DE102004040700A1 - Piezo-electrical actuator activating method for matrix printer, involves limiting impulse streams in driver component in such a manner that voltage-ramps of impulse sets linear distribution, through which currents reach maximal value - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Regelschaltung zum selektiven Ansteuern piezoelektrischer Aktoren aus einer Vielzahl, insbesondere von Druckimpulsen, wie bspw. für Düsen eines Düsenkopfes in Matrixdruckern, bei denen Piezoelemente für das Bilden und Abschießen von Tintenflüssigkeits-Mikrotropfen vorgesehen sind.The The invention relates to a method and a control circuit for selective Driving piezoelectric actuators of a variety, in particular of pressure pulses, such as for Nozzles one nozzle head in dot matrix printers where piezo elements are used to form and shoot Ink liquid microdroplets are provided.
In
Matrixdruckern werden piezoelektrische Aktoren in Tintendruckköpfen eingesetzt
(
Es
werden so viele Vorwiderstände
wie Aktoren benötigt,
also eine entsprechend der Düsenanzahl hohe
Anzahl. Dadurch entsteht ein großer Platzbedarf, der die Gesamtanordnung
spürbar
vergrößert. Dies
gilt um so mehr als es sich hierbei nicht um Kleinstwiderstände handeln
darf, sondern um Widerstände,
die für
die in ihrem Inneren verbrauchte Leistung zulässig sind.Matrix printers use piezoelectric actuators in inkjet print heads (
There are as many series resistors as actuators needed, so according to the number of nozzles high number. This results in a large space requirement, which increases the overall arrangement noticeably. This is all the more so since these are not allowed to be very small resistances, but resistances which are permissible for the power consumed in their interior.
In den Widerständen wird insgesamt auf Grund ihrer großen Anzahl eine große Leistung verbraucht. Diese Leistung muss einerseits von der vorgeschalteten Elektronik zur Verfügung gestellt werden. Andererseits führt eine solch große Leistung im Lauf der Zeit zu einer beträchtlichen Erwärmung der Gesamtanordnung, was deshalb nachteilig ist, weil diese möglichst kompakt auf kleinem Raum unterzubringen ist. Weiterhin führen die Vorwiderstände zu einem erheblich verlangsamten System. Die Funktion der Vorwiderstände zur Strombegrenzung wird nur im ersten Augenblick benötigt, so lange bis die durch den Ansteuerbaustein gegebene Stromgrenze unterschritten ist. Nach der Frühphase des Impulses fließt nur noch ein geringer Ladestrom und es wird erst spät die Zielspannung erreicht. Diese Vorgänge führen insgesamt zu langsamen Ansteuerpulsen für die Aktoren und reduzieren deren ordnungsgemäße Funktion.In the resistors Overall, due to their large number is a big achievement consumed. This power must be on the one hand from the upstream Electronics available be put. On the other hand leads such a big one Performance over time to a considerable warming of the overall arrangement, which is disadvantageous because they are as compact as possible on a small Room is to accommodate. Furthermore, the series resistors lead to a significantly slowed system. The function of the series resistors to Current limitation is needed only at first, so long until the given by the Ansteuerbaustein current limit falls short is. After the early phase the pulse flows only a small charge current and it is only late the target voltage reached. These processes lead in total too slow drive pulses for the Actuators and reduce their proper functioning.
Eine andere Gestaltung, den durch den integrierten Baustein fließenden Impulsstrom zu begrenzen, ohne sich vorstehende Nachteile einzuhandeln, könnte in einer Stromregelung der einzelnen Aktorladeströme bestehen. Es ist aber sofort einzusehen, dass hierfür eine komplette Regelschaltung für jeden der einzelnen Aktoren notwendig wäre, was wegen deren großer Anzahl aus Platz- und Kostengründen für kleine Baueinheiten nicht in Betracht kommen kann.A different design, the pulse current flowing through the integrated component to limit without incurring the above disadvantages, could a current control of the individual Aktorladeströme exist. It is immediately to see that for that a complete control circuit for each of the individual actuators would be necessary, because of their large number for space and cost reasons for little ones Building units can not be considered.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Impulsströme zu begrenzen und über die gesamte Ladezeit eine große Stromhöhe zu erreichen.Of the Invention is based on the object to limit the pulse currents and over the whole loading time is a big one current level to reach.
Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei Behandlung der Aktoren als Kondensatoren die Maximalströme pro Aktor in einem unmittelbar den Aktoren vorgeschalteten Treiberbaustein jeweils durch Ansteuerung mit einem linearen Spannungsanstieg oder Spannungsabfall einerseits nicht überschritten werden, andererseits während der Ladezeit ein Maximum erreichen, so dass der Endwert der Spannung sehr schnell und in einer vorgegebenen Zeit erreicht wird. Das elektrische Ersatzschaltbild eines Piezoaktors besteht gemäß der Erfindung also in der einfachsten Form aus einem Kondensator. Dabei sind ein typischer Anwen dungsfall piezoelektrischer Aktoren Tintendruckköpfe, die in unterschiedlichen Formen eingesetzt werden. Zur richtigen Funktion werden sorgfältig geformte Pulsformen der anzulegenden Spannung mit hoher Geschwindigkeit erreicht. Die gewünscht hohe Druckgeschwindigkeit erfordert dementsprechend eine schnelle Betätigung der Einzelaktoren, d.h. auch ein schnelles Laden und Entladen der Aktor-Kondensatoren.The Asked object is inventively achieved in that when treating the actuators as capacitors, the maximum currents per actuator in a driver component connected directly to the actuators each by driving with a linear voltage increase or Voltage drop on the one hand are not exceeded, on the other hand during the Charging time reach a maximum, so that the final value of the voltage achieved very quickly and in a given time. The electric Substitute circuit diagram of a piezoelectric actuator according to the invention thus in the simplest form of a capacitor. Here are a typical Applicant case piezoelectric actuators inkjet print heads, the be used in different forms. For the right function be careful shaped pulse shapes of the voltage to be applied at high speed reached. The desired high printing speed requires a fast accordingly activity of the single actuators, i. also a fast loading and unloading of Actuator capacitors.
Aufgrund der geringen Größe des Treiberbausteins und der großen Anzahl anzusteuernder Aktoren sind die Ströme, die für jeden Aktor zu Verfügung stehen, eng begrenzt. Die Gesamtleistung dieser Treiberbausteine besitzt einerseits enge Grenzen. Anderseits ist davon auszugehen, dass der Ladestrom eines Aktors im ersten Augenblick extrem groß ist und nur durch den Innenwiderstand der Spannungsquelle und den Leitungswiderstand begrenzt ist, wenn keine weiteren Begrenzungsmaßnahmen getroffen werden. Der Ladestrom fällt nach einem Exponentialgesetz ab, bis – theoretisch nach unendlich langer Zeit – der Aktor (-Kondensator) auf die angelegte Spannung aufgeladen ist. Die hierbei auftretenden Ströme sind weit jenseits der für die Treiberbausteine zulässigen Grenzen. Es sind demzufolge sorgfältigere Begrenzungsmaßnahmen erforderlich. Eine gezielte Formung des Spannungsverlaufs bewirkt die Begrenzung des Ladestroms/Entladestroms.by virtue of the small size of the driver chip and the big one Number of actuators to control are the currents available to each actuator, narrowly limited. The overall performance of these driver blocks has one hand, narrow limits. On the other hand, it can be assumed that the Charging current of an actuator is extremely large at the first moment and only by the internal resistance of the voltage source and the line resistance is limited if no further limiting measures are taken. Of the Charging current drops from an exponential law, up to - theoretically infinite long time - the Actuator (capacitor) is charged to the applied voltage. The currents occurring here are far beyond the for the driver blocks allowed Limits. They are therefore more careful measures required. A targeted shaping of the voltage curve causes the limitation of the charging current / discharge current.
Des weiteren kann es für die gute Funktion der Aktoren wichtig sein, Pulsformen einer ganz bestimmten Form an die Aktoren anzulegen, die ganz anders gestaltet sein können als es sich durch eine einfache Widerstands-Kondensatorkombination ergäbe.Furthermore, it may be good for the function the actuators important to create pulse shapes of a very specific shape to the actuators, which can be designed quite different than it would result from a simple resistor-capacitor combination.
Eine Weiterbildung zum Erreichen des linearen Spannungsverlaufs besteht darin, dass die erzeugte und dem Treiberbaustein zuzuführende Regel-Sollspannung unmittelbar oder über einen Spannungsteiler zugeführt wird, dass durch eine Differenzierungsschaltung des gemessenen Spannungsverlaufs ein Maß für den augenblicklichen Spannungsanstieg bzw. Spannungsabfall erhalten wird, der analog oder digital mit der vorgegebenen Regel-Sollspannung verglichen und dass je nach dem Ergebnis ein schnellerer Spannungsanstieg frei gegeben oder gebremst wird.A Continuing to achieve the linear voltage curve exists in that the generated and the driver block to be supplied control nominal voltage directly or via fed to a voltage divider is that by a differentiation circuit of the measured voltage waveform a measure of the current Voltage rise or voltage drop is obtained, the analog or digitally compared with the predetermined control target voltage and that, depending on the result, a faster voltage increase is released given or slowed down.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass beim Herunterfahren der Spannung (negative Steigung des Spannungsverlaufs) die differenzierte Messspannung invertiert oder der konstante Sollwert beim Vergleich entsprechend verändert wird.A Embodiment of the invention provides that when shutting down the voltage (negative slope of the voltage curve) the differentiated measuring voltage inverted or the constant setpoint corresponding to the comparison changed becomes.
Die Regelschaltung zum selektiven Ansteuern ausgewählter piezoelektrischer Aktoren aus einer Vielzahl, insbesondere für Druckimpulse wie bspw. für Düsen von Düsenköpfen eines Matrixdruckers mit Piezoelementen für das Bilden und Abschießen von Tintenflüssigkeitstropfen, löst die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass einem integrierten Treiberbaustein eine Ansteuerschaltung vorgeschaltet ist, dass in der Ansteuerschaltung mittels eines Spannungsteilers einer folgenden Differenzierungsschaltung eine differenzierte Messspannung und eine Regel-Sollspannung an einem Spannungskomparator anliegen und die Spannung über weitere Schaltungselemente der Treiberschaltung regelt und an eine Leitung für geregelte Spannung an den integrierten Treiberbaustein zur Ansteuerung der Aktoren weiterleitet. Es ist nicht auf einfache Weise möglich, unmittelbar den Gesamtstrom für die Gesamtheit aller Piezo-Aktoren zu regeln, da ständig eine unterschiedlich große Anzahl von Aktoren betätigt werden müssen. Die Regelschaltung nimmt darauf dadurch Rücksicht, dass der zeitliche Verlauf des Spannungsanstiegs geregelt wird. Entsprechend dem für eine Kapazität geltenden Gesetz J = C·dU/dt ergibt sich bei einem linearen Verlauf der Spannung U = a·t für den Ladestrom jeder einzelnen Aktoren-Kapazität ein konstanter Strom J = C·a, der nur durch den Wert der einzelnen Kapazität und die Steigung des Spannungsanstiegs gegeben ist. Insbesondere ist der einzelne Ladestrom eines Piezoaktors unabhängig von den Ladeströmen aller anderen Aktoren. Es ist also gleichgültig, ob die anderen Aktoren momentan betätigt werden oder nicht.The Control circuit for the selective control of selected piezoelectric actuators from a variety, especially for pressure pulses such as. For nozzles of Nozzle heads one Matrix printer with piezo elements for forming and firing ink liquid drops, solve the according to the invention task, that an integrated drive driver upstream of a drive circuit is that in the drive circuit by means of a voltage divider a differentiating circuit a differentiated measuring voltage and a control target voltage applied to a voltage comparator and the voltage over controls further circuit elements of the driver circuit and to a Headed for regulated voltage to the integrated driver module for control the actuators forwards. It is not possible in an easy way, immediately the total current for to regulate the entirety of all piezo actuators, as constantly one different sizes Number of actuators actuated Need to become. The control circuit takes this into consideration that the temporal History of the voltage rise is regulated. According to the applicable for a capacity Law J = C · dU / dt results in a linear curve of the voltage U = a · t for the charging current every single actuator capacity a constant Current J = C · a, only by the value of the individual capacity and the slope of the voltage increase given is. In particular, the individual charging current of a piezoelectric actuator independently from the charging currents all other actors. So it does not matter if the other actors currently pressed be or not.
Die Funktion der Regelung besteht nun darin, einen im wesentlichen linearen Spannungsanstieg zu erreichen. Dann ergibt sich automatisch ein konstanter Ladestrom jedes einzelnen Aktors. Der wesentliche Gesichtspunkt ist dabei, dass über diese Regelung einer Größe die vielen Ströme der vielen Aktoren geregelt werden können. Diese Art der Regelung führt auch zu einer definierten Ladezeit. Die Ladezeit kommt auch dem theoretisch kürzesten Wert sehr nahe: Die gesamte Ansteuerung der Piezoaktoren enthält zwei wesentliche Baugruppen:
- – den hochintegrierten Treiberbaustein und die damit verbundene Logik, die die einzelnen Aktoren zur Betätigung freischalten,
- – eine Regelschaltung, die einen linearen Anstieg oder Abfall der hohen zur Betätigung der Piezoaktoren notwendigen Spannung erzeugt und allen Aktoren zur Verfügung stellt.
- The highly integrated driver module and the associated logic which enable the individual actuators for actuation,
- - A control circuit that generates a linear increase or decrease of the high voltage necessary for the actuation of the piezoelectric actuator voltage and all actuators available.
Als alternative Regelschaltung ist vorgesehen, dass an einen Spannungsteiler über einen Analog-Digital-Wandler eine digitale Schaltung und über das austretende Regelsignal eine Treiberschaltung an die Leitung für die geregelte Spannung angeschlossen ist.When alternative control circuit is provided that to a voltage divider via a Analog-to-digital converter a digital circuit and over the exiting control signal a driver circuit to the line for the regulated Voltage is connected.
Eine weitere alternative Gestaltung ergibt sich für eine Regelschaltung dadurch, dass ein Sollspannungsverlauf mit linearen Rampen mittels einer digitalen Schaltung, einem folgenden Digital-Analog-Wandler an den ersten Eingang einer analogen Vergleichsschaltung und an eine Treiberschaltung gelegt ist und dass ein an die Leitung für geregelte Spannung angeschlossener Spannungsteiler für die Messspannung an den zweiten Eingang der analogen Vergleichsschaltung angeschlossen ist.A further alternative design results for a control circuit in that that a target voltage curve with linear ramps by means of a digital Circuit, a subsequent digital-to-analog converter to the first Input of an analog comparison circuit and placed on a driver circuit is and that one connected to the line for regulated voltage Voltage divider for the measuring voltage to the second input of the analog comparison circuit connected.
Die digitale Schaltung kann bspw. aus einem Mikrocontroller bestehen.The digital circuit can, for example, consist of a microcontroller.
Eine weitere alternative Gestaltung der Regelschaltung entsteht dadurch, dass der Spannungsverlauf mit einem linearen Anstieg und einem linearen Abfall über einen Digital-Analog-Wandler an eine Verstärkerschaltung geführt ist, wodurch näherungsweise ein auf hohe Betätigungsspannungen der Spannungsquelle der Aktoren transformiertes Abbild des Sollspannungsverlaufs mit den geforderten linearen Rampen nachgebildet ist.A further alternative design of the control circuit is created by that the voltage curve with a linear rise and a linear Waste over a digital-to-analog converter is led to an amplifier circuit, which approximates on to high operating voltages the voltage source of the actuators transformed image of the desired voltage waveform is simulated with the required linear ramps.
Es ist auch vorteilhaft, wenn nicht nur der Treiberbaustein, sondern auch die Ansteuerschaltung dicht bei den Aktoren angeordnet werden kann. Hierzu ist es wegen des bei den Aktoren normalerweise beengten Raumes oder Platzes günstig, wenn die Ansteuerschaltung bzw. die wesentlichen Teile davon in Form eines hochintegrierten Bausteins umgesetzt werden.It is also advantageous if not only the driver block, but Also, the drive circuit can be arranged close to the actuators can. This is because of the normally crowded in the actuators Space or space favorable, when the drive circuit or the essential parts thereof in Implemented form of a highly integrated device.
In Fortführung einer solchen Miniaturisierung ist es bei beengten Platzverhältnissen außerdem vorteilhaft, als weiteren Schritt die Ansteuerschaltung und den Treiberbaustein in einem hochintegrierten Baustein zusammenzufassen.In continuation of such miniaturization, it is also available in confined spaces Partly, as a further step, the drive circuit and the driver block in a highly integrated module summarize.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt und werden nachstehend näher erläutert.In the drawing are embodiments of Invention and are explained in more detail below.
Es zeigen:It demonstrate:
Gemäß
Der
Aspekt einer sehr großen
Anzahl anzusteuernden Aktoren
In
Gemäß
Eine
analoge Vergleichsschaltung
Entsprechendes
erfolgt wieder beim Herunterfahren der Spannung. Bei diesem Vorgang
muss wegen der negativen Steigung des Spannungsverlaufs entweder
die differenzierte Messspannung
Dieses
Verfahren eignet sich besonders gut für eine sehr einfache analoge
Regelschaltung, wie in
Eine
weitere Alternative zeigt
Gemäß einem
anderen Verfahren – vgl.
die
Die praktische Umsetzung kann wieder auch mit einer analogen Elektronik oder nur mit digitaler Elektronik erfolgen.The Practical implementation can again with analog electronics or only with digital electronics.
In
In
In
- 11
- Spannungsquellevoltage source
- 22
- Ansteuerschaltungdrive circuit
- 33
- Integrierter Treiberbausteinintegrated driver module
- 44
- Digitale Steuerung zur Bereitstellung der Signaldatendigital Control for providing the signal data
- 5a...5z5a ... 5z
- piezoelektrische Aktorenpiezoelectric actuators
- 66
- herkömmlicher Stromverlaufconventional current profile
- 77
- SollstromverlaufTarget current course
- 88th
- herkömmlicher Spannungsverlaufconventional voltage curve
- 99
- SollspannungsverlaufTarget voltage curve
- 1010
- maximaler Strommaximum electricity
- 1111
- Leitung für geregelte Spannungmanagement for regulated tension
- 1212
- Spannungsteilervoltage divider
- 1313
- DifferenzierschaltungDifferentiating circuit
- 1414
- Regel-SollspannungUsually target voltage
- 1515
- differenzierte Messspannungdifferentiated measuring voltage
- 1616
- Treiberschaltungdriver circuit
- 1717
- Analog-Digital-WandlerAnalog to digital converter
- 1818
- digitale Schaltungdigital circuit
- 1919
- Regelsignalcontrol signal
- 2020
- Messspannungmeasuring voltage
- 2121
- SollspannungsverlaufTarget voltage curve
- 21a21a
- lineare Rampelinear ramp
- 2222
- digitale Schaltungdigital circuit
- 2323
- Digital-Analog-WandlerDigital to analog converter
- 2424
- analoge Vergleicherschaltunganalog comparator
- 2525
- Verstärkerschaltungamplifier circuit
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