專利名稱：沉積微滴的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在基片上沉積微滴。
背景技術(shù)：
噴墨打印機(jī)是在基片上沉積微滴的裝置的一種類型。噴墨打印機(jī)一般包括從墨源至噴嘴通道的墨通道。該噴嘴通道的末端為一個(gè)噴嘴孔，墨滴從該孔中噴出。墨滴噴射是通過用致動(dòng)器對墨通道中的墨加壓來控制的。該致動(dòng)器可以為一個(gè)壓電偏轉(zhuǎn)器、熱氣泡噴射發(fā)生器或靜電偏轉(zhuǎn)件。一個(gè)典型的打印組件具有一組帶有相應(yīng)的噴嘴孔和相關(guān)聯(lián)的致動(dòng)器的墨通道。可以獨(dú)立地控制從每一個(gè)噴嘴孔的液滴噴射。在一個(gè)按需要出液滴的打印組件中，當(dāng)打印組件和打印基片彼此相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，起動(dòng)每一個(gè)致動(dòng)器，有選擇地將液滴噴射在圖像的一個(gè)特定的象素位置上。在高性能的打印組件中，一般噴嘴孔直徑為50μm或更小，例如25μm左右，并且以100-300噴嘴/英寸的間距隔開，分辨率為100～300dpi或更大，提供墨滴的容積約為1～70皮升(pl)或更小的液滴。液滴噴射頻率一般為10KHz或更大。
這里引入全部內(nèi)容供參考的Hoisington等人的美國專利5265315號說明了一個(gè)具有半導(dǎo)體主體和壓電致動(dòng)器的打印組件。該主體由硅制成，腐蝕形成墨腔。噴嘴孔由附接在硅體上的一個(gè)單獨(dú)的噴嘴板形成。該壓電致動(dòng)器具有根據(jù)所加的電壓變化幾何形狀或彎曲的一個(gè)壓電材料層。壓電層的彎曲對沿著墨通道設(shè)置的泵送腔中的墨加壓。在Fishbeek等人的美國專利4825227號和Hine的美國專利4937598號中也說明了壓電噴墨打印組件，這里也引入其全部內(nèi)容供參考。
打印精度受許多因素影響，包括由組件中的多個(gè)噴嘴和在打印機(jī)的多個(gè)組件噴射的液滴的尺寸和速度的均勻性。墨滴尺寸和墨滴速度的均勻性又受諸如墨通道的尺寸均勻性，聲音干擾作用，墨流動(dòng)通道的污染和致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的均勻性一類的因素的影響。
在許多噴墨系統(tǒng)中，墨是通過一個(gè)供給導(dǎo)管送至與噴嘴連通的一個(gè)泵送腔時(shí)。墨在例如壓電元件的電子機(jī)械轉(zhuǎn)換器的作用下，通過快速壓縮該泵送腔的容積，周期地從該噴嘴噴射?？焖賶嚎s是在該腔容積相應(yīng)地快速膨脹之前和/或之后進(jìn)行的。在墨滴噴射循環(huán)的膨脹部分過程中，泵送腔中的墨壓力大大降低，增加了溶解在該腔內(nèi)的墨中的空氣在該腔的表面上生成氣泡的趨勢。氣泡尤其易于在腔中的成核位置，例如尖銳的拐角、微小的裂紋或凹坑、或者沉積在腔表面上的外來顆粒出生長，氣體可以停留在這些地方。如果膨脹/壓縮循環(huán)以足夠高的頻率發(fā)生，則氣泡尺寸從一個(gè)循環(huán)至下一個(gè)循環(huán)增加，形成整流擴(kuò)散(rectified diffusion)。泵送腔內(nèi)氣泡的存在妨礙以希望的方式對墨施加壓力以在選定的時(shí)間從噴嘴噴射選定容積的墨滴，造成打印質(zhì)量隨時(shí)間降低。整流擴(kuò)散對于高質(zhì)量噴墨系統(tǒng)問題更多，因?yàn)檫@種系統(tǒng)使用需要更高的壓力和頻率來恰當(dāng)?shù)貒娚涞恼承阅?br> 如果泵送腔中的壓力振動(dòng)的頻率較低，則在泵送腔內(nèi)成核地方的氣泡膨脹，但如圖1所示，在下一次行程之前重新溶解。在時(shí)間D，在膨脹行程過程中，形成氣泡20。后來，在時(shí)間E，在壓縮行程過程中，由于壓力增加和由于氣體從氣泡擴(kuò)散回至泵送腔的流體中，所以此時(shí)氣泡22較小。在這種低頻情況下，到時(shí)間F，氣泡溶解。
如果在泵送腔中的壓力振動(dòng)頻率較高，則在受到另一個(gè)膨脹循環(huán)之前的壓縮循環(huán)過程中，氣泡沒有時(shí)間重新溶解。圖2示出在多次泵送循環(huán)中，氣泡半徑如何總體上循環(huán)增大。圖3A-3C示出泵送腔中氣泡半徑增大的影響。參見圖2～3C，在時(shí)間G，在泵送腔34的壓縮行程過程中，打印元件30射出微滴32。在泵送腔34內(nèi)，有著半月板33，氣泡36具有半徑R36。后來，在時(shí)間H，在壓縮行程過程中，氣泡38(沒有示出)具有半徑R38。該半徑在下一個(gè)膨脹行程過程中，還進(jìn)一步增長。后來，在膨脹行程過程中的時(shí)間點(diǎn)I，在帶有半月板42的打印腔34中，氣泡40的尺寸增大。這個(gè)過程如以前一樣繼續(xù)，產(chǎn)生半徑為R44的氣泡44(沒有示出)和半徑為R46的氣泡46(沒有示出)。最后，在泵送腔中形成很大的氣泡體積48。此時(shí)，墨滴容積和速度會(huì)減小，或者在極端情況下，會(huì)完全妨礙噴射，因?yàn)楸緛硪糜趪娚湮⒌蔚哪芰勘挥糜趬嚎s氣泡。
以更高頻率噴射是人們所希望的，因?yàn)橥ㄟ^使線速度更高可以增加輸出量。工作頻率的一個(gè)重要限制為噴墨的共振頻率。該共振頻率由在泵送腔中的壓力波的往返行進(jìn)時(shí)間確定。因此，使泵送腔更小可增加噴墨的固有頻率，并可使工作頻率更高。使噴嘴直徑更小也可幫助在更高頻率下工作，但這也要求墨滴容積更小。也可以通過減小施加壓力的時(shí)間而以更高的頻率噴射，但這就要求壓力更高。一般，聲壓的范圍為從膨脹行程的周圍壓力以下大約2atm至壓縮行過程中的周圍壓力以上大約2～3atm。噴射頻率越高，整流擴(kuò)散造成的問題就越多。

發(fā)明內(nèi)容
大體上，本發(fā)明一個(gè)方面的特征為一種在基片上沉積微滴的裝置。該裝置包括一用于基片的支承件；一包括泵送腔的微滴噴射組件；一控制器；和一靜壓力源，用于將泵送腔中的總壓力提高到閾值壓力水平以上，以避免在泵送腔中發(fā)生整流擴(kuò)散式的氣泡生長。該微滴噴射組件位于支承件上方，用于將微滴沉積在基片上，并且除了泵送腔以外，還包括一移位件和一噴射微滴的噴孔。所述控制器向移位件提供信號以噴射微滴。
在一些實(shí)現(xiàn)方式中，所述靜壓力的絕對值大于大約1.5個(gè)大氣壓。
在一些實(shí)現(xiàn)方式中，所述信號以大于大約8000Hz的頻率提供。在另一些實(shí)現(xiàn)中，在大于大約8000Hz的頻率和絕對值大于大約1.5個(gè)大氣壓的靜壓力下提供所述信號。
噴射的微滴可以為墨或其他適合的微滴形成材料?；梢詾榧埢蛉魏纹渌m合的基片。
所述壓力源可以包括加壓氣體。氣體可以過濾以除去顆粒物質(zhì)。可將濕汽或汽化的溶劑加入該氣體中。該氣體可以為空氣或任何其他適合的氣體。
本發(fā)明的另一個(gè)方面的特征為一種裝置，該裝置包括一用于基片的支承件；包括泵送腔的一微滴噴射組件；一控制器；一外殼結(jié)構(gòu)；和將泵送腔中的總壓力提高到閾值壓力水平以上以避免在泵送腔中發(fā)生整流擴(kuò)散式的氣泡生長的一靜壓力源。該微滴噴射組件位于支承件上方，用于將微滴沉積在基片上。該微滴噴射組件除了泵送腔以外，還包括一移位件和一噴射微滴的噴孔。所述控制器向該移位件提供信號，以噴射微滴。所述外殼結(jié)構(gòu)與所述支承件一起形成一封閉區(qū)域，微滴通過該封閉區(qū)域噴射到所述基片上。所述外殼結(jié)構(gòu)還與所述支承件一起形成一入口間隙和一出口間隙，所述基片行進(jìn)通過該入口間隙和出口間隙。所述入口間隙可以為大約0.002～0.04英寸。所述出口間隙可以為大約0.002～0.04英寸。
在附圖和下面的說明中說明了本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的詳細(xì)情況。本發(fā)明的其他特點(diǎn)、目的和優(yōu)點(diǎn)在該說明、附圖以及權(quán)利要求書中將是顯而易見的。


圖1為低頻振動(dòng)情況下墨壓力與時(shí)間的關(guān)系的圖表；圖2為對于高頻振動(dòng)墨壓力和氣泡半徑與時(shí)間的關(guān)系的圖表；圖3A～3C示出理想打印頭中氣泡的生長；圖4為用于在基片上進(jìn)行打印的裝置的側(cè)視圖；圖5為圖4所示裝置的打印站的示意性側(cè)視圖；圖6為另一個(gè)實(shí)施例的側(cè)視圖；圖7為相對濃度與所加聲場的關(guān)系的圖表；在各個(gè)圖中，相同的標(biāo)號表示相同的零件。
具體實(shí)施例方式
圖4表示在基片52(例如紙)上連續(xù)沉積小墨滴的裝置50?；?2從位于供給臺56上的輥?zhàn)?4拉出，并送至一系列微滴沉積站58，用于將多種不同顏色的微滴沉積在基片52上。每一個(gè)微滴沉積站58在基片52上方具有一個(gè)微滴噴射組件60，用于將微滴沉積在基片52上。每一個(gè)沉積站58處在基片52下面為一個(gè)基片支承結(jié)構(gòu)62(例如一個(gè)非多孔的(non-porous)臺板)。在基片52從最后的沉積站64出來后，基片可以進(jìn)至預(yù)修整站66。該預(yù)修整站66可以用于干燥該基片52。它也可用于對基片52的紫外線或其他輻射固化。接著，基片52行進(jìn)至修整站68，在這里將其折疊和切割成加工完的產(chǎn)品70?；瓦M(jìn)速度大約為0.25～5.0m/sec或更高。微滴噴射組件可以噴射小墨滴。它也可以噴射可利用輻射固化的材料或其他可以作為微滴輸送的材料。
圖5示出可以避免顯著整流擴(kuò)散的高頻微滴沉積站58的組成部分。在這個(gè)裝置中，泵送腔中的墨的總壓力升高，使在膨脹行程過程中所達(dá)到的最小的總壓力足夠高，以避免在泵送腔中發(fā)生整流擴(kuò)散式的氣泡生長。如圖5示意性地所示，這點(diǎn)可通過將包括泵送腔92和墨源98的打印頭封閉在外殼80中，并利用經(jīng)油總管82通過狹縫84供給的加壓空氣將外殼80維持在高壓力水平，來增加泵送腔92內(nèi)和微滴噴射區(qū)86中的壓力而達(dá)到?？偣?2利用快速連接器(沒有示出)與壓縮機(jī)連接。微滴噴射組件58位于基片52(例如紙)上方。通過帶有狹縫84的總管82，將一個(gè)靜壓力源施加在外殼結(jié)構(gòu)80內(nèi)。用這種方法施加的壓力可減小封閉區(qū)域86中及其周圍的紊流。紊流會(huì)使打印質(zhì)量變差，因?yàn)橹饕哪魏洼^小的相應(yīng)的伴隨墨滴，會(huì)由于紊流空氣的影響而方向發(fā)生錯(cuò)誤?；?2通過位于基片支承結(jié)構(gòu)62(例如非多孔的臺板)的頂部上的入口間隙88和出口間隙90。該臺板優(yōu)選為非多孔的，因?yàn)楫?dāng)在高壓下將基片52拉過該臺板時(shí)，多孔的臺板可以產(chǎn)生太大的阻力。在基片52上面測量到的入口間隙88和出口間隙90為大約0.002～0.04英寸。如果該間隙太大，則功率需求受限制；如果該間隙太小，則圖像可能變得模糊或可能紙會(huì)阻塞。如果壓力太低，則可能產(chǎn)生整流擴(kuò)散，而如果壓力太高，則外殼結(jié)構(gòu)80的結(jié)構(gòu)要求可能無法實(shí)現(xiàn)。優(yōu)選，靜壓力的絕對值為大約1.5～10atm(高于周圍壓力0.5～9atm)。微滴噴射組件58包括帶有相連接的墨通道94的泵送腔92。墨通道94與連接至裝墨100的貯墨箱98的墨入口96連接。整個(gè)貯墨箱98保持在靜態(tài)壓力下。這點(diǎn)可利用貯墨箱98中小孔103實(shí)現(xiàn)。在泵送腔92內(nèi)，由于相對于泵送腔92的貯墨箱高度差造成的微小差別(例如0.1～0.3psi)可利用泵102(例如，小型離心鼓風(fēng)機(jī)式泵)來校正。水或其他溶劑可加入氣體，以抑制噴嘴干燥。為了減緩墨的老化，該氣體可以為空氣，或該氣體可以具有比空氣小的氧含量。相對于空氣增加氧含量可以減慢可用紫外線固化的墨的固化。另外，該氣體可以利用例如HEPA過濾器過濾，除去顆粒和過多的水分。
圖6示出另一個(gè)實(shí)施例，其中使用打印基片52下方的一個(gè)旋轉(zhuǎn)滾筒104替代圖5所示裝置中的外殼80下方的靜正、彎曲的支承件62。
圖7為相對濃度(Ci/C0)與所加的聲壓的關(guān)系的圖表，示出了在100kHz壓力場中對于各種平衡氣泡半徑和各種靜壓力，防止氣泡生長所需的空氣相對濃度與所加的聲壓的關(guān)系。Ci為在墨中的空氣濃度，C0為空氣飽和時(shí)墨中的空氣濃度。量100(Ci/C0)表示百分比飽和度。如果墨長時(shí)間與空氣接觸，則Ci/C0比將變成100％飽和。在許多噴墨系統(tǒng)中，為了避免氣泡問題，在使用前墨要脫氣。使墨脫氣可降低相對濃度值，使得可以在較高的所加聲場下工作，而不會(huì)有氣泡生長。增加靜壓力也使得可以在較高的聲壓下工作，而氣泡不生長。在圖表中，P0為靜壓力。X-軸表示聲壓場的振幅。在給定的靜壓力、所加的聲壓場和墨中的空氣相對濃度下，給定尺寸的氣泡或者生長或者收縮。增加靜壓力，降低墨中的空氣相對濃度和減小所加的振動(dòng)壓力場的振幅可使氣泡向收縮方向發(fā)展。作為一個(gè)例子，標(biāo)有Rn＝5μmP0＝1atm的曲線為平衡半徑(即沒有施加聲壓情況下的半徑)為5μm、靜壓力為1atm的氣泡的曲線。這個(gè)曲線表示，施加(+/-)40000Pascal的聲場，即使相對濃度為100％(Ci/C0＝1)氣泡也不會(huì)生長。如果希望在(+/-)100000Pascal壓力場中，這種氣泡不生長，則需要將相對濃度降低至大約27％。作為另一個(gè)例子，標(biāo)有Rn＝0.2μmP0＝5atm的曲線為平衡半徑(即沒有施加聲壓情況下的半徑)為0.2μm、靜壓力為5atm的氣泡的曲線。
在曲線以上的條件下，氣泡隨時(shí)間而生長，在曲線以下的條件下，氣泡收縮。在圖7所示的所有情況中，Rn＝0.2μmP0＝5atm為最不容易由于整流擴(kuò)散而使氣泡生長的。在這種情況下，在空氣飽和的墨中氣泡(Ci/C0＝1)不生長，直至所加的聲場超過450000Pascal。通過將墨脫氣至相對濃度為0.2，可以施加超過580000Pascal的聲壓場，而不會(huì)有氣泡生長。圖7顯示降低相對濃度Ci/C0的效果是有限的。例如，對于成核位置尺寸為Rn＝1～Rn＝5μm的情況，即使Ci/C0減小至1％(這較困難)，可以在射流中施加的最大聲場也只大約為150000Pascal。相反，通過增加靜壓力，可施加4倍高的聲場而不會(huì)使氣泡生長。Henry定律說，氣體在液體中的溶解度直接與和液體接觸的氣體壓力成比例。因此，當(dāng)墨上的空氣壓力從1atm增加至5atm時(shí)，相對濃度減小至1/5。如果將1atm的100％的墨泵入現(xiàn)為5atm的貯墨箱中，則Ci/C0＝20％。當(dāng)然要采取措施，使墨進(jìn)入泵送腔不會(huì)重新平衡至100％飽和。通過減與空氣接觸的噴射流體的表面積以及/或者以快到足以防止重新平衡的速度噴射流體，可以避免重新平衡。
以上已經(jīng)說明了許多實(shí)施例。然而，在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的條件下，可作各種改進(jìn)。例如，沉積的微滴可以為墨或其他材料。例如，沉積的微滴可以為可利用紫外線或其他輻射固化的材料或其他可作為微滴輸送的材料。例如，所述的裝置可以為精密分配系統(tǒng)的一部分。因此，其他的實(shí)施例都落入所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種在基片上沉積微滴的裝置，該裝置包括用于所述基片的一支承件；一微滴噴射組件，其位于所述支承件上方，用于將所述微滴沉積在所述支承件上的所述基片上，所述微滴噴射組件包括一泵送腔、一移位件和一噴射所述微滴的噴孔；一控制器，用于向所述移位件提供信號以噴射微滴；和一靜壓力源，用于將所述泵送腔中的總壓力提高至一閾值壓力水平以上，以避免在所述泵送腔中發(fā)生整流擴(kuò)散式的氣泡生長。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述靜壓力的絕對值大于大約1.5個(gè)大氣壓。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述信號以大于大約8000Hz的頻率提供。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述靜壓力的絕對值大于大約1.5個(gè)大氣壓，并且所述頻率大于大約8000Hz。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述微滴包括墨。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述基片包括紙。
7.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，還包括一連續(xù)運(yùn)動(dòng)的支承件。
8.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述靜壓力源包括加壓氣體。
9.如權(quán)利要求8所述的裝置，其中，還包括過濾所述加壓氣體，以除去顆粒物質(zhì)。
10.如權(quán)利要求8所述的裝置，其中，還包括添加濕汽至所述加壓氣體源中。
11.如權(quán)利要求8所述的裝置，其中，還包括添加溶劑至所述加壓氣體源中。
12.如權(quán)利要求8所述的裝置，其中，所述氣體為空氣。
13.如權(quán)利要求8所述的裝置，其中，所述氣體的氧含量小于空氣的氧含量。
14.如權(quán)利要求8所述的裝置，其中，所述氣體的氧含量大于空氣的氧含量。
15.一種在基片上沉積微滴的裝置，該裝置包括用于所述基片的一支承件；一微滴噴射組件，其位于所述支承件上，用于將所述微滴沉積在所述支承件上的所述基片上，所述微滴噴射組件包括一泵送腔、一移位件和一噴射所述微滴的噴孔；一控制器，其向所述移位件提供信號以噴射微滴；一外殼結(jié)構(gòu)，其與所述支承件一起形成一封閉區(qū)域，所述微滴通過該封閉區(qū)域噴射到所述基片上，所述外殼結(jié)構(gòu)還與所述支承件一起形成一入口間隙和一出口間隙，所述基片行進(jìn)通過該入口間隙和出口間隙；和一靜壓力源，用于將所述泵送腔中的總壓力提高至一閾值壓力水平以上，以避免在所述泵送腔中發(fā)生整流擴(kuò)散式的氣泡生長。
16.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中，所述靜壓力的絕對值大于大約1.5個(gè)大氣壓。
17.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中，所述信號以大于大約8000Hz的頻率下提供。
18.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中，所述靜壓力的絕對值大于大約1.5個(gè)大氣壓，并且所述頻率大于大約8000Hz。
19.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中，所述微滴包括墨。
20.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中，所述基片包括紙。
21.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中，還包括一連續(xù)運(yùn)動(dòng)的支承件。
22.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中，所述靜壓力源包括加壓氣體。
23.如權(quán)利要求22所述的裝置，其中，還包括過濾所述加壓氣體，以除去顆粒物質(zhì)。
24.如權(quán)利要求22所述的裝置，其中，還包括添加濕汽至所述加壓氣體源中。
25.如權(quán)利要求22所述的裝置，其中，還包括添加溶劑至所述加壓氣體源中。
26.如權(quán)利要求22所述的裝置，其中，所述氣體為空氣。
27.如權(quán)利要求22所述的裝置，其中，所述氣體的氧含量小于空氣的氧含量。
28.如權(quán)利要求22所述的裝置，其中，該氣體的氧含量大于空氣的氧含量。
29.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中，所述入口間隙為大約0.002～0.04英寸。
30.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中，所述出口間隙為大約0.002～0.04英寸。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種將微滴沉積在基片上的裝置。該裝置包括一用于基片的支承件；包括泵送腔的一微滴噴射組件；一控制器和將泵送腔中的總壓力保持在閾值壓力水平以上以避免在泵送腔中發(fā)生整流擴(kuò)散式的氣泡生長的一靜壓力源。該微滴噴射組件位于支承件上方，用于將微滴沉積在基片上，并且除了泵送腔以外，還包括一移位件和一噴射微滴的噴孔。所述控制器向該移位件提供信號，以噴射微滴。
文檔編號B05C11/00GK1816451SQ200480018612
公開日2006年8月9日 申請日期2004年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月13日
發(fā)明者梅爾文·L·比格斯, 史蒂文·H·巴斯, 保羅·A·霍伊辛頓 申請人:迪馬蒂克斯股份有限公司