CN100562435C - 液滴喷射头、包括该喷射头的喷射设备及其喷射方法 - Google Patents

Abstract

一种设计用来安装在液体喷射设备(1)中的液滴喷射头(100)。该液滴喷射头包含启动腔(105)，该启动腔具有连接至液体供给腔(106)的入口以及连接至喷嘴(99)的出口(108)。启动腔还包含启动装置(120)，当由从控制设备接收的能量激活时，该启动装置适于在其中所包含的液体中产生脉冲波。启动腔的出口(108)链接至单个共用的喷嘴(99)，液滴通过该喷嘴喷射。

Description

液滴喷射头、包括该喷射头的喷射设备及其喷射方法

本发明涉及液滴喷射头以及包括这种喷射头的液滴喷射设备。本发明还涉及从这种液滴喷射头喷射液滴的方法。

更具体地，本发明涉及一种设计用来安装在液体喷射设备中的液滴喷射头，其包括：多个启动腔，其中每个启动腔具有至少一个入口，所述至少一个入口连接至用于向所述启动腔提供液体的至少一个液体供给腔；至少一个启动装置，当由从控制设备接收的能量激活时，所述启动装置适于在其中所包含的液体中产生脉冲波；以及至少一个连接至喷嘴的出口。

现有技术已描述了包含多个启动腔的墨水喷射头。然而，该墨水喷射头对于每个墨水喷射启动器都具有一个喷嘴，并且喷射发自多个喷嘴的多个液滴。该喷射头通常使用在空气的气流最小、喷射距离已知且通常保持恒定的、受保护的环境中，例如台式打印机。在已提供可变的扫描速度的情况下，现有技术通常依靠改变喷射的频率来得到更多的墨水沉淀。然而，这并未解决这种喷射头仍然面对的在更远距离上喷射的问题。

考虑到上述问题而提出了本发明，并且本发明的目的在于提供一种液滴喷射设备，其特别适合于以大于通常距离的距离将液滴从基底喷射到支承物上。为此，本发明一方面在于提供一种上述类型的液滴喷射头，其特征在于，多个启动腔的出口链接至单个共用的喷嘴，液滴通过该喷嘴从液滴喷射头中喷射。

较大且因此较重的液滴将被喷射，并且所述液滴将比较小的液滴传播得更远且更精确。当使用手持式书写设备时，其液滴喷射头与书写表面之间的距离通常远大于使用传统的墨水喷射技术的应用(例如喷墨打印机)，这是一项重要的优点。还应注意到，本发明允许使用通常尺寸的启动器，例如在台式喷墨打印机中使用的启动器，以通过将很多小液滴组合成较大的喷射液滴来产生大于通常尺寸的液滴。因为启动器的尺寸更小，所以其允许在液滴喷射头内定位和配置启动器的自由度更大。

另一个优点是能够通过在每次准备喷射墨水时选择启动不同数量的启动器，以改变作为使用者输入或所推出结果的函数的、所喷射的液滴的体积，以及使不同大小的单个液滴通过单个喷嘴喷向支承物。这对于在不需要改变频率的情况下标记不同厚度的线条特别有用。

本发明的各种实施方式可额外包括以下项目中的任意一项：

所述启动腔的所述出口连接至共用的中央出口腔，所述出口腔与所述喷嘴相连；

所述中央出口腔在中心包含使液体流动脉冲朝向所述喷嘴转向的转向件；

所述多个启动腔以辐射的形式、环绕所述共用的喷嘴设置；

所述启动腔以对称的形式并且以偶数来设置；

所述多个启动腔表现为奇数，并且优选三个启动腔分别朝向三角形的扁平体的3个边缘延伸；

设置了多个液体供给腔，其中每个液体供给腔均与至少一个启动腔连通、并且具有或共用与贮液器流体连接的通孔；

所述液滴喷射头基本为扁平形，并具有相互平行的正面和背面、所述喷嘴形成于所述正面中，与所述启动腔的入口相通的孔设置在所述背面上。

所述多个启动腔的所述入口和所述出口在所述扁平体的主平面内球状地延伸，并且优选从所述喷嘴沿着辐射方向延伸；

所述液滴喷射头由硅晶片或任何适合的材料来制成；

所述启动装置包括下列装置之一：静电启动装置、热启动装置和压电启动装置，并且优选为静电启动装置；

如上面所限定的喷射头尤其适合用于手持式液体喷射设备中，所述液体喷射设备具有基本为管状的本体，所述管状本体在前端具有开口并包含贮液器、能量存储装置、控制单元以及如上述项目中的任意一项所述的液滴喷射头，其中所述喷射头的所述喷嘴面向所述管状体部的所述前开口。

本发明还涉及一种液滴喷射方法，其用于通过安装在液体喷射设备中的液体喷射头来控制液滴的喷射，其特征在于所述方法包括以下步骤：

设置多个启动腔，其中每个启动腔均具有至少一个入口、至少一个启动装置、以及至少一个出口，其中所述至少一个启动装置适于在在其中所包含的液体内产生脉冲波；

设置共用的喷嘴，其与所述多个所述启动腔的所述出口流体连接；

通过所述入口对所述启动腔供给从贮液器提供的液体；以及

以通过所述喷嘴喷射一个液滴的方式，通过来自控制单元的能量供给而启动所述启动装置中的至少一个。

所述启动步骤包括同时启动至少两个启动器；

所述启动步骤包括启动偶数个启动装置，并且被启动的启动装置以相对的、对称的、装置对的形式来设置；

所述启动步骤包括启动奇数个启动装置，优选启动3个或5个启动装置，并且其中所述启动装置在相对于所述共用的喷嘴等距离且等角的位置设置；

所述方法还包括以下步骤，即在所述启动步骤之前，确定待启动的启动装置的数量，以获得确定的液滴尺寸；

所述液体喷射设备为包括距离传感装置和/或运动传感装置的手持式设备，其中所述液体为墨水，并且所述方法还包括以下步骤：

根据由传感装置感测的信号来确定书写条件；以及

当书写条件确定时，反复地喷射墨水滴，并且优选以恒定的喷射频率来喷射。

评测液滴尺寸的步骤根据以下参数中的至少一个来进行：所感测的书写设备的扫描速度、所感测的书写表面和所述喷嘴之间的距离以及待绘制的线的期望的厚度或式样。

通过下面的详细描述，本领域的技术人员将发现本发明的其它特征和优点，其中：

图1是包括根据第一实施方式的喷射头的书写设备的剖视图；

图2a示出了喷射头的第一实施方式的立体剖视图，其中喷射头包括设置在安装部件上的盖板和基板；

图2b示出了图2a所示的喷射头的基板；

图3是与图2相似的视图，其中示出了喷射头的第二实施方式；

图4是与图2相似的视图，其中示出了喷射头的第三实施方式；

图5是与图2相似的视图，其中示出了喷射头的第四实施方式；以及

图6是喷射头基板的一部分的立体图，其中仅示出了单个喷射腔。

在每副附图中，相同的标号表示相同或相似的元件。

图1示出了安装在非接触式书写设备1中的液滴喷射头100的具体实施方式。然而，本发明也适合用于手持式或台式打印机、或者其他类似的设备中。

所述书写设备具有基本为管状的元件，该管状元件在用于形成笔的前端11和后端12之间延伸。所述管状元件具有限定中空的内部空间的内壁13以及被设计用来握在使用者手中的外壁14。

所述书写设备的内部中空部分包括贮液器15，贮液器15以可移动的方式安装，以使终端使用者可容易地对其进行替换，并且贮液器15容纳液体16。应注意到，在示出的具体实施方式中使用的书写设备的液体为可视的墨水。然而，根据应用，所述液体也可为改正液、胶水或其它适合应用的物质。

书写设备1还包括用来向控制单元20提供能量的能量存储单元17和液体喷射装置100。能量存储单元17可从书写设备1安装以使其可易于替换，或者如2004年7月22日提交的申请号为FR0408138的法国专利申请中描述的那样、与贮液器15结合，或者在书写设备上设有用于再充装(recharging)的装置。

书写设备也可包括其它设备，例如测量液体喷射头100与书写介质2之间距离的装置(如光学测距仪21)以及测量笔的书写活动的装置(例如加速计22)。

书写设备1还包括根据第一实施方式的液滴喷射头100，液滴喷射头100面向位于书写设备1的前端11的前开口19。所述喷射头在物理上较小，从而使其能够位于形成笔尖的前端11的附近而不会对使用者造成视觉障碍。

对于本领域技术人员来说，显然这只是一种可能的应用，并且本发明在手持式打印机、台式打印机或其他设备中具有同样有效的使用，本发明在设备与支承物之间无物理接触的情况下将液体释放到支承物上。

至少一个流体链路130存在于贮液器15和液滴喷射头100之间。

包括中央处理单元、系统时钟以及其他部件的控制单元20用来处理所有的数据(如距离和书写活动的测量)，并且也用来调整和激发为启动液滴喷射头100而提供的能量脉冲，其中液滴喷射头100负责将液体16从喷嘴99中喷出。

控制单元20也可适于仅当加速计22在探测书写设备1相对于介质2的运动，并且光学系统21同时探测到喷嘴99和书写介质2之间的距离处于由预定最小值和预定最大值限定的范围内时，允许液滴喷射头100喷射液体16。其也可遵循“除非已经标记过，否则再喷墨”的原则。

如图2a中所最佳示出的，安装部件115的端部用作对于喷射头100的支承件并且用作用于供给从贮液器15引入的液体的通道130。

液滴喷射头100由基板101和盖板102限定，多个用于喷射液体16的启动装置120(也称为启动器)设置在基板101上，盖板102放置在基板101上以覆盖基板，从而在其中所包含的腔中容纳液体16。基板101包含多个在其中蚀刻的通道107、108。

设置了多个启动腔105和供给腔106，尽管在图2a中只有一个是可见的。如图5所最佳示出的，三个通道107在供给腔106与启动腔105之间建立了流体连通，并形成了启动腔105的入口。通道108在启动腔105与共用的喷射腔104之间建立了流体连通，并形成了启动腔105的出口。然而，不同的通道数量也是可能的。

包括启动装置120的启动腔105通过用于驱动启动装置120的信号线路121链接至控制单元20。盖板102具有在盖板102中形成的单一的喷嘴99，喷嘴99位于盖板102的中心且与基板101的中央喷射腔104的中心对准。盖板102的外表面110形成喷射头100的正面，喷嘴99在该正面中露出。

从图2b中可看出，六个启动腔105和液体供给腔106以辐射的方式、环绕共用的喷射腔104设置。由一个启动腔105和一个供给腔106的通道107、108形成的每条路径从共用的喷射腔104辐射，并通过将在基板101中整体形成的壁分开而与相邻的路径107、108分开。启动腔105及位于周边的供给腔106距离中心等距、相互等角并位于相同的所述路径上。所有的腔104、105、106都在由扁平体组成的基板101的主平面中球状地延伸。液体16通过启动器120产生的脉冲流入中央喷射腔104中，其中启动器120为启动腔105的一部分。启动腔105本身被供给来自液体供给腔106的液体16，因此每个启动腔105均单独与一个液体供给腔106连接。然而，在其它实施方式中，使一个供给腔106连接至多个启动腔105也是可实现的。

位于每个供给腔106中的墨水供给孔109穿透基板101的厚度，并在组成喷射头背面的基板101的背面111中露出。孔109与贮液器15连通。基板101和盖板102的形状基本为扁平的矩形，并且通过利用硅晶片的半导体工艺来制造。

液体供给腔106与贮液器15流体连通并临时存储少量允许从供给腔106流入启动腔105的液体16。

此外，来自连接启动腔105的液体供给腔106的流体连接以这样一种方式设计，即，使液体16易于流入启动腔105中，但对在由启动器120产生的脉冲压力下的逆流提供大得多的阻力。启动腔105与中央出口腔104之间的通道108应对穿过该通道而流向喷嘴99的、以脉冲输送的液体提供尽可能小的阻力。

在中央出口腔的中央，设置了将液滴脉冲引导出单一喷嘴99的转向件103。

如图6所示，每个模块部分均设置在环绕中央出口腔104的径向上，所述模块包括供给腔106、启动腔105、位于供给腔106与启动腔105之间的通道107、以及从启动腔105中引出的通道108。每个模块明显为扇形。

然而，所述模块可以由任意形状形成，但优选地，启动装置120和中央腔中央喷射腔104之间的距离保持基本相等和/或保持为辐射的形式。

虽然对于第一实施方式来说设置了六个启动腔，但其它的实施方式也是可能的，例如图3和图4中示出的第二和第三实施方式。图3示出基板101具有四组包围中央出口腔104的启动模块。图4示出基板101具有12组启动模块。然而，实施方式并不局限于这些实施例，而是可以采取任意数量的腔105。

图3和图4中示出的实施方式的不同之处还在于，这些实施方式不具有位于中央喷射腔103中的转向件103。在该实施方式中，未使用转向件103，转向是通过在精确的同一瞬间、由控制单元20提供相同量的能量、成对地进行启动而实现的，从而使液滴在出口腔103的中心相遇，并通过单一的喷嘴99，自己转向而出。偶数个腔105使得能够在中央喷射腔中得到正面碰撞以及通过喷嘴99出去。

在图5中示出的第四实施方式中设置了三个启动器。如果所有三个启动装置120都在相同的时间以相同的能量启动，则也可实现相同的过程。在这种情况下，基板101为三角形且三组启动腔105和供给腔106中的每组均朝向三角形的顶点定位和对准，即，供给腔和启动腔106、105形成以120°相互分开的模块。这些性质也可应用于任意其它的具有奇数个腔的实施方式。在三个启动腔105的情况下，由于需要制造更少的腔并且在供给腔106中机械制造的通孔109也更少，因而其优点在于节省了50％的空间和材料，这对于大规模生产而言可显著地节约制造成本和时间。

启动腔105，更具体地是启动器120，可单独地、成组地或一起并行地得到控制。然而实际上，不管存在的腔的数量如何，启动装置120都以相对的装置对或组的形式来操作。

在如上所述的这种液滴喷射设备100的典型配置中，从启动腔105以脉冲输送的精微液滴的体积范围通常为25至80pl，因而所有腔的总体积约为150-200p1。

必须注意的是，该概念可使用任意的启动装置来实现，其中包括压电启动器、热启动器或静电启动器。不同的启动装置将仅用来以不同的方式对启动装置120中的液体16进行加压或降压，以便将液体以脉冲输送到中央腔104中并从而输送到支承物2上。

图6是一个液体喷射模块的详细视图。该具体的实施方式示出了热墨水喷射头120。将喷射头连接至控制单元20的电连接嵌在基板101中，但也可叠置在基板101上。对于该实施方式，连接121通向晶片101的边缘，晶片101将在该边缘处进一步连接至控制单元20。

最常用的启动液体脉冲的装置具有热喷射头，然而其缺点在于使用寿命有限。为了有助于缓解使用寿命有限这一问题，所述控制单元可被配置成根据先前动作的功能而轮流使用特定的启动器，从而使磨损均匀地分散到所有启动器上。

另一启动装置为压电启动器。该启动器的优点在于当其与非水基液体一起使用时，其没有任何限制。然而，在手持应用中，该启动器需经受启动所需的高压。

优选的启动装置为静电启动器，这是由于静电启动器的能量效率高，尤其是在较小规模时。静电启动器也不限于水基液体并且只需要低压。

本发明的另一可能的实施方式能够混合不同的液体，例如能够混合不同颜色的墨水。不采用具有含单一颜色的贮液器15，人们可以想到将贮液器分为用于不同颜色的不同容器，但是考虑到不同的重量因素或使用率，这些容器的体积并非必须相等。因而，多个供给通道130可转变为液体喷射头的支承件110，以使得仅启动器总数中的子集负责每种颜色。通过该实施方式，并使用包括青色、红紫色、黄色和黑色在内的四种单独的颜色，可以想像到使用者能够以上述颜色的组合中的任何颜色来进行书写。

接下来将描述从根据所述实施方式的液滴喷射头100喷射液滴的方法。

如上所述，喷射头100安装在用于具体实施方式的书写设备1的末端，液体设备1包括控制单元20、用于对控制单元20提供能量的能量源17以及贮液器15。

墨水存储在书写设备1本体中的固定的或可替换的墨水贮液器15中，并通过至少一个流体连通的通道130对液滴喷射头100供给墨水16。液体供给腔106使其相应的启动腔105可获得少量单独储备的墨水16，并且设置在所述供给腔106中的穿透孔109与贮液器15连通。

启动腔105中的启动装置120的类型可包括、但不限于以下类型：静电启动装置、压电启动装置、热启动装置。因为所述不同类型的启动装置存在于各个实施方式中且其在本领域中是公知的，所以本申请文件将不会对该启动器的详细操作进行讨论。

一旦控制单元20确定其为适当的，则启动腔105中的启动器120根据由控制单元20提供的以脉冲输送的能量输入进行启动。该能量的爆发将主要通过阻力最小的、沿着朝向中央喷射腔104的辐射线的路径而被导向，特别是穿过设置的通道108。来自启动腔105的含有少量液体16的脉冲波将朝向喷嘴99移动。这一来自启动腔105的携带液体的脉冲波将沿着朝向喷嘴99的主平面穿过基板101。

如果所述实施方式包含转向件103，则液滴在转向件103上转向并离开包含在盖板102中的喷嘴99，并且可能同时与其它的在同一瞬间、从其它启动腔105产生的以脉冲输送的液滴混合。

如果不存在中央转向件103，则液体的脉冲波以相对的对称对来喷射，以使得脉冲波的横向能量抵消且只存在纵向分量，从而作为单一的液滴离开喷嘴99。注意，该设置也可能具有以120°或72°分开定位的三个或五个启动器120。

无论是否具有包含在中央喷射腔104中的转向件103，通常都将优选具有以相对的装置对的形式实施的偶数个启动器120。

可以期望扩展启动器120的用途，以使得每个启动器平均积累大致相同量的启动。这对于热型启动器来说尤其令人期望。喷射头100、以及控制单元20必须能够以足够高的频率喷墨，以使得单个墨点是不可见的且喷射看起来是连续的。因此，控制单元20将以500-800Hz的固定频率启动不同数量的启动器120，例如在书写表面上获得合理的液滴尺寸，从而根据设备1的扫描速度，获得书写线的合理的感知厚度。为了在书写表面2上产生合理的线宽，例如单程0.3mm，则期望总的喷嘴下滴体积约为150-200pL。

与具有不同的液滴尺寸相比，本实施方式的优点在于，即使笔尖快速移动，喷墨频率也可保持在合理的速度，以防止单独的墨点明显地分开。

控制单元20将确定启动器120的数量，启动器120启动以改变作为笔扫描速度的函数的线宽，其中笔扫描速度源自内部传感器(例如加速计22)、或外部命令(例如笔柄上的压力)或者使用者的设置。

液滴的尺寸也可根据感测的喷嘴99与介质2之间的距离来确定，以保证液滴对介质2的影响。也可以改变液滴的尺寸，以改变书写线的厚度。

Claims (20)

1.一种设计用来安装在液体喷射设备(1)中的液滴喷射头(100)，包括：

多个启动腔(105)，其中每个启动腔具有至少一个入口(107)，所述至少一个入口(107)连接至用于向所述启动腔(105)提供液体(16)的至少一个液体供给腔(106)；

至少一个启动装置(120)，当由从控制设备(20)接收的能量激活时，所述启动装置(120)适于在其中所包含的液体中产生脉冲波；以及

至少一个连接至喷嘴(99)的出口(108)；

其特征在于，所述多个启动腔(105)的所述出口(108)链接至单个共用的喷嘴(99)，单个液滴通过所述喷嘴(99)从所述液滴喷射头(100)喷射。

2.如权利要求1所述的液滴喷射头，其中所述启动腔(105)的所述出口(108)连接至共用的中央出口腔(104)，所述出口腔与所述喷嘴(99)相连。

3.如权利要求2所述的液滴喷射头，其中所述中央出口腔(104)包含使液体流动脉冲朝向所述喷嘴(99)转向的转向件(103)。

4.如权利要求1所述的液滴喷射头，其中所述多个启动腔(105)以辐射的形式、环绕所述共用的喷嘴(99)设置。

5.如权利要求4所述的液滴喷射头，其中所述启动腔(105)以对称的形式并且以偶数来设置。

6.如权利要求4所述的液滴喷射头，其中所述多个启动腔(105)表现为奇数个启动腔。

7.如权利要求4所述的液滴喷射头，其中所述启动腔(105)的数量为三个，并且所述三个启动腔分别朝向三角形的扁平体(101)的3个边缘延伸。

8.如前述权利要求中的任意一项所述的液滴喷射头，其中设置了多个液体供给腔(106)，其中每个液体供给腔均与至少一个启动腔(105)相通、并且具有或共用与贮液器(15)流体连接的通孔(109)。

9.如权利要求1至7中的任意一项所述的液滴喷射头，其中所述液滴喷射头(100)基本为扁平形，并且具有相互平行的正面(110)和背面(111)，所述喷嘴(99)形成于所述正面(110)中，与启动腔(105)的入口相通的孔(109)设置在所述背面(111)上。

10.如权利要求8所述的液滴喷射头，其中所述多个启动腔的所述入口(107)和所述出口(108)在所述扁平体(101)的主平面内球状地延伸，并且从所述喷嘴(99)沿着径向延伸。

11.如权利要求1至7中的任意一项所述的液滴喷射头，其中所述液滴喷射头(100)由硅晶片制成。

12.如权利要求1至7中的任意一项所述的液滴喷射头，其中启动装置包括下列装置之一：静电启动装置、热启动装置和压电启动装置。

13.一种手持式液体喷射设备(1)，具有基本为管状的本体(14)，所述管状体部(14)在前端(11)具有开口(19)，并且包含贮液器(15)、能量存储装置(17)、控制单元(20)以及如权利要求1至12中任意一项所述的液滴喷射头(100)，其中所述喷射头(100)的所述喷嘴(99)面向所述管状体部(14)的所述前开口(19)。

14.一种从安装在液体喷射设备(1)中的液体喷射头(100)喷射液滴的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

设置多个启动腔(105)，其中每个启动腔均具有至少一个入口(107)、至少一个启动装置以及至少一个出口(108)，其中所述至少一个启动装置适于在其中所包含的液体中产生脉冲波；

设置单个喷嘴(99)，其与所述多个启动腔(105)的所述出口(108)流体连接；

通过所述入口(107)向所述启动腔(105)供给由贮液器(15)提供的液体(16)；以及

以通过所述喷嘴(99)喷射单个液滴的方式，通过来自控制单元(20)的能量供给而启动所述启动装置(120)中的至少一个。

15.如权利要求14所述的从液体喷射头喷射液滴的方法，其中所述启动步骤包括同时启动至少两个启动装置(120)。

16.如权利要求15所述的从液体喷射头喷射液滴的方法，其中所述启动步骤包括启动偶数个启动装置(120)，并且其中被启动的启动装置(120)以相对的、对称的、装置对的形式来设置。

17.如权利要求15所述的从液体喷射头喷射液滴的方法，其中所述启动步骤包括启动奇数个启动装置(120)，并且其中所述启动装置(120)在相对于所述共用的喷嘴(99)等距离且等角的位置设置。

18.如权利要求15所述的从液体喷射头喷射液滴的方法，其中所述方法还包括以下步骤，即，在所述启动步骤之前，确定待启动的启动装置(120)的数量，以获得确定的液滴尺寸。

19.如权利要求15至18中的任意一项所述的从液体喷射头喷射液滴的方法，其中所述液体喷射设备为包括距离传感装置(21)和/或运动传感装置(22)的手持式液体喷射设备(1)，其中所述液体(16)为墨水，并且所述方法还包括以下步骤：

根据由传感装置感测的信号来确定书写条件；以及

当书写条件确定时，反复地喷射墨水滴，并且优选以恒定的喷射频率来喷射。

20.如权利要求19所述的从液体喷射头喷射液滴的方法，还包括以下步骤：

根据以下参数中的至少一个来评测所述液滴尺寸：所感测的书写设备(1)的扫描速度、所感测的书写表面和所述喷嘴(99)之间的距离以及待绘制的线的期望的厚度或式样。

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