CN102218909A - 串扰减少的喷射装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种串扰减少的喷射装置。用于喷射液体的印刷装置包括：具有多个喷射流路的流路主体；在所述多个喷射流路中的液体；与每一个喷射流路关联的压电致动器；具有多个流体入口的供给基底；和被配置成对压电致动器施加电压脉冲的驱动器。第一喷射流路邻近第二喷射流路，并且从第一喷射流路的压电致动器至第二喷射流路的喷嘴的流体移动距离大于在液体中的声速乘以流体的滴自所述喷嘴的离开时间。

Description

串扰减少的喷射装置

技术领域

本发明描述了流体喷射装置。

背景技术

在一些液体喷射装置中，将液体滴从一个或多个喷嘴喷射到介质上。喷嘴流体连接至流路，该流路包括流体泵送室。流体泵送室可以通过致动器致动，这引起液体滴的喷射。介质可以相对于液体喷射装置移动。液体滴从特定的喷嘴的喷射是随着介质的移动定时的，从而将液体滴放置在介质上的所需位置。在这些液体喷射装置中，通常适宜的是，在相同方向上喷射均匀尺寸和速度的液体滴，以在介质上提供液体滴的均匀沉积。

发明内容

在一个方面中，用于喷射液体的印刷装置包括：具有多个喷射流路的流路主体；在所述多个喷射流路中的液体；与每一个喷射流路关联的压电致动器；具有多个流体入口的供给基底，其中与喷射流路关联的压电致动器在流路主体和供给基底之间；和被配置成对压电致动器施加电压脉冲的驱动器，所述电压脉冲导致液体离开喷嘴的离开时间。所述多个喷射流路包括第一喷射流路和第二喷射流路，每一个喷射流路具有流体连接至泵送室的喷嘴，并且所述泵送室流体连接至流体流动通道。泵送室邻近压电致动器。第一喷射流路的第一流体流动通道流体连接至多个流体入口的第一流体入口，并且第二喷射流路的第二流体流动通道流体连接至多个流体入口的第二流体入口。第一喷射流路邻近第二喷射流路，并且从第一喷射流路的压电致动器至第二喷射流路的喷嘴的流体移动距离大于在液体中的声速乘以流体滴自喷嘴的离开时间。

实施方案可以包括一个或多个下列特征。所述距离可以是至少1mm。在液体中的声速可以在1000至1600m/s之间。滴的离开时间可以在1至 200微秒之间。喷嘴直径可以在1至100微米之间。泵送室中的每一个可以具有从与压电致动器相邻的区域延伸至喷嘴的长度，流体入口中的每一个可以具有长轴，并且长轴和各个泵送室的长度彼此平行。每一个喷射流路可以被构造成喷射尺寸在0.01至100皮升之间的滴。流路主体可以包括列和行的阵列形式的喷嘴。在阵列中的相邻喷嘴可以相隔小于1mm，例如小于500微米。其中形成流体入口和出口的供给基底可以是至少2mm厚，例如，至少5mm厚。从第一喷射流路的压电致动器至第二喷射流路的喷嘴的路径长度的至少80％可以贯穿供给基底。流路主体可以具有外表面，所述外表面具有喷射流路的喷嘴，并且在供给基底中的多个流体入口可以垂直于外表面延伸。流路主体可以具有外表面，所述外表面具有喷射流路的喷嘴，并且从第一喷射流路的压电致动器至第二喷射流路的喷嘴的路径长度的至少80％可以垂直于该外表面。驱动器可以被构造成施加一连串的射出脉冲或启动脉冲(fire pulse)，并且脉冲之间的间隔可以为射出脉冲的宽度的至少2倍。

在另一个方面中，组装印刷装置的方法包括：选择从驱动器施加到印刷装置中的压电致动器的电压脉冲；确定由电压脉冲导致的液体离开喷嘴的离开时间；选择用于从印刷装置喷射的液体；计算液体中的声速乘以液体滴的离开时间；将流路主体连接至供给基底，所述流路主体包括第一喷射流路和相邻的第二喷射流路，每一个喷射流路具有喷嘴，所述喷嘴流体连接至通过压电致动器致动的泵送室，所述供给基底具有连接至第一流路的第一流体入口和连接至第二流路的第二流体入口；和选择供给基底的厚度，使得从第一喷射流路的压电致动器至第二喷射流路的喷嘴的流体移动距离大于流体中的声速乘以所述流体的滴自喷嘴的离开时间。

在另一个方面中，组装印刷装置的方法包括：在流路主体中形成多个喷射流路，所述多个喷射流路包括第一喷射流路和第二喷射流路，第一喷射流路与第二喷射流路相邻，每个喷射流路具有喷嘴，所述喷嘴流体连接至泵送室，所述泵送室流体连接至流体流动通道；形成邻接每一个泵送室的压电致动器；在供给基底中形成多个流体入口，所述多个流体入口包括第一流体入口和第二流体入口；将供给基底固定到流路主体，使得第一流体入口连接至第一流路并且第二流体入口连接至第二流路；和连接驱动 器，所述驱动器被构造成对压电致动器施加电压脉冲，所述电压脉冲导致液体离开喷嘴的离开时间。从第一喷射流路的压电致动器至第二喷射流路的喷嘴的流体移动距离大于液体中的声速乘以所述流体的滴自喷嘴的离开时间。

实施方案可以包括一个或多个下列特征。在流路主体中的相邻喷嘴可以相隔小于1mm。其中形成流体入口和出口的供给基底的厚度可以大于2mm。

在本文中所述的装置的优点可以包括下列中的一个或多个。使用所述的结构布置，可以减少或消除在相邻的喷射流路之间的流体串扰。减少或消除流体串扰可以改善滴喷射均匀性和精度。改善的滴喷射均匀性和精度可以导致要被印刷的图像的更精确再现。

在下面的附图和描述中阐述一个或多个实施方案的细节。从说明书和附图以及从权利要求中，其它特征、目的和优点将是明显的。

附图说明

图1是处于静止状态的液体喷射装置的一部分的示意性截面图。

图2是在一个喷射器处于填充状态的情况下的液体喷射装置的一部分的示意性截面图。

图3是在一个喷射器处于喷射状态的情况下的液体喷射装置的一部分的示意性截面图。

图4是在两个相邻的喷射器的每一处，射出脉冲例如电压作为时间的函数的图示。

图5是在两个相邻的喷射器处的弯月面高度的图示。

图6是压力波强度随时间变化的图示。

图7是没有膜层的流路主体(fluid body)的平面图。

图8是印刷头的透视图的横截面。

在各个图中相同的附图标记表示相同的元件。

具体实施方式

在液体滴喷射中，当启动位于泵送室上方的致动器时，压力波通过泵 送室朝喷嘴传播。一些来自压力波的能量能传播到流体入口通道中，该通道流体连接至泵送室。同样，一些能量能通过流体出口通道传播。在一些喷射装置中，流体入口通道与流体供应件(fluid supply)流体连接，并且流体出口与流体返回件(fluid return)流体连接。相邻的喷射流路也流体连接至流体供应件。能量传播可能导致在流体入口通道中的压力波从一个喷射流路通过流体供应件或返回件进入相邻喷射流路的流体入口或出口通道。这种能量的传递可能导致在相邻的喷射流路之间的流体串扰，这可能不利地影响流体滴喷射性能。流体喷射性能可以通过以优化一个喷射流路的致动器至相邻喷射流路的喷嘴之间的距离的方式改变印刷头的构造而控制。

流体滴喷射可以使用包括流路主体、膜和喷嘴层的基底实现。流路主体中形成有流路或喷射流路，喷射流路可以包括流体流动通道和流体泵送室。在一些实施方案中，流体流路包括上升部和下降部以及流体流动通道，或代替流体流动通道的上升部和下降部。可以将流路进行微制造。致动器可以位于所述膜的与流路主体相反的表面上并且紧邻流体泵送室。当致动致动器时，致动器对泵送室提供射出脉冲，以使流体滴通过喷嘴喷射。通常，流路主体包括多个流路和喷嘴。

流体滴喷射系统可以包括所述的流路主体。该系统还可以包括用于基底的流体源以及用于流经流路主体但是不从流路主体的喷嘴喷出的流体的返回件。可以将流体储存器与流路主体流体连接，用于向流路主体供应流体如墨水用于喷射。从流路主体流动的流体可以被导向到流体返回箱。流体可以是例如化合物、生物物质或墨水。

参考图1，显示了用于喷射流体的印刷头100的一个实施方案。印刷头100包括流路主体110，流路主体110中形成泵送室120。一个或两个流体流动通道流体连接至泵送室120。第一流体流动通道130a可以从流体供应件150对泵送室120提供流体。第二流体流动通道130b可以使流体从泵送室120向流体返回件151移动。供给基底160位于流路主体110上，在液体供应件150与流路主体110之间。在供给基底160中的流体入口175流体连接至流体流动通道130a，并且提供在泵送室120和流体供应件150之间的流路。任选地，在供给基底160中的流体出口180流体连接至流体流动通道130b，该流体流动通道130b也允许液体从泵送室120流向流体返回件151。流体供应 件150和流体返回件151流体连接至流体储存器(未显示)。入口175连接至流体供应件150，而出口180连接至流体返回件151。入口175和出口180可以是贯穿供给基底160的通道，所述通道垂直于其中形成喷嘴的外表面192延伸。在一些实施方案中，流体供应件150和流体返回件151可以是主体中的通道，所述通道与其中形成喷嘴的外表面192平行延伸。在一些实施方案中，流体供应件150和流体返回件151可以是在主体中的通道，所述通道垂直于供给基底160中的流体入口175和流体出口180延伸。在一些实施方案中，在操作中，在流体供应件150中的流体在与流体返回件151中的流体相反的方向上移动，例如，流体供应件150和流体返回件151的口可以位于其中形成流体供应和流体返回通道的主体的相反端。在一些实施方案中，供给基底160包括电连接件，例如用于连接至流路主体110上的致动器的电连接件。在一些实施方案中，供给基底160为ASIC层。

换能器如压电致动器125邻近泵送室120。压电致动器125可以包括压电材料的层，例如钛酸锆铅(PZT)的层，导电线路(trace)和接地电极。为了简化起见，未显示导电线路和接地电极。可以在致动器125的导电线路和接地电极之间施加电压，以向致动器125施加电压，从而致动致动器125。驱动器(未显示)可以将电压施加到致动器上。致动器125在膜层185上形成。喷嘴190在泵送室120的与致动器125相反的端部。任选地，在连接至流路主体110的喷嘴板195中形成喷嘴190。喷嘴190在喷嘴板195的外表面192中具有喷嘴出口。喷嘴190的直径可以介于1至100微米之间。印刷头100可以包括多个流路145(其可以被认为包括流体流动通道130和流体入口175或流体出口180)，如数十、数百乃至数千流路。在印刷头中的流路子集(subset)可以全部流体连接至单个流体供应件150。在印刷头中的流路子集可以全部流体连接至单个流体返回件151。

参考图2，使压电致动器125致动以填充泵送室120。仅仅显示了在最左边的致动器是致动的。所示的压电致动器125包括压电材料的层，可以启动该压电材料的层而在平行于膜层185的主表面的方向上伸展或伸长。同时地，压电材料的启动使得该材料变得更薄。压电材料的这种伸长和薄化将膜层185的一部分拉向压电致动器125并且更远离喷嘴。远离泵送室的膜的这种拉动使得泵送室120扩大，进而拉动液体从流体供应件150进入泵 送室120。参见液体的移动方向的箭头210。

在图3中显示了下一个使致动器致动的步骤。同样，只有在最左边的致动器显示为是致动的。这里，在压电材料上施加偏压以使材料缩短和变厚。这推动部分膜层进入泵送室120。由于将膜推到泵送室120中，迫使液体从喷嘴190出来。备选地，在致动器伸长之后，致动器可以返回至静止位置，这也迫使液体从喷嘴190出来。参见压力波和液体的移动方向的箭头220。

从启动压电致动器125的流路中的泵送室120的喷嘴190流出的液体在离开时间t_bo与喷嘴190中的液体脱离。离开时间t_bo可以通过测试印刷头而确定，但是大致取决于喷嘴直径、液体的表面张力、粘度和密度。例如，小喷嘴直径、低粘度、低密度和高表面张力可能导致较短的离开时间t_bo。对于2皮升滴的离开时间t_bo趋于在1至200微秒之间，例如在5至20微秒之间，例如约5微秒。对于0.1-1皮升滴的离开时间t_bo趋于在1至200微秒之间，例如在1至20微秒之间，例如约2微秒。在一些实施方案中，滴尺寸可以介于1至10皮升之间。

与致动器产生迫使液体从流路中的喷嘴190出来的压力波同时，致动器将压力波从泵送室的与流体流动通道130a相接的边缘传播。压力波移动通过流体流动通道130a并且通过流体入口175。一旦压力波遇到流体供应件150，压力波就可以进入任何流体连接至流体供应件150的流体入口。压力波在与引起压力波的流路邻近的流路具有最大的强度。压力波移动如箭头230所示。类似地，压力波移动通过流体流动通道130b并且通过流体出口180。一旦压力波遇到流体返回件151，压力波就可以进入任何流体连接至流体返回件151的流体出口。

进入相邻的流路的压力波可以引起流体串扰。然而，如果在流路之间存在足够长的路径长度，这种串扰可以减轻。特别是，如果从泵送室的所述边缘或第一流路中压力波传播开始的区域的边缘至第二流路的喷嘴的流体移动距离足够长，则可以减轻串扰。具体而言，路径长度L是从第一喷射器的致动器至第二喷射器的喷嘴的出口。第一和第二流路可以是相邻流路，或可以比相邻的流路彼此更远离。只要长度L大于液体中的声速c乘以离开时间t_bo，就可以减少串扰使得其没有不利地影响喷射。因此，

L＞c*t_bo                (式1)

对于该式，离开时间t_bo被定义为从射出脉冲开始至滴分离的时间。假定t_bo为5微秒，并且在液体中的声速为1400m/s，则在此时间内压力波可以传播的最大距离为7mm。液体典型地具有约1000-1600m/s的声速。因此，如果在液体中的声速为1000m/s并且离开时间为1微秒，则L至少为1mm。如果在液体中的声速为1400m/s并且离开时间为2微秒，则L至少为2.8mm。在一些实施方案中，在流路主体内的每一对喷射流路的长度L大于液体中的声速乘以离开时间。

参考图4，显示了示例性射出脉冲。这种射出脉冲可以使得压电致动器从其如图1中所示的初始形状变形至如图2中所示的形状，然后回到图1中所示的形状。使第一流路或第一喷射器致动以迫使液体从其喷嘴出来。第二流路或第二喷射器未被致动，因为没有液体从其喷嘴喷出。在时间310和320之间，第一喷射器的致动器将液体吸到泵送室中。在时间330和340之间，致动器将液体从泵送室和喷嘴排出。同时，没有第二喷射器的致动器的致动。

参考图5，显示了射出脉冲对喷射器中的液体的弯月面的影响。在第一喷射器中，随着泵送室的填充，弯月面被稍微拉入。对齐图4和5，从而在射出脉冲的填充部分之后，弯月面开始被向内拉。弯月面的向内方向显示为低于水平时间线。在射出脉冲变化而引起喷射之后，则弯月面伸出喷嘴，其显示为在水平时间线上延伸的弯月面曲线。在离开时间t_bo，弯月面返回至喷嘴附近。

如果路径长度L太短，即如果路径长度不大于c*t_bo，则在第一喷射器离开时间t_bo之前，第二喷射器中的弯月面开始从喷射器伸出。这显示为在时间360开始的曲线。但是，如果路径长度大于c*t_bo，则在该同一射出脉冲上不引起流体串扰。这显示为在时间370开始的曲线。在这后一种情况下，尽管可能对在后的脉冲有一些串扰，但是已经经过了多得多的时间，并且压力波将明显消散，如图6中所示。因此，对相邻喷射器的弯月面的影响很小。在最大射出速率或启动速率，脉冲间的间隔至少为射出脉冲宽度的2倍，例如射出脉冲宽度的3至5倍。因为在此时帧或时间范围内残留的压力波衰减，因此串扰大大减少。此外，因为在印刷头中的多个 致动器可能在不同的时间启动，因此当竞争压力波彼此干扰时，可以减轻串扰。

在一些实施方案中，流路的长度L在喷射器之间增加，原因在于使该长度的至少一半沿着平行于液体从喷射器喷出的方向的路径。当喷射器非常密集地装配在一起时，例如当喷射器处于二维阵列或喷射器矩阵时，其中每一个喷射器喷嘴距离相邻的喷射器喷嘴小于1mm例如小于500微米，例如小于200微米，例如小于100微米，此时，流路的长度主要为流体入口和出口长度。在一些实施方案中，其中形成流体入口和出口的供给基底的厚度大于700微米。在一些实施方案中，供给基底直接邻接流路主体110和其中形成流体供应通道150和流体返回通道151的主体。任选地，在相邻喷嘴之间的间距可以大于40微米。

参考图7，流路主体110显示为具有泵送室120和喷嘴190。泵送室120通过通道130供给，该通道130连接至入口710或出口720。泵送室120和喷嘴190以行和列的阵列形式排列。

参考图8，流路主体110显示为连接至供给基底160，供给基底160中具有流体入口175和流体出口180。在流路主体中的流体流动通道130长度远小于供给基底160中的流体入口175的长度810。泵送室长度820平行于流体入口和流体出口长度。如所示的，路径长度L至少为供给基底160的厚度的2倍，其中供给基底160的厚度在与滴从喷嘴喷射的方向平行的方向上。因此，可以选择供给基底160的厚度以确保满足式L＞c*t_bo，从而最小化串扰。备选地，或另外，喷射流路可以被移动而彼此更远离。但是，这种解决方案可能降低喷嘴的紧密堆积，因此，减少印刷头能够印刷的滴数/英寸。因此，为了保持至少为90dpi或4个喷嘴/mm的喷嘴的线性阵列的堆积并且结合所述流路结构，供给基底160的厚度可以为至少2mm厚，例如至少5mm厚，例如至少6mm或7mm厚。

已经描述了本发明的许多实施方案。然而，应理解，可以在不偏离本发明的精神和范围的情况下进行各种修改。例如，如本文中所述的，路径长度L从第一流路的邻近其压电致动器的部分延伸，通过第二流路的邻近第二流路的压电致动器的部分，并且终止于第二流路的喷嘴。路径长度L的至少80％，例如大于路径长度的90％，或大于路径长度的95％，可以定 向在相同的方向上，例如垂直或正交于喷嘴板主表面或覆盖泵送室的膜的主表面。因为可以以几乎任意的厚度制备供给基底，因此可以通过使用更厚的供给基底增加路径长度L。路径长度L的至少80％，例如大于路径长度的90％，或大于路径长度的95％，可以通过供给基底中的流体入口和流体出口。因此，其它实施方案在后附权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种用于喷射液体的印刷装置，其包括：

包括多个喷射流路的流路主体，其中所述多个喷射流路包括第一喷射流路和第二喷射流路，每一个喷射流路具有流体连接至泵送室的喷嘴，并且所述泵送室流体连接至流体流动通道；

在所述多个喷射流路中的液体；

与每一个喷射流路关联的压电致动器，其中所述泵送室邻近所述压电致动器；和

具有多个流体入口的供给基底，其中与喷射流路关联的所述压电致动器在所述流路主体和所述供给基底之间；和

被配置成对所述压电致动器施加电压脉冲的驱动器，所述电压脉冲导致所述液体离开所述喷嘴的离开时间，其中：

第一喷射流路的第一流体流动通道与所述多个流体入口的第一流体入口流体连接，并且第二喷射流路的第二流体流动通道与所述多个流体入口的第二流体入口流体连接，其中第一喷射流路邻近第二喷射流路，并且从第一喷射流路的压电致动器至第二喷射流路的喷嘴的流体移动距离大于在所述液体中的声速乘以所述流体的滴自所述喷嘴的离开时间。

2.权利要求1所述的印刷装置，其中所述距离是至少1mm。

3.权利要求1所述的印刷装置，其中在所述液体中的所述声速介于1000和1600m/s之间。

4.权利要求3所述的印刷装置，其中所述滴的离开时间介于1和200微秒之间。

5.权利要求1所述的印刷装置，其中所述喷嘴的直径介于1和100微米之间。

6.权利要求1所述的印刷装置，其中所述泵送室中的每一个具有从与所述压电致动器相邻的区域延伸至所述喷嘴的长度，并且所述流体入口中的每一个具有长轴，其中所述长轴和各个泵送室的所述长度彼此平行。

7.权利要求1所述的印刷装置，其中每一个喷射流路被构造成喷射尺寸介于0.01和100皮升之间的滴。

8.权利要求1所述的印刷装置，其中流路主体包括具有列和行的阵列形式的喷嘴。

9.权利要求8所述的印刷装置，其中在阵列中的相邻喷嘴相隔小于1mm。

10.权利要求9所述的印刷装置，其中在阵列中的相邻喷嘴相隔小于500微米。

11.权利要求9所述的印刷装置，其中，其中形成所述流体入口和出口的供给基底是至少2mm厚。

12.权利要求11所述的印刷装置，其中所述供给基底是至少5mm厚。

13.权利要求1所述的印刷装置，其中从第一喷射流路的压电致动器至第二喷射流路的喷嘴的路径长度的至少80％贯穿所述供给基底。

14.权利要求1所述的印刷装置，其中所述流路主体具有外表面，所述外表面具有所述喷射流路的喷嘴，并且在所述供给基底中的多个流体入口垂直于所述外表面延伸。

15.权利要求1所述的印刷装置，其中所述流路主体具有外表面，所述外表面具有所述喷射流路的喷嘴，并且从第一喷射流路的压电致动器至第二喷射流路的喷嘴的路径长度的至少80％垂直于所述外表面。

16.权利要求1所述的印刷装置，其中所述驱动器被构造成施加一连串的射出脉冲，并且所述脉冲之间的间隔为所述射出脉冲的宽度的至少2倍。

17.一种组装印刷装置的方法，所述方法包括：

选择从驱动器施加到印刷装置中的压电致动器的电压脉冲；

确定由所述电压脉冲导致的液体离开喷嘴的离开时间；

选择用于从印刷装置喷射的液体；

计算所述液体中的声速乘以所述液体的滴的离开时间；

将流路主体连接至供给基底，所述流路主体包括第一喷射流路和相邻的第二喷射流路，每一个喷射流路具有喷嘴，所述喷嘴与通过压电致动器致动的泵送室流体连接，所述供给基底具有连接至第一流路的第一流体入口和连接至第二流路的第二流体入口；和

选择供给基底的厚度，使得从第一喷射流路的压电致动器至第二喷射流路的喷嘴的流体移动距离大于所述流体中的声速乘以所述流体的滴自所述喷嘴的离开时间。

18.一种组装印刷装置的方法，所述方法包括：

在流路主体中形成多个喷射流路，其中所述多个喷射流路包括第一喷射流路和第二喷射流路，第一喷射流路与第二喷射流路相邻，各个喷射流路具有喷嘴，所述喷嘴流体连接至泵送室，所述泵送室流体连接至流体流动通道；

形成邻近每一个泵送室的压电致动器；

在供给基底中形成多个流体入口，所述多个流体入口包括第一流体入口和第二流体入口；

将所述供给基底固定到所述流路主体，使得第一流体入口连接至第一流路并且第二流体入口连接至第二流路；和

连接驱动器，所述驱动器被构造成对压电致动器施加电压脉冲，所述电压脉冲导致液体离开喷嘴的离开时间；

其中从第一喷射流路的压电致动器至第二喷射流路的喷嘴的流体移动距离大于所述液体中的声速乘以所述流体的滴自所述喷嘴的离开时间。

19.权利要求18所述的方法，其中在所述流路主体中的相邻喷嘴相隔小于1mm。

20.权利要求19所述的方法，其中其中形成所述流体入口和出口的供给基底的厚度大于2mm。

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