JP5471245B2 - 圧電アクチュエータの駆動装置、及び、液体吐出装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧電アクチュエータを駆動する駆動装置、及び、液体吐出装置に関する。

従来から、圧電層の圧電変形（圧電歪ともいう）を利用して対象を駆動する圧電アクチュエータが、様々な技術分野で広く用いられている。その中でも、本願と出願人が同一の出願である特許文献１には、インクジェットヘッド用の圧電アクチュエータが開示されている。

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、ノズルからインクの液滴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。複数の個別電極は複数の圧力室とそれぞれ対向して設けられ、また、共通電極は圧電層を挟んで複数の個別電極と共通に対向している。そして、駆動装置（ドライバＩＣ）から個別電極と共通電極間に電圧が印加されたときに、複数の個別電極と共通電極とに挟まれた複数の圧電層部分（以下、活性部という）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、特許文献１には詳細には記載されていないが、この従来の圧電アクチュエータを駆動する駆動装置（ドライバＩＣ）は、各活性部を挟む２種類の電極を一定電圧の電源に接続することで、電極間に電位差を発生させるように構成されていた。しかし、本願発明者らの検討により、前述した従来構成においては、以下のような問題が生じることが分かった。

圧電層の複数の活性部の各々は、２種類の電極間に電圧が印加されたときには電荷を蓄え（充電）、２種類の電極間の電圧印加が解除されたときには蓄えていた電荷を放出（放電）する、ある静電容量を有するコンデンサとして作用する。そして、複数の活性部が一定電圧の電源に接続されると、これら複数の活性部の各々は電源から供給される充電電流によって瞬時にフル充電される。また、このときの複数の活性部の電圧は全て一定になる。

ところで、複数の活性部の間で静電容量の値がばらつくことがよくある。その要因としては、電極面積のばらつき、活性部の厚みばらつき、製造工程で生じた応力のばらつき、及び、圧電材料の面内不均一に起因する圧電定数のばらつき等が考えられる。このように、複数の活性部で静電容量がばらつく場合に、複数の活性部にそれぞれ同じ電圧が印加されると、活性部の変形量が、静電容量に応じてばらついてしまう。例えば、厚みが小さい（静電容量が大きい）活性部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）活性部においては変形量が小さくなってしまう。そして、上記インクジェットヘッド用の圧電アクチュエータであれば、複数の活性部間で変形量がばらつくと、複数の圧力室間でインクに付与される圧力がばらつき、その結果、複数のノズルから噴射される液滴の速度が異なってしまうことになる。

そこで、本願発明者らは、複数の活性部間で静電容量がばらついても活性部の変形量が等しくなるような、圧電アクチュエータの駆動方式を検討している。複数の活性部の変形量を等しくするためには、静電容量が大きい活性部に対しては印加電圧を小さくし、静電容量が小さい活性部に対しては印加電圧を大きくすればよい。ここで、コンデンサの静電容量（Ｃ）、印加電圧（Ｖ）、蓄えられる電荷量（Ｑ）の間にＱ＝ＣＶの関係が成立することがよく知られている。従って、Ｃ（大）のときにＶ（小）、Ｃ（小）のときにＶ（大）にするためには、複数の活性部で電荷量（Ｑ）が一定になるようにすればよい。具体的には、定電流源を用いて活性部への充電電流を一定に保ち、さらに、複数の活性部にそれぞれ蓄えられる電荷量が同じになるように充電時間を等しく制御する。

これに関連して、特許文献２には、圧電素子への充電電流を一定に維持する充電側定電流回路と、圧電素子からの放電電流を一定に維持する放電側定電流回路とを備えた、インクジェットヘッド用圧電アクチュエータの駆動回路が開示されている。

特開２００６−２５６３１７号公報 特開２００１−１５０６６６号公報

前述したように、複数の活性部で電荷量を一定に制御する場合には、定電流源から一定の充電電流が活性部に供給されることが前提となる。ここで、定電流源から一定の充電電流を送り続けるには、定電流源を構成するトランジスタの特性から、定電流源の上流側（電源側）と下流側（活性部側）との間に、ある一定以上の電位差を確保することが必要となる。

しかし、定電流源から充電電流が供給されて活性部への充電が進み、電荷量の増加に伴って活性部の電圧が大きくなっていくと、定電流源の電位差が小さくなる。特に、活性部へ、その最大電荷量（蓄えることが可能な電荷量の最大値）まで充電されるとき（以下、フル充電ともいう）には、充電終盤における定電流源の電位差は非常に小さいものとなり、充電電流がほぼ０に近い状態となる。

ここで、フル充電されたときに各活性部に蓄えられる最大電荷量Ｑｍａｘは、各活性部の静電容量Ｃｎ、最大印加電圧Ｖｍａｘ（＝定電流源に接続される電源電圧）とすると、Ｑｍａｘ＝Ｃｎ×Ｖｍａｘとなり、複数の活性部で静電容量Ｃｎがばらついていると最大電荷量Ｑｍａｘも異なることになる。従って、全ての活性部について、蓄えられる電荷量を所定の電荷量に等しくなるように制御したときに、静電容量の大きな活性部においては、前記所定の電荷量が、その活性部の最大電荷量未満であったとしても、別の、静電容量の小さな活性部においては前記所定の電荷量が最大電荷量となってしまうことがあり得る。このとき、最大電荷量まで充電される一部の活性部においては、他の活性部と比べて充電終盤の充電電流が小さくなり、充電時間がかなり長くなってしまうという問題が発生する。あるいは、一定の充電電流が維持されるという想定の上で設定された所定の充電時間が経過しても、実際の充電電荷量が所望の電荷量に達していないという問題が生じる。特許文献２には一定の充電電流で圧電素子（活性部）を充電する駆動回路が開示されているものの、上述した充電時の課題、及び、その解決手段については何ら記載されていない。

本発明の目的は、充電終盤における充電電流の低下を抑制することが可能な圧電アクチュエータの駆動装置、及び、液体吐出装置を提供することである。

第１の発明の圧電アクチュエータの駆動装置は、圧電層とこの圧電層に設けられた複数の第１電極及び複数の第２電極を有し、前記複数の第１電極と前記複数の第２電極とに挟まれた圧電層部分からなりコンデンサとして作用する複数の活性部を備えた、圧電アクチュエータを駆動する駆動装置であって、
前記複数の活性部と接続された充電側定電流源と、同じく前記複数の活性部と接続された放電側定電流源と、前記充電側定電流源と前記複数の活性部の接続／遮断をそれぞれ切り換える複数の充電スイッチと、前記放電側定電流源と前記複数の活性部の接続／遮断をそれぞれ切り換える複数の放電スイッチと、前記複数の活性部の充放電される電荷量が全て等しくなるように、前記充電スイッチと前記放電スイッチの切り換えタイミングを決定し、各活性部の充電時間及び放電時間を制御する充放電制御回路とを備え、
前記充放電制御回路は、各活性部に充電される電荷量が、その活性部が蓄えることのできる最大電荷量未満となるように、且つ、前記充電側定電流源の電位差が所定値以上である間に各活性部の充電を終了するように、前記充電時間を制御することを特徴とするものである。

本発明によれば、充放電制御回路は、各活性部に充電される電荷量が、各活性部が蓄えることのできる最大電荷量未満となるように、充電スイッチと放電スイッチの切り換えタイミングを決定し、各活性部への充電時間を制御する。これによれば、全ての活性部において最大電荷量まで充電されないため、充電の終盤になっても活性部の電圧は低い状態であることから、充電側定電流源の電位差が一定以上に確保され、充電電流の低下が抑えられる。
第２の発明の圧電アクチュエータの駆動装置は、前記第１の発明において、前記充放電制御回路は、前記複数の活性部の静電容量に基づいて、全ての活性部において、充電される電荷量が前記最大電荷量未満となるように、前記充電時間を制御することを特徴とするものである。

第３の発明の圧電アクチュエータの駆動装置は、前記第１又は第２の発明において、前記放電側定電流源が、デプレッション型のＦＥＴで構成されていることを特徴とするものである。

各活性部において充電された電荷が完全に放電されないまま、次の充電が行われてしまうと、各活性部に蓄えられる電荷量を所定量に制御して複数の活性部間で電圧を一定にすることが実質できなくなるため、放電時には、活性部の充電量が０になるまで完全に放電を行う必要がある。しかし、活性部に残る電荷量がかなり少ない放電終盤においては、放電側定電流源の電位差が小さくなってしまい、放電電流が非常に小さくなる。すると、放電時間が長く延びてしまう、あるいは、完全に放電できなくなるという問題が生じる。そこで、本発明では、放電側定電流源を構成するＦＥＴをデプレッション型とすることで、放電側定電流源の電位差が低くなる、放電終盤においても放電電流を所定以上に確保することができる。
第４の発明の液体吐出装置は、複数のノズルを含む流路が形成された流路ユニットと、圧電層とこの圧電層に設けられた複数の第１電極及び複数の第２電極を有し、前記複数の第１電極と前記複数の第２電極とに挟まれた圧電層部分からなりコンデンサとして作用する複数の活性部を備え、前記複数の活性部によって前記複数のノズルからそれぞれ液体を吐出させる圧電アクチュエータと、前記複数の活性部と接続された充電側定電流源と、同じく前記複数の活性部と接続された放電側定電流源と、前記充電側定電流源と前記複数の活性部の接続／遮断をそれぞれ切り換える複数の充電スイッチと、前記放電側定電流源と前記複数の活性部の接続／遮断をそれぞれ切り換える複数の放電スイッチと、前記複数の活性部の充放電される電荷量が全て等しくなるように、各活性部の充電時間及び放電時間を決定する充放電時間決定部と、前記充放電時間決定部で決定された前記充電時間及び前記放電時間に基づいて、前記充電スイッチと前記放電スイッチの切り換えタイミングを決定し、各活性部の充電及び放電を制御する充放電制御回路とを備え、
前記充放電時間決定部は、各活性部に充電される電荷量が、その活性部が蓄えることのできる最大電荷量未満となるように、且つ、前記充電側定電流源の電位差が所定値以上である間に各活性部の充電を終了するように、前記充電時間を決定することを特徴とするものである。
第５の発明の液体吐出装置は、前記第４の発明において、前記複数の活性部のそれぞれの静電容量データを記憶する記憶部をさらに備え、前記充放電時間決定部は、前記記憶部に記憶された複数の活性部の静電容量データに基づいて、全ての活性部において、充電される電荷量が前記最大電荷量未満となるように、前記充電時間を決定することを特徴とするものである。

本発明によれば、全ての活性部において最大電荷量まで充電されないため、充電終盤になっても活性部の電圧は低いことから、充電側定電流源の電位差が一定以上に確保され、充電電流の低下が抑えられる。

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の一部拡大図である。 図３のIV-IV線断面図である。 ドライバＩＣの回路図である。 一般的なＦＥＴの電圧（Ｖｄｓ）−電流（Ｉｄｓ）の特性を示す図である。 デプレッション型ＦＥＴの電圧（Ｖｇｓ）−電流（Ｉｄｓ）の特性を示す図である。 図７の特性を示すデプレッション型ＦＥＴの、ドレイン−ソース間電圧Ｖｄｓとドレイン−ソース間電流Ｉｄｓとの関係を、一般的なＦＥＴと比較した図である。 インクジェットプリンタの制御系を示すブロック図である。

次に、本発明の実施の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の液滴を噴射するインクジェットヘッドを備えた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１の概略構成について説明する。図１は、本実施形態のインクジェットプリンタの概略平面図である。この図１に示すように、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搬送方向に搬送する搬送機構４等を備えている。

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の走行に伴って走査方向に移動するようになっている。尚、プリンタ１には、走査方向に間隔を空けて配列された多数の透光部（スリット）を有するリニアエンコーダ１０が設けられている。一方、キャリッジ２には、発光素子と受光素子とを有する透過型のフォトセンサ１１が設けられている。そして、プリンタ１は、キャリッジ２の移動中にフォトセンサ１１が検出したリニアエンコーダ１０の透光部の計数値（検出回数）から、キャリッジ２の走査方向に関する現在位置を認識でき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）に多数のノズル３０（図２〜図４参照）を備えている。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（搬送方向）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多数のノズル３０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とを有する。給紙ローラ１２と排紙ローラ１３は、それぞれ、給紙モータ１４と排紙モータ１５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等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、図３は図２の一部拡大図、図４は図３のIV-IV線断面図である。図２〜図４に示すように、インクジェットヘッド３は、ノズル３０や圧力室２４を含むインク流路が形成された流路ユニット６と、圧力室２４内のインクに圧力を付与する圧電アクチュエータ７とを備えている。

まず、流路ユニット６について説明する。図４に示すように、流路ユニット６はキャビティプレート２０、ベースプレート２１、マニホールドプレート２２、及びノズルプレート２３を備えており、これら４枚のプレート２０〜２３が積層状態で接合されている。このうち、キャビティプレート２０、ベースプレート２１及びマニホールドプレート２２は、それぞれ、ステンレス鋼等の金属材料からなる平面視で略矩形状の板である。そのため、これら３枚のプレート２０〜２２に、後述するマニホールド２７や圧力室２４等のインク流路をエッチングにより容易に形成することができるようになっている。また、ノズルプレート２３は、例えば、ポリイミド等の高分子合成樹脂材料により形成され、マニホールドプレート２２の下面に接着剤で接合される。あるいは、このノズルプレート２３も、他の３枚のプレート２０〜２２と同様にステンレス鋼等の金属材料で形成されていてもよい。

図２〜図４に示すように、４枚のプレート２０〜２３のうち、最も上方に位置するキャビティプレート２０には、平面に沿って配列された複数の圧力室２４がプレート２０を貫通する孔により形成されている。また、複数の圧力室２４は、搬送方向（図２の上下方向）に千鳥状に２列に配列されている。また、図４に示すように、複数の圧力室２４は上下両側から後述の振動板４０及びベースプレート２１によりそれぞれ覆われている。さらに、各圧力室２４は、平面視で走査方向（図２の左右方向）に長い、略楕円形状に形成されている。

図３、図４に示すように、ベースプレート２１の、平面視で圧力室２４の長手方向両端部と重なる位置には、それぞれ連通孔２５，２６が形成されている。また、マニホールドプレート２２には、平面視で、２列に配列された圧力室２４の連通孔２５側の部分と重なるように、搬送方向に延びる２つのマニホールド２７が形成されている。これら２つのマニホールド２７は、後述の振動板４０に形成されたインク供給口２８に連通しており、図示しないインクタンクからインク供給口２８を介してマニホールド２７へインクが供給される。さらに、マニホールドプレート２２の、平面視で複数の圧力室２４のマニホールド２７と反対側の端部と重なる位置には、それぞれ、複数の連通孔２６に連なる複数の連通孔２９も形成されている。

さらに、ノズルプレート２３の、平面視で複数の連通孔２９にそれぞれ重なる位置には、複数のノズル３０が形成されている。図２に示すように、複数のノズル３０は、搬送方向に沿って２列に配列された複数の圧力室２４の、マニホールド２７と反対側の端部とそれぞれ重なるように配置され、２列のノズル列を構成している。

そして、図４に示すように、マニホールド２７は連通孔２５を介して圧力室２４に連通し、さらに、圧力室２４は、連通孔２６，２９を介してノズル３０に連通している。このように、流路ユニット６内には、マニホールド２７から圧力室２４を経てノズル３０に至る個別インク流路３１が複数形成されている。

尚、図２においては、説明の簡単のため、１つのインク供給口２８に連なる１種類の流路構造（マニホールド２７、圧力室２４、ノズル３０等）のみが描かれているが、インクジェットヘッド３が、図２に示されている流路構造が走査方向に複数並べて設けられた構成を備え、複数色（例えば、ブラック、イエロー、シアン、マゼンタの４色）のインクをそれぞれ噴射可能な、カラーインクジェットヘッドであってもよい。

次に、圧電アクチュエータ７について説明する。図２〜図４に示すように、圧電アクチュエータ７は、複数の圧力室２４を覆うように流路ユニット６（キャビティプレート２０）の上面に配置された振動板４０と、この振動板４０の上面に、複数の圧力室２４と対向するように配置された圧電層４１と、圧電層４１の上面に配置された複数の個別電極４２とを備えている。

振動板４０は、平面視で略矩形状の金属板であり、例えば、ステンレス鋼等の鉄系合金、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、キャビティプレート２０の上面に複数の圧力室２４を覆うように配設された状態で、キャビティプレート２０に接合されている。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、圧電アクチュエータ７を駆動するドライバＩＣ４７のグランド配線に接続されて、常にグランド電位に保持される。

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２４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２４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２４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２４よりも一回り小さい略楕円形の平面形状を有し、圧力室２４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、ドライバＩＣ４７を実装したフレキシブル配線基板（図示省略）と接続される、複数の接点部４５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。尚、上述した複数の個別電極４２が本願における複数の第１電極に相当し、また、共通電極としての振動板４０のうちの、複数の個別電極４２とそれぞれ対向して圧電層４１を挟む複数の部分が、本願における複数の第２電極に相当する。

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（活性部４１ａ）は、予め、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２４内のインクに圧力が付与されることになる。

以上の圧電アクチュエータ７には、この圧電アクチュエータ７を駆動するドライバＩＣ４７（駆動装置）を実装した、図示しないフレキシブル配線基板（ＦＰＣ）が接続され、ＦＰＣ上の配線を介してドライバＩＣ４７と複数の個別電極４２、及び、共通電極としての振動板４０が電気的に接続される。

後ほど詳述するが、圧電アクチュエータ７を駆動するドライバＩＣ４７は、圧電アクチュエータ７の複数の活性部４１ａに対して一定の充電電流を供給し、複数の活性部４１ａ間の電荷量を等しくすることにより、各活性部４１ａ（個別電極４２−共通電極（振動板４０）の間）にその静電容量に応じた電圧を発生させる。また、一定の放電電流で活性部４１ａに蓄えられた電荷を放電することにより、各活性部４１ａの電圧を０にする。この充放電によって活性部４１ａへの電圧印加とその解除とを繰り返し、活性部４１ａを駆動する。このドライバＩＣ４７の具体的構成については、後ほど説明する。

次に、インク噴射時における圧電アクチュエータ７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に電界が作用しておらず、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、ドライバＩＣ４７から一定の充電電流が所定時間供給されると、その活性部４１ａに所定量の電荷が蓄えられるとともに、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。従って、この活性部４１ａを挟む個別電極４２と振動板４０との間に、活性部４１ａの静電容量と、蓄えられた電荷量によって定まる、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はキャビティプレート２０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伴って、振動板４０の圧力室２４を覆う部分が圧力室２４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２４内の容積が減少するために圧力室２４内のインク圧力が上昇し、この圧力室２４に連通するノズル３０からインクが噴射される。

また、活性部４１ａに所定量の電荷が蓄えられた状態から、ドライバＩＣ４７によって一定の放電電流で電荷が放電されると、個別電極４２の電位が再びグランド電位となり、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（キャビティプレート１０と平行な状態）に戻る。

次に、ドライバＩＣ４７の具体的な構成について説明する。図５は、ドライバＩＣ４７の回路図である。図５に示すように、ドライバＩＣ４７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とを備えている。

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Ｒ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とを有する。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Ｒ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、前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。

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Ｒ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。

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。

ここで、各圧力室２４内のインクに付与される圧力（即ち、ノズル３０から噴射される液滴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、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、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（即ち、充電時間及び放電時間）を制御する。これにより、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、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。

上記内容について、より具体的に説明する。各活性部４１ａの充電電流Ｉ１と放電電流Ｉ２は、充電側定電流源５０と放電側定電流源５１によってそれぞれ一定に保たれる。尚、本実施形態では、充電側定電流源５０と放電側定電流源５１の構成が同一であるため充電電流Ｉ１と放電電流Ｉ２は同じ値となるが、充電電流Ｉ１と放電電流Ｉ２が異なる値となるように、充電側定電流源５０と放電側定電流源５１の構成（例えば、抵抗Ｒの電気抵抗値等）が異なっていてもよい。

このように、充電電流Ｉ１と放電電流Ｉ２はそれぞれ一定であることから、所定の電荷量Ｑを充放電するための、各活性部４１ａの充電時間Ｔ１と放電時間Ｔ２は、Ｔ１＝Ｑ／Ｉ１、Ｔ２＝Ｑ／Ｉ２となる。そこで、充放電制御回路５２は、まず、充電スイッチＳＷ１がＯＮ（充電側定電流源５０と活性部４１ａの接続状態）で、且つ、放電スイッチＳＷ２がＯＦＦ（放電側定電流源５１と活性部４１ａとの遮断状態）となる時間がＴ１になるように、充電スイッチＳＷ１と放電スイッチＳＷ２の切り換えタイミングを制御する。次に、充電スイッチＳＷ１がＯＦＦ（充電側定電流源５０と活性部４１ａの遮断状態）で、且つ、放電スイッチＳＷ２がＯＮ（放電側定電流源５１と活性部４１ａとの接続状態）となる時間がＴ２になるように、充電スイッチＳＷ１と放電スイッチＳＷ２の切り換えタイミングを制御する。

これにより、各活性部４１ａの充電時には、各活性部４１ａへ一定の充電電流Ｉ１が充電時間Ｔ１だけ流れて、各活性部４１ａに電荷Ｑが蓄えられ、各活性部４１ａにはその静電容量に応じた電圧が印加される。また、各活性部４１ａの充電時には、各活性部４１ａから一定の放電電流Ｉ２が放電時間Ｔ２だけ流れて、各活性部４１ａから電荷Ｑが放電されて電圧が０になる。

ところで、充放電時間の制御によって各活性部４１ａに充放電される電荷量Ｑを所定値に制御するには、定電流源により、充電電流及び放電電流がそれぞれ常に一定に保たれることが前提となるが、実際には、充放電時に充電電流及び放電電流が一定に保たれない状況が起こり得る。図６は、定電流源を構成する一般的なトランジスタの電流特性を示す図である。尚、図６の横軸はドレイン−ソース電圧（Ｖｄｓ）、縦軸はドレイン−ソース電流（Ｉｄｓ）を示している。図６に示すように、ドレイン−ソース間の電圧Ｖｄｓが大きい場合（Ｖｄｓ＝Ｖａ）には、ドレイン−ソース間を流れる電流Ｉｄｓは一定電流Ｉａに維持される。しかし、Ｖｄｓが小さくなって、例えばＶｂ以下になると、ＩｄｓはＩａよりも小さくなってしまう。そして、上述した定電流源５０，５１においては、充電終盤及び放電終盤に、トランジスタＴｂのＶｄｓが小さくなる現象が発生する。

活性部４１ａへの充電が進んだ充電終盤には、活性部４１ａの電圧が大きくなっている。即ち、充電側定電流源５０の下流側（活性部４１ａ側）の電位（分岐点Ｐ１の電位）が上昇している。特に、活性部４１ａに、その最大電荷量（蓄えることが可能な電荷量の最大値）までフル充電されるときには、充電終盤における定電流源の電位差（トランジスタＴｂのＶｄｓ）は非常に小さいものとなり、充電電流がほぼ０に近い状態となる。

また、先にも述べたように、フル充電されたときに各活性部４１ａに蓄えられる最大電荷量Ｑｍａｘは、各活性部４１ａの静電容量Ｃｎ、最大印加電圧Ｖｍａｘ（＝定電流源に接続される電源電圧）とすると、Ｑｍａｘ＝Ｃｎ×Ｖｍａｘで表され、複数の活性部４１ａで静電容量がばらついていると最大電荷量Ｑｍａｘも異なることになる。即ち、活性部４１ａの静電容量が大きいほど、その最大電荷量Ｑｍａｘも大きくなる。そのため、複数の活性部４１ａへの充電電荷量を全て所定の電荷量Ｑに等しく設定したときに、静電容量の大きな活性部４１ａにおいては、前記所定の電荷量Ｑが、その活性部４１ａの最大電荷量未満であったとしても、これとは別の、静電容量の小さな活性部４１ａにおいては前記所定の電荷量Ｑが最大電荷量となってしまうことがあり得る。そして、最大電荷量まで充電される一部の活性部４１ａにおいては、充電終盤において分岐点Ｐ１の電位が電源電圧ＶＤＤに限りなく近くなることから、充電側定電流源５０においてＶｄｓを図６のＶｂ以上に確保することができなくなり、充電電流が小さくなってしまう。このように充電電流が小さくなると、充電時間がかなり遅くなってしまうという問題や、一定の充電電流が維持されると想定して設定された所定の充電時間を経過しても、実際の充電電荷量が所望の電荷量に達していないという問題が生じる。

また、活性部４１ａからの放電が進んだ放電終盤においては、活性部４１ａの電圧が小さく（ほぼ０）になっている。即ち、放電側定電流源５１よりも上流側（活性部４１ａ側）の電位（分岐点Ｐ１の電位）が低くなっていることから、放電側定電流源５１においてもＶｄｓをＶｂ以上に確保することができなくなり、放電電流が小さくなってしまう。この場合は、放電時間が長く延びてしまう、あるいは、完全に放電できなくなるといった問題が生じる。また、完全に放電される前に次の充電が始まってしまうと、その予め定められた所定の電荷量の充電が終了したときには、その所定の充電量だけでなく、放電しきれなかった電荷が余計に活性部４１ａに蓄えられた状態となってしまい、活性部４１ａに実際に蓄えられる電荷の総量が設定値を超え、活性部４１ａの電圧が所定電圧よりも大きくなってしまう。

そこで、本実施形態では、充電時及び放電時において、充電電流及び放電電流の減少を抑制することが可能に構成されている。

まず、充電電流の低下を抑制する構成について述べる。上述したように、複数の活性部４１ａのそれぞれについて、電圧が等しくなるような充電電荷量を個別に設定したときに、設定された電荷量が最大電荷量となる活性部４１ａが存在すると、その活性部４１ａにおける充電電流の低下が問題になる。そこで、充放電制御回路５２は、各活性部４１ａに充電される電荷量Ｑが、その活性部４１ａが蓄えることのできる最大電荷量未満となるように、充電スイッチＳＷ１及び放電スイッチＳＷ２のＯＮ／ＯＦＦを切り換えて、充電時間を制御する。このように、全ての活性部４１ａにおいて最大電荷量Ｑｍａｘまで充電されないと、フル充電される場合と比べて、充電終盤であっても活性部４１ａの電圧が低い状態となる。従って、充電側定電流源５０の電位差が図６のＶｂ以上に確保され、充電電流が一定値（Ｉａ）に維持される。

次に、放電電流の低下を抑制する構成について述べる。放電電流の低下は、放電終盤の、活性部４１ａに蓄えられた電荷量がかなり少なくなった状態で生じるものであり、先に述べた充電電流の低下とは異なり、充電電荷量とは関係なく全ての活性部４１ａで起こる。つまり、充電電荷量を制限しても放電電流の低下は抑制できない。

そこで、放電側定電流源５１を構成するトランジスタＴｂとして、デプレッション型のＦＥＴを採用する。図７は、デプレッション型ＦＥＴのＶｇｓ（ゲート−ソース電圧）とＩｄｓ（ドレイン−ソース電流）の関係を示す図である。尚、デプレッション型ＦＥＴとは、ゲート酸化膜に不純物が注入されることによって、図７に示すように、ゲート−ソース間電圧Ｖｇｓが０のときであっても、ドレイン−ソース間に電流Ｉｄｓが流れる特性を有するＦＥＴである。

さらに、図７の特性を示すデプレッション型ＦＥＴの、ドレイン−ソース間電圧Ｖｄｓとドレイン−ソース間電流Ｉｄｓとの関係を、一般的なＦＥＴと比較したものを図８に示す。同じＶｇｓ（ゲート−ソース電圧）が印加されているという条件下では、図８に示すように、デプレッション型ＦＥＴは、一般的なＦＥＴ（ノーマル：図中破線）と比較して、より多くの電流（Ｉｄｓ）を流すことができる。従って、Ｉｄｓが一定電流Ｉａよりも小さくなる、ＶｄｓがＶｂよりも小さい範囲においても、一般的なＦＥＴよりも多くの電流が流れることになり、放電終盤における放電電流の低下が抑制される。

尚、上の説明では、放電側定電流源５１にのみデプレッション型ＦＥＴを用いたが、充電側定電流源５０にもデプレッション型ＦＥＴを用いて充電終盤の充電電流の低下を抑制することも可能である。しかし、複数の活性部４１ａで静電容量がばらついても圧電変形量が一定になるように、充電電荷量Ｑを一定に制御するという本来の発明思想からは、複数の活性部４１ａの全ての充電量Ｑｎがそれぞれ最大電荷量Ｑｍａｘに設定されるという状況が発生することはほとんど考えられない。そこで、本実施形態では、充電電荷量Ｑを、全ての活性部４１ａにおいて最大電荷量Ｑｍａｘ未満となるように設定することで、充電電流の低下を抑制している。また、デプレッション型ＦＥＴの製造には、ゲートに不純物を注入する特別な工程が必要なことからコストが高くなる。この点からも、充電側定電流源５０の全てのトランジスタＴｂをデプレッション型ＦＥＴにすることは、現実的ではないと言える。

次に、プリンタ１の制御系について、図９のブロック図を参照して説明しておく。制御装置８は、中央処理装置であるＣＰＵ（Central Processing Unit）６０、ＲＯＭ（Read Only Memory）６１、ＲＡＭ（Random Access Memory）６２、及び、これらを接続するバス６３からなるマイクロコンピュータを有する。また、バス６３には、インクジェットヘッド３のドライバＩＣ４７、キャリッジ２を駆動するキャリッジ駆動モータ１９、搬送機構４の給紙モータ１４及び排紙モータ１５等を制御する、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）６４が接続されている。また、このＡＳＩＣ６４は、入出力インターフェイス（Ｉ／Ｆ）６８を介して外部装置であるＰＣ（パーソナルコンピュータ）６９とデータ通信可能に接続されている。

また、ＡＳＩＣ５４には、ＰＣ６９から入力された印刷データに基づいてインクジェットヘッド３のドライバＩＣ４７とキャリッジ駆動モータ１９をそれぞれ制御するヘッド制御回路７１と、同じく前記印刷データに基づいて搬送機構４の給紙モータ１４と排紙モータ１５をそれぞれ制御する搬送制御回路７２等が組み込まれている。

さらに、ヘッド制御回路７１は記憶部７３を備えており、この記憶部７３には、ドライバＩＣ４７等の制御に用いる様々なデータが記憶されている。その中でも、記憶部７３には、圧電アクチュエータ７の複数の活性部４１ａの静電容量Ｃｎに関するデータが格納されている。尚、複数の活性部４１ａのそれぞれの静電容量Ｃｎは、インクジェットヘッド３の出荷前検査等において測定され、その測定値が記憶部７３に記憶される。

また、ヘッド制御回路７１は充放電時間決定部７４を備えている。この充放電時間決定部７４は、記憶部７３に記憶された複数の活性部４１ａの静電容量Ｃｎのデータに基づいて、全てのノズル３０について所定の液滴噴射速度が実現できるような、複数の活性部４１ａに共通の充電電荷量Ｑを設定し、さらに、この電荷量Ｑから充電時間Ｔ１及び放電時間Ｔ２を決定する。また、充放電時間決定部７４は、ドライバＩＣ４７に対して、各活性部４１ａの充電時間Ｔ１及び放電時間Ｔ２に関する信号を送る。これらの信号に基づいて、前述したドライバＩＣ４７の充放電制御回路５２は、各活性部４１ａの充電時間及び放電時間が、充放電時間決定部７４で決定された時間Ｔ１、Ｔ２となるように、充電スイッチＳＷ１及び放電スイッチＳＷ２のＯＮ／ＯＦＦ切り換えを制御する。

次に、前記実施形態に種々の変更を加えた変更形態について説明する。但し、前記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。

１］前記実施形態では、放電側定電流源５１のトランジスタＴｂとして、デプレッション型ＦＥＴを採用しているが、この構成は必ずしも必要ではない。即ち、放電電流の低下による放電時間が延びる等の問題が生じるものの、コスト低減等の観点から、放電側定電流源５１のトランジスタＴｂを、充電側定電流源５０と同様に、デプレッション型ではない、図６の特性を有する一般的なＦＥＴを採用してもよい。

２］前記実施形態の圧電アクチュエータ７では、圧電層４１の一方の面に複数の個別電極４２（第１電極）、圧電層４１の他方の面に共通電極としての振動板４０（第２電極）が配置されており、これら２種類の電極４２，４０によって厚み方向に挟まれた圧電層部分が活性部４１ａとして作用するようになっている。しかし、本発明を適用可能な圧電アクチュエータは上記構成には限られない。

例えば、振動板が共通電極を兼ねている必要は必ずしもなく、共通電極が、複数の圧力室を覆う振動板とは別に、この振動板の上面に設けられてもよい。また、第２電極は、圧電層の面全体に形成される、いわゆる、ベタ電極である必要もなく、複数の第１電極とそれぞれ対向する位置に複数の第２電極が互いに分離して設けられてもよい。

あるいは、圧電層の１つの面に２種類の電極の両方が配置され、これら２種類の電極によって面方向に挟まれた圧電層部分が、活性部として作用するものであってもよい。

３］充電側定電流源、放電側定電流源、充電スイッチ、及び、放電スイッチの少なくとも１つ、あるいは、全部が、バイポーラトランジスタで構成されていてもよい。

以上説明した実施形態は、インクジェットヘッド用の圧電アクチュエータの駆動装置に本発明を適用した一例であるが、本発明の適用対象は液体を扱う装置に使用される圧電アクチュエータには限られない。例えば、活性部に生じる圧電歪みによって固形の駆動対象を振動させるような圧電アクチュエータの駆動装置に対しても、本発明を適用できる。

７ 圧電アクチュエータ
４０ 振動板
４１ 圧電層
４１ａ 活性部
４２ 個別電極
５０ 充電側定電流源
５１ 放電側定電流源
５２ 充放電制御回路
４７ ドライバＩＣ
ＳＷ１ 充電スイッチ
ＳＷ２ 放電スイッチ
Ｔｂ トランジスタ

Claims (5)

1. 圧電層とこの圧電層に設けられた複数の第１電極及び複数の第２電極を有し、前記複数の第１電極と前記複数の第２電極とに挟まれた圧電層部分からなりコンデンサとして作用する複数の活性部を備えた、圧電アクチュエータを駆動する駆動装置であって、
   前記複数の活性部と接続された充電側定電流源と、
   同じく前記複数の活性部と接続された放電側定電流源と、
   前記充電側定電流源と前記複数の活性部の接続／遮断をそれぞれ切り換える複数の充電スイッチと、
   前記放電側定電流源と前記複数の活性部の接続／遮断をそれぞれ切り換える複数の放電スイッチと、
   前記複数の活性部の充放電される電荷量が全て等しくなるように、前記充電スイッチと前記放電スイッチの切り換えタイミングを決定し、各活性部の充電時間及び放電時間を制御する充放電制御回路とを備え、
   前記充放電制御回路は、
   各活性部に充電される電荷量が、その活性部が蓄えることのできる最大電荷量未満となるように、且つ、前記充電側定電流源の電位差が所定値以上である間に各活性部の充電を終了するように、前記充電時間を制御することを特徴とする圧電アクチュエータの駆動装置。
2. 前記充放電制御回路は、前記複数の活性部の静電容量に基づいて、全ての活性部において、充電される電荷量が前記最大電荷量未満となるように、前記充電時間を制御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の駆動装置。
3. 前記放電側定電流源が、デプレッション型のＦＥＴで構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電アクチュエータの駆動装置。
4. 複数のノズルを含む流路が形成された流路ユニットと、
   圧電層とこの圧電層に設けられた複数の第１電極及び複数の第２電極を有し、前記複数の第１電極と前記複数の第２電極とに挟まれた圧電層部分からなりコンデンサとして作用する複数の活性部を備え、前記複数の活性部によって前記複数のノズルからそれぞれ液体を吐出させる圧電アクチュエータと、
   前記複数の活性部と接続された充電側定電流源と、
   同じく前記複数の活性部と接続された放電側定電流源と、
   前記充電側定電流源と前記複数の活性部の接続／遮断をそれぞれ切り換える複数の充電スイッチと、
   前記放電側定電流源と前記複数の活性部の接続／遮断をそれぞれ切り換える複数の放電スイッチと、
   前記複数の活性部の充放電される電荷量が全て等しくなるように、各活性部の充電時間及び放電時間を決定する充放電時間決定部と、
   前記充放電時間決定部で決定された前記充電時間及び前記放電時間に基づいて、前記充電スイッチと前記放電スイッチの切り換えタイミングを決定し、各活性部の充電及び放電を制御する充放電制御回路とを備え、
   前記充放電時間決定部は、
   各活性部に充電される電荷量が、その活性部が蓄えることのできる最大電荷量未満となるように、且つ、前記充電側定電流源の電位差が所定値以上である間に各活性部の充電を終了するように、前記充電時間を決定することを特徴とする液体吐出装置。
5. 前記複数の活性部のそれぞれの静電容量データを記憶する記憶部をさらに備え、
   前記充放電時間決定部は、
   前記記憶部に記憶された複数の活性部の静電容量データに基づいて、全ての活性部において、充電される電荷量が前記最大電荷量未満となるように、前記充電時間を決定することを特徴とする請求項４に記載の液体吐出装置。
   

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