JP2001162801A - インクジェットプリンタの発射エネルギー制御装置 - Google Patents

インクジェットプリンタの発射エネルギー制御装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 スイッチをはさむ電圧の降下の許容差を許容
できるものに維持して、スイッチの大きさを比較的小さ
く保ちながらノズル抵抗器に供給するエネルギーの量を
精密に制御する。 【解決手段】 ノズル抵抗器３０２を含むインクジェッ
トペン、およびノズル抵抗器３０２と低電圧レールの間
に電気的に接続されたスイッチ３０４を含み、スイッチ
３０４をはさむスイッチ電圧を制御するように構成され
た制御回路３００と、スイッチ３０４をはさむ電圧の降
下を補償するように調節されたペン電圧をノズル抵抗器
３０２に供給する調整ペン電圧源４００と、を含む。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、包括的にはプリン
タの発射エネルギーを制御する方法および装置に関し、
より詳細には、インクジェットプリンタの発射エネルギ
ー制御用の非飽和スイッチング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】熱インクジェットプリンタは、ノズル抵
抗器を用いてインク滴を発射（firing）する。インク滴
を適切に発射するには、それぞれのノズル抵抗器に十分
な量のエネルギーを供給しなければならない。あるノズ
ル抵抗器に送出されるエネルギーの量が少なすぎると、
インク滴を噴出するのに十分な熱が発生しないかもしれ
ないし、滴の速度が低くなりすぎるかもしれない。この
どちらの状態であっても、その結果、印字ページには目
に見える瑕疵が生じる可能性がある。あるノズル抵抗器
に送出されるエネルギーの量が多すぎる場合には、その
抵抗器は高温になり過ぎて、その結果、ペンの寿命が短
くなってしまう可能性がある。こういった理由のため
に、熱インクジェットペンを適切に動作するには、正確
なエネルギー制御が必要不可欠である。
【０００３】図１を参照すると、インクジェットプリン
タの制御エレクトロニクス／インクジェットペンシステ
ム１００は、メインエレクトロニクスボード(main elec
tronics board)１０２、インクジェットペン１０４、相
互接続ケーブル１０６、およびケーブル１０６の両端に
ある関連するコネクタ１０８、１１０を含む。例示的
な、好適なエレクトロニクスボード１０２は、正確なペ
ン電圧を作り出す電圧調整器回路１１２と、ノズル電流
をオンおよびオフにする固体スイッチを含むペンドライ
バ集積回路（ＩＣ）１１４とを含む。
【０００４】ドライバのスイッチをオンにすると、電流
が、ボード１０２にあるペン電圧供給回路１１２から、
ケーブル１０６を通り、ペン１０４内のノズル抵抗器を
通り、ケーブル１０６を通ってペン電圧供給回路１１２
の接地側へと戻る。こういった構成要素はすべて理想的
でないため、これらそれぞれに関連する損失がある。例
えば、ペンドライバＩＣ１１４のスイッチはいくらか抵
抗を有し、それによって、電流が流れるときに電圧降下
が生じる。同様に、ケーブル１０６およびコネクタ１０
８、１１０もそれら自体の抵抗を有し、その結果更なる
損失が生じる。こういった抵抗は厳密には既知でなく、
プリンタによっても温度によっても変化するので、ノズ
ル抵抗器を通って流れる電流量を完全に制御することは
困難である。エネルギー誤差の他の原因は、発生したペ
ン供給電圧の許容差およびノズル抵抗器自体の抵抗の変
化に由来する。
【０００５】図２は、送出エネルギーにおける誤差の原
因となる非理想的パラメータを含む図１のシステムの電
気的概略図を示す。本図において、ＶSupplyは、ペン電
圧供給装置の電圧を表し、ＲSeriesは、ケーブルとコネ
クタの抵抗を直列に組み合わせたものを表し、Ｔ
Fireは、スイッチを閉じている時間であり、Ｖ
Switchは、スイッチを閉じた状態で電流が流れている時
のスイッチをはさむ(across)電圧である。スイッチをは
さんで損失があるために生じるエネルギーの変化は、エ
ネルギー誤差のかなりの原因となっており、図２の電気
的概略図については、次式によって計算される。 ＥFire＝｛（ＶSupply―ＶSwitch）／（ＲSeries＋Ｒ
Pen）｝2× ＲPen × ＴFire
【０００６】本式において、ＲPenを通って流れる電流
は中カッコ内の項によって与えられ、これは、両方の抵
抗をはさむ電圧を両方の抵抗の和で割ったものに等し
い。エネルギーは電流の二乗に比例するので、エネルギ
ーは電流変化の約２倍の変化率で変化する。言い換えれ
ば、電流が±１％変化すると、エネルギーは±２％変化
し、電流が±５％変化すると、エネルギーは±１０％変
化する、等である。これは、何かにおける変化はその導
関数に等しく、ｘ2の（ｘについての）導関数は２であ
る、という事実の結果である。
【０００７】中カッコ内の項は電流に等しいので、電流
は、（ＶSupply―ＶSwitch）の量に比例する。この量が
変化すると、ペンに送出されるエネルギーは２倍の変化
率で変化する。供給電圧が厳密に既知であると仮定する
と、スイッチ電圧の変化がどのように送出エネルギーに
影響を与えるかを確認することが可能である。供給電圧
はスイッチ電圧よりも高いので、スイッチ電圧の変化よ
りも、その結果生じる全体の量（ＶSupply―ＶSwitch）
の変化の方が小さい。従って、電流の変化は、次式によ
って決定される。 電流の変化＝△Ｉ＝ △（ＶSupply―ＶSwitch） ＝ △ＶSwitch＊（ＶSwitch／（ＶSupply―ＶSwitch）） …（式１） ただし「△」は対応する値の変化のパーセントを示す。
例えば、ＶSupplyがＶSw itchの５倍大きい場合には、Ｖ
Switch／（ＶSupply―ＶSwitch）は０．２５となり、Ｖ
Switchが変化すると、その結果、電流がその１／４変化
する。例として、ＶSupplyが１２．０ボルトでありＶ
Switchが１．３ボルト±３０％の場合、電流の変化＝△
Ｉ＝ ３０％ ＊（１．３／（１２．０−１．３））＝
３．６％である。
【０００８】エネルギーは電流の二乗に比例するので、
ペンに送出されるエネルギーの変化（または許容差）
は、電流変化の２倍である、ということを思い出してい
ただきたい。従って、スイッチ電圧の許容差によるエネ
ルギーの許容差は、２倍の７．２％になる。インクジェ
ットペンによっては、これだけで、既に指定限界を超え
ている。図２の電気的概略図における各パラメータを理
解しておくことは、全体的な許容差をできるだけ厳しく
するという目的にとって有用であろう。ペンドライバＩ
Ｃ１１４（図１）内のスイッチに関して、送出エネルギ
ーの精度を改良するためには、スイッチをはさむ電圧降
下を厳密に特徴づける(characterize)ことができれば、
有用であろう。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】これまでの構成では、
スイッチの電圧降下をできるだけ小さくすることによっ
てこの問題の解決を図ってきた。実際、こういったスイ
ッチは、オンにしたときの抵抗および電圧が非常に小さ
くなるように設計されたトランジスタ（電界効果または
バイポーラ）である。この電圧を非常に小さくすること
によって、スイッチの電圧降下が原因である誤差全体が
小さくなる（式１を参照）。しかし、このようにオン抵
抗が非常に小さいトランジスタを集積回路において実施
するためには、トランジスタがシリコンのダイに占める
面積が比較的大きくなければならない。こういったトラ
ンジスタの多くが同じダイ上に収容される（これは通常
のペンドライバＩＣの場合には普通のことである）場合
には、ダイの面積がかなり大きくなる可能性があり、そ
の結果、ＩＣのコストが増大する。例えば、電界効果ト
ランジスタのドレイン−ソース間のオン抵抗（ＲDSon）
を低減するには、多くの小さなトランジスタを並列接続
して複合トランジスタを形成して、全体的なチャネル抵
抗の低減が、使用した個々のトランジスタの数に比例す
るようにする。典型的なペンドライバにおけるこういっ
たトランジスタのＲDSonは、十分低く保たれており、そ
の結果、スイッチを通って電流が流れても、電圧降下が
十分小さくて、エネルギーの変化は許容できるものとな
る。それでも、ドライバトランジスタをはさむ電圧の降
下の許容差を許容できるものに維持して、ドライバトラ
ンジスタの大きさを比較的小さく保ちながらノズル抵抗
器に供給するエネルギーの量を精密に制御するプリンタ
の発射エネルギー制御装置が依然として必要とされてい
る。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明に係るインクジェ
ットプリンタの発射エネルギー制御装置は、スイッチを
はさむ電圧の降下によって引き起こされるエネルギー誤
差を、まずこの電圧降下を厳密に特徴づけることによっ
て低減する。スイッチをはさむ電圧の降下は良好に特徴
づけられるので、ペン電圧を増大してこの損失を補償す
ることができる（すなわち、スイッチの電圧降下に等し
い量だけ供給電圧を増大させることによって、（Ｖ
Supply―ＶSwitch）を一定に保つ）。本発明の発射エネ
ルギー制御の実施によって、ペンをはさむ電圧および電
流の良好な特徴づけが保たれ、従って、ペンに送出され
るエネルギーがより厳密に制御される。更に、本発明の
発射エネルギー制御の実施によって、より小さいドライ
バトランジスタを有するドライバＩＣを用いやすくな
り、その結果、ドライバＩＣのスペースおよびコストが
節約される。
【００１１】本発明は、エネルギーを厳密に制御するた
めには、電圧降下は良好に特徴づけなければならない
が、必ずしも小さくする必要はない、という事実を利用
している。スイッチをはさむ電圧降下が大きくても、電
圧降下の許容差が厳しければ、スイッチをはさむこの既
知の電圧降下を補償するペン電圧供給装置を用いること
によって、それが原因のエネルギー変動をやはり小さく
保つことができる。例示的な、好適な実施例において、
これは、飽和領域のすぐ外側でスイッチングトランジス
タを動作させ、電圧モニタを用いてスイッチの電圧降下
を制御することによって行われる。
【００１２】本発明の１つの実施形態によるインクジェ
ットプリンタの発射エネルギー制御方法は、インクジェ
ットプリンタのノズル抵抗器に電気的に接続されたロー
サイド・ドライバをはさむ（across）電圧を制御するス
テップと、前記ローサイド・ドライバをはさむ電圧の変
更を補償するために、前記ペンに電気的に接続されたペ
ン供給電圧を調整するステップとを含む。
【００１３】本発明の他の実施形態によるインクジェッ
トプリンタの発射エネルギー制御方法は、プリンタのペ
ンに電気的に接続されたスイッチをはさむスイッチ電圧
を制御するステップと、前記スイッチ電圧の変換を補償
するために、前記ペンおよびノズル抵抗器に電気的に接
続されたペン供給電圧を調整するステップとを含む。
【００１４】本発明の他の実施形態によるインクジェッ
トプリンタの発射エネルギー制御装置は、ノズル抵抗器
を含むインクジェットのペンと、ノズル抵抗器と低電圧
レール(low voltage rail)との間に電気的に接続された
スイッチを含む制御回路であって、スイッチをはさむス
イッチ電圧を制御するように構成された、制御回路と、
スイッチをはさむ電圧降下を補償するように調節された
ペン電圧をノズル抵抗器に供給する調整ペン電圧源とを
含む。
【００１５】本発明の、上述のおよび多くの他の特徴お
よびそれに付随する利点については、以下の詳細な説明
を添付の図面と共に考察して参照することによって本発
明がよりよく理解される時、明白となろう。
【００１６】
【発明の実施の形態】本発明の好適な実施形態を、添付
の図面を参照して詳細に説明する。
【００１７】以下は、本発明を実施する現在知られてい
る最良の形態の詳細な説明である。本説明は、限定的な
意味で理解してはならず、単に本発明の一般的原理を例
示する目的のために行うものである。
【００１８】図３を参照すると、本発明による、例示的
な、好適な発射制御回路３００は、図示のように構成さ
れた、ノズル抵抗器３０２、スイッチ３０４、誤差増幅
器３０６、基準電圧源３０８、およびバッファ３１０を
含む。例示的な、好適なスイッチ３０４は、酸化金属半
導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、接合電界
効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）、バイポーラトランジス
タ、または何らかの半導体（またはその他の）スイッチ
等の、ローサイドドライバ(low side driver)を含む。
スイッチ３０４には、ローサイドドライバが好ましい。
しかし、通過電圧を制御したハイサイドドライバもま
た、用いてもよい。
【００１９】発射パルス（ＴFireで示す）が到着する
と、スイッチングＦＥＴ３０４のゲートを駆動するバッ
ファ３１０がエネーブルになり、ＦＥＴ３０４がオンに
なる。ＦＥＴ３０４がオンになると、ノズル抵抗器（Ｒ
Pen）３０２を通って電流が流れ始め、スイッチ電圧
（ＶSwitch）が降下し始める。この電圧が基準電圧（Ｖ
Re f）に達すると、誤差増幅器３０６の出力が低減す
る。従って、ＦＥＴ３０４がオフになり始める（そのチ
ャネル抵抗が増大する）。ＶSwitchがＶRefに非常に接
近すると、これら２つの電圧を互いに非常に接近した状
態に保つのに必要な電流まで減らすのにちょうど十分な
だけＦＥＴ３０４がオンになる。ＶSwitchは、ＶRefよ
りも下がらないように制御される。ＦＥＴ３０４はそれ
ほど多くの電流を流せないからである。好ましくは、Ｆ
ＥＴ３０４がフルにオンになることはなく、従って、飽
和領域内で動作することはない。従って、ＦＥＴ３０４
は、ＲDS onを小さくしたり厳密に制御する必要はない。
フィードバック回路が、電圧降下を非常に厳しい許容差
に保つのである。
【００２０】ＦＥＴ３０４は、飽和していないので電力
損失が多いが、多くのペンドライバＩＣでは、これは問
題にはならない。同時に駆動されるノズルの数が十分少
ないのでＩＣのパッケージが過剰な熱を許容することが
できるからである。製造の条件および材料において変動
があるために、スイッチングＦＥＴ３０４のＲDSonは、
ＩＣによって変化する。例示的な、好適な実施例におい
て、ワーストケースのＩＣ（すなわち、可能な限り最大
のＲDSonを有するＩＣ）がワーストケースの動作条件の
下でちょうど飽和し始めるように、発射制御回路３００
は設計される。これによって、ＲDSonはできる限り大き
くすることができ、しかもスイッチ電圧を目標電圧まで
下げることができる。ＲDSonができる限り大きいのであ
れば、ＦＥＴ３０４がシリコンに占める面積はできる限
り小さくなり、ＩＣのコストは低いままである。
【００２１】この発射エネルギー制御の実施の利点のひ
とつは、フィードバック制御を用いない場合と比較し
て、ＲDSonを大きくすることができる、ということであ
る。例えば、電圧降下を１．５ボルトに設定して、ペン
電流がノズルドライバ当たり２５０ｍＡである場合に
は、電圧が十分制御され熱損失が問題にならない限り、
Ｒ DSonを６．０Ωもの高い値にすることができる。通
常、ほんの±１０％（この場合±０．１５ボルト）とい
う電圧許容差が達成可能である。ペン供給電圧が１２．
０ボルトの場合、結果として得られる電流変動は±１．
４％（式１を参照）であり、従って、このシナリオにお
ける電圧変動によって引き起こされるエネルギーの誤差
は、２倍の２．８％となる。これと同じ厳しいエネルギ
ー許容差を開ループのＦＥＴスイッチ（すなわちフィー
ドバック制御なし）で達成するためには、ＦＥＴは、Ｒ
DSonの最大変動が約±０．６Ωでなければならない。通
常、この用途におけるスイッチングＦＥＴは、プロセス
および温度によって(over process and temperature)約
２％から１％の変動があるため、開ループのＦＥＴの最
大のＲDSonは、約１．２Ωとなってしまう。これでは、
閉ループの非飽和システムにおける６Ωの抵抗器がシリ
コンのダイ上で占める面積の５倍の面積が必要となって
しまう。本発明のアプローチでは、電圧の監視および制
御を行う回路を余分に用いるが、この制御回路は、高電
流スイッチングトランジスタと比較して大きさが非常に
小さい。
【００２２】本発明の原理は、前述のノズル抵抗器発射
エネルギー制御の実施に限定されるものではない、とい
うことが理解されるべきである。例えば、スイッチをは
さむ電圧降下を制御する代わりに、ＲDSonの値自体を監
視してもよい。電圧降下と電流とを同時に監視すること
によって、ＦＥＴ３０４の抵抗を確認することができ、
この抵抗が一定に保たれるようにゲート（制御）電圧を
調節することができる。どちらにしても、フィードバッ
クを用いて、いくらか過剰な熱が発生するという小さな
犠牲を払ってＦＥＴ３０４を非飽和モードで動作し続け
るようにする。
【００２３】図４は、インクジェットプリンタシステム
用の、例示的な、好適な線形電圧調整器回路４００を示
す。電圧調整器回路４００は、ペンのノズル抵抗器を駆
動する正確な供給電圧（ＶPEN）を供給し、図示のよう
に構成された、無調整の電源４０２、電力用トランジス
タ４０４、抵抗器４０６、４０８、４１０、誤差増幅器
４１２、およびバッファ４１４を含む。次式は、電圧調
整器回路４００によって、どのようにＶPENが発生する
かを示す。 ＶPEN＝(ＶREF×(Ｒ１−Ｒ２)／Ｒ２)＋((Ｒ１／Ｒ３)
×(ＶREF−ＶADJ))
【００２４】供給電圧ＶSUPPLYは、例えば、１から２ボ
ルト内に調整される。これでは、ペンを直接駆動するの
に十分厳密ではない。抵抗値がペンによって変化するノ
ズル抵抗器に対応するには、厳しいエネルギー制御が必
要であり、電圧が調節可能でなければならないからであ
る。調整器回路４００は、調節電圧ＶADJを設定するこ
とによって、供給電圧ＶSUPPLYをプログラム可能なペン
駆動電圧ＶPENに調整して、スイッチ電圧ＶSWITCH（図
３）の変化を補償する。
【００２５】ペン駆動電圧ＶPENを用いて、ペン上のす
べてのノズル抵抗器を直接駆動する。ローサイド・ドラ
イバ・トランジスタを用いて、個々のノズル抵抗器が選
択的に発射される。通常のインクジェットのペンは、プ
ロセスによる(process)ノズル抵抗器の変動が３０％以
上であり、その結果、駆動電流がペンによって変化す
る。本発明によれば、ドライバトランジスタをはさむ電
圧降下が制御されて、それぞれのドライバが（オンにな
ってペンを発射する時に）、そのドライバをはさむ、例
えば１．５ボルトの、要求精度以内であることが既知で
ある「プリセット電圧」を有するようになっている。し
かし、ドライバの、可能性のある電流変動の範囲にわた
って、ドライバをはさむ電圧がいくらか変動するであろ
うが、ドライバ電圧は、ペンをはさむ電圧と比較して(r
elative to)小さいので、少しの変動であれば許容でき
る。図３のフィードバック制御装置３００を用いてドラ
イバ電圧を安定化させることによって、たとえ電流が１
０％よりもはるかに多く変化するとしても、電圧は１０
％よりも少ない範囲内に制御することができる。
【００２６】スイッチ３０４をはさむ「オン電圧」は
（スイッチ３０４がオンの時）、注意深く選択しなけれ
ばならない。この電圧が低すぎると、十分に低いオン抵
抗にして、通常のインクジェットのペンに必要な高電流
を駆動しながら低電圧を達成するために、ローサイドド
ライバトランジスタは非常に大きくしなければならない
（すなわち、シリコンに占める面積が大きくなければな
らない）。電圧を高く設定しすぎると、トランジスタを
はさむ電圧が高くなるのと同様にトランジスタを通る電
流が大きい（電力＝電圧×電流）ので、電力損失が過剰
なために、ノズル抵抗器の駆動中にトランジスタが熱く
なってしまう。どちらの場合も（電圧が高すぎても低す
ぎても）、ペンドライバＩＣのコストはかなり増大して
しまう。前者の場合には、オン抵抗を低くするために必
要なより大きなトランジスタに対応するために、シリコ
ンのダイをより大きくしなければならない。後者の場合
には、ノズル抵抗器に電流が流れている間に大きな電圧
降下によって発生する過剰な熱を放散するために、より
高価なＩＣパッケージが必要となろう。
【００２７】オン電圧は、安価なＩＣパッケージのちょ
うど許容限界に電力損失を設定することができるように
十分低いことと、ドライバトランジスタのオン抵抗が大
きくなる（しかし許容できる）ことができるように十分
高いことが好ましく、これによって、トランジスタ当た
り必要なシリコンの面積は小さくなる。オン電圧の許容
範囲は、ＩＣのシリコンのプロセスその他システムの各
パラメータによって変化する。
【００２８】本発明を、上述の好適な実施形態に関して
説明したが、当業者には、上述の好適な実施形態の非常
に多くの変形および／または追加が可能なことが容易に
明白であろう。本発明の範囲は、かかる変形および／ま
たは追加のすべてに及ぶ、ということが意図されてい
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明によるプリンタの発射エネルギー制御
装置を用いるのに適した制御エレクトロニクス／インク
ジェットペンシステムの図である。
【図２】 ペンに送出されるエネルギーにおける誤差の
原因となる非理想的パラメータを含む、図１のシステム
の電気的概略図である。
【図３】 本発明による、例示的な、好適なノズル抵抗
器発射制御回路の電気的概略図である。
【図４】 本発明による、例示的な、好適な電圧調整器
回路の電気的概略図である。
【符号の説明】 １０４ インクジェットペン ３００ 制御回路 ３０２ ノズル抵抗器 ３０４ スイッチ ３０６ 誤差増幅器 ３０８ 基準電圧源 ４００ 電圧調整器回路

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ノズル抵抗器を含むインクジェットペン
    と、 前記ノズル抵抗器と低電圧レールの間に電気的に接続さ
    れたスイッチを含み、前記スイッチをはさむスイッチ電
    圧を制御するように構成された制御回路と、 前記スイッチをはさむ電圧の降下を補償するように調節
    されたペン電圧を前記ノズル抵抗器に供給する調整ペン
    電圧源と、を含むインクジェットプリンタの発射エネル
    ギー制御装置。
  2. 【請求項２】 前記制御回路は集積回路である請求項１
    に記載のインクジェットプリンタの発射エネルギー制御
    装置。
  3. 【請求項３】 前記制御回路は、前記スイッチが非飽和
    モードで動作するように前記スイッチ電圧を制御するよ
    うに構成されている請求項１に記載のインクジェットプ
    リンタの発射エネルギー制御装置。
  4. 【請求項４】 前記制御回路はフィードバックループを
    含む請求項１に記載のインクジェットプリンタの発射エ
    ネルギー制御装置。
  5. 【請求項５】 前記制御回路は、ノズル発射パルスを受
    け取るように構成されている請求項１に記載のインクジ
    ェットプリンタの発射エネルギー制御装置。
  6. 【請求項６】 前記制御回路は、前記スイッチ電圧が基
    準電圧を超えて変動することを防止して、前記スイッチ
    が、前記ノズル抵抗器を通る前記ペンを発射するのに十
    分大きい量の電流を駆動するのに十分小さいオン抵抗を
    保持するように構成された請求項１に記載のインクジェ
    ットプリンタの発射エネルギー制御装置。
  7. 【請求項７】 前記制御回路は集積回路である請求項６
    に記載のインクジェットプリンタの発射エネルギー制御
    装置。
  8. 【請求項８】 前記基準電圧を十分低く設定することに
    より、前記スイッチによる所定量よりも多い量の電力損
    失を防止するようにした請求項６に記載のインクジェッ
    トプリンタの発射エネルギー制御装置。
  9. 【請求項９】 前記スイッチはトランジスタである請求
    項１に記載のインクジェットプリンタの発射エネルギー
    制御装置。
  10. 【請求項１０】 前記スイッチはローサイド・ドライバ
    ・トランジスタである請求項１に記載のインクジェット
    プリンタの発射エネルギー制御装置。
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