CN1141612A - 喷墨记录装置 - Google Patents

Abstract

本发明的装置包括一记录头(1)，而该记录头包括：多个压力腔(13)，每个压力腔均与一喷嘴孔(23)联通，该喷嘴孔布置成包括n行(35)和m列(37)的矩阵形式。一压电致动元件(7)与每个压力腔(13)相联，各致动元件包括第一电极(9)和第二电极(11)。当有电压施加于第一和第二电极(9、11)之间时，压力腔(13)的容积发生变化，当第一电极相对于第二电极为正时，压力腔膨胀；当第一电极相对于第二电极为负时，压力腔收缩。若压力腔(13)收缩造成的容积相对减小超过预定值时，则有墨滴自喷嘴孔(23)射出。该记录装置还包括一控制装置(5)，用于有选择地为各致动元件(7)的第一和第二电极(9、11)提供预定的电压脉冲。上述记录头包括n个第一接线端(39)和m个第二接线端(41)，与在同一行(35)上具有喷嘴孔(23)的压力腔(13)相关联的致动元件(7)的第一电极9与第一接线端其中之一联接，而与在同一列(37)上具有喷嘴孔(23)的压力腔相关联的致动元件(7)的第二电极(11)则与第二接线端中之一联接。控制装置(5)设置为有选择地向第一接线端(39)提供第一电压脉冲(V_i)和有选择地向第二接线端(41)提供第二电压脉冲(V_J)，电压脉冲是这样选择的，使得由第一或第二电压脉冲所造成的压力腔(13)容积的变化不足以导致墨滴的喷射，而由第一和第二电压脉冲联合作用所造成的容积变化则足以导致墨滴的喷射。

Description

喷墨记录装置

本发明涉及喷墨记录装置，它有一记录头，而该记录头包括：

多个压力腔，每个压力腔均与一墨水池联通且都具有一喷嘴孔，喷嘴孔由喷嘴板上的通孔形成，喷嘴板覆盖压力腔而构成每个压力腔的一个腔壁，上述喷嘴孔布置成一个n行m列的矩阵；

数目与压力腔数一致的压电致动元件，各致动元件包括第一电极和第二电极，每个致动元件均布置成与其中一个压力腔协同工作，使得当有电压施加在第一电极和第二电极间时，压力腔的容积会改变，当第一电极相对于第二电极为正时，压力腔膨胀，当第一电极相对于第二电极为负时，压力腔收缩，而当压力腔的收缩造成其容积的相对减小超过一预定值时，即有油墨滴从喷嘴孔喷出；

此记录装置还包括一控制装置，用于有选择地将预定的电压脉冲施加到各致动元件的第一和第二电极上。

这样的一种喷墨记录装置已公开于欧洲专利0516188号中。喷嘴孔取矩阵布置的优点是，比只用一排喷嘴孔能达到的记录分辨率要高。由于压力腔和致动元件的尺寸有限，所以相邻喷嘴孔的距离不能任意地小，因而不可能达到例如每英寸300个喷嘴孔这样一种密度，但这又是以分辨率为每英寸300点(dpi)进行记录时所需要的。但在现代的记录装置中，高得多的分辨率(通常在600dpi以上)才是标准值。当喷嘴孔布置为这样一种矩阵形式，即其中的列与行不是垂直的，而是使第二行喷嘴孔的中心位于第一行各喷嘴孔中间处，便可以达到上述分辨率。这时的分辨率是喷嘴孔中心间距的两倍。

遵循同样的原理，若采用P行喷嘴孔，则可将分辨率增大为P倍。这对于制造适合于进行彩色记录的装置来说就更具吸引力。如果每种颜色用P行，那么行数将是n＝cp，其中c是用于记录的不同颜色的行数。通常，c等于4(黑色和三种原色)。但是在已知的记录装置中，将喷嘴孔布置成两行以上的矩阵形式非常困难。原因是每个致动元件都有两个电极，都要进行联线。为了节省联线，所有致动元件的第一电极或第二电极可以联在一起，但是必须能分别定址其它电极。因此，对于一个喷嘴孔布置为n行m列的矩阵的记录头，需要有nm＋1根联线。这使连向记录头的导线有极高的密度，从而造成该装置昂贵且可靠性差。

本发明的一个目的是提供一种前述类型的记录装置，其中至记录头的联线数目显著减少。为了实现这个目的，本发明的装置具有如下特点：记录头包括n个第一接线端和m个第二接线端，与在同一行上具有喷嘴孔的压力腔相联的致动元件的第一电极被联接到第一接线端中的一个上，而与在同一列上具有喷嘴孔的压力腔相联的致动元件的第二电极被联接到第二接线端中的一个上，控制装置布置为有选择地为第一接线端提供第一电压脉冲和有选择地为第二接线端提供第二电压脉冲，各电压脉冲都有上升时间、最大值和衰减时间，电压脉冲是这样选取的，由第一或第二电压脉冲造成的压力腔容积的变化不足以喷射油墨液滴，而第一和第二电压脉冲联合作用所造成的容积变化则足以使油墨液滴喷射。至打印头的联线数目是与接线端的数目相对应的，等于n＋m，这一数值显著小于nm＋1。

满足本发明要求的第一和第二电压脉冲的组合有许多种。本发明的第一实施例的特征是，第一电压脉冲相对于一固定的参考电位为正，而第二电压脉冲相对于该参考电位为负，各电压脉冲都具有较长的上升时间和较短的衰减时间，第一和第二电压脉冲的最大值基本上是同时发生的。在此实施例中，压力腔缓慢膨胀使油墨流入压力腔，而后快速收缩使油墨滴通过喷嘴孔射出。

本发明的第二实施例的特征是，第一电压脉冲相对于一固定的参考电位为负，而第二电压脉冲相对于该参考电位为正，各电压脉冲都具有较短的上升时间和较长的衰减时间，第一和第二电压脉冲的最大值基本上是同时发生的。在此实施例中，油墨滴射出之后压力腔缓慢膨胀，向压力腔内补充油墨。第一和第二电压脉冲的最大值最好是基本上相等。

在第一和第二实施例中，第一和第二合成电压脉冲的上升波前有效地使压力腔容积发生变化。在波前衰减过程中，压力腔会因腔壁的弹性作用，而恢复其原始容积，在此过程中没有电压脉冲的参与。在第三和第四实施例中，由上述两个电压脉冲中之一有效地使压力腔在第一方向上发生容积变化，而另一电压脉冲则有效地使该容积在相反方向上变化。第三实施例的特点在于，第一和第二电压脉冲相对于固定参考电位为正，第一电压脉冲上升时间较长而衰减时间较短，第二电压脉冲上升时间较短而衰减时间较长，第一电压脉冲的衰减时间与第二电压脉冲的上升时间基本上一致。第四实施例的特点在于，第一和第二电压脉冲相对于固定参考电位为负，第二电压脉冲上升时间较长而衰减时间较短，第一电压脉冲上升时间较短而衰减时间较长，第二电压脉冲的衰减时间与第一电压脉冲的上升时间基本上一致。

第三和第四实施例更进一步改进后的形式的特点是，第一和第二电压脉冲选定为使得接受第一和第二电压脉冲的致动元件第一和第二电极间的电位差u(t)基本上满足关系式∫u(t)dt＝0，其中t为时间。在改进形式中，第一和第二电极间电荷的净迁移基本上等于零，这样就减少了联接到不同的第一和第二电极上的致动元件的金属部件之间，特别是在这种金属部件与导电性油墨相接触时，发生电化学反应的可能性。

本发明上述的和其它的一些方面将参照附图详细说明如下。

图1是本发明喷墨记录装置简化了的结构图，

图2是适用于图1所示装置的喷墨记录头一部分的截面图，

图3综合地表示出图2所示记录头喷嘴板的布置，同时示意性地表明了该记录头致动元件电极联线的配置形式，而

图4至图7是可以施加于图2和图3所示记录头的电极之上的各种类型电压脉冲的曲线图。

图1是一简化了的结构图，只表示根据本发明的喷墨记录装置最基本的部件。这样一个装置包括喷墨记录头1，送纸机构3和控制装置5。在本技术领域内，喷墨记录装置的一般结构是众所周知的，例如可参看美国专利3946398号。本发明的装置有别于已知装置之处主要在于记录头1的结构和控制此记录头的方式。

记录头1的一个实例的部分截面图示于图2。该记录头包括多个压电致动元件7，其形式是由多层陶瓷压电材料层和电极层交替布置而成的致动元件板。如图2中示意地所示，第一、第三、第五、……电极层与第一电极9相联，第二、第四、第六、……电极层与第二电极11相联。电极9、11自控制装置5接受电压脉冲，下面还将对此讨论。这类致动元件在本技术领域内称作为多层陶瓷致动器(CMA)。当有电压施加到电极9和11之间时，图2中所示致动板-7的尺寸在竖直方向上会发生变化。换言之，致动板7根据所施加的电压改变其厚度。CMA根据所施加电压改变其尺寸的方向称作主动方向。致动板7上有一凹槽13，形成一压力腔。在图2所示的实施例中，凹槽13贯穿致动板的整个厚度，得以使致动板7的第一表面15和与第一表面相对的第二表面17联接。

喷嘴板19的第一表面21与致动板7的第一表面15相联，以形成压力腔13的第一腔壁。喷嘴板19包括许多个喷嘴孔23，在图2中可看到其中一个。该喷嘴孔23在压力腔13和记录头周围的空间之间延伸。喷嘴板19最好是一块薄金属板，其中喷嘴孔23可用例如侵蚀、超声波钻孔、激光切割或其它已知的技术制成。

基板25有一个第一表面27与致动板7的第二表面17相联，以形成压力腔13的第二腔壁。一油墨池29通过供墨槽31与压力腔13联通。油墨池29和供墨槽31是在致动板7第二表面17上开出的凹槽，最好与凹槽13一起制成。油墨池29是一个与供墨槽31互联的、较宽的通道。为了防止其中一个压力腔13内的压力波造成另外的一个或多个压力腔内的压力升高，每个供墨槽31均有一收起的部分31a，起到扼流口作用。基板25的第一表面27将油墨池29和供墨槽31覆盖住。基板25包括一个或多个注入槽33，构成联接油墨池29与储墨盒(未示出)的通孔(图2中虚线所示)。记录头1的结构，从致动板7、喷嘴板19到基板25，都非常简单。适用于图1所示装置的记录头的更详细的结构和其它的例子公开于共同未决的专利No.…(PHN15.079)之中。其它类型的记录头，例如公开于欧洲专利0516188号中的那些，也适用于图1的记录装置。

记录头1完备后，油墨池29、供墨槽31和压力腔13内都注满合适的油墨。这时把一具有预定极性的电压施加到电极9和11之间，使第一电极9相对于第二电极11为正，致动板7的厚度增加，因此压力腔13的容积增大。这种膨胀的结果是油墨自油墨池29通过供墨槽31流入压力腔13。当电极9和12间的电压降至零或当其极性反转时，该压力腔便突然收缩，使油墨滴自喷嘴23射出。油墨滴喷射的条件是容积的相对变化ΔQ/Q超过预定值。在该式中，Q是压力腔13静止时的容积(第一电极9和第二电极11间不存在电位差时的容积)，而ΔQ是由电极间电压变化所造成的容积的绝对变化量。供墨槽收起部31a的横截面非常小，防止了压力腔收缩时油墨自压力腔13回流至油墨池29。

图3表明喷嘴板19的布置形式，其中喷嘴孔23取n个行35和m个列37构成的矩阵形式。在图3所示的实施例中。行35的数目等于6，列37的数目没有指定。列37以3列完整1列部分的形式示于图中。图中以虚线示出了两个压力腔13，以表明其与喷嘴孔23的相对位置关系。图3还非常示意性地表示出致动元件7的第一电极和第二电极9、11是如何联接的。记录头1包括n个第一接线端39和m个第二接线端41。每组接线端39、41可形成一联接点，可与一联至控制装置5(图1)的电缆相连。与在同一行35上具有喷嘴孔23的压力腔13相关联的致动元件7的第一电极9均通过第一导线43联接到第一接线端39的其中一个上，如图3中示意性地所示。同样地，与在同一列37上具有喷嘴孔23的压力腔13相关联的致动元件7的第二电极11均通过第二导线45联接到第二接线端41的其中一个上。结果，每个第i^th行35的第一电极9联接到第i^th个第一接线端39上，而每个第j^th列37的第二电极11联接到第j^th个接线端41上。行35和列37间的角度可自由选择。“行”和“列”也可互换。

控制装置5(见图1)可以包括第一和第二电压发生装置47a和47b，以及切换装置49(例如一多路复用器)，它们均由中央控制元件51控制。控制装置5布置成可有选择地将由第一电压发生装置47a产生的第一电压提供给第一接线端39和由第二电压发生装置47b产生的第二电压提供给第二接线端41。正如下面将详细说明的，这些电压脉冲中的每个均有上升时间、最大值和衰减时间。电压脉冲是这样选择的，由第一或第二电压脉冲单独作用所引起的压力腔13容积的变化不足以造成油墨滴的喷射。但是，第一和第二电压脉冲联合作用所引起的容积变化则足以造成油墨滴的喷射。当需要自第i^th行35和第j^th列37的喷嘴孔23喷出油墨滴时，中央控制元件51便向切换装置49发出一信号，使该切换装置将第一电压发生装置47a与第i^th个第一接线端39联通，且将第二电压发生装置47b与第j^th个第二接线端41联通。然后该中央控制元件51启动第一和第二电压发生装置47a和47b，使其分别产生第一和第二电压脉冲。结果，第i^th行35中所有第一电极9接收到第一电压脉冲，而第j^th列37中所有第二电极11接收到第二电压脉冲。由于这些电压脉冲的每一个均不会导致油墨滴的喷射，所以只有第i^th行35和第j^th列37相交处的喷嘴孔23将喷出一滴油墨，这是由于该处的致动元件7受到第一和第二电压脉冲的联合作用。因此，可通过较少数目的n＋m个接线端39、41来定址nm个压力腔13中的每一个。

第一和第二电压脉冲有多种组合形式可以产生上述效果。图4给出第一个例子。图4A是表示第一电压脉冲V_i和第二电压脉冲V_j随时间t变化的曲线，图4B是表示与矩阵中位置i，j处喷嘴孔23相关联的致动元件7的第一和第二电极9、11之间的合成电压的曲线。图4A中所示的第一电压脉冲V_i相对于固定参考电位0(例如接地)为正，而所示的第二电压脉冲V_j相对于此参考电位为负。在此例中，第一和第二电压脉冲V_i和V_j具有基本上相同的波形。它们起始于时间t₀，且上升至最大值，第一脉冲为+V_m，第二脉冲为-V_m。对于这两个脉冲，均在时间t₁处达到最大值，时间段t₁-t₀即是各脉冲的上升时间。脉冲自最大值衰减至零，这一零值是在时间t₂处达到。时间段t₂-t₁即是各脉冲的衰减时间。从图4A中可以看出，其上升时间明显长于衰减时间。在上升时间内，第一电极9相对于接地逐渐变正，而第二电极11则逐渐变负。在衰减时间内，两电极均快速返回接地电位。图4B中曲线示出了迭加结果。在时间段t₁-t₀内，电极9、11间的电压缓慢上升至最大值2V_m，使压力腔13缓慢膨胀，而让油墨注入。在时间段t₂-t₁内，电极9、11间的电压快速降至零，压力腔13快速收缩，使墨滴自喷嘴孔23射出。应当指出，第一和第二电压脉冲V_i和V_j每一个单独也造成压力腔13膨胀和随后的收缩，但不足以射出墨滴。

图5A和5B与图4A和4B类似。该图给出了第一和第二电压脉冲一种适当组合形式的第二个例子。在此例中，第一电压脉冲V_i相对于参考电位(例如地)为负，而第二电压脉冲V_j则为正。如同第一例，第一和第二电压脉冲的最大值-V_m和+V_m在时间t₁处基本上同时达到。在此例中，两电压脉冲的上升时间t₁-t₀较短，而衰减时间较长。结果是第一和第二电极9、11间的电位差V_i-V_j为负。图5B所表示的是V_j-V_i，当然，它是正值。可以看到，V_i-V_j快速上升至最大值2V_m，然后缓慢衰减至零。结果是压力腔13快速收缩而使油墨滴射出，然后缓慢膨胀重新注满油墨。

在第一和第二例中，第一和第二电压脉冲的最大值V_m基本相等，且一个为正另一个为负。这种形式较好的原因是，它是保证只有第一和第二电压脉冲的联合作用才能导致油墨滴喷射的最简方式。尽管如此，第一和第二电压脉冲的最大值有所差异是非常可能的。在衰减开始前使电压的最大值保持一预定的时间间隔也是可能的。

图6给出了第一和第二电压脉冲适用的组合形式的第三个例子。如前面的例子一样，图6A表示第一和第二电压脉冲各自随时间t的变化，而图6B表示第一和第二电极9、11间的合成电位差。在此例中，第一和第二电压脉冲V_i和V_j相对于固定参考电位零(例如地)为正。第一电压脉冲始于时间t₀且于时间t₁达到最大值V_im。然后它衰减至零，此零值在时间t₂达到。第二电压脉冲始于时间t₁且于时间t₂达到最大值V_jm。然后它衰减至零，此零值在时间t₃达到。第一脉冲V_i的上升时间t₁-t₀明显长于其衰减时间t₂-t₁，而第二脉冲V_j的上升时间t₂-t₁明显短于其衰减时间t₃-t₂。第一脉冲V_i的衰减时间和第二脉冲V_j的上升时间基本上一致，处于时间段t₂-t₁。图6B中的曲线表示出第一和第二电极9、11间的合成电位差V_i-V_j。在时间段t₁-t₀，第一电极9的电位相对于第二电极11向正向缓慢增大。在达到第一最大值V_im之后，该电位差迅速降至零且很快变为负值。此过程在时间t₂处完成，此时已经达到(负的)第二最大值-V_jm。最后，该电位差缓慢回复至零。结果，压力腔13在时间段t₁-t₀缓慢膨胀，然后于时间段t₂-t₁快速收缩，收缩时的最小容积小于静止时的容积，因为在时间t₂处第二电极11相对于第一电极9为负。这种从大于静止容积的最大容积向小于静止容积的最小容积的快速收缩足以导致墨滴的喷射。无论是自最大容积向静止容积的收缩(仅由于第一电压脉冲所引起)，还是自静止容积向最小容积的收缩(仅由于第二电压脉冲所引起)，均不足以使墨滴喷射。

图7是与图6A类似的曲线图，表示第一和第二电压脉冲适用的组合形式的第四个例子。在此例中，第一和第二电压脉冲相对于地(零电位)为负。第二电压脉冲V_j以较长的上升时间t₁-t₀自零变化至最大值-V_jm，且以较短的衰减时间t₂-t₁衰减至零。第一电压脉冲以较短的上升时间t₂-t₁自零变化至最大值-V_im，且以较长的衰减时间t₃-t₂衰减至零。第二脉冲的衰减时间与第一脉冲的上升时间基本上一致。易于看出，第一和第二电极9、11间的合成电位差与第三例是相同的。即为图6B所示的电位差。

在图6和图7所示的例子中，第一和第二电压脉冲的最大值和持续时间已经在喷射墨滴所必需的两脉冲组合条件所限制的范围内进行了任意选择。为了防止有害的电化学反应，有时加上一些附加条件可能是有利的。正如结构图2所做的说明那样，致动板7由压电陶瓷材料层和电极层交替布置的多层结构组成，奇数电极层与第一电极9相联，偶数电极层与第二电极11相联。该电极层被构成压力腔13的凹槽所切断，因此其边缘成为压力腔侧壁的一部分(图2中左侧和右侧)。结果，电极层暴露于压力腔13的内部，且与喷墨记录装置工作时存在于压力腔内的油墨接触。该油墨可能是导电的，例如所用油墨是水基油墨的情况。由于奇数电极层与第一电极9相联且偶数电极层与第二电极11相联，且在操作中有电压施加于第一和第二电极之间，所以在由电极层和油墨所组成的系统中有可能发生电化学反应。这种作用很容易损坏电极层。适当地选择第一和第二电极9、11间作为时间函数的电位差，就可以在很大程度上防止这种电化学反应过程以及因此而造成的损坏。业已发现，如果选取的电位差V_i－V_j＝u(t)能使∫u(t)dt＝0，其中t是时间，则基本上可以防止这种电化学反应过程。当然，这只是如图6B中那样当u(t)有正区和负区时才是可能的。如果正区的面积等于负区的面积，上述该条件便得以满足。图8例示了一n(t)曲线的例子，其中正区55的面积53基本上等于负区59的面积57。通过选择第一和第二电压脉冲，使其具有相同极性(如第三和第四例)，且使其所确定的面积相等，即可获得这种类型的曲线。第一和第二电压脉冲不必具有同样的波形。

Claims (7)

1.一种喷墨记录装置，它有一记录头(1)。而该记录头(1)包括：

多个压力腔(13)，每个压力腔与一油墨池(29)联通且带有一喷嘴孔(23)，该喷嘴孔由喷嘴板(19)上的通孔形成，该喷嘴板覆盖该压力腔构成每个压力腔的一个腔壁，上述喷嘴孔布置成一个n行(35)和m列(37)的矩阵形式；

一组数目与压力腔数相一致的压电致动元件(7)，各致动元件均包括第一电极(9)和第二电极(11)，每个致动元件均布置成与压力腔的其中一个协同工作，使得当有电压施加于第一和第二电极之间时，压力腔的容积会发生变化，当第一电极相对于第二电极为正时压力腔膨胀，当第一电极相对于第二电极为负时压力腔收缩，而当压力腔的收缩造成其容积的相对减小超过一预定值时，即有油墨滴自喷嘴孔射出；

该记录装置还包括一控制装置(5)，用于有选择地将预定的电压脉冲施加到各致动元件的第一和第二电极上，其特征在于：上述记录头包括n个第一接线端(39)和m个第二接线端(41)，与在同一行(35)上具有喷嘴孔(23)的压力腔(13)相关联的致动元件(7)的第一电极(9)均与第一接线端其中之一联接，而与在同一列(37)上具有喷嘴孔的压力腔相关联的致动元件的第二电极(11)则与第二接线端其中之一联接，控制装置(5)设置成有选择地向第一接线端提供第一电压脉冲(V_i)和有选择地向第二接线端提供第二电压脉冲(V_j)，各电压脉冲均有上升时间、最大值和衰减时间，此电压脉冲是这样选择的，使得由第一或第二电压脉冲所造成的压力腔容积的变化不足以导致墨滴的喷射，而由第一和第二电压脉冲联合作用所造成的压力腔容积的变化则足以导致墨滴的喷射。

2.如权利要求1所述的喷墨记录装置，其特征在于：第一电压脉冲(V_i)相对于一固定参考电位为正而第二电压脉冲(V_j)相对于该参考电位为负，各电压脉冲均有上升时间、最大值和衰减时间，第一和第二脉冲的最大值基本上是同时发生的。

3.如权利要求1所述的喷墨记录装置，其特征在于：第一电压脉冲(V_i)相对于一固定参考电压为负而第二电压脉冲(V_j)相对于该参考电压为正，各电压脉冲均有上升时间、最大值和衰减时间，第一和第二电压脉冲的最大值基本上是同时发生的。

4.如权利要求2或3所述的喷墨记录装置，其特征在于：第一和第二电压脉冲(V_i、V_j)的最大值V_m基本上相等。

5.如权利要求1所述的喷墨记录装置，其特征在于：第一和第二电压脉冲(V_i、V_j)相对于一固定参考电位均为正，该第一电压脉冲具有较长的上升时间和较短的衰减时间，该第二电压脉冲具有较短的上升时间和较长的衰减时间，第一电压脉冲的衰减时间和第二电压脉冲的上升时间基本上一致。

6.如权利要求1所述的喷墨记录装置，其特征在于：第一和第二电压脉冲(V_i、V_j)相对于一固定参考电位均为负，该第二电压脉冲具有较长的上升时间和较短的衰减时间，该第一电压脉冲具有较短的上升时间和较长的衰减时间，第二电压脉冲的衰减时间与第一电压脉冲的上升时间基本上一致。

7.如权利要求5或6所述的喷墨记录装置，其特征在于：第一和第二电压脉冲(V_i、V_j)这样选择，使得接受第一和第二电压脉冲的致动元件(7)的第一和第二电极(9、11)间的电位差u(t)基本上满足关系式∫u(t)dt＝0，其中t是时间。

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