JP2011251418A - 圧電アクチュエータ装置、及び、インクジェットプリンタ - Google Patents

圧電アクチュエータ装置、及び、インクジェットプリンタ Download PDF

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Abstract

【課題】複数の圧電素子のそれぞれについて絶縁耐圧低下の程度を把握することにより、絶縁耐圧が低下しつつある圧電素子に適切な対策を施して、その延命を図ることが可能な、圧電アクチュエータ装置を提供する。
【解決手段】ドライバIC47の比較器48は、圧電アクチュエータ7の1つの活性部にのみ電圧が印加されたときの電源からの供給電圧(VDD)を複数種類の基準電圧と比較する。この比較器48の比較結果から、制御装置8の判定回路49が、複数の活性部46のそれぞれについて絶縁耐圧低下の程度を複数のレベルで判定する。
【選択図】図9

Description

本発明は、圧電アクチュエータ装置、及び、この圧電アクチュエータ装置を備えたインクジェットプリンタに関する。
従来から、圧電層の圧電変形(圧電歪ともいう)を利用して対象を駆動する圧電アクチュエータが、様々な技術分野で広く用いられている。その中でも、特許文献1には、インクジェットヘッド用の圧電アクチュエータが開示されている。
この特許文献1の圧電アクチュエータは、複数のノズルにそれぞれ連通する複数の圧力室を備えた、インクジェットヘッドの流路ユニットに設けられ、各圧力室内のインクにそれぞれ圧力を付与して、ノズルからインクの液滴を噴射させるものである。より具体的には、特許文献1の圧電アクチュエータは、流路ユニットの複数の圧力室を覆うように配置された圧電層(圧電シート)と、この圧電層の両面にそれぞれ設けられた2種類の電極(複数の個別電極と共通電極)とを有する。複数の個別電極は複数の圧力室とそれぞれ対向して設けられ、また、共通電極は圧電層を挟んで複数の個別電極と共通に対向している。この構成において、駆動装置(ドライバIC)から個別電極と共通電極間に電圧が印加されたときに、複数の個別電極と共通電極とに挟まれた複数の圧電層部分(圧電素子)に圧電変形が生じることで、圧力室内のインクに圧力が付与される。
ところで、上述した圧電アクチュエータにおいて、2種類の電極間に挟まれた圧電素子において絶縁耐圧の低下が生じることがある。例えば、圧電素子においてクラックが発生している状態で電極間に電圧が印加されると、クラックに沿ってマイグレーションが進行する。また、クラックに水分が吸収された状態で電圧が印加されると、トリー現象が進行してやはり圧電素子の絶縁耐圧が低下する。そして、このような絶縁耐圧の低下は、電極間への電圧印加が続くことによって進行し、最終的には電極間に短絡が発生する。
特許文献1の圧電アクチュエータは、各圧電素子に対して、電圧が印加された待機状態から、一旦電圧の印加を解除した後に、再び、電圧印加状態に戻すという、一連の過程を経て、各ノズルから液滴を噴射させる構成である。そのため、使用しない(ノズルから液滴を噴射させない)、待機状態の圧電素子においても電圧が印加される。そこで、この特許文献1では、待機状態でも電圧が印加されることによるマイグレーション現象の進行を抑制するため、ブラックノズルのみを使用するテキスト印刷時には、液滴を噴射しないカラーノズル用の圧電素子(個別電極)には電圧を印加しないようにするなどして、各圧電素子に電圧が印加される時間を短縮している。
特開2005−289013号公報
前記特許文献1では、マイグレーションの進行による電極間の短絡を防止するために、使用しない圧電素子への電圧を印加しないようにして、印加時間を短縮するという対策を取っているが、どの圧電素子に不良が存在するのかを特定できていないため、不良が生じている圧電素子に対して個別に対策を施すことはできない。
また、上述したような、マイグレーション等に起因する圧電素子の絶縁耐圧低下は、その発生から短い期間で電極間を完全に短絡させてしまうようなものではなく、発生後にさらに圧電素子への電圧の印加が続くことによって、徐々に進行する類のものである。従って、圧電素子が絶縁耐圧不良となる前、即ち、完全に電極間に短絡が生じて圧電素子が使用できない状態となる前に適切な対策を施し、圧電素子の延命を図ることが、製品寿命を向上させる観点から好ましい。
本発明の目的は、複数の圧電素子のそれぞれについて絶縁耐圧の程度を把握することにより、絶縁耐圧が低下しつつある圧電素子に適切な対策を施して、その延命を図ることが可能な、圧電アクチュエータ装置を提供することである。
第1の発明の圧電アクチュエータ装置は、それぞれが2種類の電極に挟まれた複数の圧電素子を備えた圧電アクチュエータと、電源に接続され、前記複数の圧電素子のそれぞれについて前記2種類の電極間の電圧を変化させて圧電素子を駆動する駆動装置と、前記駆動装置により、前記複数の圧電素子のそれぞれ1つの圧電素子にのみ電圧が印加されたときの、電源から前記駆動装置への供給電圧、又は、前記電源と前記駆動装置との間を流れる電流を、複数種類の基準値と比較する比較手段と、この比較手段による比較の結果から、前記複数の圧電素子のそれぞれについて絶縁耐圧低下の程度を複数のレベルで判定する判定手段とを有することを特徴とするものである。
絶縁耐圧が低下している圧電素子においては、この圧電素子を挟む2種類の電極間に電圧が印加されたときに、本来絶縁性を有する圧電素子に電流が流れる。そのため、このような圧電素子にのみ電圧が印加されている間に、電源から駆動装置への供給電圧が低下する、あるいは、電源と駆動装置との間に電流が流れ続けるといった兆候が現れる。また、絶縁耐圧の低下の程度が大きいほど圧電素子を流れる電流が大きいことから、前記供給電圧、又は、電源と駆動装置間の電流の値も変化する。そこで、本発明では、比較手段が、複数の圧電素子のそれぞれ1つの圧電素子にのみ電圧が印加されたときの、電源から駆動装置への供給電圧、又は、電源と駆動装置間の電流を複数種類の基準値と比較し、その比較結果に基づいて、判定手段が複数の圧電素子のそれぞれについて絶縁耐圧低下の程度を複数のレベルで判定する。このように、複数の圧電素子のそれぞれについて絶縁耐圧低下の程度を複数のレベルで判定することで、絶縁耐圧が低下しつつあるが、まだ完全に短絡が生じていない圧電素子に対して、その絶縁耐圧低下を抑制する対策を施して、圧電素子の延命を図ることが可能となる。
ここで、ある圧電素子において、絶縁耐圧の低下が所定のレベルを超えて進行している場合には、それ以上の絶縁耐圧の低下を抑制するために、その圧電素子の一定期間内の駆動回数を少なく制限する(第2の発明)、一定期間内の電圧印加時間を短く制限する(第3の発明)、あるいは、圧電素子へ印加する電圧を下げる(第3の発明)といった対策を採用することが好ましい。
第5の発明のインクジェットプリンタは、被記録媒体に向けて液滴を噴射する複数のノズル、及び、これら複数のノズルに連通する液体流路を有する流路ユニットと、前記流路ユニットに設けられるとともにそれぞれが2種類の電極に挟まれ、前記複数のノズルからそれぞれ液滴を噴射させる複数の圧電素子を備えた圧電アクチュエータとを備えたインクジェットヘッドと、電源に接続され、前記複数の圧電素子のそれぞれについて前記2種類の電極間の電圧を変化させて圧電素子を駆動する駆動装置と、前記駆動装置により、前記複数の圧電素子のそれぞれ1つの圧電素子にのみ電圧が印加されたときの、電源から前記駆動装置への供給電圧、又は、前記電源と前記駆動装置との間を流れる電流を、複数種類の基準値と比較する比較手段と、この比較手段による比較の結果から、前記複数の圧電素子のそれぞれについて絶縁耐圧低下の程度を複数のレベルで判定する判定手段とを有することを特徴とするものである。
本発明によれば、比較手段が、複数の圧電素子のそれぞれ1つの圧電素子にのみ電圧が印加されたときの、電源から駆動装置への供給電圧、又は、電源と駆動装置間の電流を複数種類の基準値と比較し、その比較結果に基づいて、判定手段が複数の圧電素子のそれぞれについて絶縁耐圧低下の程度を複数のレベルで判定する。このように、複数の圧電素子のそれぞれについて絶縁耐圧低下の程度を複数のレベルで判定することで、絶縁耐圧が低下しつつある圧電素子に対してその進行を抑制する対策を施して、圧電素子の延命を図り、インクジェットプリンタの製品寿命を向上させることが可能となる。
ここで、ある圧電素子において、絶縁耐圧の低下が所定のレベルを超えて進行している場合には、それ以上の絶縁耐圧の低下を抑制するために、1枚の被記録媒体の印刷を行う際の圧電素子の駆動回数を減らす(第6の発明)、あるいは、パルス数の少ない駆動パルス信号を圧電素子に印加する(第7の発明)といった対策を採用することが好ましい。
第8の発明のインクジェットプリンタは、前記第5〜第7の何れかの発明において、前記複数のノズルが前記被記録媒体と対向していない状態で液滴噴射が行われるフラッシング時において、前記駆動装置は、前記複数の圧電素子のそれぞれについて1つずつ電圧を印加するとともに、前記判定手段は、前記複数の圧電素子のそれぞれについて絶縁耐圧低下の程度を判定することを特徴とするものである。
絶縁耐圧低下の程度を判定するために圧電素子に電圧を印加すると、その圧電素子に対応するノズルからインクの液滴が噴射されて、被記録媒体に着弾してしまう虞がある。そこで、本発明においては、ノズルが被記録媒体と対向しておらず、万が一液滴が噴射されても問題のない、フラッシング時に圧電素子の絶縁耐圧程度の判定を行うようにする。
第9の発明のインクジェットプリンタは、前記第5〜第8の何れかの発明において、前記駆動装置は前記インクジェットヘッドに設けられるとともに、この駆動装置を制御する制御装置を介して電源と接続され、前記制御装置と前記駆動装置とを接続する電源配線である高電位線と低電位線との間には、電源から駆動装置への供給電圧を安定化するためのコンデンサが設けられ、
前記駆動装置内には、ある1つの圧電素子にのみ電圧が印加されたときの、前記供給電圧を複数の基準電圧値と比較する前記比較手段と、前記比較手段から出力された比較結果を記憶する記憶手段とが設けられ、
前記判定手段は前記制御装置に設けられ、前記駆動装置に設けられた前記記憶手段に記憶された前記比較結果を読み出して、前記複数の圧電素子のそれぞれについて絶縁耐圧低下の程度を判定し、前記制御装置は、前記判定手段の判定結果に基づいて、前記駆動装置を制御することを特徴とするものである。
本発明は、比較手段が、1つの圧電素子に電圧が印加されたときの、電源から駆動装置への供給電圧を複数の基準電圧と比較するものであることを前提とする。ここで、この比較手段は、判定手段とともに、駆動装置を制御する制御装置側に設けられてもよいのであるが、制御装置と駆動装置とを接続する2本の電源配線間に、電源から駆動装置への供給電圧を安定化させるためのコンデンサが設けられていると、このコンデンサが介在することによって、制御装置側からは、圧電アクチュエータの1つの圧電素子に電圧が印加されたときの供給電圧の変化が平滑化されてしまい、比較手段が、供給電圧の低下を精度よく検出することが難しくなる。そこで、本発明では、比較手段は、制御装置側ではなく駆動装置側に設けられ、さらに、駆動装置には、比較手段から出力された比較結果を記憶する記憶手段が設けられている。そして、制御装置に設けられた判定手段は、記憶手段から上記比較結果を読み出して圧電素子の絶縁耐圧低下の程度を判定し、制御装置はその判定結果を用いて駆動装置を制御する。このように、比較手段が駆動装置に設けられることにより、1つの圧電素子にのみ電圧が印加されたときの、電源から駆動装置への供給電圧の低下を精度よく検出することができる。
本発明によれば、複複数の圧電素子のそれぞれについて絶縁耐圧低下の程度を複数のレベルで判定することで、絶縁耐圧が低下しつつあるが、まだ完全に短絡が生じていない圧電素子に対して、その絶縁耐圧低下を抑制して、圧電素子の延命を図ることが可能となる。
本実施形態に係るインクジェットプリンタを概略的に示す平面図である。 インクジェットヘッドの平面図である。 図2の一部拡大図である。 (a)は図3のA−A線断面図、(b)は図3のB−B線断面図である。 圧電アクチュエータとドライバICと制御装置の電気的な接続構成を示す図である。 ドライバICから圧電アクチュエータへ供給される駆動パルス信号の波形図である。 プリンタの電気的構成を概略的に示すブロック図である。 比較器及び記憶部の回路図である。 絶縁耐圧が低下している活性部に電圧が印加されたときの、電源からの供給電圧(VDD電圧)の変化を示す図である。 変更形態に係るインクジェットヘッドを示す図であり、(a)は図3に相当するインクジェットヘッドの一部拡大平面図、(b)は(a)のB−B線断面図である。
次に、本発明の実施の形態について説明する。本実施形態は、記録用紙に対してインクの液滴を噴射するインクジェットヘッドを備えたインクジェットプリンタに本発明を適用した一例である。
まず、本実施形態のインクジェットプリンタ1の概略構成について説明する。図1は、本実施形態のインクジェットプリンタの概略平面図である。この図1に示すように、プリンタ1は、所定の走査方向(図1の左右方向)に沿って往復移動可能に構成されたキャリッジ2と、このキャリッジ2に搭載されたインクジェットヘッド3と、被記録媒体である記録用紙100を、走査方向と直交する搬送方向に搬送する搬送機構4等を備えている。
キャリッジ2は、走査方向(図1の左右方向)に平行に延びる2本のガイド軸17に沿って往復移動可能に構成されている。また、キャリッジ2には、無端ベルト18が連結されており、キャリッジ駆動モータ19によって無端ベルト18が走行駆動されたときに、キャリッジ2は、無端ベルト18の走行に伴って走査方向に移動するようになっている。尚、プリンタ1には、走査方向に間隔を空けて配列された多数の透光部(スリット)を有するリニアエンコーダ10が設けられている。一方、キャリッジ2には、発光素子と受光素子とを有する透過型のフォトセンサ11が設けられている。そして、プリンタ1は、キャリッジ2の移動中にフォトセンサ11が検出したリニアエンコーダ10の透光部の計数値(検出回数)から、キャリッジ2の走査方向に関する現在位置を認識できるようになっている。
このキャリッジ2には、インクジェットヘッド3が搭載されている。インクジェットヘッド3は、その下面(図1の紙面向こう側の面)に多数のノズル30(図2〜図4参照)を備えている。このインクジェットヘッド3は、搬送機構4により図1の下方(搬送方向)に搬送される記録用紙100に対して、図示しないインクカートリッジから供給されたインクを多数のノズル30から噴射するように構成されている。
搬送機構4は、インクジェットヘッド3よりも搬送方向上流側に配置された給紙ローラ12と、インクジェットヘッド3よりも搬送方向下流側に配置された排紙ローラ13とを有する。給紙ローラ12と排紙ローラ13は、それぞれ、給紙モータ14と排紙モータ15により回転駆動される。そして、この搬送機構4は、給紙ローラ12により、記録用紙100を図1の上方からインクジェットヘッド3へ搬送するとともに、排紙ローラ13により、インクジェットヘッド3によって画像や文字等が記録された記録用紙100を図1の下方へ排出する。
次に、インクジェットヘッド3について説明する。図2はインクジェットヘッドの平面図、図3は図2の一部拡大図、図4は図3の断面図であり、(a)は図3のA−A線断面図、(b)は図3のB−B線断面図である。図2〜図4に示すように、インクジェットヘッド3は、ノズル30や圧力室24を含むインク流路が形成された流路ユニット6と、圧力室24内のインクに圧力を付与する圧電アクチュエータ7とを備えている。
まず、流路ユニット6について説明する。図4に示すように、流路ユニット6はキャビティプレート20、ベースプレート21、マニホールドプレート22、及びノズルプレート23を備えており、これら4枚のプレート20〜23が積層状態で接合されている。このうち、キャビティプレート20、ベースプレート21及びマニホールドプレート22は、それぞれ、ステンレス鋼等の金属材料からなる平面視で略矩形状の板である。そのため、これら3枚のプレート20〜22に、後述するマニホールド27や圧力室24等のインク流路をエッチングにより容易に形成することができるようになっている。また、ノズルプレート23は、例えば、ポリイミド等の高分子合成樹脂材料により形成され、マニホールドプレート22の下面に接着剤で接合される。あるいは、このノズルプレート23も、他の3枚のプレート20〜22と同様にステンレス鋼等の金属材料で形成されていてもよい。
図2〜図4に示すように、4枚のプレート20〜23のうち、最も上方に位置するキャビティプレート20には、その面と平行な方向に沿って配列された複数の圧力室24がプレート20を貫通する孔により形成されている。また、複数の圧力室24は、搬送方向(図2の上下方向)に千鳥状に複数列(図では簡単のため2列の形態を例示)に配列されている。また、図4に示すように、複数の圧力室24は上下両側から後述の振動板40及びベースプレート21によりそれぞれ覆われている。さらに、各圧力室24は、平面視で走査方向(図2の左右方向)に長い、略楕円形状に形成されている。
図3、図4に示すように、ベースプレート21の、平面視で圧力室24の長手方向両端部と重なる位置には、それぞれ連通孔25,26が形成されている。また、マニホールドプレート22には、平面視で、2列に配列された圧力室24の連通孔25側の部分と重なるように、搬送方向に延びる複数(図2では2つ)のマニホールド27が形成されている。これら複数のマニホールド27は、圧電アクチュエータ7の振動板40に形成されたインク供給口28に連通しており、図示しないインクタンクからインク供給口28を介してマニホールド27へインクが供給される。さらに、マニホールドプレート22の、平面視で複数の圧力室24のマニホールド27と反対側の端部と重なる位置には、それぞれ、複数の連通孔26に連なる複数の連通孔29も形成されている。
ノズルプレート23の、平面視で複数の連通孔29にそれぞれ重なる位置には、複数のノズル30が形成されている。図2に示すように、複数のノズル30は、搬送方向に沿って2列に配列された複数の圧力室24の、マニホールド27と反対側の端部とそれぞれ重なるように配置され、複数列(図では2列)のノズル列を構成している。
以上より、図4に示すように、マニホールド27は連通孔25を介して圧力室24に連通し、さらに、圧力室24は、連通孔26,29を介してノズル30に連通している。このように、流路ユニット6内には、マニホールド27から圧力室24を経てノズル30に至る個別インク流路31が複数形成されている。
尚、図2においては、説明の簡単のため、1つのインク供給口28に連なる1種類の流路構造(マニホールド27、圧力室24、ノズル30等)のみが描かれているが、インクジェットヘッド3が、図2に示されている流路構造が走査方向に複数並べて設けられた構成を備え、複数色(例えば、ブラック、イエロー、シアン、マゼンタの4色)のインクをそれぞれ噴射可能な、カラーインクジェットヘッドであってもよい。
次に、圧電アクチュエータ7について説明する。図2〜図4に示すように、圧電アクチュエータ7は、複数の圧力室24を覆うように流路ユニット6(キャビティプレート20)の上面に配置された振動板40と、この振動板40の上面に、複数の圧力室24と対向するように配置された圧電層41と、圧電層41の上面に配置された複数の個別電極42とを備えている。
振動板40は、平面視で略矩形状の金属板であり、例えば、ステンレス鋼等の鉄系合金、銅系合金、ニッケル系合金、あるいは、チタン系合金などからなる。この振動板40は、キャビティプレート20の上面に複数の圧力室24を覆うように配設された状態で、キャビティプレート20に接合されている。また、導電性を有する振動板40の上面は、圧電層41の下面側に配置されることによって、上面の複数の個別電極42との間で圧電層41に厚み方向の電界を生じさせる、共通電極を兼ねている。この共通電極としての振動板40は、後述するドライバIC47のグランド配線に接続されて、常にグランド電位に保持される。
圧電層41は、チタン酸鉛とジルコン酸鉛との固溶体であり強誘電体であるチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)を主成分とする圧電材料からなり、平板状に形成されている。図2、図4(b)に示すように、この圧電層41は、振動板40の上面において、複数の圧力室24に跨って連続的に形成されている。
圧電層41の上面の、複数の圧力室24と対向する領域には、複数の個別電極42がそれぞれ配置されている。各々の個別電極42は圧力室24よりも一回り小さい略楕円形の平面形状を有し、圧力室24の中央部と対向している。即ち、複数の個別電極42は、圧電層41の上面において、複数の圧力室24にそれぞれ対応して、互いに間隔を空けて配置されている。また、複数の個別電極42の端部からは、ドライバIC47を実装したフレキシブル配線基板(図示省略)と接続される、複数の接点部45が個別電極42の長手方向に沿ってそれぞれ引き出されている。
また、複数の個別電極42と共通電極としての振動板40とに挟まれた、複数の圧電層部分(活性部46)は、予め、その厚み方向に分極されている。そして、個別電極42と振動板40との間に電位差(電圧)が発生したときには、活性部46には圧電変形(圧電歪み)が発生し、この変形によって、その活性部46と対向する圧力室24内のインクに圧力が付与されることになる。即ち、1つの活性部46が、1つの圧力室24内に噴射圧力を付与してノズル30からインクの液滴を噴射させる、本願発明における1つの圧電素子に相当する。
以上の圧電アクチュエータ7には、この圧電アクチュエータ7を駆動するドライバIC47(駆動装置)を実装した、図示しないフレキシブル配線基板(FPC)が接続され、FPC上の配線を介してドライバIC47と複数の個別電極42、及び、共通電極としての振動板40が電気的に接続される。また、ドライバIC47はFPCを介して制御装置8(図5参照)やプリンタの電源(図示省略)とも接続されている。そして、制御装置8からの指令を受けて、ドライバIC47が個別電極42に対して、所定のパルス波形と電圧レベル(波高値)を有する、後述の駆動パルス信号(図6参照)を供給することにより、個別電極42と、常時グランド電位に保持される振動板40との間の電位差、即ち、活性部46に印加される電圧が変化するようになっている。
次に、駆動パルス信号が供給されたときの、圧電アクチュエータ7の各活性部46の動作について説明する。ある個別電極42に対して、ドライバIC47から駆動パルス信号(図6)が供給されると、個別電極42とグランド電位に保持されている共通電極としての振動板40との間に挟まれた、活性部46に電圧が印加され、活性部46に厚み方向の電界が作用する。この電界の方向は活性部46の分極方向と平行であるから、活性部46が厚み方向と直交する面方向に収縮する。ここで、圧電層41の下側の振動板40はキャビティプレート20に固定されているため、この振動板40の上面に位置する圧電層41が面方向に収縮するのに伴って、振動板40の圧力室24を覆う部分が圧力室24側に凸となるように変形する(ユニモルフ変形)。このとき、圧力室24内の容積が減少するために圧力室24内のインク圧力が上昇し、この圧力室24に連通するノズル30からインクが噴射される。
次に、圧電アクチュエータ7に駆動パルス信号を供給する、ドライバIC47(駆動装置)について詳細に説明する。図5は、圧電アクチュエータとドライバICと制御装置の電気的な接続構成を示す図である。図5のように、ドライバIC47は制御装置8と接続され、制御装置8から供給された信号に基づき、圧電アクチュエータ7の個別電極42に対して所定の波形を有する駆動パルス信号を供給する。図6は、駆動パルス信号を示す図である。ドライバIC47は、各活性部46(個別電極42)に対して、図6に示す3種類のパルス信号の中から1種類を選択して供給するようになっている。これら3種類の信号は、多階調印字を可能とするために、1つのノズル30からサイズの異なる3種類の液滴(小玉、中玉、大玉)を噴射させる信号であり、パルス波形が互いに異なっている。より具体的には、図6に示すように、3種類の駆動パルス信号は、1印字周期(記録用紙100に1ドットを形成する周期)に含まれるパルスPの数が異なっている。
図5に示すように、制御装置8とドライバIC47は、2本の電源線(VDD(電源電圧)、及び、VSS(グランド))によって接続されており、ドライバIC47はプリンタ1の電源(図示略)と制御装置8を介して接続されている。また、制御装置8からドライバIC47に対して、クロック(CLK)、3種類の駆動パルス信号の波形データ(FIRE)、3種類の波形から1種類を選択するための波形選択信号(SIN)等がそれぞれ入力される。そして、ドライバIC47は、クロックに従って制御装置8から送信された波形選択信号(SIN)に基づいて、3種類の波形データ(FIRE)から1種類を選択し、選択された波形を有する駆動パルス信号を生成して、圧電アクチュエータ7の各個別電極42に供給する。
また、図5に示すように、ドライバIC47内には、電源からドライバIC47への供給電圧(VDD電圧)を所定の基準電圧と比較して、比較信号を出力する比較器48が設けられている。この比較器48は、圧電アクチュエータ7の複数の活性部46のそれぞれについて、絶縁耐圧の低下の程度を検出するために設けられているのであるが、その詳細は後述する。
次に、制御装置8を中心とするプリンタ1の電気的構成について、図7のブロック図を参照して説明する。図7に示すように、制御装置8は、中央処理装置であるCPU(Central Processing Unit)70、ROM(Read Only Memory)71、RAM(Random Access Memory)72、及び、これらを接続するバス73からなるマイクロコンピュータを有する。また、バス73には、インクジェットヘッド3のドライバIC47、キャリッジ2を駆動するキャリッジ駆動モータ19、搬送機構4の給紙モータ14及び排紙モータ15等を制御する、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)74が接続されている。また、このASIC74は、入出力インターフェイス(I/F)78を介して外部装置であるPC(パーソナルコンピュータ)79とデータ通信可能に接続されている。
また、ASIC74には、PC79から入力された画像データに基づいてインクジェットヘッド3のドライバIC47とキャリッジ駆動モータ19をそれぞれ制御するヘッド制御回路81と、同じく前記画像データに基づいて搬送機構4の給紙モータ14と排紙モータ15をそれぞれ制御する搬送制御回路82等が組み込まれている。
ヘッド制御回路81は、PC79からの画像データに基づいて、複数のノズル30に対応した複数の活性部46(個別電極42)のそれぞれについて、3種類の駆動パルス信号(図6参照)から1種類を選択させるための波形選択信号(SIN)を生成する。また、ドライバIC47に対して、3種類の駆動パルス信号の波形データ(FIRE)と、前記波形選択信号(SIN)を送信する。そして、ドライバIC47は、複数の個別電極42に対して前記波形選択信号に応じた駆動パルス信号を生成し、複数の個別電極42にそれぞれ供給する。
ところで、上述した圧電アクチュエータ7の活性部46(個別電極42と共通電極としての振動板40との間)において、マイグレーション現象やトリー現象等に起因する絶縁耐圧低下が発生することがある。例えば、図4に示される、本実施形態のユニモルフ型の圧電アクチュエータ7では、変形効率を上げるために圧電層41の厚みを極力薄くすることが好ましいが、そのような厚みの薄い圧電層41にはクラックが発生しやすく、個別電極42と共通電極(振動板40)間でクラックに沿って厚み方向にマイグレーションを発生させる原因となる。
しかし、マイグレーション等に起因する活性部46の絶縁耐圧低下は、発生後にさらに活性部46への電圧の印加が続くことによって、徐々に進行する類のものである。従って、ある活性部46において絶縁耐圧低下が進行して、個別電極42と振動板40間に完全に短絡が生じて使用できない状態となる前に、その兆候を検出できれば、その活性部46に適切な対策を施して延命を図ることが可能となる。そこで、本実施形態では、複数の活性部46のそれぞれについて絶縁耐圧低下の程度を複数のレベルで判定した上で、そのレベルに応じて活性部46の駆動方法を変更している。
(絶縁耐圧低下レベルの判定)
以下、各活性部46の絶縁耐圧低下の程度を判定するための構成と、その具体的な判定手法について述べる。図5、図7に示されるように、ドライバIC47内には、1つの活性部46にのみ電圧が印加されたときの、電源からドライバIC47への供給電圧(VDD電圧)を複数種類の基準電圧と比較する比較器48(比較手段)と、この比較器48から出力された比較結果を記憶する記憶部(記憶手段)が設けられている。図8は、比較器48及び記憶部50の回路図である。また、制御装置8側には、比較器48の比較結果から、活性部46の絶縁耐圧低下の程度を判定する判定回路49(判定手段)が設けられている。
複数の活性部46の絶縁耐圧低下レベルの判定を行う際には、ドライバIC47は、複数の活性部46のそれぞれに対して、1つずつ、個別電極42に電圧を印加する。即ち、検査対象となる1つの活性部46の個別電極42にのみ電圧を印加するとともに、それ以外の活性部46に電圧を印加しない。このとき、検査対象の活性部46の個別電極42と振動板40の間だけでなく、検査対象の活性部46の個別電極42と、隣接する別の個別電極42との間においても電圧(電位差)が発生する。
複数の活性部46のうちの1つの活性部46にのみ電圧が印加されたときに、その活性部46が、絶縁耐圧低下が生じていない正常な活性部である場合には、電源からドライバIC47への供給電圧(図5のVDD電圧)は、その1つの活性部46への電圧印加初期(充電時)にわずかに変化する程度であり、供給電圧はほとんど変化しない。しかし、活性部46の絶縁耐圧が低下している場合には、その活性部46を挟む個別電極42と振動板40(共通電極)との間に電流が流れ続けて電圧降下が生じるため、電源からドライバIC47への供給電圧が低下する。
図9は絶縁耐圧が低下している活性部46に電圧が印加されたときの、VDD電圧の変化を示す図である。活性部46の絶縁耐圧低下の程度が大きいほど、活性部46を流れる電流が大きくなるために、図9の破線のようにVDD電圧の低下幅が大きくなる。
そこで、ドライバIC47内の比較器48は、ドライバIC47により1つの活性部46にのみ電圧が印加されたときのVDD電圧を複数の基準電圧(例えば、5種類の基準電圧V1〜V5)と比較する。より具体的には、比較器48は、VDD電圧と5種類の基準電圧V1〜V5をそれぞれ比較して、VDD電圧が基準電圧以上である場合には、L信号(“0”)を出力し、VDD電圧が基準電圧未満である場合には、H信号(“1”)を出力する。複数の活性部46のそれぞれについて、比較器48から出力された比較結果は、記憶部50にまとめて記憶される。
一方、制御装置8の判定回路49は、記憶部50に記憶された、比較器48によるVDD電圧と5種類の基準電圧との比較結果を読み出す。そして、この比較結果に基づいて、複数の活性部46のそれぞれについて、絶縁耐圧がどの程度低下しているか、即ち、絶縁耐圧低下レベルを判定する。
本実施形態では、1つの活性部46にのみ電圧が印加されたときのVDD電圧と、5種類の基準電圧V1〜V5の比較から、絶縁耐圧低下レベルを次のように決定する。
V1以上 →絶縁耐圧低下レベル:0(正常)
V2以上V1未満→絶縁耐圧低下レベル:1
V3以上V2未満→絶縁耐圧低下レベル:2
V4以上V3未満→絶縁耐圧低下レベル:3
V5以上V4未満→絶縁耐圧低下レベル:4
V5未満 →絶縁耐圧低下レベル:5(電極間短絡のため使用不能)
と判定するものとする。表1に、比較器48の出力結果、及び、それに基づいて判定された絶縁耐圧低下レベルの一例を表1に示す。
Figure 2011251418
表1では、3つ(No.1〜No.3)の活性部46のそれぞれに1つずつ電圧を印加したときの、比較器から出力された基準電圧に対する比較信号(L信号“0”、または、H信号“1)と、3つの活性部46(ノズル30)の絶縁耐圧低下レベルが示されている。No.1の活性部46では5種類の基準電圧に対する比較信号が全てLである。つまり、VDD電圧がV1以上であり、この活性部46の絶縁耐圧低下レベルはレベル0(正常)である。一方、No.2の活性部46では、5種類の基準電圧に対する比較信号が全てHである。即ち、図9の破線で示されるように、VDD電圧が5種類の基準電圧の中で最も低い電圧値であるV5をさらに下回っており、この活性部46の絶縁耐圧低下レベルは、使用不能の状態を示すレベル5である。即ち、個別電極42と共通電極としての振動板40とが、ほぼ完全に短絡した状態まで絶縁耐圧が低下している。
また、No.3の活性部46では、V1とV2に対する比較信号のみがHである。つまり、図9の実線で示されるように、VDD電圧はV2未満まで低下しているが、V3は上回っており、絶縁耐圧低下レベルはレベル2である。即ち、No.3の活性部46は、完全な短絡に至る前の状態にある。この状態では活性部46はまだ使用可能ではあるが、電圧が印加されていくにつれ、最終的には短絡(レベル5)の状態となる。言い換えれば、このような状態の活性部46に対しては、電圧の印加を抑えながら使用することで、活性部46の延命を図ることができる。
尚、本実施形態では、ドライバIC47内に、1つの活性部46に電圧を印加したときのVDD電圧の低下を検出する比較器48が設けられているが、ドライバIC47側ではなく、制御装置8側に比較器が設けられても同様の判定を行うことができる。但し、図5に示すように、一般的に、制御装置8とドライバIC47とを接続する2本の電源線(高電位線(VDD)と低電位線(VSS))の間には、供給電圧を安定化させるためのコンデンサCが設けられる。そのため、絶縁耐圧不良が存在する活性部46に電圧が印加されたときの、ドライバIC47側で生じた供給電圧(VDD)の変化がコンデンサCによって平滑化されてしまい、制御装置8側で検出しにくくなる。そこで、検出精度を高める観点から、本実施形態では、ドライバIC47側に比較器48とその比較結果を記憶する記憶部50が設けられた上で、制御装置8は、比較器48の判定結果を記憶部50から読み出して、各活性部46の絶縁耐圧低下レベルの判定を行うように構成されている。
また、絶縁耐圧低下レベルの判定を行う際には、ドライバIC47が活性部46の1つずつに電圧を印加するため、印加する電圧にもよるが、活性部46への電圧印加によって対応する圧力室24に圧力が付与され、ノズル30から液滴が噴射されることも考えられる。そのため、液滴が噴射されても問題がない状況で、活性部46の絶縁耐圧低下の判定を行うことが好ましい。例えば、インクジェットプリンタにおいては、記録用紙100への印刷前、又は、印刷途中に、ノズル30の乾燥を防ぐために、インクジェットヘッド3を記録用紙100と対向しない位置(例えば、図1の左右方向(走査方向)両端位置)まで移動させた上で、その位置において液滴噴射を行わせる、いわゆるフラッシングを行うことが一般的である。そこで、ノズル30が記録用紙100と対向しておらず、万が一液滴が噴射されても問題のない、上記フラッシング時において、複数の活性部46のそれぞれについて1つずつ電圧を印加して、活性部46の判定を行ってもよい。
また、上記の絶縁耐圧低下レベルの判定時に活性部46に印加する電圧は、実際に活性部46を駆動するときの駆動電圧(駆動パルス信号の電圧レベル)であってもよいが、駆動電圧とは異なった電圧でもよい。上記判定時に印加する電圧を駆動電圧よりも低く設定すれば、検査時に液滴が噴射されてしまうことを防止できる。逆に、上記判定時の電圧を駆動電圧よりも大きくすれば、絶縁耐圧が低下した活性部46に電圧が印加された時の供給電圧の低下度合が顕著になり、検出の精度が上がる。
尚、本実施形態において、圧電アクチュエータ7と、この圧電アクチュエータ7を駆動するドライバIC47(駆動装置)と、このドライバIC47内に組み込まれている比較器48(比較手段)と、制御装置8内に設けられた判定回路49(判定手段)からなる構成が、本願発明の圧電アクチュエータ装置に相当する。
(絶縁耐圧低下レベルに応じた活性部の駆動)
制御装置8のヘッド制御回路81は、判定回路49で判定された各活性部46の絶縁耐圧低下レベルを参照して、一層の絶縁耐圧低下が抑制されるようにドライバIC47の制御を行う。具体的には、各活性部46の絶縁耐圧低下レベルが所定のレベルを超える場合、即ち、一定以上に絶縁耐圧の低下が進行している場合には、以下のような絶縁耐圧低下を抑制する対策を行う。尚、前記所定のレベルとしては、下記に述べる抑制対策の内容や、その対策を行ったときの印刷への影響(印字品質低下)等を勘案して適宜決定すればよいが、例えば、活性部46に、絶縁耐圧の低下傾向が初めて発覚したときのレベルである、レベル1(図9において、VDD電圧がV1未満に低下した場合)とすることができる。
1)活性部46の絶縁耐圧の低下は、活性部46が駆動される回数(電圧が印加される回数)が高いほど、また、電圧が印加される時間が長いほど、進行する。そこで、ある活性部46の絶縁耐圧低下レベルが前記所定のレベルを超えたと判定されたときには、前記所定のレベルを超えていない場合と比較して、ある一定期間内における活性部46の駆動回数(電圧印加回数)を少なく制限する、あるいは、電圧印加時間を短く制限する。つまり、一定期間内に多数回の駆動、あるいは、長時間の電圧印加が要求される場合であっても、絶縁耐圧が低下している活性部46については、延命化の観点から、駆動回数を低く制限する、あるいは、電圧印加時間を短く制限する。以下、その具体例を挙げる。
(a)1枚の記録用紙100の印刷を行う際に、1つの活性部46の駆動回数(対応するノズル30の液滴噴射回数)は、PC79から入力された画像データによって決まる。また、その駆動回数に応じて、1枚の印刷の間に活性部46に電圧が印加されるトータルの時間も決まる。
そこで、絶縁耐圧低下レベルが所定レベルを超えた活性部46に対しては、1枚の記録用紙100の印刷における駆動回数(電圧印加時間)を、前記画像データから定まる駆動回数よりも少なくする。つまり、その活性部46に対応するノズル30の液滴噴射回数、即ち、そのノズル30によって記録用紙100に形成されるドットの個数を少なくする。この場合、本来ドットが形成されるべき位置に液滴が噴射されず、その結果、一部のドットが間引かれることになるため印字品質は若干低下することになるが、絶縁耐圧が低下している活性部46の駆動回数(駆動頻度)や電圧印加時間が減ることによりその延命化が可能となる。
(b)本実施形態では、PC79から入力された画像データに基づいて、サイズの異なる3種類の液滴(大玉、中玉、小玉)をそれぞれ噴射させる3種類の駆動パルス信号(図6)から1つが選択されて各活性部46に供給されるが、図6のように、3種類の駆動パルス信号で、1印字周期当たりのパルス数、即ち、活性部46への電圧の印加回数が異なっている。また、各パルスの幅が大きく違わないと仮定すれば、パルスの数が多いほど1つの駆動パルス信号が印加されたときの1印字周期当たりの電圧印加時間が長くなる。そこで、上記(a)と同様に、ある一定期間内における、絶縁耐圧が低下している活性部46の駆動回数を減らす(電圧印加時間を短くする)という観点からは、画像データに基づいて各活性部46に対して選択される駆動パルス信号よりも、パルス数が少ない駆動パルス信号を、絶縁耐圧が低下している活性部46に印加するようにしてもよい。例えば、ある活性部46に対して画像データに基づいて大玉の駆動パルス信号が選択される場合であっても、その活性部46の絶縁耐圧低下レベルが所定レベルを超えている場合には、パルス数の少ない、中玉又は小玉の駆動パルス信号を印加する。
また、図6には3種類の駆動パルス信号のパルス幅が同じ場合が例示されているが、パルス数は同じで、パルス幅(即ち、電圧印加時間)が異なる複数種類の駆動パルス信号を使用できる場合には、絶縁耐圧が低下している活性部46に対して、パルス幅が短い駆動パルス信号を印加して、1印字周期内の電圧印加時間を短くするということも可能である。
2)活性部46の絶縁耐圧の低下は、活性部46に印加される電圧が高いほど進行が速まることから、このような活性部46へ印加する電圧を正常な活性部46と比べて小さくしてもよい。具体的には、ドライバIC47は、各活性部46に印加する電圧として、複数種類の電圧レベルから1種類を選択可能に構成されて、駆動パルス信号のパルス高さ(印加電圧)を活性部46毎に調整できるようになっている。尚、複数種類の電圧レベルを生成する回路の構成は特に限定されるものではないが、例えば、VDD(高電位線)とVSS(低電位線)との間に直列的に配置された複数の抵抗により、VDD電圧を複数段階に分割することによって、VDD電圧以下の複数種類の電圧レベルを得る回路構成を採用できる。そして、絶縁耐圧低下レベルが所定のレベルを超えている活性部46に対しては、正常な活性部46よりも低い駆動電圧を選択し、パルス高さの低い駆動パルス信号を供給する。
以上説明したように、本実施形態では、複数の活性部46のそれぞれについて絶縁耐圧低下の程度を複数のレベルで判定することにより、絶縁耐圧が低下しつつあるが、まだ完全に短絡が生じていない活性部46に対して、その絶縁耐圧低下を抑制する対策を施して、活性部46の延命を図ることが可能となる。
次に、前記実施形態に種々の変更を加えた変更形態について説明する。但し、前記実施形態と同様の構成を有するものについては、同じ符号を付して適宜その説明を省略する。
1]絶縁耐圧が低下した1つの活性部46にのみ電圧が印加されたときには、電源からの供給電圧(VDD)だけでなく、電源とドライバIC47(圧電アクチュエータ7)との間を流れる電流においても、異常な兆候が現れる。即ち、活性部46が正常な場合にはその活性部46に電流がほとんど流れないのに対して、絶縁耐圧が低下している場合には、電圧が印加されている間、その活性部46に電流が流れ続けることになる。つまり、電源とドライバIC47(圧電アクチュエータ7)との間で電流が流れ続ける。また、活性部46の絶縁耐圧の低下が大きいほど、活性部を流れる電流は大きくなる。そこで、1つの活性部46にのみ電圧が印加されたときに、比較器48が、電源とドライバIC47(圧電アクチュエータ7)との間を流れる電流(図5のVDD又はVSSを流れる電流)を複数種類の基準電流値と比較し、その比較結果に基づいて、判定回路49が活性部46の絶縁耐圧の低下の程度を複数段階で判定してもよい。
2]前記実施形態では、隣接する活性部46(圧電素子)が周囲の圧電層41を介して繋がっていたが、図10のように、それぞれ2種類の電極で挟まれた活性部86(圧電素子)が互いに分離して配置されている場合にも、前記実施形態と同様に、本発明を適用することができる。
3]本発明の適用対象となる圧電アクチュエータは、ノズルから液滴を噴射させるインクジェットヘッドのアクチュエータには限られない。例えば、インク以外の液体に圧力を付与するためのアクチュエータであってもよいし、さらには、固形の駆動対象を駆動するアクチュエータに対しても本発明を適用できる。
1 インクジェットプリンタ
3 インクジェットヘッド
7 圧電アクチュエータ
8 制御装置
24 圧力室
30 ノズル
40 振動板
41 圧電層
42 個別電極
46 活性部
47 ドライバIC
48 比較器
49 判定回路
50 記憶部
86 活性部
100 記録用紙

Claims (9)

  1. それぞれが2種類の電極に挟まれた複数の圧電素子を備えた圧電アクチュエータと、
    電源に接続され、前記複数の圧電素子のそれぞれについて前記2種類の電極間の電圧を変化させて圧電素子を駆動する駆動装置と、
    前記駆動装置により、前記複数の圧電素子のそれぞれ1つの圧電素子にのみ電圧が印加されたときの、電源から前記駆動装置への供給電圧、又は、前記電源と前記駆動装置との間を流れる電流を、複数種類の基準値と比較する比較手段と、
    この比較手段による比較の結果から、前記複数の圧電素子のそれぞれについて絶縁耐圧低下の程度を複数のレベルで判定する判定手段と、
    を有することを特徴とする圧電アクチュエータ装置。
  2. 前記判定手段により、1つの圧電素子の絶縁耐圧低下の程度が所定のレベルを超えていると判定された場合には、前記駆動装置は、前記絶縁耐圧低下の程度が前記所定のレベルを超えていない場合と比べて、一定期間内に前記1つの圧電素子を駆動する回数を少なく制限することを特徴とする請求項1に記載の圧電アクチュエータ装置。
  3. 前記判定手段により、1つの圧電素子の絶縁耐圧低下の程度が所定のレベルを超えていると判定された場合には、前記駆動装置は、前記絶縁耐圧低下の程度が前記所定のレベルを超えていない場合と比べて、一定期間内に前記1つの圧電素子に電圧を印加する時間を短く制限することを特徴とする請求項1又は2に記載の圧電アクチュエータ装置。
  4. 前記判定手段により、1つの圧電素子の絶縁耐圧低下の程度が所定のレベルを超えていると判定された場合には、前記駆動装置は、前記絶縁耐圧低下の程度が前記所定のレベルを超えていない場合と比べて、前記1つの圧電素子を駆動する際に前記2種類の電極間に印加する電圧を下げることを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の圧電アクチュエータ装置。
  5. 被記録媒体に向けて液滴を噴射する複数のノズル、及び、これら複数のノズルに連通する液体流路を有する流路ユニットと、前記流路ユニットに設けられるとともにそれぞれが2種類の電極に挟まれ、前記複数のノズルからそれぞれ液滴を噴射させる複数の圧電素子を備えた圧電アクチュエータとを備えたインクジェットヘッドと、
    電源に接続され、前記複数の圧電素子のそれぞれについて前記2種類の電極間の電圧を変化させて圧電素子を駆動する駆動装置と、
    前記駆動装置により、前記複数の圧電素子のそれぞれ1つの圧電素子にのみ電圧が印加されたときの、電源から前記駆動装置への供給電圧、又は、前記電源と前記駆動装置との間を流れる電流を、複数種類の基準値と比較する比較手段と、
    この比較手段による比較の結果から、前記複数の圧電素子のそれぞれについて絶縁耐圧低下の程度を複数のレベルで判定する判定手段と
    を有することを特徴とするインクジェットプリンタ。
  6. 前記判定手段により、1つの圧電素子の絶縁耐圧低下の程度が所定のレベルを超えていると判定された場合には、前記駆動装置は、前記絶縁耐圧低下の程度が前記所定のレベルを超えていない場合と比べて、1枚の前記被記録媒体の印刷を行う際の前記1つの圧電素子の駆動回数を減らして、その圧電素子に対応するノズルの液滴噴射回数を少なくすることを特徴とする請求項5に記載のインクジェットプリンタ。
  7. 前記駆動装置は、所定の電圧レベルのパルスを有する駆動パルス信号を印加することにより、前記圧電素子の印加電圧を変化させてこの圧電素子を駆動するものであり、
    さらに、前記駆動装置は、前記ノズルから噴射される液滴サイズを変更することができるように、1駆動周期内のパルス数が異なる複数種類の前記駆動パルス信号から1つを選択して前記圧電素子に印加するように構成され、
    前記判定手段により、1つの圧電素子の絶縁耐圧低下の程度が所定のレベルを超えていると判定された場合には、前記駆動装置は、前記絶縁耐圧低下の程度が前記所定のレベルを超えていない場合と比べて、前記パルスの数が少ない駆動パルス信号を選択して前記1つの圧電素子に印加することを特徴とする請求項5又は6に記載のインクジェットプリンタ。
  8. 前記複数のノズルが前記被記録媒体と対向していない状態で液滴噴射が行われるフラッシング時において、
    前記駆動装置は、前記複数の圧電素子のそれぞれについて1つずつ電圧を印加するとともに、前記判定手段は、前記複数の圧電素子のそれぞれについて絶縁耐圧低下の程度を判定することを特徴とする請求項5〜7の何れかに記載のインクジェットプリンタ。
  9. 前記駆動装置は前記インクジェットヘッドに設けられるとともに、この駆動装置を制御する制御装置を介して電源と接続され、
    前記制御装置と前記駆動装置とを接続する電源配線である高電位線と低電位線との間には、電源から駆動装置への供給電圧を安定化するためのコンデンサが設けられ、
    前記駆動装置内には、ある1つの圧電素子にのみ電圧が印加されたときの、前記供給電圧を複数の基準電圧値と比較する前記比較手段と、前記比較手段から出力された比較結果を記憶する記憶手段とが設けられ、
    前記判定手段は前記制御装置に設けられ、前記駆動装置に設けられた前記記憶手段に記憶された前記比較結果を読み出して、前記複数の圧電素子のそれぞれについて絶縁耐圧低下の程度を判定し、
    前記制御装置は、前記判定手段の判定結果に基づいて、前記駆動装置を制御することを特徴とする請求項5〜8の何れかに記載のインクジェットプリンタ。
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