JP2010011668A - サーマル印字ヘッドへの周期的電源供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】印字の高速化を実現し、且つ、継続的な電流のサポートを効率的に図ることのできるサーマル印字ヘッドへの周期的電源供給装置を提供する。
【解決手段】電池１に電気二重層コンデンサ４を並列に接続し、電池と電気二重層コンデンサとが共同してサーマル印字ヘッド１３に放電電流を流す放電期間と、電池が電気二重層コンデンサを充電する充電期間とからなる周期を設定し、該周期から求められる周波数での交流インピーダンスが電池とマッチングする電気二重層コンデンサを選定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、サーマルプリンタのサーマル印字ヘッドへ周期的に直流電源を供給する周期的電源供給装置に関するものである。

ハンディコンピュータに内蔵されるサーマルプリンタや、ハンディコンピュータとは別体で、電気的に接続されて使用される携帯型のサーマルプリンタには、サーマル印字ヘッドが具備されている。これらのサーマル印字ヘッドには例えばリチウムイオン電池より直流電流が供給されるが、一般的には電池容量の２倍程度が最大放電電流と規定されている。

このようなサーマル印字ヘッドの一般的な構成としては、図８に示されるように、ドット＃１からドット＃１２８０までの発熱体１０１が一列に並んでおり、数ドット単位（図８では１２８ドット単位）で１ブロックとしてゲート１０２により区分され、ブロック毎に制御されている。

例えば、１ブロックを１２８ドットの発熱体１０１で構成し、全１０ブロックに構成した場合、発熱体１０１の抵抗値を２５８Ω、ヘッド電圧を８Ｖとすると、
８Ｖ／２５８Ω＝０．０３１Ａ
１ドットの消費電流＝３１ｍＡ
４．０Ａ（電池最大放電電流）／３１ｍＡ＝１２８ドット
となる。

つまり、１度に制御できる発熱体１０１が１２８ドットとなり、１列印字するのに１０回に分けて制御する必要がある。

ところで、従来、電池に並列に電気二重層コンデンサを補助電源として接続することが知られている（特許文献１、特許文献２）。

特許文献１に記載の発明は、電気二重層コンデンサからの電力供給アシストに基づいて、負荷の消費電力変動時のバッテリ出力電圧の変動を抑制できる高性能な電源システムを提供することを目的とするものである。そのために、少なくとも、電気二重層コンデンサと電流スイッチが直列接続された回路要素が、主バッテリと並列接続されており、さらに、主バッテリの出力電圧を経時的に監視する手段と、所定の閾値電圧を発生する手段と、主バッテリの出力電圧と閾値電圧の比較結果に基づく適切なタイミングで電流スイッチを高抵抗状態から低抵抗状態に切り換える制御手段とを有している。

また、特許文献２に記載の発明は、 過渡的充放電動作が課される二次蓄電池を確実にアシスト可能な仕様定格を有するコンデンサを備えた二次蓄電池アシスト回路を得ることを目的とするものである。そのために、所定パターンの過渡的充電または放電電力エネルギーをＥｇｃ（Ｊ）、二次蓄電池の起電電圧をＶｏ（Ｖ）、二次蓄電池の許容電圧変動率をＶｒとしたとき、コンデンサの静電容量Ｃｃ（Ｆ）をＣｃ≧Ｅｇｃ／（Ｖｏ^２・Ｖｒ）の式で設定したもので、二次蓄電池の電圧変動をその許容範囲内に確実に収めることができる。
特開２００１−３５９２４４号公報 特開２００７−２８２３４７号公報

上述したように、サーマルプリンタにおいては、１列印字するのに１０回に分けて制御する必要がある。したがって、サーマルプリンタに対する印字の高速化の要望にはこの点が障害となっていた。

印字の高速化を実現するために、サーマルプリンタの電池に並列に電気二重層コンデンサを接続することが考えられる。

しかしながら、サーマル印字ヘッドへ周期的に直流電源を供給するのに、どのような電気二重層コンデンサをどのようにして選定したら、継続的に電流をサポートすることができるかが未知の問題であった。

（本発明の目的）
本発明の目的は、印字の高速化を実現し、且つ、継続的な電流のサポートを効率的に図ることのできるサーマル印字ヘッドへの周期的電源供給装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明は、電池を電源として用いて、サーマル印字ヘッドへ周期的に直流電源を供給するサーマル印字ヘッドへの周期的電源供給装置において、前記電池に電気二重層コンデンサを並列に接続し、前記電池と前記電気二重層コンデンサとが共同して前記サーマル印字ヘッドに放電電流を流す放電期間と、前記電池が前記電気二重層コンデンサを充電する充電期間とからなる周期を設定し、前記周期から求められる周波数での交流インピーダンスが前記電池とマッチングする電気二重層コンデンサを選定することを特徴とするものである。

本発明によれば、印字の高速化を実現し、且つ、継続的な電流のサポートを効率的に図ることができる。

本発明を実施するための最良の形態は後述する実施例１及び２に記載の通りである。

図１は本発明の実施例１である電源供給装置を含むサーマルプリンタのプリンタ回路構成を示す。１は着脱式のリチウムイオン電池などの電池、２はサポート回路、３は電源回路である。サポート回路２は、電気二重層コンデンサ４、定電流回路５、第１スイッチ６、第２スイッチ７を有する。電気二重層コンデンサ４は電池１と交流インピーダンスがマッチングするように選定され、電池１に並列に接続されたものである。定電流回路４は電池１から電気二重層コンデンサ４や負荷に流れる電流を定電流に抑えるものである。第１スイッチ６は電気二重層コンデンサ４の入力側をオン／オフするスイッチ、第２スイッチ７は電気二重層コンデンサ４の負荷側をオン／オフするスイッチである。電池１とサポート回路２が電源供給装置を構成する。

電源回路３は、制御回路用電源回路８、モータ用電源回路９、サーマル印字ヘッド用電源回路１０を有する。制御回路用電源回路８はサポート回路２の出力電圧を制御回路１１に適した電圧に変換する。モータ用電源回路９はサポート回路２の出力電圧を感熱紙ローラを回転させるモータ１２に適した電圧に変換する。サーマル印字ヘッド用電源回路１０はサポート回路２の出力電圧をサーマル印字ヘッド１３に適した電圧を変換する。サーマル印字ヘッドには図８に示されるように数ブロックに区分されてブロック毎に順次直流電源電力が供給される。１４はハンディコンピュータと接続するための有線・無線インターフェイスである。

サーマルプリンタの動作としては、ハンディコンピュータより有線・無線インターフェイス１４を経て入力されたデータを制御回路１１が解析し、モータ１２及びサーマル印字ヘッド１３を制御して、印刷を行わせる。

次に電池１に対して電気二重層コンデンサ４をどのように選定するかについて説明する。

（１）モデルピークの作成
まず、電池１のみを電源として用いて（電気二重層コンデンサ４を用いない）所定の仕様で印刷を行う。この実施例１では、電池１と電気二重層コンデンサ４の放電電流の負担比率を１／２ずつとしている。

図２の波形は、プリンタで制限されている最大の印字率にて印刷を行ったときの電圧波形の包絡線（実線）と電流波形の包絡線（点線）である。規制されている最大の印字率は、１００％の印字率で真っ黒とすると、例えば１２．５％にしている。そして、０．４Ａ以上の電流をピークとして分析している。

図３の波形は、電流波形の一部を抜き出し、拡大表示したものである。この電流波形をベースに電流のピークの始点、終点の取り決めを行い、図２の電流波形の全ピークについてピーク幅、ピーク数、ピーク時間、占有率の解析を行い、平均的なピークを算出する。

そして、図４に示されるようなモデルピークを作成する。図４に示される斜線部分が電気二重層コンデンサ４で補う部分である。１周期が、３ｍｓｅｃの放電期間と同じく３ｍｓｅｃの充電期間からなる。つまり、１周期は、電池１と電気二重層コンデンサ４とが共同してサーマル印字ヘッド１３に放電電流を流す放電期間と、電池１が電気二重層コンデンサ４を充電する充電期間とからなる。この周期から周波数が求められ、設定される。印刷区間は任意のテストの区間である。２Ａ以上電流容量はモデルピークでの放電容量であり、充電可能容量は充電容量となる。

（２）電池１の交流インピーダンスの測定
図５は電池１の交流インピーダンスを測定するためのコールコールプロット図である。周波数を変えながら交流電流を流して、サンプルである電池１の交流インピーダンスを測定するというものである。横軸Ｚ’が抵抗率の実部で、縦軸Ｚ”が抵抗率の虚部（負）である。

（３）電気二重層コンデンサ４の選定手順
１．電池１の交流インピーダンス測定結果からモデルピーク時の交流インピーダンス値を測定する。

１周期６．０ｍｓｅｃより周波数をｆ＝１／ｔ＝１６６Ｈｚと算出する。１６６Ｈｚの時の交流インピーダンスは、２４５ｍΩとなる。

２．電池１のインピーダンスから電気二重層コンデンサ４のマッチングするインピーダンスを算出する。

電気二重層コンデンサ４の耐電圧値が２．５Ｖ、電池電圧のＭＡＸが１２．６Ｖ（４．２Ｖ×３本）とすると、電気二重層コンデンサ４の耐電圧を上げるために直列接続が必要となり、１２．６Ｖ／２．５Ｖ＝５．０４から、電気二重層コンデンサ４は６本必要になる。

よって、電気二重層コンデンサ４の１本あたりのインピーダンスは、２４５ｍΩ／６本＝４０ｍΩとなる。

３．モデルピークから電気二重層コンデンサ４の必要容量を算出する。そのために、まず、モデルピークの半分を電気二重層コンデンサ４でサポートすることを前提に計算を行う。

モデルピーク電流：４Ａ／２＝２Ａ
電圧降下量：１．１６Ｖ／２＝０．５８Ｖ／６本＝０．０９６Ｖ
電気二重層コンデンサ４の電圧降下は、ＩＲ損＋容量損の和となり、下記の計算式から電気二重層コンデンサ４の容量計算（コンデンサ容量→ＣａＦと略す）を行う。

０．０９６Ｖ＝２Ａ×４０ｍΩ＋２Ａ×６ｍｓｅｃ／ＣａＦ
ＣａＦ＝０．７５Ｆ
４．上記にて算出されたインピーダンス４０ｍΩ（１６６Ｈｚ時）、容量０．７５Ｆに近い電気二重層コンデンサ４を選定し、実機に取り付けて効果を確認する。効果確認の結果を図６に示す。図７は電気二重層コンデンサ４を用いない場合の電圧波形（実線）及び電流波形（点線）を示し、図６は交流インピーダンスマッチングした電気二重層コンデンサ４を用いた場合の電圧波形（実線）、電池電流波形ＢＡＴＩ及びコンデンサ電流波形ＣＡＰＩを示す。図７と対比した図６から明らかなように、電池１からの電流ピークが４Ａ程度（図７）であったのに対して、電池電流波形ＢＡＴＩの電流ピークは２Ａ程度（図６）に減少している。つまり、ピークカットができた。

なお、図６で、コンデンサ電流波形ＣＡＰＩが０より小さくなっている期間は充電期間を示している。

電池電流波形ＢＡＴＩとコンデンサ電流波形ＣＡＰＩで差が発生している理由としては、電源回路３の全体をサポートしているために印字休止時でも制御回路１１やモータ１２に電源供給しているために差異が発生している。サポート回路２をサーマル印字ヘッド用電源回路１０の出力側に接続した場合には、差が無い、同一の波形になる。つまり、サポート回路２をサーマル印字ヘッド用電源回路１０の出力側に接続しても良い。

実施例１では、電池１と電気二重層コンデンサ４の負担比率を１／２ずつとしているが、実施例２は、電池１と電気二重層コンデンサ４の負担比率を２／３と１／３としている。実施例２でも、プリンタ回路構成は同じである。

電気二重層コンデンサ４の選定手順が実施例１と異なる。

電池１の交流インピーダンス測定結果からモデルピーク時の交流インピーダンス値を測定するのは実施例１と同じである。

電池１のインピーダンスから電気二重層コンデンサ４のマッチングするインピーダンスを算出する際に、電気二重層コンデンサ４が１／３をサポートするので、電池１の交流インピーダンスの２倍に電気二重層コンデンサ４のインピーダンスを設定する。つまり、２４５ｍΩ×２倍／６本＝８２ｍΩを電気二重層コンデンサ４のインピーダンスとする。

そして、モデルピークの１／３を電気二重層コンデンサ４でサポートすることを前提に計算を行う。

モデルピーク電流：４Ａ／３＝１．３Ａ
電圧降下量：１．１６Ｖ×２／３＝０．７７Ｖ／６本＝０．１２９Ｖ
電気二重層コンデンサ４の電圧降下は、ＩＲ損＋容量損の和となり、下記の計算式から電気二重層コンデンサ４の容量計算（コンデンサ容量→ＣａＦと略す）を行う。

０．１２９Ｖ＝１．３Ａ×８２ｍΩ＋１．３Ａ×６ｍｓｅｃ／ＣａＦ
ＣａＦ＝０．３５Ｆ
上記にて算出されたインピーダンス８２ｍΩ（１６６Ｈｚ時）、容量０．３５Ｆに近い電気二重層コンデンサ４を選定する。つまり、電気二重層コンデンサ４を選定する際に、電池１と電気二重層コンデンサ４の放電電流の負担比率に応じて、電池１とマッチングする交流インピーダンスを変更する。

上述したように、電気二重層コンデンサ４が１／３負担の場合の電気二重層コンデンサ４のコンデンサ容量は、１／２負担の場合の半分となる。

本発明の実施例１であるである電源供給装置を含むサーマルプリンタのプリンタ回路構成を示すブロック図である。 電気二重層コンデンサを用いない場合の電圧波形、電流波形を示す図である。 同じく電気二重層コンデンサを用いない場合の電流波形の詳細を示す図である。 図２及び図３に基づいて作成されるモデルピークを示す図である。 電池１の交流インピーダンスを測定するためのコールコールプロット図である。 本発明の実施例１の効果確認をするための波形図である。 電気二重層コンデンサを用いない場合の図６に対応する波形図である。 サーマル印字ヘッドの一般的な構成を示す図である。

符号の説明

１ 電池
２ サポート回路
４ 電気二重層コンデンサ
１３ サーマル印字ヘッド

Claims (2)

1. 電池を電源として用いて、サーマル印字ヘッドへ周期的に直流電源を供給するサーマル印字ヘッドへの周期的電源供給装置において、
   前記電池に電気二重層コンデンサを並列に接続し、
   前記電池と前記電気二重層コンデンサとが共同して前記サーマル印字ヘッドに放電電流を流す放電期間と、前記電池が前記電気二重層コンデンサを充電する充電期間とからなる周期を設定し、
   前記周期から求められる周波数での交流インピーダンスが前記電池とマッチングする電気二重層コンデンサを選定することを特徴とするサーマル印字ヘッドへの周期的電源供給装置。
2. 前記電気二重層コンデンサを選定する際に、前記電池と前記電気二重層コンデンサの放電電流の負担比率に応じて、前記電池とマッチングする交流インピーダンスを変更することを特徴とする請求項１に記載のサーマル印字ヘッドへの周期的電源供給装置。

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