CN111684614A - 极化压电致动器元件的方法 - Google Patents

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Abstract

一种极化致动器的压电元件的方法，包括向压电元件施加电脉冲加热波形，以将其温度升高到极化温度(S202)，在极化时间段内向压电元件施加电场极化波形(S203)，以及向压电元件施加电场保持极化波形，以在致动器的温度降低时保持极化(S204)。

Description

极化压电致动器元件的方法
发明领域
本发明涉及一种极化压电元件的方法。可以发现将压电致动器的压电元件极化以用于诸如打印头的液滴沉积头是特别有益的应用。
背景
众所周知，极化压电致动器的压电元件可以提高致动器的性能和可靠性。然而，随着时间的推移和使用，极化度会减少。
电晕放电极化是一种在模具级(die level)或晶片级极化压电致动器的压电元件的方法。电晕放电方法要求裸致动器位于电晕放电装置的电极之间。
极化压电致动器的压电元件的另一种方法是热和DC场方法，该方法包括在高温下向压电元件施加外部DC场，然后冷却压电元件，同时维持外部场。这种方法需要加热设备以及施加外部场的装置。极化压电致动器的压电元件的另一种方法包括在室温下对压电元件施加极化DC场，但是这种方法并不总是产生足够稳定的极化状态。
这两种方法都需要专门的设置。此外，一旦组装了液滴沉积头，上述方法不能执行来恢复液滴沉积头的性能。
附图简述
现在将参考附图描述实施例，其中：
图1示意性地示出了喷墨压电打印头的致动器模具(actuator die)的一部分的截面图；
图2(i)、2(ii)和2(iii)示意性地示出了压电元件的偶极子；
图3示出了压电元件的极化过程的曲线图；
图4A和4B示意性地示出了在模具级的多个致动器的压电元件的极化；
图5A示出了可用于加热和/或极化压电元件的波形的例子；
图5B示出了可用于加热和/或极化压电元件的波形的例子；
图6示出了用于极化多个压电致动器的压电元件的过程的流程图；
图7示出了用于极化多个压电致动器的压电元件的另一过程的流程图；
图8A、8B和8C示意性示出了用于在极化的同时维持温度的极化和加热波形；和
图9显示了一个控制器。
详细描述
一种极化多个致动器的压电元件的方法包括向多个压电元件施加电脉冲(加热波形)，以便将压电元件的温度升高到极化温度。极化电场(极化波形)然后在极化时间段内被施加到多个压电元件中的一个或更多个，以对压电元件进行极化。保持极化电场(保持极化波形)然后被施加到多个压电元件中的一个或更多个，以在致动器的温度降低时维持极化。
以下公开描述了一种用于极化多个压电致动器的压电元件的方法。该方法包括：向一个或更多个压电元件施加加热波形，以将多个压电致动器的温度从第一温度升高到极化温度；当已经达到极化温度时，在一个极化时间段内，将极化波形施加到一个或更多个压电元件，以对一个或更多个压电元件进行极化；并且在极化时间段到期之后，将保持极化波形施加到施加了极化波形的一个或更多个压电元件，直到多个压电致动器的温度已经从极化温度降低到第二温度。
图1是显示具有已知电路配置的喷墨压电打印头的致动器模具50的一部分的截面图的示意图。
在以下描述中，喷墨打印头被描述为薄膜喷墨压电打印头，其在每个致动器中具有薄膜压电元件，并且可以使用任何合适的制造工艺或技术来制造，例如使用用于制造CMOS和/或MEMS的工艺或技术来制造。
喷墨打印头不限于是薄膜喷墨打印头，喷墨打印头也不限于使用如上所述的处理技术来制造。相反，可以使用任何其他合适的制造工艺，例如，用切割机(dicing saw)加工大块压电致动器，并将其结合到流体室。
模具50包括流体室基底2和喷嘴层4。
模具50包括液滴生成单元6，在下文中称为“液滴单元”。如将在下面描述的，模具50可以包括以阵列布置在其上的多个液滴单元6。
如图1所示，液滴单元6包括流体室10和经由流体供应通道12与其流体连通的流体入口端口13。流体入口端口13被设置在流体室基底2的顶部表面19处，沿流体室10的长度朝向流体室10的一端。
在本实施例中，流体(在下文中称为“油墨”)从流体入口端口13被供应到流体室10。尽管以下描述提到流体是“油墨”，但是可以使用任何有色流体或非有色流体，例如功能流体。液滴单元6还包括流体通道14，该流体通道14设置在流体室基底2内，与流体供应通道12和流体室10流体连通，并被布置成提供油墨在其间流动的路径。
液滴单元6还包括与流体室10流体连通的流体出口端口16，由此油墨可以经由流体室基底2中形成的流体通道14和流体返回通道15从流体室10流到流体出口端口16。
流体出口端口16设置在流体室基底2的顶部表面19处，朝向流体室10的与设置流体入口端口13的一端相对的一端。
可替代地，流体入口端口13和/或流体出口端口16可以被设置在流体室10内。
可替代地，可以通过设置在模具侧面处的端口来供应和/或返回油墨。
包括具有流体入口端口13和流体出口端口16的液滴单元6(由此油墨沿着流体室10的长度从流体入口端口13连续流到流体出口端口16)的喷墨打印头可被认为在再循环模式(下文中称为“通流”模式)下操作。
在替代实施例中，油墨可以从流体端口13和16两者供应到流体室10，或者由此模具50不设置流体出口端口16和/或流体返回通道15，使得供应到流体室10的基本上所有油墨都从喷嘴18喷射，由此喷墨打印头可以被认为在非通流模式下操作。
流体室基底2可以包括硅(Si)，并且可以例如由硅(Si)晶片制造，而诸如流体室10、流体通道12/15、流体入口/出口端口13/16和流体通道14的相关联的特征可以使用任何合适的制造工艺(例如，蚀刻工艺，诸如深反应离子蚀刻(DRIE)或化学蚀刻)来形成。
另外或可替代地，流体室基底2的相关联的特征可以通过添加工艺(例如化学气相沉积(CVD)技术(例如，等离子体增强CVD(PECVD))、原子层沉积(ALD))形成，或者特征可以使用去除和/或添加工艺的组合来形成。
在本示例中，喷嘴层4被设置在流体室基底2的底部表面17处，其中“底部”被认为是其上具有喷嘴层4的流体室基底2的一侧。应认识到的是，喷嘴层可以被设置在除底部表面之外的不同的表面上。
模具50的各个特征的表面可以涂覆有保护性或功能性材料，诸如例如，钝化材料或润湿材料的合适涂层。
液滴单元6还包括与流体室10流体连通的喷嘴18，由此使用任何合适的工艺(例如化学蚀刻、深反应离子蚀刻(DRIE)、激光烧蚀等)在喷嘴层4中形成喷嘴18。
液滴单元6还包括振动板20，其被设置在流体室基底2的顶部表面19处并被布置成覆盖流体室10。流体室基底2的顶部表面19被视为流体室基底2的与底部表面17相对的表面。
振动板20是可变形的以在流体室10中产生压力波动，从而改变流体室10内的体积，使得油墨可以例如作为液滴从流体室10经由喷嘴18喷射，和/或用于例如经由流体入口端口13将油墨吸入流体室中。
振动板20可以包括任何合适的材料，诸如例如，金属、合金、电介质材料和/或半导体材料。合适的材料的示例包括氮化硅(Si3N4)、二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、二氧化钛(TiO2)、硅(Si)或碳化硅(SiC)。振动板20可以另外或可替代地包括多个层。
振动板20可以使用任何合适的处理技术来形成，诸如例如，使用ALD、溅射、电化学工艺和/或CVD技术。当振动板20被设置在顶部表面19上时，与流体端口13/16对应的孔21，例如在形成振动板20的过程期间，例如使用合适的图案化技术，被设置在振动板20中。
液滴单元6还包括设置在振动板20上的致动器22，该致动器22被布置成使振动板20变形。
然而，可以使用能够实现液滴生成的任何合适类型的致动器或电极配置，例如，致动器可以作用在与喷嘴室流体连通的膜上，而不与喷嘴室直接相对或直接连通。
致动器22被描绘为包括设置有两个电极26和28的压电元件24的压电致动器22。压电元件24可以包括任何压电材料，例如锆钛酸铅(PZT)。
电极以下电极的形式被设置在振动板20上。压电元件24使用任何合适的沉积技术被设置在下电极26上。压电元件24可以通过化学溶液沉积(CSD)形成。例如，可以使用溶胶-凝胶沉积技术来沉积连续的压电材料层，以在下电极26上形成压电元件24。
上电极28形式的另一电极被设置在压电元件24上，在与压电元件24的与下电极26相对的一侧处，但是可以使用任何合适的电极配置。
电极26/28可以包括任何合适的材料，例如，铱(Ir)，钌(Ru)，铂(Pt)，镍(Ni)氧化铱(Ir2O3)，Ir2O3/Ir和/或金(Au)。电极26/28可以使用任何合适的技术(诸如，溅射技术)形成。
电极26/28和压电元件24可以被单独地图案化或者在相同的处理步骤中被图案化以界定致动器22。
当在电极26/28之间施加电压差时，在压电元件24中产生应力和应变，导致压电致动器22在振动板20上变形。这种变形改变了流体室10内的体积，并且通过使用适当的信号来驱动压电致动器22，油墨液滴可以从喷嘴18排出。信号可以例如作为电压波形由控制器(未示出)提供。控制器可以包括连接到运行应用的计算机的功率放大器或开关电路，该应用响应于向其提供的(例如，由用户向其上传的)打印数据而生成信号。
除了电极26/28和压电元件24之外，还可以根据需要设置另外的材料/层(未示出)。
包括电连接件的布线层被设置在振动板20上，其中布线层可以包括例如两个或更多个电迹线32a/32b，以将上电极28和/或下电极26直接或通过另外的驱动电路连接到控制器。电迹线32a/32b可以形成压电致动器22的一部分。
图1示意性地示出了电迹线32a和第一电极28与电触头形式(例如驱动触头)的第一电连接件35电连通，而电迹线32b和第二电极26与电触头形式(例如接地触头)的第二电连接件37电连通。电触头35/37转而又与控制器(未示出)电连通。
使用这种配置，信号(例如电压波形)可以从控制器提供给致动器22的压电元件，用于对其的受控驱动。
电迹线32a/32b包括导电材料，例如铜(Cu)、金(Au)、铂(Pt)、铱(Ir)、铝(Al)、氮化钛(TiN)。
布线层可以包括另外的材料(未示出)，例如钝化材料33，以保护电迹线32a/32b例如免受环境影响和接触油墨。
另外或可替代地，钝化材料33可以包括电介质材料，例如当该电介质材料在顶上彼此堆叠或设置成彼此相邻时，其被设置为使电迹线32a/32b彼此电绝缘。钝化材料可以包括任何合适的材料，例如：二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)或氮化硅(Si3N4)。
图1是示意图，电触头35/37可以使用任何合适的技术和以任何合适的配置被沉积在致动器模具50上。电触头35/37可以由导电材料形成，例如由铜(Cu)、金(Au)、铂(Pt)、铝(Al)等形成。
此外，电触头35/37可以沉积在钝化材料33的顶部，由此电过孔39提供电触头35/37和电迹线32a/32b之间的电通信。或者，触头35/37可以例如直接设置在电迹线32a/32b的顶部。尽管没有明确地描述，但是可以根据需要在布线层内提供另外的材料，以防止电迹线32a/32b和其他材料之间的不希望的电接触。
致动器模具50可以包括多个液滴单元6，例如由沿着流体室基底2的长度方向设置在每个液滴单元6之间的分隔壁31分隔开。
现在更详细地转向压电元件24，图2(i)、2(ii)和2(iii)是示出压电元件中的偶极子(用箭头表示)的示意图。如图2(i)所示，压电元件没有明显的自发偶极子极化，因此压电元件的大多数偶极子是随机取向的。在图2(i)中，偶极子(箭头)的取向随机分布。为了在压电元件中产生初始对准状态，使得大部分偶极子定向在基本相同的偶极子方向上，压电元件被极化。
为了极化压电元件，压电元件的温度增加到极化温度，并且然后保持在极化温度，同时从第一电极V1到第二电极V2，在压电元件上施加具有预定场强的极化电场Ep。极化电场Ep超过压电元件材料的矫顽场Ec。在施加极化电场Ep期间，压电元件的偶极子沿着极化电场Ep的方向排列。当压电元件保持在极化温度时，极化电场Ep被施加预定的时间段(极化时间段)。图2(ii)示出了当施加极化电场Ep时，压电元件的偶极子沿着极化电场Ep的方向排列。
在极化时间段过去之后，压电元件从极化温度冷却到第二温度，例如室温，同时保持电场Ep1也超过Ec。电场Ep1在冷却过程的至少一部分期间被维持，并且优选地在整个冷却过程中被维持，直到达到第二温度，以防止压电元件在处于较高温度时去极化。一旦压电元件冷却下来，电场Ep1被去除。如图2(iii)所示，在极化和去除电场Ep1之后，压电元件的偶极子稍微松弛，但是仍然沿着与先前极化电场Ep的方向对齐的净偶极子取向指向，导致极化后压电元件的剩余极化度(如图2(iii)所示)超过极化前的剩余极化度水平(如图2(i)所示)。电场Ep1可以具有与极化电场Ep相同的电场强度，或者可以具有与极化电场Ep不同的电场强度。
图3示出了温度相对于时间的曲线图，示出了压电元件的已知极化过程。在图3中，实线代表压电元件的温度，而虚线代表施加到压电元件上的电压。压电元件最初处于20℃(第一温度)，并且没有施加极化电场Ep(这里显示为0V，但是它可以是小于矫顽场Ec的任何场)。从时间10t开始，例如通过使用热板或烘箱等，压电元件的温度增加，直到时间40t。在时间40t，压电元件的温度已经达到预定的极化温度，在图3中极化温度是125℃，但是极化温度不限于125℃。另外，在时间40t，极化电场Ep(40V)被施加到压电元件，如虚线所示。极化电场Ep和极化温度在极化时间段内维持不变，在图3中极化时间段是从时间40t到70t。从时间70t开始，例如通过关闭热板或烘箱，或者通过从热源去除压电元件，压电元件从极化温度冷却下来。极化电场Ep被维持，直到压电元件冷却到第二温度。根据图3，在时间120t，压电元件已经冷却到20℃(第二温度)。当压电元件冷却到第二温度时，极化电场Ep被去除(0V)。
如上所述，极化之后，压电元件的偶极子具有超过极化前剩余极化度水平的剩余极化度。
极化电场的场强、极化温度和极化时间段都可以变化。例如，为了实现类似的极化效果，当施加更高的极化温度和/或更长的极化时间段时，可以施加更低的极化电场；当施加更高的极化电场和/或更长的极化时间段时，可以施加更低的极化温度；或者，当施加更高的极化电场和/或更高的极化温度时，可以施加更短的极化时间段。
传统上，在薄膜压电致动器的情况下，在支撑压电元件的膜下方形成空腔之前，压电元件可以在晶片级被极化；或者在支撑压电元件的膜下方形成空腔之后，压电元件可以在模具级被极化。
当在晶片级极化时，在空腔形成之前(“夹持”配置)，当极化电场施加在压电致动器22的压电元件24上时，支撑压电致动器22的膜20不能变形，且因此与空腔形成之后(“部分释放”配置)在模具级极化相比，极化过程可能不是完全有效的。然而，与全喷墨打印头组件相比，当在夹持配置中在晶片级极化时，极化过程在预定温度或极化电场强度方面受到的限制较少，因为在预组装的部件中可能存在较少的材料和粘合剂，并且这种材料或粘合剂在高温下容易降解。
当在部分释放的配置中在模具级极化时，支撑压电致动器22的晶片2已经被图案化以形成空腔，例如流体室10。因此，当极化电场施加在压电致动器22的压电元件24上时，支撑压电致动器22的膜20能够变形。已经发现，当允许膜20在极化过程中变形时，极化过程的效率得到提高。例如当压电材料24设置在腔室10上方并覆盖膜20的大部分区域时，膜20可以向腔室10的“内部”变形，如图4A所示；或者当压电材料24例如设置在腔室10和壁2的外围上方而不是腔室10的中心区域上方时，膜20可以向腔室10的“外部”变形，如图4B所示。允许压电元件在极化期间“向内”或“向外”变形导致极化效率增加。
传统上，为了在晶片级或模具级上对压电元件24进行极化，需要外部加热设备，例如热板或烘箱，以便加热压电元件。此外，需要用于向压电元件施加极化电场的电路。
上述情况涉及喷墨打印头的制造阶段。一旦被组装和使用，随着时间的推移，压电元件24的偶极子的剩余极化度会降低，这降低了致动器22的效率和寿命。一旦压电元件24已经被组装到喷墨打印头中，目前不可能对其进行极化，因为外部加热设备将需要加热整个打印头，并且可能容易损坏其一些部件，包括打印头内的任何油墨，和/或由于必须在特定温度下加热和维持相当大的部件质量而导致打印头不期望的长时间停机。
本申请描述了一种用于极化压电元件的方法。该方法可以使用现有的驱动电路来应用，而不需要外部加热设备。相反，当施加电流时，由于压电元件的极化度产生的能量损失和/或电极和/或迹线的电阻损失而发生加热。此外，可以选择迹线和电极的厚度和/或材料(其表征迹线和电极的导电性)，以便优化发生的加热。所得方法快速、有效且易于应用。
如上所述，传统的极化工艺需要外部加热设备，例如热板或烘箱，以在极化期间加热压电元件。热量结合极化电场的施加提高了该过程的效率。现在已经发现，为了喷射液滴，可以使用常规施加于致动器22的压电元件的电信号(波形)的修改形式来实现有效的极化过程。驱动电路能够施加适于加热和极化压电元件的两种波形。
图5A和5B示出了时变电压波形的两个例子。本领域技术人员将理解，任何类型的波形(正弦、三角形、方形、梯形等)可能是合适的。
任何波形都可以由以下等式(1)表示：
V(t)＝A+B W(t，f，SR) (1)
其中：
V是电压；
W是波形的类型(即正弦、梯形、方形等)；
t是时间；
Figure BDA0002619669310000101
是时变电压波形的频率，以及T是波形的一个周期的时段；
SR是转换速率；
A是时变电压波形的DC分量；和
B是时变电压波形的AC分量。
更一般地，波形可以由以下等式(2)表示：
V(t)＝f(t，f，A，B，SR) (2)
V是参数t，f，A，B，SR的函数。
本领域技术人员将理解，系数W可以包括除了SR之外的其他分量，特别是在波形在时域中不对称的情况下。
根据所施加电场的方向，时变电压波形的DC分量A可以是正的或负的。
给定上述公式，本文描述的方法利用并定义“加热波形”为满足|B|>0和f>0的任何类型、频率、DC分量、AC分量和转换速率的时变电压波形。
给定上述公式，本文描述的方法利用并定义“极化波形”为满足|Ec|<|A|≤10|Ec|的任何类型、频率、DC分量、AC分量和转换速率的时变电压波形。
在一个实施例中，如上所述，通过向压电元件顺序施加至少一个加热波形和至少一个设计成满足B＝0、f＝0、|Ec|<|A|≤10|Ec|(仅DC分量)的极化波形，来加热致动器并极化它们的压电元件。在另一个实施例中，通过向压电元件施加至少一个极化和加热波形来同时进行加热和极化，该波形被设计成满足|B|>0，f>0，|Ec|<|A|≤10|Ec|(DC和AC分量)。在本文描述的极化过程中，致动器22可以首先被加热波形加热。一旦压电元件24可由电路寻址，例如在制造过程中(在晶片、模具或部件组装级别，只要存在电极和优选的迹线和接触垫)或在被完全组装和/或安装在打印机中之后，这就成为可能。这种加热波形可用于在施加极化波形(或在使用时性能下降的安装的打印头的情况下，施加恢复极化波形，将在下面详细讨论)之前。优选地，通过使用用于施加加热波形的相同电路来施加极化波形。更优选地，极化和加热波形使用用于实现从喷嘴喷射液滴的相同电路来施加。加热波形可以通过调节A、B、f、SR中的任何一个或其组合来针对所需条件进行优化。根据一个实施例，加热波形包括振荡分量B，并且例如是双极振荡波形。加热波形可以进一步包括DC分量A，例如偏置电压波形以使其为单极性。加热波形可以具有振荡和DC分量的组合，例如，它可以是相对于0V具有正或负偏移的单极波形。
根据另一个实施例，加热波形包括低于或等于100kHz的频率。根据另一个实施例，加热波形包括高达500kHz的频率，并且在又一个实施例中，加热波形包括高于500kHz但低于致动器室的谐振频率的频率。一般来说，可以施加的最大加热频率将由压电元件的材料特性和致动室的尺寸以及波形的细节(例如电子器件可实现的转换速率和最大电压)决定。
根据一个实施例，加热波形包括波形中的一个或更多个“边缘”和10至200V/μs的转换速率。
根据本方法，可以在晶片级或模具级上对压电元件24进行极化，而不需要外部加热设备，因为将被包括在打印头中的现有电路可以用于通过施加加热波形来加热致动器，以及通过施加极化波形来对压电元件进行极化。此外，一旦模具已经被组装到打印头中，就可以对致动器模具50的压电元件24进行极化。例如，关于模具级，参考图1，当第一电极28的电迹线32a与第一电触头35电连通，而第二电极26的电迹线32b与第二电触头37电连通，并且电触头35/37与控制器电连通时，控制器可用于将加热波形施加到致动器22的压电元件上，以增加压电元件24的温度，并将极化波形施加到压电元件24上，以使它们极化。这种控制器可以是用于在正常打印操作期间控制打印头的控制器。
当模具的零件尺寸足够小并且其零件的导热性良好时，热量迅速且均匀地扩散，使得模具的所有压电元件经历相同的温度。
流体室基底2可以由大约100μm厚的硅(Si)晶片制造。Si是良好的导热体，且因此在整个致动器模具上提供了快速且均匀的温度分布介质。可能的是，膜材料(其可包括诸如氮化硅(Si3N4)、二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、二氧化钛(TiO2)或碳化硅(SiC)的材料)由于具有比硅低的导热性而导热效率较低，使得热量从膜传递到压电元件的效率较低。然而，可以调整加热波形参数来补偿这些损失。因此，当加热波形仅施加到模具的致动器22的一些压电元件时，整个模具上的温度均匀升高。整个致动器模具被加热。
一旦压电致动器22被组装在喷墨打印头中，致动器可以被加热到的温度受到压电喷墨打印头的材料或组件的损坏发生时的温度的限制。此外，要施加的极化波形受到控制器以及压电材料的能力的限制。
加热波形可以被优化以满足环境所施加的限制，并且模具的温度的变化可以通过调谐f(AC分量的频率)、A(DC分量)、B(AC分量)、SR(转换速率)和施加加热波形的致动器的数量来控制。例如：
·随着加热波形的频率增加，施加加热波形的致动器处的温度增加，且因此致动器模具处的温度增加；
·随着加热波形的AC分量(|B|)增加，施加加热波形的致动器处的温度增加，且因此致动器模具处的温度增加；
·随着加热波形的DC分量(|A|)增加，施加加热波形的致动器处的温度降低，且因此致动器模具处的温度降低；例如，当DC分量为0V且加热波形为双极性时，加热效率提高；
·随着转换速率SR增加(即电压变化更陡)，施加加热波形的致动器处的温度增加，且因此致动器模具处的温度增加；
·随着施加加热波形的致动器数量的增加，致动器模具处的温度增加。
通过为加热波形的施加选择适当的时间长度和/或通过将加热波形施加于适当数量的致动器，可以进一步优化对致动器模具的加热。在加热过程中，施加加热波形的致动器的数量可以增加或减少。
表1
工作的致动器(％) T(℃)
0 23.05
12.5 39.6
25 59
37.5 69
50 81
62.5 91
75 97.4
87.5 101.5
100 105.5
表1显示了实验数据，其举例说明了通过将加热波形施加于模具中越来越多的致动器可以获得的温度升高。在这个例子中，加热波形具有参数f＝100kHz，A＝17V，B＝17V，SR＝100V/μs。通过嵌入在Si模具中的电阻温度检测器(Pt RTD)来测量模具的温度。预期可获得的最大温度变化取决于初始压电材料特性，具体而言，温度升高将取决于由电压信号引起的滞后量。
加热波形可以根据需要施加到致动器模具的尽可能多的致动器，以便在所需的持续时间内将致动器模具的温度增加到极化温度。根据另一个实施例，加热波形可以施加于致动器模具的所有致动器，以便将致动器模具的温度增加到极化温度。
一旦达到极化温度，极化波形被施加到致动器模具的致动器，以便极化一个或更多个压电元件。在一个实施例中，极化波形可以以恒定电压(DC)信号(B＝0，f＝0)的形式被提供，只要波形的DC振幅满足|A|>|Ec|，其中Ec是致动器中使用的压电材料的矫顽场。进一步优选的是，极化波形的DC振幅满足|Ec|<|A|≤10|Ec|。换句话说，极化波形的DC分量需要足够高以极化致动器的压电元件。
极化波形被施加到致动器模具的一个或更多个致动器，以便极化那些致动器的压电元件，同时，维持加热波形可以被施加到致动器模具的一个或更多个致动器，以便维持致动器模具的极化温度。
例如，致动器模具可以包括1500个致动器，其压电元件都需要被极化。加热波形可以施加到致动器模具的致动器的所有压电元件，以便将模具上的致动器的压电元件的温度从第一温度增加到极化温度。第一温度可以是例如室温。通过向致动器模具的致动器的所有压电元件施加加热波形，致动器模具的温度被尽可能快地升高到极化温度。然而，如上所述，加热波形不需要施加到致动器模具的致动器的所有压电元件。
一旦达到极化温度，极化波形被施加到致动器模具的致动器的第一组压电元件(例如，750个)，以便极化第一组压电元件，同时维持加热波形可以被施加到致动器模具的致动器的第二组压电元件(例如，但不一定，其他750个致动器)，以便在极化期间维持致动器模具处的极化温度。极化波形在极化时间段内被施加到第一组压电元件。
一旦极化时间段到期，保持极化波形可以被施加到刚刚被极化的第一组压电元件，并且另一极化波形被施加到致动器模具的第二组压电元件，以便在极化温度下极化第二组压电元件。维持加热波形可以根据需要施加到例如致动器模具的致动器的第一组压电元件，以便在第二组压电元件的极化期间维持致动器模具的极化温度。如果需要，保持极化波形和维持加热波形可以同时施加到第一组压电元件。例如，通过调整等式(2)中的一个或更多个参数，被施加来维持极化温度的维持加热波形可以不同于先前被施加以达到极化温度的加热波形。在维持加热波形被施加到那些已经在极化温度下用极化波形处理过的压电元件的情况下，这样的维持加热波形优选地满足条件|A|>|Ec|，或者更优选地还满足|Ec|<|A|≤10|Ec|，以便不去极化那些压电元件。保持极化波形可以不同于极化波形，并且优选地满足条件|A|>|Ec|。在极化温度下，施加到第二组压电元件的另一极化波形可以与施加到第一组压电元件的极化波形相同或不同。另一极化波形在极化时间段内被施加到第二组压电元件。向第二组压电元件施加另一极化波形的极化时间段的持续时间可以与向第一组压电元件施加极化波形的极化时间段的持续时间相同或不同。当施加到第二组压电元件的另一极化波形不同于施加到第一组压电元件的极化波形时，则施加所述另一极化波形的极化时间段的持续时间可以不同于施加极化波形的极化时间段的持续时间。在极化时间段内，极化波形被施加到致动器模具的致动器的所有压电元件，同时致动器模具被保持在极化温度。
如果致动器模具具有足够的热特性，使得在极化期间维持极化温度，则可以不需要维持加热波形。
尽管以上描述涉及将加热波形施加到致动器模具的致动器的压电元件，以便将致动器模具的温度从第一温度增加到极化温度，但是加热波形可以施加到致动器的压电元件，而不管它们是否被设置在模具上，以便将致动器的温度从第一温度增加到极化温度。
一旦极化波形已经被施加到需要被极化的致动器模具(或喷墨打印头的所有致动器模具)的致动器的所有压电元件，维持加热波形(如果施加的话)被去除，并且保持极化波形被施加到致动器模具的所有压电元件(极化波形/另一极化波形被施加到这些压电元件)，以在致动器模具的冷却期间维持压电元件的极化。施加到压电元件上的保持极化波形没有显著的加热效应(它满足B＝0，f＝0，|Ec|<|A|≤10|Ec|)，且因此致动器模具冷却。保持极化波形被施加，直到致动器模具冷却到第二温度，例如室温。一旦致动器模具冷却到第二温度，保持极化波形被去除。在致动器模具的冷却期间施加的保持极化波形可以与在第二组压电元件的极化期间施加到第一组压电元件的保持极化波形相同或不同。
根据另一个实施例，一旦达到极化温度，极化和加热波形可以被施加到致动器模具的一个或更多个致动器，以便极化那些致动器的压电元件，同时维持致动器模具的极化温度。极化和加热波形将在下面参照图8A至8C详细讨论。然而，极化和加热波形满足|B|>0，f>0，|A|≥|Ec|。
一旦极化和加热波形被施加到需要被极化的致动器模具(或喷墨打印头的所有致动器模具)的致动器的所有压电元件，保持极化波形被施加到施加了极化和加热波形的致动器模具的所有压电元件，以在致动器模具的冷却期间维持压电元件的极化。施加到压电元件上的保持极化波形没有显著的加热效应(其满足B＝0，f＝0，|Ec|<|A|≤10|Ec|)，且因此致动器模具冷却。保持极化波形被施加，直到致动器模具冷却到第二温度，例如室温。一旦致动器模具冷却到第二温度，保持极化波形被去除。
可选地，可以使用多阶段冷却过程，例如以控制冷却下降速率。在这种情况下，第一阶段可以包括施加极化和加热波形，其加热效应(|B|>0，f>0)小于维持极化温度所需的加热效应，从而从极化温度降低温度，并且优选包括极化分量|Ec|<|A|≤10|Ec|。第二阶段可以包括施加保持极化波形，在达到第二温度之前没有显著的加热效应(B＝0，f＝0)。如果施加极化和加热波形直到达到第二温度，则可以省略第二阶段。
如上所述，所有的波形可以从控制器提供给压电致动器22的上电极28和/或下电极26。因此，本文描述的极化过程不需要外部加热元件或外部电路。
可选地，外部电路可以用于向致动器模具的压电致动器22的上电极28和/或下电极26提供波形。在任一情况下，本文描述的极化过程不需要外部热源。
尽管上面的描述涉及第一组和第二组致动器或压电元件，但是致动器或压电元件可以根据需要分成许多或很少的组，或者可以根本不分成组，例如，当施加极化和加热波形时。此外，加热波形可以根据需要施加到致动器模具的致动器的许多个或很少个压电元件，以便将致动器模具的温度从第一温度增加到极化温度。极化波形可以根据需要施加到致动器模具的致动器的许多个或很少个压电元件。维持加热波形可以根据需要施加到致动器模具的致动器的许多个或很少个压电元件，以便将致动器模具的温度维持在极化温度。或者，根据需要，根据致动器模具维持极化温度的能力，例如通过提供绝热器件，可以不施加维持加热波形。极化和加热波形也可以根据对压电元件进行极化并维持模具的极化温度或者控制致动器或模具的冷却速率的需要来被施加到致动器模具的致动器的许多个或很少个压电元件。或者，在致动器或模具冷却期间，极化和加热波形可以不施加到任何压电致动器，而是可以施加保持极化波形。
在极化所有需要被极化的压电元件之后，致动器模具的温度从极化温度降低到第二温度，同时保持极化波形被施加，如上所述。根据一个实施例，第一温度可以与第二温度的温度相同。然而，第二温度不需要与第一温度的温度相同。例如，第二温度可以是40℃，并且保持极化波形可以被施加，直到温度已经从极化温度降低到40℃
加热波形可以与维持加热波形相同或不同。
如果一个或更多个压电元件不需要被极化(例如因为它之前已经被极化)，那么至少只要温度足够高以至于它可能导致热去极化，这些一个或更多个压电元件可能需要保持极化波形被施加到它们上，优选地该保持极化波形具有特征|A|≥|Ec|。该保持极化波形可以与极化波形或冷却期间施加的保持极化波形相同，或者可以与它们中的一者或两者不同。
此外，当极化温度被维持时，施加到第一组压电元件的极化波形可以与随后或同时施加到另一组压电元件的另一极化波形相同或不同。例如，|A|可以不同。此外，当极化温度被维持时，施加到第一组压电元件的极化波形可以被施加与施加到另一组压电元件的另一极化波形不同的极化时间段。
图6示出了用于极化多个压电致动器的压电元件的过程的流程图。该过程开始于步骤S101。在步骤S102，向多个压电致动器的一个或更多个压电元件施加加热波形。加热波形可以根据需要施加到尽可能多的压电元件，以便将致动器的温度从第一温度增加到极化温度。至少只要压电元件被保持在可能导致热去极化的足够高的温度下，以|A|≥|Ec|为特征的保持极化波形就可以被施加到多个压电元件的所有那些不需要被极化的压电元件，。一旦达到极化温度，该过程进行到步骤S103。
在步骤S103，极化波形被施加到一个或更多个压电元件(该一个或更多个压电元件可以与在步骤S102中加热波形被施加到的元件相同或不同)持续预定的极化时间段，同时根据需要，维持加热波形可以可选地被施加到一个或更多个压电元件，以维持致动器模具处的极化温度。维持加热波形可能包括|A|≥|Ec|，例如，这可能对已经极化的元件有用。当致动器模具具有足够的热特性使得在施加极化波形期间极化温度被维持时，则可能不需要维持加热波形，并且在步骤S103仅被施加极化波形。
当极化时间段已经到期时，保持极化波形被施加到刚刚被极化的一个或更多个压电元件，并且如果不是所有需要被极化的压电元件都已经被极化，则过程进行到步骤S104。
极化波形被施加到一个或更多个压电元件，而维持加热波形可以可选地被施加到一个或更多个其他压电元件，使得压电元件按一个或更多个压电元件的组被极化。在对第一组压电元件极化之后，过程进行到步骤S104。
在步骤S104，对于预定的另一极化时间段，另一极化波形被施加到致动器的多个压电元件中的另外的一个或更多个压电元件(该另外的一个或更多个压电元件不同于已经被极化的元件(另一组))，同时可以包括|A|≥|Ec|的另一维持加热波形可以根据需要被可选地施加到一个或更多个压电元件，以维持致动器模具处的极化温度。如上所述，当致动器模具具有足够的热特性使得在施加极化波形期间极化温度被维持时，则可以不需要另一维持加热波形，并且在步骤S104仅被施加另一极化波形。
在步骤S104中被施加了另一维持加热波形的压电元件可以与在步骤S103中被预先施加了极化波形和/或维持加热波形的压电元件相同或不同。
在步骤S104施加的预定的另一极化时间段可以不同于在步骤S103应用的极化时间段。当另一极化时间段已经到期时，保持极化波形被施加到刚刚被极化的一个或更多个压电元件，并且确定是否所有需要被极化的压电元件都已经被极化。当确定不是所有需要被极化的压电元件都已经被极化时，过程返回到步骤S104，并且另一组压电元件被极化。当确定需要被极化的所有压电元件都已经被极化时，则过程进行到步骤S105。
在步骤S103施加的极化温度可以不同于在一个或任何另外的步骤S104施加的极化温度，并且可以取决于维持加热波形是否正被施加到一些致动器，并且如果维持加热波形正被施加到一些致动器，取决于维持波形是否将获得与多个压电元件的先前压电元件所经历的相同的极化温度。
在步骤S105，保持极化波形被施加到在步骤S103和S104中被极化的或者不需要被极化的压电元件。保持极化波形可以与第一极化波形或另一极化波形相同或不同，例如，保持极化波形可以具有比极化波形或另一极化波形更低的|A|值。由于在步骤S105没有施加维持加热波形，致动器从极化温度冷却到第二温度，该第二温度可以与第一温度相同或不同。一旦致动器已经冷却到第二温度，该过程在步骤S106结束。
给定极化温度和极化场/波形所需的极化时间段可以通过使用激光干涉测量法的膜位移测量来确定；或者通过测量针对给定电压、给定压电元件类型(例如材料、厚度)的液滴速度来进行飞行中的液滴研究来确定。一方面，制造时间/打印头停机时间要求极化时间尽可能短，另一方面，通过较长的极化时间能够获得更好/更稳定的极化增强结果，必须在这两个方面之间取得平衡。
因此，也有必要测量不同极化条件下的性能稳定性，以确保在打印头操作的可接受的时间段内所达到的极化状态保持稳定。
多阶段冷却过程也可以用于步骤S105，其中希望控制冷却下降速率。例如，在步骤S105的冷却的第一阶段可以包括保持极化和加热波形，其加热效应(B>0，f>0)小于维持极化温度所需的加热效应，其中控制参数以受控方式(例如比通过致动器模具环境的冷却更慢)将温度降低到中间温度。例如，保持极化和加热波形的参数f、A、B、或SR中的一者或更多者可以随时间变化，例如以随时间控制冷却。一旦达到中间温度，第二冷却阶段开始。这可能包括施加保持极化波形，在达到第二温度之前没有显著的加热效应(B＝0，f＝0)。应当理解，第二冷却阶段可以省略，其中第一冷却阶段被延长直到达到第二温度。
对于不同组的压电元件，在单阶段或多阶段冷却过程中使用的保持极化波形可能不同，这取决于它们的极化条件。例如，一些组可以保持在不同的保持极化波形，因为它们是最后被极化的组，而其他组被提供维持加热波形。保持极化波形在其可能提供的A分量或B分量中可能不同，因此一些组比另一些组冷却得更快。
施加到压电元件的加热波形在整个过程中可能不是相同的波形。在初始加热步骤(图6中的步骤S102)期间，当致动器模具处的温度从第一温度(例如室温)增加到极化温度时，加热波形的频率和/或电压(AC振幅，B)可以更高，以便快速增加致动器模具的温度。此外，在初始加热步骤(图6中的步骤102)期间，优选的是将加热波形施加到所有的或基本上所有的压电元件，以便尽可能快地将致动器的温度增加到极化温度。在极化步骤期间(图6中的步骤S103至S104)，当温度被维持在极化温度时，加热波形的频率和/或电压(AC振幅，B)可以比在初始加热步骤时更低。
此外，为了更好地控制温度，可以在加热过程中更改实现加热的模式(改变频率/转换速率/电压/致动器数量)。
如本领域中已知的，作为单独致动器和/或致动器模具和/或喷墨打印头的一部分而提供的内部温度传感器，例如电阻元件，可以用于监测每个致动器和/或模具的温度。温度测量结果可以被控制器或外部电路使用，以便确定极化温度是否已经达到，以及确定在极化波形的施加期间在例如致动器模具处的极化温度是否被维持。温度测量结果也可以被控制器或外部电路使用，以便确定致动器模具是否已经冷却到中间温度或第二温度。
这种温度测量结果也可以在加热步骤期间被使用，从第一温度到极化温度，以应用多阶段加热过程。例如，两阶段加热过程可以包括确定起始第一温度和极化温度之间的中间温度，在该温度下加热将从第一加热波形切换到第二加热波形。例如，这可能有助于防止温度接近极化温度时的温度过冲(overshooting)。根据多阶段加热过程的一个实施例，在第一加热阶段期间，可以施加第一加热波形，该第一加热波形例如通过使用高频和/或振幅产生大量的热量。当温度达到预定的近极化温度(即，预定的中间温度)时，第二加热波形，例如相对于第一加热波形具有不同的频率/振幅和/或转换速率的波形，可以被施加以在第二加热阶段期间产生较低的加热斜坡速率。这确保了在第二加热阶段期间更缓慢地接近极化温度，并且极化温度不会被显著地过冲。
参考图6，上述方法对第一组压电元件(一个或更多个压电元件)进行极化，同时，如果需要，向第二组压电元件(不同于第一组)施加维持加热波形，以维持致动器的极化温度。然而，如上所述，也可以对第一组压电元件(一个或更多个压电元件、所有压电元件等)进行极化，同时向相同的第一组压电元件(一个或更多个压电元件、所有压电元件等)施加维持加热波形，以维持致动器的极化温度。这是通过施加极化和加热波形来实现的，该极化和加热波形被调谐成具有DC分量(|A|≥|Ec|)和显著高的AC分量(|B|≥0)。以上两个选项的组合也是可能的。
图7示出了用于极化多个压电致动器的压电元件的过程的流程图。该过程开始于步骤S201。在步骤S202，加热波形被施加到所需数量的多个压电元件，以便在预定时间量内将致动器的温度从第一温度增加到极化温度。在这个波形中，DC分量A可能是0。例如，至少只要压电元件保持在可能导致热去极化的足够高的温度下，以|A|≥|Ec|为特征的保持极化波形可以被施加于所有那些不需要被极化的压电元件。一旦达到极化温度，该过程进行到步骤S203。
在步骤S203，对于预定的极化时间段，极化和加热波形被施加到所有的需要被极化的压电元件或需要被极化的压电元件中的一些，其中极化和加热波形提供用于极化致动器和维持致动器的极化温度(通过调谐AC振幅B、频率f、转换速率SR等中的一者或更多者)。换句话说，施加的极化和加热波形具有|A|≥|Ec|(极化分量)、|B|>0和f≠0(加热分量)。加热分量可以被应用于所有的需要被极化的压电元件，或者应用于所需数量的压电元件，以便将致动器的温度维持在极化温度。
可能希望确保每个致动器经历相同的净加热/极化条件，例如在整个打印头模具或打印头的性能将被恢复的情况下。另一方面，可能存在这样的情况，即需要对单独致动器进行极化，以将它们的性能调整到周围致动器的性能，例如，校正原始致动器性能的不均匀性。在这种情况下，净加热/极化条件可能不同。
一旦极化时间段已经到期，该过程前进到步骤S204。可以在步骤S204之前包括一个附加步骤，类似于图6的步骤“所有压电元件极化了？”，这在图7中未示出。在极化时间段到期之后，附加步骤可以执行检查，以确定是否所有需要被极化的压电元件都已经被极化。当有需要被极化的压电元件没有被极化时，则该过程不进行到步骤S204，相反，在极化时间段内，极化和加热波形被施加到仍然需要被极化的压电元件。
在步骤S204，波形变为保持极化波形，该保持极化波形被施加到在步骤S203被极化的所有的压电元件。保持极化波形可以具有或不具有与极化和加热波形相同的极化特性，例如，保持极化波形可以具有比步骤S203的极化和加热波形更低的|A|分量。由于不再对压电元件加热，致动器从极化温度冷却到第二温度。第二温度可以与第一温度相同，也可以不同。
一旦致动器已经冷却到第二温度，该过程在步骤S205结束，并且保持极化波形被去除。
如前所述，以类似于图6的步骤S105所述的方式，多阶段冷却过程也可以用于控制冷却斜坡率，使得步骤S204至少在开始时利用保持极化和加热波形来更改被极化的致动器的冷却速率。
应当理解，通常，对给定材料和厚度的压电元件的极化可能受到极化条件的组合(例如极化温度、施加到压电元件的极化场或电压以及极化时间段)的影响。例如，与高极化温度和中极化场相比，对于中等极化温度和高极化场的给定组合，在相同的极化时间段内可以实现相似的极化水平。结果，在实践中，当所施加的加热波形具有DC分量|A|>|Ec|时，该被施加的加热波形将从致动器模具处于第一温度的阶段开始对压电元件进行极化。极化速率将随着温度的升高和/或元件上电场的增加而增加。因此，有可能设计一种有效的工艺，该工艺平衡极化工艺的持续时间与关于致动器模具的材料以及(潜在地在组装的打印头的情况下)模具内的油墨的苛刻条件。
此外，可以使用组合过程，其中波形A和B(和F)≠0，其中波形在其一个或更多个参数中被逐渐调整，以从主要加热波形转变为主要极化波形。
图8A、8B和8C示意性地示出了用于在极化的同时维持温度的极化和加热波形。
图8A示出了在时间段T1期间，通过具有较大的AC分量B和较小的DC分量A来优化用于加热输出的波形。当极化温度达到时，在T1结束时，并且时间段T2开始，AC分量降低以维持温度，并且DC分量增加以有效地极化压电元件。图8A中的虚线示出了在时间段T1和T2上施加波形部分时温度的变化。
在这个例子中，在时间段T2期间，组合波形的频率被显示为已经增加以维持极化温度。根据图8A，A和B分量的变化是离散的，并且在接近或等于极化温度的温度下被施加。本质上，在时间段T2上的第二波形部分通过从0V偏移，具有振荡成分B以及DC成分A。其效果是对相同压电元件施加极化和维持加热之一。
图8B和8C显示了对图8A中的方法的改进。在图8B和8C中，随着温度接近极化温度，波形参数逐渐变化，以更好地控制温度的变化，并通过逐渐降低波形的加热效应来避免温度的过冲。
在图8B中，一旦达到极化温度，在过渡时间段T’上从在时间段T1上施加的第一非变化波形部分(快速加热)逐渐过渡到在时间段T2上施加的第二非变化波形部分。在这个例子中，在过渡时间段T’期间，DC分量A和AC分量B显示为变化。在替代示例中，在时间段T1期间的频率也可以逐渐降低。该频率最初可以高于在时间段T2期间施加的波形的频率，并且可以逐渐降低到在时间段T2期间施加的波形的频率。
在图8C中，DC分量A和AC分量B在整个过程中维持恒定，但是在时间段T’期间频率逐渐降低，以从快速加热到维持加热逐渐降低加热效应。一旦从时间段T2的开始达到极化温度，频率变得恒定，但是与在时间段T1期间为初始温度斜坡施加的初始频率相比，是更低的频率。在图8C中，压电元件不处于电场下的时间保持较短，以抵消热去极化。本领域技术人员将理解，等式(2)中的其他参数的值可以被定制以实现极化和加热的期望效果。
在以上描述中，术语“加热波形”(包括维持加热波形等)用于描述主要功能是加热的波形，而术语“极化波形”(包括保持极化波形等)用于描述主要功能是极化的波形。
同时，术语“极化和加热波形”(包括保持极化和加热波形以及极化和维持加热波形等)用于描述其中可能不清楚波形的一部分或全部是否具有以加热或极化为主的功能的波形。此外，在所描述的一些情况下，波形的参数可以被逐渐调整，以将最初主要加热的波形转变为也是极化的波形，并且可以在稍后阶段主要是极化，而加热不是主要的。参考图8A至8C描述的过程可以被认为具有组合的时间段，在该组合的时间段上过程的所有阶段都被应用于压电元件，而不管该组合的时间段是否可以被分成不同的加热/极化/维持/保持极化时间段。
此外，所描述的波形可以将小脉冲施加到压电元件，例如在DC部分的顶部上，以使压电元件极化，从而在指定时间扰动喷嘴中的油墨的弯月面，而不喷射液滴。这可能是必要的，以避免油墨在极化过程中在喷嘴内变得太粘。本领域已知的其他非喷射或喷射信号可以在必要时在该过程中被应用，但是在此不详细描述。
还应当理解，在一些情况下，可能不需要施加维持加热波形，因为多个致动器设置有使其与外部环境绝缘的绝缘器件，或者其中致动器处于其干燥状态，使得油墨不能消散任何热量。在这些情况下，在图8A、图8B和图8C所示的例子中，在时间段T2期间的V(T)曲线将由在V＝A(T2)处的直水平线表示。
上述过程可用于对喷墨打印头中的致动器模具的多个压电元件进行极化。此外，上述过程可用于在使用后对喷墨打印头中的致动器模具中的压电元件重新极化，这在本文中将被称为“恢复极化过程”。如本领域所知，随着时间的推移和使用，压电元件的极化度会降低。因此，致动器性能在使用过程中会降低。
当油墨在空腔中时，上述过程可用于通过原位重新极化致动器来恢复喷墨打印头的性能。在恢复极化过程之后，致动器仍可能随着时间而退化，并且可以被重新极化一次以上。
在组装和使用之后，致动器模具50将在流体室10、流体通道12/15、流体入口/出口端口13/16、流体通道14和喷嘴18中具有油墨。在恢复极化过程中，致动器模具50中的油墨不能过热。因此，在恢复极化过程中，当与和空的致动器模具50一起使用时的极化过程相比时，可以使用不同的参数(极化温度/极化电场强度/极化时间段)。这是因为，在组装喷墨打印头之后，极化温度可能需要较低的温度，因为该温度受到空腔中的油墨的降解温度(在该降解温度下油墨或任何油墨成分降解)以及所用粘合剂的熔化/失效温度等的限制。极化温度的降低将需要改变极化波形/极化时间段。
例如，极化过程可以具有在120℃至150℃之间的极化温度，而恢复极化过程可能具有大约70℃的极化温度。例如，与UV固化油墨相比，水性油墨可以承受更高的极化温度。
尽管有上述限制，极化和加热过程可以通过如上所述调整等式(2)的参数来针对特定的环境优化。
此外，尽管不是强制性的，但是优选的是，在恢复极化过程中使用的波形中的DC分量A应该低于从喷嘴18喷射油墨所需的电压。尽管喷嘴中的弯液面受到扰动是可以接受的，但作为恢复极化过程的结果，油墨的液滴不应从喷嘴中喷出，除非发出喷射命令。在恢复过程中，作为施加液滴喷射信号的结果，油墨可以在指定时间以受控的方式从喷嘴喷射。在恢复过程中定期喷射油墨有助于防止堵塞和维持喷嘴的可靠性。然而，油墨的喷射不应导致致动器模具的显著热损失。因此，应在维持致动器模具处的极化温度的同时在指定时间清理喷嘴的要求之间达到平衡。例如，液滴喷射信号可以每30秒施加一次、每5秒施加一次，等等。这种周期性液滴喷射信号之间经过的时间取决于喷墨打印头中使用的油墨类型和极化条件。
此外，不同的极化温度/极化波形/极化和加热波形/极化时间段可以应用于喷墨打印头的不同致动器，例如，当不同的油墨被提供在致动器模具的不同行/组中时，例如，其中不同的油墨需要不同的喷射条件，这与其他相比不同地降低了那些行/组的压电元件的性能，或者其中相同打印头的不同致动器模具中的致动器需要恢复极化以平衡性能。不同的极化波形/极化和加热波形可以同时或在不同时间被施加到致动器的不同压电元件。在例如以低温度系数分隔的形式(例如充满空气或不良温度导体的凹槽)提供行/组之间的温度中断的致动器模具设计中，可以向不同的行/组提供不同的加热/冷却条件。
通常，可能希望致动器模具或打印头的所有压电元件在过程中的某个点在极化时间段内接收极化波形。例如，不同组的压电元件可以接收不同的极化条件，这取决于它们各自的性能。然而，不是所有的组都需要接收加热波形，只要足够的致动器接收加热波形，以便在极化期间达到并维持极化温度。
图9示意性地示出了控制器112，电触头35/37与控制器112电通信。控制器112包括耦合到至少一个存储器120的至少一个处理器116。存储器120可以包括存储计算机程序代码以实现本文描述的过程的程序存储器以及工作存储器。存储器120的程序存储器可用于在执行计算机程序代码时缓冲数据(例如，由控制器112接收的图像数据)。处理器116可以包括处理数据(例如，图像数据、程序、从用户接收的指令等)和来自打印头或致动器模具的反馈的处理逻辑，并响应于该处理产生输出信号。具体地，处理器可以从安装到致动器模具的一个或更多个温度传感器或者每个压电元件提供的温度传感器接收反馈。最合适的是，温度被连续监测并反馈给处理器。在组装的打印头的情况下，处理器还使用通过用户界面提供的或存储在存储器120中的关于加热和极化条件、致动器模具和/或打印头可接受的最大温度、最大极化电压、与极化过程相关的时间段以及致动器的性能值的信息来评估是否需要恢复极化。处理器使用可用的数据以，例如，
-通过产生输出信号来控制被施加到致动器模具或打印头的一个或更多个压电元件上的波形，启动加热和极化过程；
-一旦达到极化温度，将波形从例如加热波形调整到极化波形；
-响应于从致动器模具或压电元件的温度传感器接收的数据，调整维持加热波形；
-对极化时间段计时，以在极化时间段到期后控制冷却过程；
-基于诸如温度的反馈，调整波形特性和/或致动器的数量，以便例如降低加热速率；
-存储关于哪些压电元件已经被极化和哪些压电元件没有被极化的信息，并评估每个压电元件的加热/极化历史。
波形可以由处理器116内部的或与处理器116通信的电路提供，并且可以是致动器模具的致动器组或致动器模具的所有致动器的公共波形。这种公共波形可以响应于由位于打印头处或附近的中间电路响应于例如图像数据或加热/极化命令而产生的驱动信号，针对每个致动器或每组致动器进行调整。公共波形的这种调整可以是例如按每组致动器更改波形的DC和/或AC分量(A和/或B)和/或转换速率，从而更改加热速率或极化条件。
控制器还可以接收性能数据，该性能数据可以用来触发恢复极化过程。性能数据可以由用户提供，例如墨滴定位数据(来自打印介质上的打印测试)或基于性能测试的打印头致动器的墨滴速度数据，或者性能数据从打印头接收，例如每个致动器的致动次数。如果这样的数据被控制器确定为离预定阈值太远，或者变化的值被定义为离平均值太高而不能提供均匀的打印头或模具性能，则控制器可以基于需要被重新极化的致动器或模具的数量来触发恢复极化过程。
控制器112包括接口118，例如传统的计算机屏幕、键盘、和鼠标、和/或其他接口(例如网络接口和软件接口(例如数据存储接口))。接口120优选地包括通信接口，以接收用于打印的图像或图像数据，该图像或图像数据可以是经处理的图像数据。控制器112包括数据存储装置122，其被配置成存储例如用于配置喷嘴18的一个或更多个查找表。数据存储装置122可以耦合到接口118的通信接口，以例如接收数据。数据存储装置122可以被配置成与至少一个处理器116通信。
如将由本领域中的技术人员认识到的，本技术可被体现为系统、方法或计算机程序产品。因此，本技术可以采取完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件的实施例的形式。
此外，本技术可采用体现在计算机可读介质中的计算机程序产品的形式，该计算机可读介质具有体现在其上的计算机可读程序代码。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是但不限于电子、磁性、光学、电磁、红外或半导体系统、装置、或设备、或者前述项的任何合适的组合。
可以用一种或更多种编程语言的任何组合(包括面向对象的编程语言和传统的过程编程语言)来编写用于执行本技术的操作的计算机程序代码。
本领域技术人员还将清楚，根据本技术的优选实施例的逻辑方法的全部或部分可以适当地体现在逻辑设备中，该逻辑设备包括执行该方法的步骤的逻辑元件，并且这种逻辑元件可以包括例如可编程逻辑阵列或专用集成电路中的逻辑门等组件。这种逻辑布置可以进一步体现在用于使用例如虚拟硬件描述符语言来在这种阵列或电路中临时或永久地建立逻辑结构的启用元件中，虚拟硬件描述符语言可以使用固定或可传输的载体介质来被存储和传输。
在一个替代方案中，本技术的实施例可以以部署服务的计算机实现的方法的形式来实现，该方法包括部署计算机程序代码的步骤，当计算机程序代码被部署到计算机基础设施或网络中并在其上执行时可操作以使所述计算机系统或网络执行该方法的所有步骤。
在另一个替代方案中，本技术的优选实施例可以以其上具有功能数据的数据载体的形式来实现，所述功能数据包括功能计算机数据结构，当功能计算机数据结构被加载到计算机系统或网络中并从而在其上运行时，使所述计算机系统能够执行该方法的所有步骤。
还应当理解，尽管上面参考压电喷墨打印头描述了各种概念，但是这些概念不限于喷墨打印头，而是可以更广泛地应用于打印头，或者更广泛地应用于液滴沉积头，以用于任何合适的应用。适用于这种替代应用的液滴沉积头通常在构造上类似于打印头，只是在处理所讨论的特定流体时做了一些调整。一个示例可以是用于生物材料定量给料的液滴沉积头。因此，前面的描述应该理解为提供了可以使用这种利用压电元件的液滴沉积头的应用的非限制性示例。
多种流体可以通过液滴沉积头沉积。例如，液滴沉积头可以喷射油墨的液滴，油墨的液滴可以行进到纸张或卡片上，或者行进到其他接收介质(例如瓷砖或成型物品(例如罐、瓶等))，以形成图像，其中液滴沉积头可以是喷墨打印头，或者更具体地说，是按需喷墨打印头。在这样的头中，喷射的微滴的图案根据提供给头的输入数据而变化。
可选地，流体的液滴可用于构建结构，例如，电活性流体可沉积在接收介质(如电路板)上，以实现电子装置的原型制作，或者包含流体的聚合物或熔融聚合物可沉积在连续的层中，以产生3D打印物体。
在其它应用中，液滴沉积头可适于将含有生物或化学材料的溶液的液滴沉积到接收介质(如微阵列)上。
适用于这样可选的流体的液滴沉积头在构造上大致类似于打印头，并进行一些调整以处理所讨论的特定流体。
本领域技术人员将清楚，在不脱离本技术的范围的情况下，可以对前述示例性实施例进行许多改进和修改。
从前述说明书中可以理解，所描述的技术提供了一种用于极化多个压电致动器的压电元件的方法。
在实施例中，所述保持极化波形包括保持极化和加热波形，并且其中，所述保持极化和加热波形包括比维持所述极化温度所需的加热效应更小的加热效应。
在实施例中，所述保持极化波形包括第一保持极化和加热波形以及第二保持极化波形，并且其中，所述第一保持极化和加热波形包括比维持所述极化温度所需的加热效应更小的加热效应，所述方法还包括：施加所述第一保持极化和加热波形，直到所述多个压电致动器的温度已经从所述极化温度降低到中间温度；以及施加所述第二保持极化波形，直到所述多个压电致动器的温度已经从所述中间温度降低到所述第二温度。
在实施例中，所述方法还包括：在所述极化时间段期间和/或在施加所述保持极化波形期间，将另一保持极化波形施加到所述压电元件中的没有被施加所述极化波形的一个或更多个压电元件，以防止热去极化。
在实施例中，所述方法还包括：向所述压电元件中的不同于被施加所述极化波形的一个或更多个压电元件的一个或更多个压电元件施加维持加热波形，以在所述极化时间段期间维持所述多个压电致动器处的所述极化温度。
在实施例中，所述方法还包括：在所述极化时间段到期之后，在另一极化时间段内，将另一极化波形施加到所述压电元件中的没有被施加所述极化波形的一个或更多个压电元件；和，在所述另一极化时间段到期之后，将所述保持极化波形施加到被施加了所述另一极化波形的一个或更多个压电元件，直到所述多个压电致动器的温度已经从所述极化温度降低到第二温度。
在实施例中，所述方法还包括：向所述压电元件中的不同于被施加所述另一极化波形的一个或更多个压电元件的一个或更多个压电元件施加另一维持加热波形，以在所述另一极化时间段期间维持所述多个压电致动器处的所述极化温度。
在实施例中，所述方法还包括：在所述另一极化时间段期间和/或在施加所述保持极化波形期间，将另一保持极化波形施加到所述压电元件中的没有被施加所述另一极化波形的一个或更多个压电元件，以防止热去极化。
在实施例中，所述极化波形和所述另一极化波形相同。
在实施例中，所述极化时间段和所述另一极化时间段相同。
在实施例中，所述极化波形包括极化和加热波形，以对所述一个或更多个压电元件进行极化，并在所述极化时间段期间维持所述多个压电致动器处的所述极化温度。
在实施例中，所述极化波形被施加到被施加了所述加热波形的所述一个或更多个压电元件。
在实施例中，所述方法还包括：将第二极化和加热波形施加到所述压电元件中的不同于施加了所述极化和加热波形的一个或更多个压电元件的一个或更多个压电元件，其中所述第二极化和加热波形不同于所述极化和加热波形。
在实施例中，所述第二极化和加热波形在不同于所述极化时间段的第二极化时间段内被施加。
在实施例中，波形由以下等式表示：
V(t)＝f(t，f，A，B，SR)，
其中：
V＝电压；
t＝施加波形的时间；
f＝波形的周期的频率；
SR＝转换速率；
A＝时变电压波形的DC分量；和
B＝时变电压波形的AC分量，
并且其中，在过程中根据波形的预期功能来调整参数。
在实施例中，当波形具有加热效应时，波形的参数f、A、B或SR中的一者或更多者随时间变化。
在实施例中，所述保持极化波形或所述保持极化和加热波形的参数f、A、B、或SR中的一者或更多者随时间变化。
在实施例中，A和/或B随时间变化。
在实施例中，f随时间变化，从而随着时间更改加热效应。
在实施例中，所述多个压电致动器在极化期间形成被组装在喷墨打印头中的致动器模具。
在实施例中，在极化期间，流体存在于所述致动器模具中。
在实施例中，所述极化温度低于所述流体的降解温度。
在实施例中，波形的A的模数(modulus)低于从所述致动器模具的喷嘴喷射油墨的液滴所需的电压。
在实施例中，所述方法还包括：在极化期间的指定时间，施加液滴喷射信号以从所述喷嘴喷射油墨的液滴。
在实施例中，所述喷墨打印头包括控制器，并且其中，所述控制器将波形施加于所述压电元件。

Claims (25)

1.一种用于极化多个压电致动器的压电元件的方法，所述方法包括：
向所述压电元件中的一个或更多个压电元件施加加热波形，以将所述多个压电致动器的温度从第一温度升高到极化温度；
当已经达到所述极化温度时，在极化时间段内，将极化波形施加到所述压电元件中的一个或更多个压电元件，以极化所述一个或更多个压电元件；和
在所述极化时间段到期后，将保持极化波形施加到所述极化波形被施加到的所述一个或更多个压电元件，直到所述多个压电致动器的温度从所述极化温度降低到第二温度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述保持极化波形包括保持极化和加热波形，并且其中，所述保持极化和加热波形包括比维持所述极化温度所需的加热效应更小的加热效应。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述保持极化波形包括第一保持极化和加热波形以及第二保持极化波形，并且其中，所述第一保持极化和加热波形包括比维持所述极化温度所需的加热效应更小的加热效应，所述方法还包括：
施加所述第一保持极化和加热波形，直到所述多个压电致动器的温度已经从所述极化温度降低到中间温度，以及
施加所述第二保持极化波形，直到所述多个压电致动器的温度已经从所述中间温度降低到所述第二温度。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，还包括：
在所述极化时间段期间和/或在施加所述保持极化波形期间，将另一保持极化波形施加到所述压电元件中的没有被施加所述极化波形的一个或更多个压电元件，以防止热去极化。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，还包括：
向所述压电元件中的与被施加所述极化波形的一个或更多个压电元件不同的一个或更多个压电元件施加维持加热波形，以在所述极化时间段期间维持所述多个压电致动器处的所述极化温度。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，还包括：
在所述极化时间段到期之后，在另一极化时间段内，将另一极化波形施加到所述压电元件中的没有被施加所述极化波形的一个或更多个压电元件；和
在所述另一极化时间段到期之后，将所述保持极化波形施加到被施加了所述另一极化波形的一个或更多个压电元件，直到所述多个压电致动器的温度已经从所述极化温度降低到第二温度。
7.根据权利要求6所述的方法，还包括：
向所述压电元件中的与被施加所述另一极化波形的一个或更多个压电元件不同的一个或更多个压电元件施加另一维持加热波形，以在所述另一极化时间段期间维持所述多个压电致动器处的所述极化温度。
8.根据权利要求6或权利要求7所述的方法，还包括：
在所述另一极化时间段期间和/或在施加所述保持极化波形期间，将另一保持极化波形施加到所述压电元件中的没有被施加所述另一极化波形的一个或更多个压电元件，以防止热去极化。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的方法，其中，所述极化波形和所述另一极化波形相同。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的方法，其中，所述极化时间段和所述另一极化时间段相同。
11.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述极化波形包括极化和加热波形，以极化所述一个或更多个压电元件，并在所述极化时间段期间维持所述多个压电致动器处的所述极化温度。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其中，所述极化波形被施加到被施加了所述加热波形的所述一个或更多个压电元件。
13.根据权利要求11或权利要求12所述的方法，还包括：
将第二极化和加热波形施加到所述压电元件中的与施加了所述极化和加热波形的一个或更多个压电元件不同的一个或更多个压电元件，其中所述第二极化和加热波形不同于所述极化和加热波形。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述第二极化和加热波形在不同于所述极化时间段的第二极化时间段内被施加。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的方法，其中，所述波形由以下等式表示：
V(t)＝f(t，f，A，B，SR)，
其中：
V＝电压；
t＝所述波形被施加的时间；
f＝所述波形的周期的频率；
SR＝转换速率；
A＝时变电压波形的DC分量；和
B＝时变电压波形的AC分量，
并且其中，在过程中根据所述波形的预期功能来调整参数。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，当所述波形具有加热效应时，所述波形的参数f、A、B或SR中的一者或更多者随时间变化。
17.根据权利要求15或权利要求16所述的方法，其中，所述保持极化波形或所述保持极化和加热波形的参数f、A、B或SR中的一者或更多者随时间变化。
18.根据权利要求16或17所述的方法，其中，A和/或B随时间变化。
19.根据权利要求15至17中任一项所述的方法，其中，f随时间变化，从而随着时间更改所述加热效应。
20.根据权利要求1至19中任一项所述的方法，其中，所述多个压电致动器在极化期间形成被组装在喷墨打印头中的致动器模具。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，在极化期间，流体存在于所述致动器模具中。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述极化温度低于所述流体的降解温度。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述波形的A的模数低于从所述致动器模具的喷嘴喷射油墨的液滴所需的电压。
24.根据权利要求23所述的方法，还包括：
在极化期间的指定时间，施加液滴喷射信号以从所述喷嘴喷射油墨的液滴。
25.根据权利要求20至24中任一项所述的方法，其中，所述喷墨打印头包括控制器，并且其中所述控制器将所述波形施加于所述压电元件。
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