專利名稱：流體滴噴出組件的制作方法
技術領域：
本發明涉及噴出流體滴(drops)。
背景技術：
噴墨打印機是一種用于在載體上沉積流體滴的裝置。噴墨打印機通常包括從供墨部到噴嘴流道的墨流道。所述噴嘴流道終止于噴出墨滴的噴嘴口。通常通過由致動器對墨流道中的墨施壓來控制墨滴噴出，所述致動器可為例如，壓電偏轉器、熱驅動氣泡噴射發生器或靜電偏轉元件。典型的打印組件具有墨流道陣列，其與噴嘴口及致動器相對應。從每個噴嘴口噴出的流體滴可受到獨立的控制。在按需即噴(drop-on-demand)打印組件中，在打印組件和打印載體彼此相對移動時，每個致動器致動以選擇性地在圖像的特定像素位置噴出流體滴。在高性能打印組件中，噴嘴口通常直徑為50微米或更小，例如，大約25微米，以100-300噴嘴/英寸的節距分離，解析度為100到3000dpi或更高，并提供體積大約為1到120微微升(pL)或更小的流體滴。流體滴噴出頻率通常為10kHz或更高。
Hoisington等人的美國專利第5,265,315號描述一種具有半導體結構體及壓電致動器的打印組件。該結構體由硅制成并被蝕刻以限定墨室。噴嘴口由附接于硅結構體的單獨的噴嘴板限定。壓電致動器具有一層壓電材料，根據所施加的電壓改變幾何形狀，或者彎曲。壓電層的彎曲對沿墨流道定位的泵室內的墨施壓。壓電墨噴射打印組件也在Fishbeck等人的美國專利第4,825,227號、Hine的美國專利第4,937,598號、Moynihan等人的美國專利第5,659,346號以及Hoisington的美國專利第5,757,391號中描述，其全部內容在此引用作為參考。
發明內容
一個方面，本發明的特征是提供一種流體滴噴出裝置，包括流道，其中流體受壓而從噴嘴口噴出流體滴；用于對所述流體施壓的壓電致動器；以及一個或更多接近所述噴嘴口的廢流體控制孔。所述控制孔與真空源連通。
另一方面，本發明的特征在于，通過提供包括噴嘴口和至少一個廢流體控制孔的流體滴噴出裝置而噴出流體，所述廢流體控制孔與真空連通，以大約10KHZ或更高的頻率噴出流體，并且在大約5inwg或更少的操作真空下通過所述裝置吸取大約為噴出流體的5％或更少的量的廢流體。這里，真空壓力由水表英寸數(inches of water gauge)，即inwg表示。
一方面，本發明的特征在于，通過提供包括噴嘴口和至少一個廢流體控制孔的流體滴噴出裝置而噴出流體，在不噴出流體滴的情況下，引導通過所述噴嘴口的所述流體團，以與所述控制孔連通。
一方面，本發明的特征在于一種流體滴噴出裝置，具有流道，其中流體受壓而從噴嘴口噴出流體滴；壓電致動器；以及一個或更多流體控制孔。所述流體控制孔與所述噴嘴口距離大約200％的噴嘴口寬度或更少，每個孔的孔徑寬度大約為所述噴嘴口寬度的30％或更少。
其它方面或實施例可包括結合上述和/或一個或更多以下方面中的特征。所述流體控制孔與所述噴嘴口距離大約200％的噴嘴口寬度或更少。所述流體控制孔與所述噴嘴口距離大約200％到大約1000％的噴嘴口寬度或更少。所述控制孔與其中液體受壓的流道連通。每個控制孔的流體阻力大約為所述噴嘴口的流體阻力的25倍或更多。通過所述控制孔的平均總流量為通過所述噴嘴口的平均流量的大約10％或更少。每個孔的寬度大約為所述噴嘴口的寬度的30％或更少。所述噴嘴口的寬度為大約200微米或更少。每個控制孔的直徑為大約10微米或更少。接近所述噴嘴口施加非潤濕涂層(nonwettingcoating)。所述流道、噴嘴口和控制孔被限定在共同體中。所述共同體為硅材料。所述控制孔與所述流道隔離。所述控制孔包括吸液材料(wickingmaterial)。所述控制孔與廢流體容器連通。流體滴噴出器包括至少三個孔。所述方法包括在2英寸水或更少的真空下吸取噴出流體的大約2％。所述控制孔和所述噴嘴口與共同的流體供應部連通，流體供應部與所述真空通過所述流體供應部連通。所述控制孔為所述噴嘴口直徑的大約30％或更少。所述方法包括周期性引導流體團，以維持所述孔內的流體。
實施例可包括一個或更多以下優點。可通過控制廢墨而減少打印錯誤，所述廢墨會在噴嘴鄰近聚集而干擾墨噴出，或沉積在載體上而使圖像變得模糊。廢墨可通過利用真空、毛細作用力、重力和/或表面張力將其引導并保存在受控位置而得到控制。廢墨可回收到供墨部，或導入噴嘴表面外的廢墨容器。墨控制孔特征可通過例如蝕刻硅材料這樣的半導體材料而在噴嘴板上精確地形成。
本發明的一個或幾個實施例的細節在如下附圖和描述中闡釋。本發明的其它特征、目標、和優點將從描述和附圖中，以及從權利要求中顯見。這里的所有公開文獻和專利文件全部引用作為參考。
其它方面、特征和優點如下。例如，具體方面包括如下所述的孔尺寸、特性和操作條件。
圖1是流體滴噴出組件的示意圖。
圖2是一部分噴嘴板的頂視圖。
圖3-3C是示出流體滴噴出的噴嘴的剖視圖。
圖4-4A是噴嘴的剖視圖。
圖5-5A是噴嘴的剖視圖。
圖6是噴嘴的剖視圖。
具體實施例方式
參照圖1，噴墨裝置10包括容納供應的墨12的墨容器11和從墨容器11引向壓力室14的流道13。致動器15，例如壓電轉換器，覆蓋壓力室14。致動器可使墨從壓力室14流動通過引向噴嘴板18中的噴嘴口17的流道16，由此使墨滴19從噴嘴口17噴向載體20。在操作期間，噴墨裝置10與載體20可彼此相對移動。例如，載體可為在輥22與23之間移動的連續卷紙。通過從噴嘴板18內的噴嘴口17陣列中選擇性地噴出流體滴，可在載體20上形成所需圖像。
噴墨裝置還可在系統不噴出流體滴時控制最接近噴嘴口的墨彎液面上的操作壓力。在所示實施例中，壓力控制由對墨容器11內的墨12上方的頂部空間9施加真空的真空源30提供，所述真空源30例如是機械泵。真空通過墨連通到噴嘴口17，以防止墨在重力作用下通過噴嘴口滴落。控制器31，例如，計算機控制器，監視墨容器11內墨液上方的真空，并調整真空源30以維持墨容器內的所需真空。在其它實施例中，通過在噴嘴口下方布置墨容器以在噴嘴口附近形成真空而提供真空源。墨液面監視器(未示出)檢測在打印操作期間隨墨消耗而降低的墨液面，由此增加噴嘴處的真空度。控制器監視墨液面，并在墨下降低于所需水平時從主容器中重新填充墨容器，以將真空度保持在所需操作范圍內。在墨容器位于噴嘴下方足夠遠處的其它實施例中，彎液面的真空度克服噴嘴內的毛細作用力，墨受壓以保持靠近噴嘴口的彎液面。彎液面的變化可導致流體滴速度的變化，并導致發生空氣噴射或滴落。在實施例中，彎液面維持的操作真空度為大約0.5到大約10inwg，例如大約2到大約6inwg。
參照圖2和3，噴嘴寬度WN的噴嘴口17由孔徑寬度WA的墨控制孔32圍繞。所述控制孔通常圍繞所述噴嘴，并與噴嘴外周間隔距離S。具體地參照圖3，該控制孔通過內腔34和開口36與噴嘴口上游的墨流道連通。在噴射期間，墨可能聚集在噴嘴板上。隨著時間增加，墨可形成導致打印錯誤的凝塊。例如，噴嘴口邊緣附近的凝塊會影響所噴出流體滴的軌道、速度或體積。另外，凝塊會變得足夠大，從而滴落在打印載體上并形成錯誤的印記。該凝塊還會從噴嘴板表面突出足夠遠，使得打印載體與其接觸，在打印載體上形成污點。控制孔32提供可收集廢墨的區域，以避免形成多余的凝塊。墨可在毛細作用力和/或由壓電致動器15和/或真空源30產生的真空作用下被引入控制孔32內。
參照圖3-3C，示出墨控制孔在流體滴噴射期間的操作。特別是參照圖3，示出在噴嘴口17內形成墨彎液面24的非噴射狀態下的噴嘴口17。特別參照圖3A和3B，致動作用下，墨被引導出噴嘴口17，形成并噴出流體滴19。特別參照圖3A，墨可從控制孔32突出，卻不從孔中噴出。具體參照圖3B，在噴射過程中，廢墨38可沉積在噴嘴板18上。例如，由于流體滴與墨液分離，或在噴射中回濺，或伴生流體滴被引導回噴嘴板，所以廢墨可能沉積到噴嘴板上。參照圖3C，在流體滴噴出后或在準備噴出下一滴時，彎液面24在真空作用下收縮。該真空可由真空源30和/或從施壓條件到中性或負性(neutral or negative)條件致動的壓電致動器產生，其中在所述施壓條件下，致動器對壓力室14內的墨12施壓以噴出流體滴，從而為噴出下一滴準備。噴嘴口17上的真空還與墨控制孔32連通，使得廢墨可回收到控制孔32內，并在箭頭35所示方向上通過內腔34。因此，廢墨不在噴嘴板上過分匯集。在實施例中，所述噴嘴板特別是噴嘴口與控制孔之間的區域33包括非潤濕涂層，例如，含氟聚合物(如TEFLON)之類的聚合物，以防止在該區域穩定地形成墨坑，并促使廢墨流入控制孔內。該真空也可由控制墨容器11上方的真空而產生。可在噴嘴與控制孔之間提供相對可濕的噴嘴板表面，并且非潤濕涂層可在控制孔形成的環的外部終止，以阻止墨在控制孔外流動。
選擇控制孔的尺寸、數量、間距和布置以防止過多的廢墨匯集。例如，可選擇控制孔的尺寸和數量，以在不需要額外的大噴射力以噴出流體滴的情況下，防止墨從控制孔中噴出且吸收所需量的廢墨。在實施例中，控制孔具有足夠大于噴嘴口的流動阻力，以防止流體滴噴出期間墨從控制孔中噴出。在實施例中，每個控制孔的阻力為噴嘴阻力的大約25倍或更多，例如100倍或200倍或更多。所有致動器的總阻力被選擇為在不需顯著增加致動器位移的情況下收回所需廢墨量。可通過將通過控制孔的平均流與噴嘴流相比較而估計致動器偏轉的增加。實施例中，通過控制孔的平均流為通過噴嘴的流的大約10％或更少，例如5％或2％或更少。實施例中，安排控制孔吸取所噴射墨的5％，1％，0.5％，0.1％或更少。
例如，圓剖面通道的流動阻力為RC=8μπlcrC4]]>其中lc是通道的長度，rC是半徑，μ是流體粘度，而Rc是阻力。通過通道的平均流通過用平均壓力除以阻力而得。包括十二個3微米孔(每個相當于噴嘴寬度的20％)的系統會具有以下特征。由于流體阻力與直徑的四次方成反比，為噴嘴直徑的20％的孔具有625倍的阻力。圍繞噴嘴的十二個孔具有52倍于噴嘴阻力的總阻力。通過孔的平均流大約為通過噴嘴的流的1/52，或者2％。對于壓電致動器，導致致動器位移的致動電壓提高大約2％。具有30微米長內腔的十二個3微米半徑的孔可由在墨容器內產生的2英寸水真空吸取636pL的10cps墨。這適于以63.6kHz噴射10pL流體滴時，俘獲0.1％的墨。孔上真空可因噴射的填充階段期間的致動器位移而極大提高，其中該真空以及墨容器內的真空由致動器產生。
在實施例中，將控制孔設置為圍繞噴嘴口的樣式。控制孔以距離S隔開，使得流體不在會影響液體噴出的噴嘴口附近聚集。一些實施例中，孔與噴嘴周圍間距很鄰近。例如，在實施例中，間距為大約噴嘴寬度的200％或更少，例如，50％或更少，例如20％或更少。一些實施例中，控制孔與噴嘴外圍相距較遠，例如噴嘴直徑的200％到1000％或更多。一些實施例中，可以各種間距設置控制孔，包括近間距孔和較遠間距孔。一些實施例中，每個噴嘴設置有三個或更多孔。
在具體的實施例中，孔的寬度為噴嘴寬度的大約30％或更少，例如20％或更少或5％或更少。流體收縮期間，孔上真空度大約為0.5到10inwg或更多。噴嘴寬度為大約200微米或更少，例如10到50微米。墨或其它噴射流體的粘度為大約1到40cps。在噴嘴板內設置多個噴嘴，節距為25噴嘴/英寸或更密，例如100-300噴嘴/英寸。流體滴體積為大約1到70pL。
參照圖4-4A，可在不噴出流體滴時操作系統以將墨連續地導入控制孔32內，以避免墨停滯或墨在控制孔32內變干。參照圖4，控制致動器15以使墨團27從噴嘴口17延伸，但沒有足夠的能量噴出流體滴。參照圖4A，在延伸點上，墨團27縮回到噴嘴內，部分墨擴展到噴嘴板18的表面上。然后操作致動器15在噴嘴口17上產生真空并控制墨控制孔32。噴嘴板上的墨被吸入到控制孔32內。通過周期性或連續性循環墨，引導流動以更新控制孔32內的墨。
參照圖5-5A，控制孔40與真空源連通，該真空源與供墨部隔離。參照圖5，孔40與通道42連通，所述通道42導向真空源，例如間斷或連續產生真空的機械真空裝置(未示出)。參照圖5，該真空從噴嘴板吸取廢墨(箭頭46)。從噴嘴板吸取的墨可再循環到供墨部或導向廢墨容器。孔可具有非圓形剖面。例如，孔可為橢圓形，其主軸與噴嘴口的半徑對齊。
參照圖6，控制孔50包括吸收材料52，以通過吸液或毛細作用促進廢墨38流動。吸收材料52可位于通道54內，所述通道導向墨的主容器(未示出)。吸收材料52可略微突出到噴嘴板18的上方。合適的吸液材料包括聚合物泡沫體，例如，聚氨酯泡沫體，或其它多孔材料。聚氨酯母體材料可以低粘度流體形式流入控制孔，在控制孔內聚合，形成吸液材料。
在任意一個上述實施例中的控制孔和/或噴嘴口可由機加工、激光融蝕或化學或等離子蝕刻而形成。控制孔還可由模制，例如注塑模制形成。孔和噴嘴口可形成為共同體，或需組裝的分立體。例如，可在限定墨流道的其它元件(例如，泵室)的結構體內形成噴嘴口，并以分立體形式形成控制孔，該分立體被組裝形成到該限定噴嘴口的結構體。在其它實施例中，控制孔，噴嘴口與壓力室形成在共同體上。該結構體可為金屬、碳或硅材料這樣的可蝕刻材料，例如，硅、二氧化硅、氮化硅或其它可蝕刻材料。在2002年7月3日申請的美國專利第10/189,947號以及2003年10月10日中請的美國專利第60/510,459號中進一步描述了采用蝕刻技術形成打印頭元件，其全部內容在此引用作為參考。
控制孔可與其它廢流體控制特征一起應用，例如2003年12月30日的美國專利第10/749,816號所述，以及2003年12月30日的美國專利第10/749,622號所述的突起，以及/或者2003年12月30日的美國專利第10/749,833所述的通道，上述申請的全部內容在此引用作為參考。例如，可在近孔的噴嘴面上包括一系列通道。孔可在凹坑或通道或近突起內提供。清潔結構可與清潔流體施加到噴嘴板并擦拭清潔的各手動或自動清洗和擦拭系統結合。除被噴射的廢墨外，清潔結構可收集清潔流體和殘余物。
實施例中，墨滴噴出系統可用于噴出墨以外的流體。例如，沉積的流體滴可為能以流體滴形式分散的UV或其它輻射固化材料，或其它材料，例如，化學或生物流體。例如所述孔可為精確分散系統的一部分。致動器可為機電或化學致動器。例如，致動器可為靜電的。
其它實施例在所附權利要求的范圍內。
權利要求
1.一種流體滴噴出裝置，其中，包括流道，在所述流道中，流體受壓而從噴嘴口噴出流體滴；用于對所述流體施壓的壓電致動器；以及接近所述噴嘴口的一個或更多廢流體控制孔，所述控制孔與一真空源連通。
2.根據權利要求1所述的裝置，其中，包括流體控制孔，所述流體控制孔與所述噴嘴口距離大約200％的噴嘴口寬度或更少。
3.根據權利要求1所述的裝置，其中，包括流體控制孔，所述流體控制孔與所述噴嘴口距離大約200％到大約1000％的噴嘴口寬度或更少。
4.根據權利要求1所述的裝置，其中，所述控制孔與液體在其中受壓的流道連通。
5.根據權利要求1所述的裝置，其中，每個所述控制孔的流體阻力大約為所述噴嘴口的流體阻力的25倍或更多。
6.根據權利要求1所述的裝置，其中，通過所述控制孔的平均總流量為通過所述噴嘴口的平均流量的大約10％或更少。
7.根據權利要求1所述的裝置，其中，每個孔的寬度大約為所述噴嘴口的寬度的30％或更小。
8.根據權利要求1所述的裝置，其中，所述噴嘴口的寬度為大約200微米或更小。
9.根據權利要求1所述的裝置，其中，每個控制孔的直徑為大約10微米或更少。
10.根據權利要求1所述的裝置，其中，包括接近所述噴嘴口的非潤濕涂層。
11.根據權利要求1所述的裝置，其中，所述流道、噴嘴口和控制孔被限定在共同體中。
12.根據權利要求11所述的裝置，其中，所述共同體為硅材料。
13.根據權利要求1所述的裝置，其中，所述控制孔與所述流道隔離。
14.根據權利要求1所述的裝置，其中，所述控制孔包括吸液材料。
15.根據權利要求1所述的裝置，其中，所述控制孔與廢流體容器連通。
16.一種流體滴噴出裝置，其中，包括流道，在所述流道中，流體受壓而從噴嘴口噴出流體滴；壓電致動器；以及一個或更多流體控制孔，所述流體控制孔與所述噴嘴口距離大約200％的噴嘴口寬度或更少，每個孔的孔徑寬度大約為所述噴嘴口寬度的30％或更少。
17.根據權利要求16所述的裝置，其中，包括至少三個孔。
18.根據權利要求16所述的裝置，其中，包括與所述噴嘴口相鄰的非潤濕涂層。
19.根據權利要求16所述的裝置，其中，所述控制孔與所述流道隔離。
20.根據權利要求16所述的裝置，其中，所述流道、噴嘴口和控制孔被限定在共同體中。
21.一種流體滴噴出裝置，其中，包括流道，在所述流道中，流體受壓而從噴嘴口噴出流體滴；以及一個或更多流體控制孔，所述流體控制孔包括吸液材料。
22.根據權利要求21所述的裝置，其中，所述吸液材料從所述控制孔突出。
23.一種噴出流體的方法，其中，包括提供包括噴嘴口和至少一個廢流體控制孔的流體滴噴出裝置，所述廢流體控制孔與真空連通，以大約10KHZ或更高的頻率噴出流體，以及在大約5英寸水或更少的操作真空下，通過所述控制孔吸取大約為噴出流體的5％或更少的量的廢流體。
24.根據權利要求23所述的方法，其中，包括至少三個孔。
25.根據權利要求23所述的方法，其中，包括在2英寸水或更少的真空下，吸取噴出流體的大約2％。
26.根據權利要求23所述的方法，其中，所述控制孔和所述噴嘴口與共同的流體供應部連通，流體供應部與所述真空通過所述流體供應部連通。
27.根據權利要求23所述的方法，其中，所述控制孔為所述噴嘴口直徑的大約30％或更少。
28.根據權利要求23所述的方法，其中，所述噴嘴口的直徑大約為200微米或更少。
29.一種噴出流體的方法，其中，包括提供包括噴嘴口和至少一個廢流體控制孔的流體滴噴出裝置，以及在不噴出流體滴的情況下，引導通過所述噴嘴口的所述流體團，從而與所述控制孔連通。
30.根據權利要求29所述的方法，其中，包括周期性引導流體團，以維持所述孔內的流體。
31.根據權利要求29所述的方法，其中，包括使所述流體的方向懸置而成所述團，以及從所述噴嘴口噴出流體滴。
32.根據權利要求29所述的方法，其中，所述流體控制孔與真空連通。
33.根據權利要求29所述的方法，其中，所述控制孔與所述噴嘴口與共同的流體供應部連通，流體供應部與所述真空通過所述流體供應部連通。
全文摘要
公開一種流體滴分配裝置(10)。所述裝置(10)包括多個噴嘴口(17)以及廢流體控制孔(32)，流體(12)從所述噴嘴口(17)噴出。
文檔編號B41J2/14GK1906039SQ200480040663
公開日2007年1月31日 申請日期2004年12月29日 優先權日2003年12月30日
發明者保羅·A·霍伊辛頓, 約翰·A·希金森, 安德烈亞斯·拜布爾 申請人:迪馬蒂克斯股份有限公司