JPH02145346A - 圧電アクチエータ励振方式 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はドツトマトリクス式のインパクト印字装置に係
り、特に印字ヘッドの駆動源に用いられる圧電アクチエ
ータの励振方式に関するものである。

〔従来の技術〕

ドツトマトリクス式あるいはインクジェット式プリンタ
の印字ヘッドにおける駆動源として圧電体を用いた圧電
アクチエータが用いられることが多い。このような圧電
アクチエータに電圧を印加したときに寸法歪が発生し、
この寸法歪がワイヤあるいはインク粒子発生機構など往
復動を行う機械機構に伝達され印字動作を行う。セして
、圧電アクチエータに直流の励振電圧を印加したとき生
ずる寸法歪は、時間とともに正弦波状に変化する振幅の
往復動となる。通常の印字ヘッドは一回の駆動ごとに一
つの点を印字するよう構成されておシ、これに適合する
よう一回の励振電圧印加ごとに正弦波状の往復動を一周
期分だけ行わせる圧電アクチエータ励振方式が必要であ
る。

従来の圧電アクチエータ励振方式の一例を第４図に示し
説明する。第５図は第４図の動作説明に供するメイムチ
ャートである。

第４図において、４１は圧電体を用いた圧電アクチエー
タで、この圧電アクチエータ４１は直流の励振電圧の印
加時に寸法不正を発生し、機械的な機構（機械機構）４
２に往復動させる。そして、圧電アクチエータ４１の一
方の電極は、コイル４３を介してスイッチ回路４４に接
続され、さらに抵抗４５を介してスイッチ回路４６に接
続され、他方の電極は接地している。ここで、このスイ
ッチ回路４４はトランジスタを用いたスイッチ回路でメ
ジ、駆動信号のパルスの立上り時間内にだけ励振、コイ
ル４３を介して励振電圧を圧電アクチエータ４１に印加
する。

駆・動信号（第５図（、）参照）のパルス幅は圧電アク
チエータ４１の寸法歪（第５図（、）参照）の往復動の
一周期に等しく選定されてお）、駆動信号の立上シ時間
内に圧電アクチエータ４１０寸法歪は丁度−周期だけ往
復動を行う。そして、圧電アクチエータ４１の寸法歪の
往復動周期が各駆動時ごとに同一となるような使用状態
の場合には、電圧ｖｂ（第５図（Ｃ）参照）の立上シ時
間内に電流工。

（第５図（ｄ）参照）はほぼ２周期の正弦波状電流とな
るから、電圧Ｖ、の立下シ時の圧電アクチエータ４１の
充電電荷はほぼゼロになシ、圧電アクチエータ４１の充
電電流を放電させる必要はない。

なお、第５図（ｂ）は制動信号を示す。

しかしながら、圧電アクチエータ４１がワイヤーあるい
はインク粒子発生機構などの機械機構４２から受ける反
作用の大きさに駆動時ごとのばらつきがある場合には、
圧電アクチエータ４１の充電電荷が毎回の駆動終了時に
ゼロになるとは限らず、残留電荷が累積して印字の濃淡
むらを生ずるなどの不具合の原因になる。すなわち、イ
ンパクトプリンタのワイヤの駆動については、駆動信号
の印加に伴ってワイヤーは機械的に運動する必要がある
が、駆動信号終了後は可及的速やかにワイヤーの運動を
終止させることが必要である。さもなければワイヤーの
残留運動が残ったｔまで次の駆動信号に伴うワイヤーの
運動が重畳される結果となシ、ワイヤーの運動むらの結
果は印字の濃淡むらを起こす。この運動を終止させるに
は機械機構４２の持っている機械的エネルギーを放出さ
せることが必要である。そして、圧電アクチエータ４１
を含めて圧電型電気機械変換素子については、一般に機
械エネルギーを電気エネルギーに変換する変換効率を制
限するものは素子の電気端子間に等測的に存在する静電
容量であると言える。従来の励振方式では、この静電容
量による電気エネルギーを抵抗４５において熱エネルギ
ーに変換し消費させる。このとき、コイル４３を介する
ことにより、消費効率を大きくすることができる。

なお、第４図において、４７はインバータ、４８゜４９
は各スイッチ回路４４．４６に対する逆方向電流をバイ
パス（側流）するためのダイオードである。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述した従来の圧電アクチエータ励振方式では、圧電ア
クチエータの残留電荷を抵抗を要して熱エネルギーに変
換し消費させるために放電対策が必要であシ、また、消
費効率化との整合によるコイルのインダクタンスの低減
化に限界がアシ、これに伴い回路の小型化および低コス
ト化が困難であるという課題があった。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の圧電アクチエータ励振方式は、往復動を行う機
械機構と接続しておシミ極間に印加される励振電圧に応
じて寸法歪を発生しその機械機構の往復動を駆動する圧
電アクチエータと、この圧電アクチエータの電極に直列
接続したコイルと、上記励振電圧の印加タイミングを示
す駆動信号に応答して上記コイルを介し上記圧電アクチ
エータにその励振電圧を印加する第１のスイッチ手段と
、上記寸法歪の制動タイミングを示す制動信号に応答し
て上記圧電アクチエータの充電電荷を上記コイルを介し
放電する第２のスイッチ手段と、上記駆動信号および上
記制動信号を高レベル電圧と低レベル電圧の印加時間比
が経時的に異なるパルス列とし発振させる制御回路とを
備えてなるものである。

〔作用〕

本発明においては、高レベル電圧と低レベル電圧の印加
時間比の異なるパルス列を整合し駆動および制動信号に
用いることで圧電アクチエータの端子電圧およびエネル
ギー回収量を可変制御する。

〔実施例〕

以下、図面に基づき本発明の実施例を詳細に説明する。

第１図は本発明による圧電アクチエ−！励振方式の一実
施例を示すブロック図である。

図において、１は圧電体を用いた圧電アクチエータで、
この圧電アクチエータ１は往復動を行う機械機構２と接
続しており電極間に印加される励振電圧に応じて寸法歪
を発生しその機械機構２の往復動を駆動するように構成
されている。３はこの圧電アクチエータ１の電極に直列
接続したコイル、４はスイッチ回路で、このスイッチ回
路４は励振電圧の印加タイミングを示す駆動信号に応答
してコイル３を介し圧電アクチエータ１にその励振電圧
を印加するスイッチ手段を構成している。

５はスイッチ回路で、このスイッチ回路５は寸法歪の制
動タイミングを示す制動信号に応答して圧電アクチエー
タ１の充電電荷をコイル３を介し放電するスイッチ手段
を構成している。６は駆動信号および制動信号を高レベ
ル電圧と低レベル電圧の印加時間比が経時的に異なるパ
ルス列とし発振させる制御回路である。Ｔおよび８は各
スイッチ回路４．５に対する逆方向電流をバイパス（側
流）するためのダイオードである。そして、圧電アクチ
エータ１の一方の電極はコイル３を介してスイッチ回路
４とスイッチ回路５に接続されており、他方の電極は接
地されている。

第２図は第１図の動作説明に供するメイムチャートで、
（ａ）は駆動信号を示したものであシ、（ｂ）は制動信
号、（Ｃ）は電流”ａ、（ｄ）は電圧Ｖ、を示したもの
である。

つぎにｌＸ１図に示す実施例の動作を第２図を参照して
説明する。

まず、圧電アクチエータ１の端子電圧ｖ、（第２図（ｄ
）参照）の昇圧原理を説明する。

制動信号（第２図（ｂ）参照）は低レベル電圧でスイッ
チ回路５は遮断状態にあるとする。そして、駆動信号（
第２図（ａ）参照）が高レベル電圧のときスイッチ回路
４が導通状態とな９励振電圧Ｖを起電力とし、コイル３
と圧電アクチエータ１との直列閉回路が形成される。こ
こで、圧電アクチエータ１の容量をＣ１コイル３のイン
ダクタンスをＬ１駆動信号の高レベル印加時間をｔとす
る。そして、高レベル電圧印加直前の圧電アクチエータ
１の端子電圧をＶａ　（ｏ　）とすれば、時刻を経過後
の端子電圧ｖ６は、 Ｖ　　＝Ｖ＋（Ｖ　（ｏ）−Ｖ）Ｘｃｏｓ　　　　　　
　”　（１）ａ　　　　　ｍ　　　　　　五で となる。そして、駆動信号が低レベル電圧（Ｌ）ではス
イッチ回路４は速断状態となるが、この時直前の状態、
すなわち、駆動信号の高レベル電圧印加時にコイル３に
蓄積された電磁エネルギーが圧電アクチエータ１に移動
し、これに見合った分の圧電アクチエータ１の端子電圧
ｖ１の上昇が起こる。

このときの端子電圧ｖ１′は となる。ここで低レベル電圧と高レベル電圧の印加時間
の総和は一定、すなわち、スイッチ回路４の導通と遮断
の周期が一定とした条件を追加すると、低レベル電圧の
印加時間は高レベル電圧の印加時間に従属することにな
る。

以上の１回のスイッチ回路４の導通と遮断の過程で端子
電圧Ｖ、は上昇する。これに基づき、スイッチ回路４の
導通と遮断を繰シ返すことによシ端子電圧ｖ１は加算的
に昇圧していく。

そして、励振電圧ｖ１コイル３のインダクタンスの設定
径駆動信号に高レベル電圧および低レベル電圧の印加時
間比を経時的に異なるパルス列を用いることで、端子電
圧Ｖ、の昇圧勾配、概形を可変制御することができる。

つぎに、端子電圧Ｖ、の降圧原理、すなわち、放電の場
合について説明する。

ここで、スイッチ回路４は遮断状態であるとする。そし
て、制動信号が高レベル電圧のときスイッチ回路５が導
通状態となるとすると、このとき圧電アクチエータ１と
コイル３との直列閉回路となシ、圧電アクチエータ１憤
らコイル３の方向に電流Ｉ、　（第２図（ｃ）参照）が
流れ、圧電アクチエータ１に蓄電された電荷の放電が起
こシ、これに伴い圧電アクチエータ１の電圧降下が生じ
る。

いま、制動信号（第２図（ｂ）参照）が高レベル電圧印
加直前の圧電アクチエータ１の端子電圧をＶａ　（ｏ　
）、制動信号の高レベル電圧印加時間をｔとする。そし
て、時刻を経過後の端子電圧Ｖ、はＶ、　＝　Ｖ、（ｏ
）　ｘω３１　　　・・・・（３）となる。スイッチ回
路５が遮断状態、すなわち、制動信号が低レベル電圧の
とき、圧電アクチエータ１の端子電圧ｖ１は直前の状態
、すなわち、高レベル電圧印加直後の電圧状態を僅持す
る。一方、高電圧印加時にコイル３に蓄積された電磁エ
ネルギーに相当する電流！、がダイオード７を経て励振
電圧Ｖ側へ流入し、エネルギー回収が行われる。

以上の如く１回のスイッチ回路５の導通と遮断の過程で
端子電圧Ｖ、は降下かつエネルギー回収が行われる。こ
れに基づき、スイッチ回路５の導通と遮断を繰や返すこ
とにより加算的に端子電圧Ｖ、の降圧、エネルギー回収
が行われる。そして、端子電圧Ｖ、の昇圧制御と同様、
制動信号に高レベル電圧および低レベル電圧の印加時間
比を経時的に異なるパルス列を用いることで端子電圧ｖ
１の降圧勾配、概形およびエネルギー回収量を可変制御
することができる。

以上の原理に基づき高レベル電圧と低レベル電圧の印加
時間比の異なるパルス列を整合し駆動および制動信号に
用いることで端子電圧ｖ１およびエネルギー回置を可変
制御することができる。

第３図は本発明の実施例を示すブロック図である。

この第３図において第１図と同一符号のものは相当部分
を示し、駆動信号および制御信号を高レベル電圧と低レ
ベル電圧の印加時間比が経時的に異なるパルス列とし発
振させる制御回路６は、印字信号を入力とし、カウンタ
の起動用発振器６−１とデータの読出し用カウンタ６−
２およびデータ書込み用メモリ素子６−３ならびにデー
タのパルスデューティ変換回路６−４によって構成され
ている。

つぎにこの第３図に示す実施例の動作を説明する。

まず、スイッチ回路４は駆動信号の立上り時間内にだけ
導通状態になるものとし、したがって駆動信号が高レベ
ル電圧のときにはコイル３を介して励振電圧Ｖが圧電ア
クチエータ１に印加される。

また、駆動信号が低レベル電圧のときには、スイッチ回
路４は遮断状態であシ、このスイッチ回路４の出力端の
電圧はゼロである。そして、駆動信号のパルスが立上っ
て高レベル電圧になるとスイッチ回路４は導通状態とな
り、このスイッチ回路４の出力端の電圧は励振電圧にほ
ぼ等しい高さまで立上る。

一方、スイッチ回路５もスイッチ回路４と同様に制動信
号が低レベル電圧のときには遮断状態で、高レベル電圧
のときには導通状態となる。

つぎに、充電と放電とに分けて説明する。

まずスイッチ回路４が導通状態でかつスイッチ回路５が
遮断状態になると、スイッチ回路４の出力端にはほぼ励
振電圧と等しい電圧があられれ、充電電流が■で示す経
路でコイル３．圧電アクチエータ１に流れ込み、圧電ア
クチエータ１に蓄積する電荷量に相当する電圧が圧電ア
クチエータ１の両端に生じる。つぎにスイッチ回路４が
遮断状態になると、電流がコイル３と圧電アクチエータ
１および側流用ダイオード８の直列閉路を経路■で示す
ように流れる。これによって、スイッチ回路４が導通状
態のときにコイル３に蓄えられた電磁エネルギーが圧電
アクチエータ１へ移行し、これに見合り要分だけ圧電ア
クチエータ１の両端の電圧が上昇する。このスイッチ回
路４の導通と遮断を繰フ返すことによって圧電アクチエ
ータ１の端子電圧を徐々に上昇させることができる。

一方、放電の過程においては、まずスイッチ回路５が導
通状態でかつスイッチ回路４が遮断状態になると、圧電
アクチエータ１とコイル３とによる直列閉路が形成され
放電電流が■で示す経路を流れる。これによって圧電ア
クチエータ１の端子電圧は放電電流量に見合つ゛た分だ
け低下する。つぎにスイッチ回路４は遮断状態の１まで
スイッチ回路５が遮断状態になると、スイッチ回路５が
導通状態の間にコイル３に蓄積した電磁エネルギーが電
流の形で■の経路でダイオード７を経由して励振を流に
もどる。このようにして、放電についてもスイッチ回路
５の導通時間を調節することによって放電電流量を変え
、圧電アクチエータ１の端子電圧の降下電圧を制御する
ことができる。

ここで、この第３図では、スイッチ回路４およびスイッ
チ回路５の導通と速断の時間比を、圧電アクチエータ１
の端子電圧が目的の値に達するよう制御するために必要
な駆動信号と制動信号を得るための手段としてメモリ素
子６−３を用いている。

つｔシ、このメモリ素子６−３に予め書込まれたデータ
をパルスデューティに変換するデータのパルスデューテ
ィ変換回路６−４によって駆動信号と制動信号を作り出
している。そして、このメモリ素子６−３にはパルスデ
ューティに対応したデータが書込まれており、発振器６
−１に接続されたカウンタ６−２によって順次データが
読出されるように構成されている。

なお、メモリ素子６−３の最初のデータが読出されるた
めのタイミング信号として印字信号があり、この印字信
号によって発振器６−１が起動する。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明は、高レベルと低レベル電圧
の印加時間比の異なるパルス列を整合し駆動および制動
信号に用いることで圧電アクチエータの端子電圧および
エネルギー回収量を可変制御することによシ、コイルの
インダクタンスの低減化による回路の小形化とエネルギ
ー回収の効率化による消費電力の低減による低コスト化
が図れる効果がある。また、端子電圧制御を可変可能と
することにより、例えば、印字用紙の枚数に応じた印字
圧の調整、すなわち、高品質印字可能であるプリンタヘ
ッドを実現できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による圧電アクチエータ励振方式の一実
施例を示すブロック図、第２図は第１図の動作説明に供
するタイムチャート、第３図は本発明の実施例を示すブ
ロック図、第４図は従来の圧電アクチェーメ励振方式の
一例を示すブロック図、第５図は第４図の動作説明に供
するタイムチャートである。 １・・・・圧電アクチエータ、２・・・・機械笥１図 ・・・・カウンタ、６−３・・・・メモリ素子、６−４
・・・・パルスデューティ変換回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 往復動を行う機械機構と接続しており電極間に印加され
   る励振電圧に応じて寸法歪を発生し該機械機構の往復動
   を駆動する圧電アクチエータと、この圧電アクチエータ
   の電極に直列接続したコイルと、前記励振電圧の印加タ
   イミングを示す駆動信号に応答して前記コイルを介し前
   記圧電アクチエータに該励振電圧を印加する第１のスイ
   ッチ手段と、前記寸法歪の制動タイミングを示す制動信
   号に応答して前記圧電アクチエータの充電電荷を前記コ
   イルを介し放電する第２のスイッチ手段と、前記駆動信
   号および前記制動信号を高レベル電圧と低レベル電圧の
   印加時間比が経時的に異なるパルス列とし発振させる制
   御回路とを備えてなることを特徴とする圧電アクチエー
   タ励振方式。