專利名稱：壓電噴墨頭的驅(qū)動方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及壓電噴墨頭的驅(qū)動方法，特別是涉及適合在打印機、復(fù)印機、傳真機、它們的復(fù)合機中使用的壓電噴墨頭的驅(qū)動方法。
背景技術(shù)：
在請示型(on demand)的噴墨打印機等中，如圖2、3所示，使用壓電噴墨頭，它具有填充墨的加壓室2；與加壓室連通，通過填充在該加壓室2中的墨，在內(nèi)部形成墨彎液面的噴嘴3；通過驅(qū)動電壓的外加而變形的壓電元件9；與壓電元件9層疊構(gòu)成驅(qū)動部D的振動板7。
在所述壓電噴墨頭中，驅(qū)動部D通過把壓電元件9產(chǎn)生的力作為壓力傳遞給加壓室2內(nèi)的墨，實現(xiàn)作為從與該加壓室2連通的噴嘴使墨滴噴出的驅(qū)動源的作用。即驅(qū)動部D通過壓電元件9的驅(qū)動電壓外加引起的變形，使振動板7如圖2中的單點劃線所示彎曲，向加壓室2的方向突出，通過使加壓室2的容積減小，對加壓室2內(nèi)的墨加壓，從噴嘴3的頂端噴出墨滴。
與此同時，驅(qū)動部D由于受到加壓室2內(nèi)的墨的壓力，振動板7向與圖相反的方向彎曲，對于噴墨頭內(nèi)的墨的振動，也具有作為彈性體的功能。
如果對壓電元件9外加電壓，產(chǎn)生力，則頭內(nèi)的墨由于通過振動板7從驅(qū)動部D受到的壓力，引起振動。該振動把驅(qū)動部D和加壓室2作為彈性而產(chǎn)生，把向加壓室2供給墨的供給口5、連接加壓室2和噴嘴3的噴嘴流道4、噴嘴3作為慣性而產(chǎn)生。該振動的噴墨頭內(nèi)的墨的體積速度的固有振動周期由所述各部的尺寸、墨的物理特性值、驅(qū)動部D的尺寸和物理特性值決定。
在壓電噴墨頭中，利用相關(guān)的墨振動引起的噴嘴3內(nèi)的彎液面的振動，產(chǎn)生墨滴。
如日本專利公開公報JP-H02-192947-A2(1990)中說明的那樣，一般使用以下的驅(qū)動方法在壓電噴墨頭中，在待機時的壓電元件上持續(xù)外加一定的驅(qū)動電壓，通過使壓電元件持續(xù)變形，使振動板持續(xù)彎曲，維持使加壓室的容積減小的狀態(tài)，在點的形成時，(1)在形成點之前，把驅(qū)動電壓放電，解除壓電元件的變形，通過解除振動板的彎曲，使加壓室的容積增加，使彎液面向加壓室一側(cè)收進來后，(2)在外加驅(qū)動電壓，使壓電元件變形，使振動板彎曲，使加壓室的容積減小，從噴嘴的頂端噴出墨滴。下面，有時把該驅(qū)動方法簡稱為“挽推方式(pull-push式)的驅(qū)動方法”。
圖17是在所述挽推方式的驅(qū)動方法中，簡化表示外加在壓電元件上的驅(qū)動電壓VP的驅(qū)動電壓波形(用粗的單點劃線表示)、提供相關(guān)的驅(qū)動電壓波形時的噴嘴的墨的體積速度變化[用粗實線表示，(+)是墨的噴出方向]的關(guān)系的曲線圖。
下面，如所述圖2、圖3所示，以使用形成厚度小的平板或?qū)訝睿⑶彝ㄟ^外加驅(qū)動電壓，向面方向收縮的橫振動模式的壓電元件9時的情形為例，說明本驅(qū)動方法。
即在圖17中的比t1更左側(cè)的待機時，通過把驅(qū)動電壓VP維持在VH(VP＝VH)，使壓電元件向面方向持續(xù)收縮，為了維持使加壓室容積減少的狀態(tài)，彎曲為一定的形狀，這時，噴墨頭內(nèi)的墨為維持靜止?fàn)顟B(tài)即噴嘴的墨的體積速度為0。
為了從噴嘴使墨滴噴出，在紙面上形成點，首先，在之前的t1時刻，把外加在壓電元件上的驅(qū)動電壓VP設(shè)成放電(VP＝0)，通過解除壓電元件的面方向的收縮，解除振動板的彎曲。
這樣，加壓室的容積只增加一定量，所以噴嘴內(nèi)的墨按該容積的增加部分，墨彎液面進入加壓室一側(cè)。這時的噴嘴內(nèi)的墨的體積速度如圖17的t1和t2之間的部分所示，向(-)的一側(cè)增加后，漸漸減小，終于接近0。這相當(dāng)于用粗實線表示的墨的體積速度的固有振動周期T1的幾乎半周期。
而且，在噴嘴的墨的體積速度無限接近0的t2時刻，把驅(qū)動電壓VP再充電到VH(VP＝VH)，通過使壓電元件向面方向收縮，使振動板彎曲。該操作如粗的單點劃線所示，相當(dāng)于具有脈沖寬度T3為固有振動周期T1的1/2倍的驅(qū)動電壓波形的驅(qū)動電壓VP外加在壓電元件上。
這樣，噴嘴內(nèi)的墨從墨彎液面最大地進入加壓室一側(cè)的靜止?fàn)顟B(tài)(t2時刻的體積速度為0的狀態(tài))相反要回到(+)的方向時，使振動板彎曲，減少加壓室的容積，作用從該加壓室壓出墨的壓力。因此，墨從噴嘴的頂端大幅度向(+)的一側(cè)突出。從噴嘴的頂端突出的墨看起來為近圓柱狀，所以把該突出狀態(tài)的墨一般稱作墨柱。而且，在墨柱延伸完畢的時刻，墨滴從其頂端分離，飛翔，到達紙面，在紙面上形成點。
此外，在壓電噴墨頭中，維持在待機時的壓電元件上不外加驅(qū)動電壓的狀態(tài)，在形成點時，也采用(I)在形成點之前，外加驅(qū)動電壓，使壓電元件收縮，使振動板彎曲，使加壓室的容積減少，把噴嘴內(nèi)的墨彎液面向噴嘴的頂端方向壓出，墨從噴嘴的頂端突出為柱狀(墨柱)，(II)再把驅(qū)動電壓放電，解除壓電元件的收縮，解除振動板的彎曲，使加壓室的容積增加，把從噴嘴的頂端突出的墨柱引回噴嘴內(nèi)，使墨滴分離的驅(qū)動方法。下面，有時把該驅(qū)動方法稱作“推挽方式(push-pull式)的驅(qū)動方法”。
圖18是在所述推挽方式的驅(qū)動方法中，簡化表示外加在壓電元件上的驅(qū)動電壓VP、提供相關(guān)的驅(qū)動電壓波形時的噴嘴的墨體積速度變化的關(guān)系的曲線圖。
下面，說明本驅(qū)動方法。
即在圖18中的比t1更左側(cè)的待機時，不外加驅(qū)動電壓VP(VP＝0)，加壓室的容積為初始狀態(tài)，噴嘴的墨體積速度維持0。
為了從噴嘴噴出墨滴，在紙面上形成點，首先，在之前的t1時刻，使壓電元件的驅(qū)動電壓VP充電到VH(VP＝VH)，使壓電元件向面方向收縮，使振動板彎曲。
這樣，加壓室的容積只減少一定量，所以噴嘴內(nèi)的墨按該容積的減少部分，墨彎液面向外方向壓出。這時的噴嘴內(nèi)的墨的體積速度如圖18的t1和t2之間的部分所示，向(+)一側(cè)增加，變?yōu)樽畲?，然后變?yōu)闇p少，再向(-)的一側(cè)增大，變?yōu)樽钚。缓笞優(yōu)樵黾?，終于接近0。這相當(dāng)于用粗實線表示的墨的體積速度的固有振動周期T1。
如果進一步說明此前的時刻的墨運動，則噴嘴內(nèi)的墨首先由于最初的振動板的彎曲，向噴嘴的外方壓出。接著，由于墨的固有振動，噴嘴內(nèi)的墨體積速度向(-)一側(cè)增大，則對向噴嘴的外方向壓出的墨左右向噴嘴內(nèi)后退的力?？墒牵瑝撼鰢娮焱獾哪南阮^原封不動向壓出方向前進，所以墨彎液面向壓出方向延長，形成墨柱。
接著，在噴嘴的墨體積速度超過t2的時刻，把驅(qū)動電壓VP再放電(VP＝0)，通過解除壓電元件的面方向的收縮，解除振動板的彎曲。該操作如粗的單點劃線所示，相當(dāng)于在壓電元件上外加具有脈沖寬度T3近似于固有振動周期T1的驅(qū)動電壓波形的驅(qū)動電壓VP。
在噴嘴內(nèi)的墨的體積速度為0的時刻，噴嘴內(nèi)的墨彎液面位于加壓室一側(cè)最后退的位置，但是由于墨的固有振動，再次向噴嘴的外方向伸出。即在t2時刻，噴嘴內(nèi)的墨彎液面位于從加壓室一側(cè)最后退的位置向噴嘴的外方向伸出的運動途中。
因此，在該t2時刻，通過解除振動板的彎曲，增加加壓室的容積，產(chǎn)生反相的墨振動，抑制墨彎液面的所述運動，墨柱分離，形成墨滴。然后，形成的墨滴到達紙面，在紙面上形成點。
在由所述挽推方式或推挽方式的驅(qū)動方法驅(qū)動的壓電噴墨頭中，包含壓電元件和振動板的驅(qū)動部在驅(qū)動時做固有振動。周期是從驅(qū)動電壓波形的脈沖寬度T3的數(shù)十分之1到幾分之一的小值。
可是，如果以挽推方式的驅(qū)動方法的情形為例說明該固有振動，則如圖19所示，在墨滴形成時的墨體積速度的振動中重疊(superposition)了殘留振動。而且，由于驅(qū)動電壓波形的上升時刻和殘留振動的相位偏移，產(chǎn)生形成的墨滴的體積或飛翔速度變動的問題。
即在殘留振動的振動速度在加壓室方向增加的時刻，如果驅(qū)動電壓波形上升，則墨滴的體積增加，飛翔速度增大。相反，當(dāng)在殘留振動的振動速度在加壓室方向減小的時刻，如果驅(qū)動電壓波形上升，則墨滴的體積減小，飛翔速度減小。
因此，如果驅(qū)動電壓波形的脈沖寬度極小地變動，墨滴的體積和飛翔速度就會大幅度變動。
此外，在壓電噴墨頭上配置的多個壓電元件的每個中，厚度或接合在振動板上時的條件等偏移，所以在各驅(qū)動部的固有振動周期中也產(chǎn)生偏移。因此，即使驅(qū)動電壓波形的脈沖寬度保持一定，在各噴嘴中，墨滴的體積和飛翔速度也偏移。
這些問題在推挽方式的驅(qū)動方法中也同樣發(fā)生。
因此，為了抑制驅(qū)動部的殘留振動，在日本專利公開公報JP-H05-318731-A1(1993)中，在挽推方式的驅(qū)動方法中，把驅(qū)動電壓波形的下降時，即圖17的t1時刻的驅(qū)動電壓VP從VH放電到0時的電壓下降的時間常數(shù)設(shè)定為驅(qū)動部具有的固有振動周期的0.9倍以上，此外，把在驅(qū)動電壓波形的上升時，即圖17的t2時刻的驅(qū)動電壓VP從0充電到VH時的電壓上升的時間常數(shù)設(shè)定為固有振動周期的0.9倍到1.2倍。
通過增大下降/上升的時間常數(shù)，能抑制驅(qū)動部的殘留振動?？墒?，如果增大下降/上升的時間常數(shù)，就產(chǎn)生墨滴的飛翔速度下降的問題。
在JP-H05-318731-A1中，使用形成厚度大的板狀或具有給定截面形狀的棒狀，通過外加驅(qū)動電壓，在板的厚度方向、棒的長度方向延長的縱振動模式的壓電元件。
縱振動模式的壓電元件與橫振動模式的相比，驅(qū)動部的固有振動周期小，所以，即使驅(qū)動電壓波形的下降/上升的時間常數(shù)與驅(qū)動部的固有振動周期相同，墨滴的飛翔速度也不會太大。
可是，圖2、3所示的橫振動模式的壓電元件9與縱振動模式的相比，驅(qū)動部的固有振動周期大。因此，如果使驅(qū)動電壓波形的下降/上升的時間常數(shù)與驅(qū)動部的固有振動周期相同，墨滴的飛翔速度就顯著下降。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供在具有橫振動模式的壓電元件的壓電噴墨頭中，能一邊抑制墨滴的飛翔速度的大幅度下降，一邊盡可能抑制驅(qū)動部的殘留振動的新的驅(qū)動方法。
本發(fā)明的其他目的在于提供與壓電元件的振動模式無關(guān)，盡可能抑制驅(qū)動部的殘留振動的新的驅(qū)動方法。
為了解決所述課題，發(fā)明者關(guān)于使用橫振動模式的壓電元件的壓電噴墨頭中的驅(qū)動電壓波形的下降/上升的時間常數(shù)和驅(qū)動部的固有振動周期的關(guān)系，進行了詳細研究。
結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在驅(qū)動電壓波形的下降時，使驅(qū)動電壓VP下降到VH的1～25％的時間等于重合在噴墨頭內(nèi)的墨體積速度的振動波形上的驅(qū)動部的殘留振動周期Ta，此外，在驅(qū)動電壓波形的上升時，使驅(qū)動電壓VP上升到VH的75～99的時間與周期Ta相等對抑制墨滴的飛翔速度的下降，并且抑制驅(qū)動部的殘留振動是有效的。
具體而言，把壓電噴墨頭的驅(qū)動電壓波形的驅(qū)動電壓VP的上升時間常數(shù)τUP對于與噴墨頭內(nèi)墨的體積速度振動波形重合的驅(qū)動部殘留振動的周期Ta，設(shè)定為滿足表達式(i)的范圍Ta/(-ln0.01)≤τUP≤Ta(-ln0.25) (i)或把驅(qū)動電壓VP的下降時間常數(shù)τDN對于所述周期Ta，設(shè)定為滿足表達式(ii)的范圍Ta/(-ln0.01)≤τDN≤Ta(-ln0.25) (ii)或者，進行均滿足(i)、(ii)雙方的設(shè)定。
如果通過進行了相關(guān)的驅(qū)動電壓波形驅(qū)動使用橫振動模式的壓電元件的壓電噴墨頭，則與以往的用兩個時間常數(shù)τUP、τDN都接近0的驅(qū)動電壓波形驅(qū)動時相比，墨滴的飛翔速度只下降10％程度。并且，能抑制與噴嘴中的體積速度的振動重合的驅(qū)動部殘留振動。
因此，第1項發(fā)明是一種壓電噴墨頭的驅(qū)動方法，該壓電噴墨頭具有填充墨的加壓室；與加壓室連通，通過填充在該加壓室中的墨，在內(nèi)部形成墨彎液面的噴嘴；通過驅(qū)動電壓的外加，向面方向收縮的橫振動模式的壓電元件；與壓電元件層疊，構(gòu)成驅(qū)動部，通過壓電元件的驅(qū)動電壓的外加引起的面方向的收縮，使加壓室的容積減少，把加壓室內(nèi)的墨加壓，從噴嘴的頂端噴出墨滴的振動板；通過組合以下步驟(A)在壓電元件上外加驅(qū)動電壓，通過使壓電元件在面方向收縮，使振動板彎曲，減少加壓室的容積的步驟；
(B)停止對加壓室外加驅(qū)動電壓，解除壓電元件向面方向的收縮，解除振動板的彎曲，使加壓室的容積增加的步驟；從噴嘴的頂端使墨滴噴出，其特征在于通過進行以下至少任意一方設(shè)定的驅(qū)動電壓波形(a)所述(A)步驟中的驅(qū)動電壓的上升時間常數(shù)τUP對于重合在噴墨頭內(nèi)墨的體積速度振動波形上的驅(qū)動部殘留振動的周期Ta，設(shè)定為滿足表達式(i)的范圍Ta/(-ln0.01)≤τUP≤Ta(-ln0.25)(i)(b)在所述(B)的步驟中的驅(qū)動電壓的下降時間常數(shù)τDN對于所述周期Ta，設(shè)定為滿足表達式(ii)的范圍Ta/(-ln0.01)≤τDN≤Ta(-ln0.25)(ii)使壓電元件驅(qū)動。
本發(fā)明的結(jié)構(gòu)能夠很好地適用于挽推方式的驅(qū)動方法。
因此，第2項發(fā)明是第1項發(fā)明的壓電噴墨頭的驅(qū)動方法，其特征在于使壓電噴墨頭在待機時，對壓電元件持續(xù)外加一定的驅(qū)動電壓，持續(xù)向面方向收縮，持續(xù)使振動板彎曲，維持使加壓室容積減少的狀態(tài)；在點的形成時，(1)在形成點之前，把驅(qū)動電壓放電，解除壓電元件的收縮，通過解除振動板的彎曲，增加加壓室的容積，把噴嘴內(nèi)的墨彎液面向加壓室一側(cè)引入后，(2)再外加驅(qū)動電壓，使壓電元件收縮，使振動板彎曲，減少加壓室的容積，從噴嘴的頂端噴出墨滴。
此外，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)能很好適用于推挽方式的驅(qū)動方法。
因此，第3項發(fā)明是第1項發(fā)明的壓電噴墨頭的驅(qū)動方法，其特征在于使壓電噴墨頭在待機時，事先維持對壓電元件不外加驅(qū)動電壓的狀態(tài)；在點的形成時，(I)在點的形成前外加驅(qū)動電壓，使壓電元件收縮，使振動板彎曲，減少加壓室的容積，把噴嘴內(nèi)的墨彎液面向噴嘴的頂端方向壓出，使墨從噴嘴的頂端突出為柱狀；(II)再把驅(qū)動電壓放電，解除壓電元件的收縮，解除振動板的彎曲，增加加壓室的容積，通過把從噴嘴的頂端突出為柱狀的墨向噴嘴內(nèi)引回，使墨滴分離。
此外，如果考慮進一步提高抑制驅(qū)動部的殘留振動的效果，則驅(qū)動電壓的上升時間常數(shù)τUP在所述范圍內(nèi)，特別希望是表達式(i-1)的范圍內(nèi)Ta/(-ln0.05)≤τUP≤Ta(-ln0.25) (i-1)因此，第4項發(fā)明是第1項發(fā)明的壓電噴墨頭的驅(qū)動方法，其特征在于(A)步驟中的驅(qū)動電壓的上升時間常數(shù)τUP對于周期Ta，設(shè)定為滿足表達式(i-1)的范圍內(nèi)Ta/(-ln0.05)≤τUP≤Ta(-ln0.25)(i-1)此外，考慮進一步提高抑制驅(qū)動部的殘留振動的效果，則驅(qū)動電壓VP的下降時間常數(shù)τDN對于所述周期Ta在所述范圍內(nèi)，特別希望是表達式(ii-1)的范圍內(nèi)Ta/(-ln0.05)≤τDN≤Ta(-ln0.25) (ii-1)因此，第5項發(fā)明是第1項發(fā)明的壓電噴墨頭的驅(qū)動方法，其特征在于(B)步驟的驅(qū)動電壓的下降時間常數(shù)τDN對于周期Ta，設(shè)定為滿足表達式(ii-1)的范圍內(nèi)Ta/(-ln0.05)≤τDN≤Ta(-ln0.25)(ii-1)此外，發(fā)明者詳細研究了驅(qū)動電壓波形的脈沖寬度T3和驅(qū)動部的殘留振動的關(guān)系。
結(jié)果，發(fā)現(xiàn)把驅(qū)動電壓波形的脈沖寬度T3設(shè)定為與噴墨頭內(nèi)墨的體積速度振動波形重合的驅(qū)動部的殘留振動周期Ta的整數(shù)倍對于抑制驅(qū)動部的殘留振動是有效的。
即如果把驅(qū)動電壓波形的脈沖寬度T3設(shè)定為所述周期Ta的整數(shù)倍，則由于驅(qū)動電壓波形上升或下降而產(chǎn)生的驅(qū)動部的殘留振動在半周期的偶數(shù)倍即全周期的整數(shù)倍的振動結(jié)束的時刻，由于驅(qū)動電壓波形上升或下降，在該驅(qū)動部產(chǎn)生反相的振動，所以由于兩振動抵消，能抑制此后的驅(qū)動部的殘留振動。
因此，無需使墨滴的飛翔速度下降的增大驅(qū)動電壓波形下降/上升時間常數(shù)的操作，就能可靠抑制驅(qū)動部的殘留振動。該效果與壓電元件的振動模式無關(guān)，即對于橫振動模式的壓電元件和振動模式的壓電元件都有效。
因此，第6項發(fā)明是一種壓電噴墨頭的驅(qū)動方法，該壓電噴墨頭具有填充墨的加壓室；與加壓室連通，通過填充在該加壓室中的墨，在內(nèi)部形成墨彎液面的噴嘴；通過驅(qū)動電壓的外加，而變形的壓電元件；與壓電元件層疊，構(gòu)成驅(qū)動部，通過壓電元件的驅(qū)動電壓的外加引起變形而彎曲使加壓室的容積減少，把加壓室內(nèi)的墨加壓，從噴嘴的頂端噴出墨滴的振動板；通過組合以下步驟(A)在壓電元件上外加驅(qū)動電壓，通過使壓電元件變形，使振動板彎曲，減少加壓室的容積的步驟；(B)停止對加壓室外加驅(qū)動電壓，解除壓電元件的變形，解除振動板的彎曲，使加壓室的容積增加的步驟；而從噴嘴的頂端使墨滴噴出，其特征在于通過把所述(A)的充電步驟的驅(qū)動電壓的上升和(B)步驟的驅(qū)動電壓的下降之間的脈沖寬度T3設(shè)定為重合在噴墨頭內(nèi)墨的體積速度振動波形上的驅(qū)動部的殘留振動周期Ta的整數(shù)倍的驅(qū)動電壓波形，驅(qū)動壓電元件。
所述本發(fā)明的結(jié)構(gòu)能很好適用于挽推方式的驅(qū)動方法。
因此，第7項發(fā)明是第6項發(fā)明的壓電噴墨頭的驅(qū)動方法，其特征在于驅(qū)動壓電噴墨頭，在待機時，對壓電元件持續(xù)外加一定的驅(qū)動電壓，使其持續(xù)向面方向收縮，持續(xù)使振動板彎曲，維持減少加壓室的容積的狀態(tài)；在點的形成時，(1)在點的形成前，把驅(qū)動電壓放電，解除壓電元件的收縮，解除振動板的彎曲，增加加壓室的容積，把噴嘴內(nèi)的墨彎液面向加壓室一側(cè)引入后；(2)再外加驅(qū)動電壓，使壓電元件收縮，減小加壓室的容積，從噴嘴的頂端使墨滴噴出；(3)把從所述(1)步驟的驅(qū)動電壓的下降到(2)步驟的驅(qū)動電壓的上升的驅(qū)動電壓波形的脈沖寬度T3設(shè)定為驅(qū)動部的殘留振動的周期Ta的整數(shù)倍。
此外，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)能很好適合于推挽方式的驅(qū)動方法。
因此，第8項發(fā)明是第6項發(fā)明的壓電噴墨頭的驅(qū)動方法，其特征在于驅(qū)動壓電噴墨頭，在待機時，事先維持在壓電元件上不外加驅(qū)動電壓的狀態(tài)；在點的形成時，(I)在點的形成前，外加驅(qū)動電壓，使壓電元件收縮，使振動板彎曲，減少加壓室的容積，把噴嘴內(nèi)的墨彎液面向噴嘴的頂端方向壓出，使墨從噴嘴的頂端突出為柱狀；(II)把驅(qū)動電壓再放電，解除壓電元件的收縮，解除振動板的彎曲，增加加壓室的容積，通過把從噴嘴的頂端突出為柱狀的墨向噴嘴內(nèi)引回，使墨滴分離；(III)把所述(I)步驟的驅(qū)動電壓的上升到(II)步驟的驅(qū)動電壓的下降的驅(qū)動電壓波形的脈沖寬度T3設(shè)定為驅(qū)動部的殘留振動的周期Ta的整數(shù)倍。


圖1是表示用于實施本發(fā)明的驅(qū)動方法的壓電噴墨頭的一例中，安裝包含壓電元件和振動板的驅(qū)動部之前狀態(tài)的俯視圖。
圖2是放大表示圖1的例子的壓電噴墨頭中，安裝了驅(qū)動部狀態(tài)的一個點形成部的剖視圖。
圖3是表示構(gòu)成一個點形成部的各部的重疊狀態(tài)的透視圖。
圖4是表示驅(qū)動所述壓電噴墨頭，用于實施本發(fā)明的驅(qū)動方法的驅(qū)動電路一例的電路圖。
圖5是表示對圖4的驅(qū)動電路的端子輸入的控制電壓的電壓波形的曲線圖。
圖6是表示通過所述控制電壓的輸入，產(chǎn)生在驅(qū)動電路中，提供給壓電元件的驅(qū)動電壓波形的曲線圖。
圖7是表示驅(qū)動電壓波形的另一例子的曲線圖。
圖8是表示驅(qū)動電壓波形的其他例子的曲線圖。
圖9是表示把構(gòu)成本發(fā)明實施例中制造的壓電噴墨頭的各部用集中常數(shù)近似生成的等價電路的電路圖。
圖10～圖12分別是表示模擬在本發(fā)明的實施例中制造的壓電噴墨頭上外加把上升/下降時間常數(shù)設(shè)定為給定值的驅(qū)動電壓波形時的墨體積速度的振動的結(jié)果的曲線圖。
圖13～圖16分別是表示模擬在本發(fā)明的實施例中制造的壓電噴墨頭上外加把脈沖寬度設(shè)定為給定值的驅(qū)動電壓波形時的墨體積速度的振動的結(jié)果的曲線圖。
圖17是簡化表示以往的挽推方式的驅(qū)動方法中，外加在壓電元件上的驅(qū)動電壓VP的驅(qū)動電壓波形和提供有關(guān)的驅(qū)動電壓波形時的噴嘴的墨體積速度的關(guān)系的曲線圖。
圖18是簡化表示以往的推挽方式的驅(qū)動方法中，外加在壓電元件上的驅(qū)動電壓VP的驅(qū)動電壓波形和提供有關(guān)的驅(qū)動電壓波形時的噴嘴的墨體積速度的關(guān)系的曲線圖。
圖19是表示在以往的壓電噴墨頭中，驅(qū)動部的固有振動作為殘留振動影響噴嘴的墨體積速度的振動的狀態(tài)的曲線圖。
具體實施例方式
圖1是表示用于實施本發(fā)明的驅(qū)動方法的壓電噴墨頭的一例中，安裝包含壓電元件和振動板的驅(qū)動部之前狀態(tài)的俯視圖。
圖的例子的壓電噴墨頭在一塊襯底(基板)1上排列多個包含加壓室2和與它連通的噴嘴3的點形成部。
此外，圖2是放大表示所述例子的壓電噴墨頭中，安裝了驅(qū)動部狀態(tài)的一個點形成部的剖視圖，圖3是表示構(gòu)成一個點形成部的各部的重疊狀態(tài)的透視圖。
各點形成部的噴嘴3在圖1的白箭頭表示的主掃描方向排列多個。在圖的例子中，排列4列，同一列的點形成部間的間隔為90dpi，作為壓電噴墨頭的全體，實現(xiàn)360dpi。
通過把在襯底1的圖2中的上表面一側(cè)形成的矩形的中央部的兩端具有連接半圓形端部的平面形狀(參照圖3)的加壓室2、在與所述襯底1下表面一側(cè)加壓室2的一端側(cè)的端部的半圓中心重疊的位置形成的噴嘴3用與所述端部的半圓相同直徑的截面圓形的噴嘴流道4連接，并且通過在與所述加壓室2的另一端側(cè)的端部的半圓中心重疊的位置形成的供給口5，把加壓室2與在襯底1內(nèi)連接各點形成部而形成的公共供給路6(圖1中用虛線表示)連接，構(gòu)成各點形成部。
此外，在圖的例子中，按順序?qū)盈B形成加壓室2的一襯底1a、形成噴嘴流道4的上部4a和供給口5的第二襯底1b、形成噴嘴流道4的下部4b和公共供給路6的第三襯底1c、形成噴嘴3的第四襯底1d，進行一體化，形成所述各部。
此外，在第一襯底1a和第二襯底1b上，如圖1所示，形成構(gòu)成把在第三襯底1c形成的公共供給路6在襯底1的上表面一側(cè)，與來自未圖示的墨盒的管道連接的接頭部11的通孔11a。
各襯底1a～1d由樹脂或金屬等構(gòu)成，通過利用光刻法的蝕刻等，由形成有成為所述各部的通孔的具有給定厚度的板體形成。
在襯底1的上表面一側(cè)，按順序?qū)盈B具有與該襯底1相同尺寸的一塊振動板7、至少具有覆蓋各點形成部的尺寸的一塊薄膜狀的公共電極8、如圖1中的單點劃線所示在與各點形成部的加壓室2的中央部重疊的位置分別設(shè)置的具有近矩形的平面形狀的橫振動模式的薄板狀的壓電元件9、在各壓電元件9上形成的具有相同平面形狀的個別電極10，構(gòu)成驅(qū)動部D。
須指出的是，可以把壓電元件9一體形成跨幾個壓電元件9的加壓室2的大小，如圖1中的單點劃線，只在與各點形成部的加壓室2的中央部重疊的位置分別設(shè)置個別電極10。
振動板7由鉬、鎢、鉭、鈦、白金、鐵、鎳等單質(zhì)金屬、這些金屬的合金或不銹鋼等金屬材料，形成具有給定厚度的板狀。此外，在振動板7上形成剛才的襯底1的通孔11a、構(gòu)成接頭部11的通孔11b。
公共電極8、個別電極10都由金、銀、白金、銅、鋁等導(dǎo)電性優(yōu)異的金屬箔、由這些金屬構(gòu)成的鍍膜、真空蒸鍍膜等形成。須指出的是，也可以用白金等導(dǎo)電性高的金屬形成振動板7，省略公共電極8。
作為形成壓電元件9的壓電材料，能列舉出鋯酸鈦酸鉛(PZT)、或在該PZT中添加鑭、鋇、鈮、鋅、鎳、錳等的氧化物的1種或2種以上的例如PLZT等PZT類的壓電材料。此外，也能列舉出以鎂鈮酸鉛(PMN)、鎳鈮酸鉛(PNN)、鋅鈮酸鉛、錳鈮酸鉛、銻錫酸鉛、鈦酸鉛、鈦酸鋇等為主要成分的材料。
能與以往同樣形成薄板狀的壓電元件9。
例如，把壓電材料的燒結(jié)體研磨為薄板狀，制作具有給定形狀的薄片，把它接合、固定在公共電極8上的給定位置，或通過所謂的凝膠法(或MOD法)，在公共電極8上把成為壓電材料的基礎(chǔ)的由有機金屬化合物形成的膠印刷為給定的平面形狀，經(jīng)過干燥，預(yù)燒結(jié)、燒結(jié)的步驟來形成，或在公共電極8上，通過反應(yīng)性濺射法、反應(yīng)性真空蒸鍍法、反應(yīng)性離子電鍍法等氣相成長法，把壓電材料的薄膜形成給定的平面形狀，能形成壓電元件9。
為了使壓電元件9為橫振動模式，把壓電材料的極化方向配置在該壓電元件9的厚度方向，更具體而言，配置在從個別電極10向公共電極8的方向。因此，能采用高溫極化法、室溫極化法、交流電場重疊法、電場冷卻法等以往公開的極化法。此外，可以蝕刻處理極化后的壓電元件9。
把壓電材料的極化方向配置在所述方向上的壓電元件9在把公共電極8接地的狀態(tài)下，通過外加來自個別電極10的(+)的驅(qū)動電壓VP，在與極化方向正交的面內(nèi)收縮?？墒?，壓電元件9通過公共電極8固定在振動板7上，所以結(jié)果，壓電元件9和振動板7如圖2中的單點劃線所示，向加壓室方向彎曲。
因此，彎曲發(fā)生時的力作為壓力變化傳遞給加壓室2的墨，由于該壓力變化，供給口5、加壓室2、噴嘴流道4、噴嘴3內(nèi)的墨發(fā)生振動。而且，振動的速度向著噴嘴3的頂端，所以噴嘴3內(nèi)的墨彎液面從頂端向外部壓出。而且，從噴嘴3的頂端向外部突出所述的墨柱。
墨柱最終由于振動速度向著噴嘴內(nèi)方向，而被噴嘴3內(nèi)的墨彎液面吸收，但是，這時切離墨柱的頂端部，成為墨滴，向紙面方向飛翔，在紙面上形成點。
墨滴飛翔而減少的部分的墨由于噴嘴3內(nèi)的墨彎液面的表面張力，從該墨盒的管道、接頭部11、公共供給路6、供給口5、加壓室2和噴嘴流道4，再填充到噴嘴3中。
個別電極10外加在壓電元件9上的驅(qū)動電壓波形在本例子中使用圖4的電路產(chǎn)生。
圖示的電路在電源線12a和接地12b之間串聯(lián)第一晶體管TR1、電阻R1、R2、第二晶體管TR2，形成第一電路12c，并且從該第一電路12c的電阻R1、R2間分支，通過電阻R3、個別電極10、壓電元件9和公共電極8，形成到達接地12d的第二電路12e，并且在兩晶體管TR1、TR2的基極上分別連接用于外加控制電壓VC的端子12f。壓電元件9作為電容器起作用。
當(dāng)實施挽推方式的驅(qū)動方法時，所述電路在壓電噴墨頭的待機時，即在圖5的t1以前(比t1更左側(cè))的狀態(tài)下，為從端子1f向兩晶體管TR1、TR2的基極外加控制電壓VC1的狀態(tài)。在該狀態(tài)下，第一晶體管TR1的發(fā)射極-集電極間變?yōu)閷?dǎo)通，第二晶體管TR2的集電極-發(fā)射極間變?yōu)閿嚅_，所以從電源線12a通過第一晶體管TR1、電阻R1、R3、個別電極10對壓電元件9，如圖6所示，持續(xù)外加相當(dāng)于該電源線12a的電源電壓值VH的驅(qū)動電壓VP(VP＝VH)。因此，壓電元件9持續(xù)向與極化方向正交的面內(nèi)收縮，伴隨著此，壓電元件9和振動板7維持向加壓室2的方向彎曲的狀態(tài)。
在通過挽推方式的驅(qū)動方法形成點時，在所述點的形成之前的t1時刻，如圖5所示，停止從端子12f向兩晶體管TR1、TR2的基極外加的控制電壓VC。
這樣，第一晶體管TR1的發(fā)射極-集電極間斷開，第二晶體管TR2的集電極-發(fā)射極間變?yōu)閷?dǎo)通，所以外加在壓電元件9上的驅(qū)動電壓VP通過電阻R3、R2和第二晶體管TR2，放電位接地12b。
這時，驅(qū)動電壓VP從VH，根據(jù)表達式(iii)VP＝VH×exp[-t/τDN](iii)(表達式中的t是從t1開始的經(jīng)過時間，τDN如上所述，是下降的時間常數(shù))如圖6所示下降，終于變?yōu)?V(VP＝0)。下降時的時間常數(shù)τDN在圖4的電路中，由表達式(iv)求出τDN＝CP×(r2+r3)(iv)
(表達式中的CP為所述CP的作為電容器的電容，r2、r3分別是電阻R2、R3的電阻值)而且，據(jù)此，在解除壓電元件9的面方向的收縮的同時，解除振動板7的彎曲，加壓室2的容積只增加一定量，按該容積的增加部分，噴嘴3內(nèi)的墨彎液面引入加壓室2一側(cè)。
接著，在所述圖17的t2時刻，如圖5所示從端子12f向兩晶體管TR1、TR2的基極再外加控制電壓VC1。
這樣，第一晶體管TR1的發(fā)射極-集電極間導(dǎo)通，第二晶體管TR2的集電極-發(fā)射極間變?yōu)閿嚅_，所以從電源線12a通過第一晶體管TR1、電阻R1、R3、個別電極10，再次對壓電元件9開始充電。
這時，驅(qū)動電壓VP從0V，根據(jù)表達式(v)VP＝VH×{1-exp[-t/τUP]} (v)(表達式中的t是從t2開始的經(jīng)過時間，τUP如上所述，是上升的時間常數(shù))如圖6所示，上升，再度到達VH(VP＝VH)。上升時的時間常數(shù)τUP在圖4的電路中，由表達式(vi)求出τUP＝CP×(r1+r3)(vi)(表達式中的CP為所述CP的作為電容器的電容，r1、r3分別是電阻R1、R3的電阻值)而且，據(jù)此，壓電元件9向面方向收縮，通過使振動板7彎曲，加壓室2的容積減少，墨從加壓室2向噴嘴3壓出。而且，如上所述，向加壓室2的方向引入的噴嘴3內(nèi)的墨彎液面在要回到噴嘴3的頂端一側(cè)時，作用加壓室2壓出的墨的壓力，墨從噴嘴3的頂端突出，形成墨柱，頂端作為分離，飛翔，在紙面上形成點。
當(dāng)實施推挽方式的驅(qū)動方法時，在圖4的電路的端子12f上外加與所述反相的控制電壓VC。即在圖7的t1以前(比t1更左側(cè))的壓電噴墨頭的待機狀態(tài)時，維持對端子12f不外加控制電壓VC的狀態(tài)。在該狀態(tài)下，第一晶體管TR1的發(fā)射極-集電極間斷開，第二晶體管TR2的集電極-發(fā)射極間變?yōu)閷?dǎo)通，所以維持遮斷從電源12a通過電阻R1、R3、個別電極10到達壓電元件9的電路的狀態(tài)。此外，維持連接從壓電元件9通過電阻R3、R2和第二晶體管TR2到達接地的電路的狀態(tài)，所以壓電元件9維持不外加驅(qū)動電壓的狀態(tài)。
當(dāng)根據(jù)推挽方式的驅(qū)動方法形成點時，在所述點的形成前的t1時刻，在端子12f上外加控制電壓VC。
這樣，第一晶體管TR1的發(fā)射極-集電極間導(dǎo)通，第二晶體管TR2的集電極-發(fā)射極間變?yōu)閿嚅_，所以從電源12a通過電阻R1、R3、個別電極10開始對壓電元件9充電。
這時，驅(qū)動電壓VP從0V，根據(jù)所述(v)，如圖7所示上升，到達VH(VP＝VH)。上升時的時間常數(shù)τUP由所述表達式(vi)求出。
而且，據(jù)此，壓電元件9向面方向收縮，通過使振動板7彎曲，加壓室2的容積減少，墨從加壓室2壓出到噴嘴3，接著由于墨的固有振動，如上所述，形成墨柱。
接著，在所述圖18的t2時刻，停止從端子12f外加在兩晶體管TR1、TR2的基極上的控制電壓VC。
這樣，第一晶體管TR1的發(fā)射極-集電極間斷開，第二晶體管TR2的集電極-發(fā)射極間變?yōu)閷?dǎo)通，所以外加在壓電元件9上的驅(qū)動電壓VP通過電阻R3、R2和第二晶體管TR2向接地12b放電。
這時，驅(qū)動電壓VP從VH，根據(jù)所述(iii)，如圖7所示下降，終于變?yōu)?V(VP＝0)。下降時的時間常數(shù)τDN由所述表達式(iv)求出。
然后，據(jù)此，在解除壓電元件9的面方向的收縮的同時，解除振動板7的彎曲，加壓室2的容積只增加一定量，按該容積的增加部分，噴嘴3內(nèi)的墨彎液面引入加壓室2一側(cè)。而且，如上所述，形成的墨柱分離，形成墨滴。然后，形成的墨滴到達紙面，在紙面上形成點。
在第1項發(fā)明中，如上所述，在驅(qū)動電壓波形的下降時，使外加在壓電元件9上的驅(qū)動電壓VP下降到VH的1～25％的時間即進入滿足(vii)的范圍VH×0.01≤VP≤VH×0.25(vii)所需的時間等于重疊在噴墨頭內(nèi)的墨體積速度的振動波形上的驅(qū)動部的殘留振動周期Ta，或驅(qū)動電壓波形的上升時，使外加在壓電元件9上的驅(qū)動電壓VP上升到VH的75～99％即進入滿足(viii)
VH×0.75≤VP≤VH×0.99(viii)的范圍所需的時間與周期Ta相等，或有必要同時進行雙方的設(shè)定。
即驅(qū)動電壓VP的上升時間常數(shù)τUP對于重疊在噴墨頭內(nèi)墨的體積速度振動波形上的驅(qū)動部殘留振動的周期Ta，設(shè)定為滿足表達式(i)的范圍Ta/(-ln0.01)≤τUP≤Ta(-ln0.25)(i)或者，把驅(qū)動電壓VP的下降時間常數(shù)τDN對于所述周期Ta，設(shè)定為滿足表達式(ii)的范圍Ta/(-ln0.01)≤τDN≤Ta(-ln0.25)(ii)或者，進行雙方的設(shè)定。據(jù)此，能抑制墨滴的飛翔速度的下降，并且能抑制驅(qū)動部D的殘留振動。
而且，因此，從所述表達式(iv)、(vi)可知，如果把圖4的電路中的壓電元件9的作為電容器的電容CP、電阻R1～R3的電阻值r1～r3設(shè)定為滿足所述表達式(i)、(ii)的值，就可以了。
須指出的是，如果進一步考慮提高抑制驅(qū)動部D的殘留振動，驅(qū)動電壓VP的上升時間常數(shù)τUP在所述范圍內(nèi)，特別希望在表達式(i-1)的范圍內(nèi)Ta/(-ln0.05)≤τUP≤Ta(-ln0.25)(i-1)此外，下降時間常數(shù)τDN由于相同的理由，希望設(shè)定為滿足表達式(ii-1)的范圍內(nèi)Ta/(-ln0.05)≤τDN≤Ta(-ln0.25)(ii-1)在第5項發(fā)明中，如上所述，驅(qū)動電壓的上升和上升之間的脈沖寬度T3設(shè)定為重疊在噴墨頭內(nèi)墨的體積速度振動波形上的驅(qū)動部的殘留振動周期Ta的整數(shù)倍。據(jù)此，能抑制墨滴的飛翔速度的下降，并且能可靠抑制驅(qū)動部D的殘留振動。
即在挽推方式的驅(qū)動方法，如上所述，由于驅(qū)動電壓波形下降而產(chǎn)生的驅(qū)動部D的殘留振動在半周期的偶數(shù)倍即全周期的整數(shù)倍的振動結(jié)束的時刻，如果驅(qū)動電壓波形上升，則在該驅(qū)動部D產(chǎn)生與殘留振動反相的振動，由于兩振動抵消，從而能抑制此后的驅(qū)動部的殘留振動。
可是，驅(qū)動部D的殘留振動在半周期的奇數(shù)倍的振動結(jié)束的時刻，如果驅(qū)動電壓波形上升，則在驅(qū)動部D產(chǎn)生與殘留振動相同位相的振動，所以兩振動彼此放大，此后的驅(qū)動部D的殘留振動進一步擴大。
因此，為了抑制重疊在噴墨頭內(nèi)墨的體積速度振動上的驅(qū)動部D的殘留振動，把規(guī)定驅(qū)動電壓波形的上升定時的脈沖寬度T3設(shè)定為所述殘留振動周期Ta的一半的偶數(shù)倍即全周期的整數(shù)倍。
須指出的是，如果挽推方式的驅(qū)動方法的墨滴噴出的機制，則驅(qū)動電壓波形的脈沖寬度T3有必要以噴墨頭內(nèi)的墨的體積速度的固有振動周期T1的1/2倍為基準(zhǔn)設(shè)定。因此，驅(qū)動電壓波形的脈沖寬度T3最近似于體積速度的固有振動周期T1的1/2倍，并且希望設(shè)定為驅(qū)動部D的殘留振動周期Ta的整數(shù)倍。
此外，在推挽方式的驅(qū)動方法中，由于驅(qū)動電壓波形下降而產(chǎn)生的驅(qū)動部D的殘留振動在半周期的偶數(shù)倍即全周期的整數(shù)倍的振動結(jié)束的時刻，如果驅(qū)動電壓波形下降，則在該驅(qū)動部D產(chǎn)生與殘留振動反相的振動，由于兩振動抵消，從而能抑制此后的驅(qū)動部的殘留振動。
可是，驅(qū)動部D的殘留振動在半周期的奇數(shù)倍的振動結(jié)束的時刻，如果驅(qū)動電壓波形下降，則在驅(qū)動部D產(chǎn)生與殘留振動相同位相的振動，所以兩振動彼此放大，此后的驅(qū)動部D的殘留振動進一步擴大。
因此，為了抑制重疊在噴墨頭內(nèi)墨的體積速度振動上的驅(qū)動部D的殘留振動，把規(guī)定驅(qū)動電壓波形的上升定時的脈沖寬度T3設(shè)定為所述殘留振動周期Ta的一半的偶數(shù)倍即全周期的整數(shù)倍即可。
須指出的是，如果推挽方式的驅(qū)動方法的墨滴噴出的機制，則驅(qū)動電壓波形的脈沖寬度T3有必要以噴墨頭內(nèi)的墨的體積速度的固有振動周期T1的1倍為基準(zhǔn)設(shè)定。因此，驅(qū)動電壓波形的脈沖寬度T3最近似于體積速度的固有振動周期T1的1倍，并且希望設(shè)定為驅(qū)動部D的殘留振動周期Ta的整數(shù)倍。
須指出的是，也能同時實施第1、5項發(fā)明的結(jié)構(gòu)。即如果把驅(qū)動電壓的上升和/或下降的時間常數(shù)設(shè)定在所述(i)、(ii)的范圍內(nèi)，并且驅(qū)動電壓的上升和下降間的驅(qū)動電壓波形的脈沖寬度T3設(shè)定為驅(qū)動部D的殘留振動的周期Ta的整數(shù)被，則抑制墨滴的飛翔速度的下降，并且能進一步提高抑制驅(qū)動部D的殘留振動的效果。
須指出的是，第1、5項發(fā)明也能適合于組合挽推方式和推挽方式的驅(qū)動方法的圖8所示的驅(qū)動方法中。
在該驅(qū)動方法中，在待機時，在壓電元件9上，作為驅(qū)動電壓VP，持續(xù)外加比點形成時的電壓VH低的電壓VL，伴隨著此，振動板7和壓電元件9維持比點的形成時緩和的彎曲狀態(tài)。
然后，在形成點時，在此前的t1時刻，使驅(qū)動電壓VP為放電電壓(VP＝0)，通過解除振動板7的彎曲，把噴嘴內(nèi)的墨彎液面引入加壓室一側(cè)。接著，在t2時刻，在壓電元件上，作為驅(qū)動電壓VP，外加電壓VH(VP＝VH)，使振動板比待機時更大地彎曲，把墨彎液面向噴嘴的外方一側(cè)壓出，形成墨柱。然后，在t3時刻，通過使驅(qū)動電壓VP從VH下降到電壓VL，從振動板從大幅度彎曲的狀態(tài)回到所述待機時的緩和狀態(tài)，抑制彎液面的振動，則墨柱分離，形成墨滴。然后，形成的墨滴到達紙面，在紙面上形成點。
在所述驅(qū)動方法中，把t1時刻的驅(qū)動電壓VP的下降時間常數(shù)τDN設(shè)定在滿足所述表達式(ii)的范圍中，或把t2時刻的驅(qū)動電壓VP的上升時間常數(shù)τUP設(shè)定為滿足所述表達式(i)的范圍，或者把t3時刻的驅(qū)動電壓VP的下降時間常數(shù)τDN2設(shè)定為滿足所述表達式(ii)的范圍，或同時進行這些設(shè)定中的至少2個，不但抑制墨滴的飛翔速度的下降，而且能可靠抑制驅(qū)動部D的殘留振動。
此外，通過把t1的驅(qū)動電壓VP的下降到t2的驅(qū)動電壓VP的上升之間的驅(qū)動電壓波形的脈沖寬度T3a或從t2的驅(qū)動電壓VP的上升到t3的驅(qū)動電壓VP的下降之間的驅(qū)動電壓波形的脈沖寬度T3b中的至少一方設(shè)定為驅(qū)動部的殘留振動的周期Ta的整數(shù)倍，能抑制墨滴的飛翔速度的下降，能可靠抑制驅(qū)動部D的殘留振動。
須指出的是，第1、5項發(fā)明中所說的驅(qū)動部D的殘留振動的周期Ta是按如下求出的噴墨頭存在墨的狀態(tài)下的振動周期。
即驅(qū)動部D具有只由其自身的彈性和慣性決定的在噴墨頭內(nèi)沒有墨的狀態(tài)下的固有振動角頻率ωa0。有關(guān)的固有振動角頻率ωa0從用驅(qū)動部D的聲容的倒數(shù)表示的復(fù)原力1/Ca和聲質(zhì)量Ma，用表達式(1)求出ωa02＝(1/Ca)/Ma(1)
而且這里，噴墨頭內(nèi)沒有墨的狀態(tài)下的固有振動周期Ta0由表達式(2)求出Ta0＝2π(Ma×Ca)1/2(2)順便說一下，實際上能在噴墨頭內(nèi)沒有墨的狀態(tài)下，在個別電極10和公共電極8上來接阻抗分析器，進行頻率掃描，從測定阻抗的結(jié)果導(dǎo)出該固有振動周期Ta0。即阻抗值變?yōu)樽钚〉慕穷l率是固有振動角頻率ωa0，這時的周期相當(dāng)于固有振動周期Ta0。
可是，重疊在所述噴墨頭內(nèi)墨體積速度的振動波形上的驅(qū)動部的殘留振動的周期Ta變?yōu)楸裙逃姓駝又芷赥a0還小的值。這是因為與驅(qū)動部D自身的彈性都由加壓室2的聲容的倒數(shù)表示的加壓室內(nèi)的墨的壓縮性1/Cc作為復(fù)原力作用于驅(qū)動部D上。
據(jù)此，噴墨頭內(nèi)存在墨的狀態(tài)下驅(qū)動部D的殘留振動的角頻率ωa由表達式(3)求出ωa2＝(1/Ca+1/Cc)/Ma (3)而且這里，在噴墨頭內(nèi)存在墨的狀態(tài)下，重疊在噴墨頭內(nèi)墨的體積速度振動波形上的驅(qū)動部D的殘留振動的周期Ta由表達式(4)求出Ta＝2π[Ma×Ca×Cc/(Ca+Cc)]1/2(4)順便說一下，實際上，在噴墨頭內(nèi)存在墨的狀態(tài)下，與所述同樣，從使用阻抗分析器測定阻抗的結(jié)果能導(dǎo)出殘留振動的周期Ta。即阻抗值變?yōu)樽钚〉慕穷l率是殘留振動的角頻率ωa，這時的周期相當(dāng)于殘留振動的周期Ta。
此外，殘留振動的周期Ta和剛才的固有振動周期Ta0從表達式(2)、(4)，存在表達式(5)的關(guān)系Ta＝Ta0/(1+Ca/Cc)1/2(5)所以通過剛才的測定，如果固有振動周期Ta0已知，則從該表達式能通過計算導(dǎo)出Ta。
這時，驅(qū)動部的聲容Ca(m5/N)由表達式(6)求出Ca＝δV/P (6)(表達式中的P是作用于驅(qū)動部的壓力(N/m2)，δV是驅(qū)動部的體積變化量(m3)
此外，加壓室2的聲容Ca(m5/N)由表達式(7)求出。
Cc＝V/κ(7)(表達式中的V是加壓室2的體積[m3]，κ是墨的體積彈性模量(N/m2)。
實施例壓電噴墨頭的制作制作具有圖1～圖3所示的構(gòu)造的壓電噴墨頭，并且加壓室2的面積為0.2mm2，寬度200μm，深度100μm，噴嘴3的直徑25μm，長度30μm，噴嘴流道4的直徑200μm，長度800μm，供給口5的直徑25μm，長度30μm，振動板7的厚度50μm，壓電元件9的厚度20μm。
由使用所述阻抗分析器的方法求出驅(qū)動部D的固有振動周期Ta0，是0.859μsec。此外，驅(qū)動部D的聲容Ca＝20×10-21(m5/N)，加壓室2的聲容Cc＝23×10-21(m5/N)，所以由所述表達式(v)求出的重疊在噴墨頭內(nèi)墨的體積速度振動波形上的驅(qū)動部的殘留振動的周期Ta為0.628μsec。
把所述驅(qū)動部的公共電極8和個別電極10連接在圖4所示的驅(qū)動電路上。
等價電路的生成關(guān)于所述壓電噴墨頭，以集中常數(shù)近似所述各部，生成圖9所示的聲音系統(tǒng)的等價電路圖。
在圖的等價電路圖中，驅(qū)動部能用聲容Ca、聲質(zhì)量Ma和聲阻Ra表示，加壓室2能由聲容Cc表示。
此外，供給口5能由聲質(zhì)量Ms和聲阻Rs表示，作用基于噴嘴3的墨彎液面和未圖時的墨盒內(nèi)的墨液面的高差的水位差壓。
噴嘴3能由聲質(zhì)量Mn和聲阻Rn表示，并且作用該噴嘴3的墨彎液面的表面張力。
在所述等價電路中，如果在驅(qū)動布上外加驅(qū)動電壓VP，產(chǎn)生壓力，則在噴嘴3中產(chǎn)生圖中箭頭表示的方向的墨流。而且，能求出該體積速度。此外，能從求出的體積速度、噴嘴3的直徑、墨的表面張力通過運算求出墨滴的飛翔速度。
墨滴的飛翔速度的運算在圖4的驅(qū)動電路中，適當(dāng)變更電阻R1～R3的電阻值r1～r3(可是，維持r1＝r2)，設(shè)定驅(qū)動電壓波形的下降時間常數(shù)τ1和上升時間常數(shù)τ2(τ1＝τ2)，以便使外加在壓電元件上的驅(qū)動電壓VP下降到VH的x％的時間、外加在壓電元件上的驅(qū)動電壓VP上升到VH的(100-X)％的時間都等于重疊在噴墨頭內(nèi)墨的體積速度振動波形上的驅(qū)動部的殘留振動的周期Ta。
然后，使用把時間常數(shù)τ1、τ2按上述設(shè)定為給定值的驅(qū)動電壓波形，通過所述等價電路，運算液滴的飛翔速度，取得表1所示的結(jié)果。
表1

從該結(jié)果可知，如果時間常數(shù)τ1、τ2都為0.453μsec以下，即x為25％以下，則墨滴的飛翔速度的下降與用時間常數(shù)τ1、τ2都接近0的驅(qū)動電壓波形驅(qū)動時相比，抑制在10％左右。
驅(qū)動部的殘留振動的研究接著，模擬驅(qū)動電壓波形時間常數(shù)τ1、τ2都為0.210μsec時(x＝5％)、0.136μsec時(x＝1％)、0.091μsec時(x＝0.1％)的墨體積速度的振動，取得圖10～圖12所示的結(jié)果。
從該結(jié)果可知，當(dāng)時間常數(shù)為0.091μsec時，如圖10所示，驅(qū)動部的殘留振動明顯影響體積速度的振動，但是如果時間常數(shù)為0.136μsec，則如圖11、12所示，能抑制驅(qū)動部的殘留振動。
結(jié)論為了抑制驅(qū)動部的殘留振動，并且抑制墨滴的飛翔速度的降低，必須使時間常數(shù)為0.136μsec以上，0.453μsec以下。
而且，確認了在驅(qū)動電壓波形的下降時，外加在壓電元件上的電壓下降到1～25％的時間等于驅(qū)動部的固有振動周期，在驅(qū)動電壓波形的上升時，外加在壓電元件上的電壓上升到75～99％的時間等于驅(qū)動部的固有振動周期。
實施例2制作具有圖1～圖3所示的構(gòu)造，并且加壓室2的面積為0.2mm2，寬度200μm，深度100μm，噴嘴3的直徑25μm，長度30μm，噴嘴流道4的直徑200μm，長度800μm，供給口5的直徑25μm，長度30μm，振動板7的厚度50μm，壓電元件9的厚度20μm的壓電噴墨頭。
由使用所述阻抗分析器的方法求出驅(qū)動部D的固有振動周期Ta0，是1.26μsec。此外，驅(qū)動部D的聲容Ca＝20×10-21(m5/N)，加壓室2的聲容Cc＝23×10-21(m5/N)，所以由所述表達式(v)求出的重疊在噴墨頭內(nèi)墨的體積速度振動波形上的驅(qū)動部的殘留振動的周期Ta為0.92μsec。
把所述驅(qū)動部的公共電極8和個別電極10連接在圖4所示的驅(qū)動電路上。
打印品質(zhì)的觀察用挽推方式的驅(qū)動方法驅(qū)動在實施例中制作的壓電噴墨頭，具有圖6所示的驅(qū)動電壓波形，并且在3.22μsec到4.60μsec之間(所述周期Ta的3.5倍～5倍之間)，以0.46μsec間隔，以階段性變化脈沖寬度T3的狀態(tài)外加驅(qū)動電壓VP的給定值VH為20V的驅(qū)動電壓，觀察在紙面上打印時的打印品質(zhì)的好壞。
表2表示結(jié)果。須指出的是，打印品質(zhì)的評價如下所述。
○取得無污點的良好的打印。
×觀察到污點等。
表2

從表的結(jié)果可知，當(dāng)使脈沖寬度T3為重疊在噴墨頭內(nèi)墨的體積速度的振動波形上的驅(qū)動部殘留振動的周期Ta的半周期的奇數(shù)倍時，在打印中產(chǎn)生污點，但是當(dāng)把脈沖寬度T3設(shè)定為周期Ta的半周期的偶數(shù)倍即全周期的整數(shù)倍時，能取得無污點的良好的打印。
等價電路的生成關(guān)于所述壓電噴墨頭，與所述同樣，生成圖9所示的聲音系統(tǒng)的等價電路。
驅(qū)動部的殘留振動的研究接著，模擬在實施例中制作的壓電噴墨頭上，與所述同樣，外加具有圖6所示的驅(qū)動電壓波形，并且在3.22μsec到4.60μsec之間，以0.46μsec間隔，以階段性變化脈沖寬度T3的狀態(tài)外加驅(qū)動電壓VP的給定值VH為20V的驅(qū)動電壓時的墨體積速度的振動，取得圖13～圖16所示的結(jié)果。
從該結(jié)果可知，當(dāng)把脈沖寬度T3設(shè)定為重疊在噴墨頭內(nèi)墨的體積速度的振動波形上的驅(qū)動部殘留振動的周期Ta的半周期的奇數(shù)倍時，如圖13、圖15所示，由于驅(qū)動電壓波形上升，殘留振動反而擴大，但是當(dāng)把脈沖寬度T3設(shè)定為所述周期Ta的半周期的偶數(shù)倍即全周期的整數(shù)倍時，如圖14、圖16所示，由于驅(qū)動電壓波形上升，能抑制重疊在體積速度的振動上的驅(qū)動部的殘留振動。
結(jié)論從以上結(jié)果可確認為了抑制驅(qū)動部的殘留振動，應(yīng)該把驅(qū)動電壓波形的脈沖寬度T3設(shè)定為重疊在噴墨頭內(nèi)墨的體積速度的振動波形上的驅(qū)動部殘留振動的周期Ta的半周期的偶數(shù)倍即全周期的整數(shù)倍。
權(quán)利要求
1.一種壓電噴墨頭的驅(qū)動方法，該壓電噴墨頭具有填充墨的加壓室；與加壓室連通，通過填充在該加壓室中的墨，在內(nèi)部形成墨彎液面的噴嘴；通過驅(qū)動電壓的外加，向面方向收縮的橫振動模式的壓電元件；與壓電元件層疊，構(gòu)成驅(qū)動部，通過壓電元件的由驅(qū)動電壓的外加引起的面方向的收縮而彎曲使加壓室的容積減少，把加壓室內(nèi)的墨加壓，從噴嘴的頂端噴出墨滴的振動板；并且，通過組合以下(A)、(B)步驟，而從噴嘴的頂端使墨滴噴出，(A)在壓電元件上外加驅(qū)動電壓，通過使壓電元件在面方向收縮，使振動板彎曲，減少加壓室的體積的步驟；(B)停止對加壓室外加驅(qū)動電壓，解除壓電元件向面方向的收縮，解除振動板的彎曲，使加壓室的容積增加的步驟；其特征在于通過進行以下(a)、(b)中至少一方的設(shè)定的驅(qū)動電壓波形，而驅(qū)動壓電元件，(a)所述(A)步驟中的驅(qū)動電壓的上升時間常數(shù)τUP對于與噴墨頭內(nèi)墨的體積速度振動波形重合的驅(qū)動部殘留振動的周期Ta，設(shè)定為滿足表達式(i)的范圍Ta/(-ln0.01)≤τUP≤Ta(-ln0.25) (i)(b)在所述(B)的步驟中的驅(qū)動電壓的下降時間常數(shù)τDN對于所述周期Ta，設(shè)定為滿足表達式(ii)的范圍Ta/(-ln0.01)≤τDN≤Ta(-ln0.25) (ii)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電噴墨頭的驅(qū)動方法，其特征在于驅(qū)動壓電噴墨頭，在待機時，對壓電元件持續(xù)外加一定的驅(qū)動電壓，使壓電元件持續(xù)向面方向收縮，而持續(xù)使振動板彎曲，維持使加壓室容積減少的狀態(tài)；在點的形成時，(1)在形成點之前，把驅(qū)動電壓放電，解除壓電元件的收縮，解除振動板的彎曲，而增加加壓室的容積，把噴嘴內(nèi)的墨彎液面向加壓室一側(cè)引入后，(2)再外加驅(qū)動電壓，使壓電元件收縮，使振動板彎曲，而減少加壓室的容積，從噴嘴的頂端噴出墨滴。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電噴墨頭的驅(qū)動方法，其特征在于驅(qū)動壓電噴墨頭，在待機時，事先維持對壓電元件不外加驅(qū)動電壓的狀態(tài)；在點的形成時，(I)在點的形成前外加驅(qū)動電壓，使壓電元件收縮，使振動板彎曲，而減少加壓室的容積，把噴嘴內(nèi)的墨彎液面向噴嘴的頂端方向壓出，使墨從噴嘴的頂端突出為柱狀；(II)再把驅(qū)動電壓放電，解除壓電元件的收縮，解除振動板的彎曲，而增加加壓室的容積，通過把從噴嘴的頂端突出為柱狀的墨向噴嘴內(nèi)引回，使墨滴分離。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電噴墨頭的驅(qū)動方法，其特征在于(A)步驟中的驅(qū)動電壓的上升時間常數(shù)τUP對于周期Ta，設(shè)定為滿足表達式(i-1)的范圍內(nèi)Ta/(-ln0.05)≤τUP≤Ta(-ln0.25) (i-1)
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電噴墨頭的驅(qū)動方法，其特征在于(B)步驟中的驅(qū)動電壓的下降時間常數(shù)τDN對于周期Ta，設(shè)定為滿足表達式(ii-1)的范圍內(nèi)Ta(-ln0.05)≤τDN≤Ta(-ln0.25) (ii-1)
6.一種壓電噴墨頭的驅(qū)動方法，該壓電噴墨頭具有填充墨的加壓室；與加壓室連通，通過填充在該加壓室中的墨，在內(nèi)部形成墨彎液面的噴嘴；通過驅(qū)動電壓的外加，而變形的壓電元件；與壓電元件層疊，構(gòu)成驅(qū)動部，通過壓電元件的由驅(qū)動電壓的外加引起變形而彎曲，使加壓室的容積減少，而把加壓室內(nèi)的墨加壓，從噴嘴的頂端噴出墨滴的振動板；并且，通過組合以下(A)、(B)步驟，而從噴嘴的頂端使墨滴噴出，(A)在壓電元件上外加驅(qū)動電壓，通過使壓電元件變形，使振動板彎曲，減少加壓室的容積的步驟；(B)停止對加壓室外加驅(qū)動電壓，解除壓電元件的變形，解除振動板的彎曲，而使加壓室的容積增加的步驟；其特征在于通過把所述(A)的充電步驟中的驅(qū)動電壓的上升和(B)步驟中的驅(qū)動電壓的下降之間的脈沖寬度T3設(shè)定為與噴墨頭內(nèi)墨的體積速度振動波形重合的驅(qū)動部的殘留振動周期Ta的整數(shù)倍的驅(qū)動電壓波形，驅(qū)動壓電元件。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的壓電噴墨頭的驅(qū)動方法，其特征在于驅(qū)動壓電噴墨頭，在待機時，對壓電元件持續(xù)外加一定的驅(qū)動電壓，使壓電元件持續(xù)向面方向收縮，持續(xù)使振動板彎曲，維持減少加壓室的容積的狀態(tài)；在點的形成時，(1)在點的形成前，把驅(qū)動電壓放電，解除壓電元件的收縮，解除振動板的彎曲，而增加加壓室的容積，把噴嘴內(nèi)的墨彎液面向加壓室一側(cè)引入后；(2)再外加驅(qū)動電壓，使壓電元件收縮，使振動板彎曲，而減小加壓室的容積，從噴嘴的頂端使墨滴噴出；(3)把從所述(1)步驟中的驅(qū)動電壓的下降、到(2)步驟中的驅(qū)動電壓的上升、的驅(qū)動電壓波形的脈沖寬度T3設(shè)定為驅(qū)動部的殘留振動的周期Ta的整數(shù)倍。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的壓電噴墨頭的驅(qū)動方法，其特征在于驅(qū)動壓電噴墨頭，在待機時，事先維持在壓電元件上不外加驅(qū)動電壓的狀態(tài)；在點的形成時，(I)在點的形成前，外加驅(qū)動電壓，使壓電元件收縮，使振動板彎曲，而減少加壓室的容積，把噴嘴內(nèi)的墨彎液面向噴嘴的頂端方向壓出，使墨從噴嘴的頂端突出為柱狀；(II)把驅(qū)動電壓再放電，解除壓電元件的收縮，解除振動板的彎曲，而增加加壓室的容積，通過把從噴嘴的頂端突出為柱狀的墨向噴嘴內(nèi)引回，使墨滴分離；(III)把所述(I)步驟的驅(qū)動電壓的上升、到(II)步驟的驅(qū)動電壓的下降、的驅(qū)動電壓波形的脈沖寬度T3設(shè)定為驅(qū)動部的殘留振動的周期Ta的整數(shù)倍。
全文摘要
一種壓電噴墨頭的驅(qū)動方法，其特征在于為了一邊抑制墨滴的飛翔速度的下降，一邊抑制驅(qū)動部的殘留振動，而把外加驅(qū)動電壓時的電壓上升時間常數(shù)τ
文檔編號B41J2/045GK1533890SQ200410031470
公開日2004年10月6日 申請日期2004年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月28日
發(fā)明者佐武健一 申請人:京瓷株式會社