基于蓋帽抽吸技術的噴墨液滴排出故障的防止與恢復專利技術分析

王恒印 董憲君 馬玉平

概述

噴墨打印技術是典型的液滴排出技術，自1878年發展至今，在極大方便了人們生活的同時，也存在著一些影響其使用體驗的問題，例如：①噴墨頭長時間不使用油墨中溶劑的蒸發將會導致油墨的增黏干燥，增黏后的墨水將會影響噴墨液滴的形成，甚至導致堵塞噴嘴。②噴墨頭長期暴露于空氣中，空氣中存在的各種粉塵顆粒，以及噴墨過程使用的紙張的記錄介質的粉屑等都容易吸附在噴嘴附近，或者與噴嘴內的墨水混合、紙屑等在噴嘴口附加的黏附以及與油墨的混合，這些灰塵或者粉塵顆粒在噴嘴附加的聚積及其與油墨的混合，也會導致噴嘴的噴墨不良甚至堵塞。③高速噴墨過程中壓力室內部容易形成的氣泡等，壓力室內氣泡的存在，會緩和壓力室的噴射壓力，導致難以形成所需的噴射壓力，同時，氣泡聚積在噴嘴附近，也會影響墨滴的噴出。上述問題的存在都將會導致液體噴墨印刷中的噴墨液滴排出故障，造成噴墨不良，嚴重影響噴墨打印圖像的質量。

已知的噴墨液滴排出故障的防止與恢復手段主要有油墨的空排出技術、蓋帽抽吸技術、清洗液沖洗技術、液體在噴嘴附近的突出技術等4種，但這些技術中，應用最為普遍的是蓋帽抽吸技術。蓋帽抽吸技術是在噴墨頭維護位置處，針對噴墨印刷中可能導致的或者已經發生了的噴嘴堵塞和排出不良情況對噴嘴進行維護。其通過將蓋帽部件與噴嘴板密閉結合，采用連接有墨吸收部件或者墨收集部件的抽吸泵對噴嘴進行抽吸，將增黏了的油墨、雜質、氣泡等進行抽吸出來，從而實現對噴嘴的維護。優點在于操作簡單，可以提供較高的抽吸力以解決噴嘴排出故障，缺陷在于無法解決墨水在噴墨頭壓力室內的固結以及更換油墨導致的油墨混合，且需要消耗掉大量的墨液，只能在非印刷期間執行。

蓋帽抽吸技術是在噴墨頭維護位置處，針對噴墨印刷中可能導致的或者已經發生了的噴嘴堵塞和排出不良情況對噴嘴進行維護。其通過將蓋帽部件與噴嘴板密閉結合，采用連接有墨吸收部件或者墨收集部件的抽吸泵對噴嘴進行抽吸，將增黏了的油墨、雜質、氣泡等進行抽吸出來，從而實現對噴嘴的維護。各類液滴排出故障的防止與維護方法中，蓋帽抽吸技術以其操作方便，維護效率高，便于執行等優勢得到廣泛的應用。

蓋帽抽吸技術分支

如圖1所示，蓋帽抽吸技術主要從抽吸墨水的去向和功能的集成兩個大的方面進行分支。其中抽吸墨水的去向方面分為墨水被廢墨吸收體吸附、收集到廢墨盒、再循環到噴頭繼續供墨3個方面的技術，功能集成方面主要是通過抽吸壓力負責形成彎月面、形成清洗液清洗用的循環回路等兩個方面，下面分別進行介紹。

1.基于墨水去向分類

根據抽吸墨水的去向，主要分為采用廢墨吸收體收集，采用廢墨盒收集，以及過濾去雜質和氣泡后再循環到噴頭用于繼續供墨。

①早期的蓋帽抽吸技術專利申請的廢墨吸收去向通常采用廢墨吸收體進行吸收，該方式吸收的墨液由于沒有辦法回收再利用，造成了很多程度的浪費。

②為了減少抽吸出墨液的浪費，隨著蓋帽抽吸技術的發展，申請人逐漸開始采用收集墨液的廢墨盒進行廢墨收集，以減少墨液的浪費。該方式主要是采用在連接蓋帽結構管路上連接廢墨盒，用于容納抽吸的廢墨。下圖2是愛普生公司19901019申請的公開號為JP4-73159 A的專利，該申請示出了采用廢墨盒回收廢墨的典型結構。

③在考慮到對打印質量要求不高的情況下，為了進一步提高油墨的利用率，減少油墨的浪費，佳能公司和精工愛普生株式會社等均對蓋帽抽吸回收廢墨再循環技術進行了相關的研究。該方法通過在蓋帽的抽吸回路上設置過濾器，通過形成一定的驅動壓力來對彎月面進行維護。下圖3為愛普生于2000年5月2日申請的，公開號為JP2001-315358 A的較為成熟的蓋帽抽吸回收廢墨再循環技術示意圖。

2.蓋帽的功能集成

①液滴噴射彎月面的維護

液滴噴射間歇停止期間，噴嘴暴露于大氣中會導致墨水中溶劑的蒸發變得干燥以及灰塵的積聚，外部大氣壓的存在也影響噴嘴內彎月面的形態，導致再次噴墨印刷時的印刷質量問題，為了防止上述問題的發生，需要對噴嘴面保持潮濕、避免雜質等吸附，同時保證適當的大氣壓。蓋帽抽吸技術的蓋帽貼附于噴嘴時可以阻擋雜質，同時一定程度上防止墨液中溶劑的蒸發。佳能公司和精工愛普生株式會社等均對蓋帽集成彎月面維護功能進行了相關的研究。該方法通過在蓋帽上設置用于維護彎月面的支路，通過形成一定的驅動壓力來對彎月面進行維護。圖4為愛普生于2010年12月2日申請的，公開號為JP2012-116143 A的較為成熟的集成彎月面維護功能的蓋帽機構的示意圖。

②形成清洗液等清洗噴嘴的循環通路

噴嘴內部液體的維護中，有時會涉及墨水更換以及長時間的靜置等導致的墨水顏料或染料顆粒的沉積，導致采用蓋帽抽吸技術本身難以去除，需要采用清洗液進行清洗。其中清洗液清洗中與蓋帽結合的方式通常有兩種，一是在噴頭通入清洗液，并采用蓋帽接取廢液，例如下圖5株式會社東芝申請的公開號為JP2006-159034 A的專利申請。二是清洗液直接蓋帽一側的入口進入從另一側的出口流出，例如下圖6所示的愛普生公司公開號為JP2011-189654 A的專利申請。

蓋帽抽吸技術的發展狀況

奧林匹亞公司（OLYMPIA WERKE AG）于1973年12月17日申請，并于1975年2月27日公開的DE2362576 B1專利，公開了一種彈性泡沫材料的噴墨印刷機用蓋帽，該蓋帽通過與噴嘴密閉的接觸，通過抽吸力來對變臟和變干了的噴嘴進行維護。

佳能的公開號為JPS56-60256 A的專利申請公開了一種噴墨記錄裝置，該噴墨記錄裝置通過在噴嘴板表面密封具有油墨吸收體的蓋帽，通過活塞對噴嘴進行抽吸，將噴嘴內黏稠的油墨、雜質、氣泡等抽出，來實現對噴嘴的維護，該噴墨記錄裝置中，由于采用的抽吸方式為活塞，其抽吸量受到限制，并且油墨通過油墨吸收體進行吸收，不便于油墨的回收。

針對上述問題，佳能公司對蓋帽部件進行了改進，其公開號為JPH3-73352A和JPH3-73354A的專利申請中均公開了一種噴墨記錄裝置，采用抽吸泵對噴墨嘴內部的油墨進行抽吸，從而提高了抽吸量。

愛普生公司的公開號為JPH4-73159A專利申請研究發現雜質等造成的噴嘴口堵塞或噴墨不良抽吸使用較小的油墨量就可以恢復，而氣泡等則需要較大的油墨量才能恢復，而現有技術對這兩種原因造成的噴嘴口堵塞或噴墨不良均是采用相同的抽吸方式，而不針對兩種情況分別對待，這就導致了抽吸雜質等造成的不良時會出現大量油墨的使用造成浪費，而對于氣泡等造成的則由于一次操作墨量不足等難以一次恢復，需要多次操作。該專利申請中的噴墨記錄裝置具有：通過具有排列的噴嘴在記錄介質上噴射墨液的噴墨頭，一用于檢測印刷故障是由紙屑或灰塵造成的較輕噴墨故障還是由混入壓力室墨流中的氣泡造成的嚴重噴墨故障的微型控制器；基于檢測結果，通過設置在噴墨記錄裝置上的恢復按鈕分別執行不同的操作：對于較輕的印刷故障，控制器控制蓋帽部件貼附于噴墨頭的噴嘴板，對噴嘴口施加負壓，執行減少噴嘴排出量的抽吸操作；對于嚴重的噴墨故障，則執行增加噴嘴排出量的操作。為了進一步減少油墨的浪費，其還具有連接蓋帽部件的儲墨容器，用于回收抽吸到的墨液。該方法針對性地對于不同情況的噴嘴堵塞進行抽吸，有效地提高了維護效率，同時對油墨進行回收，提高了油墨的利用效率。然而，上述方式中，僅僅是將油墨回收到儲墨容器中，雖然一定程度上提高了油墨的利用效率，然而，回收后的油墨再利用仍然需要回收后再次處理才能夠安裝到噴墨頭上再次使用。

針對上述不足，佳能公司的公開號為JPH11-334094 A的專利申請公開了一種恢復噴墨記錄頭的方法及其裝置，其中公開了通過將抽吸操作中抽吸的油墨通過過濾，去氣泡等處理后，供給到噴墨頭繼續使用。然而，該技術雖然能夠將回收的墨液過濾后再次使用，然而，由于油墨已經一定程度上增黏，故影響噴墨的效果。

對此，佳能進行了進一步的研究，并在公開號為JP2001-315358 A的專利申請中公開了一種噴墨記錄裝置，該噴墨記錄裝置通過設置添加油墨稀釋劑的單元，對油墨添加稀釋劑，防止油墨黏度過高影響打印。有效地防止了油墨增黏導致的影響打印。佳能的公開號為JP2001-315357 A的專利申請不僅克服了回收的油墨由于黏度增加而影響使用的問題，還解決了過濾器長時間使用后，由于黏附的雜質太多造成過濾器本身的堵塞。該專利通過設置添加油墨稀釋劑的單元，對油墨添加稀釋劑，防止油墨黏度過高影響打印；并進一步設置過濾器雜質清除單元，對過濾器上粘附的雜質進行清除，防止雜質堵塞過濾器。該技術使得油墨的蓋帽抽吸以實現噴墨液滴排出故障的防止與修復技術趨于成熟。

蓋帽抽吸技術專利申請分析

涉及蓋帽抽吸技術的專利申請主要集中在CPC分類號B41J2/16523和FT分類號2C056/JA00，2C056/ JA13，2C056/EC57下，IPC分類號B41J2/165與較為準確的關鍵詞為蓋帽（Cap）、抽吸（Suck、suction）、堵塞（Clog、Close、Block）等，以及與之交叉的相關領域墨水再循環系統領域的IPC分類號 B41J2/18，以及FT分類號2C056/JC20最為檢索的補充。

在SIPOABS數據庫中，通過CPC分類號B41J2/16523進行重點檢索，并采用FT分類號2C056/EC57進行補充檢索，篩選出專利文獻948篇進行分析。

1.蓋帽抽吸技術專利申請的區域分布

蓋帽抽吸技術的專利申請主要分布在日本、美國等地區，圖7是蓋帽抽吸技術專利申請的區域分布圖，通過該圖可以看出，日本占據了超過總申請量47%的比例，在該領域技術中遙遙領先。因此，研究蓋帽抽吸技術時，日本相關的技術是研究的重點。國內申請量較少，僅占據了3%的比例。

2.蓋帽抽吸技術專利申請的時間分布

圖8顯示了油墨空排出技術專利申請的時間分布圖，通過該圖可以看出，蓋帽抽吸技術專利申請處于曲折發展的階段，其中1991年起進入申請的穩步增長期，表明從1991年起該類技術進入穩步發展期。1996起申請量趨于穩定，2004年專利申請量達到單年申請量的峰值有101件，之后每年的申請量在50件左右小幅變化。2010年后申請量逐年下降。2011年附近為申請的相對高峰，然而，該技術整體上處于穩定發展的狀態，表明該技術現階段已進入成熟期。

3.蓋帽抽吸技術專利申請的申請人分布

申請人方面，精工愛普生株式會社、佳能、西爾弗布魯克研究有限公司、兄弟、理光等公司為噴墨印刷領域的主要企業，也是蓋帽抽吸技術專利申請的主要申請人，圖9油墨空排出技術專利申請的主要申請人分布圖，從該圖可以看出，精工愛普生株式會社占據了油墨空排出技術將近1/4的申請量，佳能和西爾弗布魯克研究有限公司申請量也相對較大。

4.蓋帽抽吸技術國內專利申請情況

檢索中，共篩選出30件關于蓋帽抽吸技術的國內專利申請，申請人主要涉及研能科技股份有限公司、北大方正集團、明基電通、旭麗電子等公司以及一些個人申請，國內蓋帽抽吸技術的改進點主要涉及蓋帽抽吸機構本身抽吸結構的改進、抽吸方式的改進以及蓋帽抽吸機構在打印機上的位置設置的改進和優化等。由于國外在該領域有著較強和較大的領先優勢，且技術較為成熟，因此，國內的發展在很大程度上受到了制約。

思考與總結

通過上面的分析可知，蓋帽抽吸技術的噴墨液滴排除故障的防止與恢復專利申請在申請的地區分布方面，日本申請占據了絕對的領先地位，該領域中國申請量較少。且在分類方面，FT分類號和CPC分類號都有較為準確的細分，日本在該領域有著明顯的優勢地位。因此，為了提高檢索和審查的效率，采用FT分類號重點檢索，采用CPC分類號補充，以及IPC分類號和準確的關鍵詞輔助檢全的檢索方式可以提高檢索效率。

（注：本文第二作者貢獻等同于第一作者 ）

作者單位：國家知識產權局專利局專利審查協作江蘇中心