專利名稱：液體分配裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種液體分配裝置。本發(fā)明所涉及的裝置包括一個(gè)儲(chǔ)液容器、一個(gè)分配噴嘴以及一個(gè)導(dǎo)液管，所述導(dǎo)液管的一端與所述儲(chǔ)液容器相連以將液體從所述儲(chǔ)液容器供給到所述分配噴嘴。該裝置特別適用于少量液體的精確分配，特別適用于必須在非常精確且可控制的部分中分配的顏料、藥劑或類似的液體。本發(fā)明還涉及一種采用本發(fā)明所涉及的分配裝置的打印頭和打印系統(tǒng)。
打印技術(shù)是一個(gè)能夠使用各種液體分配技術(shù)的特殊領(lǐng)域。在紙或其它基體上打印圖像一直都是人們的一種需求，這種需求受到IT強(qiáng)有力的支持，并且這些印刷品每天都會(huì)實(shí)際用于所有經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域。即使在將來這種需求也是會(huì)持續(xù)的或者越來越大。人們致力于高速和低成本的打印系統(tǒng)的發(fā)展。研究主要集中在兩個(gè)不同的方向。第一個(gè)方向是數(shù)字預(yù)壓與常規(guī)打印技術(shù)的結(jié)合，第二個(gè)方向是發(fā)展完全數(shù)字化打印系統(tǒng)。
例如，只有在打印量較高的情況下，常規(guī)膠版印刷系統(tǒng)在成本方面才有優(yōu)勢(shì)。在安裝現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)后，利用現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)打印的圖片的成本基本上不受打印量的影響。但是，較大的原始投入意味著，與常規(guī)系統(tǒng)相比每一個(gè)圖片的總生產(chǎn)成本仍然是比較高的。另外一個(gè)缺點(diǎn)是，目前噴墨打印和氣泡噴射技術(shù)所用的顏料與常規(guī)技術(shù)相比在耐水性和抗紫外線方面比較弱。盡管桌面彩色打印機(jī)越來越普及，但同時(shí)人們需要發(fā)展成本低的既能快速打印非常少的條目(甚至于單一條目)又能打印大幅(即大尺寸)產(chǎn)品的打印技術(shù)。這樣的產(chǎn)品例如大型廣告海報(bào)。
使用由一個(gè)壓電換能器所產(chǎn)生的超聲的液體分配或噴射技術(shù)在本領(lǐng)域已為人們所知。簡(jiǎn)單地講，超聲液體噴射所依據(jù)的是下列現(xiàn)象如果能夠獲得一個(gè)振幅較高的機(jī)械振動(dòng)，那么通過克服表面張力能夠?qū)⒁后w分配成液滴。超聲液體分配具有兩種基本形式由換能器所放出的高頻(大約1兆赫或更高)振動(dòng)能量集中在液體中以達(dá)到分配所需的能量密度，即壓力。在使用頻率較低的技術(shù)中，利用不同類型的固體聚能器來達(dá)到所需能量密度，從而將液體引至一個(gè)表面處，以一個(gè)較高的振幅使所述表面振動(dòng)。
目前所用的超聲液體分配器具有許多缺點(diǎn)。它們的外部尺寸相當(dāng)大，因此在打印工業(yè)的應(yīng)用受到限制。另外，由于尺寸較大，致使啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)。除了這些缺點(diǎn)外，不能解決對(duì)由噴出液滴所形成的象素進(jìn)行調(diào)整的問題。所述裝置的清潔、部件的更換以及比較復(fù)雜的電子系統(tǒng)也會(huì)帶來問題。
由Anthony提出的美國(guó)專利No．4，815，661涉及一種超聲噴射裝置，該裝置具有一個(gè)主體和一個(gè)壓電振動(dòng)芯。由壓電振動(dòng)芯所產(chǎn)生的振動(dòng)被傳遞到一個(gè)噴嘴。在液體內(nèi)部壓力和由所述振動(dòng)芯所產(chǎn)生的內(nèi)部壓力作用下使液體噴出。
由Okabayashi等人提出的美國(guó)專利No．4，897，673提出了一種利用一個(gè)壓電元件連接一個(gè)噴墨打印機(jī)的噴嘴管的方法。其中，一個(gè)噴嘴管以可操作的方式與一個(gè)壓電元件相連，所述壓電元件使噴嘴管周期性地伸縮，從而將液體(油墨)從噴嘴管噴出。總而言之，液體是在噴嘴管內(nèi)所產(chǎn)生的壓力下噴出的。
如上所述，這些已知技術(shù)不適用于大幅產(chǎn)品的快速打印。因此，本發(fā)明的主要目的如下在打印紙或其它基體上達(dá)到一個(gè)液滴尺寸或一個(gè)象素尺寸，所述尺寸可以在比較寬的范圍之間改變。特別是，提供一種能夠在打印象素上形成一個(gè)可變色調(diào)的裝置。
提供一種在至少一個(gè)維數(shù)上具有較小尺寸的分配裝置，使液體分配組件以相互靠近的方式定位。這樣，能夠在一個(gè)打印基體的整個(gè)寬度上進(jìn)行連續(xù)平行打印。為了達(dá)到高速打印，縮短產(chǎn)生液滴的時(shí)間。
另外，提供一個(gè)無需精巧電子系統(tǒng)并且適用于不同液體類型的打印系統(tǒng)。另外，提供一種能夠與一個(gè)計(jì)算機(jī)相連并由該計(jì)算機(jī)控制的打印系統(tǒng)，并且能夠解決清潔和部件更換的問題。
本發(fā)明還可延伸到這樣一種液體分配裝置，所述裝置基本上包括了上述的基本特征，但是沒有所述儲(chǔ)液容器。這種改進(jìn)裝置與一個(gè)外部?jī)?chǔ)液容器相連。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述導(dǎo)液管與所述分配噴嘴是一體的。最好，所述導(dǎo)液管的一個(gè)自由端被切成一個(gè)角度，并且被切的自由端用作所述分配噴嘴?；蛘撸鰢娮炜蔀樗鰧?dǎo)液管的一個(gè)自由端，至少在所述導(dǎo)液管靠近所述自由端的一部分中所述導(dǎo)液管的直徑沿著向著所述導(dǎo)液管的自由端方向是逐漸減小的。
在一個(gè)最佳實(shí)施例中，所述振動(dòng)裝置包括一種壓電換能器，所述導(dǎo)液管是一個(gè)空心金屬管。在這種情況下，所述噴嘴處在管的振動(dòng)端處。所述端部可被切成一個(gè)角度或者其橫截面逐漸減小。
在本發(fā)明所涉及的裝置中，可以預(yù)見的是，所述換能器能夠通過一個(gè)共振器與所述導(dǎo)液管相連。最好，所述換能器、共振器以及所述導(dǎo)液管構(gòu)成了一個(gè)共振組件。
在一個(gè)特定實(shí)施例中，所述共振器是一個(gè)直接或間接地連接在所述導(dǎo)液管上靠近自由端的一個(gè)位置上的鋼制平板。這在三個(gè)方面上具有優(yōu)點(diǎn)，即立體的共振器不僅橫向尺寸小而且啟動(dòng)時(shí)間更短，從而使所述液體分配裝置的脈沖操作以及可控制的液體輸送能夠在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行。
本發(fā)明所涉及的板狀共振器緊固在所述導(dǎo)液管上，所述導(dǎo)液管的重量輕于共振器自身，因此所述管能夠以更高的振幅振動(dòng)。所述噴嘴形成在導(dǎo)液管的一個(gè)自由端處并且以最大振幅振動(dòng)。但是，如果能夠?qū)⑦m量液體引導(dǎo)到啟動(dòng)部件(即噴嘴)上，那么該系統(tǒng)將正常分配液體。如果液體的供給量多于或少于最佳量，那么該系統(tǒng)能力仍未被開發(fā)。供給到噴嘴的液體量受毛細(xì)效應(yīng)和管中靜壓力的影響。由于難于控制，因此建議，所述分配裝置應(yīng)還包括用于改變所述儲(chǔ)液容器中和／或?qū)б汗苤幸后w靜壓力的裝置。
在本發(fā)明所涉及裝置的一個(gè)最佳實(shí)施例中，所述換能器是一個(gè)圓盤狀的壓電換能器，所述鋼板基本上呈液滴狀并且具有一個(gè)圓形部分以及一個(gè)與所述圓形部分一體形成的三角形延伸部分。所述換能器以一種同心和平行的位置關(guān)系與所述圓形部分相連，所述三角形延伸部分的尖部與所述導(dǎo)液管相連。
為了便于該裝置的計(jì)算機(jī)控制，所述分配裝置還包括用于以預(yù)定且可變的頻率驅(qū)動(dòng)所述換能器的外部可控制驅(qū)動(dòng)裝置。
本發(fā)明第二個(gè)方面涉及一種打印頭，所述打印頭包括多個(gè)液體分配裝置，所述液體分配裝置能夠在一種打印介質(zhì)的預(yù)定且可控制的位置上以可控制分配量的方式分配顏料。根據(jù)本發(fā)明，所述液體分配裝置包括本發(fā)明第一方面所涉及的液體分配裝置。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述打印頭還包括多個(gè)相互平行的用于安裝所述液體分配裝置的狹槽，以及用于將所述液體分配裝置緊固在所述狹槽的壁上的接觸彈簧。
為了使在不同基體上的象素尺寸和／或色調(diào)是可變的，所述打印頭包括多個(gè)排列成一行的液體分配裝置并且還包括用于至少在一個(gè)平行于所述液體分配裝置行的方向上能夠使所述分配裝置的噴嘴平移的移動(dòng)裝置。所述打印頭還可包括用于在一個(gè)垂直于所述液體分配裝置行的方向上能夠使所述分配裝置的噴嘴進(jìn)行附加平移的調(diào)整裝置，所述每一個(gè)噴嘴的這種附加平移可是同時(shí)的或者單獨(dú)的。這對(duì)于使象素尺寸(寬度)與象素分辨率(每單位長(zhǎng)度上的象素?cái)?shù)量)和／或色調(diào)(覆蓋區(qū)域)相適應(yīng)是特別適用的。
本發(fā)明還涉及一種打印系統(tǒng)，所述打印系統(tǒng)具有一個(gè)打印介質(zhì)供給機(jī)構(gòu)和至少一個(gè)用于在所述打印介質(zhì)的預(yù)定且可控制的位置上以可控制分配量的方式分配顏料的打印頭，其中所述打印系統(tǒng)包括本發(fā)明第二個(gè)方面所涉及的打印頭。所述打印系統(tǒng)還可包括多個(gè)打印頭，每一個(gè)所述打印頭對(duì)應(yīng)于一種預(yù)定的顏色。
本發(fā)明適用于少量液體的連續(xù)或脈沖分配。本發(fā)明以液滴的形式將液體噴向目標(biāo)介質(zhì)，并且具有較大的能量和較高的重復(fù)率，液體的噴射量可被精確地調(diào)整。所述液體可以是一種溶劑(例如水、丙酮等)、一種顏料溶液(例如油墨)、乳劑或懸浮液(例如加色油墨)。
由于上述特征，該裝置最適用于打印，將本發(fā)明所涉及的裝置應(yīng)用于打印系統(tǒng)中提供了一種新的打印方法。但是，配藥和醫(yī)用以及其它需要以高精度且無污染地分配少量液體的領(lǐng)域也是本發(fā)明適用領(lǐng)域。
所述裝置1還設(shè)有振動(dòng)裝置，這里為一個(gè)換能器4。換能器4能夠使共振器2產(chǎn)生振動(dòng)，所述換能器4與共振器2固定在一起。所述換能器4最好是一種壓電式換能器，例如一個(gè)壓電陶瓷板。共振器2的共振模式在結(jié)構(gòu)上包括厚度模式、徑向模式或彎曲模式。但是，在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，采用的是一種徑向模式，下面將對(duì)其進(jìn)行描述。利用連接部件9使所述導(dǎo)液管3被固定在所述共振器2上。所述共振器2和導(dǎo)液管3構(gòu)成了一個(gè)共振組件，即一個(gè)具有一種特定共振頻率的機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)。
所述導(dǎo)液管3的一端浸入在儲(chǔ)液容器5的液體6中。所述導(dǎo)液管3另一端的橫截面是逐漸減小的以形成一個(gè)噴嘴，或者如在附圖所示的優(yōu)選實(shí)施例中，管3的端部是以一個(gè)銳角切割而成的。所述噴嘴7處在導(dǎo)液管3的振動(dòng)端處。
所述噴嘴7用于將來自共振器2的振動(dòng)能傳給所述液體。使噴嘴7的共振特性與液體的各個(gè)特征(例如流動(dòng)參數(shù)、質(zhì)量、粘度、毛細(xì)常數(shù)、表面張力等)相適應(yīng)也是重要的。因此，噴嘴7是一個(gè)振動(dòng)部件，該振動(dòng)部件的頻率與共振器的共振頻率相適應(yīng)(一個(gè)相連的振動(dòng)系統(tǒng))。在某些情況下，可利用一個(gè)連接部件9使共振器2與噴嘴7相連。在這種情況下，連接部件9也構(gòu)成了所述振動(dòng)系統(tǒng)的一部分。噴嘴7的振動(dòng)能以及頻率的大小取決于連接部件9適當(dāng)?shù)恼駝?dòng)設(shè)計(jì)形式。必須注意的是，連接部件9不是必須與共振器2或噴嘴7分開的，也可以是它們的一個(gè)組成部分。
可利用不同的方式將液體引導(dǎo)到所述噴嘴7。為了避免校準(zhǔn)所帶來的困難以及使清潔更簡(jiǎn)單，建議將噴嘴71設(shè)置在導(dǎo)液管3的振動(dòng)端上。所述導(dǎo)液管3在自由端處具有逐漸減小的橫截面，在自由端處逐漸減小的橫截面用作一個(gè)彎曲模式的聚能器，這是因?yàn)槿绻麑?dǎo)液管3的橫截面以適當(dāng)?shù)姆绞街饾u減小，從而使單位長(zhǎng)度上的質(zhì)量逐漸減小，那么能量平衡需要增大振幅?？赏ㄟ^以一個(gè)銳角對(duì)所述管的端部進(jìn)行切割或者減小所述管在噴嘴端處的內(nèi)徑和／或壁厚，從而使橫截面逐漸減小。
利用液體6中的過壓以及導(dǎo)液管3中的毛細(xì)效應(yīng)供給液體?？衫迷谒鰧?dǎo)液管3的噴嘴7端部處的表面張力來防止液體的過度供給，所述表面張力能夠以一種自動(dòng)調(diào)節(jié)的方式與在導(dǎo)液管3另一端處的過壓保持平衡。
如圖2a-2b中所示，本發(fā)明所涉及的液體分配裝置可以是一個(gè)獨(dú)立于儲(chǔ)液容器5的組件。例如，如圖3中所示，幾個(gè)這樣的裝置可與一個(gè)共用儲(chǔ)液容器5相連。
本發(fā)明所涉及的分配裝置是非常平的。實(shí)際上，如圖2b中所示，它幾乎可被認(rèn)為是一個(gè)兩維的物體。只要涉及在打印系統(tǒng)中的應(yīng)用，該裝置所具有的這種平的形狀就非常重要。在這種情況下，最好利用粘接的方式將換能器4(即壓電陶瓷)連接到共振器2上。
所述共振器2在點(diǎn)焊接合部分8處將其振動(dòng)能傳遞給導(dǎo)液管3。共振器2的縱向振動(dòng)模式轉(zhuǎn)變?yōu)閺澢Ｊ?，即所述?在接合部分8處橫向振動(dòng)。顯然，所述導(dǎo)液管3的大小尺寸對(duì)于振動(dòng)頻率應(yīng)該是適合的，并且所述導(dǎo)液管3的大小尺寸應(yīng)該與整個(gè)系統(tǒng)的共振頻率相適應(yīng)。
在具有這種結(jié)構(gòu)的情況下，如圖7a和7b中以最佳方式示出的，所述噴嘴7處在導(dǎo)液管3的振動(dòng)端處。
本發(fā)明所涉及的液體分配裝置(特別是圖2a-2b中所示出的實(shí)施例)可用于打印頭中。圖3中示出了在一個(gè)打印頭10內(nèi)的分配裝置1的基本布置。
這里，一個(gè)打印頭10包括多個(gè)液體分配裝置1，所述多個(gè)液體分配裝置沿著一條線L排列，并且所述共振器2所在的平面是相互平行的。噴嘴7在打印介質(zhì)M上方并處于與打印介質(zhì)M保持一個(gè)高度h的位置處。由于所述裝置1非常平，因此它們之間的距離d相當(dāng)小，該距離在1毫米的范圍中。這意味著在穿過打印介質(zhì)M的整個(gè)寬度w的方向上可打印大量的象素。所述導(dǎo)液管3與一個(gè)共用儲(chǔ)液容器5相連。或者，每四個(gè)或每三個(gè)所述裝置1可周期性地與一個(gè)共用儲(chǔ)液容器(例如對(duì)應(yīng)于青色、品紅色、黃色和黑色的儲(chǔ)液容器或者對(duì)應(yīng)于紅色、綠色和藍(lán)色的儲(chǔ)液容器)相連。
利用一種已知的供給機(jī)構(gòu)可將打印介質(zhì)M(例如從一個(gè)紙輥R拉出的一張紙)送至打印頭10的下方。所述供給機(jī)構(gòu)可帶有一個(gè)齒輪G和一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)拉緊輥D的馬達(dá)EM。
為了能夠調(diào)節(jié)打印頭10的橫向分辨率，應(yīng)該預(yù)先想到的是，設(shè)置用于使所述分配裝置的噴嘴至少能夠在沿著一個(gè)平行于線L的方向(即沿著X坐標(biāo)軸方向)上平移的移動(dòng)裝置(未在圖3中示出)。還建議設(shè)置能夠?yàn)樗龇峙溲b置的噴嘴7在一個(gè)垂直于線L的方向(即沿著Z坐標(biāo)軸方向)上提供附加平移的調(diào)節(jié)裝置，所述每一個(gè)噴嘴的這種附加平移可是同時(shí)的或者單獨(dú)的。“附加平移”的意思指的是限定一種移動(dòng)，這種移動(dòng)相對(duì)于噴嘴在沿著Z坐標(biāo)軸方向上的振動(dòng)是附加的，一個(gè)基本上不變的分量被加入到這種交替移動(dòng)中。所述調(diào)節(jié)裝置能夠通過改變?cè)谒龃蛴〗橘|(zhì)M上方的噴嘴7的高度h來提供另一種用于調(diào)節(jié)在所述打印介質(zhì)M上的象素尺寸的方法。
必須注意的是，打印頭10和／或噴嘴7在沿著Y坐標(biāo)軸的方向上移動(dòng)從理論上而言也是可能的。但是，在所述優(yōu)選實(shí)施例中，打印頭10和打印介質(zhì)M之間的相對(duì)移動(dòng)是通過移動(dòng)打印介質(zhì)M并使所述打印頭10在沿著Y坐標(biāo)軸的方向上保持在一個(gè)固定位置上來實(shí)現(xiàn)的。
我們對(duì)于一種所謂的平行打印機(jī)已經(jīng)建立了打印頭10的幾個(gè)原型。其中，設(shè)置在打印頭10內(nèi)的所述分配裝置1相互之間的距離為光柵尺寸距離(距離d)。我們已經(jīng)在打印頭上進(jìn)行了可靠性測(cè)試和耐用周期測(cè)試，并且發(fā)現(xiàn)帶有本發(fā)明所涉及的分配裝置的打印頭能夠可靠和精確地工作。
本發(fā)明所涉及的打印頭10包括在一個(gè)打印系統(tǒng)(未詳細(xì)地示出)中。所述打印系統(tǒng)包括一個(gè)打印介質(zhì)供給機(jī)構(gòu)以及至少一個(gè)打印頭，所述打印頭能夠按照預(yù)定的方式以可控制的分配量在打印介質(zhì)(諸如紙張)的可控制區(qū)域中分配顏料。利用多個(gè)打印頭能夠進(jìn)行彩色打印，其中每一個(gè)打印頭使用一種預(yù)定的顏色。幾個(gè)采用與如圖3中所示相似結(jié)構(gòu)的打印頭10可沿著所述打印頭10和打印介質(zhì)M之間的相對(duì)移動(dòng)方向(圖3中所示的Y方向)以一個(gè)接著一個(gè)的方式設(shè)置。利用一個(gè)計(jì)算機(jī)完成這些打印頭之間的打印調(diào)整。
必須注意的是，打印頭中所述分配裝置1之間的距離d可大于實(shí)際象素寬度p(見圖8a-c和

圖14)。在這種情況下，可利用已知的方法來確保打印頭10的噴嘴7能夠達(dá)到打印介質(zhì)M的整個(gè)區(qū)域，這樣實(shí)際上所得到的分辨率可能優(yōu)于液體分配區(qū)域之間的自然距離(即噴嘴7之間的距離d)。這樣的方法可包括在打印頭于打印介質(zhì)上方移動(dòng)經(jīng)過幾次的過程中使所述打印頭或打印介質(zhì)進(jìn)行輕微的側(cè)向移動(dòng)。或者與已知的桌面噴墨打印機(jī)的操作類似，可使所述打印頭在打印介質(zhì)的一次傳送中橫向移動(dòng)幾次。這樣的方法在本領(lǐng)域是已知的，并且不是本發(fā)明的一部分。
下面將對(duì)本發(fā)明所涉及的液體分配裝置的詳細(xì)結(jié)構(gòu)和操作進(jìn)行描述。
圖4a和圖4b示出了換能器4的一個(gè)側(cè)視圖和一個(gè)透視圖。在最佳實(shí)施例中，所述換能器4是一個(gè)平的壓電盤，例如一種壓電換能器。如箭頭所示，所述換能器是以徑向模式驅(qū)動(dòng)的。在這種模式中，所述壓電盤的圓周點(diǎn)在徑向上振動(dòng)。如圖5中所示，與所述換能器4相連的共振器2基本上為一種液滴狀并具有一個(gè)圓形部分2a和一個(gè)與所述圓形部分2a成為一體的三角形延伸部分2b。所述換能器4以一種平行且同心的位置關(guān)系與所述共振器2的圓形部分2a相連。
如在圖5和圖6a，b中最佳示出的，所述三角形延伸部分的尖部2c與導(dǎo)液管3相連。所述共振器的圓周點(diǎn)也將由于換能器4的激勵(lì)而振動(dòng)。這種效果在圖5以及后面的附圖中利用虛線和箭頭來表示。
所述導(dǎo)液管3可以多種方式與共振器2相連。例如，可在所述管3的自由端附近并且比較靠近噴嘴7的一個(gè)位置處使共振器2與所述管3相連。在這種情況下，所述管3可以是比較短的并且質(zhì)量較小。這種結(jié)構(gòu)如圖6a中所示。但是在實(shí)施的過程中可以看出，如果共振器2與所述管3的連接位置與噴嘴7之間保持一定的距離并且使噴嘴7的自由端共振，那么利用一個(gè)較長(zhǎng)的管3能夠達(dá)到最佳的效果。這會(huì)導(dǎo)致噴嘴7的振幅較大，從而能夠提高分配效率。這種結(jié)構(gòu)如圖6b中所示。
下面將對(duì)本發(fā)明所涉及的新分配技術(shù)的原理進(jìn)行描述(參見圖6b)由于毛細(xì)效應(yīng)以及儲(chǔ)液容器5中的壓力而使液體6流入到管3中。當(dāng)以一個(gè)適當(dāng)?shù)念l率激勵(lì)換能器4時(shí)，換能器4的振動(dòng)傳遞給共振器2以及與共振器2相連的管3上。所述管的自由端11也將開始振動(dòng)。如果驅(qū)動(dòng)頻率為共振頻率或者接近共振頻率，振幅將比較大。由于一個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)的加速度與振幅是成線性比例的(它們是以正弦方式變化的并且在同一相中)，因此自由端11的加速度也比較大。最終，作用在噴嘴7處的液體6上的加速力(實(shí)際上為由于噴嘴的加速而產(chǎn)生的液體慣性力)將足以克服用于將液體6保留在噴嘴7中的毛細(xì)粘附力，液體以極小液滴的形式離開噴嘴7。離開噴嘴7的液滴12將保持它們?cè)趪娮?中最后時(shí)刻的方向和速度，并且將在振動(dòng)平面中沿著一個(gè)基本上垂直于管3的方向噴射?，F(xiàn)在由于管3在噴嘴7處切成一定的角度，因此大部分液體將僅沿著一個(gè)方向(在圖6至圖8中是向下的)噴射。噴射的液體(顏料)量基本上與激勵(lì)時(shí)間成線性關(guān)系(見圖8a-c和圖14)，這是因?yàn)閴毫兔?xì)效應(yīng)將連續(xù)地供給到從儲(chǔ)液容器補(bǔ)充的液體上。
如果液體量超過最佳數(shù)值，那么所述系統(tǒng)的性能可能會(huì)降低。只有在將適量的液體引導(dǎo)到作為一個(gè)液體分配裝置的包括共振器和噴嘴的組件中時(shí)，該組件才能以最佳的方式工作。如果能夠在短時(shí)間內(nèi)為噴嘴補(bǔ)充與噴出液體量相同的液體并且不會(huì)將多于所要求液體量的液體引入所述噴嘴中，那么這種液體供給方式是最佳的。液體供給的控制問題是由在儲(chǔ)液容器中所產(chǎn)生的一個(gè)微小的過壓以及導(dǎo)液管中的毛細(xì)效應(yīng)來解決的。由于在噴嘴7端部處的液體表面張力是以自動(dòng)調(diào)節(jié)的方式與所述導(dǎo)液管在儲(chǔ)液容器5中另一端處的過壓保持平衡的，因此能夠防止供給過度。這種結(jié)構(gòu)能夠利用過壓對(duì)液體量進(jìn)行調(diào)節(jié)。必須注意的是，適當(dāng)?shù)剡x擇噴嘴和導(dǎo)液管的直徑可以使所述過壓保持一個(gè)比較小的數(shù)值，例如為100帕斯卡的數(shù)量級(jí)。由于這樣的數(shù)值相當(dāng)于幾個(gè)厘米高的一個(gè)水柱靜壓力，因此這個(gè)較小的數(shù)值可利用儲(chǔ)液容器中液體自身的靜壓力來達(dá)到。這意味著，比較簡(jiǎn)單的控制裝置足以使儲(chǔ)液容器中的液體保持一定高度。所述可控制的液體高度將自動(dòng)地提供噴嘴正常工作所需過壓的精確數(shù)值。
圖7a和圖7b示出了導(dǎo)液管3可采用的共振模式。理論上講，可使用基本頻率(圖7a)和高次諧振(圖7b)。如果所述管3是以一種基本頻率驅(qū)動(dòng)的，那么液體可通過一個(gè)中間軟管(未在圖7a中示出)被引導(dǎo)到所述管3中，這是因?yàn)榕c自由端11相對(duì)的端部也將以較大的振幅振動(dòng)。在實(shí)施過程中可以看出，對(duì)于所述導(dǎo)液管，使用一種基本頻率大約為200千赫的高次諧振是比較好的。在這種情況下，固定的節(jié)點(diǎn)(standing node)13將形成在管3上，并且在這樣一個(gè)節(jié)點(diǎn)13中，儲(chǔ)液容器5可與管3相連。
本發(fā)明所涉及的液體分配裝置的一個(gè)重要特征是，象素密度是可變的。這意味著，即使由本發(fā)明所述裝置所產(chǎn)生的象素尺寸稍微大于利用其它技術(shù)(例如噴墨技術(shù))所能夠達(dá)到的象素尺寸，但是所得到的一個(gè)象素覆蓋區(qū)域(密度或色調(diào))也比利用其它技術(shù)所得到的更平滑。在需要打印攝影圖象的情況下，這種效果是非常重要的。圖8a至圖8c中示出了這個(gè)過程。圖8a中所示出的噴嘴7處于待用狀態(tài)，當(dāng)沒有液體(顏料或油墨)噴射時(shí)，象素17沒有被覆蓋。噴嘴7是由一個(gè)控制信號(hào)14啟動(dòng)的。所述控制信號(hào)14是一個(gè)適用驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備(未示出)的輸入信號(hào)，所述驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備接著將驅(qū)動(dòng)信號(hào)15提供給所述分配裝置的換能器4。所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)15是一個(gè)具有共振頻率的交流信號(hào)，并且將使噴嘴7振動(dòng)。噴嘴7的振幅(和加速度)由振幅-時(shí)間函數(shù)16表示。在經(jīng)過幾次振動(dòng)后，即在一個(gè)實(shí)施系統(tǒng)中大約過60微秒后，所述噴嘴將達(dá)到一個(gè)閾值T，在閾值T的上方，由于噴嘴的振動(dòng)所導(dǎo)致的加速力將超過噴嘴和液體之間的粘附力，液滴將離開噴嘴。從待用狀態(tài)達(dá)到閾值T所用的時(shí)間被稱為噴嘴7的啟動(dòng)時(shí)間t1。帶有較大能量的液滴被噴向打印介質(zhì)，并且形成了具有平均寬度P的一個(gè)象素17。液滴18的尺寸大約為10微米，而取決于整個(gè)系統(tǒng)的幾何尺寸和共振參數(shù)(在圖3中所示的打印介質(zhì)上方的高度h、管3和噴嘴7的尺寸和形狀、共振頻率等等)的寬度P在0．2-4毫米之間。
在一個(gè)特定的測(cè)試系統(tǒng)中，使用的參數(shù)如下金屬管是由牌號(hào)為Hungarian Norm K036的鋼(主要用于醫(yī)用注射針頭)制成的。該管的長(zhǎng)度為27毫米，外徑為0．9毫米，內(nèi)徑為0．5毫米。所述噴嘴被切成的角度α為20°(見圖6a)。所用油墨為一種著色的水基分散油墨，其商標(biāo)名稱為IDRO ET，是由the Italian company Colorprint生產(chǎn)的。該油墨是以5∶1的比例用水進(jìn)行稀釋。以200千赫驅(qū)動(dòng)所述壓電換能器，采用一種標(biāo)準(zhǔn)的TTL-level輸入驅(qū)動(dòng)線路。
如圖8b，8c和圖14中所示，從所述噴嘴7噴出的液體量在第一相(在所述啟動(dòng)時(shí)間t1后)中基本上是線性的，并且象素17的(顏色)密度或色調(diào)將與噴出的液體量是成正比的。在經(jīng)過幾個(gè)振動(dòng)周期后，越來越多的液體將達(dá)到象素17，并且所述密度在經(jīng)過一個(gè)飽和時(shí)間t2后將逐漸達(dá)到一種飽和相。所述飽和時(shí)間t2是一個(gè)固定值，在一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)中大約為600微秒，并且一個(gè)標(biāo)稱象素的直徑為2毫米。所述象素17在經(jīng)過飽和時(shí)間t2后可被認(rèn)為是已被顏料百分之百地覆蓋。
圖9a和圖9b示出的是，在噴射所需數(shù)量的液體后噴嘴7的振動(dòng)是如何被抑制的。如果在切斷驅(qū)動(dòng)信號(hào)15后使噴嘴7振動(dòng)，那么即使在經(jīng)過幾個(gè)振動(dòng)后所述振幅同樣可達(dá)到閾值T，多于所需的顏料將會(huì)被噴出。這在圖9a中示出。為了避免這種情況，在切斷驅(qū)動(dòng)信號(hào)15之前將一個(gè)或兩個(gè)反相驅(qū)動(dòng)脈沖供給到換能器。這樣，噴嘴7的振動(dòng)將衰減得很快，在實(shí)施過程中是在一個(gè)或兩個(gè)周期內(nèi)，并且液體的噴射將在一個(gè)限定時(shí)間內(nèi)被終止。利用這種方式可將非常少量的液體從噴嘴噴出并且打印效果是非常清晰的。
圖10a-b和圖11示出本發(fā)明所涉及的打印頭的結(jié)構(gòu)。圖10a和圖10b示出了一個(gè)液體分配裝置1，其結(jié)構(gòu)與圖2a-b中的實(shí)施例基本上是相同的。多個(gè)這樣的裝置1并排結(jié)合在一個(gè)打印頭10中(還見圖3)。所述打印頭10包括多個(gè)用于安裝所述液體分配裝置1的平行狹槽20。打印頭10還設(shè)有用于將所述液體分配裝置1緊固在狹槽20的壁上的接觸彈簧19。所述打印頭10包括一個(gè)共用儲(chǔ)液容器5(未在圖11中示出)。所述容器5朝向所述裝置1的壁是由彈性橡膠制成的并且具有圓形開口，管3的輸入端22可簡(jiǎn)單地插入到這些開口中。這種結(jié)構(gòu)在本質(zhì)上是簡(jiǎn)單的并且能夠?qū)λ龇峙溲b置1快速改變并且能夠解決目前分配裝置所具有的問題。
圖12a-b和圖13a-b示出另一個(gè)類似的實(shí)施例。這里，所述分配裝置1被封閉在一個(gè)殼體21中，這樣，一個(gè)裝置1和一個(gè)殼體21一起構(gòu)成了一個(gè)在打印頭10內(nèi)的可互換的組件。所述殼體21在噴嘴處設(shè)有一個(gè)開口23以使液體能夠通過開口23分配出去。這種解決方案比較復(fù)雜，但是能夠?yàn)楸容^敏感的噴嘴提供更好的保護(hù)。另外，可更好地防止噴嘴的污染以及噴嘴之間的交叉污染。
本發(fā)明所涉及的液體分配裝置具有許多優(yōu)點(diǎn)適于分配多種液體，所述液體可是一種溶劑或者一種打印油墨。液體的分配量、液滴的重量以及液滴重復(fù)率(drop repetition rate)可在一個(gè)較寬的范圍內(nèi)變化。該裝置是平的并且很小，可使其用于打印系統(tǒng)中，而且能夠進(jìn)行非?？焖俚卮蛴?1-2米／秒)。所述裝置和打印頭可利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，并且無需精巧的電子設(shè)備。所述裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，從而能夠降低生產(chǎn)成本并且使清潔和替換比較簡(jiǎn)單。為了對(duì)本發(fā)明進(jìn)行測(cè)試，我們已經(jīng)建立了全功能的原型。測(cè)試結(jié)果顯示，本發(fā)明是能夠?qū)嶋H應(yīng)用的。我們已經(jīng)證明，所述打印頭能夠以一種特定的共振頻率分配液滴。液體的分配量與接通時(shí)間的長(zhǎng)短以及振動(dòng)的振幅是成正比的。在實(shí)施過程中，液體分配量，即打印油墨量的適用控制方法似乎是在使振動(dòng)的振幅保持不變的同時(shí)改變接通時(shí)間。
本發(fā)明不限于說明書和附圖中所述的實(shí)施例，而是擬包括更多的對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員顯而易見的實(shí)施例，例如，本發(fā)明所涉及的分配裝置同樣適用于分配除了顏料或油墨以外的其它類型的液體。特別是，少量的藥劑分配也被認(rèn)為是本發(fā)明的一種可能的應(yīng)用。
權(quán)利要求
1．一種用于分配液體特別是顏料的裝置，包括一個(gè)儲(chǔ)液容器、一個(gè)分配噴嘴以及一個(gè)導(dǎo)液管，所述導(dǎo)液管的一端與所述儲(chǔ)液容器相連以將液體從所述儲(chǔ)液容器供給到所述分配噴嘴，其特征在于，所述分配裝置還包括用于使所述分配噴嘴產(chǎn)生振動(dòng)的振動(dòng)裝置，所述振動(dòng)能夠使噴嘴產(chǎn)生一個(gè)足以使液體離開所述噴嘴的加速度。
2．一種如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述導(dǎo)液管與所述分配噴嘴是一體的。
3．一種如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述導(dǎo)液管的一個(gè)自由端被切成一個(gè)角度，并且被切的自由端用作所述分配噴嘴。
4．一種如權(quán)利要求1至3中任何一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述振動(dòng)裝置包括一種壓電換能器。
5．一種如權(quán)利要求1至4中任何一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述導(dǎo)液管是一個(gè)空心金屬管。
6．一種如權(quán)利要求3至5中任何一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述換能器通過一個(gè)共振器與所述導(dǎo)液管相連。
7．一種如權(quán)利要求3至6中任何一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述換能器、共振器以及所述導(dǎo)液管構(gòu)成了一個(gè)共振組件。
8．一種如權(quán)利要求6或7所述的裝置，其特征在于，所述共振器是一個(gè)直接或間接地連接在所述導(dǎo)液管上靠近自由端的一個(gè)位置上的鋼制平板。
9．一種如權(quán)利要求6至8中任何一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述分配裝置還包括用于改變所述儲(chǔ)液容器中和／或?qū)б汗苤幸后w靜壓力的裝置。
10．一種如權(quán)利要求3至9中任何一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述換能器是一個(gè)圓盤狀的壓電換能器，所述鋼板基本上呈液滴狀并且具有一個(gè)圓形部分以及一個(gè)與所述圓形部分一體形成的三角形延伸部分，所述換能器以一種同心和平行的位置關(guān)系與所述圓形部分相連，所述三角形延伸部分的尖部與所述導(dǎo)液管相連。
11．一種如權(quán)利要求3至10中任何一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述分配裝置還包括用于以預(yù)定且可變的頻率驅(qū)動(dòng)所述換能器的外部可控制驅(qū)動(dòng)裝置。
12．一種打印頭，包括多個(gè)液體分配裝置，所述液體分配裝置能夠在一種打印介質(zhì)的預(yù)定且可控制的位置上以可控制分配量的方式分配顏料，其中所述液體分配裝置包括如權(quán)利要求1至11所述的液體分配裝置。
13．一種如權(quán)利要求12所述的打印頭，其特征在于，所述打印頭還包括多個(gè)相互平行的用于安裝所述液體分配裝置的狹槽。
14．一種如權(quán)利要求13所述的打印頭，其特征在于，所述打印頭還包括用于將所述液體分配裝置緊固在所述狹槽的壁上的接觸彈簧。
15．一種如權(quán)利要求12至14中任何一項(xiàng)所述的打印頭，其特征在于，所述打印頭包括多個(gè)排列成一行的液體分配裝置并且還包括用于至少在一個(gè)平行于所述液體分配裝置行的方向上能夠使所述分配裝置的噴嘴平移的移動(dòng)裝置。
16．一種如權(quán)利要求12至15中任何一項(xiàng)所述的打印頭，其特征在于，所述打印頭還包括用于在一個(gè)垂直于所述液體分配裝置行的方向上使所述分配裝置的噴嘴進(jìn)行附加平移的調(diào)整裝置，所述每一個(gè)噴嘴的這種附加平移可以是同時(shí)或者單獨(dú)進(jìn)行的。
17．一種打印系統(tǒng)，所述打印系統(tǒng)具有一個(gè)打印介質(zhì)供給機(jī)構(gòu)和至少一個(gè)用于在所述打印介質(zhì)的預(yù)定且可控制的位置上以可控制分配量的方式分配顏料的打印頭，其特征在于，所述打印系統(tǒng)包括如權(quán)利要求12至16中任何一項(xiàng)所述的打印頭。
18．一種如權(quán)利要求17所述的打印系統(tǒng)，其特征在于，所述打印系統(tǒng)包括多個(gè)打印頭，每一個(gè)所述打印頭對(duì)應(yīng)于一種預(yù)定的顏色。
19．一種用于分配液體特別是顏料或油墨的裝置，包括一個(gè)分配噴嘴以及一個(gè)與所述分配噴嘴相連的導(dǎo)液管，其特征在于，所述分配裝置還包括以可操作的方式直接或間接地與所述噴嘴相連的振動(dòng)裝置，所述振動(dòng)裝置用于使所述分配噴嘴產(chǎn)生振動(dòng)，所述振動(dòng)能夠使噴嘴產(chǎn)生一個(gè)足以使液體離開所述噴嘴的加速度。
20．一種如權(quán)利要求19所述的裝置，其特征在于，所述分配裝置還包括用于與一個(gè)儲(chǔ)液容器相連的裝置。
21．一種如權(quán)利要求19或20所述的裝置，其特征在于，所述分配裝置還包括一個(gè)保護(hù)殼，所述保護(hù)殼具有一個(gè)開口以使液體能夠分配出去。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于分配液體的裝置,特別是用于分配顏料或油墨的裝置。所述裝置包括一個(gè)儲(chǔ)液容器(5)、一個(gè)分配噴嘴(7)以及一個(gè)導(dǎo)液管(3),所述導(dǎo)液管的一端與所述儲(chǔ)液容器相連以將液體從所述儲(chǔ)液容器供給到所述分配噴嘴。所述分配裝置設(shè)有振動(dòng)裝置,特別是一種壓電換能器(4)。所述換能器用于使所述分配噴嘴產(chǎn)生振動(dòng),所述振動(dòng)能夠使噴嘴產(chǎn)生一個(gè)足以使液體離開所述噴嘴的加速度。本發(fā)明還涉及一種采用本發(fā)明所涉及的分配裝置的打印頭和打印系統(tǒng)。
文檔編號(hào)B41JGK1292752SQ998038
公開日2001年4月25日 申請(qǐng)日期1999年3月2日 優(yōu)先權(quán)日1998年3月9日
發(fā)明者喬爾吉·赫格杜斯, 艾伯特·科克西斯, 古茲塔夫·弗羅里安 申請(qǐng)人:喬爾吉·赫格杜斯, 艾伯特·科克西斯, 古茲塔夫·弗羅里安