CN1906039A - 流体滴喷出组件 - Google Patents

Abstract

公开一种流体滴分配装置(10)。所述装置(10)包括多个喷嘴口(17)以及废流体控制孔(32)，流体(12)从所述喷嘴口(17)喷出。

Description

流体滴喷出组件

技术领域

本发明涉及喷出流体滴(drops)。

背景技术

喷墨打印机是一种用于在载体上沉积流体滴的装置。喷墨打印机通常包括从供墨部到喷嘴流道的墨流道。所述喷嘴流道终止于喷出墨滴的喷嘴口。通常通过由致动器对墨流道中的墨施压来控制墨滴喷出，所述致动器可为例如，压电偏转器、热驱动气泡喷射发生器或静电偏转元件。典型的打印组件具有墨流道阵列，其与喷嘴口及致动器相对应。从每个喷嘴口喷出的流体滴可受到独立的控制。在按需即喷(drop-on-demand)打印组件中，在打印组件和打印载体彼此相对移动时，每个致动器致动以选择性地在图像的特定像素位置喷出流体滴。在高性能打印组件中，喷嘴口通常直径为50微米或更小，例如，大约25微米，以100-300喷嘴/英寸的节距分离，解析度为100到3000dpi或更高，并提供体积大约为1到120微微升(pL)或更小的流体滴。流体滴喷出频率通常为10kHz或更高。

Hoisington等人的美国专利第5,265,315号描述一种具有半导体结构体及压电致动器的打印组件。该结构体由硅制成并被蚀刻以限定墨室。喷嘴口由附接于硅结构体的单独的喷嘴板限定。压电致动器具有一层压电材料，根据所施加的电压改变几何形状，或者弯曲。压电层的弯曲对沿墨流道定位的泵室内的墨施压。压电墨喷射打印组件也在Fishbeck等人的美国专利第4,825,227号、Hine的美国专利第4,937,598号、Moynihan等人的美国专利第5,659,346号以及Hoisington的美国专利第5,757,391号中描述，其全部内容在此引用作为参考。

发明内容

一个方面，本发明的特征是提供一种流体滴喷出装置，包括：流道，其中流体受压而从喷嘴口喷出流体滴；用于对所述流体施压的压电致动器；以及一个或更多接近所述喷嘴口的废流体控制孔。所述控制孔与真空源连通。

另一方面，本发明的特征在于，通过提供包括喷嘴口和至少一个废流体控制孔的流体滴喷出装置而喷出流体，所述废流体控制孔与真空连通，以大约10KHZ或更高的频率喷出流体，并且在大约5inwg或更少的操作真空下通过所述装置吸取大约为喷出流体的5％或更少的量的废流体。这里，真空压力由水表英寸数(inches of water gauge)，即inwg表示。

一方面，本发明的特征在于，通过提供包括喷嘴口和至少一个废流体控制孔的流体滴喷出装置而喷出流体，在不喷出流体滴的情况下，引导通过所述喷嘴口的所述流体团，以与所述控制孔连通。

一方面，本发明的特征在于一种流体滴喷出装置，具有：流道，其中流体受压而从喷嘴口喷出流体滴；压电致动器；以及一个或更多流体控制孔。所述流体控制孔与所述喷嘴口距离大约200％的喷嘴口宽度或更少，每个孔的孔径宽度大约为所述喷嘴口宽度的30％或更少。

其它方面或实施例可包括结合上述和/或一个或更多以下方面中的特征。所述流体控制孔与所述喷嘴口距离大约200％的喷嘴口宽度或更少。所述流体控制孔与所述喷嘴口距离大约200％到大约1000％的喷嘴口宽度或更少。所述控制孔与其中液体受压的流道连通。每个控制孔的流体阻力大约为所述喷嘴口的流体阻力的25倍或更多。通过所述控制孔的平均总流量为通过所述喷嘴口的平均流量的大约10％或更少。每个孔的宽度大约为所述喷嘴口的宽度的30％或更少。所述喷嘴口的宽度为大约200微米或更少。每个控制孔的直径为大约10微米或更少。接近所述喷嘴口施加非润湿涂层(nonwettingcoating)。所述流道、喷嘴口和控制孔被限定在共同体中。所述共同体为硅材料。所述控制孔与所述流道隔离。所述控制孔包括吸液材料(wickingmaterial)。所述控制孔与废流体容器连通。流体滴喷出器包括至少三个孔。所述方法包括在2英寸水或更少的真空下吸取喷出流体的大约2％。所述控制孔和所述喷嘴口与共同的流体供应部连通，流体供应部与所述真空通过所述流体供应部连通。所述控制孔为所述喷嘴口直径的大约30％或更少。所述方法包括周期性引导流体团，以维持所述孔内的流体。

实施例可包括一个或更多以下优点。可通过控制废墨而减少打印错误，所述废墨会在喷嘴邻近聚集而干扰墨喷出，或沉积在载体上而使图像变得模糊。废墨可通过利用真空、毛细作用力、重力和/或表面张力将其引导并保存在受控位置而得到控制。废墨可回收到供墨部，或导入喷嘴表面外的废墨容器。墨控制孔特征可通过例如蚀刻硅材料这样的半导体材料而在喷嘴板上精确地形成。

本发明的一个或几个实施例的细节在如下附图和描述中阐释。本发明的其它特征、目标、和优点将从描述和附图中，以及从权利要求中显见。这里的所有公开文献和专利文件全部引用作为参考。

其它方面、特征和优点如下。例如，具体方面包括如下所述的孔尺寸、特性和操作条件。

附图说明

图1是流体滴喷出组件的示意图。

图2是一部分喷嘴板的顶视图。

图3-3C是示出流体滴喷出的喷嘴的剖视图。

图4-4A是喷嘴的剖视图。

图5-5A是喷嘴的剖视图。

图6是喷嘴的剖视图。

具体实施方式

参照图1，喷墨装置10包括容纳供应的墨12的墨容器11和从墨容器11引向压力室14的流道13。致动器15，例如压电转换器，覆盖压力室14。致动器可使墨从压力室14流动通过引向喷嘴板18中的喷嘴口17的流道16，由此使墨滴19从喷嘴口17喷向载体20。在操作期间，喷墨装置10与载体20可彼此相对移动。例如，载体可为在辊22与23之间移动的连续卷纸。通过从喷嘴板18内的喷嘴口17阵列中选择性地喷出流体滴，可在载体20上形成所需图像。

喷墨装置还可在系统不喷出流体滴时控制最接近喷嘴口的墨弯液面上的操作压力。在所示实施例中，压力控制由对墨容器11内的墨12上方的顶部空间9施加真空的真空源30提供，所述真空源30例如是机械泵。真空通过墨连通到喷嘴口17，以防止墨在重力作用下通过喷嘴口滴落。控制器31，例如，计算机控制器，监视墨容器11内墨液上方的真空，并调整真空源30以维持墨容器内的所需真空。在其它实施例中，通过在喷嘴口下方布置墨容器以在喷嘴口附近形成真空而提供真空源。墨液面监视器(未示出)检测在打印操作期间随墨消耗而降低的墨液面，由此增加喷嘴处的真空度。控制器监视墨液面，并在墨下降低于所需水平时从主容器中重新填充墨容器，以将真空度保持在所需操作范围内。在墨容器位于喷嘴下方足够远处的其它实施例中，弯液面的真空度克服喷嘴内的毛细作用力，墨受压以保持靠近喷嘴口的弯液面。弯液面的变化可导致流体滴速度的变化，并导致发生空气喷射或滴落。在实施例中，弯液面维持的操作真空度为大约0.5到大约10inwg，例如大约2到大约6inwg。

参照图2和3，喷嘴宽度W_N的喷嘴口17由孔径宽度W_A的墨控制孔32围绕。所述控制孔通常围绕所述喷嘴，并与喷嘴外周间隔距离S。具体地参照图3，该控制孔通过内腔34和开口36与喷嘴口上游的墨流道连通。在喷射期间，墨可能聚集在喷嘴板上。随着时间增加，墨可形成导致打印错误的凝块。例如，喷嘴口边缘附近的凝块会影响所喷出流体滴的轨道、速度或体积。另外，凝块会变得足够大，从而滴落在打印载体上并形成错误的印记。该凝块还会从喷嘴板表面突出足够远，使得打印载体与其接触，在打印载体上形成污点。控制孔32提供可收集废墨的区域，以避免形成多余的凝块。墨可在毛细作用力和/或由压电致动器15和/或真空源30产生的真空作用下被引入控制孔32内。

参照图3-3C，示出墨控制孔在流体滴喷射期间的操作。特别是参照图3，示出在喷嘴口17内形成墨弯液面24的非喷射状态下的喷嘴口17。特别参照图3A和3B，致动作用下，墨被引导出喷嘴口17，形成并喷出流体滴19。特别参照图3A，墨可从控制孔32突出，却不从孔中喷出。具体参照图3B，在喷射过程中，废墨38可沉积在喷嘴板18上。例如，由于流体滴与墨液分离，或在喷射中回溅，或伴生流体滴被引导回喷嘴板，所以废墨可能沉积到喷嘴板上。参照图3C，在流体滴喷出后或在准备喷出下一滴时，弯液面24在真空作用下收缩。该真空可由真空源30和/或从施压条件到中性或负性(neutral or negative)条件致动的压电致动器产生，其中在所述施压条件下，致动器对压力室14内的墨12施压以喷出流体滴，从而为喷出下一滴准备。喷嘴口17上的真空还与墨控制孔32连通，使得废墨可回收到控制孔32内，并在箭头35所示方向上通过内腔34。因此，废墨不在喷嘴板上过分汇集。在实施例中，所述喷嘴板特别是喷嘴口与控制孔之间的区域33包括非润湿涂层，例如，含氟聚合物(如TEFLON)之类的聚合物，以防止在该区域稳定地形成墨坑，并促使废墨流入控制孔内。该真空也可由控制墨容器11上方的真空而产生。可在喷嘴与控制孔之间提供相对可湿的喷嘴板表面，并且非润湿涂层可在控制孔形成的环的外部终止，以阻止墨在控制孔外流动。

选择控制孔的尺寸、数量、间距和布置以防止过多的废墨汇集。例如，可选择控制孔的尺寸和数量，以在不需要额外的大喷射力以喷出流体滴的情况下，防止墨从控制孔中喷出且吸收所需量的废墨。在实施例中，控制孔具有足够大于喷嘴口的流动阻力，以防止流体滴喷出期间墨从控制孔中喷出。在实施例中，每个控制孔的阻力为喷嘴阻力的大约25倍或更多，例如100倍或200倍或更多。所有致动器的总阻力被选择为在不需显著增加致动器位移的情况下收回所需废墨量。可通过将通过控制孔的平均流与喷嘴流相比较而估计致动器偏转的增加。实施例中，通过控制孔的平均流为通过喷嘴的流的大约10％或更少，例如5％或2％或更少。实施例中，安排控制孔吸取所喷射墨的5％，1％，0.5％，0.1％或更少。

例如，圆剖面通道的流动阻力为：

$R_C=\frac{8\mathrm{\μ}}{\mathrm{\π}}\frac{l_c}{r_C^4}$

其中l_c是通道的长度，r_C是半径，μ是流体粘度，而R_c是阻力。通过通道的平均流通过用平均压力除以阻力而得。包括十二个3微米孔(每个相当于喷嘴宽度的20％)的系统会具有以下特征。由于流体阻力与直径的四次方成反比，为喷嘴直径的20％的孔具有625倍的阻力。围绕喷嘴的十二个孔具有52倍于喷嘴阻力的总阻力。通过孔的平均流大约为通过喷嘴的流的1/52，或者2％。对于压电致动器，导致致动器位移的致动电压提高大约2％。具有30微米长内腔的十二个3微米半径的孔可由在墨容器内产生的2英寸水真空吸取636pL的10cps墨。这适于以63.6kHz喷射10pL流体滴时，俘获0.1％的墨。孔上真空可因喷射的填充阶段期间的致动器位移而极大提高，其中该真空以及墨容器内的真空由致动器产生。

在实施例中，将控制孔设置为围绕喷嘴口的样式。控制孔以距离S隔开，使得流体不在会影响液体喷出的喷嘴口附近聚集。一些实施例中，孔与喷嘴周围间距很邻近。例如，在实施例中，间距为大约喷嘴宽度的200％或更少，例如，50％或更少，例如20％或更少。一些实施例中，控制孔与喷嘴外围相距较远，例如喷嘴直径的200％到1000％或更多。一些实施例中，可以各种间距设置控制孔，包括近间距孔和较远间距孔。一些实施例中，每个喷嘴设置有三个或更多孔。

在具体的实施例中，孔的宽度为喷嘴宽度的大约30％或更少，例如20％或更少或5％或更少。流体收缩期间，孔上真空度大约为0.5到10inwg或更多。喷嘴宽度为大约200微米或更少，例如10到50微米。墨或其它喷射流体的粘度为大约1到40cps。在喷嘴板内设置多个喷嘴，节距为25喷嘴/英寸或更密，例如100-300喷嘴/英寸。流体滴体积为大约1到70pL。

参照图4-4A，可在不喷出流体滴时操作系统以将墨连续地导入控制孔32内，以避免墨停滞或墨在控制孔32内变干。参照图4，控制致动器15以使墨团27从喷嘴口17延伸，但没有足够的能量喷出流体滴。参照图4A，在延伸点上，墨团27缩回到喷嘴内，部分墨扩展到喷嘴板18的表面上。然后操作致动器15在喷嘴口17上产生真空并控制墨控制孔32。喷嘴板上的墨被吸入到控制孔32内。通过周期性或连续性循环墨，引导流动以更新控制孔32内的墨。

参照图5-5A，控制孔40与真空源连通，该真空源与供墨部隔离。参照图5，孔40与通道42连通，所述通道42导向真空源，例如间断或连续产生真空的机械真空装置(未示出)。参照图5，该真空从喷嘴板吸取废墨(箭头46)。从喷嘴板吸取的墨可再循环到供墨部或导向废墨容器。孔可具有非圆形剖面。例如，孔可为椭圆形，其主轴与喷嘴口的半径对齐。

参照图6，控制孔50包括吸收材料52，以通过吸液或毛细作用促进废墨38流动。吸收材料52可位于通道54内，所述通道导向墨的主容器(未示出)。吸收材料52可略微突出到喷嘴板18的上方。合适的吸液材料包括聚合物泡沫体，例如，聚氨酯泡沫体，或其它多孔材料。聚氨酯母体材料可以低粘度流体形式流入控制孔，在控制孔内聚合，形成吸液材料。

在任意一个上述实施例中的控制孔和/或喷嘴口可由机加工、激光融蚀或化学或等离子蚀刻而形成。控制孔还可由模制，例如注塑模制形成。孔和喷嘴口可形成为共同体，或需组装的分立体。例如，可在限定墨流道的其它元件(例如，泵室)的结构体内形成喷嘴口，并以分立体形式形成控制孔，该分立体被组装形成到该限定喷嘴口的结构体。在其它实施例中，控制孔，喷嘴口与压力室形成在共同体上。该结构体可为金属、碳或硅材料这样的可蚀刻材料，例如，硅、二氧化硅、氮化硅或其它可蚀刻材料。在2002年7月3日申请的美国专利第10/189,947号以及2003年10月10日中请的美国专利第60/510,459号中进一步描述了采用蚀刻技术形成打印头元件，其全部内容在此引用作为参考。

控制孔可与其它废流体控制特征一起应用，例如2003年12月30日的美国专利第10/749,816号所述，以及2003年12月30日的美国专利第10/749,622号所述的突起，以及/或者2003年12月30日的美国专利第10/749,833所述的通道，上述申请的全部内容在此引用作为参考。例如，可在近孔的喷嘴面上包括一系列通道。孔可在凹坑或通道或近突起内提供。清洁结构可与清洁流体施加到喷嘴板并擦拭清洁的各手动或自动清洗和擦拭系统结合。除被喷射的废墨外，清洁结构可收集清洁流体和残余物。

实施例中，墨滴喷出系统可用于喷出墨以外的流体。例如，沉积的流体滴可为能以流体滴形式分散的UV或其它辐射固化材料，或其它材料，例如，化学或生物流体。例如所述孔可为精确分散系统的一部分。致动器可为机电或化学致动器。例如，致动器可为静电的。

其它实施例在所附权利要求的范围内。

Claims (33)

1.一种流体滴喷出装置，其中，包括：

流道，在所述流道中，流体受压而从喷嘴口喷出流体滴；

用于对所述流体施压的压电致动器；以及

接近所述喷嘴口的一个或更多废流体控制孔，所述控制孔与一真空源连通。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，包括流体控制孔，所述流体控制孔与所述喷嘴口距离大约200％的喷嘴口宽度或更少。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，包括流体控制孔，所述流体控制孔与所述喷嘴口距离大约200％到大约1000％的喷嘴口宽度或更少。

4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述控制孔与液体在其中受压的流道连通。

5.根据权利要求1所述的装置，其中，每个所述控制孔的流体阻力大约为所述喷嘴口的流体阻力的25倍或更多。

6.根据权利要求1所述的装置，其中，通过所述控制孔的平均总流量为通过所述喷嘴口的平均流量的大约10％或更少。

7.根据权利要求1所述的装置，其中，每个孔的宽度大约为所述喷嘴口的宽度的30％或更小。

8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述喷嘴口的宽度为大约200微米或更小。

9.根据权利要求1所述的装置，其中，每个控制孔的直径为大约10微米或更少。

10.根据权利要求1所述的装置，其中，包括接近所述喷嘴口的非润湿涂层。

11.根据权利要求1所述的装置，其中，所述流道、喷嘴口和控制孔被限定在共同体中。

12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述共同体为硅材料。

13.根据权利要求1所述的装置，其中，所述控制孔与所述流道隔离。

14.根据权利要求1所述的装置，其中，所述控制孔包括吸液材料。

15.根据权利要求1所述的装置，其中，所述控制孔与废流体容器连通。

16.一种流体滴喷出装置，其中，包括：

流道，在所述流道中，流体受压而从喷嘴口喷出流体滴；

压电致动器；以及

一个或更多流体控制孔，所述流体控制孔与所述喷嘴口距离大约200％的喷嘴口宽度或更少，每个孔的孔径宽度大约为所述喷嘴口宽度的30％或更少。

17.根据权利要求16所述的装置，其中，包括至少三个孔。

18.根据权利要求16所述的装置，其中，包括与所述喷嘴口相邻的非润湿涂层。

19.根据权利要求16所述的装置，其中，所述控制孔与所述流道隔离。

20.根据权利要求16所述的装置，其中，所述流道、喷嘴口和控制孔被限定在共同体中。

21.一种流体滴喷出装置，其中，包括：

流道，在所述流道中，流体受压而从喷嘴口喷出流体滴；以及

一个或更多流体控制孔，所述流体控制孔包括吸液材料。

22.根据权利要求21所述的装置，其中，所述吸液材料从所述控制孔突出。

23.一种喷出流体的方法，其中，包括

提供包括喷嘴口和至少一个废流体控制孔的流体滴喷出装置，所述废流体控制孔与真空连通，

以大约10KHZ或更高的频率喷出流体，以及

在大约5英寸水或更少的操作真空下，通过所述控制孔吸取大约为喷出流体的5％或更少的量的废流体。

24.根据权利要求23所述的方法，其中，包括至少三个孔。

25.根据权利要求23所述的方法，其中，包括在2英寸水或更少的真空下，吸取喷出流体的大约2％。

26.根据权利要求23所述的方法，其中，所述控制孔和所述喷嘴口与共同的流体供应部连通，流体供应部与所述真空通过所述流体供应部连通。

27.根据权利要求23所述的方法，其中，所述控制孔为所述喷嘴口直径的大约30％或更少。

28.根据权利要求23所述的方法，其中，所述喷嘴口的直径大约为200微米或更少。

29.一种喷出流体的方法，其中，包括：

提供包括喷嘴口和至少一个废流体控制孔的流体滴喷出装置，以及

在不喷出流体滴的情况下，引导通过所述喷嘴口的所述流体团，从而与所述控制孔连通。

30.根据权利要求29所述的方法，其中，包括周期性引导流体团，以维持所述孔内的流体。

31.根据权利要求29所述的方法，其中，包括

使所述流体的方向悬置而成所述团，以及

从所述喷嘴口喷出流体滴。

32.根据权利要求29所述的方法，其中，所述流体控制孔与真空连通。

33.根据权利要求29所述的方法，其中，所述控制孔与所述喷嘴口与共同的流体供应部连通，流体供应部与所述真空通过所述流体供应部连通。

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