專利名稱：點(diǎn)滴噴射組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及噴射點(diǎn)滴。
背景技術(shù)：
噴墨打印機(jī)是一種用于將點(diǎn)滴沉積在基底上的類型的設(shè)備。噴墨打印機(jī)一般包括從墨供應(yīng)裝置到噴嘴路徑的墨路徑。噴嘴路徑包括終止于噴嘴開口，墨滴從該噴嘴開口中噴出。墨滴噴射一般這樣來控制，即用致動(dòng)器給墨路徑中的墨加壓，致動(dòng)器可以是例如壓電偏轉(zhuǎn)器、熱氣泡噴注式發(fā)生器、或靜電偏轉(zhuǎn)元件。一般的打印組件具有帶有相應(yīng)的噴嘴開口和相關(guān)致動(dòng)器的墨路徑陣列。從每個(gè)噴嘴開口的點(diǎn)滴噴射可以單獨(dú)控制。在對(duì)點(diǎn)滴有要求(drop-on-demand)的打印組件中，每個(gè)致動(dòng)器隨著打印組件和打印基底相對(duì)于彼此運(yùn)動(dòng)而有選擇地將點(diǎn)滴噴射在圖像的特定像素位置。在高性能的打印組件中，噴嘴開口一般具有50微米或更小(例如，約25微米)的直徑，以100-300噴嘴/英寸的節(jié)距分開，具有100-3000dpi或更高的分辨率，并提供體積為約1到120皮升(pl)或更小的點(diǎn)滴。點(diǎn)滴噴射頻率一般為10kHz或更高。
Hoisington等人的美國專利No.5,265,315描述了具有半導(dǎo)體主體和壓電致動(dòng)器的打印組件。該主體由硅制成，對(duì)硅進(jìn)行蝕刻以確定墨室。噴嘴開口由附接到硅主體的單獨(dú)噴嘴板確定。壓電致動(dòng)器具有壓電材料層，該壓電材料層響應(yīng)于所施加的電壓改變幾何尺寸或彎曲。壓電層的彎曲向沿著墨路徑定位的增壓室中的墨加壓。壓電噴墨打印組件還在Fishbeck等人的美國專利No.4,825,227、Hine的美國專利No.4,937,598、Moynihan等人的美國專利No.5,659,346和Hoisington的美國專利No.5,757,391中描述，這里將其全部公開的內(nèi)容引作參考。
發(fā)明內(nèi)容
一方面，本發(fā)明的特點(diǎn)在于流體點(diǎn)滴噴射。提供了一種打印頭，該打印頭包括流動(dòng)路徑，在該流動(dòng)路徑中，流體被加壓以從噴嘴開口中噴射點(diǎn)滴。噴嘴開口設(shè)置在一井(well)中。將流體從噴嘴開口供應(yīng)到井，以形成彎月面。當(dāng)井充滿流體時(shí)，彎月面確定噴嘴開口邊緣上方的流體深度等于噴嘴開口寬度的約1到15％。
另一方面，本發(fā)明的特點(diǎn)在于具有流動(dòng)路徑的打印頭，在該流動(dòng)路徑中，流體被加壓以從噴嘴開口中噴射點(diǎn)滴。噴嘴開口設(shè)置在井中。井的橫截面與噴嘴開口的橫截面之比為約1.4到約2.75。在一些實(shí)施例中，井深度與噴嘴開口的橫截面之比為約0.15到0.5。
另一方面，打印頭包括流體流動(dòng)路徑，在該流體流動(dòng)路徑中，流體被加壓以從噴嘴開口中噴射點(diǎn)滴。噴嘴開口設(shè)置在井中。井具有相對(duì)較長的軸和較短的軸。
其它方面或?qū)嵤├砂ㄉ鲜龇矫婧?或下面的一個(gè)方面或多個(gè)方面的組合。通過控制彎月面處的壓力而形成彎月面。形成彎月面通過降低流體中的壓力而實(shí)現(xiàn)。在噴嘴開口的上游位置施加真空。噴嘴開口處的真空為約0.5到約10inwg(這里的真空壓力是水位表的英寸(inwg))。
井寬度與噴嘴開口寬度之比為從約1.4到約2.8。井的深度為噴嘴開口的約0.15到0.5。井周界與噴嘴周界之間的間距為噴嘴寬度的約0.2或更大。流體具有約20-45dynes/cm的表面張力。噴嘴開口和井由單一體(commonbody)確定。噴嘴開口和/或井例如確定為硅材料。噴嘴和/或井還可以確定為金屬、碳或塑料。
流體由壓電元件加壓。噴嘴開口的寬度為約70微米或更小。該方法包括多個(gè)噴嘴開口，并且噴嘴開口可以具有約25噴嘴/英寸或更大的節(jié)距(pitch)。該方法可包括噴射體積為約1到約70pL的點(diǎn)滴。
實(shí)施例可包括一個(gè)或多個(gè)下述優(yōu)點(diǎn)。由于控制了噴嘴板表面周圍的廢墨以減少妨礙點(diǎn)滴形成和噴射，因此打印頭操作堅(jiān)固且可靠。在高性能打印頭中保持了點(diǎn)滴速度和軌跡平直度，其中小噴嘴的大陣列必須準(zhǔn)確地將墨噴射到基底上的精確位置。井結(jié)構(gòu)控制廢墨，并允許多種噴射流體(例如，不同粘度或表面張力特性的墨)和噴嘴開口處壓力特性不同的頭的期望噴射特性。井結(jié)構(gòu)本身是堅(jiān)固的，不需要運(yùn)動(dòng)部件，并且可以通過例如在諸如硅材料的半導(dǎo)體材料中蝕刻實(shí)現(xiàn)。
下面是另一些方面、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。例如，具體方面包括下面所討論的井尺寸和特性。
圖1是點(diǎn)滴噴射組件的示意圖。
圖1A是噴嘴板的透視圖。
圖1B是通過噴嘴板中的噴嘴開口的放大橫截面。
圖2-2C是通過噴嘴板中的噴嘴開口的橫截面，示出變化條件下的彎月面。
圖3是噴嘴井的透視圖。
不同附圖中相同的附圖標(biāo)記表示相同的元件。
具體實(shí)施例方式
參照?qǐng)D1，噴墨設(shè)備10包括含有墨12的貯存器11和從貯存器11到壓力室14的通道13。致動(dòng)器15(例如，壓電換能器)覆蓋壓力室14。致動(dòng)器可操作為迫使墨從壓力室14通過通向噴嘴板18中的噴嘴開口17的通道16，以使墨滴19將從噴嘴17朝向基底20噴射。在操作期間，噴墨設(shè)備10和基底20可以相對(duì)于彼此運(yùn)動(dòng)。例如，基底可以是在輥22與23之間運(yùn)動(dòng)的連續(xù)的織物(web)。通過有選擇地將點(diǎn)滴從噴嘴板18中的噴嘴17的陣列噴出，期望的圖像產(chǎn)生在基底20上。
當(dāng)系統(tǒng)不噴射點(diǎn)滴時(shí)，噴墨設(shè)備還控制接近噴嘴開口的墨彎月面處的工作壓力。在所示出的實(shí)施例中，壓力控制由向貯存器11中墨12上方的頂部空間(head space)9施加真空的真空源30(例如，機(jī)械泵)提供。真空通過墨連通到噴嘴開口17，以防止墨在重力的作用下通過噴嘴開口滴落。控制器32(例如，計(jì)算機(jī)控制器)監(jiān)測貯存器11中墨上方的真空，并調(diào)節(jié)源30保持貯存器中的期望真空。在其它實(shí)施例中，真空源這樣來提供，即將貯墨器設(shè)置在噴嘴開口的下面，以在接近噴嘴開口處制造真空。墨液面監(jiān)測器檢測墨的液面(level of ink)，該液面隨著打印操作期間墨的消耗而下降，從而增加噴嘴處的真空?？刂破鞅O(jiān)測墨液面，并且當(dāng)墨下降到期望液面之下時(shí)從散裝容器補(bǔ)充貯存器，以將真空保持在期望的操作范圍內(nèi)。在其它實(shí)施例中，貯存器位于噴嘴之下足夠遠(yuǎn)，使得彎月面的真空克服噴嘴中的毛細(xì)力，可以對(duì)墨加壓以保持接近噴嘴開口處的彎月面。在一些實(shí)施例中，操作真空保持在約0.5到約10inwg。
在墨噴射期間，墨可能積聚在噴嘴板18上。經(jīng)過一段時(shí)間，墨可能形成引起打印錯(cuò)誤的糊狀物(puddle)。例如，噴嘴邊緣附近的糊狀物可能影響所噴出墨滴的軌跡、速度或體積。此外，糊狀物可能會(huì)變得足夠大，以至于其滴落到打印基底20上，從而導(dǎo)致外來的痕跡。糊狀物還可能從噴嘴板18的表面突出得足夠遠(yuǎn)以至于打印基底20與之接觸，從而導(dǎo)致打印基底20上的污點(diǎn)。
參照?qǐng)D1A，噴嘴板18包括緊密間隔的噴嘴開口17的陣列，每個(gè)噴嘴開口17位于井40中。參照?qǐng)D1B，在所示的實(shí)施例中，噴嘴開口17確定在井40的底面42中并位于該底面42的中央。井的底面42延伸到井的壁44，壁44從噴嘴板的表面46向外突出。
井的尺寸包括其寬度Ww、深度dw以及井壁距離噴嘴開口周界的間距S，選擇這些尺寸以控制廢墨。當(dāng)墨50處于井中時(shí)，形成彎月面52。在工作壓力(箭頭54)的條件下，彎月面在噴嘴開口的邊緣具有深度dm，與噴嘴寬度Wn相比dm較小。彎月面較淺的深度提供了在基本不影響點(diǎn)滴方向或速度的條件下的噴射。此外，間距S選擇成用于減小噴嘴板18的表面46上的廢墨影響點(diǎn)滴形成或噴射的可能性。
參照?qǐng)D2-2C，隨著井的寬度Ww增加，工作壓力變化，示出對(duì)彎月面的作用。以MH、MI和ML標(biāo)記的彎月面分別表示高、中和低真空壓力。彎月面在噴嘴開口上方的深度隨著井寬度的增加而減小。具體參照?qǐng)D2，彎月面在所有的壓力下都在噴嘴開口的上方。在高真空壓力下，彎月面深度相對(duì)較淺，這一般是噴射所期望的。在低真空時(shí)，彎月面深度較大，這可能導(dǎo)致非最優(yōu)的噴射。在該情況下，可以減小井的深度，以減小彎月面深度。參照?qǐng)D2A，彎月面在高和中壓力下處于選定的深度，在低壓力下非最優(yōu)地深。參照?qǐng)D2B，彎月面在中壓力下處于期望的工作深度，在低壓力下非最優(yōu)地深，在高壓力下非最優(yōu)地淺。在高真空壓力下，彎月面不形成在噴嘴開口上方。大多數(shù)的墨被抽吸到噴嘴開口中，而一些廢墨保留在井中。參照?qǐng)D2C，彎月面在任何工作壓力下都不形成在噴嘴開口上方。流體積聚在井底面和壁之間的角落中并延伸到噴嘴開口的周界。該條件是非最優(yōu)的，這是因?yàn)閲娮扉_口周界處的流體可能影響噴射。在圖2-2C中，彎月面的曲率(半徑，R)按如下計(jì)算R＝2*表面張力/壓力。彎月面流體具有30dynes/cm的表面張力，工作真空壓力為2、4和6inwg。這些尺寸為毫米。
井壁與噴嘴周界之間的間距S提供了一距離，該距離減小了噴嘴板表面上的廢墨影響噴射的可能性。在一些實(shí)施例中，間距S為噴嘴寬度Wn的約20％或更大，例如25-100％。井的尺寸還提供了期望的噴嘴開口上方的彎月面深度。在一些實(shí)施例中，當(dāng)井充滿了給定表面張力的流體且噴嘴處于給定的工作壓力下時(shí)，井提供約1-15％噴嘴寬度的噴嘴開口邊緣上方的彎月面深度。(當(dāng)有足夠的流體基本覆蓋井壁時(shí)井充滿流體。)在一些實(shí)施例中，在噴嘴邊緣處測量得到的彎月面深度為噴嘴開口的約1-25％。在一些實(shí)施例中，工作壓力為約-0.5到-10inwg，例如約-2到-4或-6inwg。在一些實(shí)施例中，流體具有約20-40dynes/cm的表面張力。井寬度與噴嘴寬度之比為約1.4到約2.8，例如約1.5到約1.7。井深度為噴嘴開口寬度的約0.15到0.5。井尺寸還可以選擇成，用于確定容納一定體積的廢墨所需的體積。對(duì)于非圓形(例如，非對(duì)稱或不規(guī)則的幾何形狀)的噴嘴開口和/或井，井和噴嘴寬度以最小值測量。對(duì)于具有變化深度的井，井深度在噴嘴開口與噴嘴板表面之間測量。在一些實(shí)施例中，噴嘴寬度為約200微米或更小，例如約10-30微米，噴嘴節(jié)距為約100噴嘴/英寸或更大，例如300噴嘴/英寸，點(diǎn)滴體積為約1-70pL。在一些實(shí)施例中，流體具有約1厘泊到約40厘泊的粘度。
參照?qǐng)D3，在一實(shí)施例中，噴嘴70包括圓形的噴嘴開口72以及橢圓形的井74。橢圓的長軸AL設(shè)置成沿著可以用人工或機(jī)械清理操作擦拭或擦洗噴嘴表面的方向(箭頭76)。橢圓井在遠(yuǎn)離噴嘴開口的位置沿著其長軸AL的長度收集碎屑，這減小了在清理時(shí)帶進(jìn)井中的碎屑阻塞噴嘴開口的可能性。在一實(shí)施例中，井沿著長軸的長度為約300到600微米，而井穿過短軸的寬度為約50-70微米。在其它實(shí)施例中，噴嘴開口具有與井的幾何形狀匹配或不匹配的非圓形幾何形狀。此外，噴嘴開口可以偏離井的中心。在一些實(shí)施例中，井深度可以在噴嘴開口與井周界和噴嘴板相接的位置之間變化。
井和/或噴嘴開口可以通過機(jī)械加工、激光燒蝕或化學(xué)或等離子蝕刻而形成。井還可以通過模制例如塑料件而形成。井和噴嘴開口可以形成為單一體或組裝在一起的分離體。例如，噴嘴開口形成為確定墨流動(dòng)路徑的其它部件的主體，而井形成為組裝到確定噴嘴開口的主體的分離體。在其它實(shí)施例中，井、噴嘴開口和壓力室形成為單一體。該主體可以是金屬、碳或諸如硅材料(例如，硅或二氧化硅)的可蝕刻材料。利用蝕刻技術(shù)形成打印頭部件還在2002年7月3日提交的美國No.10/189,947和2003年10月10日提交的美國No.60/510,459中描述，這里將其全部內(nèi)容引作參考。在一些實(shí)施例中，井可以包括不潤濕的涂層。
下面描述另一些實(shí)施例。例如，雖然在打印操作中可以噴射墨，但是可以利用打印系統(tǒng)噴射除了墨以外的流體。例如，沉積的點(diǎn)滴可以是UV或其它射線可處理的材料，或者是能夠以點(diǎn)滴形式運(yùn)送的其它材料，例如化學(xué)或生物流體。致動(dòng)器可以是電動(dòng)機(jī)械或熱的致動(dòng)器。井布置可以與其它廢流體控制件(例如，2003年12月30日提交的美國No.10/749,829中描述的井穴(apertures)、2003年12月30日提交的美國No.10/749,816中描述的突起(projections)和/或2003年12月30日提交的美國No.10/749,833中描述的通道(channels))相結(jié)合使用。例如，一系列突起或通道可以包括在井內(nèi)或者在接近井的噴嘴表面上，例如圍繞井。井穴可以設(shè)置在井中或者在噴嘴表面上。流體控制結(jié)構(gòu)可以與清理流體施加到噴嘴板并將其擦拭干凈的人工或自動(dòng)清洗和擦拭系統(tǒng)結(jié)合。
其它實(shí)施例也處于所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種流體點(diǎn)滴噴射的方法，包括提供包括流體流動(dòng)路徑的打印頭，在該流體流動(dòng)路徑中，流體被加壓以從噴嘴開口中噴射點(diǎn)滴，所述噴嘴開口設(shè)置在一井中，將流體從所述噴嘴開口供應(yīng)到井，以形成彎月面，當(dāng)井充滿流體時(shí)，所述彎月面確定噴嘴開口邊緣上方的流體深度等于噴嘴開口寬度的約1到15％。
2.如權(quán)利要求1的方法，其中，包括通過控制所述彎月面處的壓力而形成所述彎月面。
3.如權(quán)利要求1的方法，其中，包括通過降低流體中的壓力而形成所述彎月面。
4.如權(quán)利要求3的方法，其中，包括在所述噴嘴開口的上游位置施加真空。
5.如權(quán)利要求3的方法，其中，所述噴嘴開口處的真空為約0.5到10inwg。
6.如權(quán)利要求1的方法，其中，所述井寬度與噴嘴開口寬度之比為約1.4到約2.8。
7.如權(quán)利要求1的方法，其中，所述井的深度為噴嘴開口的約0.15到0.5。
8.如權(quán)利要求1的方法，其中，井周界與噴嘴周界之間的間距為噴嘴寬度的約0.2或更大。
9.如權(quán)利要求1的方法，其中，所述流體具有約20-45dynes/cm的表面張力。
10.如權(quán)利要求1的方法，其中，所述噴嘴開口和所述井由單一體限定。
11.如權(quán)利要求1的方法，其中，所述噴嘴開口和/或所述井為硅材料。
12.如權(quán)利要求1的方法，其中，所述噴嘴和/或所述井為金屬。
13.如權(quán)利要求1的方法，其中，所述噴嘴和/或所述井為碳。
14.如權(quán)利要求1的方法，其中，所述噴嘴和/或所述井為塑料。
15.如權(quán)利要求1的方法，其中，所述流體由壓電元件加壓。
16.如權(quán)利要求1的方法，其中，所述噴嘴開口寬度為約70微米或更小。
17.如權(quán)利要求1的方法，其中，包括多個(gè)噴嘴開口，所述噴嘴開口具有約25噴嘴/英寸或更大的節(jié)距。
18.如權(quán)利要求1的方法，其中，包括噴射體積為約1到約70pL的點(diǎn)滴。
19.一種點(diǎn)滴噴射器，包括在流動(dòng)路徑中，流體被加壓以從噴嘴開口中噴射點(diǎn)滴，所述噴嘴開口設(shè)置在一井中，井寬度與噴嘴開口寬度之比為約1.4到約2.8。
20.如權(quán)利要求19的點(diǎn)滴噴射器，其中，所述井深度為噴嘴開口寬度的約0.15到0.5。
21.如權(quán)利要求19的點(diǎn)滴噴射器，其中，井周界與噴嘴周界之間的間距為噴嘴寬度的約0.2或更大。
22.如權(quán)利要求19的點(diǎn)滴噴射器，其中，包括壓力控制件，該壓力控制件控制通過噴嘴開口到井中流體的壓力。
23.如權(quán)利要求21的點(diǎn)滴噴射器，其中，包括設(shè)置在所述噴嘴開口下面的流體貯存器。
24.如權(quán)利要求21的點(diǎn)滴噴射器，其中，包括流體液面監(jiān)測器。
25.如權(quán)利要求21的點(diǎn)滴噴射器，其中，包括保持流體液面的流動(dòng)控制器。
26.如權(quán)利要求21的點(diǎn)滴噴射器，其中，包括真空源，該真空源包括機(jī)械真空，設(shè)置該機(jī)械真空以減小貯墨器中的壓力。
27.如權(quán)利要求20的點(diǎn)滴噴射器，其中，包括用于將彎月面處的流體壓力保持在約-0.5到-10inwg的范圍內(nèi)的控制器。
28.如權(quán)利要求19的點(diǎn)滴噴射器，其中，所述噴嘴開口位于所述井的中央。
29.如權(quán)利要求19的點(diǎn)滴噴射器，其中，所述噴嘴開口和井具有共同的幾何形狀。
30.如權(quán)利要求29的點(diǎn)滴噴射器，其中，所述噴嘴開口和井是圓形的。
31.如權(quán)利要求19的點(diǎn)滴噴射器，其中，所述噴嘴開口和井由單一體限定。
32.如權(quán)利要求27的點(diǎn)滴噴射器，其中，所述單一體是硅材料。
33.如權(quán)利要求18的點(diǎn)滴噴射器，其中，所述流體由壓電材料加壓。
34.如權(quán)利要求18的點(diǎn)滴噴射器，其中，所述噴嘴開口具有約70微米或更小的直徑。
35.如權(quán)利要求18的點(diǎn)滴噴射器，其中，包括多個(gè)噴嘴開口，所述噴嘴開口具有約100噴嘴/英寸或更大的節(jié)距。
36.一種點(diǎn)滴噴射器，包括在流動(dòng)路徑中，流體被加壓以從噴嘴開口中噴射點(diǎn)滴，所述噴嘴開口設(shè)置在一井中，所述井具有相對(duì)較長的軸和較短的軸。
37.如權(quán)利要求34的點(diǎn)滴噴射器，其中所述井是橢圓。
全文摘要
點(diǎn)滴運(yùn)送打印頭包括圍繞噴嘴開口(17)的井，以增強(qiáng)噴射性能。
文檔編號(hào)B41J2/05GK1902052SQ200480039211
公開日2007年1月24日 申請(qǐng)日期2004年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月30日
發(fā)明者史蒂文·H·巴斯, 保羅·A·霍伊辛頓, 約翰·A·希金森 申請(qǐng)人:迪馬蒂克斯股份有限公司