CN1345272A

CN1345272A - 驱动喷墨记录头的方法和喷墨记录装置

Info

Publication number: CN1345272A
Application number: CN00805572A
Authority: CN
Inventors: 奥田真一; 荒木雅俊
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 1999-01-28
Filing date: 2000-01-26
Publication date: 2002-04-17
Also published as: EP1155863B1; EP1155863A4; EP1155863A1; JP2000218778A; DE60035963D1; WO2000044564A1; JP3427923B2; DE60035963T2; US6705696B1

Abstract

一种驱动喷墨记录头的方法,设计为通过对喷墨记录头的压电致动器施加一驱动电压在压力室中产生压力波,使与填充有墨水的压力室沟通的墨水喷嘴(62)喷射墨水微滴(67)。驱动电压波形具有用于收缩压力室(61)体积的电压上升部分(11)和用于膨胀压力室体积的电压下降部分(12)。电压上升部分(11)的上升时间t1和电压下降部分(12)的电压下降时间t2被设定为小于压电致动器的固有振动周期Ta。可以产生具有较小直径的墨水微滴,从而改进打印精密度。

Description

驱动喷墨记录头的方法和喷墨记录装置

技术领域

本发明涉及一种驱动喷墨记录头的方法和喷墨记录装置，具体地说，涉及一种驱动喷墨记录头的驱动技术，用于通过从喷墨记录器中的墨水喷嘴喷出的微小墨滴记录字符和图像。

背景技术

作为常规喷墨记录系统，已知有液滴需求型喷墨系统，使用机电换能器比如压电致动器，从而使得在装有液体墨水的压力室中将会产生压力波(声波)，以使该压力波从与该压力室连接的喷嘴中喷射墨水微滴。在日本的专利出版物昭53-12138中公布有使用液滴需求型喷墨系统的喷墨记录方法。这种类型的喷墨记录头结构的一个例子在图22中示出。

参照图22，一个压力室61连接用于喷出墨水的喷嘴62和用于通过墨水室63从墨水容器(未示出)中引导墨水的墨水供应路径64。在压力室的底表面上安装一振动片65。

当要喷射墨水微滴时，安装在压力室61外侧的压电致动器66工作，以移动振动片65，从而压力室61内的容积改变，印刷在其中产生压力波。这个压力波引起压力室61中的部分墨水将通过喷嘴62喷射，作为飞出的墨水微滴67。飞行的墨水微滴落在例如记录纸这样的记录媒体上，并且在那上面形成记录点。根据图象数据重复这样形成的记录点，从而在记录纸上记录字符或图像。

为了以这类喷墨记录头实现高质量的图象，必须使喷射出的墨水微滴的直径(小滴直径)最小化。更明确的说，为了获得具有小的颗粒性的平滑图像，必须使记录纸上形成的记录点(像素)做到尽可能的小。由于这个原因，喷射的墨水微滴的直径必须在尺寸上最小化。通常，随着点的直径变成40微米或更小，图像的颗粒性大大地降低。当点的直径变成30微米或更小时，即使在图像的突出部分也很难从在视觉上识别个体的点，使图象质量大大地改善。

墨水微滴直径和点的直径间的关系取决于墨水微滴的飞行速度(小滴速度)、墨水的物理属性(粘滞性，表面张力)、记录纸的类型等。一般说来，点的直径是墨水微滴直径尺寸的大约两倍。因此，为了获得30微米或更小的点直径，墨水微滴直径必须设定为15微米或更小。在本说明书中，墨水微滴的直径(小滴直径)是指替代在单次喷出动作中喷射出的墨水(包括附属物)的总量的球状小滴的直径。

使墨滴直径最小化的最有效方法是减小喷嘴直径。然而，事实上喷嘴直径不能降低到不足大约25微米，这在制造中产生技术困难，而且事实是随着喷嘴直径降低，会促使喷嘴被阻塞。因此，单纯通过减小喷嘴直径，是不可能获得15微米量级的墨水直径的。为了解决这个问题，公知的是利用所用驱动方法的方式减小喷射出的墨水微滴的小滴直径，而且提出了一些有效的方法。

作为一个这样的例子，日本的专利的出版物昭55-17589透露了一种弯液面控制技术，以致在喷嘴孔的墨水弯液面被引向压力室时，在其喷出之前的瞬间，一旦压力室膨胀，于是墨水微滴喷射出。图23示出了用于驱动使用这项技术的压电致动器的驱动波形的例子。在本说明书中，在驱动电压和压电致动器操作之间的相互关系是致使驱动电压增加，压力室的容积减小，反过来，随着驱动电压减小，压力室的容积增加。通常，基于压电致动器的结构和压电元件的极化方向，极性经常颠倒。

参照图23所示驱动波形，从V1到零伏(特)的电压降(71)使压力室的容积膨胀。后来的从0伏到V2的电压上升(72)压缩压力室的容积，从而喷射墨水微滴。每一下降时间t1和上升时间t2的间隔通常是在2-10微秒的量级，它比传统的压电致动器的固有的周期Ta更长。

图25(a)到(d)举例说明了基于图23的驱动波形的运用，在喷嘴孔处墨水弯液面的运动。在初始状态墨水弯液面具有平的上位部分(图25(a))。随着在喷出之前瞬间压力室膨胀，墨水弯液面的顶部呈现凹状，如图25(b)所示。当有这样的一凹形的墨水弯液面时，随着压缩室由电压上升71压缩，在墨水弯液面的中央形成一个细的液体柱，如图25(c)所示。紧接着，随着液体柱的顶端被分开，形成墨水微滴84(图25(d))。墨水微滴直径大体上等于如此形成的液体柱的厚度，并且比喷嘴直径小。因此利用这样的驱动方法，能够喷射具有比喷嘴直径更小的直径的墨水微滴。

如上面描述的，弯液面控制系统允许具有比喷嘴直径更小的墨水微滴喷出。然而，当利用图23所示这样的驱动波形时，实际上获得的小滴的最小的直径是大约25微米，它仍然不能满足更高的图象质量的需要。

图24示出作为允许更小液滴喷出的驱动方式的另一驱动波形。在图24所示波形中，下降电压73在墨滴喷出前的瞬间吸引墨水弯液面。后来的上升电压74压缩压力室的容积，从而导致将要形成液体柱。在初期，下降电压75从液体柱的顶端分离一滴液滴。上升电压76抑制在墨滴喷出之后剩余的压力波的反射。换言之，图24的驱动波形是基于常规的弯液面控制系统，其中压力波控制结合墨水微滴的早期的分离和反射的抑制。这个装置允许直径20微米量级的墨水液滴以稳定的方式喷出。

然而，即使通过使用这种改进的驱动波形，仍然难于喷射具有20微米或更小的墨水直径的墨水微滴，尤其是15微米或更小的墨水直径是不可能的。因此，过去还没有任何驱动方法能实现因图象质量原因所需的15微米或更小的墨水直径。对于这一点来讲，最大的一个原因是在常规的喷墨记录头中，墨水微滴喷出是通过取决于压力室的声能的压力波实现的。这个原因将在下面详细地解释。

图26示出了通过激光多普勒测量得到的墨水弯液面中观察的速度变化结果(粒子速度变化)，该变化是当把图24的驱动波形加到压电致动器时产生的。如图所示，由于在压力室中产生压力波造成墨水弯液面振动。在图26的例子中，压力波的固有的周期Tc是13微秒，在驱动波形的分别的节点产生的压力波重叠，结果造成在墨水弯液面中的复速度变化。

可以将喷射的墨水微滴的体积考虑为大体上与由图26的压力波的初始正半周定义的阴影面积和喷嘴孔的面积的乘积成正比例。即在假定墨水以正的速度(从喷嘴向外的方向的速度)从喷嘴喷出并且作为墨水微滴飞行的情况下，估算的小滴直径(滴体积)与实际上测量的小滴直径(滴体积)很好地一致。虽然在使用弯液面控制系统时，形成比喷嘴直径细的液体柱，因此有效喷嘴孔面积减小，墨水微滴体积大体上与图26的阴影面积成正比例的关系仍然是有效的。因此，为了降低小滴直径(滴体积)，重要的是减小上述阴影部分的面积。

大致有两种方法用于减小阴影部分面积。一种方法是将粒子速度的范围设定得较小，如图27所示。另外一种方法是将粒子速度的周期设定得较短，如图28所示。将粒子速度的幅值设定得较小的前一种方法在实际应用中是难于实现的。这是因为滴速度大体上与阴影部分的平均粒子速度成正比，因此如果将粒子速度的幅值设定得较小，墨水微滴的飞行速度(滴速度)明显地下降，这在图像记录中造成一个问题。

因此，为了实现微小的滴喷出，必须将压力波的固有周期设定的非常小，正如图28所示。更明确的说，为了以6米/秒(m/s)的滴速度喷射具有15微米的小滴直径的墨水微滴，必须将压力波的固有周期设定在3到5微米的量级。

然而，在常规的喷墨记录头中，很难将压力波的固有周期设定在这样小的值。这是因为要获得3到5微米量级的固有周期，必须将压力室的容积设定得非常小，并且这时还须使形成压力室的墙壁的刚性很高，如稍后将要描述的。然而，在压力室是由堆叠和粘合打孔板材料构成的常规记录头制造方法中，那些限度是难于实现的。

即使上述条件被满足，也无法避免所限定的墨水微滴喷出频率的下降。特别是，在必须将压力室的容积设定得较小以缩短压力波的固有周期的同时，为了压电致动器位移的应用，必须为调节器部分保证确定的区域，它必定导致具有平面形状的压力室。结果，压力室的流动路径阻力明显地增加，它反过来加长了再注满时间(用于在喷出之后返回墨水弯液面的时间)，从而使得难于以高频率重复喷出。

正如上面说明的，常规的喷墨记录头具有不能用明显改善图象质量所需要的小滴直径喷射墨水微滴的缺点，即不能用具有15微米量级的液滴直径的微小的墨滴。

发明内容

本发明的目的是提供一种驱动喷墨记录头的方法，它能够用15微米或更小的小滴直径喷射墨水微滴，而不会影响在高频率区域的喷出特性和不需要专门的记录头制造技术，以及提供使用这样的驱动方法的一种喷墨记录装置。

本发明的另一目的是当通过以多层次调节喷射墨水微滴的小滴直径进行灰度记录时，通过保证在较宽的范围内调节小滴的直径，使得能够进行高品质的和高速的记录。

为了实现那些目的，本发明针对一种驱动喷墨记录头的方法，该喷墨记录头具有填充有液体墨水的压力室，所述压缩室包括用于提供液体墨水的墨水供应端口和用于以至少一滴墨水微滴的形式喷射所述墨水的墨水喷嘴；以及机电换能器，其设置为通过施加驱动电压致使在压力室中产生压力波，以便通过所述墨水喷嘴喷射墨水微滴，所述换能器具有固有的振动周期Ta，所述方法的特征在于：

所述驱动电压具有第一驱动电压波形，所述第一驱动电压波形依序包括具有对于收缩所述压力室的容积的第一时间长度t1的第一波形部分和具有对于膨胀所述压力室的容积的第二时间长度t2的第二波形部分，所述第一和第二时间长度T1和T2被设定为等于或长于所述机电换能器的固有的振动周期Ta。

本发明的喷墨记录装置包括：包括压力室的喷墨记录头，压力室具有用于提供液体墨水的墨水供应端口和用于以至少一个墨水微滴喷射所述墨水的墨水喷嘴，压力室填充有液体墨水；以及机电换能器，其被设置成通过施加驱动电压在压力室中产生压力波，以致从墨水喷嘴中喷射出墨水微滴，换能器具有固有的振动周期Ta；以及

驱动波形产生电路，其用于为要施加到机电换能器的驱动电压产生一个或多个驱动波形，其中：

驱动波形包括具有对于压力室的容积压缩的第一时间长度和具有对于压力室容积膨胀的第二时间长度，第一和第二时间长度被设定为等于或长于机电换能器的固有的振动周期Ta。

根据本发明的驱动喷墨记录头的方法和喷墨记录装置，机电换能器元件是通过具有比机电换能器的固有的振动周期短的上升时间和下降时间的驱动波形起动的，从而能够从墨水喷嘴喷射出具有15微米或更小直径的微小的墨水微滴。

附图的简短描述

图1是根据本发明原理的喷墨记录头的等效电路图。

图2示出图1的一部分等效电路。

图3示出图1的另一部分等效电路。

图4示出图1的另一部分等效电路。

图5是表示本发明所用的具有电压上升部分的驱动电压的驱动波形的曲线图。

图6是表示本发明所用的具有电压上升部分和电压下降部分的驱动电压的驱动波形的曲线图。

图7是表示本发明所用的具有电压上升部分和电压下降部分的驱动电压的驱动波形的另一曲线图。

图8是表示在图5的驱动波形具有比压力室的固有周期大的上升时间的情况下，在喷嘴部分相对于时间的滴速度的曲线图。

图9是表示在图5的驱动波形具有比压力室的固有的周期小的上升时间的情况下，在喷嘴部分相对于时间的滴速度的曲线图。

图10是表示在图6驱动波形的情况下在喷嘴部分相对于时间的滴速度的曲线图。

图11是表示在图7驱动波形的情况下在喷嘴部分相对于时间的滴速度的曲线图。

图12是用于压电致动器的驱动电路结构的方块图。

图13是用于压电致动器的驱动电路的另一结构的方块图。

图14是拟用于驱动根据本发明实施例的喷墨记录头方法中的驱动波形的示例性曲线图。

图15是表示按图6的驱动波形起动的在喷嘴部分相对于时间的滴速度的曲线图。

图16是表示压力上升时间和小滴直径之间关系的曲线图。

图17是拟用于驱动根据本发明实施例的喷墨记录头的方法中的驱动波形的另一示例性曲线图。

图18是表示在图17的驱动电压情况下滴速度相对于时间的曲线图。

图19是表示拟用在驱动本发明另一实施例中喷墨记录头的方法中的驱动波形的曲线图，用以根据本发明的另一实施例产生小的墨水微滴。

图20是表示拟用在驱动本发明另一实施例中喷墨记录头的方法中的另一驱动波形的曲线图，用以根据本发明的另一实施例产生中等尺寸的墨水微滴。

图21是表示拟用在驱动本发明另一实施例中喷墨记录头的方法中的驱动波形的示图，用以根据本发明另一实施例产生大的墨水微滴。

本发明的优选实施例

在描述本发明的优选实施例之前，将通过参照一个集总常数电路模型，根据喷墨记录头的理论分析结果描述本发明的原理。

图1示出用等效电路替代的一般的喷墨记录头的电路图。

在图中，参考符号m表示声质量[kg/m⁴]，参考符号r表示声阻[Ns/m⁵]，参考符号c表示声容[m⁵/N]，参考符号u表示体积速度[m³/s]，参考符号φ表示压力[Pa]。附标[0]，[1]，[2]，和[3]分别表示致动器部分，压力室，墨水供应路径和喷嘴。

在常规的喷墨记录头中，当使用以纵向振动方式工作的压电致动器时，图1的电路可以考虑为包括图2-4所示的三个电路。图2示出了与具有压电致动器和振动片的致动器有关的电路。它的固有周期Ta可由下面的方程式表示：

Ta = 2 π \sqrt{m_{0} c_{0}}

。

图2电路的固有周期Ta可以被当做具有一个固定端和一个纵向振动的自由端的棒的固有周期，并且可以由下面的公式大致地确定：

Ta = 4 L \sqrt{\frac{ρ_{P}}{E_{P}}}

其中L是压电致动器的长度，ρ_P和E_P分别是压电致动器材料的密度和弹性系数。在常规的喷墨记录头中Ta是在1-5微秒的量级。

图3的部分电路包括参照压力室的声容c1的压力室。在压力室内部由固有振动产生的压力波是由图3的电路限定的。即，在常规的喷墨记录头中，墨水微滴的喷出是由这个电路限定的压力波实现的。图3的电路的固有周期Tc是由下面的方程式表示的：

Tc = 2 π \sqrt{\frac{m_{2} m_{3}}{m_{2} + m_{3}} \cdot c 1 .}

在常规的喷墨记录头中，Tc是10-20微秒的量级。压力室的声容c1是由下面的方程式表示的：

c 1 = \frac{W_{1}}{k \cdot K_{1}}

其中W1[m3]是压力室的容积，K[Pa]是墨水伸缩性的体积系数，K1是取决于压力室壁刚性的常数。因此，为了减小固有周期Tc，理想的是将压力室的容积W1设定得较小，而压力室壁的刚性设定得较高(设定K1较大)。

图4的电路是由声容c3与墨水弯液面的表面张力决定的电路，并与再注满特性有关。图4的电路的固有周期Tc是下面的方程式表示：

Tm = \sqrt{(m_{2} + m_{3}) \cdot c_{3} .}

在常规的喷墨记录头中，Tc是20-50微秒的量级。

在图2-4的电路中，本发明利用图2和3的电路特性。特别是，在常规的喷墨记录头利用图3的电路属性用于墨水微滴的喷出时，本发明使用致动器部分(压电致动器)本身的固有的振动用于墨水微滴的喷出。

图5示出在图22所示与驱动电压成比例的压力室内部压力φ(压力波)的一例子。图8和9每幅图示出与图5的压力波有关联的在喷嘴孔处的滴速度V3(粒子速度)。粒子速度V3等于体积速度u3被喷嘴孔的面积除的商。

图8示出当压力φ的上升时间t1被设定得比电路固有周期Ta大时，在驱动常规的喷墨记录头的方法中所用喷墨记录头中的粒子速度。粒子速度V3以固有周期Tc振动。因此，在常规的喷墨记录头中，粒子速度V3只由图3的电路限定。

图9示出根据本发明的原理，当压力φ的上升时间t1被设定得等于或小于致动器的固有周期Ta时，喷墨记录头的粒子速度V3。在这种情况下，图2致动器部分的固有振动被激发，结果，粒子速度V3的振动和与固有周期Ta的振动重叠的固有周期Tc的振动一致。换言之，通过将压力的上升时间设定为等于或小于固有周期Ta，墨水弯液面能以压电致动器本身的固有周期振动。

参照图6，其中示出了在压力室中产生的压力波是梯形的情况。在该图中，上升时间t1和下降时间t2都被设定为等于或小于电路的固有周期Ta，电压上升的起始时间和电压下降的起始时间之间的时间差t3被设定成使得Ta/2≤t3≤Ta。随着在压力室中产生图6的压力波，墨水弯液面的粒子速度V3如图10所示的变化。在这种情况下，压电致动器按图6的电压上升部分141A急剧地延长，并因其自己的固有振动，按与被延长的压电致动器的收缩时间同步的方式加给电压下降142A，用于收缩压电致动器。结果，压电致动器急剧地收缩，而粒子速度V3非常快地返回图10中V3＝0的位置。因此，对应于粒子振动的最初的正半周的阴影部分的区域变得小于图9的阴影部分，所以可以获得对小滴喷出的有利条件。

当压力φ构成图6所示的梯形时，图10的粒子速度的初始正半周将包含多个波峰如图10所示。在这种情况下，阴影部分的面积可以增加，那就是说墨水微滴的直径可以增加，同时导致伴随的墨水微滴的生成，而且这时可能导致不稳定的喷出。

为避免这样的一种情况，较好的是具有如图7中所示的这样的一种压力φ变化。通过设定压力下降142B的量大于压力上升141B的量，使图7的压力波的阴影部分由单个最大的点形成，正如图11所示。单个最大点允许阴影部分的面积减少，从而允许稳定的墨水喷出。

如上面说明的，通过将驱动波形的上升/下降时间设置为等于或小于压电致动器的固有的周期Ta，同时通过将上升起始时间和下降起始时间之间的时间差t3设定成致使Ta/2≤t3≤Ta，墨水弯液面振动的固有周期可以大大地缩短。这样一来，阴影部分的面积可以降低如图10和11所示，因此能够喷射比按照常规的驱动方法更小的液滴。更进一步，通过设定下降部分的电压变化量大于上升部分的电压变化量，甚至还可以喷射更小的墨水微滴。

在下面将结合优选实施例描述本发明。本发明原理被应用到具有图22的基本结构的喷墨记录头的实例中。

该喷墨记录头的样品是通过叠层和粘合由蚀刻技术等打孔的多个薄板制造的。在本实施例中，厚度50-75微米的不锈钢板通过含有热固性树脂的粘合剂层(大约20微米厚)的方式粘结在一起。它的头部具有沿垂直于图22的页面方向布置的多个压力室61。各压力室61是通过共同的墨水室63连接的。共同的墨水室63连接到墨水容器(未示出)并且起到将墨水引导到分别的压力室61的作用。

每一压力室61通过墨水供应路径64与共同的墨水室63相通，压力室61充有墨水。每个压力室61也设置有喷嘴62用于喷出墨水。

在本实施例中，喷嘴62和墨水供应路径64有完全相同的形状，具有30微米的孔径，65微米的边缘直径和75微米的长度，因此形成锥形形状。通过加压产生穿孔。

压力室61的底表面有一振动片65，通过作为机电换能器被安装在压力室61外表面上的压电致动器(压电振动器)66，可以增减压力室的体积。在本实施例中，通过电铸成形的镍薄板被用于振动片65。

压电致动器66是一叠层的压电陶瓷。用于对压力室61的位移操作的驱动柱的形状是1.1mm长(L)，1.8mm宽(W)和120微米深(沿着垂直于图22的页面的方向)。使用的压电材料具有8.0×10³kg/m³的密度ρp，和68GPa的弹性系数Ep。测得的压电致动器本身的固有周期Ta是1.6微秒。

随着压力室61的体积按照压电致动器66变化，在压力室61中产生压力波。压力波移动喷嘴部分62的墨水，因此形成墨水微滴67。在本发明中，头部的固有周期Tc是14微秒。

接下来，将参照图12和13描述用于驱动压电致动器的驱动电路的基本结构。

图12表示在喷射出的墨水微滴的直径是固定的情况下，即没有墨水直径调节的情况下，驱动电路结构的一例子。图12示出的驱动电路包括波形产生电路121，放大器电路122和开关电路(传输门电路)123，用于驱动压电致动器124。产生驱动波形信号并且进行功率放大，然后提供到压电致动器用于驱动压电致动器，致使字符和图像被打印在一张记录纸上。波形产生电路121由数-模变频器电路和积分电路构成。它模拟变换驱动波形数据然后积分该数据以便产生驱动波形信号。放大器电路122电压放大和电流放大从波形产生电路121提供的驱动波形信号，并且输出该信号作为放大的驱动波形信号。开关电路123根据从图象数据产生的信号，通过对压电致动器124施加驱动波形信号，控制墨水微滴喷出的接通-断开。

图13表示在喷射出的墨水微滴的直径被多级变换的情况下，即执行墨水直径调节的情况下，驱动电路结构的一例子。图13的驱动电路包括三种波形产生电路131、131A和131B，分别用于按三个级别(大、中和小)调节小滴直径，各自的波形是分别地由放大器电路132，132A和132B放大的。在记录过程中，要施加到压电致动器134的驱动波形是由开关电路133根据图象数据切换的，致使可以喷射出所期望的墨水微滴。

应该注意到用于驱动压电致动器的驱动电路的结构不限制为图12或13的结构，也可以使用其它结构。

图14示出图19的驱动电路产生的驱动波形的例子，用于通过使用根据本发明实施例的喷墨记录装置形成具有大约20微米直径的墨水微滴。驱动波形具有上升时间t1(0.5微秒)，它比固有周期Ta(1.6微秒)短，和用于收缩压力室的从初始电压Vb(6伏)增加到V2(20伏)的第一上升部分11。该波形还包括：第一下降部分12，它在第一上升部分的起始时间之后的t3时间起始，具有比固有周期Ta短的下降时间t2(0.5微秒)，并且从V2下降到零伏。下降部分12使压力室膨胀。此外，该波形具有第二上升部分13，它在下降部分12的结尾之后的时间t4(14微秒)起始，并且具有上升时间t5(30微秒)，用于从零伏返回到初始电压Vb。按照这种安排，T3满足Ta≤t3≤Ta。

图15示出当施加图14的驱动波形时，通过激光多普勒测量仪观察墨水弯液面运动的结果。在观察期间，为了精确地测量墨水弯液面的运动，将工作电压设定在1/15那么低，并且图15的结果表示通过测得的粒子速度乘以15的因子获得的值。

在图15中，墨水弯液面振动，其中固有周期Ta的振动与固有周期Tc的振动重叠。由于压电致动器在t3＝1微秒的时间收缩，最初的最大的点回到t＝2微秒的很靠前的点处的V3＝0的那一点。因此，最初的半周的阴影部分的面积是很小的，它有利于微小液滴的喷出。

当利用具有图14的驱动波形的样品头实际地执行喷出实验时，观察到具有21微米直径的墨水微滴是以5.5米/秒(m/s)的滴速度喷射。当如常规的驱动方法中那样，利用T1(t1)＝t2＝t3＝2微秒＞Ta的驱动波形进行实验时，可以喷射的微小液滴的最小直径是28微米。

图16示出当上升时间t1被改变时，在小滴直径方面观测的变化的结果，在此下降时间t2被设定为致使t2＝t1，以及时间t3被设定为当t1≤1微秒时致使t3＝1微秒，以及当t1＞1微秒时t3＝t1。外加电压V1和V2是相对于各自的T1被调整到致使液滴速度为6m/s。

在图16中，可以看到小滴直径在t1＝Ta附近明显地变化，在该处喷出机制有明显地变化。换言之，在t1＞Ta的区域，出现由于墨水弯液面以固有周期Tc振动造成的喷出，在t1≤Ta区域，出现由于墨水弯液面以固有的周期Ta振动造成的喷出。正如从图16中将看到的，与常规的驱动方法相比，通过使用根据本发明的驱动方法能够大大地减小小滴直径。

图17示出在上述喷墨记录头中，用于具有小滴直径15微米或更小的微小液滴的喷出的驱动波形的例子。图17的驱动波形包括先于电压上升31的用于弯液面控制的电压下降33。因此，图17的驱动波形使用了将基于压电致动器自身的固有振动的喷出机制与弯液面控制系统相结合的一种驱动方法。因此，能够用比使用图14的驱动波形的情况更小的小滴直径喷射墨水微滴。

图17的驱动波形包括第一下降部分33，其具有比固有周期Ta大而比固有周期Tc小的下降时间(t6＝3微秒)，用于从初始电压Vb(40伏)降低V3(18伏)。第一下降部分33导致比按照V1增加电压的第一电压上升31早的时间t7(4微秒)。这样的驱动波形使得它能够结合基于压电致动器自身的固有振动的驱动技术与弯液面控制技术。

明确地说，第一下降部分33具有下降时间t6(3微秒)，它大于固有周期Ta并小于固有周期Tc，使压力室膨胀。第一上升部分31具有用于收缩压力室的电压上升V1，并有比固有周期Ta更短的上升时间t1(0.5微秒)。第二下降部分32在第一上升部分31的开始之后的t3时间(1微秒)开始，具有t2(0.5微秒)下降时间，并且用使V2(36伏)变到电压零的电压变化量膨胀压力室。第二上升部分34将电压从零恢复回到初始电压Vb，并具有上升时间(30微秒)。

图18示出当施加图17的驱动波形时，通过激光多普勒测量仪观察墨水弯液面运动的结果。在观察的过程中，外加电压被设定在1/15那么低，图18的结果表示通过用因子15乘以实际测得的粒子速度获得的值。

如图18所示，当图17的驱动波形施加到压电致动器时，最初由电压下降33产生负的粒子速度，据此墨水弯液面进入压力室，导致凹入的墨水弯液面。当应用第一电压变化过程31时，V3＞0并且墨水弯液面朝喷嘴的外侧移动。由于以前的墨水弯液面是凹入的，所以在喷嘴的中心形成薄的液体柱。根据液滴喷出状态的观察结果(选通脉冲观察)，因此形成的液体柱具有大约15μm(微米)粗(大约为喷嘴直径的一半)。

在液体柱形成之后，第二上升部分32是按定时Ta/2≤t3≤Ta施加的，因此压力室快速收缩并且很短时间就返回到V3＝0。结果，图18的阴影部分的面积变得很小，结果造成了对微小液滴喷出有利的一波形。

当利用具有图17的驱动波形实施喷出实验时，观察到具有14微米直径的墨水微滴是以6米/秒(m/s)的滴速度喷射。小滴直径比使用图14的驱动波形更进一步降低的原因是组合地使用了弯液面控制技术。即，可以设定弯液面控制的使用导致了相当于喷嘴直径的降低的效果。作为比较，当如常规的驱动波形中那样，利用t1＝t2＝t3＝2微秒＞Ta的驱动波形进行实验时，可以喷射的微小液滴的最小直径是21微米。

设置致使Ta＜t6≤Tc的图17的驱动波形的目的是要实现稳定的墨水弯液面形状控制。如果该设置为致使t6≤Ta，即使在t≤t6+t7的时段也将存在固有周期Ta的振动，由于精确地控制墨水弯液面形状或不必要的喷出出现中的难点，引起这样的问题。同样地，如果设置为致使t6＞Tc，在时段t≤t6+t7粒子速度V3的变化将是复杂的，从而也难于精确地控制墨水弯液面形状。尤其是，在多个喷嘴头的情况往往存在很大的特性变化性。

因此，理想的是时间t6在范围Ta＜t6≤Tc内，在其中的时段t≤t6+t7期间，不存在固有的周期Ta的振动，因此能够以稳定的方式控制墨水弯液面形状。然而，在单个喷嘴头或可以保证喷嘴之间的高一致性的其他喷嘴头的情况下，波形可以设置为致使t6≤Ta或t6＞Tc。

图19-21示出在上述喷墨记录头中用于调节喷射的墨水微滴成为小、中和大三种尺寸的驱动波形。图19的小的滴波形在形状上与图17的驱动波形是完全相同的。图20和21所示的中的和大的滴波形分别具有设定得比电路固有周期Ta大的上升时间(t11，t12)，并且使用不包括驱动压电致动器固有振动的驱动方法。

图20的中-滴驱动波形具有第一下降部分53A，它具有用于从初始电压下降到电压下降量V3A的下降时间t61(3微秒)，因此使得墨水弯液面在喷出呈现凹入的形状。在第一保持时间t71(4微秒)之后，由具有大于固有周期Ta的上升时间t11(3微秒)的上升电压51A压缩压力室，接着是比固有周期Ta大的第二保持时间13微秒(t31-t11)。其后，通过具有下降时间t21(30微秒)的第二下降部分52A，波形返回初始电压Vb(40V)。

在图21的大-液滴驱动波形的情况下，压力室由初始电压后的电压上升51B压缩，电压上升51B具有大的上升时间t12(10微秒)，然后经由具有下降时间t22(30微秒)的电压下降52B，该电压慢慢返回初始电压，从而使压力室的体积膨胀。图21的驱动波形不包括在喷出前瞬间的墨水弯液面的拉伸。

参照图13，用于小-、中-和大-液滴的驱动波形是通过各别的波形产生电路(131，131A，131B)分别地产生的。通过根据图象数据切换要应用到压电致动器134的波形，进行灰度记录。

由于图19-21的驱动波形的使用，能够以滴速度6米/秒(m/s)喷射液滴直径14微米的小的液滴，以滴速度6.2米/秒(m/s)喷射液滴直径28微米的中-滴，以及以液滴速度7米/秒(m/s)喷射液滴直径41微米的大-滴，上述每一种情况驱动频率是10KHz。因此，能够实现比已有技术更宽的14-41微米的液滴直径调节范围，同时保持高的驱动频率。

应该注意到用于大-和中-滴的驱动波形不限制为上面实施例中所示的波形，可以使用其它波形形状。例如，在大-滴驱动波形的情况下，通过合并用于使墨水弯液面形状在喷出之前稍微凹入的电压变化处理，可以改善喷出稳定性。

在上面的实施例中，滴的直径的调节是包括大、中和小三个等级的同时，滴直径等级数可以大于或小于3，并且仍然可以实现本发明。

此外，正如上面提到的，通过使用根据本发明的压电致动器固有振动的用于喷墨记录头中微小液滴的喷出的喷出原理进行滴直径调节，并且通过使用如常规技术的受压力室的声容量c1控制的压力波用于大-直径滴的喷出，可以获得非常宽的滴-直径调节范围，从而能够同时实现高品质的记录和高速记录。

虽然本发明是用优选实施例的方式描述的，但是那些实施例不是作为对本发明的限制。例如，在上面的实施例中t1＜t3，并且第一和第二电压变化过程之间存在电压保持部分(平的部分)的同时，它也可以是t1＝t3，即驱动波形可以没有恒定电压部分。

此外，在实施例中的驱动波形不包括在墨滴喷出之后的反射的强制抑制的同时，也可以结合如图24所示的反射抑制过程。

在上面的实施例中，压电致动器自身固有周期Ta(致动器单元)被设定为1.6微秒，但是它也可以设定为其它值。然而，理想的是如果要被喷射的微小墨水微滴具有15微米量级的滴直径，则设定固有周期TA为5微秒或更短。

此外，在实施例中偏压(初始电压)Vb一直被设定为使得对压电致动器致动器的操作电压是正的同时，也可以将偏压Vb设定为其它电压，例如，0V，提供负电压到压电致动器也没有任何问题。

在那些实施例中，压电致动器包括具有压电常数d33的纵向振动方式压电致动器的同时，也可以使用其它类型的致动器，比如具有压电常数d31的纵向振动方式致动器。在那些实施例中，使用叠层类型压电致动器，但是使用单片型压电致动器也可以获得相同的优点。如果固有周期Ta可以设定的足够小，也能够使用偏转振动方式压电致动器。

在这些实施例使用如图22所示的凯塞尔型喷墨记录头的同时，本发明也可以应用在具有不同的结构的其它喷墨记录头，例如在压电致动器中设有作为压力室的槽的记录头。此外，本发明可以应用在使用除压电致动器外的其它类型的机电换能器的喷墨记录头中，比如利用静电力或磁力的致动器。

因此，根据驱动喷墨记录头的方法和使用根据本发明方法的喷墨记录器，能够喷射小滴直径在15微米量级的微滴，所以图象质量可以大大地改善。

根据本发明的的优选实施例，不用将压力室的体积(W1)设定得较小就能够喷出这样的微滴，因此能够以高驱动频率进行喷出而不会增加再注满时间。

按照本发明的更进一步的优选实施例，充分利用根据本发明压电致动器固有振动的喷出原理可被用于与使用受压力室声容(c1)决定的压力波的常规喷出原理结合，因此可以获得非常宽的滴-直径调节范围，从而能够同时提供高品质的记录和高速记录。

Claims

1.一种驱动喷墨记录头的方法，该喷墨记录头具有由液体墨水填充的压力室(61)和机电换能器(66)，所述压力室(61)包括用于提供液体墨水的墨水供应端口(64)和用于以至少一滴墨水微滴(67)的形式喷射所述墨水的墨水喷嘴(62)，机电换能器(66)设定为致使通过施加一驱动电压在所述压力室(61)中产生压力波，以便通过所述墨水喷嘴(62)喷射墨滴(67)，所述换能器(66)具有在纵向振动模式的固有振动周期，所述方法的特征在于：

所述驱动电压具有第一驱动电压波形，所述第一驱动电压波形依序包括用于收缩所述压力室(61)的体积的具有第一时间长度t1的第一波形部分(11，31，51)和用于膨胀所述压力室体积的具有第二时间长度t2的第二波形部分(12，32，52)，

所述第一和第二时间长度t1和t2被设定为等于或短于所述机电换能器(66)的固有振动周期Ta。

2.根据权利要求1所述的驱动喷墨记录头的方法，其特征在于在所述第一波形部分(11，31，51)的起始时间和所述第二波形部分(12，32，52)的起始时间之间的间隔t3满足Ta/2≤t3≤Ta。

3.根据权利要求1或2所述的驱动喷墨记录头的方法，其特征在于在所述第一波形部分(11，31，51)的电压变化量小于所述第二波形部分(12，32，52)的电压变化量。

4.根据权利要求1到3中的任何一项所述的驱动喷墨记录头的方法，其特征在于所述第一驱动波形还包括在所述第一波形部分(31，51)之前的第三波形部分(33，53)，所述第三波形部分(33，53)所述墨水喷嘴(62)的墨水弯液面引向所述压力室(61)。

5.根据权利要求4所述的驱动喷墨记录头的方法，其特征在于所述第三波形部分(33，53)膨胀所述压力室(61)的体积。

6.根据权利要求5所述的驱动喷墨记录头的方法，其特征在于在所述压力室(61)内部的压力波具有由所述压力室的声容限定的固有振动周期Tc，并且所述第三波形部分(33，53)的时间长度t6在所述固有的周期Ta和Tc之间满足关系Ta≤t6≤Tc。

7.根据权利要求1到6中的任何一项所述的驱动喷墨记录头的方法，其特征在于所述机电换能器(66)的固有振动周期Ta是5微秒或小于5微秒。

8.根据权利要求1到3中的任何一项所述的驱动喷墨记录头的方法，其特征在于所述驱动电压还包括第二驱动波形，所述第二驱动波形包括用于收缩所述压力室(61)的体积、具有第三时间长度的第三波形部分(51A，51B)和用于膨胀所述压力室(61)的、具有第四时间长度的第三波形部分(52A，52B)，在其中所述第三和第四时间长度比所述机电换能器的固有周期Ta长。

9.一种喷墨记录装置，其中包括：

喷墨记录头，该喷墨记录头具有由液体墨水填充的压力室(61)和机电换能器(66)，所述压力室(61)具有用于提供液体墨水的墨水供应端口(64)和用于以至少一个墨水微滴(67)的形式喷射所述墨水的墨水喷嘴(62)，机电换能器(66)设定为致使通过施加一驱动电压在所述压力室(61)中产生压力波，以便通过所述墨水喷嘴(62)喷射墨滴(67)，所述换能器具有固有振动周期Ta；以及

驱动波形产生电路(121，131，132，133)，用于为将施加到所述机电换能器(66)的驱动电压产生一种或多种驱动波形，所述喷墨记录头的特征在于：

所述驱动波形包括第一驱动波形，所述第一驱动波形依序包括用于收缩所述压力室(61)的体积的、具有第一时间长度的第一波形部分(11，31，51)和用于膨胀所述压力室体积的、具有第二时间长度的第二波形部分(12，32，52)，所述第一和第二时间长度被设定为等于或短于所述机电换能器(66)的固有振动周期Ta；以及

所述机电换能器(66)按照纵向振动模式振动。

10.一种喷墨记录装置，其特征在于所述驱动波形包括第二驱动波形，第二驱动波形依序包括用于收缩所述压力室体积的、具有第三时间长度的第三波形部分(51A，51B)和用于膨胀所述压力室体积的、具有第四时间长度的第四波形部分(52A，52B)，所述第三和第四时间长度比所述机电换能器(66)的固有振动周期Ta长。

11.根据权利要求9或10所述的喷墨记录装置，其特征在于所述机电换能器(66)包括压电振动器。

12.根据权利要求9-11中任一项所述的喷墨记录装置，其特征在于所述压电振动器是以纵向振动模式振动的。