CN1553860A - 微滴沉积设备 - Google Patents

Abstract

一种用于微滴沉积设备的墨水供应系统，其中喷嘴处的压力由远点控制，所述远点与所述打印头并联。该墨水供应系统通过选择流体回路的打印头支路和压力控制支路的限流来实现上述目的。

Description

微滴沉积设备

技术领域

本发明涉及打印机，尤其是微滴沉积喷墨打印机(droplet depositionink jet printers)。

背景技术

喷墨打印机已不再仅被视为办公打印机，其多样性表明它们目前已被用于数字出版及其它工业领域。喷嘴数量超过500的打印头现已比较常见，在不久的将来，包括2000个以上喷嘴的“页宽”打印头有望实现商用。

这些打印头一般为“末端喷射器”，即通道或喷射腔具有墨水入口以及喷射墨水的喷嘴。墨水经墨水入口流入喷射腔，而墨水离开喷射腔的唯一方式就是通过喷嘴喷射出去。

现已发现：除墨水入口和喷嘴外，在喷射通道上增加一个墨水出口具有某些优点。即使在打印时，使墨水流经该通道也有助于减少粒子或气泡阻塞喷嘴的可能。

由于这些工业打印机的尺寸，当全黑打印时，大量墨水从喷头喷射出，即所有喷射腔均以最大流量打印。为了有助于圬物冲出打印头，并保持打印头温度恒定，在现有技术的打印头中，建议墨水通过打印头的流速约是最大打印流速的十倍。

由于喷嘴压力高于大气压可能会导致喷射流体渗漏，而喷嘴压力比大气压低得太多会导致空气被吸入喷射腔，所以喷嘴的压力优选地保持在恰好低于大气压。所有这些效果均不稳定，因此效果都不理想。

为了循环墨水，打印头设置有一个入口集合管以及一个出口集合管。在入口与出口集合管之间，打印头中存在明显的压差，为确保喷嘴处具有合适的压力，需要规定入口和出口集合管中的压力。入口集合管压力为正，而出口集合管压力为负，且略高于入口集合管的压力。

这些压力可以通过使用一个上部和一个下部贮液器的重力供料系统实现：墨水从上部贮液器供给打印机，设置一个泵将集中到下部贮液器中的未喷射墨水返回到上部贮液器。从而，实现所需的压力。

虽然这种配置的效果稳定，但会增加机器的尺寸，所以需要适用于更小型墨水供应系统的方法。本发明的一个目的就在于解决这个及其它问题。

发明内容

相应地，本发明一方面在于微滴沉积设备，包括：至少一个打印头，每个打印头具有至少一个用于从该打印头喷射流体或液体的喷嘴；液体或流体供应装置，用于在压力下向所述至少一个打印头供应液体；以及压力控制装置，它位于与所述或每个打印头并联的所述液体供应装置中，用于调节所述液体供应装置中的液体或流体压力，以控制所述或每个喷嘴处的液体压力。

优选的是，加压装置位于与所述或每个打印头以及所述压力控制装置并联的所述液体供应装置中。

优选的是，一个接头设置在所述加压装置下游的液体供应装置中，其中：所述接头将所述液体供应装置至少分为两条支路；而在所述接头的下游，所述压力控制装置位于一条支路，而所述或每个打印头位于另一支路。

优选的是，另一个接头设置在所述压力控制装置下游的液体供应装置中，其中：所述另一接头将来自所述压力控制装置的支路中的液体与来自所述或每个打印头的支路中的液体汇流入一条组合导管中。

根据本发明的一个优选实施例，一个接头设置在泵的下游，液体沿一条支路被导入打印头，而沿另一支路被导到压力参考点，所述支路在另一个点合并形成流入泵的单一导管。参考点A连接到可调节参考点A处压力、进而调节喷嘴处压力的装置。在所述优选实施例中，该装置为一个与大气相通的小型贮液器，而为了改变喷嘴的压力，它可以升高或降低。在另一实施例中，压力调节装置为一个加压容器或压缩空气箱。

参考打印头中的阻力，精心选择压力参考支路中的阻力，就可以通过操作与打印头并联的远点处的压力，控制喷嘴处的压力。

优选地，参考点A上游的流阻实质上与至少一个喷嘴上游的流阻相同，而参考点A下游的流阻实质上与至少一个喷嘴下游的流阻相同。参考点A任一侧的上游与下游导管的流阻实质上是相同的。

参考点A任一侧导管的流阻可使用限流器确定。限流器可以为简单硬件，如具有特定流阻的管道，或更复杂的硬件，如阀或相类似物。如果使用管道，优选的是，使用长度较长的中等内径的管道，而不是长度较短的内径狭小的管道；这样污物的腐蚀以及堆积就不大可能破坏系统的对称性。

优选的是，通过回路的压力控制支路的墨水流速或流量，大于通过回路的打印支路的流速货流量，更多的墨水流经压力控制支路，这意味着回路中的污物颗粒流经打印头的可能性变小。

然而由于泵和过滤器不能都设置在“对称平面”上，所以系统对称并非严格对称。然而，在合理范围内，泵降级或退化和过滤器加载都不会成为显著影响因素。即使通过过滤器存在实质的压降或泵磨损也仅仅降低通过主限流器的流速货流量，从而降低穿过它们的压降。这就会依次减小通过打印头的流速货流量，这种减小并不会很严重。

造成不对称性的另一因素是打印头要喷出墨水，所以当特定液流进入打印头时，留在打印头下游的管道中的液体会变少。典型地，10倍于最大打印流量的液流进入打印头，相应地，9到10倍最大打印流量的液流要离开打印头。打印头喷射出0到1倍最大打印流量的喷射液流量。

补充打印头喷出墨量的墨水，优选地加到在喷嘴和压力参考点A下游的两条供应支路汇流点处的供应回路。

在本发明的第二实施例中，打印头装配到扫描滑架上。主供贮液器以及压力调节贮液器均装配到打印机的一个静态部件上，所有其它设备装配到滑架上。通过在A点缓冲压力波动，来控制滑架运动端部的加速运动。作为选择，压力调节贮液器也可以装置到扫描滑架上，其位置低于打印头中喷嘴位置。这有助于减小供应回路中加速度对压力的影响。

在本发明的另一方面中，本发明包括一种通过墨水腔提供墨水流的方法，该墨水腔包括：一个墨水入口，此处墨水压力为正；一个墨水喷射孔；以及一个墨水出口，此处墨水压力为负。所述方法的特征在于：墨水腔外的墨水流流经由第一限流器、一个参考压力装置和第二限流器组成的串联连接，分别确定了远离参考压力装置的第一和第二限流器末端的正和负墨水压力，并将所述正和负墨水压力分别施加到墨水腔的入口和出口。

优选的是，参考压力装置通过将墨水表面暴露于所确定的空气压力(优选地可控并可以是大气压力)下操作。

优选的是，第一和第二限流器与限制墨水腔中墨水入口和墨水喷射孔之间以及墨水喷射孔与墨水出口之间的墨水流相等或平衡，以便墨水喷射孔处的墨水压力由参考压力装置确定。

而在本发明的另一方面中，本发明包括一种向打印头供应墨水的方法，其中喷嘴处的压力由远点控制，所述远点的位置与所述打印头并联。

在本发明的又一方面中，本发明包括一种向具有喷嘴的墨水腔供应墨水的方法，其中：在墨水腔和压力控制通路中流体并联和设置并联流；并联流体是平衡的，以便喷嘴处的压力由施加在压力控制通路中参考点处的压力控制。

优选的是，压力控制通路包括由一个第一限流器、一个确定所述参考点的参考压力装置以及一个第二限流器组成的串联连接。

优选的是，参考压力装置通过将墨水表面暴露于确定的且优选可控的空气压力(可以是大气压力)下进行操作。

优选的是，通过所述压力控制通路的墨水流流速或流量大于通过墨水腔的墨水流流速或流量。

附图说明

本发明只通过实例参考以下附图进行描述，其中附图有：

图1为根据现有技术的重力供料的墨水供应回路；

图2描绘了通过喷墨打印头的墨水流；

图3为图2打印头的放大视图；

图4描绘了根据本发明的单行打印头墨水供应回路；

图5描绘了根据本发明的双行打印头墨水供应回路；

图6描绘了页宽排列的墨水供应回路；以及

图7描绘了打印头的另一回路。

具体实施方式

图1为根据现有技术的重力供料的墨水供应系统。打印头1能够从位于打印头下侧的喷嘴喷射液体2。墨水腔具有或排出喷嘴，并且以两个平行的阵列排列，墨水从中央集合管3供给墨水腔，而未喷射的墨水利用两个出口集合管4从打印头排除。

墨水从上部贮液器5连续供应到打印头，贮液器中的液面由液面传感器6控制。墨水流流速或流量为最大液滴或微滴喷射流速或流量的十倍左右。由于喷射腔的尺寸较小且穿过它们的压降很高，为了在喷嘴处实现轻微的负压，要求高压液流进入打印头。这种压力通过设置压差Hu实现，Hu为贮液器中液体高度与喷嘴之间的差。典型地，入口集合管处的压力必须为+2800Pa左右。

墨水腔中喷嘴位于入口集合管3与出口集合管4之间的中路。因此，打印机中喷嘴任意一侧压降实质上是相同的。流经墨水腔的墨水要转到下部贮液器，该贮液器中的液面由液面传感器8控制。喷嘴与下部贮液器中液体表面之间的高度差HL确定了喷嘴的压力，它必须具体约为-3200Pa的实质负压。这就实现了喷嘴处压力刚好低于大气压。

利用泵9，墨水经过滤器10返回到上部贮液器。在这种配置中，打印头和压力参考点连续或串联设置。

典型地，Hu为约280mm而HL为约320mm。WO00/38928(合并到本说明)更详细地描述了这种墨水供应，因此，这里不再赘述。

图2为要求的喷墨打印头上连续流滴的透视图。一块压电材料24具有由切割过程形成的通道32。压电块在其厚度方向中被极化，而电极(未示出)设置在限定通道的每个通路壁的任意一侧。通过激活或致动通路壁相对侧电极之间的电场，通路壁向剪切方向偏斜，从而对通道中包含的墨水施加压力。这就使微滴从形成在盖板34中的喷嘴30喷射出来。这种喷射微滴的机构在现有技术中已很常见，也描述得很多了，例如参见EP-A-0 277 703或EP-A-0 278 590以及合并到这里的内容。

这种结构以及其它结构——单行和双行致动器，在现有技术中已很常见。其中参见WO 00/24584和WO 00/29217(这两个申请均被合并在这里)。

在这种单行致动器中，墨水经形成在基片26中的孔20被供应给致动器，并经也位于该基片中、但位于通道的相对端的孔20被移走。一个支撑部件28与顶盖或盖34和基片26一起确定了一个集合管。

本发明将参考图3到6进行描述。

图3为图2打印头的放大视图。喷嘴30位于沿通道32的中间位置。每个通道的尺寸都较小；宽度一般约为75微米级，深度为300微米，而长度约为1mm。由于打印头能够以约6.2kHz的频率最多打印50pl的墨水滴，所以通过喷嘴最大的流量约为3.1×10^-10m³/s，因而10倍于该流量，沿通道的流速为0.14m/s。

由于一些墨水从喷嘴喷射出，所以沿第一半通道的液体压降要大于沿第二半通道的液体压降。理论上，这些可以表示为图4中的两个限流器或节流器56和58。

根据本发明的优选实施例的墨水供应如图4所示。一个单行、通流型打印头与压力参考点A并联设置。参考点A与喷嘴30相互间具有某一固定空间关系，泵52的设置以便能够将墨水同时供应到参考点A和喷嘴。

从打印头流出的未喷射墨水与从参考点A流出的墨水汇合，并用于流入泵。置换喷嘴喷出墨水的墨水，从主供或整体供给贮液器54，被供应到参考点A或喷嘴的下游(或参考点A和喷嘴两者的下游)的墨水中。

打印头内的通道和集合管示意性地描述为限流器56和58。由于喷嘴位于通道的中央，每个限流器56，58实质上具有相同的阻力。

限流器60，62分别位于点A的任意一侧。这些限流器相互平衡，这样当墨水环绕回路流动时，在限流器60的相对侧建立约+2800Pa的正压，而在限流器62的相对侧建立约-3200Pa的负压。

回路也是平衡的，这样进入打印头(即限流器58的上游)的压力近似为+2800Pa；而离开打印头的压力(即限流器56的下游)近似为-3200Pa。由于限流器实现的压降，这就在喷嘴30建立了实质上与压力参考点A相同的压力。

限流器可以简单的是某种长度的管道，或者为较窄孔径的一小段管或者为较大孔径的一长段管。在这一实例中，孔径为中等内部直径，这样腐蚀或污物阻塞将不会对系统的对称性产生显著的影响。作为选择，使用阀将提供更大的操作自由度。

通过控制与大气连通的小型控制贮液器64内液体的高度，就可以控制参考点A处的压力。通过将贮液器提升到更高位置，参考点A处的压力就将上升，随后供应回路内的所有压力也会提高相应的量。利用这种简单的运动，就能够提升喷嘴处的压力。

类似地，通过降低控制贮液器的高度，参考点A处的压力将下降，随后供应回路内的所有压力也会下降相应的量。利用这种简单的运动，就能够降低喷嘴处的压力。

通过改变小型贮液器内的压力，就可以为了维护目的而实现喷嘴处的清洁或吸取。

对于供应回路内的液流问题，泵的大小必须保证实现通过打印头的最大喷射速度或流量至少10倍的速度或流量；而通过压力参考点A的液流速度或流量优选地超过这一数值。优选的是，通过压力参考点的液流为最大喷射速度或流量的约20倍。

因此，泵必须能够以最大喷射速度或流量30倍抽取液体，即9.3×10^-9m³/s。补充墨水以0到3.1×10^-10m³/s之间的流量供应到系统。虽然这一般不会以平滑流供应液体，但由于它汇合到高大约30倍流量的液流中，所以压力波动可以忽略不计。实际上，已发现系统容许由泵产生的任何液流波动。其原因在于：由于泵作为回路的组成部分，泵出口处液流的波动与泵入口处的液流的相应波动是匹配的。

由于通过压力参考点A的流速或流量为经过打印头的液流流速或流量的两倍，所以，系统中未被过滤器66过滤掉的任何污物粒子流过压力参考回路的概率是通过打印头的液流的两倍。所以，在第二次流经打印头前，粒子必然第二次经过过滤器66。这样，就进一步减小了任意一个粒子导致阻塞的机会。

虽然希望通过压力参考点A的液流具有更高的流速或流量，但这并不是最重要的。重要的是液流通过打印头的流速货流量，由于该流体积优选的是最大打印体积的十倍，所以至少9倍于最大打印量的液体未从打印头出口喷出。因此，即使没有大量的液流通过压力参考点，同样也可以减小阻塞可能性。

图5为双行打印头的示意图。墨水从单一中央集合管并联供应到两行打印头，未从两行喷射腔喷出的墨水合流到一个出口集合管。

图4和图5中虚线B-B表示根据本发明的另一实施例的扫描应用中设备的布置。虚线B-B右侧的回路放置于扫描滑架上，而虚线B-B左侧设置着贮液器。

滑架加速造成的压力波动可以使用小型贮液器64缓冲。由于小型贮液器和压力参考点A之间的管道可以比运送环绕回路的墨水流的管道小，所以通过小型贮液器高度的较小变动，或者当小型贮液器不与大气连通而主动控制压力时，对液面上空气空间的压力相对较小的变化，就可以控制压力的波动。

在扫描设置的另一实施例中，小型贮液器可以装配在滑架上。当定位到打印头下时，就不需要静态压力参考贮液器了。然而，如果不方便将小型贮液器放置在打印头下方，它也可以设置在其上方，而可以使用从小型贮液器通到静态压力控制设备的空气管，以在点A处建立合适的压力。设置空气管有益于在加速条件下不会增加压差。

图6描绘了页宽排列或阵列的墨水供应回路。一个主泵100使墨水环绕包含压力控制贮液器102和打印头104的回路循环。

该泵的下游是一个流量控制阀106以及用于去除污物颗粒的过滤器108。流量控制阀将流量稳定地保持在每分钟1到7升之间。管腔直径约为10mm。

在过滤器下游，回路分为并联的两条单独回路。第一条回路的标记为110，112，114，它由窄孔径管道形成，并包括与大气连通的、到压力控制贮液器102的连接。这些窄孔径管道的直径约为2mm，其长度的设定以便压力控制贮液器中的压力反应到打印头的喷嘴处。压力控制贮液器102包括约100ml的墨水。

第二条回路110，116，114包括打印头104。设置旁路阀118(通常关闭的)以及流量表120为了简化操作。通过打印头的液流典型地在每分钟1到7升之间。管道孔径约为10mm。

两条回路在点114汇合，循环的墨水回到泵100。在该点加入来自补充回路的墨水。补充回路具有提供流量低于每分钟1升的泵122。墨水经过滤后，供应到压力控制贮液器102。供给主泵100的补充墨水在这一点处被分离出。

压力控制贮液器中的墨水液面由一个堰控制，过剩的墨水流出出口而进入下部的用于供应补充泵122的主供或整体墨水贮液器124。

如图7所示，通过向作为单一单元的主过滤器108、压力控制贮液器102以及窄腔管道130、132供应墨水可实现更精巧的墨水供应。

在当前实施例中，压力控制贮液器102设置在该单一单元中，它位于过滤器上面的某一位置，而该单元本身的尺寸约为10cm×10cm×20cm。为了便于参考，包括压力控制贮液器的单一单元的部分被称作头部部分，而包括过滤器的部分称作过滤器部分。头部部分高3cm，一个堰134用于确定与大气相通的头部分部分中液面高度。一个小泄放孔136允许空气通过过滤器部分，而进到头部部分。

利用泵122，补充打印头104打印液体的加满液体，从贮液器供应。加满液体直接被供应到头部部分，而任何过剩的液体会溢出堰134，而经过滤器部分中的无细孔(non-porous)管138返回到贮液器。加满液体在进入头部部分前可以进行过滤。通过该部分的墨水流流量相对较低，一般远低于1升/分钟。

对于主墨水循环回路，泵(优选为磁力泵)向冷却器供应液流，以便在它到达过滤器部分前冷却墨水。该管道的出口位于过滤器孔中。过滤器108优选地是外径为5cm、高度为13cm、细孔大小为5μm的管状过滤器。墨水流经过滤器，超向过滤器外壳底部的出口用于将墨水送至打印头。由于过滤器必须可通过任何空气，所以这种结构优选地使系统能允许空气(而不像渗透部分136)，然后在通过打印头前向下通过该过滤器中的墨水。

窄孔径管130和132允许墨水经头部部分从打印头入口流到打印头出口，并作为桥路的两条支路。头部箱部分中的液面为压力参考，它用于设置喷嘴处的压力。

墨水流以合理的速度通过窄腔管，而压力控制贮液器102的大小应该使空气不会向下被吸到返回腔132。

这些管道的阻力与到打印头的入口和出口管匹配，流到打印头的流体流为约1升/分钟。向和自打印头供应墨水的管道的尺寸大小，必须允许墨水具有足够的速度以防止空气的聚集；也要足够大以防止过分的压力下降。实践证明：孔径为10mm而内部直径为7mm的管将很适合。当使用直径为12mm而内部直径为10mm的管时，发现：墨水流速较低而使一些空气聚集，然而这种空气也可以通过温和泄放而轻易移除到墨水流中。

在本说明书(其条款包括权利要求书)中披露的与/或附图示出的每个特征，可单独加入本发明，或与其它披露的与/或图示的特性结合加入本发明。

Claims (30)

1.一种微滴沉积设备，包括：

至少一个打印头，每个打印头具有至少一个用于从该打印头喷射流体的喷嘴；

流体供应装置，用于在压力下向所述至少一个打印头供应流体；以及

压力控制装置，位于与所述或每个打印头并联的所述流体供应装置中，用于调节所述流体供应装置中的流体压力，以控制所述或每个喷嘴的流体压力。

2.根据权利要求1所述的设备，其中增压装置设置在与所述或每个打印头和所述压力控制装置并联的所述流体供应装置中。

3.根据权利要求2所述的设备，其中接头设置在所述加压装置下游所述流体供应装置中，其中所述接头将所述流体供应装置分为至少两个支路，而在所述接头的下游，所述压力控制装置位于一条支路并且所述或每个打印头位于另一支路。

4.根据权利要求3所述的设备，其中另外一个接头设置在所述压力控制装置下游所述流体供应装置中，而其中所述另外一个接头将来自所述压力控制装置一条支路中的流体与来自所述或每个打印头的支路中的流体合并到结合的管道中。

5.根据权利要求4所述的设备，其中：所述合并回路向所述加压装置供应流体。

6.根据权利要求2到权利要求5中的任一项权利要求所述的设备，其中所述加压装置为一个泵。

7.根据权利要求3到权利要求6中的任一项权利要求所述的设备，其中所述接头与所述压力控制装置之间的支路的阻力，与所述接头与所述或每个打印头中的所述喷嘴之间的阻力实质上是相同的。

8.根据权利要求3到权利要求7中的任一项权利要求中所述的设备，其中：所述压力控制装置与所述另一个接头之间的支路的阻力，与所述或每个打印头中所述喷嘴与所述另一个接头之间的阻力，实质上是相同的。

9.根据前述任意权利要求中所述的设备，其中所述压力控制装置为容纳表面与大气压力连通的流体的贮液器或储蓄器。

10.根据权利要求9所述的设备，其中设置能够提升和降低所述贮液器或储蓄器的装置。

11.根据权利要求9或权利要求10中任一项权利要求所述的设备，其中所述表面比所述喷嘴高度更低。

12.根据权利要求9或权利要求10中任一项权利要求所述的设备，其中所述表面比所述喷嘴高度更高。

13.根据任一前述权利要求中所述的设备，其中所述喷嘴位于喷射腔中。

14.根据权利要求13所述的设备，其中入口集合管向所述喷射腔供应流体，而墨水由出口集合管从所述喷射腔中被排出，所述入口和所述出口集合管为不同的集合管。

15.一种提供墨水流的方法，所述墨水流经过墨水腔，所述墨水腔具有设置正墨水压力的墨水入口、墨水喷射孔和设置负墨水压力的墨水出口，其特征在于：墨水腔外的墨水流经过由第一限流器、参考压力装置和第二限流器组成的串联，以确定远离参考压力装置的第一和第二限流器末端的各自的正和负的墨水压力，并将所述正和负墨水压力分别施加到墨水腔的入口和出口。

16.根据权利要求15所述的方法，其中参考压力装置通过将墨水表面暴露于限定的空气压力下操作。

17.根据权利要求16所述的方法，其中限定的空气压力是可控的。

18.根据权利要求17所述的方法，其中限定的空气压力为大气压力。

19.根据权利要求18所述的方法，其中所述墨水表面高度是可控的。

20.根据权利要求15到19中的任一项权利要求所述的方法，其中第一和第二限流器与对于墨水入口与墨水喷射孔之间腔中的墨水流的限制，和对墨水喷射孔与墨水出口之间的腔中的墨水流的限制相等，以便墨水喷射孔处的墨水压力由参考压力装置限定。

21.根据权利要求15到20中的任一项权利要求所述的方法，其中通过所述串联的墨水流比通过墨水腔的墨水流的流速或流量大。

22.根据权利要求15到21中的任一项权利要求所述的方法，其中正和负墨水压力分别施加于并联的多个墨水腔的共用墨水入口和共用墨水出口。

23.向打印头供应墨水的方法，其中喷嘴处的压力由远点控制，所述远点与所述打印头并联。

24.一种向具有喷嘴的墨水腔供应墨水的方法，其中并联流建立在墨水腔和压力控制通路中；并联流是平衡的，以便喷嘴处的压力由压力控制通路中的参考点处施加的压力确定。

25.根据权利要求24所述的方法，其中压力控制通路包括由第一限流器、限定所述参考点的参考压力装置以及第二限流器组成的串联。

26.根据权利要求25所述的方法，其中参考压力装置通过将墨水表面暴露于限定的空气压力下操作。

27.根据权利要求26所述的方法，其中限定的空气压力是可控的。

28.根据权利要求26所述的方法，其中确定的空气压力为大气压力。

29.根据权利要求28所述的方法，其中所述墨水表面高度是可控的。

30.根据权利要求15到29中的任一项权利要求所述的方法，其中通过所述压力控制通路的墨水流的流速或流量大于通过墨水腔的墨水流。

Images