CN106457825B - 二元阵列喷墨打印头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种二元阵列喷墨打印头组件。该喷墨打印头组件包括：用于容纳油墨的腔体；与腔体流体连通且用于使来自腔体的油墨通过从而形成液滴的喷嘴孔，这些喷嘴孔沿腔体的长度而延伸；和电极组件。电极组件包括前端面，该前端面构造成被设置为大体上平行于来自喷嘴孔的液滴的多个液滴通路。多个荷电电极被设置在前端面上，各荷电电极对应于一个液滴通路并且被设置为平行于该液滴通路。电路被设置在电极组件中，其中各电极电性连接带该电路。电路还电性连接到用于将电极组件连接到打印头控制器的连接器。

Description

二元阵列喷墨打印头

背景技术

本公开涉及一种用于连续流喷墨打印头的电极组件，具体地用于二元阵列打印头的电极组件。

连续喷墨（CIJ）是基于选择性地使飞行中的液滴带电荷并使其发生偏转的原理而操作的一种形式的喷墨。通过在由将离散电荷加到所选择液滴上的荷电电极所产生可变静电场的存在下引起来自加压油墨连续流的中断，而在喷嘴处连续地产生液滴。液滴随后穿过静电场，其中场电位引起带电荷液滴的偏转从而引导带电荷液滴打印或者引导它们进入油墨捕集器以便在油墨系统中重复使用。这个相同的机制经常被用于二元阵列CIJ打印，该打印是包括喷射的阵列并且可以以至少128×128点/英寸（dpi）的相对较高分辨率而打印的一种类型的喷墨打印。

二元阵列打印头利用致动器使油墨振动并将其液滴从打印头中喷射出。致动器需精确地定位以便打印头正确地工作。二元阵列打印头也利用荷电电极组件使要被打印的液滴带电荷并且不使要被收集在沟槽中的液滴带电荷。先前的荷电电极组件的一个问题是：因为打印头驱动器电子器件位于远离荷电电极的位置，所以在给定的电极数量的情况下，这些电极需要在打印头驱动器与荷电电极组件之间的大量的电连接，这是体积大且难以携带的。

发明内容

本公开提供一种用于二元（binary）阵列喷墨打印头的荷电电极组件（chargeelectrode assembly）。该荷电电极组件包括紧凑的设计，其中电极电子器件被设置在荷电电极的工作面的后面。所公开的设计提供相比以前的设计较小的互连路径并且排除了对在打印头或打印模块与打印机其余部分之间的大体积柔性连接的需要。它提供了更紧凑的电极组件和更接近喷射阵列的电子器件的移动。

在一个方面，二元阵列喷墨打印头包括：用于容纳油墨的腔体；与腔体流体连通且用于使来自腔体的油墨通过从而形成液滴的喷嘴孔，这些喷嘴孔沿一段腔体延伸；和电极组件。该电极组件包括前端面，该前端面构造成被设置为大体上平行于来自喷嘴孔的液滴的多个液滴通路。多个荷电电极被设置在前端面上，各荷电电极对应于一个液滴通路并且被设置为平行于该液滴通路。至少一个传感器电极被设置在前端面上并且被取向为垂直于液滴通路。电路被设置在与前端面相反的电极组件的背部上，其中各电极电性连接到该电路。该电路还电性连接到用于将电极组件连接到打印头控制器的连接器。

在另一方面，操作打印组件的方法包括：从喷嘴孔中喷射出油墨液滴；生成用于在被设置在打印模块中的电路中的多个荷电电极的驱动信号；利用荷电电极使不被打印的液滴带电荷，不使用于打印的液滴带电荷；将未打印的液滴收集在沟槽中；和用未带电荷的液滴在基材上打印图像。

在另一方面，用于二元阵列打印机的打印组件包括打印头。该打印头包括：控制器；提供与流体源的流体连通的多个流体连接器；和与控制器电性连接的至少一个电连接器。打印模块构造成可分离地连接到打印头，该打印模块包括用于连接到打印头的至少一个电连接器的至少一个电连接器；用于连接到打印模块的多个流体连接器的多个流体连接器；致动器组件；被设置成与致动器组件相邻且用于使从致动器组件中喷射出的液滴带电荷的荷电电极组件；用于使带电荷液滴发生偏转的偏转电极组件；和用于收集带电荷液滴的沟槽。可在一个单独步骤中容易地将打印模块从打印头中拆除。

前面的段落是通过概述而提供，而并非意图限制所附权利要求的范围。参考以下的详细说明并结合附图，将最佳地理解本发明的优选实施例以及其它优点。

附图说明

图1A是打印头组件的侧视图。

图1B是其中将打印模块分离的图1的打印头组件的侧视图。

图2是其中将打印模块拆除的打印头的视图。

图3是打印模块的前视图。

图4是图3的打印模块的后视图。

图5是图3的打印模块的俯视图。

图6是其中外盖为透明的图3的打印模块的一个实施例的剖视图。

图6A是图6的一部分的放大视图。

图7是荷电电极的一个实施例的前视图。

图7A是图7的一部分的放大视图。

图8是图7的荷电电极的俯视图。

图9是其中将陶瓷载体拆除的图7的荷电电极的侧视图。

图10示出了其中大部分的陶瓷载体为透明以显示嵌入的电子器件的图8的荷电电极。

图11是显示以串联配置而设置的两个打印头的俯视图。

图12是显示以并联配置而设置的两个打印头的俯视图。

具体实施方式

参照附图对本发明进行描述，在附图中用类似的附图标记来标注类似的元件。通过以下的详细说明可更好地理解本发明的各种元件的关系和功能。然而，下面仅通过举例来描述本发明的实施例，本发明并不局限于在附图中图示说明的实施例。

在一个方面，本公开提供一种用于二元阵列喷墨打印头的荷电电极组件。该荷电电极组件包括其中将电极电子器件设置在荷电电极的工作面的后面的紧凑设计。所公开的设计提供相比以前的设计较小的互连路径，并且排除了对在打印头或打印模块与打印机其余部分之间的大体积柔性连接的需求。该设计提供更紧凑的电极组件、和更接近喷射阵列的电子器件的移动。

现有的二元阵列设计生成用于驱动电极远离荷电电极组件的驱动信号，因此需要在驱动电路与荷电电极陶瓷块之间的长度约为300 mm的柔性电路，其中另一个20 mm的暴露的起痕（间隔达<100 um）通到主动荷电垫。因此，电容耦合导入在相邻的通道上的高达10%的串扰。所公开的设计将驱动电路定位在打印模块中非常接近荷电电极的位置；该配置将驱动电路与荷电电极之间的总长度减小到数毫米，因此大大地减小了此串扰并且减小轨道之间的电容耦合。

所公开的设计也使串行到并行的信号变换更加接近于喷射阵列。具有256个喷射流的先前系统需要在打印头电子器件与包含喷射阵列的分组件之间的至少256个电互连。本发明的设计将电互连的数量减小到低于100（用于512个喷射流）并且能够使打印模块与系统迅速地分离，从而导致打印头和打印模块的模块化设计。因此改善了用户体验，因为可以以类似于桌面式打印机的方式来更换打印模块。

所公开的设计还提供电子器件的占用空间的显著减小。现有技术的设计需要两个驱动器电子器件印刷电路板（PCB），各自具有达约100 mm×80 mm的面积。所公开的设计将相同功能整合入具有130 mm×21 mm面积的荷电电极瓦片。

图1A是打印头组件10的侧视图。该打印头组件10包括打印头12和可拆卸打印模块20。打印模块20可拆卸地连接到打印头12。打印头12可包括部件，例如控制器印刷电路板、流体和电连接、压力和真空和油墨温度传感器、及其它电子器件。控制器（未图示）可以是在本技术领域中已知的任何常规的控制器，并且通常将包括CPU和存储器。控制器经由下面所描述的电连接与打印模块电性连接。打印模块20包括部件，例如致动器组件、荷电电极、偏转电极、沟槽、及相关部件。在一个实施例中，打印模块20包括在打印头组件10中的用于喷射油墨的所有结构，并且打印头12自身不包括例如致动器组件、荷电电极、偏转电极、和沟槽的任何结构。因为所有油墨喷射特征是在打印模块自身中，所以不存在在模块更换期间不同结构（例如喷嘴与荷电电极）难以彼此对准的问题，因为它们在模块中已预先对准。打印模块20（在下面进一步公开）被设计成可容易地与打印头12分离。图1B是其中将打印模块20分离的图1的打印头组件的侧视图。打印模块20通过将在下面更详细描述的多种流体连接和电连接而连接到打印头。

图2是其中将打印模块分离的打印头的视图。图3是打印模块20的前视图。图4是打印模块20的后视图。图5是打印模块20的俯视图。打印模块20可具有长方体的一般形状。在一个实施例中，打印模块20为大约5英寸宽、2英寸高、和2英寸深。打印模块20包括前壁21、后壁22、侧壁23、24、顶壁25、和底壁26。从后壁22中延伸出的是各种连接器，包括电连接器31、机械连接器35、和各种流体连接器（可包括油墨输入27、油墨吹洗28、槽线29、和清洗通道33）。打印头12包括用于将打印模块的电连接件和流体连接件连接到打印头的互补的连接器。例如，如果打印模块包括用于流体输送的延伸的插口，那么打印头将包括用于容纳该插口且提供与该插口的牢固流体连接的开口14。同样地，打印头12将提供用于连接到打印模块连接器31的电连接器16。应当理解的是，其它的电连接、流体连接、和机械连接是可行的。这些连接允许迅速且容易地将打印模块20从打印头12中拆除。尤其是，可以在一个单独步骤中使打印模块20与打印头12之间的电连接和流体连接分离。在一个实施例中，将打印模块20与打印头12之间的所有电连接和流体连接设置在打印模块的单个工作面上。该配置有助于提供简单的连接，无需任何困难的对准。从打印模块的底壁26中将油墨喷射出；具体地，从被设置在打印模块的底壁26上的槽64中喷射出。

图6是打印模块20的一个实施例剖视图，其中盖被图示为透明以便清楚地看见。打印头和打印模块20中所采用的技术被称作二元阵列打印头。在二元阵列打印中，喷射流的阵列被喷射并且被调节从而形成液滴，其中各液滴基于正在打印的图像被打印或者被沟槽回收。图6A是更详细地显示各部件的、图6的一部分的放大视图。打印模块20包括液滴发生器30、荷电电极与偏转电极组件40、和沟槽32。沟槽32被设置在荷电电极与偏转电极组件40的“下游”位置。从孔43中将油墨液滴喷射出。要被打印的液滴是不带电的，而非打印的液滴是带电的。利用由偏转电极所产生的电场使带电荷液滴发生偏转并且利用沟槽32收集带电荷液滴。打印模块20包括用于容纳油墨（尤其是基于有机溶剂的油墨）的腔体41和与腔体流体连通且用于使来自腔体的油墨通过从而形成液滴的喷嘴孔43的阵列，这些喷嘴孔沿一段腔体延伸。液滴发生器可具有授予与本申请相同申请人即Videojet Technologies有限公司的PCT公开WO2015031485A1中所公开的设计，该公开的内容以参考的方式并入本文中。

图7是荷电电极的一个实施例的前视图。图8是图7的荷电电极的俯视图。电极组件40包括前端面42，该前端面42构造成被设置为大体上平行于来自喷嘴孔的液滴的多个液滴通路。因此，该电极组件的工作面42是沿喷嘴孔43的阵列的宽度而设置。正如在图7A中最佳地所见，多个荷电电极或轨道44被设置在前端面42上。这些电极包含设置在各绝缘材料（例如陶瓷）上和之间的导电材料。这些电极轨道各自为大约100微米至200微米宽、优选地在100和150微米之间宽、最优选地大约135微米宽。各荷电电极44对应于来自喷嘴阵列的液滴通路并且被取向为大体上平行于该液滴通路。这些荷电电极可以是大体上平直的，或者可包括凹槽，如同美国专利5,561,452中所揭示的设计，该专利的内容以参考的方式并入本文中。前端面42还包括被设置在前端面42上且被取向为大体上垂直于液滴通路的一个或多个传感器电极。如图7A中所示，在一个实施例中电极组件包括四个传感器电极45、46、47、48，并且偏转电极36被设置为侧向地穿过液滴通路。传感器45、46、47、48可用于测量液滴的相和/或速度。电极组件可包括用于检测液滴速度和/或相的至少两个传感器。在一个实施例中，偏转电极36被设置在各传感器电极对之间，其中将传感器电极45、46设置在偏转电极36的上游位置并且将传感器47、48设置在偏转电极36的下游位置。

图9是图7的荷电电极和相关部件的侧视图。可以看见，荷电电极组件40包括被设置在液滴发生器30与沟槽32之间的大体上为平面的荷电电极块部50、被设置在电极块部50上的电路70、柔性连接器电路52、及包括连接器31和调制信号连接器56的部分54。当然，其它配置是可行的。电极块部50包在顶部上的括绝缘板60和清洗流体通道62，正如图8中最佳地看见。因此，在一个实施例中，将驱动电路设置在打印模块20中在电极块部50上靠近荷电电极组件40，并且不远离荷电电极组件，如现有技术中所公开。

图10示出了其中将大部分的陶瓷载体拆除以便显示嵌入的电子器件的、图8的荷电电极。如图10中所示，电路70被设置于在前端面42后面的电极组件的平面部上。在现有技术的设计中，用于荷电电极的电路被设置为远离荷电电极而不是与之相邻。电路70优选地被设置在荷电电极组件的10 mm内。在一个实施例中，电路70被设置成与荷电电极组件间隔达小于20 mm、小于15 mm、小于10 mm、或者小于5 mm。电路70通常包括具有集成电路和分离部件的PCB。电路以相对于液滴发生时钟的正确定时提供驱动信号从而将液滴荷电脉冲施加给电极44。本质上，电路70提供切换从而确定在给定的时间使哪个电极44带电荷。电路70还提供在连接器31的串联连接与并联连接之间的转换。因此，在一个实施例中，在串联连接与并联连接之间的转换是在与荷电电极组件间隔小于20 mm、小于15 mm、小于10 mm、或者小于5 mm的位置发生。各电极44、45、46、47、48电性连接到电路70。电路70还电性连接到连接器31以便进一步将电极组件40连接到打印头的控制器。连接器31可以是一个适当的连接器，例如卡边缘串行连接器。

用于将电极组件40连接到打印头控制器的连接器31包括用于提供打印数据、电力、传感器、接地、和调制信号的电连接。在一个实施例中，连接器和电路包括提供给512个荷电电极的小于100个的独立的电连接或通道。因此，在连接器31中的离散电连接的数量小于荷电电极的数量。在一个实施例中，在打印模块与打印头之间的离散电连接的数量小于50%、小于40%、小于25%、或者小于20%的荷电电极的数量。

在一个实施例中，多个荷电电极44包括至少256个荷电电极。在另一个实施例中，多个荷电电极44包括至少512个荷电电极。被设置在4英寸的电极上，512个荷电电极提供128 dpi的打印分辨率。在其它实施例中，打印头包括少于256个电极并且/或者以小于128dpi，例如在80和100 dpi之间的分辨率而打印。

打印模块20可在现场容易地更换，例如如果该模块发生磨损、故障、需清洗、或者需更换。可在一个单独步骤中，将打印模块20容易地与打印头12分离。除了流体连接和电性连接外，该打印模块经由一个或多个立柱35机械连接到打印头。在一个实施例中，这些立柱特征具有接纳被限定于打印头中的螺杆的螺纹孔。这些螺杆被紧固从而将模块20固定并且被松开以便将打印模块20从打印头12中拆除。一旦螺杆被释放，便可以用手在单独的移动中将模块20拆除和更换，因为所有连接都是在单个的工作面上。

在荷电电极组件40中的电极可通过任何合适方法而制造。在一个实施例中，将导电材料设置在绝缘基材上并且利用激光修整去除金属层以提供期望的电极轨道。在一个更具体的实施例中，涂覆钛、铂、和金的三个溅射涂层从而形成导电涂层，然后利用激光烧蚀选择性地去除和形成轨道。

所公开的电极和打印头设计特别适合于打印图形图像。该打印头的一个特征是它能够在高速基材上打印并且是非常可靠的。具体地，在一个实施例中二元阵列打印机可以在以2000英尺/分钟速度而行进的基材上打印，并且提供至少99%的正常运行时间。正常运行时间表示打印机可用于打印达至少99%的时间，其余的1%以下的时间则需要维护，例如清洗、零件更换等。由可靠设计所造成的较高的正常运行时间不包括许多意外的运行故障。在一个实施例中，二元阵列打印机可以在以至少1000英尺/分钟、1500英尺/分钟或者2000英尺/分钟速度而行进的基材上打印。在一个实施例中，二元阵列打印机提供至少96%、至少98%、至少99%、或者至少99.5%的正常运行时间。

所公开的设计包括使用多个串联或并联的打印模块的选择。例如，通过串联地放置打印模块和/或打印头，可以打印多种颜色。通过并联的放置打印模块，可以打印更大宽度的图像。图11示出了被串联设置在生产线65上的打印头。这些打印头是由共同的控制器所控制。第一打印头66用第一颜色打印图像，而第二打印头68用第二颜色打印图像。如图所示，基材70包括采用一种颜色的圆形的第一图像72（由打印头66打印），该图像包围采用第二颜色的星形的第二图像74（由打印头68打印）。应当理解的是，利用此方法可以打印任意数量的不同颜色。图12示出了并联设置的打印头。该布置允许打印较宽宽度的图像。这些打印头是由共同的控制器所控制。第一打印头76在基材70的一个部分上打印图像80的第一部分（例如左侧），第二打印头78在基材70的第二部分上打印图像80的第二部分（例如右侧）。因此，如果单独的打印头能够打印4英寸宽的图像，那么并联设置的两个打印头可以打印8英寸宽的图像。对打印头76、78进行控制从而提供在两组分图像之间没有可见的接缝的单个图像80。

该系统尤其可用于利用基于有机溶剂的油墨（例如使用丙酮、甲基乙基酮、和乙醇的油墨）进行打印。油墨被提供给打印头组件10并且被容纳于油墨腔体41中的打印模块的内部。因此，与油墨接触的打印头组件的各部件对于有机溶剂而言是不受其影响的。该系统适合于以油墨组合物的50重量%以上的量而含有选自C1-C4醇类、C3-C6酮类、C3-C6酯类、C4-C8醚类、及其混合物的有机溶剂的打印油墨。预期适用于打印系统的有机溶剂包括：酮类，特别是甲基乙基酮、丙酮、和环己酮；醇类，特别是乙醇；酯类；醚类；极性非质子溶剂；及其组合。C1-C4醇类的例子包括甲醇、乙醇、1-丙醇、和2-丙醇。C3-C6酮类的例子包括丙酮、甲基乙基酮、甲基正丙基酮、和环己酮。C4-C8醚类的例子包括乙醚、二丙醚、二丁基醚和四氢呋喃。C3-C6醚类的例子包括乙酸甲酯、乙酸乙酯和乙酸正丁酯。

所描述和图示说明的实施例应被认为是说明性的而不是限制性的，应当理解的是仅图示并描述了优选实施例并且在如权利要求中所限定的本发明范围内的所有变更和修改期望收到保护。应当理解的是，虽然在描述中例如“优选的”、“优选地”、“优选的”或者“更优选的”的词语的使用表明如此描述的一个特征会是理想的，但它可以不是必需的并且缺乏这种特征的实施例可被认为是在如所附权利要求中所限定的本发明的范围内。关于权利要求，意图是当使用例如“一个”、“一种”、“至少一个”或者“至少一部分”的词语作为一个特征的开始时，并非意图将权利要求仅局限于一个这种特征，除非在权利要求中具体地陈述相反的情况。当使用用语“至少一部分”和/或“一部分”时，该物件可以包括一部分和/或整个物件，除非具体地陈述相反的情况。

Claims (19)

1.一种二元阵列喷墨打印头组件，包括：

用于容纳油墨的腔体；

与所述腔体流体连通且用于使来自所述腔体的油墨通过从而形成液滴的喷嘴孔，所述喷嘴孔沿一段所述腔体延伸；和

电极组件，包括：

构造成被设置为大体上平行于来自所述喷嘴孔的液滴的多个液滴通路的前端面；

被设置在所述前端面上的多个荷电电极，各荷电电极对应于液滴通路；

被设置在所述前端面上的至少一个传感器电极；和

被设置在所述电极组件上且用于提供驱动信号至所述多个荷电电极的电路，其中所述多个荷电电极的每个电极电性连接到所述电路，所述电路还电性连接到用于将所述电极组件连接到所述打印头的控制器的连接器，

所述电路设置成与所述荷电电极间隔小于20mm。

2.如权利要求1所述的打印头组件，其中，被设置在所述前端面上的所述多个荷电电极被取向为平行于所述液滴通路，并且被设置在所述前端面上的所述至少一个传感器电极被取向为垂直于所述液滴通路。

3.如权利要求1所述的打印头组件，其中，被设置在所述电极组件上且用于提供驱动信号至所述多个荷电电极的所述电路被设置在所述电极组件的背部上且远离所述前端面。

4.如权利要求1所述的打印头组件，其中，所述多个荷电电极包括至少256个荷电电极。

5.如权利要求1所述的打印头组件，其中，所述多个荷电电极包括至少512个荷电电极。

6.如权利要求1所述的打印头组件，其中，所述至少一个传感器电极包括用于检测所述液滴的速度和/或相的至少两个传感器。

7.如权利要求1所述的打印头组件，还包括被设置在所述电极组件的所述前端面上并且在所述电极之间的绝缘表面。

8.如权利要求1所述的打印头组件，其中，用于将所述电极组件连接到所述打印头的控制器的所述连接器包括提供打印数据、电力、传感器、接地、和调制信号的电连接。

9.如权利要求1所述的打印头组件，其中，在所述连接器与所述电路之间的所述连接包括小于100个的离散的电连接。

10.如权利要求1所述的打印头组件，其中，在所述连接器与所述电路之间的离散的电连接的数量是少于在所述多个荷电电极中的荷电电极的数量。

11.如权利要求1所述的打印头组件，还包括与所述多个荷电电极相邻设置的用于使带电荷液滴发生偏转的偏转电极。

12.如权利要求11所述的打印头组件，还包括用于收集未打印液滴的沟槽，所述沟槽是与所述偏转电极相邻地设置。

13.一种操作如权利要求1所述的打印头组件的方法，包括：

从所述喷嘴孔中喷射出油墨液滴；

生成用于被设置在所述打印头中的电路中的所述多个荷电电极的驱动信号；

利用所述荷电电极使未被打印的液滴带电荷，并且不让用于打印的液滴带电荷；

将未打印的液滴收集在沟槽中；和

用未带电荷的液滴在基材上打印图像。

14.一种用于二元阵列打印机的打印组件，包括：

打印头，所述打印头包括：

控制器；

提供与流体源流体连通的多个流体连接器；和

与所述控制器电性连接的至少一个电连接器；和

构造成用于可拆除地连接到所述打印头的打印模块，所述打印模块包括：

用于连接到所述打印头的所述至少一个电连接器的至少一个打印模块电连接器；

用于连接到所述打印头的所述多个流体连接器的多个打印模块流体连接器；

致动器组件；

与所述致动器组件相邻设置且用于使从所述致动器组件中喷射出的液滴带电荷的荷电电极组件；

用于使带电荷液滴发生偏转的偏转电极组件；和

用于收集带电荷液滴的沟槽；

其中能够在单独步骤中容易地将所述打印模块从所述打印头中拆除。

15.一种操作如权利要求14所述的打印组件的方法，包括生成用于被设置在所述打印模块中的电路中的所述多个荷电电极的驱动信号。

16.一种操作如权利要求14所述的打印组件的方法，包括利用所述二元阵列打印机在基材上打印图像，其中所打印的图像具有至少128 dpi的分辨率，其中所述打印机能够在以2000英尺/分钟速度进行的基材上打印，并且其中所述打印机提供99%的正常运行时间。

17.如权利要求16所述的操作打印组件的方法，还包括利用串联布置的多个打印模块在所述基材上打印图像。

18.如权利要求17所述的操作打印组件的方法，其中，所述打印模块使用不同颜色的油墨。

19.如权利要求16所述的操作打印组件的方法，还包括利用并联布置的多个打印模块在所述基材上打印图像。