JP3503656B2 - インクジェットヘッドの駆動装置 - Google Patents

インクジェットヘッドの駆動装置

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Description

【発明の詳細な説明】

【0001】

【産業上の利用分野】本発明は圧電体を利用したインク
ジエットヘッドの駆動装置に係わり、特に温度変化に左
右されず、インク吐出特性を均一にできるインクジェッ
トヘッドの駆動装置に関する。

【0002】

【従来の技術】図1は、従来よりインクジェットプリン
タに用いられているオンデマンド型のインクジェットヘ
ッドを説明するもので図1(a)は、その断面図を、ま
た図1(b)が電気的等価回路を示している。

【0003】符号2は、室枠1と振動板4により形成さ
れたインク室であり、振動板4には電界により伸縮する
圧電体5が固着されていて、この圧電体5の伸縮力によ
り振動板4が変位しインク室2の体積が拡大、収縮す
る。圧電体5に電界を生じさせるには、駆動線7から圧
電体5の表面に設けた電極6に外部電源より電圧を印加
することで行う。この電圧印加により圧電体5は歪み、
この歪力を振動板4に作用させてインク室2を急激に押
圧し、インク滴3を室枠1に設けられた微細孔より吐出
させるものである。この様なアクチュエ−タがインクジ
ェットヘッドには複数設けられいる。

【0004】圧電体5は電気的には図1(b)に示すよ
うに容量性なので、印加電圧の波形の時間微分に比例し
た電流が電界印加時及び電界除去時に充放電電流として
流れる。つまりこの充放電電流は、圧電体5への電圧印
加及び除去を急激に行う程大きくなるわけで、圧電体5
の素子数が多く、例えば24素子を駆動する場合にあっ
ては、ピーク値で50(A)以上にもなり、従って駆動
線7での大きな電圧降下が起こり、圧電体5の駆動素子
数により、吐出特性が左右されてしまうといった問題
や、電子部品が破壊するといった問題が生じてしまう。

【0005】そこで、従来から、米国特許第4,459,
599号、4,126,867号、4,282,535号明
細書等の例に見られるように電流制限用抵抗により充放
電電流を制限し、圧電体を駆動する方法を採っていた。
この方法では電流制限用抵抗値のばらつきにより各々の
圧電体の充放電時間が変わってしまい、インク吐出特性
に大きな影響を与える。その為、電流制限用抵抗も含め
IC化するには問題がある。また仮に精度よく電流制限
用抵抗をIC化できたとしても、各々の圧電体5の容量
ばらつきから、結果として圧電体の充放電時間が変わっ
てしまい、インク吐出特性に支障を来すといった問題が
あった。

【0006】また、米国特許第4,284,996号明細
書に見られるようにフロー型とシンク型の定電流源によ
り一つの圧電体を駆動する方法もあるが、圧電体容量及
び定電流源の電流値ばらつきがある為、複数個の圧電体
の駆動に際して駆動特性を均一にすることが難しいと云
った問題があった。

【0007】そこで、出願人は、特開平2−27455
4号公報、特開平3−36036号公報、特開平3−1
33647号公報、特開平2−164544号公報、及
び特開平4−369543号公報に、複数の圧電体を直
接駆動電源に接続し、該駆動電源の出力電圧を圧電体の
一駆動周期内で所定勾配で変動させることにより、電流
制限用抵抗を用いず充放電電流値のピーク値を抑え且つ
圧電体の容量ばらつきにも影響されない駆動装置を公開
した。

【0008】図2は、この駆動装置を説明するものであ
って、Vpが略20ボルトの高圧電源を、Vdがロジック
用の5ボルトの電源を示している。GNDは接地を、V
sは圧電体14、14‥‥の駆動電圧を示している。以
下、同じ番号又は符号は同じ意味を表すものとする。

【0009】図2(a)は、圧電体への電圧印加で圧力
室が拡大してインクをリザーバより吸引し、電圧除去で
圧力室が収縮してインク滴を吐出させるd31型の圧電
体を用いたインクジェットヘッドに適用する駆動回路
で、所望の勾配で変動する駆動電圧Vsを発生する駆動
電圧発生器10の出力には、両方向性トランスファゲ−
ト12、12‥‥を介して各圧電体14、14‥‥が接
続されている。このトランスファゲート12、12‥‥
を選択的に導通させて同一基材から作成された圧電体1
4、14‥‥を充放電すると、圧電体14、14‥‥に
は、その容量ばらつきに関係なく所定の電圧勾配の駆動
電圧Vsが選択的に印加される。

【0010】図2(b)は、圧電体の電圧除去で圧力室
が拡大してインクをリザーバより吸引し、電圧印加で圧
力室が収縮してインク滴を吐出させるd33型の圧電体
を用いたインクジェットヘッドに適用する駆動回路で、
符号20は所望の勾配で変動する負電圧の駆動電圧Vs
を発生する駆動電圧発生器である。この場合の駆動回路
では、圧電体14、14、‥‥の共通端子が駆動電圧発
生器20の出力端に接続され、寄生ダイオード23を持
つ単方向のトランジスタ22よりなる選択スイッチ群2
1を介して圧電体14、14、‥‥の他端が接地される
構成となっている。駆動電圧Vsが一定勾配で負方向に
増大すると、寄生ダイオ−ド23を介して必ず全圧電体
14は充電されて圧力室を拡大する。そして、駆動電圧
Vsが所定電圧勾配で小さくなる(零に向かう)とベー
スにオン信号が印加されているトランジスタ22、22
‥‥のみが導通して対応する圧電体14、14‥‥を放
電し、圧力室が収縮してインクを吐出させる。ベースに
オフ信号が印加されたトランジスタ22は非導通のまま
であるので、対応する圧電体14は充電状態を維持しイ
ンクを吐出しない。これら選択スイッチ群は既にIC化
され市販されているものが利用できる。

【0011】図3は、図2(a)における駆動電圧Vs
を発生させる駆動電圧発生器10の具体的回路を示すも
ので、図3(a)の構成では、コンデンサCと抵抗Rt
1で定まる時定数で、トランジスタTR1を介してコン
デンサCを充電し、その後コンデンサCと抵抗Rt2で
定まる時定数でトランジスタTR2を介してコンデンサ
Cの充電電荷を放電させることで基準変動電圧を得て、
このコンデンサCの電圧を相補性のトランジスタ対を用
いた電力増幅器30で増幅して駆動電圧Vsを得てい
る。

【0012】この構成は簡単で安価である特徴を有する
が、波形が指数関数なのでアクチュエ−タの動作の終わ
り近傍で緩慢となり良好なインク吐出特性が得られな
い。又、圧電体の充放電電流も指数関数となり定電流と
ならず、充電及び放電初期に大きな電流が流れ回路上好
ましくない欠陥を有する。

【0013】図3(b)は、上記欠点を解消するもの
で、定電流源31と32とでコンデン−サCを充放電し
て、基準変動電圧を得る。これを電力増幅器30で電力
増幅して駆動電圧Vsを得て一定の充電及び放電電流で
圧電体を駆動するものである。この方法を採れば、コン
デン−サCの電圧Vcは、Vc=i1/C×t、又はVc=
Vp−i2/C×t(t:時間)となり、直線的に変化す
るから、図3(a)の駆動電圧発生器の問題を解消でき
る。

【0014】図4は、図3(b)の様な直線的に電圧が
変化する駆動電圧発生器を用いた場合の駆動電圧Vsの
波形(図4(a)及び図4(b))と、駆動電流波形
(図4(c))を示したものである。尚、図4(a)と
(b)で逆特性の駆動電圧Vsを示したのは、d31型
の圧電体に対しては、図4(a)の駆動電圧Vsの波形
を、d33型の圧電体に対しては、図4(b)の駆動電
圧Vsの波形を用いる必要があるためである。

【0015】ところで、圧電体を作製する基材が異なる
と、例えば、基材の厚みがばらつくと、それにより圧電
体の伸縮量が相違してしまい、吐出インク量、吐出イン
ク速度等が変わってしまう。そこで、それを補正するた
めに駆動電圧Vsの波高値を調整してやる必要が生じ
る。また、環境温度に対するインク特性の変化(粘性の
変化)が激しい場合も駆動電圧の波高値で補正する必要
が生じる。この波高値の修正は、図4(a)、(b)に
示す(一点鎖線)ように、圧電体の充放電時間を調整す
ることで可能ではあるが、その場合、インク室を最大拡
大状態で維持しておく時間がt0 からt0’ に変わって
しまい、この結果、インク吐出時点でのメニスカスの位
置にずれが生じ、結果として、やはりインク吐出特性が
変わってしまうという問題が生じてしまう。

【0016】また、図3(b)の駆動電圧発生器では、
定電流源31からのコンデンサCへの充電電流i1 と、
定電流源32による放電電流i2 は、トランジスタTR
3 、TR6 のベース・エミッタ間電圧をEbeとすると、 i1=Ebe/Rs2 ,i2=Ebe/Rs4 で決まる値になるが、トランジスタのベース・エミッタ
間電圧は環境温度に依存し、0〜40゜Cで、0.7〜
0.35ボルトと大きく変化してしまうから、図3
(b)の回路にあっては、、温度特性上の問題も有して
いた。

【0017】

【発明が解決しようとする課題】本発明はこの様な問題
に鑑みてなされたものであつて、その目的とするところ
は、所望の電圧勾配で変動する駆動電圧波形の立ち上が
り、立ち下がり時間を一定に維持したまま、駆動電圧波
形の波高値を調整することで、インク吐出特性を一定に
保つよう制御するインクジェットヘッドの駆動装置を提
供するものである。また、温度依存性がない該駆動装置
を提供するものである。

【0018】

【課題を解決するための手段】このような課題を達成す
るために請求項1の発明においては、所定の駆動周期で
上昇/下降する駆動電圧波形を発生する駆動電圧発生器
が、複数の圧電体に電圧を印し、該圧電体が発生する
歪力でインク室の体積を拡大及び縮小してノズル孔より
インク滴を吐出するインクジェットヘッドの駆動装置に
おいて、前記駆動電圧発生器が、補正電圧信号により出
力電圧が可変な定電圧源と、前記定電圧源を介して前記
出力電圧に比例した第1の定電流を発生させる定電流源
と、前記第1の定電流により第1の規定時間で略前記出
力電圧まで充電されるコンデンサと、ほぼ前記出力電圧
まで充電された前記コンデンサを、前記出力電圧に比例
した第2の定電流により第2の規定時間で放電させる定
電流源より構成され、前記補正電圧信号に係わりなく、
前記駆動電圧波形の立ち上がり時間、及び、立ち下がり
時間を前記第1、及び第2の規定時間に一定に維持する
ようにした。

【0019】また請求項8の発明においては、所定の駆
動周期で上昇/下降する駆動電圧波形を発生する駆動電
圧発生器が、複数の圧電体に電圧を印加し、該圧電体が
発生する歪力でインク室の体積を拡大及び縮小してノズ
ル孔よりインク滴を吐出するインクジェットヘッドの駆
動装置において、前記駆動電圧発生器が、周波数が可変
可能なクロック信号を発生する手段と、前記クロック信
号を計数する計数手段と、所定の時間間隔で前記計数手
段に加算信号、計数停止信号、減算信号を繰り返し出力
する制御手段と、前記計数手段のデジタル出力をアナロ
グ電圧に変換するD/A変換器と、前記アナログ電圧を
電圧増幅する電圧増幅手段とから構成され、前記クロッ
ク信号の周波数に係わらず前記駆動電圧波形の立ち上が
り時間、及び、立ち下がり時間を一定に維持するように
した

【0020】また請求項14の発明においては、所定の
駆動周期で上昇/下降する駆動電圧波形を発生する駆動
電圧発生器が、複数の圧電体に電圧を印加し、該圧電体
が発生する歪力でインク室の体積を拡大及び縮小してノ
ズル孔よりインク滴を吐出するインクジェットヘッドの
駆動方法において、補正電圧信号により出力電圧が可変
可能な定電圧源を介して前記出力電圧に比例した第1の
定電流を発生させる工程と、前記第1の定電流で、ほぼ
前記出力電圧まで第1の規定時間でコンデンサを充電す
る工程と、ほぼ前記出力電圧まで充電された前記コンデ
ンサを、前記出力電圧に比例した第2の定電流で第2の
規定時間で放電する工程と、前記コンデンサの端子電圧
を入力として、前記コンデンサの端子電圧に略等しい前
記駆動電圧波形を出力する電力増幅工程を有し、前記補
正電圧信号に係わらず、前記駆動電圧波形の立ち上がり
時間、及び、立ち下がり時間を一定に維持するようにし
た。

【0021】

【作用】本発明の第1の形態によれば、可変定電圧源出
力の分圧信号で電流値が制御される定電流源を用いてコ
ンデンサを該定電圧源の出力電圧値まで充電し、そし
て、零電位まで放電することで該コンデンサの端子に基
準電圧を得て、この基準電圧を基に圧電体の駆動電圧V
sを発生する構成にしているので、可変定電圧源の出力
をインクの粘性特性等を補正するよう環境温度に応じて
調整するだけで、駆動電圧Vsの立ち上がり時間、立ち
下がり時間が一定に維持されたまま駆動電圧Vsの波高
値を可変できる。また定電流源をPNP型とNPN型の
相補性トランジスタ対による縦続構成とすることによ
り、互いのベース・エミッタ間電圧分がキャンセルさ
れ、定電流源自体には温度依存性が生じない。

【0022】本発明の第2の形態によれば、所定時間間
隔でクロック信号を加算、計数停止、減算するカウンタ
の計数出力を、D/A変換器により階段状に上昇、下降
するアナログ電圧信号に変換し、該電圧信号を増幅させ
て基準電圧を得て、この基準電圧を基に圧電体の駆動電
圧Vsを発生させているので、温度変化や経時変化で容
量が変わるコンデンサを用いる必要がなく、より安定し
た駆動電圧Vsが得られる。 また、クロック信号の周
波数をインクの粘性特性等を補正するよう環境温度に応
じて調整するだけで、駆動電圧Vsの立ち上がり時間、
立ち下がり時間が一定に維持されたまま駆動電圧Vsの
波高値を可変できる。

【0023】

【実施例】図5は本発明の第1の形態の具体的回路構成
を示す図である。符号40は可変定電圧源であり、環境
温度に依存した電圧Vkを出力するものである。詳細に
は、ツェナーダイオードZDのツェナー電圧に後述する補
正電圧Vxを重畳した電圧Vrを発生する基準電圧発生部
41と、出力電圧Vkを抵抗Rf1と抵抗Rf2で分圧して
得た電圧Vfを発生する帰還部43と、基準電圧発生部
41と帰還部43からの電圧の比較を行い、Vr=Vfと
なるよう出力電圧Vkを制御する制御部42よりなって
いる。

【0024】符号44は抵抗Rd1,Rd2,Rd3で可変定電
圧源の出力電圧Vkを分圧して電圧Vin1と電圧Vin2を
得る分圧器で、この電圧Vin1、Vin2で次に示す定電流
源の定電流値を制御している。

【0025】符号45は上記電圧Vin1に比例した定電
流をフロ−する定電流源であり、この定電流源45から
の電流によりコンデンサCを充電する。この時のコンデ
ンサCの端子電圧の上昇は直線的であり、充電電圧Vc
はVk近傍でピ−クに達する。

【0026】また、符号46は電圧Vin2に比例した定
電流をシンクする定電流源で、この定電流源46により
コンデン−サCを放電する。この時のコンデンサCの端
子電圧の降下もやはり直線的にピーク電圧Vkから零ま
で降下する。

【0027】この定電流源45、46は、システム制御
手段60から所定の作動サイクルで交互に出力する制御
信号S1、S2により動作する。そして、コンデンサCの
端子電圧Vcを電力増幅器30で増幅して圧電体の駆動
電圧Vsを発生する。以上が駆動電圧発生器10aの構
成である。

【0028】符号51はプリンタヘッドで、圧電体より
なるアクチュエ−タと図2の(a)または(b)の選択
スイッチ及び温度検出用の感温素子52を登載してお
り、感温素子52の抵抗値の変化に起因して得られる温
度情報は信号線52aを通してシステム制御手段60に入
力し、またシステム制御手段60からは、選択スイッチ
を制御するための印字データ信号が信号線群60aを通し
て出力されている。システム制御手段60に入力した温
度情報は内部のアナログ・ディジタル変換器(A/D)6
1で、ディジタル値に変換されてルックアップテーブル
よりなるデータ処理手段62に入力し、データ処理手段
62ではインクの粘性、アクチュエ−タ構成素子の諸定
数の温度による変動を補償すべく駆動電圧Vsのピーク
値を変化させるための補償データを出力する。この補償
データはディジタル・アナログ変換器(D/A)63でア
ナログ値に変換され、上記基準電圧Vrを低温程高くさ
せるよう基準電圧発生部41に出力する。詳細には、デ
ィジタル・アナログ変換器(D/A)63のアナログ出力
を抵抗Rc1とRc2で分圧して得た補正電圧Vxをトラン
ジスタTR7を介してツェナーダイオードZDのツェナー
電圧に重畳することにより基準電圧Vr変える。

【0029】ここで、PNP型のトランジスタTR7と、NP
N型のトランジスタTR8のベ−ス・エミッタ間飽和電圧
をそれぞれEbe7とEbe8とし、ツェナー・ダイオ−ドZD
のツェナ−ナ電圧をVzとすれば抵抗Rb2端に発生する
基準電圧Vrは、 Vr=Vx+Ebe7+Vz−Ebe8 となるが、Ebe7とEbe8は温度によって変化するものの
値はほぼ同じあるため、Ebe7とEbe8の項は相殺され
て、 Vr=Vx+Vz となり、トランジスタのベース・エミッタ間電圧の温度
特性が基準電圧Vrには現れない。つまり、可変定電圧
源40の出力電圧Vkは、 Vk=Vr・(1+Rf1/Rf2) =(Vx+Vz)・(1+Rf1/Rf2) なる電圧値になり、温度に応じた補正電圧Vxだけに依
存して、図9に示した電圧値に精度よく調整される。
尚、抵抗Rb1の値は適切なツェナー電圧Vzが発生する
電流になるような値に設定する。

【0030】温度補正方式として、感温素子52を基準
電圧発生部41または帰還部43に直接的に作用させて
ることも考えられるが、アクチュエ−タまたはヘッドの
温度特性に整合させる感温素子52の選択が困難な場合
がある。感温素子を直接的に作用させて圧電体への駆動
電圧を補正するものとしては、特開昭55-65566号公報に
多少の開示があるが、回路構成、駆動方式が本願発明と
は全く異なっている。

【0031】圧電体の基材の厚み等による補正をする場
合は、同温でも駆動電圧の波高値を異ならしめる必要が
ある。その為には、帰還部43の抵抗Rf1、Rf2の比を
可変できる構成とし、帰還電圧Vfを調整するようにす
ればよい。

【0032】ところで、図5の回路構成においては、D
/A変換器63の供給電圧が5ボルトであれば、詳細は
省略するが最大5ボルト×2/3の3.33ボルト程度
しかD/A変換器63からは出力が得られないが、実際
の応用場面では、基準電圧Vrの可変割合を大きくした
い要求が生じる場合がある。この場合、ツェナー電圧V
zを小さくしてもよいが、所定の出力電圧Vkを得るに
は、(1+Rf1/Rf2)の倍率を大きくする必要があ
り、良好な出力電圧Vkが得られない恐れがある。これ
を解決するのが、図15に示した可変定電圧源で、Vr
<Vkの関係を維持して、(1+Rf1/Rf2)の倍率を
大きくすることなく、かつツェナー電圧Vzを大きくし
ても、基準電圧Vrの変化割合を大きくするものであ
る。

【0033】図15の回路では、抵抗Re12とRe13(R
e12=Re13)、及びトランジスタTR28とTR29でカレ
ントミラー回路が構成されていて、トランジスタTR28
とTR29には同一値のコレクタ電流ic(=Vx/Re1
1)が流れる。従って基準電圧Vrは、 Vr=ic×Rc3+Vz =(Rc3/Re11)×Vx+Vz になり、抵抗Rc3とRe11の抵抗値を適宜選択すれば、
補正電圧Vxを任意に増幅して、基準電圧Vrの変動レン
ジを大きくできるわけである。

【0034】次に図5の回路の動作を図6(a)乃至
(d)を用いて説明する。

【0035】(a)、(b)は定電流源45、46の制
御信号S1、S2を示しており、定電流源45と46が交
互に動作するようシステム制御手段60から出力される
ものである。この制御信号S1、S2より、定電流源45
からはコンデンサCへの充電電流i1を、また定電流源
46はコンデンサCを放電する放電電流i2を(c)に
示したように生じさせる。(d)は、この充電電流i1
および放電電流i2により充放電されるコンデンサCの
端子電圧Vcの波形を示している。尚、図中の波線は、
可変電圧源40の出力電圧をVk1からVk2に低下させた
場合を示しているもので、出力電圧の低下に比例して、
充放電電流値i1、i2も小さくなり、コンデンサCの端
子電圧Vcの上昇、下降勾配が調整されるが、充電時間
τ1、ピーク電圧保持時間τ2、放電時間τ3は変化しな
い。つまり、出力電圧を変えてもインク吐出時点でのメ
ニスカスの位置にずれを生じず、安定した吐出制御がで
きる。

【0036】図7は、図6に示した駆動タイミングを更
に改良して、インク滴吐出後のメニスカスの残留振動を
可及的に押せえる別の駆動タイミングを示すもので、イ
ンク滴吐出後コンデンサCの放電を一時的に停止し、そ
の後メニスカスが大きく引き込まれる時点で放電を再度
開始し、メニスカスの引き込みを相殺するものである。
このような駆動方式であっても、図6の場合と同様に、
コンデンサCの端子電圧の上昇、下降勾配が調整される
だけで、充電時間τ1、ピーク電圧保持時間τ2、放電時
間τ4〜τ6は変化せず安定したインク滴吐出制御ができ
る。図7に示す駆動方式をとれば、インク滴吐出周期を
高めることができる。尚、コンデンサCの放電を途中停
止させた時に、駆動信号波形が平坦に維持できるのは、
電流増幅器30の入力インピダンスが非常に高い為であ
る。

【0037】また、更に、制御信号S1を充電途中でO
FFして充電を一時中断し、メニスカスが復帰する時点
で制御信号S1をONとして再度充電を再開させるよう
にすれば、メニスカスは殆ど振動することなく静定する
から、ピーク電圧保持時間τ2を非常に小さくでき、そ
の結果インク滴吐出周期を更に高めることもできる。

【0038】次に、本発明に用いる定電流源の具体的構
成例を説明する。図8(a)は、その一例を示すもの
で、相補性トランジスタのエミッタ・フォロ−ワの縦続
で、フロ−型の定電流源45とシンク型の定電流源46
を構成するものである。

【0039】定電流源45は、電圧Vin1を入力電圧と
して、NPN型のトランジスタTR9とエミッタ抵抗Re2を
持ったPNP型のトランジスタTR10とで主要部が構成さ
れ、システム制御手段60からの制御信号S1によりト
ランジスタTR11を導通させるこで動作する。また、定
電流源46は、電圧Vin2を入力電圧として、PNP型のト
ランジスタTR12とエミッタ抵抗Re4を持ったNPN型の
トランジスタTR13とで主要部が構成され、システム制
御手段60からの制御信号S2によりトランジスタTR1
4を導通させるこで動作する。

【0040】ここで、定電流源を構成する各トランジス
タTR9、TR10、TR12、TR13のベ−ス・エミッタ
間飽和電圧をそれぞれEbe9、Ebe10、Ebe12、Ebe13
とし、抵抗Re2とRe4に発生する電圧をそれぞれVout
1,Vout2とすれば、 Vout1=Vin1−Ebe9+Ebe10 Vout2=Vin2+Ebe12−Ebe13 となるが、トランジスタのベ−ス・エミッタ間飽和電圧
は極性にかかわらず温度特性を含めてほぼ同じであるの
で、上式は温度によらず各々Vout1≒Vin1、Vout2≒
Vin2となる。

【0041】従って、定電流源45からのフロー電流i
1は、i1=Vin1/Re2、また定電流源46のシンク電流
i2は、i2=Vin2/Re4であり、温度によらず抵抗精度
のみで決定できる。抵抗は0.5%以上の精度でも安価に
得られるので、安価にして所望の定電流源が設計でき
る。しかも、電圧Vin1と電圧Vin2が0.3ボルト以上
であれば精度よく動作するので、コンデンサCの充電最
終電圧をほぼ可変定電圧源40の出力電圧Vkに、また
放電最終電圧をほぼGNDレベルにすることができる。

【0042】図8(b)は、別の定電流源の構成を示す
図で、オペアンプ82と83を用いてトランジスタTR
15、TR17のエミッタ抵抗Re5、Re6に発生する電圧を
電圧Vin1、電圧Vin2に維持させて定電流を得るもので
ある。

【0043】この回路においては、オペアンプ82、8
3への供給電圧を可変定電圧源40の出力電圧Vkから
供給する場合、Vin1が出力電圧Vkの近傍、あるいはV
in2がGNDの近傍に設定されると動作が不確実となる
点に注意を払う必要がある。

【0044】更に、図示はしていないが、カレントミラ
ー回路で定電流源を構成することもできる。カレントミ
ラー回路によれば、定電流源での電圧降下を非常に小さ
いすることが可能であるが、特性の揃ったトランジスタ
対を用いなければならない。

【0045】ところで、実際の応用場面ではピーク電圧
保持時間τ2を非常に短くする場面がある。この場合、
図5の回路では定電流源45の精度ばらつきでピーク電
圧保持時間τ2が生じない恐れが生じる。そこでより正
確な駆動電圧Vsを出力させる回路を図16で説明す
る。図16の回路では、定電流源45のフロー電流値を
決定する抵抗Re2またはRe5(図8に示す)を可変イン
ピーダンス120に置換し、定電流源45の精度ばらつ
きに応じて該可変インピーダンス120の値を自動制御
するものである。詳しくは、ピーク検出器121で検出
された駆動電圧Vsが最大電圧に達する時点と制御時点
を示す基準信号Tdとの位相差を位相検出回路122で
検出し、これをチャージポンプ123と積分回路124
でアナログ電圧信号に変換してトランジスタTR30のベ
ース電流を制御して、トランジスタTR30のコレクタ・
エミッタ間のインピーダンスを調整するものである。

【0046】図17(a)乃至(d)は、図16の回路
の動作説明図で、(a)は駆動電圧Vsの電圧波形を、
(b)は駆動電圧Vsの立ち上がり時点Tsを、(c)は
Tsの発生から時間τ1遅れて出力する基準信号Tdを、
(d)はピーク検出器121の出力を、(e)及び
(d)は位相検出器122から出力する位相進み信号
(UP)及び遅れ信号(DN)を示している。尚、同様の回
路を駆動電圧Vsの立ち下がり時間τ3の制御にも利用
できることは明かである。

【0047】以上説明した実施例は、圧電体への電圧印
加で圧力室を拡大させてインクをリザーバより吸引し、
電圧除去で圧力室を収縮させてインク滴を吐出させるd
31型の圧電体を用いたインクジェットヘッドを駆動す
る場合を説明したものであり、d31型と逆動作のd3
3型圧電体を用いたインクジェットヘッドを駆動する場
合の実施例を図10に説明する。

【0048】図10(a)は、d33型の圧電体を用い
たインクジェットヘッドに用いる駆動電圧発生器20a
の構成を示す回路図である。図中Vdは5ボルトのロジ
ック用電源で、レベル変換器93に電力を供給してい
る。このレベル変換器93は、図5に示したシステム制
御手段60からの制御信号S1、S2、及び温度情報に基
づく補正電圧Vxをレベル変換し、制御信号S1’、S
2’で定電流源91、92の動作を、また補正電圧Vx’
で可変定電圧源90の出力電圧(-Vk)を制御し、図1
0(b)に示した負電圧の駆動電圧Vsを発生させる。
この駆動電圧発生器200を図5の回路に適用すればよ
い。

【0049】次に本発明の第2の形態について説明す
る。前述の第1の形態は、コンデンサCの充放電電圧を
基に駆動電圧Vsを発生させるものであるが、コンデン
サCは抵抗に比べて、環境温度や経時変化による容量変
化が大きい。そこで第2の形態では、コンデンサCを用
いずに駆動電圧Vsを発生させることに主眼をおいてい
る。図11は、第2の形態の具体的回路構成を示す図で
あり、感温素子52からの温度情報をシステム制御手段
110内部のA/D変換器111でデジタル値に換え、
データ処理部112は、該デジタル温度情報と、充電期
間か放電期間かの情報を考慮して、クロック発生器11
3の周波数を、低温になる程高めるよう制御する。また
データ処理部112は、クロック発生器113からのク
ロック信号を計数するカウンタ114に対して所定時間
間隔で加算信号、計数停止信号、源算信号を繰り返し出
力して、カウンタ114の計数制御も行う。カウンタ1
14の計数出力はD/A変換器115でアナログ値に変
換されて、D/A変換器115からは図12に示す階段
状の電圧波形が出力する。尚、図12の右側がインク粘
土が上がる低温状態、左図が常温状態に於ける出力波形
を示している。

【0050】このD/A変換器115からの出力電圧V
in3で、定電流源101は、i3=Vin3/Re7の定電流を
シンクし、また、定電流源102はVh=Rc1×i3の電
圧を入力として、i4=Vh/Re8の定電流をフロ−す
る。従って、抵抗Rc2にはVout3=i4×Rc2の電圧が
発生する。ここで、Re7=Rc1=Re8=(Re0)とすれ
ば、Vout3=Vin3×(Rc2/Re0)となり、抵抗値Rc2、
Re0で決まる増幅率の電圧Vout3が得られ、これを更に
電力増幅器30で電力増幅して駆動電圧Vsを生成す
る。この第2の形態では、カウンタ112のビット数に
より、駆動電圧Vsの滑らかさが左右されるが、5ビッ
ト以上あれば実用上駆動特性に問題を生じない。

【0051】尚、クロック発生器113の周波数を固定
値にして、カウンタ114の出力ビットを温度情報に依
存させて適宜シフトしてD/A変換器115に出力して
やる構成にしてもよい。

【0052】最後に、本発明に共通して用いる電力増幅
器30について説明する。図13(a)、(b)は、従
来から知られている相補性のトランジスタを用いて、単
独または同極性のダーリントン接続にしたエミッタ・フ
ォロワ構成の電力増幅器の構成を示している。この図1
3(a)、(b)の電力増幅回路を用いてもかまわない
が、この従来回路では出力がほぼ短絡状態に陥った場合
に、最終出力段のトランジスタTR20、TR21あるいは
トランジスタTR22、TR23のベース電流が無制限に流
れてしまいトランジスタが破壊してしまう。また図13
(b)の回路では、入出力間の電圧降下がトランジスタ
のベース・エミッタ間飽和電圧の2個分と大きくなって
しまう欠点がある。

【0053】そこで、本発明では上記欠点を改善した図
14(a)乃至(d)に示した電力増幅回路を用いてい
る。

【0054】図14(a)が基本回路で、最終出力トラ
ンジスタTR23、TR22に流れる出力電流を電流検出抵
抗Rp1、Rp2で検出して、トランジスタTR24、TR25
により、ベース電流が無制限に流れることを防止してい
る。尚、図14(b)はシンク電流容量を増加させたも
の、図14(c)はフロー電流容量を増加させたもの、
図14(d)は、シンク電流及びフロー電流容量を共に
増加させたものであり、いづれの回路構成においても入
出力間の電圧降下はトランジスタのベース・エミッタ間
飽和電圧の1個分ですむと云う特徴がある。また、抵抗
Rb4、Rb5は、ベース・エミッタ間がオープン状態なら
ないようにするものである。

【0055】図14(a)乃至(d)のいづれの回路を
用いるかは、最大出力電流値と、圧電体の充電時間、放
電時間の長短を考慮して適宜選択し用いる。

【0056】尚、電力増幅器の電力供給は、可変定電圧
源40、90の出力Vkから供給してもかまわないが、
可変定電圧源40、90から供給する場合は、可変定電
圧源40、90の電力容量を充分増加させる必要があ
る。また、電力増幅器30、定電流源45、46に使用
するトランジスタをバィポ−ラ・トランジスタで説明し
たが、勿論電界効果型のトランジスタでも構わない。

【0057】以上の本発明の実施例に於て細部にわたっ
ては、種々変形が考えられるのは勿論である。

【0058】

【発明の効果】以上述べたように、請求項1の発明によ
れば、駆動電圧波形の立ち上がり時間、及び、立ち下が
り時間を一定に維持してインク吐出時点でのメニスカス
の位置ずれをなくして、インク滴を安定に吐出させるこ
とができる。

【0059】請求項8の発明によれば、所定時間間隔で
クロック信号を加算、計数停止減算するカウンタの出力
を階段状に上昇、下降するアナログ電圧信号に変換し、
該電圧信号を増幅させて電力増幅器を介して圧電体の駆
動電圧Vsとしているので、温度変化や経時変化で容量
が変わるコンデンサを用いる必要がなく、より安定した
駆動電を発生でき、クロック信号の周波数をインクの粘
性特性等を補正するよう環境温度に応じて制御するだけ
で、駆動電圧Vsの立ち上がり時間、立ち下がり時間を
一定に維持したまま駆動電圧Vsの波高値を調整でき、
環境温度によらず常に均一なインク吐出特性を得ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図1】圧電体を用いたインクジェットヘッドを説明す
る図である。

【図2】(a)(b)は、従来のインクジェットヘッド
の駆動回路図である。

【図3】(a)(b)は、駆動電圧発生器10(図2)
の具体的回路図である。

【図4】(a)(b)は従来の駆動電圧発生器10、2
0(図2)が出力する駆動電圧Vsの電圧波形図であ
り、(c)は駆動電流波形を示す図である。

【図5】本発明における第1の形態のインクジェットヘ
ッドの駆動装置の構成を示す図である。

【図6】図5の装置の基本動作を説明する図であり、
(a)(b)は制御信号S1,S2を、(c)はコンデン
サCへの充放電電流を、(d)はコンデンサCの端子電
圧を示す図である。

【図7】図5の装置の別の動作を説明する図であり、
(a)(b)は制御信号S1,S2を、(c)はコンデン
サCへの充放電電流を、(d)はコンデンサCの端子電
圧を示す図である。

【図8】(a)(b)は、本発明に用いる定電流源部の
具体的回路図である。

【図9】可変定電圧源40(図5)の出力電圧Vkの温
度特性を示す図である。

【図10】(a)は、本発明における第1の形態で、負
の駆動電圧を出力する場合を説明する図であり、(b)
は該駆動電圧波形を示す図である。

【図11】本発明における第2の形態のインクジェット
ヘッドの駆動装置の構成を示す図である。

【図12】D/A変換器100(図11)の出力電圧波
形を示す図である。

【図13】(a)(b)は、従来から用いられている電
力増幅器30の回路図である。

【図14】(a)乃至(d)は、本発明に適用する電力
増幅器30の回路図である。

【図15】本発明の第1の形態に用いる別の可変定電圧
源の回路を示す図である。

【図16】本発明の第1の形態で、より正確な駆動電圧
の立ち上がり時間を得るための回路である。

【図17】図16の回路動作を説明する図で、(a)は
駆動電圧Vsの波形を、(b)は駆動電圧の立ち上がり
開始時点を示す信号Tsを、(c)は駆動電圧の立ち上が
り終了目標時点を示す基準信号Tdを、(d)はピーク検
出器121の出力信号を、(e)(f)は位相検出器1
22かの進み位相および遅れ位相信号を示す図である。

【符号の説明】

40‥‥可変定電圧源 45、46‥‥定電流源 30‥‥電力増幅器 51‥‥プリンタヘッド 60‥‥システム制御手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B41J 2/045 B41J 2/055

Claims (15)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 所定の駆動周期で上昇/下降する駆動電
    圧波形を発生する駆動電圧発生器が、複数の圧電体に電
    圧を印加し、該圧電体が発生する歪力でインク室の体積
    を拡大及び縮小してノズル孔よりインク滴を吐出するイ
    ンクジェットヘッドの駆動装置において、 前記駆動電圧発生器が、補正電圧信号により出力電圧が
    可変な定電圧源と、前記定電圧源を介して前記出力電圧
    に比例した第1の定電流を発生させる定電流源と、 前記第1の定電流により第1の規定時間で略前記出力電
    圧まで充電されるコンデンサと、 ほぼ前記出力電圧まで充電された前記コンデンサを、前
    記出力電圧に比例した第2の定電流により第2の規定時
    間で放電させる定電流源より構成され、 前記補正電圧信号に係わりなく、前記駆動電圧波形の立
    ち上がり時間、及び、立ち下がり時間を前記第1、及び
    第2の規定時間に一定に維持するようにしたことを特徴
    とするインクジェットヘッドの駆動装置。
  2. 【請求項2】 請求項1記載のインクジェットヘッドの
    駆動装置において、 前記コンデンサの端子電圧を入力として、前記コンデン
    サの端子電圧に略等しい前記駆動電圧波形を出力する電
    力増幅器を含むことを特徴とするインクジェットヘッド
    の駆動装置。
  3. 【請求項3】 請求項2記載のインクジェットヘッドの
    駆動装置において、 環境温度に応じて前記補正電圧信号を調整し、前記駆動
    電圧波形の波高値を可変とすることを特徴とするインク
    ジェットヘッドの駆動装置。
  4. 【請求項4】 請求項2記載のインクジェットヘッドの
    駆動装置において、 圧電体の製造特性に応じて前記補正電圧信号を調整し、
    前記駆動電圧波形の波高値を可変とすることを特徴とす
    るインクジェットヘッドの駆動装置。
  5. 【請求項5】 請求項2記載のインクジェットヘッドの
    駆動装置において、 前記出力電圧は基準電圧から構成され、前記基準電圧は
    任意に増幅可能な補正電圧とツエナー電圧とを含み、前
    記ツエナー電圧を大きくしても、前記基準電圧の変動レ
    ンジが広く設定できることを特徴とするインクジェット
    ヘッドの駆動装置。
  6. 【請求項6】 請求項2記載のインクジェットヘッドの
    駆動装置において、 前記第1及び第2の定電流を発生する定電流源は、前記
    出力電圧に比例した電圧をエミッタ(又はソース)フォ
    ローワで受けるプリ・トランジスタと、 前記プリ・トランジスタのエミッタ(又はソース)にベ
    ース(又はゲート)が縦続する前記プリ・トランジスタ
    と相補性の出力トランジスタと、 前記出力トランジスタのエミッタに接続する電流値を設
    定するための抵抗より構成されていることを特徴とする
    インクジェットヘッドの駆動装置。
  7. 【請求項7】 請求項2記載のインクジェットヘッドの
    駆動装置において、 前記駆動電圧波形が最大、又は、最小電圧に達する時点
    を検出する手段と、 該手段からの出力と設定時点を示す基準信号との位相ず
    れを検出する位相差検出手段と、 前記位相差検出手段の出力に応じて、前記第1の定電
    流、又は、前記第2の定電流を、前記定電圧源の出力電
    圧に係わらず微調整する手段とを備え、 前記駆動電圧波形の立ち上がり時間、又は立ち下がり時
    間を前記第1、第2の規定時間に自動調整するようにし
    たことを特徴とするインクジェットヘッドの駆動装置。
  8. 【請求項8】 所定の駆動周期で上昇/下降する駆動電
    圧波形を発生する駆動電圧発生器が、複数の圧電体に電
    圧を印加し、該圧電体が発生する歪力でインク室の体積
    を拡大及び縮小してノズル孔よりインク滴を吐出するイ
    ンクジェットヘッドの駆動装置において、 前記駆動電圧発生器が、周波数が可変可能なクロック信
    号を発生する手段と、 前記クロック信号を計数する計数手段と、 所定の時間間隔で前記計数手段に加算信号、計数停止信
    号、減算信号を繰り返し出力する制御手段と、 前記計数手段のデジタル出力をアナログ電圧に変換する
    D/A変換器と、 前記アナログ電圧を電圧増幅する電圧増幅手段とから構
    成され、 前記クロック信号の周波数に係わらず前記駆動電圧波形
    の立ち上がり時間、及び、立ち下がり時間を一定に維持
    するようにしたことを特徴とするインクジェットヘッド
    の駆動装置。
  9. 【請求項9】 請求項8記載のインクジェットヘッドの
    駆動装置において、 前記電圧増幅手段の出力電圧を入力とし、前記電圧増幅
    手段の出力電圧に略等しい前記駆動電圧波形を出力する
    電力増幅器を含むことを特徴とするインクジェットヘッ
    ドの駆動装置。
  10. 【請求項10】 請求項9記載のインクジェットヘッド
    の駆動装置において、 環境温度に応じて前記クロック信号の周波数を調整し、
    前記駆動電圧波形の波高値を可変することを特徴とする
    インクジェットヘッドの駆動装置。
  11. 【請求項11】 請求項9記載のインクジェットヘッド
    の駆動装置において、 圧電体の製造特性に応じて前記クロック信号の周波数を
    調整し、前記駆動電圧波形の波高値を可変とすることを
    特徴とするインクジェットヘッドの駆動装置。
  12. 【請求項12】 請求項2乃至7、及び請求項9乃至1
    記載のいずれかに記載のインクジェットヘッドの駆動
    装置において、 前記電力増幅器は、互いのベース及びエミッタが結合さ
    れて、前記ベース端子の電圧でプッシュ・プル動作する
    相補性の第1のトタンジスタと第2のトンジスタを前段
    とし、 第1のトタンジスタと実質的に相補性となる第3のトラ
    ンジスタ回路、及び、第2のトタンジスタと実質的に相
    補性となる第4のトランジスタ回路を出力段とする構成
    であり、 前記第1のトランジスタが発生するコレクタ電流を前記
    第3のトランジスタ回路のベース電流とすべく、前記第
    1のトランジスタのコレクタ及びエミッタが、第3の出
    力トランジスタ回路のベース及びエミッタに接続され、 前記第2のトランジスタが発生するコレクタ電流を前記
    第4のトランジスタ回路のベース電流とすべく、前記第
    2のトランジスタのコレクタ及びエミッタが、第4の出
    力トランジスタ回路のベース及びエミッタに接続されて
    いることを特徴とするインクジェットヘッドの駆動装
    置。
  13. 【請求項13】 請求項12記載のインクジェットヘッ
    ドの駆動装置において、 前記第3及び第4のトランジスタ回路に流れる出力電流
    が所定値以外流れた場合に、前記第3及び第4のトラン
    ジスタ回路に流れるベース電流を阻止する電流制限回路
    を更に備えることを特徴とするインクジェットヘッドの
    駆動装置。
  14. 【請求項14】所定の駆動周期で上昇/下降する駆動電
    圧波形を発生する駆動電圧発生器が、複数の圧電体に電
    圧を印加し、該圧電体が発生する歪力でインク室の体積
    を拡大及び縮小してノズル孔よりインク滴を吐出するイ
    ンクジェットヘッドの駆動方法において、 補正電圧信号により出力電圧が可変可能な定電圧源を介
    して前記出力電圧に比例した第1の定電流を発生させる
    工程と、 前記第1の定電流で、ほぼ前記出力電圧まで第1の規定
    時間でコンデンサを充電する工程と、 ほぼ前記出力電圧まで充電された前記コンデンサを、前
    記出力電圧に比例した第2の定電流で第2の規定時間で
    放電する工程と、 前記コンデンサの端子電圧を入力として、前記コンデン
    サの端子電圧に略等しい前記駆動電圧波形を出力する電
    力増幅工程を有し、 前記補正電圧信号に係わらず、前記駆動電圧波形の立ち
    上がり時間、及び、立ち下がり時間を一定に維持するよ
    うにしたことを特徴とするインクジェットヘッドの駆動
    方法。
  15. 【請求項15】 所定の駆動周期で上昇/下降する駆動
    電圧波形を発生する駆動電圧発生器が、複数の圧電体に
    電圧を印加し、該圧電体が発生する歪力でインク室の体
    積を拡大及び縮小してノズル孔よりインク滴を吐出する
    インクジェットヘッドの駆動方法において、 前記駆動電圧発生器が、周波数が可変可能なクロック信
    号を発生する工程と、 前記クロック信号を計数する工程と、 所定の時間間隔で前記計数手段に加算信号、計数停止信
    号、減算信号を繰り返し出力する工程と、 前記計数手段のデジタル出力をアナログ電圧に変換する
    D/A変換器と、前記アナログ電圧を電圧増幅する電圧
    増幅工程と、 前記電圧増幅手段の出力電圧を入力とし、前記電圧増幅
    手段の出力電圧に略等しい前記駆動電圧波形を出力する
    電力増幅工程を有し、 前記クロック信号の周波数に係わらず前記駆動電圧波形
    の立ち上がり時間、及び、立ち下がり時間を一定に維持
    するようにしたことを特徴とするインクジェットヘッド
    の駆動方法。
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