CN1241740C - 微滴沉积装置及其操作方法 - Google Patents

Abstract

一种微滴沉积装置，其包含：多个流体腔(2)，每一个流体喷射腔部分地由至少一个壁(11)来限定，以实施从该腔中的微滴喷射。该装置设置有：用于向壁(11)循环地供给电信号以使其激发的装置(16)；用于测量的装置(60)，在将连续的电信号施加到壁之间的时间段内，该装置测量所述激发器装置的与温度相关的电特性，以提供一个大小取决于在与所述激发器装置相关联的流体腔中的流体温度的信号；以及依据与温度相关的该信号的大小来调节激发电信号大小的装置。

Description

微滴沉积装置及其操作方法

技术领域

本发明涉及一种按指令喷墨的喷墨打印机的微滴沉积装置。

背景技术

本发明特别地与打印机或其它微滴沉积装置相关，其中由电信号产生声压波，以从腔中喷射流体(例如墨水)的微滴。装置可以具有这种单一的微滴喷射腔，但更典型地具有带有这种腔阵列的打印头，每一个腔分别具有喷嘴，打印头接收带有数据的激发电信号，该信号按指令提供从腔中喷射微滴所需的能量。每一个腔通过由激发电信号导致其偏离的一压电元件进行限制，从而产生喷射微滴的声学压力波。参考已经公开的EP0277703、US4887100、WO91/17051、JP-A-235860、JP-A-11-99648、JP-A-1-306252的说明书，将进一步了解典型结构的细节。

这些说明书所描述这样的配置，即，在压电材料是“人字形”结构中，其中腔的纵向侧由沿腔的纵向方向延伸的具有相反极性区域的压电材料进行限制，从而电信号的施加使得材料的两部分区域沿相同的方向变形，并且当从截面看时形成人字形的形状。在EP0277703“端部喷射器”的打印头文中描述了这样的结构，其中喷嘴设置在细长的腔的端部，而压电材料是沿腔的侧部设置的。此外，打印头可以是如WO91/17051中所描述的“侧部喷射器”结构的，其中所替代的是喷嘴设置在腔的一个没有由压电材料限制的长边侧。这两种设计都显著地减小了用于给定的微滴喷射性能的驱动电压。

另外，JP-A-235860披露了一种喷射记录装置，其结构简单，无论周围温度如何变化都能保持所记录的图像的品质。JP-A-11-99648披露了一种以压电方式喷墨的打印机，其中通过测量静电电容来确定打印头的驱动条件，即使静电电容随打印头改变而变化，其也能得到合适的驱动条件。JP-A-1-306252披露了一种打印装置，即使周围温度出现变化，也能确保大致恒定的打印浓度和打印粗度。

在打印期间，热是由例如向压电材料提供激发电信号的驱动电路产生的。这些热量散发到喷射腔中并使其内部的喷射流体升温。这降低喷射流体的粘性。喷射流体粘性的这种变化可以改变微滴喷射的速度，而导致在打印图形上发生点位置的误差。此外，如WO97/35167所述，由压电材料的激发而产生的磁滞损耗可以导致喷射腔中墨水温度的增加。在极端的情况，这种温度的增加仅局部地作用于激活通道和其相邻的通道。

我们已经发现，在打印期间希望监测微滴喷射流体的温度，并根据监测温度调节激发信号的大小。在打印头的外表面上接近压电元件的位置安装热变电阻是公知技术，热变电阻电连接于驱动电路。在热变电阻位置的任何温度增加都导致驱动电路电阻值的减小，其用于减小施加到压电元件上的激发电信号的大小。然而，通过打印头的外壳和将热变电阻粘附在外壳上的粘结层，从而提供在热变电阻和压电元件之间形成绝热，导致了在热变电阻上的温度和微滴喷射流体之间的温差。在打印期间如果打印头的温度迅速改变时，这种差异是相当大的，这是因为驱动电路针对喷射流体中温度的改变是反应缓慢的。

发明内容

本发明的优选实施例设法解决这些和其它的问题。

一方面，本发明提供一种微滴沉积装置，它包含多个流体腔；压电激发器装置，对于每一个流体腔，该压电激发器装置可由电信号激发，以实施从该腔中的微滴喷射；用于向每一个所述激发器装置循环地供给电信号以使其激发的装置；用于测量的装置，在将连续的电信号施加到所述激发器装置之间的时间段内，该装置测量所述激发器装置的与温度相关的电特性，以提供一个大小取决于在所述激发器装置的流体腔中的流体温度的信号；以及依据与温度相关的该信号的大小(例如振幅和/或持续时间)来调节激发电信号大小的装置。

本申请的发明人已经意识到在打印期间确保任何温度传感器应直接与喷射流体相接触的重要性。发明人还意识到任何这样温度的检测都不能干涉打印头标准的打印操作或打印速度。当在施加连续电信号之间的一段时间段的整个范围内进行温度检测时，这可以确保温度的检测不干涉激发电信号或降低打印的速度。

在一个实施例中，设置有在4到5kHz频率范围内向激发装置供给电信号的供给装置，优选的频率为4.2kHz。该时间段可以具有240μs的持续时间。在一个实施例中，用于测量电特性的时间为42μs，它显著地少于激发时间段的240μs。

在一个优选实施例中，与温度相关的电特性是电容。参照图1，本申请的发明人发现并通过实验证实了，流体腔的压电激发器的电容量相对于温度基本上是线性函数关系的。其结果是，与温度相关的信号的大小可以直接与墨水的温度成正比例。

所述激发器装置优选地包含在所述腔的相应壁的主要部分上延伸的压电材料，每一个可激发的通道壁在施加激发电信号的作用下是可变形的，以从流体腔中喷射流体。因此，在本发明的一个优选实施例中，提供了一种微滴沉积装置，其包含多个流体腔，每一个流体喷射腔部分地由至少一个壁来限定，其中该壁可由一电信号激发以实施微滴从该腔中的喷射；用于向该壁循环地供给电信号以使其激发的装置；用于测量的装置，在将连续的电信号施加到该壁之间的时间段内，该装置测量该流体腔的该壁的与温度相关的电特性，以提供一个大小取决于在流体腔中的流体温度的信号；以及依据与温度相关的该信号的大小，例如激发电信号的振幅和/或持续时间，来调节激发电信号大小的装置。

该装置优选地包含用于形成与温度相关的该信号的装置，以提供与温度相关的电压信号，以便由调节装置叠加在激发电信号上。该形成装置可以根据信号相对于温度的线性变化或非线性变化而采用任何适当的配置。

在一个实施例中该测量装置包含一测量电路，其包括两个串联连接的用于在其输入端接受测量电压的晶体管，该壁的一端连接于该晶体管的共同的输出端，该壁的另一端连接于来自该电路的一输出端，并且还包含连接于该输出端的用于测量电压在该输出端的衰减率的装置，以提供具有依据该流体腔中流体温度的大小的信号。为了防止在测量期间该壁的过量加热，5伏的电源可以连接到输入端，以提供测量电压。

优选地，该压电材料是这样的，即，激发电信号的施加使其以剪切模式变形，以在流体腔中产生声压波，并从而喷射出该流体。

在一个优选的设置中，压电材料是沿每一个流体腔的侧部设置的。微滴沉积装置可以是“端部喷射器”或“侧部喷射器”的结构。可选择地，压电材料可以设置在每一个流体腔的背部，如在WO00/16981公开说明书中所述的，因此当向压电材料施加激发信号时，使其朝向或背离喷射腔喷嘴的方向移动，从而产生用于喷射所需的声压波。

本发明还提供包含一个流体喷射腔阵列的微滴沉积装置，每一个流体喷射腔包含用于根据电激发信号而从其中喷射微滴的装置，包含暴露于该腔中的流体以提供取决于流体温度的信号的装置，以及根据与温度相关的信号用于调节激发电信号的装置。优选地，每一个流体喷射腔部分地由至少一个壁确定，其中该壁可由一电信号激发，以实施微滴从该腔中的喷射，该装置包含利用壁的与温度相关的电特性以提供信号的装置。

本发明还提供一种操作微滴沉积装置的方法，该装置包含多个流体腔，以及压电激发器装置，对于每一个流体腔，该压电激发器装置可由电信号激发，以实施从该腔中的微滴喷射，该方法包含以下步骤：向每一个所述激发器装置循环地供给电信号以使其激发；在连续的电信号施加到所述激发器装置之间的时间段内，测量所述激发器装置的与温度相关的电特性，以提供一个大小取决于在所述激发器装置的流体腔中的流体温度的信号；以及依据与温度相关的该信号的大小来调节激发电信号的大小。

附图说明

下面将参照附图说明本发明的一个实施例，其中：

图1中示出了流体腔的操作壁的电容量随温度的变化；

图2是一端部喷墨器的人字形打印头的示意图；

图3是图2的打印头的一剖视图；

图4中示出了一电容器的充电曲线；

图5中示出了用于提供在打印头中流体温度的指示信号的测量电路的设置；

图6中以方框图的形式示出了包含测量电路的一检测板；

图7中示出了测量电路的输出特性。

具体实施方式

首先参照图2，按照本发明的一个实施例的平面阵列的按需喷墨打印机包含形成有多个平行流体腔或通道2的打印头10，这里仅示出了九个通道并且其纵向轴线是在一个平面内设置的。通道2由延伸覆盖打印头的整个上表面的盖子(未示出)封闭。

通道是端部喷墨器的结构，在其中形成有喷嘴6的喷嘴板5中终止于其相应的端部，每一个流体喷射通道2都有一个喷嘴。例如墨水4的流体从流体喷射通道2中以微滴7的形式按需喷出，并沉积在打印表面9的打印线8上，在其与打印头10之间有垂直于通道轴线平面的相对运动。

打印头10具有平面基部20，通道2在其中以切割或其它方式由PZT压电材料形成，以使其从喷嘴板5沿平行向后的方向延伸。通道2是具有矩形截面的长且窄的形状，并且具有沿通道的长度方向延伸的相对侧壁11。流体喷射通道2的侧壁11设置有沿通道的长度方向延伸的电极(未示出)，因此侧壁基本上沿其整个的长度横向相对于通道的轴线可以以剪切模式移动，以导致通道2中的墨水压力发生变化从而实施微滴从喷嘴中的喷出。

通道2在它们远离喷嘴的端部与一横向通道(未示出)相连接，该横向通道又通过管道14连接于墨水储存器(未示出)。用于激发流体喷射通道的侧壁11的电连接件(未示出)被制成在基部20上的LSI芯片16上。典型地，芯片16连接32个用于供给电信号的分离电极，以移动流体喷射通道2的相应侧壁，并且因此通常提供有多个芯片16以将激活电信号供给到阵列中的所有通道的侧壁上。然而，芯片能够连接的电极数量当然是可以根据需要而改变的。

如图3所示，通道侧壁11具有极性相反的区域，以在电场的作用下使得它们偏转成一人字形。阵列与可移动的侧壁11结合，该壁的形式为以剪切模式的夹在基壁25和顶壁27之间的激发器15、17、19、21和23，并且每一个由上壁部29和下壁部31形成的激发器，如箭头33和35所示，以相反的方向垂直于包含通道轴线的平面而具有极性。

流体喷射通道2的内壁分别由电极37、39、41、43和45覆盖。因此，当向一特定通道的电极上施加电压时，如向在剪切模式激发器19和21之间的通道2的电极41上施加电压时，而同时电极41任意一侧的通道2的电极39和43接地，则电场以相反的方向施加到激发器19和21上。由于每一个激发器的上壁部29和下壁部31的极性相反，它们将以剪切的模式偏转成其间人字形的通道2，如虚线47和49所示。从而将脉冲施加到激发器19和21之间的通道2中的墨水4上，这导致一声压波沿通道的长度方向传播，并从中喷射出墨水微滴7。

在打印过程中，热由例如芯片16的装置产生。这些热散发到流体腔2中，并提升墨水4的温度，这降低了墨水4的粘性。墨水的粘性的这种变化可以导致微滴喷射速度的变化，并从而导致打印图像点的位置的误差。为了探索避免这样误差的发生，在本微滴沉积装置中，在打印过程中监控墨水的温度。这能够使根据监控温度的响应来调节施加到流体喷射腔2的壁11上的激发信号的大小，从而补偿墨水粘性的降低。

在本装置中，可激发的侧壁11的与温度相关的电特性用于监控打印过程中的墨水4的温度。当壁11直接与墨水4相接触时，墨水4在温度上的任何迅速改变都可以被检测出来并迅速地作出反应。

参照图1，本申请的发明者已经发现并通过实验证实了，通道2的壁11的电容量相对于温度基本上是线性函数关系。其结果是，与温度相关的信号的大小可以与墨水的温度成正比例。图4中示出了一电容器的标准充电曲线。

参照图5，测量电路60是用来提供具有取决于通道2中墨水温度的大小的信号的。

电路60包含两个输入电阻62、64，其中每一个电阻分别连接于一对串联连接的晶体管66、68中一个的栅极。通道2的壁在70处表示为被测量的电容C，电容器70在其一侧连接于晶体管66、68的共同连接的漏极，而在其另一侧连接于第一输出电阻72。第二输出电阻74连接于晶体管68的源极。5伏的输入电压施加到晶体管66的源极上，而输出端76连接于电容器70的另一侧上。测量电路是足够简单的，它可以采用例如作为芯片16的一部分安装在打印头上的ASIC码来执行。

图6示出了装载有测量电路60、电源82、控制器84和比较电路86的测试板80。

测量电路60的输出被供给到比较电路86上。在触点76的输出如图7所示，其中示出了电容器70的充电电流Ic或在触点76上的电压Vo相对于时间t的函数曲线。

可以看出，电流或电压急剧地增加，然后在变为负值之前衰减到零。电容器70的电容量与衰减或充电时间t(ch)成比例。比较电路86是用于测量这个时间而设置的。可以使用控制器84来设置比较器86，以测量其衰减到如96％的一预定的百分比。

申请人发现，充电/衰减时间比在通道2的激活之间的时间短，从而可以做出激活通道2的壁的电容量的测量。因此不干涉打印操作。

例如，当一个每英寸200点的打印头在4.2kHz的频率操作时，壁的电容量的测量可以在42微秒的时间段内做出，这正好处在通道激活之间的240微秒时间段内。更快的测量还可以适用于更快的打印头。

由于墨水4的温度偏离室温而造成的壁电容量的任何改变，将改变衰减或充电时间t(ch)，根据比较电路86输出一个表示在通道2中墨水温度的信号相适应。随后信号形成能够使信号叠加在施加到壁上的激发电信号上的形状。这又改变了微滴从喷射腔2中喷射出来的速度，从而避免其滴落位置的误差。

如上所述，在优选实施例中单一芯片16仅将激发电信号施加到32个电极上，从而控制微滴从一组32个通道中的喷射。因此，典型地设置有多个芯片16，每一个芯片控制流体从相应的通道组中的喷射。在一个实施例中，每一组中的一个壁的电容量是由相应分别的芯片16规则地测量，并相应地调节施加到该组通道壁上的激发通道的大小。因此，通过测量阵列中每一个第32壁的电容量，通过阵列根据激发次序可以改变激发电信号的大小。为了增加穿过阵列的温度灵敏性，可以减小每一组中壁的数量。

本发明的优越性在于，通过使用激活的通道可以测量穿过多个通道打印头的温度的均匀性。进一步的优越性在于，测量电路是足够简单的，它可以采用例如作为芯片16的一部分安装在打印头上的ASIC码来执行。此外，使用一个5伏的电源，即使当每一秒钟都进行测量时，也没有带来打印头热量的增加。

应当理解，仅通过示例对本发明进行了上面描述，在本发明的范围内可以做出详细的修改。

例如，虽然本发明是参照“端部喷射器”的打印头来描述的，但其同样可以应用于“侧部喷射器”或任何其他形式的打印头。

此外，可以使用任何适当的装置来检测激活通道的壁的电容量或其它适当的电特性。例如，可以使用数字检测电路以避免在检测所选择的电特性期间发生与产生噪音相关联的问题。

在说明书中公开的(包含权利要求)和/或在附图中示出的每一个特征，可以在本发明中独立地与其它公开的和/或示出的特征相组合。

Claims (11)

1.一种微滴沉积装置，其包括：

多个流体腔；

压电激发器装置，对于每一个流体腔，该压电激发器装置可由电信号激发，以实施从该腔中的微滴喷射；

用于向每一个所述激发器装置循环地供给电信号以使其激发的装置；

用于测量的装置，在将连续的电信号施加到所述激发器装置之间的时间段内，该装置测量所述激发器装置的与温度相关的电特性，以提供一个大小取决于在所述激发器装置的流体腔中的流体温度的信号；以及

依据与温度相关的该信号的大小来调节激发电信号大小的装置。

2.如权利要求1所述的微滴沉积装置，其特征在于，供给装置设置成，以便在4到5kHz频率范围内向该激发器装置供给电信号。

3.如权利要求2所述的微滴沉积装置，其特征在于，该供给装置设置成，以便以4.2kHz的频率供给电信号。

4.如前述任意一项权利要求所述的微滴沉积装置，其特征在于，所述时间段具有240μs的持续时间。

5.如权利要求1所述的微滴沉积装置，其特征在于，与温度相关的电特性是电容。

6.如权利要求1所述的微滴沉积装置，其特征在于，所述激发器装置包含在所述腔的相应壁的主要部分上延伸的压电材料，每一个可激发的通道壁在施加激发电信号的作用下是可变形的，以从流体腔中喷射流体。

7.如权利要求6所述的微滴沉积装置，其特征在于，该测量装置包含一测量电路，其包括两个串联连接的用于在其输入端接受测量电压的晶体管，该壁的一端连接于该晶体管的共同的输出端，该壁的另一端连接于来自该电路的一输出端，并且还包含连接于该输出端的用于测量电压在该输出端的衰减率的装置，以提供具有依据该流体腔中流体温度的大小的信号。

8.如权利要求7所述的微滴沉积装置，其特征在于，5伏的电源连接到输入端，以提供测量电压。

9.如权利要求6所述的微滴沉积装置，其特征在于，该压电材料是这样的，即，激发电信号的施加使其以剪切模式变形，以在流体腔中产生声压波，并从而喷射出该流体。

10.如权利要求6所述的微滴沉积装置，其特征在于，该压电材料是沿每一个流体腔的侧部设置的。

11.一种操作微滴沉积装置的方法，该微滴沉积装置包含：多个流体腔，以及压电激发器装置，对于每一个流体腔，该压电激发器装置可由电信号激发，以实施从该腔中的微滴喷射，该方法包含以下步骤：

向每一个所述激发器装置循环地供给电信号以使其激发；

在连续的电信号施加到所述激发器装置之间的时间段内，测量所述激发器装置的与温度相关的电特性，以提供一个大小取决于在所述激发器装置的流体腔中的流体温度的信号；以及

依据与温度相关的该信号的大小来调节激发电信号的大小。

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