CN101258032A - 用于喷墨印刷的液滴充电和偏转装置 - Google Patents

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Abstract

一种喷墨印刷方法，其中喷射物(14)在固定点(B)处被断开为大的和小的液滴，并且液滴(16a，16b)根据断开段(18)的长度(l，L)，换言之，根据液滴直径被充电。这种配置克服了转移问题。充电器件(22)也能够选择性地偏转液滴(16b)。

Description

用于喷墨印刷的液滴充电和偏转装置
技术领域
本发明是与雾化技术有本质区别的液体投射领域，尤其是标准化小滴(droplet)的受控制生产，用于例如数字印刷。
本发明尤其关于小滴的可选偏差，其所用于的一个优选但非唯一的应用领域是喷墨打印。本发明的装置关于连续喷墨领域中的任何异步液体段生产系统，与按需即喷技术相反。
背景技术
连续喷墨打印机的典型操作可以如下文所述被描述：导电油墨在压力下被保持在蓄墨池内。蓄墨池提供包含油墨的腔室，油墨通过油墨刺激装置被刺激。从内到外作业时，刺激腔室包括至少一个通往喷嘴板内钻孔的标准化喷嘴的油墨通道：加压的油墨流经喷嘴，以此形成喷墨。
因此形成的喷墨在喷嘴板下游的限定明确的点处断开，并且在收容于油墨腔室内的周期性刺激装置的作用下以规律的时间间隔产生墨滴(ink droplet)，位于蓄墨池内包含的油墨内的刺激装置的周期性震动使喷墨的这种被迫分裂产生在称为液滴(drop)断开点的地方。
从断开点开始，连续的喷射物变为一序列的墨滴。然后使用各种器件选择将直接朝向待印刷基板或朝向通常称为沟槽的回收装置的液滴。因此，相同的连续喷射物可用于印刷或不印刷基板，以便形成所需的印刷图案。
这种连续喷墨打印机可以包括几个同时操作并且平行的印刷喷嘴，以便增加印刷表面面积并因此提高印刷速度。
通常的液滴选择器件包括靠近断开点的被称为充电电极的第一组电极，其功能是选择性转移预定的电荷给每个液滴。喷射物中的所有液滴，部分已经被充电，然后通过被称为偏转电极的第二套电极，第二套电极产生的电场将依靠液滴的电荷调整液滴的轨道。
由连续喷射物的分裂产生的液滴的静电偏转是广泛应用在喷墨印刷中的方案。例如，第3,596,275号美国专利文献(Sweet)中描述的偏离的连续喷射变型由在与液滴产生即时同步的申请中提供多个电压以利用预定电荷充电液滴组成，以便精确控制多个液滴轨道。小滴只在与两个电荷水平相关的两个优选轨道上的定位导致了第3,373,437号美国专利文献(Sweet)中描述的二元连续喷墨技术。
对于上述所有装置，充电信号根据液滴行进的轨道以及其它因素确定。用于与多个喷射物使用的这种概念的主要缺点是首先需要放置与每个喷射物靠近的不同电极，其次是独立控制每个电极。
另一个途径由设置充电电势和变化刺激信号以便移动喷射物断开点位置组成：依靠液滴形成是靠近还是远离喷射物的所有矩阵通用的充电电极，每个液滴携带的电荷数量和后续的液滴轨道将不同。充电电极的设置可以更简单或更复杂：第4,346,387号美国专利文献(Hertz)中探讨了多个配置。这个途径的主要优点是电极块的机械配置简单，但两个偏转水平之间的过度难于管理：从一个断开点到另一个断开点的过度产生一系列具有无法控制的中间轨道的液滴。
一些方案已经被考虑用于克服这种困难，包括在第EP 0 949 077号欧洲专利文献(Imaje)中的调整断裂长度，但具有难于控制的断开长度(典型的是几十微米)的紧密度容限；或者在第EP 1 092 542号欧洲专利文献(Imaje)中与分离两个明确限定的断开位置的距离相等的长度的喷射物的部分充电部分的管理，但其需要两个断开点的管理，并且由于无用喷射段的产生，有用液滴的生成频率不得不降低。
通常，即使对于最近的发展，如柯达公司在允许特殊液滴生产方式(例如第EP 0 911 167号欧洲专利文献)的热刺激技术基础上对其液滴生成器的发展，提出的方案经常具有在喷射物的偏转位置与未偏转之间过度的问题。
一个备选的建议是采用不同尺寸的液滴和通过气流交叉投射根据液滴尺寸的选择性地偏转，如第2003/0222950号美国专利文献所述的那样。然而，在这种情况下，不增加气体沿液滴轨道引起的波动，则均匀气流的产生、循环和回复难于实现。
发明内容
本发明的一个优点是克服现有印刷头的缺点，本发明关于根据液滴尺寸限定液滴轨道。
更确切地说，本发明关于依靠喷射物的段长度对产生于连续喷射物的液滴充电的器件，其中液滴产生于喷射物，并且尤其是依靠液滴直径，而且不对断开点有任何作用：液滴充电，因此未来的偏转在喷射物被干扰时确定，无需调整充电和偏转器件下游侧的控制设置。根据本发明，具有不同直径的液滴不是通过断开具有可变直径的喷射物形成，而是通过在相同断开点但在不同时间间隔断开圆柱形喷射物形成，使得喷射物形成具有不同长度的段，因此表面张力形成更大和更小的液滴。每个段的圆柱形形状系数使其长度大于其直径：与现有技术相反，产生喷射物的非类球状部分。
根据一个方面，本发明关于从加压导电液体的储器生成选择性充电的液滴的装置。这种装置包括搅乱喷射物半径的器件，以便使其断开成具有第一长度和第二长度的段，不顾及段长度，断开点实际上位于距喷嘴相同距离处；有利的是，提供大量喷嘴以便获得喷射物矩阵，每个喷射物最好被独立控制。根据一个有利的实施例，喷射物干扰器件包括作用在腔室上的压电促动器，例如，通过薄膜并通过电刺激信号启动。
这种装置还包括对至少部分段充电的器件，这些充电器件包括位于环绕喷射物断开点的具有固定电势的元件。当喷射段在距离喷嘴给定距离处，也就是被称为断开点的位置与连续喷射物断裂时，这些充电器件选择性转移电荷给喷射段，通常充电器件产生的电场沿着段长度作用。每个段产生一个液滴，在这种情况下，依靠液滴直径，转移到液滴的电荷是不同的，这是由于圆柱形喷射段的长度不同，其中液滴由段产生。更短的连续的段再次合并也是可能的，彼此连接并因此形成更大的液滴：例如，喷射物产生均匀直径的液滴，但具有不同的电荷。
采用不同的配置用于充电器件。根据一个实施例，充电器件包括以间隙环绕断开点的第一电极以及位于下游侧的第二电极：小液滴形成在间隙内，而形成大液滴的段投射到间隙外并被第二电极充电。这个第二电极也可以作为偏转相对于小液滴的大液滴的器件。
根据另一实施例，充电器件包括具有连续电极尤其是两个电极的平板形式的块。小液滴形成在第一电极前侧，并仅被第一电极充电，而大液滴被另一电极影响，使嵌入的电荷依靠液滴的尺寸和/或段长度而不同，其中液滴来自于段。
根据本发明的装置有利地包括偏转器件，通常是电极，位于充电液滴形成的下游，以区别液滴的轨道。
根据另一方面，本发明关于依靠段长度在液滴形成时通过断开连续喷射物选择性充电液滴的方法，液滴源于段，其中电荷根据段的长度通过至少一个电极转移到被形成的段。一旦电荷已经被转移，则在不同尺寸的液滴或不同来源的液滴之间引起不同的偏转。不考虑段的长度，段通过具有适当振幅和持续时间的刺激脉冲通过干扰连续的喷射物有利地形成在相同的断开点，其中脉冲加载到压电促动器上。
本发明的装置和方法尤其适于喷墨印刷头，被区别的液滴用于印刷和回收。
附图简要说明
在结合用于图示但不用于限制的附图阅读下述说明后，本发明的特征和优点将更清楚：
图1显示了适合根据本发明的装置的液滴生成器的截面图。
图2显示了根据本发明的液滴生成和充电的原理。
图3显示了压电促动器控制信号的描述。
图4显示了本发明优选实施例。
详细描述和特定实施例
根据本发明的充电装置利用液滴可以根据在连续喷射物内不同直径的需要生产：依靠应用于其上的干扰重复图案，喷墨可以被破裂成各种可以或不可以再次重组的长度段，因此形成更大或更小的液滴。
液滴的产生并不是通过变化喷射物本身的直径引起的，这与例如第4,350,986号美国专利文献(Hitachi)中揭示的喷出过程(ejectionprocess)相反，喷射物没有改变，以便形成具有更大和更小直径的部分，喷射物将在这些直径之间断开进而形成更大和更小的液滴。根据本发明，喷射物基本保持圆柱形，并断开成基本成圆柱形的段。
此外，根据本发明，不同于现有技术，在与喷嘴实际上恒定距离处，换言之，在相对于充电电极的固定点，不顾及液滴直径和段长度，喷射物由于被破坏形成液滴。尤其是，不同于第1 092 542号欧洲专利文献(Imaje)中描述的装置，其中液滴和段在与喷嘴不同距离处与连续喷射物分离，根据本发明，刺激使喷射物在相同位置断开，从形成段或液滴的这个断开点投射的长度是不同的。
图1中图示了尤其适用于本发明的液滴生成器1，尽管也可以采用其它类型的生成器和特定的热生成器。加压油墨被提供给生成器1内部的第二储器2；储器2将油墨分散给喷嘴4的网络，图1中的部分只显示了其中一个喷嘴4。每个喷嘴4都通过独立的液压路径供给，液压路径包括一序列通道，尤其是，通道6中的一个实现约束功能，第二通道8是刺激腔室，换言之，充满油墨的空穴的多个面的一个面，例如薄膜10在压电促动器12的作用下变形。
腔室8内收集的油墨的量根据本身由电压控制的压电元件12的作用变化：这种作用的影响是调整由喷嘴4喷出的液体喷射物14的半径。
优选的是，生成器1引起的每次喷射物14可以被独立地和相似地控制。如果没有刺激，油墨流过每个喷嘴4形成连续的圆柱形液体喷射物14。当称为刺激信号的电信号加载到压电元件12上以便调整液体上的压力时，这种喷射物14在受控制的方式下(如图2所示)分裂成小滴16。
刺激信号是典型的脉冲的形式，如图3a所示：持续时间为τo的脉冲的结果是局部干扰喷射物14，由于液体力学定律导致分裂成段18(依靠电脉冲的持续时间和强度)，并由于表面张力现象将形成液滴16。此外，如果脉冲τo的重复是周期性并且是恒定的，那么破裂被控制，并产生段18a，其具有标准化长度产生相似尺寸的等距的小滴16a，如图2所示。
通过对刺激时间间隔的作用，换言之，通过在可变频率重复脉冲，能够变化生成液滴的尺寸。尤其是，这种刺激的可变的持续停止提供了控制段长度的方式：所有这些对于形成小液滴16b以便减小段长度18b，进而在更短时间临时停止刺激是必需的，如图3b所示。
适合的生成器也可以以多喷射操作，例如，通过形成喷射物矩阵，典型的可在同一平面设置100个喷射物，节距250μm：图示的喷嘴4形成包括大量喷嘴的部分板。从板流出的每个液流14都通过独立的压电促动器12控制，并被断开成具有预定长度的段18，例如小于1mm。
根据本发明，喷射物断开发生在喷射物的固定点B，换言之，发生在离喷嘴板4具有明确限定的距离d处，优选的是在延长喷嘴板的充电元件20的间隙处，下文将详细描述。
如图2所示(图3a和图3b图示了相关电信号)并依靠刺激信号，喷射物14产生断开点B的下述的下游：
-具有长度为L的长圆柱形喷射段18a，形成大直径球状液滴16a；
-具有长度为l的短圆柱形喷射段18a，形成小直径球状液滴16b。
通过调整脉冲之间的间隔T，这些不同直径的液滴可以以受控制和规律的方式交替。
根据本发明，通过在液滴形成点B的下游侧产生电场的器件并根据喷射段18a和18b的长度1和L，液体电荷(尤其是导电油墨电荷)被选择性加载到大小液滴16a和16b上。实际上，独立的段18a或与喷射物14连接的段18b依靠其长度l和L将通过充电静电电场。对印刷头形成的喷射物的完全矩阵和所有液滴，充电器件和偏转器件是有利地唯一的。
根据一个优选实施例，油墨和生成器1被接地，至少某些液滴在形成时被充电，并且液滴被加载足够电势的电极偏转；然而，在以下的示例中，具有不同电势的油墨是可能的，在这种情况下充电和偏转电极的电势具有根据这方面的相对值。
根据图4中所示的一个优选实施例，液滴的电荷被加载到形成小液滴16b的下游侧：充电元件20包括导电板，导电板的间隙内形成有短段18b；导电板20带有第一电势V1，第一电势V1最好与液流14和喷嘴板4的电势相同，例如接地。电极20和喷嘴板4保证短段18b的电中性，短段18b因此生成电中性液滴16b。因此，不顾及它们之后通过的电场，小直径液滴16b没有脱离它们的轨道：其直线轨道形成参考轨道。
充电器件还包括位于电极20下游的具有非零电场E区域，这可能由带有非常高电势的电极22引起。电极20的下游侧上的非常高的电势22使电极间隙20下游的任何喷射部分投射可以通过这个电极22充电。长段18a被产生使其向电极20外侧投射，并因此被电场E充电。因此，不同直径的液滴16a和16b由不同长度的段18a和18b产生，直径的差异伴随电荷差异，实现电荷差异归功于段的形状系数并根据液滴尺寸使液滴选择性地偏转。这种偏转可以通过充电电极22直接获得。
因此，用这种配置，单一电极22可被用于将长段18a的下游部分充电(例如长段18a的一半)，然后偏转被电场E吸引的最终的球状液滴16a。在偏转电场E的出口(电极22的出口)，充电的液滴16a沿着其偏转的切线继续其路径，换言之，沿着不同于未充电液滴16b的参考轨道方向继续其路径。偏转的液滴16a因此被收集在槽内，这样仅有小液滴16b将被印刷在基板上。
显然，可以相反地印刷大液滴16a并在槽内收集小液滴，尤其是如果小液滴16b是被本方法(例如如果油墨和生成器不接地，并且电极22取消充电)充电后的液滴。
断开点B的下游侧上的电极20的厚度被标准化，以使其至少等于短段18b的长度1。为了改善电屏蔽的品质和容忍短段18b的长度1中和断开点B中的误差幅度，在段18b的每侧延伸电极20是有用的，换言之，尤其是在断开点B的上游侧上。优选地，电极20的底部位于长段18a的中间，换言之，如果电极20直接连接喷嘴板4，那么其厚度可以大约为d+L/2。
上文所述的大小液滴的形成不具有限制性。例如，可以使用如图3c所示的信号，具有一系列加载到压电促动器12上的脉冲：基础信号包括具有持续时间τo的脉冲，重复频率为F＝1/T。与喷射物流动速度14组合的周期T确定长段18a的长度。时间差T-τo限定剩余周期。然后，在基础信号的剩余周期过程中产生的附加脉冲τ1、T2、...、Tn被用于将与周期T有关的喷射段断开成n+1个段。
可以调整脉冲持续时间Ti和中间剩余周期，例如，产生具有相同尺寸的短段18b(以及因此产生的小液滴16b)；然而，这些值也可以被选择通过使短段18b再联合(换言之，沿着其下游构造将其重组)藉由每个单位质量电荷单元控制短段18b的收缩动态，以便形成尺寸大致与长段18a产生的液滴正好相等的球状液滴16a。因此，这种途径提供依靠液滴16a源于彼此会合的长段18a还是短段18b，生成相等尺寸但不同电荷(实际上是充电或不充电)的液滴16a的方式。
图4中提出的偏转装置因此提供了将墨滴16置于两个不同轨道的器件，以此被选择印刷或不印刷，这种选择以压电刺激12的时间做出。
如果所描述的示例的实施例产生中性液滴轨道，换言之，沿着喷射物14的液压轴，那么依靠第一充电元件20的配置利用不同电荷/质量比可以获得充电液滴的更普遍的两个轨道。例如，根据一个变型，电极20可以被与电极22在同一侧的一块平面电极取代(如图4中图解的作为电极20的唯一部分20′)：然后短段18b只被轻微充电，而长段18a则被充分充电。这种充电差异可通过将增强长段的静电耦合的附加的可选的电极24(或者一套电极)与电极22一起放置来调整，并在短段18b与电极22之间形成幕(上文所述的电极的特例实际上是整个幕)。而且，电极24提高偏转电场，因此增强小滴16a的偏差。很自然也可以建立两个以上的连续电极20′和22，尤其是如果面对多个偏转时。
因此，根据本发明的装置提供了一种将来源于连续喷射物的分裂的导电液体置于两个不同轨道的方法。当克服根据现有技术提到的缺点时，可以获得下面的优点：
-利用与喷射物矩阵共有的电极去除多喷射装置中的独立液滴充电电极。
-在液体小滴的范围内，电极距离液流很远，并且不需要精确的机械定位。
-根据液滴形成率，液滴被置于两个预先限定的轨道的其中一个上；因此，形成偏转装置的电极处于恒定的电势。

Claims (13)

1.一种用于导电液滴的选择性充电的装置，包括：
被加压液体的储器(2，8)，包括以连续喷射物(14)形式的液体的至少一个喷嘴(4)；
干扰所述喷射物(14)的器件(10，12)，并因此生成具有在第一长度(1)和大于所述第一长度的第二长度(L)之间的可调节长度的喷射段(18)，喷射断开点(B)对于所有的段而言距喷嘴(4)大致相同距离；
带有恒定电势的充电器件(20，22)，以便转移电荷给喷射段(18)，电荷转移依靠所述喷射段(18)的长度(l，L)而不同，所述充电器件(20，22)包括从所述断开点(B)延伸越过沿着所述喷射物(14)的轨道的第一厚度的第一充电元件(20)，以及位于所述第一充电元件(20)下游沿着所述喷射物(14)的轨道的第二充电元件(22)。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一充电元件包括电极(20)，从所述断开点(B)开始的所述电极(20)的厚度处于所述段(18a，18b)的第一长度和第二长度(l，L)之间，且所述第二充电元件包括带有高电势的电极(22)，所述电极(22)作为偏转电极。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述充电器件包括至少两个电极(20′，22)，所述至少两个电极(20′，22)大致沿着所述喷射物(14)的所述轨道排列，从而形成两个充电元件。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述充电器件包括至少一个附加电极(24)，所述至少一个附加电极(24)被放置在相对于所述喷射物(14)的所述轨道的所述充电元件(20′，22)对面。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的装置，其特征在于，所述装置包括用于生成喷射物矩阵的多个喷嘴(4)，所述充电器件(20，20′，22，24)对于所述喷射物矩阵而言是唯一的。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的装置，其特征在于，干扰所述喷射物的所述器件包括用于在单一位置(B)处不顾及所述段(18)的长度断开喷射物的压电促动器(10，12)。
7.一种印刷头，包括根据权利要求1至6中任意一项所述的装置，以及从源于第一长度段或第二长度段的液滴(16a，16b)回收油墨的器件。
8.一种依靠段的长度选择性地充电液滴的方法，所述液滴产生自所述段，所述方法包括：
形成源于加压的腔室(8)的导电液体的连续喷射物(14)；
干扰所述喷射物(14)，以便通过在固定点(B)断开所述喷射物(14)而产生具有第一长度的段(18b)和具有大于所述第一长度的第二长度的段(18a)；
根据其长度(l，L)通过电场(E)对源于所述断开的段(18)充电。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述喷射物干扰使所述第一长度段和第二长度段形成具有第一直径和第二直径的液滴。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述喷射物干扰造成具有第一长度的段(18b)在其形成的下游合并。
11.根据权利要求8至10中任意一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括形成连续喷射物的矩阵以及干扰其中每个所形成的喷射物。
12.根据权利要求8至11中任意一项所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括依靠所述液滴的电荷偏转所述液滴。
13.一种喷墨印刷方法，包括根据权利要求12所述的方法，印刷源于第一长度或第二长度的段的液滴，以及回收其它液滴。
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