專利名稱：液體噴出裝置的驅(qū)動方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及液體噴出裝置的驅(qū)動方法。
背景技術(shù)：
圖2是表示即時響應(yīng)(On demand)型噴墨打印機等中使用的液體噴 出裝置1的一個例子的剖面圖。此外，圖3是放大所述液體噴出裝置1的 一個例子的要部的剖面圖。參照圖2、圖3，該例子的液體噴出裝置l包 括將具有被填充墨水的加壓室2、與所述加壓室2連通并且將加壓室2 內(nèi)的墨水作為墨滴噴出的噴嘴3的多個液滴噴出部4在面方向排列而形成 的基板5;以及包含具有覆蓋所述基板5的多個加壓室2的尺寸的壓電陶 瓷層6，層疊在所述基板5上的板狀的壓電致動器7。
壓電致動器7劃分為與各加壓室2對應(yīng)配置，通過分別作用電壓， 分別在厚度方向撓曲變形的多個壓電變形區(qū)域8;包圍所述壓電變形區(qū)域 8配置，通過固定在所述基板5上，防止變形的限制區(qū)域9。
此外，圖的例子的壓電致動器7，具有包括設(shè)置在壓電陶瓷層6的兩 圖中上面，按各加壓室2分別形成并且劃分壓電變形區(qū)域8的單個電極10、 在所述壓電陶瓷層6的下面按順序?qū)盈B的具有覆蓋多個加壓室2的尺寸的 公共電極11和振動板12的所謂單壓電片(Unimorph)型結(jié)構(gòu)。各單個電 極10、公共電極11分別與驅(qū)動電路13連接，驅(qū)動電路13連接在控制機 構(gòu)14上。
壓電陶瓷層6例如由PZT等壓電材料形成，并且在層的厚度方向預(yù)先 極化，被賦予所謂的橫振動模式的壓電變形特性，根據(jù)來自控制機構(gòu)14 的控制信號，驅(qū)動驅(qū)動電路13，如果在任意的單個電極10和公共電極11 之間作用與所述極化方向相同方向的電壓，夾在兩電極10、 11之間的與 壓電變形區(qū)域8對應(yīng)的活性區(qū)域15便會如圖3中橫向的白箭頭所示，向
層的面方向收縮。
可是，壓電陶瓷層6的下面通過公共電極11固定在振動板12上，所
以，如果活性區(qū)域15收縮，就伴隨著此，壓電致動器7的壓電變形區(qū)域8 如3中向下的白箭頭所示，向加壓室2的方向突出地撓曲變形，使填充到 加壓室2內(nèi)的墨水振動，由該振動加壓的墨水通過噴嘴3作為墨滴噴出。 如專利文獻l所述，在液體噴出裝置中， 一般廣泛采用所謂的抽注方 式的驅(qū)動方法。圖11是簡化表示通過抽注方式的驅(qū)動方法驅(qū)動圖2的液 體噴出裝置1時作用在壓電陶瓷層6的活性區(qū)域15上的驅(qū)動電壓Vp的驅(qū) 動電壓波形(用粗線的單點劃線表示)的一個例子，與被作用了該驅(qū)動電 壓波形吋的噴嘴3內(nèi)的墨水的體積速度的變化[用粗實線表示，(+ )為噴 嘴3的頂端一側(cè)，即墨滴的噴出一側(cè)，(一)是加壓室2—側(cè)]的關(guān)系的曲 線圖。
此外，圖12是簡化表示用所述抽注方式的驅(qū)動方法驅(qū)動圖2的液體 噴出裝置1時作用在壓電陶瓷層6的活性區(qū)域15上的驅(qū)動電壓Vp的驅(qū)動 電壓波形(用粗線的單點劃線表示)的一個例子，與被作用了該驅(qū)動電壓 波形時的壓電致動器7的壓電變形區(qū)域8的變位量[用粗實線表示，(一)為 加壓室2的方向(使加壓室2的容積減少的方向)、(+ )為與加壓室2的 方向相反的方向(使加壓室2的容積增加的方向)]的關(guān)系的曲線圖。
參照圖2、圖3、圖ll，首先，在比圖11中的t,更左側(cè)的不從噴嘴3 噴出墨滴的待機時，驅(qū)動電壓Vp維持驅(qū)動電壓VH(VP=VH)，使活性區(qū)域 15繼續(xù)向面方向收縮，從而使壓電變形區(qū)域8向加壓室2的方向突出地撓 曲變形，維持使所述加壓室2的容積減少的狀態(tài)，其間，墨水維持靜止?fàn)?態(tài)即噴嘴3中的墨水的體積速度維持為0，在所述噴嘴3內(nèi)，由墨水的表 面張力形成的墨水彎液面靜止。
為了從噴嘴3噴出墨滴，在紙面上形成點，首先在緊接著之前的tt的 時刻，將作用在活性區(qū)域15上的驅(qū)動電壓Vp放電(VP=0)，解除所述活 性區(qū)域15的面方向的收縮，解除壓電變形區(qū)域8的撓曲變形。如果這樣， 加壓室2的容積就只增加一定量，所以噴嘴3內(nèi)的墨水彎液面，其容積增 加的部分被引入向所述加壓室2的方向。這時的噴嘴3內(nèi)的墨水的體積速 度如圖11的t,和t2之間的部分所示，暫時在(一) 一側(cè)增大后，漸漸減
小，終于接近O。這相當(dāng)于用粗實線表示的墨水的體積速度的固有振動周 期T,的幾乎半周期。
接著，在噴嘴3中的墨水的體積速度無限接近0的t2時刻，將驅(qū)動電
壓Vp再次充電到VH(VP=VH)，使活性區(qū)域15向面方向收縮，使壓電變形 區(qū)域8撓曲變形。如果這樣，在墨水彎液面從被最大引入向加壓室2—側(cè) 的狀態(tài)(t2時的體積速度為0的狀態(tài))，反過來正要向噴嘴3的頂端方向回 歸時，使壓電變形區(qū)域8撓曲變形，使加壓室2的容積減少，通過這樣， 噴嘴3內(nèi)的墨水被作用從所述加壓室2壓出的墨水的壓力，所以向噴嘴3 的頂端一側(cè)的方向被加速，向所述噴嘴3的外面大幅度突出。
這時的噴嘴3中的墨水的體積速度如圖11的t2和t3之間的部分所示， 暫時在(+)—側(cè)增大后，漸漸減小，終于接近0。向噴嘴3的外方突出的墨 水看起來大致為圓柱狀，所以一般將該突出狀態(tài)的墨水稱作墨柱。
接著，在向噴嘴3的外方突出的墨水的體積速度無限接近0的時刻(圖 11的t3時刻)，再次將驅(qū)動電壓Vp放電(VP=0)，解除活性區(qū)域15的面 方向的收縮，解除壓電變形區(qū)域8的撓曲變形。如果這樣，在墨水從向噴 嘴3的外方最大地突出的狀態(tài)(t3時刻的體積速度為0的狀態(tài))，反過來正 要向加壓室2的方向返回時，解除壓電變形區(qū)域8的撓曲變形，再次使加 壓室2的容積增加，從而作用負的壓力，通過這樣，向噴嘴3的外方延伸 完畢的墨柱斷開，生成第一滴的墨滴。
墨柱斷開了的噴嘴3內(nèi)的墨水再次被引入向加壓室2的方向。這時的 噴嘴3內(nèi)的墨水的體積速度如圖11的t3和t4之間的部分所示，暫時在(一) 一側(cè)增大后，漸漸減小，終于接近0。其如上所述，相當(dāng)于墨水的體積速 度的固有振動周期1的幾乎半周期。
接著，在噴嘴3中的墨水的體積速度無限接近0的t4時刻，將驅(qū)動電 壓Vp再次充電到VH(VP=VH)，使活性區(qū)域15向面方向收縮，通過這樣，
使壓電變形區(qū)域8撓曲變形。如果這樣，就通過與剛才的t2 t3之間的墨水
的舉動相同的機制，墨水再次大幅度向噴嘴3的外面突出，形成墨柱。這 時的噴嘴3內(nèi)的墨水的體積速度如圖11的t4和ts之間的部分所示，暫時 在(+)—側(cè)增大后，漸漸減小，終于接近0。
然后，在噴嘴3內(nèi)的墨水的體積速度變?yōu)镺的時刻(圖11的t5時刻)
以后，墨水的振動速度向著加壓室2—側(cè)，從而使得向噴嘴3的外方延伸 完畢的墨柱斷開，生成第二滴的墨滴。生成的第一滴和第二滴的墨滴分別
飛翔到與噴嘴3的頂端相對配置的紙面，形成1個點。
所述的一系列的動作如圖11中粗線的單點劃線所示，相當(dāng)于對活性
區(qū)域15作用驅(qū)動電壓Vp，該驅(qū)動電壓Vp具有包含2次脈沖寬度丁2為固 有振動周期1的約1/2倍的脈沖的驅(qū)動電壓波形。只用1滴的墨滴形成一 個點時，所述脈沖只為l次。此外，用3滴以上的墨滴形成一個點時，產(chǎn) 生與墨滴的數(shù)量對應(yīng)的次數(shù)的脈沖。
專利文獻l: JP02 — 192947A (1990)

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)抽注方式的驅(qū)動方法，在驅(qū)動具有圖2、圖3所示的單壓電片型 的壓電致動器7的液體噴出裝置1時，如上所述，在不從噴嘴3噴出墨滴 的待機時，有必要持續(xù)維持使壓電陶瓷層6的活性區(qū)域15在面方向收縮 的狀態(tài)，包圍壓電陶瓷層6的活性區(qū)域15的非活性區(qū)域16在待機時，由 于所述活性區(qū)域15的面方向的收縮，在圖3中黑箭頭所示的方向上，跨 長時間，受到拉伸應(yīng)力，繼續(xù)伸長。
而且，非活性區(qū)域16受到拉伸應(yīng)力而伸長的時間越長，在其內(nèi)部， 為緩和應(yīng)力而使區(qū)域旋轉(zhuǎn)，通過這樣漸漸蠕變變形，伴隨著此，即使活性 區(qū)域15解除收縮，也會受到來自蠕變變形的非活性區(qū)域16的壓縮應(yīng)力， 而無法伸長到原來的靜止?fàn)顟B(tài)的程度就越增大。因此，壓電致動器7的壓 電變形區(qū)域8的向圖3中向下的白箭頭所示的方向撓曲變形的狀態(tài)，和解 除了該撓曲變形的靜止?fàn)顟B(tài)之間的厚度方向的變位量漸漸減小，結(jié)果產(chǎn)生 墨滴的噴出性能下降的問題。
另外，上述抽注方式的驅(qū)動方法中，為了驅(qū)動壓電致動器7的壓電變 形區(qū)域8，而將作用給活性區(qū)域15的驅(qū)動電壓Vp放電(VP=0)時，如圖 12的粗實線所示，壓電變形區(qū)域8的變位的振動中產(chǎn)生噪聲，該噪聲的振 動(噪聲振動)，除了前面說明過的墨水的振動之外，還存在來自噴嘴3 的墨滴的噴出不穩(wěn)定的問題。
進而，在將單壓電片型的壓電陶瓷層6以覆蓋多個加壓室2的尺寸一
體形成的類型的壓電致動器7中，容易發(fā)生所述噪聲振動也傳遞給壓電致
動器7上的相鄰的其他壓電變形區(qū)域8的所謂串?dāng)_，如果發(fā)生串?dāng)_，就還 具有來自與所述其他壓電變形區(qū)域8對應(yīng)的噴嘴3的墨滴的噴出不穩(wěn)定的 問題。
作為噪聲振動發(fā)生的原因，考慮到:在活性區(qū)域15持續(xù)作用驅(qū)動電
壓Vp，使壓電變形區(qū)域8在厚度方向持續(xù)撓曲變形的待機時的所述撓曲變 形的變位量大，彈性能量的積蓄大；為了使所述壓電變形區(qū)域8驅(qū)動，如 果對驅(qū)動電壓Vp放電(V產(chǎn)O)，所述壓電變形區(qū)域8就從所述撓曲變形的
狀態(tài)一下轉(zhuǎn)變?yōu)椴挥勺饔秒妷合拗菩螤畹淖杂傻娜菀渍駝拥臓顟B(tài)。
須指出的是，這些問題并不限于單壓電片型的壓電致動器才發(fā)生，在 被賦予了橫振動模式的壓電變形特性的2層的壓電陶瓷層彼此向反向伸縮 從而使全體在厚度方向撓曲變形的雙壓電片(Bimorph)型的壓電致動器， 以及將單層的壓電陶瓷層傾斜功能材料化或利用半導(dǎo)體效應(yīng)，不層疊振動 板就會在厚度方向撓曲變形的單體電片(Monomorph)型的壓電致動器中，
將壓電陶瓷層一體形成為覆蓋多個加壓室的尺寸后，也同樣發(fā)生。
而且，將壓電陶瓷層一體形成為覆蓋多個加壓室的尺寸是在與伴隨著 噴墨打印機的高圖像質(zhì)量化的點間隔的高精細化對應(yīng)，比現(xiàn)狀更精細化， 并且用盡可能少的步驟，生產(chǎn)性良好地制造液體噴出裝置時是無論如何不 能缺少的結(jié)構(gòu)，要求防止包圍活性區(qū)域的非活性區(qū)域漸漸蠕變變形，或者 在壓電變形區(qū)域的驅(qū)動時產(chǎn)生噪聲振動，墨滴的噴出不穩(wěn)定化的技術(shù)。
本發(fā)明的目的在于，提供一種防止設(shè)置了包含具有覆蓋多個加壓室的 尺寸的壓電陶瓷層的壓電致動器的液滴噴出裝置的壓電陶瓷層的非活性 區(qū)域漸漸蠕變變形，或者在壓電變形區(qū)域的驅(qū)動時產(chǎn)生噪聲振動，液滴的 噴出不穩(wěn)定化，能夠長期將墨滴的噴出性能維持在良好的水平的驅(qū)動方 法。
權(quán)利要求1記載的發(fā)明是一種液體噴出裝置的驅(qū)動方法，具有
(A) 將具有被液體填充的加壓室，以及與所述加壓室連通并且用于 將加壓室內(nèi)的液體作為液滴噴出的噴嘴的多個液滴噴出部，在面方向上排 列而形成的基板；和
(B) 包含具有覆蓋所述基板的多個加壓室的尺寸的至少一層壓電陶
瓷層，層疊在所述基板上的板狀的壓電致動器；
并且所述壓電致動器與各加壓室對應(yīng)設(shè)置，通過分別被作用電壓，分 別給被劃分為在厚度方向撓曲變形的多個壓電變形區(qū)域和包圍所述壓電 變形區(qū)域的限制區(qū)域的液體噴出裝置的、所述壓電致動器的任意的壓電變 形區(qū)域，作用包含第一電壓以及與所述第一電壓等價并且相反極性的第二 電壓的驅(qū)動電壓波形，通過這樣，使所述壓電變形區(qū)域在厚度方向的一方 向及相反方向上分別撓曲變形，使對應(yīng)的液滴噴出部的加壓室的容積變 化，從而通過連通的噴嘴使液滴噴出。
權(quán)利要求2記載的發(fā)明是根據(jù)權(quán)利要求1所述的液體噴出裝置的驅(qū)動
方法，壓電陶瓷層由PZT類的壓電陶瓷材料形成，并且劃分為與壓電變形
區(qū)域?qū)?yīng)的活性區(qū)域，以及與限制區(qū)域?qū)?yīng)的非活性區(qū)域，并且所述兩個
區(qū)域都將根據(jù)X射線衍射頻譜中[200]面的衍射峰值的強度I(2,、
面
的衍射峰值的強度I(,)，用數(shù)學(xué)式(1): IC=I (002)/ 、1 (002) T 1 (200) ) (1)
所求出的陶瓷材料的C軸取向度Ic,在驅(qū)動后維持在驅(qū)動前的初始狀
態(tài)的1 1.1倍的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求3記載的發(fā)明是根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的液體噴出裝置的
驅(qū)動方法，將表示對壓電致動器的壓電變形區(qū)域作用所述驅(qū)動電壓波形進
行驅(qū)動時的電場強度E (kV/cm)，與壓電陶瓷層的極化量P (^C/cm2)之 間的關(guān)系的P—E滯后回線的面積，設(shè)定為對所述壓電變形區(qū)域，作用具 有所述驅(qū)動電壓波形的第一和第二電壓的電壓值的2倍的電壓值的使單一 極性的電壓通斷的驅(qū)動電壓波形進行驅(qū)動時的、P—E滯后回線的面積的 1.3倍以下。
權(quán)利要求4記載的發(fā)明是根據(jù)權(quán)利要求1 3中的任意一項所述的液體 噴出裝置的驅(qū)動方法，將第一和第二電壓的電壓值，設(shè)定為使得壓電致動 器的壓電變形區(qū)域的電場強度E (kV/cm)變?yōu)閴弘娞沾蓪拥某C頑電場Ec 的強度的0.8倍以下的電壓值。此外，權(quán)利要求5記載的發(fā)明是根據(jù)權(quán)利 要求1 4中的任意一項所述的液體噴出裝置的驅(qū)動方法，在不噴出液滴的 待機時，維持不對壓電變形區(qū)域作用電壓的狀態(tài)。
權(quán)利要求6記載的發(fā)明是根據(jù)權(quán)利要求1 5中的任意一項所述的液體
噴出裝置的驅(qū)動方法，壓電致動器具有
(i) l層的壓電陶瓷層，其被劃分為通過在厚度方向作用電壓從而在 面方向伸縮的與壓電變形區(qū)域?qū)?yīng)的活性區(qū)域，以及與限制區(qū)域?qū)?yīng)的非 活性區(qū)域；和
(ii) 振動板，其層疊在所述壓電陶瓷層的單側(cè)，根據(jù)所述活性區(qū)域 的面方向的伸縮，在厚度方向撓曲變形；
對所述壓電陶瓷層的活性區(qū)域作用驅(qū)動電壓波形，使其在面方向伸 縮，從而使所述壓電致動器的壓電變形區(qū)域在厚度方向上振動。
權(quán)利要求7記載的發(fā)明是根據(jù)權(quán)利要求1~5中的任意一項所述的液體
噴出裝置的驅(qū)動方法，壓電致動器具有
(I) 第一壓電陶瓷層，其被劃分為通過在厚度方向作用電壓從而在 面方向伸縮的與壓電變形區(qū)域?qū)?yīng)的活性區(qū)域，以及與限制區(qū)域?qū)?yīng)的非 活性區(qū)域；和
(II) 第二壓電陶瓷層，其層疊在所述第一壓電陶瓷層的單側(cè)，在厚 度方向上被作用電壓，從而在面方向伸縮；
與對所述第一壓電陶瓷層的活性區(qū)域作用驅(qū)動電壓波形使其在面方 向伸縮同步，讓所述第二壓電陶瓷層以與所述活性區(qū)域的伸縮相反的相位 伸縮，從而使所述壓電致動器的壓電變形區(qū)域在厚度方向振動。
權(quán)利要求8記載的發(fā)明是根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的液體噴出裝置的 驅(qū)動方法，壓電致動器具有劃分為通過作用電壓從而在厚度方向撓曲變形 的與壓電變形區(qū)域?qū)?yīng)的活性區(qū)域，以及與限制區(qū)域?qū)?yīng)的非活性區(qū)域的 1層的壓電陶瓷層，通過對所述壓電陶瓷層作用驅(qū)動電壓波形，使所述壓 電致動器的壓電變形區(qū)域在厚度方向振動。
在權(quán)利要求1記載的發(fā)明中，通過對壓電致動器的壓電變形區(qū)域作用 包含第一電壓以及與所述第一電壓相反極性并且等價的第二電壓的驅(qū)動 電壓波形，使其在厚度方向的一方向及相反方向分別撓曲變形，振動。因 此，例如在單壓電片型的壓電致動器中，在墨滴的噴出時壓電陶瓷層的活 性區(qū)域不僅如以往那樣在面方向收縮，或者解除收縮，還能在面方向伸長， 在面方向伸長時，在包圍所述活性區(qū)域的非活性區(qū)域中能作用壓縮應(yīng)力， 所以能防止所述非活性區(qū)域如以往那樣，在面方向，片面地伸長從而漸漸 蠕變變形。
這一點關(guān)于其他類型的壓電致動器也一樣。例如，在雙壓電片型的壓
電致動器中，以往，在待機時，有必要使一方的壓電陶瓷層(為第一壓電 陶瓷層)的活性區(qū)域在面方向上持續(xù)收縮，并且使另一方的壓電陶瓷層(為 第二壓電陶瓷層)的活性區(qū)域在面方向上持續(xù)伸長，所以各非活性區(qū)域按 照在所述第一壓電陶瓷層中在面方向伸長，在第二壓電陶瓷層中在面方向 收縮的方式，漸漸蠕變變形。
而根據(jù)權(quán)利要求1記載的發(fā)明的驅(qū)動方法，通過使第一壓電陶瓷層的 活性區(qū)域在面方向伸長，在包圍所述活性區(qū)域的非活性區(qū)域中作用壓縮應(yīng) 力，并且通過使第二壓電陶瓷層的活性區(qū)域在面方向收縮，能對包圍所述 活性區(qū)域的非活性區(qū)域中作用拉伸應(yīng)力，所以能防止各活性區(qū)域的周圍的 非活性區(qū)域漸漸蠕變變形。
此外，在單體電片型壓電致動器中，以往，在待機時，有必要使壓電 陶瓷層的活性區(qū)域在層的厚度方向的一個方向持續(xù)撓曲變形，所以非活性 區(qū)域中，厚度方向的突出一側(cè)的區(qū)域在面方向壓縮，相反一側(cè)的區(qū)域在面 方向伸長，從而漸漸蠕變變形?？墒?，根據(jù)權(quán)利要求l記載的發(fā)明的驅(qū)動 方法，通過使壓電陶瓷層在厚度方向的相反方向也撓曲變形，能夠?qū)Ψ腔?性區(qū)域中在待機時為厚度方向的突出一側(cè)的區(qū)域作用拉伸應(yīng)力，并且對相 反一側(cè)的區(qū)域作用壓縮應(yīng)力，所以能防止活性區(qū)域的周圍的非活性區(qū)域漸 漸蠕變變形。
此外，根據(jù)權(quán)利要求l記載的發(fā)明的驅(qū)動方法，能使相對壓電致動器 的不作用電壓的靜止?fàn)顟B(tài)的撓曲變形時的壓電變形區(qū)域的厚度方向的變 位量比此前小。例如如果設(shè)以往的使壓電致動器的壓電變形區(qū)域只向一個
方向撓曲變形的驅(qū)動方法中的靜止?fàn)顟B(tài)和撓曲變形狀態(tài)之間的厚度方向 的變位量為1，則在權(quán)利要求1記載的發(fā)明的驅(qū)動方法中，為了使壓電致 動器的壓電變形區(qū)域的厚度方向的總變位量為相同的1，使所述壓電變形 區(qū)域在厚度方向的一方一側(cè)和相反一側(cè)撓曲變形的變位量能夠分別為全 體的約一半。因此，所述壓電變形區(qū)域撓曲變形時，能減小壓電陶瓷層的 非活性區(qū)域受到的拉伸應(yīng)力，所以能進一步可靠地防止所述非活性區(qū)域漸 漸蠕變變形。
根據(jù)權(quán)利要求1記載的發(fā)明的驅(qū)動方法，也能抑制在驅(qū)動壓電致動器 的壓電變形區(qū)域時，在以往的抽注方式的驅(qū)動方法中發(fā)生的使墨滴的噴出 不穩(wěn)定的噪聲振動發(fā)生。即在權(quán)利要求l記載的發(fā)明的驅(qū)動方法中，如上 所述，與以往相比，能減小待機時的壓電變形區(qū)域的撓曲變形的變位量， 所以能減小彈性能量的積蓄。
此外，壓電變形區(qū)域在待機時，通過所述電壓的作用，能夠以在厚度 方向撓曲變形的狀態(tài)來限制形狀，并且在驅(qū)動時，通過與所述相反極性的 電壓的作用，能夠以向相反方向撓曲變形的狀態(tài)來限制形狀，無論在哪個 狀態(tài)下，都能夠使噪聲振動很難發(fā)生。
因此，能抑制在壓電變形區(qū)域的驅(qū)動時的變位的振動中產(chǎn)生噪聲振 動，可靠地防止來自與所述壓電變形區(qū)域?qū)?yīng)的噴嘴的墨滴的噴出不穩(wěn)定 化，或者由于串?dāng)_的發(fā)生，來自與相鄰的壓電變形區(qū)域?qū)?yīng)的噴嘴的墨滴 的噴出不穩(wěn)定化。
因此，根據(jù)權(quán)利要求l記載的發(fā)明，能防止設(shè)置了包含具有覆蓋多個 加壓室的尺寸的壓電陶瓷層的壓電致動器的液體噴出裝置的、所述壓電陶 瓷層的非活性區(qū)域漸漸蠕變變形，或者在壓電變形區(qū)域的驅(qū)動時發(fā)生噪聲 振動，墨滴的噴出不穩(wěn)定化，能長期將墨滴的噴出性能維持在良好的水平。
此外，根據(jù)權(quán)利要求l記載的發(fā)明的驅(qū)動方法，如上所述，能防止壓 電陶瓷層的非活性區(qū)域的蠕變變形，所以能防止所述非活性區(qū)域的結(jié)晶狀 態(tài)變化。與此同時，還能防止活性區(qū)域由于從蠕變變形的非活性區(qū)域受到 壓縮應(yīng)力，其結(jié)晶狀態(tài)變化。因此，能將壓電陶瓷層的兩個區(qū)域的結(jié)晶狀 態(tài)都維持在初始狀態(tài)。
例如，壓電陶瓷層由PZT類的壓電陶瓷材料構(gòu)成時，如權(quán)利要求2 所述那樣，活性區(qū)域和非活性區(qū)域都將根據(jù)X射線衍射頻譜中[200]面的 衍射峰值的強度I(，)、
面的衍射峰值的強度lam),用數(shù)學(xué)式(1)
Ic= I (002) / (I (002) + I (200)) ( 1 )
所求出的表示陶瓷材料的結(jié)晶狀態(tài)的C軸取向度Ic，在驅(qū)動后變?yōu)轵?qū) 動前的初始狀態(tài)的1 U倍的范圍內(nèi)，從而維持其結(jié)晶狀態(tài)。
根據(jù)權(quán)利要求3記載的發(fā)明，將表示對壓電致動器的壓電變形區(qū)域作 用所述驅(qū)動電壓波形進行驅(qū)動時的電場強度E (kV/cm)與壓電陶瓷層的 極化量P (^C/cm2)之間的關(guān)系的P—E滯后回線的面積，設(shè)定為圖ll所 示以往的抽注方式的驅(qū)動電壓波形，并且驅(qū)動電壓值(Vh)為所述第一和 第二電壓的電壓值的2倍的電壓值時的P—E滯后回線的面積的1.3倍以 下，減小滯后損失，所以能更可靠地防止所述壓電陶瓷層自己發(fā)熱，產(chǎn)生 脫極化，壓電變形特性下降。
根據(jù)權(quán)利要求4記載的發(fā)明，將驅(qū)動電壓波形的第一和第二電壓的電 壓值，設(shè)定為使得壓電致動器的壓電變形區(qū)域的電場強度E (kV/cm)成 為壓電陶瓷層的矯頑電場Ec的強度的0.8倍以下的電壓值，從而能進一步 減小滯后損失，所以能更可靠地防止所述壓電陶瓷層自己發(fā)熱，產(chǎn)生脫極 化，壓電變形特性下降。
根據(jù)權(quán)利要求5記載的發(fā)明，在不噴出液滴的待機時，維持不對壓電 變形區(qū)域作用電壓的狀態(tài)，通過這樣，能夠更加可靠地防止壓電陶瓷層的 非活性區(qū)域的蠕變變形。
本發(fā)明的驅(qū)動方法如上所述，也能應(yīng)用在具有單壓電片型(權(quán)利要求 6)、雙壓電片型(權(quán)利要求7)、以及單體電片型(權(quán)利要求8)中的任意 一個類型的壓電致動器的液體噴出裝置中。而且，無論什么時候，都能防 止壓電陶瓷層的包圍活性區(qū)域的非活性區(qū)域漸漸蠕變變形，或者在壓電變 形區(qū)域的驅(qū)動時發(fā)生噪聲振動，墨滴的噴出不穩(wěn)定化，能長期將墨滴的噴 出性能維持在良好的水平。


圖1是簡化表示通過本發(fā)明的驅(qū)動方法驅(qū)動圖2的液體噴出裝置時， 作用在壓電陶瓷層的活性區(qū)域中的驅(qū)動電壓Vp的驅(qū)動電壓波形的一個例 子與作用該驅(qū)動電壓波形時的噴嘴內(nèi)的墨水的體積速度變化之間的關(guān)系 的曲線圖。
圖2是表示即時響應(yīng)型噴墨打印機等中使用的具有單壓電片型壓電致 動器的液體噴出裝置的一個例子的剖面圖。
圖3是放大表示所述液體噴出裝置的一個例子的要部的剖面圖。
圖4是簡化表示通過本發(fā)明的驅(qū)動方法驅(qū)動圖5的例子的液體噴出裝 置時，作用在第一壓電陶瓷層的活性區(qū)域上的驅(qū)動電壓VP,的驅(qū)動電壓波
形以及作用在第二壓電陶瓷層的活性區(qū)域上的驅(qū)動電壓VP2的驅(qū)動電壓波
形的一個例子，與被作用了這些驅(qū)動電壓波形時的噴嘴內(nèi)的墨水的體積速 度變化之間的關(guān)系的曲線圖。
圖5是表示具有雙壓電片型的壓電致動器的液體噴出裝置的一個例子
的剖面圖。
圖6是表示具有單體電片型的壓電致動器的液體噴出裝置的一個例子 的剖面圖。
圖7是表示測定用本發(fā)明的驅(qū)動方法以及以往的抽注方式的驅(qū)動方法 驅(qū)動本發(fā)明的實施例1中制造的具有單壓電片型壓電致動器的液體噴出裝 置時的驅(qū)動壽命的結(jié)果的曲線圖。
圖8是表示用本發(fā)明的驅(qū)動方法以及以往的抽注方式的驅(qū)動方法驅(qū)動 所述實施例1中制造的液體噴出裝置時的壓電致動器的壓電變形區(qū)域的厚 度方向的變位量與此時的作用電壓的關(guān)系的曲線圖。
圖9是表示關(guān)于所述實施例1中制造的液體噴出裝置的壓電陶瓷層， 改變在本發(fā)明的驅(qū)動方法中作用的電壓值，所測定的P—E滯后特性的曲 線圖。
圖IO是表示關(guān)于所述實施例1中制造的液體噴出裝置的壓電陶瓷層， 作用相當(dāng)于本發(fā)明的驅(qū)動方法以及以往的抽注方式的驅(qū)動方法的電壓波 形，所測定的P—E滯后特性的曲線圖。
圖11是簡化表示用以往的抽注方式的驅(qū)動方法驅(qū)動圖2的液體噴出 裝置時作用在壓電陶瓷層的活性區(qū)域上的驅(qū)動電壓Vp的驅(qū)動電壓波形的 一個例子與作用該驅(qū)動電壓波形時的噴嘴內(nèi)的墨水的體積速度的變化的 關(guān)系的曲線圖。
圖12是簡化表示用所述抽注方式的驅(qū)動方法驅(qū)動圖2的液體噴出裝 置時作用在壓電陶瓷層的活性區(qū)域上的驅(qū)動電壓VP的驅(qū)動電壓波形的一 個例子與作用該驅(qū)動電壓波形時的壓電致動器的壓電變形區(qū)域的變位量 的關(guān)系的曲線圖。
符號的說明。
—VL—第一電壓；十VL—第二電壓；l一液體噴出裝置；2—加壓室； 3—噴嘴；4一液滴噴出部；5—基板；6— (第一)壓電陶瓷層；7—壓電 致動器；8—壓電變形區(qū)域；9—限制區(qū)域；12—振動板；15—活性區(qū)域； 16—非活性區(qū)域；17—第二壓電陶瓷層。
具體實施例方式
圖1是簡化表示通過本發(fā)明的驅(qū)動方法驅(qū)動圖2的液體噴出裝置1時， 作用在壓電陶瓷層6的活性區(qū)域15中的驅(qū)動電壓Vp的驅(qū)動電壓波形(用粗 線的單點劃線表示)的一個例子，與被作用了該驅(qū)動電壓波形時的噴嘴3 內(nèi)的墨水的體積速度變化[用粗實線表示，(+ )噴嘴3的頂端一側(cè)，即墨 滴的噴出一側(cè)，(_)是加壓室2—側(cè)]的關(guān)系的曲線圖。圖2是表示即時 響應(yīng)型噴墨打印機中使用的具有單壓電片型壓電致動器7的液體噴出裝置 1的一個例子的剖面圖。圖3是放大表示所述液體噴出裝置1的一個例子 的要部的剖面圖。
參照圖2、圖3，本例子的液體噴出裝置1如上所述，包括將具有 被填充墨水的加壓室2以及與所述加壓室2連通并且將加壓室2內(nèi)的墨水 作為墨滴噴出的噴嘴3的多個液滴噴出部4在面方向排列形成的基板5; 以及包含具有覆蓋所述基板5的多個加壓室2的尺寸的壓電陶瓷層6，層 疊在所述基板5上的板狀的壓電致動器7。
壓電致動器7劃分為與各加壓室2對應(yīng)配置，通過分別作用電壓， 分別在厚度方向撓曲變形的多個壓電變形區(qū)域8;包圍所述壓電變形區(qū)域 8配置，通過固定在所述基板5上，變形被抑制的限制區(qū)域9。此外，圖 的例子的壓電致動器7，具有在壓電陶瓷層6的兩圖中上面按各加壓室2 分別形成并且劃分壓電變形區(qū)域8的單個電極10，以及在所述壓電陶瓷層 6的下面按順序?qū)盈B的具有覆蓋多個加壓室2的尺寸的公共電極11和振動板12的所謂單壓電片型結(jié)構(gòu)。各單個電極10、公共電極11分別與驅(qū)動電路13連接，驅(qū)動電路13連接在控制機構(gòu)14上。
壓電陶瓷層6例如由PZT等壓電材料形成，并且在層的厚度方向預(yù)先 極化，被賦予了所謂的橫振動模式的壓電變形特性，根據(jù)來自控制機構(gòu)14 的控制信號，驅(qū)動電路13被驅(qū)動，如果在任意的單個電極10和公共電極 ll之間作用與所述極化方向相同方向(圖1中，(+ )方向)的電壓，夾在 兩電極10、 11之間的與壓電變形區(qū)域8對應(yīng)的活性區(qū)域15便如圖3中橫 向的白箭頭所示，向?qū)拥拿娣较蚴湛s。如果這樣，壓電陶瓷層6的下面就 通過公共電極11固定在振動板12上，所以壓電致動器7的壓電變形區(qū)域 8如圖3中向下的白箭頭所示，向加壓室2的方向突出地撓曲變形。
而如果在所述單個電極IO和公共電極11之間作用與所述極化方向相 反方向(圖1中(一)方向)的電壓，所述活性區(qū)域15就與所述圖3的 橫向的箭頭相反，向?qū)拥拿娣较蛏扉L，所以壓電致動器7的壓電變形區(qū)域 8如圖3中向上的箭頭所示，在與加壓室2的方向相反的方向撓曲變形。 因此，通過重復(fù)向加壓室2的方向、與它相反的方向的壓電變形區(qū)域8的 撓曲變形，使所述加壓室2內(nèi)填充的墨水振動，能通過噴嘴3作為墨滴噴 出。
參照圖1 圖3，首先，在比圖1中的t,更左側(cè)的從噴嘴3不噴出墨滴 的待機時，不作用驅(qū)動電壓Vp (VP=0)，維持解除壓電變形區(qū)域8的撓曲 變形的狀態(tài)，這時，墨水維持靜止?fàn)顟B(tài)即噴嘴3中的墨水的體積速度維持 為0，在所述噴嘴3內(nèi)，由墨水的表面張力形成的墨水彎液面靜止。
為了從噴嘴3噴出墨滴，在紙面上形成點，首先在眼前的t,的時刻，
將驅(qū)動電壓Vp充電(V產(chǎn)一VL)到與極化方向相反方向的第一電壓(一VL)，
使活性區(qū)域15在面方向伸長，從而使壓電變形區(qū)域8在與加壓室2的方 向相反的方向撓曲變形。如果這樣，加壓室2的容積就只增加一定量，所 以噴嘴3內(nèi)的墨水彎液面只按該容積的增加部分向所述加壓室2的方向引 入。這時的噴嘴3內(nèi)的墨水的體積速度如圖1的t,和t2之間的部分所示， 暫時在(一) 一側(cè)增大后，漸漸減小，終于接近0。這相當(dāng)于用粗實線表 示的墨水的體積速度的固有振動周期T,的幾乎半周期。
接著，在噴嘴3中的墨水的體積速度無限接近0的t2時刻，將驅(qū)動電
壓Vp這次充電(VP=+Vl)到與極化方向相同方向的第二電壓(+Vl)，使
活性區(qū)域15在面方向收縮，通過這樣，使壓電變形區(qū)域8向加壓室2的 方向突出地撓曲變形。
如果這樣，在墨水彎液面從被最大引入向加壓室2—側(cè)的狀態(tài)(12時 刻的體積速度為0的狀態(tài))，反過來正要向噴嘴3的頂端方向回歸時，使 壓電變形區(qū)域8向加壓室2的方向撓曲變形，加壓室2的容積減少，通過 這樣，噴嘴3內(nèi)的墨水被作用從所述加壓室2壓出的墨水的壓力，所以向 噴嘴3的頂端一側(cè)的方向被加速，向所述噴嘴3的外方大幅度突出。這時 的噴嘴3中的墨水的體積速度如圖1的t2和t3之間的部分所示，暫時在(+) 一側(cè)增大后，漸漸減小，終于接近0。據(jù)此，形成先前說明過的墨柱。
接著，在向噴嘴3的外方突出的墨水的體積速度無限接近0的時刻(圖 1的t3時刻)，再次將驅(qū)動電壓Vp充電(VP=—VL)到第一電壓(一VO，使 活性區(qū)域15在面方向伸長，從而使壓電變形區(qū)域8在與加壓室2的方向 相反的方向撓曲變形。如果這樣，在墨水從向噴嘴3的外方最大地突出的 狀態(tài)(t3時刻的體積速度為0的狀態(tài))，反過來正要向加壓室2的方向返回 時，使壓電變形區(qū)域8向與加壓室2的方向相反的方向撓曲變形，再次增 加加壓室2的容積，從而作用負的壓力，向噴嘴3的外方延伸完畢的墨柱 斷開，生成第一滴的墨滴。
墨柱斷開了的噴嘴3內(nèi)的墨水再次被引入向加壓室2的方向。這時的 噴嘴3內(nèi)的墨水的體積速度如圖1的t3和t4之間的部分所示，暫時在(一) 一側(cè)增大后，漸漸減小，終于接近0。如先前所述，相當(dāng)于墨水的體積速 度的固有振動周期T,的幾乎半周期。
接著，在噴嘴3中的墨水的體積速度無限接近0的t4時刻，將驅(qū)動電 壓Vp再次充電(V產(chǎn)+VJ到第二電壓(+Vj，使活性區(qū)域15向面方向 收縮，使壓電變形區(qū)域8向加壓室2的方向撓曲變形。如果這樣，就通過
與剛才的t2 t3之間的墨水的舉動相同的機制，墨水再次大幅度向噴嘴的外 方突出，形成墨柱。這時的噴嘴3內(nèi)的墨水的體積速度如圖1的t4和t5之 間的部分所示，暫時在(+)—側(cè)增大后，漸漸減小，終于接近0。
然后，在噴嘴3內(nèi)的墨水的體積速度變成了 0的時刻(圖1的ts時刻) 以后，墨水的振動速度向著加壓室2—側(cè)，通過這樣，向噴嘴3的外方延
伸完畢的墨柱斷開，生成第二滴的墨滴。生成的第一滴和第二滴的墨滴分 別飛翔到與噴嘴3的頂端相對配置的紙面，形成1個點。
所述的一系列的動作如圖1中粗線的單點劃線所示，相當(dāng)于對活性區(qū)
域15作用具有包含2次脈沖寬度T2為固有振動周期1的約1/2倍的脈沖 的驅(qū)動電壓波形的驅(qū)動電壓VP。只用1滴的墨滴形成一個點時，所述脈沖 只為1次。此外，用3滴以上的墨滴形成一個點時，產(chǎn)生與墨滴的數(shù)量對 應(yīng)的次數(shù)的脈沖。
一系列的動作結(jié)束后，接著形成下一個點時，再次重復(fù)從t,開始的操 作。此外，不形成下一個點時，變?yōu)椴蛔饔抿?qū)動電壓Vp (V1-O)的待機狀態(tài)。
根據(jù)該例子的驅(qū)動方法，通過進行所述的一系列動作，能防止與單壓
電片型的壓電致動器7的限制區(qū)域9對應(yīng)的壓電陶瓷層6的非活性區(qū)域16 漸漸蠕變變形。
即在墨滴的噴出時，通過作用包含第一電壓(一VJ、與所述第一電壓 相反極性并且等價的第二電壓(+VJ的驅(qū)動電壓波形，使壓電致動器7 的壓電變形區(qū)域8在與加壓室2的方向相反的方向、加壓室2的方向分別 撓曲變形，所以壓電陶瓷層6的活性區(qū)域15不僅如以往那樣在面方向收 縮，并且解除收縮，還能在面方向伸長。因此，能防止包圍活性區(qū)域15 的非活性區(qū)域16漸漸蠕變變形。
此外，在本例子的驅(qū)動方法中，能使相對于壓電致動器7的不作用電 壓的靜止?fàn)顟B(tài)的壓電變形區(qū)域8的厚度方向的變位量比此前小。即如果設(shè) 圖11所示的以往的驅(qū)動方法中的靜止?fàn)顟B(tài)(VP=0的狀態(tài))和撓曲變形狀 態(tài)(V產(chǎn)VH的狀態(tài))之間的厚度方向的變位量為1，在本例子的的驅(qū)動方 法中，為了使壓電變形區(qū)域8的厚度方向的總變位量為相同的1，使所述 壓電變形區(qū)域8在與加壓室2的方向相反的方向和加壓室2的方向變位的 變位量分別為全體的約一半。
因此，所述壓電變形區(qū)域8撓曲變形時，能使作用在壓電陶瓷層6的 非活性區(qū)域16上的面方向的應(yīng)力比此前小，所以在不噴出液滴的待機時， 與維持對壓電變形區(qū)域8不作用電壓的靜止?fàn)顟B(tài)相輔相成，能進一步可靠 地防止所述非活性區(qū)域16蠕變變形。 在本例子的驅(qū)動方法中，能使待機時的壓電變形區(qū)域8的撓曲變形的 變位量如上所述，變?yōu)橐酝募s一半，所以能減少所述待機時向壓電變形 區(qū)域8的彈性能量的積蓄，無論在待機時和驅(qū)動時的哪個時刻，都能通過 電壓的作用，限制所述壓電變形區(qū)域8的形狀，所以能夠讓噪聲振動難以
發(fā)生。因此，能防止來自與所述壓電變形區(qū)域8對應(yīng)的噴嘴3的墨滴的噴 出不穩(wěn)定化，或者由于串?dāng)_的發(fā)生，來自與相鄰的壓電變形區(qū)域8對應(yīng)的 噴嘴3的墨滴的噴出不穩(wěn)定化。
因此，根據(jù)本例子的驅(qū)動方法，能防止與單壓電片型的壓電致動器7 的限制區(qū)域9對應(yīng)的壓電陶瓷層6的非活性區(qū)域16漸漸蠕變變形，或者 在壓電變形區(qū)域8的驅(qū)動時發(fā)生噪聲振動，墨滴的噴出不穩(wěn)定化，能長期 將墨滴的噴出性能維持在良好的水平。
此外，根據(jù)本例子的驅(qū)動方法，如上所述，能防止壓電陶瓷層6的非 活性區(qū)域16的蠕變變形，所以能防止所述非活性區(qū)域16的結(jié)晶狀態(tài)變化， 并且還能防止活性區(qū)域15由于從蠕變變形的非活性區(qū)域16受到壓縮應(yīng) 力，其結(jié)晶狀態(tài)變化。因此，能將壓電陶瓷層6的兩個區(qū)域15、 16的結(jié) 晶狀態(tài)都維持在初始狀態(tài)。
例如，壓電陶瓷層6由PZT類的壓電陶瓷材料構(gòu)成時，活性區(qū)域15 和非活性區(qū)域16都能夠維持為使得根據(jù)X射線衍射頻譜中[200]面的衍 射峰值的強度I(2。。)、
面的衍射峰值的強度I(,)，用數(shù)學(xué)式(1)<formula>formula see original document page 20</formula> (1)
所求出的表示陶瓷材料的結(jié)晶狀態(tài)的C軸取向度Ic在驅(qū)動后變?yōu)轵?qū) 動前的初始狀態(tài)的1~U倍的范圍內(nèi)。
此外，如上所述，在本例子的驅(qū)動方法中，壓電變形區(qū)域8在與加壓 室2的方向相反的方向和加壓室2的方向變位的變位量分別設(shè)定為以往的 驅(qū)動方法中的向一個方向的變位量的約一半時，作用在壓電陶瓷層6的活 性區(qū)域15上的第一和第二電壓一VL、 + VL的絕對值也能設(shè)定為以往的驅(qū) 動方法的驅(qū)動電壓Vh的約一半，所以具有能將從驅(qū)動電路13到兩個電極 10、 ll的電路的耐壓值下拉，能簡化絕緣構(gòu)造等的優(yōu)點。這是因為，在包 含被賦予橫振動模式的壓電變形特性的壓電陶瓷層6的單壓電片型的壓電 致動器7中，壓電變形區(qū)域8的厚度方向的撓曲變形的變位量與作用在壓
電陶瓷層6的活性區(qū)域15上的驅(qū)動電壓值成比例。
此外，希望將表示對所述壓電致動器7的壓電變形區(qū)域8作用所述驅(qū) 動電壓波形進行驅(qū)動時的電場強度E (kV/cm)與壓電陶瓷層6的極化量P (^C/cm勺的關(guān)系的P—E滯后回線的面積設(shè)定為圖11所示以往的抽注方 式的驅(qū)動電壓波形，并且驅(qū)動電壓VH為第一電壓(一VJ和第二電壓(+ Vl)的電壓值的2倍的電壓值時的P—E滯后回線的面積的1.3倍以下。 據(jù)此，減小滯后損失，能更可靠地防止所述壓電陶瓷層6自己發(fā)熱，產(chǎn)生 脫極化，壓電變形特性下降。因此，能更長期地將墨滴的噴出性能維持在 良好的水平。
須指出的是，如果考慮盡可能減小滯后損失，則所述P—E滯后回線 的面積，即使在所述范圍內(nèi)，也希望設(shè)定為以往的抽注方式時的P—E滯 后回線的面積的1倍以上，更希望設(shè)定為1.01~1.20倍。為了在所述的范 圍內(nèi)調(diào)整P—E滯后回線的面積，希望盡可能減小第一電壓(一Vl)和第 二電壓(+Vl)的電壓值。具體而言，如果將第一和第二電壓的電壓值設(shè) 為使得壓電致動器7的壓電變形區(qū)域8的電場強度E比壓電陶瓷層6的矯 頑電場Ec的強度還大的電壓值，P—E滯后回線的面積就急劇增加，所以 希望將所述第一和第二電壓的電壓值設(shè)定為使得壓電致動器7的壓電變形 區(qū)域8的電場強度E變?yōu)閴弘娞沾蓪?的矯頑電場Ec的強度以下的電壓 值。
此外，對壓電陶瓷層6整體作用壓縮壓力，在用于在所述的范圍內(nèi)調(diào) 整P—E滯后回線的面積時也是有效的。即通過對壓電陶瓷層6的全體作 用壓縮壓力，就難以發(fā)生極化顛倒，所以如果電場相同，則越增大壓縮應(yīng) 力，就越能減小P—E滯后回線的面積。
此外，所述第一和第二電壓一VL、 +￥1的電壓值如果設(shè)定為使得壓電 致動器7的壓電變形區(qū)域8的電場強度E變?yōu)閴弘娞沾蓪?的矯頑電場 Ec的強度的0.8倍以下的電壓值以下，特別是變?yōu)?.5 0.7倍的電壓值， 就能使所述的防止脫極化，防止壓電變形特性下降的效果更加可靠。因此， 能更長期地將墨滴的噴出性能維持在良好的水平。
圖5是表示具有雙壓電片型的壓電致動器7的液體噴出裝置1的一個 例子的剖面圖。參照圖5，本例子的液體噴出裝置1中，壓電致動器7以
外的結(jié)構(gòu)與剛才的圖2的液體噴出裝置1相同，所以對同一位置賦予相同 的符號，省略說明。壓電致動器7劃分為與各加壓室2對應(yīng)配置，通過
分別作用電壓，分別在厚度方向撓曲變形的多個壓電變形區(qū)域8;包圍所 述壓電變形區(qū)域8配置，通過固定在所述基板5上，變形被抑制的限制區(qū) 域9。
此外，壓電致動器7如上所述，具有雙壓電片型的結(jié)構(gòu)，即包括具
有覆蓋基板5上配置的多個加壓室2的尺寸的第一壓電陶瓷層6、在所述 第一壓電陶瓷層6的上面對各加壓室2分別形成并且劃分壓電變形區(qū)域8 的單個電極10、在所述第一壓電陶瓷層6的下面按順序?qū)盈B的都具有覆蓋 多個加壓室2的尺寸的第一公共電極11、第二壓電陶瓷層17、以及第二 公共電極18。各單個電極IO、第一和第二公共電極ll、 18分別與驅(qū)動電 路13連接，驅(qū)動電路13連接在控制機構(gòu)14上。
第一壓電陶瓷層6例如由PZT等壓電材料形成，并且在層的厚度方向 預(yù)先極化，被賦予橫振動模式的壓電變形特性，根據(jù)來自控制機構(gòu)14的 控制信號，驅(qū)動電路13被驅(qū)動，如果在任意的單個電極10和第一公共電 極11之間作用與所述極化方向相同方向的電壓，夾在兩電極IO、 11之間 的與壓電變形區(qū)域8對應(yīng)的活性區(qū)域15就會在層的面方向收縮。此外， 如果在兩電極10、 11之間作用與極化方向相反方向的電壓，所述活性區(qū) 域15就相反地在層的面方向伸長。
而第二壓電陶瓷層17同樣由PZT等壓電材料形成，并且在層的厚度 方向預(yù)先極化，被賦予所謂的橫振動模式的壓電變形特性。此外，第二壓 電陶瓷層17劃分為根據(jù)來自控制機構(gòu)14的控制信號，驅(qū)動電路13被驅(qū) 動，在第一和第二公共電極11、 18之間作用與所述極化方向相同方向的 電壓時，在層的面方向收縮，作用相反方向的電壓時，在層的面方向伸長 的與壓電變形區(qū)域8對應(yīng)的活性區(qū)域19;以及雖然從所述兩個公共電極 11、 18作用電壓，但是固定在基板5上，限制伸縮的非活性區(qū)域20。
在所述雙壓電片型的壓電致動器7中，與在第一壓電陶瓷層6的任意 的單個電極10和第一公共電極11之間作用與其極化方向相同方向的電 壓，使活性區(qū)域15在面方向收縮同步，對第二壓電陶瓷層17的全體作用 與其極化方向相反方向的電壓，使活性區(qū)域19在面方向伸長，則伴隨著
此，壓電致動器7的壓電變形區(qū)域8向加壓室2的方向突出地撓曲變形。
而與在第一壓電陶瓷層6的任意的單個電極10和第一公共電極11之 間作用與其極化方向相反方向的電壓，使活性區(qū)域15在面方向伸長同步， 對第二壓電陶瓷層17的全體作用與其極化方向相同方向的電壓，使活性 區(qū)域19在面方向收縮，則伴隨著此，壓電致動器7的壓電變形區(qū)域8向 與加壓室2的方向相反的方向突出地撓曲變形。因此，通過重復(fù)向所述加 壓室2的方向和向與它相反方向的壓電變形區(qū)域8的撓曲變形，使加壓室 2內(nèi)填充的墨水振動，通過噴嘴3，能作為墨滴噴出。
圖4是簡化表示通過本發(fā)明的驅(qū)動方法驅(qū)動圖5的例子的液體噴出裝 置1時，作用在第一壓電陶瓷層6的活性區(qū)域15上的驅(qū)動電壓VP,的驅(qū) 動電壓波形(圖中上部，用粗單點劃線表示)以及作用在第二壓電陶瓷層 17上的驅(qū)動電壓Vp2的驅(qū)動電壓波形(圖中下部，用粗單點劃線表示)的 一個例子，與被作用這些驅(qū)動電壓波形時的噴嘴3內(nèi)的墨水的體積速度變 化的關(guān)系的曲線圖。
參照圖4、圖5，首先在比圖4中的^更左側(cè)的不從噴嘴3噴出墨滴 的待機時，不作用驅(qū)動電壓VP1、 VP2 (Vp產(chǎn)0、 VP2=0)，維持解除壓電變 形區(qū)域8的撓曲變形的狀態(tài)，這時，墨水維持靜止?fàn)顟B(tài)即噴嘴3中的墨水 的體積速度為0，在所述噴嘴3內(nèi)，由墨水的表面張力形成的墨水彎液面 靜止。
為了從噴嘴3噴出墨滴，在紙面上形成點，首先在緊接著之前的t，的 時刻，將驅(qū)動電壓Vp,充電(VP1=—VU)到與極化方向相反方向的第一電 壓(一Vu)，使活性區(qū)域15在面方向伸長，并且將驅(qū)動電壓Vp2充電 (VP2=+Vl2)到與極化方向相同方向的第一電壓(+VU)，使活性區(qū)域19 在面方向收縮，使壓電變形區(qū)域8向與加壓室2的方向相反的方向撓曲變 形。
如果這樣，加壓室2的容積就只增加一定量，所以噴嘴3內(nèi)的墨水彎 液面只按照該容積的增加部分向所述加壓室2的方向引入。這時的噴嘴3 內(nèi)的墨水的體積速度如圖4的t,和t2之間的部分所示，暫時在(一) 一側(cè) 增大后，漸漸減小，終于接近0。
接著，在噴嘴3中的墨水的體積速度無限接近0的t2時刻，將驅(qū)動電
壓Vw這次充電(Vp產(chǎn)+Vu)到與極化方向相同方向的第二電壓(+Vu)，
使活性區(qū)域15在面方向收縮，并且將驅(qū)動電壓Vp2充電(VP2= — Vl2)到 與極化方向相反方向的第二電壓(一VL2)，使活性區(qū)域19在面方向上伸長，
從而使壓電變形區(qū)域8向加壓室2的方向突出地撓曲變形。
如果這樣，在墨水彎液面從被最大引入向加壓室2—側(cè)的狀態(tài)(b時 刻的體積速度為0的狀態(tài))，反過來正要向噴嘴3的頂端方向回歸時，使 壓電變形區(qū)域8向加壓室2的方向撓曲變形，使加壓室2的容積減少，從 而對噴嘴3內(nèi)的墨水作用從所述加壓室2壓出的墨水的壓力，所以向噴嘴 3的頂端一側(cè)的方向加速，向所述噴嘴3的外方大幅度突出。這時的噴嘴 3中的墨水的體積速度如圖4的t2和t3之間的部分所示，暫時在(+)—側(cè)增 大后，漸漸減小，終于接近0。據(jù)此，形成剛才說明的墨柱。
接著，在向噴嘴3的外方突出的墨水的體積速度無限接近0的時刻(圖 4的t3時刻)，將驅(qū)動電壓Vw再次充電(VP1=—VU)到第一電壓(一Vu)， 使活性區(qū)域15在面方向伸長，并且將驅(qū)動電壓Vp2再次充電(VP2=+VU) 到第一電壓(+V^)，使活性區(qū)域19在面方向收縮，通過這樣，使壓電變 形區(qū)域8向與加壓室2的方向相反的方向撓曲變形。
如果這樣，在墨水從向噴嘴3的外方最大地突出的狀態(tài)(t3時刻的體 積速度為0的狀態(tài))，反過來正要向加壓室2的方向返回時，使壓電變形 區(qū)域8向與加壓室2的方向相反的方向撓曲變形，再次增加加壓室2的容 積，從而作用負的壓力，通過這樣，向噴嘴3的外方延伸完畢的墨柱斷開， 生成第一滴的墨滴。墨柱斷開的噴嘴3內(nèi)的墨水再次被引入向加壓室2的
方向。這時的噴嘴3內(nèi)的墨水的體積速度如圖4的t3和t4之間的部分所示，
暫時在(_) 一側(cè)增大后，漸漸減小，終于接近0。
接著，在噴嘴3中的墨水的體積速度無限接近0的t4時刻，將驅(qū)動電 壓Vw再次充電(VP1=+VU)到第二電壓(+VU)，使活性區(qū)域15在面方 向收縮，并且將驅(qū)動電壓Vp2再次充電(VP2=—VL2)到第二電壓(一Vu)， 使活性區(qū)域19在面方向伸長，從而使壓電變形區(qū)域8向加壓室2的方向 撓曲變形。如果這樣，就通過與剛才的t2~t3之間的墨水的舉動相同的機制， 墨水再次大幅度向噴嘴的外方突出，形成墨柱。這時的噴嘴3內(nèi)的墨水的 體積速度如圖4的t4和ts之間的部分所示，暫時在(+)—側(cè)增大后，漸漸減
小，終于接近o。
然后，在噴嘴3內(nèi)的墨水的體積速度變?yōu)镺的時刻(圖4的ts時刻) 以后，墨水的振動速度向著加壓室2—側(cè)，通過這樣，使得向噴嘴3的外 方延伸完畢的墨柱斷開，生成第二滴的墨滴。生成的第一滴和第二滴的墨 滴分別飛翔到與噴嘴3的頂端相對配置的紙面，形成1個點。
所述的一系列的動作如圖4中粗單點劃線所示，相當(dāng)于對活性區(qū)域15 作用具有包含2次脈沖寬度T2為固有振動周期T,的約1/2的脈沖的驅(qū)動 電壓波形的驅(qū)動電壓VP1，并且對第二壓電陶瓷層17作用具有與它同步的 相反相位的驅(qū)動電壓波形的驅(qū)動電壓VP2。只用1滴的墨滴形成一個點時， 所述脈沖可以只為l次。此外，用3滴以上的墨滴形成一個點時，產(chǎn)生與 墨滴的數(shù)量對應(yīng)的次數(shù)的脈沖。 一系列的動作結(jié)束后，接著形成下一個點 時，再次重復(fù)從t,開始的操作。此外，不形成下一個點時，變?yōu)椴蛔饔抿?qū) 動電壓Vp,、 VP2 (Vp產(chǎn)0、 VP2=0)的待機狀態(tài)。
根據(jù)該例子的驅(qū)動方法，通過進行所述的一系列動作，能防止與雙壓 電片型的壓電致動器7的限制區(qū)域9對應(yīng)的第一壓電陶瓷層6的非活性區(qū) 域16、第二壓電陶瓷層17的非活性區(qū)域20漸漸蠕變變形。
此外，與所述的單壓電片型時同樣，能使對于不作用電壓的靜止?fàn)顟B(tài) 的壓電變形區(qū)域8的在與加壓室2的方向相反的方向和加壓室2的方向變 位的變位量分別為雙壓電片型的以往的壓電致動器7的以往的驅(qū)動方法的 約一半，在所述壓電變形區(qū)域8撓曲變形時，在兩個非活性區(qū)域16、 20 作用的面方向的應(yīng)力能比此前的更小，所以在不噴出液滴的待機時，與維 持不對壓電變形區(qū)域8作用電壓的靜止?fàn)顟B(tài)相輔相成，能進一步可靠地防 止所述兩個非活性區(qū)域16、 20蠕變變形。
因為，待機時的壓電變形區(qū)域8的撓曲變形的變位量能是以往的約一 半，所以能減少所述待機時向壓電變形區(qū)域8的彈性能量的積蓄，無論在 待機時和驅(qū)動時的哪個時刻，都能通過電壓的作用，限制所述壓電變形區(qū) 域8的形狀，所以能夠使噪聲振動難以發(fā)生。因此，能防止來自與所述壓 電變形區(qū)域8對應(yīng)的噴嘴3的墨滴的噴出不穩(wěn)定化，或者由于串?dāng)_的發(fā)生， 來自與相鄰的壓電變形區(qū)域8對應(yīng)的噴嘴3的墨滴的噴出不穩(wěn)定化。
因此，根據(jù)本例子的驅(qū)動方法，能防止與雙壓電片型的壓電致動器7
的限制區(qū)域9對應(yīng)的第一壓電陶瓷層6的非活性區(qū)域16、第二壓電陶瓷層
17的非活性區(qū)域20漸漸蠕變變形，或者在壓電變形區(qū)域8的驅(qū)動時發(fā)生 噪聲振動，墨滴的噴出不穩(wěn)定化，能長期將墨滴的噴出性能維持在良好的 水平。
此外，根據(jù)本例子的驅(qū)動方法，例如在第一和第二壓電陶瓷層6、 17 都由PZT類的壓電陶瓷材料構(gòu)成時，活性區(qū)域15、 19和非活性區(qū)域16、 20都能夠維持其結(jié)晶狀態(tài)，使得根據(jù)X射線衍射頻譜中[200]面的衍射峰 值的強度I(2,、
面的衍射峰值的強度I賜2)，用數(shù)學(xué)式(1)
Ic= 1(002)/ (I (002) + I (200) ) (1)
所求出的表示陶瓷材料的結(jié)晶狀態(tài)的C軸取向度Ic在驅(qū)動后變?yōu)轵?qū) 動前的初始狀態(tài)的1 U倍的范圍內(nèi)。
此外，壓電變形區(qū)域8在與加壓室2的方向相反的方向和加壓室2的 方向變位的變位量分別設(shè)定為以往的驅(qū)動方法中的向一個方向的變位量 的約一半時，作用在第一壓電陶瓷層6的活性區(qū)域15上的第一和第二電 壓一Vu、+Vu的絕對值以及作用在第二壓電陶瓷層17上的第一和第二電
壓一VL2、 +VL2的絕對值能設(shè)定為所述以往的驅(qū)動方法的驅(qū)動電壓值的約
一半，所以具有能將從驅(qū)動電路13到各個電極10、 11、 18的電路的耐壓 值下拉，能簡化絕緣構(gòu)造等的優(yōu)點。其理由與剛才說明的單壓電片型的壓 電致動器7同樣。即壓電變形區(qū)域8的厚度方向的撓曲變形的變位量與作 用在第一壓電陶瓷層6的活性區(qū)域15、第二壓電陶瓷層17上的驅(qū)動電壓 值成比例。
此外， 一般在雙壓電片型的壓電致動器7中，作用在第一和第二壓電 陶瓷層6、 17上的各自的驅(qū)動電壓值能變?yōu)樵趬弘娮冃螀^(qū)域的變位量被設(shè) 定為相同的單壓電片型的壓電致動器的壓電陶瓷層中作用的驅(qū)動電壓值 的約一半。因此，根據(jù)本例子的驅(qū)動方法，所述各電壓一Vu、 + Vu、 一
VL2、 + Vu的絕對值分別能設(shè)定為單壓電片型的壓電致動器的圖11所示的
以往的驅(qū)動方法中的驅(qū)動電壓值Vh的約1/4。
此外，將表示對所述壓電致動器7的壓電變形區(qū)域8中作用所述驅(qū)動 電壓波形進行驅(qū)動時的電場強度E (kV/cm)與壓電陶瓷層的極化量P (pC/cm2)的關(guān)系的P—E滯后回線的面積，設(shè)定為是圖11所示以往的抽
注方式的驅(qū)動電壓波形(作用在第一壓電陶瓷層6上)，以及與它相反相 位的驅(qū)動電壓波形(作用在第二壓電陶瓷層17上，不圖示)，并且驅(qū)動電
壓VH都是所述各電壓一Vu、 +VU、 一Vu、十Vu的電壓值的2倍的電壓 值時的P—E滯后回線的面積的1.3倍以下，從而能防止所述第一和第二 壓電陶瓷層6、 17的脫極化，防止壓電變形特性下降。
如果考慮盡可能減少滯后損失，則在所述的范圍內(nèi)，也希望將所述P 一E滯后回線的面積設(shè)定為以往的抽注方式時的P—E滯后回線的面積的1 倍以上，更希望設(shè)定為1.01 1.20倍。此外，為了在所述的范圍內(nèi)調(diào)整P 一E滯后回線的面積，希望將所述各電壓一Vu、 + Vu、 一Vl2、 + Vu的 電壓值設(shè)定為壓電致動器7的壓電變形區(qū)域8的電場強度E比所述兩個壓 電陶瓷層6、 17的矯頑電場Ec的強度還小的電壓值，特別是設(shè)定為變?yōu)?壓電陶瓷層6的矯頑電場Ec的強度的0.8倍以下的電壓值，其中，希望設(shè) 定為變?yōu)?.5 0.7倍的電壓值。
圖6是表示具有單體電片型的壓電致動器7的液體噴出裝置1的一個 例子的剖面圖。參照圖6，本例子的液體噴出裝置1中，壓電致動器7以 外的結(jié)構(gòu)與剛才的圖2的液體噴出裝置1相同，所以對同一位置賦予相同 的符號，省略說明。壓電致動器7劃分為與各加壓室2對應(yīng)配置，通過 分別作用電壓，分別在厚度方向撓曲變形的多個壓電變形區(qū)域8;包圍所 述壓電變形區(qū)域8配置，通過固定在所述基板5上，變形被抑制的限制區(qū) 域9。
此外，壓電致動器7如上所述，具有單體電片型的結(jié)構(gòu)，包括具有
覆蓋在基板5上配置的多個加壓室2的尺寸的壓電陶瓷層6;在所述壓電 陶瓷層6的上面，按各加壓室2分別形成，劃分壓電變形區(qū)域8的單個電 極10;形成在所述壓電陶瓷層6的下面上的具有覆蓋多個加壓室2的尺寸 的公共電極ll。
即所述壓電致動器7通過將壓電陶瓷層6傾斜功能材料化或者利用半 導(dǎo)體效應(yīng)，不層疊振動板或第二壓電陶瓷層，按照經(jīng)兩個電極10、 11作 用在壓電陶瓷層6上的電壓的方向，能使壓電變形區(qū)域8在與加壓室2的 方向相反的方向以及加壓室2的方向撓曲變形。所述單體電片型的壓電致 動器7例如如果選擇功能材料的傾斜方向，就會作用具有圖1所示的驅(qū)動
電壓波形的驅(qū)動電壓Vp，通過這樣，能使該壓電變形區(qū)域8與圖2的單壓
電片型的壓電變形區(qū)域8同樣地振動。
即在在比圖1中的t,更左側(cè)的待機時，不作用驅(qū)動電壓Vp (VP=0)， 維持解除壓電變形區(qū)域8的撓曲變形的狀態(tài)，在t,的時刻，將驅(qū)動電壓 Vp充電(VP=—VJ到第一電壓(一VO，使壓電變形區(qū)域8在與加壓室2 的方向相反的方向撓曲變形，使加壓室2內(nèi)的墨水的振動開始，在t2時刻， 將驅(qū)動電壓Vp充電(VP=+VL)到第二電壓(+VL)，使壓電變形區(qū)域8向 加壓室2的方向突出地撓曲變形，生成墨柱后，在t3時刻，如果再次將驅(qū) 動電壓Vp充電(VP=—VJ到第一電壓(一VJ，使壓電變形區(qū)域8在與加 壓室2的方向相反的方向撓曲變形，向噴嘴3的外方延伸完畢的墨柱就斷 開，生成第一滴的墨滴。
接著，在t4時刻，再次將驅(qū)動電壓Vp充電(V產(chǎn)+VJ到第二電壓(+VL)， 使壓電變形區(qū)域8向加壓室2的方向撓曲變形，再生成墨柱后，則在ts時 刻以后，墨水的振動速度便向著加壓室2—側(cè)，通過這樣，向噴嘴3的外 方延伸完畢的墨柱斷開，生成第二滴的墨滴。生成的第一滴和第二滴的墨 滴分別飛翔到與噴嘴3的頂端相對配置的紙面，形成1個點。
所述的一系列的動作如圖1中粗線的單點劃線所示，相當(dāng)于對活性區(qū) 域15作用具有包含2次脈沖寬度T2為固有振動周期T,的約1/2倍的脈沖 的驅(qū)動電壓波形的驅(qū)動電壓Vp。只用1滴的墨滴形成一個點時，所述脈沖 只為1次。此外，用3滴以上的墨滴形成一個點時，產(chǎn)生與墨滴的數(shù)量對 應(yīng)的次數(shù)的脈沖。 一系列的動作結(jié)束后，接著形成下一個點時，再次重復(fù) 從t,開始的操作。此外，不形成下一個點時，變?yōu)椴蛔饔抿?qū)動電壓Vp(V產(chǎn)0) 的待機狀態(tài)。
根據(jù)該例子的驅(qū)動方法，通過進行所述的一系列動作，能防止與單體 電片型的壓電致動器7的限制區(qū)域9對應(yīng)的壓電陶瓷層6的非活性區(qū)域16 中厚度方向的突出一側(cè)的區(qū)域向面方向壓縮，相反一側(cè)的區(qū)域在面方向伸 長，從而漸漸蠕變變形，能將墨滴的噴出性能維持在良好的水平。
此外，與所述的單壓電片型以及雙壓電片型的時候同樣，對于不作用 電壓的靜止?fàn)顟B(tài)的壓電變形區(qū)域8的在與加壓室2的方向相反的方向和加 壓室2的方向變位的變位量分別為單體電片型的以往的壓電致動器7的以
往的驅(qū)動方法的約一半，在所述壓電變形區(qū)域8撓曲變形時，在非活性區(qū) 域16的各區(qū)域中作用的面方向的應(yīng)力能比此前的更小，所以在不噴出液 滴的待機時，與維持對壓電變形區(qū)域8不作用電壓的靜止?fàn)顟B(tài)相輔相成，
能進一步可靠地防止所述非活性區(qū)域16的各區(qū)域蠕變變形。
進而，能夠使待機時的壓電變形區(qū)域8的撓曲變形的變位量是以往的 約一半，所以能減少所述待機時向壓電變形區(qū)域8的彈性能量的積蓄，無
論在待機時和驅(qū)動時的哪個時刻，都能通過電壓的作用，限制所述壓電變
形區(qū)域8的形狀，所以能使噪聲振動難以發(fā)生。因此，能防止來自與所述 壓電變形區(qū)域8對應(yīng)的噴嘴3的墨滴的噴出不穩(wěn)定化，或者由于串?dāng)_的發(fā) 生，來自與相鄰的壓電變形區(qū)域8對應(yīng)的噴嘴3的墨滴的噴出不穩(wěn)定化。
因此，根據(jù)本例子的驅(qū)動方法，能防止與單體電片型的壓電致動器7 的限制區(qū)域9對應(yīng)的壓電陶瓷層6的非活性區(qū)域16的各區(qū)域漸漸蠕變變 形，或者在壓電變形區(qū)域8的驅(qū)動時發(fā)生噪聲振動，墨滴的噴出不穩(wěn)定化， 能長期將墨滴的噴出性能維持在良好的水平。
此外，根據(jù)本例子的驅(qū)動方法，例如壓電陶瓷層6由PZT類的壓電陶 瓷材料構(gòu)成時，活性區(qū)域15和非活性區(qū)域16都能夠維持其結(jié)晶狀態(tài)，使 得根據(jù)X射線衍射頻譜中[200]面的衍射峰值的強度I (200)、
面的 衍射峰值的強度I (002)，用數(shù)學(xué)式(1)
Ic= I (002) / (I (002) + I (200)) ( 1 )
所求出的表示陶瓷材料的結(jié)晶狀態(tài)的C軸取向度Ic在驅(qū)動后變?yōu)轵?qū) 動前的初始狀態(tài)的1~1.1倍的范圍內(nèi)。
此外，壓電變形區(qū)域8在與加壓室2的方向相反的方向和加壓室2的 方向變位的變位量分別設(shè)定為以往的驅(qū)動方法中的向一個方向的變位量 的約一半時，作用給壓電陶瓷層6的活性區(qū)域15的電壓一V。十Vl的絶 對值能設(shè)定為單體電片型壓電致動器7的所述以往的驅(qū)動方法中的驅(qū)動電 壓值的約一半，所以具有能將從驅(qū)動電路13到兩個電極10、 ll的電路的 耐壓值下拉，能簡化絕緣構(gòu)造等的優(yōu)點。
本發(fā)明的結(jié)構(gòu)并不局限于以上說明的各圖的例子。例如，如果以圖2 的單壓電片型的壓電致動器7為例進行說明，則作用在壓電陶瓷層6的活 性區(qū)域15上的驅(qū)動電壓波形，可以將以往的抽注方式的驅(qū)動方法中的電
壓VH變更為第二電壓+VL，將OV變更為第一電壓一
這時，在待機時，壓電陶瓷層6的活性區(qū)域15由于第二電壓+ Vl的 作用而繼續(xù)收縮，其周圍的非活性區(qū)域16向面方向延伸地蠕變變形，但 是在墨滴的噴出時，被作用第一電壓一Vp活性區(qū)域15被強制地伸長， 從而能消除非活性區(qū)域16的蠕變變形。此外，第二電壓+VL的絕對值為
所述電壓VH的約一半時，能減小蠕變變形量自身。
并且，壓電變形區(qū)域8的撓曲變形的變位量比以往減小，減小了所述 待機時的向壓電變形區(qū)域8的彈性能量的積蓄，同時，無論在待機時和驅(qū) 動時的哪個時刻，都能通過電壓的作用，限制所述壓電變形區(qū)域8的形狀， 所以能難以發(fā)生噪聲振動。因此，能防止壓電陶瓷層的包圍活性區(qū)域的非 活性區(qū)域漸漸蠕變變形，或者在壓電變形區(qū)域的驅(qū)動時發(fā)生噪聲振動，墨 滴的噴出不穩(wěn)定化，能長期將墨滴的噴出性能維持在良好的水平。此外， 在不脫離本發(fā)明的要旨的范圍中，能進行各種變更。
實施例 (實施例1) (壓電致動器的制作)
對于以粒徑0.5~3.0pm的鈦酸鋯酸鉛為主成分的壓電陶瓷粉體，配合 丙烯類樹脂乳濁液和純水，與平均粒徑10mm的尼龍球一起，使用球磨機， 混合30小時，配制漿。接著，使用所述漿，通過拉晶法，在厚度30pm的 聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜上形成成為壓電陶瓷層6、振動板12 的基礎(chǔ)的厚度17~19pm的生片。
接著，準(zhǔn)備2個將所述生片與PET薄膜一起裁斷為縱50mmx橫50mm 的正方形所得到的材料，在其中一個生片的露出的表面的幾乎全面，通過 絲網(wǎng)印刷法，印刷成為公共電極11的基礎(chǔ)的金屬膏后，使用防爆型的干 燥機，將2個生片在5(TC干燥20分鐘。須指出的是，作為金屬膏，使用 按重量比7: 3的比例配合平均粒徑都是2~4pm的銀粉末和鈀粉末所得到 的材料。此外，在另一個生片上形成用于對公共電極ll的布線的通孔。
接著，在干燥過的第一個生片的印刷有金屬膏的面上， 一邊定位，一 邊重疊另一個生片后，在其厚度方向一邊作用5MPa的壓力， 一邊在6(TC 下保持60秒，熱壓接，接著，從兩個生片剝離PET薄膜，并且在通孔中
填充與上述相同的金屬膏，制作層疊體。
接著，在干燥機中，使所述層疊體從IO(TC開始升溫，以每小時8°C
的升溫速度，花費25小時，升溫到300'C，脫脂后，冷卻到室溫。然后， 在焙燒爐中，在峰值溫度110(TC，焙燒2小時，取得壓電陶瓷層6、公共 電極11、振動板12的層疊體。壓電陶瓷層6、振動板12的厚度都是10pm。 此外，壓電陶瓷層6的矯頑電場的強度為17kV/cm。
接著，在所述層疊體中壓電陶瓷層6露出的表面，通過絲網(wǎng)印刷法， 使用與上述相同的金屬膏，印刷與多個單個電極10對應(yīng)的圖案，在峰值 溫度85(TC下，花費30分鐘，通過連續(xù)爐中，煅燒金屬膏，形成多個單個 電極10后，使用切片鋸，將層疊體切去周邊，將外形變?yōu)榭v33mmx橫12mm 的長方形。單個電極層25的圖案以254)im的間隔，沿著所述長方形的長 度方向排列2列每1列為90個的單個電極層10，制作單壓電片型的壓電 致動器7。
(液體噴出裝置的制作)
使用金屬模沖壓，對厚度10(Him的不銹鋼箔進行沖壓加工，制作將長 度2mmx寬度0.18mm的加壓室2按照所述單個電極10的形成間隔，每列 90個地排列為2列的第一基板。此外，同樣使用金屬模沖壓，對厚度lOO)im 的不銹鋼箔進行沖壓加工，制作將從噴墨打印機的墨水補給部向各加壓室 供給墨水的公共供給路線以及連接加壓室2和噴嘴3的流通道，與加壓室 2的排列對應(yīng)排列的第二基板。蝕刻加工厚度4(Him的不銹鋼箔，制作將 直徑26,的噴嘴3與加壓室2的排列對應(yīng)排列的第三基板。
然后，使用粘合劑將所述第一 第三基板粘貼在一起，制作基板5，使 用粘合劑將該基板5與剛才制作的加壓室2粘貼在一起后，在壓電致動器 7的表面一側(cè)，使用柔性基板，將各單個電極10以及填充在通孔內(nèi)并且與 公共電極11連接的電極層劑的露出部，與驅(qū)動電路13連接，制作圖1的 液體噴出裝置1。
(耐久性試驗)
測定通過使用高速雙極電源與功能合成器產(chǎn)生的驅(qū)動電壓波形，用本 發(fā)明的驅(qū)動方法和以往的抽注方式的驅(qū)動方法連續(xù)驅(qū)動實施例1中制造的 液體噴出裝置1時的壓電致動器7的壓電變形區(qū)域8的變位量的推移。
即在開始連續(xù)驅(qū)動之前的初始狀態(tài)(O周期)、每一定的驅(qū)動周期(在 紙面上形成一個點所需要的一系列的動作為1周期)，分別中止驅(qū)動，作 用頻率12kHz的正弦波， 一邊使壓電變形區(qū)域8振動， 一邊對該振動面， 使用激光多普勒振動計照射激光，將測定的振動速度進行積分處理，求出
這時的壓電變形區(qū)域8的變位量。然后，在圖7中描畫特定的驅(qū)動周期結(jié) 束時的壓電變形區(qū)域8的變位量相對于初始狀態(tài)的變位量變化了多少百分 點。
須指出的是，對壓電致動器7的壓電變形區(qū)域8，在本發(fā)明的驅(qū)動方 法中，作用圖l所示的驅(qū)動電壓波形(+Vl=10V、 一VL=—IOV，驅(qū)動頻 率2kHz)，在以往的抽注方式的驅(qū)動方法中，作用圖11所示的驅(qū)動電壓 波形(VH=+20V，驅(qū)動頻率2kHz)。
結(jié)果，如圖7所示，用以往的抽注方式的驅(qū)動方法驅(qū)動時，知道壓電 變形區(qū)域8的變位量在10><108周期之前顯著下降。而用本發(fā)明的驅(qū)動方法 驅(qū)動時，能確認不僅在結(jié)束測定的20X1()s周期之間，變位量完全不下降， 相反還稍微上升。
(電壓一變位量特性試驗)
測定通過與上述同樣產(chǎn)生的驅(qū)動電壓波形，用本發(fā)明的驅(qū)動方法和以 往的抽注方式的驅(qū)動方法，使作用的驅(qū)動電壓變化，驅(qū)動實施例l中制作 的液體噴出裝置1時的壓電致動器7的壓電變形區(qū)域8的變位量。驅(qū)動頻 率無論在哪個驅(qū)動方法中都是2kHz。而且，在本發(fā)明的驅(qū)動方法中，在 圖8中描畫在本發(fā)明的驅(qū)動方法中，第一電壓(一Vl)的電壓值[=第二電 壓(+Vl)的電壓值]和壓電變形區(qū)域8的變位量的關(guān)系，此外描畫在以往 的抽注方式的驅(qū)動方法中，電壓VH和壓電變形區(qū)域8的變位量的關(guān)系。 結(jié)果，如圖8所示，根據(jù)本發(fā)明的驅(qū)動方法，能確認到為了取得相同的變 位量，作用給壓電變形區(qū)域的第一和第二電壓的電壓值能變?yōu)橐酝某樽?方式的驅(qū)動方法中作用的電壓VH的電壓值的約1/2。 (P—E滯后特性的測定I)
測定對實施例1中制造的液體噴出裝置1的壓電致動器7的壓電變形 區(qū)域8，作為第一和第二電壓的模型，作用頻率100Hz、振幅一10—10V 的三角波或頻率100Hz、振幅一20~+20V的三角波時，表示電場強度E
(kV/cm)與壓電陶瓷層6的極化量P^C/cn^)的關(guān)系的P—E滯后回線。 在測定中使用(株式會社)東陽技術(shù)制造的強電介質(zhì)特性評價系統(tǒng)FCE— HS2。結(jié)果，如圖9所示，確認了在第一和第二電壓的電壓值為壓電致動 器7的壓電變形區(qū)域8的電場強度E (kV/cm)為壓電陶瓷層的矯頑電場 Ec的強度的0.8倍以下的IOV時，與為超過0.8倍的20V時相比，能顯著 減小P—E滯后回線的面積。須指出的是，壓電陶瓷層6的厚度是10pm， 所以對壓電致動器7的壓電變形區(qū)域8作用10V的電壓時的電場強度E (kV/cm)為10V/0.001cm=10kV/cm (P—E滯后特性的測定II)
與上述同樣測定對實施例1中制造的液體噴出裝置1的壓電致動器7 的壓電變形區(qū)域8，作用作為本發(fā)明的驅(qū)動方法的第一和第二電壓的模型 的頻率100Hz、振幅一10^10V的三角波或者作為以往的抽注方式的驅(qū)動 方法的模型的頻率100Hz、振幅0~+20V的三角波時的表示電場強度E (kV/cm)與壓電陶瓷層6的極化量P (^C/cm2)的關(guān)系的P—E滯后回線， 取得圖10的結(jié)果。從圖IO測定各P—E滯后回線的面積，確認到本發(fā)明 的驅(qū)動方法的P—E滯后回線的面積是以往的抽注方式的驅(qū)動方法的P—E 滯后回線的面積的1.3倍以下，即1.2倍。 (結(jié)晶狀態(tài)的測定)
通過與上述同樣產(chǎn)生的驅(qū)動電壓波形，用本發(fā)明的驅(qū)動方法和以往的 抽注方式的驅(qū)動方法，將驅(qū)動實施例1中制作的液體噴出裝置1連續(xù)驅(qū)動 10xl0S周期后，從裝置取出壓電陶瓷層6，對除去單個電極IO，露出的活 性區(qū)域15和非活性區(qū)域16的表面照射直徑100pm的圓形X射線束，測 定布喇格角(bragg angle) 29=43 46°之間的X射線衍射頻譜。
然后，將根據(jù)X射線衍射頻譜中[200]面的衍射峰值的強度和
面 的衍射峰值的強度，用所述的數(shù)學(xué)式(l)，求出C軸取向度Ic，并且求出 該C軸取向度Ic變成了對于組裝壓電致動器之前的壓電陶瓷層，與上述一 樣預(yù)先測定的C軸取向度Ic的初始值的幾倍。
結(jié)果，在用以往的抽注方式的驅(qū)動方法驅(qū)動時，活性區(qū)域15的C軸 取向度Ic成為初始值的1.5倍，非活性區(qū)域16的C軸取向度Ic成為初始 值的0.7倍，都相對于初始值大幅度變化，判定結(jié)晶狀態(tài)發(fā)生了變化。而 用本發(fā)明的驅(qū)動方法驅(qū)動時，活性區(qū)域15的C軸取向度Ic成為初始值的
1.04倍，非活性區(qū)域16的C軸取向度Ic成為初始值的1.07倍，幾乎不變 化，能確認維持了初始的結(jié)晶狀態(tài)。 (實施例2)
除了使得壓電陶瓷層6的厚度為15pm，加壓室2的平面形狀為長度 2.2mmx寬度0.65mm以外，與實施例1同樣，制作具有單壓電片型的壓電 致動器7的圖1的液體噴出裝置1。壓電陶瓷層6的矯頑電場Ec為 17kV/cm。
(噴出試驗)
對實施例2中制造的液體噴出裝置1的壓電致動器7的一個壓電變形 區(qū)域8作用圖1所示的驅(qū)動電壓波形(+ V^45V、 一Vl=—15V，驅(qū)動頻 率lkHz)，通過本發(fā)明的驅(qū)動方法驅(qū)動所述壓電變形區(qū)域8，從對應(yīng)的噴 嘴3，在第一滴的速度9m/s的條件下，噴出墨滴，并且從所述驅(qū)動電壓波 形的加載過了 120^is后，使閃光燈發(fā)光，拍攝離噴嘴3的頂端lmm的位 置的墨滴的像，只拍攝到2滴的通常尺寸的墨滴，所以確認到?jīng)]有發(fā)生噪 聲振動。此外，在與被驅(qū)動的壓電變形區(qū)域8相鄰的壓電變形區(qū)域8所對 應(yīng)的噴嘴3中，進行同樣的拍攝，未拍攝到墨滴，確認到?jīng)]有發(fā)生串?dāng)_。
而對所述液體噴出裝置1的壓電致動器7的一個壓電變形區(qū)域8中作 用圖11所示的驅(qū)動電壓波形(VH=+30H，驅(qū)動頻率lkHz)，通過以往的 抽注方式的驅(qū)動方法驅(qū)動所述的壓電變形區(qū)域8，從對應(yīng)的噴嘴3，在第 一滴的速度9m/s的條件下，噴出墨滴，并且從所述驅(qū)動電壓波形的加載 過了 12(Vs后，使閃光燈發(fā)光，拍攝離噴嘴3的頂端lmm的位置的墨滴 的像，拍攝到2滴的通常尺寸的墨滴和3滴的微小的墨滴這合計5滴的墨 滴，所以確認到發(fā)生了噪聲振動。此外，在與被驅(qū)動的壓電變形區(qū)域8相 鄰的壓電變形區(qū)域8所對應(yīng)的噴嘴3中，進行同樣的拍攝，拍攝到微小的 墨滴，確認到發(fā)生了串?dāng)_。
權(quán)利要求
1.一種液體噴出裝置的驅(qū)動方法，具有(A)將具有被液體填充的加壓室，以及與所述加壓室連通并且用于將加壓室內(nèi)的液體作為液滴噴出的噴嘴的多個液滴噴出部，在面方向上排列而形成的基板；和(B)包含具有覆蓋所述基板的多個加壓室的尺寸的至少一層壓電陶瓷層，層疊在所述基板上的板狀的壓電致動器；并且所述壓電致動器與各加壓室對應(yīng)設(shè)置，通過分別被作用電壓，分別給被劃分為在厚度方向撓曲變形的多個壓電變形區(qū)域和包圍所述壓電變形區(qū)域的限制區(qū)域的液體噴出裝置的、所述壓電致動器的任意的壓電變形區(qū)域，作用包含第一電壓以及與所述第一電壓等價并且相反極性的第二電壓的驅(qū)動電壓波形，通過這樣，使所述壓電變形區(qū)域在厚度方向的一方向及相反方向上分別撓曲變形，使對應(yīng)的液滴噴出部的加壓室的容積變化，從而通過連通的噴嘴使液滴噴出。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的液體噴出裝置的驅(qū)動方法，其特征在于:壓電陶瓷層由PZT類的壓電陶瓷材料形成，并且劃分為與壓電變形區(qū)域?qū)?yīng)的活性區(qū)域，以及與限制區(qū)域?qū)?yīng)的非活性區(qū)域，并且所述兩個區(qū)域都將根據(jù)X射線衍射頻譜中[200]面的衍射峰值的強度1(200)、
面的衍射峰值的強度I(002)，用數(shù)學(xué)式(1):Ic= I (002) / (I (002) + I (200)) ( 1 )所求出的陶瓷材料的C軸取向度IC，在驅(qū)動后維持在驅(qū)動前的初始狀 態(tài)的1 1.1倍的范圍內(nèi)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的液體噴出裝置的驅(qū)動方法，其特征在于將表示對壓電致動器的壓電變形區(qū)域作用所述驅(qū)動電壓波形進行驅(qū)動時的電場強度E (kV/cm)，與壓電陶瓷層的極化量P (μC/cm2)之間的關(guān)系的P—E滯后回線的面積，設(shè)定為對所述壓電變形區(qū)域，作用具有所 述驅(qū)動電壓波形的第一和第二電壓的電壓值的2倍的電壓值的使單一極性的電壓通斷的驅(qū)動電壓波形進行驅(qū)動時的、P — E滯后回線的面積的1.3倍 以下。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1 3中的任意一項所述的液體噴出裝置的驅(qū)動方法，其特征在于將第一和第二電壓的電壓值，設(shè)定為使得壓電致動器的壓電變形區(qū)域的電場強度E (kV/cm)變?yōu)閴弘娞沾蓪拥某C頑電場Ec的強度的0.8倍以下的電壓值。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1~4中的任意一項所述的液體噴出裝置的驅(qū)動方法，其特征在于在不噴出液滴的待機時，維持不對壓電變形區(qū)域作用電壓的狀態(tài)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1 5中的任意一項所述的液體噴出裝置的驅(qū)動方法，其特征在于壓電致動器具有(i) l層的壓電陶瓷層，其被劃分為通過在厚度方向作用電壓從而在 面方向伸縮的與壓電變形區(qū)域?qū)?yīng)的活性區(qū)域，以及與限制區(qū)域?qū)?yīng)的非 活性區(qū)域；和(ii) 振動板，其層疊在所述壓電陶瓷層的單側(cè)，根據(jù)所述活性區(qū)域的面方向的伸縮，在厚度方向撓曲變形；對所述壓電陶瓷層的活性區(qū)域作用驅(qū)動電壓波形，使其在面方向伸 縮，從而使所述壓電致動器的壓電變形區(qū)域在厚度方向上振動。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1~5中的任意一項所述的液體噴出裝置的驅(qū)動方法， 其特征在于壓電致動器具有(I) 第一壓電陶瓷層，其被劃分為通過在厚度方向作用電壓從而在 面方向伸縮的與壓電變形區(qū)域?qū)?yīng)的活性區(qū)域，以及與限制區(qū)域?qū)?yīng)的非活性區(qū)域；和(II) 第二壓電陶瓷層，其層疊在所述第一壓電陶瓷層的單側(cè)，在厚 度方向上被作用電壓，從而在面方向伸縮；與對所述第一壓電陶瓷層的活性區(qū)域作用驅(qū)動電壓波形使其在面方 向伸縮同步，讓所述第二壓電陶瓷層以與所述活性區(qū)域的伸縮相反的相位伸縮，從而使所述壓電致動器的壓電變形區(qū)域在厚度方向振動。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的液體噴出裝置的驅(qū)動方法，其特征在于壓電致動器具有劃分為通過作用電壓從而在厚度方向撓曲變形的與 壓電變形區(qū)域?qū)?yīng)的活性區(qū)域，以及與限制區(qū)域?qū)?yīng)的非活性區(qū)域的1層 的壓電陶瓷層，通過對所述壓電陶瓷層作用驅(qū)動電壓波形，使所述壓電致 動器的壓電變形區(qū)域在厚度方向振動。
全文摘要
本發(fā)明提供一種驅(qū)動方法，對設(shè)置了包含具有覆蓋多個加壓室(2)的尺寸的壓電陶瓷層(6)的壓電致動器(7)的液體噴出裝置(1)的任意的壓電變形區(qū)域(8)，作用包含第一電壓(-V_L)以及與所述第一電壓相反極性并且等價的第二電壓(+V_L)的驅(qū)動電壓波形，使其在厚度方向的一方向及相反方向上分別變形，使對應(yīng)的液滴噴出部(4)加壓室(2)的容積變化，通過連通的噴嘴(3)噴出液滴，從而能防止壓電陶瓷層(6)的非活性區(qū)域(16)漸漸蠕變變形，能夠長期將墨滴的噴出性能維持在良好的水平。
文檔編號B41J2/045GK101208203SQ2006800228
公開日2008年6月25日 申請日期2006年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月24日
發(fā)明者山本隆行, 巖下修三, 石倉慎, 酒井久滿 申請人:京瓷株式會社