CN101189130A - 流体喷射装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种流体喷射装置，它包括流体腔(110/210)、与流体腔相通的限流装置(120/220)以及与限流装置相通的流体通道(130/230)；其中限流装置的宽度在大约8微米到大约16微米之间的范围内，而限流装置的长度在大约5微米到大约20微米之间的范围内。

Description

流体喷射装置
背景技术
一种作为流体喷射系统的一个实施例的喷墨打印系统包括打印头、将液态墨供给到打印头的供墨装置、以及控制打印头的电子控制装置。作为流体喷射装置的一个实施例，打印头通过多个喷嘴或孔并朝向打印介质(例如纸张)喷射墨滴，以便在打印介质上打印。通常，孔以一个或多个行(或栏)或列的方式设置，以便从孔恰当顺序的喷射墨，当打印头与打印介质相对彼此移动时，将字母或其它图像打印在打印介质上。
在一种布置方式中，打印头可容纳不同颜色的墨，例如黑墨和/或一种或多种彩色的墨。然而，不同颜色的墨具有不同性质，因此具有不同的性能特征。相应地，为了使打印头的性能最优化，希望选择或调整打印头的参数以便容纳一种或多种不同的墨。
发明内容
本发明的一个方面是提供一种流体喷射装置。该流体喷射装置包括流体腔、与流体腔相通的限流装置、以及与限流装置相通的流体通道。如此，限流装置的宽度在大约8微米到大约16微米之间的范围内，而限流装置的长度在大约5微米到大约20微米之间的范围内。
附图说明
图1是显示根据本发明的喷墨打印系统的一个实施例的框图；
图2是显示根据本发明的流体喷射装置的一部分的一个实施例的示意性剖视图；
图3是显示根据本发明的流体喷射装置的一部分的一个实施例的俯视图；
图4是显示包括带有图3中的流体喷射装置的孔层的一个实施例的俯视图；
图5是显示根据本发明的流体喷射装置的一部分的另一个实施例的俯视图；
图6是显示包括带有图5中的流体喷射装置的孔层的一个实施例的俯视图；
图7是表格，其概述了根据本发明的流体喷射装置的示例性参数和示例性参数的范围的一个实施例；以及
图8是显示用于根据本发明的流体喷射装置的再填频率和流体表面张力与流体流阻的比值之间的关系曲线的曲线图。
具体实施方式
在下文的详细描述中，参考了形成本文的一部分的附图，其中显示了实施本发明的特定实施例。在这点上，方向术语，例如“顶”、“底”、“前”、“后”、“首”、“尾”等是参照所描述的附图的取向。由于本发明的实施例中的部件可设置在多个不同取向上，所以方向术语是用于图示的目的，而非限定性。应当理解的是，也可采用其它实施例以及结构或合理的变化而不偏离本发明的范围。因此下文的详细说明不是限定性的，本发明的范围由所附的权利要求书来限定。
图1图示出本发明的喷墨打印系统10的一个实施例。喷墨打印系统10构成了流体喷射系统的一个实施例，该流体喷射系统包括流体喷射装置，例如打印头组件12，和流体供给装置，例如供墨组件14。在图示的实施例中，喷墨打印系统10还包括安装组件16、介质输送组件18和电子控制器20。
作为流体喷射装置的一个实施例，打印头组件12根据本发明的一个实施例形成，并通过多个孔或喷嘴13喷射包括一种或多种彩色的墨的墨滴。虽然下文的描述指的是从打印头组件12喷射墨，但应当理解的是，其它液体、流体或可流动的物质也可从打印头组件12喷射出。
在一个实施例中，将微滴朝向介质导向，例如朝向打印介质19，以便打印到打印介质19上。通常，喷嘴13以一个或多个行(或栏)或列的方式配置，以便从喷嘴13恰当地按顺序喷射墨，在一个实施例中，当打印头组件12与打印介质19相对于彼此移动时，墨的喷射将字母、符号和/或其它图形或图像打印在打印介质19上。
打印介质19包括例如纸、卡片、信封、标签、透明膜、纸板、刚性面板和类似物品。在一个实施例中，打印介质19是一种连续形式或连续卷筒形式的打印介质19。因此，打印介质19可包括有连续的的未打印的纸卷。
作为流体供给装置的一个实施例，墨供给组件14将墨供给到打印头组件12，并包括用于储存墨的存储器15。因此，墨从存储器15流到打印头组件12。在一个实施例中，墨供给组件14和打印头组件12形成一个墨再循环输送系统。因此，墨从打印头组件12流回存储器15中。在一个实施例中，打印头组件12和墨供给组件14一起装放在喷墨或喷流盒或笔内。在另一实施例中，墨供给组件14与打印头组件12分开，并通过界面连接将墨供给到打印头组件12，例如供应管(未示出)。
安装组件16相对于介质输送组件18定位打印头组件12，且介质输送组件18相对于打印头组件12定位打印介质19。因此，打印区17邻近喷嘴13被限定在打印头组件12和打印介质19之间的区域，其中打印头组件12将墨滴存储在该打印区。在打印过程中通过介质输送组件18使打印介质19前进通过打印区17。
在一个实施例中，打印头组件12是一种扫描型打印头组件，且在打印介质19上打印一细长条(或一行swath)过程中，安装组件16相对于介质输送组件18和打印介质19移动打印头组件12。在另一实施例中，打印头组件12是一种非扫描型打印头组件，且在打印介质19上打印一细长条的过程中，随着介质输送组件18使打印介质19前进经过规定的位置，安装组件16相对于介质输送组件18将打印头组件12固定在规定的位置。
电子控制器20与打印头组件12、安装组件16和介质输送组件18相通。电子控制器20从一主机系统例如计算机接收数据21并包括暂时存储数据21的存储器。通常，数据21沿电子、红外线、光学或其它信息传输路径被传送到喷墨打印系统10。数据21例如代表要打印的文档和/或文件。因此，数据21为喷墨打印系统10产生打印工作并包括一个或多个打印工作指令和/或指令参数。
在一个实施例中，电子控制器20提供对打印头组件12的控制，包括从喷嘴13喷射墨滴的时间控制。因此，电子控制器20确定所喷射的墨滴的图案(或模式)，该图案在打印介质19上形成字母、符号和/或其它图形或图像。时间控制以及由此所喷射的墨滴的图案都由打印工作指令和/或打印参数来确定。在一个实施例中，形成电子控制器20的一部分的逻辑和驱动电路设置在打印头组件12上。在另一实施例中，形成电子控制器20的一部分的逻辑和驱动电路设置在离开打印头组件12的位置。
图2图示出打印头组件12的一部分的一个实施例。作为流体喷射装置的一个实施例，打印头组件12包括一个墨滴喷射元件30阵列。墨滴喷射元件30形成在其中形成有流体(或墨)给送槽42的基底40上。因此，流体给送槽42为墨滴喷射元件30提供流体(或墨)供应。
在一个实施例中，每一个墨滴喷射元件30包括薄膜结构50、阻挡层60、孔层70和滴落发生器80。薄膜结构50具有形成在其中的流体(或墨)给送开口52，该给送开口与基底40的流体给送槽42相通，而阻挡层60具有流体喷射腔62以及形成在其中的一个或多个流体通道64，以便流体喷射腔62经由流体通道64与流体给送开口52相通。
孔层70具有前表面72和形成在前表面72上的孔或喷嘴开口74。孔层70在阻挡层60上延伸，使得喷嘴开口74与流体喷射腔62相通。在一个实施例中，滴落发生器80包括电阻82。电阻82设置在流体喷射腔62内部并通过导线84电连接到驱动信号(或多个驱动信号)并接地。
虽然图示的阻挡层60和孔层70是分开的层，但在其它实施例中，阻挡层60和孔层70可形成为单个材料层，流体喷射腔62、流体通道64和/或喷嘴开口74形成在该单个层内。另外，在一个实施例中，流体喷射腔62、流体通道64和/或喷嘴开口74的各部分共同位于阻挡层60和孔层70之间或者形成在阻挡层60和孔层70内。
在一个实施例中，在操作过程中，流体经由流体给送开口52和一个或多个流体通道64从流体给送槽42流到流体喷射腔62中。喷嘴开口74操作上是与电阻82相关联的，使得一旦激活电阻82，将使流体微滴从流体喷射腔62穿过喷嘴开口74(例如基本垂直于电阻82的平面)并朝向打印介质喷射。
在一个实施例中，打印头组件12是一个完全集成的热喷墨打印头。因此，基底40例如由硅、玻璃或稳定的聚合物形成，而薄膜结构50包括一个或多个例如由二氧化硅、金刚砂、氮化硅、钽、聚硅玻璃或其它材料形成的钝化或绝缘层。薄膜结构50还包括一限定电阻82和导线84的导电层。该导电层例如由铝、金、钽、钽铝或其它金属或金属合金形成。另外，阻挡层60例如由感光环氧树脂，如SU8，形成，而孔层70由一个或多个例如包括金属材料，如镍、铜、铁/镍合金、钯、金或铑，的材料层形成。然而其它材料也可用于阻挡层60和/或孔层70。
图3图示出流体喷射装置的一部分的一个实施例，例如打印头12，其中将孔层移走。流体喷射装置100包括流体喷射腔110、限流装置(或流体约束装置)120和流体通道130。在一个实施例中，流体喷射腔110包括端壁112、相对的侧壁114和116以及端壁118。因此，流体喷射腔110的边界通常由端壁112、相对的侧壁114和116和端壁118来限定。在一个实施例中，端壁112和118基本相互平行取向，而侧壁114和116基本相互平行取向。
在一个实施例中，限流装置120与位于流体通道130和流体喷射腔110之间的流体通道相通，并且设置在其中。如下文所述，限流装置120和流体通道130的参数限定为使喷射装置100的操作或性能最优化。
在一个实施例中，限流装置120包括侧壁122和124，而流体通道130包括侧壁132和134。在一个实施例中，限流装置120的侧壁122和124基本上是线性的并且基本相互平行取向。另外，侧壁122和124每一个都基本垂直于流体喷射腔110取向，更具体地，就是垂直于流体喷射腔110的端壁118。另外，在一个实施例中，流体通道130的侧壁132和134基本上是线性的并且每一个都与限流装置120成一定角度取向，且更具体地，就是与限流装置120的侧壁122和124成一定角度取向。
在一个实施例中，流体通道130经由形成在流体喷射装置100的基底102上的流体给送槽104(在图中仅示出一个边缘)与流体供应源相通。如上所述，流体通道130与限流装置120相通，且因此将流体从流体给送槽104经由限流装置120供给到流体喷射腔110。在一个实施例中，一个或多个台(island)106形成在位于流体通道130内的流体喷射装置100的基底102上。
在一个实施例中，作为滴落发生器的一个实施例，如上所述，电阻140设置在流体喷射腔110内，使得通过激活电阻140流体微滴从流体喷射腔110喷射。因此，流体喷射腔110的边界限定为包围或围绕电阻140。在一个实施例中，电阻140包括分开的电阻。然而本发明的范围内电阻140包括单个电阻或多个电阻。
在一个实施例中，如图3所示，流体喷射腔110、限流装置120以及流体喷射装置100的流体通道130限定在阻挡层150内，如形成在基底102上。另外，在一个实施例中，如图4所示，具有形成在其中的孔162的孔层160在流体喷射装置100的阻挡层150上延伸。相应地，孔162与流体喷射腔110相通，使得从流体喷射腔110喷射的流体通过孔162排出。
图5图示出流体喷射装置的一部分的另一个实施例，例如打印头12，其中将孔层移走。与流体喷射装置100相似，流体喷射装置200包括流体喷射腔210、限流装置220和流体通道230。在一个实施例中，流体喷射腔210包括以与流体喷射腔110相似的方式配置的端壁212、侧壁214和216和端壁218。
在一个实施例中，限流装置220与位于流体喷射腔210和流体通道230之间的流体路径相通，并且设置在其中。如下文所述，与流体喷射装置100的限流装置120和流体通道130相似，限流装置220和流体通道230的参数限定为使喷射装置200的操作或性能最优化，在一个实施例中，限流装置220和流体通道230包括以与流体喷射装置100的侧壁相似的方式配置的相应的侧壁222和224、以及侧壁232和234。
在一个实施例中，流体通道230经由形成在流体喷射装置200的基底202上的流体给送槽204(在图中仅示出一个边缘)与流体供应源相通。另外，与上述方式相似，作为滴落发生器的一个实施例，电阻240设置在流体喷射腔210内，从而通过激活电阻240，流体微滴从流体喷射腔210喷射。
如图5的实施例所示，并且与上面参照流体喷射装置100的描述相似，流体喷射腔210、限流装置220以及流体喷射装置200的流体通道230限定在阻挡层250内，如形成在基底202上。另外，如图6实施例所示，具有形成在其中的孔262的孔层260在流体喷射装置200的阻挡层250上延伸。相应地，孔262与流体喷射腔210相通，使得从流体喷射腔210喷射的流体通过孔262排出。
在一个实施例中，多个流体喷射装置100和/或200形成在共同的基底上，并配置成基本形成一列或多列(或行)墨滴喷射元件。因此，相应的流体喷射装置100和/或200的墨滴喷射元件可用于从打印头12喷射不同颜色的墨。在一个示意性实施例中，如下文所述，流体喷射装置100最适合使用黑墨，而流体喷射装置200最适合使用彩色墨。
在一个实施例中，如图3-6所示以及如图7中表所概述的，选择流体喷射装置100和流体喷射装置200的不同参数以使流体喷射装置100或流体喷射装置200的性能最优化或者改善其性能。在一个实施例中，例如，使限流装置120和220的减流宽度(pinth width)W和减流长度(pinth length)L最优化。另外，使格长度(或支架shelf length)或从流体给送槽104和204到相应的流体喷射腔110和210的中心的距离D最优化。在一个实施例中，电阻140和240的面积，以及孔162和262的直径也实现最优化。
在一个示例性实施例中，如图7表所图示出的，阻挡层150和250的厚度T以及孔160和260的厚度t通常是固定的。在一个实施例中，阻挡层150和250的厚度T确定了流体喷射腔110和210、限流装置120和220以及流体通道130和230的高度或深度。由此，如上所述，通过使流体喷射装置100和200的选定参数最优化，供应到流体喷射腔110和210的流体的体积和/或速度可实现最优化。
在一个实施例中，限流装置120和220的减流宽度W在相应的侧壁122和124之间以及侧壁222和224之间进行测量，并且基本恒定。另外，限流装置120和220的减流宽度L沿着在侧壁132和134、以及相应的流体通道130、230的侧壁232和234以及相应的流体喷射腔110和120的端壁118和218之间的相应的侧壁122和124以及侧壁222和224进行测量。
在一个实施例中，流体喷射腔110和120的给送速度直接与相应的限流装置120和220的横截面积成正比。相应地，限流装置120和220的横截面积由限流装置120和220的高度或深度以及限流装置120和220的宽度来确定。因此，在一个实施例中，限流装置120和220的横截面基本上是矩形的。然而限流装置120和220的横截面可以是其它形状。
在一个实施例中，穿过限流装置120和220到相应的流体喷射腔110和210的流动的总阻抗实现最优化，以避免流体喷射腔110和210溢出。因此，将流体喷射装置100和200最优化，以便在所希望的操作范围内，使流体到相应的流体喷射腔110和210的流动的阻抗保持基本恒定。在一个示例性实施例中，使每个流体喷射装置100和200最优化，以便在到达至少大约36千赫的操作范围内，使流体到相应的流体喷射腔110和210的流动的阻抗保持基本恒定。
在一个实施例中，如上所述，除了使流体喷射装置100和200的参数最优化外，从流体喷射装置100和200喷射的流体的性质也尽可能得到优化，以使流体喷射装置100和200的性能最优化。例如，将从流体喷射装置100和200喷射的流体的性质最优化，以使从流体喷射装置100和200喷射的微滴重量和滴落速度最优化，同时使流体喷射装置100和200的高频响应最优化。
在一个实施例中，例如，使从流体喷射装置100和200喷射的流体的表面张力和/或粘性最优化，以使流体喷射装置100和200的性能最优化。在一个示例性实施例中，从流体喷射装置100和200喷射的流体的表面张力的范围在大约20达因/厘米到大约60达因/厘米之间，而从流体喷射装置100和200喷射的流体的粘度范围在大约1.5厘泊到大约3.0厘泊之间。
在一个实施例中，将流体喷射装置100和200进行优化以产生基本均匀或恒定的微滴重量(或滴落重量)的微滴。在一个示例性实施例中，从流体喷射装置100和200喷射的微滴的微滴重量的范围在大约4毫微克到大约8毫微克之间。另外，在一个实施例中，同样将从流体喷射装置100和200喷射的流体的微滴滴落的频率进行优化以使流体喷射装置100和200的性能最优化。
在一个实施例中，知道墨的粘度以及墨滴速度和墨滴重量的需求，可使电阻和孔的尺寸最优化，其中电阻尺寸由电阻面积的平方根限定，而孔的尺寸限定为孔开口的直径。因此，可确立电阻与孔的比值用以产生所希望的滴落速度。在一个示例性实施例中，电阻/孔的比值大约是1.4，从而对于比值每增大0.1单位，滴落速度增加大约8％。相应地，以设计的电阻/孔比值来确定电阻尺寸和孔尺寸，以产生所希望的滴落重量。在一个示例性实施例中，电阻尺寸每增大1微米滴落重量增大大约0.3毫微克，而孔尺寸每增大1微米滴落重量增大大约0.6毫微克。另外，利用粘度每降低1厘泊滴落重量增大0.25毫微克的关系来实现墨的粘度的调节。
在一个实施例中，如图8的图表所示，流体喷射装置100和200的再填频率以及可从流体喷射装置100和200喷射流体的液滴的频率随着流体的表面张力和存在于流体中的流阻而变化。在一个实施例中，再填频率与墨的表面张力成线性正比，且与格长度成线性正比。另外，再填频率与流阻参数成反比，例如与减流长度/减流宽度的平方根成反比。因此，通过已知的流体表面张力和已知的系统操作频率需求，可使减流宽度W、减流长度L以及格长度D最优化。
在一个实施例中，如上所述，将流体喷射装置100调整为使一种流体(或者墨)的性能最佳，例如黑墨，而将流体喷射装置200调整为使另一种流体(或者墨)的性能最佳，例如彩墨。因此，选择流体喷射装置100和200的参数，例如相应的限流装置120和220的减流宽度W和减流长度L以及格长度D，使得它们相应的性能最优化。然而，流体喷射装置100和200的参数保持在整个系统的范围内。相应地，在相同的系统参数范围内进行设计的同时流体喷射装置100和200可容纳一种或多种不同的墨。
虽然此处已经图示和描述了特定实施例，本领域技术人员可以理解的是，很多种替换和/或等同的实施例可代替图示和所描述的特定实施例，而不偏离本发明的范围。本申请意欲覆盖此处所描述的特定实施例的任何改变或变型。因此，本发明仅通过权利要求书和其等同物来限定。

Claims (20)

1.一种流体喷射装置，它包括：
流体腔(110/210)；
与所述流体腔相通的限流装置(120/220)；和
与所述限流装置相通的流体通道(130/230)；
其中，所述限流装置的宽度在大约8微米到大约16微米之间的范围内，而所述限流装置的长度在大约5微米到大约20微米之间的范围内。
2.根据权利要求1的流体喷射装置，其特征在于，所述流体通道和所述限流装置每一个都包括第一和第二线性侧壁(132，134；122，124/232，234；222，224)，其中，所述限流装置的所述第一和第二线性侧壁在所述流体通道的所述第一和第二线性侧壁和所述流体腔之间延伸。
3.根据权利要求1的流体喷射装置，其特征在于，所述流体通道和所述流体腔之间所述限流装置的宽度基本恒定。
4.根据权利要求1的流体喷射装置，其特征在于，其还包括：
与所述流体通道相通的流体给送槽(104/204)；
其中，从所述流体给送槽的边缘到所述流体腔的中心的距离在大约46微米到大约76微米之间的范围内。
5.根据权利要求1的流体喷射装置，其特征在于，其还包括：
形成在所述流体腔内的电阻(140/240)；
其中所述电阻的面积在大约350平方微米到大约500平方微米之间的范围内。
6.根据权利要求1的流体喷射装置，其特征在于，其还包括：
与所述流体腔相通的孔(162/262)；
其中，所述孔的直径在大约13微米到大约16.5微米之间的范围内。
7.一种流体喷射装置，它包括：
具有形成在其内的流体给送槽(104/204)的基底(102/202)；
形成在所述基底上的阻挡层(150/250)；
其中，所述阻挡层限定流体腔(110/210)、与所述流体腔相通的限流装置(120/220)和与所述基底的所述流体给送槽和所述限流装置相通的流体通道(130/230)，
其中，从所述流体给送槽的边缘到所述流体腔的中心的距离在大约46微米到大约76微米之间的范围内，且其中所述限流装置的宽度在大约8微米到大约16微米之间范围内，而它的长度在大约5微米到大约20微米之间范围内。
8.根据权利要求7的流体喷射装置，其特征在于，所述流体通道和所述限流装置每一个都包括第一和第二线性侧壁(132，134；122，124/232，234；222，224)，其中，所述限流装置的所述第一和第二线性侧壁在所述流体通道的所述第一和第二线性侧壁和所述流体腔之间延伸。
9.根据权利要求7的流体喷射装置，其特征在于，所述流体通道和所述流体腔之间所述限流装置的宽度基本恒定。
10.根据权利要求7的流体喷射装置，其特征在于，其还包括：
形成在所述基底上并与所述流体腔相通的电阻(140/240)；
其中，所述电阻的面积在大约350平方微米到大约500平方微米之间的范围内。
11.根据权利要求7的流体喷射装置，其特征在于，其还包括：
孔层(160/260)，所述孔层在所述阻挡层上延伸并具有与所述流体腔相通的孔(162/262)，其中，所述孔的直径在大约13微米到大约16.5微米之间的范围内。
12.根据权利要求7的流体喷射装置，其特征在于，所述阻挡层的厚度大约为14微米。
13.根据权利要求7的流体喷射装置，其特征在于，其还包括：
与所述流体通道相通的流体供给装置；
其中，所述流体的表面张力的范围在大约20达因/厘米到大约60达因/厘米之间，而它的粘度范围是大约1.5厘泊到大约3.0厘泊之间。
14.根据权利要求13的流体喷射装置，其特征在于，所述装置适于以到达至少大约36千赫的频率喷射微滴，每一所述微滴的重量在大约4毫微克到大约7毫微克之间的范围内。
15.一种液体喷射系统，它包括：
第一和第二流体供给装置；
与相应的第一和第二流体供给装置相通的第一和第二限流装置(120/220)；和
与相应的第一和第二限流装置相通的第一和第二流体腔(110/210)；
其中，所述第一限流装置的宽度在大约8微米到大约10微米之间的范围内，而它的长度在大约10微米到大约20微米之间的范围内，所述第二限流装置的宽度在大约10微米到大约16微米之间的范围内，而它的长度在大约5微米到大约10微米之间的范围内。
16.根据权利要求15的流体喷射系统，其特征在于，其还包括：
第一和第二流体给送槽(104/204)，所述第一和第二流体给送槽经由相应的第一和第二限流装置与相应的第一和第二流体供给装置和相应的第一和第二流体腔相通；
其中，从所述第一流体给送槽的边缘到所述第一流体腔的中心的距离在大约61微米到大约71微米之间的范围内，并且从所述第二流体给送槽的边缘到所述第二流体腔的中心的距离在大约51微米到大约61微米之间的范围内。
17.根据权利要求15的流体喷射系统，其特征在于，其还包括：
形成在相应的第一和第二流体腔内的第一和第二电阻(104/240)，其中所述第一电阻的面积大约是400平方微米，而所述第二电阻的面积是大约450微米；和
与相应的第一和第二流体腔相通的第一和第二孔(162/262)，其中，所述第一孔的直径大约是14微米，而所述第二孔的直径大约是15微米。
18.根据权利要求15的流体喷射系统，其特征在于，所述第一流体供给装置的流体的表面张力大约是58达因/厘米，而它的粘度是大约1.8厘泊，且所述第二流体供给装置的流体的表面张力大约是29达因/厘米，而它的粘度是大约2.5厘泊。
19.根据权利要求15的流体喷射系统，其特征在于，所述系统适于以达到至少大约24千赫的频率从所述第一流体腔喷射来自所述第一流体供给装置的流体微滴，每一微滴的重量大约是6毫微克，并以达到至少大约36千赫的频率从所述第二流体腔喷射来自所述第二流体供给装置的流体微滴，每一微滴的重量大约是5毫微克。
20.根据权利要求15的流体喷射系统，其特征在于，所述第一流体供给装置包括黑墨，而所述第二流体供给装置包括彩墨。
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