CN101020387B - 喷墨打印头及去除其中气泡的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了喷墨打印头及去除其中气泡的方法。该喷墨打印头包括墨水流动通道、喷嘴、压电致动器和多个电极。墨水流动通道包括压力腔，喷嘴与压力腔连通。致动器向压力腔提供驱动力以喷射墨水，较低电压施加到较靠近喷嘴的电极上，以便在墨水流动通道中形成非均匀电场，从而将墨水流动通道中包含的气泡移动到喷嘴。

Description

喷墨打印头及去除其中气泡的方法

技术领域

本发明涉及一种其中气泡可被去除的喷墨打印头及用于该喷墨打印头的气泡去除方法。

背景技术

通常，喷墨打印头是一种用于向打印介质的期望区域上射出墨滴而在打印介质上打印彩色图像的装置。根据墨水喷射方法，喷墨打印头可分为两类：热喷墨打印头和压电喷墨打印头。热喷墨打印头利用热在待喷射的墨水中产生气泡，并且利用气泡的膨胀来喷射墨水。另一方面，压电喷墨打印头利用通过变形压电材料产生的压力喷射墨水。

打印头中的墨水流动通道，特别是压力腔，应该充满墨水。打印过程中空气流过打印头的喷嘴，墨水中溶解的空气和其他气体由于温度升高或其他因素成长为气泡。存在于打印头中墨水流动通道中、特别是压力腔中的气泡降低了打印头的喷射性能。而且，由于温度升高，气泡膨胀。这样就打乱了打印头中墨水的压力平衡，可能导致墨水通过喷嘴泄漏。

为了去除气泡，已经使用了利用真空泵通过喷嘴强制吸取墨水的方法。但是，在墨水流动通道的角落中、特别是在压力腔中的气泡即使是用前述方法也不易被去除。

发明内容

本发明提供了一种其中气泡可被去除的喷墨打印头及用于该喷墨打印头的气泡去除方法。

根据本发明的一方面，提供了一种喷墨打印头，包括：包括压力腔的墨水流动通道；与压力腔连通的喷嘴；向压力腔提供驱动力以喷射墨水的压电致动器；以及接收电压以在墨水流动通道中形成非均匀电场的多个电极，其中较靠近喷嘴的电极比远离喷嘴的电极接收较低电压以将墨水流动通道中的气泡移动到喷嘴。

施加给电极的电压可以是频率可变的行进脉冲电压(traveling-pulse voltage)。

多个电极可设置在形成墨水流动通道的壁面上。

根据本发明另一方面，提供了一种去除喷墨打印头中气泡的方法，该喷墨打印头包括：具有压力腔的墨水流动通道；与压力腔连通的喷嘴；向压力腔提供墨水喷射力的致动器；以及设置在墨水流动通道中的多个电极，该方法包括：按照较低电压施加到更靠近喷嘴的电极的方式向多个电极施加电压；通过由多个电极形成的非均匀电场和由气泡的偶极矩产生的介电泳将气泡移动到喷嘴；以及通过喷嘴排出气泡。

气泡的排出可包括通过喷嘴将气泡与墨水一起排出。

气泡的排出可包括向喷嘴施加负压以吸取气泡。

施加到多个电极的电压可以是用于加速气泡的频率可变的行进脉冲电压。

附图说明

本发明的上述和其他特征和优点将通过参照附图详细描述示例性实施例而变得更加明显，附图中：

图1是根据本发明实施例的喷墨打印头的平面图；

图2是图1的喷墨打印头的剖视图；

图3是沿图2的线A-A′截取的剖视图；

图4是示出如何通过非均匀电场使气泡移动的视图，该非均匀电场由图1的喷墨打印头中的多个电极形成；和

图5是示出如何吸取墨水以去除图1的喷墨打印头中的气泡的视图。

具体实施方式

现在更全面地参照附图描述本发明的实施例，附图中示出了本发明的示例性实施例。附图中，相同的附图标记表示相同的元件，并且为了清楚，各层的厚度以及各区域放大。还应理解，当一个层被称为位于另一个层或板“上”时，其可以直接在该另一个层或板上，或者也可以存在有中间层。

图1是根据本发明实施例的喷墨打印头的平面图，图2是图1的喷墨打印头的剖视图，图3是沿图2的线A-A′截取的剖视图。

参照图1和2，喷墨打印头包括流动通道形成板110，其中形成了墨水 流动通道；以及为喷射墨水提供压力的压电致动器140。流动通道形成板110包括压力腔111、向压力腔111提供墨水的多支管113、以及限流器112。喷嘴板120结合到流动通道形成板110上，喷嘴122形成在喷嘴板120上以从压力腔111喷射墨水。振动板114设置在压力腔111上，并且通过压电致动器140的驱动而变形。流动通道形成板110和喷嘴板120限定了墨水流动通道。

压电致动器140形成在流动通道形成板110上，并且向压力腔111提供用以喷射墨水的驱动力。压电致动器140包括依次堆叠在流动通道形成板110上的下部电极141、压电层142和上部电极143。下部电极141用作公共电极，压电层142因为施加于其上的电压而变形，而上部电极143用作驱动电极。

下部电极141形成在包括压力腔111的流动通道形成板110上。如果流动通道形成板110由硅晶片形成，则氧化硅层131可形成在流动通道形成板110和下部电极141之间。下部电极141由导电的金属材料形成。下部电极141可包括一个金属层或可包括两个金属层。下部电极优选包括两个金属层，例如Ti和Pt层。包括Ti/Pt层的下部电极141不仅用作公共电极，而且用作扩散阻挡层，该扩散阻挡层防止分别形成在下部电极141上和下的压电层142和流动通道形成板110之间的交互扩散(inter-diffusion)。

压电层142形成在下部电极141上并且对应于压力腔111定位。该压电层142可由压电材料形成，例如锆钛酸铅(PZT)陶瓷材料。

上部电极143形成在压电层142上并用作向压电层142施加电压的驱动电极。用于施加电压的驱动电路(例如柔性印刷电路150)的布线151结合到上部电极143的上表面。

当驱动电压施加到上部电极143时，压电层142变形，振动板114变弯，从而改变压力腔111的体积。因此，在压力腔111中产生了用于喷射墨水的压力，而且压力腔111中的墨水通过喷嘴122喷出。

墨水中溶解的空气和其他气体由于诸如温度升高之类的因素生长成气泡。而且，在打印过程中，空气在打印头中通过打印头的喷嘴流动。打印头中的气泡降低了打印头的喷射性能。此外，随着温度升高，气泡膨胀，可能扰乱打印头中墨水的压力平衡，从而使墨水通过喷嘴泄漏。

未充电的(noncharged)气泡在电场中介电极化(dielectrically polarized)。 非均匀电场提供了用于移动极化的气泡的力。未充电的气泡在非均匀电场中移动的现象称作介电泳。这种情况中的主要问题是移动方向。移动方向取决于通过极化产生的偶极矩的大小。在非均匀电场中，具有大偶极矩的粒子向施加高压的电极移动，而具有小极矩的粒子向施加低压的电极移动。偶极矩的大小取决于粒子的介电常数。当真空的介电常数定义为1时，作为气泡主要组成的空气的介电常数大致是1.0005。同时，水的介电常数大致是80，而用于喷墨打印的墨水的介电常数大致是10至80。因此，墨水的介电常数通常高于气泡的介电常数，气泡向在非均匀电场中施加了低压的电极移动。由非均匀电场施加到气泡的力(f)可用等式1表示。

$f=2\mathrm{\π}{r}^3{\mathrm{\ϵ}}_m\mathrm{Re}\left[\frac{{\mathrm{\ϵ}}_P-{\mathrm{\ϵ}}_m}{{\mathrm{\ϵ}}_p+2{\mathrm{\ϵ}}_m}\right]\▿E^2---\left(1\right)$

其中ε_p表示气泡的介电常数，ε_m表示墨水的介电常数，r表示当将气泡考虑为球形时气泡的半径，以及Re表示 

的实数部分。

如上所述，为了利用介电泳去除气泡，根据本发明实施例的喷墨打印头包括在墨水流动通道中形成非均匀电场的多个电极170，如图2和3所示。电极170设置在压力腔111的面对压电致动器140的底部111a。绝缘层160将电极170与流动通道形成板110和压力腔111中的墨水绝缘。绝缘层160在图3中省略。电压施加单元180向电极170施加电压。电极170具有非均匀的特征以形成非均匀的电场。例如，电极170a和170c具有在压力腔111宽度方向上延伸的平板形状，而电极170b和170d具有包括在压力腔111的长度方向上伸出的分支的平板形状。因此，非均匀电场形成在电极170之间。电极170的形状不限于图3所示的例子。气泡向施加电压的电极移动。在围绕喷嘴122移动气泡之后，可通过利用压电致动器140喷墨使气泡和墨水一起排出。因此，在向电极170施加电压时，较高电压施加到设置在距喷嘴122较远处的电极，而较低电压施加到设置在距喷嘴122较近处的电极。也就是，最高电压施加到电极170a，而最低电压施加到电极170d。电极170的数量不受限制。电压施加单元180通过多个电极170的端子171向电极170施加电压。

现在将描述通过上述结构去除气泡的方法。

当电压施加到多个电极170时，就在电极170之间形成非均匀电场。由等式1定义的力通过气泡极化产生的偶极矩和非均匀电场的斜度施加到气泡。比墨水具有更小介电常数的气泡向施加低压的电极移动。因此，气泡依次从电极170a移动到电极170d以聚集在喷嘴122周围，如图4中箭头表示。接着，驱动电压通过柔性印刷电路150的线路151施加到上部电极143以喷射墨水。接着，聚集在喷嘴122周围的气泡通过喷嘴122与墨水一起排出。

在常规技术中，通过喷嘴122提供负压以通过喷嘴强制吸取气泡以及墨水。通常，在墨水流动通道(图2中由“a”表示的部分)壁面附近或角落中存在的气泡不易于由这种方法去除。这种气泡特别对于压电致动器140或热致动器的驱动性能有巨大影响。根据本发明的喷墨打印头和去除气泡的方法，由于气泡利用介电泳聚集在喷嘴122周围，即使在墨水流动通道壁面附近或角落中存在的气泡也易于去除。因而，可以防止由于气泡导致墨滴喷射速度降低、墨滴体积不均匀、喷射频率降低等。而且，由于气泡是在气泡聚集在喷嘴122周围之后通过喷墨排出的，所以可以显著降低用于去除气泡消耗的墨水量。

在本发明的实施例中，电极170设置在压力腔111的底部111a上，但是本发明的范围不限于此。电极170可设置在形成压力腔111的任何壁面上以及压力腔111的侧壁111b上。但是，电极170不可设置在顶板111c上，因为压电致动器140设置在该压力腔111上。而且，电极170可朝向限流器112延伸。

如图5所示，在通过向电极170施加电压而使气泡聚集在喷嘴122周围之后，用喷嘴盖191对喷嘴122加盖，然后利用负压提供单元190可将气泡以及墨水通过喷嘴122吸出。负压提供单元190可以是真空泵。这种情况下，由于多数气泡已经聚集在喷嘴122周围，被吸取的墨水量与通过吸取去除气泡的传统方法相比显著降低。由于用于吸取墨水和气泡的负压也可以降低，所以可以减小由于过大负压造成的墨水流动通道损坏的风险。

此外，频率可变的行进脉冲电压可施加到电极170。因此，通过加速气泡向施加低压的电极移动，可使气泡围绕喷嘴122更快地移动。

图1和2所示的流动通道形成板110、喷嘴板120和压电致动器140的结构只是示例。因此，墨水流动通道可形成在喷墨打印头中而具有各种结 构，并可利用多于图1所示的两个板110和120的多个板形成。而且，可对压电致动器140的结构和用于将压电致动器140与施加电压的驱动电路连接的结构作各种修改。也就是，本发明的特征并不在于墨水流动通道的结构、喷墨方法等，而在于用于去除墨水流动通道中的气泡的结构和方法。

利用多个电极170去除气泡的方法可应用于采用热致动器的热喷墨打印头，该热致动器利用热在压力腔111中产生气泡并通过气泡膨胀来喷射墨水，以代替压电致动器140。

如上所述，根据本发明的喷墨打印头及去除其中气泡的方法具有下述优点。

由于通过利用多个电极的介电泳而使气泡聚集在喷嘴周围，所以即使在墨水流动通道的壁面周围和角落中存在的气泡也可易于去除。因此，可以保持打印头的优化的喷射性能。

由于气泡聚集在喷嘴周围然后通过喷嘴排出，所以当去除气泡时消耗的墨水量可显著减少。

由于频率可变的行进脉冲的电压施加到多个电极上以加速气泡，所以气泡可更快地在喷嘴周围移动。

尽管已经参照示例性实施例具体示出并描述了本发明，对于本领域的技术人员可以理解，在不脱离由所附权利要求书限定的本发明的思想和范围的前提下可以做出形式和细节上的各种改变。

Claims (7)

1.一种喷墨打印头，包括：

包括压力腔的墨水流动通道；

与压力腔连通的喷嘴；

向压力腔提供驱动力以喷射墨水的压电致动器；以及

接收电压以在墨水流动通道中形成非均匀电场的多个电极，其中较靠近喷嘴的电极比远离喷嘴的电极接收较低电压从而将墨水流动通道中包含的气泡移动到所述喷嘴。

2.如权利要求1的喷墨打印头，其中施加给电极的电压是频率可变的行进脉冲电压。

3.如权利要求1的喷墨打印头，其中多个电极设置在形成墨水流动通道的壁面上。

4.一种去除喷墨打印头中气泡的方法，该喷墨打印头包括：具有压力腔的墨水流动通道；与压力腔连通的喷嘴；向压力腔提供墨水喷射力的压电致动器；以及设置在墨水流动通道中的多个电极，该方法包括：

按照较低电压施加到较靠近喷嘴的电极的方式向多个电极施加电压；

通过由多个电极形成的非均匀电场和由气泡的偶极矩产生的介电泳将气泡移动到喷嘴；以及

通过喷嘴排出气泡。

5.如权利要求4的方法，其中气泡的排出包括通过喷嘴将气泡与墨水一起排出。

6.如权利要求4的方法，其中气泡的排出包括向喷嘴施加负压以挤出气泡。

7.如权利要求4的方法，其中施加到多个电极的电压是用于加速气泡的频率可变的行进脉冲电压。

Images