CN1380185A - 液体喷头的驱动装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于液体喷头的驱动装置,通过将电压施加在压电体上,压力腔收缩,导致液体喷出,其特征在于:(A)在液体喷出操作期间,具有超过所述压电体矫顽电场的电场的驱动信号被施加在所述压电体上,(B)当不进行液体喷出操作时,消除保持在所述压电体上的极性的脉冲被施加到所述压电体上。因而即使随着时间流逝,可以阻止不同元件之间产生差别,可以获得稳定的喷出特性。

Description

液体喷头的驱动装置
发明领域
本发明涉及一种液体喷头的驱动装置，通过控制施加在压电元件上的电压，该喷头用于喷出诸如油墨和类似物的液体。具体地说，本发明涉及一种驱动装置，在不实施液体喷出操作的同时，它能调整压电元件的剩余极性，使元件之间的差别最小化。此外，本发明也涉及一种装配有这种驱动装置的液体喷射装置，例如打印机，并涉及一种驱动液体喷射头的方法。
背景技术
按需类型喷墨记录头包括压力腔，在该腔中，利用压电元件或发热元件产生油墨压力，油墨腔向压力腔提供油墨，喷嘴从压力腔喷出油墨。通过向元件施加相应于印刷信号的驱动信号，产生压力，墨滴从喷嘴被喷向记录介质。具体地说，和其它类型的喷墨头相比，使用压电元件的喷墨头的优点是，由于不产生热，阻止了油墨质量下降和阻塞。
众所周知，在使用压电元件的喷墨头内，压电片预先经历极化处理，以便利用压电片改善喷墨特征。
图7显示了压电片内的应变(S)和电场(E)之间的关系，用于解释极化处理的概念。当不实施极化处理时，如果电场E＝0，则应变S＝0。如果从这种状态开始驱动压电元件，随着电场E的增加，应变S沿实线L上升。另一方面，当预先实施极化处理时，如果电场E＝0，由于极化，则应变S大于0。如果从这种状态开始驱动压电元件，随着电场E的增加，应变S沿实线H上升。因此，当从电场E＝0施加同样的电场时，和没有极化处理相比，预先极化处理能够获得更高的应变。
随着时间的流逝，这种极化处理所产生的极性逐渐消失。日本专利申请9-141866介绍了利用具有和喷墨方向相同的极化方向的电压对压电元件进行重新极化。因而，即使长期使用后，也可以按照期望的油墨量喷墨。
当喷墨头在低于矫顽电场的范围内被驱动时，上述极化处理是有效的。然而，如果使用压电薄片，用于驱动的电场比矫顽电场高很多。因此，极化处理不能完全显示它的效果。另一方面，压电薄片趋向于更快地损失剩余极性。为此，使用过的元件的极性比没有使用过的元件的极性高，导致元件之间出现差别。
因此，本发明的目的是提供一种用于液体喷头的驱动装置，能够抑制压电元件之间的位移差异。
发明概述
在符合本发明的液体喷头的驱动装置中，通过将电压施加在压电体上，压力腔收缩，导致液体排放，在液体喷出操作期间，具有超过所述压电体矫顽电场的电场的驱动信号被施加在所述压电体上，当不进行液体喷出操作时，消除保持在所述压电体上的极性的脉冲被施加到所述压电体上。因此不同元件之间的极性差别可以被消除，可以获得稳定的喷墨特性。
此外，在符合本发明的另一种用于液体喷头的驱动装置中，通过将电压施加在压电体上，压力腔收缩，导致液体排放，在液体喷出操作期间，具有超过所述压电体矫顽电场的电场的驱动信号被施加在所述压电体上，当不进行液体喷出操作时，提供具有和所述驱动脉冲相同极性(正或负)的电压，也提供具有和所述驱动脉冲极性相反的电压。因此，在使用过的压电元件和没使用过的压电元件上的极性都被消除。
在上述驱动装置中，在不进行液体喷出操作时具有和所述驱动脉冲相同极性的电压最好是一个具有超过所述压电体矫顽电场的电场的电压。此外，在上述驱动装置中，在不进行喷墨操作时，从下述任何一个时间周期所选择的任一个时间，所述脉冲被施加，所述时间周期是指，在液体喷出装置的电源刚被开启之后，更换墨盒期间的头表面清洁之前或之后和液体附着介质已经被输送之后。
在另一种符合本发明的用于液体喷头的驱动装置中，通过将电压施加在压电体上，压力腔收缩，导致液体排放。在这种驱动装置中，使该压电体上的电场超过它的矫顽电场的第一电压被使用，和所述第一电压极性相反的第二电压被施加到所述压电体，以便消除保存在所述压电体内的极性。因此，即使随着时间流逝，不同元件之间的极性差别可以被消除，可以获得稳定的喷墨特性。
在上述驱动装置中，最好将电压施加到一压电薄片上。
一种符合本发明的包括上述驱动装置的液体喷出装置，液体喷头被所述驱动装置驱动，进行印刷。在符合本发明的液体喷出装置中，该液体最好是用于在介质上印刷的油墨。
在一种符合本发明的液体喷头的驱动方法中，通过将电压施加在压电体上，压力腔收缩，导致液体排放，该方法包括如下步骤：在液体喷出操作期间，向所述压电体施加驱动脉冲，施加超过所述压电体矫顽电场的电场，当不进行液体喷出操作时，向所述压电体施加脉冲，消除保持在所述压电体上的极性。
在另一种符合本发明的液体喷头的驱动方法中，通过将电压施加在压电体上，压力腔收缩，导致液体排放，该方法包括如下步骤：在液体喷出操作期间，向所述压电体施加驱动脉冲，施加超过所述压电体矫顽电场的电场，当不进行液体喷出操作时，向所述压电体施加和所述驱动脉冲相同极性的电压，也施加和所述驱动脉冲极性相反的电压。
在另一种符合本发明的液体喷头的驱动方法中，通过将电压施加在压电体上，压力腔收缩，导致液体排放，在该方法中，使该压电体上的电场超过它的矫顽电场的第一电压被使用，和所述第一电压极性相反的第二电压被施加到所述压电体，以便消除保存在所述压电体内的极性。
附图说明
图1是一个显示使用符合本发明实施例的驱动装置的打印机的结构的透视图；
图2显示了被上述驱动装置所驱动的喷墨头结构；
图3是一个横截面视图，更详细地显示了喷墨头的结构；
图4显示了驱动装置电路的一种示例；
图5是一个脉冲图，显示了驱动装置施加在压电元件上的电压脉冲；
图6是一个曲线图，显示了当上述用于消除极性的脉冲被施加时，电场(E)和应变(S)之间的关系；
图7是一个曲线图，显示了压电片的电场(E)和应变(S)之间的关系。
优选实施例介绍
下文将结合附图介绍符合本发明的优选实施例。
(喷墨打印机的整体结构)
图1是一个显示打印机的结构的透视图，该打印机是使用本实施例的驱动装置的喷出液体装置。在这个打印机中，托板3、释放开口4和控制按纽9被设置在机体2上。此外，喷墨记录头1即液体喷头、送纸机构6和控制电路8被设置在机体2内。控制电路8包括符合本发明的驱动装置。
喷墨记录头1包括将在下文介绍的压电元件。喷墨头1具有允许诸如油墨和类似物的液体响应控制电路8所提供的喷出信号从喷嘴喷出的结构。
机体2是一打印机壳体。设置送纸机构6，以便允许诸如纸张5的介质从托板3被供送。这样设置喷墨头1，从而，可以在纸张5上实施印刷。托板3具有允许纸张5在印刷之前被提供给送纸机构6的结构。释放开口4是一个输出口，当完成利用液体喷射的印刷后，用于输出纸张5。
送纸机构6包括电动机600，辊601、602和其它图中未示的机械结构。响应于控制电路8所提供的驱动信号，电动机600转动。所述机械结构具有允许将电动机600的转动力传送到辊601和602的构造。当电动机600的转动力被传送到辊601，602，辊601，602便会转动。辊601、602的转动将放置于托板3内的纸张5拉入并向喷墨头1提供纸张用于印刷。
控制电路8包括中央处理器(CPU)、只读存储器(ROM)、随机存储器(RAM)、接口电路等等(图中未示)。响应于通过一接头(图中未示)而从计算机提供的印刷信息，控制电路8向送纸机构6提供驱动信号或想喷墨头1提供喷出信号。此外，响应于来自控制面板9的控制信号，控制电路8设置和重新设置操作模式。
(喷墨头的结构)
图2显示了被驱动装置所驱动的喷墨头的结构。如图所示，喷墨头1包括喷嘴板10、压力腔基片20和振动板30。该喷墨头构成按需类型的压电喷墨头。
压力腔基片20包含压力腔(洞穴)21、侧壁(隔壁)22、蓄液池23和供应开口24。压力腔21是用于储存要被喷射的油墨的空间，通过在由硅或类似物质所组成的基片上进行蚀刻，形成上述空间。侧壁22被形成，因而将压力腔21和其它压力腔分开。蓄液池23是一个公用通道，用于向压力腔21填充油墨。形成供应开口24，从而将油墨从蓄液池23引入压力腔21。
喷嘴板10被结合到压力腔基片20的一个表面上，从而喷嘴孔11被设置在对应于设置在压力腔基片20上的各自的压力腔21的位置。结合有喷嘴板10的压力腔基片20被封闭在壳体25上，构成喷墨头1。
振动板30被结合到压力腔基片20的另一个表面上。压电元件(图中未示)被设置在振动板30上。振动板30内设置有一个墨罐(图中未示)，储存在该墨罐内的油墨可以被供应到压力腔20内。
(层结构)
图3是一个横截面视图，更详细地显示了喷墨头的结构。这个横截面视图是一个压力腔和一个压电元件的放大的横截面视图。如图所示，通过在底部电极32上叠置一电绝缘膜3 1而形成振动板30。通过在底部电极32上叠置一压电薄片层41和顶部电极42而形成压电元件40。通过按照固定间距在一行中设置压电元件40、压力腔21和喷嘴开口11喷墨头1而形成喷墨头1。根据印刷精细度，喷嘴之间的间距可以相应地改变，例如可以这样设置组件，以便获得400dpi(点/英寸)。
电绝缘膜31的厚度大约是1μm，由诸如二氧化硅(SiO2)的不导电材料制成。电绝缘膜具有这样的结构，因而在压电薄片层变形的作用下，它可以变形，压力腔21内的压力可以被瞬时增加。
底部电极32是一个向压电薄片层施加电压的电极，由厚度大约为0.2μm的诸如铂(Pt)和类似元素的导电材料组成。底部电极32和不导电绝缘膜31被形成在相同的区域，其功能是作为形成在压力腔基片20上的多个压电元件的公用电极。然而，它可以被形成的和压电薄片层41具有相同的尺寸，也就是和顶部电极具有相同的形状。
顶部电极42是另一个向压电薄片层施加电压的电极。由厚度大约为0.1μm的诸如铂(Pt)或铱(Ir)的导电材料组成。
压电薄片层41是压电陶瓷材料的晶体，例如诸如具有钙钛矿结构的铅锆钛酸盐(PZT)。这个层在振动板30上被形成为上述形状。压电薄片层41的厚度最好不大于2μm，例如为1μm。压电薄片层的矫顽电场例如大约是2×106V/m。
(印刷操作)
下文根据上述的喷墨头1的结构，介绍印刷操作。如果驱动信号从控制电路8输出，送纸机构6被激励，纸张5被喷墨头1输送到可以进行印刷的位置。当控制电路8不发送喷射信号时，压电元件40的顶部电极42和底部电极32之间没有施加电压，压电薄片层41上没有出现变形。在设置有压电元件40的压力腔21内，由于没有提供喷射信号，压力不发生变化，不能从喷嘴11中喷出墨滴。
另一方面，当控制电路8提供喷射信号时，一个恒值电压被施加到压电元件40的顶部电极42和底部电极32之间，压电薄片层41上出现变形。在设置了已经被提供喷射信号的压电元件的压力腔40内，振动板30偏斜很大角度。因而压力腔21内的压力瞬时增加，从喷嘴11中喷出墨滴。通过分别向处于喷墨头内要实施印刷位置的压电元件提供喷射信号，可以印刷任何字符和图形。
(驱动装置)
图4显示了本实施例的驱动装置的电路图。如图所示，对应于喷墨头1的每个喷嘴(每个压力腔)的每个压电薄片元件40在电路中被表示为一电容器。每个电容器的一个电极是公用的，公用电极接地。
驱动装置包含一脉冲生成电路81和一喷嘴选择电路82，电路81用于生成驱动压电薄片元件40的驱动脉冲和生成消除保存在压电薄片元件40内的极性的脉冲，电路82用于选择地从脉冲生成电路81向每个压电薄片元件40传输驱动信号。
(驱动信号)
图5是一个脉冲图，说明本实施例的驱动装置施加在压电元件上的电压脉冲。具体地说，图5(A)显示了喷墨期间所施加的脉冲，图5(B)显示了用于极性消除的脉冲。
如图5(A)所示的在喷墨期间所提供的脉冲包含周期的电势增加a1、电势保持周期a2和电势降低周期a3。在周期的电势增加a1和电势保持周期a2内电压被施加到压电元件上，导致压力腔收缩。因而，从喷嘴中喷出油墨。在电势降低周期a3内，压力腔膨胀，没有被喷射的油墨被拉入喷嘴，油墨重新从油墨罐(图中未示)被拉进。在电势保持周期a2内，压电体的电场例如是2×107～3×107V/m。这个值大约是矫顽电场2×106V/m的10倍。
如图5(B)所示的用于极性消除的脉冲包含相同的极化电压施加期间b1和反向极化电压施加期间b2，在b1内，施加正电压(和驱动脉冲相同的极性)，在b2内，相同极性施加期间刚过之后，施加负电压(和驱动脉冲的极性相反)。在相同的极化电压施加期间b1内，压电薄片的电场是5×106V/m，比矫顽电场2×106V/m大。另一方面，在反向极化电压施加期间b2内，压电薄片的电场是-2×106V/m，大致等于矫顽电场2×106V/m。
图6是一个曲线图，显示了当上述用于消除极性的脉冲被施加时，电场(E)和应变(S)之间的关系。如果上述用于消除极性的脉冲被施加到没有剩余极性的压电元件上，沿图6中的曲线上所示箭头变化，点“a”所示的状态被设置，当上述用于极性消除的脉冲被施加到没有剩余极性的压电元件上时，点“a”所示的状态也被设置，在点“a”所示状态中，极性变为0。因此，极性不随时间的流逝而变化，可以阻止不同元件之间的差别。
当仅施加具有和该驱动脉冲极性相反极性的电压时，没有驱动历史的元件的状态用点“b”表示，不用进行极性消除。
在喷墨头不喷墨期间，例如打印机的电源刚被开启之后，更换墨盒期间的头表面清洁之前或之后和液体附着介质已经被输送之后，实施上述脉冲应用。然而也能施加使该压电体上的电场超过它的矫顽电场的第一电压，以便喷出油墨，然后马上施加和所述第一电压极性相反的第二电压体，以便消除保存在所述压电体内的极性。
根据本发明的用于液体喷头的驱动装置和驱动方法，能够提供一种用于液体喷头的驱动装置，其中，压电元件之间的振动偏差可以被控制。

Claims (11)

1、一种用于液体喷头的驱动装置，通过将电压施加在压电体上，压力腔收缩，导致液体喷出，其特征在于：
在液体喷出操作期间，具有超过所述压电体矫顽电场的电场的驱动脉冲被施加在所述压电体上，
当不进行液体喷出操作时，消除保持在所述压电体上的极性的脉冲被施加到所述压电体上。
2、一种用于液体喷头的驱动装置，通过将电压施加在压电体上，压力腔收缩，导致液体排放，其特征在于：
在液体喷出操作期间，具有超过所述压电体矫顽电场的电场的驱动脉冲被施加在所述压电体上，
当不进行液体喷出操作时，施加具有和所述驱动脉冲相同极性的电压，也施加具有和所述驱动脉冲极性相反的电压。
3、根据权利要求2所述的驱动装置，其特征在于：所述具有和所述驱动脉冲相同极性的电压在不进行液体喷出操作时被施加，它是一个具有超过所述压电体矫顽电场的电场的电压。
4、根据权利要求1～3中任一项所述的驱动装置，其特征在于：在不进行喷墨操作时，从下述任何一个时间周期所选择的任一个时间，所述脉冲被施加，所述时间周期是指，在液体喷出装置的电源刚被开启之后，更换墨盒期间的头表面清洁之前或之后和液体附着介质已经被输送之后。
5、一种用于液体喷头的驱动装置，通过将电压施加在压电体上，压力腔收缩，导致液体喷出，其特征在于：
使该压电体上的电场超过它的矫顽电场的第一电压被使用，和所述第一电压极性相反的第二电压被施加到所述压电体，以便消除保存在所述压电体内的极性。
6、根据权利要求1～3中任一项所述的驱动装置，其特征在于：电压被施加到一压电薄片上。
7、一种包括权利要求1～3中任一项所述驱动装置的液体喷出装置，其特征在于：液体喷头被所述驱动装置驱动，进行印刷。
8、根据权利要求6所述的液体喷出装置，其特征在于：所述液体是油墨。
9、一种液体喷头的驱动方法，通过将电压施加在压电体上，压力腔收缩，导致液体喷出，其特征在于包括如下步骤：
在液体喷出操作期间，向所述压电体施加驱动脉冲，施加超过所述压电体矫顽电场的电场，
当不进行液体喷出操作时，向所述压电体施加脉冲，消除保持在所述压电体上的极性。
10、一种液体喷头的驱动方法，通过将电压施加在压电体上，压力腔收缩，导致液体排出，其特征在于包括如下步骤：
在液体喷出操作期间，向所述压电体施加驱动脉冲，施加超过所述压电体矫顽电场的电场，
当不进行液体喷出操作时，向所述压电体施加和所述驱动脉冲相同极性的电压，另外也施加和所述驱动脉冲极性相反的电压。
11、一种液体喷头的驱动方法，通过将电压施加在压电体上，压力腔收缩，导致液体喷出，其特征在于包括如下步骤：
使该压电体上的电场超过它的矫顽电场的第一电压被使用，和所述第一电压极性相反的第二电压被施加到所述压电体，以便消除保存在所述压电体内的极性。
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