CN105555538A - 用于连续流喷墨打印头的微滴发生器 - Google Patents
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Abstract
一种用于连续流喷墨打印头的微滴发生器，包括用于容纳墨的细长的腔和用于使来自所述腔的墨通过以形成喷射流的与所述腔流体连通的喷嘴孔口。所述喷嘴孔口沿所述腔的长度延伸。安装板提供所述腔的与所述喷嘴孔口相对的壁。多个致动器被设置在所述腔中，以振动所述腔中的墨，使得每个喷射流在与所述壁相距基本上相同的预定距离处分解成墨滴。所述多个致动器中的每一个通过膜一体地连接到所述安装板。
Description
技术领域
本公开涉及一种用于连续流喷墨打印头、特别是用于二进制阵列打印头的微滴发生器。
背景技术
连续喷墨(CIJ)是基于给飞行中的液滴(drops)选择性地充电和使飞行中的液滴偏转的理论来操作的喷墨的一种形式。通过在可变静电场存在的情况下引起墨的加压连续流的中断(break-off)，在喷嘴处连续地产生液滴，所述可变静电场通过给在所选液滴上放置离散电荷的电极充电而产生。液滴随后穿过静电场，其中，场电位(fieldpotential)在带电的液滴上引起偏转，以便导引它们打印，或将它们导引到集墨器中，以在墨系统中重复利用。该相同的机制常常被用于二进制阵列CIJ打印中，所述二进制阵列CIJ打印是包括喷射流的阵列并且能够以至少128乘128的每英寸点数(dpi)的相对高的分辨率来打印的喷墨类型。
二进制打印头使用致动器来振动墨并且从打印头喷射其微滴。为使打印头正常工作，所述致动器需要被精确地定位。现有技术的致动器中的困难在于各部件被单独地制造并且随后组装。制造和组装的变化导致不理想的喷射流分解均匀性。因此，发生器的结构部件的物理尺寸需要非常高的精度。此外，在发生器的例如墨的组分和温度之类的操作参数方面仅允许非常小的偏离。
发明内容
本公开提供了一种用于连续流喷墨打印头的微滴发生器。所述微滴发生器包括用于容纳墨的细长的腔和设置在所述腔中以使所述腔中的墨振动的多个致动器。所述多个致动器中的每一个通过膜一体地连接到安装板。所述安装板和整合的致动器优选地通过激光金属烧结或激光金属熔炼制成。
在一个方面，用于连续流喷墨打印头的微滴发生器包括用于容纳墨的细长的腔以及用于使来自所述腔的墨通过以形成喷射流的与所述腔流体连通的喷嘴孔口。所述喷嘴孔口沿所述腔的长度延伸。安装板提供所述腔的与所述喷嘴孔口相对的壁。多个致动器被设置在所述腔中，以使所述腔中的墨振动，使得每个喷射流在与所述壁相距基本上相同的预定距离处分解成墨滴。所述多个致动器中的每一个通过膜一体地连接到所述安装板。
在另一方面，制造用于连续流喷墨打印头的微滴发生器的方法包括提供用于容纳墨的细长的腔，并且通过激光烧结来制造提供所述腔的壁的安装板和通过膜一体地连接到所述安装板的多个致动器，其中，所述膜小于500微米厚。喷嘴孔口被设置用于使来自所述腔的墨通过以形成喷射流。所述喷嘴孔口沿所述腔的长度延伸。所述致动器适于被设置在所述腔中，以使所述腔中的墨振动以形成喷射流，所述喷嘴孔口沿所述腔的长度延伸。
前述段落已通过一般介绍的方式提供，并且不意在限制下面的权利要求的范围。通过结合附图参考下面的详细描述，将会最好地理解目前优选的实施例连同另外的优点。
附图说明
图1是打印头的实施例的剖视图。
图2是图1的一部分的放大视图。
图3是微滴发生器的实施例的剖面图。
图4A是图3的微滴发生器的安装板和致动器的底视图。
图4B是图3的微滴发生器的安装板和致动器的顶视图。
图5是图3的微滴发生器的分解图。
图6是图3的微滴发生器的侧向剖面图。
图7是图3的微滴发生器的喷嘴的透视图。
具体实施方式
本发明参考附图来描述，在附图中，相同的元件通过相同的附图标记来表示。通过下面的详细描述更好地理解本发明的各种元件的关系和功能。然而，如下所述的本发明的实施例仅作为示例，并且本发明不限于附图中所示的实施例。
本公开提供了一种用于连续流喷墨打印头的微滴发生器。所述微滴发生器包括：用于容纳墨的细长的腔；处于所述腔的壁中的喷嘴孔口，所述喷嘴孔口用于使来自所述腔的墨通过以形成喷射流，所述喷嘴孔口沿所述腔的长度延伸；安装板，其提供所述腔的与所述喷嘴孔口相对的壁；以及多个致动器，其设置在所述腔中以使所述腔中的墨振动，使得每个喷射流在与所述壁相距基本上相同的预定距离处分解成墨滴。所述多个致动器中的每一个通过膜一体地连接到所述安装板。所述安装板和整合的致动器优选地通过激光金属烧结或激光金属熔炼制成。激光金属烧结允许产生薄的特征(小于500微米厚)，该特征在例如铸造或模制之类的其他常规金属形成方法的情况下是不可能的。
在激光金属烧结的实施例中，表示对象的CAD文件被“切(sliced)”成机器将在激光金属烧结机中构建(buildin)和下载到激光金属烧结机的层厚度。在激光金属烧结的一个示例中，机器使用高功率的光学激光器(opticlaser)。在机器内，粉状材料被分配，并且通过使用聚焦激光束使它局部熔化而熔合成固体部分。通常使用20微米厚的层逐层地累加建立多个部分。此过程允许在数小时中并且在没有任何工装(tooling)的情况下完全自动地直接由3DCAD数据创建高度复杂的几何构型。所述过程产生具有高的精度和细节分辨率、良好的表面质量和优异的机械性质的部分。
图1为打印头的实施例10的剖视图，其中，为使视图清晰，覆盖件被示出为是透明的。打印头10已知为二进制阵列打印头。在二进制阵列打印中，喷射流的阵列被喷射和调节成产生微滴，其中，基于被打印的图像，每个微滴被打印或通过槽(gutter)回收。所述打印头包括微滴发生器20、充电电极30、偏转电极32和槽34。图2为图1的一部分的放大视图，其更详细地示出了各部件。
现在转到所述微滴发生器的细节，图3为微滴发生器的实施例的剖面图。所述微滴发生器包括用于容纳墨的细长的腔22。所述微滴发生器部分地通过歧管28和安装板24限定。喷嘴孔口42(如见于图6中的)被设置在腔22的处于喷嘴板40中的壁中，用于使来自腔22的墨通过，以形成喷射流。喷嘴孔口42沿腔22的长度延伸。安装板24提供腔22的与所述喷嘴孔口相对的壁。
多个致动器26被设置在腔22中，以使腔中的墨振动，使得每个喷射流在与所述壁相距基本上相同的预定距离处分解成墨滴。所述多个致动器26中的每一个通过膜25一体地连接到安装板24。
每个致动器26设有用于以固定的物理频率和振幅使所述致动器振动的驱动器50。所述驱动器包括圆柱形的PZT(压电锆钛酸铅)叠堆，其可以包括两个PZT元件52。张紧螺栓56被设置用于将PZT元件52附接到致动器26。绝缘套筒54被设置在张紧螺栓56和PZT元件52之间。载荷质量58被设置成使得能够设定设备的共振频率和节点。电极或电接触件60被连接到PZT叠堆，以激活PZT元件52。
图4A和图4B是图3的微滴发生器20的安装板24和致动器26的底视图和顶视图。所述多个致动器26中的每一个包括顶部圆柱形部分60和底部部分62，所述底部部分62大致形状为截头四棱锥，沿腔22的长度向外张开到每一侧。所述多个致动器中的每一个包括矩形形状的定址面(addressingface)64。介于500微米和1毫米之间的间隙被设置在致动器26的面64之间。腔22中的墨通过每个致动器26的下部面64来定址。处于每个致动器的顶部圆柱形部分60上的是围绕延伸的柱体68的圆筒形通道66，所述柱体68具有用于驱动器50的附接的孔或通道70。
致动器26在它们的节平面(nodalplane)中通过膜或薄层25一体地连接到安装板24。膜25起密封件的作用，以维持腔22中的墨，而膜25也足够薄和柔顺(compliant)，以允许每个致动器26通过PZT驱动器独立移动，而不在安装板24中激发显著的移动。膜25在其最薄点处优选小于500微米、小于300微米、小于250微米或小于200微米厚。通过激光金属烧结或激光金属熔炼而不是通过常规的金属铸造和模制技术，可以产生这样的小厚度的特征。在一个优选的实施例中，膜25在其最薄点处为大约200微米厚。从安装板24到膜25并且由此到致动器26的过渡可以大致形状为抛物线形，作为从相对较厚的安装板26到相对较薄的膜25的材料过渡。这种形状可能受到生产方法的能力限制，例如激光金属烧结中固有的分层制造(layeredmanufacturing)过程。但是，除抛物线形外的其他形状也是可能的，例如V形或U形。安装板24包括孔27，用于通过紧固件29附接到歧管28。
图5是图3的微滴发生器的分解图。安装板24通过紧固件29来附接到歧管28。安装板24包括孔27，用于通过紧固件29附接到歧管28中的接收孔31中。歧管28的主体形成腔22的壁33、35。歧管28包括与安装板24相邻设置的顶表面37。在一个实施例中，椭圆形或跑道形的通道39被设置在歧管28的顶表面37上，以在安装板24和歧管28之间设置密封件(例如，垫圈)。将显而易见的是，替代性的密封布置是可能的，例如，安装板24和歧管28的平整表面之间的平垫片。墨入口端口70给腔22提供墨。墨出口72提供了从腔22移除墨的路径。设置清理端口74、76以冲洗腔22用于清理。
图6是图3的微滴发生器的侧向剖面图。喷嘴板40被设置在歧管28之下。喷嘴板40具有狭缝。设置在喷嘴板40的狭缝上的是箔42。喷嘴板40和箔插入件42可由不锈钢制成。箔42包括喷嘴孔口44。因此，喷嘴孔口44被设置在与腔22相邻设置的喷嘴板箔42中。该布置提供方便的制造。但其他布置也是可能的，例如使喷嘴孔口44一体地设置在喷嘴板40中。图7为图3的微滴发生器的喷嘴44的透视图。能够看到的是，一行喷嘴孔口44被设置在箔42中，所述箔42被附接到喷嘴板40。这些喷嘴孔口在直径上通常介于20微米和60微米之间。在一个实施例中，这些喷嘴孔口在直径上介于35微米和50微米之间。在一个实施例中，这些喷嘴孔口在直径上为大约42微米。
如在图6中最佳地看到的，在一个实施例中，喷嘴板40包括其中限定V形剖面通道的部分和结合到喷嘴板40的箔插入件42。插入件42包含一行喷嘴孔口44，并且被如下结合到喷嘴板40，即：使得该行沿喷嘴板40的V形剖面通道的开放尖端的长度延伸。细长的墨腔22通过致动器26的下部面64和限定了V形剖面通道的内部面41、43来限定。
在所述微滴发生器中，致动器26被设置成使得它们的矩形下部面64沿腔22排成一行(inline)位于相同的平面中，每个面的较长的边沿所述腔延伸，较短的边紧密相邻并且平行。每个致动器26的下部面64的长度显著大于每个柱体60的直径。这使得仅窄的间隙65能够存在于面64之间，而同时提供柱体60的足够的间隔，以使致动器26能够适当地个别布置在安装板24中。如果致动器26太紧密地在一起，则在所述发生器的操作中，过多的振动将从一个致动器26传递到下一个。
在所述发生器的操作频率下，每个致动器26具有竖直厚度共振(verticalthicknessresonance)，在所述共振下，其下部面64上的所有点同相地并且以相同的振幅竖直振动，即，在所述共振下，下部面64以活塞式的方式被驱动与腔22中的墨接触。每个致动器26在沿其长度对应于或接近于其共振振动中的平稳节点(stationarypoint)的位置处设置在安装板24上。致动器26被同步地驱动，使得它们共同表现为具有延伸至墨腔22的全部长度和宽度的下部面的单活塞式致动器，即，对于腔22，致动器26呈现为延伸至其全部长度和宽度的单活塞致动器。
腔22被成形为使得提供墨到喷嘴孔口42的稳定和基本单向的流。在波行进的方向上(即，从致动器26的下部面64至喷嘴孔口42)减少的表面面积使得V形剖面通道的尖端处的声压(acousticpressure)与下部面64处的声压相比增加。
通过致动器26模拟覆盖整个腔的单活塞致动器的优点在于所述腔不需要在操作频率下沿其竖直维度共振。这有利于所述发生器的结构部件的物理尺寸的所需精度的放松。它也允许所述发生器的例如墨的组分和温度之类的操作参数的更大偏离。
通过致动器26对腔22的顶面的组合的覆盖范围必须足够大，以致所述腔的非共振操作是可行的。如果覆盖范围不够，则将不可能在所述腔不在共振下操作的情况下在沿所述腔的所有喷嘴孔口处实现相同的声压。因此，在致动器26的下部面64之间的间隙65必须足够窄(显著小于墨的四分之一波长(aquarterwavelengthintheink))，并且腔22的各侧和端部必须与致动器26足够紧密地接近，理想情况下与之重叠。在这方面，并且如先前所解释的，在通过示例的方式描述的发生器中，间隙65由于每个致动器的下部面65显著长于每个致动器的柱体60的直径而能够是窄的。此外，通过在致动器26之间的间隙65中具有墨界面(inkinterface)，真正独立的致动器振动在非常小的致动器间距离下仍然是可能的。这要与更加固态(moresolid)的界面相比，其中，真正独立的振动在明显更长的致动器间距离下失败(breakdown)。
使用若干独立驱动的致动器而不是单致动器是有利的。当使用单致动器时，难以在沿单致动器的长度的所有点处实现所需的精确活塞式运动。当使用若干致动器时，更精细的控制是可能的，由此，能够个别地调整或修整每个致动器的振动，使得在沿所述腔的所有点处存在所需的活塞式运动。特别地，所有致动器将以相同的频率被驱动，并且将根据需要来调整供应给每个致动器的驱动信号的相位和振幅，使得致动器全部都同相地并且以相同的振幅振动。这补偿了由于制造公差引起的致动器的共振频率的细微差异。
本文所公开的设计具有优于现有技术参考US6,883,899的多个优点，在US6,883,899中，每个柱体被推入配合到安装板中相应的孔中，所述孔具有比所述柱体的直径略小的直径。US6,883,899中的设计包括由柔顺材料制成以围绕每个柱体形成不透墨的密封的板。在本申请中，因为致动器被一体地连接到安装板，所以在柱体和安装板之间无需任何密封件。这大大减少了泄漏的可能性，并且还使得单元更易于制造。激光金属烧结或激光金属熔炼允许产生薄的膜，而这通过常规的金属铸造和模制技术是不可能的。
所描述和图示的实施例在性质上应被认为是说明性的而非限制性的，应当理解的是，仅示出和描述了优选的实施例，并且期望保护落入权利要求中限定的本发明的范围内的所有改变和修改。应当理解的是，虽然在描述中例如“优选的”、“优选地”或“更优选的”之类的措辞的使用表明这样描述的特征可能是期望的，但尽管如此，它可能不是必要的，并且缺少这样的特征的实施例可被预期为属于所附权利要求中限定的本发明的范围内。关于权利要求，预期的是，当使用例如“一”、“一个”、“一种”、“至少一个”或“至少一部分”之类的措辞作为特征的前序时，并不意在将权利要求限于仅一个这样的特征，除非在权利要求中明确地相反声明。当使用用语“至少一部分”和/或“一部分”时，物件能够包括一部分和/或整个物件，除非明确地相反声明。
Claims (17)
1.一种用于连续流喷墨打印头的微滴发生器，包括：
用于容纳墨的细长的腔；
与所述腔流体连通的喷嘴孔口，所述喷嘴孔口用于使来自所述腔的墨通过以形成喷射流，所述喷嘴孔口沿所述腔的长度延伸；
安装板，其提供所述腔的与所述喷嘴孔口相对的壁；以及
多个致动器，其设置在所述腔中以使所述腔中的墨振动，使得每个喷射流在与所述壁相距基本上相同的预定距离处分解成墨滴，
其中，所述多个致动器中的每一个通过膜一体地连接到所述安装板，其中，所述膜小于500微米厚。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多个致动器包括各自能够独立振动的致动器，每个致动器具有墨定址面，每个致动器通过所述墨定址面对所述腔中的墨定址，所述墨定址面被包含墨界面的间隙分隔，所述致动器的墨定址面对所述腔的面的组合的覆盖使得所述喷射流的分解在所述腔不在其从所述壁到所述腔的面的维度中共振的情况下实现，所述致动器被同步驱动，使得它们共同地表现为具有作为所述致动器的墨定址面的组合而包括的有效墨定址面的单活塞式致动器。
3.如权利要求1所述的微滴发生器，其特征在于，所述膜包括剖面为抛物线形的部分。
4.如权利要求1所述的微滴发生器，其特征在于，所述膜包括剖面为U形的部分。
5.如权利要求1所述的微滴发生器，其特征在于，所述膜包括剖面为V形的部分。
6.如权利要求1所述的微滴发生器，还包括用于驱动所述致动器的驱动器。
7.如权利要求6所述的微滴发生器，其特征在于，所述驱动器包括圆柱形的PZT叠堆、用于将所述PZT叠堆附接到所述致动器的张紧螺栓、设置在所述张紧螺栓和所述PZT叠堆之间的绝缘套筒以及连接到所述PZT叠堆的电极。
8.如权利要求1所述的微滴发生器，其特征在于，所述喷嘴孔口被设置在与所述腔相邻设置的喷嘴板箔中。
9.如权利要求1所述的微滴发生器，其特征在于，所述致动器通过直接的激光金属烧结形成。
10.如权利要求1所述的微滴发生器，其特征在于，所述致动器通过直接的激光金属熔炼形成。
11.如权利要求1所述的微滴发生器，其特征在于，所述多个致动器中的每一个大致形状为截头四棱锥。
12.如权利要求1所述的微滴发生器，其特征在于，所述多个致动器中的每一个包括矩形形状的定址面。
13.如权利要求1所述的微滴发生器，还包括形成所述腔的壁的歧管，所述歧管包括与所述喷嘴板相邻设置的顶表面。
14.如权利要求13所述的微滴发生器，其特征在于，所述歧管的所述顶表面包括用于在所述安装板和所述歧管之间设置密封件的椭圆形通道。
15.一种制造用于连续流喷墨打印头的微滴发生器的方法，包括：
提供用于容纳墨的细长的腔；
通过激光烧结或激光金属熔炼来制造提供所述腔的壁的安装板和通过膜一体地连接到所述安装板的多个致动器，其中，所述膜小于50微米厚；以及
提供用于使来自所述腔的墨通过以形成喷射流的喷嘴孔口，所述喷嘴孔口沿所述腔的长度延伸；
其中，所述致动器适于被设置在所述腔中，以使所述腔中的墨振动来形成喷射流，所述喷嘴孔口沿所述腔的长度延伸。
16.如权利要求15所述的方法，还包括提供与所述安装板相对设置的喷嘴板，还包括将金属箔激光焊接到所述喷嘴板以提供孔口阵列。
17.如权利要求15所述的方法，还包括将所述微滴发生器组装到二进制阵列打印头中。
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