CN105579234A - 改进的致动器和驱动所述致动器的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于打印头的致动器(1)，其中，所述致动器(1)包括：致动元件(2)；封闭组件(3)，其可与所述致动元件(2)接合；其中，所述致动元件(2)能够根据施加于其上的驱动信号呈现：静止配置，其中，所述封闭组件(3)与基准平面(A)相距第一距离(X0)；第一变形配置，其中，所述封闭组件(3)与基准平面(A)相距比所述第一距离(X0)大的第二距离(X1)；以及第二变形配置，其中，所述封闭组件(3)接触所述基准平面(A)；其中：控制模块(4)被配置为用于调节所述致动元件(2)的驱动信号，以致使在第一操作循环期间所述封闭组件(3)在所述静止配置和所述第一变形配置之间移动，以减小对封闭组件的撞击影响。

Description

改进的致动器和驱动所述致动器的方法
技术领域
本发明涉及具有致动器的打印头和驱动所述致动器的方法，优选但非排他地，其中，所述致动器在打印头中用于产生微滴。
背景技术
如已知的，致动器将电磁能转化成机械移动。例如，压电致动器包括压电元件，期望在其上施加受控的移动的结构/主体可连接到压电元件。当受电场E影响时，压电元件从第一配置变形到第二配置，由此使连接到压电元件的主体/结构相应地移动。
压电致动器的一个特别有利的用途涉及控制一封闭装置，所述封闭装置用于关闭/打开喷墨打印头喷嘴部分处的喷嘴进口，以从中喷射微滴。
封闭装置是可与喷嘴/喷嘴部分接合的任何机械元件，以在喷嘴进口处提供机械密封，由此防止/减少流体流入喷嘴。
例如，EP1972450B以剖视图示出了用于打印流体(例如，釉料或釉底料)的常规打印头200的例子，如图1所示。打印头200包括具有流体入口(未示出)和流体出口(未示出)的流体腔202，其中，流体204在1巴的压力下从输入至输出流过腔202。
打印头200包括压电元件206形式的致动器，压电元件206具有耦接到其上并位于腔202内的封闭装置207，同时打印头200还包括打印头的喷嘴部分208，其中，喷嘴部分包括设置在其中的至少一个喷嘴209，以提供从腔202内通过喷嘴209至衬底210的流路径。
腔202设置有弹性体密封件212，以防止流体在除了通过喷嘴209或通过流体出口之外的任何点处离开腔202，其中，密封件也能够支撑腔202中的压电元件206，同时使得压电元件206能够挠曲。
由于封闭装置207直接耦接到压电元件206上，因此它沿压电元件206挠曲的方向移动，并且被配置为与喷嘴部分208接合，以在压电元件206处于未挠曲位置/配置时关闭喷嘴209，并且在压电元件206处于挠曲位置时与喷嘴部分208断开接合，由此打开喷嘴209的进口。
在上述常规打印头200中，公开了单层压电元件206，其中，电极被固定为与元件206的第一表面电连接器，同时第二电极被固定为与元件206的第二表面接触，并且当横跨电极施加电场(例如，电压)时，实现对压电元件206的致动。
电子控制模块(未示出)用于利用可控的驱动信号(诸如电压波形)驱动致动器，例如，用以驱动压电元件206，从而使得它按震荡方式以一定频率(例如，1kHz)挠曲。通过在未挠曲和挠曲位置之间震荡压电元件206，可以从喷嘴209喷射微滴形式的流体。
但是，此驱动方法致使磨损封闭装置207和喷嘴部分208，这是由封闭装置207和喷嘴部分208之间的持续碰撞导致的。
例如，对封闭装置207和/或喷嘴部分208和/或喷嘴209的渐进式损坏(诸如由气蚀/摩擦磨损引起的凹痕/凹槽)引起腔202内的密封问题或当封闭装置207处于未挠曲位置时腔202的泄漏问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种解决上述缺陷的改进的致动器和用于驱动所述致动器的方法。本发明特别适合喷墨打印领域中的应用。
在第一方面，提供一种驱动用于打印头的致动器的方法，其中，所述致动器包括：致动元件；封闭组件，其能够与所述致动元件接合，所述致动元件能够根据施加于其上的驱动信号呈现：静止配置，其中，所述封闭组件与基准平面相距第一距离；第一变形配置，其中，所述封闭组件与基准平面相距比所述第一距离大的第二距离；以及第二变形配置，其中，所述封闭组件接触所述基准平面；其特征在于，所述方法包括：在第一操作循环期间向所述致动元件供应驱动信号，以致使所述封闭组件在所述静止配置和所述第一变形配置之间移动。
优选地，所述方法包括在第二操作循环期间向所述元件供应驱动信号，以致使所述致动元件从所述静止配置来到所述第二变形配置。
优选地，所述致动元件是压电元件。
优选地，所述驱动信号被提供为电压波形。
优选地，所述驱动信号包括打印数据。
在第二方面，提供一种用于打印头的致动器1，所述致动器包括：致动元件；封闭组件，其能够与所述致动元件接合；其中，所述致动元件能够根据施加于其上的驱动信号呈现：静止配置，其中，所述封闭组件与基准平面相距第一距离；第一变形配置，其中，所述封闭组件与基准平面相距比所述第一距离大的第二距离；以及第二变形配置，其中，所述封闭组件接触所述基准平面；其中：控制模块被配置为用于调节所述致动元件的驱动信号，以致使在第一操作循环期间所述封闭组件在所述静止配置和所述第一变形配置之间移动。
优选地，所述控制模块被配置为用于调节所述驱动信号，以致使在第二操作循环期间所述致动元件从所述静止配置来到所述第二变形配置。
优选地，所述控制模块被配置为用于调节所述驱动信号，以致使在第二操作循环期间所述致动元件从所述静止配置来到所述第二变形配置。
优选地，所述驱动信号与打印数据相关。
优选地，所述致动元件包括至少一个压电层。
优选地，所述至少一个压电层被布置为双压电晶片元件。
优选地，所述致动元件包括多个压电层，其中，能够利用施加于与所述多个层相联的第一电极的第一电压水平；施加于与所述多个层相联的第二电极的第二电压水平；以及施加于与所述多个层相联的第三电极的第三电压水平，控制所述压电层，并且其中，所述第一电压高于所述第二电压，并且其中，所述第三电压可控地处于所述第一电压和第二电压之间。
优选地，所述封闭组件包括在所述压电元件的所述第二变形配置中能够接触所述基准平面的密封表面。
在第三方面，提供一种打印头包括喷嘴入口、喷嘴和喷嘴出口的打印头，其中，喷嘴入口被布置在停止表面上，停止表面被布置在基准平面上，并且进一步包括致动器，其中，所述致动器包括：致动元件；封闭组件，其能够与所述致动元件接合；其中，所述致动元件能够根据施加于其上的驱动信号呈现：静止配置，其中，所述封闭组件与基准平面相距第一距离；第一变形配置，其中，所述封闭组件与基准平面相距比所述第一距离大的第二距离；以及第二变形配置，其中，所述封闭组件接触所述基准平面；其中：控制模块被配置为用于调节所述致动元件的驱动信号，以致使在第一操作循环期间所述封闭组件在所述静止配置和所述第一变形配置之间移动。
优选地，所述第一操作循环能够从所述喷嘴出口产生至少一个微滴。
优选地，所述第二操作循环能够防止从所述喷嘴出口喷射微滴。
优选地，所述流体包括釉料，或者所述流体包括釉底料。
在第四方面，提供一种利用上述方法产生至少一个微滴的打印头。
在第五方面，提供一种包括上述打印头的打印机。
在第六方面，提供一种驱动信号，用于在X0和X1之间驱动喷墨打印头的致动器。
附图说明
根据在附图中以非限制性例子的方式示出的以下详细描述，本发明的其他特征和优点将更加清楚，在附图中：
图1以剖视图示出现有技术的常规打印头的例子；
图2示出根据本发明的第一实施例的处于初始配置的致动器的示意图；
图3示出处于第一变形配置的图2的致动器的示意图；
图4示出处于第二变形配置的图2的致动器的示意图；
图5a是示出图2的致动器的第一、第二和第三电极之间的示例性电压差的示意图；
图5b是示出图3的致动器的第一、第二和第三电极之间的示例性电压差的示意图；
图5c是示出图4的致动器的第一、第二和第三电极之间的示例性电压差的示意图；
图6示出根据本发明的第二实施例的处于初始配置的致动器的示意图；
图7示出处于第一变形配置的图6的致动器的示意图；
图8示出处于第二变形配置的图6的致动器的示意图；
图9a是示出图2和6的致动器的两个电极之间的电压差的示例性波形；
图9b是示出由于致动图6的致动器而在封闭装置的表面和基准平面之间形成的分离间隙的示例性波形；
图10a是示出本发明的第三实施例中的压电堆叠式致动器的示意图；
图10b是示出本发明的第三实施例中的压电堆叠式致动器的示意图；
图10c是示出本发明的第三实施例中的压电堆叠式致动器的示意图；
图11a是示出本发明的第四实施例中的压电堆叠式致动器的示意图；
图11b是示出本发明的第四实施例中的压电堆叠式致动器的示意图；以及
图11c是示出本发明的第四实施例中的压电堆叠式致动器的示意图。
具体实施方式
更详细地参照附图并根据本发明的第一实施例，图2示出处于初始/静止配置的致动器1的示意图；图3示出处于第一变形配置的致动器1的示意图；图4示出处于第二变形配置的致动器1的示意图。应该注意，用语“初始配置”不限于致动器处于变形或未变形配置中的一个。
根据本发明的优选实施例的致动器1包括压电元件2，其例如由锆钛酸铅(PZT)、钛酸钡、铌酸钾钠(KNN)和/或钛酸铋钠(BNT)或任何合适的材料形成，所述材料在驱动信号施加在其上时为其提供受控挠曲。
在优选实施例中，压电元件2是包括一个或多个压电层的基本平坦的矩形板，被配置为用作双压电晶片元件，其中，层的驱动和收缩产生将横向长度变化转化为垂直于所述收缩的大弯曲位移的弯矩。这种功能可利用已知的压电元件获得，例如BenderPiezoelectric致动器(例如，PL112-PL140)，其容许对位移进行全微分控制(fulldifferentialcontrol)。应该明白，元件的形状不限于矩形板，而是可以是正方形、圆盘形或任何合适的形状。
在优选实施例中，至少一对极化的压电层21、22沿平坦表面耦接到彼此，其中，两个元件彼此相连地被安装。层21和22连接到使用者可访问的三个电极或端子V1、V2和V3，以向压电元件2供应可控的驱动信号，例如，以横跨层21、22提供可控的电压差。
这种多层结构可形成双向位移，其中，一个层收缩，同时另一个层收缩至更大或更小程度，膨胀或不收缩。
为了驱动此配置并使压电元件挠曲，两个电极V1和V2被设置在两个层21、22上，同时第三电极V3被设置在两个层21和22之间。控制模块4用于供应可控驱动信号，以驱动电极，例如，以横跨电极提供可控的电压差(ΔV)。
压电元件2也可包括被布置成多层堆叠结构(例如，被布置成块/环式装置)的多于一对极化的压电元件，其中，压电元件的多层堆叠结构包括可被控制模块4单独地或成组地访问的互相交叉的电极，以便同时驱动多对双层结构，如下面的图10a-10c和11a-11c所示。
在本实施例中，压电元件2位于保持装置8(例如，不锈钢销)上，保持装置8朝向压电元件2的每个端部放置，从而使得元件在其上保持就位，从而使得压电元件2相对于基准平面A沿凹和/或凸方向挠曲。但是，这类保持销可由任何合适的安装/保持装置替代，例如，其中放置有致动器的打印头的表面、夹具、弹性体底座等。如应该明白的，向下和/或侧向的力可被施加在压电元件2上，以使它相对于保持装置8保持就位。
对于本实施例，当致动器用于打印头(诸如，例如，常规打印头200)时，封闭组件3被附接到压电元件2。
封闭组件3包括通过连接元件(诸如，例如，连接杆29)连接到压电元件2的阀头30。应该明白，有利的是，阀头30和连接杆29由向与其接触的流体提供机械阻力的材料制成。因此，当利用诸如下述釉料的流体时，阀头30由诸如NBR70邵尔A或5级钛的材料制成，同时连接杆29由例如聚醋亚胺(PEI)(诸如Ultem1000)形成。
连接杆29的第一端利用诸如乐泰胶(Loctite)或环氧树脂的合适粘合剂被固定到压电元件2，同时连接杆29的远端被插入阀头30的开口端中并利用诸如乐泰胶或环氧树脂的胶被固定在其中。在替代性实施例中，阀头直接耦接到压电元件2，而不需要连接杆29。
阀头30的外部包括在第二端处的基本平坦的阀表面31，例如表面粗糙度(Ra)在例如Ra＝0.05-1μm的范围内，优选在Ra＝0.4-0.8μm的范围内。
控制模块4被配置为调节驱动信号，例如，被供应给压电元件2的施加的电压或电压差形式的电场，从而使得压电元件呈现：初始配置，其中，封闭组件3与基准平面A相距第一距离X0，如图2所示(即，在X0处)；第一变形配置，其中，封闭组件3与基准平面A相距大于第一距离X0的第二距离X1，如图3所示(即，在X1处)；以及第二变形配置，其中，封闭组件3与基准平面A接触，如图4所示(即，在A处)。
还应该明白，X0和X1指的是基准平面A和封闭组件3的阀表面31之间的距离。此外，应该明白，描述封闭组件、压电元件或处于X0或X1处的阀头的描述部分将被解释为表示阀表面31与基准平面A分别相距距离X0或X1。
在图2中将看到，当封闭组件3处于X0处时，压电元件2变形，但是，如上所述，在替代性实施例中，压电元件2可被布置成当封闭组件3处于X0处时不变形。
对于以下实施例，将看到，在第一操作循环中，控制模块4被配置为以致使压电元件2根据需要在初始配置和第一变形配置之间反复挠曲的方式调节向压电元件2供应的电压，其中，这种从X1至X0的挠曲产生微滴。
此外，在第二操作循环中，控制模块4进一步被配置为调节向压电元件2供应的电压，从而保持压电元件2处于第二变形配置。
第一和第二操作循环特别有利，具体在于它们容许通过喷嘴出口将微滴受控地沉积到诸如瓷砖的衬底上。下面更详细地描述这种功能。
虽然下文利用釉料描述打印头的操作，但是应该明白，根据具体应用可使用任何合适的流体，诸如用于打印在纸板/纸/食品包装上的基于丁酮或丙酮的墨、用于3D打印的基于聚合物/金属的墨、用于打印在陶瓷上的釉底料、或基于食物的流体，诸如巧克力。
釉料本身可包含色素，以在烧制之后提供颜色，和/或包括诸如粘土的其他添加物，以提供可结合在同一表面上的不同面漆，诸如有光泽的、无光泽的、不透明的面漆，并且提供特别效果，诸如金属色调和光泽。
ES2386267中公开了适合数字打印的示例性釉料成分。釉料内的颗粒尺寸通常在0.1μm-40μm之间的范围内，但优选上达10μm，更优选地，釉料具有D90＜6μm的颗粒尺寸分别。
替代性地，釉底料可用于打印头，其中，如本领域技术人员应该明白的，釉底料用于在瓷砖表面上提供一致的干净的版面(canvass)或型面。
釉底料是粘土颗粒悬浮液，而釉料通常包括基于水或溶剂的玻璃料悬浮液，或溶液中的悬浮液，其由其中散布有一定量矿物颗粒/粉末的液体部分制成，其中，具体的釉料配方取决于最终用户的要求。釉料也可以含有釉底料。
打印头包括被设计为容纳待沉积在衬底上的釉料的流体腔，其中，釉料从受控的釉料供应系统经由入口和出口在例如0.1巴-10巴的压力下被供应到所述腔，并且优选地，其中，所述压力优选在0.5和1.5巴之间，更优选地其中，压力基本上等于1巴。
流体腔设置有装配有贯穿喷嘴6的喷嘴部分5，贯穿喷嘴6提供流体腔和打印头外部之间的流体连通，以便允许通过喷嘴出口62从流体腔喷射流体，以便沉积到衬底上。
一般地，喷嘴部分5指的是流体腔的其中形成有至少一个喷嘴6的部分。喷嘴部分5由任何合适的材料形成，所述材料具有对使用者所要求的特定打印应用中所使用的流体有耐受性的机械和化学特性，例如，PEEK(KETRON)、PEI、不锈钢(LS316)或硅，其中，通过合适的制造技术，例如，通过微放电加工(EDM)/激光加工/化学蚀刻等，在其中形成喷嘴6。喷嘴部分5可在制造所述腔期间一体形成到流体腔中，或者可以是在制造打印头期间组装到腔中并利用合适的粘合剂(例如，乐泰胶或环氧树脂)固定就位的单独元件。
当利用釉料或釉底料打印时，喷嘴6的直径优选在300μm-500μm之间，并且主要在375μm-425μm之间，优选基本上所述直径基本等于400μm，但取决于具体的应用和/或所使用的釉料或釉底料，喷嘴直径可在80μm-1000μm的范围内。
在本实施例中，喷嘴6设置有被布置在喷嘴部分5的停止表面51上的喷嘴入口61，其中，入口61具有比喷嘴6宽的直径，例如，1000-2000μm，并且优选地约1500μm，更优选地，其逐渐变窄(例如，以60°斜坡)至喷嘴6的具体直径。此外，在本实施例中，喷嘴出口62具有与喷嘴入口61类似的型面，这在于出口62具有比喷嘴6宽的直径，例如，1000-2000μm，优选地约1500μm，并且其逐渐变窄(例如，以60°斜坡)至喷嘴6的具体直径。停止表面51位于基准平面A上。
应该明白，喷嘴入口61、出口62和喷嘴6的具体直径和逐渐变窄值将根据具体的应用和/或所使用的釉料变化。
已知喷嘴出口62的逐渐变窄引起与喷嘴相邻的表面处的浸润，并因此影响微滴的产生，同时喷嘴入口61处的逐渐变窄促进流体流进入喷嘴6。但是，根据应用，可减小或完全消除喷嘴入口61或喷嘴出口62处的逐渐变窄的具体角度，如本领域技术人员应该明白的。不要求喷嘴入口61和喷嘴入口62的直径和逐渐变窄程度相同，虽然在一些情形中可以相同。
根据本发明的压电元件2被布置在打印头内，从而使得在第二变形配置中，封闭组件3的阀表面31被迫接触喷嘴部分5的停止表面51并被布置为基本密封喷嘴入口61。
在本实施例中，阀头30由圆柱管形状的部件形成，其具有约1.9mm的内径和约4mm的外径。
但是，应该明白，阀头30的直径不限于毫米范围内的外径，当它将至少等于喷嘴入口61的直径，并且优选大于喷嘴入口61的直径。
此外，不要求阀头30是圆柱形的，但是应该明白，其阀表面31将延伸得足够长，以在压电元件2处于第二变形配置时(图4)，足以覆盖喷嘴入口61。
因此，当阀表面31接触喷嘴部分5的停止表面51时，在喷嘴入口61周围提供机械密封/堵塞，从而阻止/限制流体通过喷嘴入口61进入喷嘴6。
在所描述的所有实施例中，阀表面31是基本平坦的，并且相对于基准平面A平行地放置，但是，应该明白，阀表面31不限于平坦的，并且在替代性实施例中可以是凹的/凸的/角锥形的，等等，但是在任何配置中，当接触停止表面51时，阀表面31都应该被塑形为阻止/限制釉料流入喷嘴入口61。
在第一操作循环期间，利用控制模块4执行的驱动信号调节，驱动压电元件2，使得它在弯曲模式中从初始配置(图2)挠曲至第一变形配置(图3)并返回初始配置(图2)。可重复所述操作循环，从而使得压电元件2以一定频率振荡，例如0.1kHz至10kHz之间的频率，优选地，0.8kHz至1.2kHz范围内的频率，更优选地，1kHz的频率。
如上所述，在第一操作循环中压电元件2的振荡致使耦接到其上的封闭组件3以相同的频率在X0和X1之间相应地移动，其中，封闭组件3在X0和X1之间的移动致使从喷嘴5喷出流体，如下面论述的。
应该明白，在第一操作循环期间，表面31和51之间存在至少为X0的分离间隙。因此，与常规打印头不同，在从喷嘴出口62喷射滴期间，阀表面31不与停止表面51物理接触。
在本实施例中，距离X0大体等于2μm，但可使用任何合适的值，例如，在0.1μm和25μm之间，优选在1μm和3μm之间，这确保，当阀表面31处于距离X0处时，阻止或基本上限制流体流流入喷嘴6。
应该明白，由于在从喷嘴出口62喷射滴期间阀头30和停止表面51之间不存在碰撞，因此这种功能减小了由阀表面31和/或喷嘴部分5之间的摩擦磨损/碰撞导致的后果。
应该明白，驱动信号可包括打印数据，这涉及何时应该从打印头喷射滴(即，何时需要在衬底上打印像素)以及何时不应该从打印头喷射滴(即，何时不需要在衬底上打印像素)。打印数据可经由计算机发送到控制模块4，由此控制模块向致动器提供相应的驱动信号，如本领域已知的。
优选在待打印的相邻像素之间反复使用第一操作循环，即，对于所述像素存在打印数据并且需要喷射微滴。
当不需要喷射微滴时，例如在打印量打印完时，提供第二操作循环，只要不需要喷射微滴，即，不需要在衬底是打印像素。
在第二操作循环中，控制模块4调节驱动信号，从而使得压电元件2呈现第二变形配置。在第二变形配置中，封闭组件3的阀表面31被放置为与喷嘴部分5的停止表面51接触，由此基本上密封喷嘴入口61。
由于阀头30和喷嘴部分5之间的接触仅发生在不需要滴时，因此与常规打印头相比显著减小了封闭组件3和喷嘴部分5之间的磨损，并且降低了封闭组件3和/或喷嘴部分和/或喷嘴受损由此危害喷嘴的闭合的可能性，即使是在压电元件2的反复操作循环之后。
图2-4中所描述的操作循环的驱动策略的一个例子在图5a、5b和5c中展示，其展示了驱动信号的例子，所述驱动信号被施加作为横跨压电元件2的电极的电压差，以便实现压电元件2的特定位移。层21和22沿极化方向箭头24所指示的同一方向被极化。
当横跨压电元件2的层的电压差基本等于0V时，压电元件2处于未变形配置，从而使得阀表面31与停止表面51相距X0和X1之间的距离。
对于第一操作循环，压电元件2最初挠曲至初始配置，使得阀表面31处于X0处，在本实施例中，X0大体等于与停止表面51相距2μm。这种配置通过横跨V1和V3施加约-28V直流电压差来实现，由此致使压电层21沿图5a中箭头23所指示的方向收缩，同时横跨V3和V2施加约-2V电压差，从而使得层22比层21收缩的少。由于层21的较大收缩，双压电晶片元件2变形，使得封闭组件处于X0处(图2)。
压电元件2随后挠曲至第一变形配置，从而使得阀表面31处于X1，在本实施例中，X1大体等于与停止表面51相距30μm。
这种配置通过横跨V1和V3施加约0V电压差来实现，从而使得压电层21不变形，同时横跨V3和V2施加约-30V电压差，从而使得层22沿图5b中的箭头23所指示的方向收缩。由于层22的收缩，双压电晶片元件变形，使得封闭组件3处于第一变形配置，即，X1处(图3)。
为了完成第一操作循环，压电元件挠曲回到上述初始配置，即，使得封闭组件处于X0处。
在压电元件2的周期处于第一变形配置期间，即，当阀表面3处于X1处时，釉料通过喷嘴入口61流入喷嘴6中，并且持续流入喷嘴入口61中，直到喷嘴6充满或直到阀表面31和停止表面51之间的间隙减小至足以阻止/基本上限制釉料流入喷嘴入口61以充满喷嘴6的距离，即，当阀表面31基本上处于X0处时。
利用波形驱动压电元件2以在X0和X1之间驱动阀表面，致使从喷嘴6喷射微滴，例如作为沉积在衬底上的像素。
如果需要将另一微滴从喷嘴6喷射到衬底表面，例如，如果需要将另一像素沉积在衬底上，则重复相同的第一操作循环或其变型，即，致使压电元件2在X0和X1之间挠曲。由控制模块4调节的这种功能可经由通信网络(例如，互联网)、存储介质或经由连接到控制模块的计算机终端或通过任何其他合适的装置作为波形或程序指令被提供给控制模块4。
防止/基本上限制釉料流入喷嘴入口61的距离X0取决于这类因素，包括：腔中的压力；阀表面31向外延伸超过喷嘴入口61的圆周的距离；阀表面31与停止表面51分离足以使流体通过流体入口61流入喷嘴6中的距离的时间；以及具体釉料的性质。
因此，X0由打印头中所使用的釉料、喷嘴形成的流限制以及限定阀表面31的阀头直径决定。但是，应该明白，流体腔内的流体压力将影响X0的最小分离间隙，由此，对于确定的间隙，增加腔中的压力将产生/增加流过入口61的釉料流。
此外，阀表面31相对于喷嘴入口61向外延伸的距离也影响流入喷嘴入口61的釉料流，从而使得增大阀表面31延伸超过喷嘴入口61的距离将减少流入喷嘴入口61的釉料流。
因此，可根据具体的流体和/或相对于具体的系统参数设定距离X0，并且可根据驱动信号改变距离X0。测量每次(或多次)致动的一次性设备或有源系统可用于确保，通过致动器1基本上实现和保持正确地挠曲至X0、X1和停止表面51。应该明白，对于本文描述的所有实施例，距离X0和X1可变化例如±50％，但由于打印头的操作情况、致动器中的容差和/或所施加的驱动信号，优选小于±10％。
如果不需要喷射滴，即，如果不需要在衬底上沉积像素，则压电元件2挠曲至第二变形配置，其中，阀表面31与停止表面51接触。
如图5c所示，通过以下方式实现第二变形配置，即，通过横跨V1和V3施加例如约-30V的电压差，从而使得层21沿箭头23所指示的方向收缩，同时横跨V3和V2施加例如约0V的电压差，从而使得层22不变形。由于层21收缩，压电元件变形，从而使得压电元件2处于第二变形配置，从而使得阀表面31被迫接触停止表面51，由此密封/限制进入喷嘴入口61的流，从而阻止/基本上限制釉料流入喷嘴6。
应该明白，所喷射的微滴的体积由喷射滴时喷嘴中流体的体积限定。应该明白，喷嘴中流体的体积取决于许多因素，包括：喷嘴的几何形状；腔中的压力；阀表面31相对于喷嘴入口61的直径向外延伸的距离；和/或阀表面31与基准平面A分离足以使流体通过流体入口61流入喷嘴6中的距离的时间。在通常的操作期间，压力优选在流体腔中保持恒定，例如，在0.5巴-3巴之间，优选大体为1巴，同时喷嘴和阀头的几何形状不变。
因此，应该明白，控制第一和第二操作循环容许使用者控制喷嘴6中流体的体积，并且因此控制从喷嘴6喷射的滴的滴尺寸。因此，可通过改变驱动波形来获得可变的滴尺寸。当喷嘴内流体的弯月液面到达喷嘴出口62时并且在打印头外部上发生浸润之前，达到喷嘴6中流体的最大体积。
虽然在上述实施例中，致动器1被描述为包括至少一对压电层21和22的多层压电元件2，在图6至8所示的第二实施例中，描述了一种具有单层22压电元件20的致动器41，层22利用诸如乐泰胶或环氧树脂的合适粘合剂耦接到刚性衬底层42，例如，陶瓷(Al2O3)或不锈钢层。相似的附图标记将用于表示上述第一实施例中的相似元件。
因此，参照图6至8，刚性衬底层42为压电元件20提供双压电晶片元件功能，其中，当压电层22收缩或膨胀时，压电元件20相对于基准平面A上的停止表面51沿凹或凸方向变形。层22的极化方向由箭头24表示，同时收缩/膨胀的方向由箭头23(图6未示出)表示。
当致动器41处于初始配置时(图6)，附接到压电元件20上的封闭组件3的阀表面31位于停止表面51上。将可看到，本实施例的初始配置与第一实施例的致动器1的不同之处在于压电元件20不变形。
电极V1和V2被设置在压电元件20上，并且压电元件20被配置为使得压电元件20能够挠曲至第一变形配置，从而使得阀表面31与停止表面51相距距离X0，其中，在本实施例中，X0大体等于2μm(图7)，并且其中，压电元件20能够进一步挠曲至第二变形配置，从而使得阀表面31与停止表面51相距距离X1，其中，在本实施例中，X1大体等于30μm(图8)，并且在X0和X1之间震荡。
如以上参照第一实施例描述的，当致动器41被用作打印头中的致动器时，并且当需要从喷嘴出口62喷射滴时，压电元件20挠曲，使得阀表面31在X0和X1之间挠曲，而当不需要打印滴时，压电元件20挠曲至第二变形配置。
图9a示出用于驱动压电元件20的示例性波形，具有在0V、VL1和VL2之间的电压差(ΔV)，而图9b是示例性波形，示出了由于致动压电元件20而产生的阀表面31和停止表面51/基准平面A之间的分离间隙。
在(T101)处，横跨电极V1和V2的电压差从0增加至VL2，从而使得压电元件20挠曲，从而使得阀表面31从停止表面51移动至X1，并且在(T103)处，电压差从VL2减小至VL1，从而使得阀表面31从X1移动至X0。在本实施例中，VL1可以例如大体等于2V，而VL2可以大体等于30V。此外，在本实施例中，X0大体等于2μm，而X1大体等于30μm。
如应该明白的，压电元件20在X0和X1之间的挠曲致使滴从喷嘴6喷射到衬底上。
当需要喷射滴时，横跨压电元件20的电压差(ΔV)减小至大体0V，从而使得封闭装置3返回初始配置(例如，在T110处)，其中，阀表面31与停止表面51接触，从而阻止釉料通过喷嘴入口61流入喷嘴6中。
在本实施例中，频率，例如T和2T之间的频率，大体等于1kHz，但可根据具体使用者的要求调整驱动波形。例如，如果需要增加滴喷射，则相应地增大波形的频率。
如应该明白的，用于压电元件20的与图9a和9b所描述的类似的驱动波形可用于驱动压电元件2。利用包括两个层的压电元件2与仅具有单个层的压电元件20相比需要更小的电压，但压电元件2和20都能够提供类似的功能。
如上文简要论述的，应该明白，多层式压电堆叠结构可用于提供上文概述的致动器功能。
堆叠结构包括耦接在一起的多个极化的压电元件，每个压电元件具有与其结合在一起的第一和/或第二和/或第三电极，其中，多个层能够根据横跨电极的电场，例如电压差(ΔV)，而收缩或膨胀，其中，膨胀或收缩取决于电场的方向和极化的方向。本领域技术人员将容易直到利用驱动信号(例如，电压波形)驱动层叠的压电层。
在图10a-10c所示的另一实施例中，压电元件70由各个压电层71-76形成，这些层牢固地互相耦接成堆叠布置，例如，成为各个压电层的堆叠结构，其中，相邻地耦接的层被相反地极化，如极化箭头77所指示的。
压电元件70具有互相交叉的电极V1、V2和V3，其中，层71、72和73各自电连接到电极V1，层74、75和76各自电连接到电极V2，同时所有层71-76各自电连接到V3。
驱动压电元件70，以提供以上在图2-4中描述的在打印头中用于从其中受控地喷射微滴的功能，其中，压电元件2被压电元件70替代。相似的附图标记将用于表示上述相似的元件。
控制模块4被配置为用于调节驱动信号，例如压电元件70上的所施加的电压或电压差(ΔV)形式的打印数据，从而使得它呈现初始配置(其中，封闭组件3/阀表面31与停止表面51相距距离X0，如图2所示(以上))、第一变形配置(其中，封闭组件3/阀表面31与停止表面51相距距离X1，其中距离X1大于距离X0，如以上图3所示)和第二变形配置(其中，封闭组件3/阀表面31被迫接触停止表面51，如以上图4所示)中的一个。
当横跨压电元件70的全部层的电压差(ΔV)基本相等时，压电元件70处于未变形配置。
对于第一操作循环，压电元件70最初挠曲至初始配置，使得阀表面31处于X0处，在本实施例中，X0大体等于与停止表面51相距2μm。
这种配置可通过以下方式实现，即，通过向V1施加例如大体等于30V的电压，向V2施加0V电压，并且向V3施加28V电压，从而使得横跨层71至73分别提供约2V、-2V和2V的电压差，以及横跨层74-76分别约为28V、-28V和28V的电压差，致使压电层71-76大体沿图10a中的收缩箭头79和膨胀箭头80所指示的方向收缩和膨胀。由于层71-73的收缩和层74-76的膨胀基本同时发生，因此双压电晶片元件70相对于基准平面A沿凸方向变形，从而使得封闭组件3基本竖直向下地挠曲，从而使得阀表面31与停止表面51相距距离X0。
压电元件70随后挠曲至第一变形配置，从而使得阀表面31处于X1处，在本实施例中，X1大体等于与停止表面51相距30μm。
这种配置可通过以下方式实现，即，通过向V1施加例如大体等于-30V的电压，同时向V2和V3施加约0V电压，从而使得横跨层71至73的约-30V、30V和-30V的电压差分别致使那些层大体沿图10b中的膨胀箭头80所指示的方向膨胀，而层74至76因横跨它们的电压差为零而不变形。由于层71-73的膨胀和层74-76的不变形，双压电晶片元件70相对于基准平面A沿凹方向变形，从而使得封闭组件3基本竖直向上地挠曲，从而使得阀表面31与停止表面51相距距离X1。
为了完成第一操作循环，压电元件挠曲返回初始配置，如以上参照图10a描述的。
为了提供第二操作循环的功能，例如，当不需要从打印头喷射滴时，压电元件70挠曲至第二变形配置。
这种配置可通过以下方式实现，即，通过向V1和V3施加例如大体等于30V的电压，同时向V2施加约0V电压，从而使得横跨层71至73的约0V的电压差分别致使那些层不变形，而横跨层74至76的约30V、-30V和30V的电压差分别致使那些层大体沿图10c中的膨胀箭头80所指示的方向膨胀。
由于层74-76的膨胀和层71-73的不变形，双压电晶片元件70相对于基准平面A沿凸方向变形，从而使得封闭组件3基本竖直向下地挠曲至第二变形配置，从而使得阀表面31被迫接触停止表面51，由此基本上密封喷嘴入口61，从而使得釉料不能流入喷嘴6中。
虽然，以上实施例描述了多层堆叠结构需要单独控制电极V1、V2和V3，在第四实施例中，图11a-11c描述压电元件170由互相牢固地耦接成堆叠布置的各个压电层171-176形成。相邻的层171和172以及相邻的层175和176被相反地极化，如极化箭头177所指示的。此外，分别耦接在层171和172与层175和176之间的相邻层173和174沿彼此相同的方向被极化，但分别与其相邻层，即，172和175，相反地被极化。
图11a-11c的压电元件170具有互相交叉的电极V1、V2和V3，其中，层171、172和173各自电连接到电极V1，层174、175和176各自电连接到电极V2，而所有层171-176都电连接到V3。
可驱动压电元件170，以提供以上在图2-4中描述的用于受控地喷射微滴的功能，其中，压电元件2被压电元件170替代。相似的附图标记将用于表示上述相似的元件。
控制模块4被配置为用于调节驱动信号，例如被供应到压电元件170上的电压或电压差(ΔV)形式的打印数据，从而使得它呈现初始配置(其中，封闭组件3/阀表面31与停止表面51相距距离X0，如图2所示(以上))、第一变形配置(其中，封闭组件3/阀表面31与位于基准平面A上的停止表面51上的喷嘴入口61相距距离X1，其中距离X1大于距离X0，如以上图3所示)或第二变形配置(其中，封闭组件3/阀表面31被迫接触停止表面51，如以上图4所示)中的一个。
当横跨压电元件170的全部层的电压差(ΔV)基本相等时，压电元件170处于未变形配置。
对于第一操作循环，压电元件170最初挠曲至初始配置，使得阀表面31处于X0处，在本实施例中，X0大体等于与停止表面51相距2μm。
这种配置可通过以下方式实现，即，通过向V1施加例如大体等于0V的电压，向V2施加30V电压，并且向V3施加28V电压，从而使得横跨层171至173分别提供约-28V、+28V和-28V的电压差，以及横跨层174-176分别约为-2V、+2V和-28V的电压差，致使压电层171-176大体沿图11a中的收缩箭头179所指示的方向收缩和膨胀。层171-173的收缩远大于层174-176的收缩，因此双压电晶片元件170相对于基准平面A沿凸方向变形，从而使得封闭组件3基本竖直向下地挠曲，从而使得阀表面31与停止表面51相距距离X0。
压电元件170随后挠曲至第一变形配置，从而使得阀表面31处于X1处，在本实施例中，X1大体等于与停止表面51相距30μm。
这种配置可通过以下方式实现，即，通过向V2施加例如大体等于30V的电压，同时向V1和V3施加约0V电压，从而使得横跨层174至176的约-30V、30V和-30V的电压差分别致使那些层大体沿图10b中的收缩箭头179所指示的方向收缩。
由于层174-176的收缩以及层171-173的不变形，双压电晶片元件170相对于基准平面A沿凹方向变形，从而使得封闭组件3基本竖直向上地挠曲，从而使得阀表面31与停止表面51相距距离X1。
为了完成第一操作循环，压电元件挠曲返回初始配置，如以上参照图11a描述的，即封闭组件处于X0处。
为了提供第二操作循环的功能，例如，当不需要从打印头喷射滴时，压电元件170挠曲至第二变形配置。
这种配置可通过以下方式实现，即，通过向V2和V3施加例如大体等于30V的电压，同时向V1施加约0V电压，从而使得横跨层174至176的约0V的电压差分别致使那些层不变形，而横跨层171-173的约-30V、30V和-30V的电压差分别致使那些层大体沿图11c中的收缩箭头179所指示的方向收缩。
由于层171-173的收缩和层174-176的不变形，双压电晶片元件170相对于基准平面A沿凸方向变形，从而使得封闭组件3基本竖直向下地挠曲至第二变形配置，从而使得阀表面31被迫接触停止表面51，由此基本上密封喷嘴入口61，从而使得釉料不能流入喷嘴6中。
后一实施例的优点是，施加到电极V1和V2的电压可保持基本恒定，同时可通过改变被施加到共用电极V3的驱动信号控制压电元件170的挠曲，由此降低所需的驱动电路和波形/驱动信号的复杂度。因此，与之前的实施例相比，可利用简单的控制电路同时控制打印头中的多个致动器，在之前的实施例中，致动器的电极V1和V2连接到共用轨，同时每个致动器的电极V3可由控制模块独立地控制，例如，控制每个喷嘴的滴喷射。
如应该明白的，也可驱动压电元件70、170，以提供以上在图6-8中描述的在打印头中用于从其中受控地喷射微滴的功能，其中，压电元件20由压电元件70或170代替。
此外，考虑了以上描述的技术人员应该明白，可以改变操作循环以提供任何期望的功能，或者可提供额外的操作循环以根据具体应用的需要驱动压电元件。
此外，用于以上实施例的值使得压电元件2、20、70和170的位移与所施加的电场(电压/电压差)的变化成正比，其中，压电元件提供每1V约1μm的位移，从而使得位移(μm)和所施加的电压(V)之间存在基本线性的关系，但是，如技术人员应该明白的，所使用的具体关系和值将根据许多因素改变，这些因素包括压电元件的材料和具体的晶体结构/极化，装置的几何形状(例如，层的长/宽/高)，和/或装置的效率。例如，压电材料的效率通常可变化+/-10％，并且在极端情况中，可变化多达+/-20％。应该明白，不要求位移和所施加的电池之间的关系的线性的。
此外，所需的挠曲量将取决于具体应用，但一般来说，挠曲将约为20μm至60μm，但可使用高达600μm的挠曲。
此外，虽然以上实施例教导同时修改施加到各种压电层上的电极的驱动信号，但是应该理解，替代性实施例可使用特定的驱动策略，其中，不同时改变施加于各种电极的信号。
此外，可修改压电层的具体配置，例如层的数量、极化等，同时保持减小摩擦磨损的期望优点，所述磨损由例如当致动器在打印头中用于喷射微滴时阀表面和停止表面之间的碰撞导致。
优选提供具有引起收缩而非膨胀的极化/电压差的装置，因为反复膨胀可导致层随时间去极化(de-poling)，同时已知使用大于500V的电压进行膨胀会增大去极化的可能性。
虽然上文参照直流描述了电压/电压差，但是应该明白，可利用交流电压或利用电流控制来驱动某些类型的致动器，以获得有利的功能，同时提供所述功能所需的具体电压/电压差将取决于以上概述的各种因素，这对于阅读本说明书的技术人员来说将显而易见。
应该明白，虽然以上实施例描述了双压电晶片元件，其中，所述元件朝向两端被保持/固定，以容许元件相对于停止表面沿凹或凸方向挠曲，但是元件可在一端处被固定，从而用作附接有用以控制微滴喷射的封闭组件的悬臂。也可使用被安装到惰性金属衬底上的单层弯曲式致动器，例如，“thunder式致动器”。替代性地，压电元件可被布置成V形(chevron)和单片式压电元件，如本领域技术人员应该明白的。
还将看到，利用除压电致动器之外的致动器也可用于提供用以喷射微滴的相同驱动功能，例如，静电致动器、磁致动器、电致伸缩致动器、热单压电/双压电晶片元件、螺线管、形状记忆合金等可容易地用于提供上述功能，同时获得期望的功能，通过阅读以上说明书，这对技术人员来说是显而易见的。
此外，上述压力值涉及表压。但是，应该明白，绝对压力也可用作系统中压力的量度。

Claims (25)

1.一种驱动用于打印头的致动器(1)的方法，其中，所述致动器(1)包括：
致动元件(2)；
封闭组件(3)，其能够与所述致动元件(2)接合，所述致动元件(2)能够根据施加于其上的驱动信号呈现：
静止配置，其中，所述封闭组件(3)与基准平面(A)相距第一距离(X0)；
第一变形配置，其中，所述封闭组件(3)与基准平面(A)相距比所述第一距离(X0)大的第二距离(X1)；
以及第二变形配置，其中，所述封闭组件(3)接触所述基准平面(A)；其特征在于，所述方法包括：
在第一操作循环期间向所述致动元件(2)供应驱动信号，以致使所述封闭组件(3)在所述静止配置和所述第一变形配置之间移动。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述方法包括在第二操作循环期间向所述元件(2)供应驱动信号，以致使所述致动元件从所述静止配置来到所述第二变形配置。
3.如权利要求1或2中的任意一项所述的方法，其中，所述致动元件是压电元件。
4.如前述权利要求中的任意一项所述的方法，其中，所述驱动信号被提供为电压波形。
5.如前述权利要求中的任意一项所述的方法，其中，所述驱动信号包括打印数据。
6.一种用于打印头的致动器(1)，所述致动器(1)包括：
致动元件(2)；
封闭组件(3)，其能够与所述致动元件(2)接合；其中，所述致动元件(2)能够根据施加于其上的驱动信号呈现：
静止配置，其中，所述封闭组件(3)与基准平面(A)相距第一距离(X0)；
第一变形配置，其中，所述封闭组件(3)与基准平面(A)相距比所述第一距离(X0)大的第二距离(X1)；
以及第二变形配置，其中，所述封闭组件(3)接触所述基准平面(A)；其中：
控制模块(4)被配置为用于调节到所述致动元件(2)的驱动信号，以致使在第一操作循环期间所述封闭组件(3)在所述静止配置和所述第一变形配置之间移动。
7.如权利要求6所述的致动器，其中，所述控制模块(4)被配置为用于调节所述驱动信号，以致使在第二操作循环期间所述致动元件(3)从所述静止配置来到所述第二变形配置。
8.如权利要求6或7中的任意一项所述的致动器，其中，所述致动元件包括至少一个压电层。
9.如权利要求8所述的致动器，其中，所述至少一个压电层被布置为双压电晶片元件。
10.如权利要求8或9所述的致动器，其中，所述致动元件包括多个压电层。
11.如权利要求10所述的致动器，其中，能够利用施加于与所述多个层相联的第一电极的第一电压、施加于与所述多个层相联的第二电极的第二电压以及施加于与所述多个层相联的第三电极的第三电压，控制所述压电层。
12.如权利要求11所述的致动器，其中，所述第一电压高于所述第二电压，并且其中，能够控制所述第三电压处于所述第一电压水平和第二电压水平之处或之间。
13.如权利要求6至12中的任意一项所述的致动器，其中，所述封闭组件(3)包括在所述压电元件(2)的所述第二变形配置中能够接触所述基准平面(A)的密封表面(31)。
14.一种用于喷墨打印的打印头，包括：根据权利要求6至13中的任意一项所述的致动器(1)；具有喷嘴入口(61)、喷嘴(6)和喷嘴出口(62)的喷嘴部分(5)，其中，所述喷嘴入口被布置在所述喷嘴的停止表面(51)上，所述停止表面被布置在基准平面(A)上。
15.如权利要求14所述的打印头，其中，所述第一操作循环能够从所述喷嘴出口产生至少一个微滴。
16.如权利要求14或15所述的打印头，其中，所述第二操作循环能够防止从所述喷嘴出口喷射微滴。
17.如权利要求14至16中的任意一项所述的打印头，其中，所述流体包括釉料。
18.如权利要求14至16中的任意一项所述的打印头，其中，所述流体包括釉底料。
19.如权利要求14至16中的任意一项所述的打印头，其中，利用如权利要求1至5中的任意一项所述的方法产生至少一个微滴。
20.一种打印机，其包括权利要求14至19中的任意一项所述的打印头。
21.一种驱动信号，其用于驱动如权利要求6至13中的任意一项所述的致动器，其中，所述驱动信号包括与待沉积在衬底上的像素相关的打印数据，并且其中，所述打印数据能够利用权利要求1至5中的任意一项所述的方法驱动所述致动器，以当需要在所述衬底上沉积像素时喷射滴。
22.一种驱动用于打印头的致动器的方法，所述打印头基本上是如上文参照附图中的图2至11c描述的打印头。
23.一种用于打印头的致动器，所述打印头基本上是如上文参照附图中的图2至11c描述的打印头。
24.一种打印头，其基本上是如上文参照附图中的图2-11c描述的打印头。
25.一种驱动信号，用于驱动基本上如上文参照附图中的图2-11c描述的致动器。
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