JP4617942B2

JP4617942B2 - 圧電素子の駆動装置及び駆動方法、並びに液滴吐出装置

Info

Publication number: JP4617942B2
Application number: JP2005077751A
Authority: JP
Inventors: 浩三原
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd; Fujifilm Business Innovation Corp
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 2005-03-17
Filing date: 2005-03-17
Publication date: 2011-01-26
Anticipated expiration: 2025-03-17
Also published as: JP2006256149A

Description

本発明は、所定のパルス幅の駆動電圧を繰り返し印加することで圧電素子を振動させる圧電素子の駆動装置及び駆動方法、並びに液滴吐出装置に関するものである。

近年、インク吐出口からインクを吐出する、いわゆるインクジェットプリンタは、小型で、安価である等の特徴から、多くの画像形成処理のエンジンとして用いられている。これらインクジェットプリンタの中でも、圧電素子の変形を利用してインクを吐出させるピエゾインクジェット方式等が高解像度、高速印字性などの観点から多く利用されている。

ピエゾ素子等の圧電素子の振動エネルギーを利用するインクジェットプリンタは、インク流路に設けられた圧電素子を画像情報に応じて振動させ、この圧電素子の歪みによってインク滴を形成する。圧電素子にかかる電圧の波形を制御することで、インク吐出口のメニスカスや吐出後のインクの再供給を制御することが可能であるため、高い周波数での駆動（インク吐出）と、インク滴の量を変化させた階調記録が可能となる。

圧電素子に振動エネルギーを与える駆動回路としては、アナログアンプによる駆動、デジタル矩形波による駆動が考えられる。

アナログアンプによる駆動では、高精度の波形の電圧を印加することができるが、回路構成が複雑であり、エネルギー効率が悪い。一方、デジタル矩形波駆動では、回路構成が簡単であるが、波形精度が悪く、エネルギー効率もアナログアンプほどではないが、無駄が多い。

この無駄とは、圧電素子が容量性であり電荷を蓄積することができることを前提として、従来は、この蓄積された電荷を放電によって廃棄していることを言う。

この電荷の廃棄が、エネルギー効率の低下を招いている。言い換えれば、この廃棄していた電荷を回生エネルギーとして利用すれば、効率アップにつながることになる。

なお、エネルギーの回生に関する従来技術としては、放電電流をトランスで受け、ＤＣ−ＤＣで高圧にして回生する技術（特許文献１参照）や、ブリッジ構成で放電電流をトランスで受け回生する技術（特許文献２参照）が開示されている。
特開平１１−３１４３６４号公報特開２００１−０２６１０９公報

しかしながら、従来の特許文献１や特許文献２に記載の回生技術は、圧電素子の駆動回路に直接導入することは困難であり、確立されていないのが、現状である。

また、圧電素子による振動エネルギーを、上記インク吐出に特化した場合、印字駆動とは別に、インクの粘性を調整するためのシャッフル駆動することがあり、２系統の電源（或いは１系統であっても、異なる信号（パルス幅変調等）の生成）が必要となっていた。

本発明は上記事実を考慮し、圧電素子が容量性であることを利用して、この圧電素子に蓄積された電荷分を回生し、再利用することで、エネルギー効率を向上することができる圧電素子の駆動装置及び駆動方法を得ることが目的である。

また、上記目的に加え、１系統の電源によって、圧電素子の駆動による２種類の振動エネルギーを生成することができる圧電素子の駆動装置及び駆動方法、並びに液滴吐出装置を得ることが目的である。

第１の発明は、所定のパルス幅の駆動電圧を繰り返し印加することで圧電素子を振動させる圧電素子の駆動装置であって、１系統の電源によって２種類の振動エネルギーを生成する圧電素子の駆動装置において、前記圧電素子に対して印字駆動信号を入力する印字駆動信号出力部と、前記圧電素子に対して粘性調整信号を入力する粘性調整信号出力部と、を備え、前記粘性調整信号出力部は、２つのコンデンサを備え、これらのコンデンサを直列接続状態とする第１の位置、又は並列接続状態とする第２の位置へ切替可能な切替手段と、前記切替手段により第１の位置に切り替えられた状態でオンとされる第１のスイッチを備え、電源からの電力により前記２つのコンデンサを初期充電する初期充電手段と、前記初期充電後、前記第１のスイッチのオフした後に所定時間オンとされる第２のスイッチを備え、前記２つのコンデンサに充電された電荷に基づいて、圧電素子にピーク電圧を印加するピーク電圧印加手段と、前記所定時間経過後に前記第２のスイッチがオフとなった後、前記切替手段を第２の位置に切り替え、再度第２のスイッチをオンすることで、前記圧電素子に蓄積された電荷が放電してベース電圧とすると共に、当該放電により放出される電荷に基づいて前記２つのコンデンサに再充電する再充電手段と、を有し、前記ピーク電圧印加手段による圧電素子への所定の電圧の印加と、前記再充電手段による前記圧電素子に蓄積された電荷の再充電と、を交互に繰り返すことで、前記圧電素子に対して、前記ピーク電圧とベース電圧との差分の振幅を持つ前記所定のパルス幅の駆動電圧を印加して、前記粘性調整信号を入力することを特徴としている。

第１の発明によれば、切替手段を第１の位置とすることで、２つのコンデンサを直接接続状態とする。この状態で、初期充電手段では、第１のスイッチをオンとし、これにより、電源からの電力によりそれぞれのコンデンサに初期充電がなされる。

初期充電完了後は、第１のスイッチはオフとなり、一方、ピーク電圧印加手段では、第２のスイッチをオンとする。これにより、コンデンサに蓄積された電荷によって圧電素子にピーク電圧が印加される。

再充電手段では、所定時間経過すると第２のスイッチをオフとして、かつ切替手段を第２の位置とすることで、２つのコンデンサは並列接続状態となる。その後、再度第２のスイッチをオンすることで、圧電素子に蓄積された電荷が放電してベース電圧とする。この放電により放出される電荷に基づいて２つのコンデンサは再充電される（直接接続と並列接続との電位差に相関）。

前記ピーク電圧印加手段による圧電素子への所定の電圧の印加と、前記再充電手段による前記圧電素子に蓄積された電荷の再充電と、を交互に繰り返すことで、前記圧電素子に対して、前記ピーク電圧とベース電圧との差分の振幅を持つ前記所定のパルス幅の駆動電圧を印加することができる。

第１の発明において、前記２つのコンデンサの各々が、同一の静電容量のコンデンサであり、前記ベース電圧が前記ピーク電圧の１／２となるように設定されることを特徴としている。

２個のコンデンサを直接接続、或いは並列接続することで、ベース電圧が前記ピーク電圧の１／２となり、充放電を繰り返すことが最も効率がよい。

また、第１の発明において、前記初期充電手段による初期充電を定期的に実行することで、前記圧電素子への電荷蓄積の損失分、並びにコンデンサへの再充電の際の損失分を補填することを特徴としている。

理論的には、１回の初期充電後は、コンデンサの充放電を繰り返すことで半永久的にピーク電圧とベース電圧との電位差の振幅を持つ駆動電圧を印加することができるが、実際には、回路上の損失があるため、定期的に初期充電を実行することで損失分を補填すればよい。

さらに、第１の発明において、前記圧電素子が、液体が充填された圧力室に対して振動波を付与し、当該圧力室内の液体を振動させるために適用されることを特徴としている。

圧力室内の液体に対して振動波を付与すると、例えば、圧力室の一部に設けられたノズルから液体をこの振動エネルギーに応じて吐出させることができる。また、振動エネルギーとして、ノズルから吐出するほどのエネルギーはないが、圧力室内の液体をシャッフルすることで、粘性等を調整する場合がある。

第１の発明は、特に、後者（すなわちシャッフル）の駆動電圧として利用することで、エネルギー効率の向上を最大限引き出すことができる。

第２の発明は、所定のパルス幅の駆動電圧を繰り返し印加することで圧電素子を振動させる圧電素子の駆動装置であって、１系統の電源によって２種類の振動エネルギーを生成する圧電素子の駆動装置において、前記圧電素子に対して印字の際には印字駆動信号を入力すると共に、粘性調整の際には前記圧電素子に対して粘性調整信号を入力し、前記粘性調整信号を入力する場合には、２個の同一の静電容量のコンデンサを直列に接続した状態で、電源からの電力で初期充電し、初期充電された２個のコンデンサの両端電圧をピーク電圧として圧電素子を印加し、このピーク電圧の印加によって圧電素子に蓄積された電荷を、前記２個のコンデンサを並列接続状態として再充電することで、前記圧電素子をベース電圧とし、再充電された２個のコンデンサを再度直列接続して、ピーク電圧で圧電素子を印加することを繰り返し実行する特徴としている。

第２の発明によれば、圧電素子が容量性であること、従来はこの圧電素子に蓄積された電荷を放電、廃棄していたことに着目し、圧電素子からの放電分をコンデンサに蓄積し、かつ再利用できるように、複数のコンデンサを直接接続（初期充電、再利用時）、並列接続（再充電時）できるように、圧電素子の駆動に同期して切り替えるようにした。

これにより、いままで単純に廃棄していた圧電素子に蓄積された電荷分を有効利用（回生）することができる。

また、第２の発明において、前記初期充電手段による初期充電を定期的に実行することで、前記圧電素子への電荷蓄積の損失分、並びにコンデンサへの再充電の際の損失分を補填することを特徴としている。

第３の発明は、画像データに基づいて圧電素子に駆動信号を付与することで、液滴をノズルから吐出する記録ヘッドを備え、この記録ヘッドの液体吐出面を前記記録用紙の搬送路に対して所定の間隔で対峙させ、所定の吐出タイミングで液滴を吐出することで前記記録用紙上に画像を形成する液滴吐出装置であって、前記記録ヘッドの圧電素子を、前記請求項１乃至請求項４の何れか１項記載の駆動装置によって駆動制御することを特徴としている。

第３の発明によれば、第１の発明で示した圧電素子の駆動装置を液滴吐出装置の記録ヘッドに搭載した圧電素子の駆動装置として適用可能である。

すなわち、切替手段を第１の位置とすることで、複数のコンデンサを直接接続状態とする。この状態で、初期充電手段では、第１のスイッチをオンとし、これにより、電源からの電力によりそれぞれのコンデンサに初期充電がなされる。

再充電手段では、所定時間経過すると第２のスイッチをオフとして、かつ切替手段を第２の位置とすることで、複数のコンデンサは並列接続状態となる。その後、再度第２のスイッチをオンすることで、圧電素子に蓄積された電荷が放電してベース電圧とする。この放電により放出される電荷に基づいてそれぞれのコンデンサは再充電される（直接接続と並列接続との電位差に相関）。

２個のコンデンサを直接接続、或いは並列接続することで、充放電を繰り返すことが最も効率がよい。

圧力室内の液体に対して振動波を付与すると、例えば、圧力室の一部に設けられたノズルから液体をこの振動エネルギーに応じて吐出させることができる。また、振動エネルギーとして、ノズルから吐出するほどのエネルギーはないが、圧力室内の液体をシャッフルすることで、粘性等を調整する場合がある。特に、後者（すなわちシャッフル）の駆動電圧として利用することで、エネルギー効率の向上を最大限引き出すことができる。

以上説明した如く本発明では、圧電素子が容量性であることを利用して、この圧電素子に蓄積された電荷分を回生し、再利用することで、エネルギー効率を向上することができるという優れた効果を有する。

また、上記効果に加え、１系統の電源によって、圧電素子の駆動による２種類の振動エネルギーを生成することができるという効果を有する。

図１には、本実施の形態に係るＰＷＡ（Partial Width Array）方式のインクジェットプリンタ１０の概略構成が示されている。

なお、本実施の形態においては、記録媒体としての記録紙Ｐの搬送方向を副走査方向（図１の矢印Ｓ参照）、当該副走査方向と直交する方向を主走査方向（図１の矢印Ｍ参照）とする。

インクジェットプリンタ１０は、ブラック、イエロー、マゼンタ、シアンの各インクジェット記録ユニット１２を搭載するキャリッジ１４を備えている。

このキャリッジ１４の記録紙Ｐの搬送方向上流側には、一対のブラケット１６が突設されており、このブラケット１６には円形状の開口部１６Ａが穿設されている。この開口部１６Ａには、主走査方向に架設されたシャフト１８（図１参照）が挿通されている。

図１に示される如く、主走査方向の両端部には、主走査機構２０を構成する駆動プーリー２２と従動プーリー２４とがそれぞれ配設されている。この駆動プーリー２２と従動プーリー２４には、タイミングベルト２６が巻回されており、タイミングベルト２６の一部に前記キャリッジ１４が固定されている。これにより、キャリッジ１４は主走査方向に往復移動可能となる。

インクジェットプリンタ１０には、搬送ローラ２８及び排出ローラ３０からな副走査機構３２が設けられている。この副走査機構３２は、画像印刷（印字）前の記録紙Ｐを束にして収容する給紙トレイ３４から１枚ずつ給紙された記録紙Ｐを所定のピッチ或いは連続的に定速度で副走査方向へ搬送する。

図２に示される如く、各色のインクジェット記録ユニット１２は、記録ヘッド３６と、この記録ヘッド３６へインクを供給するインクカートリッジ３８とが一体に構成されたものであり、記録ヘッド３６の下面に形成された複数のノズル４０（図３参照）が、記録紙Ｐと対峙するようにキャリッジ１４上に搭載されている。

従って、記録ヘッド３６が主走査機構２０（図１参照）によって主走査方向に移動しながら、記録紙Ｐに対して、画像データに基づいて、ノズル４０から選択的にインク滴を吐出することにより、所定のバンド領域ＢＥに対して画像が形成（印字）される。

主走査方向の１回の移動が終了すると、記録紙Ｐは、副走査機構３２（図１参照）によって副走査方向へ所定ピッチ搬送され、再度インクジェット記録ユニット１２が主走査方向に移動しながら、次のバンド領域に対して画像を形成（印字）する。これを繰り返すことで、記録紙Ｐには画像データに基づく全体画像が形成されることになる。

記録ヘッド３６は、インクタンク４１、供給路４４、圧力室４６、ノズル４０、及び圧電素子４２を有している。

インクタンク４１には、前述のインクカーリッジ３８（図２参照）からのインクが蓄えられ、インクタンク４１は、供給路４４を介して圧力室４６と連通し、さらに圧力室４６はノズル４０を介して外部と連通している。

圧力室の４６の一部の壁面（図３の下面）は振動板４６Ａからなり、該振動板４６Ａに圧電素子４２が取り付けられており、圧電素子４２によって振動板４６Ａを振動させることで、圧力室４６内のインクに圧力波が発生する。すなわち、圧電素子４２の振動によって発生する圧力波によって、インクタンク４１に蓄えられたインクが供給路４４、圧力室４６を介してノズル４０から吐出されるようになっている。

図４には、本実施の形態に係る圧電素子４２の駆動回路１００が示されている。

この駆動回路１００には、各圧電素子４２に対して１：１でセレクタ１０２が設けられ、セレクタ１０２によって選択された粘性調整信号出力部１０４からの粘性調整信号、或いは印字駆動信号出力部１０６からの印字駆動信号の何れかが入力されるようになっている。この粘性調整信号、印字駆動信号の選択は、セレクタ１０２に入力される印字ノズル選択信号に基づいてなされるようになっている。

これにより、粘性調整信号又は印字駆動信号のいずれかによって駆動電源が圧電素子４２に供給され、圧電素子４２を駆動することができる。

ここで、印字駆動信号出力部１０６からは、実際にインクが圧力室４６からノズル４０を介して吐出できる程度のエネルギー（振幅）を持つ電圧が出力されるのに対し、粘性調整信号出力部１０４からは、圧力室４６内に所定の振動を与えるが、ノズル４０からインクが吐出しない程度のエネルギー（振幅）をもつ電圧が出力される。すなわち、この粘性調整信号は、圧力室４６内のインクの粘性を安定させるために、印字期間外に適用されるものである。

本実施の形態では、この粘性調整信号出力部１０４における粘性調整信号の生成のための回路に、エネルギーの回生機能を持たせている。

図５に示される如く、粘性調整信号出力部１０４における電源回路は、電源１０８と圧電素子４２との間に、第１のスイッチ１１０及び第２のスイッチ１１２が直列に接続されている。

第１のスイッチ１１０と第２のスイッチ１１２との間には、２本の分岐線１１４、１１６のそれぞれの一端が接続されている。

第１のスイッチ１１０寄りの分岐線１１４は、第１のコンデンサ１１８の一端と接続されている。この第１のコンデンサ１１８の他端は、切替手段の一部を構成する第３のスイッチ１２０のコモン端子１２０Ｃに接続されている。

また、第２のスイッチ１１２寄りの分岐線１１６は、切替手段の一部を構成する第４のスイッチ１２２の第１接点１２２Ａに接続されている。この第４のスイッチ１２２のコモン端子１２２Ｃは、第２のコンデンサ１２４を介してアースされている。

なお、本実施の形態では、第１のコンデンサ１１８と第２のコンデンサ１２４との静電容量は同一とされている。

さらに、前記第３のスイッチ１２０の第１接点１２０Ａはアースされ、第２の接点１２０Ｂは、第４のスイッチ１２２の第２の接点１２２Ｂと導通されている。

ここで、第３のスイッチ１２０と第４のスイッチ１２２とは連動しており、同時に第１接点１２０Ａ、１２２Ａに切り替り（以下、第２の位置という）、或いは第２接点１２０Ｂ、１２２Ｂ（以下、第１の位置という）に切り替るようになっている。

すなわち、第３のスイッチ１２０及び第４のスイッチ１２２が第１の位置とされているときは、２個のコンデンサ（第１のコンデンサ１１８、第２のコンデンサ１２４）は互いに直列接続状態となり、第１のスイッチ１１０がオン、第２のスイッチ１１２がオフのときには、電源からの電力で充電がなされることになる（初期充電）。

また、第１のスイッチ１１０オフ、第２のスイッチ１１２がオンのときには、２個のコンデンサ１１８、１２４に充電された電荷により、圧電素子４２に所定の電圧（ピーク電圧）が印加されることになる（再利用）。

一方、第３のスイッチ１２０及び第４のスイッチ１２２が第２の位置とされているときは、２個のコンデンサは互いに並列接続状態（直列接続時の１／２の電位（ベース電圧））となり、第１のスイッチ１１０がオフ、第２のスイッチ１１２がオンのときには、圧電素子４２に蓄積された電荷の放電によって充電されるようになっている。

すなわち、本実施の形態では、電源１０８からの電力で初期充電された２個のコンデンサ１１８、１２４は、直列接続状態で圧電素子４２へ放電し、並列接続状態で圧電素子４２からの電荷を回生する役目を有することになる。

以下に本実施の形態の作用を説明する。

印字の指示があると、給紙トレイ３４から１枚ずつ給紙された記録紙Ｐを所定のピッチ或いは連続的に定速度で副走査方向へ搬送する。

記録紙Ｐが所定の位置に位置決めされると、記録ヘッド３６が主走査機構２０によって主走査方向に移動しながら、記録紙Ｐに対して、画像データに基づいて、ノズル４０から選択的にインク滴を吐出する。これにより所定のバンド領域ＢＥに対して画像が形成（印字）される。

主走査方向の１回の移動が終了すると、記録紙Ｐは、副走査機構３２によって副走査方向へ所定ピッチ搬送される。なお、本実施の形態では、所定ピッチ毎に間欠搬送する構成としてが、前記１回の主走査中も常に定速度で副走査が実行されてもよい。

上記所定ピッチの搬送後は、再度インクジェット記録ユニット１２が主走査方向に移動しながら、次のバンド領域に対して画像を形成（印字）する。

これを繰り返すことで、記録紙Ｐに画像データに基づく全体画像を形成することができる。

上記繰り返しの主走査移動において、必ず、キャリッジ１２の減速、停止、加速が発生する。これは、印字期間外であり、かつ必要不可欠な時間でもある。

画像が形成された記録紙Ｐは、排出ローラ３０によって排出され、１枚の印字が完了する。なお、連続して複数ページの印字を行う場合には、前記排出ローラ３０による記録紙Ｐの排出と同時、或いは排出終了後、給紙トレイ３４から次の記録紙Ｐを給紙する。

印字の際には、駆動回路１００において、印字駆動信号出力部１０６からの信号に基づき、印字駆動信号が出力される。

画像データは、印字ノズル選択信号に変換され、圧電素子４２に電流が流れ、振動を開始する。

この振動は、圧力室の４６の振動板４６Ａへ伝わり、振動板４６Ａが振動することで、圧力室４６内のインクに圧力波が発生する。この圧力波によって、インクタンク４１に蓄えられたインクが供給路４４、圧力室４６を介してノズル４０から吐出される。

一方、圧力室４６内のインクの粘性を調整する際には、粘性調整信号出力部１０４からの信号に基づいて、粘性調整用の駆動信号が出力される。これにより、圧力室４６内のインクは、ノズル４０から吐出しないが、攪拌（シャッフル）されることで適度な粘性を維持することができる。

ここで、粘性調整波形は、印字駆動信号に比べて電圧（振幅）が１／２であるため、従来は、２系統の電源を用いて，その電圧調整を行っていた。また、圧電素子４２に印加することにより、当該圧電素子４２に蓄積される電荷は、その都度放電、廃棄していたため、エネルギーの損失が大きかった。

そこで、本実施の形態では、粘性調整信号に基づく電圧を印加する際、圧電素子４２に蓄積された電荷分を回生利用するようにした。

以下、駆動回路における粘性調整信号出力部１０４における電源回路の動作手順を説明する。なお、括弧内の番号は、図６の動作特性における矢印で示す番号と対応している。

非駆動時には、第１のスイッチ１１０及び第２のスイッチ１１２が共にオフ状態であり、かつ第３のスイッチ１２０及び第４のスイッチ１２２はそれぞれ第２接点１２０Ｂ、１２２Ｂ（第１の位置）とされている（コンデンサ直列接続状態）。

（１）駆動が開始時には、第１のスイッチ１１０がオンとなり、この結果、電源１０８からの電力によって第１のコンデンサ１１８、第２のコンデンサ１２４が初期充電される（充電電圧はピーク電圧）。

（２）初期充電後、第１のスイッチ１１０オフとし、かつ第２のスイッチ１１２をオンとすることで、第１のコンデンサ１１８、第２のコンデンサ１２４に充電された電荷に基づいて圧電素子４２が印加される。

（３）第２のスイッチ１１２がオフになると、圧電素子４２はピーク電圧の状態で維持される（圧電素子４２に電荷が蓄積された状態）。

（４）この状態で、第３のスイッチ１２０及び第４のスイッチ１２２をそれぞれ第１接点１２０Ａ、１２２Ａに切り替える（第２の位置）。これにより、第１のコンデンサ１１８、第２のコンデンサ１２４は並列接続状態となる。

（５）第２のスイッチ１１２を再度をオンすると、並列接続状態となった第１のコンデンサ１１８、第２のコンデンサ１２４に対して、圧電素子４２の電位がピーク電圧の１／２（ベース電圧）となるまで放電され、第１のコンデンサ１１８、第２のコンデンサ１２４には、ベース電圧の電荷が再充電される（回生）。

（６）この状態で、第３のスイッチ１２０及び第４のスイッチ１２２をそれぞれ第２接点１２０Ｂ、１２２Ｂに切り替える（第１の位置）。これにより、第１のコンデンサ１１８、第２のコンデンサ１２４は直列接続状態となる。

この結果、第１のコンデンサ１１８、第２のコンデンサ１２４の電位は２倍（ピーク電圧）となり、再度、圧電素子４２にピーク電圧が印加される。

理論的には、以下（２）〜（６）を繰り返すことで、圧電素子４２には、ピーク電圧−ベース電圧の印加が繰り返されるため、外部電力の供給をすることなく、微小振動を実現することができる。

なお、現実には、回路内のエネルギー損失が存在するため、その損失分を補填するため、（１）〜（６）の繰り返しとなるが、（１）での充電量は少なくて済むため、結果としてエネルギーの効率を向上することができる。

（変形例）
図７は、上記実施の形態における第１のスイッチ１１０、第２のスイッチ１１２、第３のスイッチ１２０、第４のスイッチ１２２を、トランジスタ等のスイッチング素子を用いた回路構成を示すものであり、図示しないコントローラからの「Ｌ」又は「Ｈ」の２値信号によって制御することが可能である。

特に、第３のスイッチ１２０及び第４のスイッチ１２２を、２個のトランジスタ１５０１５４及び第３のスイッチング素子１５２と、１個のインバータ１５６によって構成することで、切替タイミングの同期をとることができる。

図７に示される如く、電源１０８は、第１のトランジスタ１５８のドレイン（Ｄ）に接続されており、ゲート（Ｇ）に「Ｈ」信号が入力されるとドレイン（Ｄ）−ソース（Ｓ）間が導通状態となる。この第１のトランジスタ１５８のソース（Ｓ）は、第２のスイッチグ素子１６０の入出力端子Ａに接続されている。

第２のスイッチング素子１６０のコントロール端子に「Ｈ」信号が入力されると、スイッチング素子間が導通状態となる。

第２のスイッチング素子１６０の入出力端子Ｂは、圧電素子４２の一端に接続されている。圧電素子４２の他端はアースされている。

第１のトランジスタ１５８寄りの分岐線１１４に介在された第１のコンデンサ１１８は、第３のスイッチとして機能する一対の第３のトランジスタ１５０のドレイン（Ｄ）、第３のスイッチング素子１５２の入出力端子Ａにそれぞれ接続されている。

一方の第３のトランジスタ１５０のソース（Ｓ）はアースされ、他方の第３のスイッチング素子１５２は、第４のスイッチとして機能する第４のトランジスタ１５４のソース（Ｓ）に接続されている。

この第４のトランジスタ１５４のドレイン（Ｄ）は、第２のスイッチング素子１６０寄りの分岐線１１６に接続されている。

ここで、第３のトランジスタ１５０、第３のスイッチング素子１５２と第４のトランジスタ１５４をオン・オフ制御する信号出力部１６２からの信号線１６４は、第３のトランジスタ１５０と第４のトランジスタ１５４のそれぞれのゲート（Ｇ）に直接入力され、第３のスイッチング素子１５２には、インバータ１５６を介してコントロール端子に接続されている。

すなわち、信号出力部１６２から「Ｌ」信号が出力されると、第３のトランジスタ１５０と第４のトランジスタ１５４では、ドレイン（Ｄ）−ソース（Ｓ）間が非導通となり（オフ状態）、第３のスイッチング素子１５２では、入出力間が導通となる（オン状態）。この状態は、第１のコンデンサ１１８と第２のコンデンサ１２４とが直列接続状態となる。

一方、信号出力部１６２から「Ｈ」信号が出力されると、第３のトランジスタ１５０と第４のトランジスタ１５４では、ドレイン（Ｄ）−ソース（Ｓ）間が導通し（オン状態）、第３のスイッチング素子１５２では、入出力間が非導通となる（オフ状態）。この状態は、第１のコンデンサ１１８と第２のコンデンサ１２４とが並列接続状態となる。

以下、この変形例に係る駆動回路における粘性調整信号出力１０４における電源回路の動作手順を説明する。なお、括弧内の番号は、図８の動作特性における矢印で示す番号と対応している。

非駆動時には、第１のトランジスタ１５８及び第２のスイッチング素子１６０が共にオフ状態であり、かつ信号出力部１６２から「Ｌ」信号が出力され、第３のトランジスタ１５０及び第４のトランジスタ１５４はそれぞれソース（Ｓ）−ドレイン（Ｄ）間が非導通（オフ状態）、第３のスイッチング素子１５２の入出力間が導通通状態（オン状態）となる（コンデンサ直列接続状態）。

（１）駆動が開始時には、第１のトランジスタ１５８がオンとなり、この結果、電源１０８からの電力によって第１のコンデンサ１１８、第２のコンデンサ１２４が初期充電される（充電電圧はピーク電圧）。

（２）初期充電後、第１のトランジスタ１５８オフとし、かつ第２のスイッチング素子１６０をオンとすることで、第１のコンデンサ１１８、第２のコンデンサ１２４に充電された電荷に基づいて圧電素子４２が印加される。

（３）第２のスイッチング素子１６０がオフになると、圧電素子４２はピーク電圧の状態で維持される（圧電素子４２に電荷が蓄積された状態）。

（４）この状態で、信号出力部１６２から「Ｈ」信号を出力することで、第３のトランジスタ１５０及び第４のスイッチ１５４をオン状態とし、第３のスイッチング素子１５２をオフ状態とする。これにより、第１のコンデンサ１１８、第２のコンデンサ１２４は並列接続状態となる。

（５）第２のスイッチング素子１６０を再度オンすると、並列接続状態となった第１のコンデンサ１１８、第２のコンデンサ１２４に対して、圧電素子４２の電位がピーク電圧の１／２（ベース電圧）となるまで放電され、第１のコンデンサ１１８、第２のコンデンサ１２４には、ベース電圧の電荷が再充電される（回生）。

（６）この状態で、信号出力部１６２から「Ｌ」信号を出力する。これにより、第１のコンデンサ１１８、第２のコンデンサ１２４は直列接続状態となる。

以上説明したように本実施の形態では、圧電素子４２が容量性であることに着目し、従来は、この圧電素子４２へ印加したときに蓄積される電荷を放電、廃棄していた分を２個のコンデンサ１１８、１２４を直列接続又は並列接続に切り替えることで、電位差を持たせ充放電を繰り返すように構成したため、エネルギーを有効利用することができる。特に、圧電素子４２をインク吐出用の記録ヘッドとして適用した場合における圧力室４６内のインクの粘性調整のための振動エネルギー源として利用することができる。

なお、本実施の形態では、２個の同一の静電容量のコンデンサを用いて直列接続、並列接続して、充放電を行うようにしたが、３個以上、異なる静電容量のコンデンサを用いるようにしてもよい。

本実施の形態に係り、ＰＷＡ方式のインクジェットプリンタの外観を示す斜視図である。本実施の形態に係り、インクジェットプリンタに設けられたキャリッジの斜視図である。本実施の形態に係る記録ヘッドの内部構造を示す断面図である。本実施の形態に係る圧電素子を駆動するための駆動回路図である。本実施の形態に係る駆動回路における粘性調整出力部の詳細を示す回路図である。本実施の形態に係る粘性調整出力部からの粘性調整信号に基づく圧電素子で電圧特性図である。変形例に係る駆動回路における粘性調整出力部の詳細を示す回路図である。変形例に係る粘性調整出力部からの粘性調整信号に基づく圧電素子で電圧特性図である。

符号の説明

Ｐ記録紙
１０インクジェットプリンタ（ＰＷＡ）
１２インクジェット記録ユニット
１４キャリッジ
２０主走査機構
３２副走査機構
３４給紙トレイ
３６記録ヘッド
４０ノズル
４１インクタンク
４２圧電素子
４４供給路
４６圧力室
４６Ａ振動板
１００駆動回路
１０２セレクタ
１０４粘性調整信号出力部
１０６印字駆動信号出力部
１０８電源
１１０第１のスイッチ（初期充電手段）
１１２第２のスイッチ（ピーク電圧印加手段、再充電手段）
１１４、１１６分岐線
１１８第１のコンデンサ
１２０第３のスイッチ（切替手段）
１２０Ａ第１接点
１２０Ｂ第２の接点
１２０Ｃコモン端子
１２２第４のスイッチ（切替手段）
１２２Ａ第１接点
１２２Ｂ第２の接点
１２２Ｃコモン端子
１２４第２のコンデンサ

Claims

所定のパルス幅の駆動電圧を繰り返し印加することで圧電素子を振動させる圧電素子の駆動装置であって、１系統の電源によって２種類の振動エネルギーを生成する圧電素子の駆動装置において、
前記圧電素子に対して印字駆動信号を入力する印字駆動信号出力部と、
前記圧電素子に対して粘性調整信号を入力する粘性調整信号出力部と、を備え、
前記粘性調整信号出力部は、
２つのコンデンサを備え、これらのコンデンサを直列接続状態とする第１の位置、又は並列接続状態とする第２の位置へ切替可能な切替手段と、
前記切替手段により第１の位置に切り替えられた状態でオンとされる第１のスイッチを備え、電源からの電力により前記２つのコンデンサを初期充電する初期充電手段と、
前記初期充電後、前記第１のスイッチのオフした後に所定時間オンとされる第２のスイッチを備え、前記２つのコンデンサに充電された電荷に基づいて、圧電素子にピーク電圧を印加するピーク電圧印加手段と、
前記所定時間経過後に前記第２のスイッチがオフとなった後、前記切替手段を第２の位置に切り替え、再度第２のスイッチをオンすることで、前記圧電素子に蓄積された電荷が放電してベース電圧とすると共に、当該放電により放出される電荷に基づいて前記２つのコンデンサに再充電する再充電手段と、を有し、
前記ピーク電圧印加手段による圧電素子への所定の電圧の印加と、前記再充電手段による前記圧電素子に蓄積された電荷の再充電と、を交互に繰り返すことで、前記圧電素子に対して、前記ピーク電圧とベース電圧との差分の振幅を持つ前記所定のパルス幅の駆動電圧を印加して、前記粘性調整信号を入力することを特徴とする圧電素子の駆動装置。
前記２つのコンデンサの各々が、同一の静電容量のコンデンサであり、前記ベース電圧が前記ピーク電圧の１／２となるように設定されることを特徴とする請求項１記載の圧電素子の駆動装置。
前記初期充電手段による初期充電を定期的に実行することで、前記圧電素子への電荷蓄積の損失分、並びにコンデンサへの再充電の際の損失分を補填することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の圧電素子の駆動装置。
前記圧電素子が、前記圧電素子が、液体が充填された圧力室に対して振動波を付与し、当該圧力室内の液体を振動させるために適用されることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項記載の圧電素子の駆動装置。
所定のパルス幅の駆動電圧を繰り返し印加することで圧電素子を振動させる圧電素子の駆動装置であって、１系統の電源によって２種類の振動エネルギーを生成する圧電素子の駆動装置において、
前記圧電素子に対して印字の際には印字駆動信号を入力すると共に、粘性調整の際には前記圧電素子に対して粘性調整信号を入力し、
前記粘性調整信号を入力する場合には、
２個の同一の静電容量のコンデンサを直列に接続した状態で、電源からの電力で初期充電し、
初期充電された２個のコンデンサの両端電圧をピーク電圧として圧電素子を印加し、
このピーク電圧の印加によって圧電素子に蓄積された電荷を、前記２個のコンデンサを並列接続状態として再充電することで、前記圧電素子をベース電圧とし、
再充電された２個のコンデンサを再度直列接続して、ピーク電圧で圧電素子を印加することを繰り返し実行する特徴とする圧電素子の駆動方法。
前記初期充電を定期的に実行することで、圧電素子への電荷蓄積の損失分、並びにコンデンサへの再充電の際の損失分を補填することを特徴とする請求項５記載の圧電素子の駆動方法。
画像データに基づいて圧電素子に駆動信号を付与することで、液滴をノズルから吐出する記録ヘッドを備え、この記録ヘッドの液体吐出面を前記記録用紙の搬送路に対して所定の間隔で対峙させ、所定の吐出タイミングで液滴を吐出することで前記記録用紙上に画像を形成する液滴吐出装置であって、
前記記録ヘッドの圧電素子を、前記請求項１乃至請求項４の何れか１項記載の駆動装置によって駆動制御することを特徴とする液滴吐出装置。