專利名稱：液體噴出頭的驅(qū)動方法及液體噴出裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過控制附加在壓電體元件上的電壓以噴出油墨等液體的液體噴出裝置，特別涉及在打印動作時附加能最大限度地發(fā)揮各壓電體元件壓電特性的波形的打印機等的液體噴出裝置。另外，還涉及附加這樣的波形的液體噴出頭的驅(qū)動方法。
背景技術(shù)：
噴墨式記錄頭包括利用壓電體元件及發(fā)熱元件使油墨產(chǎn)生壓力的壓力室；將油墨供給到壓力室內(nèi)的油墨室；從壓力室噴出油墨的噴嘴。在相應于打印信號的上述元件上附加驅(qū)動信號并產(chǎn)生壓力，使墨滴從噴嘴飛落到記錄媒體上。特別地，使用壓電體元件的噴墨式記錄頭，由于不使用熱源，從而具有不會產(chǎn)生油墨的劣化，不易堵塞噴嘴的優(yōu)點。
對于使用該壓電體元件的噴墨式記錄頭，為了提高基于壓電體膜的噴墨特性，要特別地規(guī)定壓電體膜的組成及結(jié)晶取向性等以力求獲得良好的特性。例如，本發(fā)明人得知100面取向性為70％以上的PZT表示了良好的特性。
然而，具有特定的結(jié)晶取向性等的壓電體膜的制造是不容易的。另外，當結(jié)晶取向性等僅限于某一特定的時，材料選擇的自由度較小。從而，例如即使對于100面取向性不滿70％的PZT，如果能夠獲得達到目的的良好特性，其效果也非常大。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種可以獲得良好的特性、且可以擴大材料選擇范圍的液體噴出裝置。
按照本發(fā)明的液體噴出裝置，該裝置是通過對壓電體附加電壓使壓力室收縮以噴出液體的液體噴出裝置，其中，在液體噴出動作時對所述壓電體附加的驅(qū)動波形包含高電位期，在該高電位期附加表示超過所述壓電體的矯頑電場的電場強度的電壓；反向電位期，在該反向電位期附加與所述高電位期的電位極性相反或電位為零的電壓。這樣，可以更好地發(fā)揮壓電體的特性。
在上述的液體噴出裝置中，在所述反向電位期附加的電壓，最好是表示不超過所述壓電體的矯頑電場的電場強度的電壓。這樣，可以最大限度地發(fā)揮壓電體的特性。
在上述的液體噴出裝置中，在所述反向電位期附加的電壓，也可以是表示超過所述壓電體的矯頑電場的電場強度的電壓。這樣，可以調(diào)整壓電體內(nèi)的殘余極化作用。該液體噴出裝置中，在所述反向電位期附加的電壓最好是可以消除殘存于所述壓電體的極化作用的電壓。另外，在所述反向電位期所述壓力室膨脹后，在所述壓力室開始收縮時，最好是在所述壓力室不再膨脹期間、在所述高電位期使所述壓力室進一步收縮以使所述液體噴出。這樣可以使由超過矯頑電場引起的收縮與由移至高電位期引起的收縮同步進行，從而可以提高變位量及變位速度。此外，在所述反向電位期附加表示超過所述矯頑電場的電場強度的電壓的時間最好在2μ秒以下。這樣，可以防止彎液面不穩(wěn)定，同時可以獲得更大的變位。另外，從所述反向電位期附加的電壓的絕對值從最大值開始下降開始，直到所述高電位期附加的電壓的絕對值基本為最大的時間，最好在2μ秒以下。這樣可以有效地提高變位量及變位速度。
在所述的液體噴出裝置中，所述反向電位期附加的電壓的絕對值，最好在所述高電位期的最大電壓的絕對值以下。
在所述的液體噴出裝置中，最好是在壓電體薄膜上附加電壓。特別地，在所述高電位期，最好附加表示1.5×107[V/m]以上的電場強度的電壓。而且最好以20kHz以上的頻率附加電壓。
在所述液體噴出裝置中，所述驅(qū)動波形最好是每一所述高電位期設(shè)置一所述反向電位期。
在所述的液體噴出裝置中，所述液體噴出動作時附加的驅(qū)動波形中，所述壓力室收縮動作時對應的部分，最好包含所述高電位期的至少一部分，以及所述反向電位期的至少一部分。這樣可以有效地使較大的變位用于壓力室的收縮。
另外，在所述的液體噴出裝置中，取決于所述液體噴出頭的噴出液體時的壓電體變形最好在0.3％以上。
在所述的液體噴出裝置中，所述驅(qū)動波形這樣地構(gòu)成，即，通過電位從所規(guī)定的中間電位至所述高電位期的最高電位的變化，使壓力室收縮、噴出液體，經(jīng)過所述反向電位期返回到所述規(guī)定的中間電位，同時，最好從所述反向電位期至所述規(guī)定的中間電位的電位變化呈不會使液體噴出的傾斜度。
在所述的液體噴出裝置中，最好使電位從在所述高電位期的最高電位到所述反向電位期的電位連續(xù)地變化。這樣能實現(xiàn)較高頻率的驅(qū)動。
在所述的液體噴出裝置中，所述高電位期的電壓每附加一次，可以選擇性地附加所述反向電位期的電壓。這樣，可以增減液滴的尺寸。
本發(fā)明的驅(qū)動方法，是通過對壓電體附加電壓使壓力室收縮以噴出液體的方法，其中，相對于所述壓電體在液體噴出動作時附加的驅(qū)動波形包含高電位期，在該高電位期附加表示超過所述壓電體的矯頑電場的電場強度的電壓；反向電位期，在該反向電位期附加與所述高電位期的電位極性相反或電位為零的電壓。


圖1是說明作為基于本發(fā)明實施方式的液體噴射裝置的打印機的構(gòu)造的立體圖。
圖2是表示上述打印機的電氣構(gòu)成的方塊圖。
圖3是說明用于上述打印機的噴墨式記錄頭的構(gòu)造的說明圖。
圖4是說明上述噴墨式記錄頭的更具體的構(gòu)造的截面圖。
圖5是表示上述噴墨式記錄頭的電氣構(gòu)成的圖。
圖6是說明圖5中在壓電元件上附加驅(qū)動脈沖的順序的圖。
圖7是基于本發(fā)明第1實施例及比較例的液體噴出裝置及驅(qū)動方法的驅(qū)動波形的波形圖。
圖8是表示基于上述第1實施例及比較例的驅(qū)動波形的壓電體薄膜元件的變位量的測定結(jié)果的圖表。
圖9是表示相對壓電體薄膜的電場強度(E)的變形(S)的特性的圖。
圖10中，圖10(A)是表示利用本發(fā)明第2實施例及第4實施例的液體噴出裝置在壓電體元件上附加的電壓波形的一例的波形圖，圖10(B)是表示利用本發(fā)明第3實施例及第5實施例的液體噴出裝置在壓電體元件上附加的電壓波形的一例的波形圖。
圖11是表示基于第6實施例及第7實施例的驅(qū)動波形的圖。
圖12是表示使用上述第6實施例及第7實施例的驅(qū)動波形驅(qū)動壓電體薄膜時的變位推移的圖。
圖13是表示使用上述第6實施例及第7實施例的驅(qū)動波形進行驅(qū)動時的振動板的變位速度的推移的圖。
圖14是表示本發(fā)明第8實施例的驅(qū)動信號及壓電元件變位的一例的圖。
圖15是表示本發(fā)明第9實施例的驅(qū)動信號的一例的圖。
圖16是表示本發(fā)明第10實施例的驅(qū)動信號及壓電元件的變位的一例的圖。
圖中10-噴嘴板，20-壓力室基板、30-振動板、31-絕緣膜、32-下部電極、40-壓電體元件、41-壓電體薄膜層、42-上部電極、21-壓力室。
具體實施例方式
以下，參照附圖對本發(fā)明的實施方式進行說明。
<1.噴墨打印機的整體構(gòu)成>
圖1是說明作為基于本發(fā)明實施方式的液體噴出裝置的打印機的構(gòu)造的立體圖。在該打印機中，本體2上設(shè)有送紙盒3、排出口4及操作按鈕9。另外，本體2的內(nèi)部具有作為液體噴出頭的噴墨式記錄頭1、送紙機構(gòu)6、控制電路8。
噴墨式記錄頭1具有后述的壓電體元件。噴墨式記錄頭1可以這樣地構(gòu)成，即可相應于控制電路8給出的噴出信號由噴嘴噴射油墨等的液體。
本體2是打印機的框架體，在可以由送紙盒3供給規(guī)定用紙5的位置處配置有送紙機構(gòu)6，為了在規(guī)定用紙5上進行打印，而配置有噴墨式記錄頭1。送紙盒3能使打印前的規(guī)定用紙5供給到送紙機構(gòu)6，排出口4是排出打印后的規(guī)定用紙5的出口。
送紙機構(gòu)6具有馬達600、輥601 602、以及其它未圖示出的機械結(jié)構(gòu)。馬達600可以相應于控制電路8給出的驅(qū)動信號進行旋轉(zhuǎn)。機械結(jié)構(gòu)可以將馬達600的旋轉(zhuǎn)力傳遞給輥601及602。輥601及602接受馬達600傳遞的旋轉(zhuǎn)力而旋轉(zhuǎn)，通過旋轉(zhuǎn)，輸入載置在送紙盒3上的規(guī)定用紙5，供送紙張，以可通過頭1進行打印。
控制電路8由未圖示的CPU、ROM、RAM、接口電路等構(gòu)成，通過未圖示的連接器，相應于計算機供給的打印信息，將驅(qū)動信號供給到送紙機構(gòu)6，或者是將噴出信號供給到噴墨式記錄頭1。另外，控制電路8還可以相應于操作面板9的操作信號進行動作模式的設(shè)定，復位處理等。
<2.噴墨打印機的電氣構(gòu)成>
圖2是表示上述打印機的電氣構(gòu)成的方塊圖。本實施方式的打印機的電氣構(gòu)成如圖2所示，具有控制電路8和打印引擎12。
控制電路8包括外部接口13(以下稱外部I/F13)；臨時存儲各種數(shù)據(jù)的RAM14；存儲控制程序等的ROM15；包含CPU等而構(gòu)成的控制部16；產(chǎn)生時鐘信號的振蕩電路17；作為驅(qū)動機構(gòu)的驅(qū)動信號產(chǎn)生電路19，該機構(gòu)產(chǎn)生用于向噴墨式記錄頭1進行供給的驅(qū)動信號；將根據(jù)驅(qū)動信號及打印數(shù)據(jù)展開的光點圖形數(shù)據(jù)(位圖數(shù)據(jù)(bit map data))等發(fā)送到打印引擎12的內(nèi)部接口18(以下稱內(nèi)部I/F18)。
外部I/F13，例如由未圖示的主機等接收由字符碼、圖表函數(shù)、圖像數(shù)據(jù)等構(gòu)成的打印數(shù)據(jù)。另外，通過該外部I/F13，可以將占用信號(BUSY)及確認信號(ACK)對主機等進行輸出。
RAM14具有作為接收緩沖存儲器141、中間緩沖存儲器142、輸出緩沖存儲器143、以及未圖示出的工作存儲器的功能。因此，接收緩沖存儲器141臨時存儲由外部I/F13接收的打印數(shù)據(jù)，中間緩沖存儲器142存儲控制部16變換的中間碼數(shù)據(jù)，輸出緩沖存儲器143存儲光點圖形數(shù)據(jù)。此外，該光點圖形數(shù)據(jù)由通過解碼(翻譯)等級數(shù)據(jù)而獲得的打印數(shù)據(jù)構(gòu)成。
另外，ROM15，除了存儲用于進行各種數(shù)據(jù)處理的控制程序(控制路徑)之外，還存儲字體數(shù)據(jù)、圖表函數(shù)等。
控制部16讀出接收緩沖存儲器141內(nèi)的打印數(shù)據(jù)，同時，將通過變換該打印數(shù)據(jù)而獲得的中間碼數(shù)據(jù)存儲在中間緩沖存儲器142中。另外，控制部16通過解析由中間緩沖存儲器142讀出的中間碼數(shù)據(jù)，并參照存儲在ROM15中的字體數(shù)據(jù)及圖表函數(shù)等，將中間碼數(shù)據(jù)展開成光點圖形數(shù)據(jù)。然后，控制部16在實施必要的裝飾處理后，將該展開的光點圖形數(shù)據(jù)存儲在輸出緩沖存儲器143中。
獲得相當于噴墨式記錄頭1的1行分的光點圖形數(shù)據(jù)之后，該1行分的光點圖形數(shù)據(jù)通過內(nèi)部I/F18輸出到噴墨式記錄頭1。另外，在從輸出緩沖存儲器143輸出1行分的光點圖形數(shù)據(jù)時，已展開的中間數(shù)據(jù)從中間緩沖存儲器142消除，之后進行中間碼數(shù)據(jù)的展開處理。
打印引擎12包括噴墨式記錄頭1、送紙機構(gòu)6及托架機構(gòu)7。
送紙機構(gòu)6由送紙馬達和送紙輥等構(gòu)成，與噴墨式記錄頭1的記錄動作連動地順序送出記錄紙等打印存儲媒體。即，該送紙機構(gòu)6使打印存儲媒體相對于副掃描方向移動。
托架機構(gòu)7包括可以搭載噴墨式記錄頭1的托架主體、使該托架主體沿主掃描方向行進的托架驅(qū)動部。通過使托架本體行進，可以使噴墨式記錄頭1沿主掃描方向移動。此外，托架驅(qū)動部可以是采用齒形帶等的、能使托架本體行進的任意結(jié)構(gòu)。
噴墨式記錄頭1具有沿副掃描方向的多個噴嘴，在光點圖形數(shù)據(jù)等規(guī)定的時間由各噴嘴噴出墨滴。
<3.噴墨式記錄頭的構(gòu)成>
圖3是說明用于作為上述液體噴出裝置的打印機的噴墨式記錄頭的構(gòu)造的說明圖。噴墨式記錄頭1是所謂的柔性振動噴墨式記錄頭，如圖所示，由噴嘴板10、壓力室基板20及振動板30構(gòu)成。該頭構(gòu)成壓電噴射式的記錄頭。
壓力室基板20具有壓力室(腔室)21、側(cè)壁(隔壁)22、貯藏腔23及供給口24。壓力室21是通過蝕刻硅等的基板形成的、為噴墨等進行貯藏的空間。側(cè)壁22的形成將壓力室21間隔開。貯藏腔23構(gòu)成連通并將油墨供給各壓力室21的流動通路。供給口24可以將油墨從貯藏腔23導入各壓力室21。
噴嘴板10與壓力室基板20的一個面貼合，以使該噴嘴11被配置在與設(shè)于壓力室基板20的壓力室21分別對應的位置處。貼合有噴嘴板10的壓力室基板20，被容納在框架體25上，從而構(gòu)成噴墨式記錄頭1。
振動板30被貼合在壓力室基板20的另一面。振動板30上設(shè)有壓電體元件(未圖示)。振動板30上還設(shè)有墨槽連接口(未圖示)，貯藏在未圖示的墨槽中的油墨可以供給到壓力室基板20的貯藏腔23內(nèi)。
<4.層的構(gòu)造>
圖4是表示說明上述噴墨式記錄頭的更具體的構(gòu)造的截面圖。該截面圖是一壓力室及壓電體元件的截面的放大視圖，如圖所示，振動板30通過層疊由絕緣膜31及下部電極32構(gòu)成，壓電體元件40通過在下部電極32上層疊壓電體薄膜層41及上部電極42構(gòu)成。該噴墨式記錄頭1由壓電體元件40、壓力室21及噴嘴11以一定間距連續(xù)設(shè)置而構(gòu)成。該噴嘴的間距可以根據(jù)打印精度進行適當?shù)脑O(shè)計變更。例如可以配置成400dpi(dot per inch)。
絕緣膜31由非導電性材料，例如用二氧化硅(SiO2)形成1μm左右的厚度，并隨著壓電體薄膜層的變形而變形，壓力室21的內(nèi)部壓力可以瞬間提高。
下部電極32是用于在壓電體薄膜層上附加電壓的電極，并采用具有導電性的材料，例如白金(Pt)等形成0.2μm左右的厚度。下部電極32與絕緣膜31在同一區(qū)域內(nèi)形成，其作用是在形成于壓力室基板20上的多個壓電元件上作為共同的電極。然而，也可以形成尺寸等同于壓電體薄膜層41的，即與上部電極的形狀相同。
上部電極42構(gòu)成用于在壓電體薄膜層上附加電壓的另一電極，由具有導電性的材料，例如白金(Pt)或銥(Ir)形成0.1μm左右的厚度。
壓電體薄膜層41是例如具有鈣鈦礦構(gòu)造的鋯鈦酸鉛(PZT)等的壓電性陶瓷的結(jié)晶，并以規(guī)定形狀形成在振動板30上，壓電體薄膜層41的厚度最好在2μm以下，例如形成1μm左右的厚度。該壓電體薄膜的矯頑電場，例如是2×106[V/m]左右。
<5.打印動作>
下面針對上述噴墨式記錄頭1的構(gòu)成來說明打印動作。當控制電路8輸出驅(qū)動信號時，送紙機構(gòu)6動作，規(guī)定用紙5被輸送到可以由頭1進行打印的位置。在控制電路8不發(fā)出噴出信號、且在壓電體元件40的下部電極32及上部電極42之間不施加電壓的場合，壓電體薄膜層41不產(chǎn)生變形。在設(shè)有未被提供噴出信號的壓電體元件40的壓力室21中不產(chǎn)生壓力變化，因此該噴嘴11中不噴出油墨滴。
另外，在控制電路8發(fā)出噴出信號、且在壓電體元件40的下部電極32及上部電極42之間施加一定的電壓的場合，壓電體薄膜層41產(chǎn)生變形。在設(shè)有被提供了噴出信號的壓電體元件40的壓力室21中，該振動板30產(chǎn)生較大彎曲。因此壓力室21內(nèi)的壓力瞬間提高，使油墨滴從該噴嘴11中噴出。通過將噴出信號分別發(fā)送給頭中對應于打印數(shù)據(jù)的位置的壓電體元件，可以打印任意的文字或圖形。
<6.噴墨式記錄頭的電氣構(gòu)成>
下面，參照圖5對上述噴墨式記錄頭的電氣構(gòu)成進行更詳細說明。
噴墨式記錄頭1，如圖5所示，具有移位寄存器51、閂鎖電路52、電平移位器53、開關(guān)54及壓電體元件40等。另外，如圖5所示，這些移位寄存器51、閂鎖電路52、電平移位器53、開關(guān)54及壓電體元件40，分別由設(shè)于噴墨式記錄頭1的各噴嘴11的移位寄存器元件51A～51N、閂鎖元件52A～52N、電平移位器元件53A～53N、開關(guān)元件54A～54N、壓電體元件40A～40N構(gòu)成。這些移位寄存器51、閂鎖電路52、電平移位器53、開關(guān)54、壓電體元件40按此順序電連接。
此外，這些移位寄存器51、閂鎖電路52、電平移位器53及開關(guān)54，由驅(qū)動信號產(chǎn)生電路19產(chǎn)生的噴出信號生成驅(qū)動脈沖。在此，該驅(qū)動脈沖是實際上附加在壓電體元件40上的附加脈沖。
圖6是說明在壓電元件上附加驅(qū)動脈沖(驅(qū)動信號)的順序的圖。下面將參照圖6對具有上述電氣構(gòu)成的噴墨式記錄頭1的控制進行說明。
在具有上述的電氣構(gòu)成的噴墨式記錄頭1中，如圖6所示，與最初來自振蕩電路17的時鐘信號(CK)同步，構(gòu)成光點圖形數(shù)據(jù)的打印數(shù)據(jù)(SI)從輸出緩沖存儲器143被串行傳送到移位寄存器51，并被順序置位。這種場合，首先，在全部噴嘴11的打印數(shù)據(jù)的最高位二進制位的數(shù)據(jù)被串行傳送。而且，該最高位二進制位的數(shù)據(jù)串行傳送結(jié)束后，由高位開始的第2個二進制位的數(shù)據(jù)被串行傳送。以下相同，低位二進制位的數(shù)據(jù)被順序傳送。
而且，當該二進制位的打印數(shù)據(jù)的整個噴嘴部分在移位寄存器元件51A～51N被置位，控制部16以規(guī)定的時間將閂鎖信號(LAT)輸送到閂鎖電路52。利用該閂鎖信號，閂鎖電路52閂鎖在移位寄存器51置位的打印數(shù)據(jù)。該閂鎖電路52閂鎖的打印數(shù)據(jù)(LATout)被附加到作為電壓放大器的電平移位器53。該電平移位器53而言，在打印數(shù)據(jù)例如為“1”的場合，開關(guān)54使該打印數(shù)據(jù)升高到可以驅(qū)動的電壓值，例如幾十伏。因此，該升壓后的打印數(shù)據(jù)附加到開關(guān)元件54A～54N，然后，開關(guān)元件54A～54N變?yōu)橛稍摯蛴?shù)據(jù)連接的狀態(tài)。
在各開關(guān)元件54A～54N上，還附加有驅(qū)動信號產(chǎn)生電路19產(chǎn)生的噴出驅(qū)動信號。因此，當開關(guān)元件54A～54N變?yōu)檫B接狀態(tài)時，在與該開關(guān)元件54A～54N連接的壓電體元件40A～40N上被附加噴出驅(qū)動信號。
這樣，在舉例說明的噴墨式記錄頭1中，可以控制是否利用打印數(shù)據(jù)將噴出驅(qū)動信號附加在壓電體元件40上。例如，打印數(shù)據(jù)為“1”的期間，閂鎖信號可以使開關(guān)54變?yōu)檫B接的狀態(tài)，因此，可以將驅(qū)動信號(COMout)供給到壓電體元件40。而且，該供給的驅(qū)動信號(COMout)可使壓電體元件40變位(變形)。另外，在打印數(shù)據(jù)為“0”的期間，開關(guān)54為非連接狀態(tài)，因此，提供到壓電體元件40的驅(qū)動信號被中斷。此外，在該打印數(shù)據(jù)為“0”的期間，各壓電體元件40保持前面的電位，因此，維持在前面的變位狀態(tài)。
<7.第1實施例及比較例>
圖7是基于本發(fā)明第1實施例及比較例的液體噴出裝置及驅(qū)動方法的驅(qū)動波形的波形圖。圖8是表示基于上述驅(qū)動波形的壓電體薄膜元件的變位量的測定結(jié)果的圖。如圖7所示，驅(qū)動波形具有8μ秒的電位上升期，20μ秒的最高電位維持期，8μ秒的電位下降期，并采用最高電位和最低電位之差為25V的梯形波。變換該梯形波的補償電壓(驅(qū)動波形中，最低電位的成對接地DC電壓)ΔV，驅(qū)動壓電體薄膜元件并測定變位量。當補償電壓ΔV＜0時，相當于具有反向電位期的第1實施例，當補償電壓ΔV≥0時，相當于沒有反向電位期的比較例。作為壓電體薄膜元件，是對使用(100)面取向性79％的PZT的三點抽樣(組1)以及使用(100)面取向性33％的PZT的三點抽樣(組2)進行測定，并分別求出平均值。
使用組1的PZT時，首先，在作為比較例的補償電壓ΔV≥0附近，獲得約420～450nm的變位。獲得此變位量，則作為噴墨式記錄頭也可以使用，但變位量最好更大些。接下來，測定第1實施例的補償電壓ΔV＜0時，則變位量上升，在ΔV＝-3V附近獲得最大變位513nm。
使用組2的PZT時，首先，在作為比較例的補償電壓ΔV≥0附近，變位約為290～315nm。該變位量難以與上述組1的情況相比，希望變位量最好更大些。接下來，當?shù)?實施例的補償電壓ΔV＜0時，變位量大幅度地上升，在ΔV＝-4.3V附近獲得最大變位451nm。
再有，對于組1及組2，補償電壓ΔV更低(絕對值較大)時，變位量則減小。推測這是由于補償電壓ΔV較低，超過了矯頑電場，使變形反向。
如上所述，對于組1及組2，通過使用第1實施例的液體噴出裝置，與比較例相比，變位量增大。這種變位量的增大將用圖9(a)的磁滯曲線進行說明。如該圖所示，沒有反向電位期的比較例的驅(qū)動，為虛線A所示的曲線，有反向電位期的第1實施例的驅(qū)動，為虛線B所示的曲線?？梢钥吹?，即使電場強度(E)的變化量相同，虛線B也能獲得較大的變形(S)。
此外，即使如組2那樣，在比較例中認定不能獲得足夠特性的壓電體元件，通過使用第1實施例的液體噴出裝置，也可以顯著提高變位量，增強耐用性，從而提高了材料選擇的余地。
另外，確認了在利用基于比較例的液體噴出裝置進行驅(qū)動的場合，進行1億脈沖以上的多次驅(qū)動時，其變位量比當初的變位量要低12％左右，但是，在利用基于第1實施例的液體噴出裝置進行驅(qū)動的場合，多次驅(qū)動時變位的降低量在5％以下。其理由推測如下。在超過壓電體的矯頑電場地進行驅(qū)動的場合，當多次驅(qū)動時，如圖(9b)所示，磁滯曲線如虛線所示變化。因此，沒有反向變位期的驅(qū)動會導致變位降低。這樣，通過設(shè)置反向電位期，即使磁滯曲線變化，也可以獲得足夠的變位。
在上述的組1及組2中，獲得最大變位的補償電壓ΔV的最佳數(shù)值不同。因此，最好根據(jù)要求的特性調(diào)節(jié)補償電壓ΔV的數(shù)值。
<8.第2實施例及第3實施例>
圖10是表示利用本發(fā)明的另一實施例的液體噴出裝置在打印動作時在壓電體元件上附加的電壓波形的例的波形圖。特別地，圖10(A)是第2實施例的一個周期的波形，圖10(B)是第3實施例的一個周期的波形。在這樣的波形被附加在壓電體薄膜上時，是以20kHz～50kHz的頻率附加的。該波形是在打印動作時附加的波形，因此，在打印停止時的頭的清洗以及墨盒交換過程等中附加的波形可以與其不同。
圖10(A)示出的驅(qū)動波形具有電位維持期a4、電位下降期a5、電位維持期a6、電位上升期a1、電位維持期a2、電位下降期a3。
在電位維持期a4，彎液面的殘余振動被穩(wěn)定。在電位下降期a5及電位維持期a6，通過將彎液面引入噴嘴內(nèi)且同時從未圖示的墨槽引入新墨以準備下次的電位上升期a1的噴墨。在電位上升期a1及電位維持期a2，通過將電壓附加在壓電體上并使壓力室收縮，從噴嘴噴出墨。在電位下降期a3，通過擴大壓力室，將未噴出而殘余的墨吸入噴嘴內(nèi)。
特別地，在電位維持期a6，噴墨的電位維持期a2和反向極性的電壓(-V1)附加在壓電體上。通過在驅(qū)動波形中設(shè)置附加如該電位維持期a6這樣的電壓的反向電位期，可以最大限度地發(fā)揮壓電體的特性。為了更有效地發(fā)揮壓電體的特性，最好是每噴墨1次，就設(shè)置一次如電位維持期a6這樣的附加電壓的反向電位期。
在電位維持期a2，壓電體上的電場強度設(shè)定為在1.5×107[V/m]以上。例如電位維持期a2的附加電壓設(shè)定為20～30[V]左右的具有較高絕對值的值。在這種場合，壓電體薄膜厚度為1μm時，電位維持期a2的壓電體的電場強度為2×107～3×107[V/m]，為本實施例的壓電體的矯頑電場為2×106的10倍左右。
與第1實施例相同，為了有效地發(fā)揮壓電體的特性，含有電位維持期a6的反向電位期的電位(-V1)最好是這樣的電位，即壓電體的電場強度的絕對值不超過壓電體的矯頑電場。另外，含有電位維持期a6的反向電位期的電位(-V1)的絕對值，最好在電位維持期a2這樣的高電位期的電位絕對值的最大值以下。例如，如果壓電體的膜厚為1μm，電位維持期a6的電位(-V1)＝-2V，那么，壓電體的電場強度的絕對值為2×106[V/m]。
在進行壓力室的收縮動作的電位上升期a1，電位從與電位維持期a6相連的負電位上升，在電位維持期a2達到最高電位。
圖10(B)示出的驅(qū)動波形，除了與上述a1～a6相同的部分以外，還包括電位上升期a7、電位維持期a8、電位下降期a9、電位維持期a10。就電位上升期a7、電位維持期a8、電位下降期a9而言，目的是在所述電位上升期a1及電位維持期a2進行用于噴墨的彎液面控制，噴墨之前，通過在彎液面上附加所希望的振動可以有效地提高噴出特性。
電位維持期a6的電壓(-V2)與圖10(A)的波形相同，壓電體的電場強度的絕對值最好是不超過矯頑電場的值，而且最好是這樣的電壓，即噴墨時的電場的最高值以下的電壓。
<9.第4實施例及第5實施例>
在上述第1～第3實施例中，對于在反向電位期的壓電體上的電場強度不超過矯頑電場時的優(yōu)點進行了說明，但也可以在矯頑電場以上。在此，在圖10(A)或圖10(B)的驅(qū)動波形中，將反向電位期中的電位維持期a6的電位(-V1或-V2)設(shè)為壓電體的電場強度的絕對值比壓電體的矯頑電場大的部分，分別構(gòu)成第4實施例及第5實施例。在這種場合，電位維持期a6的電位(-V1或-V2)的絕對值最好是在電位維持期a2的電位絕對值以下。例如，如果壓電體的膜厚為1μm，電位維持期a6的電位(-V1)＝-5V，那么，壓電體的電場強度的絕對值為5×106[V/m]。
這樣，通過設(shè)定為表示在電位維持期a6超過矯頑電場的電場強度的電位，在驅(qū)動波形中，即在除停止打印的時間之外，可以消除殘存在壓電膜體中的極化作用。壓電體被薄膜化時，具有較快地降低殘存的極化作用的傾向，因此，即使進行如特開平9-141866號公報那樣的極化處理，在其后一段時間不進行驅(qū)動時，則極化作用就會降低。在這種場合，雖然在有驅(qū)動磁滯效應的元件及無驅(qū)動磁滯效應的元件之間極化作用產(chǎn)生差異，反而在元件之間產(chǎn)生了偏差。本實施例中，由于在驅(qū)動波形中附加與噴出電壓極性相反的電壓，因此，即使在長時間連續(xù)進行打印動作時，也可以有效地抑制壓電體元件的變位偏差。
另外，特別地，在對使用了壓電體薄膜的液體噴出頭進行驅(qū)動的場合，壓電體薄膜的變形較大，為0.3％以上。因此，由于基板的彈性恢復力不足，故在壓電體薄膜上容易產(chǎn)生殘余變形。因此，消除殘存的極化作用非常有效。
<10.第6實施例及第7實施例>
在圖11中，示出了作為第4實施例的變形例的第6實施例及第7實施例的驅(qū)動波形。在圖12中，示出了使用這些驅(qū)動波形對壓電體薄膜進行驅(qū)動的場合的變位推移。圖11中示出的二種驅(qū)動波形，在反向電位期附加的電壓的最小值同樣都達到-5V，但附加該-5V電壓的時間不同。實線表示的波形(W6)與第6實施例相關(guān)，附加-5V電壓的時間設(shè)定為2μ秒。另外，虛線表示的波形(W7)與第7實施例相關(guān)，附加-5V電壓的時間設(shè)定為0.13μ秒。
在壓電體薄膜的矯頑電場為2×106[V/m]、膜厚為1.5μm的場合，在壓電體薄膜上附加低于-3V的電壓后，就會使壓電體薄膜內(nèi)的電場強度超過矯頑電場。電場強度超過矯頑電場的時間，即對波形(W6)附加低于-3V的電壓的時間約為3μ秒，對波形(W7)附加低于-3V的電壓的時間約為1.5μ秒。
圖12的曲線(C6)示出了對圖11的波形(W6)進行附加時的變位的推移。變位的最大值與最小值之差是344nm。如該曲線(C6)所示，在反向電位期一旦超過矯頑電場，變形方向就會反轉(zhuǎn)。即，附加電壓下降時，達到矯頑電場之前，變位下降，但達到矯頑電場后，即使附加電壓下降，變位仍然上升。由此顯示了通過超過矯頑電場可以使極化作用反向。壓電體薄膜的變形方向一旦如曲線(C6)所示地反向，對液體噴出頭進行驅(qū)動時就會導致彎液面的運動不穩(wěn)定，變得難以正確地噴出液滴。
另外，圖12的曲線(C7)示出了對圖11的波形(W7)進行附加時變位的推移。在反向電位期超過矯頑電場的時間為2μ秒以下時，可以看到，反向變位期的變形方向不反向。另外，變位的最大值與最小值之差是359nm。由此可知，與曲線(C6)的場合相比，變位量增大。
圖13是測定使用上述驅(qū)動波形驅(qū)動液體噴出頭時振動板的變位速度的推移的圖。在第7實施例中從反向電位期至高電位期的壓力室收縮動作時的振動板的變位速度(D7)，最大上升到1m/sec附近，相對于此，第6實施例的收縮動作時的振動板的變位速度(D6)最大為0.5m/sec，只是第7實施例的一半。由此可知，使用第7實施例的驅(qū)動波形，可以提高振動板的變位速度。
如上所述，在第7實施例的驅(qū)動方法中，通過使附加電壓變化到一絕對值較高的電位，即，高于反向電位期在壓電體膜層41上矯頑電場產(chǎn)生的電位，以使壓力室21膨脹。然后，壓力室21伴隨著矯頑電場開始收縮，之后，不反向膨脹期間移至高電位期，使壓力室進一步收縮以噴出液體。這樣，可以提高振動板30的變位量及變位速度。即，在本發(fā)明的驅(qū)動方法中，由于作為噴墨時的變位，而作用由矯頑電場引起的振動板30的變位，因此，可以確實地提高使壓力室21收縮時振動板30的變位量及變位速度。
另外，在本實施例中，將反向變位期超過矯頑電場的期間設(shè)定為小于2μ秒，就可以作用矯頑電場引起的振動板30的變位量以構(gòu)成噴墨時的變位。另外，將壓力室21開始收縮到收縮結(jié)束的期間設(shè)為小于2μ，可以使反向電位期從開始收縮的高電位期到收縮結(jié)束的移位變得較平穩(wěn)，有效地提高了振動板35的變位量。因此，具有能加快噴墨速度的優(yōu)點。
<11.第8實施例及第9實施例>
圖14是表示本發(fā)明第8實施例的驅(qū)動信號及壓電元件變位的一例的圖。
在第8實施例中附加于壓電體元件40的基本驅(qū)動信號(COM)，如圖14(a)所示，具有高電位期60和反向電位期70。通過根據(jù)打印數(shù)據(jù)將高電位期60的電壓輸出到壓電體元件40可以使墨滴噴出，其后，再將反向電位期70的電壓輸出到壓電體元件40上。在本實施例中，每一高電位期60與反向電位期70交替地輸出。
這里，本實施例的噴墨式記錄頭1，是所謂的“拉打”式的。高電位期60包括由維持中間電位VM的狀態(tài)下降到電位VL、使壓力室21膨脹的第1膨脹工序61；將最低電位VL維持一定時間的第1保持工序62；通過從最低電位VL上升到最高電位VH以使壓力室21收縮噴出墨滴的收縮工序63；將最高電位VH維持一定時間的第2保持工序64；從最高電位VH下降到中間電位VM的第2膨脹工序65。
反向電位期70包括將電位由中間電位VM下降到零以下的規(guī)定電位VR的下降工序71；將規(guī)定電位VR維持一定時間的保持工序72；由規(guī)定電位VR上升到中間電位VM的上升工序73。
通過上述的高電位期60驅(qū)動壓電體元件40時，如圖14(b)所示，通過使壓電體元件40在第1膨脹工序61由中間變位DM變形為最小變位DL，將噴嘴11內(nèi)的彎液面吸引到壓力室21一側(cè)。接著，通過第1保持工序62實現(xiàn)收縮工序63，并通過使壓電體元件40變形到最大變位DH來噴出墨滴。即，收縮工序63在通過由第1膨脹工序61引起的振動將彎液面壓向噴嘴11一側(cè)的時機進行。這樣，由第1膨脹工序61引起的彎液面的振動以及由收縮工序63引起的彎液面的振動重合，從而墨滴以較高的速度由噴嘴11噴出。然后通過第2膨脹工序65使壓電體元件40復原。
這里，在第2膨脹工序65，通過從最高電位VH下降到中間電位VM，如圖中虛線所示，將壓電體元件40的變位從最高變位DH返回到中間變位DM。但是，實際上壓電體元件40的變形不會返回到中間變位DM，壓電體元件40的變位被維持在中間變位DM’。
因此，本實施例中，在高電位期60之后，經(jīng)反向電位期70并返回到中間電位VM，這樣使壓電體元件40的變位返回到規(guī)定的中間變位DM。
即，噴出墨滴后，通過反向電位期70的下降工序71使電位變?yōu)榱阋韵拢?，下降?5(V)以下時，壓電體元件40的變位一度變化到中間變位DM的下側(cè)。此后，通過保持工序72在上升工序73使電位返回到中間電位VM時，壓電體元件40的變位也返回到中間變位DM。由此，可使其后的由高電位期60引起的壓電體元件40的變位量穩(wěn)定，噴出所需要的尺寸的墨滴。
在此，構(gòu)成該反向電位期70的下降工序71能夠使電位降到零以下即可，其傾斜度沒有特別的限定，上升工序73的傾斜度最好控制在不對彎液面的振動構(gòu)成影響的較小的程度。就本實施例的噴墨式記錄頭1而言，通過上升工序73驅(qū)動壓電體元件40時，壓力室21收縮，在彎液面上產(chǎn)生沿噴墨方向的振動，因此上升工序73的傾斜度較大時有可能會出現(xiàn)錯誤噴出墨滴的問題。
另外，當上升工序73的傾斜度過小時，肯定會延長墨滴噴出間隔，不能進行高速驅(qū)動，因此，上升工序73的傾斜度最好控制在不對彎液面的振動構(gòu)成影響的程度。
因此，在本實施例中，將反向電位期70設(shè)置在各高電位期60之間，這樣，當高電位期60的電壓被輸出到壓電體元件40上時，壓電體元件40的變位一直被維持在中間變位DM。從而切實地提高了由各高電位期60引起的壓電體元件40的變位量。另外，即使降低高電位期60的最高電位VH，也可以維持現(xiàn)存的變位量并提高耐久性。并且，為了穩(wěn)定由各高電位期60引起的壓電體元件40的變位量，即使在以較高速度進行驅(qū)動的場合也能夠一直以所需要的點徑進行打印。
此外，在本實施例中，由高電位期60噴出墨滴后，隔開規(guī)定間隔輸出反向電位期70的電壓，但并不限于此。例如，如圖15表示的第9實施例的驅(qū)動波形所示，也可以在高電位期60的電壓輸出后馬上輸出反向電位期70的電壓，使電位在由高電位期的最高電位至反向電位期的電位之間連續(xù)地變化。無論怎樣，通過使電位一旦降到零以下，就可以確實地使壓電體元件40的變形返回到規(guī)定的中間電位。如果縮小高電位期60與反向電位期70之間的間隔，就能夠以較高的速度進行打印。
另外，在第8實施例及第9實施例中，通過減小反向電位期70的上升工序73的傾斜度，可以防止由反向電位期70的最低電位VR返回到中間電位VM時墨滴的錯誤噴出，防止墨滴的錯誤噴出的方法并不限于此。例如，與彎液面的振動周期重合地實施上升工序73，也可以防止墨滴的錯誤噴出。即，反向電位期70的下降工序71產(chǎn)生的彎液面的振動，在縮入壓力室21一側(cè)期間，實施上升工序73。這樣，由上升工序73產(chǎn)生的彎液面的振動與由下降工序71產(chǎn)生的彎液面的振動相互抵消，從而可以防止墨滴的錯誤噴出。
這樣，即使反向電位期70的上升工序73的傾斜度比較大，也可以防止墨滴的錯誤噴出，因此，能夠?qū)崿F(xiàn)高速驅(qū)動。
<12.第10實施例>
圖16是表示本發(fā)明第10實施例的驅(qū)動信號及壓電元件的變位的一例的圖。
在本實施例中，如圖16(a)所示，表示了通過在各高電位期60之間選擇性地輸出反向電位期70的電壓，噴出差別較大的二種墨滴的實例。
即，不通過反向電位期70而連續(xù)地輸出高電位期60的電壓時，經(jīng)過高電位期60后的壓電體元件40的變位，如圖16(b)所示，為中間變位DM’。因此，其后的高電位期60的收縮工序63引起的實際的壓電體元件40的變位量d1變成小于經(jīng)過中間變位DM時的變位量d2，噴出的墨滴的尺寸也比經(jīng)過中間變位DM時的尺寸(正常點徑)要小。
但是，該各高電位期60之后的中間變位DM’為大致恒定的變位。即，在連續(xù)地將高電位期60的電壓輸出到壓電體元件40的場合，噴出的墨滴的尺寸小于正常點徑，但各墨滴的尺寸大致恒定。
另外，在高電位期60之間輸出反向電位期70的電壓時，由其后的高電位期60的收縮工序63引起的壓電體元件40的實際變位量d3，與經(jīng)過中間變位DM的場合的變位量d2大致相同，因此噴出正常點徑的墨滴。
因此，通過選擇性地輸出反向電位期70，可以很容易地噴出尺寸不同的二種墨滴。
例如，在壓電體元件40上輸出高電位期60與反向電位期70，可以噴出正常點徑的墨滴。然而，不通過反向電位期70而連續(xù)地輸出高電位期60，可以噴出較小點徑的墨滴。
這樣，僅通過控制驅(qū)動信號就可以進行點徑的等級控制，從而能較容易地實現(xiàn)高品質(zhì)的打印。
本發(fā)明的液體噴出頭的驅(qū)動方法及液體噴出裝置，除了用于噴墨記錄裝置的噴墨噴頭以外，也可以用于噴出各種液體的噴頭，例如噴出制造液晶顯示器等的濾色器用的含有彩色材料的液體的噴頭，噴出形成有機EL顯示器及FED(面發(fā)光顯示器)等的電極用的含電極材料的液體的噴頭，噴出用于制造仿生物功能集成電路片的含有生物有機物的液體的噴頭，等等。
工業(yè)實用性根據(jù)本發(fā)明的液體噴出裝置及驅(qū)動方法，可以提供一種能夠獲得良好特性，且能夠擴大材料選擇的范圍的液體噴出裝置及驅(qū)動方法。
權(quán)利要求
1.一種液體噴出裝置，該裝置是通過對壓電體附加電壓使壓力室收縮以噴出液體的液體噴出裝置，其中，相對于所述壓電體在液體噴出動作時附加的驅(qū)動波形包含高電位期，在該高電位期附加表示超過所述壓電體的矯頑電場的電場強度的電壓；反向電位期，在該反向電位期附加與所述高電位期的電位極性相反或電位為零的電壓。
2.如權(quán)利要求1所述的液體噴出裝置，其中，在所述反向電位期附加的電壓，是表示不超過所述壓電體的矯頑電場的電場強度的電壓。
3.如權(quán)利要求1所述的液體噴出裝置，其中，在所述反向電位期附加的電壓，是表示超過所述壓電體矯頑電場的電場強度的電壓。
4.如權(quán)利要求3所述的液體噴出裝置，其中，在所述反向電位期附加的電壓是消除殘存于所述壓電體的極化作用的電壓。
5.如權(quán)利要求3所述的液體噴出裝置，其中，在所述反向電位期所述壓力室膨脹后，在所述壓力室的收縮開始后，所述壓力室不再度膨脹期間在所述高電位期使所述壓力室進一步收縮以使所述液體噴出。
6.如權(quán)利要求3所述的液體噴出裝置，其中，在所述反向電位期附加表示所述矯頑電場以上的電場強度的電壓的時間是2μ秒以下。
7如權(quán)利要求3所述的液體噴出裝置，其中，從所述反向電位期附加的電壓的絕對值從最大值開始下降開始，直到所述高電位期附加的電壓的絕對值基本為最大的時間，為2μ秒以下。
8.如權(quán)利要求1-7中的任一項所述的液體噴出裝置，其中，在所述反向電位期附加的電壓的絕對值，在所述高電位期的最大電壓的絕對值以下。
9.如權(quán)利要求1-8中的任一項所述的液體噴出裝置，其中，在壓電體薄膜上附加電壓。
10.如權(quán)利要求1-9中的任一項所述的液體噴出裝置，其中，在所述高電位期，附加表示1.5×107[V/m]以上的電場強度的電壓。
11.如權(quán)利要求1-10中的任一項所述的液體噴出裝置，其中，以20kHz以上的頻率附加電壓。
12.如權(quán)利要求1-11中的任一項所述的液體噴出裝置，其中，所述驅(qū)動波形為每一所述高電位期設(shè)置一所述反向電位期。
13.如權(quán)利要求1-12中的任一項所述的液體噴出裝置，其中，在所述液體噴出動作時附加的驅(qū)動波形中，在所述壓力室收縮動作時對應的部分，包含所述高電位期的至少一部分，以及所述反向電位期的至少一部分。
14.如權(quán)利要求1-13中的任一項所述的液體噴出裝置，其中，基于所述液體噴出頭的噴出液體時的壓電體變形在0.3％以上。
15.如權(quán)利要求1所述的液體噴出裝置，其中，所述驅(qū)動波形這樣地構(gòu)成，即，通過電位從所規(guī)定的中間電位至所述高電位期的最高電位的變化，使壓力室收縮、噴出液體，經(jīng)過所述反向電位期返回到所述規(guī)定的中間電位，同時，從所述反向電位期至所述規(guī)定的中間電位的電位變化，呈不會使液體噴出的傾斜度。
16.如權(quán)利要求1或15所述的液體噴出裝置，其中，使電位從所述高電位期的最高電位到所述反向電位期的電位連續(xù)地變化。
17.如權(quán)利要求1所述的液體噴出裝置，其中，所述高電位期的電壓每附加一次，可以選擇性地附加所述反向電位期的電壓。
18一種驅(qū)動方法，該方法是通過對壓電體附加電壓使壓力室收縮以噴出液體的液體噴出頭的驅(qū)動方法，其中，相對于所述壓電體在打印動作時附加的驅(qū)動波形包含高電位期，在該高電位期附加表示超過所述壓電體的矯頑電場的電場強度的電壓；反向電位期，在該反向電位期附加與所述高電位期的電位極性相反或電位為零的電壓。
全文摘要
本發(fā)明的目的在于提供一種可以獲得良好特性、擴大材料選擇范圍的液體噴出裝置。該裝置是通過對壓電體附加電壓使壓力室收縮以噴出液體的液體噴出裝置，相對于所述壓電體在液體噴出動作時附加的驅(qū)動波形包含高電位期(a2)，在該高電位期附加表示超過所述壓電體的矯頑電場的電場強度的電壓；反向電位期(a6)，在該反向電位期附加與所述高電位期的電位極性相反或電位為零的電壓。
文檔編號B41J2/045GK1553859SQ02817740
公開日2004年12月8日 申請日期2002年9月11日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月11日
發(fā)明者伊藤牧, 村井正己, 矢崎士郎, 己, 郎 申請人:精工愛普生株式會社