CN1305677C - 液体喷出头的驱动方法及液体喷出装置 - Google Patents

液体喷出头的驱动方法及液体喷出装置 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于提供一种可以获得良好特性、扩大材料选择范围的液体喷出装置。该装置是通过对压电体附加电压使压力室收缩以喷出液体的液体喷出装置，相对于所述压电体在液体喷出动作时附加的驱动波形包含：高电位期(a2)，在该高电位期附加表示超过所述压电体的矫顽电场的电场强度的电压；反向电位期(a6)，在该反向电位期附加与所述高电位期的电位极性相反或电位为零的电压。

Description

液体喷出头的驱动方法及液体喷出装置
技术领域
本发明涉及通过控制附加在压电体元件上的电压以喷出油墨等液体的液体喷出装置，特别涉及在打印动作时附加能最大限度地发挥各压电体元件压电特性的波形的打印机等的液体喷出装置。另外，还涉及附加这样的波形的液体喷出头的驱动方法。
背景技术
喷墨式记录头包括：利用压电体元件及发热元件使油墨产生压力的压力室；将油墨供给到压力室内的油墨室；从压力室喷出油墨的喷嘴。在相应于打印信号的上述元件上附加驱动信号并产生压力，使墨滴从喷嘴飞落到记录媒体上。特别地，使用压电体元件的喷墨式记录头，由于不使用热源，从而具有不会产生油墨的劣化，不易堵塞喷嘴的优点。
对于使用该压电体元件的喷墨式记录头，为了提高基于压电体膜的喷墨特性，要特别地规定压电体膜的组成及结晶取向性等以力求获得良好的特性。例如，本发明人得知100面取向性为70％以上的PZT表示了良好的特性。
然而，具有特定的结晶取向性等的压电体膜的制造是不容易的。另外，当结晶取向性等仅限于某一特定的时，材料选择的自由度较小。从而，例如即使对于100面取向性不满70％的PZT，如果能够获得达到目的的良好特性，其效果也非常大。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种可以获得良好的特性、且可以扩大材料选择范围的液体喷出装置。
按照本发明的液体喷出装置，该装置是通过对压电体附加电压使压力室收缩以喷出液体的液体喷出装置，其中，在液体喷出动作时对所述压电体附加的驱动波形包含：高电位期，在该高电位期附加表示超过所述压电体的矫顽电场的电场强度的电压；反向电位期，在该反向电位期附加与所述高电位期的电位极性相反或电位为零的电压，在所述反向电位期附加的电压是表示所述压电体的矫顽电场以上的电场强度的电压，在所述反向电位期中附加表示所述矫顽电场以上的电场强度的电压的时间是在反向电位期中变形方向也不会反转的时间。这样，可以更好地发挥压电体的特性。
在上述的液体喷出装置中，在所述反向电位期附加的电压，最好是表示不超过所述压电体的矫顽电场的电场强度的电压。这样，可以最大限度地发挥压电体的特性。
在上述的液体喷出装置中，在所述反向电位期附加的电压，也可以是表示超过所述压电体的矫顽电场的电场强度的电压。这样，可以调整压电体内的残余极化作用。该液体喷出装置中，在所述反向电位期附加的电压最好是可以消除残存于所述压电体的极化作用的电压。另外，在所述反向电位期所述压力室膨胀后，在所述压力室开始收缩时，最好是在所述压力室不再膨胀期间、在所述高电位期使所述压力室进一步收缩以使所述液体喷出。这样可以使由超过矫顽电场引起的收缩与由移至高电位期引起的收缩同步进行，从而可以提高变位量及变位速度。此外，在所述反向电位期附加表示超过所述矫顽电场的电场强度的电压的时间最好在2μ秒以下。这样，可以防止弯液面不稳定，同时可以获得更大的变位。另外，从所述反向电位期附加的电压的绝对值从最大值开始下降开始，直到所述高电位期附加的电压的绝对值基本为最大的时间，最好在2μ秒以下。这样可以有效地提高变位量及变位速度。
在所述的液体喷出装置中，所述反向电位期附加的电压的绝对值，最好在所述高电位期的最大电压的绝对值以下。
在所述的液体喷出装置中，最好是在压电体薄膜上附加电压。特别地，在所述高电位期，最好附加表示1.5×107[V/m]以上的电场强度的电压。而且最好以20kHz以上的频率附加电压。
在所述液体喷出装置中，所述驱动波形最好是每一所述高电位期设置一所述反向电位期。
在所述的液体喷出装置中，所述液体喷出动作时附加的驱动波形中，所述压力室收缩动作时对应的部分，最好包含所述高电位期的至少一部分，以及所述反向电位期的至少一部分。这样可以有效地使较大的变位用于压力室的收缩。
另外，在所述的液体喷出装置中，取决于所述液体喷出头的喷出液体时的压电体变形最好在0.3％以上。
在所述的液体喷出装置中，所述驱动波形这样地构成，即，通过电位从所规定的中间电位至所述高电位期的最高电位的变化，使压力室收缩、喷出液体，经过所述反向电位期返回到所述规定的中间电位，同时，最好从所述反向电位期至所述规定的中间电位的电位变化呈不会使液体喷出的倾斜度。
在所述的液体喷出装置中，最好使电位从在所述高电位期的最高电位到所述反向电位期的电位连续地变化。这样能实现较高频率的驱动。
在所述的液体喷出装置中，所述高电位期的电压每附加一次，可以选择性地附加所述反向电位期的电压。这样，可以增减液滴的尺寸。
本发明的驱动方法，是通过对压电体附加电压使压力室收缩以喷出液体的方法，其中，相对于所述压电体在液体喷出动作时附加的驱动波形包含：高电位期，在该高电位期附加表示超过所述压电体的矫顽电场的电场强度的电压；反向电位期，在该反向电位期附加与所述高电位期的电位极性相反或电位为零的电压，在所述反向电位期附加的电压是表示所述压电体的矫顽电场以上的电场强度的电压，在所述反向电位期中附加表示所述矫顽电场以上的电场强度的电压的时间是在反向电位期中变形方向也不会反转的时间。
附图说明
图1是说明作为基于本发明实施方式的液体喷射装置的打印机的构造的立体图。
图2是表示上述打印机的电气构成的方块图。
图3是说明用于上述打印机的喷墨式记录头的构造的说明图。
图4是说明上述喷墨式记录头的更具体的构造的截面图。
图5是表示上述喷墨式记录头的电气构成的图。
图6是说明图5中在压电元件上附加驱动脉冲的顺序的图。
图7是基于本发明第1实施例及比较例的液体喷出装置及驱动方法的驱动波形的波形图。
图8是表示基于上述第1实施例及比较例的驱动波形的压电体薄膜元件的变位量的测定结果的图表。
图9是表示相对压电体薄膜的电场强度(E)的变形(S)的特性的图。
图10中，图10(A)是表示利用本发明第2实施例及第4实施例的液体喷出装置在压电体元件上附加的电压波形的一例的波形图，图10(B)是表示利用本发明第3实施例及第5实施例的液体喷出装置在压电体元件上附加的电压波形的一例的波形图。
图11是表示基于第6实施例及第7实施例的驱动波形的图。
图12是表示使用上述第6实施例及第7实施例的驱动波形驱动压电体薄膜时的变位推移的图。
图13是表示使用上述第6实施例及第7实施例的驱动波形进行驱动时的振动板的变位速度的推移的图。
图14是表示本发明第8实施例的驱动信号及压电元件变位的一例的图。
图15是表示本发明第9实施例的驱动信号的一例的图。
图16是表示本发明第10实施例的驱动信号及压电元件的变位的一例的图。
图中：10-喷嘴板，20-压力室基板、30-振动板、31-绝缘膜、32-下部电极、40-压电体元件、41-压电体薄膜层、42-上部电极、21-压力室。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
<1.喷墨打印机的整体构成>
图1是说明作为基于本发明实施方式的液体喷出装置的打印机的构造的立体图。在该打印机中，本体2上设有送纸盒3、排出口4及操作按钮9。另外，本体2的内部具有作为液体喷出头的喷墨式记录头1、送纸机构6、控制电路8。
喷墨式记录头1具有后述的压电体元件。喷墨式记录头1可以这样地构成，即可相应于控制电路8给出的喷出信号由喷嘴喷射油墨等的液体。
本体2是打印机的框架体，在可以由送纸盒3供给规定用纸5的位置处配置有送纸机构6，为了在规定用纸5上进行打印，而配置有喷墨式记录头1。送纸盒3能使打印前的规定用纸5供给到送纸机构6，排出口4是排出打印后的规定用纸5的出口。
送纸机构6具有马达600、辊601·602、以及其它未图示出的机械结构。马达600可以相应于控制电路8给出的驱动信号进行旋转。机械结构可以将马达600的旋转力传递给辊601及602。辊601及602接受马达600传递的旋转力而旋转，通过旋转，输入载置在送纸盒3上的规定用纸5，供送纸张，以可通过头1进行打印。
控制电路8由未图示的CPU、ROM、RAM、接口电路等构成，通过未图示的连接器，相应于计算机供给的打印信息，将驱动信号供给到送纸机构6，或者是将喷出信号供给到喷墨式记录头1。另外，控制电路8还可以相应于操作面板9的操作信号进行动作模式的设定，复位处理等。
<2.喷墨打印机的电气构成>
图2是表示上述打印机的电气构成的方块图。本实施方式的打印机的电气构成如图2所示，具有控制电路8和打印引擎12。
控制电路8包括：外部接口13(以下称外部I/F13)；临时存储各种数据的RAM14；存储控制程序等的ROM15；包含CPU等而构成的控制部16；产生时钟信号的振荡电路17；作为驱动机构的驱动信号产生电路19，该机构产生用于向喷墨式记录头1进行供给的驱动信号；将根据驱动信号及打印数据展开的光点图形数据(位图数据(bit map data))等发送到打印引擎12的内部接口18(以下称内部I/F18)。
外部I/F13，例如由未图示的主机等接收由字符码、图表函数、图像数据等构成的打印数据。另外，通过该外部I/F13，可以将占用信号(BUSY)及确认信号(ACK)对主机等进行输出。
RAM14具有作为接收缓冲存储器141、中间缓冲存储器142、输出缓冲存储器143、以及未图示出的工作存储器的功能。因此，接收缓冲存储器141临时存储由外部I/F13接收的打印数据，中间缓冲存储器142存储控制部16变换的中间码数据，输出缓冲存储器143存储光点图形数据。此外，该光点图形数据由通过解码(翻译)等级数据而获得的打印数据构成。
另外，ROM15，除了存储用于进行各种数据处理的控制程序(控制路径)之外，还存储字体数据、图表函数等。
控制部16读出接收缓冲存储器141内的打印数据，同时，将通过变换该打印数据而获得的中间码数据存储在中间缓冲存储器142中。另外，控制部16通过解析由中间缓冲存储器142读出的中间码数据，并参照存储在ROM15中的字体数据及图表函数等，将中间码数据展开成光点图形数据。然后，控制部16在实施必要的装饰处理后，将该展开的光点图形数据存储在输出缓冲存储器143中。
获得相当于喷墨式记录头1的1行分的光点图形数据之后，该1行分的光点图形数据通过内部I/F18输出到喷墨式记录头1。另外，在从输出缓冲存储器143输出1行分的光点图形数据时，已展开的中间数据从中间缓冲存储器142消除，之后进行中间码数据的展开处理。
打印引擎12包括：喷墨式记录头1、送纸机构6及托架机构7。
送纸机构6由送纸马达和送纸辊等构成，与喷墨式记录头1的记录动作连动地顺序送出记录纸等打印存储媒体。即，该送纸机构6使打印存储媒体相对于副扫描方向移动。
托架机构7包括：可以搭载喷墨式记录头1的托架主体、使该托架主体沿主扫描方向行进的托架驱动部。通过使托架本体行进，可以使喷墨式记录头1沿主扫描方向移动。此外，托架驱动部可以是采用齿形带等的、能使托架本体行进的任意结构。
喷墨式记录头1具有沿副扫描方向的多个喷嘴，在光点图形数据等规定的时间由各喷嘴喷出墨滴。
<3.喷墨式记录头的构成>
图3是说明用于作为上述液体喷出装置的打印机的喷墨式记录头的构造的说明图。喷墨式记录头1是所谓的柔性振动喷墨式记录头，如图所示，由喷嘴板10、压力室基板20及振动板30构成。该头构成压电喷射式的记录头。
压力室基板20具有压力室(腔室)21、侧壁(隔壁)22、贮藏腔23及供给口24。压力室21是通过蚀刻硅等的基板形成的、为喷墨等进行贮藏的空间。侧壁22的形成将压力室21间隔开。贮藏腔23构成连通并将油墨供给各压力室21的流动通路。供给口24可以将油墨从贮藏腔23导入各压力室21。
喷嘴板10与压力室基板20的一个面贴合，以使该喷嘴11被配置在与设于压力室基板20的压力室21分别对应的位置处。贴合有喷嘴板10的压力室基板20，被容纳在框架体25上，从而构成喷墨式记录头1。
振动板30被贴合在压力室基板20的另一面。振动板30上设有压电体元件(未图示)。振动板30上还设有墨槽连接口(未图示)，贮藏在未图示的墨槽中的油墨可以供给到压力室基板20的贮藏腔23内。
<4.层的构造>
图4是表示说明上述喷墨式记录头的更具体的构造的截面图。该截面图是一压力室及压电体元件的截面的放大视图，如图所示，振动板30通过层叠由绝缘膜31及下部电极32构成，压电体元件40通过在下部电极32上层叠压电体薄膜层41及上部电极42构成。该喷墨式记录头1由压电体元件40、压力室21及喷嘴11以一定间距连续设置而构成。该喷嘴的间距可以根据打印精度进行适当的设计变更。例如可以配置成400dpi(dot per inch)。
绝缘膜31由非导电性材料，例如用二氧化硅(SiO2)形成1μm左右的厚度，并随着压电体薄膜层的变形而变形，压力室21的内部压力可以瞬间提高。
下部电极32是用于在压电体薄膜层上附加电压的电极，并采用具有导电性的材料，例如白金(Pt)等形成0.2μm左右的厚度。下部电极32与绝缘膜31在同一区域内形成，其作用是在形成于压力室基板20上的多个压电元件上作为共同的电极。然而，也可以形成尺寸等同于压电体薄膜层41的，即与上部电极的形状相同。
上部电极42构成用于在压电体薄膜层上附加电压的另一电极，由具有导电性的材料，例如白金(Pt)或铱(Ir)形成0.1μm左右的厚度。
压电体薄膜层41是例如具有钙钛矿构造的锆钛酸铅(PZT)等的压电性陶瓷的结晶，并以规定形状形成在振动板30上，压电体薄膜层41的厚度最好在2μm以下，例如形成1μm左右的厚度。该压电体薄膜的矫顽电场，例如是2×106[V/m]左右。
<5.打印动作>
下面针对上述喷墨式记录头1的构成来说明打印动作。当控制电路8输出驱动信号时，送纸机构6动作，规定用纸5被输送到可以由头1进行打印的位置。在控制电路8不发出喷出信号、且在压电体元件40的下部电极32及上部电极42之间不施加电压的场合，压电体薄膜层41不产生变形。在设有未被提供喷出信号的压电体元件40的压力室21中不产生压力变化，因此该喷嘴11中不喷出油墨滴。
另外，在控制电路8发出喷出信号、且在压电体元件40的下部电极32及上部电极42之间施加一定的电压的场合，压电体薄膜层41产生变形。在设有被提供了喷出信号的压电体元件40的压力室21中，该振动板30产生较大弯曲。因此压力室21内的压力瞬间提高，使油墨滴从该喷嘴11中喷出。通过将喷出信号分别发送给头中对应于打印数据的位置的压电体元件，可以打印任意的文字或图形。
<6.喷墨式记录头的电气构成>
下面，参照图5对上述喷墨式记录头的电气构成进行更详细说明。
喷墨式记录头1，如图5所示，具有移位寄存器51、闩锁电路52、电平移位器53、开关54及压电体元件40等。另外，如图5所示，这些移位寄存器51、闩锁电路52、电平移位器53、开关54及压电体元件40，分别由设于喷墨式记录头1的各喷嘴11的移位寄存器元件51A～51N、闩锁元件52A～52N、电平移位器元件53A～53N、开关元件54A～54N、压电体元件40A～40N构成。这些移位寄存器51、闩锁电路52、电平移位器53、开关54、压电体元件40按此顺序电连接。
此外，这些移位寄存器51、闩锁电路52、电平移位器53及开关54，由驱动信号产生电路19产生的喷出信号生成驱动脉冲。在此，该驱动脉冲是实际上附加在压电体元件40上的附加脉冲。
图6是说明在压电元件上附加驱动脉冲(驱动信号)的顺序的图。下面将参照图6对具有上述电气构成的喷墨式记录头1的控制进行说明。
在具有上述的电气构成的喷墨式记录头1中，如图6所示，与最初来自振荡电路17的时钟信号(CK)同步，构成光点图形数据的打印数据(SI)从输出缓冲存储器143被串行传送到移位寄存器51，并被顺序置位。这种场合，首先，在全部喷嘴11的打印数据的最高位二进制位的数据被串行传送。而且，该最高位二进制位的数据串行传送结束后，由高位开始的第2个二进制位的数据被串行传送。以下相同，低位二进制位的数据被顺序传送。
而且，当该二进制位的打印数据的整个喷嘴部分在移位寄存器元件51A～51N被置位，控制部16以规定的时间将闩锁信号(LAT)输送到闩锁电路52。利用该闩锁信号，闩锁电路52闩锁在移位寄存器51置位的打印数据。该闩锁电路52闩锁的打印数据(LATout)被附加到作为电压放大器的电平移位器53。该电平移位器53而言，在打印数据例如为“1”的场合，开关54使该打印数据升高到可以驱动的电压值，例如几十伏。因此，该升压后的打印数据附加到开关元件54A～54N，然后，开关元件54A～54N变为由该打印数据连接的状态。
在各开关元件54A～54N上，还附加有驱动信号产生电路19产生的喷出驱动信号。因此，当开关元件54A～54N变为连接状态时，在与该开关元件54A～54N连接的压电体元件40A～40N上被附加喷出驱动信号。
这样，在举例说明的喷墨式记录头1中，可以控制是否利用打印数据将喷出驱动信号附加在压电体元件40上。例如，打印数据为“1”的期间，闩锁信号可以使开关54变为连接的状态，因此，可以将驱动信号(COMout)供给到压电体元件40。而且，该供给的驱动信号(COMout)可使压电体元件40变位(变形)。另外，在打印数据为“0”的期间，开关54为非连接状态，因此，提供到压电体元件40的驱动信号被中断。此外，在该打印数据为“0”的期间，各压电体元件40保持前面的电位，因此，维持在前面的变位状态。
<7.第1实施例及比较例>
图7是基于本发明第1实施例及比较例的液体喷出装置及驱动方法的驱动波形的波形图。图8是表示基于上述驱动波形的压电体薄膜元件的变位量的测定结果的图。如图7所示，驱动波形具有8μ秒的电位上升期，20μ秒的最高电位维持期，8μ秒的电位下降期，并采用最高电位和最低电位之差为25V的梯形波。变换该梯形波的补偿电压(驱动波形中，最低电位的成对接地DC电压)ΔV，驱动压电体薄膜元件并测定变位量。当补偿电压ΔV＜0时，相当于具有反向电位期的第1实施例，当补偿电压ΔV≥0时，相当于没有反向电位期的比较例。作为压电体薄膜元件，是对使用(100)面取向性79％的PZT的三点抽样(组1)以及使用(100)面取向性33％的PZT的三点抽样(组2)进行测定，并分别求出平均值。
使用组1的PZT时，首先，在作为比较例的补偿电压ΔV≥0附近，获得约420～450nm的变位。获得此变位量，则作为喷墨式记录头也可以使用，但变位量最好更大些。接下来，测定第1实施例的补偿电压ΔV＜0时，则变位量上升，在ΔV＝-3V附近获得最大变位513nm。
使用组2的PZT时，首先，在作为比较例的补偿电压ΔV≥0附近，变位约为290～315nm。该变位量难以与上述组1的情况相比，希望变位量最好更大些。接下来，当第1实施例的补偿电压ΔV＜0时，变位量大幅度地上升，在ΔV＝-4.3V附近获得最大变位451nm。
再有，对于组1及组2，补偿电压ΔV更低(绝对值较大)时，变位量则减小。推测这是由于补偿电压ΔV较低，超过了矫顽电场，使变形反向。
如上所述，对于组1及组2，通过使用第1实施例的液体喷出装置，与比较例相比，变位量增大。这种变位量的增大将用图9(a)的磁滞曲线进行说明。如该图所示，没有反向电位期的比较例的驱动，为虚线A所示的曲线，有反向电位期的第1实施例的驱动，为虚线B所示的曲线。可以看到，即使电场强度(E)的变化量相同，虚线B也能获得较大的变形(S)。
此外，即使如组2那样，在比较例中认定不能获得足够特性的压电体元件，通过使用第1实施例的液体喷出装置，也可以显著提高变位量，增强耐用性，从而提高了材料选择的余地。
另外，确认了：在利用基于比较例的液体喷出装置进行驱动的场合，进行1亿脉冲以上的多次驱动时，其变位量比当初的变位量要低12％左右，但是，在利用基于第1实施例的液体喷出装置进行驱动的场合，多次驱动时变位的降低量在5％以下。其理由推测如下。在超过压电体的矫顽电场地进行驱动的场合，当多次驱动时，如图(9b)所示，磁滞曲线如虚线所示变化。因此，没有反向变位期的驱动会导致变位降低。这样，通过设置反向电位期，即使磁滞曲线变化，也可以获得足够的变位。
在上述的组1及组2中，获得最大变位的补偿电压ΔV的最佳数值不同。因此，最好根据要求的特性调节补偿电压ΔV的数值。
<8.第2实施例及第3实施例>
图10是表示利用本发明的另一实施例的液体喷出装置在打印动作时在压电体元件上附加的电压波形的例的波形图。特别地，图10(A)是第2实施例的一个周期的波形，图10(B)是第3实施例的一个周期的波形。在这样的波形被附加在压电体薄膜上时，是以20kHz～50kHz的频率附加的。该波形是在打印动作时附加的波形，因此，在打印停止时的头的清洗以及墨盒交换过程等中附加的波形可以与其不同。
图10(A)示出的驱动波形具有电位维持期a4、电位下降期a5、电位维持期a6、电位上升期a1、电位维持期a2、电位下降期a3。
在电位维持期a4，弯液面的残余振动被稳定。在电位下降期a5及电位维持期a6，通过将弯液面引入喷嘴内且同时从未图示的墨槽引入新墨以准备下次的电位上升期a1的喷墨。在电位上升期a1及电位维持期a2，通过将电压附加在压电体上并使压力室收缩，从喷嘴喷出墨。在电位下降期a3，通过扩大压力室，将未喷出而残余的墨吸入喷嘴内。
特别地，在电位维持期a6，喷墨的电位维持期a2和反向极性的电压(-V1)附加在压电体上。通过在驱动波形中设置附加如该电位维持期a6这样的电压的反向电位期，可以最大限度地发挥压电体的特性。为了更有效地发挥压电体的特性，最好是每喷墨1次，就设置一次如电位维持期a6这样的附加电压的反向电位期。
在电位维持期a2，压电体上的电场强度设定为在1.5×107[V/m]以上。例如电位维持期a2的附加电压设定为20～30[V]左右的具有较高绝对值的值。在这种场合，压电体薄膜厚度为1μm时，电位维持期a2的压电体的电场强度为2×107～3×107[V/m]，为本实施例的压电体的矫顽电场为2×106的10倍左右。
与第1实施例相同，为了有效地发挥压电体的特性，含有电位维持期a6的反向电位期的电位(-V1)最好是这样的电位，即压电体的电场强度的绝对值不超过压电体的矫顽电场。另外，含有电位维持期a6的反向电位期的电位(-V1)的绝对值，最好在电位维持期a2这样的高电位期的电位绝对值的最大值以下。例如，如果压电体的膜厚为1μm，电位维持期a6的电位(-V1)＝-2V，那么，压电体的电场强度的绝对值为2×106[V/m]。
在进行压力室的收缩动作的电位上升期a1，电位从与电位维持期a6相连的负电位上升，在电位维持期a2达到最高电位。
图10(B)示出的驱动波形，除了与上述a1～a6相同的部分以外，还包括电位上升期a7、电位维持期a8、电位下降期a9、电位维持期a10。就电位上升期a7、电位维持期a8、电位下降期a9而言，目的是在所述电位上升期a1及电位维持期a2进行用于喷墨的弯液面控制，喷墨之前，通过在弯液面上附加所希望的振动可以有效地提高喷出特性。
电位维持期a6的电压(-V2)与图10(A)的波形相同，压电体的电场强度的绝对值最好是不超过矫顽电场的值，而且最好是这样的电压，即喷墨时的电场的最高值以下的电压。
<9.第4实施例及第5实施例>
在上述第1～第3实施例中，对于在反向电位期的压电体上的电场强度不超过矫顽电场时的优点进行了说明，但也可以在矫顽电场以上。在此，在图10(A)或图10(B)的驱动波形中，将反向电位期中的电位维持期a6的电位(-V1或-V2)设为压电体的电场强度的绝对值比压电体的矫顽电场大的部分，分别构成第4实施例及第5实施例。在这种场合，电位维持期a6的电位(-V1或-V2)的绝对值最好是在电位维持期a2的电位绝对值以下。例如，如果压电体的膜厚为1μm，电位维持期a6的电位(-V1)＝-5V，那么，压电体的电场强度的绝对值为5×106[V/m]。
这样，通过设定为表示在电位维持期a6超过矫顽电场的电场强度的电位，在驱动波形中，即在除停止打印的时间之外，可以消除残存在压电膜体中的极化作用。压电体被薄膜化时，具有较快地降低残存的极化作用的倾向，因此，即使进行如特开平9-141866号公报那样的极化处理，在其后一段时间不进行驱动时，则极化作用就会降低。在这种场合，虽然在有驱动磁滞效应的元件及无驱动磁滞效应的元件之间极化作用产生差异，反而在元件之间产生了偏差。本实施例中，由于在驱动波形中附加与喷出电压极性相反的电压，因此，即使在长时间连续进行打印动作时，也可以有效地抑制压电体元件的变位偏差。
另外，特别地，在对使用了压电体薄膜的液体喷出头进行驱动的场合，压电体薄膜的变形较大，为0.3％以上。因此，由于基板的弹性恢复力不足，故在压电体薄膜上容易产生残余变形。因此，消除残存的极化作用非常有效。
<10.第6实施例及第7实施例>
在图11中，示出了作为第4实施例的变形例的第6实施例及第7实施例的驱动波形。在图12中，示出了使用这些驱动波形对压电体薄膜进行驱动的场合的变位推移。图11中示出的二种驱动波形，在反向电位期附加的电压的最小值同样都达到-5V，但附加该-5V电压的时间不同。实线表示的波形(W6)与第6实施例相关，附加-5V电压的时间设定为2μ秒。另外，虚线表示的波形(W7)与第7实施例相关，附加-5V电压的时间设定为0.13μ秒。
在压电体薄膜的矫顽电场为2×106[V/m]、膜厚为1.5μm的场合，在压电体薄膜上附加低于-3V的电压后，就会使压电体薄膜内的电场强度超过矫顽电场。电场强度超过矫顽电场的时间，即对波形(W6)附加低于-3V的电压的时间约为3μ秒，对波形(W7)附加低于-3V的电压的时间约为1.5μ秒。
图12的曲线(C6)示出了对图11的波形(W6)进行附加时的变位的推移。变位的最大值与最小值之差是344nm。如该曲线(C6)所示，在反向电位期一旦超过矫顽电场，变形方向就会反转。即，附加电压下降时，达到矫顽电场之前，变位下降，但达到矫顽电场后，即使附加电压下降，变位仍然上升。由此显示了通过超过矫顽电场可以使极化作用反向。压电体薄膜的变形方向一旦如曲线(C6)所示地反向，对液体喷出头进行驱动时就会导致弯液面的运动不稳定，变得难以正确地喷出液滴。
另外，图12的曲线(C7)示出了对图11的波形(W7)进行附加时变位的推移。在反向电位期超过矫顽电场的时间为2μ秒以下时，可以看到，反向变位期的变形方向不反向。另外，变位的最大值与最小值之差是359nm。由此可知，与曲线(C6)的场合相比，变位量增大。
图13是测定使用上述驱动波形驱动液体喷出头时振动板的变位速度的推移的图。在第7实施例中从反向电位期至高电位期的压力室收缩动作时的振动板的变位速度(D7)，最大上升到1m/sec附近，相对于此，第6实施例的收缩动作时的振动板的变位速度(D6)最大为0.5m/sec，只是第7实施例的一半。由此可知，使用第7实施例的驱动波形，可以提高振动板的变位速度。
如上所述，在第7实施例的驱动方法中，通过使附加电压变化到一绝对值较高的电位，即，高于反向电位期在压电体膜层41上矫顽电场产生的电位，以使压力室21膨胀。然后，压力室21伴随着矫顽电场开始收缩，之后，不反向膨胀期间移至高电位期，使压力室进一步收缩以喷出液体。这样，可以提高振动板30的变位量及变位速度。即，在本发明的驱动方法中，由于作为喷墨时的变位，而作用由矫顽电场引起的振动板30的变位，因此，可以确实地提高使压力室21收缩时振动板30的变位量及变位速度。
另外，在本实施例中，将反向变位期超过矫顽电场的期间设定为小于2μ秒，就可以作用矫顽电场引起的振动板30的变位量以构成喷墨时的变位。另外，将压力室21开始收缩到收缩结束的期间设为小于2μ，可以使反向电位期从开始收缩的高电位期到收缩结束的移位变得较平稳，有效地提高了振动板35的变位量。因此，具有能加快喷墨速度的优点。
<11.第8实施例及第9实施例>
图14是表示本发明第8实施例的驱动信号及压电元件变位的一例的图。
在第8实施例中附加于压电体元件40的基本驱动信号(COM)，如图14(a)所示，具有高电位期60和反向电位期70。通过根据打印数据将高电位期60的电压输出到压电体元件40可以使墨滴喷出，其后，再将反向电位期70的电压输出到压电体元件40上。在本实施例中，每一高电位期60与反向电位期70交替地输出。
这里，本实施例的喷墨式记录头1，是所谓的“拉打”式的。高电位期60包括：由维持中间电位VM的状态下降到电位VL、使压力室21膨胀的第1膨胀工序61；将最低电位VL维持一定时间的第1保持工序62；通过从最低电位VL上升到最高电位VH以使压力室21收缩喷出墨滴的收缩工序63；将最高电位VH维持一定时间的第2保持工序64；从最高电位VH下降到中间电位VM的第2膨胀工序65。
反向电位期70包括：将电位由中间电位VM下降到零以下的规定电位VR的下降工序71；将规定电位VR维持一定时间的保持工序72；由规定电位VR上升到中间电位VM的上升工序73。
通过上述的高电位期60驱动压电体元件40时，如图14(b)所示，通过使压电体元件40在第1膨胀工序61由中间变位DM变形为最小变位DL，将喷嘴11内的弯液面吸引到压力室21一侧。接着，通过第1保持工序62实现收缩工序63，并通过使压电体元件40变形到最大变位DH来喷出墨滴。即，收缩工序63在通过由第1膨胀工序61引起的振动将弯液面压向喷嘴11一侧的时机进行。这样，由第1膨胀工序61引起的弯液面的振动以及由收缩工序63引起的弯液面的振动重合，从而墨滴以较高的速度由喷嘴11喷出。然后通过第2膨胀工序65使压电体元件40复原。
这里，在第2膨胀工序65，通过从最高电位VH下降到中间电位VM，如图中虚线所示，将压电体元件40的变位从最高变位DH返回到中间变位DM。但是，实际上压电体元件40的变形不会返回到中间变位DM，压电体元件40的变位被维持在中间变位DM’。
因此，本实施例中，在高电位期60之后，经反向电位期70并返回到中间电位VM，这样使压电体元件40的变位返回到规定的中间变位DM。
即，喷出墨滴后，通过反向电位期70的下降工序71使电位变为零以下，例如，下降到-5(V)以下时，压电体元件40的变位一度变化到中间变位DM的下侧。此后，通过保持工序72在上升工序73使电位返回到中间电位VM时，压电体元件40的变位也返回到中间变位DM。由此，可使其后的由高电位期60引起的压电体元件40的变位量稳定，喷出所需要的尺寸的墨滴。
在此，构成该反向电位期70的下降工序71能够使电位降到零以下即可，其倾斜度没有特别的限定，上升工序73的倾斜度最好控制在不对弯液面的振动构成影响的较小的程度。就本实施例的喷墨式记录头1而言，通过上升工序73驱动压电体元件40时，压力室21收缩，在弯液面上产生沿喷墨方向的振动，因此上升工序73的倾斜度较大时有可能会出现错误喷出墨滴的问题。
另外，当上升工序73的倾斜度过小时，肯定会延长墨滴喷出间隔，不能进行高速驱动，因此，上升工序73的倾斜度最好控制在不对弯液面的振动构成影响的程度。
因此，在本实施例中，将反向电位期70设置在各高电位期60之间，这样，当高电位期60的电压被输出到压电体元件40上时，压电体元件40的变位一直被维持在中间变位DM。从而切实地提高了由各高电位期60引起的压电体元件40的变位量。另外，即使降低高电位期60的最高电位VH，也可以维持现存的变位量并提高耐久性。并且，为了稳定由各高电位期60引起的压电体元件40的变位量，即使在以较高速度进行驱动的场合也能够一直以所需要的点径进行打印。
此外，在本实施例中，由高电位期60喷出墨滴后，隔开规定间隔输出反向电位期70的电压，但并不限于此。例如，如图15表示的第9实施例的驱动波形所示，也可以在高电位期60的电压输出后马上输出反向电位期70的电压，使电位在由高电位期的最高电位至反向电位期的电位之间连续地变化。无论怎样，通过使电位一旦降到零以下，就可以确实地使压电体元件40的变形返回到规定的中间电位。如果缩小高电位期60与反向电位期70之间的间隔，就能够以较高的速度进行打印。
另外，在第8实施例及第9实施例中，通过减小反向电位期70的上升工序73的倾斜度，可以防止由反向电位期70的最低电位VR返回到中间电位VM时墨滴的错误喷出，防止墨滴的错误喷出的方法并不限于此。例如，与弯液面的振动周期重合地实施上升工序73，也可以防止墨滴的错误喷出。即，反向电位期70的下降工序71产生的弯液面的振动，在缩入压力室21一侧期间，实施上升工序73。这样，由上升工序73产生的弯液面的振动与由下降工序71产生的弯液面的振动相互抵消，从而可以防止墨滴的错误喷出。
这样，即使反向电位期70的上升工序73的倾斜度比较大，也可以防止墨滴的错误喷出，因此，能够实现高速驱动。
<12.第10实施例>
图16是表示本发明第10实施例的驱动信号及压电元件的变位的一例的图。
在本实施例中，如图16(a)所示，表示了通过在各高电位期60之间选择性地输出反向电位期70的电压，喷出差别较大的二种墨滴的实例。
即，不通过反向电位期70而连续地输出高电位期60的电压时，经过高电位期60后的压电体元件40的变位，如图16(b)所示，为中间变位DM’。因此，其后的高电位期60的收缩工序63引起的实际的压电体元件40的变位量d1变成小于经过中间变位DM时的变位量d2，喷出的墨滴的尺寸也比经过中间变位DM时的尺寸(正常点径)要小。
但是，该各高电位期60之后的中间变位DM’为大致恒定的变位。即，在连续地将高电位期60的电压输出到压电体元件40的场合，喷出的墨滴的尺寸小于正常点径，但各墨滴的尺寸大致恒定。
另外，在高电位期60之间输出反向电位期70的电压时，由其后的高电位期60的收缩工序63引起的压电体元件40的实际变位量d3，与经过中间变位DM的场合的变位量d2大致相同，因此喷出正常点径的墨滴。
因此，通过选择性地输出反向电位期70，可以很容易地喷出尺寸不同的二种墨滴。
例如，在压电体元件40上输出高电位期60与反向电位期70，可以喷出正常点径的墨滴。然而，不通过反向电位期70而连续地输出高电位期60，可以喷出较小点径的墨滴。
这样，仅通过控制驱动信号就可以进行点径的等级控制，从而能较容易地实现高品质的打印。
本发明的液体喷出头的驱动方法及液体喷出装置，除了用于喷墨记录装置的喷墨喷头以外，也可以用于喷出各种液体的喷头，例如喷出制造液晶显示器等的滤色器用的含有彩色材料的液体的喷头，喷出形成有机EL显示器及FED(面发光显示器)等的电极用的含电极材料的液体的喷头，喷出用于制造仿生物功能集成电路片的含有生物有机物的液体的喷头，等等。
工业实用性
根据本发明的液体喷出装置及驱动方法，可以提供一种能够获得良好特性，且能够扩大材料选择的范围的液体喷出装置及驱动方法。

Claims (18)

1.一种液体喷出装置，该装置是通过对压电体附加电压使压力室收缩以喷出液体的液体喷出装置，其中，相对于所述压电体在液体喷出动作时附加的驱动波形包含：高电位期，在该高电位期附加表示超过所述压电体的矫顽电场的电场强度的电压；反向电位期，在该反向电位期附加与所述高电位期的电位极性相反或电位为零的电压，在所述反向电位期附加的电压是表示所述压电体的矫顽电场以上的电场强度的电压，在所述反向电位期中附加表示所述矫顽电场以上的电场强度的电压的时间是在反向电位期中变形方向也不会反转的时间。
2.如权利要求1所述的液体喷出装置，其中，在所述反向电位期附加的电压，是表示不超过所述压电体的矫顽电场的电场强度的电压。
3.如权利要求1所述的液体喷出装置，其中，在所述反向电位期附加的电压，是表示超过所述压电体矫顽电场的电场强度的电压。
4.如权利要求3所述的液体喷出装置，其中，在所述反向电位期附加的电压是消除残存于所述压电体的极化作用的电压。
5.如权利要求3所述的液体喷出装置，其中，在所述反向电位期所述压力室膨胀后，在所述压力室的收缩开始后，所述压力室不再度膨胀期间在所述高电位期使所述压力室进一步收缩以使所述液体喷出。
6.如权利要求3所述的液体喷出装置，其中，在所述反向电位期附加表示所述矫顽电场以上的电场强度的电压的时间是2μ秒以下。
7如权利要求3所述的液体喷出装置，其中，从所述反向电位期附加的电压的绝对值从最大值开始下降开始，直到所述高电位期附加的电压的绝对值为最大的时间，为2μ秒以下。
8.如权利要求1-7中的任一项所述的液体喷出装置，其中，在所述反向电位期附加的电压的绝对值，在所述高电位期的最大电压的绝对值以下。
9.如权利要求1-7中的任一项所述的液体喷出装置，其中，在压电体薄膜上附加电压。
10.如权利要求1-7中的任一项所述的液体喷出装置，其中，在所述高电位期，附加表示1.5×107[V/m]以上的电场强度的电压。
11.如权利要求1-7中的任一项所述的液体喷出装置，其中，以20kHz以上的频率附加电压。
12.如权利要求1-7中的任一项所述的液体喷出装置，其中，所述驱动波形为每一所述高电位期设置一所述反向电位期。
13.如权利要求1-7中的任一项所述的液体喷出装置，其中，在所述液体喷出动作时附加的驱动波形中，在所述压力室收缩动作时对应的部分，包含所述高电位期的至少一部分，以及所述反向电位期的至少一部分。
14.如权利要求1-7中的任一项所述的液体喷出装置，其中，基于所述液体喷出头的喷出液体时的压电体变形在0.3％以上。
15.如权利要求1所述的液体喷出装置，其中，所述驱动波形这样地构成，即，通过电位从所规定的中间电位至所述高电位期的最高电位的变化，使压力室收缩、喷出液体，经过所述反向电位期返回到所述规定的中间电位，同时，从所述反向电位期至所述规定的中间电位的电位变化，呈不会使液体喷出的倾斜度。
16.如权利要求1或15所述的液体喷出装置，其中，使电位从所述高电位期的最高电位到所述反向电位期的电位连续地变化。
17.如权利要求1所述的液体喷出装置，其中，所述高电位期的电压每附加一次，可以选择性地附加所述反向电位期的电压。
18一种驱动方法，该方法是通过对压电体附加电压使压力室收缩以喷出液体的液体喷出头的驱动方法，其中，相对于所述压电体在打印动作时附加的驱动波形包含：高电位期，在该高电位期附加表示超过所述压电体的矫顽电场的电场强度的电压；反向电位期，在该反向电位期附加与所述高电位期的电位极性相反或电位为零的电压，在所述反向电位期附加的电压是表示所述压电体的矫顽电场以上的电场强度的电压，在所述反向电位期中附加表示所述矫顽电场以上的电场强度的电压的时间是在反向电位期中变形方向也不会反转的时间。
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