(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズルから吐出するインクを充填する圧力発生室に対応して圧電アクチュエータが備えられ、該圧電アクチュエータに駆動波形信号を印加して前記圧力発生室の容量を変化させることにより、前記ノズルからインク滴を吐出させるインクジェットヘッドの駆動回路において、
前記駆動波形信号を発生する波形発生回路と、
前記駆動波形信号を一方の入力として、前記駆動波形信号を増幅して前記圧電アクチュエータに出力する電力増幅回路と、を有し、
前記圧電アクチュエータの端子電圧を帰還させた帰還信号と前記電力増幅回路からの出力信号とを併せて、前記電力増幅回路の他方の入力とすることを特徴とするインクジェットヘッドの駆動回路。
【請求項２】
前記圧電アクチュエータの端子電圧を帰還させる帰還ループに、高周波域で位相を進める作用をもつコンデンサを備えることを特徴とする請求項１記載のインクジェットヘッドの駆動回路。
【請求項３】
ノズルから吐出するインクを充填する圧力発生室に対応して圧電アクチュエータが備えられ、該圧電アクチュエータに駆動波形信号を印加して前記圧力発生室の容量を変化させることにより、前記ノズルからインク滴を吐出させるインクジェットヘッドの駆動方法において、
前記駆動波形信号を発生し、
前記駆動波形信号を電力増幅回路の一方の入力端子に入力して、前記駆動波形信号の増幅信号を前記圧電アクチュエータに印加し、
前記圧電アクチュエータに印加される前記駆動波形信号の増幅信号を帰還させた帰還信号と、前記電力増幅回路からの出力信号とを併せて、前記電力増幅回路の他方の入力とすることを特徴とするインクジェットヘッドの駆動方法。
【請求項４】
前記圧電アクチュエータの端子電圧を帰還させる帰還ループに、高周波域で位相を進める作用をもつコンデンサを備えることを特徴とする請求項３記載のインクジェットヘッドの駆動方法。
【請求項５】
ノズル及び圧力発生室を具備し、前記圧力発生室に対応した位置に設けられた圧電アクチュエータに駆動波形信号を印加して、インクが充填された圧力発生室の容量を急激に変化させることにより前記ノズルからインク滴を吐出させるインクジェットヘッドをキャリッジに実装し、用紙搬送方向と垂直方向に往復運動させるシリアル型インクジェットプリンタのインクジェットヘッドの駆動回路において、
前記インクジェットヘッドを駆動する信号を発生する波形発生回路、前記波形発生回路の出力信号を前記インクジェットヘッドの駆動を可能とする電力に増幅する電力増幅回路、印刷データを格納する画像メモリ及び、前記画像メモリに格納された画像データを直列データとして送信するデータ送信回路を実装する制御基板と、
前記データ送信回路からのデータを受信するデータ受信回路、受信した印刷データにより前記圧電アクチュエータを選択するトランスファゲート及び、前記データ受信回路と前記トランスファゲートとの電圧レベルを合わせるレベルシフト回路を具備し、前記キャリッジ上に実装される中継基板と、
前記制御基板と前記中継基板とを接続するケーブルとを有し、
前記中継基板に接続された前記トランスファゲートの入力から配線を介して前記制御基板に実装された前記電力増幅回路に抵抗及びコンデンサを介して負帰還ループと、前記制御基板の前記電力増幅回路の出力から、前記電力増幅回路の入力への抵抗による負帰還とを設けたことを特徴とするインクジェットヘッドの駆動回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電アクチュエータを用いたインクジェットヘッドの駆動回路及び、インクジェットヘッドの駆動方法に関し、特に、微小インク滴を吐出することにより高品質なカラー画像記録を行うインクジェットヘッドの駆動回路及び、インクジェットヘッドの駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、高精細な画像記録を行うための画像処理技術としては、面積階調方式やディザ方式の階調記録方式が一般的であった。しかし、近年は、写真品質の画像を高速で印刷することが要求されている。この要求を実現すべく、画像形成装置には多数のノズルを搭載して高速印刷を実現可能とし、そのノズルから微小なインク滴を吐出するよう制御することで高画質化することが望まれている。さらに、ノズルから吐出するインク滴の大きさは可変でなければならず、この制御方式を滴径変調方式という。通常、圧電アクチュエータの印加電圧を制御することにより、ノズルから吐出されるインク滴の大きさを調整することができる。
【０００３】
この滴径変調方式を採用した従来例が、特開平１０−３１５４５１号公報に開示されている。ここでは、波形発生回路と電力増幅回路を用いて、全ての圧電アクチュエータに同一の駆動波形を供給し、画像データにより吐出のＯＮ／ＯＦＦを制御することが提案されている。
【０００４】
図３に示すように、本従来例の手法は、波形発生回路３１２が生成する駆動波形を低出力インピーダンスの電力増幅回路３１１で圧電アクチュエータ３２１を駆動できる電力に増幅し、画像データによりトランスファゲート３２２を開閉してインクを吐出させるものである。
【０００５】
また、特開平９−１７４８８３号公報にも滴径変調方式を採用した例が開示されている。本従来例の手法は、図５に示すように、１つの圧電アクチュエータ５２３に対して１つの電力増幅回路５２２を備え、個々の電力増幅回路５２２に波形発生回路５１１が生成する駆動波形を供給するか否かを決めるインタフェース回路５２１で吐出をＯＮ／ＯＦＦさせるものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、圧電アクチュエータを用いたインクジェットヘッドで微小滴を吐出させる場合、短時間で大きな電位差を持った駆動波形が必要であり、最低でも１０［Ｖ／μｓ］のスルーレートが要求される。圧電アクチュエータは容量性の負荷であり、積層セラミックで構成した場合、圧電アクチュエータ１個当たりの静電容量は３０００［ｐＦ］程度である。高速で印刷するには３００ノズル程度のヘッドが必要であり、そのときの全静電容量は０．９［μＦ］にも達する。そのため低出力インピーダンスの電力増幅回路を使用する。
【０００７】
ところが、シリアルプリンタの場合、インクジェットヘッドはキャリッジに実装され往復運動をするため、電力増幅回路を実装する基板と電力増幅回路の負荷である圧電アクチュエータは、フレキシブルケーブルで接続される。このとき、ケーブルの長さは５０［ｃｍ］以上になる。このケーブルの電気抵抗は圧電アクチュエータの静電容量と低域通過フィルタを形成するため、特開平１０−３１５４５１号公報に開示された技術のように、低出力インピーダンスの電力増幅回路を用いることによって高スルーレートの駆動波形を得ることができたとしても、圧電アクチュエータの端子に印加される電圧（以下、端子電圧）はなまった形状の波形となる。
【０００８】
この低域通過フィルタによる圧電アクチュエータの端子電圧への影響を図４に示す。本図では、圧電アクチュエータ１個当たりの静電容量を３０００［ｐＦ］、ノズル数を３００、つまり電圧増幅回路の負荷静電容量を０．９［μＦ］、ケーブルの電気抵抗を０．５［Ω］と仮定したときの計算結果である。実際の圧電アクチュエータの端子電圧４２は、前記の低域通過フィルタの影響で理想波形４１に対してなまった波形となってしまう。この端子電圧への影響は微小インク滴の吐出を不安定にしてしまう。
【０００９】
他方、高速印刷を実現するためにはノズルを多数構成することが必須であるが、ノズル数が多くなればなるほど全静電容量が大きくなり、その結果として、低域通過フィルタの遮断周波数が下がるため端子電圧の波形のなまりは一層顕著になってしまう。
【００１０】
また、遮断周波数はケーブルの抵抗と静電容量との積で決まるが、同時に駆動するノズルの数も時々刻々と変わるので、波形のなまり方も変わってしまうといった問題点があった。
【００１１】
特開平９−１７４８８３号公報に開示された技術は、１個の圧電アクチュエータ５２３を１個の電力増幅回路５２２で駆動し、電力増幅回路５２２をキャリッジ上に実装した構成しているため、前記の低域フィルタの影響はない。しかし、高速印刷を実現するためノズルの数を増やすと、電力増幅回路の数も増加し実装規模が大きくなるばかりでなく、発熱量も膨大になる。
【００１２】
この対策として、特開平９−１７４８８３号公報に開示された技術では、キャリッジ上に放熱ファンを必要とするため、キャリッジは相当な重量となる。シリアル式のインクジェットプリンタでは、キャリッジを往復運動させなければならないため、キャリッジ重量の増加は、この往復運動の加速および減速時における振動の原因になり、この振動が画像品質を低下させてしまう。
【００１３】
これを避けるためには、キャリッジを緩やかに加速および減速させる必要があるが、そのためには、緩やかな加速および減速のためにキャリッジの運動距離を長くしなければならず、これは装置形状の大型化を招く原因となってしまう。
【００１４】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、電力増幅回路とヘッドの間に介在するケーブルの電気抵抗と圧電アクチュエータの静電容量で低域通過フィルタを形成し、その低域通過フィルタの影響により圧電アクチュエータの端子電圧がなまる現象を改善して微小なインク滴を安定して吐出するインクジェットヘッドの駆動回路及び、インクジェットヘッドの駆動方法を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するために、ノズルから吐出するインクを充填する圧力発生室に対応して圧電アクチュエータが備えられ、該圧電アクチュエータに駆動波形信号を印加して圧力発生室の容量を変化させることにより、ノズルからインク滴を吐出させるインクジェットヘッドの駆動回路において、駆動波形信号を発生する波形発生回路と、駆動波形信号を一方の入力として、駆動波形信号を増幅して圧電アクチュエータに出力する電力増幅回路と、を有し、圧電アクチュエータの端子電圧を帰還させて、電力増幅回路の他方の入力とすることもできる。
【００１６】
本発明は、ノズルから吐出するインクを充填する圧力発生室に対応して圧電アクチュエータが備えられ、該圧電アクチュエータに駆動波形信号を印加して圧力発生室の容量を変化させることにより、ノズルからインク滴を吐出させるインクジェットヘッドの駆動回路において、前記駆動波形信号を発生する波形発生回路と、駆動波形信号を一方の入力として、駆動波形信号を増幅して圧電アクチュエータに出力する電力増幅回路と、を有し、圧電アクチュエータの端子電圧を帰還させた帰還信号と電力増幅回路からの出力信号とを併せて、電力増幅回路の他方の入力とすることを特徴とする。
【００１７】
また本発明は、圧電アクチュエータの端子電圧を帰還させる帰還ループに、高周波域で位相を進める作用をもつコンデンサを備えてもよい。
【００１８】
また、ノズルから吐出するインクを充填する圧力発生室に対応して圧電アクチュエータが備えられ、該圧電アクチュエータに駆動波形信号を印加して圧力発生室の容量を変化させることにより、ノズルからインク滴を吐出させるインクジェットヘッドの駆動方法において、駆動波形信号を発生し、駆動波形信号を電力増幅回路の一方の入力端子に入力して、駆動波形信号の増幅信号を圧電アクチュエータに印加し、圧電アクチュエータに印加される駆動波形信号の増幅信号を分圧して帰還させて、電力増幅回路の他方の入力とすることもできる。
【００１９】
本発明は、ノズルから吐出するインクを充填する圧力発生室に対応して圧電アクチュエータが備えられ、該圧電アクチュエータに駆動波形信号を印加して圧力発生室の容量を変化させることにより、ノズルからインク滴を吐出させるインクジェットヘッドの駆動方法において、前記駆動波形信号を発生し、駆動波形信号を電力増幅回路の一方の入力端子に入力して、駆動波形信号の増幅信号を圧電アクチュエータに印加し、圧電アクチュエータに印加される駆動波形信号を分圧した信号を帰還させた帰還信号と、電力増幅回路からの出力信号とを併せて、電力増幅回路の他方の入力とすることを特徴とする。
【００２０】
また本発明は、圧電アクチュエータの端子電圧を帰還させる帰還ループに、高周波域で位相を進める作用をもつコンデンサを備えてもよい。
【００２１】
本発明は、ノズル及び圧力発生室を具備し、圧力発生室に対応した位置に設けられた圧電アクチュエータに駆動波形信号を印加して、インクが充填された圧力発生室の容量を急激に変化させることによりノズルからインク滴を吐出させるインクジェットヘッドをキャリッジに実装し、用紙搬送方向と垂直方向に往復運動させるシリアル型インクジェットプリンタのインクジェットヘッドの駆動回路において、インクジェットヘッドを駆動する信号を発生する波形発生回路、波形発生回路の出力信号をインクジェットヘッドの駆動を可能とする電力に増幅する電力増幅回路、印刷データを格納する画像メモリ及び、画像メモリに格納された画像データを直列データとして送信するデータ送信回路を実装する制御基板と、データ送信回路からのデータを受信するデータ受信回路、受信した印刷データにより圧電アクチュエータを選択するトランスファゲート及び、データ受信回路とトランスファゲートとの電圧レベルを合わせるレベルシフト回路を具備し、キャリッジ上に実装される中継基板と、制御基板と中継基板とを接続するケーブルとを有し、中継基板に接続されたトランスファゲートの入力から配線を介して制御基板に実装された電力増幅回路に抵抗及びコンデンサを介して負帰還ループを設けたことを特徴とする。
【００２２】
また本発明は、中継基板に実装されたトランスファゲートの入力から制御基板の電力増幅回路への負帰還と併せて、制御基板の電力増幅回路の出力から、電力増幅回路の入力への抵抗による負帰還を付加してもよい。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の目的、特徴および利点を明確にすべく添付図面を参照しながら、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００２４】
図１は、本発明の一実施形態におけるインクジェットヘッド駆動回路の概略構成図である。画像メモリ１４は、シリアルプリンタで印刷する１行分のカラー画像データが記憶されている。画像メモリ１４に記憶されるカラー画像データは、データ送信回路１５で直列データ変換され、キャリッジ上に配置された中継基板１２に実装されたデータ受信回路１６に送られ並列データに戻された後、レベルシフト回路１７でトランスファゲート１２２が動作可能な電圧に変換される。
【００２５】
ここで、制御基板１１と中継基板１２が物理的に離れており両者を接続するケーブルが必要となるが、制御基板１１と中継基板１２間のデータ転送で直列データを用いているのは、このケーブルを通過させる信号の数を削減するためである。
【００２６】
波形発生回路１１６は、図４の理想波形４１を発生する回路である。波形発生回路１１６の出力電圧Ｖ１は電力増幅回路１１１の非反転入力端子に入力される。ケーブル１３は、抵抗値Ｒ０の抵抗を有し、通常この抵抗値は、０．５〜１［Ω］程度の値である。配線１１４は、中継基板１２に実装されたトランスファゲート１２２の入力から制御基板１１への帰還線である。抵抗１１２、１１３は、電力増幅回路１１１の入力電圧Ｖ１と出力電圧Ｖ２の増幅率を決定するものであり、低周波域での増幅率Ｇは、次の式１で与えられる。
【００２７】
【数１】
0003601450.tif 000002
【００２８】
このように制御基板１１と中継基板１２の間では、トランスファゲート１２２の入力から制御基板１１への負帰還を掛ける構成で接続されているため、電力増幅回路１１１の出力インピーダンスは圧電アクチュエータ１２１の負荷インピーダンスに比べて十分小さい値である。また、トランスファゲート１２２のオン時の抵抗は十分小さいので、圧電アクチュエータ１２１の端子電圧はトランスファゲート１２２の入力電圧Ｖ３と同じと考えてよい。
【００２９】
ところで、図３のように、中継基板１２からトランスファーゲート３２２の入力の負帰還を掛けない構成のときは、波形発生回路３１２の出力電圧Ｖ１と圧電アクチュエータ３２１の端子電圧Ｖ３の増幅率は、次の式２で与えられる。
【００３０】
【数２】
0003601450.tif 000003
【００３１】
ここにＧは式１に示す低周波域での増幅率、Ａは電力増幅回路３１１の裸の増幅率、Ｈ（ｊω）はケーブル３３の配線抵抗Ｒ０と圧電アクチュエータ３２１−１、３２１−２、・・・の全静電容量Ｃで形成される低域通過フィルタの伝達関数であり、次の式３で与えられる。
【００３２】
【数３】
0003601450.tif 000004
【００３３】
ここで、ωは理論波形４１の周波数成分ｆに対して次の式４で与えられる。
【００３４】
【数４】
0003601450.tif 000005
【００３５】
ｊは虚数単位であり、次の式５で与えられる。
【００３６】
【数５】
0003601450.tif 000006
【００３７】
式２に示したように、電力増幅回路３１１の裸の増幅率Ａが十分に大きい場合、Ｖ３／Ｖ１はＨ（ｊω）に等しくなる。つまり、実際に圧電アクチュエータ３２１−１、３２１−２・・・の端子電圧は図４の理論波形４１の周波数成分に依存するため、高周波数帯域における波形発生回路３１２の出力電圧Ｖ１に対する圧電アクチュエータ３２１の端子電圧Ｖ３の増幅率Ｖ３／Ｖ１は、小さくなる。したがって、実際の圧電アクチュエータ３２１の端子電圧Ｖ３の波形は、図４の４２で示すようになまった形となってしまう。
【００３８】
これに対して、図１に示した回路構成を有する本実施形態による駆動回路では、Ｖ３／Ｖ１は次の式６によって与えられる。
【００３９】
【数６】
0003601450.tif 000007
【００４０】
この式６から明らかなように、図１の本実施形態における波形発生回路３１２の出力電圧Ｖ１に対する圧電アクチュエータ３２１の端子電圧Ｖ３の増幅率Ｖ３／Ｖ１は、図３に示した例と同様に電力増幅回路１１１の裸の増幅率Ａを十分大くすれば、式１に示すＧに等しくなり、理論波形４１の周波数成分ｆには依存しない。したがって、高周波帯域において増幅率Ｖ３／Ｖ１が小さくなり、実際の圧電アクチュエータ１２１の端子電圧Ｖ３の波形になまった形が生じることはない。
【００４１】
また、前述したように、本実施形態における駆動回路は、抵抗１３と圧電アクチュエータ１２１の全静電容量Ｃで低域通過フィルタを構成しているため、波形発生回路１１６からの出力電圧Ｖ１が高周波数であるほど、Ｖ３に位相遅れが大きくなり、発振を引き起こす危険性が高くなる。しかし、本実施形態では、このＶ３を帰還する経路上にコンデンサ１１５を有しており、このコンデンサ１１５は高周波数帯域で位相を進める作用により、低域通過フィルタの位相遅れを補償して、電力増幅回路１１１の反転入力端子の入力波形とすることで発振を回避することを可能とする。
【００４２】
図６は、電力増幅回路１１１の具体的な構成例を示した回路図である。トランジスタＱ６１１、Ｑ６１１、抵抗Ｒ６１１、６１２は、差動増幅回路を構成しており、両トランジスタのベース入力電圧の差に比例した電圧をＱ６１１のコレクタ端子に発生する。Ｑ６２は電圧増幅回路であり、負荷インピーダンスはトランジスタＱ６４１、Ｑ６４２、Ｑ６４３からなる定電流回路で構成されている。このため、負荷インピーダンスは極めて高く、電力増幅回路１１１の裸の増幅率は事実上、無限大と見なせる。
【００４３】
Ｑ６６１、Ｑ６６２は、ＭＯＳＦＥＴによるソースフォロアであり電流増幅を行う。トランジスタＱ６５１、６５２は、電圧増幅回路と電流増幅回路の間に入るバッファである。ＭＯＳＦＥＴは、高周波域まで高い増幅率を確保するために用いている。
【００４４】
しかし、ＭＯＳＦＥＴは、ゲート／ソース間に入力容量があるため直接、電圧増幅回路の負荷に接続すると、高周波数域でインピーダンスが下がるため高周波域で電力増幅回路１１１の裸の増幅率が下がる。バッファはこれを避けるために挿入される。
【００４５】
トランジスタＱ６３、抵抗Ｒ６３１、Ｒ６３２はトランジスタＱ６５１、６６１、６５２、６６２のベース／エミッタ電圧及び、ゲート／ソース間電圧を補償するバイアス回路であり、圧電アクチュエータに流れる電流が充電から放電及び、放電から充電に遷移する際に波形が歪まないようにするためのものである。コンデン６１は、電力増幅回路１１１が帰還回路を構成した際に発振しないための位相補償用である。
【００４６】
図７は、本実施形態による圧電アクチュエータの端子電圧の計算結果を示しており、図４に示した端子電圧に比べてなまりが改善されていることが明らかである。
【００４７】
次に、本発明の他の実施形態について説明する。その基本的な構成は、上記の実施形態と同様であるが、発振対策についてさらに工夫している。図２は、本発明の他の実施形態におけるインクジェットヘッド駆動回路の構成例を示した回路図である。図２に示した回路構成は、図１に示した回路構成に対して、電力増幅回路の出力からの帰還ループを付加したものであり、この帰還ループには抵抗２１７が含まれている。
【００４８】
電力増幅回路の出力電圧Ｖ２は、トランスファゲート２２２の入力電圧Ｖ３に対して位相が進んでいる。従って、低域通過フィルタによって位相の遅れた信号を帰還したものに、この位相の進んだ信号を併せて帰還させることにより、高周波域での帰還信号の位相遅れを緩和することで発振を抑制することが可能となる。図２の実施形態におけるＶ３／Ｖ１は、下記の式７で求められる。
【００４９】
【数７】
0003601450.tif 000008
【００５０】
このように、本発明は、電力増幅回路の負帰還をキャリッジ上に配置された圧電アクチュエータ及び、圧電アクチュエータの駆動を制御するトランスファゲートを実装した中継基板から、電力増幅回路の負帰還をかけるという基本的構成を有する。この構成により、本発明は、電力増幅回路とヘッドの間に介在するケーブルの電気抵抗と圧電アクチュエータの静電容量が形成する低域通過フィルタの影響による、圧電アクチュエータ端子の駆動波形のなまりを改善することが可能となる。その結果として、微小滴を安定に吐出することが可能なインクジェットヘッドの駆動回路が提供される。
【００５１】
なお、本発明が上記各実施形態に限定されず、本発明の技術的思想の範囲内において各実施形態は適宜変更され得ることは明らかである。
【００５２】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、本発明によれば、電力増幅回路とヘッドの間に介在するケーブルの電気抵抗と圧電アクチュエータの静電容量で低域通過フィルタを形成し、その低域通過フィルタの影響により圧電アクチュエータの端子電圧がなまる現象を改善して微小なインク滴を安定して吐出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態におけるインクジェットヘッド駆動回路の回路構成図である。
【図２】本発明の第２の実施形態におけるインクジェットヘッドの駆動回路の回路構成図である。
【図３】従来方式によるインクジェットヘッド駆動回路の第１の回路構成図である。
【図４】従来方式のインクジェットヘッド駆動回路による波形なまりを説明するための図である。
【図５】従来方式のインクジェットヘッド駆動回路の第２の回路構成図である。
【図６】本発明のインクジェットヘッド駆動回路に適用する電力増幅回路の具体的な回路構成図である。
【図７】本発明のインクジェットヘッド駆動回路による波形なまりの改善を説明するための図である。
【符号の説明】
１１  制御基板
１１１  電力増幅回路
１１２  抵抗値Ｒｆの抵抗
１１３  抵抗値Ｒｉの抵抗
１１４  中継基板からの帰還線
１１５  位相補償コンデンサ
１２  中継基板
１２１−１，２，・・・  静電容量Ｃ０を有する圧電アクチュエータ
１２２−１，２，・・・  トランスファゲート
１３  抵抗Ｒ０を有する制御基板１１と中継基板１２を接続するケーブル
１４  画像メモリ
１５  データ送信回路
１６  データ受信回路
１７  レベルシフト回路
２１２  抵抗値Ｒｆ１の抵抗
２１３  抵抗値Ｒｉの抵抗
２１７  抵抗値Ｒｆ２の抵抗
【図１】
0003601450.tif 000009
【図２】
0003601450.tif 000010
【図３】
0003601450.tif 000011
【図４】
0003601450.tif 000012
【図５】
0003601450.tif 000013
【図６】
0003601450.tif 000014
【図７】
0003601450.tif 000015