流體液滴噴射裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于噴射流體液滴的系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括：基板，所述基板具有包括流體抽吸室的流路體；以使流體流動的方式連接到流體抽吸室的下降裝置；以及以使流體流動的方式連接到所述下降裝置的噴嘴。噴嘴被布置成用于通過形成于基板外表面中的出口噴射流體液滴。流路體還包括以使流體流動的方式連接到下降裝置的再循環(huán)通道。所述用于噴射流體液滴的系統(tǒng)還包括以使流體流動的方式連接到流體抽吸室的流體供應(yīng)容器、以使流體流動的方式連接到再循環(huán)通道的流體返回容器以及以使流體流動的方式連接流體返回容器和流體供應(yīng)容器的泵。在一些實施方式中，通過流路體的流體流具有足以迫使氣泡或污染物通過流路體的流量。
【專利說明】流體液滴噴射裝置
[0001]本申請是申請?zhí)枮?00980117680.2的中國發(fā)明專利申請(申請日:2009年5月21日；發(fā)明創(chuàng)造名稱:流體液滴噴射裝置)的分案申請。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及流體噴射裝置。
【背景技術(shù)】
[0003]在一些流體噴射裝置中，流體液滴從一個或多個噴嘴噴射到介質(zhì)上。噴嘴以使流體流動的方式連接到包括流體抽吸室的流體通路。流體抽吸室可以由致動器致動，從而噴射流體液滴。所述介質(zhì)可以相對于流體噴射裝置移動。流體液滴從特定噴嘴的噴射在時間上由介質(zhì)的運動來決定，以便將流體液滴放在介質(zhì)上的所需位置處。在這些流體噴射裝置中，通常理想的是噴射同樣尺寸和速度的流體液滴以及在相同的方向上噴射流體液滴，以便提供流體液滴在介質(zhì)上的均勻沉積。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]在一個方面，在此所述的系統(tǒng)、裝置和方法包括用于噴射流體液滴且包括基板的系統(tǒng)。所述基板可以包括流路體，所述流路體具有形成于所述流路體中的流路。所述流路可以包括流體抽吸室、以使流體流動的方式連接到所述流體抽吸室的下降裝置(descender)以及以使流體流動的方式連接到所述下降裝置的噴嘴。所述噴嘴可以設(shè)置用于通過形成于噴嘴層外表面中的出口噴射流體液滴。再循環(huán)通道可以以使流體流動的方式連接到所述下降裝置，并且與所述抽吸室相比可以更靠近所述噴嘴。流體供應(yīng)容器可以以使流體流動的方式連接到所述流體抽吸室。流體返回容器可以以使流體流動的方式連接到所述再循環(huán)通道。泵可以被構(gòu)造成以使流體流動的方式連接所述流體返回容器和所述流體供應(yīng)容器。
[0005]在另一個方面，一種用于噴射流體液滴的裝置可以包括基板，所述基板具有形成于所述基板中的流體抽吸室。下降裝置可以形成于所述基板中并以使流體流動的方式連接到所述流體抽吸室。致動器可以與所述流體抽吸室形成壓力連通。噴嘴可以形成于所述基板中，并且可以以使流體流動的方式連接到所述下降裝置。所述噴嘴可以具有用于噴射流體液滴的出口，并且所述出口可以形成于基板外表面中。再循環(huán)通道可以形成于所述基板中，并且在使得所述基板外表面與所述再循環(huán)通道的最靠近表面之間的距離小于或大約為所述出口的寬度的10倍的位置處以使流體流動的方式連接到所述下降裝置，，并且所述再循環(huán)通道沒有以使流體流動的方式連接到不同的流體抽吸室。
[0006]在另外一個方面，一種用于噴射流體液滴的裝置可以包括:基板，所述基板具有形成于所述基板中的流體抽吸室；下降裝置，所述下降裝置形成于所述基板中，并且以使流體流動的方式連接到所述流體抽吸室；以及致動器，所述致動器與所述流體抽吸室形成壓力連通。噴嘴可以形成于所述基板中并以使流體流動的方式連接到所述下降裝置。所述噴嘴可以具有用于噴射流體液滴的出口，并且所述出口可以形成于基板外表面中。再循環(huán)通道可以形成于所述基板中，并且以使流體流動的方式連接到所述下降裝置，而所述再循環(huán)通道沒有以使流體流動的方式連接到不同的流體抽吸室。所述噴嘴可以具有與所述出口相對的噴嘴開口以及位于所述噴嘴開口與所述出口之間的錐形部。所述再循環(huán)通道的靠近所述噴嘴的表面與所述噴嘴開口大體齊平。
[0007]在另一個方面，一種用于噴射流體液滴的裝置可以包括:基板，所述基板具有形成于所述基板中的流體抽吸室；下降裝置，所述下降裝置形成于所述基板中，并且以使流體流動的方式連接到所述流體抽吸室；以及噴嘴，所述噴嘴形成于所述基板中并以使流體流動的方式連接到所述下降裝置，所述噴嘴具有用于噴射流體液滴的出口，所述出口與基板外表面共面。也可以關(guān)于每個下降裝置對稱布置兩個再循環(huán)通道，并且所述兩個再循環(huán)通道以使流體流動的方式連接到每個下降裝置。
[0008]在另外一個方面，一種用于噴射流體液滴的裝置可以包括:基板，所述基板具有形成于所述基板中的流體抽吸室；下降裝置，所述下降裝置形成于所述基板中，并且以使流體流動的方式連接到所述流體抽吸室；以及噴嘴，所述噴嘴形成于所述基板中并以使流體流動的方式連接到所述下降裝置。致動器可以與所述流體抽吸室形成壓力連通，并且可以能夠產(chǎn)生用于使流體液滴從所述噴嘴噴出的發(fā)射脈沖，所述發(fā)射脈沖具有發(fā)射脈沖頻率。再循環(huán)通道可以形成于所述基板中，并且被構(gòu)造成在所述發(fā)射脈沖頻率下具有大體高于所述噴嘴的阻抗的阻抗。
[0009]在另一個方面，一種用于流體液滴噴射的裝置可以包括:基板，所述基板具有形成于所述基板中的流體抽吸室；致動器，所述致動器與所述流體抽吸室形成壓力連通，并且能夠產(chǎn)生用于使液滴從所述噴嘴噴出的發(fā)射脈沖，所述發(fā)射脈沖具有發(fā)射脈沖寬度；以及下降裝置，所述下降裝置形成于所述基板中，并且以使流體流動的方式連接到所述流體抽吸室。噴嘴可以形成于所述基板中并以使流體流動的方式連接到所述下降裝置。再循環(huán)通道可以形成于所述基板中并以使流體流動的方式連接到所述下降裝置，所述再循環(huán)通道具有大體等于所述發(fā)射脈沖寬度乘以流體中的聲速再除以二的長度。
[0010]實施方式可以包括一個或多個以下特征。泵可以被構(gòu)造成用于保持所述流體供應(yīng)容器中的流體高度與所述流體返回容器中的流體高度之間的預(yù)定高度差，并且所述預(yù)定高度差可以選定為使流體以足以迫使氣泡或污染物通過所述流體抽吸室、所述下降裝置和所述再循環(huán)通道的流體流動通過所述基板。系統(tǒng)可以被搞糟成沒有以使流體流動的方式連接在所述基板與所述流體供應(yīng)容器之間的泵。系統(tǒng)還可以被構(gòu)造成沒有以使流體流動的方式連接在所述基板與所述流體返回容器之間的泵。通過所述再循環(huán)通道的流量(以皮升/秒表示)與所述出口的面積(以平方微米表示)的比值可以至少為大約10。在一些實施方式中，所述出口的面積可以為大約156平方微米，而通過所述再循環(huán)通道的流量可以至少為大約1500皮升/秒。所述基板外表面與所述再循環(huán)通道的最靠近表面之間的距離可以小于所述出口的寬度的大約10倍。在一些實施方式中，所述出口的寬度可以為大約12.5微米，所述基板外表面與所述再循環(huán)通道的所述最靠近表面之間的距離可以小于大約60微米。系統(tǒng)還可以包括定位成從通過所述基板的流體流中除去空氣的脫氣器。系統(tǒng)還可以包括定位成從通過所述基板的流體流中除去污染物的過濾器。系統(tǒng)還可以包括定位成加熱通過所述基板的流體流的加熱器。
[0011]此外，兩個再循環(huán)通道可以被構(gòu)造成用于使流體從所述下降裝置流動到所述兩個再循環(huán)通道中的每一個。兩個再循環(huán)通道可以被構(gòu)造成用于使流體從所述兩個再循環(huán)通道中的一個流動通過所述下降裝置至所述兩個再循環(huán)通道中的另一個。所述兩個再循環(huán)通道的尺寸可以大約彼此相等。
[0012]在一些實施方式中，每個下降裝置都僅具有以使流體流動的方式與下降裝置連接的單個再循環(huán)通道。所述再循環(huán)通道在所述發(fā)射脈沖頻率下的阻抗可以至少高于所述噴嘴的阻抗兩倍，例如，至少高于所述噴嘴的阻抗十倍。所述再循環(huán)通道在所述發(fā)射脈沖頻率下的阻抗可以高到足以防止所述發(fā)射脈沖通過所述再循環(huán)通道產(chǎn)生能量損失，所述能量損失會顯著降低施加到所述噴嘴中的流體的壓力。發(fā)射脈沖頻率可以具有發(fā)射脈沖寬度，并且所述再循環(huán)通道的長度可以大體等于所述發(fā)射脈沖寬度乘以流體中的聲速再除以二。所述再循環(huán)通道的橫截面面積可以小于所述下降裝置的橫截面面積，例如，小于所述下降裝置的橫截面面積的大約十分之一。裝置還可以包括再循環(huán)溝槽，所述再循環(huán)溝槽形成于所述基板中并與所述再循環(huán)通道流體連通，并且所述再循環(huán)通道與所述再循環(huán)溝槽之問在橫截面面積上的過渡處可以包括銳角。
[0013]在一些實施例中，裝置可以包括一個或多個以下優(yōu)點。流體在所述噴嘴和出口附近的循環(huán)可以防止污染物干擾流體液滴噴射并可防止墨水在所述噴嘴中干燥。脫氣流體的循環(huán)可以從所述流體壓力通路中清除充氣流體，并且可以除去或溶解氣泡。在裝置包括多個噴嘴的情況下，除去氣泡和充氣墨水可以促進一致的流體液滴噴射。此外，在發(fā)射脈沖頻率下采用具有高阻抗的再循環(huán)通道可以使通過所述再循環(huán)通道損失的能量最小化，并且可以減少在流體液滴噴射后回填所述噴嘴所需的時間。此外，再循環(huán)通道相對于每個噴嘴的一致布置可以促進噴嘴適當(dāng)?shù)膶?zhǔn)。再循環(huán)通道關(guān)于噴嘴的對稱布置可以減少或消除流體液滴噴射的偏轉(zhuǎn)，否則可能會由于存在單個再循環(huán)通道或關(guān)于噴嘴沒有對稱布置的多個再循環(huán)通道而造成該偏轉(zhuǎn)。上述系統(tǒng)可以為自動加注(self-priming)。此外,具有流體供應(yīng)容器和流體返回容器且在這些容器之間具有泵的系統(tǒng)可以將泵的壓力效果與系統(tǒng)的其余部件(例如，流路體)隔離開，從而幫助傳送流體而無需通常由泵產(chǎn)生的壓力脈沖。
[0014]在附圖和以下說明中闡述了本發(fā)明的一個或多個實施例的細節(jié)。本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將從該說明和附圖以及權(quán)利要求中清楚呈現(xiàn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1A是打印頭的一部分的橫截面?zhèn)纫晥D；
[0016]圖1B是沿圖1A中的線B-B截得且沿箭頭方向看到的橫截面俯視圖；
[0017]圖1C是沿圖1A中的線C-C截得且沿箭頭方向看到的橫截面俯視圖；
[0018]圖2是沿圖1B中的線2-2截得且沿箭頭方向看到的橫截面?zhèn)纫晥D；
[0019]圖3A是流體噴射結(jié)構(gòu)的可選實施例的橫截面?zhèn)纫晥D；
[0020]圖3B是沿圖3A中的線3-3截得且沿箭頭方向看到的橫截面俯視圖；
[0021]圖4是流體噴射結(jié)構(gòu)的可選實施例的橫截面俯視圖；
[0022]圖5是沿圖2中的線5-5截得且沿箭頭方向看到的橫截面俯視圖；
[0023]圖6是對用于流體再循環(huán)的系統(tǒng)的示意性說明；
[0024]圖7A是呈現(xiàn)發(fā)射脈沖(firing pluse)的曲線圖；
[0025]圖7B是呈現(xiàn)響應(yīng)圖7A中所示的發(fā)射脈沖的壓力的曲線圖；以及[0026]相同的附圖標(biāo)記在各附圖中表示相同的元件。
【具體實施方式】
[0027]流體液滴噴射可以通過包括流體流路體、隔膜和噴嘴層的基板來實現(xiàn)。流路體內(nèi)形成有流體流路，所述流體流路可以包括流體抽吸室、下降部、具有出口的噴嘴以及再循環(huán)通道。流體流路可以制造得極微小。致動器可以位于隔膜的與流路體相對且緊鄰流體抽吸室的表面上。當(dāng)致動器被驅(qū)動時，致動器將發(fā)射脈沖傳送給流體抽吸室，使得通過所述出口噴射流體的液滴。再循環(huán)通道可以在接近噴嘴和出口處，例如在與噴嘴齊平處，以使流體流動的方式連接到下降部。流體可以不斷地循環(huán)通過流路，并且沒有從出口噴射出的流體可以被引導(dǎo)通過再循環(huán)通道。流路體通常包括多個流體流路和噴嘴。
[0028]流體液滴噴射系統(tǒng)可以包括所述的基板。所述系統(tǒng)還可以包括返回部以及用于基板的流體源，其中所述返回部用于流動通過基板但沒有從基板的噴嘴噴出的流體。流體儲存器可以以使流體流動的方式連接到基板，以用于將諸如墨水的流體供應(yīng)到基板以用于噴射。從基板流出的流體可以被引導(dǎo)到流體返回容器。例如，流體可以為化學(xué)化合物、生物物質(zhì)或墨水。
[0029]參見圖1A,顯不了一個實施方案中的打印頭100的一部分的橫截面不意圖。打印頭100包括基板110?；?10包括流體流路體10、噴嘴層11以及隔膜66?；迦肟?2向流體進入通道14供應(yīng)流體。流體進入通道14以使流體流動的方式連接到上升裝置(ascender) 16。上升裝置16以使流體流動的方式連接到流體抽吸室18。流體抽吸室18靠近致動器30。致動器30可以包括諸如鈦鋯酸鉛(PZT)層的壓電層31、電追蹤器(traCe)64以及接地電極65。電壓可以施加在致動器30的電追蹤器64與接地電極65之間，以便將電壓施加到致動器30，從而驅(qū)動致動器30。隔膜66位于致動器30與流體抽吸室18之間。膠粘層67將致動器30固定到隔膜66。盡管圖1A中顯示致動器30是連續(xù)的，但壓電層31也可以例如在制造期間通過蝕刻步驟被制成為非連續(xù)的。另外，盡管圖1A顯示出諸如再循環(huán)通道和進入通道的各種通道以及基板入口 12，但這些部件可以不都在相同的平面內(nèi)(在圖1B和圖1C所示的實施方式中不在相同的平面內(nèi))。在一些實施方式中，兩個或更多個流體流路體10、噴嘴層11以及隔膜可以形成為一個整體。
[0030]噴嘴層11固定到流路體10的底部表面。具有出口 24的噴嘴22形成于噴嘴層11的噴嘴層外表面25中。流體抽吸室18以使流體流動的方式連接到下降裝置20，所述下降裝置以使流體流動的方式連接到噴嘴22 (參見圖2)。流體抽吸室18、下降裝置20以及噴嘴22在此可以共同稱為流體壓力通路。對于方形出口 24而言，出口 24的側(cè)部的長度可以例如在大約5微米與大約100微米之間，例如大約為12.5微米。如果出口 24不為方形，則平均寬度可以例如在大約5微米與大約100微米之間，例如大約為12.5微米。該出口尺寸可以產(chǎn)生用于某些實施方案的有用的流體液滴尺寸。
[0031]再循環(huán)通道26在靠近噴嘴22的位置處以使流體流動的方式連接到下降裝置20，下面會更詳細地加以說明。再循環(huán)通道26還以使流體流動的方式連接到再循環(huán)溝槽28，使得再循環(huán)通道26在下降裝置20與再循環(huán)溝槽28之間延伸。再循環(huán)溝槽28可以具有比再循環(huán)通道26大的橫截面面積，并且橫截面面積的變化可以是突然的而不是漸進的。橫截面面積的這種突然變化可以使通過再循環(huán)通道26的能量損失最小化，下面會更詳細地加以說明。此外，再循環(huán)通道26可以具有比下降裝置20小的橫截面面積。例如，再循環(huán)通道26的橫截面面積可以小于下降裝置20的橫截面面積的十分之一或者小于百分之一。上升裝置16、流體抽吸室18、下降裝置20、再循環(huán)通道26以及基板中的其它特征在一些實施方案中可以被制造得極微小。
[0032]圖1B是沿圖1A中的線B-B截得的打印頭100的一部分的說明性橫截面圖。圖1C是沿圖1A中的線C-C截得的打印頭100的一部分的說明性橫截面圖。參見圖1B和圖1C，流路體10包括形成于該流路體內(nèi)且相對于彼此平行延伸的多個進入通道14。多個進入通道14與基板入口 12流體連通。流路體10還包括形成于該流路體內(nèi)且與基板出口(未示出)流體連通的多個再循環(huán)溝槽28。流路體10還包括形成于該流路體內(nèi)的多個上升裝置16、流體抽吸室18以及下降裝置20。上升裝置16和流體抽吸室18以交替的圖案沿平行列延伸，并且下降裝置20也沿平行列延伸。每個上升裝置16顯示出都以使流體流動的方式將進入通道14連接到相應(yīng)的流體抽吸室18，并且每個流體抽吸室18顯示出都以使流體流動的方式連接到相應(yīng)的下降裝置20。形成于流路體10中的再循環(huán)通道26以使流體流動的方式將每個下降裝置20都連接到至少一個相應(yīng)的再循環(huán)溝槽28。參見圖1C，每個下降裝置20顯示出具有一個相應(yīng)的噴嘴22。每列流體壓力通路都可以以使流體流動的方式連接到共用的進入通道14，并且每個流體壓力通路都可以具有其自己的與其它流體壓力通路分開的再循環(huán)通道26。這種布置可以提供通過連接到共用的進入通道14的每個流體壓力通路(包括通過再循環(huán)通道26)在相同方向上一致的流體流。這可以防止例如由于具有連接到相鄰流體壓力通路(例如，奇數(shù)及偶數(shù)壓力通路)的再循環(huán)通道而造成的流體噴射變化。在一些實施方式中，每一個都包括流體抽吸室18、下降裝置20和再循環(huán)通道26的多個流路部可以以使流體流動的方式平行地連接到流體進入通道14與再循環(huán)溝槽28之間。也就是說，多個流路部可以被構(gòu)造成彼此之間(例如，除了通過流體進入通道14或再循環(huán)溝槽28)不具有流體流動連接。在一些實施方式中，每個流路部還可以都包括上升裝置16。
[0033]圖2是沿圖1B中的線2-2截得的說明性橫截面圖。流體進入通道14、上升裝置
16、流體抽吸室18、下降裝置20、噴嘴22和出口 24類似于圖1A進行布置。為了簡潔未顯示膠粘層67。再循環(huán)通道26具有最靠近噴嘴層外表面25的通道表面32。噴嘴層外表面25與通道表面32之間的距離D可以小于出口 24的寬度的大約10倍，例如在出口 24的寬度的大約2倍與大約10倍之間，例如在出口 24的寬度(或者如果出口 24不是方形則為出口 24的平均寬度)的大約4.4倍與大約5.2倍之間，例如為4.8倍。例如，對于具有12.5微米寬度的出口 24，距離D可以小于60微米或大約為60微米。出口 24被制造得越大，則再循環(huán)通道26可以越遠離出口 24。再循環(huán)通道26與出口 24之間的緊鄰可以幫助去除出口 24附近的污染物，下面會更詳細地說明。如另一個實例，噴嘴22可以形成錐形形狀，并且通道表面32可以與噴嘴22的與出口 24相對的邊界齊平。也就是說，通道表面32可以直接相鄰于噴嘴22的錐形，例如與噴嘴齊平。圖2還顯示了再循環(huán)通道26具有在下降裝置20與再循環(huán)溝槽28之間的長度L。長度L可以如下所述選擇為使通過再循環(huán)通道26的能量損失最小化。在一些實施方式中，由于制造的限制，通道表面可以緊鄰噴嘴22的錐形部但與該錐形部分開短距離，例如在大約5微米與大約10微米之問。
[0034]圖3A為可選的流路體10'的一部分的說明性橫截面圖。為了簡潔未顯示膠粘層67。流體進入通道14、上升裝置16、流體抽吸室18、下降裝置20、噴嘴22和出口 24以類似于圖2中所示的布置的方式進行布置。然而，兩個再循環(huán)通道26A、26B以使流體流動的方式連接到下降裝置20。兩個再循環(huán)通道26A、26B中的每一個都以使流體流動的方式連接到相應(yīng)的再循環(huán)溝槽28A、28B。兩個再循環(huán)通道26A、26B布置在噴嘴22的相對側(cè)，并且這種布置可以相對于下降裝置20對稱。也就是說，再循環(huán)通道26A、26B通過下降裝置20的中心彼此軸向?qū)?zhǔn)。在一些實施方式中，再循環(huán)通道26A、26B可以相對于彼此為相同的橫截面尺寸以及相同的長度。
[0035]圖3B是沿圖3A中的線3_3的說明性橫截面圖。能夠看到方形噴嘴22以及出口24，同樣也能夠看到流體進入通道14以及再循環(huán)溝槽28A和28B。再循環(huán)通道26A、26B關(guān)于通過噴嘴22的中心的軸線對稱布置。
[0036]圖4顯示了流路體10"的另一個可選實施方式的一部分。兩個再循環(huán)通道26'以使流體流動的方式連接到下降裝置20。圖4中顯示的兩個再循環(huán)通道26'以使流體流動的方式連接到共用的再循環(huán)溝槽28。盡管再循環(huán)通道26'在圖4中顯示為形成有方形直角，但再循環(huán)通道26'也可以形成有一個彎曲部或一系列彎曲部，正如例如相對于圖1C中的再循環(huán)通道26所示。
[0037]在一系列噴嘴22和出口 24中可以采用上述實施方式，并且圖5顯示了一種實施方式中的兩個噴嘴22和出口 24，其中每個噴嘴22都具有一個從該噴嘴延伸的再循環(huán)通道26。如以上參見圖2所述，一些實施方式具有相對于對應(yīng)于其它噴嘴22的再循環(huán)通道26布置在每個相應(yīng)的噴嘴的相同側(cè)的用于每個噴嘴22的再循環(huán)通道26。也就是說，用于一行或一列噴嘴22中的噴嘴22的每個再循環(huán)通道26可以沿相同方向從噴嘴22延伸。圖5顯示了具有所有再循環(huán)通道26均從多個噴嘴22的相同側(cè)延伸的布置的實施方式。這種一致的布置可以幫助在多個噴嘴22中獲得一致的流體液滴噴射。不受限于任何特定的理論，由于再循環(huán)通道26在流體壓力通路中的壓力上的任何作用對于所有噴嘴22大致相同，因此能夠促進諸如噴射方向的流體液滴噴射特性的一致性。因此，如果由再循環(huán)通道26的存在造成的任何壓力變化或高壓力點使噴射的流體液滴在遠離垂直于噴嘴層外表面25的方向上偏轉(zhuǎn)，則該作用對于所有噴嘴22將相同。在一些實施方式中，多個再循環(huán)通道26可以以使流體流動的方式連接到共用的再循環(huán)溝槽28。
[0038]參見圖6，上述的打印頭100連接到流體抽吸系統(tǒng)的實施方案中。為了簡潔僅顯示了打印頭100的一部分。再循環(huán)溝槽28以使流體流動的方式連接到流體返回容器52。流體儲存器62以使流體流動的方式連接到控制流體在流體返回容器52中的高度的儲存器泵58，其中所述高度可以被稱為返回高度H1。流體返回容器52通過供給泵59以使流體流動的方式連接到流體供應(yīng)容器54。供給泵59控制流體在流體供應(yīng)容器54中的高度，所述高度可以被稱為供應(yīng)高度H2?？蛇x地，在一些實施方式中，供給泵59可以被構(gòu)造成保持返回高度Hl與供應(yīng)高度H2之間的預(yù)定的高度差。相對于諸如圖6中流體返回容器52與流體供應(yīng)容器54之間的虛線所示的相同的基準(zhǔn)面測量返回高度Hl和供應(yīng)高度H2。流體供應(yīng)容器54以使流體流動的方式連接到流體進入溝槽14。在一些實施方式中，噴嘴22處的壓力可以保持略微低于大氣壓，從而可以防止或減小流體泄漏或流體的干燥。這可以通過使流體返回容器52和/或流體供應(yīng)容器54的流體液面在噴嘴22的下方來實現(xiàn)，或者通過用真空泵減小流體返回容器52和/或流體供應(yīng)容器54的表面上的空氣壓力來實現(xiàn)。流體抽吸系統(tǒng)中的部件之間的流體連接件可以包括剛性或柔性管。[0039]脫氣器60可以以使流體流動的方式連接在流體供應(yīng)容器54與流體進入通道14之間。脫氣器60可選地可以連接在再循環(huán)溝槽28與流體返回容器52之間、連接在流體返回容器52與流體供應(yīng)容器54之間或者連接到某些其它適當(dāng)?shù)奈恢?。脫氣?0可以從流體中除去氣泡和溶解的空氣，例如，脫氣器60可以除去流體中的空氣。從脫氣器60中除去的流體可以稱為脫氣流體。脫氣器60可以為真空類型，例如是可從北卡羅來納州的Membranaof Charlotte獲得的SuperPh()l)ic.? Membrane Contactor。任選地,所述系統(tǒng)可以包括用
于從流體中除去污染物的過濾器(未顯示)。所述系統(tǒng)還可以包括用于將流體保持在所需溫度的加熱器(未顯示)或者其它的溫度控制裝置。過濾器和加熱器可以以使流體流動的方式連接在流體供應(yīng)容器54與流體進入通道14之問。可選地，過濾器和加熱器可以以使流體流動的方式連接在再循環(huán)溝槽28與流體返回容器52之問、連接在流體返回容器52與流體供應(yīng)容器54之問或者連接到某些其它適當(dāng)?shù)奈恢谩Ａ硗馊芜x地，可以設(shè)置配制部件(make-up section)(未顯示)以監(jiān)測、控制和/或調(diào)節(jié)流體的特性或流體的成份。例如在流體的蒸發(fā)(例如，在長期未使用、限制性的使用或間歇地使用期問)可能會造成流體的粘度改變的情況下可能需要這種配制部件。所述配制部件可以例如監(jiān)測流體的粘度，并且配制部件可以將溶劑添加到流體中以獲得所需的粘度。配制部件可以以使流體流動的方式連接在流體供應(yīng)容器54與打印頭100之間、連接在流體返回容器52與流體供應(yīng)容器54之間、連接在流體供應(yīng)容器54內(nèi)或者連接到某些其它適當(dāng)?shù)奈恢谩?br> [0040]在操作中，流體儲存器62向儲存器泵58供應(yīng)流體。儲存器泵58控制流體返回容器52中的返回高度H1。供給泵59控制流體供應(yīng)容器54中的供應(yīng)高度H2。供應(yīng)高度H2與返回高度Hl之間的高度差使得流體流動通過脫氣器60、打印頭100、以及以使流體流動的方式連接在流體供應(yīng)容器54與流體返回容器52之間的任何其它的部件，并且在不直接將流體抽吸到打印頭100中或從打印頭100抽出流體的情況下也可以產(chǎn)生該流體流。也就是說，在流體供應(yīng)容器54與打印頭100之間或者打印頭100與流體返回容器52之間沒有泵。來自流體供應(yīng)容器54的流體流動通過脫氣器60、通過基板入口 12(圖1)并且進入流體進入通道14中。流體從流體進入通道14流動通過上升裝置16并進入流體抽吸室18中。流體接著流動通過下降裝置20并流動到出口 24或再循環(huán)通道26。大部分流體從靠近噴嘴22的區(qū)域流動通過再循環(huán)通道26并進入再循環(huán)溝槽28中。流體能夠從再循環(huán)溝槽28流回流體返回容器52。
[0041]在液滴噴射裝置中使用多于一個的噴嘴22和出口 24的情況下，例如圖5中顯示的實施方式中，流體的流動可以在每個再循環(huán)通道26中沿相同的方向進行。噴嘴之間的這種流動方向的一致性可以促進噴嘴22之間的流體液滴噴射特性的一致性。流體液滴噴射特性包括例如液滴尺寸、噴射速度和噴射方向。不限于任何特定的理論，從靠近噴嘴22的流體的流動造成的任何壓力作用的一致性可以獲得噴射特性的這種一致性。在每個噴嘴22設(shè)有兩個或更多個再循環(huán)通道26A、26B的情況下，如圖3A和圖3B中顯示的實施方式，流體的流動方向在兩個再循環(huán)通道26A和26B中都可以遠離噴嘴22?？蛇x地，流體可以從一個再循環(huán)通道26A流動到另一個再循環(huán)通道26B。同樣地，在圖4中顯示的實施方式中，流體的流動方向在兩個再循環(huán)通道26'中都可以遠離噴嘴22。
[0042]再循環(huán)通道26的存在可以使得液滴噴射以垂直于噴嘴層外表面25的角度從出口24產(chǎn)生。不受到任何特定的理論限制，這種偏轉(zhuǎn)可以由通過再循環(huán)通道26的流體流在噴嘴22附近造成的壓力不平衡造成。在使用多于一個的噴嘴22和出口 24的情況下，用于每個噴嘴的再循環(huán)通道26可以在每個噴嘴22的相同側(cè)，如圖5中所示，使得再循環(huán)通道26的存在的任何作用對于每個噴嘴都是相同的。由于任何作用對于每個噴嘴都是相同的，因此從噴嘴22進行的噴射是一致的。在每個噴嘴如圖4中所示都具有兩個再循環(huán)通道26A、26B的情況下，再循環(huán)通道26A、26B可以關(guān)于噴嘴22對稱布置。不受到任何特定理論的限制，再循環(huán)通道26A、26B的對稱布置可以產(chǎn)生相互抵消的相同且相反的作用。
[0043]噴嘴22附近的脫氣流體的流動可以防止出口 24附近的流體干燥，其中流體典型地暴露于空氣。氣泡和充氣流體從加注中殘留下來或者可能已經(jīng)通過出口 24或其它地方進入。流體液滴噴射系統(tǒng)中的氣泡及其作用將在下面更詳細地討論。在一些實施方式中，流動通過流體進入通道14的流體通過脫氣器60已經(jīng)至少部分地被從氣泡和溶解的空氣中清除。噴嘴22附近的脫氣流體的流動通過用脫氣流體替換充氣流體而可以除去噴嘴22和出口 24附近的氣泡和充氣流體。如果流體為墨水，則在墨水已經(jīng)不流動或暴露于空氣處可能會形成墨水或顏料的結(jié)塊。流體流可以從流路體中除去墨水或顏料的結(jié)塊，否則所述結(jié)塊可能會干擾流體液滴噴射或用作用于氣泡的成核點。流體流還可以減少或防止墨水中的顏料沉淀。
[0044]在一些實施方式中，通過再循環(huán)通道26的流量可以高到足以減輕或防止流體在出口 24附近干燥。出口 24附近的流體的蒸發(fā)率與出口 24的面積成比例。例如，如果出口24的面積加倍，則流體的蒸發(fā)率也可以加倍。在一些實施方式中，為了減輕或防止流體在系統(tǒng)正在操作時干燥，以皮升/秒表示的、通過再循環(huán)通道26的流量的數(shù)值大小可以為大于以平方微米表示的、出口 24的面積的數(shù)值大小的至少I倍或更多倍(例如，2倍或更多倍、5倍或更多倍或者10倍或更多倍)。流量還取決于正在使用的流體的類型。例如，如果流體為相對較快干燥的流體，則流量可以增加以進行補償，相反地，流量對于相對較慢干燥的流體可以較慢。例如，對于在每一側(cè)測得12.5微米的方形出口 24，流量可以為至少1500皮升/秒(例如，至少3000皮升/秒)。該流量可以為大于正常流體液滴噴射期問提供足夠的用于噴射通過出口 24的流體所需的流量的數(shù)量級，例如，10倍或更多倍。然而，該流量還可以遠小于最大操作頻率下的流量。例如，如果最大流體液滴噴射頻率為30kHz且噴射的每滴的體積為5皮升，則最大操作頻率下的流量為大約150,000皮升/秒。正如以上參見圖2所討論，脫氣流體流可以在噴嘴22和出口 24附近通過。剛說明的流量可以防止流體干燥，并且可以消滅氣泡、碎片以及可能以較低流量沉淀在噴嘴22中的其它污染物。
[0045]流體的再循環(huán)減少或消除了對各種清洗或清潔操作的需求，否則可能將需要該操作，例如利用外部裝置從噴嘴22噴射流體、抽吸抽吸氣泡和充氣流體，或者以其它方式強迫空氣從噴嘴22出去或從噴嘴22吸出空氣。這種技術(shù)可能需要外部設(shè)備而干擾噴嘴22，從而中斷液滴沉積并降低生產(chǎn)率。作為替代，在靠近噴嘴22處的上述脫氣流體流可以除去氣泡和充氣流體而無需外部裝置來干擾噴嘴22。因此，當(dāng)流路體10沒有流體時，例如當(dāng)上述系統(tǒng)首先被填充有流體時，系統(tǒng)可以通過使流體流動通過流路體10而進行“自動加注”。也就是說，在一些實施方式中，上述系統(tǒng)可以通過使流體循環(huán)來代替迫使空氣從噴嘴22出去或從噴嘴22吸出空氣，或者通過除迫使空氣從噴嘴22出去或從噴嘴22吸出空氣之外使流體循環(huán)來從流路體10中清除空氣。
[0046]上述的流體的流動在一些實施方式中不足以使流體從出口 24射出。諸如壓電換能器或電阻加熱器的致動器相鄰于流體抽吸室18或噴嘴24設(shè)置，并且可以影響液滴噴射。致動器30可以包括壓電層31，例如鈦鋯酸鉛(PZT)層。施加到壓電層31的電壓可以使該層在形狀上發(fā)生變化。如果致動器30與流體抽吸室18之間的隔膜66 (參見圖1)由于形狀發(fā)生變化的壓電層31而能夠移動，則在致動器30兩端施加的電壓可以造成流體抽吸室18的體積變化。該體積變化可以減小在此稱為發(fā)射脈沖(firing pluse)的壓力脈沖。發(fā)射脈沖可以使壓力波通過下降裝置20傳播到噴嘴22和出口 24。發(fā)射脈沖從而可以使流體從出口 24噴出。
[0047]氣泡通常比正在通過上述系統(tǒng)循環(huán)的流體更具有可壓縮性。因此，如果流體抽吸室18、下降裝置20或噴嘴22中存在氣泡，則氣泡可以吸收相當(dāng)大量的發(fā)射脈沖能量。如果存在氣泡，不會出現(xiàn)使適當(dāng)量的流體噴射通過噴嘴22的流體抽吸室18的體積變化，而是體積變化可以通過氣泡的壓縮而至少被部分吸收。這可以在噴嘴22處造成不充分的壓力以使流體液滴通過出口 24射出，或者可以噴射比所需液滴小的液滴,或者液滴可以以比所需速度低的速度噴出。較大的電壓可以施加到致動器30，或者可以使用較大的流體抽吸室18，以提供足以獲得更完全的流體液滴噴射的能量，但是系統(tǒng)部件的尺寸和能量要求將會增加。此外，在裝置包括多個噴嘴的情況下，與其它流體壓力通路相比在一些流體壓力通路中存在更多的氣泡例如可以造成從噴嘴到噴嘴的流體液滴噴射特性的不一致。
[0048]脫氣流體流動通過流體壓力通路可以除去氣泡和充氣流體。充氣流體，即含有溶解的空氣的流體，比脫氣流體更可能會形成氣泡。因此，充氣流體的去除可以幫助減少或消除氣泡的存在。如上所述，減少或消除氣泡的存在可以幫助使必須施加到致動器30的電壓最小化。流體抽吸室18所必需的尺寸類似地也可以最小化。還可以減少或消除由于氣泡的存在造成多個噴嘴中的液滴噴射的不一致。
[0049]盡管使再循環(huán)通道26以使流體流動的方式連接到下降裝置20可以幫助除去氣泡和其它污染物，但再循環(huán)通道26存在可以減少致動器30施加的能量的通路。該能量損失減小施加到噴嘴22和出口 24的流體的壓力。如果該能量損失顯著減小施加的壓力，則可能需要將更大的電壓施加到致動器30，或者可能需要較大的流體抽吸室18以提供足夠的能量到達噴嘴22。通過將再循環(huán)通道26設(shè)計成在發(fā)射脈沖頻率下具有遠高于下降裝置20和噴嘴22的阻抗的阻抗，則可需要較少的能量來補償通過再循環(huán)通道26的能量損失。例如，再循環(huán)通道26的阻抗可以大于下降裝置20和噴嘴22的阻抗，例如為兩倍或更多倍、五倍或更多倍或者十倍或更多倍。
[0050]高于下降裝置20和噴嘴22的阻抗的阻抗可以通過設(shè)置具有比下降裝置20的橫截面積小的橫截面積的再循環(huán)通道26部分獲得。此外，再循環(huán)通道26與再循環(huán)溝槽28之問的阻抗的突然變化可以幫助再循環(huán)通道26中的壓力脈沖的反射。再循環(huán)溝槽28可以具有比再循環(huán)通道26的阻抗低的阻抗，并且再循環(huán)通道26與再循環(huán)溝槽28之間的阻抗的變化可以是突然的以使壓力脈沖的反射最大化。例如，阻抗的突然變化可以由再循環(huán)通道26與再循環(huán)溝槽28之間的過渡處的銳角(例如，直角)造成。在再循環(huán)通道26與再循環(huán)溝槽28之問的邊界處的橫截面面積變化的情況下，阻抗的這種突然變化可以造成壓力脈沖反射。
[0051]圖7A顯示了施加在致動器30兩端的電壓與時間的曲線圖。當(dāng)致動器30沒有啟動時，致動器30兩端存在偏壓Vb。圖7B顯示了流體抽吸室18中的壓力與時間的曲線圖。參見圖7A，發(fā)射脈沖具有發(fā)射脈沖寬度W。該發(fā)射脈沖寬度W為由至較低電壓Vtl的電壓降和較低電壓Vtl下的保壓大致限定的時間長度。與致動器30電通信的電路(未顯示)可以包括配置用于控制包括發(fā)射頻率和發(fā)射脈沖寬度W的尺寸的發(fā)射脈沖的形狀的驅(qū)動器。所述電路還可以控制發(fā)射脈沖的時序。所述電路可以是自動的或者可以手動控制，例如通過具有配置用于控制流體液滴噴射的計算機軟件的計算機或者通過某些其它輸入設(shè)備來實現(xiàn)。在可選的實施例中，發(fā)射脈沖可以不包括偏壓Vb。在一些實施例中，發(fā)射脈沖可以包括電壓增加、電壓增加以及電壓下降、或者電壓的一些其它變化組合。
[0052]參見圖7B，發(fā)射脈沖使得流體抽吸室18中的壓力隨著對應(yīng)于發(fā)射脈沖頻率的頻率而波動。流體抽吸室18中的壓力首先在對應(yīng)于發(fā)射脈沖寬度W的時間周期內(nèi)下降到低于正常壓力P。。流體抽吸室18中的壓力接著在正常壓力Ptl之上和之下振蕩且減小振幅，直到流體抽吸室中的壓力返回到正常壓力P。或致動器30再次施加壓力為止。壓力在流體抽吸室18中的壓力的每個振蕩期間在正常壓力Ptl之上和之下的時間量對應(yīng)于發(fā)射脈沖寬度W。發(fā)射脈沖寬度W可以取決于特定的流路設(shè)計(例如，諸如抽吸室18的尺寸的流體壓力通路的尺寸，以及流路是否包括上升裝置16或下降裝置20)和/或正在被噴射的液滴的體積。例如，隨著抽吸室的尺寸減小，抽吸室的共振頻率增加，并且因此可以減小發(fā)射脈沖的寬度。對于噴射大約為2皮升的液滴體積的抽吸室，脈沖寬度W可以例如在大約2微秒與大約3微秒之間，而對于影響大約為100皮升的液滴體積的噴射的抽吸室18而言，脈沖寬度W可以在大約10微秒與大約15微秒之間。
[0053]再循環(huán)通道26的長度L(參見圖2)可以被設(shè)置成使得聲音在流體中速度c下壓力脈沖行進長度L的兩倍所需的時問近似等于發(fā)射脈沖寬度W。這個關(guān)系可以如下表示:
【權(quán)利要求】
1.一種用于噴射流體液滴的裝置，包括: 基板，所述基板具有形成于所述基板中的流體抽吸室； 下降裝置，所述下降裝置形成于所述基板中，并且以使流體流動的方式連接到所述流體抽吸室； 致動器，所述致動器與所述流體抽吸室形成壓力連通； 噴嘴，所述噴嘴形成于所述基板中并以使流體流動的方式連接到所述下降裝置，所述噴嘴具有用于噴射流體液滴的出口，所述出口形成于基板外表面中；以及 再循環(huán)通道，所述再循環(huán)通道形成于所述基板中，并且在使得所述基板外表面與所述再循環(huán)通道的最靠近表面之問的距離小于或大約為所述出口的寬度的10倍的位置處以使流體流動的方式連接到所述下降裝置，并且所述再循環(huán)通道沒有以使流體流動的方式連接到不同的流體抽吸室。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述出口的寬度為大約12.5微米，而所述基板外表面與所述再循環(huán)通道的所述最靠近表面之問的距離小于或大約為60微米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，通過所述再循環(huán)通道的以皮升/秒表示的流量與所述出口的以平方微米表示的面積的比值至少為大約10。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其中，所述出口的面積為大約156平方微米，而通過所述再循環(huán)通道的流體的流量至少為大約1500皮升/秒。
【文檔編號】B41J2/14GK103753957SQ201310606713
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2009年5月21日 優(yōu)先權(quán)日:2008年5月23日
【發(fā)明者】保羅·A·侯森湯恩, 馬茨·奧托松, 京相忠, 永島完司 申請人:富士膠片株式會社