JP6009250B2 - ヘッド駆動回路及びインクジェット装置 - Google Patents

Description

本発明は、インク滴を被記録媒体上に吐出・着弾して画像を形成するインクジェット記録装置に係り、特にインク滴を吐出するための圧電素子に駆動信号を出力する記録ヘッド駆動回路に関するものである。

プリンタ、ファクシミリ、複写機、これらの複合機などの画像形成装置として、インクジェット記録装置が知られている。このインクジェット記録装置は、インクジェット記録ヘッドからインク滴を用紙やＯＨＰなどの被記録媒体上に吐出して所望の画像を形成するものである。

前記インクジェット記録ヘッドとしては、インク流路内のインクを加圧する圧力発生手段として圧電素子を用い、インク流路の壁面を形成する振動板を前記圧電素子で微振動させることにより、インク流路内の容積を変化させてインク滴を吐出させる方法が知られている。

インクジェット記録装置内において、負荷の短絡による過電流異常や過電圧・低電圧などの電源電圧に関わる異常が発生することがある。従来、インクジェット記録装置内に電源制御回路を設け、前記異常発生時にインクジェット記録ヘッド及び駆動回路の電源供給を停止して回路を保護する技術や、前記圧電素子への駆動電圧と逆位相の電圧を印加することで、異常発生時の残留電荷による無駄なインク滴の吐出を防止する技術が既に知られている。

例えば特開２０１１−３７１９６号公報（特許文献１）には、予期せぬ形で発生し得る各種接続線間の短絡異常から駆動回路を保護する目的で、短絡異常が検知された場合は、制御回路によって電源生成回路などの電源出力を停止させることで、インクジェット記録ヘッドへの負荷電源の供給が停止されるとともに、駆動回路内で前記電源生成回路から電源供給を受ける回路（具体的には負荷電源ラインに接続されている回路部品）に対する電源の供給も停止される。
これにより、駆動電圧の出力回路（具体的にはアイソレーダ・ドライバＩＣなど）への電源供給を停止することができ、インクジェット記録ヘッドに対する駆動電圧の供給を停止することが開示されている（従来技術１）。

また特許第３２５２６２８号公報（特許文献２）には、通常駆動時には、圧電素子を駆動するための振動板と電極間の残留電荷が作り出した電界による無駄なインク滴の吐出を防止することが目的で、前記残留電荷を消滅させるために、制御回路から駆動電圧である印加パルス電圧と逆位相のリフレッシュパルス電圧を印加している。

また、振動板と電極間で構成されているコンデンサと外部の抵抗体の定数を任意に設定することで、残留電荷が消滅する時定数を決定し、リフレッシュパルス電圧の後端部に傾きが生じ、効果的に無駄なインク滴の吐出を防止できることが開示されている（従来技術２）。

しかしながら、前記従来技術１の印字動作停止時にインクジェット記録ヘッド及び駆動回路への電源供給を停止する制御では、供給停止時に圧電素子への印加電圧が過渡状態となり、前記印加電圧は電源に接続された負荷容量に依存するため、立ち上がり速度を制御することができない。

インクジェット記録ヘッドによるインク滴の吐出は、駆動回路からの印加電圧により圧電素子を変位させ、その変位量と変位速度に起因するものであり、特に電源に接続された負荷容量が小さい場合には、前記印加電圧の立ち下がり速度が急峻なために圧電素子の変位速度が速く、無駄なインク滴を吐出することになる。それに加えて、圧電素子の急激な変位に伴う早期劣化を招くという問題もある。これらの問題については、後で具体的に説明する。

また、前記従来技術２の圧電素子への駆動電圧と逆位相の電圧を印加する制御では、通常駆動時の残留電荷による無駄なインク滴の吐出を防止することはできるが、異常発生時にはリフレッシュパルス電圧の印加よりも速く印字パルスが立ち下がるため、無駄なインク滴の吐出が発生するという問題は解消できない。

本発明の目的は、インクジェット記録装置内の異常発生時において、圧電素子を駆動するための基準電圧を生成する基準電圧生成回路を保護するとともに、インクジェット記録ヘッドからの無駄なインク滴の吐出、及び圧電素子の早期劣化が防止できるインクジェット記録装置を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明は、インクジェットヘッドに用いられる圧電素子に駆動電圧を印加するヘッド駆動回路であって、入力されるデジタルデータに応じてアナログ電圧を生成するＤ／Ａコンバータと、前記Ｄ／Ａコンバータの入力端子部に接続され、基準電圧を生成する基準電圧生成回路と、を備え、前記駆動電圧は、前記アナログ電圧に基づいて生成され、前記基準電圧生成回路は、キャパシタと抵抗体からなるＣＲ回路と、電圧源と、スイッチングデバイスと、を備え、前記スイッチングデバイスは、前記ＣＲ回路に対して前記電圧源と並行に接続され、エラー信号の入力により前記端子部の電位を接地電位にする、ことを特徴とするヘッド駆動回路を対象とするものである。

そして、前記基準電圧生成回路は例えばスイッチングデバイスとキャパシタと抵抗体を備えており、その基準電圧生成回路が、当該インクジェット記録装置の異常時における前記基準電圧の低下状態が制御できる構成になっていることを特徴とするものである。

本発明は前述のような構成になっており、インクジェット記録ヘッドからの無駄なインク滴の吐出、及び圧電素子の早期劣化が防止できるインクジェット記録装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係るインクジェット記録装置の概略構成図である。 そのインクジェット記録装置に用いられるインクジェット記録ヘッド全体の概略構成を示す側面図である。 そのインクジェット記録ヘッドにおけるインク滴吐出ノズル面の拡大底面図である。 記録ヘッド本体でのインク滴の吐出原理を説明するための図で、同図（ａ）は圧電素子に駆動電圧を印加する前の状態を示す図、同図（ｂ）は圧電素子に駆動電圧を印加したときの状態を示す図である。 本発明の実施形態に係るドライバ基板（上位基板）上に搭載されている記録ヘッド駆動回路を示すブロック図である。 インクジェット記録ヘッドに供給する駆動電圧の波形図で、同図（ａ）は従来技術１の制御手法を用いたときの駆動電圧の波形図、同図（ｂ）は本発明の実施形態に係る駆動電圧の波形図である。 異常発生時での圧電素子の動作を説明するための図で、同図（ａ）は従来技術１の制御手法を用いたときの圧電素子の動作説明図、同図（ｂ）は本発明の実施形態に係る圧電素子の動作説明図である。

前にも述べたようにインクジェット記録装置内においては、負荷の短絡による過電流異常や過電圧・低電圧などの電源電圧に関わる異常が発生することがある。本発明は、インクジェット記録装置内の異常発生時に、インクジェット記録ヘッドからの無駄なインク滴の吐出、及び圧電素子の早期劣化を防止するために、下記の特徴を有している。

すなわち本発明では、Ｄ／Ａコンバータの基準電圧端子にスイッチングデバイスとＣＲ回路で構成された電圧引き抜き回路（基準電圧生成回路）を設けて、インクジェット記録装置内の短絡異常を含む全ての異常発生時において、スイッチングデバイスをＯＮさせることによりキャパシタに充電された電荷を放電し、従来技術１の制御手法に比べて基準電圧を緩やかに立ち下げる。

そのため、圧電素子を駆動するための基準電圧を生成する基準電圧生成回路を保護できるとともに、電源に接続された負荷容量に応じたＣＲ回路の容量値Ｃと抵抗体値Ｒを適宜に設定することで、過渡状態時の印加電圧の立ち下がり速度を制御できることが特徴になっている。
また、過渡状態時の印加電圧の立ち下がり速度を制御できるため、圧電素子の変位速度を制御できることが特徴になっている。

次に本発明の実施形態について図面とともに説明する。図１は、本発明の実施形態に係るインクジェット記録装置Ｘの概略構成図である。
インクジェット記録装置Ｘは、用紙供給部２と用紙回収部１３の間に配置されている。用紙供給部２から高速で繰り出された連続した記録用紙（被記録媒体）１は、インクジェット記録装置Ｘで所望のカラー画像が形成されて、用紙回収部１３で順次巻き取って回収される。

インクジェット記録装置Ｘ内の用紙搬送装置は、用紙供給部２から供給された記録用紙１の幅方向の位置決めを行う規制ガイド３、駆動ローラと従動ローラで構成されたインフィードローラ４、記録用紙１の張力に対応して位置信号を出力するダンサローラ５、記録用紙１の蛇行を制御するＥＰＣ（Edge Position Control）６、蛇行量のフィードバックに使用する蛇行量検出器７、記録用紙１を設定された速度で搬送するために一定速度で回転する駆動ローラと従動ローラで構成されたアウトフィードローラ１１、記録用紙１を装置外に排紙する駆動ローラと従動ローラからなるプラー１２などから構成されている。

この用紙搬送装置は、ダンサローラ５の位置検出を行い、インフィードローラ４の回転を制御して搬送中の記録用紙１の張力を一定に保つ張力制御型の用紙搬送装置である。

またインクジェット記録装置Ｘ内には、インクジェット記録ヘッド８と、インクジェット記録ヘッド８と対向するように設けられたプラテン９と、インクジェット記録ヘッド８の搬送方向後流側に配置された乾燥手段１０が設けられている。

前記インクジェット記録ヘッド８は印字ノズル１９（図３参照）を印刷幅全域に設けたラインヘッドを有し、カラー印刷はブラック、シアン、マゼンダ、イエローの各ラインヘッドにより行われ、図１に示すように各ラインヘッドのインク滴吐出ノズル面１５（図３参照）はプラテン９上に所定の隙間を保って支持されている。インクジェット記録ヘッド８が用紙搬送速度に同期してインク滴を吐出することで、記録用紙１上にカラー画像を形成する。

前記乾燥手段１０は、インクジェット記録ヘッド８により形成されたカラー画像を記録用紙１に定着させるためのものである。本実施形態において乾燥手段１０は記録用紙１から若干離れた非接触式の乾燥装置を用いているが、接触式の乾燥装置であってもよい。

図２は、インクジェット記録ヘッド８全体の概略構成を示す側面図である。
同図に示しているようにインクジェット記録ヘッド８は、記録ヘッド本体１４と、ドライバ基板（上位基板）１７と、ツイストフラットケーブル１８から主に構成されており、記録ヘッド本体１４とドライバ基板（上位基板）１７はツイストフラットケーブル１８を介して接続されている。

前記ドライバ基板１７は、記録ヘッド本体１４内の圧電素子２０（図４参照）を駆動するための駆動波形、及び画像データ信号を生成するための回路を実装したリジッド基板である。

図２に示しているように、記録ヘッド本体１４の下面側がインク滴吐出ノズル面１５となっている。記録ヘッド本体１４が故障した場合は、ツイストフラットケーブル１８を外して、記録ヘッド本体１４のみを交換するようになっている。

なお図２は、図面を簡略化するため、ドライバ基板１７と記録ヘッド本体１４を一対一の関係で図示しているが、実際には１枚のドライバ基板１７に対して複数個の記録ヘッド本体１４が接続されて駆動できる構成になっている。

図３は、前記インク滴吐出ノズル面１５の拡大底面図である。
同図に示しているようにインク滴吐出ノズル面１５には多数の印字ノズル１９が千鳥状に配列されており、本実施形態では印字ノズル１９が２列各６４個千鳥状に配列されている。このように多数の印字ノズル１９を千鳥状に配列することで、高解像度に対応している。

図４は記録ヘッド本体１４でのインク滴の吐出原理を説明するための図で、同図（ａ）は圧電素子２０に駆動電圧を印加する前の状態を示す図、同図（ｂ）は圧電素子２０に駆動電圧を印加したときの状態を示す図である。

同図に示されているように、圧力室２１内に満たされているインク２２を加圧する圧力発生手段として圧電素子２０が用いられている。この圧電素子２０に印加される電圧の振幅とスル―レートに応じて、同図（ｂ）に示すように上下方向に変位した圧電素子２０は、圧力室２１の壁面を形成する振動板２３を介して圧力室２１内のインク２２を加圧して（圧力室２１内の容積を同図（ａ）から同図（ｂ）に示すように変化させて）、印字ノズル１９からインク滴２４を吐出させる原理になっている。
なお、圧電素子２０は圧力室２１内のインク２２とは直接接触しないため、圧電素子２０の劣化を防止する構造となっている。

図５は、前記ドライバ基板（上位基板）１７の記録ヘッド駆動回路３１を示すブロック図である。
同図に示しているように、ドライバ基板１７上に搭載されている記録ヘッド駆動回路３１は、入力されるデジタルデータ２５に応じたアナログ電圧２６を生成するＤ／Ａコンバータ２７と、前記アナログ電圧２６を増幅する電圧増幅回路２８と、電圧増幅回路２８から出力される電圧を電流増幅する電流増幅回路２９と、電圧引き抜き回路（基準電圧生成回路）１６から主に構成されている。なお、電圧増幅回路２８ならびに電流増幅回路２９は公知の構成であるので、詳細な説明は省略する。

電流増幅回路２９（記録ヘッド駆動回路１６）から出力される駆動電圧３０をインクジェット記録ヘッド本体１４に印加することで、インク滴２４（図４（ｂ）参照）の吐出制御を行う。インクジェット記録ヘッド本体１４の駆動部は、インク滴２４の有無に応じてＯＮ／ＯＦＦ制御を行うトランスファーゲート３２と、圧電素子２０を対にして、多数備えられている。

前記電圧引き抜き回路（基準電圧生成回路）１６は、キャパシタ３５と抵抗体３６からなるＣＲ回路と、スイッチングデバイス３７と、電圧源３９から構成され、図に示すような接続関係になっている。この電圧引き抜き回路（基準電圧生成回路）１６は、Ｄ／Ａコンバータ２７の基準電圧３４の入力部（端子部）に接続されている。

前記スイッチングデバイス３７としては、例えばバイポーラジャンクショントランジスタ（ＢＪＴ：Bipolar Junction Transistor）若しくは電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Field Effect Transistor）などが用いられる。ＢＪＴやＦＥＴを用いた場合、制御ＩＣから出力される、エラー信号としての小電流もしくは低電圧のデジタル信号を増幅させ、高速にスイッチングするという特長を有している。

次に本実施形態における異常発生時における電圧引き抜き回路１６の動作について説明する。異常発生時にはエラー信号３８が電圧引き抜き回路１６のスイッチングデバイス３７に入力されると、スイッチングデバイス３７がＯＮ状態となり、Ｄ／Ａコンバータ２７の基準電位３４を接地電位まで立ち下げる。また、Ｄ／Ａコンバータ２７から出力されるアナログ電圧２６は、Ｄ／Ａコンバータ２７の基準電位３４端子に入力される電圧源３９を基準として生成されるため、Ｄ／Ａコンバータ２７の基準電位３４の立ち下がりに同期して、記録ヘッド駆動回路３１から出力される駆動電圧３０も立ち下がる。

異常発生時のＤ／Ａコンバータ２７の基準電位３４の立ち下がり時間をτとすると、立ち下がり時間τはキャパシタ３５の容量値Ｃと抵抗体３６の抵抗体値Ｒの積（τ＝Ｃ×Ｒ）で表され、インクジェット記録ヘッド本体１４の特性に応じた容量値Ｃと抵抗体値Ｒを設定することで、Ｄ／Ａコンバータ２７の基準電位３４の立ち下がり時間τと記録ヘッド駆動回路３１の駆動電圧３０の立ち下がり時間を任意に制御できる。

前記従来技術１では、異常発生時に制御回路によって駆動回路の電源供給を停止することで、インクジェット記録ヘッドへの駆動電圧も瞬時に停止されるが、急峻な駆動電圧の立ち下がりによる無駄なインク滴の吐出、及び圧電素子の早期劣化は防止できない。

また従来技術２では、通常駆動時の駆動電圧である印字パルス電圧に対して、振動板と電極で構成されるコンデンサと外部の抵抗体の値を設定し、制御回路からの逆位相のリフレッシュパルス電圧を印加することで残留電荷による無駄なインク滴の吐出は防止できるが、異常発生時に伴い印字動作を停止する際には、リフレッシュパルス電圧はある程度のパルス幅を有しているため、リフレッシュパルス電圧を印加するより速く印字パルス電圧が急峻に立ち下がり、無駄なインク滴の吐出を防止することはできない。

これに対して本発明では、Ｄ／Ａコンバータ２７の基準電位３４端子にＣＲ回路とスイッチングデバイス３７から構成される電圧引き抜き回路１６が接続されているため、異常発生と同時にエラー信号が入力され、Ｄ／Ａコンバータ２７の基準電位３４を任意の立ち下がり時間で引き抜くことで、インクジェット記録ヘッド本体１４に印加される駆動電圧３０の立ち下がり時間を任意に制御できる。
これにより、異常発生時の無駄なインク滴の吐出、及び圧電素子の早期劣化を防止できる効果を有する。

図６はインクジェット記録ヘッドに供給する駆動電圧の波形図で、電圧軸４０と時間軸４５の両軸で示されている。
同図（ａ）は、前記従来技術１の制御手法を用いたときの駆動電圧の波形図である。正常駆動時の駆動電圧４１は、エラー信号入力時４２直後に出力回路への電源供給を停止するため、電源に接続された負荷容量に応じて、過渡状態時に急峻に立ち下がる駆動電圧４３となる場合がある。

これに対して同図（ｂ）は、本発明の実施形態に係る駆動電圧の波形図である。図５に示されているＤ／Ａコンバータ２７の基準電位３４にキャパシタ３５と抵抗体３６からなるＣＲ回路を接続するため、電源に接続された負荷容量に応じて、キャパシタ３５の容量値Ｃと抵抗体３６の抵抗体値Ｒを任意に設定することができる。

そのため図６（ｂ）に示すように、エラー信号入力時４２直後の過渡状態時に、駆動電圧４４を緩やかに立ち下げるように制御できる。

図７は、異常発生時での圧電素子２０の動作を従来のものと本発明の実施形態に係るものとを比較して示めす図である。
同図（ａ）は従来技術１での圧電素子２０の動作説明図である。図６（ａ）でのエラー信号入力時４２直後の過渡状態において、圧電素子２０は変位速度Ｖ_Ｐ１で変位するものとする。このとき、電源に接続された負荷容量に応じて急峻に立ち下がる駆動電圧４３（図６（ａ）参照）となる場合があるため、圧力室２１に大きな圧力変化が加わり、駆動電圧４３が停止した後でも吐出ノズル１９から無駄なインク滴２４が吐出される程度の変位速度Ｖ_Ｐ１となることがある。
また、圧電素子２０は急峻な電圧変化によって急激に変位するため、圧電素子２０の早期劣化を招く恐れがある。

これに対して同図（ｂ）は、本発明の実施形態に係る圧電素子２０の動作説明図である。図６（ｂ）でのエラー信号入力時４２直後の過渡状態において、圧電素子２０は変位速度Ｖ_Ｐ２で変位するものとする。本実施形態では、Ｄ／Ａコンバータ２７の基準電位３４入力部に接続した、ＣＲ回路のキャパシタ３５の容量値Ｃと抵抗体３６の抵抗体値Ｒを設定することで、緩やかに立ち下がる駆動電圧４４（図６（ｂ）参照）となるように制御できる。

そのため圧力室２１での急激な圧力変化を抑制し、駆動電圧４４が停止した後でもインク滴２４が吐出されない程度の変位速度Ｖ_Ｐ２（＜Ｖ_Ｐ１）に制御できる。よって無駄なインク滴２４の吐出が防止できるとともに、圧電素子２０には急激な変位が発生しないので、圧電素子２０の早期劣化を防止することができる。

８：インクジェット記録ヘッド、
１４：記録ヘッド本体、
１６：電圧引き抜き回路（基準電圧生成回路）、
１７：ドライバ基板、
１９：印字ノズル、
２０：圧電素子、
２１：加圧室、
２２：インク、
２４：インク滴、
２５：デジタルデータ、
２６：アナログ電圧、
２７：Ｄ／Ａコンバータ、
３０：基準駆動電圧、
３１：記録ヘッド駆動回路、
３４：基準電圧、
３５：キャパシタ、
３６：抵抗体、
３７：スイッチングデバイス、
３８：エラー信号、
３９：電圧源、
Ｘ：インクジェット記録。

特開２０１１−３７１９６号公報 特許第３２５２６２８号公報

Claims (5)

1. インクジェットヘッドに用いられる圧電素子に駆動電圧を印加するヘッド駆動回路であって、
   入力されるデジタルデータに応じてアナログ電圧を生成するＤ／Ａコンバータと、
   前記Ｄ／Ａコンバータの入力端子部に接続され、基準電圧を生成する基準電圧生成回路と、を備え、
   前記駆動電圧は、前記アナログ電圧に基づいて生成され、
   前記基準電圧生成回路は、キャパシタと抵抗体からなるＣＲ回路と、電圧源と、スイッチングデバイスと、を備え、
   前記スイッチングデバイスは、前記ＣＲ回路に対して前記電圧源と並列に接続され、エラー信号の入力により前記入力端子部の電位を接地電位にする、
   ことを特徴とするヘッド駆動回路。
2. 請求項１に記載のヘッド駆動回路であって、
   前記ＣＲ回路の前記キャパシタは一端が接地しており、前記基準電圧生成回路の前記ＣＲ回路が前記入力端子部に接続している
   ことを特徴とするヘッド駆動回路。
3. 請求項１又は２に記載のヘッド駆動回路であって、
   前記ＣＲ回路の前記キャパシタの容量値Ｃと前記抵抗体の抵抗体値Ｒは、前記電圧源に接続された負荷容量に応じて設定される、
   ことを特徴とするヘッド駆動回路。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載のヘッド駆動回路であって、
   前記スイッチングデバイスは、ＢＪＴもしくはＦＥＴである、
   ことを特徴とするヘッド駆動回路。
5. 前記圧電素子の振動によってノズルからインク滴を吐出するインクジェットヘッドと、前記圧電素子に前記駆動電圧を印加するヘッド駆動回路と、を備えるインクジェット装置であって、
   前記ヘッド駆動回路は、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のヘッド駆動回路であり、
   前記スイッチングデバイスに入力されるエラー信号は、前記インクジェット装置の異常時に出力される信号である、
   ことを特徴とするインクジェット装置。