CN107443917A

CN107443917A - 液体喷射设备和液体喷射头

Info

Publication number: CN107443917A
Application number: CN201710386357.1A
Authority: CN
Inventors: 中川喜幸
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2016-05-30
Filing date: 2017-05-26
Publication date: 2017-12-08
Anticipated expiration: 2037-05-26
Also published as: KR102168825B1; KR20170135725A; JP6800613B2; CN107443917B; US20170341404A1; US10336088B2; US10232632B2; JP2017213700A; US20190152229A1

Abstract

本发明提供一种液体喷射设备和液体喷射头。该液体喷射设备允许抑制由液体输送单元产生的流路中的液体的压力的波动，从而使得能够通过喷射口稳定地喷射液体。该液体喷射设备包括具有喷射液体的喷射口(60)的液体喷射头(1)、被配置为与喷射口连通的流路(2、100)和被配置为向流路馈送液体的液体输送单元(3)。从液体输送单元输送的液体的角频率ω、液体的运动粘性系数ν与头外流路沿墨流动方向的法线方向的截面的至少一部分的等价直径a之间的关系满足√(ω/2ν)×a＞1。

Description

液体喷射设备和液体喷射头

技术领域

本发明涉及通过液体喷射头中的喷射口喷射液体来进行打印的喷射设备，并且涉及液体喷射头。

背景技术

已知喷射诸如墨的液体来进行打印的液体喷射设备在各喷射口中的弯月面(meniscus)的位置波动的情况下具有以下的问题。

通过喷射口喷射的液滴的量改变，从而导致形成图像的颜色不均匀。

通过喷射口喷射的液滴的速度(喷射速度)关于打印介质相对于喷射口的移动速度而改变。这改变着落于打印介质上的液滴的着落精度，从而使图像质量劣化。

这些问题的原因是液体供给流路中的动态压力(压力损失)的波动。例如，在使用诸如泵等的液体传输机构馈送液体的情况下，一般出现脉动从而使液体的动态压力波动。这又使得各喷射口中的弯月面的位置波动，从而导致可能发生1)和2)中描述的问题。

日本专利No.3606282公开了意图在于抑制液体供给流路中的动态压力的波动的技术。日本专利No.3606282采用了这样一种配置，即，在向液体喷射头馈送液体的供给路径中设置阀，以基于压力室内的负压力打开或阻断供给路径，由此抑制负压力的波动。

但是，在日本专利No.3606282中公开的技术需要复杂的机构来驱动阀，从而不利地导致成本增加。

发明内容

本发明的目的是，提供允许抑制由液体输送单元导致的流路中的液体的压力的波动、从而使得能够通过喷射口稳定地喷射液体的液体喷射设备和液体喷射头。

本发明的一个方面提供一种液体喷射设备，该液体喷射设备包括：具有喷射液体的喷射口的液体喷射头；被配置为与喷射口连通的流路；和被配置为向流路馈送液体的液体输送单元。从液体输送单元输送的液体的角频率ω、液体的运动粘性系数ν与流路的至少一部分的等价直径(a)之间的关系满足√(ω/2ν)×a＞1。

在本发明的一个方面中，可以抑制由液体输送单元导致的流路中的液体的压力的波动，从而使得能够通过喷射口稳定地喷射液体。

根据以下参考附图对示例性实施例的说明，本发明的其它特征将变得明显。

附图说明

图1是示出本实施例中的打印设备的基本构成的示意图；

图2A～2D是示出用于本实施例的液体喷射头的示图；

图3是示出源自指标的变化的流速分布的变化的示图；

图4是示出源自指标的变化的粘性阻力比的示图；

图5是示出源自指标的变化的流量比的示图；

图6是指示源自泵的压力脉动的压力波动的测量值的示图；

图7是示出指标与在通过泵允许墨流动的情况下获得的头外流路的最大等价直径之间的关系的示图；

图8是示出在对头外流路的最大等价直径设定三种类型的等价直径的情况下施加的脉动抑制效果的示图；

图9A～9C是示出由第二实施例中的液体喷射头执行的液体喷射动作的示意图；

图10A～10D是示出第三实施例中的液体喷射头的配置的示图；

图11是示出源自压力波动ΔP和喷射口直径Φ的变化的喷射量的变化率的示图；

图12是示出防止喷射量的变化率增加多于1.5％所需要的指标的大小的示图；

图13是示出防止喷射量的变化率增加多于3.0％所需要的指标的大小的示图。

具体实施方式

以下参照附图描述根据本发明的实施例的液体喷射设备。根据本发明的喷射诸如墨等的液体的液体喷射头和具有安装于其中的液体喷射头的液体喷射设备适用于诸如打印机、复印机、具有通信系统的传真机和具有打印机单元的字处理器等的设备以及与各种处理设备组合的工业打印设备。液体喷射头和液体喷射设备可用于例如诸如生物芯片的制造、电子电路的印刷和半导体基板的制造等的应用。以下描述的实施例受制于各种技术优选条件。但是，只要满足本发明的概念，本发明不限于这些条件。

(第一实施例)

图1～7是示出根据本发明的液体喷射设备的第一实施例的示图。在本实施例中，作为液体喷射设备，以将墨喷射到打印介质上以在其上面形成图像的喷墨打印设备(以下，简称为打印设备)作为示例进行描述。这里使用的墨不仅包括包含用于在打印介质上形成图像的着色材料的液体，而且包括意图在于提高打印介质上形成的图像的定影性和耐候性的处理液。

图1是示出本实施例中的打印设备1000的基本构成的示意图。打印设备1000包括液体喷射头1和存储要馈送到液体喷射头1的墨的液体存储器8。打印设备1000还包括将液体存储器8与液体喷射头1耦合在一起的头外流路2和允许墨流过头外流路2的液体输送单元3。

本实施例中的头外流路2包括用于使液体从液体存储器(液体供给源)8流向液体喷射头1的上游流路2a和用于使液体从液体喷射头1流向液体存储器8的下游流路2b。液体输送单元3包含与上游流路2a连接的泵3a和与下游流路2b连接的泵3b。在不需要相互区分两个泵3a和3b的情况下，泵可被统称为泵3。

图2A～2D是示出用于本实施例中的液体喷射头1的透视图。图2A是透视图，图2B是沿图2A中的线IIB-IIB′截取的断面图，图2C是沿图2A中的线IIC-IIC′截取的断面图，图2D是图2C中的部分D的放大图。如图2A所示，液体喷射头1包含打印元件基板6和用作流路形成部件的流路板5，其中在打印元件基板6中配置多个(在图2A中，为四个)其中分别配置多个喷射口60(参见图2D)的喷射口阵列61。流路板5具有使墨沿图2A、2B所示的箭头F1的方向流动的共用流路51和使共用流路51离散地与喷射口阵列61连通的多个(在图2C中，为四个)离散流路52。共用流路51的一端与上游流路2a连通，并且，共用流路51的另一端与下游流路2b连通。在流路板5中形成的共用流路51和离散流路52还被统称为板内流路50。

如图2D所示，打印元件基板6包含其中形成喷射墨的喷射口60的喷射口形成部件12和具有允许通过喷射口60的墨喷射的喷射能量产生元件(以下，称为打印元件)11的加热器板10。作为打印元件，电热换能元件(加热器)或电气机械换能元件(压电元件)等是适用的。在本实施例中，使用加热器。打印元件基板6中的每一个具有形成在打印元件11面向喷射口60的区域中的压力室62。压力室62经由元件基板内流路63与流路板5中形成的离散流路52连通。板内流路50和元件基板内流路63形成头内流路100。

如上所述，本实施例中的打印设备1000包括在液体喷射头1外面形成的头外流路2和在液体喷射头1中形成的头内流路100作为向液体喷射头1中的喷射口60馈送墨的流路。

打印设备1000包括相对于液体喷射头1移动打印介质S的传输机构。在本实施例中，打印设备1000是在沿与打印介质S的输送方向(Y方向)正交的方向(与图1的片材正交)移动液体喷射头1的同时通过喷射墨滴dr打印打印介质S1的串型打印设备。但是，本发明不限于串型打印设备，而适用于使用具有在比打印介质的宽度大的范围内配置的喷射口的长的液体喷射头、在连续馈送打印介质的同时执行打印的全幅型打印设备。

在上述的配置中，如箭头α所示，泵3a、3b被驱动为通过上游供给流路2a将存储于液体存储器8中的墨馈送到在液体喷射头1中的流路板5中形成的共用流路51。流入共用流路51中的部分墨经由离散流路52被馈送到元件基板内流路63。馈送到元件基板内流路63的墨进一步被馈送到压力室62和喷射口60。因此，在喷射口60中形成弯月面。如箭头β所示，共用流路51中的剩余墨经由下游流路2b和泵3b回收到液体存储器8中。

在打印操作期间，用作打印元件的加热器被驱动以加热压力室62内的墨从而在压力室62中产生气泡。气泡产生所导致的压力允许通过其中分别形成弯月面的喷射口60喷射墨的液滴。

作为由各流路的内表面提供的摩擦阻力的结果，流过打印设备1000中的头外流路2和头内流路100的墨经受压力损失。

一般地，流过流路的流体中的压力损失基于流路阻力与墨流量(flow rate)之间的关系由下式表达。

ΔP＝R×Q...(式1)

ΔP：压力损失

R：流路阻力

Q：墨流量

在这种情况下，对于流路阻力R，一般使用基于与通过管路(流路)的稳态流动对应的哈根-泊萧叶(Hagen-Poiseuille)流动导出流路阻力R的下式。

R＝128×η×L/(π×a^4)...(式2)

η：墨粘度

L：管路长度

a：管路的等价直径

但是，已知如图1所示的那样由泵3a、3b输送的液体变为经受周期性变化压力的脉动流动。脉动流动不是在恒定压力下形成的Hagen-Poiseuille流动，而是管内非稳态流动(谐波振荡流动)。特别地，已知在具有均匀断面的圆形管路中的流体中形成的非稳态流动粘度分布根据以下指标的大小而改变。

指标：√(ω/2ν)×a…(式3)

ω：脉动的角频率

ν：墨的运动粘度系数

a：管路的等价直径

图3是示出指标√(ω/2ν)×a的变化所导致的流速分布的变化的示图。在图中，横轴表示流速，纵轴表示圆形管路的归一化尺寸。该图代表指标√(ω/2ν)×a的变化所导致的瞬时流速分布的示例。

图4是示出指标√(ω/2ν)×a的变化所导致的粘度阻力比的示图。在图4中，横轴表示指标√(ω/2ν)×a，纵轴表示粘度阻力比(管内非稳态流动中的粘度阻力/稳态流动(Hagen-Poiseuille流动)中的粘度阻力)。图中的曲线上的具有1的粘度阻力比的状态(由图中的虚线表示的状态)表示在流体形成Hagen-Poiseuille流动的情况下获得的粘度阻力。相反，图中的连续线表示流体形成管内非稳态流动。

图5是示出指标√(ω/2ν)×a的变化所导致的流量比(flow ratio)的示图。在图5中，横轴表示指标√(ω/2ν)×a，纵轴表示流量比(管内非稳态流动的流量/稳态流动(Hagen-Poiseuille流动)的流量)。流量比为1表示流体形成Hagen-Poiseuille流动(在非振动的过程中获得的流量)。

如图3、图4和图5所示，指标√(ω/2ν)×a具有以下的特征：

特征1：(指标<1)

－流速分布：与Hagen-Poiseuille流动的流速分布类似(参见图3)。

－粘度阻力比：与Hagen-Poiseuille流动的粘度阻力比类似(参见图4)。

－流量比：与Hagen-Poiseuille流动的流量比类似(参见图5)。

特征2：(指标>1)

－流速分布：与Hagen-Poiseuille流动的流速分布的不同随着指标值的增加而增加(参见图3)。

－粘度阻力比：随着指标值的增加而增加到Hagen-Poiseuille流动的粘度阻力比以上(参见图4)。

－流量比：随着指标值的增加而减小到Hagen-Poiseuille流动的流量比以下(参见图5)。

对于特征2，在指标是2、5和10的情况下获得的流量比大致分别与Hagen-Poiseuille流动的流量比的一半、五分之一和十分之一对应。因此，具有等价直径使得指标大于1的内表面的扩径部分至少被设置在具有泵3a、3b的头外流路2的一部分中。即，扩径部分被设置在上游流路2a和下游流路2b中的一或两个的一部分中，或者被设置在全部的上游流路2a和下游流路2b中。换句话说，满足上述关系的扩径部分可具有可形成稳态流动并且不需要覆盖整个流路的长度。在本实施例中，头内流路100的指标比1小(√(ω/2ν)×a<1)。

由于如上描述的那样在头外流路2中形成指标大于1的扩径部分，因此流过头外流路2的液体的流速被抑制，由此限制与喷射口连通的离散流路中的压力。这又抑制喷射口中的压力的波动和弯月面的变动，由此限制与通过喷射口的喷射有关的喷射量波动ΔVd。

以下是共用流路5a中的压力的波动、共用流路5a的有效直径与指标之间的关系和与共用流路有关的喷射量波动等的测量结果。

图6是示出源自由在本实施例中使用的泵3a、3b导致的压力脉动的压力波动的测量值的示图。在指标比1小的头外流路2的配置中，测量涉及源自泵3a、3b的驱动的流路板5中的共用流路5a中的压力波动。图6表示具有泵3a、3b的最大振幅的周期为约0.5秒(接近2Hz)。

图7是示出在通过呈现出2Hz的脉动频率的泵3a、3b允许具有运动粘度系数(粘度2.4cP/密度1μg/μm³)的墨流动的情况下、观察到的头外流路2的最大等价直径与指标√(ω/2ν)×a之间的关系的示图。

在图8中，以下描述在针对头外流路2的最大等价直径设定以下三种类型的最大等价直径的情况下所施加的脉动抑制效果。

－在墨流路具有1mm或更小的最大等价直径的情况下

在这种情况下，如图7所示，指标√(ω/2ν)×a<1，因此，如图5所示，流量比为1。因此，不施加抑制谐波振荡流动的脉动的效果。

－在墨流路具有2.5mm的最大有效直径(等价直径)的情况下

在这种情况下，如图7所示，指标√(ω/2ν)×a＝2，因此，如图5所示，流量比为0.5。因此，谐波振荡流动的脉动减小到约一半。

－在墨流路具有12.0mm的最大有效直径的情况下

在这种情况下，如图7所示，指标√(ω/2ν)×a＝10，因此，如图5所示，流量比为0.1。因此，谐波振荡流动的脉动减小到约十分之一。

图8是示出流路板5中的共用流路5a的等价直径(最大等价直径)如图7所示的那样被设定为1mm、2.5mm和12.0mm且指标√(ω/2ν)×a被设定为1、2和10的情况下的、关于压力ΔP的喷射量波动ΔVd的值的示图。如图8所示，针对各压力波动值ΔP、在指标√(ω/2ν)×a被设定为2的情况下观察到的喷射量波动的值减小到在指标被设定为1的情况下观察到的喷射量波动的值的一半，并且，针对各压力波动值ΔP、在指标被设定为10的情况下观察到的喷射量波动的值减小到在指标被设定为1的情况下观察到的喷射量波动的值的十分之一。这表示，甚至在使用相同的压力波动(脉动)ΔP的情况下，喷射量波动ΔVd的值的减小也与基于头外流路的等价直径设定的指标的值一致地增加。

因此，在本实施例中，在脉动流动源自由泵3a、3b允许的液体的流动的打印设备中，各元件基板内流路63中的压力损失可被抑制。作为结果，各喷射口中的弯月面的可能的变动可被抑制，从而使得能够限制通过喷射口喷射的墨的量的波动。并且，不管由泵3a、3b导致的压力波动如何，都可根据需要减小元件基板内流路63的直径，从而使得能够减小打印元件基板6的尺寸。(第二实施例)

现在，参照图9A～9C描述本发明的第二实施例。图9A～9C是示出打印元件11和喷射口周围的部件的示意图。图9A示出喷墨之前的状态，图9B示出喷墨之中的状态，图9C示出喷墨之后的状态。

本实施例具有压力室中的能量产生元件上的70％或更多即基本上所有的墨(液体)13变为墨滴(液滴)14a的有效配置，该液滴14a之后被喷射。为了允许从这种液体喷射头以更大的喷射量喷射墨滴，各喷射口的直径需要进一步增加。但是，喷射口的直径增加导致喷射口中的弯月面响应于压力的波动更明显地变动。作为结果，喷射量波动ΔVd增加，从而导致图像质量劣化的可能性。

因此，在第二实施例中，头外流路2的指标√(ω/2ν)×a被设定为大于1的值，例如，2或3或更大。因此，即使对于具有有效的配置的液体喷射头，也可抑制馈送到液体喷射头的液体的压力的波动，从而允许限制在各喷射口中形成的弯月面的变动。因此，通过喷射口喷射的墨的量稳定化，从而使得能够形成高质量图像。

(第三实施例)

现在，描述本实施例的第三实施例。

在第一实施例中，示出头内流路100的指标等于或小于1(√(ω/2ν)×a≤1)且至少在头外流路2的一部分中形成用于设定大于1的指标的扩径部分的示例。相反，在第三实施例中，在液体喷射头中形成的头内流路100的指标被设计为大于1。

图10A～10D是示出第三实施例中的液体喷射头200的配置的示图。图10A是透视图。图10B是沿图10A中的线XB-XB′截取的断面图，图10C是沿图10A中的线XC-XC′截取的断面图。图10A～10D中的与图2A和图2B所示的液体喷射头1的特定部件相同或对应的部件由相同的附图标记表示，并且不被详细描述。

液体喷射头200包括与第一实施例相同的打印元件基板6和流路板5，但是与第一实施例中的液体喷射头200的不同在于，在打印元件基板6与流路板5之间设置液体室部件22。

液体室部件22具有允许图10B所示的在流路板5中形成的板内流路50与图10D所示的在打印元件基板6中形成的元件基板内流路63连通的液体室内流路23。液体室内流路23的尺寸A1(参见图10C和图10D)远比图2A所示的尺寸A大。因此，液体室内流路23具有非常大的等价直径，并且，针对该流路的指标(√(ω/2ν)×a)中的项(a)具有非常大的值。因此，指标(√(ω/2ν)×a)具有明显大于1的值。作为结果，在本实施例中的液体喷射头200中，可通过与打印元件基板6连通的液体室内流路23抑制源自由泵3允许的墨的流动的压力波动。这使得能够限制在各喷射口60内形成的弯月面的变动。因此，通过喷射口60喷射的墨的量稳定化，从而使得能够形成高质量图像。

(第四实施例)

现在，基于图11～13描述本发明的第四实施例。图11是示出源自压力波动ΔP和喷射口直径Φ的变化的喷射量的变化率的示图。图11示出喷射量的变化率与压力波动ΔP和喷射口直径Φ一致地增加。换句话说，墨的脉动流动源自压力波动ΔP的增加，从而导致各喷射口60中的弯月面更明显地变动。这增加喷射量在喷射过程中的波动。因此，为了抑制墨的脉动流动，指标(√(ω/2ν)×a)需要增加为高于1。

图12和图13是示出在出现压力波动ΔP的情况下观察到的喷射口直径Φ和指标之间的关系的示图。图12示出防止喷射量的变化率增加高于1.5％所需要的指标的大小。图13示出防止喷射量的变化率增加高于3.0％所需要的指标的大小。这些图示出压力波动ΔP为100mmAq、200mmAq和300mmAq的情况。从图12和图13可以清楚地看出，指标(√(ω/2ν)×a)与压力波动ΔP和喷射口直径Φ一致地增加。因此，为了防止喷射量的变化率增加高于1.5％和3.0％，将通过泵允许流动的液体的压力的脉动与喷射口的直径Φ之间的关系设定如下。

即，为了防止喷射量的变化率增加高于1.5％，满足以下的关系。

√(ω/2v)×a＞Φ(-0.0243+0.0023P)+0.2636-0.0176P…(式4)

为了防止喷射量的变化率增加高于3.0％，满足以下的关系。

√(ω/2v)×a＞Φ(-0.0122+0.0012P)+0.1318-0.0088P…(式5)

ω：脉动的角频率

ν：墨的运动粘度系数

a：管路的等价直径

Φ：液体喷射头的喷射口直径[μm]

P：从液体输送机构输送的液体的压力脉动

在将液体喷射头、流路、泵和墨设定为满足上述关系的情况下，可防止喷射量的变化率增加高于1.5％和3.0％，从而使得能够从液体喷射头稳定地喷射墨。

由上述的实施例代表的本发明适用于通过使用诸如泵的液体输送机构馈送液体的液体喷射设备和液体喷射头。因此，本发明适用于扫描打印介质来进行打印的串型打印设备以及具有与打印介质的宽度对应的长度的全幅型打印设备。本发明还适用于液体从罐箱(存储器)被馈送到液体喷射头并然后从液体喷射头被馈送到回收液体的罐箱的称为循环型的液体喷射设备和液体喷射头。本发明特别适用于通过使用全幅型液体喷射头使包含能量产生元件的压力室中的液体在压力室与压力室的外面之间循环的液体喷射头和液体喷射设备。

尽管已经参考典型实施例说明了本发明，但是应该理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。所附权利要求书的范围符合最宽的解释，以包含所有这类修改、等同结构和功能。

Claims

1.一种液体喷射设备，包括：

液体喷射头，其具有用于喷射液体的喷射口；

流路，其被配置为与所述喷射口连通；和

液体输送单元，其被配置为向所述流路馈送液体，

其中，从所述液体输送单元输送的液体的角频率ω、液体的运动粘性系数ν和所述流路的至少一部分的等价直径a之间的关系满足√(ω/2ν)×a＞1。

2.根据权利要求1所述的液体喷射设备，其中，所述关系满足√(ω/2ν)×a＞2。

3.根据权利要求1或2所述的液体喷射设备，其中，所述关系满足√(ω/2ν)×a＞5。

4.根据权利要求1或2所述的液体喷射设备，其中，所述液体喷射头中的所述喷射口的直径Φ与从所述液体输送单元输送的液体的压力脉动P之间的关系满足√(ω/2v)×a＞Φ(-0.0243+0.0023P)+0.2636-0.0176P。

5.根据权利要求1或2所述的液体喷射设备，其中，所述关系满足√(ω/2ν)×a＞Φ(-0.0122+0.0012P)+0.1318-0.0088P。

6.根据权利要求1或2所述的液体喷射设备，其中，所述流路包含形成在所述液体喷射头中的头内流路和与所述头内流路连接的头外流路。

7.根据权利要求6所述的液体喷射设备，其中，

所述液体喷射头包括：形成所述喷射口的打印元件基板；和流路板，其被配置为与所述打印元件基板连通，以及

所述打印元件基板与所述流路板连通的流路的等价直径比所述流路板中形成的流路的等价直径大。

8.根据权利要求6所述的液体喷射设备，其中，所述液体输送单元与所述头外流路连接。

9.根据权利要求7所述的液体喷射设备，其中，

所述打印元件基板包括：

喷射能量产生元件，其被配置为产生使得能够通过所述喷射口喷射液体的喷射能量；以及

压力室，其设置在所述喷射能量产生元件与所述喷射口之间，并且被馈送液体，以及

在所述喷射能量产生元件产生喷射能量的情况下，通过所述喷射口喷射所述压力室内存在的液体的70％或更多。

10.一种液体喷射头，其具有用于喷射液体的喷射口，该液体喷射头包括：

流路，其被配置为与所述喷射口连通，

其中，从液体输送单元输送的液体的角频率ω、液体的运动粘性系数ν和所述流路的至少一部分的等价直径a之间的关系满足√(ω/2ν)×a＞1，其中所述液体输送单元被配置为向所述流路馈送液体。

11.根据权利要求10所述的液体喷射头，其中，

还包括产生用于喷射液体的能量的元件和包含所述元件的压力室，以及

所述压力室内的液体在所述压力室与所述压力室的外部之间循环。