(57)【要約】【課題】駆動回路のヘッド駆動電圧の配線インピーダンス差による波形差を改善する。【解決手段】記録ヘッドのノズルに連通する加圧室内のインクを加圧して液滴を吐出させる圧電素子と、ノズル毎に圧電素子を充放電させるスイッチング素子と、給電部から各圧電素子の駆動回路までの配線のインピーダンスが最も高い圧電素子に並列接続され、圧電素子の駆動時に電流を供給する容量性素子と、を備えた。【選択図】図８
2015013415.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
記録ヘッドのノズルに連通する加圧室内のインクを加圧して液滴を吐出させる圧電素子と、
前記ノズル毎に前記圧電素子を充放電させるスイッチング素子と、
給電部から各圧電素子の駆動回路までの配線のインピーダンスが最も高い圧電素子に並列接続され、前記圧電素子の駆動時に電流を供給する容量性素子と、
を備えたことを特徴とする記録ヘッドの駆動回路。
【請求項２】
前記容量性素子の静電容量は、前記圧電素子の静電容量よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の記録ヘッドの駆動回路。
【請求項３】
前記容量性素子は、前記圧電素子と同一構造であって、加圧室の無い複数の圧電素子によって構成されることを特徴とする請求項１または２記載の記録ヘッドの駆動回路。
【請求項４】
前記スイッチング素子は、
駆動クロックをカウントするカウンタと、
前記液滴のサイズに応じたパルスデータを格納するレジスタと、
前記カウンタのカウント値と前記パルスデータとの一致を検出する比較器と、
前記比較器からの一致検出パルスをトリガとして出力レベルを反転し前記圧電素子に印加するパルス信号を生成するフリップフロップと、
を備えたことを特徴とする請求項１記載の記録ヘッドの駆動回路。
【請求項５】
記録ヘッドのノズル毎に圧電素子を充放電させることにより、前記記録ヘッドのノズルに連通する加圧室内のインクを加圧して液滴を吐出させる際に給電部から各圧電素子の駆動回路までの配線のインピーダンスが最も高い圧電素子に、容量性素子から前記圧電素子の駆動時に電流を供給することを特徴とする記録ヘッドの駆動方法。
【請求項６】
記録ヘッドのノズルに連通する加圧室内のインクを加圧して液滴を吐出させる圧電素子、前記ノズル毎に前記圧電素子を充放電させるスイッチング素子、及び給電部から各圧電素子の駆動回路までの配線のインピーダンスが最も高い圧電素子に並列接続され、前記圧電素子の駆動時に電流を供給する容量性素子、を有する記録ヘッドと、
前記記録ヘッドのノズル側に紙を搬送する搬送手段と、
前記記録ヘッドの駆動を制御する制御手段と、
備えたことを特徴とする画像形成装置。
【請求項７】
前記容量性素子の静電容量は、前記圧電素子の静電容量よりも大きいことを特徴とする請求項６記載の画像形成装置。
【請求項８】
前記容量性素子は、前記圧電素子と同一構造であって、加圧室の無い複数の圧電素子によって構成されることを特徴とする請求項６または７記載の画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は記録ヘッドの駆動回路、記録ヘッドの駆動方法、及び画像形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
プリンタ、ファクシミリ、複写装置、プロッタ等の画像記録装置もしくは画像形成装置として用いるインクジェット記録装置は、ノズルと、加圧液室と、圧力発生手段とを備えた記録ヘッドとしてのインクジェットヘッドを搭載したものである。
【０００３】
ノズルは、インクの液滴を吐出する部材である。加圧液室はノズルに連通しており、吐出室、圧力室、加圧室、液室、インク流路、流路等とも称される。圧力発生手段はこの加圧液室内のインクを加圧する部材である。
【０００４】
インクジェットヘッドには、加圧液室内のインクを加圧する圧力発生手段として圧電素子等の電気機械変換素子を用いてインク流路の壁面を形成する振動板を変形させてインク流路内容積を変化させて液滴を吐出させる圧電素子型のものがある。
この圧電素子型インクジェットヘッドは、ピエゾ素子に駆動信号を印加することによりインクの液滴を吐出するものである。
ヘッド駆動回路には、スイッチング素子によって構成されたものがあり、所定のタイミングでスイッチング素子をオン/オフすることにより、圧電素子の充放電を制御し、駆動信号として矩形波信号を印加するものが知られている。
【０００５】
ここで、インクジェットヘッドの圧電素子の電気配線は、駆動回路に用いられる電気配線よりも厚さ及び幅が小さい微細パターンのため配線抵抗が高くなってしまう。例えば、幅１ｍｍ、厚さ0.07ｍｍの場合、長さ10ｍｍあたり0.0024Ωであるのに対し、幅0.1ｍｍ、厚さ0.07ｍｍの場合、長さ10ｍｍ当たり0.024Ωになる。
【０００６】
そのため、ヘッド駆動時配線上では駆動電流により電圧降下が生じてしまい、インクジェットヘッドの各CH(チャンネル)に印加される信号の波形形状、すなわち鈍り具合が異なる。
電圧降下は、駆動するCH数によって変動する。
ヘッド内の少数のCHを駆動する場合と多数のCHを駆動する場合とでは電圧降下の大きさが異なるため、１つのCHに着目すると、ヘッド内の駆動CH数が多くなるほど、駆動波形の立上り/立下りが鈍ってしまう。このため、吐出速度が遅くなり、吐出量が小さくなる。
【０００７】
また、電流の経路長によって電圧降下の大きさが異なる。電圧降下は電流の経路長が長いほど大きくなり、各CH間で配線上の電位に差が生じる。そのため、給電部からの距離が遠いCHになるほど駆動波形の立上り/下りが鈍ってしまい、吐出速度が遅くなり、吐出量が小さくなる。
【０００８】
このように、配線の電圧降下により、駆動CH数によって各CHの吐出特性が変動し、CH間で吐出特性に差が生じるため、印刷ムラが生じ、画像品質が劣化してしまうという問題があった。
【０００９】
このため、このような問題を解決すべく種々の提案がなされている（例えば、特許文献１〜３参照）。
特許文献１は、「容量性負荷駆動回路および容量性負荷駆動方法並びにそれを用いた装置」に関するものである。同文献１に記載の発明は、容量性負荷に蓄積されたエネルギーを効率良く回収・再利用することを目的とするものである。同文献１には、容量性負荷駆動回路及び容量性負荷駆動方法として、容量性負荷、すなわち圧電素子の電流経路にコンデンサとスイッチ素子とを接続し、スイッチ素子を制御することにより、容量性負荷のエネルギーを回生する構成が開示されている。
【００１０】
特許文献２に記載の発明は、CHごとの配線抵抗や静電容量の違いによる吐出ばらつきを均一化することを目的とするものである。同文献２には、圧電素子の配線接続方法について開示され、時定数が高くなる圧電素子については、複数の駆動回路と接続することで、時定数を下げる構成が開示されている。
【００１１】
特許文献３に記載の発明は、各ノズル間の吐出特性に差をなくすことを目的とするものである。同文献３には、ヘッドの駆動方法と駆動回路構成について開示され、ヘッドのノズルを複数のブロックに分割し、各ブロックの吐出特性が等しくなるように、ブロックごとに異なる駆動波形を印加する構成が開示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、特許文献１、３に記載の発明では、駆動回路のヘッド駆動電圧の配線インピーダンス差により、電圧降下量に違いが生じていた。また、特許文献２に記載の発明では、駆動回路のヘッド駆動電圧の配線インピーダンス差により、電圧降下量については考慮されているものの、給電部と各CHの駆動回路間の配線インピーダンス差で生じる波形差については考慮されていない。また、特許文献２に記載の発明はトランジスタと抵抗を用いて波形鈍りを改善しているのでその分装置が複雑になりコストもかかる。
【００１３】
そこで、本発明の目的は、駆動回路のヘッド駆動電圧の配線インピーダンス差による波形差を改善することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、記録ヘッドのノズルに連通する加圧室内のインクを加圧して液滴を吐出させる圧電素子と、前記ノズル毎に前記圧電素子を充放電させるスイッチング素子と、給電部から各圧電素子の駆動回路までの配線のインピーダンスが最も高い圧電素子に並列接続され、前記圧電素子の駆動時に電流を供給する容量性素子と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、駆動回路のヘッド駆動電圧の配線インピーダンス差による波形差を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】画像形成装置の一実施形態に係る概念図である。
【図２】図１に示した画像形成装置の平面図である。
【図３】本実施形態に係る画像形成装置に用いられるヘッドアレイ２のノズル面と１つのノズル列とを示す図である。
【図４】本実施形態に係る画像形成装置の本体制御部の概略を示すブロック図である。
【図５】記録ヘッドの液室長手方向に沿う断面図である。
【図６】記録ヘッドの液室短手方向に沿う断面図である。
【図７】記録ヘッドの要部平面図である。
【図８】インバータを用いたスイッチング素子による駆動回路の回路図の一例である。
【図９】(a)は、駆動回路のスイッチング素子としてのインバータの放電時の基本動作を示し、(b)は、駆動回路のスイッチング素子としてのインバータの充電時の基本動作を示す図である。
【図１０】パルス生成部にて生成するパルス信号と圧電素子の印加電圧との関係を示した図である。
【図１１】ヘッド駆動回路の構成と印刷動作中のデータ転送について示した図である。
【図１２】(a)は、パルス生成回路のブロック図の一例であり、(b)は、(a)に示した破線枠内の詳細なブロック図である。
【図１３】パルス生成回路で生成されるパルス信号のタイミングチャートの一例である。
【図１４】パルス生成回路のレジスタに格納するデータについての説明図である。
【図１５】パルス生成回路の動作を示すタイミングチャートの一例である。
【図１６】パルス生成データの詳細を表した図である。
【図１７】従来の圧電素子充電経路上の配線抵抗の表した、圧電素子周辺の回路図の一例である。
【図１８】図17における本体給電部から近いCHと本体給電部から遠いCHの圧電素子に印加される電圧の差を表した図である。
【図１９】本実施形態の圧電素子充電経路上の配線抵抗の表した、圧電素子周辺の回路図である。
【図２０】本実施形態の本体給電部から近いCHと、本体給電部から遠いCHの圧電素子に印加される電圧の差を表した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
＜実施形態＞
以下、一実施形態について述べる。
［構  成］
図１は、画像形成装置の一実施形態に係る概念図である。図２は、図１に示した画像形成装置の平面図である。
本実施形態の画像形成装置は、図示した構成からなるライン型インクジェットプリンタである。記録媒体である紙４を搬送ベルト６によって搬送し、搬送された紙４にFCヘッドアレイ２もしくはBkヘッドアレイ３からインクを吐出して画像を形成する。
本実施形態の画像形成装置は、FC(フルカラー)印刷モードとBk(ブラック)印刷モードとの２つの印刷モードを備える。印刷モードごとにヘッドアレイ２、３を備える構成としている。各ヘッドアレイ２、３はそれぞれの印刷モードにおいて印刷動作を行い、FC印刷モード時にはFCヘッドアレイ２、Bk印刷モード時にはBkヘッドアレイ３が対応している。搬送ローラー５と、搬送ベルト６と、図示しないモータと、で搬送手段を構成している。搬送手段は、記録ヘッドとしてのFCヘッドアレイ２、Bkヘッドアレイ３のノズル側に紙４を搬送する。
【００１８】
各ヘッドアレイ２、３は独立して搬送ベルト６の上面に対し直交する方向に移動することが可能である。また、本画像形成装置は搬送ベルト６上にキャッピングユニット１を備えている。このキャッピングユニット１は搬送ベルト６の上面に対して水平方向に移動可能である。印刷動作中使用しないヘッドアレイ２、３の直下にはキャッピングユニット１が位置しており、ヘッドアレイ２、３を構成する各ヘッドはキャッピングユニット１によりキャッピングされる。
【００１９】
印刷に使用するヘッドアレイ２、３は搬送ベルト６とアレイ面間のギャップが１ｍｍ程度の位置に固定されている。印刷は、ヘッドアレイ２、３と直交するように紙４を搬送し、紙４がヘッドアレイ２、３の下を通過する際に、ヘッドアレイ２、３を構成する各ヘッドからインクの液滴を吐出することにより行われる。
【００２０】
各ヘッドアレイ２、３は、複数の液滴吐出ヘッドを主走査方向にアレイ状に並べることにより構成されている。FCヘッドアレイ２は、C(シアン)M(マゼンタ)Y(イエロー)K(ブラック)各色のノズル列を備えたヘッドにより構成される。Bkアレイ３はすべてBkのノズル列によって構成されており、FCよりも高解像度の印刷が行えるノズル配置構成となっている。
【００２１】
図３は、本実施形態に係る画像形成装置に用いられるヘッドアレイ２のノズル面と１つのノズル列とを示す図である。
本実施形態の画像形成装置におけるヘッドアレイ２、３は、図示するように４本のノズル列を備えたヘッドによって構成される。
ヘッドアレイ２、３を構成するヘッドは図示するように、各ヘッドが千鳥状に配置されている。
FCアレイ２を構成するヘッドは１ヘッドにおいて各ノズル列は異なる色(CMYK)のインクを吐出する。
Bkアレイ３を構成するヘッドはすべてのノズル列からBkインクを吐出する。
ヘッドアレイ２、３を構成する液滴吐出ヘッドは例えば４本のノズル列を備え、ヘッドアレイ２、３は本発明の画像形成装置において、紙４の搬送方向とヘッドアレイ２、３を構成する各液滴吐出ヘッドのノズル列が直交する方向に実装されている。
【００２２】
FCモードは各色において１ノズル列を使用して印刷を行う。一方、Bk印刷モードではモノクロ印刷４ノズル列を使用して印刷を行うことにより、FC印刷モードの４倍の印刷解像度となる。
【００２３】
図４は、本実施形態に係る画像形成装置の本体制御部の概略を示すブロック図である。
本体制御部は、CPU(Central Processing Unit)12と、ROM(Read Only Memory)14と、RAM(Random Access Memory)16と、図示しない不揮発性メモリと、ASIC(Application Specific Integrated Circuit：特定仕様向け集積回路)15と、を備える。
【００２４】
CPU12は画像形成装置全体の制御を司る回路である。ROM14は、CPU12が実行するプログラム、その他の固定データを格納する回路である。RAM16は、画像データ等を一時格納する回路である。不揮発性メモリは、画像形成装置の電源が遮断されている間もデータを保持するための書き換え可能な記憶媒体である。ASIC15は、画像データに対する各種信号処理、並び替え等を行う画像処理やその他画像形成装置全体を制御するための入出力信号を処理する回路である。
【００２５】
本体制御部は、ホストI/F(Inter Face)11と、ヘッド制御部20、搬送モータ駆動部21と、I/O(Input Output)17等を備える。
ホストI/F11は、ホスト側とのデータ及び信号の送受を行うための回路である。
ヘッド制御部20は、記録ヘッド22を駆動制御するためのデータ転送手段を含む回路である。
搬送モータ駆動部21は、搬送モータ27を駆動する回路である。
I/O17は、リニアエンコーダ26、ホイールエンコーダ29からの検出パルス、環境温度を検出する温度センサ24からの検出信号、スキャナ18による読み込み画像データ、及びその他の各種センサからの検知信号を入力するための回路である。
【００２６】
本体制御部には、画像形成装置に必要な情報の入力及び表示を行うための操作パネル13が接続されている。
本体制御部は、パーソナルコンピュータ等の情報処理装置、イメージスキャナ等の画像読み取り装置、デジタルカメラ等の撮像装置等のホスト側からの印刷データ等をケーブル或いはネットワークを介してホストI/F11で受信する。
本体制御部のCPU12は、ホストI/F11に含まれる受信バッファ内の印刷データを読み出して解析し、ASIC15にて必要な画像処理及びデータの並び替え処理等を行い、この画像データをヘッド駆動制御部20から記録ヘッド22に転送する。
尚、画像出力するためのドットパターンデータの生成は、例えばROM14にフォントデータを格納して行っても良く、ホスト側のプリンタドライバで画像データをビットマップデータに展開して画像形成装置に転送しても良い。
【００２７】
ヘッド制御部は、上述した画像データをシリアルデータで転送する。これと共に、画像データの転送及び転送の確定等に必要な転送クロック、ラッチ信号、駆動回路内のパルス生成回路を駆動するための動作クロックをヘッドアレイ２、３の各ヘッドの駆動回路23に入力する。
尚、インクは温度によって粘度が変化するため、転送するパルスデータは環境温度によって変える必要がある。温度センサ24から本体制御部に入力された記録ヘッド22近傍の温度データをもとに、対応する印刷パルスデータを、へッド制御部20が選択して駆動回路23へ転送を行う。
【００２８】
また、ヘッド制御部20は、記録ヘッド22を駆動制御するためのパルスデータと制御対象の記録ヘッド22のノズル毎の吐出特性を示すノズルランクデータとを格納した不揮発性メモリを備える。ヘッド制御部20は、印刷ジョブ受信時等印刷動作直前のタイミングにおいて駆動回路にパルスデータを転送する。
尚、ノズルランクデータとは、印刷した液滴吐出ヘッドの吐出ばらつきを判定するチャートをスキャナにて読み取り、ASIC15にて吐出特性を判定し、ランクデータとして変換したものである。
【００２９】
駆動回路23は、シリアルに入力される記録ヘッド22の画像データに基づいてパルス生成回路32にて生成したパルス信号を選択し、記録ヘッド22の各圧電素子に接続されるインバータ34に入力することで、アクチュエータとしての圧電素子を駆動する。
【００３０】
搬送モータ制御部21は、CPU12側から与えられる目標値とホイールエンコーダ29からの検出パルスをサンプリングして得られる速度検出値に基づいて制御値を算出して内部のモータ駆動部21を介して搬送モータ27を駆動する。
【００３１】
駆動回路には各圧電素子の駆動データとは別に各ノズルにどのパターンの加温パルスを印加するかを選択するための、レジスタを備え、各ノズルにはこのメモリのデータに応じたパルスパターンが印加される。
このレジスタのデータは、記録ヘッド22に設けられた温度センサ24の情報をもとにヘッド制御部20より転送され、温度検出毎に書き換えられる。
尚、搬送ベルト28は図２の搬送ベルト６に対応する。
【００３２】
図５は、記録ヘッドの液室長手方向に沿う断面図であり、図６は、記録ヘッドの液室短手方向に沿う断面図であり、図７は、記録ヘッドの要部平面図である。
図５〜７の圧電素子は、インクの吐出を行うための第一の圧電素子である。
記録ヘッド22は、単結晶シリコン基板で形成した流路板41と、この流路板41の下面に接合した振動板42と、流路板４１の上面に接合したノズル板43とを有する。記録ヘッド22には、ノズル45がノズル連通路45ａを介して連通するインク流路である加圧室46と、加圧室46にインクを供給するための共通液室48にインク供給口49を介して連通する流体抵抗部となるインク供給路47とが形成されている。
【００３３】
振動板42の外面側（液室と反対面側）に各加圧室46に対応して加圧室46内のインクを加圧するための圧力発生手段（アクチュエータ手段）である電気機械変換素子としての積層型の圧電素子52を接合し、この圧電素子52をベース基板53に接合している。また、圧電素子52の間には加圧室46、46間の隔壁部41ａに対応して支柱部54を設けている。ここでは、圧電素子部材にハーフカットのダイシングによるスリット加工を施すことで櫛歯状に分割して、１つ毎に圧電素子52と支柱部54が形成されている。支柱部54も構成は圧電素子61と同様であるが、駆動電圧を印加しないので単なる支柱となる。
【００３４】
振動板42の外周部はフレーム部材44にギャップ材を含む接着剤50にて接合している。
このフレーム部材44には、共通液室48となる凹部、及びこの共通液室48に外部からインクを供給するための図示しないインク供給穴が形成されている。このフレーム部材44は、例えばエポキシ系樹脂或いはポリフェニレンサルファイトで射出成形により形成されている。
【００３５】
流路板41は、例えば結晶面方位(110)の単結晶シリコン基板を水酸化カリウム水溶液(KOH)等のアルカリ性エッチング液を用いて異方性エッチングすることで、ノズル連通路45ａ、加圧室46、インク供給路47となる凹部や穴部を形成したものである。しかし、単結晶シリコン基板に限られるものではなく、その他のステンレス基板や感光性樹脂等を用いることもできる。
【００３６】
振動板42は、ニッケルの金属プレートから形成したもので、例えば電鋳法の一種であるエレクトロフォーミング法で作製されるが、この他の金属板や樹脂板或いは金属と樹脂板との接合部材等を用いることもできる。
この振動板42は加圧室46に対応する部分に変形を容易にするための薄肉部としてのダイヤフラム部55及び圧電素子52と接合するための厚肉部としての島状凸部56を形成する。これとともに、支柱部54に対応する部分及びフレーム部材44との接合部にも厚肉部57が形成され、平坦面側を流路板41に接着剤接合し、島状凸部56を圧電素子52に接着剤接合されている。更に厚肉部57を支柱部54及びフレーム部材44に接着剤50で接合している。尚、ここでは、振動板42を２層構造のニッケル電鋳で形成している。
【００３７】
ノズル板43は各加圧室46に対応してノズル45を形成し、流路板41に接着剤接合している。
このノズル板43としては、ステンレス、ニッケルなどの金属、金属とポリイミド樹脂フィルムなどの樹脂との組み合わせ、シリコン、及びそれらの組み合わせからなるものを用いることができる。ここでは、電鋳法によるNiメッキ膜等で形成している。 また、ノズル43の内部形状もしくは内側形状は、ホーン形状、略円柱形状又は略円錘台形状に形成する。
【００３８】
ノズル板43のノズル面としての吐出方向の表面もしくは吐出面には、図示しない撥水性の表面処理を施した撥水処理層を設けている。撥水処理層としては、PTFE-Ni共析メッキやフッ素樹脂の電着塗装、蒸発性フッ素樹脂、例えばフッ化ピッチ等の蒸着コーティング層、シリコン系樹脂・フッ素系樹脂の溶剤塗布後の焼き付け等、インク物性に応じて選定した撥水処理膜が挙げられる。これらによりインクの滴形状、飛翔特性を安定化し、高品位の画像品質を得られるようにしている。PTFE-Niは、Poly Tetra Fluoro Ethlene-Ni(ポリテトラフルオロエチレン−ニッケル)の略である。
【００３９】
圧電素子52は、１層のチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)の圧電素子61と、銀・パラジューム(AgPd)からなる内部電極層62とを交互に積層したものである。内部電極62を交互に端面の端面電極としての外部電極である個別電極63、共通電極64に電気的に接続したものである。この圧電常数がd33である圧電素子52の伸縮により加圧室46を収縮、膨張させるようになっている。圧電素子52に駆動信号が印加され充電が行われると伸長し、また圧電素子52に充電された電荷が放電すると反対方向に収縮するようになっている。
【００４０】
圧電素子部材の一端面の端面電極はハーフカットによるダイシング加工で分割されて個別電極63となり、他端面の端面電極は切り欠き等の加工による制限で分割されずにすべての圧電素子52で導通した共通電極64となる。
【００４１】
圧電素子52の個別電極63には駆動信号を与えるために半田接合又はACF(Anisotropic Conduction Film：異方導電性膜)接合若しくはワイヤボンディングでFPC(Flexible Print Circuit)ケーブル65が接続されている。このFPCケーブル65には各圧電素子52に選択的に駆動波形を印加するための駆動回路(ドライバIC）が接続されている。また、共通電極64は、圧電素子の端部に電極層を設けて回し込んでFPCケーブル65のグラウンド(GND)電極に接続している。
【００４２】
記録ヘッド22は、例えば、記録信号に応じて圧電素子52にパルス電圧を印加して圧電素子52を充放電させると、圧電素子52に積層方向の変位が生起し、振動板42を介して加圧室46内のインクが加圧され、ノズル45からインクが吐出される。
インク滴吐出の終了に伴い、加圧室46内のインク圧力が低減し、インクの流れの慣性と駆動パルスの放電過程とによって加圧室46内に負圧が発生してインク充填行程へ移行する。このとき、図示しないインクタンクから供給されたインクは共通液室48に流入し、共通液室47からインク供給口49を経て流体抵抗部47を通り、加圧室46内に充填される。尚、流体抵抗部47は、吐出後の残留圧力振動の減衰に効果が有る反面、表面張力による最充填もしくはリフィルに対して抵抗になる。
流体抵抗部47の流体抵抗値を適宜に選択することで、残留圧力の減衰とリフィル時間とのバランスが取れ、次のインク滴吐出動作に移行するまでの時間、すなわち駆動周期を短くできる。
【００４３】
図８は、インバータを用いたスイッチング素子による駆動回路の回路図の一例である。
本実施形態の駆動回路のインバータ34は、図示するように第一圧電素子毎に１つのインバータ34としてのCMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor：相補型金属酸化膜半導体)インバータ34が設けられている。CMOSインバータを制御することにより圧電素子を充放電する。
インバータ34の給電部にはヘッド駆動電圧VHが印加されており、ヘッド駆動電圧VHは圧電素子の駆動電圧である。また、出力は圧電素子の個別電極と接続され、入力されるパルス信号に応じて圧電素子の充放電を行う。
【００４４】
図中左端は本体側との接続部となっており、右のCHほど本体側からの配線CHが長くなる。本実施形態では、図中右の本体側から遠いCHの近傍にインク吐出を行わない、容量性素子としての第二圧電素子520を並列接続するものである。すなわち、記録ヘッドは、給電部から各圧電素子の駆動回路までの配線のインピーダンスが最も高い圧電素子に並列接続され、圧電素子の駆動時に電流を供給する容量性素子520を有する。容量性素子520は圧電素子とは同一構造を有している。
【００４５】
第二圧電素子520の電極は、第一圧電素子52の給電配線と本体側のGND配線と接続されており、常時、ヘッド駆動電圧VHに充電されている。
【００４６】
［動  作］
図９(a)は、駆動回路のスイッチング素子としてのインバータ34の放電時の基本動作を示し、図９(b)は、駆動回路のスイッチング素子としてのインバータ34の充電時の基本動作を示す図である。図10は、パルス生成部にて生成するパルス信号と圧電素子の印加電圧との関係を示した図である。
【００４７】
インバータ34を構成する各MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor：金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ)のゲート部にはパルス信号が入力される。このパルス信号は、レベルシフタから出力される信号でありパルス生成部としてのパルス成形回路にて生成したパルス信号の電圧レベルを昇圧し論理反転した信号である。
図９(b)に示すように入力されたパルス信号のレベルがLowレベルのときは、PchのMOSFETがONし、NchのMOSFETがOFFとなり、PchのMOSFETを介して圧電素子と給電部とが短絡され、圧電素子はヘッド駆動電圧VHのレベルに充電される。
【００４８】
図９(a)に示すように入力パルス信号がHiレベルのときは、PchのMOSFETがOFFし、NchのMOSFETがONとなり、NchのMOSFETを介して圧電素子とグランド(GND)が短絡されるため、圧電素子が放電されて電位はグランドレベル(0V)となる。
【００４９】
インバータ34を構成する各MOSFETにはオン抵抗があり、オン抵抗と圧電素子の静電容量とにより時定数が定められ、圧電素子の電位の立上り、立下りの時間はTr、Tfとなる。すなわち、図10に示すようにパルス信号が矩形波であっても圧電素子の印加電圧はTr経過後で0.9VHしか上昇せず、飽和するまでさらに時間を要する。これとは逆にパルス信号が立下がるときは0Vになるまで指数関数的に減少しTfを要する。
例えば、圧電素子の静電容量を1000pfとし、各MOSFETのオン抵抗を200Ωとすると、立上り/下り時間Tr、Tfは約450ns程度となる。
圧電素子の電位変動と同様に圧電素子が伸縮することにより、ノズル面のメニスカスが変動しインクの液滴が吐出される。
本実施形態の画像形成装置は上記のように、圧電素子の充放電を繰り返すことによって印刷動作を行う。
【００５０】
作用効果についてさらに説明する。
充電開始時の各CH駆動回路の電位は数式(1),(2)で表せられる。
以下、数式(1),(2)は微小である給電部から、nCHへの充電電流、及び第二圧電素子から1CHへの充電電流を無視している。また、対応図は後述する図19になる。
図19の第1CHと第nCHの2CHのみを駆動する場合、
Vh_1＝VH−I×R                                                   …(1)
Vh_n＝VH'−Ｉ×R                                                …(2)
I:第一圧電素子1CHあたりの駆動電流、もしくは充電電流
R:CH間の配線抵抗
VH:給電部電圧  VH※：第二圧電素子電位
第二圧電素子は、第一圧電素子充電時に放電するため、VH'は以下の数式(3)で示すように電圧が変化するが、第二圧電素子の静電容量を大きくすることで、放電による電圧降下は小さくすることができる。
【００５１】
【数１】
2015013415.tif 000003
【００５２】
I'(t): 第二圧電素子の放電電流
上記のように、第二圧電素子を設けることにより、給電部から遠いVh_nの電圧降下を小さくすることができるため、CH間の駆動波形の立上りの差を小さくすることができる。
【００５３】
環境温度によってインクの粘度は変化するため、ヘッド駆動電圧VHは、パルスデータ転送時と同様に温度センサにて検出した温度データを基づいてヘッド制御部は駆動電圧VHを可変してインバータ34に給電する。
【００５４】
図11は、ヘッド駆動回路の構成と印刷動作中のデータ転送について示した図である。
本実施形態のヘッド駆動回路39は、シフトレジスタ38と、ラッチ回路としてのレジスタ37と、駆動波形生成部としてのパルス生成回路32と、セレクタ36と、レベルシフタ35と、インバータ34とを有する。
【００５５】
シフトレジスタ38は、ヘッド制御部31から転送クロック、及びシリアル印刷データもしくは駆動を行う記録ヘッドのノズルランクを入力する回路である。
レジスタ37は、シフトレジスタ38の各レジスト値をラッチ信号によってラッチする回路である。
駆動波形生成部としてのパルス生成回路32は、インバータ34を制御するパルス信号を生成する回路である。
セレクタ36は、印刷データに応じて入力された生成パルス信号を選択する回路である。
レベルシフタ35は、セレクタ36から出力された駆動信号のロジックレベル電圧信号がインバータ34の動作可能となる電圧レベルに電圧を変換し反転して出力する回路である。
インバータ34は、記録ヘッドの各圧電素子52に接続され圧電素子52の充放電を行う回路である。
【００５６】
印刷動作中、シフトレジスタ38にはシリアルの印刷データが入力されており、吐出のタイミング毎にラッチ信号が印刷データ格納用のレジスタに入力され印刷データがラッチされる。
パルス生成回路32は内部にカウンタと、生成したパルスのデータが格納されたレジスタと、を内蔵し、滴種類(大、中、小、微駆動)のパルス波形を出力する。すなわち、レジスタはインクの液滴のサイズに応じたパルスデータを格納する。
【００５７】
印刷動作中は、ヘッド制御部31からシフトレジスタ38へ転送クロックと印刷データとがシリアルで転送される。また、ラッチ信号によりシフトレジスタ38内のデータがレジスタ37へラッチされると共に、パルス生成回路32にてパルス生成が開始され各ノズルから液滴が吐出される。
【００５８】
本実施形態では駆動回路内のパルス生成回路32内にパルスデータを格納するレジスタを備えるため、印刷時において吐出毎ごとパルスとしての駆動波形データを転送する必要がない。また、印刷データのみをヘッドに転送するだけで、ヘッド駆動を行うことができ、配線数を従来技術に対し、少なくすることが出来る。
【００５９】
印刷動作前、パルス生成回路32には各ノズルの吐出特性に応じたパルス生成データがシリアル転送される。
このパルスデータは図示しない本体のヘッド制御部31内に設けられている不揮発性メモリ40に格納されたデータとなる。
パルス生成回路32は、パルスデータを格納するためのレジスタを内蔵し、印刷動作直前にパルスデータが図示しない転送パルス生成回路32に転送される。本実施形態では、パルス生成回路32内のレジスタがシフトレジスタのみの構成となっており、パルスデータをシリアルで転送するのみとする。
【００６０】
図12(a)は、パルス生成回路のブロック図の一例であり、図12(b)は、図12(a)に示した破線枠内の詳細なブロック図である。図13は、パルス生成回路で生成されるパルス信号のタイミングチャートの一例である。図14は、パルス生成回路のレジスタに格納するデータについての説明図である。図15は、パルス生成回路の動作を示すタイミングチャートの一例である。図16は、パルス生成データの詳細を表した図である。
【００６１】
図12(a)に示すパルス生成回路12は、カウンタ74と、レジスタ70、71、72、73と、比較器75、76、77、78と、Ｄ型のフリップフロップ79、80、81、82と、を有する。
カウンタ74は、駆動クロックをカウントする回路である。
レジスタ70、71、72、73は、パルスデータを格納する回路である。
比較器75、76、77、78は、カウンタ74のカウント値とパルスデータとの一致を検出する回路である。
フリップフロップ79、80、81、82は、比較器75、76、77、78から出力される一致検出パルスをトリガとして出力レベルを反転しパルス信号を生成する回路である。
レジスタ70は、図12(b)に示すように10個のレジスタ70-1〜70-10からなり、各レジスタ70-1〜70-10の出力は10個の比較器75-1〜75-10の一方の入力端に入力され、各比較器75-1〜75-10の他方の入力端にはカウンタ出力が入力される。各比較器75-1〜75-10の出力は75-1〜75-10の入力端に入力され、75-1〜75-10の出力はフリップフロップ79のクロック入力端に入力される。
他のレジスタ71〜73もレジスタ70と同様に、レジスタの数に応じた比較器と、Ｄ型のフリップフロップと、を有する構成である。
【００６２】
図示する回路がノズル毎に設けられており、各ノズルの圧電素子には、印刷データに応じて生成されたパルス信号の１つが印加される。
パルスデータはパルス信号のレベルを切り替えるための数値データであり、本実施形態ではカウンタ74のカウント値と比較して使用される。
一例として図16に示すように、カウンタ74のカウント値がパルスデータと一致した時に、生成パルス信号のレベルが切り替わる、すなわち反転する。パルス生成回路12のカウンタは11ビットとしているため、データは2進データとして扱うこととなる。すなわち、パルスデータは固定の数値データである。比較器でカウント値との比較を行い、カウント値とデータとが一致した時に、パルス出力が反転する。
【００６３】
１つのパルス信号の生成には、必要なデータ量は、
生成パルス信号の構成パルス数  × ２(立上り/立下り時) ×  カウンタビット
となる。
本実施形態ではカウンタビットは11、生成パルス信号の構成パルス数は、(a)大滴信号が５パルス構成、(b)中滴信号が３パルス構成、(c)小滴信号が１パルス構成、(d)微駆動信号が１パルス構成となっている。パルス生成回路32には必要なデータを格納するレジスタが設けられている。
【００６４】
比較器75〜78には、生成するパルス信号に必要なパルスデータとカウンタのカウント値とがそれぞれ入力されており、比較器75〜78は入力されたカウント値とパルスデータとが一致した時に１クロック分だけ一致検出パルスを出力する。
【００６５】
パルスデータ生成回路32の出力反転用のフリップフロップ79〜82は生成するパルス信号数毎に設けられている。このフリップフロップ79〜82には比較器75〜78の出力が入力されており、生成パルス信号に対応した比較の出力は、図12(b)に示すようにOR論理で１つにまとめられている。
これにより各フリップフロップ79〜82には、生成するパルス信号のレベル反転タイミング時に比較器75〜78から一致検出パルスが入力されるため、この入力をトリガに出力を反転することでパルス信号を生成することができる。
【００６６】
パルス生成回路32のカウンタには動作クロックとラッチ信号とが入力される。動作クロックはカウンタカウント用であり、生成されるパルス信号のレベル反転タイミングは動作クロックに同期しており、動作クロックの周波数が高周波数になるほど生成パルスを高分解能で生成することが可能となる。
ラッチ信号はカウンタ74のリセット端子に接続されており、ラッチ信号入力毎にカウント値はリセットされ、パルス信号生成が開始される。
図示していないが、図中のレジタはすべてカスケード接続されており、シフトレジスタとして動作する。そのため、パルスデータはヘッド制御31部からシリアルデータとして転送される。
【００６７】
＜比較例＞
図17は、従来の圧電素子充電経路上の配線抵抗の表した、圧電素子周辺の回路図の一例である。図18は、図17における本体給電部から近いCHと本体給電部から遠いCHの圧電素子に印加される電圧の差を表した図である。
【００６８】
図17に示した抵抗は、圧電素子充電経路上の配線抵抗を表している。破線矢印P1、P2は充電電流の経路を表しており、破線矢印P2は本体給電部に最も近い第１CHのノズルの電流経路を表し、破線矢印P2は本体給電部から最も遠い第ｎCHの電流経路を表している。
【００６９】
電気配線上の電圧降下の大きさは、オームの法則より  Ｖ＝Ｉ*Ｒ  で表すことができる。
図中のVH_1,VH_nはヘッド充電時の各CHと給電配線の接続部の電位を表している。
例えば、図の第１CHと第ｎCHの２CHのみを駆動する場合、それぞれの電位は以下の数式(4)、(5)となる。
Ｖｈ_1＝ＶＨ − ２*Ｉ×Ｒ                                       …(4)
Ｖｈ_n＝ ＶＨ −２*Ｉ×Ｒ − Ｉ× (ｎ−１)× Ｒ                 …(5)
（Ｉ：１CHあたりの駆動電流、Ｒ：CH間の配線抵抗）
このようにCHの位置により、ヘッド駆動時各CHと給電配線の接続部の電位には差が生じており、印加される電圧の波形に同様に差が生じる。また、電位の差は駆動CH数が多くなるほど多くなる。
図示していないがインバータのGND配線にも配線抵抗は存在するため、放電時においてはGND上で同様の電位差が生じる。
【００７０】
図18は、多数CH駆動時の各電素子への印加電圧の波形を表しており、実線が第１CH、破線が第ｎCHのものとなる。
複数CH駆動時上記のように電気配線上で電圧降下が生じるため、波形の立上り/立下りに差が生じる。
Tf_1, Tf_n, 第１CH、第ｎCHの波形電圧立下り時間、Tr_1,Tr_nは立上り時間を表しており、大きな電圧降下が生じる第nの波形は、電圧降下の最も小さい第１CHに比べると大きく鈍っており、Tf/Trが長くなる。
【００７１】
各CHの電圧降下の大きさは、駆動するCHの数によって変動し、同様に波形の鈍り具合も変動する。少数CH駆動の場合は、電圧降下は微小であるためあまりTf/Trに差は生じないが、多数CHを駆動する場合には図のようにTr/Tfに大きな差が生じ、これが吐出特性の差となって現れる。
【００７２】
＜変形例＞
図19は、本実施形態の圧電素子充電経路上の配線抵抗の表した、圧電素子周辺の回路図である。図20は、本実施形態の本体給電部から近いCHと、本体給電部から遠いCHの圧電素子に印加される電圧の差を表した図である。
【００７３】
矢印P3、P4は充電電流の経路を表しており、破線矢印P3は本体給電部に最も近い第１CHのノズルの電流経路、破線矢印P4は本体給電部から最も遠い第ｎCHのノズルの電流経路となる。実際には各CHの充電電流は、本体側給電部と第二圧電素子の両側から供給されるが、一方の電流は微量となるためここでは図示していない。
【００７４】
図示するように本実施形態では、本体給電部近くのCHは主に本体側からの電流により充電され、本体供給部から遠いCHは主に第二圧電素子側からの電流により充電される。
【００７５】
図のように、給電部が分散されるため、電気配線を流れる充電電流のピーク値が小さくなるため配線上VH_1の電圧降下は小さくなる。また、従来給電部から遠かい第ｎCH部の配線上VH_1の電圧降下は、新たな給電部となる第二圧電素子が近傍に設けられているため、電流経路が短くになり、配線上の電圧降下は従来に比べ小さくなる。
【００７６】
図20は多数CH駆動時の各圧電素子の印加波形を表しており、実線が第１CHのものとなり、破線が第ｎCHのものとなる。
【００７７】
本実施形態では第二圧電素子を第ｎCH近傍に設けることにより、電気配線上で電圧降下が生じるため、波形の立上り/立下りに差が生じる。しかし、図19のように充電電流が本体給電部と第二圧電素子の２つに分散されるため、給電配線経路の電圧降下が小さくなり、従来技術に比べ立上り時間Trの差が小さくなる。
【符号の説明】
【００７８】
１    キャッピングユニット
２    ＦＣヘッドアレイ
３    Ｂｋヘッドアレイ
４    紙
５    搬送ローラー
６、２８    搬送ベルト
１１    ホストＩ／Ｆ
１２    ＣＰＵ
１３    操作パネル
１４    ＲＯＭ
１５    ＡＳＩＣ
１６    ＲＡＭ
１７    Ｉ／Ｏ
１８    スキャナ
１９、２４    温度センサ
２０    ヘッド制御部
２１    搬送モータ制御部
２２    記録ヘッド
２３    駆動回路
２６    エンコーダ
２７    搬送モータ
２９    ホイールエンコーダ
３１    ヘッド制御部
３２    パルス生成回路
３４    インバータ
３５    レベルシフタ
３６    セレクタ
３７    レジスタ
３８    シフトレジスタ
３９    ヘッド駆動回路
４０    不揮発性メモリ
４１    流路板
４２    振動板
４３    ノズル板
４５    ノズル
４５ａ    ノズル連通路
４６    加圧室
４７    インク供給路
４８    共通液室
４９    インク供給口
５０    接着剤
５２、６１、５２０    圧電素子
５３    ベース基板
５４    支柱部
５５    ダイヤフラム部
５６    島状凸部
５７    圧肉部
６２    内部電極層
６３    個別電極
６４    共通電極
６５    ＦＰＣケーブル
７０、７１、７２、７３    レジスタ
７４    カウンタ
７５、７６、７７、７８    比較器
７９、８０、８１、８２    フリップフロップ
８３    セレクタ
【先行技術文献】
【特許文献】
【００７９】
【特許文献１】特開２００３−２８５４４１号公報
【特許文献２】特開２０１２−１３１０８９号公報
【特許文献３】特開２００５−０８８４３６号公報
【図１】
2015013415.tif 000004
【図２】
2015013415.tif 000005
【図３】
2015013415.tif 000006
【図４】
2015013415.tif 000007
【図５】
2015013415.tif 000008
【図６】
2015013415.tif 000009
【図７】
2015013415.tif 000010
【図８】
2015013415.tif 000011
【図９】
2015013415.tif 000012
【図１０】
2015013415.tif 000013
【図１１】
2015013415.tif 000014
【図１２】
2015013415.tif 000015
【図１３】
2015013415.tif 000016
【図１４】
2015013415.tif 000017
【図１５】
2015013415.tif 000018
【図１６】
2015013415.tif 000019
【図１７】
2015013415.tif 000020
【図１８】
2015013415.tif 000021
【図１９】
2015013415.tif 000022
【図２０】
2015013415.tif 000023