JP3503656B2 - インクジェットヘッドの駆動装置 - Google Patents

インクジェットヘッドの駆動装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は圧電体を利用したインク
ジエットヘッドの駆動装置に係わり、特に温度変化に左
右されず、インク吐出特性を均一にできるインクジェッ
トヘッドの駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】図１は、従来よりインクジェットプリン
タに用いられているオンデマンド型のインクジェットヘ
ッドを説明するもので図１（ａ）は、その断面図を、ま
た図１（ｂ）が電気的等価回路を示している。
【０００３】符号２は、室枠１と振動板４により形成さ
れたインク室であり、振動板４には電界により伸縮する
圧電体５が固着されていて、この圧電体５の伸縮力によ
り振動板４が変位しインク室２の体積が拡大、収縮す
る。圧電体５に電界を生じさせるには、駆動線７から圧
電体５の表面に設けた電極６に外部電源より電圧を印加
することで行う。この電圧印加により圧電体５は歪み、
この歪力を振動板４に作用させてインク室２を急激に押
圧し、インク滴３を室枠１に設けられた微細孔より吐出
させるものである。この様なアクチュエ−タがインクジ
ェットヘッドには複数設けられいる。
【０００４】圧電体５は電気的には図１（ｂ）に示すよ
うに容量性なので、印加電圧の波形の時間微分に比例し
た電流が電界印加時及び電界除去時に充放電電流として
流れる。つまりこの充放電電流は、圧電体５への電圧印
加及び除去を急激に行う程大きくなるわけで、圧電体５
の素子数が多く、例えば２４素子を駆動する場合にあっ
ては、ピーク値で５０（Ａ）以上にもなり、従って駆動
線７での大きな電圧降下が起こり、圧電体５の駆動素子
数により、吐出特性が左右されてしまうといった問題
や、電子部品が破壊するといった問題が生じてしまう。
【０００５】そこで、従来から、米国特許第４,４５９,
５９９号、４,１２６,８６７号、４,２８２,５３５号明
細書等の例に見られるように電流制限用抵抗により充放
電電流を制限し、圧電体を駆動する方法を採っていた。
この方法では電流制限用抵抗値のばらつきにより各々の
圧電体の充放電時間が変わってしまい、インク吐出特性
に大きな影響を与える。その為、電流制限用抵抗も含め
ＩＣ化するには問題がある。また仮に精度よく電流制限
用抵抗をＩＣ化できたとしても、各々の圧電体５の容量
ばらつきから、結果として圧電体の充放電時間が変わっ
てしまい、インク吐出特性に支障を来すといった問題が
あった。
【０００６】また、米国特許第４,２８４,９９６号明細
書に見られるようにフロー型とシンク型の定電流源によ
り一つの圧電体を駆動する方法もあるが、圧電体容量及
び定電流源の電流値ばらつきがある為、複数個の圧電体
の駆動に際して駆動特性を均一にすることが難しいと云
った問題があった。
【０００７】そこで、出願人は、特開平２−２７４５５
４号公報、特開平３−３６０３６号公報、特開平３−１
３３６４７号公報、特開平２−１６４５４４号公報、及
び特開平４−３６９５４３号公報に、複数の圧電体を直
接駆動電源に接続し、該駆動電源の出力電圧を圧電体の
一駆動周期内で所定勾配で変動させることにより、電流
制限用抵抗を用いず充放電電流値のピーク値を抑え且つ
圧電体の容量ばらつきにも影響されない駆動装置を公開
した。
【０００８】図２は、この駆動装置を説明するものであ
って、Ｖpが略２０ボルトの高圧電源を、Ｖdがロジック
用の５ボルトの電源を示している。ＧＮＤは接地を、Ｖ
sは圧電体１４、１４‥‥の駆動電圧を示している。以
下、同じ番号又は符号は同じ意味を表すものとする。
【０００９】図２（ａ）は、圧電体への電圧印加で圧力
室が拡大してインクをリザーバより吸引し、電圧除去で
圧力室が収縮してインク滴を吐出させるｄ３１型の圧電
体を用いたインクジェットヘッドに適用する駆動回路
で、所望の勾配で変動する駆動電圧Ｖsを発生する駆動
電圧発生器１０の出力には、両方向性トランスファゲ−
ト１２、１２‥‥を介して各圧電体１４、１４‥‥が接
続されている。このトランスファゲート１２、１２‥‥
を選択的に導通させて同一基材から作成された圧電体１
４、１４‥‥を充放電すると、圧電体１４、１４‥‥に
は、その容量ばらつきに関係なく所定の電圧勾配の駆動
電圧Ｖsが選択的に印加される。
【００１０】図２（ｂ）は、圧電体の電圧除去で圧力室
が拡大してインクをリザーバより吸引し、電圧印加で圧
力室が収縮してインク滴を吐出させるｄ３３型の圧電体
を用いたインクジェットヘッドに適用する駆動回路で、
符号２０は所望の勾配で変動する負電圧の駆動電圧Ｖs
を発生する駆動電圧発生器である。この場合の駆動回路
では、圧電体１４、１４、‥‥の共通端子が駆動電圧発
生器２０の出力端に接続され、寄生ダイオード２３を持
つ単方向のトランジスタ２２よりなる選択スイッチ群２
１を介して圧電体１４、１４、‥‥の他端が接地される
構成となっている。駆動電圧Ｖsが一定勾配で負方向に
増大すると、寄生ダイオ−ド２３を介して必ず全圧電体
１４は充電されて圧力室を拡大する。そして、駆動電圧
Ｖsが所定電圧勾配で小さくなる（零に向かう）とベー
スにオン信号が印加されているトランジスタ２２、２２
‥‥のみが導通して対応する圧電体１４、１４‥‥を放
電し、圧力室が収縮してインクを吐出させる。ベースに
オフ信号が印加されたトランジスタ２２は非導通のまま
であるので、対応する圧電体１４は充電状態を維持しイ
ンクを吐出しない。これら選択スイッチ群は既にＩＣ化
され市販されているものが利用できる。
【００１１】図３は、図２（ａ）における駆動電圧Ｖs
を発生させる駆動電圧発生器１０の具体的回路を示すも
ので、図３（ａ）の構成では、コンデンサＣと抵抗Ｒｔ
１で定まる時定数で、トランジスタＴＲ1を介してコン
デンサＣを充電し、その後コンデンサＣと抵抗Ｒｔ２で
定まる時定数でトランジスタＴＲ2を介してコンデンサ
Ｃの充電電荷を放電させることで基準変動電圧を得て、
このコンデンサＣの電圧を相補性のトランジスタ対を用
いた電力増幅器３０で増幅して駆動電圧Ｖsを得てい
る。
【００１２】この構成は簡単で安価である特徴を有する
が、波形が指数関数なのでアクチュエ−タの動作の終わ
り近傍で緩慢となり良好なインク吐出特性が得られな
い。又、圧電体の充放電電流も指数関数となり定電流と
ならず、充電及び放電初期に大きな電流が流れ回路上好
ましくない欠陥を有する。
【００１３】図３（ｂ）は、上記欠点を解消するもの
で、定電流源３１と３２とでコンデン−サＣを充放電し
て、基準変動電圧を得る。これを電力増幅器３０で電力
増幅して駆動電圧Ｖsを得て一定の充電及び放電電流で
圧電体を駆動するものである。この方法を採れば、コン
デン−サＣの電圧Ｖcは、Ｖc＝ｉ1／Ｃ×ｔ、又はＶc＝
Ｖp−ｉ2／Ｃ×ｔ（ｔ：時間)となり、直線的に変化す
るから、図３（ａ）の駆動電圧発生器の問題を解消でき
る。
【００１４】図４は、図３（ｂ）の様な直線的に電圧が
変化する駆動電圧発生器を用いた場合の駆動電圧Ｖsの
波形（図４（ａ）及び図４（ｂ））と、駆動電流波形
（図４（ｃ））を示したものである。尚、図４（ａ）と
（ｂ）で逆特性の駆動電圧Ｖsを示したのは、ｄ３１型
の圧電体に対しては、図４（ａ）の駆動電圧Ｖsの波形
を、ｄ３３型の圧電体に対しては、図４（ｂ）の駆動電
圧Ｖsの波形を用いる必要があるためである。
【００１５】ところで、圧電体を作製する基材が異なる
と、例えば、基材の厚みがばらつくと、それにより圧電
体の伸縮量が相違してしまい、吐出インク量、吐出イン
ク速度等が変わってしまう。そこで、それを補正するた
めに駆動電圧Ｖsの波高値を調整してやる必要が生じ
る。また、環境温度に対するインク特性の変化（粘性の
変化）が激しい場合も駆動電圧の波高値で補正する必要
が生じる。この波高値の修正は、図４（ａ）、（ｂ）に
示す（一点鎖線）ように、圧電体の充放電時間を調整す
ることで可能ではあるが、その場合、インク室を最大拡
大状態で維持しておく時間がｔ0 からｔ0’ に変わって
しまい、この結果、インク吐出時点でのメニスカスの位
置にずれが生じ、結果として、やはりインク吐出特性が
変わってしまうという問題が生じてしまう。
【００１６】また、図３（ｂ）の駆動電圧発生器では、
定電流源３１からのコンデンサＣへの充電電流ｉ1 と、
定電流源３２による放電電流ｉ2 は、トランジスタＴＲ
3 、ＴＲ6 のベース・エミッタ間電圧をＥbeとすると、 ｉ1＝Ｅbe／Ｒs2 ，ｉ2＝Ｅbe／Ｒs4 で決まる値になるが、トランジスタのベース・エミッタ
間電圧は環境温度に依存し、０〜４０゜Ｃで、０．７〜
０．３５ボルトと大きく変化してしまうから、図３
（ｂ）の回路にあっては、、温度特性上の問題も有して
いた。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】本発明はこの様な問題
に鑑みてなされたものであつて、その目的とするところ
は、所望の電圧勾配で変動する駆動電圧波形の立ち上が
り、立ち下がり時間を一定に維持したまま、駆動電圧波
形の波高値を調整することで、インク吐出特性を一定に
保つよう制御するインクジェットヘッドの駆動装置を提
供するものである。また、温度依存性がない該駆動装置
を提供するものである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】このような課題を達成す
るために請求項１の発明においては、所定の駆動周期で
上昇／下降する駆動電圧波形を発生する駆動電圧発生器
が、複数の圧電体に電圧を印加し、該圧電体が発生する
歪力でインク室の体積を拡大及び縮小してノズル孔より
インク滴を吐出するインクジェットヘッドの駆動装置に
おいて、前記駆動電圧発生器が、補正電圧信号により出
力電圧が可変な定電圧源と、前記定電圧源を介して前記
出力電圧に比例した第１の定電流を発生させる定電流源
と、前記第１の定電流により第１の規定時間で略前記出
力電圧まで充電されるコンデンサと、ほぼ前記出力電圧
まで充電された前記コンデンサを、前記出力電圧に比例
した第２の定電流により第２の規定時間で放電させる定
電流源より構成され、前記補正電圧信号に係わりなく、
前記駆動電圧波形の立ち上がり時間、及び、立ち下がり
時間を前記第１、及び第２の規定時間に一定に維持する
ようにした。
【００１９】また請求項８の発明においては、所定の駆
動周期で上昇／下降する駆動電圧波形を発生する駆動電
圧発生器が、複数の圧電体に電圧を印加し、該圧電体が
発生する歪力でインク室の体積を拡大及び縮小してノズ
ル孔よりインク滴を吐出するインクジェットヘッドの駆
動装置において、前記駆動電圧発生器が、周波数が可変
可能なクロック信号を発生する手段と、前記クロック信
号を計数する計数手段と、所定の時間間隔で前記計数手
段に加算信号、計数停止信号、減算信号を繰り返し出力
する制御手段と、前記計数手段のデジタル出力をアナロ
グ電圧に変換するＤ／Ａ変換器と、前記アナログ電圧を
電圧増幅する電圧増幅手段とから構成され、前記クロッ
ク信号の周波数に係わらず前記駆動電圧波形の立ち上が
り時間、及び、立ち下がり時間を一定に維持するように
した。
【００２０】また請求項１４の発明においては、所定の
駆動周期で上昇／下降する駆動電圧波形を発生する駆動
電圧発生器が、複数の圧電体に電圧を印加し、該圧電体
が発生する歪力でインク室の体積を拡大及び縮小してノ
ズル孔よりインク滴を吐出するインクジェットヘッドの
駆動方法において、補正電圧信号により出力電圧が可変
可能な定電圧源を介して前記出力電圧に比例した第１の
定電流を発生させる工程と、前記第１の定電流で、ほぼ
前記出力電圧まで第１の規定時間でコンデンサを充電す
る工程と、ほぼ前記出力電圧まで充電された前記コンデ
ンサを、前記出力電圧に比例した第２の定電流で第２の
規定時間で放電する工程と、前記コンデンサの端子電圧
を入力として、前記コンデンサの端子電圧に略等しい前
記駆動電圧波形を出力する電力増幅工程を有し、前記補
正電圧信号に係わらず、前記駆動電圧波形の立ち上がり
時間、及び、立ち下がり時間を一定に維持するようにし
た。
【００２１】
【作用】本発明の第１の形態によれば、可変定電圧源出
力の分圧信号で電流値が制御される定電流源を用いてコ
ンデンサを該定電圧源の出力電圧値まで充電し、そし
て、零電位まで放電することで該コンデンサの端子に基
準電圧を得て、この基準電圧を基に圧電体の駆動電圧Ｖ
sを発生する構成にしているので、可変定電圧源の出力
をインクの粘性特性等を補正するよう環境温度に応じて
調整するだけで、駆動電圧Ｖsの立ち上がり時間、立ち
下がり時間が一定に維持されたまま駆動電圧Ｖsの波高
値を可変できる。また定電流源をＰＮＰ型とＮＰＮ型の
相補性トランジスタ対による縦続構成とすることによ
り、互いのベース・エミッタ間電圧分がキャンセルさ
れ、定電流源自体には温度依存性が生じない。
【００２２】本発明の第２の形態によれば、所定時間間
隔でクロック信号を加算、計数停止、減算するカウンタ
の計数出力を、Ｄ／Ａ変換器により階段状に上昇、下降
するアナログ電圧信号に変換し、該電圧信号を増幅させ
て基準電圧を得て、この基準電圧を基に圧電体の駆動電
圧Ｖsを発生させているので、温度変化や経時変化で容
量が変わるコンデンサを用いる必要がなく、より安定し
た駆動電圧Ｖsが得られる。 また、クロック信号の周
波数をインクの粘性特性等を補正するよう環境温度に応
じて調整するだけで、駆動電圧Ｖsの立ち上がり時間、
立ち下がり時間が一定に維持されたまま駆動電圧Ｖsの
波高値を可変できる。
【００２３】
【実施例】図５は本発明の第１の形態の具体的回路構成
を示す図である。符号４０は可変定電圧源であり、環境
温度に依存した電圧Ｖkを出力するものである。詳細に
は、ツェナーダイオードZDのツェナー電圧に後述する補
正電圧Ｖxを重畳した電圧Ｖrを発生する基準電圧発生部
４１と、出力電圧Ｖkを抵抗Ｒf1と抵抗Ｒf2で分圧して
得た電圧Ｖfを発生する帰還部４３と、基準電圧発生部
４１と帰還部４３からの電圧の比較を行い、Ｖr＝Ｖfと
なるよう出力電圧Ｖkを制御する制御部４２よりなって
いる。
【００２４】符号４４は抵抗Ｒd1,Ｒd2,Ｒd3で可変定電
圧源の出力電圧Ｖkを分圧して電圧Ｖin1と電圧Ｖin2を
得る分圧器で、この電圧Ｖin1、Ｖin2で次に示す定電流
源の定電流値を制御している。
【００２５】符号４５は上記電圧Ｖin1に比例した定電
流をフロ−する定電流源であり、この定電流源４５から
の電流によりコンデンサＣを充電する。この時のコンデ
ンサＣの端子電圧の上昇は直線的であり、充電電圧Ｖc
はＶk近傍でピ−クに達する。
【００２６】また、符号４６は電圧Ｖin2に比例した定
電流をシンクする定電流源で、この定電流源４６により
コンデン−サCを放電する。この時のコンデンサＣの端
子電圧の降下もやはり直線的にピーク電圧Ｖkから零ま
で降下する。
【００２７】この定電流源４５、４６は、システム制御
手段６０から所定の作動サイクルで交互に出力する制御
信号Ｓ1、Ｓ2により動作する。そして、コンデンサＣの
端子電圧Ｖcを電力増幅器３０で増幅して圧電体の駆動
電圧Ｖsを発生する。以上が駆動電圧発生器１０ａの構
成である。
【００２８】符号５１はプリンタヘッドで、圧電体より
なるアクチュエ−タと図２の（ａ）または（ｂ）の選択
スイッチ及び温度検出用の感温素子５２を登載してお
り、感温素子５２の抵抗値の変化に起因して得られる温
度情報は信号線52aを通してシステム制御手段６０に入
力し、またシステム制御手段６０からは、選択スイッチ
を制御するための印字データ信号が信号線群60aを通し
て出力されている。システム制御手段６０に入力した温
度情報は内部のアナログ・ディジタル変換器（A/D）６
１で、ディジタル値に変換されてルックアップテーブル
よりなるデータ処理手段６２に入力し、データ処理手段
６２ではインクの粘性、アクチュエ−タ構成素子の諸定
数の温度による変動を補償すべく駆動電圧Ｖsのピーク
値を変化させるための補償データを出力する。この補償
データはディジタル・アナログ変換器（D/A）６３でア
ナログ値に変換され、上記基準電圧Ｖrを低温程高くさ
せるよう基準電圧発生部４１に出力する。詳細には、デ
ィジタル・アナログ変換器（D/A）６３のアナログ出力
を抵抗Ｒc1とＲc2で分圧して得た補正電圧Ｖxをトラン
ジスタＴＲ7を介してツェナーダイオードZDのツェナー
電圧に重畳することにより基準電圧Ｖr変える。
【００２９】ここで、PNP型のトランジスタＴＲ7と、NP
N型のトランジスタＴＲ8のベ−ス・エミッタ間飽和電圧
をそれぞれＥbe7とＥbe8とし、ツェナー・ダイオ−ドZD
のツェナ−ナ電圧をＶzとすれば抵抗Ｒb2端に発生する
基準電圧Ｖrは、 Ｖr＝Ｖx＋Ｅbe7＋Ｖz−Ｅbe8 となるが、Ｅbe7とＥbe8は温度によって変化するものの
値はほぼ同じあるため、Ｅbe7とＥbe8の項は相殺され
て、 Ｖr＝Ｖx＋Ｖz となり、トランジスタのベース・エミッタ間電圧の温度
特性が基準電圧Ｖrには現れない。つまり、可変定電圧
源４０の出力電圧Ｖkは、 Ｖk＝Ｖr・(1＋Ｒf1/Ｒf2) ＝(Ｖx＋Ｖz)・(1＋Ｒf1/Ｒf2) なる電圧値になり、温度に応じた補正電圧Ｖxだけに依
存して、図９に示した電圧値に精度よく調整される。
尚、抵抗Ｒb1の値は適切なツェナー電圧Ｖzが発生する
電流になるような値に設定する。
【００３０】温度補正方式として、感温素子５２を基準
電圧発生部４１または帰還部４３に直接的に作用させて
ることも考えられるが、アクチュエ−タまたはヘッドの
温度特性に整合させる感温素子５２の選択が困難な場合
がある。感温素子を直接的に作用させて圧電体への駆動
電圧を補正するものとしては、特開昭55-65566号公報に
多少の開示があるが、回路構成、駆動方式が本願発明と
は全く異なっている。
【００３１】圧電体の基材の厚み等による補正をする場
合は、同温でも駆動電圧の波高値を異ならしめる必要が
ある。その為には、帰還部４３の抵抗Ｒf1、Ｒf2の比を
可変できる構成とし、帰還電圧Ｖfを調整するようにす
ればよい。
【００３２】ところで、図５の回路構成においては、Ｄ
／Ａ変換器６３の供給電圧が５ボルトであれば、詳細は
省略するが最大５ボルト×２／３の３．３３ボルト程度
しかＤ／Ａ変換器６３からは出力が得られないが、実際
の応用場面では、基準電圧Ｖrの可変割合を大きくした
い要求が生じる場合がある。この場合、ツェナー電圧Ｖ
zを小さくしてもよいが、所定の出力電圧Ｖkを得るに
は、（１＋Ｒf1／Ｒf2）の倍率を大きくする必要があ
り、良好な出力電圧Ｖkが得られない恐れがある。これ
を解決するのが、図１５に示した可変定電圧源で、Ｖr
＜Ｖkの関係を維持して、（１＋Ｒf1／Ｒf2）の倍率を
大きくすることなく、かつツェナー電圧Ｖzを大きくし
ても、基準電圧Ｖrの変化割合を大きくするものであ
る。
【００３３】図１５の回路では、抵抗Ｒe12とＲe13（Ｒ
e12＝Ｒe13）、及びトランジスタＴＲ28とＴＲ29でカレ
ントミラー回路が構成されていて、トランジスタＴＲ28
とＴＲ29には同一値のコレクタ電流ｉc（＝Ｖx／Ｒe1
1）が流れる。従って基準電圧Ｖrは、 Ｖr＝ｉc×Ｒc3＋Ｖz ＝（Ｒc3／Ｒe11）×Ｖx＋Ｖz になり、抵抗Ｒc3とＲe11の抵抗値を適宜選択すれば、
補正電圧Ｖxを任意に増幅して、基準電圧Ｖrの変動レン
ジを大きくできるわけである。
【００３４】次に図５の回路の動作を図６（ａ）乃至
（ｄ）を用いて説明する。
【００３５】（ａ）、（ｂ）は定電流源４５、４６の制
御信号Ｓ1、Ｓ2を示しており、定電流源４５と４６が交
互に動作するようシステム制御手段６０から出力される
ものである。この制御信号Ｓ1、Ｓ2より、定電流源４５
からはコンデンサＣへの充電電流ｉ1を、また定電流源
４６はコンデンサＣを放電する放電電流ｉ2を（ｃ）に
示したように生じさせる。（ｄ）は、この充電電流ｉ1
および放電電流ｉ2により充放電されるコンデンサＣの
端子電圧Ｖcの波形を示している。尚、図中の波線は、
可変電圧源４０の出力電圧をＶk1からＶk2に低下させた
場合を示しているもので、出力電圧の低下に比例して、
充放電電流値ｉ1、ｉ2も小さくなり、コンデンサＣの端
子電圧Ｖcの上昇、下降勾配が調整されるが、充電時間
τ1、ピーク電圧保持時間τ2、放電時間τ3は変化しな
い。つまり、出力電圧を変えてもインク吐出時点でのメ
ニスカスの位置にずれを生じず、安定した吐出制御がで
きる。
【００３６】図７は、図６に示した駆動タイミングを更
に改良して、インク滴吐出後のメニスカスの残留振動を
可及的に押せえる別の駆動タイミングを示すもので、イ
ンク滴吐出後コンデンサＣの放電を一時的に停止し、そ
の後メニスカスが大きく引き込まれる時点で放電を再度
開始し、メニスカスの引き込みを相殺するものである。
このような駆動方式であっても、図６の場合と同様に、
コンデンサＣの端子電圧の上昇、下降勾配が調整される
だけで、充電時間τ1、ピーク電圧保持時間τ2、放電時
間τ4〜τ6は変化せず安定したインク滴吐出制御ができ
る。図７に示す駆動方式をとれば、インク滴吐出周期を
高めることができる。尚、コンデンサＣの放電を途中停
止させた時に、駆動信号波形が平坦に維持できるのは、
電流増幅器３０の入力インピダンスが非常に高い為であ
る。
【００３７】また、更に、制御信号Ｓ1を充電途中でＯ
ＦＦして充電を一時中断し、メニスカスが復帰する時点
で制御信号Ｓ1をＯＮとして再度充電を再開させるよう
にすれば、メニスカスは殆ど振動することなく静定する
から、ピーク電圧保持時間τ2を非常に小さくでき、そ
の結果インク滴吐出周期を更に高めることもできる。
【００３８】次に、本発明に用いる定電流源の具体的構
成例を説明する。図８（ａ）は、その一例を示すもの
で、相補性トランジスタのエミッタ・フォロ−ワの縦続
で、フロ−型の定電流源４５とシンク型の定電流源４６
を構成するものである。
【００３９】定電流源４５は、電圧Ｖin1を入力電圧と
して、NPN型のトランジスタＴＲ9とエミッタ抵抗Ｒe2を
持ったPNP型のトランジスタＴＲ10とで主要部が構成さ
れ、システム制御手段６０からの制御信号Ｓ1によりト
ランジスタＴＲ11を導通させるこで動作する。また、定
電流源４６は、電圧Ｖin2を入力電圧として、PNP型のト
ランジスタＴＲ12とエミッタ抵抗Ｒe4を持ったNPN型の
トランジスタＴＲ13とで主要部が構成され、システム制
御手段６０からの制御信号Ｓ2によりトランジスタＴＲ1
4を導通させるこで動作する。
【００４０】ここで、定電流源を構成する各トランジス
タＴＲ9、ＴＲ10、ＴＲ12、ＴＲ13のベ−ス・エミッタ
間飽和電圧をそれぞれＥbe9、Ｅbe10、Ｅbe12、Ｅbe13
とし、抵抗Ｒe2とＲe4に発生する電圧をそれぞれＶout
1,Ｖout2とすれば、 Ｖout1＝Ｖin1−Ｅbe9＋Ｅbe10 Vout2＝Ｖin2＋Ｅbe12−Ｅbe13 となるが、トランジスタのベ−ス・エミッタ間飽和電圧
は極性にかかわらず温度特性を含めてほぼ同じであるの
で、上式は温度によらず各々Ｖout1≒Ｖin1、Ｖout2≒
Ｖin2となる。
【００４１】従って、定電流源４５からのフロー電流ｉ
1は、ｉ1＝Ｖin1/Ｒe2、また定電流源４６のシンク電流
ｉ2は、ｉ2＝Ｖin2/Ｒe4であり、温度によらず抵抗精度
のみで決定できる。抵抗は0.5％以上の精度でも安価に
得られるので、安価にして所望の定電流源が設計でき
る。しかも、電圧Ｖin1と電圧Ｖin2が０．３ボルト以上
であれば精度よく動作するので、コンデンサＣの充電最
終電圧をほぼ可変定電圧源４０の出力電圧Ｖkに、また
放電最終電圧をほぼＧＮＤレベルにすることができる。
【００４２】図８（ｂ）は、別の定電流源の構成を示す
図で、オペアンプ８２と８３を用いてトランジスタＴＲ
15、ＴＲ17のエミッタ抵抗Ｒe5、Ｒe6に発生する電圧を
電圧Ｖin1、電圧Ｖin2に維持させて定電流を得るもので
ある。
【００４３】この回路においては、オペアンプ８２、８
３への供給電圧を可変定電圧源４０の出力電圧Ｖkから
供給する場合、Ｖin1が出力電圧Ｖkの近傍、あるいはＶ
in2がＧＮＤの近傍に設定されると動作が不確実となる
点に注意を払う必要がある。
【００４４】更に、図示はしていないが、カレントミラ
ー回路で定電流源を構成することもできる。カレントミ
ラー回路によれば、定電流源での電圧降下を非常に小さ
いすることが可能であるが、特性の揃ったトランジスタ
対を用いなければならない。
【００４５】ところで、実際の応用場面ではピーク電圧
保持時間τ2を非常に短くする場面がある。この場合、
図５の回路では定電流源４５の精度ばらつきでピーク電
圧保持時間τ2が生じない恐れが生じる。そこでより正
確な駆動電圧Ｖsを出力させる回路を図１６で説明す
る。図１６の回路では、定電流源４５のフロー電流値を
決定する抵抗Ｒe2またはＲe5（図８に示す）を可変イン
ピーダンス１２０に置換し、定電流源４５の精度ばらつ
きに応じて該可変インピーダンス１２０の値を自動制御
するものである。詳しくは、ピーク検出器１２１で検出
された駆動電圧Ｖsが最大電圧に達する時点と制御時点
を示す基準信号Ｔdとの位相差を位相検出回路１２２で
検出し、これをチャージポンプ１２３と積分回路１２４
でアナログ電圧信号に変換してトランジスタＴＲ30のベ
ース電流を制御して、トランジスタＴＲ30のコレクタ・
エミッタ間のインピーダンスを調整するものである。
【００４６】図１７（ａ）乃至（ｄ）は、図１６の回路
の動作説明図で、（ａ）は駆動電圧Ｖsの電圧波形を、
（ｂ）は駆動電圧Ｖsの立ち上がり時点Ｔsを、（ｃ）は
Ｔsの発生から時間τ１遅れて出力する基準信号Ｔdを、
（ｄ）はピーク検出器１２１の出力を、（ｅ）及び
（ｄ）は位相検出器１２２から出力する位相進み信号
（UP）及び遅れ信号（DN）を示している。尚、同様の回
路を駆動電圧Ｖsの立ち下がり時間τ３の制御にも利用
できることは明かである。
【００４７】以上説明した実施例は、圧電体への電圧印
加で圧力室を拡大させてインクをリザーバより吸引し、
電圧除去で圧力室を収縮させてインク滴を吐出させるｄ
３１型の圧電体を用いたインクジェットヘッドを駆動す
る場合を説明したものであり、ｄ３１型と逆動作のｄ３
３型圧電体を用いたインクジェットヘッドを駆動する場
合の実施例を図１０に説明する。
【００４８】図１０（ａ）は、ｄ３３型の圧電体を用い
たインクジェットヘッドに用いる駆動電圧発生器２０ａ
の構成を示す回路図である。図中Ｖdは５ボルトのロジ
ック用電源で、レベル変換器９３に電力を供給してい
る。このレベル変換器９３は、図５に示したシステム制
御手段６０からの制御信号Ｓ1、Ｓ2、及び温度情報に基
づく補正電圧Ｖxをレベル変換し、制御信号Ｓ1’、Ｓ
2’で定電流源９１、９２の動作を、また補正電圧Ｖx’
で可変定電圧源９０の出力電圧（-Ｖk）を制御し、図１
０（ｂ）に示した負電圧の駆動電圧Ｖsを発生させる。
この駆動電圧発生器２００を図５の回路に適用すればよ
い。
【００４９】次に本発明の第２の形態について説明す
る。前述の第１の形態は、コンデンサＣの充放電電圧を
基に駆動電圧Ｖsを発生させるものであるが、コンデン
サＣは抵抗に比べて、環境温度や経時変化による容量変
化が大きい。そこで第２の形態では、コンデンサＣを用
いずに駆動電圧Ｖsを発生させることに主眼をおいてい
る。図１１は、第２の形態の具体的回路構成を示す図で
あり、感温素子５２からの温度情報をシステム制御手段
１１０内部のＡ／Ｄ変換器１１１でデジタル値に換え、
データ処理部１１２は、該デジタル温度情報と、充電期
間か放電期間かの情報を考慮して、クロック発生器１１
３の周波数を、低温になる程高めるよう制御する。また
データ処理部１１２は、クロック発生器１１３からのク
ロック信号を計数するカウンタ１１４に対して所定時間
間隔で加算信号、計数停止信号、源算信号を繰り返し出
力して、カウンタ１１４の計数制御も行う。カウンタ１
１４の計数出力はＤ／Ａ変換器１１５でアナログ値に変
換されて、Ｄ／Ａ変換器１１５からは図１２に示す階段
状の電圧波形が出力する。尚、図１２の右側がインク粘
土が上がる低温状態、左図が常温状態に於ける出力波形
を示している。
【００５０】このＤ／Ａ変換器１１５からの出力電圧Ｖ
in3で、定電流源１０１は、ｉ3＝Ｖin3/Ｒe7の定電流を
シンクし、また、定電流源１０２はＶh＝Ｒc1×ｉ3の電
圧を入力として、ｉ4＝Ｖh/Ｒe8の定電流をフロ−す
る。従って、抵抗Ｒc2にはＶout3＝ｉ4×Ｒc2の電圧が
発生する。ここで、Ｒe7＝Ｒc1＝Ｒe8＝（Ｒe0）とすれ
ば、Ｖout3＝Ｖin3×(Ｒc2/Ｒe0)となり、抵抗値Ｒc2、
Ｒe0で決まる増幅率の電圧Ｖout3が得られ、これを更に
電力増幅器３０で電力増幅して駆動電圧Ｖsを生成す
る。この第２の形態では、カウンタ１１２のビット数に
より、駆動電圧Ｖsの滑らかさが左右されるが、５ビッ
ト以上あれば実用上駆動特性に問題を生じない。
【００５１】尚、クロック発生器１１３の周波数を固定
値にして、カウンタ１１４の出力ビットを温度情報に依
存させて適宜シフトしてＤ／Ａ変換器１１５に出力して
やる構成にしてもよい。
【００５２】最後に、本発明に共通して用いる電力増幅
器３０について説明する。図１３（ａ）、（ｂ）は、従
来から知られている相補性のトランジスタを用いて、単
独または同極性のダーリントン接続にしたエミッタ・フ
ォロワ構成の電力増幅器の構成を示している。この図１
３（ａ）、（ｂ）の電力増幅回路を用いてもかまわない
が、この従来回路では出力がほぼ短絡状態に陥った場合
に、最終出力段のトランジスタＴＲ20、ＴＲ21あるいは
トランジスタＴＲ22、ＴＲ23のベース電流が無制限に流
れてしまいトランジスタが破壊してしまう。また図１３
（ｂ）の回路では、入出力間の電圧降下がトランジスタ
のベース・エミッタ間飽和電圧の２個分と大きくなって
しまう欠点がある。
【００５３】そこで、本発明では上記欠点を改善した図
１４（ａ）乃至（ｄ）に示した電力増幅回路を用いてい
る。
【００５４】図１４（ａ）が基本回路で、最終出力トラ
ンジスタＴＲ23、ＴＲ22に流れる出力電流を電流検出抵
抗Ｒp1、Ｒp2で検出して、トランジスタＴＲ24、ＴＲ25
により、ベース電流が無制限に流れることを防止してい
る。尚、図１４（ｂ）はシンク電流容量を増加させたも
の、図１４（ｃ）はフロー電流容量を増加させたもの、
図１４（ｄ）は、シンク電流及びフロー電流容量を共に
増加させたものであり、いづれの回路構成においても入
出力間の電圧降下はトランジスタのベース・エミッタ間
飽和電圧の１個分ですむと云う特徴がある。また、抵抗
Ｒb4、Ｒb5は、ベース・エミッタ間がオープン状態なら
ないようにするものである。
【００５５】図１４（ａ）乃至（ｄ）のいづれの回路を
用いるかは、最大出力電流値と、圧電体の充電時間、放
電時間の長短を考慮して適宜選択し用いる。
【００５６】尚、電力増幅器の電力供給は、可変定電圧
源４０、９０の出力Ｖkから供給してもかまわないが、
可変定電圧源４０、９０から供給する場合は、可変定電
圧源４０、９０の電力容量を充分増加させる必要があ
る。また、電力増幅器３０、定電流源４５、４６に使用
するトランジスタをバィポ−ラ・トランジスタで説明し
たが、勿論電界効果型のトランジスタでも構わない。
【００５７】以上の本発明の実施例に於て細部にわたっ
ては、種々変形が考えられるのは勿論である。
【００５８】
【発明の効果】以上述べたように、請求項１の発明によ
れば、駆動電圧波形の立ち上がり時間、及び、立ち下が
り時間を一定に維持してインク吐出時点でのメニスカス
の位置ずれをなくして、インク滴を安定に吐出させるこ
とができる。
【００５９】請求項８の発明によれば、所定時間間隔で
クロック信号を加算、計数停止減算するカウンタの出力
を階段状に上昇、下降するアナログ電圧信号に変換し、
該電圧信号を増幅させて電力増幅器を介して圧電体の駆
動電圧Ｖsとしているので、温度変化や経時変化で容量
が変わるコンデンサを用いる必要がなく、より安定した
駆動電を発生でき、クロック信号の周波数をインクの粘
性特性等を補正するよう環境温度に応じて制御するだけ
で、駆動電圧Ｖsの立ち上がり時間、立ち下がり時間を
一定に維持したまま駆動電圧Ｖsの波高値を調整でき、
環境温度によらず常に均一なインク吐出特性を得ること
ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】圧電体を用いたインクジェットヘッドを説明す
る図である。
【図２】（ａ）（ｂ）は、従来のインクジェットヘッド
の駆動回路図である。
【図３】（ａ）（ｂ）は、駆動電圧発生器１０（図２）
の具体的回路図である。
【図４】（ａ）（ｂ）は従来の駆動電圧発生器１０、２
０（図２）が出力する駆動電圧Ｖsの電圧波形図であ
り、（ｃ）は駆動電流波形を示す図である。
【図５】本発明における第１の形態のインクジェットヘ
ッドの駆動装置の構成を示す図である。
【図６】図５の装置の基本動作を説明する図であり、
（ａ）（ｂ）は制御信号Ｓ1，Ｓ2を、（ｃ）はコンデン
サＣへの充放電電流を、（ｄ）はコンデンサＣの端子電
圧を示す図である。
【図７】図５の装置の別の動作を説明する図であり、
（ａ）（ｂ）は制御信号Ｓ1，Ｓ2を、（ｃ）はコンデン
サＣへの充放電電流を、（ｄ）はコンデンサＣの端子電
圧を示す図である。
【図８】（ａ）（ｂ）は、本発明に用いる定電流源部の
具体的回路図である。
【図９】可変定電圧源４０（図５）の出力電圧Ｖkの温
度特性を示す図である。
【図１０】（ａ）は、本発明における第１の形態で、負
の駆動電圧を出力する場合を説明する図であり、（ｂ）
は該駆動電圧波形を示す図である。
【図１１】本発明における第２の形態のインクジェット
ヘッドの駆動装置の構成を示す図である。
【図１２】Ｄ／Ａ変換器１００（図１１）の出力電圧波
形を示す図である。
【図１３】（ａ）（ｂ）は、従来から用いられている電
力増幅器３０の回路図である。
【図１４】（ａ）乃至（ｄ）は、本発明に適用する電力
増幅器３０の回路図である。
【図１５】本発明の第１の形態に用いる別の可変定電圧
源の回路を示す図である。
【図１６】本発明の第１の形態で、より正確な駆動電圧
の立ち上がり時間を得るための回路である。
【図１７】図１６の回路動作を説明する図で、（ａ）は
駆動電圧Ｖsの波形を、（ｂ）は駆動電圧の立ち上がり
開始時点を示す信号Tsを、（ｃ）は駆動電圧の立ち上が
り終了目標時点を示す基準信号Tdを、（ｄ）はピーク検
出器１２１の出力信号を、（ｅ）（ｆ）は位相検出器１
２２かの進み位相および遅れ位相信号を示す図である。
【符号の説明】
４０‥‥可変定電圧源 ４５、４６‥‥定電流源 ３０‥‥電力増幅器 ５１‥‥プリンタヘッド ６０‥‥システム制御手段
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B41J 2/045 B41J 2/055

Claims (15)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 所定の駆動周期で上昇／下降する駆動電
    圧波形を発生する駆動電圧発生器が、複数の圧電体に電
    圧を印加し、該圧電体が発生する歪力でインク室の体積
    を拡大及び縮小してノズル孔よりインク滴を吐出するイ
    ンクジェットヘッドの駆動装置において、 前記駆動電圧発生器が、補正電圧信号により出力電圧が
    可変な定電圧源と、前記定電圧源を介して前記出力電圧
    に比例した第１の定電流を発生させる定電流源と、 前記第１の定電流により第１の規定時間で略前記出力電
    圧まで充電されるコンデンサと、 ほぼ前記出力電圧まで充電された前記コンデンサを、前
    記出力電圧に比例した第２の定電流により第２の規定時
    間で放電させる定電流源より構成され、 前記補正電圧信号に係わりなく、前記駆動電圧波形の立
    ち上がり時間、及び、立ち下がり時間を前記第１、及び
    第２の規定時間に一定に維持するようにしたことを特徴
    とするインクジェットヘッドの駆動装置。
  2. 【請求項２】 請求項１記載のインクジェットヘッドの
    駆動装置において、 前記コンデンサの端子電圧を入力として、前記コンデン
    サの端子電圧に略等しい前記駆動電圧波形を出力する電
    力増幅器を含むことを特徴とするインクジェットヘッド
    の駆動装置。
  3. 【請求項３】 請求項２記載のインクジェットヘッドの
    駆動装置において、 環境温度に応じて前記補正電圧信号を調整し、前記駆動
    電圧波形の波高値を可変とすることを特徴とするインク
    ジェットヘッドの駆動装置。
  4. 【請求項４】 請求項２記載のインクジェットヘッドの
    駆動装置において、 圧電体の製造特性に応じて前記補正電圧信号を調整し、
    前記駆動電圧波形の波高値を可変とすることを特徴とす
    るインクジェットヘッドの駆動装置。
  5. 【請求項５】 請求項２記載のインクジェットヘッドの
    駆動装置において、 前記出力電圧は基準電圧から構成され、前記基準電圧は
    任意に増幅可能な補正電圧とツエナー電圧とを含み、前
    記ツエナー電圧を大きくしても、前記基準電圧の変動レ
    ンジが広く設定できることを特徴とするインクジェット
    ヘッドの駆動装置。
  6. 【請求項６】 請求項２記載のインクジェットヘッドの
    駆動装置において、 前記第１及び第２の定電流を発生する定電流源は、前記
    出力電圧に比例した電圧をエミッタ（又はソース）フォ
    ローワで受けるプリ・トランジスタと、 前記プリ・トランジスタのエミッタ（又はソース）にベ
    ース（又はゲート）が縦続する前記プリ・トランジスタ
    と相補性の出力トランジスタと、 前記出力トランジスタのエミッタに接続する電流値を設
    定するための抵抗より構成されていることを特徴とする
    インクジェットヘッドの駆動装置。
  7. 【請求項７】 請求項２記載のインクジェットヘッドの
    駆動装置において、 前記駆動電圧波形が最大、又は、最小電圧に達する時点
    を検出する手段と、 該手段からの出力と設定時点を示す基準信号との位相ず
    れを検出する位相差検出手段と、 前記位相差検出手段の出力に応じて、前記第１の定電
    流、又は、前記第２の定電流を、前記定電圧源の出力電
    圧に係わらず微調整する手段とを備え、 前記駆動電圧波形の立ち上がり時間、又は立ち下がり時
    間を前記第１、第２の規定時間に自動調整するようにし
    たことを特徴とするインクジェットヘッドの駆動装置。
  8. 【請求項８】 所定の駆動周期で上昇／下降する駆動電
    圧波形を発生する駆動電圧発生器が、複数の圧電体に電
    圧を印加し、該圧電体が発生する歪力でインク室の体積
    を拡大及び縮小してノズル孔よりインク滴を吐出するイ
    ンクジェットヘッドの駆動装置において、 前記駆動電圧発生器が、周波数が可変可能なクロック信
    号を発生する手段と、 前記クロック信号を計数する計数手段と、 所定の時間間隔で前記計数手段に加算信号、計数停止信
    号、減算信号を繰り返し出力する制御手段と、 前記計数手段のデジタル出力をアナログ電圧に変換する
    Ｄ／Ａ変換器と、 前記アナログ電圧を電圧増幅する電圧増幅手段とから構
    成され、 前記クロック信号の周波数に係わらず前記駆動電圧波形
    の立ち上がり時間、及び、立ち下がり時間を一定に維持
    するようにしたことを特徴とするインクジェットヘッド
    の駆動装置。
  9. 【請求項９】 請求項８記載のインクジェットヘッドの
    駆動装置において、 前記電圧増幅手段の出力電圧を入力とし、前記電圧増幅
    手段の出力電圧に略等しい前記駆動電圧波形を出力する
    電力増幅器を含むことを特徴とするインクジェットヘッ
    ドの駆動装置。
  10. 【請求項１０】 請求項９記載のインクジェットヘッド
    の駆動装置において、 環境温度に応じて前記クロック信号の周波数を調整し、
    前記駆動電圧波形の波高値を可変することを特徴とする
    インクジェットヘッドの駆動装置。
  11. 【請求項１１】 請求項９記載のインクジェットヘッド
    の駆動装置において、 圧電体の製造特性に応じて前記クロック信号の周波数を
    調整し、前記駆動電圧波形の波高値を可変とすることを
    特徴とするインクジェットヘッドの駆動装置。
  12. 【請求項１２】 請求項２乃至７、及び請求項９乃至１
    １記載のいずれかに記載のインクジェットヘッドの駆動
    装置において、 前記電力増幅器は、互いのベース及びエミッタが結合さ
    れて、前記ベース端子の電圧でプッシュ・プル動作する
    相補性の第１のトタンジスタと第２のトンジスタを前段
    とし、 第１のトタンジスタと実質的に相補性となる第３のトラ
    ンジスタ回路、及び、第２のトタンジスタと実質的に相
    補性となる第４のトランジスタ回路を出力段とする構成
    であり、 前記第１のトランジスタが発生するコレクタ電流を前記
    第３のトランジスタ回路のベース電流とすべく、前記第
    １のトランジスタのコレクタ及びエミッタが、第３の出
    力トランジスタ回路のベース及びエミッタに接続され、 前記第２のトランジスタが発生するコレクタ電流を前記
    第４のトランジスタ回路のベース電流とすべく、前記第
    ２のトランジスタのコレクタ及びエミッタが、第４の出
    力トランジスタ回路のベース及びエミッタに接続されて
    いることを特徴とするインクジェットヘッドの駆動装
    置。
  13. 【請求項１３】 請求項１２記載のインクジェットヘッ
    ドの駆動装置において、 前記第３及び第４のトランジスタ回路に流れる出力電流
    が所定値以外流れた場合に、前記第３及び第４のトラン
    ジスタ回路に流れるベース電流を阻止する電流制限回路
    を更に備えることを特徴とするインクジェットヘッドの
    駆動装置。
  14. 【請求項１４】所定の駆動周期で上昇／下降する駆動電
    圧波形を発生する駆動電圧発生器が、複数の圧電体に電
    圧を印加し、該圧電体が発生する歪力でインク室の体積
    を拡大及び縮小してノズル孔よりインク滴を吐出するイ
    ンクジェットヘッドの駆動方法において、 補正電圧信号により出力電圧が可変可能な定電圧源を介
    して前記出力電圧に比例した第１の定電流を発生させる
    工程と、 前記第１の定電流で、ほぼ前記出力電圧まで第１の規定
    時間でコンデンサを充電する工程と、 ほぼ前記出力電圧まで充電された前記コンデンサを、前
    記出力電圧に比例した第２の定電流で第２の規定時間で
    放電する工程と、 前記コンデンサの端子電圧を入力として、前記コンデン
    サの端子電圧に略等しい前記駆動電圧波形を出力する電
    力増幅工程を有し、 前記補正電圧信号に係わらず、前記駆動電圧波形の立ち
    上がり時間、及び、立ち下がり時間を一定に維持するよ
    うにしたことを特徴とするインクジェットヘッドの駆動
    方法。
  15. 【請求項１５】 所定の駆動周期で上昇／下降する駆動
    電圧波形を発生する駆動電圧発生器が、複数の圧電体に
    電圧を印加し、該圧電体が発生する歪力でインク室の体
    積を拡大及び縮小してノズル孔よりインク滴を吐出する
    インクジェットヘッドの駆動方法において、 前記駆動電圧発生器が、周波数が可変可能なクロック信
    号を発生する工程と、 前記クロック信号を計数する工程と、 所定の時間間隔で前記計数手段に加算信号、計数停止信
    号、減算信号を繰り返し出力する工程と、 前記計数手段のデジタル出力をアナログ電圧に変換する
    Ｄ／Ａ変換器と、前記アナログ電圧を電圧増幅する電圧
    増幅工程と、 前記電圧増幅手段の出力電圧を入力とし、前記電圧増幅
    手段の出力電圧に略等しい前記駆動電圧波形を出力する
    電力増幅工程を有し、 前記クロック信号の周波数に係わらず前記駆動電圧波形
    の立ち上がり時間、及び、立ち下がり時間を一定に維持
    するようにしたことを特徴とするインクジェットヘッド
    の駆動方法。
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