一種提高列印均勻度的聲控噴墨列印方法和系統的製作方法

2023-04-30 16:10:51

專利名稱：一種提高列印均勻度的聲控噴墨列印方法和系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種通過控制系統的非線性特性來提高列印均勻度的聲控噴墨列印方法和系統。更確切地說，本發明涉及相對系統的非線性起始時的功率電平控制系統的聲波功率輸出。在本發明中利用了各種技術實現這一點，包括降低(非線性)起始功率電平和/或提高運行或輸出功率電平，使得運行功率電平超過該起始功率電平。
雖然，本發明特別涉及聲控噴墨列印技術，並因此以其作為特定基準來介紹，但應認識到在其它領域和應用場合中，本發明也可能有用。
根據技術背景介紹，聲控噴墨列印包含從墨盒中噴射墨滴到列印介質上。產生聲波並聚焦到墨盒中的墨水表面上以便由該處噴射墨滴。雖然聲控噴墨列印元件可以採用多種形式，但這些元件通常包含壓電換能器、透鏡、其中形成有孔以便噴射墨滴的蓋片、以及相應的線路。應認識到可在單一列印頭上配置約1000或更多的這種元件。
採用聲控噴墨列印元件的困難在於它們易受許多因素的影響，導致系統的列印不均勻性。這種不均勻性是不希望有的，因為會引起不均勻噴射墨滴並因此降低系統的列印精確度、準確度和質量。
引起系統的列印不均勻性的原因是多樣的。例如，蓋片可能並不十分平整，導致噴射墨滴的墨水表面隨噴射器的不同而不同。引起不均勻性的另一原因是透鏡的結構。這會影響聚焦聲波的有效性，這種聚焦聲波將引起從墨水表面噴射墨滴。
引起不均勻性的其他原因與壓電元件有關。例如，壓電元件厚度不均勻可能通過列印頭影響操作的均勻性。另外，壓電元件某些內在特性例如機電耦合常數(它決定電信號和聲波的耦合)也可能隨元件而改變，並因此對操作的均勻性產生不良影響。
引起系統中不均勻性的另一原因在於通常印在列印頭上布線圖形。應當認識到，這些圖形的電阻和電抗引起不均勻性存在，因為距離電源的距離對於不同元件是變化的。
本發明提出了一種新型和改進的聲控噴墨列印方法和系統，這種方法和系統通過控制該系統的非線性特性、對在其中可能存在的不均勻性進行補償解決了上述的難題及其他問題。
本發明提供了一種通過控制系統的非線性特性來提高聲控噴墨列印系統中的列印均勻性的聲控噴墨列印方法和系統。本發明包含按照各種不同的方式使該系統的運行功率電平高於系統中開始產生非線性時的功率電平。
根據本發明的一個方面，降低墨水的密度。
根據本發明的另一個方面，提高墨水的非線性常數。
根據本發明的再一個方面，提高透鏡的F值。
根據本發明的再一個方面，提高聲波的頻率。
根據本發明的再一個方面，降低通過墨水的聲波的聲速。
根據本發明的再一個方面，降低輸入RF脈衝的脈衝寬度來提高峰值運行功率。
由以下提供的詳細說明將會使本發明的其它應用範圍變得更清楚。然而，應當理解，如下的詳細介紹和代表本發明的優選實施例的各特定實例僅是為了便於說明而提供的，因為對於在本技術領域中的技術人員來說在本發明的構思和範圍之內的各種變化和改進將變得很明顯。
本發明在於裝置中的各個部份的結構、配置和組合以及該方法的各個步驟(如在下文中更充分敘述的特別是在權利要求中所指出的和在附圖中所表示的)以此達到預期的目的，其中

圖1是說明本發明適用的聲控噴墨列印元件的示意圖。
圖2是根據墨滴速度與聲波功率的關係曲線，表示聲控噴墨列印元件的優選工作區。
圖3是表示利用圖1中所表示的元件的系統的輸入功率/輸出功率相互關係的曲線圖。
圖4(a)和(b)是分別表示根據本發明的系統中期望的輸入功率/輸出功率相互關係以及理想的輸入功率/輸出功率相互關係的曲線圖。
圖5是表示根據本發明的方法的流程圖。
圖6是表示根據本發明的方法的流程圖。
圖7表示是根據本發明的方法的流程圖。
下面參閱各附圖，其中的附圖僅是用來說明本發明的優選實施例，並不是用來限制本發明，圖1是本發明適用的例舉性的聲控噴墨列印元件10的視圖。當然，其他結構也可能適用本發明。
如圖所示，元件10包括一其上覆蓋有電極層14的玻璃層12。一壓電層16最好由氧化鋅形成並置於電極層14上，電極18置於壓電層16上。電極層14和電極18通過在20示意表示的表面布線圖形和電纜22連接到射頻電源24上，射頻電源24產生的功率傳輸到電極14和18上。在該電極層14的對側，是最好由同心的菲涅爾透鏡形成的透鏡。一個其中形成有孔30的液位控制片28與該透鏡26隔開。墨水32限制在該液位控制片28和玻璃層12之間，並且該孔30與透鏡26對準以便由墨水表面36噴射墨滴34。當然、墨水表面36是由孔30露出的。
透鏡26、電極層是14、壓電層16以及電極18用公知的光刻技術形成在玻璃層12上。接著將液位控制片28定位，使其與玻璃層12隔開。將墨水32由墨盒(未表示)提供到在片28和玻璃層12之間的空隙中。
在附圖1中所表示的聲控噴墨列印元件10具有作為墨滴速度的函數的聲波輸出功率的優選工作區。如在圖2中所示，該圖是表示在液體表面處墨滴速度相對聲波輸出功率(或者聲波的幅值)的曲線圖，優選的工作區定義在已知的聲波幅值的±10％之內。如果幅值小於在該區域中的數值，就沒有墨滴從列印頭噴出或者噴出的墨滴速度可能太低，導致列印質量下降(由於墨滴錯位)。如果該數值大於在優選的工作區中的所有數值，則除了預期的噴射墨滴之外還可能附加噴射墨滴。附加的墨滴將會在列印的字符或者圖像中引起不希望產生的模糊以及膺像。因此，希望聲控噴墨列印元件10工作在該優選的區內。
然而，聲控噴墨列印元件10會遇到在本發明的背景技術部分中上面指出的不均習性的難題。這種不均勻性影響該元件的工作性能，使其工作在圖2所示的優選區域之外。因此，本發明的目標是提高在墨水表面的聲波功率均勻性，同時還要避免在製造過程中不必要地形成高的配合公差。為了維持元件在優選的範圍內工作的嚴格的配合公差可能使製造成本不必要地高和過分複雜的操作。
因此，為了提高在圖1中所表示的元件10中的均勻性，應控制該系統非線性。為更具體地了解，下面參照圖3，該圖表示輸入聲波功率(Pin)，對於輸出聲波功率(Pout)的關係曲線。圖3和圖4(a)和4(b)中的各個線表示對於如上所述系統的可能的不同的響應。例如，在圖3中，實線表示按照線性方式工作的系統。在線性系統中，輸入功率的變化與輸出的變化直接相關。虛線表示通常的聲控噴墨列印頭(例如包含如在圖2中所表示的元件10的列印頭)響應特性，因此該系統工作在低非線性的區域中。因此，當輸入功率變化時導致大的輸出功率變化。此外，取決於噴射的液體，該運行功率(Poper)通常在5-10毫瓦的範圍內，而起始功率(Ponset)(該系統響應產生非線性時的功率電平)也處在5-10毫瓦的範圍內，但是它經常大於該運行功率，如在圖3中所表示的。
下面參照圖4(a)，該圖利用實線表示根據本發明的系統的預期的響應特性。這一反應特性表明具有高非線性，假設輸入功率超過某一功率值(P1)，當輸入功率(Pin)變化時輸出功率(Pout)僅僅產生很小的變化。關於這一點，應當認識到，要形成預期的響應特性需要系統的運行功率高於該起始功率Ponset。
參照圖4(b)，根據本發明的系統的理想響應特性用虛線來表示。在這種情況下，運行功率Poper等於該起始功率Ponset。假設輸入功率(Pin)超過某一功率值(如P1)，當輸入功率變化時，理想系統應當沒有輸出功率(Pout)變化。
因此，本發明涉及將該裝置的工作區維持在如圖4(a)中所表示的曲線中的非線性部分，以便使得輸入到系統的功率允許有較大寬容度以及在輸出有小的偏差。這將對在該系統中在輸入側(例如布線圖形、換能器、玻璃基片以及透鏡處)出現的非線性進行補償，從而實現在墨水表面的輸出聲波功率均勻以及使得該系統能運行在如在圖2所表示的優選運行區域。
根據本發明，提出各種方法實現在系統中優選的非線性運行。一種方法是設計一種換能器開關元件，使提供到換能器的RF電流或大或小為恆定值，而與電壓無關。雖然這種類型的非線性降低了由於RF分布線路的電阻和電抗產生的不均勻性，但它不必留心由於換能器和透鏡所產生的不均勻性。
一種優選的方案是尋找在透鏡、玻璃、換能器以及布線中的不均勻性，為此，對於聚焦的高幅值的聲波，通過控制在墨水中聲波傳播的非線性特性從而使該系統運行在非線性區。關於這一點，當在墨水的表面上聲波的焦點處峰值聲波功率超過起始功率(由在系統中起始產生的非線性確定)時聚焦的聲波和液體勢必會按照非線性傳播，起始功率如按照如下公式(參閱，例如D.Rugar，56 J.Appl.Phys.1338(1984))Ponset=0.1F2f2c51632--(1)]]>其中，ρ和c和β分別是液體的密度，聲速，以及非線性常數，F是透鏡的焦距與孔徑的比值以及f是聲波的頻率。
因此，正如上面指出的，對於使用墨水型的聲控噴墨印表機，典型的運行條件，Ponset是大約5-10毫瓦，而印表機標稱的運行功率也處在5-10毫瓦的範圍內，脈衝寬度接近2微秒，然而，正如上面指出的，起始功率經常為運行功率的很多倍(如在圖3中所表示的)。這樣，印表機的運行條件已經接近非線性響應特性的閾值。本發明涉及將運行功率值置於非線性起始功率值之上。
在本發明的第一實施例中，圖1中所示的聲控噴墨列印元件具有預期的輸入功率(Pin)/輸出功率(Pout)相互關係如在圖4(a)中所表示的，該元件包含配置在該片和玻璃基片之間的墨水，該墨水的密度在墨水的表面便於使產生的輸出功率處在一在起始功率值之上的運行功率值。參照方程(1)，這一要求是降低墨水的密度從而降低起始功率。當然，這須假定所有的其它變量都保持恆定。
在本發明的第二實施例中，圖1中所示的聲控噴墨列印元件具有預期的輸入功率(Pin)/輸出功率(Pout)相互關係，如在圖4(a)中所表示的，該元件包含配置在該片和玻璃基片之間的墨水，該墨水具有一非線性常數，便於使產生的輸出功率處在一在起始功率值之上。參照方程(1)，通過增加墨水的非線性常數從而降低起始功率來實現這一點。當然，這須假定所有的其它變量都保持恆定。
在本發明的第三實施例中，圖1中所示的聲控噴墨列印元件具有預期的輸入功率(Pin)/輸出功率(Pout)相互關係，如在圖4(a)中所表示的，該元件包含具有一定焦距和具有一定孔徑的孔30的透鏡26。透鏡的焦距對孔徑的比值是這樣的，即使得產生的輸出功率在起始功率之上。參照方程(1)可知，透鏡的焦距對孔徑的比值是按照F定義的。因此增加F就會降低起始功率。當然，這須假定所有的其它變量都保持恆定。
在本發明的第四實施例中，圖1中所示的聲控噴墨列印元件具有預期的輸入功率(Pin)/輸出功率(Pout)相互關係，如在圖4(a)中所表示的，運行控制該元件以便按照這樣一個頻率通過玻璃基片傳播聲波，該頻率將使得產生的輸出功率在起始功率之上。參照方程(1)，通過增加聲波的頻率從而降低起始功率來實現這一點。當然，這須假定所有的其它變量都保持恆定。
關於運行方法，下面參照圖5，通過產生射頻信號(步驟502)提供輸入功率。然後將產生的信號提供到壓電換能器(步驟504)，該換能器產生具有一定頻率的聲波通過玻璃基片傳播，該使得在墨水表面處產生的輸出聲波功率的值高於該起始功率(步驟506)。然後利用透鏡聚焦所產生的聲波(步驟508)，並通過墨水傳播該聲波(步驟510)。然後根據聚焦的聲波由墨水的表面噴射墨滴(步驟512)。
根據本發明的第五實施例，圖1中所示的聲控噴墨列印元件具有預期的輸入功率(Pin)/輸出功率(Pout)相互關係，如在圖4(a)中所表示的，控制該元件的運行以便維持聲波在墨水中的速度使得產生的輸出功率在起始功率之上。參照方程(1)，通過降低墨水中的聲音速度從而降低起始功率來實現這一點。當然，這須假定所有的其它變量都保持恆定。
圖6表示根據本發明的第五實施例的方法。如圖所示，通過產生射頻信號提供輸入功率(步驟602)。然後將產生的信號提供到壓電換能器(步驟604)，該換能器將聲波通過玻璃基片傳播(步驟606)。然後利用透鏡將聲波聚焦(步驟608)以及通過墨水傳播(步驟610)。維持聚焦的聲波的速度使得所產生的輸出功率將處於在高於起始功率值(步驟612)。然後根據聚焦的聲波噴射墨滴(步驟614)。
上述的各個實施例涉及到在墨水的表面使產生的輸出聲波功率值處於起始功率值之上。在這些實施例中通過降低系統的起始功率值來實現這一點。即，這些實施例涉及通過控制作為工作點的函數(在該工作點系統的非線性開始)的變量，控制聲波通過墨水傳播的非線性特性。按照這種方式實施，會降低起始功率值。
然而，系統的運行功率也可以增加。如在本發明的第六實施例中，圖1中所示的聲控噴墨列印元件具有一定的輸入功率(Pin)/輸出功率(Pout)相互關係，如在圖4(a)中所表示的，通過產生具有一定脈衝寬度的射頻信號以便使得產生的輸出功率在起始功率之上來控制該元件的運行。由於墨滴的噴射受在射頻脈衝中的能量影響，射頻脈衝寬度越窄將使峰值功率值越高。關於這一點，對於射頻脈衝能量＝峰值功率×脈衝寬度 (2)從而通過增加射頻信號的峰值功率(或者幅值)以及按照相同的比例降低脈衝寬度可以得到相同的能量。因此，可以將標稱的運行功率值增加到在起始功率值之上，以便實現按照在非線性區的運行。
應當指出，按照極短脈衝寬度，將會使墨滴降低穩定性，這是由於某些其他非線性的因素影響。因此，在按照不必要的過短脈衝寬度方式的非線性運行過程中，由於某些其他非線性因素的影響將降低墨滴的穩定性。因此不可能按照極短的脈衝寬度條件實現非線性運行。
關於在本發明的第六實施例中方法，通過產生具有一定脈衝寬度的射頻信號向壓電元件提供輸入功率，該信號的脈衝寬度是這樣的，即使得在墨水表面產生的輸出功率值處在起始功率值之上(步驟702)。然後將產生的信號提供到壓電換能器(步驟704)，該換能器產生的聲波通過玻璃基片傳播(步驟706)。利用透鏡將該聲波聚焦(步驟708)以及通過墨水傳播(步驟710)。最後，根據聚焦的聲波由墨水表面通過該孔噴射墨滴(步驟712)。
應當認識到，本發明的六個不同的實施例並不是相互排他性的。即，可以使用1個、所有6個、或者任何其它的組合的實施例方案，以便實現本發明的預期效果。在這種情況下，應當認識到，可以控制不同的變量而使其它量為恆定值。根據設計者或者用戶的需要和要求可以對採用的運行方法和結構要求進行選擇。
上面的介紹只不過是對本發明的各個特定的實施例的公開，並不意在對本發明進行限定。因此，本來發明並不局限於上述的各個實施例。相反，應該認識到本技術領域的技術人員將可以在本發明的範圍之內設想其他實施方式。
權利要求
1.一種聲控噴墨列印元件，包含一個裝置，用於向該元件提供輸入聲波功率；以及一個裝置，用於產生輸出聲波功率，該功率高於在系統中非線性起始時對應的的功率值符合如下關係式Ponset=0.1F2f2c51632--(1)]]>其中，ρ和c和β和分別是液體的密度，聲速以及非線性常數，F是透鏡的焦距與孔徑直徑的比值以及f是聲波的頻率。
2.一種聲控噴墨列印元件，具有一個包含非線性區的功率傳遞函數該非線性區在第一功率值時起始，該元件包含壓電換能器；玻璃基片，附著到該壓電換能器；透鏡，形成在與壓電換能器相反一側上的玻璃基片上；液位控制片，其中形成有孔並與該基片隔開；以及墨水，墨水設置在該片和玻璃基片之間，具有一個藉助於該孔露出的墨水表面，該墨水的密度適於在墨水表面按照高於第一功率值的第二功率值產生輸出聲波功率。
3.一種聲控噴墨列印元件，具有一個包含非線性區的功率傳遞函數該非線性區在第一功率值時起始，該元件包含壓電換能器；玻璃基片，附著到該壓電換能器；透鏡，形成在與壓電換能器相反的一側上的玻璃基片上；液位控制片，其中形成有孔並與該基片隔開；以及墨水，墨水設置在該片和玻璃基片之間，具有一個藉助於該孔露出的墨水表面，該墨水具有一個非線性常數，該常數適於在墨水表面按照高於第一功率值的第二功率值產生輸出聲波功率。
4.一種聲控噴墨列印元件，具有一個包含非線性區的功率傳遞函數該非線性區在第一功率值時起始，該元件包含壓電換能器；玻璃基片，附著到該壓電換能器；透鏡，形成在玻璃基片上的與壓電換能器相反的一側上；液位控制片，其中形成有孔並與該基片隔開；以及墨水，墨水設置在該片和玻璃基片之間，具有一個藉助於該孔露出的墨水表面，其中該焦距對孔徑的比值是這樣的，使得在墨水表面可按照高於第一功率值的第二功率值產生輸出聲波功率。
5.一種用於聲控噴墨列印元件的聲控噴墨列印方法，該元件具有一個附著到一其上形成有透鏡的玻璃基片上的壓電換能器，其中形成有孔以及與該基片隔開的液位控制片，設置在該片和玻璃基片之間的墨水，具有藉助於該孔露出的墨水表面，該元件具有包含一個非線性區的功率傳遞函數，該非線性區起始於第一功率值，該方法包含的步驟有通過產生射頻信號提供輸入功率；將所產生的信號施加到該壓電壓電換能器；根據施加的聲波頻率通過玻璃基片傳播聲波，使得在墨水表面按照高於第一值的第二值產生輸出聲波功率；利用透鏡聚焦該聲波；通過墨水傳播該聚焦的聲波；根據聚焦的聲波由墨水表面通過該孔噴射墨滴。
6.一種用於聲控噴墨列印元件的聲控噴墨列印方法，該元件具有一個附著到一其上形成有透鏡的玻璃基片上的壓電換能器、其中形成有孔以及與該基片隔開的液位控制片，設置在該片和玻璃基片之間的墨水，它具有利用該孔露出的墨水表面，該元件具有包含一個非線性區的功率傳遞函數，該非線性區起始於第一功率值，該方法包含的步驟有通過產生射頻信號提供輸入功率；將所產生的信號施加到該壓電壓電換能器；根據施加的聲波通過玻璃基片傳播聲波，利用透鏡聚焦該聲波；通過墨水傳播該聚焦的聲波；維持在墨水中經聚焦的聲波的速度，使得該在墨水表面處按照高於第一值的第二值產生輸出聲波功率；以及根據聚焦的聲波由墨水表面通過該孔噴射墨滴。
7.一種用於聲控噴墨列印元件的聲控噴墨列印方法，該元件具有一個附著到一其上形成有透鏡的玻璃基片上的壓電換能器，其中形成有孔以及與該基片隔開的液位控制片，設置在該片和玻璃基片之間的墨水，它具有利用該孔露出的墨水表面，該元件具有包含一個非線性區的功率傳遞函數，該非線性區起始於第一功率值，該方法包含的步驟有通過產生射頻信號提供輸入功率，該信號具有的脈衝寬度使得該在墨水表面處按照高於第一值的第二值產生輸出聲波功率，將所產生的信號施加到該壓電換能器；根據施加的信號通過玻璃基片傳播聲波，利用透鏡聚焦該聲波；通過墨水傳播該聚焦的聲波；以及根據聚焦的聲波由墨水表面通過該孔噴射墨滴。
全文摘要
提供一種聲控噴墨列印方法和系統,用於通過控制該系統的非線性特性改進在聲控噴墨列印系統中的列印均勻度。該方法包含使該系統運行在一個高於系統非線性起始時相對應的功率值的功率值下。
文檔編號B41J2/04GK1252350SQ991208
公開日2000年5月10日 申請日期1999年9月30日 優先權日1998年9月30日
發明者B·B·哈迪米奧格盧 申請人:施樂公司