JPH06198874A - 駆動方法及びインクジェット式印字ヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】所定波形を発生する駆動信号発生手段と、前記
駆動信号発生手段と容量性負荷が接続される電極と対向
する電極に接続するトランジスタと、前記トランジスタ
のゲートに電圧を印加する制御手段との簡単な構成で容
量性負荷の充放電を行う。 【構成】 制御回路４から、ゲート端子１２に電子を流
入させるのに必要な最小電圧であるしきい値電圧以上の
電圧を印加する。駆動信号の立ち上がりでは電圧が増加
するため、ＭＯＳトランジスタ３にドレイン電流が流
れ、容量性負荷２の両電極間に電界が発生し、充電電流
が流れる。駆動信号のが立ち下がりではＭＯＳトランジ
スタ３のＰ形シリコン５と、Ｎ形不純物により形成され
たドレイン７による寄生ダイオードから放電電流を流
す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、容量性負荷を充放電す
る駆動方法に関し、特にインクを容量性の電歪素子で加
圧してインクを吐出させ文字、図形を形成するインクジ
ェット式プリンタに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の容量性負荷を駆動する駆動方法と
しては特公平３−２０１６５号公報に示すように放電用
のトランジスタと充電用のトランジスタをもち、各々の
トランジスタを交互に駆動し、容量性負荷の充放電を行
うものであった。このような駆動方法を用いる容量性負
荷の例として圧電素子があり、これは電圧を印加するこ
とにより伸縮するため多くの応用例が報告されている。
その中でインクジェット式印字ヘッドの加圧手段に圧電
素子を用い、インクを吐出させ文字、図形を形成するこ
とにより、高印字品質で低価格のプリンタが実現されて
いる。このインクジェット式印字ヘッドの駆動回路に前
述したような駆動方法が用いられている。これに対し本
出願人は、先願した特開平４−６４４４４号公報におい
て、所定波形の走査電圧を発生する走査電圧発生手段
と、電歪素子と前記走査電圧発生手段が接続される反対
側にコレクタを接続し、かつエミッタを接地したトラン
ジスタと、前記トランジスタと並列に接続されるダイオ
ードからなるインクジェット式印字ヘッドの駆動回路を
示した。これは容量性負荷である電歪素子の充電、また
は放電の一方をトランジスタで行い、他方をダイオード
で行う方法であった。そのため前述した特公平３−２０
１６５号公報の駆動方法に対してＩＣ化を容易にし、低
価格の駆動方法を提供するものであった。またこの他に
抵抗性負荷を駆動する駆動方法として定電圧源と抵抗性
負荷とトランジスタを直列に接続する方法が知られてい
る。これは熱転写方式のプリンタに用いられる駆動方法
で、抵抗性負荷である発熱体を発熱させ常温で固形物で
あるインクを溶融し文字、図形を形成するものである。
この駆動方式は前述した容量性負荷の駆動方法に比べ構
成が簡単で、よりＩＣ化が容易であった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし前述した抵抗性
負荷の駆動方法と同じ駆動方法では容量性負荷の駆動は
実現できなかった。なぜなら抵抗性負荷は一方向に電流
を流すことにより発熱しするのに対し、ほとんどの容量
性負荷は充電、放電の双方向に電流を流す必要があるか
らである。また本出願人が先願した特開平４−６４４４
４号公報に示す容量性負荷の駆動方法はＩＣ化を容易に
し、低価格の駆動方法を提供するものであるが、本発明
ではさらにＩＣ化を容易にする駆動方法を提供するもの
である。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明に於ける容量性負荷の駆動方法は、駆動信号
発生手段と、前記駆動信号発生手段と容量性負荷が接続
される電極と対向する電極に接続するトランジスタと、
前記トランジスタのゲートに電圧を印加する制御手段と
を具備し、容量性負荷の選択時には、少なくとも前記駆
動信号発生手段より出力される信号が低電圧から高電圧
に変化する期間に、前記トランジスタのゲートに電圧を
印加して容量性負荷を充電、または放電し、その後前記
駆動信号発生手段より出力される信号が高電圧から低電
圧に変化する期間に、前記トランジスタに充電と逆方向
の電流を流して放電、または充電することを特徴とす
る。

【０００５】また前記トランジスタはＮチャンネルエン
ハンスメントＭＯＳトランジスタであることを特徴とす
る。

【０００６】またインクを圧電素子で加圧してインクを
ノズルより吐出せしめて、文字、図形を形成するインク
ジェット式印字ヘッドにおいて、所定波形を発生する駆
動信号発生回路と、前記駆動信号発生回路と圧電素子が
接続される電極と対向する電極に接続するトランジスタ
と、前記トランジスタのゲートに電圧を印加する制御回
路とを具備し、圧電素子の選択時には、少なくとも前記
駆動信号発生手段より出力される信号が低電圧から高電
圧に変化する期間に、前記トランジスタのゲートに電圧
を印加して圧電素子を充電、または放電し、その後前記
駆動信号発生手段より出力される信号が高電圧から低電
圧に変化する期間に、前記トランジスタに充電と逆方向
の電流を流して放電、または充電することを特徴とす
る。

【０００７】また前記圧電素子は、電極と圧電材料とを
交互にサンドイッチ状に積層した積層圧電素子であるこ
とを特徴とする。

【０００８】また前記インクジェット式印字ヘッドは複
数のノズルよりインクを吐出するマルチノズルヘッドで
あって、複数のノズルに各々対応した圧電素子、前記ト
ランジスタ、前記制御回路とを具備し、前記複数の圧電
素子と前記駆動信号発生回路との接続を共通電極とする
ことを特徴とする。

【０００９】また前記圧電素子は電圧が印加されると電
界方向と垂直方向に縮小可能な構造で固定され、かつ前
記駆動信号発生回路より出力され、前記圧電素子に印加
される駆動信号は最小値が０、もしくはほとんど０電圧
で、最大値が正の電圧である電圧波形を有する駆動信号
であって、前記圧電素子の放電時にインクを加圧せしめ
インクを吐出することを特徴とする。

【００１０】また前記圧電素子は電圧が印加されると電
界方向に並行に伸長可能な構造で固定され、かつ駆動信
号発生回路より出力され、前記圧電素子に印加される駆
動信号は最小値が負の電圧で、最大値が０、もしくはほ
とんど０電圧である電圧波形である駆動信号であって、
前記圧電素子の充電時にインクを加圧せしめインクを吐
出することを特徴とする。

【００１１】また前記駆動信号発生回路より出力され、
前記圧電素子に印加される駆動信号は緩漫なる立ち上が
り時間と急峻なる立ち下がり時間を有する電圧波形であ
る駆動信号であることを特徴とする。

【００１２】また前記駆動信号発生回路より出力される
駆動信号は台形波形であることを特徴とする。

【００１３】

【実施例】図１及び図２に本発明の駆動方法を示す。１
は駆動信号発生手段である駆動信号発生回路、２は容量
性負荷、３はトランジスタであり、図２に示すＮチャン
ネルエンハンスメントＭＯＳトランジスタ、４はＭＯＳ
トランジスタ３の制御ゲートにしきい値電圧以上の電圧
を印加する制御手段である制御回路、５はＭＯＳトラン
ジスタ３の基板であるＰ形シリコン、６はＮ形不純物に
より形成されたソース、７はＮ形不純物により形成され
たドレイン、８はフィールド酸化膜、９はゲート酸化
膜、１０はポリシリコンゲート、１１はソース電極、１
２はゲート電極、１３はドレイン電極、１４はサブスト
レート（基板端子）である。尚、ソース電極１１とサブ
ストレート１４は接地し、ゲート電極１２は制御回路４
と、ドレイン電極１３は容量性負荷２の電極と各々接続
されている。

【００１４】駆動信号発生回路１の一実施例を図３に示
す。１０１、１０２、１０３はＰＮＰ形トランジスタ、
１０４、１０５、１０６、１０７、はＮＰＮ形トランジ
スタ、１０８、１０９、１１０は抵抗、１１１はコンデ
ンサ、１１２、１１３は制御信号、１１４は駆動信号で
ある。

【００１５】図３を図４のタイムチャートにより説明す
る。図示しない制御手段は図４に示す制御信号１１２を
出力し、ＮＰＮ形トランジスタ１０４のベースに電圧を
印加しオン状態にすると、ＰＮＰ形トランジスタ１０１
は、コンデンサ１１１の電圧が電源電圧ＶＨからＰＮＰ
形トランジスタ１０１のベースエミッタ間電圧をＶBE10
1 を引いた電圧（ＶＨ−ＶBE101）に達するまで定電流
Ｉｒでコンデンサ１１１を充電する。尚、電源電圧（Ｖ
Ｈ−ＶBE101）に達するとＩｒは零になる。この時ＰＮ
Ｐ形トランジスタ１０２は電流制限の役目をする。次に
制御信号１１２の電圧を０にし、ＰＮＰ形トランジスタ
１０１をオフし、制御信号１１３に電圧を発生させる。
ＮＰＮ形トランジスタ１０５は、オン状態になり、コン
デンサ１１１の電圧がＮＰＮ形トランジスタ１０６のベ
ースエミッタ間電圧ＶBE106 に達するまで定電流Ｉｆを
流す。この時ＮＰＮ形トランジスタ１０６は電流制限の
役目をする。以上の動作によりコンデンサ１１１には図
４に示す電圧波形ＶＰが印加される。この電圧波形ＶＰ
の立ち上がり時間Ｔｒ’は抵抗１０８の抵抗値をＲｒ、
コンデンサ１１１の容量をＣ０、ＰＮＰ形トランジスタ
１０１のベースエミッタ間電圧をＶBE101 とした時以下
の式により得られる。

【００１６】 Ｉｒ＝ＶBE101 ÷Ｒｒ （１） Ｔｒ’＝Ｃ０×（ＶＨ−ＶBE101 ）÷Ｉｒ （２） また同様に電圧波形ＶＰの立ち下がり時間Ｔｆ’も抵抗
１１０の抵抗値をＲｆ、コンデンサ１１１の容量をＣ
０、ＮＰＮ形トランジスタ１０６のベースエミッタ間電
圧をＶBE106 とした時以下の式により得られる。

【００１７】 Ｉｆ＝ＶBE106 ÷Ｒｆ （３） Ｔｆ’＝Ｃ０×（ＶＨ−ＶBE106 ）÷Ｉｆ （４） 但しコンデンサ１１１の容量Ｃ０は１０［ｐＦ］≦Ｃ０
≦１０［ｎＦ］が望ましい。尚、ＮＰＮ形トランジスタ
１０７とＰＮＰ形トランジスタ１０３は定電流Ｉｒ、Ｉ
ｆの電流駆動能力を補償するためであり、駆動信号１１
４の最大電圧値ＶMAX 、最小電圧値ＶMIN はＮＰＮ形ト
ランジスタ１０７とＰＮＰ形トランジスタ１０３のベー
スエミッタ間電圧をおのおのＶBE107 、ＶBE103 とした
とき ＶMAX ＝ＶＨ−ＶBE101 −ＶBE107 （５） ＶMIN ＝ＶＨ−ＶBE106 −ＶBE103 （６） となり、駆動信号１１４のＶMIN からＶMAX に達する立
ち上がり時間をＴｒ、ＶMAX からＶMIN に達する立ち下
がり時間をＴｆとすると Ｔｒ＝Ｃ０×（ＶMAX −ＶMIN）÷Ｉｒ （７） Ｔｆ＝Ｃ０×（ＶMAX −ＶMIN）÷Ｉｆ （８） となる。

【００１８】この駆動信号１１４の電圧波形を用いて、
容量性負荷２の充放電動作を説明する。図５（ａ）の駆
動信号は駆動信号１１４である。図５（ａ）のＡにおい
て、制御回路４から、ゲート端子１２に電子を流入させ
るのに必要な最小電圧であるしきい値電圧（以後ＶTHと
する）以上の電圧（以後ＶGSとする）を印加する。但
し、図５（ａ）のＡにおいては駆動信号の電圧値がＶMI
N であり、これは駆動信号発生回路の電源投入時にすで
に容量性負荷２に印加されているとする。この時ＭＯＳ
トランジスタ３のドレイン電極１３と接地されたソース
電極１１間の電圧（以後ＶDSとする）は０、もしくはほ
とんど０のためドレイン電極１３とソース電極１１の間
に電流（以後ＩDSとする）は流れない。次に図４のＢで
は電圧が直線状に増加するため、ＶDSは増加する。ＶDS
の増加により図６のＭＯＳトランジスタ３のＩDS−ＶDS
特性に従いＩDSが流れるため、容量性負荷２の両電極間
に電圧が印加され、充電電流が流れる。この時容量性負
荷２に流れる充電電流値ＩCRは次式により求められる。

【００１９】 ＩCR＝（ＶMAX −ＶMIN ）×Ｃ÷Ｔｒ （９） Ｃは容量性負荷２の容量値を示す。式（５）から明らか
なようにＩCRは一定電流であり、図５（ｂ）に示す、最
大値がＩCRであるほぼ矩形状の電流波形となる。この
時、ＭＯＳトランジスタ３のドレイン電極１３とソース
電極１１間にはＩCRと等しい電流が流れる。尚、ドレイ
ン電極１３の電圧は図５（ｃ）に示す電圧波形となる
が、この電圧波形の最大値ＶCRは、図６のＭＯＳトラン
ジスタ３のＩDS−ＶDS特性に示すようにＩCRに対応する
電圧値から求めることができ、図５（ａ）の駆動信号の
電圧波形から図５（ｃ）の電圧波形を減ずることによ
り、容量性負荷２の両電極間に印加される電圧波形が求
められる。

【００２０】また、図６に示すＭＯＳトランジスタ３の
ＩDS−ＶDS特性の飽和電流ＩDSは一般的に飽和領域（Ｖ
DS＞ＶGS−ＶTH）では一定で、図２のＭＯＳトランジス
タ３では以下の式に示す特性を有する。

【００２１】

【数１】

【００２２】μは電子の移動度、ＣOXはゲート酸化膜９
の酸化膜容量、Ｗは図２に示すゲート幅、Ｌは図２に示
す実効ゲート長である。ＩDSとＩCRは ＩDS≧ＩCR （１１） の関係が望ましく、ＭＯＳトランジスタ３の設計には式
（９）から（１１）を考慮して設計する必要がある。
尚、式（１１）の関係が満たされない場合、ＭＯＳトラ
ンジスタにはアバランシュブレークダウンが発生し、制
御できなくなり、破壊する可能性がある。本実施例では
式（１１）を満足することにより信頼性の高い駆動方法
を実現した。

【００２３】次に駆動信号が飽和する図５（ａ）のＣで
は駆動信号の電圧が変化しないため図５（ｂ）に示すご
とくＩDSは流れない。

【００２４】次に図５（ａ）のＤで電圧波形を直線状に
減少させていく放電のメカニズムについて説明する。Ｍ
ＯＳトランジスタ３のＰ形シリコン５とＮ形不純物によ
り形成されたドレイン７はダイオードを形成する。これ
はＭＯＳトランジスタを形成する上で派生的に形成さ
れ、一般的には寄生ダイオードと呼んでいるもので、本
明細書でも寄生ダイオードとする。駆動信号の電圧が減
少すると、ドレイン電極１３の電位が下がり負の電圧が
印加される。この負の電圧の絶対値が図７に示すダイオ
ードの順方向特性のＶFLを越えると、寄生ダイオードに
はＰ形シリコン５の基板端子であるサブストレート１４
が接地されているため、サブストレート１４からドレイ
ン電極１３の方向に順方向電流が流れ始める。容量性負
荷２は、前述した充電電流と逆方向の電流が流れるため
放電される。容量性負荷２の放電電流ＩCFは、駆動信号
の立ち下がり時間をＴｆとすると ＩCF＝（ＶMAX −ＶMIN ）×Ｃ÷Ｔｆ （１２） で求められ、図７のダイオードの順方向特性のＩCFに対
応する順方向電圧ＶCFと等しい負の電圧が、図５（ａ）
のＤではドレイン電極１３に印加される。これは図５
（ａ）のＤに対応する図５（ｃ）のドレイン電極１３の
電圧波形で示す。容量性負荷２はこの放電電流ＩCFが流
れることにより、前述した充電により蓄積された電荷を
放電し、駆動信号の電圧波形がＶMIN になると容量性負
荷２の両電極間の電圧がＶMIN になる。

【００２５】尚、図５（ａ）のＢで、ゲート端子１２に
電圧ＶGSを印加しない場合には、ＩDSは流れないため、
ドレイン電極１３は駆動信号の電圧波形同様増加する。
そのためドレイン電極１３に印加される電圧波形は図５
（ｄ）となり、容量性負荷２の両電極間には当初の電圧
ＶMIN が印加されたままになり、充放電は行われない。

【００２６】またゲート端子１２に電圧ＶGSを印加しな
い場合のドレイン電極１３とソース電極１１間の抵抗、
オフ抵抗は１００ｋΩ以上が望ましい。

【００２７】また、ゲート端子１２に電圧ＶGSを印加す
るパルス幅は、駆動信号の電圧波形の立ち上がり途中で
ＭＯＳトランジスタ３がオンした場合の飽和電流ＩDSを
越える充電電流の防止、もしくは駆動信号の電圧波形の
立ち上がり途中でＭＯＳトランジスタ３がオフした場
合、容量性負荷２の最大印加電圧がＶMAX に達しないた
め、駆動信号の電圧波形の立ち上がり時間を包含するの
が望ましい。但し、容量性負荷２の最大印加電圧がＶMA
X に達しないことを目的とする場合は別である。

【００２８】以上容量性負荷２の充放電について説明し
たが、ＭＯＳトランジスタ３の信頼性を向上するため
に、本実施例ではＭＯＳトランジスタ３の発熱とアルミ
配線で形成されるドレイン電極１３の配線のマイグレー
ションについて考慮した。前者はＭＯＳトランジスタ３
にＶGSが与えられたときに、低い抵抗値を有するオン抵
抗ＲONと寄生ダイオードの動作抵抗ＲD が図８のような
等価回路となり、容量性負荷２の充電時にはＲONで、放
電時にはＲD でそれぞれ発熱する。発熱Ｐは駆動周期を
ｆとすると

【００２９】

【数２】

【００３０】となる。ＭＯＳトランジスタの動作温度の
最大値は８０℃から１２０℃程度であり、この動作温度
を越えて動作させると著しく寿命を劣化することが知ら
れている。そのため発熱Ｐがこの動作最大温度を越えな
いように各値を設定するのが望ましい。ただし、発熱Ｐ
がこの動作最大温度を越える場合には、ＭＯＳトランジ
スタ３を放熱板、ファンの放熱機構により動作最大温度
を越えない、または達しないようにすることにより寿命
を劣化させないことが出来る。

【００３１】後者は本実施例では充放電電流を行うため
に、他の配線に比べ特にドレイン電極のアルミ配線の寿
命が短い。この寿命は実効電流ＩRMS が

【００３２】

【数３】

【００３３】で求められ、アルミ配線幅をＷALとすると
電流密度ＪRMSは ＪRMS ＝ＩRMS ÷ＷAL （１５） となる。我々の試験では配線寿命はこの電流密度ＪRMS
の２乗に比例することが確認されているため、十分長い
寿命が得られるようにドレイン電極のアルミ配線を設定
するのが望ましい。

【００３４】また、本実施例では、ＩＣ化に最も適した
構造であるためトランジスタにＮチャンネルエンハンス
メントＭＯＳトランジスタを用いたが、デプレッション
型ＭＯＳトランジスタを用いても、容量性負荷２の選択
をしない場合には、制御回路により与えるＶGSがＩDSを
０、もしくはほとんど０にする電圧を与えれば同様の効
果を有する。また、接合型電界効果トランジスタでも、
寄生ダイオードを有する構造であれば同様の効果を有す
る。

【００３５】尚、本実施例で述べた各値の具体例を以下
に示す。

【００３６】Ｃ＝１０［ｎＦ］ ＲON＝ＲD＝１０〜３０［Ω］ Ｔｒ＝Ｔｆ＝１０［μｓ］ ＩCR＝ＩCF＝３０［ｍＡ］ ｆ＝５［ｋＨｚ］ また、駆動信号発生回路１の別の実施例として図９を示
す。図９は図１０（ａ）に電圧波形を示す駆動信号を出
力する。この駆動信号は図３の駆動信号発生回路１の実
施例が正の電圧波形であるのに対し、負の電圧波形であ
る。尚、この駆動信号を発生する動作については図３の
説明と同様であるためここでは説明しないが、ダイオー
ド２００は駆動信号の最大電圧が０を大きく越えないよ
うにするためである。この駆動信号発生回路を図１と同
一の構成をした時の充放電メカニズムについて説明す
る。

【００３７】図１０（ａ）のＡにおいて、制御回路４か
ら、ゲート端子１２に電子を流入させるのに必要な最小
電圧であるしきい値電圧（以後ＶTHとする）以上の電圧
（以後ＶGSとする）を印加する。但し、図１０（ａ）の
Ａにおいては駆動信号の電圧値がＶMAX であり、これは
駆動信号発生回路の電源投入時にすでに容量性負荷２に
印加されているものとする。この時ＭＯＳトランジスタ
３のドレイン電極１３と接地されたソース電極１１間の
電圧（以後ＶDSとする）は０のためドレイン電極１３と
ソース電極１１の間に電流（以後ＩDSとする）は流れな
い。次に図１０（ａ）のＢで電圧波形を直線状に増加さ
せていくとドレイン電極１３の電位が上がりＶDSは増加
する。ＶDSの増加により前述と同様ＭＯＳトランジスタ
３のＩDS−ＶDS特性に従いＩDSが流れるため、容量性負
荷２の両電極間の電圧が減少し、放電電流が流れる。こ
の時容量性負荷２に流れる放電電流値は前述したＩCRと
同一であり、式（９）で求められる。

【００３８】次に駆動信号が飽和する図１０（ａ）のＣ
では駆動信号の電圧が変化しないため図１０（ｂ）に示
すごとくＩDSは流れない。

【００３９】次に図１０（ａ）のＤで電圧波形を直線状
に減少させていくとドレイン電極１３の電位が下がり、
前述同様寄生ダイオードを形成するサブストレート１４
からドレイン電極１３の方向に順方向電流が流れ始め
る。この時の容量性負荷２の放電電流値は前述したＩCF
と同一であり式（１２）で求められる。容量性負荷２は
この充電電流ＩCFにより充電され、駆動信号の電圧波形
がＶMIN になると容量性負荷２の両電極間の電圧がＶMI
N になる。このように駆動信号を負電圧とした場合に
は、前述の駆動信号が容量性負荷２の充電を制御可能に
した実施例に対し、放電を制御することが出来る。

【００４０】また、本実施例では図４（ａ）、もしくは
図１０（ａ）で、電圧が直線状に増加、または減少する
駆動信号を用いた定電流駆動で示したが、他の駆動信号
を用いた別の実施例を図１１に示す。図１１のＰＮＰ形
トランジスタ３０１、ＮＰＮ形トランジスタ３０２を交
互に駆動することにより図１２に示す電圧波形が得られ
る。ＭＯＳトランジスタ３にＶGSを印加すると、容量性
負荷２には充電電流Ｉａ、放電電流Ｉｂが流れ、前述し
た同様の駆動方法が実現できる。但し、充電電流Ｉａは
式（９）を満足する必要がある。

【００４１】図１２に本発明をインクジェット式印字ヘ
ッドに用いた実施例を示す。４０１から４１４はインク
ジェット式印字ヘッドの実施例の断面図を示す。４０１
はノズルプレート、４０２はノズル、４０３はインク
室、４０４は構造部材である弾性体、４０５は圧電素
子、４０６、４０７は表面電極、４０８、４０９は内部
電極群、４１０は固定台、４１１は表面電極４０６のリ
ード線、４１２は表面電極４０７のリード線、４１３は
ヘッドフレーム、４１４は金属薄板である。

【００４２】駆動信号発生回路１は前述した図３にその
具体例を示す駆動信号発生回路であり、圧電素子４０５
は容量性負荷である。このように構成された図１２の印
字ヘッドでは、駆動信号発生回路１から駆動信号が出力
され、図示されない印字データ信号に選択された制御回
路４からＭＯＳトランジスタ３にＶGSが与えられると、
駆動信号の立ち上がり時は前述したと同様に容量性負荷
である圧電素子４０５の表面電極４０６、４０７間に電
圧が印加される。圧電素子４０５は駆動信号の電圧波形
に従い縮少する。この圧電素子４０５の縮少は弾性板４
０４をとおして、金属薄膜４１４をたわませ、インク室
４０３を膨張させる。その後放電時には表面電極４０
６、４０７間の電圧が減ずることにより圧電素子４０５
を伸長させインク室４０３のインクを圧し、圧せられた
インクはノズル４０１より、インク滴となり飛翔し、ノ
ズルプレート４０２の対面する受像紙に印写され、文
字、図形等を形成する。

【００４３】また駆動信号の電圧波形を図１３のような
緩漫なる立ち上がり時間Ｔｒｌと急峻なる立ち下がり時
間Ｔｆｈとする場合について説明する。本実施例の構成
は図１２と同一で、図１３の駆動信号の電圧波形を得る
には、図３の駆動信号発生回路１の実施例において抵抗
１０８の抵抗値Ｒｒ、抵抗１１０の抵抗値Ｒｆを式
（３）、（４）に従い設定すればよい。充電時は立ち上
がり時間が緩慢であるため圧電素子４０５は緩やかに縮
小する。図１２のようなインクジェット式印字ヘッドで
は、インク室４０３を膨張させる際に、メニスカスは図
１４（ａ）に示す様にノズル４０１の静止位置から図１
４（ｂ）に示すごとくインク室４０３内に引き込む。一
度引き込んだメニスカスはインクの表面張力により一定
時間後、元の静止位置に戻されるが、静止位置に戻る前
にインク室４０３を圧するインク滴が柱状になり、印字
品質を劣化することが確認されている。またメニスカス
が静止位置に戻ってからインク室４０３を圧すれば球状
のインク滴となり高品質な印字が実現できるが、戻るの
に要する時間のため連続して駆動する時間が遅くなり駆
動周期が遅くなる。そのため本実施例の様に立ち上がり
時間が緩慢な駆動信号を用い、インク室４０３を緩やか
に膨張させ、メニスカスの引き込みをなくす、もしくは
極端に減ずることにより駆動周期が速く、球状のインク
滴が実現できる。尚、インク室４０３を圧する立ち下が
り時間Ｔｆｈは、インク滴を高速に飛翔させるため比較
的短くし、本実施例ではＴｒｌが５０〜１５０［μ
ｓ］、Ｔｆｈが５〜１０［μｓ］であった。また図１３
の駆動信号が印加された圧電素子４０５に流れる充電電
流ＩCR、放電電流ＩCFは式（９）、式（１２）により求
められるが、Ｔｒ＞ＴｆのためＩCR＜ＩCFとなる。充電
電流ＩCRはＭＯＳトランジスタ３のドレイン電極１３か
らソース電極１１に流れる電流ＩDSであり、放電電流Ｉ
CFはＭＯＳトランジスタ３の寄生ダイオードの順方向電
流ＩF であることは前述したが、図２に示すＭＯＳトラ
ンジスタ３ではＩDSの最大許容電流ＩDSMAX が式（１
０）で制限されるのに対し、ＩF の最大許容電流ＩFMAX
が前述したＭＯＳトランジスタ３の発熱とアルミ配線で
形成されるドレイン電極１３の配線のマイグレーション
で制限されるため、ＩDSMAX ＜ＩFMAXとなる。また、寄
生ダイオードが基板５とドレイン７で構成され、基板の
表面積による放熱効果があるため発熱しにくく、ＩF の
ほうが大きな値でも許容される。以上のことにより、図
１３で示した実施例では立ち上がり時間と立ち下がり時
間が等しい駆動信号を用いて駆動する場合よりも、ＭＯ
Ｓトランジスタ３のサイズを小さくできる効果を有す
る。

【００４４】以上、本発明の駆動方法をインクジェット
式印字ヘッドに応用した実施例を図１２の１つのユニッ
トで説明したが、実際には図１２のユニットを複数併設
してインクジェット式印字ヘッドを構成する。このよう
なインクジェット式印字ヘッドに用いる駆動回路として
図１５を示す。図１５の５０１は図１２における圧電素
子４０５を記号で表したもので、図１２の構成を含むも
のとする。駆動信号発生回路１の出力は各圧電素子５０
１の共通電極として接続され、駆動信号を与える。図示
しない印字データ制御手段は、このインクジェット式印
字ヘッドのノズル４０２の配列位置に従い、印字データ
を並び換え制御回路４を指示する。選択されたＭＯＳト
ランジスタ３に接続する圧電素子５０１は駆動信号に従
い伸縮し、インク滴を飛翔する。尚、本実施例では複数
のＭＯＳトランジスタ３、制御回路４を単一基板上で構
成し、ＩＣ化することにより本発明の効果をより一層高
めることができた。

【００４５】また、本実施例では印字の選択がなされた
とき、圧電素子４０５に電圧を印加し、インク室４０３
を膨張させてから圧する方法（以後インクジェット式印
字ヘッドの第１の駆動方法とする）でインク滴を飛翔し
たが、図９で示した駆動信号発生回路より出力する、図
１０（ａ）で示した負の電圧波形を有する駆動信号によ
り、常時圧電素子４０５に電圧が印加され、印字の選択
がなされたとき、圧電素子４０５を放電し、インク室４
０３を圧する駆動方法（以後インクジェット式印字ヘッ
ドの第２の駆動方法とする）でインク滴を吐出する方法
でも構わない。また、インクジェット式印字ヘッドの第
２の駆動方法において、図１３に示すような緩慢な立ち
上がり時間と、急峻な立ち下がり時間を有する駆動信号
の電圧波形であって、最小電圧が負の電圧であり、最大
電圧が０、もしくはほとんど０電圧とすることにより、
また、本実施例では図１２にその具体例を示す、電極と
圧電材料とを交互にサンドイッチ状に積層し同時焼結し
た積層圧電素子の電界方向と垂直方向であるｄ３１方向
の縦振動効果を用い実施したが、この圧電素子は電極間
距離を可及的に小さくすることが出来るため、駆動信号
の電圧を下げることが出来、更にＭＯＳトランジスタ３
の耐圧を低く出来る効果がある。また圧電素子の別方向
の縦振動効果を用いたインクジェット式印字ヘッドの実
施例を図１６に示す。図１６は圧電素子６００の電界方
向と並行したｄ３３方向の縦振動効果を利用したもので
ある。但し、前述したｄ３１方向の縦振動効果が電圧を
印加することにより縮少するのに対し、図１６の圧電素
子６００はｄ３３方向に電圧を印加することにより伸長
するため、前述したインクジェット式印字ヘッドの第１
の駆動方法は図９で示した駆動信号発生回路１より出力
する、図１０（ａ）で示した負の電圧波形を有する駆動
信号により行う。また、図１３に示すような緩慢な立ち
上がり時間と、急峻な立ち下がり時間を有する駆動信号
の電圧波形であって、最小電圧が負の電圧であり、最大
電圧が０、もしくはほとんど０電圧である負の電圧波形
とすることにより、前述した図１３の駆動信号を用いた
実施例と同様の効果を有する。

【００４６】またインクジェット式印字ヘッドの第２の
駆動方法は図３で示した駆動信号発生回路１より出力す
る、図４（ａ）、及び図１３で示した正の電圧波形を有
する駆動信号により行う。

【００４７】また、インクジェット式印字ヘッドに用い
る圧電素子として、横振動効果を用いたバイモルフ型ア
クチュエーターがよく知られているが、本実施例の駆動
方法を用いて駆動することにより同様の効果を有する。

【００４８】

【発明の効果】本発明は、容量性負荷を充放電する駆動
方法を、駆動信号発生手段と、ＭＯＳトランジスタと、
ＭＯＳトランジスタのゲートに電圧を印加する制御手段
のみの簡単な構成で達成し、従来の２個のトランジスタ
で駆動する容量性負荷の駆動方法に対して１個のトラン
ジスタで駆動できる、または外付けのダイオードを必要
としない、安価で、ＩＣ化が容易な容量性負荷の駆動方
法を提供するものである。また、本発明の駆動方法をイ
ンクジェット式印字ヘッドの駆動回路に応用することに
より、簡単な構成で圧電素子を駆動することができ、安
価な駆動回路で実現する、インクジェット式プリンタを
提供するものである。また、特に駆動信号を緩漫なる立
ち上がり時間と急峻なる立ち下がり時間を有する駆動波
形とし、急峻なる立ち下がり時間に前記圧電素子に流れ
る電流をトランジスタの寄生ダイオードの順方向に流す
とともに、駆動信号の急峻な立ち下がりによりインクを
加圧せしめインクを吐出することにより、より安価な駆
動回路を実現すると共に高印字品質、高応答周期が達成
できるインクジェット式プリンタを提供するものであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の容量性負荷の充放電を行う駆動方法の
実施例を示す図。

【図２】ＭＯＳトランジスタの構造を示す図。

【図３】駆動信号発生回路の一実施例を示す図。

【図４】駆動信号発生回路の一実施例の駆動信号を示す
図。

【図５】容量性負荷の充放電動作を示すタイムチャー
ト。

【図６】ＭＯＳトランジスタのＩDS−ＶDS特性を示す
図。

【図７】ＭＯＳトランジスタの寄生ダイオードの順方向
特性を示す図。

【図８】等価回路を示す図。

【図９】駆動信号発生回路の別の実施例を示す図。

【図１０】駆動信号発生回路の別の実施例の駆動信号を
示す図。

【図１１】駆動信号発生回路の別の実施例を示す図。

【図１２】本発明のインクジェット式印字ヘッドの実施
例を示す図。

【図１３】インクジェット式印字ヘッドの駆動信号を示
す図。

【図１４】メニスカスの引き込みを示す図。

【図１５】インクジェット式印字ヘッドの駆動回路を示
す図。

【図１６】本発明のインクジェット式印字ヘッドの別の
実施例を示す図。

【符号の説明】

１ ：駆動信号発生回路 ２ ：容量性負荷 ３ ：ＭＯＳトランジスタ ４ ：制御回路

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】容量性負荷を充放電する駆動方法におい
   て、駆動信号発生手段と、前記駆動信号発生手段と容量
   性負荷が接続される電極と対向する電極に接続するトラ
   ンジスタと、前記トランジスタのゲートに電圧を印加す
   る制御手段とを具備し、容量性負荷の選択時には、少な
   くとも前記駆動信号発生手段より出力される信号が低電
   圧から高電圧に変化する期間に、前記トランジスタのゲ
   ートに電圧を印加して容量性負荷を充電、または放電
   し、その後前記駆動信号発生手段より出力される信号が
   高電圧から低電圧に変化する期間に、前記トランジスタ
   に充電と逆方向の電流を流して放電、または充電するこ
   とを特徴とする駆動方法。
2. 【請求項２】前記トランジスタはＮチャンネルエンハン
   スメントＭＯＳトランジスタであることを特徴とする請
   求項１記載の駆動方法。
3. 【請求項３】インクを圧電素子で加圧してインクをノズ
   ルより吐出せしめて、文字、図形を形成するインクジェ
   ット式印字ヘッドにおいて、所定波形を発生する駆動信
   号発生回路と、前記駆動信号発生回路と圧電素子が接続
   される電極と対向する電極に接続するトランジスタと、
   前記トランジスタのゲートに電圧を印加する制御回路と
   を具備し、圧電素子の選択時には、少なくとも前記駆動
   信号発生手段より出力される信号が低電圧から高電圧に
   変化する期間に、前記トランジスタのゲートに電圧を印
   加して圧電素子を充電、または放電し、その後前記駆動
   信号発生手段より出力される信号が高電圧から低電圧に
   変化する期間に、前記トランジスタに充電と逆方向の電
   流を流して放電、または充電することを特徴とするイン
   クジェット式印字ヘッド。
4. 【請求項４】前記圧電素子は、電極と圧電材料とを交互
   にサンドイッチ状に積層した積層圧電素子であることを
   特徴とする請求項３記載のインクジェット式印字ヘッ
   ド。
5. 【請求項５】前記インクジェット式印字ヘッドは複数の
   ノズルよりインクを吐出するマルチノズルヘッドであっ
   て、複数のノズルに各々対応した圧電素子、前記トラン
   ジスタ、前記制御回路とを具備し、前記複数の圧電素子
   と前記駆動信号発生回路との接続を共通電極とすること
   を特徴とする請求項３、４記載のインクジェット式印字
   ヘッド。
6. 【請求項６】前記圧電素子は電圧が印加されると電界方
   向と垂直方向に縮小可能な構造で固定され、かつ前記駆
   動信号発生回路より出力され、前記圧電素子に印加され
   る駆動信号は最小値が０、もしくはほとんど０電圧で、
   最大値が正の電圧である電圧波形を有する駆動信号であ
   って、前記圧電素子の放電時にインクを加圧せしめイン
   クを吐出することを特徴とする請求項３、４、５記載の
   インクジェット式印字ヘッド。
7. 【請求項７】前記圧電素子は電圧が印加されると電界方
   向に並行に伸長可能な構造で固定され、かつ駆動信号発
   生回路より出力され、前記圧電素子に印加される駆動信
   号は最小値が負の電圧で、最大値が０、もしくはほとん
   ど０電圧である電圧波形である駆動信号であって、前記
   圧電素子の充電時にインクを加圧せしめインクを吐出す
   ることを特徴とする請求項３、４、５記載のインクジェ
   ット式印字ヘッド。
8. 【請求項８】前記駆動信号発生回路より出力され、前記
   圧電素子に印加される駆動信号は緩漫なる立ち上がり時
   間と急峻なる立ち下がり時間を有する電圧波形である駆
   動信号であることを特徴とする請求項６、または請求項
   ７記載のインクジェット式印字ヘッド。
9. 【請求項９】前記駆動信号発生回路より出力される駆動
   信号は台形波形であることを特徴とする請求項２、３記
   載のインクジェット式印字ヘッド。