專利名稱：高頻點滴噴射裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種點滴噴射裝置和用于驅(qū)動點滴噴射裝置的方法。
背景技術(shù)：
點滴噴射裝置用于各種用途，最常用于在各種介質(zhì)上打印圖像。所述裝置通常指噴墨嘴或噴墨打印機(jī)。按需噴射型點滴噴射裝置由于其靈活性和經(jīng)濟(jì)性被用于很多應(yīng)用。按需噴射型裝置響應(yīng)一般為電波或波的特定信號而噴射單滴。
點滴噴射裝置一般包括從流體供給源至噴嘴通道的流體通道。噴嘴通道結(jié)束在噴嘴開口，點滴從該噴嘴開口噴射。通過致動器向流體通道中的流體施壓來控制點滴噴射器，該致動器可為例如壓電變流器、熱泡發(fā)生器或靜電變流構(gòu)件。典型打印頭具有對應(yīng)于噴嘴開口和相關(guān)致動器的流體通道陣列，并可獨立控制每個噴嘴開口的點滴噴射。在按需噴射型打印頭中，每個致動器被激勵以隨著打印頭與基底彼此相對運動，在特定目標(biāo)象素位置有選擇地噴射點滴。在高性能打印頭中，噴嘴開口一般具有50微米或更小的直徑，例如，25微米左右，其以100-300噴嘴/英寸的間距分隔，具有100-300dpi或更高的分辨率，并提供約為1至100百萬分之一升(pl)或更小的點滴尺寸。點滴噴射頻率一般為10-100kHz或更高，但對于某些應(yīng)用可能較低。
Hoisington等的美國專利5,265,315描述了一種具有半導(dǎo)體打印頭主體和壓電致動器的打印頭，其全部內(nèi)容在此引為參考。該打印頭主體由硅制成，其被刻蝕從而限定出流體腔室。通過一個連接到硅主體的分離的噴嘴板限定出噴嘴開口。壓電致動器具有壓電材料層，其響應(yīng)于施加的電壓改變幾何形狀或彎曲。壓電層的彎曲造成對沿著墨通道定位的泵室中的墨加壓。很多因素影響沉積準(zhǔn)確性，包括裝置中的打印頭和多個打印頭中的噴嘴噴射的點滴的尺寸和速度的均勻性。點滴尺寸和點滴速度均勻性反過來受到例如墨通道的尺寸均勻性、聲學(xué)干擾作用、墨流動通道中的污染和致動器的動作均勻性等因素的影響。
由于按需噴射型噴射器經(jīng)常在移動目標(biāo)或者移動噴射器中被操作，點滴速度的變化引發(fā)點滴在介質(zhì)上的位置的變化。這些變化可降低圖像應(yīng)用中的圖像質(zhì)量，并可降低其它應(yīng)用中的系統(tǒng)性能。點滴體積的變化引發(fā)圖像中點的尺寸變化，或在其它應(yīng)用中性能的降低。由于這些原因，一般優(yōu)選點滴速度、點滴體積和點滴形成特性在噴射器的整個操作范圍內(nèi)盡可能地保持恒定。
點滴噴射器的制造商采用各種技術(shù)以改進(jìn)頻率響應(yīng)，然而，在按需噴射型噴射器中激勵點滴的物理要求限制了改進(jìn)頻率響應(yīng)的范圍?！邦l率響應(yīng)”是指由在點滴噴射頻率范圍內(nèi)決定噴射器性能的固有物理特性決定的噴射器的特征性能。一般，點滴速度、點滴質(zhì)量和點滴體積作為操作頻率的函數(shù)而變化；通常，也影響點滴的形成。改進(jìn)頻率響應(yīng)的代表性方法可包括減小噴射器中流動通道的長度以增加諧振頻率，增加流動通道中的流體阻抗以增加衰減，以及例如噴嘴和限流器的內(nèi)部構(gòu)件的阻抗調(diào)諧。

發(fā)明內(nèi)容
按需噴射型點滴噴射裝置可以在任何頻率或組合頻率下噴射點滴，最高可達(dá)噴射裝置的最大能力。然而，當(dāng)在寬頻率范圍內(nèi)操作時，其性能可受到噴射器頻率響應(yīng)的影響。
改進(jìn)點滴噴射器的頻率響應(yīng)的一種方法是使用具有足夠高頻率的多脈沖波來形成響應(yīng)該波的單滴。需指出多脈沖波頻率一般指波的脈沖周期的倒數(shù)，與前面提到的并與“頻率響應(yīng)”有關(guān)的點滴噴射頻率相反。因為脈沖頻率高且相對于點滴形成時間參數(shù)脈沖間的時間較短，這種類型的多脈沖波在很多噴射器中形成單滴。
為了改善頻率響應(yīng)，所述波會產(chǎn)生單一大點滴，與響應(yīng)多脈沖波而形成很多較小的點滴相反。當(dāng)單一大點滴形成時，來自單獨脈沖的能量輸入在多脈沖波中均勻分布。結(jié)果，來自每個脈沖給流體的能量波動效果減弱。從而，點滴速度和體積在整個操作過程中保持更加恒定。
可優(yōu)化幾個脈沖設(shè)計參數(shù)以確保響應(yīng)多脈沖波形成單滴?？偟膩碚f，這些參數(shù)包括每個脈沖單獨的段的相對振幅、每個段的相對脈沖寬度和波的各部分的轉(zhuǎn)換速率。在一些實施例中，可由每個脈沖的電壓振幅逐漸增大的多脈沖波形成單滴?；蛘?，或另外地，可由連續(xù)的脈沖之間的時間比總脈沖寬度短的多脈沖波形成單滴。所述多脈沖波在對應(yīng)于噴嘴固有頻率及其諧振頻率的頻率下幾乎沒有或沒有能量。
總的來說，在第一方面中，本發(fā)明給出一種驅(qū)動具有致動器的點滴噴射器裝置的方法，其包括向致動器施加包括兩個或多個驅(qū)動脈沖的多脈沖波，以促使點滴噴射裝置噴射單滴，其中驅(qū)動脈沖的頻率大于點滴噴射裝置的固有頻率fj。
該方法的實施例可包括一個或多個以下特征和/或其它方面的特征。在一些實施例中，所述多脈沖波具有兩個驅(qū)動脈沖、三個驅(qū)動脈沖或四個驅(qū)動脈沖。脈沖頻率可大于約1.3fj、1.5fj。脈沖頻率可在約1.5fj和約2.5fj之間，例如在約1.8fj和約2.2fj之間。所述兩個或多個脈沖可具有相同脈沖周期。所述單個脈沖可具有不同脈沖周期。所述兩個或多個脈沖包括一個或多個雙極性脈沖和/或一個或多個單極性脈沖。在一些實施例中，所述點滴噴射裝置包括泵室，且所述致動器設(shè)置為在所述泵室內(nèi)的流體壓力響應(yīng)驅(qū)動脈沖而變化。每個脈沖可具有對應(yīng)于施加到致動器的最大或最小電壓的振幅，其中，在至少兩個脈沖上的振幅大致相同。每個脈沖可具有對應(yīng)于施加至致動器的最大或最小電壓的振幅，其中，至少兩個脈沖的振幅不同。例如，所述兩個或多個脈沖中的每個后續(xù)脈沖的振幅大于前面脈沖的振幅。所述點滴噴射裝置為噴墨嘴。
總的來說，在另一方面中，本發(fā)明給出一種方法，其包括用包括一個或多個脈沖的波驅(qū)動點滴噴射裝置，所述脈沖都具有小于約20微秒的周期，以促使點滴噴射裝置響應(yīng)所述脈沖噴射單滴。
該方法的實施例可包括一個或多個以下特征和/或其它方面的特征。所述一個或多個脈沖可都具有小于約12微秒、10微秒、8微秒或5微秒的周期。
總的來說，在另一方面中，本發(fā)明給出一種方法，其包括用包括兩個或多個脈沖的多脈沖波驅(qū)動點滴噴射裝置，每個所述脈沖具有小于約25微秒的周期，以促使點滴噴射裝置響應(yīng)所述兩個或多個脈沖噴射單個點滴。
該方法的實施例可包括一個或多個以下特征和/或其它方面的特征。所述一個或多個脈沖可都具有小于約12微秒、10微秒、8微秒或5微秒的周期。在一些實施例中，所述點滴具有在1pl和100pl之間的質(zhì)量。在其它實施例中，所述點滴具有在5pl和200pl之間的質(zhì)量。在另一些實施例中，所述點滴具有在50pl和1000pl之間的質(zhì)量。
總的來說，在另一方面中，本發(fā)明給出一種裝置，其包括固有頻率為fj的點滴噴射裝置；以及連接至點滴噴射裝置的驅(qū)動電子組件，其中，在操作過程中，所述驅(qū)動電子組件用包括多個具有大于fj頻率的驅(qū)動脈沖的多脈沖波驅(qū)動噴射裝置。多個頻率為fj的驅(qū)動脈沖的諧波含量小于多個頻率為最大含量的頻率fmax的驅(qū)動脈沖的諧波含量的50％(例如，小于約25％、10％)。
該裝置的實施例可包括一個或多個以下特征和/或其它方面的特征。在操作過程中，所述點滴噴射裝置響應(yīng)所述多個脈沖噴射單滴。所述點滴噴射裝置為噴墨嘴。在另一方面中，本發(fā)明給出一種包括前述的噴墨嘴的噴墨打印頭。
總的來說，在另一方面中，本發(fā)明給出一種驅(qū)動具有致動器的點滴噴射裝置的方法，其包括向致動器施加包括兩個或多個驅(qū)動脈沖的多脈沖波，以激勵所述點滴噴射裝置噴射點滴，其中，所述點滴質(zhì)量的至少約60％包括在點滴中的頂點的半徑r內(nèi)，其中，r對應(yīng)于由下式給出的完美的球形點滴的半徑r=334πmdρ]]>其中，md為點滴質(zhì)量，ρ為流體密度。
該方法的實施例可包括一個或多個以下特征和/或其它方面的特征。在一些實施例中，所述點滴可具有至少約為4ms-1(例如，至少約6ms-1、8ms-1或更大)的速度。所述驅(qū)動脈沖的頻率大于點滴噴射裝置的固有頻率fj。所述點滴質(zhì)量的至少約80％(例如，至少約90％)包括在點滴中頂點的半徑r內(nèi)。
本發(fā)明實施例可具有一個或多個一些優(yōu)點。
此處公開的技術(shù)可用于改善點滴噴射裝置的頻率響應(yīng)性能。由點滴噴射器或噴嘴噴射的點滴的速度的變化作為激勵頻率的函數(shù)，可被顯著減小。由點滴噴射器噴射的點滴的體積變化作為激勵頻率的函數(shù)，可被顯著減小。速度誤差的減小可導(dǎo)致位移誤差的減小，從而改進(jìn)圖像應(yīng)用中的圖像。體積變化的減小可導(dǎo)致改進(jìn)非圖像應(yīng)用中的質(zhì)量，并改進(jìn)圖像應(yīng)用中的圖像。
通過指定點滴噴射器，其設(shè)計為產(chǎn)生比應(yīng)用所需點滴小(體積)例如1.5-4倍或更多倍的點滴，這些方法也可用于改進(jìn)在一應(yīng)用中的頻率依賴噴射器的性能。然后通過使用這些技術(shù)，噴射器可產(chǎn)生應(yīng)用所需的點滴尺寸。因此，在此公開的技術(shù)可用于由小點滴噴射裝置提供大點滴尺寸，且可用于由點滴噴射裝置產(chǎn)生更大范圍的點滴尺寸。使用公開技術(shù)可獲得的大范圍點滴尺寸有利于在噴墨打印應(yīng)用中的具有大范圍的灰度等級的灰度級圖像。這些技術(shù)可減小點滴尾部尺寸，從而減弱由于在噴墨打印應(yīng)用中與大墨滴尾部相關(guān)的點滴位移不準(zhǔn)確而引起的圖像劣化。這些技術(shù)通過獲得大點滴體積而不是多個點滴，由于單個大點滴會將全部流體落在移動基底的一個位置上，與多個點滴會將流體落在相對噴射裝置移動的基底的多個位置上相反，可降低不準(zhǔn)確。由于單個大點滴比幾個小點滴可運行更遠(yuǎn)的距離且運行更直，所以可獲得更多好處。


下面將結(jié)合附圖闡述本發(fā)明的一個或多個實施例的細(xì)節(jié)。本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將通過說明書、附圖和權(quán)利要求而顯見。
圖1為打印頭實施例的示意圖。
圖2A為噴墨嘴實施例的截面圖。
圖2B為圖2A中所述噴墨致動器的截面圖。
圖3為用于由以恒定速度激勵的點滴噴射器噴射點滴的激發(fā)脈沖之間的歸一化的點滴速度與時間的函數(shù)曲線圖。
圖4A為用于驅(qū)動點滴噴射器的雙極性波的電壓與歸一化時間的函數(shù)曲線圖。
圖4B為用于驅(qū)動點滴噴射器的單極性波的示圖。
圖5A-5E為示出響應(yīng)多脈沖波從噴墨孔噴出墨的示意圖。
圖6A-6I為示出響應(yīng)多脈沖波從噴墨孔噴出墨的照片。
圖7為使用波形的傅立葉變換而確定的單四微秒梯形波的振幅與頻率的函數(shù)曲線圖。
圖8為示出80pl點滴噴射器的頻率響應(yīng)的曲線圖，顯示當(dāng)以單梯形波激發(fā)時點滴速度對從4到60kHz的噴射頻率的變化。
圖9為對示范性的80pl點滴噴射器的計算電壓等同時間響應(yīng)的曲線圖。
圖10為對示范性的80pl點滴噴射器的噴射器時間響應(yīng)的傅立葉變換和四脈沖波的曲線圖。
圖11為比較形成類似尺寸點滴的兩個噴射器的頻率響應(yīng)的曲線圖。
圖12為在相鄰脈沖之間具有延遲周期的多脈沖波的電壓對時間的波形圖。
圖13為包括多個多脈沖波的驅(qū)動信號的電壓對時間的波形圖。
圖14為示出通過多脈沖波從噴墨孔噴射多個點滴的照片。
圖15 A為示出使用多脈沖波的點滴噴射的照片，噴射頻率為10kHz且點滴速度為8ms-1。
圖15B為示出使用單脈沖波的點滴噴射的照片，噴射頻率為10kHz且點滴速度為8ms-1。
圖16A為示出使用多脈沖波的點滴噴射的照片，噴射頻率為20kHz且點滴速度為8ms-1。
圖16B為示出使用單脈沖波的點滴噴射的照片，噴射頻率為20kHz且點滴速度為8ms-1。
在各圖中相同標(biāo)記代表相同部件。
具體實施例方式
參考圖1，打印頭12包括多個(例如128，256或更多)噴墨嘴10(在圖1中僅示出一個)，其由通過信號線14和15提供的電驅(qū)動脈沖進(jìn)行驅(qū)動并由插件板上的控制電路19分配從而控制噴墨嘴10的噴射。外置控制器20通過信號線14和15提供驅(qū)動脈沖并通過附加線路16向插件板控制電路19提供控制數(shù)據(jù)和邏輯電路能量(logic power)和計時控制。將由噴墨嘴10噴射的墨送到以在相對打印頭12移動(例如，沿箭頭21所示的方向)的基底18上而形成從一條或多條打印線17。在某些情況下，基底18以一次性通過狀態(tài)移動通過靜止的打印頭12。或者，打印頭也可以掃描狀態(tài)移動通過基底18。
參考圖2A(其為垂直截面示意圖)，每個噴墨嘴10包括在打印頭12的半導(dǎo)體塊21的上表面中的細(xì)長泵室30。泵室30從入口32延伸至下降通道36中的噴嘴流動通道，在該下降通道中從半導(dǎo)體塊21的上表面22下降至在下層29中開口的噴嘴28。噴嘴尺寸可按需要變化，例如，噴嘴直徑可為幾微米(例如，約5微米，約8微米，10微米)或直徑可為幾十或幾百微米(例如，約20微米，30微米，50微米，80微米，100微米，200微米或更多)。限流件40設(shè)置在每個泵室30的入口處。覆蓋每個泵室30的平板壓電致動器38由線路14提供的驅(qū)動電壓激活，由插件板上的電路19發(fā)出的控制信號對線路14進(jìn)行計時控制。驅(qū)動脈沖使得壓電致動器的形狀發(fā)生變形從而改變了腔室30的體積，將流體從入口引入腔室并迫使墨水通過下降通道36流出噴嘴28。在每個打印循環(huán)，傳送多脈沖驅(qū)動波以激發(fā)噴射，促使每個噴嘴在基底18相對打印頭裝置12運動的同時在需要時間從其噴嘴噴射單一墨滴。
也參考圖2B，平板壓電致動器38包括設(shè)置在驅(qū)動電極42和接地電極44之間的壓電層40。接地電極44通過連接層46連接至薄膜48(例如，硅石，玻璃或硅薄膜)。在操作中，驅(qū)動脈沖通過施加驅(qū)動電極42和接地電極44之間的電勢差在壓電層40內(nèi)產(chǎn)生電場。壓電層40響應(yīng)該電場使致動器38變形，從而改變腔室30的體積。
每個噴墨嘴具有固有頻率fj，其與聲波沿噴射器(或噴嘴)的長度傳播的周期的倒數(shù)有關(guān)。該噴嘴固有頻率可影響噴嘴性能的多個方面。例如，噴嘴固有頻率一般影響響應(yīng)打印頭的頻率。一般，在從基本小于固有頻率(例如，小于約固有頻率的5％)至大致噴嘴固有頻率的25％的頻率范圍內(nèi)噴嘴速度保持恒定(例如，在平均速度的5％內(nèi))。當(dāng)頻率增長超出這個范圍時，噴嘴速度隨增加的量開始變化?？纱_信這種變化部分地由于來自前述驅(qū)動脈沖的殘留壓力和流動所致。這些壓力和流動與電流驅(qū)動脈沖相互作用并引發(fā)或積極或消極的影響，從而導(dǎo)致點滴噴射或快于或慢于其應(yīng)有的噴射狀況。積極影響增加了驅(qū)動脈沖的有效振幅，從而增加了點滴速度。相反，消極影響降低了驅(qū)動脈沖的有效振幅，從而降低了點滴速度。
驅(qū)動脈沖產(chǎn)生的壓力波在噴嘴上以噴嘴的固有頻率或共振頻率向前和向后反射。壓力波名義上地從泵室中的起始點傳播至噴嘴的端部并且返回泵室，在該點處，壓力波會影響后續(xù)的驅(qū)動脈沖。然而，噴嘴的各種部件可給出增加響應(yīng)復(fù)雜性的局部反射。
一般，噴墨嘴的固有頻率作為噴墨嘴設(shè)計和要被噴射的墨的物理特性的函數(shù)而變化。在一些實施例中，噴墨嘴10的固有頻率大于約15kHz。在一些實施例中，噴墨嘴10的固有頻率約為30至100kHz，例如約60kHz或80kHz。在另一些實施例中，固有頻率等于或大于100kHz，例如約120kHz或約160kHz。
確定噴嘴固有頻率的一種方法是通過可容易測量的噴嘴速度響應(yīng)而確定。點滴速度變化的周期對應(yīng)噴嘴的固有頻率。參考圖3，可通過繪出點滴速度對脈沖頻率的倒數(shù)的關(guān)系圖，然后測量各峰值之間的時間而測得點滴速度變化的周期。固有頻率為1/τ，其中，τ為速度與時間曲線的局部極值(即，相鄰最大值或相鄰最小值)之間的時間。這種方法可通過電子數(shù)據(jù)還原技術(shù)而應(yīng)用，無需實際繪出數(shù)據(jù)。
可通過各種方式測量點滴速度。一種方法是在高速照相機(jī)前激勵噴墨嘴，使用頻閃光燈例如LED進(jìn)行照明。頻閃與點滴噴射頻率一致以使得點滴在圖像視頻中表現(xiàn)為靜止。通過傳統(tǒng)圖像分析技術(shù)處理圖像以確定點滴頭的位置。將這些與點滴被噴射的時間相比以決定實際的點滴速度。一典型的系統(tǒng)將速度作為頻率的函數(shù)的數(shù)據(jù)存儲在文件系統(tǒng)。通過算法分析數(shù)據(jù)以挑選峰值或者能適合于該數(shù)據(jù)的分析推導(dǎo)的曲線(通過例如，頻率、衰減和/或速度而參數(shù)化)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。傅立葉分析也可用于確定噴嘴的固有頻率。
在操作過程中，每個噴墨嘴可響應(yīng)多脈沖波噴射單一墨滴。多脈沖波的一個例子如圖4A所示。在這個例子中，多脈沖波400具有四個脈沖。每個脈沖波一般會與后續(xù)波隔開一段對應(yīng)噴射周期的整數(shù)倍的時段(即，對應(yīng)噴射頻率的時段)。每個脈沖可有特征地具有“填充”斜坡，其對應(yīng)于何時泵構(gòu)件的體積增加，以及“噴射”斜坡(與填充斜坡相反地傾斜)，其對應(yīng)于泵構(gòu)件的體積減小。在多脈沖波400中，具有填充和噴射斜坡序列。一般，泵構(gòu)件體積的膨脹和收縮產(chǎn)生泵室內(nèi)的壓力變化，而使流體噴出噴嘴。
每個脈沖具有對應(yīng)于從單個脈沖段的開端至該脈沖段的末端的時間的脈沖周期τp。多脈沖波的總時段為四個脈沖時段的總和。波頻率可大約地確定為整個脈沖階段劃分的脈沖數(shù)?；蛘?，或另外，傅立葉分析也可用于提供脈沖頻率值。傅立葉分析提供多脈沖波的諧波含量的測量。脈沖頻率對應(yīng)于頻率fmax，諧波含量在該頻率處最大(即，在傅立葉光譜中的最大非零能量的峰值)。優(yōu)選地，驅(qū)動波的脈沖頻率大于噴嘴的固有頻率fj。例如，脈沖頻率可在噴嘴固有頻率的約1.1和5倍之間，例如在fj的約1.3和2.5倍之間(例如，在fj的約1.8和2.3倍之間，如約fj的2倍)。在一些實施例中，脈沖頻率可等于噴嘴固有頻率的倍數(shù)，如大約噴嘴固有頻率的兩倍、三倍或四倍。
在本實施例中，脈沖為雙極性的。換句話說，多脈沖波400包括負(fù)極性位置(例如，位置410)和正極性位置(例如，位置420)。一些波可包括具有單一極性的脈沖。一些波可包括直流偏置。例如，圖4B示出包括單一極性脈沖的多脈沖波。在這種波中，脈沖振幅和寬度隨每個脈沖逐漸增加。
由噴嘴響應(yīng)多脈沖波噴射的單一墨滴的體積隨每個后續(xù)脈沖而增加。響應(yīng)多脈沖波來自噴嘴的墨的積聚和噴射在圖5A-圖5E中示出。在初始脈沖之前，噴墨嘴10中的墨在從噴嘴28開口528輕微向回彎曲(由于內(nèi)壓)的彎液面510處終止(見圖5A)。開口528具有最小尺寸D。在開口528為例如圓形的實施例中，D為開口直徑。一般，D可根據(jù)噴嘴設(shè)計和點滴尺寸需求而變化。一般，D約在10μm和200μm之間，例如約在20μm和50μm之間。第一脈沖使得初始墨滴移至開口528處，促使墨表面520從噴嘴28輕微凸出(見圖5B)。在第一點滴或可分離或可收回之前，第二脈沖迫使另一墨滴通過噴嘴28，其疊加在從噴嘴28凸出的墨上。來自第二脈沖和第三脈沖的墨，分別如圖5C和5D所示，增加了點滴的體積，增加了總動量。一般，來自連續(xù)脈沖的墨滴，可被看到為一個正在形成點滴的膨脹體，如圖5C和5D所示。最后，噴嘴28隨著第四脈沖噴射單一點滴530，且彎液面510回復(fù)其初始位置(圖5E)。圖5E還示出一連接點滴頭部至噴嘴的很細(xì)的尾部544。該尾部的尺寸可大致小于通過單脈沖和更大噴嘴形成點滴時可能會出現(xiàn)的尾部尺寸。
示出點滴噴射的一系列圖片如圖6A-6I所示。在這個例子中，噴墨嘴具有直徑為50μm的圓形輪廓。噴墨嘴由四脈沖多脈沖波以約為60kHz的脈沖頻率驅(qū)動，產(chǎn)生250pl的點滴。每6微秒捕捉一次圖像。從開口凸出的墨滴體積隨著每個接續(xù)的脈沖而增加(圖6A-6G)。圖6G-6I示出噴射點滴的軌跡。需注意噴墨嘴表面是反光的，在每幅圖像的上半部導(dǎo)致一點滴的鏡像。
由多個激發(fā)脈沖產(chǎn)生的單個大點滴的形成可降低流體尾部的體積。點滴“尾部”是指連接點滴頭部或點滴的前部到噴嘴的流體絲狀結(jié)構(gòu)，直至發(fā)生尾部的斷開。點滴尾部經(jīng)常移動慢于點滴前部。在一些例子中，點滴尾部可形成隨體，或分離點滴，其落在與點滴主體不相同的位置。因此，點滴尾部可能降低整個噴射器的性能。
應(yīng)該相信，由于流體連續(xù)的體積填充改變了點滴形成的特性，可通過多脈沖點滴噴射減弱點滴尾部。多脈沖波的后續(xù)脈沖將流體推入由多脈沖波的以前脈沖推進(jìn)的流體內(nèi)，其位于噴嘴出口處，使得流體體積由于它們不同的速度而混合并分散。這種混合和分散可防止連接在點滴頭部的全部直徑處向后到噴嘴的粗的流體細(xì)絲。與一般出現(xiàn)在單脈沖點滴中的圓錐形尾部相反，多脈沖點滴一般不具有尾部或者具有很細(xì)的尾部。圖15A和15B比較了使用20pl噴嘴設(shè)計的多脈沖和80pl噴嘴設(shè)計的單脈沖在10kHz噴射速度和8m/s噴射速度下產(chǎn)生的80pl點滴的點滴形成。類似地，圖16A和16B比較了使用20pl噴嘴設(shè)計的多脈沖和80pl噴嘴設(shè)計的單脈沖在20kHz噴射速度和8m/s噴射速度下產(chǎn)生的80pl點滴的點滴形成。這些圖像示出多脈沖點滴減小的尾部形成。
如前所述，確定噴嘴固有頻率的一種方法是對噴嘴頻率響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行傅立葉變換。由于響應(yīng)點滴噴射器的點滴速度的非線性特性，線性化該頻率響應(yīng)以改進(jìn)傅立葉分析的準(zhǔn)確性，下面將對此進(jìn)行解釋。
在機(jī)械驅(qū)動點滴噴射器中，例如壓電驅(qū)動的按需噴射型噴墨嘴，頻率響應(yīng)特性一般被假定為由于以前噴射的點滴在噴嘴中殘留的壓力(和流動)造成。在理想情況下，在通道中傳播的壓力波相對時間成線性型延遲。當(dāng)壓力波的振幅可近似于速度數(shù)據(jù)時，可推導(dǎo)出代表噴嘴中更線性的特性壓力波的等價頻率響應(yīng)。
有多種方法可用來確定腔室中的壓力變化。在點滴噴射器中，例如壓電噴射器，施加電壓和泵室中產(chǎn)生的壓力之間的關(guān)系通?？杉俣榫€性的。例如，當(dāng)存在非線性時，可通過壓電偏轉(zhuǎn)測量使它們特征化。在一些實施例中，可直接測量壓力。
或者，或另外，可通過噴嘴的速度響應(yīng)來確定噴嘴中的殘余壓力。在這種方法中，通過預(yù)定函數(shù)來確定在測得速度下噴射點滴所需的電壓，速度響應(yīng)被轉(zhuǎn)換為等價于頻率響應(yīng)的電壓。這種關(guān)系的一個例子是如下多項式V＝Av2+Bv+C，其中，V是電壓，v是速度，而A、B和C是可通過實驗確定的系數(shù)。這種轉(zhuǎn)換提供了可與實際噴射電壓相比的等價的噴射電壓。該等價噴射電壓和實際噴射電壓之間的差是噴嘴中殘余壓力的計量。
當(dāng)以任何特定噴射頻率連續(xù)進(jìn)行驅(qū)動時，噴嘴中的殘余壓力為以噴射周期(即，噴射頻率的倒數(shù))為時間間隔的一系列脈沖輸入與過去的最近一個噴射周期的脈沖的共同結(jié)果。相對于波頻率的倒數(shù)繪制與頻率響應(yīng)的振幅等價的電壓。這等價于將速度響應(yīng)與噴射開始后的時間進(jìn)行比較。從而，等價電壓與脈沖之間的時間的曲線圖代表噴嘴中壓力波作為時間的函數(shù)產(chǎn)生的延遲。在等價電壓響應(yīng)的每一點的實際驅(qū)動函數(shù)與時間的曲線圖為一系列在該點處的頻率等于時間倍增倒數(shù)的脈沖。如果頻率響應(yīng)數(shù)據(jù)落入適當(dāng)?shù)念l率區(qū)間，數(shù)據(jù)可被更正為代表單一脈沖的響應(yīng)。
該響應(yīng)可由下列數(shù)學(xué)式表達(dá)R(t)＝P(t)+P(2t)+P(3t)+……，其中，R(t)為噴嘴對間隔時段t的一系列脈沖的響應(yīng)，P(t)為噴嘴對在時間t處輸入的單一脈沖的響應(yīng)。假設(shè)R(t)為輸入的線性函數(shù)，可代數(shù)地推導(dǎo)出該響應(yīng)公式以解出在給定測量值R(t)情況下的P(t)。一般，由于噴嘴中的殘余能量隨著時間衰減，計算有限數(shù)量的響應(yīng)時間提供足夠精度的結(jié)果。
以上分析可基于以下實驗中獲得的頻率響應(yīng)數(shù)據(jù)，該實驗用頻閃光照射點滴，且噴嘴連續(xù)噴射，以使得照相/測量系統(tǒng)測量一系列以給定頻率下激勵的脈沖?；蛘?，可以利用成對脈沖重復(fù)激勵噴嘴，在脈沖之間間隔特定的時間增量。在該成對脈沖之間具有足夠的延遲，以使得噴嘴中的殘余能量可在下對脈沖開始之前基本消除。當(dāng)推導(dǎo)對于單脈沖的響應(yīng)時，這種方法可減小考慮較早脈沖的需求。
推導(dǎo)出的頻率響應(yīng)一般是對轉(zhuǎn)換函數(shù)的適當(dāng)?shù)慕?。對于這些測試，相對必須測量的頻率向噴嘴的脈沖輸入較窄。一般，脈沖的傅立葉變換示出在低于脈沖寬度的倒數(shù)的全部頻率的頻率含量。假設(shè)脈沖具有對稱形狀，這些頻率的振幅在等于脈沖寬度的倒數(shù)的頻率處降低至零。例如，圖7示出在約250kHz處衰減至零的四微秒梯形波的傅立葉變換。
為了使用傅立葉變換確定噴射器的頻率響應(yīng)，噴射器點滴速率的數(shù)據(jù)應(yīng)作為頻率的一個函數(shù)而獲得。應(yīng)以簡單激勵脈沖來驅(qū)動噴射器，相對于預(yù)期噴射器固有周期該簡單激勵脈沖的脈沖寬度要盡可能合理地短，該預(yù)期噴射器固有周期等于噴射器固有頻率的倒數(shù)。激發(fā)脈沖的短周期確保激發(fā)脈沖的諧波含量延展到高頻率，從而噴嘴會響應(yīng)而如同被脈沖所驅(qū)動，而頻率響應(yīng)數(shù)據(jù)不會受到激發(fā)脈沖本身的實質(zhì)影響。圖8示出對于80pl點滴噴射器的特定結(jié)構(gòu)的頻率響應(yīng)曲線的例子。
還需要涉及作為點滴速度的函數(shù)的噴射點滴所需要的電壓。這個數(shù)據(jù)用來線性化噴射器響應(yīng)。在大部分點滴噴射器中，點滴速度和電壓之間的關(guān)系為非線性的，特別是在低電壓處(即，對于低速度)。如果基于速度數(shù)據(jù)直接進(jìn)行傅立葉分析，很可能由于點滴速度和噴嘴中壓力能量之間的非線性關(guān)系使頻率含量失真?？勺龀隼缍囗検降那€擬合以代表電壓/速度關(guān)系，最終等式可用于將速度響應(yīng)轉(zhuǎn)換為電壓等價響應(yīng)。
將速度頻率響應(yīng)轉(zhuǎn)換為電壓后，去掉了基線(低頻)電壓。所得值代表噴嘴中的殘余驅(qū)動能量。該值也轉(zhuǎn)化為時間響應(yīng)，如前所述。圖9示出作為脈沖延遲時間函數(shù)的電壓等價響應(yīng)的例子。該曲線證明了頻率響應(yīng)的指數(shù)衰減包絡(luò)線。
可通過傅立葉變換來分析電壓等價時間響應(yīng)數(shù)據(jù)。圖10示出噴射器時間響應(yīng)的傅立葉分析結(jié)果合四脈沖波的傅立葉分析結(jié)果。深色線代表點滴噴射器(噴嘴)時間響應(yīng)的傅立葉變換。在本示例中，示出了在該噴射器基礎(chǔ)固有頻率30kHz處的強(qiáng)響應(yīng)。本圖還示出了60kHz處的顯著的諧振點。
圖10還示出了設(shè)計用來驅(qū)動相同噴射器的四脈沖波的傅立葉變換。如圖所示，該波在噴射器的基礎(chǔ)固有頻率處具有低能量。因為波中的能量在噴射器的固有頻率處低，噴射器的諧振響應(yīng)基本不受所述波的激發(fā)。
圖11示出兩種不同噴射器的頻率響應(yīng)數(shù)據(jù)。這兩種噴射器噴射相似尺寸的點滴。深色線為用于上述例子中的由四脈沖波激發(fā)的噴射器的數(shù)據(jù)。淺色線示出用于由單脈沖波激發(fā)產(chǎn)生類似尺寸點滴的噴射器的數(shù)據(jù)。單脈沖波響應(yīng)比多脈沖波的變化更顯著。
一些使用特定墨的噴墨嘴結(jié)構(gòu)中，不產(chǎn)生便于確定固有頻率的速度對時間曲線。例如，強(qiáng)烈阻尼被反射壓力波的墨可減小殘余脈沖的振幅至在速度對時間的曲線中幾乎沒有或沒有觀察不到振蕩的水平。在一些情況下，強(qiáng)阻尼的噴嘴僅在非常低頻率下噴射。一些噴嘴噴射條件下產(chǎn)生非常不規(guī)則的頻率響應(yīng)圖，或示出兩個相互作用的強(qiáng)頻率，使得很難辨別主固有頻率。在這種情況下，需要通過另一種方法確定固有頻率。一種方法是使用理論模型從例如物理尺寸、噴嘴和墨的材料特性和流體特性來計算噴嘴的固有頻率。
計算固有頻率涉及確定噴嘴各部分中的聲速，然后基于各部分的長度計算聲波的傳播時間。通過將所有時間加在一起，然后考慮到對應(yīng)壓力波在各部分中的往返行程將該總和加倍而確定總傳播時間τtravel。傳播時間的倒數(shù)τtravel-1即為固有頻率fj。
流體中的聲速為流體密度和體積模量的函數(shù)，可通過以下等式確定
csound=Bmodρ]]>其中，csound為聲速(單位米/秒)，Bmod為體積模量(單位帕斯卡)，ρ為密度(單位千克/立方米)?；蛘?，體積模量可從更容易測量的聲速和密度推出。
在噴墨嘴機(jī)構(gòu)柔量較大的部分中，在計算聲速時應(yīng)該包括該柔量以確定流體的有效體積模量。一般，高柔量部分包括泵室，因為泵構(gòu)件(例如，致動器)一般需要為柔性的。也可包括具有圍繞流體的薄壁或柔性結(jié)構(gòu)的噴嘴的任何其它部分?？赏ㄟ^例如有限元程序進(jìn)行計算，如ANSYS(可從Canonsburg，PA的Ansys公司購買得到)，或通過細(xì)心的人工計算結(jié)構(gòu)柔量。
在流動通道中，流體柔量CF可從流體的實際體積模量和通道體積V計算得到，其中CF=VBmod]]>流體柔量的單位是立方米/帕斯卡。
除了流體柔量，由于通道結(jié)構(gòu)的任何柔量，應(yīng)調(diào)整通道中的有效聲速。通道結(jié)構(gòu)(例如，通道壁)的柔量可通過各種標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械工程方程式計算得到。有限元方法也可用于這種計算，特別是在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的情況下。流體全部柔量CTOTAL通過下式給出CTOTAL＝CF+CS其中，CS為該結(jié)構(gòu)的柔量。在噴射的每個部分中的流體中的有效聲速csoundEff可通過下式確定csoundEff=BmodEffρ,]]>其中，BmodEff為有效體積模量，其可從全部柔量和流動通道的體積計算得到BmodEff=VCTOTAL]]>點滴噴射器的頻率響應(yīng)可通過對用于驅(qū)動噴射器的波形的適當(dāng)設(shè)計而改進(jìn)。在噴射點滴后，通過調(diào)諧減少或消除噴射器中的殘余能量的激發(fā)脈沖驅(qū)動點滴噴射器可完成頻率響應(yīng)的改進(jìn)。完成這種改進(jìn)的一種方法是用基礎(chǔ)頻率是噴射器諧振頻率倍數(shù)的一系列脈沖驅(qū)動噴射器。例如，多脈沖頻率可被設(shè)定為約為噴嘴諧振頻率的兩倍。脈沖頻率為噴嘴諧振頻率2倍至4倍的一系列脈沖(例如2-4個脈沖)在噴嘴諧振頻率下具有極低的能量成分。如圖10所示，所述波在噴嘴諧振頻率下的傅立葉變換的振幅是在所述波中相對能量的良好指標(biāo)。在這種情況下，由在噴嘴固有頻率下的傅立葉變換的峰值的限定，多脈沖波具有約為包絡(luò)線振幅的20％。
如前所述，多脈沖波較好地得到單滴的形成結(jié)果。單滴的形成確保了單獨脈沖的獨立驅(qū)動能量均勻分布在形成的點滴中。脈沖驅(qū)動能量的平均化部分地使點滴噴射器的頻率響應(yīng)扁平化的原因。當(dāng)脈沖被定時為噴射器諧振周期的倍數(shù)(例如，諧振周期的2-4倍)時，該多倍的脈沖持續(xù)噴射器諧振周期的整數(shù)倍的時段。由于這種定時，從前面點滴噴射殘余的能量很大程度地自我抵消，從而對當(dāng)前點滴的形成幾乎沒有影響。
來自多脈沖波的單滴的形成依賴于脈沖的振幅和定時。脈沖序列的第一個脈沖應(yīng)該沒有噴出單獨點滴，而最后一個脈沖驅(qū)動的最后流體量應(yīng)在具有足夠能量的情況下與在噴嘴處形成的初始量結(jié)合以確保點滴從噴嘴分離和單滴的形成。單獨脈沖寬度應(yīng)短于單獨點滴形成時間。脈沖頻率應(yīng)相對高于點滴分離的指標(biāo)。
脈沖序列的第一個脈沖的周期可短于后面的脈沖。具有比相同振幅的較短的脈沖比較長的脈沖具有更少的驅(qū)動能量。相對于最優(yōu)脈沖寬度(對應(yīng)于最大點滴速度)提供一個較短的脈沖，由后面的(更長的)脈沖驅(qū)動的流體量將比前面脈沖驅(qū)動的流體量的能量更多。后面被激發(fā)的流體量的較高能量意味著它們結(jié)合了前面激發(fā)的流體量并形成單滴。例如，在四脈沖波中，脈沖寬度可具有以下定時第一脈沖寬度0.15-0.25；第二脈沖寬度0.2-0.3；第三脈沖寬度0.2-0.3；且第四脈沖寬度0.2-0.3，其中，所述脈沖寬度代表全部脈沖寬度的小數(shù)部分。
在一些實施例中，脈沖具有相同的寬度但不同的振幅。脈沖振幅可從第一脈沖到最后脈沖地增加。這意味著傳送至噴嘴的第一流體量的能量低于后面流體量的能量。每個流體量可具有逐漸增多的能量。例如，在四脈沖波中，在單個激活脈沖中的相對振幅可具有以下值第一脈沖振幅0.25-1.0(例如0.73)；第二脈沖振幅0.5-1.0(例如0.91)；第三脈沖振幅0.5-1.0(例如0.95)；且第四脈沖振幅0.75-1.0(例如1.0)。
也可以是其它關(guān)系。例如，在一些實施例中，后續(xù)脈沖的振幅可低于前面脈沖的振幅。
使用形成點滴、要求的電壓和電流調(diào)節(jié)、噴嘴穩(wěn)定性、合成噴嘴頻率響應(yīng)和其它評價波形的指標(biāo)經(jīng)驗性地確定脈沖寬度和振幅的值。也可使用分析方法估算單個點滴的點滴形成時間和點滴離開指標(biāo)。
優(yōu)選地，尾部離開時間大體上比激活脈沖之間的周期長。也就是說，點滴的形成時間明顯比脈沖時間長，從而不會形成單獨點滴。
特別地，對于單滴的形成，可評估兩個指標(biāo)用以估計尾部斷開時間或點滴形成時間。時間參數(shù)T0可從噴射器幾何尺寸和流體特性(參見Fromm，J.E.，“按需噴射型噴嘴的流體動力學(xué)的數(shù)值計算(Numerical Calculation of theFluid Dynamics of Drop-on-demand Jets)”，IBM J.Res.Develop.，Vol.28 No.3，1984年5月)計算得出。這個參數(shù)代表有關(guān)噴嘴幾何尺寸和流體特性以點滴形成時間的比例因數(shù)，且可通過使用點滴形成的數(shù)值模型進(jìn)行推算。
T0通過下式確定T0＝(ρr3/σ)1/2這里，r是噴嘴半徑(例如，50微米)，ρ是流體密度(例如，1gm/cm3)，σ是流體表面張力(例如，30dyn/cm)。這些值對應(yīng)于產(chǎn)生用于典型測試流體(例如，水和乙二醇混合物)的80pl點滴的噴嘴尺寸。一般，交錯斷裂(pinch-off)時間從大約T0的2倍至4倍變化，如Fromm的參考文獻(xiàn)中的解釋。因此，對這個指標(biāo)，對于所述參數(shù)值示例，離開時間可為130-260微秒。
由Mills，R.N.，Lee F.C.，和Talke F.E.在“用于彩色打印的按需噴射型噴墨技術(shù)(“Drop-on-demand Ink Jet Technology for Color Printing”SID82文摘，13，156-157(1982))中討論的尾部離開時間的另一種計算，使用以實驗為主的推導(dǎo)參數(shù)用于計算尾部離開時間Tb，其由下式給出Tb＝A+B(μd)/σ，其中，d為噴嘴直徑，μ為流體粘度，而A和B為適當(dāng)參數(shù)。在一個例子中，A確定為47.71，而B確定為2.13。在這個例子中，噴嘴直徑為50微米，粘度為10厘泊，而表面張力為30dyn/cm，則尾部離開時間為約83微秒。
可使用用于流體層狀噴嘴的穩(wěn)定性的瑞利準(zhǔn)則估算激勵頻率的范圍，在該范圍內(nèi)可優(yōu)化單獨點滴的形成。這個判則可如以下數(shù)學(xué)表達(dá)k＝πd/λ.
這里，k是從圓柱形流體噴嘴的穩(wěn)定性公式推導(dǎo)出來的參數(shù)。噴嘴的穩(wěn)定性通過表面擾動(例如脈沖產(chǎn)生的干擾)是否會增長振幅而確定。λ是噴射器上的表面波的波長。對于分離的點滴的形成，參數(shù)k應(yīng)在0和1之間。由于λ等于點滴速度v除以脈沖頻率f，該等式可改寫為頻率和速度的表達(dá)式。從而，對于分離點滴的形成f≤v/(πd).
例如，在d＝50微米且v＝8m/s的噴射器中，根據(jù)這個分析，為了有效分離點滴，f應(yīng)小于約50kHz。在這個例子中，約為60kHz的多脈沖激發(fā)頻率會幫助多脈沖波提供單滴。
通過變換多脈沖波中的脈沖數(shù)量可改變每個點滴質(zhì)量。每個多脈沖波可包括任意個數(shù)的脈沖(例如，2、3、4、5或更多脈沖)，根據(jù)每個噴射的點滴所需的點滴質(zhì)量而選擇。
一般，點滴質(zhì)量可按需要改變。通過增加脈沖振幅、脈沖寬度和/或增加多脈沖波中的激活脈沖數(shù)量可產(chǎn)生更大的點滴。在一些實施例中，每個噴射器可噴射在一定體積范圍變換的點滴，使得最小的可能點滴的質(zhì)量約為最大的可能點滴質(zhì)量的10％(例如，約20％，50％)。在一些實施例中，噴射器可噴射點滴質(zhì)量從約10pl至40pl的點滴質(zhì)量范圍內(nèi)的點滴，例如在約10pl和20pl之間。在其它實施例中，點滴質(zhì)量可在80pl至300pl之間變化。在另一些實施例中，點滴質(zhì)量可從25pl至120pl之間變化。點滴可能尺寸的大的變化對于在使用灰度打印的應(yīng)用中提供各種灰度有特別的好處。在一些應(yīng)用中，對于有效的灰度級別，具有2個質(zhì)量水平的從約1至4的點滴質(zhì)量的范圍是足夠的。
除了點滴質(zhì)量以外，可選擇脈沖序列形狀以進(jìn)一步改進(jìn)點滴特性。例如，通過選擇適當(dāng)?shù)拿}沖序列形狀，點滴尾部的長度和體積可被顯著減小。點滴尾部是指點滴中大致在點滴前邊緣后方呈尾狀的墨水的量(例如，任何使得點滴形狀不同于基本球形的流體量)且很可能引起性能降低。在點滴的前邊緣后面多于兩個噴嘴直徑的流體一般會對性能有不利影響。點滴尾部一般由表面張力和粘度引起，其在點滴被噴射出后將最終流體量拉出噴嘴。點滴的尾部可由點滴不同部分之間的速度變化引起，因從開口同時噴射較慢移動的墨水或在較快移動的墨水之后噴射的墨水會為該較快移動的墨水產(chǎn)生托尾。在很多情況下，由于大的尾部與點滴的引前邊緣打在移動基底的不同部位，因此具有大尾部可降低打印圖像的質(zhì)量。
在一些實施例中，尾部可被顯著地減小，以使得被噴射點滴在距開口很短的距離內(nèi)大致為球形。例如，至少點滴質(zhì)量的約60％(例如，至少約80％)可包括在點滴中頂點的半徑r內(nèi)，其中，r對應(yīng)于完美球形點滴的半徑且由下式給出r=334πmdρ]]>其中，md為點滴質(zhì)量，ρ為墨水密度。換言之，當(dāng)至少約60％的點滴質(zhì)量位于點滴中頂點的r內(nèi)時，大約少于40％的點滴質(zhì)量位于尾部中。在一些實施例中，少于約30％(例如少于約20％，10％，5％)的流體質(zhì)量位于點滴尾部中。對于點滴速度大于約4ms-1的情況(例如大于約5ms-1，6ms-1，7ms-1，8ms-1)，少于約30％(例如少于約20％，10％，5％)的點滴質(zhì)量可位于點滴尾部中。
點滴尾部中的流體比例可從點滴的照相圖片中確定，例如圖15A-B和圖16A-B所示。特別是，點滴尾部中的流體比例可從圖像中的點滴主體和點滴尾部的相對區(qū)域推知。
影響點滴特性的脈沖參數(shù)一般是相關(guān)的。而且，點滴特性也可依賴于點滴噴射器的其它特性(例如，腔室體積)和流體特性(例如，粘度和密度)。因此，用于產(chǎn)生具有特定質(zhì)量、形狀和速度的多脈沖波可依不同噴射器的不同和流體類型的不同而變化。
雖然前述多脈沖波由連續(xù)脈沖構(gòu)成，在一些實施例中，噴射器在以下多脈沖波的作用下可產(chǎn)生點滴，所述多脈沖波包括不連續(xù)脈沖。參考圖12，包括不連續(xù)脈沖的多脈沖波的例子為多脈沖波500，其包括脈沖51 、520、530和540。全部波中的第一脈沖510通過空時段512與全部波中的第二脈沖520分離。第二脈沖520通過空時段522從第三脈沖530分離。類似地，第四脈沖540通過空時段532從第三脈沖530分離。一種特征化脈沖周期和延遲周期之間關(guān)系的方法是通過脈沖占空因數(shù)。這里，每個脈沖的占空因數(shù)是指脈沖周期與脈沖之間的周期(例如，脈沖周期加上延遲周期)的比率。例如一個占空因數(shù)對應(yīng)于具有零延遲周期的脈沖，例如圖4A所示。當(dāng)脈沖被有限延遲周期分隔開時，占空因數(shù)小于1。在一些實施例中，多脈沖波中的脈沖可具有小于1的占空因數(shù)，例如約0.8、0.6、0.5或更小。在一些實施例中，延遲周期可用于波之間，以減少后續(xù)脈沖和前面脈沖之間的影響。例如，當(dāng)被反射脈沖的衰減較低時(例如，當(dāng)墨粘度較低時)，需要及時偏置相鄰的脈沖以減小這些影響。
參考圖13和圖14，在使用噴墨打印頭打印的過程中，通過用多個多脈沖波驅(qū)動噴墨嘴，每個噴墨嘴噴射很多點滴。如圖13所示，多脈沖波810和820分別跟隨有延遲周期812和822。響應(yīng)多脈沖波810噴射一個點滴，而響應(yīng)多脈沖波820噴射另一點滴。一般，相鄰多脈沖波的形狀可以相同也可不同，依賴于所需的點滴是否相似。
多脈沖波之間的最小延遲周期依賴于打印分辨率和多脈沖波持續(xù)時間。例如，對于約1m/s的相對基底速度，多脈沖波頻率應(yīng)為23.6kHz，以提供600dpi的打印分辨率。因此，在這種情況下，相鄰多脈沖波應(yīng)分隔開42.3微秒。從而每個延遲周期為42.3微秒與多脈沖波持續(xù)時間之間的差。
圖14示出從具有23μm直徑的圓形開口噴射多個點滴的噴墨嘴的示例。在這個實施例中，由于激發(fā)頻率為40kHz，所以驅(qū)動脈沖為16微秒的持續(xù)時間及25微秒的分離。
圖15A-B和圖16A-B示出以兩種不同頻率噴射80pl點滴的兩種噴嘴的比較。如圖15A和16A所示的一個噴頭，是較小的噴嘴(名義上為20pl)且使用四脈沖波噴射80pl點滴。圖15B和16B所示的另一個噴頭，為使用單脈沖波的80pl噴嘴。由多脈沖波形成的點滴與由單脈沖波形成的那些點滴相比，也表現(xiàn)出減小的尾部質(zhì)量。
一般，除了上述點滴噴射裝置外，所討論的驅(qū)動方案還可適用于其它點滴噴射設(shè)備。例如，該驅(qū)動方案可用于Andreas Bibl及其同事于2003年7月3日申請的名為“打印頭”的No.10/189947號美國專利申請，和EdwardR.Moynihan及其同事于1999年10月5日申請的名為“具有密封的壓電噴墨嘴模型”的No.09/412827號美國專利申請中描述的墨噴頭，其全部內(nèi)容在此引為參考。
而且，如前所述，上述的驅(qū)動方案可應(yīng)用到一般的點滴噴射裝置，而不只是這些噴射墨水的裝置。其它點滴噴射裝置的例子包括那些被用來沉積用于電子顯示的圖案化粘合劑或圖案化的材料(例如，有機(jī)LED材料)。
已經(jīng)描述了多個本發(fā)明的實施例。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可做出各種修改。因此，其它實施例都落入附帶的權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種驅(qū)動具有致動器的點滴噴射器裝置的方法，其包括向致動器施加包括兩個或多個驅(qū)動脈沖的多脈沖波，以促使點滴噴射裝置噴射流體的單滴，其中，驅(qū)動脈沖的頻率大于點滴噴射裝置的固有頻率fj。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述多脈沖波具有兩個驅(qū)動脈沖。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述多脈沖波具有三個驅(qū)動脈沖。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述多脈沖波具有四個驅(qū)動脈沖。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述脈沖頻率大于約1.3fj。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中所述脈沖頻率大于約1.5fj。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述脈沖頻率在約1.5fj和約2.5fj之間。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述脈沖頻率在約1.8fj和約2.2fj之間。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述兩個或多個脈沖具有相同脈沖周期。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述單獨脈沖具有不同脈沖周期。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述兩個或多個脈沖包括一個或多個雙極性脈沖。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述兩個或多個脈沖包括一個或多個單極性脈沖。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述點滴噴射裝置包括泵室，且所述致動器被設(shè)置為響應(yīng)驅(qū)動脈沖而改變在所述泵室內(nèi)的流體壓力。
14.如權(quán)利要求1所述的方法，其中每個脈沖具有對應(yīng)于施加至致動器的最大或最小電壓的振幅，并且其中的至少兩個脈沖的振幅大致相同。
15.如權(quán)利要求1所述的方法，其中每個脈沖具有對應(yīng)于施加至致動器的最大或最小電壓的振幅，并且其中的至少兩個脈沖的振幅不同。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中所述兩個或多個脈沖中的每個后續(xù)脈沖的振幅大于前面脈沖的振幅。
17.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述點滴噴射裝置為噴墨嘴。
18.一種方法，其包括用包括一個或多個脈沖的波驅(qū)動點滴噴射裝置，每個所述脈沖都具有小于約20微秒的周期，以促使點滴噴射裝置響應(yīng)所述脈沖噴射單滴。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其中所述一個或多個脈沖的每個都具有小于約12微秒的周期。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述一個或多個脈沖的每個都具有小于約10微秒的周期。
21.一種方法，其包括用包括兩個或多個脈沖的多脈沖波驅(qū)動點滴噴射裝置，每個所述脈沖都具有小于約25微秒的周期，以促使點滴噴射裝置響應(yīng)所述兩個或多個脈沖噴射單滴。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其中所述兩個或多個脈沖的每個都具有小于約12微秒的周期。
23.如權(quán)利要求21所述的方法，其中所述兩個或多個脈沖的每個都具有小于約8微秒的周期。
24.如權(quán)利要求21所述的方法，其中所述兩個或多個脈沖的每個都具有小于約5微秒的周期。
25.如權(quán)利要求21所述的方法，其中所述點滴量在1pl和100pl之間。
26.如權(quán)利要求21所述的方法，其中所述點滴量在5pl和200pl之間。
27.如權(quán)利要求21所述的方法，其中所述點滴量在50pl和1000pl之間。
28.一種裝置，其包括固有頻率為fj的點滴噴射裝置；以及連接至點滴噴射裝置的驅(qū)動電子組件，其中在操作過程中，所述驅(qū)動電子組件用由多個具有大于fj頻率的驅(qū)動脈沖組成的多脈沖波驅(qū)動所述點滴噴射裝置。
29.如權(quán)利要求28所述的裝置，其中多個頻率為fj的驅(qū)動脈沖的諧波含量小于多個頻率為fmax，即最大含量頻率的驅(qū)動脈沖的諧波含量的50％。
30.如權(quán)利要求29所述的裝置，其中多個頻率為fj的驅(qū)動脈沖的諧波含量小于多個頻率為fmax的驅(qū)動脈沖的諧波含量的25％。
31.如權(quán)利要求30所述的裝置，其中多個頻率為fj的驅(qū)動脈沖的諧波含量小于多個頻率為fmax的驅(qū)動脈沖的諧波含量的10％。
32.如權(quán)利要求28所述的裝置，其中在操作過程中，所述點滴噴射裝置響應(yīng)所述多個脈沖噴射單滴。
33.如權(quán)利要求28所述的方法，其中所述點滴噴射裝置為噴墨嘴。
34.一種包括如權(quán)利要求30所述的噴墨嘴的噴墨打印頭。
35.一種驅(qū)動具有致動器的點滴噴射裝置的方法，其包括向致動器施加包括兩個或多個驅(qū)動脈沖的多脈沖波，以促使所述點滴噴射裝置噴射流體點滴，其中，點滴質(zhì)量的至少約60％包括在點滴中頂點的半徑r內(nèi)，其中，r對應(yīng)于由下式給出的完美球形點滴的半徑r=34πmdρ3]]>其中，md為點滴質(zhì)量，ρ為流體密度。
36.如權(quán)利要求35所述的方法，其中所述點滴具有至少約為4ms-1的速度。
37.如權(quán)利要求35所述的方法，其中所述點滴具有至少約為6ms-1的速度。
38.如權(quán)利要求35所述的方法，其中所述點滴具有至少約為8ms-1的速度。
39.如權(quán)利要求35所述的方法，其中所述驅(qū)動脈沖的頻率大于點滴噴射裝置的固有頻率fj。
40.如權(quán)利要求35所述的方法，其中所述點滴質(zhì)量的至少約80％包括在點滴中頂點的半徑r內(nèi)。
41.如權(quán)利要求35所述的方法，其中所述點滴質(zhì)量的至少約90％包括在點滴中頂點的半徑r內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明的一方面給出一種驅(qū)動具有致動器的點滴噴射器裝置的方法，其包括向致動器施加包括兩個或多個驅(qū)動脈沖的多脈沖波，以促使點滴噴射裝置噴射單滴，其中，驅(qū)動脈沖的頻率大于點滴噴射裝置的固有頻率f
文檔編號B41J2/045GK1950215SQ200580014141
公開日2007年4月18日 申請日期2005年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月15日
發(fā)明者羅伯特·A·哈森貝恩, 保羅·A·霍伊辛頓, 迪恩·A·加德納, 史蒂文·H·巴斯 申請人:迪馬蒂克斯股份有限公司