液體噴頭的驅動方法以及驅動裝置的製作方法
2023-11-04 07:03:12
專利名稱：液體噴頭的驅動方法以及驅動裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及不僅用於印刷，還可以用於製造彩色濾色器、薄膜電晶體、發光元件、DNA元件等的液體噴頭的驅動方法及驅動裝置。
背景技術：
液體噴出裝置，不僅用於製作印刷品，也應用於製作彩色濾色鏡、薄膜電晶體、發光元件、DNA元件等圖形化工序中。
作為這樣一種產業用圖形化方法，廣泛使用平板印刷光刻工序。然而，光刻工序工序多而且裝置成本高昂，同時材料的使用率極低。並且，平板印刷，在印刷精度上，作為產業用的圖形化技術，用途受到限制。
於是，利用液體噴頭的圖形化方法，也稱為噴墨法，日益得到應用。由於噴墨法是直接在圖形化部分描繪，材料的使用率極高，同時工序數少，所以是運行費用少的有希望的圖形化技術。
作為噴墨方式，公知的有在日本特公昭53-12138號公報中記載的凱塞型或在特公昭61-59914號公報(美國專利第5754194號)中記載的熱噴射型。
另外，在特開昭63-247051號公報(美國專利第4879568號)記載有利用壓電陶瓷的剪切模式型的噴墨方法。
如圖9A和9B所示，具有剪切模式型的壓力發生元件的噴墨頭(液體噴頭)500的構成包括底壁501、頂壁502及其剪切模式執行器壁503。該執行器壁503由與底壁501相接、並且在箭頭511方向上極化的下部壁507和與頂壁502相接、並且在箭頭509方向上極化的上部壁505組成。鄰接的2個執行器壁503組成1對形成其墨水流路(壓力作用單元)506。此外，由墨水流路之間形成由不存在墨水的空隙部分組成的空氣室508。
在各墨水流路506的一端上連接有具有噴嘴510的孔板512，在各執行器壁503的兩側面上設置有金屬化層電極513、514。具體說，在空氣室506側的執行器壁上設置電極514，而在空氣室508側的執行器壁上設置電極513。面對空氣室508的電極513與提供執行器驅動信號的驅動電路520相連接，而設置於墨水流路506內的電極514與地相連接。
驅動電路520，通過對各空氣室508的電極514施加電壓，各執行器壁503在使墨水流路506的容積增加的方向上發生剪切應變變形。
比如，如圖10所示，如在空氣室508的電極513上施加驅動電壓，則在執行器壁505、507中在分別與極化方向正交的箭頭方向上產生電場，執行器壁505、507在使墨水流路506的容積增加的方向上發生剪切應變變形。此時，包含噴嘴510附近的墨水流路內的壓力減小，從墨水供給側的墨水共通流路(圖中未示出)供給墨水。
此時，如將墨水流路內的流體力學的共振頻率以Fr表示，其倒數以Tr＝(＝1/Fr)表示時，通過設定電壓施加時間為Tr/2，與原來作為剪切應變得到的變形量(非共振)相比，由於利用系統的共振可以增大變形量。
流體力學共振頻率Fr，可通過利用公知的阻抗測定器的電氣測定而求出，圖11示出利用阻抗測定器得到的測定數據(阻抗與頻率的關係)和流體力學共振頻率Fr的關係。
在電壓施加時間Tr/2後使施加於空氣室508的電極513上的電壓返回0V。於是，執行器505、507與變形前的(筆直的)狀態相比，墨水流路變形收縮，墨水受到壓力。由此，墨水在噴嘴方向上產生流動，液滴從噴嘴噴出。
從前，在這種噴墨裝置中，上述噴射液滴的體積由上述墨水流路的形狀及驅動電壓等決定。因此，為得到合乎目的的液滴而決定墨水流路和驅動電壓。然而，如考慮利用噴墨作為產業用的描繪裝置，作為噴墨性能，關於在求得高精細化的同時期望縮短描繪時間的描繪時間的縮短，必須儘量減少描繪需要的脈衝數。關於高精細化，通過使墨水流路的間距變窄可以做到高精細化。由於使墨水流路的間距變窄在加工上受到制約，必須使墨水流路的體積變形的壓電陶瓷PZT(矽酸-鈦酸鉛)的壁厚變窄並使墨水流路的深度變淺。因此，也會產生驅動電壓的制約。結局，高精度化用噴頭，由於PZT的變形體積量變小，每1點的噴出量變小。
另一方面，在日本特公平3-30508號公報(美國專利第4563689號)中記載有，在施加主脈衝之前，通過施加決定噴嘴內的彎液面的前端位置的附加脈衝，控制墨滴的體積。據此，通過施加附加脈衝可以略微增加墨滴的體積，但體積的增加很難充分。
另外，在日本特開2000-280463號公報中記載有，在施加主噴射(第2噴射)脈衝之前，設置一個寬度為主噴射脈衝的脈衝寬度T的0.30T～1.10T的脈衝作為附加噴射(第1噴射)脈衝來試圖增加墨水的體積。根據此方式，通過在形成1點時噴射2個液滴，最大可以使墨滴增加為大約1.5倍。不過，增加量超過這個的噴射量很困難。
此外，作為嘗試增加噴射量的裝置，在日本特公平6-55513號公報(美國專利第5202659號說明書)中提出使利用共振頻率連續噴射的多個墨滴在空中合併來控制液滴的體積。利用這一方法可望使體積充分增加。
然而，在產業用的噴墨中，在為了提高射著精度而使噴嘴和描繪基體的距離極端減小的場合，不能使多個液滴在空中合併，各個分別射著基體。就是說，對1點的描繪發生射著時間的分離，射著狀態不是正圓形而產生射著精度不良。
發明內容
本發明的目的在於提供一種可以使液滴的體積增加並且即使是在噴頭噴嘴和描繪基體的距離很短的場合，也可以實現高精度的射著的液體噴頭的驅動方法及驅動裝置。
本發明的另一目的在於提供一種也可以作為產業用圖形化裝置使用的液體噴頭的驅動方法及驅動裝置。
為達到上述目的，本發明的核心的特徵在於，在用來驅動具有用於噴出液體的噴出口、連通該噴出口用來把噴出液體的壓力作用於液體的壓力作用單元、以及生成上述壓力的壓力生成元件的液體噴頭的驅動方法中，包含對於1點的噴出命令，將可噴出液體的第1噴出脈衝和可噴出液體的第2噴出脈衝連續施加於上述壓力生成元件的工序，按照利用上述第1噴出脈衝噴出的第1液體的體積和利用上述第2噴出脈衝噴出的第2液體的體積相同或更大，且上述第1液體的噴出速度小於上述第2液體的噴出速度的方式，確定上述第1噴出脈衝的脈衝寬度T1，上述第2噴出脈衝的脈衝寬度T2以及上述第1噴出脈衝和上述第2噴出脈衝之間的休止時間K12。
本發明的另一個核心的特徵在於，在用來驅動具有用於噴出液體的噴出口、連通該噴出口用來把噴出液體的壓力作用於液體的壓力作用單元、以及生成上述壓力的壓力生成元件的液體噴頭的驅動裝置中，具有對於1點的噴出命令，將可噴出液體的第1噴出脈衝和可噴出液體的第2噴出脈衝連續施加於上述壓力生成元件的驅動電路，按照利用上述第1噴出脈衝噴出的第1液體的體積比利用上述第2噴出脈衝噴出的第2液體的體積更大，且上述第1液體的噴出速度小於上述第2液體的噴出速度的方式，確定上述第1噴出脈衝的脈衝寬度T1，上述第2噴出脈衝的脈衝寬度T2以及上述第1噴出脈衝和上述第2噴出脈衝之間的休止時間K12。
本發明的再一個核心的特徵在於，具有用來驅動具有用於噴出液體的噴出口、連通該噴出口用來把噴出液體的壓力作用於液體的壓力作用單元、以及生成上述壓力的壓力生成元件的液體噴頭，對於1點的噴出命令，將可噴出液體的第1噴出脈衝和可噴出液體的第2噴出脈衝連續施加於上述壓力生成元件的驅動電路以及用來支持容納上述液體的液體容納構件的支持體，按照利用上述第1噴出脈衝噴出的第1液體的體積比利用上述第2噴出脈衝噴出的第2液體的體積更大，且上述第1液體的噴出速度小於上述第2液體的噴出速度的方式確定上述第1噴出脈衝的脈衝寬度T1，上述第2噴出脈衝的脈衝寬度T2以及上述第1噴出脈衝和上述第2噴出脈衝之間的休止時間K12，並且按照使上述第1液體和上述第2液體合併而付與上述液體容納構件來決定上述液體噴頭和上述支持體的位置。
根據本發明，因為第1及第2液滴是在很短的距離內合併，合併的大液滴可以以高精度射著於液體容納構件。
另外，在本發明中，上述脈衝寬度T1和上述脈衝寬度T2以及上述休止時間K12可以根據上述液體噴頭的流體力學共振頻率確定。在此場合，可以以最佳效果將液滴付與液體容納構件。
另外，本發明的另一個核心的特徵在於，在用來驅動具有用於噴出液體的噴出口、連通該噴出口用來把噴出液體的壓力作用於液體的壓力作用單元、以及生成上述壓力的壓力生成元件的液體噴頭的驅動方法中，包含對於1點的噴出命令，將可噴出液體的第1噴出脈衝和可噴出液體的第2噴出脈衝連續施加於上述壓力生成元件的工序，在設N為大於3的奇數，上述液體噴頭的流體力學共振頻率的倒數為Tr，上述第1噴出脈衝的脈衝寬度為T1，上述第2噴出脈衝的脈衝寬度為T2以及上述第1噴出脈衝和上述第2噴出脈衝之間的休止時間為K12時，全部滿足下述3式T1＝k1×Nr×Tr/2，T2＝k2×N×Tr/2，K12＝k3×(3Tr/4-T2/2)，其中k1，k2，K3為0.9～1.1。
本發明的再一個核心的特徵在於，在用來驅動具有用於噴出液體的噴出口、連通該噴出口用來把噴出液體的壓力作用於液體的壓力作用單元、以及生成上述壓力的壓力生成元件的液體噴頭的驅動裝置中，具有對於1點的噴出命令，將可噴出液體的第1噴出脈衝和可噴出液體的第2噴出脈衝連續施加於上述壓力生成元件的驅動電路，在設N為大於3的奇數，上述液體噴頭的流體力學共振頻率的倒數為Tr，上述第1噴出脈衝的脈衝寬度為T1，上述第2噴出脈衝的脈衝寬度為T2以及上述第1噴出脈衝和上述第2噴出脈衝之間的休止時間為K12時，全部滿足下述3式T1＝k1×N×Tr/2，T2＝k2×N×Tr/2，K12＝K3×(3Tr/4-T2/2)，其中k1，k2，k3為0.9～1.1。
根據本發明，因為與第1液滴相比，第2液滴小若干並且其噴出速度可以快，兩個液滴可以在很短的距離內合併。
於是，在此發明中，接著上述第2噴出脈衝施加不噴出液體的非噴出脈衝，此時，設上述非噴出脈衝的脈衝寬度為T3，上述第2噴出脈衝和上述非噴出脈衝之間的休止時間為K23時，全部滿足下述2式T3＝K4×N×Tr/2，K23＝K5×(3Tr/2-T2/2-T3/2)，其中K4＝0.2～0.5，K5為0.9～1.1。
在此場合，可以很快抑制與從前相比易於變得更大的液滴噴出後的振動。
另外，在本發明中，也可以對構成具有多個上述噴出口和多個上述壓力作用單元的液體噴頭集合體的各液體噴頭供給上述T1、上述T2以及K12分別相同的包含上述第1噴出脈衝和上述第2噴出脈衝的驅動信號。
在此場合，由於無需對每個液體噴頭進行脈衝序列，即使是各由於各噴頭間多少有一些製造誤差而引起噴出特性不均勻，也可以很好地進行驅動。
還有，本發明的另外的核心的特徵在於，在用來驅動具有用於噴出液體的噴出口、連通該噴出口用來把噴出液體的壓力作用於液體的壓力作用單元、以及生成上述壓力的壓力生成元件的液體噴頭的驅動方法中，具有對於1點的噴出命令，將可噴出液體的第1噴出脈衝和可噴出液體的第2噴出脈衝連續施加於上述壓力生成元件的驅動電路，在設N為大於3的奇數，上述液體噴頭的流體力學共振頻率的倒數為Tr，上述第1噴出脈衝的脈衝寬度為T1，上述第2噴出脈衝的脈衝寬度為T2以及上述第1噴出脈衝和上述第2噴出脈衝之間的休止時間為K12時，全部滿足下述3式T1＞Tr，T2＝T1/N，K12＝3T1/2N-T2/2。
另外，本發明的另外再一個的核心的特徵在於，在用來驅動具有用於噴出液體的噴出口、連通該噴出口用來把噴出液體的壓力作用於液體的壓力作用單元、以及生成上述壓力的壓力生成元件的液體噴頭的驅動裝置中，具有對於1點的描繪命令，將可噴出液體的第1噴出脈衝和可噴出液體的第2噴出脈衝連續施加於上述壓力生成元件的驅動電路，在設N為大於3的奇數，上述液體噴頭的流體力學共振頻率的倒數為Tr，上述第1噴出脈衝的脈衝寬度為T1，上述第2噴出脈衝的脈衝寬度為T2以及上述第1噴出脈衝和上述第2噴出脈衝之間的休止時間為K12時，全部滿足下述3式T1＞Tr，T2＝T1/N，K12＝3T1/2N-T2/2。
根據本發明，因為與第1液滴相比，第2液滴小若干並且其噴出速度可以快，兩個液滴可以在很短的距離內合併。
於是，在此發明中，接著上述第2噴出脈衝施加不噴出液體的非噴出脈衝，此時，設上述非噴出脈衝的脈衝寬度為T3，上述第2噴出脈衝和上述非噴出脈衝之間的休止時間為K23時，全部滿足下述2式T3＜Tr/2，K23＝3T1/N-T2/2-T3/2。
在此場合，可以很快抑制與從前相比易於變得更大的液滴噴出後的振動。
圖1A和圖1B為用來說明本發明一實施方式的液體噴頭的驅動方法的示圖。
圖2為用來說明本發明一實施方式的液體噴出狀況的示意圖。
圖3A、3B、3C、3D、3E和3F為說明與液體噴頭的各種驅動方法分別對應的壓力生成元件的位移的示圖。
圖4G和圖4H為說明與液體噴頭的另一種種驅動方法相對應的壓力生成元件的位移的示圖。
圖5為示出本發明使用的液體噴頭的驅動電路圖。
圖6A、6B和6C為示出圖5的驅動電路的驅動時序圖。
圖7為示出本發明一實施方式的液體噴出裝置的示意斜視圖。
圖8為示出本發明一實施方式的噴墨裝置的驅動波形的示圖。
圖9A和9B為示出液體噴頭的示圖。
圖10為用來說明液體噴頭的動作的示意圖。
圖11為用來說明流體力學共振頻率的示意圖。
發明的
具體實施例方式
圖1、圖2為用來說明本發明一實施方式的液體噴頭的驅動方法的示圖。在本發明中，也可採用與圖9、圖10所示的相同的構成的噴頭作為液體噴頭。
圖1A示出用來驅動具有用於噴出液體的噴出口、連通該噴出口用來把噴出液體的壓力作用於液體的壓力作用單元、以及生成上述壓力的壓力生成元件的液體噴頭的驅動信號(1點的噴出命令)。
圖1B示出上述液體噴頭的壓力生成元件的振動狀態，圖中正(+)方向對應於壓力作用單元的容積向著比穩定狀態增大方向的位移，而負(-)方向對應於壓力作用單元的容積向著比穩定狀態減小方向的位移。
如在時刻t0，驅動脈衝(第1噴出脈衝VA)變為上升電壓Vop，壓力生成元件開始產生剪切應變變形，壓力作用單元的容積增大，液體從上遊導入其中。
如在時刻t1，驅動脈衝變為下降，則因為壓力生成元件的剪切應變變形解除，壓力作用單元的容積由於壓力生成元件的變形恢復力的作用而減小，開始對其中的液體加壓。於是，其後，由于振動，壓力作用單元的容積比在t0時還小，液體受壓而從噴出口噴出。
在時刻t2，驅動脈衝(第2噴出脈衝)再上升時，噴出液體成為大液滴22。
由於第2噴出脈衝VB，壓力作用單元再擴大。
在時刻t3，第2驅動脈衝下降時，壓力生成元件的振動幅度變為最大。於是，壓力作用單元再一次收縮，第2液滴23開始從液體噴出口噴出。
在時刻t4噴出的液體成為第2液滴23離開噴出口。由於第2液滴23在時刻t3振動幅度最大，就以比第1液滴22更快的速度噴出。
以上，總之，對1點的噴出命令由兩個噴出脈衝噴射2個液滴。此時，利用第1噴出脈衝噴出的第1液滴22的噴出速度可比利用第2噴出脈衝噴出的第2液滴23慢大約15％～20％。因此，即使是噴出口和描繪基體(液體容納構件)之間的距離是500μm以下的短距離，在第1液滴22射著液體容納構件之前，可以和第2液滴23在空中合併而成為大液滴24。並且，第1液滴22的體積為與第2液滴23相同或小若干的大小。
由此，與對1點的噴出命令只由第1或第2噴出脈驅動的場合相比，在對1點的噴出命令由第1及第2噴出脈驅動的場合，可以使具有1.8～2.0倍的體積的液滴作為同一點射著。
而且，各液滴22、23的體積，可以通過如圖2所示的液滴的平面投影的投影圖所示的圓形或近似圓形求得。
另外，在本發明的實施方式中，最好在時刻t5附近接著第2噴出脈衝施加一個非噴出脈衝第3脈衝。由此，可有效地減小壓力差用單元內的液體的振動，可以使粘度比較低的墨水進行高頻噴射。
為了可形成上述的液滴，可以依如下的方式設定驅動脈衝序列。
在設N為大於3的奇數，上述液體噴頭的流體力學共振頻率的倒數為Tr，上述第1噴出脈衝的脈衝寬度為T1，上述第2噴出脈衝的脈衝寬度為T2以及上述第1噴出脈衝和上述第2噴出脈衝之間的休止時間為K12時，應該全部滿足下述3式T1＞Tr，T2＝T1/N，K12＝3T1/2N-T2/2。
更優選地，如接著上述第2噴出脈衝施加一個非噴出脈衝，此時，設上述非噴出脈衝的脈衝寬度為T3，上述第2噴出脈衝和上述非噴出脈衝之間的休止時間為K23時，能全部滿足下述2式T3＜Tr/2，K23＝3T1/N-T2/2-T3/2。
其中，根據流體力學共振頻率，最好是使T1為Tr/的N倍。
在圖1A和圖1B中，舉例說明的是N＝3，但N＝5、7、9…也可以。
下面以圖3A、3B、3C、3D、3E和3F及圖4G和圖4H為例對本發明的優選的液體噴頭的驅動方法予以更詳細的說明。
圖3A、3B示出的是只施加脈衝寬度Tr/2的噴出脈衝VA，時的壓力生成元件的振動狀況。在周期Tr時，在振幅減小的同時反覆振動，振動收斂為零。此周期Tr，實際上不僅是根據壓力生成元件，也根據噴出口的形狀及大小、壓力作用單元的形狀及大小、噴頭內的液體體積及密度等決定的液體噴頭的流體力學共振頻率Fr決定。就是說，Tr＝1/Fr。特別是在使多個液體噴頭集合成為的液體噴頭集合體的場合，各噴出口，即各噴頭的Fr也有偏差。此流體力學共振頻率Fr可通過將公知的阻抗測定器連接到壓力生成元件而求出其阻抗和頻率的依賴關係(參照圖11)。
對具有這種特性的液體噴頭，如設N＝3，施加脈衝寬度為T1＝N×Tr/2的噴出脈衝VA，可得到如圖3C、3D所示的振動。如N為大於3的奇數，利用共振，可效率更高地噴出液滴。
與圖3C相同，在施加第1噴出脈衝VA之後，接著，施加第2噴出脈衝的場合，定時如圖3E所示。作為第2噴出脈衝VB的脈衝寬度T2選擇噴出效率好的脈衝寬度Tr/2。作為第2噴出脈衝VB的施加定時取在液體受壓方向上壓力生成元件位移之後在反方向上位移期間其速度最快的時間。即該時間是從時刻t1起經過時間M12的時刻。此時間M12是Tr/2的3/2倍的時段。因此，在時刻t1～時刻t2期間(休止期間)K12＝3T1/2N-T2/2，換言之，K12＝3Tr/4-T2/2。
這樣，利用在時刻T3的最大振幅，第2液滴以比第1液滴快的速度噴出，其體積也大致為同樣的值。
於是，在驅動液體噴頭集合體的場合，由於製造偏差，準確講，各個噴頭的流體力學共振頻率Fr多半不同。與此相對應，如對各噴頭，進行各脈衝寬度及休止期間的最優化，則驅動電路會變得複雜得多。如考慮到液體噴頭集合體的特性偏差，作為可得到上述作用的範圍內的條件，最好是將各脈衝寬度和休止期間設定為最佳值的0.9倍～1.1倍的容許度範圍內。這樣，作為選擇範圍定為T1＝k1×N×Tr/2，T2＝k2×N×Tr/2，K12＝k3×(3Tr/4-T2/2)，其中k1，k2，k3為0.9～1.1。
圖4G和圖4H為示出在圖3E的驅動信號上附加非噴出脈衝時的液體噴頭的壓力生成元件的振動狀態的示圖。
在此脈衝VB的中間定時，即上升時刻t2和下降時刻t3的中間時點起經過時段M23的時刻t5時施加非噴出脈衝非噴出脈衝VC。
最好是M23＝3×Tr/2。
如圖3D、3F所示，在時刻t5，是由於壓力生成元件使壓力作用單元內的容積從膨脹轉向收縮的時期，即施加要把液體從噴出口推出的力的時期，並且理論上是其速度最快的時刻。所以，在此時刻t5附近，如施加反向力於壓力生成元件，可抑制壓力生成元件的振動，可以更進一步削弱使液體噴出的力。
特別是，在圖3E、3F的場合，因為在由於噴出脈衝VB的作用使第2液滴23噴出後的振幅放大，如圖4G、4H所示，施加非噴出脈衝是有效的。
如將接著第2噴出脈衝VB施加的非噴出脈衝VC的脈衝寬度設為T3，T3＜Tr/2，更好是T3≤0.5×Tr/2，特別是在具有多個噴出口的液體噴頭集合體的場合，T3＝K4×Tr/2更好。其中K4為0.2～0.5。
如設從第2噴出脈衝VB的下降時刻t3到非噴出脈衝VC的上升時刻的期間，即第2噴出脈衝第2噴出脈衝VB和非噴出脈衝VC之間的休止時間K23，則最好是K23＝3T1/N-T2/2-T3/2。
更好是根據從M23減去第2噴出脈衝的脈衝寬度的一半和非噴出脈衝寬度的一半的值，即K23＝3Tr/2-T2/2-T3/2，K23＝k5×(3Tr/2-T2/2-T3/2)，其中k5為0.9～1.1。
(液體噴頭)作為在本發明中使用的液體噴頭，設置有相應於電信號的施加，至少一部分發生位移，可對導入壓力作用單元的液體施加壓力的壓力生成元件，最好是採用具有與該壓力作用單元連通的噴出口的構成。特別是，最好是採用通過施加單極性電壓發生位移使液體減壓並在該電壓解除的同時位移返回而產生使液體噴出的壓力的壓電元件執行器。
下面參照附圖對其一例予以說明。本發明使用的液體噴頭(噴頭)的一例，與圖9所示的相同，包括底壁501、頂壁502及其間的剪切模式執行器壁503。該執行器壁503由與底壁501相接、並且在箭頭511方向上極化的下部壁507和與頂壁502相接、並且在箭頭509方向上極化的上部壁505組成。鄰接的2個執行器壁503組成1對形成其墨水流路(壓力作用單元)506。此外，由墨水流路之間形成由不存在墨水的空隙部分組成的空氣室508。
在各墨水流路506的一端上連接有具有噴嘴510的孔板512，在各執行器壁503的兩側面上設置有金屬化層電極513、514。具體說，在空氣室506側的執行器壁上設置電極514，而在空氣室508側的執行器壁上設置電極513。面對空氣室508的電極513與提供執行器驅動信號的驅動電路520相連接，而設置於墨水流路506內的電極514與地相連接。
(驅動電路)本發明使用的圖4的驅動電路可以是將圖1及圖4所示的驅動信號相應於1點的噴出命令供給噴頭的電路。
下面，圖5示出本發明使用的圖4的液體噴頭的驅動電路520具體例。示於圖5的電路520由充電電路201，放電電路202和脈衝控制電路203構成。輸入端子204和205分別是用來輸入使向空氣室內的電極513提供的電壓變成E(V)及0(V)的脈衝信號的輸入端子。充電電路201的構成包括電阻R101、R102、R103、R104以及R105，電晶體TR101及TR102。
如果輸入端子204上輸入接通信號，則經電阻R101電晶體TR101導通，電流從正電源101經電阻R103在電晶體TR101的集電極方向流過。因此，與正電源101連接的電阻R104及R105承受的電壓的分壓上升，流過電晶體TR102的基極的電流增加，電晶體TR102的發射極和集電極之間導通。由此，從正電源101發出的+20V的電壓經電晶體TR102的集電極和發射極，電阻R120施加於空氣室508內的電極513。此定時是圖6A、6B及6C所示的時序圖中的Tm1、Tm2及Tm3。
圖6A、6B和6C示出施加於驅動電路520的輸入端子204和205的輸入信號的時序圖。輸入到充電電路201的輸入端子204的信號，如圖6A、6B和6C所示的時序圖(a)所示，通常為斷開狀態，在用來噴射墨水的規定的定時Tm1時接通，在定時Tm2斷開。在其後的定時Tm3再接通，而在Tm4返回斷開狀態。此外，在Tm5再返回接通狀態，而在Tm6返回斷開狀態。輸入到圖5的充電電路202的輸入端子205的信號，如圖3A、3B、3C、3D、3E和3F所示的時序圖(b)所示，在輸入到充電電路201的輸入信號為接通時為斷開狀態，在斷開時為接通狀態。放電電路是用來使蓄積於壓電元件上的電荷迅速放電的機構電路。
下面對生成具有輸入到充電電路201的輸入端子204及放電電路202的輸入端子205的上述定時Tm1、Tm2、Tm3、Tm4、Tm5及Tm6的脈衝信號的脈衝控制電路203予以說明。表示實際上施加的電壓的是圖6的時序圖(c)，對電壓上升時間和下降時間發生波形捨入。可是，如將電路的時間常數設計成為使波形的捨入為3μm以下，則通過控制可使波形的捨入的影響(噴出效率的減少)很小。最好是設定定時使得在控制上將此波形捨入控制在3μm以下，並且在驅動電壓的1/2的電壓下控制脈衝寬度。
在圖5中，在脈衝控制電路203中設置有實施各種運算處理的CPU210，與CPU210相連接的有記錄描繪數據及各種數據的RAM211和脈衝控制電路203的控制程序以及記錄在上述定時Tm1、Tm2、Tm3、Tm4、Tm5、Tm6生成接通或斷開信號順序數據的ROM212。另外，CPU210與用來執行各種數據的收發的I/O總線213相連接，該I/O總線213連接有描繪數據接收電路214和脈衝發生器215及216。脈衝發生器215的輸出與充電電路201的輸入端子相連接，而脈衝發生器216的輸出與放電電路202輸入端子相連接。
比如，脈衝發生器215、216分別具有寄存器31、33和計數器32、34，與脈衝VA、VB、VC的上升及下降定時相對應的計數值從ROM212存儲於寄存器31、33中，如計數器32、34根據基準時鐘計數一直到其計數值，就在上述定時將信號供給輸入端子204和205。
此處是設定脈衝發生器215及216及充電電路201及放電電路202與噴墨噴頭的噴嘴的數目相同。在本實施方式中，是對一個噴嘴進行說明的，對其他噴嘴也可以進行同樣的控制。
脈衝VA、VB、VC的電壓值，可以分別獨立確定，也可如上述統一為相同的值。如脈衝VB的電壓值大於脈衝VA的電壓值，噴出速度可以更高，脈衝VC的電壓值也可以較脈衝VA、第2噴出脈衝VB的為小。
(液體噴出裝置)下面對具有本發明的液體噴頭的驅動裝置的液體噴出裝置予以說明。
圖7為用來說明液體噴出裝置的構成的示意斜視圖。
1是液體噴頭的集合體，具有上述的充電電路和放電電路。2是收容供給液體噴頭的液體的容器，3是引導噴頭集合體1向X方向移動的引導構件，4是引導容器2向X方向移動的引導構件。
5是在和X方向正交的Y方向上引導引導構件3、4的直線導軌。
6是噴頭集合體1的驅動裝置，具有如上所述的脈衝控制電路，由柔性纜線與噴頭相連接。
7是作為支持液體容納構件10的支持體的基板座，8是作為在X方向上往復驅動噴頭集合體1的驅動裝置的步進電機，9是作為在X方向上往復驅動容器2的驅動裝置的步進電機。在基板座7上載置液體容納構件10。噴頭集合體1在X方向上移動的同時，利用上述方法噴出液體，形成點圖形。在1行點圖形的形成結束後，向Y方向移動1行的距離，形成下一行的點圖形。反覆實行這一動作，對液體容納構件10進行點圖形描繪。上述說明是以只有噴頭集合體1相對固定基板座移動為示例進行說明，但它們也可以相對移動，比如，可以是噴頭集合體在X方向上移動，基板座在Y方向上移動。
作為液體容納構件10，可以是半導體晶片、玻璃基板、織物等，也可以是覆蓋這些材料之上的液體容納層。
本發明可應用於有機電晶體的源、漏、柵電極、源電極、漏電極等，或有機EL元件的發光層、陽極電極、陰極電極等，或彩色濾光器的著色層、遮光層等，或發光元件的電極、電子發射層等的製造，另外也可以應用於DNA晶片的製作。當然，也適用於普通紙的印刷。
(實施例1)
製備了如圖9所示的具有剪切應變的執行器的構成的噴頭集合體。
墨水流路506的長度L1為8.0mm。噴嘴510的尺寸，噴墨側的直徑φ1為25μm，墨水流路側的直徑φ2為40μm，長度(孔板512的厚度)L2為50μm。
另外，實驗中使用的墨水的粘度在25℃時為6mPa·s，表面張力為50mN/m。與此墨水流路內的墨水和加壓用具的耦合振動系的流體力學共振頻率Fr利用阻抗測定器進行測定，求出的其倒數為Tr＝20μsec。
在基板座上置放液體容納構件，其表面和噴頭的孔板表面的距離設定為300μm。
然後，在空氣室508內的電極513上施加如圖8所示的驅動波形。此驅動波形，由與圖4所示的相同的用來噴射墨滴的噴射脈衝信號A、B和用來減少總是述墨水流路506內的殘留振動的非噴射脈衝信號C組成，噴射脈衝信號A、B和非噴射脈衝信號C任何一個的電壓值都相同。噴射脈衝信號A的寬度T1設定為T1＝3×Tr/2μsec。
第2噴射脈衝信號B的寬度T2設定為T2＝Tr/2＝10μsec。
另外，設定從噴射脈衝A的上升定時到噴射脈衝B的上升定時的時間間隔K12＝Tr/2＝10μsec。
非噴射脈衝C的寬度T3＝0.4×Tr如＝4μsec。
設定從噴射脈衝B的上升定時到非噴射脈衝C的上升定時的時間間隔K23＝3×Tr/2-T2/2-T3/2＝23μsec。
這樣，對於1點的噴射信號，接著將噴射脈衝信號A、B和非噴射脈衝信號C施加於執行器。可以在移動噴頭集合體的同時進行描繪而不會將多個點付與液體容納構件的同一位值。
利用噴射脈衝A噴射大的液滴，利用噴射脈衝B噴射大小也有略小的但速度快的液滴，可以將體積大的液滴作為1點射著。另外，因為非噴射脈衝信號C是在由噴射脈衝信號引起的墨水流路內的殘留振動引起的壓電元件從擴大狀態轉移到縮小狀態的穩定位置的定時施加的，對壓電元件施加的是擴大方向上的力，由此，壓電元件的縮小方向的變形和擴大方向的變形相抵消，可減少壓電元件的殘留振動。
(實施例2)在與上述實施例1同樣的形態中驅動噴頭集合體進行噴射實驗。其結果參照表1進行說明。表1示出圖8所示的驅動波形內施加第1噴射脈衝和第2噴射脈衝的場合的結果，作為參數取的是噴射脈衝A的寬度。另外，使用的墨水的粘度在25℃時為6mPa·s，表面張力為50mN/m，作為墨水粘度使用的是粘度比較高的液體。
注○表示「優」△表示「良」×表示「差」
在表1中，驅動電壓為24V，噴射與噴射脈衝A、B相對應的2個液滴，示出2個液滴的合計噴出量及墨水在空中合併後的主滴的噴出速度及其射著精度。此處，作為射著評價的指標，評價的是射著液滴的位置精度的偏差(搖擺)及射著墨水的圓度。
此外，對於噴射脈衝寬度的依賴關係，對於所有的評價均為良好，是27μs～33μs。
在本實施方式中，設墨水流路內的墨水和加壓用具的耦合振動系的流體力學共振頻率為Fr，在Tr＝1/Fr時，因為Tr＝20μs，可知良好的脈衝寬度為0.9×3×Tr/2≤T1≤1.1×3×Tr/2。
(實施例3)與實施例2同樣，將噴射脈衝B的脈衝寬度作為可變參數，實施同樣的評價。
在本例的場合，可知得到良好結果的脈衝寬度T2為9μs≤T2≤11μs。
(比較例)作為比較，儘管圖4G和4H中未示出，只用單獨一個噴射脈衝(基準波形脈衝寬度100μs)驅動時，液滴的噴出量為15pl，噴出速度為8.2m/s。
由此，可以看出，在施加噴射脈衝A，B的場合，與只利用單獨一個噴射脈衝(10μs)驅動的場合相比較，噴出量的增加可以達到原來的2倍。
(實施例4)利用粘度低的墨水進行與實施例2同樣的實驗，可以得到與實施例2同樣的結果。
另外，在只利用噴射脈衝A，B進行驅動的場合，與實施例2(使用高粘度墨水)比較，可以看到，在驅動頻率提高的場合(比如10kHz以上)，噴出狀態不穩定。
於是，如圖8所示，在附加非噴射脈衝C的場合，在高頻(10kHz)下噴射也穩定。
良好的脈衝寬度T3為2μs～5μs，休止時間K23為20.7μs～25.3μs。
以上，如在本實施方式中所述的，在設墨水流路內的墨水和加壓用具的耦合振動系的流體力學共振頻率為Fr，在Tr＝1/Fr時，因為對每1點的描繪最初施加的驅動脈衝的第1脈衝寬度T1不是Tr/2(就是說，在壓電元件上施加脈衝時，在壓電元件最初其振幅變為最大的定時，不使壓電元件返回收縮方向)，通過設第1脈衝寬度T1為3×Tr/2(就是說，在壓電元件上施加脈衝時，在壓電元件第2次其振幅變為最大的定時，使壓電元件返回收縮方向)，不會造成由第1噴射脈衝引起的液滴的噴出的噴出量降低，而可以使噴出速度降低。因此，第1噴射液滴和第2噴射液滴在射著液體容納構件之前液滴合併。在液滴在空中合併的場合，在合併後，一直到液滴變形為球狀為止之前，在反覆重複任意的橢圓體的變形形態的振動不久的同時，穩定為球狀。在本實施方式中，合併後的振動收斂，變成為球狀液滴而射著於基體。另外，為了使在空中合併的振動儘快收斂，必須使第1液滴和第2液滴的動量的差儘可能地小。在本實施方式中，第1液滴和第2液滴的動量的差可以小，可使合併後的振動迅速減小。
以上，對一個實施方式進行了詳細的說明，但本發明並不限於此實施方式。另外，在上述實施方式中，使用的是正電源，但也可以使壓電元件的極化方向相反而使用負電源。另外，也可以使壓電元件的極化方向相反，使墨水室與正電源連接，空氣室側接地。此外，也可以將對墨水的加壓單元設置於流路的一部分內。就是說，本發明不限定於對墨水的加壓構造及加壓的電源供給構造等。
如上所述，根據本發明，利用對1點的噴出命令在兩個定時施加噴出脈衝可以得到必需的噴出量。此外，射著狀態極為良好，可特別適合用於產業用的描繪的液體噴射。
權利要求
1.一種液體噴頭的驅動方法，用來驅動具有用於噴出液體的噴出口、連通該噴出口用來把噴出液體的壓力作用於液體的壓力作用單元、以及生成上述壓力的壓力生成元件的液體噴頭，其特徵在於包含對於1點的噴出命令，將可噴出液體的第1噴出脈衝和可噴出液體的第2噴出脈衝連續施加於上述壓力生成元件的工序，按照利用上述第1噴出脈衝噴出的第1液體的體積和利用上述第2噴出脈衝噴出的第2液體的體積相同或更大，且上述第1液體的噴出速度小於上述第2液體的噴出速度的方式，確定上述第1噴出脈衝的脈衝寬度T1、上述第2噴出脈衝的脈衝寬度T2以及上述第1噴出脈衝和上述第2噴出脈衝之間的休止時間K12。
2.如權利要求1記載的液體噴頭的驅動方法，其特徵在於上述脈衝寬度T1和上述脈衝寬度T2以及上述休止時間K12系根據上述液體噴頭的流體力學共振頻率確定。
3.一種液體噴頭的驅動方法，用來驅動具有用於噴出液體的噴出口、連通該噴出口用來把噴出液體的壓力作用於液體的壓力作用單元、以及生成上述壓力的壓力生成元件的液體噴頭，其特徵在於包含對於1點的噴出命令，將可噴出液體的第1噴出脈衝和可噴出液體的第2噴出脈衝連續施加於上述壓力生成元件的工序，設N為大於3的奇數，上述液體噴頭的流體力學共振頻率的倒數為Tr，上述第1噴出脈衝的脈衝寬度為T1，上述第2噴出脈衝的脈衝寬度為T2以及上述第1噴出脈衝和上述第2噴出脈衝之間的休止時間為K12時，全部滿足下述3式T1＝k1×N×Tr/2，T2＝k2×N×Tr/2，K12＝k3×(3Tr/4-T2/2)，其中k1，k2，k3為0.9～1.1。
4.如權利要求1記載的液體噴頭的驅動方法，其特徵在於接著上述第2噴出脈衝施加不噴出液體的非噴出脈衝，此時，設上述非噴出脈衝的脈衝寬度為T3，上述第2噴出脈衝和上述非噴出脈衝之間的休止時間為K23時，全部滿足下述2式T3＝K4×Tr/2，K23＝k5×(3Tr/2-T2/2-T3/2)，其中k4＝0.2～0.5，k5為0.9～1.1。
5.如權利要求3記載的液體噴頭的驅動方法，其特徵在於向構成具有多個上述噴出口、多個上述壓力作用單元以及多個上述壓力生成元件的液體噴頭集合體的各液體噴頭，供給上述T1、上述T2以及K12分別相同的包含上述第1噴出脈衝和上述第2噴出脈衝的驅動信號。
6.一種液體噴頭的驅動方法，用來驅動具有用於噴出液體的噴出口、連通該噴出口用來把噴出液體的壓力作用於液體的壓力作用單元、以及生成上述壓力的壓力生成元件的液體噴頭，其特徵在於具有對於1點的噴出命令，將可噴出液體的第1噴出脈衝和可噴出液體的第2噴出脈衝連續施加於上述壓力生成元件的驅動電路，設N為大於3的奇數，上述液體噴頭的流體力學共振頻率的倒數為Tr，上述第1噴出脈衝的脈衝寬度為T1，上述第2噴出脈衝的脈衝寬度為T2以及上述第1噴出脈衝和上述第2噴出脈衝之間的休止時間為K12時，全部滿足下述3式T1＞Tr，T2＝T1/N，K12＝3T1/2N-T2/2。
7.如權利要求6記載的液體噴頭的驅動方法，其特徵在於接著上述第2噴出脈衝施加不噴出液體的非噴出脈衝，此時，設上述非噴出脈衝的脈衝寬度為T3，上述第2噴出脈衝和上述非噴出脈衝之間的休止時間為K23時，全部滿足下述2式T3＜Tr/2，K23＝3T1/N-T2/2-T3/2。
8.如權利要求6記載的液體噴頭的驅動方法，其特徵在於向構成具有多個上述噴出口、多個上述壓力作用單元以及多個上述壓力產生元件的液體噴頭集合體的各液體噴頭，供給上述T1、上述T2以及K12分別相同的包含上述第1噴出脈衝和上述第2噴出脈衝的驅動信號。
9.一種液體噴頭的驅動裝置，用來驅動具有用於噴出液體的噴出口、連通該噴出口用來把噴出液體的壓力作用於液體的壓力作用單元、以及生成上述壓力的壓力生成元件的液體噴頭，其特徵在於具有對於1點的噴出命令，將可噴出液體的第1噴出脈衝和可噴出液體的第2噴出脈衝連續施加於上述壓力生成元件的驅動電路，按照利用上述第1噴出脈衝噴出的第1液體的體積比利用上述第2噴出脈衝噴出的第2液體的體積更大，且上述第1液體的噴出速度小於上述第2液體的噴出速度的方式，確定上述第1噴出脈衝的脈衝寬度T1、上述第2噴出脈衝的脈衝寬度T2以及上述第1噴出脈衝和上述第2噴出脈衝之間的休止時間K12。
10.一種液體噴頭的驅動裝置，用來驅動具有用於噴出液體的噴出口、連通該噴出口用來把噴出液體的壓力作用於液體的壓力作用單元、以及生成上述壓力的壓力生成元件的液體噴頭，其特徵在於具有對於1點的噴出命令，將可噴出液體的第1噴出脈衝和可噴出液體的第2噴出脈衝連續施加於上述壓力生成元件的驅動電路，在設N為大於3的奇數，上述液體噴頭的流體力學共振頻率的倒數為Tr，上述第1噴出脈衝的脈衝寬度為T1，上述第2噴出脈衝的脈衝寬度為T2以及上述第1噴出脈衝和上述第2噴出脈衝之間的休止時間為K12時，全部滿足下述3式T1＝k1×N×Tr/2，T2＝k2×N×Tr/2，K12＝k3×(3Tr/4-T2/2)，其中k1，k2，k3為0.9～1.1。
11.一種液體噴頭的驅動裝置，用來驅動具有用於噴出液體的噴出口、連通該噴出口用來把噴出液體的壓力作用於液體的壓力作用單元、以及生成上述壓力的壓力生成元件的液體噴頭，其特徵在於具有對於1點的噴出命令，將可噴出液體的第1噴出脈衝和可噴出液體的第2噴出脈衝連續施加於上述壓力生成元件的驅動電路，在設N為大於3的奇數，上述液體噴頭的流體力學共振頻率的倒數為Tr，上述第1噴出脈衝的脈衝寬度為T1，上述第2噴出脈衝的脈衝寬度為T2以及上述第1噴出脈衝和上述第2噴出脈衝之間的休止時間為K12時，全部滿足下述3式T1＞Tr，T2＝T1/2，K12＝3T1/2N-T2/2。
12.一種液體噴出裝置，其特徵在於包括用來驅動具有用於噴出液體的噴出口、連通該噴出口用來把噴出液體的壓力作用於液體的壓力作用單元、以及生成上述壓力的壓力生成元件的液體噴頭，對於1點的噴出命令，將可噴出液體的第1噴出脈衝和可噴出液體的第2噴出脈衝連續施加於上述壓力生成元件的驅動電路，以及用來支持容納上述液體的液體容納構件的支持體，按照利用上述第1噴出脈衝噴出的第1液體的體積比利用上述第2噴出脈衝噴出的第2液體的體積更大，且上述第1液體的噴出速度小於上述第2液體的噴出速度的方式，確定上述第1噴出脈衝的脈衝寬度T1，上述第2噴出脈衝的脈衝寬度T2以及上述第1噴出脈衝和上述第2噴出脈衝之間的休止時間K12，並且按照使上述第1液體和上述第2液體合併而付與上述液體容納構件的方式來決定上述液體噴頭和上述支持體的位置。
13.如權利要求12記載的液體噴出裝置，其特徵在於設N為大於3的奇數，上述液體噴頭的流體力學共振頻率的倒數為Tr，上述第1噴出脈衝的脈衝寬度為T1，上述第2噴出脈衝的脈衝寬度為T2以及上述第1噴出脈衝和上述第2噴出脈衝之間的休止時間為K12時，全部滿足下述3式T1＝k1×N×Tr/2，T2＝k2×N×Tr/2，K12＝k3×(3Tr/4-T2/2)，其中k1，k2，k3為0.9～1.1。
14.如權利要求13記載的液體噴出裝置，其特徵在於設N為大於3的奇數，上述液體噴頭的流體力學共振頻率的倒數為Tr，上述第1噴出脈衝的脈衝寬度為T1，上述第2噴出脈衝的脈衝寬度為T2以及上述第1噴出脈衝和上述第2噴出脈衝之間的休止時間為K12時，全部滿足下述3式T1＞Tr，T2＝T1/2，K12＝3T1/2N-T2/2。
全文摘要
一種液體噴頭的驅動方法和驅動裝置，可以使液滴的體積增加，並且即使是在噴頭噴嘴和描繪基體的距離很短的場合，可以實現高精度的射著。該液體噴頭具有用於噴出液體的噴出口、連通該噴出口用來把噴出液體的壓力作用於液體的壓力作用單元、以及生成上述壓力的壓力生成元件。該驅動方法包含對於1點的噴出命令，將可噴出液體的第1噴出脈衝和可噴出液體的第2噴出脈衝連續施加於上述壓力生成元件的工序，按照利用上述第1噴出脈衝噴出的第1液體的體積和利用上述第2噴出脈衝噴出的第2液體的體積相同或更大，且上述第1液體的噴出速度小於上述第2液體的噴出速度的方式，確定上述第1噴出脈衝的脈衝寬度T
文檔編號B41J2/05GK1410265SQ02142839
公開日2003年4月16日 申請日期2002年9月18日 優先權日2001年9月28日
發明者藤村秀彥, 堀江亮子 申請人:佳能株式會社