专利名称：一种提高打印均匀度的声控喷墨打印方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种通过控制系统的非线性特性来提高打印均匀度的声控喷墨打印方法和系统。更确切地说，本发明涉及相对系统的非线性起始时的功率电平控制系统的声波功率输出。在本发明中利用了各种技术实现这一点，包括降低(非线性)起始功率电平和/或提高运行或输出功率电平，使得运行功率电平超过该起始功率电平。
虽然，本发明特别涉及声控喷墨打印技术，并因此以其作为特定基准来介绍，但应认识到在其它领域和应用场合中，本发明也可能有用。
根据技术背景介绍，声控喷墨打印包含从墨盒中喷射墨滴到打印介质上。产生声波并聚焦到墨盒中的墨水表面上以便由该处喷射墨滴。虽然声控喷墨打印元件可以采用多种形式，但这些元件通常包含压电换能器、透镜、其中形成有孔以便喷射墨滴的盖片、以及相应的线路。应认识到可在单一打印头上配置约1000或更多的这种元件。
采用声控喷墨打印元件的困难在于它们易受许多因素的影响，导致系统的打印不均匀性。这种不均匀性是不希望有的，因为会引起不均匀喷射墨滴并因此降低系统的打印精确度、准确度和质量。
引起系统的打印不均匀性的原因是多样的。例如，盖片可能并不十分平整，导致喷射墨滴的墨水表面随喷射器的不同而不同。引起不均匀性的另一原因是透镜的结构。这会影响聚焦声波的有效性，这种聚焦声波将引起从墨水表面喷射墨滴。
引起不均匀性的其他原因与压电元件有关。例如，压电元件厚度不均匀可能通过打印头影响操作的均匀性。另外，压电元件某些内在特性例如机电耦合常数(它决定电信号和声波的耦合)也可能随元件而改变，并因此对操作的均匀性产生不良影响。
引起系统中不均匀性的另一原因在于通常印在打印头上布线图形。应当认识到，这些图形的电阻和电抗引起不均匀性存在，因为距离电源的距离对于不同元件是变化的。
本发明提出了一种新型和改进的声控喷墨打印方法和系统，这种方法和系统通过控制该系统的非线性特性、对在其中可能存在的不均匀性进行补偿解决了上述的难题及其他问题。
本发明提供了一种通过控制系统的非线性特性来提高声控喷墨打印系统中的打印均匀性的声控喷墨打印方法和系统。本发明包含按照各种不同的方式使该系统的运行功率电平高于系统中开始产生非线性时的功率电平。
根据本发明的一个方面，降低墨水的密度。
根据本发明的另一个方面，提高墨水的非线性常数。
根据本发明的再一个方面，提高透镜的F值。
根据本发明的再一个方面，提高声波的频率。
根据本发明的再一个方面，降低通过墨水的声波的声速。
根据本发明的再一个方面，降低输入RF脉冲的脉冲宽度来提高峰值运行功率。
由以下提供的详细说明将会使本发明的其它应用范围变得更清楚。然而，应当理解，如下的详细介绍和代表本发明的优选实施例的各特定实例仅是为了便于说明而提供的，因为对于在本技术领域中的技术人员来说在本发明的构思和范围之内的各种变化和改进将变得很明显。
本发明在于装置中的各个部份的结构、配置和组合以及该方法的各个步骤(如在下文中更充分叙述的特别是在权利要求中所指出的和在附图中所表示的)以此达到预期的目的，其中
图1是说明本发明适用的声控喷墨打印元件的示意图。
图2是根据墨滴速度与声波功率的关系曲线，表示声控喷墨打印元件的优选工作区。
图3是表示利用图1中所表示的元件的系统的输入功率/输出功率相互关系的曲线图。
图4(a)和(b)是分别表示根据本发明的系统中期望的输入功率/输出功率相互关系以及理想的输入功率/输出功率相互关系的曲线图。
图5是表示根据本发明的方法的流程图。
图6是表示根据本发明的方法的流程图。
图7表示是根据本发明的方法的流程图。
下面参阅各附图，其中的附图仅是用来说明本发明的优选实施例，并不是用来限制本发明，图1是本发明适用的例举性的声控喷墨打印元件10的视图。当然，其他结构也可能适用本发明。
如图所示，元件10包括一其上覆盖有电极层14的玻璃层12。一压电层16最好由氧化锌形成并置于电极层14上，电极18置于压电层16上。电极层14和电极18通过在20示意表示的表面布线图形和电缆22连接到射频电源24上，射频电源24产生的功率传输到电极14和18上。在该电极层14的对侧，是最好由同心的菲涅尔透镜形成的透镜。一个其中形成有孔30的液位控制片28与该透镜26隔开。墨水32限制在该液位控制片28和玻璃层12之间，并且该孔30与透镜26对准以便由墨水表面36喷射墨滴34。当然、墨水表面36是由孔30露出的。
透镜26、电极层是14、压电层16以及电极18用公知的光刻技术形成在玻璃层12上。接着将液位控制片28定位，使其与玻璃层12隔开。将墨水32由墨盒(未表示)提供到在片28和玻璃层12之间的空隙中。
在附图1中所表示的声控喷墨打印元件10具有作为墨滴速度的函数的声波输出功率的优选工作区。如在图2中所示，该图是表示在液体表面处墨滴速度相对声波输出功率(或者声波的幅值)的曲线图，优选的工作区定义在已知的声波幅值的±10％之内。如果幅值小于在该区域中的数值，就没有墨滴从打印头喷出或者喷出的墨滴速度可能太低，导致打印质量下降(由于墨滴错位)。如果该数值大于在优选的工作区中的所有数值，则除了预期的喷射墨滴之外还可能附加喷射墨滴。附加的墨滴将会在打印的字符或者图像中引起不希望产生的模糊以及膺像。因此，希望声控喷墨打印元件10工作在该优选的区内。
然而，声控喷墨打印元件10会遇到在本发明的背景技术部分中上面指出的不均习性的难题。这种不均匀性影响该元件的工作性能，使其工作在图2所示的优选区域之外。因此，本发明的目标是提高在墨水表面的声波功率均匀性，同时还要避免在制造过程中不必要地形成高的配合公差。为了维持元件在优选的范围内工作的严格的配合公差可能使制造成本不必要地高和过分复杂的操作。
因此，为了提高在图1中所表示的元件10中的均匀性，应控制该系统非线性。为更具体地了解，下面参照图3，该图表示输入声波功率(Pin)，对于输出声波功率(Pout)的关系曲线。图3和图4(a)和4(b)中的各个线表示对于如上所述系统的可能的不同的响应。例如，在图3中，实线表示按照线性方式工作的系统。在线性系统中，输入功率的变化与输出的变化直接相关。虚线表示通常的声控喷墨打印头(例如包含如在图2中所表示的元件10的打印头)响应特性，因此该系统工作在低非线性的区域中。因此，当输入功率变化时导致大的输出功率变化。此外，取决于喷射的液体，该运行功率(Poper)通常在5-10毫瓦的范围内，而起始功率(Ponset)(该系统响应产生非线性时的功率电平)也处在5-10毫瓦的范围内，但是它经常大于该运行功率，如在图3中所表示的。
下面参照图4(a)，该图利用实线表示根据本发明的系统的预期的响应特性。这一反应特性表明具有高非线性，假设输入功率超过某一功率值(P1)，当输入功率(Pin)变化时输出功率(Pout)仅仅产生很小的变化。关于这一点，应当认识到，要形成预期的响应特性需要系统的运行功率高于该起始功率Ponset。
参照图4(b)，根据本发明的系统的理想响应特性用虚线来表示。在这种情况下，运行功率Poper等于该起始功率Ponset。假设输入功率(Pin)超过某一功率值(如P1)，当输入功率变化时，理想系统应当没有输出功率(Pout)变化。
因此，本发明涉及将该装置的工作区维持在如图4(a)中所表示的曲线中的非线性部分，以便使得输入到系统的功率允许有较大宽容度以及在输出有小的偏差。这将对在该系统中在输入侧(例如布线图形、换能器、玻璃基片以及透镜处)出现的非线性进行补偿，从而实现在墨水表面的输出声波功率均匀以及使得该系统能运行在如在图2所表示的优选运行区域。
根据本发明，提出各种方法实现在系统中优选的非线性运行。一种方法是设计一种换能器开关元件，使提供到换能器的RF电流或大或小为恒定值，而与电压无关。虽然这种类型的非线性降低了由于RF分布线路的电阻和电抗产生的不均匀性，但它不必留心由于换能器和透镜所产生的不均匀性。
一种优选的方案是寻找在透镜、玻璃、换能器以及布线中的不均匀性，为此，对于聚焦的高幅值的声波，通过控制在墨水中声波传播的非线性特性从而使该系统运行在非线性区。关于这一点，当在墨水的表面上声波的焦点处峰值声波功率超过起始功率(由在系统中起始产生的非线性确定)时聚焦的声波和液体势必会按照非线性传播，起始功率如按照如下公式(参阅，例如D.Rugar，56 J.Appl.Phys.1338(1984))Ponset=0.1F2f2ρc516Π3β2--(1)]]>其中，ρ和c和β分别是液体的密度，声速，以及非线性常数，F是透镜的焦距与孔径的比值以及f是声波的频率。
因此，正如上面指出的，对于使用墨水型的声控喷墨打印机，典型的运行条件，Ponset是大约5-10毫瓦，而打印机标称的运行功率也处在5-10毫瓦的范围内，脉冲宽度接近2微秒，然而，正如上面指出的，起始功率经常为运行功率的很多倍(如在图3中所表示的)。这样，打印机的运行条件已经接近非线性响应特性的阈值。本发明涉及将运行功率值置于非线性起始功率值之上。
在本发明的第一实施例中，图1中所示的声控喷墨打印元件具有预期的输入功率(Pin)/输出功率(Pout)相互关系如在图4(a)中所表示的，该元件包含配置在该片和玻璃基片之间的墨水，该墨水的密度在墨水的表面便于使产生的输出功率处在一在起始功率值之上的运行功率值。参照方程(1)，这一要求是降低墨水的密度从而降低起始功率。当然，这须假定所有的其它变量都保持恒定。
在本发明的第二实施例中，图1中所示的声控喷墨打印元件具有预期的输入功率(Pin)/输出功率(Pout)相互关系，如在图4(a)中所表示的，该元件包含配置在该片和玻璃基片之间的墨水，该墨水具有一非线性常数，便于使产生的输出功率处在一在起始功率值之上。参照方程(1)，通过增加墨水的非线性常数从而降低起始功率来实现这一点。当然，这须假定所有的其它变量都保持恒定。
在本发明的第三实施例中，图1中所示的声控喷墨打印元件具有预期的输入功率(Pin)/输出功率(Pout)相互关系，如在图4(a)中所表示的，该元件包含具有一定焦距和具有一定孔径的孔30的透镜26。透镜的焦距对孔径的比值是这样的，即使得产生的输出功率在起始功率之上。参照方程(1)可知，透镜的焦距对孔径的比值是按照F定义的。因此增加F就会降低起始功率。当然，这须假定所有的其它变量都保持恒定。
在本发明的第四实施例中，图1中所示的声控喷墨打印元件具有预期的输入功率(Pin)/输出功率(Pout)相互关系，如在图4(a)中所表示的，运行控制该元件以便按照这样一个频率通过玻璃基片传播声波，该频率将使得产生的输出功率在起始功率之上。参照方程(1)，通过增加声波的频率从而降低起始功率来实现这一点。当然，这须假定所有的其它变量都保持恒定。
关于运行方法，下面参照图5，通过产生射频信号(步骤502)提供输入功率。然后将产生的信号提供到压电换能器(步骤504)，该换能器产生具有一定频率的声波通过玻璃基片传播，该使得在墨水表面处产生的输出声波功率的值高于该起始功率(步骤506)。然后利用透镜聚焦所产生的声波(步骤508)，并通过墨水传播该声波(步骤510)。然后根据聚焦的声波由墨水的表面喷射墨滴(步骤512)。
根据本发明的第五实施例，图1中所示的声控喷墨打印元件具有预期的输入功率(Pin)/输出功率(Pout)相互关系，如在图4(a)中所表示的，控制该元件的运行以便维持声波在墨水中的速度使得产生的输出功率在起始功率之上。参照方程(1)，通过降低墨水中的声音速度从而降低起始功率来实现这一点。当然，这须假定所有的其它变量都保持恒定。
图6表示根据本发明的第五实施例的方法。如图所示，通过产生射频信号提供输入功率(步骤602)。然后将产生的信号提供到压电换能器(步骤604)，该换能器将声波通过玻璃基片传播(步骤606)。然后利用透镜将声波聚焦(步骤608)以及通过墨水传播(步骤610)。维持聚焦的声波的速度使得所产生的输出功率将处于在高于起始功率值(步骤612)。然后根据聚焦的声波喷射墨滴(步骤614)。
上述的各个实施例涉及到在墨水的表面使产生的输出声波功率值处于起始功率值之上。在这些实施例中通过降低系统的起始功率值来实现这一点。即，这些实施例涉及通过控制作为工作点的函数(在该工作点系统的非线性开始)的变量，控制声波通过墨水传播的非线性特性。按照这种方式实施，会降低起始功率值。
然而，系统的运行功率也可以增加。如在本发明的第六实施例中，图1中所示的声控喷墨打印元件具有一定的输入功率(Pin)/输出功率(Pout)相互关系，如在图4(a)中所表示的，通过产生具有一定脉冲宽度的射频信号以便使得产生的输出功率在起始功率之上来控制该元件的运行。由于墨滴的喷射受在射频脉冲中的能量影响，射频脉冲宽度越窄将使峰值功率值越高。关于这一点，对于射频脉冲能量＝峰值功率×脉冲宽度 (2)从而通过增加射频信号的峰值功率(或者幅值)以及按照相同的比例降低脉冲宽度可以得到相同的能量。因此，可以将标称的运行功率值增加到在起始功率值之上，以便实现按照在非线性区的运行。
应当指出，按照极短脉冲宽度，将会使墨滴降低稳定性，这是由于某些其他非线性的因素影响。因此，在按照不必要的过短脉冲宽度方式的非线性运行过程中，由于某些其他非线性因素的影响将降低墨滴的稳定性。因此不可能按照极短的脉冲宽度条件实现非线性运行。
关于在本发明的第六实施例中方法，通过产生具有一定脉冲宽度的射频信号向压电元件提供输入功率，该信号的脉冲宽度是这样的，即使得在墨水表面产生的输出功率值处在起始功率值之上(步骤702)。然后将产生的信号提供到压电换能器(步骤704)，该换能器产生的声波通过玻璃基片传播(步骤706)。利用透镜将该声波聚焦(步骤708)以及通过墨水传播(步骤710)。最后，根据聚焦的声波由墨水表面通过该孔喷射墨滴(步骤712)。
应当认识到，本发明的六个不同的实施例并不是相互排他性的。即，可以使用1个、所有6个、或者任何其它的组合的实施例方案，以便实现本发明的预期效果。在这种情况下，应当认识到，可以控制不同的变量而使其它量为恒定值。根据设计者或者用户的需要和要求可以对采用的运行方法和结构要求进行选择。
上面的介绍只不过是对本发明的各个特定的实施例的公开，并不意在对本发明进行限定。因此，本来发明并不局限于上述的各个实施例。相反，应该认识到本技术领域的技术人员将可以在本发明的范围之内设想其他实施方式。
权利要求
1.一种声控喷墨打印元件，包含一个装置，用于向该元件提供输入声波功率；以及一个装置，用于产生输出声波功率，该功率高于在系统中非线性起始时对应的的功率值符合如下关系式Ponset=0.1F2f2ρc516Π3β2--(1)]]>其中，ρ和c和β和分别是液体的密度，声速以及非线性常数，F是透镜的焦距与孔径直径的比值以及f是声波的频率。
2.一种声控喷墨打印元件，具有一个包含非线性区的功率传递函数该非线性区在第一功率值时起始，该元件包含压电换能器；玻璃基片，附着到该压电换能器；透镜，形成在与压电换能器相反一侧上的玻璃基片上；液位控制片，其中形成有孔并与该基片隔开；以及墨水，墨水设置在该片和玻璃基片之间，具有一个借助于该孔露出的墨水表面，该墨水的密度适于在墨水表面按照高于第一功率值的第二功率值产生输出声波功率。
3.一种声控喷墨打印元件，具有一个包含非线性区的功率传递函数该非线性区在第一功率值时起始，该元件包含压电换能器；玻璃基片，附着到该压电换能器；透镜，形成在与压电换能器相反的一侧上的玻璃基片上；液位控制片，其中形成有孔并与该基片隔开；以及墨水，墨水设置在该片和玻璃基片之间，具有一个借助于该孔露出的墨水表面，该墨水具有一个非线性常数，该常数适于在墨水表面按照高于第一功率值的第二功率值产生输出声波功率。
4.一种声控喷墨打印元件，具有一个包含非线性区的功率传递函数该非线性区在第一功率值时起始，该元件包含压电换能器；玻璃基片，附着到该压电换能器；透镜，形成在玻璃基片上的与压电换能器相反的一侧上；液位控制片，其中形成有孔并与该基片隔开；以及墨水，墨水设置在该片和玻璃基片之间，具有一个借助于该孔露出的墨水表面，其中该焦距对孔径的比值是这样的，使得在墨水表面可按照高于第一功率值的第二功率值产生输出声波功率。
5.一种用于声控喷墨打印元件的声控喷墨打印方法，该元件具有一个附着到一其上形成有透镜的玻璃基片上的压电换能器，其中形成有孔以及与该基片隔开的液位控制片，设置在该片和玻璃基片之间的墨水，具有借助于该孔露出的墨水表面，该元件具有包含一个非线性区的功率传递函数，该非线性区起始于第一功率值，该方法包含的步骤有通过产生射频信号提供输入功率；将所产生的信号施加到该压电压电换能器；根据施加的声波频率通过玻璃基片传播声波，使得在墨水表面按照高于第一值的第二值产生输出声波功率；利用透镜聚焦该声波；通过墨水传播该聚焦的声波；根据聚焦的声波由墨水表面通过该孔喷射墨滴。
6.一种用于声控喷墨打印元件的声控喷墨打印方法，该元件具有一个附着到一其上形成有透镜的玻璃基片上的压电换能器、其中形成有孔以及与该基片隔开的液位控制片，设置在该片和玻璃基片之间的墨水，它具有利用该孔露出的墨水表面，该元件具有包含一个非线性区的功率传递函数，该非线性区起始于第一功率值，该方法包含的步骤有通过产生射频信号提供输入功率；将所产生的信号施加到该压电压电换能器；根据施加的声波通过玻璃基片传播声波，利用透镜聚焦该声波；通过墨水传播该聚焦的声波；维持在墨水中经聚焦的声波的速度，使得该在墨水表面处按照高于第一值的第二值产生输出声波功率；以及根据聚焦的声波由墨水表面通过该孔喷射墨滴。
7.一种用于声控喷墨打印元件的声控喷墨打印方法，该元件具有一个附着到一其上形成有透镜的玻璃基片上的压电换能器，其中形成有孔以及与该基片隔开的液位控制片，设置在该片和玻璃基片之间的墨水，它具有利用该孔露出的墨水表面，该元件具有包含一个非线性区的功率传递函数，该非线性区起始于第一功率值，该方法包含的步骤有通过产生射频信号提供输入功率，该信号具有的脉冲宽度使得该在墨水表面处按照高于第一值的第二值产生输出声波功率，将所产生的信号施加到该压电换能器；根据施加的信号通过玻璃基片传播声波，利用透镜聚焦该声波；通过墨水传播该聚焦的声波；以及根据聚焦的声波由墨水表面通过该孔喷射墨滴。
全文摘要
提供一种声控喷墨打印方法和系统,用于通过控制该系统的非线性特性改进在声控喷墨打印系统中的打印均匀度。该方法包含使该系统运行在一个高于系统非线性起始时相对应的功率值的功率值下。
文档编号B41J2/04GK1252350SQ991208
公开日2000年5月10日 申请日期1999年9月30日 优先权日1998年9月30日
发明者B·B·哈迪米奥格卢 申请人:施乐公司