CN107685538A - 喷墨头 - Google Patents

Abstract

如果薄膜压电体被长时间施加电场则可能会劣化而引起绝缘损坏。提供一种喷墨头，包括：基板，形成有与喷出油墨的喷嘴连通的压力室；容积可变板，使压力室的容积变化从而使油墨产生压力变化；可变板，设置在容积可变板和压力室之间，根据从外部供给的电信号伸缩；以及输入部，输入电信号，通过施加电信号，使可变板向面内方向收缩，扩大压力室的容积；通过停止施加电信号，恢复压力室的容积。

Description

喷墨头

技术领域

本发明的实施方式涉及使填充有油墨的压力室的容积变化，从连通于压力室的喷嘴喷出墨滴的喷墨头。

背景技术

已知在纸等的介质上附着墨滴来形成图像或文字的喷墨打印机。喷墨打印机包括根据图像信号喷出墨滴的喷墨头。

喷墨头包括喷出墨滴的喷嘴、连通于喷嘴的油墨压力室、产生使压力室内的油墨从喷嘴喷出的压力的压力产生元件。利用压电体作为压力产生元件。通过压电体动作的压电元件(Piezo元件)是将电压转化为力的电机械转换元件。若向该压电元件施加电压，则会引起收缩、伸展或者剪切变形。利用压电元件的变形，使压力室内的油墨产生压力。作为代表性的压电元件，使用锆钛酸铅(PZT)。

作为现有的喷墨头，已知具有形成有油墨压力室的基板、层叠于基板的振动板、在振动板上制作的压电元件的构成。若持续长时间施加高电压，则薄膜压电体存在劣化的倾向。压电体的劣化缩短喷墨头的寿命。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2013-75511号公报

发明内容

发明要解决的技术问题

若薄膜压电体被持续长时间施加高电压则存在劣化的倾向。若薄膜压电体劣化，则薄膜压电体因施加电压而引起绝缘损坏。作为具有薄膜压电体的喷墨头可能无法工作。压电体的劣化缩短喷墨头的寿命。

解决技术问题的技术手段

本发明的实施方式的喷墨头，包括：基板，形成有与喷出油墨的喷嘴连通的压力室；容积可变板，使所述压力室的容积变化从而使油墨产生压力变化；可变板，设置在所述容积可变板和所述压力室之间，根据从外部供给的电信号伸缩；以及输入部，输入所述电信号，并通过施加所述电信号，使所述可变板向面内方向收缩，扩大所述压力室的容积，通过停止施加电信号，恢复所述压力室的容积。

附图说明

图1是概要性示出第一实施方式的喷墨打印机的侧视图。

图2是示出第一实施方式的喷墨头的立体图。

图3是从墨喷出口侧观察第一实施方式的喷墨头的俯视图。

图4是图3的喷墨头A-A部的截面图。

图5是第一实施方式的喷墨头的动作说明图。

图6是作为比较例的喷墨头的动作说明图。

图7是从墨喷出口侧观察第二实施方式的喷墨头的俯视图。

图8是第三实施方式的喷墨头的截面图和俯视图。

图9是第三实施方式的喷墨头的截面图。

附图标记说明

1、1A、1B、1C、1D 喷墨头；2 致动器基板；3 驱动IC；4 墨供给部件；5 致动器；6 墨供给口；7 喷嘴；11 单个电极；12 公共电极；13 振动板；14 下部电极；15 压电体薄膜；16上部电极；17 绝缘层；32 连接孔；100 喷墨打印机；102 供纸盒；103 排纸托盘；105 保持鼓；112 墨供给装置；113 墨罐。

具体实施方式

下面，将参照附图对实施方式进行说明。在附图中，相同符号示出相同构成。

(第一实施方式)

图1示出搭载实施方式的喷墨头(1A、1B、1C、1D)的喷墨打印机100的截面。喷墨头1A至1D(打字部109)喷出青、品红、黄、黑的油墨，基于从喷墨打印机100外部输入的图像信号，在记录介质S(纸张)上记录图像。

记录介质S是素色的纸张、铜版纸、涂料纸、投影仪用的OHP片等。

喷墨打印机100具有箱型的壳体101。在壳体101的内部从Y轴方向下部向上部，包括供纸盒102、上游输送路104a、保持鼓105、打字部109、下游输送路104b、排纸托盘103。供纸盒102容纳用于在喷墨打印机100打字的纸张S。打字部109包括4个青色用喷墨头1A、品红用喷墨头1B、黄色用喷墨头1C、黑色用喷墨头1D。喷墨头1A-1D是向被保持在保持鼓105上的纸张S喷出墨滴，记录图像的部分。

供纸盒102容纳纸张S、设置在壳体101的下部。供纸辊106从供纸盒102逐枚向上游输送路104a输送纸张S。上游输送路104a由输送辊对115a、115b和限制纸张S的输送方向的纸张引导板116构成。纸张S通过输送辊对115a、115b的旋转输送，穿过输送辊对115b后，被纸张引导板116输送到保持鼓105的外周面。图1中的虚线箭头示出纸张S的引导路径。

保持鼓105成为在表面具有薄的树脂制的绝缘层105a的铝制的圆筒。圆筒的周长比记录图像的纸张S的纵方向长度长，圆筒的轴方向长度比纸张S的横方向长度长。保持鼓105通过电机118以一定的圆周速度向箭头R方向旋转。保持鼓105的绝缘层105a通过静电保持纸张S并旋转，将纸张S向打字部109输送。沿绝缘层105a配置有使绝缘层105a带静电的带电辊108。

带电辊108具有金属制的旋转轴，在旋转轴周围具有导电橡胶层。带电辊108连接于高电压产生电路114。导电橡胶层表面与保持鼓105的绝缘层105a相接，以带电辊108的圆周速度与保持鼓105的圆周速度相同的旋转方式，通过电机驱动带电辊108。保持鼓105的绝缘层105a和带电辊108的导电橡胶层相接，形成夹持部。纸张S通过输送辊对115b以及纸张引导板116，被输送到夹持部。在向夹持部输送纸张S之前，向带电辊108的金属轴施加高电压产生电路114产生的高电压。绝缘层105a因高电压而带电，被输送到夹持部的纸张S也带电，纸张S被静电吸附在保持鼓105的外周面上。通过保持鼓105的旋转，静电吸附着的纸张S被输送到打字部109。

打字部109的喷墨头1A-1D的墨喷出面从保持鼓105的外周面离开1mm，固定于喷墨打印机100。各喷墨头1A-1D构成为在保持鼓105的轴方向(主扫描方向)长，在旋转方向(副扫描方向)短，在保持鼓105的圆周方向隔开间隔配置。将在后文叙述喷墨头1A-1D的详细结构。墨罐113是存储青油墨的油墨容器。在墨罐113和喷墨头1A之间配置墨供给装置112。墨供给装置112包括泵和压力调整机构。通过泵向喷墨头1A供给配置在喷墨头1A的重力方向的下方的墨罐113的青油墨。喷墨头1A向重力方向(Y轴的下方)喷出墨滴。因此，待机时为了不使青油墨从喷墨头1A漏出，需要将喷墨头1A维持在相对于大气压为负压。压力调整机构调整油墨压力相对于大气压为负压，以使供给到喷墨头1A的油墨不从喷墨头1A的喷嘴漏出油墨。喷墨头1B-1D也分别具备同样的墨罐113和墨供给装置112，但在图中省略。

在打字部109，各喷墨头1A-1D在纸张S上喷出油墨并记录图像。记录的图像根据喷墨打印机100从外部输入的图像信号描绘。喷墨头1A喷出青油墨，形成青图像。同样地，喷墨头1B喷出品红油墨，喷墨头1C喷出黄油墨，喷墨头1D喷出黑油墨，记录各色的图像。喷墨头1A-1D除喷出的墨色外为相同结构。

在打字部109结束记录的纸张S被输送到除电装置110、剥离爪111。除电装置110截面被作成コ字型，构成为在与保持鼓105的轴方向长度相同长度的不锈钢壳体内延伸钨丝。除电装置110配置成コ字型的壳体的开口朝向保持鼓105的外周面。高电压产生电路117产生与施加在带电辊108的电压极性相逆的高电压。若结束记录的纸张S的前端向除电装置110的下部输送，则向壳体和钨丝之间施加电压产生电路117产生的高电压。通过高电压，从除电装置110的开口侧产生电晕放电，除去带电的纸张S的电。剥离爪111设置成能够在爪前端接于保持鼓105的外周面的位置和离开外周面的位置移动。通常，剥离爪111保持在离开的位置。当从保持鼓105剥离纸张S时，剥离爪111的前端接于保持鼓105的外周面，从绝缘层105a剥离除电后的纸张S前端。从外周面剥离纸张S的前端后，剥离爪111返回离开外周面的位置。

从保持鼓105离开的纸张S被输送到输送辊对115c。下游输送路104b由输送辊对115c、115d、115e和限制纸张S的输送方向的纸张引导板116构成。沿图中的虚线箭头，纸张S通过输送辊对115c、115d、115e排出到排纸托盘103。

详细地说明喷墨头1A的构成。如前所述，喷墨头1B-1D与1A为相同构造。

图2是示出喷墨头1的外观立体图。喷墨头1由墨供给口6、墨供给部件4、致动器基板2、驱动IC3(驱动电路3)构成。固定部10是用于将喷墨头1固定在喷墨打印机100的配件。在致动器基板2上形成有多个产生喷出油墨的压力的致动器5。通过环氧基粘着剂将致动器基板2固定于墨供给部件4。墨供给口6连接到墨供给装置112，以预定的供给压力接收油墨。墨供给口6连接于墨供给部件4，从墨供给部件4向致动器基板2的各致动器5供给油墨。

驱动IC3产生用于使各致动器5动作的控制信号和驱动信号。根据喷墨打印机100从外部输入的用于记录的图像信号，驱动IC3产生选择喷出油墨的定时、喷出油墨的致动器5等的控制信号。并且，驱动IC3还产生根据控制信号向致动器5的压电元件35施加的电压，即驱动信号(电信号)。详细的驱动信号(驱动波形)在后文叙述。驱动IC3配置在柔性基板9(FPC：Flexible Printed Circuit，柔性印刷电路)上，连接于FPC的布线电路。致动器基板2的布线和柔性基板9的布线电路通过各向异性导电膜(Anisotropic Conductive Film)电连接。

参照图3和4，说明致动器基板2的构成。图3是放大致动器基板2的一部分的俯视图。俯视图示出从墨喷出侧(图2的Z轴侧)观察的致动器5、单个电极11、公共电极12。图4是从A箭头方向观察致动器基板2的图3示出的A-A截面图的图。

在致动器基板2的表面二维配置有多个圆形的致动器5(图3)。在致动器5的中心形成有喷出油墨的喷嘴7。通过致动器5的动作，墨滴从喷嘴7向Z轴方向(图2)喷出。各喷嘴配置成在X轴方向分开距离X1，在Y轴方向分开距离Y1。在本实施方式中，X1为21.2μm，Y1为250μm。在喷墨头1的X轴方向以1200(DPI(DOT PER INCH：每英寸点数))的记录密度配置喷嘴。Y轴方向的记录密度通过保持鼓105的圆周速度和墨喷出的时间决定。在本实施方式中，在Y轴方向也以1200DPI打字。在单个电极11、公共电极12的端部形成有端子电极41(输入部)。致动器基板2的布线和柔性基板9的布线电路通过端子电极41，在ACF电连接。端子电极41是向致动器5输送驱动信号的输入端口。

如图4所示，从墨供给口6向墨供给部件4供给的油墨供给到在致动器基板2的里面开口的压力室20。根据驱动IC3产生的驱动信号，致动器5可改变压力室20的容积。通过容积的变化，压力室20内的油墨被加压，作为墨滴34从喷嘴7向箭头38方向(图2的Z轴方向)喷出。致动器基板2由基板33和致动器5构成。

基板33(图4)是厚度400μm的单晶硅板。基板33包括具有致动器5的第一面33a、与第一面33a相对的第二面33b。在基板33的与致动器5对应的位置形成有从第一面33a到第二面33b的圆筒状的开口。开口的第一面33a侧被致动器5覆盖，开口作为压力室20发挥功能。压力室20的第二面33b侧连通于墨供给部件。压力室20是通过致动器5的动作产生从喷嘴7喷出油墨的压力的压力产生室。开口为直径200μm，长度400μm。基板33的第二面33b通过环氧树脂粘着于墨供给部件4。

如图4所示，致动器5由保护层18、压电元件35、使压力室20内的容积变化从而使油墨产生压力变化的容积可变板13构成。压电元件35由下部电极14(第一电极)、对应于电信号伸缩的可变板15、上部电极16(第二电极)、绝缘层17构成。压电元件35设置在压力室20和容积可变板13之间，固定于容积可变板13。伸缩的可变板15在本实施方式中由压电体膜15构成。容积可变板13通过压电体膜15的伸缩变形，使压力室20内的油墨产生压力变化。容积可变板13在本实施方式中由振动板13构成。在致动器5的中心形成有喷出油墨的喷嘴7。喷嘴7是贯穿致动器5的直径20μm的圆筒状的孔，连通于压力室20。压电体膜15由下部电极14和上部电极16夹持，在与两电极面正交的方向上作为分极36。压电元件35围着喷嘴7形成大致圆环形状(图3)。压电元件35若向下部电极14和上部电极16之间施加电压，则压电体膜15向面方向收缩。通过压电体膜15的收缩，振动板13变形，对压力室20内的油墨加压，从喷嘴7喷出油墨。通过将喷嘴7设置于致动器5，压力室20成为十分简单的构成。仅在基板33上形成开口就能制作压力室20，喷墨头1的制造变得容易。

保护层18以覆盖压力室20的第一面33a侧的方式，与基板33一体地制作。保护层18是绝缘性的热氧化硅膜(SiO2)。

保护层18由以下工序制作。以高温加热单晶硅制的基板33，在基板33的两面制作热氧化硅膜。从第二面33b侧对热氧化硅膜和单晶硅干蚀刻，剩下第一面33a侧的热氧化硅膜，进行相当于压力室20的孔加工。残留在第一面33a侧的热氧化硅膜作为覆盖压力室20的一面的保护层18发挥功能。此外，保护层18由加工单晶硅的基板33的表面制作，基板的第一面33a相当于保护层18(热氧化硅膜)和单晶硅的边界面。第二面33b相当于在基板33制作的热氧化硅膜的表面。

保护层18的厚度优选0.1μm至1μm的范围。在本实施方式中，保护层的厚度为0.5μm。在保护层18过厚的情况下，阻碍致动器5的动作。在保护层18过薄的情况下，当干蚀刻加工时，过于剥削热氧化硅膜，可能失去保护层18。若失去保护层18，下部电极14和油墨接触，则下部电极14受到腐蚀。因此，需要为期待的厚度。

在保护层18的表面形成有压电元件35。保护层18的表面是与保护层18的第一面33a相对的面33c。如前所述，压电元件35构成为在保护层18的表面层叠下部电极14、压电体膜15以及上部电极16的薄膜。并且，压电元件35以喷嘴7为中心形成圆圈状(圆环形状)。圆圈形状的内径大于喷嘴7的外径，圆圈形状的外径小于压力室20的内径。压电元件35的内径为30μm，外径为140μm。此外，下部电极14、上部电极16的圆圈形状示出除去分别连接于各电极的单个电极11和公共电极12部分的形状。

如图3所示，公共电极12电连接于多个压电体膜15的一个电极。在本实施方式中，作为公共电极12，连接有4个致动器5的下部电极14。单个电极11分别电连接于压电体膜15的另一电极。单个电极11通过连接孔32连接于上部电极16，以使所选择的压电体膜15动作的方式发挥功能。在图3中，以4个致动器5作为一组，并列设置多个组。此外，若变更布线法，可以将下部电极14连接于单个电极11，将上部电极16作为公共电极12。

下部电极14和上部电极16的材质为白金(Pt)。下部电极14和上部电极16的膜厚分别为0.1μm。通过溅射法制作白金层，通过光刻法加工成符合压电体膜15的形状的圆圈状的下部电极14和上部电极16。作为其他成膜法，可以使用真空蒸镀、镀金等。下部电极14和上部电极16的膜厚优选为0.01μm～1μm。

压电体膜15由压电性材料的薄膜制作。若经由下部电极14、上部电极16向压电体膜15施加电场，则压电元件35向与电场方向正交的方向(面内方向)收缩。压电体膜15基于从外部供给的电力，作为伸缩的可变板发挥功能。利用该收缩，振动板13向致动器5的厚度方向变形，使压力室20内的油墨产生压力变化。

压电体膜15的材料使用PZT(锆钛酸铅)。作为其他材料，能够使用KNN((KNa)NbO3：铌酸钾钠)、PTO(PbTiO3：钛酸铅)、PMNT(Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3)、PZNT(Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3)、ZnO、AlN等。

压电体膜15通过RF(Radio-Frequency：射频)磁控溅射法成膜。膜厚为2μm。作为压电体膜的其他制法，能够使用CVD(化学气相沉积法)、溶胶凝胶法、AD法(气溶胶沉积法)、水热合成法等。压电体膜的厚度参考压电特性和绝缘损坏电压决定。

在保护层18、下部电极14、压电体膜15以及上部电极16上设置有由绝缘性的无机材料形成的绝缘层17。绝缘层17为了在压电体膜15的外周部维持下部电极14和单个电极11的绝缘，设置在下部电极14和单个电极11之间。在绝缘层17上形成有用于电连接上部电极16和单个电极11的直径为10μm的开口。绝缘层17的开口设置成露出上部电极16。上部电极16和单个电极11通过绝缘层17的开口电连接。将该电连接的开口称为连接孔32。

绝缘层17是二氧化硅膜(SiO2)。通过TEOS-CVD法(Tetraethoxysilane-ChemicalVapor Deposition：四乙氧基硅烷-化学气相沉积)成膜二氧化硅膜。

用于向压电体膜15施加电压的单个电极11和公共电极12延伸到致动器基板2的周边部。延伸到周边部的单个电极11和公共电极12连接于端子电极41。如图2所示，端子电极41电连接于FPC9上的驱动IC3。

单个电极11和公共电极12的材质为金(Au)。单个电极11和公共电极12的膜厚分别为0.5μm。单个电极11和公共电极12用的金层通过溅射法成膜。在制作具有连接孔32的绝缘层17后，单个电极11形成金膜，通过光刻法制作。如图3所示，单个电极11通过连接孔32连接于白金制的上部电极16，并且成为延伸到致动器基板2的周边部的布线图案以及端子电极41。公共电极12连接彼此相邻的两个致动器5的下部电极间(12X)，并且成为延伸到致动器基板2的周边部的布线图案以及端子电极41(12Y)。此外，在本实施方式中，考虑到下部电极14和公共电极12的连接，公共电极12X、12Y成为白金和金的两层膜。

在保护层18、下部电极14、压电体膜15、上部电极16、绝缘层17、单个电极11、公共电极12上设置有由绝缘性的无机材料制作的振动板13。振动板13的厚度例如为4μm。振动板13的厚度适用于2～10μm，优选4～6μm。若压电体膜15伸缩，则在绝缘性无机材料的振动板13产生弯曲。产生弯曲的板称为振动板。振动板13是通过变形发挥改变压力室的油墨的压力的功能的容积可变板。

振动板13的抗挠刚度大于保护层18或其他膜的抗挠刚度。抗挠刚度通过杨氏模量和截面二次力矩之积表示，示出弹性部件的弯曲变形的难易度。振动板13设为与保护层18、压电体膜15、绝缘层17相比，杨氏模量较高的材质。并且，将振动板13的厚度设为比保护层18、压电体膜15、绝缘层17的厚度大。作为压电体材料的PZT的杨氏模量约为60GPa。二氧化硅的杨氏模量约为70GP。氮化硅的杨氏模量约为300GPa。因此，振动板13的抗挠刚度比压电体膜15、保护层18、绝缘层17的抗挠刚度大。

振动板13的材质为氮化硅(Si3N4)。通过PE-CVD法(Plama Enhanced ChemicalVapor Deposition：等离子体增强化学气相沉积)成膜氮化硅，制作振动板13。在制成振动板13时，若在振动板13内产生压缩方向的残留应力，则可能阻碍压电体膜15的收缩变形。当压电体膜15难以变形时，降低喷墨头1的驱动效率。与二氧化硅相比，氮化硅能够减小残留应力。通过利用残留应力少的氮化硅，能够提高致动器5的效率。另外，如前所述，氮化硅的杨氏模量约为300GPa，二氧化硅的杨氏模量约为70GP，若得到相同抗挠刚度，则氮化硅的膜厚可能小于二氧化硅的膜厚。从这种观点出发，通过氮化硅制作振动板13。代替振动板13的氮化硅，能够使用Al2O3(氧化铝：杨氏模量360GPa)、AlN(氮化铝：杨氏模量320GPa)、SiC(碳化硅：杨氏模量440GPa)等。

如图4所示，喷出油墨的喷嘴7贯通振动板13，设置在致动器5。由于振动板13、压电元件35、喷嘴7一体地构成的致动器5形成压力室20的一面，包括墨供给部件4的喷墨头的结构简单、制造容易。另外，若持续喷出油墨，有时会在振动板13的表面的喷嘴7附近附着、残留油墨。为了除去该残留油墨，用橡胶制的叶片擦除振动板13的表面。该擦除操作被称作擦拭。为了耐受反复进行的擦拭，要求振动板13的膜喷出侧的面有耐擦过性。由于预定厚度的氮化硅制振动板13耐擦过性优异，即便擦拭也能维持振动板13的预定的厚度。

驱动IC3向连接于多个致动器5的下部电极14的公共电极12和连接于各致动器5的上部电极16的单个电极11之间施加电压。设为公共电极12接地，向单个电极11施加电压。使致动器5动作的电压成为图5示出的驱动波形。为了喷出一墨滴的驱动波形在时刻t1至t2间施加电压V1，在时刻t2至t3间施加电压V2，在时刻t3电压变为0V。喷墨头1直到时刻t1以0V成为待机状态。

在本实施方式中，将V1、V2作为正电压说明。也能够将V1、V2作为负电压动作。本实施方式的喷墨头1通过V1、V2的单极电源动作。由于无需正负两极性的电源，能够以更廉价的电源驱动喷墨头1。

参照图5，详细地说明本实施方式的喷墨头1的驱动方法。

致动器5在振动板13和压力室20之间包括层叠有下部电极14、压电体膜15、上部电极16的压电元件35。若在下部电极14和上部电极16之间施加驱动信号，则在厚度2μm的压电体膜15内产生较大的电场。通过电场的作用，压电体膜15在厚度方向伸展，在与厚度方向正交的方向即致动器5的面内方向收缩。若压电体膜15向面内方向收缩，则组合有振动板13和压电元件35的致动器5向压力室20的容积增大的方向变形。若电压成为0V，则压电元件35还原，压力室20还原为原来的容积。通过该容积变化的油墨喷出法被称作推拉(引き打ち)。

图5的(5-1)示出时刻0至t1电压为0V时喷出油墨前的待机状态。在待机状态下，油墨从墨罐113经墨供给装置112供给到墨供给口6。并且，油墨从墨供给口6注入墨供给部件4，从致动器基板2的里面填充压力室20。墨供给装置112调整墨供给压力，以使喷墨头1内的油墨压力为-1kPa。通过将油墨压力设为与大气压相比-1kPa，不从喷嘴7漏出油墨而在喷嘴7的内部形成弯液面。在待机状态下，驱动IC3不输出驱动电压，下部电极14和上部电极16间的电压为0V。

为了向纸张喷出油墨，在图5的(5-2)时刻t1，驱动IC3输出电压V1。电压V1通过公共电极12和单个电极11施加于下部电极14和上部电极16之间，在压电体膜15产生电场。当电场在压电体膜15作用时，压电体膜15向厚度方向伸展，向与厚度方向正交的方向收缩。在本实施方式中，电压V1为24V。在压电元件35、振动板13、压力室20的构成中，电压V1的值设为预定的电压。

若压电体膜15在时刻t1向与膜厚正交的方向(面内方向)收缩，则振动板13的压力室20侧收缩。如图3所示，压电体膜15成为被外周圆和围着喷嘴7的内周圆围着的圆环状。振动板13在压力室20侧收缩，由于为圆环状，压电体膜15以及包含振动板13的致动器5向图中上方凸出变形。凸出变形后，致动器5以扩大压力室20的容积的方式，以喷嘴7为中心向油墨喷出的方向变形。压力室20的容积扩大，压力室20内的油墨压力从-1kPa进一步降低为负压。大致成为-300KPa左右的负压，形成在喷嘴7的油墨弯液面开始向压力室侧后退。而且，油墨从墨供给部件4流入压力室20，成为负压的压力室20内的压力开始上升。

电压V1越大，致动器5的变形量越大。致动器5的变形量越大，压力室20内的压力变化越大。但是，大的压力变化导致油墨弯液面大幅度后退，来自喷嘴7的空气有时会成为气泡被纳入压力室20内。另外，在电压V1较大的情况下，压电体膜15可能会损坏绝缘。在电压V1较小的情况下，致动器5的变形量小，压力室20内的油墨压力变化小。因此，不能从喷嘴7喷出油墨。因此，压电体中产生的电场在10～20MV/m左右的范围合适。

在时刻t1，压力室20内的油墨压力下降，喷嘴7内的弯液面后退。在时刻t2，油墨弯液面停止后退，压力室20内的油墨压力开始从负压变为正压。油墨的振动是由压力室20、致动器5的结构、油墨的密度等的物理特性决定的固有振动。该油墨的振动周期的1/2是时刻t1至时刻t2的时间。在时刻t2，驱动IC3使电压从V1降低为V2。电压V2成为电压V1的1/2。在电压V2，致动器5的变形与V1的变形相比成为其一半左右，已扩张了的压力室20的容积减小。通过时刻t2的压力室20的容积减小的变化对压力室20内的油墨进一步加压，油墨作为墨滴34从喷嘴7喷出。若开始从喷嘴7喷出油墨，则压力室20内的油墨压力开始降低。

电压V1和V2之比，从时刻t1到t2的时间配合油墨振动的衰减率确定。例如，如果是油墨粘度为10mPa.S左右的油墨，则电压V2为电压V1的1/2左右。通过将电压V1设为24V，将电压V2设为12V，则能够实现电源电路的低价格化。在喷出高粘度油墨的情况下，增大电压V1和V2的电压差。

在时刻t2施加的油墨压力因油墨的振动而在时刻t3变为负压。在时刻t3，驱动IC3使驱动电压从V2降低为0V。在驱动电压为0V时，致动器5从一半左右的变形回到待机状态，压力室20的容积再次减少。若在时刻t3减少压力室20的容积，则压力室20内成为负压的油墨向正压加压，压力大致回到待机时的压力。在时刻t3将电压V2设为0V的电压变化迅速减少压力室20内的油墨的残留振动，将压力室20内的油墨压力回到待机时的压力-1kPa。根据从时刻t1至t3的驱动波形，从喷嘴7喷出一个墨滴34。通过迅速返回待机时的负压，能够缩短从喷出墨滴到喷出下一墨滴的时间，能够提高印字速度。

在推拉(引き打ち)中，在油墨喷出前降低油墨压力，产生压力振动，在油墨压力升高的时刻进一步对油墨加压，喷出油墨。因此，能够从喷嘴7以更高的压力喷出油墨。另外，临时使油墨弯液面向压力室侧后退再喷出油墨，因此油墨在喷嘴7中加速。通过在喷嘴7中对油墨加速，能够提高喷出的墨滴34的直线度。若提高墨滴的直线度，由于提高在纸张S上的弹着位置精度，从而提高绘图的分辨率。

另外，通过推拉(引き打ち)法使喷墨头1动作时，无需在待机状态向压电体膜15供给电场。能够仅在使油墨喷出时在压电体膜15产生预定的电场喷出油墨。由于在待机状态下无需向压电体膜15持续施加电场，抑制压电体膜15的劣化，能够实现喷墨头1的长寿命化。

不仅在薄膜压电体中，在采用将厚的块状压电体层叠在振动板的致动器的喷墨头中，在不引起压电体的分极翻转的电场范围内驱动块状压电体。引起分极翻转的电场被称作矫顽电场。在矫顽电场范围内驱动散装压电体的喷墨头中，当压电体的分极方向和电场的朝向相同时，压电体在与分极正交的方向上伸展。当压电体的分极方向和电场的朝向相反时，压电体在与分极正交的方向上收缩。因此，通过控制施加在压电体的电场的朝向，能够扩张或者收缩压力室。

在具有压电体薄膜15的本实施方式的喷墨头1中，使压电体膜15在超过矫顽电场的电场中动作。由于致动器5的压电体膜15的膜厚度薄至几μm，因此以较低的电压在压电体膜15产生超过矫顽电场的电场。若以超过矫顽电场的电场驱动压电体膜15，则与相对于分极方向的电场的朝向无关而压电体的变形方向相同。即，与电场的朝向无关，致动器的移位方向一定。

为了参考，参照图6说明以往的喷墨头的构成和驱动电压波形。致动器由成为压力室20的壁面的一部分的振动板13、厚度为几μm以下的压电体膜15、夹着压电体膜15的一对电极、覆盖压电体和电极的保护层18构成。即，压电体膜15设置在振动板13的墨喷出侧的面上。振动板的刚性形成为大于保护层的刚性。

在现有的喷墨头中，一体设置压电体的振动板通过施加电压而在面方向收缩，结果，振动板向压力室的容积变小的方向移位。如前所述，若在超过矫顽电场的电场中驱动压电体薄膜，则与相对于分极方向的电场的朝向无关，压电体的变形方向相同。因此，在进行推拉(引き打ち)动作中，需要在喷出油墨前的待机时预先向压电体持续施加电压，在喷出油墨时将电压作为0V，油墨喷出后再次向压电体施加电压。换言之，在待机状态下有必要常时使压电体产生电场。

若在压电体薄膜长时间持续产生电场，则压电体薄膜劣化最终可能会引起绝缘损坏。若压电体绝缘膜引起绝缘损坏，则不能进行油墨喷出动作。以往，在喷墨头中，不喷出油墨的待机状态的时间比使压电体动作喷出油墨的时间长10倍以上。与需要在待机状态下持续向压电体施加电压的以往构成相比，本实施方式的构成在待机状态下无需施加电压而能够实现喷墨头的长寿命化。

如上所述，喷墨打印机100包括：墨罐，存储油墨；基板，形成有连通于喷出油墨的喷嘴的压力室；容积可变板，使所述压力室的容积变化，使油墨产生压力变化；以及可变板，设置在所述容积可变板和所述压力室之间，根据从外部供给的电信号伸缩，还包括：喷墨头，通过对所述可变板施加所述电信号，使所述可变板向面内方向收缩，另外，使待机时所述压力室的容积扩大，通过停止所述电信号的施加，恢复待机时所述压力室的容积；压力调整机构，连通于所述油墨罐和所述喷墨头，使待机时所述压力室内的油墨压力相对于大气压维持负压；以及纸张输送机构，输送通过从所述喷墨头喷出的油墨记录的纸张。

本实施方式，其特征还在于驱动喷墨头的方法。一种驱动喷墨头的方法，所述喷墨头包括：基板，形成有连通于喷出油墨的压力室；容积可变板，使所述压力室的容积变化，使油墨产生压力变化；以及可变板，设置在所述容积可变板和所述压力室之间，根据从外部供给的电信号伸缩。该驱动方法通过对所述可变板施加所述电信号，使所述可变板向面内方向收缩。由此，扩大所述压力室的容积。喷墨头的驱动方法通过停止所述电信号的施加，返回所述压力室的容积。

将所述电信号从0V变化为第一电压后，再变化为与所述第一电压同极性、比第一电压低的第二电压。更加优选变化为所述第二电压后使电压回到0V的驱动方法。

本实施方式的喷墨头包括：基板，形成有压力室；容积可变板，使压力室的容积变化，使油墨产生压力变化；以及可变板，设置在容积可变板和压力室之间，根据从外部供给的电信号伸缩。向可变板施加电信号，使可变板向面内方向收缩，扩大压力室的容积，通过停止电信号的施加，恢复压力室的容积，喷出油墨。待机时不向可变板施加电压，实现了喷出油墨时向可变板施加电压的喷墨头。根据该构成，待机时无需持续向可变板施加电压，能够抑制可变板的劣化。抑制可变板的劣化，能够延长喷墨头的寿命。

在本实施方式的喷墨头中，容积可变板的抗挠刚度比保护层的抗挠刚度高。具体而言，容积可变板由氮化硅构成。氮化硅残余应力少，且抗挠刚度高，因此能够提高喷墨头的驱动效率。并且，喷出油墨的喷嘴设置为贯通容积可变板和保护层。通过一体地形成喷嘴、容积可变板、保护层，能够容易地制造喷墨头。

(第二实施方式)

参照图7，说明第二实施方式的喷墨头1。图7是从墨喷出面侧观察喷墨头1的图。从墨喷出面侧观察致动器5为长方形。压力室20的横向尺寸X2为120μm，纵向尺寸Y2为240μm。压电元件横长100μm，纵长220μm。在压电元件35的中央形成有直径20μm的喷嘴7。截面的结构与图4记载的结构相同。另外，喷墨打印机1的结构也与图1的结构相同。

在第二实施方式的喷墨头中，具有在第一实施方式的喷墨头得到的效果。并且，通过在X轴方向将长方形的致动器5配置成一列，单个电极11、公共电极12的抽出布线变得容易。通过容易地制作单个电极11、公共电极12，改善制造步骤。

(第三实施方式)

参照图8、9，说明第三实施方式的喷墨头1。另外，喷墨打印机1的结构也与图1的结构相同。

图8的(8-1)是示出喷墨头1的多个压力室20的俯视图。在圆筒形的压力室20的中心部配置有喷嘴7。长方形的压电元件35配置在从压力室20上部错开的位置。公共电极12和单个电极11连接于各压电元件35。图8的(8-2)是从B方向观察(8-1)的截面图。如图8的(8-2)所示，喷墨头1具有形成压力室20的基板33、形成压力室20的一个面的致动器5、形成压力室20的另一个面的喷嘴板40。即，构成为致动器5和喷嘴7分开。图9示出图8的(8-2)的A-A截面。压力室20连通于致动器5的下部的压力室20a。压力室20a穿过在基板33内制作的油墨通路20b，连通于墨供给部件4。致动器5在振动板13的压力室20a侧包括层叠下部电极14、压电体膜15、上部电极16的压电元件35。致动器5的振动板13由抗挠刚度较大的氮化硅制成。

根据致动器5的变形，油墨中产生的压力穿过压力室20a和压力室20，从喷嘴7喷出油墨。若在长方形的压电体膜15施加电压，则压电体膜15在面内方向收缩。若压电体膜15收缩，则压电体膜15的上部的振动板13以压力室20a的容积扩大的方式变形。若停止施加电压，则压电体膜15恢复原来的形状，压力室20a也恢复原来的容积。以图5示出的驱动波形使压电体膜15动作。通过由该压力室20a的容积变化引起的油墨压力的变化，能够推拉(引き打ち)打印。油墨从墨供给口6沿着箭头流动，从喷嘴7喷出。

在第三实施方式的喷墨头中，也抑制可变板(压电体膜)的劣化，能够延长喷墨头的寿命。另外，作为容积可变板(振动板)的氮化硅残余应力少，且抗挠刚度高，因此能够提高喷墨头的驱动效率。将喷嘴设置于喷嘴板这一点与第一、第二实施方式的构成不同。在第三实施方式中，分别单独制作喷嘴板、基板、致动器后，粘合制成喷墨头。由于单独制作，因此能够分别高精度地制作喷嘴板、基板、致动器。

本发明的实施方式只是作为例示，并非旨在限定发明的范围。这些新的实施方式能够以其他各种方式进行实施，能够在不脱离发明的宗旨的范围内进行各种省略、置换、变更。这些实施方式及其变形包括在发明的范围或要旨中，同样地被包括在权利要求书所记载的发明及其等同的范围内。

Claims (10)

1.一种喷墨头，其特征在于，包括：

基板，形成有与喷出油墨的喷嘴连通的压力室；

容积可变板，使所述压力室的容积变化从而使油墨产生压力变化；

可变板，设置在所述容积可变板和所述压力室之间，根据从外部供给的电信号伸缩；以及

输入部，输入所述电信号，并通过施加所述电信号，使所述可变板向面内方向收缩，扩大所述压力室的容积，通过停止施加所述电信号，恢复所述压力室的容积。

2.一种喷墨头，其特征在于，包括：

基板，形成有与喷出油墨的喷嘴连通的压力室；

容积可变板，使所述压力室的容积变化从而使油墨产生压力变化；

可变板，设置在所述容积可变板和所述压力室之间，根据从外部供给的电信号伸缩；以及

驱动电路，产生所述电信号，并通过施加所述电信号，使所述可变板向面内方向收缩，扩大所述压力室的容积，通过停止施加所述电信号，恢复所述压力室的容积。

3.根据权利要求1或2所述的喷墨头，其特征在于，

所述喷墨头在所述可变板和所述压力室之间具有保护层，所述容积可变板的抗挠刚度大于所述保护层的抗挠刚度。

4.根据权利要求1或2所述的喷墨头，其特征在于，

所述电信号是正极性或负极性的单极电压。

5.根据权利要求3所述的喷墨头，其特征在于，

所述电信号是正极性或负极性的单极电压。

6.根据权利要求1或2所述的喷墨头，其特征在于，

所述电信号从0V变为第一电压后，再变为与所述第一电压同极性且比所述第一电压低的第二电压，在变为所述第二电压后，使电压回到0V。

7.根据权利要求3所述的喷墨头，其特征在于，

所述电信号从0V变为第一电压后，再变为与所述第一电压同极性且比所述第一电压低的第二电压，在变为所述第二电压后，使电压回到0V。

8.根据权利要求4所述的喷墨头，其特征在于，

所述电信号从0V变为第一电压后，再变为与所述第一电压同极性且比所述第一电压低的第二电压，在变为所述第二电压后，使电压回到0V。

9.根据权利要求5所述的喷墨头，其特征在于，

所述电信号从0V变为第一电压后，再变为与所述第一电压同极性且比所述第一电压低的第二电压，在变为所述第二电压后，使电压回到0V。

10.根据权利要求1或2所述的喷墨头，其特征在于，

所述容积可变板的材质为氮化硅。