CN100453321C - 点滴喷射组件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种点滴运送打印头包括围绕喷嘴开口(17)的井，以增强喷射性能。
Description
技术领域
本发明涉及喷射点滴。
背景技术
喷墨打印机是一种用于将点滴沉积在基底上的类型的设备。喷墨打印机一般包括从墨供应装置到喷嘴路径的墨路径。喷嘴路径包括终止于喷嘴开口，墨滴从该喷嘴开口中喷出。墨滴喷射一般这样来控制，即用致动器给墨路径中的墨加压，致动器可以是例如压电偏转器、热气泡喷注式发生器、或静电偏转元件。一般的打印组件具有带有相应的喷嘴开口和相关致动器的墨路径阵列。从每个喷嘴开口的点滴喷射可以单独控制。在对点滴有要求(drop-on-demand)的打印组件中，每个致动器随着打印组件和打印基底相对于彼此运动而有选择地将点滴喷射在图像的特定像素位置。在高性能的打印组件中，喷嘴开口一般具有50微米或更小(例如，约25微米)的直径，以100-300喷嘴/英寸的节距分开，具有100-3000dpi或更高的分辨率，并提供体积为约1到120皮升(pl)或更小的点滴。点滴喷射频率一般为10kHz或更高。
Hoisington等人的美国专利No.5,265,315描述了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，对硅进行蚀刻以确定墨室。喷嘴开口由附接到硅主体的单独喷嘴板确定。压电致动器具有压电材料层，该压电材料层响应于所施加的电压改变几何尺寸或弯曲。压电层的弯曲向沿着墨路径定位的增压室中的墨加压。压电喷墨打印组件还在Fishbeck等人的美国专利No.4,825,227、Hine的美国专利No.4,937,598、Moynihan等人的美国专利No.5,659,346和Hoisington的美国专利No.5,757,391中描述，这里将其全部公开的内容引作参考。
发明内容
一方面，本发明的特点在于流体点滴喷射。提供了一种打印头，该打印头包括流动路径，在该流动路径中，流体被加压以从喷嘴开口中喷射点滴。喷嘴开口设置在一井(well)中。将流体从喷嘴开口供应到井，以形成弯月面。当井充满流体时，弯月面确定喷嘴开口边缘上方的流体深度等于喷嘴开口宽度的约1到15％。
另一方面，本发明的特点在于具有流动路径的打印头，在该流动路径中，流体被加压以从喷嘴开口中喷射点滴。喷嘴开口设置在井中。井的横截面与喷嘴开口的横截面之比为约1.4到约2.75。在一些实施例中，井深度与喷嘴开口的横截面之比为约0.15到0.5倍。
另一方面，打印头包括流体流动路径，在该流体流动路径中，流体被加压以从喷嘴开口中喷射点滴。喷嘴开口设置在井中。井具有相对较长的轴和较短的轴。
其它方面或实施例可包括上述方面和/或下面的一个方面或多个方面的组合。通过控制弯月面处的压力而形成弯月面。形成弯月面通过降低流体中的压力而实现。在喷嘴开口的上游位置施加真空。喷嘴开口处的真空为约0.5到约10inwg(这里的真空压力是水位表的英寸(inwg))。
井宽度与喷嘴开口宽度之比为从约1.4到约2.8。井的深度为喷嘴开口宽度的约0.15到0.5倍。井周界与喷嘴开口周界之间的间距为喷嘴开口宽度的约0.2或更大。流体具有约20-45dynes/cm的表面张力。喷嘴开口和井由单一体(common body)确定。喷嘴开口和/或井例如确定为硅材料。喷嘴和/或井还可以确定为金属、碳或塑料。
流体由压电元件加压。喷嘴开口的宽度为约70微米或更小。该方法包括多个喷嘴开口，并且喷嘴开口可以具有约25喷嘴/英寸或更大的节距(pitch)。该方法可包括喷射体积为约1到约70pL的点滴。
实施例可包括一个或多个下述优点。由于控制了喷嘴板表面周围的废墨以减少妨碍点滴形成和喷射，因此打印头操作坚固且可靠。在高性能打印头中保持了点滴速度和轨迹平直度，其中小喷嘴的大阵列必须准确地将墨喷射到基底上的精确位置。井结构控制废墨，并允许多种喷射流体(例如，不同粘度或表面张力特性的墨)和喷嘴开口处压力特性不同的头的期望喷射特性。井结构本身是坚固的，不需要运动部件，并且可以通过例如在诸如硅材料的半导体材料中蚀刻实现。
下面是另一些方面、特点和优点，例如，具体方面包括下面所讨论的井尺寸和特性。
附图说明
图1是点滴喷射组件的示意图。
图1A是喷嘴板的透视图。
图1B是通过喷嘴板中的喷嘴开口的放大横截面。
图2-2C是通过喷嘴板中的喷嘴开口的横截面，示出变化条件下的弯月面。
图3是喷嘴井的透视图。
不同附图中相同的附图标记表示相同的元件。
具体实施方式
参照图1，喷墨设备10包括含有墨12的贮存器11和从贮存器11到压力室14的通道13。致动器15(例如，压电换能器)覆盖压力室14。致动器可操作为迫使墨从压力室14通过通向喷嘴板18中的喷嘴开口17的通道16，以使墨滴19将从喷嘴17朝向基底20喷射。在操作期间，喷墨设备10和基底20可以相对于彼此运动。例如，基底可以是在辊22与23之间运动的连续的织物(web)。通过有选择地将点滴从喷嘴板18中的喷嘴17的阵列喷出，期望的图像产生在基底20上。
当系统不喷射点滴时，喷墨设备还控制接近喷嘴开口的墨弯月面处的工作压力。在所示出的实施例中，压力控制由向贮存器11中墨12上方的顶部空间(head space)9施加真空的真空源30(例如，机械泵)提供。真空通过墨连通到喷嘴开口17，以防止墨在重力的作用下通过喷嘴开口滴落。控制器32(例如，计算机控制器)监测贮存器11中墨上方的真空，并调节源30保持贮存器中的期望真空。在其它实施例中，真空源这样来提供，即将贮墨器设置在喷嘴开口的下面，以在接近喷嘴开口处制造真空。墨液面监测器检测墨的液面(level of ink)，该液面随着打印操作期间墨的消耗而下降，从而增加喷嘴处的真空。控制器监测墨液面，并且当墨下降到期望液面之下时从散装容器补充贮存器，以将真空保持在期望的操作范围内。在其它实施例中，贮存器位于喷嘴之下足够远，使得弯月面的真空克服喷嘴中的毛细力，可以对墨加压以保持接近喷嘴开口处的弯月面。在一些实施例中，操作真空保持在约0.5到约10inwg。
在墨喷射期间，墨可能积聚在喷嘴板18上。经过一段时间，墨可能形成引起打印错误的糊状物(puddle)。例如，喷嘴边缘附近的糊状物可能影响所喷出墨滴的轨迹、速度或体积。此外，糊状物可能会变得足够大，以至于其滴落到打印基底20上，从而导致外来的痕迹。糊状物还可能从喷嘴板18的表面突出得足够远以至于打印基底20与之接触，从而导致打印基底20上的污点。
参照图1A，喷嘴板18包括紧密间隔的喷嘴开口17的阵列，每个喷嘴开口17位于井40中。参照图1B，在所示的实施例中，喷嘴开口17确定在井40的底面42中并位于该底面42的中央。井的底面42延伸到井的壁44，壁44从喷嘴板的表面46向外突出。
井的尺寸包括其宽度Ww、深度dw以及井壁距离喷嘴开口周界的间距S，选择这些尺寸以控制废墨。当墨50处于井中时，形成弯月面52。在工作压力(箭头54)的条件下，弯月面在喷嘴开口的边缘具有深度dm，与喷嘴开口宽度Wn相比dm较小。弯月面较浅的深度提供了在基本不影响点滴方向或速度的条件下的喷射。此外，间距S选择成用于减小喷嘴板18的表面46上的废墨影响点滴形成或喷射的可能性。
参照图2-2C，随着井的宽度Ww增加，工作压力变化，示出对弯月面的作用。以MH、MI和ML标记的弯月面分别表示高、中和低真空压力。弯月面在喷嘴开口上方的深度随着井宽度的增加而减小。具体参照图2，弯月面在所有的压力下都在喷嘴开口的上方。在高真空压力下，弯月面深度相对较浅，这一般是喷射所期望的。在低真空时，弯月面深度较大，这可能导致非最优的喷射。在该情况下，可以减小井的深度，以减小弯月面深度。参照图2A，弯月面在高和中压力下处于选定的深度，在低压力下非最优地深。参照图2B，弯月面在中压力下处于期望的工作深度，在低压力下非最优地深，在高压力下非最优地浅。在高真空压力下，弯月面不形成在喷嘴开口上方。大多数的墨被抽吸到喷嘴开口中，而一些废墨保留在井中。参照图2C，弯月面在任何工作压力下都不形成在喷嘴开口上方。流体积聚在井底面和壁之间的角落中并延伸到喷嘴开口的周界。该条件是非最优的，这是因为喷嘴开口周界处的流体可能影响喷射。在图2-2C中，弯月面的曲率(半径，R)按如下计算：R＝2*表面张力/压力。弯月面流体具有30dynes/cm的表面张力，工作真空压力为2、4和6inwg。这些尺寸为毫米。
井壁与喷嘴开口周界之间的间距S提供了一距离，该距离减小了喷嘴板表面上的废墨影响喷射的可能性。在一些实施例中，间距S为喷嘴开口宽度Wn的约20％或更大，例如25-100％。井的尺寸还提供了期望的喷嘴开口上方的弯月面深度。在一些实施例中，当井充满了给定表面张力的流体且喷嘴处于给定的工作压力下时，井提供约1-15％喷嘴开口宽度的喷嘴开口边缘上方的弯月面深度。(当有足够的流体基本覆盖井壁时井充满流体。)在一些实施例中，在喷嘴边缘处测量得到的弯月面深度为喷嘴开口宽度的约1-25％。在一些实施例中，工作压力为约-0.5到-10inwg，例如约-2到-4或-6inwg。在一些实施例中，流体具有约20-40dynes/cm的表面张力。井宽度与喷嘴开口宽度之比为约1.4到约2.8，例如约1.5到约1.7。井深度为喷嘴开口宽度的约0.15到0.5倍。井尺寸还可以选择成，用于确定容纳一定体积的废墨所需的体积。对于非圆形(例如，非对称或不规则的几何形状)的喷嘴开口和/或井，井和喷嘴开口宽度以最小值测量。对于具有变化深度的井，井深度在喷嘴开口与喷嘴板表面之间测量。在一些实施例中，喷嘴开口宽度为约200微米或更小，例如约10-30微米，喷嘴节距为约100喷嘴/英寸或更大，例如300喷嘴/英寸，点滴体积为约1-70pL。在一些实施例中，流体具有约1厘泊到约40厘泊的粘度。
参照图3，在一实施例中，喷嘴70包括圆形的喷嘴开口72以及椭圆形的井74。椭圆的长轴AL设置成沿着可以用人工或机械清理操作擦拭或擦洗喷嘴表面的方向(箭头76)。椭圆井在远离喷嘴开口的位置沿着其长轴AL的长度收集碎屑，这减小了在清理时带进井中的碎屑阻塞喷嘴开口的可能性在一实施例中，井沿着长轴的长度为约300到600微米，而井穿过短轴的宽度为约50-70微米。在其它实施例中，喷嘴开口具有与井的几何形状匹配或不匹配的非圆形几何形状。此外，喷嘴开口可以偏离井的中心。在一些实施例中，井深度可以在喷嘴开口与井周界和喷嘴板相接的位置之间变化。
井和/或喷嘴开口可以通过机械加工、激光烧蚀或化学或等离子蚀刻而形成。井还可以通过模制例如塑料件而形成。井和喷嘴开口可以形成为单一体或组装在一起的分离体。例如，喷嘴开口形成为确定墨流动路径的其它部件的主体，而井形成为组装到确定喷嘴开口的主体的分离体。在其它实施例中，井、喷嘴开口和压力室形成为单一体。该主体可以是金属、碳或诸如硅材料(例如，硅或二氧化硅)的可蚀刻材料。利用蚀刻技术形成打印头部件还在2002年7月3日提交的美国No.10/189,947和2003年10月10日提交的美国No.60/510,459中描述，这里将其全部内容引作参考。在一些实施例中，井可以包括不润湿的涂层。
下面描述另一些实施例。例如，虽然在打印操作中可以喷射墨，但是可以利用打印系统喷射除了墨以外的流体。例如，沉积的点滴可以是UV或其它射线可处理的材料，或者是能够以点滴形式运送的其它材料，例如化学或生物流体。致动器可以是电动机械或热的致动器。井布置可以与其它废流体控制件(例如，2003年12月30日提交的美国No.10/749,829中描述的井穴(apertures)、2003年12月30日提交的美国No.10/749,816中描述的突起(projections)和/或2003年12月30日提交的美国No.10/749,833中描述的通道(channels))相结合使用。例如，一系列突起或通道可以包括在井内或者在接近井的喷嘴表面上，例如围绕井。井穴可以设置在井中或者在喷嘴表面上。流体控制结构可以与清理流体施加到喷嘴板并将其擦拭干净的人工或自动清洗和擦拭系统结合。
其它实施例也处于所附权利要求的范围内。
Claims (40)
1.一种流体点滴喷射的方法，包括：
提供包括流体流动路径的打印头，在该流体流动路径中，流体被加压以从喷嘴开口中喷射点滴，所述喷嘴开口设置在一井中，
将流体从所述喷嘴开口供应到井，以形成弯月面，当井充满流体时，所述弯月面确定喷嘴开口边缘上方的流体深度等于喷嘴开口宽度的1％到15％。
2.如权利要求1的方法，其中，包括通过控制所述流体中的压力而形成所述弯月面。
3.如权利要求1的方法，其中，包括通过降低流体中的压力而形成所述弯月面。
4.如权利要求3的方法，其中，包括在所述喷嘴开口的上游位置施加真空。
5.如权利要求4的方法，其中，所述喷嘴开口处的真空为0.5到10inwg。
6.如权利要求1的方法，其中，所述井宽度与喷嘴开口宽度之比为1.4到2.8。
7.如权利要求1的方法，其中，所述井的深度为喷嘴开口宽度的0.15到0.5倍。
8.如权利要求1的方法，其中，井周界与喷嘴开口周界之间的间距为喷嘴开口宽度的0.2倍或更大。
9.如权利要求1的方法，其中，所述流体具有20-45dynes/cm的表面张力。
10.如权利要求1的方法，其中，所述喷嘴开口和所述井由单一体限定。
11.如权利要求1的方法，其中，所述喷嘴开口和/或所述井为硅材料。
12.如权利要求1的方法，其中，所述喷嘴和/或所述井为金属。
13.如权利要求1的方法，其中，所述喷嘴和/或所述井为碳。
14.如权利要求1的方法，其中，所述喷嘴和/或所述井为塑料。
15.如权利要求1的方法，其中，所述流体由压电元件加压。
16.如权利要求1的方法，其中，所述喷嘴开口宽度为70微米或更小。
17.如权利要求1的方法，其中，包括多个喷嘴开口，所述喷嘴开口具有25喷嘴/英寸或更大的节距。
18.如权利要求1的方法，其中，包括喷射体积为1到70pL的点滴。
19.如权利要求18的方法，其中，所述流体由压电元件加压。
20.如权利要求18的方法，其中，所述喷嘴开口具有70微米或更小的直径。
21.如权利要求18的方法，其中，包括多个喷嘴开口，所述喷嘴开口具有100喷嘴/英寸或更大的节距。
22.如权利要求20的方法，其中所述井是椭圆。
23.如权利要求1的方法，其中所述弯月面相对于喷嘴开口是凹的。
24.如权利要求23的方法，其中，包括通过控制所述弯月面处的压力而形成所述弯月面。
25.如权利要求23的方法，其中，包括通过降低流体中的压力而形成所述弯月面。
26.如权利要求25的方法，其中，包括在所述喷嘴开口的上游位置施加真空。
27.如权利要求25的方法，其中，所述喷嘴开口处的真空为0.5到10inwg。
28.如权利要求23的方法，其中，所述井宽度与喷嘴开口宽度之比为1.4到2.8。
29.如权利要求23的方法，其中，所述井的深度为喷嘴开口宽度的0.15到0.5倍。
30.如权利要求23的方法，其中，井周界与喷嘴开口周界之间的间距为喷嘴开口宽度的0.2倍或更大。
31.如权利要求23的方法，其中，所述流体具有20-45dynes/cm的表面张力。
32.如权利要求23的方法，其中，所述喷嘴开口和所述井由单一体限定。
33.如权利要求23的方法，其中，所述喷嘴开口和/或所述井为硅材料。
34.如权利要求23的方法，其中，所述喷嘴和/或所述井为金属。
35.如权利要求23的方法，其中，所述喷嘴和/或所述井为碳。
36.如权利要求23的方法，其中，所述喷嘴和/或所述井为塑料。
37.如权利要求23的方法，其中，所述流体由压电元件加压。
38.如权利要求23的方法，其中，所述喷嘴开口宽度为70微米或更小。
39.如权利要求23的方法，其中，包括多个喷嘴开口，所述喷嘴开口具有25喷嘴/英寸或更大的节距。
40.如权利要求23的方法，其中，包括喷射体积为1到70pL的点滴。
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