JP2004306395A - Driving circuit of ink jet head and ink jet printer comprising it - Google Patents

Driving circuit of ink jet head and ink jet printer comprising it Download PDF

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JP2004306395A JP2003102108A JP2003102108A JP2004306395A JP 2004306395 A JP2004306395 A JP 2004306395A JP 2003102108 A JP2003102108 A JP 2003102108A JP 2003102108 A JP2003102108 A JP 2003102108A JP 2004306395 A JP2004306395 A JP 2004306395A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To increase the ink ejection pressure by improving response of a driving voltage at a low cost while sustaining low power consumption. <P>SOLUTION: The driving circuit of an ink jet head comprising a capacitive load, i.e. a piezoelectric element 31, as an ink ejection means is provided with three storage capacitors C1-C3 performing charge/discharge, and switching elements SW1-SW4 for switching connection of a plurality of storage capacitors C1-C3 and the piezoelectric element 31. An inductor L is inserted into a charge/discharge passage formed between the storage capacitor C2 and the piezoelectric element 31 among charge/discharge passages formed sequentially between the storage capacitors C1-C3 and the piezoelectric element 31 when connection is switched sequentially by the switching elements SW1-SW4. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インクを吐出させる手段として、圧電体やキャパシタンス素子等の容量性負荷を備えたインクジェットヘッドに関し、特にインクジェットヘッドを駆動するためのインクジェットヘッドの駆動回路およびこの駆動回路を備えたインクジェットプリンタに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、インクを吐出させる手段として、圧電体(圧電素子)やキャパシタンス素子等の容量性負荷を有するインクジェットヘッドを備えたインクジェットプリンタが提案されている。
【0003】
例えば、容量性負荷として圧電体を有するインクジェットヘッドを備えたインクジェットプリンタでは、圧電体に対して電荷の供給/放電を繰り返すことにより、圧電体を変形させ、これによって生じる吐出圧力によって、インクを吐出して、印字するようになっている。
【0004】
近年では、上記のような容量性負荷を有するインクジェットヘッドにおいて、消費される電力を低減するための技術が種々提案されている。
【0005】
例えば、特許文献1には、容量性負荷としての圧電素子から放電される電荷をキャパシタに蓄えておき、この蓄えた電荷を、該圧電素子の充電時に使用することで、消費電力を低減する技術が開示されている。
【0006】
また、特許文献2には、容量性負荷としてのキャパシタンス素子から放電される電荷をインダクタンス素子に蓄えておき、この蓄えた電荷を、該キャパシタンス素子の充電時に使用することで、消費電力を低減する技術が開示されている。
【0007】
【特許文献1】
特開平11−170529号公報(平成11年6月29日公開)
【0008】
【特許文献2】
特開2000−218782号公報(平成12年8月8日公開)
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記の各特許文献において、圧電素子やキャパシタンス素子等の容量性負荷に対して電荷の充放電を行なう場合、少なくとも一端が電源に接続されている充電用のスイッチング素子1個と一端がGNDに接続されている放電用のスイッチング素子1個が必要である。
【0010】
したがって、充放電における過渡現象は、スイッチング素子が持つオン抵抗に代表される抵抗成分(R)と、容量性負荷の静電容量(C)によって構成されるRC等価回路によって決定される。つまり、容量性負荷に対する電荷の充電または放電に要する時間(容量性負荷に印加される駆動電圧の立ち上がりまたは立ち下がり時間)は、RC等価回路の時定数の約5倍となる。具体的には、抵抗成分(R)を50〔Ω〕、静電容量(C)を400〔pF〕とした場合、5×RC=100〔nsec〕が充電または放電に要する時間となる。つまり、容量性負荷に印加される駆動電圧の立ち上がり時間または立ち下がり時間が100〔nsec〕となる。
【0011】
ここで、消費電力を低減させる方法として、電荷を蓄積するための電荷蓄積素子(キャパシタ、インダクタンス素子)を複数段設け、1段毎に設けられたスイッチ等を順次ON/OFFさせることで、複数段の電荷蓄積素子と容量性負荷との間での電荷の授受を行なう方法が提案されている。
【0012】
例えば、n段の電荷蓄積素子の場合、1段の電荷蓄積素子に比べて消費電力は1/nになる。これは、充電時には、容量性負荷への充電に必要な全電荷量の1−1/nは電荷回収用の素子(電荷蓄積素子)から供給され、残りの1/nのみが電源から供給され、放電時には、充電された容量性負荷中の全電荷量の1−1/nが電荷蓄積素子に回収され、残りの1/nがグランドに捨てられることになるからである。
【0013】
そこで、特許文献1、2の場合においても、消費電力のさらなる低減のために、上記のような電荷蓄積素子(キャパシタ、インダクタンス素子)を複数段にすることが考える。
【0014】
しかしながら、特許文献1、2に開示された構成を複数段(n段)にしただけでは、各段における電荷の充放電における過渡現象は、上述した1段のRC等価回路の場合と同じである。したがって、1段当たりの充電または放電にかかる時間は、RC等価回路の時定数の約5倍となるため、n段の場合では5RC×nの時間が充電または放電にかかる時間となる。具体的には、電荷蓄積素子が3段設けられ、各段における抵抗値(R)を50〔Ω〕、静電容量(C)を400〔pF〕とした場合、5RC×n=5×50×400×3=300〔nsec〕が容量性負荷への駆動電圧の立ち上がり時間または立ち下がり時間となる。この場合、1段の場合に比べて、容量性負荷に印加する駆動電圧の立ち上がりまたは立ち下がり時間は3倍になっている。
【0015】
したがって、特許文献1、2の構成を単純に複数段(n段)にした場合、1段の場合に比べて、駆動電圧の立ち上がりまた立ち下がり時間はn倍になる。これでは、インクの吐出圧力を十分に得ることができず、適切な印字を行なうことができないという問題が生じる。
【0016】
そこで、上記のように電荷蓄積素子を複数段設けた場合の駆動電圧の立ち上がりまたは立ち下がり速度を改善する方法として、例えば、主な抵抗成分であるスイッチング素子のオン抵抗を小さくすることが考えられるが、コストが高くなるという問題が生じる。つまり、オン抵抗を1/3にしようとする場合、スイッチング素子を構成する半導体素子の面積を3倍にする必要があるので、該半導体素子の面積増大分のコスト上昇を招く。
【0017】
従って、スイッチング素子のオン抵抗を小さくしようとすれば、コスト上昇を招き、結果として、インクジェットプリンタの価格上昇を招くという問題が生じる。
【0018】
本発明は、上記の各問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、低消費電力を維持しつつ、コストを抑えて駆動電圧の応答性を改善して、インクの吐出圧力が十分に得ることのできるインクジェットヘッドの駆動回路およびこれを備えたインクジェットプリンタを提供することにある。
【0019】
【課題を解決するための手段】
本願発明者等は、上記の課題を解決すべく、鋭意検討した結果、電荷を蓄積するキャパシタを有する複数の電源端子と、容量性負荷との接続を順次切り替えて複数段の充放電経路を使用し、この複数段の充放電経路にインダクタンスを有する回路素子(以下、インダクタンス素子と称する)を挿入することによって、容量性負荷の駆動電圧が速やかに立ち上がりおよび立ち下がるようになり、該容量性負荷の応答性が向上することを見出した。
【0020】
すなわち、本発明のインクジェットヘッドの駆動回路は、インク吐出手段として容量性負荷を備えたインクジェットヘッドの駆動回路において、容量性負荷との間で電荷の充放電を行なう複数のキャパシタと、上記複数のキャパシタの一端を電源端子とし、上記複数の電源端子と上記容量性負荷との接続を順次切り替える切替手段とを有し、上記切替手段によって接続が順次切り替えられて上記電源端子と上記容量性負荷との間で形成される充放電経路に、インダクタンスを有する回路素子が挿入されていることを特徴としている。
【0021】
一般に、インダクタンスを有さない場合(RC直列回路)の充電の過渡現象は、容量性負荷の静電容量:Cとスイッチング素子等の抵抗成分:Rで決まり、次式で表される。
【0022】
Vc=E{1−exp(−t/CR)}
i=E/R・exp(−t/CR)=(E−Vc)/R
ここで、Vcは容量性負荷の電圧、iは容量性負荷に流れ込む電流、Eは電源電圧、tは充電時間である。この式からも判るように、スイッチング素子をON状態にした当初(t=0)は、充電電流が大きく(i=E/R)、容量性負荷の電圧の上昇速度(dVc/dt)も大きいが、双方とも時間と共に(充電が進むにつれて)小さくなり、図5の細線で示すように、電源電圧付近では容量性負荷の電圧がなかなか電源電圧に達しない状態となる。結局、ほぼ電源電圧に等しい(電源電圧の99%)に到達するには、時定数(CR)の約5倍の時間を要する。
【0023】
上記のような充放電経路を複数段設け、切替手段によって順次切り替えて、容量性負荷の充電を行なう場合、各段において同様な過渡現象があり、駆動電圧トータルの上昇速度は段数が多くなるほど鈍化する。この現象は、容量性負荷の放電の場合も同様である。すなわち、駆動電圧トータルの下降速度は段数が多くなるほど鈍化する。
【0024】
そこで、上記の構成のように、切替手段によって接続が順次切り替えられて電源端子と容量性負荷との間で形成される充放電経路に、インダクタンスを有する回路素子(以下、インダクタンス素子と称する)を挿入することで、駆動電圧の上昇および下降速度を向上できる。
【0025】
これは、インダクタンス素子の特性を利用して実現できるものである。インダクタンス素子は、自身が挿入されている経路における電流の状態を維持しようと作用する。このため、該経路に電流が流れていない定常状態では、電流を流れにくくするように働く一方、充放電が開始され、該経路に電流が流れれば、その電流を維持するよう働き、充放電を促進するかのように作用する。つまり、各段(充放電経路毎)において、インダクタンスがないCR直列回路の場合の各電源電圧付近での充放電速度の鈍化現象がなく、速やかに各電源電圧まで到達させることが出来る。
【0026】
また、複数段を順次スイッチングして最終的な駆動電圧(振幅)に充放電する際において、インダクタンスを共通化した場合は、前段(前の充放電経路)の最後の充放電電流が次の段(次の充放電経路)の初期電流として引き継がれるので、スイッチングのために休止することなく、充放電を継続できる。したがって、駆動電圧トータルの充放電過渡の時間を最小化し、充放電速度を向上させることが出来る。
【0027】
これらにより、キャパシタを有する電源端子と容量性負荷との間における電荷のやり取りに要する時間を短縮することができるため、全ての段の充放電経路にインダクタンス素子が挿入されていない場合と比べて、駆動電圧の立ち上がりおよび立ち下がりをより急峻にすることができる。
【0028】
よって、駆動電圧の応答性が向上するので、容量性負荷におけるインクの吐出圧力も高めることができる。しかも、スイッチング素子のオン抵抗を小さくすることなく、駆動電圧の応答性を向上させることが可能となるので、低消費電力を維持しつつ、コストを抑えてインクの吐出圧力を大きくすることが可能となる。
【0029】
上記のインダクタンス素子としては、例えば、固定コイルとしてのインダクタや、フェライトなどの電磁材料や、配線の寄生インダクタを利用するため意図的に配線長を長くしたもの等を使用することが可能である。
【0030】
また、上記インダクタンス素子は、上記切替手段と上記容量性負荷との間に挿入されていてもよい。
【0031】
この場合、複数の充放電経路を切り替える切替手段と容量性負荷との間にインダクタンス素子が挿入されていることで、該インダクタンス素子を充放電経路毎に挿入する必要がなく、必要な充放電経路を、切替手段を介して一つのインダクタンス素子に接続するようにすれば、部材の共通化を図ることが可能となる。これにより、駆動回路の回路構成を簡素化することが可能となる。
【0032】
また、上記電源端子の抵抗成分をR(Ω)、上記インダクタンス素子のインダクタンス成分をL(nH)、上記キャパシタのキャパシタンス成分をC(F)とし、R=50Ω、C=400pFの条件下において、下記の関係式(1)を満たすようにインダクタンス成分Lを設定するようにしてもよい。
【0033】
−29000≦(R−4・L/C)≦0・・・・・(1)
これにより、上記抵抗成分(R成分)、インダクタンス成分(L成分)、キャシタンス成分(C成分)によって構成されるRLC回路の一般的な条件として、例えば、アナログスイッチ等の切替手段のR成分として採用したON抵抗値R=50Ω、キャパシタンス成分C=400pFの条件下においては、上記の関係式(1)を満たすようにインダクタンス成分のL(nH)を設定することにより、適度なダンピングを有する振動的な過渡応答を経て所望の電圧に収束させることができ、且つ最も速い立ち上がり速度と比較して1.5倍未満の立ち上がり時間を得ることができる。
【0034】
すなわち、実験結果より、L=631nHで(R−4・L/C)=−3810の場合に、最も速い立ち上がり速度Tf=46nsが得られ、(R−4・L/C)≧−29,000nH(L≦3.15μH)の条件下であれば、Tf=46nsの1.5倍である69ns未満に立ち上がり時間を抑えることができ、高速応答が可能になる。
【0035】
これにより、高速な過渡応答が得られ、容量性負荷を所望の電圧値に収束させることができる。
【0036】
また、上記最上段の充放電経路、および最下段の充放電経路には、上記インダクタンスを有する回路素子が挿入されないようにしてもよい。
【0037】
最上段の充放電経路、および最下段の充放電経路に上記インダクタンスを有する回路素子が挿入されている場合、駆動電圧が過渡的にオーバーシュート、またはアンダーシュートとなり、駆動回路の電源電圧範囲を超えてしまうことで該駆動回路のラッチアップ等による破損が発生する恐れがある。
【0038】
従って、最上段の充放電経路、および最下段の充放電経路に上記インダクタンスを有する回路素子を挿入しないことによって、該駆動回路のラッチアップや破損を防止することができる。
【0039】
さらに、上記切替手段は、任意の充放電経路とこの充放電経路の次に形成される充放電経路とが同時に存在する期間を有するように、電源端子と容量性負荷との間の接続を切り替えるようにしてもよい。
【0040】
この場合、連続して形成される2つの充放電経路が同時に存在する期間を有するようになるので、容量性負荷を充電する際に、充放電経路が全く形成されないことにより発生するサージパルスを未然に防止し、駆動回路のラッチアップや破損の発生を防止できる。
【0041】
また、前段の充放電経路に流れている電流が、次段の充放電経路の初期電流とすることができるので、駆動電圧の立ち上がり時間を短縮することができる。
【0042】
また、上記インダクタンス素子の電源端子側配線と電源および接地電極との間に、通常逆バイアスとなるダイオードを挿入してもよい。
【0043】
この場合、インダクタンス素子の電源端子側配線と電源および接地電極との間に挿入されたダイオード(サージキラーダイオード)によって、ある電源端子と容量性負荷との接続が解除された状態となった場合に、該インダクタンス素子に流れつづけようとする電流によって発生するサージパルスを吸収することができる。これによって、サージパルスの発生による駆動回路のラッチアップや破損を防止できる。
【0044】
また、上記電源端子の抵抗成分をR(Ω)、上記インダクタンス素子のインダクタンス成分をL(nH)、上記キャパシタのキャパシタンス成分をC(F)としたとき、下記の関係式(2)または(3)を満たすようにインダクタンス成分Lを設定してもよい。
【0045】
0.03≦exp(−α・Tf)≦0.62・・・・・(2)
0.63≦Φ≦1.30 ・・・・・(3)
(ただし、α=R/2・L,ω=1/L・C,β=ω−α,Φ=tan−1(β/α),Tf=(π−Φ)/βとする。)
これにより、ベストモードである、exp(−a・Tf)≒0.16、Tf≒46ns、Φ≒0.89(51deg)の1.5倍以内の範囲時間に抑えることができるとともに、残留振動を半減させて、圧電体を所望の電圧値に収束させることができる。
【0046】
上記のようなインクジェットヘッドの駆動回路をインクジェットプリンタに搭載することで、非常に安価で、インクの吐出圧力の高いインクジェットプリンタを実現できる。すなわち、表示品位の高いインクジェットプリンタを安価に提供することが可能となる。
【0047】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施の形態について説明すれば、以下の通りである。なお、本実施の形態では、インクジェットプリンタの概略構成について説明し、その後で該インクジェットプリンタに備えられているインクジェットヘッドの駆動回路について詳細に説明する。
【0048】
図2は、本実施の形態に係るインクジェットプリンタの概略斜視図である。
【0049】
上記インクジェットプリンタ10は、図2に示すように、給紙部(給紙装置)1、分離部(図示せず)、搬送部2、印刷部3、および排出部4から構成される。
【0050】
給紙部1は、印刷を行なう際に記録用紙Sを供給するものであり、給紙トレイ11およびピックアップローラ12を備えている。印刷を行なわない際には、記録用紙Sを保管する機能を果たす。
【0051】
分離部は、上記給紙部1より供給される記録用紙Sを、印刷部3へ1枚づつ供給するためのものであり、給紙ローラおよび分離装置を備えている。この分離装置では、パッド部(記録用紙Sとの接触部分)と記録用紙Sとの摩擦が、記録用紙S間の摩擦より大きくなるように設定されている。また、給紙ローラでは、給紙ローラと記録用紙Sとの摩擦が、パッドと記録用紙Sとの摩擦や、記録用紙S間の摩擦よりも大きくなるように設定されている。そのため、2枚の記録用紙Sが上記分離部まで送られてきたとしても、給紙ローラによって、この記録用紙Sを分離し、上側の記録用紙Sのみを搬送部に送ることができる。
【0052】
搬送部2は、分離部より1枚ずつ供給される記録用紙Sを、印刷部3へと搬送するためのものであり、ガイド板(図示せず)およびローラ対(搬送押えローラ14・搬送ローラ15)よりなる。このローラ対は、記録用紙Sを印字ヘッド(インクジェットヘッド)13とプラテン16の間に送り込む際に、印字ヘッド13からのインクが記録用紙Sの適切な位置に吹き付けられるように、記録用紙Sの搬送を調整する部材である。
【0053】
印刷部3は、搬送部2のローラ対より供給される記録用紙Sヘの印刷を行なうためのものであり、印字ヘッド13、この印字ヘッド13を搭載したキャリッジ20、キャリッジ20を案内するための部材であるガイドシャフト(キャリッジ保持シャフト)21、印字ヘッド13にインクを供給するためのインクカートリッジ22、および印刷時に記録用紙Sの台となるプラテン16を備えている。また、インクカートリッジ22と、キャリッジ20内に設けられたサブインクタンク(図示せず)とは、インク供給経路(チューブ)23により、互いに接続されている。なお、サブインクタンクは、メインとなるインクカートリッジ22のインクを、安定して印字ヘッド13に供給するために設けられたインクタンクである。
【0054】
排出部4は、印刷が行われた記録用紙Sをインクジェットプリンタ10の外へ排出するためのものであり、排出ローラ(排出ローラ18a・18b)および排出トレイ25を備えている。
【0055】
上記の構成において、インクジェットプリンタ10は、次のような動作によって印刷を行なう。
【0056】
まず、図示しないコンピュータ等から、画像情報に基づく印刷要求が、インクジェットプリンタ10に対して送信される。印刷要求を受信したインクジェットプリンタ10は、給紙トレイ11上の記録用紙Sを、ピックアップローラ12によって給紙部1より搬出する。
【0057】
次に、搬出された記録用紙Sは、給紙ローラによって分離部を通過し、搬送部2へと送られる。搬送部2では、ローラ対(搬送押えローラ14・搬送ローラ15)によって、記録用紙Sを印字ヘッド13とプラテン16の間へと搬送する。
【0058】
そして、印刷部3では、印字ヘッド13の吐出し、ノズルによりプラテン16上の記録用紙Sへ、画像情報に対応してインクが吹き付けられる。このとき、記録用紙Sはプラテン16上で一旦停止されている。インクを吹き付けつつ、キャリッジ20は、ガイドシャフト21に案内されて、主走査方向に渡って一ライン分走査される。それが終了すると、記録用紙Sは、プラテン16上で副走査方向に一定の幅だけ移動させられる。印刷部3において、上記処理が画像情報に対応し継続して実施されることにより、記録用紙S全面に印刷がなされる。
【0059】
印刷が行われた記録用紙Sは、図示しないインク乾燥部を経て、排出部4の排出ローラ18a・18bによって排出トレイ25に排出される。その後、記録用紙Sは印刷物としてユーザに提供される。
【0060】
上記インクジェットプリンタ10は、以上のような構成、動作により、記録用紙に対して画像データに対応した印刷を行なうことができるようになっている。このインクジェットプリンタ10に使用される印字ヘッド13は、インクを吐出するためのインク吐出手段としての圧電体素子(容量性負荷)を複数個備えており、この圧電体素子に印加する駆動電圧を制御することでインク吐出量を制御することが可能なインクジェットヘッドである。
【0061】
図1は、インクジェットヘッドの駆動回路、すなわち、印字ヘッド13の駆動回路を示す図である。
【0062】
図1に示すように、インクジェットヘッドの駆動回路30は、容量性負荷としての圧電体素子31に電圧を印加することで、該圧電体素子31を変形させ、印字ヘッド13からのインク吐出量を制御するようになっている。このために、上記駆動回路30は、一つの容量性負荷Cとしての圧電体素子(ピエゾ)31に、切替手段としての複数段のスイッチング素子SW1〜SW4、抵抗R11〜R14等を備えた容量性負荷駆動回路である。
【0063】
すなわち、上記駆動回路30は、電荷の充放電を行なうキャパシタを含む複数の電源端子(電源VHと抵抗R11〜R14を含む)と、上記複数の電源端子と上記圧電体素子31との接続を順次切り替える切替手段(スイッチング素子SW1〜SW4)とを有し、上記切替手段によって接続が順次切り替えられて上記電源端子と上記容量性負荷との間で形成される充放電経路に、インダクタンスを有する回路素子(インダクタL)が挿入されている構成となっている。
【0064】
具体的には、上記駆動回路30は、図1に示すように、4段のマルチタップ型であって、スイッチング素子SW1〜SW4、抵抗R11〜R14、電源側コンデンサC1〜C3、分圧器としての抵抗R1〜R3、サージキラーダイオード(ダイオード)32a・32bおよびインダクタLを備えている。
【0065】
4段のマルチタップの各段には、スイッチング素子SW1〜SW4、抵抗R11〜R14が設けられており、各段の間には、キャパシタとしての電源側コンデンサC1〜C3および分圧器としての抵抗R1〜R3が設けられ、抵抗R1〜R3の側において電源VHと接地電極とに接続されている。
【0066】
なお、図1は、本発明のインクジェットヘッドの駆動回路の代表的な基本回路を示すものである。抵抗R11〜R14はそれぞれスイッチング素子SW1〜SW4のオン抵抗であって、個別に設けられたものではない。通常、これらのスイッチング素子は半導体素子で構成されるため、機械的な接点を有するスイッチに比べてオン時の抵抗は大きく、駆動回路の動作を考える上で無視できない。この図では、説明の便宜上、半導体スイッチを機械的な接点を有するスイッチと抵抗で表している。電源側コンデンサC1〜C3の静電容量(キャパシタンス)は圧電体素子31の静電容量(キャパシタンス)よりも充分に大きく、該圧電体素子31との間で電荷のやり取りをしても駆動電圧V1、V2の電圧変動が殆どないものである。
【0067】
ここで、上記駆動回路30による圧電体素子31の駆動について説明する。
【0068】
まず、分圧器としての抵抗R1〜R3に応じて電源側コンデンサC1〜C3に電荷が蓄積されている。
【0069】
スイッチング素子SW1がONの場合には、圧電体素子31はGNDレベルであり、完全に放電された状態である。次に、スイッチング素子のON状態をSW2,SW3へ順次切り替えていくことで、電源側コンデンサC1,C2,C3から圧電体素子31へ電荷が供給され、電圧V1,V2レベルに昇圧される。そして、スイッチング素子SW4をONした場合には、圧電体素子31には、電源電圧と同じVHの電圧が印加される。その後、スイッチング素子のON状態を、SW3、SW2、SW1へ切り替えていくことで、圧電体素子31に蓄積された電荷は、電源側コンデンサC3、C2、C1に移動(回収)しながら、圧電体素子31に印加される電圧をグランドレベルまで下げることができる。
【0070】
このように、本実施の形態のインクジェットプリンタ10では、1個の圧電体素子31毎に、複数段の電源側コンデンサC1〜C3を備えたマルチタップ型の容量性負荷の駆動回路30を備えており、圧電体素子31へ電荷を供給するとともに、その電荷を電源側コンデンサC1〜C3へ回収しながら圧電体素子31を駆動している。これにより、一旦圧電体素子31に蓄積された電荷を効率よく利用することができるので、圧電体素子31の駆動電力の消費量を低減することができる。
【0071】
ここで、本実施の形態のインクジェットプリンタ10が備えているインクジェットヘッド(印字ヘッド13)の駆動回路30においては、スイッチング素子SW2・SW3と圧電体素子31との間に、インダクタL(インダクタンスを有する回路素子)を挿入している。
【0072】
これにより、圧電体素子31に蓄積された電荷を電源側コンデンサC1・C2に回収する際に、インダクタLが電荷を回収するため、圧電体素子31の応答性を向上させることができる。逆に、電源側コンデンサC1〜C3に蓄積された電荷をインダクタLが回収して、効率よく圧電体素子31へ電荷を蓄積することができる。よって、マルチタップ型のインクジェットヘッドの駆動回路30を備えたインクジェットプリンタ10では、簡素な構成で、圧電体素子31に印加される駆動電圧の立ち上がり速度(スルーレート)及び立ち下り速度、すなわち応答速度を向上させることができ、十分な応答速度で圧電体素子31を駆動することができる。
【0073】
従って、圧電体素子31によるインク吐出圧力が十分に得られるようになるので、印字を適切に行なうことが可能となる。
【0074】
図3は、上記駆動回路30における圧電体素子31に印加される駆動電圧の波形図とそのときのスイッチング素子SW1〜SW4のON/OFF状態を示す図である。この図において、駆動電圧の波形図の太い実線は、図1に示した駆動回路30を動作させたときの圧電体素子31に印加される駆動電圧の電圧波形を示したものである。同じく細い破線は、図1のインダクタLがない場合のものを示しているものである。なお、インダクタLのない場合のスイッチング素子SWの状態は省略している。但し、インダクタLがない場合(駆動波形図の細い破線の電圧波形を得る場合)には、スイッチング素子SW2、SW3のONの時間を長くする必要がある。
【0075】
図3に示す駆動波形図から、駆動回路30内にインダクタLが設けられているものが、インダクタLが設けられていない場合に比べて、駆動電圧の立ち上がり速度/立ち下がり速度が向上していることが分かる。
【0076】
その理由として、駆動電圧を、GNDレベルから電圧V1に昇圧する場合で説明する。
【0077】
インダクタLが挿入されていない場合、抵抗R12と圧電体素子31で構成されるCR直列回路の充電特性によって、GNDレベルから電圧V1に昇圧するにしたがって、電圧の上昇速度が低下し、なかなか電圧V1に到達しない(図3の細い破線)。一方、適度な値のインダクタンスがある場合(図4に示す等価回路(RLC回路)と同等の場合)、インダクタLはその時々の電流を維持しようと作用するため、スイッチング素子SW2のON初期段階では電流が流れにくく電圧の上昇速度は遅いが、電流が流れ始めると電圧の上昇速度が高まり、急速に電圧V1に達することが出来る(図3の太い実線)。この1段当たりの昇圧の様子をインダクタLの値を変化させ調べた結果が、後述する表1、図5〜図7である。
【0078】
また、駆動電圧を、電圧V1からV2へ昇圧させる時、電圧VHから電圧V2へ降圧させる時、電圧V2からV1へ降圧させる時も同様である。但し、電圧V2からVHへ昇圧させる時と、電圧V1からGNDへ降圧させる時は、インダクタLを介さないので、当然細い破線と同様の挙動を示す。
【0079】
また、本実施の形態の駆動回路30では、図1に示すように、最上段のスイッチング素子SW4と最下段のスイッチング素子SW1には、インダクタLは挿入されていない。これにより、駆動電圧が過渡的にオーバーシュートやアンダーシュートによる駆動回路のラッチアップや破損の発生を防止できる。
【0080】
また、本実施の形態のインクジェットプリンタ10では、駆動回路30によって圧電体素子31を駆動する際に、例えば、スイッチング素子SW1からSW2へ切り替える場合に、双方のSWがON状態となる期間を有するように各スイッチング素子SWを切り替えるようになっている。
【0081】
これにより、双方のSWがOFF状態となって生じるサージパルスを抑制することで、駆動回路30のラッチアップや破損の発生を防止できる。また、前段のSWの充電電流が次段のSWの初期電流となるため、立ち上がり時間を短縮できる。
【0082】
さらに、インダクタLの電源電圧側の端子と接地電極および電源との間には、通常逆バイアスとなるサージキラーダイオード32a・32bが挿入されている。
【0083】
これにより、スイッチング素子SWを準じ切り替えている際に、隣り合うSWが双方OFF状態となってサージパルスが発生した場合でも、サージキラーダイオード32a・32bがこれを吸収することで、駆動回路30のラッチアップや破損の発生を防止できる。
【0084】
上記構成のインクジェットプリンタ10に備えられたインクジェットヘッドの駆動回路30では、成分R・L・Cを、以下に示すような関係を満たすように設定している。
【0085】
ここで、図4に示すような、RLCのモデル回路において、R=50Ω、C=400pFとして、Lを変化させ、所望の電圧値5Vに到達するまでの時間を計測する実験を行った。
【0086】
すなわち、図1におけるインダクタLを介した1段の回路を、図4に示すRLC直列回路を等価回路として、この等価回路の充電特性をインダクタLの値を変化させて調べた結果が表1、図6、図7である。
【0087】
【表1】

Figure 2004306395
【0088】
具体的には、図4において、一端が安定した電源Vinに接続されたRLC直列回路のスイッチング素子SWをONした時点を時間軸の原点とし、負荷側(圧電体素子を示すコンデンサC側)の電圧VoutがVinの99%に達する時間を測定した。その結果が、上述のように、表1、図6、図7である。なお、図5は、インダクタンスなしの場合とインダクタンスありの場合で、L=631nH(最良の結果が得られた)場合の電圧波形を代表的に示したものである。
【0089】
上記の実験結果から、L=631nHにおいて立ち上がり速度が最も速く(45.8nsec)なることが分かった。この結果から、上記条件下においては、ベストモードに対するマージンを考慮して、最速の立ち上がり速度である45.8nsecの50%増の約68nsecまでを許容範囲とした場合には、表1、図7より、(R−4L/C)≧−29000とすることで、常に立ち上がり速度を高い状態で維持することができることになる。
【0090】
一方、(R−4L/C)の上限値については、振動的な過渡応答が得られる0を基準とすることで、所望の電圧値に収束させることができる。
【0091】
よって、R=50Ω、C=400pFの条件下においては、下記の関係式(1)を満たすようにインダクタンス成分Lを設定することで、常に応答速度の速い状態を維持できる。
【0092】
−29000≦(R2−4L/C)≦0・・・・・(1)
また、R、Cについての条件を問わない、R、L、Cについての一般的な関係についても、以下に示すような関係式(2)または(3)を満たすようにインダクタンス成分Lを設定することで、常に応答速度を向上させたインクジェットヘッドの駆動回路(容量性負荷駆動回路)30を得ることができる。
【0093】
0.03≦exp(−αTf)≦0.62・・・・・(2)
0.63≦Φ≦1.3・・・・・(3)
なお、上記の関係式(2)、(3)についての詳細は、後述する。
【0094】
R、L、Cの過渡現象については、図4に示すRLC回路において、t=0でスイッチング素子SWをONしたときには、以下のような式で示すことができる。
【0095】
L(dI(t)/dt)+RI(t)+(1/C)∫I(t)dt=e(t)・・・・・(4)
ここで、キャパシタンスCの初期電圧V、インダクタLの初期電流i、電源電圧Eとすると、キャパシタンスCの端子電圧Ec(t)は、
Ec(t)=E1(t)+E2(t)+V0・・・・・(5)
E1(t)=(I/C)(1/b)exp(−αt)sin(βt)・・・・・(6)
E2(t)=(E−V){1−(ω/β)exp(−αt)sin(βt+Φ)}・・・・・(7)
(ただし、α=R/(2L)、β=ω−α、Tf=(π−Φ)/β、ω=1/(LC)、Φ=tan−1(β/α)とする。)
となる。
【0096】
一方、キャパシタンスCに流れる電流をI(t)とすると、
I(t)=I(t)+I(t)・・・・・(8)
(t)=Iexp(−αt)cos(βt)・・・・・(9)
(t)=〔{E−(I・R/2)}/L〕(1/b)exp(−αt)sin(βt)・・・・・(10)
(ただし、α=R/(2L)、β=ω−α、ω=1/(LC)、Φ=tan−1(β/α)とする。)
以上のような式(4)〜(10)から、正規化したE1、E2、および、exp(−αt)(凡例ではexpと略記)、sin(βt+Φ)(凡例ではsinΦと略記)、sin(βt)(凡例ではsinと略記)は、図8に示すようなグラフとなる。
【0097】
図8および上記の関係式(4)〜(10)から明らかなように、初期電圧、初期電流がゼロの時、目標電圧に到達してスイッチング素子を切り替えるタイミング(正規化E1=1となるタイミング)のとき、sin(βt+Φ)=0であり、よって、βt+Φ=πとなる。立上り時間(切替え時間)Tf=(π−Φ)/βが小さくなるように諸条件を設定すればよい。
【0098】
ここで、表1で示した実験結果(R=50Ω、C=400pFの条件)を基準として、駆動電圧の立ち上がり時間Tfを評価するために△Tf/△Lを求め図示したのが図9であり、◇がTf(第1Y軸)、△が△Tf/△L(第2Y軸)を示している。
【0099】
また、抵抗Rを10倍、1/10倍、コンデンサの蓄積容量Cを10倍、1/10倍にした場合の、インダクタLとT(ns)の関係を示す実線(第1Y軸)およびexp(−αT)との関係を示す破線(第2Y軸)は、図10(a)〜図10(d)に示すようになる。
【0100】
図9に示すグラフから、基準実験設定においては、△Tf/△Lの曲線よりL>316(nH)に設定すればよいことがわかる。また、Tfの曲線より631(nH)<L<1259(nH)に設定すれば切替時間をほぼ最短にできることが示されている。
【0101】
ところが、図10(a)〜図10(d)に示すように、抵抗R、コンデンサの蓄積容量Cが10倍、1/10倍に変化すると最適のインダクタンスは10倍、1/10倍に変化するが、各条件を示すグラフはほぼ同じ傾向を示すことが分かる。
【0102】
図9、図10(a)〜図10(d)に示すグラフをまとめたものを表2に示す。
【0103】
【表2】
Figure 2004306395
【0104】
この表2から、応答速度が最短となるLの値、そのときの共振周波数ω、その周期Tω等は、桁が変化するものの、Φ(rad)、exp(−αTf)は変化せず、一定となっていることがわかる。
【0105】
このことから、Φあるいはexp(−αTf)をある条件下に収まるように設定することで、常にベストモードに近い応答速度が得られることがわかる。
【0106】
そこで、ベストモードとなるL=631nHにおけるその他の条件を振って、ベストモードの50%増を上限とするΦおよびexp(−αTf)についての条件式を求めると、表3より、以下の関係式(2)および(3)を導くことができる。
【0107】
【表3】
Figure 2004306395
【0108】
0.03≦exp(−αTf)≦0.62・・・・・(2)
0.63≦Φ≦1.3・・・・・(3)
上記の関係式(2)、(3)を満たすことで、R、Cについての条件を問わない、R、L、Cについての一般的な関係において、常に応答速度を向上させたインクジェットヘッドの駆動回路(容量性負荷駆動回路)30を得ることができる。
【0109】
なお、上記インクジェットプリンタ10では、インクジェットヘッドの駆動回路30として、図1に示す回路の他に、図11に示す駆動回路40、図12に示す駆動回路50であっても同様の効果を得ることができる。
【0110】
すなわち、図1では、エネルギ回収用のコンデンサがラダー抵抗(R1〜R3)によって分割された、隣り合う電位間に接続されているのに対して、図12では、ラダー抵抗(R1〜R3)によって分割された電位とGNDに接続されている点で構成上の違いはあるが、機能・効果は同じである。
【0111】
従って、上記のようなインクジェットヘッドの駆動回路31をインクジェットプリンタ10に搭載することで、非常に安価で、インクの吐出圧力の高いインクジェットプリンタを実現できる。すなわち、表示品位の高いインクジェットプリンタを安価に提供することが可能となる。
【0112】
また、上記のインダクタンス素子としては、本実施の形態では、固定コイルとしてのインダクタを用いたが、これに限定されるものではなく、例えばフェライトなどの電磁材料や、配線の寄生インダクタを利用するため意図的に配線長を長くしたもの等を使用することが可能である。
【0113】
なお、図1、図11、図12に示す各駆動回路は、段数が3段(n=3)であるが、これに限定されるものではなく、2段以上(n≧2)であれば、本発明の効果を奏することができる。
【0114】
そして、本実施の形態の各駆動回路では、何れも、初段の充放電経路にインダクタンス素子が挿入されない例を示しているが、全ての段の充放電経路にインダクタンス素子を挿入してもよい。この場合、駆動電圧のオーバーシュート、アンダーシュート等の問題が生じる虞があるが、消費電力低減のために、複数段の充放電経路を備え場合に、全くインダクタンス素子を挿入しない場合に比べて、駆動電圧の応答速度は速くなる。
【0115】
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【0116】
【発明の効果】
本発明のインクジェットヘッドの駆動回路は、以上のように、インク吐出手段として容量性負荷を備えたインクジェットヘッドの駆動回路において、電荷の充放電を行なうキャパシタを含む複数の電源端子と、上記複数の電源端子と上記容量性負荷との接続を順次切り替える切替手段とを有し、上記切替手段によって接続が順次切り替えられて上記電源端子と上記容量性負荷との間で形成される充放電経路に、インダクタンスを有する回路素子が挿入されている構成である。
【0117】
それゆえ、切替手段によって接続が順次切り替えられて電源端子と容量性負荷との間で順次形成される充放電経路に、インダクタンスを有する回路素子(以下、インダクタンス素子と称する)を挿入することで、駆動電圧の立ち上がりに存在するなまりが解消され、駆動電圧の上昇時間(充電時間)を短縮できる。
【0118】
また、複数段を順次スイッチングして最終的な駆動電圧(振幅)に充放電する際において、インダクタンスを共通化した場合は、前段(前の充放電経路)の最後の充放電電流が次の段(次の充放電経路)の初期電流として引き継がれるので、スイッチングのために休止することなく、充放電を継続できる。したがって、駆動電圧トータルの充放電過渡の時間を最小化し、充放電速度を向上させることが出来る。
【0119】
これらにより、キャパシタを有する電源端子と容量性負荷との間における電荷のやり取りに要する時間を短縮することができるため、全ての段の充放電経路にインダクタンス素子が挿入されていない場合と比べて、駆動電圧の立ち上がりおよび立ち下がりをより急峻にすることができる。
【0120】
よって、駆動電圧の応答性が向上するので、容量性負荷におけるインクの吐出圧力も高めることができる。しかも、スイッチング素子のオン抵抗を小さくすることなく、駆動電圧の応答性を向上させることが可能となるので、低消費電力を維持しつつ、コストを抑えてインクの吐出圧力を大きくすることができるという効果を奏する。
【0121】
上記のインダクタンス素子としては、例えば、固定コイルとしてのインダクタや、フェライトなどの電磁材料や、配線の寄生インダクタを利用するため意図的に配線長を長くしたもの等を使用することが可能である。
【0122】
また、上記インダクタンス素子は、上記切替手段と上記容量性負荷との間に挿入されていてもよい。
【0123】
この場合、複数の充放電経路を切り替える切替手段と容量性負荷との間にインダクタンス素子が挿入されていることで、該インダクタンス素子を充放電経路毎に挿入する必要がなく、必要な充放電経路を、切替手段を介して一つのインダクタンス素子に接続するようにすれば、部材の共通化を図ることが可能となる。これにより、駆動回路の回路構成を簡素化することができるという効果を奏する。
【0124】
また、上記電源端子の抵抗成分をR(Ω)、上記インダクタンス素子のインダクタンス成分をL(nH)、上記キャパシタのキャパシタンス成分をC(F)とし、R=50Ω、C=400pFの条件下において、下記の関係式(1)を満たすようにインダクタンス成分Lを設定してもよい。
【0125】
−29000≦(R−4・L/C)≦0・・・・・(1)
これにより、上記抵抗成分(R成分)、インダクタンス成分(L成分)、キャシタンス成分(C成分)によって構成されるRLC回路の一般的な条件として、例えば、アナログスイッチ等の切替手段のR成分として採用したON抵抗値R=50Ω、キャパシタンス成分C=400pFの条件下においては、上記の関係式(1)を満たすようにインダクタンス成分のL(nH)を設定することにより、適度なダンピングを有する振動的な過渡応答を経て所望の電圧に収束させることができるとともに、最も速い立ち上がり速度と比較して1.5倍未満の立ち上がり時間を得ることができる。
【0126】
すなわち、実験結果より、L=631nHで(R−4・L/C)=−3810の場合に、最も速い立ち上がり速度Tf=46nsが得られ、(R−4・L/C)≧−29,000nH(L≦3.15μH)の条件下であれば、Tf=46nsの1.5倍である69ns未満に立ち上がり時間を抑えることができ、高速応答が可能になる。
【0127】
これにより、高速な過渡応答が得られ、容量性負荷を所望の電圧値に収束させることができるという効果を奏する。
【0128】
また、最上段の充放電経路、および最下段の充放電経路に上記インダクタンスを有する回路素子を挿入しないようにしてもよい。
【0129】
インダクタンスを有する回路素子(インダクタンス素子)を挿入した場合、駆動電圧が過渡的にオーバーシュート、アンダーシュートとなり、該駆動電圧が不安定となって駆動回路の電源電圧範囲を超えてしまうことで該駆動回路のラッチアップや破損が発生する。
【0130】
従って、最上段の充放電経路、および最下段の充放電経路に上記インダクタンスを有する回路素子を挿入しないようにすることで、駆動電圧が過渡的にオーバーシュートやアンダーシュートとなることを防止し、該駆動回路のラッチアップや破損を防止することができる。
【0131】
さらに、上記切替手段は、任意の充放電経路とこの充放電経路の次に形成される充放電経路とが同時に存在する期間を有するように、電源端子と容量性負荷との間の接続を切り替えるようにしてもよい。
【0132】
この場合、連続して形成される2つの充放電経路が同時に存在する期間を有するようになるので、容量性負荷を充電する際に、充放電経路が全く形成されないことにより発生するサージパルスを未然に防止し、駆動回路のラッチアップや破損の発生を防止できる。
【0133】
また、前段の充放電経路に流れている電流が、次段の充放電経路の初期電流とすることができるので、駆動電圧の立ち上がり時間を短縮することができるという効果を奏する。
【0134】
また、上記インダクタンス素子の電源端子側配線と電源および接地電極との間に、通常逆バイアスとなるダイオードを挿入してもよい。
【0135】
この場合、インダクタンス素子の電源端子側配線と電源および接地電極との間に挿入されたダイオードによって、ある電源端子と容量性負荷との接続が解除された状態となった場合に、該インダクタンス素子に流れつづけようとする電流によって発生するサージパルスを吸収することができる。これによって、サージパルスの発生による駆動回路のラッチアップや破損を防止できるという効果を奏する。
【0136】
また、上記電源端子の抵抗成分をR(Ω)、上記インダクタンス素子のインダクタンス成分をL(nH)、上記キャパシタのキャパシタンス成分をC(F)としたとき、下記の関係式(2)または(3)を満たすようにインダクタンス成分Lを設定してもよい。
【0137】
0.03≦exp(−α・Tf)≦0.62・・・・・(2)
0.63≦Φ≦1.30 ・・・・・(3)
(ただし、α=R/2・L,ω=1/L・C,β=ω−α,Φ=tan−1(β/α),Tf=(π−Φ)/βとする。)
これにより、ベストモードである、exp(−a・Tf)≒0.16、Tf≒46ns、Φ≒0.89(51deg)の1.5倍以内の範囲時間に抑えることができるとともに、残留振動を半減させて、圧電体を所望の電圧値に収束させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態にかかるインクジェットヘッドの駆動回路を示す回路図である。
【図2】インクジェットプリンタの概略斜視構成図である。
【図3】図1に示す駆動回路の駆動波形図と各スイッチング素子のON/OFF状態との関係を示す図である。
【図4】図1に示す駆動回路のうち、R成分、L成分、C成分を直列に接続したRCL直列回路を示す回路図である。
【図5】インクジェットヘッドの駆動回路において、インダクタの有無による充電特性を示すグラフである。
【図6】図4に示すRCL直列回路において、L成分を変化させた場合の電圧到達率所要時間を測定した結果を示すグラフである。
【図7】図4に示すRCL直列回路において、L成分を変化させた場合の電圧到達率所要時間を測定した結果を示す他の例のグラフである。
【図8】図4に示すRCL直列回路において、各条件において、インダクタを流れる電流値と、キャパシタに印加される電圧との関係を示すグラフである。
【図9】図4に示すRCL直列回路において、駆動電圧の立ち上がり時間を評価するためのグラフである。
【図10】(a)〜(d)は、図9に示す駆動電圧の立ち上がり時間の評価の比較例を示すグラフである。
【図11】本発明のインクジェットヘッドの駆動回路の他の例を示す回路図である。
【図12】本発明のインクジェットヘッドの駆動回路のさらに他の例を示す回路図である。
【符号の説明】
1 給紙部
2 搬送部
3 印刷部
4 排出部
10 インクジェットプリンタ
11 給紙トレイ
12 ピックアップローラ
13 印字ヘッド
16 プラテン
18a・18b 排出ローラ
20 キャリッジ
21 ガイドシャフト
22 インクカートリッジ
23 インク供給経路
25 排出トレイ
30 駆動回路
31 圧電体素子(容量性負荷)
32a・32b サージキラーダイオード(ダイオード)
40 駆動回路
50 駆動回路
C1〜C3 電源側コンデンサ(キャパシタ、キャパシタンス成分)
E 電源電圧(電源端子)
L インダクタ(インダクタンスを有する回路素子、インダクタンス成分)
R11〜R14 抵抗(抵抗成分)
SW1〜SW4 スイッチング素子(切替手段)
Tf 立上り時間
Tω 周期
電圧(駆動電圧)
電圧(駆動電圧)
VH 電源[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an inkjet head having a capacitive load such as a piezoelectric element or a capacitance element as a means for discharging ink, and more particularly to a drive circuit of an inkjet head for driving an inkjet head and an inkjet printer including the drive circuit. It is about.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, as a means for discharging ink, an inkjet printer having an inkjet head having a capacitive load such as a piezoelectric element (piezoelectric element) or a capacitance element has been proposed.
[0003]
For example, in an ink jet printer having an ink jet head having a piezoelectric material as a capacitive load, the piezoelectric material is deformed by repeating supply / discharge of electric charge to the piezoelectric material, and ink is ejected by an ejection pressure generated thereby. And print it.
[0004]
In recent years, various techniques have been proposed for reducing the power consumption of an inkjet head having the above-described capacitive load.
[0005]
For example, Patent Literature 1 discloses a technique in which electric charge discharged from a piezoelectric element as a capacitive load is stored in a capacitor, and the stored electric charge is used when charging the piezoelectric element, thereby reducing power consumption. Is disclosed.
[0006]
Further, in Patent Document 2, electric charge discharged from a capacitance element as a capacitive load is stored in an inductance element, and the stored electric charge is used at the time of charging the capacitance element, thereby reducing power consumption. The technology is disclosed.
[0007]
[Patent Document 1]
JP-A-11-170529 (published on June 29, 1999)
[0008]
[Patent Document 2]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-218782 (released on August 8, 2000)
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
In the above patent documents, when charging and discharging a capacitive load such as a piezoelectric element or a capacitance element, at least one charging switching element having one end connected to a power supply and one end having a GND. Requires one switching element for discharge connected to the switch.
[0010]
Therefore, the transient phenomenon in charging / discharging is determined by an RC equivalent circuit composed of a resistance component (R) represented by the ON resistance of the switching element and the capacitance (C) of the capacitive load. That is, the time required for charging or discharging the charge to the capacitive load (the rise or fall time of the drive voltage applied to the capacitive load) is about five times the time constant of the RC equivalent circuit. Specifically, when the resistance component (R) is 50 [Ω] and the capacitance (C) is 400 [pF], 5 × RC = 100 [nsec] is the time required for charging or discharging. That is, the rise time or fall time of the drive voltage applied to the capacitive load is 100 [nsec].
[0011]
Here, as a method of reducing power consumption, a plurality of charge storage elements (capacitors, inductance elements) for storing electric charges are provided, and a switch or the like provided for each step is sequentially turned on / off. There has been proposed a method of transferring charges between a charge storage element in a stage and a capacitive load.
[0012]
For example, in the case of an n-stage charge storage element, the power consumption is 1 / n compared to a single-stage charge storage element. That is, at the time of charging, 1-1 / n of the total charge amount required for charging the capacitive load is supplied from the charge collection element (charge storage element), and only the remaining 1 / n is supplied from the power supply. This is because, at the time of discharging, 1-1 / n of the total charge amount in the charged capacitive load is collected by the charge storage element, and the remaining 1 / n is discarded to the ground.
[0013]
Therefore, in the case of Patent Documents 1 and 2, in order to further reduce power consumption, it is considered that the above-described charge storage elements (capacitors, inductance elements) are provided in a plurality of stages.
[0014]
However, when the configurations disclosed in Patent Documents 1 and 2 are simply configured in a plurality of stages (n stages), the transient phenomenon in charge and discharge of electric charges in each stage is the same as in the case of the above-described one-stage RC equivalent circuit. . Therefore, the time required for charging or discharging per stage is about five times the time constant of the RC equivalent circuit. In the case of n stages, 5RC × n is the time required for charging or discharging. Specifically, when three stages of charge storage elements are provided, and the resistance (R) at each stage is 50 [Ω] and the capacitance (C) is 400 [pF], 5RC × n = 5 × 50 × 400 × 3 = 300 [nsec] is the rise time or fall time of the drive voltage to the capacitive load. In this case, the rise or fall time of the drive voltage applied to the capacitive load is tripled as compared with the case of one stage.
[0015]
Therefore, when the configurations of Patent Documents 1 and 2 are simply arranged in a plurality of stages (n stages), the rise or fall time of the drive voltage is n times longer than in the case of one stage. In this case, a problem arises in that it is not possible to obtain a sufficient ink ejection pressure, and it is not possible to perform appropriate printing.
[0016]
Therefore, as a method of improving the rise or fall speed of the drive voltage when a plurality of charge storage elements are provided as described above, for example, it is conceivable to reduce the on-resistance of the switching element, which is a main resistance component. However, there is a problem that the cost increases. In other words, if the on-resistance is to be reduced to 3, the area of the semiconductor element constituting the switching element must be tripled, which leads to an increase in the cost of the area of the semiconductor element.
[0017]
Therefore, if the on-resistance of the switching element is reduced, the cost will increase, and as a result, the price of the ink jet printer will increase.
[0018]
The present invention has been made in view of the above-described problems, and has as its object to reduce the cost and improve the responsiveness of the drive voltage while maintaining low power consumption, so that the ink ejection pressure can be sufficiently increased. It is another object of the present invention to provide an ink-jet head drive circuit which can be obtained at the same time and an ink-jet printer having the same.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, the inventors of the present invention have conducted intensive studies and have found that a plurality of power supply terminals having a capacitor for accumulating electric charges and a plurality of stages of charge / discharge paths are used by sequentially switching connections between the terminals and a capacitive load. By inserting a circuit element having an inductance (hereinafter referred to as an inductance element) into the plurality of stages of charge / discharge paths, the driving voltage of the capacitive load quickly rises and falls, and the capacitive load Was found to improve responsiveness.
[0020]
That is, a drive circuit for an inkjet head according to the present invention includes, in a drive circuit for an inkjet head having a capacitive load as an ink discharge unit, a plurality of capacitors for charging and discharging electric charges with the capacitive load; One end of the capacitor is used as a power supply terminal, and further comprising switching means for sequentially switching the connection between the plurality of power supply terminals and the capacitive load, wherein the connection is sequentially switched by the switching means and the power supply terminal and the capacitive load are switched. A circuit element having an inductance is inserted into a charge / discharge path formed between the circuit elements.
[0021]
In general, a charging transient when there is no inductance (RC series circuit) is determined by the capacitance of a capacitive load: C and the resistance component of a switching element: R, and is expressed by the following equation.
[0022]
Vc = E {1-exp (-t / CR)}
i = E / R · exp (−t / CR) = (E−Vc) / R
Here, Vc is the voltage of the capacitive load, i is the current flowing into the capacitive load, E is the power supply voltage, and t is the charging time. As can be seen from this equation, at the beginning (t = 0) when the switching element is turned on, the charging current is large (i = E / R), and the rate of rise of the voltage of the capacitive load (dVc / dt) is also large. However, both decrease with time (as charging progresses), and as shown by the thin line in FIG. 5, the voltage of the capacitive load hardly reaches the power supply voltage near the power supply voltage. As a result, it takes about five times the time constant (CR) to reach almost equal to the power supply voltage (99% of the power supply voltage).
[0023]
When charging and discharging a capacitive load by providing a plurality of stages of charge / discharge as described above and sequentially switching by the switching means, there is a similar transient phenomenon in each stage, and the speed of increasing the total drive voltage becomes slower as the number of stages increases. I do. This phenomenon is the same in the case of discharging a capacitive load. That is, the lowering speed of the total drive voltage becomes slower as the number of stages increases.
[0024]
Therefore, as in the above configuration, a circuit element having an inductance (hereinafter, referred to as an inductance element) is provided in a charge / discharge path formed between a power supply terminal and a capacitive load by sequentially switching connections by the switching means. The insertion can increase the rise and fall speeds of the drive voltage.
[0025]
This can be realized by utilizing the characteristics of the inductance element. The inductance element acts to maintain the state of the current in the path in which the inductance element is inserted. For this reason, in a steady state in which no current flows through the path, charging and discharging are started while current flows, and when current flows through the path, the current is maintained to maintain the current. Acts as if promoting. In other words, in each stage (each charge / discharge path), there is no slowdown phenomenon of the charge / discharge speed near each power supply voltage in the case of a CR series circuit having no inductance, and it is possible to quickly reach each power supply voltage.
[0026]
Further, when a plurality of stages are sequentially switched to charge / discharge to a final drive voltage (amplitude), if the inductance is shared, the last charge / discharge current of the previous stage (previous charge / discharge path) becomes the next stage. Since the current is taken over as the initial current of the (next charge / discharge path), the charge / discharge can be continued without pausing for switching. Therefore, the charge / discharge transition time of the total drive voltage can be minimized, and the charge / discharge speed can be improved.
[0027]
Because of these, it is possible to reduce the time required for the exchange of electric charge between the power supply terminal having the capacitor and the capacitive load, so that compared to the case where the inductance element is not inserted in the charge and discharge paths of all stages, The rise and fall of the drive voltage can be made steeper.
[0028]
Therefore, the responsiveness of the drive voltage is improved, so that the ink ejection pressure under the capacitive load can be increased. Moreover, since the response of the driving voltage can be improved without reducing the on-resistance of the switching element, it is possible to increase the ink ejection pressure while suppressing cost while maintaining low power consumption. It becomes.
[0029]
As the above-mentioned inductance element, for example, it is possible to use an inductor as a fixed coil, an electromagnetic material such as ferrite, or a wire whose length is intentionally increased in order to use a parasitic inductor of the wire.
[0030]
Further, the inductance element may be inserted between the switching means and the capacitive load.
[0031]
In this case, since the inductance element is inserted between the switching means for switching the plurality of charge / discharge paths and the capacitive load, it is not necessary to insert the inductance element for each charge / discharge path, and the necessary charge / discharge path is not required. Is connected to one inductance element via the switching means, it is possible to use a common member. This makes it possible to simplify the circuit configuration of the drive circuit.
[0032]
Further, when a resistance component of the power terminal is R (Ω), an inductance component of the inductance element is L (nH), and a capacitance component of the capacitor is C (F), R = 50Ω and C = 400 pF, The inductance component L may be set so as to satisfy the following relational expression (1).
[0033]
−29000 ≦ (R 2 −4 · L / C) ≦ 0 (1)
Thereby, as a general condition of the RLC circuit composed of the resistance component (R component), the inductance component (L component), and the capacitance component (C component), for example, it is adopted as an R component of a switching unit such as an analog switch. Under the condition that the ON resistance value R = 50Ω and the capacitance component C = 400 pF, by setting L (nH) of the inductance component so as to satisfy the above relational expression (1), the vibration having the appropriate damping is obtained. It is possible to converge on a desired voltage through a transient response and obtain a rise time less than 1.5 times as fast as the fastest rise speed.
[0034]
That is, from the experimental results, (R = 631 nH) 2 −4 · L / C) = − 3810, the fastest rising speed Tf = 46 ns is obtained, and (R 2 Under the condition of −4 · L / C) ≧ −29,000 nH (L ≦ 3.15 μH), the rise time can be suppressed to less than 69 ns, which is 1.5 times Tf = 46 ns, and high-speed response can be achieved. Will be possible.
[0035]
As a result, a high-speed transient response can be obtained, and the capacitive load can converge to a desired voltage value.
[0036]
Further, the circuit element having the inductance may not be inserted into the uppermost charge / discharge path and the lowermost charge / discharge path.
[0037]
When a circuit element having the above inductance is inserted in the uppermost charge / discharge path and the lowest charge / discharge path, the drive voltage transiently overshoots or undershoots, and exceeds the power supply voltage range of the drive circuit. This may cause damage to the drive circuit due to latch-up or the like.
[0038]
Therefore, by not inserting the circuit element having the above-described inductance into the uppermost charge / discharge path and the lowermost charge / discharge path, it is possible to prevent latch-up and breakage of the drive circuit.
[0039]
Further, the switching means switches the connection between the power supply terminal and the capacitive load such that an arbitrary charge / discharge path and a charge / discharge path formed next to the charge / discharge path have a period in which the charge / discharge path exists simultaneously. You may do so.
[0040]
In this case, since there is a period in which two charge / discharge paths that are formed continuously exist at the same time, a surge pulse generated when no charge / discharge path is formed when charging a capacitive load is generated. And the occurrence of latch-up and breakage of the drive circuit can be prevented.
[0041]
Further, since the current flowing in the preceding charge / discharge path can be used as the initial current of the next charge / discharge path, the rise time of the drive voltage can be shortened.
[0042]
Further, a diode which normally has a reverse bias may be inserted between the power supply terminal side wiring of the inductance element and the power supply and the ground electrode.
[0043]
In this case, when a connection between a certain power supply terminal and a capacitive load is released by a diode (surge killer diode) inserted between the power supply terminal side wiring of the inductance element and the power supply and the ground electrode, It is possible to absorb a surge pulse generated by a current that continues to flow through the inductance element. Thus, latch-up and breakage of the drive circuit due to generation of a surge pulse can be prevented.
[0044]
When the resistance component of the power terminal is R (Ω), the inductance component of the inductance element is L (nH), and the capacitance component of the capacitor is C (F), the following relational expression (2) or (3) ) May be set as the inductance component L.
[0045]
0.03 ≦ exp (−α · Tf) ≦ 0.62 (2)
0.63 ≦ Φ ≦ 1.30 (3)
(However, α = R / 2 · L, ω 2 = 1 / LC, β = ω 2 −α 2 , Φ = tan -1 (Β / α), Tf = (π−Φ) / β. )
As a result, exp (-a · Tf) ≒ 0.16, Tf ≒ 46 ns, and ≒ 0.89 (51 deg), which are the best modes, can be suppressed to 1.5 times or less, and the residual vibration can be suppressed. Can be reduced by half to converge the piezoelectric body to a desired voltage value.
[0046]
By mounting the above-described driving circuit of the ink jet head in the ink jet printer, an ink jet printer which is very inexpensive and has a high ink ejection pressure can be realized. That is, it is possible to provide an ink jet printer with high display quality at low cost.
[0047]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
An embodiment of the present invention will be described below. In this embodiment, a schematic configuration of an ink jet printer will be described, and then, a driving circuit of an ink jet head provided in the ink jet printer will be described in detail.
[0048]
FIG. 2 is a schematic perspective view of the ink jet printer according to the present embodiment.
[0049]
As shown in FIG. 2, the ink jet printer 10 includes a paper feeding unit (paper feeding device) 1, a separation unit (not shown), a transporting unit 2, a printing unit 3, and a discharging unit 4.
[0050]
The paper supply unit 1 supplies the recording paper S when printing is performed, and includes a paper supply tray 11 and a pickup roller 12. When printing is not performed, the function of storing the recording paper S is performed.
[0051]
The separation unit is for supplying the recording paper S supplied from the paper supply unit 1 to the printing unit 3 one by one, and includes a paper supply roller and a separation device. In this separation device, the friction between the pad portion (the contact portion with the recording paper S) and the recording paper S is set to be larger than the friction between the recording papers S. Further, in the paper feed roller, the friction between the paper feed roller and the recording paper S is set to be larger than the friction between the pad and the recording paper S and the friction between the recording papers S. Therefore, even if two recording papers S are sent to the separation section, the recording papers S can be separated by the paper feed roller and only the upper recording paper S can be sent to the transport section.
[0052]
The transport unit 2 transports the recording paper S supplied one by one from the separation unit to the printing unit 3, and includes a guide plate (not shown) and a pair of rollers (the transport press roller 14 and the transport roller). 15). When the recording sheet S is fed between the print head (ink-jet head) 13 and the platen 16, the roller pair rotates the recording sheet S so that the ink from the print head 13 is sprayed to an appropriate position on the recording sheet S. It is a member for adjusting the conveyance.
[0053]
The printing unit 3 is for printing on the recording paper S supplied from the roller pair of the transport unit 2, and includes a print head 13, a carriage 20 on which the print head 13 is mounted, and a guide for the carriage 20. The printing apparatus includes a guide shaft (carriage holding shaft) 21 which is a member, an ink cartridge 22 for supplying ink to the print head 13, and a platen 16 serving as a table for the recording paper S during printing. The ink cartridge 22 and a sub-ink tank (not shown) provided in the carriage 20 are connected to each other by an ink supply path (tube) 23. The sub ink tank is an ink tank provided for stably supplying the ink of the main ink cartridge 22 to the print head 13.
[0054]
The discharge unit 4 is for discharging the recording paper S on which printing has been performed to the outside of the inkjet printer 10, and includes a discharge roller (discharge rollers 18a and 18b) and a discharge tray 25.
[0055]
In the above configuration, the inkjet printer 10 performs printing by the following operation.
[0056]
First, a print request based on image information is transmitted to the inkjet printer 10 from a computer or the like (not shown). Upon receiving the print request, the inkjet printer 10 carries out the recording paper S on the paper supply tray 11 from the paper supply unit 1 by the pickup roller 12.
[0057]
Next, the transported recording paper S passes through the separation unit by the paper feed roller and is sent to the transport unit 2. In the transport unit 2, the recording paper S is transported between the print head 13 and the platen 16 by a pair of rollers (transport pressing roller 14 and transport roller 15).
[0058]
Then, in the printing unit 3, ink is sprayed onto the recording paper S on the platen 16 by the nozzles of the print head 13 in accordance with the image information. At this time, the recording paper S is temporarily stopped on the platen 16. While spraying ink, the carriage 20 is guided by the guide shaft 21 and is scanned by one line in the main scanning direction. When this is completed, the recording paper S is moved on the platen 16 by a certain width in the sub-scanning direction. In the printing unit 3, printing is performed on the entire surface of the recording sheet S by continuously performing the above-described processing according to the image information.
[0059]
The recording paper S on which printing has been performed is discharged to a discharge tray 25 by discharge rollers 18a and 18b of a discharge unit 4 through an ink drying unit (not shown). Thereafter, the recording paper S is provided to the user as a printed matter.
[0060]
With the above-described configuration and operation, the inkjet printer 10 can perform printing corresponding to image data on recording paper. The print head 13 used in the ink jet printer 10 includes a plurality of piezoelectric elements (capacitive loads) as ink discharging means for discharging ink, and controls a driving voltage applied to the piezoelectric elements. By doing so, the inkjet head can control the ink ejection amount.
[0061]
FIG. 1 is a diagram showing a driving circuit of the ink jet head, that is, a driving circuit of the print head 13.
[0062]
As shown in FIG. 1, the drive circuit 30 of the inkjet head applies a voltage to the piezoelectric element 31 as a capacitive load to deform the piezoelectric element 31 and reduce the amount of ink ejected from the print head 13. Control. To this end, the driving circuit 30 includes one capacitive load C 0 Is a capacitive load drive circuit provided with a piezoelectric element (piezo) 31 as a switching element, a plurality of switching elements SW1 to SW4 as switching means, resistors R11 to R14, and the like.
[0063]
That is, the drive circuit 30 sequentially connects a plurality of power supply terminals (including a power supply VH and the resistors R11 to R14) including a capacitor for charging and discharging electric charges, and a connection between the plurality of power supply terminals and the piezoelectric element 31. A switching element (switching elements SW1 to SW4) for switching, the connection being sequentially switched by the switching means, and a circuit element having an inductance in a charge / discharge path formed between the power supply terminal and the capacitive load. (Inductor L) is inserted.
[0064]
Specifically, the drive circuit 30 is a four-stage multi-tap type as shown in FIG. 1, and includes switching elements SW1 to SW4, resistors R11 to R14, power supply side capacitors C1 to C3, and a voltage divider. It includes resistors R1 to R3, surge killer diodes (diodes) 32a and 32b, and an inductor L.
[0065]
Switching elements SW1 to SW4 and resistors R11 to R14 are provided at each stage of the four-stage multi-tap, and between each stage, power supply side capacitors C1 to C3 as capacitors and a resistor R1 as a voltage divider are provided. To R3, and are connected to the power supply VH and the ground electrode on the side of the resistors R1 to R3.
[0066]
FIG. 1 shows a typical basic circuit of a driving circuit for an ink jet head according to the present invention. The resistances R11 to R14 are the ON resistances of the switching elements SW1 to SW4, respectively, and are not individually provided. Usually, since these switching elements are composed of semiconductor elements, the resistance at the time of ON is larger than that of a switch having mechanical contacts, and cannot be ignored in considering the operation of the drive circuit. In this figure, for convenience of description, a semiconductor switch is represented by a switch having mechanical contacts and a resistor. The capacitances (capacitances) of the power supply side capacitors C1 to C3 are sufficiently larger than the capacitances (capacitances) of the piezoelectric elements 31, and the driving voltage V1 is obtained even when electric charges are exchanged with the piezoelectric elements 31. , V2 have almost no voltage fluctuation.
[0067]
Here, the driving of the piezoelectric element 31 by the driving circuit 30 will be described.
[0068]
First, electric charges are accumulated in the power supply side capacitors C1 to C3 according to the resistors R1 to R3 as the voltage divider.
[0069]
When the switching element SW1 is ON, the piezoelectric element 31 is at the GND level and is in a completely discharged state. Next, by sequentially switching the ON state of the switching element to SW2 and SW3, electric charges are supplied from the power supply side capacitors C1, C2, and C3 to the piezoelectric element 31 and are boosted to the voltage V1 and V2 levels. Then, when the switching element SW4 is turned on, the same voltage VH as the power supply voltage is applied to the piezoelectric element 31. After that, by switching the ON state of the switching element to SW3, SW2, and SW1, the electric charge accumulated in the piezoelectric element 31 moves (recovers) to the power supply-side capacitors C3, C2, and C1 while the piezoelectric element 31 The voltage applied to the element 31 can be reduced to the ground level.
[0070]
As described above, the inkjet printer 10 according to the present embodiment includes the driving circuit 30 for the multi-tap capacitive load including the plurality of power supply side capacitors C1 to C3 for each piezoelectric element 31. In addition, the piezoelectric element 31 is driven while supplying the electric charge to the piezoelectric element 31 and collecting the electric charge to the power supply side capacitors C1 to C3. As a result, the electric charge once accumulated in the piezoelectric element 31 can be efficiently used, so that the drive power consumption of the piezoelectric element 31 can be reduced.
[0071]
Here, in the drive circuit 30 of the ink jet head (print head 13) included in the ink jet printer 10 of the present embodiment, an inductor L (having an inductance) is provided between the switching elements SW2 and SW3 and the piezoelectric element 31. Circuit element) is inserted.
[0072]
Accordingly, when the electric charge accumulated in the piezoelectric element 31 is collected by the power supply side capacitors C1 and C2, the inductor L collects the electric charge, so that the responsiveness of the piezoelectric element 31 can be improved. Conversely, the inductor L collects the charges stored in the power supply side capacitors C1 to C3, and the charges can be efficiently stored in the piezoelectric element 31. Therefore, in the inkjet printer 10 including the driving circuit 30 of the multi-tap type inkjet head, the rising speed (slew rate) and the falling speed of the driving voltage applied to the piezoelectric element 31 with a simple configuration, that is, the response speed Can be improved, and the piezoelectric element 31 can be driven at a sufficient response speed.
[0073]
Accordingly, a sufficient ink ejection pressure by the piezoelectric element 31 can be obtained, so that printing can be appropriately performed.
[0074]
FIG. 3 is a waveform diagram of a drive voltage applied to the piezoelectric element 31 in the drive circuit 30 and a diagram showing ON / OFF states of the switching elements SW1 to SW4 at that time. In this figure, the bold solid line in the waveform diagram of the drive voltage shows the voltage waveform of the drive voltage applied to the piezoelectric element 31 when the drive circuit 30 shown in FIG. 1 is operated. Similarly, a thin broken line indicates a case where there is no inductor L in FIG. Note that the state of the switching element SW when there is no inductor L is omitted. However, when there is no inductor L (when a thin broken voltage waveform is obtained in the drive waveform diagram), it is necessary to lengthen the ON time of the switching elements SW2 and SW3.
[0075]
From the drive waveform diagram shown in FIG. 3, the drive circuit 30 in which the inductor L is provided has the rising / falling speed of the drive voltage improved compared to the case where the inductor L is not provided. You can see that.
[0076]
The reason will be described in the case where the drive voltage is boosted from the GND level to the voltage V1.
[0077]
When the inductor L is not inserted, the rate of rise of the voltage decreases as the voltage rises from the GND level to the voltage V1 due to the charging characteristics of the CR series circuit composed of the resistor R12 and the piezoelectric element 31. (The thin broken line in FIG. 3). On the other hand, if there is an appropriate value of inductance (equivalent to the equivalent circuit (RLC circuit) shown in FIG. 4), the inductor L acts to maintain the current at each time. Although the current hardly flows, the voltage rises slowly, but when the current starts flowing, the voltage rises faster and can reach the voltage V1 quickly (the thick solid line in FIG. 3). Table 1 to be described later and FIGS. 5 to 7 show the results of examining the state of boosting per stage by changing the value of the inductor L.
[0078]
The same applies to the case where the drive voltage is stepped up from the voltage V1 to V2, the step down from the voltage VH to the voltage V2, and the step down from the voltage V2 to V1. However, when the voltage is increased from V2 to VH and when the voltage is decreased from V1 to GND, the voltage does not pass through the inductor L, so that the behavior is naturally the same as a thin broken line.
[0079]
In the drive circuit 30 of the present embodiment, as shown in FIG. 1, the inductor L is not inserted in the uppermost switching element SW4 and the lowermost switching element SW1. As a result, it is possible to prevent occurrence of latch-up or breakage of the drive circuit due to transient overshoot or undershoot of the drive voltage.
[0080]
Further, in the inkjet printer 10 of the present embodiment, when the driving circuit 30 drives the piezoelectric element 31, for example, when switching from the switching element SW <b> 1 to SW <b> 2, there is a period during which both SWs are in the ON state. Each switching element SW is switched.
[0081]
Thus, by suppressing a surge pulse generated when both SWs are turned off, it is possible to prevent latch-up and breakage of the drive circuit 30 from occurring. In addition, since the charging current of the previous stage SW becomes the initial current of the next stage SW, the rise time can be shortened.
[0082]
Further, between the terminal on the power supply voltage side of the inductor L, the ground electrode, and the power supply, surge killer diodes 32a and 32b which are normally reverse biased are inserted.
[0083]
Thus, even when adjacent switching switches are both turned off and a surge pulse is generated when the switching elements SW are switched in accordance with each other, the surge killer diodes 32a and 32b absorb the surge pulse, thereby latching the drive circuit 30. Up and breakage can be prevented.
[0084]
In the inkjet head drive circuit 30 provided in the inkjet printer 10 having the above configuration, the components R, L, and C are set so as to satisfy the following relationship.
[0085]
Here, in an RLC model circuit as shown in FIG. 4, an experiment was performed in which R was set to R = 50Ω and C = 400 pF, and L was changed to measure the time required to reach a desired voltage value of 5V.
[0086]
That is, the result of examining the charging characteristic of this one-stage circuit via the inductor L in FIG. 1 by changing the value of the inductor L with the RLC series circuit shown in FIG. 6 and 7.
[0087]
[Table 1]
Figure 2004306395
[0088]
Specifically, in FIG. 4, the time point when the switching element SW of the RLC series circuit whose one end is connected to the stable power supply Vin is turned on is set as the origin of the time axis, and the load side (the capacitor C side indicating the piezoelectric element) is set. The time when the voltage Vout reached 99% of Vin was measured. The results are Table 1, FIG. 6, and FIG. 7, as described above. FIG. 5 exemplarily shows voltage waveforms when L = 631 nH (the best result is obtained) in a case without inductance and in a case with inductance.
[0089]
From the above experimental results, it was found that the rising speed was the fastest (45.8 nsec) when L = 631 nH. From these results, under the above conditions, taking into account the margin for the best mode, if the allowable range is up to about 68 nsec, which is a 50% increase from 45.8 nsec which is the fastest rising speed, Table 1 and FIG. From (R 2 −4L / C) ≧ −29000, the rising speed can always be maintained in a high state.
[0090]
On the other hand, (R 2 With respect to the upper limit value of −4 L / C), it is possible to converge to a desired voltage value by using 0 as a reference at which an oscillating transient response is obtained.
[0091]
Therefore, under the condition of R = 50Ω and C = 400 pF, by setting the inductance component L so as to satisfy the following relational expression (1), it is possible to always maintain a high response speed.
[0092]
−29000 ≦ (R2-4L / C) ≦ 0 (1)
Further, the inductance component L is set so as to satisfy the following relational expression (2) or (3) for the general relations of R, L, and C regardless of the conditions for R and C. As a result, it is possible to obtain a drive circuit (capacitive load drive circuit) 30 for an ink-jet head in which the response speed is constantly improved.
[0093]
0.03 ≦ exp (−αTf) ≦ 0.62 (2)
0.63 ≦ Φ ≦ 1.3 (3)
The details of the above relational expressions (2) and (3) will be described later.
[0094]
The transient phenomena of R, L, and C can be expressed by the following equation when the switching element SW is turned on at t = 0 in the RLC circuit shown in FIG.
[0095]
L (dI (t) / dt) + RI (t) + (1 / C) ∫I (t) dt = e (t) (4)
Here, the initial voltage V of the capacitance C 0 , The initial current i of the inductor L 0 , The power supply voltage E, the terminal voltage Ec (t) of the capacitance C is
Ec (t) = E1 (t) + E2 (t) + V0 (5)
E1 (t) = (I 0 / C) (1 / b) exp (-αt) sin (βt) (6)
E2 (t) = (E−V 0 ) {1− (ω / β) exp (−αt) sin (βt + Φ)} (7)
(However, α = R / (2L), β = ω 2 −α 2 , Tf = (π−Φ) / β, ω 2 = 1 / (LC) and Φ = tan-1 (β / α). )
It becomes.
[0096]
On the other hand, if the current flowing through the capacitance C is I (t),
I (t) = I 1 (T) + I 2 (T) ... (8)
I 1 (T) = I 0 exp (−αt) cos (βt) (9)
I 2 (T) = [{E- (I 0 ・ R / 2)} / L] (1 / b) exp (−αt) sin (βt) (10)
(However, α = R / (2L), β = ω 2 −α 2 , Ω 2 = 1 / (LC), Φ = tan -1 (Β / α). )
From the above equations (4) to (10), normalized E1, E2, exp (−αt) (abbreviated as exp in the legend), sin (βt + Φ) (abbreviated as sinΦ in the legend), sin ( βt) (abbreviated as sin in the legend) is a graph as shown in FIG.
[0097]
As is clear from FIG. 8 and the above-described relational expressions (4) to (10), when the initial voltage and the initial current are zero, the timing at which the switching element is reached upon reaching the target voltage (timing at which the normalized E1 = 1) ), Sin (βt + Φ) = 0, and therefore βt + Φ = π. Various conditions may be set so that the rise time (switching time) Tf = (π−Φ) / β is reduced.
[0098]
Here, △ Tf / △ L was obtained and shown in FIG. 9 to evaluate the rise time Tf of the drive voltage based on the experimental results (R = 50Ω, C = 400 pF) shown in Table 1 as a reference. ◇ indicates Tf (first Y axis) and △ indicates △ Tf / △ L (second Y axis).
[0099]
In addition, when the resistance R is 10 times and 1/10 times, and the storage capacitance C of the capacitor is 10 times and 1/10 times, the inductors L and T E A solid line (first Y axis) indicating the relationship (ns) and a broken line (second Y axis) indicating the relationship with exp (−αT) are as shown in FIGS. 10 (a) to 10 (d).
[0100]
From the graph shown in FIG. 9, it can be seen that in the reference experiment setting, L> 316 (nH) may be set from the curve of ΔTf / ΔL. Further, it is shown from the curve of Tf that the switching time can be almost minimized by setting 631 (nH) <L <1259 (nH).
[0101]
However, as shown in FIGS. 10 (a) to 10 (d), when the resistance R and the storage capacitance C of the capacitor change to 10 times and 1/10 times, the optimum inductance changes to 10 times and 1/10 times. However, it can be seen that the graphs showing the conditions show almost the same tendency.
[0102]
Table 2 summarizes the graphs shown in FIGS. 9, 10 (a) to 10 (d).
[0103]
[Table 2]
Figure 2004306395
[0104]
From Table 2, the value of L at which the response speed becomes the shortest, the resonance frequency ω at that time, the period Tω, and the like change in digits, but Φ (rad) and exp (−αTf) do not change, and are constant. It turns out that it becomes.
[0105]
From this, it can be understood that setting Φ or exp (−αTf) so as to fall under a certain condition always provides a response speed close to the best mode.
[0106]
Then, by changing the other conditions at L = 631 nH, which is the best mode, and obtaining a conditional expression for Φ and exp (−αTf) with an upper limit of 50% increase of the best mode, the following relational expression is obtained from Table 3. (2) and (3) can be derived.
[0107]
[Table 3]
Figure 2004306395
[0108]
0.03 ≦ exp (−αTf) ≦ 0.62 (2)
0.63 ≦ Φ ≦ 1.3 (3)
By satisfying the above-mentioned relational expressions (2) and (3), driving of an ink-jet head with a constantly improved response speed in the general relationship of R, L and C regardless of the conditions of R and C A circuit (capacitive load drive circuit) 30 can be obtained.
[0109]
In the above-described ink jet printer 10, the same effects can be obtained by using the drive circuit 40 shown in FIG. 11 and the drive circuit 50 shown in FIG. 12 in addition to the circuit shown in FIG. Can be.
[0110]
That is, in FIG. 1, the energy recovery capacitor is connected between adjacent potentials divided by the ladder resistors (R1 to R3), whereas in FIG. 12, the energy recovery capacitor is connected by the ladder resistors (R1 to R3). Although there is a difference in configuration between the divided potential and connection to GND, the functions and effects are the same.
[0111]
Therefore, by mounting the above-described drive circuit 31 of the inkjet head on the inkjet printer 10, an inkjet printer that is very inexpensive and has a high ink ejection pressure can be realized. That is, it is possible to provide an ink jet printer with high display quality at low cost.
[0112]
In the present embodiment, an inductor as a fixed coil is used as the above-described inductance element. However, the present invention is not limited to this. For example, an electromagnetic material such as ferrite or a parasitic inductor of a wiring is used. It is possible to use a wire whose length is intentionally increased.
[0113]
Each of the drive circuits shown in FIGS. 1, 11, and 12 has three stages (n = 3), but is not limited to this. If two or more stages (n ≧ 2), Thus, the effects of the present invention can be obtained.
[0114]
In each of the drive circuits of the present embodiment, an example is shown in which no inductance element is inserted in the first stage charge / discharge path, but an inductance element may be inserted in all stages of the charge / discharge path. In this case, problems such as overshoot and undershoot of the drive voltage may occur.However, in order to reduce power consumption, when a plurality of stages of charge / discharge paths are provided, compared with a case where no inductance element is inserted at all, The response speed of the driving voltage increases.
[0115]
The present invention is not limited to the embodiments described above, and various modifications are possible within the scope shown in the claims, and embodiments obtained by appropriately combining technical means disclosed in different embodiments. Is also included in the technical scope of the present invention.
[0116]
【The invention's effect】
As described above, the drive circuit of the inkjet head according to the present invention includes, in the drive circuit of the inkjet head having a capacitive load as an ink discharge unit, a plurality of power supply terminals including a capacitor for charging and discharging electric charges, A switching means for sequentially switching the connection between the power supply terminal and the capacitive load, and a charge / discharge path formed between the power supply terminal and the capacitive load, the connection being sequentially switched by the switching means, In this configuration, a circuit element having an inductance is inserted.
[0117]
Therefore, by inserting a circuit element having an inductance (hereinafter, referred to as an inductance element) into a charge / discharge path sequentially formed between the power supply terminal and the capacitive load by sequentially switching the connection by the switching means, Bluntness existing at the rise of the drive voltage is eliminated, and the rise time (charge time) of the drive voltage can be reduced.
[0118]
Further, when a plurality of stages are sequentially switched to charge / discharge to a final drive voltage (amplitude), if the inductance is shared, the last charge / discharge current of the previous stage (previous charge / discharge path) becomes the next stage. Since the current is taken over as the initial current of the (next charge / discharge path), the charge / discharge can be continued without pausing for switching. Therefore, the charge / discharge transition time of the total drive voltage can be minimized, and the charge / discharge speed can be improved.
[0119]
Because of these, it is possible to reduce the time required for the exchange of electric charge between the power supply terminal having the capacitor and the capacitive load, so that compared to the case where the inductance element is not inserted in the charge and discharge paths of all stages, The rise and fall of the drive voltage can be made steeper.
[0120]
Therefore, the responsiveness of the drive voltage is improved, so that the ink ejection pressure under the capacitive load can be increased. In addition, since it is possible to improve the response of the driving voltage without reducing the on-resistance of the switching element, it is possible to increase the ink ejection pressure while suppressing cost while maintaining low power consumption. This has the effect.
[0121]
As the above-mentioned inductance element, for example, it is possible to use an inductor as a fixed coil, an electromagnetic material such as ferrite, or a wire whose length is intentionally increased in order to use a parasitic inductor of the wire.
[0122]
Further, the inductance element may be inserted between the switching means and the capacitive load.
[0123]
In this case, since the inductance element is inserted between the switching means for switching the plurality of charge / discharge paths and the capacitive load, it is not necessary to insert the inductance element for each charge / discharge path, and the necessary charge / discharge path is not required. Is connected to one inductance element via the switching means, it is possible to use a common member. As a result, there is an effect that the circuit configuration of the drive circuit can be simplified.
[0124]
Further, when the resistance component of the power terminal is R (Ω), the inductance component of the inductance element is L (nH), and the capacitance component of the capacitor is C (F), R = 50Ω and C = 400 pF, The inductance component L may be set so as to satisfy the following relational expression (1).
[0125]
−29000 ≦ (R 2 −4 · L / C) ≦ 0 (1)
Thereby, as a general condition of the RLC circuit composed of the resistance component (R component), the inductance component (L component), and the capacitance component (C component), for example, it is adopted as an R component of a switching unit such as an analog switch. Under the condition of the ON resistance value R = 50Ω and the capacitance component C = 400 pF, by setting L (nH) of the inductance component so as to satisfy the above relational expression (1), the vibration having appropriate damping is obtained. The voltage can be converged to a desired voltage through a transient response, and a rise time less than 1.5 times as fast as the fastest rise speed can be obtained.
[0126]
That is, from the experimental results, (R = 631 nH) 2 −4 · L / C) = − 3810, the fastest rising speed Tf = 46 ns is obtained, and (R 2 Under the condition of −4 · L / C) ≧ −29,000 nH (L ≦ 3.15 μH), the rise time can be suppressed to less than 69 ns, which is 1.5 times Tf = 46 ns, and high-speed response can be achieved. Will be possible.
[0127]
As a result, a high-speed transient response can be obtained, and the capacitive load can be converged to a desired voltage value.
[0128]
Further, the circuit element having the above-described inductance may not be inserted in the uppermost charge / discharge path and the lowermost charge / discharge path.
[0129]
When a circuit element having inductance (inductance element) is inserted, the driving voltage transiently overshoots and undershoots, and the driving voltage becomes unstable and exceeds the power supply voltage range of the driving circuit. Latch-up or breakage of the circuit occurs.
[0130]
Therefore, by preventing the circuit element having the above-described inductance from being inserted into the uppermost charge / discharge path and the lowermost charge / discharge path, the drive voltage is prevented from being transiently overshoot or undershoot, Latch-up and breakage of the drive circuit can be prevented.
[0131]
Further, the switching means switches the connection between the power supply terminal and the capacitive load such that an arbitrary charge / discharge path and a charge / discharge path formed next to the charge / discharge path have a period in which the charge / discharge path exists simultaneously. You may do so.
[0132]
In this case, since there is a period in which two charge / discharge paths that are formed continuously exist at the same time, a surge pulse generated when no charge / discharge path is formed when charging a capacitive load is generated. And the occurrence of latch-up and breakage of the drive circuit can be prevented.
[0133]
Further, since the current flowing in the charge / discharge path in the preceding stage can be used as the initial current in the charge / discharge path in the next stage, the rise time of the drive voltage can be shortened.
[0134]
Further, a diode which normally has a reverse bias may be inserted between the power supply terminal side wiring of the inductance element and the power supply and the ground electrode.
[0135]
In this case, when a connection between a certain power supply terminal and a capacitive load is released by a diode inserted between the power supply terminal side wiring of the inductance element and the power supply and the ground electrode, the inductance element is connected to the power supply terminal. It is possible to absorb a surge pulse generated by a current that is about to flow. As a result, there is an effect that the latch-up or breakage of the drive circuit due to the generation of the surge pulse can be prevented.
[0136]
When the resistance component of the power terminal is R (Ω), the inductance component of the inductance element is L (nH), and the capacitance component of the capacitor is C (F), the following relational expression (2) or (3) ) May be set as the inductance component L.
[0137]
0.03 ≦ exp (−α · Tf) ≦ 0.62 (2)
0.63 ≦ Φ ≦ 1.30 (3)
(However, α = R / 2 · L, ω 2 = 1 / LC, β = ω 2 −α 2 , Φ = tan -1 (Β / α), Tf = (π−Φ) / β. )
As a result, exp (-a · Tf) ≒ 0.16, Tf ≒ 46 ns, and ≒ 0.89 (51 deg), which are the best modes, can be suppressed to 1.5 times or less, and the residual vibration can be suppressed. Is reduced by half, and the piezoelectric body can be converged to a desired voltage value.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram showing a driving circuit of an inkjet head according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic perspective configuration diagram of an ink jet printer.
FIG. 3 is a diagram showing a relationship between a drive waveform diagram of the drive circuit shown in FIG. 1 and ON / OFF states of each switching element.
FIG. 4 is a circuit diagram showing an RCL series circuit in which an R component, an L component, and a C component are connected in series in the drive circuit shown in FIG. 1;
FIG. 5 is a graph showing charging characteristics depending on the presence or absence of an inductor in a driving circuit of an inkjet head.
6 is a graph showing a result of measuring a required time of a voltage arrival rate when an L component is changed in the RCL series circuit shown in FIG. 4;
FIG. 7 is a graph of another example showing a result of measuring a required time of voltage arrival rate when an L component is changed in the RCL series circuit shown in FIG. 4;
8 is a graph showing a relationship between a current value flowing through an inductor and a voltage applied to a capacitor under each condition in the RCL series circuit shown in FIG. 4;
9 is a graph for evaluating a rise time of a drive voltage in the RCL series circuit shown in FIG. 4;
FIGS. 10A to 10D are graphs showing comparative examples of evaluation of the rise time of the drive voltage shown in FIG.
FIG. 11 is a circuit diagram showing another example of the driving circuit of the inkjet head of the present invention.
FIG. 12 is a circuit diagram showing still another example of the driving circuit of the inkjet head of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Paper feed unit
2 Transport section
3 printing section
4 discharge section
10 Inkjet printer
11 Paper tray
12 Pickup roller
13 Print head
16 Platen
18a / 18b discharge roller
20 carriage
21 Guide shaft
22 Ink cartridge
23 Ink supply path
25 discharge tray
30 Drive circuit
31 Piezoelectric element (capacitive load)
32a / 32b Surge killer diode (diode)
40 drive circuit
50 drive circuit
C1-C3 Power supply side capacitor (capacitor, capacitance component)
E Power supply voltage (power supply terminal)
L Inductor (circuit element having inductance, inductance component)
R11 to R14 Resistance (resistance component)
SW1 to SW4 switching element (switching means)
Tf rise time
Tω period
V 1 Voltage (drive voltage)
V 2 Voltage (drive voltage)
VH power supply

Claims (8)

インク吐出手段として容量性負荷を備えたインクジェットヘッドの駆動回路において、
容量性負荷との間で電荷の充放電を行なう複数のキャパシタと、
上記複数のキャパシタの一端を電源端子とし、
上記複数の電源端子と上記容量性負荷との接続を順次切り替える切替手段とを有し、
上記切替手段によって接続が順次切り替えられて上記電源端子と上記容量性負荷との間で形成される充放電経路に、インダクタンスを有する回路素子が挿入されていることを特徴とするインクジェットヘッドの駆動回路。
In a driving circuit of an ink jet head having a capacitive load as an ink discharging means,
A plurality of capacitors for charging and discharging electric charge with a capacitive load;
One end of the plurality of capacitors is a power terminal,
Switching means for sequentially switching the connection between the plurality of power terminals and the capacitive load,
A drive circuit for an inkjet head, wherein a circuit element having an inductance is inserted in a charge / discharge path formed between the power supply terminal and the capacitive load by sequentially switching connections by the switching means. .
上記インダクタンスを有する回路素子は、上記切替手段と上記容量性負荷との間に挿入されていることを特徴とする請求項1に記載のインクジェットヘッドの駆動回路。2. The driving circuit according to claim 1, wherein the circuit element having the inductance is inserted between the switching unit and the capacitive load. 上記電源端子の抵抗成分をR(Ω)、上記インダクタンスを有する回路素子のインダクタンス成分をL(nH)、上記キャパシタのキャパシタンス成分をC(F)とし、R=50Ω、C=400pFの条件下において、下記の関係式(1)を満たすようにインダクタンス成分Lを設定することを特徴とする請求項1に記載のインクジェットヘッドの駆動回路。
−29000≦(R−4・L/C)≦0・・・・・(1)
The resistance component of the power terminal is R (Ω), the inductance component of the circuit element having the inductance is L (nH), the capacitance component of the capacitor is C (F), and R = 50Ω and C = 400 pF. 2. The driving circuit according to claim 1, wherein the inductance component L is set so as to satisfy the following relational expression (1).
−29000 ≦ (R 2 −4 · L / C) ≦ 0 (1)
上記複数の電源端子のうち、最上位の電源および最下位の電源の充放電経路には、上記インダクタンスを有する回路素子が挿入されていないこと特徴とする請求項1に記載のインクジェットヘッドの駆動回路。2. The ink jet head drive circuit according to claim 1, wherein the circuit element having the inductance is not inserted in a charge / discharge path of an uppermost power supply and a lowermost power supply among the plurality of power supply terminals. . 上記切替手段は、任意の充放電経路とこの充放電経路の次に形成される充放電経路とが同時に存在する期間を有するように、電源端子と容量性負荷との間の接続を切り替えることを特徴とする請求項1に記載のインクジェットヘッドの駆動回路。The switching unit switches the connection between the power supply terminal and the capacitive load so that an arbitrary charge / discharge path and a charge / discharge path formed next to the charge / discharge path have a period in which the charge / discharge path exists simultaneously. The driving circuit for an ink-jet head according to claim 1. 上記インダクタンスを有する回路素子の電源端子側配線と電源および接地電極との間には、逆バイアスとなるダイオードが挿入されていることを特徴とする請求項1に記載のインクジェットヘッドの駆動回路。2. The driving circuit according to claim 1, wherein a diode serving as a reverse bias is inserted between the power supply terminal side wiring of the circuit element having the inductance and the power supply and the ground electrode. 上記電源端子の抵抗成分をR(Ω)、上記インダクタンスを有する回路素子のインダクタンス成分をL(nH)、上記キャパシタのキャパシタンス成分をC(F)としたとき、下記の関係式(2)または(3)を満たすようにインダクタンス成分Lを設定することを特徴とする請求項1に記載のインクジェットヘッドの駆動回路。
0.03≦exp(−α・Tf)≦0.62・・・・・(2)
0.63≦Φ≦1.30 ・・・・・(3)
(ただし、α=R/2・L,ω=1/L・C,β=ω−α,Φ=tan−1(β/α),Tf=(π−Φ)/βとする。)
When the resistance component of the power supply terminal is R (Ω), the inductance component of the circuit element having the inductance is L (nH), and the capacitance component of the capacitor is C (F), the following relational expression (2) or ( 2. The driving circuit according to claim 1, wherein the inductance component L is set so as to satisfy (3).
0.03 ≦ exp (−α · Tf) ≦ 0.62 (2)
0.63 ≦ Φ ≦ 1.30 (3)
(However, α = R / 2 · L, ω 2 = 1 / LC, β = ω 2 −α 2 , Φ = tan −1 (β / α), Tf = (π−Φ) / β .)
請求項1〜7の何れかに記載のインクジェットヘッドの駆動回路を搭載したことを特徴とするインクジェットプリンタ。An ink-jet printer comprising the ink-jet head drive circuit according to claim 1.
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