于噴嘴板每一端的油墨引入喇叭口31經(jīng)由入口18供給到所述陣列中的單個(gè)閥的閥頭室14的墨流通道17的歧管。在另一選擇中，單個(gè)閥頭室14被省去，從而當(dāng)柱塞縮回時(shí)，油墨從通道17直接流入噴嘴鏜孔中。所述陣列設(shè)有連接器32，單獨(dú)的供電經(jīng)由該連接器被供給每個(gè)閥中的線圈3。在該陣列中，殼體4用于減小在所述陣列中相鄰的閥之間的電串?dāng)_和磁串?dāng)_。
這種閥及陣列可以通過對(duì)適合的金屬元件進(jìn)行機(jī)械加工而制成。然而，構(gòu)造的一種選擇形式是，形成如圖5中所示的作為陶瓷或硅元件40的管2。線圈41可被形成在于管40的外表面上切割而成的槽42中，從而線圈和軸頸連接在管中的柱塞43之間的徑向距離被減小。所述線圈41可以是纏繞在槽42中的線圈；或者可以是利用任何適合裝置沉積在槽42中的導(dǎo)電磁跡。然后，如果需要，所述組件可以被涂布一種聚合物，以便保持并保護(hù)位于所述槽中的線圈。代替剛性陶瓷或硅支承管，所述管40可以通過一片柔性支承介質(zhì)來提供，例如，一種適合的填充有纖維的聚合物或類似物質(zhì)，在其上已經(jīng)形成了銅或其它導(dǎo)電磁跡。然后，所述支承介質(zhì)被卷入圓筒中，以便形成在其內(nèi)表面或外表面上承載線圈的圓筒狀支架。在這種設(shè)計(jì)中，所述管40可以軸向延伸，以形成閥頭室的徑向壁44，且所述管的遠(yuǎn)端開口端以寶石噴嘴45閉合。然后整個(gè)組件可以被裝入不銹鋼或其它的管46中，所述管用于支承所述組件，并為線圈提供作為屏蔽的磁返回路徑。管46的兩端可以被向內(nèi)卷曲，以便將所述管40，線圈42和寶石噴嘴45固定在適當(dāng)位置。
作為代替上述構(gòu)造的形式，可以使用硅或陶瓷燒結(jié)料或其它材料形成噴嘴板50來形成如圖6所示的閥組件。所述板50按照所需間隔沿著該板設(shè)置寶石噴嘴51。板50設(shè)有直立的管狀支承元件52，其形成圖5的閥結(jié)構(gòu)的管40。線圈53被纏繞或者以其它方式形成在直立的管狀支承元件52上，并完成如圖5所示的陣列。閥頭室54由管狀支承元件的遠(yuǎn)端部分形成，且可以設(shè)置徑向油墨入口，從而使油墨能流入閥頭室。一柱塞55被軸頸連接在管狀支承元件52中，以便在線圈53的感應(yīng)下軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)。作為代替將閉合遠(yuǎn)端形成閥頭室的寶石噴嘴，板50可以被設(shè)置為連續(xù)延伸的板，從而將閉合端形成直立的管狀支承元件52。然后，這些閉合端可以借助例如激光鉆孔，以便形成貫穿其的鏜孔和噴嘴孔。
代替從徑向油墨入口到閥頭室14或54，油墨可從油墨入口徑向地流過柱塞1或51，到達(dá)徑向延伸的由管狀支承元件2或52和柱塞1或51之間的間隙提供的通路。為了形成經(jīng)過柱塞的軸向通路，管狀支承元件2或52中的鏜孔可以具有橢圓形或多角形截面，且柱塞1或55具有圓形截面。然而，優(yōu)選的是，使柱塞1或55形成有軸向平面或凹槽，從而如圖7所示，在柱塞和管狀支承元件的圓形截面鏜孔之間提供軸向通道。
在圖8中示出了一種優(yōu)選的打印頭構(gòu)造形式。箔片噴嘴板100形成有多個(gè)長(zhǎng)度為120微米且直徑為75微米的貫穿其的鏜孔101。該板由不銹鋼制成，或者借助針狀沖孔或者借助激光進(jìn)行每個(gè)孔的鉆孔，從而形成所述鏜孔。或者，所述鏜孔101可以通過電機(jī)械加工而形成，該工藝也可被用于形成圍繞每個(gè)鏜孔101的入口的凸起環(huán)形脊102。所述箔片噴嘴板被夾持在兩塊不銹鋼支承板103和104之間。板104形成有單個(gè)歧管室105，所述室延伸過形成在板100中的所有鏜孔101。或者，室105可以被形成在板100中。
被包含在支承殼體111中的閥組件110被固定到板100，103和104，且組件中的閥機(jī)構(gòu)中的每個(gè)柱塞與鏜孔101對(duì)準(zhǔn)。所述閥機(jī)構(gòu)包括纏繞在支承管112上的線圈，其中松滑動(dòng)接合柱塞113。每個(gè)線圈被不銹鋼殼體114圍繞，所述殼體被折到夾在殼體111和板104之間的帶孔支承板115上，從而將每個(gè)閥機(jī)構(gòu)固定在適當(dāng)位置，且使凸出穿過孔的柱塞與噴嘴板100中的鏜孔101對(duì)準(zhǔn)。每個(gè)柱塞113均由商標(biāo)為Permenorm 5000且直徑為1毫米，7.5毫米長(zhǎng)的45/55 Ni/Fe合金焊料制成。用于線圈的電接頭由未示出的被計(jì)算機(jī)控制電源供電的多接頭插頭和插座提供。用于每個(gè)閥機(jī)構(gòu)110的閥頭室由單個(gè)歧管室105提供，且其從板104的每一端被供給油墨。
如上文所指出的，響應(yīng)于CCD照相機(jī)或其它檢測(cè)打印點(diǎn)的質(zhì)量和/或影響打印點(diǎn)質(zhì)量的其它因素例如溫度，電壓，閥操作的頻率的傳感器22，閥的操作被計(jì)算機(jī)20控制。這樣，計(jì)算機(jī)20確定在圖2的陣列中的哪個(gè)閥被打開，以及打開多長(zhǎng)時(shí)間，從而在經(jīng)過打印頭24的片基23的所需位置上打印所需尺寸的墨滴。在低頻率操作的情況下，例如低于I千赫，通常能夠獲得打印在片基上的高質(zhì)量點(diǎn)，而不需要計(jì)算機(jī)以施加在線圈上的電脈沖的形式進(jìn)行的任何補(bǔ)償校正。然而，當(dāng)頻率增加時(shí)，例如2千赫或更高，打印點(diǎn)的質(zhì)量可能受到例如閥的突然關(guān)閉的影響，從而產(chǎn)生衛(wèi)星點(diǎn)。通過從CCD陣列檢測(cè)產(chǎn)生且導(dǎo)致施加在線圈上的電流脈沖的形狀改變的這種衛(wèi)星點(diǎn)，計(jì)算機(jī)可以對(duì)此作響應(yīng)，從而柱塞在其每次行進(jìn)的末端的運(yùn)動(dòng)被減慢。通過使柱塞相對(duì)寶石噴嘴的表面或閥頭室的端壁軟著陸，將減小閥關(guān)閉的突然性?；蛘?，通過參照速查表25減小閥的打開時(shí)間，該表載有對(duì)于一個(gè)操作頻率范圍的打開時(shí)間的減小列表，計(jì)算機(jī)能夠響應(yīng)高頻打印的指令。類似地，控制打印頭操作的軟件能夠檢測(cè)閥空閑多長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間，并通過另一速查表提供一個(gè)信號(hào)，以便對(duì)由那個(gè)打印最初點(diǎn)的閥增加閥的打開時(shí)間，以補(bǔ)償閥中和/或噴嘴孔處的油墨的干燥。在這種情況下，優(yōu)選的是，計(jì)算機(jī)和速查表之間的信息作為字節(jié)大小的信號(hào)被交換，從而高達(dá)256種可變換的打開時(shí)間和操作頻率可以被包含在單個(gè)信號(hào)中。
通過比較，當(dāng)如圖1所示的閥機(jī)構(gòu)的柱塞由常規(guī)的飽和磁通密度為1.2特斯拉，矯頑磁性約為0.95A/cm且相對(duì)導(dǎo)磁率約為3000的Carpenter 430合金制成時(shí)，閥不能以大于約800赫的頻率往復(fù)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)用于驅(qū)動(dòng)閥的線圈的電流脈沖頻率高于上述頻率時(shí)，柱塞仍然在線圈中保持靜止，且僅僅是振動(dòng)而不會(huì)進(jìn)行顯著的軸向運(yùn)動(dòng)。我們相信，這是因?yàn)橹牟牧隙鴮?dǎo)致的不能足夠迅速地響應(yīng)電流脈沖，且由于材料的磁滯現(xiàn)象，在電流脈沖之間，柱塞保持在大致相同的磁性狀態(tài)。
在另外一種對(duì)比中，圖1的操作的閥的噴嘴鏜孔的長(zhǎng)徑比為10∶1，8∶1，4∶1和0.5∶1，且驅(qū)動(dòng)電流頻率為2千赫。在比率為10∶1的情況下，將油墨穿過鏜孔供給從而獲得均勻的打印點(diǎn)尺寸所需的壓力為約10巴。然而，這個(gè)壓力對(duì)于傳統(tǒng)的按需噴射式打印頭來說過高，且將導(dǎo)致元件的破裂。如果壓力被減小到一個(gè)更加可以接受的程度，例如3巴，油墨穿過打印頭的流率不足以提供油墨以均勻地形成墨滴，從而打印的點(diǎn)的尺寸不均勻，且當(dāng)閥不能從容器中獲得油墨時(shí)，就會(huì)發(fā)生丟失點(diǎn)的現(xiàn)象。
在比率為8∶1的情況下，將油墨供給到噴嘴鏜孔從而獲得均勻的打印點(diǎn)尺寸所需的壓力為5巴，該壓力是按需噴墨型打印機(jī)的元件的操作性能的上限。
在比率為5∶1、4∶1或3∶1的情況下，打印機(jī)在1巴的油墨壓力下順利地操作，且能夠在從小于1千赫到7千赫的線圈驅(qū)動(dòng)電流頻率下打印均勻的點(diǎn)。當(dāng)噴嘴長(zhǎng)度減小時(shí)，通過減小l∶d的比率，或多或少地改善打印點(diǎn)的質(zhì)量。但是l∶d的比率進(jìn)一步從3∶1降低到2∶1時(shí)，出現(xiàn)顯著的改善，在等待期間之后以響應(yīng)閥的啟動(dòng)。這種改善不容易說明。
在比率為0.5∶1的情況下，即使在油墨壓力僅有0.1巴的情況下，打印機(jī)不能操作，不會(huì)產(chǎn)生油墨的噴射，以及形成多個(gè)小點(diǎn)和所需的主點(diǎn)。
下面，將僅通過圖解來描述，如圖8所示的按需噴墨型打印頭的優(yōu)選形式，在聯(lián)機(jī)軟件控制下，在絨毛長(zhǎng)度為3毫米的地毯絨毛織物上打印圖像。
如圖8所示的打印機(jī)是如圖2所示的打印頭的一種變形，其中噴嘴板100具有貫穿其中的多個(gè)鏜孔101，所述鏜孔的長(zhǎng)度為1000微米，且直徑為500微米。該板由不銹鋼制成，且所述鏜孔或者借助針狀沖孔或者借助激光進(jìn)行鉆孔而形成?；蛘呤?，所述鏜孔101可以借助電機(jī)械加工形成，該技術(shù)也可被用于形成圍繞每個(gè)鏜孔101的入口的凸起的環(huán)形脊102。所述箔片噴嘴板被夾持在兩塊不銹鋼支承板103和104之間。板104形成有一個(gè)單獨(dú)的歧管室105，該室延伸過在板100中形成的所有鏜孔101?；蛘?，所述室105可以被形成在板100中。
包含在支承殼體111中的閥組件110被固定到板100，103和104，且位于組件中的閥機(jī)構(gòu)中的每個(gè)柱塞113都與鏜孔101對(duì)準(zhǔn)。閥機(jī)構(gòu)包括纏繞在支承管112上的線圈，柱塞113被松滑動(dòng)接合于其中。每個(gè)線圈由不銹鋼殼體114圍繞，所述殼體被卷曲到夾在殼體111和板104之間的帶孔的支承板115，從而對(duì)每個(gè)閥機(jī)構(gòu)定位并固定，且伸過所述孔的柱塞與噴嘴板100中的鏜孔101對(duì)準(zhǔn)。用于線圈的電接頭由未示出的被計(jì)算機(jī)控制電源供電的多接頭插頭和插座提供。用于每個(gè)閥機(jī)構(gòu)110的閥頭室由單個(gè)歧管室105提供，從板104的每端給所述歧管室供墨。
柱塞113由飽和磁通密度為1.6特斯拉，矯頑磁性為0.2A/cm且相對(duì)導(dǎo)磁率為100000的鐵磁性合金制成。該合金為商標(biāo)為Permenorm5000的45/55 Ni/Fe的合金焊料，每個(gè)柱塞的直徑為2毫米且長(zhǎng)度為7.5毫米。噴嘴鏜孔101及其遠(yuǎn)端孔的直徑為300微米，且鏜孔的長(zhǎng)徑比(l∶d)為2∶1至3∶1。
當(dāng)施加電流給線圈112，從而柱塞113被縮回時(shí)，在1.5巴的壓力下，油墨被從容器(未示出)供給到歧管室105，并進(jìn)入鏜孔101中。在應(yīng)用不同顏色的油墨的情況下，每種顏色的油墨被保持在單個(gè)容器中，且每個(gè)容器將油墨供給到單個(gè)打印頭。
這種閥能在從低于1千赫到超過8千赫的頻率下操作，從而通過控制在線圈3中的流動(dòng)的電流的長(zhǎng)度和這種電流脈沖被施加在線圈上的頻率，從而產(chǎn)生在250到500微米的尺寸范圍內(nèi)的均勻尺寸的墨滴。
圖8的打印頭被用于使粘度為300厘泊的油墨流過直徑為500微米的噴嘴鏜孔和孔，從而將不同顏色的油墨供給到中性羊毛纖維有色簇絨地毯的絨頭。打印頭在2千赫的頻率下操作，從而實(shí)現(xiàn)在絨頭中的單個(gè)纖維的大致均勻的著色。打印圖像的不同顏色之間的界限被清晰地限定，且圖像的清晰度非常好。在另一種操作中，計(jì)算機(jī)被編程，不在兩種顏色之間的邊界處打印墨點(diǎn)，從而使不同顏色區(qū)域之間的滲色的風(fēng)險(xiǎn)最小化。
下面將參照?qǐng)D9至圖13說明使用軟件對(duì)電磁閥的校正。
圖9示出了電磁閥10的示意圖，該電磁閥適用于本發(fā)明的這一方面。閥910包括柱塞920，管930和線圈940。柱塞920包括鐵磁材料(或任何其它磁性材料)，且被容納在管930中，從而能夠在管中軸向地自由往復(fù)運(yùn)動(dòng)。通過施加電流給線圈940，該電流在管中產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)產(chǎn)生作用在柱塞上的磁電原動(dòng)力，從而柱塞被朝著例如管的開口端推動(dòng)。施加在線圈上的電流脈沖的定時(shí)和頻率可以由計(jì)算機(jī)(未示出)控制。所述電磁閥另外還包括一回行機(jī)構(gòu)(未示出)，例如彈簧，該機(jī)構(gòu)對(duì)柱塞產(chǎn)生作用從而一旦柱塞完成了它行進(jìn)的整個(gè)范圍之后使其返回最初位置。在一個(gè)優(yōu)選的方面中，所述電磁閥是參照上述圖2或圖8示出并描述的閥。
實(shí)際上，打印頭將包括一個(gè)呈正方形或矩形布置的這種閥的矩陣。圖10示出了來自這種打印頭矩陣220的兩個(gè)示范性的閥210a，210b。閥控制裝置215a，215b與每個(gè)閥相聯(lián)，每個(gè)閥控制裝置與中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)230相連。每個(gè)閥的操作通過從中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)230到每個(gè)閥控制裝置215a，215b發(fā)送的控制脈沖進(jìn)行控制。所述閥控制裝置響應(yīng)于中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，從而中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能夠改變閥保持打開的時(shí)間。這種閥的受控變化能夠產(chǎn)生用于沉積在片基250上的所需尺寸的墨滴。優(yōu)選的是，打印頭參照?qǐng)D2和圖8被示出并被描述。
所述打印頭可以在制造期間被校正，在其操作期間周期地間隔。中央計(jì)算機(jī)指令打印頭產(chǎn)生預(yù)定的墨滴矩陣。這種測(cè)試矩陣被沉積在測(cè)試片基上，且打印的圖像可以被檢測(cè)從而確定打印的圖像與最初測(cè)試矩陣的相關(guān)性。如果打印象素的尺寸與最初測(cè)試矩陣的各象素的尺寸的比率超出一個(gè)閾值，那么各閥控制裝置可以被指令從而改變閥打開的時(shí)間。如果打印的象素太小，那么閥的打開時(shí)間將被增加(或者通過增加時(shí)間或者通過倍增合適常量的閥打開時(shí)間)。類似地，如果打印象素過大，那么，閥打開時(shí)間將被相應(yīng)地減少。被用于確定打印象素是否過大或過小的閾值將根據(jù)打印片基和/或使用的打印頭的性質(zhì)而改變。
作為打印象素尺寸的變量將由閥中的機(jī)械變量而定，閥可以在一種象素尺寸或在給定范圍的閥操作速率下令人滿意地操作。因此，需要在象素尺寸范圍上和被使用的閥的比率上反復(fù)地進(jìn)行校正。每個(gè)閥所需要的校正因數(shù)范圍可以被儲(chǔ)存在一個(gè)速查表中，或者它可以確定一個(gè)或多個(gè)方程式，這樣，在給定所需閥操作速率和象素尺寸的情況下，相關(guān)的校正因數(shù)可以被計(jì)算出來。
在另一個(gè)實(shí)施例中，成像裝置240可以被另外地連接到計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，且被對(duì)準(zhǔn)，從而觀測(cè)到打印頭矩陣在其上進(jìn)行打印的片基區(qū)域。當(dāng)測(cè)試矩陣被打印在片基上時(shí)，該成像裝置能夠?qū)⒃搱D像轉(zhuǎn)換為能夠被傳輸?shù)街醒胗?jì)算機(jī)系統(tǒng)的電信號(hào)。在進(jìn)行任何所需的圖像處理(數(shù)字化，過濾等)之后，該中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能夠?qū)⒋蛴D像與存儲(chǔ)在中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的最初測(cè)試矩陣進(jìn)行比較。所需的每個(gè)象素的象素尺寸比率可以被確定，且每個(gè)閥的校正因數(shù)可以被計(jì)算。然后，中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與需要進(jìn)行校正的與閥相關(guān)聯(lián)的閥控制裝置進(jìn)行校正因數(shù)的通信。
所述閥控制裝置接收，翻譯并執(zhí)行從中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接收到的信號(hào)。易于理解的是，閥控制裝置可以被執(zhí)行，這樣，每個(gè)閥具有專用的控制裝置，或者是，許多閥可以由單個(gè)控制裝置進(jìn)行控制。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述閥控制裝置包括現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)。所述現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列包括用戶可配置的提供所需功能的存儲(chǔ)器和邏輯元件。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述FPGA和相應(yīng)裝置被用于控制16個(gè)閥的線性陣列。參照?qǐng)D11，閥610a，610b，...，610p由閥控制裝置控制，該閥控制裝置包括FPGA616，電可擦可編程只讀存貯器(EEPROM)617，隨機(jī)存貯器，可編程只讀存儲(chǔ)器(PROM)619和輸入/輸入622，624，626。FPGA616與每個(gè)閥610a，610b，...，610p，EEPROM617，RAM618以及PROM619相連。當(dāng)FPGA被加電時(shí)，其從PROM619裝入其內(nèi)部配置數(shù)據(jù)，然后按照從PROM裝入的程序操作。所述EEPROM617存儲(chǔ)包括速查表的一定范圍的數(shù)據(jù)，該速查表包括與每個(gè)閥相關(guān)的數(shù)據(jù)，與特定閥控制裝置和FPGA有關(guān)的數(shù)據(jù)，狀態(tài)信息等。FPGA將從EEPROM裝入該數(shù)據(jù)，然后通過將零位值寫入位于RAM中的每個(gè)存貯器中而初始化RAM618。然后FPGA將等待從輸入中的一個(gè)接收打印數(shù)據(jù)或其它命令。輸入/輸出622與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)相連，且輸入/輸出624可被用于連接到其它閥控制裝置(見下文)。輸入626提供用于調(diào)整打印程序的一系列脈沖。當(dāng)閥的陣列在片基上進(jìn)行打印時(shí)，該片基通常在與閥相關(guān)的噴嘴的下面移動(dòng)。提供給輸入626的一系列脈沖可以由一解碼器產(chǎn)生，該解碼器被安裝在裝置中的相對(duì)于閥移動(dòng)片基的一個(gè)軸上。
圖12示出了許多寄存器的示意圖，當(dāng)FPGA配置數(shù)據(jù)被從PROM619裝入時(shí)，所述寄存器與FPGA一起形成。第一寄存器631被用于寫入并讀出EEPROM617，且當(dāng)初始化數(shù)據(jù)被從EEPROM中讀出時(shí)被使用。第二寄存器632從計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)接收打印數(shù)據(jù)，例如待打印的文字?jǐn)?shù)字式字符或位圖，或起動(dòng)打印程序的信號(hào)。第二寄存器632還將打印數(shù)據(jù)寫入RAM，且被用于在起動(dòng)階段初始化RAM。第三寄存器從計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)接收配置數(shù)據(jù)，例如控制可以被施加到打印頭的傾斜的數(shù)據(jù)。第四寄存器634從RAM接收打印數(shù)據(jù)，并將其傳遞給第五寄存器635，該第五寄存器應(yīng)用打印數(shù)據(jù)操作閥610。
所需的打印圖像(可包括文字?jǐn)?shù)字式字符)被輸入到計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，然后該圖像被轉(zhuǎn)換成與閥控制裝置進(jìn)行通信的光柵數(shù)據(jù)。閥610可以在不同的時(shí)間段被操作，從而提供16位灰度圖像。這樣，打印數(shù)據(jù)可以以包括4比特代碼的光柵的形式被提供給每個(gè)閥，4比特代碼的值確定由閥所產(chǎn)生的灰度。打印數(shù)據(jù)被第二寄存器接收，并被寫入RAM618中。該RAM在邏輯上被布置成16行，每個(gè)閥對(duì)應(yīng)于一行。有多列，每一列對(duì)應(yīng)一個(gè)時(shí)隙。每個(gè)光柵掃描也對(duì)應(yīng)于一個(gè)時(shí)隙，且該時(shí)隙由頻率所確定，軸編碼器以該頻率提供脈沖給FPGA。
當(dāng)FPGA接收到打印數(shù)據(jù)時(shí)，第二寄存器為每個(gè)閥解釋灰度數(shù)據(jù)，獲得每個(gè)閥必須被打開的時(shí)間，以便從保持在第一寄存器中的速查表中產(chǎn)生所需的灰度。理論上，每個(gè)閥應(yīng)當(dāng)被保持打開相同的時(shí)間段，以便產(chǎn)生相同的灰度，但是，每個(gè)閥中的機(jī)械變化導(dǎo)致每個(gè)閥的微小的不同特性。解決這些不同的校正因數(shù)被記載在速查表中。然后閥時(shí)間被寫入RAM中，使用所需要多的列來存儲(chǔ)所有的光柵。寫指針被設(shè)定到數(shù)據(jù)的第一列。每個(gè)存儲(chǔ)單元為相應(yīng)的閥和時(shí)隙保存灰度值。
當(dāng)下一個(gè)軸解碼器脈沖被接收到時(shí)，由寫指針?biāo)甘镜腞AM列被讀出，以便看16個(gè)閥中的哪個(gè)需要被操作，即，哪個(gè)存儲(chǔ)單元具有非零記錄。一旦存儲(chǔ)單元已經(jīng)被讀出，該列中的所有存儲(chǔ)單元即被零所改寫。
然后，這些閥的標(biāo)識(shí)與閥被保持打開的時(shí)間一起被發(fā)送給第四寄存器，該寄存器可以執(zhí)行其它有關(guān)閥打開時(shí)間的操作，以便在閥的隨后操作之間，對(duì)閥在高速操作或在長(zhǎng)時(shí)間等待時(shí)的操作進(jìn)行校正。然后，閥打開時(shí)間被傳輸給第五寄存器，該寄存器計(jì)算與閥時(shí)間相等的軸編碼器脈沖的數(shù)量。然后所述閥被打開等于軸編碼器脈沖數(shù)量的時(shí)間段。
當(dāng)閥610為電動(dòng)機(jī)械裝置時(shí)，它們的尺寸對(duì)可獲得的打印分辨率產(chǎn)生限制。典型的是，每個(gè)閥可以從相鄰的一個(gè)或多個(gè)閥獲得4毫米的補(bǔ)償。如果是較大的分辨率(例如，要求更小的象素間距)，則矩陣可以傾斜，從而多個(gè)閥在一條軸線上更靠近。這樣的缺點(diǎn)是，如果不對(duì)打印光柵進(jìn)行校正，那么所需的圖像將被傾斜地打印出來。
使用RAM可以有利地提供用于對(duì)打印頭的傾斜進(jìn)行補(bǔ)償?shù)男Ｕ瑥亩鵀榇蛴」鈻艛?shù)據(jù)提供一個(gè)傾斜。一旦灰度數(shù)據(jù)已經(jīng)被翻譯成閥打開時(shí)間，而不是將閥數(shù)據(jù)寫入垂直列中，寫入數(shù)據(jù)可以被偏移過許多列。例如，如果所需傾斜角度為45°，那么用于第一閥的閥打開時(shí)間應(yīng)當(dāng)被寫入由寫指針?biāo)甘镜牧兄?，用于第二閥的閥打開時(shí)間應(yīng)當(dāng)被寫入由寫指針?biāo)甘镜牧械南乱涣兄?，等等，這樣，閥打開時(shí)間就以理想的傾斜角度被寫入RAM中。
典型的，應(yīng)用在約80μs和250μs之間的閥打開時(shí)間能夠提供16級(jí)灰度。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有利的是，通過提供第一時(shí)間段的第一電壓最初打開閥，提供另一時(shí)間段的較第一電壓低的第二電壓來保持閥打開。這就減小了閥打開較需要提供所需灰度的時(shí)間更長(zhǎng)，從而導(dǎo)致降低打印性能的可能性，另外還能夠?qū)㈤y保持在打開位置一段較長(zhǎng)的時(shí)間，并減小了過熱的風(fēng)險(xiǎn)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)特別有利的是，施加36V脈沖約80μs，以及為閥保持打開的剩余時(shí)間提供約5V的第二脈沖。
在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，參照?qǐng)D11的上述的閥控制裝置和閥將被一同定位在單個(gè)電路板650上。然后，許多電路板被順序地連接起來，且物理上位于一個(gè)垂直的陣列中，從而閥可以在打印片基上沉積二維矩陣。在這種情況下(見圖14)，一塊電路板650a將經(jīng)由串行輸入/輸出622被連接到計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)230，并經(jīng)由串行輸入/輸出624連接到第二電路板。第二電路板650b將經(jīng)由串行輸入/輸出622被連接到第一電路板，經(jīng)由串行輸入/輸出624被連接到第三電路板，等等。由于串行鏈中的最后電路板串行輸入/輸出624將沒有連接，其能夠檢測(cè)其位置。當(dāng)加電時(shí)，串行鏈中的最后電路板分配給自己地址0，并將該地址發(fā)送給前面的電路板，然后此電路板分配給自己地址1。這種過程繼續(xù)進(jìn)行，地址值被增加，直到每塊板被分配地址。然后，第一電路板650a將把它的地址報(bào)告給計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，這樣，系統(tǒng)將知道被連接電路板的數(shù)量。系統(tǒng)將用電路板的地址加在該電路板的任何通信前頭。優(yōu)選的是16塊電路板被連接在一起，以提供16×16的打印矩陣。
在該優(yōu)選實(shí)施例中使用的FPGA為Xilinx Spartan II XC2S100，這種FPGA之所以優(yōu)選是因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)由在起動(dòng)時(shí)從PROM中裝入的數(shù)據(jù)決定。這種FPGA可以由一種更便宜的裝置代替，其中例如通過吹制熔絲(blowing fuses)來形成邏輯元件，而不是通過軟件配置，F(xiàn)PGA被硬布線。
可以理解，上述用于校正電磁閥的技術(shù)適用于任何類型的電磁閥，且適用于采用電磁閥的任何應(yīng)用中。然而，該技術(shù)特別地應(yīng)用于本發(fā)明的小型高速閥中，其中小尺寸的元件使得手動(dòng)調(diào)節(jié)極片和其它元件的位置困難且不精確。
如上所述，軟件和計(jì)算機(jī)控制可以被用于對(duì)柱塞在其行進(jìn)的兩個(gè)極端處運(yùn)動(dòng)進(jìn)行減速，從而減小由于柱塞過度撞擊其座而導(dǎo)致的從噴嘴孔噴出的油墨的飛濺。
按照本發(fā)明的另一方面，提供一種操作電磁閥的方法，該方法包括激發(fā)電線圈從而產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，以便在線圈中往復(fù)地驅(qū)動(dòng)一個(gè)柱塞，其特征在于，該磁場(chǎng)被控制，從而當(dāng)柱塞接近其運(yùn)動(dòng)的至少一個(gè)極端時(shí)，柱塞的速度被減小。磁場(chǎng)的控制可以以許多方式實(shí)現(xiàn)。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述磁場(chǎng)可以被控制，從而當(dāng)柱塞接近其關(guān)閉位置時(shí)，柱塞的速度被降低，以便減小當(dāng)閥關(guān)閉時(shí)的撞擊。所述磁場(chǎng)可以被控制，從而柱塞的速度被降低，該磁場(chǎng)抵抗由回行裝置施加在柱塞上的力。這種操作閥的方法參照?qǐng)D14至圖16進(jìn)行說明。
圖14示出了電磁閥710的示意圖，該電磁閥適合于使用這種操作閥的方法。閥710包括柱塞720，管730和線圈740。柱塞720包括一種鐵磁性材料(或任何其它磁性材料)，且其被容納在管730中，從而能夠沿著管的軸線自由運(yùn)動(dòng)。通過將電流施加在線圈740上，該電流在管中產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)產(chǎn)生作用在柱塞上的電磁力，從而柱塞例如被朝著管的打開端推動(dòng)。施加在線圈上的電流脈沖的定時(shí)和頻率可以被計(jì)算機(jī)(未示出)控制。所述電磁閥另外還包括一回行機(jī)構(gòu)(未示出)，例如彈簧，一旦柱塞已完成其整個(gè)行進(jìn)范圍，該機(jī)構(gòu)作用使柱塞返回其初始位置。
按照慣例，電流以簡(jiǎn)單的方形波的形式(或以具有陡梯度的三角波的形式)提供，為線圈通電，以便提供柱塞朝著管的關(guān)閉端的迅速的加速度。類似地，一旦該柱塞已經(jīng)到達(dá)其在管中的最大行程，該電流被迅速減小，以便迅速減小作用在柱塞上的電磁力。這樣是有利的，因?yàn)槿魏坞姶帕⒎纯褂苫匦袡C(jī)構(gòu)施加在柱塞上的力，這樣電磁力越大，柱塞的回行時(shí)間越慢。
然而，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在電磁閥的一些高速應(yīng)用中，例如它們被用在噴墨打印機(jī)以及著名的“按需噴射式”(drop on demand)噴墨打印機(jī)中，被施加到柱塞上并從柱塞上消除的電磁力的增加速率導(dǎo)致在所需的主墨滴之外還產(chǎn)生了衛(wèi)星墨滴。我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這是由于閥柱塞在其到達(dá)其行程的末端的閥關(guān)閉位置時(shí)該閥柱塞的突然減速。
圖15示出了用于按需噴射式噴墨打印機(jī)中的電磁閥710的示意圖。該閥和打印頭的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)大致與如圖9所示的相同。在如圖15所示的關(guān)閉位置中，柱塞720被容納在噴嘴鏜孔750的入口端，以便切斷流到噴嘴鏜孔的墨流。管730延伸，在其打開端形成一閥頭室760，該室設(shè)有入口770，通過該入口油墨可以被供給到該室中。通過將電流施加到線圈上來激發(fā)線圈740，從而沿著管并朝著管的關(guān)閉端推動(dòng)柱塞。柱塞的運(yùn)動(dòng)開啟噴嘴鏜孔的端部，使得油墨能夠流過噴嘴孔。一旦電磁力(毫米F)被從柱塞上消除(通過消除線圈740上的電流)，回行機(jī)構(gòu)(未示出)就使柱塞返回其關(guān)閉位置，從而柱塞用于密封噴嘴鏜孔。一些形式的密封或隔離可以被應(yīng)用于噴嘴鏜孔和/或柱塞的端面，以便增強(qiáng)柱塞和噴嘴鏜孔之間的密封，從而減小當(dāng)柱塞位于其等待位置時(shí)油墨進(jìn)入噴嘴鏜孔的可能性。
理想的是，所述回行機(jī)構(gòu)迅速地使柱塞返回其關(guān)閉位置，以避免噴嘴被打開過長(zhǎng)的時(shí)間，從而盡可能快地關(guān)閉到線圈740的電流脈沖是重要的。柱塞在管和室中的往復(fù)運(yùn)動(dòng)受到控制，從而被精確控制的墨滴將從噴嘴孔中噴出，被沉積在片基(未示出)上。當(dāng)閥在高頻率，典型的是從2到4千赫的情況下被操作時(shí)，則由于線圈被激發(fā)所采用的方法可能會(huì)產(chǎn)生問題。
線圈的激發(fā)使柱塞經(jīng)受快速的加速，直到其運(yùn)動(dòng)被管的端部所阻礙。僅有管內(nèi)的流體阻尼效應(yīng)和由回行機(jī)構(gòu)所施加的力抵抗由于線圈的激發(fā)而導(dǎo)致的柱塞的運(yùn)動(dòng)。
柱塞運(yùn)動(dòng)的突然性導(dǎo)致在片基上打印的所需墨滴周圍形成衛(wèi)星墨滴?？梢韵嘈牛?dāng)柱塞遠(yuǎn)離其等待位置時(shí)的迅速加速是造成形成這些衛(wèi)星墨滴的原因，且由于管內(nèi)流體所提供的有限流體阻尼的原因，這個(gè)問題被加劇。此外，可以觀測(cè)到，如果借助回行裝置施加在柱塞上的力過大，且如果在柱塞返回其等待位置時(shí)，施加在柱塞上的磁力為最小，那么，柱塞作用在噴嘴鏜孔的入口上的撞擊就能夠?qū)е轮驀娮鞓?gòu)造的損壞(或任何設(shè)置在噴嘴或柱塞上的密封裝置的損壞)。
通過改變柱塞被推動(dòng)的方法，能夠減少產(chǎn)生這種衛(wèi)星墨滴的可能性。電流以更加平緩的形式被施加給線圈，而不是使用如上所述的方形(或三角形)電流脈沖來激勵(lì)線圈。類似地，如果線圈的去激勵(lì)被適當(dāng)?shù)乜刂?，那么柱塞減速的突然性就會(huì)變小，這將能夠進(jìn)一步減少柱塞在噴嘴鏜孔入口上的撞擊的問題?？梢韵嘈?，當(dāng)電磁閥在除了噴墨打印之外的非常高速的情況下被操作時(shí)，類似的問題也可能會(huì)發(fā)生。
電流可以以普通三角形脈沖(在時(shí)域中可以對(duì)稱也可以不對(duì)稱)，普通高斯脈沖，普通正弦脈沖或一些其它形式的非方形脈沖的形式被施加，以便減小柱塞的初始加速和最終減速。電磁閥的確切性質(zhì)以及其被打開的速率將確定柱塞的突然加速和減速對(duì)于電磁閥的操作是否存在不利影響。
圖16a示出了表示通常被用于激勵(lì)線圈的典型三角形波的圖形。圖16b示出了表示根據(jù)本發(fā)明的方法用于激勵(lì)線圈的三角形波的圖像?？梢钥闯觯谌鐖D16b所示的波形的第一部分中，波的斜率小于圖16a所示的波形的第一部分的斜率。這就保證了柱塞以較慢的初始速度被加速遠(yuǎn)離其等待位置，減小了形成衛(wèi)星墨滴的可能性。另外還將注意到，在波形的后一部分中，有一較大的電流，從而施加在柱塞上的磁力用于衰減柱塞的運(yùn)動(dòng)，緩和回行機(jī)構(gòu)的影響。可以理解，在其它因素中，具體的波形將取決于電磁閥的性質(zhì)和構(gòu)造，其被操作的速度，其所使用的應(yīng)用等，而且如圖16b所示的波形純粹是示范性的。
可以應(yīng)用試驗(yàn)來確定一種用于特定應(yīng)用的適合的或最佳的波形或波形組。已發(fā)現(xiàn)一種如圖16c所示的波形的優(yōu)點(diǎn)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有利的是，通過提供第一時(shí)間段的第一電壓最初打開閥，提供另一時(shí)間段的較第一電壓低的第二電壓來保持閥打開。這就減小了閥打開較需要提供所需灰度的時(shí)間更長(zhǎng)，從而導(dǎo)致降低打印性能的可能性。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)特別有利的是，施加36V脈沖約80μs，以及為閥保持打開的剩余時(shí)間提供約5V的第二脈沖。
在噴墨打印機(jī)中電磁閥的高速操作期間，被沉積在片基上的墨滴可以使用連接到計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的CCD(電荷耦合器件)照相機(jī)來進(jìn)行監(jiān)視，以便確定產(chǎn)生問題的衛(wèi)星墨滴的數(shù)量，以及它們形成的頻率。收集的數(shù)據(jù)可以由計(jì)算機(jī)分析，該計(jì)算機(jī)能夠相應(yīng)地改變電流脈沖，以便減少被形成的衛(wèi)星墨滴的數(shù)量。根據(jù)給定電流脈沖減小衛(wèi)星墨滴的形成的可能性的指示，計(jì)算機(jī)可以從存儲(chǔ)在存貯器中的脈沖范圍中選擇一種電流脈沖。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，閥控制裝置包括使用如圖12所示的電路的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)。所述FPGA包括可被用戶配置的用于提供所需功能的存儲(chǔ)器和邏輯元件。
以上針對(duì)結(jié)合有本發(fā)明電磁閥的打印頭來說明本發(fā)明。但是，將理解到使用軟件來校正、操作并控制柱塞運(yùn)動(dòng)以便相應(yīng)來自一個(gè)或多個(gè)傳感器的信號(hào)的方法還可適用于其他形式的電磁閥。
因此，從另一方面，本發(fā)明提供一種按需噴射式打印機(jī)，其中墨滴或其他流體從噴嘴孔噴射以便在片基上形成打印點(diǎn)，并且其中從流體源到噴嘴孔的流體流通過閥機(jī)構(gòu)來調(diào)節(jié)，閥機(jī)構(gòu)包括適用于在施加在線圈上的電流影響下在線圈內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的柱塞元件，其特征在于，打印機(jī)設(shè)置成與適用于控制打印機(jī)操作的計(jì)算機(jī)相結(jié)合，其特征在于a.計(jì)算機(jī)適用于與觀測(cè)噴射墨滴和/或施加在片基上的打印點(diǎn)的機(jī)構(gòu)相結(jié)合；b.計(jì)算機(jī)進(jìn)行編程以便檢測(cè)觀測(cè)的墨滴和/或點(diǎn)和所需墨滴和/或點(diǎn)之間的差別并對(duì)于施加在用于調(diào)節(jié)流體流到噴嘴孔的閥的線圈上的電流進(jìn)行校正，以便保持所需觀測(cè)墨滴或點(diǎn)的參數(shù)。
優(yōu)選的是，計(jì)算機(jī)設(shè)置一個(gè)或多個(gè)速查表或包括用于噴射的墨滴和/或打印點(diǎn)所需參數(shù)和需要施加在閥操作上以便補(bǔ)償所需參數(shù)值偏差的校正值的其他存儲(chǔ)裝置。通常，被觀測(cè)的參數(shù)是尺寸、形狀，例如打印點(diǎn)的圓度和是否存在衛(wèi)星墨滴或點(diǎn)。存儲(chǔ)裝置還可提供補(bǔ)償以便相應(yīng)來自傳感器的信號(hào)，例如對(duì)溫度和/或電壓變化進(jìn)行補(bǔ)償，在閥操作之間的時(shí)間內(nèi)等待并改變閥操作頻率。計(jì)算機(jī)可改變閥的操作，例如操作頻率、閥開啟時(shí)間和施加在線圈上的電流脈沖的形狀。如上所述，閥操作可以在時(shí)間延遲裝置的控制下，例如其本身通過計(jì)算機(jī)控制的FAPG。
以上針對(duì)柱塞說明了本發(fā)明，柱塞具有整體結(jié)構(gòu)，即形成單個(gè)部件。但是，將理解到由于構(gòu)成材料具有優(yōu)選的磁性特性，在柱塞的一部分形成為機(jī)械連接到柱塞其他部分上的分開部件并且該部分由具有小于1.6特斯拉值的材料制成的情況下，可以在柱塞上產(chǎn)生足夠的磁力。因此，本發(fā)明還提供一種本發(fā)明的閥和結(jié)合這種閥的打印頭，其特征在于柱塞具有合成構(gòu)造，并且其至少主要部分由具有至少1.6特斯拉的飽和磁通密度的材料制成。
權(quán)利要求
1.一種用于控制從其中經(jīng)過的流體流的閥機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)包括柱塞元件，該元件至少部分通過軸頸連接，用于在當(dāng)電流通過線圈時(shí)由線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的感應(yīng)下，在電線圈中在等待位置和操作位置之間軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，柱塞的遠(yuǎn)端延伸進(jìn)入具有與噴嘴出口流體連通的出口的噴嘴鏜孔的閥頭室中，柱塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)適合于打開或關(guān)閉從閥頭室到鏜孔的液流路徑，其特征在于a.柱塞是一種整體結(jié)構(gòu)，且由飽和磁通密度大于1.4特斯拉的軟電磁材料制成；以及c.柱塞具有3毫米或更小的直徑以及小于15∶1的長(zhǎng)徑比。
2.如權(quán)利要求1所述的閥機(jī)構(gòu)，其特征在于，柱塞由飽和磁通密度大于1.5特斯拉的材料制成。
3.如權(quán)利要求1所述的閥機(jī)構(gòu)，其特征在于，柱塞由飽和磁通密度為從大致1.6到大致2.2特斯拉的材料制成。
4.如權(quán)利要求1所述的閥機(jī)構(gòu)，其特征在于，柱塞具有小于2.5毫米的直徑以及從10到20毫米的長(zhǎng)度。
5.如權(quán)利要求1所述的閥機(jī)構(gòu)，其特征在于，柱塞具有小于1毫米的直徑以及從5∶1到10∶1的長(zhǎng)徑比。
6.如權(quán)利要求1所述的閥機(jī)構(gòu)，其特征在于，制成柱塞的材料具有小于100安培每米的矯頑磁性。
7.如權(quán)利要求1所述的閥機(jī)構(gòu)，其特征在于，制成柱塞的材料具有小于50安培每米的矯頑磁性。
8.如權(quán)利要求1所述的閥機(jī)構(gòu)，其特征在于，制成柱塞的材料具有超過10000的相對(duì)導(dǎo)磁率。
9.如權(quán)利要求1所述的閥機(jī)構(gòu)，其特征在于，制成柱塞的材料具有超過50000的相對(duì)導(dǎo)磁率。
10.如上述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的閥機(jī)構(gòu)，其特征在于，從閥頭室通向噴嘴孔的噴嘴鏜孔具有小于8∶1的長(zhǎng)徑比。
11.如上述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的閥機(jī)構(gòu)，其特征在于，從閥頭室通向噴嘴孔的噴嘴鏜孔具有從1.5∶1到5∶1的長(zhǎng)徑比。
12.一種用于控制從其中經(jīng)過的流體流的閥機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)包括一柱塞元件，該元件至少部分通過軸頸連接，用于在當(dāng)電流通過線圈時(shí)由線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的感應(yīng)下，在電線圈中在等待位置和操作位置之間軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，柱塞的遠(yuǎn)端延伸進(jìn)入具有與噴嘴出口流體連通的出口的噴嘴鏜孔的閥頭室中，柱塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)適合于打開或關(guān)閉從閥頭室到鏜孔的液流路徑，其特征在于b.柱塞是一種整體結(jié)構(gòu)，且由飽和磁通密度大于1.4特斯拉、矯頑磁性小于25安培每米以及相對(duì)導(dǎo)磁率超過10000的軟電磁材料制成；c.柱塞具有小于2.5毫米的直徑以及從3∶1到10∶1的長(zhǎng)徑比；以及d.從閥頭室通向噴嘴孔的噴嘴鏜孔具有小于8∶1的長(zhǎng)徑比，并且噴嘴孔具有大致與鏜孔相同的直徑。
13.如上述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的閥機(jī)構(gòu)，其特征在于，鏜孔具有從20到400微米的直徑以及從1.5∶1到8∶1的長(zhǎng)徑比。
14.如上述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的閥機(jī)構(gòu)，其特征在于，柱塞具有形成在其遠(yuǎn)端內(nèi)的內(nèi)部軸向鏜孔或空腔，鏜孔或空腔在柱塞內(nèi)軸向延伸，大致不遠(yuǎn)于當(dāng)柱塞被完全縮回線圈中時(shí)柱塞進(jìn)入線圈的位置。
15.如上述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的閥機(jī)構(gòu)，其特征在于，噴嘴孔是多個(gè)形成在噴嘴板內(nèi)的噴嘴孔之一，噴嘴板載有安裝其上的多個(gè)閥的陣列，每個(gè)噴嘴孔與閥機(jī)構(gòu)的柱塞對(duì)準(zhǔn)。
16.如權(quán)利要求15所述的閥機(jī)構(gòu)，其特征在于，噴嘴鏜孔和噴嘴孔與噴嘴板一起形成單個(gè)部件。
17.如上述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的閥機(jī)構(gòu)，其特征在于，線圈在管狀支承元件上纏繞或直接形成，柱塞在管狀支承元件內(nèi)運(yùn)動(dòng)。
18.如上述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的閥機(jī)構(gòu)，其特征在于，閥頭室的遠(yuǎn)端壁載有一個(gè)或多個(gè)直立區(qū)域以便在柱塞的相對(duì)端面和遠(yuǎn)端壁之間提供增強(qiáng)的密封。
19.如權(quán)利要求18所述的閥機(jī)構(gòu)，其特征在于，通過大致與通向噴嘴鏜孔的入口同心的一個(gè)或多個(gè)直立肋設(shè)置密封區(qū)域。
20.如上述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的閥機(jī)構(gòu)，其特征在于，線圈為管狀支承件上的單圈線圈。
21.如上述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的閥機(jī)構(gòu)，其特征在于，金屬容器設(shè)置為線圈的磁通量回路。
22.如權(quán)利要求16所述的閥機(jī)構(gòu)的陣列，其特征在于，圍繞每個(gè)線圈設(shè)置金屬容器，作為在該陣列中的相鄰閥之間的磁屏。
23.如上述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的閥機(jī)構(gòu)，其特征在于，柱塞在用于線圈的管狀支承元件內(nèi)軸頸連接，柱塞和管狀支承元件不具有相應(yīng)的橫截面，從而軸向液流路徑形成在管狀支承元件和柱塞之間。
24.如上述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的閥機(jī)構(gòu)，其特征在于，線圈的導(dǎo)體被沉積、纏繞或以別的方式直接形成在管狀支承元件的壁之上或之中，管狀支承元件提供在線圈的導(dǎo)體和柱塞之間的界面，柱塞被用軸頸連接，直接滑動(dòng)接合在支承元件中。
25.如上述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的閥機(jī)構(gòu)，其特征在于，噴嘴鏜孔具有從1∶1到5∶1的長(zhǎng)徑比，且噴嘴孔直徑為20至400微米。
26.一種大致針對(duì)任一附圖描述并在任一附圖中表示的閥。
27.一種按需噴射式噴墨打印機(jī)，其中油墨或其它流體被從噴嘴孔中噴出，其特征在于，從流體的源頭到噴嘴孔的液流由如上述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的閥機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)。
28.一種按需噴射式打印機(jī)，其中墨滴或其他流體從噴嘴孔噴射以便在片基上形成打印點(diǎn)，并且其中從流體源到噴嘴孔的流體流通過閥機(jī)構(gòu)來調(diào)節(jié)，閥機(jī)構(gòu)包括適用于在施加在線圈上的電流影響下在線圈內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的柱塞元件，其特征在于，打印機(jī)設(shè)置成與適用于控制打印機(jī)操作的計(jì)算機(jī)相結(jié)合，其特征在于a.計(jì)算機(jī)適用于與觀測(cè)噴射墨滴和/或施加在片基上的打印點(diǎn)的機(jī)構(gòu)相結(jié)合；b.計(jì)算機(jī)進(jìn)行編程以便檢測(cè)觀測(cè)墨滴和/或點(diǎn)和所需墨滴和/或點(diǎn)之間的差別并對(duì)于施加在調(diào)節(jié)流體流到噴嘴孔的閥的線圈上的電流進(jìn)行校正，以便保持所需觀測(cè)墨滴或點(diǎn)的參數(shù)。
29.如權(quán)利要求28所述的打印機(jī)，其特征在于，閥是如權(quán)利要求1-26任一項(xiàng)所述的閥。
30.如權(quán)利要求28所述的打印機(jī)，其特征在于，計(jì)算機(jī)進(jìn)行編程以便用字節(jié)信號(hào)操作。
31.如權(quán)利要求28所述的打印機(jī)，其特征在于，計(jì)算機(jī)進(jìn)行編程以便響應(yīng)噴射的墨滴和/或打印點(diǎn)的形狀和/或尺寸。
32.一種操作如權(quán)利要求28所述打印機(jī)的方法，其特征在于，對(duì)于噴射的墨滴和/或打印點(diǎn)來說通過比較觀測(cè)和所需參數(shù)來校正閥機(jī)構(gòu)的性能，以便提供變量的一個(gè)或多個(gè)記錄到所需閥的操作中，從而實(shí)現(xiàn)所需打印參數(shù)。
33.一種如權(quán)利要求32所述的使用軟件校正電磁閥的方法，大致如上文參照附圖9至13所描述。
34.一種操作如權(quán)利要求28所述的打印機(jī)的方法，其特征在于，計(jì)算機(jī)改變閥的操作，從而在柱塞靠近其行程的任一或兩個(gè)末端時(shí)使柱塞減速。
35.一種如權(quán)利要求34所述的操作按需噴射式打印機(jī)的方法，大致如上文參照附圖14至16所描述。
36.一種如權(quán)利要求28-35任一項(xiàng)所述的打印機(jī)或操作該打印機(jī)的方法，其特征在于，所需參數(shù)存儲(chǔ)在一個(gè)或多個(gè)速查表中以便與觀測(cè)的參數(shù)比較。
37.一種操作如權(quán)利要求27或28所述的按需噴射式噴墨打印機(jī)的電磁閥以在片基上打印一行油墨的方法，該行的長(zhǎng)度等于至少三個(gè)單獨(dú)的打印點(diǎn)，其特征在于，通過對(duì)閥的線圈施加電流，柱塞被保持在閥打開位置，該電流的幅值小于最初將柱塞從其等待位置移動(dòng)所需的值的50％。
38.一種操作如權(quán)利要求27或28所述的噴墨打印機(jī)的方法，其特征在于，閥在大于1千赫的頻率下操作。
39.一種使用按需噴射式噴墨打印機(jī)在絨頭纖維上施加圖像形成合成物的方法，其特征在于，打印機(jī)是如權(quán)利要求27或28所述的按需噴射式打印機(jī)，并且打印機(jī)以至少1千赫的墨滴產(chǎn)生頻率下操作。
40.如權(quán)利要求39所述的方法，其特征在于，絨頭纖維具有至少2毫米的絨頭長(zhǎng)度，并且打印機(jī)在小于5巴的壓力下操作。
41.如權(quán)利要求39或40所述的方法，其特征在于，流體是在25℃下具有50到150厘泊粘度的油墨或染料，織物或紡織品具有1毫米的絨頭長(zhǎng)度，噴嘴孔具有從80到250微米直徑，并且閥在1千赫或更高的頻率下操作。
42.一種如權(quán)利要求27或28所述的多噴嘴按需噴射式噴墨打印機(jī)的打印頭，其特征在于，打印頭包括噴嘴板，噴嘴板中具有多個(gè)噴嘴孔，每個(gè)噴嘴孔位于穿過噴嘴板的噴嘴鏜孔的遠(yuǎn)端，其中噴嘴板與噴嘴孔為整體結(jié)構(gòu)，并且每個(gè)噴嘴鏜孔與閥機(jī)構(gòu)相關(guān)以便控制流過鏜孔的流體流。
43.一種形成如權(quán)利要求42所述的打印頭的噴嘴板的方法，其特征在于，噴嘴鏜孔大致同時(shí)形成在噴嘴板中。
44.如權(quán)利要求42所述的打印頭或如權(quán)利要求43所述的方法，其特征在于，噴嘴孔和噴嘴鏜孔形成為厚度達(dá)到400微米的箔片噴嘴板中的鏜孔，該鏜孔具有小于8∶1的長(zhǎng)徑比。
45.一種用于控制從其中經(jīng)過的流體流的閥機(jī)構(gòu)和一種結(jié)合這種閥機(jī)構(gòu)的按需噴射式打印機(jī)，該機(jī)構(gòu)包括柱塞元件，該元件至少部分通過軸頸連接，用于在當(dāng)電流通過線圈時(shí)由線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的感應(yīng)下，在電線圈中在等待位置和操作位置之間軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，柱塞的遠(yuǎn)端延伸進(jìn)入具有與噴嘴出口流體連通的出口的噴嘴鏜孔的閥頭室中，柱塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)適合于打開或關(guān)閉從閥頭室到鏜孔的液流路徑，其特征在于b.柱塞的主要部分至少由飽和磁通密度大于1.6特斯拉的軟電磁材料制成；以及d.柱塞具有3毫米或更小的直徑以及小于15∶1的長(zhǎng)徑比。
全文摘要
一種使用特定材料制成的電磁閥，該電磁閥能夠以高頻率操作，且可以被制成為小型裝置。柱塞(1)是整體構(gòu)造并由飽和磁通密度大于1.4特斯拉的軟電磁材料制成。另外柱塞具有3毫米或更小的直徑以及小于15∶1的長(zhǎng)徑比。本發(fā)明還涉及一種結(jié)合有這種閥的按需噴射式噴墨打印機(jī)的方法。
文檔編號(hào)G06K15/10GK1682055SQ03821391
公開日2005年10月12日 申請(qǐng)日期2003年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月11日
發(fā)明者D·A·霍爾斯內(nèi)爾, M·B·湯林, A·萊謝赫布, O·J·普賴姆, M·J·?？怂? C·M·巴特斯 申請(qǐng)人:威利特國(guó)際有限公司