具有循環(huán)泵的流體噴射設(shè)備的制作方法

專利名稱：具有循環(huán)泵的流體噴射設(shè)備的制作方法
具有循環(huán)泵的流體噴射設(shè)備背景技術(shù)
噴墨打印機(jī)中的流體噴射設(shè)備提供流體滴的按需滴墨噴射。噴墨打印機(jī)通過多個 噴嘴向諸如紙張的打印介質(zhì)上噴射墨滴產(chǎn)生圖像。所述噴嘴通常按照一個或多個陣列布 置，從而隨著打印頭和打印介質(zhì)相對于彼此的移動，來自噴嘴的具有正確順序的墨滴噴射 能夠促使字符或其他圖像被打印到打印介質(zhì)上。在一個具體的示例中，熱噴墨打印頭通過 使電流通過加熱元件以生成熱量并使燃燒室內(nèi)的流體的一小部分蒸發(fā)，由此使液滴從噴嘴 噴射出來。在另一個示例中，壓電噴墨打印頭使用壓電材料致動器來生成壓力脈沖，其迫使 墨滴從噴嘴中噴出。
盡管噴墨打印機(jī)以合理的成本提供了高打印質(zhì)量，但是繼續(xù)改進(jìn)還有賴于克服它 們的發(fā)展過程中仍然存在的各種挑戰(zhàn)。例如，在打印期間從墨釋放的氣泡能夠引起諸如墨 流堵塞、打印質(zhì)量劣化、部分充滿的打印盒看起來已經(jīng)空了以及墨泄漏的問題。顏料墨載色 劑(vehicle)分離(PIVS)是使用基于顏料的墨時遇到的另一個問題。PIVS的原因通常在 于，水分從噴嘴區(qū)域內(nèi)的墨中蒸發(fā)了出去，而由于顏料與水具有較高的親和性，因而消耗了 噴嘴區(qū)域附近的墨中的顏料濃度。在存放或非使用周期期間，顏料顆粒也可能發(fā)生沉淀或 者從墨載色劑析出(crash out of ),其可能阻礙或者完全阻擋墨流向打印頭中的燃燒室和 噴嘴。其他與“開蓋(decap)”有關(guān)的因素，諸如，水分或溶劑的蒸發(fā)也可能對局部墨特性造 成影響，諸如，PIVS和粘滯墨塞的形成。去蓋是在不引起所噴射的墨滴的劣化的情況下噴 墨噴嘴能夠保持開蓋并且暴露于周圍環(huán)境下的時間量。去蓋的影響能夠改變液滴軌跡、速 度、形狀和顏色，所有這些都可能對噴墨式打印機(jī)的打印質(zhì)量造成不利影響。


現(xiàn)在將參考附圖以舉例的方式描述所提出的實(shí)施例，其中圖I圖示出了根據(jù)實(shí)施例的被體現(xiàn)為噴墨打印系統(tǒng)的流體噴射設(shè)備；圖2示出了根據(jù)實(shí)施例的流體噴射組件的截面圖；圖3示出了根據(jù)實(shí)施例的流體噴射組件的截面圖；圖4a和4b示出了根據(jù)實(shí)施例的流體噴射組件內(nèi)的再循環(huán)通道的從上向下看的局部視圖；圖5示出了根據(jù)實(shí)施例的操作的不同階段內(nèi)具有集成流體致動器的再循環(huán)通道的側(cè) 視圖；圖6示出了根據(jù)實(shí)施例處于不同的操作階段的具有時間標(biāo)記的活動流體致動器；圖7、8和9示出了根據(jù)實(shí)施例的處于不同操作階段的活動流體致動器，其指示了通過 再循環(huán)通道和液滴發(fā)生器的流體流動的方向；圖10、11和12示出了根據(jù)實(shí)施例的示例位移脈沖波形，其持續(xù)時間與流體致動器位移 持續(xù)時間對應(yīng)；圖13示出了根據(jù)實(shí)施例的操作的不同階段內(nèi)具有集成流體致動器的再循環(huán)通道的側(cè) 視圖；圖14示出了根據(jù)實(shí)施例的示例移位脈沖波形，其持續(xù)時間與流體致動器的位移持續(xù) 時間對應(yīng)；以及圖15示出了根據(jù)實(shí)施例的既向通道內(nèi)偏轉(zhuǎn)又向通道外偏轉(zhuǎn)的流體致動器的示例表示 連同具有代表性的位移脈沖波形。具體實(shí)施方式

問題和解決方案的概述如上所述，在噴墨打印系統(tǒng)的發(fā)展當(dāng)中還有各種挑戰(zhàn)有待克服。例如，在這樣的系統(tǒng)當(dāng) 中使用的噴墨打印頭仍然具有墨堵塞和/或阻塞方面的問題。墨堵塞的一個原因是在打印 頭中積累了太多的作為氣泡的空氣。在使墨暴露到空氣當(dāng)中時，諸如，在將墨存儲到墨儲存 器(ink reservoir)內(nèi)時,額外的空氣會溶解到墨當(dāng)中。接下來從打印頭的燃燒室噴射墨 滴的動作將從墨中釋放過多的空氣，而所述空氣會作為氣泡累積下來。這些氣泡從燃燒室 移動到打印頭的其他區(qū)域，在這些區(qū)域內(nèi)它們可能阻塞墨向打印頭的流動，以及將墨堵塞 到打印頭內(nèi)。
基于顏料的墨也可能使墨在打印頭內(nèi)堵塞或者阻塞。噴墨打印系統(tǒng)使用基于顏料 的墨和基于染料的墨，并且盡管這兩種類型的墨都有利有弊，但是一般還是優(yōu)選基于顏料 的墨。在基于染料的墨當(dāng)中，染料顆粒溶解于液體當(dāng)中，因?yàn)檫@種墨傾向于向紙張內(nèi)浸透得 更深。這降低了基于染料的墨的效率，而且可能由于墨在圖像的邊緣滲出而降低圖像質(zhì)量。 相比之下，基于顏料的墨包括墨載色劑和高濃度的不溶性顏料顆粒，所述顏料顆粒涂覆有 分散劑，其使得所述顆粒能夠在墨載色劑內(nèi)保持懸浮。這有助于顏料墨更多地停留在紙的 表面上而不是滲透到紙內(nèi)。因此，顏料墨比染料墨更有效率，因?yàn)樵诖蛴D像中建立相同的 顏色強(qiáng)度所需的墨更少。顏料墨還傾向于比染料墨更加耐用和持久，因?yàn)槠湓谟鏊畷r比染 料墨產(chǎn)生的染污要少。
然而，基于顏料的墨的一個缺點(diǎn)在于，由于諸如長期儲存以及其他環(huán)境極端條件 等因素可能在噴墨打印頭內(nèi)發(fā)生墨堵塞，其可能導(dǎo)致噴墨筆的即開即用性能變差。噴墨 筆具有固定于一端的打印頭，其內(nèi)部I禹合至墨供應(yīng)器(ink supply)。墨供應(yīng)器可以是筆 體內(nèi)自包含的，或者其可以屬于筆外的打印機(jī)上，并通過筆體耦合至打印頭。經(jīng)過長時期 的存儲，大的顏料顆粒受到的重力作用和/或分散劑的劣化都可能導(dǎo)致顏料沉淀或損毀 (crashing)。顏料顆粒的沉淀或損毀可能阻礙或者完全堵塞墨向打印頭中的燃燒室和噴嘴 的流動，從而導(dǎo)致打印頭的即開即用性能變差，以及打印機(jī)的圖像質(zhì)量降低。諸如來自墨中 的水分和溶劑的蒸發(fā)的其他因素也可能促使產(chǎn)生PIVS和/或墨黏性的提高以及粘塞的形 成，其可能降低去蓋性能，而且妨礙在非使用時期之后立即進(jìn)行打印。
先前對這樣的問題的解決方案主要涉及在它們的使用前后對打印頭進(jìn)行保養(yǎng)，以 及使用各種類型的外部泵用于對墨進(jìn)行混合。例如，在非使用期間中通常用蓋將打印頭蓋 住，從而避免噴嘴被干墨堵塞。在它們的使用之前，還可以通過使墨從噴嘴噴出而使噴嘴準(zhǔn) 備好。這些解決方案的缺點(diǎn)包括，由于預(yù)檢時間(servicing time)的關(guān)系不能馬上打印， 而且由于在保養(yǎng)期間要消耗大量的墨，這提高了所有者的總成本。使用外部泵用于混合墨 通常很繁瑣，而且昂貴，其往往只能部分地解決噴墨問題。因此，去蓋性能、PIVS、空氣和微 粒的積聚以及其他引起噴墨打印系統(tǒng)中的堵塞和/或阻塞的原因仍然是可能降低總體打印質(zhì)量以及提高擁有成本或制造成本或兩者的根本問題。
本公開的實(shí)施例通過使用壓電型以及其他類型的可機(jī)械控制的流體致動器普遍 地減少了噴墨打印系統(tǒng)中的墨堵塞和/或阻塞，所述致動器提供了到流體再循環(huán)通道內(nèi)的 液滴發(fā)生器的流體再循環(huán)。不對稱地定位于再循環(huán)通道內(nèi)的流體致動器和控制器通過控制 生成壓縮流體位移(即，在正向泵沖程上)和拉伸流體位移(即，在反向泵沖程上)的正向和 反向致動沖程(即，泵沖程)的持續(xù)時間而使得定向流體流動通過所述通道到液滴發(fā)生器。
在一個示例實(shí)施例中，流體噴射設(shè)備包括流體再循環(huán)通道。將液滴發(fā)生器設(shè)置到 再循環(huán)通道內(nèi)。流體槽與所述再循環(huán)通道的每一端流體連通，并且壓電流體致動器不對稱 地定位于所述通道內(nèi)，從而使流體從流體槽通過所述通道和液滴發(fā)生器流回到流體槽。在 一個實(shí)施方式中，所述設(shè)備包括控制器，所述控制器用于通過使壓電流體致動器生成具有 受控持續(xù)時間的壓縮和拉伸流體位移來控制流體流動的方向。
在另一個示例實(shí)施例中，從流體噴射設(shè)備噴射流體的方法包括在具有液滴發(fā)生器 的流體再循環(huán)通道內(nèi)，控制壓縮和拉伸流體位移的持續(xù)時間，從而使流體從流體槽通過液 滴發(fā)生器流回到流體槽。所述方法包括在流體流動通過液滴發(fā)生器時通過噴嘴噴射流體。 壓縮和拉伸流體位移的持續(xù)時間的控制包括生成第一持續(xù)時間的壓縮流體位移，以及生成 與所述第一持續(xù)時間不同的第二持續(xù)時間的拉伸流體位移。
在另一個示例實(shí)施例中，流體噴射設(shè)備包括流體再循環(huán)通道中的液滴噴射器，和 用以控制通過所述再循環(huán)通道和液滴噴射器的流體流動的方向、速率和定時的流體控制系 統(tǒng)。所述流體控制系統(tǒng)包括集成到所述再循環(huán)通道內(nèi)的流體致動器以及具有可執(zhí)行指令的 控制器，所述指令用于使所述流體致動器在所述再循環(huán)通道內(nèi)生成驅(qū)動流體流動的時間不 對稱壓縮和拉伸流體位移。
說明性實(shí)施例圖I圖示出了根據(jù)本公開的實(shí)施例的被體現(xiàn)為噴墨打印系統(tǒng)100的流體噴射設(shè)備。在 這個實(shí)施例中，流體噴射組件被公開為流體液滴噴射打印頭114。噴墨打印系統(tǒng)100包括噴 墨打印頭組件102、墨供應(yīng)器組件104、安裝組件106、媒體傳輸組件108、電子打印機(jī)控制器 110以及為噴墨打印系統(tǒng)100的各種電部件提供功率的至少一個電源112。噴墨打印頭組 件102包括至少一個流體噴射組件114 (打印頭114)，其通過多個孔口或噴嘴116向打印 介質(zhì)118噴射墨滴，從而打印到打印媒體118上。打印媒體118可以是任何類型的適當(dāng)材 料片或卷，諸如，紙、卡片材料、透明片、聚酯薄膜等。噴嘴116通常按照一列或多列布置或 者按照陣列布置，從而使得在噴墨打印頭組件102和打印媒體118相對于彼此移動時，通過 從噴嘴116按照正確的順序噴射墨而將字符、符號和/或其他圖形或圖像打印到打印媒體 118 上。
墨供應(yīng)器組件104向打印頭組件102供應(yīng)流體墨，并且其包括用于存儲墨的儲存 器120。墨從儲存器120流到噴墨打印頭組件102。墨供應(yīng)器組件104和噴墨打印頭組件 102可以形成單向墨輸送系統(tǒng)，也可以形成宏觀再循環(huán)墨輸送系統(tǒng)。在單向墨輸送系統(tǒng)中， 在打印期間基本上消耗供應(yīng)給噴墨打印頭組件102的所有墨。然而在宏觀再循環(huán)墨輸送系 統(tǒng)中，在打印期間只消耗供應(yīng)給打印頭組件102的墨的一部分。在打印期間沒有被消耗的 墨返回至墨供應(yīng)器組件104。
在一個實(shí)施例中，噴墨打印頭組件102和墨供應(yīng)器組件104共同容納于噴墨盒或噴墨筆內(nèi)。在另一實(shí)施例中，墨供應(yīng)器組件104與噴墨打印頭組件102分離，并且其通過諸 如供應(yīng)管的接口連接向噴墨打印頭組件102供墨。在任一種實(shí)施例中，可以拆卸、更換和/ 或重新填充墨供應(yīng)器組件104的儲存器120。在噴墨打印頭組件102和墨供應(yīng)器組件104 共同容納于噴墨盒內(nèi)時，儲存器120包括位于所述盒內(nèi)的本地儲存器以及所處位置與所述 盒分離的更大的儲存器。所述分離的、更大的儲存器用于對所述本地儲存器進(jìn)行重新填充。 因此，所述分離的、更大的儲存器和/或本地儲存器均可拆卸、更換和/或重新充填。
安裝組件106相對于媒體傳輸組件108設(shè)置噴墨打印頭組件102的位置，并且媒 體傳輸組件108相對于噴墨打印頭組件102設(shè)置打印媒體118的位置。因此，在噴墨打印頭 組件102和打印媒體118之間的區(qū)域中鄰近噴嘴116定義了打印區(qū)域122。在一個實(shí)施例 中，噴墨打印頭組件102是掃描型打印頭組件。照此，安裝組件106包括用于使噴墨打印頭 組件102相對于媒體傳輸組件108移動，從而對打印媒體118進(jìn)行掃描的托架(carriage)。 在另一實(shí)施例中，噴墨打印頭組件102是非掃描型打印頭組件。照此，安裝組件106將噴墨 打印頭組件102固定到相對于媒體傳輸組件108的規(guī)定位置上。因此，媒體傳輸組件108 相對于噴墨打印頭組件102設(shè)置打印媒體118的位置。
電子打印機(jī)控制器110通常包括處理器、固件、軟件、包括易失性和非易失性存儲 器部件的一個或多個存儲器部件以及用于與噴墨打印頭組件102、安裝組件106和媒體傳 輸組件108進(jìn)行通信以及對其進(jìn)行控制的其他打印機(jī)電子設(shè)備。電子控制器110接收來自 諸如計(jì)算機(jī)的主機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)124，并將數(shù)據(jù)124臨時存儲到存儲器中。通常將數(shù)據(jù)124沿 電子、紅外、光或其他信息傳輸路徑發(fā)送至噴墨打印系統(tǒng)100。例如，數(shù)據(jù)124表示所要打印 的文檔和/或文件。照此，數(shù)據(jù)124形成了用于噴墨打印系統(tǒng)100的打印作業(yè)，并且其包括 一個或多個打印作業(yè)命令和/或命令參數(shù)。
在一個實(shí)施例中，電子打印機(jī)控制器110控制噴墨打印頭組件102，以便使墨滴從 噴嘴116噴出。因此，電子控制器110定義了所噴出的墨滴的圖案，其在打印媒體118上形 成了字符、符號和/或其他圖形或圖像。所噴出的墨滴的圖案由打印作業(yè)命令和/或命令參 數(shù)所確定。在一個實(shí)施例中，電子控制器110包括存儲在控制器110的存儲器中的流動控 制模塊126。流動控制模塊126在電子控制器110 (即控制器110的處理器)上執(zhí)行，以控 制被集成為流體噴射組件114內(nèi)的泵元件的一個或多個流體致動器的操作。更具體而言， 控制器110執(zhí)行來自模塊126的指令，以控制所述流體致動器的定時以及正向和反向泵沖 程(分別為壓縮和拉伸流體位移)的持續(xù)時間，以便控制流體噴射組件114內(nèi)的流體流動的 方向、速率和定時。
在一個實(shí)施例中，噴墨打印頭組件102包括一個流體噴射組件(打印頭)114。在另 一實(shí)施例中，噴墨打印頭組件102是寬陣列或者多頭打印頭組件。在寬陣列組件的一個實(shí) 施方式中，噴墨打印頭組件102包括支承(carrry)流體噴射組件114的支架,并且在所述 流體噴射組件114和電子控制器110之間提供電通信，并且還在流體噴射組件114和墨供 應(yīng)器組件104之間提供流體連通。
在一個實(shí)施例中，噴墨打印系統(tǒng)100是按需滴墨熱氣泡噴墨打印系統(tǒng)，其中，流體 噴射組件114是熱噴墨(TIJ)打印頭。所述熱噴墨打印頭在墨腔中實(shí)現(xiàn)熱敏電阻器噴射元 件，從而使墨蒸發(fā)，并產(chǎn)生迫使墨或其他流體液滴從噴嘴116出來的氣泡。在另一實(shí)施例 中，噴墨打印系統(tǒng)100是按需滴墨壓電噴墨打印系統(tǒng)，其中，所述流體噴射組件114是壓電噴墨(PIJ)打印頭，其實(shí)施壓電材料致動器作為噴射元件，以生成迫使墨滴從噴嘴出來的壓 力脈沖。
圖2和圖3不出了根據(jù)本公開的實(shí)施例的流體噴射組件114的截面圖。圖2不出 了通過液滴發(fā)生器204截取的流體噴射組件114的截面圖，而圖3示出了通過流體致動器 206 (流體泵元件206)截取的流體噴射組件114的截面圖。圖4a和4b示出了根據(jù)本公開 的實(shí)施例的流體噴射組件114內(nèi)的再循環(huán)通道的從上向下的局部視圖。
一般地參照圖2、3和4，流體噴射組件114包括其內(nèi)形成具有流體槽202的基板 200。腔層具有壁218，其限定了流體腔214，并且使基板200與具有噴嘴116的噴嘴層220 分離。流體槽202是延伸到圖2和圖3的平面內(nèi)的與諸如流體儲存器120 (圖I)的流體供 應(yīng)(未示出)流體連通的長槽。一般而言，來自流體槽202的流體基于由流體致動器206或 流體泵元件206誘發(fā)的流動通過再循環(huán)通道203和液滴發(fā)生器204循環(huán)。再循環(huán)通道203 從流體槽202的一端(例如，點(diǎn)“A”)開始延伸，并且返回到流體槽202的另一端(例如，點(diǎn) “B”)，并且其通常包括三個部分，本文中將其稱為入口通道208、連接通道210和出口通道 212。然而，取決于通過再循環(huán)通道203的流體流動的方向，入口通道208未必是流體從流 體槽202流入到再循環(huán)通道203內(nèi)的地方，并且出口通道212也未必是流體從再循環(huán)通道 203流出回到流體槽202的地方。因此，來自流體槽202的流體能夠沿任一方向流動通過再 循環(huán)通道203，即，在入口通道208 (點(diǎn)“A”)進(jìn)入，并且在出口通道212 (點(diǎn)“B”)離開，或者 在出口通道212 (點(diǎn)“B”)進(jìn)入，并且在口通道208 (點(diǎn)“A”)離開。下文討論的流向取決于 流體致動器206生成的流體位移。
再循環(huán)通道203包括液滴發(fā)生器204和流體致動器206。將每個具有液滴發(fā)生器 204的再循環(huán)通道203布置到流體槽202的任一側(cè)上，并且沿槽202的長度使其延伸到圖2 和圖3的平面內(nèi)。液滴發(fā)生器204包括噴嘴116、流體腔214和設(shè)置在腔214內(nèi)的噴射元 件216?？梢詫⒁旱伟l(fā)生器204 (即，噴嘴116、腔214和噴射元件216)組織成被稱為基元 的組，其中，每個基元包括由相鄰噴射元件216構(gòu)成的組?；ǔ０ㄓ墒€液滴發(fā)生 器204構(gòu)成的組，但是其包括的數(shù)量也可以與此不同，諸如，六個、八個、十個、十四個、十六小坐 I 寸O
在圖2-4中一般地圖示出了噴射元件216，并且其例如可以是任何能夠通過對應(yīng) 的噴嘴116噴射流體液滴的設(shè)備，諸如，熱敏電阻器或壓電致動器。熱敏電阻器噴射元件通 常由基板200表面上的氧化物層以及包括氧化物層、金屬層和鈍化層的薄膜疊層(沒有具 體示出各個層)形成。在受到激活時，來自熱噴射元件的熱量使腔214內(nèi)的流體蒸發(fā)，從而 導(dǎo)致氣泡，該氣泡使流體液滴通過噴嘴116噴出。壓電致動器噴射元件一般地包括附著到 形成于腔214的底部的可移動膜上的壓電材料。在受到激活時，壓電材料使得所述膜偏轉(zhuǎn) 到腔214內(nèi)，從而生成通過噴嘴116噴射流體液滴的壓力脈沖。
在文中一般地將流體致動器206描述為壓電膜，其在再循環(huán)通道203內(nèi)的正向和 反向偏轉(zhuǎn)(或者上下偏轉(zhuǎn)，有時將其稱為活塞沖程)生成能夠在時間上加以控制的流體位 移。然而，也可以使用各種其他設(shè)備實(shí)現(xiàn)流體致動器206，其包括例如靜電(MEMS)膜、機(jī)械 /沖擊驅(qū)動膜、音圈、磁致伸縮驅(qū)動器等。
再循環(huán)通道203內(nèi)的液滴發(fā)生器204和流體致動器206的相應(yīng)位置通常但未必一 定朝向通道203的相反兩側(cè)。因此，液滴發(fā)生器204可以位于出口通道212中，而流體致動器206則位于入口通道208中，如圖4所示，或者它們的相應(yīng)位置可以相反，其中液滴發(fā)射 器204位于入口通道208中，并且流體致動器206位于出口通道212中。流體致動器206 朝向再循環(huán)通道203的任一端的確切位置可能稍微發(fā)生改變，但是無論如何其所處位置相 對于再循環(huán)通道203的長度的中心點(diǎn)都是不對稱的。例如，再循環(huán)通道203的大致中心點(diǎn) 位于點(diǎn)“A”和點(diǎn)“B”之間的連接通道210 (圖4)內(nèi)的某處。再循環(huán)通道203從點(diǎn)“A”處的 與流體槽202相鄰的一端延伸至點(diǎn)“B”處的與流體槽202相鄰的相對端。
流體致動器206在再循環(huán)通道203內(nèi)的不對稱位置是慣性泵機(jī)構(gòu)的一個組成部 分，需要滿足該條件以便實(shí)現(xiàn)泵送效果，由該效果能夠生成通過通道203的凈流體流動。流 體致動器206在再循環(huán)通道203內(nèi)的不對稱位置創(chuàng)建了再循環(huán)通道203的短側(cè)，其從流體 致動器206延伸一段短距離到點(diǎn)“A”處的流體槽202，并且還創(chuàng)建了再循環(huán)通道203的長 側(cè)，其從流體致動器206延伸大約通道203的剩余長度回到點(diǎn)“B”處的流體槽202。流體 致動器206的泵送效果取決于其在流體通道(例如，再循環(huán)通道203)內(nèi)的不對稱位置，所 述流體通道的寬度窄于受到泵送的流體所來自的流體槽202 (或者流體儲存器)的寬度。 流體致動器206在再循環(huán)通道203內(nèi)的不對稱位置創(chuàng)建了驅(qū)動通道203內(nèi)的流體雙極性 (diodicity)(凈流體流動)的慣性機(jī)構(gòu)。流體致動器206生成在再循環(huán)通道203內(nèi)傳播的 波，其沿通道203向兩個相反的方向推動流體。在流體致動器206不對稱地位于再循環(huán)通 道203內(nèi)時，能夠存在通過通道203的凈流體流動。流體的更大的部分(通常是再循環(huán)通道 203的較長側(cè)內(nèi)含有的)在正向流體致動器泵沖程結(jié)束時具有較大的機(jī)械慣性。因此，這一 較大的由流體的主體比通道203內(nèi)的較短側(cè)內(nèi)的流體更慢地逆轉(zhuǎn)方向。在反向流體致動器 泵沖程期間，通道203的較短側(cè)中的流體具有更多的時間獲得機(jī)械動量。因而，在反向沖程 結(jié)束時，通道203的較短側(cè)中的流體比通道203的較長側(cè)中的流體具有更大的機(jī)械動量。結(jié) 果，凈流動通常具有從通道203的較短側(cè)到較長側(cè)的方向，如圖2-4中的黑色方向箭頭所指 示的。凈流體流動是兩個流體元件(即，通道的短側(cè)和長側(cè))的不等慣性特性的結(jié)果。
如圖4b所示，在一些流體噴射設(shè)備的示例中，再循環(huán)通道203包括位于入口通道 208、出口通道212和連接通道210中的各種形狀和結(jié)構(gòu)，其旨在促進(jìn)流體沿特定的方向流 動，避免各種微粒中斷流體流動，以及控制液滴噴射期間打印流體的逆吹(blowback)。例 如，圖4b所示的再循環(huán)通道203包括顆粒耐受結(jié)構(gòu)400。本文中所使用的顆粒耐受結(jié)構(gòu) (PTA)指的是被放置到打印流體路徑中，用于避免顆粒中斷墨流動或打印流體流動的屏障 物體。在一些示例中，顆粒耐受結(jié)構(gòu)400避免灰塵和顆粒堵塞流體腔214和/或噴嘴116。 再循環(huán)通道203還可以包括用于控制打印流體在液滴噴射期間的逆吹的窄點(diǎn)402。再循環(huán) 通道203還可以包括非活動部件閥門404。本文中所使用的非活動部件閥門(NMPV)指的是 被定位和/或設(shè)計(jì)成調(diào)節(jié)流體的流動的非活動物體。非活動部件閥門404的存在能夠提高 再循環(huán)效率，使噴嘴串?dāng)_降至最低，噴嘴串?dāng)_指的是相鄰液滴發(fā)生器204和/或泵206之間 非預(yù)期的流體的流動。
除了流體致動器206在再循環(huán)通道203內(nèi)的不對稱放置之外，慣性泵機(jī)構(gòu)的另一 個組成部分需要被滿足以便實(shí)現(xiàn)能夠生成通過再循環(huán)通道203的凈流體流動的泵送效果， 其是由流體致動器206生成的流體位移的時間不對稱性。也就是說，為了實(shí)現(xiàn)泵送效果以 及通過通道203和液滴發(fā)生器204的凈流體流動，流體致動器206還應(yīng)當(dāng)相對于其在通道 203內(nèi)的流體位移不對稱地操作。在操作期間，流體致動器206首先以正向沖程向上偏轉(zhuǎn)到通道203內(nèi)(B卩，柔性膜向上彎曲，從而起到正向活塞沖程的作用)，并且之后以反向沖程向下從通道203中偏轉(zhuǎn)出來(即，柔性膜重回向下彎曲，從而起到反向活塞沖程的作用)。如上所述，流體致動器206生成在通道203中傳播的波，從而沿通道203向兩個相反的方向推動流體。如果流體致動器206的操作使得其偏轉(zhuǎn)沿兩個方向以相同的速度使流體發(fā)生位移， 那么流體致動器206將幾乎不會在通道203中生成凈流體流動。為了生成凈流體流動，應(yīng)當(dāng)控制流體致動器206的操作，從而使其偏轉(zhuǎn)或流體位移不對稱。因此，流體致動器206的相對于其偏轉(zhuǎn)沖程的定時或者流體位移的不對稱操作是為了實(shí)現(xiàn)能夠通過再循環(huán)通道203 生成凈流體流動的泵送效果而必須滿足的第二個條件。
圖5示出了根據(jù)本公開的實(shí)施例的操作的不同階段中具有集成流體致動器206的再循環(huán)通道203的側(cè)視圖。圖5的再循環(huán)通道203與圖4所示的相同，但是為了有助于描述將其圖示成了線性形式。因此，再循環(huán)通道203的每一端都與流體槽202流體連通。流體致動器206被不對稱地放置在通道203的短側(cè)處，從而滿足了創(chuàng)建能夠通過通道203生成凈流體流動的泵送效果所需的第一條件。液滴發(fā)生器204位于再循環(huán)通道203中與流體致動器206相對的朝向通道203的另一端。如上所述，要想創(chuàng)建泵送效果所需滿足的第二個條件是流體致動器206的不對稱操作。
在圖5所示的操作階段，流體致動器206處于靜止位置并且是不活動的，因而沒有通過通道203的凈流體流動。在操作階段B，流體致動器206是活動的，并且膜向上偏轉(zhuǎn)到了通道203內(nèi)。隨著膜向外推動所述流體，這一向上偏轉(zhuǎn)或者正向沖程引起了通道203內(nèi)的流體的壓縮(正)位移。在操作階段C，流體致動器206是活動的，并且所述膜正在開始向下偏轉(zhuǎn)，從而返回到其初始靜止位置。隨著膜向下牽拉流體，所述膜的這一向下偏轉(zhuǎn)或反向沖程引起了通道203內(nèi)的流體的拉伸(負(fù))位移。向上和向下的偏轉(zhuǎn)是一個偏轉(zhuǎn)周期。如果在重復(fù)偏轉(zhuǎn)周期中所述向上偏轉(zhuǎn)(即，壓縮位移)和向下偏轉(zhuǎn)(即，拉伸位移)之間存在時間不對稱性，那么將通過通道203生成凈流體流動。下文將參考圖6-13討論時間不對稱性和凈流體流 動方向。因此，圖5包括用于操作階段B和C的相反的凈流動方向箭頭之間的問號， 以指示尚未確定壓縮和拉伸位移之間的時間不對稱性，并且因此，流動的方向(如果存在的話)尚不可知。
圖6示出了根據(jù)本公開的實(shí)施例的處于圖5的操作階段B和C的活動流體致動器 206連同時間標(biāo)記“tl”和“t2”，其有助于圖示出由流體致動器206生成的壓縮和拉伸位移之間的時間不對稱性。時間tl是流體致動器膜向上偏轉(zhuǎn)，從而生成了壓縮流體位移所用的時間。時間t2是流體致動器膜向下偏轉(zhuǎn)或者返回至其初始位置，從而生成了拉伸流體位移所用的時間。如果壓縮位移(向上的膜偏轉(zhuǎn))的持續(xù)時間tl比拉伸位移(向下的膜偏轉(zhuǎn))的持續(xù)時間t2長或短(即不同)，那么將產(chǎn)生流體致動器206的不對稱操作。在偏轉(zhuǎn)周期的重復(fù)當(dāng)中，這樣的不對稱的流體致動器206的操作將在再循環(huán)通道203內(nèi)生成并且通過液滴發(fā)生器204的凈流體流動。然而，如果tl和t2壓縮和拉伸位移是相等的，或者是對稱的， 那么不管流體致動器206在通道203內(nèi)是不是不對稱放置都將幾乎不存在通過通道203的凈流體流動。
圖7、8和9示出了根據(jù)本公開的實(shí)施例的處于圖5的操作階段B和C的活動流體致動器206，其包括凈流體流動方向箭頭，所述箭頭指示其中流體通過再循環(huán)通道203和液滴發(fā)生器204流動(如果會出現(xiàn)的話)的方向。凈流體流動的方向取決于來自致動器的壓縮(正)和拉伸(負(fù))位移持續(xù)時間(tl和t2)。圖10、11和12示出了其持續(xù)時間分別與圖7、 8和9的位移持續(xù)時間tl和t2相對于的示例位移脈沖波形。對于壓電流體致動器203而 言，能夠通過電子控制器110精確地控制壓縮位移和拉伸位移時間，tl和t2，例如，電子控 制器110執(zhí)行來自(例如)諸如圖I中的流體噴射設(shè)備100內(nèi)的流動控制模塊112的指令。
參考圖7，壓縮位移持續(xù)時間tl比拉伸位移持續(xù)時間t2短，因而存在處于從再循 環(huán)通道203的短側(cè)(即，致動器所處的一側(cè))到所述通道的長側(cè)的方向內(nèi)的通過液滴發(fā)生器 204的凈流體流動。隨著流體通過液滴發(fā)生器204的腔214流動，能夠通過激活噴射元件 216而噴射一些流體。在圖10中可以看到壓縮和拉伸位移持續(xù)時間tl和t2之間的差異， 其示出了由流體致動器206可能生成的與壓縮位移持續(xù)時間tl和拉伸位移持續(xù)時間t2對 應(yīng)的示例位移脈沖波形。圖10的波形指示了具有大約O. 5微秒(ms)的壓縮位移持續(xù)時間 tl和大約9. 5ms的拉伸位移持續(xù)時間t2的大約I皮升(pi)的位移脈沖/周期。為所述流 體位移量和位移持續(xù)時間提供的值只是示例，并且其無論如何都并非旨在構(gòu)成限制。
在圖8中，壓縮位移持續(xù)時間tl比拉伸位移持續(xù)時間t2長，因而存在處于從再循 環(huán)通道203的長側(cè)通過液滴發(fā)生器204到所述通道的短側(cè)的方向內(nèi)的凈流體流動。此外， 隨著流體通過液滴發(fā)生器204的腔214流動，能夠通過激活噴射元件216而噴射一些流體。 在圖11中可以看到壓縮和拉伸位移持續(xù)時間tl和t2之間的差異，其示出了由流體致動器 206可能生成的與壓縮位移持續(xù)時間tl和拉伸位移持續(xù)時間t2對應(yīng)的示例位移脈沖波形。 圖11的波形指示了具有大約9. 5微秒(ms)的壓縮位移持續(xù)時間tl和大約O. 5ms的拉伸 位移持續(xù)時間t2的大約I皮升(pi)的位移脈沖/周期。
在圖9中，壓縮位移持續(xù)時間tl等于拉伸位移持續(xù)時間t2，因而幾乎不存在由流 體致動器206生成通過再循環(huán)通道203或液滴發(fā)生器204的凈流體流動。在圖12中可以 看到相等的壓縮和拉伸位移持續(xù)時間tl和t2，其示出了由流體致動器206可能生成的與 壓縮位移持續(xù)時間tl和拉伸位移持續(xù)時間t2對應(yīng)的示例位移脈沖波形。圖12的波形指 示了具有大約5. O微秒(ms)的壓縮位移持續(xù)時間tl和大約5. Oms的拉伸位移持續(xù)時間t2 的大約I皮升(Pl)的位移脈沖/周期。
注意的是，在圖9中，盡管存在流體致動器206在再循環(huán)通道203內(nèi)的不對稱定 位(滿足用于實(shí)現(xiàn)慣性泵送效果的一個條件)，但是仍然幾乎不存在通過通道203或液滴發(fā) 生器204的凈流體流動，因?yàn)榱黧w致動器206的操作不是不對稱的(不滿足用于實(shí)現(xiàn)泵送效 果的第二個條件)。類似地，如果流體致動器206的定位是對稱的(即，位于通道203的中心 處)，并且致動器206的操作是不對稱的，那么仍然將幾乎不存在通過通道203的凈流體流 動，因?yàn)椴]有滿足兩個泵送效果條件。
根據(jù)上文的示例和對圖5-12的討論，重要的是要注意流體致動器206的不對稱定 位的泵送效果條件和流體致動器206的不對稱操作的泵送效果條件之間的相互作用。也就 是說，如果流體致動器206的不對稱定位和不對稱操作沿同一方向起作用，那么流體致動 器206將表現(xiàn)出高效率的泵送效果。然而，如果流體致動器206的不對稱定位和不對稱操 作的作用彼此相逆，那么流體致動器206的不對稱操作將逆轉(zhuǎn)由流體致動器的不對稱定位 帶來的凈流動矢量，并且凈流動從通道的長側(cè)到通道203的短側(cè)。
此外，根據(jù)上面的示例以及對圖5-12的討論，現(xiàn)在可以更清楚地認(rèn)識到，上文相 對于圖2-4的再循環(huán)通道203討論的流體致動器206被假定為是其壓縮位移持續(xù)時間短于11其拉伸位移持續(xù)時間的致動器設(shè)備，因?yàn)閮袅黧w流動是從通道203的短側(cè)到所述通道的長 側(cè)前進(jìn)的。這樣的致動器的示例是電阻加熱元件，其對流體加熱，從而通過超臨界蒸汽的爆 炸而引起位移。這樣的事件具有爆炸不對稱性，其擴(kuò)張階段(即，壓縮位移)比其塌陷階段 (即，拉伸壓縮)更快。不能按照與(例如)由壓電膜致動器引起的偏轉(zhuǎn)不對稱性相同的方式 控制這一事件的不對稱性。
圖13示出了根據(jù)本公開的實(shí)施例的處于操作的不同階段中的具有集成流體致動 器206的再循環(huán)通道203的側(cè)視圖。圖13的再循環(huán)通道203與圖4所示的相同，但是為 了有助于描述將其圖示成線性形式。這個實(shí)施例與上文對于圖5示出和討論的類似，只是 所示的流體致動器膜的偏轉(zhuǎn)在通道203內(nèi)創(chuàng)建壓縮和拉伸位移的工作方式不同。更具體而 言，在圖13的示例中，拉伸(負(fù))位移發(fā)生在壓縮(正)位移之前。在先前的參考圖5-12的 示例中，壓縮(正)位移發(fā)生在拉伸(負(fù))位移之前。在圖13所示的操作階段A，流體致動器 206處于靜止位置并且是不活動的，因而不存在通過通道203的凈流體流動。在操作階段 B，流體致動器206是活動的，并且膜向下偏轉(zhuǎn)并且到流體通道203之外。隨著膜向下牽拉 流體，所述膜的這個向下的偏轉(zhuǎn)引起了通道203內(nèi)的流體的拉伸位移。在操作階段C，流體 致動器206是活動的，并且所述膜正在開始向上偏轉(zhuǎn)，從而返回到其初始靜止位置。隨著膜 將流體向上推到通道內(nèi)，這個向上偏轉(zhuǎn)引起了通道203內(nèi)的流體的壓縮位移。如果所述壓 縮位移和拉伸位移之間存在時間不對稱性，那么將通過通道203生成凈流體流動。凈流體 流動的方向取決于壓縮和拉伸位移的持續(xù)時間，其方式與上文討論相同。
圖14示出了根據(jù)本公開的實(shí)施例的示例移位脈沖波形，其持續(xù)時間可以分別與 圖13的位移持續(xù)時間tl和t2對應(yīng)。圖14的波形示出了發(fā)生在壓縮(正)位移之前的拉伸 (負(fù))位移。在先前的兩個示例當(dāng)中，流體致動器206均開始于靜止位置，并且之后要么先產(chǎn) 生壓縮(正)位移，隨后產(chǎn)生拉伸(負(fù))位移，要么其先產(chǎn)生拉伸位移，隨后產(chǎn)生壓縮位移。值 得指出的是，各種其他位移的示例和對應(yīng)的波形都是可能的。例如，可以沿特定的方向?qū)α?體致動器206預(yù)加載，和/或使流體致動器206能夠橫越(traverse)其靜止位置，從而使 得在其產(chǎn)生壓縮和拉伸位移時既偏轉(zhuǎn)到通道203內(nèi)，又從通道203中偏轉(zhuǎn)出來。
圖15示出了既偏轉(zhuǎn)到通道203內(nèi)又從該通道中偏轉(zhuǎn)出來的流體致動器206的示 例表示，連同代表性的位移脈沖波形，其用于舉例說明，在致動器206產(chǎn)生壓縮和拉伸位移 時怎樣能夠偏轉(zhuǎn)到通道203內(nèi)，以及從通道203內(nèi)偏轉(zhuǎn)出來，并且說明了致動器206的可能 的沿正或負(fù)偏轉(zhuǎn)的預(yù)加載。例如，通過在電子控制器110上執(zhí)行的流動控制模塊126控制 致動器206的這樣的進(jìn)出通道203的偏轉(zhuǎn)以及致動器206的預(yù)加載。
權(quán)利要求
1.一種流體噴射設(shè)備，其包括 流體再循環(huán)通道； 設(shè)置在所述再循環(huán)通道內(nèi)的液滴發(fā)生器； 與所述再循環(huán)通道的每一端流體連同的流體槽；以及 壓電流體致動器，其不對稱地位于所述再循環(huán)通道內(nèi)以促使流體從流體槽流動通過再循環(huán)通道和液滴發(fā)生器并且流回到流體槽。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的流體噴射設(shè)備，還包括控制器，其用于通過使所述壓電流體致動器生成具有受控的持續(xù)時間的壓縮和拉伸流體位移而控制流體流動的方向。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的流體噴射設(shè)備，其中，所述壓縮和伸張流體位移的持續(xù)時間不等。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的流體噴射設(shè)備，還包括可在控制器上執(zhí)行的流動控制模塊，其用于控制所述壓縮和拉伸流體位移的持續(xù)時間。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的流體噴射設(shè)備，還包括處于所述再循環(huán)通道內(nèi)的非活動部件閥門，其用于促進(jìn)沿一個方向的流體流動。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的流體噴射設(shè)備，其中，所述再循環(huán)通道包括入口通道、出口通道和連接通道，所述液滴發(fā)生器位于所述出口通道中，并且所述致動器位于所述入口通道中。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的流體噴射設(shè)備，其中，所述再循環(huán)通道包括入口通道、出口通道和連接通道，并且所述液滴發(fā)生器位于所述入口通道中，并且所述致動器位于所述出口通道中。
8.—種從流體噴射設(shè)備噴射流體的方法，包括 在具有液滴發(fā)生器的流體再循環(huán)通道內(nèi)，控制流體致動器的壓縮和拉伸流體位移的持續(xù)時間，從而使流體從流體槽流動通過液滴發(fā)生器并且流回到流體槽；以及 在流體流動通過液滴發(fā)生器時通過噴嘴噴射流體。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述壓縮和拉伸流體位移的持續(xù)時間的控制包括 生成第一持續(xù)時間的壓縮流體位移；以及 生成與所述第一持續(xù)時間不同的第二持續(xù)時間的拉伸流體位移。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，生成壓縮流體位移包括使機(jī)械膜彎曲到所述通道內(nèi)，從而使得減小所述通道內(nèi)的區(qū)域。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，生成拉伸流體位移包括使機(jī)械膜向通道外彎曲，從而使得增大通道內(nèi)的區(qū)域。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，所述第一持續(xù)時間比所述第二持續(xù)時間短，并且所述流體位移促使流體沿第一方向流動通過液滴發(fā)生器。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述第一持續(xù)時間比所述第二持續(xù)時間長，并且所述流體位移促使流體沿第二方向流動通過液滴發(fā)生器。
14.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，對流體致動器的壓縮和拉伸流體位移的持續(xù)時間的控制包括利用執(zhí)行機(jī)器可讀指令的控制器激活流體致動器。
15.一種流體噴射設(shè)備，其包括流體再循環(huán)通道內(nèi)的液滴噴射器； 用以控制通過所述再循環(huán)通道和液滴噴射器的流體流動的方向、速率和定時的流體控制系統(tǒng)； 其中，所述流體控制系統(tǒng)包括集成到所述再循環(huán)通道內(nèi)的流體致動器以及具有可執(zhí)行指令的控制器，所述指令用于促使所述流體致動器·在所述再循環(huán)通道內(nèi)生成驅(qū)動流體流動的時間不對稱壓縮和拉伸流體位移。
全文摘要
一種流體噴射設(shè)備包括流體再循環(huán)通道和設(shè)置在所述通道內(nèi)的液滴發(fā)生器。流體槽與所述通道的每一端流體連通，并且壓電流體致動器不對稱地位于所述再循環(huán)通道內(nèi)，以促使流體從流體槽流動通過所述再循環(huán)通道和液滴發(fā)生器并且流回到流體槽。
文檔編號B41J2/045GK102985261SQ201180035690
公開日2013年3月20日 申請日期2011年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月21日
發(fā)明者A.戈夫雅迪諾夫, P.J.本寧 申請人:惠普發(fā)展公司，有限責(zé)任合伙企業(yè)