CN101258033B - 用于喷墨打印的液滴的产生方法及设备 - Google Patents

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Abstract

一种依据本发明的发生器，通过以脉冲形式的强激励操作以便产生液滴，特别用于喷墨打印目的。该选择使得打断靠近喷嘴(16)的射流(30)且减少干涉率成为可能。具有压电激励的发生器特别地适用。

Description

用于喷墨打印的液滴的产生方法及设备 
技术领域
本发明属于液体喷射领域，其在本质上不同于雾化技术，并且更具体的属于校准液滴的控制产生领域，例如用于数字打印。 
本发明具体涉及一种液滴发生器，其设计和操作原理使得由液体连续射流的受力断裂而流出的液体片段的异步产生成为可能。一种优选但非排它的应用领域是喷墨打印，这种技术形成连续喷射类的一部分，与按需滴落不同。 
背景技术
技术涉及用专注于校准液滴的控制产生的液滴发生器喷墨打印形成富集区域。 
一种可能的技术是连续喷墨类型，需要由打印头包围起来的油墨容器中的油墨增压以形成连续液体射流：该油墨容器具体地包括容纳要被激励的油墨的室，和用于周期性油墨激励设备的壳体。从内部向外作用，激励室包括至少一个油墨通道，通向在喷嘴板中钻出的校准的喷嘴：受压的油墨通过喷嘴，因此形成油墨射流。 
利用激励设备射流断裂成液滴，其中激励设备的功能是调节射流的半径；通过位于在喷嘴上游侧的油墨容器中激励设备的周期性振动， 油墨射流的受力破裂通常在称为液滴断裂点的点产生。在液体表面张力的作用下射流半径的调节被增强。这种物理现象广泛地应用于工业的连续喷射打印机中，已经由Lord WS Rayleigh(《On the Instabilityof Jets》，Proceedings of the London Math.Soc.1879；X：4-13)最早描述且制作模型。 
然后多种装置用于选择液滴，液滴将被引导向要被打印的基材或引导向通常称为沟槽的回收设备。因此为了产生所需的图案，同一的连续射流用于基材的打印或非打印。 
可以想到多种激励技术。例如，在US 4,220,928(Crowley)中描述的电子水动力(EHD)激励，包括在地电势的导电液体和处于可变电势的电极之间施加电势差；通过毛细管力的不稳定性导致射流破裂，射流表面的静电压力使射流变形并且半径的调节被增强。 
另一方法是热激励，例如在US 4,638,328(Drake)中描述的：存在半径(或速度)的强加干扰，该干扰由喷嘴附近的热电阻元件控制。最近的工业发展已经源于硅技术来制造该种类型的热液滴发生器(例如参见柯达的专利US 2003/0222950)。但是，液滴发生器的主体由硅制成，对该材料已知其机械性弱和具有很普通的化学抵抗性，特别是在碱性介质中，这限制了喷射液体的种类。此外，压电装置产生热，并且因此热的积聚可以增加头的温度，因此改变油墨的特性和相关的物理参数(例如粘度以及由此的射流速度)。很难控制这种温度的升高，已知根据要打印的图案，热能在加热电阻中散失。最后，产生在射流上的作用仅在单方向上发生，由于热电阻仅能够增加油墨 的温度，而不能在射流上产生与由加热引起的相反的干扰。这一点限制了液滴形成过程的控制精度。 
这两种技术(EHD和热)的优点是本质上不会共振；射流的处理/激励部分被完美地限定，并且使不同尺寸液滴或片段的异步产生成为可能。这些技术的缺点是其效率低，需要利用很强的电子控制水平，或利用补充的物理现象以有效地打断射流。 
除这些方法之外，在单射流系统中具有恒定质量和速度的液滴以固定频率的产生，也在专利US 3,596,275(Sweet)中进行了描述，其中激励设备是压电装置。这种类型的压电装置的主要优点在于液滴尺寸的良好控制；高操作频率；以及效率并且没有流体和压电装置之间的直接电接触。 
这种连续射流打印机可以包括几个可同时操作且平行的打印喷嘴，为了增加打印表面区域并且因此提高打印速度。压电激励技术广泛应用多射流发生器的设计，例如用于射流阵列的压电装置，类似于US 3,373,437(Sweet)中描述的，或用于每个射流的压电装置，如在WO 01/87616(Marconi)中描述的。 
发明内容
本发明一个优势是克服现有发生器的上述缺陷并且通过另外的激励处理打断连续射流形成液滴。依据本发明的设备和方法特别适用于产生墨滴和用在打印头中，但是其它应用也是可能的。 
本发明也涉及利用短强脉冲来激励液滴发生器的新方法的使用， 和特别涉及用于喷墨打印的压电液滴发生器。短强脉冲使得射流可在短且固定的距离被打断，而由于从射流分离的不同长度的片段形成不同尺寸的液滴，该刺激是频率调制类型，而不是“固定频率幅度调制”类型。 
依据其一个方面，本发明涉及一种用于液体、例如油墨的以液滴形式的喷射方法，其中在提供有喷嘴的室中，液体是加压的，从而液体可以从室中以射流的方式排出；通过喷嘴排出的射流具有特定的半径和速度。依据本发明的方法还包括通过短持续期间的激励脉冲对射流的干扰，特别是远小于射流直径与速度比值的3倍且优选小于一倍或两倍，使得干扰产生射流中的断裂。由激励脉冲干扰的射流长度远小于最佳射流不稳定性波长，也就是射流半径的约9倍，并且射流直径的干扰幅度将大于从喷嘴排出处射流直径的20％。 
干扰信号可以有利地利用方形脉冲，并且包括以调制的周期间隔的序列脉冲，从而形成不同尺寸的液滴。依据本发明的方法可以用于形成源自平行射流的液滴的排列；该依据本发明的方法特别适用于压电装置的激励，其极性有利地适合于脉冲的极性。 
依据另一方面，本发明涉及一种用于产生液滴排列的设备，特别用于形成部分的打印头，适用于依据本发明的方法，包括多个间隔的激励室，优选地从单个容器供应，提供有与压电装置相对设置的喷嘴，其中压电装置大于激励室的表面积，例如覆盖分离不同室的壁的10到20％。该压电装置连接到产生激励脉冲的装置。 
附图说明
在参考附图阅读下面的描述以后，本发明的其它特征和优点将变得更加清楚，其作为例证给出而没有任何限制性。 
图1A、1B和1C示出依据本发明的液滴发生器。 
图2图示依据本发明产生液滴的原理。 
具体实施方式
依据本发明，液滴发生器设计成使得它可以通过短脉冲以极高的激励强度操作。因此，发生器的不同元件使得从喷嘴排出的射流的自由表面的变形大于连续射流平均直径的20％，这在通常的发生器中是不可能的；具体地，发生器是压电型并且随后的离散元件设计成施加射流表面的有效变形，而不是微小的调节：特别地，支承压电装置的壁的几何形状和空间尺寸，限制通道，室内限定的油墨容量和喷嘴直径都有目的地限定。 
特别适合于本发明的液滴发生器10在图1中示出。加压油墨12供应给发生器10内的第二容器14；容器14将油墨12分配给喷嘴16的网络，仅有一个喷嘴在图1A的截面图中示出。每个喷嘴16由单独的包括一序列沟槽的液压路径供应；特别地，一个沟槽18执行限制功能，并且第二沟槽20是激励沟槽，换句话说，填充有油墨12的腔室其中的一个面例如膜22，在压电装置24的作用下变形。 
容纳在室20中的油墨容量根据压电装置24(其本身由电压控制)的作用发生变化：该作用的效果是调节由喷嘴16喷射的液体射流的半 径。射流半径的调节控制射流断裂成液滴。 
该发生器适用于形成大量射流：图1B表示与喷嘴16的排列关联的室20a、20b、20c的序列。优选地，得自发生器10的每个射流可通过与每个室20i关联的压电装置24i以类似的方式单独控制，可以使用单个膜22或多个膜22。例如，室20i相互邻近并且通过防止两个相邻室之间的液体相互连通的分离壁26分离；见图1C。 
如果没有激励，油墨12流动通过每个喷嘴16形成连续的圆柱形液体射流28，其平均直径为2·R28，其平均速度为V28。每个射流28自然地对于长于限制值的波长λ不稳定；该不稳定性标准通过Lord WSRayleigh(Proceedings of the London Math.Soc.1879；X：4-13)确定，如果射流28的振动波长λ大于或等于射流的周长(λ≥2·п·R28)是值得注意的。 
当称为激励信号的电信号施加到压电装置上24上时，依靠液体的表面张力，每个射流28以受控制的方式断裂成片段30，该片段将成为液滴32，从而改变喷嘴16附近的油墨12的压力；因此，如图2所示，液体的连续射流28按需要由施加到压电装置24上的很短的电压脉冲打断。脉冲持续时间τ和射流的前进速度V28组合，以远小于最佳波长λopt的长度l(l＝V28·τ)干扰射流的部分，其中对于最佳波长，射流28最不稳定；最佳波长λopt接近9·R28(其中R28是射流的平均半径)。特别地，选择τ＜＜4.5·R28/V28，或甚至τ＜＜2·R28/V28或甚至τ≤R28/V28；断裂长度d代表在射流28的激励部分之后和使射流产生断裂的长度l(不稳定区域)之间的距离。两个连续的断裂产生射流片段30；射流片段30基本是和其从射流28上分离时相同的圆柱形状，片段的形状因素是使得其长度L大于其直径2·R28(在任何情况下，片段没有通常的类似球形的形状，例如在文献US 4346387(Herz)中公开的，其中当到达其尺寸时液滴从射流分离，该尺寸也就是由于频繁激励而在两个收缩之间的射流的直径)。
优选地，通过正确地结合电信号的极性和压电装置24的极化方向，脉冲引起射流半径28的局部限制。施加限制的优势是通过使射流的激励区域l变细而引起射流28的唯一断裂。由于激励水平，表面张力快速作用，其最小化油墨12的其它特性对不稳定长度l的影响，从而基于有不同物理特性的溶液12，诸如水、酒精、丙酮等基础的液体，在离开喷嘴16相同距离d处，形成从射流28发出的片段30和液滴32；因此如果油墨改变，则打印头设置的变化相应地减少。 
作为示例性应用，用于直径为2·R28＝35μm且以平均速度V28＝10m/s移动的射流的方形脉冲持续时间将是τ＝2μs。激励的射流部分的长度将是1＝20μm(与160μm的最佳波长相比)。 
优选依据本发明，激励信号仅包括两个电压水平，也就是具有脉冲持续时间τ的信号的参考电平0和幅度A：该信号是“固定幅度频率调制”类型。激励信号由连续的脉冲组成，特别是时间间隔T的方形脉冲，已知τ＜＜T。周期T和射流28的前进速度V28相结合限定射流片段30的长度L＝V28·T，其确定随后由片段30形成的液滴32的尺寸。优选地，片段30的长度L大于最佳波长λopt。 
引发射流扰动的压电装置24是固有地压电型的；其利用低电压电 控制装置，典型地少于30V。此外，由于依据本发明的激励模式，每个脉冲持续时间τ引起射流28的受迫断裂，断裂位置是唯一的或基本唯一的，断裂位置是在从喷嘴板16离开距离d处，而不用考虑液滴32的尺寸；这是产生短断裂距离d的很强激励率，特别是d≤5·λopt。此外，激励效果是使得压电装置24使射流变形大于在喷嘴16处射流直径2·R28的20％；因此，射流28自由表面的变形在从喷嘴16处排出时是清楚可见的。 
与前面的条件结合，激励脉冲信号在特定点打破连续的射流28，而不产生任何附加的卫星点和墨滴。通过重复这种激励模式，脉冲按需要将连续的射流28打破成为圆柱形片段30，片段长度L仅与分隔两个连续脉冲的时间间隔T有关；从一个脉冲到另一个的持续时间T根据需要可以不同，因此产生可变长度的片段30。 
此外，为了最小化由于机械原因在邻近或接近的射流之间的产生的干扰(例如源自两个相邻室20a、20b的射流)，这对于利用一系列脉冲而不是频率为1/T的相似信号来产生一序列液滴32特别有利。在这种脉冲条件下，衰减系数和材料硬度趋向于随着频率增加。对于多射流设备10，依据本发明的激励条件在机械方面和振动串扰方面提供优秀的健壮性(robustness)。因此，由干扰引发的断裂位置(射流28的断裂是由于对应该射流的压电装置24停止而相邻的压电装置24i激活产生的)是从喷嘴板(喷射孔16)离开等于至少25倍最佳波长λopt；由于对于操作的标称断裂距离d很短，在5倍最佳波长λopt的等级，这些干扰现象很弱，并且对该方法的操作没有很大影响。 
为了进一步减少且平衡射流之间的干扰率，压电装置元件24i的宽度稍微大于相应的室20i的宽度，从而对分离它们的侧壁26施加压力，并且因此便于压电装置24的弯曲操作。也优选避免使压电装置24i的宽度精确地等于室20i的宽度，由于室20从压电装置24在水平方向上轻微的偏移会显著地改变干扰率。通过使压电装置24与使室20分离的侧壁26轻微重叠，例如分离壁26宽度的10到20％级别的距离，并且特别是15％的该宽度，可获得干扰率最好的均匀性。 
由于依据本发明的发生器，干扰率最小化，使得当使用多射流时，在一个射流上的作用很少影响到相邻射流，因此射流控制电子设备简化，由于控制信号不需要被校正，作为相邻射流喷射构造的函数。 
公开的发生器适用于形成射流28的排列，典型地位于同一平面上的间距为250μm的100个射流。源自加压液体12的速度为10m/s的射流流出直径为35μm的喷嘴16。每个射流28由相互独立的压电装置24控制而断裂成具有预定长度的片段30。 
依据本发明的发生器带来下面的优势，同时克服背景技术中提到的缺点： 
-可能将连续的射流28断裂成长度L可按需要以高频率调整的片段30，片段30是L＞2·R28的基本圆柱形状。依据片段30的长度L，由片段30的收缩而产生的液滴32的尺寸，可在很宽的范围内且很精确地变化。其优势在于： 
●当打印时，由于液滴32的撞击尺寸可变，亮度的不同程度的灰度和视觉表现得到改善； 
●根据一个变量，液滴32的体积可被调整以保持在基板上固定的撞击直径，其中基板可以是不同材料的，诸如能吸收的，不能吸收的或纤维性介质等。 
-通过很低能量和产生很低热量的很短持续时间的电子脉冲对压电装置24进行控制，这可防止油墨12质量的改变。 
-通过有效地消散可由压电装置24产生的少量热量，液滴发生器10中液体12的持久环流稳定操作温度，其改善液滴发生器10的可靠性和再现性。 
-相邻压电装置24i之间的耦合程度低，使得对于多射流设备10，射流28的断裂与相邻射流相互独立。与按需滴落技术不同，干扰不会扰乱液滴喷射和形成条件，这样液滴发生器10的操作简单且健壮。 
-激励功效导致射流28的很短的断裂长度d，其首先减少射流/液滴的方向性约束，并且其次最小化油墨12特性的影响。 
-与现有技术不同，不利用传统的毛细不稳定现象，液滴发生器10的操作兼容多种物理化学特性的油墨12，并且特别地可有效打断高粘性油墨射流。 

Claims (13)

1.一种用于喷射处于液滴形式的液体的方法，包括：
-室(20)中的液体的加压，该室提供有至少一个排出喷嘴(16)，使得具有平均半径(R28)的至少一个射流(28)从室(20)以一定速度(V28)通过喷嘴(16)排出；
-射流(28)的干扰，通过激励脉冲，使得射流(28)在射流断裂位置处被打断，脉冲持续时间τ＜＜4.5·R28/V28，并且射流(28)的直径变形的幅度大于从喷嘴(16)排出处的平均射流直径的20％。
2.根据权利要求1的方法，包括射流(28)的干扰，通过间隔等于时间周期(T)的多个连续激励脉冲进行。
3.根据权利要求2的方法，其中在时间周期(T)期间产生的片段(30)的长度(L)大于9倍的射流平均半径。
4.根据权利要求2至3中任何一项的方法，其中分离每个脉冲的时间周期(T)改变从而产生有不同直径的液滴(32)。
5.根据权利要求4的方法，其中每个脉冲具有恒定的幅度(A)。
6.根据权利要求1的方法，其中通过激发安装于室(20)的压电装置(24)干扰射流(28)。
7.根据权利要求6的方法，其中激励脉冲的极性与压电装置(24)的极化方向结合，使得在射流(28)上的干扰是射流(28)的局部限制。
8.一种用于从射流的排列产生液滴的方法，包括根据权利要求1至7中任何一项的独立的同时发生的液滴喷射。
9.一种喷墨打印方法，包括根据权利要求1至8中任何一项的液滴的产生。
10.一种产生液滴排列的设备(10)，包括多个相邻的容纳加压液体且通过壁(26)相互分离的室(20)，每个室向喷嘴(16)供给液体(12)以形成液体的连续射流(28)，每个室包括与喷嘴(16)相对的壁(22)，其支持压电装置(24)以干扰射流(28)并且因此产生具有可调长度(L)的射流片段(30)，压电装置(24)的表面使得压电装置(24)至少与室(20)的每个分离壁(26)的部分重叠，以及连接到每个压电装置(24)的用于产生低电压脉冲的装置。
11.根据权利要求10所述的设备，其中压电装置(24)与每个分离壁(26)的厚度的10到20％重叠。
12.根据权利要求10或11中任何一项的设备，还包括供应多个室(20)的单个油墨箱(14)。
13.一种喷墨打印头，包括根据权利要求10至12中任何一项的设备。
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