CN1980795A - 液滴喷射装置 - Google Patents

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Abstract

在一个方案中，本发明以用于在组件和基材沿加工方向相对移动期间向基材上沉积液滴的组件为特征。该组件包括：第一打印头模块和与第一打印头模块接触的第二打印头模块，各个打印头模块包括具有喷嘴阵列的表面，所述打印头模块能通过该喷嘴阵列喷射液滴，其中第一打印头模块喷嘴阵列中的各喷嘴相对于第二打印头模块喷嘴阵列中的相应喷嘴沿垂直于加工方向的方向偏离。

Description

液滴喷射装置
相关申请的交叉引用
本申请依据35USC§119(e)(1)要求2004年4月30日提交的、名称为“液滴喷射装置对准(DROPLET EJECTION APPARATUS ALIGNMENT)”的临时专利申请No.60/566,729的优先权，该申请公开的全部内容通过援引并入本申请。
技术领域
本发明涉及液滴喷射装置，更具体而言涉及液滴喷射装置的对准。
背景技术
液滴喷射装置的例子包括喷墨打印机。喷墨打印机通常包括从供墨源到打印头模块中的喷嘴路径的墨水路径。喷嘴路径终止于打印头模块的表面中的喷嘴口中，墨滴从该喷嘴口中喷出。通过用致动器对墨水路径中的墨加压来控制墨滴喷射，该致动器可以是例如压电偏转件、热发泡式喷射发生器或静电偏转元件。典型的打印头模块具有带有相应喷嘴口和相关致动器的墨水路径阵列，并且可以独立地控制从各喷嘴口发出的墨滴喷射。在按需喷墨打印头模块中，在打印头模块和打印基材彼此相对移动时，各致动器被启动以在特定的图像像素位置选择性地喷射墨滴。在高性能打印头模块中，喷嘴口通常具有50微米或更小的直径，例如约为25微米；并且喷嘴口以对应于100-600喷嘴/英寸或更大的间距(pitch)；具有100至600dpi或更大的分辨率；且提供尺寸约为1至70皮升(p1)或更小的墨滴。墨滴喷射频率通常为10千赫兹或更大。
Hoisington等的US5265315描述了一种具有半导体打印头模块本体和压电致动器的打印头模块，该专利文献的所有内容在此都通过援引并入本申请。该打印头模块本体由硅制成，其被蚀刻以形成墨腔。喷嘴口由连接在硅本体上的单独的喷嘴板限定。该压电致动器具有压电材料层，其可以根据所施加的电压而发生几何变形或弯曲。压电层的弯曲将墨压入沿墨水路径设置的泵送室(pumping chamber)中。
打印精度受很多因素的影响，包括打印头中的喷嘴喷出的墨滴的尺寸和速度的均匀性，以及打印头相对于打印基材的对准精度。在利用多个打印头模块的打印机中，由于打印头模块之间或打印头模块和液滴喷射装置的其它部件之间的对准误差可能会导致相对于从不同打印头模块中喷出的墨滴产生误差的墨滴位置，除此之外还可能会导致相对于基材产生错误的墨滴位置，所以打印头对准精度对打印精度非常关键。
在许多应用中，尤其是在利用多个打印头模块的液滴沉积装置中，打印头模块通过这样的方式进行对准，即，或者通过直接光学检查打印头模块或者通过打印并检查一测试图像来反复地调准打印头模块的位置并检查喷嘴位置。每次移动或更换打印头模块时，都得重复该程序。
发明内容
整体上，在第一方案中，本发明以用于将打印头模块安装到用以在基材上沉积液滴的装置中的组件为特征。该组件包括：框架，该框架具有开口，所述开口延伸通过该框架并且配置为露出安装在该组件中的打印头模块的表面；以及弹性构件，该弹性构件适用于在打印头模块被安装在该组件中时将打印头模块弹性地压靠在开口边缘上。
该组件的实施例可以包括一个或多个下列特征和/或本发明其它方案的特征。打印头模块的表面可包括喷嘴阵列，液滴通过该喷嘴阵列被喷射；且弹性构件可适用于通过沿垂直于液滴喷射方向的方向向打印头模块施加机械力将打印头模块弹性地压靠在框架上。该弹性构件可以包括柔性件。该框架可包括形成为具有所述开口和所述柔性件的板。该板可以是金属板。该板可由不锈钢、镍铁合金或氧化铝形成。该柔性件可借助于例如螺钉、螺栓、销或铆钉的紧固件连接在板上。在一些实施例中，该弹性构件包括盘簧。该框架可包括板和可连接在板上的盘簧。框架中的开口的边缘可包括对准基准(alignment datum)，所述对准基准用以将安装在组件中的液滴喷射装置相对于该组件沿一轴线精确地定位。弹性构件可位于所述开口的、与对准基准相对的一侧上。对准基准可包括在该液滴喷射装置被安装在组件中时与打印头模块接触的精确面(precision surface)。该精确面可偏离开口边缘的其它部分。该框架还可包括一个或多个延伸通过框架的附加开口，各开口被构造成用以容纳相应的打印头模块。该组件还可包括一个或多个附加的弹性构件，其各自对应于所述一个或多个附加开口，且各自适用于在相应的打印头模块被安装在组件中时，将相应的打印头模块弹性压靠在各个开口边缘上。该组件可包括该打印头模块。
在另一方案中，本发明以包括该组件和基材支架的液滴沉积系统为特征，其中该基材支架被构造成相对于该组件定位该基材，使得打印头模块可将液滴沉积在基材上。
总体上，在另一方案中，本发明以用于在组件和基材沿加工方向相对移动期间向基材上沉积液滴的组件为特征。该组件包括：第一打印头模块和与第一打印头模块接触的第二打印头模块，各个打印头模块包括一具有喷嘴阵列的表面，所述打印头模块可通过该喷嘴阵列喷射液滴，其中第一打印头模块喷嘴阵列中的各喷嘴相对于第二打印头模块喷嘴阵列中的相应喷嘴在垂直于加工方向的方向上偏离。
该组件的实施例可以包括一个或多个下列特征和/或本发明其它方案的特征。第一打印头模块喷嘴阵列中的各喷嘴偏离的距离小于该喷嘴阵列中的相邻喷嘴的间距。第一打印头模块可包括至少一个与第二打印头模块上的相应对准基准接触的对准基准。第一打印头模块的对准基准可包括偏离该第一打印头模块的相邻区域的精确面。第一和第二打印头模块的所述表面中的喷嘴阵列可各包括成排的、规则间隔的喷嘴。该组件还可包括一个或多个附加的打印头模块，各附加的打印头模块借助于夹紧件连接在第一和第二打印头模块上。各附加的打印头模块可与至少一个其它的打印头模块接触。在一些实施例中，该组件还可包括流体供应部，该流体供应部构造成用以向第一和第二打印头模块提供液体。该组件可包括框架，该框架具有延伸通过框架并构造成在打印头模块被安装在框架中时露出所述第一和第二打印头模块的开口。该组件可包括将第一打印头模块紧固在第二打印头模块上的夹紧件。
总体上，在另一方案中，本发明以用于在装置和基材沿加工方向彼此相对移动时向基材上沉积液滴的组件为特征，该组件包括：第一打印头模块和第二打印头模块，各打印头模块包括具有喷嘴阵列的表面，所述打印头模块可通过该喷嘴阵列喷射液滴，所述第一和第二打印头模块设置成使得第一打印头模块喷嘴阵列中的各喷嘴相对于第二打印头模块喷嘴阵列中的相应喷嘴在垂直于加工方向的方向上偏离，各打印头模块还包括至少一个对准基准，其中所述第一打印头模块的至少一个对准基准与所述第二打印头模块的至少一个对准基准接触。该组件的实施例可包括本发明其它方案的特征。
总体上，在另一方案中，本发明以将打印头模块安装在用以在基材上沉积液滴的装置中的组件为特征，该组件包括：框架，该框架具有延伸通过框架并构造成露出安装在该组件中的打印头模块的表面的开口，其中所述表面包括喷嘴阵列，打印头模块可通过该喷嘴阵列喷射液滴；以及夹紧件，该夹紧件连接在框架上并且适合于在打印头模块被安装在组件中时将所述打印头模块压靠在开口的边缘上。
该组件的实施例可以包括一个或多个下列特征和/或本发明其它方案的特征。夹紧件可沿喷嘴阵列的方向将打印头模块压靠在开口边缘上。夹紧件可以沿垂直于喷嘴阵列的方向将打印头模块压靠在开口边缘上。框架可包括形成有所述开口的板，且所述夹紧件借助于紧固件紧固在该板上。该板可以是金属板。该板可由不锈钢或镍铁合金或氧化铝形成。该夹紧件可包括机械致动器，其中调整该机械致动器来改变所述夹紧件将打印头模块压靠在开口边缘上的力。该框架中的开口的边缘可包括至少一个对准基准，所述对准基准将所述安装在组件中的打印头模块相对于所述组件沿一轴线精确地定位。该夹紧件可在所述开口的、与所述对准基准相对的一侧连接至框架。对准基准可包括精确面，当液滴喷射装置被安装在组件中时所述精确面与液滴喷射装置接触。该精确面可偏离开口边缘的其它部分。框架可包括一个或多个延伸通过框架的附加开口，各开口被构造成用以容纳相应的打印头模块。该组件还可包括一个或多个连接在框架上的附加的夹紧件，各夹紧件对应于所述一个或多个附加开口，且当所述相应的打印头模块被安装在组件中时，各夹紧件适合于将相应的打印头模块压靠在各个开口边缘上。
总体上，在另一方案中，本发明以一种用于在组件和基材沿加工方向相对运动期间向基材上沉积液滴的组件为特征，其中该组件包括：打印头模块，其包括具有喷嘴阵列的表面，所述打印头模块可通过该喷嘴阵列喷射液滴；框架，其具有延伸通过框架并构造成露出包括所述喷嘴阵列的打印头模块的表面的开口；压电致动器，其机械地连接在所述框架和打印头模块上；以及与所述压电致动器电连通的电子控制器，所述电子控制器被构造成用以促使压电致动器改变开口中的打印头模块相对于所述装置的轴线的位置。
该组件的实施例可以包括一个或多个下列特征和/或本发明其它方案的特征。该轴线可以垂直于加工方向。该轴线可以平行于喷嘴阵列。该压电致动器可包括叠置的压电材料层。
总体上，在另一方案中，本发明以一种用于在基材上沉积液滴的装置为特征，其包括：液滴喷射装置，该液滴喷射装置包括具有多个喷嘴的表面，液滴可通过该喷嘴喷射出，并且该液滴喷射装置还包括一不平行于该表面的第一表面，该第一表面包括偏离所述第一表面的主要部分的第一对准基准，其中该第一对准基准在与该装置的相应对准基准接触时，使喷嘴相对于该装置的第一轴线对准。
该装置的实施例可以包括一个或多个下列特征和/或本发明其它方案的特征。该第一表面的主要部分可以是基本平坦的。所述的多个喷嘴可包括沿该第一轴线延伸的喷嘴阵列。该装置可包括第二表面，该第二表面包括偏离第二表面的主要部分的第二对准基准，其中当打印头模块安装成使得第二对准基准与该装置的相应对准基准接触时，该第二对准基准使喷嘴相对于第二轴线对准。该第二轴线可垂直于第一轴线。该第一对准基准可从本体的第一表面上突出。可选择地，该第一对准基准可从本体的第一表面上凹入。第一对准基准可包括平面。该平面可限定出基本垂直于第一轴线的平面。该平面可基本平行于第一表面。该平面的Ra可小于主体的第一表面的Ra。该平面的Ra可约为10微米或更小(例如约8微米或更小，约5微米或更小，约4微米或更小，约3微米或更小，约2微米或更小)。该第一对准基准可包括柱状部。该液滴喷射装置可以是打印头模块(例如喷墨打印头模块)。该打印头模块可包括压电致动器和与喷嘴中之一连通的泵送室，且压电致动器被构造成用以向泵送室内的墨施加压力。该装置可以被构造成以约300dpi或更大(例如500dpi或更大，600dpi或更大，700dpi或更大，800dpi或更大，900dpi或更大，1000dpi或更大)的最大分辨率打印图像。
总体上，在另一方案中，本发明以一种用于将液滴喷射装置安装到用以在基材上沉积液滴的装置中的框架为特征，该框架包括：延伸通过框架、用以容纳打印头模块的开口；以及偏离该开口的边缘的第一对准基准，其中第一对准基准在与液滴喷射装置的相应对准基准接触时，使液滴喷射装置相对于该装置的第一轴线对准。
该框架的实施例可以包括一个或多个下列特征和/或本发明其它方案的特征。该框架还可包括偏离开口边缘的第二对准基准，其中该第二对准基准在与液滴喷射装置的相应对准基准接触时，使液滴喷射装置相对于装置的第二轴线对准。该第一轴线可以垂直于第二轴线。该第一对准基准可从开口边缘突出。该第一对准基准可包括平面。该平面可限定出基本垂直于第一轴线的平面。该平面的Ra约为10微米或更小(例如约8微米或更小，约5微米或更小，约4微米或更小，约3微米或更小，约2微米或更小)。
总体上，在另一方案中，本发明以一种用于将液滴喷射装置安装到用以在基材上沉积液滴的装置中的框架为特征，该框架包括：延伸通过框架、用以容纳液滴喷射装置的开口；以及当该液滴喷射装置被安装到框架中时，用于将该液滴喷射装置弹性地压靠在开口边缘的第一部分上的弹性构件。
该框架的实施例可以包括一个或多个下列特征和/或本发明其它方案的特征。该弹性构件可适用于沿与液滴装置喷射液滴的方向相垂直的方向弹性地压载液滴喷射装置。开口边缘的第一部分可包括对准基准。该对准基准在与液滴喷射装置的相应对准基准接触时，可使液滴喷射装置中的喷嘴相对于装置的第一轴线对准。该对准基准可从开口边缘的第一部分上偏离。不同于第一部分的开口边缘的第二部分可包括弹性构件。开口边缘的第二部分可与第一部分相对。弹性构件可连接到框架表面上。
总体上，在另一方案中，本发明以一种用于在基材上沉积液滴的装置为特征，其包括：液滴喷射装置；具有开口的框架，该开口延伸通过框架并用以容纳该液滴喷射装置；将液滴喷射装置连接到框架上的致动器；以及连接在该致动器上的电子控制器，其中在运行期间，该电子控制器促使致动器改变开口中的液滴喷射装置相对于装置的一个轴线的位置。
该装置的实施例可以包括一个或多个下列特征和/或本发明其它方案的特征。该轴线可垂直于液滴喷射装置喷射液滴的方向。
总体上，在另一方案中，本发明以一种包括第一和第二液滴喷射装置的装置为特征，所述两个液滴喷射装置各自包括从各自液滴喷射装置的表面偏离的对准基准，其中第一液滴喷射装置的对准基准接触第二液滴喷射装置的对准基准。
该装置的实施例可以包括一个或多个下列特征和/或本发明其它方案的其他特征。液滴在基材上形成具有一定分辨率的图像，且振动的幅度小于该分辨率的像素尺寸。喷射可在基材相对于液滴喷射装置的单程移动中完成。该液滴喷射装置可借助于一致动器连接到一框架上，所述致动器使液滴喷射装置相对于框架移动以产生所述振动。
总体上，在另一方案中，本发明以一种方法为特征，该方法包括：在使基材相对于液滴喷射装置沿第一方向移动的同时，从液滴喷射装置向基材上喷射液滴；以及使液滴喷射装置的位置沿垂直于第一方向的方向进行振动。该方法的实施例可包括本发明的其它方案的特征。
本发明的实施例可提供下列一个或多个优点。
在一些实施例中，可只需要很少的调整或不需要调整而将打印头模块安装在打印装置中，并精确地对齐打印头模块。这可以减少或除去反复对准的需要。还可简化打印头模块对准，从而减少在装置维修期间需要专业技术人员来调整打印装置或重新对准打印头模块。因此，本发明的实施例可减少打印装置在维修或更换打印头模块时的停机时间。一些实施例可减少由于打印头模块或框架的热膨胀引起对准变化而相伴产生的打印误差。
这些实施例可提供打印头模块位置沿打印装置的一个或多个轴线的自动和/或快速(on-the-fly)调整。这可在不需要打印机停机很长时间的情况下纠正打印头模块的对准误差。在打印期间，通过改变打印头模块的位置，可以减少由于打印头模块不对准或由于打印头模块内的喷嘴缺陷而引起的系统的打印误差。
在一些实施例中，打印头模块可以紧凑地布置，这减小了打印装置的尺寸。紧凑的结构可减少不同打印头模块之间的热差异，进而可减少热膨胀差异和相关的打印误差。
本发明的一个或多个实施例的具体细节将在下面的附图和说明中给出。本发明的其它特征、目的和优点将从说明书、附图和权利要求书中得以体现。
附图说明
图1是一连续的卷筒纸印刷机(web printing press)的示意图。
图2是在该连续的卷筒纸印刷机中相对于纸幅设置的打印杆(print bar)的透视图。
图3A和图3B是一打印框架(print frame)中的打印头模块的分解图和透视图。
图4A是该框架的平面图。
图4B是打印头模块的透视图。
图4C和图4D是安装在该框架中的打印头模块的平面图。
图5A是安装在框架中的打印头模块的另一实施例的平面图。
图5B是安装在框架中的打印头模块的又一实施例的侧视图。
图6A是安装在框架中的打印头模块的另一实施例的平面图。
图6B是框架的另一实施例的平面图。
图7是安装在框架中的打印头模块的又一实施例的平面图。
图8A是打印头模块另一实施例的透视图。
图8B是图8A中所示的打印头模块安装在框架中的侧视图。
图9是用于安装四个打印头模块的框架的透视图。
图10是与带有致动器的框架相连的打印头模块的示意图。
图11A是包括多个打印头模块的组件的示意图。
图11B和图11C是对准基准的实施例的示意图。
图11D是示出了位于包括有多个打印头模块的组件的一部分中的喷嘴间隔(nozzle spacing)示意图。
各附图中相同的附图标记表示相同的元件。
具体实施方式
参见图1，一连续卷筒纸印刷机布置10包括一系列用于在移动的纸幅14上打印不同颜色的打印站(station)或打印塔(printing tower)12。纸幅14从台架16上的供纸辊15被传至依次经过打印站12的纸路上。四个打印站限定了打印区域18，墨水在该打印区域内被施加给基材。在最后的打印站之后可以放置可选的干燥器17。打印之后，纸幅被切成堆叠在工作站19处的纸张。为了打印例如报纸之类的宽版式纸幅，打印站通常要容纳约25-30英寸或更大的纸幅宽度。在US5365843中还描述了一种可适用于喷墨打印的胶印平版印刷术(offset lithographic printing)的总体布置，该专利文献中的全部内容通过援引并入本申请。
另外参见图2，各打印站包括打印杆24。该打印杆24是打印头模块30的安装结构，打印头模块30呈阵列设置，且墨水从打印头模块30喷出，以在纸幅14上形成所需的图像。打印头模块30安装在打印杆插孔21中，使得打印头模块喷墨的一面(图2中未示出)从打印杆24的下表面露出。打印头模块30可以布置为阵列形式，且使喷嘴口偏离(offset)，从而提高打印分辨率或打印速度。在打印状态下，打印杆24布置在纸幅路径之上，以使打印头模块30和纸幅14适当对准并在两者之间提供均匀的间隔距离。
打印头模块30可以是各种类型的，包括带有微间隔、小喷嘴口阵列的、按需喷墨的压电式喷墨打印头模块。在Hoisington的US5265315、Fishbeck等的US4825227、Hine的US4937598、Bibl等于2002年7月3日提交的、名称为“打印头(PRINTHEAD)”的美国专利申请No.10/189,947，和Chen等于2003年10月10日提交的、名称为“具有薄膜的打印头模块(PRINTHEAD MODULE WITH THIN MEMBRANE)”的美国临时专利申请60/510,459中均描述有压电式喷墨打印头模块的例子，所有这些文献的全部内容都通过援引并入本申请。也可使用其它类型的打印头模块，例如利用加热墨水来实施喷射的热喷墨打印头模块。也可以使用依靠连续墨滴流偏转的连续喷墨头。在典型的配置中，纸幅路径和打印杆之间的间隔距离约为0.5至1毫米之间。
为了使喷墨位置误差最小化，打印头模块相对于彼此并相对于纸幅要精确对准。除了具有适当的角度取向外，适当对准的打印头模块30还具有相对于纸幅的三个平移自由度适当设置的喷嘴。这些自由度由图2所示的笛卡尔坐标系的x、y和z方位表示。纸幅沿y方向(加工方向)前进，并且所述间隔距离对应于喷嘴沿z轴的位置。
理想情况下，各喷嘴位于标称位置，由此，无缺陷的打印头模块产生的图像无喷墨位置误差。不过在实际中，打印头模块与其喷嘴可能是在喷嘴标称位置的一定范围内对准，不过仍能提供足够的喷墨位置精度。打印头模块对准的精确公差(exact tolerances)取决于特定的应用场合，且可能因不同的自由度而变化。例如，在一些实施例中，x轴的位置公差应当小于z和/或y轴的位置公差。例如，对于不同打印头模块的喷嘴互相交错以增大分辨率的应用场合，打印头模块在x方向上相对对准的约束(constraint)比y方向和z方向的约束更严格。在一些实施例中，喷嘴应当位于它们的x方向标称位置的约0.5像素内(例如约0.2像素内)，此时使喷嘴在其y方向标称位置的约1-2像素内对准可以提供足够的喷墨位置精度。在具有600dpi分辨率的应用场合中，例如，一个像素约等于40微米。因此，在一个方向上需要对准精度在0.5像素内的应用场合中，600dpi系统应当使其打印头模块对准到其标称位置约20微米内。
参见图3A和图3B，在一些实施例中，打印杆包括框架310和其它支撑元件330、340和350。在框架31 0中设置有多个开口360(在本实施例中为12个开口)，打印头模块320安装在所述开口中。图3A和图3B中还示出了连接至供墨源(未示出)的入口孔370和出口孔372。
同样参见图4A，各开口360的边缘包括对准基准410、420和430，这些基准从开口边缘401A和401B上形成平面突起。此外，框架310包括使框架310相对于相邻框架或打印杆的其它元件对齐的对准基准440、442和444。
另外参见图4B、图4C和图4D，打印头模块450包括打印头模块框架451，该打印头模块框架451中安装有包括成排的喷嘴475的喷嘴板470。打印头模块框架451包括对准基准455、460和465，这些对准基准从打印头模块框架451的边缘突出，并且各自包括平面(planar surface)。当打印头模块450适当地安装在开口360中时，框架310中的各对准基准410、420和430的平面与打印头模块上的对准基准455、465和460的相应平面接触。对准基准410和455使打印头模块450在x方向上配准，对准基准420、430、460和465使打印头模块450在y方向配准。因此，一旦打印头模块450安装在框架310中，且相应的对准基准表面彼此接触时，打印头模块便相对于框架在x方向和y方向对准。假定该框架适当地安装在打印杆上，则打印头模块无需额外调整即可准备喷墨。
由于打印头模块对准基准的平面和孔之间的间距充分地接近至一预定间距，从而使孔与框架的对准基准精确地偏离，所以对准基准提供了打印头模块和框架的精确配准。例如，特别参见图4D，孔475A与对准基准455的平面455A间隔预定间距X475A。类似地，孔475与对准基准465的平面465A间隔预定间距Y475。因此，当打印头模块470被安装在框架中时，孔475A在x方向上与对准基准410的表面410A偏移间距X475A，且在y方向上与对准基准420的表面420A偏移Y475。当框架对准基准的位置具有类似的精确度时，可以使框架中的打印头模块相对于彼此精确对准。类似地，框架在打印装置内的精确定位使得框架中的所有打印头模块都相对于基材对准。
对准基准的平面(也称为“精确面”)应当足够光滑，以使得无论打印头模块对准基准的平面的哪一部分与相应的框架对准基准的平面接触，都足以维持打印头模块沿一轴线与框架配准。换句话说，所述平面应当足够光滑，以使得由于例如打印头模块和/或框架的热膨胀而引起打印头模块位置在一个方向上小漂移时，不会使喷嘴的取向或喷嘴的位置相对于正交方向发生显著变化。
通常，打印头模块框架制造为使得对准基准的平面部分比打印头模块框架的表面的相邻部分更光滑。这样可减少制造时间和制造的复杂性，这是因为：对于打印头模块框架的特定表面，只有形成打印头模块表面一部分的对准基准表面需要制造为高精度。例如，对于表面在一个方向上延伸几厘米或几十厘米的打印头模块，只有该表面的一小部分(例如几毫米)需要精确地制造，以提供对准基准。
在一些实施例中，所述平面被制作为具有约为20微米或更小(例如约15微米或更小、约10微米或更小、约5微米或更小)的算术平均粗糙度(Ra)。可用表面光度仪来测量表面的Ra，该表面光度仪例如可以是一光学表面光度仪(例如Wyko NT系列表面光度仪，可以从美国亚利桑那州图森市的VeecoMetrology Group购买获得)或者是一针式表面光度仪(例如Dektak 6M表面光度仪，可以从美国加利福尼亚州圣塔巴巴拉市的Veeco Metrology Group购买获得)。
对准基准可以通过这样的方式制造，即，将打印头模块框架坯料(例如单件打印头模块框架坯料)置于精加工装置(例如划片机或计算机数控铣床)上，并从打印头模块框架坯料上除去材料，以形成对准基准。在利用常规加工方法不容易以低成本控制打印头模块的至少一个轴线的场合，这种制造方式特别有用。可选择地，或者附加地，可将包括精确面的附件结合到打印头模块框架上。
该框架也可用精密制造方法来制造，例如线切割电火花加工(EDM)、夹具磨削、激光切割、计算机数控(CNC)铣削或化学铣削。该框架应当由硬的、足够稳定的且具有低热膨胀系数的材料制成。例如，该框架可由铁镍合金(invar)、不锈钢或氧化铝制成。
在本实施例中，通过将各喷射组件滑入相应的开口中，使得相应的对准基准彼此接触来对准这些喷射组件。一旦打印头模块插入开口中，则它就被夹在框架上。通常，会利用夹紧件通过将打印头模块压靠在框架上或压靠在该夹紧件的相对部分上来将打印头模块固定到框架上。通常，该夹紧件会一直将打印头模块夹持在框架中，直到将其松开或释放为止。
用于固定打印头模块的夹紧件的类型可以变化。一种可利用的夹紧件类型为C型夹(c-clamp)。在一些实施例中，可利用能调节的紧固件(例如螺钉)将夹紧件固定在框架上。图5A中示出了夹紧件的一个例子。夹紧件530将打印头模块520固定在框架510的开口501中。夹紧件530包括与打印头模块520接触并将该模块压靠在夹紧件的其它部分(图5A中未示出)上的部分532。夹紧件530借助于紧固件531固定在框架510上。当被固定时，打印头模块520上的对准基准521、522和523分别与框架510上的对准基准511、512和513接触，从而将打印头模块与框架配准。框架510还包括在图5A中示出的开口502、503和504。
在一些实施例中，可利用一个或多个螺钉将打印头模块夹持到框架上。可以通过设置合适的夹紧件从打印头模块上消除由于旋紧螺钉而相伴产生的扭矩。这种夹紧件的一个例子为图5B中所示的托架。利用夹紧托架570将打印头模块550夹持在框架560上。打印头模块550包括与框架560中的开口边缘上的相应对准基准561接触的对准基准551。利用螺钉575将夹紧托架570固定在框架560上，该螺钉575通过托架570中的孔572插入框架560中的螺纹孔565。在夹持期间施加给螺钉575的扭矩借助托架570从打印头模块550上消除，且基本上不会影响打印头模块的对准。
在一些实施例中，打印头模块的不同部分可以不同的力夹持。例如，如果热应力较大，则对准基准附近的位置的夹持力可以大于其它位置的夹持力。这种结构可以使得任何例如由于热膨胀引起的滑移以可预测的/可控制的方式、且以不会导致相应的对准基准分离的方式发生。
可选择地，或者附加地，为了将各打印头模块固定在框架上，可利用例如一个或多个弹性构件将各打印头模块加载紧靠在框架上。弹性构件是指将打印头模块弹性地压靠在框架上的元件。弹性构件的例子包括盘簧和柔性件。参见图6A，其示出了一个柔性件的例子。框架610包括四个开口601、602、603和604，各开口都具有两个柔性件(例如，开口601中的柔性件640和642)。在该例子中，柔性件是沿y方向弹性压载打印头模块(例如打印头模块620)的悬臂梁。柔性件640和642将打印头模块620上的对准基准621和622分别压靠在框架基准611和612上。打印头模块620还包括与框架对准基准613接触从而使打印头模块沿x方向配准的对准基准623。夹紧件630将打印头模块620固定在框架610上。
参见图6B，在另一个实施例中，框架710包括开口701、702、703和704，所述开口具有用以沿x方向和y方向压载打印头模块的弹性构件。例如，开口701包括将打印头模块压靠在对准基准713上的柔性件730，其使得打印头模块沿x方向配准。此外，框架710包括将打印头模块压靠在对准基准711和712上、用于y方向配准的柔性件720和722。
在图6A和图6B所示的前述实施例中，弹性构件结合在框架中。不过，弹性构件也可是连接在框架上的分立元件。例如，参见图7，在一些实施例中，可利用分立盘簧770和772将打印头模块750弹性压靠在框架760的开口761的边缘上。盘簧770和772分别借助于螺栓771和773连接在框架760上，且沿y方向弹性地压载打印头模块750。各盘簧具有通过孔777和778连接到框架760上的臂(即臂775和776)。各盘簧施加给打印头模块750的力可以通过改变与其臂连接的孔来调整。柔性件780沿x方向将打印头模块750弹性地压靠在框架760上。
利用弹性构件将打印头模块安装在框架中是有利的，因为弹性构件可适应例如由于热膨胀引起的打印头模块相对于框架开口的体积变化，且基本上不会改变施加给打印头模块的力。相反，在打印头模块紧紧地夹持在框架上的情况下，夹持力可能会由于热膨胀引起的打印头模块的尺寸增加增加，从而会导致在打印头模块上产生不希望的应力。
在包括对准基准的前述实施例中，对准基准是平面。但是总的来说，对准基准也可以采取其它形式。总体上，对准基准可采取能提供打印头模块与框架在至少一个自由度上精确配准的任何形式。对准基准还应当足够大和坚固，以便于不会由于机械安装产生变形。
在一些实施例中，一些对准基准可以制成凹部(例如钻孔的形式)，且可与相应的突起配合。例如，参见图8A和图8B，打印头模块800可包括柱状部830和832形式的对准基准，所述柱状部830和832插入框架840中的相应孔841和842中。这些对准基准使打印头模块800关于x轴和y轴配准。柱状部830和832可在打印头模块800的组装期间进行调整，以使得它们相对于喷嘴板810中的喷嘴820正确地定向。
而且，虽然前述实施例包括用以使打印头模块沿x和y方向配准的对准基准，但是也可利用使打印头模块沿z方向配准的对准基准。仍参见图8B，例如，框架840包括分别与打印头模块800上的相应对准基准852和854接触的对准基准853和855。这些对准基准使得打印头模块沿z方向与框架偏移，从而将喷嘴820置于离基材(未示出)理想的间隔。
图9中示出了框架的另一实施例。在该实施例中，框架1100具有四个用于安装打印头模块的开口1101-1104。框架1100是层状结构并包括配准板1110和1130以及间隔件1120。配准板1110包括用以将安插到开口1101中的打印头模块沿x和y方向配准的对准基准1111、1112和1113。特别地，对准基准1113提供了打印头在x方向上的配准，同时基准1111和1112提供了打印头在y方向的配准。配准板1110包括用于将打印头沿x和y方向对齐到开口1102-1104中的相应对准基准。
配准板1130包括用于将插入开口1101中的打印头沿z方向配准的对准基准1114。配准板1130包括位于开口1101内、与对准基准1114相对一侧上的另一个对准基准(由于是透视图，所以图9中未示出)。而且，配准板1130包括用于将打印头沿z方向配准到开口1102-1104中的相应对准基准。
而且，框架1100包括用以与其它框架配准的对准基准。在配准板1130的边缘上的对准基准1131和1132使框架与另一框架沿y方向配准，同时对准基准1135和1136使框架与另一框架沿x方向配准。配准板1130还包括孔1141-1143，用以将框架通过螺栓连接至打印杆上，或者连接至打印系统的安装所述框架的其它结构上。
框架1100可以相对较薄(即在z方向上)。例如，框架1100可具有约2厘米或更小的厚度(例如，约1.5厘米或更小，约1厘米或更小)。
在这些实施例中，配准板1110和1130可由例如包括一种或多种金属的材料(例如合金，比如铁镍金属)的刚性材料制成。该材料的热力学性能(例如热膨胀系数(CET))可与形成打印头的材料相类似。例如，形成配准板的材料在打印头通常的运行温度区间(即从约20℃至约150℃)的热膨胀系数可以在约20％或更小(例如约10％或更小，约5％或更小)的范围内。
配准板1110和1130可由金属板加工方法形成，例如压制和/或电火花加工。配准板1110和1130上的对准基准例如可通过刨削和/或电火花加工形成。
间隔件1120可由热力学性能与用于形成配准板1110和1130的材料类似的材料形成。在一些实施例中，间隔件1120可由具有高热导率的材料形成，且间隔件1120可用作热节点(thermal node)。可选择地，或者附加地，形成间隔件1120的材料可具有比较低的热膨胀。而且，间隔件1120可由具有高等级的化学惰性的材料形成，以减少间隔件与框架中的其他材料和/或周围环境发生任何不希望的化学反应。在一些实施例中，间隔件1120可由具有高导电性的材料形成。高导电性可减小静电荷在框架上的累积。
作为一个例子，间隔件1120可由液晶聚合物(LCP)(例如可从美国罗得岛州的沃里克市的Cool Polymers Inc.购买获得的CoolPolyE2)制成。
在一些实施例中，间隔件1120通过喷射成型。可选择地，间隔件可由板材坯料加工形成。
间隔件1120可包括连接到框架1100其它层中(例如配准板中)的相应特征(feature)上的配准部件，使各层中的孔对准以形成开口1101-1104.
配准板1110和1130固定(例如粘结或用螺钉栓接)在间隔件1120的两侧。在一些实施例中，使用环氧树脂(例如B级环氧树脂)将配准板1110和1130粘结到间隔件1120上。
在一些实施例中，框架1110的层状结构中还可包括附加的层。作为一个例子，框架1100可包括一加热层。该加热层可粘结到配准板1110或配准板1130的表面上。加热层例如可由Kapton柔性电路形成。
虽然前述实施例涉及由于使用了对准基准的配准而不需要沿各种自由度调整的打印头模块，但是在其它一些实施例中，打印头模块可包括一个或多个对调节打印头模块的位置进行一个或多个自由度调节的致动器。例如，参见图10，框架910包括与框架开口901中的打印头模块920的表面960连接的致动器940。打印头模块920包括具有孔930的阵列的孔板925。在运行过程中，致动器940按照需要调节打印头模块920在x方向上的位置。打印头模块920还包括与相应的框架对准基准911和912接触的对准基准921和922。
致动器940可以是电子-机械致动器，例如压电或静电致动器。压电致动器的例子包括叠层压电致动器，该致动器包括多层叠在一起的压电材料，以与单层压电材料相比增加致动器的动态范围。叠层压电致动器可购买获得(例如从美国马萨诸塞州奥本市的PI(Physik Instrumente)L.P.公司购买)。
致动器的最小移动范围应当与图像像素间距相当。例如，叠层压电致动器可具有约5至300微米的动态范围。
致动器940响应来自于电子控制器950的驱动信号。在一些实施例中，控制器950响应于来自监控系统970(例如包括CCD摄像机的光学监控系统)的信号促使致动器940调节打印头模块920在x方向上的位置。监控系统970监测利用打印头模块940打印出的图像(即测试图像)，以检测由于打印头模块940在x方向上的未对准而出现的喷墨位置误差。当检测到喷墨位置误差时，电子控制器950确定导致产生这种误差的打印头模块未对准的大小和方向。根据确定结果，控制器向致动器940发送信号。致动器改变打印头模块的位置，以便减小或消除由于打印头模块的未对准而产生的误差。
在一些实施例中，致动器940可在打印期间沿x方向前后高频振动打印头模块920。这样可以通过将可掩饰误差的受控噪音引入图像而减少由于x轴对准产生的喷墨位置误差对图像质量的影响。优选地，打印头模块应当被振动几分之一像素(例如约1/2像素或约1/4像素)。振动频率可以是变化的或固定的。优选地，振动频率应当低于喷射频率(例如约为喷射频率的0.1倍、0.05倍、0.01倍)。但是，在振动频率与喷射频率相当或高于喷射频率的实施例中，振动频率不应当处于喷射频率或其谐频的位置处。
在多个打印头模块交错排列的实施例中，各打印头模块均可以由致动器进行调节。除了(或者可选地)将各打印头模块的x方向的对准调节为减小的对准误差以外，所述致动器还可调节打印头模块的交错模式。所述致动器可使交错间距和/或模式迅速且可靠地变化。因此，在打印期间(例如在图像之间)无需停止印刷机即可调整交错模式。
尽管在前述实施例中，打印头模块的对准基准使得打印头模块直接与框架对准，但是在其它实施例中，可利用对准基准来将打印头模块直接与其它打印头模块对准。对于许多场合，特别是那些基材相对于喷射组件单次通过即完成打印的场合，多个打印头模块沿加工方向(即y方向)设置，以获得理想打印质量的必需空间密度。为了减少加工变化对图像质量的不利影响，打印头模块应当优选地在加工方向上被置非常靠近地设置在一起。
参见图11A，在一些实施例中，通过将多个打印头模块叠置在一起形成二维喷射阵列1000来获得紧密的打印头模块间距。尽管喷射阵列1000包括六个打印头模块(即打印头模块1010、1020、1030、1040、1050和1060)，但是总体上喷射阵列中的打印头模块数量可以随意地变化。相邻的打印头模块通过对准基准在y方向上配准。例如，打印头模块1010具有对准基准1013和1014，所述对准基准1013和1014通过对准基准1021和1022使打印头模块1010和打印头模块1020配准。此外，打印头模块1010包括对准基准1011和1012，所述对准基准1011和1012使得打印头模块沿y方向与框架(未示出)配准。一旦打印头模块通过相应的对准基准实现叠置后，夹紧件1090便将该组件一起夹持住(例如使用c型夹紧件)。喷射阵列1000中的打印头模块可以共用公共的供墨源和温度控制系统。
相邻打印头模块中的相应喷嘴可沿x轴偏离，以增加喷射阵列的打印分辨率。例如，参见图11D，喷射阵列1200包括三个叠置在一起的打印头模块1210、1220和1230。打印头模块1210和1220中的相应喷嘴偏离约等于d/n的距离，其中d是喷嘴阵列中相邻喷嘴之间(例如喷嘴1211A和1211B之间，1221A和1221B之间，1231A和1231B之间)的间距，n是叠置在喷射阵列中的打印头模块的数量。类似地，打印头模块1220和1230中的相应喷嘴也在x方向上偏离d/n。因此，喷射组件的x方向上的打印分辨率增加n倍。作为一个例子，具有约50微米分辨率的喷射阵列可由六个各自具有约300微米的单独分辨率的打印头模块组装形成。
在一些实施例中，打印头模块上的对准基准可包括可使打印头模块在x方向对齐以提供所需喷射间距的特征。例如，参见图11B，突出的对准基准1050和1060可各自包括多个精确面，所述精确面使打印头模块在x和y方向都相对于彼此配准。在本实施例中，对准基准1050包括精确面1051、1052和1053。类似地，对准基准1060包括精确面1061、1062和1063。表面1051和1061使打印头模块沿x方向配准，同时表面1052、1053、1062和1063使打印头模块沿y方向配准。
在图11C中示出了另一个对准基准的例子，所述对准基准使打印头模块相对于两个自由度配准。在该例子中，突出的对准基准1070安插在凹入的对准基准1080中。突出的对准基准1070包括精确面1071和1072。表面1071接触对准基准1080的表面1081，使得打印头模块沿x方向配准。类似地，表面1072接触对准基准1080的表面1082，使得打印头模块沿y方向配准。
将打印头模块叠置成一个紧凑的二维喷射阵列可以减少任何给定部分中必须维持其精度的尺寸。由于阵列是模块化的且可共用公共的墨口和温度控制，所以相对于那些单独的喷射组件各自具有自己的供墨源、温度控制器和/或单独安装的系统，本系统的尺寸、成本和复杂性可以减少。而且，如果单独的打印头模块出现故障了，可以单独地更换它们，而不必更换一个阵列。
已经描述了本发明的多个实施例。然而，应当理解，可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改。因此，其它实施例落入在所附权利要求书的范围内。

Claims (29)

1、一种用于在组件和基材沿加工方向相对移动的期间向基材上沉积液滴的组件，所述组件包括：
第一打印头模块以及与所述第一打印头模块接触的第二打印头模块，各所述打印头模块均包括具有喷嘴阵列的表面，所述打印头模块能通过所述喷嘴阵列喷射液滴，
其中所述第一打印头模块的喷嘴阵列中的各喷嘴相对于所述第二打印头模块的喷嘴阵列中的相应喷嘴在垂直于所述加工方向的方向上偏离。
2、如权利要求1所述的组件，其中所述第一打印头模块的喷嘴阵列中的各喷嘴的偏离量小于该喷嘴阵列中的相邻喷嘴的间距。
3、如权利要求1所述的组件，其中所述第一打印头模块包括至少一个对准基准，所述对准基准与所述第二打印头模块上的相应对准基准接触。
4、如权利要求1所述的组件，其中所述第一打印头模块的对准基准包括偏离所述第一打印头模块的相邻区域的精确面。
5、如权利要求1所述的组件，其中所述第一和第二打印头模块的所述表面中的喷嘴阵列均包括成排的、规则间隔的喷嘴。
6、如权利要求1所述的组件，其中所述组件还包括一个或多个附加的打印头模块，各所述附加的打印头模块借助于夹紧件与所述第一和第二打印头模块连接。
7、如权利要求6所述的组件，其中各所述附加的打印头模块与至少一个另外的打印头模块接触。
8、如权利要求1所述的组件，其中所述组件还包括流体供应部，所述流体供应部构造成用以向所述第一和第二打印头模块提供流体。
9、如权利要求1所述的组件，其中所述组件还包括框架，所述框架具有开口，所述开口延伸通过所述框架并且构造成当所述打印头模块安装在所述框架中时露出所述第一和第二打印头模块的表面。
10、如权利要求1所述的组件，其中所述组件还包括将所述第一打印头模块固定至所述第二打印头模块的夹紧件。
11、一种用于在装置和基材沿加工方向相对彼此移动时向基材上沉积液滴的组件，所述组件包括：
第一打印头模块和第二打印头模块，各所述打印头模块均包括具有喷嘴阵列的表面，所述打印头模块能通过所述喷嘴阵列喷射液滴，所述第一和第二打印头模块设置成使得所述第一打印头模块的喷嘴阵列中的各喷嘴相对于所述第二打印头模块的喷嘴阵列中的相应喷嘴在垂直于所述加工方向的方向上偏离，并且
各所述打印头模块还包括至少一个对准基准，其中所述第一打印头模块的至少一个对准基准与所述第二打印头模块的至少一个对准基准接触。
12、一种用于将打印头模块安装在用以在基材上沉积液滴的装置中的组件，所述组件包括：
框架，其具有开口，所述开口延伸通过所述框架并构造成露出安装在所述组件中的所述打印头模块的表面，其中所述表面包括喷嘴阵列，所述打印头模块能通过所述喷嘴阵列喷射液滴；和
夹紧件，其连接至所述框架，并且适用于当所述打印头模块被安装到所述组件中时将所述打印头模块压靠在所述开口的边缘上。
13、如权利要求12的组件，其中所述喷嘴阵列沿第一方向延伸，且所述夹紧件沿所述第一方向将所述打印头模块压靠在所述开口的边缘。
14、如权利要求12所述的组件，其中所述喷嘴阵列沿第一方向延伸，且所述夹紧件沿与所述第一方向垂直的方向将所述打印头模块压靠在所述开口的边缘。
15、如权利要求12所述的组件，其中所述框架包括形成有所述开口的板，且所述夹紧件借助于紧固件固定至所述板。
16、如权利要求15所述的组件，其中所述板是金属板。
17、如权利要求16所述的组件，其中所述板由不锈钢或镍铁合金形成。
18、如权利要求15所述的组件，其中所述板由氧化铝形成。
19、如权利要求12所述的组件，其中所述夹紧件包括机械致动器，其中通过调整所述机械致动器来改变所述夹紧件将所述打印头模块压靠在所述开口边缘上的力。
20、如权利要求12所述的组件，其中所述框架中的所述开口的边缘包括至少一个对准基准，所述对准基准用以将安装在所述组件中的所述打印头模块相对于所述组件沿一轴线精确地定位。
21、如权利要求20所述的组件，其中所述夹紧件在所述开口的、与所述对准基准相对的一侧连接至所述框架。
22、如权利要求20所述的组件，其中所述对准基准包括当所述液滴喷射装置被安装在所述组件中时与所述液滴喷射装置接触的精确面。
23、如权利要求22所述的组件，其中所述精确面偏离所述开口的边缘的其它部分。
24、如权利要求12所述的组件，其中所述框架还包括一个或多个延伸通过所述框架的附加开口，各所述附加开口被构造成用以容纳相应的打印头模块。
25、如权利要求24所述的组件，其中所述组件还包括一个或多个连接至所述框架的附加的夹紧件，各所述附加的夹紧件对应于所述的一个或多个附加开口，且当所述相应的打印头模块被安装在所述组件中时，各所述附加的夹紧件适用于将所述相应的打印头模块压靠在对应开口的边缘上。
26、一种用于在组件和基材沿加工方向相对移动的期间向基材上沉积液滴的组件，所述组件包括：
打印头模块，其包括具有喷嘴阵列的表面，所述打印头模块能通过所述喷嘴阵列喷射液滴；
框架，其具有开口，所述开口延伸通过所述框架并构造成露出包括所述喷嘴阵列的所述打印头模块的表面；
压电致动器，其机械地连接至所述框架和所述打印头模块；和
与所述压电致动器电连通的电子控制器，所述电子控制器被构造成用以促使所述压电致动器改变位于所述开口中的所述打印头模块相对于所述装置的轴线的位置。
27、如权利要求26所述的组件，其中所述轴线垂直于所述加工方向。
28、如权利要求26所述的组件，其中所述轴线平行于所述喷嘴阵列。
29、如权利要求26所述的组件，其中所述压电致动器包括叠置的压电材料层。
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