способ и устройство для передачи материала из объемной среды

Формула изобретения

1. Способ нанесения материала на поверхность, включающий подачу на передающую станцию объемной среды в форме композиции диспергированного нерастворимого материала и поддерживающей среды и нанесение материала на поверхность, отличающийся тем, что он также включает обеспечение движения нерастворимого материала внутри объемной среды в направлении места передачи внутри передающей станции и концентрации этого нерастворимого материала внутри объемной среды в месте передачи и последующее удаление материала из места концентрации внутри объемной среды в месте передачи, после чего осуществляют нанесение материала на поверхность.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что обеспечивают протекание нерастворимого материала внутри объемной среды раздельно по отношению к поддерживающей среде.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что материал удаляют из концентрата в месте, которое содержит свободную границу объемной среды с другой средой.

4. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что нерастворимый материал выполнен в форме частиц.

5. Способ по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что нерастворимый материал заряжен по отношению к поддерживающей среде, и движение частиц внутри объемной среды осуществляют на основе электрофореза.

6. Способ по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что нерастворимый материал имеет диэлектрическую константу, отличную от константы поддерживающей среды, при этом обеспечивают движение и концентрацию нерастворимого материала с помощью подачи неоднородного электрического поля (диэлектрофорез).

7. Способ по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что нерастворимый материал обладает плотностью, отличной от плотности поддерживающей среды, а движение и концентрацию создают за счет осаждения, флотации или центрифугирования.

8. Способ по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что нерастворимый материал имеет незначительный дипольный момент и движется и концентрируется за счет подачи неоднородного магнитного поля.

9. Способ печати, отличающийся тем, что в нем используется способ нанесения материала на поверхность в соответствии с любым из предыдущих пунктов, при этом объемная среда содержит чернила и окрашенные частицы.

10. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что частицы удаляют из объемной среды через сопло или другое отверстие.

11. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что частицы удаляют из объемной среды в месте, содержащем один металлический конус, имеющий форму иглы зонд, сходящуюся на конус трубку, сужающийся полый корпус и металлический сужающийся жесткий корпус.

12. Способ по любому из пп.1 - 11, отличающийся тем, что часть поддерживающей среды удаляют из объемной среды вместе с нерастворимым материалом.

13. Устройство передачи материала, содержащее наполненную жидкостью ячейку, имеющую изолирующие стенки, вход для жидкости, передающее отверстие и два электрода, один из которых расположен в передающем отверстии, отличающееся тем, что оно дополнительно имеет выход для жидкости, несущей частицы передаваемого на поверхность материала, при этом первый электрод выполнен частично охватывающим ячейку, а второй предназначен для извлечения частиц из жидкости.

14. Принтер, отличающийся тем, что включает в себя устройство передачи материала, выполненное в соответствии с п.13.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к способу передачи материала, предпочтительно частиц, из объемной среды, предпочтительно жидкости, а конкретнее - к способу, который может быть использован для печати.

Известны различные фильтрационные и сепарационные техники, использующие электрофорез и ему подобные процессы.

Патент GB-A-1186184 раскрывает разделяющее устройство, которое объединяет электрофорез и объемный поток для разделения одной или более компонент, которые однородно или неоднородно растворены или диспергированы в одной или более относительно однородных жидкостях, будучи частично или полностью разделяемыми друг от друга и/или от жидкости или жидкостей. Жидкость течет в пространство между внутренним неподвижным цилиндром и внешним вращающимся цилиндром в присутствии электрического поля.

US-A-3909383 раскрывает процесс очистки, который использует известную технологию электрофорезов для очистки загрязнений из жидкостей, которые используют для получения изображений в системах электрофотографической печати, которые используют жидкие тонеры. Очищенная жидкость может быть использована заново, по мере того, как отфильтрованные частицы удаляются для последующего нанесения.

Патент EP-O-0320709 раскрывает способ сепарации на основе электрофореза, подобного упомянутым выше способам.

WO-A-8809210 относится к устройству, в котором вместо использования электрофореза в качестве средства очистки жидкости, содержащей частицы различных типов, может быть применен ультразвук для направления частиц вдоль текущей жидкости так, чтобы частицы могли быть собраны.

GB-A-2098498 относится к технике сепарации, которая также использует ультразвук, чтобы отклонить частицы в текущей жидкости для ее очистки. В данной публикации применяется способ, который вызывает дрейф частиц в ультразвуковом поле, что заставляет частицы устремляться вдоль потока к точке сбора. Загрязняющие частицы могут периодически удаляться.

В US-A-4011157 объектом изобретения является удаление или фильтрация конкретной составляющей из загрязненной жидкости, так чтобы очищенная жидкость могла быть использована заново. Способ использует известную технологию ультразвукового распыления, чтобы отделить жидкие чернила от конкретного загрязнения. Очищенные жидкие чернила (свободные от посторонних включений) передаются обратно на печатающую станцию, в то время как твердое загрязнение собирается в емкости для удаления.

WO-A-9320927 раскрывает способ, который использует известное явление диэлектрофореза для разделения частиц, которые взвешены в жидкости, текущей через ячейку. Можно предположить, что этот тип системы может быть использован для концентрации частиц, однако заявка на это не подана.

EP-A-0307940 раскрывает применение лазера для отделения биологических частиц.

FR-A-2232192 раскрывает использование переменного магнитного или электрического поля для сохранения чернил, содержащих магнитные частицы, в подходящей форме, т. е. предотвращать их отвердевание, с последующим применением приложенного постоянного поля для извлечения жидкости из контейнера. В патентном описании также сказано, что с помощью отмеченных электродов или магнитов извлекаемая жидкость может быть сконцентрирована.

CH-A-562631 показывает технику смешивания и сепарации для частиц в газе, имеющих вес менее 10^-22 г, использующей донорные и акцепторные потоки, а также электрическое поле. Field Flow Fractionation - JC Goodinegs Chemical Engineering News, Vol. 66, No. 41, 10 Октябрь 1988 суммирует большинство технических предложений, перечисленных в вышеназванных патентных описаниях.

Содержащая частицы жидкость течет в присутствии внешнего поля или градиента поля, таких как: электрическое или магнитное поле, или температурный градиент, которые ортогональны направлению потока. Различные фракции осаждаются в различных местах потока жидкости.

Все перечисленные выше способы основаны на известных эффектах, и они уже используются для выделения дисперсных частиц из жидкости, например, для очистки.

US-A-4717926 и US-A-4928125 описывают технику печати, использующую соответственно электрические и магнитные поля.

Объектом настоящего изобретения является увеличение концентрации нерастворимых взвешенных в жидкости частиц в месте передачи и последующая передача этого концентрата из объема на поверхность, например, для печати на поверхности.

В PCT/AU 92/00665 раскрывается метод, в котором дискретные агломераты частиц подаются из содержащей эти частицы жидкости, а электрическое поле, создаваемое в месте извержения, обеспечивает выделение частиц из объема жидкости с помощью электростатических устройств.

В SU-A1-1839151 раскрыт способ нанесения материала на поверхность, включающий подачу на передающую станцию объемной среды в форме композиции диспергированного нерастворимого материала и поддерживающей среды и нанесение материала на поверхность. Данное известное решение может служить ближайшим аналогом изобретения в части способа нанесения материала на поверхность и способа печати.

В US-A-5144340 описано устройство передачи материала, содержащее наполненную жидкостью ячейку, имеющую изолирующие стенки, вход для жидкости, передающее отверстие и два электрода, один из которых расположен в передающем отверстии, также в этом патенте раскрыт принтер, включающий в себя устройство передачи материала.

Известное решение является ближайшим аналогом изобретения в части устройства передачи материала и принтера.

Настоящее изобретение связано с развитием концепции, изложенной в известных решениях. В известном способе, в котором частицы в жидкости доставлялись к месту выделением за счет потока жидкости в направлении к, а затем в сторону от места выделения частиц. Поток, текущий к месту выделения, содержит частицы, которые подлежат сбору в месте выделения перед тем, как быть удаленными оттуда, а поток, текущий от места выделения, таким образом очищается. Однако создание такого потока требует использования насоса или подобного устройства, что значительно повышает стоимость системы по сравнению с самой головкой выделения.

Задачей настоящего изобретения, помимо всего прочего, является упрощение и снижение стоимости данного способа и системы.

Поэтому, в соответствии с настоящим изобретением, предусматривается способ нанесения материала на поверхность, который включает:

подачу на передающую станцию объемной среды в форме композиции диспергированного нерастворимого материала и поддерживающей среды и нанесение материала на поверхность;

обеспечение движения нерастворимого материала внутри объемной среды в направлении места передачи внутри передающей станции и концентрации этого нерастворимого материала внутри объемной среды в месте передачи; и

последующее удаление материала из места концентрата внутри объемной среды в месте передачи, после чего осуществляется нанесение материала на поверхность.

Согласно следующему аспекту изобретения в способе обеспечивают протекание нерастворимого материала внутри объемной среды раздельно по отношению к поддерживающей среде, при этом материал удаляют из концентрата в месте, которое содержит свободную границу объемной среды с другой средой; причем нерастворимый материал выполнен в форме частиц; нерастворимый материал заряжен по отношению к поддерживающей среде, и движение частиц внутри объемной среды осуществляют на основе электрофореза; нерастворимый материал имеет диэлектрическую константу, отличную от константы поддерживающей среды, при этом обеспечивают движение и концентрацию нерастворимого материала с помощью подачи неоднородного электрического поля (диэлектрофорез); нерастворимый материал обладает плотностью, отличной от плотности поддерживающей среды, а движение и концентрацию создают за счет осаждения, флотации или центрифугирования; нерастворимый материал имеет незначительный дипольный момент и движется и концентрируется за счет подачи неоднородного магнитного поля.

Согласно следующему объекту изобретения - способ печати, заключающийся в том, что используется способ нанесения материала на поверхность в соответствии с любым из перечисленных выше аспектов изобретения, при этом объемная среда содержит чернила и окрашенные частицы.

Кроме того, в данном способе частицы удаляют из объемной среды через сопло или другое отверстие; при этом частицы удаляют из объемной среды в месте, содержащем один металлический конус, имеющий форму иглы зонд, сходящуюся на конце трубку, сужающийся полый корпус и металлический сужающийся жесткий корпус; причем часть поддерживающей среды ударяют из объемной среды вместе с нерастворимым материалом.

Согласно еще одному объекту изобретения устройство передачи материала содержит наполненную жидкостью ячейку, имеющую изолирующие стенки, вход для жидкости, передающее отверстие и два электрода, один из которых расположен в передающем отверстии, при этом оно дополнительно имеет выход для жидкости, несущей частицы передаваемого на поверхность материала, при этом первый электрод выполнен частично охватывающим ячейку, а второй предназначен для извлечения частиц из жидкости.

Кроме того, в соответствии с изобретением предусматривается принтер, включающий в себя устройство передачи материала, выполненное вышеизложенным образом.

Таким образом, способ может быть использован для поддержания во время работы определенного уровня концентрации нерастворимого материала в среде.

Частица "течет" внутри объемной среды, предпочтительно жидкости, поэтому может диспергировать с потоком объемной среды, содержащей частицы; благодаря этому можно избежать сложности и затрат, связанных с насосами и т.п. В таких случаях объемная среда выступает в роли поддержки или носителя для частиц, но не как передающая среда.

Изобретение также включает аппаратуру передачи материала, содержащую ячейку с жидкостью, имеющую изолирующие стенки, отверстие вход и выход для жидкости; первый электрод по крайней мере частично охватывающий ячейку; второй эжекторный электрод, расположенный в отверстии. Аппаратура может формировать часть принтера.

Одно из конкретных применений способа изобретения находится в области обычной барабанной электрофотографии для подачи тонирующего материала на барабан из его среды, выступающей как поддержка или носитель. В традиционных процессах снижение концентрации тонера внутри носителя осуществляется по всему объему смеси. Когда концентрация падает до определенного уровня, тонерный картридж или его аналог должен быть заменен, даже если частицы тонера еще присутствуют в смеси. Настоящее изобретение способно использовать больший процент тонера за счет поддержания селективной концентрации в месте передачи тонера на барабан.

В некоторых случаях данный способ изобретения может совмещаться вместе со способом, который включает поток объемной среды. Например, в некоторых техниках печати может быть необходим поток объемной среды в резервуар или контейнер для пополнения.

Чтобы создать концентрацию частиц могут быть использованы различные транспортные механизмы, некоторые из которых приведены ниже со ссылкой на сопроводительные чертежи 1-12. Пример способа и устройства, соответствующих данному изобретению, также описывается со ссылкой на чертежи 13-20. На чертежах изображено:

фиг. 1 иллюстрирует электрофорезный механизм;

фиг. 2 иллюстрирует диэлектрофорезный механизм;

фиг. 3 иллюстрирует способ, включающий осаждение и флотацию;

фиг. 4 иллюстрирует способ акустически направляемых частиц;

фиг. 5 показывает способ оптически направляемых частиц;

фиг. 6 показывает способ центрифугирования для движения частиц внутри объемной поддерживающей среды или носителя;

фиг, 7 показывает способ движения частиц на основе магнитофореза;

фиг. 8 показывает способ, использующий геометрию специфичного объемного потока;

фиг. 9 и 10 показывают способ, включающий использование схлопывающейся мембраны;

фиг. 11 иллюстрирует способ, подобный способу на фиг. 9 и 10, но использующий мембрану, размещенную на подвижной сетке;

фиг. 12 показывает способ, в котором предусматривается постоянная поддержка дисперсии;

фиг. 13 диаграммно иллюстрирует ячейку печатающей головки в разрезе с векторами потоков;

фиг. 14 и 15A иллюстрирует более детально ту же ячейку в разрезе;

фиг. 16 показывает траектории чернильных частиц на срезе печатающей головки электростатической модели;

фиг. 17 показывает бланк, из которого сделан электрод для электрофореза;

фиг. 18, 18A и 19 доказывают увеличения эжекторного электрода для печатающей головки, фиг. 19 показывает место посадки электрода;

фиг. 20 показывает размещение многоэлектродной сборки для альтернативной конструкция ячейки;

фиг. 21 является диаграммой, иллюстрирующей принцип движения частиц при электрофорезе;

фиг. 22 является диаграммой, иллюстрирующей принцип движения частиц при диэлектрофорезе;

фиг. 23 является диаграммой, иллюстрирующей концептуальную модель печатающей головки, которая имеет электрофорезную концентрацию.

На фиг. 1 показан процесс электрофореза, в котором заряженные частицы 11, содержащиеся в жидкой или гелеподобной среде, движутся в электростатическом поле E, приложенном к электродам 13 и 14 с помощью батареи или источника постоянного тока 15. Стрелки на частицах 11 указывают их направление движения вдоль силовых линий e в электрическом поле E, также показана концентрация частиц, которая происходит либо при столкновении с препятствием или при движении вдоль силовых линий электрического поля. Методы на основе электрофореза, соответствующие изобретению, включают варианты, в которых частицы движутся с помощью последовательности электродов, расположенных вдоль канала и включаемых последовательно, с подходящей временной задержкой.

На фиг. 2 показан способ, в котором незаряженные частицы 21, диэлектрическая постоянная которых значительно отличается от постоянной частиц жидкости 22, испытывают действие силы в неоднородном электрическом поле E, возникающем между электродами 23 и 24 за счет источника постоянного тока 25. Поле индуцирует диполи на частицах 21, что под действием неоднородного электрического поля приводит к движению частиц в направлении увеличения силовых линий поля (электрод 24) (независимо от направления поля). Возрастание концентрации происходит благодаря увеличению напряженности поля по мере схождения силовых линий поля e или когда частицы наталкиваются на препятствие.

В методе на фиг. 3 частицы 31, имеющие плотность, отличную от плотности несущей жидкости 32, собираются в сосуде 36 и подвергаются действию архимедовой силы в гравитационном поле q, что приводит либо к осаждению (как это показано), либо к флотации. Избыточная концентрация возникает, когда частицы 31 наталкиваются на барьер, обычно это либо дно контейнера 36, либо поверхность жидкости 37. Затем частицы удаляют через отверстие 38 за счет действия электростатических сил, как это описывалось выше.

Может быть реализован более сложный процесс повышения концентрации, когда позволяют частицам осаждаться (или всплывать) в присутствии других тщательно выбранных видов частиц. В этом случае имеет место явление, известное в литературе под названием "принудительное осаждение", результатом которого является локальное увеличение концентрации тех видов частиц, которые имеют большую степень осаждения.

Способ на фиг. 4 показывает, как акустическое возбуждение, предпочтительно ультразвуковыми частотами, создаваемое, например, пьезоэлектрическим преобразователем 40, передается через объемную среду 42 и способно оказывать давление на частицы 41, приводящее их в движение, как это показано на чертеже. Частицы могут собираться на границе или в каких-то местах пространства в зависимости от природы акустического поля, но в рассматриваемом случае они собираются в воронке 43; из концевого отверстия 44 они удаляются по описанному выше методу.

Интенсивное звуковое поле может быть использовано для направления частиц к месту извержения или с помощью создания стоячей волны, имеющей узел с задней стороны места извержения.

Луч света 50, проходящий через показанную на фиг. 5 систему, как правило лазерный луч достаточно большой энергии, способен вызывать силу, действующую на частицу 51, а не на несущую жидкость 52, если она прозрачна для света. Амплитуда силы зависит от того, отражается свет от частиц или адсорбируется. Концентрация возникает, когда частицы сталкиваются с барьером или когда луч 53 имеет сходящуюся геометрию, как показано на чертеже; далее частицы удаляют, как это описывалось ранее. В принципе, луч может быть использован для выполнения частиц из проходящего потока в направлении стрелки F к месту извержения.

Частицы, плотность которых отлична от плотности несущей жидкости, будут осаждаться или всплывать под действием центрифуги, так же как если бы они были в поле гравитации. Концентрация возникает по тем же причинам. Однако при достаточно больших скоростях вращения инерция частицы может также привести к движению относительно жидкости.

Как это показано на фиг. 6, частицы 61 меньшей плотности, чем несущая жидкость 62, могут быть сконцентрированы на центральной линии вращающейся жидкости и извлечены по мере надобности через отверстие 62 в направлении стрелки F.

Как это показано на фиг. 7, магнетофорез возникает, когда частицы 71 обладают магнитным дипольным моментом. Частицы 71 будут выстраиваться и двигаться в неоднородном магнитном поле H, достаточно похоже на движение при диэлектрофорезе. Система требует подходящей конфигурации магнитного поля H, создаваемого сердечником 73 и катушками 74, которые окружают контейнер 75, при этом место извержения частиц 76 будет около полюса.

Известно, что определенная геометрия объемного потока может привести к аккумуляции взвешенных частиц, когда число Рейнольдса этих частиц не является малой величиной, так что явление является следствием инерции частиц. Пример, иллюстрируемый на фиг. 8, является потоком суспензии 80 вдоль трубы 83, где было обнаружено, что частицы 81 концентрируются внутри объемной среды в кольцо на некотором расстоянии между центральной линией и стенкой. Таким образом, частицы концентрируются вдоль направления потока F. Другим простым примером (не показан) является точка стагнации потока, в котором частицы аккумулируются вокруг точки стагнации, где скорость потока близка к нулю (примером является подветренная сторона препятствия).

Фиг. 9 и 10 иллюстрируют способ концентрации, в котором контейнер 90 имеет схлопывающуюся полупрозрачную сумку 91, которая разделяет концентрированную смесь частиц 93 от обедненной смеси 94, по мере того, как частицы извлекают из места инжекции 92 по одному из описанных выше методов.

Фиг. 11 иллюстрирует подобный способ, в котором полупрозрачная мембрана 101 размещена на сетке 102, которая способна двигаться вниз, вызывая очистку раствора 104 и концентрируя раствор 105, внутри резервуара 100 по мере того, как частицы извлекают в точке 103 в соответствии с одним из описанных выше методов.

Фиг. 12 показывает способ, в котором частицы концентрируются внутри объема жидкости, по мере того, как раствор течет по пути через резервуар 110 с центральной трубкой подачи 111, имеющей на конце протяженный выход 112, образованный порами в стенках 113, через который раствор течет в резервуар, частицы концентрируются в объеме жидкости на конце пористой части подающей трубки и удаляются для выделения из места извержения 114, в соответствии с одной из названных выше техник. Очищенный обратный поток появляется в области 115.

Фиг. с 13 по 16 демонстрирует печатающую головку, которая объединяет принципы настоящего изобретения, с использованием метода электрофореза (как основательно описано выше в связи с фиг. 1) для концентрации нерастворимых чернильных частиц. Приведенная и описываемая головка для печати предусматривает печать одной точки на поверхности.

Печатающая головка 120, изнутри имеющая треугольную форму, снабженная полостью 121, в которую под давлением (например, с помощью насоса - не показан) подаются чернила 122 (тип которых будет описан позже) через ввод 123. Чтобы обеспечить непрерывность действия, предусмотрен выход 124, так чтобы обеспечить действие распределения векторов потока, как показано на фиг. 13 с помощью стрелок 125. Приведенная ячейка имеет внешние размеры: 10 мм в ширину, 13,3 мм в длину и толщину 6 мм.

Ячейка 120 имеет PEEK (поли эфир эфир кетон) корпус 126, который, как видно в сечении на фиг. 14 и 15, имеет противоположные клинообразные косяки 127, которые определяют треугольную форму полости 121 и отверстие 128. Отверстие 128 имеет ширину примерно 100 мкм. Фиг. 14A и 15A иллюстрируют, соответственно, детали отверстия 128 и чернильный мениск 133, который формируется здесь в процессе работы. Со всех сторон ячейка закрыта пластинчатыми боковыми стенками 129, 130, которые формируют часть корпуса 126. Корпус 126 может образовывать часть большого набора ячеек, обеспеченного скрепляющими фиксаторами или тому подобное. Они не показаны, так как не оказывают влияния на принципы действия и не нужны в настоящем контексте. Расположенный вокруг внешней стороны ячейки 121 тонкий пластинчатый электрод 131 сформирован из куска нержавеющей стали 132, показанного на фиг. 17. Электрод 131 окружает более узкую сторону стенок, снабженных косяками 127, и часть основания пластичного корпуса 126, кроме того, он имеет наконечник или язычок 135, который размещен в полости 121 для обеспечения контакта с чернилами 122. Электрод 131 (известный как электрофорезный электрод) и косяки 127 сформированы так, чтобы во время работы компонента векторов электрического поля E в жидкости направляла нерастворимые частицы чернил в сторону от стенок ячейки. Другими словами, E^* n > 0 почти вдоль всего периметра чернильной ячейки 120, где E - это вектор электрического поля, а n - это нормаль к поверхности, откладываемая от стенок в жидкости. Это предотвращает то, что частицы чернил не адсорбируются вдоль периметра ячейки, в противном случае это приведет к изменению электрического поля в ячейке. Фиг. 16 демонстрирует траектории, описываемые чернильными частицами в электростатической модели сечения ячейки, имеющей внешний вытягивающий электрод. Вязкость жидкости и заряд на частицах таковы, что частицы следуют практически вдоль линий поля, как это может быть видно из чертежей.

Внутри отверстия 128 расположен извлекающий электрод 134 (в альтернативном варианте для печати многих точек может быть предусмотрен набор электродов 134" в виде линейной последовательности, как это показано на фиг. 20). Электрод 134 сделан из электроформованного никеля толщиной 15 мкм, с сечением, типичным для электроформованных частей. Одна сторона электрода является плоской, а другая немного вытянута. Фиг. 18, 18A (более детально) и 19 показывают извлекающий электрод 134 и его конкретное расположение внутри ячейки 120. Извлекающий электрод 134 расположен на впереди стоящем держателе 129, который соединен с боковой стенкой 129 корпуса 126, и электрод 134 выступает из отверстия 128 на расстояние от 50 до 100 мкм (см. также фиг. 14A). Электрическое соединение осуществлено с помощью проволоки 138, которая проходит в полость 121 через отверстие 137 в боковой стенке 129, отверстие во время сборки заливается эпоксидной смолой, чтобы посадить проволоку на место и герметически закрыть отверстие 137.

Нерастворимые частицы приобретают заряд благодаря действию заряжающего частицы агента, который ионизирует в растворе, в результате чего нерастворимые частицы приобретают заряд и образуют разные ионы равного и противоположного заряда. Этот механизм хорошо известен в области жидких тонеров, например, для фотокопировальных машин и дисплеев на основе электрофореза.

Далее будет описана печатающая головка. Когда нет печати, соответствующие заряды на электрофорезном электроде 131 и извлекающем электроде (электрофорезный электрод имеет потенциал от 1,2 до 2,0 кВ) заставляют частицы чернил двигаться под действием электрофореза к извлекающему электроду. Так как электрофорезный электрод 131 находится в контакте с чернилами внутри ячейки, через контакт 135, то потенциал чернил при условии равновесия будет тем же, что и для электрофорезного электрода 131. Это приведет к незначительной концентрации частиц вблизи извлекающего электрода 134. Когда извлекающий импульс (пульсации составляют от 200 В до 1,5 кВ; длительностью от 50 до 20 мксек и могут иметь частоту от 1 до 10 кГц) прикладывается к извлекающему электроду 134, то частицы чернил извергаются (подобно тому, как описано в PCT/ AU 92/00665) на поверхность 136 (возможно с небольшим количеством несущей жидкости, слипшейся с частицами), и электростатическое равновесие нарушается, что приводит к продолжительному движению частиц, чтобы сохранить очистку вокруг извлекающего электрода и удержать концентрацию.

Чернила подаются в ячейку через вход 123 в боковой пластине 129, чтобы обеспечить постоянную подачу чернильных частиц в ячейку, в область низкой концентрации между входом и выходом 124, посредством этого частицы могут быть сконцентрированы в области вокруг извлекающего электрода 134. Скорость потока в области с высокой концентрацией вокруг извлекающего электрода низка, поэтому делают так, чтобы частицы, которые были сконцентрированы под действием поля, впоследствии не вымывались за счет объемного потока жидкости в этих областях. На практике электрофорезный электрод 131 удерживают при положительном (в данном случае) более высоком потенциале, чем усредненный по времени потенциал извлекающего электрода 134.

Используемые чернила предпочтительно относят к чернилам, описанным в PCT/ AU 94/00357, т.е. содержащие несущую жидкость, имеющую высокое электрическое сопротивление (например, >10⁹ Омсм) и нерастворимые красящие частицы, взвешенные внутри носителя. Растворимые или частично растворимые смолы или им подобные могут быть введены в раствор для формирования частиц и для связывания частиц с поверхностью при печати. В дополнение к этому могут быть включены модифицирующие заряд агенты для сопровождения процесса зарядки.

Последующее описание является частью исследовательского отсчета, подготовленного изобретателями в связи с аспектами изобретения, и совместно с фиг. 21 и 23 описывает методы транспортировки частиц.

Транспортировка частиц.

Приведен механизм, который является комбинацией процесса транспортировки, который концентрирует включения в несущей жидкости, и процесса сепарации (который может быть процессом извлечения), который передает эти включения из несущей жидкости. Это приложение очерчивает модельную работу, которая была осуществлена для процессов передачи частиц.

Простые модели потока частиц.

Частица, движущаяся вдоль поверхности жидкости, испытывает действие пониженной силы трения, по сравнению с частицей в объеме жидкости. Сила трения зависит от взаимодействия частицы с поверхностью жидкости. Величина эффективной вязкости обычно не известна, хотя мы можем предположить, что она имеет промежуточную величину между вязкостью жидкости и вязкостью воздуха. Чтобы подтвердить, что предложенная модель процесса транспортировки является правомерной, проводилось сравнение движения частицы вдоль внешней стороны электрода с наблюдаемым движением в объеме жидкости. Значения потенциалов вдоль внешней стороны электрода были получены из моделирования конечного полевого элемента. Была построена интерполяционная функция распределения тангенциального потенциала для получения E_tangential в зависимости от расстояния вдоль электрода. Выражением движения частицы является:



x(0)=x_start



в котором - это эффективная вязкость, приобретенная частицам, и x(t) - это положение частицы вдоль поверхности жидкости во время t. Уравнение было численно решено для значений вязкости, лежащих между вязкостью несущей жидкости и вязкостью воздуха, эффективно равной нулю. Эти численные эксперименты подтвердили, что в объеме жидкости скорости частиц достаточно малы, чтобы создать значительный перенос частиц. На поверхности, где значения эффективной вязкости ниже, скорости, полученные из модели, были намного ближе к скоростям, наблюдаемым на практике. Это отчасти подтверждает, что эта модель свободного поверхностного переноса верна.

Вышеприведенная дискуссия показывает, как действует конкретный способ передачи, который происходит на свободной поверхности. Этот способ не является привлекательным для практического продукта, в частности, для офисного оборудования, поэтому должны быть найдены альтернативные методы. Эти методы обсуждаются ниже.

Альтернативные транспортные методы.

Электрофорез.

Это движение заряженных частиц под действием приложенного электрического поля. Поле действует на переносимый частицами заряд, создавая силу, которая заставляет частицы двигаться через взвешенную среду, как это показано на фиг. 21, Скорость, с которой они движутся, характеризуется их подвижностью и зависит от их разряда, радиуса и вязкости жидкости.

Эта сила имеет фундаментальное значение вблизи точки извержения, так как электрическая сила, действующая на частицы, является первоосновой для их сепарации из взвешенной жидкости.

Действие этой силы на частицы может вызвать, если физические границы жидкости это позволяют, объемное движение в жидкости. Это происходит потому, что жидкость за счет вязкости взаимодействует с частицами, что соответствует передаче движения от частиц к жидкости, а это эквивалентно действию на частицу силы трепля. Действуя на распределенный набор частиц, это создаст силу, действующую на объем жидкости. Будет показано, что это движение может быть полезным в качестве средства передачи объема.

Градиентная диффузия.

Если набор частиц неоднородно распределен в пространстве и во времени, то спустя некоторое время неоднородность сгладится. В направлении концентрационного градиента возникает усредненное по всем частицам движение, поэтому лунный процесс носит название градиентной диффузии. Этот механизм достаточно важен, потому что удаление частиц создает концентрационные градиенты, в которые могут диффундировать частицы. Тем не менее, на практике этот эффект мал и не рассматривался в основной части процесса последующего пополнения.

Диэлектрофорез.

Неоднородное в пространстве электрическое поле создает силу, действующую на частицу, которая имеет отличную от своего окружения диэлектрическую константу. Это возникает даже тогда, когда частица не несет на себе какой-либо незначительный электрический заряд. Эта сила возникает из-за того, что поле индуцирует на противоположных концах частицы равные по значению и противоположные по знаку заряды, создавая тем самым электрический диполь. Тем не менее, из-за неоднородности поля, оно взаимодействует более сильно с зарядом на одной стороне, чем с другой стороны, создавая этим слабую силу. Это проиллюстрировано на фиг. 22.

Как правило, если частица заряжена, то диэлектрическая сила будет намного слабее силы за счет электрофореза, действующей на заряд в том же электрическою поле. Однако, когда полевые градиенты достаточно высоки, как вблизи точки извлечения, то эффект диэлектрофореза может быть значительным. Для большинства обычных материалов сила диэлектрофореза направлена в сторону большей интенсивности поля, независимо от направления поля. Таким образом, вблизи точки извлечения диэлектрофорезная сила действует против электрофорезной силы.

Простая модель одномерного электрофорезного переноса.

Фиг. 23 показывает концептуальную модель головки, которая пополняется за счет электрофореза. Частицы удаляются с точки извлечения со скоростью, которая определяется требованиями к скорости печати. Число извлекаемых частиц должно быть пополнено за счет частиц, содержащихся в объеме чернильного контейнера. В любой позиции x, вдоль головки определены следующие количественные характеристики: площадь сечения a(x), концентрация частиц k(x), средний радиус частицы r(x), скорость V(x), вязкость (x), электрическое поле E(x).

В равновесии электрическое поле, требуемое для поддержания потока частиц, принимает вид



где Q/M(x) - это соотношение заряда к массе частиц, d - диаметр извлекаемой капли, остальные характеристики определены выше. Таким образом, электрическое поле, требуемое для транспортировки частиц, может быть понижено за счет соответствующего дизайна подвижности частиц и с помощью варьирования поперечного сечения жидкостного резервуара, Высокоподвижные частицы могут быть переданы более быстро при данной величине поля. Варьирование площади поперечного сечения снижает величину поля, необходимого для пропускания большего числа частиц на единицу длины резервуара. Снижение электрофорезного поля желательно, так как это снижает величину общего поля вдоль длины резервуара и, следовательно, максимальное напряжение, подаваемое на головку.

На фиг. 23 показан контейнер с чернилами 201 и точка извлечения 202 в координатной системе x-y. На чертеже частицы, удаляемые через точку 202, имеют параметры: f_o = частота удаления частиц, r_o = радиус удаляемых частиц, k_o = концентрация удаляемых частиц.

Скорость удаляемых частиц равна:

4/3r³_ok_of_o.о