专利名称：具有最佳偏转和最大打印速度的操作二元连续射流的喷墨打印机的制作方法
技术领域：
本发明涉及利用二元连续射流(binary continuous jets)操作的喷墨打印机，该喷墨打印机的打印原理是基于射流或射流节段的差别偏转。本发明更具体地涉及使这种打印机的打印速度最佳化，同时保证偏转水平的精度。
背景技术：
喷墨打印包括形成墨滴，并朝向打印介质引导墨滴。传统上，可以分成两种不同的喷墨打印技术按需滴落技术和连续喷射技术。按需滴落技术广泛应用于打印速度低的办公打印应用中，而连续喷射技术被广泛地使用在工业打印领域中，因为其保证在严格的工业环境中高的生产率和良好的耐用性。该连续喷射技术可还被进一步分成两种子类别偏转的连续喷射技术(从相同射流供给的液滴以多种水平偏转)和二元的连续喷射技术(从多个射流供给的液滴以两种水平偏转，多个射流大体规则地间隔开并且位于包括一排射流的相同平面中)。二元连续喷射技术通过液滴的生成速率(大的墨输出量，以及高频率液滴生成) 和平行打印的多个射流，可以实现非常高的打印速度。对于该技术的主要应用，打印速度是关键性能所在。所谓可打印液滴的能够达到的速率取决于液滴的产生和偏转原理，这带来不同类型的作用和影响。根据液滴偏转原理，二元连续喷射技术的各种形式带来了使打印速度最大化的特定解决方案。液滴的静电偏转是这样一种打印技术，该技术由于相同射流中或相邻射流之间的带电液滴之间以及液滴与充电电极之间的电作用现象而不可能打印所生成的所有液滴关于该点可以参考柯达(KODAK)的专利US 4 613 371。为了以最大可能的程度分开打印和非打印液滴的轨迹(trajectory)并且为了通过精度设置撞击来保证打印质量，打印液滴的排列顺序明显取决于待打印的图案，但必须通过引入所谓的“防护”液滴来顾及到液滴之间的电荷状况和相互作用。系统地介入到带电液滴之间以限制干扰的这些防护液滴不可能使每个射流均以由液滴的产生频率和喷嘴的输出确定的最大速度来打印。柯达的专利US 7 273 270通过使液滴在充电的瞬间偏转而使液滴之间的静电耦合最小，以使得由用于打印的射流产生的液滴的使用率最大化，并从而提高有效打印速度。这种使用液滴气动偏转的打印技术通过将以两种不同直径形成的液滴设置于不同的轨迹上来工作。通过横向于液滴路径的气流，使得这些液滴偏离它们的轨迹。该打印原理还导致在液滴的形成和它们的相互作用方面存在限制。由此，可打印的液滴的使用肯定是有限的。柯达的专利US 6 505 921描述了一个可打印液滴的形成机理以获得良好打印质量的实践示例，其最终限制了打印速度。如由申请人在专利申请WO 2008/040777中提出的那样，射流偏转是新近的打技术，其通过在打印和非打印的射流节段之间采用差别偏转来提供连续射流的偏转。在该技术中，两种液滴的连续打印需要系统地形成与打印液滴交替的、由槽回收的射流的非打印部分或节段。该射流的非打印部分或节段的长度到现在达到大约为提供偏转的高电压电极的高度。因为其偏转和由槽回收而为了打印损失的墨的该节段或部分导致有效打印速度比由整个射流输出给定的最大理论打印速度低得多。根据现有技术，偏转电极的尺寸使差别偏转最大化(打印和非打印液滴的轨迹之间的角偏转差)。该提议的主要缺点在于不能使打印速度性能最佳，然而这在二元连续喷射技术中非常重要。因此本 发明的目的是提出一种使喷墨打印机的速度性能最佳的方案，该方案使用二元连续喷射技术同时保持但不改变二元偏转水平。
发明内容
在本申请的所有内容中，词语“偏转”和“偏离”是同义词。图1示出了根据二元连续技术的喷墨打印机的竖直剖面部分。所示的平面(Y、Z) 与喷嘴的取向(X)正交，因此仅示出一个喷嘴和从该喷嘴排出的射流。在本发明的结构中，“射流的行进方向”的表述是指来自一个或多个喷嘴的、在平面(γ、ζ)中的第一射流节段或第二射流节段的墨水射流方向。术语——电介质或电极的“高度”，是指相关元件关于轴线Z的尺寸。主动地选择了术语“长度”以区别于术语“高度”，该长度是指柱状射流节段在平面 (Υ、ζ)中的最大尺寸。在压力下将墨水提供给液滴生成器(1)。该生成器包括多个平行的喷墨喷嘴(仅示出一个被标记为2的喷嘴)。该生成器在分别与其中一个喷嘴2液压连通的多个激发室内包括单个贮液器，该单个贮液器由这些激发室共用并且位于这些激发室的上游，该贮液器在压力下将墨引入每个激发室中，以沿每个喷嘴2的轴线喷射墨水5。每个激发室还包括至少一个柔性元件，由机电致动器3导致该至少一个柔性元件的变形，所述机电致动器3由驱动信号发生器4供 H1^ ο流过喷嘴2的连续射流5可根据电发生器4提供的脉冲之间的周期，被分成各种尺寸的节段6。电极单元7布置在液滴生成器1的下方，其用于使射流偏离液压轴线Ζ。该单元7 包括高度分别为He的两个偏转电极8、9，该两个偏转电极由高度为Hd的电介质10彼此分开。在打印操作中，在整个期间周期性地可变并且彼此相位相反的高压电信号被施加到这两个电极8、9上。单元7还包括一对接地电极100 ( 一个位于偏转电极的上游101，另一个位于偏转电极的下游102)。回收槽11拦截偏转的和非打印的射流部分或节段12，同时旨在打印的非偏转节段13被引向未被示出的待打印介质。或者，并且不限制本发明的范围的情况下，偏转射流节段可被打印，而非偏转液滴由所述槽回收。因此可以将射流轨迹示意性地分成如图1中所示的三个区域Α、B、C 区域Α，在该区域中，射流正对接地电极100 因此不受电场力或经受微小的电场力；
区域B，在该区域中，射流在主动偏转电极8、9的单元7对面。通过供应相位相反的电信号，这些偏转电极产生静电力。静电力作用于射流，其结果是在面对电极的射流节段上产生或大或小的偏转力。区域C，在该区域中，偏转幅度最大的射流节段12或不偏转的射流节段13均沿可被称作“准”直线的路径流动，因为其不再受到任何静电场和偏转力的作用。直到现在，才 了解到打印原理必须形成具有足够长度的所谓的“长”射流节段12 以确保其偏转(以及回收)和用于打印的所谓的“短”射流节段6。为了使打印速度最佳，发明人决定针对给定的液滴生成器和电极单元研究驱动信号的周期或脉冲持续时间对射流节段的偏转幅度的影响。因此他们改变了脉冲持续时间， 也就是说间隔开前后两个脉冲的时间Ti。图2示出了曲线C，其中按照由脉冲持续时间产生的射流节段长度，示出了射流节段的偏转水平。该曲线可被再分为三部分曲线部分Cl，其中偏转几乎为零该射流节段长度通常小于电介质的高度Hd ；曲线部分C2 这是中等偏转幅度的区域，其中，脉冲持续时间增大得越多，偏转幅度就越大；在实践中，已证实该区域C2难以用于给定的打印头，因为存在因此部分偏转的射流节段挡住回收槽的风险；曲线部分C3 它是偏转幅度最大的区域。发明人发现，对于该曲线部分C3，也就是说在超出射流的极限节段长度时，最大偏转幅度变得与节段长度无关。因此他们总结认为，允许所谓最大打印速度的操作点，即最佳操作点对应于图中表示为Opt的点，该点位于两个曲线部分C2和C3的交接处。确实，在该最佳点Opt处，射流节段具有由槽回收的最短长度，同时具有最大偏转幅度，该最大偏转幅度与不中断的连续射流基本相同(100%的偏转水平)。在进行了其它测试之后，发明人因此通过实验发现，当脉冲持续时间Ti值与射流速度Vj相结合，得到独特的射流节段长度Lc (等于TiXVj)时，达到该最佳点Opt，所述独特的射流节段长度Lc等于3He+2Hd，如图2所示。实际上，发明人进行了下列技术分析给定的二元喷墨打印机中的最大幅度是一种连续射流，该连续射流不中断，但通过电极单元的所有电极而被偏转。为了基本达到射流节段的最大偏转幅度值，所述射流节段内的电偶极子(electrical dipole)必须由相位相反的每对两个电极正确地形成。这意味着射流节段的长度必须足以达到2He+2Hd的值的距离。换言之，根据本发明的射流节段必须有利地遮盖两个连续的电极。除此之外，发明人指出在实践中该理论值必须根据以下各项予以调节由于所给定的端部彼此靠近的流体射流所固有的毛细管力，因此每个射流节段的长度趋于沿其全程逐渐减小；每个电极趋于在其边缘的每侧造成其静电场的扩展。因此发明人总结认为，对于每个给定的打印机沿电极单元的整个高度(即直到打印头的出口并直到回收槽的入口)，考虑到这些现象必须引入给定的校正系数α。发明人总结认为，为了具有最大打印速度同时保持最大偏转(100%偏转)，必须按照下述方式操作打印机，即第二射流节段(也就是以最大幅度的偏转节段)的高度基本等于2\[(1+叫拖+朋]，其中α为校正系数。如根据图3的示例性喷墨打印机，α通常等于0. 5，这使得第二射流节段的长度为 3He+2Hd。因此，通过单独地使用区域Cl和C3，根据本发明的打印机的使用是有利的。因此偏转水平几乎是两倍，这大大地便于槽的安装的设计和尺寸确定，并且更精确地设计和确定其液滴或射流拦截边缘的尺寸，并且避免了因较差地控制其偏转的液滴造成的干扰风险。因此，本发明的主题是一种喷墨打印机，其在打印操作期间有利地采用该最佳点。根据本发明，所述喷墨打印机包括
-至少一个电脉冲信号发生器；-液滴生成器，该液滴生成器包括至少一个喷墨喷嘴，在压力下向所述喷墨喷嘴提供墨水，所述墨水来自与所述喷嘴液压连通的激发室；至少一个柔性元件，由所述脉冲信号发生器供电的机电致动器造成该至少一个柔性元件的变形，通过所述变形来调节所述激发室的容积，以便将沿每个喷嘴的轴线发射的连续墨水射流断开成为节段，以及-电极单元，该电极单元相对每个喷嘴的轴线(Z)错开，并且包括至少两个偏转电极，所述两个偏转电极紧邻所述喷嘴并且高度分别为He，所述两个偏转电极由高度为Hd的电介质彼此分开；其中，在打印操作中-向所述两个偏转电极分别提供相位彼此相反的信号，并且-所述发生器按照以下周期向所述机电致动器提供经校准的脉冲·第一周期，该第一周期小于或等于Tc1，用以形成第一射流节段，该第一射流节段的长度小于或等于第一长度M1，其小于所述电介质的高度Hd，从而通过被提供了相位彼此相反的信号的偏转电极使得所述第一节段偏离最小幅度，和·第二周期Tc3,用以形成第二射流节段，该第二射流节段与长度小于或等于hCl 的所述第一射流节段逐个交替，所述第二射流节段的第二长度hc3基本等于2 X [ (1+ α ) He+Hd]，从而所述第二节段偏转最大幅度，其中α为校正系数，该校正系数取决于在电极每侧的静电场的范围并且取决于在所述单元的整个高度上在所述第二射流节段中的毛细管力。从被描述具有两个电极的该装置出发，发明人还发现电极的数量η可以增大至4、
6......，以增大偏转幅度。电极单元包括高度分别为He的多个η个电极(Α对、B对)，这
些电极由高度为Hd的电介质彼此分开，以增大偏转的射流节段的偏转角度。因此，如果采用单对电极(其用于在距喷嘴的给定距离处偏转液滴)不能满足偏转程度，则增加电极的数量以提高总体偏转幅度。根据图4，长度h。3的射流节段首先被电极对A吸引，然后再被电极对B吸引，以此类推适用于一系列电极对，这些电极对是面对偏转的墨水节段定位的。对于喷墨偏转的打印原理，具有多个η个电极的本发明带来的优点是能够以相对独立的方式优化偏转幅度和液滴形成率(打印速度)的参数。换言之，取代单对电极(图1)的多个(η)偏转电极的安装(图4)可以确定打印头(电极单元和回收槽)的尺寸，以便同时满足-打印速度要求(高液滴生成率)-打印和非打印的射流部分或节段之间的差异化的偏转幅度要求；- 二元偏转水平，以便放置槽并因此便于回收非打印射流(或节段)。根据一个有利变型实施方式，电极单元在沿高度的平面中具有呈弧形轮廓的电极，从而使得从所述偏转的射流节段到所述轮廓的距离在该单元的整个高度上基本恒定。根据前述有利变型实施方式的一个补充性变型实施方式，所述电极单元具有η个电极，每对相邻电极(η-1，η)(其处于距喷嘴的距离为j的位置处，并且第二射流节段(12B) 经过所述每对相邻电极的正面)限定了 2X [(1+α )Η +Η(1η]」的高度，该高度由通过高度为 Hdn的电介质彼此分开的电极的单个高度Hen来确定，所述高度2 X [ (1+ α ) Hen+Hdn] j基本上等于所述第二射流节段的长度(Hc3)」。换言之，电极之间的间隔与电极的高度之间的关系被如此选择，以使组合的高度 2X[(l+a)Hen+Hdn]J小于在从喷射喷嘴起限定的距离J处的正面穿过的射流节段(Hc3\ 的长度。该组合的高度不恒定而是略微减小，因为在射流中的表面张力的作用下，节段(最初为柱状)的长度由于射流节段收缩而趋于减小并且其形状变化成球形液滴。因此电极间隔这种变化在一定程度上补偿了表面张力的作用。根据前述两个实施方式的一个补充性变型实施方式，从在射流前进方向上紧跟第一电极的电介质的底部到所述射流的断开点的距离小于被偏转的射流节段的长度。换言之，限定节段Hc3上游部分的射流中断，仅出现在当节段Hc3的下游端头遮盖第一电极He和从其延伸的电介质Hd之时。这种有利设定使得可以利用第一电极(图4中 η = 1)来偏转节段Hc3的下游端头。这样，通过接地的喷嘴板实现电回路，而不等待通过第一对电极(图4中11 = 1和11 = 2)形成偶极。根据第一变型实施方式，偏转程度最小的射流节段用于执行打印。因此，发生器可以在最初的短暂打印阶段提供脉冲。脉冲之间的时间小于或最多等于TCl。脉冲的持续时间可以不同，以便形成不同尺寸的射流节段，但均微弱地或者极微弱地偏转。因此，通过持续时间变化进而尺寸可变的脉冲来打印液滴，可以形成针对特定的打印形成不同的灰度等级，从而提高打印质量。作为另选方式，根据第二变型例，最大程度偏转的射流节段用于执行打印，而不偏转或微弱地偏转的液滴在槽处被再循环。
通过阅读参照附图提供的说明更清楚地显露其它优点和特征，在这些附图中图1是根据本发明的二元连续喷射打印机的部分剖视图，其中偏转液滴由槽回收；图2示出了示例性曲线，其中射流节段的偏转水平取决于由可变脉冲持续时间产生的 射流节段的长度；图3示出了根据本发明的包括多对电极的打印机部分的一个优选实施方式；图4示出考虑了射流节段的收缩动态特性的根据本发明的电极组合(network)的一个优选实施方式。
具体实施例方式图1和 2已在前面进行说明。图1和2中表示相同元件的附图标记在图3中被重复使用。图3示出一优选实施方式，根据该优选实施方式，电极单元100包括高度分别为He 的两对电极81、91和82、92，该两对电极分别通过高度均为Hd的电介质IO1UO2彼此分开。单元100具有弧形轮廓P，该弧形轮廓P能够使偏转的射流节段12在单元的整个高度上与面对的电极处于大体恒定的距离。图4表示偏转的射流节段中的变化，该射流节段的长度在表面张力12A、12B、12i 作用下自然地趋于减小。所给出的射流节段(例如12C)的每端200经受返回力(毛细管力)，该返回力使各端相互聚拢，以便最终使射流节段从最初的柱状形状成为球形形状。节段12i长度随着其在电极前面的前进而减小，其不能再遮盖至少两个连续的电极，因此不能再被偏转。因此有利地是，调整电极(电介质)之间的间隔以及电极的高度He，以使组合的高度2Χ[(1+α) HeJHcUj小于处于从喷嘴2起限定的尺寸J处的射流节段(Hc3)j的长度。在打印操作中，调节脉冲发生器4，以轮流得到偏转和不偏转的液滴-具有等于Tc1的第一周期的一组脉冲产生其高度小于电介质高度Hd的射流节段 6，并且因此形成偏转非常小的液滴(具有偏转角接近于零度的轨迹)；-具有第二最佳周期Tc3的一组脉冲形成高度基本等于3He+2Hd的射流节段12， 因此与非中断的连续射流的幅度相比，该射流节段以最大幅度偏转。这样的打印机可以获得最佳打印速度，这对于在用于打印的非偏转节段13与偏转节段12之间的二元差别偏离是急需的。在一个变型实施方式中，在打印操作中，脉冲发生器4始终被调节成使偏转液滴与非偏转液滴交替，但用于产生其高度小于电介质高度Hd的射流节段6并因此形成偏转非常小的液滴(角度几乎为零)的脉冲组使用可变的持续时间，该持续时间可小于或等于 Tc1，从而形成具有可变尺寸的液滴，该可变尺寸小于由脉冲持续时间Tc1规定的最大尺寸。在另一个打印的变型实施方式中，使用偏转液滴进行打印，但是非偏转液滴或仅有非常小偏转的液滴由槽回收。用于打印的射流节段的长度基本不小于或优选地等于 3He+2Hd，而被回收的射流节段的长度具有较小的尺寸，该长度小于Hd。在诸如图2和4所示的喷墨打印机的实施方式中，校正系数α的值被示例性地确定为等于0. 5，本领域技术人员根据发明人以上说明的示例性方法通过改变用于液滴生成器的脉冲周期可以确定另一个喷墨打印机的另一个系数，以获得处于两条曲线C2和C3汇合之处的最佳点。
权利要求
1.一种喷墨打印机，该喷墨打印机包括-至少一个电脉冲信号发生器；-液滴生成器(1)，该液滴生成器包括至少一个喷墨喷嘴O)，所述喷墨喷嘴中灌注有带压力的墨水，所述墨水来自与所述喷嘴液压连通的激发室；至少一个柔性元件(3)，由所述脉冲信号发生器供电的机电致动器C3)造成该至少一个柔性元件的变形，通过所述变形来调节所述激发室的容积，以便将沿每个喷嘴的轴线发射的连续墨水射流断开成为节段， 以及-电极单元(7)，该电极单元相对于每个喷嘴的轴线(Z)错开，并且包括至少两个偏转电极(8、9)，所述两个偏转电极紧邻所述喷嘴并且高度分别为He，所述两个偏转电极由高度为Hd的电介质彼此分开；其中，在打印操作中-向所述两个偏转电极(8、9)分别提供相位彼此相反的信号，并且-所述发生器(4)按照以下周期向所述机电致动器C3)提供经校准的脉冲 第一周期，该第一周期小于或等于Tc1，用以形成第一射流节段，该第一射流节段的长度小于或等于第一长度M1，其小于所述电介质的高度Hd，从而通过被提供了相位彼此相反的信号的所述偏转电极使得所述第一节段偏离最小幅度，和 第二周期Tc3,用以形成第二射流节段，该第二射流节段与长度小于或等于hCl的所述第一射流节段逐个交替，所述第二射流节段的第二长度hc3基本等于2 X [ (1+ α ) He+Hd]，从而所述第二节段偏转最大幅度，其中α为校正系数，该校正系数取决于在电极每侧的静电场的范围并且取决于在所述单元的高度上在所述第二射流节段中的毛细管力。
2.根据权利要求1所述的喷墨打印机，其中，所述电极单元(7)包括高度分别为He的多个η个电极(Α对、B对)，所述多个电极分别由高度为Hd的电介质分开，以增大所述第二射流节段的偏转角。
3.根据权利要求2所述的喷墨打印机，其中，所述电极单元(7)在沿所述电极的高度的平面中具有弧形轮廓(P)，使得从所述第二射流节段到所述轮廓的距离(d)在所述单元的高度上基本恒定。
4.根据权利要求2或3所述的喷墨打印机，其中，所述电极单元(7)具有η个电极，在距所述喷嘴的距离为j的位置处，所述第二射流节段(12B)从其前方经过的每对相邻电极 (η-1, η)限定了基本上等于所述第二射流节段的长度(Iic3)j的、2 X [ (1+α ) Hen+Hdn]」的高度，该高度由通过高度为HdnW电介质彼此分开的电极的单个高度Ifen来确定。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的喷墨打印机，其中，从在射流前进方向上紧跟第一电极的电介质的底部到所述射流的断开点的距离小于所述被偏转的射流节段的长度。
6.根据前述权利要求中任一项所述的喷墨打印机，其中，偏转幅度最小的所述第一射流节段用于执行打印。
7.根据权利要求6所述的喷墨打印机，其中，所述发生器提供小于或等于Tc1的第一周期的多个脉冲，这些脉冲彼此不同，以便产生不同尺寸的偏转幅度最小的第一射流节段。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的喷墨打印机，其中，偏转幅度最大的所述第一射流节段用于执行打印。
9.根据前述权利要求中任一项所述的喷墨打印机，其中，所述液滴生成器(1)包括多个平行的喷墨喷嘴(2)，所述多个喷墨喷嘴适于平行 地喷射多个连续墨水射流。
全文摘要
本发明涉及利用二元连续射流的喷墨打印机，该喷墨打印机的打印原理是基于射流或射流节段的差别偏转。根据本发明，由于巧妙选择了电发生器的脉冲周期，因此该打印机的打印速度最佳，同时保证了两种偏转水平(二元)的精度。
文档编号B41J2/095GK102216083SQ200980145160
公开日2011年10月12日 申请日期2009年11月10日 优先权日2008年11月12日
发明者B·巴贝特, R·乔利 申请人:马肯-依玛士