CN1784310A - 具有用改进驱动波形运行的打印头的图像再现/形成装置 - Google Patents

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Abstract

一种图像再现和形成装置，包括：喷射头，用于从喷嘴中喷射出液滴以在介质上形成图像；驱动信号产生单元，用于产生驱动信号，该驱动信号包括用于喷射液滴的喷射脉冲和产生不喷射液滴的能量的非喷射脉冲；驱动单元，在打印范围内将喷射脉冲施加到喷射头，在非打印范围内将非喷射脉冲施加到喷射头，从而以不等于喷射头的自然频率的驱动频率来驱动喷射头。

Description

具有用改进驱动波形运行的打印头的图像再现/形成装置
技术领域
本发明总地涉及图像再现/形成装置，具体地说，涉及一种采用在减小了共振影响的情况下运行的喷射头的图像再现/形成装置。
背景技术
某些类型的图像再现/形成装置，如打印机、传真机、复印机或绘图仪等，采用喷墨打印设备将硬拷贝图像再现于介质上。喷墨打印设备通常包括喷墨头，其具有一组用于喷射墨滴的喷嘴。在喷墨头中，墨盒(也称为压力盒或墨水流动管道)设置为与每个喷嘴开口相通，当制动器或其它合适的压力产生装置对墨盒中的墨水施加压力时，墨滴从喷嘴开口中喷出。
存在几种公知的喷墨头。所谓的压电式喷墨头采用压电元件作为压力产生装置，该装置使墨水流动管道壁变形，以改变墨盒的体积并喷射出墨滴。热动式喷墨头采用加热电阻来加热墨水并在墨盒中产生气泡，从而在压力下喷射出墨滴。静电式喷墨头采用限定墨水流动管道的振动板和面向该振动板的电极。在电极和振动板之间产生静电力，该力迫使振动板变形并改变墨水流动管道的体积，由此喷射出墨滴。
采用振动板的喷墨头还可以分为若干类型。一种类型是为了释放出墨滴而将振动板推入到墨盒中以减小墨盒的体积。另一种类型是将振动板向外拉以扩大墨盒的体积，然后将振动板返回到原始位置以释放出墨滴。还有一种类型是通过推入释放方法和拉出释放方法的组合来驱动喷墨头。
总地来说，喷墨打印单元针对每种颜色都具有几十个或更多的喷嘴，为了在介质上形成图像，根据像素数据选择要驱动来喷射墨滴的喷嘴。在驱动很多喷嘴时(通过激活压力产生装置)，用于释放出墨滴的压力引起的反作用力作用在喷墨头本身上。为此，根据像素数据，喷墨头在喷墨压力的作用下振动，并在喷墨头的自然频率(本征频率)下产生共振。
如果以共振频率附近的频率来驱动喷墨头，喷射出的墨滴可能在空中划出曲线，墨滴的大小可能变化，或者可能形成卫星微滴。在这种情况下，就可能不能再现出正确的图像。
为了克服这个问题，JPA9-29962公开了一种改变制动器(机电变换器)的有效长度以减小共振带来的互干扰的技术，由此改善了对再现图像的不利影响。
但是，制造不同大小制动器的机械过程是效率很低的，并且喷射头的结构变得复杂。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种图像再现和形成装置，可以利用简单的结构减小共振的不利影响，并输出具有改进的打印质量的图像。
为了达到这个目的，头驱动单元以不同于喷射头的自然频率的驱动频率来驱动该装置的喷射头。
在本发明的另一方面，图像再现和形成装置包括喷射头，用于从喷嘴中喷射出液滴以在介质上形成图像，驱动信号产生单元，用于产生具有使喷射头以不同于喷射头的自然频率的驱动频率运行的波形的驱动信号，驱动单元，用于根据驱动信号产生单元提供的驱动信号来驱动喷射头。
优选地，驱动信号产生单元产生驱动信号，该信号包括产生用于不喷射液滴的能量的非喷射脉冲，并且驱动单元在非打印范围内将该非喷射脉冲施加到喷射头，以便以不同于喷射头的自然频率的驱动频率来驱动喷射头。
可以采用驱动信号中的一部分用于喷射液滴的喷射脉冲来产生非喷射脉冲。
非喷射脉冲可以是张紧喷嘴半月形(draw in the nozzle meniscus)的脉冲。在这种情况下，优选用于张紧喷嘴半月形的电压改变速率大于用于恢复喷嘴半月形的电压改变速率。
或者，非喷射脉冲可以是推出喷嘴半月形的脉冲。在这种情况下，优选非喷射脉冲的宽度小于喷射头液体盒受压力感应的共振的周期。
驱动信号可以包括推出喷嘴半月形的第一波形，和跟随第一波形来张紧喷嘴半月形的第二波形，第一波形的脉冲宽度小于喷射头的液体盒的共振频率。
附图说明
从下面结合附图的详细描述中，本发明的其它目的、特征和优点将更加明显，其中：
图1是应用本发明的喷墨打印机的主要部件的透视图；
图2是喷墨打印机的横截面视图；
图3是在喷墨打印机中使用的喷墨头沿着墨盒的纵轴的横截面视图；
图4是喷墨头沿着墨盒的宽度的横截面视图；
图5是喷墨打印机控制部件的框图；
图6是头驱动控制机制的框图；
图7示出用于喷射出不同大小墨滴的头驱动脉冲的一般波形；
图8是用于解释喷墨头的共振频率特性的图；
图9是根据本发明的优选实施例产生的头驱动信号的波形的第一例；
图10是头驱动信号的波形的第二例；
图11是头驱动信号的波形的第三例；
图12是头驱动信号的波形的第四例；
图13是头驱动信号的波形的第五例；
图14是头驱动信号的波形的第六例；
图15是示出实际例子中使用的喷墨头的结构的横截面视图；
图16示出评价打印性能时使用的图像模板。
具体实施方式
下面参照附图描述本发明的优选实施例。图1和图2示出喷墨打印机，这是应用本发明的图像再现和形成装置的一个例子。图1是喷墨打印机的主要部件的透视图，而图2是喷墨打印机的横截面视图。
在喷墨打印机中，打印机构2容纳在主框架1中。打印机构2包括可以在快速扫描方向上移动的托架13，安装在托架13上的喷墨头14(起打印头的作用)，和将墨水提供给喷墨头14的墨桶15。从纸盒4或手动送纸盘5将纸送入打印机中，通过打印机构2在纸上再现(或打印)出规定的图像。然后将打印后的纸送出到收集盘6上。
在打印机构2中，托架13由主导杆11和副导杆12以滑行方式支撑在快速扫描方向(与图2的纸垂直)。喷墨头14附着在托架13上，其中喷墨表面向下。喷墨头14喷射出黄色(Y)、青色(C)、品红(M)和黑色(B)的墨滴。在托架13上以可替换的方式设置了墨桶，用于提供各种颜色的墨水。
墨桶15在顶面具有一个朝向空中的开口，在底面具有向喷墨头14提供墨水的墨水供应部件。墨桶15内部是充满了墨水的多孔材料，以轻微的负压力来保持由多孔材料的毛细作用力提供给喷墨头14的墨水。
托架13由主导杆11以滑行方式支撑在后部(位于纸张路径的下游)，并由副导杆12以滑行方式支撑在前部(位于纸张路径的上游)。为了在快速扫描方向上移动托架13，将定时带子20围绕在由快速扫描电机17旋转的驱动滑轮17以及子滑轮19周围。定时带子20固定在托架13上，托架13通过快速扫描电机17向前和反向的旋转而前后移动。
可以根据各种颜色提供多个喷墨头14，或者只采用一个具有喷射各种颜色墨滴的喷嘴的喷墨头14。在两种情况下，喷墨头14都是压电类型，并具有限定至少一部分墨水流动管道壁的振动板和用于使振动板变形的压电元件。
输纸辊21和指垫22将纸张从纸盒4中拉出。然后导轨23导引纸张3，输纸辊24将纸张的方向颠倒。滚筒25被压在输纸辊24的旋转表面上。滚式拉边器(edge roller)26控制纸张3从输纸辊24到喷墨头14下方的传送角度。输纸辊24由慢速扫描电机27通过一组齿轮旋转。
纸张收集导轨29位于喷射头14下方，对应于托架13在快速扫描方向上的移动范围。纸张收集导轨29在喷墨头14的打印操作期间接收和保持由输纸辊24送入的纸张3，然后在打印操作之后将打印后的纸张3导向纸张路径的下游。具有打印图像的纸张3还沿着纸张路径被送出，最后由滚筒31和支撑(spur)32、导轨33和36、滚筒33和支撑34推出到收集盘6中。
在打印期间，驱动喷墨头14来根据像素信号将墨滴喷射到静止的纸张3上，同时喷墨头在快速扫描方向与托架13一起移动。当打印了一行图像之后，将纸张3在慢速扫描方向上送入一个预定的量，并打印下一行图像。作为对打印终止信号或表示纸张3后缘已到达打印区域的信号的响应，终止打印操作，并推出纸张3。
用于校正喷墨头14中有缺陷的喷墨条件的维护单元37设置在托架移动范围之外，从而如图1所示那样偏离打印区域。尽管未在图中示出，维护单元37包括罩子、抽气装置和清洁装置。在等待状态下，托架13朝着维护单元37移动，在此罩住喷墨头14以防止喷嘴中的墨水蒸发并保持喷嘴的开口(喷射部件)湿润。通过清除打印操作之间不必要的用于打印的过量墨水，可以在所有喷嘴尖上保持恒定的墨水粘度。
如果喷墨条件出错，则紧紧盖住喷墨头14的喷嘴，由抽气装置通过管子将气泡和墨水从喷射部件中抽出。附着在喷射部件上的灰尘和墨水也由清洁装置除去，以恢复良好的喷射条件。抽出的墨水排出到放置在主框架1下面的排水池(未示出)中，并被吸收到排水池的墨水吸收器中。
图3和图4示出喷墨头14的例子。图3是沿着墨盒的纵轴的横截面视图，而图4是沿着墨盒的宽度的横截面视图。
喷墨头14包括由单晶硅基座制成的管道板41，在基座中形成有规定的管道模式，基座还包括附着在管道板41底部的振动板42，和附着在管道板41顶部的喷嘴板43。管道板41、振动板42和喷嘴板43限定了喷嘴开口45、喷嘴腔45a、通过喷嘴腔45a与喷嘴开口相通的压力室46、以及墨水供应管道47。墨水供应管道47发挥流体电阻的作用并与公用的墨盒48相通，用于通过墨水供应端口49向压力室46提供墨水。
层压的压电装置被支持在基板53上，并以每个压电元件52对应一个压力室46的方式附着在振动板42的外表面(在墨盒的对侧)(图4)。压电元件52是机电变换器，其发挥压力产生器(或制动器)的作用，将压力施加到压力室46中的墨水上。支撑部件54位于每两个相邻的压电元件52之间。支撑部件54对应于位于每两个相邻压力室46之间的分隔壁41a。在图4所示的例子中，通过用半切(half-cut)的切口器限定出多个缝隙，将压电元件加工成梳子形状。压电元件52和支撑部件54交替排列，其中的缝隙位于这两者之间。支撑部件54和压电元件52的结构和材料是相同的。但是，由于对支撑部件54不施加驱动脉冲，因此支撑部件54只起支撑作用。
用包括缝隙分离器的粘合剂50将振动板42的外周粘接到主框架44上。变成公用墨盒48的凹槽以及用于将墨水从外部供应到公用墨盒48的外部墨水供应端口(未示出)形成在主框架44中。通过例如用环氧树脂或聚亚苯基硫进行注模来形成主框架44。
通过使用诸如氢氧化钾(KOH)溶液的碱性蚀刻剂在(110)单晶硅晶片上进行各向异性的蚀刻，制造出具有喷嘴腔45a、压力室46和墨水供应管道47的管道板41。当然，不锈板或光敏树脂可以用作管道板，以代替单晶硅晶片。
振动板42由镍制成，并通过例如电铸法制造。当然，其它合适的金属板、塑料板或金属与塑料的组合都可以使用。振动板42具有与管道板41粘接的平坦表面，和与压电装置以及主框架44粘接的反面不光滑表面。振动板42的不光滑表面包括对应于压力室46设置的薄部件(振动膜)55用于促进变形，和对应于压电元件52设置的厚部件(岛)56。岛56通过粘合剂50与各压电元件52粘接。振动板42的不光滑表面还包括厚部件57，它们通过粘合剂50与支撑部件54以及主框架44粘接。在该例中，振动板42是通过电铸法制造的双层镍板。在这种情况下，振动膜55的厚度和宽度分别是3μm和35μm。
喷嘴板43包括直径为10-35μm的喷嘴开口45，设置在对应于压力室46的位置上。喷嘴板43通过粘合剂与管道板41粘接，使得喷嘴开口45与形成在管道板41中的喷嘴腔45a相通。喷嘴板43可以由诸如镍的金属或无锈的金属与树脂的组合物(例如聚酰胺树脂薄膜)、硅、或它们的任意组合物制成。在该例中，喷嘴板43是通过电铸法形成的镍板。喷嘴开口45的形状像羊角(或圆柱形或斜截锥形)，喷嘴开口45在墨水喷射一侧的内直径大约是20-35μm，每行的喷嘴间距是150dpi。
尽管未在图中示出，喷嘴板43的喷嘴表面(或喷射表面)被覆盖了防水涂层。防水镀层方法和材料可以根据墨水特性适当选择，以达到期望的在飞越空中时很稳定的墨滴形状以及很高的图像质量。例如，共晶PTFE-Ni电镀、含氟聚合物电镀涂层、采用可蒸发的含氟聚合物(例如碳氟化合物沥青)进行蒸镀、含氟聚合物焊接镀层后的烘烤或其它合适方法都可以采用。
压电元件52包括交替的薄层状压电层61和内部电极层62。压电层61由厚度为10-50μm的PZT(锆钛酸铅)制成，而内部电极层62由厚度为几微米的Ag-Pd(银钯)合金制成。内部电极62交错设置，并交替地与单个电极组63和公用电极64电连接，如图3所示。单个电极63和公用电极64作为外部电极设置在压电装置的开口末端表面上。压电元件52具有压电常数d33，压电元件52的膨胀和收缩使得压力室46膨胀和收缩。在向压电元件52施加了充电的驱动信号之后，压电元件52膨胀。在压电元件52中积累的电荷被放掉时，压电元件52收缩。
设置在压电装置的一个末端表面上的外部电极通过半切被分为多个单个电极63。另一个外部电极是共同用于所有压电元件52的公用电极64。公用电极64由于缺口加工的限制而没有分开。
FPC电缆65通过焊接、ACF(各向异性导电薄膜)粘接或电线连接而与单个电极63耦合，用于向压电元件52提供驱动信号。FPC电缆65的另一端连接到驱动电路(驱动器IC)，后者选择性地将驱动脉冲施加到每个压电元件52。另一方面，公用电极64通过提取电极与FPC电缆65的地电极(GND)电连接。
在喷墨头14中，驱动脉冲(在10-15V)被施加到压电元件52上以响应打印信号，从而引起压电元件52在分层(或层压)方向上变形。该变形通过振动板42对压力室中的墨水施加压力，结果就从喷嘴开口45中喷射出墨滴。
一旦喷射出墨滴，压力室46中的压力就减小，并且由于墨流的惯性和驱动脉冲的放电而在压力室46中产生负压。结果将额外的墨水引入到压力室46中。更准确地说，由墨槽(未示出)提供的墨水流入公用墨盒48中，并通过墨水供应端口49和墨水供应管道(流体电阻)47流入压力室46。
图5和图6示出喷墨打印机的控制部分。图5是示出控制部分的总体结构的框图，而图6是头驱动控制机构的框图。
控制部分包括打印机控制器70、用于驱动快速扫描电机17和慢速扫描电机27的电机驱动器81、用于驱动打印头(喷墨头)14的头驱动器82。头驱动器82由头驱动电路或驱动器IC组成。
打印机控制器70包括通过电缆或网络从主计算机接收打印数据的接口(I/F)72、主控制器73(例如CPU)、保持各种类型的数据的RAM 74、存储处理数据的例程的ROM 75、振荡电路76、用于产生提供给喷墨头14的驱动波形的驱动信号产生电路(或驱动波形发生器)77。打印机控制器70还包括向头驱动器82发送转换为点图案数据(位图数据)的打印数据的接口(I/F)78，和向电机驱动器81发送电机驱动数据的接口(I/F)79。
RAM 74用作缓冲器和工作存储器。ROM 75存储由主控制器73执行的控制例程、字体数据、图形函数和各种过程。
主控制器73从接口(I/F)72中的接收缓冲器中读取打印数据，将打印数据转化为中间代码，并将该中间代码数据加载到限定在RAM 74中规定区域的中间缓冲器中。然后，主控制器73读取中间代码数据，并采用存储在ROM 75中的字体数据将该中间代码数据转换为点图案数据。点图案数据被加载到RAM74的另一个区域中。如果喷墨打印机从已将打印数据转换为位图数据的主计算机接收位图数据，则打印机控制器70只将所接收的位图数据加载到RAM 74中。
在为喷墨头14采集了一行点图案数据之后，主控制器73将该点图案数据作为串行数据SD通过I/F 78输出到头驱动器82，这由振荡电路76提供的时钟信号(CLK)同步，如图5和图6所示。另外，主控制器73以规定的时序向头驱动器82输出锁存信号(LAT)。
驱动信号产生电路77包括ROM(可以由ROM 75构成)，其存储驱动信号Pv的脉冲模式数据，如图7所示。驱动信号产生电路77还包括波形发生器91，其具有将从ROM读出的数据进行数字-模拟转换的D/A转换器和放大器92，如图6所示。
头驱动器82包括移位寄存器95、锁存电路96、电平移位器97、模拟开关阵列98。移位寄存器95从主控制器73接收时钟信号(CLK)和串行数据SD(从打印数据转换而来)。锁存电路96在主控制器73提供锁存信号(LAT)时锁存移位寄存器95的寄存器值。电平移位器97对锁存电路96的输出值进行电平移位。模拟开关阵列98由电平移位器97来控制开/关。
开关阵列98包括一组开关AS1到ASn，从驱动信号产生电路77向这些开关输入驱动信号Pv。每个开关AS1-ASn连接到对应于喷墨头14的每个喷嘴的一个压电元件52。
已经串行发送到移位寄存器95的点图案打印数据SD被锁存电路96锁存起来。锁存的打印数据的电压由电平移位器97上升到足以驱动开关阵列98的开关的规定电平(例如几十伏特)。电平移位的打印数据被输入开关阵列98。
驱动信号Pv从驱动信号产生电路77施加到开关阵列98的输入级。开关阵列98的输出级与起制动器或压力产生装置作用的压电元件52耦合。如果输入开关阵列98的打印数据是“1”，则将具有规定波形的驱动信号Pv施加到相应的压电元件52上，以使该压电元件52变形。当输入开关阵列98的打印数据为“0”时，则不向压电元件52提供驱动脉冲。
移位寄存器95和锁存电路96是数字逻辑电路，而电平移位器97和开关阵列98是模拟电路。
图7A至图7E示出由传统的喷墨打印机为了喷射出大、中和小墨滴而产生的驱动脉冲的一般波形。
在打印图像时，基于表1所示的控制表执行开关操作，以选择图7B至图7E中针对输入像素数据的期望脉冲。为了喷射出大墨滴，基于表1，施加到开关阵列98上的打印数据的电平在部分S1和S2中被设置为“1”，在部分S3和S4中设置为“0”。在这种情况下，第一脉冲P1和第二脉冲P2施加到压电元件52上，如图7B所示。为了喷射出中等的墨滴，基于表1执行开关操作，从而只将第一脉冲P1施加到压电元件52上。为了喷射出小墨滴，基于表1只将第三脉冲P3施加到压电元件52上。
表1
  S1   S2   S3   S4
  大墨滴   1   1   0   0
  中等墨滴   1   0   0   0
  小墨滴   0   0   1   0
  不喷射   0   0   0   1
在上述开关控制下，在图7B至图7E所示的脉冲中基于打印数据为每个喷嘴选择合适的脉冲，并在每个驱动周期期间输出到对应的压电元件52上，以喷射出打印图像的墨滴。
利用能够用多个喷嘴进行高速打印操作的喷墨头，同时从多个管道喷射出墨滴，并且喷墨头本身由于墨水喷射力的反作用力而振动，尤其是在打印纯色图像时。如果振动的频率与喷墨头的自然频率一致，则墨滴不会正确地从喷嘴中喷出，并再现出有缺陷的图像。
图8是示出在驱动所有管道的制动器(压电元件52)时获得的喷墨头的频率特性的图。第一级共振发生在4.5kHz，第二级共振发生在11.2kHz时。
在图7A中，在125μs的驱动周期中，以8kHz或更小的频率执行打印操作。为了打印密集的图像，在每个驱动周期中从多个管道喷射出墨滴，而喷墨头本身以8kHz振动。根据打印的图像或打印方法，可以每250μs(双驱动周期)就从多个管道喷射出墨滴。在这种情况下，喷墨头以4kHz振动，因为制动器在该频率下被驱动。
实际上，当以4kHz或接近4kHz的频率驱动具有图8所示的频率特性的喷墨头来打印图像时，该喷墨头共振，因为驱动频率接近喷墨头的自然频率(4.5kHz)，打印的图像也降低了品质。
为了消除这种问题，产生头驱动信号来以不同于喷墨头共振频率的频率来驱动喷墨头。
图9是根据本发明的优选实施方式产生的头驱动信号的波形的第一例子。驱动波形包括开始和结束时的伪脉冲Pd1和Pd2，这是不喷射墨滴的非喷射脉冲。在驱动周期中，S1是用于产生伪脉冲Pd1的部分，S2是从伪脉冲Pd1到产生第一脉冲P1的过渡时间，S3是用于产生第一脉冲P1的部分，S4是用于产生第二脉冲P2的部分，S5是用于产生第三脉冲P3的部分，S6是从第三脉冲P3到伪脉冲Pd1的过渡时间，S7是产生伪脉冲Pd2的部分。基于表2的控制表来选择输出波形。
表2
  S1   S2   S3   S4   S5   S6   S7
  大墨滴   0   0   1   1   0   0   0
  中等墨滴   0   0   1   0   0   0   0
  小墨滴   0   0   0   0   1   0   0
  不喷射   1   0   0   0   0   0   1
利用该驱动信号，图9B至9D所示的用于大、中和小墨滴的脉冲与图7所示的相同。但是，在不存在打印数据时，输出在伪脉冲Pd1时上升、保持该上升电压(与Vb相比的电势差Vd)并在伪脉冲Pd2时下降的驱动信号。
利用具有如图9所示波形的驱动信号，即使以4kHz驱动具有如图8所示频率特性的喷墨头14，还是可以获得令人满意的打印图像，因为不管是图9B至图9D所示的喷墨脉冲还是图9E所示的非喷射(伪)脉冲都施加在喷墨头14上。这意味着实际上以8kHz驱动喷墨头14，并且将打印数据再现为具有令人满意的打印质量的打印图像，而不会受到4kHz时共振的影响。
在施加图9E所示的非喷射脉冲时，要求不喷射墨滴。因此，将从电压Vb下降后的平直电压Vd设置为不会引起喷射墨滴的电平，或者，通过适当选择下降的时间常数和上升的时间常数，将该脉冲的下降沿和上升沿的倾斜设置得较为缓和。为了以不同于自然频率的频率来驱动喷墨头，有效的是将非喷射电压Vd设置得大，将下降沿和上升沿的倾斜设置得缓和。但是，如果将该倾斜设置得缓和，则伪信号的脉冲宽度变大，驱动周期变长。这导致打印速度减小，因此，不希望将脉冲斜坡设置得比需要的更为缓和。
如果上升沿具有陡峭的斜坡，即使不喷射墨水也会有残余的振动。这种残余振动使喷墨条件不稳定。因此，期望将上升斜坡设置得比下降斜坡更缓和。如果非喷射脉冲是张紧半月形的脉冲(下降脉冲)，则将半月形张紧部分的电压变化速率设置得大于半月形恢复部分的电压变化速率。这种设置可以产生具有改善了的非喷射脉冲摆动的激励的效果，并有效避免共振的负面效果。
图10是根据本发明的优选实施例产生的头驱动信号的波形的第二例子。该驱动信号是图9所示的第一例子的改进。与图9所示的例子相比，伪脉冲Pd1和Pd2关于基本电压Vb的极性被颠倒。通过基于表2从图10A所示的驱动波形中适当选择一个周期，输出图10B至图10E所示的每个驱动脉冲。
利用该驱动波形，通过施加图10E所示的非喷射(伪)脉冲，以非共振频率驱动喷墨头14，并且获得令人满意的打印质量而没有共振的负面效果。
应当注意，图10E所示的非喷射脉冲具有减小压力室46(见图3)体积的外形。该非喷射脉冲使得喷嘴开口45的半月形张紧。如果喷嘴开口45周围的区域被墨水雾弄脏，则半月形和该墨水污点之间的间隔可能被桥接，这会进一步加重喷嘴表面的污迹。
为了避免不期望的污迹，采用具有图11所示外形的头驱动信号。利用该驱动信号来产生非喷射脉冲，从而不保持在***的顶点位置时的半月形。
图11是根据本发明的优选实施例产生的头驱动信号的波形的第三例子。非喷射脉冲Pe***到第一脉冲P1之前。通过基于表3选择输出波形，输出图11B至图11E所示的每个驱动脉冲。
表3
  S1   S2   S3   S4
  大墨滴   0   1   1   0
  中等墨滴   0   1   0   0
  小墨滴   0   0   0   1
  不喷射   1   0   0   0
优选地，图11E所示的非喷射脉冲Pe的脉冲宽度短于压力室46中受压力感应的共振的周期。受压力感应的共振的周期是当阶梯式电压信号施加到压电元件52上时在压力室46中产生的压力波的波周期。
通过将非喷射脉冲Pe的脉冲宽度设置得短于受压力感应的共振的周期，在采用非喷射脉冲Pe的情况下半月形***一次然后恢复，如图11E所示。因此，可以避免可能由图10所示驱动波形引起的不期望的污点或污迹。另外，图11E所示的非喷射脉冲Pe具有一个优点，即***的半月形吸收并清洁粘附在喷嘴开口45附近的细小的墨水雾。该设置可以实现稳定的喷墨。
应当注意，利用具有图11所示外形的头驱动信号，可能减小避免喷墨头共振的效果，因为非喷射脉冲的宽度减小了。
为了克服这一点来进一步改善头驱动操作，采用具有图12所示外形的头驱动信号。
图12是头驱动信号的波形的第四例子，其中非喷射脉冲Pe1和Pe2分别***部分S1和S4之前。通过基于表4适当选择输出波形，输出图12B至图12E所示的每个驱动脉冲。
表4
  S1   S2   S3   S4   S5
  大墨滴   0   1   1   0   0
  中等墨滴   0   1   0   0   0
  小墨滴   0   0   0   0   1
  不喷射   1   0   0   1   0
利用该驱动信号，与图11所示的驱动信号相比，更为频繁地施加非喷射脉冲。因此，以实际上更高的频率驱动喷墨头，并增加了激励效果。尽管在图12所示的例子中在两个位置***非喷射脉冲，但可以根据波形增加***一个驱动周期中的非喷射脉冲数量。***非喷射脉冲的位置可以根据喷墨头的振荡特性来适当地确定。
图13是头驱动信号的波形的第五例子。图13所示的波形是图9所示的第一例子的改进，并省略了第二伪脉冲Pd2。通过基于表5从图13A所示驱动信号中适当选择输出波形，可以输出图13B至图13E所示的每个驱动脉冲。
表5
  S1   S2   S3   S4   S5   S6
  大墨滴   0   0   1   1   0   0
  中等墨滴   0   0   1   0   0   0
  小墨滴   0   0   0   0   1   1
  不喷射   1   0   0   0   0   1
在该例中，利用一部分第三喷射脉冲P3来创建非喷射脉冲，如图13E所示。通过用喷射脉冲的一部分波形，可以缩短驱动信号的总长度，并提高打印速度。
图14是头驱动信号的波形的第六例子。该波形是图13所示第五例子的改进，并采用在S1部分先上升后下降的非喷射脉冲。通过基于表5从图14A所示驱动信号中适当选择输出波形，可以输出图14B至图14E所示的每个驱动脉冲。
图14E所示的非喷射脉冲是由图11E所示的突出短脉冲和图13E所示锯齿状长脉冲组合的脉冲。
前面的突出短脉冲使得半月形快速***，该半月形吸收和清洁喷嘴开口周围附着的墨水雾。后面的锯齿状长脉冲改善了激励效果。
换句话说，非喷射脉冲Pe包括在喷嘴表面推出墨水半月形的第一脉冲，和紧接着该第一脉冲拉进该半月形的第二脉冲。第一脉冲的脉冲宽度短于压力室中受压力感应的共振的周期，如上面解释的。简言之，图14E所示的非喷射脉冲达到了具有改善了的脉冲摆动的激励效果，同时有效消除了共振对打印图像质量的负面影响。同时，可以消除在持续打印操作期间附着在喷嘴表面的不期望的墨水雾的影响。因此以稳定方式执行了墨滴的喷射。
通过根据喷墨头的特性用伪脉冲或驱动波形的一部分来创建非喷射脉冲，消除了喷墨头共振的不利影响，并实现了较高的打印质量。
尽管以具有图8所示的振动特性的压电式喷墨头为例描述了本发明，打印方法或振动特性不仅限于这些例子。本发明可用于使用喷墨打印设备的各种图像再现装置，以及使用喷射头的各种打印装置。
现在解释实际的例子。
<例子1>
准备了具有图15所示结构的喷墨头。设置了厚度为2mm并具有电极模式的陶瓷基座101。利用厌氧性粘合剂将薄片状的压电装置102固定在基座101顶部表面上。
在接地(GND)一侧的内部电极和高压端(Hot)一侧的内部电极相互交错，这两组内部电极分别连接到在不同电绝缘平板上形成的外部电极。在实际使用中，在外部电极上施加电压来使得压电装置102的每个元件变形，从而用层压方向(或厚度方向)上的变形来感应出喷墨压力。在Hot一侧的外部电极与基座101之间的边缘上涂上导电粘剂，然后该导电粘剂硬化，从而将压电元件102的外部电极与基座101上的电极模式电连接起来。
通过利用钻石划轮片机(dicing saw)以大约85μm的间距进行开槽加工，将基座101上的压电装置102和电极模式分为多个部分。在基座101上GND一侧的电极被导电粘剂短路。然后，用环氧树脂将由玻璃加固的环氧树脂制成的主框架103粘接到基座101上。最后，通过表面研磨将压电装置102和主框架103的顶部表面对齐，通过丝绢网印花法在压电装置102和主框架103的顶部表面涂上环氧粘合剂。液体盒单元要高度精确地定位，并与主框架103和压电装置102粘接到一起。
液体盒单元包括管道板104，其中通过蚀刻硅基座形成公用液体流动管道105、压力室106和流体电阻107。管道板104夹在喷嘴板108和采用电铸方法制造的振动板109之间，这是通过在它们之间的界面上涂上环氧粘合剂来实现的，喷嘴开口110形成在喷嘴板108中，从而与压力室106相通。可变形的振动膜111形成在振动板109中。
所制造的喷墨头充满了墨水，将阶梯式电压输入该喷墨头，并由激光多普勒振动计测量喷嘴表面上半月形的响应。振动的自然周期Tc大约为12μsec。在扫描频率的同时测量喷嘴表面的振动，以估计喷墨头的特性。确认第一峰值在4.5kHz和第二峰值在11.2kHz的共振特性。
该喷墨头安装在打印机中，通过采用图7所示的传统驱动波形来评估打印图像，该波形能以125微秒(μsec)的驱动周期喷射大、中和小墨滴。为了进行评估，采用图16所示的大、中、小墨滴的纯色图像的测试图案。墨滴以4个不同驱动频率(8kHz、4kHz、2.7kHz、2kHz)从喷墨头的所有管道(喷嘴)喷射而出，以打印出纯色图像。
作为测试结果，以8kHz、2.7kHz、2kHz获得令人满意的纯色图像。但是，在4kHz时在中墨滴和小墨滴纯色图像中出现了水平条纹。
接着，采用根据本发明利用了伪脉冲的图9所示的驱动波形，并进行相同的评估。利用该驱动信号，在非打印范围中对喷墨头施加图9E所示的不会导致墨滴从喷嘴中喷出的非喷射(伪)脉冲。即使在4kHz的驱动频率时也会获得没有水平条纹的令人满意的打印图像。
接着，将图9E所示的非喷射伪脉冲Vd作为参数来进行评估，以检查非喷射脉冲的优选电压范围。脉冲下降时间tf和脉冲上升时间tr都设置为3μsec。评估结果在表6中示出。
在表6中，与图9E所示的非喷射脉冲相比，非喷射电压Vd的负值表示所施加的脉冲具有相反的极性(如图10E所示)。“打印质量”是开始时从打印测量图案那里观察的初始图像质量。通过在连续打印多次测试图案之后观察打印质量的下降来评估“持久程度”。表6中的圈表示令人满意的结果，叉标记表示较差的结果。
表6
  评估项目                                 Vd[V]
  -10   -8   -6   -4   -2   0   2   4   6   8   10
  打印质量   ×   ×   ○   ○   ×   ×   ×   ○   ○   ×   ×
  持久程度   -   -   ×   ×   -   -   -   ○   ○   -   -
在表6中，在电压为-10V，-8V，8V和10V时，在评估初始打印质量时在边缘或背景中观察到墨水的粘连。这意味着在非打印周期期间，在采用非喷射伪脉冲的情况下一些墨滴从喷嘴中喷出。在从-2V到2V的范围内，在驱动频率为4kHz时测试图案图像中出现了图像质量的下降。
然后，通过只在初始打印质量测试的令人满意的条件下连续打印500张测试图案图像来进行持久程度的测试。当非喷射电压为-6V和-4V时，打印图像失真，在最坏的情况下喷嘴脱落。相反，在电压为4V和6V时，即使在连续打印500张测试图案之后还能获得令人满意的打印图像。
接着，采用图10或图11所示的驱动波形来执行类似的评估。将电压Vd设置为5V，脉冲宽度在3、8、12、16、20、30和100μsec中变化。评估结果在表7中示出。至于符号，圈表示令人满意的结果，三角形表示中等结果，叉表示差的结果。
表7
  评估项目             脉冲宽度[μs]
  3   8   12   16   20   30   100
  打印质量   △   △   △   △   △   ○   ○
  持久程度   ○   ○   ○   △   △   ×   ×
关于初始打印质量，用长的脉冲宽度可以获得令人满意的打印图像质量。用较短的脉冲宽度，在4kHz时在小墨滴图像中观察到轻微的条纹。然后，在连续打印500张测试图案后的持久程度测试中，用小于或等于12μsec的脉冲宽度可以获得令人满意的结果，其中12μsec是喷墨头的半月形振动的自然周期Tc。采用16μsec和20μsec的脉冲宽度，在小墨滴图像中会观察到不均衡的打印密度，这可能是由于弯曲的喷射路经所致。用30μsec和100μsec的脉冲宽度，会在打印图像中观察到条纹。
接着，对喷墨头施加采用两个伪脉冲(Pe1和Pe2)的图12所示的驱动波形，同时将脉冲宽度设置为8μm。连续打印500张测试图案。初始打印质量和持久程度都获得了令人满意的结果。
接着，利用图14所示的驱动波形进行类似的评估，其中在S1产生第一非喷射脉冲，在S6产生第二非喷射脉冲作为小墨滴喷射脉冲P3的一部分。从脉冲开始上升到脉冲在S1下降的时间段是5μsec，S6的脉冲上升时间是10μsec。S1中的第一非喷射脉冲的峰值电压比基本电压Vb高5伏，底部电压比基本电压Vb低10伏，从而与第三喷射脉冲P3的电压电平相符。
利用该驱动波形，初始打印质量和连续打印操作之后的持久程度都获得了令人满意的结果。由于在图14所示的驱动波形中，S6中的非喷射脉冲的上升沿的倾斜设置得较为缓和，因此达到了显著的激励效果，而不会在非喷射电压设置得较大时引起表6中所示的损坏。
如上所述，以不等于喷射头的共振频率的驱动频率来驱动喷射头，结果可以用简单的结构减小共振的负面效果。因此在稳定操作下可改善打印质量。
尽管在上述例子中将厚度模式(d33效果)PZT用作压电装置，还可以使用弹性振动类型PZT。在采用厚度模式(d33效果)PZT时装置的可靠性更高。本发明不仅用于压电式喷墨头，还可以用于驱动热动式或静电式喷墨头。
尽管在实施例中描述的图像再现装置采用喷墨头来产生打印图像，本发明还可以用于在图像再现和形成装置中使用的任何类型的液滴喷射头。例如，本发明可用于抗蚀图案形成装置，其采用喷射头来喷射出液体抗蚀剂，或样本图案产生装置，其采用喷射头来喷射出基因分析液体样本。

Claims (10)

1.一种图像再现和形成装置，包括：
喷射头，用于从喷嘴中喷射出液滴以在介质上形成图像；
驱动信号产生单元，用于产生具有使喷射头以不同于喷射头的自然频率的驱动频率来运行的波形的驱动信号；
驱动单元，用于根据由该驱动信号产生单元提供的驱动信号来驱动喷射头。
2.根据权利要求1所述的图像再现和形成装置，其中，所述驱动信号产生单元产生驱动信号，该驱动信号包括产生用于不喷射液滴的能量的非喷射脉冲，并且所述驱动单元在非打印范围内将该非喷射脉冲施加到喷射头上，以便以不同于喷射头的自然频率的驱动频率来驱动喷射头。
3.根据权利要求2所述的图像再现和形成装置，其中，所述驱动信号产生单元利用所述驱动信号的喷射脉冲的一部分来产生所述非喷射脉冲。
4.根据权利要求2所述的图像再现和形成装置，其中，所述驱动信号产生单元产生张紧喷嘴半月形的非喷射脉冲。
5.根据权利要求2所述的图像再现和形成装置，其中，所述驱动信号产生单元产生推出喷嘴半月形、并且脉冲宽度小于喷射头液体盒中受压力感应的共振的周期的非喷射脉冲。
6.根据权利要求2所述的图像再现和形成装置，其中，所述非喷射脉冲包括具有第一电压改变速率的下降沿和具有第二电压改变速率的上升沿，并且第二电压改变速率小于第一电压改变速率。
7.根据权利要求2所述的图像再现和形成装置，其中，所述非喷射脉冲包括张紧喷嘴半月形并具有第一电压改变速率的第一部分，和恢复喷嘴半月形并具有第二电压改变速率的第二部分，所述第二电压改变速率小于第一电压改变速率。
8.根据权利要求2所述的图像再现和形成装置，其中，所述非喷射脉冲包括推出喷嘴半月形的第一波形，和跟随该第一波形之后张紧喷嘴半月形的第二波形，所述第一波形的脉冲宽度小于喷射头液体盒的共振频率。
9.根据权利要求2所述的图像再现和形成装置，其中，所述驱动信号包括***在该驱动信号开始时的非喷射信号，和***在该驱动信号结束时的第二非喷射信号。
10.根据权利要求2所述的图像再现和形成装置，其中，所述喷射头包括产生喷射出液滴的压力的制动器，以及包括所述非喷射脉冲的所述驱动信号施加在该制动器上。
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