CN103492185B - 补偿压电打印头元件中的电容变化 - Google Patents

Abstract

在一个实施例中，一种补偿流体喷射装置的压电元件中的电容变化的方法，包括：感测驱动压电元件的电流；根据电流确定压电元件的电容已经变化；以及改变驱动压电元件的电流的上升时间以补偿变化的电容。

Description

补偿压电打印头元件中的电容变化

背景技术

喷墨打印装置是提供流体滴按需点滴喷射的流体喷射装置的示例。例如，压电喷墨打印机使用流体喷射组件（即，打印头），带有压电材料致动器或元件以将流体滴朝向打印介质（诸如纸张）驱出喷嘴，以在打印介质上打印图像。更具体地，压电材料致动器包括柔性压电材料片材，响应于施加的电场变形，从而在流体填充腔室内产生压力脉冲以喷射流体滴。由于压电致动器使用压力而不是热量（例如，如在热电阻器致动器的情况下）来将流体滴从喷墨喷嘴喷射，因而基于压电的流体喷射组件可以适应宽范围的可喷射材料选择。

然而，虽然热量并不限制基于压电的打印头中的可喷射材料的使用，但是这种打印头中的温度敏感性仍然是问题。例如，温度的短期变化可能引起流体滴重量和速度两者的变化。更具体地，在打印工作期间当温度增加时，压电元件的电容增加。由于驱动电压通常固定，因而电流增加，这加热压电元件和流体（墨）。增加的墨温度降低粘度，同时增加的电容增强压电元件泵送性能。两个影响导致开环系统，其中，滴重量和滴速度继续增加，从而不利地影响打印机性能。

除了短期温度敏感性问题之外，长期降级可减少压电打印头中的压电元件的电容，导致压电元件随着时间的不一致性能。这种降级通常可以在压电喷墨打印机随着时间的打印输出中产生的不一致打印图案中看到。

附图说明

现通过示例的方式参照附图来描述本实施例，在附图中：

图1示出了根据实施例的压电流体喷射组件的横截面侧视图；

图2示出了根据实施例的示例性压电喷墨（PIJ）打印头组件的部分横截面侧视图；

图3示出了根据实施例的供应和监测至压电元件的电流的电流监测电路；

图4示出了根据实施例的在驱动电容（例如，不同电容值的电容式压电元件中）时产生的电流和电压驱动波形的示例性曲线图；

图5示出了根据实施例的在驱动电容（例如，不同电容值的电容式压电元件中）时产生的电压驱动波形的示例性曲线图；和

图6示出了根据实施例的补偿流体喷射装置的压电元件的电容变化的示例性方法的流程图。

具体实施方式

概述

如上文指出的，压电流体喷射组件（例如，打印头）内和之间的压电元件的长期降级可减少压电元件的电容，导致压电元件随着时间的不一致性能。这种降级通常可以在压电喷墨打印机随着时间的打印输出中产生的不一致打印图案中看到。

此外，压电打印头对温度的短期变化敏感，这影响压电元件电容。更具体地，在正常短期操作期间（例如，在打印工作期间）当温度增加时，压电元件的电容和泵送强度增加。此外，流体粘度随着温度增加而减少。压电打印头中温度增加引起的增加泵强度和较低流体粘度导致较高的流体滴重量和速度，这不利地影响打印机性能。

用于驱动压电元件的正常操作电流产生足够的热量以启动温度的这种增加。在固定驱动电压时，由温度增加引起的电容增加导致驱动电容所需的电流量增加。增加的电流引起打印头中的功率下降的增加，这产生进一步增加温度的附加热量。如果未加抑制，该开环循环将导致过热和无效的压电打印头。

管理该问题的先前方法主要涉及对流体（墨）温度的严格控制。由于喷射的流体滴带走过多热量，因而温度增加通过正常操作部分地管理。管理温度的另一常见方法是将墨循环到打印头之外，通过冷却机构，且然后回到打印头。墨的连续再循环有助于限制不希望的温度增加。然而，在许多情况下，例如在用大幅面喷墨打印机打印大的打印工作时，再循环冷却系统不能足够快地响应以控制升高的温度。

由于流体循环单独地通常不能足够充分地冷却打印头中的墨，其它方法通常单独地或者在流体循环之外使用。通常使用的一种方法是改变打印机中的打印模式。例如，滴脉冲（drop burst）长度（即，一个接一个喷发的流体滴的数量）可以限制为较少的滴。该方法通常与增加介质的打印经过次数耦合，以考虑减少的滴脉冲长度。另一方法是简单地增加打印机中的打印头数量。这些方法的问题在于它们要么降低打印性能，要么增加打印成本，或者两者兼而有之。

本公开的实施例通过保持提供给打印头中的每个压电元件的电流水平的闭环控制系统和方法来改进管理增加温度和压电打印头中的变化电容的更普遍问题的现有方法。电路监测驱动压电元件所需的电流且将所监测电流反馈回到驱动压电元件的驱动电路。控制器然后控制驱动电路，以通过调节驱动压电元件的电流波形的上升和下降时间（通过调节与压电元件串联的电阻量或者通过改变驱动电路内的一个或多个FET的内部电阻）来限制提供给压电元件的电流。独立地控制和限制压电打印头内每个压电元件的电流独立地控制每个压电元件的泵送强度以及总体上控制墨温度。由此，每个压电元件（和墨喷射喷嘴）的一致性能在整个打印工作内和元件的整个寿命内保持，而与压电元件由于短期温度影响或长期降级引起的电容变化无关。控制和限制压电元件的电流控制压电元件泵送强度和墨温度两者。

在一个实施例中，一种补偿流体喷射装置的压电元件中的电容变化的方法，包括感测驱动压电元件的电流。根据感测电流确定压电元件的电容从预期值变化。改变驱动压电元件的电流的上升时间以补偿变化的电容。在一个实施方式中，上升时间通过增加驱动压电元件的FET的接通时间而增加。在一个实施方式中，上升时间通过增加与压电元件串联的电阻而增加。在一个实施方式中，上升时间通过减少驱动压电元件的FET的接通时间而减少。在一个实施方式中，上升时间通过减少与压电元件串联的电阻而减少。

在另一个实施例中，一种补偿流体喷射装置的压电元件中的电容变化的系统包括：压电元件，用以将流体泵送通过流体喷射装置的喷嘴；和压电驱动电路，用以驱动压电元件。控制器控制流体喷射装置的操作，能由控制器执行的电容补偿应用配置成：感测驱动电流；基于所感测驱动电流来计算压电元件的电容；以及调节驱动电流的上升和下降时间，以补偿电容的变化。

说明性实施例

图1图示了根据本公开实施例的实施为喷墨打印系统100的流体喷射装置。在该实施例中，流体喷射组件公开为流体滴喷射打印头114。喷墨打印系统100包括喷墨打印头组件102、墨供应组件104、安装组件106、介质传输组件108、电子打印机控制器110和将功率提供给喷墨打印系统100的各个电子部件的至少一个功率源112。喷墨打印头组件102包括至少一个流体喷射组件114（打印头114），将墨滴通过多个孔口或喷嘴116朝向打印介质118喷射，从而打印到打印介质118上。打印介质118可以是任何类型的合适片材和卷筒物材料，例如纸、卡片材料、幻灯片、Mylar等。通常，喷嘴116以一个或多个列或阵列设置，从而来自于喷嘴116的墨的合适顺序喷射使得在喷墨打印头组件102和打印介质118相对于彼此移动时字母、符号和/或其它图形或图像打印到打印介质118上。

墨供应组件104将流体墨供应给打印头组件102，且包括用于存储墨的贮存器120。墨从贮存器120流向喷墨打印头组件102。墨供应组件104和喷墨打印头组件102可以形成单向墨输送系统或宏观再循环墨输送系统。在单向墨输送系统中，供应给喷墨打印头组件102的基本上所有墨在打印期间消耗。然而，在宏观再循环墨输送系统中，供应给打印头组件102的仅仅一部分墨在打印期间消耗。打印期间未消耗的墨返回到墨供应组件104。

在一个实施例中，喷墨打印头组件102和墨供应组件104一起容纳在喷墨盒或笔中。在另一个实施例中，墨供应组件104与喷墨打印头组件102分开，且通过接口连接（例如，供应管）将墨供应给喷墨打印头组件102。在任一实施例中，墨供应组件104的贮存器120可以移开、更换和/或再次填充。在喷墨打印头组件102和墨供应组件104一起容纳在喷墨盒中时，贮存器120包括位于盒内的本地贮存器以及从盒分开定位的更大贮存器。分开的更大贮存器用于再次填充本地贮存器。因此，分开的更大贮存器和/或本地贮存器可以移开、更换和/或再次填充。

安装组件106将喷墨打印头组件102相对于介质传输组件108定位，且介质传输组件108将打印介质118相对于喷墨打印头组件102定位。因而，打印区域122在喷嘴116附近在喷墨打印头组件102和打印介质118之间的区域中限定。在一个实施例中，喷墨打印头组件102是扫描式打印头组件。因而，安装组件106包括用于将喷墨打印头组件102相对于介质传输组件108移动以扫描打印介质118的车架。在另一个实施例中，喷墨打印头组件102为非扫描式打印头组件。因而，安装组件106将喷墨打印头组件102相对于介质传输组件108固定在指定位置。因而，介质传输组件108将打印介质118相对于喷墨打印头组件102定位。

电子打印机控制器110通常包括用于与喷墨打印头组件102、安装组件106和介质传输组件108通信且控制喷墨打印头组件102、安装组件106和介质传输组件108的处理器、固件、软件、包括易失性和非易失性存储器部件的一个或多个存储器部件、和其它打印机电子器件。电子控制器110从主机系统（例如，计算机）接收数据124，且在存储器中临时存储数据124。通常，数据124沿电子、红外、光学或其它信息传输路径发送到喷墨打印系统100。例如，数据124表示要打印的文本和/或文件。因而，数据124形成用于喷墨打印系统100的打印工作且包括一个或多个打印工作指令和/或指令参数。

在一个实施例中，电子打印机控制器110控制喷墨打印头组件102，以从喷嘴116喷射墨滴。因而，电子控制器110限定喷射墨滴的图案，其在打印介质118上形成字母、符号和/或其它图形或图像。喷射墨滴的图案由打印工作指令和/或指令参数确定。在一个实施例中，电子控制器110包括存储在控制器110的存储器中的电容补偿模块126。电容补偿模块126在电子控制器110上（即，控制器110的处理器）上执行以控制驱动流体喷射组件（即，打印头）114内的压电元件的驱动器电路的电流感测和电容补偿功能。更具体地，控制器110执行来自于模块126的指令以感测驱动打印头114中的压电元件的电流量，计算压电元件的电容，且通过调节驱动压电元件的电流波形的上升和下降时间来补偿电容的变化。

在一个实施例中，喷墨打印系统100是按需点滴压电喷墨打印系统，其中，流体喷射组件114是压电喷墨（PIJ）打印头114，采用压电材料致动器作为喷射元件以产生压力脉冲，其将墨滴驱出喷嘴116。在一个实施方式中，喷墨打印头组件102包括单个压电喷墨（PIJ）打印头114。在另一个实施方式中，喷墨打印头组件102包括宽阵列压电喷墨（PIJ）打印头114。

图2示出了根据本公开实施例的示例性压电喷墨（PIJ）打印头组件114的部分横截面侧视图。所示的部分打印头114包括刚性底板200和具有喷嘴出口116的刚性顶部喷嘴板202，墨或其它流体滴通过喷嘴出口116喷射。组件还包括多个侧壁204A和204B，总的称为侧壁204。侧壁204将底板200从喷嘴板202隔开。刚性底板200、喷嘴板202和侧壁204限定流体腔室206以在墨滴通过喷嘴出口116喷射之前和之后容纳墨或其它流体。侧壁204A具有流体入口208，以接收墨，墨最终作为滴喷射通过喷嘴出口116。流体入口208的设置并不限于侧壁204A。例如，在不同实施例中，流体入口208可设置在其它侧壁204或底板200中，或者其可以包括设置在各个侧壁204和/或底板200中的多个流体入口。

压电元件210在腔室206的底板200处，例如压电陶瓷薄膜片材（例如，PZT-锆钛酸铅）。压电元件210通常由柔性隔膜212覆盖。滴喷射在通过跨过元件210施加电压致动压电元件210时发生。致动压电元件210使得元件变形，这导致对应的相邻隔膜212移位到腔室区域206中，如图2中虚线214所示（为了该说明目的，虚线214所示的移位量被放大）。隔膜212移位到腔室206中减少腔室容积，从而使得墨或其它流体滴216从腔室206喷射通过喷嘴116。

图3示出了根据本公开实施例的供应和监测压电元件210的电流的电流监测电路300。电流监测电路300包括压电元件驱动器电路302，以通过传感器电阻器（Rsense）和互连电阻器（Rinterconnect）将电流供应给压电元件210（显示为电容Cpiezo- element）210。Rinterconnect表示在驱动电路302和压电元件210之间的互连件中自然存在的电阻，而Rsense是值已知和预定的电阻。Rground是压电元件210电容（Cpiezo- element 210）和接地线之间的电阻。驱动电路302具有内部电路，包括例如由电压源（例如，Vsupply）供应的一个或多个上拉和下拉FET，以驱动压电元件210。FET 306是示例性驱动FET，仅仅为了说明目的显示，而不是为了提供驱动电路302内电路的完整电路图的目的。类似地，驱动电路302包括在Vsupply和压电元件210之间串联连接的可变电阻器304。可变电阻器304也是为了说明目的显示，而不是为了提供驱动电路302内电路的完整电路图的目的。

驱动电路302通过Rsense监测供应给压电元件210的电流。驱动电路302的V+和V-输入端检测跨过Rsense的电压降。基于Rsense的值和在输入端V+和V-处感测的跨过Rsense的电压，确定通过Rsense（和通过压电元件210）的电流。例如，电流根据来自于电容补偿模块126的可执行指令由控制器110确定。电容补偿模块126还配置成基于通过Rsense和压电元件210计算的电流来计算压电元件210的电容。电容补偿模块126可以确定压电元件210的电容是否从预期值变化（例如，由于短期温度变化或长期降级）。基于电容从预期值变化，电容补偿模块126配置成调节至压电元件210的电流，以补偿变化的电容。调节至压电元件210的电流通过改变来自于驱动压电元件210的驱动电路302的波形（即，改变上升和下降时间）来实现。电容补偿模块126可以通过经由可变电阻器304改变与压电元件210串联的电阻量或者通过改变一个或多个FET 306的内部电阻来调节驱动波形的上升和下降时间。调节驱动压电元件210的波形的上升和下降时间在下文关于图4更详细讨论。

图4示出了根据本公开实施例的在驱动电容（例如，不同电容值的电容式压电元件210（Cpiezo- element 210）中）时产生的电流和电压驱动波形的示例性曲线图。示例性曲线图（C和V）图示对于例如由于温度变化或者由于压电元件210随着时间降级引起的电容变化的压电元件210而言电流和电压驱动波形如何变化。例如，在压电喷墨打印头114的操作期间，驱动压电元件210的电流产生跨过该元件的功率下降，这引起温度升高。温度升高引起压电元件210电容增加，这继而引起驱动该元件的电流增加。即，对于固定电压，当电容增加时，电流根据如下关系式增加：

I＝C(dv/dt)，

电流的该增加可以在图4所示的示例性曲线图中看到。在这些曲线图中，电容显示为从初始（即，冷）状态的400皮法（电容式压电元件210（Cpiezo- element 210）的典型示例值）升高到800皮法（在温度增加时电容式压电元件210的示例值）。

操作中，驱动器电路302（图3）内的一个或多个FET接通以施加跨过压电元件210和串联电阻器（Rsense, Rinterconnect）的源电压（Vsupply）。压电元件210和串联电阻器（Rsense, Rinterconnect）一起构成RC串联电路。图4的曲线图C（C1，C2）表示对于所提到的两个值（即，400pF，800pF）电容式压电元件210（Cpiezo- element 210）中的充电电流。最初（例如，在大约9.90微秒），充电电流处于最大值。随着时间经过，流入电容式压电元件210的电流存在连续下降。减少的流动由跨过压电元件210的电压积聚引起。当电容式压电元件210达到其完全充电时，流入元件210的电流停止（例如，在大约10.48微秒）。

曲线图V（V1，V2）表示对于所提到的两个值（即，400pF，800pF）跨过电容式压电元件210（Cpiezo- element 210）产生的电压。最初（例如，在大约9.90微秒），最大电流流经串联电阻器（Rsense, Rinterconnect），且整个电路电压跨过这些电阻器下降。跨过电容式压电元件210的电压最初处于零伏。随着时间经过，减少的电流引起越来越少的电压跨过串联电阻器（Rsense, Rinterconnect）下降和更多电压跨过电容式压电元件210下降。当电容式压电元件210达到其完全充电且流入电容式元件的电流停止时（例如，在大约10.48微秒），跨过电容式压电元件210的电压降等于源电压（Vsupply），跨过串联电阻器（Rsense, Rinterconnect）下降的电压等于零。因而，图4的曲线图C和V表示电容式压电元件210（Cpiezo- element 210）的完整充电循环。

如上所述，由于增加温度引起的电容增加导致电流增加（即，电流波形的变化），这增加压电元件210的泵送动作的强度。增加的泵送强度与墨的较低流体粘度（也由较高温度引起）耦合导致较高的流体滴重量和速度，这不利地影响打印机性能。因而，图4的曲线图C所示的电流变化提供在操作期间检测压电元件210的电容变化的手段。此外，压电元件210随着其老化而降级，且其电容值减少。由于降级引起的这种电容减少也可通过与图4的曲线图C所示类似但相反的电流变化来检测。

图5示出了根据本公开实施例的在驱动电容（例如，不同电容值的电容式压电元件210（Cpiezo- element 210）中）时产生的电压驱动波形的示例性曲线图。示例性曲线图图示例如通过可变电阻器304引入与压电元件210串联的附加电阻如何改变驱动波形。因而，可以看出电容式压电元件210的电容变化可以如何补偿以减少驱动压电元件210的电流。

如图5所示，电压驱动波形V1针对400皮法的电容式压电元件210电容值产生。V1显示为首先使用6欧姆的可变电阻304值产生。V1还使用100欧姆的可变电阻304值产生。从V1波形可清楚，当通过可变电阻器304引入附加电阻时，电压波形上升时间增加。跨过电容式压电元件210的增加电压上升时间表示附加电压跨过串联电阻器（Rsense, Rinterconnect和可变电阻器304）下降，且减少（或更平缓）的电流波形使得电容式压电元件210充电更慢。借助于充电压电元件的减少电流，较少能量跨过压电元件210下降，这降低温度和元件210的泵送强度，因而补偿电容的先前增加。

图5还包括针对800皮法的电容式压电元件210电容值产生的电压驱动波形V2。V2显示为首先使用6欧姆的可变电阻304值产生。V2还使用100欧姆的可变电阻304值产生。从V2波形可清楚，当通过可变电阻器304引入附加电阻时，电压波形上升时间增加。跨过电容式压电元件210的增加电压上升时间表示附加电压跨过串联电阻器（Rsense, Rinterconnect和可变电阻器304）下降，且减少（或更平缓）的电流波形使得电容式压电元件210充电更慢。借助于充电压电元件的减少电流，较少能量跨过压电元件210下降，这降低温度和元件210的泵送强度，因而补偿电容的先前增加。

虽然图5图示了电压驱动波形的变化通过经由可变电阻器304引入电阻而作出，但是驱动波形的变化（例如，增加上升时间）还可以通过操控驱动电路302中的驱动FET 306的接通时间来实施。调节FET 306的接通时间有效地调节FET的内部电阻。因而，如图5所示增加电压波形的上升时间的效果还可以通过调节驱动FET 306的接通时间来实现。结果同样是较少能量跨过压电元件210下降，这降低温度和元件210的泵送强度。FET接通时间可以以本领域技术人员已知的多个方式调节。例如，减少FET的栅极电压增加接通时间。将电感与FET栅极串联减缓提供给栅极的电荷，这也减缓FET的接通和关闭时间。

图6示出了根据本公开实施例的补偿流体喷射装置（例如，打印头）的压电元件的电容变化的示例性方法600的流程图。方法600与喷墨打印系统100和具有补偿压电元件电容变化的系统的流体喷射装置的实施例有关，如上文关于图1-5的图示所讨论的。

方法600在框602处开始，感测驱动压电元件的电流。在框604处，感测电流用于确定压电元件的电容已经变化。确定压电元件的电容已经变化包括使用感测电流值计算电容且将计算电容与预期电容进行比较。

方法600继续框606，改变驱动压电元件的电流的上升时间以补偿变化的电容。如框608所示，改变电流的上升时间可包括在变化的电容是高电容时增加上升时间。增加上升时间可以例如通过增加与压电元件串联的电阻量（例如，通过调节可变电阻器）或通过增加驱动压电元件的FET的接通时间（例如，通过减少FET的栅极电压或者将电感器与FET的栅极串联以减缓提供给栅极的电荷）来实现。

如框610所示，改变电流的上升时间可包括在变化的电容是低电容时减少上升时间。减少上升时间可以例如通过减少与压电元件串联的电阻量（例如，通过调节可变电阻器）或通过减少驱动压电元件的FET的接通时间（例如，通过增加FET的栅极电压）来实现。

Claims (18)

1.一种补偿流体喷射装置的压电元件中的电容变化的方法，包括：

感测驱动压电元件的电流；

根据电流确定压电元件的电容已经变化；以及

改变驱动压电元件的电流的上升时间以补偿变化的电容。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，变化的电容是高电容，且改变驱动压电元件的电流的上升时间包括增加上升时间。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，增加上升时间包括增加与压电元件串联的电阻值。

4.根据权利要求2所述的方法，其中，增加上升时间包括增加驱动压电元件的FET的接通时间。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，增加FET的接通时间包括降低FET的栅极电压。

6.根据权利要求4所述的方法，其中，增加FET的接通时间包括：包括与FET的栅极串联的电感器，以减缓提供给栅极的电荷。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，变化的电容是低电容，且改变驱动压电元件的电流的上升时间包括减少上升时间。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，减少上升时间包括减少与压电元件串联的电阻值。

9.根据权利要求7所述的方法，其中，减少上升时间包括减少驱动压电元件的FET的接通时间。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，减少FET的接通时间包括增加FET的栅极电压。

11.根据权利要求1所述的方法，其中，确定电容已经变化包括：

使用所感测电流的值计算电容；以及

将所计算电容与预期电容进行比较。

12.一种补偿流体喷射装置的压电元件中的电容变化的系统，包括：

压电元件，用以将流体泵送通过流体喷射装置的喷嘴；

驱动电路，用以驱动压电元件；

在驱动电路和压电元件之间串联的感测电阻器，用以监测至压电元件的电流且将电流信息反馈给驱动电路；

驱动电路内部的电容补偿器，用以基于电流信息改变至压电元件的电流。

13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述电容补偿器包括与压电元件串联的可变电阻器，所述可变电阻器配置成在电流过高时增加且在电流过低时减少。

14.根据权利要求12所述的系统，其中，所述电容补偿器包括驱动FET，所述驱动FET配置成基于电流信息改变至压电元件的电流的上升和下降时间。

15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述驱动FET配置成改变接通和关闭时间以改变电流的上升和下降时间。

16.根据权利要求12所述的系统，还包括：

控制器，用以控制流体喷射装置的操作；以及

能由控制器执行的电容补偿模块，用以：基于电流来计算压电元件的电容；以及调节电流的上升和下降时间，以补偿电容的变化。

17.根据权利要求12所述的系统，还包括压电驱动电路中的FET驱动器，所述FET驱动器能由控制器控制以调节驱动电流的上升和下降时间。

18.根据权利要求12所述的系统，还包括压电驱动电路中的可调节串联电阻，所述可调节串联电阻能由控制器控制以调节驱动电流的上升和下降时间。