JP2008283830A - 容量性負荷の駆動回路、圧電ヘッドの駆動装置、及び液滴吐出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力効率を向上させて、圧電素子を駆動することができることができる。
【解決手段】圧電素子６２に帯電された電荷を放電する場合、駆動回路７０において、第１スイッチング素子７２をオフさせると共に第３スイッチング素子７６をオンさせて、帯電された電荷を第２直流電源８２に充電し、その後に、第３スイッチング素子７６をオフさせると共に、第２スイッチング素子７４をオンさせて、圧電素子６２に帯電された電荷を放電する。そして、圧電素子６２を駆動する場合、駆動回路７０において、第３スイッチング素子７６をオンさせて、第２直流電源８２に充電した電荷を再利用して、第２直流電源８２から直流電圧を印加する。
【選択図】図５

Description

この発明は、容量性負荷の駆動回路、圧電ヘッドの駆動装置、及び液滴吐出装置に係り、特に、直流電源により容量性負荷を駆動する容量性負荷の駆動回路、直流電源により圧電素子を駆動する圧電ヘッドの駆動装置、及び液滴吐出装置に関する。

従来より、直流電源を用いて容量性負荷を駆動する方法が知られている。例えば、矩形波の駆動信号によって容量性負荷を駆動する方法が知られている（特許文献１、２）。この矩形波の駆動信号によって駆動する方法では、１対のスイッチ素子で１個の容量性負荷を駆動し、また、駆動信号の波形は、２値又は３値の電圧の矩形波である。
特開平１０−１１４０６４号 特開平９−１５６０９３号

しかしながら、上記の特許文献１、２に記載の技術では、容量性負荷に帯電した電荷の放電時に、スイッチ素子でエネルギーを損失してしまい、また、容量性負荷の充電時に、コンデンサの充電エネルギーと等しいエネルギーをスイッチ素子で損失してしまうため、電力効率がよくない、という問題がある。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、電力効率を向上させて、容量性負荷を駆動することができる容量性負荷の駆動回路、圧電ヘッドの駆動装置、及び液滴吐出装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために本発明に係る容量性負荷の駆動回路は、所定電圧の第１の直流電源と、電荷を充電することが可能であって、かつ、前記所定電圧より低い電圧の第２の直流電源と、容量性負荷と並列に接続された第１のスイッチング素子と、前記第１の直流電源と前記容量性負荷との間に接続された第２のスイッチング素子と、前記第２の直流電源と前記容量性負荷との間に接続された第３のスイッチング素子と、前記容量性負荷を駆動する場合、前記第３のスイッチング素子をオンさせた後に、前記第３のスイッチング素子をオフさせると共に前記第２のスイッチング素子をオンさせて、前記容量性負荷を駆動し、前記駆動によって前記容量性負荷に帯電された電荷を放電する場合、前記第２のスイッチング素子をオフさせると共に前記第３のスイッチング素子をオンさせて、前記帯電された電荷を前記第２の直流電源に充電し、前記第３のスイッチング素子をオフさせると共に前記第１のスイッチング素子をオンさせて、前記帯電された電荷を放電するように制御する制御回路とを含んで構成されている。

本発明に係る容量性負荷の駆動回路によれば、容量性負荷を駆動する場合、制御回路によって、第３のスイッチング素子をオンさせて、第２の直流電源から容量性負荷に所定電圧より低い電圧を印加し、その後に、第３のスイッチング素子をオフさせると共に第２のスイッチング素子をオンさせて、第１の直流電源から容量性負荷に所定電圧を印加して、容量性負荷を駆動する。

そして、駆動によって容量性負荷に帯電された電荷を放電する場合、制御回路によって、第２のスイッチング素子をオフさせると共に第３のスイッチング素子をオンさせて、帯電された電荷を第２の直流電源に充電し、その後に、第３のスイッチング素子をオフさせると共に、容量性負荷と並列に接続された第１のスイッチング素子をオンさせて、容量性負荷に帯電された電荷を放電する。

従って、容量性負荷に帯電された電荷を放電するときに、帯電された電荷を第２の直流電源に充電し、容量性負荷を駆動するときに、第２の直流電源に充電した電荷が再利用されるため、電力効率を向上させて、容量性負荷を駆動することができる。

本発明に係る第２の直流電源は、一対のスイッチング素子と、一対のスイッチング素子と出力端との間に接続され、かつ、リアクタンス素子を備えたフィルタ回路とを含み、一対のスイッチング素子のオンオフにより、出力端から所定電圧より低い電圧を出力することができる。

また、上記の第２の直流電源は、フィルタ回路の出力電圧と予め定められた所定電圧との誤差を出力する誤差増幅回路と、誤差増幅回路の出力に基づいて、一対のスイッチング素子のオンオフを制御する電圧制御回路とを更に備えることができる。これにより、出力電圧を安定させることができる。

上記の容量性負荷の駆動回路は、電荷を充電することが可能であって、かつ、第２の直流電源の電圧より低い電圧の第３の直流電源と、第３の直流電源と容量性負荷との間に接続された第４のスイッチング素子とを更に含み、制御回路は、容量性負荷を駆動する場合、第４のスイッチング素子をオンさせ、駆動によって容量性負荷に帯電された電荷を放電する場合、第４のスイッチング素子をオンさせて帯電された電荷を前記第３の直流電源に充電することができる。これによって、容量性負荷に帯電された電荷を放電するときに、帯電された電荷を、第２の直流電源と第３の直流電源とに充電し、容量性負荷を駆動するときに、第２の直流電源と第３の直流電源とに充電した電荷が再利用されるため、電力効率を向上させて、容量性負荷を駆動することができる。

本発明に係る圧電ヘッドの駆動装置は、液体が充填される圧力室、前記圧力室に前記液体を供給するための液体供給路、前記圧力室から液滴を噴射させるノズル、及び前記圧力室に圧力を加える容量性負荷である圧電素子を有する圧電ヘッドの駆動装置であって、上記の容量性負荷の駆動回路を含み、前記駆動回路によって前記圧電素子を駆動することにより、前記圧力室に圧力を加えて前記ノズルから液滴を噴射させることを特徴としている。

圧電素子は容量性負荷の一形態であり、本発明に係る圧電ヘッドの駆動装置によれば、駆動回路によって、圧電素子に帯電した電荷を再利用して、圧電素子を駆動し、圧力室に圧力を加えて、ノズルから液滴を噴射させる。

このように、圧電素子に帯電された電荷を放電するときに、帯電された電荷を第２の直流電源に充電し、圧電素子を駆動するときに、第２の直流電源に充電した電荷が再利用されるため、電力効率を向上させて、圧電素子を駆動することができる。

本発明に係る液滴吐出装置は、液体が充填される圧力室、前記圧力室に前記液体を供給するための液体供給路、前記圧力室から液滴を噴射させるノズル、及び前記圧力室に圧力を加える容量性負荷である圧電素子を有する圧電素子と、上記の圧電素子の駆動装置とを含んで構成されている。

本発明に係る液滴吐出装置によれば、駆動装置によって、圧電素子に帯電した電荷を再利用して、圧電素子を駆動し、圧力室に圧力を加えて、ノズルから液滴を噴射させる。

このように、圧電素子に帯電された電荷を放電するときに、帯電された電荷を第２の直流電源に充電し、圧電素子を駆動するときに、第２の直流電源に充電した電荷が再利用されるため、電力効率を向上させて、圧電素子を駆動することができる。

以上説明したように、本発明の容量性負荷の駆動回路によれば、容量性負荷に帯電された電荷を放電するときに、帯電された電荷を第２の直流電源に充電し、容量性負荷を駆動するときに、第２の直流電源に充電した電荷が再利用されるため、電力効率を向上させて、容量性負荷を駆動することができる、という効果が得られる。

本発明に係る圧電ヘッドの駆動装置及び液滴吐出装置によれば、圧電素子に帯電された電荷を放電するときに、帯電された電荷を第２の直流電源に充電し、圧電素子を駆動するときに、第２の直流電源に充電した電荷が再利用されるため、電力効率を向上させて、圧電素子を駆動することができる、という効果が得られる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。本実施の形態では、インクジェット記録装置に本発明を適用した場合を例に説明する。

図１に示すように、第１の実施の形態に係るインクジェット記録装置１２は、筐体１４と、筐体１４内の底部に設けられ、記録用紙Ｐを供給する給紙トレイ１６と、給紙トレイ１６から供給された記録用紙Ｐに画像を記録する画像記録部３０と、画像記録部３０で画像が記録された記録用紙Ｐが排出される排紙トレイ４６とを有する。

画像記録部３０と給紙トレイ１６との間には、所定の給紙経路２２に沿って記録用紙Ｐを搬送する一群の給紙ローラ対２０が設けられ、画像記録部３０と排紙トレイ４６との間には、所定の排紙経路４４に沿って記録用紙Ｐを搬送する一群の排紙ローラ対４２が設けられている。また、最も上流側の給紙ローラ対２０と給紙トレイ１６との間には、記録用紙Ｐを１枚ずつ取り出すピックアップローラ１８が設けられている。

画像記録部３０と給紙トレイ１６との間には、また、画像記録部３０で上側の面に画像が記録され、排紙経路４４に送り出された記録用紙Ｐを、搬送経路５２に沿って画像記録部３０の入り口に戻す一群のローラ対５０が設けられている。

インクジェット記録装置１２は、さらに、画像記録部３０、給紙ローラ対２０、および排紙ローラ対４２などを制御するコントローラ１０を有する。コントローラ１０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、及びＲＡＭから構成され、コントローラ１０には、印字処理を実行するための種々のプログラムが記憶されている。

画像記録部３０は、図１に示すように、黄色（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、黒（Ｋ）の各色に対応する圧電ヘッドとしての４個の記録ヘッド３２と、記録ヘッド３２の上流側に配設され、記録用紙Ｐに処理液を吐出する処理液ヘッド３３とからなる記録ヘッドアレイ３１と、４個の記録ヘッド３２においてインクが吐出される吐出領域ＳＥを通過するように記録用紙Ｐを搬送する搬送コンベア２９とを備える。

記録ヘッド３２及び処理液ヘッド３３は、記録用紙Ｐの幅に相当する有効印字領域を有する長尺のヘッドで、記録用紙Ｐの幅方向に後述するノズルが複数配列されており、記録用紙Ｐの幅方向の印字領域に一斉にインク滴及び処理液の滴を吐出するようになっている。記録ヘッド３２と記録用紙Ｐとを相対的に移動することで記録用紙Ｐに画像を記録することができる。

また、各記録ヘッド３２のインクは、水性インク、油性インク、又は溶剤系インクであり、公知のインクを用いればよい。また、処理液は、記録ヘッド３２から吐出されたインクを不溶化させ、または凝固させる成分を有する反応液である。

搬送コンベア２９は、駆動ローラ２４、張架ローラ２５、および従動ローラ２６と、これらのローラに張架される搬送ベルト２８とからなる。駆動ローラ２４は、用紙搬送方向に沿って下流側に位置する。従動ローラ２６は、搬送ベルト２８に対して用紙搬送方向に沿って最も上流側に位置して搬送ベルト２８を回転駆動する。

また、搬送ベルト２８を挟んで駆動ローラ２４に相対するように加熱定着ローラ１００が設けられている。搬送ベルト２８は、シームレスベルトであっても、帯状体を環状に接合したシームドベルトであってもよい。

記録ヘッド３２は、数１００〜数１０００個の噴射素子を集積したものであり、噴射素子は、図２に示すように、圧力室６６にインクを供給するためのインク供給路６４、インクが充填される圧力室６６、圧力室６６からインク滴を噴射させるノズル６８、及び圧力室６６に圧力を加える圧電素子（ピエゾアクチュエータ）６２を有し、圧電素子６２で圧力室６６内を加圧して、ノズル６８からインク滴を吐出するようになっている。

また、噴射素子では、インクが充填されたインクタンク５４から、インク供給路６４を介して圧力室６６にインクが充填され、圧力室６６に連通したノズル６８にインクが供給される。

圧力室６６の壁面の一部は振動板６６Ａからなり、振動板６６Ａに圧電素子６２が設けられており、圧電素子６２によって振動板６６Ａを変形させて振動させることで、圧力室６６内に圧力を加える。すなわち、圧電素子６２の振動によって加えられる圧力によって、圧力室６６内に充填されたインクがインク滴としてノズル６８から吐出され、圧力室６６にはインク供給路６４を介してインクタンク５４からインクが補充されるようになっている。

また、圧電素子６２には、駆動回路７０が接続されており、駆動回路７０は、図３に示すように、圧電素子６２と直列に接続された第１スイッチング素子７２と、圧電素子６２と並列に接続された第２スイッチング素子７４と、圧電素子６２と直列に接続された第３スイッチング素子７６とを備えている。なお、駆動回路７０は、圧電素子６２毎に設けられている。

駆動回路７０の各スイッチング素子７２、７４、７６には、コントローラ１０から入力された画素データに基づいて、圧電素子６２を駆動するように、各スイッチング素子７２、７４、７６のオンオフ制御を行う制御回路としてのスイッチ制御回路７８が接続されている。なお、スイッチ制御回路７８は、駆動回路７０毎に設けられている。

また、駆動回路７０の第１スイッチング素子７２を介して、第１直流電源８０と圧電素子６２とが接続されており、第３スイッチング素子７６を介して、第２直流電源８２と圧電素子６２とが接続されている。また、第２スイッチング素子７４を介して、圧電素子６２が接地されている。

第１直流電源８０は一定の電圧Ｖ１を出力し、第２直流電源８２は、一定の電圧Ｖ２を出力する。また、第２直流電源８２の電圧Ｖ２は、第１直流電源８０の電圧Ｖ１より低く設定されている（Ｖ２＜Ｖ１）。

駆動回路７０は、圧電素子６２を駆動する場合に、第２スイッチング素子７４をオフとして、まず、第１スイッチング素子７２をオフすると共に、第３スイッチング素子７６をオンし、次に、第１スイッチング素子７２をオンすると共に、第３スイッチング素子７６をオフし、圧電素子６２を充電して、図４に示すように、０→Ｖ２→Ｖ１と２段階に分けて圧電素子６２の電圧を上昇させる。

また、駆動回路７０は、圧電素子６２に帯電した電荷を放電する場合に、第１スイッチング素子７２をオフとして、まず、第２スイッチング素子７４をオフすると共に、第３スイッチング素子７６をオンし、次に、第２スイッチング素子７４をオンすると共に、第３スイッチング素子７６をオフし、圧電素子６２に帯電した電荷を放電して、Ｖ１→Ｖ２→０と２段階に分けて圧電素子６２の電圧を低下させる。このように、圧電素子６２の電圧の変化は、３値の矩形波で表わされる。

なお、画素データに基づいて圧電素子６２を駆動する必要がない場合には、スイッチ制御回路７８によって、駆動回路７０の第１スイッチング素子７２〜第３スイッチング素子７６の各々をオフして、インク滴が吐出されないようにする。

第１直流電源８０は、圧電素子６２に対する充電専用の電源であり、駆動回路７０に対して直流電流を流して、充電動作だけ行う構成となっている。

第２直流電源８２は、双方向に電流を流すことが可能であり、圧電素子６２の電荷を吸収して充電することが可能な直流電源である。図５に示すように、第２直流電源８２は、端子Ｖ０によって直列に接続されたＰＭＯＳとＮＭＯＳとである一対のスイッチング素子８４Ａ、８４Ｂと、一対のスイッチング素子８４Ａ、８４Ｂを接続する端子Ｖ０と第２直流電源８２の出力端との間に接続されたＬＣフィルタ回路８６と、一対のスイッチング素子８４Ａ、８４Ｂの各々にスイッチ信号を入力するゲートドライブ８８と、一対のスイッチング素子８４Ａ、８４Ｂのオンオフを制御するように、ゲートドライブ８８を制御する電圧制御回路としての制御回路９０とを備えている。

スイッチング素子８４Ａを介して端子Ｖ０と直流電源Ｖ_Ｄとが接続され、スイッチング素子８４Ｂを介して端子Ｖ０が接地されている。スイッチング素子８４Ａ、８４Ｂは、入力されるスイッチ信号のレベルに従って、オンオフ動作を行い、端子Ｖ０から電圧振幅Ｖ_Ｄのパルスを出力する。

また、ＬＣフィルタ回路８６は、リアクタンス素子としてのコイルＬ０及びコンデンサＣ０を備え、コイルＬ０とコンデンサＣ０とによって、低域通過フィルタを構成し、端子Ｖ０から出力されるパルスから、スイッチ動作による高周波分を除去する。その結果、パルスのデューティ比をＤ（０＜Ｄ＜１）とすると、第２直流電源８２の出力電圧Ｖ２はＤ＊Ｖ_Ｄとなる。また、Ｄ及びＶ_Ｄを一定とすれば（負荷が変動しなければ）、出力電圧Ｖ２は一定となる。

ゲートドライブ８８は、一対のスイッチング素子８４Ａ、８４Ｂの各々にハイレベル又はローレベルのスイッチ信号を入力する。例えば、スイッチ信号がハイレベルの場合には、ＰＭＯＳであるスイッチング素子８４Ａがオン、ＮＭＯＳであるスイッチング素子８４Ｂがオフとなり、スイッチ信号がローレベルの場合には、スイッチング素子８４Ａがオフ、スイッチング素子８４Ｂがオンとなる。

制御回路９０は、コントローラ１０からスイッチ制御信号が入力され、入力されたスイッチ制御信号に応じて、ゲートドライブ８８を介して、スイッチング素子８４Ａ、８４Ｂのオンオフ動作を制御し、所定のデューティ比のパルスを出力させて、一定の出力電圧Ｖ２を出力させる。

記録ヘッドアレイ３１の両側には、図１に示すように、記録ヘッド３２のメンテナンス操作を行うメンテナンスユニット３４が、各記録ヘッド３２に対応するように４個配設されている。メンテナンス時には、記録ヘッドアレイ３１が上方に移動し、搬送コンベア２９との間に形成された隙間にメンテナンスユニット３４が移動して入り込む。そして、ノズル面に対向した状態で所定のメンテナンス動作（吸引、ダミージェット、ワイピング、キャッピングなど）を行う。

記録ヘッドアレイ３１の上流側には、電源が接続された帯電ローラ３６が配置されている。帯電ローラ３６は、従動ローラ２６との間で搬送ベルト２８と記録用紙Ｐとを挟みつつ従動し、記録用紙Ｐを搬送ベルト２８に押圧する押圧位置と、搬送ベルト２８から離間した離間位置とのいずれかをとる。押圧位置においては、帯電ローラ３６と従動ローラ２６との間に所定の電位差が生じさせることにより、記録用紙Ｐに電荷を与えて搬送ベルト２８上に静電吸着させることができる。

次に、第１の実施の形態に係るインクジェット記録装置１２の作用について説明する。まず、クライアントＰＣ（図示省略）において、ユーザによって画像データが生成、編集され、印字指示と共に、画像データがインクジェット記録装置１２に入力されると、コントローラ１０において、第２直流電源８２の制御回路９０にスイッチ制御信号を出力すると共に、画像データに応じて、各スイッチ制御回路７８に、該当する画素データを出力して、各スイッチング素子７２、７４、７６のオンオフを制御し、上記図４に示す３値矩形波の電圧によって、圧電素子６２を駆動し、記録ヘッド３２の各々からＹ、Ｍ、Ｃ、Ｋのインク滴を吐出させて、記録用紙Ｐの片面又は両面を印字する。

このとき、第１直流電源８０、第２直流電源８２、及び駆動回路７０は以下のように動作する。まず、駆動回路７０によって圧電素子６２を駆動するために充電するとき、圧電素子６２の電圧の初期値は０であり、Ｖ２より低い。従って、駆動回路７０の第３スイッチング素子７６がオンされ、また、第２直流電源の一対のスイッチング素子８４Ａ、８４Ｂに入力されるスイッチ信号がハイレベルとなり、スイッチング素子８４Ａがオンされると、直流電源Ｖ_Ｄ→スイッチング素子８４Ａ→コイルＬ０→圧電素子６２のルートで電流が流れる。

一方、一対のスイッチング素子８４Ａ、８４Ｂに入力されるスイッチ信号がローレベルとなり、スイッチング素子８４Ｂがオンされると、ＧＮＤ→スイッチング素子８４Ｂ→コイルＬ０→圧電素子６２のルートで電流が流れる。そして、第３スイッチング素子７６がオフされると共に、第１スイッチング素子７２がオンされ、第１直流電源８０から圧電素子６２に電流が流れる。

また、駆動回路７０によって圧電素子６２に帯電された電荷を放電するとき、圧電素子６２の電圧の初期値は、第１直流電源８０の出力電圧Ｖ１に等しいため、Ｖ２より高い。従って、駆動回路７０の第３スイッチング素子７６がオンのとき、第２直流電源８２の一対のスイッチング素子８４Ａ、８４Ｂに入力されるスイッチ信号がハイレベルとなり、スイッチング素子８４Ａがオンされると、圧電素子６２→コイルＬ０→スイッチング素子８４Ａ→直流電源Ｖ_Ｄのルートで電流が流れる。

一方、第２直流電源８２の一対のスイッチング素子８４Ａ、８４Ｂに入力されるスイッチ信号がローレベルとなり、スイッチング素子８４Ｂがオンされると、圧電素子６２→コイルＬ０→スイッチング素子８４Ｂ→ＧＮＤのルートで電流が流れる。これによって、第２直流電源８２のコイルＬ０及びコンデンサＣ０に、圧電素子６２に帯電された静電エネルギーが回収される。

そして、再び、圧電素子６２を駆動するために充電するときには、第２直流電源８２のコイルＬ０及びコンデンサＣ０に回収されたエネルギーを再利用して、コイルＬ０及びコンデンサＣ０から圧電素子６２に電流が流れる。

ここで、上記のエネルギー回収動作において、第２直流電源８２の一対のスイッチング素子８４Ａ、８４Ｂは、スイッチング動作に伴って電力を損失し、この損失はスイッチングの周波数に比例する。また、スイッチングの周波数を、この回路が扱う信号の周波数帯域幅に比例して高くする必要がある。しかし、スイッチング動作で扱う信号は基本的に直流であり、スイッチング周波数をあまり高くする必要が無いため、ＫＨｚオーダでよい。

また、ＬＣフィルタ回路８６は、コイルＬ０とコンデンサＣ０とで構成されており、誘電損失や巻線抵抗による損失は無視すると、ＬＣフィルタ回路８６での損失は０である。

従って、圧電素子６２から第２直流電源８２に戻ってくる電荷エネルギーは、ＬＣフィルタ回路８６でも、一対のスイッチング素子８４Ａ、８４Ｂでも、ほとんど消費されることはないため、静電エネルギーは、コイルＬ０とコンデンサＣ０とで無効電力として充電される。

次に、エネルギー収支について説明する。まず、放電動作のエネルギー収支について、本実施の形態の３値矩形波駆動の場合と、従来の２値矩形波駆動の場合とを比較した結果を図６に示す。なお、従来の２値矩形波駆動では、図７（Ａ）に示すような一対のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２と直流電源とを備えた駆動回路によって、図７（Ｂ）に示すような２値矩形波の駆動電圧を圧電素子に印加して、圧電素子を駆動する。

Ｖ２＝（１／２）＊Ｖ１の場合（この条件が、回収エネルギーを最大にする条件である）、２値矩形波駆動では、圧電素子に帯電された静電エネルギーは、スイッチング素子Ｑ２で全て消費される。一方、３値矩形波駆動では、圧電素子に帯電された静電エネルギーの１／２が、第２直流電源に回収され、残りの１／２が、第１スイッチング素子７２及び第２スイッチング素子７２（図６の第１スイッチング素子Ｑ１及び第２スイッチング素子Ｑ２に相当）で消費される。

従って、３値矩形波駆動の回路損失、つまり第１スイッチング素子Ｑ１及び第２スイッチング素子Ｑ２の発熱は、２値矩形波駆動の１／２となる。

次に、充電動作のエネルギー収支について、本実施の形態の３値矩形波駆動の場合と、従来の２値矩形波駆動の場合とを比較した結果を図８に示す。３値矩形波駆動における第１スイッチング素子Ｑ１及び第２スイッチング素子Ｑ２の損失は、２値矩形波駆動の１／２である。また、３値矩形波駆動では第２直流電源で回収した静電エネルギーを再利用するため、３値矩形波駆動における第１直流電源及び第２直流電源からの供給エネルギーは、２値矩形波駆動における供給エネルギーの３／４である。

以上説明したように、第１の実施の形態に係るインクジェット記録装置によれば、圧電素子に帯電された電荷を放電するときに、帯電された電荷を第２直流電源に充電し、圧電素子を駆動するときに、第２直流電源に充電した電荷を再利用して、圧電素子に直流電圧を印加するため、電力効率を向上させて、圧電素子を駆動することができる。

また、駆動するための電圧は、スイッチング素子に供給する直流電圧のみで済むため、直流電源を用いた簡易な構成とすることができる。

また、スイッチング動作による十分小さい電力損失を実現し、また、放電動作に伴って圧電素子から放電された静電エネルギーを第２直流電源で回収して、熱として損失しないで、再利用することにより、各スイッチング素子の回路損失を低減すると共に、省エネルギーな圧電素子の駆動が可能となる。

なお、上記の実施の形態では、第１直流電源は、直流電源を出力するだけの構成となっている場合を例に説明したが、第２直流電源と同様に、第１直流電源を、双方向に電流を流すことが可能であって、圧電素子から放電された電荷を充電することができる構成としてもよい。

次に第２の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同様の構成の部分については、同一符号を付して構成に関する説明を省略する。

第２の実施の形態では、第２直流電源の出力電圧を、帰還回路を介して誤差増幅器に入力して、第２直流電源の出力電圧を安定させている点が第１の実施の形態と異なっている。

第２直流電源は、双方向に電流を流すことが可能であるため、第２直流電源の出力電圧が変動する。具体的には、圧電素子６２を充電する場合、圧電素子６２の電圧Ｖ_Ｌの初期値は０であり、第２直流電源の出力電圧Ｖ２が、圧電素子６２の電圧Ｖ_Ｌより高いため、第２直流電源から圧電素子６２に電流が流出し、第２直流電源の出力電圧が低下するように変動する。また、圧電素子６２に帯電した電荷を放電しようとする場合、圧電素子６２の電圧の初期値は、第１直流電源の出力電圧Ｖ１と等しく、第２直流電源の出力電圧Ｖ２より高いため、圧電素子６２から第２直流電源に電流が流入し、出力電圧Ｖ２が上昇するように変動する。

そこで、図９に示すように、第２の実施の形態に係る第２直流電源２８２は、一対のスイッチング素子８４Ａ、８４Ｂと、ＬＣフィルタ回路８６と、第２直流電源２８２の出力電圧が帰還回路２９２を介して負端子に入力され、かつ、予め定められた電圧設定値が正端子に入力される誤差増幅回路２９４と、誤差増幅回路２９４から出力されるアナログ信号である誤差信号をスイッチ制御信号に変換する変換回路２９０と、変換回路２９０から出力されるスイッチ制御信号が入力されるゲートドライブ２８８とを備えている。

第２直流電源２８２では、出力電圧Ｖ２が上がれば、誤差増幅回路２９４からの誤差信号のレベルが低下し、スイッチ制御信号に応じて一対のスイッチング素子８４Ａ、８４Ｂの端子Ｖ０から出力されるパルスのデューティ比が低下する。従って、第２直流電源２８２の出力電圧Ｖ２は低下し、出力電圧Ｖ２の上昇変動が抑えられる。

一方、出力電圧Ｖ２が下がれば、誤差増幅回路２９４からの誤差信号のレベルが上昇し、スイッチ制御信号に応じて一対のスイッチング素子８４Ａ、８４Ｂの端子Ｖ０から出力されるパルスのデューティ比が上昇する。従って、第２直流電源２８２の出力電圧Ｖ２は上昇し、出力電圧Ｖ２の低下変動が抑えられる。このように、第２直流電源の出力電圧の変動が抑えられるため、出力電圧を安定させることができる。

次に、第２の実施の形態に係る第２直流電源２８２の具体的な構成について、図１０を用いて説明する。

帰還回路２９２では、例えば２０〜３０Ｖ程度の出力電圧Ｖ２を抵抗Ｒ２１、Ｒ２２によって分圧し、演算増幅器Ｚ２の入力電圧を適した電圧にする。また、帰還回路２９２のコンデンサＣ２２は、抵抗Ｒ２１、Ｒ２２と合わせて位相進み動作を行い、電源全体の動作を安定させる作用を有する。帰還回路２９２の演算増幅器Ｚ２は、後続する誤差増幅回路２９４との干渉をさけるバッファ動作を行う。

誤差増幅回路２９４は、帰還回路２９２の出力電圧と予め定められた電圧設定値との誤差を求め、誤差を増幅させる。なお、交流増幅率は（抵抗Ｒ１２の抵抗値／抵抗Ｒ１１の抵抗値）である。また、誤差増幅回路２９４のコンデンサＣ１２は抵抗Ｒ１１、Ｒ１２と合わせて、比例積分動作を行う。これにより定常状態での電圧設定値と出力電圧Ｖ２との誤差を理論上０にすることが可能となる。

変換回路２９０は、図１１に示すような予め定められた振幅及び周波数の三角波と、誤差増幅回路２９４から出力される誤差信号とを比較器Ｚ３によって比較し、スイッチ制御信号に変換する。誤差増幅回路２９４からの誤差信号のレベルが上がれば、デューティ比が上がるようにスイッチ制御信号を変換する。

ゲートドライブ２８８は、電圧レベルの変換を行うと共に、一対のスイッチング素子８４Ａ、８４Ｂを駆動するための論理（本実施の形態では、スイッチング素子８４ＡはＰＭＯＳ、スイッチング素子８４ＢはＮＭＯＳを使用）を合わせるインタフェース回路である。スイッチ制御信号の振幅は、例えば３〜５Ｖ程度であり、出力電圧Ｖ２として数１０Ｖを出力する場合、スイッチ制御信号と同程度の振幅のスイッチ信号では、一対のスイッチング素子８４Ａ、８４Ｂを駆動することができないため、ゲートドライブ２８８では、電圧レベルの変換を行い、一対のスイッチング素子８４Ａ、８４Ｂを駆動可能なスイッチ信号を出力するようにしている。

なお、第２の実施の形態に係るインクジェット記録装置の他の構成については、第１の実施の形態と同様であるため、説明を省略する。また、第２の実施の形態に係るインクジェット記録装置の作用については、第１の実施の形態と同様であるため、説明を省略する。

このように、第２直流電源の出力電圧を、帰還回路を介して誤差増幅器に入力し、誤差信号に応じて一対のスイッチング素子のオンオフ動作を制御することにより、第２直流電源の出力電圧を安定させることができる。

次に、第３の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同様の構成となる部分については、同一符号を付して説明を省略する。

第３の実施の形態では、４値矩形波の駆動電圧を圧電素子に印加して、圧電素子を駆動している点が第１の実施の形態と異なっている。

図１２に示すように、第３の実施の形態に係る駆動回路３７０は、第１スイッチング素子７２と、第２スイッチング素子７４と、第３スイッチング素子７６と、圧電素子６２と直列に接続された第４スイッチング素子３７６とを備えている。第４スイッチング素子３７６は、第１スイッチング素子７２〜第３スイッチング素子７６と同様に、コントローラ１０から入力された画素データに基づいて、圧電素子６２を駆動させるように第４スイッチング素子３７６を制御するスイッチ制御回路７８が接続されている。

また、駆動回路３７０の第４スイッチング素子３７６を介して、第３直流電源３８２と圧電素子６２とが接続されている。なお、第３直流電源３８２は、第２直流電源と同様の構成となっているため、同一符号を付して説明を省略する。

第３直流電源３８２の電圧Ｖ３は、第１直流電源８０の電圧Ｖ２より低く設定されている（Ｖ３＜Ｖ２＜Ｖ１）。また、駆動回路３７０は、圧電素子６２を駆動する場合に、第２スイッチング素子７４をオフとして、まず、第１スイッチング素子７２をオフすると共に、第３スイッチング素子７６をオフし、第４スイッチング素子３７６をオンし、次に、第１スイッチング素子７２をオフすると共に、第３スイッチング素子７６をオンし、第４スイッチング素子３７６をオフし、次に、第１スイッチング素子７２をオンすると共に、第３スイッチング素子７６をオフし、第４スイッチング素子３７６をオフし、圧電素子６２を充電して、０→Ｖ３→Ｖ２→Ｖ１と３段階に分けて圧電素子６２の電圧を上昇させる。

また、駆動回路３７０は、圧電素子６２に帯電した電荷を放電する場合に、第１スイッチング素子７２をオフとして、まず、第２スイッチング素子７４をオフすると共に、第３スイッチング素子７６をオンし、第４スイッチング素子３７６をオフし、次に、第２スイッチング素子７４をオフすると共に、第３スイッチング素子７６をオフし、第４スイッチング素子３７６をオンし、次に、第２スイッチング素子７４をオンすると共に、第３スイッチング素子７６をオフし、第４スイッチング素子３７６をオフし、圧電素子６２に帯電した電荷を放電して、Ｖ１→Ｖ２→Ｖ３→０と３段階に分けて圧電素子６２の電圧を低下させる。このように、圧電素子６２の電圧の変化は、４値の矩形波で表わされる。

次に、第１直流電源８０、第２直流電源８２、第３直流電源３８２、及び駆動回路３７０の動作について説明する。まず、駆動回路３７０において、圧電素子６２を駆動するために充電するとき、圧電素子６２の電圧の初期値は０であり、Ｖ３より低い。従って、駆動回路３７０の第４スイッチング素子３７６がオンされ、また、第３直流電源３８２の一対のスイッチング素子８４Ａ、８４Ｂに入力されるスイッチ信号がローレベルとなり、スイッチング素子８４Ａがオンされると、直流電源Ｖ_Ｄ→スイッチング素子８４Ａ→コイルＬ０→圧電素子６２のルートで、第３直流電源３８２から圧電素子６２に電流が流れる。

一方、第３直流電源３８２の一対のスイッチング素子８４Ａ、８４Ｂに入力されるスイッチ信号がローレベルとなり、スイッチング素子８４Ｂがオンされると、ＧＮＤ→スイッチング素子８４Ｂ→コイルＬ０→圧電素子６２のルートで、第３直流電源３８２から圧電素子６２に電流が流れる。

そして、第４スイッチング素子３７６がオフされると共に、第３スイッチング素子７６がオンされると、第２直流電源８２から圧電素子６２に電流が流れる。そして、第３スイッチング素子７６がオフされると共に、第１スイッチング素子７２がオンされると、第１直流電源８０から圧電素子６２に電流が流れる。

また、駆動回路３７０によって圧電素子６２に帯電された電荷を放電するとき、圧電素子６２の電圧の初期値は第１直流電源８０の出力電圧Ｖ１と等しいため、Ｖ２より高い。従って、駆動回路３７０の第３スイッチング素子７６がオンのとき、圧電素子６２から第２直流電源８２に電流が流れ、第２直流電源８２のコイルＬ０及びコンデンサＣ０に、圧電素子６２に帯電された電荷が充電され、圧電素子６２に帯電された静電エネルギーが回収される。

そして、圧電素子６２の電圧は第２直流電源８２の出力電圧Ｖ２と等しくなるため、Ｖ３より高い。従って、駆動回路３７０の第４スイッチング素子３７６がオンのとき、第３直流電源３８２の一対のスイッチング素子８４Ａ、８４Ｂに入力されるスイッチ信号がハイレベルとなり、スイッチング素子８４Ａがオンされると、圧電素子６２→コイルＬ０→スイッチング素子８４Ａ→直流電源Ｖ_Ｄのルートで、圧電素子６２から第３直流電源３８２に電流が流れる。一方、第３直流電源３８２の一対のスイッチング素子８４Ａ、８４Ｂに入力されるスイッチ信号がローレベルとなり、スイッチング素子８４Ｂがオンされると、圧電素子６２→コイルＬ０→スイッチング素子８４Ｂ→ＧＮＤのルートで、圧電素子６２から第３直流電源３８２に電流が流れる。

これによって、第３直流電源３８２のコイルＬ０及びコンデンサＣ０に、圧電素子６２に帯電された電荷が充電され、圧電素子６２に帯電された静電エネルギーが回収される。

そして、再び、圧電素子６２を駆動するために充電するときには、第３直流電源３８２のコイルＬ０及びコンデンサＣ０に回収されたエネルギーを再利用して、第３直流電源３８２のコイルＬ０及びコンデンサＣ０から圧電素子６２に電流が流れ、また、第２直流電源８２のコイルＬ０及びコンデンサＣ０に回収されたエネルギーを再利用して、第２直流電源８２のコイルＬ０及びコンデンサＣ０から圧電素子６２に電流が流れる。

このように、圧電素子に帯電された電荷を放電するときに、帯電された電荷を、第２直流電源と第３直流電源とに充電し、圧電素子を駆動するときに、第２直流電源と第３直流電源とに充電した電荷を再利用して、直流電圧を印加するため、電力効率を向上させて、圧電素子を駆動することができる。

なお、上記の実施の形態では、４値矩形波の駆動電圧によって圧電素子を駆動する場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、５値以上の矩形波の駆動電圧によって圧電素子を駆動するようにしてもよい。５値矩形波駆動の場合には、双方向電流を流すことが可能な第４直流電源と駆動回路の第５スイッチング素子とを更に設けるように構成すればよい。

本発明の第１の実施の形態に係るインクジェット記録装置の構成を示す概略図である。 本発明の第１の実施の形態に係る記録ヘッドの噴射素子の構成を示す断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る駆動回路の構成を示す回路図である。 ３値矩形波の電圧変化を示すグラフである。 本発明の第１の実施の形態に係る第２直流電源の構成を示す概略図である。 放電動作のエネルギー収支について、本発明の第１の実施の形態の３値矩形波駆動の場合と従来の２値矩形波駆動の場合とを比較した結果を示す図である。 （Ａ）従来の２値矩形波駆動の駆動回路の構成を示す回路図、及び（Ｂ）２値矩形波の電圧変化を示すグラフである。 充電動作のエネルギー収支について、本発明の第１の実施の形態の３値矩形波駆動の場合と従来の２値矩形波駆動の場合とを比較した結果を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る第２直流電源の構成を示す概略図である。 本発明の第２の実施の形態に係る第２直流電源の具体的な構成を示す回路図である。 変換回路における三角波と誤差増幅器から出力される誤差信号との時間変化を示すグラフである。 本発明の第３の実施の形態に係る駆動回路、第１直流電源、第２直流電源、及び第３直流電源の構成を示す概略図である。

符号の説明

１０ コントローラ
１２ インクジェット記録装置
３０ 画像記録部
３１ 記録ヘッドアレイ
３２ 記録ヘッド
６２ 圧電素子
６４ インク供給路
６６ 圧力室
６８ ノズル
７０、３７０ 駆動回路
７２ 第１スイッチング素子
７４ 第２スイッチング素子
７６ 第３スイッチング素子
７８ スイッチ制御回路
８０ 第１直流電源
８２、２８２ 第２直流電源
８４Ａ、８４Ｂ スイッチング素子
８６ ＬＣフィルタ回路
９０ 制御回路
２９２ 帰還回路
２９４ 誤差増幅回路
３７６ 第４スイッチング素子
３８２ 第３直流電源
Ｐ 記録用紙

Claims (6)

1. 所定電圧の第１の直流電源と、
   電荷を充電することが可能であって、かつ、前記所定電圧より低い電圧の第２の直流電源と、
   容量性負荷と並列に接続された第１のスイッチング素子と、
   前記第１の直流電源と前記容量性負荷との間に接続された第２のスイッチング素子と、
   前記第２の直流電源と前記容量性負荷との間に接続された第３のスイッチング素子と、
   前記容量性負荷を駆動する場合、前記第３のスイッチング素子をオンさせた後に、前記第３のスイッチング素子をオフさせると共に前記第２のスイッチング素子をオンさせて、前記容量性負荷を駆動し、前記駆動によって前記容量性負荷に帯電された電荷を放電する場合、前記第２のスイッチング素子をオフさせると共に前記第３のスイッチング素子をオンさせて、前記帯電された電荷を前記第２の直流電源に充電し、前記第３のスイッチング素子をオフさせると共に前記第１のスイッチング素子をオンさせて、前記帯電された電荷を放電するように制御する制御回路と、
   を含む容量性負荷の駆動回路。
2. 前記第２の直流電源は、一対のスイッチング素子と、前記一対のスイッチング素子と出力端との間に接続され、かつ、リアクタンス素子を備えたフィルタ回路とを含み、前記一対のスイッチング素子のオンオフにより、前記出力端から前記所定電圧より低い電圧を出力する請求項１記載の容量性負荷の駆動回路。
3. 前記第２の直流電源は、前記フィルタ回路の出力電圧と予め定められた所定電圧との誤差を出力する誤差増幅回路と、前記誤差増幅回路の出力に基づいて、前記一対のスイッチング素子のオンオフを制御する電圧制御回路とを更に備えた請求項２記載の容量性負荷の駆動回路。
4. 電荷を充電することが可能であって、かつ、前記第２の直流電源の電圧より低い電圧の第３の直流電源と、
   前記第３の直流電源と前記容量性負荷との間に接続された第４のスイッチング素子とを更に含み、
   前記制御回路は、前記容量性負荷を駆動する場合、前記第４のスイッチング素子をオンさせ、前記駆動によって前記容量性負荷に帯電された電荷を放電する場合、前記第４のスイッチング素子をオンさせて前記帯電された電荷を前記第３の直流電源に充電する請求項１〜請求項３の何れか１項記載の容量性負荷の駆動回路。
5. 液体が充填される圧力室、前記圧力室に前記液体を供給するための液体供給路、前記圧力室から液滴を噴射させるノズル、及び前記圧力室に圧力を加える容量性負荷である圧電素子を有する圧電ヘッドの駆動装置であって、
   請求項１〜請求項４の何れか１項記載の容量性負荷の駆動回路を含み、
   前記駆動回路によって前記圧電素子を駆動することにより、前記圧力室に圧力を加えて前記ノズルから液滴を噴射させる圧電ヘッドの駆動装置。
6. 液体が充填される圧力室、前記圧力室に前記液体を供給するための液体供給路、前記圧力室から液滴を噴射させるノズル、及び前記圧力室に圧力を加える容量性負荷である圧電素子を有する圧電ヘッドと、
   請求項５記載の圧電ヘッドの駆動装置と、
   を含む液滴吐出装置。

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