CN102458861A

CN102458861A - 用于产生具有缩小尾部的墨滴的打印头

Info

Publication number: CN102458861A
Application number: CN2009801602462A
Authority: CN
Inventors: A.I-T.潘; E.D.托尔尼艾宁
Original assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 2009-04-30
Filing date: 2009-04-30
Publication date: 2012-05-16
Also published as: JP2012525287A; US8573749B2; WO2010126520A1; JP5555767B2; US20120092421A1

Abstract

一种用于喷墨打印过程的打印头（10），包括：衬底（12），其具有限定于其中的至少一个给墨口（14）；与给墨口（14）可操作地流体连通的墨室（16）；以及布置在衬底（12）的一部分（P₁）上的喷嘴板（18）。喷嘴板（18）具有限定于其中的多个喷口（20）。打印头（10）进一步包括：喷发电阻（22），其布置在衬底（12）另一部分（P₂）上且接近于给墨口（14）；以及障壁结构（24），其布置在衬底（12）的另一部分（P₂）上且与喷发电阻（22）相邻定位。

Description

用于产生具有缩小尾部的墨滴的打印头

技术领域

本公开内容一般性地涉及用于产生具有缩小尾部的墨滴的打印头。

背景技术

喷墨打印是一种用于在打印介质上形成图像的数字打印方法。已知有多种不同的喷墨打印方法，其中之一包括热喷墨打印。在热喷墨打印中，可以通过使打印头内的一定体积的液体过热而使墨滴喷射在打印介质上。因此，过热的一定体积的液体产生墨泡，其在过热期间快速膨胀。在这样的膨胀期间，墨泡达到喷射压力，由此，墨滴从打印头喷射并且沉积在打印介质上。

附图说明

参考下文给出的详细描述和附图，本公开的实施例的特征和优点将变得更加清楚，附图中，相同的附图标记对应于相同或类似（尽管可能不同）的部件。为简明起见，对于具有之前描述功能的附图标记可能结合它们在其中出现的后续附图进行描述，也可能不再描述。

图1是根据本文公开的一个实施例的打印头的一部分的示意性横截面视图；

图2是图1所示的打印头部分的平面图；

图3A至3C是示意性地示出利用无障壁结构的打印头的喷墨过程的截图；

图4A至4C是示意性地示出利用本文所公开的具有5μm高度的障壁结构的打印头的实施例的喷射过程的截图；

图5A至5C是示意性地示出改变喷射过程期间无障壁结构的打印头的泡压力分布的截图；

图6A至6C是结合本文所公开的具有5μm高度的障壁结构的打印头的实施例示意性地示出在喷墨过程期间改变泡压力分布的截图；

图7是曲线图，其示出了障壁结构的高度对打印头的墨液倒流和再填充速率的影响；

图8是曲线图，其示出了障壁结构的高度对再填充速率(作为体积通量测量)的影响；和

图9是曲线图，其示出了打印头的囱道高度（stack height）和障壁高度对再填充速率（作为体积通量测量）的影响。

具体实施方式

本文公开的打印头的实施例包括有利地实现了墨液再填充速率和倒流之间均衡的障壁结构。特别地，本文公开的打印头（与无障壁结构的类似打印头架构相比）减少了倒流，同时通常增加了再填充速率。

图1示意性地示出了用于喷墨打印过程的打印头10的一部分的一个实施例。打印头10一般包括衬底12（例如，由硅或其他合适材料制成），衬底12具有限定于其中的至少一个给墨口14。在图1中示出了两个给墨口14，不过应该理解，可提供任何期望数目的给墨口14。给墨口14与墨室16可操作地流体连通。

墨室16被分成两部分：位于喷发电阻22（下面详细描述）之下的部分S₁和位于喷发电阻22之上的部分S₂。给墨口14从部分S₁向部分S₂供墨。墨室16一般配置成在喷墨打印期间从供墨器或墨源反复地接收墨液。在一个实例中，打印头10可以与墨盒合并成一体，并且墨室16从盛有例如一定体积的足量墨液的一个或多个供墨区和/或配置成将墨液存储在单个毛细管中的毛细介质接收墨液。在另一实例中，打印头10可以是（经由适当的管道等）操作连接到位于远处的供墨器的单独单元。这里打印头10的与供墨器相关的其它配置也是想象得到的。

打印头10进一步包括布置在衬底12的部分P₁上的喷嘴板18。在非限定性实例中，喷嘴板18包括多个喷口20（图1中示出了其中之一），其中每个喷口20具有入口直径D₁和出口直径D₂。喷口20一般与墨室16流体连通并且被配置成在喷墨过程期间通过其喷射墨滴（即在喷墨打印期间通过喷口20将墨液推动到打印头10外）。

喷发电阻22被布置在衬底12的另一部分P₂上且接近给墨口14。喷发电阻22还与喷口20可操作地相关联。虽然图1描绘了喷发电阻22与喷口20可操作地相关联，但应该理解，喷发电阻22还可以与多个喷口可操作地相关联。

图3A至3C是示意性地示出利用已知打印头的喷墨过程的一系列截图（分别取1μ秒、3μ秒和6μ秒）。在打印期间，一定体积的墨液从供墨器（未示出）传送到墨室16。在墨室16内部，喷发电阻22对墨液进行局部加热并且使其一部分蒸发。墨液的蒸发部分最终在墨室16的部分S₂中形成墨泡。随着墨泡在墨室16内膨胀，其中的压力（即泡压力）降低，直到墨泡达到这样的压力，即在该压力下，它i）排出到喷口20外面，或者ii）变得比大气压力低并破裂。就在墨泡排出或破裂之前，墨室16内的墨液的至少一部分以（图3A中示出的）墨滴I的形式被推动到喷嘴板18的喷口20外面。墨滴I从打印头10喷射所处的压力在这里被称为“喷射压力”。

在喷墨期间，当墨滴被喷射时，墨室16的部分S₂中的全部墨液可以被推动到喷口20外面。这样的流体喷射经常被称为“清洁模式热喷射”，并且在许多场合产生具有显著缩小的尾部的墨滴，或者在某些情况下产生基本上无尾部的墨滴。在非限制性实例中，具有缩小尾部的墨滴包括墨滴中实际包含的喷墨的至少大约90%。如这里所使用的，“无尾部液滴”或“基本上无尾部液滴”是没有尾部（即比主液滴小并且在喷射时跟随主液滴的次液滴）的液滴。尾部经常在接触打印介质前与主液滴分离，从而在主液滴周围形成附属物。应该理解，墨滴虽然基本上无尾部，但由于（至少部分由于）附接到喷嘴板18的毛细管墨液带，仍可以产生附属物。在将墨泡排出到喷口20外面的同时形成附属物的情况被称为过渡模式。

在另一实例中，位于墨室16的部分S₂中的墨液的一部分可以被推动到喷口20外面。这种流体喷射过程经常形成具有尾部T的墨滴I（如图3系列所示）。

仍然参见图3系列，在墨滴I已经从打印头10喷射后，墨泡连续膨胀，直到其排出或破裂。膨胀的泡还推动墨液朝向供墨器返回到墨室16的部分S₂中。墨液朝向供墨器返回的这种抽吸被称为“倒流”。如图3A至3C所示，当墨滴I和尾部T（如果有的话）从打印头10喷射时，倒流B随着时间的过去（例如，超过大约5μ秒）而增加。

应该理解，在墨滴已被喷射后，必须再填充墨室16的部分S₁中形成的空腔，这是因为i）墨液的喷射以及i）部分S₂中的墨液的倒流。对墨室16进行再填充的速率在这里被称为“再填充速率”，并且在某些场合下，可以用于描述打印头10的效率。然而，还应该理解，在某些情况下，大的倒流（例如，大约40pL）可以不利地影响再填充速率，从而影响打印头10的工作效率。进一步地，还应该理解，由倒流产生的存储在墨室16中的能量还可以影响墨室16的再填充速率。例如，随着该泡推动墨液返回到墨室16中，墨室16实际上正在被压缩。同样，类似于弹簧，室16会由于这个存储的能量而以与相同的压缩比率被弹回。因此，为了适当地、有效地操作打印头10，期望控制倒流。下面进一步讨论平衡倒流量和再填充速率的问题。

在不受任何理论桎梏的情况下，发明人认为通过改变打印头10的泡压力分布或配置，可以在形成墨滴I后显著减少墨液的倒流。进一步认为在喷射之后，这种减少一般增加（或者在某种情况下至少维持）墨室16的再填充速率，从而实质上增加了打印头10的操作或喷发效率。因此，本文所公开的打印头10的实施例以如下方式被有利地构造，即足以适当地改变泡压力分布。进一步地，在喷射过程期间，这种改变的泡压力分布使得能够形成具有缩小尾部的墨滴，或者在某些情况下，形成基本上无尾部的墨滴。

本公开的发明人还出乎意料地且偶然地确定，改变泡压力的分布可以通过将障壁结构24布置在衬底12的部分P₂上与喷发电阻22相邻定位来实现。图1和图2中示出了障壁结构24的实施例。在实例中，障壁结构24充当打印头10内的障碍物，其将大部分的泡压力（从而墨液体积）朝向喷嘴板18的喷口20转移。朝向喷口20转移的压力合适地将墨滴驱动到打印头10外面并且在打印介质或表面上。进一步地，在当泡压力在其峰值时的泡膨胀之初，障壁结构24降低朝向供墨器返回的压力，直到当膨胀的泡内的压力下降时该泡增长超过障壁高度。转移的压力合适地朝向供墨器抽吸（或吹）返回未喷射的墨液。需要引起墨液倒流的压力的数量可以是任何足以克服供墨器的毛细管压力的压力。在非限制性实例中，需要引起倒流的压力的数量的范围为大约1atm至大约50atm。在另一非限制性实例中，需要引起流体倒流的压力的数量的范围为大约1.5atm至大约2.0atm。最优化这种倒流是可取的，以便可以在其后以合适的再填充速率为随后的墨滴喷射对墨室16进行再填充。在非限制性实例中，随后的墨滴喷射的合适的再填充频率大于大约24kHz。

更进一步认为障壁结构24的定位和几何形状也均影响改变泡压力的分布。仍然参见图1和2，在实施例中，障壁结构24包括基本平行的一对障壁条24_A和24_B，各形成为实心连续结构。障壁条24_A、24_B分别在喷发电阻22的相对侧26、28上（例如，在x方向上）从衬底12实质上垂直向外（例如，在y方向上）延伸。如图1和图2中描绘的实施例所示，障壁条24_A中的一个被布置成与喷发电阻22的一侧26相邻，并且障壁条24_B中的另一个布置成与喷发电阻22的相对侧28相邻。然而，应该理解，在这里，障壁结构24的适合将适当数量的泡压力朝向喷嘴板18的喷口20转移并降低朝向供墨器的压力的其它构造也是想象得到的。在非限制性实例中，障壁结构24可以是圆形的、椭圆形的、正方形的、矩形的、不规则碎片形等等。有了这样的几何形状，障壁结构24依然布置在衬底12上，但以足以实际上包围喷发电阻2的方式被定位。

利用以上描述的障壁结构24的任何构造，当墨滴形成时，障壁结构24将正在膨胀或增长的墨泡限制于其中。如果该障壁结构是一对障壁条24_A、24_B（图如1和2所示），则该墨泡被限制在这些带之间。当该泡排出或破裂时，限制该泡的障壁条24_A、24_B（或障壁结构24）实质上防止该泡压力被引向除了朝向喷口20或朝向供墨器返回之外的任何方向。换句话说，该泡压力被引向不同于障壁条24_A和24_B的侧边的方向。

图4A至4C是示意性地示出利用如图1和2所示的打印头10的实施例的喷墨过程的一系列截图（分别取1μ秒、3μ秒和6μ秒）。在该实例中，打印头10包括具有大约5μm高度的障壁结构24。与图3系列的打印头相比，当墨滴I利用根据本公开实施例的打印头10喷射时，倒流B显著降低（例如，降低了大约20pL（如图7中所示））。此外，图4C的墨滴I被形成而无尾部T或次墨滴。

图5系列和图6系列分别描绘了不包括障壁的打印头和根据本公开内容一个实施例的打印头10的平面图的截图。在图6系列中，使用了具有5μm高度的障壁结构。如图5系列所示，在喷射墨滴I期间（从1μ秒到6μ秒），通过给墨口14的泡的压力变化最小。在实例中，墨室中的大部分区域的泡的压力为大约800kPa，显示泡压力分摊到整个墨室。

另一方面，包括障壁结构24的打印头10在喷射期间改变泡压力的分布以便减少倒流。例如，如图6B所示，墨室16的大部分的泡压力为大约100kPa（以交叉阴影线示出），而墨室16的其它区域（以阴影示出）的泡压力为大约800kPa，显示在其它区域的压力已经朝向喷口20转移。

在图1和图2中示出的障壁结构24的实施例中，障壁条24_A、24_B还各具有从衬底12的表面30向外延伸的高度H。本公开的发明人还进一步发现障壁结构24的高度H还影响改变泡压力的分布，使得该压力的大部分朝向喷口22的方向转移。对于包括i）无障壁结构、ii）3μm高障壁结构、iii）5μm高障壁结构以及iii）7μm高障壁结构的打印头，在图7中示出了显示高度H对倒流的影响以及对再填充速率的影响的曲线图。当墨泡排出（其发生在大约10微秒到大约15微秒之间）时，包括3μm高障壁结构的打印头10的倒流为大约25pL，其显著小于不包括障壁结构的打印头的倒流（其为大约45pL或更多）。打印头10的倒流随着障壁结构的高度H的增加而减少。例如，包括5μm高障壁结构的打印头10的倒流为大约15pL，而包括7μm高障壁结构的打印头10的倒流为大约14pL。在非限制性实例中，包括障壁结构24的打印头10的倒流的范围为大约10pL至大约30pL，其比没有障壁结构的打印头的倒流显著减少。然而，应该理解，该倒流可以基于（至少部分基于）打印头10架构的液滴重量而不同。进一步应该理解，打印头10架构的液滴重量还是电阻22的大小的函数。

然而，应该理解，虽然较高的障壁结构（例如，7μm高障壁结构）趋向于减少倒流，但是这种较高的结构可能有害地影响针对随后墨滴喷射的墨室16的再填充速率。这种有害影响可以是由于（至少部分由于）这样的事实，即存在墨液必须跨过以便在给定时间周期内适当地再填充墨室16的更高的结构高度。这种影响还可以是由于（至少部分由于）较高的障壁结构的顶部与墨液必须相配通过以便填充墨室16的喷口20的内表面之间形成的较小开口。进一步地，（由于例如存储在墨室16中引起其压缩的能量）倒流率也影响再填充速率。如图7所示，3μm高障壁结构与5μm高障壁结构和7μm高障壁结构几乎同时达到其最高倒流。（由图7中的示出的线的斜率确定的）倒流率还使得具有3μm高障壁结构的打印头10能够，以便以比包括5μm高障壁结构和7μm高障壁结构的打印头10高的比率进行再填充。因此，高度H的选择一般通过平衡高度H对倒流的影响以及对再填充速率的影响来实现。

再次参见图7，在该曲线图上还画出了在上述四个打印头在喷射期间由墨液的泡置换的墨液体积（单位为pL）。特定打印头的倒流线与其各自的滴通量线相交的点提供了用于在墨滴喷射之后对打印头的墨室进行再填充的时间周期。不包括障壁条的打印头的再填充时间周期为大约35微秒。包括7μm高障壁结构（其实现较低的倒流）的打印头具有大约50微秒的再填充的时间周期。另一方面，包括3μm高障壁结构的打印头（其实现倒流减少，但不像具有5μm或7μm高障壁结构的打印头减少的那么多），具有大约30微秒的再填充时间周期，其显著小于不具有障壁结构的打印头和具有7μm高障壁结构的打印头两者的再填充时间周期。包括5μm高障壁结构的打印头（其实现倒流减小，但不像具有7μm高障壁结构的打印头减少的那么多），具有大约35微秒的再填充时间周期，其大约与不具有障壁结构的打印头所实现的时间周期相同。

按照前述公开内容，认为对于每个墨滴大约10pL的喷射，根据这里的实施例的打印头10的障壁结构24的最佳高度H的范围为大约3μm至大约5μm。然而，如在本公开内容的范围内可预见到的，其它高度也可适于变更单个墨滴的墨滴体积。换句话说，障壁结构24的高度H一般可按墨滴的墨滴体积升级。例如，在某些场合，希望使用较短或较高的障壁结构，因而对于不同的墨滴体积，这里也可使用具有低于3μm或者高于5μm高度H的障壁结构。例如，具有大约1μm至2μm的高度H的障壁结构对于大约2pL的墨滴体积可能是可取的，不过，具有大约20μm至大约30μm的高度H的障壁结构对于大约100pL的墨滴体积可能是可取的。进一步地，针对10pL墨滴的具有低于3μm的高度H的障壁结构可以有利用地用于具有较高粘性（例如，在打印头10的工作温度下高于大约3cP）的喷墨系统，而针对10pL墨滴的较高障壁结构（即具有高于5μm的高度H的障壁结构）可以用于具有较低粘度（例如，在打印头10的工作温度下大约1cP）的喷墨系统。

另外，想要的障壁高度H可以基于打印头10的囱道高度（SH，如图1所示）来确定。囱道高度SH一般包括墨室16的部分S₂的室厚度（CT，同样如图1所示），其测量从衬底12的表面30到喷口30的入口（其具有入口直径D₁）的距离。图9提供了一幅曲线图，其示出了使用3μm障壁结构24的情况下，对于各种囱道高度SH，室厚度CT对（按照体积通量测量的）再填充速率的影响。如图9所示，在打印头10具有从大约6μm至大约12μm室厚度的情况下，体积通量有效形成了基本上无尾部的墨滴或具有缩小尾部的墨滴。因此，实现有效再填充速率（以及想要的倒流）的障壁结构24的高度H的范围为室厚度CT的大约25%至50%。

现在参见图8，与其它障壁结构相比，具有大约3μm高度的障壁结构产生最高的体积通量（被定义为墨滴体积乘以喷发频率，单位为nL/sec），同时仍然减少倒流体积（单位为pL）。在非限定性实例中，再填充速率（按体积通量测量）的范围为大约100nL/sec至大约450nL/sec。如图8所示，3μm高障壁结构的再填充速率为大约290nL/sec，同时倒流减少到大约25pL。进一步地，具有类似结构但没有障壁结构的打印头的再填充速率为大约230nL/sec。虽然较高的障壁结构倒流实际上较低，但体积通量显著下降，从而表明再填充速率下降。

这里也预见到了有利地减少倒流但增加再填充速率的障壁结构24的其它实施例。例如，提供颗粒容忍结构作为障壁结构24是有利的。在非限制性实例中，颗粒容忍结构可以包括限定在实心障壁条24_A、24_B中的至少一个间隙或孔。在另一实例中，障壁结构24（例如，障壁条24_A、24_B）也可以从衬底30有角度地偏置。例如，障壁结构24可以朝向喷发电阻22向内偏斜，并且达到大约45°的倾斜。在又一实例中，障壁结构24（例如，障壁条24_A、24_B）可以在几何上是直的（如图1和图2所示）或者可以具有其它形状（曲的、弯的、圆的等等）。

尽管已详细描述了多个实施例，但本领域技术人员将意识到，可以修改所公开的实施例。因此，上述描述应被视为是示例性的而非限制性的。

Claims

1.一种用于喷墨打印过程的打印头（10），所述打印头（10）包括：

衬底（12），其具有限定于其中的至少一个给墨口（14）；

布置在所述衬底（12）的一部分（P₁）上的喷嘴板（18），所述喷嘴板（18）具有限定于其中的多个喷口（20）；

与所述至少一个给墨口（14）可操作地流体连通的墨室（16）；

喷发电阻（22），其布置在所述衬底（12）的另一部分（P₂）上，接近于所述至少一个给墨口（14），并且与所述多个喷口（20）中的至少一个可操作地相关联；以及

障壁结构（24），其也布置在所述衬底（12）的所述另一部分（P₂）上，而且与所述喷发电阻（22）相邻定位。

2.根据权利要求1所述的打印头，其中所述障壁结构（24）包括基本平行的一对障壁条（24_A、24_B），所述障壁条（24_A、24_B）中的每一个分别在所述喷发电阻（22）的相对侧（26、28）上延伸跨过所述衬底（12）。

3.根据权利要求2所述的打印头，其中：所述障壁条（24_A、24_B）中的每一个具有从所述衬底（12）的表面（30）向外延伸的高度（H）；所述衬底（12）的表面（30）与所述喷口（20）的入口直径（D₁）之间的距离限定了室厚度（CT）；并且所述障壁条（24_A、24_B）中每一个的高度（H）范围为所述室厚度（CT）的大约25%至大约50%。

4.根据前述权利要求中任一项所述的打印头，其中所述障壁结构（24）从所述衬底（12）有角度地偏置。

5.根据权利要求2所述的打印头，其中所述一对障壁条（24_A、24_B）中的每一个是连续的实心结构。

6.根据权利要求2所述的打印头，其中所述一对障壁条（24_A、24_B）中的每一个是实心结构，该实心结构具有限定于其中的至少一个间隙。

7.根据前述权利要求中任一项所述的打印头，其中所述障壁结构（24）被配置成改变所述喷发电阻（22）加热所述墨室（16）中的墨液时形成的墨液喷射泡的泡压力分布，并且所述障壁结构（24）进一步被配置成将所述泡压力朝向所述喷口（20）引导，从而i）降低喷射后返回到所述墨室（16）中的墨液倒流，并且ii）增加为进行随后喷墨过程而进入到所述墨室（16）中的墨液的再填充速率。

8.根据前述权利要求中任一项所述打印头，其中所述倒流的范围为大约10pL至大约30pL。

9.根据权利要求7和8中任一项所述的打印头，其中所述压力分布进一步使得产生i）具有缩小尾部（T）的墨滴（I），或者ii）基本上无尾部的墨滴。

10.根据前述权利要求中任一项所述的打印头，其中所述打印头（10）被配置成用在清洁模式喷发操作中。

11.一种在喷墨打印过程期间产生缩小尾部（T）的墨滴（I）的方法，所述方法包括：

提供任一前述权利要求所述的打印头（10）；

通过在所述墨室（16）中产生墨液喷射泡，所述喷射泡推动所述墨液的一部分通过所述喷口（20），从而使得墨滴（I）通过所述喷嘴板（18）的喷口（20）喷射出，其中所述喷射泡是因喷发电阻（22）对墨液进行局部加热而产生的；并且

在所述墨液喷射期间，经由所述障壁结构（24）改变所述喷射泡的泡压力分布。

12.根据权利要求11所述的方法，其中改变所述喷射泡的压力分布i）降低了喷射后返回到所述墨室（16）的墨液的倒流，并且ii）增加了为进行随后的喷射而进入到所述墨室（16）的墨液的再填充速率。

13.根据权利要求11至12中任一项所述的方法，其中改变所述压力分布包括将所述泡压力的一部分朝所述喷口（20）引导。

14.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，其中所述障壁结构（24）包括基本平行的一对障壁条（24_A、24_B），所述障壁条（24_A、24_B）中的每一个分别在所述喷发电阻（22）的相对侧（26、28）上延伸跨过所述衬底（12）。

15.根据权利要求11至14中任一项所述的方法，其中所述障壁条（24_A、24_B）中的每一个具有从所述衬底（12）的表面（30）向外延伸的高度（H），对于大约10pL的墨滴体积，范围为大约3μm至大约5μm，其中再填充速率的范围为大约100pL/sec至大约450pL/sec。