JP5397366B2

JP5397366B2 - 圧電アクチュエータ装置

Info

Publication number: JP5397366B2
Application number: JP2010284100A
Authority: JP
Inventors: 徹山下
Original assignee: Brother Industries Ltd
Current assignee: Brother Industries Ltd
Priority date: 2010-12-21
Filing date: 2010-12-21
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2030-12-21
Also published as: US20120154488A1; JP2012131089A; US8708460B2

Description

本発明は、圧電アクチュエータ装置に関する。

従来から、様々な技術分野において、圧電素子を挟む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圧電アクチュエータが用いられている。例えば、特許文献１には、ノズルからインクを噴射するインクジェットヘッドに用いられる圧電アクチュエータについて開示されている。

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。２種類の電極は、圧電層を挟んで、複数の圧力室とそれぞれ対向して設けられている。この構成において、駆動ＩＣから２種類の電極間に電圧が印加されたときに、２種類の電極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、通常、１つの圧電素子は、１つの駆動ＩＣと接続されている。特許文献１では、２つの駆動ＩＣが用いられているが、複数の圧電素子が２つの駆動ＩＣにそれぞれ対応した２つの群に分けられており、各々の圧電素子はあくまでも１つの駆動ＩＣと接続されている。

特開２００８−１２００２３号公報（図１）

ここで、複数の圧電素子間で、２種類の電極に挟まれた圧電素子の静電容量と、駆動ＩＣと圧電素子を接続する配線の配線抵抗とがばらつく。例えば、圧電素子の静電容量は、圧電層の厚みによってばらつき、配線抵抗は、引き回す配線の長さによってばらつく。このように、静電容量や配線抵抗にばらつきがあると、圧電素子を挟む２種類の電極間における電圧の立ち上がり立ち下がりにかかる時間（以下、ＴｒＴｆ時間と称す）がばらつき、結果として圧電素子間で動作が不均一になってしまう。すると、インクジェットヘッドでは、ノズル間の噴射特性がばらついてしまう。

そこで、本発明の目的は、少なくとも一部の圧電素子を複数の駆動ＩＣと接続して、複数の圧電素子間での動作を均一にす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。

本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、前記複数の圧電素子と複数の配線を介して接続され、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前記複数の圧電素子を駆動する複数の駆動ＩＣと、を備えており、前記複数の圧電素子のうち少なくとも一部の圧電素子は、各々が前記複数の駆動ＩＣのうち少なくとも２つ以上の駆動ＩＣと接続されており、前記複数の圧電素子のうち残りの圧電素子は、各々が前記複数の駆動ＩＣのうちいずれか１つの駆動ＩＣのみと接続されている。

本発明の圧電アクチュエータ装置によると、複数の圧電素子のうち少なくとも一部の圧電素子については、複数の駆動ＩＣのうち少なくとも２つ以上の駆動ＩＣが接続され、等価的には、駆動ＩＣと圧電素子の間を複数の配線が並列に接続されることになる。したがって、１つの駆動ＩＣのみと接続されている場合と比べて、駆動ＩＣと圧電素子とを接続する配線の抵抗が小さくなり、時定数が小さくなる。

また、別の見方では、複数の圧電素子のうち少なくとも一部の圧電素子については、複数の駆動ＩＣのうち少なくとも２つ以上の駆動ＩＣが接続され、１つの駆動ＩＣのみと接続されている場合と比べて、より多くの駆動ＩＣから充電電流を供給することが可能となり、各々の圧電素子に供給される充電電流の充電速度を速くすることができる。これらから、複数の駆動ＩＣが接続された、少なくとも一部の圧電素子について、圧電素子を挟む２種類の電極間における電圧のＴｒＴｆ時間を短くことができる。これにより、少なくとも一部の圧電素子について複数の駆動ＩＣを接続して、複数の圧電素子間での動作を均一にすることが可能となる。

また、前記少なくとも２つ以上の駆動ＩＣと接続された、前記少なくとも一部の圧電素子は、所定の静電容量よりも大きな静電容量の圧電素子と、前記所定の静電容量以下の静電容量の圧電素子とを含んでおり、前記所定の静電容量よりも大きな静電容量の圧電素子は、接続された全ての駆動ＩＣで駆動し、前記所定の静電容量以下の静電容量の圧電素子は、接続された前記少なくとも２つ以上の駆動ＩＣのうちいずれか１つの駆動ＩＣのみで駆動することが好ましい。

これによると、複数の圧電素子のうち所定の静電容量よりも大きな静電容量となりうる圧電素子については、少なくとも２つ以上の駆動ＩＣをあらかじめ接続しておく。その後、少なくとも２つ以上の駆動ＩＣと接続された圧電素子の静電容量を把握して、実際に所定の静電容量よりも大きな静電容量の圧電素子だけ接続された全ての駆動ＩＣで駆動して、複数の圧電素子間での動作を均一にすることができる。これにより、圧電アクチュエータ装置単体ごとに配線のパターンを変えることもなく、配線のパターンを共通にすることができる。

また、所定の静電容量よりも大きな静電容量の圧電素子のみが、前記少なくとも２つ以上の駆動ＩＣと接続されており、接続された全ての駆動ＩＣで駆動してもよい。

これによると、複数の圧電素子の中から、あらかじめ所定の静電容量よりも大きな静電容量の圧電素子を把握しておく。そして、静電容量の大きな圧電素子については、少なくとも２つ以上の駆動ＩＣを接続し、接続された全ての駆動ＩＣで駆動することで、複数の圧電素子間での動作を均一にすることができる。これにより、圧電素子を複数の駆動ＩＣと接続するための配線を極力減らして、圧電アクチュエータ装置を小型化することができる。

さらに、各駆動ＩＣは、前記圧電素子に充電電流を供給する充電側定電流源と、前記圧電素子からの放電電流を一定に保つ放電側定電流源と、前記複数の圧電素子の充放電される電荷量が等しくなるように、前記充電側定電流源と前記放電側定電流源を制御する制御回路と、を備えていることが好ましい。

これによると、充電側定電流源を用いて充電電流を一定に保つともに、放電側定電流源を用いて放電電流を一定に保ちながら、複数の圧電素子の充放電される電荷量が等しくなるように制御することで、複数の圧電素子の静電容量のばらつきに応じて、複数の圧電素子を挟む２種類の電極間に印加される電圧を変化させて、複数の圧電素子間での動作をより均一にすることができる。

加えて、前記少なくとも一部の圧電素子に属する各々の圧電素子と前記複数の駆動ＩＣのうち少なくとも２つ以上の駆動ＩＣとを接続する複数の前記配線は、長さの長い配線ほど配線幅が太いことが好ましい。

これによると、少なくとも一部の圧電素子に属する各々の圧電素子に接続された複数の配線の配線抵抗のばらつきを小さくすることができる。

また、前記複数の圧電素子は、前記圧電アクチュエータの一表面に平面的に配置され、所定の一方向に配列され、前記一方向と交差する方向に並んだ複数の圧電素子列を形成しており、前記圧電アクチュエータの前記一表面に配置された前記圧電素子と接続された接続部と、前記接続部と繋がり、前記アクチュエータの前記一方向の両側からそれぞれ引き出された引き出し部とを有し、２つの前記引き出し部に前記駆動ＩＣがそれぞれ実装された配線基板をさらに備えており、前記複数の圧電素子列のうち少なくとも一部の圧電素子列は、２つの前記駆動ＩＣと接続された圧電素子の集まりであり、前記２つの駆動ＩＣと接続された各々の圧電素子は、接続される２つの前記駆動ＩＣのうち一方の駆動ＩＣと、当該圧電素子の属する前記圧電素子列の一方の側方から前記配線によって接続され、且つ、他方の駆動ＩＣと、当該圧電素子の属する前記圧電素子列の他方の側方から前記配線によって接続されていることが好ましい。

このように、複数の圧電素子が配置されている領域の両側に駆動ＩＣがそれぞれ配置されて、複数の圧電素子が、２つの駆動ＩＣが並ぶ所定の一方向に配列された複数の圧電素子列を形成するように配置されて、複数の圧電素子列のうち少なくとも一部の圧電素子列が、２つの駆動ＩＣと接続された圧電素子の集まりとなった構成において、２つの駆動ＩＣと接続された各々の圧電素子については、当該圧力素子の属する圧力素子列の一方側と他方側からそれぞれ駆動ＩＣと接続される配線を引き回すことで、配線を引き回しやすい。

少なくとも一部の圧電素子について複数の駆動ＩＣを接続して、複数の圧電素子間での動作を均一にす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ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。ＦＰＣを下方から見た平面図である。個別電極における電圧のＴｒＴｆ時間−ノズルからのインクの噴射速度の特性を示す図である。電圧のＴｒＴｆ時間について説明する電圧波形であり、（ａ）は駆動ＩＣの出力部における電圧波形であり、（ｂ）は１つの駆動ＩＣから供給したときの個別電極における電圧波形であり、（ｃ）は２つの駆動ＩＣから供給したときの個別電極における電圧波形である。変形例におけるＦＰＣを下方から見た平面図である。変形例におけるインクジェットヘッドの断面図である。駆動ＩＣの回路図である。

以下、本発明の実施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を噴射するインクジェットヘッドを有する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の概略構成について説明する。図１は、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。図１に示すように、インクジェットプリンタ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、記録用紙Ｐを走査方向と直交する紙送り方向に搬送する搬送機構４などを備えている。

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の走行にともなって走査方向に移動す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）に複数のノズル３５（図２、図３参照）を有している。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（紙送り方向）に搬送される記録用紙Ｐ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複数のノズル３５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とを有している。給紙ローラ１２と排紙ローラ１３は、それぞれ、給紙モータ１０と排紙モータ１１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Ｐ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などが記録された記録用紙Ｐ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である。図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。なお、図２に示すインクジェットヘッドの平面図では、圧電アクチュエータ３１の上方に配置されるＦＰＣ４５を２点鎖線で示している。図２、図３に示すように、インクジェットヘッド３は、ノズル３５や圧力室３４を含むインク流路が形成された流路ユニット３０と、圧力室３４内のインクに圧力を付与する圧電アクチュエータ３１と、圧電アクチュエータ３１の上面を覆うフレキシブル配線基板４５（ＦＰＣ）とを有している。

まず、流路ユニット３０について説明する。流路ユニット３０は、複数枚のプレートが積層されて構成されたものであり、この流路ユニット３０には、図示しない４つのインクカートリッジにそれぞれ接続される４つのインク供給口３２と、各インク供給口３２に接続され、走査方向と直交する図２の上下方向（紙送り方向）に沿って延びるマニホールド３３と、各マニホールド３３に連通した複数の圧力室３４と、複数の圧力室３４にそれぞれ連通する複数のノズル３５が形成されている。複数の圧力室３４は紙送り方向に延在するマニホールド３３に沿って配列されることで、１つの圧力室列８が構成されている。さらに、走査方向に関して隣接する２つの圧力室列８によって１つの圧力室群７が構成され、流路ユニット３０には、走査方向に並んだ合計５つの圧力室群７が設けられている。

なお、５つの圧力室群７のうち、図２中右側に位置する２つの圧力室群７は、インク供給口３２からブラックインクが供給される、ブラック用の圧力室群７である。また、図２中左側に位置する３つの圧力室群７は、３つのインク供給口３２からそれぞれ３色のカラーインク（イエロー、マゼンタ、シアン）が供給される、カラー用の圧力室群７である。

複数の圧力室３４にそれぞれ連通する複数のノズル３５は、流路ユニット３０の下面に貫通している。そして、これら複数のノズル３５も、複数の圧力室３４と同様に配列されており、図２中右側には、２つの圧力室群７にそれぞれ対応した、ブラックインクを噴射する２つのノズル群が配置され、図２中左側には、３つの圧力室群７にそれぞれ対応した、３色のカラーインク用を噴射する３つのノズル群が配置されている。

そして、ノズル３５が形成された面の、ブラック用のノズル群とカラー用のノズル群の間は、広く間隔があいており、流路ユニット３０のノズル３５内のインクを強制的に排出させるパージ時に、ノズル３５が形成された面を覆うキャップ（図示せず）によって画定される空間を２つに仕切るリップが接触する領域となっている。このように、キャップに空間を仕切るリップが形成されていることで、ブラック用のノズル群とカラー用のノズル群を独立別個にパージすることができる。また、ブラック用のノズル群とカラー用のノズル群の間が広くあいていることで、走査方向に延在したワイパで紙送り方向に沿ってワイピングするときに、ブラックインクがカラー用のノズル３５に付着して混色するのを抑制することができる。

次に、圧電アクチュエータ３１について説明する。圧電アクチュエータ３１は、複数の圧力室３４を覆うように流路ユニット３０に接合された振動板４０と、振動板４０の上面に配置された圧電層４１と、圧電層４１の上面に複数の圧力室３４と対応して設けられた複数の個別電極４２とを有している。

振動板４０は、平面視で略矩形状の金属板であり、例えば、ステンレス鋼などの鉄系合金、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、流路ユニット３０の最上層のプレートの上面に複数の圧力室３４を覆うように配設された状態で接合されている。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、ＦＰＣ４５を介して、常にグランド電位に保持されている。

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る。図２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３４に跨って連続的に形成されている。また、この圧電層４１は、少なくとも圧力室３４と対向する領域において厚み方向に分極されている。

圧電層４１の上面の、複数の圧力室３４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３４よりも一回り小さい略楕円形の平面形状を有し、圧力室３４の中央部と対向している。また、複数の個別電極４２の端部からは、ＦＰＣ４５と接続される複数の接点４３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（圧電素子：以下、活性部４１ａと称す）は、あらかじめ、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４１ａ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４１ａと対向する圧力室３４内のインクに圧力が付与されることになる。

上述した圧電アクチュエータ３１には、この圧電アクチュエータ３１を駆動する２つの駆動ＩＣ４６ａ、４６ｂを実装したＦＰＣ４５が接続されている。そして、ＦＰＣ４５上の配線４８（図４参照）を介して、２つの駆動ＩＣ４６ａ、４６ｂと複数の個別電極４２は電気的に接続され、共通電極としての振動板４０にグランド電位が付与される。

次に、インク噴射時における圧電アクチュエータ３１の作用について説明する。個別電極４２と共通電極としての振動板４０とに挟まれた、各々の活性部４１ａにおいて、電荷が蓄えられていない状態では、個別電極４２の電位が振動板４０と同じグランド電位となっている。このとき、活性部４１ａには電界が作用しておらず、活性部４１ａに圧電歪みは生じていない。

この状態から、ある活性部４１ａに対して、駆動ＩＣ４６から所定の駆動電位が付与されると、個別電極４２の電位がグランド電位の振動板４０に対して高くなる。したがって、この活性部４１ａを挟む個別電極４２と振動板４０との間に、所定の電圧が印加されることになり、活性部４１ａには厚み方向の電界が作用する。

この電界の方向は圧電層４１の分極方向と平行であるから、活性部４１ａ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は流路ユニット３０の最上層のプレート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ともなって、振動板４０の圧力室３４を覆う部分が圧力室３４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３４内の容積が減少するために圧力室３４内のインク圧力が上昇し、この圧力室３４に連通するノズル３５からインクが噴射される。

また、個別電極４２の電位が再びグランド電位になると、活性部４１ａには電界が作用しなくなることから、活性部４１ａの変形状態が解消され、振動板４０は、元の状態（流路ユニット３０を構成するプレートと平行な状態）に戻る。

次に、ＦＰＣ４５について説明する。図４は、ＦＰＣを下方（圧電アクチュエータと接続される面側）から見た平面図である。なお、図４においては、一部の配線だけ図示しており、大部分の配線については図示を省略している。図２に示すように、複数の個別電極４２が配置された圧電アクチュエータ３１（圧電層４１）の上面には、一方向（紙送り方向）に長尺なＦＰＣ４５の中央部が接合されている。そして、ＦＰＣ４５の両端部近傍には、２つの駆動ＩＣ４６ａ、４６ｂが配置されており、ＦＰＣ４５の圧電アクチュエータ３１との接合部分を挟む両側部分の先端部は、２つの駆動ＩＣ４６ａ、４６ｂを駆動する制御基板に接続されている。

図４に示すように、ＦＰＣ４５は、基板４９と、基板４９の表面に形成された複数のバンプ４７と、複数のバンプ４７と２つの駆動ＩＣ４６ａ、４６ｂを接続する複数の配線４８とを有している。複数のバンプ４７は、圧電アクチュエータ３１の接点４３の列に対応して紙送り方向に所定間隔をあけて並べて配置されているとともに、この列が走査方向に複数列並べて配置されている。そして、走査方向の両側のバンプ列６１ａに属する各々のバンプ４７は、２本の配線４８を介して２つの駆動ＩＣ４６ａ、４６ｂの出力部とそれぞれ接続されている。

より具体的には、接続される２つの駆動ＩＣ４６ａ、４６ｂのうち一方の駆動ＩＣ４６ａと、当該バンプ４７の属するバンプ列６１ａの一方の側方から接続され、且つ、他方の駆動ＩＣ４６ｂと、当該バンプ４７の属するバンプ列６１ｂの他方の側方から接続されている。また、残りのバンプ列６１ｂに属する各々のバンプ４７は、紙送り方向の中央を境界として、紙送り方向の両側に配線４８が引き回されて、２つの駆動ＩＣ４６ａ、４６ｂのうち距離が近い側の１つの駆動ＩＣ４６の出力部とそれぞれ接続されている。

ところで、ノズル３５からのインクの噴射特性には、駆動ＩＣ４６から活性部４１ａを挟む個別電極４２と共通電極として機能する振動板４０との間における電圧（振動板４０がグランド電位のため、個別電極４２における電圧と考えることもできる）の立ち上がり立ち下がりにかかる時間（以下、ＴｒＴｆ時間と称す）が影響する。図５は、個別電極における電圧のＴｒＴｆ時間−ノズルからのインクの噴射速度の特性を示す図である。なお、ＴｒＴｆ時間とは、電圧の立ち上がりにかかる時間と立ち下がりにかかる時間をまとめた値であり、この数値が大きいほど立ち上がり立ち下がりにかかる時間が長く、小さいほど立ち上がり立ち下がりにかかる時間が短いことを示している。例えば、図５に示すように、ＴｒＴｆ時間が小さい（短い）と、ノズル３５からのインクの噴射速度が速く、ＴｒＴｆ時間が大きい（長い）と、ノズル３５からのインクの噴射速度が遅くなってしまう。また、ＴｒＴｆ時間がある値よりも小さくなってくると、ノズル３５からのインクの噴射速度はそれ以上速くならずに飽和した速度となる。

ここで、複数の活性部４１ａは静電容量を有していることからコンデンサとして作用し、駆動ＩＣ４６と活性部４１ａは配線４８（接続経路５４）で接続されて、この配線４８は配線抵抗Ｒ２を有している。すると、駆動ＩＣ４６から活性部４１ａまでには等価的にＣＲ回路が存在することになり、個別電極４２における電圧のＴｒＴｆ時間には、このＣＲ回路の時定数が影響することになる。このＣＲ回路の時定数は、活性部４１ａの静電容量、及び、駆動ＩＣ４６と活性部４１ａとを接続する配線４８の配線抵抗Ｒ２に比例しており、上述したように、複数の活性部４１ａ間で静電容量にばらつきが存在する、または、駆動ＩＣ４６と複数の活性部４１ａとを接続する配線４８間で配線抵抗Ｒ２にばらつきが存在する場合には、個別電極４２における電圧のＴｒＴｆ時間にばらつきが生じ、結果として複数の活性部４１ａ間での動作が不均一になってしまう。

ところで、図２に示すように、複数の活性部４１ａを平面的にマトリックス状に配置した場合に、複数の活性部４１ａのうち静電容量が大きくなりやすいのは、走査方向の両側の、紙送り方向に沿った複数の活性部４１ａであることが発明者によって知見されている。すなわち、走査方向の両側の、紙送り方向に沿った活性部４１ａは、他の活性部４１ａに比べて静電容量が大きく、この活性部４１ａに対応する個別電極４２における電圧のＴｒＴｆ時間は長くなってしまう傾向にある。

そこで、この走査方向の両側の、紙送り方向に沿った複数の活性部４１ａについては、図４に示すように、活性部４１ａの接点４３に接続されるバンプ４７に対して、２本の配線４８を介して２つの駆動ＩＣ４６ａ、４６ｂを接続している。そして、２つの駆動ＩＣ４６ａ、４６ｂが接続された複数の活性部４１ａについて、静電容量をそれぞれ測定し、実際に設計値としている静電容量よりも大きな静電容量を有する活性部４１ａについては、２つの駆動ＩＣ４６ａ、４６ｂから同時駆動し、残りの活性部４１ａについては、いずれか１つの駆動ＩＣ４６で駆動する。なお、活性部４１ａの静電容量は、出荷前検査などにおいてＬＣＲメータなどで測定する。

具体的には、インクジェットプリンタ１の制御部７０（図１参照）が、中央処理装置であるＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及び、これらを接続するバスからなるマイクロコンピュータを有しており、このバスには、インクジェットヘッド３の２つの駆動ＩＣ４６ａ、４６ｂなどを制御するＡＳＩＣが接続されている。そして、ＲＯＭに複数の活性部４１ａのうち設計値よりも大きな静電容量の活性部４１ａについての情報が記憶され、このＲＯＭに記憶された情報に基づいて、１つまたは２つの駆動ＩＣ４６が駆動する。

ここで、２つの駆動ＩＣ４６ａ、４６ｂが接続されて、実際に静電容量が大きな活性部４１ａに対応する個別電極４２における電圧のＴｒＴｆ時間について説明する。図６は、電圧のＴｒＴｆ時間について説明する電圧波形であり、（ａ）は駆動ＩＣの出力部における電圧波形であり、（ｂ）は１つの駆動ＩＣから供給したときの個別電極における電圧波形であり、（ｃ）は２つの駆動ＩＣから供給したときの個別電極における電圧波形である。

駆動ＩＣ４６から個別電極４２に対して電圧が印加されると、図６（ａ）に示すように、駆動ＩＣ４６の出力部の電圧はパルス状にほぼ直角に立ち上がる。そして、駆動ＩＣ４６から個別電極４２に対して電圧の印加が停止されると、駆動ＩＣ４６の出力部の電圧はパルス状にほぼ直角に立ち下がる。

このとき、例えば、２つの駆動ＩＣ４６ａ、４６ｂに接続された活性部４１ａに対応する個別電極４２に対して、１つの駆動ＩＣ４６ａからだけ電圧を印加していたとすると、図６（ｂ）に示すように、個別電極４２の電圧は、駆動ＩＣ４６ａの出力部のように俊敏に立ち上がったり立ち下がったりせずに、長い時間をかけて立ち上がったり立ち下がったりする。一方、２つの駆動ＩＣ４６ａ、４６ｂに接続された活性部４１ａに対応する個別電極４２に対して、２つの駆動ＩＣ４６ａ、４６ｂから同時に電圧を印加していたと、図６（ｃ）に示すように、個別電極４２の電圧は、図６（ｂ）に比べて短い時間で立ち上がったり立ち下がったりする。

これは、活性部４１ａを２つの駆動ＩＣ４６ａ、４６ｂで駆動するために２本の配線４８が接続されていることで、２つの駆動ＩＣ４６ａ、４６ｂと活性部４１ａとを接続する配線４８の配線抵抗Ｒ２が小さくなり、ＣＲ回路の時定数が小さくなったからである。また、別の見方では、２つの駆動ＩＣ４６ａ、４６ｂから電流が供給されるため、充電電流の供給速度を速くすることができ、また、２つの駆動ＩＣ４６ａ、４６ｂから放電されるため、放電電流の放電速度を速くすることができる。これらから、２つの駆動ＩＣ４６ａ、４６ｂによって駆動される活性部４１ａに対応する個別電極４２における電圧のＴｒＴｆ時間を短くすることができる。

これにより、複数の活性部４１ａのうち、静電容量の大きな活性部４１ａに対して、２つの駆動ＩＣ４６ａ、４６ｂを接続して、複数の活性部４１ａ間での動作を均一にすることができる。これにより、ノズル３５からのインクの噴射速度のばらつきを抑えて、噴射特性のばらつきを抑えることができる。

また、複数の活性部４１ａのうち設計値よりも大きな静電容量となりうる活性部４１ａに２つの駆動ＩＣ４６ａ、４６ｂをあらかじめ接続した後、２つの駆動ＩＣ４６ａ、４６ｂと接続した活性部４１ａの静電容量を把握して、実際に設計値よりも大きな静電容量の活性部４１ａだけ２つの駆動ＩＣ４６ａ、４６ｂで駆動して、複数の活性部４１ａ間での動作を均一にしている。これにより、圧電アクチュエータ３１単体ごとに配線のパターンを変えることもなく、複数の圧電アクチュエータ３１の配線のパターンを共通にすることができる。また、全ての活性部４１ａに対して２つの駆動ＩＣ４６ａ、４６ｂを接続する場合に比べて、配線数を極力減らして、他の配線を引き回しやすくすることができる。

さらに、複数の活性部４１ａと対応するバンプ４７の配置されている領域の紙送り方向の両側に２つの駆動ＩＣ４６ａ、４６ｂが配置されており、複数のバンプ４７が２つの駆動ＩＣ４６ａ、４６ｂの並ぶ方向と平行な走査方向に配列された複数のバンプ列６１ａ、６１ｂを形成するように配置されて、複数のバンプ列６１ａ、６１ｂのうち走査方向の両側のバンプ列６１ａが、２つの駆動ＩＣ４６ａ、４６ｂと接続されたバンプ４７の集まりとなった構成において、そのバンプ列６１ａの一方側と他方側から２つの駆動ＩＣ４６ａ、４６ｂと接続される配線４８を引き回すことで、配線の引き回しが容易となる。

次に、本実施の形態に種々の変更を加えた変形例について説明する。ただし、上述した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。

本実施形態においては、複数の活性部４１ａのうち走査方向の両側に並ぶ活性部４１ａについては静電容量が大きくなりやすい傾向にあることから、２つの駆動ＩＣ４６ａ、４６ｂを接続していたが、これ以外の活性部４１ａについても２つの駆動ＩＣ４６ａ、４６ｂを接続してもよい。例えば、図２に示す圧電アクチュエータ３１は、上述したように、ブラック用のノズル群とカラー用のノズル群の間が広くあいている。そこで、図７に示すように、この空間を挟んでカラー用のノズル群と隣接しているブラック用のノズル群に属するノズル列に対応するバンプ列６１ｃに属するバンプ４７についても２つの駆動ＩＣ４６ａ、４６ｂを接続する。

これにより、例えば、シリアル式のインクジェットヘッド３においては、モノクロ印字時に、ブラック用の全てのノズル３５を利用せずに、ブラック用の一部のノズル３５だけを利用して印字を行う場合がある。このような場合に、２つの駆動ＩＣ４６ａ、４６ｂと接続された活性部４１ａに対応する、ブラック用のノズル群の走査方向両側のノズル列に属するノズル３５を利用し、このノズル３５に対応する活性部４１ａを２つの駆動ＩＣ４６ａ、４６ｂで駆動する。このように、２つの駆動ＩＣ４６ａ、４６ｂと接続された活性部４１ａに対応したノズル３５を利用して、このノズル３５に対応した活性部４１ａを２つの駆動ＩＣ４６ａ、４６ｂで駆動することで、選択されたノズル３５に対応した活性部４１ａ間での動作を均一にすることができる。

また、本実施形態においては、２つの駆動ＩＣ４６ａ、４６ｂと接続された複数の活性部４１ａのうち静電容量が大きな活性部４１ａだけ２つの駆動ＩＣ４６ａ、４６ｂで駆動していたが、２つの駆動ＩＣ４６ａ、４６ｂと接続された全ての活性部４１ａを２つの駆動ＩＣ４６ａ、４６ｂで駆動してもよい。例えば、圧電アクチュエータ３１をＦＰＣ４５と接続する前に、複数の活性部４１ａの静電容量をあらかじめ測定しておき、実際に静電容量の大きな活性部４１ａに対してだけ２つの駆動ＩＣ４６ａ、４６ｂを接続するように配線４８を形成する。これにより、ＦＰＣ４５のそれぞれで配線パターンは異なったものになるが、配線数を無駄に増やすことがない。

さらに、本実施形態においては、複数の活性部４１ａのうち一部の活性部４１ａに対してだけ２つの駆動ＩＣ４６ａ、４６ｂと接続していたが、全ての活性部４１ａに対して２つの駆動ＩＣ４６ａ、４６ｂを接続してもよい。そして、全ての活性部４１ａに対して２つの駆動ＩＣ４６ａ、４６ｂで駆動してもよいし、一部の活性部４１ａだけ２つの駆動ＩＣ４６ａ、４６ｂで駆動して、残りの活性部４１ａについては１つの駆動ＩＣ４６のみで駆動してもよい。

加えて、本実施形態においては、圧電アクチュエータ３１の隣接する活性部４１ａ（圧電素子）が周囲の圧電層４１を介して繋がっていたが、図８に示すように、圧電アクチュエータ１３１の複数の活性部１４１ａ（圧電素子）が、それぞれ別の圧電層１４１からなり、互いに分離して配置されていてもよい。

また、本実施形態においては、２つの駆動ＩＣ４６ａ、４６ｂが設けられていたが、３以上の駆動ＩＣ４６が設けられていてもよい。そして、複数の活性部４１ａのうち少なくとも一部の活性部４１ａが３つ以上の駆動ＩＣ４６のうち２つ以上の駆動ＩＣ４６と接続されていればよい。

また、本実施形態においては、静電容量が大きくなる傾向にある走査方向の両側の活性部４１ａに対して２つの駆動ＩＣ４６ａ、４６ｂを接続していたが、複数の活性部４１ａのうち静電容量が大きくなりやすい活性部４１ａは、配置の仕方や活性部４１ａの形成方法によるため、静電容量が大きくなりやすい活性部４１ａの存在する領域に対して、任意の位置の活性部４１ａに対して２つの駆動ＩＣ４６ａ、４６ｂを接続すればよい。

さらに、１つの活性部４１ａを２つの駆動ＩＣ４６ａ、４６ｂと接続する２本の配線４８は、長さの長い配線ほど配線幅を太くしていてもよい。これによると、１つの活性部４１ａに接続された２本の配線４８の配線抵抗を均一にすることができ、これらの配線４８と接続された２つの駆動ＩＣ４６ａ、４６ｂの発熱量を均一にすることができる。これにより、複数の駆動ＩＣ４６の寿命が平均化されて、インクジェットヘッド３の寿命を延ばすことができる。

また、本実施形態においては、活性部４１ａに対して一定電圧を印加する定電圧方式で活性部４１ａを駆動していたが、活性部４１ａに対して一定電流を供給する定電流方式で活性部４１ａを駆動してもよい。

このときの駆動ＩＣ４６の具体的な構成について説明する。図９は、駆動ＩＣの回路図である。なお、図９においては、２つの駆動ＩＣ４６ａ、４６ｂの回路図に加えて、２つの駆動ＩＣ４６ａ、４６ｂのどちらにも接続された活性部４１ａについても図示している。また、図９のＣ１、Ｃ２は導通しているポイントであり、図示したときに離れている２点を概略的に接続している。図９に示すように、各駆動ＩＣ４６は、電源電圧（ＶＤＤ）に接続された２つの定電流源（充電側定電流源５０、放電側定電流源５１）と、充電側定電流源５０と複数の活性部４１ａとの接続／遮断をそれぞれ切り換える充電スイッチＳＷ１と、放電側定電流源５１と複数の活性部４１ａとの接続／遮断をそれぞれ切り換える放電スイッチＳＷ２と、複数の充電スイッチＳＷ１及び複数の放電スイッチＳＷ２の切り換えを制御する充放電制御回路５２とを有している。

充電側定電流源５０と放電側定電流源５１は、それぞれ、ＭＯＳＦＥＴ型トランジスタＴａと、トランジスタＴａのソースに接続された抵抗Ｒ１と、複数の活性部４１ａにそれぞれ対応した複数のＭＯＳＦＥＴ型トランジスタＴｂとを有している。各々の定電流源５０、５１のトランジスタＴａのドレインは電源（ＶＤＤ）と接続され、ソースは抵抗Ｒ１を介してグランドと接続されている。

充電側定電流源５０の複数のトランジスタＴｂのドレインは、電源（ＶＤＤ）と接続されている。また、放電側定電流源５１の複数のトランジスタＴｂのソースは、グランドと接続されている。さらに、充電側定電流源５０の複数のトランジスタＴｂのソースと放電側定電流源５１の複数のトランジスタＴｂのドレインとがそれぞれ接続され、上述した複数の活性部４１ａの充放電をそれぞれ行うための複数の充放電経路５３が構成されている。また、各充放電経路５３からは、活性部４１ａの個別電極４２と接続される接続経路５４が分岐している。図５では、２つの駆動ＩＣ４６ａ、４６ｂの充放電経路５３から分岐した接続経路５４が共通に１つの活性部４１ａの個別電極４２と接続されている。すなわち、図４の走査方向の両側のバンプ列６１ａに属する活性部４１ａについて図示している。図４の残りのバンプ列６１ｂに属する活性部４１ａについては、図５では図示していないが、いずれか１つの駆動ＩＣ４６の充放電経路５３から分岐した接続経路５４と接続されている。なお、接続経路５４は、図４に示す駆動ＩＣ４６とバンプ４７を接続する配線４８の配線抵抗Ｒ２を含んでいる。

また、各々の定電流源５０、５１において、トランジスタＴａ、Ｔｂのゲート端子は互いに接続されるとともに、これらゲート端子には電源電圧（ＶＤＤ）が印加されており、トランジスタＴａ、Ｔｂはカレントミラー回路を構成している。これにより、トランジスタＴａのドレイン−ソース間には抵抗Ｒ１によって定まる一定の電流が流れる一方で、トランジスタＴａとそれぞれカレントミラー回路を構成する、複数のトランジスタＴｂのドレイン−ソース間にもトランジスタＴａと同じ一定の電流が流れることになる。これにより、活性部４１ａへの充電時には充電側定電流源５０により活性部４１ａへ供給される充電電流が一定に保たれ、また、活性部４１ａからの放電時には活性部４１ａからの放電電流が放電側定電流源５１によって一定に保たれる。

そして、接続経路５４の充放電経路５３からの分岐点Ｐ１と充電側定電流源５０との間、及び、分岐点Ｐ１と放電側定電流源５１との間に、ＭＯＳＦＥＴ型のトランジスタＴ１、Ｔ２からなる、充電スイッチＳＷ１及び放電スイッチＳＷ２がそれぞれ設けられている。充電スイッチＳＷ１は、ＯＮのときに充電側定電流源５０と活性部４１ａとを接続して、活性部４１ａへの充電を行う。また、放電スイッチＳＷ２は、ＯＮのときに放電側定電流源５１と活性部４１ａとを接続して、活性部４１ａの放電を行う。

充放電制御回路５２は、各充放電経路５３に設けられた、充電スイッチＳＷ１を構成するトランジスタＴ１と放電スイッチＳＷ２を構成するトランジスタＴ２の、それぞれのゲート端子にゲート電圧を印加して、充電スイッチＳＷ１及び放電スイッチＳＷ２のＯＮ／ＯＦＦを切り換える。

より具体的には、充放電制御回路５２は、活性部４１ａに電圧を印加して活性部４１ａに圧電変形を生じさせる際には、充電スイッチＳＷ１をＯＮにするとともに放電スイッチＳＷ２をＯＦＦにし、充電側定電流源５０と活性部４１ａとを接続して、図５中矢印Ａで示す経路で活性部４１ａに一定の充電電流を供給する。また、活性部４１ａの電圧を０にして活性部４１ａの変形を元に戻す際には、充電スイッチＳＷ１をＯＦＦにするとともに放電スイッチＳＷ２をＯＮにし、図５中矢印Ｂで示す経路で活性部４１ａに蓄えられた電荷を、一定の放電電流で放電する。

このとき、充放電制御回路５２は、複数の活性部４１ａの充放電される電荷量が等しくなるように充電スイッチＳＷ１及び放電スイッチＳＷ２の切り換えタイミング（すなわち、充電時間及び放電時間）を制御する。

ここで、各圧力室３４内のインクに付与される圧力（すなわち、ノズル３５から噴射されるインクに与えられるエネルギー）は、各活性部４１ａに電圧（個別電極４２と共通電極としての振動板４０との電位差）が印加されたときの圧電変形量によって定まる。しかしながら、複数の活性部４１ａ間で静電容量にばらつきが存在する場合には、同じ電圧が印加されても静電容量の大きさによって圧電変形量が異なる。例えば、厚みが小さい（静電容量が大きい）活性部４１ａにおいては変形量が大きくなり、厚みが大きい（静電容量が小さい）活性部４１ａにおいては変形量が小さくなってしまう。

そこで、上述した定電流方式を用いて、Ｑ＝ＣＶの関係においてＱが一定とすることで、静電容量が大きい活性部４１ａへの印加電圧は小さく、逆に、静電容量が小さい活性部４１ａへの印加電圧は大きくなることから、活性部４１ａに対して一定電圧を印加して駆動する定電圧方式に比べて、複数の活性部４１ａ間での圧電変形量のばらつきが抑えられる。これにより、複数の活性部４１ａ間での駆動が均一になり、流路ユニット３０のノズル３５からのインクの噴射量のばらつきが抑えられて、複数のノズル３５からのインクの噴射特性のばらつきを抑制することができる。

以上、説明した実施形態及びその変更形態では、本発明を、記録用紙にインクを噴射して画像などを記録するインクジェットヘッド用の、複数の駆動ＩＣを有する圧電アクチュエータに適用したが、本発明の適用対象は、このようなインクジェットヘッド用の圧電アクチュエータに限られず、様々な用途に使用され、複数の駆動ＩＣを有する圧電アクチュエータに適用できる。

１プリンタ
３１圧電アクチュエータ
４０振動板
４２個別電極
４５ＦＰＣ
４６ａ、４６ｂ駆動ＩＣ
４８配線

Claims

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、
前記複数の圧電素子と複数の配線を介して接続され、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前記複数の圧電素子を駆動する複数の駆動ＩＣと、を備えており、
前記複数の圧電素子のうち少なくとも一部の圧電素子は、各々が前記複数の駆動ＩＣのうち少なくとも２つ以上の駆動ＩＣと接続されており、
前記複数の圧電素子のうち残りの圧電素子は、各々が前記複数の駆動ＩＣのうちいずれか１つの駆動ＩＣのみと接続されていることを特徴とする圧電アクチュエータ装置。
前記少なくとも２つ以上の駆動ＩＣと接続された圧電素子は、所定の静電容量よりも大きな静電容量の圧電素子と、前記所定の静電容量以下の静電容量の圧電素子とを含んでおり、
前記所定の静電容量よりも大きな静電容量の圧電素子は、接続された全ての駆動ＩＣで駆動し、
前記所定の静電容量以下の静電容量の圧電素子は、接続された前記少なくとも２つ以上の駆動ＩＣのうちいずれか１つの駆動ＩＣのみで駆動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。
所定の静電容量よりも大きな静電容量の圧電素子のみが、前記少なくとも２つ以上の駆動ＩＣと接続されており、接続された全ての駆動ＩＣで駆動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。
各駆動ＩＣは、
前記圧電素子に充電電流を供給する充電側定電流源と、
前記圧電素子からの放電電流を一定に保つ放電側定電流源と、
前記複数の圧電素子の充放電される電荷量が等しくなるように、前記充電側定電流源と前記放電側定電流源を制御する制御回路と、を備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータ装置。
前記少なくとも２つ以上の駆動ＩＣと接続された各々の圧電素子と前記少なくとも２つ以上の駆動ＩＣとを接続する複数の前記配線は、長さの長い配線ほど配線幅が太いことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータ装置。
前記複数の圧電素子は、前記圧電アクチュエータの一表面に平面的に配置され、所定の一方向に配列され、前記一方向と交差する方向に並んだ複数の圧電素子列を形成しており、
前記圧電アクチュエータの前記一表面に配置された前記圧電素子と接続された接続部と、前記接続部と繋がり、前記アクチュエータの前記一方向の両側からそれぞれ引き出された引き出し部とを有し、２つの前記引き出し部に前記駆動ＩＣがそれぞれ実装された配線基板をさらに備えており、
前記複数の圧電素子列のうち少なくとも一部の圧電素子列は、２つの前記駆動ＩＣと接続された圧電素子の集まりであり、
前記２つの駆動ＩＣと接続された各々の圧電素子は、接続される２つの前記駆動ＩＣのうち一方の駆動ＩＣと、当該圧電素子の属する前記圧電素子列の一方の側方から前記配線によって接続され、且つ、他方の駆動ＩＣと、当該圧電素子の属する前記圧電素子列の他方の側方から前記配線によって接続されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータ装置。