专利名称：驱动喷墨记录头的方法
技术领域：
本发明涉及驱动喷墨记录头的方法，该方法将细墨滴喷射成纪录的字符和图像。
现有技术一种公知的这类喷墨记录头被称为按要求的喷墨记录头，它根据打印信息通过喷嘴喷射墨滴(例如，见日本专利公开昭53-12138)。
图15示出一种称为Kyser型的按要求喷墨记录头的基本设置的截面图。
如图15所示，在这种Kyser型记录头中，在墨汁的上游侧，压通过墨供应孔93(墨供应通道)将力产生室91和共用墨室92连在一起，在墨汁的下游侧，压力产生室91和喷嘴94连接在一起。此外，位于图15底部的压力产生室91的底板部分包括在其后表面上具有压电激励器96的振动板95。
根据这种设置，在打印操作期间，根据打印信息驱动压电激励器96，以移动振动板95，从而，快速改变压力产生室的容积，在压力产生部分产生压力波。压力波将填充在压力产生室91中的一部分墨汁通过喷嘴94喷射到外面，并作为墨滴97喷射出去。喷射的墨滴98到达如纪录纸的纪录介质形成纪录点。根据打印信息，通过重复形成纪录点，字符或图像被记录在纪录介质上。
下面描述墨点喷射操作。根据这种按要求喷墨纪录的方法或系统，随着驱动电压被施加到压电激励器96喷射单个墨滴。但是，在现有技术中，为喷射单个墨滴，通常，梯形驱动电压波形施加到压电激励器96。
如图16所示，梯形驱动电压波形包括第一电压变化过程51，用于把施加到压电激励器96的电压V从参考电压线性增加到预定值V1，以便压缩压力产生室91喷射墨滴97；电压保持过程52，在某些时间保持施加的电压V处于预定值V1；第二电压变化过程53，用于随后使施加的电压V1回到它的原来状态。
增加或减少驱动电压引起的压电激励器运动取决于压电激励器的结构或极性，所以，某些压电激励器的运动方向相反于上述压电激励器的运动方向。但是，当施加相反的驱动电压时，反向动作的压电激励器执行类似于上述的喷射操作，当施加的电压增加时，压电激励器沿压缩压力产生室的方向运动，当施加的电压减小时，沿膨胀压力产生室的方向运动，将在“实现本发明的最好实施例中”作为简单的解释加以描述。
在这种喷墨记录头中，当墨滴撞击在纪录纸上形成纪录点时，形成单个像素，如果纪录点的直径较大，它呈现小颗粒，有碍得到良好的图像质量。因此，要求获得没有小颗粒(高图像质量)的平滑图像，点的尺寸经验上是40μm或更小，25μm或小于25μm的点尺寸被认为是非常好的。显然，减小喷射墨滴97的尺寸可以获得尺寸小的点。墨滴尺寸和点尺寸之间的关系取决于墨滴97的飞点速度(点速度)、墨的物理特性(表面张力的粘性)、纪录纸的类型等，但是，点的尺寸通常是墨滴尺寸的两倍。因此，为获得40μm的点尺寸，墨滴尺寸必须是20μm，为获得较小的尺寸，例如，25μm的点尺寸或更小，墨滴尺寸是12.5μm或更小。
另一方面，从理论上我们知道，如方程(1)所示，如果使用压力波通过喷嘴94喷射墨滴97，喷射的墨滴97的体积q与下述三个因素成比例(1)喷嘴94的开口面积An，(2)墨滴97的速度Vd(滴速)，(3)压力产生室91(声学基本振动模式)中的压力波的谐振频率(特别周期)Tc。因此，为减小墨滴97的尺寸，必须对应较小喷嘴开口直径、滴速度Vd、压力波的谐振频率Tc。
q∝TcVdAn…(1)因此，首先讨论压力波的谐振频率Tc。当减小压力产生室91的声学容量时，通过减小压力产生室的容积或增加压力产生室的壁的刚性减小压力波的谐振频率Tc。但是，压力波的谐振频率Tc减小的太多时，例如，减到几微秒的量级，会妨碍平滑填充操作，结果，导致了喷射效率和最大驱动频率的相反效果。因此，压力波的谐振频率Tc的最小限制是在10和20微秒之间。
下面讨论墨滴97的滴速度Vd。滴速度Vd影响墨滴97的撞击位置精确度，因为墨滴97受气流的影响，较低的滴速减小了墨滴97的撞击位置精确度。因此，不能为只减小墨滴尺寸而减小墨滴97的滴速度Vd，必须在有固定值之后(通常是大约4到10m/s)，以便获得高图像质量。
下面讨论喷嘴开口直径。由于上述原因，经验上知道，如果在装有墨汁的压力产生室91内压力波的谐振频率Tc设置在大约10和20微秒之间，使用图16所示的驱动电压波形驱动压电激励器96，那么，获得的最小墨滴尺寸等于喷嘴直径97。因此，为获得20微米的墨滴尺寸，喷嘴直径必须是20微米，为获得小于20微米的墨滴尺寸，喷嘴直径必须小于20微米。但是，制造小于20微米的喷嘴是非常困难的，并增加了阻塞喷嘴的可能性，因此，大大降低了记录头的可靠性和耐久性。事实上，25和30微米之间的喷嘴直径目前是较低的限制，所以，在上述条件下，获得的最小墨滴是在25和30微米之间。如果将来解决了阻塞问题，预期喷嘴直径的最低限制将是大约20微米。
例如，如日本专利公开昭55-17589所述那样，作为解决这些问题的一个手段，提供一种喷墨驱动方法，该方法向压电激励器96施加反向的梯形驱动电压波形，以执行“拉和推”，因此，喷射的墨滴小于喷嘴直径。
如图17所示，这个驱动电压波形包括第一电压变化过程54，用于减小施加到压电激励器96上的电压V，这个电压被设置在参考电压V1(＞0V)，例如，降到0V，以便膨胀压力产生室91；电压保持过程55，在某个时间段(时间T1)保持施加的电压在0V；第二电压变化过程56，用于随后压缩压力产生室91喷射墨滴97，同时，把施加到压电激励器96的电压V增加到原来的电压V1，以便为下一次喷射做准备。
在喷射前的瞬间，压力产生室膨胀时，呈现在喷嘴开口表面的弯液面被吸引到喷嘴的内部，所以，喷射开始在弯液面具有凹陷形状的状态。因此，这个方法称为“弯液面控制”，或“拉和推”。
按照这个“弯液面控制(拉和推)”驱动方法，在喷射前的瞬间弯液面被吸引到喷嘴的内部，以便减少喷嘴内的墨量，由于喷射前墨滴形成条件的变化，形成了小于喷嘴直径的墨滴尺寸，因此，得到高质量的纪录。除此之外，喷射的墨滴不受喷嘴开口表面的潮湿影响，所以，使得喷射较为稳定。
此外，日本专利公开昭59-143655建议一种装置，使用弯液面控制，通过在喷射前的瞬间改变弯液面的量调整墨滴尺寸，以通过相同的喷嘴喷射不同尺寸的墨滴。
此外，已经建议了几种用于弯液面控制的驱动电压波形。例如，日本专利公开昭59-218866确定第一电压变化过程54和第二电压变化过程56之间的时间间隔(时序)作为容易获得细小墨滴的条件。日本专利公开平2-192947公开了一种驱动方法，在第一和第二电压变化过程54和56期间设置电压变化次数作为压力波的谐振频率Tc的整数倍，以防止墨滴喷射后的压力波反弹，因此，防止了附属物的出现。
但是，试验结果显示上述出版物描述的弯液面孔值(拉和推)驱动方法(图17)只能把墨滴尺寸减小到喷嘴直径的90％，因此，实践中很难获得小于20微米或更小的墨滴，以获得高质量的纪录。就是说，本发明人得出喷射试验的结果，所用参数为喷嘴直径为30微米、压力波谐振频率Tc为14微秒、滴速Vd6m/s、使用图17所示的驱动电压波形，即使变化或组合参考电压V1、第一电压变化过程54期间的电压变化时间(下降时间)t1、电压保持过程55期间的电压保持时间t1’、第二电压保持过程56期间的电压变化时间(上升时间)t2，结果显示获得的墨滴尺寸(从包括附属物的喷射墨的总量计算的等效尺寸)具有28微米的限制。
此外，如果用图17所示的反向梯形电压波执行快速驱动，墨喷射之后压力波混响，结果产生了不稳定的喷射，例如，产生了延迟附属物或不适当的喷射。在发明人做的试验中，当驱动频率超过8kHz时，喷嘴的内部产生了气泡或附属墨滴粘着到喷嘴的周围，所以，观察到滴速Vd的减小和不适当的喷射。可以保证，在试验中的记录头可以用图16所示的10kHz或高于该频率的梯形驱动电压波形驱动，所以，不适当的喷射实际上来自于混响压力波，该压力波是由反向梯形驱动电压波形引起的。
另一方面，在日本专利公开平2-192947中，在图17所示的驱动电压波形中，如果下降时间t1和上升时间t2设置成等于谐振频率Tc的整数倍，喷射可以保持稳定，但获得细小墨滴是非常困难的。就是说，本发明人获得的试验结果表明，如果上升/下降时间(t1/t2)等于谐振频率Tc，当喷嘴直径是30微米时，获得的细小墨滴的尺寸是35微米。因此，很难获得等于或小于喷嘴直径的墨滴尺寸。
本发明是根据上述问题提出的，本发明的目的是提供一种驱动喷墨记录头的方法，该方法能够获得小于喷嘴直径的细小墨滴尺寸(如20微米)，即使在高频情况下，也能稳定喷射。
发明的公开为达到上述目的，权利要求1阐述的本发明提供一种驱动喷墨记录头的方法，该方法向机电转换器施加一个使机电转换器变形的驱动电压，从而，改变了装墨的压力产生室内的压力，从而，喷射的墨滴通过喷嘴与压力产生室联系，该方法的特点是驱动电压的电压波形包括至少第一电压变化过程，用于在增加压力产生室的容积的方向施加电压，然后，第二电压变化过程，用于在减小压力产生室的容积的方向施加电压，第三电压变化过程，再一次在增加压力产生室的容积的方向施加电压，第二和第三电压变化过程期间的电压变化时间t2和t3设置为下述的长度，并相关于压力产生室内产生的压力波的谐振频率Tc0＜t2＜Tc/20＜t3＜Tc/2本发明在权利要求2中阐述的是根据权利要求1的驱动喷墨记录头的方法，其特点是第三电压变化过程的开始时间与第二电压变化过程的结束时间相同。
本发明在权利要求3中阐述的是根据权利要求1或2的驱动喷墨记录头的方法，其特点是驱动电压的电压波形包括第四电压变化过程，用于在第一电压变化过程、第二电压变化过程和第三电压变化过程之后，在减少压力产生室的电压的方向施加电压。
本发明在权利要求4中阐述的是根据权利要求3的驱动喷墨记录头的方法，其特点是第四电压变化过程期间的电压变化时间t4相关于压力产生室内产生的压力波的谐振频率Tc设置为
0＜t4＜Tc/2本发明在权利要求5中阐述的是根据权利要求3或4的驱动喷墨记录头的方法，其特点是第二电压变化过程的开始时间和第四电压变化过程的开始时间之间的时间间隔基本上等于压力产生室内产生的压力波的谐振频率Tc长度的一半。
本发明在权利要求6中阐述的是根据权利要求1到5任一权利要求的驱动喷墨记录头的方法，其特点是机电转换器是压电激励器。
本发明在权利要求7中阐述的是根据权利要求1到5任一权利要求的驱动喷墨记录头的方法，其特点是驱动具有20微米到40微米开口直径的喷嘴的喷墨记录头喷射5微米到25微米的墨滴。
发明的理论基础参考等效电路模型的总参数将解释本发明的理论正确性。
图12(a)是一个等效电路图，显示图1所示的喷墨记录头装满墨汁。在图12(a)中，参考标号m0表示包括压电激励器4和隔膜3的振动系统的惯性(声质量)[kg/m4]，参考标号m2表示墨汁供给孔6的惯性，参考标号m3表示喷嘴7的惯性，参考标号r2表示墨汁供给孔6的声阻[Ns/m5]，参考标号r3表示喷嘴7的声阻，参考标号c0表示振动系统的声电容[m5/N]，参考标号c1表示压力产生室2的声电容，参考标号c2表示墨汁供给孔6的声电容，参考标号c3表示喷嘴7的声电容，参考标号_表示影响墨汁的压力(Pa)。
在这种情况中，如果压电激励器4由刚性薄片压电激励器制成，可以忽略惯性m0和振动系统的声电容C0。因此，图12(a)中的等效电路可由图12(b)中的等效电路表示。
因此，如果假定在墨汁供给孔6和喷嘴7的惯性m2和m3之间建立关系表达式m2=km3，在墨汁供给孔6和喷嘴7的声阻r2和r3之间建立关系表达式r2=Kr3，并且，如图13(a)所示，在输入了具有上升角θ的驱动电压波形下完成电路分析，那么，在上升时间0≤t≤t1期间，喷嘴部分7内的容积速率u’3[m3/s]由方程(2)给出。u'3(t,θ)=c1tanθ(1+1k)[1-wEcexp(-Dc·t)sin(Ec·t-φ0)]]]>(0≤t≤t1)(2)在此，Ec=1+1kc1m3-D2c]]>Dc=r32m3]]>w2=1+1kc1m3]]>φ0=tan-1EcDc]]>下一步，由叠加产生在驱动电压波形的节点(点A、B、C、D)上的压力波形在一起确定使用图13(b)所示的复杂形状的驱动电压波形获得的容积速率。就是说，像发生在图13(b)中的驱动电压波形一样，喷嘴部分7内的容积速率u’3[m3/s]由方程(3)给出。 当使用方程(3)为图13(a)中的驱动电压波形实际确定容积速率u3时，结果显示在容积速率u3中的时间变化主要取决于上升时间t1的变化。图14显示了一个例子。在对应t1＜Tc的区域中(Tc压力波的谐振频率)，当图14中的上升时间t1减小(a)→(b)→(c)时，容积速率u3较早地变为零。
图中微粒的速度被定义为喷嘴部分7的容积速率u3除以喷嘴的开口面积获得的值。因此，因为驱动电压的波形主要随喷嘴7的容积速率的波形变化，所以，可以用其作为细小墨滴喷射的原理。这是因为喷射墨滴的容积q基本上与图14中的阴影区域成比例，所以，方程(4)表达的很清楚。 (4)就是说，设置小的上升时间t1减小阴影部分的面积，因此，获得了小的墨滴(墨滴尺寸)q的容积。具体地说，通过设置上升时间t1等于或小于压力波的谐振频率Tc的一半(也是用于下降时间)喷射细小墨滴。
如果使用图17所示的驱动电压波形执行弯液面控制(拉和推)，对于细小墨滴喷射的特别要求是设置上升时间t2等于或小于压力波的谐振频率Tc的一半。由于墨滴尺寸减小了常规弯液面以及上述容积速率波形的变化的影响，所以墨滴可以更小。
但是，对于图17所示的反向梯形驱动电压波形，通过简单设置较短的上升时间t2难于获得20微米的墨滴。因此，如图4(a)所示，如果压电激励器4参与第三电压变化过程(电压下降过程)，在驱动电压波形上升后的瞬间用于快速增加压力产生室2的容积，那么，如图5(a)所示，阴影面积还可以减小，保证了墨滴可以更小。此外，墨滴尺寸减小的下降沿的影响取决于上升和下降沿之间的时间间隔；如果下降沿被设置的上升沿后立刻出现，就是说，如图4(b)所示，第三电压变化过程的开始时间等于第二电压变化过程的结束时间，获得了图5(b)所示的最小的墨滴直径。
此外，如上所述，使用具有快速上升或下降沿的驱动电压波形势的压力波在喷射后混响，使得，还会出现比如产生附属物或影响快速驱动稳定性的问题。因此，按照本发明在权利要求3、4、5的阐述，在第三电压变化过程之后提供了用于产生抑制混响的压力波的第四电压变换过程。当改善喷射稳定性时，这个作为对前面产生的压力波的补偿，以防止出现混响。
附图的简要说明图1(a)是本发明第一实施例安装在喷墨纪录装置内的喷墨记录头的剖面图。
图1(b)是喷墨记录头的分解剖面图。
图2是驱动喷墨记录头的墨滴尺寸非调制驱动电路的电设置方框图。
图3是驱动喷墨记录头的墨滴尺寸调制驱动电路的电设置方框图。
图4是驱动喷墨记录头在一种方法中所用驱动电压波形的波形图。
图5是由于驱动电压波形出现在喷嘴部分的墨汁的容积速率的波形图。
图6是解释这个实施例效果的示意图。
图7是解释这个实施例效果的示意图。
图8是解释这个实施例效果的示意图。
图9是本发明第二实施例的驱动喷墨记录头在一种方法中所用的驱动电压波形的波形图。
图10是解释这个实施例效果的示意图。
图11是解释这个实施例效果的示意图，显示喷射如何取决于是否抑制混响而变化。
图12是等效电路示意图，在该图中，适用本发明的喷墨记录头装满墨汁。
图13是解释驱动喷墨记录头的方法的波形图。
图14是解释驱动喷墨记录头的方法的波形图。
图15是解释常规技术的剖面图，显示了称为Kyser型“的喷墨记录头并属于按要求喷墨记录头的基本设置。
图16是使用在常规驱动喷墨记录头的方法中的驱动电压波形设置的波形图。
图17是使用在另一个常规驱动喷墨记录头的方法中的驱动电压波形设置的波形图。
发明的最佳实施例下面参考附图描述本发明的最佳实施例。将使用实施例给出细节的描述。
第一实施例图1(a)是本发明第一实施例的安装在喷墨纪录装置内的喷墨记录头的剖面图。图1(b)是喷墨记录头的分解剖面图。图2是驱动喷墨记录头的墨滴尺寸非调制驱动电路的电设置方框图。图3是驱动喷墨记录头的墨滴尺寸调制驱动电路的电设置方框图。图4是驱动喷墨记录头在一种方法中所用驱动电压波形的波形图。图5是由于驱动电压波形出现在喷嘴部分的墨汁的容积速率的波形图(早已经描述过的)。图6和图7是解释这个实施例效果的示意图。
这个例子中的喷墨记录头涉及按要求的Kyser型多喷嘴记录头，用于按要求向图1(a)所示的纪录纸上喷射墨滴1，打印字符和图像，并且，如图1所示，包括多个压力产生室2，每一个压力产生室形成细长立方体，并排列在垂直绷紧片的方向，振动板3构成每一个压力产生室2的底面，该底面位于图1的底部，多个压电激励器4与对应压力产生室2的振动板的后面平行排列，并构成了层压的压电陶瓷，共用墨室5(墨池)连接到墨盒(未示出)，以向每一个压力产生室2供给墨汁，多个墨汁供给孔6(连接孔)使得共用墨室5一对一地与每一个压力产生室连接，多个喷嘴7对应不同的压力产生室2，并从图1所示的每一个压力产生室向上伸出的角形尖部喷射墨滴1。在这种情况中，共用墨室5、墨汁供给通道6、压力产生室2和喷嘴7形成了通道系统，通过这个通道，墨汁以这个顺序运动，压电激励器4和振动板3构成了振动系统，用于向压力产生室2中的墨汁施加压力波，通道系统和振动系统之间的接触构成了压力产生室2的底面(即振动板3的顶面紧靠近图的底部)。
在生产这个实施例的记录头的过程中，如图1(b)所示，事先提供下列部件具有多个喷嘴7的喷嘴板7a，喷嘴是通过精确的积压并排列成行或以交错的形式以一个周期或任何周期的移动在喷嘴板上钻孔形成的，池板5a具有空间部分，用于共用墨室5，供给孔板6a具有墨汁供给孔6，压力产生室板2a具有空间部分，用于多个压力产生室2，振动板3a构成了多个振动板3。这些板2a、3a和5a到7a被粘结并使用20微米厚的环氧树脂粘结层(未示出)粘接在一起，因此，生产了层叠的板。然后，生产的层叠板和压电激励器4用环氧树脂粘结层粘结在一起，因此，制成上述结构的喷墨记录头。在这个例子中，振动板3a由50到75微米的电铸模压的镍板形成，而其它的板2a和5a到7a由50到75微米的不锈钢制成。在这个例子中的喷嘴7的开口直径约为30微米、底部直径约65微米、长度约75微米，并且，每一个喷嘴以一种方式逐渐变细，以至它的直径向着压力产生室2增加。每一个墨汁供给孔6具有与喷嘴7一样的形状。
下面参考图2和图3描述这个实施例的驱动喷墨记录头的驱动电路的结构。
这个例子的喷墨纪录装置有CPU(中央处理器)(未示出)、ROM、RAM等。CPU执行存储在RAM中的程序，并使用各种寄存器和存储在RAM中的标记控制装置的每一个部分，以便根据上级装置如个人计算机通过接口提供的打印信息在纪录纸上打印字符或图像。
首先，图2中的驱动电路产生对应图4(a)的驱动电压波形信号，并放大这个信号的功率，然后，把这个放大的信号供给到对应打印信息的预定压电激励器4、4…，并驱动他们喷射尺寸基本相同的墨滴，以在纪录纸上打印字符或图像。驱动电路基本上包括波形产生电路21、功率放大电路22、多个一对一连接到压电激励器4、4…的开关电路23、23…。
波形产生电路21包括数/模转换电路和积分电路，以把从ROM的预定存储区域读出的驱动电压波形数据转换成为模拟数据，然后，积分后者产生对应图4(a)的驱动电压波形信号。如图4(a)所示，功率放大电路22放大由波形产生电路21供给的驱动波形信号的功率，并输出放大的驱动电压波形信号。开关电路23的输入端连接到功率放大电路22的输出端，它的输出端连接到对应压电激励器4的一端。当对应来自驱动控制电路(未示出)输出的打印信息的控制信号输入到开关电路23的控制端时，接通开关电路，并把对应功率放大电路22输出的放大的驱动电压波形信号(图4(a))供给到压电激励器4。然后，压电激励器4根据供给的放大驱动电压波形信号移动振动板3，改变压力产生室2的容积。随后，预定的压力波产生在装满墨汁的压力产生室2中，因此，通过喷嘴7喷射了预定尺寸的墨滴1。在这个实施例的记录头中，在装满墨汁的压力产生室2中的压力波具有14微秒的谐振频率Tc。喷射的墨滴撞击在如纪录纸的纪录介质上形成了纪录点。然后，纪录点的信息根据打印信息重复，以二进制的形式在纪录纸上纪录字符或图像。
图3中的驱动电路称为滴尺寸调制型，该电路在多级之间切换通过喷嘴喷射的墨滴的尺寸(在这个例子中，三级包括40微米的大墨滴、30微米的中墨滴、20微米的小墨滴)，以在纪录纸上用多等级打印字符或图像。驱动电路基本上包括对应墨滴尺寸的三种类型的波形产生电路31a、31b、31c，一对一连接到这些波形产生电路31a、31b、31c的功率放大电路32a、32b、32c，一对一连接到压电激励器4、4…的多个开关电路33、33…。
每一个波形产生电路31a到31c包括数/模转换电路和积分电路，这些波形产生电路31a到31c的一个31a对于大墨滴喷射转换驱动电压波形数据称为模拟数据，CPU从预定ROM的存储区域读出信号，然后积分这个信号，为大墨滴喷射产生驱动电压波形。波形产生电路31b对于中墨滴喷射转换驱动电压波形数据成为模拟数据，CPU从预定ROM的存储区域读出信号，然后积分这个信号，为中等墨滴喷射产生驱动电压波形。此外，波形产生电路31c对于小墨滴喷射转换驱动电压波形数据成为模拟数据，CPU从预定ROM的存储区域读出信号，然后积分这个信号，为小墨滴喷射产生与图4(a)相应的驱动电压波形。功率放大电路32a放大波形产生电路31a供给的大墨滴喷射的驱动电压波形信号的功率，为大墨滴喷射输出放大的驱动波形信号。功率放大电路32b放大波形产生电路31b供给的中墨滴喷射的驱动电压波形信号的功率，为中墨滴喷射输出放大的驱动波形信号。
功率放大电路32c放大波形产生电路31c供给的小墨滴喷射的驱动电压波形信号的功率，为小墨滴(图4(a))喷射输出放大的驱动波形信号。
此外，开关电路33包括第一、第二、第三转换门(未示出)。第一转换门的输入端连接到功率放大电路32a的输出端，第二转换门的输入端连接到功率放大电路32b的输出端，第三转换门的输入端连接到功率放大电路32c的输出端。第一、第二、第三转换门的输出端连接到对应共用压电激励器4的一端。当驱动控制电路(未示出)输出的对应打印信息的等级控制信号输入到第一转换门的控制端时，接通了第一转换门，向压电激励器4供给从功率放大电路32a输出的放大的驱动电压波形信号，用于大墨滴喷射。
这时，压电激励器4根据供给的放大驱动电压波形信号移动振动板3，以快速改变(增加或减小)压力产生室2的容积，从而，在装满墨汁的压力产生室2中产生了预定的压力波，因此，通过喷嘴7喷射了大墨滴1。当驱动控制电路(未示出)输出的对应打印信息的等级控制信号输入到第二转换门的控制端时，接通了第二转换门，向压电激励器4供给从功率放大电路32b输出的放大的驱动电压波形信号，用于中等墨滴喷射。这时，压电激励器4根据供给的放大驱动电压波形信号移动振动板3，以快速改变(增加或减小)压力产生室2的容积，从而，在装满墨的压力产生室2中产生了预定的压力波，因此，通过喷嘴7喷射了中等墨滴1。当驱动控制电路(未示出)输出的对应打印信息的等级控制信号输入到第三转换门的控制端时，接通了第三转换门，向压电激励器4供给从功率放大电路32c(图4(a))输出的放大的驱动电压波形信号，用于小墨滴喷射。这时，压电激励器4根据供给的放大驱动电压波形信号移动振动板3，以快速改变(增加或减小)压力产生室2的容积，从而，在装满墨的压力产生室2中产生了预定的压力波，因此，通过喷嘴7喷射了小墨滴1。喷射的墨滴撞击在如纪录纸上的纪录介质上形成了纪录点。这种纪录点的形成是根据打印信息重复，以在纪录纸上纪录字符或图像。
在这个实施例中，专用于二进制纪录的喷墨纪录装置与图2中的驱动电路合并在一起，也用于分级纪录的喷墨纪录装置与图3中的驱动电路合并在一起。
上述的放大驱动电压波形信号包括第一电压变化过程41，用于降低施加到压电激励器4的电压V(V1→0)，以膨胀压力产生室2，因此，使得弯液面后退，第一电压保持过程42，用于在某个时间周期(时间t1’)(0→0)保持较低的施加电压V，第二电压变化过程43，用于上升电压(0→V2)，以压缩压力产生室2喷射墨滴1，第二电压保持过程44，用于在某个时间周期(时间t2’)(V2→V2)保持上升的施加电压V，第三电压变化过程45，用于降低电压(V2→0)再一次膨胀压力产生室2。第二和第三电压变化过程43和45期间的电压变化时间t2和t3设置为下述的长度，并相关于压力产生室2内产生的压力波的谐振频率Tc。
0＜t2＜Tc/20＜t3＜Tc/2使用下面的驱动电压波形条件用这个例子的喷墨驱动方法进行了喷射实验参考电压V1=10V第一电压变化过程41期间的电压变化时间t1=3微妙第一电压保持过程42期间的电压保持时间t1’=4微妙第二电压变化过程43期间的电压变化时间t2=2微妙第三电压变化过程45期间的电压变化时间t3=2微妙第二电压保持过程44期间的电压保持时间t2’是变化的，并记录了在墨滴直径方面导致的变化。喷射期间的电压变化量被调节，即第二电压变化过程43期间，以便滴速总是6m/s。图6是一个特性图表，表示第二电压保持过程44期间的电压保持时间t2’和墨滴尺寸之间的关系。在这个图中，实线表示在上述条件下获得的测量值，虚线表示计算喷嘴部分7中的容积速度u3获得的墨滴尺寸的转换值，用方程(4)替换计算的结果计算墨滴容积q，并从计算的墨滴容积q确定墨滴尺寸。从图6可以看出，理论值非常好地与试验值一致，尽管在绝对值中有小的差别。
从图6可以看出，增加第三电压变化过程45使得墨滴变得非常小。具体地说，如果第二电压变化过程43的结束时间与第三电压变化过程45的开始时间相同，即如图4(b)所示，第二电压保持过程44期间的电压保持时间t2’被设置在0微秒，获得了最小直径(19微米)的墨滴，以便在20微米量级上喷射细小墨滴。
然后，由于第二电压保持过程44期间的电压保持时间t2’设置在0微秒，第二电压变化过程43的电压变化时间(上升t2时间)和第三电压变化过程45的电压变化时间(下降时间t3)是变化的，所以，测量了墨滴直径的变化。图7是一个曲线图，显示了下降时间t3/上升时间t2和墨滴尺寸之间的关系。图7显示通过设置下降时间t3/上升时间t2等于或短于压力波的谐振频率Tc的一半有效地喷射细小墨滴。
从方程(1)可以明显看出，喷射的墨滴尺寸取决于压力波的谐振频率Tc或喷嘴直径，即使设置第二电压变化过程43/第三电压变化过程45的上升时间t2/下降时间t3等于或短于谐振频率Tc的一半，也不一定获得20微米数量级的细小墨滴。即设置上升时间t2/下降时间t3等于或短于谐振频率Tc的一半是不够的，但它时必要条件。
下面，通过与现有技术进行比较，使用图17所示的常规驱动电压波形进行喷射试验，即设置了下面的条件参考电压V1=10V第一电压变化过程54期间的电压变化时间t1=3微妙第一电压保持过程55期间的电压保持时间t1’=4微妙在喷射期间，即第二电压保持过程56期间的上升时间t3是变化的，并记录了在墨滴直径中导致的变化。喷射期间的电压变化量V2被调节，以便滴速总是6m/s。
图8是一个特性图表，显示了第二电压保持过程56期间的上升时间t3和墨滴尺寸之间的关系。在这个图表中，实线表示在上述条件下获得的测量值，虚线表示根据方程(3)和(4)获得的墨滴尺寸的转换值，从图8可以看出，理论值非常好地与试验值一致，尽管在绝对值方面有小的差别。
从图8可以明显看出，在t3＜Tc范围内，墨滴尺寸线性地随上升时间t3减小(Tc压力波的谐振频率)。因此，如果使用图17所示的常规“弯液面控制(拉和推)”波形，设置上升时间t3尽可能地短也是有利的。但是，尽管上升时间t3可以设置在0微秒，图8预示墨滴的尺寸大约是28微米，很难获得20微米量级的细小墨滴。
第二实施例图9是本发明第二实施例的驱动喷墨记录头在一种方法中所用的驱动电压波形的波形图。
在第二实施例中，放大驱动电压波形信号包括第一电压变化过程91，用于降低施加到压电激励器4的电压V(V1→0)，以膨胀压力产生室2，因此，使得弯液面后退，第一电压保持过程92，用于在某个时间周期(时间t1’)(0→0)保持较低的施加电压V，第二电压变化过程93，用于上升电压(0→V2)，以压缩压力产生室2喷射墨滴1，第二电压保持过程94，用于在某个时间周期(时间t2’)(V2→V2)保持上升的施加电压V，第三电压变化过程95，用于降低电压(V2→0)再一次膨胀压力产生室2，第三电压保持过程96，用于在某个时间周期(时间t3’)(0→0)保持较低的施加电压V，第四电压变化过程97，用于上升电压(0→V2)，以抑制混响产生压力波。第二和第三电压变化过程93和95期间的电压变化时间t2和t3设置为下述的长度，并相关于压力产生室2内产生的压力波的谐振频率Tc。
0＜t2＜Tc/20＜t3＜Tc/2在这个连接关系中，有效地防止了压力波的混响，最好在第四电压变化过程97期间设置电压变化时间t4，t4设置为下述的长度，并相关于压力产生室2内产生的压力波的谐振频率Tc。
0＜t4＜Tc/2即这个设置基本上与第一实施例的设置一样，除了提供了第四电压变化过程97和第三电压保持过程96以外。
下一步，在下面的驱动电压波形条件用这个实施例的喷墨驱动方法进行了喷射实验参考电压V1=10V喷射期间，既第二电压变化过程93期间的电压变化量V2=8V第一电压变化过程91期间的电压变化时间t1=3微妙第一电压保持过程92期间的电压保持时间t1’=4微妙第二电压变化过程93期间的电压变化时间t2=2微妙第二电压保持过程94期间的电压保持时间t2’=0微妙第三电压变化过程95期间的电压变化时间t3=2微妙第三电压保持过程96期间的电压保持时间t3’=2微妙第四电压变化过程97期间的电压变化时间t4=3微妙当装置用图9所示的驱动电压波形驱动时，在上述条件下出现在喷嘴部分7中的容积速率的变化使用方程(3)和(4)计算。计算的结果显示在图10(b)中作为微粒速率。
下面，与第一实施例进行比较，使用图4中的常规驱动电压波形进行喷射试验，即设置了下面的条件参考电压V1=10V喷射期间，既第二电压变化过程93期间的电压变化量V2=8V第一电压变化过程91期间的电压变化时间t1=3微妙第一电压保持过程92期间的电压保持时间t1’=4微妙第二电压变化过程93期间的电压变化时间t2=2微妙第二电压保持过程94期间的电压保持时间t2’=0微妙第三电压变化过程95期间的电压变化时间t3=2微妙然后，当装置用图4所示的驱动电压波形驱动时，在上述条件下出现在喷嘴部分7中的容积速率的变化使用方程(3)和(4)计算。计算的结果显示在图10(a)中作为微粒速率。
如果装置用第一实施例的驱动波形驱动，由于第一到第三电压变化过程41、43、45，小于喷嘴直径的墨滴可以被喷射，但是，喷射是不稳定的。这是因为如果装置由第一实施例的驱动电压波形(图4)驱动，甚至在喷射之后，换句话说，在第一个波与墨滴喷射关联之后，压力波大大地混响，如图10(a)看到的一样，喷射很不稳定。发明人所作的试验结果显示压力波混响使得产生的附属物不稳定，并特别在高驱动频率上引起不适当的喷射。
相反，如果装置由第二实施例的驱动电压波形(图9)驱动，因为在第一到第三电压变化过程91、93、95之后执行了第四电压变化过程97，发生的压力波补偿了出现的压力波混响，因此，如图10(b)所看到的一样，在第一个波之后大大衰减了容积速率的幅度。从而，压力波有效地防止了喷射之后的混响。因此，按照第二实施例的方法，在高驱动频率上可以稳定地喷射细小墨滴。
图11显示了喷射如何取决于是否抑制混响而变化的图形。
从图11中的图形可以明显看出，在第一实施例中(没有抑制混响)，墨滴的尾部在8kHz或更高的驱动频率上弯曲，附属物不稳定滴飞溅(图片(a))，但是，在第二实施例中(抑制了混响)，喷射基本上在10kHz上平滑地没有变化(图片(b))。
在第二实施例中，为获得有效的抑制，要求设置第四电压变化过程97的电压变化时间t4等于或短于压力波的谐振频率Tc的一半。此外，通过设置第二电压变化过程93的开始时间和第四电压变化过程97的开始时间之间的时间间隔(t2+t2’+t3+t3’)等于或短于压力产生室2中的压力波的谐振频率Tc的一半，压力波有效地抑制了混响。这是因为产生的压力波的相位于第二电压变化过程93产生的压力波的相位反向，因此，有效地抵消了后面的压力波。
已经参考附图详细描述了本发明的实施例，但是，具体的结构并不局限于这个实施例，设计的变化包括在本发明中，只要不脱离本发明的。例如，喷嘴和墨汁供给孔的形状并不局限于锥形。同样，开口的形状并不局限于圆环形，可以是矩形、三角形等。此外，喷嘴、压力产生室和墨汁供给孔之间的位置关系并不局限于实施例所示的结构，例如，喷嘴当然可以排列在压力产生室的中央。
此外，在上述第一实施例中，第一电压变化过程结束时的电压(0V)等于第三电压变化过程结束时的电压(0V)。但是，本发明并不局限于此，这些电压可以是不同的。在上述第二实施例中，第二到第四电压变化过程93、95、97的电压变化时间t2、t3、t4是相等的。但是，本发明并不局限于此，这些电压变化时间可以单独设置。在第二实施例中，第四电压变化过程结束时的电压等于参考电压。但是，本发明并不局限于此，这个电压可以设置为不同的值。在上述实施例中，参考电压从0V偏移。但是，本发明并不局限于此，参考电压可以设置为任意值。
此外，上述的实施例显示了具有14微秒的压力波谐振频率Tc的记录头的试验结果，但是，已经确认用不同的谐振频率Tc获得了上述实施例描述的类似的效果。但是，如果喷射20微米量级的细小墨滴，要求的谐振频率Tc设置在20微秒或更小。
此外，上述实施例使用30微米直径的记录头，但是，本发明并不局限于此。包括20到40微米开口直径喷嘴的喷墨记录头可以喷射25微米的墨滴。如果将来解决了阻塞问题，喷嘴直径的实际较低限制可以减小到约20微米。
此外，上述实施例使用Kyser喷墨记录头，但是，本发明并不局限于此。
工业应用性如上所述，按照本发明的结构，小于喷嘴直径尺寸的细小墨滴可以在高驱动频率上稳定喷射。具体地说，可以使用30微米的喷嘴直径稳定平稳地在高频上喷射20微米量级的细小墨滴。
权利要求
1．一种驱动喷墨记录头的方法，该方法向机电转换器施加一个使机电转换器变形的驱动电压，从而，改变了装墨的压力产生室内的压力，于是，喷射的墨滴通过喷嘴与压力产生室联系，其特征在于驱动电压的电压波形包括至少第一电压变化过程，用于沿增加压力产生室容积的方向施加电压；第二电压变化过程，用于沿减小压力产生室容积的方向施加电压；第三电压变化过程，再次沿增加压力产生室容积的方向施加电压；第二和第三电压变化过程期间的电压变化时间t2和t3设置为下述的长度，并相对于压力产生室内产生的压力波的谐振频率Tc0＜t2＜Tc/20＜t3＜Tc/2
2．按权利要求1所述的方法，其特征在于第三电压变化过程的开始时间与第二电压变化过程的结束时间相同。
3．按权利要求1或2所述的方法，其特征在于驱动电压的电压波形包括第四电压变化过程，用于在第一电压变化过程、第二电压变化过程和第三电压变化过程之后，沿减少压力产生室电压的方向施加电压。
4．按权利要求3所述的方法，其特征在于第四电压变化过程期间的电压变化时间t4相对于压力产生室内产生的压力波的谐振频率Tc设置为0＜t4＜Tc/2
5．按权利要求3或4所述的方法，其特征在于第二电压变化过程的开始时间和第四电压变化过程的开始时间之间的时间间隔基本上等于压力产生室内产生的压力波的谐振频率Tc长度的一半。
6．按权利要求1到5任一权利要求所述的方法，其特征在于机电转换器是压电激励器。
7．按权利要求1到5任一权利要求所述的方法，其特征在驱动具有20微米到40微米开口直径的喷嘴的喷墨记录头喷射5微米到25微米的墨滴。
全文摘要
为使小于喷嘴直径的细小墨滴在高驱动频率下稳定喷射。本发明涉及一种驱动喷墨记录头的方法,该方法向压电激励器(4)施加驱动电压,以改变压力产生室(2)内的压力,从而,喷射的墨滴(1)通过喷嘴(7)与压力产生室(2)联系。驱动电压的电压波形包括第一电压变化过程,用于沿膨胀压力产生室(2)容积的方向施加电压,第二电压变化过程,用于沿压缩压力产生室(2)容积的方向施加电压,第三电压变化过程,再次沿增加压力产生室(2)容积的方向施加电压,第二和第三电压变化过程期间的电压变化时间t
文档编号B41J2/055GK1323260SQ99812320
公开日2001年11月21日 申请日期1999年9月14日 优先权日1998年10月20日
发明者奥田真一 申请人:日本电气株式会社