专利名称：用于喷墨打印机中循环供墨系统的墨水脱气的制作方法
用于喷墨打印机中循环供墨系统的墨水脱气技术领域
本发明涉及微滴沉积装置。更具体地讲，本发明涉及用于喷墨打印装置的循环供墨系统。
背景技术：
喷墨打印技术由于其足够的简单性(以及其分配非常小的受 控墨滴的能力)而获得了广泛的应用。小册子、广告、广告宣传单、商 务名片、标签是该技术已获得认可的一些应用领域(此前依赖于胶印的 应用)。该技术的应用在其存在期间不断扩展。^v其最初作为商务文件 的打印技术，喷墨(由于其广泛的需求)已经^夸入宽幅打印、包装和3D 原型设计的领域。随着这些工业部门中各个部门的要求变得越来越复 杂，喷墨技术也总是设法跟上并在各种情况下得以提供。
在常规的打印应用场合，喷墨打印技术用于将微小的墨滴从 细小的喷嘴沉积到接收介质上，以便形成打印的图像制品。在制造环 境中，喷墨打印用于在关键制造工艺中的微沉积和喷涂。所有的这些 应用场合已经产生了多种喷墨工艺和打印头结构。用于在打印头中形 成微滴的促动机构已经经过了一段时期的发展，并且当前存在三种主 要的技术推动着喷墨打印。喷墨打印头或者连续或者按需产生微滴。 连续产生意味着供墨源受到充分地加压，以便产生离开喷嘴的连续墨 滴流。墨滴针对记录介质上各个可能的像素位置产生，因为加压的供 墨源事先并不知道何时和何地像素需要接收墨滴。不需要打印到记录 介质上(因为"白"像素的原因)的许多墨滴以一定的方式作废。连续 喷墨打印头总是需要一种能够捕获这些废弃墨滴的沟槽。或者是沟槽 的墨滴或者是打印墨滴从喷嘴排出的连续墨滴流偏转。墨滴偏转力通常是静电的。"按需"区别于"连续"之处在于墨滴仅在需要时通过 操作物理过程而暂时克服墨水的表面张力产生，并从喷嘴中喷出墨滴 或成串墨滴。供墨源未充分地受压以形成连续的墨滴流。代替的是， 墨水保持在喷嘴中，形成弯液面。墨水保持就位，除非有些其它的作 用力克服液体中固有的表面张力。最常见的方法是突然提高墨水上的 压力，将其从喷嘴推出。 一种类型的按需滴落式喷墨打印头采用了电 致收缩的物理现象，即转换器的尺寸响应所施加的电场而变化。电致 收缩在压电材料中最为强烈，因此这些打印头称作压电打印头。压电 材料非常小的尺寸变化在较大的区域中得到利用，以便产生足够大的 容积变化，以将墨滴从小的墨腔中挤出。压电打印头包括许多成阵列 布置的小墨腔，各墨腔具有单独的喷嘴和一定百分比的可变形的壁区 域，以便产生将墨滴从喷嘴中喷出所需的容积变化。另一种类型的按 需滴落式喷墨打印头采用了热点转换器，该热点转换器与图像像素的 尺寸大致相同，可产生脉沖以使非常薄的液体层沸腾。液体-蒸气相变 的巨大体积膨胀产生的压力脉沖效果与压电转换器的极大区域所产 生的效果相同。
本发明处理墨水供给到按需滴落式喷墨打印头的墨腔中的方 式，以及针对喷墨打印头中的最佳操作而进行的墨水调节。
在现有技术中，已经公开了用于喷墨打印装置的墨水循环系统，并且已经证明当墨水安装在打印装置中时有利于避免墨水(例如由于颜料颗粒分裂)变质。WO 2006/064040 (AGFA) 2006-06-22公开了用 于量产型打印设备中按需式喷墨打印头的循环供墨系统。循环供墨系 统具有通流墨水脱气单元，该墨水脱气单元与墨水循环串联安装，即 流到打印头的墨水也流经脱气单元。串联脱气解决了有关供墨通道中 截留空气的问题，以及解决了有关在墨滴产生过程中未充分脱气的墨 水在打印头的墨腔中调整扩散的问题。 一个实施例公开了其中墨水循 环和串联脱气的原理应用到结合了多个打印头的喷墨打印装置中。显 示该实施例的附图在本申请中作为图l重新采用。用于使墨水经由打印头以及经由串联脱气单元循环的驱动力由两个不同储墨容器中的 自由墨水表面之间的流体静压差Ap提供。从实用的观点来看，流体 静压差总是受限的，并且不适于作为控制墨水流速的过程变量。还有， 流体静力驱动的墨水循环中的实际流速取决于流道中的流动阻力。该 流动阻力可取决于所连接的打印头数目，以及墨水通道中的管3各总长 等。因此，墨水循环系统中的墨水流速在大小上受到限制，以及在可 控性上受到限制。另一方面，墨水流速在控制串联脱气单元的效率方面是一个重要参数。在WO 2006/064040 (AGFA) 2006-06-22中所讨论 的通流脱气单元据说以至少1000 ml/hr的墨水流速经过脱气单元时操 作最佳，该流速大致高于由两个墨储容器中的自由墨水表面之间的流 体静压差Ap所产生的墨水流速。为了解决该问题，所公开的另一个 实施例包括旁通通道或旁路，该旁通通道或旁路平行于用于打印头的 主墨水循环通道。循环泵产生了经由脱气单元的墨水流速，该流速大 致高于由流体静压差Ap所产生的墨水流速。旁通通道用作超出主墨 水循环通道中所需墨水的已脱气墨水的近路(shortcut)返回通道。近路 返回通道由此允许经由脱气单元的流速高于经由主墨水循环通道的 流速，并且由此使经由近路脱气循环而循环的墨水更好地脱气。
发明内容
技术问题
现有技术的墨水循环和脱气系统的技术问题在于主墨水循环 通道经由可控阀使已脱气的墨水以低流速从近路脱气回路中流出，并 将流出的墨水在由打印头使用之前储存在中间储存容器中。墨水的中 间储存装置是将气体重新引入(此前已脱气的)墨水中的潜在来源。该 过程可通过在来回移动的打印头滑架的快速加速和减速期间墨水在 中间储存容器中的喷溅而得以增强，其中，墨水的中间储存装置可安 装在该滑架上。无论如何，暴露到空气中(例如在中间储存容器中)的 各部分脱气的墨水会随着时间的推移(例如在打印装置静置期间)而溶入气体。
因此，本发明的目的在于改进在本领域中所公知的用于喷墨 打印装置的墨水循环和串联脱气的原理，并且更好地保证输送给喷墨 打印头的脱气墨水的质量。技术方案
上述目的通过提供如在权利要求1中所述的用于喷墨打印装 置的墨水循环系统而得以实现。
本发明的优选实施例的具体特征在从属权利要求中列出。 本发明的有利效果
根据本发明的墨水循环系统的主要优点在于经由脱气单元的 墨水流速可独立于经由喷墨打印头的墨水流速进行控制，以便为通流 脱气单元提供最佳的操作条件。
根据本发明的墨水循环系统的另 一个有利效果在于墨水刚好在供应给喷墨打印头之前在中间储存位置处进行脱气。
图1公开了现有技术的墨水循环系统，其在墨水流道中带有 串联的脱气单元。
图2显示了本发明的第一实施例，其4吏用两个循环泵来独立 地控制脱气循环流和打印循环流。
图3显示了本发明的备选实施例，其仅使用一个循环泵来控 制经由脱气单元和三通阀的总墨流，以控制脱气循环流和打印循环流 之间的墨水流量比。具体实施方式
参照图l,描述了从现有技术中已知的带有串联脱气单元的墨 水循环系统。该系统包括用于将墨水提供给一组喷墨打印头10的供 墨子容器20，以及用于使没有用来打印的墨水从该组喷墨打印头10 返回的墨水返回子容器30。供应子容器20和返回子容器30分别配备 有墨水液面传感器26和墨水液面传感器36。液面传感器26和36的 优选实施例可包括带有开关输出和模拟输出的超声液面传感器，其可 从Hans Turck GmbH & Co (DE)获得。液面传感器26和36还可以包 括沿着竖直壁布置在子容器外部的一组Hall检测器，Hall检测器与布 置在子容器内部的浮动构件相关联，该浮动构件具有附接到其上的磁 体。组中Hall检测器的数目确定了二进制测量相对于连续测量的程 度。液面传感器可用来在供应子容器20中自由的墨水表面与返回子 容器30中自由的墨水表面之间建立高度差。该高度差形成流体静压 差Ap,该流体静压差Ap是墨水流经打印头的驱动力，现在将对此进 行说明。供应子容器20将墨水提供给供应收集器条形件28，其可以 是例如耐墨水材料(例如不锈钢)挤制的型材。供应收集器条形件28具 有通向多个打印头10的墨水进口的多个连接件。多个打印头10的墨 水出口连接至返回收集器条形件38，该返回收集器条形件38又与返 回子容器30相连接。打印头10通过可促动的开/关阀而连接至收集器 条形件28和38，该开/关阀可将各单独的打印头10与墨水系统断开。 在打印机的非操作模式下，打印头10可与墨水系统断开，由此降低 墨水通过打印头喷嘴泄漏的风险，例如由于在喷嘴处的背压损失。在 清洗模式中，其中墨水经由打印头进行清洗，以便清理墨腔和喷嘴， 并用新鲜的墨水填充墨腔，阀可切断不需要清洗的那些打印头10。使 用阀由此减少了清洗过程中的墨水浪费量。在打印模式中，阀打开且 多个打印头IO与供墨系统连接。在多个打印头IO的喷嘴处稍微为负 的背压因此通过施加在供应子容器20和返回子容器30的自由墨水表 面上的压力pQ进行控制。经由从返回子容器30回到供应子容器20的墨水通道，墨水系统是封闭的。该墨水通道包括泵76、脱气单元60 和过滤器65。泵76的优选实施例可包括来自KNF Neuberger的液体 微量泵或适于泵送喷墨墨水的蠕动泵。脱气单元60可以是来自 Membrana GmbH的MiniModule中空纤维膜脱气单元。MiniModule 脱气单元连接至可变的真空压力源(未示出)，用于控制通流脱气单元 的脱气效率。过滤器65优选地为这样的过滤器，其阻挡返回墨水中 的任何结块材料或胶凝材料重新进入供应子容器20。适当的过滤器可 以是来自Pall的MAC型过滤器。MACCA0303可选择为用来与紫外 光固化的墨水一起使用且目标为3jLim的过滤等级。泵76在返回子容 器30的液面传感器36的控制下操作。其将从返回子容器30返回的 墨水泵回到供应子容器20，从该供应子容器20将墨水收回到打印头， 以便保持将墨水流驱动到多个打印头10的优选的流体静压差Ap。由 于流体静压力与压力pQ —起限定了打印头喷嘴处的背压，故用于流体 静压变化的操作极限取决于用于打印头10的许用背压变化的操作极 限，并且可例如为土5cm的当量流体静压高度差，更优选地为士lcm的 当量流体静压高度差，最优选地为士0.5cm的当量流体静压高度差。泵 76关闭墨水循环回路。如在图1中所示的墨水循环回路可位于喷墨打 印装置的滑架处。尤其是工业类型的喷墨打印装置适于承载图l的墨 水循环系统1,其中往复移动的滑架设计为坚固的并且用以支承多种 打印功能元件(例如打印头、供墨系统、校准系统、维护系统等)。供 应容器40和泵73位于偏离轴线的位置，以便当墨水由打印头10消 耗时向供应子容器20补充新鲜墨水。泵73在供应子容器20的液面 传感器26的控制下进行操作。泵73的使用允许在供应容器40中的 墨水保持在环境压力。供应容器40包括用于主墨水容器如扁平罐(在 对接时自动倒空)的对接件。对接件例如可提供刃部，当扁平罐对接时， 该刃部自动弄破该罐中的密封件；扁平罐可通过重力倒空。图1的现 有技术的墨水循环系统提供了在滑架上(本地)的墨水循环和脱气，以 及在滑架供墨部分1与离轴式供墨部分2之间极小的相互作用。通过设计，经过脱气单元的墨流与经过打印头的墨流相同。这可能不利于 脱气单元60的最佳操作，因为与操作打印头10必需的循环流速相比，
脱气可能需要更高的循环流速，并且高于利用供应子容器20与返回 子容器30的自由墨水表面之间的高度差或当量流体静压差Ap可达到 的循环流速。 参照图2，描述了根据本发明的墨水循环系统的实施例，其中 脱气单元的操作得到改进。已经表明，经由脱气单元的最低的墨水流 速对于通流脱气单元的最佳操作是优选的。该最低流速对于前述 MiniModule脱气单元而言为大约1000ml/hr，但通常取决于脱气单元 的类型。显示在图2中的墨水循环系统可提供比经由打印头的流速更 高的经由脱气单元的流速。该实施例包括如在图1的现有技术墨水循
环系统中所公开的墨水循环)(还称作打印循环)，以及此外包括用于使 供应子容器20的内含物通过泵67经过脱气单元60和过滤器65循环 回到供应子容器20的墨水循环。后一个墨水循环还称作脱气循环。 通过泵67控制的经由脱气循环回路的墨水流速可设定成优选地用于 脱气单元60的最佳操作和性能的任何数值，并且与经由打印循环回 路的墨水流速无关，经由打印循环回路的墨水流速由流体静压差Ap 控制，并通过循环泵76维持。经由打印循环回路的墨流刚好在脱气 单元60之前与经由脱气循环回路的墨流汇合。
供应子容器中分开的墨水脱气循环的有利之处是多方面的
经由脱气单元的墨水的流速可独立于经由打印头的墨水的流 速而设定。
脱气循环可独立于打印循环进行操作。脱气循环可例如在实 际的打印循环开始之前的 一 定时间开始，使得供应给打印头 的墨水用于冲洗和清洗打印头，并且在打印过程中保证适当 地脱气。
脱气循环对供应子容器20的内含物进行操作，该内含物是在 其供应给打印头之前最新储存的墨水。这一点很重要，因为已经表明，在现有技术的循环系统的供应子容器20中的脱气 墨水的质量随着打印装置的静置而退化(因为当暴露于供应子
容器20中存在的空气中时，脱气过程逆向地进行)，并且在滑 架(供应子容器20安装在该滑架上)往返移动的过程中脱气墨 水的质量也在退化(因为供应子容器2 0的墨水内含物的喷溅)。 脱气设置成在滑架上进行，由此在滑架的供墨系统与离轴的 供墨系统之间保持倾斜的接口 。
在图3中显示了备选的实施例。在该实施例中，脱气循环流 与打印循环流的汇合由三通阀68所取代，并且两个驱动循环泵67和 76由单个循环泵69所取代。三通阀68可以是快速开关类型的阀，其 中或者是端口 P或者是端口 R同端口 A连接，三通阀68或者是流动 控制类型的阀，其中阀位置可控制在中间位置，并且端口P和R均部 分地打开，以及经由端口 A的汇合流对于所有的阀位置均保持恒定。 循环泵69为了脱气单元60的最佳操作和性能(即优选地在至少 1000ml/hr的流速下)而被驱动。三通阀68在返回子容器30的液面传 感器36的控制下才喿作，这与打印循环泵76在液面传感器36的控制 下操作的方式类似。对于开/关型的三通阀68，默认的操作模式可以 是脱气循环端口R打开，间歇地转换到打印循环端口P打开，以便将 流体静压差Ap保持在打印循环的操作范围内。对于流量控制类型的 三通阀68，默认的操作模式可以是例如脱气循环端口 R打开910/。， 而打印循环端口 P对于经由脱气单元的流速打开9%，经由脱气单元 的流速为经由打印头的流速的大约10倍。 使用三通阀的墨水循环和脱气系统的备选实施例的主要优点 在于通过利用阀取代循环泵而使费用降低。
工业应用 打印头技术喷墨打印是许多不同的打印技术的通称，所有这些不同的打印技术均沿着记录介质的方向从打印头喷嘴中喷射墨滴。在墨滴按需 式喷墨技术中，根据其结构，人们可以区分出端部喷出型打印头、侧 边喷出型打印头和通流型打印头。端部喷出型打印头的特征在于使喷 嘴位于墨腔端部，而侧边喷出型打印头的特征在于使其喷嘴位于墨腔 侧边。端部喷出型打印头和侧边喷出型打印头需要一个墨水连接件， 用于通过墨水歧管将墨水提供给多个单独墨腔，各墨腔均具有促动器 件，用于经由与墨腔关联的喷嘴喷射墨滴。供应给打印头的墨水保持 在打印头中，直到其从喷嘴中喷出。另一方面，通流打印头的特征在 于具有经由墨腔的连续流，即墨水通过墨水进口流入供应歧管，经过 多个单独的墨腔，终止于收集歧管中，墨水从该收集歧管通过墨水出 口离开打印头。只有小部分(例如少于10%)连续地流经墨腔的墨水体 积用于从喷嘴喷射墨滴。混合型的打印头结构也是已知的，例如端部 喷出型打印头，其中墨水歧管具有墨水进口和墨水出口。此处，容纳
于端部喷出墨腔中的墨水保持在打印头中，直到被使用；墨水歧管中
的墨水可连续地更新。本发明不依赖于喷墨打印头技术或打印头类
型。尽管上述实施例涉及通流或混合型的打印头，例如来自Agfa Graphics的UPH打印头，但本发明同样适用于其它类型的打印头。本 发明包括基于墨水循环的供墨系统，而不必是基于墨水循环的打印 头。例如，端部喷出型打印头可从供应子容器(20)与返回子容器(30) 之间的循环墨流中抽取墨水。
打印一几构型根据本发明的墨水循环和脱气系统适合于往复式的打印机构 型以及单程打印机构型。在往复式的打印机构型中，打印头安装到往 复式滑架上，该往复式滑架沿横向移动经过接收介质，同时打印一行 打印数据。接收介质的前向运动跟随往复运动而动，该前向运动的方 向垂直于往复移动件的往返移动方向，并且在打印头滑架穿过重新定 位的接收介质的下一次往复运动的过程中，邻近前一行对下一行打印数据进行打印。这种类型的打印头设置在宽广范围的工业用宽幅喷墨
打印机中使用，例如来自Agfa Graphics的Anapurna打印机。本发明 还可以与布置在穿过接收介质的整个打印宽度的固定构型中的打印 头一起使用。在这种情况下，接收介质以均匀的速度经过一组固定的 打印头，而这些打印头根据打印数据将墨滴喷射到接收介质上。结合 这种打印头设置的打印机通常称作单程打印机。单程喷墨打印机的实 例为来自Agfa Graphics的Dotrix系列的打印机。还可以构思出多 种混合构型。来自Agfa Graphics的M-Press打印机例如包括完全覆盖 接收介质宽度的打印头滑架，但却打印间断的页面宽度的打印行，即 相邻打印头的相邻打印行并非紧密地结合形成一个连续的打印行，而 是在其间具有间隙。间隙需要填入相继间断的页面宽度的打印行，该 打印行交错在先前的打印行中，以形成交织连续的页面宽度的打印 行。这种设置的有利之处为与更常规的往复打印机相比可提高通过 量，原因在于往复移动件的宽度增加，而不用不可控地增加复杂性， 该复杂性可由与全宽度的连续页面宽度的往复移动件相关联的大量 的打印头、管路、布线而引起。
喷墨墨水用于喷墨打印过程的"墨水"不再局限于用于图像制品的彩 色打印材料，而是现今还包括用于打印OLED显示器的结构材料、用 于打印RFID标签的导电材料、粘结材料等。尤其是压电喷墨技术通 常用于喷射常规的打印墨水之外的多种液体材料，原因在于压电喷墨 的物理特性(即电致收缩)并不限制待喷射的液体材料的化学成分。而 这对于热喷墨技术或连续喷墨技术则并不如此，热喷墨技术需要墨水 局部"蒸发"，连续喷墨技术需要墨滴"静电充电"。从墨水化学成 分的观点来看，喷墨墨水通常基于用来承载机能性粒子的载体材料而 分为各种族，例如水性颜料墨水。载体族包括水性墨水、溶剂墨水、 油基墨水、辐射固化墨水(例如紫外光固化墨水)、热熔墨水，以及最近引入的生态溶剂墨水和生物墨水，这两种墨水均以环保使用为目 的。本发明尤其适合于具有墨水分散性的墨水，当保持太长时间而不 搅动，这种墨水容易沉淀。典型的实例是使用二氧化钛作为白颜料的 白颜料墨水。这些墨水需要连续循环，以使墨水分散适于喷射目的。
权利要求
1.一种用于按需滴落式喷墨打印装置的墨水循环系统(1)，包括-喷墨打印头(10)；-供应子容器(20)和返回子容器(30)，所述供应子容器(20)用于容纳待由所述喷墨打印头(10)用来喷射的供应墨水，所述返回子容器(30)用于容纳没有被所述喷墨打印头(10)喷射的返回墨水；-打印循环通道，其使所述供应子容器(20)同所述喷墨打印头(10)和所述返回子容器(30)相联接，用于提供打印墨流从所述供应子容器(20)通向所述喷墨打印头(10)和所述返回子容器(30)并回到所述供应子容器(20)；其特征在于，所述墨水循环系统(1)还包括脱气循环通道，所述脱气循环通道使所述供应子容器(20)与通流脱气单元(60)相联接，用于提供脱气墨流从所述供应子容器(20)通向所述通流脱气单元(60)并回到所述供应子容器(20)。
2. 根据权利要求1所述的墨水循环系统，其特征在于，所述打 印循环通道和所述脱气循环通道具有直接位于所述供应子容器(20)上 游的公共的通道段，且其中，所述通流脱气单元(60)位于所述公共的 通道段中。
3. 根据上述权利要求中任一项所述的墨水循环系统，其特征在 于，所述打印循环通道包括打印循环泵(76),且其中，所述脱气循环 通道包括脱气循环泵(67)，两个循环泵都布置成可彼此独立地操作， 以便独立于脱气流速而控制打印流速。
4. 根据权利要求1或权利要求2所述的墨水循环系统，其特征 在于，所述公共的通道段包括循环泵(69)，且其中，所述打印循环通 道与所述脱气循环通道汇合成的所述公共的通道段包括三通阀，用于 控制所述打印流速与所述脱气流速之间的流量比。
5. 根据权利要求3或权利要求4所述的墨水循环系统，其特征在于，所述脱气流速大于所述打印流速。
6. 根据权利要求3至权利要求5中任一项所述的墨水循环系统， 其特征在于，所述脱气流速为至少1000ml/hr。
7. 根据上述权利要求中任一项所述的墨水循环系统，其特征在 于，所述墨水循环系统还包括过滤器(65)，所述过滤器(65)布置在所述 通流脱气单元(60)与所述供应子容器(20)之间，用于移除所述墨水中结 块或胶凝的材料。
8. 根据上述权利要求中任一项所述的墨水循环系统，其特征在 于，所述打印循环通道和所述脱气循环通道支承在用于往复移动经过 打印介质的滑架上。
9. 一种用于提供脱气的墨流给喷墨打印头的方法，所述喷墨打 印头使用上述权利要求中任一项所限定的墨水循环系统。
10. —种喷墨打印装置，其包括根据权利要求1至权利要求8中 任一项所限定的墨水循环系统。
全文摘要
本发明提供了一种墨水循环系统，该系统使供应给打印装置的喷墨打印头的墨水脱气质量得以提高。墨水循环系统包括用于向喷墨打印头(10)供应墨水的供应子容器(20)，以及使未被喷墨打印头(10)喷射的墨水返回的返回子容器(30)。打印循环通道将供应子容器(20)与喷墨打印头(10)及返回子容器(30)相联结，用于将打印墨流从供应子容器(20)提供给喷墨打印头(10)、返回子容器(30)，并回到供应子容器(20)。脱气循环通道将供应子容器(20)与通流脱气单元(60)相联结，用于将脱气的墨流从供应子容器(20)提供给通流脱气单元(60)，并回到供应子容器(20)。
文档编号B41J2/175GK101568438SQ200780048340
公开日2009年10月28日 申请日期2007年12月21日 优先权日2006年12月28日
发明者P·沃特斯, W·范德温克尔 申请人:爱克发印艺公司