CN102026813B - 流体液滴喷射装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于喷射流体液滴的***。所述***包括：基板，所述基板具有包括流体抽吸室的流路体；以使流体流动的方式连接到流体抽吸室的下降装置；以及以使流体流动的方式连接到所述下降装置的喷嘴。喷嘴被布置成用于通过形成于基板外表面中的出口喷射流体液滴。流路体还包括以使流体流动的方式连接到下降装置的再循环通道。所述用于喷射流体液滴的***还包括以使流体流动的方式连接到流体抽吸室的流体供应容器、以使流体流动的方式连接到再循环通道的流体返回容器以及以使流体流动的方式连接流体返回容器和流体供应容器的泵。在一些实施方式中，通过流路体的流体流具有足以迫使气泡或污染物通过流路体的流量。

Description

流体液滴喷射装置

技术领域

本发明涉及流体喷射装置。

背景技术

在一些流体喷射装置中，流体液滴从一个或多个喷嘴喷射到介质上。喷嘴以使流体流动的方式连接到包括流体抽吸室的流体通路。流体抽吸室可以由致动器致动，从而喷射流体液滴。所述介质可以相对于流体喷射装置移动。流体液滴从特定喷嘴的喷射在时间上由介质的运动来决定，以便将流体液滴放在介质上的所需位置处。在这些流体喷射装置中，通常理想的是喷射同样尺寸和速度的流体液滴以及在相同的方向上喷射流体液滴，以便提供流体液滴在介质上的均匀沉积。

发明内容

在一个方面，在此所述的***、装置和方法包括用于喷射流体液滴且包括基板的***。所述基板可以包括流路体，所述流路体具有形成于所述流路体中的流路。所述流路可以包括流体抽吸室、以使流体流动的方式连接到所述流体抽吸室的下降装置(descender)以及以使流体流动的方式连接到所述下降装置的喷嘴。所述喷嘴可以设置用于通过形成于喷嘴层外表面中的出口喷射流体液滴。再循环通道可以以使流体流动的方式连接到所述下降装置，并且与所述抽吸室相比可以更靠近所述喷嘴。流体供应容器可以以使流体流动的方式连接到所述流体抽吸室。流体返回容器可以以使流体流动的方式连接到所述再循环通道。泵可以被构造成以使流体流动的方式连接所述流体返回容器和所述流体供应容器。

在另一个方面，一种用于喷射流体液滴的装置可以包括基板，所述基板具有形成于所述基板中的流体抽吸室。下降装置可以形成于所述基板中并以使流体流动的方式连接到所述流体抽吸室。致动器可以与所述流体抽吸室形成压力连通。喷嘴可以形成于所述基板中，并且可以以使流体流动的方式连接到所述下降装置。所述喷嘴可以具有用于喷射流体液滴的出口，并且所述出口可以形成于基板外表面中。再循环通道可以形成于所述基板中，并且在使得所述基板外表面与所述再循环通道的最靠近表面之间的距离小于或大约为所述出口的宽度的10倍的位置处以使流体流动的方式连接到所述下降装置，，并且所述再循环通道没有以使流体流动的方式连接到不同的流体抽吸室。

在另外一个方面，一种用于喷射流体液滴的装置可以包括：基板，所述基板具有形成于所述基板中的流体抽吸室；下降装置，所述下降装置形成于所述基板中，并且以使流体流动的方式连接到所述流体抽吸室；以及致动器，所述致动器与所述流体抽吸室形成压力连通。喷嘴可以形成于所述基板中并以使流体流动的方式连接到所述下降装置。所述喷嘴可以具有用于喷射流体液滴的出口，并且所述出口可以形成于基板外表面中。再循环通道可以形成于所述基板中，并且以使流体流动的方式连接到所述下降装置，而所述再循环通道没有以使流体流动的方式连接到不同的流体抽吸室。所述喷嘴可以具有与所述出口相对的喷嘴开口以及位于所述喷嘴开口与所述出口之间的锥形部。所述再循环通道的靠近所述喷嘴的表面与所述喷嘴开口大体齐平。

在另一个方面，一种用于喷射流体液滴的装置可以包括：基板，所述基板具有形成于所述基板中的流体抽吸室；下降装置，所述下降装置形成于所述基板中，并且以使流体流动的方式连接到所述流体抽吸室；以及喷嘴，所述喷嘴形成于所述基板中并以使流体流动的方式连接到所述下降装置，所述喷嘴具有用于喷射流体液滴的出口，所述出口与基板外表面共面。也可以关于每个下降装置对称布置两个再循环通道，并且所述两个再循环通道以使流体流动的方式连接到每个下降装置。

在另外一个方面，一种用于喷射流体液滴的装置可以包括：基板，所述基板具有形成于所述基板中的流体抽吸室；下降装置，所述下降装置形成于所述基板中，并且以使流体流动的方式连接到所述流体抽吸室；以及喷嘴，所述喷嘴形成于所述基板中并以使流体流动的方式连接到所述下降装置。致动器可以与所述流体抽吸室形成压力连通，并且可以能够产生用于使流体液滴从所述喷嘴喷出的发射脉冲，所述发射脉冲具有发射脉冲频率。再循环通道可以形成于所述基板中，并且被构造成在所述发射脉冲频率下具有大体高于所述喷嘴的阻抗的阻抗。

在另一个方面，一种用于流体液滴喷射的装置可以包括：基板，所述基板具有形成于所述基板中的流体抽吸室；致动器，所述致动器与所述流体抽吸室形成压力连通，并且能够产生用于使液滴从所述喷嘴喷出的发射脉冲，所述发射脉冲具有发射脉冲宽度；以及下降装置，所述下降装置形成于所述基板中，并且以使流体流动的方式连接到所述流体抽吸室。喷嘴可以形成于所述基板中并以使流体流动的方式连接到所述下降装置。再循环通道可以形成于所述基板中并以使流体流动的方式连接到所述下降装置，所述再循环通道具有大体等于所述发射脉冲宽度乘以流体中的声速再除以二的长度。

实施方式可以包括一个或多个以下特征。泵可以被构造成用于保持所述流体供应容器中的流体高度与所述流体返回容器中的流体高度之间的预定高度差，并且所述预定高度差可以选定为使流体以足以迫使气泡或污染物通过所述流体抽吸室、所述下降装置和所述再循环通道的流体流动通过所述基板。***可以被搞糟成没有以使流体流动的方式连接在所述基板与所述流体供应容器之间的泵。***还可以被构造成没有以使流体流动的方式连接在所述基板与所述流体返回容器之间的泵。通过所述再循环通道的流量(以皮升/秒表示)与所述出口的面积(以平方微米表示)的比值可以至少为大约10。在一些实施方式中，所述出口的面积可以为大约156平方微米，而通过所述再循环通道的流量可以至少为大约1500皮升/秒。所述基板外表面与所述再循环通道的最靠近表面之间的距离可以小于所述出口的宽度的大约10倍。在一些实施方式中，所述出口的宽度可以为大约12.5微米，所述基板外表面与所述再循环通道的所述最靠近表面之间的距离可以小于大约60微米。***还可以包括定位成从通过所述基板的流体流中除去空气的脱气器。***还可以包括定位成从通过所述基板的流体流中除去污染物的过滤器。***还可以包括定位成加热通过所述基板的流体流的加热器。

此外，两个再循环通道可以被构造成用于使流体从所述下降装置流动到所述两个再循环通道中的每一个。两个再循环通道可以被构造成用于使流体从所述两个再循环通道中的一个流动通过所述下降装置至所述两个再循环通道中的另一个。所述两个再循环通道的尺寸可以大约彼此相等。

在一些实施方式中，每个下降装置都仅具有以使流体流动的方式与下降装置连接的单个再循环通道。所述再循环通道在所述发射脉冲频率下的阻抗可以至少高于所述喷嘴的阻抗两倍，例如，至少高于所述喷嘴的阻抗十倍。所述再循环通道在所述发射脉冲频率下的阻抗可以高到足以防止所述发射脉冲通过所述再循环通道产生能量损失，所述能量损失会显著降低施加到所述喷嘴中的流体的压力。发射脉冲频率可以具有发射脉冲宽度，并且所述再循环通道的长度可以大体等于所述发射脉冲宽度乘以流体中的声速再除以二。所述再循环通道的横截面面积可以小于所述下降装置的横截面面积，例如，小于所述下降装置的横截面面积的大约十分之一。装置还可以包括再循环沟槽，所述再循环沟槽形成于所述基板中并与所述再循环通道流体连通，并且所述再循环通道与所述再循环沟槽之间在横截面面积上的过渡处可以包括锐角。

在一些实施例中，装置可以包括一个或多个以下优点。流体在所述喷嘴和出口附近的循环可以防止污染物干扰流体液滴喷射并可防止墨水在所述喷嘴中干燥。脱气流体的循环可以从所述流体压力通路中清除充气流体，并且可以除去或溶解气泡。在装置包括多个喷嘴的情况下，除去气泡和充气墨水可以促进一致的流体液滴喷射。此外，在发射脉冲频率下采用具有高阻抗的再循环通道可以使通过所述再循环通道损失的能量最小化，并且可以减少在流体液滴喷射后回填所述喷嘴所需的时间。此外，再循环通道相对于每个喷嘴的一致布置可以促进喷嘴适当的对准。再循环通道关于喷嘴的对称布置可以减少或消除流体液滴喷射的偏转，否则可能会由于存在单个再循环通道或关于喷嘴没有对称布置的多个再循环通道而造成该偏转。上述***可以为自动加注(self-priming)。此外，具有流体供应容器和流体返回容器且在这些容器之间具有泵的***可以将泵的压力效果与***的其余部件(例如，流路体)隔离开，从而帮助传送流体而无需通常由泵产生的压力脉冲。

在附图和以下说明中阐述了本发明的一个或多个实施例的细节。本发明的其它特征、目的和优点将从该说明和附图以及权利要求中清楚呈现。

附图说明

图1A是打印头的一部分的横截面侧视图；

图1B是沿图1A中的线B-B截得且沿箭头方向看到的横截面俯视图；

图1C是沿图1A中的线C-C截得且沿箭头方向看到的横截面俯视图；

图2是沿图1B中的线2-2截得且沿箭头方向看到的横截面侧视图；

图3A是流体喷射结构的可选实施例的横截面侧视图；

图3B是沿图3A中的线3-3截得且沿箭头方向看到的横截面俯视图；

图4是流体喷射结构的可选实施例的横截面俯视图；

图5是沿图2中的线5-5截得且沿箭头方向看到的横截面俯视图；

图6是对用于流体再循环的***的示意性说明；

图7A是呈现发射脉冲(firing pluse)的曲线图；

图7B是呈现响应图7A中所示的发射脉冲的压力的曲线图；以及

相同的附图标记在各附图中表示相同的元件。

具体实施方式

流体液滴喷射可以通过包括流体流路体、隔膜和喷嘴层的基板来实现。流路体内形成有流体流路，所述流体流路可以包括流体抽吸室、下降部、具有出口的喷嘴以及再循环通道。流体流路可以制造得极微小。致动器可以位于隔膜的与流路体相对且紧邻流体抽吸室的表面上。当致动器被驱动时，致动器将发射脉冲传送给流体抽吸室，使得通过所述出口喷射流体的液滴。再循环通道可以在接近喷嘴和出口处，例如在与喷嘴齐平处，以使流体流动的方式连接到下降部。流体可以不断地循环通过流路，并且没有从出口喷射出的流体可以被引导通过再循环通道。流路体通常包括多个流体流路和喷嘴。

流体液滴喷射***可以包括所述的基板。所述***还可以包括返回部以及用于基板的流体源，其中所述返回部用于流动通过基板但没有从基板的喷嘴喷出的流体。流体储存器可以以使流体流动的方式连接到基板，以用于将诸如墨水的流体供应到基板以用于喷射。从基板流出的流体可以被引导到流体返回容器。例如，流体可以为化学化合物、生物物质或墨水。

参见图1A，显示了一个实施方案中的打印头100的一部分的横截面示意图。打印头100包括基板110。基板110包括流体流路体10、喷嘴层11以及隔膜66。基板入口12向流体进入通道14供应流体。流体进入通道14以使流体流动的方式连接到上升装置(ascender)16。上升装置16以使流体流动的方式连接到流体抽吸室18。流体抽吸室18靠近致动器30。致动器30可以包括诸如钛锆酸铅(PZT)层的压电层31、电追踪器(trace)64以及接地电极65。电压可以施加在致动器30的电追踪器64与接地电极65之间，以便将电压施加到致动器30，从而驱动致动器30。隔膜66位于致动器30与流体抽吸室18之间。胶粘层67将致动器30固定到隔膜66。尽管图1A中显示致动器30是连续的，但压电层31也可以例如在制造期间通过蚀刻步骤被制成为非连续的。另外，尽管图1A显示出诸如再循环通道和进入通道的各种通道以及基板入口12，但这些部件可以不都在相同的平面内(在图1B和图1C所示的实施方式中不在相同的平面内)。在一些实施方式中，两个或更多个流体流路体10、喷嘴层11以及隔膜可以形成为一个整体。

喷嘴层11固定到流路体10的底部表面。具有出口24的喷嘴22形成于喷嘴层11的喷嘴层外表面25中。流体抽吸室18以使流体流动的方式连接到下降装置20，所述下降装置以使流体流动的方式连接到喷嘴22(参见图2)。流体抽吸室18、下降装置20以及喷嘴22在此可以共同称为流体压力通路。对于方形出口24而言，出口24的侧部的长度可以例如在大约5微米与大约100微米之间，例如大约为12.5微米。如果出口24不为方形，则平均宽度可以例如在大约5微米与大约100微米之间，例如大约为12.5微米。该出口尺寸可以产生用于某些实施方案的有用的流体液滴尺寸。

再循环通道26在靠近喷嘴22的位置处以使流体流动的方式连接到下降装置20，下面会更详细地加以说明。再循环通道26还以使流体流动的方式连接到再循环沟槽28，使得再循环通道26在下降装置20与再循环沟槽28之间延伸。再循环沟槽28可以具有比再循环通道26大的横截面面积，并且横截面面积的变化可以是突然的而不是渐进的。横截面面积的这种突然变化可以使通过再循环通道26的能量损失最小化，下面会更详细地加以说明。此外，再循环通道26可以具有比下降装置20小的横截面面积。例如，再循环通道26的横截面面积可以小于下降装置20的横截面面积的十分之一或者小于百分之一。上升装置16、流体抽吸室18、下降装置20、再循环通道26以及基板中的其它特征在一些实施方案中可以被制造得极微小。

图1B是沿图1A中的线B-B截得的打印头100的一部分的说明性横截面图。图1C是沿图1A中的线C-C截得的打印头100的一部分的说明性横截面图。参见图1B和图1C，流路体10包括形成于该流路体内且相对于彼此平行延伸的多个进入通道14。多个进入通道14与基板入口12流体连通。流路体10还包括形成于该流路体内且与基板出口(未示出)流体连通的多个再循环沟槽28。流路体10还包括形成于该流路体内的多个上升装置16、流体抽吸室18以及下降装置20。上升装置16和流体抽吸室18以交替的图案沿平行列延伸，并且下降装置20也沿平行列延伸。每个上升装置16显示出都以使流体流动的方式将进入通道14连接到相应的流体抽吸室18，并且每个流体抽吸室18显示出都以使流体流动的方式连接到相应的下降装置20。形成于流路体10中的再循环通道26以使流体流动的方式将每个下降装置20都连接到至少一个相应的再循环沟槽28。参见图1C，每个下降装置20显示出具有一个相应的喷嘴22。每列流体压力通路都可以以使流体流动的方式连接到共用的进入通道14，并且每个流体压力通路都可以具有其自己的与其它流体压力通路分开的再循环通道26。这种布置可以提供通过连接到共用的进入通道14的每个流体压力通路(包括通过再循环通道26)在相同方向上一致的流体流。这可以防止例如由于具有连接到相邻流体压力通路(例如，奇数及偶数压力通路)的再循环通道而造成的流体喷射变化。在一些实施方式中，每一个都包括流体抽吸室18、下降装置20和再循环通道26的多个流路部可以以使流体流动的方式平行地连接到流体进入通道14与再循环沟槽28之间。也就是说，多个流路部可以被构造成彼此之间(例如，除了通过流体进入通道14或再循环沟槽28)不具有流体流动连接。在一些实施方式中，每个流路部还可以都包括上升装置16。

图2是沿图1B中的线2-2截得的说明性横截面图。流体进入通道14、上升装置16、流体抽吸室18、下降装置20、喷嘴22和出口24类似于图1A进行布置。为了简洁未显示胶粘层67。再循环通道26具有最靠近喷嘴层外表面25的通道表面32。喷嘴层外表面25与通道表面32之间的距离D可以小于出口24的宽度的大约10倍，例如在出口24的宽度的大约2倍与大约10倍之间，例如在出口24的宽度(或者如果出口24不是方形则为出口24的平均宽度)的大约4.4倍与大约5.2倍之间，例如为4.8倍。例如，对于具有12.5微米宽度的出口24，距离D可以小于60微米或大约为60微米。出口24被制造得越大，则再循环通道26可以越远离出口24。再循环通道26与出口24之间的紧邻可以帮助去除出口24附近的污染物，下面会更详细地说明。如另一个实例，喷嘴22可以形成锥形形状，并且通道表面32可以与喷嘴22的与出口24相对的边界齐平。也就是说，通道表面32可以直接相邻于喷嘴22的锥形，例如与喷嘴齐平。图2还显示了再循环通道26具有在下降装置20与再循环沟槽28之间的长度L。长度L可以如下所述选择为使通过再循环通道26的能量损失最小化。在一些实施方式中，由于制造的限制，通道表面可以紧邻喷嘴22的锥形部但与该锥形部分开短距离，例如在大约5微米与大约10微米之间。

图3A为可选的流路体10′的一部分的说明性横截面图。为了简洁未显示胶粘层67。流体进入通道14、上升装置16、流体抽吸室18、下降装置20、喷嘴22和出口24以类似于图2中所示的布置的方式进行布置。然而，两个再循环通道26A、26B以使流体流动的方式连接到下降装置20。两个再循环通道26A、26B中的每一个都以使流体流动的方式连接到相应的再循环沟槽28A、28B。两个再循环通道26A、26B布置在喷嘴22的相对侧，并且这种布置可以相对于下降装置20对称。也就是说，再循环通道26A、26B通过下降装置20的中心彼此轴向对准。在一些实施方式中，再循环通道26A、26B可以相对于彼此为相同的横截面尺寸以及相同的长度。

图3B是沿图3A中的线3-3的说明性横截面图。能够看到方形喷嘴22以及出口24，同样也能够看到流体进入通道14以及再循环沟槽28A和28B。再循环通道26A、26B关于通过喷嘴22的中心的轴线对称布置。

图4显示了流路体10″的另一个可选实施方式的一部分。两个再循环通道26′以使流体流动的方式连接到下降装置20。图4中显示的两个再循环通道26′以使流体流动的方式连接到共用的再循环沟槽28。尽管再循环通道26′在图4中显示为形成有方形直角，但再循环通道26′也可以形成有一个弯曲部或一系列弯曲部，正如例如相对于图1C中的再循环通道26所示。

在一系列喷嘴22和出口24中可以采用上述实施方式，并且图5显示了一种实施方式中的两个喷嘴22和出口24，其中每个喷嘴22都具有一个从该喷嘴延伸的再循环通道26。如以上参见图2所述，一些实施方式具有相对于对应于其它喷嘴22的再循环通道26布置在每个相应的喷嘴的相同侧的用于每个喷嘴22的再循环通道26。也就是说，用于一行或一列喷嘴22中的喷嘴22的每个再循环通道26可以沿相同方向从喷嘴22延伸。图5显示了具有所有再循环通道26均从多个喷嘴22的相同侧延伸的布置的实施方式。这种一致的布置可以帮助在多个喷嘴22中获得一致的流体液滴喷射。不受限于任何特定的理论，由于再循环通道26在流体压力通路中的压力上的任何作用对于所有喷嘴22大致相同，因此能够促进诸如喷射方向的流体液滴喷射特性的一致性。因此，如果由再循环通道26的存在造成的任何压力变化或高压力点使喷射的流体液滴在远离垂直于喷嘴层外表面25的方向上偏转，则该作用对于所有喷嘴22将相同。在一些实施方式中，多个再循环通道26可以以使流体流动的方式连接到共用的再循环沟槽28。

参见图6，上述的打印头100连接到流体抽吸***的实施方案中。为了简洁仅显示了打印头100的一部分。再循环沟槽28以使流体流动的方式连接到流体返回容器52。流体储存器62以使流体流动的方式连接到控制流体在流体返回容器52中的高度的储存器泵58，其中所述高度可以被称为返回高度H1。流体返回容器52通过供给泵59以使流体流动的方式连接到流体供应容器54。供给泵59控制流体在流体供应容器54中的高度，所述高度可以被称为供应高度H2。可选地，在一些实施方式中，供给泵59可以被构造成保持返回高度H1与供应高度H2之间的预定的高度差。相对于诸如图6中流体返回容器52与流体供应容器54之间的虚线所示的相同的基准面测量返回高度H1和供应高度H2。流体供应容器54以使流体流动的方式连接到流体进入沟槽14。在一些实施方式中，喷嘴22处的压力可以保持略微低于大气压，从而可以防止或减小流体泄漏或流体的干燥。这可以通过使流体返回容器52和/或流体供应容器54的流体液面在喷嘴22的下方来实现，或者通过用真空泵减小流体返回容器52和/或流体供应容器54的表面上的空气压力来实现。流体抽吸***中的部件之间的流体连接件可以包括刚性或柔性管。

脱气器60可以以使流体流动的方式连接在流体供应容器54与流体进入通道14之间。脱气器60可选地可以连接在再循环沟槽28与流体返回容器52之间、连接在流体返回容器52与流体供应容器54之间或者连接到某些其它适当的位置。脱气器60可以从流体中除去气泡和溶解的空气，例如，脱气器60可以除去流体中的空气。从脱气器60中除去的流体可以称为脱气流体。脱气器60可以为真空类型，例如是可从北卡罗来纳州的Membrana ofCharlotte获得的Membrane Contactor。任选地，所述***可以包括用于从流体中除去污染物的过滤器(未显示)。所述***还可以包括用于将流体保持在所需温度的加热器(未显示)或者其它的温度控制装置。过滤器和加热器可以以使流体流动的方式连接在流体供应容器54与流体进入通道14之间。可选地，过滤器和加热器可以以使流体流动的方式连接在再循环沟槽28与流体返回容器52之间、连接在流体返回容器52与流体供应容器54之间或者连接到某些其它适当的位置。另外任选地，可以设置配制部件(make-up section)(未显示)以监测、控制和/或调节流体的特性或流体的成份。例如在流体的蒸发(例如，在长期未使用、限制性的使用或间歇地使用期间)可能会造成流体的粘度改变的情况下可能需要这种配制部件。所述配制部件可以例如监测流体的粘度，并且配制部件可以将溶剂添加到流体中以获得所需的粘度。配制部件可以以使流体流动的方式连接在流体供应容器54与打印头100之间、连接在流体返回容器52与流体供应容器54之间、连接在流体供应容器54内或者连接到某些其它适当的位置。

在操作中，流体储存器62向储存器泵58供应流体。储存器泵58控制流体返回容器52中的返回高度H1。供给泵59控制流体供应容器54中的供应高度H2。供应高度H2与返回高度H1之间的高度差使得流体流动通过脱气器60、打印头100、以及以使流体流动的方式连接在流体供应容器54与流体返回容器52之间的任何其它的部件，并且在不直接将流体抽吸到打印头100中或从打印头100抽出流体的情况下也可以产生该流体流。也就是说，在流体供应容器54与打印头100之间或者打印头100与流体返回容器52之间没有泵。来自流体供应容器54的流体流动通过脱气器60、通过基板入口12(图1)并且进入流体进入通道14中。流体从流体进入通道14流动通过上升装置16并进入流体抽吸室18中。流体接着流动通过下降装置20并流动到出口24或再循环通道26。大部分流体从靠近喷嘴22的区域流动通过再循环通道26并进入再循环沟槽28中。流体能够从再循环沟槽28流回流体返回容器52。

在液滴喷射装置中使用多于一个的喷嘴22和出口24的情况下，例如图5中显示的实施方式中，流体的流动可以在每个再循环通道26中沿相同的方向进行。喷嘴之间的这种流动方向的一致性可以促进喷嘴22之间的流体液滴喷射特性的一致性。流体液滴喷射特性包括例如液滴尺寸、喷射速度和喷射方向。不限于任何特定的理论，从靠近喷嘴22的流体的流动造成的任何压力作用的一致性可以获得喷射特性的这种一致性。在每个喷嘴22设有两个或更多个再循环通道26A、26B的情况下，如图3A和图3B中显示的实施方式，流体的流动方向在两个再循环通道26A和26B中都可以远离喷嘴22。可选地，流体可以从一个再循环通道26A流动到另一个再循环通道26B。同样地，在图4中显示的实施方式中，流体的流动方向在两个再循环通道26′中都可以远离喷嘴22。

再循环通道26的存在可以使得液滴喷射以垂直于喷嘴层外表面25的角度从出口24产生。不受到任何特定的理论限制，这种偏转可以由通过再循环通道26的流体流在喷嘴22附近造成的压力不平衡造成。在使用多于一个的喷嘴22和出口24的情况下，用于每个喷嘴的再循环通道26可以在每个喷嘴22的相同侧，如图5中所示，使得再循环通道26的存在的任何作用对于每个喷嘴都是相同的。由于任何作用对于每个喷嘴都是相同的，因此从喷嘴22进行的喷射是一致的。在每个喷嘴如图4中所示都具有两个再循环通道26A、26B的情况下，再循环通道26A、26B可以关于喷嘴22对称布置。不受到任何特定理论的限制，再循环通道26A、26B的对称布置可以产生相互抵消的相同且相反的作用。

喷嘴22附近的脱气流体的流动可以防止出口24附近的流体干燥，其中流体典型地暴露于空气。气泡和充气流体从加注中残留下来或者可能已经通过出口24或其它地方进入。流体液滴喷射***中的气泡及其作用将在下面更详细地讨论。在一些实施方式中，流动通过流体进入通道14的流体通过脱气器60已经至少部分地被从气泡和溶解的空气中清除。喷嘴22附近的脱气流体的流动通过用脱气流体替换充气流体而可以除去喷嘴22和出口24附近的气泡和充气流体。如果流体为墨水，则在墨水已经不流动或暴露于空气处可能会形成墨水或颜料的结块。流体流可以从流路体中除去墨水或颜料的结块，否则所述结块可能会干扰流体液滴喷射或用作用于气泡的成核点。流体流还可以减少或防止墨水中的颜料沉淀。

在一些实施方式中，通过再循环通道26的流量可以高到足以减轻或防止流体在出口24附近干燥。出口24附近的流体的蒸发率与出口24的面积成比例。例如，如果出口24的面积加倍，则流体的蒸发率也可以加倍。在一些实施方式中，为了减轻或防止流体在***正在操作时干燥，以皮升/秒表示的、通过再循环通道26的流量的数值大小可以为大于以平方微米表示的、出口24的面积的数值大小的至少1倍或更多倍(例如，2倍或更多倍、5倍或更多倍或者10倍或更多倍)。流量还取决于正在使用的流体的类型。例如，如果流体为相对较快干燥的流体，则流量可以增加以进行补偿，相反地，流量对于相对较慢干燥的流体可以较慢。例如，对于在每一侧测得12.5微米的方形出口24，流量可以为至少1500皮升/秒(例如，至少3000皮升/秒)。该流量可以为大于正常流体液滴喷射期间提供足够的用于喷射通过出口24的流体所需的流量的数量级，例如，10倍或更多倍。然而，该流量还可以远小于最大操作频率下的流量。例如，如果最大流体液滴喷射频率为30kHz且喷射的每滴的体积为5皮升，则最大操作频率下的流量为大约150,000皮升/秒。正如以上参见图2所讨论，脱气流体流可以在喷嘴22和出口24附近通过。刚说明的流量可以防止流体干燥，并且可以消灭气泡、碎片以及可能以较低流量沉淀在喷嘴22中的其它污染物。

流体的再循环减少或消除了对各种清洗或清洁操作的需求，否则可能将需要该操作，例如利用外部装置从喷嘴22喷射流体、抽吸抽吸气泡和充气流体，或者以其它方式强迫空气从喷嘴22出去或从喷嘴22吸出空气。这种技术可能需要外部设备而干扰喷嘴22，从而中断液滴沉积并降低生产率。作为替代，在靠近喷嘴22处的上述脱气流体流可以除去气泡和充气流体而无需外部装置来干扰喷嘴22。因此，当流路体10没有流体时，例如当上述***首先被填充有流体时，***可以通过使流体流动通过流路体10而进行“自动加注”。也就是说，在一些实施方式中，上述***可以通过使流体循环来代替迫使空气从喷嘴22出去或从喷嘴22吸出空气，或者通过除迫使空气从喷嘴22出去或从喷嘴22吸出空气之外使流体循环来从流路体10中清除空气。

上述的流体的流动在一些实施方式中不足以使流体从出口24射出。诸如压电换能器或电阻加热器的致动器相邻于流体抽吸室18或喷嘴24设置，并且可以影响液滴喷射。致动器30可以包括压电层31，例如钛锆酸铅(PZT)层。施加到压电层31的电压可以使该层在形状上发生变化。如果致动器30与流体抽吸室18之间的隔膜66(参见图1)由于形状发生变化的压电层31而能够移动，则在致动器30两端施加的电压可以造成流体抽吸室18的体积变化。该体积变化可以减小在此称为发射脉冲(firing pluse)的压力脉冲。发射脉冲可以使压力波通过下降装置20传播到喷嘴22和出口24。发射脉冲从而可以使流体从出口24喷出。

气泡通常比正在通过上述***循环的流体更具有可压缩性。因此，如果流体抽吸室18、下降装置20或喷嘴22中存在气泡，则气泡可以吸收相当大量的发射脉冲能量。如果存在气泡，不会出现使适当量的流体喷射通过喷嘴22的流体抽吸室18的体积变化，而是体积变化可以通过气泡的压缩而至少被部分吸收。这可以在喷嘴22处造成不充分的压力以使流体液滴通过出口24射出，或者可以喷射比所需液滴小的液滴，或者液滴可以以比所需速度低的速度喷出。较大的电压可以施加到致动器30，或者可以使用较大的流体抽吸室18，以提供足以获得更完全的流体液滴喷射的能量，但是***部件的尺寸和能量要求将会增加。此外，在装置包括多个喷嘴的情况下，与其它流体压力通路相比在一些流体压力通路中存在更多的气泡例如可以造成从喷嘴到喷嘴的流体液滴喷射特性的不一致。

脱气流体流动通过流体压力通路可以除去气泡和充气流体。充气流体，即含有溶解的空气的流体，比脱气流体更可能会形成气泡。因此，充气流体的去除可以帮助减少或消除气泡的存在。如上所述，减少或消除气泡的存在可以帮助使必须施加到致动器30的电压最小化。流体抽吸室18所必需的尺寸类似地也可以最小化。还可以减少或消除由于气泡的存在造成多个喷嘴中的液滴喷射的不一致。

尽管使再循环通道26以使流体流动的方式连接到下降装置20可以帮助除去气泡和其它污染物，但再循环通道26存在可以减少致动器30施加的能量的通路。该能量损失减小施加到喷嘴22和出口24的流体的压力。如果该能量损失显著减小施加的压力，则可能需要将更大的电压施加到致动器30，或者可能需要较大的流体抽吸室18以提供足够的能量到达喷嘴22。通过将再循环通道26设计成在发射脉冲频率下具有远高于下降装置20和喷嘴22的阻抗的阻抗，则可需要较少的能量来补偿通过再循环通道26的能量损失。例如，再循环通道26的阻抗可以大于下降装置20和喷嘴22的阻抗，例如为两倍或更多倍、五倍或更多倍或者十倍或更多倍。

高于下降装置20和喷嘴22的阻抗的阻抗可以通过设置具有比下降装置20的横截面积小的横截面积的再循环通道26部分获得。此外，再循环通道26与再循环沟槽28之间的阻抗的突然变化可以帮助再循环通道26中的压力脉冲的反射。再循环沟槽28可以具有比再循环通道26的阻抗低的阻抗，并且再循环通道26与再循环沟槽28之间的阻抗的变化可以是突然的以使压力脉冲的反射最大化。例如，阻抗的突然变化可以由再循环通道26与再循环沟槽28之间的过渡处的锐角(例如，直角)造成。在再循环通道26与再循环沟槽28之间的边界处的横截面面积变化的情况下，阻抗的这种突然变化可以造成压力脉冲反射。

图7A显示了施加在致动器30两端的电压与时间的曲线图。当致动器30没有启动时，致动器30两端存在偏压V_b。图7B显示了流体抽吸室18中的压力与时间的曲线图。参见图7A，发射脉冲具有发射脉冲宽度W。该发射脉冲宽度W为由至较低电压V₀的电压降和较低电压V₀下的保压大致限定的时间长度。与致动器30电通信的电路(未显示)可以包括配置用于控制包括发射频率和发射脉冲宽度W的尺寸的发射脉冲的形状的驱动器。所述电路还可以控制发射脉冲的时序。所述电路可以是自动的或者可以手动控制，例如通过具有配置用于控制流体液滴喷射的计算机软件的计算机或者通过某些其它输入设备来实现。在可选的实施例中，发射脉冲可以不包括偏压V_b。在一些实施例中，发射脉冲可以包括电压增加、电压增加以及电压下降、或者电压的一些其它变化组合。

参见图7B，发射脉冲使得流体抽吸室18中的压力随着对应于发射脉冲频率的频率而波动。流体抽吸室18中的压力首先在对应于发射脉冲宽度W的时间周期内下降到低于正常压力P₀。流体抽吸室18中的压力接着在正常压力P₀之上和之下振荡且减小振幅，直到流体抽吸室中的压力返回到正常压力P₀或致动器30再次施加压力为止。压力在流体抽吸室18中的压力的每个振荡期间在正常压力P₀之上和之下的时间量对应于发射脉冲宽度W。发射脉冲宽度W可以取决于特定的流路设计(例如，诸如抽吸室18的尺寸的流体压力通路的尺寸，以及流路是否包括上升装置16或下降装置20)和/或正在被喷射的液滴的体积。例如，随着抽吸室的尺寸减小，抽吸室的共振频率增加，并且因此可以减小发射脉冲的宽度。对于喷射大约为2皮升的液滴体积的抽吸室，脉冲宽度W可以例如在大约2微秒与大约3微秒之间，而对于影响大约为100皮升的液滴体积的喷射的抽吸室18而言，脉冲宽度W可以在大约10微秒与大约15微秒之间。

再循环通道26的长度L(参见图2)可以被设置成使得声音在流体中速度c下压力脉冲行进长度L的两倍所需的时间近似等于发射脉冲宽度W。这个关系可以如下表示：

$\frac{2\·L}{c}\≅W$

如果流体为墨水，则声速c典型地为大约1100-1700米/秒。如果发射脉冲宽度W在大约2微秒与大约3微秒之间，则长度L可以为大约1.5毫米至大约2.0毫米。

选择长度L以满足上述关系可以向再循环通道26提供与L不满足该关系的情况相比更高的阻抗。不受限于任何特定的理论，选择长度L以满足上述关系会从致动器30产生压力脉冲，其中所述压力脉冲在增强发射脉冲时沿再循环通道26传播以被反射回到下降装置20。

此外，如上所述选择长度L可以减小对用流体回填喷嘴22的阻力。当回填喷嘴22时，在出口24处形成弯月面。在回填喷嘴22期间以及在回填喷嘴22之后，该弯月面的形状可以变化并振荡，这可能将造成流体液滴喷射的方向不一致。如上所述选择长度L可以改进喷嘴22的回填并减少所需的弯月面沉析时间量。减少弯月面稳定所需的时间量可以减少流体液滴喷射之间所需的沉降时间量。因此，利用再循环通道26的适当长度L，流体液滴喷射可以以较快的速度进行，即在给定的时间段内具有更多的喷射，这也可以称为较高频率。

上述的实施方式可以不提供以下优点、提供以下优点中的一些或所有。流体在喷嘴和出口附近的循环可以防止流体干燥，并且可防止可能干扰流体液滴喷射的污染物积聚。脱气流体的循环可以从流体压力通路中清除充气流体，并且可以除去或溶解气泡。流体的高流量可以帮助排除及除去小气泡和其它污染物，并且可防止小气泡和其它污染物的积聚。在流体为带有颜料的墨水的情况下，流体的高流量可以防止颜料沉淀或结块。除去气泡和充气流体可以防止气泡从发射脉冲中吸收能量。在所述装置包括多个喷嘴的情况下，气泡和充气流体的不存在可以促进一致的流体液滴喷射。此外，在发射脉冲频率下采用具有高阻抗的再循环通道会使通过再循环通道损失的能量最小化。因此，可以获得较高频率。再循环通道的长度的适当选择可以减少弯月面沉析时间，并且减少在流体液滴喷射后回填喷嘴所需的时间。此外，再循环通道相对于每个喷嘴的一致布置可以促进流体液滴喷射方向的一致性，从而帮助喷嘴适当的对准。在可选的实施例中，再循环通道的对称布置可以减少或消除喷射方向的偏转，从而消除对任何液滴喷射时序补偿或其它补偿的需求。上述***可以为自动加注。此外，具有流体供应容器和流体返回容器且在这些容器之间具有泵的***可以将泵的压力影响与***的其余部件隔离开，从而帮助传送流体而无需通常由泵产生的压力脉冲。

尽管在此已经参照具体的实施例说明了本发明，但本发明的其它特征、目的和优点从所述说明和附图中将清楚呈现。所有这些变化均包括在由权利要求限定的本发明所要保护的范围内。

Claims (22)

1.一种用于喷射流体液滴的***，包括：

基板，所述基板包括流路体，所述流路体具有形成于所述流路体中的流路，所述流路包括流体抽吸室、以使流体流动的方式连接到所述流体抽吸室的下降装置、以使流体流动的方式连接到所述下降装置的喷嘴、以及以使流体流动的方式连接到所述下降装置的再循环通道，所述喷嘴被布置成通过形成于喷嘴层外表面中的出口喷射流体液滴，所述再循环通道比所述抽吸室更靠近所述喷嘴；

流体供应容器，所述流体供应容器以使流体流动的方式连接到所述流体抽吸室；

流体返回容器，所述流体返回容器以使流体流动的方式连接到所述再循环通道；以及

泵，所述泵被构造成以流体流动的方式连接到所述流体返回容器和所述流体供应容器，从而形成一个流路，所述流路从所述流体供应容器至所述基板并穿过所述基板、从所述基板至所述流体返回容器并从所述流体返回容器至所述流体供应容器；

其中，所述再循环通道以流体流动的方式直接连接到下降装置并且比所述喷嘴更加靠近所述流体抽吸室。

2.根据权利要求1所述的***，其中，所述泵被构造成保持所述流体供应容器中的流体高度与所述流体返回容器中的流体高度之间的预定高度差，并且其中，所述预定高度差被选定为使流体以足以迫使气泡或污染物通过所述流体抽吸室、所述下降装置和所述再循环通道的流量流动通过所述基板。

3.根据权利要求1所述的***，其中，没有泵以使流体流动的方式连接在所述基板与所述流体供应容器之间。

4.根据权利要求1所述的***，其中，没有泵以使流体流动的方式连接在所述基板与所述流体返回容器之间。

5.根据权利要求1所述的***，其中，通过所述再循环通道的以皮升/秒表示的流量与所述出口的以平方微米表示的面积的比值至少为大约10。

6.根据权利要求5所述的***，其中，所述出口的面积为大约156平方微米，而通过所述再循环通道的流量至少为大约1500皮升/秒。

7.根据权利要求1所述的***，其中，所述喷嘴层外表面与所述再循环通道的最靠近表面之间的距离小于所述出口的宽度的大约10倍。

8.根据权利要求7所述的***，其中，所述出口的宽度为大约12.5微米，而所述喷嘴层外表面与所述再循环通道的所述最靠近表面之间的距离小于大约60微米。

9.根据权利要求1所述的***，还包括定位成从通过所述基板的流体流除去空气的脱气器。

10.根据权利要求1所述的***，还包括定位成从通过所述基板的流体流除去污染物的过滤器。

11.根据权利要求1所述的***，还包括定位成加热通过所述基板的流体流的加热器。

12.一种用于喷射流体液滴的装置，包括：

基板，所述基板具有形成于所述基板中的流体抽吸室；

下降装置，所述下降装置形成于所述基板中，并且以使流体流动的方式连接到所述流体抽吸室；

致动器，所述致动器与所述流体抽吸室形成压力连通；

喷嘴，所述喷嘴形成于所述基板中并以使流体流动的方式连接到所述下降装置，所述喷嘴具有用于喷射流体液滴的出口，所述出口形成于基板外表面中；

再循环通道，所述再循环通道形成于所述基板中，并且以使流体流动的方式连接到所述下降装置而没有以使流体流动的方式连接到不同的流体抽吸室；

流体供应容器，所述流体供应容器以使流体流动的方式连接到所述流体抽吸室；

流体返回容器，所述流体返回容器以使流体流动的方式连接到所述再循环通道；以及

泵，所述泵被构造成以流体流动的方式连接到所述流体返回容器和所述流体供应容器，从而形成一个流路，所述流路从所述流体供应容器至所述基板并穿过所述基板、从所述基板至所述流体返回容器并从所述流体返回容器至所述流体供应容器；

其中，所述再循环通道以流体流动的方式直接连接到下降装置并且比所述喷嘴更加靠近所述流体抽吸室；

其中，所述喷嘴具有与所述出口相对的喷嘴开口以及位于所述喷嘴开口与所述出口之间的锥形部，并且

其中，所述再循环通道的靠近所述喷嘴的表面与所述喷嘴开口大体齐平。

13.一种用于喷射流体液滴的装置，包括：

基板，所述基板具有形成于所述基板中的流体抽吸室；

下降装置，所述下降装置形成于所述基板中，并且以使流体流动的方式连接到所述流体抽吸室；

喷嘴，所述喷嘴形成于所述基板中并以使流体流动的方式连接到所述下降装置，所述喷嘴具有用于喷射流体液滴的出口，所述出口与基板外表面共面；

两个再循环通道，所述两个再循环通道关于每个下降装置对称布置，并且以使流体流动的方式连接到每个下降装置，

流体供应容器，所述流体供应容器以使流体流动的方式连接到所述流体抽吸室；

流体返回容器，所述流体返回容器以使流体流动的方式连接到所述再循环通道；以及

泵，所述泵被构造成以流体流动的方式连接到所述流体返回容器和所述流体供应容器，从而形成一个流路，所述流路从所述流体供应容器至所述基板并穿过所述基板、从所述基板至所述流体返回容器并从所述流体返回容器至所述流体供应容器；

其中，所述两个再循环通道以流体流动的方式直接连接到下降装置并且比所述喷嘴更加靠近所述流体抽吸室。

14.根据权利要求13所述的装置，其中，所述两个再循环通道被构造成使流体从所述下降装置流动到所述两个再循环通道中的每一个。

15.根据权利要求13所述的装置，其中，所述两个再循环通道被构造成使流体从所述两个再循环通道中的一个流动通过所述下降装置至所述两个再循环通道中的另一个。

16.根据权利要求13所述的装置，其中，所述基板外表面与每一个再循环通道的最靠近表面之间的距离小于或大约为所述出口的宽度的10倍。

17.根据权利要求16所述的装置，其中，所述出口的宽度为大约12.5微米，而所述基板外表面与每一个再循环通道的最靠近表面之间的距离小于约60微米。

18.根据权利要求13所述的装置，其中，通过每一个所述再循环通道的流体的以皮升/秒表示的流量与所述出口的以平方微米表示的面积的比值至少为大约10。

19.根据权利要求18所述的装置，其中，所述出口的面积为大约156平方微米，通过每一个所述再循环通道的流体的流量至少为大约1500皮升/秒。

20.根据权利要求13所述的装置，其中，所述两个再循环通道的尺寸大约彼此相等。

21.一种用于流体液滴喷射的装置，包括：

基板，所述基板具有形成于所述基板中的流体抽吸室；

下降装置，所述下降装置形成于所述基板中，并且以使流体流动的方式连接到所述流体抽吸室；

喷嘴，所述喷嘴形成于所述基板中并以使流体流动的方式连接到所述下降装置；

致动器，所述致动器与所述流体抽吸室形成压力连通，并且能够产生用于使液滴从所述喷嘴喷出的发射脉冲，所述发射脉冲具有发射脉冲宽度；

再循环通道，所述再循环通道形成于所述基板中并以使流体流动的方式连接到所述下降装置，所述再循环通道具有大体等于所述发射脉冲宽度乘以流体中的声速再除以二的长度；

流体供应容器，所述流体供应容器以使流体流动的方式连接到所述流体抽吸室；

流体返回容器，所述流体返回容器以使流体流动的方式连接到所述再循环通道；以及

泵，所述泵被构造成以流体流动的方式连接到所述流体返回容器和所述流体供应容器，从而形成一个流路，所述流路从所述流体供应容器至所述基板并穿过所述基板、从所述基板至所述流体返回容器并从所述流体返回容器至所述流体供应容器；

其中，所述再循环通道以流体流动的方式直接连接到下降装置并且比所述喷嘴更加靠近所述流体抽吸室。

22.一种用于流体液滴喷射的装置，包括：

基板，所述基板具有形成于所述基板中的流体进入通道和再循环沟槽；

形成于所述基板中的多个流路部，每个所述流路部都包括流体抽吸室、下降装置和再循环通道，所述流路部以使流体流动的方式平行地连接在所述流体进入通道与所述再循环沟槽之间；

流体供应容器，所述流体供应容器以使流体流动的方式连接到所述流体抽吸室；

流体返回容器，所述流体返回容器以使流体流动的方式连接到所述再循环通道；

泵，所述泵被构造成以流体流动的方式连接到所述流体返回容器和所述流体供应容器，从而形成一个流路，所述流路从所述流体供应容器至所述基板并穿过所述基板、从所述基板至所述流体返回容器并从所述流体返回容器至所述流体供应容器；以及

喷嘴，所述喷嘴形成于所述基板中并以使流体流动的方式连接到所述下降装置；

其中，所述再循环通道以流体流动的方式直接连接到下降装置并且比所述喷嘴更加靠近所述流体抽吸室。