喷墨打印机是非接触式打印机，其中，墨滴从打印头中的一个或 多个喷嘴喷射出。喷出的墨滴被喷射到相对于打印头移动的片基上， 并逐渐地由施加到片基上的墨点建立打印图像。例如，本发明将按照 相对于固定打印头移动的片基进行说明。然而，本发明还可应用于打 印头相对于固定片基移动的打印机。本发明还可应用于片基和打印头 相对运动的打印机。
一种形式的喷墨打印机包括，受到压力的油墨源，典型的是被施 加从0.1到3巴特别是约1巴的压力的油墨容器或油墨瓶。例如通过 对所述瓶或容器中油墨之上的空气隙施加压力来产生压力。油墨被供 给到打印头中的喷嘴孔，通过所述喷嘴孔，一连串的墨滴被喷射到片 基的表面上。所述打印头典型地包括一排沿着横断片基行进方向的这 种喷嘴孔。油墨通过每个喷嘴孔的流动被电磁阀控制。典型地，这种 阀包括被置入用于在轴向延伸的电气线圈中轴向运动的电磁柱塞。该 柱塞的远端位于阀头室中，油墨经过该阀头室从容器流到喷嘴孔。当 电流流过线圈时，产生磁场，该磁场作用于所述柱塞使其轴向运动， 从而打开或关闭喷嘴孔的镗孔或管道的入口。典型的是，磁场作用使 柱塞反抗盘簧的偏压而缩回，从而在阀头室和喷嘴孔之间产生流动路 径。当电流不再流过线圈时，磁场中断，且柱塞在弹簧的偏压下返回， 并座靠密封肋板，唇板或其它位于或围绕朝着喷嘴孔的镗孔或管道的 入口处的装置，从而关闭朝着喷嘴孔的流动路径。典型的是，多个喷 嘴孔在一块板即喷嘴板上形成一排，且每个喷嘴孔以一个镗孔穿过所 述板并与电磁阀相连。典型的是，喷嘴孔被设置成宝石喷嘴的镗孔的 远端，其被座入穿过喷嘴板的镗孔的出口。在控制油墨流动到喷嘴孔 的阀的致动下，墨滴被单独地从一个或多个喷嘴孔中喷出。
从容器经由歧管为阀供给油墨，所述歧管用作将墨流分开并平均 分配给每个阀。喷嘴孔排典型的是横断片基行进的方向对齐，从而， 多个阀的同时操作就产生了将被打印在片基上的一排墨点。所述阀被 操作，从而将墨点沉积在片基上的所需位置上，从而在片基上建立五， 七，八或更多元素的点栅格图像。通过对用于喷嘴的各阀的开口的适 当排序，可以施加可视油墨点以便形成在片基上形成字符或其它图 像、产品日期、产品批量码、图标、条形码或其它可视图像。另外， 油墨可以是形成UV荧光或磁性读取机可读取的图像的油墨，该图像对 于人眼不可视，例如安全或产品授权码。如果需要，几个喷嘴板可以 被组合成一个阵列，从而在片基上打印较宽度图像和/或通过将喷嘴板 彼此交错排列从而在片基上实现点的紧密打印。
为了方便，术语按需喷射式打印机将被用于表示一般的这种类型 的喷墨打印机；术语油墨将用来表示形成可视图像的基于燃料和色料 的油墨以及不能看到但机器读取器可检测到的其它流体成分；术语喷 嘴孔被用于表示墨滴从其中喷出的小孔，术语喷嘴镗孔将被用于表示 连接阀头室和喷嘴孔的镗孔，且术语打印头将被用于表示具有一个或 多个喷嘴孔和相关联阀的组件。
对于给定的喷嘴孔直径而言，对于阀的每次开启来说，通过改变 阀被保持打开的时间来改变打印点的尺寸是容易的，且因此改变流过 喷嘴孔的油墨量也是容易的。通过改变打印头中阀的操作顺序，可以 容易地改变被打印的图像的形式，从而墨滴以合适的顺序从合适的喷 嘴中喷出，以形成所需图像。这种图像和点尺寸的变化可以通过在适 当的程序或操作系统的操作下的计算机或微处理器的控制下而容易地 实现。
这种按需喷射式打印机在市场上广泛地销售，且被广泛地用于在 范围较广的片基上打印范围较广的可视和不可视机器可读图像。用于 油墨中在1-5巴的压力下从喷嘴孔喷出，打印头可以将墨滴从喷嘴孔 喷出，墨滴的飞行路径长度为10到25毫米或以上，将打印头定位在 生产或包装过程中行进的物品生产线附近，且打印头不会污染物品。
然而，随着打印头和片基之间行进的相对速度的增加，阀不能以 足够的速度操作用于以足够的频率喷射墨滴到达形成所需图像而不产 生变形的点。典型的是，对于电磁阀的操作速度，用在喷墨打印机打 印头中的电流被限制为小于1000赫。随着制造商的一定生产或包装线 的生产量的增加，需要将在片基上打印点的速度增加的需求也增加 了。
在另一种形式的喷墨打印机中，如公知的脉冲喷墨打印机，压电 晶体或其它换能器被施加到或形成喷嘴孔的具有油墨入口和油墨出口 的喷嘴镗孔的喷墨腔的壁的一部分。当电压被施加到所述换能器上 时，该换能器膨胀或弯曲，并产生喷墨腔的容积变化。这就使墨滴被 从该腔中喷出，并经由所述喷嘴镗孔穿过喷嘴孔而被排出。借助对施 加在换能器上的电脉冲的频率的电控制，换能器可以以非常高的频率 产生变形，从而该打印头可以以达到15千赫或更高的频率喷射墨滴。 然而，通过喷嘴孔喷射的墨量依赖于换能器弯曲的程度。其可以通过 改变施加到换能器的电脉冲的振幅而改变。然而，每种类型的换能器 仅仅在一窄的最佳操作脉冲振幅的百分比，典型的是正负10％，内稳 定地操作，因此，市售的脉冲喷墨打印机仅仅能获得有限范围的点尺 寸。为了增加打印点的尺寸，必须打印彼此重叠的连续点。这就限制 了给定的脉冲喷射头的应用数量。此外，这种脉冲喷射头仅将液滴投 射较小的飞行路线距离，典型的是不大于6毫米，这是由于用于将墨 滴从喷嘴孔喷出而产生的压力较小。该压力不能被增加超过一低阈 值，这是因为，油墨借助位于喷嘴孔处的油墨的弯月面的表面张力而 被保持在喷嘴镗孔中。而且，喷嘴镗孔和喷嘴孔被形成在室的薄壁中， 喷嘴镗孔的典型长径比小于0.5∶1。结果是，与典型的具有长径比为 10∶1或更大的宝石喷嘴中的喷嘴镗孔相比，喷射墨滴的飞行路径的方 向性被降低。如果对于脉冲喷墨打印机而言，墨滴的飞行路径大于约2 毫米，那么墨滴在片基上的散射就会增加。这就进一步限制了这种脉 冲喷墨打印机的应用。
在另一种公知的作为连续喷墨打印机的喷墨打印机中，带电的喷 射油墨被从喷嘴中喷出。该喷射油墨分裂成单个的带电墨滴，然后， 通过对位于单个带电墨滴的飞行路径附近的偏转电极施加变化的电 压，所述单个带电墨滴就朝着片基上的所需位置行进。虽然这种打印 机可以以高频率形成墨滴，且能够将单个墨滴投射5到15cm的距离， 但是，这种打印机的结构和操作复杂且成本高。
国际专利申请NO.PCT/SE97/01007公开了一种用于在按需喷射式 喷墨打印机中的电磁阀，其要求能够以达到3千赫的频率进行操作的 权利。这种阀包含重量轻的元件，从而减小了柱塞的质量且因此减小 了其惯性。这就能够使柱塞在线圈中的每次运动极端可以迅速地加速 和减速。为此，柱塞由两个元件形成，一个由一种电磁材料制成，从 而它可以借助线圈所产生的磁场而运动，而另一个是重量轻的塑料元 件，其被用作柱塞的远端。这种结构复杂且昂贵。此外，我们已发现， 包含这种阀设计的按需喷射式打印头不能打印可接受的图像。例如， 在所述阀进行高频操作时，打印的点不均匀，且围绕每个由打印头所 打印的基本点周围有许多小的卫星点。
因此，仍然需要一种打印头，其能在超过1千赫的点产生频率下 简单且稳定地操作，从而能够使用较宽范围的油墨或其它流体产生在 较宽范围的打印点尺寸上的均匀尺寸的墨滴。
我们已经设计出一种形式的电磁阀，其能够在高达8千赫或更高 的速度下操作，且能在较宽范围的点尺寸和操作频率下打印均匀尺寸 的墨滴。这是在传统连续喷墨打印机的操作范围内。本发明的阀因此 能够使得按需喷射式喷墨打印机在快速运动的片基上打印图像，而使 用脉冲喷墨或连续喷墨打印机迄今为止认为只是所得到的技术的变型 方式，并且与传统按需喷射式喷墨打印机相比减小打印图像的变形。 这种阀可制成非常紧凑，使得阀的阵列可用于喷嘴板内的一排或多排 喷嘴孔，以便提供具有高打印分辨率的紧凑打印头。
包含本发明的阀的打印头能够实现通常仅能采用慢速按需喷射式 打印头才能实现的打印点的位置精度和从喷嘴孔到片基表面的长的墨 滴飞行路径。令人吃惊的是，本发明的阀能在一较宽的点尺寸范围和 频率范围内精确地打印墨滴，而不形成显著的卫星墨滴。本发明的阀 可被制造得性能稳定，且通过使用软件对施加在线圈上的电流脉冲的 形状进行调节，从而易于控制柱塞在线圈中的运动，从而优化打印质 量。这一点与传统的按需喷墨型打印机具有可比性，在传统的按需喷 墨型打印机中，计算机仅用于调节阀的打开时间，和使阀的操作的定 时与顺序与待产生的图像相关。
此外，本发明的阀的设计易于使其本身作为一个阀阵列而被制 造，每个阀用于单个喷嘴板中的多个喷嘴的一个。这就使喷嘴板和与 其相关联的阀的结构被制造成整体构造，其精度比使用单个阀和宝石 喷嘴的高。包含一组本发明喷嘴和阀的打印头可以被制造得比迄今为 止的打印头更符合性能标准。
此外，包含本发明的打印头可以被制造得较使用传统阀的打印头 更紧凑。这就使按需喷射式打印机与迄今为止的类型相比，能够实现 具有更紧密的间隔的待打印小点。

因此，本发明提供一种用于控制从其中经过的流体流的阀机构，该 机构包括一柱塞元件，该元件至少部分通过轴颈连接(journalled)， 用于在当电流通过线圈时由线圈所产生的磁场的感应下，在电线圈中在 等待位置和操作位置之间轴向往复运动，柱塞的远端延伸进入具有与喷 嘴出口流体连通的出口的喷嘴镗孔的阀头室中，柱塞的往复运动适合于 打开或关闭从阀头室到所述镗孔的液流路径，其特征在于，
a.所述柱塞是一种整体结构，且由饱和磁通密度大于1.4特斯拉软 电磁材料制成，优选大于1.5特斯拉，特别是约1.6到2.2特斯拉或更 大，以及
b.柱塞具有3毫米或更小的直径，优选小于2.5毫米，特别是小于1 毫米，并且长径比小于15∶1，优选小于10∶1，特别是从3∶1到8∶1。
本文使用术语“软磁性”表示，当线圈中的电流中断时，材料就 失去由于线圈而在其中所感应的磁场，相反，永磁体仍然保留其磁性。 为了方便起见，本文中所使用的术语“远”和“近”表示元件相对于 油墨或其它流体穿过阀的流动分别位于下游和上游的部分。
本发明阀的柱塞的特征在于，用于柱塞由特殊材料制成，与传统 电磁阀中使用的柱塞相比，本发明柱塞可以制成更小和更轻，通常是 柱塞5毫米的直径。因此，所使用的柱塞具有所需大小的磁力以便使 其运动，并且这需要施加高驱动电流到电磁阀的线圈上。在本发明中， 柱塞具有小于3毫米的直径和从10-20毫米的典型长度，但可以是0.75 毫米小的直径和小于15毫米的长度。柱塞的最佳尺寸将取决于阀的应 用、操作的所需频率以及流过阀的流体的粘度。在优选实施例中，柱 塞具有小于2.5毫米的直径，特别是1毫米或更小；小于20毫米的长 度，特别是小于15毫米，并且具有从3∶1到15∶1的长径比，优选是 从大约5∶1到10∶1。
优选是，制成柱塞的材料还具有小于大约100的矫顽磁性，特别 是小于50，例如大约25的矫顽磁性小于25安培每米(A/m)；并且 超过10000的相对导磁率，优选是超过50000，例如大约75000到 90000。
优选的是从阀头室到喷嘴孔的喷嘴镗孔具有小于8∶1的长径比， 优选从1.5∶1到5∶1，特别是从2∶1到4∶1。优选是喷嘴孔具有与喷嘴 镗孔相同的直径，并且在具有小于400微米厚度的平元件内与喷嘴镗 孔形成整体。
本发明的阀可用于在超过1千赫的频率下喷射准确设置尺寸的墨 滴。因此，阀可用来控制医疗领域诊断测试中试剂的准确计量、化学 或分析过程中的小量试剂。但是，本发明的阀特别适用于按需喷射式 喷墨打印机，其中通过阀的流体是油墨，并且阀用来在片基上打印可 视或不可视的机器读取图像。出于方便目的，本发明将在下面针对这 种应用进行说明。
因此，本发明还提供一种其中墨滴从喷嘴孔喷射到片基上的按需 喷射式喷墨打印机，其特征在于，本发明的阀用来控制到达喷嘴的油 墨和其它流体的流动。在本发明打印机的优选形式中，具有多个喷嘴 孔，并且通过每个喷嘴孔的流动流通过本发明的阀单独控制。
我们已经发现对于柱塞来说使用特殊材料和尺寸克服了与使用传 统不锈钢柱塞材料相关的许多问题。另外，传统材料在1千赫的频率 下进行往复运动时产生过多的热量。使用具有高饱和磁通密度的材料 能够使本发明柱塞迅速响应，从而在由线圈所产生的磁场中迅速改 变，而不产生过多的热量。采用优选的材料，柱塞材料的低矫顽磁性 也有助于，在当电流以低施加线圈电流流过线圈时所产生的场的影响 下，在柱塞中产生的感应磁场的迅速升高和降低。这与材料的通常大 于25000的高导磁性相结合，使得能够在线圈和柱塞之间迅速产生高 磁性驱动力。结果是，给定尺寸的柱塞可以被线圈以小于传统材料制 成的柱塞小的驱动电流迅速地加速。这不需要施加高驱动电流给线 圈，典型的是超过20安培的驱动电流，这在迄今为止被认为是必须的。 这又减小了当柱塞被线圈移动时所产生的热能。但是，如果饱和磁通 密度足够高，还可以使用具有优选范围以外矫顽磁性和/或相对导磁率 的构成材料以便实现满意的结果。
使用具有低矫顽磁性的材料也允许由于在线圈中的电流的反向而 迅速产生反磁力。该反磁力可以被用于在柱塞到达其行程的任一或两 个末端时减慢柱塞的运动。这种磁力制动可以被用于代替偏压弹簧或 与偏压弹簧结合使用，所述偏压弹簧通常被用于将柱塞返回其等待位 置。所述磁力制动也可被用于减小柱塞在其座靠到喷嘴镗孔的入口时 的撞击。这不仅增加了柱塞和密封元件的使用寿命，而且减小了在阀 关闭时所产生的卫星墨滴。然而，通常优选的是，本发明的阀机构还 包括预拉伸的弹簧元件，当电流不施加在线圈上时，该弹簧元件偏压 柱塞，抵抗由线圈所产生的磁场，从而使柱塞返回其等待位置。
制成柱塞的材料的这些磁性性能使得在柱塞在通过线圈产生柱塞 每单位质量的高驱动力。因此与传统的阀柱塞相比可以减小质量以及 柱塞的尺寸并在线圈的影响下使得柱塞获得持续和快速加速。这使得 小柱塞使用在本发明的阀中，并且在通常超过1千赫的高频率下驱动 这些柱塞。这种阀可用来制成紧凑的打印头，该打印头可在比使用传 统电磁阀的打印头高的速度下操作。另外，阀可在较低的频率下操作， 但具有更多的粘性油墨，而不需要使用更高的操作压力。
通常优选的是柱塞由具有尽可能高饱和磁通密度从材料制成。因 此，该材料可具有1.8或更高的饱和磁通密度。但是，在材料具有2.0 或更高的饱和磁通密度，例如大约2.2，我们已经发现这种材料通常含 有高比例的铁，并且容易被喷墨打印机内经常使用的油墨腐蚀。在使 用这种高铁含量的材料时，需要为柱塞提供耐腐蚀或保护表面或涂 层。因此，例如，柱塞表面可设置聚合物涂层。但是优选的是使用任 何适当技术(例如电子或蒸汽沉积)在柱塞上形成例如镍或镉的金属 层。
当前作为柱塞材料使用的适当材料可从市场上得到，并且许多材 料是由铁和镍的合金，典型的是包含40％到55％的镍，优选的一种合 金包含40％到55％的镍和55％到50％的铁。如果需要，其它金属例 如μ-金属、镉、钒、铬或铝，也可以微量存在。这种应用的优选材料 的饱和磁通密度超过1.6特斯拉，例如1.8特斯拉或更大。且矫顽磁 性优选地小于50，特别是小于大约25安培每米。相对导磁率优选是超 过50000，例如100000或更多。本应用的适合材料包括销售商品名称 为Permenorm 5000和Vacofer SI的合金范围。
柱塞可以完全由这种材料形成，例如通过采用任何适合的技术， 对固体材料的圆筒状或其它形状的柱塞进行牵拉或机械加工而制成。 或者是，所述柱塞可以通过对具有适合的铁磁材料的颗粒或分散于其 中的材料的混合物的聚合或陶瓷载体进行烧结，压力加工或铸造而被 形成。在另一种选择之中，形成柱塞的材料可以是不同形态的铁磁材 料的层叠体，以便给出具有所需的整体性质的组合结构。为了方便起 见，本发明将按照下文的由单独Ni/Fe合金的固体形成的整体柱塞进 行说明。
通常，柱塞通过对理想的合金进行机械加工，轧制或模压而形成， 从而形成具有所需尺寸和形状的一定长度的材料。在对形成用于阀的 柱塞的优选的构造材料进行机械加工期间，材料的磁性会被改变。因 此，需要对制成的柱塞进行某些形式的后成形处理，以便恢复磁性。 这种处理包括热处理或机械撞击处理，这就导致材料的晶体组成发生 改变。最佳形式的后成形处理易于使用试验和误差来确定。
特别是柱塞具有大于大约2.5毫米直径的柱塞内部的部分可以被 去除，以便在柱塞中形成一从柱塞的远端延伸的内部镗孔。这减小了 柱塞的质量。令人惊奇的是，这不会显著地影响柱塞的磁性，且柱塞 表现的磁性就象其是实心元件时一样。例如，轴向镗孔可以通过从适 合材料的固体杆的远端钻孔并形成封闭端。优选的是，当柱塞完全缩 入线圈中时，镗孔不轴向延伸进入到柱塞的被容纳在线圈中的部分， 因此，柱塞位于线圈中的部分为实心的。这就使当线圈被激发时，柱 塞最初从线圈延伸期间作用在柱塞上的磁力最大化。这种用于减小柱 塞质量的方法较PCT申请NO.SE 97/01007中所描述的复杂的两元件结 构更简单。
因此，本发明提供一种本发明的电磁阀，其特征在于，柱塞已形 成从其远端延伸的内部镗孔或空腔，从而，柱塞的质量被减小，所述 镗孔或空腔在柱塞中轴向延伸，大致不远于当柱塞被完全缩回线圈中 时柱塞进入线圈中的镗孔的位置。
为了简单起见，下文将以实心柱塞对本发明进行说明。
典型的是，柱塞具有圆形横截面，且滑动接合在管状支承元件的 圆筒状镗孔中，所述柱塞在线圈中轴向延伸，如下面所述，从而其能 够在线圈中平滑地往复运动。然而，仍然属于本发明的范围内的是， 柱塞具有多角形或其它非圆形的横截面和/或线圈中的镗孔为非圆 形，以便在柱塞和线圈之间提供轴向流体流通路。当柱塞缩入线圈中 时，允许流体从线圈镗孔的近端被置换，从而减小了柱塞的运动的流 体阻尼。或者是，另外，这些通路可以被用于将流体从位于阀组件的 近端的入口供给到位于线圈的远端的阀头室。例如，所述柱塞可以由 两个或多个轴向平面形成，所述平面与圆筒状线圈镗孔壁接合操作， 以允许流体流过柱塞。这种流体流也可用于在阀操作时冷却所述柱塞 和线圈。
阀头室和喷嘴孔之间的喷嘴镗孔与使用在传统的按需喷射式打印 头或脉冲喷墨打印头中的喷嘴镗孔的不同之处在于，典型的是，与传 统的按需喷射式打印头中的10∶1和更大的比率相比，该镗孔的长径比 小于8∶1，通常小于5∶1；与传统的脉冲喷墨打印头中的小于0.5∶1的 比率相比，该镗孔的长径比大于约1.5∶1。
喷嘴镗孔直径可以在一个较宽的范围内选择。因此，我们已发现， 本发明的阀可以具有高达400微米的喷嘴镗孔直径，在这种情况下用 于供给具有高粘度的流体，例如在对具有长纤维典型的是长于1毫米 的纤维的纺织品和织物进行打印期间，在25℃下以高达400厘泊(Cp) 的粘度的流体涂布织物。本发明的阀允许操作者在大镗孔直径的情况 下为这种高粘度流体选择短镗孔长度，而不牺牲液滴定位的精度。对 于传统的用于按需喷射式打印机的10∶1比率的喷嘴，喷射这种高粘度 油墨所需要的压力过大，除非使用大直径镗孔。然而，对于本发明的 阀，操作压力可以低达2至4巴。或者是，对于本发明的阀，当使用 具有小于20厘泊，典型的是1至10，特别是在2和5厘泊之间的粘度 的油墨打印高分辨率图像时，镗孔直径可小达20微米。可易于通过试 验和误差测试来确定，对于给定的油墨压力，镗孔长径比的最佳组合 在1∶1到8∶1的范围内，且镗孔直径在20到400微米的范围内。
我们还发现，使用本发明的阀机构的按需喷射式喷墨打印头的墨 滴形成和墨滴轨道与传统的按需喷射式打印机相比被改善了。我们相 信，这至少部分是由于喷嘴镗孔的长径比。在传统的按需喷射式喷墨 打印机中所使用的宝石喷嘴的长径比至少为8∶1，典型的是约10∶1， 且该比率已经被认为是实现从喷嘴孔喷出的墨滴飞行路径的定向性所 必须的。然而，当这种喷嘴被用在大于1千赫的墨滴产生频率的情况 下时，我们已经发现，对于给定的油墨，打印机操作压力和墨滴飞行 速度，所形成的打印点产生变形。令人惊奇的是，我们已经发现，通 过将喷嘴镗孔的长径比减小到小于8∶1，特别是小于约5∶1，特别是从 2∶1到4∶1，这些变形可以被减小到可接受的程度，而不影响从喷嘴喷 出的墨滴的飞行路径的定向性。此外，通过减小喷嘴镗孔的长度，穿 过喷嘴的压力下降被减小，从而在喷嘴孔处实现较快的排出速度。令 人惊奇的是，这被实现，而不会导致墨滴的喷溅，这种喷溅是墨滴在 喷嘴孔处破裂成多个较小的墨滴。从而对于给定的油墨压力以及给定 的飞行路径，实现了较高频率的墨滴产生。
然而，我们还发现，如果长径比被减小到小于约1∶1，在喷嘴孔处 就会发生墨滴的喷溅，特别是在比率减小到0.5∶1以下时，即使墨滴 形成的频率小于排出喷嘴具有更小的长径比的脉冲喷墨打印机在不发 生喷射墨滴的喷溅的情况下操作的频率。
令人惊奇的是，我们还发现，当本发明的阀被用在按需喷射式喷 墨打印机中时，由于喷嘴镗孔中的油墨的变干而引起的问题被减少。 在喷墨打印机中，当打印机或喷嘴处于等待状态时，由于溶剂或载色 剂的损失而导致的油墨干燥，导致在镗孔中形成固体沉积物。在传统 的按需喷射式或脉冲喷墨打印机中，当打印头的阀或换能器在这样的 等待阶段之后被再次激发，从而将墨滴从喷嘴孔喷出，这种沉积阻碍 了油墨流过喷嘴镗孔。结果是，从喷嘴孔最初喷出的墨滴产生变形且 尺寸不均匀。这种影响在镗孔的长度非常短的脉冲喷墨打印机中被加 重。令人惊奇的是，我们已经发现，与按需喷射式打印机相比，尽管 喷嘴镗孔的长径比较小，在等待阶段之后，本发明的阀较传统的按需 喷射式喷墨打印机的阀更迅速地恢复。当喷嘴镗孔的长径比减小到5∶1 以下，特别是从1.5到4∶1，特别是2∶1到3∶1时，该效果令人吃惊 地得到加强。
我们相信，这至少部分地是由于油墨以高压被供给按需喷射式打 印机的喷嘴，该喷嘴将固体沉积物与最初通过喷嘴孔喷出的墨滴一起 喷出。此外，这种升高的压力的应用，典型的是1到3巴，另外还将 墨滴以较脉冲喷墨打印头更快的速度喷出。由本发明的阀所实现的喷 射距离与传统的连续喷墨打印机所能实现的喷射距离具有可比性。然 而，使用本发明的阀的按需喷射式喷墨打印头的结构和操作较连续喷 墨打印头更简单。
我们已经发现，在从喷嘴孔喷出液滴之后，剩余在通向本发明的 阀的喷嘴孔的镗孔中的流体量通常小于传统的按需喷射式打印头的流 体量。这在喷嘴镗孔的长径比具有实现喷嘴镗孔的容积约等于在阀的 每次激发时的待喷射油墨的体积的情况下，更加明显。结果是，这种 流体的惯性对于本发明的阀的柱塞的运动的阻尼效应被减小，另外还 帮助柱塞在线圈的影响下快速运动，这样就协助了阀的高频率操作。
喷嘴镗孔直径可以在一个较宽的范围内选择。因此，喷嘴镗孔直 径可以高达400微米，在这种情况下用于供给具有高粘度的流体，例 如在对具有长纤维典型的是长于1毫米的纤维的纺织品和织物进行打 印期间，在25℃下以高达400厘泊(Cp)的粘度的流体涂布织物。本 发明的阀允许操作者在大镗孔直径的情况下为这种高粘度流体选择短 镗孔长度，而不牺牲液滴定位的精度。对于传统的用于按需喷射式打 印机的10∶1比率的喷嘴，喷射这种高粘度油墨所需要的压力过大，除 非使用大直径镗孔。然而，对于本发明的阀，操作压力可以低达2至4 巴。或者是，对于本发明的阀，当使用具有小于20厘泊，典型的是1 至10，特别是在2和5厘泊之间的粘度的油墨打印高分辨率图像时， 镗孔直径可小达20微米。可易于通过试验和误差测试来确定，对于给 定的油墨压力，镗孔长径比的最佳组合在1∶1到8∶1的范围内，且镗 孔直径在20到400微米的范围内。
我们相信，从本发明阀的喷嘴孔喷射墨滴的飞行路径的定向性也 至少部分地是由于实现了喷嘴镗孔的平滑的内表面，这样就减小了镗 孔中流体流中的边界摩擦和旋涡。我们还相信，具有与喷嘴孔上游的 喷嘴镗孔大致相同的直径的喷嘴孔的使用是减小本发明的具有减小的 长径比的阀中的定向性损失的主要因素。我们相信，改善墨滴轨迹的 定向性的其它因素通过喷嘴的结构的优选形式而实现。
在传统的按需喷射式打印头中，喷嘴孔由宝石喷嘴提供，所述喷 嘴被设置在喷嘴板中的镗孔的远端中。我们已经发现，喷嘴在其座中 的精确对准存在微小误差。结果是，从这种喷嘴中喷出的墨滴的飞行 路径可能发生不精确的定向。虽然对于单喷嘴打印头来说这种结果可 以被补偿，但这对于多喷嘴打印头来说更加复杂和困难。对于传统的 长径比为10∶1的镗孔而言，镗孔的准直效果较大程度地保证了给定喷 嘴将具有恒定的飞行路径定向性，从而可以实现对喷嘴的对准中的任 何不精确的补偿。然而，当喷嘴镗孔的长径比被减小时，可以预期， 这将降低准直效果，从而降低从这种喷嘴喷出的墨滴飞行路径的定向 的一致性。
因此，我们认为优选的是，将喷嘴孔形成为喷嘴镗孔的远端出口， 并且不用使用单个宝石或其它喷嘴元件。在一个优选实施例中，本发 明的阀使用具有多个穿透的喷嘴镗孔的喷嘴板，喷嘴镗孔最好在单个 操作中大致同时形成，而不使用宝石喷嘴。这种简单整体喷嘴结果可 便于使用宽范围技术来制成，并且克服传统多个喷嘴打印头内的宝石 喷嘴未对准相关的问题。
喷嘴孔和镗孔被形成为整体结构，例如，镗孔同时被切出或被形 成在安装阀机构的板中。例如，借助激光、微电子加工或蚀刻、针冲 压或其它技术，在喷嘴板中形成镗孔/喷嘴孔。所述喷嘴板可以是50 至400微米厚，从而可实现理想长度的镗孔。对于这种厚度，喷嘴板 呈金属或其它箔片的形式，其被安装在适合的支承元件上，以提供一 种刚性的且机械强度强的喷嘴板组件。我们已经发现，通过在多喷嘴 的喷嘴板中同时形成喷嘴镗孔，由于镗孔彼此的未对准而产生的问题 被最小化。
我们还发现，通过对镗孔形成技术进行选择，镗孔的壁足够平滑， 以便减小流分离，以及在镗孔壁之间的界面处的涡流的形成，流体流 过所述镗孔。此外，这种技术也可以被用于在喷嘴板上形成其它改善 阀的操作的部件。例如，金属箔的电铸或蚀刻可以被用于在板中形成 镗孔/喷嘴孔，也可被用于形成围绕通向喷嘴孔的镗孔入口的凸起凸缘 或脊。这就提供了在柱塞的远端面和喷嘴板之间的局部压力点，从而 在柱塞位于阀关闭位置时帮助形成液密封。或者是，在使用针在金属 箔中形成镗孔的情况下，这将导致箔片变形，以及形成进入镗孔的稍 大直径的喇叭口，这将帮助使从阀头室进入镗孔中的流动平稳。当针 的表面滑过箔片材料时，针穿过箔片也可以磨光箔片的表面，因此也 磨光被形成的镗孔的内壁。类似地，使用激光在金属、陶瓷或塑料箔 中形成镗孔也可以形成镗孔壁的磨光表面，特别是当激光脉冲持续非 常短的时间时，典型的是小于1毫微秒，以减小镗孔的凸缘周围的在 形成喷嘴镗孔时从板中烧蚀的材料的沉积物。
因此，根据本发明的另一方面，提供一种本发明的电磁阀，其特 征在于，从阀头室到喷嘴孔的喷嘴孔和镗孔被形成为整体结构。优选 的是，出口喷嘴和所述镗孔以镗孔的形式形成在厚度达到400微米的 箔片喷嘴板中，该镗孔的长径比为小于8∶1，优选的是1∶1到5∶1。优 选的是，所述镗孔具有磨光的内表面，以便减小流体在其流过镗孔时 的流分离或涡流。优选是，喷嘴板内的镗孔大致同时形成。
如上所述，阀机构优选还包括弹簧元件，该元件提供偏压，当电 流不施加在线圈上时，使柱塞返回其等待位置。典型的是，所述弹簧 为压缩弹簧，用于偏压所述柱塞，从位于镗孔的近端的入口返回到喷 嘴孔，因此，柱塞的等待位置为阀的关闭位置。当电流被施加在线圈 上时，其抵抗弹簧的偏压，并将柱塞的远端从镗孔入口移离，以便打 开从阀头室到喷嘴孔的流路。然而，可以理解，等待位置为阀打开位 置，且操作位置为阀关闭位置。为了方便起见，下文中，本发明将按 照等待位置为阀关闭位置的情况进行说明。
所述弹簧元件被预拉伸，例如弹簧压缩行程的50到80％由预拉伸 赋予，因为我们已经发现，这种预拉伸使弹簧能够施加恒定的偏压力 来抵抗在柱塞运动期间的压缩剩余量上的柱塞的运动。我们已经发 现，使用锥形弹簧特别有利，因为，这种弹簧能容易地被装配在阀头 室的尺度范围内，且在阀机构的组装期间倾向于自动定心，而传统的 圆筒形卷簧不会这样。此外，锥形弹簧的使用减小了质量，因此减小 了弹簧的惯性，另外还帮助弹簧对柱塞运动的快速反应。特别优选的 是，使用预拉伸的锥形卷簧的弹簧的最后两圈，因为我们已经发现， 这种弹簧对柱塞的运动迅速响应，且预拉伸使弹簧能够在弹簧的小附 加压缩上施加一个有效的偏压力。这有助于使得本发明的阀具有紧凑 的尺寸。
然而，可以理解，作为替代或附加由弹簧施加的偏压效果的方式， 可施加电流给线圈，其与柱塞的运动反向。这种反向电流可以在使用 例如如下所述的传统技术和软件的电开关的控制下来施加。
流体可以使用任何适合装置被供给到阀头室，例如借助室的侧壁 中的一个或多个径向入口。或者是，如上所述，柱塞和/或用于线圈的 管状支架的内壁可以形成有轴向平面或通道，从而流体轴向流过柱塞 位于线圈中的一部分或全部。流体对处于线圈中的柱塞的运动进行润 滑，且也能够冷却处于高电流载荷和/或阀的高频操作下的线圈。在所 述阀机构被用作具有多个喷嘴的阵列打印头的一部分的情况下，通 常，优选的是借助歧管板供给至少部分油墨或其它流体，所述歧管板 中形成有内部连接的阀头室，从而油墨可沿着细长的室或通道自由流 动。这就帮助使流体均匀流动到如上所述的相应的喷嘴板中的每个喷 嘴镗孔。
如上文所述，本发明的电磁阀还包括一个阀头室，该阀头室容纳 柱塞的远端，且设有通向喷嘴孔的出口喷嘴镗孔。这种室典型的是通 常为圆形横截面，且具有横截端闭合壁，该壁具有出口，且通向喷嘴 孔的喷嘴镗孔被形成在其中。如果需要，用于线圈的管状支承元件可 以纵向延伸，以便提供阀头室的径向壁。在这种结构的一个实施例中， 所述管状支承元件被形成为具有一个封闭端的圆筒形管，以便形成阀 头室的横截端壁，所述壁由一镗孔贯穿，该镗孔的自由端提供喷嘴孔。 这种组件可以容易地被形成，通过使用自动化技术对硅或陶瓷元件进 行电或激光的高精度蚀刻，这种组件可以容易地被形成。
这种阀机构优选的是被用于与多个邻近的阀机构一同操作，每个 阀机构伺服一个或多个离散的喷嘴孔，以形成阵列型打印头，该打印 头能够将多个流体点施加在片基上，从而在片基上形成二维图像。这 种阵列可以通过将阀的出口端部安装在具有贯穿其中的镗孔的喷嘴板 上，提供从阀的阀头室到喷嘴孔的喷嘴镗孔。优选的是，所述阀位于 交错的行中，以便实现喷嘴板中的喷嘴孔之间的更近间隔。如果需要， 来自每个阀头室的喷嘴镗孔可以成一定角度，以允许阀体从喷嘴板的 中心线偏移，使喷嘴孔能够更加靠近。在一个特别优选的实施例中， 喷嘴板设有一系列直立的管，每个管与穿过板的镗孔中的一个对准。 所述管用于支承阀的线圈，且柱塞在所述管中往复运动。靠近喷嘴板 的管的远端部，或喷嘴板中的镗孔的近端部用作阀机构的阀头室。这 种阵列能够使用自动技术由陶瓷或硅材料形成，或者通过将宝石喷嘴 设置在穿过喷嘴板的镗孔的远端中，或者通过在如上所述在喷嘴板中 的盲端镗孔的末端形成适合的喷嘴孔来形成所述喷嘴孔。这种组件可 以被形成为非常小的尺度，从而使实现阀结构的小型化成为可能。优 选的是，由如上所述的具有贯穿其中的镗孔的金属，陶瓷或其它箔片 来提供喷嘴板，对该板进行安装，从而其中的镗孔与阀的柱塞的远端 对准。在这种情况下，阀头室可以被单独地形成在箔片的表面中或被 形成在位于阀线圈支承元件和喷嘴板之间的中间板中。
然而，我们已经发现，如果所述中间板形成有连续的室，所述室 为打印头组件中的所有阀提供组合的阀头室，就能够改善油墨或其它 流体通向单独镗孔和喷嘴孔的流动。在这种结构中，每个柱塞的远端 面和喷嘴板中的对准镗孔之间的密封，提供流过每个喷嘴镗孔和喷嘴 孔的流动的充分隔离。喷嘴板和柱塞的远端的相对表面优选的是设有 密封装置，以便帮助形成在柱塞处于阀关闭位置时的液密封。例如， 柱塞的远端面可以设有天然或合成橡胶或聚合物表面，所述表面变 形，以提供相对于喷嘴板的相反表面的密封。可选择地或者另外地， 喷嘴板的表面可设有围绕通向喷嘴镗孔的一个或多个环形凸起肋或类 似结构，其提供局部的升高压力区域，以帮助形成液密封。在对喷嘴 板的电铸或蚀刻期间，这种凸起的区域能容易地被形成在喷嘴板的表 面上。
如果需要，喷嘴板上的凸起区域可以由一种柔性材料形成，以便 对柱塞的端面作用在喷嘴板上的撞击进行缓冲。在柱塞的端面不带有 橡胶或类似衬垫的情况下，这种变形还可以帮助形成液密封。如果需 要，所述由柱塞的端面所携带的衬垫可以由一种材料形成，在推动柱 塞进入阀关闭位置的偏压弹簧的负载下，该材料经过冷蠕变或冷变 形。这种蠕变可以形成延伸进入喷嘴板中的喷嘴镗孔的近端的接管或 其它凸起。在柱塞的往复运动期间，这种凸起至少反复地擦拭喷嘴镗 孔的近端部分的起始部分，并将沉积在镗孔壁上的固体沉积物清除。 这可以帮助减小在阀的等待阶段之后的最初墨滴变形。为了协助这种 凸起的操作，穿过喷嘴板的镗孔的入口的嘴可以形成喇叭口，当针被 用于在喷嘴板中形成喷嘴时也可发生这种情况。
本发明还提供一种用于按需喷射式打印头中的打印头，其中多个 本发明的电磁阀机构各自安装成与穿过喷嘴板的多个镗孔之一对准， 其特征在于，喷嘴板为箔片元件，具有贯穿其中的镗孔，每个镗孔设 有阀头室，适合于接收与其相应的阀机构的柱塞的远端。优选的是， 所述阀头室通过一个单独的室设置，该室延伸过喷嘴板中的多个镗 孔，从而为所述镗孔和它们相关联的柱塞提供公共流路。优选的是， 喷嘴板设有两行或多行喷嘴孔，它们可以交错排列，以便帮助与每个 喷嘴镗孔相关联的阀机构的密排。
本发明的阀彼此被安装在附近，以便形成包含多个喷嘴孔的打印 头，优选的是，为每个阀机构提供用于其线圈的金属壳体。这不仅用 作在线圈中产生的磁场的返回路径，而且也用作磁屏，以便减小由一 个线圈和相邻阀机构的线圈所产生的磁场之间的串扰。典型的是，这 种金属壳体由μ-金属，铝或不锈钢制成，而且也用作阀机构的部件的 刚性壳体。因此，所述壳体通常为圆筒形形状，且在其每一端被径向 向内卷曲，以便保持所述线圈组件。金属壳体的远端可以被卷曲或在 喷嘴板携带如上所述的直立管状支承元件的地方被固定到喷嘴板。
流体可以使用任何适合装置被供给到阀头室，例如借助室的侧壁 中的一个或多个径向入口。或者是，柱塞和/或用于线圈的管状支架的 内壁可以形成有轴向平面或通道，从而流体轴向流过柱塞位于线圈中 的一部分或全部，使得流体对处于线圈中的柱塞的运动进行润滑。流 体流过柱塞也能够冷却处于高电流载荷和/或阀的高频操作下的线 圈。在所述阀机构被用作具有多个喷嘴的阵列打印头的一部分的情况 下，通常，优选的是借助歧管板供给至少部分油墨或其它流体，所述 歧管板中形成有内部连接的阀头室，从而油墨可沿着细长的室或通道 自由流动。这就帮助使流体均匀流动到如上所述的相应的喷嘴板中的 每个喷嘴镗孔。
本发明的阀能以高频率操作，典型的是超过1.5千赫，例如从2 到5千赫，如上所述发现的特殊应用，即电磁阀用在按需喷射式喷墨 打印头中。在这种应用中，将阀支承紧凑结构的能力减小打印头的总 体尺寸。柱塞的低惯性使得在低水平电流施加在阀线圈时实现高墨滴 产生频率，减小阀的能量消耗，或者对于施加粘性油墨来说，例如在 如上所述的使用油墨或染料在长绒头纤维或纺织品上进行打印的应用 中，使得在柱塞和线圈之间产生高驱动力。但是，可以理解，本发明 的阀机构可以被用在任何需要小型、高速阀的情形中。
在传统的按需喷射式打印机中，响应于来自计算机或微处理器的 信号，每个电磁阀的操作被触发，所述计算机或微处理器确定哪个阀 被打开，和什么时候被打开，以便打印所需图像。我们已经发现，使 用软件对阀进行控制还有许多其它显著优点，使本发明的阀能够以迄 今已经被认为对于按需喷射式打印头而言非常高的频率打印高质量图 像。
这样，特别优选的是，使用软件来校正所述阀，从而在特定条件 下，其能够将一致的墨滴供送过喷嘴孔。对于传统的电磁阀的设计， 需要通过物理调节柱塞的轴向运动，对被制造的阀的尺寸和材料的微 小变化进行补偿，以便当柱塞被从与阀头室的横向端壁或通向喷嘴孔 的管的密封接合下撤回时，改变流路的尺寸。这将影响从喷嘴孔排出 的点的尺寸，且校正操作的目的是在相同的打印条件下，实现从打印 头中的所有喷嘴孔中喷出的墨滴的均匀尺寸。电磁阀的传统设计在用 于支承线圈的管状支架的镗孔中包括一个止动件，在柱塞的缩回期 间，该止动件为轴向运动提供一个物理限制。在这种传统的阀的设计 中，柱塞的近端和止动件的远端面之间的气隙被调节，例如通过将止 动器刚性推入接合或螺旋接合在管状支架中，从而其可以在管状支承 元件的镗孔中轴向运动，以实现理想的气隙。这种气隙的调节较慢且 耗时，且操作者易于产生误差。
我们已经发现，可以使用软件来设定柱塞的缩回中的特定点，在 该点处柱塞运动暂停。通过对软件参数的简单修改，例如通过使用键 盘输入一个新的参数值，该点易于被调节。这种调节可以非常精确地 实现，且对于许多组打印条件进行校正，从而实现给定墨滴尺寸所需 的电流脉冲尺寸和持续时间可以以例如机器可读代码的形式被确定和 存储在磁盘，存储芯片或其它存储介质中的速查表中，以备这种阀将 来使用。这种校正可以被简单地实现，且可以较电磁阀的传统设计中 的止动件的螺旋调节以墨滴尺寸的较小增值而实现。
在实施校正时，阀在标准条件下操作，且以施加在线圈上的给定 电流脉冲幅值和持续时间，墨滴被打印在片基上。所述打印点由任何 适合装置检测，且电脉冲的幅值和/或持续时间被升高或降低，以获得 所需的点尺寸。这种操作可以手动进行。然而，优选的是，使用CCD 照相机或其它检验装置对打印点进行自动检测，将打印的点的形态与 所需点的参数进行比较。这种比较和随后的电流脉冲的调节可以使用 适当编程的计算机实施。特别优选的是，使用CCD阵列或照相机，对 打印点的直径和圆形以及存在于所需点附近的卫星小点进行监视，并 将点的特征与保存在速查表中的点的特征进行比较，识别需要被施加 在提供给线圈的电流脉冲上的校正，以实现理想的打印点特性。在阀 机构的操作中的最佳变量，例如，增加或减小阀的打开时间，可以由 试验或误差检验来确定。然后，这些变量的最佳值被存储在速查表或 其它存储介质中，以提供一个参数，根据该参数来评估打印点和打印 头的操作。
使用CCD照相机或阵列和计算机来检查被排出的墨滴和/或打印 点，并改变施加在阀的线圈上的电流，这种应用也被用在打印图像时 在联机的阀操作期间。因此，计算机可以被编程，从而在柱塞行程的 每个末端处对柱塞的运动进行减速。我们已发现，这就减小了从喷嘴 孔喷出的油墨的飞溅，这种飞溅是由于柱塞对位于阀头室和喷嘴孔之 间的镗孔入口处的密封件的突然撞击而产生。软件的使用还能够被用 于补偿由于温度的变化或其它原因导致的油墨粘度的变动；补偿施加 在同时操作的打印头阵列中的不同线圈上的电压变化；以及补偿操作 条件的其它改变，例如不同油墨的应用，这需要改变施加在阀的线圈 上的电脉冲的形状和尺寸。软件的使用还可以被用于将阀保持在打开 位置，以便打印一条连续的墨线，来代替由本打印头操作技术所实现 的一系列重叠的点；以及改变在阀的等待时段之后的用于将最初的墨 滴从喷嘴孔排出的阀的打开时间。
在上述所有情形中，响应来自用于检测或监视被喷出的墨滴和/或 打印点的CCD照相机或其它机构的信号，阀的操作被计算机改变，并 将所观测到的墨滴或点与保存在计算机存储器或其它存储介质中的参 数进行比较，以便确定施加到线圈上的电流需要什么改变，从而获得 理想的点。
因此，本发明提供一种打印头，该打印头在计算机的控制下与用 于观测油墨或其它施加到片基上的流体的打印点的机构联合操作，所 述计算机被编程，以检测观测到的点和所需的点之间的差别，并对施 加到线圈上的电流实施校正，以便保证所需的观测到的点的参数。
这种联合使打印点的质量在打印机的操作期间被监视并被即时校 正。迄今为止，打印质量由打印机的操作者主观地观测，且手动地对 打印机的操作进行校正。使用软件联机实现打印质量的监控和校正的 能力对于操作者而言是主要的优点，而且能够实现打印质量的波动的 大致瞬时的校正。
所述监视和校正可以使用传统的软件，硬件技术与设计来实现。 点的质量可以连续地被监视，且响应于三个或更多连续的点施加校 正。或者是，打印点的质量可以间隔地被监视，例如每两个或以阀的 每二十次操作为间隔，且对于任何一个或多个用于评估打印点的质量 的参数而言，一旦打印点偏离例如大于5％，就可以施加任何校正。
典型的是，打印点质量的监视将被用于施加一个信号，来改变阀 的打开时间。
可以理解，表示阀的操作的一些变量的信号可以由外界来源提 供，而不是由打印点的联机扫描来提供。因此，传感器可监视打印机 的操作和/或供给阀的油墨的温度，因为这将影响粘度，因此影响油墨 的喷射能力。或者是，这些传感器可以监视：施加到阀机构的电压，例 如当多个阀由单个电源同时操作时发生的电压降；特定阀在打印操作 期间的等待时间，阀的操作频率等等。然后，这些传感器可以寻址一 系列速查表，如果被监视的参数从预定的最佳值改变，那么就设定需 要减小打印点的质量缺陷的打开时间的变量。
优选的是，来自每个喷嘴的打印点的质量被单独监视。然而，如 果需要，成组喷嘴中的打印点质量可以被一同监视。
在传统的按需喷射式喷墨打印机中由计算机控制的阀的操作中， 简单的单一位信号被用于打开和关闭阀，因为迄今所需要的所有信息 是计算机指示阀什么时间打开和关闭，从而打印所需尺寸的点。然而， 在打印机响应许多相关因素进行操作期间，单独地改变每个阀的操作 的能力要求传输比简单的打开和关闭指令更复杂的信号。我们已经发 现，需要以字节格式传输信号，从而被传输的信息量可以容纳所需操 作参数的变更。因此，例如，使用字节格式信号传输，提供256种阀 的打开时间的可能级。通过提供具有256个单独地址的速查表，就使 沉积在每个打印点上的油墨量能够在一个微小分级范围内变化，计算 机控制打印机的操作可以从所述速查表中指示阀打开时间被选择。这 就使使用按需喷射式打印头能够打印真正的灰度级图像，这种图像迄 今在实践中被认为是不能获得的。字节信号传输的使用能够使给定操 作参数的变量值的广泛选择被迅速且精确地传输和响应，此外还提高 了打印头操作的速度和精度。
本发明的按需喷射式打印机可用来将宽范围的可视或不可视的油 墨成分施加在用于宽范围应用的宽范围的片基上。这种油墨成分可以 具有任何适当的成分和粘度。但是，我们发现本发明的打印头可成功 地用来将油墨施加在纤维或织物内的长绒头纤维上，而不需要使用粘 性大的油墨，迄今为止认为粘性大的油墨是确保用油墨颜料涂覆纤维 所必须的。这样，作为在25℃下粘度超过250厘泊的油墨的替代，我 们已经发现使用从60到120厘泊的油墨以2千赫的频率施加能够实现 良好的效果。使用低粘度油墨的能力能够实现使用较小的喷嘴孔进行 打印，从而增加了在织物上打印的图案的分辨率。还使操作者能够从 比迄今为止更宽的范围内选择模式，并以较低的油墨压力进行打印， 这就减小了对打印机进行特殊改变的需要，且减小了元件发生故障的 风险。
许多织物，包括织造的和非织造的，均具有存在于纤维自由端的 表面，该表面通常为织物平面。这种织物包括毡制材料，其中纤维以 任意定向的堆被压缩，其中存在或不存在粘合剂例如粘胶；由多条单 独纤维的股编制的材料，其中织物的表面已经被刷，拉绒，磨蚀或进 行其它处理，从所述股中分离一些纤维，为材料提供蓬松表面，例如 刷过的尼龙；由本身为绒毛状的材料织造的材料，例如针织或织造的 安哥拉山羊毛，美利奴绵羊毛或克什米尔山羊毛或棉毛巾织物；以及 地毯型材料例如天鹅绒，丝绒和簇绒地毯，其中股或纤维的单个长度 被打结，缝补或以其它方式固定在片状元件，典型的是网状衬板上， 其中所述股或纤维的自由端形成绒头，其通常延伸到背衬的平面，且 毛圈的自由端被切断以形成绒头。为了方便起见，本文所用术语绒头 纤维表示所有类型的材料，其中单独的纤维或包括成组纤维的股通常 延伸到材料的平面，从而为材料提供绒头效果的表面。
通常理想的是在绒头纤维的表面上形成图案或图像，例如彩色图 案，这能够通过将不同颜色，质地或其它材料的股，绒毛或其它交织 成织物来获得。然而，这是困难的且耗时的，特别是在需要的图案复 杂和/或多种颜色或质地的情况下。在大规模制造日用品材料例如有图 案的地毯时，这种许多不同股的使用变得越来越不经济。
因此已经提出，由中性或均匀颜色的纤维或股制造绒头纤维，在 织物已经被织造或以其它方法制造之后，对绒头纤维进行上色。所述 色彩典型的是通过使用任何适合的打印技术来施加油墨而获得。一种 打印技术是使用按需喷射式打印机进行的喷墨打印技术。理想的是， 油墨以重量为纤维的300％至400％被施加以为纤维着色，且需要大致 上均匀地渗透由单独纤维形成的股，而通常不以超过油墨或染料的量 而加载在织物的支承表面上。如果使用非常易流动的粘度在25℃下约 为10厘泊的油墨(通常被用于喷墨打印机中)，其将流过股的长度且 在绒头的基部形成浓色，使绒头的顶部染色不充分，且颜色较少渗透 到股中。因此需要增加油墨的粘度，以保证其以足够慢的速度流过纤 维，从而使油墨均匀地渗透到股中，且覆盖单个纤维的表面。绒头越 长，这个问题越严重。在长绒头纤维的情况下，例如绒头长度约为2毫 米或更大，需要使用粘度为在25℃下约为250到500厘泊的油墨。
这种粘性油墨难于通过传统喷墨打印机的非常细的喷嘴进行喷 射，且需要远远超过这些打印机所设计的压力。此外，如果一行粘性 油墨以非常高的压力被打印，其将从喷嘴以非常高的能量被喷射，且 导致单个股弯曲，从而阻碍油墨接触绒头中的其它股。因此，通常采 用具有随着绒头的长度和密集度的增加逐渐增大的孔的喷嘴。这样， 对于具有长度为3毫米或更大的绒头地毯而言，需要使用粘度约为300 厘泊的油墨，压力约为2巴且喷嘴直径典型的是500微米的喷嘴，因 此粘性油墨可以以足够的量被喷出，以便在单个股上获得理想的油墨 加载。
对于高粘性油墨使用大直径喷嘴，就使油墨能够沉积在绒头的股 上，从而在单个股和纤维上实现大致均匀的着色，从喷嘴排出的墨滴 尺寸很大，从而导致打印图案的分辨率的可察觉的损失。此外，墨滴 的尺寸也导致施加在绒头上的相邻墨滴彼此接触，从而导致不同颜色 墨滴的渗色。
令人惊奇的是，我们已经发现，使用以大于1千赫的频率操作的 本发明的按需喷射式打印头，被打印的墨滴尺寸以及需要将它们从相 对较小的喷嘴孔喷出的压力均被减小。这就减小了渗色的问题，并提 高了打印图像或图案的分辨率。此外，我们已经发现，这使省去打印 图案中的打印墨滴成为可能，这样在图像中就可打印空白区域，这在 视觉上是察觉不到的，但是会在打印的股之间产生一个间隙，该间隙 作为渗色的屏障。这个间隙也可被打印为黑线，作为限定使用不同颜 色打印的区域的边缘，从而提高了打印图像或图案的可察觉的分辨 率。
因此，根据本发明的另一方面，提供一种使用本发明的按需喷射 式喷墨打印机将图像形成合成物施加在一种绒头纤维上的方法，其特 征在于，打印机以至少1千赫的墨滴产生频率操作。优选的是，绒头 纤维的绒头长度至少为2毫米，且打印机以小于3巴的压力操作，特 别是从1.5到2.5巴。优选的是，喷嘴孔具有从250-600微米的直径， 特别是大约500微米。
我们还发现使用本发明的这种打印机可以单独控制图像点的打 印，使得可以实现点准确套印。因此可以增强可实现的色彩范围和色 彩强度。因此这种打印机可以无限缩放所实现的色调。
本发明可被应用于将任何形式的图像施加到任何绒头纤维上。然 而，本发明是一种使用水和/或溶剂基油墨合成物的在绒头长度约为2 至5毫米的长绒头纤维上形成图案的应用中的特殊应用，所述长度为 板元件的顶面到所述股或纤维形成织物的绒头表面进行测量时的长 度。这种绒头纤维可以是天鹅绒或织造绒头地毯，但是为了方便起见， 本发明的这一方面将按照在簇绒地毯上打印多色图案进行说明，其中 包含多条单独纤维的股借助粘合剂被固定到网状衬板上。这种地毯可 以使用任何适合的技术制造，且在所述股已经被固定到衬板上之后在 地毯的加工期间应用本发明，或者可以在单色打印操作中地毯已经被 制造之后应用本发明。如上所述，所述股由中性色调纤维，例如自然 洗过的羊毛纤维，或者是与一种或多种天然颜色的聚合物纤维相混 合，例如聚酯或聚酰胺纤维。如果需要，所述纤维或由纤维形成的股 可以进行一种或多种处理，从而使纤维易于接收施加于其上的油墨合 成物。所述纤维，将它们形成为股，以及对纤维或股的处理和地毯的 形成，所有这些都是在传统的簇绒地毯的制造中所使用的。
为了方便起见，本发明的这一方面将在下文中按照在绒头已经被 形成在网状织造聚丙烯衬板上之后很快将油墨施加到中性洗过的羊毛 纤维簇绒地毯上来进行描述。
在本发明的这一方面的优选实施例中，所述打印机为其中电磁阀 机构用于控制流体流到喷嘴孔的打印机，所述阀机构包括柱塞元件， 该元件被用轴颈连接，用于在当电流通过线圈时由线圈所产生的磁场 的感应下，在电线圈中在等待位置和操作位置之间轴向往复运动，柱 塞的远端延伸进入具有与喷嘴出口流体连通的出口的喷嘴镗孔的阀头 室中，柱塞的往复运动适合于打开或关闭从阀头室到所述镗孔的液流 路径，其特征在于：
a.所述柱塞是一种整体结构，且由饱和磁通密度大于1.4特斯拉， 优选的是1.6至1.8特斯拉，以及优选的是矫顽磁性小于25安培每 米，且相对导磁率超过10000的软电磁性材料制成；
b.柱塞具有小于3毫米的直径和从3∶1到20∶1的长径比，以及
c.从阀头室通到喷嘴孔的喷嘴镗孔的长径比小于8∶1，优选是 1.5∶1到5∶1，特别是2∶1到4∶1。
在打印到纤维的过程中，经常需要打印油墨线。我们还发现本发 明的阀能够被保持在打开位置较长的时，以便在片基上打印连续的 行，所述行的长度等于至少三个单独的打印点。对于传统的电磁阀而 言，认为必须将电流脉冲提供给线圈以便在片基上形成重叠的油墨 点。实际上，由于施加在线圈上的用于将柱塞从其初始等待位置移动 进入阀完全打开位置的高电流，通常导致阀被烧坏，我们已经发现， 令人惊奇，需要将柱塞保持在阀打开位置的流过线圈的电流非常小， 典型的是较开始将柱塞从其等待位置移离所需的电流小80到50％。通 过施加其初始幅值足以将柱塞从其等待位置移动到阀打开位置的电流 脉冲，然后对于剩余的脉冲，将该幅值减小到一个较低的值，就能够 保持阀打开较长的时间，以便在片基上打印成行的油墨。
因此，本发明还提供一种方法，该方法用于操作结合有本发明阀 的按需喷射式喷墨打印机以便在片基上打印墨行，该行的长度等于至 少三个打印的点，其特征在于，通过施加电流在阀的线圈上，柱塞被 保持在阀打开位置，该电流的幅值小于初始将柱塞从其等待位置移离 所需的值的50％。
如上所述的本发明的能够将阀保持在打开位置交长时间的能力特 别有利于，在通常需要实心色块的长绒头纤维上进行打印。使用单独 墨滴或染料液滴的打印能够产生一种图像，其中打印图像的浓度在相 邻点的结合处较低。通过将阀保持在打开位置，图像以大致均匀亮度 的连续线条被打印。
我们已经发现，本发明的阀使用25℃下粘度为50到150厘泊的油 墨，80到250微米的喷嘴孔，将油墨或染料施加给这种长绒头纤维。
因此，本发明提供一种将油墨或染料施加在织物或纺织品上的方 法，其中，所述油墨或染料在25℃下的粘度为50到150厘泊，所述织 物或纺织品的绒头长度为1毫米或更长，所述打印头具有从80到250 微米的喷嘴孔，且在1千赫或更高的频率下操作。
附图说明
下面将仅通过参照附图进行说明的方式，对本发明的优选实施例 及其在联机软件控制下的操作进行说明，其中
图1为贯穿本发明的阀的图解轴向截面图；
图2为贯穿包含一组图1的阀的按需喷墨打印头的轴向截面图；
图3为图2的打印头的喷嘴板的平面图；
图4为图2结合用于监控打印点的质量的CCD照相机，和用于建 立需要施加在图1的阀的线圈上的电脉冲的频率、型式、形状和振幅 中的什么变化来补偿观测的打印点的质量的偏差的计算机，的一个阵 列的图解框图；
图5至图7示出了图1的阀的构造的变型；
图8示出了图2的打印头的另一种形式；
图9示出了电磁阀的示意性描绘，该电磁阀适合与使用按照本发 明的一方面的软件对阀进行的校正一起使用；
图10以图表形式示出了用在本发明的这一方面中的装置；
图11至13示出了图10的装置的可替换的形式；
图14和图15以图解法示出了阀和打印机，其中，施加到线圈上 的电流被改变从而使柱塞在其行进的任一末端处减速；
图16示出了被施加的电流脉冲的形式。

图1的阀包括柱塞1，该柱塞被用轴颈连接(journalled)，形 成紧密的自由滑动接合，用于在不锈钢管2中轴向往复运动。管2具 有形成在其外表面上的一层薄绝缘涂层或套管(未示出)，并支承缠 绕在其上的线圈3。如图4所示，在计算机20的控制下，从电源(未 示出)为线圈3提供电流。挡块4被安装在管2的近端，以便限制柱 塞1在管2中的轴向缩回。线圈3被封闭在金属圆筒状壳体5中。
上述组件被安装在支承壳体10中，该壳体轴向延伸过线圈的远 端，且具有带有宝石喷嘴12的横向端壁11。在如图1所示的实施例中， 壳体10具有轴向延伸的内部环形壁13，该环形壁形成了阀头室14的 径向壁，所述柱塞的远端延伸进入其中。所述柱塞1远端携带末端橡 胶或其它密封垫15，其密封接合地座靠宝石喷嘴12的近端面。预拉伸 的锥形弹簧16对柱塞1施加偏压，使其与如图1所示的宝石喷嘴表面 密封接合，偏压入等待或阀闭合位置。
柱塞1由饱和磁通密度为1.6特斯拉，矫顽磁性为0.2A/cm且相 对导磁率为100000的铁磁性合金制成。为了减小柱塞1的质量，其可 以具有一从其远端延伸的内部盲镗孔。然而，当柱塞处于其等待位置 时，该镗孔不应延伸超过如图1所示的线A-A。另外，理想的是，该柱 塞的直径小于3毫米，典型的是约1毫米，且长径比为约5∶1。宝石 喷嘴中的喷嘴镗孔具有60微米的直径，且长径比(l∶d)为2∶1到3∶1， 而且位于喷嘴镗孔的远端处的孔的直径为60微米。
在1巴的压力下，油墨被供给到环绕壁13的油墨通道(gallery) 17，并经由径向部分18进入阀头室。如图1所示，当柱塞位于其等待 位置时，垫15与宝石喷嘴12的表面密封接合，从而防止油墨流过喷 嘴孔。为了增强垫15和宝石喷嘴12之间的密封，我们最好为宝石喷 嘴的近端表面设置一个或多个凸起的环形密封肋(未示出)。当阀在 高频率下典型的是超过2千赫的情况下操作时，这对于减少卫星墨滴 的形成具有令人惊讶的效果。
这种阀能在从低于1千赫到超过8千赫的频率下操作，从而通过 控制在线圈3中的流动的电流的长度和这种电流脉冲被施加在线圈上 的频率，从而产生在60到150微米的尺寸范围内的均匀尺寸的墨滴。
如上文所指出的，所述阀优选是与其它阀成一阵列地被使用，从 而形成多喷嘴打印头，所述阀沿横断待打印图像的片基的行进线路的 方向延伸。这种排列在图2和3中示出。在这种情况下，壳体10的末 端部分11设有槽形喷嘴板30，该喷嘴板带有喷嘴12并用作形成将油 墨从位于喷嘴板每一端的油墨引入喇叭口31经由入口18供给到所述 阵列中的单个阀的阀头室14的墨流通道17的歧管。在另一选择中， 单个阀头室14被省去，从而当柱塞缩回时，油墨从通道17直接流入 喷嘴镗孔中。所述阵列设有连接器32，单独的供电经由该连接器被供 给每个阀中的线圈3。在该阵列中，壳体4用于减小在所述阵列中相邻 的阀之间的电串扰和磁串扰。
这种阀及阵列可以通过对适合的金属元件进行机械加工而制成。 然而，构造的一种选择形式是，形成如图5中所示的作为陶瓷或硅元 件40的管2。线圈41可被形成在于管40的外表面上切割而成的槽42 中，从而线圈和轴颈连接在管中的柱塞43之间的径向距离被减小。所 述线圈41可以是缠绕在槽42中的线圈；或者可以是利用任何适合装 置沉积在槽42中的导电磁迹。然后，如果需要，所述组件可以被涂布 一种聚合物，以便保持并保护位于所述槽中的线圈。代替刚性陶瓷或 硅支承管，所述管40可以通过一片柔性支承介质来提供，例如，一种 适合的填充有纤维的聚合物或类似物质，在其上已经形成了铜或其它 导电磁迹。然后，所述支承介质被卷入圆筒中，以便形成在其内表面 或外表面上承载线圈的圆筒状支架。在这种设计中，所述管40可以轴 向延伸，以形成阀头室的径向壁44，且所述管的远端开口端以宝石喷 嘴45闭合。然后整个组件可以被装入不锈钢或其它的管46中，所述 管用于支承所述组件，并为线圈提供作为屏蔽的磁返回路径。管46的 两端可以被向内卷曲，以便将所述管40，线圈42和宝石喷嘴45固定 在适当位置。
作为代替上述构造的形式，可以使用硅或陶瓷烧结料或其它材料 形成喷嘴板50来形成如图6所示的阀组件。所述板50按照所需间隔 沿着该板设置宝石喷嘴51。板50设有直立的管状支承元件52，其形 成图5的阀结构的管40。线圈53被缠绕或者以其它方式形成在直立的 管状支承元件52上，并完成如图5所示的阵列。阀头室54由管状支 承元件的远端部分形成，且可以设置径向油墨入口，从而使油墨能流 入阀头室。一柱塞55被轴颈连接在管状支承元件52中，以便在线圈 53的感应下轴向往复运动。作为代替将闭合远端形成阀头室的宝石喷 嘴，板50可以被设置为连续延伸的板，从而将闭合端形成直立的管状 支承元件52。然后，这些闭合端可以借助例如激光钻孔，以便形成贯 穿其的镗孔和喷嘴孔。
代替从径向油墨入口到阀头室14或54，油墨可从油墨入口径向地 流过柱塞1或51，到达径向延伸的由管状支承元件2或52和柱塞1 或51之间的间隙提供的通路。为了形成经过柱塞的轴向通路，管状支 承元件2或52中的镗孔可以具有椭圆形或多角形截面，且柱塞1或55 具有圆形截面。然而，优选的是，使柱塞1或55形成有轴向平面或凹 槽，从而如图7所示，在柱塞和管状支承元件的圆形截面镗孔之间提 供轴向通道。
在图8中示出了一种优选的打印头构造形式。箔片喷嘴板100形 成有多个长度为120微米且直径为75微米的贯穿其的镗孔101。该板 由不锈钢制成，或者借助针状冲孔或者借助激光进行每个孔的钻孔， 从而形成所述镗孔。或者，所述镗孔101可以通过电机械加工而形成， 该工艺也可被用于形成围绕每个镗孔101的入口的凸起环形脊102。所 述箔片喷嘴板被夹持在两块不锈钢支承板103和104之间。板104形 成有单个歧管室105，所述室延伸过形成在板100中的所有镗孔101。 或者，室105可以被形成在板100中。
被包含在支承壳体111中的阀组件110被固定到板100，103和 104，且组件中的阀机构中的每个柱塞与镗孔101对准。所述阀机构包 括缠绕在支承管112上的线圈，其中松滑动接合柱塞113。每个线圈被 不锈钢壳体114围绕，所述壳体被折到夹在壳体111和板104之间的 带孔支承板115上，从而将每个阀机构固定在适当位置，且使凸出穿 过孔的柱塞与喷嘴板100中的镗孔101对准。每个柱塞113均由商标 为Permenorm 5000且直径为1毫米，7.5毫米长的45/55 Ni/Fe合 金焊料制成。用于线圈的电接头由未示出的被计算机控制电源供电的 多接头插头和插座提供。用于每个阀机构110的阀头室由单个歧管室 105提供，且其从板104的每一端被供给油墨。
如上文所指出的，响应于CCD照相机或其它检测打印点的质量和/ 或影响打印点质量的其它因素例如温度，电压，阀操作的频率的传感 器22，阀的操作被计算机20控制。这样，计算机20确定在图2的阵 列中的哪个阀被打开，以及打开多长时间，从而在经过打印头24的片 基23的所需位置上打印所需尺寸的墨滴。在低频率操作的情况下，例 如低于I千赫，通常能够获得打印在片基上的高质量点，而不需要计 算机以施加在线圈上的电脉冲的形式进行的任何补偿校正。然而，当 频率增加时，例如2千赫或更高，打印点的质量可能受到例如阀的突 然关闭的影响，从而产生卫星点。通过从CCD阵列检测产生且导致施 加在线圈上的电流脉冲的形状改变的这种卫星点，计算机可以对此作 响应，从而柱塞在其每次行进的末端的运动被减慢。通过使柱塞相对 宝石喷嘴的表面或阀头室的端壁软着陆，将减小阀关闭的突然性。或 者，通过参照速查表25减小阀的打开时间，该表载有对于一个操作频 率范围的打开时间的减小列表，计算机能够响应高频打印的指令。类 似地，控制打印头操作的软件能够检测阀空闲多长的持续时间，并通 过另一速查表提供一个信号，以便对由那个打印最初点的阀增加阀的 打开时间，以补偿阀中和/或喷嘴孔处的油墨的干燥。在这种情况下， 优选的是，计算机和速查表之间的信息作为字节大小的信号被交换， 从而高达256种可变换的打开时间和操作频率可以被包含在单个信号 中。
通过比较，当如图1所示的阀机构的柱塞由常规的饱和磁通密度 为1.2特斯拉，矫顽磁性约为0.95A/cm且相对导磁率约为3000的 Carpenter 430合金制成时，阀不能以大于约800赫的频率往复运动。 当用于驱动阀的线圈的电流脉冲频率高于上述频率时，柱塞仍然在线 圈中保持静止，且仅仅是振动而不会进行显著的轴向运动。我们相信， 这是因为柱塞的材料而导致的不能足够迅速地响应电流脉冲，且由于 材料的磁滞现象，在电流脉冲之间，柱塞保持在大致相同的磁性状态。
在另外一种对比中，图1的操作的阀的喷嘴镗孔的长径比为 10∶1，8∶1，4∶1和0.5∶1，且驱动电流频率为2千赫。在比率为10∶1 的情况下，将油墨穿过镗孔供给从而获得均匀的打印点尺寸所需的压 力为约10巴。然而，这个压力对于传统的按需喷射式打印头来说过高， 且将导致元件的破裂。如果压力被减小到一个更加可以接受的程度， 例如3巴，油墨穿过打印头的流率不足以提供油墨以均匀地形成墨滴， 从而打印的点的尺寸不均匀，且当阀不能从容器中获得油墨时，就会 发生丢失点的现象。
在比率为8∶1的情况下，将油墨供给到喷嘴镗孔从而获得均匀的 打印点尺寸所需的压力为5巴，该压力是按需喷墨型打印机的元件的 操作性能的上限。
在比率为5∶1、4∶1或3∶1的情况下，打印机在1巴的油墨压力下 顺利地操作，且能够在从小于1千赫到7千赫的线圈驱动电流频率下 打印均匀的点。当喷嘴长度减小时，通过减小l∶d的比率，或多或少 地改善打印点的质量。但是l∶d的比率进一步从3∶1降低到2∶1时， 出现显著的改善，在等待期间之后以响应阀的启动。这种改善不容易 说明。
在比率为0.5∶1的情况下，即使在油墨压力仅有0.1巴的情况下， 打印机不能操作，不会产生油墨的喷射，以及形成多个小点和所需的 主点。
下面，将仅通过图解来描述，如图8所示的按需喷墨型打印头的 优选形式，在联机软件控制下，在绒毛长度为3毫米的地毯绒毛织物 上打印图像。
如图8所示的打印机是如图2所示的打印头的一种变形，其中喷 嘴板100具有贯穿其中的多个镗孔101，所述镗孔的长度为1000微米， 且直径为500微米。该板由不锈钢制成，且所述镗孔或者借助针状冲 孔或者借助激光进行钻孔而形成。或者是，所述镗孔101可以借助电 机械加工形成，该技术也可被用于形成围绕每个镗孔101的入口的凸 起的环形脊102。所述箔片喷嘴板被夹持在两块不锈钢支承板103和 104之间。板104形成有一个单独的歧管室105，该室延伸过在板100 中形成的所有镗孔101。或者，所述室105可以被形成在板100中。
包含在支承壳体111中的阀组件110被固定到板100，103和104， 且位于组件中的阀机构中的每个柱塞113都与镗孔101对准。阀机构 包括缠绕在支承管112上的线圈，柱塞113被松滑动接合于其中。每 个线圈由不锈钢壳体114围绕，所述壳体被卷曲到夹在壳体111和板 104之间的带孔的支承板115，从而对每个阀机构定位并固定，且伸过 所述孔的柱塞与喷嘴板100中的镗孔101对准。用于线圈的电接头由 未示出的被计算机控制电源供电的多接头插头和插座提供。用于每个 阀机构110的阀头室由单个歧管室105提供，从板104的每端给所述 歧管室供墨。
柱塞113由饱和磁通密度为1.6特斯拉，矫顽磁性为0.2A/cm且 相对导磁率为100000的铁磁性合金制成。该合金为商标为Permenorm 5000的45/55 Ni/Fe的合金焊料，每个柱塞的直径为2毫米且长度为 7.5毫米。喷嘴镗孔101及其远端孔的直径为300微米，且镗孔的长 径比(l∶d)为2∶1至3∶1。
当施加电流给线圈112，从而柱塞113被缩回时，在1.5巴的压 力下，油墨被从容器(未示出)供给到歧管室105，并进入镗孔101 中。在应用不同颜色的油墨的情况下，每种颜色的油墨被保持在单个 容器中，且每个容器将油墨供给到单个打印头。
这种阀能在从低于1千赫到超过8千赫的频率下操作，从而通过 控制在线圈3中的流动的电流的长度和这种电流脉冲被施加在线圈上 的频率，从而产生在250到500微米的尺寸范围内的均匀尺寸的墨滴。
图8的打印头被用于使粘度为300厘泊的油墨流过直径为500微 米的喷嘴镗孔和孔，从而将不同颜色的油墨供给到中性羊毛纤维有色 簇绒地毯的绒头。打印头在2千赫的频率下操作，从而实现在绒头中 的单个纤维的大致均匀的着色。打印图像的不同颜色之间的界限被清 晰地限定，且图像的清晰度非常好。在另一种操作中，计算机被编程， 不在两种颜色之间的边界处打印墨点，从而使不同颜色区域之间的渗 色的风险最小化。
下面将参照图9至图13说明使用软件对电磁阀的校正。
图9示出了电磁阀10的示意图，该电磁阀适用于本发明的这一方 面。阀910包括柱塞920，管930和线圈940。柱塞920包括铁磁材料 (或任何其它磁性材料)，且被容纳在管930中，从而能够在管中轴 向地自由往复运动。通过施加电流给线圈940，该电流在管中产生磁 场，该磁场产生作用在柱塞上的磁电原动力，从而柱塞被朝着例如管 的开口端推动。施加在线圈上的电流脉冲的定时和频率可以由计算机 (未示出)控制。所述电磁阀另外还包括一回行机构(未示出)，例 如弹簧，该机构对柱塞产生作用从而一旦柱塞完成了它行进的整个范 围之后使其返回最初位置。在一个优选的方面中，所述电磁阀是参照 上述图2或图8示出并描述的阀。
实际上，打印头将包括一个呈正方形或矩形布置的这种阀的矩 阵。图10示出了来自这种打印头矩阵220的两个示范性的阀210a， 210b。阀控制装置215a，215b与每个阀相联，每个阀控制装置与中央 计算机系统230相连。每个阀的操作通过从中央计算机系统230到每 个阀控制装置215a，215b发送的控制脉冲进行控制。所述阀控制装置 响应于中央计算机系统，从而中央计算机系统能够改变阀保持打开的 时间。这种阀的受控变化能够产生用于沉积在片基250上的所需尺寸 的墨滴。优选的是，打印头参照图2和图8被示出并被描述。
所述打印头可以在制造期间被校正，在其操作期间周期地间隔。 中央计算机指令打印头产生预定的墨滴矩阵。这种测试矩阵被沉积在 测试片基上，且打印的图像可以被检测从而确定打印的图像与最初测 试矩阵的相关性。如果打印象素的尺寸与最初测试矩阵的各象素的尺 寸的比率超出一个阈值，那么各阀控制装置可以被指令从而改变阀打 开的时间。如果打印的象素太小，那么阀的打开时间将被增加(或者 通过增加时间或者通过倍增合适常量的阀打开时间)。类似地，如果 打印象素过大，那么，阀打开时间将被相应地减少。被用于确定打印 象素是否过大或过小的阈值将根据打印片基和/或使用的打印头的性 质而改变。
作为打印象素尺寸的变量将由阀中的机械变量而定，阀可以在一 种象素尺寸或在给定范围的阀操作速率下令人满意地操作。因此，需 要在象素尺寸范围上和被使用的阀的比率上反复地进行校正。每个阀 所需要的校正因数范围可以被储存在一个速查表中，或者它可以确定 一个或多个方程式，这样，在给定所需阀操作速率和象素尺寸的情况 下，相关的校正因数可以被计算出来。
在另一个实施例中，成像装置240可以被另外地连接到计算机控 制系统，且被对准，从而观测到打印头矩阵在其上进行打印的片基区 域。当测试矩阵被打印在片基上时，该成像装置能够将该图像转换为 能够被传输到中央计算机系统的电信号。在进行任何所需的图像处理 (数字化，过滤等)之后，该中央计算机系统能够将打印图像与存储 在中央计算机系统中的最初测试矩阵进行比较。所需的每个象素的象 素尺寸比率可以被确定，且每个阀的校正因数可以被计算。然后，中 央计算机系统与需要进行校正的与阀相关联的阀控制装置进行校正因 数的通信。
所述阀控制装置接收，翻译并执行从中央计算机系统接收到的信 号。易于理解的是，阀控制装置可以被执行，这样，每个阀具有专用 的控制装置，或者是，许多阀可以由单个控制装置进行控制。
在一个优选实施例中，所述阀控制装置包括现场可编程门阵列 (FPGA)。所述现场可编程门阵列包括用户可配置的提供所需功能的 存储器和逻辑元件。
在一个优选实施例中，所述FPGA和相应装置被用于控制16个阀 的线性阵列。参照图11，阀610a，610b，...，610p由阀控制装置控 制，该阀控制装置包括FPGA616，电可擦可编程只读存贮器(EEPROM) 617，随机存贮器，可编程只读存储器(PROM)619和输入/输入622， 624，626。FPGA616与每个阀610a，610b，...，610p，EEPROM617， RAM618以及PROM619相连。当FPGA被加电时，其从PROM619装入其 内部配置数据，然后按照从PROM装入的程序操作。所述EEPROM617存 储包括速查表的一定范围的数据，该速查表包括与每个阀相关的数 据，与特定阀控制装置和FPGA有关的数据，状态信息等。FPGA将从 EEPROM装入该数据，然后通过将零位值写入位于RAM中的每个存贮器 中而初始化RAM618。然后FPGA将等待从输入中的一个接收打印数据 或其它命令。输入/输出622与计算机控制系统相连，且输入/输出624 可被用于连接到其它阀控制装置(见下文)。输入626提供用于调整 打印程序的一系列脉冲。当阀的阵列在片基上进行打印时，该片基通 常在与阀相关的喷嘴的下面移动。提供给输入626的一系列脉冲可以 由一解码器产生，该解码器被安装在装置中的相对于阀移动片基的一 个轴上。
图12示出了许多寄存器的示意图，当FPGA配置数据被从PROM619 装入时，所述寄存器与FPGA一起形成。第一寄存器631被用于写入并 读出EEPROM617，且当初始化数据被从EEPROM中读出时被使用。第二 寄存器632从计算机控制系统接收打印数据，例如待打印的文字数字 式字符或位图，或起动打印程序的信号。第二寄存器632还将打印数 据写入RAM，且被用于在起动阶段初始化RAM。第三寄存器从计算机控 制系统接收配置数据，例如控制可以被施加到打印头的倾斜的数据。 第四寄存器634从RAM接收打印数据，并将其传递给第五寄存器635， 该第五寄存器应用打印数据操作阀610。
所需的打印图像(可包括文字数字式字符)被输入到计算机控制 系统中，然后该图像被转换成与阀控制装置进行通信的光栅数据。阀 610可以在不同的时间段被操作，从而提供16位灰度图像。这样，打 印数据可以以包括4比特代码的光栅的形式被提供给每个阀，4比特代 码的值确定由阀所产生的灰度。打印数据被第二寄存器接收，并被写 入RAM618中。该RAM在逻辑上被布置成16行，每个阀对应于一行。 有多列，每一列对应一个时隙。每个光栅扫描也对应于一个时隙，且 该时隙由频率所确定，轴编码器以该频率提供脉冲给FPGA。
当FPGA接收到打印数据时，第二寄存器为每个阀解释灰度数据， 获得每个阀必须被打开的时间，以便从保持在第一寄存器中的速查表 中产生所需的灰度。理论上，每个阀应当被保持打开相同的时间段， 以便产生相同的灰度，但是，每个阀中的机械变化导致每个阀的微小 的不同特性。解决这些不同的校正因数被记载在速查表中。然后阀时 间被写入RAM中，使用所需要多的列来存储所有的光栅。写指针被设 定到数据的第一列。每个存储单元为相应的阀和时隙保存灰度值。
当下一个轴解码器脉冲被接收到时，由写指针所指示的RAM列被 读出，以便看16个阀中的哪个需要被操作，即，哪个存储单元具有非 零记录。一旦存储单元已经被读出，该列中的所有存储单元即被零所 改写。
然后，这些阀的标识与阀被保持打开的时间一起被发送给第四寄 存器，该寄存器可以执行其它有关阀打开时间的操作，以便在阀的随 后操作之间，对阀在高速操作或在长时间等待时的操作进行校正。然 后，阀打开时间被传输给第五寄存器，该寄存器计算与阀时间相等的 轴编码器脉冲的数量。然后所述阀被打开等于轴编码器脉冲数量的时 间段。
当阀610为电动机械装置时，它们的尺寸对可获得的打印分辨率 产生限制。典型的是，每个阀可以从相邻的一个或多个阀获得4毫米 的补偿。如果是较大的分辨率(例如，要求更小的象素间距)，则矩 阵可以倾斜，从而多个阀在一条轴线上更靠近。这样的缺点是，如果 不对打印光栅进行校正，那么所需的图像将被倾斜地打印出来。
使用RAM可以有利地提供用于对打印头的倾斜进行补偿的校正，从而 为打印光栅数据提供一个倾斜。一旦灰度数据已经被翻译成阀打开时间， 而不是将阀数据写入垂直列中，写入数据可以被偏移过许多列。例如，如 果所需倾斜角度为45°，那么用于第一阀的阀打开时间应当被写入由写指针 所指示的列中，用于第二阀的阀打开时间应当被写入由写指针所指示的列 的下一列中，等等，这样，阀打开时间就以理想的倾斜角度被写入RAM中。
典型的，应用在约80μs和250μs之间的阀打开时间能够提供 16级灰度。已经发现有利的是，通过提供第一时间段的第一电压最初 打开阀，提供另一时间段的较第一电压低的第二电压来保持阀打开。 这就减小了阀打开较需要提供所需灰度的时间更长，从而导致降低打 印性能的可能性，另外还能够将阀保持在打开位置一段较长的时间， 并减小了过热的风险。已经发现特别有利的是，施加36V脉冲约80μs， 以及为阀保持打开的剩余时间提供约5V的第二脉冲。
在另一个优选实施例中，参照图11的上述的阀控制装置和阀将被 一同定位在单个电路板650上。然后，许多电路板被顺序地连接起来， 且物理上位于一个垂直的阵列中，从而阀可以在打印片基上沉积二维 矩阵。在这种情况下(见图14)，一块电路板650a将经由串行输入/ 输出622被连接到计算机控制系统230，并经由串行输入/输出624连 接到第二电路板。第二电路板650b将经由串行输入/输出622被连接 到第一电路板，经由串行输入/输出624被连接到第三电路板，等等。 由于串行链中的最后电路板串行输入/输出624将没有连接，其能够检 测其位置。当加电时，串行链中的最后电路板分配给自己地址0，并将 该地址发送给前面的电路板，然后此电路板分配给自己地址1。这种过 程继续进行，地址值被增加，直到每块板被分配地址。然后，第一电 路板650a将把它的地址报告给计算机控制系统，这样，系统将知道被 连接电路板的数量。系统将用电路板的地址加在该电路板的任何通信 前头。优选的是16块电路板被连接在一起，以提供16×16的打印矩 阵。
在该优选实施例中使用的FPGA为Xilinx Spartan II XC2S100， 这种FPGA之所以优选是因为其结构由在起动时从PROM中装入的数据决 定。这种FPGA可以由一种更便宜的装置代替，其中例如通过吹制熔丝 (blowing fuses)来形成逻辑元件，而不是通过软件配置，FPGA被 硬布线。
可以理解，上述用于校正电磁阀的技术适用于任何类型的电磁 阀，且适用于采用电磁阀的任何应用中。然而，该技术特别地应用于 本发明的小型高速阀中，其中小尺寸的元件使得手动调节极片和其它 元件的位置困难且不精确。
如上所述，软件和计算机控制可以被用于对柱塞在其行进的两个 极端处运动进行减速，从而减小由于柱塞过度撞击其座而导致的从喷 嘴孔喷出的油墨的飞溅。
按照本发明的另一方面，提供一种操作电磁阀的方法，该方法包 括：激发电线圈从而产生一个磁场，以便在线圈中往复地驱动一个柱 塞，其特征在于，该磁场被控制，从而当柱塞接近其运动的至少一个 极端时，柱塞的速度被减小。磁场的控制可以以许多方式实现。
在一个优选实施例中，所述磁场可以被控制，从而当柱塞接近其 关闭位置时，柱塞的速度被降低，以便减小当阀关闭时的撞击。所述 磁场可以被控制，从而柱塞的速度被降低，该磁场抵抗由回行装置施 加在柱塞上的力。这种操作阀的方法参照图14至图16进行说明。
图14示出了电磁阀710的示意图，该电磁阀适合于使用这种操作 阀的方法。阀710包括柱塞720，管730和线圈740。柱塞720包括一 种铁磁性材料(或任何其它磁性材料)，且其被容纳在管730中，从 而能够沿着管的轴线自由运动。通过将电流施加在线圈740上，该电 流在管中产生一个磁场，该磁场产生作用在柱塞上的电磁力，从而柱 塞例如被朝着管的打开端推动。施加在线圈上的电流脉冲的定时和频 率可以被计算机(未示出)控制。所述电磁阀另外还包括一回行机构 (未示出)，例如弹簧，一旦柱塞已完成其整个行进范围，该机构作 用使柱塞返回其初始位置。
按照惯例，电流以简单的方形波的形式(或以具有陡梯度的三角 波的形式)提供，为线圈通电，以便提供柱塞朝着管的关闭端的迅速 的加速度。类似地，一旦该柱塞已经到达其在管中的最大行程，该电 流被迅速减小，以便迅速减小作用在柱塞上的电磁力。这样是有利的， 因为任何电磁力将反抗由回行机构施加在柱塞上的力，这样电磁力越 大，柱塞的回行时间越慢。
然而，我们已经发现，在电磁阀的一些高速应用中，例如它们被 用在喷墨打印机以及著名的“按需喷射式”(drop on demand)喷墨 打印机中，被施加到柱塞上并从柱塞上消除的电磁力的增加速率导致 在所需的主墨滴之外还产生了卫星墨滴。我们已经发现，这是由于阀 柱塞在其到达其行程的末端的阀关闭位置时该阀柱塞的突然减速。
图15示出了用于按需喷射式喷墨打印机中的电磁阀710的示意 图。该阀和打印头的设计和结构大致与如图9所示的相同。在如图15 所示的关闭位置中，柱塞720被容纳在喷嘴镗孔750的入口端，以便 切断流到喷嘴镗孔的墨流。管730延伸，在其打开端形成一阀头室 760，该室设有入口770，通过该入口油墨可以被供给到该室中。通过 将电流施加到线圈上来激发线圈740，从而沿着管并朝着管的关闭端推 动柱塞。柱塞的运动开启喷嘴镗孔的端部，使得油墨能够流过喷嘴孔。 一旦电磁力(毫米F)被从柱塞上消除(通过消除线圈740上的电流)， 回行机构(未示出)就使柱塞返回其关闭位置，从而柱塞用于密封喷 嘴镗孔。一些形式的密封或隔离可以被应用于喷嘴镗孔和/或柱塞的端 面，以便增强柱塞和喷嘴镗孔之间的密封，从而减小当柱塞位于其等 待位置时油墨进入喷嘴镗孔的可能性。
理想的是，所述回行机构迅速地使柱塞返回其关闭位置，以避免 喷嘴被打开过长的时间，从而尽可能快地关闭到线圈740的电流脉冲 是重要的。柱塞在管和室中的往复运动受到控制，从而被精确控制的 墨滴将从喷嘴孔中喷出，被沉积在片基(未示出)上。当阀在高频率， 典型的是从2到4千赫的情况下被操作时，则由于线圈被激发所采用 的方法可能会产生问题。
线圈的激发使柱塞经受快速的加速，直到其运动被管的端部所阻 碍。仅有管内的流体阻尼效应和由回行机构所施加的力抵抗由于线圈 的激发而导致的柱塞的运动。
柱塞运动的突然性导致在片基上打印的所需墨滴周围形成卫星墨 滴。可以相信，当柱塞远离其等待位置时的迅速加速是造成形成这些 卫星墨滴的原因，且由于管内流体所提供的有限流体阻尼的原因，这 个问题被加剧。此外，可以观测到，如果借助回行装置施加在柱塞上 的力过大，且如果在柱塞返回其等待位置时，施加在柱塞上的磁力为 最小，那么，柱塞作用在喷嘴镗孔的入口上的撞击就能够导致柱塞或 喷嘴构造的损坏(或任何设置在喷嘴或柱塞上的密封装置的损坏)。
通过改变柱塞被推动的方法，能够减少产生这种卫星墨滴的可能 性。电流以更加平缓的形式被施加给线圈，而不是使用如上所述的方 形(或三角形)电流脉冲来激励线圈。类似地，如果线圈的去激励被 适当地控制，那么柱塞减速的突然性就会变小，这将能够进一步减少 柱塞在喷嘴镗孔入口上的撞击的问题。可以相信，当电磁阀在除了喷 墨打印之外的非常高速的情况下被操作时，类似的问题也可能会发 生。
电流可以以普通三角形脉冲(在时域中可以对称也可以不对称)， 普通高斯脉冲，普通正弦脉冲或一些其它形式的非方形脉冲的形式被 施加，以便减小柱塞的初始加速和最终减速。电磁阀的确切性质以及 其被打开的速率将确定柱塞的突然加速和减速对于电磁阀的操作是否 存在不利影响。
图16a示出了表示通常被用于激励线圈的典型三角形波的图形。 图16b示出了表示根据本发明的方法用于激励线圈的三角形波的图 像。可以看出，在如图16b所示的波形的第一部分中，波的斜率小于 图16a所示的波形的第一部分的斜率。这就保证了柱塞以较慢的初始 速度被加速远离其等待位置，减小了形成卫星墨滴的可能性。另外还 将注意到，在波形的后一部分中，有一较大的电流，从而施加在柱塞 上的磁力用于衰减柱塞的运动，缓和回行机构的影响。可以理解，在 其它因素中，具体的波形将取决于电磁阀的性质和构造，其被操作的 速度，其所使用的应用等，而且如图16b所示的波形纯粹是示范性的。
可以应用试验来确定一种用于特定应用的适合的或最佳的波形或 波形组。已发现一种如图16c所示的波形的优点。已经发现有利的是， 通过提供第一时间段的第一电压最初打开阀，提供另一时间段的较第 一电压低的第二电压来保持阀打开。这就减小了阀打开较需要提供所 需灰度的时间更长，从而导致降低打印性能的可能性。已经发现特别 有利的是，施加36V脉冲约80μs，以及为阀保持打开的剩余时间提 供约5V的第二脉冲。
在喷墨打印机中电磁阀的高速操作期间，被沉积在片基上的墨滴 可以使用连接到计算机控制系统的CCD(电荷耦合器件)照相机来进行 监视，以便确定产生问题的卫星墨滴的数量，以及它们形成的频率。 收集的数据可以由计算机分析，该计算机能够相应地改变电流脉冲， 以便减少被形成的卫星墨滴的数量。根据给定电流脉冲减小卫星墨滴 的形成的可能性的指示，计算机可以从存储在存贮器中的脉冲范围中 选择一种电流脉冲。
在一个优选实施例中，阀控制装置包括使用如图12所示的电路的 现场可编程门阵列(FPGA)。所述FPGA包括可被用户配置的用于提供 所需功能的存储器和逻辑元件。
以上针对结合有本发明电磁阀的打印头来说明本发明。但是，将 理解到使用软件来校正、操作并控制柱塞运动以便相应来自一个或多 个传感器的信号的方法还可适用于其他形式的电磁阀。
因此，从另一方面，本发明提供一种按需喷射式打印机，其中墨 滴或其他流体从喷嘴孔喷射以便在片基上形成打印点，并且其中从流 体源到喷嘴孔的流体流通过阀机构来调节，阀机构包括适用于在施加 在线圈上的电流影响下在线圈内往复运动的柱塞元件，其特征在于， 打印机设置成与适用于控制打印机操作的计算机相结合，其特征在于：
a.计算机适用于与观测喷射墨滴和/或施加在片基上的打印点的 机构相结合；
b.计算机进行编程以便检测观测的墨滴和/或点和所需墨滴和/或 点之间的差别并对于施加在用于调节流体流到喷嘴孔的阀的线圈上的 电流进行校正，以便保持所需观测墨滴或点的参数。
优选的是，计算机设置一个或多个速查表或包括用于喷射的墨滴 和/或打印点所需参数和需要施加在阀操作上以便补偿所需参数值偏 差的校正值的其他存储装置。通常，被观测的参数是尺寸、形状，例 如打印点的圆度和是否存在卫星墨滴或点。存储装置还可提供补偿以 便相应来自传感器的信号，例如对温度和/或电压变化进行补偿，在阀 操作之间的时间内等待并改变阀操作频率。计算机可改变阀的操作， 例如操作频率、阀开启时间和施加在线圈上的电流脉冲的形状。如上 所述，阀操作可以在时间延迟装置的控制下，例如其本身通过计算机 控制的FAPG。
以上针对柱塞说明了本发明，柱塞具有整体结构，即形成单个部 件。但是，将理解到由于构成材料具有优选的磁性特性，在柱塞的一 部分形成为机械连接到柱塞其他部分上的分开部件并且该部分由具有 小于1.6特斯拉值的材料制成的情况下，可以在柱塞上产生足够的磁 力。因此，本发明还提供一种本发明的阀和结合这种阀的打印头，其 特征在于柱塞具有合成构造，并且其至少主要部分由具有至少1.6特 斯拉的饱和磁通密度的材料制成。