JPH01283888A - 圧電アクチュエータ塔載機器の運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は圧電アクチュエータ搭載機器の運転方法に関す
るものであり、特に、圧電アクチュエータの主体を成す
圧電素子の残留歪の変動に起因する機器の作動不良回避
に関するものである。

〔従来の技術〕

圧電素子は印加電圧の上昇・下降に応じて歪が増大・減
少するものであり、圧電アクチュエータはこの歪を利用
して機器を駆動するものである。

圧電素子には、印加電圧が除去されても残留歪が残る性
質があり、この残留歪が残った状態で電圧が印加されれ
ば歪が残留歪から増大し、電圧が除去されれば減少して
残留歪に復帰する復元性を示す。したがって、このとき
の歪変化に基づいて圧電アクチニエータが作動させられ
るのが普通である。

圧電アクチュエータを搭載した機器として既に、ドツト
インパクト式印字ヘッド、インクジェット式印字ヘッド
、微動位置決め装置、スイングＣＣＤ撮像装置、ＶＴＲ
ヘッドコントローラ等が知られている。例えば、ドツト
インパクト式印字ヘッドにおいては、軸方向の前進によ
り印字リボンを印字用紙に押し付ける複数のワイヤＷの
各々が、第１１図に示すように、複数の積層された圧電
素子Ｐと、圧電素子Ｐの駆動面の変位（以下、単に圧電
素子の変位という。）を拡大する変位拡大機構Ｍとを含
む圧電アクチュエータＰＡに連結され、印字すべきキャ
ラクタに応じて選択された圧電素子Ｐに所定の大きさの
電圧が印加されることにより、圧電素子Ｐの歪変化に基
づいてワイヤＷが前進させられて印字が行われる。

（発明が解決しようとする課題〕 上記圧電素子の残留歪はそれの大きさが温度上昇に伴っ
て減少するのが普通である。そして、−旦減少した残留
歪は、その後温度が下降しても電圧の印加・除去が行わ
れない限り増大せず、また、残留歪が減少するためには
ある程度の時間が必要である。そのため、電圧の印加・
除去を行ってから再び電圧を印加するまでの間に圧電素
子の温度が変わる状況の下では、残留歪が全く変化しな
かったり、あるいは不完全に変化したりする。そして、
この場合には、今回の電圧印加に伴い、電圧印加により
発生し、その電圧除去により完全に消滅する通常の歪に
加えて、残留歪の変化も現れることとなるために、全体
としての歪変化量は、電圧の大きさに対応した歪変化量
に残留歪の変化分が加えられ、あるいは差し引かれたも
のとなる。

いわば、歪変化量が前回の電圧印加から今回の電圧印加
までの間の履歴によって変わる誤差を含むこととなるの
であるが、今回の印加電圧の除去後における残留歪はそ
のときの温度に対応した本来の大きさとなるため、電圧
印加の前後において残留歪の大きさに差が生じることと
なる。そして、この差が大きい場合には今回の電圧印加
時と前回の電圧印加時および今回の電圧印加の直ぐ後に
おける電圧印加時とで圧電素子の歪変化量ひいては変位
量が大きく異なり、圧電アクチュエータの作動量がばら
つくという問題が生ずる。

この様子を、前記ドツトインパクト式印字ヘッドを用い
たプリンタの一例について説明する。ただし、ここで用
いられる圧電素子は、残留歪に対応する変位量が第１２
図のように、０°Ｃのとき約１３μｍであり、温度上昇
に伴って減少して約１３０°Ｃで０となるものである。

第１３図のグラフは圧電素子の変位量の変化の様子を表
すものである。圧電素子には運転開始前に既に残留歪が
発生しているものとし、以下、その状態を基準として説
明する。

運転が開始され、圧電素子に電圧が印加されれば歪が増
大し、圧電素子は図においてｂ点からｂ゛点まで変位量
Ａで変位する。その後、電圧が除去されれば歪が減少し
てｂ　ｔｔ点に復帰する。運転中、この印加・除去が何
回も繰り返されるのが普通であり、その結果、圧電素子
自体の発熱作用、あるいは圧電素子の周辺装置の加熱作
用により、圧電素子の温度が上昇する。残留歪は前述の
ように、温度上昇に伴って減少するから、電圧印加が行
われていない非作用状態における変位量、すなわち残留
歪に対応する変位量が図において実線で示すようにしだ
いに減少し、それに伴って圧電素子の各電圧印加時にお
ける変位位置も変化することとなる。

以上の運転（図においてＩで示す。）が終了した後、休
止期間（図において■で示す。）に移行するものとする
。まず、休止期間中に圧電素子の温度が低下する場合を
説明する。この場合、休止期間中は圧電素子に電圧が１
度も印加されないため、残留歪は運転終了時の値に保た
れる。そのため、次の運転（図において■で示す。）が
開始されると、圧電素子の初回の変位ｉ１Ｂは、連続運
転時における前記変位量Ａと、残留歪の増大すべきであ
った分に対応する変位ｆｆ１Ｌ（電圧印加直前の実際の
残留歪と電圧印加直前の温度に応じた本来の残留歪との
差である誤差に対応する変位量Ｌ）との和となり、初回
の変位量が連続運転時の変位量に比較して大きくなる。

そして、続く２回目以降の電圧印加時においては、初回
の電圧印加により残留歪の誤差が解消され、あるいは減
少させられているから、圧電素子の変位量は上記変位量
Ａあるいはそれに近い量に復帰することとなり、その結
果、初回の変位量Ｂは２回目以降の変位量に比較しても
大きくなる。そのため、初回の印字圧がそれの前後の印
字圧に比較して高くなり、局部的に印字濃度が高くなっ
て印字品質が低下する。

次に、休止期間中に圧電素子の温度が上昇する場合を説
明する。このような事態は例えば、プリンタ使用場所の
温度が前回の運転終了時における温度より高くなった場
合に起こり得る。この場合、再び電圧が印加されるまで
の期間の長さが温度上昇量に対して十分である場合には
問題がないのであるが、不足する場合には、残留歪が今
回の運転開始直前までに減少すべきであった分、すなわ
ち、運転開始直前における本来の値と実際の値との差を
誤差として含むこととなり、今回の運転の初回において
電圧を印加しても、圧電素子の歪は十分な大きさになら
ないこととなる。つまり、再び電圧が印加されるまでの
期間が不足する場合には、初回の印字圧がそれの前後の
印字圧より低くなり、前述の温度低下の場合と同様に、
印字品質が低下するのである。

また、圧電素子の残留歪は、温度の変化がなくても電圧
が印加されない期間の長さに応じて減少する。そのため
、再び電圧が印加されるまでの期間が長いと、今回の電
圧印加直前に残留歪が誤差を含むことがあり、今回の電
圧印加時における圧電素子の変位量も誤差を含むことと
なって、前述の場合と同様に圧電アクチュエータの作動
量が変わるという問題が生ずる。

この様子を、前記プリンタの一例について説明する。た
だし、ここで用いられる圧電素子は、それを２０°Ｃに
保って放置すると、残留歪に基づく変位量が第１４図に
示すように、最初１０μｍであったものが、時間の経過
につれて減少して数か月後に０となるものである。なお
、１回の運転中に１回の電圧印加が行われるものとして
説明する。

１回目の運転が開始されて電圧が印加されると第１５図
のように、圧電素子はｉ点からｉ′点まで変位ＩＡで変
位し、電圧が除去されるとｊ点に復帰する。相当期間経
過後に次の運転が開始されて再び電圧が印加されれば、
圧電素子は今回の電圧印加に伴ってに点からに°点まで
変位ＩＤ、すなわち、変位ｆＪＡと、残留歪の本来の値
と実際の値との差に対応する変位ｉＭとの和だけ変位し
、電圧が除去されると１点に復帰する。前回の運転終了
直後の温度と今回の運転開始直前の温度とが等しい場合
には、変位ＩＭが経時変化により減少した残留歪に対応
する大きさとなる。このように、今回の変位が前回の変
位より大きくなり、今回の印字圧が前回より高くなって
、・印字品質が低下することとなる。

本発明は、このように、電圧印加の前後における残留歪
の大きさの差がその電圧印加までの履歴に応じて変わる
圧電素子を備えた圧電アクチュエータ搭載機器において
は、圧電アクチュエータの作動量が不安定であるという
問題を解決することを課題として為されたものである。

〔課題を解決するための手段〕

そして、本発明の要旨は、圧電アクチュエータ搭載機器
の運転方法において、少なくとも電圧印加の前後におけ
る残留歪の大きさの差が一定値以上である場合に、圧電
アクチュエータに、機器に本来の作動を行わせるための
正規作動に先立って少なくとも１回の事前作動を行わせ
ることにある。

事前作動は例えば、正規作動開始前に必ず行うようにし
ても、正規作動開始前における残留歪の誤差が一定値以
上である場合に限って行うようにしてもよい。そして、
事前作動を行う時期は、正規作動の開始前であって、正
規作動時における残留歪の誤差が一定値以上とならない
時期とすることが望ましい。また、事前作動のための印
加電圧は、残留歪の誤差を完全に解消するのに十分な大
きさとしても、必要な分だけ減少させる程度の大きさと
してもよい。

（作用および発明の効果） 本発明に係る圧電アクチュエータ搭載機器の運転方法に
おいては、少なくとも圧電素子の残留歪の誤差が一定値
以上である場合に、少なくとも１回の圧電アクチュエー
タの事前作動が行われ、残留歪の誤差がなくされ、ある
いは減少させられるから、圧電素子の正規作動時におけ
る圧電素子の変位量が正規量となり、圧電アクチュエー
タの作動■がほぼ一定となるという効果が得られる。

ドツトインパクト式やインクジェット式等の圧電型印字
ヘッドを搭載したプリンタにおいては、印字濃度等の印
字品質を安定させるために印字圧を一定に保つことが大
切である。印字圧は各電圧印加時における圧電素子の変
位位置および変位量の影響を受けるから、本発明に従え
ば、各電圧印加時における変位量がほぼ一定に保たれる
こととなり、印字圧の変動が少なく抑えられ、印字品質
が向上するという効果が得られる。

なお、温度変化に応じて可逆的に膨張・収縮する温度補
償材と称される金属ブロックを圧電素子の駆動面に直列
に設ければ、その補償材の温度上昇に伴う膨張により、
圧電素子の残留歪の減少分を補うことができる。したが
って、その温度補償材を備えた圧電型印字ヘッドにおい
て本発明方法を実施すれば、各電圧印加時における圧電
素子の変位位置も変位量もほぼ一定に保たれて、印字品
質が一層向上するという効果が得られる。

また、プリンタの運転時に、温度変化あるいは他の原因
により圧電素子の変位量がばらついて、印字品質が低下
することを防止すべく、印字作業中に、印字の目的とは
別に圧電素子を変位させて印字圧の変動を検出し、その
検出値に基づいて印字圧がほぼ一定に保たれるように、
圧電素子に印加する電圧の大きさを制御する運転方法が
知られている。

この運転方法においては、前記休止期間の後においても
、運転に適した印加電圧を設定すべく、運転開始に先立
って圧電素子に電圧を印加し、印字圧を検出することが
行われる。しかし、上述のように、印字圧は圧電素子の
変位量によって変わるから、印字圧検出のための電圧印
加の直前における残留歪が誤差を含む場合には当然印字
圧の検出値も誤差を含み、ひいては、印加電圧の設定値
も誤差を含むこととなって、印字品質低下のおそれがあ
る。しかし、この運転方法を本発明方法と併せて実施す
れば、印加電圧の不適切な設定が行われることがなくな
り、常に適正な印字圧が設定され、印字品質が良好とな
るという効果が得られる。

〔実施例〕

以下、本発明を、圧電型印字ヘッドを備えた圧電アクチ
ュエータ搭載機器たるプリンタに適用した場合のいくつ
かの実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、各
実施例に用いられるプリンタ１０は第２図のように、印
字ヘッドの駆動源たる圧電素子１２と、ドライバ１４と
、コンピュータを主体とする駆動制御装置１６とを含む
ように構成されており、しかも、その駆動制御装置１６
に図示しない運転指令装置が接続されている。運転指令
装置は、駆動制御装置１６に運転スタート信号を供給し
た後、複数のキャラクタを印字するために必要な印字デ
ータから成る本来の運転に関する運転信号を供給するも
のである。

まず、第１実施例を第１図のフローチャートに基づいて
説明する。

プリンタ１０の電源が投入されると、まず、ステップ５
１０（以下、単にＳＩＯで表す。他のステップについて
も同じとする。）において、ドライバ１４に事前印加信
号が供給される。この事前印加信号は、ドライバ１４に
圧電素子１２に対する電圧の印加・除去を命令するため
の信号である。

印加電圧の大きさ、立ち上がり時間、持続時間等の印加
条件は、圧電素子１２を最大に変位させ、電圧除去後に
おける残留歪が温度等の諸条件に応じた本来の値となる
ように選定されている。したがって、圧電素子１２に対
して印加・除去が行われれば、残留歪の誤差が完全に解
消されることとなる。

その後、Ｓｌｌにおいて、運転指令装置から運転スター
ト信号が人力されるのが待たれ、入力されれば、Ｓ１２
において、運転指令装置から供給される運転信号に基づ
いて、ドライバ１４に本来の印加信号が供給される。こ
の本来の印加信号を受けたドライバ１４は、圧電素子１
２に電圧を本来の印加条件で印加し、そして除去する。

運転中、この印加・除去が短い期間をあけて多数回行わ
れるのが普通である。この本来の運転が終了すれば、Ｓ
１３においてプリンタ１０の電源が自動的に切断される
。

以上の説明から明らかなように、本実施例においては、
本来の運転開始前の残留歪の誤差の大小にかかわらず、
電源投入に伴って残留歪の誤差が解消され、その後、本
来の運転が開始されることにより、本来の運転において
は、圧電素子１２が正規の歪変化をし得るようになって
いる。

なお、本実施例においては、各回の運転が終了すればプ
リンタ１０の電源が自動的に切断され、運転毎にオペレ
ータが電源を投入しなければならないが、これは、本実
施例が電源投入に伴って残留歪の誤差が解消される態様
であって、その態様において、毎回の本来の運転に先立
って事前作動が行われるようにするためである。したが
って、以下に説明する実施例においては、プリンタ１０
を通常のプリンタと同様に、人為的に操作されない限り
、各回の運転が終了しても電源が切断されないものとす
ることができる。

第２実施例を第３図のフローチャートに基づいて説明す
る。

まず、３２０において、運転スタート信号の入力が待た
れ、入力されれば、３２１において、事前印加信号がド
ライバ１４に供給される。それにより、圧電素子１２の
残留歪の誤差が解消される。

その後、Ｓ２２において前記本来の運転が開始され、運
転終了後はＳ２０の実行に戻り、再び運転スタート信号
の入力を待つ状態となる。

以上の説明から明らかなように、本実施例においては、
運転開始前の圧電素子１２の残留歪の誤差の大小にかか
わらず、運転開始直前に運転スタート信号が入力される
のに伴って誤差が解消され、その後、本来の運転が開始
されるようになっている。

第３実施例を説明する。この実施例に用いられるプリン
タ１０は第４図に示すように、駆動制御装置１６にタイ
マ１８が接続されたものとされている。

プリンタｌＯの作動を第５図のフローチャー１−に基づ
いて説明する。まず、Ｓ３０において運転スタート信号
の入力が待たれ、入力されれば、Ｓ３１においてタイマ
１８が停止させられる。駆動制御装置１６は前回の運転
終了時にタイマ１８に計時を開始させており、よって、
この停止時におけるタイマ１８の計測値から、前回の運
転終了時から今回の運転スタート信号入力時までの時間
、すなわち、休止期間ｔの長さが判る。３３２において
その休止時間もが設定値以上であるか否かが判定される
。

設定値は、休止期間ｔがそれ以上の長さとなると、圧電
素子１２の前回の運転終了時と今回の運転開始時との温
度差が大きくなって、残留歪の誤差が一定値以上となる
可能性のある値に選定されているから、休止期間もの長
さが設定値以上となる場合には、Ｓ３３において事前印
加信号がドライバ１４に供給され、これにより、圧電素
子１２の残留歪の誤差が解消される。

その後、Ｓ３４において本来の運転が開始され、その運
転終了後、Ｓ３５においてタイマ１８がリセットされて
再び計時を開始させられる。その後、３３０の実行に戻
る。

以上の説明から明らかなように、本実施例においては、
周辺温度は常に一定であるとの仮定の下に、残留歪の誤
差が休止時間ｔの長さに基づいて推定され、その休止時
間ｔが設定値以上となったときに限って、残留歪の誤差
が解消された状態で本来の運転が開始されるようになっ
ている。

第４実施例を説明する。この実施例のプリンタ１０は前
記第３実施例と同様な構成である。

プリンタ１０の作動を第６図のフローチャートに基づい
て説明する。まず、３４０において運転スタート信号の
入力が待たれ、入力されれば、Ｓ４１において、前回の
運転継続期間τが設定値以上であるか否かが判定される
。

本実施例は、周辺温度は常に一定であるとの仮定の下に
、前回の運転の継続時間τの長さから前回の運転の終了
時における圧電素子１２の温度を推定し、その推定温度
と圧電素子１２の温度−残留歪特性とから今回の運転開
始直前における残留歪の誤差を推定するものである。設
定値は、前回の運転がそれ以上の時間継続されると圧電
素子１２の温度変化が大きくなり、今回の運転開始直前
における残留歪の誤差が一定値を越えるであろう値に選
定されているから、継続時間τが設定値以上であれば、
Ｓ４２において事前印加信号がドライバ１４に供給され
、これにより、残留歪の誤差が解消される。

その後、Ｓ４３において本来の運転が開始される。この
運転開始と同時にタイマ１８がリセットされて再び運転
時間の計測を開始させられるとともに、運転終了時にタ
イマ１８の計測値がメモリに記憶される。運転終了後は
Ｓ４０の実行に戻る。

第５実施例を説明する。この実施例に用いられるプリン
タ１０は第７図のように、駆動制御装置１６に圧電素子
１２自体あるいはそれの周辺の温度Ｈ（以下、単に圧電
素子１２の温度Ｈという。）を測定するための温度測定
器２０が接続されたものとされている。

プリンタ１０の作動を第８図のフローチャートに基づい
て説明する。まず、Ｓ５０において運転スタート信号の
入力が待たれ、入力されれば、Ｓ５１において温度測定
器２０から圧電素子１２の現在の温度Ｈが読み込まれる
とともに、その温度Ｈが設定値以下であるか否かが判定
される。

本実施例は、運転終了時における圧電素子１２の温度が
常に一定であるとの仮定の下に、圧電素子１２の運転開
始時の温度Ｉ］と圧電素子１２の温度−残留歪特性とか
ら今回の運転開始直前における圧電素子１２の残留歪の
誤差を推定するものである。設定値は、温度Ｈがそれ以
上であると残留歪の誤差が一定値以上となるであろう値
に選定されているから、温度Ｈが設定値以上である場合
には、Ｓ５２において、ドライバ１４に事前印加信号が
供給され、それにより、残留歪の誤差が解消される。そ
の後、３５３において本来の運転が開始され、終了後は
Ｓ５０に戻る。

第６実施例を説明する。本実施例に用いられるプリンタ
１０は第５実施例と同様な構成である。

プリンタ１０の作動を第９図のフローチャートに基づい
て説明する。まず、３６０において運転スタート信号の
入力が待たれる。駆動制御装置１６においては、運転終
了と同時に圧電素子１２の温度Ｈｅが計測されるととも
に、その計測値がメモリに記憶されるようになっており
、Ｓ６１において、そのメモリに現に記憶されている温
度Ｈｅが設定値以上であるか否かが判定される。

本実施例は、周辺温度が常に一定であるとの仮定の下に
、圧電素子１２の前回の運転終了時の温度Ｈｅと圧電素
子１２の温度−残留歪特性とから今回の運転開始直前に
おける残留歪の誤差を推定するものである。設定値は、
温度Ｈｅがそれ以上となると残留歪の誤差が一定値を越
えるであろう値に選定されているから、温度Ｈｅが設定
値以上である場合には、Ｓ６２においてドライバ１４に
事前印加信号が供給され、それにより、残留歪の誤差が
解消される。

その後、Ｓ６３において本来の運転が開始され、運転が
終了すればＳ６０に戻る。

第７実施例を説明する。本実施例に用いられるプリンタ
１０は第６実施例と同様な構成である。

プリンタ１０の作動を第１０図のフローチャートに基づ
いて説明する。まず、Ｓ７０において運転スタート信号
の入力が待たれ、入力されれば、Ｓ７１において圧電素
子１２の現在の温度Ｈｓが計測されるとともに、その計
測値が読み込まれる。

駆動制御装置１６においてはまた、前回の運転終了と同
時に圧電素子１２の温度Ｈｅが計測され、その計測値が
メモリに記憶されるようになっている。Ｓ７２において
、両温度ＨｅとＨｓとの差ΔＨが算出され、Ｓ７３にお
いてそのΔＨが設定値以上であるか否かが判定される。

本実施例は、ΔＨと圧電素子１２の温度−残留歪特性と
から今回の運転開始直前における残留歪の誤差を推定す
るものである。設定値は、ΔＨがそれ以上となると残留
歪の誤差が一定値以上となるであろう値に選定されてい
るから、ΔＨが設定値以上である場合には、Ｓ７４にお
いて事前印加信号がドライバ１４に供給され、それによ
り、残留歪の誤差が解消される。その後、Ｓ７５におい
て本来の運転が開始され、その終了後は、Ｓ７０の実行
に戻る。

なお、以上詳記した実施例においては、圧電素子１２の
事前作動を行うか否かの判定、およびその事前作動の指
令がプリンタ１０の駆動制御装置１６によって行われる
が、運転指令装置に行わせても、事前作動専用の装置に
行わせてもよい。

また、本実施例方法において、事前作動により実際に印
字が行われないようにすることが必要であり、この場合
には、例えば、圧電素子１２に電圧を通常より緩やかに
印加し、印字圧が所要値を越えないようにしたり、印字
ヘッドの原点復帰時等のように、印字ヘッドが印字用紙
から遠ざかったときに電圧を印加したり、印字リボンあ
るいは印字ヘッドを印字用紙から遠ざけた状態で電圧を
印加したりすればよい。

以上、本発明のいくつかの実施例を説明したが、これら
は文字通り例示であって、本発明は当業者の知識に基づ
いて種々の改良、変更等を施した態様で実施することが
できるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図、第３図、第５図、第６図、第８図、第９図およ
び第１０図はそれぞれ、本発明の第１ないし第７実施例
における運転のための制御プログラムを示すフローチャ
ートである。第２図は上記第１および第２実施例を実施
するためのプリンタの電気回路を示すブロック図、第４
図は上記第３および第４実施例を実施するためのプリン
タの電気回路を示すブロック図、第７図は上記第５ない
し第７実施例を実施するためのプリンタの電気回路を示
すブロック図である。第１１図は圧電アクチュエータの
一例であるドツトインパクト式印字ヘッドにおける圧電
アクチュエータの側面図である。第１２図は圧電素子の
残留歪が温度に応じて変化する様子を示すグラフであり
、第１３図はその圧電素子を駆動源とするドツトインパ
クト式印字ヘッドを用いたプリンタを従来の方法で運転
した場合における圧電素子の変位量の変化の様子を示す
グラフである。第１４図は圧電素子の残留歪が経時的に
変化する様子を示すグラフであり、第１５図はその圧電
素子を駆動源とするドツトインパクト式印字ヘッドを用
いたプリンタを従来の方法で運転した場合における圧電
素子の変位量の変化の様子を示すグラフである。 １０；プリンタ　　　１２：圧電素子

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　印加電圧の大きさに対応した歪が発生するとともに、
   印加電圧が除去されても残留歪が残り、かつ、その残留
   歪の電圧印加の前後における大きさの差がその電圧印加
   までの履歴によって変わる圧電素子を備えた圧電アクチ
   ュエータによって駆動される機器を運転する方法であっ
   て、 少なくとも前記残留歪の差が一定値以上である場合に、
   前記圧電アクチュエータに、前記機器に本来の作動を行
   わせるための正規作動に先立って少なくとも１回の事前
   作動を行わせることを特徴とする圧電アクチュエータ搭
   載機器の運転方法。