DE69115598T2 - Drive device for printing wires - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steuerungsvorrichtung, die nicht kostenaufwendig und dennoch in der Lage ist, die Ansteuerung von Drucknadeln eines Nadelpunktdruckers wirkungsvoll auszuführen, der Zeichen, Ziffern, Bilder usw. durch Punktdrucken darstellt.The present invention relates to a control device which is inexpensive and yet capable of effectively carrying out the control of printing wires of a wire dot printer which displays characters, digits, images, etc. by dot printing.
Ein Beispiel einer Druckvorrichtung nach dem Stand der Technik wird unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben. Fig. 1 ist eine vereinfachte Darstellung, die eine Ausführung zeigt, die in der japanischen offengelegten Patentbeschreibung Nr. 161,549 aus dem Jahr 1987 offenbart wird und vom Antragsteller erfunden wurde. Eine Spannung V&sub1; wird, wie dargestellt, über einen Kondensator 2 von einer nichtdargestellten Spannungsquelle aus über Eingangsanschluß 1 angelegt. An einem Anschluß des Kondensators 2 ist ein Spannungsregler 3 einschließlich eines Steueranschlusses 3a zur Steuerung der Erzeugung seiner Ausgangsspannung Vp angeschlossen. Parallel zu dem Spannungsregler 3 ist eine Reihenschaltung angeschlossen, die eine Diode 4, eine Spule 5, die eine nichtdargestellte Drucknadel ansteuert, sowie einen FET-Transistor 6 enthält, der den der Spule 5 von dem Spannungsregler 3 zugeführten Strom steuert. Der Gate-Elektrode 6a werden die Druckdaten zugeführt. Eine Diode 7 ist an eine Verbindungsstelle zwischen der Spule 5 und Transistor 6 angeschlossen. Die Diode 7 dient dazu, den durch in der Spule 5 gespeicherte elektromagnetische Energie erzeugten Strom zu dem Kondensator 2 zurückzuführen.An example of a prior art printing device will be described with reference to Fig. 1. Fig. 1 is a simplified diagram showing a construction disclosed in Japanese Patent Laid-Open Specification No. 161,549 of 1987 and invented by the applicant. A voltage V1 is applied through a capacitor 2 from an unillustrated power source via an input terminal 1 as shown. To one terminal of the capacitor 2 is connected a voltage regulator 3 including a control terminal 3a for controlling the generation of its output voltage Vp. Connected in parallel to the voltage regulator 3 is a series circuit including a diode 4, a coil 5 driving an unillustrated print wire, and an FET transistor 6 controlling the current supplied to the coil 5 from the voltage regulator 3. The gate electrode 6a is supplied with the printing data. A diode 7 is connected to a junction between the coil 5 and the transistor 6. The diode 7 serves to return the current generated by the electromagnetic energy stored in the coil 5 to the capacitor 2.
In Fig. 1 bezeichnet i&sub1; den Strom, der von dem Spannungsregler 3 durch die Spule 5 fließt, wenn der Transistor 6 im EIN-Zustand ist, während i&sub2; den Strom bezeichnet, der durch die Diode 4, Spule 5 und Transistor 6 fließt und durch die in der Spule 5 gespeicherte elektromagnetische Energie erzeugt wird, wenn der Spannungsregler 3 im AUS-Zustand ist. i&sub3; bezeichnet den Strom, der durch die in der Spule 5 gespeicherte elektromagnetische Energie erzeugt wird, wenn der Spannungsregler im AUS-Zustand und der Transistor 6 ebenfalls im AUS-Zustand ist.In Fig. 1, i₁ denotes the current flowing from the voltage regulator 3 through the coil 5 when the transistor 6 is in the ON state, while i₂ denotes the current flowing through the diode 4, coil 5 and transistor 6 and generated by the electromagnetic energy stored in the coil 5 when the voltage regulator 3 is in the OFF state. i₃ denotes the current generated by the electromagnetic energy stored in the coil 5 when the voltage regulator is in the OFF state and the transistor 6 is also in the OFF state.
Bei dieser Vorrichtung nach dem Stand der Technik nimmt, da der Spannungsregler 3 normalerweise vom Vorwiderstandssystem (dropper system) ist, bei dem eine Spannungsdifferenz V&sub1;-Vp groß ist, der Leistungsverbrauch des Reglers 3 selbst zu, so daß der Gesamtwirkungsgrad abnimmt. Das heißt, bei dem Vorwiderstandssystem verbraucht der Spannungsregler 3 eine hohe Leistung, die durch (V&sub1;-Vp)x i(Strom) ausgedrückt wird.In this prior art device, since the voltage regulator 3 is normally of the dropper system in which a voltage difference V₁-Vp is large, the power consumption of the regulator 3 itself increases so that the overall efficiency decreases. That is, in the dropper system, the voltage regulator 3 consumes a large power which is expressed by (V₁-Vp)x i(current).
US-A-4 637 742 offenbart eine Nadelansteuerungsschaltung, die die Merkmale des Oberbegriffs von Anspruch 1 aufweist. EP-A- 0306347 offenbart eine Zerhackeranordnung für eine Nadeldrukkeran steuerung.US-A-4 637 742 discloses a needle drive circuit having the features of the preamble of claim 1. EP-A- 0306347 discloses a chopper arrangement for a needle printer drive.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte Drucknadel-Ansteuerungsvorrichtung zu schaffen, die in der Lage ist, den Leistungsverbrauch eines Druckersystems insgesamt zu verringern, indem der Spannungsregler als Zerhackereinrichtung ausgelegt wird.An object of the present invention is to provide an improved print wire driving device which is capable of reducing the overall power consumption of a printer system by designing the voltage regulator as a chopper device.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine kostengünstige Drucknadel-Ansteuerungsvorrichtung zu schaffen, indem die Bauelemente des Druckers zusammen mit einem Druckkopf auf einem Wagen angebracht werden.Another object of the present invention is to provide a low-cost print wire driving device by mounting the components of the printer together with a print head on a carriage.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine neuartige Drucknadel-Ansteuervorrichtung zu schaffen, bei der die Eingangsspannung für den Spannungsregler auf eine hohe Spannung eingestellt werden kann, so daß die in den Ansteuerungsschaltungen gespeicherte elektromagnetische Energie schnell zu einem Kondensator am Eingang des spannungsreglers zurückgeführt werden kann, um so eine hohe Energieausnutzung und eine hohe Ansprechgeschwindigkeit zu erreichen.Another object of the present invention is to provide a novel print wire drive device in which the input voltage for the voltage regulator can be set to a high voltage so that the electromagnetic energy stored in the drive circuits can be quickly fed back to a capacitor at the input of the voltage regulator, thus achieving high energy utilization and high response speed.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Drucknadel-Ansteuerungsvorrichtung geschaffen, bei der eine Vielzahl von Drucknadeln, die auf einem Wagen eines Druckers angebracht sind, Druckdaten entsprechend angesteuert werden, wobei die Ansteuerungsvorrichtung umfaßt:According to the present invention, there is provided a print wire driving device in which a plurality of print wires mounted on a carriage of a printer are driven in accordance with print data, the driving device comprising:
einen Spannungsregler, dem eine Gleichspannung zugeführt wird, und der eine Gleichspannung abgibt, die niedriger ist als die zugeführte Gleichspannung;a voltage regulator to which a DC voltage is supplied, and which outputs a DC voltage that is lower than the supplied DC voltage;
eine Vielzahl von Drucknadel-Ansteuerungsspulen, die jeweils durch die Ausgangsspannung des Spannungsreglers erregt werden;a plurality of print wire drive coils each energized by the output voltage of the voltage regulator;
eine Vielzahl von Schalteinrichtungen, die zwischen dem Spannungsregler und den Ansteuerungsspulen vorhanden sind und elektrische Verbindung zwischen selbigen öffnen und schließen;a plurality of switching devices which are present between the voltage regulator and the control coils and open and close electrical connection between the same;
Schaltbetätigungseinrichtungen, die die Vielzahl von Schalteinrichtungen in Reaktion auf die Druckdaten betätigen; und gekennzeichnet dadurch, daßSwitch operating means that operate the plurality of switching means in response to the print data; and characterized in that
die Ansteuerungsvorrichtung des weiteren Einwegelemente umfaßt, die in den Ansteuerungsspulen gespeicherte elektromagnetische Energie zu einer Eingangsseite des Spannungsreglers zurückführen, und dadurch, daßthe control device further comprises one-way elements which return electromagnetic energy stored in the control coils to an input side of the voltage regulator, and in that
der Spannungsregler eine Zerhackereinrichtung enthält, die die Eingangsgleichspannung intermittierend zerhackt und die Ausgangsgleichspannung erzeugt, wobei der Spannungsregler des weiteren eine Glättungsspule und einen Kondensator umfaßt, die die zerhackte Ausgangsspannung des Spannungsreglers glätten, und wobei Leitungskonstanten der Glättungsspule und des Kondensators so festgelegt sind, daß die darin gespeicherte Energie geringer ist als die in den Ansteuerungsspulen gespeicherte elektromagnetische Energie.the voltage regulator includes a chopper device that intermittently chops the input DC voltage and generates the output DC voltage, the voltage regulator further comprising a smoothing coil and a capacitor that smooth the chopped output voltage of the voltage regulator, and conduction constants of the smoothing coil and the capacitor are set such that the energy stored therein is less than the electromagnetic energy stored in the drive coils.
In den beigefügten Zeichnungen ist:In the attached drawings:
Fig. 1 ein Schaltbild, das eine Drucknadel-Ansteuerungsvorrichtung nach dem Stand der Technik zeigt;Fig. 1 is a circuit diagram showing a print wire driving device according to the prior art;
Fig. 2 ein Schaltbild, das eine Ausführung der erfindungsgemäßen Drucknadel-Ansteuerungsvorrichtung zeigt;Fig. 2 is a circuit diagram showing an embodiment of the print wire control device according to the invention;
Fig. 3 ein Diagramm, das Wellenformen an verschiedenen Teilen eines bei der vorliegenden Erfindung eingesetzten Spannungsreglers zeigt;Fig. 3 is a diagram showing waveforms at various parts of a voltage regulator used in the present invention;
Fig. 4 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen Stromwellenformen und dem zeitlichen Ablauf der Ansteuerung der Drucknadel zeigt; undFig. 4 is a diagram showing the relationship between current waveforms and the timing of the drive of the printing needle; and
Fig. 5 eine Perspektivansicht, die eine Einsatzmöglichkeit der erfindungsgemäßen Drucknadel-Ansteuerungsvorrichtung zeigt.Fig. 5 is a perspective view showing a possible application of the print wire control device according to the invention.
Eine bevorzugte Ausführung der vorliegenden Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben, bei der die gleichen Bezugszeichen und -buchstaben die gleichen Elemente wie in Fig. 1 kennzeichnen.A preferred embodiment of the present invention is described below with reference to Fig. 2, in which the same reference numerals and letters indicate the same elements as in Fig. 1.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführung sind über die Eingangseinschlüsse 1 parallel ein Kondensator 2 und ein Spannungsregler 10 vom Zerhackertyp geschaltet. Der Spannungsregler 10 wird durch einen Regler 10a und eine Glättungsschaltung 10b gebildet. Der Regler 10a besteht aus einem FET-Transistor 10, einem Transformator 13, der dem Transistor 11 über einen Vorspannungswiderstand 12 ein unterbrochenes Hochfrequenz- Steuersignal zuführt, sowie aus einer Steuerschaltung 14, die dem Transformator 13 beim Empfang einer Ausgangsspannung Vp, die über eine Leitung 14b zurückgeführt wird, ein Steuersignal zuführt. Es kann eine direkte Verbindung ohne den Transformator 13 verwendet werden, jedoch erhöht sich dadurch die für die Steuerung benötigte elektrische Energie. Die Glättungsschaltung 10b besteht aus einer Diode 15, einer Drossel 17 und einem Kondensator 16.In the embodiment shown in Fig. 2, a capacitor 2 and a chopper type voltage regulator 10 are connected in parallel across the input terminals 1. The voltage regulator 10 is formed by a regulator 10a and a smoothing circuit 10b. The regulator 10a consists of a FET transistor 10, a transformer 13 which supplies an intermittent high frequency control signal to the transistor 11 through a bias resistor 12, and a control circuit 14 which supplies a control signal to the transformer 13 upon receipt of an output voltage Vp which is fed back through a line 14b. A direct connection without the transformer 13 can be used, but this increases the electrical power required for control. The smoothing circuit 10b consists of a diode 15, a choke 17 and a capacitor 16.
Mit dem Spannungsregler 10 sind Reihenschaltungen von Spulen 18-1 ... 18-n verbunden, die nicht dargestellte Drucknadeln ansteuern, sowie Spulenansteuerungsschaltungen 19-1 ... 19-n, denen die Ausgangsspannung des Spannungsreglers 10 zugeführt wird. Mit n Drucknadeln sind n Spulen 18-1 ... 18-n und n Spulenansteuerungsschaltungen 19-1 ... 19-n verbunden. Jede der Spulenansteuerungsschaltungen 19-1 ... 19-n wird durch einen Transistor 20 und eine Diode 21 gebildet. Die Kathodenelektroden von n Dioden 21 sind über eine Leitung 22 mit dem Kondensator 2 verbunden.Series circuits of coils 18-1 ... 18-n, which control printing needles (not shown), and coil control circuits 19-1 ... 19-n, to which the output voltage of the voltage regulator 10 is supplied, are connected to the voltage regulator 10. N coils 18-1 ... 18-n and n coil control circuits 19-1 ... 19-n are connected to n printing needles. Each of the coil control circuits 19-1 ... 19-n is formed by a transistor 20 and a diode 21. The cathode electrodes of n diodes 21 are connected to the capacitor 2 via a line 22.
Die Steuerungsschaltung 14 ist über eine Leitung 14a mit einer Systemsteuerung 30 verbunden. Ein Drucksignalgenerator 31 ist zwischen die Systemsteuerung 30 und entsprechende Gate-Elektroden von n Transistoren 20 geschaltet. Der Drucksignalgenerator 31 besteht aus einem Schieberegister 31a, einer Latch- Schaltung 31b sowie einer Freigabeschaltung 31c.The control circuit 14 is connected to a system controller 30 via a line 14a. A pressure signal generator 31 is connected between the system controller 30 and corresponding gate electrodes of n transistors 20. The pressure signal generator 31 consists of a shift register 31a, a latch circuit 31b and an enable circuit 31c.
Die in Fig. 2 dargestellte Schaltung wird durch Spannung VDD von ungefähr 5 Volt angetrieben. Wenn eine Spannung V&sub1; von einer nichtdargestellten Spannungsquelle aus über die Eingangseinschlüsse 1 an den Kondensator 2 und die Konstantspannungsquelle 10 angelegt wird, erzeugt der Transistor 11 eine Ausgangsspannung mit unterbrochener Wellenform von einigen 10 KHz bis einigen MHz an seiner Ausgangsleitung A. Diese Ausgangsspannung wird durch die Glättungsschaltung lob geglättet, so daß eine Ausgangsspannung Vp erzeugt wird. Diese Ausgangsspannung Vp wird über die Leitung 14b zu der Steuerschaltung 14 zurückgeführt, so daß Schaltung 14 ein Steuersignal zum Transformator 13 leitet. Wenn keine Ausgangsspannung an der Ausgangsleitung A anliegt, würde der durch die in der Drossel 17 gespeicherte elektromagnetische Energie erzeugte Strom durch die in Reihe verbundenen Spulen 18-1 ... 18-n, die Spulenansteuerungsschaltung 19-1 ... 19-2 und Diode 15 geglättet.The circuit shown in Fig. 2 is driven by voltage VDD of about 5 volts. When a voltage V1 from a power source not shown is applied to the capacitor 2 and the constant voltage source 10 through the input terminals 1, the transistor 11 produces an output voltage of a few tens of KHz to a few MHz with an interrupted waveform on its output line A. This output voltage is smoothed by the smoothing circuit 1b to produce an output voltage Vp. This output voltage Vp is fed back to the control circuit 14 through the line 14b so that the circuit 14 supplies a control signal to the transformer 13. If no output voltage is present on the output line A, the current generated by the electromagnetic energy stored in the choke 17 would be smoothed by the series-connected coils 18-1 ... 18-n, the coil drive circuit 19-1 ... 19-2 and diode 15.
Die zahnförmige Ausgangsspannung Vp würde durch die sogenannte Zerhackerwirkung geglättet. Wenn sich der Transistor 11 im EIN-Zustand befindet, beträgt sein Spannungsabfall weniger als 0,5 V, d.h., daß geringer Energieverlust vorliegt. Beim Vorwiderstandssystem ist jedoch der Energieverlust aufgrund des Unterschiedes zwischen den Spannungen V&sub1; und Vp groß. Normalerweise werden Bereiche ausgewählt, die Vp = 20-35 V und V&sub1; = 40-60 V entsprechen.The tooth-shaped output voltage Vp would be smoothed by the so-called chopping effect. When the transistor 11 is in the ON state, its voltage drop is less than 0.5 V, i.e., there is little energy loss. However, in the series resistor system, the energy loss is large due to the difference between the voltages V₁ and Vp. Normally, ranges corresponding to Vp = 20-35 V and V₁ = 40-60 V are selected.
Die in Fig. 3 dargestellten Diagramme zeigen die Funktion des Spannungsreglers 10, wobei Kurve (a) ein EIN-AUS-Signal darstellt, das der Steuerschaltung 14 von der Systemsteuerung 3 über die Leitung 14a zugeführt wird, Kurve (b) das unterbrochene Steuersignal zeigt, das dem Transistor 11 zugeführt wird, und Kurve (c) die Wellenform der Ausgangsspannung Vp darstellt. Die Anstiegszeit tr und die Abfallzeit tf sollten jeweils mehrere Mikron betragen, da die Anstiegszeit und die Abfallzeit ausreichend geringer sein sollte als ungefähr 200 µs der Ansteuerungsperiode der Drucknadeln.The diagrams shown in Fig. 3 show the operation of the voltage regulator 10, where curve (a) represents an ON-OFF signal supplied to the control circuit 14 from the system controller 3 via the line 14a, curve (b) shows the intermittent control signal supplied to the transistor 11, and curve (c) represents the waveform of the output voltage Vp. The rise time tr and the fall time tf should be several microns each, since the rise time and the fall time should be sufficiently less than about 200 µs of the drive period of the print wires.
Wenn der Systemsteuerung 30 von außen eine Druckinformation zugeführt wird, sendet sie ein EIN-AUS-Signal über die Leitung 14a an den Spannungsregler 10. Die Systemsteuerung 30 sendet darüber hinaus ein Druckinformationssignal, ein Schiebetakt-, ein Latch-Impuls- sowie ein Freigabesignal über Leiter 30a an den Drucksignalgenerator 31. Die Systemsteuerung 30 erzeugt, obwohl nicht dargestellt, andere Steuersignale zur Steuerung anderer Mechanismen des Druckers.When the system controller 30 is supplied with print information from the outside, it sends an ON-OFF signal to the voltage regulator 10 via line 14a. The system controller 30 also sends a print information signal, a shift clock, a latch pulse and an enable signal to the print signal generator 31 via line 30a. The system controller 30 generates, although not shown, other control signals for controlling other mechanisms of the printer.
Bei Zuleitung der verschiedenen oben beschriebenen Signale schiebt das Schieberegister 31a des Drucksignalgenerators 31 das von der Systemsteuerung 30 zugeführte Druckdatensignal sequentiell und speichert das Signal. Die Latch-Schaltung 31b hält die gesteuerten Druckdaten, und die Freigabeschaltung 31c führt den Spulenansteuerungsschaltungen 19-1 ... 19-n über Leitungen 31d-1 ... 31d-n gespeicherte Druckdaten zu.When the various signals described above are supplied, the shift register 31a of the print signal generator 31 sequentially shifts the print data signal supplied from the system controller 30 and stores the signal. The latch circuit 31b holds the controlled print data, and the enable circuit 31c supplies stored print data to the coil drive circuits 19-1...19-n via lines 31d-1...31d-n.
Das Verfahren der Ansteuerung der Drucknadeln wird unter Bezugnahme auf die in Fig. 4 dargestellten Diagramme beschrieben, wobei Kurve (a) die Ausgangswellenform des Spannungsreglers 10 zeigt, Kurve (b) die EIN-Zeit deg Transistors 20 zeigt, Kurve (c) den durch die Spulen 18-1 ... 18-n fließenden Strom zeigt. Die Kurve (c) zeigt, daß die Drucknadel zur Erzeugung von Punkten auf einem Aufzeichnungspapier angesteuert wird, bevor Strom i&sub2; endet. Der Buchstabe i&sub1; bezeichnet den von dem Spannungsregler 10 zu dem Transistor 20 fließenden Strom.The method of driving the print wires will be described with reference to the diagrams shown in Fig. 4, where curve (a) shows the output waveform of the voltage regulator 10, curve (b) shows the ON time of the transistor 20, curve (c) shows the current flowing through the coils 18-1...18-n. The curve (c) shows that the print wire is driven to form dots on a recording paper before current i₂ ends. The letter i₁ indicates the current flowing from the voltage regulator 10 to the transistor 20.
Durch die in den Ansteuerungsspulen 18 gespeicherte elektromagnetische Energie wird der Fluß von Strom i&sub2; bewirkt, der durch eine durch den Transistor 20, die Diode 15 und Drossel 17 gebildete Schleife fließt. Die in den Spulen 18 gespeicherte elektromagnetische Energie bewirkt, daß Strom i&sub3; fließt, der dem Strom am Ende des Stroms i&sub2; entspricht (d.h., zu dem Zeitpunkt, zu dem der Transistor 20 in die AUS-Stellung geschaltet wird). Der Strom i&sub3; fließt durch eine aus der Diode 21, dem Kondensator 2, der Diode 15 und der Drossel 17 bestehende Schleife, so daß Energie zu dem Kondensator 2 zurückgeführt und so der Wirkungsgrad der Ansteuerung der Drucknadel verbessert wird.The electromagnetic energy stored in the drive coils 18 causes the flow of current i₂, which flows through a loop formed by the transistor 20, the diode 15 and the choke 17. The electromagnetic energy stored in the coils 18 causes the flow of current i₃, which corresponds to the current at the end of the current i₂ (i.e., at the time when the transistor 20 is turned OFF). The current i₃ flows through a loop formed by the diode 21, the capacitor 2, the diode 15 and the choke 17, so that energy is returned to the capacitor 2, thus improving the efficiency of driving the print wire.
Im folgenden werden Gleichungen hergeleitet, die für die Ströme i&sub1;, i&sub2; und i&sub3; stehen. In den folgenden Gleichungen stehen R bzw. L für den Widerstand und die Induktivität der Spulen 18, und Spannungsabfälle der Dioden 15 und 21 sowie des Transistors 20 werden vernachlässigt.In the following, equations are derived which represent the currents i₁, i₂ and i₃. In the following equations, R and L represent the resistance and inductance of the coils 18, respectively, and voltage drops of the diodes 15 and 21 and the transistor 20 are neglected.
i&sub1; = Vp/R (1-EXP(-t/t&sub0;)) ... (1)i1; = Vp/R (1-EXP(-t/t�0)) ... (1)
i&sub2; = i&sub2;&sub0; EXP(-t/t&sub0;) ... (2)i2; = i₂�0; EXP(-t/t0) ... (2)
i&sub3; = (i&sub3;&sub0;+V&sub1;/R) EXP(-t/t&sub0;)-V&sub1;/R ... (3)i&sub3; = (i₃�0+V₁/R) EXP(-t/t�0)-V₁/R ... (3)
wobei t = Zeit, i&sub2;&sub0; und i&sub3;&sub0; Endwerte der Ströme i&sub1; bzw. i&sub2; zei gen, t&sub0; = L/R und EXP eine Abkürzung für Exponential ist.where t = time, i₂₀ and i₃₀ show final values of the currents i₁ and i₂ respectively, t₀ = L/R and EXP is an abbreviation for exponential.
Mit diesem Verfahren der Ansteuerung der Drucknadel läßt sich eine einzigartige Ausnützung der in der Spule 18 gespeicherten elektromagnetischen Energie erreichen. Mit diesem Ansteuerungsverf ahren ist es möglich, die dem Spannungsregler 10 zugeführte Energie im Vergleich zu anderen Ansteuerungsverfahren um ungefähr 30 bis 40% zu verringern. Es ist vorteilhaft, den Strom i&sub3; schnell zu löschen, um das Frequenzverhalten der Drucknadel zu verbessern.With this method of driving the print needle, a unique utilization of the electromagnetic energy stored in the coil 18 can be achieved. With this control method, it is possible to reduce the energy supplied to the voltage regulator 10 by approximately 30 to 40% compared to other control methods. It is advantageous to quickly cancel the current i3 in order to improve the frequency response of the print needle.
Aus der obenstehenden Gleichung kann die Zeit t&sub3;, zu der der Strom i&sub3; Null wird, wie folgt dargestellt werden:From the above equation, the time t₃ at which the current i₃ becomes zero can be represented as follows:
t&sub3; = -t&sub0; log[V&sub1;/(Ri&sub3;&sub0;+V&sub1;)] (4)t3; = -t0; log[V₁/(Ri₃�0+V₁)] (4)
Diese Gleichung zeigt, daß t&sub3; kleiner werden kann, wenn V&sub1; zunimmt. Da Vp auch dann konstant ist, wenn V&sub1; erhöht wird, ändert sich der Leistungsverbrauch nicht bemerkenswert, da der Spannungsregler 10 vom Zerhackertyp ist. Das heißt, die vorliegende Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß eine schnelle Ansprechcharakteristik erreicht wird, indem der Leistungsverbrauch verringert wird.This equation shows that t3 can become smaller as V1 increases. Since Vp is constant even if V1 is increased, the power consumption does not change remarkably since the voltage regulator 10 is of the chopper type. That is, the present invention is characterized in that a fast response characteristic is achieved by reducing the power consumption.
Die anderen Ansteuerungsverfahren, die durch die Kurven (d), (e) und (f) in Fig. 4 dargestellt sind, werden im folgenden beschrieben. Kurve (d) zeigt die Ausgangsspannung Vp des Spannungsreglers 10, während die Kurve (e) die EIN-Zeit des Transistors zeigt. Die hintere Hälfte der Kurve (e) wird von dem Drucksignalgenerator 31 gesteuert zerhackt. Dadurch wird der durch die Spule 18 fließende Strom mit Kurve (f) dargestellt. Auch in diesem Fall ist es möglich, die Drucknadel wirkungsvoll anzusteuern. Es versteht sich, daß die Anzahl der Windungen der Spule 18 verringert werden kann, um die Induktivität derselben zu verringern und so die Stromanstiegszeit zu verkürzen.The other driving methods shown by curves (d), (e) and (f) in Fig. 4 are described below. Curve (d) shows the output voltage Vp of the voltage regulator 10, while curve (e) shows the ON time of the transistor. The rear half of curve (e) is chopped under the control of the print signal generator 31. As a result, the current flowing through the coil 18 is shown by curve (f). In this case too, it is possible to drive the print wire effectively. It is understood that the number of turns of the coil 18 can be reduced to reduce the inductance thereof and thus shorten the current rise time.
Die Drucknadel-Ansteuerungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung eignet sich zum Einsatz bei einem Seriendrucker. Die Anzahl n der Drucknadeln beträgt vorzugsweise ungefähr 8 bis 48. Die Ansprechfrequenz beträgt 1-4 KHz, der Spitzenwert des Stromes i&sub1; beträgt ungefähr 0,5-2 A, und die Ansteuerungsenergie der Druckdrähte beträgt ungefähr 3-6 mJ in einem Zyklus.The print wire driving device of the present invention is suitable for use in a serial printer. The The number n of the printing wires is preferably about 8 to 48. The response frequency is 1-4 KHz, the peak value of the current i₁ is about 0.5-2 A, and the driving energy of the printing wires is about 3-6 mJ in one cycle.
Ein Beispiel für einen Drucker, bei dem die Drucknadel-Ansteuerungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird, ist in Fig. 5 dargestellt. Bei diesem Drucker ist ein Druckkopf 42, der mit n Drucknadeln und n Spulen 18-1 ... 18-n versehen ist, wie sie in Fig. 2 dargestellt sind, auf einem Wagen 43 befestigt. Ein Druckdatensignal, ein Schiebetaktimpuls-, ein Latch-Impuls-, sowie ein Freigabesignal werden dem Druckkopf 42 von der Steuerkarte 47 über ein Kabel 46 zugeführt. Beim Empfang dieser Signale wird der Druckkopf 42 auf einem Riemen 44, der durch Riemenscheiben 45a und 45b angetrieben wird, nach links oder rechts bewegt, um Zeichen oder Punkte auf ein Aufzeichnungspapier 41 auf zudrucken, das um eine Walze 40 herum gerollt ist. Ein Farbband sowie ein Elektromotor, der die Riemenscheiben antreibt, sind in Fig. 5 nicht dargestellt.An example of a printer to which the print wire driving device of the present invention is applied is shown in Fig. 5. In this printer, a print head 42 provided with n print wires and n coils 18-1 ... 18-n as shown in Fig. 2 is mounted on a carriage 43. A print data signal, a shift clock pulse, a latch pulse and an enable signal are supplied to the print head 42 from the control board 47 through a cable 46. Upon receipt of these signals, the print head 42 is moved left or right on a belt 44 driven by pulleys 45a and 45b to print characters or dots on a recording paper 41 rolled around a platen 40. An ink ribbon and an electric motor that drives the pulleys are not shown in Fig. 5.
Die Anzahl der in dem Kabel 46 enthaltenen Leiter ist normalerweise größer als (n+1), das die Summe n aus der Anzahl der Spulen 18-1 ... 18-n, wie sie in Fig. 2 dargestellt sind, sowie einem gemeinsamen Leiter für die Spulen darstellt. Wenn die Anzahl der Spulen groß ist, ist das Kabel 46 in 2 bis 4 Teilkabel unterteilt. In diesem Fall erhöhen sich nicht nur die Kosten, sondern auch die auf den Antriebsmotor wirkende Last nimmt zu.The number of conductors included in the cable 46 is normally greater than (n+1), which is the sum n of the number of coils 18-1 ... 18-n as shown in Fig. 2, plus a common conductor for the coils. If the number of coils is large, the cable 46 is divided into 2 to 4 sub-cables. In this case, not only the cost increases, but also the load acting on the drive motor increases.
Aus diesem Grund werden die Ansteuerungsschaltungen 19-1 ... 19-n und der Drucksignalgenerator 31 gemeinsam auf dem Wagen 43 angebracht, um die Anzahl der Kabel und der darin enthaltenen Leiter zu verringern.For this reason, the control circuits 19-1 ... 19-n and the pressure signal generator 31 are mounted together on the carriage 43 in order to reduce the number of cables and the conductors contained therein.
Durch diesen Aufbau läßt sich die Anzahl der Leiter des Kabels auf die Summe der Leiter 30a, 22, eine gemeinsame Leitung zu den Spulen 18-1 ... 18-n VDD und GND (geerdete Leitung) verringern.This structure allows the number of conductors of the cable to be reduced to the sum of the conductors 30a, 22, a common line the coils 18-1 ... 18-n VDD and GND (grounded line) reduce.
Da die Anzahl von in dem Leiter 30a enthaltenen Drähten vier beträgt, um ein Druckdatensignal, einen Schiebetaktimpuls, einen Latch-Impuls sowie ein Freigabesignal zu übertragen, beträgt die Gesamtzahl der Leiter mindestens 9. Wenn die Anzahl n von Spulen 18-1 ... 18-n 48 entspricht, beträgt die Mindestanzahl der Leiter normalerweise 49, jedoch läßt sich bei der eben beschriebenen verbesserten Konstruktion die erforderliche Anzahl der Leiter auflediglich 9 verringern.Since the number of wires included in the conductor 30a is four to transmit a print data signal, a shift clock pulse, a latch pulse and an enable signal, the total number of conductors is at least 9. When the number n of coils 18-1 ... 18-n is 48, the minimum number of conductors is normally 49, but with the improved construction just described, the required number of conductors can be reduced to only 9.
Bei der Analyse der durch die Ansteuerungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung verbrauchten Energie kommt man zu folgendem Ergebnis: der Kupferverlust der Spulen 18-1 ... 18-n beträgt 60-80%, der Eisenverlust des elektromagnetischen Kreises der Spulen 18-1 ... 18n beträgt 5-15%, die in eine mechanische Energie einschließlich einer Punktherstellungsenergie umgewandelte Energie beträgt 5-10%, und die durch solche Schaltungselemente wie Transistoren und dergleichen verbrauchte Energie beträgt ungefähr 5%.When analyzing the energy consumed by the driving device of the present invention, the following result is obtained: the copper loss of the coils 18-1 ... 18-n is 60-80%, the iron loss of the electromagnetic circuit of the coils 18-1 ... 18n is 5-15%, the energy converted into mechanical energy including dot manufacturing energy is 5-10%, and the energy consumed by such circuit elements as transistors and the like is about 5%.
Der Eisenverlust des elektromagnetischen Kreises kann leicht verringert werden, indem der Magnetkreis aus laminierten Eisenblechen oder Ferrit hergestellt wird, wodurch darüber hinaus der Wirkungsgrad bei der Ansteuerung der Drucknadel verbessert wird.The iron loss of the electromagnetic circuit can be easily reduced by making the magnetic circuit out of laminated iron sheets or ferrite, which also improves the efficiency of driving the print wire.
Bei der Umsetzung der Erfindung in die Praxis erreicht, wenn die Anzahl der Drucknadeln 48 beträgt, und wenn der Spitzenwert von i&sub1; 1 A beträgt, der Gesamtspitzenstrom 48 A. In einem derartigen Fall kann nicht immer ein stabiler Schaltvorgang des in Fig. 2 dargestellten Spannungsreglers 10 erreicht werden. In diesem Fall kann, indem die Anzahl der Spulen in vier Gruppen unterteilt wird, die jeweils aus 12 Spulen bestehen, indem vier Spannungsregler 10 vorgesehen werden und diese Spannungsregler im Zeitteilbetrieb angesteuert werden, der Spitzenstrom jedes Spannungsreglers 10 auf 12 A (48A/4) verringert werden. Die Beschränkung des Spitzenstroms trägt zur Verringerung der Last einer nichtdargestellten Spannungsquelle an der Eingangsseite des Spannungsreglers 10 bei. Darüber hinaus ist es auch möglich, den Spannungsabfall der Leitung aufgrund des Widerstandes und der Induktivität der Verdrahtungen zu verringern, so daß den Drucknadeln stabile Ansteuerungsenergie zugeführt werden kann.In putting the invention into practice, when the number of printing wires is 48 and when the peak value of i₁ is 1 A, the total peak current reaches 48 A. In such a case, a stable switching operation of the voltage regulator 10 shown in Fig. 2 cannot always be achieved. In this case, by dividing the number of coils into four groups each consisting of 12 coils, by providing four voltage regulators 10 and driving these voltage regulators in time division mode, the Peak current of each voltage regulator 10 can be reduced to 12 A (48A/4). Limiting the peak current contributes to reducing the load of a power source (not shown) on the input side of the voltage regulator 10. In addition, it is also possible to reduce the line voltage drop due to the resistance and inductance of the wirings, so that stable driving power can be supplied to the print wires.
Beispiele für die konkreten Werte der Bauelemente der vorliegenden Erfindung und Einstellbedingungen der Elemente werden im folgenden beschrieben.Examples of the concrete values of the components of the present invention and setting conditions of the elements are described below.
Es wird davon ausgegangen, daß V&sub1; = 60 V, Vp = 20 V, die Induktivität L&sub1; der Drossel 17 10&supmin;&sup4;H, die Kapazität C des Kondensators 16 10&supmin;&sup7; F, die Äquivalenzinduktivität L&sub2; der Spulen 18-1 ... 18-n 2,4 x 10&supmin;³H betragen, und daß der Äquivalenzwiderstand R 12 Ohm beträgt. Des weiteren wird davon ausgegangen, daß Spannungsaufbaugleichungen VR1 und VR2 sind, wenn Strom nur einmal bzw. 12 mal durch die Spulen 18-1 ... 18-n geleitet wird.It is assumed that V₁ = 60 V, Vp = 20 V, the inductance L₁ of the choke 17 is 10⁻⁴H, the capacitance C of the capacitor 16 is 10⁻⁴F, the equivalent inductance L₂ of the coils 18-1 ... 18-n is 2.4 x 10⁻³H, and that the equivalent resistance R is 12 ohms. It is further assumed that voltage build-up equations are VR1 and VR2 when current is passed through the coils 18-1 ... 18-n only once and 12 times respectively.
VR1 = 60 - 2.4 exp(α&sub1;t) - 57.6 {cos (ω&sub1;t) + 9.3 x 10&supmin;&sup4; sin(ω&sub1;t)} exp(β&sub1;)VR1 = 60 - 2.4 exp(α₁t) - 57.6 {cos (ω₁t) + 9.3 x 10⊃min;⊃4; sin(ωt)} exp(β1)
wobei α&sub1; = 4.8 x 10³, β&sub1; = -1.0 x 10², ω&sub1; = 3.23 x 10&sup5;where α₁₋ = 4.8 x 10³, ?₁ = -1.0 x 10², ω1 = 3.23 x 10&sup5;
VR2 = 60 - 20 exp(α&sub2;t) - 40 { cos (ω&sub2;t) + 6.45 x 10&supmin;³ sin(ω&sub2;t) } exp(β&sub2;t)VR2 = 60 - 20 exp(α₂t) - 40 { cos (ωt) + 6.45 x 10⊃min;³ sin(ωt) } exp(β₂t)
wobei α&sub2; = -3.33 x 10³, β&sub2; = -8.33 x 10², ω&sub2; = 3.87 x 10&sup5;where α₂ = -3.33 x 10³, β₂ = -8.33 x 10², ω2 = 3.87 x 10&sup5;
Diese Gleichungen zeigen, daß die Anstiegszeit, in der die Spannung Vp des Spannungsreglers 10 20 V erreicht, durch die Anzahl der Spulen 18-1 ... 18-n nicht stark beeinflußt wird, sondern daß sich die Spannung Vp in nur wenigen µs aufbaut.These equations show that the rise time in which the voltage Vp of the voltage regulator 10 reaches 20 V is not greatly influenced by the number of coils 18-1 ... 18-n, but that the voltage Vp builds up in only a few µs.
Wenn man davon ausgeht, daß die Abbauspannungen zum Zeitpunkt der Unterbrechung VF1 und VF2 am Ende eines Intervalls sind, in dem die Ausgangsspannung Vp auf einem konstanten Wert von 20 V gehalten wird, und daß der Ausgangswert i&sub0; = 1 A für eine der Spulen 18-1 ... 18-n beträgt, erhalten wir:If one assumes that the breakdown voltages at the time of interruption VF1 and VF2 are at the end of an interval in which the output voltage Vp is at a constant value of 20 V and that the output value i₀ = 1 A for one of the coils 18-1 ... 18-n, we obtain:
VF1 = - 2.38 exp(α&sub1;t) + 22.38 { cos(ω&sub1;t) - 1.6 x 10&supmin;³ sin(ω&sub2;t) } exp(β&sub1;t)VF1 = - 2.38 exp(α₁t) + 22.38 { cos(ω₁t) - 1.6 x 10⊃min;³ sin(ω₂t) } exp(β₁t)
wobei α&sub1; = -4.3 x 10³, β&sub1; = -1.0 x 10², ω&sub2; = 3.23 x 10&sup5;where α₁₋ = -4.3 x 10³, β₁ = -1.0 x 10², ω2 = 3.23 x 10&sup5;
VF2 = -24 exp(α&sub3;t) + 44 {cos(ω&sub2;t) -2.5 x 10&supmin;³ sin(ω&sub2;t}) exp(β&sub2;t)VF2 = -24 exp(α₃t) + 44 {cos(ωt) -2.5 x 10⊃min;³ sin(ωt}) exp(β₂t)
wobei α&sub2; = -3.33 x 10³, β&sub2; = -8.33 x 10², ω&sub2; = 3,87 x 10&sup5;where α₂ = -3.33 x 10³, β₂ = -8.33 x 10², ω2 = 3.87 x 10&sup5;
VF1 und VF2 sind einander nahezu gleich und werden durch die Anzahl der Spulen 18-1 ... 18-n nicht beeinflußt.VF1 and VF2 are almost equal to each other and are not influenced by the number of coils 18-1 ... 18-n.
Diese Gleichungen zeigen, daß die Aufbau- und die Abbaueigenschaften des Spannungsreglers 10 nicht von der Anzahl von Erregungen der Spulen 18-1 ... 18-n abhängen, so daß kein Unterschied zwischen den Energien für Druckpunkte besteht, wodurch ein qualitativ hochwertiger Druck gewährleistet ist.These equations show that the build-up and break-down characteristics of the voltage regulator 10 do not depend on the number of excitations of the coils 18-1 ... 18-n, so that there is no difference between the energies for printing points, thereby ensuring high-quality printing.
Bei den oben beschriebenen Beispielen wurden die Werte der Bauelemente unter der Voraussetzung festgesetzt, daß L&sub1; = 10&supmin;&sup4;H < 2,4 x 10&supmin;³/12 = 2 x 10&supmin;&sup4;, daß 1/2CVp² = 1/2 x 10&supmin;&sup7; x 10² > 1/2 L&sub2;i&sub0;² = 1/2 x 2,4 x 10&supmin;³ x 1² gilt. Das heißt, es wurden verschiedene Bedingungen so festgelegt, daß die in der in Fig. 2 dargestellten Glättungsschaltung 10b gespeicherte Energie ausreichend kleiner ist als die Energie 3 mJ - 5 mJ, die zur Erregung der Spulen 18-1 ... 18-n benötigt wird, wobei J Joule bedeutet.In the examples described above, the values of the components were set under the assumption that L₁ = 10⁻⁴H < 2.4 x 10⁻³/12 = 2 x 10⁻⁴, that 1/2CVp² = 1/2 x 10⁻⁷ x 10² > 1/2 L₂i₀² = 1/2 x 2.4 x 10⁻³ x 1². That is, various conditions have been set so that the energy stored in the smoothing circuit 10b shown in Fig. 2 is sufficiently smaller than the energy 3 mJ - 5 mJ required to excite the coils 18-1 ... 18-n, where J means joules.
Die Zerhackerfrequenz f wird wie folgt bestimmt. Die von dem Spannungsregler 10 zugeführte elektrische Energie wird durch PS = 1/2L&sub1;i²f ausgedrückt, wobei davon ausgegangen wird, daß diese elektrische Energie größer ist als die Energie Vpi&sub0;n, die durch die Spulen 18-1 ... 18-n verbraucht wird. Geht man davon aus, daß n = 12, i&sub0; = 1A, Vp = 20 V, L&sub1; = 10&supmin;&sup4;H und i = ni&sub0;, wie dies durch zwei obenstehende Gleichungen bestimmt wurde, sollte f größer sein als ein Wert, der durch eine Gleichung f > Vp i&sub0; n/½/2L&sub1;i² = 34 KHz ausgedrückt wird. Des weiteren sollte f den Aufbau- und Abbaueigenschaften des Spannungsreglers 10 genügen. In verschiedenen oben beschriebenen Gleichungen finden sich Produkte des Dämpfungsausdrucks von EXPONENTIAL und eines SINUS-Schwingungsausdrucks. Demzufolge liegt, ausgehend von der Konstante ω&sub1;, bei Verwendung der oben erwähnten Werte der Bauelemente die Zerhackerfrequenz f vorteilhafterweise über 1 MHz, wodurch eine vorgegebene Aufbaukennlinie der Konstantspannungsquelle sowie die flache Kennlinie im Normalzustand gewährleistet ist.The chopping frequency f is determined as follows. The electric power supplied by the voltage regulator 10 is expressed by PS = 1/2L₁i²f, assuming that this electric power is larger than the power Vpi₀n consumed by the coils 18-1 ... 18-n. Assuming that n = 12, i₀ = 1A, Vp = 20 V, L₁ = 10⁻⁴H and i = ni₀ as determined by two equations above, f should be larger than a value given by an equation f > Vp i₀ n/½/2L₁i² = 34 KHz. Furthermore, f should satisfy the build-up and breakdown characteristics of the voltage regulator 10. In various equations described above, products of the damping term of EXPONENTIAL and a SINE oscillation term are found. Consequently, starting from the constant ω₁, using the above-mentioned values of the components, the chopper frequency f is advantageously above 1 MHz, thereby ensuring a predetermined build-up characteristic of the constant voltage source and the flat characteristic in the normal state.
Darüber hinaus ist es, wenn die Zerhackerfrequenz ausreichend hoch ist, möglich, den Wert der Drossel 17 und des Kondensators 16 der Glättungsschaltung 10b so zu verringern, daß das Volumen der Drucknadel-Ansteuerungsvorrichtung verkleinert werden kann und auch ihre Herstellungskosten verringert werden können. Die vorliegende Erfindung ist somit durch die Einstellung der Werte der Bauelemente gekennzeichnet.Moreover, when the chopping frequency is sufficiently high, it is possible to reduce the value of the reactor 17 and the capacitor 16 of the smoothing circuit 10b so that the volume of the print wire driving device can be reduced and its manufacturing cost can also be reduced. The present invention is thus characterized by the adjustment of the values of the components.
Erfindungsgemäß kann, wie oben beschrieben, da ein EIN-AUS- Zerhackersystem zur Ansteuerung von Drucknadeln mit einer Ansteuerungsschaltung mit hohem Wirkungsgrad sowie die Konstantspannungsquelle eingesetzt werden, die dem Drucker eine Betriebsenergie zuführt, der Betriebswirkungsgrad der Vorrichtung verbessert werden. Darüber hinaus kann, da es möglich ist, den Eingangsspannungsregler auf einen hohen Wert einzustellen, die in den Spulen gespeicherte Energie schneller zurückgeführt werden, so daß ein hoher Energiewirkungsgrad sowie eine schnelle Ansprechcharakteristik erreicht werden.According to the present invention, as described above, since an ON-OFF chopper system for driving printing wires with a high-efficiency drive circuit and the constant voltage source that supplies operating power to the printer are used, the operating efficiency of the device can be improved. In addition, since it is possible to set the input voltage regulator to a high value, the energy stored in the coils can be returned more quickly, so that high energy efficiency and quick response characteristics are achieved.
Die Erfindung kann in anderen speziellen Formen ausgeführt werden, ohne von den grundlegenden Eigenschaften derselbe abzuweichen. Die vorliegende Ausführung ist daher in jeder Hinsicht als veranschaulichend und nicht als einschränkend anzusehen, wobei der Umfang der Erfindung durch die beigefügten Ansprüche und nicht durch die obenstehende Beschreibung angegeben wird, und alle Veränderungen, die in die Bedeutung und den Bereich der Äquivalenz der Ansprüche fallen, somit darin eingeschlossen sind.The invention may be embodied in other specific forms without departing from the essential characteristics thereof. The present embodiment is, therefore, to be considered in all respects as illustrative and not restrictive, the scope of the invention being indicated by the appended claims rather than by the foregoing description, and all changes which do not affect the meaning and fall within the scope of equivalence of claims and are therefore included therein.
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