CN1070610A - 液体投射方法和实施该方法的连续喷墨印刷机的高分辨率印刷装置 - Google Patents

Abstract

在液体投射法和振动激发式连续喷墨印刷机的 高分辨率印刷装置中，油墨射流在静电充电装置附近 被分成多个液滴并产生不对称于油墨射流轴线的电 场。该方法的第一步是在主滴出现时，往充电装置上 施加高于瑞利电压的充电电压V_M以在该主滴上游 产生一个微滴；第二步是在下一个主滴上施加低于电 压V_M且低于瑞利电压的充电电压V_C以使用于打 印的微滴偏转，电压V_C可被调制为微滴朝着打印媒 体所选取路径的函数。

Description

本发明涉及高精度液体投射方法和实施该方法的受激连续喷墨印刷机的高分辨率印刷装置。

这种液体投射方法不仅可应用于高分辨率印刷的领域。而且还可应用于例如对绘制微型印刷电路所使用的材料进行微量下料的领域，或用于施加导电粘结剂的小滴以将电子元件固定到支架上或按给定的几何图形粘结组合材料粒子的领域。另一种大有前景的应用涉及制药业中对化学的或生物的制剂进行微剂量测量和配药。

在美国专利4，068，241中描述的高分辨率印刷机领域中一种已知的方法是基于叫做“卫星滴”的许多小滴的出现，这些小滴来自呈现在主滴的上游或下游处的一根短的墨丝或墨柱，作为导致喷墨的分离或分散的振动激发幅度的函数。在喷墨偏转之前，按照主滴和卫星滴的交替顺序喷墨，主滴与卫星滴的直径比值约等于3。然后各卫星滴按“二元”的偏转方式偏转，即只有待印制的图样的一个点对应于***的各喷嘴。因此，打印头与待打印的媒体之间的许多相对运动必须遍及一个给定的表面，而这是一个缺点。

至于主滴，由于无电荷或少量电荷，因而要靠集槽回收，再循环到油墨回路中。

此外，这种印刷方法由于对喷墨的振动激发过程的高灵敏度而具有另一个缺点，如果不个别调整各装置的机械特性，很难控制振动激发装置特性的再现性。

本申请人提交的欧洲专利申请EP0365454描述了一种借助于卫星墨滴在振动激发式连续喷墨印刷机中实施的高分辨率印刷方法。

连续的喷墨被精分成许多基本上等间距和等大小的墨滴C_n。在主墨滴G_n通过各充电电极期间，在某些特定使用喷墨的条件下，施加适当的电压V_n使得主滴G_n的上游的墨丝分离并因此产生卫星滴S_n成为可能。在下一个主滴G_n+1形成的时间期间。施加上幅值基本上等于V_n的电压V_n+1，以使卫星滴S_n保留在墨滴G_n和G_n+1之间的喷发中一段时间，这段时间长得足以使其横过位于下游的偏转电场，并且被偏转到打印媒体上。偏转度不大的主滴就在油墨回路内再循环。

这种方法在实施中有几个缺点。第一个缺点是，所需使用的喷墨都要求具有特殊的特点的条件。第二个缺点是卫星滴的使用频度仅为喷流振动激发频度的1/3，实际上，由于墨滴G_n+1（其电荷基本上等于墨滴G的电荷）电荷值通常与待打印图型的点不相对应，因此它本身也产生不用于印制的卫星墨滴。再者，所拟用的静电上的限制，使卫星墨滴处在对偏转精确度不利的一种不稳定的均衡状态下。再加上这些卫星墨滴在充电电极之间经过然后才进入偏转电场，其行程路径长度又使这个问题更严重了。

本发明的目的是要克服这些缺点，提供一种连续射流的液体投射的方法，以产生微滴，这不是靠影响激发幅度或频率而使射流分离的，而是使用依靠射流中各墨滴之间相互作用产生偏转作用的偏转装置，除此之外还未使用任何其它的偏转装置。

为达到此目的，本发明的标的物是一种高分辨率投射液体的方法，该方法包括三个步骤：第一步是将液体射流分成许多液滴，液滴在静电充电装置附近产生不对称于液流轴线的电场;第二步是在充电装置上施加规定的电压V_M，以在主滴的上游端产生一个单一的微滴;第三步是在产生该微液滴后立即在主滴上施加低于电压V_M的另一充电电压V_C，以偏转待用的微滴。

本发明还涉及到在激发式连续喷墨印刷机中实施上述方法的一种高分辨率印制装置，该装置包括：

加压油墨容器，具有至少一个喷嘴，用以在油墨射流轴线的方向上喷发油墨射流;

振动激发装置，用以振动激发喷出的油墨射流，以便在与电源电路连接的静电充电装置附近得出分离成为墨滴的一个点;

检测电路，与一个用以处理已获得的信息要素的电路相连接，该检测电路安置在电静电充电装置充电后的墨滴的附近;

集墨槽，用以回收不用于打印的墨滴，将其引导到总的油墨供应回路上;

其中静电充电装置包括一个单一的电极，产生不对称于油墨射流轴线的电场。

本发明的其它特点和优点将参照以下附图和对几个具体示例性实施例的描述即可明了。

图1示出应用本发明方法的振动激发式连续喷墨印刷机中印刷装置的一个实施例的示意图;

图2a是说明本发明产生微滴过程的示意图;

图2b是为产生打印微滴而在主墨滴上施加充电电压的波形示意图;

图3a是本发明产生和偏转微滴过程的示意图;

图3b是本发明施加在墨滴上的充电电压的波形图;

图4a至图4c是本发明的墨滴充电装置的几个实施例的示意图。

在各图中，相同编号的元件实现了为获得相同结果而设计的相同功能。

下面通过在高分辨率印刷机中的应用来说明本发明的液体设射法。

图1示出了高分辨率的连续喷墨印刷机中应用本发明方法的印刷装置的一个示例性实施例的示意图。

该印刷装置包括一个加压油墨容器3，其上配备一个喷嘴2，油墨射流1从喷嘴2中射出。谐振电路4在电气上与调制电路5连接，振动激发喷出油墨射流1，并且确定分离点6。该分离点附近安置有与电源电路8连接的充电装置7，该充电装置具有感应不对称于油墨射流轴线D的电场的特定特性。为使油墨射流1分成多个墨滴11的过程始终与充电电压加到这些墨滴的过程同步，在墨滴通路附近设了一个检测电路9，与处理所检到的信息要素的处理电路10相连接。

不用于打印的主墨滴11回收在集墨槽12中，由导管引到总油墨供应回路13中。

至于微墨滴14（其产生和偏转方法稍后说明），它们在到达打印媒体15之前一直顺着各自的轨迹往前走。本发明的投射法应用了罗德瑞利（Lord  Raylein）在1992年示范展示出的导电液滴的一个特性（见Adrian  G.Bailey著的《液体的静电喷涂》科研出版社，1988年版）：导电液滴所能接收的电荷量有一个上限值，这个极限值叫做瑞利（Rayleigh）极限值，这时的液滴不受外部的影响。超过此电荷极限值时，液滴（可以叫做母滴）变得不稳定，而且喷射出一滴或多滴的多电量的微滴，其后果是使电荷降到瑞利临界值以下。

本发明的方法控制和利用在连续和振动激发射流的情况下导电液滴的静电不稳定性的现象，其目的在于以完全重复的方式从母液滴中获得单一的微液滴流的喷射。

图2a示出了本发明的微滴产生过程的示意图。

在导电液射流1（具体地说为油墨）的分离点6附近，充电电极装置7产生不对称于液射流轴线D的电场，并指定给母滴20、22和24电荷V（该电荷具有规定的数值），从而命名这些母滴中每个都排放出一个微滴，与母滴22和24有关的微滴分别是微滴26和27，这时来自液滴20的微滴不再是可见的了。与此同时，主液滴21、23和25不接收电荷，因而母滴22和24与有关的微滴26和27之间存在的静电排斥力分别促使微滴26和27很快地分别被不带电的主滴23和25所捕获。由于充电装置7（图2a中仅为一个简单的电极）几何形状引起的不对称性，因此就在微滴26后面的主液滴23捕获微滴26的捕捉点28也略微偏离喷出的油墨射流的轴线D。

图2b示出了电源电路8传送到充电装置7的电压值。图2b中，对着图2a的各液滴，指定给各液滴的充电电压值为母滴的V_M，给主滴为0。

按照本发明的方法，用于打印的微滴的偏转是以适当的方式使紧跟在已产生微滴的各母滴后面的主滴带电而获得的，这样的主滴叫做“偏转滴”。实际上，从施加到偏转滴上的电压为最小值V_C最小开始，该滴与它前面的微滴之间在喷出的油墨射流中产生的静电排斥力足以使该滴在由充电电极7产生的电场的不对称性所限定的方向上从油墨射流轴线D射出。如此获得的偏转角度的连续变化可以通过改变施加在偏转滴上的电荷量来得以控制。

如果为获得打印的微滴的偏转而令偏转滴带电的电压是最小电压V_C最小的话，则还存在最大电压V_C最大，超过此最大电压值时尽管施加在母滴上的电压V_M高于严格在没有任何影响下确定的瑞利电压值，在偏转滴与母滴之间的强烈的静电相互作用也能防止母滴排放微滴。此外，施加在偏转滴上的电压V_C选取得使其低于瑞利电压，从而使它们不排放无用的微滴，进而使本发明的方法具有良好的打印速度。

图3a是打印液滴的产生和偏转过程的示意图，图3b是根据本发明施加在油墨射流的液滴上的充电电压值的图形。

油墨射流1被分离成为多个主滴30至35。主滴30、32和34充电应用大于瑞利电压的电压V使它们分别产生微滴36、37和38。这些微滴中的两个微滴36和37分别由偏转滴31和33使之偏转，偏转滴31和33分别由电压V_C31和V_C33充电。由于主滴35不被充电，因而它会吸收来自主滴34的微滴38。可以观察到，微滴的偏转角与施加到偏转滴的电压V_C有关。因此，比主滴31的充电电压V_C31高些的主滴33的充电电压V_C33解释了微滴37的偏转要比微滴36的大的原因。

至于母滴30、32和34、偏转液滴31和33以及未充电的主滴35，由于它们不向打印媒体偏转，因而由集墨槽回收，然后在油墨回路中再循环。

由此可以看出，往媒体15上一个规点的打印需要油墨射流的两个墨滴参与下列程序：充电电压高于临界值V_M，以产生打印微滴，然后使充电电压低于临界值V_C，该值介于V_C最大与V_C最小之间，以使该打印微滴偏转。

图4a至4c示出了墨滴充电装置的几个示例性实施例的示意图，充电装置有三个不同的几何形状，但感应出来的电场都不对称于油墨射流1的轴线D。

按照图4a的第一实例，电极呈半圆筒形，其轴线与油墨射流1的轴线D重合。该电极70与射流1之间的静电作用大，能使印刷机在低电压下工作，以供油墨滴充电。按照图4b的第二实例，电极71具有单个矩形板的形状，其纵轴线平行于射流1的轴线D。电极71与射流1之间的静电作用比上个实例的小些，但电极形状简单，结构紧凑，便于制造和高密度集成化。

图4c的第三实例兼顾了第一种几何体的效益和第二几何体的简单性。充电电极72由两半平板在平行于油墨射流轴线D的方向彼此相交而组成。

本发明方法的优点是能使液滴对产生远比喷嘴直径小的打印媒体产生影响，因而提高了印刷装置的精度，从而提高了印刷机在上述特定情况下的分辨率。

本发明还可以在其性能相当的情况下使液体投射***高度集成化且具有较小的容差。

此外，除喷出的油墨滴之间相互作用所产生的偏转外，无需采用另外的偏转装置，因而本方法可以减少液体喷头元件的个数（有一个单一的充电电极就足够了）。另一个优点是，只有打印的微滴对油墨射流振动激发幅度变化的敏感性低，这是因为这些微滴不是借助对激发幅度或频率的影响导致油墨射流的分离而产生的。

本发明方法的另一个主要优点是各墨滴能以丝网方式打印。这和现有技术所述的方法不同，即，单一的油墨射流就能打印出几行的点，这些点与所述墨滴偏转的调制相对应。

本发明具有工业应用的前景。首先，打印微滴的直径非常小，因而可以设计出能用于几乎达到照相印刷质量所要求的各领域的印刷机。本申请人制造的初样的印刷机业已用来获得35微米直径的喷嘴的、直径小于10微米的打印微滴。

此外，能够对每个打印微滴的偏转角进行有选择性地调制，因而用适当的控制算法可以获得在形状复杂的打印媒体上的优质印刷。

由于本发明的打印方法需用少量元件而且简单，这可以将它们高密度地集装成多喷嘴的模块，因此本发明也可应用于在需要高分辨率和高印刷速度的工业修饰部门。

本发明决不局限于所述的几个实施例。本发明的范围自然复盖了那些按本发明的精神提出的、在所附权利要求书的框体范围内的、等同技术的装置及其组合。因此，本发明能够在几个同时连续喷发墨流的印刷装置中实施，该墨流是由多个与同一容器连接的喷嘴喷射出来的。

如前所述，本发明还可应用于印刷电路的绘制，电子元件的组装或制药。

Claims (6)

1、一种液体投射法，该方法应用在振动激发式连续喷射装置中，该方法包括：第一步骤，将喷嘴喷出的射流在一个静电充电装置附近分离成多个液滴，该充电装置供这些液滴充电用，其特征在于，所述方法还包括下列依序的其它步骤：

在所述静电充电装置中产生一个电场，该电场不对称于来自喷嘴的射流的轴线；

在上述的主液滴出现时，在所述静电充电装置上施加高于瑞利电压的一个规定的充电电压(V_M)，在所述主滴上游处产生一个单一的微滴；及

在产生的微液滴后面的主滴上施加另一个低于电压V_M而且低于瑞利电压的充电电压V_C，以使待使用的所述微滴偏转。

2、根据权利要求1所述的设射法，其特征在于，用以使所述微滴偏转的充电电压（V_C），可被幅度调制，以作为所述微滴朝着所使用的打印媒体前进所选取路径的函数。

3、在振动激发式连续喷墨印刷机中的一种高分辨率印刷装置，其特征在于，它包括：

一个加压油墨容器，配备有至少一个喷嘴，用以在油墨射流喷发轴线的方向上喷射油墨射流;

振动激发装置，用以振动激发喷出的油墨射流，以在与电源电路相连接的静电充电装置附近获取墨滴分离点;

一个检测电路，与处理电路相连接，该处理电路用以处理已拾到的信息要素，所述的检测电路安置在为静电充电装置充电过的墨滴附近;和

一个集墨槽，用以回收不用于打印的墨滴;

其中所述充电装置包括一个单一的电极，产生不对称于油墨射流的轴线的电场。

4、根据权利要求3所述的装置，其特征在于，充电电极呈半圆筒形状，其轴线平行于油墨射流的轴线。

5、根据权利要求3所述的装置，其特征在于，充电电极呈平板形状，该平板油墨射流的轴线。

6、根据权利要求3所述的装置，其特征在于，充电电极采用两半平板而且彼此在平行于油墨射流轴线的平面内相交的形式。

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