CN101218101A - 微滴沉积方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种微滴沉积方法和设备。在具有细长墨腔室(3)且在一端具有喷嘴(5)的喷墨印刷头中，通过与靠近喷嘴的腔室连通的高阻抗通道(33)提供连续的墨流。通过在流体腔室中产生纵向声波而穿过喷嘴喷射墨。从通道进入流体腔室中的高速墨流将否则会堵塞喷嘴的碎屑或气泡从喷嘴扫除。

Description

微滴沉积方法和设备
技术领域
本发明涉及微滴沉积方法和设备，其中微滴通过喷嘴从腔室喷射。
背景技术
在已知的设备中(参见例如EP-A-0 277 703和EP-A-0 278 590)，细长墨腔具有一个以上由压电材料形成的纵向延伸壁。通过沿适合于压电材料极化的方向施加电场，可使所述壁移进和移出墨腔室以在墨中形成纵向声波。通过致动波形的适当正时并通过腔室端部的适当声波反射，一个或一受控系列的微滴可通过喷嘴喷射。
喷嘴可按所谓的“端部喷枪”布置位于细长墨腔室的一端或按“侧喷枪”布置朝向腔室中部。
在打印机或其他微滴沉积设备中，显然要小心避免可能导致喷嘴堵塞的碎屑或气泡的污染(或从墨中去处碎屑或气泡)。但是碎屑或气泡的出现不可能完全避免；一些碎屑可能通过在印刷头内制造不规则物而产生，而一些气泡可能作为伴随微滴喷射的流体压力变化的直接结果而不可避免地形成在印刷头内。
为了解决该问题，已经建议在侧喷枪和端部喷枪结构中都提供经过喷嘴的连续墨流，试图从喷嘴扫除否则会导致喷嘴堵塞的任何碎屑或气泡。该连续流在打印机打印时和打印机不打印时出现，因而该连续流优选大于通过喷嘴的最大流速，并且建议比该最大流速大十倍。
通过通道的连续或持续墨流可为操作的均匀性和可靠性提供显著改进。在打印之前，该墨流可用于从喷嘴、通道、墨歧管或供墨系统清洗掉任何碎屑或空气，并且在必要时所述系统可包括热控制。在打印之前，通常需要使系统达到热稳定性。在打印过程中并且根据将要形成的图案，致动器的不同部件可能以不同任务操作，已知在没有连续流的情况下这将导致不同的操作温度，从而增加小的图像缺陷和重大图像缺陷的风险。
已知具有恒定循环的侧喷枪通过减小通道和喷嘴的暴露时间或者设置自吸机构来降低某些缺陷的影响。这些缺陷中的一些在下面列出：
故障原因      影响
振动          喷嘴弯液面移位或破坏
碎屑(灰尘)    造成局部粘度反常
              可中断流动
              可抑制流体在喷嘴处喷射
碎屑(空气)    大气泡使喷嘴/通道缺乏流体
              小气泡降低声效率(提高声顺)
              通道内的气泡会由于整流扩散而增大
摄入空气      在喷嘴处摄入的空气积聚
粘度          例如由于轻微的絮凝或污染，在宏观
              范围改变流体粘度
在侧喷枪结构中提供经过喷嘴的连续流相对简单。关于这点参照EP-A-1 140 513。在该现有提议中，墨腔室的两端保持开放，从而简化了连续经过喷嘴的较高流速的提供。横过喷嘴的该流与微滴喷射所沿的方向正交，因而在将碎屑和气泡从喷嘴扫除方面非常有效。
在端部喷枪结构中设置通过墨腔室的连续流并不简单。在现有提议中(参见例如US 6 705 704)，一隔板纵向分割墨腔室。在使用中，在腔室中以U型路径形成连续墨流：其在隔板的一侧上朝向喷嘴，横过喷嘴，并在隔板的另一侧离开喷嘴。该布置具有优点，但是并不适合所有情况。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进的微滴沉积方法和设备，其中可以以“所谓的”端部喷枪结构获得经过喷嘴的相对较高的液流速度的有益效果。
因此，本发明的一方面在于一种微滴沉积设备，该微滴沉积设备包括用于盛装微滴沉积液的细长流体腔室；喷嘴，该喷嘴与所述腔室的一端相关联，用于喷射微滴；高阻抗通道，该高阻抗通道在所述端与所述腔室连通；致动装置，该致动装置与所述腔室相关联，以通过在所述流体腔室中产生纵向声波而实现穿过所述喷嘴进行微滴喷射；和流体供给装置，该流体供给装置适于将流体供给到所述腔室并使其穿过所述高阻抗通道。
优选地，所述高阻抗通道具有紧邻所述喷嘴的出口。
适当地，所述高阻抗通道正交于所述流体腔室的长度方向。
有利地，所述高阻抗通道在所述流体腔室和在微滴喷射时保持恒定容积的供给歧管之间连通。
优选地，所述高阻抗通道正交于穿过所述喷嘴的微滴喷射方向。
在本发明的一种形式中，所述高阻抗通道的阻抗比所述流体腔室的阻抗高至少五倍，并且优选高至少十倍。
在本发明的一种形式中，所述流体腔室的横截面面积比所述高阻抗通道的横截面面积大至少五倍，并且优选大至少十倍。
穿过所述高阻抗通道进入所述腔室中的液流可以至少等于微滴喷射时穿过所述喷嘴的最大流速，至少为其两倍，至少为其五倍或至少为其十倍。
从所述高阻抗通道横过所述喷嘴的液流速度可以至少等于微滴喷射时穿过所述喷嘴的最大流速，至少为其两倍，至少为其五倍或至少为其十倍。
本发明的另一方面在于一种从细长流体腔室沉积微滴的方法，所述流体腔室用于盛装微滴沉积液，并且在一端具有与所述腔室相关联的用于微滴喷射的喷嘴；所述方法包括以下步骤：在所述腔室中形成沿背离所述喷嘴的方向沿着所述腔室形成连续的微滴沉积液流，该流穿过横截面面积基本小于所述流体腔室的横截面面积的通道进入邻近所述喷嘴的腔室中；和在所述腔室中产生纵向声波以实现穿过所述喷嘴进行微滴喷射。
适当地，流出所述通道的流正交于穿过所述喷嘴的微滴喷射方向。
优选地，穿过所述高阻抗通道的液流为微滴喷射时穿过所述喷嘴的最大流的至少两倍，优选为至少五倍，并且更优选为至少十倍。
有利地，从所述高阻抗通道横过所述喷嘴的液流速度至少等于微滴喷射时穿过所述喷嘴的最大流速，至少为其两倍，至少为其五倍或至少为其十倍。
出人意料的是，尽管在喷嘴附近存在提供穿过喷嘴的高速流体的通道，仍可通过在流体腔室中产生声波而有效地喷射微滴。这通过形成与流体腔室的阻抗相比阻抗较高的通道来实现。通过设置与流体腔室的横截面相比横截面较小的高阻抗通道，可布置成在喷嘴处形成高速流来扫除碎屑和气泡(甚至具有与微滴喷射时穿过喷嘴的最大流速相等或不比其大很多的连续流速)。
形成从所述通道进入所述流体腔室(反之亦然)的所述流的优点是，在所述腔室中不存在气泡或碎屑堵塞所述通道的倾向。
优选地，在所述高阻抗通道的出口处的流正交于微滴喷射的方向，并正交于所述流体腔室的长度方向。所述高阻抗通道的出口优选紧邻所述喷嘴；事实上，喷嘴入口的横截面可延伸到所述高阻抗通道内。
附图说明
将参照附图以实施例方式描述本发明，在附图中：
图1是已知的喷墨印刷头的分解视图；
图2是图1中所示的喷墨印刷头的纵向剖视图；
图3是根据本发明一个实施方式的喷墨印刷头的纵向剖视图；和
图4是根据本发明又一个实施方式的喷墨印刷头的纵向剖视图。
具体实施方式
图1中示出了传统的喷墨印刷头，其利用压电材料的作用在墨通道中形成纵向声波，所述墨通道具有“端部喷枪”结构的喷嘴。印刷头1设有压电致动器2，其与盖板8配合而形成细长的墨通道3。在相邻的通道之间共用由压电材料形成的细长壁9，并且所述壁可移进或移出任一通道来改变通道的容积。横跨压电壁的至少一部分设置电极6以建立致动电场。
喷嘴5设置在喷嘴板4中，喷嘴板4固定到压电致动器上以闭合每一墨通道3的一端。盖板中的歧管7能够使墨通道得以再填充。
图2中示出了穿过图1中所示的微滴沉积设备的纵向剖视图。
界定每一个墨通道的壁中的任一个或二者横向运动的作用是产生箭头21处所示的纵向声波。如在EP-A-0 277 703和EP-A-0 278 590中更详细描述的，微滴通过喷嘴5喷射。微滴可以以二元形式或灰度模式喷射，其中在喷射之前多个微滴在喷嘴处溶合以形成各种尺寸的液滴。通过喷嘴5喷射的墨被箭头22处所示的通过歧管7进入腔室3中的通道再填充流替代。
使用该结构已被证实的问题是，由通道再填充流沿通道3夹带的墨中的碎屑或气泡会在通道的邻近喷嘴板4的端部处被捕获，并且可造成喷嘴5的临时或永久堵塞。已经确定，即使是相对较小的气泡，如果允许其留在通道的邻近喷嘴板的端部处，也会引起喷嘴堵塞。这是因为墨中伴随微滴喷射的压力变化促使气泡尺寸增大。
图3中示出了本发明的一个实施方式，其中相对于图2中所示的布置实质上保持不变的部件保留相同的附图标记。
在本发明的该实施方式中，形成箭头31处所示的附加流路径。该流在通道32中运送，通道32沿平行于墨腔室3的长度的方向延伸。通道32可方便地设置在墨腔室3下方，也就是说在包含墨通道3的阵列的平面外，从而不增大相邻通道之间的间距，并因此不增大相邻喷嘴之间的间距。在每一墨通道3均具有侧流通道32的情况下，流31可以指定到一个墨通道3；可选地，一个相对较宽的通道32可用于所有的或若干墨通道3。
高阻抗通道33从通道32延伸到通道3，并邻近喷嘴板5。
应注意，喷嘴5相对于通道3的纵向入口的位置已经调节成使高阻抗通道33的出口紧邻喷嘴5。事实上，可看到喷嘴入口的横截面区域延伸到高阻抗通道33内。
本领域的技术人员将意识到，图3中的描述是略带示意性的，并且其中尤其是对于箭头33处所示的侧流的形成而言，存在很多种可借此形成这样的墨流的构造技术。重要的是意识到通道32或向高阻抗通道33供墨的其他结构是不活动的(passive)，也就是说其容积在微滴喷射过程中不改变。
使用中，形成墨侧流31，其至少等于且优选大于微滴喷射时穿过喷嘴的最大墨流。墨穿过高阻抗通道33并进入通道3：
·直接邻近喷嘴
·沿横交于微滴喷射的方向
·以相对较高的速度
由于这些原因，在从喷嘴扫除可能堵塞喷嘴的碎屑甚至是若留在适当位置就可能会增大从而阻塞管嘴的小气泡时，该流尤其有效。然后这些气泡和碎屑沿腔室3的长度穿过，并通过歧管7排出。
如箭头22处示出的在微滴喷射后再填充通道的流被来自与活动通道接合的歧管的流控制，因为其流体阻抗比通道33的低。在通道3内产生的压力为约1或2个大气压的情况下，再填充流体可达到时间平均速度约0.1m/s。
在声操作的情况下，通道内的流体中的压力波以约500m/s与再填充流同时传播。根据压力波的控制，再填充流仅在流体喷射时出现。
侧流的大小选择成使得通道暴露于碎屑(和其它，参见上述)的时间保持在一定水平以下。对于某些基本图形的应用，认可的是可以容许长达1000像素的偶然单个喷嘴缺陷。基本应用的图形图像容许不超过40像素的缺陷。“摄影”图像的质量要求小于20像素。功能装置(例如印刷电路板、显示器、电子器件等)的印刷会提出更严格的要求。
流的大小的第二个考虑因素是在喷嘴后部的流速。在装置操作过程中摄入的气泡将朝向通道迁移，并且在不受干涉的情况下会形成阻塞，并显著增大喷射故障的风险。根据流体类型和其调节，气穴可起加速喷射故障的作用。为了最小化碎屑可能造成喷射缺陷的时间，侧流布置成提供这样的流速，该流速使腔室中的流体在从单个喷嘴喷射1000像素所需的时间内得到清除。
侧流速度取决于通过通道33的流，并取决于通道33和腔室3的相对横截面面积。
如果穿过通道33的流等于穿过喷嘴的最大流(其大于时间平均再填充流，大出的数量取决于腔室的工作周期和印刷数据)，并且如果通道33的横截面面积为腔室3的横截面面积的十分之一，则可预计经过喷嘴的流速增大10倍。
有利地，侧流与主导再填充流相对，从而由于提供侧流的通道尺寸更小，可防止活动腔室因供墨使灰尘涌入。
再循环流设计中的考虑因素为施加到流体的负压，负压如果大的话可能会产生不期望的气穴。所述实施方式要求侧通道提供非常大的阻抗，从而必须在相关联的歧管上施加大的正压以在致动腔室中产生所需的流速。方便的是，可将相对的歧管(其必须为喷嘴提供保持在大气压以下的负压)布置成仅提供适度的负压(相对于大气来说)，以降低气穴风险。
高阻抗通道33的横截面面积基本小于通道3的横截面面积。在一种布置中，墨通道3的高度为300μm，宽度为75μm。高阻抗通道可横跨墨腔室3的宽度延伸，尺寸为75μm，厚度(沿墨通道3的伸长方向)为30μm，横截面面积为墨通道3的横截面面积的十分之一。在变型例中，高阻抗通道33可延伸跨过小于墨通道的整个宽度，并且可在通道3的长度方向或者说长度的伸长方向延伸更大或更小的量。
图4中所示为修改例。在该情况下，高阻抗通道采用切入喷嘴板4中的槽口41的形式。喷嘴板可设计得更厚，以便容纳该槽口并提供与前述实施方式中的长度相同的喷嘴。
虽然已经关于印刷头描述了本发明，但是应理解，本发明更广泛地应用于微滴沉积设备。同样应理解，除了所述的那些，在喷嘴端部处与腔室连通的高阻抗通道可采用多种形式，并且所述压电材料壁仅为与腔室相关联以通过在流体腔室中产生纵向声波而实现穿过喷嘴进行微滴喷射的致动装置的一个实施例。

Claims (18)

1.一种微滴沉积设备，该微滴沉积设备包括用于盛装微滴沉积液的细长流体腔室；喷嘴，该喷嘴与所述腔室的一端相关联，用于微滴喷射；高阻抗通道，该高阻抗通道在所述端与所述腔室连通；致动装置，该致动装置与所述腔室相关联，以通过在所述流体腔室中产生纵向声波而实现穿过所述喷嘴进行微滴喷射；和流体供给装置，该流体供给装置适于将流体供给到所述腔室并使其穿过所述高阻抗通道。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述高阻抗通道具有紧邻所述喷嘴的出口。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述高阻抗通道正交于所述流体腔室的长度方向。
4.根据上述权利要求中任一所述的设备，其中，所述高阻抗通道在所述腔室和在微滴喷射时保持恒定容积的供给歧管之间连通。
5.根据上述权利要求中任一所述的设备，其中，所述高阻抗通道正交于穿过所述喷嘴的微滴喷射方向。
6.根据上述权利要求中任一所述的设备，其中，所述高阻抗通道的阻抗比所述流体腔室的阻抗高至少五倍，并且优选高至少十倍。
7.根据上述权利要求中任一所述的设备，其中，所述流体腔室的横截面面积比所述高阻抗通道的横截面面积大至少五倍，并且优选大至少十倍。
8.根据上述权利要求中任一所述的设备，该设备适于在使用中使得穿过所述高阻抗通道进入所述腔室中的液流至少等于微滴喷射时穿过所述喷嘴的最大流。
9.根据权利要求8所述的设备，其中，在使用中穿过所述高阻抗通道的液流为微滴喷射时穿过所述喷嘴的最大流的至少两倍，优选为至少五倍，并且更优选为至少十倍。
10.根据上述权利要求中任一所述的设备，其中，在使用中从所述高阻抗通道横过所述喷嘴的液流速度至少等于微滴喷射时穿过所述喷嘴的最大流速。
11.根据权利要求10所述的设备，其中，在使用中从所述高阻抗通道横过所述喷嘴的液流速度为微滴喷射时穿过所述喷嘴的最大流速的至少两倍，优选为至少五倍，并且更优选为至少十倍。
12.根据上述权利要求中任一所述的设备，其中，所述致动装置包括压电材料体。
13.根据权利要求12所述的设备，其中，所述压电材料体形成所述流体腔室的壁的至少一部分。
14.一种从细长流体腔室沉积微滴的方法，所述流体腔室用于盛装微滴沉积液，并且在一端具有与所述腔室相关联的用于微滴喷射的喷嘴；所述方法包括以下步骤：在所述腔室中沿背离所述喷嘴的方向沿着所述腔室形成连续的微滴沉积液流，该流穿过横截面面积基本小于所述流体腔室的横截面面积的通道进入邻近所述喷嘴的腔室中；和在所述腔室中产生纵向声波以实现穿过所述喷嘴进行微滴喷射。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，流出所述通道的流正交于穿过所述喷嘴的微滴喷射方向。
16.根据权利要求14或15所述的方法，其中，穿过所述高阻抗通道的液流为微滴喷射时穿过所述喷嘴的最大流的至少两倍，优选为至少五倍，并且更优选为至少十倍。
17.根据权利要求14至16中任一所述的方法，其中，从所述高阻抗通道横过所述喷嘴的液流速度至少等于微滴喷射时穿过所述喷嘴的最大流速。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，从所述高阻抗通道横过所述喷嘴的液流速度为微滴喷射时穿过所述喷嘴的最大流速的至少两倍，优选为至少五倍，并且更优选为至少十倍。
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