CN1207150C - 一种微滴沉积装置 - Google Patents

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Abstract

在压电打印头中使用一种受体掺杂的“硬”压电换能材料代替传统的“软”给体掺杂材料。该打印头以V形侧边喷射结构为佳，并在高分辨灰度打印时具有优越性。

Description

一种微滴沉积装置
技术领域
本发明涉及一种微滴沉积装置。
具体地说，本发明涉及打印机或其他由电信号产生声压波并从腔体内喷射液体(如油墨)的微滴沉积装置。所述装置可以只有一个这样的腔体，但更为典型的是带有一排各带一个喷嘴的此种腔体的打印头，所述打印头接受携带数据的电信号，电信号为腔体根据命令喷出微滴提供所需能量。这个或每个腔体以压电元件为边界，而电信号可造成该压电元件偏转，从而产生了喷射微滴的声压波。参考我们已公开的专利EP 0277703、US 4887100、WO91/17051可以进一步得到典型结构的细节。
背景技术
在此种装置中，喷射微滴所要求的电信号电压通常要尽可能地小；电压低就能简化驱动电路和/或降低成本。而且，在打印头工作时产生的热量，在打印头内和驱动电路内都与电压的平方成正比，也要减至最小。过多的产热量应该予以避免，因为热量影响油墨的流体物性，使得打印不精确，尤其是在打印头不同腔体间存在明显的温度差异时。当一个腔体的工作次数显著地比另一个要多的时候，这样的差异就会出现，比如说一个腔体在打印一个图象的密度大区域，而另一个在打印密度小得多的区域。所以，优选的压电材料往往是一种软(给体掺杂)锆钛酸铅压电换能材料。软的压电换能器(PZT)具有很高的压电活性；也就是说，对于给定的电压，此材料的物理变形相对大些，这一点对于从腔体中喷出液体微滴特别有用。
如同我们的专利EP-A-277703中的“尾部喷射”(“end-shooter”)打印头部分所述，将压电材料排列成“V”字形可以进一步降低驱动电压。其他或另外的方法，如专利WO91/17051中所述，可将打印头制成“侧边喷射”(“side shooter”)。相对于采用单片压电元件的“尾部喷射”方案，对于一定的微滴喷射性能，这两种方案都能将驱动电压减半；同时采用这两种方式，能将驱动电压减低到四分之一。
“尾部喷射”是指一种结构，在该结构中，喷嘴位于细长腔体的尾部，压电材料分布在腔体的侧面上。而在侧边喷射结构中，喷嘴置于腔体的没有分布压电材料的较长侧面上。在“V形”方案中，腔体的纵向侧面受到沿腔体纵向延伸的压电材料的限制，其中压电材料有极性相反的区域，因此在施加电信号时，材料的两个区域朝同一个方向变形，从横截面方向看去，形成V字形。
尽管上述方法被认为是驱动电压低且热效应小，但也存在很大的缺点，即与单片尾部喷射的方案相比，从驱动电路上可以看出，这两种方案中的腔体壁的电容几乎成倍地增加。因此，V形侧边喷射方案中的电容为可进行比较的单片尾部喷射的四倍。高电容有两种后果，首先是电容热效应，这一点的不利之处业经讨论；第二点是高电容量增大了装置的时间常数(RC)。驱动电信号的波形最好尽可能地近似方波，以便最大化声压波的锐度。大的时间常数会增大电路响应阶越变化的上升时间，因而其产生有效的高频方波的能力有所减弱。因此驱动信号的频率受到限制，从而也降低了打印机的工作速度。在可变密度(灰度)打印机中这一点尤其重要，在这种打印机中，每一沉积微滴都是由极高频率的数量可以控制的更小的次微滴组成。
发明内容
本发明的优选实施例就着眼于解决这个问题。
本发明提供一种微滴沉积装置，该装置包括液体微滴喷嘴以及与喷嘴相通并输送用于喷射微滴的液体给喷嘴的压力腔，该压力腔的外壁设置可根据应用的电信号而变形使喷嘴喷射微滴的受体掺杂压电材料。
在施加的电信号电压下，该材料最好有一个基本上不大于0.05的滞后耗损(tanδ)。
滞后耗损正切由以下给出
tanδ＝ε″/ε′
其中，ε″为介电常数的虚部，ε′为实部。
该材料的品质因素(如此处所定义的)以15到30之间为佳，最好大约为25。
此处的品质因素是指量
d15/(S55·ε0)1/2
tanδ＝ε″/ε′
其中，d15＝剪应变/电场压电常数
S55＝电剪切柔量
ε0＝自由空间的介电常数
对一系列的PZT材料所作的试验表明有这样的大趋势，即高品质因数与高损耗角正切和高相对介电常数有关系。
如同所述的，本发明特别适用于所含压电材料以剪切模式变形的装置，以及具有“侧边喷射”或“V形”结构中一种或最好两种结构都有的装置。
用于本发明的优选压电材料为受主掺杂PZT，如摩根摩确克(Morgan Matroc)销售的PC4D。
附图说明
现在参考附图，仅通过示例的方式来对本发明进行说明。在附图中，
图1为现有技术的单片尾部喷射打印头的透视图(为清楚起见，去掉了一些部件)，该图与US 4887100专利中的图1相似；
图2为尾部喷射的V形打印头的部分剖视图，与US 4887100专利中的图2相似；
图3是根据本发明的侧边喷射的V形打印头的纵向剖视图；
图4显示了不同材料随驱动电压的变化其滞后耗损发生的变化；
图5显示了不同材料随波形变化滞后耗损发生的变化；
图6显示了打印头使用不同的材料产热量的变化；以及
图7显示了不同PZT材料产热量的变化。
为了适当地说明本发明，首先对不同类型的微滴沉积设备进行说明。在附图中，相同的部件给予相同的数字标号。
具体实施方式
首先参见图1，平面阵列按需滴落式喷墨打印机包括打印头10，该打印头10由若干个平行墨腔或沟槽2组成，只示出了其中九个，这些沟槽2的纵向轴线都处于一个平面。沟槽2被沿整个打印头上表面延伸的顶盖(未示出)封闭。
沟槽2含有油墨4，为尾部喷射结构，并终止在各沟槽相应末端的喷嘴板5处，在喷嘴板5上开有喷嘴6，一个沟槽有一个喷嘴。油墨微滴7根据要求从沟槽2中喷出并沉积在打印表面9上的打印线8上，打印表面9和打印头10之间有垂直于沟槽轴线平面的相对运动。
在打印头10上有平面的基部20，沟槽2就是在其上切割出来或由软PZT压电材料形成，并自喷嘴板5向后平行地延伸。沟槽2长且窄，横截面为矩形，其相对的侧壁11沿整个沟槽长度延伸。侧壁11设有沿沟槽长度延伸的电极(未示出)，因此，侧壁11可相对于沟槽轴线沿几乎整个沟槽长度以剪切模式作横向偏转运动，结果造成沟槽里的油墨压力产生变化，从而影响微滴从喷嘴的喷射。沟槽2在远离喷嘴的末端处连接，形成横向沟槽(未示出)，该横向沟槽又通过管14与墨盒相通。促动沟槽侧壁11的电路连线(未示出)接在基部20上的大规模集成电路(LSI)芯片16上。
如图中所示，沟槽侧壁与基部20是单一体的，实际上以悬臂方式连接，并且是由单片压电材料切割而成。
图2显示了图1中打印头的改进型，在该打印头中，沟槽侧壁11具有极性相反的区域，因此施加其上的电场会将其偏转成V形。在图2中，该阵列包括以剪切模式变形的促动件15、17、19、21、23的形式构成的可偏转侧壁11，这些促动件夹在底壁25和顶壁27之间，并且每个都由上半壁29和下半壁31组成，如箭头33和35所示，上半壁29和下半壁30的极性在垂直于包含沟槽轴线的平面的方向上相反。电极37、39、41、43和45分别覆盖各个沟槽2的内壁。因此，当某个沟槽上加上电压，比如说在以剪切模式变形的促动件19和21中间的沟槽2的电极41上加上电压，将电极41两边的沟槽2的电极39和43接地，从而就会有电场以相反的方向施加在促动件19和21上。由于每个促动件的上半壁29和下半壁31的极性相反，这些促动件以剪切模式中间的沟槽偏转并形成如虚线47和49所示的V形。从而就有一个脉冲施加到促动件19和21中间的沟槽2内的油墨4上，并产生声压波顺着该沟槽的长度传播，将油墨微滴7从中喷出。
图3为侧边喷射打印头的纵向剖视图。在形成沟槽顶壁的盖子27上设有喷嘴6，喷嘴6与沟槽2相通，沟槽2的侧面以形式为剪切模式变形促动件的PZT材料形成的侧壁所限定，其中一个促动件用数字21来指代。如图2所示，每个剪切促动件都有极性相反的区域29和31，当由电极41、43形成的电场在其纵向表面作用时，区域29和31偏移并形成V形。端子34将电极连接到大规模集成电路(LSI)芯片16上。横向沟槽13在每一沟槽2的末端处将沟槽2与墨盒连通起来。除了喷嘴6的位置，打印头沿剖面2-2剖开的横截面与图2相似。
除了本实施例创造性地选择使用下面将作说明的压电材料，以及使用了V形剪切模式促动件，尽管根据本发明的侧边喷射打印头中可以替代使用单向极性的单片促动件，该打印头与专利WO91/17051的图1(d)中的打印头还是很相似。
PZT材料有两种基本类型，“软”或施主掺杂型以及“硬”或受主掺杂型。A.J.摩尔森(A.J.Moulson)所著的“电子陶瓷“一文(切普曼及霍尔(Chapman & Hall)出版社，1990版)中讲到，施主掺杂(用其离子电荷比要取代的离子高的离子进行掺杂)降低了起稳定畴作用的缺陷对的浓度，从而降低了老化率。结果，这种畴壁迁移率的增长增大了该材料的介电常数、滞后损耗(tanδ)、弹性柔度以及耦合系数。机械品质因数和矫顽性都得以降低。其相应的压电活性使得这种软PZT成为压电打印头选择的传统材料。
相反，受主掺杂类型的PZT阻止了畴壁迁移，结果其介电常数、滞后损耗(tanδ)、弹性柔度以及耦合系数都减小，而矫顽性增加。因此此材料显示出较弱的压电活性，因此迄今也没有用在压电打印头中。
我们分析了大量PZT材料的性能，发现了一个令人吃惊的结果，即在某些情况下，相比于软材料，该硬材料是更为合适的选择。
我们选择了四种样品的PZT材料用来分析，也就是摩托罗拉(Motorola)HD 3202、住友(Sumitomo)H5E、摩托罗拉(Motorola)HD 3195和摩根摩确克(Morgan Matroc)PC4D。选择这四种材料是因为它们涵盖了已有的促动材料的范围，并且在剪切模式压电活性指标上均匀间隔。剪切模式压电活性指标以无量纲的品质因数d15/(S55·ε0)1/2为表征，该品质因数相当于转化的单位电压和体积的机电能。按照压电活性，这些材料的排序为HD 3202＞H5E＞HD 3195＞PC4D，而测得的低信号品质因数分别为48.2，37.4，31.5，25.7。
用这四种PZT材料做出了四种128线打印头晶片，并在典型的工况下对其进行了电容量和滞后耗损的测量，各工况值如下：
驱动电压：    10到50伏。
驱动频率：    20、50、100及200千赫
工作波形：    基本上为方波(峰值电压占循环时间的75％)
打印头温度：  18℃，40℃，50℃(在短脉冲情况下进行测量，
              并假定打印头的温度不会明显升高)
滞后损耗(tanδ)的测量根据由D A霍尔(D A Hall)、PJ斯蒂闻森(PJ Stevenson)和TR穆林斯(T R Mullins)所著的“硬压电陶瓷中的电介质非线性”论文中所述的方法进行(Vol.57Brit.Cer.Proc.p197-211)。
这些测量结果表明，对于给定材料，电容量和滞后耗损不随频率变化，不过这二者都随驱动电压的增长而发生明显的增长。
图4中显示了对这四种PZT材料在频率为200千赫的驱动电压下的tanδ变化的比较。图4还给出了制造商引用的各种材料的低场编目数据。结果表明，三种“软一些”的PZT材料具有相似的特性，tanδ随着驱动电压显著增长。并且引用的“目录”、低场tanδ和打印头工作所要求的驱动电压(25伏左右)之间的相应数据存在着很大的差异。与此相反，”最硬“的PZT材料PC4D显示出低得多的tanδ，以及tanδ随着驱动电压增长的变化也要小。
图4还给出了HD 3203在相当于打印头驱动电压25伏下的滞后耗损，PZT材料活性越低，其所需要的驱动电压越高。这些表明，在同等的打印头工况下，HD 3203、H5E和HD 3195的滞后耗损相似，PC4D的预计滞后耗损低得多，不超过0.05，而其他材料的预计滞后耗损为此值的四到五倍。
可以利用每种PZT材料的相对品质因数M来计算该材料的等效驱动电压V，例如
VH5E＝VHD3203MHD3203/MH5E
还进行了固定频率和驱动电压下的不同波形的测试。图5就显示了在不变驱动电压(30伏)和200千赫的固定驱动频率下的三角波(峰值电压占0％)和方波(峰值电压的理论值占100％，但实际上作不到)的变化效果。和驱动频率不同，波形类型对tanδ有很大的影响，比如说，当从三角波改变到峰值电压占循环时间的87.5％的波形后，HD3203的tanδ增长了85％。这与打印头由方波驱动，PZT产热增加是一致的。
滞后耗损与驱动电压的关系用来计算不同设计方案打印头的产热量。四种PZT材料的打印头内产热量以及PZT材料内产热量都作了计算。这种测试又对三种打印头结构类型进行：传统的单片悬臂式尾部喷射型，V形尾部喷射型和V形侧边喷射型。与单片悬臂式型相比，后两种类型的驱动电压分别被假定为前者的1/2或1/4，相反，它们的电容量分别被假定为前者的2倍或4倍。用一个电子制表模型来计算这些不同工况下的配置。计算基于以下假定：
1.每次充/放电驱动电路所产生的热量＝2×1/2 CV2(两侧壁，每个侧壁的电容为C，每次喷射微滴都被促动一次)；
2.每个沟槽的PZT材料所消耗的热量＝πCV2tanδ/2；
3.驱动电路的上升时间(10-90％)＝6.6RC(适用于电容为C、平行连接、充电和放电的阻抗都为R的侧壁)；
4.油墨类物质的最大温升＝产热量/比热容×墨滴体积(假定PZT产生的所有的热量都被喷射出的墨滴带走)。
以下的一组参数假定适用于典型的灰度工况：
驱动电压(伏)＝25伏(适用于单片悬臂式HD 3203，其他材
              料按上面讨论的取一比例计算)
侧壁电容(C)＝200微微法
灰度等级(L)＝8级
动作次序：三组合循环(即沟槽分为三个交叉间隔组动作)
波形类型：DRR(拉，放，加强，在专利WO95/25011中图4c
          显示)。
行频(F)＝6.19千赫(微滴频率＝130千赫)
满密度墨滴体积＝55微微升
以上计算了每个驱动电路片(也即每64行)的发热总量，对每一结构也计算出了相对于基本例子(HD 3203，单片悬臂式)的比值。每种情况的结果总结在图6和图7中。前者显示了驱动电路随着计算的上升时间的发热总量，后者显示了单独的PZT材料随着油墨温度上升的发热量。
从图7可以看出，在采用PC4D材料时，打印头的发热最少，虽说其驱动电压较高。从图6可以很清楚地看出，当把驱动电路片的发热量也计入时，采用传统的HD 3203的打印头的发热总量最小，不过PC4D打印头比其次最好的H5E打印头差不到哪儿去。PC4D要求的驱动电压要高一些，但对于同样的打印头结构，其上升时间一律比HD 3203的上升时间要小一半。完全用术语来说，V形尾部喷射结构所产生的热量要比单片尾部喷射结构所产生的热量少一半以上，而V形侧边喷射结构所产生的热量一般地又减少同样的比例。不过，V形尾部喷射结构和V形侧边喷射结构的上升时间较之单片尾部喷射结构的上升时间要高出同样的倍数。
尽管这些结果初步表明了HD 3203材料仍为最合适的材料，但实际上，也有违反直觉选择PC4D并带来益处的情况。
因此，如果需要快速的上升时间、高驱动电压并且允许热量产生，在单片尾部喷射结构中使用PC4D很明显是最好的(145毫秒，而HD3203为316毫秒)。
如果较之于HD 3203要求有改进的上升时间并有同样减少的发热量，建议采用使用PC4D的V形尾部喷射结构。其上升时间从356毫秒降低到251毫秒发热量也降低40％。如果采用使用PC4D的单片侧边喷射结构，结果相似。
如果要求合理的上升时间(相较于单片尾部喷射结构的356毫秒为456毫秒)，再加上非常低的发热量(只有基本例子的30％)和低驱动电压(对应于25伏的12伏)，应该采用使用PC4D的V形侧边喷射结构。在这样的打印头中，油墨的温升为可忽略的0.5℃，而使用HD 3203的单片尾部喷射结构的温升为21℃。V形侧边喷射结构的PC4D打印头非常适合于高分辨的灰度打印机，因为即便存在因热引起的打印密度导致的微滴速率的变化，这个变化也很小。
尽管本发明以PC4D材料为对象进行说明，但其他的受体掺杂压电材料也可能有同样的特性和优点。
本说明(包括权利要求)公布的和/或插图中显示的每项特征都可独立于其他公布和/或图示的特征而被包含到本发明中。
本说明书中的“本发明的目的“涉及到本发明的一些优选实施例，但并不必涉及权利要求书中所涵盖的本发明的所有实施例。
在压电打印头中使用了一种受体掺杂的“硬”压电换能材料代替传统的“软”给体掺杂材料。该打印头以V形侧边喷射结构为佳，并在高分辨灰度打印时具有优越性。

Claims (7)

1.一种微滴沉积装置，所述装置包括液滴喷嘴以及与所述喷嘴相通并输送喷射微滴的液体给所述喷嘴的压力腔，该压力腔的侧壁设置了可根据应用的电信号而变形使喷嘴喷射出微滴的受体掺杂压电材料。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在施加的电信号电压下，所述材料的滞后耗损正切(tanδ)基本上不大于0.05。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述材料的品质因数在15到30之间，最好为约25。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，除了所述的侧壁之外，所述压力腔包括另一侧壁，其中设置有所述喷嘴，其位于所述压力腔的中间端部。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，施加的电信号使所述压电材料以剪切模式变形，并在所述压力腔中形成声压波，从而喷出所述微滴。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，在所述外壁上的所述压电材料有两个并排延伸的区域，所述区域具有极性，从其横截面上看，施加的电信号可使所述区域变形成V形。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述压电材料为压电换能材料。
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