CN1266782A - 喷墨记录头驱动方法及喷墨记录设备 - Google Patents

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CN1266782A
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voltage
pressure generating
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奥田真一
石山敏规
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日本电气株式会社
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Abstract

一种喷墨记录头驱动方法,将驱动电压施加到电气-机械转换器上,其改变内部填充有墨水的压力发生室的压力,使墨滴从与压力发生室连通的喷嘴喷出,其中驱动电压的电压波形中包括:第一电压变化过程,用于增大压力发生室的体积,从而将液面从喷嘴开口拉向压力发生室;第二电压变化过程,用于减小压力发生室的体积,以便喷出墨滴,并且其中第一电压变化过程前面还有一预备电压变化过程,用于轻微地将墨水的液面从喷嘴开口拉向压力发生室。

Description

喷墨记录头驱动方法及喷墨记录设备
本发明涉及一种喷墨记录设备,特别涉及一种用于通过从喷嘴中排出墨汁来记录字符和图象的喷墨记录头驱动方法。
在现有技术中,已知有一种按要求滴液型(drop-on-demand)喷墨设备,在这种设备中,象压电调节器之类的电气-机械转换器被用于产生压力波(声波),该压力波用于将与压力发生室连接的喷嘴中的液滴喷出。这种类型的喷墨记录头驱动方法在例如日本专利公开(已审)53-12138中已经说明。作为一例,这种类型的喷墨记录头驱动方法如图25所示。
参考图25,压力发生室100与用于排出墨汁的喷嘴101连接,还与用于引导墨汁从墨盒(未示出)经过公用墨盒102的供墨通道103连接。而且,在压力发生室100的底部,设置了一膜片104。当排出墨滴时,该膜片104被设置在压力发生室100外部的压电调节器104(电气-机械转换器)所移位,以便使压力发生室100的体积变化,从而在压力发生室100内部产生压力波。该压力波使一部分墨汁从压力发生室100经喷嘴101喷出,并且墨滴106喷到诸如记录纸之类的记录介质上,从而形成记录点。记录点的形成根据图象数据而重复地进行,从而在记录纸上记录字符和图象。
为了用这种类型的喷墨记录头得到质量的图象,需要将墨滴106的直径设置的非常小。也就是说,为了得到平滑的图象而不会感觉到各液滴,需要使记录点(象素)越小越好。为此,墨滴直径应当设置得非常小。通常情况下,当(象素)点径等于或小于40微米时,图象质量就会得到很大改善。墨滴直径和点径取决于墨滴的飞行速度(滴速)、墨水特性(例如粘度和表面张力)、记录纸的类型。正常情况下,点径是墨滴直径的两倍。因此,为了得到40微米以下的点径,墨滴直径应当在20微米以下。应当注意,在下面的说明中,滴径表示由一次喷射操作所喷出的总量(包括图25中106′所示的墨滴周围点),其由一个相应的球滴来替代。
为了减小墨滴的粒径,喷嘴101应当具有更小的直径。但是,考虑到技术局限和可靠性(诸如易粘住之类的问题),喷嘴直径实际上具有25微米的下限。难以仅通过减小喷嘴直径得到20微米的墨滴粒径。为了解决这一问题,一种方法是试图通过记录头驱动方法来减小墨滴的粒径,这方面已经有几种有效的方法。
作为用喷墨记录头喷出非常小的墨滴的方法,例如日本专利公布(未审查)55-17589公开了一种方法,其在即将喷墨之前临时增大压力发生室,从而由留在喷嘴开口处的墨水所形成的墨水表面(此后称为液面)被拉进压力发生室,然后喷射。图26(a)显示了用于这种类型的驱动方法的驱动电压波形的例子。应当说明的是,驱动电压和压电调节器104之间的关系根据压电调节器104的结构以及极性方向而改变。在下面给出的解释中,假定驱动电压的增加减小了压力发生室100的体积,而驱动电压的减小则增加了压力发生室100的体积。
图26(a)中的驱动电压波形由第一电压变化过程1和第二电压变化过程2构成,第一电压变化过程1用于使压力发生室100增大从而将液面从喷嘴开口拉入压力发生室100,而第二电压变化过程2则用于将压力发生室100压缩,以便喷出墨滴。
图27示意性地示出了当施加图26(a)中的驱动电压波形时喷嘴开口处液面3的运动。在施加参考电压的初始状态,液面3是如图图27(a)所示的扁平状。当压力发生室100在即将喷墨之前被第一电压变化过程1增大时,液面3被向后拉,如图27(b)所示。即,液面3的中心比周边部分要后缩,从而形成U形的液面3。在形成U形的液面3之后,压力发生室100被第二电压变化过程2压缩,从而在液面3的中心部分形成了微细的液柱4,如图27(c)所示。接着,液柱4的尖端被分离以形成如图27(d)所示的墨滴106。这里,墨滴106的直径几乎等于液柱4的直径,其小于喷嘴101的直径。因此,该驱动方法可以喷出直径比喷嘴直径小的墨滴106。此后,这种通过在即将喷墨之前操纵液面3(即墨滴3的构造)以排出非常小墨滴的方法将被称为液面控制方法。
如上所述,通过使用液面控制方法,就可以喷出直径比喷嘴小的墨滴。但是,当使用图26(a)所示的电压波形时,实际上墨滴直径具有25微米的下限,并且其不可能满足高质量的图象要求。
本发明的申请人在日本专利申请10-318443中公开了一种如图26(b)所示的电压波形,作为能够喷出更小墨滴的驱动方法。该驱动电压波形由第一电压变化过程1、第二电压变化过程2、第三电压变化过程5、第四电压变化过程6构成。其中第一电压变化过程1在即将喷墨之前将液面3拉向压力发生室100。第二电压变化过程2则用于将压力发生室100压缩,以便形成用于喷射的液柱,第三电压变化过程5用于将墨滴106快速地从液柱4的尖端分离。而第四电压变化过程6则用于抑制在喷出墨滴之后留下的残留压力波。即,除了图26(a)所示的常规液面控制方法之外,图26(b)所示的电压波形包括用于早期分离墨滴106的第三电压变化过程5和用于抑制残留影响的第四电压变化过程6。这样能够得到具有20微米数量级直径的墨滴106的稳定喷射。
当用上述液面控制方法排出非常小的墨滴时,最大的问题是保证稳定喷射。也就是说,墨滴直径和喷射速度很大程度上取决于如图27(b)所示的即将喷墨之前的液面3的构形。因此,为了实现稳定喷射,需要稳定液面3的构形。而且,在具有多个喷嘴的多嘴喷头的情况下,需要在不同的喷嘴上得到相同的液面构形。然而,实际上是难以得到相同的液面构形的。结果,在墨滴直径和喷射速度方面会造成不规则性,从而降低了图象质量。
使液面不规则的原因之一是由于刚喷墨后造成的初始液面的构形的变化。此后,将参考图28说明其机理。
当墨滴106从喷嘴101喷出时,喷嘴101中的墨量减少,而液面3退向压力发生室,如图28(a)所示。退却的液面3由于墨水表面张力(毛细效应)最后向喷嘴面运动,如图28(b)所示,以准备下一次的喷射。这种液面3的恢复操作通常被称为再填操作。
在这种再填操作中,液面没有直接从图28(a)的状态回到图28(b)所示的静止状态。液面逐渐集聚为静止状态同时在喷嘴开口面周围进行衰减振动。即,在喷射后退却的液面3如图28(b)所示被恢复到喷嘴开口平面,并产生超调量,如图28(c)所示从喷嘴开口平面突出,从而形成凸起形液面3。然后,液面3再次退却而形成如图28(d)所示的凹陷液面3。在重复凸起形和凹陷状态之后,液面逐渐达到图28(b)或图28(f)所示的静止状态。在此再填操作中液面的振动周期取决于墨水表面张力、喷嘴101的开口直径、流路系统(喷嘴、压力发生室、供墨路径)的惯性,等等。一般而言,普通喷墨记录头中的液面振动周期在80到150秒的数量级。
这里,重要的是由于液面3的超调量造成的凸起形液面构形。在为高速记录设计的头中,液面3的超调量特别显著。而且,超调量根据刚才喷出的墨滴的直径以及喷射状态(连续喷射的次数)而改变。即,在刚进行完喷墨的情况下,用于后面喷射的初始液面的构形可能为凸起形构形,并且超调量可能不会是常数。本发明的申请人已经作了多次观察实验和流体分析,并且发现锥形构形的液面初始状态使得由液面控制方法所喷出的很小墨滴的稳定性变差。这一机理将参考图29进行解释。
如果初始液面3具有如图29(a)的锥形结构,液面3被按照这样的方式拉动,即其周边部分比液面的中央部分更早地被拉动,从而导致如图29(b)所示的构形。然后,如图29(c)所示,中央部分有部分下沉。在此状态,施加喷墨的压力。因此,可以进行正常的液柱形成。墨滴直径和喷射速度被大大地改变。应当注意图29(d)显示了异常的微细液柱4,但当初始液面为凸起形时并非总是这种情况。例如,与通常的喷墨相比,在液面构形中的微小差异可能会大大地改变喷墨现象,而喷墨速度可被大地降低。即,如果初始液面为凸起形,墨滴直径和喷射速度会在很大的范围内波动。当使用多个喷嘴时,喷嘴之间的不规则性就会增加。而且,当如图29所示那样发生异常喷墨的现象时,还会产生将气泡引入喷嘴中的问题,这样就会造成喷嘴喷墨故障。
当在多个步骤中进行墨滴直径调节以改变墨滴直径时,上述问题就更为显著。即,当进行墨滴直径调节时,有这样一种情况,即大直径的墨滴在即将喷出很小的墨滴之前喷出。随着墨滴直径的增加,液面3的超调量也增加。因此,在这种情况下,初始液面出现凸起形的现象会有很大的几率。这将导致非常小液滴直径和喷墨速度的很大的不规则性,从而显著地降低了图象质量。
而日本专利公布B53-12138和而日本专利公布A10-193587则公开了一种称为按需型的喷墨记录设备。
对于改进记录图象质量的要求,在这类喷墨记录头中,同样要求进行高质量的记录。因此,需要表现出平滑的中间层次。
为了进行有层次地记录,有两种公知的方法,其中之一是使用多个固定直径的墨滴以形成象素(伪灰度),另一种是在多个步骤中为每个位改变墨滴直径。
为了用前述的方法得到高质量的图象,就需要很大地提高记录的分辨率。因此,记录所需的点数将被大大增加,从而造成记录速度降低的缺点。
另一方面,后一种方法可以改变各点的浓度,并能用较低的记录分辨率得到高质量的图象,这样反过来又能提高记录速度。
如图33所示,通过对压电调节器236使用多个驱动电压波形,可以实现在多步骤中改变墨滴直径。图33显示了用于产生小、中等和大直径的墨滴的驱动电压波形。图33(a)是用于小直径墨滴,图33(b)是用于中等直径的墨滴,而图33(c)是用于大直径墨滴。在图33(b)和图33(c)中,与图33(a)中相同的部分用相同的参考符号标出,但分别加上了单引号或双引号标记。
在图33中,压力发生室231被膨胀,此时图形向下改变(由251和253所指出的部分),然后压力发生室231被压缩,这时图形向上改变(由252和254所指出的部分)。
如图33(c)所示,如果压力发生室231用较长的时间t3”慢慢压缩时,压力发生室231的状态就保持较长的时间t4”,并且压力发生室231慢慢地用较长的时间t7”膨胀时,则较大直径的墨滴从喷嘴的开口处喷出。
相反,如图33(a)所示,如果膨胀的压力发生室231快速地用较短的时间t3压缩再快速地膨胀时,则从喷嘴的开口处喷出较小直径的墨滴。
图33(b)是图33(a)和图33(c)之间的状况,从喷嘴的开口处喷出中等直径的墨滴。
通过改变驱动电压波形来改变墨滴直径的方法在前述日本专利公布A10-193587中作为液面控制方法而提出。
但是,如上面已说明的,在喷墨记录头上设置了大量的压力发生室,而压电调节器也设置在附近。因此,由压电调节器驱动的振动之间的干扰也使其难以喷出所需直径的墨滴。
特别是,如图32所示,当相邻的压电调节器236被同时驱动时(图中的箭头指出压电调节器的振动驱动方向),用于支撑压电调节器236的支撑部件237按照箭头所指的方向变形。这种变形不仅影响相应的一个压力发生室231,而且还影响其它的压力发生室,并造成振动损失。这导致了墨滴A的直径和喷墨速度的不规则性,从而无法得到高质量的图象。
为了解决这一问题,即,所谓的交互干扰问题,建议使用刚性大的材料用于构成喷墨记录头的部件如压电调节器和压力发生室。以便减小压电调节器对于除相应的一个压力发生室外的其它压力发生室产生影响,并由此减小振动损失。
但是,由刚性大的材料形成喷墨记录头有多种问题,如加工困难、喷墨记录尺寸增加,以及制造成本增加等。
在日本专利公布A10-193587中,交互干扰问题通过轮流驱动相邻压电调节器来解决。但是,这引起了记录时间延长的问题。
而且,如图34所示,在这种类型的喷墨记录头中,通常到达记录介质的一个墨滴形成一个记录点,而该点的大小与图象质量是成反比的。因此,为了得到满意的图象质量,需要在记录介质上形成小直径的记录点。为了得到对于人眼没有颗粒感的平滑图象(高质量图象),点直径应当在40微米以下。如果点径为30微米以下,即使在图象亮度高的部分也无法用人眼来区分各记录点了,这样就会大大地提高图象质量。
墨滴直径与点径之间的关系取决于墨滴的飞行速度、墨水特性(如粘度、表面张力)、记录介质的类型等。正常情况下,点径是墨滴直径的两倍。因此,为了得到30微米的点径,墨滴直径应当为15微米。应当注意,在本说明书中,滴径表示由一次喷射操作所喷出的总量(包括周围点),其量被转换为一个球的直径。这里,周围点是与墨滴一起形成的小的次墨滴。
另一方面,从实验上看已经知道从预定开口直径的喷嘴所得到的墨滴的最小值几乎等于开口直径(喷嘴直径)。因此,为了得到15微米的墨滴,喷嘴直径应当在15微米以下。但是,为了制造直径在15微米以下的喷嘴,在制造过程中会有许多困难,并且喷嘴还会经常被粘住。这样就会大大地降低喷墨记录头的使用寿命。因此,实际上喷嘴直径的下限为20至25微米。结果,就难以得到直径在15微米以下墨滴的稳定喷射。而且,如果为了减小墨滴直径而减小喷嘴直径,还会引起另一个问题,即不能容易地喷出直径用于所需分辨率的最大直径的墨滴。
为了解决上述问题,例如,日本专利公布A55-17589中公开了一种喷墨记录头驱动方法,在该方法中,具有如图35所示的倒梯形的驱动波形信号在即将喷出墨液滴之前被加到压电调节器上,以进行所谓的液面控制,从而喷出直径小于喷嘴直径的墨滴。
图35所示的驱动波形第一电压变化过程308、电压保持过程309和电压变化过程310构成。第一电压变化过程308用于将加到压电调节器上的被设为参考电压V1(>0V)的电压V减至0V;电压保持过程309用于将减至0V的电压V保持一段时间(时间t2);而电压变化过程310则将压电调节器的电压V升至V2,以便减小压力发生室的体积,从而喷出墨滴,并准备好后续的喷墨操作。
应当注意,由驱动电压波形信号的电压增减形成压电调节器的运动取决于压电调节器的构造和极性方向。即,还存在一个与上述压电调节器相反方向运动的压电调节器。对于该反向运动的压电调节器,驱动电压波形信号可以反向,以得到与上述相同的喷射操作。为了简化的目的,在本说明书中,将对在驱动电压波形信号增加时减小压力发生室体积的压电调节器进行说明,其在驱动电压减小时增加压力发生室体积。
图36示意性地显示了当图35所示的驱动波形信号被加到压电调节器上时在喷嘴311的开口平面311a处液面312的运动。首先,当没有喷墨时,如图36(a)时,液面312位于喷嘴311的开口平面311a处。当要求喷墨时,首先为了增加压力发生室的体积,驱动波形信号1的第一电压变化过程308被施加到压电调节器上。然后,如图36(b)所示,液面312被从喷嘴311的开口平面311a拉入从喷嘴311,从而使液面312变为凹陷状(拉回过程)。然后,为了减小压力发生室的体积,驱动波形信号1的电压变化过程310被施加到压电调节器上。然后,如图36(c)所示,在液面312的中心形成液柱313,并且液柱313的尖端被分离,如图36(d)所示,喷出墨滴314(推出过程)。在这里,喷出的墨滴314的直径几乎等于液柱313的粗细而小于喷嘴311的直径。
但是,在常规的使用如图35所示的倒梯形的驱动波形信号的喷墨记录头驱动方法中,实际上得到的墨滴直径最小大约为25微米,不能满足高质量的要求。
为了解决这个问题,本发明的发明者在日本专利公布10-318443中公开了一种喷墨记录头驱动方法,在该方法中,将具有如图37所示波形的驱动波形信号加到压电调节器上,从而喷出直径更小的墨滴。
图37所示波形的驱动波形信号包括:第一电压变化过程315,用于将加到压电调节器上的电压V从参考电压V1(>0V)减小至0V,以增加压力发生室的体积,并使液面退缩;第一电压保持过程316,用于将减至0V的电压V保持一段时间(时间t2);第二电压变化过程317,用于将压电调节器的电压V升至V2,以便减小压力发生室的体积,并在液面的中心形成液柱;第二电压保持过程318,用于将电压V2保持一段时间(时间t4);第三电压变化过程319,用于例如将电压由V2减至0V,以便增加压力发生室体积,并将墨滴从液柱的尖端分离;第三电压保持过程320,用于将0V的电压V保持一段时间(时间t6);以及第四电压变化过程321,用于将压电调节器上的电压V升至电压V1,从而减小压力发生室的体积,并在喷出墨滴后抑制剩余压力波形的残留影响。
也就是说,图37的驱动波形信号是常规液面控制和附加的用于早期分离墨滴并抑制残留影响的压力波形控制的结合。这样可能够得到直径在20微米数量级的墨滴的稳定喷射。
但是,在采用图37所示的驱动波形信号的常规喷墨记录头驱动方法中,难以喷出直径小于20微米的墨滴,而且也不可能喷出直径在15微米以下墨滴。
为了解决这个问题,本发明的发明者在日本专利公布11-20613中公开了一种喷墨记录头驱动方法,在该方法中,具有图38所示波形的驱动波形信号加到压电调节器上,从而喷出直径等于或小于15微米的墨滴。
图38所示的驱动波形信号包括:第一电压变化过程322,用于在拖尾(trailing)时间t1期间内将加到压电调节器上的电压V从参考电压Vb(>0V)减小至(Vb-V1),以增加压力发生室的体积,并使液面退缩;t1要大于由压电调节器和膜片构成的驱动块的固有振动的固有周期Ta,第一电压保持过程323,用于将电压(Vb-V1)保持一段时间(时间t2);第二电压变化过程324,用于在拖尾时间t3期间内将压电调节器的电压V升至(Vb-V1+V2),t3要小于固有周期Ta,以便减小压力发生室的体积,并在液面的中心形成液柱;第二电压保持过程325,用于将电压V保持为(Vb-V1+V2)一段时间(时间t4);第三电压变化过程326,用于在拖尾时间t5期间内将电压由(Vb-V1+V2)减至0V,以便增加压力发生室体积,并将墨滴从液柱的尖端分离,其中t5小于固有周期Ta;第三电压保持过程327,用于将0V的电压V保持一段时间(时间t6);以及第四电压变化过程,用于将压电调节器上的电压V升至电压Vb,从而减小压力发生室的体积,并在喷出墨滴后抑制剩余压力波形的残留影响。
即,图38的驱动波形信号是常规液面控制和利用压电调节器本身固有振动的喷墨机理的结合。这样,压电调节器本身的固有振动被激发并可在液面上产生高频振动。这样就能喷出直径在15微米以下的墨滴。
但是,在利用图38所示的驱动波形信号常规的喷墨记录头驱动方法中,增加了压电调节器变形的速度。这就大大地降低了压电调节器的可靠性和使用寿命。
而且,如上所述,为了激发压电调节器本身的固有振动,需要在上升时间t3和拖尾时间t5(例如为1微秒)内改变加到压电调节器上的电压V。而上升时间t3和拖尾时间t5小于固有周期。在这种情况下,将有大的电流瞬间流过压电调节器。因此,喷墨记录头驱动电路、特别是压电调节器驱动电路应当使用诸如具有高驱动能力的半导体集成电路之类的电路部件来瞬时提供大电流。结果,电路部件的费用增加,而大电流使得热发散增加,要求有散热单元。这样就会增加喷墨记录头驱动电路的生产成本。
本发明的第一个目的是提供一种喷墨记录头驱动方法和设备,其能够通过液面控制方法稳定地喷出非常小的墨滴,并输出高质量的图象。
根据本发明的喷墨头驱动方法将驱动电压施加到电气-机械转换器上,其改变内部填充有墨水的压力发生室的压力,从而墨滴从与压力发生室连通的喷嘴喷出,其中驱动电压的电压波形中包括:第一电压变化过程,用于使增大压力发生室的体积,从而将液面从喷嘴开口拉向压力发生室;第二电压变化过程,用于减小压力发生室的体积,以便喷出墨滴,并且其中第一电压变化过程前面还有一预备电压变化过程,用于轻微地将墨水的液面从喷嘴开口拉向压力发生室。
即,在第一电压变化过程之前,先进行预备电压变化过程,以轻微地将墨水的液面从喷嘴开口拉向压力发生室,从而液面的尖端被轻微地拉到喷嘴开口附近或拉到压力发生室附近。这样,就可以得到稳定和均匀的初始液面状态。这样就解决了上述的各种问题。
而且,用于在第一电压变化过程之前轻微地将墨水的液面从喷嘴开口拉向压力发生室的预备电压变化过程可以通过增加压力发生室体积的预备电压变化过程来实现。该电压变化过程将在第一电压变化过程之前进行,以稳定液面的构形。因此,其电压变化速度最好设置为为比第一电压变化过程的电压变化速度小的值,以便防止液面不必要的振动。
而且,在预备电压变化过程中,由于相同的原因,用于增加压力发生室体积的预备电压变化过程中的电压变化时间最好设置为比压力发生室中产生的压力波的固有周期更大(更长)。
应当注意,当压力发生室的体积在第一电压变化过程之前增加,从而液面被轻微地拉向压力发生室,在完成预先喷射时喷嘴开口平面处或从喷嘴开口平面处重新形成的液面被进一步拉向压力发生室。本发明的申请人已经确认液面由喷嘴开口平面的轻度复原(retrieval)并不会造成液滴直径或滴速的大的波动。
而且,用于在第一电压变化过程之前轻微地将墨水的液面从喷嘴开口拉向压力发生室的预备电压变化过程可以通过这样的预备电压变化过程来实现,该预备电压变化过程包括用于减小压力发生室体积的电压变化过程和用于保持该电压预定时间的电压保持过程。
在这种方法中,首先,压力发生室的体积被减小以引起液面暂时的超调状态。但是,当电压被保持预定时间段时,液面超调状态自然地由于墨水表面张力而消失。以与当第一电压变化过程之前增大压力发生室的体积相同的方式,就可以在开始第一电压变化过程之前得到稳定和均匀的初始液面构形。
同样在这种情况下,为了稳定早期的液面构形,通过防止突然发生超调和振动,在用于减小压力发生室体积的预备电压变化过程中,电压变化过程的电压变化时间最好设置为比压力发生室中产生的压力波的固有周期更大(更长)。
而且,在用于减小压力发生室体积的电压变化过程之后的电压保持过程的持续时间最好设置为喷嘴开口处墨滴振动的固有周期、即液面衰减振荡的固有周期的1/3至2/3。
这样,即使液面在用于减小压力发生室体积的电压变化过程的最后阶段凸起了超调量的部分,上述第一电压变化过程可以在衰减振荡产生的幅值的凹陷处(即作为初始状态从喷嘴表面恢复的液面处)开始。
而且,当本发明用于设备上时,用于产生加在电气-机械转换器上的驱动电压的一个或多个波形发生单元包括产生具有预备电压变化过程的波形的功能,该电压变化过程用于在第一电压变化过程之前轻微地将墨水的液面拉向压力发生室。
电气-机械转换器可以是压电调节器。
本发明的第二个目的是提供一种喷墨记录头驱动方法及喷墨记录设备,解决喷墨记录头的交互干扰问题而不会降低打印速度,并且能够同时得到高质量和高速度的记录。
根据本发明权利要求9的喷墨记录头驱动方法用于喷墨记录头,其包括:多个装填有墨水的压力发生室;设置在压力发生室中用于喷墨的喷嘴;以及为各压力发生室设置的用于引起压力发生室压力变化的振动发生单元,其中加载到振动发生单元上的驱动电压波形根据要喷出墨水的液滴来产生,从而与不同墨滴直径相应的驱动电压波形在预定的不同定时加载。
根据这种方法,驱动电压波形根据墨滴直径产生,并且驱动电压波形在预定的不同定时被加载到为各压力发生室设置的振动发生单元上。因此,当从压力发生室喷出墨滴时,振动将不会影响其它压力发生室。这样,所需直径的墨滴可以在各个压力发生室中产生,并从喷嘴中以所需的速度喷出。
而且,因为驱动电压波形是根据墨水的直径而产生的,因此可以在短期内连续地喷出不同直径的墨滴,而不需要延长记录所需的时间。
根据本发明的权利要求10,驱动电压波形被设置为使较小直径的墨滴较早地喷出。
因为墨滴变小,即,质量变小,空气阻力变得更大,因此其需要更多的时间到达记录介质。根据本方法,较小直径的液滴较早地喷出。这减小了到达记录介质的时间差,从而提高了记录图象质量。
根据本发明的权利要求11,用于喷出小直径墨滴的驱动电压波形包括用于将液面从喷嘴开口拉向压力发生室的部分。
根据该方法,就可以得到具有高精度的所需直径的墨滴,从而能够得到质量的记录图象。
根据本发明的权利要求12,提供了一种用于喷墨记录头的喷墨记录头驱动设备,包括:多个压力发生室;与压力发生室相通用于喷墨的喷嘴;振动发生单元,用于产生振动,以引起压力发生室内部的压力变化,其中驱动电压波形被加到振动发生单元上以用于从喷嘴喷出墨滴,该设备包括:多个根据要喷出的墨滴直径而设置的波形发生单元,以便根据墨滴直径产生驱动电压波形,其中波形发生单元根据墨滴直径产生的驱动电压波形被设置为根据不同的墨滴直径在不同的喷墨定时产生。
根据这种构造,驱动电压波形根据墨滴直径产生,并且驱动电压波形在不同的定时被加到为各个电压发生室所设置的振动发生单元上。因此,当墨滴从压力发生室喷出时,振动将不再影响其它压力发生室。这样,可以在各个压力发生室得到所需直径的墨滴,并以所需要的速度从喷嘴中喷出。
而且,因为驱动电压波形是根据不同的墨滴直径产生的,因而可以短期内连续喷出不同直径的墨滴,而不需要延长记录所需的时间。
根据本发明的权利要求13,振动发生单元是压电调节器。
这样就可以减小设备尺寸,并以高精度来控制压力发生室中的波形发生。
根据本发明的权利要求14,压电调节器产生纵向的振动。
通过采用纵向振动类型的压电调节器,与偏转振动型调节器相比,可以减小调节器的尺寸,并因此使喷嘴排列密度高。
本发明的第三个目的是提供一种喷墨记录头驱动方法及其电路,其能够喷出直径在20微米以下的小墨滴,且不会降低可靠性和缩短压电调节器的使用寿命,并且具有合理的成本和较小的尺寸。
为了解决上面提到的问题,本发明的权利要求15的喷墨记录头驱动方法用于喷墨记录头,其包括:多个装填有墨水的压力发生室;用于在压力发生室产生压力的压力发生单元;以及与压力发生室相通用于喷墨的喷嘴;其中驱动波形信号被加到压力发生单元,以便改变压力发生室的体积,以便墨滴从喷嘴喷出,驱动波形信号的波形由至少下述部分构成:第一电压变化过程,用于在增大压力发生室的体积的方向上施加电压;第二电压变化过程,其在减小压力发生室的体积的方向上施加电压,其中的第一电压变化过程的电压变化时间在压力发生室产生的压力波固有周期Tc的1/3至2/3,第二电压变化过程的开始时间设置在紧接第一电压变化过程完成之后。
而且,权利要求16的喷墨记录头驱动方法与权利要求15有关,其特征在于驱动电压波形信号波形中的第一电压变化过程的电压变化时间设置为固有周期Tc的1/2。
而且,权利要求17的喷墨记录头驱动方法与权利要求15有关,其特征在于驱动波形信号的波形是这样的:在第一电压变化过程完成时间与第二电压变化过程开始时间之间的时间间隔被设置为等于或小于固有周期Tc的1/5的长度。
而且,权利要求18的喷墨记录头驱动方法与权利要求15有关,其特征在于驱动波形信号的波形是这样的:即第二电压变化过程的变化时间被设置为固有周期Tc的1/3或更短。
而且,权利要求19的喷墨记录头驱动方法与权利要求15有关,其特征在于驱动波形信号的波形是这样的:即第二电压变化过程后面紧接着第三电压变化过程,用于在增大压力发生室的体积的方向上施加电压。
而且,权利要求20的喷墨记录头驱动方法与权利要求19有关,其特征在于驱动波形信号的波形是这样的:即第三电压变化过程的电压变化时间被设置为固有周期Tc的约1/3或更短。
而且,权利要求21的喷墨记录头驱动方法与权利要求19有关,其特征在于驱动波形信号的波形是这样的:即在第二电压变化过程完成时间与第三电压变化过程开始时间之间的时间间隔被设置为固有周期Tc的大约1/5或更短。
此外,权利要求22的喷墨记录头驱动方法与权利要求19有关,其特征在于驱动波形信号的波形是这样的:即第三电压变化过程的电压变化量设置为大于第二电压变化过程的电压变化量。
此外,权利要求23的喷墨记录头驱动方法与权利要求19有关,其特征在于驱动波形信号的波形是这样的:即第三电压变化过程后面紧接着第四电压变化过程,用于在减小压力发生室的体积的方向上施加电压。
此外,权利要求24的喷墨记录头驱动方法与权利要求23有关,其特征在于驱动波形信号的波形是这样的:即第四电压变化过程的电压变化时间被设置为固有周期Tc的约1/2或更短。
此外,权利要求25的喷墨记录头驱动方法与权利要求23有关,其特征在于驱动波形信号的波形是这样的:即在第三电压变化过程完成时间与第四电压变化过程开始时间之间的时间间隔被设置为固有周期Tc的大约1/3或更短。
此外,权利要求26的喷墨记录头驱动方法与权利要求15有关,其特征在于固有周期Tc为15微秒或更短。
此外,权利要求27的喷墨记录头驱动方法与权利要求15有关,其特征在于所述压力发生单元是电气-机械转换器。
此外,权利要求28的喷墨记录头驱动方法与权利要求27有关,其特征在于所述电气-机械转换器是压电调节器。
此外,权利要求29公开了一种用于喷墨记录头的喷墨记录头驱动电路,该记录头包括:多个装填有墨水的压力发生室;用于在压力发生室中产生压力的压力发生单元;以及与压力发生室相通用于喷墨的喷嘴;其中驱动波形信号被加到压力发生单元,以便改变压力发生室的体积,从而使墨滴从喷嘴喷出,该电路包括:波形发生单元,其根据驱动波形信号来操作,该波形信号的波形由至少下述部分构成:第一电压变化过程,用于在增大压力发生室体积的方向上施加电压;第二电压变化过程,其在减小压力发生室的体积的方向上施加电压,其中第一电压变化过程的电压变化时间在压力发生室产生的压力波固有周期Tc的1/3至2/3的范围内,第二电压变化过程的开始时间设置为紧接在第一电压变化过程完成之后。
此外,权利要求30的喷墨记录头驱动电路与权利要求29有关,其特征在于所述波形发生单元产生驱动波形信号,其波形中第一电压变化过程的电压变化时间被设为固有周期Tc的大约1/2。
此外,权利要求31的喷墨记录头驱动电路与权利要求29有关,其特征在于所述波形发生单元产生驱动波形信号,其波形中第一电压变化过程的结束时间与第二电压变化过程的开始时间之间的时间间隔被设置为固有周期Tc的大约1/5或更短。
此外,权利要求32的喷墨记录头驱动电路与权利要求29有关,其特征在于所述波形发生单元产生驱动波形信号,其波形中第二电压变化过程的电压变化时间被设为固有周期Tc的大约1/3或更短。
此外,权利要求33的喷墨记录头驱动电路与权利要求29有关,其特征在于所述波形发生单元产生驱动波形信号,其波形中第二电压变化过程后面紧接着第三电压变化过程,用于在增大压力发生室的体积的方向上施加电压。
此外,权利要求34的喷墨记录头驱动电路与权利要求33有关,其特征在于所述波形发生单元产生驱动波形信号,其具有这样一种波形,即第三电压变化过程的电压变化时间被设为固有周期Tc的大约1/3或更短。
此外,权利要求35的喷墨记录头驱动电路与权利要求33有关,其特征在于所述波形发生单元产生驱动波形信号,其具有这样一种波形,即第二电压变化过程的结束时间与第三电压变化过程的开始时间之间的时间间隔被设置为固有周期Tc的1/5或更短。
此外,权利要求36的喷墨记录头驱动电路与权利要求33有关,其特征在于所述波形发生单元产生驱动波形信号,其具有这样一种波形,即第三电压变化过程的电压变化量被设置为大于第二电压变化过程的电压变化量。
此外,权利要求37的喷墨记录头驱动电路与权利要求33有关,其特征在于所述波形发生单元产生驱动波形信号,其具有这样一种波形,即第三电压变化过程后面紧接着第四电压变化过程,用于在减小压力发生室的体积的方向上施加电压。
此外,权利要求38的喷墨记录头驱动电路与权利要求37有关,其特征在于所述波形发生单元产生驱动波形信号,其具有这样一种波形,即第四电压变化过程的电压变化时间被设为固有周期Tc的大约1/2或更短。
此外,权利要求39的喷墨记录头驱动电路与权利要求37有关,其特征在于所述波形发生单元产生驱动波形信号,其具有这样一种波形,即第三电压变化过程的结束时间与第四电压变化过程的开始时间之间的时间间隔被设置为固有周期Tc的大约1/3或更短。
此外,权利要求40的喷墨记录头驱动电路与权利要求29有关,其特征在于所述固有周期Tc为15微秒或更短。
此外,权利要求41的喷墨记录头驱动电路与权利要求29有关,其特征在于所述压力发生单元是电气-机械转换器。
此外,根据权利要求41的喷墨记录头驱动电路,其特征在于所述电气-机械转换器是压电调节器。
根据本发明,可以喷出具有20微米直径或更小的墨滴,而不会降低压电调节器可靠性及其寿命,并且还具有成本低和体积小的优点。
首先,将在理论上用块参数电路模型对本发明的有效性进行解释。
图20(a)是与图12(a)中的装有墨水的喷墨记录头等效的电路图。在图20中,m0表示压电调节器336和膜片335构成的驱动块的惯性(acoustic mass,声学质量)[kg/m4];m2表示供墨孔333的惯性;m3表示喷嘴334的惯性;r0表示供墨孔333的声学阻力[Ns/m5];r3表示喷嘴334的声学阻力;c0表示驱动块的声容[m5/N];c1表示压力发生室331的声容;c3表示喷嘴334的声容;u1表示供墨孔333的体积速度;u2表示供墨孔333的体积速度;u3表示喷嘴334的体积速度;以及Φ是表示加到墨水上的压力[Pa]。
这里,如果压电调节器336是高度刚性的层叠型压电调节器,就可以忽略驱动块的惯性m0、声学阻力r0、声容c0。而且,当分析压力波时,其还可以忽略声容c3。因此,图20(a)的等效电路可以近似用图20(b)的等效电路图来表示。
此外,假设供墨孔333和喷嘴334的关系为m2=km3,并且供墨孔333和喷嘴334的声学阻力的关系为r2=kr3,而如果如图21(a)所示输入具有Φ上升角的驱动波形信号以进行分析,在上升时间0≤t≤t1内,喷嘴334中的颗粒速度(墨水分子速度)V3’[m/s]由公式(1)给出。在公式(1)中,A3表示喷嘴334开口的面积,而喷嘴334中的颗粒速度(墨水分子速度)V3’[m/s]是被喷嘴334开口的面积A3相除后的喷嘴334中的体积速度u3。(公式1)V3′(t,θ)=c1tanθA3(1+1k)[1-WEcexp(-Dc·t)sin(Ec·t-φ0)]]]>Ec=1+1kc1m3-Dc2]]>Dc=r32m3]]>w2=1+1kc1m3]]>φ0=tan-1(EcDc)···(1)]]>下面,当使用如图21(b)所示的复杂(梯形)结构的驱动波形信号时,分子速度可以通过将在驱动波形信号的转折点(A,B,C,D)处产生的压力波得到。也就是说,当使用图21(b)所示的驱动波形信号时,在喷嘴334中的颗粒速度V3[m/s]可以由公式(2)给出。(公式2)
这里,图23显示了在使用图22所示的驱动波形信号时根据时间变化的颗粒速度变化,该变化通过在只考虑公式(1)的振动分量的情况下用等式(2)来计算。图22所示的驱动电压信号包括如下成分:第一电压变化过程341,用于将压电调节器使用电压从参考电压V1(>0V)减小到例如0伏,以增加电压发生室的体积,并使液面退却和减小压电调节器应用电压。一电压保持过程342,用于将处于0V的使用电压V保持一段时间(时间t2);以及第二电压变化过程343,用于将压电调节器使用电压V升高至V2,从而减小压力发生室的体积,并准备后继的喷墨操作。
在图23中,细线“a”至“d”表示在图22所示的驱动波形信号的转折点A、B、C、D处的颗粒速度,而粗线“S”表示颗粒速度之和,即液面实际产生的随时间的颗粒速度变化。
(1)在图22所示的驱动波形信号中,当t1被设置为压力发生室产生的压力波的固有周期Tc的大约1/2(=2π/Ec),而t2被设为非常小的值,如图23(a)所示,在转折点A、B、C处的颗粒速度的时间变化相位彼此几乎是相匹配的。因此,在时间间隔(t>t1+t2)中,颗粒速度就突然增加。
下面将参考图23和24对颗粒速度突然发生变化时液面构形发生的变化进行说明。
当颗粒速度如图23(a)所示的变化作用到液面354上时,在时间t1内,液面354从喷嘴351的开口平面被拉入喷嘴351并形成凹陷。接着,在时间t2内,液面354被推出喷嘴351。当推力被加到液面354的凹陷构形上时,在液面354的中心形成细的液柱352。
关于液柱352的形成机理尚无详细的研究。本发明的发明人对墨滴喷射进行过观察,并进行了流体分析,证实液柱352的厚度取决于液面354被推出时液面的速度。也就是说,当推出力加到凹陷状液面354上时,如图24所示,液面354各个部分按法线方向(图中箭头所指的方向)上运动。结果,大量的墨集中在喷嘴351的中心。这种局部墨量的增加在喷嘴351的中心形成了液柱352。这里,如果液面运动速度高,墨水体积也会在喷嘴351的中心迅速增加。因此,会快速地形成非常细的液柱352(见图24(a))。相反,当液面运动速度低时,在喷嘴351的中心墨水体积的增加也变得缓慢,因此,液柱352变粗,柱的增大也变慢(见图24(b))。
应当说明,如上所述,用“液面控制方法”从喷嘴351喷出的墨滴353的直径几乎与所形成的液柱352的厚度一样。而且,墨滴飞行速度(墨滴速度)也几乎与液柱352的生长速度一样。
因此,为了高速喷出小墨滴,需要增加“推进”过程中液面运动的速度,以使墨水体积在喷嘴351的中心迅速增加。
根据上述观察,在图22的驱动波形信号中,将时间t1设置为压力发生室产生的压力波的固有周期Tc的大约1/2而将t2设为非常小的值对于喷出小墨滴具有显著的优点。即,在这种条件下,如图23(a)所示,在转折点A、B、C处的颗粒速度的时间变化相位几乎重叠。因此,在时间间隔(t>t1+t2)中,颗粒速度就突然增加,而液面运动速度变快。这使得喷嘴351的中心的墨水体积快速增加,从而形成细的液柱352。结果,可以高速地喷出非常小的墨滴。即,液面354的液体表面运动速度的突然增加是喷出非常小墨滴353的重要条件。
(2)另一方面,在图22所示的驱动波形信号中,当t1没有被设置为压力发生室产生的压力波的固有周期Tc的1/2,则如图23(b)所示,在转折点A、B、C处的颗粒速度的时间变化相位彼此不一致,从而颗粒速度之和(粗线s)变化就会很缓慢。
也就是,如果时间t1比固有周期Tc的1/2还要短,当在转折点A处的颗粒速度为负时,在转折点B处的颗粒速度为正。这些速度彼此抵消,而液面354的液体表面运动速度增加变慢。另一方面,如果时间t1比固有周期Tc的1/2还要长,在转折点A处的颗粒速度在转折点B处产生正的粒子运动速度之前变为正。在这种情况下,同样不能得到液面354的液体表面运动速度的迅速增加。
在这些条件下,就难以使墨水体积在喷嘴351的中心迅速增加,而液柱352变粗。结果,喷出的墨滴353的直径变大,而滴速变慢(见图24(b))。这样,就不可能得到高质量记录所需的直径在20微米以下的非常小的墨滴。
如前所述,从喷嘴351喷出的墨滴353的墨滴直径和墨滴速度很大程度上取决于第一电压变化过程341的变化时间t1和电压保持时间t2,即在图22所示的驱动波形信号中第一电压变化过程341的结束时间与第二电压变化过程343的开始时间之间的间隔。通过将时间t1设置为固有周期Tc的大约1/2和将t2设为非常小的值,就可以高速喷出非常小的墨滴。
应当注意在这种情况下,因为未使用压电调节器本身的固有振动,因此不会有降低压电调节器的可靠性和缩短其使用寿命的问题。而且,喷墨记录头的驱动电路、特别是压电调节器的驱动电路与常规的结构相同,因此,不需要增加制造成本和喷墨头记录的驱动电路的大小。
图1是显示当使用固定直径的喷出墨滴时驱动电路例子的方框图;图2是显示当交替使用多种直径的喷出墨滴时驱动电路例子的方框图;图3显示了用于喷出直径在20微米数量级的非常小墨滴的驱动波形的例子;图4显示了用于喷出直径在20微米数量级的非常小墨滴的驱动波形的另一个例子;图5显示了用于喷出小、中、大墨滴的驱动波形的例子。图5(a)显示了用于喷出小墨滴的驱动波形的例子,图5(b)显示了用于喷出中等墨滴的驱动波形的例子,图5(c)显示了用于喷出大墨滴的驱动波形的例子;图6显示了根据本发明第一实施例的波形所得到的效果与常规波形所得到效果之间的差异。图6(a)显示了喷墨频率与墨滴直径之间的关系。图6(b)显示了喷墨频率与滴速之间的关系;图7显示了根据本发明第二实施例的驱动方法。图7(a)显示了用于喷出小直径墨滴的驱动电压波形,图7(b)显示了用于喷出中等直径墨滴的驱动电压波形,图7(c)显示了用于喷出大直径墨滴的驱动电压波形;图8是显示根据本发明第二实施例的喷墨记录头驱动电路的方框图;图9说明了图8的驱动装置功能,并显示了从喷嘴中喷出的小、中、大直径墨滴;图10显示了根据本发明第三实施例的驱动方法。图10(a)显示了用于喷出小直径墨滴的驱动电压波形,图10(b)显示了用于喷出中等直径墨滴的驱动电压波形,图10(c)显示了用于喷出大直径墨滴的驱动电压波形;图11是从喷嘴喷出的墨滴的记录头的侧视图;图12(a)是安装在喷墨记录设备上的喷墨记录头的例子的横截面图,该喷墨记录设备采用根据本发明第四实施例的喷墨记录头驱动方法,而图12(b)是喷墨记录头的分解剖视图;图13是用于驱动喷墨记录头的固定墨滴直径型驱动电路的电路结构方框图;图14是用于驱动喷墨记录头的调节墨滴直径型驱动电路的电路结构方框图;图15是用于喷墨记录头驱动方法中使用的放大的驱动波形信号的波形外貌的例子;图16显示了第一电压变化过程的变化时间t1和墨滴直径之间的关系;
图17显示了用于本发明第四实施例的喷墨记录头驱动方法中使用的放大的驱动波形信号的波形结构的例子;图18显示了根据本发明第四实施例的喷墨记录头驱动方法中使用的放大的驱动波形信号的波形结构的例子;图19显示了当采用图19所示的放大的驱动波形信号时颗粒速度变化的例子;图20是用于本发明的装有墨水的喷墨记录头的等效电路图;图21是用于说明上述喷墨记录头驱动方法有效性的理论根据的波形;图22是用于说明上述喷墨记录头驱动方法有效性的理论根据的波形;图23显示了用于说明上述喷墨记录头驱动方法有效性的理论根据的波形[sic];图24显示了用于说明上述喷墨记录头驱动方法有效性的理论根据的波形[sic];图25显示了常规使用的喷墨记录头与本发明的基本构形的横截面图;图26显示了喷墨记录头驱动波形的例子。图26(a)是用于常规喷墨记录头的驱动波形的例子;而图26(b)是改进后的例子;图27示意性地显示了当施加驱动波形时液面的运动。图27(a)显示了在施加参考电压时液面初始状态,图27(b)显示了当施加第一电压变化过程的电压时,在即将喷墨前的状态,图27(c)显示了当施加第二电压变化过程的电压时,喷墨开始的状态,图27(d)显示了从墨柱分离并喷出的墨滴;图28显示了引起不稳定液面构形的振动现象的概念。图28(a)显示了紧接在墨滴喷射后的状态。图28(b)和图28(f)显示了液面返回到喷嘴口处的状态。图28(c)显示由于超调而使液面凸出的情况。图28(d)显示了在振动衰减过程中的凹状液面;图28(e)显示了在振动被衰减到一定程度时,液面超调的状态。
图29显示了由于不稳定液面构形造成的异常喷墨操作。图29(a)显示了施加参考电压时的初始状态。图29(b)显示当施加第一电压变化过程的电压时,在即将喷墨前的状态,图29(c)显示当施加第二电压变化过程的电压时,喷墨开始的状态;图29(d)显示了从墨柱分离并喷出的墨滴。
图30是常规喷墨记录头的正面图。
图31是图30的喷墨记录头的侧视图。
图32是图30的喷墨记录头的侧视图,其显示了相邻压电调节器被同时驱动的状态。
图33显示了用于产生小、中、大直径墨滴的驱动波形的例子。图33(a)显示了用于喷出小直径墨滴的驱动波形的例子,图33(b)显示了用于喷出中等直径墨滴的驱动波形的例子,图33(c)显示了用于喷出大直径墨滴的驱动波形的例子。
图34是为了说明常规技术而示意性地显示的Kyser型喷墨记录头的其中结构,其为按需滴出类型的喷墨记录头。
图35显示了用于常规喷墨记录头的驱动波形信号的波形外貌的例子。
图36是喷嘴开口的剖面图,用于说明在常规喷墨记录头的驱动方法中的喷墨过程。
图37显示出了传统喷墨记录头中所用驱动波形信号的另一波形结构实例。
图38显示了传统喷墨记录头中所用驱动波形信号的另一波形结构实例。
[第一实施例]以下将参考附图对本发明的优选实施例进行说明。在本发明的第一实施例中所使用的喷墨记录头与图25所示的喷墨记录头具有基本相同的结构。该喷墨记录头由多个薄板组成,每个薄板都有通过腐蚀或类似技术而形成的小孔。这些薄板被层叠并用粘合剂相互粘在一起。本实施例中,厚度为50至75微米的不锈钢板被利用一种热固树脂(厚度约为20微米)而相互粘在一起。该喷墨记录头有多个压力发生室100(按垂直于图25所示纸张表面的方向排列),它们都与一个公用墨盒102相连。公用墨盒102与一个储墨盒(未示出)相连,其作用是将墨引入各压力发生室100。每个压力发生室100都通过一条供墨通道103与公用墨盒102相连,而且每个压力发生室100都注有墨。另外,各压力发生室100都有一个用来排墨的喷嘴101。
本实施例中,喷嘴101和供墨通路103具有相同的结构:开口直径约30微米,底部直径约65微米,锥形长度75微米。小孔是由冲压而形成的。另外,喷嘴表面经过防水处理。
在压力发生室100的底部有一个膜片104,它能够利用压电调节器105来作为电气-机械转换器以增加或减少压力发生室的体积。本实施例中,膜片104是一个由镍制成的薄片并由电铸成型。压电调节器105由层叠型压电陶瓷制成。
当压电调节器105使压力发生室100的体积发生变化时,在压力发生室100中将产生一个压力波。该压力波使得保留在喷嘴101开口处的墨发生移动,从而使其从喷嘴101向外喷出以形成一个墨滴。
应该注意的是,本实施例中所使用的喷墨记录头的压力波,其固有周期为14微秒。此处,固有周期定义如下。当压电调节器105使膜片104振动以压缩或扩张压力发生室100时,因膜片104的结构改变而产生的内部压力变化将作用在压力发生室100上。此处,作用到压力发生室100内整个区域所需的时间就是其固有周期。
接下来将参考图1和图2对用于驱动压电调节器的驱动电路的基本结构进行说明。
图1是在墨滴直径被固定时(没有进行墨滴直径调节)驱动电路的一个实例。该驱动电路产生并放大一个驱动波形信号,将此信号提供给压电调节器,以用于在记录纸上记录一个字符或一幅图像。如图1所示,该驱动电路包括:波形发生电路107、放大电路108、开关电路(传输门电路)109以及压电调节器105。波形发生电路107由一数-模转换电路和一积分电路组成。在进行积分运算之前,驱动波形数据被转换成模拟数据,从而产生一驱动波形信号。放大电路108对波形发生电路107提供的驱动波形信号的电压和电流进行放大并输出一个放大了的驱动波形信号。开关电路109执行墨滴喷出的开/关控制。开关电路109根据由图象数据所产生的一个信号而将驱动波形信号提供给压电调节器105。
图2是当执行墨滴直径调节(即,按多个步骤切换墨滴直径)时一种驱动电路的基本结构。在驱动电路的这个实例中,为了对墨滴直径进行三级调节(大、中和小墨滴),就需要提供三个波形发生电路107a、107b和107c。各波形分别被放大电路108a、108b和108c放大。在记录期间,切换电路110可根据一个图象数据而对提供给压电调节器105的驱动波形进行切换,这样就可喷出所需直径的墨滴。
应该注意的是,用于驱动压电调节器的驱动电路并不仅限于上述结构,它也可具有其它结构。
图3显示了一个驱动波形的实例,该驱动波形可利用基于图1所示结构的喷墨记录头来排放直径约为20微米的很小墨滴。
该驱动波形由以下阶段组成:预备电压变化过程7,它以t8=30微秒的时间缓慢增大压力发生室100的体积;第一电压变化过程1,它以t1=2微秒的时间快速扩张压力发生室的体积;第二电压变化过程2,它以t3=2微秒的时间快速压缩压力发生室的体积;第三电压变化过程5,它以t5=2微秒的时间快速增大压力发生室的体积;以及第四电压变化过程6,它以t7=30微秒的时间将工作电压缓慢复位至一参考电压(Vb=20V)。应该注意,t2、t4和t6分别被设为4微秒、0.3微秒和8微秒;并且V1、V2和V3被分别设为5V、5V和10V。
预备电压变化过程7具有一个功能,它可从喷嘴开口向压力发生室100缓慢拖动液面3。因此,即使初始液面在t=0微秒时为凹陷形状,液面3也可通过预备电压变化过程7而被拖入喷嘴101,这样就防止了液面3为凹陷形状所产生的负面影响。也就是说,在即将开始第一电压变化过程1之前的t=t8上,液面3处于喷嘴101的开口平面的附近或者被轻微地拖入喷嘴101中。在本实施例中,驱动波形要求在+1至-5微秒的范围内就确认t=t8时液面的中心位置x(见图27(b)所示坐标系统中液面的位置)。
另外,预备电压变化过程7的电压变化时间(t8=30微秒)被设置成比压力波的固有周期(本实施例中为14微秒)充分地长,因此,在图3中的A点上,由于没有产生大的压力波以影响出墨,因而可以使液面被稳定拖入。
第一电压变化过程1具有可快速将液面拖入喷嘴的作用。由于第一电压变化过程1的电压变化时间(t1=2微秒)被设置成小于压力波的固有周期(本实施例中为14微秒),因而这个压力波的作用将在图3中的B点上产生一个大的压力波,液面3被快速拖入喷嘴101以形成一个凹陷液面3。在本实施例所述的驱动波形中所确认的是,在时间t=t8+t1+t2上,液面3的中心部分x被拖入-50至-45微米的位置(见图27(b)所示坐标系统中液面的位置)。
在第二电压变化过程2中,压力发生室100被快速压缩。这样就在凹陷的液面3的中心部分形成了一个如图27(c)所示的细长液柱4。紧接着,液面3被第三电压变化过程5快速拖回。因此,液柱4的末端被分离开并且一个如图27(d)所示的很小的墨滴106将被喷出。在本实施例中可观察到,直径为19微米的墨滴106被以6m/s的速度从开口直径为26微米的喷嘴中喷出。
第四电压变化过程6具有可使压力发生室100返回其初始体积的作用。此处,与压力波的固有周期(本实施例中为14微秒)相比,电压变化时间(t7=30微秒)被设置成足够长。因此,就不会有影响后继喷墨的压力波产生。
图6显示了在图3所示驱动波形被施加给图2所示喷墨记录头时喷墨稳定性的实验评估值。图6a(实线)显示的是当由本发明所述驱动波形交替排出直径为19微米的小墨滴时在喷出间隔(喷出频率)被改变的同时所测得的小墨滴直径。而由大墨滴驱动波形(5(c))所产生的直径为40微米的大墨滴将在后面说明。另外,图6(b)(实线)显示了喷出间隔(喷出频率)与墨滴速度之间的关系。图6(a)和6(b)中的虚线代表的是在使用不执行预备电压变化过程7的常规波形(图26(b))情况下的观测结果。
如图6(a)和6(b)中的虚线所示,当使用常规波形时,墨滴直径和墨滴速度在4至6kHz喷出频率的范围内有较大的变化(直径不规则性为±3微米;墨滴速度不规则性为±1.8m/s)。出现这种情况的原因是,在这个喷出频率范围内,初始液面3具有凹陷形状,并且在排放小墨滴时,会出现如图29所示的异常喷出现象。利用激光多普勒仪对液面3状态进行的观察表明,在4至6kHz的驱动频率范围中,液面3在即将排放一个小墨滴之前的8至15微秒范围内会出现超调量。
另一方面,当使用本发明所述驱动波形时可以确定,在从0.1至10kHz的宽频率范围内,墨滴直径的变化在±0.5微米内,如图6(a)中的实线所示,而墨滴速度的变化则在±0.3m/s之内,如图6(b)所示。这被认为是由于增加了预备电压变化过程7(它可将液面3拖向压力发生室100)而获得的效果,因为该阶段可防止在第一电压变化过程1的工作电压启动时初始液面为凹陷结构。
如上所述,通过利用本实施例所述的驱动方法,就可以在一个较宽的频率范围内稳定地喷出很小的墨滴。
另外,图4显示出了用于排出直径约为20微米的很小墨滴的驱动波形的另一个实例。
该驱动波形含有一个预备电压变化过程7,它由能以t8=30微秒的时间缓慢压缩(减小)压力发生室100体积的电压变化过程7a和能将电压保持t9=50微秒的预定期间的电压变化过程7b组成。另外,该驱动波形还包括:第一电压变化过程1,它以t1=2微秒的时间快速增大压力发生室100的体积;第二电压变化过程2,它以t3=2微秒的时间快速压缩压力发生室100的体积;第三电压变化过程5,它以t5=2微秒的时间快速增大压力发生室100的体积;以及第四电压变化过程6,它以t7=30微秒的时间使工作电压缓慢返回至一参考电压(Vb=15V)。应该注意,t2、t4和t6分别被设为4微秒、0.3微秒和8微秒;并且V1、V2和V3被分别设为5V、5V和10V。
作为电压变化过程7的一个组成部分,电压变化过程7a具有一个可将液面3从喷嘴缓慢推出的功能。因此,无论初始液面是什么结构,液面3都会临时受迫而产生超调量。接下来,在电压保持过程7b期间,液面3会因表面张力的作用而移向压力发生室。在C点(t=t8+t9)上,液面3被置于喷嘴101的开口平面的空腔之中或者被轻微地拖入喷嘴101中。也就是说,由表面张力所造成的液面3的振动是被强制性激发的,并且与初始液面结构无关,这样就可防止液面在当第一电压变化过程1被加载的时间上(C点)处于凹陷构形。在本实施例所述的驱动波形中,液面3的中心位置x处于+2至-4微米的范围之内(见图27(b)所示坐标系统中液面的位置)。
另外,预备电压变化过程7的第一半,即,电压变化过程7a的电压变化时间(t8=30微秒)被设置成比压力波的固有周期(本实施例中为14微秒)充分地长,因此,在图4中的A点和B点上,不会有可能对喷墨产生影响的大压力波出现。另外,为了在时间C使液面在喷嘴开口平面的空腔中获得一个位置或使液面被轻微拖入喷嘴,最好将电压保持过程7b(它构成了预备电压变化过程7的后一半)设置成满足以下条件:(1/3)Tm≤t9≤(2/3)Tm(其中,Tm代表由墨液表面张力所造成的液面振动的固有周期)。
第一电压变化过程1、第二电压变化过程2、第三电压变化过程5以及第四电压变化过程6具有与第一实施例中所述第一电压变化过程1、第二电压变化过程2、第三电压变化过程5以及第四电压变化过程6相同的功能。
从利用驱动波形来执行喷墨的实验中可以观察到,直径为20微米墨滴被从开口直径为26微米的喷嘴中以6.3m/s的滴速喷出。另外,在一个排放小墨滴也排放大墨滴的实验中,与比常规波形相比,本实施例所述的波形可以使喷墨的稳定性获得提高。可以确定的是,在喷墨频率为1至7kHz范围之内,墨滴直径的不规则性处于±0.5微米内,而墨滴速度的不规则性处于±0.3m/s内。
但是,本实施例所述的驱动波形需要有电压保持过程7a,它增加了波形的整体长度。而这对高频喷墨来说是一个缺点。即,图4所示驱动波形的整体长度为128.3微秒,并且它不能以7.8kHz或更高的频率进行喷墨。
因此,图4所示的驱动波形就不适于进行高频驱动,但却可以在进行墨滴直径调节时通过设定一个低参考电压(Vb)以增加墨滴直径的调节范围。
也就是说,在图3所示的上述第一实施例中,参考电压Vb应被设置成大于电压变化量V1和V2的总和(V1+V2),其中,电压变化量V1是预备电压变化过程7所需的,而电压变化量V2是第一电压变化过程1所需的。因此,Vb很少处于高电平。大墨滴的直径基本上由最大可允许工作电压与参考电压之差来决定。因此,如果参考电压增加,则大墨滴直径将减小并且墨滴直径调节范围也减小。相反,在图4的驱动波形中,参考电压Vb=V1-V2。因此,参考电压Vb可被设定成小于图3所示驱动波形中的情况。其结果使得大墨滴的直径得到增加(因为最大可允许工作电压与参考电压之差被增加),并且墨滴直径调节范围也得到增加。
图5显示出了根据本发明另一个实施例所述的用于排放小、中和大墨滴的驱动波形。
图5(a)显示了一个用于排放小墨滴的驱动波形。该驱动波形与图3所示用于以6m/s的速度排放直径为19微米的墨滴的驱动波形相同。预备电压变化过程7的作用是通过使喷墨频率造成的墨滴直径波动处于±0.5微米内,并使墨滴速度变动处于±0.6m/s内。
图5(b)显示了一个用于排放中等墨滴的驱动波形。在中等墨滴驱动波形的情况下也采用了用于稳定液面3的控制方法以减小墨滴尺寸。为此,它包含了预备电压变化过程7。该驱动波形包括:预备电压变化过程7’,它用t8’=30微秒的时间慢慢增大压力发生室100的体积;第一电压变化过程1’,它以t1’=2微秒的时间快速增大压力发生室100的体积;第二电压变化过程2’,它以t3’=2微秒的时间快速压缩压力发生室的体积;以及一电压变化6’,它可使工作电压在t7’=30微秒的时间内缓慢地返回至参考电压(Vb=20V);(t2’=4微秒,t6’=8微秒,V1’=5V,V2’=15V,V3’=18V)。
通过与图5(a)所示小墨滴驱动波形进行比较可以看出,第二电压变化过程2’之后跟随的并不是压力发生室100的增大(不含有第三电压变化过程),而且相对于小墨滴来说,喷墨量也得到增加以使墨滴直径变大。利用本实施例所述的用于中等直径墨滴的驱动波形,就可使直径为28微米的墨滴以6m/s的速度被喷出。与小墨滴驱动波形的情况相类似,预备电压变化过程7’也具有一个可将液面从喷嘴开口缓慢拖向压力发生室100的功能。因此,即使液面3在初始状态下具有大的超调量和凹陷形状,预备电压变化过程7’也可将液面3拖入喷嘴。这样就可以防止凹陷形状的液面3所产生的负面影响。本实施例中,在预备电压变化过程7’结束时(t=t8’),液面的位置x被确认处于+1至-5微米的范围之内(见图27(b)中的坐标系统)。作为结果,墨滴直径变动以及墨滴速度变动都非常小。还可以确认的是,在喷墨频率范围为0.1至10kHz时,中等墨滴的直径变动处于±0.5微米内,其墨滴速度变动处于±0.6m/s内。
另一方面,在图5(c)所示的大墨滴驱动波形中没有执行用来稳定液面3的控制(该控制中没有包含与预备电压变化过程7或7’相对应的控制阶段)。也就是说,液面3在即将喷墨之前并未被拖动。该驱动波形由第二电压变化过程2”和第四电压变化过程6”组成,第二电压变化过程2”能以大的上升时间(t3”=10微秒)压缩压力发生室100的体积,而第四电压变化过程6”则能使工作电压缓慢地返回至参考电压Vb’(V3”=20V,t7”=30微秒)。利用本实施例所述的用于大墨滴直径的驱动波形,就可使直径为28微米的墨滴以6m/s的速度被喷出。喷出频率所造成的直径变动和速度变动分别在±0.9微米和±0.5m/s之内。
图5(a)、5(b)和5(c)中所示的用于小、中等和大墨滴的驱动波形是分别由图2所示的分立的波形发生电路(107a、107b和107c)产生的,而且分级记录是根据图象数据的内容、通过在待被加载给压电调节器的波形之间进行切换而得到执行的。在驱动频率为0.1至10kHz的情况下,大、中和小墨滴能以足够的稳定性而被喷出。小墨滴和中等墨滴的直径变动处于±0.5微米内,其墨滴速度变动处于±0.5m/s内。
应该注意的是,用于进行墨滴直径调节的本发明并不仅限于图5所示的驱动波形组合。例如,大墨滴驱动波形也可含有预备电压变化过程,以使液面在即将喷墨之前只是轻微凹陷。另外,在本实施例所述的中等墨滴驱动波形中,墨滴直径是通过在第二电压变化过程2’之后不增大压力发生室100而得到增加,从而大于小墨滴的。但是,也可通过给第二电压变化过程的电压变化时间(t3’)设定一个大值、或者通过不使用液面稳定性控制方法(例如,不执行图5(b)中的预备电压变化过程7’)来增加墨滴直径。
还有,在图5所示的实施例中,墨滴的分级为大、中和小墨滴三个等级。但是,很明显,本发明也可采用多于三个或少于三个的分级。
如上所述,即使在通过墨滴直径调节来执行分级记录时,也可以通过在用于小和中等墨滴的驱动波形内用来稳定液面的控制阶段中包含进预备电压变化过程,从而获得墨滴直径和墨滴速度的高稳定性。这样,就可以提高图像质量。
本发明不限于上述三个实例所述的结构。例如,图3、图4和图5的实施例中,在第一电压变化过程和第二电压变化过程之间有一个平坦部分,但也可去掉该平坦部分。
另外,在上述各实施例中,偏置电压(参考电压)Vb被设置成给压电调节器加载一个正电压。但是,如果给压电调节器加载一负电压没有问题的话,偏置电压Vb也可被设置成其它电压,如0V。
还有,在上述实施例中所采用的调节器是一种纵向振动式层叠型压电调节器。但是,也可以采用其它类型的调节器,如:水平振动式调节器,整体平板型调节器、弹性振动式压电调节器。
此外,上述实施例采用的是如图25所示的Kyser型喷墨记录头。但是,本发明也可应用于各种类型的喷墨记录头之中,这些喷墨记录头都是通过对压力发生室的压力进行控制以执行喷墨,并且在这些喷墨记录头的压电调节器中都含有一凹槽以作为压力发生室。
另外,本发明也可被应用到另一种喷墨记录头中,这种喷墨记录头所使用的调节器不是压电调节器而是一种电气-机械转换器,如:利用静电力和磁力的调节器。
如上所述,在本发明所述的喷墨记录头驱动方法中,在开始第一电压变化过程(一般都需要有该阶段以正确执行喷墨操作)之前,为了消除初始液面的不良构形(它会在第一电压变化过程之中和之后影响液面的行为),所以液面被缓慢地拖向压力发生室以获得适当的初始液面结构,即,一个平坦或稍微凹陷的结构。这样就可消除各种不稳定的因素,而单独靠第一电压变化过程是不能消除这些因素的。例如,它可防止伴随着如图29(a)所示的初始液面不良构形而极有可能出现的异常喷墨现象。本发明保证可以获得墨滴直径和墨滴速度的高稳定性,并且可以防止因气泡进入喷嘴而造成的异常喷墨。
根据本发明,在用于获得稳定喷墨操作所需的第一电压变化过程之前,先执行预备电压变化过程,这样就可在第一电压变化过程开始时在喷嘴开口处获得优化的墨滴(液面)状态。此举可以抑制因异常初始液面状态而造成的异常喷墨,如墨滴直径变动和墨滴速度变动。其结果将大大提高输出图像的质量。
另外,由于异常喷墨操作得到了抑制,因异常喷墨而造成的附带异常操作也被减少。例如,减少了气泡进入喷嘴的情况。而这将进一步提高设备的可靠性和稳定性。
还有,即使液面在喷墨结束之后具有凹陷结构,这种结构也可在开始下一喷墨操作之前得到纠正。因此,几乎没有必要通过延长喷墨操作周期来稳定液面的结构。与传统方法相比,本发明可以实现高频率的墨滴喷射,从而促进了字符和图像的高速打印。[第二实施例]以下将参考附图对本发明所述的喷墨记录头驱动方法和驱动设备进行说明。
图7是根据本发明第二个实施例所述的喷墨记录头驱动方法的驱动电压波形图。图7(a)是用于排放小直径墨滴的驱动电压波形;图7(b)是用于排放中等直径墨滴的驱动电压波形;图7(c)是用于排放大直径墨滴的驱动电压波形;本发明所述记录方法的特点在于,它根据待被喷出墨滴的直径而提供了多种不同的驱动电压波形,而且在这些驱动电压波形的产生过程中可使不同直径的墨滴在不同的喷墨定时被喷出。本发明所述记录方法的特点还在于,最小直径墨滴的喷出定时被设置成早于其它直径墨滴的喷出定时。
如图7(a)所示,当排放一个小直径墨滴时,电压V1(V1=15V)将被持续加载时间t1(t1[sic]=2微秒)以快速增大压力发生室的体积,这种增大状态被保持t2(t2=4微秒)的时间,其后电压V2(V2=10V)将被持续加载t3(t3=2微秒)的时间,以快速压缩体积。这个压缩状态被保持t4(t4=0.3微秒)的时间,然后电压V3(V3=15V)将被持续加载t5(t5=2微秒)的时间,从而快速增大压力发生室231的体积。该增大状态被保持t6(t6=8微秒)的时间,然后工作电压将在时间t7(t7=30微秒)内缓慢地返回至参考电压Vb(Vb=20V)。
在图中时间t1的电压变化部分211期间,液面被快速拖入喷嘴以脱离凹陷状液面。本实施例中,在时间t=t1+t2期间,液面的中心被拖动至-50至-45微米的位置。
在时间t3的电压变化部分212期间,压力发生室被快速压缩,并且在凹陷状液面的中心形成了一个细长的液柱。
在时间t6的电压变化部分213期间,液面被快速拖入,并且液柱的末端被分离以作为一个小墨滴而被喷出。
在本实施例所述的驱动电压波形中,从电压变化(压力变化)到开始喷出小墨滴所用的时间为t1+t2=6微秒,而与喷墨有关的电压变化结束时间te(喷墨时间)约为10.3微秒。
本实施例中,通过利用图7(a)所示的驱动电压波形,就可使直径约为20微米的墨滴被以6m/s的速度喷出。
如图7(b)所示,当排放一个中等直径的墨滴时,其墨滴的喷出也利用了与小墨滴喷出相同的液面控制。
在图7(b)所示的驱动电压波形中,电压V1’(V1’=15V)被加载,从而使压力发生室的体积被以时间t1’(t1’=2微秒)快速扩张,这种扩张状态被保持t2’(t2’=4微秒)的时间,之后,电压V2’(V2’=20V)将被加载,从而使压力发生室的体积被以时间t3’(t3’=2微秒)快速压缩。
经过间隔时间t4’(t4’=8微秒)之后,工作电压将在时间t7’(t7’=30微秒)内缓慢地返回至参考电压Vb(Vb=20V)。
在图7(b)中,电压变化部分211’、212’和214’分别与图7(a)中用于排放小直径墨滴的电压变化部分211、212和214相对应。
与用于排放小墨滴的驱动电压波形(如图7(a)所示)相比,压力发生室在紧随电压变化部分212’之后的增大,其速度不如在生成小直径墨滴时那么快,因此,会有更多的墨被喷出以形成一个较大直径的墨滴。
通过利用本实施例所述的用于产生中等直径墨滴的驱动电压波形,就可使直径为30微米的墨滴以6m/s的速度喷出(在使用单个喷嘴的情况下)。
应该注意的是,在本实施例所述的用于产生中等直径墨滴的驱动电压波形中,喷墨开始之前的时间t0被设置为约11微秒。因此,用于排放中等直径墨滴的电压变化(压力变化)是在小直径墨滴的喷墨结束之后才开始(t0’>te)。
所以,即使用于排放小墨滴的压力发生室231被用于排放中等墨滴的压力发生室231包围,也不会因结构性交叉干扰而使小墨滴的喷出速度降低或产生喷射错误。这样,就可以使小直径墨滴获得高的喷墨稳定性。
如图7(c)所示,在用于排放大直径墨滴的驱动电压波形中,电压V2”(V2”=22V)将被加载,其上升时间(t3”=10微秒)大于小墨滴和中等墨滴的情况,这种状态被保持t4(t4=15微秒)的时间,之后,工作电压将在时间t7”(t7〃=30微秒)内缓慢地返回至参考电压Vb(Vb=20V)。
通过利用图7(c)所示的驱动电压波形,就可使直径为40微米的墨滴被以7m/s的墨滴速度喷出(在使用单个喷嘴的情况下)。
在用于大直径墨滴的驱动电压波形中,t0〃=11微秒,因此,其电压变化(压力变化)是在小直径墨滴的喷墨结束之后才开始。所以即使用于排放小墨滴的压力发生室231被用于排放大墨滴的压力发生室231包围,也不会有因结构性交叉干扰而使小墨滴的喷出速度降低的危险或产生喷墨故障。
接下来将参考图8对用于根据墨滴直径将驱动电压波形加载至压电调节器的驱动设备的结构进行说明。
用于小墨滴、中等墨滴和大墨滴的驱动电压波形分别由波形发生电路241A、241B和241C产生。由波形发生电路241A、241B和241C产生的驱动电压波形与图7(a)、7(b)和7(c)所示的驱动电压波形相同。
在各波形发生电路241A、241B和241C中所产生的驱动电压波形被放大电路242放大并分别传送给线路244A、244B和244C。
在各压电调节器236与线路244A、244B和244C之间配备有切换电路243,它用于对线路244A、244B和244C与压电调节器236之间的连接进行切换。切换电路243可根据一个图象数据而在线路244A、244B和244C之间进行切换,从而使待被加载给压电调节器236的驱动电压波形得到切换,进而在从喷嘴喷出的墨滴的墨滴直径之间进行切换。这样就可执行分级记录。
图9说明了图8所示驱动设备的功能。该图是当小、中和大直径的墨滴A、B和C从喷嘴232喷出时的状态侧视图。
当小直径墨滴根据波形发生电路241A所产生的驱动电压波形而被喷出时(图9(a)的状态),压电调节器236将根据波形发生电路241B和241C所产生的驱动电压波形而被驱动,因而中等直径墨滴B和大直径墨滴C将从喷嘴232中同时喷出(图9(b))。
本实施例中,可以在0.1至10kHz的驱动频率范围内使小直径墨滴A、中等直径墨滴B和大直径墨滴C得到稳定的喷射。另外,可以确定的是,即使同时被驱动的压电调节器236的数目或喷墨图案发生变化,也不会产生墨滴速度变动或喷墨故障(它们会影响被记录图像的质量)。
另一方面,在本实施例所用的喷墨记录设备中还利用图33所示常规波形(其时间和参数与图7的波形相同)进行了一个记录实验。在该实验中,小直径墨滴的喷墨状态明显被降低。尤其对于一个其中混合有小直径墨滴A、中等直径墨滴B和大直径墨滴C的图像图案来说,滴在某一位置上的小墨滴A产生了很大的偏移,并且出现了小墨滴A的喷射错误。
出现上升情况的原因是,在图33所示的传统驱动电压波形中,用于排放中等和大直径墨滴的电压变化(压力变化)是出现在小墨滴被喷出的时间之前(时间范围0≤t≤te),因而结构性交叉干扰对喷墨产生了很大的影响。
应该注意的是,与传统驱动电压波形(图30)相比,图7(b)和7(c)中所示中和大直径墨滴的喷出周期仅被偏移了约11微秒,因而几乎对墨滴喷出频率没有影响。更具体地说,即使采用与传统驱动电压波形的极限喷墨频率(15kHz)相同的驱动频率,也可获得稳定的喷墨。
如上所述,通过利用本发明所述的驱动方法和驱动设备,就可以在不减小喷墨频率的情况下,消除因结构性交叉干扰而造成的小墨滴的不稳定喷射。这样,就能够在高速情况下获得高质量的图像。
应该注意,使用本发明所述内容的用于墨滴直径调节的驱动电压波形不仅限于本实施例中示出的驱动电压波形。
例如,用于大直径墨滴的驱动电压波形可以含有一个电压变化过程,以使液面在喷射前处于轻微凹陷的状态。
另外,在用于中等直径墨滴的驱动电压波形中,其墨滴直径被做得大于小直径墨滴,而无需在电压变化部分212’之后立即对压力发生室231进行增大。但是,也可通过将电压变化时间(t1’)设置为一个更大的值以增加墨滴的直径。还有,也可在不使用液面控制的情况下增大墨滴的直径。
此外,在本实施例中是以大、中和小墨滴三级墨滴直径分级为例而进行说明的。但是,分级也可被设为二级或四级或者超过四级。
还有,驱动电压波形被设置用于在中等直径墨滴和大直径墨滴之前先排放小直径墨滴。但是,为了达到本发明的目标,也可将小直径墨滴的喷墨定时设置在中等直径墨滴和大直径墨滴喷射之后。应该注意到,小直径墨滴容易受空气阻力的影响从而延迟到达记录介质。因此,最好在中等和大直径墨滴喷射之前先喷射小直径墨滴。
另外,在本实施例中,驱动电压波形被设置成能使小直径墨滴不受结构性交叉干扰的影响。但是,也可将小直径墨滴和中等直径墨滴设置在相同的喷墨定时上,而只移动容易造成结构性交叉干扰的大直径墨滴的喷墨定时。[第三实施例]图10是根据本发明第三个实施例所述的驱动方法的驱动电压波形图。图10(a)用于排放小直径墨滴;图10(b)用于排放中等直径墨滴;图10(c)用于排放大直径墨滴。
应该注意,在第三实施例中,小直径墨滴被设置成约为20微米;中等直径墨滴被设置成约为30微米;而大直径墨滴则被设置成约为40微米。
在本实施例中,喷墨定时可根据墨滴的直径而发生移动,这样就可以减少用于驱动压电调节器的最大瞬时电流,从而减少了驱动电路系统的成本。
本实施例所述的驱动电压波形,其特点在于小直径墨滴、中等直径墨滴及大直径墨滴是在不同的周期上被喷出的。
用于小直径墨滴、中等直径墨滴及大直径墨滴的驱动电压波形所具有的结构和功能基本上与图7中的驱动电压波形相同。但是,在图10中,与第二实施例(图7所示)不同的是,用于中等直径墨滴的驱动电压波形(图(b))所具有的电压变化开始时间(t0’)被设置为5微秒,而用于大直径墨滴的驱动电压波形(图(c))所具有的电压变化开始时间(t0”)则被设置为13微秒。
本实施例中,因为用于中等直径墨滴的驱动电压波形被设置为t0’=5微秒,所以由电压变化部分222’产生的压力发生室231的压缩定时是在用于排放小直径墨滴的电压作用(电压变化部分211至213)完成之后。因此,即使用于排放小墨滴的压力发生室被用于排放中等墨滴的压力发生室包围,也不会有因结构性交互干扰而使墨滴速度降低的危险或产生喷墨错误。这样就可以获得高稳定性的小直径墨滴的喷墨。
应该注意到,在本实施例所述的驱动电压波形中,中等直径墨滴的液面控制阶段(电压变化部分221’)是在小直径墨滴喷墨期间被执行的。因此,小直径墨滴喷墨只受到轻微的结构性交叉干扰。但是,由于电压变化部分221’是使压电调节器按照增大压力发生室的方向移动,所以结构性交叉干扰的作用只是增加了小直径墨滴的速度。因此,与小直径墨滴的墨滴速度降低及喷墨错误相比,此举可使对图像质量的影响得到抑制。
在用于大直径墨滴的驱动电压波形中,t0”=13微秒。因此,其电压变化是在用于排放小直径墨滴和中等直径墨滴的电压变化(电压变化部分221至223,以及电压变化部分221’至222’)结束之后才开始的。
图11是喷墨记录头的侧视图,它显示了从喷嘴232喷出的各种墨滴。如图11所示,墨滴A、B和C是按照小、中和大直径墨滴的顺序被喷出的。
因此,即使用于排放小墨滴A和中等直径墨滴B的压力发生室231被用于排放大墨滴C的压力发生室231包围,也不会出现小直径墨滴A和中等直径墨滴B速度降低的危险或喷墨错误。
在本实施例中,用于小、中和大直径墨滴的驱动电压波形也是由图8所示的单独波形发生电路(241A、241B和241C)产生的。加载给压电调节器236的驱动电压波形是根据图象数据而被切换以执行分级记录的。
作为结果,可以确定的是,本实施例可在驱动频率为0.1至10kHz的范围内获得稳定的喷墨而不会产生喷墨错误。在第三实施例中应该注意的是,小直径墨滴A、中等直径墨滴B及大直径墨滴C是按照上述顺序被喷出的。但是,如果能够防止结构性交叉干扰的话,也可改变上述顺序。
但是,结构性交叉干扰的影响会随着墨滴直径的变小而增加。因此,最好先执行较小墨滴的喷射。
本发明不仅限于上述各实施例。例如,在上述实施例中,振动发生单元是由压电常数为d33的纵向振动式分层压电调节器236来实现的。但是,也可使用其它类型的压电发生单元,如压电常数为d31的纵向振动式振动发生单元,单板型压电调节器,或反射振动式压电调节器。
另外,在上述各实施例中采用的是如图30所示的Kyser型喷墨记录头。但是,本发明也可应用于其它类型的喷墨记录头之中,如这样一种喷墨记录头,在该喷墨记录头的压电调节器中配备有一凹槽以作为压力发生室。
此外,本发明也可被应用于使用了非压电调节器的其它调节器(例如,使用静电力或磁力的调节器)的喷墨记录头之中。另外,在上述实施例中,喷墨记录设备将彩色墨喷在一记录纸上以记录一字符或图像。但是,本发明不限于只将字符和图像记录在记录纸上,而且墨水也不限于彩色墨水。
根据本发明,驱动电压波形是根据墨滴的直径而产生的,并且该驱动电压波形被以不同的时间差加载给为各压力发生室配备的振动发生单元。因此,当墨滴被从压力发生室中喷出时,其振动将不会影响其它的压力发生室。这样,具有所需直径的墨滴就被在各压力发生室中产生并且被以所需的速度从喷嘴喷出。此举大大提高了被记录图像的质量。
另外,由于驱动电压波形是根据墨滴直径而产生的,因而就可以在短时间周期内连续喷出不同直径的墨滴。因此,就没有必要延长记录所需的时间。[第四实施例]
以下将参考附图对本发明给出的多个实施例进行说明。这些说明是以具体实例的形式而进行的。[第四实施例的第一个实例]首先,将对本发明的第四实施例进行说明。
图12(a)的截面图显示了一种喷墨记录头的结构,该喷墨记录头安装在一喷墨记录设备上,而此喷墨记录设备则使用了根据本发明第四实施例所述的喷墨记录头驱动方法。图12(b)为该喷墨记录头的分解剖视图。
如图12(a)所示,本实例中的喷墨记录头是一个按需要滴液的Kyser型多喷嘴记录头,在该记录头中,当需要在一记录介质上打印字符或图像时,墨滴337就被喷出。该喷墨记录头包括:多个压力发生室331,其每个压力发生室都具有平行六面体的结构并且按垂直于纸张位置的方向排列;膜片335,它们分别构成了各压力发生室331的底部;多个压电调节器336,它们被安置在膜片335的背面并对应于各压力发生室331;一公用墨盒(储墨槽)332,它与一储墨池(未示出)相连用于为各压力发生室331供应墨水;多个供墨孔(供墨通路)333,它们用于在储墨库332与各压力发生室331之间建立联系;以及多个喷嘴,每个喷嘴都分别对应于各压力发生室331,其作用是将墨滴337从各压力发生室331的弯曲部分凸出的末端排出。此处,储墨槽332、供墨孔333、压力发生室331以及喷嘴334构成了一个墨水流通部分,而压电调节器336和膜片335则构成了一个驱动部分用以将压力波施加给压力发生室中的墨水。流通部分与驱动部分之间的接触点就是压力发生室331的底部(即,图中膜片的上表面)。
压电调节器336是压电常数为d33的纵向振动式压电调节器,它由层叠型压电陶瓷制成,并且具有可驱动柱状的结构:长(L)690微米,宽(W)1.8微米,深(垂直于图12中纸张的方向)120微米,其作用是使压力发生室331产生移动。压电调节器336由密度ρp为8.0×103[kg/m3]且弹性系数Ep为68GPa的压电材料制成。压电调节器336自身所测得的固有周期Ta为1.0微秒。
本实施例中的喷墨记录头是按如下步骤制作的。如图12(b)所示,首先执行蚀刻或类似工作以准备出一块喷嘴板334a,它具有以列或棋子结构排列的多个喷嘴;一块槽板332a,它含有用于形成储墨槽332的空间;一块具有供墨孔333的供墨孔板333a;一块压力发生室板331a,它具有可形成多个压力发生室的空间;以及一块振动板335a,它构成了多个膜片335。这些板331a至335a被一种厚度约为5微米的热固树脂(未示出)粘在一起,从而形成了多层板。接下来,多层板被用一个热固树脂粘合层或环氧树脂粘合层粘在压电调节器336上,因此就形成了一个具有上述结构的喷墨记录头。在本实施例中应该注意的是,振动板335a是由一块电铸成型的镍板制成的,其厚度为50至70微米,而其它的板331a至334a则由厚度为50至70微米的不锈钢制成。另外,本实例中的喷嘴,其顶部开口直径为30微米,底部开口直径为75微米,即,它形成为一种锥形结构,在这种结构中,直径朝向压力发生室331的方向逐渐增加。膜片孔333与喷嘴334以相同结构形成。
接下来,将参考图13和14对一种驱动电路的电子结构进行说明,该驱动电路用于对具有上述结构的喷墨记录头进行驱动并构成了一个喷墨记录设备。
本实例中的喷墨记录设备含有一个CPU(中央处理器)以及存储器,如ROM和RAM。CPU可执行保存在ROM中的程序,并且可根据由上级节点设备(如个人电脑)通过接口所提供的图象数据,利用RAM中的各种寄存器和标志来控制用于将字符或图像记录在一记录介质上的各个单元。
首先,图13所示的驱动电路包括一波形发生电路361,一放大电路362以及一开关电路363。驱动电路可产生一与图15中被放大的驱动波形信号相对应的驱动波形,并可在将其提供给压电调节器336之前对信号进行放大。这样就可使相同直径的墨滴337一直喷出以将字符和图像记录在一记录介质上。
波形发生电路361由一数-模转换电路和一积分电路组成。CPU从ROM的预定存储区域中所读出的一个驱动波形数据被转换成一模拟数据,然后该数据被执行积分处理,从而产生了一个与图15所示被放大的驱动波形信号相对应的驱动波形信号。放大电路362对波形发生电路361所提供的驱动波形信号进行放大,并输出此被放大的驱动波形信号,如图15所示。开关电路363由(例如)一个传输门构成,该传输门具有一个与放大电路362输出端相连的输入端,一个与压电调节器336一端相连的输出端,以及一控制端。当其控制端上加载有根据一图象数据而在一驱动控制电路(未示出)中产生的控制信号时,传输门将导通并将放大电路362输出的被放大的驱动波形信号(见图15)加载给压电调节器336。此处,压电调节器336根据其上加载的被放大的驱动波形信号而使膜片335发生移动。膜片335的移动将使压力发生室331产生突然的体积变化(增大或减小),从而在装有墨水的压力发生室331中产生一个预定大小的压力波。在这个压力波的作用下,直径约为20微米的极小墨滴337被喷出。应该注意,在本实施例所述的喷墨记录头中,装有墨水的压力发生室中331之中的压力波,其固有周期Tc为10微秒。被喷出的墨滴337到达一记录介质,从而形成了一个记录点。这种记录点的形成就根据一图象数据而被重复执行,从而达到了将字符或图像记录在记录介质上的目的。
接下来,图14中所示的驱动电路是一个所谓的墨滴直径调节型驱动电路,该电路可通过对从喷嘴334喷出的墨滴直径进行多级切换(本实施例中,大墨滴直径为40微米,中等墨滴直径为30微米,而小墨滴直径则为20微米),从而对字符或图像进行多层次的记录。该驱动电路包括:三个波形发生电路371a、371b和371c;分别与波形发生电路371a、371b和371c连接的放大电路372a、372b和372c;以及多个切换电路373、373、373,每个切换电路都分别与压电调节器336、336、336相连。
波形发生电路371a至371c中的每个电路都由一个数-模转换电路和一个积分电路组成。在这些波形发生电路371a至371c中,波形发生电路371a可将由CPU从ROM的预定存储区域中读出的用于排放大墨滴的驱动波形数据转换成模拟数据并执行数据积分,从而产生一个用于排放大墨滴的驱动波形信号。而波形发生电路371b则可将由CPU从ROM的预定存储区域中读出的用于排放中等墨滴的驱动波形数据转换成模拟数据并执行数据积分,从而产生一个用于排放中等墨滴的驱动波形信号。另外,波形发生电路371c可将由CPU从ROM的预定存储区域中读出的用于排放小墨滴的驱动波形数据转换成模拟数据并执行数据积分,从而产生一个用于排放小墨滴的驱动波形信号。
放大电路372a可对波形发生电路371a所提供的用于大墨滴喷墨的驱动波形信号进行放大,并输出被放大的驱动波形信号以用于进行大墨滴喷墨。而放大电路372b则可对波形发生电路371b所提供的用于中等墨滴喷墨的驱动波形信号进行放大,并输出被放大的驱动波形信号以用于进行中等墨滴喷墨。另外,放大电路372c可对波形发生电路371c所提供的用于小墨滴喷墨的驱动波形信号进行放大,并输出被放大的驱动波形信号以用于进行小墨滴喷墨(见图15)。
此外,切换电路373由第一、第二和第三传输门组成。第一传输门的一个输入端与放大电路372a的输出端相连,第二传输门的一个输入端与放大电路372b的输出端相连,而第三传输门的一个输入端则与放大电路372c的输出端相连。第一、第二和第三传输门的输出端分别与相应的普通压电调节器336的一端相连接。
当第一传输门的控制端被加载上一个根据图象数据而在一驱动控制电路(未示出)中产生的分级控制信号时,第一传输门将导通并将放大电路372a输出的用于大液滴的放大驱动波形信号加载给压电调节器336。而压电调节器336则根据其上加载的被放大的驱动波形信号而使膜片335发生移动。膜片335的移动将导致压力发生室331的体积产生突然变化(增大或减小),从而在装有墨水的压力发生室331中产生一个压力波。在这个压力波的作用下,大墨滴将从喷嘴334喷出。
当第二传输门的控制端被加载上一个根据一图象数据而在一驱动控制电路(未示出)中产生的分级控制信号时,第二传输门将导通并将放大电路372b输出的用于中等墨滴的放大驱动波形信号加载给压电调节器336。而压电调节器336则根据其上加载的被放大的驱动波形信号而使膜片335发生移动。膜片335的移动将导致压力发生室331的体积产生突然变化(增大或减小),从而在装有墨水的压力发生室331中产生一个压力波。在这个压力波的作用下,中等墨滴将从喷嘴334中喷出。
另外,当第三传输门的控制端被加载上一个根据一图象数据而在一驱动控制电路(未示出)中产生的分级控制信号时,第三传输门将导通并将放大电路372c输出的用于小液滴的放大驱动波形信号加载给压电调节器336。而压电调节器336则根据其上加载的被放大的驱动波形信号而使膜片335发生移动。膜片335的移动将导致压力发生室331的体积产生突然变化(增大或减小),从而在装有墨水的压力发生室331中产生一个压力波。在这个压力波的作用下,小墨滴将从喷嘴334中喷出。被喷出的墨滴337到达一记录介质并形成了一个记录点。这种记录点将根据一图象数据而被重复形成,从而达到了将字符或图像按照多个层次记录在记录介质上的目的。
本实施例中,图14所示的驱动电路被安装在一用于执行分层记录的喷墨记录设备上。而图13所示的驱动电路被安装在一专门用来进行二进制数记录而不执行分层记录的喷墨记录设备上。
如图15所示,上述被放大的驱动波形信号包括:第一电压变化过程381,该过程可在拖尾时间t1=产生于压力发生室331之中的压力波的固有周期Tc的1/2的时间内,通过将加载到压电调节器336上的电压V从参考电压Vb减小至电压(Vb-V1),从而增加压力发生室331体积并使液面退降;第一电压保持过程382,它可在一确定时间周期(t2)内将工作电压V保持为电压(Vb-V1);第二电压变化过程383,该阶段可在一上升时间t3内,通过将加载到压电调节器336上的电压V最大增加至(Vb-V1+V2),从而减小压力发生室的体积并在液面中心形成一个液柱;第二电压保持过程384,它可在一确定时间周期(t4)内将工作电压V保持为电压(Vb-V1+V2);以及第三电压变化过程,它可将加载到压电调节器336上的电压V最大增加至参考电压Vb,这样就可通过减小压力发生室331的体积以喷出一个墨滴337并为下一次喷墨操作作好准备。
接下来,将以这种喷墨记录头驱动方法为根据,按照如下条件来设定驱动波形信号的波形条件以进行墨滴337的喷射实验:参考电压Vb=25V第一电压变化过程381中的电压变化量V1=15V,第二电压变化过程383中的电压变化量V2=12V,第一电压变化过程381中的电压变化时间t1=5微秒,第一电压保持过程382中的电压保持时间t2=0.3微秒,第二电压变化过程381中的电压变化时间t3=1.5微秒,第二电压保持过程382中的电压保持时间t4=6微秒,以及第三电压变化过程385中的电压变化时间t5=20微秒。
通过改变第一电压变化过程381中的电压变化时间t1来对墨滴直径的变化进行检查。应当注意,电压保持时间t2满足以下给出的公式(3)。通过设置第一电压变化过程381中的电压变化量V1就可获得一个恒定的液面退降量。通过对第二电压变化过程381中的电压变化量V2进行调节,就可获得6m/s的墨滴速度。
[公式3]t1+t2=1/2·Tc    …    (3)图16显示出了第一电压变化过程381中的电压变化时间t1与墨滴337直径之间的关系。参考图16可以看出,在电压变化时间t1为压力发生室331中产生的压力波的固有周期Tc的1/2时,墨滴337具有最小的直径,而这也是排放小墨滴的最佳条件。在以上实验中可以观察到,一个直径为21微米的墨滴被以6.2m/s的速度喷出。
作为比较,在图15所示被放大的驱动波形信号中,电压变化时间t1被设置为2微秒并且电压保持时间t2被设置为3微秒以用来进行墨滴337的喷出实验。实验的结果是,无论对电压变化量V1和V2进行各种调节,实验所获得的最小墨滴直径都是25微米。
从图16中可以看出,为了得到小墨滴,电压变化时间t1不一定精确地等于固有周期Tc的1/2,它也可以大约为固有周期Tc的1/2左右。更具体地说,电压变化时间t1最好满足以下给出的公式4。
[公式4]1/3·Tc≤t1≤2/3·Tc另外,第一电压保持过程382中的电压保持时间t2最好尽可能地短,这样才能与图15中的转折点B和C上所产生的颗粒速度的相位相匹配。如果电压保持时间t2满足公式(5),就可使小墨滴被喷出。
[公式5]t2≤1/5·Tc    …(5)
还有,第二电压变化过程383中的电压变化时间t3最好尽可能地短,这样才能在液面中获得足够的颗粒速度以形成一个液柱。更具体地说,电压变化时间t3最好满足以下公式(6)。
[公式6]t3≤1/3·Tc    …(6)因此,通过利用这种结构,在图15所示的被放大的驱动波形信号中,如果电压变化时间t1被设置成约为固有周期Tc的1/2,并且电压保持时间t2被设置得足够短,则可以保证使直径约为20微米的小墨滴得到稳定的喷射。
在这种情况中应该注意,与图38所示传统驱动波形信号中的上升时间t3和拖尾时间t5不同,图15所示被放大的驱动波形信号中的电压变化时间值t1,t2,和t5不必被设置成小于压电调节器336的固有周期Ta。因此,压电调节器336自身的固有振动不会被激发,从而不会出现流入压电调节器的电流增加的危险,因为电流的增加会降低调节器的可靠性和使用寿命。[第四实施例的第二个实例]以下将对第四实施例的第二个实例进行说明。
图17显示出了在根据第四实施例的第二个实例所述的喷墨记录头驱动方法中所使用的一个被放大的驱动波形信号的波形形状实例。
如图17所示,在本实施例中,被放大的驱动波形信号由以下部分组成:第一电压变化过程386,该阶段可在拖尾时间t1(它等于产生于压力发生室331之中的压力波的固有周期Tc的1/2)内,通过将加载到压电调节器上的电压V从参考电压Vb减小至电压(Vb-V1),从而增加压力发生室331体积并使液面退降;第一电压保持过程387,它可在一确定时间周期(t2)内将工作电压V保持为电压(Vb-V1);第二电压变化过程388,该阶段可在一上升时间t3内,通过将加载到压电调节器336上的电压V最大增加至(Vb-V1+V2),从而减小压力发生室331的体积以在液面中心形成一个液柱;第二电压保持过程389,它可在一确定时间段(t4)内将工作电压V保持为电压(Vb-V1+V2);第三电压变化过程390,该阶段可通过在一牵引时间t5内将工作电压V从(Vb-V1+V2)减小至(Vb-V1),从而增加压力发生室331的体积并将墨滴337从处于早先阶段的液柱的末端分离开;第三电压保持过程391,它可在一确定时间周期(t6)内将工作电压V保持为电压(Vb-V1);以及第四电压变化过程392,它可将加载到压电调节器上的电压V最大增加至参考电压Vb,这样就可通过减小压力发生室331的体积以喷出一个墨滴337并为下一次喷墨操作作好准备。
接下来,将以上述喷墨记录头驱动方法为根据,按照如下条件来设定驱动波形信号的波形条件以进行墨滴337的喷射实验:参考电压Vb=25V第一电压变化过程386中的电压变化量V1=15V,第二电压变化过程388中的电压变化量V2=12V,第一电压变化过程386中的电压变化时间t1=5微秒,第一电压保持过程387中的电压保持时间t2=0.3微秒,第二电压变化过程388中的电压变化时间t3=1.5微秒,第二电压保持过程389中的电压保持时间t4=0.2微秒,第三电压变化过程390中的电压变化时间t5=1.5微秒,第三电压保持过程391中的电压保持时间t6=6微秒,以及第四电压变化过程392中的电压变化时间t7=20微秒。
作为结果,可以观察到一个直径为16微米的墨滴被以6.0m/s的速度喷出。
因此,通过利用这种结构,在图17所示的被放大的驱动波形信号中,第三电压变化过程390被紧接在第二电压变化过程388之后立刻提供,从而增加压力发生室331的体积并将墨滴337从早先阶段中的液柱的末端分离开。因此,与第四实施例的被放大的驱动波形信号(图15所示)相比,它可以喷出更小的墨滴337。
应该注意,第二电压保持过程389中的电压保持时间t4最好尽量短,这样才能将墨滴337从处于早先阶段的液柱的末端分离开。更具体地说,电压保持时间t4最好最好满足以下给出的公式(7)。
[公式7]t4≤1/5·Tc      …(7)另外,第三电压变化过程390中的电压变化时间t5最好尽可能短,这样才能在当墨滴337被从处于早先阶段的液柱末端分离开时获得足够的颗粒速度。更具体地说,电压变化时间t5最好满足以下公式(8)。
[公式8]t5≤1/3·Tc     …(8)[第四实施例的第三实例]接下来,将对第四实施例的第三个实例进行说明。
图18显示出了在根据第四实施例的第三个实例所述的喷墨记录头驱动方法中所使用的一个被放大的驱动波形信号的波形实例。
如图18所示,在本实施例中,被放大的驱动波形信号由以下部分组成:第一电压变化过程393,该阶段可在牵引时间t1(它等于产生于压力发生室331之中的压力波的固有周期Tc的1/2)内,通过将加载到压电调节器上的电压V从参考电压Vb减小至电压(Vb-V1),从而增加压力发生室331体积并使液面退降;第一电压保持过程394,它可在一确定时间段(t2)内将工作电压V保持为电压(Vb-V1);第二电压变化过程395,该阶段可在一上升时间t3内,通过将加载到压电调节器336上的电压V最大增加至(Vb-V1+V2),从而减小压力发生室331的体积以在液面中心形成一个液柱;第二电压保持过程396,它可在一确定时间段(t4)内将工作电压V保持为电压(Vb-V1+V2);第三电压变化过程397,该阶段可通过在一牵引时间t5内通过将工作电压V从(Vb-V1+V2)减小至(例如)0V,从而增加压力发生室331的体积并将墨滴337与液柱的末端进行早期分离;第三电压保持过程398,它可在一确定时间段(t6)内将工作电压V保持为电压0V;第四电压变化过程399,它可通过将加载到压电调节器上的电压V最大增加至V4,从而减小压力发生室331的体积以抑制墨滴337被喷出后剩余压力波的残留影响;以及第五电压变化过程300,它可通过将电压V增加至参考电压Vb,从而减小压力发生室331的体积以喷出一个墨滴337,并为下一次喷墨操作作好准备。
接下来,将以上述喷墨记录头驱动方法为根据,按照如下条件来设定驱动波形信号的波形条件以进行墨滴337的喷射实验:参考电压Vb=25V第一电压变化过程393中的电压变化量V1=15V,第二电压变化过程395中的电压变化量V2=12V,第三电压变化过程397中的电压变化量V3=16V,第四电压变化过程399中的电压变化量V4=14V,第一电压变化过程393中的电压变化时间t1=5微秒,第一电压保持过程394中的电压保持时间t2=0.3微秒,第二电压变化过程395中的电压变化时间t3=1.5微秒,第二电压保持过程396中的电压保持时间t4=0.2微秒,第三电压变化过程397中的电压变化时间t5=1.5微秒,
第三电压保持过程398中的电压保持时间t6=1.5微秒,第四电压变化过程392中的电压变化时间t7=2微秒,第五电压变化过程300中的电压变化时间t8=15微秒。
作为结果,可以观察到一个直径为14微米的墨滴被以6.3m/s的速度喷出。
此处,图19显示了颗粒速度变化与图18所示被放大的驱动波形信号所用时间之间的关系,上述颗粒速度变化是利用公式(2)并只考虑公式(1)中的振动单元而计算出来的。在图19中,细线“a”至“d”代表了在图18所示被放大的驱动波形信号的转折点A、B、C和D上所产生的颗粒速度变化,而粗线“s”则代表了颗粒速度变化的总和,即,在液面中所产生的实际颗粒速度变化。
通过利用本实例的结构,在图18所示的被放大的驱动波形信号中,第一电压变化过程393中的电压变化时间t1被设置为产生于压力发生室之中的压力波的固有周期Tc的1/2。因此,从图19可以明显看出,在转折点A、B和C上所产生的颗粒速度变化的相位几乎相互匹配。因此,就可以在时间范围t2中使颗粒速度得到突然增加。
另外,在图18所示的被放大的驱动波形信号中提供了第三电压变化过程397。由于第三电压变化过程397中的电压变化量V3被设置成大于第二电压变化过程395中的电压变化量V2,所以从图19中可以明显看出,颗粒速度在时间范围t3中被突然减小。
此举可将处于早先阶段的墨滴337从液柱的末端分离开,并使得被喷出的墨滴337所具有的直径要小于第二个实例(图17)中被放大的驱动波形信号所产生的墨滴的直径。
另外,在具有上述结构的这个实例中,在图18的被放大的驱动波形信号中,由于在第三电压变化过程390之后跟随了具有一拖尾时间t7的第四电压变化过程399,这样就可使在第一至第三电压变化过程393、395、397中所产生的压力波以及在墨滴337被喷出后剩余的压力波的残留影响得到抑制。因此,由墨滴337所产生的压力波将不会对其后的墨滴337的喷射产生影响。所以,即使被放大的驱动波形信号具有较高的频率,也可使墨滴337获得稳定的喷射。在利用上述第一和第二实例时(见图15和图17),如果放大的驱动波形信号的频率被设置为8kHz或更高,则墨滴337的喷出状态将变得有些不稳定。与之相比,当利用第三个实例所述的被放大的驱动波形信号(见图18)时,可以确认的是,墨滴337在被放大的驱动波形信号的频率最高达到12kHz的情况下可以得到稳定的喷射。图19也显示出了在时间范围t4中,颗粒速度变化将变得非常小。
另外,根据本实例所述的这种结构也可提高墨滴337的飞行特性(如喷出方向)。如上所述,在图18所示被放大的驱动波形信号中提供有第四电压变化过程399,其作用是抑制墨滴337喷射之后所剩余的压力波的残留影响。此举可在墨滴337被喷出之后立刻使液面稳定,并可使墨滴的飞行方向也变得平稳和均匀。
应该注意的是,第三电压保持过程398中的电压保持时间t6最好尽量短,其目的是为了抑制残留影响。更具体地说,电压保持时间t6最好满足以下给出的公式(9)。
[公式9]t6≤1/3·Tc    …(9)另外,第四电压变化过程399中的电压变化时间t7最好尽量短,其目的是为了有效地产生一个用于抑制残留影响的压力波。更具体地说,电压变化时间t7最好满足以下给出的公式(10)。
[公式10]t7≤1/2·Tc    …(10)对本发明所作的以上说明并不仅限于上述实施例,也可以在不脱离本发明范围的情况下对其进行各种修改。
例如,在上述实施例中,根据本发明所述的喷墨记录头驱动方法被应用于(如)打印机、绘图仪、复印机、传真机或类似设备之中,这些设备都是通过从喷嘴喷出彩色墨水以将字符或图像记录在一记录介质(如纸张或OHP薄膜)上,但是,本发明并不仅限于这些应用。
也就是说,上述记录介质可以是高分子薄膜或者玻璃,而且从喷嘴喷出的液体可以是熔化的焊料。即,根据本发明所述的喷墨记录头驱动方法通常可被应用在一种液滴喷射设备中,这种喷墨设备如:一种可通过从喷嘴排放出彩色墨水以在一高分子薄膜或玻璃上制备出一个滤色器的液滴喷射设备;以及一种可通过从喷嘴排放出熔化的焊料以在一衬底上形成一个用于部件安装的凸起的液滴喷射设备。
另外,在上述实施例中,喷嘴334具有锥形结构,但它并不只限于这种结构。类似地,喷嘴334的开口可以具有圆形以外的其它形状,如直角或直角形。还有,喷嘴334与压力发生室331及供墨孔333之间的位置关系也不受上述实施例中附图所示内容的限制。例如,喷嘴334可以被安置在压力发生室331的中央。
另外,在上述实施例中,压力发生室331具有平行六面体的结构,但压力发生室331的结构并不限于此。
还有,在上述实施例中,偏置电压(参考电压)Vb被设置成使压电调节器336上所加载的电压总为正电压。但是,如果压电调节器336上可加载一个负电压,则偏置电压Vb也可被设置为其它电压,如0V。
另外,在上述实施例中使用的是Kyser型喷墨记录头。但是,如果墨滴被从喷嘴喷出是通过利用压力发生单元改变压力发生室中的压力而实现的,则也可使用Kyser型以外的其它类型喷墨记录头。例如,它可以是这样一种喷墨记录头,在这种喷墨记录头的压电调节器中提供有一个凹槽以用作压力发生室。
另外,在上述实施例中进行的实验所采用的产生于压力发生室中的压力波,其固有周期Tc为10微秒。即使不采用这个固有周期Tc也可得到类似的效果。但是,如果固有周期Tc太长,那么形成一个小墨滴将变得很难。因此,为了喷出一个直径约为15至20微米的墨滴,则最好将固有周期Tc设置为15微秒或低于15微秒。
另外,在上述实施例中,压电调节器336采用的是压电常数为d33的纵向振动式压电调节器,但是,也可采用其它类型的压电调节器,如压电常数为d31的纵向振动式压电调节器。
此外,在上述实施例中,压力发生单元是由层叠型压电陶瓷制成的压电调节器336。但是,压力发生单元也可是一种具有其它结构的压电调节器(如单板型压电调节器)或其它类型的电气-机械转换器或磁致伸缩元件,或者是静电调节器。在使用这些器件的情况下,也可获得类似的效果。
还有,在上述实施例中使用了如图13和图14所示的驱动电路,但本发明不仅限于这些电路。如果图15、图17或图18中所示的被放大的驱动波形信号能被加载给压电调节器336,则也可以使用具有其它结构的驱动电路。
如上所述,在本发明所述的驱动波形信号中,第一电压变化过程中的电压变化时间被设置成处于产生于压力发生室之中的压力波的固有周期Tc的1/3至2/3的范围之内,而且第二电压变化过程的开始时间被设置成紧随第一电压变化过程完成之后。这样就可使直径约为20微米的小墨滴得到稳定的喷射。另外,由于压电调节器自身的固有频率未被激活,因而不会出现流入压电调节器的电流增加的危险,因为电流的增加会降低压电调节器的可靠性和使用寿命。
因此,利用一种价格低廉且较小的结构,就可喷射出直径为20微米或20微米以下的小墨滴。
另外,根据本发明的另一个方面所述,在其驱动波形信号中的第二电压变化过程之后跟随有第三电压变化过程,该阶段可增加压力发生室的体积并在早期阶段从液柱末端分离出一个墨滴。这样就可以得到一个直径更小的墨滴。
此外,仍然根据本发明的另一个方面所述,在其驱动波形信号中的第三电压变化过程之后跟随有第四电压变化过程,该阶段可抑制墨滴喷射之后的残留影响。因此,即使驱动波形信号的频率更高,也有可能获得稳定的墨滴喷射,而且它还可以提高墨滴喷射的方向性及其它飞行特性。
在不脱离本发明的精神或主要特征的情况下,也可以用其它的具体形式来体现本发明的内容。因此,本发明的实施例在各个方面都应被理解为是说明性而不是限制性的。本发明的范围由附加权利要求而不是上述说明来确定,而且在权利要求的含义及等价范围之内所产生的全部变化都应被包含在本发明的范围之内。
本文引用了日本专利申请11-064682(1999年3月11日申请)、11-188218(1999年7月1日申请)及11-237791(1999年8月25日申请)中的全部内容,包括说明书、权利要求、附图和摘要,并且将它们整体作为参考。

Claims (42)

1.一种喷墨记录头驱动方法,将驱动电压施加到电气-机械转换器上,其改变内部装填有墨水的压力发生室的压力,使墨滴从与压力发生室连通的喷嘴喷出,其中所述驱动电压的电压波形中包括:第一电压变化过程,用于增大压力发生室的体积,从而将液面从喷嘴开口拉向压力发生室;第二电压变化过程,用于减小压力发生室的体积,以便喷出墨滴,并且所述第一电压变化过程前面还有一预备电压变化过程,用于轻微地将墨水的液面从喷嘴开口拉向压力发生室。
2.如权利要求1所述的喷墨记录头驱动方法,其中所述预备电压变化过程包括增大压力发生室的体积的电压变化过程,并且此电压变化过程的电压变化速度设置为比第一电压变化过程的电压变化速度小。
3.如权利要求2所述的喷墨记录头驱动方法,其中所述用于增大压力发生室体积的电压变化过程的电压变化时间设置为比压力发生室中产生的压力波的固有周期更大。
4.如权利要求1所述的喷墨记录头驱动方法,其中所述预备电压变化过程包括:用于减小压力发生室体积的电压变化过程;和用于保持该电压经过预定时间段、并轻微地将墨水的液面拉向压力发生室的电压保持过程。
5.如权利要求4所述的喷墨记录头驱动方法,其中用于减小压力发生室体积的预备电压变化过程的电压变化时间最好设置为比压力发生室中产生的压力波的固有周期更大。
6.如权利要求4所述的喷墨记录头驱动方法,其中所述电压保持过程的预定时间段设置为喷嘴开口处墨滴振动的固有周期的1/3至2/3。
7.一种喷墨记录设备,包括:喷墨记录头,用于将驱动电压施加到电气-机械转换器上,其改变内部填充有墨水的压力发生室的压力,使墨滴从与压力发生室连通的喷嘴喷出,以及一个或多个波形发生单元,用于产生加在电气-机械转换器上的驱动电压,其中波形发生单元产生的驱动电压的至少一个电压波形中包括:第一电压变化过程,用于增大压力发生室的体积,从而将墨水液面从喷嘴开口拉向压力发生室;第二电压变化过程,用于减小压力发生室的体积,以便喷出墨滴;以及所述第一电压变化过程前面还有一预备电压变化过程,用于轻微地将墨水的液面从喷嘴开口拉向压力发生室。
8.如权利要求7所述的喷墨记录设备,其中所述电气-机械转换器由压电调节器构成。
9.一种用于喷墨记录头的喷墨记录头驱动方法,其包括:多个装填有墨水的压力发生室;设置在压力发生室中用于喷墨的喷嘴;以及为各压力发生室设置的用于引起压力发生室压力变化的振动发生单元,其中要加载到振动发生单元上的驱动电压波形根据要喷出墨水液滴来产生,从而与不同墨水液滴直径相应的驱动电压波形在预定的不同定时加载。
10.如权利要求9所述的喷墨记录头驱动方法,其中,驱动电压波形被设置为使较小直径的墨滴较早地喷出。
11.如权利要求9所述的喷墨记录头驱动方法,其中,用于喷出小直径墨滴的驱动电压波形包括用于将液面从喷嘴开口拉向压力发生室的部分。
12.一种用于喷墨记录头的喷墨记录头驱动设备,包括:多个压力发生室;与压力发生室相通用于喷墨的喷嘴;振动发生单元,用于产生振动,以引起压力发生室内部压力变化,其中驱动电压波形被加到振动发生单元上,以用于从喷嘴喷出墨滴,所述设备包括:多个根据要喷出的墨滴直径而设置的波形发生单元,以便根据墨滴直径产生驱动电压波形,其中波形发生单元根据墨滴直径产生的驱动电压波形被设置为根据不同的墨滴直径在不同的喷墨定时产生。
13.如权利要求12所述的喷墨记录头驱动设备,其中所述振动发生单元是压电调节器。
14.如权利要求13所述的喷墨记录头驱动设备,其中所述压电调节器产生纵向的振动。
15.一种用于喷墨记录头的喷墨记录头驱动方法,其包括:多个装填有墨水的压力发生室;用于在压力发生室产生压力的压力发生单元;以及与压力发生室相通用于喷墨的喷嘴;其中驱动波形信号被加到压力发生单元,以便改变压力发生室的体积,从而使墨滴从喷嘴喷出,驱动波形信号的波形由至少下述部分构成:第一电压变化过程,用于在增大压力发生室的体积的方向上施加电压;第二电压变化过程,其在减小压力发生室的体积的方向上施加电压,其中所述第一电压变化时间在压力发生室产生的压力波固有周期Tc的1/3至2/3的范围内,而第二电压变化过程的开始时间设置在紧接第一电压变化过程完成之后。
16.如权利要求15所述的喷墨记录头驱动方法,其中所述驱动电压波形信号的波形中的第一电压变化过程的电压变化时间设置为固有周期Tc的1/2。
17.如权利要求15所述的喷墨记录头驱动方法,其中所述驱动波形信号的波形是这样的:在第一电压变化过程完成时间与第二电压变化过程开始时间之间的时间间隔被设置为等于或小于固有周期Tc的大约1/5。
18.如权利要求15所述的喷墨记录头驱动方法,其中所述驱动波形信号的波形是这样的:即第二电压变化过程的变化时间被设置为固有周期Tc的约1/3或更短。
19.如权利要求15所述的喷墨记录头驱动方法,其中所述驱动波形信号的波形是这样的:即第二电压变化过程后面紧接着第三电压变化过程,用于在增大压力发生室的体积的方向上施加电压。
20.如权利要求19所述的喷墨记录头驱动方法,其中驱动波形信号的波形是这样的:即第三电压变化过程的电压变化时间被设置为固有周期Tc的约1/3或更短。
21.如权利要求19所述的喷墨记录头驱动方法,其中所述驱动波形信号的波形是这样的:即在第二电压变化过程完成时间与第三电压变化过程开始时间之间的时间间隔被设置为固有周期Tc的大约1/5或更短。
22.如权利要求19所述的喷墨记录头驱动方法,其中所述驱动波形信号的波形是这样的:即第三电压变化过程的电压变化量设置为大于第二电压变化过程的电压变化量。
23.如权利要求19所述的喷墨记录头驱动方法,其中所述驱动波形信号的波形是这样的:即第三电压变化过程后面紧接着第四电压变化过程,用于在减小压力发生室的体积的方向上施加电压。
24.如权利要求23所述的喷墨记录头驱动方法,其中所述驱动波形信号的波形是这样的:即第四电压变化过程的电压变化时间被设置为固有周期Tc的约1/2或更短。
25.如权利要求23所述的喷墨记录头驱动方法,其中所述驱动波形信号的波形是这样的:在第三电压变化过程完成时间与第四电压变化过程开始时间之间的时间间隔设置为固有周期Tc的约1/3或更短。
26.如权利要求15所述的喷墨记录头驱动方法,其中所述固有周期Tc为15微秒或更短。
27.如权利要求15所述的喷墨记录头驱动方法,其中所述压力发生单元是电气-机械转换器。
28.如权利要求27所述的喷墨记录头驱动方法,其中所述电气-机械转换器是压电调节器。
29.一种用于喷墨记录头的喷墨记录头驱动电路,该记录头包括:多个装填有墨水的压力发生室;用于在压力发生室中产生压力的压力发生单元;以及与压力发生室相通用于喷墨的喷嘴;其中驱动波形信号被加到压力发生单元,以便改变压力发生室的体积,从而使墨滴从喷嘴喷出,该电路包括:波形发生单元,其根据驱动波形信号来操作,该波形信号的波形由至少下述部分构成:第一电压变化过程,其在增大压力发生室体积的方向施加电压;第二电压变化过程,其在减小压力发生室体积的方向施加电压,其中第一电压变化过程的电压变化时间在压力发生室产生的压力波固有周期Tc的1/3至2/3的范围内,第二电压变化过程的开始时间设置为紧接在所述第一电压变化过程完成之后。
30.如权利要求29所述的喷墨记录头驱动电路,其特征在于所述波形发生单元产生驱动波形信号,其波形中第一电压变化过程的电压变化时间被设为固有周期Tc的大约1/2。
31.如权利要求29所述的喷墨记录头驱动电路,其特征在于所述波形发生单元产生驱动波形信号,其波形中第一电压变化过程的结束时间与第二电压变化过程的开始时间之间的时间间隔被设置为固有周期Tc的大约1/5或更短。
32.如权利要求29所述的喷墨记录头驱动电路,其特征在于所述波形发生单元产生驱动波形信号,其波形中第二电压变化过程的电压变化时间被设为固有周期Tc的大约1/3或更短。
33.如权利要求29所述的喷墨记录头驱动电路,其特征在于所述波形发生单元产生驱动波形信号,其波形中第二电压变化过程后面紧接第三电压变化过程,用于施加增大压力发生室体积方向上的电压。
34.如权利要求33所述的喷墨记录头驱动电路,其特征在于所述波形发生单元产生驱动波形信号,该驱动波形信号的波形为,第三电压变化过程的电压变化时间被设为固有周期Tc的大约1/3或更短。
35.如权利要求33所述的喷墨记录头驱动电路,其特征在于所述波形发生单元产生驱动波形信号,其具有这样的波形,即第二电压变化过程的结束时间与第三电压变化过程的开始时间之间的时间间隔被设置为固有周期Tc的大约1/5或更短。
36.如权利要求33所述的喷墨记录头驱动电路,其特征在于所述波形发生单元产生驱动波形信号,其具有这样的波形,即第三电压变化过程的电压变化量被设置为大于第二电压变化过程的电压变化量。
37.如权利要求33所述的喷墨记录头驱动电路,其特征在于所述波形发生单元产生的驱动波形信号具有这样一种波形,即第三电压变化过程后面紧接着第四电压变化过程,该第四电压变化过程用于在减小压力发生室的体积的方向上施加电压。
38.如权利要求37所述的喷墨记录头驱动电路,其特征在于所述波形发生单元产生的驱动波形信号具有这样一种波形,即第四电压变化过程的电压变化时间被设为固有周期Tc的大约1/2或更短。
39.如权利要求37所述的喷墨记录头驱动电路,其特征在于所述波形发生单元产生驱动波形信号,其具有这样一种波形,即第三电压变化过程的结束时间与第四电压变化过程的开始时间之间的时间间隔被设置为固有周期Tc的大约1/3或更短。
40.如权利要求29所述的喷墨记录头驱动电路,其特征在于所述固有周期Tc为15微秒或更短。
41.如权利要求29所述的喷墨记录头驱动电路,其特征在于所述压力发生单元是电气-机械转换器。
42.如权利要求41所述的喷墨记录头驱动电路,其特征在于所述电气-机械转换器是压电调节器。
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