CN1189322C - 一种静电切换的喷墨设备及其操作方法 - Google Patents

Abstract

静电吸引用作为压电促动器和流体腔的挠性壁之间的胶合物。可以由多条通道之间共享的单个促动器的作用在于使墨水从喷口喷出。静电场可以被接通和关闭，因此，只有在通道要喷射墨滴时，这些通道才被有选择地夹紧在促动器上。

Description

一种静电切换的喷墨设备及其操作方法

                     技术领域

本发明总体上涉及流体喷射设备，更具体地说，涉及一种喷墨设备和喷墨打印头及其操作方法。

                     背景技术

喷墨打印机被称为无冲击型打印机，它与所打印的表面无实体接触。如名称“喷墨”所暗示的一样，喷墨打印机将喷射到打印头外面的墨水经过大气射到被打印的表面上。由于它能够无接触地在各种形状和纹理的表面上进行打印，所以喷墨打印技术不断用于新的应用领域，特别应用在依赖于产品标记、编码、加注日期和标识的各种企业中。喷墨打印(文字和图象)也取得了显著的发展。

喷墨打印技术可分为两种主要类别。一种是连续喷墨技术，根据该技术，墨流从打印机的本体通过打印头返回到打印机本体连续地循环流动。在喷口处墨水分裂成墨滴，然后受电荷作用而偏移，以到达目标地或终止于返回部件中。另一种技术为“按需滴墨”，根据该技术，墨滴只在需要时在适当的时候才被迫从喷口喷出。在某些情况中，通过加热电阻器使气泡膨胀来喷射墨水。当气泡消失时，墨滴中断并且该系统返回到其初始状态。在其它情况中，墨水在通过在墨水中机械地诱导出体积变化而引起的压力脉冲的作用下被喷射出。

在Howkins的美国专利No.4,459,601中披露了后一种情况中的典型的按需滴墨型喷墨打印系统。在Howkins中，通过与喷射腔的可动壁连通的压电转换器来改变喷射腔的体积。转换器时而膨胀时而收缩以从孔中将墨水排出。在设在压电转换器两端的电极上施加打印控制电压，以诱导转换器的膨胀和收缩运动。

一般来说，在上述Hawkins的结构中，转换器通过粘接剂或类似物被粘附在喷射腔中的预定位置上。尤其在高质量打印机中，要求在喷墨打印头中设计出更多的喷射墨滴的喷口。由于喷墨打印头的尺寸是有限的，所以按密集阵列布置的转换器必须尽可能地小。因此在具有大量喷口的高密度喷墨记录设备的情况中，从精确度方而考虑，在转换器的排列和将转换器粘附在它们相应的可动壁上都有限制。介于可动壁和压电转换器之间的粘接剂层还会降低喷墨设备的运转效率。

此外，传统的喷墨设备对于每条通道都采用了单独的转换器。在每个转换器中也必须单独地形成一对电极。因此，为了制造这种打印头，必须使用大量的个别零件，而且装配该阵列也需要许多步骤。由于这些原因，迄今制造非常高密度的喷墨打印头是不可行的。

                     发明内容

因此，本发明的一个目的在于提供一种喷墨打印设备，该设备允许在转换器和腔室之间可以有一定程度的非准直性而不会牺牲精确度。

本发明还有一个目的在于提供一种喷墨设备，该设备不需要在转换器和腔室之间的物理粘接，因此提高了喷墨设备的运转效率。

本发明还有一个目的在于提供一种喷墨设备，该设备采用普通的转换器和腔室也能实现上述目的。

本发明还有一个目的在于提供一种喷墨打印头，其中单个转换器可以被多条通道共用，因此减少了所使用的零件数量，并简化了喷墨打印头制造中的组装工艺。

本发明的这些和其它目的是通过利用静电吸附以使喷射腔的可动壁与转换器粘接来实现的。根据本发明的一个方面，流体喷射设备包括流体腔和促动器。流体腔具有喷口和能够振动以改变流体腔体积的挠性壁。促动器根据控制信号来产生出机械运动。挠性壁和促动器通过静电耦合方式相连接，从而促动器的机械运动被转换成挠性壁的振动。

本发明的上述目的也可以通过由墨水腔和促动器构成的喷墨设备来实现。墨水腔包括喷口、入口和挠性壁。静电耦合方案被用来在挠性壁和促动器之间产生静电粘合。因此，当促动器运动时，挠性壁变形以迫使墨水从喷口射出，并通过入口将墨水吸进。根据本发明的一个方面，静电耦合方案包括一对电极，该对电极直接或间接地安装在促动器的边缘以及挠性壁的外表面上。

本发明的上述目的还可以通过由多个喷射腔、至少一个运动驱动元件以及耦合控制电路构成的喷墨打印头来实现。每个喷射腔具有喷口、入口和挠性壁。有多个第一静电耦合部件，每一个都与一个挠性壁相关联。还为至少一个运动驱动元件提供至少一个第二静电耦合部件。耦合控制电路选择地在所选择的第一静电耦合部件和至少一个第二静电耦合部件之间产生静电粘合。因此，当至少一个运动驱动元件运动时，只有那些与被选定的第一静电耦合部件相关联的挠性壁变形，从而迫使墨水通过它们的喷口射出并通过它们的入口吸入墨水。根据本发明的一个方面，静电耦合部件是直接或间接安装在至少一个运动驱动元件的边缘上以及挠性壁的外表面上的电极。

本发明的上述目的还可以通过一种操作喷墨设备的方法来实现。所述喷墨设备包括具有挠性壁的墨水腔和促动器。根据该方法，在挠性壁和促动器之间产生出静电粘合。然后，挠性壁响应于促动器沿着第一方向的运动而变形。根据本发明的一个方面，挠性壁随后或者响应于促动器沿着第二方向的运动或者在静电粘合被消除的时候返回到其初始状态。

本发明的上述目的也可以借助于操作喷墨打印头的方法来实现。该喷墨打印头包括许多喷射腔和至少一个促动器。依照这种方法，静电粘合有选择地产生在被选定的喷射腔的挠性壁和至少一个促动器之间。然后，被选中的挠性壁响应于至少一个促动器沿着第一方向的运动而变形。依照本发明的一个方面，被选中的挠性壁随后或者响应于至少一个促动器沿着第二方向的运动或者当静电粘合被消除的时候返回到其初始状态。因此，墨水只从被选择的喷射腔中被喷射出。

对于本领域普通技术人员来说，从以下详细的说明书中将会容易地了解本发明的其它目的和优点，下面只是简单地通过为实施本发明所构思的最佳模式的举例说明来显示并说明本发明的优选实施方案。显然，本发明可以有其它不同的实施方案，并且其某些细节能够在各种显而易见的方面进行改变，所有这些都不会脱离本发明的范围。因此，附图和说明书都被当作是在性质上的举例说明，而不能当作是限制性的。

                     附图说明

本发明是通过实施例的方式而不是通过限制性的方式来说明的，在这些附图中，其中具有相同的参考数字标识的元件在所有附图中都代表相同的元件，其中：

图1为根据本发明的实施方案的喷墨设备的示意性剖视图。

图2A到2C为用于说明图1中所示的喷墨设备的顺序操作的示意性剖视图。

图3为根据本发明的另一个实施方案的喷墨设备的示意性剖视图。

图4为根据本发明的喷墨打印头的示意性剖视图。

                   具体实施方式

现在对用在根据本发明的喷墨打印头中的喷墨设备和操作该设备的方法进行描述。在以下的详细说明中，为了便于解释，陈述了许多具体的细节以便全面地了解本发明。但是，显而易见的是，没有这些具体细节本发明同样可以实施。在其它情况中，众所周知的结构和装置只以方框图的形式给出，以便简化该附图。

参照图1，喷墨设备10包括腔室1和促动器5。腔室1装有墨水2，墨水通过形成在腔室1的壁上的喷口4喷出以在目标(未示出)上形成像素。墨水2通过与墨水容器(未示出)相通的入口3被供应给腔室1。腔室1还具有挠性壁8，该挠性壁振动以改变腔室1的体积。当腔室1的体积减小时，腔室1内部的墨水压力增加，从而迫使墨水2通过喷口4喷出。相反，当腔室1的体积增加时，腔室1内部的墨水压力减小，从而通过入口3将墨水2吸进。虽然在图1中所示的是喷口4形成在挠性壁8对面的壁上且入口形成在腔室1的侧壁上，但是对于本领域普通技术人员来说完全可以想到各种其它方案。其它细节如腔室1的结构部件的形状、材料或尺寸都是众所周知的，所以在这里无需赘述。

喷墨设备10利用促动器5的机械运动来驱动挠性壁8的振动。同样，如促动器5的类型、形状、材料或尺寸都是众所周知的，所以在这里无需赘述。例如，促动器5可以由压电材料制成，当在其上施加电压时，它就会膨胀或收缩。虽然促动器5在图1中显示出与腔室1同轴设置，有一个边面对并稍稍与挠性壁8相分离，但是对于本领域普通技术人员来说容易想到各种其它方案。还应该理解的是，促动器5不一定要沿着腔室1的中心轴(未示出)运动。

为了把促动器5的运动转换成挠性壁8的振动，本发明的喷墨设备利用了以静电场的吸引力的形式的静电粘合。该静电场是当有电压施加在第一电极6和第二电极7之间时在它们之间产生的。那些木领域的普通技术人员都容易想到许多第一和第二电极的布置方案，以在促动器5和挠性壁8之间形成足够强的静电粘合。

在图1所示的实施方案中，第一电极6形成于促动器5的近端边缘上，而第二电极7形成在挠性壁8的外表面上。在该对电极6和7之间设有绝缘体9以防止短路。优选的是，第二电极7和绝缘体9的式样不会妨碍挠性壁8的振动。例如，在图1中所示的喷墨设备10的绝缘体9安装在第一电极6上，并且在绝缘体9和第二电极7之间具有小间隙15。但是绝缘体9不是与第一电极6接触而是与第二电极7接触，或绝缘体9安装在第二电极7上的其它配置方式也不被排除。第二电极7可以用当前已知的技术，以薄膜形式形成在挠性壁8的外表面上。或者，第二电极7和挠性壁8可以结合成一个整体。

参照图2A-2C将能够最清楚地了解喷墨设备10的操作。如图2A所示，当将电势差V₁施加在电极对6和7上时，就建立了很强的静电场，于是两个电极就相互吸引。挠性壁8和促动器5现在就粘合在一起，并且通过促动器5的运动带动挠性壁8的振动。当将单独的电压V₂施加在由压电材料制成的促动器5上时，促动器5收缩并离开腔室1，如由箭头A所示。由于第一电极6和第二电极7是通过静电场粘合在一起的，所以促动器5继续拉挠性壁并且使之变形成如图2A中所示的膨胀状态。在挠性壁8变形时，腔室1的体积增加，从而使得腔室1内部的墨水压力降低，从而墨水2通过入口3被吸进腔室1中。

下一步，促动器5上的电压V₂被改变，例如被撤掉，从而使促动器迅速地返回到其先前位置上，如图2B中的箭头B所示。因此，挠性壁8恢复到其原始状态，从而压缩收集在腔室1中的墨水2。腔室1内部增高的墨水压力迫使墨水2从喷口4射出，并形成朝着目标运动的墨水滴20。腔室1中的压力瞬变过程允许衰减，并且可以随意选择地把电极对6和7的电压V₁撤掉。这就完成了该循环，并且喷墨设备10准备好进入下一个循环。

改变电压V₁会使挠性壁8从图2A的膨胀状态返回到初始状态并会通过喷口4喷射墨水滴20，这对于那些本领域普通技术人员来说是显而易见的。这是因为当电压V₁改变或被撤掉时，静电粘合消失或者变得非常弱。于是电极对6和7将相互释放，并且挠性壁8也可不受约束地恢复到其初始状态。

同样，如果第一电极6和第二电极7之间的静电粘合不够强的话，则即使促动器5运动了，挠性壁8也不会从初始状态改变到膨胀状态。如图2C所示，当施加了电压V₂时，促动器5收缩，并如箭头A所示那样离开腔室1。但是，因为没有把电压V₁施加在电极对6和7上(V₁＝0)，所以那里没有建立起静电场，因此第一电极6和第二电极7不相互吸引。挠性壁8没有受到促动器5的运动的驱动，腔室1处于静止状态。因此，墨水2不会冲进腔室1，并且在促动器5返回时，喷口4不会喷射出墨水。

在图3中给出了本发明的另一个实施方案。图3中的喷墨设备30的大多数部件与图1中的喷墨设备10的类似，所以无需再进行说明。喷墨设备30与喷墨设备10的不同之处在于，第二电极7不是形成在挠性壁8的外表面上，而是通过反向机构例如杠杆机构36与挠性壁8相连。

如前面一样，电极对6和7响应于电压V₁的施加而相互吸引，并且促动器5响应于电压V₂的施加沿着箭头A的方向离开。但是，在喷墨设备30中，杠杆机构36使挠性壁8的变形方向反向。具体地说，当第二电极7被第一电极6吸引而沿着箭头A的方向运动时，杠杆机构36的臂33沿着由箭头B所示方向的相反方向运动。臂33将挠性壁8向内朝着腔室1的内部推动，从而迫使墨水2从喷口4射出并形成墨滴20。随后，在促动器返回时或在静电粘合消除时，杠杆机构36的臂33和挠性壁8恢复到它们各自的初始位置。腔室1内的墨水压力下降，从而促使墨水2冲进腔室1。至此喷墨设备已经准备好进入下个循环。该模式在本领域被称为“注满前喷墨”(fire-before-fill)。

对于那些本领域普通技术人员来说可以想到上述说明的许多细节只是为了举例说明的目的。例如，促动器5的压电材料可以是一种处于电压V₂下膨胀类型的材料。随后，促动器5将朝着挠性壁8的方向运动，而不是离开它。另一种选择的方案是第二电极7仍形成在挠性壁8上，而第一电极6则通过杠杆机构36与促动器5相连。此外，本发明的喷墨设备并不局限于喷墨用途，它还可以用在任何需要从流体腔中将液体喷射出的技术中。

现将参照图4来描述本发明的喷墨打印头100。该喷墨打印头100包括许多与图1中所示的几乎完全相同的喷墨设备，所以在这里无需再详细描述。不同之处在于，多个喷墨设备50、60和70的挠性壁58、68和78由同一个促动器5驱动。电极对设在促动器5和挠性壁58、68和78中的每一个之间。第二电极57、67和77分别形成在挠性壁58、68和78中的每一个上。第一电极形成在促动器5的边缘上，或者是单独形成的，例如第一电极56对应于挠性壁58，或者是共同地形成的，例如第一电极66对应于挠性壁68和78。绝缘体59、69和79以类似的方式布置。

该喷墨打印头100还包括用于选择在循环中要进行喷射的喷墨设备的耦合控制电路80。具体地说，耦合控制电路80仅在促动器5和被选中的喷墨设备的挠性壁之间产生静电粘合。在本发明的实施方案中，耦合控制电路80与第一电极56和66以及第二电极57、67和77电气连接，以便将电压V₁施加到被选中的电极对上。

在图4所示的实施例中，喷墨设备50和70被施加于它们电极对上的电压V₁选中，而喷墨设备60则因电压V₁＝0而未被选中。在被选中的喷墨设备50和70的挠性壁58和78和促动器5之间产生静电粘合。因此当促动器5沿着箭头A和B所示的方向移动时，挠性壁58和78将以图2A和2B所述的方式变形和返回。结果，墨水滴25和27被喷墨设备50和70射出。在这个循环过程中，未被选中的喷墨设备60保持静止状态，即处于图2C中所描述的状态中，这是因为它的挠性壁68和促动器5之间无静电粘合。优选的是，喷墨打印头100还包括用于将电压V2施加到压电促动器5上以引起其运动的运动控制电路90。

特别指出的是，喷墨设备的上述改变，例如促动器所用的压电材料的类型、电极布置和反向机构的内含物也适用于该喷墨打印头100的喷墨设备。

显然至此已经对应用于喷墨打印头中的喷墨设备及其操作方法作了说明。根据本发明，静电吸引起了在公共的促动器和流体腔的挠性壁之间的粘接剂作用。因此，传统的粘接剂粘接被有效地取代，并且减少了在流体腔和促动器之间的失调问题。此外，单个促动器可以被多条通道所共用以驱动墨水从它们各自的喷口中射出。由于静电场是可以被接通和断开，所以各通道仪在被选中来喷射液滴时才被有选择地固定到促动器上。这样，促动器的尺寸就可以比传统的促动器大，从而简化了促动器制造工艺。由于随时间变化的打印控制电压现在可以施加在电极对上而不是施加在促动器本身上，所以压电促动器的使用寿命也提高了。

虽然已经对本发明的具体实施方案进行了描述和举例说明，但是显而易见的是，在不脱离如附属的权利要求中所限定的本发明的精神和范围下可以在所具体说明和描述的实施方案的细节方面作出各种变化。

Claims (5)

1、一种流体喷射设备，包括：

至少一个流体腔，其具有喷口、与墨水容器的墨水通道相连通的墨水入口和能够振动以改变流体腔体积大小的挠性壁；

用来产生机械运动的促动器，以及设置在挠性壁与促动器之间的静电耦合装置，将促动器的机械运动转换成挠性壁的振动；

所述的静电耦合装置，包括位于促动器距挠性壁近端外表面上或挠性壁外表面上的第一电极，和与第一电极平行放置且隔开的第二电极，第一电极与第二电极之间设置有绝缘体。

2、按权利要求1所述的流体喷射设备，其特征在于，所述促动器由压电材料制做。

3、按权利要求1所述的流体喷射设备，其特征在于，还包括杠杆机构，用于与静电耦合装置一起可逆地将促动器的机械运动转换成挠性壁的振动。

4、按权利要求3所述的流体喷射设备，其特征在于，第二电极安装在所述杠杆机构上。

5、一种操作流体喷射设备的方法，所述流体喷射设备包括：

至少一个流体腔，其具有喷口、与墨水容器的墨水通道相连通的墨水入口和能够振动以改变流体腔体积大小的挠性壁；

用来产生机械运动的促动器，以及设置在挠性壁与促动器之间的静电耦合装置，将促动器的机械运动转换成挠性壁的振动；

所述的静电耦合装置，包括位于促动器距挠性壁近端外表面上或挠性壁外表面上的第一电极，和与第一电极平行放置且隔开的第二电极，第一电极与第二电极之间设置有绝缘体。

其操作步骤如下：

1)在第一电极与第二电极之间施加电压(V₁)，两电极之间产生静电场而互相吸引，挠性壁和促动器粘合在一起；

2)再将一单独的电压(V₂)施加于压电材料制作的促动器上，促动器收缩带动挠性壁向离开流体腔的方向运动，流体腔的体积增大，压力减小，墨水容器内的墨水通过的墨水入口流入流体腔；

3)改变或撤掉促动器上的电压(V₁)，促动器回复至原来的位置，并带动挠性壁回复道原来状态，从而压缩收集在流体腔中的墨水，流体腔中的压力增高的墨水压力迫使墨水从喷口射出；

4)循环地依次顺序操作上述步骤1)至3)，便完成其流体的喷射。

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