JP2006035791A - 圧電素子駆動回路とそれを用いた圧電インクジェットヘッドの駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 レベル変換器を必要としないため、より一層の高集積化と小型化とが可能な圧電素子駆動回路と、それを用いた圧電インクジェットヘッドの駆動方法とを提供する。
【解決手段】 圧電素子駆動回路は、電源ＶＰと接地ＥＡとの間に、抵抗Ｒ１と圧電素子ＰＥとを直列に繋いで第１回路Ｃ１を形成し、この第１回路Ｃ１の、抵抗Ｒ１と圧電素子ＰＥとの間から分岐させて、スイッチング素子ＴＲを介して接地に到る第２回路Ｃ２を形成する。圧電インクジェットヘッドの駆動方法は、この圧電素子駆動回路を用いて、引き打ち法によって圧電インクジェットヘッドを駆動させて、紙面にドット形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧電素子を駆動させるための圧電素子駆動回路と、この圧電素子駆動回路を用いて、圧電インクジェットヘッドを駆動させるための駆動方法とに関するものである。

例えば、オンデマンド型のインクジェットプリンタなどに用いる、圧電セラミックの電歪効果を駆動源とする圧電インクジェットヘッドにおいては、当該圧電セラミックを含む圧電素子に充電して変形させ、それによって振動板を撓ませて加圧室の容積を減少させることで、当該加圧室内のインクを、連通するノズルからインク滴として吐出させて、紙面にドットを形成している。

詳しく説明すると、圧電セラミックを含む圧電素子と、圧電素子を支持する振動板とを積層した圧電アクチュエータが、圧電セラミックが発生する力を加圧室内のインクに圧力として伝えることで、この加圧室に連通するノズルからインク滴を吐出させるための駆動源としての役割を果たしている。それと同時に、圧電アクチュエータは、加圧室内のインクの圧力を受けることによって振動板が撓むため、当該加圧室を含むヘッド内のインクの振動に対して、弾性体としての役割も持っている。

圧電素子に充電して力を発生させると、ヘッド内のインクは、振動板を介して圧電アクチュエータから受けた圧力によって振動を起こす。この振動は、圧電アクチュエータと加圧室とを弾性として、また、加圧室にインクを供給する供給口、加圧室とノズルとを繋ぐノズル流路、およびノズルを慣性として発生する。この振動における、ヘッド内のインクの、体積速度の固有振動周期は、上記各部の寸法とインクの物性値、圧電アクチュエータの寸法と物性値とによって決まる。

そして、圧電インクジェットヘッドにおいては、かかるインクの振動による、ノズル内でのインクメニスカスの振動を利用してインク滴を発生させて、紙面にドットを形成している。すなわち、ノズル内のインクメニスカスは、振動の速度がノズルの外方へ向かうことによって、ノズル先端の開口から、外部へと柱状に押し出される。この押出されたインクは、その形状からインク柱と呼ばれる。振動の速度は、やがてノズルの内方向へ向かうが、インク柱はそのまま外方向に運動を続けるため、インクメニスカスから切り離される。そして、切り離されたインク柱が１〜２滴程度のインク滴にまとまり、それが紙面の方向に飛翔して、紙面にドットを形成する。

上記の圧電インクジェットヘッドにおいて、圧電素子に充電して駆動させるための駆動回路としては、例えば、図９に示すように、電源ＶＰと接地ＥＡとの間に、第１スイッチング素子ＴＲ１と第２スイッチング素子ＴＲ２とを直列に繋いで第１回路Ｃ１を形成すると共に、この第１回路Ｃ１の両スイッチング素子ＴＲ１、ＴＲ２間から分岐させて、抵抗素子Ｒと、圧電素子ＰＥとを介して接地ＥＡに至る第２回路Ｃ２を形成したものが一般的である（例えば、特許文献１参照）。

圧電素子ＰＥは、圧電セラミック９と、この圧電セラミック９を挟む一対の電極８、１０とで構成され、等価的にコンデンサとして機能する。
上記の駆動回路においては、第１スイッチング素子ＴＲ１をオン状態、第２スイッチング素子ＴＲ２をオフ状態とすると、圧電素子ＰＥが、電源ＶＰの電圧とほぼ等しい電圧まで充電されて、変形を生じる（変形状態）。また、第１スイッチング素子ＴＲ１をオフ状態、第２スイッチング素子ＴＲ２をオン状態とすると、充電された電圧が放電されるため、圧電素子ＰＥの変形が解除される（変形解除状態）。そして、この２つの状態を組み合わせて圧電素子ＰＥを駆動させると、前記のメカニズムにより、ノズルを通してインク滴が吐出される。
特開平９−３２３４１３号公報（請求項１、第００１０欄〜第００１１欄、第００１５欄、図１０）

上記の駆動回路においては、第１スイッチング素子ＴＲ１の基準電圧が、圧電素子ＰＥの充電電圧である、電源ＶＰの電圧と等しくなる。そのためオフ制御する際に、当該第１スイッチング素子ＴＲ１は、ゲート電極に、電源ＶＰの電圧とほぼ等しい制御電圧を印加する必要がある。
しかし、電源ＶＰの電圧は、通常、１２〜４８Ｖ程度であって、圧電インクジェットヘッドにおいて画像データ転送および印字ドット制御等を行うための、ロジック回路ＬＣのロジック電圧（およそ３．３〜５．０Ｖ程度）よりも高いため、第１スイッチング素子ＴＲ１をオン−オフ制御して圧電素子ＰＥを駆動させるためには、図９に示すように、ロジック回路ＬＣの制御信号を、レベル変換器ＲＣにおいて、電源ＶＰの電圧とほぼ同電圧の制御電圧に変換した後、第１スイッチング素子ＴＲ１のゲート電極に入力する必要がある。

そして、レベル変換器ＲＣは、１つの圧電素子ごとに１つずつ設けなければならない上、例えば駆動回路を集積して集積回路を形成する際に、個々のレベル変換器ＲＣが、スイッチング素子等と比べて広い面積を必要とすることから、特に、複数の圧電素子を個別に駆動制御する必要のある圧電インクジェットヘッドの駆動回路において、その集積化、小型化の妨げとなったり、駆動回路の製造コストが高くつく原因となったりするという問題がある。

そして、特に近年の、インクジェットプリンタにおける印字の高精細化の要求に伴うノズル数、すなわち圧電素子数の増加と、それと相反する、圧電インクジェットヘッドのさらなる小型化の要求の両方を満足するためには、駆動回路を、これまでよりもさらに高集積化しつつ、より一層、小型化しなければならないが、従来の駆動回路では、これらの要求に十分に対応できなくなりつつあるのが現状である。

本発明の目的は、レベル変換器を必要としないため、より一層の高集積化と小型化とが可能な圧電素子駆動回路と、それを用いた圧電インクジェットヘッドの駆動方法とを提供することにある。

請求項１記載の発明は、圧電素子に充電して変形させる変形状態と、放電させて変形を解除する変形解除状態との組み合わせによって圧電素子を駆動させる駆動回路であって、
電源と接地との間に、抵抗素子と圧電素子とをこの順に直列に繋いで第１回路を形成すると共に、この第１回路の、抵抗素子と圧電素子との間から分岐させて、スイッチング素子を介して接地に到る第２回路を形成してあり、
スイッチング素子をオフ状態とすることで圧電素子に充電して変形状態とし、スイッチング素子をオン状態とすることで圧電素子を放電させて変形解除状態とすることを特徴とする圧電素子駆動回路である。

請求項２記載の発明は、第２回路に、スイッチング素子と直列に抵抗素子を設ける請求項１記載の圧電素子駆動回路である。
請求項３記載の発明は、第１回路の、第２回路の接続点と、圧電素子との間に、圧電素子と直列に抵抗素子を設ける請求項１記載の圧電素子駆動回路である。
請求項４記載の発明は、
(A) インクが充てんされる加圧室、
(B) 加圧室に連通し、インクメニスカスが形成されるノズル、および
(C) 圧電素子と、この圧電素子の変形によって撓んで加圧室の容積を減少させることで、加圧室内のインクを、ノズルを通してインク滴として吐出させるための振動板とを含む圧電アクチュエータ、
をそれぞれ複数個ずつ備えると共に、上記各圧電素子ごとに、請求項１〜３のいずれかに記載の圧電素子駆動回路を備える圧電インクジェットヘッドを駆動する方法であって、
待機時には、各圧電素子駆動回路のスイッチング素子をオフ状態として、いずれの圧電素子も変形状態を維持することで、加圧室の容積を減少させた状態を維持しておき、
ノズルを通してインク滴を吐出させる加圧室においては、選択的に、
(1) 圧電素子駆動回路のスイッチング素子をオン状態として、圧電素子を変形解除状態とすることで、加圧室の容積を増加させて、ノズル内のインクメニスカスを加圧室の側に引き込んだ後、
(2) 再びスイッチング素子をオフ状態として、圧電素子を変形状態とすることで加圧室の容積を減少させることにより、
ノズル内のインクメニスカスを振動させてインク滴を発生させると共に、ノズルから吐出させることを特徴とする圧電インクジェットヘッドの駆動方法である。

請求項５記載の発明は、圧電素子に充電して変形させる変形状態と、放電させて変形を解除する変形解除状態との組み合わせによって圧電素子を駆動させる駆動回路であって、
電源と接地との間に、圧電素子とスイッチング素子とをこの順に直列に繋いで第１回路を形成すると共に、電源から、抵抗素子を介して、上記第１回路の、圧電素子とスイッチング素子との間に到る第２回路を形成してあり、
スイッチング素子をオン状態とすることで圧電素子に充電して変形状態とし、スイッチング素子をオフ状態とすることで圧電素子を放電させて変形解除状態とすることを特徴とする圧電素子駆動回路である。

請求項６記載の発明は、第１回路の、第２回路の接続点と接地との間に、スイッチング素子と直列に抵抗素子を設ける請求項５記載の圧電素子駆動回路である。
請求項７記載の発明は、第１回路の、圧電素子と、第２回路の接続点との間に、圧電素子と直列に抵抗素子を設ける請求項５記載の圧電素子駆動回路である。
請求項８記載の発明は、
(A) インクが充てんされる加圧室、
(B) 加圧室に連通し、インクメニスカスが形成されるノズル、および
(C) 圧電素子と、この圧電素子の変形によって撓んで加圧室の容積を減少させることで、加圧室内のインクを、ノズルを通してインク滴として吐出させるための振動板とを含む圧電アクチュエータ、
をそれぞれ複数個ずつ備えると共に、上記各圧電素子ごとに、請求項５〜７のいずれかに記載の圧電素子駆動回路を備える圧電インクジェットヘッドを駆動する方法であって、
待機時には、各圧電素子駆動回路のスイッチング素子をオフ状態として、いずれの圧電素子も変形解除状態を維持することで、加圧室の容積を平常の状態に維持しておき、
ノズルを通してインク滴を吐出させる加圧室においては、選択的に、圧電素子駆動回路のスイッチング素子をオン状態として圧電素子を変形状態とすることで、加圧室の容積を減少させてインク滴を発生させ、ノズルから吐出させることを特徴とする圧電インクジェットヘッドの駆動方法である。

請求項１記載の発明においては、スイッチング素子をオフ状態とすると、このスイッチング素子と並列で、かつ抵抗素子と直列に繋がれた圧電素子が、抵抗素子の抵抗値と圧電素子の容量値とによって決まる所定の時定数でもって、電源とほぼ同電圧まで充電されて、圧電素子が変形状態とされる。また、スイッチング素子をオン状態とすると、圧電素子に充電された電圧が、スイッチング素子のオン抵抗値と、圧電素子の容量値とによって決まる所定の時定数でもって放電されて、圧電素子が変形解除状態とされる。そのため、この２つの状態を組み合わせることで、圧電素子を駆動させることができる。

またスイッチング素子は、常に接地と接続されているため、当該スイッチング素子として、ロジック回路のロジック電圧によってオン−オフ制御できるものを用いて、レベル変換器を省略することができ、より一層の高集積化と小型化とが可能となる。
請求項２記載の発明によれば、第２回路に、スイッチング素子と直列に挿入する抵抗素子の抵抗値を調整することによって、放電時の時定数を任意に調整することができる。また、請求項３記載の発明によれば、第１回路の、第２回路の接続点と、圧電素子との間に、圧電素子と直列に挿入する抵抗素子の抵抗値を調整することによって、充電時の時定数、および放電時の時定数を任意に調整することができる。

請求項４記載の発明によれば、上記の圧電素子駆動回路を用いることで、いわゆる引き打ち式の駆動方法によって、任意のノズルからインク滴を吐出させて印字を行うことができる。また、圧電素子の変形状態を維持する待機時には、各圧電素子駆動回路のスイッチング素子をオフ状態として、電源から接地に漏洩する電流を著しく減少させることができるため、インクジェットプリンタの、待機時の消費電力を低減することができる。

請求項５記載の発明においては、スイッチング素子をオン状態とすると、このスイッチング素子と直列で、かつ抵抗素子と並列に繋がれた圧電素子が、スイッチング素子のオン抵抗値と圧電素子の容量値とによって決まる所定の時定数でもって、電源とほぼ同電圧まで充電されて、圧電素子が変形状態とされる。また、スイッチング素子をオフ状態とすると、圧電素子と抵抗素子によって閉回路が形成され、圧電素子に充電された電圧が、抵抗素子の抵抗値と、圧電素子の容量値とによって決まる所定の時定数でもって放電される結果、圧電素子が変形解除状態とされる。そのため、この２つの状態を組み合わせることで、圧電素子を駆動させることができる。

またスイッチング素子は、常に接地と接続されているため、当該スイッチング素子として、ロジック回路のロジック電圧によってオン−オフ制御できるものを用いて、レベル変換器を省略することができ、より一層の高集積化と小型化とが可能となる。
請求項６記載の発明によれば、第１回路の、第２回路の接続点と接地との間に、スイッチング素子と直列に挿入する抵抗素子の抵抗値を調整することによって、充電時の時定数を任意に調整することができる。また、請求項７記載の発明によれば、第１回路の、圧電素子と、第２回路の接続点との間に、圧電素子と直列に挿入する抵抗素子の抵抗値を調整することによって、充電時の時定数、および放電時の時定数を任意に調整することができる。

請求項８記載の発明によれば、上記の圧電素子駆動回路を用いることで、いわゆる押し打ち式の駆動方法によって、任意のノズルからインク滴を吐出させて印字を行うことができる。また、圧電素子の平常の状態を維持する待機時には、各圧電素子駆動回路のスイッチング素子をオフ状態として、電源から接地に漏洩する電流を著しく減少させることができるため、インクジェットプリンタの、待機時の消費電力を低減することができる。

図１(a)は、本発明の圧電素子駆動回路の、実施の形態の一例を示す回路図、同図(b)は、上記圧電素子駆動回路のスイッチング素子をオフ状態としたときの、同回路の等価回路図、同図(c)は、上記圧電素子駆動回路のスイッチング素子をオン状態としたときの、同回路の等価回路図である。
図１(a)を参照して、この例の圧電素子駆動回路は、電源ＶＰと接地ＥＡとの間に、抵抗素子Ｒ１１と圧電素子ＰＥとをこの順に直列に繋いで第１回路Ｃ１を形成すると共に、この第１回路Ｃ１の、抵抗素子Ｒ１１と圧電素子ＰＥとの間の接続点Ｃ１０から分岐させて、スイッチング素子ＴＲを介して、第１回路Ｃ１の、圧電素子ＰＥと接地ＥＡとの間の接続点Ｃ１１に到る第２回路Ｃ２を形成したもので、スイッチング素子ＴＲのゲート電極は、ロジック回路ＬＣと直接に接続してある。また、圧電素子ＰＥは、圧電セラミック９と、この圧電セラミック９を挟む一対の電極８、１０とで構成され、等価的にコンデンサとして機能する。

上記の圧電素子駆動回路は、電源ＶＰよりも電圧の低い電源ＶＬによってロジック回路ＬＣを作動させて、スイッチング素子ＴＲをオフ状態とすると、同図(b)の等価回路図に示すように、電源ＶＰと接地ＥＡとの間に、抵抗素子Ｒ１１と圧電素子ＰＥとが直列に繋がれた状態となり、この状態で、圧電素子ＰＥは、抵抗素子Ｒ１１の抵抗値ｒ１１（Ω）と、圧電素子ＰＥの、コンデンサとしての容量値ｃ（Ｆ）とによって決まる所定の時定数ｃ×ｒ１１でもって、電源ＶＰの電圧（Ｖ）とほぼ同電圧まで充電されて、変形状態となる。

また、ロジック回路ＬＣを作動させて、スイッチング素子ＴＲをオン状態とすると、同図(c)の等価回路図に示すように、電源ＶＰと接地ＥＡとの間に、抵抗素子Ｒ１１と圧電素子ＰＥとが直列に繋がれると共に、この圧電素子ＰＥと並列に、抵抗素子Ｒ０が繋がれた状態となる。この状態で、抵抗素子Ｒ０の抵抗値、すなわち、スイッチング素子ＴＲのオン抵抗値ｒ０（Ω）は、抵抗素子Ｒ１１の抵抗値ｒ１１（Ω）に比べて十分に小さい値とされるため、充電状態の圧電素子ＰＥは、上記オン抵抗値ｒ０（Ω）と、圧電素子ＰＥの、コンデンサとしての容量値ｃ（Ｆ）とによって決まる所定の時定数ｃ×ｒ０でもって放電されて、変形解除状態となる。

そして、この２つの状態を組み合わせて圧電素子ＰＥを駆動させると、例えばインクジェットヘッドにおいて、前記のメカニズムによって、ノズルを通してインク滴を吐出させることができる。
また、上記例の圧電素子駆動回路において、スイッチング素子ＴＲは、常に接地と接続されているため、当該スイッチング素子ＴＲとして、ロジック回路ＬＣのロジック電圧によってオン−オフ制御できるものを用いて、これらの図に示すようにレベル変換器を省略することができ、それによって、従来のものに比べてより一層の高集積化と小型化とが可能となる。

スイッチング素子ＴＲとしては、半導体集積回路を形成することができる、電界効果型トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）やバイポーラトランジスタ等が好ましい。
図２(a)(b)は、それぞれ、本発明の圧電素子駆動回路の、実施の形態の他の例を示す回路図である。
このうち、図２(a)の例の圧電素子駆動回路は、電源ＶＰと接地ＥＡとの間に、抵抗素子Ｒ１１と圧電素子ＰＥとをこの順に直列に繋いで第１回路Ｃ１を形成すると共に、この第１回路Ｃ１の、抵抗素子Ｒ１１と圧電素子ＰＥとの間の接続点Ｃ１０から分岐させて、第２の抵抗素子Ｒ２１と、スイッチング素子ＴＲとを介して、第１回路Ｃ１の、圧電素子ＰＥと接地ＥＡとの間の接続点Ｃ１１に到る第２回路Ｃ２を形成したもので、スイッチング素子ＴＲのゲート電極は、ロジック回路ＬＣと接続してある。この例の圧電素子駆動回路は、先の図１(a)のものと同様に作動させて、圧電素子ＰＥを駆動させることができる。

また、スイッチング素子ＴＲは、常に接地と接続されているため、当該スイッチング素子ＴＲとして、ロジック回路ＬＣのロジック電圧によってオン−オフ制御できるものを用いて、図に示すようにレベル変換器を省略することができる。
また、第２の抵抗素子Ｒ２１の抵抗値ｒ２１（Ω）を、抵抗素子Ｒ１１の抵抗値ｒ１１（Ω）に比べて小さい値として、その抵抗値ｒ２１（Ω）を調整するようにすると、放電時の、スイッチング素子ＴＲのオン抵抗値ｒ０（Ω）と、抵抗素子Ｒ２１の抵抗値ｒ２１（Ω）と、圧電素子ＰＥの、コンデンサとしての容量値ｃ（Ｆ）とによって決まる所定の時定数ｃ×（ｒ０＋ｒ２１）を任意に、しかもより細かく調整することができる。

一方、図２(b)の例の圧電素子駆動回路は、電源ＶＰと接地ＥＡとの間に、抵抗素子Ｒ１１と、第２の抵抗素子Ｒ２２と、圧電素子ＰＥとをこの順に直列に繋いで第１回路Ｃ１を形成すると共に、この第１回路Ｃ１の、抵抗素子Ｒ１１と抵抗素子Ｒ２２との間の接続点Ｃ１０から分岐させて、スイッチング素子ＴＲを介して、第１回路Ｃ１の、圧電素子ＰＥと接地ＥＡとの間の接続点Ｃ１１に到る第２回路Ｃ２を形成したもので、スイッチング素子ＴＲのゲート電極は、ロジック回路ＬＣと接続してある。この例の圧電素子駆動回路は、先の図１(a)のものと同様に作動させて、圧電素子ＰＥを駆動させることができる。

また、スイッチング素子ＴＲは、常に接地と接続されているため、当該スイッチング素子ＴＲとして、ロジック回路ＬＣのロジック電圧によってオン−オフ制御できるものを用いて、図に示すようにレベル変換器を省略することができる。
また、第２の抵抗素子Ｒ２２の抵抗値ｒ２２（Ω）を、抵抗素子Ｒ１１の抵抗値ｒ１１（Ω）に比べて小さい値として、その抵抗値ｒ２２（Ω）を調整するようにすると、充電時の、抵抗素子Ｒ１１の抵抗値ｒ１１（Ω）と、抵抗素子Ｒ２２の抵抗値ｒ２２（Ω）と、圧電素子ＰＥの、コンデンサとしての容量値ｃ（Ｆ）とによって決まる所定の時定数ｃ×（ｒ１１＋ｒ２２）、および放電時の、スイッチング素子ＴＲのオン抵抗値ｒ０（Ω）と、抵抗素子Ｒ２２の抵抗値ｒ２２（Ω）と、圧電素子ＰＥの、コンデンサとしての容量値ｃ（Ｆ）とによって決まる所定の時定数ｃ×（ｒ０＋ｒ２２）を任意に、しかもより細かく調整することができる。

図３は、上記図１(a)〜図２(b)のいずれかの圧電素子駆動回路によって駆動される圧電素子を組み込むことができる、圧電インクジェットヘッドの一例において、当該圧電素子と振動板とを含む圧電アクチュエータを取り付ける前の状態を示す平面図である。図の例の圧電インクジェットヘッドは、１枚の基板１上に、加圧室２とそれに連通するノズル３とを含むドット形成部を複数個、配列したものである。

また図４(a)は、上記例の圧電インクジェットヘッドにおいて、圧電アクチュエータＡＣを取り付けた状態での、１つのドット形成部を拡大して示す断面図、図４(b)は１つのドット形成部を構成する各部の重なり状態を示す透視図である。
各ドット形成部のノズル３は、図３に白矢印で示す主走査方向に複数列並んでいる。図の例では４列に並んでおり、同一列内のドット形成部間のピッチは９０ｄｐｉであって、圧電インクジェットヘッドの全体として３６０ｄｐｉを実現している。

各ドット形成部は、基板１の、図４(a)において上面側に形成した、矩形状の中央部の両端に半円形の端部を接続した平面形状を有する加圧室２と、上記基板１の下面側の、加圧室２の一端側の端部の、半円の中心と重なる位置に形成したノズル３とを、上記端部の半円と同径の、断面円形のノズル流路４で繋ぐと共に、上記加圧室２の他端側の端部の、半円の中心と重なる位置に形成した供給口５を介して、加圧室２を、基板１内に、各ドット形成部を繋ぐように形成した共通供給路６（図３に破線で示す）に繋ぐことで構成してある。

また上記各部は、図の例では、加圧室２を形成した第１基板１ａと、ノズル流路４の上部４ａと供給口５とを形成した第２基板１ｂと、ノズル流路４の下部４ｂと共通供給路６とを形成した第３基板１ｃと、ノズル３を形成した第４基板１ｄとを、この順に積層、一体化することで形成してある。
第1基板１ａと第２基板１ｂには、図３に示すように、第３基板１ｃに形成した共通供給路６を、基板１の上面側で、図示していないインクカートリッジからの配管と接続するためのジョイント部１１を構成するための通孔１１ａを形成してある。

さらに各基板１ａ〜１ｄは、例えば樹脂や金属などからなり、フォトリソグラフ法を利用したエッチングなどによって上記各部となる通孔を設けた、所定の厚みを有する板体にて形成してある。
基板１の上面側には、当該基板１と同じ大きさを有する１枚の振動板７を積層してある。また、この振動板７の上には、少なくとも各ドット形成部を覆う大きさを有する１枚の薄膜状の共通電極８と、各ドット形成部の加圧室２の中央部と重なる位置に個別に設けた、略矩形状の平面形状を有する横振動モードの薄板状の圧電セラミック９と、各圧電セラミック９上に形成した、同じ平面形状を有する個別電極１０とをこの順に積層することで、圧電素子ＰＥを構成すると共に、上記振動板７と圧電素子ＰＥとで圧電アクチュエータＡＣを構成してある。

なお圧電セラミック９を、いくつかのドット形成部の加圧室２にまたがる大きさに一体形成して、個別電極１０のみ、各ドット形成部の加圧室２の中央部と重なる位置に個別に設けてもよい。
上記のうち振動板７は、例えばモリブデン、タングステン、タンタル、チタン、白金、鉄、ニッケルなどの単体金属や、これら金属の合金、あるいはステンレス鋼などの金属材料にて、所定の厚みを有する板状に形成してある。また振動板７には、先の基板１の通孔１１ａと共にジョイント部１１を構成する通孔１１ｂを形成してある。

共通電極８、個別電極１０は、共に金、銀、白金、銅、アルミニウムなどの導電性に優れた金属の箔や、これらの金属からなるめっき被膜、真空蒸着被膜などで形成してある。なお振動板７を、例えば白金などの導電性の高い金属で形成して共通電極８を省略してもよい。
圧電セラミック９を形成する圧電材料としては、例えばジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）や、当該ＰＺＴにランタン、バリウム、ニオブ、亜鉛、ニッケル、マンガンなどの酸化物の１種または２種以上を添加したもの、例えばＰＬＺＴなどの、ＰＺＴ系の圧電材料を挙げることができる。また、マグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ）、ニッケルニオブ酸鉛（ＰＮＮ）、亜鉛ニオブ酸鉛、マンガンニオブ酸鉛、アンチモンスズ酸鉛、チタン酸鉛、チタン酸バリウムなどを主要成分とするものを挙げることもできる。

薄板状の圧電セラミック９は、従来と同様にして形成することができる。
例えば上記の圧電材料を焼結して形成した焼結体を薄板状に研磨した所定の平面形状を有するチップを、共通電極８上の所定の位置に接着、固定したり、いわゆるゾル−ゲル法（またはＭＯＤ法）によって、共通電極８上に、圧電材料のもとになる有機金属化合物から形成したペーストを所定の平面形状に印刷し、乾燥、仮焼成、焼成の工程を経て形成したり、あるいは共通電極８上に、反応性スパッタリング法、反応性真空蒸着法、反応性イオンプレーティング法などの気相成長法によって、圧電材料の薄膜を所定の平面形状に形成したりすることによって、圧電セラミック９を形成することができる。

圧電セラミック９を、例えば横振動モードとして駆動するためには、圧電材料の分極方向を、当該圧電セラミック９の厚み方向、より詳しくは個別電極１０から共通電極８に向かう方向に配向させる。そのためには、例えば高温分極法、室温分極法、交流電界重畳法、電界冷却法などの従来公知の分極法を採用することができる。また、分極後の圧電セラミック９をエージング処理してもよい。

圧電材料の分極方向を上記の方向に配向させた圧電セラミック９は、共通電極８を接地した状態で、個別電極１０から正の駆動電圧を印加することによって充電させると、分極方向と直交する面内で収縮する。しかし圧電セラミック９は、共通電極８を介して振動板７に固定されているため、結果的に、圧電セラミック９と振動板７とが加圧室方向に撓むことになる。

このため、撓みが発生する際の力が加圧室２内のインクに圧力変化として伝えられ、この圧力変化によって、供給口５、加圧室２、ノズル流路４、およびノズル３内のインクが振動を起こす。そして振動の速度が、結果的にノズル３の外に向かうことによって、ノズル３内のインクメニスカスが、インク滴吐出側の先端の開口３０から外部へと押し出されて、先に説明したようにインク柱が形成される。

振動の速度は、やがてノズル内方向に向かうが、インク柱はそのまま外方向に運動を続けるため、インクメニスカスから切り離されて１〜２滴程度のインク滴にまとまり、それが紙面の方向に飛翔して、紙面にドットを形成する。
インク滴が飛翔して減少した分のインクは、ノズル３内のインクメニスカスの表面張力によって、インクカートリッジから、当該インクカートリッジの配管、ジョイント部１１、共通供給路６、供給口５、加圧室２、およびノズル流路４を介してノズル３に再充てんされる。

前記図１(a)〜図２(b)のいずれかの圧電素子駆動回路を用いて、上記の圧電インクジェットヘッドを駆動させる駆動方法としては、いわゆる引き打ち式の駆動方法が好適に採用される。
そして、待機時、すなわち図５(a)のｔ１より以前の状態では、各圧電素子駆動回路のスイッチング素子ＴＲをいずれもオフ状態とすることで、いずれの圧電素子ＰＥにおいても、図５(b)に示すように駆動電圧を印加しつづけて、充電された変形状態を維持することで、加圧室２の容積を減少させた状態を維持しておく。

ドットを形成するに際して、ノズル３を通してインク滴を吐出させる加圧室２においては、
(1) 図５(a)のｔ１の時点で、圧電素子駆動回路のスイッチング素子ＴＲをオン状態として、図５(b)に示すように所定の時定数でもって圧電素子ＰＥを放電させて変形解除状態として、加圧室２の容積を増加させることで、ノズル３内のインクメニスカスを加圧室２の側に引き込んだ後、
(2) 図５(a)のｔ２の時点で、再びスイッチング素子ＴＲをオフ状態として、図５(b)に示すように所定の時定数でもって圧電素子ＰＥに充電して変形状態として、加圧室２の容積を減少させることによって、
ノズル３内のインクメニスカスを振動させてインク滴を発生させると共に、ノズル３から吐出させる。

また、この間、ノズル３を通してインク滴を吐出させない加圧室２においては、スイッチング素子ＴＲのオフ状態を維持し、それによって圧電素子ＰＥの充電された変形状態を維持し続ける。そうすると、上記(1)(2)の操作を行った加圧室２に対応するノズル３のみから、選択的に、インク滴を吐出させて、紙面にドットを形成することができる。
また、上記のうち、圧電素子ＰＥの変形状態を維持する待機時には、各圧電素子駆動回路のスイッチング素子ＴＲをオフ状態として、電源ＶＲから接地ＥＡに漏洩する電流を著しく減少させることができるため、インクジェットプリンタの、待機時の消費電力を低減することができる。

また、前記図１(a)〜図２(b)の各圧電素子駆動回路中に含まれる抵抗素子Ｒ１１〜Ｒ２２の抵抗値を調整して、(1)の工程における圧電素子ＰＥの放電時の時定数や、(2)の工程における圧電素子ＰＥの充電時の時定数を、それぞれ、圧電素子の駆動に適するように設定することで、圧電素子の電圧の立ち下がり時間、および立ち上がり時間を各々、独立に適正な値に設定して、ノズル３におけるインク滴の形成と吐出や、共通供給路６から加圧室２へのインクの供給等を最良な状態に設定することができる。

図６(a)は、本発明の圧電素子駆動回路の、実施の形態の他の例を示す回路図、同図(b)は、上記圧電素子駆動回路のスイッチング素子をオン状態としたときの、同回路の等価回路図、同図(c)は、上記圧電素子駆動回路のスイッチング素子をオフ状態としたときの、同回路の等価回路図である。
図６(a)を参照して、この例の圧電素子駆動回路は、電源ＶＰと接地ＥＡとの間に、圧電素子ＰＥとスイッチング素子ＴＲとをこの順に直列に繋いで第１回路Ｃ１を形成すると共に、この第１回路Ｃ１の、電源ＶＰと圧電素子ＰＥとの間の接続点Ｃ１０から分岐させて、抵抗素子Ｒ１２を介して、上記第１回路Ｃ１の、圧電素子ＰＥとスイッチング素子ＴＲとの間の接続点Ｃ１１に到る第２回路Ｃ２を形成したもので、スイッチング素子ＴＲのゲート電極は、ロジック回路ＬＣと直接に接続してある。また、圧電素子ＰＥは、圧電セラミック９と、この圧電セラミック９を挟む一対の電極８、１０とで構成され、等価的にコンデンサとして機能する。

上記の圧電素子駆動回路は、電源ＶＰよりも電圧の低い電源ＶＬによってロジック回路ＬＣを作動させて、スイッチング素子ＴＲをオン状態とすると、同図(b)の等価回路図に示すように、電源ＶＰと接地ＥＡとの間に、圧電素子ＰＥと抵抗素子Ｒ０とが直列に繋がれると共に、この圧電素子ＰＥと並列に、抵抗素子Ｒ１２が繋がれた状態となる。この状態で、抵抗素子Ｒ０の抵抗値、すなわち、スイッチング素子ＴＲのオン抵抗値ｒ０（Ω）は、抵抗素子Ｒ１２の抵抗値ｒ１２（Ω）に比べて十分に小さい値とされるため、圧電素子ＰＥは、抵抗素子Ｒ０の抵抗値ｒ０（Ω）と、圧電素子ＰＥの、コンデンサとしての容量値ｃ（Ｆ）とによって決まる所定の時定数ｃ×ｒ０でもって、電源ＶＰの電圧（Ｖ）とほぼ同電位まで充電されて、変形状態となる。

また、ロジック回路ＬＣを作動させて、スイッチング素子ＴＲをオフ状態とすると、同図(c)の等価回路図に示すように、圧電素子ＰＥと抵抗素子Ｒ１２とによって閉回路が形成され、圧電素子ＰＥに充電された電圧が、抵抗素子Ｒ１２の抵抗値ｒ１２（Ω）と、圧電素子ＰＥの、コンデンサとしての容量値ｃ（Ｆ）とによって決まる所定の時定数ｃ×ｒ１２でもって放電される結果、圧電素子ＰＥが変形解除状態とされる。

そして、この２つの状態を組み合わせて圧電素子ＰＥを駆動させると、例えばインクジェットヘッドにおいて、ノズルを通してインク滴を吐出させることができる。
また、上記例の圧電素子駆動回路において、スイッチング素子ＴＲは、常に接地と接続されているため、当該スイッチング素子ＴＲとして、ロジック回路ＬＣのロジック電圧によってオン−オフ制御できるものを用いて、これらの図に示すようにレベル変換器を省略することができ、それによって、従来のものに比べてより一層の高集積化と小型化とが可能となる。

図７(a)(b)は、それぞれ、本発明の圧電素子駆動回路の、実施の形態の他の例を示す回路図である。
このうち、図７(a)の例の圧電素子駆動回路は、電源ＶＰと接地ＥＡとの間に、圧電素子ＰＥと、第２の抵抗素子Ｒ２３と、スイッチング素子ＴＲとをこの順に直列に繋いで第１回路Ｃ１を形成すると共に、この第１回路Ｃ１の、電源ＶＰと圧電素子ＰＥとの間の接続点Ｃ１０から分岐させて、抵抗素子Ｒ１２を介して、上記第１回路Ｃ１の、圧電素子ＰＥと抵抗素子Ｒ２３との間の接続点Ｃ１１に到る第２回路Ｃ２を形成したもので、スイッチング素子ＴＲのゲート電極は、ロジック回路ＬＣと直接に接続してある。この例の圧電素子駆動回路は、先の図６(a)のものと同様に作動させて、圧電素子ＰＥを駆動させることができる。

また、スイッチング素子ＴＲは、常に接地と接続されているため、当該スイッチング素子ＴＲとして、ロジック回路ＬＣのロジック電圧によってオン−オフ制御できるものを用いて、図に示すようにレベル変換器を省略することができる。
また、第２の抵抗素子Ｒ２３の抵抗値ｒ２３（Ω）を、抵抗素子Ｒ１２の抵抗値ｒ１２（Ω）に比べて小さい値として、その抵抗値ｒ２３（Ω）を調整するようにすると、充電時の、スイッチング素子ＴＲのオン抵抗値ｒ０（Ω）と、抵抗素子Ｒ２３の抵抗値ｒ２３（Ω）と、圧電素子ＰＥの、コンデンサとしての容量値ｃ（Ｆ）とによって決まる所定の時定数ｃ×（ｒ０＋ｒ２３）を任意に、しかもより細かく調整することができる。

一方、図７(b)の例の圧電素子駆動回路は、電源ＶＰと接地ＥＡとの間に、圧電素子ＰＥと、第２の抵抗素子Ｒ２４と、スイッチング素子ＴＲとをこの順に直列に繋いで第１回路Ｃ１を形成すると共に、この第１回路Ｃ１の、電源ＶＰと圧電素子ＰＥとの間の接続点Ｃ１０から分岐させて、抵抗素子Ｒ１２を介して、上記第１回路Ｃ１の、抵抗素子Ｒ２４とスイッチング素子ＴＲとの間の接続点Ｃ１１に到る第２回路Ｃ２を形成したもので、スイッチング素子ＴＲのゲート電極は、ロジック回路ＬＣと直接に接続してある。この例の圧電素子駆動回路は、先の図６(a)のものと同様に作動させて、圧電素子ＰＥを駆動させることができる。

また、スイッチング素子ＴＲは、常に接地と接続されているため、当該スイッチング素子ＴＲとして、ロジック回路ＬＣのロジック電圧によってオン−オフ制御できるものを用いて、図に示すようにレベル変換器を省略することができる。
また、第２の抵抗素子Ｒ２４の抵抗値ｒ２４（Ω）を、抵抗素子Ｒ１２の抵抗値ｒ１２（Ω）に比べて小さい値として、その抵抗値ｒ２４（Ω）を調整するようにすると、充電時の、スイッチング素子ＴＲのオン抵抗値ｒ０（Ω）と、抵抗素子Ｒ２４の抵抗値ｒ２４（Ω）と、圧電素子ＰＥの、コンデンサとしての容量値ｃ（Ｆ）とによって決まる所定の時定数ｃ×（ｒ０＋ｒ２４）、および放電時の、抵抗素子Ｒ１２の抵抗値ｒ１２（Ω）と、抵抗素子Ｒ２４の抵抗値ｒ２４（Ω）と、圧電素子ＰＥの、コンデンサとしての容量値ｃ（Ｆ）とによって決まる所定の時定数ｃ×（ｒ１２＋ｒ２４）を任意に、しかもより細かく調整することができる。

上記図６(a)〜図７(b)の圧電素子駆動回路も、前記図３、図４(a)(b)の圧電インクジェットヘッドに組み込むことができる。図６(a)〜図７(b)のいずれかの圧電素子駆動回路を用いて、上記の圧電インクジェットヘッドを駆動させる駆動方法としては、いわゆる押し打ち式の駆動方法が好適に採用される。
そして、待機時、すなわち図８(a)のｔ１より以前の状態では、各圧電素子駆動回路のスイッチング素子ＴＲをいずれもオフ状態とすることで、いずれの圧電素子ＰＥにおいても、図８(b)に示すように駆動電圧を印加せずに、放電された変形解除状態を維持することで、加圧室２の容積を平常の状態に維持しておく。

ドットを形成するに際して、ノズル３を通してインク滴を吐出させる加圧室２においては、圧電素子駆動回路のスイッチング素子をオン状態として圧電素子を変形状態とすることで、加圧室の容積を減少させてインク滴を発生させる。
また、この間、ノズル３を通してインク滴を吐出させない加圧室２においては、スイッチング素子のオフ状態を維持し、それによって圧電素子ＰＥの放電された変形解除状態を維持し続ける。そうすると、上記の、圧電素子を変形状態とする操作を行ったノズル３のみから選択的にインク滴を吐出させて、紙面にドットを形成することができる。

ドットの形成後は、図８(a)のｔ２の時点で、再びスイッチング素子ＴＲをオフ状態として、図８(b)に示すように所定の時定数でもって圧電素子ＰＥを放電させて変形解除状態とすることにより、圧電素子ＰＥの変形解除状態を維持する待機状態に戻すことができる。
また、この待機時には、各圧電素子駆動回路のスイッチング素子ＴＲをオフ状態として、電源ＶＲから接地ＥＡに漏洩する電流を著しく減少させることができるため、インクジェットプリンタの、待機時の消費電力を低減することができる。

また、前記図６(a)〜図７(b)の各圧電素子駆動回路中に含まれる抵抗素子Ｒ１２〜Ｒ２４の抵抗値を調整して、(i)の工程における圧電素子ＰＥの充電時の時定数や、(ii)の工程における圧電素子ＰＥの放電時の時定数を、それぞれ、圧電素子の駆動に適するように設定することで、圧電素子の電圧の立ち上がり時間、および立ち下がり時間を各々、独立に適正な値に設定して、ノズル３におけるインク滴の形成と吐出や、共通供給路６から加圧室２へのインクの供給等を最良な状態に設定することができる。

なお、本発明の圧電素子駆動回路は、インクジェットプリンタ以外にも、例えば各種のアクチュエータ、フィルタ、圧電共振子（発振子を含む）、超音波振動子、超音波モータ、圧電センサ等における、圧電素子の駆動回路として適用することもできる。特にアクチュエータは、電気信号に対する応答速度がμｓｅｃオーダと非常に高速であるため、前記のようにインクジェットプリンタに好適に使用できる他、半導体製造装置のＸＹステージの位置決め用アクチュエータやマイクロポンプにも好適に採用される。

同図(a)は、本発明の圧電素子駆動回路の、実施の形態の一例を示す回路図、同図(b)は、上記圧電素子駆動回路のスイッチング素子をオフ状態としたときの、同回路の等価回路図、同図(c)は、上記圧電素子駆動回路のスイッチング素子をオン状態としたときの、同回路の等価回路図である。 同図(a)(b)は、それぞれ、本発明の圧電素子駆動回路の、実施の形態の他の例を示す回路図である。 図１(a)〜図２(b)のいずれかの圧電素子駆動回路によって駆動される圧電素子を組み込むことができる、圧電インクジェットヘッドの一例において、当該圧電素子と振動板とを含む圧電アクチュエータを取り付ける前の状態を示す平面図である。 同図(a)は、上記例の圧電インクジェットヘッドにおいて、圧電アクチュエータを取り付けた状態での、１つのドット形成部を拡大して示す断面図、同図(b)は１つのドット形成部を構成する各部の重なり状態を示す透視図である。 同図(a)は、上記例の圧電インクジェットヘッドを、図１(a)〜図２(b)のいずれかの圧電素子駆動回路によって駆動する際の、スイッチング素子の動作のタイミングを示すグラフ、同図(b)は、上記スイッチング素子の動作に伴って圧電素子に印加される電圧の波形を示すグラフである。 同図(a)は、本発明の圧電素子駆動回路の、実施の形態の他の例を示す回路図、同図(b)は、上記圧電素子駆動回路のスイッチング素子をオン状態としたときの、同回路の等価回路図、同図(c)は、上記圧電素子駆動回路のスイッチング素子をオフ状態としたときの、同回路の等価回路図である。 同図(a)(b)は、それぞれ、本発明の圧電素子駆動回路の、実施の形態の他の例を示す回路図である。 同図(a)は、前記例の圧電インクジェットヘッドを、図６(a)〜図７(b)のいずれかの圧電素子駆動回路によって駆動する際の、スイッチング素子の動作のタイミングを示すグラフ、同図(b)は、上記スイッチング素子の動作に伴って圧電素子に印加される電圧の波形を示すグラフである。 従来の駆動回路の例を示す回路図である。

符号の説明

ＶＰ 電源
ＥＡ 接地
ＰＥ 圧電素子
ＴＲ スイッチング素子
Ｒ１１、Ｒ１２ 抵抗素子
Ｃ１ 第１回路
Ｃ２ 第２回路
Ｒ２１〜Ｒ２４ 抵抗素子
２ 加圧室
３ノズル
７ 振動板
ＡＣ 圧電アクチュエータ

Claims (8)

1. 圧電素子に充電して変形させる変形状態と、放電させて変形を解除する変形解除状態との組み合わせによって圧電素子を駆動させる駆動回路であって、
   電源と接地との間に、抵抗素子と圧電素子とをこの順に直列に繋いで第１回路を形成すると共に、この第１回路の、抵抗素子と圧電素子との間から分岐させて、スイッチング素子を介して接地に到る第２回路を形成してあり、
   スイッチング素子をオフ状態とすることで圧電素子に充電して変形状態とし、スイッチング素子をオン状態とすることで圧電素子を放電させて変形解除状態とすることを特徴とする圧電素子駆動回路。
2. 第２回路に、スイッチング素子と直列に抵抗素子を設ける請求項１記載の圧電素子駆動回路。
3. 第１回路の、第２回路の接続点と、圧電素子との間に、圧電素子と直列に抵抗素子を設ける請求項１記載の圧電素子駆動回路。
4. (A) インクが充てんされる加圧室、
   (B) 加圧室に連通し、インクメニスカスが形成されるノズル、および
   (C) 圧電素子と、この圧電素子の変形によって撓んで加圧室の容積を減少させることで、加圧室内のインクを、ノズルを通してインク滴として吐出させるための振動板とを含む圧電アクチュエータ、
   をそれぞれ複数個ずつ備えると共に、上記各圧電素子ごとに、請求項１〜３のいずれかに記載の圧電素子駆動回路を備える圧電インクジェットヘッドを駆動する方法であって、
   待機時には、各圧電素子駆動回路のスイッチング素子をオフ状態として、いずれの圧電素子も変形状態を維持することで、加圧室の容積を減少させた状態を維持しておき、
   ノズルを通してインク滴を吐出させる加圧室においては、選択的に、
   (1) 圧電素子駆動回路のスイッチング素子をオン状態として、圧電素子を変形解除状態とすることで、加圧室の容積を増加させて、ノズル内のインクメニスカスを加圧室の側に引き込んだ後、
   (2) 再びスイッチング素子をオフ状態として、圧電素子を変形状態とすることで加圧室の容積を減少させることにより、
   ノズル内のインクメニスカスを振動させてインク滴を発生させると共に、ノズルから吐出させることを特徴とする圧電インクジェットヘッドの駆動方法。
5. 圧電素子に充電して変形させる変形状態と、放電させて変形を解除する変形解除状態との組み合わせによって圧電素子を駆動させる駆動回路であって、
   電源と接地との間に、圧電素子とスイッチング素子とをこの順に直列に繋いで第１回路を形成すると共に、電源から、抵抗素子を介して、上記第１回路の、圧電素子とスイッチング素子との間に到る第２回路を形成してあり、
   スイッチング素子をオン状態とすることで圧電素子に充電して変形状態とし、スイッチング素子をオフ状態とすることで圧電素子を放電させて変形解除状態とすることを特徴とする圧電素子駆動回路。
6. 第１回路の、第２回路の接続点と接地との間に、スイッチング素子と直列に抵抗素子を設ける請求項５記載の圧電素子駆動回路。
7. 第１回路の、圧電素子と、第２回路の接続点との間に、圧電素子と直列に抵抗素子を設ける請求項５記載の圧電素子駆動回路。
8. (A) インクが充てんされる加圧室、
   (B) 加圧室に連通し、インクメニスカスが形成されるノズル、および
   (C) 圧電素子と、この圧電素子の変形によって撓んで加圧室の容積を減少させることで、加圧室内のインクを、ノズルを通してインク滴として吐出させるための振動板とを含む圧電アクチュエータ、
   をそれぞれ複数個ずつ備えると共に、上記各圧電素子ごとに、請求項５〜７のいずれかに記載の圧電素子駆動回路を備える圧電インクジェットヘッドを駆動する方法であって、
   待機時には、各圧電素子駆動回路のスイッチング素子をオフ状態として、いずれの圧電素子も変形解除状態を維持することで、加圧室の容積を平常の状態に維持しておき、
   ノズルを通してインク滴を吐出させる加圧室においては、選択的に、圧電素子駆動回路のスイッチング素子をオン状態として圧電素子を変形状態とすることで、加圧室の容積を減少させてインク滴を発生させ、ノズルから吐出させることを特徴とする圧電インクジェットヘッドの駆動方法。
   

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