專利名稱：連續(xù)式噴射墨滴發(fā)生裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及連續(xù)式噴射裝置，特別涉及液滴發(fā)生。
背景技術(shù)：
隨著消費(fèi)打印機(jī)市場(chǎng)的增長(zhǎng)，噴墨印刷(或打印)業(yè)已成為廣泛使用的技術(shù)，這種 技術(shù)用來(lái)以成像的方式將少量的液體供給到表面上。業(yè)已設(shè)想并且制造出了按需滴墨(或 噴墨)裝置和連續(xù)滴墨裝置。同時(shí)，噴墨印刷的主要發(fā)展一直是用于伴有基于溶劑的系統(tǒng) 的某些應(yīng)用的水基系統(tǒng)，下面的技術(shù)正在被更廣泛的應(yīng)用。 為了產(chǎn)生液滴流，將液滴發(fā)生器與所述打印頭相關(guān)聯(lián)。所述液滴發(fā)生器能通過(guò)本 領(lǐng)域內(nèi)所公知的多種機(jī)制(或機(jī)理)剌激所述打印頭內(nèi)和剛越過(guò)所述打印頭的流體流，其 工作頻率能迫使連續(xù)式流體流在噴嘴板的附近的特定破碎點(diǎn)處破碎成一系列液滴。在最簡(jiǎn) 單的情形下，這種剌激是在固定頻率下進(jìn)行的，所述固定頻率是經(jīng)過(guò)計(jì)算的對(duì)于特定流體 來(lái)說(shuō)是最佳的，并且它與從所述噴口(或噴嘴孔)中噴出的流體射流的特征性液滴間隔匹 配。連續(xù)形成的液滴之間的距離S與液滴速度U^，，和剌激頻率f相關(guān)關(guān)系式為U = f. S。液滴速度與射流速度，U^^相關(guān)，符合以下公式" =77~" 其中，o是表面張力(N/m)， P是液體密度(kg/m"，而R是射流的自然半徑(m)。
專利文件U. S. No. 3596275披露了用于連續(xù)式噴墨記錄儀的三種類型的具有恒定 速度和質(zhì)量的固定頻率的液滴發(fā)生。第一種技術(shù)涉及振動(dòng)噴嘴本身。第二種技術(shù)借助于通 常安裝在伺服所述噴嘴的所述凹腔內(nèi)的壓電變頻器對(duì)所述噴嘴中的流體施于壓力變化。第 三種技術(shù)涉及用(electrohydrodynamically)EHD(電流體動(dòng)力學(xué))液滴剌激電極以電流體 動(dòng)力學(xué)(EHD)形式激勵(lì)液體射流。 另外，在高質(zhì)量印刷(或打印)操作中采用的連續(xù)式噴墨系統(tǒng)通常需要小的間隔 緊密的具有高度均勻的制造公差的噴嘴。通過(guò)這些噴嘴的在壓力下受到強(qiáng)制的流體通常會(huì) 引起小液滴的噴射，這些液滴的大小在若干皮升(pico-liter)的數(shù)量級(jí)上，它以10-50米/ 秒的速度運(yùn)行。這些液滴以范圍在數(shù)十至數(shù)百千赫的頻率的速率產(chǎn)生。具有高度一致的幾 何學(xué)和布置的小的間隔緊密的噴嘴可以使用顯微機(jī)械加工技術(shù)來(lái)制作，如在半導(dǎo)體行業(yè)中 所使用的那些技術(shù)。 一般，通過(guò)這些技術(shù)生產(chǎn)出的噴嘴通道板是由諸如常用于顯微機(jī)械加 工生產(chǎn)(MEMS)中的硅和其他材料制造的。可以采用具有包括導(dǎo)電率的不同功能特性的多 層材料的組合。顯微機(jī)械加工技術(shù)可以包括蝕刻。因此，可以在噴嘴板基片上蝕刻出通孔， 以便生產(chǎn)出所述噴嘴。這些蝕刻技術(shù)可以包括濕化學(xué)方法，惰性等離子體或化學(xué)反應(yīng)等離 子體蝕刻方法。用于生產(chǎn)所述噴嘴通道板的顯微機(jī)械加工方法還可用于所述打印頭(或印 刷頭)上的其它結(jié)構(gòu)。所述其它結(jié)構(gòu)可以包括油墨(或墨液)輸送通道和儲(chǔ)墨槽。因此， 可以通過(guò)將基片的表面蝕刻成大的凹部或儲(chǔ)槽生產(chǎn)出一系列噴嘴通道，這些凹部或儲(chǔ)槽本 身是通過(guò)從所述基片的另 一側(cè)蝕刻形成。
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存在有很多已知的噴墨印刷的示例。專利文件US No. 5801734披露了一種連續(xù)式 噴墨印刷的方法。專利文件US No. 3596275披露了一種剌激液體射流的方法。專利文件US No. 2006/0092230披露了一種對(duì)用于連續(xù)式噴射裝置的剌激油墨液體進(jìn)行充電的方法。專 利文件USNo. 7192120是披露新穎的按需噴墨的噴射裝置的多項(xiàng)專利的代表。
本發(fā)明要解決的問(wèn)題 常規(guī)的連續(xù)式噴射裝置采用鉆孔的噴嘴板。在壓力下將油墨或更常見(jiàn)的是液體輸 送到該板上，導(dǎo)致油墨或液體的射流以高速度噴射。這樣一種液體射流本身是不穩(wěn)定的，并 且會(huì)破碎形成一系列液滴。這一過(guò)程被稱作Rayleigh-Plateau不穩(wěn)定性。同時(shí)，這種破碎 的物理性質(zhì)導(dǎo)致適當(dāng)?shù)拿鞔_限定的頻率和液滴大小，以便被用于印刷，必須提供擾動(dòng)，以便 控制所述破碎，從而提供固定的頻率和液滴尺寸。另外，射流破碎形成液滴處距離噴嘴板的 距離是關(guān)鍵性的，因?yàn)橥ǔＴ谶@個(gè)點(diǎn)處需要電極，以便在液滴形成時(shí)對(duì)它進(jìn)行充電。所述電 極相對(duì)所述射流的位置同樣是重要的，且因此產(chǎn)生了重大的工程問(wèn)題。所需要的擾動(dòng)是通 過(guò)用壓電系統(tǒng)振動(dòng)所述噴嘴板或所述流體流路徑上的其它部件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，通常在共振以及 可能采用在共振條件下的聲學(xué)內(nèi)腔完成。這種振動(dòng)提供了高能量壓力擾動(dòng)，所述擾動(dòng)啟動(dòng) 液滴破碎，并因此提供要印刷的固定大小的液滴的規(guī)則的輸送。 對(duì)高頻壓電系統(tǒng)的需要，與液滴破碎過(guò)程的有關(guān)方面一起對(duì)所述油墨或液體特性 造成了嚴(yán)格限制。因此，最常用的油墨具有接近于水的粘度。這又意味著對(duì)可在所述工藝 過(guò)程允許的油墨成分的嚴(yán)格限制。另外，壓電系統(tǒng)的使用對(duì)于用標(biāo)準(zhǔn)MEMs制造工藝過(guò)程實(shí) 現(xiàn)上述目的來(lái)說(shuō)，從根本上是困難的。因此，通過(guò)提供更小的間隔更緊密的噴嘴明顯改善解 決方案的可能性不大。 在一般的噴墨印刷和特殊的連續(xù)式噴墨印刷中的另一個(gè)問(wèn)題是用很多墨液配方 印刷的水或溶劑的數(shù)量。這通常是必需的，以便確保油墨粘度適合于相關(guān)工藝過(guò)程。不過(guò)， 這又需要在印刷的表面上干燥所述墨液而又不破壞所產(chǎn)生的圖案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于使用在連續(xù)式噴射裝置中的液滴發(fā)生器，其中， 所述初始擾動(dòng)主要是通過(guò)所述流體流動(dòng)提供的。 根據(jù)本發(fā)明，提供有一種用作連續(xù)式噴墨打印機(jī)的一部分的液滴發(fā)生裝置，所述 液滴發(fā)生裝置包括用于提供由第二流體包圍的第一流體的組合流體的通道組，和具有入口 孔和出口孔的膨脹內(nèi)腔，所述膨脹內(nèi)腔的橫截面積大于所述任一孔的橫截面積，以便所述 膨脹內(nèi)腔內(nèi)的組合流體破碎形成所述第二流體內(nèi)的所述第一流體的液滴，所述出口孔還形 成噴射裝置的噴嘴，所述第一流體的液滴經(jīng)由所述出口孔的通過(guò)導(dǎo)致組合射流破碎成組合 液滴。 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn) 本發(fā)明可以在沒(méi)有振動(dòng)能量輸入的情況下進(jìn)行高能射流破碎，因此不使用壓電裝
置。因此，所述液滴發(fā)生裝置完全可以通過(guò)MEMS制造工藝過(guò)程生產(chǎn)，因此可以獲得比常規(guī)
方法所允許的更高的噴嘴密度。另外，這種制造或生產(chǎn)技術(shù)可以將所述液滴發(fā)生器和充電
設(shè)備集成在一起，并因此緩解了兩個(gè)子系統(tǒng)的明顯的對(duì)齊或?qū)?zhǔn)的問(wèn)題。 所述裝置的至少一個(gè)實(shí)施方案可以用較少量的液體進(jìn)行印刷，因此減輕了在所述
5基片上干燥所印刷的墨液或油墨的問(wèn)題。


現(xiàn)將結(jié)合附圖描述本發(fā)明，其中 圖1是本發(fā)明的液滴發(fā)生(器)裝置的示意圖； 圖2是表示從噴嘴中噴出的射流的照片的拷貝； 圖3是評(píng)估所述裝置的共振行為的曲線圖； 圖4是表示用于實(shí)施本發(fā)明的裝置的示意圖； 圖5是本發(fā)明的發(fā)生裝置的示意圖； 圖6是包括本發(fā)明的發(fā)生器的印刷系統(tǒng)的示意圖； 圖7表示具有加熱器的示例性裝置，用以提供特定的相關(guān)系； 圖8a是隨著加熱器擾動(dòng)活動(dòng)內(nèi)部液滴形成的照片的拷貝，而圖8b是由圖8a所示
的一組照片編輯的圖像； 圖9表示外部斷開(kāi)長(zhǎng)度的測(cè)量；禾口 圖IO表示外部斷開(kāi)長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)，它是內(nèi)部液滴大小(或尺寸)的函數(shù)。
具體實(shí)施例方式
在微流體裝置內(nèi)，在不可混溶的第二流體中形成第一流體的流體射流的能力在本 技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)是公知的。不過(guò)，對(duì)于這些裝置的有用的工作模式要么是〃 幾何學(xué)控制的〃 或〃 滴下〃 模式，其中，第一流體的單分散液滴是直接形成的。這些模式披露于S. L. A皿a， H. C.Mayer， Phys. Fluidsl8， 121512 (2006)的文獻(xiàn)中。不過(guò)，同樣會(huì)充分理解的是，當(dāng)所述 流體流速度增加時(shí)，第一流體通過(guò)造成〃 幾何學(xué)控制的〃 或〃 滴下〃 模式原因的孔，并且 在該區(qū)域外形成射流。所述射流隨后破碎成主要由界面或表面張力控制的液滴。這種射流 破碎模式被稱作Rayleigh-Plateau不穩(wěn)定性，并且產(chǎn)生所述第一流體的多分散液滴。如果 所述第一流體是氣體，所述第一流體的液滴當(dāng)然就是氣泡。 值得注意并且迄今為止尚屬未知的事實(shí)是，在不可混溶的第二流體中的第一流體 的射流在通道中的破碎可以通過(guò)在形成射流之后提供通道，內(nèi)腔(或腔室)，和出口孔的膨 脹進(jìn)行調(diào)節(jié)，以便當(dāng)所述第一流體的液滴在由通過(guò)所述出口孔的射流形成時(shí)，它們會(huì)干擾 在所述內(nèi)腔或腔室內(nèi)的流動(dòng)。為了獲得明顯的流體擾動(dòng)，所述液滴橫截面積應(yīng)當(dāng)是垂直于 流動(dòng)方向的出口孔橫截面積的可感覺(jué)到的小部分。優(yōu)選的是，所述液滴橫截面積應(yīng)當(dāng)大于 垂直于流動(dòng)方向的出口孔橫截面積的大約三分之一。所述流體擾動(dòng)傳導(dǎo)返回到所述入口 孔，即所述通道首次膨脹的地方，并因此在射流進(jìn)入內(nèi)腔時(shí)對(duì)它產(chǎn)生干擾。由于所述射流本 質(zhì)上是不穩(wěn)定的。這隨后會(huì)導(dǎo)致所述射流在與由和所述射流對(duì)流的相同的干擾相匹配的位 置破碎。這樣，如此形成的液滴又會(huì)在它從出口孔處排出腔室時(shí)提供流體擾動(dòng)。由此提供 有所述射流內(nèi)在破碎的強(qiáng)化。發(fā)生這種強(qiáng)化的頻率通過(guò)所述內(nèi)腔或腔室(或膨脹室)內(nèi)的 射流速度與特定的波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)。所述流體反饋過(guò)程意味著所述最初的擾動(dòng)一定與所述第一 流體的液滴的排出具有固定的相關(guān)系，且因此，所述內(nèi)腔(或膨脹室)能確保選擇固定的頻 率用于特定組的流動(dòng)條件。所選擇的以Hz為單位的頻率f，大約為
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其中，Uj是第一流體的射流的速度(m/s) ， L是內(nèi)腔(或膨脹室)的長(zhǎng)度(m) ， n是 整數(shù)，而P是根據(jù)最終效果確定的O-l之間的數(shù)字。這與激光內(nèi)腔或腔室內(nèi)的頻率選擇相 當(dāng)類似。 將會(huì)理解的是，所述波長(zhǎng)將取決于第一流體的射流的直徑。另外，將會(huì)理解的是， 在察覺(jué)破碎之前所需要的射流的長(zhǎng)度取決于第一流體和第二流體之間的界面張力，第一流 體和第二流體的粘度和流動(dòng)的速度。因此，所述破碎長(zhǎng)度以至所述內(nèi)腔(或膨脹室)的長(zhǎng) 度可以通過(guò)使用較高的界面張力，較低的第一流體的粘度或較低的流動(dòng)速度來(lái)減少。通過(guò) 增加垂直于所述流體的內(nèi)腔的尺寸在不改變出口速度的前提下改變所述內(nèi)腔中的流動(dòng)速 度也是可能的。 圖1是本發(fā)明的液滴發(fā)生裝置的示意圖。 橫向流聚焦裝置1位于膨脹內(nèi)腔(或膨脹室)3的上游。膨脹內(nèi)腔3設(shè)有入口孔
2和出口孔4。噴嘴5位于出口孔4外側(cè)緊靠它的地方。 橫向流聚焦裝置1是用于產(chǎn)生協(xié)流液體射流的標(biāo)準(zhǔn)裝置。 在圖1中，由第二流體12環(huán)繞的第一流體的射流11經(jīng)由入口孔2通入到寬的通 道或內(nèi)腔3，從而所述第二流體填充環(huán)繞所述射流的空間。內(nèi)腔3具有出口孔4。
可用于考慮射流在空氣中的線性方程
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其中，LB是第一流體的射流的斷裂長(zhǎng)度(m)，這是從所述入口到所述腔室進(jìn)行測(cè) 量的，U是流體速度(m/s)， R是射流半徑(m)， a是影響的頻率的增長(zhǎng)速度(s—0 (例如， Rayleigh頻率fK U/(9. 02R) [fK以Hz為單位])，I i是初始擾動(dòng)(m)的大小。所述增長(zhǎng) 速度可以通過(guò)以下公式獲得
<formula>formula see original document page 7</formula>
其中，n是第一流體的粘度(Pa. s) ， o是界面張力(N/m)，而k是波矢(m—0 (k = 2Jif/U)。因此，可以估算斷裂長(zhǎng)度Le，并且將它與內(nèi)腔長(zhǎng)度L進(jìn)行比較。所述流動(dòng)速度，表 面張力和內(nèi)腔的長(zhǎng)度可以進(jìn)行人工安排，以便第一流體的射流11在所述膨脹內(nèi)腔內(nèi)破碎。 在優(yōu)選實(shí)施例中，1/3L < LB < L。 因此，圖1中所示的裝置鎖定在特定頻率下，并且構(gòu)成了用于連續(xù)式噴墨印刷裝 置的適合的液滴發(fā)生器。 圖2是在所述裝置外表示射流的破碎的照片的拷貝。要注意的是，破碎所需要的 長(zhǎng)度明顯比以大致相同的速度排出但是沒(méi)有所述第一流體在所述膨脹內(nèi)腔內(nèi)的規(guī)則的破 碎的相同組合物的射流所需要的長(zhǎng)度短。 圖3是表示所述裝置的共振行為的估算值的曲線圖。在射流破碎的線性接近 中，通常假設(shè)初始擾動(dòng)比上文所使用的增長(zhǎng)速度a以指數(shù)形式增長(zhǎng)。因此，初始擾動(dòng)會(huì)以e^(a* t )形式增長(zhǎng)，它的標(biāo)準(zhǔn)化值K。，表示特定頻率下的擾動(dòng)增長(zhǎng)(即，無(wú)量綱的波矢kR) 相對(duì)Rayleigh頻率(無(wú)量綱的波矢，kRm)下的相同尺寸的擾動(dòng)的增長(zhǎng)速度，
1 = 1 i一xp ( a t) ， I o = l i一xp ( a 。t)
a = a (kR) ， a 。 = a (kR邁) K0 = 7 =exp《a — a0>s, 其中，a。是在Rayleigh波長(zhǎng)(kRm)下的增長(zhǎng)系數(shù)(1/s)，而t B是第一流體的射流 在Rayleigh頻率下破碎成液滴的時(shí)間(s),=
1
In 其中，R。射流半徑。因此，對(duì)第一流體的初始擾動(dòng)，Pi。，增長(zhǎng)，并且形成液滴，所述
液滴隨后從所述裝置中排出，產(chǎn)生與所述液滴尺寸成比例的流動(dòng)擾動(dòng)P。。。
~ll/
=尸
欣
欣 這個(gè)擾動(dòng)的一部分Kf，在所述(膨脹)內(nèi)腔內(nèi)反饋給所述輸入擾動(dòng)，它們的總和又 導(dǎo)致了流動(dòng)擾動(dòng)。因此，總計(jì)的輸入擾動(dòng)，Pi是
-ll/3 f=卩& + WW卩-」,P。
傷
《
0 其中，小是觀察到的反饋給所述輸入的輸出擾動(dòng)的相對(duì)相(=k.L， L是有效 內(nèi)腔長(zhǎng)度)。因此，這一發(fā)展導(dǎo)致了無(wú)限的累計(jì)，由此給出了該系統(tǒng)的總體增加相對(duì)于在 Rayleigh頻率下的自由Rayleigh射流的增加的關(guān)系如下 Ga/w =
一欣— —欣—1/3
「叫 欣1/3 在圖3中，將增加對(duì)無(wú)量綱波矢kR進(jìn)行作圖，采用以下參數(shù)值L = 500iim，R。= 4. 4iim， Kf = 0. 97， o = 50mN/m， P = 0. 973kg/m3， n =0.9mPa.s。還對(duì)在空氣中的自 由Rayleigh射流的增加進(jìn)行作圖。假設(shè)是不可壓縮的流體和硬壁，我們預(yù)計(jì)在出口處的流 體擾動(dòng)大體上等于在入口處的流體擾動(dòng)，因此，Kf將接近于1。因此，應(yīng)當(dāng)理解，在出口處產(chǎn) 生的擾動(dòng)P。還會(huì)擾動(dòng)在該裝置外部的射流，并且導(dǎo)致它以高度規(guī)則的方式破碎。就是說(shuō)， 所述共振內(nèi)腔驅(qū)動(dòng)外部射流的高能量擾動(dòng)，導(dǎo)致快速而且規(guī)則的破碎。
圖4是表示實(shí)施本發(fā)明的裝置的示意圖。 所述裝置包括中央臂13以及上、下臂14。所述上、下臂在接頭15處與所述中央 臂交匯。這是標(biāo)準(zhǔn)的交叉流動(dòng)裝置。膨脹內(nèi)腔16的位置緊鄰接頭15的下游。所述膨脹內(nèi)
8腔具有入口噴嘴17和出口噴嘴18。因此，所述交叉流動(dòng)裝置通過(guò)(膨脹)內(nèi)腔16與出口 噴嘴18偶接(或聯(lián)接)。所述膨脹內(nèi)腔的橫截面積比所述入口或出口噴嘴的橫截面積大。 所述裝置是用玻璃制成的。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理解的是，任何合適的材料都可用于制造 所述裝置，包括，但不局限于硬質(zhì)材料，如陶瓷，硅，氧化物，氮化物，碳化物，合金或適于在 一個(gè)或多個(gè)MEMs加工步驟中使用的任何材料或一組材料。 以相同的壓力在上、下臂14中向所述流體聚焦裝置供以在100ml的體積中含有 288mg的SDS的去離子水。油(癸烷)被供給到中央臂13中并且形成細(xì)線，所述細(xì)線在管 道的變寬的部位或區(qū)域，即在膨脹內(nèi)腔16內(nèi)破碎成規(guī)則的液滴。當(dāng)所述油液滴橫貫出口孔 18時(shí)，它們開(kāi)始使形成的組合射流破碎，以便在每一個(gè)水滴中囊裹有油滴。另外，還發(fā)現(xiàn)當(dāng) 形成規(guī)則的油滴時(shí)，組合射流破碎的發(fā)生明顯更接近于出口孔。 在另外的實(shí)驗(yàn)中，用中央臂13中的空氣和上、下臂14中的去離子水被供給到所述 流體聚焦裝置。在這種情況下，所述空氣線以規(guī)則的方式破碎成氣泡，而不在所述膨脹內(nèi)腔 內(nèi)形成空氣的長(zhǎng)線。然而，這個(gè)氣泡的規(guī)則流股在出口孔處提供了對(duì)所述組合射流的足夠 的擾動(dòng)，使得所述組合射流在非常短的距離破碎成組合液滴的規(guī)則流股。將會(huì)理解的是，所 述組合液滴含有較少的液體，且因此，對(duì)于給定的液滴大小來(lái)說(shuō)，可降低干燥要求。
圖5是本發(fā)明的發(fā)生裝置的示意圖。這個(gè)實(shí)施例還包括電極5，所述電極設(shè)置成 當(dāng)液滴在斷裂點(diǎn)處形成時(shí)對(duì)它進(jìn)行充電。這個(gè)電極可以是與噴嘴對(duì)齊的獨(dú)立裝置或在優(yōu)選 實(shí)施例中可以作為液滴發(fā)生裝置的一部分形成，例如，采用MEMs技術(shù)。另外，加熱器9和 IO分別設(shè)置在入口孔和出口孔處，這些使得所述液滴發(fā)生的相是固定的，以便，例如，隨后 的充電和/或偏轉(zhuǎn)可以同時(shí)進(jìn)行。本發(fā)明的裝置能夠自由地振動(dòng)或振蕩，因此，在多噴嘴打 印機(jī)上，每一個(gè)噴頭，即使在相同的頻率下，都是隨機(jī) 的相。為了確保所述液滴的時(shí)間是已 知的，并因此可以根據(jù)需要沉積在所述基片上，每一個(gè)噴嘴的相應(yīng)當(dāng)優(yōu)選設(shè)定。然后，例如 可以對(duì)施加在偏轉(zhuǎn)板上的電壓進(jìn)行定時(shí)，以便偏轉(zhuǎn)所需要的液滴。另外，可以在出口孔上設(shè) 置傳感器，它同樣使得隨后進(jìn)行的充電和/或偏轉(zhuǎn)能夠同步。另外，直接或通過(guò)第二流體在 所述第一流體上施加的擾動(dòng)如果足夠大，會(huì)導(dǎo)致第一流體的射流以所施加的擾動(dòng)的頻率破 碎。當(dāng)然，前面所提供的條件
<formula>formula see original document page 9</formula>
會(huì)使得某些頻率能夠更容易的產(chǎn)生。 圖6是包括本發(fā)明的液滴發(fā)生裝置的印刷系統(tǒng)的示意圖。 在這個(gè)實(shí)施例中，所述液滴發(fā)生器包括MEMs制造的電極5。所噴射的液滴每個(gè)由 所述電極充電。所述液滴的流股隨后通過(guò)靜電偏轉(zhuǎn)電極6，并且使所述液滴選擇性地偏轉(zhuǎn)。 偏轉(zhuǎn)電極6使得某些液滴到達(dá)基片7，使它們被印刷在所述基片上，而其余的液滴被捕獲裝 置13捕獲并且送回到所述供墨系統(tǒng)。 圖7表示一種裝置的示意圖，所述裝置將流體聚焦裝置串接到內(nèi)腔或腔室裝置 上，如相對(duì)圖l所描述的，并且包括擾動(dòng)所述液體流的裝置。將20nm的白金膜和10nm的鈦 膜蒸發(fā)在玻璃毛細(xì)管的一面上，以便在每一個(gè)入口收縮部分和出口收縮部分形成曲折的電 阻加熱器圖案，所述鈦膜緊挨著所述玻璃表面。所述曲折圖案是在整個(gè)長(zhǎng)度上為2微米寬的軌跡，以便為所述加熱器提供大約350歐姆的電阻。所述總寬度保持為最低，以便允許與 所述流體流動(dòng)的最大可能頻率的相互作用。這個(gè)寬度為大約18微米。每一個(gè)加熱器可以 獨(dú)立供電。盡管每一個(gè)加熱器具有所需要的作用，(膨脹)內(nèi)腔入口收縮部分上方的加熱 器(在圖1中為標(biāo)記2)是最有效的，并因此被用于收集在圖8和9中所示出的數(shù)據(jù)。
通過(guò)協(xié)調(diào)地以頻閃觀測(cè)儀的光照對(duì)所述加熱器進(jìn)行脈沖，可以使所述內(nèi)部液滴破 碎的相鎖定。所述圖像是使用以25Hz的頻率工作的標(biāo)準(zhǔn)畫面?zhèn)鬏敂z影機(jī)獲得的，而液滴形 成是在25Hz左右。將高亮度LED用作所述光源，并且為每一個(gè)液滴閃光一次。因此，每一 個(gè)攝影畫面是大約1000幅圖畫的多次曝光。如果所述液滴與所述閃光同步，那么就可以獲 得單一的清晰圖像。否則所述多次曝光會(huì)導(dǎo)致模糊的圖像，沒(méi)有清晰可見(jiàn)的液滴。然后可 以以加熱器脈沖頻率函數(shù)的形式研究所述破碎現(xiàn)象。圖8a表示內(nèi)部液滴破碎的圖像，使所 述頻閃觀測(cè)儀的光照相與所述加熱器脈沖鎖定。頻率為24.715kHz，所述油(液滴)是癸 烷，而所述外部液體是水。所述癸烷是以41. lpsi的壓力輸送的，而所述水是以65. 3psi壓 力輸送的。然后以5Hz的梯度將頻率從24.2kHz改變到25.2kHz。對(duì)于所獲得的每一副圖 像來(lái)說(shuō)，提取通過(guò)每一個(gè)液滴的像素的中線，并且將所述象素的中線用來(lái)形成新圖像的像 素欄。所述新圖像在圖8b中示出，其中，y軸是沿通道中心的距離，而x軸相當(dāng)于頻率。圖 8b中所示圖像的中央部位表示與濾波LED協(xié)調(diào)的液滴的存在，而左側(cè)和右側(cè)部位表示沒(méi)有 液滴，即模糊不清的多次曝光。因此，在頻率的窄帶的外側(cè)，所述加熱器脈沖不能與液滴的 形成相鎖定。這是共振液滴形成的直接證據(jù)。 另一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí)了所述共振行為對(duì)內(nèi)部液滴大小的依賴。當(dāng)每一個(gè)內(nèi)部液 滴通過(guò)所述出口孔時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生壓力脈沖，所述壓力脈沖會(huì)干擾所述流體流動(dòng)，并且導(dǎo)致共 振。如果所述出口孔還形成射流的話，那么所述壓力脈沖還會(huì)干擾所述射流，并因此導(dǎo)致所 述射流提前破碎。因此，外部射流斷開(kāi)長(zhǎng)度是所述壓力擾動(dòng)的強(qiáng)度的良好的指標(biāo)或計(jì)量。 所述外部斷開(kāi)長(zhǎng)度測(cè)量在圖9中示出。油和水的輸送壓力比例是變化的，保持總流量大體 上穩(wěn)定。因此改變所述內(nèi)部液滴的直徑。內(nèi)部液滴的直徑與所述斷開(kāi)長(zhǎng)度一起進(jìn)行光學(xué)測(cè) 量。在圖10中，將外部斷開(kāi)長(zhǎng)度作為內(nèi)部液滴直徑的函數(shù)進(jìn)行作圖。要注意的是，由于所 述液滴的直徑大于所述通道高度，它們是扁平的，因此，測(cè)量的內(nèi)部液滴直徑大體上與內(nèi)部 液滴的橫截面積成正比。圖IO清楚地表明了比所述出口孔橫截面積大約1/3大的內(nèi)部液 滴橫截面積出現(xiàn)了強(qiáng)的共振行為。 業(yè)已結(jié)合油或空氣和含水組合物的組合射流對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了說(shuō)明。本領(lǐng)域技術(shù)人 員將會(huì)理解的是，本發(fā)明并不局限于這些流體。本發(fā)明特別適用于作為墨液或油墨設(shè)計(jì)的 液體，并且含有，例如，表面活性材料，如活性劑或分散劑或類似材料，聚合物，單體，活性物 質(zhì)，膠乳，顆粒。另外，所述第一流體可以是氣體組合物。以上內(nèi)容不應(yīng)當(dāng)被視為窮舉所有。
業(yè)已結(jié)合本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì) 理解的是，可以在本發(fā)明的范圍內(nèi)進(jìn)行任何變化和改進(jìn)。
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權(quán)利要求
一種用作連續(xù)式噴墨打印機(jī)的一部分的液滴發(fā)生裝置，所述液滴發(fā)生裝置包括用于提供由第二流體包圍的第一流體的組合流體的通道組，和具有入口孔和出口孔的膨脹內(nèi)腔，所述膨脹內(nèi)腔的橫截面積大于所述任一孔的橫截面積，以便所述膨脹內(nèi)腔內(nèi)的組合流體破碎形成所述第二流體內(nèi)的所述第一流體的液滴，所述出口孔還形成噴射裝置的噴嘴，所述第一流體的液滴經(jīng)由所述出口孔的通過(guò)導(dǎo)致所述組合射流破碎成組合液滴。
2. 如權(quán)利要求l所述的裝置，其特征在于，垂直于流動(dòng)方向的所述出口孔的橫截面積 小于所述第一流體的所述液滴的橫截面積的大約三倍。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于，所述第一流體是液體組合物并且距離所 述膨脹內(nèi)腔的入口大約Lb的距離破碎成液滴，所述膨脹內(nèi)腔的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，和LB大于大約(1/3) L，和 LB小于L。
4. 如權(quán)利要求1 ， 2或3所述的裝置，其特征在于，其包括用于控制位于所述第二流體內(nèi) 的所述第一流體的破碎的額外裝置。
5. 如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，所述控制裝置包括加熱器，所述加熱器干擾 所述第一流體和/或所述第二流體和/或所述第一流體和所述第二流體的組合物的流動(dòng)。
6. 如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，所述控制裝置包括靜電場(chǎng)，所述靜電場(chǎng)干擾 所述第一流體和/或所述第二流體和/或所述第一流體和所述第二流體的組合物的流動(dòng)。
7. 如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，所述控制裝置包括機(jī)械擾動(dòng)，所述機(jī)械擾動(dòng) 干擾所述第一流體和/或所述第二流體和/或所述第一流體和所述第二流體的組合物的流 動(dòng)。
8 如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，在靠近所述出口噴嘴處設(shè)置充 電裝置，以便對(duì)所述組合液滴充電。
9. 如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述裝置是用硬材料制造的。
10. 如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，所述通道大體上是由選自下列一種或多種 的硬材料制造的，所述硬材料包括玻璃，陶瓷，硅、氧化物，氮化物，碳化物，合金，適用于在 一個(gè)或多個(gè)MEMs加工步驟中使用的一種材料或一組材料。
11. 一種用于在氣體中在高頻率和高速度下形成液滴的方法，所述方法包括在通道組 內(nèi)輸送第一流體和第二流體，所述流體的界面的特征在于界面張力或界面彈力，環(huán)繞所述 第一流體的第二流體形成組合射流，所述射流通過(guò)具有入口孔和出口孔的膨脹內(nèi)腔，所述 膨脹內(nèi)腔的橫截面積大于任一孔的橫截面積，所述膨脹內(nèi)腔內(nèi)的第一流體破碎成所述第二 流體內(nèi)的液滴，所述第一流體和第二流體的組合物在所述出口孔的出口處形成射流，并且， 所述第一流體的液滴經(jīng)由所述出口孔的通過(guò)導(dǎo)致所述組合射流破碎成液滴。
12. 如權(quán)利要求ll所述的方法，其特征在于，所述流體流過(guò)膨脹內(nèi)腔，其中，垂直于流 動(dòng)方向的所述出口孔的橫截面積小于所述第一流體的液滴的橫截面積的大約三倍。
13. 如權(quán)利要求11或12所述的方法，其特征在于，所述第一流體在距離所述膨脹內(nèi)腔 的入口大約LB的距離破碎成液滴，所述膨脹內(nèi)腔的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，和LB大于大約(1/3) L，和 LB小于L。
14. 如權(quán)利要求11 ， 12或13所述的方法，其特征在于，其還包括位于所述第二流體內(nèi)的所述第一流體的破碎的控制。
15. 如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，加熱器干擾所述第一流體和/或所述第二 流體和/或所述第一流體和所述第二流體的組合物的流動(dòng)。
16. 如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，靜電場(chǎng)干擾所述第一流體和/或所述第二 流體和/或所述第一流體和所述第二流體的組合物的流動(dòng)。
17. 如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，機(jī)械擾動(dòng)干擾所述第一流體和/或所述第 二流體和/或所述第一流體和所述第二流體的組合物的流動(dòng)。
18. 如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述組合液滴在靠近所述出口 噴嘴處充電。
19. 一種連續(xù)式噴墨印刷設(shè)備，所述設(shè)備包括一個(gè)或多個(gè)如權(quán)利要1-10中任意一項(xiàng)所 述的液滴發(fā)生裝置。
全文摘要
本發(fā)明提出一種用作連續(xù)式噴墨打印機(jī)的一部分的液滴發(fā)生裝置，該裝置包括用于提供由第二流體(12)環(huán)繞的第一流體(11)的組合流體的通道組且具有入口孔(2)和出口孔(4)的膨脹內(nèi)腔(3)。該膨脹內(nèi)腔的橫截面積大于任一孔的橫截面積，以便該膨脹內(nèi)腔內(nèi)的組合流體破碎形成第二流體內(nèi)的第一流體的液滴，給出口孔還形成噴射裝置的噴嘴，第一流體的液滴經(jīng)由出口孔的通過(guò)導(dǎo)致組合射流破碎成組合液滴。
文檔編號(hào)B41J2/015GK101765502SQ200880023050
公開(kāi)日2010年6月30日 申請(qǐng)日期2008年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月3日
發(fā)明者A·克拉克 申請(qǐng)人:伊斯曼柯達(dá)公司