CN100420576C - 沉积微滴的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种将微滴沉积在基片上的装置。该装置包括一用于基片的支承件；包括泵送腔的一微滴喷射组件；一控制器和将泵送腔中的总压力保持在阈值压力水平以上以避免在泵送腔中发生整流扩散式的气泡生长的一静压力源。该微滴喷射组件位于支承件上方，用于将微滴沉积在基片上，并且除了泵送腔以外，还包括一移位件和一喷射微滴的喷孔。所述控制器向该移位件提供信号，以喷射微滴。

Description

沉积微滴的装置
技术领域
本发明涉及在基片上沉积微滴。
背景技术
喷墨打印机是在基片上沉积微滴的装置的一种类型。喷墨打印机一般包括从墨源至喷嘴通道的墨通道。该喷嘴通道的末端为一个喷嘴孔，墨滴从该孔中喷出。墨滴喷射是通过用致动器对墨通道中的墨加压来控制的。该致动器可以为一个压电偏转器、热气泡喷射发生器或静电偏转件。一个典型的打印组件具有一组带有相应的喷嘴孔和相关联的致动器的墨通道。可以独立地控制从每一个喷嘴孔的液滴喷射。在一个按需要出液滴的打印组件中，当打印组件和打印基片彼此相对运动时，起动每一个致动器，有选择地将液滴喷射在图像的一个特定的象素位置上。在高性能的打印组件中，一般喷嘴孔直径为50μm或更小，例如25μm左右，并且以100-300喷嘴/英寸的间距隔开，分辨率为100～300dpi或更大，提供墨滴的容积约为1～70皮升(pl)或更小的液滴。液滴喷射频率一般为10KHz或更大。
这里引入全部内容供参考的Hoisington等人的美国专利5265315号说明了一个具有半导体主体和压电致动器的打印组件。该主体由硅制成，腐蚀形成墨腔。喷嘴孔由附接在硅体上的一个单独的喷嘴板形成。该压电致动器具有根据所加的电压变化几何形状或弯曲的一个压电材料层。压电层的弯曲对沿着墨通道设置的泵送腔中的墨加压。在Fishbeek等人的美国专利4825227号和Hine的美国专利4937598号中也说明了压电喷墨打印组件，这里也引入其全部内容供参考。
打印精度受许多因素影响，包括由组件中的多个喷嘴和在打印机的多个组件喷射的液滴的尺寸和速度的均匀性。墨滴尺寸和墨滴速度的均匀性又受诸如墨通道的尺寸均匀性，声音干扰作用，墨流动通道的污染和致动器驱动的均匀性一类的因素的影响。
在许多喷墨系统中，墨是通过一个供给导管送至与喷嘴连通的一个泵送腔时。墨在例如压电元件的电子机械转换器的作用下，通过快速压缩该泵送腔的容积，周期地从该喷嘴喷射。快速压缩是在该腔容积相应地快速膨胀之前和/或之后进行的。在墨滴喷射循环的膨胀部分过程中，泵送腔中的墨压力大大降低，增加了溶解在该腔内的墨中的空气在该腔的表面上生成气泡的趋势。气泡尤其易于在腔中的成核位置，例如尖锐的拐角、微小的裂纹或凹坑、或者沉积在腔表面上的外来颗粒出生长，气体可以停留在这些地方。如果膨胀/压缩循环以足够高的频率发生，则气泡尺寸从一个循环至下一个循环增加，形成整流扩散(rectified diffusion)。泵送腔内气泡的存在妨碍以希望的方式对墨施加压力以在选定的时间从喷嘴喷射选定容积的墨滴，造成打印质量随时间降低。整流扩散对于高质量喷墨系统问题更多，因为这种系统使用需要更高的压力和频率来恰当地喷射的粘性墨。
如果泵送腔中的压力振动的频率较低，则在泵送腔内成核地方的气泡膨胀，但如图1所示，在下一次行程之前重新溶解。在时间D，在膨胀行程过程中，形成气泡20。后来，在时间E，在压缩行程过程中，由于压力增加和由于气体从气泡扩散回至泵送腔的流体中，所以此时气泡22较小。在这种低频情况下，到时间F，气泡溶解。
如果在泵送腔中的压力振动频率较高，则在受到另一个膨胀循环之前的压缩循环过程中，气泡没有时间重新溶解。图2示出在多次泵送循环中，气泡半径如何总体上循环增大。图3A-3C示出泵送腔中气泡半径增大的影响。参见图2～3C，在时间G，在泵送腔34的压缩行程过程中，打印元件30射出微滴32。在泵送腔34内，有着弯月面33，气泡36具有半径R36。后来，在时间H，在压缩行程过程中，气泡38(没有示出)具有半径R38。该半径在下一个膨胀行程过程中，还进一步增长。后来，在膨胀行程过程中的时间点I，在带有半月板42的打印腔34中，气泡40的尺寸增大。这个过程如以前一样继续，产生半径为R44的气泡44(没有示出)和半径为R46的气泡46(没有示出)。最后，在泵送腔中形成很大的气泡体积48。此时，墨滴容积和速度会减小，或者在极端情况下，会完全妨碍喷射，因为本来要用于喷射微滴的能量被用于压缩气泡。
以更高频率喷射是人们所希望的，因为通过使线速度更高可以增加输出量。工作频率的一个重要限制为喷墨的共振频率。该共振频率由在泵送腔中的压力波的往返行进时间确定。因此，使泵送腔更小可增加喷墨的固有频率，并可使工作频率更高。使喷嘴直径更小也可帮助在更高频率下工作，但这也要求墨滴容积更小。也可以通过减小施加压力的时间而以更高的频率喷射，但这就要求压力更高。一般，声压的范围为从膨胀行程的周围压力以下大约2大气压至压缩行过程中的周围压力以上大约2～3大气压。喷射频率越高，整流扩散造成的问题就越多。
发明内容
大体上，本发明一个方面的特征为一种在基片上沉积微滴的装置。该装置包括：一用于基片的支承件；一包括泵送腔的微滴喷射组件；一控制器；和一静压力源，用于将泵送腔中的总压力提高到阈值压力水平以上，以避免在泵送腔中发生整流扩散式的气泡生长。该微滴喷射组件位于支承件上方，用于将微滴沉积在基片上，并且除了泵送腔以外，还包括一移位件和一喷射微滴的喷孔。所述控制器向移位件提供信号以喷射微滴。
在一些实现方式中，所述静压力的绝对值大于大约1.5个大气压。
在一些实现方式中，所述信号以大于大约8000Hz的频率提供。在另一些实现中，在大于大约8000Hz的频率和绝对值大于大约1.5个大气压的静压力下提供所述信号。
喷射的微滴可以为墨或其他适合的微滴形成材料。基片可以为纸或任何其他适合的基片。
所述压力源可以包括加压气体。气体可以过滤以除去颗粒物质。可将湿汽或汽化的溶剂加入该气体中。该气体可以为空气或任何其他适合的气体。
本发明的另一个方面的特征为一种装置，该装置包括一用于基片的支承件；包括泵送腔的一微滴喷射组件；一控制器；一外壳结构；和将泵送腔中的总压力提高到阈值压力水平以上以避免在泵送腔中发生整流扩散式的气泡生长的一静压力源。该微滴喷射组件位于支承件上方，用于将微滴沉积在基片上。该微滴喷射组件除了泵送腔以外，还包括一移位件和一喷射微滴的喷孔。所述控制器向该移位件提供信号，以喷射微滴。所述外壳结构与所述支承件一起形成一封闭区域，微滴通过该封闭区域喷射到所述基片上。所述外壳结构还与所述支承件一起形成一入口间隙和一出口间隙，所述基片行进通过该入口间隙和出口间隙。所述入口间隙可以为大约0.002～0.04英寸。所述出口间隙可以为大约0.002～0.04英寸。
在附图和下面的说明中说明了本发明的一个或多个实施例的详细情况。本发明的其他特点、目的和优点在该说明、附图以及权利要求书中将是显而易见的。
附图说明
图1为低频振动情况下墨压力与时间的关系的图表；
图2为对于高频振动墨压力和气泡半径与时间的关系的图表；
图3A～3C示出理想打印头中气泡的生长；
图4为用于在基片上进行打印的装置的侧视图；
图5为图4所示装置的打印站的示意性侧视图；
图6为另一个实施例的侧视图；
图7为相对浓度与所加声场的关系的图表；
在各个图中，相同的标号表示相同的零件。
具体实施方式
图4表示在基片52(例如纸)上连续沉积小墨滴的装置50。基片52从位于供给台56上的辊子54拉出，并送至一系列微滴沉积站58，用于将多种不同颜色的微滴沉积在基片52上。每一个微滴沉积站58在基片52上方具有一个微滴喷射组件60，用于将微滴沉积在基片52上。每一个沉积站58处在基片52下面为一个基片支承结构62(例如一个非多孔的(non-porous)台板)。在基片52从最后的沉积站64出来后，基片可以进至预修整站66。该预修整站66可以用于干燥该基片52。它也可用于对基片52的紫外线或其他辐射固化。接着，基片52行进至修整站68，在这里将其折叠和切割成加工完的产品70。基片送进速度大约为0.25～5.0米/秒或更高。微滴喷射组件可以喷射小墨滴。它也可以喷射可利用辐射固化的材料或其他可以作为微滴输送的材料。
图5示出可以避免显著整流扩散的高频微滴沉积站58的组成部分。在这个装置中，泵送腔中的墨的总压力升高，使在膨胀行程过程中所达到的最小的总压力足够高，以避免在泵送腔中发生整流扩散式的气泡生长。如图5示意性地所示，这点可通过将包括泵送腔92和墨源98的打印头封闭在外壳80中，并利用经由总管82通过狭缝84供给的加压空气将外壳80维持在高压力水平，来增加泵送腔92内和微滴喷射区86中的压力而达到。总管82利用快速连接器(没有示出)与压缩机连接。微滴喷射组件58位于基片52(例如纸)上方。通过带有狭缝84的总管82，将一个静压力源施加在外壳结构80内。用这种方法施加的压力可减小封闭区域86中及其周围的紊流。紊流会使打印质量变差，因为主要的墨滴和较小的相应的伴随墨滴，会由于紊流空气的影响而方向发生错误。基片52通过位于基片支承结构62(例如非多孔的台板)的顶部上的入口间隙88和出口间隙90。该台板优选为非多孔的，因为当在高压下将基片52拉过该台板时，多孔的台板可以产生太大的阻力。在基片52上面测量到的入口间隙88和出口间隙90为大约0.002～0.04英寸。如果该间隙太大，则功率需求受限制；如果该间隙太小，则图像可能变得模糊或可能纸会阻塞。如果压力太低，则可能产生整流扩散，而如果压力太高，则外壳结构80的结构要求可能无法实现。优选，静压力的绝对值为大约1.5～10大气压(高于周围压力0.5～9大气压)。微滴喷射组件58包括带有相连接的墨通道94的泵送腔92。墨通道94与连接至装墨100的贮墨箱98的墨入口96连接。整个贮墨箱98保持在静态压力下。这点可利用贮墨箱98中小孔103实现。在泵送腔92内，由于相对于泵送腔92的贮墨箱高度差造成的微小差别(例如0.1～0.3磅每平方英寸)可利用泵102(例如，小型离心鼓风机式泵)来校正。水或其他溶剂可加入气体，以抑制喷嘴干燥。为了减缓墨的老化，该气体可以为空气，或该气体可以具有比空气小的氧含量。相对于空气增加氧含量可以减慢可用紫外线固化的墨的固化。另外，该气体可以利用例如HEPA过滤器过滤，除去颗粒和过多的水分。
图6示出另一个实施例，其中使用打印基片52下方的一个旋转滚筒1 04替代图5所示装置中的外壳80下方的静止、弯曲的支承件62。
图7为相对浓度(Ci/C0)与所加的声压的关系的图表，示出了在100kHz压力场中对于各种平衡气泡半径和各种静压力，防止气泡生长所需的空气相对浓度与所加的声压的关系。Ci为在墨中的空气浓度，C0为空气饱和时墨中的空气浓度。量100(Ci/C0)表示百分比饱和度。如果墨长时间与空气接触，则Ci/C0比将变成100％饱和。在许多喷墨系统中，为了避免气泡问题，在使用前墨要脱气。使墨脱气可降低相对浓度值，使得可以在较高的所加声场下工作，而不会有气泡生长。增加静压力也使得可以在较高的声压下工作，而气泡不生长。在图表中，P0为静压力。X-轴表示声压场的振幅。在给定的静压力、所加的声压场和墨中的空气相对浓度下，给定尺寸的气泡或者生长或者收缩。增加静压力，降低墨中的空气相对浓度和减小所加的振动压力场的振幅可使气泡向收缩方向发展。作为一个例子，标有Rn＝5μm∶P0＝1大气压的曲线为平衡半径(即没有施加声压情况下的半径)为5μm、静压力为1大气压的气泡的曲线。这个曲线表示，施加(+/-)40000帕的声场，即使相对浓度为100％(Ci/C0＝1)气泡也不会生长。如果希望在(+/-)100000帕压力场中，这种气泡不生长，则需要将相对浓度降低至大约27％。作为另一个例子，标有Rn＝0.2μm∶P0＝5大气压的曲线为平衡半径(即没有施加声压情况下的半径)为0.2μm、静压力为5大气压的气泡的曲线。
在曲线以上的条件下，气泡随时间而生长，在曲线以下的条件下，气泡收缩。在图7所示的所有情况中，Rn＝0.2μm∶P0＝5大气压为最不容易由于整流扩散而使气泡生长的。在这种情况下，在空气饱和的墨中气泡(Ci/C0＝1)不生长，直至所加的声场超过450000帕。通过将墨脱气至相对浓度为0.2，可以施加超过580000帕的声压场，而不会有气泡生长。图7显示降低相对浓度Ci/C0的效果是有限的。例如，对于成核位置尺寸为Rn＝1～Rn＝5μm的情况，即使Ci/C0减小至1％(这较困难)，可以在射流中施加的最大声场也只大约为150000帕。相反，通过增加静压力，可施加4倍高的声场而不会使气泡生长。Henry定律说，气体在液体中的溶解度直接与和液体接触的气体压力成比例。因此，当墨上的空气压力从1大气压增加至5大气压时，相对浓度减小至1/5。如果将1大气压的100％的墨泵入现为5大气压的贮墨箱中，则Ci/C0＝20％。当然要采取措施，使墨进入泵送腔不会重新平衡至100％饱和。通过减与空气接触的喷射流体的表面积以及/或者以快到足以防止重新平衡的速度喷射流体，可以避免重新平衡。
以上已经说明了许多实施例。然而，在不偏离本发明的精神和范围的条件下，可作各种改进。例如，沉积的微滴可以为墨或其他材料。例如，沉积的微滴可以为可利用紫外线或其他辐射固化的材料或其他可作为微滴输送的材料。例如，所述的装置可以为精密分配系统的一部分。因此，其他的实施例都落入所附权利要求书的范围内。

Claims (17)

1. 一种在基片上沉积微滴的装置，该装置包括：
用于所述基片的一支承件；
一微滴喷射组件，其位于所述支承件上方，用于将所述微滴沉积在所述支承件上的所述基片上，所述微滴喷射组件包括一泵送腔、一移位件和一喷射所述微滴的喷孔；
一控制器，用于向所述移位件提供信号以喷射微滴；和
一静压力源，用于将所述泵送腔中的总压力提高至一阈值压力水平以上，以避免在所述泵送腔中发生整流扩散式的气泡生长。
2. 如权利要求1所述的装置，其中，所述装置还包括：
一外壳结构，其与所述支承件一起形成一封闭区域，所述微滴通过该封闭区域喷射到所述基片上，所述外壳结构还与所述支承件一起形成一入口间隙和一出口间隙，所述基片行进通过该入口间隙和出口间隙。
3. 如权利要求1或者2所述的装置，其中，所述静压力的绝对值大于1.5个大气压。
4. 如权利要求1或者2所述的装置，其中，所述信号以大于8000Hz的频率下提供。
5. 如权利要求1或者2所述的装置，其中，所述静压力的绝对值大于1.5个大气压，并且所述频率大于8000Hz。
6. 如权利要求1或者2所述的装置，其中，所述微滴包括墨。
7. 如权利要求1或者2所述的装置，其中，所述基片包括纸。
8. 如权利要求1或者2所述的装置，其中，还包括一连续运动的支承件。
9. 如权利要求1或者2所述的装置，其中，所述静压力源包括加压气体。
10. 如权利要求9所述的装置，其中，还包括过滤所述加压气体，以除去颗粒物质。
11. 如权利要求9所述的装置，其中，还包括添加湿汽至所述加压气体源中。
12. 如权利要求9所述的装置，其中，还包括添加溶剂至所述加压气体源中。
13. 如权利要求9所述的装置，其中，所述气体为空气。
14. 如权利要求9所述的装置，其中，所述气体的氧含量小于空气的氧含量。
15. 如权利要求9所述的装置，其中，该气体的氧含量大于空气的氧含量。
16. 如权利要求2所述的装置，其中，所述入口间隙为0.002～0.04英寸。
17. 如权利要求2所述的装置，其中，所述出口间隙为0.002～0.04英寸。
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